JP2004172452A - モノリシック半導体レーザアレイ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力が可能なモノリシック半導体レーザアレイを提供する。
【解決手段】第１の導電型の半導体層と、活性層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイであって、前記ストライプの数をｎ、前記積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】第１の導電型の半導体層と、活性層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイであって、前記ストライプの数をｎ、前記積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイの設計方法に係り、特に、高出力が可能で、かつ熱負荷の少ないモノリシック半導体レーザ素子に関する。また、その半導体レーザ素子に用いる半導体としては、特に、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いたモノリシック窒化物半導体レーザアレイ及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは、小型、長寿命、高信頼性、かつ高出力化が進み、主にパーソナルコンピュータ、ＤＶＤなどの電子機器、医療機器、加工機器や光ファイバ通信の光源などに利用されている。中でも窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ）は、比較的短波長の紫外域から赤色が発光可能な半導体レーザとして注目されている。
【０００３】
このような半導体レーザ素子は、基板上にバッファ層、ｎ型コンタクト層、クラック防止層、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型電子閉じ込め層（キャップ層）、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順に形成されている。また、ストライプ状の導波路領域が形成され、ｐ型コンタクト層にｐ側電極が、ｎ型コンタクト層にｎ側電極がそれぞれ設けられている。
【０００４】
ストライプ状の導波路領域は、ｐ型半導体層にリッジストライプを形成することで形成することができる。そして、高出力を必要とする場合は、ストライプの幅を拡大した（広げた）ブロードエリア構造により高出力化を図ることができるほか、このようなリッジストライプを複数形成させることで、例えばモノリシック半導体レーザアレイとして高出力を図ることができる。また、各ストライプの幅を制御することで容易に出力を制御することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２６７６９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
モノリシック半導体レーザアレイは、導波路領域を複数有するため、駆動すると同時に瞬時にして大熱量を発生する。そのため、レーザ光を出射させる各共振器がその過大な熱によって劣化するという問題を生じる場合がある。しかも、複数形成されている導波路領域のうち一つの導波路領域の共振器面が劣化することで、残りの共振器面にかかる負荷が大きくなって劣化を促進し破壊されてしまう。そのため、導波路領域の間隔を充分広げることで、それぞれの導波路領域が熱的に独立するような設計にしている。しかしながら、その間隔を設定する上での充分な設定基準が確立されていないのが現状である。そこで、本発明は、高出力時においても劣化しにくく、複数の導波路領域から安定したレーザ光を得ることができるよう設定されたモノリシック半導体レーザアレイ及びその作製方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるモノリシック半導体レーザアレイは、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイであって、ストライプの数をｎ、積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅をＷ、隣接するストライプとの間隔をＨとし、Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
を満たすことを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅は、
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは光密度によって定められる定数）
を満たすことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ状の導波路領域は、活性層よりも上にリッジストライプを有することで形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、積層構造体が、第１の導電型の半導体層の下面に第１の電極を有し、第２の導電型の半導体層の上面に第２の電極を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、第１の導電型の半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層に、窒化物半導体が用いられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、第１の導電型の半導体層にｎ型窒化物半導体を有し、第２の導電型の半導体層にｐ型窒化物半導体を有することを特徴とする。
【００１４】本発明の請求項８に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅は、１．４以上であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項９に記載のモノリシック半導体レーザアレイの作製方法は、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイの作製方法であって、ストライプの数をｎ、積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
の式の定数ａを設定する定数設定ステップ及び、
Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
の定数ｂ、ｃを設定する定数設定ステップを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１０に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅は、
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは光密度によって定められる定数）
の式の定数ｄを設定する定数設定ステップを有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態のモノリシック半導体レーザアレイは、複数のストライプ状の導波路領域がそれぞれ隣接する導波路領域で生じる熱の影響を受けにくい範囲に形成されることで、熱劣化等による素子特性の悪化を少なくし、優れた寿命特性を得るものである。具体的な形態としては、図１に示すように、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイである。ストライプ状の導波路領域は、それぞれのストライプ幅が略等しくなるよう形成され、また、それぞれ隣接するストライプ状の導波路領域との間隔も略等しくなるよう形成されている。このように設定することで、各導波路領域にほぼ均一に電流を流すことができるだけでなく、高出力時にかかる熱負荷もほぼ均等に分散されるので、寿命特性を悪化しにくくすることができる。そして、このように略同一幅のストライプ状の導波路領域が、それぞれ隣接するストライプ状の導波路領域と略同一間隔となるよう形成されるとき、積層構造体全体の熱抵抗が熱の非干渉パラメータを累乗とする累乗則に従う関係にあることを特徴とするものである。尚、本明細書において、ストライプ状の導波路領域を、略してストライプ、或いは導波路領域等と記載する場合があるが、特に断りがない場合はストライプ状の導波路領域と同じ意味である。
【００１８】
本実施の形態においては、ストライプの数をｎ、積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とするものである。
【００１９】
式（１）の単一ストライプレーザにおける熱抵抗Ｒ０（℃／Ｗ）は、そのレーザ素子を構成する積層構造体の材料によって決まる値であって、
Ｒ０＝ΔＴ／Ｑ・・・・・（４）
によって定まる値である。Ｑは熱量（Ｗ）であって、投入電力Ｐ０（Ｗ）と、その積層構造体の発光効率Ｅとによって求めることができる。
Ｑ＝Ｐ０（１−Ｅ）・・・・・・（５）
また、ΔＴ（℃）は、使用環境温度Ｔ０（℃）と、その熱量Ｑでの活性層温度Ｔ（℃）との差である。
ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０・・・・（６）
【００２０】
（熱の非干渉パラメータａ）
本発明においては、モノリシック半導体レーザアレイの熱抵抗が、熱抵抗の並列則に従うのではなく、式（１）で示される関係式で記述されることを見いだした。
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータを定める定数）
すなわち、その素子全体の熱抵抗Ｒは、単一のストライプ状の導波路領域を有する単一ストライプレーザの熱抵抗Ｒ０と、ストライプ数の逆数のａ乗に比例するものである。そして、この冪数ａが熱の非干渉パラメータに基づく定数であることを見いだした。
【００２１】
ここで、素子全体の熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）と、ストライプ状の導波路領域の本数（本）との関係を図３（ａ）〜図３（ｆ）に示す。図３（ａ）〜（ｆ）は、Ｙ軸に熱抵抗Ｒを、Ｘ軸にストライプの本数ｎの逆数１／ｎをとり、共に対数表示したものである。図３（ａ）は、ストライプ間隔が１００μｍと仮定した場合の熱抵抗Ｒをプロットしたもので、ストライプ幅が２（μｍ）、３０（μｍ）、６０（μｍ）、９０（μｍ）の４つの場合について計算している。同様に、図３（ｂ）〜図３（ｆ）は、図３（ａ）の、ストライプ間隔をそれぞれ（ｂ）８０μｍ、（ｃ）６０μｍ、（ｄ）４０μｍ、（ｅ）２０μｍ、（ｆ）０μｍに変更して、ストライプの本数の逆数と熱抵抗との関係を表したものである。
【００２２】
このようにグラフ化してみると、熱抵抗Ｒの対数とストライプ本数の逆数の対数とが直線で表されることがわかる。これらのグラフから、積層構造体全体の熱抵抗Ｒは、ストライプ状の導波路領域が同一幅で、同一間隔に形成されていると仮定すると、熱抵抗Ｒは、ストライプ幅の大きさに寄らずに、ストライプ本数と累乗則の関係にあることが分かる。
【００２３】
各々の直線の傾きの差は、ストライプ間隔が小さい場合に顕著に現れていることがわかる。このことは、ストライプ間隔が広い場合には熱抵抗Ｒの増減の割合がストライプ幅に依存せず、ストライプ間隔が狭い場合には熱抵抗Ｒの増減の割合がストライプ幅に依存することを示している。
【００２４】
以上のことから，図３の（ａ）〜図３（ｆ）における冪乗則の関係式を求め、それぞれの累数についての関係を表したものが式（１）であることがわかる。そして、この式（１）中の定数ａは、熱抵抗に関連する定数（熱の非干渉パラメータ）であり、隣接するストライプからの影響を示す。この定数ａはストライプの幅Ｗとストライプの間隔Ｈのみで決定される定数であって、本発明においては熱の非干渉パラメータとして定義する。このように、熱の非干渉パラメータを有する関係式（１）を用いて熱抵抗を制御することで、積層構造体の最適な放熱設計が可能となる。
【００２５】
熱干渉を考慮しない場合についての熱抵抗は熱の非干渉パラメータａ＝１に相当し、積層構造体全体の熱抵抗は、熱抵抗の並列則に従う。すなわち、ストライプ状の導波路領域１と、それに隣接するストライプ状の導波路領域２、さらにそれに隣接するストライプ状の導波路領域３・・・ストライプ状の導波路領域Ｎを有するモノリシック半導体レーザアレイであって、導波路領域１の熱抵抗をＲ１、導波路領域２の熱抵抗Ｒ２、導波路領域３の熱抵抗Ｒ３・・・導波路領域Ｎの熱抵抗ＲＮ、とすると、積層構造体全体の熱抵抗Ｒは、
１／Ｒ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋・・・＋１／ＲＮ・・・・（８）
という関係によって表される。導波路領域のストライプ幅が同じである場合、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝・・・＝Ｒｎ＝Ｒ０となるため、上式は下式のように表される。
Ｒ＝Ｒ０×１／ｎ・・・・・（８‘）
この式は、式（１）におけるａ＝１に相当するものであって、熱干渉を考慮しない式である。すなわち、熱抵抗の並列則は、各ストライプ状の導波路領域がそれぞれ熱的に独立するよう、充分な距離をおいて形成されている場合において成り立つ式である。
【００２６】
また、熱の非干渉パラメータａは、ａ＝１が最大であって、それよりも大きくなることはない。熱の非干渉パラメータａは、その値が大きくなる程、つまりａ＝１に近づく程、熱干渉度合が小さくなって、隣接するストライプ状の導波路領域による熱の干渉が小さくなることを示す。また、熱の非干渉パラメータａが小さくなる程、つまり、ａ＝０に近づく程、熱干渉度合が大きくなって、隣接するストライプ状の導波路領域の熱の影響を受けやすくなっていることを示す。
【００２７】
