JP2000124552A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
窒化物半導体レーザ素子Info
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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Abstract
(57)【要約】
【課題】レーザ発振光の遠視野像が単峰性を示す効率の
良い窒化物半導体レーザ素子の構成とその製造方法とを
与える。 【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、AlN
を含む低温堆積緩衝層と、クラッド層として該低温堆積
緩衝層直上に成長したAlNを含むことにより、クラック
発生なく有効に光を閉じ込めができる構造を有する。そ
して、出射レーザ光の遠視野における強度分布である遠
視野像が単峰性を示すように前記窒化物半導体単結晶層
の厚さとAlNのモル分率の少なくとも一方を調整できる
特徴を有する。
良い窒化物半導体レーザ素子の構成とその製造方法とを
与える。 【解決手段】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、AlN
を含む低温堆積緩衝層と、クラッド層として該低温堆積
緩衝層直上に成長したAlNを含むことにより、クラック
発生なく有効に光を閉じ込めができる構造を有する。そ
して、出射レーザ光の遠視野における強度分布である遠
視野像が単峰性を示すように前記窒化物半導体単結晶層
の厚さとAlNのモル分率の少なくとも一方を調整できる
特徴を有する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体素子に関
し、特に出射レーザ光の遠視野における強度分布である
遠視野像の単峰性が優れたレーザ素子に関する。
し、特に出射レーザ光の遠視野における強度分布である
遠視野像の単峰性が優れたレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、III族窒化物半導体（一般構造式
はアルミニウムAl,ガリウムGa,インジュウムIn,,窒素
N、組成比ｘ、ｙを用いてAlxGa1-x-yInyNである。）を
用いた短波長レーザの発振が報告されている。しかしな
がら、近視野像のフーリエ変換である遠視野像は単峰性
を示さず（D.Hofstetter et al., Appl. Phys. Lett. 7
0(1997)1650.参照）、実用上大きな問題となっている。
はアルミニウムAl,ガリウムGa,インジュウムIn,,窒素
N、組成比ｘ、ｙを用いてAlxGa1-x-yInyNである。）を
用いた短波長レーザの発振が報告されている。しかしな
がら、近視野像のフーリエ変換である遠視野像は単峰性
を示さず（D.Hofstetter et al., Appl. Phys. Lett. 7
0(1997)1650.参照）、実用上大きな問題となっている。
【０００３】遠視野像が単峰性を示さず多峰性となるの
は活性層への光閉じ込めが充分でないため、意図的に設
けた光導波路構造の下に存在する電流注入のためのクラ
ッド層が意図しない導波路となり、クラッド層に結合す
る高次モードのレーザ発振が生じるためである。光閉じ
込めを充分にするためにはクラッド層の厚さを所定値以
上に増したり、活性層との光の屈折率差を大きくしたり
する方法が試みられている。
は活性層への光閉じ込めが充分でないため、意図的に設
けた光導波路構造の下に存在する電流注入のためのクラ
ッド層が意図しない導波路となり、クラッド層に結合す
る高次モードのレーザ発振が生じるためである。光閉じ
込めを充分にするためにはクラッド層の厚さを所定値以
上に増したり、活性層との光の屈折率差を大きくしたり
する方法が試みられている。
【０００４】図１には電極部分を省略した典型的なGaN
系レーザ素子１０の構造が示されている。サファイア、
SiC、スピネル、MgO、GaAs、Si等の基板１１上にGaN低
温堆積緩衝層１２、n型GaN層（ｎ型GaNコンタクト層）
１３、ｎ型AlGaN層（ n型AlGaNクラッド層）１４、n型G
aN光導波層１５、活性層１６、p型GaN光導波層１７、p
型AlGaN層（p型AlGaNクラッド層）１８およびp型GaN層
（p型GaNコンタクト層）１９が順次成長形成されてい
る。
系レーザ素子１０の構造が示されている。サファイア、
SiC、スピネル、MgO、GaAs、Si等の基板１１上にGaN低
温堆積緩衝層１２、n型GaN層（ｎ型GaNコンタクト層）
１３、ｎ型AlGaN層（ n型AlGaNクラッド層）１４、n型G
aN光導波層１５、活性層１６、p型GaN光導波層１７、p
型AlGaN層（p型AlGaNクラッド層）１８およびp型GaN層
（p型GaNコンタクト層）１９が順次成長形成されてい
る。
【０００５】特開平１０−２６１８３８号公報において
奥村により開示された従来例のレーザ素子について各層
の成長温度と成長厚さを（）内に注記して以下に示す。
奥村よれば、分子線エピタキシャル成長法（MBE法）や
ハイドライド気相成長法（HVPE法）であっても良い有機
金属気相成長法（MOVPE法)によりサファイア基板１１の
C面上に、GaN低温堆積緩衝層１２（５５０℃、３５ｎ
ｍ）、Siドープn型GaN層（ｎ型GaNコンタクト層）１３
（１０５０℃、３μｍ）、Siドープｎ型Al0.1Ga0. 9Nク
ラッド層１４（１０５０℃、0.7μｍ）、Siドープn型Ga
N光導波層１５（１０５０℃、0.05μｍ）、｛In0.2Ga
0.8N(3nm)/In0.05Ga0.95N(2nm)}3In0.2Ga0.8N(3nm)活性
層１６（７５０℃、18nm）、Al0.2Ga0.8N蒸発防止層
（図示せず、750℃、10ｎｍ）、Mgドープp型GaN光導波
層１７（１０５０℃、0.05μｍ）、Mgドープp型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層１８（１０５０℃、0.7μｍ）およびMg
ドープp型GaNコンタクト層１９（１０５０℃、0.2μ
ｍ）が順次成長形成されている。層形成後ウェーは800
℃の窒素雰囲気中でアニールされてMgドープのp型層を
低抵抗化する。またAl0.2Ga0.8N蒸発防止層にMgをドー
プしてp型GaN光導波層からの正孔注入を容易にできると
の開示がなされている。リッジ構造を設けて電極形成し
て作成されたレーザ素子は、発振波長４３０nm、閾値電
流４０ｍAであった。出射レーザ光の遠視野像に付いて
は開示がない。なお、上記において｛In0.2Ga0.8N(3nm)
/In0.05Ga0.95N(2nm)}3In0.2Ga0.8N(3nm)は厚さ３ｎｍ
のIn0.2Ga0.8N層に厚さ２ｎｍのIn0.05Ga0.95N層を成長
させた層対を３対繰り返し、つぎに厚さ３ｎｍのIn0.2G
a0.8N層を成長させた構造を示す（以下同様）。
奥村により開示された従来例のレーザ素子について各層
の成長温度と成長厚さを（）内に注記して以下に示す。
奥村よれば、分子線エピタキシャル成長法（MBE法）や
ハイドライド気相成長法（HVPE法）であっても良い有機
金属気相成長法（MOVPE法)によりサファイア基板１１の
C面上に、GaN低温堆積緩衝層１２（５５０℃、３５ｎ
ｍ）、Siドープn型GaN層（ｎ型GaNコンタクト層）１３
（１０５０℃、３μｍ）、Siドープｎ型Al0.1Ga0. 9Nク
ラッド層１４（１０５０℃、0.7μｍ）、Siドープn型Ga
N光導波層１５（１０５０℃、0.05μｍ）、｛In0.2Ga
0.8N(3nm)/In0.05Ga0.95N(2nm)}3In0.2Ga0.8N(3nm)活性
層１６（７５０℃、18nm）、Al0.2Ga0.8N蒸発防止層
（図示せず、750℃、10ｎｍ）、Mgドープp型GaN光導波
層１７（１０５０℃、0.05μｍ）、Mgドープp型Al0.1Ga
0.9Nクラッド層１８（１０５０℃、0.7μｍ）およびMg
ドープp型GaNコンタクト層１９（１０５０℃、0.2μ
ｍ）が順次成長形成されている。層形成後ウェーは800
℃の窒素雰囲気中でアニールされてMgドープのp型層を
低抵抗化する。またAl0.2Ga0.8N蒸発防止層にMgをドー
プしてp型GaN光導波層からの正孔注入を容易にできると
の開示がなされている。リッジ構造を設けて電極形成し
て作成されたレーザ素子は、発振波長４３０nm、閾値電
流４０ｍAであった。出射レーザ光の遠視野像に付いて
は開示がない。なお、上記において｛In0.2Ga0.8N(3nm)
/In0.05Ga0.95N(2nm)}3In0.2Ga0.8N(3nm)は厚さ３ｎｍ
のIn0.2Ga0.8N層に厚さ２ｎｍのIn0.05Ga0.95N層を成長
させた層対を３対繰り返し、つぎに厚さ３ｎｍのIn0.2G
a0.8N層を成長させた構造を示す（以下同様）。
【０００６】文献Jpn. Appl. Phys. Vol. 37(1998) pp.
