JP2008187044A - 半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ出射端面の劣化に対する耐久性を向上した半導体レーザを提供する。
【解決手段】ファブリペロー型の半導体レーザダイオード７０は、基板１と、この基板１上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造２とを含む。基板１は、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体積層構造２が結晶成長させられている。III族窒化物半導体積層構造２は、ｍ軸を結晶成長の主面としており、ｍ軸方向に、ｎ型半導体層１１、発光層１０、およびｐ型半導体層１２を積層して構成されている。ｎ型半導体層１１はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４を含み、ｐ型半導体層１２はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８を含む。リッジストライプ２０は、ｃ軸に平行であり、一対の共振器端面２１，２２は、＋ｃ面と−ｃ面である。＋ｃ面である端面２１が、レーザ出力を取り出すためのレーザ出射端面である。
【選択図】図１
【解決手段】ファブリペロー型の半導体レーザダイオード７０は、基板１と、この基板１上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造２とを含む。基板１は、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体積層構造２が結晶成長させられている。III族窒化物半導体積層構造２は、ｍ軸を結晶成長の主面としており、ｍ軸方向に、ｎ型半導体層１１、発光層１０、およびｐ型半導体層１２を積層して構成されている。ｎ型半導体層１１はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４を含み、ｐ型半導体層１２はｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８を含む。リッジストライプ２０は、ｃ軸に平行であり、一対の共振器端面２１，２２は、＋ｃ面と−ｃ面である。＋ｃ面である端面２１が、レーザ出力を取り出すためのレーザ出射端面である。
【選択図】図１
Description
この発明は、III族窒化物半導体からなる半導体積層構造を備えた半導体レーザに関する。
III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
青色や緑色といった短波長のレーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、たとえば、ＧａＮ半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。
青色や緑色といった短波長のレーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、たとえば、ＧａＮ半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。
ＧａＮ半導体レーザダイオードは、ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）によって成長させて製造される。より具体的には、ＧａＮ基板上に、有機金属気相成長法によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、活性層（発光層）、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が順に成長させられ、これらの半導体層からなる半導体積層構造が形成される。活性層では、ｎ型層から注入される電子とｐ型層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
しかし、従来からの窒化物半導体レーザダイオードには、レーザ出射端面の信頼性を確保するのが困難であるという問題がある。これまでのところ、３８０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の波長域の半導体レーザダイオードが実現されているが、この波長域は短波であるため、光子エネルギーが大きく、端面での反応を促進し、端面劣化を引き起こしてしまう。
また、ｃ面を成長主面とする窒化物半導体結晶で構成された半導体レーザは、劈開によって得られる平行な端面が、互いに等価な面方位の結晶面となる。そのため、大きなレーザ出力が取り出される出射側端面に対しては、劣化に強い多層端面コートを施すなど、特別な処理が必要となっていた。
また、ｃ面を成長主面とする窒化物半導体結晶で構成された半導体レーザは、劈開によって得られる平行な端面が、互いに等価な面方位の結晶面となる。そのため、大きなレーザ出力が取り出される出射側端面に対しては、劣化に強い多層端面コートを施すなど、特別な処理が必要となっていた。
