JP2008124498A - 窒化物半導体発光素子とその窒化物半導体発光素子を備える窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体レーザに用いられる窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体レーザの動作電圧を低減し、しきい値電圧の上昇を防ぐことができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体１０４と、ｐ型窒化物半導体１０６と、前記ｎ型窒化物半導体１０４と前記ｐ型窒化物半導体１０６との間に配置される活性層と、を備え、
前記活性層は、少なくとも２層の障壁層８０１、８０２、８０４、８０５を積層した積層体と、井戸層８０３とが交互に積層することにより構成されて、
前記積層体は、窒化ガリウムからなる前記障壁層８０１、８０５と、窒化インジウムガリウムからなる前記障壁層８０２、８０４とからなることを特徴とする。
【選択図】図９

Description

この発明は、窒化物半導体発光素子および、その窒化物半導体発光素子を用いた窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光及び電流の閉じ込めを行うために、リッジストライプ型の導波路構造を設けることが多い。従来のリッジストライプ型の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子における、リッジストライプ型の導波路構造の形成工程の断面模式図を、図１６（ａ）〜（ｇ）に示す。

通常、基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層構造７００の上に、図１６（ａ）の如くストライプ形成用フォトレジストマスク４４を形成した後、反応性イオンエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置等のドライエッチング装置を用いて、図１６（ｂ）の如く半導体積層構造７００の表面をエッチングし、リッジストライプを形成する。次に、ストライプ形成用フォトレジストマスク４４を除去した後、図１６（ｃ）の如く、表面をＳｉＯ２、ＳｉＮ等の誘電体膜３５で被覆し、更にその上から、図１６（ｄ）の如く、ストライプ状の開口部８０を有するフォトレジスト膜７０を形成する。

次に、ウェットエッチング法により、図１６（ｅ）の如く、フォトレジストの開口部８０を誘電体膜３５に転写し、開口部９０を設ける。次に、フォトレジスト膜７０を除去した後に、図１６（ｆ）の如く、リッジストライプ領域を含む開口部８１を有するフォトレジスト膜７１を形成し、全面に上部電極金属層を蒸着した後、リフトオフ法により、図１６（ｇ）の如く、上部電極２５を得る。

なお、ここで用いたストライプ形成用フォトレジストマスク４４については、フォトレジストではなく、ＳｉＯ₂等の無機誘電体膜を代わりに使用することも、一般に行われている。

上述したように製造される半導体レーザは、半導体レーザを構成する窒化物半導体発光素子（窒化ガリウム系化合物半導体積層構造）の閾値電流密度を低減することにより、半導体レーザの電流電圧特性、発振閾値電流、発振モード等のばらつきを抑えて信頼性を向上できることが一般的に知られている。半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体と、ｐ型窒化物半導体と、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に配置される活性層とから構成される。活性層は、バンドギャップのより小さい材料で構成される井戸層と、バンドギャップのより大きい材料で構成される障壁層とを交互に積層することにより構成される。

しかしながら、従来の半導体発光素子は、障壁層を１層で構成していたことにより、半導体発光素子の設計の自由度が低く、閾値電流密度を低下させるための最適な条件を導き出すことができない。そのため、従来の半導体発光素子では、半導体発光素子の閾値電流密度を効果的に制御することができなかった。これにより、従来の半導体発光素子を用いた半導体レーザにおいては、電流電圧特性、発振閾値電流、発振モード等のばらつきを抑えることができなかった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化物半導体レーザに用いられる窒化物半導体発光素子において、閾値電流密度を低下させる最適な条件を備えた窒化物半導体発光素子を提供することであり、その窒化物半導体発光素子を用いた窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、ｎ型窒化物半導体と、ｐ型窒化物半導体と、ｎ型窒化物半導体とｐ型窒化物半導体との間に配置される活性層と、を備え、活性層は、少なくとも２層の障壁層を積層した複数の積層体と、複数の井戸層とが交互に積層することにより構成されて、積層体は、窒化ガリウムからなる障壁層と、窒化インジウムガリウムからなる障壁層とからなることを特徴としている。

また、本発明は上記構成の窒化物半導体発光素子において、前記積層体は、３層の前記障壁層で構成されて、前記井戸層に当接する前記障壁層を、３ｎｍ以下の層厚を有する窒化インジウムガリウムから構成して、前記井戸層から離間する前記障壁層を、シリコンがドープされた窒化ガリウムから構成することが好ましい。

本発明によると、活性層を、少なくとも２層の障壁層を積層した積層体と、井戸層とが交互に積層することにより構成する。そして、積層体は、窒化ガリウムからなる障壁層と、窒化インジウムガリウムからなる障壁層とから構成される。そのため、積層体を構成する障壁層のうちでシリコンをドープした障壁層の厚さを最適に制御することで、井戸層に効率よくキャリアを供給することができ、閾値電流密度を低下することができる。これにより、上述した窒化物半導体発光素子を用いた窒化物半導体レーザは、電流電圧特性、発振閾値電流、発振モード等のばらつきを抑えて信頼性を向上することができる。

以下、本発明のいくつかの実施形態について図面を参照しながら説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は、本発明の第一の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。サファイア等の基板上に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層とＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層とを３周期重ねた量子井戸構造の活性層、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、及びｐ型ＧａＮコンタクト層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面に、図１（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１０を形成する。

次に、同図（ｂ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４０をフォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｃ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１０を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出するまでエッチングする。

この場合のプロセスガスとしては、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いる。これら塩素系ガスの添加は、Ａｒにより表面からスパッタリングされたＰｂのエッチング表面への再付着を抑制する効果がある。ただし、５０％以上添加すると、窒化ガリウム系化合物半導体に対する選択性が大幅に低下し、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００の表面が露出した時点でエッチングが実質的に停止して、同図（ｃ）に示したような断面形状を得ることが困難となる。