L905-L906においてYasuo OHBA等は短波長発振のためGaN
活性層を用いる構成を提案している。GaN活性層を使用
するためAlGaNクラッド層のバンドギャップを広くする
ためAｌモル分率を大きくするとGaN緩衝層との格子不整
が顕著になりクラック発生がおこる問題を解決するため
単結晶AlN緩衝層を用いている。まず単結晶AlN緩衝層
（1300℃、0.6μｍ）をサファイア基板上に設けて、そ
の上にクラッド層に該当するSiドープｎ型Al0.25Ga0.75
N層（1150℃、1.2μｍ）、Siドープn型GaN光導波層（11
50℃、0.1μｍ）、Al0.2Ga0.8N(Al0.1Ga0.0.9N/GaN)5/A
l0.2Ga0.8N活性層（50nm）、Mgドープp型GaN光導波層
（1150℃、0.1μｍ）、Mgドープp型Al0.25Ga0.75Nクラ
ッド層（1150℃、0.7μｍ）およびMgドープp型GaNコン
タクト層（1150℃、0.6μｍ）が順次成長形成されてい
る。層形成後ウェーを800℃の窒素雰囲気中でアニール
してMgドープのp型層を低抵抗化する。単結晶AlN緩衝層
上にはAl0.25Ga0.75N層を成長させて全体で1.8μｍとし
てもクラックは発生しないことが観察されている。AlN
のモル分率２５％は、OHBA等によれば、低抵抗率p型AlG
aNにおける最大値であるという。電極形成した素子は高
強度の光を発生するが、素子の降伏電圧付近でもレーザ
発振は得られなかった。
L905-L906においてYasuo OHBA等は短波長発振のためGaN
活性層を用いる構成を提案している。GaN活性層を使用
するためAlGaNクラッド層のバンドギャップを広くする
ためAｌモル分率を大きくするとGaN緩衝層との格子不整
が顕著になりクラック発生がおこる問題を解決するため
単結晶AlN緩衝層を用いている。まず単結晶AlN緩衝層
（1300℃、0.6μｍ）をサファイア基板上に設けて、そ
の上にクラッド層に該当するSiドープｎ型Al0.25Ga0.75
N層（1150℃、1.2μｍ）、Siドープn型GaN光導波層（11
50℃、0.1μｍ）、Al0.2Ga0.8N(Al0.1Ga0.0.9N/GaN)5/A
l0.2Ga0.8N活性層（50nm）、Mgドープp型GaN光導波層
（1150℃、0.1μｍ）、Mgドープp型Al0.25Ga0.75Nクラ
ッド層（1150℃、0.7μｍ）およびMgドープp型GaNコン
タクト層（1150℃、0.6μｍ）が順次成長形成されてい
る。層形成後ウェーを800℃の窒素雰囲気中でアニール
してMgドープのp型層を低抵抗化する。単結晶AlN緩衝層
上にはAl0.25Ga0.75N層を成長させて全体で1.8μｍとし
てもクラックは発生しないことが観察されている。AlN
のモル分率２５％は、OHBA等によれば、低抵抗率p型AlG
aNにおける最大値であるという。電極形成した素子は高
強度の光を発生するが、素子の降伏電圧付近でもレーザ
発振は得られなかった。
【０００７】特開平１０−２４２５８７号公報において
長濱等は「LD（レーザダイオード）の場合は、光閉じ込
め層となるクラッド層を好ましくは０．１μｍ以上の膜
厚で成長させる必要があるが、GaN、AlGaN層の上に直
接、厚膜のAlGaNを成長させると、後から成長させたAlG
aNにクラックが入るので、従来は素子製作が困難であっ
た。」と認識し、１０ｎｍ〜０．５μｍのクラック防止
層の導入を行って次に成長させるAlを含む層が光り閉じ
込め層として機能するに十分な膜厚まで成長できる技術
を開示した。ただし、クラック防止層はクラッド層の成
長方法、成長装置等の条件によって省略できるが、LDを
作成する場合は成長させるのが望ましいとしている。
長濱等は「LD（レーザダイオード）の場合は、光閉じ込
め層となるクラッド層を好ましくは０．１μｍ以上の膜
厚で成長させる必要があるが、GaN、AlGaN層の上に直
接、厚膜のAlGaNを成長させると、後から成長させたAlG
aNにクラックが入るので、従来は素子製作が困難であっ
た。」と認識し、１０ｎｍ〜０．５μｍのクラック防止
層の導入を行って次に成長させるAlを含む層が光り閉じ
込め層として機能するに十分な膜厚まで成長できる技術
を開示した。ただし、クラック防止層はクラッド層の成
長方法、成長装置等の条件によって省略できるが、LDを
作成する場合は成長させるのが望ましいとしている。
【０００８】クラック防止層上に形成されたｎ型クラッ
ド層はAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlGaNであ
る。その膜厚、10ｎｍ以上２μｍ以下、さらに好ましく
は50ｎｍ以上１μｍ以下である。実施例においてｎ型ク
ラック防止層は800℃で成長させた厚さ約50ｎｍのSiド
ープIn0.1Ga0.9N膜である。また、ｎ型クラッド層は103
0℃で成長させた厚さ0.5μｍのSiドープAl0.2Ga0.8N膜
である。なお、出射レーザ光の遠視野像に付いては開示
がない。
ド層はAlを含む窒化物半導体、好ましくはAlGaNであ
る。その膜厚、10ｎｍ以上２μｍ以下、さらに好ましく
は50ｎｍ以上１μｍ以下である。実施例においてｎ型ク
ラック防止層は800℃で成長させた厚さ約50ｎｍのSiド
ープIn0.1Ga0.9N膜である。また、ｎ型クラッド層は103
0℃で成長させた厚さ0.5μｍのSiドープAl0.2Ga0.8N膜
である。なお、出射レーザ光の遠視野像に付いては開示
がない。
【０００９】特開平１０−２５６６６２号公報において
小崎等は上記クラック防止層上に形成された超格子構造
を有するクラッド層を開示している。実施例においてｎ
型クラック防止層は800℃で成長させた厚さ約50ｎｍのS
iドープIn0.1Ga0.9N膜である。また、ｎ型クラッド層は
1050℃で成長させた厚さ0.4μｍのSiドープ｛Al0.2Ga0.
8N(2nm)/GaN(2nm)｝100超格子多層膜である。単一層は
厚さがそれぞれ2ｎｍであり、弾性臨界膜厚以下である
ので結晶性が非常によくなると主張している。なお、出
射レーザ光の遠視野像に付いては開示がない。
小崎等は上記クラック防止層上に形成された超格子構造
を有するクラッド層を開示している。実施例においてｎ
型クラック防止層は800℃で成長させた厚さ約50ｎｍのS
iドープIn0.1Ga0.9N膜である。また、ｎ型クラッド層は
1050℃で成長させた厚さ0.4μｍのSiドープ｛Al0.2Ga0.
