JP2006140387A - 窒化物半導体レ−ザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
低出力動作時の素子特性を損なわずに、高出力動作時の端面劣化を防止し、信頼性を向上させた青色半導体レーザとその製造方法を提供する。
【解決手段】
活性層と、共振器と、異なる２種類以上の化合物半導体層を組み合わせて構成したｐ型超格子クラッド層と、を有する窒化物半導体レーザであって、ｐ型超格子クラッド層の少なくとも一部は超格子構造が無秩序化された領域を有し、無秩序化された領域は、共振器の少なくとも一方の端面とｐ型超格子クラッド層の前記活性層側に形成された層とに接する窒化物半導体レ−ザ。
【選択図】 図１

Description

本発明は窒化物半導体レーザ及びその製造方法に関する。

記録媒体である光ディスクへの高速書き込みのために、光出力が１００ｍＷ以上の窒化物半導体レーザダイオ−ド（ＬＤ：Laser Diode）の需要がある。窒化物半導体ＬＤの材料は強固な結晶であるが、１００ｍＷ以上の高出力動作時には、端面の光学損傷により素子寿命が小さくなる問題がある。ＬＤの光学損傷とは、レーザ光が出射する端面部の結晶が溶融してレーザ発振を妨げる現象のことをいう。その原因は、端面の光密度が大きくなると端面の近傍で生じる光吸収によって端面部の温度が上昇して結晶が溶融することにある。

特に端面部が劣化する理由はいくつか考えられる。例えば、端面には表面構造に起因する光吸収があるからである。あるいは、格子不整合がある活性層の場合には、活性層の端面部は端面から離れた内部に較べてややバンドギャップが小さいため、内部からのレーザ光を吸収しやすいからである。光出力がある値を超えると、このような劣化が急激に生じる。なぜならば、温度上昇による端面の活性層のバンドギャップの減少と、それによる光吸収の増大が相乗的に生ずるからである。

そのような端面の光学損傷を防止するためには、端面のコ−ティング材料を改善し端面表面の光吸収を無くすこと、端面部に電流非注入領域を設け、電流が端面近傍を流れ難くするなどの方法が知られている。

例えば、従来技術として、特許文献１に開示された、端面に電流非注入領域を設けたサファイア基板上の窒化物半導体ＬＤがある。図２２にその構造を示す。従来例の構造は、ＧａＮ膜２１４上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１５、ｎ型Ｇａ_１-ｚ１Ａｌ_ｚ１Ｎ/ＧａＮ超格子クラッド層２１６、ｎ型Ｇａ_１-ｙ２Ａｌ_ｙ２Ｎ光導波層２１７、Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ/Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層２１８、ｐ型Ｇａ_１-ｙ３Ａｌ_ｙ３Ｎキャリアブロッキング層２１９、ｐ型Ｇａ_１-ｙ２Ａｌ_ｙ２Ｎ光導波層２２０、ｐ型Ｇａ_１-ｚ１Ａｌ_ｚ１Ｎ/ＧａＮ超格子クラッド層２２１、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２２をこの順に成長した構造である。ｐ型Ｇａ_１-ｚ１Ａｌ_ｚ１Ｎ/ＧａＮ超格子クラッド層２２１までドライエッチングして、リッジ部を形成し、リッジ部の端面の領域（Ｌ）のｐ型ＧａＮコンタクト層２２２を除去し、ＳｉＯ_２絶縁膜２２６を形成して端面近傍を電流非注入としている。

従来例は共振器端面から５〜５０μｍの領域にＳｉＯ_２膜をつけた構造により、ＳｉＯ_２膜直下の活性層に電流が注入されにくい特徴を有する。このような構造は端面電流非注入構造と呼ばれ、高出力時の端面近傍の電流劣化を抑制するのに用いられる。

しかしながら、この特許文献１に開示された窒化物半導体ＬＤにはいくつかの問題がある。第１の問題点は、特許文献１の構造では、端面近傍のＳｉＯ_２膜直下の活性層に電流が流れ込むのを完全に阻止することができないことである。つまり、従来例では、一部の電流がクラッド層を経由して端面近傍のＳｉＯ_２膜直下の活性層に回りこんでしまう。電流の回り込みの原因は、従来例で用いられている超格子ｐクラッド層が約１μｍと厚いことと、超格子ｐクラッド層の水平方向の電気抵抗が垂直方向より小さいため、電流がＳｉＯ_２膜直下の活性層へ広がりやすいことに起因する。特に電流非注入長のために設けられた端面近傍のＳｉＯ_２膜の共振器方向の長さ（＝ＳｉＯ_２膜長Ｌ）が数μｍであると、高出力動作時の端面近傍を流れる電流が大きくなり、端面劣化が生じる。

第２の問題点は、特許文献１の構造においては、光ディスクへ書き込む高出力動作時の端面劣化を防止するためにＳｉＯ_２膜長を大きくすると、光ディスクを読み取る低出力動作時の電流値が上昇してしまうことである。この理由は、低出力時には電流値が小さいために電流広がりが小さく、ＳｉＯ_２膜直下の活性層の殆どが利得を生じない損失部分となるため、電流閾値が増大してしまうからである。そのため一定の光出力で動作させるための電流値が増大してしまう。利得領域と非利得領域の屈折率が異なるため、また光のカップリング損失による閾値増大もある。

第３の問題点は、書き込みの高出力動作時の端面劣化を防止するためにＳｉＯ_２膜長を大きくし端面への電流注入を防ぐと、電極面積が減少するために動作電圧が増大することである。窒化物半導体ＬＤの動作電圧への要求規格は厳しいため、動作電圧の増加は避けなければならない。また、電流広がりを小さくするために超格子ｐクラッド層をすべてドライエッチングで取り除くと、閉じ込めの効果が弱く、上下方向に広がってしまい、端面部の活性層にエッチング損傷が入るため素子寿命が低下する。
特開２００２―１６４６１７公報

本発明は上記のような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、低出力動作時の素子特性を大きく低下することなく高出力動作時の端面劣化を防止し、信頼性を向上させた窒化物半導体レーザ及びその製造方法を提供することである。

本発明の一つの態様に係る窒化物半導体レーザは、活性層と、２種類以上の化合物半導体層を組み合わせて構成したｐ型超格子クラッド層と、を有する窒化物半導体レーザであって、前記活性層と前記ｐ型超格子クラッド層との間に第１の窒化物半導体層を有し、前記ｐ型超格子クラッド層は、前記第１の窒化物半導体層に対して引張り歪みを有し、かつ、前記窒化物半導体レーザの共振器端面の近傍で前記超格子構造が無秩序化された領域を有するものである。

特に本発明における窒化物半導体レーザは、前記無秩序化された領域と第１の窒化物半導体層の界面に生じるピエゾ電界をホール障壁として用いることを特徴とする。また、前記第１の窒化物半導体層は、光閉じ込め層であり、ＧａＮまたはＩｎＧａＮであることが好ましい。さらに、本発明における窒化物半導体レーザは、ｐ型超格子クラッド層の少なくとも一部が層厚ｄ_１（ｎｍ）のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と層厚ｄ_２（ｎｍ）のＧａＮ層を２組以上組み合わせてなる超格子構造であり、かつその超格子の平均Ａｌ組成Ｙ（＝ｘ＊ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２））に対して、１ｎｍ≦ｄ_１≦４ｎｍかつ０．０５≦Ｙ≦０．０９であるとよい。