図３より求めた熱の非干渉パラメータａは、前述のように、ストライプ幅Ｗと、ストライプ幅Ｈのみで決定される定数である。熱の非干渉パラメータａを一定としたときの、ストライプ幅Ｗとストライプ間隔Ｈとの関係を図１に示す。図１は、Ｘ軸にＨ（μｍ）、Ｙ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標を示す。図１中の等高線Ａａは、それぞれ、熱の非干渉パラメータａが一定であることを示しているものであって、
Ｗ＝ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・・（２‘）
で表すことができる。例えば、等高線Ａ０．６は、熱の非干渉パラメータａ＝０．６を示すものである。そして、式（２）の不等号式で表されるように、ストライプ幅Ｗは、所望の熱の非干渉パラメータａを示す等高線より上の領域内にあるストライプ間隔を選択することができる。
【００２８】
熱の非干渉パラメータａは、目的や用途に応じて所望の値を選択することができるが、上述のように上限が１以下であり、好ましい範囲としては、０．６以上１以下である。より好ましくは０．８以上１．０以下である。熱の非干渉パラメータａが０．６未満であると、熱の干渉が顕著になるので好ましくない。
【００２９】
（ストライプ幅Ｗ及び隣接するストライプとの間隔Ｈ）
また、本発明において、ストライプ幅をＷ、隣接するストライプとの間隔をＨとしたとき、Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは最小リッジ幅を規定する定数）
の２式を満足するＨ・Ｗ領域内にあるようにストライプ幅及びストライプ間隔が設定されていることを特徴とする。
【００３０】
また、図１のＸＹ座標に、さらにＺ軸として熱の非干渉パラメータａを取ったＸＹＺ座標を図２に示す。図２における等高線Ａａは、図１中の等高線Ａａと一致するものである。
【００３１】
熱干渉による影響度、つまり、熱干渉度合が大きくなる（熱の非干渉パラメータａが小さくなる）と、各ストライプ状の導波路領域は、その領域で生じる熱に加えて、隣接する導波路領域で生じている熱の影響も同時に受けることになり、発熱部の熱負荷が過大になる。このような熱的要因により引き起こされる劣化を抑制できる領域が、０．６≦ａ≦１の領域である。
【００３２】
また、本発明は、上述の式（２）だけでなく、式（３）を同時に満たすことで、更に良好な放熱性を図ることができ、高出力化を実現することができる。式（３）における定数ｄは、光密度によって定められる定数であって、最小ストライプ幅を規定するものである。これは、主として光出射側端面における光学損傷を抑制するために必要な最小のストライプ幅として規定されるものである。
【００３３】
図４は、光学損傷を示す模式図である。本出願人は、端面の劣化について鋭意研究し、微小な非発光点の増加が端面融解を引き起こしていることを見いだした。すなわち、レーザ素子を駆動させると、リッジストライプの直下の発光領域（導波路領域）に光が集中し、リッジ直下以外の領域に比べて光密度が高くなる。そして、その光密度が高くなりすぎると、まず、図４（ａ）のように、微小な非発光点が現れる。そして、さらに光密度を高くすると，非発光点の数が図４（ｂ）のように増加していき、ついには，これらの非発光点が図４（ｃ）のような端面融解を誘発した。このような非発光点生成による端面劣化現象は、熱的な要因ではなく、光学的な要因によって引き起こされるものである。そして、式（３）における定数ｄは、光密度によって定められる定数である。
【００３４】
すなわち、式（１）及び（２）が熱的要因に依存する式であるのに対し、式（３）は光学的要因に依存する式である。式（１）及び式（２）に加え、式（３）をも満たすことで、異なる２つの要因を共に満たすように設計することができる。これにより、熱的及び光学的にも優れたモノリシック半導体レーザアレイとすることができる。尚、この定数ｄは、ストライプひとつについての値である。
【００３５】
特に、積層構造体として窒化物半導体を用いる場合、式（３）における定数ｄは、好ましくは１．４以上、更に好ましくは２．０以上の値とすることで、光学的な要因による端面劣化現象を抑制することができる。アレイを構成する複数のストライプの各幅を上記のような範囲とすることで、１Ｗ程度の高出力だけでなく、更に高い出力（例えば数十Ｗ程度）を得ることが可能となる。
【００３６】
（ストライプ状の導波路領域）
本発明においては、ストライプ状の導波路領域は、第１の導電型の半導体層、第２の導電型の半導体層に挟まれた面内に主として形成されるものであり、このとき、ストライプ方向と共振器方向は、ほぼ一致しているものである。ここで、活性層の面内とは、活性層と第１の導電型の半導体層、第２の導電型の半導体層との接合面に平行な面内であって、活性層の内部を指すものである。また、ストライプ状の導波路領域は、上述した活性層だけでなく、積層構造体内部に設けられる光導波路（導波層）に設けられてもよく、例えば、後述する活性層を挟むガイド層までの領域を光導波層とし、これを導波路領域としてもよい。
【００３７】
上記導波路領域をストライプ状とする手段としては、積層構造体の材料や、その製造方法、或いは、用途や目的に応じて、好ましいものを選択することができるが、少なくとも、熱の発生源である活性層は単一である必要がある。活性層以外の層構成によってストライプ状の導波路領域が形成されるのが好ましく、例えば、ストライプ状の凸部を形成してその凸部に対応するストライプ状の導波路領域を形成してもよいし、或いは、電流注入領域をストライプ状に制限することでストライプ状の導波路領域を形成させてもよい。好ましくは、積層構造体にストライプ状の凸部を有するリッジストライプによって形成され、更に、活性層よりも上にリッジストライプが形成されているのが好ましい。
【００３８】
リッジストライプを形成するには、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第２の導電型の半導体層を有する積層構造体の一部をエッチング等の手段により除去することで凸部（リッジ）を形成する方法が挙げられる。或いは、半導体層が積層しにくいマスクをストライプ状に形成しておき、再度半導体層積層工程を経ることで、マスクの非形成領域にストライプ状の凸部を選択成長させる方法を用いることもできる。このような凸部は、凸部の底面側の幅が広く上面に近づくに従ってストライプ幅が小さくなる順メサ状に限らず、逆に凸部の下面に近づくにつれてストライプの幅が小さくなる逆メサ形状でもよく、また、積層面に垂直な側面を有する凸部からなるストライプであってもよく、これらが組み合わされた形状でもよい。また、ストライプ状の導波路領域は、その幅がほぼ同じである必要はない。また、更に凸部を形成した後に表面に結晶を再成長させた埋込型のリッジストライプとすることもできる。
【００３９】
また、ストライプ方向を共振器方向とするために、端面に設けられている一対の共振器面は、劈開又はエッチング等によって形成される平坦な面であり、活性層の発光波長を効率よく反射させるために、単一膜又は多層膜からなる反射膜を形成させることもできる。共振器面の方向は比較的高反射率の面からなり主として光を導波路領域内に反射する光反射側共振器として、もう一方は比較的低反射率の面からなり主として外部に光を出射する光出射側共振器として機能している。
【００４０】
（積層構造体）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイの積層構造体として用いられる半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮなどの窒化物半導体や、これらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）が好ましい。以下、本発明のモノリシック半導体レーザアレイについて、具体的に窒化物半導体を用いて説明する。ここで、窒化物半導体を用いたモノリシック半導体レーザアレイとは、第１の導電型の半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層を順に積層した積層構造体の各層のいずれかに窒化物半導体を用いたものであり、好ましくは、全ての層に窒化物半導体を用いたモノリシック半導体レーザアレイである。具体的には、第１の導電型の半導体層、第２の導電型の半導体層には、窒化物半導体を有するクラッド層が設けられて導波路領域を形成しているものであり、より具体的には、第１の導電型の半導体層にｎ型窒化物半導体層を、第２の導電型の半導体層にｐ型窒化物半導体層を、また、活性層にはＩｎを含む窒化物半導体層を含む層から構成される。
【００４１】
（窒化物半導体）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイに用いる材料としては、窒化物半導体層を有するものが好ましい。以下、本発明のモノリシック半導体レーザアレイの各層及び構成について詳説する。
【００４２】
本発明のモノリシック半導体レーザアレイとして用いられる半導体層としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）が好ましい。以下、本発明のモノリシック半導体レーザアレイについて具体的に説明する。
【００４３】
（基板）
本発明に用いる基板としては、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができる基板であれば異種基板でも同種基板でもよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。具体的な例としては、異種基板では、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、前記異種基板上にＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ−Ｌａｔｅｒａｌ−Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。或いは、基板上に横方向成長させた窒化物半導体をＴ字形状とし、保護膜を除去させた後、さらに窒化物半導体を再成長させたものを用いてもよい。このような窒化物半導体層を有する異種基板は、Ｔ字柱上には転位が伸びるものの、Ｔ字両翼上部、及び隣り合うＴ字両翼の開口部上には転位が大幅に低減された結晶性の良好な窒化物半導体基板を得ることができ、再成長させた接合部にも転位が低減するため、この基板は低欠陥領域がウエハ上に広範囲で存在することとなる。そのため、この基板上に形成したモノリシック半導体レーザアレイは寿命特性の良好なものが期待できる。またＴ字両翼下には保護膜除去により再成長後も空洞が残るため、反り抑制効果もある。
【００４４】
また、デバイス加工が出来る程度の厚膜（６０μｍ程度以上）であれば同種基板である窒化物半導体基板を用いることもできる。このような基板としては、上記のように異種基板上に形成された窒化物半導体層から、異種基板を除去したものがあげられる。同種基板を用いることで劈開面が得られ易くなる。
【００４５】
（活性層）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイは、特に活性層がＩｎを含む窒化物半導体層を有するものが好ましい。これにより、紫外線及び可視域において紫色系から赤色系の波長のレーザ光を得ることができる。また、活性層は、量子井戸構造であってもよく、その場合、単一量子井戸、多量子井戸のいずれでも良い。好ましくは量子井戸構造とすることで、発光効率に優れ、高出力のレーザ素子が得られる。具体的には、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることが好ましい。この場合、量子井戸構造の活性層においては、井戸層としてここで示した窒化物半導体を用いることが好ましいことを意味する。また、近紫外から可視光の緑色までの波長領域（３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下）では、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）を用いることが好ましく、またそれ以上の長波長領域（赤色）でも、同様にＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）を用いることができ、この時、主にＩｎ混晶比ｙを変化させることにより、所望の波長を得ることができる。３８０ｎｍ以下の短波長の領域では、ＧａＮの禁制帯幅に相当する波長が３６５ｎｍであるため、ＧａＮとほぼ同じか若しくはそれよりも大きなバンドギャップエネルギーとする必要があるため、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）が用いられる。
【００４６】
活性層を量子井戸構造とする場合、具体的な井戸層の膜厚としては、１０Å以上３００Å以下の範囲、好ましくは２０Å以上２００Å以下の範囲とすることで、Ｖｆ、しきい値電流密度を低減させることができる。また、結晶成長の観点からは、２０Å以上であると、膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、２００Å以下とすることで結晶欠陥の発生を低く抑えた結晶成長が可能となる。活性層内の井戸層数としては特に限定されず、１以上であり、この時、井戸層の数が４以上である場合には、活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなって、Ｖｆの上昇を招くこととなるため、井戸層の膜厚を１００Å以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。また、井戸層にはｐ又はｎ型の不純物（アクセプター又はドナー）がドープされていても、アンドープであっても良い。
【００４７】
