JP4029565B2 - 窒化物半導体レーザアレイ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のストライプ状の導波路領域を有する窒化物半導体レーザアレイに係わり、特に活性層におけるキャリアの閉じ込め効果の向上乃至各半導体層に流れる電流の均一化を行うために改善した高出力発光が可能な窒化物半導体レーザアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは小型、高信頼性、且つ高出力化が進み、主にパーソナルコンピューター、ＤＶＤなどの電子機器、医療機器、加工機器や光ファイバー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】
一方、これまで、青色乃至白色を表現する方法として、次に記載する方法が用いられてきた。すなわち、青色を表す方法としては、窒化物半導体よりなる青色発光が可能なＬＥＤ（発光ダイオード）を単体で用いる。また、白色を表す方法としては、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）をそれぞれ発光可能なＬＥＤを隣接して配置し、各発光色を混合することにより白色を表現する方法と、青色ＬＥＤと黄色の蛍光を発する蛍光体を組み合わせることにより白色を表現する方法とがある。
【０００４】
また、一般に、ＬＤはＬＥＤに比較して電流から光への変換効率が高いという特徴を有する。そこで、ＬＤは前述した種々の用途における光源だけでなく照明用光源としても注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在における照明用光源として用いることができる少なくとも青色発光が可能なＬＤ、特により高出力の半導体レーザアレイについては、その利用分野の拡大に伴い、さらなる改良が求められている。本発明は、特に、煩雑な工程を無くし小型化をはかると共に、高出力でレーザ光が出射可能な窒化物半導体レーザアレイを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明における窒化物半導体レーザアレイは、窒化物半導体からなる、ｎ型層と、活性層と、ｐ型層と、が順に含まれた窒化物半導体レーザアレイにおいて、前記ｎ型層及びｐ型層は、クラッド層を有し、前記窒化物半導体レーザアレイは、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで活性層を挟みこんだ光導波路と、前記ｐ型層を備える側に、活性層に達しない深さで窒化物半導体の一部を取り除いて形成された凹部が間に設けられたリッジ導波型の複数のストライプ構造と、該ストライプ構造により設けられた導波路領域とを有し、前記ｐ型層は、ストライプ構造の最上層となるｐ型コンタクト層を有し、前記窒化物半導体レーザアレイは、ｐ電極と、該ｐ電極上に形成されるｐパッド電極とを有し、前記ｐ電極は、各ｐ型コンタクト層及び凹部上に形成されると共に、各ｐ型コンタクト層上において接続しており、前記複数のストライプ構造は、同一のｐパッド電極に接続され、該ｐパッド電極は、複数のストライプ構造の上部においてのみ前記ｐ電極に接続され、かつ多モードで発振することを特徴とする。このように構成することにより、高出力化が可能であると共に小型化も可能となる。さらには、それぞれのストライプ構造は同一チップ内に直接形成されるため、１つのストライプ構造を備える窒化物半導体レーザ素子を別の支持体上に複数配置したレーザアレイに比較して、より方向性よくレーザ光を出射することができる。
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｎ電極及びｐ電極を有し、前記ｎ電極と前記ｐ電極は、少なくとも前記活性層を介して対向している。
また、前記窒化物半導体レーザアレイは、前記活性層と前記ｐ型層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子閉じ込め層を有し、かつ前記電子閉じ込め層のＡｌ混晶比は０．３〜０．５である。
また、前記ｎ型層及びｐ型層は光ガイド層を有し、該光ガイド層を活性層とクラッド層の間に設ける。
また、前記光ガイド層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多層膜構造である。
また、前記複数のストライプ構造は、同じストライプ幅又は同じ間隔で配置される。
【０００７】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｐ型層を備える側に、ｎ型コンタクト層を底面とする凹部を有する。さらに、この凹部は、前記複数のストライプ構造の少なくとも一方の外側に、前記ストライプ構造と並列して設けられ、この凹部の底面にｎ電極を有する。このように構成することにより、各ストライプ構造における複数のｐ電極に対するｎ電極を共通のものとすることができる。
【０００８】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｐ型層を備える側に、ｎ型コンタクト層を底面とする凹部を有する。さらに、この凹部は、少なくとも前記各ストライプ構造の間に設けられ、これら凹部の底面にｎ電極を有する。このように構成することにより、窒化物半導体に流れる電流をより均一にすることができる、さらには、冷却効率すなわち放熱性を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｎ電極を有し、かつｎ電極とｐ電極は少なくとも前記活性層を介すると共に対向して位置する。このように構成することにより、より効率よくレーザ光を出射することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項４に記載の窒化物半導体レーザアレイにおいて、ｐ型層を備える側における少なくとも各ストライプ構造の間に、凹部を備えることができる。このように構成することにより、放熱性をより向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、活性層とｐ型層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子閉じ込め層を有し、かつ電子閉じ込め層のＡｌ混晶比は０．３〜０．５とすることができる。このように構成することにより、電子閉じ込め層のバンドギャップが大きくなるので、高電流を流したときに電子がオーバーフローするのを効果的に防止することができる。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、複数のｐ電極を、同一のｐパッド電極に接続することができる。このように構成することにより、複数のワイヤーを用いる必要が無くなるので、小型化が可能となる。
【００１３】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ストライプ構造をリッジ導波型とすることができる。このように構成することにより、より容易にレーザ光を出射させることができる。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイにおける複数のｎ電極は、同一のｎパッド電極に接続することができる。このように構成することにより、複数のワイヤーを用いる必要が無くなるので、小型化が可能となる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイにおけるｎ電極はストライプ状であり、さらに、複数のストライプ状のｎ電極は、それぞれの両端部にて同一のｎパッド電極に接続することができる。このように構成することにより、複数のワイヤーを用いる必要が無くなり小型化が可能となるばかりでなく、電流をより均一に流すことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、種々の実験の結果、１つのＬＤ（レーザダイオード）チップ内に複数のストライプ構造を有する特定構造の窒化物半導体レーザアレイとすることにより、レーザ出力を飛躍的に高めることができることを見いだし、本発明をなすにいたった。本発明は、小型化が可能であると共に、方向性よくレーザ光を出射することができる高出力発光が可能な窒化物半導体レーザアレイである。
【００１７】
すなわち、別の支持体上に個々の半導体レーザチップをそれぞれ連なるように配置した窒化物半導体レーザアレイは、各レーザ素子を制御性よく隣接して配置し、さらには各電極それぞれにワイヤーを接続する必要があった。しかしながら、各レーザ素子を限界まで近接して配置することは非常に困難であると共に、支持体上に各レーザ素子を配置する際にレーザ光出射方向に所謂ズレが生じる可能性があった。さらに、各電極にワイヤーを接続する場合には、複数のワイヤーを用いるので手順が煩雑になるばかりでなく、ある程度のスペースが必要となり、各レーザ素子を近接させて配置することが困難であった。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザアレイは、窒化物半導体からなるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とが順に積層された構造を有し、１つのＬＤチップ内に、複数のストライプ構造すなわち導波路が形成されたものである。詳しくは、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層を有することで、導波路が設けられた構造となる。なお、本明細書における窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体（ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）を指す。また、本発明における窒化物半導体を用いたレーザ素子の共振器の長さは、４００〜９００μｍ程度の範囲であれば、前後のミラーの反射率を制御することで、駆動電流を低くすることができ、好ましい。
（ｎ型クラッド層） 本発明におけるｎ型クラッド層は、後に記載する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、特に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、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、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を成長させることができる。さらに、本発明におけるｎ型クラッド層は、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、また、多層膜層において、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良い。また、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。ｎ型クラッド層の膜厚は、後に記載する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、好ましくは５００Å以上１．５μｍ以下の範囲で形成することができる。