ここで、また、無秩序化された領域の共振器方向の長さの最小値Ｌが、２μｍ≦Ｌ≦３０μｍであり、ｐ型超格子クラッド層のｐ型ドーパントの原子濃度Ｄが、４×１０^１８ｃｍ^−３≦Ｄ≦４×１０^１９ｃｍ^−３であることが好ましい。さらにまた、前記無秩序化された領域には、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅのいずれか一の不純物原子が含まれているとよい。その上、活性層が２層以上４層以下のウエル層を有する多重量子井戸構造であり、少なくともひとつの共振器端面近傍の活性層の遷移波長が内部より短波長であることが好ましい。

あるいは、本発明の窒化物半導体レ−ザにおいて、基板がサファイアあるいはＧａＮの傾斜基板であり、上記傾斜基板の（０００１）面と上記窒化物半導体レーザの底面との交線が共振器端面に垂直で、上記傾斜基板の（０００１）面と上記窒化物半導体レーザの底面の角度であるオフ角aが２°≦ａ≦１６°であるものである。

本発明の他の態様は、窒化物半導体レ−ザの製造方法であって、拡散不純物を含む酸化物膜あるいは窒化物膜を無秩序化させる領域の近傍に縞状に形成し、熱拡散させて、ｐ型超格子クラッド層の少なくとも一部の超格子構造を無秩序化させる製造工程を含むものである。

本発明により、初期特性と高出力動作での信頼性が向上された窒化物半導体レーザを提供することができる。

以下、発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１及び図２は、それぞれ、本実施形態に係るリッジ型の端面非注入型窒化物半導体レーザの共振器方向の断面図と共振器面の断面図とを示している。

本実施形態における構造は、ｎ型基板１１上にｎ電極１０が形成されている。さらに、ｎ電極１０の反対側において、ｎ型基板１１上に、ｎ型バッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、ｎ型光閉じ込め層１４、窒素を含む活性層１５、ｐ型窒化物半導体層１６が下から順番に重なって形成されている。その上のｐ型超格子クラッド層１７の一部に、無秩序化された領域であるｐ型無秩序化層１８が形成されている。ｐ型超格子クラッド層１７とｐ型無秩序化層１８との上にｐ型コンタクト層１９、ｐ電極２０が重なる。共振器端面には、高反射率コーティング膜２１と低反射率コーティング膜２２が存在する。リッジ部側面とｐ型窒化物半導体層１６上面は絶縁層２３で覆われている。図１、２においては、無秩序化層１８側に低反射率コーティング膜２２が存在しているが、これは一例にすぎず、どちらの共振器端面に低反射率コーティング膜が存在してもよい。

本実施の形態の窒化物半導体レーザは、共振器端面付近の注入電流をブロックするため、ｐ型無秩序化層１８を備えている。ｐ型無秩序化層１８は共振器端面に接している。さらに、無秩序化層１８はｐ型クラッド層の下端に接して、つまり、ｐ型クラッド層の下層であって活性層１５側に形成されたｐ型窒化物半導体層１６に接して形成されている。ｐ型無秩序化層１８は、ｐ型超格子クラッド層１７の端面部を無秩序化して、超格子を形成している２つ以上の層の組成が均一になったものである。超格子が壊されてできたｐ型無秩序化層１８とｐ型窒化物半導体層１６の界面に生じるピエゾ障壁によって、端面近傍の活性層１５へのホール注入が妨げられ、共振器端面の電流が妨げられる。これによって高出力動作時の端面劣化が防止できるので、信頼性の高い窒化物半導体ＬＤが得られる。

さらに、ｐ型超格子クラッド層１７と活性層１５とそれらの間に位置する少なくともひとつのｐ型窒化物半導体層１６を有し、前記ｐ型窒化物半導体層１６が光閉じ込め層であり、ｐ型のＧａＮであることが好ましい。これは、キャリアの閉じ込めが十分でないと、出射する光の形がくずれてしまい、端面劣化の原因になりうる可能性があるからであり、大きいバンドギャップを持つＧａＮを用いることが効果的にキャリアの閉じ込めを行うことができるからである。また、ＧａＮを用いることによって、本発明による端面電流の防止のための手段であるピエゾ効果を大きくすることができるからである。

また、ｐ型超格子クラッド層１７の少なくとも一部が層厚ｄ_１（ｎｍ）のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と層厚ｄ_２（ｎｍ）のＧａＮ層を２組以上組み合わせてなる超格子構造であり、かつその超格子の平均Ａｌ組成Ｙ（＝ｘ＊ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２））に対して、１ｎｍ≦ｄ_１≦４ｎｍかつ０．０５≦Ｙ≦０．０９であるものであることが好ましい。クラッド層に超格子構造を作るのは、注入されたホールがｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層のＧａＮ井戸層に蓄積し、隣接するｐ型ＧａＮ光閉じ込め層にトンネル効果で注入されるため、低電圧で活性層にキャリアが注入されるためである。また、トンネル効果をおこすために上述の範囲の層厚とＡｌ組成にすることによって、効率的にホールを活性層に注入することができるようになる。

さらに、ｐ型無秩序化層１８の共振器方向の長さの最小値Ｌが、２μｍ≦Ｌ≦３０μｍ、より好ましくは３μｍ≦Ｌ≦１５μｍ、さらに好ましくは５μｍ≦Ｌ≦１０μｍであるとよい。ここで、ｐ型無秩序化層１８の共振器方向の長さの最小値Ｌを考えたのは、熱拡散する過程で均一な共振器方向の長さで超格子が無秩序化されないからである。また、ｐ型無秩序化層１８の共振器方向の長さの最小値Ｌが短すぎると、電流の回り込みが起こり高出力時の端面近傍を電流が流れてしまい、端面劣化が起こりやすくなり、長すぎると低出力時において動作電流増加につながるため、上述の長さの範囲にするとよい。

一方、ｐ型超格子クラッド層１７のｐ型ドーパントの原子濃度Ｄが、４×１０^１８ｃｍ^−３≦Ｄ≦４×１０^１９ｃｍ^−３である、より好ましくは８×１０^１８ｃｍ^−３≦Ｄ≦２×１０^１９ｃｍ^−３であることが好ましい。これは、ドーパント濃度が高すぎると、成長温度によっては超格子構造が壊れてしまうからである。窒化物半導体レーザの作成においては１０００℃をこえることがよくあるためドーパント濃度を高くすることができない。また、ドーパント濃度が低すぎると、キャリアの量が減るために電流閾値が高くなり、規格にあわないものになってしまう。これらのことから、上述の範囲のドーパント濃度にするとよい。

ｐ型無秩序化層１８に含まれる不純物原子が、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅのいずれか一の不純物原子であることが好ましい。これは、ｐ型超格子クラッド層１７の無秩序化が、上述の原子群を用いることによって超格子中のＭｇを押し込み、拡散を促進することが可能なためである。

ここで、活性層１５が２層以上４層以下のウエル層を有する多重量子井戸構造であり、少なくともひとつの共振器端面の近傍における活性層１５の遷移波長が、内部より短波長であるものであること好ましい。共振器端面近傍の活性層１５の遷移波長が内部より短波長であることによって、端面劣化が原因である光吸収の効果を著しく減少させることができる。

