JP2003086904A - ＧａＮ系半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ａｌ組成が含まれていても、従来よりクラッ
クが抑制されたＧａＮ系結晶層によって構成されたＧａ
Ｎ系半導体レーザを提供すること。 【解決手段】 転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ
０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結
晶層（単独の結晶基板であってもよい）上に、ＧａＮ系
結晶層からなる積層構造を形成し、ＧａＮ系半導体レー
ザを構成する。このとき、（ＧａＮ系結晶層のＡｌ組
成）≦（前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶のＡｌ組成ｘ）とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系半導体材
料を少なくとも発光部に用いたＧａＮ系半導体レーザに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ系半導体レーザ（ＧａＮ系レーザ
ダイオード、以下、ＧａＮ系ＬＤともいう）は、所謂青
紫色レーザ素子として近年実用化され、種々の素子構造
のものが提案されている。ＧａＮ系半導体とは、式Ａｌ
_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ
＋ｂ≦１）で決定される化合物半導体である。ＧａＮ系
ＬＤは、その発光部に用いられるＧａＮ系半導体材料の
バンドギャップによっては、赤色〜緑色〜青色光のみな
らず、紫外域のレーザ光を出射させることが可能であ
り、次世代ＤＶＤ用光源などのように、記録用、通信用
の光源として期待されている。

【０００３】図３は、従来のＧａＮ系ＬＤの素子構造の
一例を示しており、サファイア基板などの結晶成長の基
礎となるベース基板１０１上に、ＡｌＮなどの低温成長
バッファ層または選択成長法（ラテラル成長法；Epitax
ial Lateral Overgrowth)を実施し得る構造など（これ
らは１０１ｂとして示す）を介して、厚膜のＧａＮ結晶
層１０２を成長させ、その上に順に、ｎ−ＧａＮコンタ
クト層１０３、ｎ−Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１０４、
ｎ−ＩｎＧａＮ導波層１０５、組成の異なるＩｎＧａＮ
ペアによる多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０６、ｐ−Ａｌ
_bＧａ_1-bＮキャップ層１０７、ｐ−ＩｎＧａＮ導波層１
０８、ｐ−Ａｌ_cＧａ_1-cＮクラッド層１０９、ｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１１０が、結晶成長によって積層された
構造となっている。各ＡｌＧａＮ層の組成比ａ、ｂ、ｃ
は、適宜決定される。さらに、同図の積層構造には、上
記ＭＱＷ活性層に実効的なストライプ状の屈折率差を与
えて屈折率導波型ストライプ構造を形成するために、ｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層の一部まで、実質的にストライ
プ幅を決定する幅でエッチングする。ｐ電極とｐ−コン
タクト層との電気的な接触は、このストライプ幅で得ら
れる。ｎ−ＧａＮコンタクト層１０３が一部露出するよ
うエッチングが施され、ｐおよびｎ両コンタクト層には
それぞれ電極Ｐ１０１、Ｐ１０２が形成される。レーザ
素子としてのストライプ構造は、電極形状を含めて種々
のものが提案されている。また、低温成長バッファ層
は、３５０〜５５０℃程度の成長温度で形成される、厚
さ１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の層である。また、本明細
書でいう、ＩｎＧａＮは、特に断らない限り、Ｉｎ組成
が０（即ち、ＧａＮ）の場合をも含むものとする（以
下、同様）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】他の半導体デバイスと
同様、ＧａＮ系ＬＤの素子構造も、上記のように結晶基
板上にＧａＮ系結晶層を順次成長させて積層したもので
あるが、ＧａＮ系半導体であるという点、およびＬＤで
あるという点から、下層側に位置するｎ−Ａｌ_aＧａ_1-a
Ｎクラッド層１０４には次の問題が存在している。

【０００５】ｎ−Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１０４の役
割は、光ファイバのクラッド層と同じ、光の閉じ込めで
あり、ｎ−ＩｎＧａＮ導波層１０５より屈折率を低く設
定される。また、ｎ−Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１０４
は、導波層１０５との屈折率差だけでなく、その層厚が
重要である。屈折率差、層厚の一方でも足りなければ、
光の閉じ込めは充分に達成できない。光の閉じ込めが充
分に達成できないと、導波層中の光密度が低下して利得
が充分得られなかったり、さらに下層のｎ−ＧａＮコン
タクト層１０３への光の染み出しが生じ、レーザ光の放
射パターンの単峰性が達成できないなどの問題が生じ
る。