（ｎ型光ガイド層及びｐ型光ガイド層） 本発明において、ｎ型光ガイド層とｐ型光ガイド層を、それぞれｎ型クラッド層とｐ型クラッド層よりも内側に設けて活性層を挟み込み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）の膜厚を６０００Å以下とすることにより、発振閾値電流の急激な増大を抑制することができる。さらに好ましくは４５００Å以下とすることで、より低く抑えられた発振閾値電流で、連続発振が可能となる。また、各光ガイド層の膜厚はほぼ同じである。具体的には１００Å以上１μｍ以下、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とすることができる。更に、各光ガイド層は、窒化物半導体からなり、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成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。本発明におけるｐ型光ガイド層は、発振波長が３７０〜４７０ｎｍの領域では、アンドープのＧａＮを用いることができる。また、比較的長波長な領域（４５０μｍ以上）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることができる。また、本発明におけるｎ型光ガイド層及びｐ型光ガイド層は、活性層のエネルギーバンドギャップを考慮して、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用い、アンドープのＧａＮ、活性層に近づくに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に積層した多層膜で設けることにより、好ましい導波路とすることができる。
（活性層） 本発明の窒化物半導体レーザアレイにおける活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有することができる。これにより、紫外域、可視域において青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、本発明における窒化物半導体レーザアレイは、リッジ導波型とすることができる。すなわち、エッチング等により活性層に達しない深さで窒化物半導体層の一部を取り除くことで、本発明の窒化物半導体レーザアレイをリッジ導波型とすることができる。さらに、本発明においては、導波路領域となるストライプの幅を１以上６μｍ未満、より好ましくは２以上５μｍ未満、さらに好ましくは３．５以上４．５μｍ未満の範囲に調整することで、安定した発振が可能となるばかりでなく、ストライプ幅を範囲内で調整することによって、基本モード（単一）かマルチモードを選択することができる。ここで、本発明における窒化物半導体レーザアレイを照明用光源として用いる場合には、基本モードである必要はなく、むしろマルチモードであったほうが好ましい。ちなみに、ストライプの幅が、１μｍ未満であるとストライプの形成が困難となり、１以上２μｍ未満であると基本モードになり、２以上６μｍ未満であると基本モードが多モードになり、さらに６μｍ以上であるとしきい値が高くなりレーザ光が発振されにくくなる傾向にある。また、活性層は、量子井戸構造であっても良く、その場合単一量子井戸、多重量子井戸の各構造をとることができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体とで、すなわちｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで活性層を挟み込み、導波路を構成するが、この時、両クラッド層と、活性層との間には、先に記載したガイド層や後に記載する電子閉じ込め層などを設けても良い。
（電子閉じ込め層） また、活性層とｐ型クラッド層との間、好ましくは活性層と先に記載したｐ型光ガイド層との間に設けられる電子閉じ込め層は、閾値電流の低下により容易な発振に寄与し、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、具体的にはＡｌＧａＮを用いることができる。この電子閉じ込め層に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上記機能を有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして機能する傾向にある。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０．２以上０．６未満、好ましくは０．３以上０．５未満とすることで上記機能を果たすことができる。これにより、電子閉じ込め層のバンドギャップを広くすることができるので、電子がオーバーフローするのを防ぐことができる。
（ｐ型クラッド層） 本発明におけるｐ型クラッド層は、前述したｎ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。さらに、ｐ型クラッド層は、ｐ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、実施例に示すように多層膜層において、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ｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、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、より好ましくは５００Å以上１．５μｍ以下の範囲で形成することができる。
（電極） 本発明において、ｐ電極は、特に限定されるものではないが、実施例に示すように、部分的に絶縁膜を介して、ストライプ状の凸部上面のほぼ全面に設ける構造とすることができる。なお、電流を均一に流すために、ｐ電極とｐパッド電極の接続面積はできるだけ大きく、ストライプ方向に長いことが好ましい。また、本発明においては、複数のｐ電極の露出部を、共通のｐパット電極に接続することができる。これにより、複数のワイヤを使用する必要が無く、小型化が可能となる。
【００２０】
また、特に限定されるものではないが、積層面側から見たｎパッド電極の形状は、実施例１における窒化物半導体レーザアレイ１のように、ｐパッド電極を囲む形状とすることが好ましい。実施例１の場合、ｎ電極はストライプ状であり、両端部の２カ所が露出し、共通のｎパッド電極に接続されている。また、複数のストライプ状のｎ電極における一方の端部を露出させ、同一のｎパッド電極に接続することもできる。
【００２１】
また、実施例２における窒化物半導体レーザアレイ２１におけるｎ電極は、積層面側から見て、複数のストライプ状のｐ電極に並列して位置することが好ましく、より好ましくは複数のストライプ状のｐ電極の両隣に並列して位置することができる。一方、窒化物半導体レーザアレイ２１においては、ｐ電極とｐパッド電極及びｎ電極とｎパッド電極の各接続部を図７のように交互に位置させることができる。
【００２２】
また、実施例３及び４における窒化物半導体レーザアレイ４１及び５７のｎ電極は、特に限定されるものではないが、半導体積層面と逆の側、すなわち裏面の側のほぼ全面に共通のｎ電極として形成することができる。
【００２３】
また、各パッド電極とワイヤーとの接続箇所は特に限定されない。すなわち、ｐパッド電極とワイヤーとの接続箇所は、例えば図６に示すように、ｐパッド電極をｐ電極が複数露出した領域よりも大きく設け、その余剰箇所すなわち複数のｐ電極が露出した領域以外で接続することができる。また、複数のｐ電極が露出した領域に直接接続させることもできる。一方、例えば、ｎパッド電極とワイヤーとの接続箇所は、ｐパッド電極とワイヤーとの接続箇所と同様に、例えば図６に示すように、ｎパッド電極をｎ電極が複数露出した領域よりも大きく設け、その余剰箇所すなわち複数のｎ電極が露出した領域以外で接続することができる。また、複数のｎ電極が露出した領域に直接接続することもできる。また、例えば、図１１のように、ｐ電極とｐパッド電極及びｎ電極とｎパッド電極の各接続部が交互に位置する場合、各パッド電極とそれぞれに対応するワイヤーとの接続箇所は、各パッド電極を各電極の露出領域よりも大きく設け、その余剰箇所にて接続することができる。また特に限定されるものではないが、各パッド電極とそれぞれに対応するワイヤーとの接続位置は、ストライプ方向あるいはストライプ方向と垂直な方向で一致してもよいし、対角線上に位置することもできる。以上のように各電極を形成することにより、電流を均一に流すことができ、効率のよい通電を得ることができる。
【００２４】
また、共振器面の形成方法として、各実施例に示すように劈開する他に、エッチングにより共振器面を作製しても良い。
【００２５】
以下、各実施例について詳述するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。また、本発明において、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すべての方法を適用できる。
【００２６】
【実施例１】
以下、実施例として、図１乃至３に示す窒化物半導体レーザアレイ１について説明する。なお、図１において（ａ）は図２のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。また、図３は積層面側から見た各パッド電極の形状を示すための概略図である。本実施例では、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等がある。中でも、好ましい異種基板として、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよい。また、素子構造形成後に、異種基板を除去しても良い。
【００２７】
まず、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（図示せず）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（図示せず）を２００Åの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる下地層（図示せず）を４μｍの膜厚で成長させる。
（窒化物半導体基板３） 次に、下地層上にストライプ幅１０μｍ、ストライプ間幅（窓部）２μｍのＳｉＯ2膜（図示せず）を形成し、引き続きノンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体基板３を２０μｍの膜厚で成長させる。また、その他の形態では、異種基板上に成長させた下地層に開口部を設け、その開口部側面から横方向へ成長させてもよい。
（ｎ型コンタクト層４） 次に、得られた窒化物半導体基板３上にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を４μｍの膜厚で成長させる。
（クラック防止層５） 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５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。
（ｎ型クラッド層６） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、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、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ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。
（ｎ型光ガイド層７） 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７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