さらに、端面近傍のｐ電極がない領域の共振器方向の長さの最小値Ｌｍが、２μｍ≦Ｌｍ≦３０μｍ、より好ましくは３μｍ≦Ｌｍ≦１５μｍ、さらに好ましくは５μｍ≦Ｌｍ≦１０μｍであることが好ましい。上述の無秩序化層１８の共振器方向の長さの範囲と同様に、ｐ電極を上述の範囲にすることによって、無秩序化層を作成するのみの窒化物半導体レーザに比べて、効率的に端面への電流注入を防ぐことができる。

あるいは、基板がサファイアあるいはＧａＮの傾斜基板であることが好ましい。又、この傾斜基板の（０００１）面と窒化物半導体レーザの底面との交線が共振器端面に垂直で、傾斜基板の（０００１）面と窒化物半導体レーザの底面の角度であるオフ角aが２°≦ａ≦１６°であることが好ましい。これは、平坦な基板上に形成された場合に較べて、超格子を壊すために用いる不純物の活性化率が大きくなるため、熱アニールによる無秩序化工程での不純物の拡散が容易になるためである。あるいはｐ型超格子クラッド層１７のＭｇ濃度が比較的低くてもｐクラッドの超格子構造が無秩序化しやすいという利点がある。このことから不純物として注入されるＭｇの量が少なくてすみ、活性層へのＭｇ拡散による素子劣化が減少し、高い信頼性が得られる。

ここで、本形態の端面部の超格子無秩序化による電流ブロック作用について説明する。ここで説明するのは一例である。図３にＧａＮ面上に形成された「ｐ型ＧａＮコンタクト層／ｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層／ｐ型ＧａＮ（ＳＣＨ）層」なる構造の価電子帯エネルギーとホール密度のプロファイルの計算結果を示す。ここでＳＣＨ(＝Separate Confinement Hetro-structure）は分離閉じ込めヘテロ構造のことであり、ｐ型ＧａＮ（ＳＣＨ）層はＬＤの活性層の近傍に設けられた光閉じ込め層である。

計算ではＭｇの原子濃度はすべての層で８×１０^１８ｃｍ^−３とし、Ｍｇの不純物レベルのエネルギー準位深さ（約２００ｍｅＶ）を考慮して、エネルギーバンドプロファイルを求めた。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層には引張歪によるピエゾ電界が生じているため、Ｇａ面上に形成されたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層／ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層の界面はホールの注入障壁になる。なぜならその界面では、ピエゾ電界を引き起こす正のピエゾ電荷が発生するため、ホールに対して反発力が働くからである。

図４に同様に「ｐ型ＧａＮコンタクト層／ｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）超格子クラッド層／ｐ型ＧａＮ（ＳＣＨ）層」なる構造の価電子帯エネルギーとホール密度プロファイルの計算結果を示す。注入されたホールはｐ型ＡｌＧａＮ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）超格子クラッド層のＧａＮウエル層に蓄積し、隣接するｐ型ＧａＮ光閉じ込め層にトンネル効果で注入される。このためバルクのｐ型ＡｌＧａＮよりｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子のクラッドを有するＬＤの方が低い電圧で活性層にキャリアが注入される。このため、ｐ型超格子クラッド層が存在するとピエゾ障壁による電流のブロックは行われないことになる。

アニール処理で界面だれが生じた場合、すなわち超格子内における２以上の種類の原子の相互拡散によりｐ型無秩序化層／ｐ型光閉じ込め層の界面が急峻でなくなった場合、ホールが乗り越えなければならない価電子帯のポテンシャルエネルギーの障壁の高さは減るが、障壁の幅が増える。なぜなら界面だれが生じてもピエゾ電荷の総量は界面近傍で変わらないからである。障壁の幅が増えると、トンネル効果によるホ−ル注入が起こりにくくなる。従って界面だれが生じてもピエゾ効果によるホ−ルの注入障壁の総量は減少しない。そのため、アニール処理でｐ型クラッド層／ｐ型光閉じ込め層界面のだれが生じても、ピエゾ障壁による電流ブロック効果は維持される。

本形態の構造では、キャリア注入を妨げるｐ型無秩序化層１８とｐ型窒化物半導体層１６の界面から活性層までの距離は短く、かつｐ型窒化物半導体層１６が超格子構造でないため、共振器方向への電流広がりは、活性層１５でのキャリア拡散長である２μｍと小さい。例えば、端面から２〜１０μｍの領域の超格子を無秩序化すれば、共振器端面の電流をほとんどなくすことができる。また動作電流に依らずに端面近傍の活性層１５へのキャリアの注入を抑制できる。本発明のＬＤは低出力動作時の素子特性をできるだけ損なわずに、高出力動作時の端面劣化を防止できる。

次に、ｐ型超格子クラッド層１７の少なくとも一部の超格子構造を無秩序化させる方法（ｐ型無秩序化層１８を形成する方法）を示す。拡散不純物を含む酸化物膜あるいは窒化物膜を形成する。好ましくは、ｐ型超格子クラッド層１７の無秩序化させる領域の近傍に縞状に形成する。さらに、拡散不純物をｐ型超格子クラッド層１７に熱拡散させることによって、超格子構造を無秩序化させる。この無秩序化とは、拡散させる原子が化合物半導体内の原子と入れ替わって拡散していき、超格子構造を形成している２以上の組成の層において、それぞれの組成が平均化されてひとつの層を作ることである。上述の無秩序化は、熱拡散のみに限定されるものではなく、イオン注入などによる方法も考えられる。

上述の熱拡散の際、ＭｇＯ、ＺｎＯなどの拡散不純物を含む酸化物膜あるいは窒化物膜の上にＳｉＯ_２膜を形成して、熱拡散させて無秩序させることが好ましい。つまり、ＳｉＯ_２膜とｐ型超格子クラッド層１７との間に拡散不純物を含む酸化物膜あるいは窒化物膜が形成される。これは、拡散不純物を含む酸化物、窒化物が蒸発してしまうのを防ぐためである。また、熱拡散のためのアニール温度Ｔ_ａが９００℃≦Ｔ_ａ≦１２００℃であるとよい。なぜなら、アニール温度が高すぎると、超格子構造自体が熱によって壊されてしまうからである。また、アニール温度が低すぎた場合、上述拡散不純物が拡散できないためである。さらにまた、上述のアニールの際、アニール環境がアンモニアあるいは窒素を含むとよい。これは、窒化物半導体内に存在する窒素が高温にすると抜けやすいため、窒素を含む環境下でのアニールが好ましいためである。
実施例１．

本発明に従って形成された窒化物半導体レーザの実例（実施例１）について述べる。図５と図６にそれぞれ本実施例１における窒化物半導体レーザの共振器方向の断面図と共振器面の断面図を示す。本実施例１は、ＴｉＡｌのｎ電極１００、層厚１００μｍのｎ型ＧａＮ基板１０１、層厚１００ｎｍのｎ型ＧａＮバッファ層１０２、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎクラッド層１０３、層厚０．１５μｍのｎ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ)層１０４、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（２．５ｎｍ）／Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ（８ｎｍ）３周期のＩｎＧａＮ型ＭＱＷ（多重量子井戸：Multi Quantum Well）活性層１０５、層厚１０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ層１０６、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ）層１０７、共振器方向の長さ６μｍのｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（端面部）１０８、ｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）の１２０周期で全層厚０．６μｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０９、層厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層（端面部）１１０、層厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１１、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕのｐ電極１１２、層厚２００ｎｍのＺｒＯ_２膜１１３、低反射率コーティング膜１１４、ＳｉＮ／ＳｉＯ_２の高反射率コーティング膜１１５からなる。本実施例のリッジ幅は１．３〜２．２μｍであり、発振波長は４０５ｎｍであった。