障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層と同様の窒化物半導体を用いることができ、具体的には井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮ、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。具体的な組成としては、ＩｎβＧａ１−βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮ、ＡｌγＧａ１−γＮ（０＜γ≦１）などを用いることができ、好ましくはＩｎβＧａ１−βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮを用いることで良好な結晶性でもって障壁層が形成できる。多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。ここでαは井戸層のＩｎ組成比であり、α＞βとして障壁層のＩｎ組成比βを井戸層より小さくすることが好ましい。また、障壁層は、ｎ型不純物がドープされていても、アンドープであっても良いが、好ましくはｎ型不純物がドープされていることである。この時、障壁層中のｎ型不純物濃度としては、少なくとも５×１０１６／ｃｍ３以上ドープされていることが好ましく、上限としては１×１０２０／ｃｍ３である。
【００４８】
（ｐ型クラッド層）
ｐ型クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていればよく、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。さらに、この層は不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、多層膜の場合はそれを構成する少なくとも１つの層にドープしたものであってもよい。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのモノリシック半導体レーザアレイでは、このｐ型クラッド層はｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。又、膜厚としては特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成することが好ましく、更に好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで十分な光閉じ込め効果を有する。また、活性層とｐ型クラッド層との間に、電子閉じ込め層、光ガイド層を設けて、活性層及び光ガイド層を挟み込む構造とすることが好ましい。
【００４９】
（ｐ型電子閉じ込め層）
活性層とｐ型クラッド層との間、好ましくは活性層とｐ型光ガイド層との間に設けられるｐ型電子閉じ込め層は、活性層へのキャリアの閉じ込めとしても機能する層であり、閾値電流を低下させることにより容易な発振に寄与し、具体的にはＡｌＧａＮを用いる。特に、ｐ型半導体層に、ｐ型クラッド層、ｐ型電子閉じ込め層を設ける構成とすることで、より効果的な電子閉じ込め効果が得られる。このｐ型電子閉じ込め層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不純物をドープしたものとすることでより確実に前記機能を発揮し得るが、アンドープであっても前記キャリアの閉じ込めとして機能を有する。膜厚の下限としては、少なくとも１０Åで好ましくは２０Åである。また、膜厚としては、５００Å以下で形成し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの組成としては、ｘが０以上、好ましくは０．２以上とする事で前記効果が十分に期待できる。このように、ｐ型電子閉じ込め層は、好ましくは活性層に接して設けることで、効率良く活性層若しくは井戸層内にキャリアを注入できる。
【００５０】
（ガイド層）
本発明において、活性層を挟むｐ型及びｎ型ガイド層をそれぞれｐ型及びｎ型クラッド層より内側に設けて、光導波路を形成することで、窒化物半導体において優れた導波路を形成することができる。この時、導波路（活性層とそれを挟み込む両ガイド層）の膜厚としては、具体的には６０００Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑制し、好ましくは４５００Å以下とすることで、低く抑えられた発振閾値電流で、基本モードによる長寿命の連続発振が可能となる。また、両ガイド層は、ほぼ同じ膜厚で形成することが好ましく、ガイド層の膜厚としては１００Å以上１μｍ以下の範囲に設定することが好ましく、より好ましくは５００Å以上２０００Å以下で形成することで良好な光導波路を設けることができる。更に、ガイド層としては、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路を形成するために十分なエネルギーバンドギャップを有していればよく、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。また、光ガイド層として、具体的には、活性層とほぼ同じ、好ましくはそれよりも大きなバンドギャップエネルギーとすることで良好な導波路の形成が可能であり、量子井戸構造の場合には井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは障壁層よりも大きくすることである。さらには、活性層の発光波長よりも１０ｎｍ程度以上のバンドギャップエネルギーを光ガイド層に設けることで、光の導波に優れた導波路が形成できる。
【００５１】
（ｎ型クラッド層）
ｎ型クラッド層としては、ｐ型クラッド層と同様に、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。また、このｎ型クラッド層は、キャリアの閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、多層膜構造とする場合には、前述のように、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させると良い。さらに、この層は、ｎ型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、多層膜層としてその構成する少なくとも１つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層はｎ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、膜厚としては、ｐ型クラッド層と同様に、特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉じ込め層として機能する。
【００５２】
（電極）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイにおいて、ｐ型半導体層側に設けられるｐ側電極、及びｎ側層（ｎ型コンタクト層）に設けられるｎ側電極としては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体と良好なオーミック接触得られる材料を好ましく用いることができる。導波路領域となるリッジストライプ対応して形成させることで、キャリアの注入を効率よく行うことが出来る。リッジストライプを形成させる場合は、リッジストライプ上面から電流が注入されるようにする。また、その場合は後述する絶縁膜を介して窒化物半導体を接するように設けることも出来る。また、リッジストライプを形成させない場合は、ｐ側電極の幅を制御して、この電極の幅をストライプ状の導波路領域の幅Ｗとなるように形成させる。この場合も、絶縁膜等を用いて注入領域をストライプ状に制御することができる。更に、素子内部に電流狭窄層を有する場合は、電極の幅は特に制御しなくてもよい。
【００５３】
また、半導体と接するように設けられるオーミック電極と、ボンディングに適した材料からなるパッド電極とを設けてもよい。本実施の形態においては、リッジストライプを有する場合、ｐ側電極（ｐ側オーミック電極）は、リッジ上面からリッジ側面、及びリッジ底部から連続するｐ型半導体層の表面に第１の絶縁膜を形成後、リッジストライプの上面に第１の絶縁膜の開口部を設けてその上にオーミック電極を形成する。その上に更に開口部を有する第２の絶縁膜を形成し、その上にｐ側パッド電極を形成された構造である。電極として用いられる具体的な材料としては、ｐ側電極では、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。また、ｎ側電極では、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。
【００５４】
尚、ｎ側電極は、ｎ型半導体層の裏面側に設けるのが好ましい。すなわち、図５に示すように、半導体層の上面にｐ側電極、下面にｎ側電極を用いるのが好ましい。このように両電極を配置させることで、各ストライプ状の導波路領域に均一に電流を流すことができる。ストライプの幅及び間隔を制御しても、投入電流が不均一になると、熱干渉度合も不均一になって制御しにくくなるので、電極の形成位置も考慮する必要がある。また、下面（裏面）に電極が形成できない場合、例えば絶縁性の基板上に窒化物半導体層が形成されている場合は、同一面側にｐ及びｎ側電極が形成されることになるが、このような場合も、各ストライプに均一に電流が流れるようにｎ側電極の形成位置を制御する必要がある。
【００５５】
（第１の絶縁膜）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイにおいて、窒化物半導体層の一部を除去して、リッジストライプの側面、及びそれに連続するリッジ両側の平面（凸部が設けられている表面）に埋め込み層として絶縁膜（以下、第１の絶縁膜）を形成することが好ましい。第１の絶縁膜の材料としては好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｓｉ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酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁膜として用いれば埋め込み層としてかなり信頼性が高くなる傾向にある。また一般的にＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となり易い傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮは絶縁性に関する信頼性に優れている。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外のもの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。
【００５６】
また、第１の絶縁膜の膜厚としては、具体的には、５００Å以上１μｍ以下の範囲、好ましくは１０００Å以上５０００Å以下の範囲とすることである。なぜなら、５００Å以下であると、電極の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難で、１μｍ以上であると、かえって保護膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい範囲にあることで、リッジ（凸部）側面において、リッジとの間に良好な屈折率差を有する均一な膜が形成される。
【００５７】
（第２の絶縁膜）
第２の絶縁膜は、ｐ側オーミック電極の、リッジ上部を除く全面に渡るように設けるものである。また、エッチングによって露出されたｐ型半導体層及び活性層の側部端面にも連続するように設けるのが好ましい。好ましい材料としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの単層膜または多層膜を挙げることができる。
【００５８】
（共振器面保護膜）
共振器面には、活性層で発生する光を効率よく共振させるために、その表面に保護膜を設けるのが好ましい。特に、モニター側の共振器面には、出射側の共振器面と屈折率差を設けるためにも保護膜を設けるのが好ましい。具体的な材料として、導体材料としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ、更にはこれらの酸化物、窒化物、フッ化物などの化合物から選ばれたいずれかから選ばれたものを用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせた化合物或いは多層膜として用いてもよい。好ましい材料としてはＳｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｇａを用いた材料である。また、また、半導体材料としてはＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮなどを用いることができる。絶縁体材料としてはＳｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂの酸化物、窒化物、フッ化物等などの化合物を用いることができる。
【００５９】
【実施例】
本発明において、積層構造体としてＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮなどの窒化物半導体や、これらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用い、第１の導電型の半導体層であるｐ型半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層であるｎ型半導体層を有する構造である。電極や絶縁膜（保護膜）等については特に限定されず種々のものを用いることができる。また、窒化物半導体の成長は、ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
以下、実施例として窒化物半導体を用いたモノリシック半導体レーザアレイについて説明するが、本発明のモノリシック半導体レーザアレイは、これに限らず、本発明の技術的思想において、様々な半導体に実施できることは言うまでもない。
