JP4646093B2 - 窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温での温度特性が優れた窒化物半導体から構成され、表示素子やディスプレイ、光ディスク等の光源として用いられる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、窒化物半導体は、発光素子やハイパワーデバイスの材料として利用または研究されている。例えば、発光素子の場合には、それを構成する組成を調整することにより、技術的には青色から橙色までの幅広い発光が可能な素子として利用することができる。その特性を利用して、近年では、青色発光ダイオードや緑色発光ダイオード等の実用化がなされており、さらに、窒化物半導体レーザ素子として青紫色半導体レーザーが開発されてきている。
【０００３】
このうち、窒化物半導体レーザ素子については、ＳｉＯ2を用いた選択成長技術を応用して、結晶内の転位密度を低減させたものが、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８） ｐ２１１−ｐ２１３に報告されている。この報告では、ｎ型ＧａＮ膜上にＳｉＯ2からなる選択成長マスクを形成し、さらにその上にｎ型ＧａＮ膜を再成長してＳｉＯ2マスクを被覆して平坦な表面を作製し、そのＳｉＯ2マスクの被覆部上にレーザ構造を形成している。この手法を用いることにより、レーザ素子内の欠陥を低減してレーザ素子特性を向上させている。
【０００４】
さらに、半導体レーザ素子の動作電流の低減および水平横モード（活性層に水平な方向）の安定化のために、従来、図１５に示すような構造の半導体レーザ素子が使用されている。この半導体レーザ素子は、基板１０、低温バッファー層１１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４、活性層１５、ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９、絶縁性膜２０、ｎ型電極２１およびｐ型電極２２から構成されている。但し、上記Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８） ｐ２１１−ｐ２１３の報告では、ｎ型コンタクト層１２にＳｉＯ2マスクが挿入され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３の代わりにＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子によるクラッド層が形成されている。
【０００５】
このようなレーザ構造はリッジストライプ構造と呼ばれている。このリッジストライプ構造によれば、ストライプ電極の幅Ｗｐを約２μｍ前後に狭くし、ｐ型光ガイド層１７の近くまでｐ型クラッド層１８を堀り下げることにより活性層１５への電流注入を狭窄し、レーザの動作電流の低減を図ることができる。また、ｐ型光ガイド層１７の近くまで掘り下げた領域２４とリッジストライプ領域２３とにおいて、活性層１５の等価屈折率に差が生じて水平横モードが閉じ込められるので、単一（単峰）水平横モードの安定化を図ることができる。
【０００６】
一方、垂直横モード（活性層に垂直な方向）については、上述のリッジストライプ型レーザ構造を含む一般の窒化物半導体レーザ素子において、安定した単一（単峰）モードを得るために、クラッド層中の平均Ａｌ組成比を高くするか、またはクラッド層の厚みを厚くして垂直横モード光が漏れないようにする方法が採用されている。特に、後者の方法では、ｎ型クラッド層の層厚が薄いと、基板とｎ型クラッド層との間のｎ型コンタクト層内に垂直横モード光が漏れ出してしまう。この漏れ出した垂直横モード光は、クラッド層（例えばｎ型ＡｌＧａＮクラッド層）の外側に、そのクラッド層の等価屈折率よりも屈折率が大きい層（例えば膜厚０．３μｍ以上のＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層）が設けられている場合、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）において、広角側にサブピークを出現させて垂直横モードの単峰性を損なう。図１６（ｂ）および図１７（ｂ）に従来の窒化物半導体レーザ素子におけるＮＦＰ（ニアフィールドパターン）とＦＦＰを示す。これらの図に示すように、サブピークが観測されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単峰でかつ安定した垂直横モードを得るためにクラッド層中の平均Ａｌ組成比を増大したり、クラッド層厚を厚膜化することにより、格子不整合によるクラックの発生や結晶欠陥の増加による結晶性の低下、および素子の高抵抗化を引き起こし、その結果、レーザ閾値電流の増加が生じていた。このことから、レーザ素子として作製可能なＡｌを含むクラッド層の成長条件が制限され、充分に単峰でかつ安定した垂直横モードを得ることができなかった。
【０００８】
これに対して、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８） ｐ２１１−ｐ２１３に報告されているＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子によるクラッド層は、通常使用されているＡｌＧａＮクラッド層を同じ平均Ａｌ組成比とした場合に比べて、クラックの発生を抑制してクラッド層厚を厚くすることができる。しかし、Ａｌは一般に気相反応が強く、しかも超格子であるためにバルブ切り替えによって超格子周期が変動し、平均Ａｌ組成比も変化する。このため、Ａｌを含む超格子の結晶成長は困難であり、クラッド層厚とそのクラッド層中の平均Ａｌ組成比の再現性が得られにくい。また、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子によるクラッド層であっても、上述したようなＡｌ組成比の増大やクラッド層厚の厚膜化による結晶性の低下や素子の高抵抗化は避けられない。
【０００９】
一方、リッジストライプ構造を利用した水平横モードの安定化は、狭窄注入されたキャリア密度の増加による屈折率の減少を上回る屈折率差を、ｐ型光ガイド層近くまでクラッド層を掘り下げたリッジストライプ構造で作り込む必要がある。従って、水平横モードの安定化は、この掘り下げたクラッド層の厚みに依存する。しかし、このようなリッジストライプ構造は、一般に、ドライエッチングを用いて形成するため、掘り下げたクラッド層厚の制御が困難で層厚の再現性が悪く、その結果、水平横モードが不安定化していた。また、エッチングを用いてリッジストライプ構造を作製するため、露出した端面での劣化が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加する等、レーザ素子特性に悪影響を及ぼしていた。さらに、レーザ発振閾値電流密度の低減のためには、より強い光閉じ込めが要求されていた。
【００１０】
これらの横モードの不安定化は、図１６（ｂ）および図１７（ｂ）に示すようにＮＦＰやＦＦＰのサブピークを発生させるため、光ディスク等のレーザを応用したデバイスにとっては、非常に問題であった。このことから、安定した横モードの制御性が望まれていた。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、単峰な安定した垂直横モードが得られる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。さらに、水平横モードの光閉じ込めによるレーザ発振閾値電流密度の低減と単峰な安定した水平横モードが得られる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の外側の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該上側あるいは下側のクラッド層から漏れ出した導波光を吸収するよう配置したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の内の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位の両側に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該光吸収マスクとこれに対向する該活性層との間での利得損失が増大するよう配置したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、或いは、該ストライプ状電極の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μｍ以上の位置に、該金属膜が配置されている構成とすることができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、或いは、該リッジストライプ部の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に、該金属膜が配置されている構成とすることができる。
【００１５】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該ストライプ状電極の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている構成とすることができる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該リッジストライプ部の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている構成とすることができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記マスクの間隔が１μｍ以上、１５μｍ以下であるのが好ましい。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜の厚みが０．０１μｍ以上であり、該金属膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下であるのが好ましい。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜が、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕおよびそれらの合金のうちの少なくとも１種類を含む金属材料、或いはそれらの金属および合金のうちの少なくとも１種類を含む複数層で構成された複合膜からなるものを用いることができる。
【００２０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、前記光吸収マスクを構成する金属膜の直上が絶縁膜で被覆されている構成とすることができる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記絶縁膜としてＳｉＯ2またはＳｉＮxからなるものを用いることができる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜が、その下層の窒化物半導体層に対して〈１−１００〉方向のストライプ状に設けられているのが好ましい。
【００２３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクが、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有していてもよい。
【００２４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を製造する方法であって、前記光吸収マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して１０％以上の窒素キャリアガスを用い、そのことにより上記目的が達成される。
【００２５】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２６】
本発明にあっては、窒化物半導体からなる半導体積層構造において、導波光が到達する領域内に、少なくとも光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを設けることにより、漏れ光や活性層からの光を吸収して単一水平横モードや単一垂直横モードを安定化し、水平横モードの光閉じ込めを行うことが可能になる。
【００２７】
なお、垂直横モードの光吸収効果は、金属膜の形成位置に殆ど依存せず、金属膜の厚みにのみ依存する。但し、垂直横モードの単峰化（単一モード化）は、金属膜の形成位置に依存するため、できるだけ活性層に近い方が好ましい。
【００２８】
そこで、（１）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚の半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。この場合の基板の屈折率は、コンタクト層と異なっていれば、クラッド層よりも高くても低くてもよい。また、（２）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。この場合、基板厚みがコンタクト層よりも厚いと、基板内にマスクが配置されることになるが、基板（例えばＧａＮ厚膜）を形成する際にマスクを配置すればよい。また、（３）このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを配置する。この場合にも、基板内にマスクが配置されることになるが、上記と同様に基板（例えばＧａＮ厚膜）を形成する際にマスクを配置すればよい。また、このことにより、垂直横モードの単峰化を実現することが可能となる。さらに、その金属膜として、窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属材料を用いることにより、マスクにより転位密度を低減してレーザ寿命特性の向上を図ることが可能となる。なお、上記（１）の場合にはクラッド層に接したコンタクト層の屈折率に依存するためにコンタクト層厚の半分以内の位置に金属膜を配置し、上記（２）の場合にはコンタクト層と基板の屈折率が実質的に同じであれば一体物として考えられるので基板を含めた厚みの半分以内の位置に金属膜を配置し、上記（３）の場合にはコンタクト層が無いために基板がクラッド層に接し、基板が上記コンタクト層と同じになるため、基板厚みの半分以内の位置に金属膜を配置する。すなわち、コンタクト層や基板という名称は異なっているが、実質的にはその名称で呼ばれている層の屈折率のみに注目しているのである。
【００２９】
ここで、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内に設ける場合には、活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ未満の位置に金属膜を配置すると、金属膜による光吸収効果によってレーザ発振における利得損失が大きくなり、レーザ発振閾値電流密度の増加を招いてしまう。よって、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内に金属膜を配置する場合には、ストライプ状電極の下方であって、活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に配置する。なお、本明細書においては、基板に近い側の面を下面、下面とは反対側の面を上面と称している。
【００３０】
リッジストライプ構造においては、基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有している場合に、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚の半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。また、基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。また、このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。或いは、リッジストライプ部の下方であって、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に、光吸収機能を有する金属膜を配置する。このことにより垂直横モードの単峰化を実現することが可能である。また、その金属膜として、窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属材料を用いることにより、マスクにより転位密度を低減してレーザ寿命特性の向上を図ることが可能となる。さらに、リッジストライプ構造により水平横モードの安定化と発振閾値電流密度が図られる。
【００３１】
さらに、ストライプ状電極またはリッジストライプ部の下方に金属膜で被覆されていない部分を設ける場合、活性層の下面または上面から２μｍを超える位置に光吸収機能を有する金属膜を配置すると、マスクの設けられているところとマスクの設けられていないところとで、透過屈折率差が殆ど生じなくなって、水平横モードの光閉じ込め効果が弱くなる。そこで、活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置し、ストライプ状電極またはリッジストライプ部の下方に金属膜で被覆されていない部分を設けることにより、水平横モードの光閉じ込めを強くして、レーザ発振値電流密度の低減を図ることが可能となる。
【００３２】
この場合、本願発明者らの実験によれば、マスク間隔（金属膜の間隔）が１μｍ以上、１５μｍ以下であれば、水平横モードが安定された。
【００３３】
上記金属膜の厚みは０．０１μｍ以上であれば、レーザ光の吸収率を高くして垂直横モードの単峰化を安定させることが可能である。また、上記金属膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下であれば、マスクを窒化物半導体膜で被覆したときに平坦な表面が得られる。
【００３４】
一般に、窒化物半導体膜の作製温度は１０００℃前後であるため、この温度に充分耐えられる金属材料を用いるのが好ましい。このような金属材料としては、例えばＷ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕやそれらの合金、あるいはそれらの金属や合金を含む複数層で構成された複合膜等を用いることができる。
【００３５】
さらに、例えばタングステン等からなる金属性マスクにおいては、ＧａＮの成長抑制効果が非常に強く、マスクのストライプ方向への依存性も強い。ストライプ方向依存性については、ＧａＮに対して〈１１−２０〉方向にマスクパターンを形成した場合、殆どラテラル成長（基板に対して平行方向の成長）が起こらず、マスク上にＧａＮ膜を被覆することが困難である。よって、金属性膜上に絶縁性膜を被覆して絶縁性膜付き金属性マスクとすれば、このような成長抑制効果やストライプ方向依存性を緩和可能である。なお、この絶縁性膜付き金属性マスクの位置については、金属膜の配置が重要であり、上述した位置に金属膜を配置するのが好ましい。
【００３６】
この絶縁性膜としてＳｉＯ2またはＳｉＮxを用いれば、その絶縁性膜上に被覆した窒化物半導体膜の結晶配向（結晶成長軸）のずれが抑制されるので好ましい。
【００３７】
さらに、その下層の窒化物半導体層に対して〈１−１００〉方向のストライプ状にマスク（金属膜）を設ければ、マスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなり、被覆速度が速くなる。
【００３８】
上記金属性マスクまたは絶縁性膜付き金属性マスクは、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有していてもよい。この場合、その上に形成される再成長窒化物半導体層の結晶歪みを窪み部によって緩和することが可能である。よって、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることが可能となる。
【００３９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法にあっては、上記マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して１０％以上の窒素キャリアガスを用いることにより、そのマスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなり、被覆速度が速くなる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
一般に、窒化物半導体を結晶成長させる際には、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ2Ｏ4等が基板として用いられる。また、結晶成長は、通常、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と称する）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ法）等により行われる。その中でも、得られる窒化物半導体の結晶性や量産性を考慮すると、基板としてサファイアまたはＧａＮを使用し、成長法としてはＭＯＣＶＤ法により行うのが最も一般的な方法である。
【００４２】
そこで、以下の実施形態ではサファイア基板またはＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成長させた窒化物半導体レーザ素子の例について説明する。なお、実施形態１、実施形態２および実施形態４〜実施形態７ではサファイア基板を用いた例について説明しているが、上述した他の基板を用いても同様の効果が得られることを確認している。特に、ＧａＮ基板を用いた場合には、後述する実施形態１３で説明するように、同種結晶であるため、格子整合性が良好で好ましい結果が得られた。また、実施形態３、実施形態１０〜実施形態１２ではＧａＮ基板を用いた例について説明しているが、上述した他の基板を用いても同様の効果が得られることを確認している。
【００４３】
（実施形態１）
本実施形態では、光吸収機能を有する金属性マスクを用いて垂直横モードの安定化（単峰化）を図った窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【００４４】
図１に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板１００上に低温ＧａＮバッファー層１０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、活性層１０５（例えば後述する厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、他にも、厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層を３周期形成したもの等を用いることができる）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順次積層されている。ｐ型クラッド層１０８はｐ型光ガイド層１０７近くまで堀り下げられて、ｐ型コンタクト層１０９およびｐ型クラッド層１０８からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にＳｉＯ2からなる絶縁性膜１１０が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜１１０上および絶縁性膜１１０の開口部から露出したリッジストライプ部上にわたってｐ型電極１１２が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。一方、ｐ型コンタクト層１０８からｎ型コンタクト層１０２まではｎ型コンタクト層１０２の表面が露出するように一部除去され、そのｎ型コンタクト層１０２の露出部上にｎ型電極１１１が形成されている。
【００４５】
ｎ型コンタクト層１０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜１０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜１０２ｂから構成され、リッジストライプ部下方の下層膜１０２ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク）１１３上を再成長膜１０２ｂで被覆している。
【００４６】
図２に本実施形態において使用したＭＯＣＶＤ装置の概略構成を示す。図中、２０１は（０００１）面を有するサファイア基板であり、この基板は炭素からなるサセプタ２０２上に配置されている。サセプタ２０２の中には炭素からなる抵抗加熱用ヒーターが配置されており、熱電対により基板温度を制御することができる。２０３は二重の石英からなる反応管であり、水冷されている。Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）２０６を用い、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）２０７ａ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）２０７ｂおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）２０７ｃを窒素ガス（Ｎ2）または水素ガス（Ｈ2）によりバブリングして用いた。ｎ型ドーピング原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）２０９を用い、ｐ型のドーピング原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）２０７ｄを用いた。各原料はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２０８により正確に流量が制御されて原料入り口２０４から反応管に導入され、排気ガス出口２０５から排出される。
【００４７】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、サファイア基板１００を洗浄して結晶成長装置内に設置して、水素雰囲気中１１００℃程度の温度で約１０分間熱処理を施し、その後、温度を５００℃〜６００℃程度に降温する。温度が一定になった後、キャリアガスを窒素に変えて窒素ガスを全流量で１０ｌ／ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを約２０μｍｏｌ／ｍｉｎ流して、厚さ２０ｎｍの低温ＧａＮバッファー層１０１を成長させる。
【００４８】
次に、ＴＭＧの供給を停止して温度を１０５０℃まで上昇し、再びＴＭＧを約５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、ｎ型コンタクト層１０２のうち、厚さ４μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜１０２ａを成長させる。その後、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着法により厚さ０．１μｍのタングステン膜を形成する。このタングステン膜の形成方法としては、ＥＢ蒸着法以外にスパッタリング法を用いてもよい。このタングステン膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてマスク幅（Ｍ）３μｍのストライプ状にエッチングし、下層ｎ型ＧａＮ膜１０２ａを露出させる。このとき、タングステンマスク１１３はストライプ方向を下層の窒化物半導体層（ＧａＮ膜１０２ａ）に対して〈１−１００〉方向に形成し、後の工程で作製するリッジストライプ部の下方に配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を１０ｌ／ｍｉｎと水素を５ｌ／ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流しながら温度を１０５０℃まで昇温し、温度が安定した時点でＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ４μｍのｎ型ＧａＮ膜１０２ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク１１３が被覆されていない部分からＧａＮが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク１１３が被覆された。この横方向成長したＧａＮ膜１０２ｂは完全に結合し、平坦な表面のコンタクト層１０２が得られた。
【００４９】
続いて、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、厚さ０．５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３を成長する。この層は、コンタクト層１０２の横方向成長後、ＴＭＡの供給を開始して連続して成長させた。その後、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ約０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４を成長させる。光ガイド層１０４の成長後、一旦ＴＭＧとＳｉＨ4の供給を停止して温度を７００℃〜８００℃程度に下げ、ＴＭＩとＴＭＧを供給して、厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層の複数から構成される多重量子井戸活性層１０５を形成する。この際、ＳｉＨ4は供給しても良いし、供給しなくても良い。次に、ＴＭＧとＴＭＩの供給を再度停止して温度を再び１０５０℃まで昇温し、ＴＭＧとＴＭＡを供給して厚さ２０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるキャリアブロック層１０６を成長させる。この際、Ｃｐ2Ｍｇは供給しても良いし、供給しなくても良い。なお、このキャリアブロック層１０６は、形成しなくても特に問題は生じない。続いて、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、Ｃｐ2Ｍｇを約５０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７を成長させる。その後、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０８を成長させる。最後に、ＴＭＡの供給を停止して、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を成長し、温度を室温まで降温して基板を結晶成長装置から取り出す。
【００５０】
その後、ドライエッチング装置を用いて反応性イオンエッチングを行ってｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を露出させ、Ａｌ膜およびＴｉ膜を露出部分に蒸着してｎ型電極１１１を形成する。このとき、反応性イオンエッチングを用いてｎ型コンタクト層１０２を露出させるのは、絶縁性基板であるサファイア基板１００を用いたためである。従って、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板のような導電性を有する基板を用いた場合には、ｎ型コンタクト層１０２を露出させる必要はなく、直性基板の裏面にｎ型電極を形成してもよい。一方、ｐ型電極部分は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７の手前までｐ型クラッド層１０８をエッチングしてｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９をリッジストライプ状に形成し、ＳｉＯ2からなる厚さ２００ｎｍの絶縁性膜１１０を蒸着する。その後、絶縁性膜１１０を一部除去してｐ型コンタクト層１０９を露出させ、露出部分（Ｗｐ＝２μｍ幅）を被覆するようにＮｉ膜およびＡｕ膜を蒸着してｐ型電極１１２を形成する。最後に、へき開またはドライエッチングによりミラーとなる端面を形成する。以上により、窒化物半導体を用いた青紫色の発光波長を有する本実施形態の窒化物半導体レーザ素子が作製される。
【００５１】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の表面は、平坦でクラックも生じておらず、透過電子顕微鏡により観察したところ、基板１００と低温ＧａＮバッファー層１０１との界面から生じる転位（結晶欠陥）が、タンスグテンマスク１１３の上に被覆したＧａＮ膜１０２ｂ中には殆ど観測されなかった。また、タンスグテンマスク１１３の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁以上減少した。さらに、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【００５２】
この窒化物半導体レーザ素子について、垂直（活性層に対して垂直方向）横モードのＦＦＰを観測したところ、図１７（ａ）に示すように単峰の単一モードでレーザ発振しており、従来の半導体レーザ素子において垂直横モードのＦＦＰで観測される図１７（ｂ）に示すようなサブピークは観測されなかった。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び垂直横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一垂直横モードが観測された。
【００５３】
この理由として、以下のようなことが考えられる。従来の半導体レーザ素子において垂直横モードにサブピークが発生して単一化できない原因は、活性層から発したレーザ光がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層によって充分に垂直方向に光閉じ込めされずにリークしてしまうためである。そして、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３よりも外側に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３よりも等価屈折率が大きい厚さ０．３μｍ以上のｎ型ＧａＮコンタクト層１０２が設けられているため、光ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２部分で図１６（ｂ）に示すような垂直横モード光のサブピークが発生し、垂直横モードの単峰化を阻害していた。
【００５４】
これに対して、本実施形態で使用した成長抑制効果を有する金属性マスクがタングステンから構成されており、基板１００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３との間で発生した（漏洩した）垂直横モード光がこのタングステンマスク１１３によって吸収される。これにより、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では図１６（ａ）および図１７（ａ）に示すように、垂直横モードの安定化を図ることができると考えられる。以下、この効果を光吸収効果と称する。さらに、上記選択成長による転位密度の低減効果も加わって、１００００時間の寿命試験を行っても安定した単一垂直横モードが観測されたものと考えられる。
【００５５】
なお、上記金属性マスク（タングステンマスク）の光吸収効果により半導体レーザ素子の単一垂直横モードを得るためには、金属性マスクの形成位置は基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、以下の位置に形成することが好ましい。
【００５６】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、
（１）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、そのクラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有する場合には、そのクラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、サファイア基板上にＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層とを有する場合には、両者の界面からＧａＮコンタクト層の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを形成する。本実施形態ではｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３とｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の界面（ｎ型クラッド層１０３の下面）から基板に向かって４μｍの位置に厚み０．１μｍのタングステンマスク１１３を形成している。
【００５７】
（２）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有する場合には、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層の厚みと基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層を有する場合には、両者の界面からＧａＮコンタクト層とＧａＮ基板の厚みを合わせた厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。
【００５８】