そこで、この発明の目的は、レーザ出射端面の劣化に対する耐久性を向上した半導体レーザを提供することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ｃ面以外の結晶面を結晶成長主面とした六方晶構造のIII族窒化物半導体からなるファブリペロー型半導体レーザであって、ｃ軸と交差する平面に平行な＋ｃ軸側端面および−ｃ軸側端面を有し、＋ｃ軸側端面からのレーザ出力が、−ｃ軸側端面からのレーザ出力よりも大きくなるようにして、前記＋ｃ軸側端面をレーザ出射端面とした、半導体レーザである。
III族窒化物半導体は、六方晶の結晶構造を有しており、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。この４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。したがって、＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面となり、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
そこで、この発明では、ｃ面以外の結晶面を結晶成長主面とすることにより、ｃ軸と交差する平面に平行な＋ｃ軸側端面および−ｃ軸側端面を共振器端面とした半導体レーザを構成することとし、＋ｃ軸側端面をレーザ出射端面としている。
これにより、＋ｃ軸側端面の化学的耐久性を利用して、劣化に強い半導体レーザを実現することができる。これにより、高出力の半導体レーザや、短波長の半導体レーザの耐久性を向上することができる。
これにより、＋ｃ軸側端面の化学的耐久性を利用して、劣化に強い半導体レーザを実現することができる。これにより、高出力の半導体レーザや、短波長の半導体レーザの耐久性を向上することができる。
ｃ面以外の結晶面の具体例は、非極性面および半極性面である。非極性面とは、ａ面およびｍ面である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などである。
＋ｃ軸側端面をレーザ出射端面とするために、具体的には、−ｃ軸側端面における素子内部への反射率（発光波長での反射率）が、−ｃ軸側端面における素子内部への反射率よりも高くなっていればよい。より具体的には、少なくとも−ｃ軸側端面に対して、＋ｃ軸側端面に比較して素子内部への反射率（発光波長での反射率）を高めるための加工が施されていることが好ましい。この加工とは、たとえば、少なくとも−ｃ軸側端面に反射膜を形成することであってもよい。
＋ｃ軸側端面をレーザ出射端面とするために、具体的には、−ｃ軸側端面における素子内部への反射率（発光波長での反射率）が、−ｃ軸側端面における素子内部への反射率よりも高くなっていればよい。より具体的には、少なくとも−ｃ軸側端面に対して、＋ｃ軸側端面に比較して素子内部への反射率（発光波長での反射率）を高めるための加工が施されていることが好ましい。この加工とは、たとえば、少なくとも−ｃ軸側端面に反射膜を形成することであってもよい。
請求項２記載の発明は、ｃ軸の前記結晶成長主面への投影ベクトルに平行に導波路が形成されている、請求項１記載の半導体レーザである。この構成によれば、導波路がｃ軸の結晶成長主面への投影ベクトルに平行であるので、＋ｃ側端面は、より高い耐久性を有することができる。
請求項３記載の発明は、前記結晶成長主面がｍ面である、請求項１または２記載の半導体レーザである。この構成によれば、結晶成長主面をｍ面としていることにより、＋ｃ軸側端面および−ｃ軸側端面を共振器端面とする半導体レーザを作製できる。
請求項３記載の発明は、前記結晶成長主面がｍ面である、請求項１または２記載の半導体レーザである。この構成によれば、結晶成長主面をｍ面としていることにより、＋ｃ軸側端面および−ｃ軸側端面を共振器端面とする半導体レーザを作製できる。
請求項４記載の発明は、前記＋ｃ軸側端面が＋ｃ面であり、前記−ｃ軸側端面が−ｃ面である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザである。この構成によれば、＋ｃ面および−ｃ面を共振器端面としており、＋ｃ面をレーザ出射側端面として利用できるので、耐久性に優れた半導体レーザを実現できる。
請求項５記載の発明は、前記＋ｃ軸側端面および前記−ｃ軸側端面が劈開面である、請求項４記載の半導体レーザである。この構成によれば、共振器端面は、劈開面であるので、良好な端面とすることができる。
請求項５記載の発明は、前記＋ｃ軸側端面および前記−ｃ軸側端面が劈開面である、請求項４記載の半導体レーザである。この構成によれば、共振器端面は、劈開面であるので、良好な端面とすることができる。
請求項６記載の発明は、前記レーザ出射端面を被覆する絶縁膜をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザである。この構成によれば、レーザ出射端面を絶縁膜で被覆する構成によって、レーザ出射端面の耐久性をより一層向上することができる。