（活性層８） 次に、温度を８００℃にして、原料ガスに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した総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８を成長させる。
（電子閉じ込め層９） 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Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる電子閉じ込め層９を１００Åの膜厚で成長させる。また、ＡｌＧａＮのＡｌ混晶比を０．２以上０．６未満、より好ましくは０．３以上０．５未満、さらに好ましくは０．３５以上０．４５未満とすることにより、大量の電流を流す際に電子がオーバーフローするのを効果的に防ぐことができる。
（ｐ型光ガイド層１０） 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１０を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１０は、アンドープとして成長させるが、電子閉じ込め層９からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。
（ｐ型クラッド層１１） 次に、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、次にＣｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させる。続いてこの操作を８０回繰り返して、総膜厚４０００Åμｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１を成長させる。ｐ側クラッド層は、少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を有し、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する場合、不純物をいずれか一方の層に多くドープする、所謂変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。ｐ型クラッド層１１は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とすることができる。ｐ側クラッド層１１を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子とすることにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【００２８】
（ｐ型コンタクト層１２） 次に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１１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１２を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層はｐ型のＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦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１４と最も好ましいオーミック接触が得られる。ｐ型コンタクト層１２は電極を形成する層であるので、１×１０17／ｃｍ3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。これは、１×１０17／ｃｍ3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にあるからである。さらに、コンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
（凹部２の形成） 窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１２の表面の所望の領域にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成する。次にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いてＳｉＣｌ4ガスによりエッチングを行い、積層面側にｎコンタクト層を底面とするの凹部２を形成する。本実施例においては、次に述べる５つのストライプ構造に対して２つのｎ電極が形成できるように、複数のストライプ構造の両隣に２つの凹部が形成されている。
（ストライプ構造の形成） 次に、最上層のｐ型コンタクト層１２のほぼ全面に、ＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜の上にさらに所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる厚さ２μｍ、ストライプ幅４μｍの第２の保護膜を２０μｍの間隔で５つ形成する。第２の保護膜を形成した後、ＲＩＥ装置により、ＣＦ4ガスを用いて、第２の保護膜をマスクとして、第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後、エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、ｐ型コンタクト層の上に、ストライプ幅４μｍの第１の保護膜が５つ形成される。引き続き、ＲＩＥ装置によりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層をエッチングしてストライプ幅４μｍのストライプ構造（リッジ導波型）を２０μｍの間隔で５つ形成する。なお、各ストライプ構造は、効率よくレーザ光を出射するために、同じストライプ幅乃至同じ間隔で配置されると共に平行であることが好ましい。
【００２９】
次に、ストライプ状の導波路領域を形成したウエハを、スパッタ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第３の保護膜１３を、第１の保護膜とエッチングにより露出したｐ型コンタクト層１２及びｐ型クラッド層１１表面に０．２μｍの厚さで形成する。第３の保護膜を形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。これは、ＳｉＯ2以外の材料を第３の保護膜とする場合、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度（１２００℃）以下で熱処理することにより、次に行う第１の保護膜の除去工程における第１の保護膜を溶解させるための材料（フッ酸）に対して、溶解しにくくさせるためである。次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。この段階で、第１及び第２の保護膜が除去され、第３の保護膜のみが残った状態となる。
（電極の形成） 次に、第１の保護膜が除去されることにより露出したｐ型コンタクト層１２及び第３の保護膜１３の略全面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極１４を形成する。ｐ電極１４を形成した後、既に露出させたｎ型コンタクト層４の表面の一部に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極１５を、１５０μｍのストライプ幅で形成する。なお、各電極は、より均一に電流を流すために、同じ幅及び間隔であると共に平行であることが好ましい。
【００３０】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部１７とｎ電極の露出部１８が開口した例えばＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１６を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極１９とｎパッド電極２０をそれぞれ形成する。なお、波線部は各電極の露出部、すなわち各電極とそれぞれに対応するパット電極との接合部を示す。
（サファイア基板、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜の除去） 以上のようにして、各電極を形成した後、サファイア基板、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜を除去する。まず、サファイア基板を積層面と反対の側となる裏面から研磨し、その表面を略平らにする。次に波長２４８ｎｍのエキシマレーザを裏面に照射し、サファイア基板をバッファ層から剥離させる。そしてさらに、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜を研磨することにより除去し、窒化物半導体基板３表面を鏡面に仕上げる。
【００３１】
次に、導波路領域の端部となる面をストライプ方向に対して垂直な方向で劈開により形成する。引き続き、露出させた面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜（図示せず）を設け、一対のミラーとする。この時、共振器長は６７５μｍである。そしてさらにバー状のウエハを分割して共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子１を得る。
【００３２】
【実施例２】
以下、実施例として、図４乃至６及び１１に示す窒化物半導体レーザアレイ２１について説明する。なお、図４において（ａ）は図５のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。また、図６は積層面側から見た各パッド電極の形状を示すための概略図であり、さらに図１１は各パッド電極の他の形状を示す概略図である。まず、実施例１と同様に、ｐ型コンタクト層３２まで各層を積層する。
（凹部２２の形成） 以上のようにして、窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層３２の表面の一部にＳｉＯ2よりなる複数のストライプ状の保護膜を形成する。次にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いてＳｉＣｌ4ガスによりエッチングを行い、積層面側にｎコンタクト層を底面とする複数の凹部２２をエッチングにより形成する。なお、凹部２２の深さは特に限定されず、窒化物半導体レーザアレイ２１を形成できる程度であればよいが、放熱性の点を考慮するとより深いことが好ましい。本実施例においては、６つの凹部２２を形成することにより５つの凸部を形成し、さらに６つの凹部２２の底面にそれぞれｎ電極３５が形成されている。また凸部の幅と凹部の幅はそれぞれ４０μｍと６０μｍである。