（３）このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、ＧａＮ厚膜（基板）上にＡｌＧａＮクラッド層を有する場合には、両者の界面からＧａＮ厚膜の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。
【００５９】
この理由は、金属性マスクが上記範囲内に形成されていないと、その金属性マスクによって漏洩光が吸収された領域よりも漏洩光が残存している領域の方が広くなって垂直横モードの単峰化を妨げるからである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、単一垂直横モードを得やすかった。これは、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層との界面から金属性マスクまでの距離が長くなると、その金属性マスクの下方部分ではＧａＮコンタクト層中に漏洩してきた垂直横モード光が減少するものの、上記界面から金属性マスクまでの間は漏洩光が充分に減少していないために、垂直横モード光によるサブピークが観測されてしまい、単一垂直横モード化しないからである。さらに、金属性マスクをｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３上やそのクラッド層１０３内に形成してもよい。但し、金属性マスクを活性層１０５とｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４との界面（活性層１０５の下面）から基板１００に向かって０．５μｍ未満の位置に形成すると、金属性マスクによる光吸収効果のためにレーザ発振における利得損失が大きくなり、レーザ発振閾値電流密度の増加を招いてしまう。従って、金属性マスクをｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３上やそのクラッド層１０３内に形成する場合には、少なくとも活性層１０５とｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４との界面から基板１００に向かって０．５μｍ以上の位置に形成するのが好ましい。
【００６０】
さらに、後述する実施形態９において詳述するように、Ａｌを含む窒化物半導体膜上に金属性マスクを設けると、Ａｌを含まないＧａＮ膜上に金属性マスクを設けた場合に比べて、選択成長におけるラテラル成長速度が速く、かつ、欠陥密度も少なく形成される。また、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層の界面、またはＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ基板の界面の何れかの界面にまたがるように金属性マスクを形成してもよい。さらに、ＧａＮ基板を用いて半導体レーザ素子を作製した場合には、ＡｌＧａＮクラッド層から漏洩してきた光が垂直横モードの単峰化を特に強く妨げるため、上述のように金属性マスクを設けることにより、非常に高い効果が得られる。
【００６１】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のｐ型電極１１２（リッジストライプ部）の下方に金属性マスクが位置するように形成する。また、金属性マスクの幅（Ｍ）は、ｐ型電極幅Ｗｐと同等であるか、または広く形成するのが好ましい。この理由は、上述の漏洩してきた垂直モード光（ＦＦＰ）を充分に吸収するためである。
【００６２】
さらに、金属性マスクのストライプ方向は、その下層の窒化物半導体層（本実施形態では下層ＧａＮ膜１０２ａ）に対して〈１−１００〉方向にすることにより、マスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなって被覆速度が速くなり、平坦な被覆膜が得られるので好ましい。
【００６３】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、クラッド層から漏洩してきたレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。
【００６４】
さらに、金属性マスクの厚みは、光吸収効果を考慮すると、後述する実施形態８において詳述するように、約０．０１μｍ以上であるのが好ましい。また、マスクの形状にもよるが、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると、金属性マスクの厚みは２μｍ以下であるのが好ましい。
【００６５】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについては、ラテラル成長の観点から、全キャリアガスに対する窒素キャリアガスの分圧（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））を０．１（１０％以上）にするのが好ましい。但し、窒素キャリアガスの分圧が０．９を超えると、後述する実施形態９において詳述するように、Ｘ線回折による半値幅が６分を超えてしまい、被覆した窒化物半導体膜における結晶の配向性が悪化する。
【００６６】
なお、本実施形態では、リッジストライプ構造の半導体レーザ素子を示したが、後述する実施形態３〜実施形態７に示すようなストライプ構造であっても良い。
【００６７】
さらに、本実施形態では低温バッファー層１０１としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。また、本実施形態では基板側からｎ型層、活性層およびｐ型層の順に結晶成長させたが、逆にｐ型層、活性層およびｎ型層の順に結晶成長させても良い。このことは、以下の実施形態でも同様である。
【００６８】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１の金属性マスク上に絶縁性膜を設けた以外は実施形態１と同様の構成とした窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【００６９】
図３に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板３００上に低温ＧａＮバッファー層３０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、活性層３０５（例えば、３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層３０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０９が順次積層されている。ｐ型クラッド層３０８はｐ型光ガイド層３０７近くまで堀り下げられて、ｐ型コンタクト層３０９およびｐ型クラッド層３０８からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にＳｉＯ2からなる絶縁性膜３１０が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜３１０上および絶縁性膜３１０の開口部から露出したリッジストライプ部の上にわたってｐ型電極３１２が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。一方、ｐ型コンタクト層３０８からｎ型コンタクト層３０２まではｎ型コンタクト層３０２の表面が露出するように一部除去され、そのｎ型コンタクト層３０２の露出部上にｎ型電極３１１が形成されている。
【００７０】
ｎ型コンタクト層３０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜３０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜３０２ｂから構成され、リッジストライプ部下方の下層膜３０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク３１５上を再成長膜３０２ｂで被覆している。このマスク３１５は、タングステン膜３１３とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜３１４から構成されている。
【００７１】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態１と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板３００上に低温ＧａＮバッファー層３０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２のうち、厚さ３．５μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜３０２ａを成長させる。
【００７２】
次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ蒸着法またはスパッタリング法により厚さ０．１μｍのタングステン膜と厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2膜をｎ型ＧａＮ膜３０２ａ上に形成する。このタングステン膜およびＳｉＯ2膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて下層の窒化物半導体膜（ＧａＮ膜１０２ａ）に対して〈１−１００〉方向のストライプ状に形成し、マスク幅（Ｍ）４μｍ、マスク厚さ０．１５μｍで、タングステン膜３１３およびＳｉＯ2膜３１４からなるストライプ状マスク３１５を後の工程で作製するリッジストライプ部の下方に配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態１と同様の条件で厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ膜３０２ｂを再成長させてｎ型ＧａＮコンタクト層３０２を得る。
【００７３】
続いて、実施形態１と同様の成長条件で、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、活性層３０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層３０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層３０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、実施形態１と同様の半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図３に示すリッジストライプ構造の半導体レーザ素子を作製する。
【００７４】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層３０２の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。また、本実施形態においては、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２中に設けた絶縁性膜（ＳｉＯ2膜）付きタンスグテンマスク３１５の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁以上減少した。さらに、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【００７５】
この窒化物半導体レーザ素子について、垂直横モードのＦＦＰを観測したところ、単峰の単一モードでレーザ発振していた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び垂直横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一垂直横モードが観測された。
【００７６】
この理由は、実施形態１と同様に、基板３００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３との間に漏洩した垂直横モード光が、絶縁性膜付きタングステンマスク３１５のうち、タングステンマスク３１３によって吸収されたためである。その結果、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では図１６（ａ）および図１７（ａ）に示すように、垂直横モードの単峰化を図ることができた。さらに、上記選択成長による転位密度の低減効果も加わって、１００００時間の寿命試験を行っても安定した単一垂直横モードが観測されたものと考えられる。
【００７７】
本実施形態２と上記実施形態１との相違は、タングステンマスク３１３上にＳｉＯ2膜３１４を設けることにより、後述する実施形態９において詳述するように、ＧａＮ膜の選択成長においてマスクパターンの方向依存性が緩和され、充分なラテラル成長速度を得ることができたことである。一般に、タングステンマスク等の金属性マスクを用いたＧａＮ膜の選択成長においては、そのマスクのストライプ方向依存性が強いため、ラテラル成長（基板表面に対して平行方向の成長）が起こりにくい。よって、このラテラル成長速度の向上により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３とｎ型ＧａＮコンタクト層３０２との界面からＳｉＯ2膜付きタングステンマスク３１３までの距離を短く、かつ、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク３１５の幅（Ｍ）を広くすることができる。その結果、実施形態１よりもさらに安定した単一垂直横モードを得ることができた。
【００７８】
なお、上記絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク）の光吸収効果により半導体レーザ素子の単一垂直横モードを得るために必要なマスクの形成位置は、基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、実施形態１と同様である。但し、この場合のマスクの形成位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態１と同じである。
【００７９】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、クラッド層から漏洩してきたレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。上記金属性マスクの直上に設ける絶縁性膜としては、ＳｉＯ2膜以外にＳｉＮx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属膜の厚みは、実施形態１と同様に、光吸収効果を考慮すると、約０．０１μｍ以上であるのが好ましい。また、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると、金属性膜および絶縁性膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下であるのが好ましい。さらに、絶縁性膜の厚みは１μｍ以下であるのが好ましい。これは、絶縁性膜の膜厚が１μｍを超えると、下層の金属性膜と絶縁性膜との熱膨張係数差によって剥離することがあるからである。
【００８０】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについても、上記実施形態１と同様である。
【００８１】
さらに、本実施形態においても、リッジストライプ構造の半導体レーザ素子を示したが、後述する実施形態３〜実施形態７に示すようなストライプ構造であっても良い。
【００８２】
（実施形態３）
本実施形態３では、水平横モードの光閉じ込めのための金属性マスクを活性層の下方に設けた例について説明する。
【００８３】
図４に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板４０１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層４０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４、活性層４０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層４０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層４０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層４０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜４１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜４１０上にわたってｐ型電極４１２が設けられて、絶縁性膜４１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板４０１の裏面に接するようにｎ型電極４１１が形成されている。
【００８４】
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜４０３ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜４０３ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク）４１６上を再成長膜４０３ｂで被覆している。
【００８５】
この半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。まず、ＨＶＰＥ法によりサファイア基板上にＳｉをドーピングしながら厚膜ＧａＮを積層し、その後、研磨によりサファイア基板を剥ぎ取って厚み２５０μｍのｎ型ＧａＮ基板４０１を作製する。このｎ型ＧａＮ基板４０１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、厚さ５μｍのｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層４０２を成長する。ｎ型コンタクト層４０２の成長後、引き続いて、成長温度１０５０℃で、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎおよびＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎの流量で供給し、ｎ型クラッド層４０３のうち、厚さ０．２μｍの下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａを成長する。
【００８６】
次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ蒸着法により厚さ約０．１μｍのタングステン膜を形成する。このタングステン膜の形成方法としては、ＥＢ蒸着法以外にスパッタリング法を用いてもよい。このタングステン膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてマスク幅５μｍ、マスク間隔（Ｓ）３μｍのストライプ状にエッチングし、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａを露出させる。このとき、タングステンマスク４１６はストライプ方向を下層の窒化物半導体層（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａ）に対して〈１−１００〉方向に形成し、後の工程で作製するストライプ状電極の下方にタングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７を配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を１０ｌ／ｍｉｎと水素を５ｌ／ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流しながら温度を１０５０℃まで昇温し、温度が安定した時点でＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎおよびＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ０．３μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク４１６が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層４０３が得られた。
【００８７】
この横方向成長後、ＴＭＡの供給を停止し、引き続いて厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４を成長する。次に、実施形態１と同様の条件で、活性層４０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層４０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層４０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層４０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図４に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【００８８】
このような選択成長工程により得られるｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０３の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。また、透過電子顕微鏡により観察したところ、タングステンマスク４１６上に被覆したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ｂ中には転位（結晶欠陥）が殆ど観測されなかった。一方、タングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７では、螺旋転位および刃状転位がタングステンマスク４１６上に折れ曲がり、互いに相殺しながら消滅していた。ここで観察された転位密度は、サファイア基板を使用した場合に比べて極めて低かった。さらに、本実施形態におけるｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜の選択成長は、後述する実施形態９において詳述するように、ＧａＮ膜の選択成長に比べて横方向成長を速くすることができる。
【００８９】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子においては、ＧａＮ基板とＡｌＧａＮクラッド層中に設けられた成長抑制効果を有する金属性マスク（タングステンマスク４１６）の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が約１０4／ｃｍ2台であった。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約２００００時間に向上した。
【００９０】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約２／３に低減していた。また、水平横モードを観測したところ、単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１２０００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一水平横モードが観測された。
【００９１】
このように低閾値電流値と水平横モードでのレーザ発振が得られた理由として、以下のようなことが考えられる。本実施形態で使用したタングステンマスク４１６が活性層４０５から発せられたレーザ光を吸収したため、タングステンマスク４１６が設けられているところと設けられていないところとで光ガイド層の等価屈折率に差が生じる。そして、タングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７の上方で、水平横モードの光閉じ込めが顕著になって屈折率導波構造が得られ、レーザ発振閾値電流密度の低減に貢献したものと考えられる。また、この屈折率導波構造に加え、金属性マスク４１６による強い光吸収のためにマスク上部では利得損失が大きく、高次の横モードが発生しにくくなる。その結果、安定した単一水平横モードが観測されたものと考えられる。
【００９２】
なお、上記金属性マスク（タングステンマスク）による屈折率導波構造を得るためには、金属性マスクの形成位置は基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、以下の位置に形成することが好ましい。
【００９３】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、活性層４０５とｎ型光ガイド層４０４の界面（活性層の下面）から基板に向かって２μｍ以内の位置に形成するのが好ましい。本実施形態では上記界面から０．３μｍの位置に厚み０．１μｍのタングステンマスク４１６を形成している
この理由は、金属性マスクの形成位置が上記界面から２μｍを超えると、この金属性マスクの設けられているところと設けられていないところとで等価屈折率差が殆ど生じなくなり、水平横モードの光閉じ込めが弱くなるためである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、上記屈折率差が大きく、水平横モードの光閉じ込め効果が強くなった。
【００９４】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のｐ型電極４１２の下方に金属性マスクで被覆されていない部分４１７が位置するように形成する。また、金属性マスク間の間隔（Ｓ）は、１５μｍ以下であるのが好ましい。この理由は、以下の通りである。
【００９５】
タングステンマスク４１６の設けられているところで光ガイド層の実効屈折率をｎ1、タングステンマスク４１６の設けられていないところでの光ガイド層の実効屈折率ｎ2、真空中での光の波数をｋ0、円周率をπとし、近似的に等価屈折率法を用いると、単一水平横モードを得るためには、金属性マスクのマスク間隔（Ｓ）は、Ｓ＜π／（ｋ0（ｎ22−ｎ12）1/2）とする必要がある。従って、上記屈折率差が最も小さい位置である上記界面から２μｍの位置に金属性マスクを形成したときのマスク間隔（Ｓ）は、上記式から１５μｍ以下となるからである。但し、適切なマスク間隔（Ｓ）（水平方向の位置）の上限値は、マスクの垂直方向の位置により一義的に決定されるわけではない。なぜならば、マスク間隔（Ｓ）が狭くなり過ぎると、その金属性マスクによる光吸収によって利得損失が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加するからである。このような場合には、等価屈折率法の計算値よりも大きめのマスク間隔（Ｓ）とするのが好ましい。本願発明者らの実験によれば、マスク間隔（Ｓ）は１μｍ以上、１５μｍ以下で形成するのが好ましかった。
【００９６】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、金属性マスクの厚みは、マスクの形状にもよるが、光吸収効果を考慮すると０．０１μｍ以上であるのが好ましく、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると２μｍ以下であるのが好ましい。
【００９７】
本実施形態では、金属性マスク４１６をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３中に完全に埋没させたが、この金属性マスク４１６は完全にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３中に埋没させなくてもよい、これは、正味のレーザ素子部分はストライプ状ｐ型電極４１２の幅（Ｗｐ）の下方部一帯（コラム部分）で構成されるからである。従って、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３においては、少なくともマスク間隔（Ｓ）部分が結晶成長していればよい。但し、マスク部分が完全に埋没しない場合には、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０９の平坦性が悪く、ｐ型電極形成が困難になってレーザ素子構造の歩留り率が低下するおそれがある。
【００９８】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについては、ラテラル成長の観点から、全キャリアガスに対する窒素キャリアガスの分圧を０．１（１０％以上）にするのが好ましい。但し、窒素キャリアガスの分圧が０．９を超えると、後述する実施形態９に示すように、Ｘ線回折による半値幅が６分を超えてしまい、被覆した窒化物半導体膜における結晶の配向性が悪化する。
【００９９】
ところで、従来のリッジストライプ構造においては、屈折率導波構造を得るために、図１５に示すようにｐ型クラッド層の一部を残してリッジストライプ部を形成するため、残すべきクラッド層厚の制御が困難であり、水平横モードの再現性が得られにくかった。また、上記リッジストライプ部の形成により露出した端面で劣化が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加する等、レーザ素子特性に悪影響を及ぼしていた。このため、生産性を考慮すると、従来のリッジストライプ構造は歩留り率が低くなるのが問題点であった。これに対して、本実施形態によれば、従来のリソグラフィー技術を用いて容易に金属性マスクの作製が可能であること、リッジストライプ構造のような端面の露出が無いこと、クラッド層厚を結晶成長を制御可能であることから、歩留り率をリッジストライプ構造に比べて高くすることができた。
【０１００】
なお、リッジストライプ構造の場合には、このような歩留まり向上の効果は得られないが、本実施形態と同様に金属性マスクを設けることにより、金属膜による光閉じ込め効果、およびエピタキシャル成長しない材料膜によるその上の成長層の転位密度低減効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクを設けることにより、絶縁膜とリッジの両方による電流狭窄効果も得られる。
【０１０１】
なお、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１０２】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態２の絶縁性膜付き金属性マスクと実施形態３の金属性マスクとを組み合わせて設けた構造について説明する。
【０１０３】
図５に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板５００上に、低温ＧａＮバッファー層５０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層５０４、活性層５０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層５０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層５０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層５０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜５１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜５１０上にわたってｐ型電極５１２が設けられて、絶縁性膜５１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層５０９からｎ型コンタクト層５０２まではｎ型コンタクト層５０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト５０２の露出部上にはｎ型電極５１１が形成されている。
【０１０４】
ｎ型コンタクト層５０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜５０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜５０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜５０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク５１５上を再成長膜５０２ｂで被覆している。このマスク５１５は、タングステン膜５１３とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜５１４から構成されている。ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜５０３ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜５０３ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク）５１６上を再成長膜５０３ｂで被覆している。
【０１０５】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板５００上に低温ＧａＮバッファー層５０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２のうち、厚さ１０μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜５０２ａを成長させる。
【０１０６】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜５０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク５１５を形成する。このマスク５１５は、厚さ０．１μｍのタングステン膜５１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2膜５１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ膜５０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層５０２を形成する。
【０１０７】
続いて、実施形態３と同様に、厚さ０．２μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ａを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、実施形態３と同様に、下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅５μｍ、マスク間隔（Ｓ）３μｍ、厚さ約０．１μｍのタングステンマスク５１６を形成する。このとき、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にタングステンマスク５１６で被覆されていない部分５１７を配置する。
【０１０８】
次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態３と同様に、厚さ０．３μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク５１６で被覆されていない部分５１７からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク５１６が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層５０３が得られた。
【０１０９】
続いて、実施形態３と同様に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層５０４、活性層５０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層５０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層５０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図５に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１１０】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層５０２およびｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２に関しては、基板５００と低温ＧａＮバッファー層５０１との界面から発生した転位（結晶欠陥）が実施形態２と同様に減少していた。一方、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３を透過電子顕微鏡により観察したところ、転位（結晶欠陥）がタングステンマスク５１６上に被覆したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ｂ中には殆ど観測されなかった。また、タングステンマスク５１６で被覆されていない部分５１７では、螺旋転位および刃状転位がタングステンマスク５１６上に折れ曲がり、互いに相殺しながら消滅していた。さらに、本実施形態におけるｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜の選択成長は、後述する実施形態９において詳述するように、ＧａＮ膜の選択成長に比べて横方向成長が速かった。
【０１１１】
さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層５０２およびＡｌＧａＮクラッド層５０３中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＯ2膜付きタングステンマスク５１５およびタンスグテンマスク５１６の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁〜３桁以上減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１７０００時間に向上した。
【０１１２】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約２／３に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１１３】
このように単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク５１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。さらに、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態３と同様である。また、水平横モードの形成位置、すなわち、タングステン膜５１６の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態３と同様である。
【０１１４】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク５１５および金属性マスク５１６において、金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク５１５において、絶縁性膜としてはＳｉＯ2膜以外にＳｉＮx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク５１５および金属性マスク５１６の厚みは、実施形態２および実施形態３と同様である。但し、金属性マスク５１６については、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについても、上記実施形態２および実施形態３と同様である。
【０１１５】
本実施形態の半導体レーザ素子によれば、実施形態２および実施形態３と同様な効果が得られる。なお、本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。
【０１１６】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１１７】
（実施形態５）
本実施形態では、実施形態４においてＡｌＧａＮクラッド層中に金属性マスクの代わりに絶縁性膜付き金属性マスクを設けた構造について説明する。
【０１１８】
図６に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板６００上に、低温ＧａＮバッファー層６０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６０４、活性層６０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層６０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層６０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層６０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層６０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜６１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜６１０上にわたってｐ型電極６１２が設けられて、絶縁膜６１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層６０９からｎ型コンタクト層６０２まではｎ型コンタクト層６０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト６０２の露出部上にはｎ型電極６１１が形成されている。
【０１１９】
ｎ型コンタクト層６０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜６０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜６０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜６０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク６１５上を再成長膜６０２ｂで被覆している。このマスク６１５は、タングステン膜６１３とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜６１４から構成されている。ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜６０３ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜６０３ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク６１８上を再成長膜６０３ｂで被覆している。このマスク６１８は、タングステン膜６１６とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜６１７から構成されている。
【０１２０】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板６００上に低温ＧａＮバッファー層６０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２のうち、厚さ１００μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜６０２ａを成長させる。
【０１２１】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜６０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク６１５を形成する。このマスク６１５は、厚さ０．１μｍのタングステン膜６１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2膜６１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ１０μｍのｎ型ＧａＮ膜６０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層６０２を形成する。ここでは、結晶成長装置としてＨＶＰＥ成長装置を用いた。
【０１２２】
続いて、実施形態３と同様に、厚さ０．２μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａを成長する。その後、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ蒸着法またはスパッタリング法により厚さ約０．０６μｍのタングステン膜を形成し、続いてＥＢ蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により厚さ約０．０４μｍのＳｉＯ2膜を形成する。そして、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、マスク幅５μｍ、マスク間隔（Ｓ）２μｍのストライプ状にエッチングし、下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａを露出させる。このとき、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８はストライプ方向を下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａに対して〈１−１００〉方向に形成し、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にタングステンマスク６１６で被覆されていない部分６１９を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態３と同様に、厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８で被覆されていない部分６１９からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層６０３が得られた。
【０１２３】
続いて、実施形態４と同様に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６０４、活性層６０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層６０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層６０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層６０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図６に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１２４】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層６０２およびｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０３の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０３に関する転位（結晶欠陥）は実施形態４と同様に減少していた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層６０２およびＡｌＧａＮクラッド層６０３中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１５および６１８の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁〜３桁以上減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１７０００時間に向上した。
【０１２５】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約１／２に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１２６】
このようにレーザ発振閾値電流密度が低減した理由は、以下の通りである。
【０１２７】
クラッド層６０３中に形成された絶縁性膜付き金属性マスク６１８が光吸収効果を有する金属性マスク（タングステン膜６１６）および絶縁性膜（ＳｉＯ2膜６１７）から構成されているので、前者の光吸収効果による水平横モードの光閉じ込めで得られる屈折率導波構造と、後者の絶縁性膜で金属性マスクを被覆したことによる電流狭窄によって、キャリア閉じ込めが起こったためである。すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８を用いることにより、実施形態４において記載した屈折率導波構造によるレーザ特性に加えて、電流狭窄構造を同時に素子内に造り込むことができたためである。
【０１２８】
さらに、単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。さらに、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態４と同様である。また、水平横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態４と同様である。但し、この場合の絶縁性膜付き金属性マスクの位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態４と同じである。
【０１２９】
本実施形態では、上記電流狭窄効果に加えて、以下の効果も有する。本実施形態は、実施形態４と比べて、クラッド層６０３中に形成した絶縁性膜付き金属性マスク６１８によってラテラル成長が速くなっている。この理由は、後述する実施形態９において詳述するように、ＡｌＧａＮ膜の選択成長はＧａＮ膜の選択成長に比べてラテラル成長が極めて速いが、タングステンマスク６１６上にＳｉＯ2膜６１７を設けることにより、さらにラテラル成長が速くなるためである。これにより、活性層６０５とｎ型光ガイド層６０４の界面からマスク６１８までの距離を短くして、水平横モードの光閉じ込め効果を強くすることができた。
【０１３０】
さらに、後述する実施形態９において詳述するように、金属性マスク（タングステンマスク）を用いたＧａＮ膜の選択成長においては、一般に、マスクのストライプ方向依存性が強く、ラテラル成長しにくいが、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスクを用いることにより、ＧａＮ膜の選択成長でもマスクパターンの方向依存性を無くして充分なラテラル成長を得ることができる。この特性を利用して、基板に対して垂直方向について、屈折率導波構造を得るためにＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８が形成可能な位置範囲内（活性層の上面または下面から２μｍ以内の位置）にＡｌを含まない窒化物半導体が存在していても、ラテラル成長速度の速い選択成長が可能となる。
【０１３１】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク６１５および６１８において、金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク６１５および６１８において、絶縁性膜としてはＳｉＯ2膜以外にＳｉＮx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。金属性マスクを絶縁性膜で被覆する場合には、金属性マスクの側部６２０についても絶縁膜で覆われているのが好ましい。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク６１５および６１８の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態４と同様である。
【０１３２】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク６１８は、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク６１８をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【０１３３】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１３４】
（実施形態６）
本実施形態では、実施形態４においてｎ型クラッド層中に金属性マスクを形成する代わりにｐ型クラッド層中に金属性マスクを設けた構造について説明する。
【０１３５】
図７に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板７００上に、低温ＧａＮバッファー層７０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層７０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７０４、活性層７０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層７０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層７０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層７０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜７１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜７１０上にわたってｐ型電極７１２が設けられて、絶縁性膜７１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層７０９からｎ型コンタクト層７０２まではｎ型コンタクト層７０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト７０２の露出部上にはｎ型電極７１１が形成されている。
【０１３６】
ｎ型コンタクト層７０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜７０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜７０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜７０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク７１５上を再成長膜７０２ｂで被覆している。このマスク７１５は、白金膜７１３とその上に設けられたＳｉＮxからなる絶縁性膜７１４から構成されている。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０８は、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ａと再成長ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜７０８ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜７０８ａ上部分に設けられた金属性マスク７１６（白金マスク）上を再成長膜７０８ｂで被覆している。
【０１３７】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板７００上に低温ＧａＮバッファー層７０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層７０２のうち、厚さ２０μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜７０２ａを成長させる。
【０１３８】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜７０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク７１５を形成する。このマスク７１５は、厚さ０．１μｍの白金膜７１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＮx膜７１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ２０μｍのｎ型ＧａＮ膜７０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層７０２を形成する。
【０１３９】
続いて、実施形態２と同様に、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７０４、活性層７０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層７０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７０７を成長する。
【０１４０】
その後、ｐ型コンタクト層７０８のうち、厚さ０．１５μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ａを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅２．５μｍ、マスク間隔（Ｓ）２μｍ、厚さ約０．０８μｍの白金マスク７１６を形成する。このとき、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に白金マスク７１６で被覆されていない部分７１７を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、白金７１６で被覆されていない部分７１７からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じて白金マスク７１６が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層７０８が得られた。
【０１４１】
続いて、実施形態４と同様にｐ型ＧａＮコンタクト層７０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図７に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１４２】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層７０２およびｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０８の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層７０２に関しては、転位（結晶欠陥）が実施形態１および実施形態２と同様に減少していた。
【０１４３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層７０２中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＮx膜付き白金マスク７１５の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁程度減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【０１４４】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約２／３に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１４５】
このように単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＮx膜付き白金マスク７１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。一方、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、本実施形態で用いた白金マスク７１６が活性層７０５から発せられたレーザ光を吸収したため、白金マスク７１６が設けられているところと設けられていないところとで光ガイド層の等価屈折率に差が生じる。そして、白金マスク７１６で被覆されていない部分７１７の上方で、水平横モードの光閉じ込めが顕著になって屈折率導波構造が得られ、レーザ発振閾値電流密度の低減に貢献したものと考えられる。また、この屈折率導波構造に加え、金属性マスク７１６による強い光吸収のためにマスク上部では利得損失が大きく、高次の横モードが発生しにくくなる。その結果、安定した単一水平横モードが観測されたものと考えられる。
【０１４６】
この水平横モードの形成位置、すなわち、白金膜７１６の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、以下の位置に形成するのが好ましい。
【０１４７】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、活性層７０５とキャリアブロック層７０６（キャリアブロック層７０６が無い場合にはｐ型光ガイド層７０５）の界面（活性層の上面）から基板と反対側の方向に向かって２μｍ以内の位置に形成するのが好ましい。本実施形態では上記界面から０．２５μｍの位置に厚み０．０８μｍの白金マスク７１６を形成している。この理由は、金属性マスクの形成位置が上記界面から２μｍを超えると、この金属性マスクの設けられているところと設けられていないところとで等価屈折率差が殆ど生じなくなり、水平横モードの光閉じ込めが弱くなるためである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、上記屈折率差が大きく、水平横モードの光閉じ込め効果が強くなった。さらに、本実施形態では、活性層７０５とキャリアブロック層７０６（キャリアブロック層７０６が無い場合にはｐ型光ガイド層７０７）の界面から金属性マスクまでの距離を、結晶成長装置の結晶成長速度で設定することができる。よって、上記実施形態４および実施形態５に比べて、上記界面からマスクまでの距離を精度良く制御することができ、水平横モードの光閉じ込め効果も精度良く制御することができる。
【０１４８】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のｐ型電極７１２の下方に金属性マスクで被覆されていない部分７１７が位置するように形成する。また、実施形態３と同様に、金属性マスク間の間隔（Ｓ）は、１μｍ以上、１５μｍ以下であるのが好ましい。
【０１４９】
なお、絶縁性膜付き金属性マスク７１５および金属性マスク７１６の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態４と同様である。
【０１５０】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、金属性マスク７１６は、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク７１６をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【０１５１】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１５２】
さらに、本実施形態と、上記実施形態４または実施形態５を組み合わせることにより、互いに相乗効果を得ることができる。
【０１５３】
（実施形態７）
本実施形態では、実施形態６においてＡｌＧａＮクラッド層中に金属性マスクの代わりに絶縁性膜付き金属性マスクを設けた構造について説明する。
【０１５４】
図８に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板８００上に、低温ＧａＮバッファー層８０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層８０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層８０４、活性層８０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層８０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層８０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層８０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜８１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜８１０上にわたってｐ型電極８１２が設けられて、絶縁性膜８１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層８０９からｎ型コンタクト層８０２まではｎ型コンタクト層８０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト８０２の露出部上にはｎ型電極８１１が形成されている。
【０１５５】
ｎ型コンタクト層８０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜８０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜８０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜８０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク８１５上を再成長膜８０２ｂで被覆している。このマスク８１５は、白金膜８１３とその上に設けられたＳｉＮxからなる絶縁性膜８１４から構成されている。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８は、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ａと再成長ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜８０８ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜８０８ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク８１８上を再成長膜８０８ｂで被覆している。このマスク８１８は、白金膜８１６とその上に設けられたＳｉＮxからなる絶縁性膜８１７から構成されている。
【０１５６】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板８００上に低温ＧａＮバッファー層８０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層８０２のうち、厚さ２０μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜８０２ａを成長させる。
【０１５７】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜８０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク８１５を形成する。このマスク８１５は、厚さ０．１μｍの白金膜８１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＮx膜８１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ２０μｍのｎ型ＧａＮ膜８０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層８０２を形成する。
【０１５８】
続いて、実施形態６と同様に、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層８０４、活性層８０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層８０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８０７を成長する。
【０１５９】
その後、実施形態６と同様に、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８のうち、厚さ０．１μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ａを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅３μｍ、マスク間隔（Ｓ）１．５μｍ、マスク厚み０．２μｍの絶縁性膜付き金属性マスク８１８を形成する。このマスク８１８は、厚さ０．１μｍの白金膜８１６および厚さ０．１μｍのＳｉＮx膜８１７から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にＳｉＮx膜付き白金マスク８１８で被覆されていない部分８１９を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、ＳｉＮx付き白金マスク８１８で被覆されていない部分８１９からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてＳｉＮx膜付き白金マスク８１８が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層８０８が得られた。
【０１６０】
続いて、実施形態６と同様に、ｐ型ＧａＮコンタクト層８０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図８に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１６１】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層８０２およびｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層８０２に関する転位（結晶欠陥）は実施形態１および実施形態２と同様に減少していた。
【０１６２】
さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層８０２中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＮx膜付き白金マスク８１５の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁程度減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【０１６３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約１／２に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１６４】
このようにレーザ発振閾値電流密度が低減した理由は、実施形態５と同様に、実施形態４で記述した屈折率導波構造のレーザ特性に加えて、電流狭窄構造を同時に素子内に造り込むことができたためである。さらに、単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＮx膜付き白金マスク８１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。さらに、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態６と同様である。また、屈折率導波構造を得るための絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＮx膜付き白金マスク８１５）の形成位置は、実施形態６と同様である。但し、この場合の絶縁性膜付き金属性マスクの位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態６と同じである。
【０１６５】
本実施形態においては、実施形態６と同様に、活性層８０５とキャリアブロック層８０６（キャリアブロック層８０６が無い場合にはｐ型光ガイド層８０７）の界面から絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付き白金マスク８１８）までの距離を、結晶成長装置の結晶成長速度で設定することができる。よって、上記実施形態４および実施形態５に比べて、上記界面からマスクまでの距離を精度良く制御することができ、水平横モードの光閉じ込め効果も精度良く制御することができる。
【０１６６】
さらに、本実施形態では、上記電流狭窄効果に加えて、以下の効果も有する。後述する実施形態９において詳述するように、金属性マスクを用いたＧａＮ膜の選択成長においては、一般に、マスクのストライプ方向依存性が強く、ラテラル成長しにくいが、絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＮx膜付き白金マスク）を用いることにより、ＧａＮ膜の選択成長でもマスクパターンの方向依存性を無くして充分なラテラル成長を得ることができる。この特性を利用して、基板に対して垂直方向について、屈折率導波構造を得るために絶縁性膜付き金属性マスク８１８を形成可能な位置範囲内（活性層の上面または下面から２μｍ以内の位置）にＡｌを含まない窒化物半導体が存在していても、ラテラル成長速度の速い選択成長が可能となる。
【０１６７】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク８１５および８１８において、金属性マスクとして白金（Ｐｔ）を用いたが、それ以外に、例えばＷ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク８１５および８１８において、絶縁性膜としてはＳｉＮx膜以外にＳｉＯ2膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。金属性マスクを絶縁性膜で被覆する場合には、金属性マスクの側部８２０についても絶縁膜で覆われているのが好ましい。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク８１５および８１８の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態６と同様である。本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＮx付き白金マスク）を形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク８１８は、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク８１８をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【０１６８】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１６９】