【００６０】
［実施例１］
（バッファ層） 実施例１では、基板としてサファイアを用いる。２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし温度を５００℃にしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。
【００６１】
（下地層）
バッファ層形成後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層（成長基板）として作用する。下地層としてこの他にＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ＬａｔｅｒａｌｌｙＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ＥＬＯＧ成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設ける等して形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域とをストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜させたものや、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長が成されて成膜されたもの等が挙げられる。
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、積層構造体を構成する各層を形成する。
【００６２】
（ｎ型コンタクト層）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を２．２５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型コンタクト層の膜厚は２〜３０μｍであればよい。
【００６３】
（クラック防止層）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００６４】
（ｎ型クラッド層）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層を交互に積層し、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌの混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００６５】
（ｎ型光ガイド層）
次に、同様の温度で原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ｎ型不純物をドープさせてもよい。
【００６６】
（活性層）
次に、温度を８００℃にして、原料にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層させて総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。
【００６７】
（ｐ型電子閉じ込め層）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌＧａＮよりなるｐ型電子閉じ込め層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００６８】
（ｐ型光ガイド層）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層を７５０Åの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層はアンドープとして成長させるが、Ｍｇをドープさせてもよい。
【００６９】
（ｐ型クラッド層）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＧを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いてＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれも一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性がよくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。
【００７０】
（ｐ型コンタクト層）
最後に１０５０℃でｐ型クラッド層の上にＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層はｐ型のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≦０、ｙ≦０、ｘ＋ｙ≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすればｐ電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを７００℃でアニーリングして、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００７１】
（定数設定）
実施例１では、式（１）を用いて、モノリシック半導体レーザアレイの出力Ｐが１（Ｗ）となるよう定数ａを定める。ここでは、ａ＝０．６を選択する。
上記のような素子構成からなる窒化物半導体層は、素子が破壊されない温度（許容温度）Ｔは８０（℃）であり、素子が室温（Ｔ０＝２０（℃））で使用される場合、許容される上昇温度は式（６）より、
ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０＝８０−２０＝６０（℃）
である。また、上記の素子構成の窒化物半導体層の発光効率Ｅは１０〜３０％であることが分かっており、仮に１０％であると仮定すると、必要な投入電力Ｐ０は、式（５）より、
Ｑ＝Ｐ０（１−Ｅ）＝１０（１−０．１）＝９（Ｗ）
である。従って、許容される熱抵抗Ｒは、式（４）より、
Ｒ＝ΔＴ／Ｑ＝９０／６≒６．７（℃／Ｗ）
である。
【００７２】
一方、熱の非干渉パラメータａとすると、式（２）の定数ｂ及びｃが定まる。上記のようにａ＝０．６の時は、ｂ＝−１．２１５、ｃ＝２６．３が定まる。ストライプ幅Ｗを２．０とすると、式（２）より、
Ｗ＝ｂ×Ｈ＋ｃ
２＝−１．２１５×Ｈ＋２６．３
Ｈ＝２０
が求まる。
【００７３】
また、単一ストライプの熱抵抗は、実験により１７℃／Ｗであることが分かっているので、式（１）より、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ
６．７＝１７×（１／ｎ）０．６
ｎ≒５．４
となるので、リッジストライプの本数ｎは５．４より大きい値のうち最小の正数、すなわち６となる。
【００７４】
以上をまとめると、幅２．０μｍのリッジストライプを、間隔２０μｍで、少なくとも６本形成させることで、熱的干渉による劣化の少ないモノリシック半導体レーザアレイとすることができる。
【００７５】
また、上記のストライプの幅Ｗ＝２．０は、光学損傷による劣化を考慮した式（３）を満たしていることから、光学的にみても損傷しにくい構造となっている。
【００７６】
（リッジストライプ形成）
以上のようにして求まるストライプ状の導波路領域の幅及び間隔を、リッジストライプの幅及びリッジストライプの間隔とする。最上層のｐ型コンタクト層のほぼ全面にＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ２）よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、保護膜の上に幅２μｍのストライプ形状のマスクを２０μｍ間隔で形成する。ＲＩＥ装置によりＣＦ４ガスを用いてＳｉＯ２をエッチングしその後ＳｉＣｌ４により窒化物半導体層をｐ型ガイド層が露出するまでエッチングすることで、活性層よりも上にリッジストライプが形成される。尚、後で分割（チップ化）する際に、ストライプを少なくとも６本含むような位置で分割する。
【００７７】
（第１の絶縁膜）
ＳｉＯ２マスクをつけたまま、ｐ型半導体層表面にＺｒＯ２よりなる第１の絶縁膜を形成する。この第１の絶縁膜は後に分割され易いように絶縁膜を形成させない部分を設けてもよい。第１の絶縁膜形成後、バッファード液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ型コンタクト層上（更にはｎ型コンタクト層上）にあるＺｒＯ２を除去する。これにより、リッジストライプの上面は露出され、凸部の側面はＺｒＯ２で覆われた構造となる。
【００７８】
（ｐ側オーミック電極）
次に、ｐ型コンタクト層上の凸部最表面の第１の絶縁膜上にｐ側オーミック電極を形成させる。このｐ側オーミック電極は、ＮｉとＡｕからなる。電極形成後、それぞれを酸素：窒素が１：９９の割合の雰囲気中で、６００℃でアニーリングすることで、ｐ側オーミック電極を合金化し、良好なオーミック特性を得る。
【００７９】
（第２の絶縁膜）
次いで、ストライプ状凸部上のｐ側オーミック電極の一部にレジストを塗布し、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ２）とＴｉ酸化膜（ＴｉＯ２）の多層膜からなる第２の絶縁膜をλ／４ｎの膜厚で２ペア（４層）の条件で、エッチングされた底面及び側面に形成することでミラーを形成する。このときｐ側オーミック電極は露出するようにしておく。
【００８０】
（ｐ側パッド電極）
次に、上記の絶縁膜を覆うようにｐ側パッド電極を形成する。ｐ側パッド電極は、密着層、バリア層、共晶層からなり、各層は、ｐ型半導体層側からとしてＲｈＯ−Ｐｔ−Ａｕの順に膜厚２０００Å−３０００Å−６０００Åで形成する。
【００８１】
（成長基板分離）
成長基板であるサファイア基板を研磨によって除去する。更に、ｎ型コンタクト層が露出するまで研磨し、ＫＯＨ及びコロイダルシリカ（Ｋ２ＳｉＯ３）を用いてケミカルポリッシュ研磨して面の荒れを無くす。
【００８２】
（ｎ側電極）
次に前記ｎ型コンタクト層上にｎ型電極をＴｉ−Ａｌの順に膜厚１００Å−２５００Åで形成する。
【００８３】
（チップ化）
以上のようにして得られたウエハをストライプに略垂直な方向で劈開する。劈開面が共振器面であり、この共振器面の間隔が共振器長となる。共振器長６５０μｍとなるように、裏面側にスクライブラインを入れて素子上面側から押厚することで容易に劈開することができる。また、このチップ化を容易にするために、裏面側に設けられるｎ側電極は、分割位置には形成させないようにすることもできる。次に、ストライプを少なくとも６本含むような位置でストライプと略平行な位置で分割する。
【００８４】
［実施例２］
実施例１において、許容熱抵抗Ｒ＝６．７℃／Ｗ、ストライプ状の導波路領域の幅を３０（μｍ）とする。また、単一ストライプを有するレーザ素子の熱抵抗Ｒ０は１３（℃／Ｗ）である。熱の非干渉パラメータａ＝０．６とすると、定数ｂ＝−１．２１５、ｃ＝２６．３が定まるので、ストライプ間隔Ｈを３．０（μｍ）とする場合は、ストライプ本数を４本以上配列させたモノリシック半導体レーザアレイを得ることが可能である。
【発明の効果】
本発明によれば、モノリシック半導体レーザアレイは、熱の非干渉パラメータを設定することができるので、隣接するストライプ状の導波路領域で生じる熱の影響を受けにくくすることができ、高出力が可能な素子とすることができる。そして、この熱の非干渉パラメータから、ストライプの幅とその間隔とを求めることができるので、具体的な素子設計をすることが容易にできる。これにより、優れた寿命特性を有する高出力のモノリシック半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のストライプ幅とストライプ間隔とを示すグラフ
【図２】本発明のストライプ幅とストライプ間隔と熱の非干渉パラメータを示すグラフ
【図３】（ａ）〜（ｆ）本発明の熱抵抗とストライプ本数の逆数を示すグラフ
【図４】端面の光学損傷の状態を示す模式図
【図５】本発明のモノリシック半導体レーザアレイを示す断面図
【符号の簡単な説明】
１・・・ｎ型窒化物半導体層
２・・・ｐ型窒化物半導体層
３・・・活性層
４・・・ｐ側オーミック電極
５・・・ｐ側パッド電極
６・・・ｎ側電極
７・・・第１の絶縁膜
８・・・第２の絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明はストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイの設計方法に係り、特に、高出力が可能で、かつ熱負荷の少ないモノリシック半導体レーザ素子に関する。また、その半導体レーザ素子に用いる半導体としては、特に、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いたモノリシック窒化物半導体レーザアレイ及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは、小型、長寿命、高信頼性、かつ高出力化が進み、主にパーソナルコンピュータ、ＤＶＤなどの電子機器、医療機器、加工機器や光ファイバ通信の光源などに利用されている。中でも窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ）は、比較的短波長の紫外域から赤色が発光可能な半導体レーザとして注目されている。
【０００３】
このような半導体レーザ素子は、基板上にバッファ層、ｎ型コンタクト層、クラック防止層、ｎ型クラッド層、ｎ型光ガイド層、活性層、ｐ型光ガイド層、ｐ型電子閉じ込め層（キャップ層）、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層が順に形成されている。また、ストライプ状の導波路領域が形成され、ｐ型コンタクト層にｐ側電極が、ｎ型コンタクト層にｎ側電極がそれぞれ設けられている。
【０００４】