【０００６】このため、発振波長が４００〜４１０ｎｍ
のＬＤでは、ｎ−Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層は、一般的
には、ＡｌＮ混晶比ａ＝０．０７程度（Ｅｇ＝３．５７
ｅＶ、超格子構造の場合は平均組成）以上、厚さ０．７
μｍ以上、好ましくは１．０μｍ以上とされる。前記Ａ
ｌＮ混晶比を大きくし過ぎると屈折率差が大きくなり過
ぎ、放射パターンの垂直横モードが広がるが、発振波長
が短波長にシフトすると、各層のバンドギャップもそれ
に伴って大きくする必要があり、該クラッド層に要求さ
れるＡｌＮ混晶比ａは大きくなる。

【０００７】しかしながら、クラッド層１０４として、
ｎ−Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（ａ＝０．０７）をＧａＮ結晶層
（１０２または１０３）上に成長させると、厚さ０．８
μｍ以上に成長させた時点から該ＡｌＧａＮ層にクラッ
クが入り始め、そのクラックの程度は、例えば５ｍｍ×
５ｍｍ角内に複数本のクラックが入り始めると例示でき
る。ＡｌＮ混晶比が更に大きくなれば、許容される厚み
はＡｌＮ混晶比の増加に従って薄くなる。言い換えれば
該ＡｌＧａＮ層の厚みを増加する、或いはＡｌＮ混晶比
を増加させると、該ＡｌＧａＮ層には無数のクラックが
入り、素子の作製は極めて困難になる。従って、クラッ
クの発生を防止し、少なくともＡｌＮ混晶比が０．０７
以上で０．７μｍ以上の厚みの高品質なｎ−Ａｌ_aＧａ
_1-aＮを成長させることは、ＧａＮ系ＬＤの性能および
生産性を向上させる上で不可欠の課題である。

【０００８】このクラック発生の原因は、主として、Ｇ
ａＮとＡｌＧａＮとの間の格子定数の差によって生じる
応力が、ＡｌＧａＮ層の成長中から該層に作用するから
であると考えられている。このクラック発生を防ぐため
に、低温成長ＡｌＮバッファ層上に、ＧａＮ層を介さ
ず、直接的にＡｌＧａＮ層を成長させる試みもなされて
いる。例えば、文献Jpn. J. Appl. phys. vol.38 (199
9) L487. で例示されている様に、ＡｌＮ低温バッファ
層上にＡｌＧａＮを成長すると、該ＡｌＧａＮ層にはＧ
ａＮとの格子定数差による応力も働かず、クラックの発
生は抑えられる。

【０００９】しかし、該バッファ層上に直接ＡｌＧａＮ
層を成長させた場合に、得られる該ＡｌＧａＮ層の結晶
品質は、該バッファ層上に形成されるＧａＮ層の品質を
上回るものは得られず、むしろ該バッファ層上にＧａＮ
層を介してＡｌＧａＮ層を成長させた場合（転位密度１
×１０⁸ｃｍ^-2〜１×１０¹⁰ｃｍ^-2程度）と比べて、該
ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ混晶比が大きくなるに従って低下
する。

【００１０】この原因は、ＡｌＧａＮ層の新たな結晶成
長が、低温成長ＡｌＮバッファ層に点在するＡｌＮ結晶
を成長核として始まり、該ＡｌＧａＮ層が柱状結晶の集
合体の如く成長する際に、Ａｌが増加するに従って横方
向成長が阻害され、二次元成長による平坦な層構造が得
られ難くなることが原因と推定される。

【００１１】以上のように、ｎ−Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッ
ド層を、高品質にかつ厚く形成することは困難となって
いる。この問題は、Ａｌ_aＧａ_1-aＮにＩｎ組成が加わっ
た場合、即ち、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮの場合も同様で
ある。

【００１２】本発明の課題は、上記問題を解決し、Ａｌ
組成が含まれていても、従来よりクラックが抑制された
ＧａＮ系結晶層によって構成されたＧａＮ系ＬＤを提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の特徴を有
するものである。 （１）転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ０．１μ
ｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶層が、
結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に形成さ
れ、または転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ０．
１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶か
らなる結晶基板が用いられ、前記またはのＡｌ_xＧ
ａ_1-xＮ結晶上に、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造が
形成され、該積層構造の各層は、Ａｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-z
Ｎ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）からな
り、かつ（各層のＡｌ組成ｙ）≦（前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
結晶のＡｌ組成ｘ）とされており、該積層構造には、ｐ
型、ｎ型のクラッド層と、それらの間に位置する発光部
とが少なくとも含まれ、該発光部で生じる発光をレーザ
発振させ得る共振器が設けられた素子構造を有すること
を特徴とするＧａＮ系半導体レーザ。

