JP5707772B2 - 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。

窒化物半導体レーザ素子の一例として、特許文献１又は２に示されるように、基板上に窒化物半導体層が形成され、その上面には絶縁膜及び電極が形成されているものが挙げられる。また、その共振器面には端面保護膜が形成されている。また、端面保護膜は、特許文献３に示すように、窒化物半導体層の上面に回り込んで形成されることがある。

特開2009-152276号公報 特開2010-68007号公報 特開2007-59897号公報

端面保護膜は、形成時だけでなく駆動時間が経過しても共振器面との密着性が良好となるように形成されることが好ましく、そのために、材料、膜厚等が調整される。窒化物半導体レーザ素子では、六方晶の結晶や窒化物からなる端面保護膜を形成することで、共振器面へのダメージを軽減しあるいは共振器面と端面保護膜の密着性を良好にできることが開示されている（特許文献１及び２）。しかし、このような材料で端面保護膜を形成しても、推定寿命特性試験を行うと、駆動電流の急激な上昇が見られる寿命特性の悪い素子が発生することがある。寿命特性の悪い素子を観察すると、共振器面近傍の窒化物半導体層の劣化が観察される。実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、このような共振器面の劣化を抑制し、素子の寿命特性を向上させることを目的とする。

一実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層と、前記共振器面に略垂直な窒化物半導体層の上面に、共振器面側の端部が共振器面から離間して設けられた絶縁膜とを有する窒化物半導体レーザ素子において、前記共振器面から窒化物半導体層の上面及び絶縁膜の表面にかけて形成された第１膜を有し、該第１膜は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で、前記絶縁膜と異なる材料で形成され、窒化物半導体層と接触する第１領域と絶縁膜と接触する第２領域とを有する。
また、一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、窒化物半導体層の上面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の端部から離間した位置に前記窒化物半導体層の上面と略垂直な共振器面を形成する工程と、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなり、絶縁膜と異なる材料で前記共振器面と接触する第１領域と絶縁膜と接触する第２領域とを有する第１膜を形成する工程とを具備する。

一実施形態の窒化物半導体レーザ素子によれば、共振器面の劣化を抑制し、素子の寿命特性を向上させることができる。

一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略断面図である。 一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略上面図である。 一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための共振器方向の概略断面図である。 一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための要部の拡大図である。 別の実施形態の窒化物半導体レーザ素子の構造を説明するための概略上面図である。 一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の初期駆動電流値で規格化した駆動電流と駆動時間の関係を示すグラフである。 比較例の窒化物半導体レーザ素子の初期駆動電流値で規格化した駆動電流と駆動時間の関係を示すグラフである。

以下に、一実施形態の窒化物半導体レーザ素子を図面を参照しながら説明する。
図１に、一実施形態の窒化物半導体レーザ素子を示す。図１は、一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の共振器方向に垂直な断面図、図２は上面図である。図３は、図２のＡ−Ａ´断面における断面図であり、図４は、図３の共振器面付近の拡大図である。

一実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、例えば、図１に示すように、基板１０上に、窒化物半導体層２０として、ｎ側半導体層２１、活性層２２、ｐ側半導体層２３が形成されている。窒化物半導体の上面にはリッジ２４が形成されており、リッジ２４の側面から、窒化物半導体層の上面にわたって絶縁膜３０が形成されている。リッジ２４上面にはｐ側電極４１が形成され、基板の裏面にｎ側電極６０が形成されている。また、窒化物半導体層の側面には保護膜５０が形成されている。絶縁膜３０、ｐ側電極４１及び保護膜５０の上面には、ｐパッド電極４２が形成されている。また、リッジの下方に導波路領域２６が設けられる。
また、図２に示すように、絶縁膜３０は、共振器面側の端部が共振器面２５ａ及び２５ｂから離間するように形成されている。また、図３及び４に示すように、共振器面２５ａ及び２５ｂには、端面保護膜７０ａ及び７０ｂが形成されている。端面保護膜７０は、共振器面から窒化物半導体層上面にかけて形成されており絶縁膜表面の一部を被覆している。本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、端面保護膜７０は、図４に示すように、共振器面２５に接触する第１膜７１と、第１膜の上に形成される第２膜７２とが形成されている。なお、図２及び３では、説明の便宜上、パッド電極及び保護膜は省略している。