さらに、本実施形態と、上記実施形態４または実施形態５を組み合わせることにより、互いに相乗効果を得ることができる。
【０１７０】
（実施形態８）
本実施形態では、金属性マスクの膜厚と光吸収率との関係について説明する。
【０１７１】
図９はタングステンマスクの膜厚とレーザ光の光吸収率の関係を示す図である。この図によれば、マスクの膜厚が約０．０１μｍ以上で６０％以上の光吸収率を示し、膜厚が約０．０５μｍ以上でほぼ１００％の光吸収率を示した。この図９に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。従って、金属性マスクにより垂直横モード安定化のための光吸収効果を得るためには、金属性マスク（絶縁性膜付き金属性マスクの場合にはそれを構成する金属膜）の膜厚を少なくとも５０％以上の光吸収率を示す０．０１μｍ以上にするのが好ましく、さらに好ましくは０．０５μｍ以上である。
【０１７２】
一方、金属性マスクを窒化物半導体膜で被覆したときに、その半導体膜の表面が平坦であるためには、金属性マスク（絶縁性膜付き金属性マスクの場合には絶縁膜および金属膜を含むマスク全体）の膜厚を２μｍ以下にするのが好ましい。
【０１７３】
（実施形態９）
本実施形態では、金属性マスクおよび絶縁性膜付き金属性マスクを用いた場合の成長軸方向の成長速度とラテラル成長速度との比（ａ／ｃ）と、窒素キャリアガスの分圧およびマスクのストライプ方向との関係について説明する。
【０１７４】
図１０（ａ）はタングステンマスクによりＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１０（ａ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）は基板に対して垂直方向の成長速度をｃ、基板に対して平行方向の成長速度（ラテラル成長速度）をａとし、これらの比ａ／ｃとして表した。また、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））は、全キャリアガスの流量（窒素キャリアガスの流量＋水素キャリアガスの流量）に対する窒素キャリアガスの流量比として表した。さらに、図１０（ａ）中、方位は、窒化物半導体（ＧａＮ）に対するタングステンマスクのストライプ方向を示している。
【０１７５】
この図１０（ａ）に示すように、タングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガスの分圧を上げても殆どラテラル成長しない。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約０．４程度のラテラル成長が生じた。この図１０（ａ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。
【０１７６】
図１０（ｂ）はタングステンマスクによりＡｌＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１０（ｂ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））および方位は、図１０（ａ）と同様である。
【０１７７】
この図１０（ｂ）に示すように、タングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約１．５程度のラテラル成長が生じた。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約１５程度のラテラル成長が生じた。この図１０（ｂ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。
【０１７８】
上記図１０（ａ）および図１０（ｂ）の結果から、金属性マスクの成長抑制効果を利用して選択成長を行う場合、金属性マスクのストライプ方向を〈１−１００〉方向に形成するのが好ましく、窒素キャリアガスの分圧は高い方が好ましいことがわかる。但し、窒素キャリアガス分圧を０．９より大きくして作製した選択成長膜はＸ線回折半値幅が６分以上となり、結晶性（配向性）が悪化していた。また、金属性マスクは、ＧａＮ膜に比べて少なくともＡｌを含む窒化物半導体膜の方がラテラル成長が速かった。
【０１７９】
図１１（ａ）はＳｉＯ2膜付きタングステンマスクによりＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１１（ａ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）は基板に対して垂直方向の成長速度をｃ、基板に対して平行方向の成長速度（ラテラル成長速度）をａとし、これらの比ａ／ｃとして表した。また、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））は、全キャリアガスの流量（窒素キャリアガスの流量＋水素キャリアガスの流量）に対する窒素キャリアガスの流量比として表した。さらに、図１１（ａ）中、方位は、窒化物半導体（ＧａＮ）に対するＳｉＯ2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を示している。
【０１８０】
この図１１（ａ）に示すように、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約０．５程度のラテラル成長が生じた。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約１．５程度のラテラル成長が生じた。この図１１（ａ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。また、絶縁性膜についても、ＳｉＯ2膜に限らず、ＳｉＮx膜を用いても殆ど同様であった。
【０１８１】
図１１（ｂ）はＳｉＯ2膜付きタングステンマスクによりＡｌＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１１（ｂ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））および方位は、図１１（ａ）と同様である。
【０１８２】
この図１１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約８程度のラテラル成長が生じた。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約２８程度のラテラル成長が生じた。この図１１（ｂ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。また、絶縁性膜についても、ＳｉＯ2膜に限らず、ＳｉＮx膜を用いても殆ど同様であった。
【０１８３】
上記図１１（ａ）および図１１（ｂ）の結果から、絶縁性膜付き金属性マスクの成長抑制効果を利用して選択成長を行う場合、金属性マスクのストライプ方向を〈１−１００〉方向に形成するのが好ましく、窒素キャリアガスの分圧は高い方が好ましいことがわかる。但し、窒素キャリアガス分圧を０．９より大きくして作製した選択成長膜はＸ線回折半値幅が６分以上となり、結晶性（配向性）が悪化していた。また、金属性マスクは、ＧａＮ膜に比べて少なくともＡｌを含む窒化物半導体膜の方がラテラル成長が速かった。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクは、金属性マスクに比べてラテラル成長が速く、マスクのストライプ方向依存性が緩和されていた。
【０１８４】
上記図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）および図１１（ｂ）において、ラテラル成長ａ／ｃは、窒素キャリアガス分圧が０．１以上で大きく増加している。このことから、窒素キャリアガス分圧は０．１以上であるのが好ましい。
【０１８５】
さらに、上記図１０および図１１から、金属膜を含むマスクを被覆するために必要なラテラル成長膜の下限値を読み取ることができる。この値は、選択成長する膜（被覆する膜）がＧａＮ膜であるか、ＡｌＧａＮ膜であるかで異なる。同様に、マスクのストライプ方向でも異なり、マスクが金属膜のみである場合とその上に絶縁膜が設けられている場合とでも異なる。さらに、雰囲気ガス比（Ｎ2／Ｎ2＋Ｈ2）によっても異なる。
【０１８６】
例えば、絶縁性膜付き金属性マスクのストライプ方向を〈１−１００〉として、その上にＧａＮ膜を選択成長する場合、雰囲気ガス（Ｎ2／（Ｎ2＋Ｈ2））＝０．５では、図１１（ａ）から、ラテラル成長ａ／ｃ＝１．５と読み取ることができる。すなわち、積層膜厚（被覆膜厚）１に対して横方向成長は１．５ということになる。マスク上の選択成長は、マスクで被覆されていないマスク両側の部分から成長が始まり、マスクの中央部で会合してマスクが被覆される。従って、金属性マスクは積層膜厚１に対して１．５×２（両側分）＝３で被覆されることになる。仮に、マスク幅が６μｍであれば、６／３＝２μｍの積層膜厚（下限値）でマスクが被覆されることになる。上記各実施形態では、Ｎ2（１０リットル／ｍｉｎ）＋Ｈ2（５リットル／ｍｉｎ）の条件で選択成長が行われている。
【０１８７】
（実施形態１０）
本実施形態では、下層ｎ型ＡｌＧａＮ膜上に形成した金属性マスクが、再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【０１８８】
図１２に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板９０１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層９０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層９０４、活性層９０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層９０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層９０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層９０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜９１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜９１０上にわたってｐ型電極９１２が設けられて、絶縁性膜９１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板９０１の裏面に接するようにｎ型電極９１１が形成されている。
【０１８９】
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜９０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜９０３ｂから構成されている。また、ストライプ状電極下方の下層膜９０３ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク等）９１６は、再成長膜４０３ｂによって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【０１９０】
本実施形態において、金属性マスク９１６は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【０１９１】
図１２では、活性層９０５の下方に設けた２つの金属性マスク９１６を有し、これらの金属性マスク９１６、９１６の間隔Ｓ部の上方に位置するようにｐ型ストライプ電極４１２の電流注入幅Ｗｐが設けられ、かつ、金属性マスク９１６が再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜９０３ｂによって平坦に被覆されない窪み部を有する。
【０１９２】
この場合、（１）窪み部を有することによって、活性層９０５は量子井戸構造からｐ型ストライプ電極９１２のストライプ方向に対して垂直方向に閉じ込められた量子細線構造に近い形態になる。このことにより、閾値電流密度をより一層低減することができる。また、（２）窪み部を有することによって、再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜９０３ｂよりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。さらに、（３）窪み部を有することによって、ｐ型ストライプ電極９１２から注入された電流が横方向に広がることを防止することができる。このことにより、閾値電流密度を低くすることができる。
【０１９３】
この窪みは、Ｎ2キャリアガス分圧を１０％未満、好ましくはＨ2キャリアガス雰囲気で再成長層９０３ｂを成長することによって形成することができる。または、再成長層９０３ｂの膜厚を薄くしても形成することができる。
【０１９４】
なお、図１２の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図１２に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。
【０１９５】
（実施形態１１）
本実施形態では、下層ｐ型ＡｌＧａＮ膜上に形成した金属性マスクが、再成長ｐ型ＡｌＧａＮ膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【０１９６】
図１３に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層１００２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１００４、活性層１００５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１００６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１００７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１００９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層１００９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜１０１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜１０１０上にわたってｐ型電極１０１２が設けられて、絶縁性膜１０１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板１００１の裏面に接するようにｎ型電極１０１１が形成されている。
【０１９７】
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００８は、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜１００８ａと再成長ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜１００８ｂから構成されている。また、ストライプ状電極下方の下層膜１００８ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク等）１０１６は、再成長膜１００８ｂによって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【０１９８】
本実施形態において、金属性マスク１０１６は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【０１９９】
図１３では、活性層１００５の上方に設けた２つの金属性マスク１０１６を有し、これらの金属性マスク１０１６、１０１６の間隔Ｓ部の上方に位置するようにｐ型ストライプ電極１０１２の電流注入幅Ｗｐが設けられ、かつ、金属性マスク１０１６が再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜１００８ｂによって平坦に被覆されない窪み部を有する。
【０２００】
この場合、窪み部を有することによって、再成長ｐ型ＡｌＧａＮ膜１００８ｂよりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。
【０２０１】
この窪みは、Ｎ2キャリアガス分圧を１０％未満、好ましくはＨ2キャリアガス雰囲気で再成長層１００８ｂを成長することによって形成することができる。または、再成長層１００８ｂの膜厚を薄くしても形成することができる。
【０２０２】
なお、図１３の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図１３に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。
【０２０３】
（実施形態１２）
本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板上に形成した金属性マスクが、再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【０２０４】
図１４に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１１０１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層１１０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１１０４、活性層１１０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１１０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１０９が順次積層されている。ｐ型クラッド層１１０８はｐ型光ガイド層１１０７近くまで堀り下げられて、ｐ型コンタクト層１１０９およびｐ型クラッド層１１０８からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にＳｉＯ2からなる絶縁性膜１１１０が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜１１１０上および絶縁性膜１１１０の開口部から露出したリッジストライプ部上にわたってｐ型電極１１１２が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板１１０１の裏面に接するようにｎ型電極１１１１が形成されている。
【０２０５】
さらに、リッジストライプ部下方の基板上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク等）１１１６は、コンタクト層１１０２によって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【０２０６】
本実施形態では、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に金属性マスクが形成されている。
【０２０７】
本実施形態において、金属性マスク１１１６は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【０２０８】
図１４では、活性層１１０５の下方に設けた金属性マスク１１１６を有し、この金属性マスク１１１６がコンタクト層１１０２によって平坦に被覆された領域Ｍ１および領域Ｍ２のうちの少なくともいずれか一方の領域の上方に、リッジストライプ構造の電流注入幅Ｗｐが設けられている。
【０２０９】
この場合、窪み部を有することによって、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１１０２よりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。
【０２１０】
この窪みは、Ｎ2キャリアガス分圧を１０％未満、好ましくはＨ2キャリアガス雰囲気でコンタクト層１１０２を成長することによって形成することができる。または、コンタクト層１１０２の膜厚を薄くしても形成することができる。
【０２１１】
なお、図１４の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図１４に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。本実施形態では、成長が金属性マスクの両側から始まるため、窪み部はリッジストライプの片側にしか形成されない。
【０２１２】
本実施形態において、金属性マスク１１１６の上に形成されるｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.08Ｎコンタクト層１１０２は、その他のＡｌ組成比であってもよく、ＧａＮであってもよい。金属性マスク１１１６の上に形成される層の構成要素がＡｌＧａＮであることの効果、および金属性マスク１１１６の上に形成される層の構成要素がＧａＮであることの効果は、前述した実施形態と同様である。
【０２１３】
上記実施形態１０〜実施形態１２では、金属性マスクについて説明したが、絶縁性膜付き金属性マスクを用いてもよい。絶縁性膜付き金属性マスクを用いたことによる効果は、前述した実施形態と同様であり、形成方法も同様である。但し、絶縁性膜付き金属性マスクを用いた場合、ラテラル成長が起こり易くなるため、金属性マスクの方が窪み部を形成しやすい。また、ＧａＮ基板の裏面側からｎ型電極を形成したが、実施形態１のようにｐ型電極と同じ側からｎ型電極を形成してもよい。さらに、上記実施形態１０〜実施形態１２では、窪みの形状をＶ字型としたが、その他の形状、例えば矩形形状を有していてもよい。例えば、マスクのストライプ方向を窒化物半導体結晶の〈１−１００〉方向に沿って形成したときに、矩形状の窪み部が形成されやすい。
【０２１４】
（実施形態１３）
本実施形態では、金属性マスクまたは絶縁性膜付き金属性マスクにＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）を組み合わせたことによる効果について説明する。
【０２１５】
本願発明者らが詳細な検討を行ったところ、上記金属性マスクを窒化物半導体層（以下、下地層と称する）上に形成すると、その金属性マスクを構成している金属が下地層中に内部拡散を起こしていた。このような金属の内部拡散は、結晶性を低下させ、歩留りの低下を招いていた。このような内部拡散に対するために、金属性マスクを形成するときの蒸着温度や、金属性マスクを被覆する窒化物半導体層の成長温度を制御することによって、ある程度抑制することができた。
【０２１６】
しかしながら、基板として窒化物半導体基板（例えばＧａＮ基板）を用いることにより、より効果的に上記金属の内部拡散を抑制することができ、歩留りを向上させることができる。その理由は、以下の通りである。本願発明者らの実験結果によれば、上記金属の内部拡散は、貫通転位を通して下地層に拡散していることが分かった。ＧａＮ基板上に成長した窒化物半導体膜中の貫通転位密度は、窒化物半導体基板以外から構成される異種基板（例えばサファイア基板）上に成長した場合に比べて低いため、ＧａＮ基板を用いることによって、より効果的に上記金属の内部拡散を抑制することができる。
【０２１７】
なお、本実施形態では金属性マスクについて説明したが、絶縁性膜付き金属性マスクを用いても同様の効果が得られる。
【０２１８】
なお、上記実施形態１〜実施形態１３においては、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させた例について説明したが、その限りではなく、ＭＢＥ法やハイドライド気相成長法、ＭＯＭＢＥ法、ＣＶＤ法等、他の成長法を用いてもよい。基板としてはサファイアに限らず、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＭｇＡｌ2Ｏ4等、他の基板を用いることも可能である。また、その他の窒化物半導体基板、例えばＡｌＧａＮ基板やＩｎＧａＮ基板等を用いてもよい。また、各層の混晶比は適宜変更可能である。さらに、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）窒化物半導体構成元素のうち、窒素元素の一部（約１０％程度以下）をＰ、ＡｓおよびＳｂのうちの少なくともいずれか１つで置換した材料を用いても同様の効果が得られる。
【０２１９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、少なくとも光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを窒化物半導体レーザ素子に適用することにより、以下のような効果を得ることができる。
【０２２０】
第１に、金属膜による光吸収効果により、単峰な垂直横モードの安定化を図ることができる。
【０２２１】
第２に、金属膜による光吸収効果により、光ガイド層に等価屈折率差を与えて水平横モードの光閉じ込めを強くし、閾値電流密度を低減すると共に、単峰な水平横モードの安定化を図ることができる。
【０２２２】
第３に、金属膜を絶縁性膜で被覆することにより、ラテラル成長速度を向上すると共に、電流狭窄構造を実現することができる。その結果、上記第１および第２の効果をさらに顕著に得ることができる。
【０２２３】
第４に、金属膜は光吸収効果の他に成長抑制効果を有しているため、上記効果と共に、レーザ構造を構成する窒化物半導体膜中の転位密度を低減することができる。このため、レーザの発振寿命特性を向上させることができる。
【０２２４】
このように優れた特性を有する本発明の窒化物半導体レーザ素子は、表示素子やディスプレイ、光ディスクの光源等として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図２】実施形態において使用する結晶成長装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図４】実施形態３の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図５】実施形態４の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図６】実施形態５の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図７】実施形態６の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図８】実施形態７の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図９】金属性マスク（タングステンマスク）の膜厚と光吸収率との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は金属性マスク（タングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図であり、（ｂ）は金属性マスク（タングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＡｌＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図であり、（ｂ）は絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＡｌＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図である。
【図１２】実施形態１０の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図１３】実施形態１１の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図１４】実施形態１２の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図１５】従来のリッジストライプ構造の窒化物半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図１６】（ａ）は本発明の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＮＦＰであり、（ｂ）は従来の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＮＦＰである。
【図１７】（ａ）は本発明の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＦＦＰであり、（ｂ）は従来の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＦＦＰである。
【符号の説明】
１０、１００、３００、５００、６００、７００、８００ サファイア基板
１１、１０１、３０１、５０１、６０１、７０１、８０１ 低温ＧａＮバッファー層
１２、１０２、３０２、５０２、６０２、７０２、８０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１３、１０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３、９０３、１００３、１１０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４、１０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１５、１０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５、１００５、１１０５ 活性層
１６、１０６、３０６、４０６、５０６、６０６、７０６、８０６、９０６、１００６、１１０６ ＡｌＧａＮキャリアブロック層
１７、１０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７、９０７、１００７、１１０７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１８、１０８、３０８、４０８、５０８、６０８、７０８、８０８、９０８、１００８、１１０８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９、１０９、３０９、４０９、５０９、６０９、７０９、８０９、９０９、１００９、１１０９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０、１１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０、９１０、１０１０、１１１０ ＳｉＯ2絶縁膜
２１、１１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１ ｎ型電極
２２、１１２、３１２、４１２、５１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２ ｐ型電極
２３ リッジストライプ形成部分の活性層付近
２４ リッジストライプ形成によって掘り下げた部分の活性層付近
１０２ａ、３０２ａ、５０２ａ、６０２ａ、７０２ａ、８０２ａ 下層ｎ型ＧａＮ膜
１０２ｂ、３０２ｂ、５０２ｂ、６０２ｂ、７０２ｂ、８０２ｂ 再成長ｎ型ＧａＮ膜
１１３、４１６、５１６ タングステンマスク
２０１ 基板
２０２ サセプタ
２０３ 反応管
２０４ 原料入り口
２０５ 排気ガス出口
２０６ アンモニア
２０７ａ ＴＭＧ
２０７ｂ ＴＭＡ
２０７ｃ ＴＭＩ
２０７ｄ Ｃｐ2Ｍｇ
２０８ マスフローコントローラ
２０９ ＳｉＨ4
３１３、５１３、６１３、６１６ タングステン膜
３１４、５１４、６１４、６１７ ＳｉＯ2膜
３１５、５１５、６１５、６１８ ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク
４０１、９０１、１００１、１１０１ ｎ型ＧａＮ基板
４０２、９０２、１００２、１１０２ ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層
４０３ａ、５０３ａ、６０３ａ、９０３ａ 下層ｎ型ＡｌＧａＮ膜
４０３ｂ、５０３ｂ、６０３ｂ、９０３ｂ 再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜
４１７、５１７、６１９、７１７、８１９ マスクで被覆されていない部分
６２０、８２０ マスクの側部
７０８ａ、８０８ａ、１００８ａ 下層ｐ型ＡｌＧａＮ膜
７０８ｂ、８０８ｂ、１００８ｂ 再成長ｐ型ＡｌＧａＮ膜
７１３、８１３、８１６ 白金膜
７１４、８１４、８１７ ＳｉＮx膜
７１５、８１５、８１８ ＳｉＮx膜付き白金マスク
７１６ 白金マスク
９１６、１０１６、１１１６ 金属性マスク
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温での温度特性が優れた窒化物半導体から構成され、表示素子やディスプレイ、光ディスク等の光源として用いられる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、窒化物半導体は、発光素子やハイパワーデバイスの材料として利用または研究されている。例えば、発光素子の場合には、それを構成する組成を調整することにより、技術的には青色から橙色までの幅広い発光が可能な素子として利用することができる。その特性を利用して、近年では、青色発光ダイオードや緑色発光ダイオード等の実用化がなされており、さらに、窒化物半導体レーザ素子として青紫色半導体レーザーが開発されてきている。
【０００３】
このうち、窒化物半導体レーザ素子については、ＳｉＯ2を用いた選択成長技術を応用して、結晶内の転位密度を低減させたものが、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８） ｐ２１１−ｐ２１３に報告されている。この報告では、ｎ型ＧａＮ膜上にＳｉＯ2からなる選択成長マスクを形成し、さらにその上にｎ型ＧａＮ膜を再成長してＳｉＯ2マスクを被覆して平坦な表面を作製し、そのＳｉＯ2マスクの被覆部上にレーザ構造を形成している。この手法を用いることにより、レーザ素子内の欠陥を低減してレーザ素子特性を向上させている。
【０００４】
さらに、半導体レーザ素子の動作電流の低減および水平横モード（活性層に水平な方向）の安定化のために、従来、図１５に示すような構造の半導体レーザ素子が使用されている。この半導体レーザ素子は、基板１０、低温バッファー層１１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４、活性層１５、ＡｌＧａＮキャリアブロック層１６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９、絶縁性膜２０、ｎ型電極２１およびｐ型電極２２から構成されている。但し、上記Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８） ｐ２１１−ｐ２１３の報告では、ｎ型コンタクト層１２にＳｉＯ2マスクが挿入され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１３の代わりにＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子によるクラッド層が形成されている。
【０００５】
このようなレーザ構造はリッジストライプ構造と呼ばれている。このリッジストライプ構造によれば、ストライプ電極の幅Ｗｐを約２μｍ前後に狭くし、ｐ型光ガイド層１７の近くまでｐ型クラッド層１８を堀り下げることにより活性層１５への電流注入を狭窄し、レーザの動作電流の低減を図ることができる。また、ｐ型光ガイド層１７の近くまで掘り下げた領域２４とリッジストライプ領域２３とにおいて、活性層１５の等価屈折率に差が生じて水平横モードが閉じ込められるので、単一（単峰）水平横モードの安定化を図ることができる。
【０００６】
一方、垂直横モード（活性層に垂直な方向）については、上述のリッジストライプ型レーザ構造を含む一般の窒化物半導体レーザ素子において、安定した単一（単峰）モードを得るために、クラッド層中の平均Ａｌ組成比を高くするか、またはクラッド層の厚みを厚くして垂直横モード光が漏れないようにする方法が採用されている。特に、後者の方法では、ｎ型クラッド層の層厚が薄いと、基板とｎ型クラッド層との間のｎ型コンタクト層内に垂直横モード光が漏れ出してしまう。この漏れ出した垂直横モード光は、クラッド層（例えばｎ型ＡｌＧａＮクラッド層）の外側に、そのクラッド層の等価屈折率よりも屈折率が大きい層（例えば膜厚０．３μｍ以上のＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層）が設けられている場合、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）において、広角側にサブピークを出現させて垂直横モードの単峰性を損なう。図１６（ｂ）および図１７（ｂ）に従来の窒化物半導体レーザ素子におけるＮＦＰ（ニアフィールドパターン）とＦＦＰを示す。これらの図に示すように、サブピークが観測されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単峰でかつ安定した垂直横モードを得るためにクラッド層中の平均Ａｌ組成比を増大したり、クラッド層厚を厚膜化することにより、格子不整合によるクラックの発生や結晶欠陥の増加による結晶性の低下、および素子の高抵抗化を引き起こし、その結果、レーザ閾値電流の増加が生じていた。このことから、レーザ素子として作製可能なＡｌを含むクラッド層の成長条件が制限され、充分に単峰でかつ安定した垂直横モードを得ることができなかった。