【００１４】（２）上記、におけるＡｌ_xＧａ_1-xＮ
が、ＡｌＮである、上記（１）記載のＧａＮ系半導体レ
ーザ。

【００１５】（３）上記におけるベース基板が、サフ
ァイア基板である、上記（１）または（２）記載のＧａ
Ｎ系半導体レーザ。

【００１６】（４）上記またはのＡｌ_xＧａ_1-xＮ結
晶と、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造との間に、Ｇａ
Ｎ系低温成長バッファ層および／または転位密度低減構
造が介在している、上記（１）記載のＧａＮ系半導体レ
ーザ。

【００１７】（５）上記転位密度低減構造が、選択成長
法を実施し得るよう上記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶上に形成さ
れたマスク層であるか、または、ＧａＮ系結晶がラテラ
ル成長やファセット成長をし得るよう上記Ａｌ_xＧａ_1-x
Ｎ結晶上に形成された凹凸構造である、上記（４）記載
のＧａＮ系半導体レーザ。

【００１８】（６）上記積層構造のうち、最も基板側の
ＧａＮ系結晶層が組成比０．０７以上のＡｌ組成を含む
ものである、上記（１）記載のＧａＮ系半導体レーザ。

【００１９】（７）共振器が上記積層構造の側面に形成
された端面発光型の半導体レーザである上記（１）記載
のＧａＮ系半導体レーザ。

【００２０】

【作用】ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を形成した際に生じ
るクラックに対して、本発明者等は格子定数の大小関係
に着目し、次のようにクラック発生を抑制している。先
ず、ＡｌＧａＮの格子定数は、ＧａＮの格子定数よりも
小さい。よって、ＡｌＧａＮ結晶をＧａＮ結晶上にエピ
タキシャル成長させると、該ＡｌＧａＮ結晶はその横方
向の結晶格子（ａ軸）を下層のＧａＮの大きな結晶格子
に合わせて、横方向に引き伸ばされた状態で成長する。
即ち、ＡｌＧａＮ層の横方向の結晶格子には、引張り応
力が働いており、極めてクラックが入り易い状態となっ
ていると考えられ、これがクラック発生の主要因と推定
される。このような状態で、成長温度から室温までの冷
却を行うなど、さらなる力がＡｌＧａＮ層に加わること
によって、更にクラックが発生する。

【００２１】これに対して本発明では、上記（１）に
またはで示したとおり、〔転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2
以下、厚さ０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦
ｘ≦１）結晶〕を、結晶成長の基礎となるベース基板上
に直接的に結晶層として成長させるか、または該Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶を単独の結晶基板と
して用いている。以下、このＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦
ｘ≦１）結晶を、該結晶がベース基板上の結晶層の態様
であっても単独の基板の態様であっても、「上記（１）
のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層」と呼んで、本発明を説明す
る。

【００２２】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を用い
ることによって、その上に成長するＡｌＧａＮ層（ただ
しそのＡｌ組成は、前記ｘよりも小さい）は、クラック
が少なく、しかも転位密度の低減された、高品質な結晶
層となる。また、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層と
その上に成長するＡｌＧａＮ層との間に、ＧａＮ結晶層
またはＩｎＧａＮ層を挿入してもよく、これによって転
位密度をさらに約１／１０にまで減少させることも可能
である。

【００２３】これは、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
層よりも、その上に成長させるＡｌＧａＮ層の方が格子
定数が大きくなるので、ＡｌＧａＮの結晶格子は、下層
の結晶格子の影響によって圧縮された状態となるからで
あると考えられる。即ち、該ＡｌＧａＮ層の横方向の結
晶格子には、圧縮応力が残留していることになり、従来
のような引張り応力が残留している状態と比べて、クラ
ックの発生が抑制される状態となる。また、多結晶的な
成長核となる低温成長バッファ層を用いないことから、
ＡｌＧａＮ層の結晶はモザイク性も少なく、クラックが
抑制されかつ転位密度が低減された高品質なＡｌＧａＮ
層を成長させることができるようになる。ただし、低温
成長バッファ層については、必要に応じて上記（１）の
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層と、積層構造との間に介在させて
もよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、素子構造の一例を挙げて
本発明のＧａＮ系ＬＤを説明する。当該ＧａＮ系ＬＤ
は、他のＧａＮ系発光素子と同様、ｐ型、ｎ型のＧａＮ
系結晶層を含む積層体を有している。ｐ型、ｎ型の層
は、どちらが下側（基板側）であってもよいが、ｎ−Ｇ
ａＮの方がｐ−ＧａＮよりも高品質の結晶を得やすいこ
となどの製造上の理由から、ｎ型の層を下側とする態様
が好ましい。以下、ｎ型の層を下側として素子構造を説
明するがこれに限定されるものではない。