（ストライプ構造の形成） 次に、各凸部の最上層のｐ型コンタクト層３２のほぼ全面に、ＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜の上にさらに所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる厚さ２μｍ、ストライプ幅４μｍの第２の保護膜を、各凸部の略中央にそれぞれ形成する。５つの第２の保護膜を形成した後、ＲＩＥ装置により、ＣＦ4ガスを用いて、第２の保護膜をマスクとして、第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後、エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、ｐ型コンタクト層の上に、ストライプ幅４μｍの第１の保護膜が５つ形成される。引き続き、ＲＩＥ装置によりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層をエッチングして５つのストライプ状の導波路領域（リッジ導波型）を形成する。
【００３３】
次に、ストライプ状の導波路領域を形成したウエハを、スパッタ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第３の保護膜３３を、第１の保護膜とエッチングにより露出したｐ型コンタクト層３２及びｐ型クラッド層３１表面に０．２μｍの厚さで形成する。第３の保護膜を形成後、実施例１と同様にウエハを６００℃で熱処理する。次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。この段階で、第１及び第２の保護膜が除去され、第３の保護膜３３のみが残った状態となる。
（電極の形成） 次に、第１の保護膜が除去されることにより露出したｐ型コンタクト層３２及び第３の保護膜３３の表面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極３４を形成する。ｐ電極３４を形成した後、既に露出させたｎ型コンタクト層２４の表面の一部に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極３５を、４０μｍのストライプ幅で、凹部の底面の中央に位置するように形成する。
【００３４】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部３７とｎ電極の露出部３８が開口したＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜３６を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極３９とｎパッド電極４０を、図６に示すようにそれぞれ形成する。なお、波線部は各電極の露出部、すなわち各電極とそれぞれに対応するパット電極との接合部を示す。
【００３５】
以上のようにして、各電極を形成した後、実施例１と同様の操作を行い、共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子２１を得た。
【００３６】
以上のようにして形成された窒化物半導体レーザアレイ２１は、室温において、しきい値電流２９６ｍＡ、１．９６Ａ駆動で２７８７ｍＷの最高出力、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。
【００３７】
【実施例３】
以下、実施例として、図７及び８に示す窒化物半導体レーザアレイについて説明する。なお、図７において（ａ）は図８のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。本実施例における窒化物半導体レーザアレイ４１は、１つのＬＤチップ内に複数のストライプ構造すなわち導波路領域を備え、ｐ電極と対向する面、すなわち裏面にｎ電極を有することを特徴とする。まず実施例１と同様にサファイア基板（図示せず）上にバッファ層（図示せず）及び下地層（図示せず）を積層する。
（窒化物半導体基板４３） 次に下地層上に、ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなる窒化物半導体層４３を２０μｍ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成長基板となると共に本実施例においてはｎ電極を形成するための層として作用する。また、本実施例においては、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたが、１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3程度であればｎ電極を形成するための層として機能することができる。
【００３８】
引き続き、ストライプ構造を形成するまで、実施例１と同様の操作を行い、さらに実施例１と同様にサファイア基板、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜を除去し窒化物半導体基板４３を鏡面に仕上げる。
（電極の形成） 次に、ｐ型コンタクト層５２及び第３の保護膜５３の表面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極５４を形成する。ｐ電極５４を形成した後、既に露出させた下地層４３の略全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極４２を形成する。
【００３９】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部５６が開口したＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜５５を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極（図示せず）と、裏面のｎ電極４２の略全面にｎパッド電極（図示せず）をそれぞれ形成する。
【００４０】
以上のようにして、各電極を形成した後、実施例１と同様に劈開を行いミラーを形成することにより、共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子４１を得る。
【００４１】
【実施例４】
以下、実施例として、図９及び１０に示す窒化物半導体レーザアレイについて説明する。なお、図９において（ａ）は図１０のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。本実施例における窒化物半導体レーザアレイ５７は、積層面側に複数の凹部５８を備え、ｐ電極７１と対向する面、すなわち裏面にｎ電極５９を有することを特徴とする。なお、凹部５８の深さは特に限定されず、窒化物半導体レーザアレイ５７を形成できる程度であればよいが、放熱性の点を考慮するとより深い方が好ましい。
【００４２】
まず、ｐ型コンタクト層６９を積層するまで、実施例３と同様の操作を行う。引き続き、実施例２と同様の操作で複数の凹部５８を形成した後、ストライプ状の導波路領域を形成する。次に、サファイア基板、バッファ層、下地層及びＳｉＯ2膜を実施例３と同様の操作により除去する。次に、実施例１と同様にｐ型コンタクト層６９及び第３の保護膜７０の表面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極７１を形成する。さらに、実施例３と同様に既に露出させた窒化物半導体基板６０の略全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極５９を形成する。
【００４３】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部７３が開口したＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜７２を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極（図示せず）と、裏面のｎ電極５９の略全面にｎパッド電極（図示せず）をそれぞれ形成する。
【００４４】
以上のようにして、各電極を形成した後、実施例１と同様に劈開を行いミラーを形成することにより、共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子５７を得る。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図２】 実施例１における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図３】 実施例１における窒化物半導体レーザアレイにパッド電極を形成した際の平面図である。
【図４】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図５】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図６】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイにパッド電極を形成した際の平面図である。
【図７】 実施例３における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図８】 実施例３における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図９】 実施例４における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図１０】 実施例４における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図１１】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイに他の形状のパッド電極を形成した際の平面図である。
【符号の説明】
１、２１、４１、５７・・・本発明における窒化物半導体レーザアレイ
２、２２、５８・・・凹部
３、２３、４３、６０・・・窒化物半導体基板
４、２４、４４、６１・・・ｎ型コンタクト層
５、２５、４５、６２・・・クラック防止層
６、２６、４６、６３・・・ｎ型クラッド層
７、２７、４７、６４・・・ｎ型光ガイド層
８、２８、４８、６５・・・活性層
９、２９、４９、６６・・・電子閉じ込め層
１０、３０、５０、６７・・・ｐ型光ガイド層
１１、３１、５１、６８・・・ｐ型クラッド層
１２、３２、５２、６９・・・ｐ型コンタクト層
１３、３３、５３、７０・・・保護膜
１４、３４、５４、７１・・・ｐ電極
１５、３５、４２、５９・・・ｎ電極
１６、３６、５５、７２・・・誘電体多層膜
１７、３７、５６、７３・・・ｐ電極の露出部
１８、３８・・・ｎ電極の露出部
１９、３９、７４・・・ｐパッド電極
２０、４０、７５・・・ｎパッド電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のストライプ状の導波路領域を有する窒化物半導体レーザアレイに係わり、特に活性層におけるキャリアの閉じ込め効果の向上乃至各半導体層に流れる電流の均一化を行うために改善した高出力発光が可能な窒化物半導体レーザアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体レーザは小型、高信頼性、且つ高出力化が進み、主にパーソナルコンピューター、ＤＶＤなどの電子機器、医療機器、加工機器や光ファイバー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】
一方、これまで、青色乃至白色を表現する方法として、次に記載する方法が用いられてきた。すなわち、青色を表す方法としては、窒化物半導体よりなる青色発光が可能なＬＥＤ（発光ダイオード）を単体で用いる。また、白色を表す方法としては、ＲＧＢ（赤色、緑色、青色）をそれぞれ発光可能なＬＥＤを隣接して配置し、各発光色を混合することにより白色を表現する方法と、青色ＬＥＤと黄色の蛍光を発する蛍光体を組み合わせることにより白色を表現する方法とがある。