図７に本例の窒化物半導体ＬＤの作用の説明図を示す。本例のＬＤ構造では、共振器端面近傍のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層が無秩序化され、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０８になっている。そのため、ＬＤ動作時に共振器端面近傍においてはｐ型ＡｌＧａＮ層１０８とｐ型ＧａＮ光閉じ込め層１０７の界面がホールの注入障壁となるので、無秩序化された領域は、ピエゾ障壁による電流ブロック領域１７００となり、端面近傍の活性層へのホール注入１７０１が妨げられる。これによって高出力動作時の端面劣化が防止できるので、信頼性の高い窒化物半導体ＬＤが得られる。

結晶成長は有機金属気相エピタキシャル(MOVPE : Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)成長で行った。Ｎ原料にはアンモニア、Ｇａ原料にはトリメチルガリウム、Ａｌ原料にはトリメチルアルミニウム、Ｉｎ原料にはトリメチルインジウムを用いた。基板には酸素ド−プのｎ型ＧａＮ基板を用い、Ｇａ面上に成長させた。ｐド−パントにはＭｇ（マグネシウム）を用い、ｎド−パントにはＳｉを用いたが、Ｓｉの代わりにＯを用いてもよい。Ｍｇ原料にはシクロペンタジエチル・マグネシウム（Ｃ_５Ｈ_５）_２Ｍｇを用い、Ｓｉ原料にはシランＳｉＨ_４を用いた。Ｍｇの原子濃度はｐ型ＧａＮコンタクト層１１１には１×１０^２０ｃｍ^−３、それ以外には１×１０^１９ｃｍ^−３、Ｓｉの原子濃度はすべて２×１０^１８ｃｍ^−３である。

成長温度はｎ型ＧａＮバッファ−層１０２が６００℃、ｎクラッド層１０３およびｐクラッド層１０８は１０００〜１１００℃、ＩｎＧａＮ型ＭＱＷ活性層１０４は８００℃である。成長時のキャリアガスは活性層では窒素、それ以外では水素を用いた。成長温度は、Ｍｇ原子濃度に応じて、成長中にｐ型超格子クラッドが保たれる温度に設定した。なぜなら、例えばＭｇ原子濃度が４×１０^１９ｃｍ^−３より大きい場合、成長温度が１０００℃を超えると、成長中にｐ型超格子クラッドが無秩序化してしまうからである。

図８にＬＤウエハのＡｌＧａＮ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）超格子層（０．６μｍ厚）からのＸ線回折強度曲線を示す。成長温度は１０００℃、ｐクラッドのＭｇ原子濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３である。ＧａＮ基板からの回折ピ−ク５０１の両側に超格子からのサテライトピ−ク５０２が観測された。

図９に本例の窒化物半導体ＬＤの製造工程におけるウエハ上面図を示す。図９はＬＤウエハ３０１、ＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜３０２、ＬＤ素子３０３、素子分離線３０４、劈開線３０５、断面３０６からなる。ＬＤウエハ３０１はエピ成長直後の状態である。劈開線３０５の間隔は６５０μｍであり、それがＬＤ素子３０３の共振器長に相当する。素子分離線３０４の間隔は４００μｍである。ＬＤ素子３０３は共振器方向の長さ６５０μｍで幅４００μｍの大きさである。ＬＤウエハ３０１のエピ表面の劈開線３０５の両側６μｍの領域に、１３００μｍ間隔で幅１４μｍのＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜３０２をストライプ形状に形成した。素子分離線３０４と劈開線３０５は素子分離の位置と劈開位置を示す線であり、この時点ではまだ素子分離と劈開は行われていない。

図１０に図９の断面３０６に沿ったＬＤウエハ３０１の断面図を示す。図１０はｎ型ＧａＮ基板４０１、エピ膜４０２、層厚２００ｎｍのＭｇＯ膜４０３、層厚２００ｎｍのＳｉＯ_２膜４０４からなる。ＭｇＯ膜４０３とＳｉＯ_２膜４０４はＬＤウエハ３０１のエピ表面にスパッタリング法により形成した。具体的にはスパッタリング装置内にＬＤウエハを投入し、１×１０^−５ｔｏｒｒの真空度で、出力５００Ｗの高周波を用いてアルゴンプラズマを形成し、ＭｇＯのターゲットをスパッタリングしてＬＤウエハ３０１上にＭｇＯ膜を形成し、その後連続して同様にＳｉＯ_２膜を形成した。

ＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜が堆積したウエハ表面にフォトレジストをスピナ−で塗布し、フォトリソグラフィを用いて、１３００μｍ間隔で幅１４μｍのストライプ状にフォトレジストを残し、バッファ−ドフッ酸（ＢＨＦ：Buffered HydroFluoric acid）で数十秒エッチングしたあと水洗し、乾燥させた。ＭｇＯ膜の方がＳｉＯ_２膜よりエッチング速度が大きいため、ＭｇＯ膜がサイドエッチングされた。エッチング後のＳｉＯ_２膜とＭｇＯ膜の幅はそれぞれ１４μｍと１２μｍであった。ウエハの一部にＸ線評価用に面積１ｃｍ^２角の領域のＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜を残した。

ストライプ状のＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜３０２を形成したＬＤウエハをＭＯＶＰＥ成長炉に投入し、アンモニアと水素キャリアガスと（Ｃ_５Ｈ_５）_２Ｍｇをウエハに供給し、ＮとＭｇが結晶表面から抜けるのを防ぎながら温度１０００℃で１時間アニールした。

ウエハを取り出して１ｃｍ^２角の面積領域のＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜下からのＸ線回折曲線を測定したところ、超格子からのサテライトピ−クが消滅しているのが観測された。これは超格子構造が消失し結晶が無秩序化したことを示唆している。透過電子顕微鏡でウエハ断面を観察したところ、確かにＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜下の超格子構造が完全に消失し結晶が無秩序化していた。アニール温度と時間は、超格子からのサテライトピ−クの強度を評価することによって、不純物の拡散がクラッド層の下面に接するように最適化した。

図１１にＡｌＧａＮ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）超格子層（０．６μｍ厚）の無秩序化条件を示す。無秩序化前のＳＩＭＳ（二次イオン質量スペクトル：Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析から超格子のＭｇの原子濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３である。アニール温度とアニール時間が十分大きければ、超格子は無秩序化し、それらが小さければ、超格子は無秩序化せずにその形状を保った。