【０００８】
これに対して、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１９９８） ｐ２１１−ｐ２１３に報告されているＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子によるクラッド層は、通常使用されているＡｌＧａＮクラッド層を同じ平均Ａｌ組成比とした場合に比べて、クラックの発生を抑制してクラッド層厚を厚くすることができる。しかし、Ａｌは一般に気相反応が強く、しかも超格子であるためにバルブ切り替えによって超格子周期が変動し、平均Ａｌ組成比も変化する。このため、Ａｌを含む超格子の結晶成長は困難であり、クラッド層厚とそのクラッド層中の平均Ａｌ組成比の再現性が得られにくい。また、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子によるクラッド層であっても、上述したようなＡｌ組成比の増大やクラッド層厚の厚膜化による結晶性の低下や素子の高抵抗化は避けられない。
【０００９】
一方、リッジストライプ構造を利用した水平横モードの安定化は、狭窄注入されたキャリア密度の増加による屈折率の減少を上回る屈折率差を、ｐ型光ガイド層近くまでクラッド層を掘り下げたリッジストライプ構造で作り込む必要がある。従って、水平横モードの安定化は、この掘り下げたクラッド層の厚みに依存する。しかし、このようなリッジストライプ構造は、一般に、ドライエッチングを用いて形成するため、掘り下げたクラッド層厚の制御が困難で層厚の再現性が悪く、その結果、水平横モードが不安定化していた。また、エッチングを用いてリッジストライプ構造を作製するため、露出した端面での劣化が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加する等、レーザ素子特性に悪影響を及ぼしていた。さらに、レーザ発振閾値電流密度の低減のためには、より強い光閉じ込めが要求されていた。
【００１０】
これらの横モードの不安定化は、図１６（ｂ）および図１７（ｂ）に示すようにＮＦＰやＦＦＰのサブピークを発生させるため、光ディスク等のレーザを応用したデバイスにとっては、非常に問題であった。このことから、安定した横モードの制御性が望まれていた。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、単峰な安定した垂直横モードが得られる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。さらに、水平横モードの光閉じ込めによるレーザ発振閾値電流密度の低減と単峰な安定した水平横モードが得られる窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の外側の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該上側あるいは下側のクラッド層から漏れ出した導波光を吸収するよう配置したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の内の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位の両側に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該光吸収マスクとこれに対向する該活性層との間での利得損失が増大するよう配置したものであり、そのことにより上記目的が達成される。
【００１３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、或いは、該ストライプ状電極の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μｍ以上の位置に、該金属膜が配置されている構成とすることができる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、或いは、該リッジストライプ部の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に、該金属膜が配置されている構成とすることができる。
【００１５】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該ストライプ状電極の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている構成とすることができる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、
前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該リッジストライプ部の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている構成とすることができる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記マスクの間隔が１μｍ以上、１５μｍ以下であるのが好ましい。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜の厚みが０．０１μｍ以上であり、該金属膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下であるのが好ましい。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜が、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕおよびそれらの合金のうちの少なくとも１種類を含む金属材料、或いはそれらの金属および合金のうちの少なくとも１種類を含む複数層で構成された複合膜からなるものを用いることができる。
【００２０】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、前記光吸収マスクを構成する金属膜の直上が絶縁膜で被覆されている構成とすることができる。
【００２１】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記絶縁膜としてＳｉＯ2またはＳｉＮxからなるものを用いることができる。
【００２２】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクを構成する金属膜が、その下層の窒化物半導体層に対して〈１−１００〉方向のストライプ状に設けられているのが好ましい。
【００２３】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記光吸収マスクが、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有していてもよい。
【００２４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を製造する方法であって、前記光吸収マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して１０％以上の窒素キャリアガスを用い、そのことにより上記目的が達成される。
【００２５】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２６】
本発明にあっては、窒化物半導体からなる半導体積層構造において、導波光が到達する領域内に、少なくとも光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを設けることにより、漏れ光や活性層からの光を吸収して単一水平横モードや単一垂直横モードを安定化し、水平横モードの光閉じ込めを行うことが可能になる。
【００２７】
なお、垂直横モードの光吸収効果は、金属膜の形成位置に殆ど依存せず、金属膜の厚みにのみ依存する。但し、垂直横モードの単峰化（単一モード化）は、金属膜の形成位置に依存するため、できるだけ活性層に近い方が好ましい。
【００２８】
そこで、（１）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚の半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。この場合の基板の屈折率は、コンタクト層と異なっていれば、クラッド層よりも高くても低くてもよい。また、（２）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。この場合、基板厚みがコンタクト層よりも厚いと、基板内にマスクが配置されることになるが、基板（例えばＧａＮ厚膜）を形成する際にマスクを配置すればよい。また、（３）このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、ストライプ状電極の下方であって、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを配置する。この場合にも、基板内にマスクが配置されることになるが、上記と同様に基板（例えばＧａＮ厚膜）を形成する際にマスクを配置すればよい。また、このことにより、垂直横モードの単峰化を実現することが可能となる。さらに、その金属膜として、窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属材料を用いることにより、マスクにより転位密度を低減してレーザ寿命特性の向上を図ることが可能となる。なお、上記（１）の場合にはクラッド層に接したコンタクト層の屈折率に依存するためにコンタクト層厚の半分以内の位置に金属膜を配置し、上記（２）の場合にはコンタクト層と基板の屈折率が実質的に同じであれば一体物として考えられるので基板を含めた厚みの半分以内の位置に金属膜を配置し、上記（３）の場合にはコンタクト層が無いために基板がクラッド層に接し、基板が上記コンタクト層と同じになるため、基板厚みの半分以内の位置に金属膜を配置する。すなわち、コンタクト層や基板という名称は異なっているが、実質的にはその名称で呼ばれている層の屈折率のみに注目しているのである。
【００２９】
ここで、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内に設ける場合には、活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ未満の位置に金属膜を配置すると、金属膜による光吸収効果によってレーザ発振における利得損失が大きくなり、レーザ発振閾値電流密度の増加を招いてしまう。よって、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内に金属膜を配置する場合には、ストライプ状電極の下方であって、活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に配置する。なお、本明細書においては、基板に近い側の面を下面、下面とは反対側の面を上面と称している。
【００３０】
リッジストライプ構造においては、基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有している場合に、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚の半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。また、基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有している場合には、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。また、このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、リッジストライプ部の下方であって、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置する。或いは、リッジストライプ部の下方であって、基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に、光吸収機能を有する金属膜を配置する。このことにより垂直横モードの単峰化を実現することが可能である。また、その金属膜として、窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属材料を用いることにより、マスクにより転位密度を低減してレーザ寿命特性の向上を図ることが可能となる。さらに、リッジストライプ構造により水平横モードの安定化と発振閾値電流密度が図られる。
【００３１】
さらに、ストライプ状電極またはリッジストライプ部の下方に金属膜で被覆されていない部分を設ける場合、活性層の下面または上面から２μｍを超える位置に光吸収機能を有する金属膜を配置すると、マスクの設けられているところとマスクの設けられていないところとで、透過屈折率差が殆ど生じなくなって、水平横モードの光閉じ込め効果が弱くなる。そこで、活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に光吸収機能を有する金属膜を配置し、ストライプ状電極またはリッジストライプ部の下方に金属膜で被覆されていない部分を設けることにより、水平横モードの光閉じ込めを強くして、レーザ発振値電流密度の低減を図ることが可能となる。
【００３２】
この場合、本願発明者らの実験によれば、マスク間隔（金属膜の間隔）が１μｍ以上、１５μｍ以下であれば、水平横モードが安定された。
【００３３】
上記金属膜の厚みは０．０１μｍ以上であれば、レーザ光の吸収率を高くして垂直横モードの単峰化を安定させることが可能である。また、上記金属膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下であれば、マスクを窒化物半導体膜で被覆したときに平坦な表面が得られる。
【００３４】
一般に、窒化物半導体膜の作製温度は１０００℃前後であるため、この温度に充分耐えられる金属材料を用いるのが好ましい。このような金属材料としては、例えばＷ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕやそれらの合金、あるいはそれらの金属や合金を含む複数層で構成された複合膜等を用いることができる。
【００３５】
さらに、例えばタングステン等からなる金属性マスクにおいては、ＧａＮの成長抑制効果が非常に強く、マスクのストライプ方向への依存性も強い。ストライプ方向依存性については、ＧａＮに対して〈１１−２０〉方向にマスクパターンを形成した場合、殆どラテラル成長（基板に対して平行方向の成長）が起こらず、マスク上にＧａＮ膜を被覆することが困難である。よって、金属性膜上に絶縁性膜を被覆して絶縁性膜付き金属性マスクとすれば、このような成長抑制効果やストライプ方向依存性を緩和可能である。なお、この絶縁性膜付き金属性マスクの位置については、金属膜の配置が重要であり、上述した位置に金属膜を配置するのが好ましい。
【００３６】
この絶縁性膜としてＳｉＯ2またはＳｉＮxを用いれば、その絶縁性膜上に被覆した窒化物半導体膜の結晶配向（結晶成長軸）のずれが抑制されるので好ましい。
【００３７】
さらに、その下層の窒化物半導体層に対して〈１−１００〉方向のストライプ状にマスク（金属膜）を設ければ、マスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなり、被覆速度が速くなる。
【００３８】
上記金属性マスクまたは絶縁性膜付き金属性マスクは、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有していてもよい。この場合、その上に形成される再成長窒化物半導体層の結晶歪みを窪み部によって緩和することが可能である。よって、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることが可能となる。
【００３９】
本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法にあっては、上記マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して１０％以上の窒素キャリアガスを用いることにより、そのマスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなり、被覆速度が速くなる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００４１】
一般に、窒化物半導体を結晶成長させる際には、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ2Ｏ4等が基板として用いられる。また、結晶成長は、通常、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と称する）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ法）等により行われる。その中でも、得られる窒化物半導体の結晶性や量産性を考慮すると、基板としてサファイアまたはＧａＮを使用し、成長法としてはＭＯＣＶＤ法により行うのが最も一般的な方法である。
【００４２】
そこで、以下の実施形態ではサファイア基板またはＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成長させた窒化物半導体レーザ素子の例について説明する。なお、実施形態１、実施形態２および実施形態４〜実施形態７ではサファイア基板を用いた例について説明しているが、上述した他の基板を用いても同様の効果が得られることを確認している。特に、ＧａＮ基板を用いた場合には、後述する実施形態１３で説明するように、同種結晶であるため、格子整合性が良好で好ましい結果が得られた。また、実施形態３、実施形態１０〜実施形態１２ではＧａＮ基板を用いた例について説明しているが、上述した他の基板を用いても同様の効果が得られることを確認している。
【００４３】
（実施形態１）
本実施形態では、光吸収機能を有する金属性マスクを用いて垂直横モードの安定化（単峰化）を図った窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【００４４】
図１に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板１００上に低温ＧａＮバッファー層１０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４、活性層１０５（例えば後述する厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、他にも、厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層を３周期形成したもの等を用いることができる）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０９が順次積層されている。ｐ型クラッド層１０８はｐ型光ガイド層１０７近くまで堀り下げられて、ｐ型コンタクト層１０９およびｐ型クラッド層１０８からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にＳｉＯ2からなる絶縁性膜１１０が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜１１０上および絶縁性膜１１０の開口部から露出したリッジストライプ部上にわたってｐ型電極１１２が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。一方、ｐ型コンタクト層１０８からｎ型コンタクト層１０２まではｎ型コンタクト層１０２の表面が露出するように一部除去され、そのｎ型コンタクト層１０２の露出部上にｎ型電極１１１が形成されている。
【００４５】
ｎ型コンタクト層１０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜１０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜１０２ｂから構成され、リッジストライプ部下方の下層膜１０２ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク）１１３上を再成長膜１０２ｂで被覆している。
【００４６】
図２に本実施形態において使用したＭＯＣＶＤ装置の概略構成を示す。図中、２０１は（０００１）面を有するサファイア基板であり、この基板は炭素からなるサセプタ２０２上に配置されている。サセプタ２０２の中には炭素からなる抵抗加熱用ヒーターが配置されており、熱電対により基板温度を制御することができる。２０３は二重の石英からなる反応管であり、水冷されている。Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ3）２０６を用い、III族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）２０７ａ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）２０７ｂおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）２０７ｃを窒素ガス（Ｎ2）または水素ガス（Ｈ2）によりバブリングして用いた。ｎ型ドーピング原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）２０９を用い、ｐ型のドーピング原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）２０７ｄを用いた。各原料はマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２０８により正確に流量が制御されて原料入り口２０４から反応管に導入され、排気ガス出口２０５から排出される。
【００４７】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、サファイア基板１００を洗浄して結晶成長装置内に設置して、水素雰囲気中１１００℃程度の温度で約１０分間熱処理を施し、その後、温度を５００℃〜６００℃程度に降温する。温度が一定になった後、キャリアガスを窒素に変えて窒素ガスを全流量で１０ｌ／ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを約２０μｍｏｌ／ｍｉｎ流して、厚さ２０ｎｍの低温ＧａＮバッファー層１０１を成長させる。
【００４８】
次に、ＴＭＧの供給を停止して温度を１０５０℃まで上昇し、再びＴＭＧを約５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、ｎ型コンタクト層１０２のうち、厚さ４μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜１０２ａを成長させる。その後、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ（エレクトロンビーム）蒸着法により厚さ０．１μｍのタングステン膜を形成する。このタングステン膜の形成方法としては、ＥＢ蒸着法以外にスパッタリング法を用いてもよい。このタングステン膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてマスク幅（Ｍ）３μｍのストライプ状にエッチングし、下層ｎ型ＧａＮ膜１０２ａを露出させる。このとき、タングステンマスク１１３はストライプ方向を下層の窒化物半導体層（ＧａＮ膜１０２ａ）に対して〈１−１００〉方向に形成し、後の工程で作製するリッジストライプ部の下方に配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を１０ｌ／ｍｉｎと水素を５ｌ／ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流しながら温度を１０５０℃まで昇温し、温度が安定した時点でＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ４μｍのｎ型ＧａＮ膜１０２ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク１１３が被覆されていない部分からＧａＮが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク１１３が被覆された。この横方向成長したＧａＮ膜１０２ｂは完全に結合し、平坦な表面のコンタクト層１０２が得られた。
【００４９】
続いて、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、厚さ０．５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０３を成長する。この層は、コンタクト層１０２の横方向成長後、ＴＭＡの供給を開始して連続して成長させた。その後、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ約０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４を成長させる。光ガイド層１０４の成長後、一旦ＴＭＧとＳｉＨ4の供給を停止して温度を７００℃〜８００℃程度に下げ、ＴＭＩとＴＭＧを供給して、厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層の複数から構成される多重量子井戸活性層１０５を形成する。この際、ＳｉＨ4は供給しても良いし、供給しなくても良い。次に、ＴＭＧとＴＭＩの供給を再度停止して温度を再び１０５０℃まで昇温し、ＴＭＧとＴＭＡを供給して厚さ２０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるキャリアブロック層１０６を成長させる。この際、Ｃｐ2Ｍｇは供給しても良いし、供給しなくても良い。なお、このキャリアブロック層１０６は、形成しなくても特に問題は生じない。続いて、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、Ｃｐ2Ｍｇを約５０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７を成長させる。その後、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層１０８を成長させる。最後に、ＴＭＡの供給を停止して、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を成長し、温度を室温まで降温して基板を結晶成長装置から取り出す。
【００５０】
その後、ドライエッチング装置を用いて反応性イオンエッチングを行ってｎ型ＧａＮコンタクト層１０２を露出させ、Ａｌ膜およびＴｉ膜を露出部分に蒸着してｎ型電極１１１を形成する。このとき、反応性イオンエッチングを用いてｎ型コンタクト層１０２を露出させるのは、絶縁性基板であるサファイア基板１００を用いたためである。従って、ＧａＮ基板やＳｉＣ基板のような導電性を有する基板を用いた場合には、ｎ型コンタクト層１０２を露出させる必要はなく、直性基板の裏面にｎ型電極を形成してもよい。一方、ｐ型電極部分は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０７の手前までｐ型クラッド層１０８をエッチングしてｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９をリッジストライプ状に形成し、ＳｉＯ2からなる厚さ２００ｎｍの絶縁性膜１１０を蒸着する。その後、絶縁性膜１１０を一部除去してｐ型コンタクト層１０９を露出させ、露出部分（Ｗｐ＝２μｍ幅）を被覆するようにＮｉ膜およびＡｕ膜を蒸着してｐ型電極１１２を形成する。最後に、へき開またはドライエッチングによりミラーとなる端面を形成する。以上により、窒化物半導体を用いた青紫色の発光波長を有する本実施形態の窒化物半導体レーザ素子が作製される。
【００５１】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の表面は、平坦でクラックも生じておらず、透過電子顕微鏡により観察したところ、基板１００と低温ＧａＮバッファー層１０１との界面から生じる転位（結晶欠陥）が、タンスグテンマスク１１３の上に被覆したＧａＮ膜１０２ｂ中には殆ど観測されなかった。また、タンスグテンマスク１１３の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁以上減少した。さらに、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【００５２】
この窒化物半導体レーザ素子について、垂直（活性層に対して垂直方向）横モードのＦＦＰを観測したところ、図１７（ａ）に示すように単峰の単一モードでレーザ発振しており、従来の半導体レーザ素子において垂直横モードのＦＦＰで観測される図１７（ｂ）に示すようなサブピークは観測されなかった。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び垂直横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一垂直横モードが観測された。
【００５３】
この理由として、以下のようなことが考えられる。従来の半導体レーザ素子において垂直横モードにサブピークが発生して単一化できない原因は、活性層から発したレーザ光がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層によって充分に垂直方向に光閉じ込めされずにリークしてしまうためである。そして、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３よりも外側に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３よりも等価屈折率が大きい厚さ０．３μｍ以上のｎ型ＧａＮコンタクト層１０２が設けられているため、光ｎ型ＧａＮコンタクト層１０２部分で図１６（ｂ）に示すような垂直横モード光のサブピークが発生し、垂直横モードの単峰化を阻害していた。
【００５４】
これに対して、本実施形態で使用した成長抑制効果を有する金属性マスクがタングステンから構成されており、基板１００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３との間で発生した（漏洩した）垂直横モード光がこのタングステンマスク１１３によって吸収される。これにより、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では図１６（ａ）および図１７（ａ）に示すように、垂直横モードの安定化を図ることができると考えられる。以下、この効果を光吸収効果と称する。さらに、上記選択成長による転位密度の低減効果も加わって、１００００時間の寿命試験を行っても安定した単一垂直横モードが観測されたものと考えられる。
【００５５】
なお、上記金属性マスク（タングステンマスク）の光吸収効果により半導体レーザ素子の単一垂直横モードを得るためには、金属性マスクの形成位置は基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、以下の位置に形成することが好ましい。
【００５６】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、
（１）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、そのクラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有する場合には、そのクラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、サファイア基板上にＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層とを有する場合には、両者の界面からＧａＮコンタクト層の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを形成する。本実施形態ではｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３とｎ型ＧａＮコンタクト層１０２の界面（ｎ型クラッド層１０３の下面）から基板に向かって４μｍの位置に厚み０．１μｍのタングステンマスク１１３を形成している。
【００５７】
（２）基板に近い方のクラッド層の下面に接して、クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有する場合には、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層の厚みと基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層を有する場合には、両者の界面からＧａＮコンタクト層とＧａＮ基板の厚みを合わせた厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。
【００５８】
（３）このようなコンタクト層が設けられておらず、基板に近い方のクラッド層が基板よりも屈折率が低い場合には、クラッド層と基板との界面から基板下面に向かって基板厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。例えば、ＧａＮ厚膜（基板）上にＡｌＧａＮクラッド層を有する場合には、両者の界面からＧａＮ厚膜の厚みの半分以内の位置に金属性マスクを配置する。
【００５９】
この理由は、金属性マスクが上記範囲内に形成されていないと、その金属性マスクによって漏洩光が吸収された領域よりも漏洩光が残存している領域の方が広くなって垂直横モードの単峰化を妨げるからである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、単一垂直横モードを得やすかった。これは、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層との界面から金属性マスクまでの距離が長くなると、その金属性マスクの下方部分ではＧａＮコンタクト層中に漏洩してきた垂直横モード光が減少するものの、上記界面から金属性マスクまでの間は漏洩光が充分に減少していないために、垂直横モード光によるサブピークが観測されてしまい、単一垂直横モード化しないからである。さらに、金属性マスクをｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３上やそのクラッド層１０３内に形成してもよい。但し、金属性マスクを活性層１０５とｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４との界面（活性層１０５の下面）から基板１００に向かって０．５μｍ未満の位置に形成すると、金属性マスクによる光吸収効果のためにレーザ発振における利得損失が大きくなり、レーザ発振閾値電流密度の増加を招いてしまう。従って、金属性マスクをｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３上やそのクラッド層１０３内に形成する場合には、少なくとも活性層１０５とｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４との界面から基板１００に向かって０．５μｍ以上の位置に形成するのが好ましい。
【００６０】
さらに、後述する実施形態９において詳述するように、Ａｌを含む窒化物半導体膜上に金属性マスクを設けると、Ａｌを含まないＧａＮ膜上に金属性マスクを設けた場合に比べて、選択成長におけるラテラル成長速度が速く、かつ、欠陥密度も少なく形成される。また、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層の界面、またはＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ基板の界面の何れかの界面にまたがるように金属性マスクを形成してもよい。さらに、ＧａＮ基板を用いて半導体レーザ素子を作製した場合には、ＡｌＧａＮクラッド層から漏洩してきた光が垂直横モードの単峰化を特に強く妨げるため、上述のように金属性マスクを設けることにより、非常に高い効果が得られる。
【００６１】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のｐ型電極１１２（リッジストライプ部）の下方に金属性マスクが位置するように形成する。また、金属性マスクの幅（Ｍ）は、ｐ型電極幅Ｗｐと同等であるか、または広く形成するのが好ましい。この理由は、上述の漏洩してきた垂直モード光（ＦＦＰ）を充分に吸収するためである。
【００６２】
さらに、金属性マスクのストライプ方向は、その下層の窒化物半導体層（本実施形態では下層ＧａＮ膜１０２ａ）に対して〈１−１００〉方向にすることにより、マスク上の窒化物半導体層のラテラル成長が速くなって被覆速度が速くなり、平坦な被覆膜が得られるので好ましい。
【００６３】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、クラッド層から漏洩してきたレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。
【００６４】