一実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、第１膜７１が、窒化物半導体と接触する第１領域Ｘ、絶縁膜と接触する第２領域Ｙとを有する。これによって、共振器面の劣化を抑制し、素子の寿命特性を向上させることができる。なお、第１領域Ｘは共振器面上（領域Ｘ１）及び窒化物半導体層の上面上（領域Ｘ２）を含み、第２領域Ｙは絶縁膜の端面（共振器面と略平行な面：領域Ｙ１）及び絶縁膜表面（領域Ｙ２）を含む。

端面保護膜は、第１膜を六方晶系の結晶構造を有する材料で形成すると、共振器面上すなわち窒化物半導体と接触している領域では共振器面と端面保護膜の密着性を維持できる構造となる。しかし、共振器面上のみに端面保護膜を形成した場合、窒化物半導体層と第１膜の格子定数の違いや、第１膜の応力による半導体層への負荷から窒化物半導体層にクラックが発生してしまうと考えられる。そこで、第２領域として、絶縁膜と第１膜の接触する領域を設けることによって、第１領域における応力を緩和して第1膜と窒化物半導体層の密着性を良好に維持できると考えた。
ここで発明者は、窒化物半導体レーザ素子の急激な駆動電流の上昇は、共振器面近傍において光吸収による発熱が発生したことによるものであると考え、以下のような推測に至った。窒化物半導体以外の材料にも接触して形成された第１膜は、その部位において窒化物半導体上の第１膜と同様の結晶状態を維持できずあるいは時間の経過と共に変質を起こすことによって、光吸収を起こし発熱源となり、駆動電流が急激に上昇しているのではないかと考えた。絶縁膜は、導波路領域の近傍に位置に形成される。また、電流注入領域以外の領域で電極と窒化物半導体層が接触しないようにするため、共振器方向の全体に形成されることが多い。第1膜が、絶縁膜に接触して設けられ、第1膜の絶縁膜に接触している領域が共振器面近傍に存在することで、レーザ素子の駆動により発生した光及び熱の影響を受けて駆動電流の急激な上昇が発生する場合があると考えた。そこで、第２領域を共振器面から離間させて形成することで、共振器面近傍における光吸収が起こるのを防止し、駆動電流の急激な上昇を防止することができると考え本発明を完成させるに至った。
つまり、絶縁膜上に形成された第１膜は、その下地の違いにより、結晶状態や膜質が窒化物半導体層の共振器面上に形成された端面保護膜のものとは異なり、第２領域によって第１膜と窒化物半導体の密着性を維持できる一方で、光吸収源にもなっていることが駆動電流の急激な上昇の原因となっていると考えられる。その第２領域を共振器面近傍から離間させることで、第１膜と窒化物半導体の密着性を維持しながら、駆動電流の上昇を抑制することができる。

以下、一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の各構成について説明する。
（絶縁膜）
絶縁膜は、窒化物半導体層に供給される電流を所定の領域に狭窄するために、窒化物半導体層の上面に設けられる。そのため、絶縁膜は、窒化物半導体の上面で電極と接続される領域以外に設けられる。例えば、図１に示すようなリッジ構造の場合は、リッジの側面及びその両側の窒化物半導体層上面に設けられる。このときリッジ側面の一部を露出していてもよい。

また、絶縁膜は、図２に示すように、共振器面側の端部が、共振器面から離間している。第２領域を共振器面から離間して形成するためである。少なくとも第２領域が端面の劣化に影響しない程度離間させることが好ましい。また、電流注入領域に設けられる電極の長さを考慮して設けることが好ましい。具体的には、共振器面からの離間距離は、１〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μｍ程度である。また、絶縁膜の端部を共振器面から離間させて設けることで、共振器面を形成した後にも、絶縁膜のバリ等が共振器面に付着するのを抑制できる。
絶縁膜は、窒化物半導体レーサ素子の幅方向（共振器方向と垂直な方向）において、図２に示すように全体にわたって離間していてもよいし、図５に示すように部分的に離間していてもよい。少なくとも、導波路領域周辺が離間していればよい。具体的には、リッジの基底部から５μｍ以上の幅で露出していることが好ましい。また、リッジの両側で離間領域を設けておくことが好ましい。
絶縁膜を所定の領域に形成するには、フォトリソグラフィ及びリフトオフ法もしくはエッチングによるパターニングで形成することができる。