8N(2nm)/GaN(2nm)｝100超格子多層膜である。単一層は
厚さがそれぞれ2ｎｍであり、弾性臨界膜厚以下である
ので結晶性が非常によくなると主張している。なお、出
射レーザ光の遠視野像に付いては開示がない。
【００１０】特開平１０−２６１８１６号公報において
倉又は６H−SiC（０００１）C基板に厚さ１μｍのAlGaN
膜を直接成長させクラッド層とする技術を開示してい
る。1200℃でSiドープAl0.1Ga0.9N膜を成長させてい
る。また、1200℃で基板上にノンドープAlN膜とｎ型GaN
膜をそれぞれ厚さ20ｎｍ、１μｍの緩衝層として形成し
た後厚さ0.2μｍのSiドープAl0.1Ga0.9N膜をクラッド層
として成長させている。出射光の遠視野像に付いては開
示がない。
倉又は６H−SiC（０００１）C基板に厚さ１μｍのAlGaN
膜を直接成長させクラッド層とする技術を開示してい
る。1200℃でSiドープAl0.1Ga0.9N膜を成長させてい
る。また、1200℃で基板上にノンドープAlN膜とｎ型GaN
膜をそれぞれ厚さ20ｎｍ、１μｍの緩衝層として形成し
た後厚さ0.2μｍのSiドープAl0.1Ga0.9N膜をクラッド層
として成長させている。出射光の遠視野像に付いては開
示がない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】レーザ発振による出射
レーザ光の遠視野像が単峰性を示す効率の良いレーザ素
子の構成ではAlGaNの厚さを厚くする、あるいはAlNのモ
ル分率を増やすことにより、意図しない導波路との結合
を弱めてやればよいが、上記の従来技術に関連し、この
ような設計指針を明確に設けず、クラッド層での光閉じ
込め率を向上させるための試みがなされている。
レーザ光の遠視野像が単峰性を示す効率の良いレーザ素
子の構成ではAlGaNの厚さを厚くする、あるいはAlNのモ
ル分率を増やすことにより、意図しない導波路との結合
を弱めてやればよいが、上記の従来技術に関連し、この
ような設計指針を明確に設けず、クラッド層での光閉じ
込め率を向上させるための試みがなされている。
【００１２】いたずらにクラッド層を厚くするとOHBA等
が示すようにレーザ発振が選られないことがある。ま
た、実際にはAlGaNとGaNの格子不整によりクラック等の
欠陥が発生するため、GaN層上に充分な閉じこめを可能
とするAlGaNクラッド層は安定には成長できない。AlGaN
クラッド層の成長のため、クラック防止層を設けても厚
いAlGaNクラッド層のクラック発生を防止することは極
めて困難である。したがって、実用上クラック防止層の
導入を行っても、AlGaN層を超格子構造にするなどの工
夫がなされた。しかし、これでは、構造が複雑になり、
素子作製の歩留まり等の問題も発生する。
が示すようにレーザ発振が選られないことがある。ま
た、実際にはAlGaNとGaNの格子不整によりクラック等の
欠陥が発生するため、GaN層上に充分な閉じこめを可能
とするAlGaNクラッド層は安定には成長できない。AlGaN
クラッド層の成長のため、クラック防止層を設けても厚
いAlGaNクラッド層のクラック発生を防止することは極
めて困難である。したがって、実用上クラック防止層の
導入を行っても、AlGaN層を超格子構造にするなどの工
夫がなされた。しかし、これでは、構造が複雑になり、
素子作製の歩留まり等の問題も発生する。
【００１３】したがって、本発明の目的はレーザ発振光
の遠視野像が単峰性を示す効率の良い窒化物半導体レー
ザ素子の構成とその製造方法とを与えることにある。さ
らに、好ましくは本発明ではレーザ素子の構成が簡単で
レーザ素子を高効率、高信頼、長寿命であるように製造
することを目的とする。
の遠視野像が単峰性を示す効率の良い窒化物半導体レー
ザ素子の構成とその製造方法とを与えることにある。さ
らに、好ましくは本発明ではレーザ素子の構成が簡単で
レーザ素子を高効率、高信頼、長寿命であるように製造
することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】発明者等はレーザ素子構
造全体を考慮した導波路構造における光の電界分布を考
慮して、閾値値の低減および単峰性遠視野像の達成に有
効な素子構造を設計した。つぎに、該設計に基づき、実
際に実現可能な構造を半導体膜成長の実験で確認しつ
つ、新規なレーザ素子構造とその製造方法にたどりつい
た。
造全体を考慮した導波路構造における光の電界分布を考
慮して、閾値値の低減および単峰性遠視野像の達成に有
効な素子構造を設計した。つぎに、該設計に基づき、実
際に実現可能な構造を半導体膜成長の実験で確認しつ
つ、新規なレーザ素子構造とその製造方法にたどりつい
た。
【００１５】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、AlN
を含む低温堆積緩衝層と、クラッド層として該低温堆積
緩衝層直上に成長したAlNを含むことにより、クラック
発生なく有効に光を閉じ込めができる構造を有する。そ
して、出射レーザ光の遠視野における強度分布である遠
視野像が単峰性を示すように前記窒化物半導体単結晶層
の厚さとAlNのモル分率の少なくとも一方を調整できる
特徴を有する。
を含む低温堆積緩衝層と、クラッド層として該低温堆積
緩衝層直上に成長したAlNを含むことにより、クラック
発生なく有効に光を閉じ込めができる構造を有する。そ
して、出射レーザ光の遠視野における強度分布である遠
視野像が単峰性を示すように前記窒化物半導体単結晶層
の厚さとAlNのモル分率の少なくとも一方を調整できる
特徴を有する。
【００１６】前記低温堆積緩衝層はサファイア基板のみ
でなくSiC、Si, MgAl2O4基板、GaN薄膜又は基板等の上
に成長できるので素子特性とコストの案配が可能であ
る。前記GaN薄膜はAlN低温堆積緩衝層で覆われた基板上
に成長したものであるのがGaN表面品質がよく好まし
い。
でなくSiC、Si, MgAl2O4基板、GaN薄膜又は基板等の上
に成長できるので素子特性とコストの案配が可能であ
る。前記GaN薄膜はAlN低温堆積緩衝層で覆われた基板上
に成長したものであるのがGaN表面品質がよく好まし
い。
【００１７】さらに前記低温堆積緩衝層と前記窒化物半
導体単結晶層とに同種のドーパントをドープすれば低温
堆積緩衝層に関する抵抗を低減してレーザ素子の効率を
上げることができる。前記低温堆積緩衝層により多くの
ドーピングをおこない低温堆積緩衝層の抵抗率の低下を
促進するのがよい場合が多い。ｎ型ドーパントとしては
Si、Ge,などが、p型ドーパントとしてMg、Zn, Beがもち
いられ、特にSiやMgは低抵抗化の効果と技術的に成熟し
た技法が適用できるのでこのましい。
導体単結晶層とに同種のドーパントをドープすれば低温
堆積緩衝層に関する抵抗を低減してレーザ素子の効率を
上げることができる。前記低温堆積緩衝層により多くの
ドーピングをおこない低温堆積緩衝層の抵抗率の低下を
促進するのがよい場合が多い。ｎ型ドーパントとしては
Si、Ge,などが、p型ドーパントとしてMg、Zn, Beがもち
いられ、特にSiやMgは低抵抗化の効果と技術的に成熟し
た技法が適用できるのでこのましい。
【００１８】前記低温堆積緩衝層の膜厚は、緩衝効果が
安定して得られる所定値以上で、かつ、それ自身および
窒化物半導体単結晶層の結晶品質が良好に保たれるよう
に別の所定値以下であるのがこのましい。したがって、
該膜厚は２ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、さらに
いえば２０ｎｍ〜４０ｎｍのAlyGa1-yN(0<y≦1)層を前
記低温堆積緩衝層とするのがよい。また厚さ0.6μm以上
のAlxGa1-xN(0.05<x≦1)層を前記窒化物半導体単結晶層
とすればよく、前記窒化物半導体単結晶層のAlNのモル
分率が１０％以上であれば出射レーザ光は単峰性の良好
な遠視野像をしめす。
安定して得られる所定値以上で、かつ、それ自身および
窒化物半導体単結晶層の結晶品質が良好に保たれるよう
に別の所定値以下であるのがこのましい。したがって、
該膜厚は２ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、さらに