第一の上部電極層１０のエッチングに引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００を、上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｄ）のごとくリッジストライプを形成する。この場合は、Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを体積比率で５０％以上包含するプロセスガスを使用することにより、ストライプ用フォトレジストマスク４０をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００をエッチングすることができる。その後、有機溶剤等によってストライプ用フォトレジストマスク４０を除去し、第一の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。

本実施形態に示した方法によれば、ストライプ用フォトレジストマスク４０の線幅を正確に転写したリッジ幅を有するリッジストライプ型の半導体レーザを得ることができ、従来の技術による製造方法よりも、半導体レーザ素子の電流電圧特性、発振しきい値電流、発振モード等のばらつきを半分以下に低減することができた。また、本実施形態に示した方法は、第一の上部電極層１０を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、よって、従来の技術により作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子よりも約０．５ボルト程度低い動作電圧を実現できた。

図１に示す第一の実施形態においては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面の全体に渡って、第一の上部電極層を形成した。この場合、後の、反応性イオンエッチング法により第一の上部電極層をエッチングする工程において、エッチング条件によっては、表面から脱離した電極金属がエッチング表面に再付着し、エッチング表面に荒れを生じることがある。この現象は、マスク材で被覆されている領域に対して、エッチングする領域がより大きくなるほど、顕著である。

例えば上記の例では、マスク材で被覆されている領域は、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスクにより覆われている部分である。ストライプ用フォトレジストマスクが、繰り返しピッチ４００ミクロンで形成されているとすると、隣のストライプ用フォトレジストマスクまでの、幅３９８．５ミクロンの領域で、第一の上部電極層がエッチングされることとなり、マスク材で被覆されていて電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率は、約２６６である。

上述のような、エッチング条件によっては発生するエッチング表面荒れの危険性は、この、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、例えば１以下にすることで、殆ど問題のないレベルにまで減じることができる。以下に、その具体的手法を例示する。

＜第二の実施形態＞
図２は、本発明の第二の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。サファイア等の基板上に本発明の第一の実施形態と同様の構造を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面に、図２（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１１を形成する。この際、第一の実施形態のごとく、第一の上部電極層を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の表面に、全面に渡って形成するのではなく、幅４０ミクロンの領域にのみ形成しておく。

次に、同図（ｂ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４１を、第一の上部電極層１１の上部中央に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｃ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４１をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１１を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１１で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域との間に、段差９１ができる。この段差９１の高さは、主に、第一の上部電極層１１の厚さと、プロセスガス中のＡｒに対する塩素系ガスの添加比率によって決まるが、本実施形態の場合で、約５００オングストローム程度である。

引き続き、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００を上部クラッド層の途中までエッチングし、同図（ｄ）のごとくリッジストライプを形成する。その後、有機溶剤等によってストライプ用フォトレジストマスク４１を除去し、第二の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。

本実施形態に示した方法によれば、電極金属がエッチングされる領域は、幅４０ミクロンの第一の上部電極層１１のうち、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４１により被覆されていない、幅３８．５ミクロンに相当する領域のみである。それに対し、電極金属がエッチングされない領域は、第一の実施の形態の場合と同様、ストライプ用フォトレジストマスクが、繰り返しピッチ４００ミクロンで形成されているとすると、幅３６１．５ミクロンに相当する領域である。

従って、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率は、約０．１となり、第一の実施の形態における約２６６に比べると、大幅に小さくなり、よって、エッチング条件によっては発生するエッチング表面荒れの危険性を、工業レベルでは、殆ど問題のないレベルにまで減じることができた。

また、電極金属がエッチングされる領域を減らす本実施形態の方法には、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層をエッチングする工程において、エッチングされて、エッチング装置内に付着する電極金属及びその反応生成物の量を大幅に減じることができるため、より再現性の良いエッチングを繰り返し実施することが可能となるという、第二の効果も得られる。

これらの効果は、図２（ａ）に示した工程において形成する第一の上部電極層１１の幅が狭ければ狭いほど有効であるが、あまり狭すぎると、同図（ｃ）に示した工程において、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１１を除去する際に生じる段差９１が、形成されるリッジに近づきすぎることとなるため注意が必要である。即ち、上述の通り、リッジを形成する工程においては、半導体積層構造を上部クラッド層の途中までエッチングするが、その際の上部クラッド層の残し膜厚が、水平方向の光閉じ込めを制御する上で重要なパラメータとなる。

しかし本製造方法においては、上部クラッド層の最適な残し膜厚が、段差９１よりもリッジに近い部分で得られていても、段差９１よりもリッジから遠い側の部分では、最適残し膜厚よりも薄くなってしまう。このため、段差９１がリッジに近づきすぎると、より具体的にはリッジの幅の２倍未満の距離まで近づくと、水平方向の光閉じ込めに対するその影響が無視しえなくなってくる。従って、本実施形態の例では、リッジの幅が１．５ミクロンであるので、第一の上部電極層１１は、６．０ミクロン以上とすることが望ましい。

本実施形態においては、図２（ｂ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４１を、第一の上部電極層１１の上部中央に設けたが、必ずしも第一の上部電極層１１の中央に設ける必要はなく、上述の理由により、第一の上部電極層１１の左右両方の端から、リッジの幅の倍である３ミクロン以上、中央に寄った位置にありさえすれば良い。

同図（ａ）に図示のごとく、第一の上部電極層１１を、幅４０ミクロンの領域にのみ形成するためには、幅４０ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、引き続いて第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成、当該フォトレジスト膜と、その上の第一の上部電極層を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去する方法がある。

ただし、この場合は、第一の上部電極層１１を形成する前に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造が、フォトレジストにより被覆される工程が、一回含まれる。しかしそれでもなお、ストライプ形成用フォトレジストマスクと誘電体膜、または誘電体膜と誘電体膜の、２回の被覆履歴を経ることとなる、従来の技術による工程に比べると、半導体積層構造上での残さの発生と、それに伴う、半導体レーザ素子の電流電圧特性、及び信頼性に対する悪影響を、大幅に減じることが可能である。