さらに、金属性マスクの厚みは、光吸収効果を考慮すると、後述する実施形態８において詳述するように、約０．０１μｍ以上であるのが好ましい。また、マスクの形状にもよるが、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると、金属性マスクの厚みは２μｍ以下であるのが好ましい。
【００６５】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについては、ラテラル成長の観点から、全キャリアガスに対する窒素キャリアガスの分圧（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））を０．１（１０％以上）にするのが好ましい。但し、窒素キャリアガスの分圧が０．９を超えると、後述する実施形態９において詳述するように、Ｘ線回折による半値幅が６分を超えてしまい、被覆した窒化物半導体膜における結晶の配向性が悪化する。
【００６６】
なお、本実施形態では、リッジストライプ構造の半導体レーザ素子を示したが、後述する実施形態３〜実施形態７に示すようなストライプ構造であっても良い。
【００６７】
さらに、本実施形態では低温バッファー層１０１としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。また、本実施形態では基板側からｎ型層、活性層およびｐ型層の順に結晶成長させたが、逆にｐ型層、活性層およびｎ型層の順に結晶成長させても良い。このことは、以下の実施形態でも同様である。
【００６８】
（実施形態２）
本実施形態では、実施形態１の金属性マスク上に絶縁性膜を設けた以外は実施形態１と同様の構成とした窒化物半導体レーザ素子について説明する。
【００６９】
図３に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、サファイア基板３００上に低温ＧａＮバッファー層３０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、活性層３０５（例えば、３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層３０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０９が順次積層されている。ｐ型クラッド層３０８はｐ型光ガイド層３０７近くまで堀り下げられて、ｐ型コンタクト層３０９およびｐ型クラッド層３０８からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にＳｉＯ2からなる絶縁性膜３１０が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜３１０上および絶縁性膜３１０の開口部から露出したリッジストライプ部の上にわたってｐ型電極３１２が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。一方、ｐ型コンタクト層３０８からｎ型コンタクト層３０２まではｎ型コンタクト層３０２の表面が露出するように一部除去され、そのｎ型コンタクト層３０２の露出部上にｎ型電極３１１が形成されている。
【００７０】
ｎ型コンタクト層３０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜３０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜３０２ｂから構成され、リッジストライプ部下方の下層膜３０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク３１５上を再成長膜３０２ｂで被覆している。このマスク３１５は、タングステン膜３１３とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜３１４から構成されている。
【００７１】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態１と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板３００上に低温ＧａＮバッファー層３０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２のうち、厚さ３．５μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜３０２ａを成長させる。
【００７２】
次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ蒸着法またはスパッタリング法により厚さ０．１μｍのタングステン膜と厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2膜をｎ型ＧａＮ膜３０２ａ上に形成する。このタングステン膜およびＳｉＯ2膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて下層の窒化物半導体膜（ＧａＮ膜１０２ａ）に対して〈１−１００〉方向のストライプ状に形成し、マスク幅（Ｍ）４μｍ、マスク厚さ０．１５μｍで、タングステン膜３１３およびＳｉＯ2膜３１４からなるストライプ状マスク３１５を後の工程で作製するリッジストライプ部の下方に配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態１と同様の条件で厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ膜３０２ｂを再成長させてｎ型ＧａＮコンタクト層３０２を得る。
【００７３】
続いて、実施形態１と同様の成長条件で、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、活性層３０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層３０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層３０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層３０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、実施形態１と同様の半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図３に示すリッジストライプ構造の半導体レーザ素子を作製する。
【００７４】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層３０２の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。また、本実施形態においては、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０２中に設けた絶縁性膜（ＳｉＯ2膜）付きタンスグテンマスク３１５の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁以上減少した。さらに、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【００７５】
この窒化物半導体レーザ素子について、垂直横モードのＦＦＰを観測したところ、単峰の単一モードでレーザ発振していた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び垂直横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一垂直横モードが観測された。
【００７６】
この理由は、実施形態１と同様に、基板３００とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３との間に漏洩した垂直横モード光が、絶縁性膜付きタングステンマスク３１５のうち、タングステンマスク３１３によって吸収されたためである。その結果、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では図１６（ａ）および図１７（ａ）に示すように、垂直横モードの単峰化を図ることができた。さらに、上記選択成長による転位密度の低減効果も加わって、１００００時間の寿命試験を行っても安定した単一垂直横モードが観測されたものと考えられる。
【００７７】
本実施形態２と上記実施形態１との相違は、タングステンマスク３１３上にＳｉＯ2膜３１４を設けることにより、後述する実施形態９において詳述するように、ＧａＮ膜の選択成長においてマスクパターンの方向依存性が緩和され、充分なラテラル成長速度を得ることができたことである。一般に、タングステンマスク等の金属性マスクを用いたＧａＮ膜の選択成長においては、そのマスクのストライプ方向依存性が強いため、ラテラル成長（基板表面に対して平行方向の成長）が起こりにくい。よって、このラテラル成長速度の向上により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３とｎ型ＧａＮコンタクト層３０２との界面からＳｉＯ2膜付きタングステンマスク３１３までの距離を短く、かつ、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク３１５の幅（Ｍ）を広くすることができる。その結果、実施形態１よりもさらに安定した単一垂直横モードを得ることができた。
【００７８】
なお、上記絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク）の光吸収効果により半導体レーザ素子の単一垂直横モードを得るために必要なマスクの形成位置は、基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、実施形態１と同様である。但し、この場合のマスクの形成位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態１と同じである。
【００７９】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、クラッド層から漏洩してきたレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。上記金属性マスクの直上に設ける絶縁性膜としては、ＳｉＯ2膜以外にＳｉＮx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属膜の厚みは、実施形態１と同様に、光吸収効果を考慮すると、約０．０１μｍ以上であるのが好ましい。また、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると、金属性膜および絶縁性膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下であるのが好ましい。さらに、絶縁性膜の厚みは１μｍ以下であるのが好ましい。これは、絶縁性膜の膜厚が１μｍを超えると、下層の金属性膜と絶縁性膜との熱膨張係数差によって剥離することがあるからである。
【００８０】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについても、上記実施形態１と同様である。
【００８１】
さらに、本実施形態においても、リッジストライプ構造の半導体レーザ素子を示したが、後述する実施形態３〜実施形態７に示すようなストライプ構造であっても良い。
【００８２】
（実施形態３）
本実施形態３では、水平横モードの光閉じ込めのための金属性マスクを活性層の下方に設けた例について説明する。
【００８３】
図４に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板４０１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層４０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４、活性層４０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層４０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層４０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層４０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜４１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜４１０上にわたってｐ型電極４１２が設けられて、絶縁性膜４１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板４０１の裏面に接するようにｎ型電極４１１が形成されている。
【００８４】
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜４０３ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜４０３ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク）４１６上を再成長膜４０３ｂで被覆している。
【００８５】
この半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。まず、ＨＶＰＥ法によりサファイア基板上にＳｉをドーピングしながら厚膜ＧａＮを積層し、その後、研磨によりサファイア基板を剥ぎ取って厚み２５０μｍのｎ型ＧａＮ基板４０１を作製する。このｎ型ＧａＮ基板４０１をＭＯＣＶＤ装置にセットし、厚さ５μｍのｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層４０２を成長する。ｎ型コンタクト層４０２の成長後、引き続いて、成長温度１０５０℃で、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎおよびＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎの流量で供給し、ｎ型クラッド層４０３のうち、厚さ０．２μｍの下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａを成長する。
【００８６】
次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ蒸着法により厚さ約０．１μｍのタングステン膜を形成する。このタングステン膜の形成方法としては、ＥＢ蒸着法以外にスパッタリング法を用いてもよい。このタングステン膜を、通常のフォトリソグラフィー技術を用いてマスク幅５μｍ、マスク間隔（Ｓ）３μｍのストライプ状にエッチングし、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａを露出させる。このとき、タングステンマスク４１６はストライプ方向を下層の窒化物半導体層（Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ａ）に対して〈１−１００〉方向に形成し、後の工程で作製するストライプ状電極の下方にタングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７を配置した。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を１０ｌ／ｍｉｎと水素を５ｌ／ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流しながら温度を１０５０℃まで昇温し、温度が安定した時点でＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ4ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎおよびＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚さ０．３μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク４１６が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層４０３が得られた。
【００８７】
この横方向成長後、ＴＭＡの供給を停止し、引き続いて厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層４０４を成長する。次に、実施形態１と同様の条件で、活性層４０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層４０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層４０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層４０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層４０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図４に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【００８８】
このような選択成長工程により得られるｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４０３の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。また、透過電子顕微鏡により観察したところ、タングステンマスク４１６上に被覆したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜４０３ｂ中には転位（結晶欠陥）が殆ど観測されなかった。一方、タングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７では、螺旋転位および刃状転位がタングステンマスク４１６上に折れ曲がり、互いに相殺しながら消滅していた。ここで観察された転位密度は、サファイア基板を使用した場合に比べて極めて低かった。さらに、本実施形態におけるｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜の選択成長は、後述する実施形態９において詳述するように、ＧａＮ膜の選択成長に比べて横方向成長を速くすることができる。
【００８９】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子においては、ＧａＮ基板とＡｌＧａＮクラッド層中に設けられた成長抑制効果を有する金属性マスク（タングステンマスク４１６）の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が約１０4／ｃｍ2台であった。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約２００００時間に向上した。
【００９０】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約２／３に低減していた。また、水平横モードを観測したところ、単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１２０００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードを観察したところ、上記と同様の安定した単一水平横モードが観測された。
【００９１】
このように低閾値電流値と水平横モードでのレーザ発振が得られた理由として、以下のようなことが考えられる。本実施形態で使用したタングステンマスク４１６が活性層４０５から発せられたレーザ光を吸収したため、タングステンマスク４１６が設けられているところと設けられていないところとで光ガイド層の等価屈折率に差が生じる。そして、タングステンマスク４１６で被覆されていない部分４１７の上方で、水平横モードの光閉じ込めが顕著になって屈折率導波構造が得られ、レーザ発振閾値電流密度の低減に貢献したものと考えられる。また、この屈折率導波構造に加え、金属性マスク４１６による強い光吸収のためにマスク上部では利得損失が大きく、高次の横モードが発生しにくくなる。その結果、安定した単一水平横モードが観測されたものと考えられる。
【００９２】
なお、上記金属性マスク（タングステンマスク）による屈折率導波構造を得るためには、金属性マスクの形成位置は基板に対して垂直方向および水平方向の各々について、以下の位置に形成することが好ましい。
【００９３】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、活性層４０５とｎ型光ガイド層４０４の界面（活性層の下面）から基板に向かって２μｍ以内の位置に形成するのが好ましい。本実施形態では上記界面から０．３μｍの位置に厚み０．１μｍのタングステンマスク４１６を形成している
この理由は、金属性マスクの形成位置が上記界面から２μｍを超えると、この金属性マスクの設けられているところと設けられていないところとで等価屈折率差が殆ど生じなくなり、水平横モードの光閉じ込めが弱くなるためである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、上記屈折率差が大きく、水平横モードの光閉じ込め効果が強くなった。
【００９４】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のｐ型電極４１２の下方に金属性マスクで被覆されていない部分４１７が位置するように形成する。また、金属性マスク間の間隔（Ｓ）は、１５μｍ以下であるのが好ましい。この理由は、以下の通りである。
【００９５】
タングステンマスク４１６の設けられているところで光ガイド層の実効屈折率をｎ1、タングステンマスク４１６の設けられていないところでの光ガイド層の実効屈折率ｎ2、真空中での光の波数をｋ0、円周率をπとし、近似的に等価屈折率法を用いると、単一水平横モードを得るためには、金属性マスクのマスク間隔（Ｓ）は、Ｓ＜π／（ｋ0（ｎ22−ｎ12）1/2）とする必要がある。従って、上記屈折率差が最も小さい位置である上記界面から２μｍの位置に金属性マスクを形成したときのマスク間隔（Ｓ）は、上記式から１５μｍ以下となるからである。但し、適切なマスク間隔（Ｓ）（水平方向の位置）の上限値は、マスクの垂直方向の位置により一義的に決定されるわけではない。なぜならば、マスク間隔（Ｓ）が狭くなり過ぎると、その金属性マスクによる光吸収によって利得損失が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加するからである。このような場合には、等価屈折率法の計算値よりも大きめのマスク間隔（Ｓ）とするのが好ましい。本願発明者らの実験によれば、マスク間隔（Ｓ）は１μｍ以上、１５μｍ以下で形成するのが好ましかった。
【００９６】
本実施形態においては、成長抑制効果に加えて光吸収機能を有する金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、金属性マスクの厚みは、マスクの形状にもよるが、光吸収効果を考慮すると０．０１μｍ以上であるのが好ましく、再成長する窒化物半導体膜が被覆する厚みと被覆膜の平坦性を考慮すると２μｍ以下であるのが好ましい。
【００９７】
本実施形態では、金属性マスク４１６をｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３中に完全に埋没させたが、この金属性マスク４１６は完全にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３中に埋没させなくてもよい、これは、正味のレーザ素子部分はストライプ状ｐ型電極４１２の幅（Ｗｐ）の下方部一帯（コラム部分）で構成されるからである。従って、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４０３においては、少なくともマスク間隔（Ｓ）部分が結晶成長していればよい。但し、マスク部分が完全に埋没しない場合には、ｐ型ＧａＮコンタクト層４０９の平坦性が悪く、ｐ型電極形成が困難になってレーザ素子構造の歩留り率が低下するおそれがある。
【００９８】
上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについては、ラテラル成長の観点から、全キャリアガスに対する窒素キャリアガスの分圧を０．１（１０％以上）にするのが好ましい。但し、窒素キャリアガスの分圧が０．９を超えると、後述する実施形態９に示すように、Ｘ線回折による半値幅が６分を超えてしまい、被覆した窒化物半導体膜における結晶の配向性が悪化する。
【００９９】
ところで、従来のリッジストライプ構造においては、屈折率導波構造を得るために、図１５に示すようにｐ型クラッド層の一部を残してリッジストライプ部を形成するため、残すべきクラッド層厚の制御が困難であり、水平横モードの再現性が得られにくかった。また、上記リッジストライプ部の形成により露出した端面で劣化が生じ、レーザ発振閾値電流密度が増加する等、レーザ素子特性に悪影響を及ぼしていた。このため、生産性を考慮すると、従来のリッジストライプ構造は歩留り率が低くなるのが問題点であった。これに対して、本実施形態によれば、従来のリソグラフィー技術を用いて容易に金属性マスクの作製が可能であること、リッジストライプ構造のような端面の露出が無いこと、クラッド層厚を結晶成長を制御可能であることから、歩留り率をリッジストライプ構造に比べて高くすることができた。
【０１００】
なお、リッジストライプ構造の場合には、このような歩留まり向上の効果は得られないが、本実施形態と同様に金属性マスクを設けることにより、金属膜による光閉じ込め効果、およびエピタキシャル成長しない材料膜によるその上の成長層の転位密度低減効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクを設けることにより、絶縁膜とリッジの両方による電流狭窄効果も得られる。
【０１０１】
なお、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１０２】
（実施形態４）
本実施形態では、実施形態２の絶縁性膜付き金属性マスクと実施形態３の金属性マスクとを組み合わせて設けた構造について説明する。
【０１０３】
図５に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板５００上に、低温ＧａＮバッファー層５０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層５０４、活性層５０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層５０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層５０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層５０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜５１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜５１０上にわたってｐ型電極５１２が設けられて、絶縁性膜５１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層５０９からｎ型コンタクト層５０２まではｎ型コンタクト層５０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト５０２の露出部上にはｎ型電極５１１が形成されている。
【０１０４】
ｎ型コンタクト層５０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜５０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜５０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜５０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク５１５上を再成長膜５０２ｂで被覆している。このマスク５１５は、タングステン膜５１３とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜５１４から構成されている。ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜５０３ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜５０３ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク）５１６上を再成長膜５０３ｂで被覆している。
【０１０５】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板５００上に低温ＧａＮバッファー層５０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２のうち、厚さ１０μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜５０２ａを成長させる。
【０１０６】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜５０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク５１５を形成する。このマスク５１５は、厚さ０．１μｍのタングステン膜５１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2膜５１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ膜５０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層５０２を形成する。
【０１０７】
続いて、実施形態３と同様に、厚さ０．２μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ａを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、実施形態３と同様に、下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅５μｍ、マスク間隔（Ｓ）３μｍ、厚さ約０．１μｍのタングステンマスク５１６を形成する。このとき、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にタングステンマスク５１６で被覆されていない部分５１７を配置する。
【０１０８】
次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態３と同様に、厚さ０．３μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、タングステンマスク５１６で被覆されていない部分５１７からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてタングステンマスク５１６が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層５０３が得られた。
【０１０９】
続いて、実施形態３と同様に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層５０４、活性層５０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層５０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層５０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層５０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図５に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１１０】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層５０２およびｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層５０２に関しては、基板５００と低温ＧａＮバッファー層５０１との界面から発生した転位（結晶欠陥）が実施形態２と同様に減少していた。一方、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層５０３を透過電子顕微鏡により観察したところ、転位（結晶欠陥）がタングステンマスク５１６上に被覆したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜５０３ｂ中には殆ど観測されなかった。また、タングステンマスク５１６で被覆されていない部分５１７では、螺旋転位および刃状転位がタングステンマスク５１６上に折れ曲がり、互いに相殺しながら消滅していた。さらに、本実施形態におけるｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜の選択成長は、後述する実施形態９において詳述するように、ＧａＮ膜の選択成長に比べて横方向成長が速かった。
【０１１１】
さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層５０２およびＡｌＧａＮクラッド層５０３中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＯ2膜付きタングステンマスク５１５およびタンスグテンマスク５１６の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁〜３桁以上減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１７０００時間に向上した。
【０１１２】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約２／３に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１１３】
このように単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク５１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。さらに、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態３と同様である。また、水平横モードの形成位置、すなわち、タングステン膜５１６の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態３と同様である。
【０１１４】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク５１５および金属性マスク５１６において、金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク５１５において、絶縁性膜としてはＳｉＯ2膜以外にＳｉＮx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク５１５および金属性マスク５１６の厚みは、実施形態２および実施形態３と同様である。但し、金属性マスク５１６については、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。上記選択成長の際に用いられる窒素キャリアガスについても、上記実施形態２および実施形態３と同様である。
【０１１５】
本実施形態の半導体レーザ素子によれば、実施形態２および実施形態３と同様な効果が得られる。なお、本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。
【０１１６】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１１７】
（実施形態５）
本実施形態では、実施形態４においてＡｌＧａＮクラッド層中に金属性マスクの代わりに絶縁性膜付き金属性マスクを設けた構造について説明する。
【０１１８】
図６に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板６００上に、低温ＧａＮバッファー層６０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６０４、活性層６０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層６０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層６０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層６０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層６０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜６１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜６１０上にわたってｐ型電極６１２が設けられて、絶縁膜６１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層６０９からｎ型コンタクト層６０２まではｎ型コンタクト層６０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト６０２の露出部上にはｎ型電極６１１が形成されている。