いえば２０ｎｍ〜４０ｎｍのAlyGa1-yN(0<y≦1)層を前
記低温堆積緩衝層とするのがよい。また厚さ0.6μm以上
のAlxGa1-xN(0.05<x≦1)層を前記窒化物半導体単結晶層
とすればよく、前記窒化物半導体単結晶層のAlNのモル
分率が１０％以上であれば出射レーザ光は単峰性の良好
な遠視野像をしめす。
【００１９】クラック発生を防止できるためには前記低
温堆積緩衝層のAlNモル分率は５％以上であることが好
ましい。AlNモル分率が高ければ該低温堆積緩衝層の抵
抗率は高くなるが、クラック防止のためにはAlNモル分
率は窒化物半導体単結晶層のモル分率と同じか、より高
いほうが良く、同じに選ぶのは一つの好ましい選択であ
る。前記低温堆積緩衝層と前記窒化物半導体単結晶層の
成長は有機金属気相成長法によって成長させれば出射レ
ーザ光が単峰性の良好な遠視野像をしめす窒化物半導体
レーザ素子を組み立てられる。。
温堆積緩衝層のAlNモル分率は５％以上であることが好
ましい。AlNモル分率が高ければ該低温堆積緩衝層の抵
抗率は高くなるが、クラック防止のためにはAlNモル分
率は窒化物半導体単結晶層のモル分率と同じか、より高
いほうが良く、同じに選ぶのは一つの好ましい選択であ
る。前記低温堆積緩衝層と前記窒化物半導体単結晶層の
成長は有機金属気相成長法によって成長させれば出射レ
ーザ光が単峰性の良好な遠視野像をしめす窒化物半導体
レーザ素子を組み立てられる。。
【００２０】本発明の一実施例の窒化物半導体レーザ素
子は、（０００１）C面を備えたサファイア基板上にAlN
低温堆積緩衝層と、n型GaN層と、AlGaN低温堆積緩衝層
と、n型AlGaNクラッド層と、n型GaN光導波層と、GaInN/
GaN量子井戸層からなる活性層と、p型GaN光導波層と、p
型AlGaNクラッド層と、p型GaN光導波層と、p型GaNコン
タクト層とを備え、前記AlGaN低温堆積緩衝層が前記n型
AlGaNクラッド層にドープされたドーパントをドープさ
れていることを特徴としている。そして、前記n型AlGaN
クラッド層と前記ｐ型AlGaNクラッド層の少なくとも一
方の、厚さとAlNモル分率の少なくとも一方を調整して
前記窒化物半導体レーザ素子の出射レーザ光の遠視野像
が単峰性となるようにしている。
子は、（０００１）C面を備えたサファイア基板上にAlN
低温堆積緩衝層と、n型GaN層と、AlGaN低温堆積緩衝層
と、n型AlGaNクラッド層と、n型GaN光導波層と、GaInN/
GaN量子井戸層からなる活性層と、p型GaN光導波層と、p
型AlGaNクラッド層と、p型GaN光導波層と、p型GaNコン
タクト層とを備え、前記AlGaN低温堆積緩衝層が前記n型
AlGaNクラッド層にドープされたドーパントをドープさ
れていることを特徴としている。そして、前記n型AlGaN
クラッド層と前記ｐ型AlGaNクラッド層の少なくとも一
方の、厚さとAlNモル分率の少なくとも一方を調整して
前記窒化物半導体レーザ素子の出射レーザ光の遠視野像
が単峰性となるようにしている。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１に示すAlGaNクラッド層であ
るｎ型AlGaN層１４やｐ型AlGaN層１８に発生するクラッ
クは直下に存在する電流注入用ｎ型GaN層１３やGaN光導
波層１７との格子不整合により発生し、素子、たとえば
レーザ素子製造における歩留まりを大きく下げていた。
クラックが発生しないためにはAlGaNクラッド層はAlNモ
ル分率５%、膜厚0.5μmが限界であった。この限界値で
も、図１に示すレーザ素子の出射レーザ光の遠視野像は
多峰性をしめす。また近視野像からも光閉じ込めが充分
でなく、n型GaN層１３にも光が存在していることがわか
る。図１のレーザ素子では光閉じ込め係数は2.5%であっ
た。
るｎ型AlGaN層１４やｐ型AlGaN層１８に発生するクラッ
クは直下に存在する電流注入用ｎ型GaN層１３やGaN光導
波層１７との格子不整合により発生し、素子、たとえば
レーザ素子製造における歩留まりを大きく下げていた。
クラックが発生しないためにはAlGaNクラッド層はAlNモ
ル分率５%、膜厚0.5μmが限界であった。この限界値で
も、図１に示すレーザ素子の出射レーザ光の遠視野像は
多峰性をしめす。また近視野像からも光閉じ込めが充分
でなく、n型GaN層１３にも光が存在していることがわか
る。図１のレーザ素子では光閉じ込め係数は2.5%であっ
た。
【００２２】そこで、AlGaNクラッド層の直下に低温堆
積緩衝層を挿入することによってクラック発生を防止で
きるのではないかと考えた。
積緩衝層を挿入することによってクラック発生を防止で
きるのではないかと考えた。
【００２３】（予備実験１）図７の（A)、（B) および
（C)にはGaN層上に1μmの厚さAlNモル分率１０％のAlGa
N層を成長させた場合のAlGaN層の表面の微分干渉顕微鏡
よる観察結果を示す。（A)は低温堆積緩衝層がなくGaN
層直上に1μmの厚さのAlGaN層を成長させた場合、（B)
はGaN層上に温度５００℃で堆積させた厚さ30nmのGaN低
温堆積緩衝層を形成したのちAｌGaN層を形成した場合、
（C)はGaN層上に温度５００℃で堆積させた厚さ30nm、A
lN低温堆積緩衝層を形成したのちAｌGaN層を形成した場
合の観察結果である。（A)、（B)ではAlGaN層にはクラ
ックが多数存在していることがわかる。（C)ではクラッ
クが観察されない。
（C)にはGaN層上に1μmの厚さAlNモル分率１０％のAlGa
N層を成長させた場合のAlGaN層の表面の微分干渉顕微鏡
よる観察結果を示す。（A)は低温堆積緩衝層がなくGaN
層直上に1μmの厚さのAlGaN層を成長させた場合、（B)
はGaN層上に温度５００℃で堆積させた厚さ30nmのGaN低
温堆積緩衝層を形成したのちAｌGaN層を形成した場合、
（C)はGaN層上に温度５００℃で堆積させた厚さ30nm、A
lN低温堆積緩衝層を形成したのちAｌGaN層を形成した場
合の観察結果である。（A)、（B)ではAlGaN層にはクラ
ックが多数存在していることがわかる。（C)ではクラッ
クが観察されない。
【００２４】AlGaN低温堆積緩衝層のAlNモル分率は５％
以上であるとクラックの低減に効果があることがわかっ
た。また下地としてはGaN薄膜や基板だけでなく、サフ
ァイアやSiC等の窒化物半導体以外でも同様の効果が得
られた。たとえば、上記GaN層をサファイア基板に変え
て上記（C)のようにAlNモル分率２０％のAlGaN層でも厚
さ５μｍまでクラックはほとんど発生しないことがわか
った。
以上であるとクラックの低減に効果があることがわかっ
た。また下地としてはGaN薄膜や基板だけでなく、サフ
ァイアやSiC等の窒化物半導体以外でも同様の効果が得
られた。たとえば、上記GaN層をサファイア基板に変え
て上記（C)のようにAlNモル分率２０％のAlGaN層でも厚
さ５μｍまでクラックはほとんど発生しないことがわか
った。
【００２５】（予備実験２）予備実験１の結果をふまえ
て次に（０００１）Cサファイア基板にたいし後述の実
施例１における工程を順次施してAlNモル分率１０％の
ｎ型AlGaNクラッド層を形成した。形成されたｎ型AlGaN
クラッド層の表面を微分干渉顕微鏡で観察した。観察結
果を図８にしめす。図８において（A)〜（D)はAlGaN低
温堆積緩衝層のAlNモル分率が、それぞれ０％（GaN)、
２０％、４０％および１００％（AlN）の場合をしめ
す。なお、図７の（B)、（C）は図８の（A)、（D）にそ
れぞれ対応する。
て次に（０００１）Cサファイア基板にたいし後述の実
施例１における工程を順次施してAlNモル分率１０％の
ｎ型AlGaNクラッド層を形成した。形成されたｎ型AlGaN
クラッド層の表面を微分干渉顕微鏡で観察した。観察結
果を図８にしめす。図８において（A)〜（D)はAlGaN低
温堆積緩衝層のAlNモル分率が、それぞれ０％（GaN)、
２０％、４０％および１００％（AlN）の場合をしめ
す。なお、図７の（B)、（C）は図８の（A)、（D）にそ
れぞれ対応する。
【００２６】（実施例１）図３に１μmのｎ型Al0.1Ga0.