境界のアニール条件領域では超格子の無秩序化は不完全であった。無秩序／超格子の境界曲線は下に凸であり、Ｍｇの原子濃度が大きい場合には、図１１の下方に移動した。つまりＭｇの原子濃度が大きい場合には、同じアニール時間でより低い温度で無秩序化する。例えば、元の結晶のＭｇ濃度が３×１０^１９ｃｍ^−３の場合は９００℃、６０分で無秩序化し、Ｍｇ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３の場合は１１００℃、６０分で無秩序化した。ＳＩＭＳ分析から、ｐ型超格子クラッド層の無秩序化はＭｇＯ膜４０３中のＭｇが直下のｐ型超格子クラッド層に拡散し、超格子を構成するIII族原子の相互拡散を促進したためと考えられる。

同様の無秩序化はＭｇＯ膜の代わりにＺｎＯ膜を用いても同様に生じた。これは、Ｚｎ原子とＭｇ原子の占める位置が同じIII族原子サイトであるため、Ｚｎが超格子中のＭｇを押し込み、その拡散を促進したと考えられる。

ＳｉＯ_２膜４０４はアニール時にＭｇＯ膜４０３を保護して、Ｍｇの蒸発を抑制する働きがある。ＳｉＯ_２膜中をｐコンタクト層に接しない状態でアニールしたのは、アニール時にＳｉＯ_２膜中のＳｉあるいは酸素がＬＤのｐ型ＧａＮコンタクト層に拡散あるいは表面近傍に蓄積し、ｐ濃度を補償して、ｐ電極のコンタクト抵抗を低下させるのを防止するためである。十分低いｐ電極のコンタクト抵抗が得られるのならば、ストライプ形状のＭｇＯ膜に対して、ＳｉＯ_２膜をウエハ全面に形成した後、無秩序化アニールを行ってもよい。その場合は、アンモニアを供給せずに窒素のみを供給してアニールを行うことができる。

図１２に本例の窒化物半導体ＬＤの製造工程におけるウエハ上面図を示す。ＬＤウエハをストライプ状に無秩序化アニールを行った後に、ウエハ端のＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜ストライプの中央に劈開のためのケガキ線１００１を劈開方向に数百μｍの長さダイヤモンドカッタで入れた。その後ＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜をＢＨＦでエッチング除去し、下記に示すドライエッチング法でリッジ型ｐ型クラッド層１００２を形成した。

図１３、図１４、図１５に本例の窒化物半導体ＬＤの製造工程１〜３を示す。図１３の製造工程１では、ｎ型ＧａＮ基板７０１の上にＧａＮエピ膜７０２を成長させ、熱化学気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用い６００℃でＬＤウエハ上に３００ｎｍ厚のＳｉＯ_２膜を全面に形成し、ＬＤのリッジ型ストライプを形成する位置に３００ｎｍ厚のＺｒＯ_２膜のストライプ７０４を形成した。

ＺｒＯ_２膜のストライプをマスクにＣＦ_４ガスを用いた反応性イオンエッチングでＳｉＯ_２膜のストライプ７０３を形成した。電子サイクロトン共鳴による反応性イオンビ−ムエッチング装置（ＥＣＲ−ＲＩＢＥ：Electron Cyclotron Resonance-Reactive Ion Beam Etching）で、マスクとしてＺｒＯ_２膜のストライプ７０４を用い、塩素ガス７０５を用いてＧａＮエピ膜７０２をエッチングしてＬＤのリッジ型ストライプを形成した。

図１４の製造工程２では、ＳｉＯ_２膜を選択的にＢＨＦでサイドエッチングした後に、絶縁膜となるＺｒＯ_２膜を、スパッタ装置を用いてＺｒＯ_２蒸着７０６させ、図１５におけるＺｒＯ_２膜７０７を堆積させた。図１５の製造工程３では、ＢＨＦでＳｉＯ_２膜をエッチングして、ＺｒＯ_２ストライプをリフトオフした。よく水洗し乾燥させた後、ｐ電極をリッジ型ストライプ上部に蒸着した。そのＬＤウエハの裏面を研磨して、１００μｍの厚さにしたのち、裏面にＴｉ（１５ｎｍ）／Ａｌ（２００ｎｍ）のｎ電極を蒸着した。本発明のすべての実施例の電流狭窄にこのようにして作製したＺｒＯ_２膜を用いた。

ウエハ裏面にケガキ線１００１と平行に劈開用のブレードを押し当てて、ウエハを劈開しＬＤバーを得た。ＬＤバーの無秩序化した側の端面にアルミナの低反射率コーティング、反対側に高反射率コーティングを施したのち、ダイヤモンドカッタで素子分離を行い、ＬＤ素子を得た。組み立ては、ｐ面を上にしてダイヤモンドヒートシンクにＡｕＳｎでＬＤを融着して、銅ステムにダイヤモンドヒートシンクを取り付け、ＬＤにＡｕのリード線をボンディングして組み立てた。

本実施例１は、ｎ型ＧａＮ基板上に成長させた窒化物半導体レーザであり、共振器端面から６μｍの領域にｐ型ＡｌＧａＮ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）超格子層をほぼ完全に無秩序化させた構造を有する。ピエゾ効果によりｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ（ＳＣＨ）界面にホ−ル障壁が発生するため、共振器端面から６μｍの領域の下の活性層には電流が殆ど注入されない。それによって高出力動作時でも共振器端面の光学劣化を防止できる。このような新規な構造と作用と効果により、従来の問題点を克服し、長寿命の窒化物半導体ＬＤを供給できた。

図１６に、本実施例１に関する窒化物半導体ＬＤの２５℃での電流−光出力特性と電流−電圧特性を示す。この結果は他の実施例において、ほとんど変化することはなかった。本実施例１に関する窒化物半導体ＬＤ素子のリッジ型ストライプ幅は１．５μｍ、共振器長は６５０μｍ、端面の無秩序化距離は６μｍ、光出射端面はＳｉＯ_２とアルミナの２層膜で５％の反射率のＡＲ(: Anti-Reflection)コートを施した。電流非注入長が小さいため、電流閾値は４０ｍＡと小さい。単一横モード発振を維持するために電流注入の幅を１．５μｍに小さくすると端面の光密度が上昇し、光学損傷が起こりやすくなる。そのため、従来構造の場合は、１５０ｍＷで急速に端面光学損傷劣化してしまう。これに対して、端面無秩序構造を備えた本例の場合は、単一横モ−ド連続発振で光出力３００ｍＷでも光学損傷が生じなかった。

図１７に本形態の実施例１における窒化物半導体ＬＤのＡＰＣ(:Auto Power Control)動作電流の時間依存性を示す。この結果は、ひとつのウエハ内から無作為に選択したＬＤにおけるものである。環境温度６０℃、光出力１４０ｍＷで連続動作させたところ１０００時間の動作中に突発的な端面劣化は見られなかった。これは本例の端面無秩序構造の結晶品質に問題がないことを示している。この結果に関しても、他の実施例においても同じ結果を得ている。
実施例２．

続いて、窒化物半導体レーザの第２の実施例について説明する。本例の窒化物半導体レーザは、所定のオフ角を有する傾斜基板上に形成されている。傾斜基板は、図１８に第２の実施例である端面非注入型窒化物半導体レ−ザの共振器方向の断面図を示す。本例窒化物半導体レーザは、オフ角が９°である層厚１００μｍのｎ型ＧａＮ傾斜基板１１０１上に形成された特徴を有する。オフ角とは、基板の（０００１）面と窒化物半導体レーザの底面との交線が共振器端面に垂直で、基板の（０００１）面と窒化物半導体レーザの底面の角度のことである。