【０００４】
また、一般に、ＬＤはＬＥＤに比較して電流から光への変換効率が高いという特徴を有する。そこで、ＬＤは前述した種々の用途における光源だけでなく照明用光源としても注目されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現在における照明用光源として用いることができる少なくとも青色発光が可能なＬＤ、特により高出力の半導体レーザアレイについては、その利用分野の拡大に伴い、さらなる改良が求められている。本発明は、特に、煩雑な工程を無くし小型化をはかると共に、高出力でレーザ光が出射可能な窒化物半導体レーザアレイを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明における窒化物半導体レーザアレイは、窒化物半導体からなる、ｎ型層と、活性層と、ｐ型層と、が順に含まれた窒化物半導体レーザアレイにおいて、前記ｎ型層及びｐ型層は、クラッド層を有し、前記窒化物半導体レーザアレイは、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで活性層を挟みこんだ光導波路と、前記ｐ型層を備える側に、活性層に達しない深さで窒化物半導体の一部を取り除いて形成された凹部が間に設けられたリッジ導波型の複数のストライプ構造と、該ストライプ構造により設けられた導波路領域とを有し、前記ｐ型層は、ストライプ構造の最上層となるｐ型コンタクト層を有し、前記窒化物半導体レーザアレイは、ｐ電極と、該ｐ電極上に形成されるｐパッド電極とを有し、前記ｐ電極は、各ｐ型コンタクト層及び凹部上に形成されると共に、各ｐ型コンタクト層上において接続しており、前記複数のストライプ構造は、同一のｐパッド電極に接続され、該ｐパッド電極は、複数のストライプ構造の上部においてのみ前記ｐ電極に接続され、かつ多モードで発振することを特徴とする。このように構成することにより、高出力化が可能であると共に小型化も可能となる。さらには、それぞれのストライプ構造は同一チップ内に直接形成されるため、１つのストライプ構造を備える窒化物半導体レーザ素子を別の支持体上に複数配置したレーザアレイに比較して、より方向性よくレーザ光を出射することができる。
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｎ電極及びｐ電極を有し、前記ｎ電極と前記ｐ電極は、少なくとも前記活性層を介して対向している。
また、前記窒化物半導体レーザアレイは、前記活性層と前記ｐ型層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子閉じ込め層を有し、かつ前記電子閉じ込め層のＡｌ混晶比は０．３〜０．５である。
また、前記ｎ型層及びｐ型層は光ガイド層を有し、該光ガイド層を活性層とクラッド層の間に設ける。
また、前記光ガイド層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多層膜構造である。
また、前記複数のストライプ構造は、同じストライプ幅又は同じ間隔で配置される。
【０００７】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｐ型層を備える側に、ｎ型コンタクト層を底面とする凹部を有する。さらに、この凹部は、前記複数のストライプ構造の少なくとも一方の外側に、前記ストライプ構造と並列して設けられ、この凹部の底面にｎ電極を有する。このように構成することにより、各ストライプ構造における複数のｐ電極に対するｎ電極を共通のものとすることができる。
【０００８】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｐ型層を備える側に、ｎ型コンタクト層を底面とする凹部を有する。さらに、この凹部は、少なくとも前記各ストライプ構造の間に設けられ、これら凹部の底面にｎ電極を有する。このように構成することにより、窒化物半導体に流れる電流をより均一にすることができる、さらには、冷却効率すなわち放熱性を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｎ電極を有し、かつｎ電極とｐ電極は少なくとも前記活性層を介すると共に対向して位置する。このように構成することにより、より効率よくレーザ光を出射することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項４に記載の窒化物半導体レーザアレイにおいて、ｐ型層を備える側における少なくとも各ストライプ構造の間に、凹部を備えることができる。このように構成することにより、放熱性をより向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、活性層とｐ型層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子閉じ込め層を有し、かつ電子閉じ込め層のＡｌ混晶比は０．３〜０．５とすることができる。このように構成することにより、電子閉じ込め層のバンドギャップが大きくなるので、高電流を流したときに電子がオーバーフローするのを効果的に防止することができる。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、複数のｐ電極を、同一のｐパッド電極に接続することができる。このように構成することにより、複数のワイヤーを用いる必要が無くなるので、小型化が可能となる。
【００１３】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ストライプ構造をリッジ導波型とすることができる。このように構成することにより、より容易にレーザ光を出射させることができる。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイにおける複数のｎ電極は、同一のｎパッド電極に接続することができる。このように構成することにより、複数のワイヤーを用いる必要が無くなるので、小型化が可能となる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体レーザアレイにおけるｎ電極はストライプ状であり、さらに、複数のストライプ状のｎ電極は、それぞれの両端部にて同一のｎパッド電極に接続することができる。このように構成することにより、複数のワイヤーを用いる必要が無くなり小型化が可能となるばかりでなく、電流をより均一に流すことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、種々の実験の結果、１つのＬＤ（レーザダイオード）チップ内に複数のストライプ構造を有する特定構造の窒化物半導体レーザアレイとすることにより、レーザ出力を飛躍的に高めることができることを見いだし、本発明をなすにいたった。本発明は、小型化が可能であると共に、方向性よくレーザ光を出射することができる高出力発光が可能な窒化物半導体レーザアレイである。
【００１７】
すなわち、別の支持体上に個々の半導体レーザチップをそれぞれ連なるように配置した窒化物半導体レーザアレイは、各レーザ素子を制御性よく隣接して配置し、さらには各電極それぞれにワイヤーを接続する必要があった。しかしながら、各レーザ素子を限界まで近接して配置することは非常に困難であると共に、支持体上に各レーザ素子を配置する際にレーザ光出射方向に所謂ズレが生じる可能性があった。さらに、各電極にワイヤーを接続する場合には、複数のワイヤーを用いるので手順が煩雑になるばかりでなく、ある程度のスペースが必要となり、各レーザ素子を近接させて配置することが困難であった。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザアレイは、窒化物半導体からなるｎ型層と、活性層と、ｐ型層とが順に積層された構造を有し、１つのＬＤチップ内に、複数のストライプ構造すなわち導波路が形成されたものである。詳しくは、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層を有することで、導波路が設けられた構造となる。なお、本明細書における窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体（ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ、０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ＜１）を指す。また、本発明における窒化物半導体を用いたレーザ素子の共振器の長さは、４００〜９００μｍ程度の範囲であれば、前後のミラーの反射率を制御することで、駆動電流を低くすることができ、好ましい。
（ｎ型クラッド層） 本発明におけるｎ型クラッド層は、後に記載する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、特に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、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、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を成長させることができる。さらに、本発明におけるｎ型クラッド層は、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、また、多層膜層において、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良い。また、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。ｎ型クラッド層の膜厚は、後に記載する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、好ましくは５００Å以上１．５μｍ以下の範囲で形成することができる。
（ｎ型光ガイド層及びｐ型光ガイド層） 本発明において、ｎ型光ガイド層とｐ型光ガイド層を、それぞれｎ型クラッド層とｐ型クラッド層よりも内側に設けて活性層を挟み込み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）の膜厚を６０００Å以下とすることにより、発振閾値電流の急激な増大を抑制することができる。さらに好ましくは４５００Å以下とすることで、より低く抑えられた発振閾値電流で、連続発振が可能となる。また、各光ガイド層の膜厚はほぼ同じである。具体的には１００Å以上１μｍ以下、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とすることができる。更に、各光ガイド層は、窒化物半導体からなり、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成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。本発明におけるｐ型光ガイド層は、発振波長が３７０〜４７０ｎｍの領域では、アンドープのＧａＮを用いることができる。また、比較的長波長な領域（４５０μｍ以上）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることができる。また、本発明におけるｎ型光ガイド層及びｐ型光ガイド層は、活性層のエネルギーバンドギャップを考慮して、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用い、アンドープのＧａＮ、活性層に近づくに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に積層した多層膜で設けることにより、好ましい導波路とすることができる。