絶縁膜は、第１領域と第２領域で異なる結晶状態を形成させるため、窒化物半導体及び第１膜とは異なる材料で設けられる。さらに、六方晶とは異なる結晶構造を有する材料で形成されることが好ましい。絶縁膜が多層で形成される場合には、その最表面が第１膜と異なる材料で形成されていればよい。
絶縁膜は、絶縁性材料であって、導波路領域に光を閉じ込めるため窒化物半導体よりも屈折率が小さい材料で形成されることが好ましい。Ｓｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む材料が挙げられる。具体的には、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ等が挙げられる。なかでも特にＺｒＯ_２又はＳｉＯ_２が好ましい。このような材料とすることで、絶縁膜形成後の工程中でも確実に絶縁性を維持したまま、絶縁膜表面に形成される第１膜を第２領域として異なる結晶状態で形成させることができる。
絶縁膜は、アモルファス状態で形成されることが好ましい。これによって、絶縁膜上に形成された第２領域が、窒化物半導体層と結晶質で形成された第１膜との応力を緩和させ、良好な密着性を維持することができる。
絶縁膜の膜厚は、０．１〜０．５μｍ程度で形成されることが好ましい。
絶縁膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法（反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法）等が挙げられる。あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせてもよい。

（端面保護膜）
端面保護膜は、共振器面の保護やレーザ光の反射・増幅をするために設けられる。端面保護膜は、絶縁性材料で形成され、窒化物半導体、特に活性層よりも屈折率が小さい材料で形成される。

端面保護膜は、共振器面から窒化物半導体層及び絶縁膜にかけて形成される。少なくとも共振器面Ｘ１から絶縁膜の端面Ｙ１に至るまで形成されるものであり、図４に示すように、Ｘ１からＸ２，Ｙ１、Ｙ２に至るまで形成されることが好ましい。Ｙ２に至る場合には、共振器方向に５〜４０μｍ程度の長さで絶縁膜を被覆していることが好ましく、さらに好ましくは１０〜３０μｍ程度被覆しているものである。
原料ガスの流量、マイクロ波電力、ＲＦ電力、ターゲットに対向する共振器面の角度等を適宜設定することで、端面保護膜を窒化物半導体層上面及び絶縁膜表面に亘って形成することができる。
端面保護膜は、窒化物半導体レーサ素子の幅方向において、全体にわたって形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。少なくとも、導波路領域及びその周辺に形成されていればよい。
なお、端面保護膜は、対向する共振器面のうち少なくとも一方に形成されていればよい。

端面保護膜は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、蒸着法、スパッタ法（反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法等）ＣＶＤ法、又はこれらの方法の２種以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。なかでも、ＥＣＲプラズマスパッタ法が好ましい。
また、端面保護膜を形成する前に、共振器面の前処理、希ガス（Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ等）、窒素、酸素、オゾンガスを含むプラズマの照射、酸化処理、熱処理、露光処理等を利用してもよい。
共振器面は、Ｍ面、Ｃ面、Ａ面、Ｒ面の他、任意の面で形成できる。また、これらの面にオフアングルを有する面であってもよい。
共振器面は、劈開またはエッチングにより形成することが好ましい。

また、端面保護膜を共振器面から窒化物半導体層の上面にかけて形成すると、図４に示すように、共振器面上では平坦に形成される（平坦部７３）が、窒化物半導体の角部近傍では曲面部７４が形成される。曲面部７４でレーザ光が反射すると、ＦＦＰ（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ）にリップルが乗ることがある。特に、本実施形態のように、絶縁膜の端部を共振器面から離間して設ける場合には、共振器面まで絶縁膜が設けられる場合と比較して、絶縁膜の膜厚の分、曲面部が下方に形成される。さらに、端面保護膜の反射率を高くするためにペア数を増やし、膜厚が厚くなっている反射側の共振器面では、レーザ光が端面保護膜の最表面まで到達するときのビーム径が大きくなっているので、曲面部でレーザ光が反射し、ＦＦＰにリップルが乗りやすくなる。そのため、曲面部の下部側の端部を、少なくとも活性層より窒化物半導体層上面側に、好ましくは図４中の点線で示すように、窒化物半導体層上面よりも上方に設けることが好ましい。これにより、レーザ光が曲面部で反射することを抑制することができる。