【００２５】また、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層
は、上記のとおり単独の基板であってもよいが、以下
の説明では、上記のとおり、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層
が、結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に形成
された態様を例に挙げて説明する。

【００２６】当該ＧａＮ系ＬＤは、図１に素子構造を模
式的に示すように、ベース基板Ｂ上に上記（１）のＡｌ
_xＧａ_1-xＮ結晶層１が直接的に形成され、その上に、Ｇ
ａＮ系結晶層（Ａｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ、０≦ｙ≦１、
０≦ｚ≦１、０≦ｙ＋ｚ≦１）からなる積層構造Ｓが結
晶成長によって形成され、該積層構造Ｓには、ｎ型クラ
ッド層３、ｐ型クラッド層４と、それらの間に位置する
ＧａＮ系結晶からなる発光部（図の例ではＭＱＷ）５と
が少なくとも含まれ、該発光部で生じる発光をレーザ発
振させ得る共振器が設けられた素子構造となっている。
ここで重要な特徴は、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
層を用いている点、および、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶のＡ
ｌ組成ｘ（０．５≦ｘ≦１）に対して、その上に成長さ
せる各ＧａＮ系結晶層、特に最初に成長させる層のＡｌ
組成ｙを、ｙ≦ｘとしている点である。

【００２７】上記構成とすることによって、上記作用の
説明で述べたとおり、素子構造を構成するＧａＮ系結晶
層は、ＡｌＧａＮ層であってもクラックの発生が抑制さ
れ、かつ転位密度が低減された層となって、好ましいＧ
ａＮ系ＬＤとなる。

【００２８】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層は、厚
さ０．１μｍ以上であり、かつ転位密度が１×１０¹¹ｃ
ｍ^-2以下であって、これは、格子不整合を目的とするＡ
ｌＮ低温成長バッファ層（通常厚さ３０ｎｍ程度で多結
晶状態）とは全く異なる、厚く高品質な結晶層である。

【００２９】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層の厚さ
は、０．１μｍ以上であればよいが、更に低転位密度の
結晶層を得る点からは０．３μｍ以上、特に０．８μｍ
以上が好ましい。また、該結晶層を単独の基板として用
いる場合には、取扱い上の機械的強度を考慮して適宜決
定すればよい。

【００３０】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層（０．
５≦ｘ≦１）の中でも、より好ましい結晶品質が得られ
る態様は、そのＡｌ組成ｘが０．８以上、特にｘ＝１
（即ち、ＡｌＮ）の場合である。また、ＡｌＮのＡｌ組
成ｘが１であることによって、その上に成長させるＧａ
Ｎ系結晶のＡｌ組成ｙに対して加えられる制限（ｙ≦
ｘ）は、実質的に無くなる。

【００３１】また、ベース基板としては、ＧａＮ系結晶
が成長可能なものであればよく、ＳｉＣ、サファイア、
Ｓｉ、ＧａＡｓなどが挙げられるが、該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
結晶層の品質を顕著に向上させる好ましいものとしてサ
ファイア基板が挙げられる。また、上記（１）のＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ結晶層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶からなる単独の
基板である場合、その好ましい形態は、該Ａｌ_xＧａ_1-x
ＮがＡｌＮの場合であり、基板の厚みとしては８０μｍ
以上であることが好ましい。