（活性層） 本発明の窒化物半導体レーザアレイにおける活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体層を有することができる。これにより、紫外域、可視域において青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、本発明における窒化物半導体レーザアレイは、リッジ導波型とすることができる。すなわち、エッチング等により活性層に達しない深さで窒化物半導体層の一部を取り除くことで、本発明の窒化物半導体レーザアレイをリッジ導波型とすることができる。さらに、本発明においては、導波路領域となるストライプの幅を１以上６μｍ未満、より好ましくは２以上５μｍ未満、さらに好ましくは３．５以上４．５μｍ未満の範囲に調整することで、安定した発振が可能となるばかりでなく、ストライプ幅を範囲内で調整することによって、基本モード（単一）かマルチモードを選択することができる。ここで、本発明における窒化物半導体レーザアレイを照明用光源として用いる場合には、基本モードである必要はなく、むしろマルチモードであったほうが好ましい。ちなみに、ストライプの幅が、１μｍ未満であるとストライプの形成が困難となり、１以上２μｍ未満であると基本モードになり、２以上６μｍ未満であると基本モードが多モードになり、さらに６μｍ以上であるとしきい値が高くなりレーザ光が発振されにくくなる傾向にある。また、活性層は、量子井戸構造であっても良く、その場合単一量子井戸、多重量子井戸の各構造をとることができる。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザアレイは、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体とで、すなわちｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで活性層を挟み込み、導波路を構成するが、この時、両クラッド層と、活性層との間には、先に記載したガイド層や後に記載する電子閉じ込め層などを設けても良い。
（電子閉じ込め層） また、活性層とｐ型クラッド層との間、好ましくは活性層と先に記載したｐ型光ガイド層との間に設けられる電子閉じ込め層は、閾値電流の低下により容易な発振に寄与し、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、具体的にはＡｌＧａＮを用いることができる。この電子閉じ込め層に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上記機能を有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして機能する傾向にある。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０．２以上０．６未満、好ましくは０．３以上０．５未満とすることで上記機能を果たすことができる。これにより、電子閉じ込め層のバンドギャップを広くすることができるので、電子がオーバーフローするのを防ぐことができる。
（ｐ型クラッド層） 本発明におけるｐ型クラッド層は、前述したｎ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。さらに、ｐ型クラッド層は、ｐ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、実施例に示すように多層膜層において、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ｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、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、より好ましくは５００Å以上１．５μｍ以下の範囲で形成することができる。
（電極） 本発明において、ｐ電極は、特に限定されるものではないが、実施例に示すように、部分的に絶縁膜を介して、ストライプ状の凸部上面のほぼ全面に設ける構造とすることができる。なお、電流を均一に流すために、ｐ電極とｐパッド電極の接続面積はできるだけ大きく、ストライプ方向に長いことが好ましい。また、本発明においては、複数のｐ電極の露出部を、共通のｐパット電極に接続することができる。これにより、複数のワイヤを使用する必要が無く、小型化が可能となる。
【００２０】
また、特に限定されるものではないが、積層面側から見たｎパッド電極の形状は、実施例１における窒化物半導体レーザアレイ１のように、ｐパッド電極を囲む形状とすることが好ましい。実施例１の場合、ｎ電極はストライプ状であり、両端部の２カ所が露出し、共通のｎパッド電極に接続されている。また、複数のストライプ状のｎ電極における一方の端部を露出させ、同一のｎパッド電極に接続することもできる。
【００２１】
また、実施例２における窒化物半導体レーザアレイ２１におけるｎ電極は、積層面側から見て、複数のストライプ状のｐ電極に並列して位置することが好ましく、より好ましくは複数のストライプ状のｐ電極の両隣に並列して位置することができる。一方、窒化物半導体レーザアレイ２１においては、ｐ電極とｐパッド電極及びｎ電極とｎパッド電極の各接続部を図７のように交互に位置させることができる。
【００２２】
また、実施例３及び４における窒化物半導体レーザアレイ４１及び５７のｎ電極は、特に限定されるものではないが、半導体積層面と逆の側、すなわち裏面の側のほぼ全面に共通のｎ電極として形成することができる。
【００２３】
また、各パッド電極とワイヤーとの接続箇所は特に限定されない。すなわち、ｐパッド電極とワイヤーとの接続箇所は、例えば図６に示すように、ｐパッド電極をｐ電極が複数露出した領域よりも大きく設け、その余剰箇所すなわち複数のｐ電極が露出した領域以外で接続することができる。また、複数のｐ電極が露出した領域に直接接続させることもできる。一方、例えば、ｎパッド電極とワイヤーとの接続箇所は、ｐパッド電極とワイヤーとの接続箇所と同様に、例えば図６に示すように、ｎパッド電極をｎ電極が複数露出した領域よりも大きく設け、その余剰箇所すなわち複数のｎ電極が露出した領域以外で接続することができる。また、複数のｎ電極が露出した領域に直接接続することもできる。また、例えば、図１１のように、ｐ電極とｐパッド電極及びｎ電極とｎパッド電極の各接続部が交互に位置する場合、各パッド電極とそれぞれに対応するワイヤーとの接続箇所は、各パッド電極を各電極の露出領域よりも大きく設け、その余剰箇所にて接続することができる。また特に限定されるものではないが、各パッド電極とそれぞれに対応するワイヤーとの接続位置は、ストライプ方向あるいはストライプ方向と垂直な方向で一致してもよいし、対角線上に位置することもできる。以上のように各電極を形成することにより、電流を均一に流すことができ、効率のよい通電を得ることができる。
【００２４】
また、共振器面の形成方法として、各実施例に示すように劈開する他に、エッチングにより共振器面を作製しても良い。
【００２５】
以下、各実施例について詳述するが、本発明はこれのみに限定されるものではない。また、本発明において、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すべての方法を適用できる。
【００２６】
【実施例１】
以下、実施例として、図１乃至３に示す窒化物半導体レーザアレイ１について説明する。なお、図１において（ａ）は図２のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。また、図３は積層面側から見た各パッド電極の形状を示すための概略図である。本実施例では、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等がある。中でも、好ましい異種基板として、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよい。また、素子構造形成後に、異種基板を除去しても良い。
【００２７】
まず、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（図示せず）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（図示せず）を２００Åの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる下地層（図示せず）を４μｍの膜厚で成長させる。
（窒化物半導体基板３） 次に、下地層上にストライプ幅１０μｍ、ストライプ間幅（窓部）２μｍのＳｉＯ2膜（図示せず）を形成し、引き続きノンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体基板３を２０μｍの膜厚で成長させる。また、その他の形態では、異種基板上に成長させた下地層に開口部を設け、その開口部側面から横方向へ成長させてもよい。
（ｎ型コンタクト層４） 次に、得られた窒化物半導体基板３上にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を４μｍの膜厚で成長させる。
（クラック防止層５） 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５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。
（ｎ型クラッド層６） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、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、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ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。
（ｎ型光ガイド層７） 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７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
（活性層８） 次に、温度を８００℃にして、原料ガスに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した総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８を成長させる。
（電子閉じ込め層９） 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Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる電子閉じ込め層９を１００Åの膜厚で成長させる。また、ＡｌＧａＮのＡｌ混晶比を０．２以上０．６未満、より好ましくは０．３以上０．５未満、さらに好ましくは０．３５以上０．４５未満とすることにより、大量の電流を流す際に電子がオーバーフローするのを効果的に防ぐことができる。