本実施例２は、ＴｉＡｌのｎ電極１００、層厚１００μｍのｎ型ＧａＮ傾斜基板１１０１、層厚１００ｎｍのｎ型ＧａＮバッファ−層１０２、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎクラッド層１０３、層厚０．１５μｍのｎ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ）層１０４、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（２．５ｎｍ）／Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ（８ｎｍ）３周期のＩｎＧａＮ型ＭＱＷ活性層１０５、層厚１０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ層１０６、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ）層１０７、共振器方向の長さ６μｍのｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（端面部）１０８、ｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）の１２０周期で全層厚０．６μｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０９、層厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層（端面部）１１０、層厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１１、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕのｐ電極１１２、層厚２００ｎｍのＺｒＯ_２膜１１３、低反射率コーティング膜１１４、ＳｉＮ／ＳｉＯ_２の高反射率コーティング膜１１５からなる。

リッジ型ストライプ幅は１．４μｍであり、発振波長は４０７ｎｍであった。ｐ型超格子クラッドのＭｇ濃度は４×１０^１８ｃｍ^−３であり、１０００℃、１時間のアニール条件でＭｇＯ膜下のｐクラッドの超格子を完全に無秩序化させて製造した。その他の製造方法に関しては実施例１で示したものと同じである。

ｎ型ＧａＮ傾斜基板１１０１を用いると、平坦な基板上に形成された場合に較べて、Ｍｇの活性化率が２倍大きいため、熱アニールによる無秩序化工程でＭｇＯ膜からのＭｇの拡散が容易になる。あるいはｐクラッドのＭｇ濃度が比較的低くてもｐクラッドの超格子構造が無秩序化しやすいという利点がある。

本実施例２では、ｐクラッドのＭｇ濃度が４×１０^１８ｃｍ^−３とやや低いが、Ｍｇの活性化率が高いため、１００ｍＷで５Ｖ程度の低い動作電圧が得られた。また、ｐクラッドのＭｇ濃度が小さいため、活性層へのＭｇ拡散による素子劣化が減少し、高い信頼性が得られる利点がある。リッジメサはドライエッチングで加工するために、ＧａＮ傾斜基板を用いても、メサの断面形状は、フラット基板のものと変りが無いため、同様のプロセスが適用でき、ほぼ同等の電流閾値が得られた。ＧａＮ中のＭｇの活性化率は基板のオフ角が２°〜９°まで増加し、９°〜１６°では一定であった。ＧａＮ中のＭｇ拡散のしやすさは１６°まで基板のオフ角が大きいほど増大した。これ以上のオフ角の基板では作成することができなかった。
実施例３．

図１９に第３の実施例である端面非注入型窒化物半導体レ−ザの共振器方向の断面図を示す。本発明の実施例３は、ｐクラッドの超格子構造がこれまでの例と異なり、共振器の両端面に無秩序化したクラッド層を有し、ｐ電極を端面近傍以外に制限した窒化物半導体ＬＤである。

本実施例３は、ＴｉＡｌのｎ電極１００、層厚１００μｍのｎ型ＧａＮ基板１０１、層厚１００nmのｎ型ＧａＮバッファ−層１０２、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎクラッド層１０３、層厚０．１５μｍのｎ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ）層１０４、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（２．５ｎｍ）／Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ（８ｎｍ）３周期のＩｎＧａＮ型ＭＱＷ活性層１０５、層厚１０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ層１０６、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ）層１０７、共振器方向の長さ１０μｍのｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（前端面）１２０１、共振器方向の長さ５μｍのｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（後端面）１２０２、ｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）の１２０周期で全層厚０．４８μｍのμｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２０３、層厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層（端面部）１１０、層厚５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１１、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕのｐ電極１２０４、層厚２００ｎｍのＺｒＯ_２膜１１３、低反射率コーティング膜１１４、ＳｉＮ／ＳｉＯ_２の高反射率コーティング膜１１５からなる。ｐ電極１２０４は前端面近傍の１０μｍと前端面近傍の５μｍ以外を除いて形成されている。本実施例のリッジ幅は１．５μｍであり、発振波長は４０５ｎｍであった。その他の製造方法に関しては実施例１で示したものと同じである。

実施例３の窒化物半導体レーザでは、ｐクラッドの超格子構造１２０３の周期が４ｎｍと小さいために超格子の無秩序化がしやすい。すなわちより低いアニ−ル温度と短いアニ−ル時間で超格子の無秩序化が実現できる利点がある。超格子の周期が１０ｎｍ以上になると、ホ−ルのトンネル注入とＡｌ組成の均一な無秩序化が難しくなるので、超格子の構造には制限がある。本例のｐ型超格子クラッド層は、少なくともｐ型ＧａＮ（ＳＣＨ）光閉じ込め層に接する部分が層厚ｄ₁(ｎｍ)のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と層厚ｄ_２(ｎｍ)のＧａＮ層を２組以上組み合わせてなる超格子であり、超格子の平均Al組成Ｙ（＝ｘ＊ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２））に対して、１ｎｍ≦ｄ_１≦４ｎｍかつ０．０５≦Ｙ≦０．０９であるので、良好な初期特性と超格子の無秩序化を実現できる。

高反射率コ−ティング材料を蒸着したときの損傷が結晶端面に及んだ場合は、高反射率コ−ティングを施した後端面で劣化が生じる場合がある。実施例３の窒化物半導体レーザでは、共振器の後端面近傍にも無秩序化したｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２０２を有するため、後側の端面劣化も防止できる。さらに実施例３の窒化物半導体レーザでは、ｐ電極１２０４が端面近傍に形成されていない構造を併せ持つため、端面近傍の電流注入が極めて抑制され、端面劣化が生じ難い利点を有する。端面部の電流注入をなくすためには、端面近傍の表面をＳｉＯ_２などの絶縁膜で覆う方法もある。
実施例４．

図２０を参照して、４の実施例について説明する。本実施例４の製造方法は、ＭｇＯ膜の代わりにＺｎＯ膜を用い、同様にＬＤプロセスを行う。まずウエハのＭｇ：ＧａＮコンタクト１１１上全面にＺｎ拡散用のＺｎＯ膜（２００ｎｍ厚）とその上にＳｉＯ_２（２００ｎｍ厚）保護膜をつけ、ＢＨＦエッチングで共振器の端面近傍のストライプ部分のみ残す。そのウエハを成長炉に投入し、アンモニアあるいは窒素ガス中、９８０℃で３０分間アニールする。アニールにより、ＺｎＯ膜中のＺｎ原子はＺｎＯ膜直下のＭｇ：ＧａＮ層（端面部）１３０３とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１３０２に拡散し、ｐ型超格子クラッドのIII族原子の相互拡散を促進させ、超格子クラッドを無秩序化させる。その後、ＬＤをリッジストライプ型に加工し、本例のＬＤを得る。その他の製造方法に関しては実施例１で示したものと同じである。

本実施例４で用いられるＺｎはＭｇよりＧａＮ中を拡散しやすいため、より低いアニール温度と短いアニール時間で超格子の無秩序化が実現できる利点がある。第４の実施例の窒化物半導体ＬＤのｐクラッドの超格子構造１３０２の周期は６ｎｍとやや大きいが、Ｚｎ拡散で無秩序化できた。またＺｎが拡散したＭｇ：ＧａＮ層（端面部）１３０３とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１３０１の部分は、拡散前に較べて電気抵抗が増大するため、それらの層は電流ブロックに寄与する利点がある。
実施例５．