9N層直下に低温堆積緩衝層を用いて成長した本発明の一
実施例のレーザ素子２０の構造を示す。またその出射レ
ーザ光の遠視野像を図６に示す。図６において横軸はレ
ーザ素子の光検出素子に対する回転角で、縦軸は対する
光強度である。遠視野像は単峰性で、光閉じ込め係数も
4%以上と大幅に増大することがわかる。
9N層直下に低温堆積緩衝層を用いて成長した本発明の一
実施例のレーザ素子２０の構造を示す。またその出射レ
ーザ光の遠視野像を図６に示す。図６において横軸はレ
ーザ素子の光検出素子に対する回転角で、縦軸は対する
光強度である。遠視野像は単峰性で、光閉じ込め係数も
4%以上と大幅に増大することがわかる。
【００２７】図３に示すように、有機金属気相成長法
（MOVPE法)によりサファイア基板２１のC面上に、AlaN
低温堆積緩衝層３０（５００℃、３０ｎｍ）、Siドープ
n型GaN層２３（１０５０℃、５μｍ）、Siドープｎ型Al
0.1Ga0.9N低温堆積緩衝層３１（５００℃、３０ｎ
ｍ）、Siドープｎ型Al0.1Ga0.9Nクラッド層２４（１０
５０℃、１μｍ）、Siドープn型GaN光導波層２５（１０
５０℃、0.10μｍ）、｛Ga0. 9In0.1N(3nm)/GaN(6nm)}5/
GaN(6nm)活性層２６（８００℃、51nm）、Mgドープp型G
aN光導波層２７（１０５０℃、0.10μｍ）、Mgドープp
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層２８（１０５０℃、1μｍ）お
よびMgドープp型GaNコンタクト層２９（１０５０℃、0.
2μｍ）が順次成長形成され、本発明の一実施例のレー
ザ素子２０が組み立てられる。以下に形成工程を例示す
る。
（MOVPE法)によりサファイア基板２１のC面上に、AlaN
低温堆積緩衝層３０（５００℃、３０ｎｍ）、Siドープ
n型GaN層２３（１０５０℃、５μｍ）、Siドープｎ型Al
0.1Ga0.9N低温堆積緩衝層３１（５００℃、３０ｎ
ｍ）、Siドープｎ型Al0.1Ga0.9Nクラッド層２４（１０
５０℃、１μｍ）、Siドープn型GaN光導波層２５（１０
５０℃、0.10μｍ）、｛Ga0. 9In0.1N(3nm)/GaN(6nm)}5/
GaN(6nm)活性層２６（８００℃、51nm）、Mgドープp型G
aN光導波層２７（１０５０℃、0.10μｍ）、Mgドープp
型Al0.1Ga0.9Nクラッド層２８（１０５０℃、1μｍ）お
よびMgドープp型GaNコンタクト層２９（１０５０℃、0.
2μｍ）が順次成長形成され、本発明の一実施例のレー
ザ素子２０が組み立てられる。以下に形成工程を例示す
る。
【００２８】（基板の洗浄）： まずレーザ素子２０を
成長させる（０００１）C面を備えたサファイア基板
（２インチ基板）２１をフッ酸および王水にそれぞれ５
分間ずつ浸してエッチングを行い、純水にて５分間リン
スする。その後、メタノール、アセトンにて５分間ずつ
有機洗浄した後、再度純水にて５分間リンスする。
成長させる（０００１）C面を備えたサファイア基板
（２インチ基板）２１をフッ酸および王水にそれぞれ５
分間ずつ浸してエッチングを行い、純水にて５分間リン
スする。その後、メタノール、アセトンにて５分間ずつ
有機洗浄した後、再度純水にて５分間リンスする。
【００２９】（基板のクリーニング）： 上記工程を室
温で経たサファイア基板２１をMOVPE（有機金属気相成
長法）装置の反応炉内に搬送する。反応炉内を窒素にて
充分置換して酸素および水分を取り除いた後に、水素を
導入して1100℃で１０分間サファイア基板の加熱クリー
ニングを行う。
温で経たサファイア基板２１をMOVPE（有機金属気相成
長法）装置の反応炉内に搬送する。反応炉内を窒素にて
充分置換して酸素および水分を取り除いた後に、水素を
導入して1100℃で１０分間サファイア基板の加熱クリー
ニングを行う。
【００３０】（AlN低温堆積緩衝層３０の形成）：その
後、サファイア基板２１の温度を500℃に設定しTMAl
（トリメチルアルミニウム）とアンモニアを炉内に約３
分間供給してサファイア基板２１上に30nmのAlN低温堆
積緩衝層を成長させる。
後、サファイア基板２１の温度を500℃に設定しTMAl
（トリメチルアルミニウム）とアンモニアを炉内に約３
分間供給してサファイア基板２１上に30nmのAlN低温堆
積緩衝層を成長させる。
【００３１】（n型GaN層２３の形成）： AlN低温堆積緩
衝層３０の成長終了後、サファイア基板２１の温度を10
50℃まで上昇させ、TMGa（トリメチルガリウム）、アン
モニアおよびシランを供給してn型GaN層２３の成長を開
始する。毎時２．５μｍの成長速度で5μm成長したとこ
ろで、TMGaおよびシランの供給を止める。またサファイ
ア基板の温度も再度500℃にまで下げる。この間アンモ
ニアの供給は続けたままである。成長したｎ型GaN層２
３のト゛ーパントSiの濃度は２×１０１８ｃｍ-3である。
Siの濃度を高く選べばn型GaN層２３の比抵抗は低くなる
が結晶性が劣化する。そこで、Siの濃度は２×１０18ｃ
ｍ-3を中心に５×１０１７ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3
での範囲で選ばれる。
衝層３０の成長終了後、サファイア基板２１の温度を10
50℃まで上昇させ、TMGa（トリメチルガリウム）、アン
モニアおよびシランを供給してn型GaN層２３の成長を開
始する。毎時２．５μｍの成長速度で5μm成長したとこ
ろで、TMGaおよびシランの供給を止める。またサファイ
ア基板の温度も再度500℃にまで下げる。この間アンモ
ニアの供給は続けたままである。成長したｎ型GaN層２
３のト゛ーパントSiの濃度は２×１０１８ｃｍ-3である。
Siの濃度を高く選べばn型GaN層２３の比抵抗は低くなる
が結晶性が劣化する。そこで、Siの濃度は２×１０18ｃ
ｍ-3を中心に５×１０１７ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3
での範囲で選ばれる。
【００３２】（ AlGaN低温堆積緩衝層３１の形成）：
サファイア基板２１の温度が500℃になったら、TMGaお
よびTMAlを供給開始して毎分１０ｎｍの成長速度で30nm
のAlGaN低温堆積緩衝層３１の成長を行う。このAlGaN低
温堆積緩衝層３１に、より優れたn型伝導性を持たせる
ために同時にシランを供給してSiを濃度5x1017〜5x1019
cm-3程の範囲でドープすることも可能である。本実施例
ではト゛ーパントSiの濃度を２×１０18ｃｍ-3とした。こ
れによりAlGaN低温堆積緩衝層３１の抵抗率が充分小さ
くなり、レーザ素子２０の駆動に必要な電流が流せる。
緩衝層の成長終了後、TMAl、TMGaとシランのすべての供
給を停止し、約５分でサファイア基板２１の温度を1050
℃に上げる。
サファイア基板２１の温度が500℃になったら、TMGaお
よびTMAlを供給開始して毎分１０ｎｍの成長速度で30nm
のAlGaN低温堆積緩衝層３１の成長を行う。このAlGaN低
温堆積緩衝層３１に、より優れたn型伝導性を持たせる
ために同時にシランを供給してSiを濃度5x1017〜5x1019
cm-3程の範囲でドープすることも可能である。本実施例
ではト゛ーパントSiの濃度を２×１０18ｃｍ-3とした。こ
れによりAlGaN低温堆積緩衝層３１の抵抗率が充分小さ
くなり、レーザ素子２０の駆動に必要な電流が流せる。
緩衝層の成長終了後、TMAl、TMGaとシランのすべての供
給を停止し、約５分でサファイア基板２１の温度を1050
℃に上げる。
【００３３】（ n型AlGaNクラッド層２４の形成）： サ
ファイア基板２１の温度が1050℃になったら、TMAl、TM
Gaおよびシランの供給を再開してn型AlGaNクラッド層２
４の成長を開始する。ここでは直下にAlGaN低温堆積緩
衝層３１があるため、10%のAlNモル分率でも膜厚1μmの
AlGaNクラッド層２４がクラックの導入無しで成長す
る。ドーパントSiを濃度5x1017〜1x1019cm-3程の範囲で
ドープすることが可能である。本実施例ではト゛ーパント
Siの濃度を２×１０18ｃｍ-3とした。
ファイア基板２１の温度が1050℃になったら、TMAl、TM
Gaおよびシランの供給を再開してn型AlGaNクラッド層２
４の成長を開始する。ここでは直下にAlGaN低温堆積緩
衝層３１があるため、10%のAlNモル分率でも膜厚1μmの
AlGaNクラッド層２４がクラックの導入無しで成長す
る。ドーパントSiを濃度5x1017〜1x1019cm-3程の範囲で
ドープすることが可能である。本実施例ではト゛ーパント
Siの濃度を２×１０18ｃｍ-3とした。