また、同図（ａ）に図示のごとく、第一の上部電極層１１を、幅４０ミクロンの領域にのみ形成するための第二の手法として、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上部全面に、第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、引き続き、幅４０ミクロンのストライプ状フォトレジスト膜を第一の上部電極層の上に、フォトリソグラフィー法により形成した後、ウェットエッチング法により当該フォトレジスト膜で被覆されていない領域に形成された第一の上部電極層を除去し、更にその後、有機溶剤等により当該フォトレジスト膜を除去する方法がある。

この方法によれば、本発明の第一の実施形態の場合と同様、第一の上部電極層を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、同時に、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、本発明の第一の実施形態の場合より、小さくすることが可能となる。この方法では、第一の上部電極層をウェットエッチング法によりエッチングするため、その幅の制御が比較的困難で数ミクロンのばらつきが発生するが、そのばらつきを考慮しても、段差９１がリッジの幅の２倍以上の距離に形成される限り、問題とはならない。

この例では、幅４０ミクロンの設計値に対して、ウェットエッチング時のばらつきが数ミクロンあったとしても、エッチング後の幅は、先述の６．０ミクロン以上に、十分再現性よく形成可能である。また、このようなＰｂよりなる第一の上部電極層１１のエッチングには、例えば、塩化水素酸と硝酸と水とを混合した溶液を使えば良い。

また、同図（ａ）に図示のごとく、第一の上部電極層１１を、幅４０ミクロンの領域にのみ形成するための第三の手法として、幅４０ミクロンの開口部を有するメタルマスクを、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上に載置した状態で、第一の上部電極層を電子ビーム蒸着法により形成し、蒸着後、メタルマスクを、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造２００の上から取り除く方法がある。この方法によれば、本発明の第一の実施形態の場合と同様、第一の上部電極層を形成する前には、何ら、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を被覆する工程が含まれておらず、同時に、先述の、電極金属がエッチングされない領域に対する、電極金属がエッチングされる領域の比率を、本発明の第一の実施形態の場合より、小さくすることが可能となる。

ここまで述べてきた、第一の実施形態、及び第二の実施形態においては、リッジ上部のみに、上部電極層を形成した。しかしながら実際は、当該リッジ上部の幅は１．５ミクロンと非常に狭く、外部から電圧を印加するための金線等を、その上に配置することは、困難である。

そこで、この問題を解決するために、第二の上部電極を形成する実施形態を、次に示す。

＜第三の実施形態＞
図３は、本発明の第三の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図である。まず、第一の実施形態において詳述した方法にて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００、厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１２、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４２を有する図３（ａ）に示した構造を得る。

次に、図３（ｂ）のごとく、電子ビーム蒸着法により、全面に、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３０を形成する。次に、ストライプ用フォトレジストマスク４２と、その上部にあるＳｉＯ₂膜３０の一部を、アセトン等の有機溶剤中でリフトオフ法により除去し、同図（ｃ）のごとき構造を得る。

然る後に、同図（ｄ）のごとく、第一の上部電極層１２の上部に、幅１５０ミクロンの第二の上部電極層２０として、Ａｕを２５００オングストロームの厚さに形成する。幅１５０ミクロンの領域のみに、選択的に第二の上部電極層を形成するためには、幅１５０ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に行うことができる。

本方法によれば、第二の上部電極層２０は、幅１５０ミクロンと、外部から電圧を印加するための金線等を、その上に配置するに十分な幅を有しており、なおかつ、第一の実施形態において詳述した方法、または第二の実施形態における方法で述べた、電流注入領域の幅と窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の被覆履歴に関する本発明の効果は、そのまま維持されている。

また、ここでは、図３（ａ）に示した構造を得るために、第一の実施形態において詳述した方法を使用したが、代わりに第二の実施形態において詳述した方法を用いても可能である。ただしこの場合は、第二の実施形態の場合と同様、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造３００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１２で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差ができる。

ここで、図３において説明した、第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、同図（ｄ）に記載の第二の上部電極層２０の、紙面に対して垂直な方向（リッジストライプに沿う方向）の形状についての規定をしなかった。しかし、この方向に関しては、特に、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの共振器端面の直上を避けて形成することにより、より品質の高い窒化ガリウム系化合物半導体レーザを、より歩留まり良く作成することが可能となる。次に、その事例について説明する。

＜第四の実施形態＞
図４は、本発明の第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。同図に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザの形状は、基本的に、第三の実施形態によるそれと同一で、異なる点は、第三の実施形態を示す図３における、第二の上部電極層２０に相当するところの、第二の上部電極層２１のストライプと平行な方向の長さが、本実施形態においては、図４に示したごとく２００ミクロンと、また、共振器長が５００ミクロンと、有限な長さに規定されている点のみである。

窒化ガリウム系化合物半導体積層構造４００上に形成するところの第一の上部電極層１３は、厚さ１５０オングストロームのＰｄ、誘電体層３１は、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ₂膜、第二の上部電極層２１は、厚さ２５００オングストロームのＡｕである。

図４のごとく、第二の上部電極２１のストライプと平行な方向の長さを、共振器長よりも短くし、共振器端面直上には、第二の上部電極が形成されないようにすることによって、次のような利点が新たに得られる。即ち、共振器端面の直上にある電極金属層が厚いほど、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まる。このような危険性は、例えば共振器端面直上の電極金属層が、１０００オングストロームを越える厚さとなると、より顕著である。

同図に示した第一の上部電極層１３は、たかだか、厚さ１５０オングストロームであるのに対して、第二の上部電極層２１は、その上に金線をボンディングする際に、実用上問題がないレベルのボンディング強度を確保するためには、本実施形態のごとく、数千オングストロームの厚さが必要となる。従って、第二の上部電極層２１が、同図のごとく、共振器端面上にはかからないように配置しておけば、共振器端面直上の電極金属層は、厚さ１５０オングストロームのＰｄだけであるため、上述の危険性は、無視できるほど小さい。しかも同時に、第一の上部電極層が、共振器端面の直上も含めたリッジストライプの頂部をくまなく覆う構造を有しているため、電流が注入されない領域ができることもない。