【０１１９】
ｎ型コンタクト層６０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜６０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜６０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜６０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク６１５上を再成長膜６０２ｂで被覆している。このマスク６１５は、タングステン膜６１３とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜６１４から構成されている。ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜６０３ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜６０３ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク６１８上を再成長膜６０３ｂで被覆している。このマスク６１８は、タングステン膜６１６とその上に設けられたＳｉＯ2からなる絶縁性膜６１７から構成されている。
【０１２０】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板６００上に低温ＧａＮバッファー層６０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２のうち、厚さ１００μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜６０２ａを成長させる。
【０１２１】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜６０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク６１５を形成する。このマスク６１５は、厚さ０．１μｍのタングステン膜６１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＯ2膜６１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ１０μｍのｎ型ＧａＮ膜６０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層６０２を形成する。ここでは、結晶成長装置としてＨＶＰＥ成長装置を用いた。
【０１２２】
続いて、実施形態３と同様に、厚さ０．２μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａを成長する。その後、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、ＥＢ蒸着法またはスパッタリング法により厚さ約０．０６μｍのタングステン膜を形成し、続いてＥＢ蒸着法、スパッタリング法またはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により厚さ約０．０４μｍのＳｉＯ2膜を形成する。そして、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、マスク幅５μｍ、マスク間隔（Ｓ）２μｍのストライプ状にエッチングし、下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａを露出させる。このとき、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８はストライプ方向を下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ａに対して〈１−１００〉方向に形成し、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にタングステンマスク６１６で被覆されていない部分６１９を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態３と同様に、厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８で被覆されていない部分６１９からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜６０３ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層６０３が得られた。
【０１２３】
続いて、実施形態４と同様に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６０４、活性層６０５、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層６０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層６０７、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層６０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図６に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１２４】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層６０２およびｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０３の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０３に関する転位（結晶欠陥）は実施形態４と同様に減少していた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層６０２およびＡｌＧａＮクラッド層６０３中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１５および６１８の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁〜３桁以上減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１７０００時間に向上した。
【０１２５】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約１／２に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１２６】
このようにレーザ発振閾値電流密度が低減した理由は、以下の通りである。
【０１２７】
クラッド層６０３中に形成された絶縁性膜付き金属性マスク６１８が光吸収効果を有する金属性マスク（タングステン膜６１６）および絶縁性膜（ＳｉＯ2膜６１７）から構成されているので、前者の光吸収効果による水平横モードの光閉じ込めで得られる屈折率導波構造と、後者の絶縁性膜で金属性マスクを被覆したことによる電流狭窄によって、キャリア閉じ込めが起こったためである。すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８を用いることにより、実施形態４において記載した屈折率導波構造によるレーザ特性に加えて、電流狭窄構造を同時に素子内に造り込むことができたためである。
【０１２８】
さらに、単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。さらに、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態４と同様である。また、水平横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態４と同様である。但し、この場合の絶縁性膜付き金属性マスクの位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態４と同じである。
【０１２９】
本実施形態では、上記電流狭窄効果に加えて、以下の効果も有する。本実施形態は、実施形態４と比べて、クラッド層６０３中に形成した絶縁性膜付き金属性マスク６１８によってラテラル成長が速くなっている。この理由は、後述する実施形態９において詳述するように、ＡｌＧａＮ膜の選択成長はＧａＮ膜の選択成長に比べてラテラル成長が極めて速いが、タングステンマスク６１６上にＳｉＯ2膜６１７を設けることにより、さらにラテラル成長が速くなるためである。これにより、活性層６０５とｎ型光ガイド層６０４の界面からマスク６１８までの距離を短くして、水平横モードの光閉じ込め効果を強くすることができた。
【０１３０】
さらに、後述する実施形態９において詳述するように、金属性マスク（タングステンマスク）を用いたＧａＮ膜の選択成長においては、一般に、マスクのストライプ方向依存性が強く、ラテラル成長しにくいが、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスクを用いることにより、ＧａＮ膜の選択成長でもマスクパターンの方向依存性を無くして充分なラテラル成長を得ることができる。この特性を利用して、基板に対して垂直方向について、屈折率導波構造を得るためにＳｉＯ2膜付きタングステンマスク６１８が形成可能な位置範囲内（活性層の上面または下面から２μｍ以内の位置）にＡｌを含まない窒化物半導体が存在していても、ラテラル成長速度の速い選択成長が可能となる。
【０１３１】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク６１５および６１８において、金属性マスクとしてタングステン（Ｗ）を用いたが、それ以外に、例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク６１５および６１８において、絶縁性膜としてはＳｉＯ2膜以外にＳｉＮx膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。金属性マスクを絶縁性膜で被覆する場合には、金属性マスクの側部６２０についても絶縁膜で覆われているのが好ましい。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク６１５および６１８の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態４と同様である。
【０１３２】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク６１８は、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク６１８をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【０１３３】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１３４】
（実施形態６）
本実施形態では、実施形態４においてｎ型クラッド層中に金属性マスクを形成する代わりにｐ型クラッド層中に金属性マスクを設けた構造について説明する。
【０１３５】
図７に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板７００上に、低温ＧａＮバッファー層７０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層７０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７０４、活性層７０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層７０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層７０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層７０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜７１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜７１０上にわたってｐ型電極７１２が設けられて、絶縁性膜７１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層７０９からｎ型コンタクト層７０２まではｎ型コンタクト層７０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト７０２の露出部上にはｎ型電極７１１が形成されている。
【０１３６】
ｎ型コンタクト層７０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜７０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜７０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜７０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク７１５上を再成長膜７０２ｂで被覆している。このマスク７１５は、白金膜７１３とその上に設けられたＳｉＮxからなる絶縁性膜７１４から構成されている。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０８は、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ａと再成長ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜７０８ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜７０８ａ上部分に設けられた金属性マスク７１６（白金マスク）上を再成長膜７０８ｂで被覆している。
【０１３７】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板７００上に低温ＧａＮバッファー層７０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層７０２のうち、厚さ２０μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜７０２ａを成長させる。
【０１３８】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜７０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク７１５を形成する。このマスク７１５は、厚さ０．１μｍの白金膜７１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＮx膜７１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ２０μｍのｎ型ＧａＮ膜７０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層７０２を形成する。
【０１３９】
続いて、実施形態２と同様に、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層７０４、活性層７０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層７０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層７０７を成長する。
【０１４０】
その後、ｐ型コンタクト層７０８のうち、厚さ０．１５μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ａを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅２．５μｍ、マスク間隔（Ｓ）２μｍ、厚さ約０．０８μｍの白金マスク７１６を形成する。このとき、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に白金マスク７１６で被覆されていない部分７１７を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、白金７１６で被覆されていない部分７１７からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じて白金マスク７１６が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜７０８ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層７０８が得られた。
【０１４１】
続いて、実施形態４と同様にｐ型ＧａＮコンタクト層７０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図７に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１４２】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層７０２およびｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層７０８の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層７０２に関しては、転位（結晶欠陥）が実施形態１および実施形態２と同様に減少していた。
【０１４３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層７０２中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＮx膜付き白金マスク７１５の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁程度減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【０１４４】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約２／３に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１４５】
このように単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＮx膜付き白金マスク７１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。一方、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、本実施形態で用いた白金マスク７１６が活性層７０５から発せられたレーザ光を吸収したため、白金マスク７１６が設けられているところと設けられていないところとで光ガイド層の等価屈折率に差が生じる。そして、白金マスク７１６で被覆されていない部分７１７の上方で、水平横モードの光閉じ込めが顕著になって屈折率導波構造が得られ、レーザ発振閾値電流密度の低減に貢献したものと考えられる。また、この屈折率導波構造に加え、金属性マスク７１６による強い光吸収のためにマスク上部では利得損失が大きく、高次の横モードが発生しにくくなる。その結果、安定した単一水平横モードが観測されたものと考えられる。
【０１４６】
この水平横モードの形成位置、すなわち、白金膜７１６の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、以下の位置に形成するのが好ましい。
【０１４７】
まず、基板に対して垂直方向に関しては、活性層７０５とキャリアブロック層７０６（キャリアブロック層７０６が無い場合にはｐ型光ガイド層７０５）の界面（活性層の上面）から基板と反対側の方向に向かって２μｍ以内の位置に形成するのが好ましい。本実施形態では上記界面から０．２５μｍの位置に厚み０．０８μｍの白金マスク７１６を形成している。この理由は、金属性マスクの形成位置が上記界面から２μｍを超えると、この金属性マスクの設けられているところと設けられていないところとで等価屈折率差が殆ど生じなくなり、水平横モードの光閉じ込めが弱くなるためである。また、本願発明者らの知見によれば、上記界面から金属性マスクまでの距離が短い程、上記屈折率差が大きく、水平横モードの光閉じ込め効果が強くなった。さらに、本実施形態では、活性層７０５とキャリアブロック層７０６（キャリアブロック層７０６が無い場合にはｐ型光ガイド層７０７）の界面から金属性マスクまでの距離を、結晶成長装置の結晶成長速度で設定することができる。よって、上記実施形態４および実施形態５に比べて、上記界面からマスクまでの距離を精度良く制御することができ、水平横モードの光閉じ込め効果も精度良く制御することができる。
【０１４８】
一方、基板に対して平行方向に関しては、ストライプ状のｐ型電極７１２の下方に金属性マスクで被覆されていない部分７１７が位置するように形成する。また、実施形態３と同様に、金属性マスク間の間隔（Ｓ）は、１μｍ以上、１５μｍ以下であるのが好ましい。
【０１４９】
なお、絶縁性膜付き金属性マスク７１５および金属性マスク７１６の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態４と同様である。
【０１５０】
本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスクを形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、金属性マスク７１６は、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク７１６をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【０１５１】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１５２】
さらに、本実施形態と、上記実施形態４または実施形態５を組み合わせることにより、互いに相乗効果を得ることができる。
【０１５３】
（実施形態７）
本実施形態では、実施形態６においてＡｌＧａＮクラッド層中に金属性マスクの代わりに絶縁性膜付き金属性マスクを設けた構造について説明する。
【０１５４】
図８に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、サファイア基板８００上に、低温ＧａＮバッファー層８０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層８０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層８０４、活性層８０５（例えば厚さ２ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ層からなる多重量子井戸活性層、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層と厚さ１０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなる多重量子井戸活性層や３周期のＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層からなる多重量子井戸活性層等）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層８０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層８０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層８０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜８１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜８１０上にわたってｐ型電極８１２が設けられて、絶縁性膜８１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。ｐ型コンタクト層８０９からｎ型コンタクト層８０２まではｎ型コンタクト層８０２の表面が露出するように一部除去されており、そのｎ型コンタクト８０２の露出部上にはｎ型電極８１１が形成されている。
【０１５５】
ｎ型コンタクト層８０２は、下層ｎ型ＧａＮ膜８０２ａと再成長ｎ型ＧａＮ膜８０２ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜８０２ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク８１５上を再成長膜８０２ｂで被覆している。このマスク８１５は、白金膜８１３とその上に設けられたＳｉＮxからなる絶縁性膜８１４から構成されている。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８は、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ａと再成長ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜８０８ｂから構成され、ストライプ状電極下方の下層膜８０８ａ上部分に設けられた絶縁性膜付き金属性マスク８１８上を再成長膜８０８ｂで被覆している。このマスク８１８は、白金膜８１６とその上に設けられたＳｉＮxからなる絶縁性膜８１７から構成されている。
【０１５６】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は例えば以下のようにして作製することができる。まず、実施形態２と同様に、結晶成長装置内でサファイア基板８００上に低温ＧａＮバッファー層８０１を成長させ、次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層８０２のうち、厚さ２０μｍの下層ｎ型ＧａＮ膜８０２ａを成長させる。
【０１５７】
次に、実施形態２と同様に、下層のＧａＮ膜８０２ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅（Ｍ）５μｍ、マスク厚み０．１５μｍの絶縁性膜付き金属性マスク８１５を形成する。このマスク８１５は、厚さ０．１μｍの白金膜８１３および厚さ０．０５μｍのＳｉＮx膜８１４から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部に配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、実施形態２と同様に、厚さ２０μｍのｎ型ＧａＮ膜８０２ｂを再成長させて、平坦でかつクラックの発生していないｎ型ＧａＮコンタクト層８０２を形成する。
【０１５８】
続いて、実施形態６と同様に、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層８０４、活性層８０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層８０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８０７を成長する。
【０１５９】
その後、実施形態６と同様に、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８のうち、厚さ０．１μｍの下層Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ａを成長する。次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出し、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ａに対して〈１−１００〉方向のストライプ状に、マスク幅３μｍ、マスク間隔（Ｓ）１．５μｍ、マスク厚み０．２μｍの絶縁性膜付き金属性マスク８１８を形成する。このマスク８１８は、厚さ０．１μｍの白金膜８１６および厚さ０．１μｍのＳｉＮx膜８１７から構成され、後の工程で作製するストライプ状電極の下部にＳｉＮx膜付き白金マスク８１８で被覆されていない部分８１９を配置する。次に、基板を再び結晶成長装置内に設置して、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ｂを再成長させる。成長が進むにつれて、ＳｉＮx付き白金マスク８１８で被覆されていない部分８１９からＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎが再成長を始め、横方向成長が生じてＳｉＮx膜付き白金マスク８１８が被覆された。この横方向成長したＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜８０８ｂは完全に結合し、平坦な表面のクラッド層８０８が得られた。
【０１６０】
続いて、実施形態６と同様に、ｐ型ＧａＮコンタクト層８０９を成長する。その後、基板を結晶成長装置から取り出し、半導体レーザ素子の製造プロセスを経て、図８に示す本実施形態の窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【０１６１】
このような選択成長工程により得られるｎ型ＧａＮコンタクト層８０２およびｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層８０８の表面は、平坦でクラックも生じていなかった。ｎ型ＧａＮコンタクト層８０２に関する転位（結晶欠陥）は実施形態１および実施形態２と同様に減少していた。
【０１６２】
さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮコンタクト層８０２中に設けられた成長抑制効果のあるＳｉＮx膜付き白金マスク８１５の存在によって、そのマスク上に再成長を行った後のレーザ構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁程度減少した。その結果、半導体レーザ素子自体の寿命特性は約１２０００時間であった。
【０１６３】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子について、レーザ発振閾値電流密度を測定したところ、図１５に示した従来のリッジストライプ構造の半導体レーザ素子の約１／２に低減していた。また、水平横モードおよび垂直横モードのＮＦＰおよびＦＦＰをモードを観測したところ、両者とも単峰の単一モードでレーザ発振が得られた。さらに、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子に１００００時間の寿命試験を行って、再び水平横モードおよび垂直横モードを観察したところ、上記と同様に安定した単一水平横モードと単一垂直横モードとが観測された。
【０１６４】
このようにレーザ発振閾値電流密度が低減した理由は、実施形態５と同様に、実施形態４で記述した屈折率導波構造のレーザ特性に加えて、電流狭窄構造を同時に素子内に造り込むことができたためである。さらに、単峰（単一）で安定した垂直横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態１および実施形態２と同様である。また、垂直横モードの形成位置、すなわち、ＳｉＮx膜付き白金マスク８１５の形成位置は、基板に対して垂直方向および平行方向の各々について、実施形態２と同様である。さらに、単峰（単一）で安定した水平横モードのレーザ発振が得られた理由は、実施形態６と同様である。また、屈折率導波構造を得るための絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＮx膜付き白金マスク８１５）の形成位置は、実施形態６と同様である。但し、この場合の絶縁性膜付き金属性マスクの位置とは、絶縁性膜付き金属性マスクを構成している金属性マスクの形成位置のことを称し、この意味において実施形態６と同じである。
【０１６５】
本実施形態においては、実施形態６と同様に、活性層８０５とキャリアブロック層８０６（キャリアブロック層８０６が無い場合にはｐ型光ガイド層８０７）の界面から絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付き白金マスク８１８）までの距離を、結晶成長装置の結晶成長速度で設定することができる。よって、上記実施形態４および実施形態５に比べて、上記界面からマスクまでの距離を精度良く制御することができ、水平横モードの光閉じ込め効果も精度良く制御することができる。
【０１６６】
さらに、本実施形態では、上記電流狭窄効果に加えて、以下の効果も有する。後述する実施形態９において詳述するように、金属性マスクを用いたＧａＮ膜の選択成長においては、一般に、マスクのストライプ方向依存性が強く、ラテラル成長しにくいが、絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＮx膜付き白金マスク）を用いることにより、ＧａＮ膜の選択成長でもマスクパターンの方向依存性を無くして充分なラテラル成長を得ることができる。この特性を利用して、基板に対して垂直方向について、屈折率導波構造を得るために絶縁性膜付き金属性マスク８１８を形成可能な位置範囲内（活性層の上面または下面から２μｍ以内の位置）にＡｌを含まない窒化物半導体が存在していても、ラテラル成長速度の速い選択成長が可能となる。
【０１６７】
本実施形態では、絶縁性膜付き金属性マスク８１５および８１８において、金属性マスクとして白金（Ｐｔ）を用いたが、それ以外に、例えばＷ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属やそれらの合金、或いはそれらを含む複数層からなる複合膜等を用いることができる。窒化物半導体が直接エピタキシャル成長せずに成長抑制効果が得られ、活性層から発せられるレーザ光を吸収する光吸収効果を有する金属であれば、その材料に対して大きく依存はしない。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク８１５および８１８において、絶縁性膜としてはＳｉＮx膜以外にＳｉＯ2膜を用いてもよく、絶縁性膜であればその材料に対して大きく依存はしない。金属性マスクを絶縁性膜で被覆する場合には、金属性マスクの側部８２０についても絶縁膜で覆われているのが好ましい。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク８１５および８１８の厚みや選択成長の際に用いられる窒素キャリアガス、歩留り率等は、実施形態６と同様である。本実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層中に絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＮx付き白金マスク）を形成したが、金属性マスクを形成してもよい。金属性マスクを形成した場合には、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、絶縁性膜付き金属性マスク８１８は、実施形態３と同様に、クラッド層内に完全に埋まらなくても良い。但し、レーザ素子製造の歩留り率の向上のためには、絶縁性膜付き金属性マスク８１８をクラッド層内に埋没させた方が好ましい。
【０１６８】
本実施形態では低温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明したが、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いても何等問題は生じない。さらに、本実施形態では再成長を行うクラッド層のＡｌ組成を０．１としたが、０＜Ａｌ≦１の組成の窒化物半導体でも同様の効果が見られる。
【０１６９】
さらに、本実施形態と、上記実施形態４または実施形態５を組み合わせることにより、互いに相乗効果を得ることができる。
【０１７０】
（実施形態８）
本実施形態では、金属性マスクの膜厚と光吸収率との関係について説明する。
【０１７１】
図９はタングステンマスクの膜厚とレーザ光の光吸収率の関係を示す図である。この図によれば、マスクの膜厚が約０．０１μｍ以上で６０％以上の光吸収率を示し、膜厚が約０．０５μｍ以上でほぼ１００％の光吸収率を示した。この図９に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。従って、金属性マスクにより垂直横モード安定化のための光吸収効果を得るためには、金属性マスク（絶縁性膜付き金属性マスクの場合にはそれを構成する金属膜）の膜厚を少なくとも５０％以上の光吸収率を示す０．０１μｍ以上にするのが好ましく、さらに好ましくは０．０５μｍ以上である。
【０１７２】
一方、金属性マスクを窒化物半導体膜で被覆したときに、その半導体膜の表面が平坦であるためには、金属性マスク（絶縁性膜付き金属性マスクの場合には絶縁膜および金属膜を含むマスク全体）の膜厚を２μｍ以下にするのが好ましい。
【０１７３】
（実施形態９）
本実施形態では、金属性マスクおよび絶縁性膜付き金属性マスクを用いた場合の成長軸方向の成長速度とラテラル成長速度との比（ａ／ｃ）と、窒素キャリアガスの分圧およびマスクのストライプ方向との関係について説明する。
【０１７４】