また、端面保護膜の膜厚を厚くするほど、レーザ光が端面保護膜の最表面まで到達するときのビーム径が大きくなり、曲面部での反射によりＦＦＰにリップルが乗りやすくなるので、端面保護膜の総膜厚としては、９００ｎｍ以下であることが好ましい。膜厚を９００ｎｍ以下にすることで傾斜部の膜厚が薄くなり、レーザ光が端面保護膜の最表面まで到達したときに、ビームが曲面部にかかりにくくなるのでＦＦＰにリップルが乗るのを抑制できる。

（第１膜）
第１膜は、端面保護膜のうち共振器面に接触して設けられるものである。主に共振器面を保護する働きをする。

第１膜は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）をはじめとする窒化物膜、六方晶系の材料で形成される。そのなかでも、ＡｌＮで形成されることが好ましい。
第１膜は、絶縁膜３０とは異なる材料で形成される。第１膜を窒化物半導体と絶縁膜という異なる下地上に形成することで、第１膜において第１領域と第２領域とを設けることができるためである。

また、第１膜は、第１領域で単結晶を含むことが好ましい。これによって、第１膜形成時にもレーザ素子の駆動中、駆動後にも共振器面と第１保護膜との間に浮きが生じることなくＣＯＤレベルを高いまま維持することができる。
また、第1領域について、共振器面がＭ面の場合、第１領域は、共振器面のＡｌＧａＮ層に接する領域ではｍ軸配向、ＩｎＧａＮ層に接する領域ではｃ軸配向を示すことが好ましい。また、若干のＡｌを含むＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層及び若干のＩｎを含むＩｎＧａＮ層に接する領域では、ｍ軸配向とｃ軸配向が混在していることが好ましい。これによって、第１膜と共振器面の密着性を向上させ、駆動時間の経過に伴うＣＯＤレベルの変化を生じにくくすることができる。
また、第１膜は、第２領域で多結晶またはアモルファスを含むことが好ましい第１領域における応力を緩和し、第1膜と窒化物半導体層の密着性を良好に維持できる。
つまり、第１膜は、第１領域Ｘと第２領域Ｙで結晶性又は結晶状態が異なることが好ましい。

端面保護膜の結晶状態は、その端面保護膜を構成する材料の結晶度合いによって、単結晶、多結晶、アモルファスに分類される。このような端面保護膜の結晶状態は、透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＳＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）等による断面観察、電子線回折又はこれらのパターンを高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理したもの、あるいはエッチングレートの差異等により確認することができる。
顕微鏡における観察においては、結晶状態の違いに起因して、第１領域と第２領域とで、視覚的な差異が認められる。特に、ＳＴＥＭ、ＴＥＭ等による観察では、その膜の状態の違い（結晶質である場合は、その結晶性又は結晶状態）により明暗（コントラスト）が観察される。
また、電子線回折像によって結晶を構成する元素の配列の様子を視覚的に捉えることもできる。膜に電子線を入射することによって、格子定数の大きさ及び面方向に対応して、電子線回折像が表れる。例えば、単結晶の場合は、結晶面が略そろっているため、規則正しく回折点が並んで観察される。多結晶の場合は、微結晶から構成されるため、それぞれの格子面の向きがそろっておらず、回折点が複雑に合わさった状態で見られたり、デバイリングが見られたりする。一方、アモルファスの場合、原子配列が長距離に周期的な構造をもたないため、電子線回折が起こらず、回折像に回折点がない状態で観察される。電子線回折像は、第１膜が形成されている端面に対して第１膜の断面が露出するように切断し、電子線を当てて観察することができる。

第１膜の膜厚は、例えば、５〜５００ｎｍ程度であることが適しており、５〜１００ｎｍ程度であることが好ましい。なお、一実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、このような第１膜が、光出射面側及び反射側の双方の共振器面に形成されていてもよい。また、第１領域よりも第２領域の膜厚が薄いことが好ましく、これにより、第１膜にクラックが入ることを防止することができる。

（第２膜）
第２膜は、第１膜上に設けられ、第１膜の保護及び反射ミラーとして機能する。
第２膜は、単層あるいは、低反射層と高反射層のペアにより構成される多層膜で形成することができる。第２膜は、少なくとも反射側の共振器面に形成され、出射側の共振器面にも形成されていてもよい。出射側の共振器面に単層膜、反射側の共振器面に多層膜を形成してもよい。