同図のごとく、ストライプと平行な方向の長さが２００ミクロンの第二の上部電極を形成するためには、ストライプと平行な方向の長さが２００ミクロンの開口部を有するフォトレジスト膜を形成した上から、上部電極金属を電子ビーム蒸着法により形成した後、当該フォトレジストと、その上に蒸着された上部電極金属を、有機溶剤中でリフトオフする方法で、簡単に形成できる。

ここで、図４において説明した、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器面を、劈開により形成することを前提としている。しかしながら、使用する基板とその上の化合物半導体積層構造の組み合わせよっては、その双方に良好な劈開性を有する面が得られず、従って劈開によっては良質な端面が得られない場合も生じる。このような場合は、ドライエッチング法により共振器端面を形成するが、本発明はその際にも、従来の製造方法にはない、好適な製造方法を提供する。

即ち、従来の、ドライエッチング法により形成した共振器端面を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器端面を形成した後に上部電極を形成する都合上、レーザ素子の共振器端面から、数ミクロン後退したところより内側の領域にしか、電極を形成できず、この、電極が形成されない領域が、吸収層として機能してしまうという問題があった。

一方、本発明による製造方法によれば、ドライエッチング法により形成した共振器端面の際まで、上部電極を形成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得ることが可能となる。以下に、その方法を詳述する。

＜第五の実施形態＞
図５は、本発明の第五の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。また図６は、その製造方法を示す模式図である。図５に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００の上に、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３２を介して、厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１４、厚さ２５００オングストロームのＡｕよりなる第二の上部電極層２２が形成されており、これらの構成は、図４に示した、第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザのそれと同一である。

異なる点は、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、共振器面を、劈開により形成することを前提としているのに対し、本実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、図５のごとく、ドライエッチング法により共振器端面６０を形成している点である。このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。

第四の実施形態によるものと同一の構造、即ち、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００、厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１４、厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３２、厚さ２５００オングストロームのＡｕよりなる第二の上部電極２２、から構成される図６（ａ）に示した構造の上に、同図（ｂ）のごとく、共振器端面形成用フォトマスク５０を形成する。次に、反応性イオンエッチング法により、共振器端面形成用フォトマスク５０で覆われていない領域のＳｉＯ₂膜３２を除去し、同図（ｃ）に示した形状を得る。

この場合の反応性イオンエッチング法に用いるプロセスガスとしては、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃などがあり、これらのガスによれば、共振器端面形成用フォトマスク５０で覆われていない領域の第一の上部電極層１４は、同図（ｃ）に示した通り、殆どエッチングされずに残り、ＳｉＯ₂膜３２のみが取り除かれる。

然る後に、第一から第四の実施形態で説明してきた、プロセスガスとして、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いたところの、反応性イオンエッチング法により、共振器端面形成用フォトマスク５０で覆われていない領域の第一の上部電極層１４を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００の表面が露出するまでエッチングして、同図（ｄ）に示した構造を得る。

次いで、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００をエッチングし、同図（ｅ）のごとく共振器端面６０を形成する。この場合は、Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを主エッチングガスとすることにより、共振器端面形成用フォトマスク５０をマスクとして、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００をエッチングすることができる。その後、共振器端面形成用フォトマスク５０を除去して、図５に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。

本実施形態で示した製造方法によれば、共振器端面形成用フォトマスク５０をマスクとして、第一の上部電極層１４と、その下の窒化ガリウム系化合物半導体積層構造５００を、連続してエッチングして共振器端面６０を形成するため、共振器端面の際まで第一の上部電極層１４が形成でき、従来、ドライエッチング法により形成した共振器端面を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザで問題となっていた、電極が形成されない領域ができて、その部分が吸収層として機能するという不具合は発生しない。

ここまで説明してきた、第一から第五の実施形態においては、リッジ部のみを残して、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造をドライエッチング法によりエッチングしたが、リッジ部以外を全てエッチングする必要はなく、その近傍のみをエッチングしても良い。

リッジ部のみを残してエッチングした場合、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性がある。他方、リッジの近傍のみエッチングした場合は、リッジ部のみが突出するわけではないので、このような後工程での破損の危険性を、大幅に減じることが可能となる。そこで次に、リッジの近傍のみエッチングする場合について説明する。

＜第六の実施形態＞
図７は、本発明の第六の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図である。また図８は、その製造方法を示す模式図である。図７に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、リッジストライプ構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の上に、厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３３、及び厚さ１５００オングストロームのＳｉＯ₂膜３４を介して、厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１５、厚さ２５００オングストロームのＡｕよりなる第二の上部電極層２３が形成されており、これらの構成は、図４に示した第四の実施形態による、窒化ガリウム系化合物半導体レーザのそれと同一である。

異なる点は、第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００を、リッジストライプ部を除いて全面、ドライエッチング法により掘り下げているのに対し、第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいては、リッジの両側の、片側２５ミクロンずつの幅を有する部分のみを掘り下げている点である。このような構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を、次に説明する。

まず、サファイア等の基板上にｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して得られた窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の表面に、図８（ａ）のごとく、電子ビーム蒸着法により厚さ１５０オングストロームのＰｂよりなる第一の上部電極層１５を形成する。この際、第一の上部電極１５は、第二の実施形態の説明において詳述したものと同様の方法で、幅４０ミクロンの領域にのみ形成しておく。

次に、同図（ｂ）のごとく、第一の上部電極１５の直上、及びその両側の片側５ミクロンの幅を有する領域を除いて、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００全面に、厚さ１０００オングストロームのＳｉＯ₂膜３３を、電子ビーム蒸着法により形成する。

次に、同図（ｃ）のごとく、線幅１．５ミクロンのストライプ用フォトレジストマスク４３を、第一の上部電極層１５の上に、フォトリソグラフィー法により形成し、さらに、同図（ｄ）のごとく、形成したストライプ用フォトレジストマスク４３をマスクとして、反応性イオンエッチング法により、第一の上部電極層１５を、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の表面が露出するまでエッチングする。この際、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００の表面でも、エッチング前に第一の上部電極層１５で被覆されていた領域と、被覆されていなかった領域に、段差９２ができる。