ストライプ状の導波路領域は、ｐ型半導体層にリッジストライプを形成することで形成することができる。そして、高出力を必要とする場合は、ストライプの幅を拡大した（広げた）ブロードエリア構造により高出力化を図ることができるほか、このようなリッジストライプを複数形成させることで、例えばモノリシック半導体レーザアレイとして高出力を図ることができる。また、各ストライプの幅を制御することで容易に出力を制御することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２６７６９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
モノリシック半導体レーザアレイは、導波路領域を複数有するため、駆動すると同時に瞬時にして大熱量を発生する。そのため、レーザ光を出射させる各共振器がその過大な熱によって劣化するという問題を生じる場合がある。しかも、複数形成されている導波路領域のうち一つの導波路領域の共振器面が劣化することで、残りの共振器面にかかる負荷が大きくなって劣化を促進し破壊されてしまう。そのため、導波路領域の間隔を充分広げることで、それぞれの導波路領域が熱的に独立するような設計にしている。しかしながら、その間隔を設定する上での充分な設定基準が確立されていないのが現状である。そこで、本発明は、高出力時においても劣化しにくく、複数の導波路領域から安定したレーザ光を得ることができるよう設定されたモノリシック半導体レーザアレイ及びその作製方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるモノリシック半導体レーザアレイは、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイであって、ストライプの数をｎ、積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅をＷ、隣接するストライプとの間隔をＨとし、Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
を満たすことを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅は、
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは光密度によって定められる定数）
を満たすことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ状の導波路領域は、活性層よりも上にリッジストライプを有することで形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、積層構造体が、第１の導電型の半導体層の下面に第１の電極を有し、第２の導電型の半導体層の上面に第２の電極を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、第１の導電型の半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層に、窒化物半導体が用いられていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、第１の導電型の半導体層にｎ型窒化物半導体を有し、第２の導電型の半導体層にｐ型窒化物半導体を有することを特徴とする。
【００１４】本発明の請求項８に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅は、１．４以上であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項９に記載のモノリシック半導体レーザアレイの作製方法は、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイの作製方法であって、ストライプの数をｎ、積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
の式の定数ａを設定する定数設定ステップ及び、
Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
の定数ｂ、ｃを設定する定数設定ステップを有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項１０に記載のモノリシック半導体レーザアレイは、ストライプ幅は、
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは光密度によって定められる定数）
の式の定数ｄを設定する定数設定ステップを有することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態のモノリシック半導体レーザアレイは、複数のストライプ状の導波路領域がそれぞれ隣接する導波路領域で生じる熱の影響を受けにくい範囲に形成されることで、熱劣化等による素子特性の悪化を少なくし、優れた寿命特性を得るものである。具体的な形態としては、図１に示すように、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイである。ストライプ状の導波路領域は、それぞれのストライプ幅が略等しくなるよう形成され、また、それぞれ隣接するストライプ状の導波路領域との間隔も略等しくなるよう形成されている。このように設定することで、各導波路領域にほぼ均一に電流を流すことができるだけでなく、高出力時にかかる熱負荷もほぼ均等に分散されるので、寿命特性を悪化しにくくすることができる。そして、このように略同一幅のストライプ状の導波路領域が、それぞれ隣接するストライプ状の導波路領域と略同一間隔となるよう形成されるとき、積層構造体全体の熱抵抗が熱の非干渉パラメータを累乗とする累乗則に従う関係にあることを特徴とするものである。尚、本明細書において、ストライプ状の導波路領域を、略してストライプ、或いは導波路領域等と記載する場合があるが、特に断りがない場合はストライプ状の導波路領域と同じ意味である。
【００１８】
本実施の形態においては、ストライプの数をｎ、積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とするものである。
【００１９】
式（１）の単一ストライプレーザにおける熱抵抗Ｒ０（℃／Ｗ）は、そのレーザ素子を構成する積層構造体の材料によって決まる値であって、
Ｒ０＝ΔＴ／Ｑ・・・・・（４）
によって定まる値である。Ｑは熱量（Ｗ）であって、投入電力Ｐ０（Ｗ）と、その積層構造体の発光効率Ｅとによって求めることができる。
Ｑ＝Ｐ０（１−Ｅ）・・・・・・（５）
また、ΔＴ（℃）は、使用環境温度Ｔ０（℃）と、その熱量Ｑでの活性層温度Ｔ（℃）との差である。
ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０・・・・（６）
【００２０】
（熱の非干渉パラメータａ）
本発明においては、モノリシック半導体レーザアレイの熱抵抗が、熱抵抗の並列則に従うのではなく、式（１）で示される関係式で記述されることを見いだした。
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータを定める定数）
すなわち、その素子全体の熱抵抗Ｒは、単一のストライプ状の導波路領域を有する単一ストライプレーザの熱抵抗Ｒ０と、ストライプ数の逆数のａ乗に比例するものである。そして、この冪数ａが熱の非干渉パラメータに基づく定数であることを見いだした。
【００２１】
ここで、素子全体の熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）と、ストライプ状の導波路領域の本数（本）との関係を図３（ａ）〜図３（ｆ）に示す。図３（ａ）〜（ｆ）は、Ｙ軸に熱抵抗Ｒを、Ｘ軸にストライプの本数ｎの逆数１／ｎをとり、共に対数表示したものである。図３（ａ）は、ストライプ間隔が１００μｍと仮定した場合の熱抵抗Ｒをプロットしたもので、ストライプ幅が２（μｍ）、３０（μｍ）、６０（μｍ）、９０（μｍ）の４つの場合について計算している。同様に、図３（ｂ）〜図３（ｆ）は、図３（ａ）の、ストライプ間隔をそれぞれ（ｂ）８０μｍ、（ｃ）６０μｍ、（ｄ）４０μｍ、（ｅ）２０μｍ、（ｆ）０μｍに変更して、ストライプの本数の逆数と熱抵抗との関係を表したものである。
【００２２】
このようにグラフ化してみると、熱抵抗Ｒの対数とストライプ本数の逆数の対数とが直線で表されることがわかる。これらのグラフから、積層構造体全体の熱抵抗Ｒは、ストライプ状の導波路領域が同一幅で、同一間隔に形成されていると仮定すると、熱抵抗Ｒは、ストライプ幅の大きさに寄らずに、ストライプ本数と累乗則の関係にあることが分かる。
【００２３】
各々の直線の傾きの差は、ストライプ間隔が小さい場合に顕著に現れていることがわかる。このことは、ストライプ間隔が広い場合には熱抵抗Ｒの増減の割合がストライプ幅に依存せず、ストライプ間隔が狭い場合には熱抵抗Ｒの増減の割合がストライプ幅に依存することを示している。
【００２４】
以上のことから，図３の（ａ）〜図３（ｆ）における冪乗則の関係式を求め、それぞれの累数についての関係を表したものが式（１）であることがわかる。そして、この式（１）中の定数ａは、熱抵抗に関連する定数（熱の非干渉パラメータ）であり、隣接するストライプからの影響を示す。この定数ａはストライプの幅Ｗとストライプの間隔Ｈのみで決定される定数であって、本発明においては熱の非干渉パラメータとして定義する。このように、熱の非干渉パラメータを有する関係式（１）を用いて熱抵抗を制御することで、積層構造体の最適な放熱設計が可能となる。
【００２５】
熱干渉を考慮しない場合についての熱抵抗は熱の非干渉パラメータａ＝１に相当し、積層構造体全体の熱抵抗は、熱抵抗の並列則に従う。すなわち、ストライプ状の導波路領域１と、それに隣接するストライプ状の導波路領域２、さらにそれに隣接するストライプ状の導波路領域３・・・ストライプ状の導波路領域Ｎを有するモノリシック半導体レーザアレイであって、導波路領域１の熱抵抗をＲ１、導波路領域２の熱抵抗Ｒ２、導波路領域３の熱抵抗Ｒ３・・・導波路領域Ｎの熱抵抗ＲＮ、とすると、積層構造体全体の熱抵抗Ｒは、
１／Ｒ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ２＋・・・＋１／ＲＮ・・・・（８）
という関係によって表される。導波路領域のストライプ幅が同じである場合、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝・・・＝Ｒｎ＝Ｒ０となるため、上式は下式のように表される。
Ｒ＝Ｒ０×１／ｎ・・・・・（８‘）
この式は、式（１）におけるａ＝１に相当するものであって、熱干渉を考慮しない式である。すなわち、熱抵抗の並列則は、各ストライプ状の導波路領域がそれぞれ熱的に独立するよう、充分な距離をおいて形成されている場合において成り立つ式である。
【００２６】
また、熱の非干渉パラメータａは、ａ＝１が最大であって、それよりも大きくなることはない。熱の非干渉パラメータａは、その値が大きくなる程、つまりａ＝１に近づく程、熱干渉度合が小さくなって、隣接するストライプ状の導波路領域による熱の干渉が小さくなることを示す。また、熱の非干渉パラメータａが小さくなる程、つまり、ａ＝０に近づく程、熱干渉度合が大きくなって、隣接するストライプ状の導波路領域の熱の影響を受けやすくなっていることを示す。
【００２７】
図３より求めた熱の非干渉パラメータａは、前述のように、ストライプ幅Ｗと、ストライプ幅Ｈのみで決定される定数である。熱の非干渉パラメータａを一定としたときの、ストライプ幅Ｗとストライプ間隔Ｈとの関係を図１に示す。図１は、Ｘ軸にＨ（μｍ）、Ｙ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標を示す。図１中の等高線Ａａは、それぞれ、熱の非干渉パラメータａが一定であることを示しているものであって、
Ｗ＝ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・・（２‘）
で表すことができる。例えば、等高線Ａ０．６は、熱の非干渉パラメータａ＝０．６を示すものである。そして、式（２）の不等号式で表されるように、ストライプ幅Ｗは、所望の熱の非干渉パラメータａを示す等高線より上の領域内にあるストライプ間隔を選択することができる。
【００２８】
熱の非干渉パラメータａは、目的や用途に応じて所望の値を選択することができるが、上述のように上限が１以下であり、好ましい範囲としては、０．６以上１以下である。より好ましくは０．８以上１．０以下である。熱の非干渉パラメータａが０．６未満であると、熱の干渉が顕著になるので好ましくない。
【００２９】
（ストライプ幅Ｗ及び隣接するストライプとの間隔Ｈ）
また、本発明において、ストライプ幅をＷ、隣接するストライプとの間隔をＨとしたとき、Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは最小リッジ幅を規定する定数）
の２式を満足するＨ・Ｗ領域内にあるようにストライプ幅及びストライプ間隔が設定されていることを特徴とする。
【００３０】
また、図１のＸＹ座標に、さらにＺ軸として熱の非干渉パラメータａを取ったＸＹＺ座標を図２に示す。図２における等高線Ａａは、図１中の等高線Ａａと一致するものである。
【００３１】
熱干渉による影響度、つまり、熱干渉度合が大きくなる（熱の非干渉パラメータａが小さくなる）と、各ストライプ状の導波路領域は、その領域で生じる熱に加えて、隣接する導波路領域で生じている熱の影響も同時に受けることになり、発熱部の熱負荷が過大になる。このような熱的要因により引き起こされる劣化を抑制できる領域が、０．６≦ａ≦１の領域である。
【００３２】
また、本発明は、上述の式（２）だけでなく、式（３）を同時に満たすことで、更に良好な放熱性を図ることができ、高出力化を実現することができる。式（３）における定数ｄは、光密度によって定められる定数であって、最小ストライプ幅を規定するものである。これは、主として光出射側端面における光学損傷を抑制するために必要な最小のストライプ幅として規定されるものである。