図１０（ａ）はタングステンマスクによりＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１０（ａ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）は基板に対して垂直方向の成長速度をｃ、基板に対して平行方向の成長速度（ラテラル成長速度）をａとし、これらの比ａ／ｃとして表した。また、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））は、全キャリアガスの流量（窒素キャリアガスの流量＋水素キャリアガスの流量）に対する窒素キャリアガスの流量比として表した。さらに、図１０（ａ）中、方位は、窒化物半導体（ＧａＮ）に対するタングステンマスクのストライプ方向を示している。
【０１７５】
この図１０（ａ）に示すように、タングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガスの分圧を上げても殆どラテラル成長しない。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約０．４程度のラテラル成長が生じた。この図１０（ａ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。
【０１７６】
図１０（ｂ）はタングステンマスクによりＡｌＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１０（ｂ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））および方位は、図１０（ａ）と同様である。
【０１７７】
この図１０（ｂ）に示すように、タングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約１．５程度のラテラル成長が生じた。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約１５程度のラテラル成長が生じた。この図１０（ｂ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。
【０１７８】
上記図１０（ａ）および図１０（ｂ）の結果から、金属性マスクの成長抑制効果を利用して選択成長を行う場合、金属性マスクのストライプ方向を〈１−１００〉方向に形成するのが好ましく、窒素キャリアガスの分圧は高い方が好ましいことがわかる。但し、窒素キャリアガス分圧を０．９より大きくして作製した選択成長膜はＸ線回折半値幅が６分以上となり、結晶性（配向性）が悪化していた。また、金属性マスクは、ＧａＮ膜に比べて少なくともＡｌを含む窒化物半導体膜の方がラテラル成長が速かった。
【０１７９】
図１１（ａ）はＳｉＯ2膜付きタングステンマスクによりＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１１（ａ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）は基板に対して垂直方向の成長速度をｃ、基板に対して平行方向の成長速度（ラテラル成長速度）をａとし、これらの比ａ／ｃとして表した。また、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））は、全キャリアガスの流量（窒素キャリアガスの流量＋水素キャリアガスの流量）に対する窒素キャリアガスの流量比として表した。さらに、図１１（ａ）中、方位は、窒化物半導体（ＧａＮ）に対するＳｉＯ2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を示している。
【０１８０】
この図１１（ａ）に示すように、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約０．５程度のラテラル成長が生じた。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約１．５程度のラテラル成長が生じた。この図１１（ａ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。また、絶縁性膜についても、ＳｉＯ2膜に限らず、ＳｉＮx膜を用いても殆ど同様であった。
【０１８１】
図１１（ｂ）はＳｉＯ2膜付きタングステンマスクによりＡｌＧａＮ膜の選択成長を行った場合について、ラテラル成長（ａ／ｃ）と窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））との関係を示す。なお、図１１（ｂ）において、ラテラル成長（ａ／ｃ）、窒素キャリアガスの分圧比（Ｎ2／（Ｈ2＋Ｎ2））および方位は、図１１（ａ）と同様である。
【０１８２】
この図１１（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2膜付きタングステンマスクのストライプ方向を〈１１−２０〉方向に形成した場合、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約８程度のラテラル成長が生じた。一方、〈１−１００〉方向に形成した場合には、窒素キャリアガス分圧０．５でａ／ｃ＝約２８程度のラテラル成長が生じた。この図１１（ｂ）に示した関係は、タングステン（Ｗ）に限らず、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等を用いても殆ど同様であった。また、絶縁性膜についても、ＳｉＯ2膜に限らず、ＳｉＮx膜を用いても殆ど同様であった。
【０１８３】
上記図１１（ａ）および図１１（ｂ）の結果から、絶縁性膜付き金属性マスクの成長抑制効果を利用して選択成長を行う場合、金属性マスクのストライプ方向を〈１−１００〉方向に形成するのが好ましく、窒素キャリアガスの分圧は高い方が好ましいことがわかる。但し、窒素キャリアガス分圧を０．９より大きくして作製した選択成長膜はＸ線回折半値幅が６分以上となり、結晶性（配向性）が悪化していた。また、金属性マスクは、ＧａＮ膜に比べて少なくともＡｌを含む窒化物半導体膜の方がラテラル成長が速かった。さらに、絶縁性膜付き金属性マスクは、金属性マスクに比べてラテラル成長が速く、マスクのストライプ方向依存性が緩和されていた。
【０１８４】
上記図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１１（ａ）および図１１（ｂ）において、ラテラル成長ａ／ｃは、窒素キャリアガス分圧が０．１以上で大きく増加している。このことから、窒素キャリアガス分圧は０．１以上であるのが好ましい。
【０１８５】
さらに、上記図１０および図１１から、金属膜を含むマスクを被覆するために必要なラテラル成長膜の下限値を読み取ることができる。この値は、選択成長する膜（被覆する膜）がＧａＮ膜であるか、ＡｌＧａＮ膜であるかで異なる。同様に、マスクのストライプ方向でも異なり、マスクが金属膜のみである場合とその上に絶縁膜が設けられている場合とでも異なる。さらに、雰囲気ガス比（Ｎ2／Ｎ2＋Ｈ2）によっても異なる。
【０１８６】
例えば、絶縁性膜付き金属性マスクのストライプ方向を〈１−１００〉として、その上にＧａＮ膜を選択成長する場合、雰囲気ガス（Ｎ2／（Ｎ2＋Ｈ2））＝０．５では、図１１（ａ）から、ラテラル成長ａ／ｃ＝１．５と読み取ることができる。すなわち、積層膜厚（被覆膜厚）１に対して横方向成長は１．５ということになる。マスク上の選択成長は、マスクで被覆されていないマスク両側の部分から成長が始まり、マスクの中央部で会合してマスクが被覆される。従って、金属性マスクは積層膜厚１に対して１．５×２（両側分）＝３で被覆されることになる。仮に、マスク幅が６μｍであれば、６／３＝２μｍの積層膜厚（下限値）でマスクが被覆されることになる。上記各実施形態では、Ｎ2（１０リットル／ｍｉｎ）＋Ｈ2（５リットル／ｍｉｎ）の条件で選択成長が行われている。
【０１８７】
（実施形態１０）
本実施形態では、下層ｎ型ＡｌＧａＮ膜上に形成した金属性マスクが、再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【０１８８】
図１２に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板９０１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層９０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層９０４、活性層９０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層９０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層９０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９０９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層９０９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜９１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜９１０上にわたってｐ型電極９１２が設けられて、絶縁性膜９１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板９０１の裏面に接するようにｎ型電極９１１が形成されている。
【０１８９】
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９０３は、下層ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜９０３ａと再成長ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜９０３ｂから構成されている。また、ストライプ状電極下方の下層膜９０３ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク等）９１６は、再成長膜４０３ｂによって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【０１９０】
本実施形態において、金属性マスク９１６は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【０１９１】
図１２では、活性層９０５の下方に設けた２つの金属性マスク９１６を有し、これらの金属性マスク９１６、９１６の間隔Ｓ部の上方に位置するようにｐ型ストライプ電極４１２の電流注入幅Ｗｐが設けられ、かつ、金属性マスク９１６が再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜９０３ｂによって平坦に被覆されない窪み部を有する。
【０１９２】
この場合、（１）窪み部を有することによって、活性層９０５は量子井戸構造からｐ型ストライプ電極９１２のストライプ方向に対して垂直方向に閉じ込められた量子細線構造に近い形態になる。このことにより、閾値電流密度をより一層低減することができる。また、（２）窪み部を有することによって、再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜９０３ｂよりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。さらに、（３）窪み部を有することによって、ｐ型ストライプ電極９１２から注入された電流が横方向に広がることを防止することができる。このことにより、閾値電流密度を低くすることができる。
【０１９３】
この窪みは、Ｎ2キャリアガス分圧を１０％未満、好ましくはＨ2キャリアガス雰囲気で再成長層９０３ｂを成長することによって形成することができる。または、再成長層９０３ｂの膜厚を薄くしても形成することができる。
【０１９４】
なお、図１２の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図１２に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。
【０１９５】
（実施形態１１）
本実施形態では、下層ｐ型ＡｌＧａＮ膜上に形成した金属性マスクが、再成長ｐ型ＡｌＧａＮ膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【０１９６】
図１３に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層１００２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１００４、活性層１００５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１００６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１００７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１００９が順次積層されている。ｐ型コンタクト層１００９の上には電流通路となるストライプ状部分を開口させたＳｉＯ2からなる絶縁性膜１０１０が設けられ、その開口部および絶縁性膜１０１０上にわたってｐ型電極１０１２が設けられて、絶縁性膜１０１０の開口部上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板１００１の裏面に接するようにｎ型電極１０１１が形成されている。
【０１９７】
ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００８は、下層ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ膜１００８ａと再成長ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド膜１００８ｂから構成されている。また、ストライプ状電極下方の下層膜１００８ａ上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク等）１０１６は、再成長膜１００８ｂによって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【０１９８】
本実施形態において、金属性マスク１０１６は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【０１９９】
図１３では、活性層１００５の上方に設けた２つの金属性マスク１０１６を有し、これらの金属性マスク１０１６、１０１６の間隔Ｓ部の上方に位置するようにｐ型ストライプ電極１０１２の電流注入幅Ｗｐが設けられ、かつ、金属性マスク１０１６が再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜１００８ｂによって平坦に被覆されない窪み部を有する。
【０２００】
この場合、窪み部を有することによって、再成長ｐ型ＡｌＧａＮ膜１００８ｂよりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。
【０２０１】
この窪みは、Ｎ2キャリアガス分圧を１０％未満、好ましくはＨ2キャリアガス雰囲気で再成長層１００８ｂを成長することによって形成することができる。または、再成長層１００８ｂの膜厚を薄くしても形成することができる。
【０２０２】
なお、図１３の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図１３に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。
【０２０３】
（実施形態１２）
本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板上に形成した金属性マスクが、再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜によって平坦に被覆されずに窪みを有する例について説明する。それ以外の構成は前述した実施形態と同様である。
【０２０４】
図１４に本実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１１０１上に、ｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層１１０２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１１０４、活性層１１０５、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１１０６、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１１０７、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１０８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１０９が順次積層されている。ｐ型クラッド層１１０８はｐ型光ガイド層１１０７近くまで堀り下げられて、ｐ型コンタクト層１１０９およびｐ型クラッド層１１０８からなるリッジストライプ部が形成されている。その上にＳｉＯ2からなる絶縁性膜１１１０が設けられ、リッジストライプ上部分が開口されている。その絶縁性膜１１１０上および絶縁性膜１１１０の開口部から露出したリッジストライプ部上にわたってｐ型電極１１１２が設けられて、リッジストライプ上の部分がストライプ状電極として機能している。また、ｎ型ＧａＮ基板１１０１の裏面に接するようにｎ型電極１１１１が形成されている。
【０２０５】
さらに、リッジストライプ部下方の基板上部分に設けられた金属性マスク（タングステンマスク等）１１１６は、コンタクト層１１０２によって平坦に被覆されずに窪みを有する。
【０２０６】
本実施形態では、クラッド層とコンタクト層との界面から基板に向かってコンタクト層厚と基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に金属性マスクが形成されている。
【０２０７】
本実施形態において、金属性マスク１１１６は、半導体レーザ素子における水平横モードの光閉じ込め効果を得るために、上記実施形態に即して導入したものである。しかしながら、本願発明者らがさらに詳細な検討を行った結果、水平横モードの光閉じ込め効果以外にも、以下のような効果を有することが分かった。
【０２０８】
図１４では、活性層１１０５の下方に設けた金属性マスク１１１６を有し、この金属性マスク１１１６がコンタクト層１１０２によって平坦に被覆された領域Ｍ１および領域Ｍ２のうちの少なくともいずれか一方の領域の上方に、リッジストライプ構造の電流注入幅Ｗｐが設けられている。
【０２０９】
この場合、窪み部を有することによって、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層１１０２よりも上方に形成された窒化物半導体層の結晶歪みを、窪み部によって緩和することができる。このことにより、歪みによる結晶性の低下を防ぎ、レーザ発振寿命をより一層長くすることができる。
【０２１０】
この窪みは、Ｎ2キャリアガス分圧を１０％未満、好ましくはＨ2キャリアガス雰囲気でコンタクト層１１０２を成長することによって形成することができる。または、コンタクト層１１０２の膜厚を薄くしても形成することができる。
【０２１１】
なお、図１４の模式図は、窪み部の側壁に積層された窒化物半導体層が誇張して示されている。実際には、各窒化物半導体層の層厚は薄いため、必ずしも図１４に示すように窪み内部の大半が窒化物半導体層で埋められるものではない。本実施形態による上記効果は、窪み部が深ければ深いほど、より顕著に発揮されるが、あまり深すぎるとストライプ状電極の形成が困難になるので、適宜設定する。窪み部の位置は、ほぼ再現性よくマスク幅の中央部上方に形成される。本実施形態では、成長が金属性マスクの両側から始まるため、窪み部はリッジストライプの片側にしか形成されない。
【０２１２】
本実施形態において、金属性マスク１１１６の上に形成されるｎ型Ａｌ0.02Ｇａ0.08Ｎコンタクト層１１０２は、その他のＡｌ組成比であってもよく、ＧａＮであってもよい。金属性マスク１１１６の上に形成される層の構成要素がＡｌＧａＮであることの効果、および金属性マスク１１１６の上に形成される層の構成要素がＧａＮであることの効果は、前述した実施形態と同様である。
【０２１３】
上記実施形態１０〜実施形態１２では、金属性マスクについて説明したが、絶縁性膜付き金属性マスクを用いてもよい。絶縁性膜付き金属性マスクを用いたことによる効果は、前述した実施形態と同様であり、形成方法も同様である。但し、絶縁性膜付き金属性マスクを用いた場合、ラテラル成長が起こり易くなるため、金属性マスクの方が窪み部を形成しやすい。また、ＧａＮ基板の裏面側からｎ型電極を形成したが、実施形態１のようにｐ型電極と同じ側からｎ型電極を形成してもよい。さらに、上記実施形態１０〜実施形態１２では、窪みの形状をＶ字型としたが、その他の形状、例えば矩形形状を有していてもよい。例えば、マスクのストライプ方向を窒化物半導体結晶の〈１−１００〉方向に沿って形成したときに、矩形状の窪み部が形成されやすい。
【０２１４】
（実施形態１３）
本実施形態では、金属性マスクまたは絶縁性膜付き金属性マスクにＧａＮ基板（窒化物半導体基板の一例）を組み合わせたことによる効果について説明する。
【０２１５】
本願発明者らが詳細な検討を行ったところ、上記金属性マスクを窒化物半導体層（以下、下地層と称する）上に形成すると、その金属性マスクを構成している金属が下地層中に内部拡散を起こしていた。このような金属の内部拡散は、結晶性を低下させ、歩留りの低下を招いていた。このような内部拡散に対するために、金属性マスクを形成するときの蒸着温度や、金属性マスクを被覆する窒化物半導体層の成長温度を制御することによって、ある程度抑制することができた。
【０２１６】
しかしながら、基板として窒化物半導体基板（例えばＧａＮ基板）を用いることにより、より効果的に上記金属の内部拡散を抑制することができ、歩留りを向上させることができる。その理由は、以下の通りである。本願発明者らの実験結果によれば、上記金属の内部拡散は、貫通転位を通して下地層に拡散していることが分かった。ＧａＮ基板上に成長した窒化物半導体膜中の貫通転位密度は、窒化物半導体基板以外から構成される異種基板（例えばサファイア基板）上に成長した場合に比べて低いため、ＧａＮ基板を用いることによって、より効果的に上記金属の内部拡散を抑制することができる。
【０２１７】
なお、本実施形態では金属性マスクについて説明したが、絶縁性膜付き金属性マスクを用いても同様の効果が得られる。
【０２１８】
なお、上記実施形態１〜実施形態１３においては、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させた例について説明したが、その限りではなく、ＭＢＥ法やハイドライド気相成長法、ＭＯＭＢＥ法、ＣＶＤ法等、他の成長法を用いてもよい。基板としてはサファイアに限らず、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＭｇＡｌ2Ｏ4等、他の基板を用いることも可能である。また、その他の窒化物半導体基板、例えばＡｌＧａＮ基板やＩｎＧａＮ基板等を用いてもよい。また、各層の混晶比は適宜変更可能である。さらに、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）窒化物半導体構成元素のうち、窒素元素の一部（約１０％程度以下）をＰ、ＡｓおよびＳｂのうちの少なくともいずれか１つで置換した材料を用いても同様の効果が得られる。
【０２１９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、少なくとも光吸収機能を有する金属膜を含むマスクを窒化物半導体レーザ素子に適用することにより、以下のような効果を得ることができる。
【０２２０】
第１に、金属膜による光吸収効果により、単峰な垂直横モードの安定化を図ることができる。
【０２２１】
第２に、金属膜による光吸収効果により、光ガイド層に等価屈折率差を与えて水平横モードの光閉じ込めを強くし、閾値電流密度を低減すると共に、単峰な水平横モードの安定化を図ることができる。
【０２２２】
第３に、金属膜を絶縁性膜で被覆することにより、ラテラル成長速度を向上すると共に、電流狭窄構造を実現することができる。その結果、上記第１および第２の効果をさらに顕著に得ることができる。
【０２２３】
第４に、金属膜は光吸収効果の他に成長抑制効果を有しているため、上記効果と共に、レーザ構造を構成する窒化物半導体膜中の転位密度を低減することができる。このため、レーザの発振寿命特性を向上させることができる。
【０２２４】
このように優れた特性を有する本発明の窒化物半導体レーザ素子は、表示素子やディスプレイ、光ディスクの光源等として非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図２】実施形態において使用する結晶成長装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】実施形態２の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図４】実施形態３の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図５】実施形態４の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図６】実施形態５の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図７】実施形態６の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図８】実施形態７の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図９】金属性マスク（タングステンマスク）の膜厚と光吸収率との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は金属性マスク（タングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図であり、（ｂ）は金属性マスク（タングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＡｌＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図であり、（ｂ）は絶縁性膜付き金属性マスク（ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク）を用いて選択成長を行ったＡｌＧａＮ膜について、ラテラル成長比と窒素キャリアガスの分圧との関係を示す図である。
【図１２】実施形態１０の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図１３】実施形態１１の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図１４】実施形態１２の窒化物半導体レーザ素子の概略構成を示す断面模式図である。
【図１５】従来のリッジストライプ構造の窒化物半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図１６】（ａ）は本発明の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＮＦＰであり、（ｂ）は従来の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＮＦＰである。
【図１７】（ａ）は本発明の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＦＦＰであり、（ｂ）は従来の窒化物半導体レーザ素子における垂直横モードのＦＦＰである。
【符号の説明】
１０、１００、３００、５００、６００、７００、８００ サファイア基板
１１、１０１、３０１、５０１、６０１、７０１、８０１ 低温ＧａＮバッファー層
１２、１０２、３０２、５０２、６０２、７０２、８０２ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１３、１０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３、９０３、１００３、１１０３ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４、１０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、９０４、１００４、１１０４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１５、１０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５、９０５、１００５、１１０５ 活性層
１６、１０６、３０６、４０６、５０６、６０６、７０６、８０６、９０６、１００６、１１０６ ＡｌＧａＮキャリアブロック層
１７、１０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８０７、９０７、１００７、１１０７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１８、１０８、３０８、４０８、５０８、６０８、７０８、８０８、９０８、１００８、１１０８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９、１０９、３０９、４０９、５０９、６０９、７０９、８０９、９０９、１００９、１１０９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０、１１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０、９１０、１０１０、１１１０ ＳｉＯ2絶縁膜
２１、１１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１、９１１、１０１１、１１１１ ｎ型電極
２２、１１２、３１２、４１２、５１２、６１２、７１２、８１２、９１２、１０１２、１１１２ ｐ型電極
２３ リッジストライプ形成部分の活性層付近
２４ リッジストライプ形成によって掘り下げた部分の活性層付近
１０２ａ、３０２ａ、５０２ａ、６０２ａ、７０２ａ、８０２ａ 下層ｎ型ＧａＮ膜
１０２ｂ、３０２ｂ、５０２ｂ、６０２ｂ、７０２ｂ、８０２ｂ 再成長ｎ型ＧａＮ膜
１１３、４１６、５１６ タングステンマスク
２０１ 基板
２０２ サセプタ
２０３ 反応管
２０４ 原料入り口
２０５ 排気ガス出口
２０６ アンモニア
２０７ａ ＴＭＧ
２０７ｂ ＴＭＡ
２０７ｃ ＴＭＩ
２０７ｄ Ｃｐ2Ｍｇ
２０８ マスフローコントローラ
２０９ ＳｉＨ4
３１３、５１３、６１３、６１６ タングステン膜
３１４、５１４、６１４、６１７ ＳｉＯ2膜
３１５、５１５、６１５、６１８ ＳｉＯ2膜付きタングステンマスク
４０１、９０１、１００１、１１０１ ｎ型ＧａＮ基板
４０２、９０２、１００２、１１０２ ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層
４０３ａ、５０３ａ、６０３ａ、９０３ａ 下層ｎ型ＡｌＧａＮ膜
４０３ｂ、５０３ｂ、６０３ｂ、９０３ｂ 再成長ｎ型ＡｌＧａＮ膜
４１７、５１７、６１９、７１７、８１９ マスクで被覆されていない部分
６２０、８２０ マスクの側部
７０８ａ、８０８ａ、１００８ａ 下層ｐ型ＡｌＧａＮ膜
７０８ｂ、８０８ｂ、１００８ｂ 再成長ｐ型ＡｌＧａＮ膜
７１３、８１３、８１６ 白金膜
７１４、８１４、８１７ ＳｉＮx膜
７１５、８１５、８１８ ＳｉＮx膜付き白金マスク
７１６ 白金マスク
９１６、１０１６、１１１６ 金属性マスク
Claims (14)
- 基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の外側の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該上側あるいは下側のクラッド層から漏れ出した導波光を吸収するよう配置した窒化物半導体レーザ素子。 - 基板上に形成され、上下一対のクラッド層及び該両クラッド層で挟まれた活性層を含み、窒化物半導体からなる半導体積層構造と、該活性層に注入される電流を狭窄するストライプ状電流狭窄構造とを有する窒化物半導体レーザ素子であって、
該活性層の上側あるいは下側のクラッド層の内の、該ストライプ状電流狭窄構造に対向する部位の両側に、光吸収機能を有する金属膜を含む光吸収マスクを、該光吸収マスクとこれに対向する該活性層との間での利得損失が増大するよう配置した窒化物半導体レーザ素子。 - 前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該ストライプ状電極の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
或いは、該ストライプ状電極の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって0.5μｍ以上の位置に、該金属膜が配置されている請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と異なる屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚の半分以内の位置に前記金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層の下面に接して、該クラッド層よりも屈折率が高く、かつ、該基板と実質的に同じ屈折率を有するコンタクト層を有し、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該コンタクト層との界面から基板に向かって該コンタクト層厚と該基板厚みを合わせた総厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
該基板に近い方のクラッド層が該基板よりも屈折率が低く、かつ、該基板と該クラッド層との間にコンタクト層が存在せず、該リッジストライプ部の下方であって、該クラッド層と該基板との界面から該基板下面に向かって該基板厚みの半分以内の位置に該金属膜が配置されているか、
或いは、該リッジストライプ部の下方であって、かつ、該基板に近い方のクラッド層上またはそのクラッド層内であり、該活性層の下面から基板に向かって０．５μｍ以上の位置に、該金属膜が配置されている請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が活性層を有すると共に、該半導体積層構造の前記基板とは反対側の面にストライプ状電極を備え、該活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該ストライプ状電極の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記光吸収マスクを構成する金属膜がその上に窒化物半導体が直接エピタキシャル成長しない金属からなり、前記半導体積層構造が一対のクラッド層と両クラッド層で挟まれた活性層を有すると共に、該活性層の上方にリッジストライプ部を備え、該活性層の下面または上面から２μｍ以内の位置に該金属膜が配置され、かつ、該金属膜を含むマスクが、該リッジストライプ部の下方に該マスクで被覆されていない部分を有して配置されている請求項１または２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記マスクの間隔が１μｍ以上、１５μｍ以下である請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記光吸収マスクを構成する金属膜の厚みが０．０１μｍ以上であり、該金属膜を含むマスク全体の厚みが２μｍ以下である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記光吸収マスクを構成する金属膜が、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕおよびそれらの合金のうちの少なくとも１種類を含む金属材料、或いはそれらの金属および合金のうちの少なくとも１種類を含む複数層で構成された複合膜からなる請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記光吸収マスクを構成する金属膜の直上が絶縁膜で被覆されている請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記絶縁膜がＳｉＯ２またはＳｉＮｘからなる請求項１０に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記光吸収マスクを構成する金属膜が、その下層の窒化物半導体層に対して〈１−１００〉方向のストライプ状に設けられている請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記光吸収マスクが、その上層の窒化物半導体層によって平坦に被覆されず、窪み部を有する請求項１乃至請求項７、請求項９乃至請求項１２のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子を製造する方法であって、前記光吸収マスクを窒化物半導体層で被覆する際に、全キャリアガスに対して１０％以上の窒素キャリアガスを用いる窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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