引き続き、同図（ｅ）のごとく、やはり反応性イオンエッチング法により、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造６００を上部クラッド層の半ばまでエッチングし、リッジストライプを形成する。これら２回の反応性イオンエッチング法によるドライエッチング工程については、第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。

次に、ウエハの全面に厚さ１５００オングストロームのＳｉＯ₂膜３４を、電子ビーム蒸着法により形成し、その後、リフトオフ法により、ストライプ用フォトレジストマスク４３とその直上にあるＳｉＯ₂膜３４を除去することにより、同図（ｆ）に示した構造を得る。

その後、第一の上部電極層１５の上部に、幅１５０ミクロンの第二の上部電極層２３として、Ａｕを２５００オングストロームの厚さに形成して、図７に示した窒化ガリウム系化合物半導体レーザを得る。幅１５０ミクロンの第二の上部電極層２３の形成については、第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法におけるそれと同一の方法で可能であるため、ここではその詳細は省略する。

本実施形態で示した製造方法によれば、リッジの近傍の、片側３０μｍの幅を有する領域のみをドライエッチング法により掘り下げているため、リッジ部のみを残してウエハ全面をエッチングした場合のように、表面から突出しているリッジ部が、後工程で破損する危険性はない。

なお、本実施形態においては、リッジの両側に片側２５ミクロンずつの幅を有する部分を掘り下げ、よって、リッジの左右に、幅が２５ミクロンであるところの一対の溝が形成された形状をなしているが、この溝をリッジの左右いずれか片側のみに設ける、即ち、溝が設けられていない側は、全面に渡って上部クラッド層の半ばまでエッチングされていても、リッジ部のみが突出しないという、本実施形態と同様の効果が得られる。また、溝をリッジの両側に設ける場合も、その幅が、必ずしも左右対称となる必要はない。また、本実施形態を示す図７においては、第二の上部電極層を、リッジに関して左右対称となるように描画しているが、左右の幅が非対称であっても、また片側だけに設けてあっても、問題はない。

以上、本発明を、いくつかの実施形態に基づき詳述してきたが、本発明の内容は、ここに挙げた実施形態の内容に限定されるものではない。次に、本発明の技術的思想に基づく、変形を例示する。

本発明における「窒化ガリウム系化合物半導体」には、窒化ガリウム（ＧａＮ）のほか、そのＧａが部分的に他のＩＩＩ族元素に置き換えられた半導体、例えば、Ｇａ_sＡｌ_tＩｎ_1-s-tＮ（０＜ｓ≦１、０≦ｔ＜１、０＜ｓ＋ｔ≦１）が含まれ、また、各構成原子の一部が不純物原子等に置き換えられた半導体や、他の不純物が添加された半導体も含まれる。

上述の各実施形態で使用したドライエッチング法は、反応性イオンエッチング法であったが、誘導結合プラズマエッチング法や、ＥＣＲプラズマエッチング法などでも、同様のプロセスガスの使用により、各実施形態に示したものと同様なエッチングが可能である。

また、各実施形態では、第一の上部電極のドライエッチング法におけるプロセスガスとして、Ａｒ、または、ＡｒにＣｌ₂、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスを、体積比率で０％から５０％添加したものを用いたが、Ａｒの代わりに他の不活性ガス、例えば、ＨｅやＮｅを用いてもよい。

各実施形態では第一の上部電極としてＰｂを使用したが、Ｎｉ、Ｔｉなどでも、また、これらの上に、Ａｕ、Ｍｏなど、別の金属が積層された構造であっても、本発明の製造方法により、同様の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの作成が可能である。ただし検討の結果、ＮｉやＴｉを用いた場合は、コンタクト抵抗を最低とするために最適な厚みは、Ｐｂを使用した場合に比べ、約６５％程度厚くなる。そのため、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程におけるエッチング時間がより長くなり、よって、ストライプ用フォトレジストの膜減り量が増える。このストライプ用フォトレジストは、更に、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造の一部を除去して、リッジストライプを形成する工程においてもマスクとして使用するため、前の工程における膜減り量が多いと、この工程において必要なレジスト膜厚を確保できない可能性があるため、注意が必要である。

また、各実施形態では、第一の上部電極の厚さを１５０オングストロームとしたが、その層厚は、１５０オングストロームに限定されるものではない。ただし、層厚が、複数の金属が積層された構造である場合はその総厚が、１０００オングストロームを越えた場合は、劈開により共振器端面を作成する際に、当該電極金属層が、劈開面を起点としてめくれ上がり、よって電流が注入されない領域ができたり、また、めくれあがった電極金属が出射するレーザ光の光路を遮ったりするなどの不具合が発生する可能性が高まるので、注意が必要である。さらに、先に述べた通り、厚ければ厚いほど、ストライプ用フォトレジストをマスクとしてドライエッチングにより第一の上部電極層を除去する工程におけるエッチング時間がより長くなり、よって、ストライプ用フォトレジストの膜減り量が増える点にも注意が必要である。

第三〜第六の実施形態で形成した第二の上部電極はＡｕであったが、作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を、外部に電気的に接続するために金線がボンディングできる、または、外部の電極パッドに溶着できる限り、例えばＡｌなどの金属を使用することも可能であり、また、単体金属ではなく、複数の金属が積層された構造でも何ら問題はない。また、その厚さに関しても、外部への電気的接続に十分なだけ厚ければ、何ら問題はない。

また、第三〜第六の実施形態で使用したＳｉＯ₂は、ＺｒＯ₂やＴｉＯ₂、ＳｉＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＮなど、他の無機誘電体や、ＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物などで置き換えても何ら問題は無く、その厚さも、実施形態の記述中に例示した厚さに限定されるものではない。また、その形成方法についても、実施形態の記述中に例示した電子ビーム蒸着法によらずとも、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法などによるものでも構わない。