【００３４】（n型GaN光導波層２５の形成）： クラッ
ド層２４成長後、サファイア基板２１の温度を1050℃に
保持したままTMAlの供給のみを停止して、引き続き100n
mのn型GaN光導波層２５の成長を開始する。成長条件は
上記ｎ型GaN層２３と同様である。上記AlGaN低温堆積緩
衝層３１、ｎ型GaN層２３、n型AlGaNクラッド層２４お
よびn型GaN光導波層２５のドーパント濃度は互いに異な
ってもよいし、その中のいくつかが同じでも良いが、全
て略同じに設計すれば工程が簡素化される。
ド層２４成長後、サファイア基板２１の温度を1050℃に
保持したままTMAlの供給のみを停止して、引き続き100n
mのn型GaN光導波層２５の成長を開始する。成長条件は
上記ｎ型GaN層２３と同様である。上記AlGaN低温堆積緩
衝層３１、ｎ型GaN層２３、n型AlGaNクラッド層２４お
よびn型GaN光導波層２５のドーパント濃度は互いに異な
ってもよいし、その中のいくつかが同じでも良いが、全
て略同じに設計すれば工程が簡素化される。
【００３５】（活性層２６の形成）： 次にサファイア
基板２１の温度を800℃にしてTMGa,TMIn（トリメチルイ
ンジウム）を供給して発振波長に依存するInNのモル分
率、すなわち本実施例では発振波長４００ｎmに対応す
る１０％で、Ga0.9In0.1N（３ｎｍ）/GaN（６ｎｍ）対
を5対成長させ、さらにGaN（６ｎｍ）を一層成長させて
多重量子井戸層からなる活性層２６を成長させる。毎分
３〜６ｎｍの成長速度でよいが、ここでは毎分５nm で
５１ｎｍ成長させた。
基板２１の温度を800℃にしてTMGa,TMIn（トリメチルイ
ンジウム）を供給して発振波長に依存するInNのモル分
率、すなわち本実施例では発振波長４００ｎmに対応す
る１０％で、Ga0.9In0.1N（３ｎｍ）/GaN（６ｎｍ）対
を5対成長させ、さらにGaN（６ｎｍ）を一層成長させて
多重量子井戸層からなる活性層２６を成長させる。毎分
３〜６ｎｍの成長速度でよいが、ここでは毎分５nm で
５１ｎｍ成長させた。
【００３６】（p型GaN光導波層２７の形成）：活性層２
６の成長終了後、TMGaおよびTMInの供給を停止し、サフ
ァイア基板２１の温度を1050℃まで上げて、TMGaおよび
Cｐ2Mg（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を供
給して層厚100nmのp型GaN光導波層２７を毎時２μｍで
成長させた。Mgの濃度の値はは1x1018〜1x1020cm-3の範
囲でよいが、約５x1019cm-3のが好ましい。Siの場合と
同様にMgの濃度も高すぎれば結晶性を劣化させうるので
注意が必要である。 （p型AlGaNクラッド層２８の形成）：ついでTMInの供給
を止め、TMAlを供給してp型AlGaNクラッド層２８を成長
させた。Mgの濃度の値は1x1018〜1x1020cm-3の範囲でよ
いが、約５x1019cm-3のが好ましい。
６の成長終了後、TMGaおよびTMInの供給を停止し、サフ
ァイア基板２１の温度を1050℃まで上げて、TMGaおよび
Cｐ2Mg（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を供
給して層厚100nmのp型GaN光導波層２７を毎時２μｍで
成長させた。Mgの濃度の値はは1x1018〜1x1020cm-3の範
囲でよいが、約５x1019cm-3のが好ましい。Siの場合と
同様にMgの濃度も高すぎれば結晶性を劣化させうるので
注意が必要である。 （p型AlGaNクラッド層２８の形成）：ついでTMInの供給
を止め、TMAlを供給してp型AlGaNクラッド層２８を成長
させた。Mgの濃度の値は1x1018〜1x1020cm-3の範囲でよ
いが、約５x1019cm-3のが好ましい。
【００３７】p型GaN光導波層２７とp型AlGaNクラッド層
２８のドーパントMgの濃度は異なってもよいが、同じに
すれば作業工程はより簡単になる。濃度の値は1x1018〜
1x10 20cm-3の範囲でよいが、約５x1019cm-3のが好まし
い。
２８のドーパントMgの濃度は異なってもよいが、同じに
すれば作業工程はより簡単になる。濃度の値は1x1018〜
1x10 20cm-3の範囲でよいが、約５x1019cm-3のが好まし
い。
【００３８】（p型GaNコンタクト層２９の形成）： P型
クラッド層２８の成長後、サファイア基板２１の温度を
1050℃に保持したまま、TMAlの供給を停止して、毎時
２．５μmでp型GaNコンタクト層２９を２００ｎｍ成長
させた。ドーパントMgの濃度は約１x1020cm-3のが好ま
しい。
クラッド層２８の成長後、サファイア基板２１の温度を
1050℃に保持したまま、TMAlの供給を停止して、毎時
２．５μmでp型GaNコンタクト層２９を２００ｎｍ成長
させた。ドーパントMgの濃度は約１x1020cm-3のが好ま
しい。
【００３９】（成長表面の観察）：サファイア基板２１
の温度を下げて100℃以下になった時点でアンモニアの
供給を停止し、反応炉内から上記各層が積層されたサフ
ァイア基板を取り出す。成長表面を微分干渉顕微鏡にて
観察しクラック発生のないことが確認される。
の温度を下げて100℃以下になった時点でアンモニアの
供給を停止し、反応炉内から上記各層が積層されたサフ
ァイア基板を取り出す。成長表面を微分干渉顕微鏡にて
観察しクラック発生のないことが確認される。
【００４０】（N側電極形成−図示せず）： N側電極の
形成のため、エッチングにてn型GaN層２３の面あるいは
n型AlGaNクラッド層２４の面を露出させて電極を蒸着さ
せる。本実施例では従来どおりにn型GaN面にTi/Al（チ
タン−アルミニウム）電極を形成した。素子抵抗逓減の
ためｐ型層により近いn型AlGaN層２４の表面面を露出さ
せて電極を蒸着させてもよい。
形成のため、エッチングにてn型GaN層２３の面あるいは
n型AlGaNクラッド層２４の面を露出させて電極を蒸着さ
せる。本実施例では従来どおりにn型GaN面にTi/Al（チ
タン−アルミニウム）電極を形成した。素子抵抗逓減の
ためｐ型層により近いn型AlGaN層２４の表面面を露出さ
せて電極を蒸着させてもよい。
【００４１】（P側電極形成−図示せず）：電流狭窄を
行うためリッジ構造を導入する。 Mgドープした層のｐ
型化を促すため、従来技術による熱的なアニールや電子
線照射処理を行った後にp型GaNコンタクト層２９に幅５
μで長さ５００μｍのp側電極をNi/Auで形成した。アニ
ール処理はＮ側電極の形成前におこなっても良い。本実
施例では該形成後に行った。アニール処理に付いては、
本願出願人による特許出願：特願平９−３７７０５号明
細書に記載の方法が用いられる。
行うためリッジ構造を導入する。 Mgドープした層のｐ
型化を促すため、従来技術による熱的なアニールや電子
線照射処理を行った後にp型GaNコンタクト層２９に幅５
μで長さ５００μｍのp側電極をNi/Auで形成した。アニ
ール処理はＮ側電極の形成前におこなっても良い。本実
施例では該形成後に行った。アニール処理に付いては、
本願出願人による特許出願：特願平９−３７７０５号明
細書に記載の方法が用いられる。
【００４２】（レーザ素子の形成）両電極形成後、劈開
を行って共振器構造を形成しレーザ素子とした。
を行って共振器構造を形成しレーザ素子とした。
【００４３】（比較例１）図1の従来技術のレーザ素子
１０を、サファイア基板上１１のGaN低温堆積緩衝層１
２上にｎ型GaN層２３を形成し、AlGaN低温緩衝層の形成
をせず直接AｌNのモル分率が５パーセントのｎ型AlGaN
クラッド層１４を５００ｎｍ厚さで形成して、同じモル
分率でｐ型AlGaNクラッド層１８を５００ｎｍ厚さで形
成した。光導波層、活性層、コンタクト層、および電極
は実施例１におけると同様に形成された。このレーザ素
子１０では閾値電流が約３００ｍAであった。また出射
レーザ光の遠視野像は図２に示すように多峰性をしめす
ことがわかった。図２の横軸はレーザ素子の光検出素子
に対する回転角で縦軸は光強度をしめす。 （比較例１と実施例１の比較）実施例１のレーザ素子を
測定したところ、レーザ発振の閾値電流が比較例のレー
ザ素子の約半分の150mAになった。また、出射光の遠視
野像は図６に示すようにきれいな単峰性をしめすことが
わかった。
１０を、サファイア基板上１１のGaN低温堆積緩衝層１
２上にｎ型GaN層２３を形成し、AlGaN低温緩衝層の形成
をせず直接AｌNのモル分率が５パーセントのｎ型AlGaN
クラッド層１４を５００ｎｍ厚さで形成して、同じモル
分率でｐ型AlGaNクラッド層１８を５００ｎｍ厚さで形