【００３２】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層の形成
方法は限定されないが、サファイア基板上にＡｌＮ結晶
層を形成する場合の一例として、次の成長プロセスが挙
げられる。表面平坦性の良好なＣ面サファイア基板（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）を気相成長装置に装填し、１２００℃に昇温
し、サーマルクリーニングを行った後、３族元素を流し
始める前に、アンモニアを先行して流す。この時にＡｌ
₂Ｏ₃の表面が窒化され、表面（少なくとも表面の原子配
列）はＡｌＮに変化する。この後に、１２００℃以上の
高温でアルミニウムの原材料としてのトリメチルアルミ
ニウム（ＴＭＡ）を流してＡｌＮを成長させると、単結
晶のＡｌＮ膜（結晶層）が得られる。得られたＡｌＮ結
晶層は、表面が窒化されＡｌＮに変換されたサファイア
基板から成長するのであって、低温成長バッファ層が供
給する成長核から結晶成長が始まっていないから、柱状
結晶構造を持っていない。

【００３３】上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層は、結
晶成長用装置内において、ベース基板上にその場で順次
形成積層されていく中の最初の一層としてだけでなく、
ベース基板上に該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成した状態
のものを、独立したＧａＮ系結晶成長用基板として扱っ
てもよい。また、基板の表層となるＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
層上に、さらにＧａＮ系結晶成長を良好に行うための表
面加工を施してもよい。

【００３４】ＧａＮ系結晶層からなる積層構造は、Ａｌ
_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｙ
＋ｚ≦１）からなりかつｙ≦ｘであればよく、目的の波
長の光を生じさせる発光部となるよう、また発光部にお
いて生じた光を好ましく閉じ込め得るように、層構造お
よび各層の組成を決定してよい。特に、積層構造のう
ち、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結晶層に隣接す
るＧａＮ系結晶層がＡｌ組成を必須に含む場合、さらに
は、基板側に位置するクラッド層（ｎ型クラッド層）の
Ａｌ組成が、０．０７以上である場合、上記（１）のＡ
ｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成したことによるクラック抑制
の効果が顕著となる。

【００３５】光が発生する部分（発光部）として機能す
る活性層は、ＤＨ構造、ＳＱＷ構造、ＭＱＷ構造などで
あってもよい。電極の形態を含めた種々のストライプ構
造や、発生した光を効率良く閉じ込め、発振させるため
の導波層、クラッド層、共振器の構造、さらには、ｐ
型、ｎ型のコンタクト層に設けられるオーミック電極の
構造、材料についても、従来公知の技術を参照してもよ
い。

【００３６】ＭＱＷ構造の各層の組成は、レーザ発振波
長、井戸層と障壁層のバンドギャップ差の設計値等に応
じて決定してよく、組成の組み合せ例を（井戸層／障壁
層）で示すと、（ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ）、（ＩｎＧ
ａＮ／ＧａＮ）、（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）などが挙げら
れる。また、ペア数は、１〜１５程度が好ましい。

【００３７】本発明によるＧａＮ系ＬＤは、積層構造の
側面（劈開面）を共振器とした所謂端面発光型（最も一
般的な態様）のものであっても、積層方向に共振器を形
成した所謂面発光型のであってもよい。

【００３８】図１に示す素子構造は、当該ＧａＮ系ＬＤ
の好ましい一例であって、ｎ型コンタクト層から上の詳
細な構成を下層側から順に示すと、次のとおりである。 ｎ型Ａｌ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ（０．０５≦ｙ１≦０．２）から
なるコンタクト層２：厚さ０．７〜２５μｍ。 ｎ型Ａｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（０．０５≦ｙ２≦０．２）から
なるクラッド層３：厚さ０．５〜５μｍ。 ｎ型ＧａＮからなる導波層４：厚さ０．０５〜０．３μ
ｍ。 ＭＱＷ構造５：トータル厚さ０．０１〜０．１μｍ。 ｐ型Ａｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎ（０．１５≦ｙ３≦０．３）から
なるキャップ層６：厚さ０．００５〜０．１μｍ。 ｐ型ＧａＮからなる導波層７：厚さ０．０５〜０．３μ
ｍ。 ｐ型Ａｌ_y4Ｇａ_1-y4Ｎ（０．０５≦ｙ４≦０．２）から
なるクラッド層８：厚さ０．１〜０．７μｍ。 ｐ型（Ｉｎ）ＧａＮからなるコンタクト層９：厚さ０．
００１〜０．２μｍ、幅１〜２５μｍのストライプ状。 ｎ型電極Ｐ１：ｎ型コンタクト層２が部分的に露出する
まで積層構造がエッチングされ、該露出部分にオーミッ
ク電極が設けられたもの。電極材料は、（Ａｌ、Ｔｉ、
またはＡｕ等を含む。具体的には、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／
Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ等の構造である
が、熱処理により合金化してもいい。また、これらの金
属を含む合金を積層材料に使っても良い。 ｐ型電極Ｐ２：ｐ型コンタクト層９の上面に、同一幅に
て形成されたストライプ状電極。電極材料は、Ｎｉ、Ａ
ｕ、Ｐｄ等を含む。具体的には、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａ
ｕ、Ｐｄ／Ａｕなどが例示される。これらの合金を積層
材料に使っても良い。