以上、詳述してきた、第一〜第六の実施形態における、窒化ガリウム系化合物半導体積層構造１００〜６００における活性層には、第一の実施形態の冒頭で述べた通り、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層とＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層とを３周期重ねた量子井戸構造の活性層を採用してきた。しかし、障壁層を２層、ないしは３層にする事も可能である。以下に、その場合を説明する。

＜第七の実施形態＞
本実施の形態における活性層付近の詳細な積層構造を図９に示した。厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層８０３と厚さ４ｎｍのＧａＮ、（８０１、８０５）および厚さ４ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（８０２、８０４）障壁層より構成される多重量子井戸構造を有する活性層を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長し、今回は井戸層の層数は３層とした。その際、井戸層には、不純物はドープしない形で成長した。

また、井戸層の厚さは２から７ｎｍの範囲が良く、２ｎｍより薄いと、界面散乱が増加して閾値電流を上昇させるので好ましくなく、また７ｎｍより厚くなると、井戸層内で電子と正孔の空間的な分離がおこり、再結合確率を下げるため閾値電流を上昇させるので好ましくない。つまり、井戸層厚に関しては、２ｎｍ以上、７ｎｍ以下がよく、本実施の形態では４ｎｍの厚さで実施しているが、上記範囲であれば何ら問題はない。

障壁層に関しては、２層構造とした。２層のうちｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４側の層を第一の層８０１またｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６側の層を第二の層８０２と呼ぶことにする。また、障壁層で図９に示す通り、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４に接する第一の層を特に第三の層８０５と、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６に接する層を第四の層８０４と呼ぶことにする。この第三の層と、第四の層は井戸層と直接接していないため、他の第一の層、第二の層と状況が異なり、区別する意味で第三、第四の層と呼ぶことにした。つまり、第一の層、第三の層がＧａＮ、第二の層、第四の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎである。

本実施の形態においては、第一、二、三、四の層の厚さは４ｎｍで障壁層全体の厚さは８ｎｍとし、第一、第三の層にはＳｉ等のｎ型不純物をドープする。第二、四の層に関しては、Ｓｉ等のｎ型不純物は故意に添加を行わず、ノンドープとした。この際のＳｉ濃度は、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3までが良く、今回は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3で行った。Ｓｉ濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3以上の場合、Ｓｉの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうために良くない。また、５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であると、キャリアの生成が起こらなくなり、閾値電流密度の増加を引き起こす。また、上記範囲以内であれば、第一、第三の層のＳｉ濃度は異なっていても何ら問題はない。このＳｉ濃度はＳＩＭＳなどの測定方法を用いて測定する。また、図１０に図９に示した活性層のバンドダイヤグラムを示す。

なお、本実施の形態において、不純物としてドープしているＭｇはｐ型不純物としてドープしているが、それは、５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加している。

この様にして、ｎ型ＧａＮ基板上に窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を作製し、その後、熱処理などによりＭｇドープ層を低抵抗ｐ型にした上で、本発明の第三の実施形態と同様の製造方法により、半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的接続を取り、半導体レーザ装置を組み、その特性歩留まりを評価した結果、良好な特性を得ることができた。

このようにして得られた半導体レーザ素子の閾値電流密度は２．５ｋＡ／ｃｍ²であった。図１１は、障壁層全体の膜厚が８ｎｍと一定で、第一の層と第三の層、第二の層と第四の層厚を同じ膜厚として、第一の層厚をＸ軸にプロットした。つまり、第一の層が１ｎｍの時は、第二の層は７ｎｍで、第一の層が２ｎｍの時は、第二の層は６ｎｍで、第一の層４ｎｍの時は、第二の層は４ｎｍとなり、障壁層の全体厚さが８ｎｍになるように、第二の層の層厚が決定される。上記の様に、層厚を決めて実験を行った結果が図１１であり、第一の層と、第三の層が４ｎｍ以下において、閾値電流密度の低減の効果が見られた。

上記の結果に関して、第一の層と、第三の層が４ｎｍより厚いところで閾値電流密度が増加するのは、これ以上第一の層と第三の層を厚くしても、井戸層に注入されるキャリアの量が増加せず、障壁層にドープされるＳｉが多くなるために、活性層内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなったため閾値電流密度が増加したと考えられる。しかし、第一の層と、第三の層の層厚を４ｎｍ以下にすることで、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、更に、第一の層と第三の層にＳｉドープした事により、井戸層に効率よくキャリアが供給されることにより低閾値電流密度の素子が実現できたと考えられる。

但し、第一の層と、第三の層の層厚が０．３ｎｍ以下になると十分なキャリア数が井戸層に注入できなくなるため、再び閾値電流密度の増大を引き起こす。また、第三の層に関して、本実施の形態では、Ｓｉドープを行ったが第三の層に関しては、Ｓｉドーピングを行っても行わなくても、図１１に示す結果と同じであった。

上記のような実験を、井戸層厚を２ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲とし、障壁層の層厚を７ｎｍから１２ｎｍの範囲で行ったが、図１１と同様の結果を示した。また障壁層の厚さを７ｎｍ未満とした場合、閾値電流密度が増加した。これは、活性層厚が薄くなり、光閉じ込めが弱くなったためと考えられる。更に１２ｎｍ以上であった場合、各々の井戸が離れすぎ、移動度の小さいホールが各井戸層に均一に注入されなくなり、ゲインの低下を引き起こし閾値電流密度が上昇した。

以上まとめると、障壁層のうちＳｉ等の不純物でドーピングされている領域が多くなると、活性層内のフリーキャリア散乱が増加し内部損失が大きくなったため閾値電流密度が増加する。また、第一の層と第三の層にＳｉドーピングした場合、キャリアが効率よく井戸層に注入されるため閾値電流密度が減少する事が分かった。

つまり、井戸層厚を２から７ｎｍの範囲とし、障壁層の層厚を７ｎｍから１２ｎｍの範囲において、障壁層へのドーピングは、第一の層と第三の層に行うのがよく、最も効率よくキャリアを井戸層に注入できる。また、第一の層と第三の層の層厚が０．３ｎｍ以上４ｎｍ以下においては、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。しかし４ｎｍより厚い領域においては、井戸層へのキャリアの注入の効果より、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を招くため好ましくない。