（ｐ型光ガイド層１０） 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１０を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層１０は、アンドープとして成長させるが、電子閉じ込め層９からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープしても良い。
（ｐ型クラッド層１１） 次に、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、次にＣｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させる。続いてこの操作を８０回繰り返して、総膜厚４０００Åμｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１１を成長させる。ｐ側クラッド層は、少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を有し、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する場合、不純物をいずれか一方の層に多くドープする、所謂変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。ｐ型クラッド層１１は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とすることができる。ｐ側クラッド層１１を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子とすることにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【００２８】
（ｐ型コンタクト層１２） 次に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１１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１２を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層はｐ型のＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０≦ａ、０≦ｂ、ａ＋ｂ≦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１４と最も好ましいオーミック接触が得られる。ｐ型コンタクト層１２は電極を形成する層であるので、１×１０17／ｃｍ3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。これは、１×１０17／ｃｍ3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にあるからである。さらに、コンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
（凹部２の形成） 窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層１２の表面の所望の領域にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成する。次にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いてＳｉＣｌ4ガスによりエッチングを行い、積層面側にｎコンタクト層を底面とするの凹部２を形成する。本実施例においては、次に述べる５つのストライプ構造に対して２つのｎ電極が形成できるように、複数のストライプ構造の両隣に２つの凹部が形成されている。
（ストライプ構造の形成） 次に、最上層のｐ型コンタクト層１２のほぼ全面に、ＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜の上にさらに所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる厚さ２μｍ、ストライプ幅４μｍの第２の保護膜を２０μｍの間隔で５つ形成する。第２の保護膜を形成した後、ＲＩＥ装置により、ＣＦ4ガスを用いて、第２の保護膜をマスクとして、第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後、エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、ｐ型コンタクト層の上に、ストライプ幅４μｍの第１の保護膜が５つ形成される。引き続き、ＲＩＥ装置によりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層をエッチングしてストライプ幅４μｍのストライプ構造（リッジ導波型）を２０μｍの間隔で５つ形成する。なお、各ストライプ構造は、効率よくレーザ光を出射するために、同じストライプ幅乃至同じ間隔で配置されると共に平行であることが好ましい。
【００２９】
次に、ストライプ状の導波路領域を形成したウエハを、スパッタ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第３の保護膜１３を、第１の保護膜とエッチングにより露出したｐ型コンタクト層１２及びｐ型クラッド層１１表面に０．２μｍの厚さで形成する。第３の保護膜を形成後、ウエハを６００℃で熱処理する。これは、ＳｉＯ2以外の材料を第３の保護膜とする場合、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体の分解温度（１２００℃）以下で熱処理することにより、次に行う第１の保護膜の除去工程における第１の保護膜を溶解させるための材料（フッ酸）に対して、溶解しにくくさせるためである。次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。この段階で、第１及び第２の保護膜が除去され、第３の保護膜のみが残った状態となる。
（電極の形成） 次に、第１の保護膜が除去されることにより露出したｐ型コンタクト層１２及び第３の保護膜１３の略全面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極１４を形成する。ｐ電極１４を形成した後、既に露出させたｎ型コンタクト層４の表面の一部に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極１５を、１５０μｍのストライプ幅で形成する。なお、各電極は、より均一に電流を流すために、同じ幅及び間隔であると共に平行であることが好ましい。
【００３０】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部１７とｎ電極の露出部１８が開口した例えばＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１６を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極１９とｎパッド電極２０をそれぞれ形成する。なお、波線部は各電極の露出部、すなわち各電極とそれぞれに対応するパット電極との接合部を示す。
（サファイア基板、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜の除去） 以上のようにして、各電極を形成した後、サファイア基板、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜を除去する。まず、サファイア基板を積層面と反対の側となる裏面から研磨し、その表面を略平らにする。次に波長２４８ｎｍのエキシマレーザを裏面に照射し、サファイア基板をバッファ層から剥離させる。そしてさらに、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜を研磨することにより除去し、窒化物半導体基板３表面を鏡面に仕上げる。
【００３１】
次に、導波路領域の端部となる面をストライプ方向に対して垂直な方向で劈開により形成する。引き続き、露出させた面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜（図示せず）を設け、一対のミラーとする。この時、共振器長は６７５μｍである。そしてさらにバー状のウエハを分割して共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子１を得る。
【００３２】
【実施例２】
以下、実施例として、図４乃至６及び１１に示す窒化物半導体レーザアレイ２１について説明する。なお、図４において（ａ）は図５のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。また、図６は積層面側から見た各パッド電極の形状を示すための概略図であり、さらに図１１は各パッド電極の他の形状を示す概略図である。まず、実施例１と同様に、ｐ型コンタクト層３２まで各層を積層する。
（凹部２２の形成） 以上のようにして、窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層３２の表面の一部にＳｉＯ2よりなる複数のストライプ状の保護膜を形成する。次にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いてＳｉＣｌ4ガスによりエッチングを行い、積層面側にｎコンタクト層を底面とする複数の凹部２２をエッチングにより形成する。なお、凹部２２の深さは特に限定されず、窒化物半導体レーザアレイ２１を形成できる程度であればよいが、放熱性の点を考慮するとより深いことが好ましい。本実施例においては、６つの凹部２２を形成することにより５つの凸部を形成し、さらに６つの凹部２２の底面にそれぞれｎ電極３５が形成されている。また凸部の幅と凹部の幅はそれぞれ４０μｍと６０μｍである。
（ストライプ構造の形成） 次に、各凸部の最上層のｐ型コンタクト層３２のほぼ全面に、ＣＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主としてＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜の上にさらに所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる厚さ２μｍ、ストライプ幅４μｍの第２の保護膜を、各凸部の略中央にそれぞれ形成する。５つの第２の保護膜を形成した後、ＲＩＥ装置により、ＣＦ4ガスを用いて、第２の保護膜をマスクとして、第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後、エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、ｐ型コンタクト層の上に、ストライプ幅４μｍの第１の保護膜が５つ形成される。引き続き、ＲＩＥ装置によりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層をエッチングして５つのストライプ状の導波路領域（リッジ導波型）を形成する。
【００３３】
次に、ストライプ状の導波路領域を形成したウエハを、スパッタ装置に移送し、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第３の保護膜３３を、第１の保護膜とエッチングにより露出したｐ型コンタクト層３２及びｐ型クラッド層３１表面に０．２μｍの厚さで形成する。第３の保護膜を形成後、実施例１と同様にウエハを６００℃で熱処理する。次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保護膜をリフトオフ法により除去する。この段階で、第１及び第２の保護膜が除去され、第３の保護膜３３のみが残った状態となる。