第２膜は、所望の反射率を得るために、材料、膜厚、多層膜のペア数等を適宜調整することができる。各層の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、所望の発振波長（λ）、用いる材料のλでの屈折率（ｎ）によって決まる。具体的には、λ／（４ｎ）の整数倍とすることが好ましく、反射率を考慮して適宜調整することが好ましい。
例えば、発振波長が４０５ｎｍのレーザ素子において、Ｔａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２で形成する場合、４０〜７０ｎｍ程度が例示される。このような多層膜の場合、ペア数は、２ペア以上、好ましくは５〜１５ペア程度が例示される。第２膜の全体としての膜厚は、例えば、５０〜９００ｎｍ程度が例示される。
出射側は、１１％、反射側は９５％程度の反射率となるように、材料、膜厚、ペア数が調整することが好ましい。なお、膜厚は、第１膜よりも厚く形成されることが好ましい。

第２膜は、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、これらの組み合わせ等により形成することができる。具体的には、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯＮ等が挙げられる。また、本実施形態のように、絶縁膜が共振器面から離間して設けられる場合には、曲面部７４がレーザ光の出射部に近くに形成されるので、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２を含む材料で設けられることが好ましい。また、第２膜が多層膜で形成される場合には、ＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５やＳｉＯ_２／ＨｆＯ_２等の組み合わせが好ましい。窒化物半導体レーザ素子の発振波長において、発振波長の光を実質的に吸収しないので共振器面の劣化を抑制することができる。
「発振波長の光を実質的に吸収しない」とは、分光エリプソメータによって測定した基板上に成膜した材料の光透過率が、基板の光透過率と比較して発振波長において５％以上落ちないものとする。具体的には、Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ社製のＨＳ−１９０を用いてガラス基板上に対象とする材料の膜を１μｍ程度成膜して測定するものである。
また、第２膜は、アモルファス状態の膜が形成されることが好ましい。

また、第２膜に、端面保護膜の保護層として第３膜を設けてもよい。第３膜の材料としては、端面保護膜との密着性及び雰囲気中での安定性を考慮して選択することができる。具体的には、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２で形成することが好ましい。膜厚としては、１０〜３００ｎｍ程度が挙げられる。第２膜と同様に、アモルファス状態の膜が形成されることが好ましい。

以下、その他の構成について説明する。
窒化物半導体層２０としては、一般式Ｉｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）を含むものを用いることができる。また、これに加えて、III族元素としてＢが一部に置換されたものを用いてもよいし、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換されたものを用いてもよい。ｎ側半導体層２１は、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素又はＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有していてもよい。また、ｐ側半導体層２３は、ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有していてもよい。不純物は、例えば、５×１０¹⁶／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³程度の濃度範囲で含有させることができる。

活性層２２は、多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造のいずれでもよい。
窒化物半導体層２０は、ｎ側半導体層とｐ側半導体層に光の導波路を構成する光ガイド層を有することで、活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造とすることが好ましい。但し、本実施形態は、これらの構造に限定されるものではない。

窒化物半導体層２０の成長方法は、特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている方法を用いることができる。

窒化物半導体層のｐ側半導体層上面には、リッジ２４が形成されている。リッジは、導波路領域として機能するものであり、その幅は１．０μｍ〜３０．０μｍ程度の範囲で形成することができる。リッジの高さ（エッチングの深さ）は、ｐ側半導体層を構成する層の膜厚、材料等、さらに光閉じ込めの程度等を適宜調整することができ、例えば、０．１〜２μｍが挙げられる。リッジは、共振器方向の長さが１００μｍ〜１０００μｍ程度になるように設定することが好ましい。また、共振器方向においてすべて同じ幅でなくてもよいし、その側面が垂直であっても、テーパー状であってもよい。
なお、リッジの形成は、当該分野で通常用いられる方法により形成することができる。例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程が挙げられる。この際のエッチングは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法などのドライエッチング、ウェットエッチングのいずれでもよいし、双方をこの順序又は逆の順序で行ってもよい。

ｐ側電極及びｎ側電極は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、ＩＴＯ等の金属又は合金の単層膜又は積層膜により形成することができる。電極の膜厚は、用いる材料等により適宜調整することができ、例えば、５００〜５０００Å程度が適当である。電極は、少なくともｐ側及びｎ側半導体層又は基板上にそれぞれ形成していればよく、さらにこの電極上にパッド電極等、単数又は複数の導電層を形成してもよい。