【００３９】図２の例では、図１に示す素子のｎ型Ａｌ
_y1Ｇａ_1-y1Ｎコンタクト層２上に歪超格子構造２ａが積
層され、この歪超格子構造２ａを露出させてｎ型電極Ｐ
１が形成されている。歪超格子構造２ａは、（ＡｌＧａ
Ｎ／ＧａＮ）、（ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ）などのペア
によって構成するものであり、歪超格子構造の歪に誘起
されたバンドギャップの歪みに起因して、二次元電子ガ
スが発生し、電子が移動し易い層が得られる。従って、
ｐ電極からｎ電極に至る電流のパスの直列抵抗が低減す
る効果が得られる。

【００４０】ＧａＮ系結晶層の転位密度をさらに低減さ
せるために、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶と、Ｇａ
Ｎ系結晶層からなる積層構造との間に、転位密度低減構
造を存在させてもよい。該転位密度低減構造としては、
例えば、次のものが挙げられる。 （い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得る
ように、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上に、マス
ク層（ＳｉＯ₂などが用いられる）をストライプパター
ンなどとして形成した構造。 （ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長を
し得るように、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上面
に、ドット状、ストライプ状の凹凸加工を施した構造。
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層上面への凹凸加工によって、その
凹部にベース基板が露出してもよい。 上記ストライプの方向は、成長させるＧａＮ系結晶の
〈１−１００〉方向、〈１１−２０〉方向が主として選
ばれ、これに、ＭＯＶＰＥ、ＨＶＰＥなどの結晶成長
法、結晶成長時の雰囲気ガスなど、主要な成長条件が組
合せられることによって、横方向への高速成長、ファセ
ット構造を形成しながらの成長など、転位密度低減に有
効な成長を行わせることができる。これらの種々の転位
密度低減構造は、公知技術を参照してよく、例えば、特
開平１１−１３０５９７号公報、国際公開公報ＷＯ００
／５５８９３等に詳細に記載されている。またさらに、
上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶と、ＧａＮ系結晶層か
らなる積層構造との間に、比較的ＡｌＮ混晶比の小さい
ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層の薄膜を別途挿
入しても転位密度を下げる働きがある。

【００４１】また、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層
上には、ＧａＮ系結晶層を直接的に成長させても、ある
いは従来のようにバッファ層を介在させて成長させても
よい。ＧａＮ系結晶層の成長方法は、従来技術を参照し
てよく、例えば、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法などが挙げ
られる。

【００４２】

【実施例】実施例１ 本実施例では、図１に示すストライプ型のＧａＮ系ＬＤ
を実際に作製し、ｎ型クラッド層におけるクラック発生
の程度、転位密度、出力などを従来のものと比較した。 （上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層の形成）ベース基
板Ｂとして、直径２インチのＣ面サファイア基板をＭＯ
ＶＰＥ装置に装填し、１２００℃に昇温した後、５分間
のサーマルクリーニングを行い、３族元素を流し始める
前に、アンモニアを先行して５分間流し、その後、１２
００℃以上の高温でＴＭＡを流し、上記（１）のＡｌ_x
Ｇａ_1-xＮ結晶層１として、厚さ１．５μｍのＡｌＮ単
結晶層を成長させた。

【００４３】（ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２）温度を
１０５０℃まで降下させた後、Ａｌ原料としてトリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｇａ原料としてトリメチル
ガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ原料としてアンモニア、ドーパ
ント材料としてシランを流し、図２に示すように、ｎ型
Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎコンタクト層２を、厚さ１０μｍま
で成長させた。該ｎ−ＡｌＧａＮコンタクト層２のキャ
リヤ濃度は、８×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。