（電極の形成） 次に、第１の保護膜が除去されることにより露出したｐ型コンタクト層３２及び第３の保護膜３３の表面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極３４を形成する。ｐ電極３４を形成した後、既に露出させたｎ型コンタクト層２４の表面の一部に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極３５を、４０μｍのストライプ幅で、凹部の底面の中央に位置するように形成する。
【００３４】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部３７とｎ電極の露出部３８が開口したＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜３６を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極３９とｎパッド電極４０を、図６に示すようにそれぞれ形成する。なお、波線部は各電極の露出部、すなわち各電極とそれぞれに対応するパット電極との接合部を示す。
【００３５】
以上のようにして、各電極を形成した後、実施例１と同様の操作を行い、共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子２１を得た。
【００３６】
以上のようにして形成された窒化物半導体レーザアレイ２１は、室温において、しきい値電流２９６ｍＡ、１．９６Ａ駆動で２７８７ｍＷの最高出力、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。
【００３７】
【実施例３】
以下、実施例として、図７及び８に示す窒化物半導体レーザアレイについて説明する。なお、図７において（ａ）は図８のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。本実施例における窒化物半導体レーザアレイ４１は、１つのＬＤチップ内に複数のストライプ構造すなわち導波路領域を備え、ｐ電極と対向する面、すなわち裏面にｎ電極を有することを特徴とする。まず実施例１と同様にサファイア基板（図示せず）上にバッファ層（図示せず）及び下地層（図示せず）を積層する。
（窒化物半導体基板４３） 次に下地層上に、ＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなる窒化物半導体層４３を２０μｍ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成長基板となると共に本実施例においてはｎ電極を形成するための層として作用する。また、本実施例においては、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3ドープしたが、１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3程度であればｎ電極を形成するための層として機能することができる。
【００３８】
引き続き、ストライプ構造を形成するまで、実施例１と同様の操作を行い、さらに実施例１と同様にサファイア基板、バッファ層、下地層、及びＳｉＯ2膜を除去し窒化物半導体基板４３を鏡面に仕上げる。
（電極の形成） 次に、ｐ型コンタクト層５２及び第３の保護膜５３の表面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極５４を形成する。ｐ電極５４を形成した後、既に露出させた下地層４３の略全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極４２を形成する。
【００３９】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部５６が開口したＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜５５を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極（図示せず）と、裏面のｎ電極４２の略全面にｎパッド電極（図示せず）をそれぞれ形成する。
【００４０】
以上のようにして、各電極を形成した後、実施例１と同様に劈開を行いミラーを形成することにより、共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子４１を得る。
【００４１】
【実施例４】
以下、実施例として、図９及び１０に示す窒化物半導体レーザアレイについて説明する。なお、図９において（ａ）は図１０のＡ−Ａ部の断面概略図であり、（ｂ）は層構造を示すための（ａ）の部分拡大図である。本実施例における窒化物半導体レーザアレイ５７は、積層面側に複数の凹部５８を備え、ｐ電極７１と対向する面、すなわち裏面にｎ電極５９を有することを特徴とする。なお、凹部５８の深さは特に限定されず、窒化物半導体レーザアレイ５７を形成できる程度であればよいが、放熱性の点を考慮するとより深い方が好ましい。
【００４２】
まず、ｐ型コンタクト層６９を積層するまで、実施例３と同様の操作を行う。引き続き、実施例２と同様の操作で複数の凹部５８を形成した後、ストライプ状の導波路領域を形成する。次に、サファイア基板、バッファ層、下地層及びＳｉＯ2膜を実施例３と同様の操作により除去する。次に、実施例１と同様にｐ型コンタクト層６９及び第３の保護膜７０の表面に、Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極７１を形成する。さらに、実施例３と同様に既に露出させた窒化物半導体基板６０の略全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極５９を形成する。
【００４３】
次に、各電極にパッド電極を形成するために所望の領域にマスクを施し、ｐ電極の露出部７３が開口したＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜７２を設けた後、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるｐパッド電極（図示せず）と、裏面のｎ電極５９の略全面にｎパッド電極（図示せず）をそれぞれ形成する。
【００４４】
以上のようにして、各電極を形成した後、実施例１と同様に劈開を行いミラーを形成することにより、共振器長６７５μｍのレーザアレイ素子５７を得る。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図２】 実施例１における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図３】 実施例１における窒化物半導体レーザアレイにパッド電極を形成した際の平面図である。
【図４】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図５】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図６】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイにパッド電極を形成した際の平面図である。
【図７】 実施例３における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図８】 実施例３における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図９】 実施例４における窒化物半導体レーザアレイの断面概略図である。
【図１０】 実施例４における窒化物半導体レーザアレイの平面図である。
【図１１】 実施例２における窒化物半導体レーザアレイに他の形状のパッド電極を形成した際の平面図である。
【符号の説明】
１、２１、４１、５７・・・本発明における窒化物半導体レーザアレイ
２、２２、５８・・・凹部
３、２３、４３、６０・・・窒化物半導体基板
４、２４、４４、６１・・・ｎ型コンタクト層
５、２５、４５、６２・・・クラック防止層
６、２６、４６、６３・・・ｎ型クラッド層
７、２７、４７、６４・・・ｎ型光ガイド層
８、２８、４８、６５・・・活性層
９、２９、４９、６６・・・電子閉じ込め層
１０、３０、５０、６７・・・ｐ型光ガイド層
１１、３１、５１、６８・・・ｐ型クラッド層
１２、３２、５２、６９・・・ｐ型コンタクト層
１３、３３、５３、７０・・・保護膜
１４、３４、５４、７１・・・ｐ電極
１５、３５、４２、５９・・・ｎ電極
１６、３６、５５、７２・・・誘電体多層膜
１７、３７、５６、７３・・・ｐ電極の露出部
１８、３８・・・ｎ電極の露出部
１９、３９、７４・・・ｐパッド電極
２０、４０、７５・・・ｎパッド電極
Claims (6)
- 窒化物半導体からなる、ｎ型層と、活性層と、ｐ型層と、が順に含まれた窒化物半導体レーザアレイにおいて、
前記ｎ型層及びｐ型層は、クラッド層を有し、
前記窒化物半導体レーザアレイは、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とで活性層を挟みこんだ光導波路と、前記ｐ型層を備える側に、活性層に達しない深さで窒化物半導体の一部を取り除いて形成された凹部が間に設けられたリッジ導波型の複数のストライプ構造と、該ストライプ構造により設けられた導波路領域とを有し、
前記ｐ型層は、ストライプ構造の最上層となるｐ型コンタクト層を有し、
前記窒化物半導体レーザアレイは、ｐ電極と、該ｐ電極上に形成されるｐパッド電極とを有し、
前記ｐ電極は、各ｐ型コンタクト層及び凹部上に形成されると共に、各ｐ型コンタクト層上において接続しており、
前記複数のストライプ構造は、同一のｐパッド電極に接続され、該ｐパッド電極は、複数のストライプ構造の上部においてのみ前記ｐ電極に接続され、
かつ多モードで発振することを特徴とする窒化物半導体レーザアレイ。 - 前記窒化物半導体レーザアレイは、ｎ電極を有し、
前記ｎ電極と前記ｐ電極は、少なくとも前記活性層を介して対向していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザアレイ。 - 前記窒化物半導体レーザアレイは、前記活性層と前記ｐ型層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体からなる電子閉じ込め層を有し、かつ
前記電子閉じ込め層のＡｌ混晶比は０．３〜０．５であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザアレイ。 - 前記ｎ型層及びｐ型層は光ガイド層を有し、該光ガイド層を活性層とクラッド層の間に設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザアレイ。
- 前記光ガイド層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多層膜構造であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体レーザアレイ。
- 前記複数のストライプ構造は、同じストライプ幅又は同じ間隔で配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザアレイ。
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