また、本実施の形態において、第二の層、第四の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎであるとしたが、この層がＧａＮであっても、ほぼ同じ結果が得られ問題はない。

＜第八の実施形態＞
本実施の形態において、第一の層、第三の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎでノンドープ、第二の層、第四の層がＧａＮでありＳｉドープである事以外は、第七の実施の形態と全く同じである。第二、第四の層の厚さを同じとして、第二、第四の層厚をＸ軸にプロットした場合、図１１とほぼ同じ結果が得られた。井戸層厚を２ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲とし、障壁層の層厚を７ｎｍ以上１２ｎｍ以下の範囲において、障壁層へのドーピングは、第二の層と第四の層に行うのがよく、最も効率よくキャリアを井戸層に注入できる。

また、第二の層と第四の層の層厚が０．３ｎｍ以上４ｎｍ以下においては、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を抑え、効率よく井戸層にキャリアを注入できるため閾値電流密度を低減することができる。しかし４ｎｍより厚い領域においては、キャリアの注入の効果より、フリーキャリア散乱による内部損失の増加を招くため好ましくない。また、本実施の形態において、第一の層、第三の層がＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎであるとしたが、この層がＧａＮであっても、ほぼ同じ結果が得られ問題はない。

＜第九の実施形態＞
本実施の形態において活性層の障壁層は３層よりなり、活性層は次のように形成し、活性層付近の詳細な積層構造を図１２に示した。厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層６０４と厚さ９ｎｍのＧａＮ（６０２）とＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（６０１、６０３、６０６、６０７）からなる障壁層より構成される多重量子井戸構造を有する活性層を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長した。その際、井戸層には、不純物はドープしない形で成長した。

また、井戸層の厚さは２から７ｎｍの範囲が良く、２ｎｍより薄いと、界面散乱が増加して閾値電流を上昇させるので好ましくなく、また７ｎｍより厚くなると、井戸層内で電子と正孔の空間的な分離がおこり、再結合確率を下げるため閾値電流を上昇させるので好ましくない。つまり、井戸層厚に関しては、２ｎｍ以上、７ｎｍ以下がよく、本実施の形態では４ｎｍの厚さで実施しているが、上記範囲であれば何ら問題はない。

障壁層に関しては−３層構造とした−３層のうちｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４側の層を第一の層（Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ）６０１またｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６側の層を第三の層（Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ）６０３、真ん中の層を第二の層（ＧａＮ）６０２と呼ぶことにする。また、障壁層で図１２に示す通り、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４に接する第一の層を特に第四の層６０６と、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０６に接する第三の層を特に第五の層６０７と呼ぶことにする。この第四の層と、第五の層は井戸層と直接接していないため、他の第一の層、第二の層と状況が異なり、区別する意味で第四、第五の層と呼ぶことにした。

本実施の形態においては、第一、二、三、四、五の層の厚さはそれぞれ３ｎｍとし、第二の層にはＳｉ等のｎ型不純物をドープする。この際のＳｉ濃度は、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜１×１０²⁰ｃｍ^-3までが良く、今回は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3で行った。Ｓｉ濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3以上の場合、Ｓｉの過剰ドープが活性層の結晶性を悪化させ、閾値電流密度の増加を引き起こしてしまうために良くない。また、５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であると、キャリアの生成が起こらなくなり、閾値電流密度の増加を引き起こす。このＳｉ濃度はＳＩＭＳなどの測定方法を用いて測定する。また、図１３に図１２に示した活性層のバンドダイヤグラムを示す。

なお、本実施の形態にて、不純物としてドープしているＭｇはｐ型不純物としてドープしているが、それは、５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加している。

この様にして、ｎ型ＧａＮ基板上に窒化ガリウム系化合物半導体積層構造を作製し、その後、熱処理などによりＭｇドープ層を低抵抗ｐ型にした上で、本発明の第三の実施形態と同様の製造方法により、半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子を、ハンダ等を用いてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより電気的接続を取り、半導体レーザ装置を組み、その特性歩留まりを評価した結果、良好な特性を得ることができた。

このようにして得られた半導体レーザ素子の閾値電流密度は３．０ｋＡ／ｃｍ²と低い値であった。図１４は、障壁層全体２０５の膜厚が９ｎｍと一定で第一の層と第三の層を同じ膜厚として、その層厚をＸ軸にプロットした。つまり、第一の層と第三の層が１ｎｍの時は、第二の層は７ｎｍで、第一の層と第三の層が２ｎｍの時は、第二の層は５ｎｍで、第一の層と第三の層が３ｎｍの時は、第二の層は３ｎｍとなり、障壁層２０５の全体厚さが９ｎｍになるように、第二の層の層厚が決定される。

上記の様に、層厚を決めて実験を行った結果が図１４であり、第一の層と、第三の層が３ｎｍ以下において、閾値電流密度の低減の効果が見られた。第一の層と、第三の層が３ｎｍより薄い領域において、閾値電流密度が低下する原因に関しては以下のように考えられる。

本実施の形態では、井戸層と接する障壁層の領域はノンドープである。このため、障壁層で発生したキャリアは有効に井戸層に注入されない。しかし、本実施の形態では、井戸層と接する障壁層の領域は、障壁層中心部のＳｉドープ領域のＧａＮよりエネルギーギャップの小さいＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを用いている。このため、障壁層の中心部で発生したキャリアは妨げられること無く、井戸層に注入される。このため、閾値密度の低減が可能であると考えられる。

更に、第一の層と、第三の層が３ｎｍより厚いところで閾値電流密度が増加するのは、これ以上第一の層と第三の層を厚くした場合、井戸層とＳｉドーピングされた第二の層が離れてしまうために、厚いＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層で発光、非発光等のトラップにより消費されてしまい、有効に井戸層にキャリアの注入が行われなくなり、注入されるキャリアの量が減少し、閾値電流密度の上昇を引き起こすと考えられる。