絶縁膜３０上には、保護膜５０が形成されていてもよい。保護膜は、絶縁性保護膜を介して又は介さないで、窒化物半導体層の側面及び／又は基板の側面又は表面等をさらに被覆していることが好ましい。保護膜は、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｅ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｚｎ等の酸化物、窒化物、酸化窒化物等の絶縁膜で形成することができる。膜厚は、０．１〜１μｍ程度が挙げられる。

以下に、一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の実施例を図面に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、図１乃至４に示すように、共振器長８００μｍに対して、絶縁膜が７９０μｍの長さで形成されている。その共振器面側の端部は、それぞれの共振器面から５μｍ離間して形成されている。端面保護膜は、共振器面から窒化物半導体層上面及び絶縁膜の表面に形成され、第１膜としてはＡｌＮが３２ｎｍ形成されている。
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、以下のようにして製造することができる。
まず、ｎ型不純物を含有した窒化物半導体基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、以下のように窒化物半導体層を順に成長させる。
（ｎ側半導体層２１）
ＳｉドープＡｌＧａＮ ２．４μｍ
アンドープＧａＮ ０．１７μｍ
（活性層２２）
ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
アンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ井戸層 ８０オングストローム
ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
アンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ井戸層 ８０オングストローム
ＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ障壁層 １４０オングストローム
（ｐ側半導体層２３）
ＭｇドープＡｌＧａＮ １００オングストローム
アンドープＧａＮ ０．１５μｍ
アンドープＡｌＧａＮ ２５オングストロームとＭｇドープＡｌＧａＮ ２５オングストロームを繰り返し成長させた総膜厚０．６μｍの超格子層
ＭｇドープＧａＮ １５０オングストローム

窒化物半導体層を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側半導体層の上面に、窒化物半導体レーザ素子の形状を規定するための所定形状のマスクパターンを形成してＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側半導体層を露出させる。
続いて、最上層のｐ側半導体層の上面に、幅１．５μｍのストライプ状のマスクパターンを形成し、ＲＩＥによりｐ側半導体層の途中までエッチングを行い、幅１．５μｍのストライプ状のリッジ２４を形成する。

（絶縁膜３０の形成）
続いて、共振器面形成予定位置から５μｍ離間した形状の絶縁膜３０を形成する。フォトリソグラフィ及びリフトオフ法を用いて所定形状のマスクパターンを形成する。窒化物半導体層の上面にＥＣＲスパッタ装置でＺｒＯ₂膜を２０００Åで形成する。

リッジの最表面にＮｉ、Ａｕ、Ｐｔを順に形成してなるｐ側電極４１を形成する。
絶縁膜上から窒化物半導体層の側面及び先に露出したｎ側半導体層の表面にかけて、ＳｉＯ₂よりなる保護膜５０を形成する。
続いて、ｐ側電極４１と電気的に接続したｐ側パッド電極４２を形成する。
その後、基板を８０μｍ程度の厚さに研磨し、基板１０の裏面にｎ側電極６０を形成する。

（共振器面２５の形成）
その後、窒化物半導体層及び基板を劈開してバー状とする。バーの劈開面が、（１−１００）面となるように劈開し、共振器面を作製する。

（端面保護膜７０の形成）
共振面に端面保護膜を形成する。
まず、出射側の共振器面に、第１膜として、共振器面から窒化物半導体層の上面及び絶縁膜の表面にかけて、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で、Ａｌターゲットを用いて、膜厚３２ｎｍのＡｌＮを形成する。
その上にさらに、第２膜として、ＥＣＲプラズマスパッタ装置で膜厚２６０ｎｍのＳｉＯ_２を形成する。
続いて、反射面側の共振器面に、出射面側と同様に、第１膜として膜厚３２ｎｍのＡｌＮを形成する。その上に、スパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、ＳｉＯ_２を６９ｎｍの膜厚で成膜し、Ｔａ_２Ｏ_５を膜厚４６ｎｍで成膜する。ＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５を繰り返し成膜し、（ＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５）を６周期成膜し、反射側の第２膜とする。