【００３３】
図４は、光学損傷を示す模式図である。本出願人は、端面の劣化について鋭意研究し、微小な非発光点の増加が端面融解を引き起こしていることを見いだした。すなわち、レーザ素子を駆動させると、リッジストライプの直下の発光領域（導波路領域）に光が集中し、リッジ直下以外の領域に比べて光密度が高くなる。そして、その光密度が高くなりすぎると、まず、図４（ａ）のように、微小な非発光点が現れる。そして、さらに光密度を高くすると，非発光点の数が図４（ｂ）のように増加していき、ついには，これらの非発光点が図４（ｃ）のような端面融解を誘発した。このような非発光点生成による端面劣化現象は、熱的な要因ではなく、光学的な要因によって引き起こされるものである。そして、式（３）における定数ｄは、光密度によって定められる定数である。
【００３４】
すなわち、式（１）及び（２）が熱的要因に依存する式であるのに対し、式（３）は光学的要因に依存する式である。式（１）及び式（２）に加え、式（３）をも満たすことで、異なる２つの要因を共に満たすように設計することができる。これにより、熱的及び光学的にも優れたモノリシック半導体レーザアレイとすることができる。尚、この定数ｄは、ストライプひとつについての値である。
【００３５】
特に、積層構造体として窒化物半導体を用いる場合、式（３）における定数ｄは、好ましくは１．４以上、更に好ましくは２．０以上の値とすることで、光学的な要因による端面劣化現象を抑制することができる。アレイを構成する複数のストライプの各幅を上記のような範囲とすることで、１Ｗ程度の高出力だけでなく、更に高い出力（例えば数十Ｗ程度）を得ることが可能となる。
【００３６】
（ストライプ状の導波路領域）
本発明においては、ストライプ状の導波路領域は、第１の導電型の半導体層、第２の導電型の半導体層に挟まれた面内に主として形成されるものであり、このとき、ストライプ方向と共振器方向は、ほぼ一致しているものである。ここで、活性層の面内とは、活性層と第１の導電型の半導体層、第２の導電型の半導体層との接合面に平行な面内であって、活性層の内部を指すものである。また、ストライプ状の導波路領域は、上述した活性層だけでなく、積層構造体内部に設けられる光導波路（導波層）に設けられてもよく、例えば、後述する活性層を挟むガイド層までの領域を光導波層とし、これを導波路領域としてもよい。
【００３７】
上記導波路領域をストライプ状とする手段としては、積層構造体の材料や、その製造方法、或いは、用途や目的に応じて、好ましいものを選択することができるが、少なくとも、熱の発生源である活性層は単一である必要がある。活性層以外の層構成によってストライプ状の導波路領域が形成されるのが好ましく、例えば、ストライプ状の凸部を形成してその凸部に対応するストライプ状の導波路領域を形成してもよいし、或いは、電流注入領域をストライプ状に制限することでストライプ状の導波路領域を形成させてもよい。好ましくは、積層構造体にストライプ状の凸部を有するリッジストライプによって形成され、更に、活性層よりも上にリッジストライプが形成されているのが好ましい。
【００３８】
リッジストライプを形成するには、第１の導電型の半導体層と、活性層と、第２の導電型の半導体層を有する積層構造体の一部をエッチング等の手段により除去することで凸部（リッジ）を形成する方法が挙げられる。或いは、半導体層が積層しにくいマスクをストライプ状に形成しておき、再度半導体層積層工程を経ることで、マスクの非形成領域にストライプ状の凸部を選択成長させる方法を用いることもできる。このような凸部は、凸部の底面側の幅が広く上面に近づくに従ってストライプ幅が小さくなる順メサ状に限らず、逆に凸部の下面に近づくにつれてストライプの幅が小さくなる逆メサ形状でもよく、また、積層面に垂直な側面を有する凸部からなるストライプであってもよく、これらが組み合わされた形状でもよい。また、ストライプ状の導波路領域は、その幅がほぼ同じである必要はない。また、更に凸部を形成した後に表面に結晶を再成長させた埋込型のリッジストライプとすることもできる。
【００３９】
また、ストライプ方向を共振器方向とするために、端面に設けられている一対の共振器面は、劈開又はエッチング等によって形成される平坦な面であり、活性層の発光波長を効率よく反射させるために、単一膜又は多層膜からなる反射膜を形成させることもできる。共振器面の方向は比較的高反射率の面からなり主として光を導波路領域内に反射する光反射側共振器として、もう一方は比較的低反射率の面からなり主として外部に光を出射する光出射側共振器として機能している。
【００４０】
（積層構造体）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイの積層構造体として用いられる半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮなどの窒化物半導体や、これらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）が好ましい。以下、本発明のモノリシック半導体レーザアレイについて、具体的に窒化物半導体を用いて説明する。ここで、窒化物半導体を用いたモノリシック半導体レーザアレイとは、第１の導電型の半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層を順に積層した積層構造体の各層のいずれかに窒化物半導体を用いたものであり、好ましくは、全ての層に窒化物半導体を用いたモノリシック半導体レーザアレイである。具体的には、第１の導電型の半導体層、第２の導電型の半導体層には、窒化物半導体を有するクラッド層が設けられて導波路領域を形成しているものであり、より具体的には、第１の導電型の半導体層にｎ型窒化物半導体層を、第２の導電型の半導体層にｐ型窒化物半導体層を、また、活性層にはＩｎを含む窒化物半導体層を含む層から構成される。
【００４１】
（窒化物半導体）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイに用いる材料としては、窒化物半導体層を有するものが好ましい。以下、本発明のモノリシック半導体レーザアレイの各層及び構成について詳説する。
【００４２】
本発明のモノリシック半導体レーザアレイとして用いられる半導体層としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）が好ましい。以下、本発明のモノリシック半導体レーザアレイについて具体的に説明する。
【００４３】
（基板）
本発明に用いる基板としては、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることができる基板であれば異種基板でも同種基板でもよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。具体的な例としては、異種基板では、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１２Ｏ４）のような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、前記異種基板上にＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ−Ｌａｔｅｒａｌ−Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法によりＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。或いは、基板上に横方向成長させた窒化物半導体をＴ字形状とし、保護膜を除去させた後、さらに窒化物半導体を再成長させたものを用いてもよい。このような窒化物半導体層を有する異種基板は、Ｔ字柱上には転位が伸びるものの、Ｔ字両翼上部、及び隣り合うＴ字両翼の開口部上には転位が大幅に低減された結晶性の良好な窒化物半導体基板を得ることができ、再成長させた接合部にも転位が低減するため、この基板は低欠陥領域がウエハ上に広範囲で存在することとなる。そのため、この基板上に形成したモノリシック半導体レーザアレイは寿命特性の良好なものが期待できる。またＴ字両翼下には保護膜除去により再成長後も空洞が残るため、反り抑制効果もある。
【００４４】
また、デバイス加工が出来る程度の厚膜（６０μｍ程度以上）であれば同種基板である窒化物半導体基板を用いることもできる。このような基板としては、上記のように異種基板上に形成された窒化物半導体層から、異種基板を除去したものがあげられる。同種基板を用いることで劈開面が得られ易くなる。
【００４５】
（活性層）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイは、特に活性層がＩｎを含む窒化物半導体層を有するものが好ましい。これにより、紫外線及び可視域において紫色系から赤色系の波長のレーザ光を得ることができる。また、活性層は、量子井戸構造であってもよく、その場合、単一量子井戸、多量子井戸のいずれでも良い。好ましくは量子井戸構造とすることで、発光効率に優れ、高出力のレーザ素子が得られる。具体的には、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることが好ましい。この場合、量子井戸構造の活性層においては、井戸層としてここで示した窒化物半導体を用いることが好ましいことを意味する。また、近紫外から可視光の緑色までの波長領域（３８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下）では、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）を用いることが好ましく、またそれ以上の長波長領域（赤色）でも、同様にＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）を用いることができ、この時、主にＩｎ混晶比ｙを変化させることにより、所望の波長を得ることができる。３８０ｎｍ以下の短波長の領域では、ＧａＮの禁制帯幅に相当する波長が３６５ｎｍであるため、ＧａＮとほぼ同じか若しくはそれよりも大きなバンドギャップエネルギーとする必要があるため、例えばＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）が用いられる。
【００４６】
活性層を量子井戸構造とする場合、具体的な井戸層の膜厚としては、１０Å以上３００Å以下の範囲、好ましくは２０Å以上２００Å以下の範囲とすることで、Ｖｆ、しきい値電流密度を低減させることができる。また、結晶成長の観点からは、２０Å以上であると、膜厚に大きなむらがなく比較的均一な膜質の層が得られ、２００Å以下とすることで結晶欠陥の発生を低く抑えた結晶成長が可能となる。活性層内の井戸層数としては特に限定されず、１以上であり、この時、井戸層の数が４以上である場合には、活性層を構成する各層の膜厚が厚くなると、活性層全体の膜厚が厚くなって、Ｖｆの上昇を招くこととなるため、井戸層の膜厚を１００Å以下の範囲として、活性層の膜厚を低く抑えることが好ましい。また、井戸層にはｐ又はｎ型の不純物（アクセプター又はドナー）がドープされていても、アンドープであっても良い。
【００４７】
障壁層の組成としては、特に限定されないが、井戸層と同様の窒化物半導体を用いることができ、具体的には井戸層よりＩｎ混晶比の低いＩｎＧａＮなどのＩｎを含む窒化物半導体、若しくはＧａＮ、ＡｌＧａＮ等のＡｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。具体的な組成としては、ＩｎβＧａ１−βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮ、ＡｌγＧａ１−γＮ（０＜γ≦１）などを用いることができ、好ましくはＩｎβＧａ１−βＮ（０≦β＜１，α＞β）、ＧａＮを用いることで良好な結晶性でもって障壁層が形成できる。多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。ここでαは井戸層のＩｎ組成比であり、α＞βとして障壁層のＩｎ組成比βを井戸層より小さくすることが好ましい。また、障壁層は、ｎ型不純物がドープされていても、アンドープであっても良いが、好ましくはｎ型不純物がドープされていることである。この時、障壁層中のｎ型不純物濃度としては、少なくとも５×１０１６／ｃｍ３以上ドープされていることが好ましく、上限としては１×１０２０／ｃｍ３である。
【００４８】
（ｐ型クラッド層）
ｐ型クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていればよく、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。さらに、この層は不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、多層膜の場合はそれを構成する少なくとも１つの層にドープしたものであってもよい。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのモノリシック半導体レーザアレイでは、このｐ型クラッド層はｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。又、膜厚としては特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成することが好ましく、更に好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで十分な光閉じ込め効果を有する。また、活性層とｐ型クラッド層との間に、電子閉じ込め層、光ガイド層を設けて、活性層及び光ガイド層を挟み込む構造とすることが好ましい。
【００４９】
（ｐ型電子閉じ込め層）