【００４４】ｎ型クラッド層３〜ＭＱＷ５の成長条件お
よび仕様は次のとおりである。 ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層３；温度１０５０℃、
原料（ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント材料シ
ラン）、厚さ１μｍ、キャリヤ濃度８×１０¹⁷ｃｍ^-3。 ｎ型ＧａＮ導波層４；温度１０５０℃、原料（ＴＭＧ、
アンモニア、ドーパント材料シラン）、厚さ０．１μ
ｍ、キャリヤ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3。 ＭＱＷ構造５；成長温度８００℃、アンドープ、（井戸
層／障壁層）ペアを４ペア。総厚０．０６μｍ。

【００４５】ｐ型キャップ層６〜ｐ型コンタクト層９の
成長条件および仕様は次のとおりである。 ｐ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎキャップ層６；温度１０５０
℃、原料（ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント材
料Ｍｇ）、厚さ０．０２μｍ。 ｐ型ＧａＮ導波層７；温度１０５０℃、原料（ＴＭＧ、
アンモニア、ドーパント材料Ｍｇ）、厚さ０．１μｍ、
キャリヤ濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3。 ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層８；温度１０５０℃、
原料（ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント材料Ｍ
ｇ）、厚さ０．５μｍ、キャリヤ濃度５×１０ ¹⁷ｃ
ｍ^-3。 ｐ型ＧａＮコンタクト層９；温度１０５０℃、原料（Ｔ
ＭＧ、アンモニア、ドーパント材料Ｍｇ）、厚さ０．０
１μｍ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3。

【００４６】（ｐ型電極の形成）上記プロセスで得られ
た積層体をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、通常のフォト
リソグラフィ技術、反応性イオンエッチング技術（ＲＩ
Ｅ）、電子ビーム蒸着技術を使って、ｐ型ＧａＮコンタ
クト層９の上面にＮｉ／Ａｕからなる電極層を形成し
た。その後、上面から、電極層、ｐ型ＧａＮコンタクト
層９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を、幅２μｍの帯状
に残して両側をエッチング除去し（ただし、該クラッド
層８へのエッチング深さを０．４μｍとし、厚さ０．１
μｍの部分はもとのまま残した）、図１に示すストライ
プ構造（ストライプ幅２μｍ）を形成した。

【００４７】（ｎ型電極の形成）再度、通常のフォトリ
ソグラフィ技術、電子ビーム蒸着技術、ＲＩＥ技術など
を使ってエッチング加工し、ｎ−ＡｌＧａＮコンタクト
層２を露出させ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる積層
構造のｎ型電極Ｐ１を形成した。最終的にＬＤチップに
分割し、ＧａＮ系ＬＤとした。

【００４８】実施例２ 本実施例では、図２に示す素子を製作した。即ち、実施
例１における素子の、ｎ型コンタクト層２とｎ型クラッ
ド層３との間に、歪超格子構造２ａを挿入し、この歪超
格子構造２ａを露出させて、ｎ型電極Ｐ１を設けた態様
である。

【００４９】実施例１と同様にして、ベース基板Ｂ上
に、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層１、ｎ型ＡｌＧ
ａＮコンタクト層２を成長させた後、温度１０５０℃、
原料としてＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント材
料としてシランを流し、（下層側ＧａＮ／上層側ＡｌＧ
ａＮ）を２０ペア積層した歪超格子構造２ａを形成し
た。歪超格子構造の総厚は０．４μｍとした。該歪超格
子構造２ａ上に、実施例１と同様にして、ｎ型クラッド
層３以降の素子構造を形成し本発明のＧａＮ系ＬＤを得
た。

【００５０】比較例 上記実施例１において、上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結
晶層１を形成せず、Ｃ面サファイア基板をＭＯＶＰＥ装
置に装着し、温度４００℃、ＴＭＡ、アンモニアを流し
てＡｌＮ低温成長バッファ層を成長させたこと以外は、
上記実施例１と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２
〜ｐ型コンタクト層、電極Ｐ１、Ｐ２を形成し、ＧａＮ
系ＬＤとした。

【００５１】（評価） ａ．上記実施例１、２および比較例で得られたＧａＮ系
ＬＤのレーザ発振状態を観察した。 ｂ．また、各素子を基板面に垂直に切断し、各素子の断
面を断面ＴＥＭ観察法によって観察し、活性層付近の断
面に現れた転位線を観察し、転位密度を求めた。 ｃ．また、上記実施例１、２および比較例と同じ条件
で、それぞれ、２インチサファイア基板上に、上記
（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層（比較例では低温バッフ
ァ層）形成を経て、ｎ型クラッド層まで成長させ、該ｎ
型クラッド層の上面（直径２インチ円形）内で任意に多
点選んだ５ｍｍ×５ｍｍ領域に存在するクラックの数を
調べ、平均した。これらの結果を、下記表１に示す。