図２１に第５の実施例である端面非注入型窒化物半導体レ−ザの共振器方向の断面図を示す。本実施例５は、サファイア基板上に形成された特徴を有する窒化物半導体ＬＤである。

すなわち本実施例５は、サファイア基板（８０μｍ）１４０１、ｎ型ＧａＮ（１．０μｍ）１４０２、 Ｔｉ・Ｐｔ／Ａｕ−ｎ電極１４０３、ｎ型ＡｌＧａＮ（１．０μｍ）１４０４、ｎ型ＧａＮガイド層（０．１μｍ）１４０５、ＩｎＧａＮの３層の量子井戸活性層１４０６、ｐ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ層（２０ｎｍ）１４０７、ｐ型ＧａＮガイド層（０．１μｍ）１４０８、超格子無秩序化クラッド層（０．５μｍ）４０９、電流狭窄用ＺｒＯ_２マスク層１４１０、ｐ型ＧａＮ層１４１１、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ−ｐ電極１４１２からなる。超格子無秩序化クラッド層４０９はｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ（２．５ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）の１００周期で全層厚０．５μｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層である。

端面にはそれぞれ高反射膜と低反射膜を形成した。ここでレーザの共振器は、塩素系のドライエッチングで形成した。サファイア基板（８０μｍ）１４０１は、オリフラ方向に２°オフのものを用いた。超格子無秩序化クラッド層（０．５μｍ）４０９は、低反射膜を形成した端面から１０μｍの範囲で形成されている。無秩序化はＺｎＯ膜からのＺｎ拡散で行った。端面から１０μｍの範囲以外の部分のｐクラッド超格子は無秩序化されていない。その他の製造方法に関しては実施例１で示したものと同じである。

サファイア基板を用いた場合、レーザの共振器は劈開ではなく、ドライエッチングで形成されるため、端面に加工損傷が導入される。そのため端面に保護コーティングを施しても、１００ｍＷを超える高出力動作時には、端面の光学劣化が生じてしまう。レーザ光の出射端側に無秩序化による電流ブロック構造が備え付けられていることによって、サファイア基板上の窒化物半導体ＬＤの寿命を著しく改善できた。

サファイアは傾斜基板が入手しやすい。傾斜基板上のＧａＮ中は不純物が拡散しやすく、ＬＤが作製しやすい利点がある。またサファイア基板は、ＧａＮ基板の１％の価格であり、生産数量が遥かに多い。サファイア基板上に形成された本発明の実施例５のＬＤは低価格で生産できるため、量産品である光ディスクの書き込み光源として普及しやすい利点がある。

これまで述べた実施例は、リッジストライプ型の窒化物半導体ＬＤに関するものであるが、ＬＤの構造はリッジストライプ型に限らず、それとは異なる電流狭窄構造のＬＤにも適用できる。例えば本発明は電流狭窄層がＬＤ内部にあるインナ−ストライプ型の窒化物半導体ＬＤにも適用可能である。また、実施例では光閉じ込め層の上に超格子クラッドを積層したがこれに限られず、別の層とでピエゾ障壁を生じさせてもよい。さらに、第１の窒化物半導体層はＧａＮに限らず、ＩｎＧａＮでもよい。本発明はＡｌＧａＩｎＮ系の窒化物半導体を含む発光素子に適用可能であり、レーザの発振波長に関して制限はない。本発明の窒化物半導体ＬＤにおいて、無秩序化を引き起こす方法や拡散に用いる不純物原子の種類に制限はなく、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅだけではなく、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅなどのｎ型不純物であっても本発明の効果は得られる。無秩序化の方法も熱拡散だけに限るものではなく、不純物のイオン打ち込み注入を用いてもよい。

本実施の形態における共振器方向の断面図 本実施の形態における共振器面の断面図 ｐ型のＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ（ＳＣＨ）エピ構造の価電子帯エネルギーとホール密度プロファイル ｐ型のＧａＮ／超格子／ＧａＮ（ＳＣＨ）エピ構造の価電子帯エネルギーとホール密度プロファイル 本発明の第１の実施例の端面非注入型窒化物半導体レ−ザの共振器方向の断面図 本発明の第１の実施例の端面非注入型窒化物半導体レ−ザの断面図 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの作用の説明図 ＡｌＧａＮ（２．５ｃｍ）／ＧａＮ（２．５ｃｍ）超格子層（０．６μｍ厚）のＸ線回折強度曲線 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの製造工程におけるウエハ上面図 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの製造工程におけるウエハ断面図 ＡｌＧａＮ（２．５ｃｍ）／ＧａＮ（２．５ｃｍ）超格子層（０．６μｍ厚）の無秩序化条件 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの製造工程におけるウエハ上面図 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの製造工程１ 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの製造工程２ 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの製造工程３ 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザの電流-光出力特性と電流-電圧特性 本発明の第１の実施例の窒化物半導体レーザのＡＰＣ動作電流の時間依存性 本発明の第２の実施例の端面非注入型窒化物半導体レーザの共振器方向の断面図 本発明の第３の実施例の端面非注入型窒化物半導体レーザの共振器方向の断面図 本発明の第４の実施例の端面非注入型窒化物半導体レーザの共振器方向の断面図 本発明の第５の実施例の端面非注入型窒化物半導体レーザの共振器方向の断面図 従来例であるサファイア基板上のGaN系窒化物半導体レーザ