従来の技術による工程における、上部電極層が形成される直前の、リッジ近傍を、マイクロオージェ電子分光法により観察した場合の平面図を図１５に示す。同図の示す状態を詳述すると、図１６で先に説明した、従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子のリッジストライプ形成工程における図１６（ｂ）、−これは、ストライプ形成用フォトレジストマスクを形成した後、ドライエッチング装置を用いて、半導体積層構造の表面をエッチングし、リッジストライプを形成した後の断面模式図に相当する−、に図示される状態の後に、ストライプ形成用フォトレジストマスクを除去した状態を、図１６（ｂ）の紙面上方から見た場合に相当する。

図１５（ａ）は、炭素原子に起源を有するオージェ電子の信号強度の分布を示した平面図、図１５（ｂ）は、同図（ａ）の発光強度分布に対応するリッジストライプの形成位置を示す断面模式図である。同図（ａ）の信号強度分布においては、白色に近いほど、炭素原子に起源を有するオージェ電子が強く検出されている事を示しており、同図（ｂ）との対応をとると、リッジの側面９０１と、リッジの上面９０２とに炭素原子が局在している事がわかる。

工程上、リッジの上面９０２における炭素原子の局在の原因は、リッジの上面９０２上に形成されていたストライプ形成用フォトレジストマスクに含まれている炭素が最も疑われる。フォトレジスト自体は、リッジストライプを形成するためのドライエッチング工程が終了した後、アセトンなどの有機溶剤による洗浄によって除去されるが、ドライエッチング時にウエハ表面の温度が上昇する結果、洗浄時の除去性が劣化している事が推定され、実際、ストライプ形成用フォトレジストマスクを形成し、ドライエッチングを行なわずに、そのままアセトンによる洗浄を行なった後に、同様のマイクロオージェ電子分光法により観察すると、フォトレジストマスクを形成部及びそれ以外の部分に、炭素原子を起源とするオージェ電子の検出はなされなかった。

他方、リッジの側面９０１については、このようなレジストマスクによる被覆の履歴はないが、リッジストライプを形成するためのドライエッチング工程において、スパッタされたストライプ形成用フォトレジストマスクが飛散し、リッジの側面に再付着している事が疑われる。

また、ストライプ形成用マスクとしてフォトレジストの代わりにＳｉＯ₂を使用した場合について、同様のマイクロオージェ電子分光法による観察を行なったところ、リッジ上面にＳｉ原子の残留が観察された。この場合、リッジ側面にはＳｉ原子は観察されていない。

一方、本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法においては、このようなレジストやＳｉＯ₂による被覆を一切行なっておらず、実際、完成したレーザ素子のリッジ部を、上部電極層をスパッタしつつマイクロオージェ電子分光法により観察しても、半導体積層構造の表面と電極との界面において炭素やＳｉなどの不純物原子は検出されなかった。

従って、第一の実施の形態の説明の最後に記した、従来の技術により作成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子よりも約０．５ボルト程度低い動作電圧を実現できた、という本発明の効果が、このような半導体積層構造の表面と電極との界面における不純物原子が存在しない事によるものである事が裏付けられ、逆に本発明による窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法は、そのような不純物原子を当該界面に存在させない構造を得るために好適な手法であるといえる。

本発明の第一の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。 本発明の第二の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。 本発明の第三の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。 本発明の第四の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図。 本発明の第五の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す模式図。 本発明の第五の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。 本発明の第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの構造を示す断面模式図。 本発明の第六の実施形態による窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す断面模式図。 本発明の第七の実施形態による窒化物化合物半導体レーザ素子の構造を示す模式断面図 活性層のエネルギー状態を示すバンドダイヤグラム図 障壁層にＳｉドープする層厚とＬＤの閾値電流密度の相関図 本発明の第九の実施形態による窒化物化合物半導体レーザ素子の活性層構造を示す模式断面図 活性層のエネルギー状態を示すバンドダイヤグラム図 障壁層にＳｉドープする層厚とＬＤの閾値電流密度の相関図 従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子におけるリッジ部を、マイクロオージェ電子分光法により観察した場合を示す平面図 従来のリッジストライプ型の半導体レーザ素子におけるリッジストライプ型の導波路構造の形成工程の断面模式図。

符号の説明

１０、１１、１２、１３、１４、１５ … 第一の上部電極層
２０、２１、２２、２３ … 第二の上部電極層
２５ … 上部電極層
３０、３１、３２、３３、３４ … ＳｉＯ₂膜
３５ … 誘電体膜
４０、４１、４２、４３、４４ … ストライプ形成用フォトレジストマスク
５０ … 共振器端面作成用フォトレジストマスク
７０、７１ … フォトレジストマスク
８０、８１、９０ … 開口部
９１、９２ … 段差
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００ … 窒化ガリウム系化合物半導体積層構造
１０４ … Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０６ … ＭｇドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層
６０１ … 第一の層
６０２ … 第二の層
６０３ … 第三の層
６０４ … 井戸層
６０６ … 第四の層
６０７ … 第五の層
８０１ … 第一の層
８０２ … 第二の層
８０３ … 井戸層
８０４ … 第四の層
８０５ … 第三の層
９０１ … リッジの側面
９０２ … リッジの上面

Claims (5)

1. ｎ型窒化物半導体と、ｐ型窒化物半導体と、前記ｎ型窒化物半導体と前記ｐ型窒化物半導体との間に配置される活性層と、を備え、
   前記活性層は、少なくとも２層の障壁層を積層した積層体と、井戸層とが交互に積層することにより構成されて、
   前記積層体は、窒化ガリウムからなる前記障壁層と、窒化インジウムガリウムからなる前記障壁層とからなることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記積層体は、３層の前記障壁層で構成されて、
   前記井戸層に当接する前記障壁層は、窒化インジウムガリウムからなり、
   前記井戸層から離間する前記障壁層は、窒化ガリウムからなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記井戸層から離間する前記障壁層に、シリコンがドープされていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記井戸層に当接する前記障壁層の層厚は、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子を備える窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子。

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