最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーをチップ化することで半導体レーザ素子を得る。

（評価）
得られた窒化物半導体レーザ素子について、各電極をダイボンディング若しくはワイヤーボンディングして、Ｔｃ＝２５℃でレーザ発振を試みたところ、閾値電流密度２．３ｋＡ／ｃｍ²、発振波長４０５ｎｍの発振が確認された。同様にして作製した窒化物半導体レーザ素子８個を、Ｔｃ＝２５℃、出力４５０ｍＷで５００時間連続発振させた。その結果を初期駆動電流値で規格化した駆動電流と駆動時間の関係のグラフで図６に示す。
この結果によれば、１個を除き安定して動作することが確認できた。このように、本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、高出力駆動時にも第１膜と窒化物半導体の密着性を維持しながら、駆動電流の上昇を抑制し、素子の寿命特性を向上させることができる。

また、比較のため、絶縁膜の端部を共振器面まで形成する以外は同様の窒化物半導体レーザ素子を作製し、それらについて同様の条件で連続発振させた。その結果を図７に示す。この結果によれば、５００時間経過までに半数の４個が突然破壊を起こすことが確認された。

（実施例２）
本実施例は、端面保護膜の構造を変更した以外は実施例１と同様である。出射側の共振器面に多層膜の第２膜を形成し、反射側の共振器面の第２膜のペア数を変更する。さらに、出射側の第２膜上に、第３膜を形成する。
出射側の共振器面に、実施例１と同様にして第１膜を形成する。続いて、第２膜として、ＥＣＲプラズマスパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、ＳｉＯ_２を６９ｎｍの膜厚で成膜し、Ｔａ_２Ｏ_５を膜厚４６ｎｍで成膜する。
反射面側の共振器面には、実施例１と同様にして、第１膜及び第２膜を形成する。このとき、（ＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５）を２周期成膜する。出射側の第２膜の上にさらに、ＥＣＲプラズマスパッタ装置でＳｉターゲットを用いて、ＳｉＯ_２からなる第３膜を１３８ｎｍ成膜する。
本実施例では、実施例１と同等の効果が得られる。

（実施例３）
本実施例は、絶縁膜を図５に示すような形状とした以外は実施例１と同様である。具体的には、リッジの両側に形成された絶縁膜３０は、リッジ基底部から１５μｍの幅において共振器面側の端部が共振器面２５ａ及び２５ｂから５μｍ離間して形成されている。上記のようなマスクパターンを用いて実施例１と同様にして絶縁膜を形成する。
本実施例では、実施例１と同等の効果が得られる。さらに、実施例１と比較して、絶縁膜が連続して形成されている箇所が残っているため、ウェハの反りを調整することができ、良好な劈開面の形成が可能となる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、光ディスク、光通信システム、プロジェクタ、又は印刷機、測定器等全てのデバイスに利用することができる。

１０：基板
２０：窒化物半導体層
２１：ｎ側半導体層
２２：活性層
２３：ｐ側半導体層
２４：リッジ
２５：共振器面
２６：導波路領域
３０：絶縁膜
４１：ｐ側電極
４２：パッド電極
５０：保護膜
６０：ｎ側電極
７０：端面保護膜
７１：第１膜
７２：第２膜
７３：平坦部
７４：曲面部

Claims (6)

1. 導波路領域の端部に共振器面を有する窒化物半導体層と、前記共振器面に略垂直な窒化物半導体層の上面に、前記共振器面側の端部が前記共振器面から共振器方向に沿って離間して設けられた絶縁膜とを有する窒化物半導体レーザ素子において、
   前記共振器方向の断面視において、前記共振器面から窒化物半導体層の上面及び絶縁膜の表面にかけて形成された第１膜を有し、該第１膜は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で、前記絶縁膜と異なる材料で形成され、窒化物半導体層と接触する第１領域と絶縁膜と接触する第２領域とを有する窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記絶縁膜は、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣのいずれか１つ以上を含む請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記第１膜上に第２膜を有し、第２膜は、発振波長の光を実質的に吸収しない材料で形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 第２膜は、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２のいずれか１つ以上を含む請求項４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 光反射側の前記第１膜及び第２膜の総膜厚は、９００ｎｍ以下である請求項４乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 窒化物半導体層の上面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜の端部から共振器方向に沿って離間した位置に前記窒化物半導体層の上面と略垂直な共振器面を形成する工程と、
   前記共振器方向の断面視において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなり、絶縁膜と異なる材料で前記共振器面と接触する第１領域と絶縁膜と接触する第２領域とを有する第１膜を形成する工程とを具備する窒化物半導体レーザ素子の製造方法。

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