【００５２】

【表１】

【００５３】上記表１から明らかなとおり、本発明によ
るＧａＮ系ＬＤは、同じ条件での比較例（従来品）と比
べて、室温連続発振でも出力が高く、また、素子構造内
の転位密度、クラックは少ないものであった。尚、比較
例において、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層をｎ型ＧａＮ
コンタクト層に置き換えた層構造を形成したところ、ｎ
型クラッド層以上のエピタキシャル層全体に無数のクラ
ックが入り、素子の作製が不可能であった。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明では上記
（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層を形成し、その上に、該
層のＡｌ組成ｘよりも小さいＡｌ組成ｙを有するＡｌ_y
Ｉｎ_zＧａ _1-y-zＮ層にて素子構造を形成しているので、
クラッド層（特にＡｌＧａＮクラッド層）のクラックが
抑制され、好ましいＧａＮ系ＬＤを提供できるようにな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＧａＮ系ＬＤの素子構造の一例を
模式的に示す図である。他の層と区別するため、電極に
のみハッチングを施している。

【図２】本発明によるＧａＮ系ＬＤの素子構造の他の例
を模式的に示す図である。

【図３】従来のＧａＮ系ＬＤの素子構造の一例を模式的
に示す図である。

【符号の説明】 Ｂ ベース基板 １ 上記（１）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶層 ２〜４ ｎ型ＧａＮ系結晶層 ５ 発光部 ６〜９ ｐ型ＧａＮ系結晶層 Ｐ１ ｎ型電極 ｐ２ ｐ型電極

フロントページの続き (72)発明者 大内 洋一郎 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 常川 高志 兵庫県伊丹市池尻４丁目３番地 三菱電線 工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 AC19 AD12 AD14 BB12 BB13 CA12 DA53 DA55 5F073 AA13 AA74 CA07 CB02 CB05 CB22 DA05 DA07 DA25 EA29

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚さ
   ０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）結
   晶層が、結晶成長の基礎となるベース基板上に直接的に
   形成され、または転位密度１×１０¹¹ｃｍ^-2以下、厚
   さ０．１μｍ以上のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．５≦ｘ≦１）
   結晶からなる結晶基板が用いられ、 前記またはのＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶上に、ＧａＮ系結
   晶層からなる積層構造が形成され、該積層構造の各層
   は、Ａｌ_yＩｎ_zＧａ_1-y-zＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦
   １、０≦ｙ＋ｚ≦１）からなり、かつ（各層のＡｌ組成
   ｙ）≦（前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶のＡｌ組成ｘ）とされ
   ており、 該積層構造には、ｐ型、ｎ型のクラッド層と、それらの
   間に位置する発光部とが少なくとも含まれ、該発光部で
   生じる発光をレーザ発振させ得る共振器が設けられた素
   子構造を有することを特徴とするＧａＮ系半導体レー
   ザ。
2. 【請求項２】 上記、におけるＡｌ_xＧａ_1-xＮが、
   ＡｌＮである、請求項１記載のＧａＮ系半導体レーザ。
3. 【請求項３】 上記におけるベース基板が、サファイ
   ア基板である、請求項１または２記載のＧａＮ系半導体
   レーザ。
4. 【請求項４】 上記またはのＡｌ_xＧａ_1-xＮ結晶
   と、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造との間に、ＧａＮ
   系低温成長バッファ層および／または転位密度低減構造
   が介在している、請求項１記載のＧａＮ系半導体レー
   ザ。
5. 【請求項５】 上記転位密度低減構造が、選択成長法を
   実施し得るよう上記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結晶上に形成された
   マスク層であるか、または、ＧａＮ系結晶がラテラル成
   長やファセット成長をし得るよう上記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ結
   晶上に形成された凹凸構造である、請求項４記載のＧａ
   Ｎ系半導体レーザ。
6. 【請求項６】 上記積層構造のうち、最も基板側のＧａ
   Ｎ系結晶層が組成比０．０７以上のＡｌ組成を含むもの
   である、請求項１記載のＧａＮ系半導体レーザ。
7. 【請求項７】 共振器が上記積層構造の側面に形成され
   た端面発光型の半導体レーザである請求項１記載のＧａ
   Ｎ系半導体レーザ。