活性層とｐ型クラッド層との間、好ましくは活性層とｐ型光ガイド層との間に設けられるｐ型電子閉じ込め層は、活性層へのキャリアの閉じ込めとしても機能する層であり、閾値電流を低下させることにより容易な発振に寄与し、具体的にはＡｌＧａＮを用いる。特に、ｐ型半導体層に、ｐ型クラッド層、ｐ型電子閉じ込め層を設ける構成とすることで、より効果的な電子閉じ込め効果が得られる。このｐ型電子閉じ込め層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不純物をドープしたものとすることでより確実に前記機能を発揮し得るが、アンドープであっても前記キャリアの閉じ込めとして機能を有する。膜厚の下限としては、少なくとも１０Åで好ましくは２０Åである。また、膜厚としては、５００Å以下で形成し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの組成としては、ｘが０以上、好ましくは０．２以上とする事で前記効果が十分に期待できる。このように、ｐ型電子閉じ込め層は、好ましくは活性層に接して設けることで、効率良く活性層若しくは井戸層内にキャリアを注入できる。
【００５０】
（ガイド層）
本発明において、活性層を挟むｐ型及びｎ型ガイド層をそれぞれｐ型及びｎ型クラッド層より内側に設けて、光導波路を形成することで、窒化物半導体において優れた導波路を形成することができる。この時、導波路（活性層とそれを挟み込む両ガイド層）の膜厚としては、具体的には６０００Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑制し、好ましくは４５００Å以下とすることで、低く抑えられた発振閾値電流で、基本モードによる長寿命の連続発振が可能となる。また、両ガイド層は、ほぼ同じ膜厚で形成することが好ましく、ガイド層の膜厚としては１００Å以上１μｍ以下の範囲に設定することが好ましく、より好ましくは５００Å以上２０００Å以下で形成することで良好な光導波路を設けることができる。更に、ガイド層としては、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路を形成するために十分なエネルギーバンドギャップを有していればよく、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。また、光ガイド層として、具体的には、活性層とほぼ同じ、好ましくはそれよりも大きなバンドギャップエネルギーとすることで良好な導波路の形成が可能であり、量子井戸構造の場合には井戸層よりもバンドギャップエネルギーを大きくし、好ましくは障壁層よりも大きくすることである。さらには、活性層の発光波長よりも１０ｎｍ程度以上のバンドギャップエネルギーを光ガイド層に設けることで、光の導波に優れた導波路が形成できる。
【００５１】
（ｎ型クラッド層）
ｎ型クラッド層としては、ｐ型クラッド層と同様に、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。また、このｎ型クラッド層は、キャリアの閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、多層膜構造とする場合には、前述のように、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させると良い。さらに、この層は、ｎ型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、多層膜層としてその構成する少なくとも１つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層はｎ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、膜厚としては、ｐ型クラッド層と同様に、特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉じ込め層として機能する。
【００５２】
（電極）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイにおいて、ｐ型半導体層側に設けられるｐ側電極、及びｎ側層（ｎ型コンタクト層）に設けられるｎ側電極としては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体と良好なオーミック接触得られる材料を好ましく用いることができる。導波路領域となるリッジストライプ対応して形成させることで、キャリアの注入を効率よく行うことが出来る。リッジストライプを形成させる場合は、リッジストライプ上面から電流が注入されるようにする。また、その場合は後述する絶縁膜を介して窒化物半導体を接するように設けることも出来る。また、リッジストライプを形成させない場合は、ｐ側電極の幅を制御して、この電極の幅をストライプ状の導波路領域の幅Ｗとなるように形成させる。この場合も、絶縁膜等を用いて注入領域をストライプ状に制御することができる。更に、素子内部に電流狭窄層を有する場合は、電極の幅は特に制御しなくてもよい。
【００５３】
また、半導体と接するように設けられるオーミック電極と、ボンディングに適した材料からなるパッド電極とを設けてもよい。本実施の形態においては、リッジストライプを有する場合、ｐ側電極（ｐ側オーミック電極）は、リッジ上面からリッジ側面、及びリッジ底部から連続するｐ型半導体層の表面に第１の絶縁膜を形成後、リッジストライプの上面に第１の絶縁膜の開口部を設けてその上にオーミック電極を形成する。その上に更に開口部を有する第２の絶縁膜を形成し、その上にｐ側パッド電極を形成された構造である。電極として用いられる具体的な材料としては、ｐ側電極では、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。また、ｎ側電極では、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｗ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｇ等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。
【００５４】
尚、ｎ側電極は、ｎ型半導体層の裏面側に設けるのが好ましい。すなわち、図５に示すように、半導体層の上面にｐ側電極、下面にｎ側電極を用いるのが好ましい。このように両電極を配置させることで、各ストライプ状の導波路領域に均一に電流を流すことができる。ストライプの幅及び間隔を制御しても、投入電流が不均一になると、熱干渉度合も不均一になって制御しにくくなるので、電極の形成位置も考慮する必要がある。また、下面（裏面）に電極が形成できない場合、例えば絶縁性の基板上に窒化物半導体層が形成されている場合は、同一面側にｐ及びｎ側電極が形成されることになるが、このような場合も、各ストライプに均一に電流が流れるようにｎ側電極の形成位置を制御する必要がある。
【００５５】
（第１の絶縁膜）
本発明のモノリシック半導体レーザアレイにおいて、窒化物半導体層の一部を除去して、リッジストライプの側面、及びそれに連続するリッジ両側の平面（凸部が設けられている表面）に埋め込み層として絶縁膜（以下、第１の絶縁膜）を形成することが好ましい。第１の絶縁膜の材料としては好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｓｉ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酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁膜として用いれば埋め込み層としてかなり信頼性が高くなる傾向にある。また一般的にＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となり易い傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮは絶縁性に関する信頼性に優れている。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外のもの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。
【００５６】
また、第１の絶縁膜の膜厚としては、具体的には、５００Å以上１μｍ以下の範囲、好ましくは１０００Å以上５０００Å以下の範囲とすることである。なぜなら、５００Å以下であると、電極の形成時に、十分な絶縁性を確保することが困難で、１μｍ以上であると、かえって保護膜の均一性が失われ、良好な絶縁膜とならないからである。また、前記好ましい範囲にあることで、リッジ（凸部）側面において、リッジとの間に良好な屈折率差を有する均一な膜が形成される。
【００５７】
（第２の絶縁膜）
第２の絶縁膜は、ｐ側オーミック電極の、リッジ上部を除く全面に渡るように設けるものである。また、エッチングによって露出されたｐ型半導体層及び活性層の側部端面にも連続するように設けるのが好ましい。好ましい材料としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２などの単層膜または多層膜を挙げることができる。
【００５８】
（共振器面保護膜）
共振器面には、活性層で発生する光を効率よく共振させるために、その表面に保護膜を設けるのが好ましい。特に、モニター側の共振器面には、出射側の共振器面と屈折率差を設けるためにも保護膜を設けるのが好ましい。具体的な材料として、導体材料としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂ、Ｔｉ、更にはこれらの酸化物、窒化物、フッ化物などの化合物から選ばれたいずれかから選ばれたものを用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせた化合物或いは多層膜として用いてもよい。好ましい材料としてはＳｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｇａを用いた材料である。また、また、半導体材料としてはＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＢＮなどを用いることができる。絶縁体材料としてはＳｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔａ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｙ、Ｂの酸化物、窒化物、フッ化物等などの化合物を用いることができる。
【００５９】
【実施例】
本発明において、積層構造体としてＧａＮ、ＡｌＮ、若しくはＩｎＮなどの窒化物半導体や、これらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用い、第１の導電型の半導体層であるｐ型半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層であるｎ型半導体層を有する構造である。電極や絶縁膜（保護膜）等については特に限定されず種々のものを用いることができる。また、窒化物半導体の成長は、ＭＯＶＰＥ、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
以下、実施例として窒化物半導体を用いたモノリシック半導体レーザアレイについて説明するが、本発明のモノリシック半導体レーザアレイは、これに限らず、本発明の技術的思想において、様々な半導体に実施できることは言うまでもない。
【００６０】
［実施例１］
（バッファ層） 実施例１では、基板としてサファイアを用いる。２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし温度を５００℃にしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。
【００６１】
（下地層）
バッファ層形成後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層（成長基板）として作用する。下地層としてこの他にＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ＬａｔｅｒａｌｌｙＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ＥＬＯＧ成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設ける等して形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域とをストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜させたものや、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長が成されて成膜されたもの等が挙げられる。
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、積層構造体を構成する各層を形成する。
【００６２】
（ｎ型コンタクト層）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を２．２５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型コンタクト層の膜厚は２〜３０μｍであればよい。
【００６３】
（クラック防止層）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００６４】
（ｎ型クラッド層）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層を交互に積層し、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌの混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００６５】