符号の説明

１０ ｎ電極、１１ ｎ型基板、１２ ｎ型バッファ層、１３ ｎ型クラッド層、
１４ ｎ型光閉じ込め層、１５ 活性層、１６ ｐ型窒化物半導体層、
１７ ｐ型超格子クラッド層、１８ ｐ型無秩序化層、１９ ｐ型コンタクト層、
２０ ｐ電極、２１ 高反射率コーティング膜、２２ 低反射率コーティング膜、
２３ 絶縁層
１００ ＴｉＡｌのｎ電極、１０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ ｎ型ＧａＮバッファ−層、
１０３ ｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎクラッド層、
１０４ ｎ型ＧａＮ光閉じ込め(ＳＣＨ)層、
１０５ ＩｎＧａＮ型ＭＱＷ（多重量子井戸）活性層、
１０６ ｐ型Ａｌ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ層、
１０７ ｐ型ＧａＮ光閉じ込め（ＳＣＨ）層、
１０８ ｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（端面部）、
１０９ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１１０ ｐ型ＧａＮ層（端面部）、
１１１ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１２ Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕのｐ電極、
１１３ ＺｒＯ_２膜、１１４ 低反射率コーティング膜、
１１５ ＳｉＮ／ＳｉＯ_２の高反射率コーティング膜、２１０ ＧａＮ低温層、
２１１ （０００１）Ｃ面サファイア基板、２１２ ＧａＮバッファ層、
２１３ ＳｉＯ_２膜、２１４ ＧａＮ膜、２１５ ｎ型ＧａＮコンタクト層、
２１６ ｎ型Ｇａ_１-ｚ１Ａｌ_ｚ１Ｎ/ＧａＮ超格子クラッド層、
２１７ ｎ型Ｇａ_１-ｙ２Ａｌ_ｙ２Ｎ光導波層、
２１８ Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１-ｘ２Ｎ／Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１-ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層、
２１９ ｐ型Ｇａ_１-ｙ３Ａｌ_ｙ３Ｎキャリアブロッキング層、
２２０ ｐ型Ｇａ_１-ｙ２Ａｌ_ｙ２Ｎ光導波層、
２２１ ｐ型Ｇａ_１-ｚ１Ａｌ_ｚ１Ｎ/ＧａＮ超格子クラッド層、
２２２ ｐ型ＧａＮコンタクト層、２２６ 絶縁膜、２２７ ｐ電極、
３０１ ＬＤウエハ、３０２ ＳｉＯ_２／ＭｇＯ膜、３０３ ＬＤ素子３０３、
３０４ 素子分離線、３０５ 劈開線、３０６ 断面、
４０１ ｎ型ＧａＮ基板、４０２ エピ膜、４０３ ＭｇＯ膜、４０４ ＳｉＯ_２膜、
５０１ ＧａＮ基板ピーク、５０２ サテライトピーク、
７０１ ｎ型ＧａＮ基板、７０２ ＧａＮエピ膜、７０３ ＳｉＯ_２膜、
７０４ ＺｒＯ_２膜、７０５ 塩素ガス、７０６ ＺｒＯ_２蒸着、７０７ ＺｒＯ_２膜
１００１ 劈開のためのケガキ線、１００２ リッジ型ｐ型クラッド層
１１０１ ｎ型ＧａＮ傾斜基板、
１２０１ ｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（前端面）、
１２０２ ｐ型ＡｌＧａＮ無秩序化層（後端面）、
１２０３ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１２０４ ｐ電極、
１３０１ Ｚｎ拡散Ｍｇ：ＡｌＧａＮ無秩序化層、
１３０２ ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、
１３０３ Ｚｎ拡散Ｍｇ：ＧａＮ層、１３０４ ｐ電極、
１４０１ サファイア基板、１４０２ ｎ型ＧａＮ（１．０μｍ）、
１４０３ Ｔｉ・Ｐｔ／Ａｕ ｎ電極、１４０４ ｎ型ＡｌＧａＮ(１．０μｍ)、
１４０５ ｎ型ＧａＮガイド層（０．１μｍ）、１４０６ ３層の量子井戸活性層、
１４０７ ｐ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層（２０ｎｍ）、
１４０８ ｐ型ＧａＮガイド層（０．１μｍ）、
１４０９ 超格子無秩序化クラッド層（０．５μｍ）、
１４１０ 電流狭窄用ＺｒＯ_２マスク層、１４１１ ｐ型ＧａＮ層、
１４１２ Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ ｐ電極、
１７００ ピエゾ障壁による電流ブロック領域、１７０１ ホール電流注入

Claims (17)

1. 活性層と、２種類以上の化合物半導体層を組み合わせて構成したｐ型超格子クラッド
   層と、を有する窒化物半導体レーザであって、
   前記活性層と前記ｐ型超格子クラッド層との間に第１の窒化物半導体層を有し、
   前記ｐ型超格子クラッド層は、前記第１の窒化物半導体層に対して引張り歪みを有し、
   かつ、前記窒化物半導体レーザの共振器端面の近傍で前記超格子構造が無秩序化された領域を有することを特徴とする窒化物半導体レ−ザ。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体レーザにおいて、前記無秩序化された領域と第１の窒化物半導体層の界面に生じるピエゾ電界をホール障壁として用いることを特徴とする窒化物半導体レ−ザ。
3. 前記第１の窒化物半導体層は、光閉じ込め層である特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ。
4. 前記第１の窒化物半導体層は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レ−ザ。
5. 前記ｐ型超格子クラッド層の少なくとも一部が層厚ｄ_１（ｎｍ）のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層と層厚ｄ_２（ｎｍ）のＧａＮ層を２組以上組み合わせてなる超格子構造であり、かつその超格子の平均Ａｌ組成Ｙ（＝ｘ＊ｄ_１／（ｄ_１＋ｄ_２））に対して、１ｎｍ≦ｄ_１≦４ｎｍかつ０．０５≦Ｙ≦０．０９である、請求項１に記載の窒化物半導体レ−ザ。
6. 前記無秩序化された領域の共振器方向の長さの最小値Ｌが、２μｍ≦Ｌ≦３０μｍである、請求項１記載の窒化物半導体レ−ザ。
7. 前記ｐ型超格子クラッド層のｐ型ドーパントの原子濃度Ｄが、４×１０^１８ｃｍ^−３≦Ｄ≦４×１０^１９ｃｍ^−３である、請求項１に記載の窒化物半導体レ−ザ。
8. 前記無秩序化された領域には、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅのいずれか一の不純物原子が含まれていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザ。
9. 前記活性層は２層以上４層以下のウエル層を有する多重量子井戸構造であり、
   前記共振器の少なくとも一方の端面の近傍における活性層の遷移波長が内部より短波長である、請求項１記載の窒化物半導体レ−ザ。
10. 前記共振器の上層側のｐ電極を備え、
    前記共振器の端面上部のｐ電極が存在しない領域の共振器方向の長さの最小値Ｌｍが、２μｍ≦Ｌｍ≦３０μｍである、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体レ−ザ。
11. 前記基板がサファイアあるいはＧａＮからなる傾斜基板である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体レ−ザ。
12. 前記傾斜基板の（０００１）面と前記窒化物半導体レーザの底面との交線が共振器端面に垂直で、前記傾斜基板の（０００１）面と前記窒化物半導体レーザの底面の角度であるオフ角aが２°≦ａ≦１６°である、請求項１１に記載の窒化物半導体レ−ザ。
13. 窒化物半導体レ−ザの製造方法であって、
    ２種類以上の化合物半導体層を組み合わせて構成したｐ型超格子クラッド層を形成する工程と、
    活性層を形成する工程と、
    前記活性層と前記ｐ型超格子クラッド層との間に有する第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記ｐ型超格子クラッド層は、前記第１の窒化物半導体層に対して引張り歪みを有し、
    かつ、前記窒化物半導体レーザの共振器端面の近傍で前記超格子構造が無秩序化さ
    れた領域を形成する工程と、
    を有する窒化物半導体レ−ザの製造方法。
14. 前記無秩序化領域を形成する工程は、拡散不純物を含む酸化物膜あるいは窒化物膜を形成し、前記拡散不純物を前記ｐ型超格子クラッド層に熱拡散させる工程を有する、請求項１３に記載の窒化物半導体レーザの製造方法。
15. 前記無秩序化領域を形成する工程は、熱拡散の前に、前記拡散不純物を含む酸化物膜あるいは窒化物膜を、前記ｐ型超格子クラッド層との間で挟む位置にＳｉＯ_２膜を形成する工程をさらに有する、請求項１４に記載の窒化物半導体レ−ザの製造方法。
16. 熱拡散のためのアニール温度Ｔ_ａが９００℃≦Ｔ_ａ≦１２００℃である、請求項１４又は１５に記載の窒化物半導体レ−ザの製造方法。
17. 熱拡散のためのアニールは、アンモニアあるいは窒素を含む気体中で実行される、請求項１４、１５又は１６に記載の窒化物半導体レ−ザの製造方法。
    

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