成した。光導波層、活性層、コンタクト層、および電極
は実施例１におけると同様に形成された。このレーザ素
子１０では閾値電流が約３００ｍAであった。また出射
レーザ光の遠視野像は図２に示すように多峰性をしめす
ことがわかった。図２の横軸はレーザ素子の光検出素子
に対する回転角で縦軸は光強度をしめす。 （比較例１と実施例１の比較）実施例１のレーザ素子を
測定したところ、レーザ発振の閾値電流が比較例のレー
ザ素子の約半分の150mAになった。また、出射光の遠視
野像は図６に示すようにきれいな単峰性をしめすことが
わかった。
【００４４】（実地例２）実施例１と異なる点は、AlN
低温堆積緩衝層３０の形成とｎ型GaN層２３の形成とを
行わず、サファイア基板２１に直接 AlGaN低温堆積緩衝
層３１の成長をおこなう点である。レーザ素子形成のた
めの基板として、サファイア基板はよく研究されており
かつ廉価であり、SiC基板は高価であるが比抵抗値が低
く安定であり、劈開性に優れる。
低温堆積緩衝層３０の形成とｎ型GaN層２３の形成とを
行わず、サファイア基板２１に直接 AlGaN低温堆積緩衝
層３１の成長をおこなう点である。レーザ素子形成のた
めの基板として、サファイア基板はよく研究されており
かつ廉価であり、SiC基板は高価であるが比抵抗値が低
く安定であり、劈開性に優れる。
【００４５】N側電極の形成は、エッチングにてn型AlGa
Nクラッド層の面を露出させてTi/Au電極を蒸着させる。
電極形成後、劈開を行って共振器構造を形成し、このレ
ーザ素子を測定したところ、閾値電流は実施例１のレー
ザ素子のそれに近い160mAになった。この場合も遠視野
像はきれいな単峰性をしめすことがわかった。
Nクラッド層の面を露出させてTi/Au電極を蒸着させる。
電極形成後、劈開を行って共振器構造を形成し、このレ
ーザ素子を測定したところ、閾値電流は実施例１のレー
ザ素子のそれに近い160mAになった。この場合も遠視野
像はきれいな単峰性をしめすことがわかった。
【００４６】（実施例の変形実施例）上述の実施例にお
いて、AlGaNクラッド層のAlNモル分率と厚さとを変えた
場合の光閉じ込め係数と出射レーザ光の遠視野像の変化
を図４と図５にしめす。ｎ型AlGaNクラッド層２４とｐ
型AlGaNクラッド層２８の組成と層厚は略同じに設計し
た。図４には、AlGaNクラッド層２４，２８の層厚ｔを
0.5, 1, 1.5μｍとした場合のAlNモル分率（横軸）の変
化に応じた光閉じ込め係数（縦軸）がプロットされてい
る。図５にはAlGaNクラッド層２４，２８のAlNモル分率
を１０％したとき、層厚ｔをパラメータにして、レーザ
素子の光検出素子に対する回転角（横軸）に対する光強
度（縦軸）の変化をしめす。図5の各曲線は見やすいよ
うに縦軸方向に偏倚されているのことに注意されたい。
図４、図５のAl組成と光閉じ込め係数の関係を示すよう
にAl組成10%以上、および層1μm以上で大きな光閉じ込
め係数が得られ、遠視野像も良好な単峰性を有すること
がわかる。
いて、AlGaNクラッド層のAlNモル分率と厚さとを変えた
場合の光閉じ込め係数と出射レーザ光の遠視野像の変化
を図４と図５にしめす。ｎ型AlGaNクラッド層２４とｐ
型AlGaNクラッド層２８の組成と層厚は略同じに設計し
た。図４には、AlGaNクラッド層２４，２８の層厚ｔを
0.5, 1, 1.5μｍとした場合のAlNモル分率（横軸）の変
化に応じた光閉じ込め係数（縦軸）がプロットされてい
る。図５にはAlGaNクラッド層２４，２８のAlNモル分率
を１０％したとき、層厚ｔをパラメータにして、レーザ
素子の光検出素子に対する回転角（横軸）に対する光強
度（縦軸）の変化をしめす。図5の各曲線は見やすいよ
うに縦軸方向に偏倚されているのことに注意されたい。
図４、図５のAl組成と光閉じ込め係数の関係を示すよう
にAl組成10%以上、および層1μm以上で大きな光閉じ込
め係数が得られ、遠視野像も良好な単峰性を有すること
がわかる。
【００４７】また、図４では層厚が0.5μｍでも１μｍ
でもAlNモル分率１０％では光り閉じ込め係数には殆ど
差が無いように見えるが、図5においては明らかに差が
みとめられる。したがって、遠視野像によっても層厚や
AlNモル分率を調整するのが好ましい。
でもAlNモル分率１０％では光り閉じ込め係数には殆ど
差が無いように見えるが、図5においては明らかに差が
みとめられる。したがって、遠視野像によっても層厚や
AlNモル分率を調整するのが好ましい。
【００４８】上述の実施例ではp型GaN光導波層２７とp
型AlGaNクラッド層２８の間にAlGaN低温堆積緩衝層を用
いなかったが、さらなるクラックの低減を目指してAlGa
N低温堆積緩衝層を再度用いてもよい。その際、AlGaN低
温堆積緩衝層をp型にするため、Mgを1x1018〜5x1020cm
-3程度ドープしても良い。たとえば1x1020m-3が選択で
きる。
型AlGaNクラッド層２８の間にAlGaN低温堆積緩衝層を用
いなかったが、さらなるクラックの低減を目指してAlGa
N低温堆積緩衝層を再度用いてもよい。その際、AlGaN低
温堆積緩衝層をp型にするため、Mgを1x1018〜5x1020cm
-3程度ドープしても良い。たとえば1x1020m-3が選択で
きる。
【００４９】前記低温堆積緩衝層にはその直上に形成さ
れる層に対するより多くのドーピングをおこない低温堆
積緩衝層の抵抗率の低下を促進するのがよい。
れる層に対するより多くのドーピングをおこない低温堆
積緩衝層の抵抗率の低下を促進するのがよい。
【００５０】上記実施例で用い製造方法は有機金属気相
成長法（MOVPE法)が好ましいが分子線エピタキシャル成
長法（MBE法）やハイドライド気相成長法（HVPE法）で
あっても良い。また、上記実施例等で用いる基板はサフ
ァイア基板やSiC基板のほかにスピネルあるいはGaN基板
等を用いてもかまわないし本願出願人が平成9年11月０
７日に出願した特願平９−３０６２１５号の明細書に記
載の基板が使用できる。
成長法（MOVPE法)が好ましいが分子線エピタキシャル成
長法（MBE法）やハイドライド気相成長法（HVPE法）で
あっても良い。また、上記実施例等で用いる基板はサフ
ァイア基板やSiC基板のほかにスピネルあるいはGaN基板
等を用いてもかまわないし本願出願人が平成9年11月０
７日に出願した特願平９−３０６２１５号の明細書に記
載の基板が使用できる。
【００５１】
【発明の効果】本発明の実施により以下の効果が得られ
る。例えば10%のAlNモル分率で膜厚1μmのAlGaNクラッ
ド層がクラックの導入無しで成長する。そのため、超格
子構造等の複雑な構造を導入する必要がない。また遠視
野像において良好な単峰性が容易に得られるため、光情
報記録装置への組み込み等レーザを必要とする機器への
適用が極めて容易になる。さらに活性層への光閉じ込め
率がよくなるため、発振閾値電流の低減が可能となり、
機器への適用範囲が大幅に拡大する。クラックがほとん
ど発生しないため、素子作製における歩留まりが極めて
向上し、大幅なコスト低減に繋がる。
る。例えば10%のAlNモル分率で膜厚1μmのAlGaNクラッ
ド層がクラックの導入無しで成長する。そのため、超格
子構造等の複雑な構造を導入する必要がない。また遠視
野像において良好な単峰性が容易に得られるため、光情
報記録装置への組み込み等レーザを必要とする機器への
適用が極めて容易になる。さらに活性層への光閉じ込め
率がよくなるため、発振閾値電流の低減が可能となり、
機器への適用範囲が大幅に拡大する。クラックがほとん
ど発生しないため、素子作製における歩留まりが極めて
向上し、大幅なコスト低減に繋がる。
【００５２】本方法のクラッド層形成方法の適用により
クラック等の欠陥の少ない厚いAlGaN膜を形成できるの
で、レーザダイオード等の光素子のみならず、III族窒
化物半導体のヘテロ構造を用いたあらゆる素子構造（フ
ォトダイオード、発光ダイオード、面発光レーザ、HEM
T、FETなど）において、本方法を活用して特性の向上が
はかられる。
クラック等の欠陥の少ない厚いAlGaN膜を形成できるの
で、レーザダイオード等の光素子のみならず、III族窒
化物半導体のヘテロ構造を用いたあらゆる素子構造（フ
ォトダイオード、発光ダイオード、面発光レーザ、HEM
T、FETなど）において、本方法を活用して特性の向上が
はかられる。
【図１】典型的なGaN系レーザ素子の構造図である。
【図２】従来技術によるGaN系レーザ素子の出射レーザ
光の遠視野像を示すグラフである。
光の遠視野像を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例のレーザ素子の構造図であ