（ｎ型光ガイド層）
次に、同様の温度で原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ｎ型不純物をドープさせてもよい。
【００６６】
（活性層）
次に、温度を８００℃にして、原料にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層させて総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。
【００６７】
（ｐ型電子閉じ込め層）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌＧａＮよりなるｐ型電子閉じ込め層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００６８】
（ｐ型光ガイド層）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層を７５０Åの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層はアンドープとして成長させるが、Ｍｇをドープさせてもよい。
【００６９】
（ｐ型クラッド層）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＧを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いてＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層を成長させる。ｐ型クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれも一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性がよくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。
【００７０】
（ｐ型コンタクト層）
最後に１０５０℃でｐ型クラッド層の上にＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層はｐ型のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（ｘ≦０、ｙ≦０、ｘ＋ｙ≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすればｐ電極と最も好ましいオーミック接触が得られる。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを７００℃でアニーリングして、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００７１】
（定数設定）
実施例１では、式（１）を用いて、モノリシック半導体レーザアレイの出力Ｐが１（Ｗ）となるよう定数ａを定める。ここでは、ａ＝０．６を選択する。
上記のような素子構成からなる窒化物半導体層は、素子が破壊されない温度（許容温度）Ｔは８０（℃）であり、素子が室温（Ｔ０＝２０（℃））で使用される場合、許容される上昇温度は式（６）より、
ΔＴ＝Ｔ−Ｔ０＝８０−２０＝６０（℃）
である。また、上記の素子構成の窒化物半導体層の発光効率Ｅは１０〜３０％であることが分かっており、仮に１０％であると仮定すると、必要な投入電力Ｐ０は、式（５）より、
Ｑ＝Ｐ０（１−Ｅ）＝１０（１−０．１）＝９（Ｗ）
である。従って、許容される熱抵抗Ｒは、式（４）より、
Ｒ＝ΔＴ／Ｑ＝９０／６≒６．７（℃／Ｗ）
である。
【００７２】
一方、熱の非干渉パラメータａとすると、式（２）の定数ｂ及びｃが定まる。上記のようにａ＝０．６の時は、ｂ＝−１．２１５、ｃ＝２６．３が定まる。ストライプ幅Ｗを２．０とすると、式（２）より、
Ｗ＝ｂ×Ｈ＋ｃ
２＝−１．２１５×Ｈ＋２６．３
Ｈ＝２０
が求まる。
【００７３】
また、単一ストライプの熱抵抗は、実験により１７℃／Ｗであることが分かっているので、式（１）より、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ
６．７＝１７×（１／ｎ）０．６
ｎ≒５．４
となるので、リッジストライプの本数ｎは５．４より大きい値のうち最小の正数、すなわち６となる。
【００７４】
以上をまとめると、幅２．０μｍのリッジストライプを、間隔２０μｍで、少なくとも６本形成させることで、熱的干渉による劣化の少ないモノリシック半導体レーザアレイとすることができる。
【００７５】
また、上記のストライプの幅Ｗ＝２．０は、光学損傷による劣化を考慮した式（３）を満たしていることから、光学的にみても損傷しにくい構造となっている。
【００７６】
（リッジストライプ形成）
以上のようにして求まるストライプ状の導波路領域の幅及び間隔を、リッジストライプの幅及びリッジストライプの間隔とする。最上層のｐ型コンタクト層のほぼ全面にＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ２）よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、保護膜の上に幅２μｍのストライプ形状のマスクを２０μｍ間隔で形成する。ＲＩＥ装置によりＣＦ４ガスを用いてＳｉＯ２をエッチングしその後ＳｉＣｌ４により窒化物半導体層をｐ型ガイド層が露出するまでエッチングすることで、活性層よりも上にリッジストライプが形成される。尚、後で分割（チップ化）する際に、ストライプを少なくとも６本含むような位置で分割する。
【００７７】
（第１の絶縁膜）
ＳｉＯ２マスクをつけたまま、ｐ型半導体層表面にＺｒＯ２よりなる第１の絶縁膜を形成する。この第１の絶縁膜は後に分割され易いように絶縁膜を形成させない部分を設けてもよい。第１の絶縁膜形成後、バッファード液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ型コンタクト層上（更にはｎ型コンタクト層上）にあるＺｒＯ２を除去する。これにより、リッジストライプの上面は露出され、凸部の側面はＺｒＯ２で覆われた構造となる。
【００７８】
（ｐ側オーミック電極）
次に、ｐ型コンタクト層上の凸部最表面の第１の絶縁膜上にｐ側オーミック電極を形成させる。このｐ側オーミック電極は、ＮｉとＡｕからなる。電極形成後、それぞれを酸素：窒素が１：９９の割合の雰囲気中で、６００℃でアニーリングすることで、ｐ側オーミック電極を合金化し、良好なオーミック特性を得る。
【００７９】
（第２の絶縁膜）
次いで、ストライプ状凸部上のｐ側オーミック電極の一部にレジストを塗布し、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ２）とＴｉ酸化膜（ＴｉＯ２）の多層膜からなる第２の絶縁膜をλ／４ｎの膜厚で２ペア（４層）の条件で、エッチングされた底面及び側面に形成することでミラーを形成する。このときｐ側オーミック電極は露出するようにしておく。
【００８０】
（ｐ側パッド電極）
次に、上記の絶縁膜を覆うようにｐ側パッド電極を形成する。ｐ側パッド電極は、密着層、バリア層、共晶層からなり、各層は、ｐ型半導体層側からとしてＲｈＯ−Ｐｔ−Ａｕの順に膜厚２０００Å−３０００Å−６０００Åで形成する。
【００８１】
（成長基板分離）
成長基板であるサファイア基板を研磨によって除去する。更に、ｎ型コンタクト層が露出するまで研磨し、ＫＯＨ及びコロイダルシリカ（Ｋ２ＳｉＯ３）を用いてケミカルポリッシュ研磨して面の荒れを無くす。
【００８２】
（ｎ側電極）
次に前記ｎ型コンタクト層上にｎ型電極をＴｉ−Ａｌの順に膜厚１００Å−２５００Åで形成する。
【００８３】
（チップ化）
以上のようにして得られたウエハをストライプに略垂直な方向で劈開する。劈開面が共振器面であり、この共振器面の間隔が共振器長となる。共振器長６５０μｍとなるように、裏面側にスクライブラインを入れて素子上面側から押厚することで容易に劈開することができる。また、このチップ化を容易にするために、裏面側に設けられるｎ側電極は、分割位置には形成させないようにすることもできる。次に、ストライプを少なくとも６本含むような位置でストライプと略平行な位置で分割する。
【００８４】
［実施例２］
実施例１において、許容熱抵抗Ｒ＝６．７℃／Ｗ、ストライプ状の導波路領域の幅を３０（μｍ）とする。また、単一ストライプを有するレーザ素子の熱抵抗Ｒ０は１３（℃／Ｗ）である。熱の非干渉パラメータａ＝０．６とすると、定数ｂ＝−１．２１５、ｃ＝２６．３が定まるので、ストライプ間隔Ｈを３．０（μｍ）とする場合は、ストライプ本数を４本以上配列させたモノリシック半導体レーザアレイを得ることが可能である。
【発明の効果】
本発明によれば、モノリシック半導体レーザアレイは、熱の非干渉パラメータを設定することができるので、隣接するストライプ状の導波路領域で生じる熱の影響を受けにくくすることができ、高出力が可能な素子とすることができる。そして、この熱の非干渉パラメータから、ストライプの幅とその間隔とを求めることができるので、具体的な素子設計をすることが容易にできる。これにより、優れた寿命特性を有する高出力のモノリシック半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のストライプ幅とストライプ間隔とを示すグラフ
【図２】本発明のストライプ幅とストライプ間隔と熱の非干渉パラメータを示すグラフ
【図３】（ａ）〜（ｆ）本発明の熱抵抗とストライプ本数の逆数を示すグラフ
【図４】端面の光学損傷の状態を示す模式図
【図５】本発明のモノリシック半導体レーザアレイを示す断面図
【符号の簡単な説明】
１・・・ｎ型窒化物半導体層
２・・・ｐ型窒化物半導体層
３・・・活性層
４・・・ｐ側オーミック電極
５・・・ｐ側パッド電極
６・・・ｎ側電極
７・・・第１の絶縁膜
８・・・第２の絶縁膜
Claims (10)
- 第１の導電型の半導体層と、活性層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイであって、
前記ストライプの数をｎ、前記積層構造体の熱抵抗をＲとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
を満たすことを特徴とするモノリシック半導体レーザアレイ。 - 前記ストライプ幅をＷ、隣接するストライプとの間隔をＨとし、Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
を満たす請求項１記載のモノリシック半導体レーザアレイ。 - 前記ストライプ幅は、
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは光密度によって定められる定数）
を満たす請求項２記載のモノリシック半導体レーザアレイ。 - 前記ストライプ状の導波路領域は、前記活性層よりも上にリッジストライプを有することで形成されてなる請求項１乃至請求項３記載のモノリシック半導体レーザアレイ。
- 前記積層構造体は、前記第１の導電型の半導体層の下面に、第１の電極を有し、前記第２の導電型の半導体層の上面に第２の電極を有する請求項１乃至請求項４記載のモノリシック半導体レーザアレイ。
- 前記第１の導電型の半導体層、活性層、第２の導電型の半導体層に、窒化物半導体が用いられている請求項１乃至請求項５記載のモノリシック半導体レーザアレイ。
- 前記第１の導電型の半導体層にｎ型窒化物半導体を有し、前記第２の導電型の半導体層にｐ型窒化物半導体を有する請求項６記載のモノリシック半導体レーザアレイ。
- 前記ストライプ幅は、１．４以上である請求項７記載のモノリシック半導体レーザアレイ。
- 第１の導電型の半導体層と、活性層と、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体層とが順に積層されてなる積層構造体に、ストライプ状の導波路領域を複数有するモノリシック半導体レーザアレイの作製方法であって、
前記ストライプの数をｎ、前記積層構造体の熱抵抗をＲ、前記ストライプ幅をＷ、隣接するストライプとの間隔をＨとするとき、
Ｒ＝Ｒ０×（１／ｎ）ａ・・・・（１）
（但し、Ｒ０は単一ストライプレーザにおける熱抵抗、ａは熱の非干渉パラメータ、但し、０．６≦ａ≦１）
の式の定数ａを設定する定数設定ステップ及び、
Ｘ軸にＨ（μｍ）を、及びＹ軸にＷ（μｍ）を取ったＸＹ座標上で、ＨとＷとの組み合わせが、
Ｗ≧ｂ×Ｈ＋ｃ・・・・・・・（２）
（但し、ｂ及びｃは熱の非干渉パラメータａによって定められる定数）
の定数ｂ、ｃを設定する定数設定ステップを有することを特徴とするモノリシック半導体レーザアレイの作製方法。 - 前記ストライプ幅は、
Ｗ≧ｄ・・・・・・・・・・・（３）
（但し、ｄは光密度によって定められる定数）
の式の定数ｄを設定する定数設定ステップを有する請求項９記載のモノリシック半導体レーザアレイの作製方法。
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| JP2002337897A JP2004172452A (ja) | 2002-11-21 | 2002-11-21 | モノリシック半導体レーザアレイ及びその製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013211482A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-10-10 | Fujitsu Ltd | 光半導体素子、発光装置、光伝送装置及び光半導体素子の製造方法 |
| JP2019207966A (ja) * | 2018-05-30 | 2019-12-05 | ウシオオプトセミコンダクター株式会社 | 半導体発光素子 |
-
2002
- 2002-11-21 JP JP2002337897A patent/JP2004172452A/ja active Pending
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