る。
る。
【図４】本発明の一実施例のレーザ素子において、AlGa
Nクラッド層の層厚ｔを0.5,1,1.5μｍとした場合のAlN
モル分率（横軸）の変化に応じた光閉じ込め係数（縦
軸）をプロットしたグラフである。
Nクラッド層の層厚ｔを0.5,1,1.5μｍとした場合のAlN
モル分率（横軸）の変化に応じた光閉じ込め係数（縦
軸）をプロットしたグラフである。
【図５】本発明の一実施例のレーザ素子において、AlGa
Nクラッド層の層厚ｔを0.5,1,1.5μｍとした場合の、Al
Nモル分率を１０％における、レーザ素子の光検出素子
に対する回転角（横軸）に対する出射レーザ光の光強度
（縦軸）の変化をしめすグラフである。
Nクラッド層の層厚ｔを0.5,1,1.5μｍとした場合の、Al
Nモル分率を１０％における、レーザ素子の光検出素子
に対する回転角（横軸）に対する出射レーザ光の光強度
（縦軸）の変化をしめすグラフである。
【図６】本発明の一実施例のレーザ素子の出射レーザ光
の遠視野像を示す図である。
の遠視野像を示す図である。
【図７】GaN層上に1μmの厚さのAlGaN層（AlNモル分率
は１０％）を成長させた場合のAlGaN層の表面の微分干
渉顕微鏡よる観察結果を示す写真である。
は１０％）を成長させた場合のAlGaN層の表面の微分干
渉顕微鏡よる観察結果を示す写真である。
【図８】（０００１）Cサファイア基板にたいし実施例
１における工程を順次施してAlNモル分率１０％のｎ型A
lGaNクラッド層を形成し、形成されたｎ型AlGaNクラッ
ド層の表面を微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真
である。
１における工程を順次施してAlNモル分率１０％のｎ型A
lGaNクラッド層を形成し、形成されたｎ型AlGaNクラッ
ド層の表面を微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す写真
である。
１０、 GaN系レーザ素子、 １１ 基板 １２ 低温堆積緩衝層 １３ n型GaN層（ｎ型GaNコンタクト層） １４ ｎ型AlGaN層（ n型AlGaNクラッド層） １５ n型GaN光導波層 １６ 活性層 １７ p型GaN光導波層 １８ p型AlGaN層（p型AlGaNクラッド層） １９ p型GaN層（p型GaNコンタクト層） ２０ レーザ素子 ２１ サファイア基板 ２３ Siドープn型GaN層 ２４ Siドープｎ型Al0.1Ga0.9Nクラッド層 ２５ Siドープn型GaN光導波層 ２６ ｛Ga0.9In0.1N(3nm)/GaN(6nm)}5GaN(6nm)活性層 ２７ Mgドープp型GaN光導波層 ２８ Mgドープp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層 ２９ Mgドープp型GaNコンタクト層 ３０ AlGaN低温堆積緩衝層 ３１ Siドープｎ型Al0.1Ga0.9N低温堆積緩衝層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399117121 395 Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐ ａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 金子 和 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番２号 ヒューレット・パッカードラボラトリー ズジャパンインク内 (72)発明者 山田 範秀 神奈川県川崎市高津区坂戸３丁目２番２号 ヒューレット・パッカードラボラトリー ズジャパンインク内 (72)発明者 天野 浩 愛知県名古屋市名東区山の手２丁目104番 (72)発明者 赤▲崎▼ 勇 愛知県名古屋市西区浄心１丁目１番 38− 805号 Ｆターム(参考） 5F073 AA74 CA07 CB04 CB05 CB07 CB19 EA18 EA19
Claims (15)
- 【請求項１】AlNを含む低温堆積緩衝層と、クラッド層
として該低温堆積緩衝層直上に成長したAlNを含む窒化
物半導体単結晶層とを含む窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項２】前記窒化物半導体レーザ素子の出射レーザ
光の遠視野における強度分布が単峰性を示すように前記
窒化物半導体単結晶層の厚さとAlNのモル分率の少なく
とも一方を調整した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素子。 - 【請求項３】前記低温堆積緩衝層がサファイア基板に成
長したことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか
に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項４】前記低温堆積緩衝層がSiC基板に成長した
ことを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載
の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項５】前記低温堆積緩衝層がGaN層に成長したこ
とを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の
窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項６】前記GaNはAlN低温堆積緩衝層で覆われた基
板上に成長したものであることを特徴とする請求項５に
記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項７】前記低温堆積緩衝層と前記窒化物半導体単
結晶層とに同種のドーパントをドープしたことを特徴と
する請求項１〜請求項６のいずれかに記載の窒化物半導
体レーザ素子。 - 【請求項８】前記ドーパントはSiかMgのいずれかである
ことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レーザ
素子。 - 【請求項９】厚さ１００ｎｍ以下のAlyGa1-yN(0<y≦1)
層を前記低温堆積緩衝層とし厚さ0.6μm以上のAlxGa1-x
N(0.05<x≦1)層を前記窒化物半導体単結晶層としたこと
を特徴とする請求項２〜請求項８のいずれかに記載の窒
化物半導体レーザ素子。 - 【請求項１０】前記低温堆積緩衝層のAlNモル分率は５
％以上であることを特徴とする請求項２〜請求項９のい
ずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項１１】前記窒化物半導体単結晶層のAlNのモル
分率が１０％以上であることを特徴とする請求項１０に
記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項１２】前記低温堆積緩衝層と前記窒化物半導体
単結晶層の成長は有機金属気相成長法によって成長させ
たものであることを特徴とする請求項２〜請求項１１の
いずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項１３】（０００１）C面を備えたサファイア基
板上にAlN低温堆積緩衝層と、n型GaN層と、AlGaN低温堆
積緩衝層と、n型AlGaNクラッド層と、n型GaN光導波層
と、GaInN/GaN量子井戸層からなる活性層と、p型GaN光
導波層と、p型AlGaNクラッド層と、p型GaNコンタクト層
とを備えた窒化物半導体レーザ素子において、前記AlGa
N低温堆積緩衝層が前記n型AlGaNクラッド層にドープさ
れたドーパントをドープされていることを特徴とするす
る窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項１４】前記n型AlGaNクラッド層と前記ｐ型AlGa
Nクラッド層の少なくとも一方の、厚さとAlNモル分率の
少なくとも一方を調整して前記窒化物半導体レーザ素子
の出射レーザ光の遠視野像が単峰性となるようにした請
求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 【請求項１５】前記p型GaN光導波層と前記ｐ型AlGaNク
ラッド層の間にAlGaN低温堆積緩衝層を設けたこと特徴
とする請求項１３あるいは請求項１４のいずれかに記載
の窒化物半導体レーザ素子。
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