前記半導体レーザは、ｍ面を結晶成長の主面とするIII族窒化物半導体からなり、ｍ軸方向に、ｎ型クラッド層、Ｉｎを含む量子井戸構造からなる発光層、およびｐ型クラッド層を積層したIII族窒化物半導体積層構造を備えていることが好ましい。
前記半導体レーザは、ｍ面を結晶成長の主面とするIII族窒化物半導体からなり、ｍ軸方向に、ｎ型クラッド層、Ｉｎを含む量子井戸構造からなる発光層、およびｐ型クラッド層を積層したIII族窒化物半導体積層構造を備えていることが好ましい。
ｃ面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる発光層から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となる。これに対して、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の非極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を成長主面とするIII族窒化物半導体を用いて形成した発光層は、強い偏光状態の発光が可能である。
そこで、III族窒化物半導体積層構造の結晶成長主面をｍ面とすることにより、発光層は、ｍ面に平行な偏光成分（より具体的にはａ軸方向の偏光成分）を多く含む光を発生する。これにより、発光層で生じた光のうち、多くの割合をレーザ発振に寄与させることができるので、レーザ発振の効率が良くなり、閾値電流を低減することができる。
そこで、III族窒化物半導体積層構造の結晶成長主面をｍ面とすることにより、発光層は、ｍ面に平行な偏光成分（より具体的にはａ軸方向の偏光成分）を多く含む光を発生する。これにより、発光層で生じた光のうち、多くの割合をレーザ発振に寄与させることができるので、レーザ発振の効率が良くなり、閾値電流を低減することができる。
さらに、ｃ面III族窒化物半導体とは異なる材料であるｍ面（非極性性面）III族窒化物半導体を用いることによって、量子井戸での自発圧電分極によるキャリアの分離が抑制されるので、発光効率が増加する。これによっても、閾値電流を低下させることができ、かつ、スロープ効率を増加させることができる。そして、自発圧電分極によるキャリアの分離がないことにより、発光波長の電流依存性が抑制されるので、安定した発振波長を実現することができる。
さらにまた、ｍ面を結晶成長主面としていることにより、ｃ軸方向とａ軸方向に物性の異方性が生じる。さらに、Ｉｎを含む発光層（活性層）は、格子歪みによる２軸性応力によって、量子井戸のバンド構造が、ｃ面を結晶成長主面とした半導体レーザの場合とは異なるものとなる。これにより、ｃ面を結晶成長の主面とした半導体レーザの場合とは異なる利得が得られ、レーザ特性を向上することができる。
また、ｍ面を結晶成長の主面としていることによって、結晶成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やその他の結晶面を結晶成長の主面とする場合に比較して、結晶性を向上することができる。その結果、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
前記III族窒化物半導体は、ｍ面を結晶成長のための再成長面とするＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させたものであることが好ましい。転位密度の極めて低い（好ましくは全くない）ＧａＮ単結晶基板を使用することで、III族窒化物半導体積層構造は、欠陥の少ない高品質な結晶となる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
前記III族窒化物半導体は、ｍ面を結晶成長のための再成長面とするＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させたものであることが好ましい。転位密度の極めて低い（好ましくは全くない）ＧａＮ単結晶基板を使用することで、III族窒化物半導体積層構造は、欠陥の少ない高品質な結晶となる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
特に、III族窒化物半導体積層構造を、ＧａＮ基板の再成長面より生じた積層欠陥または貫通転位を含まない結晶とすることができる。これにより、欠陥による発光効率低下などの特性劣化の要因を抑制できる。
前記ＧａＮ単結晶基板の主面は、ｍ面の面方位からのオフ角が±１°以内の面であることが好ましい。これにより、より確実に無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
前記ＧａＮ単結晶基板の主面は、ｍ面の面方位からのオフ角が±１°以内の面であることが好ましい。これにより、より確実に無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、前記ｐ型クラッド層を含むｐ型半導体層を備えていて、このｐ型半導体層の一部が除去されて、所定方向に沿ったストライプが形成されており、このストライプの方向に垂直に一対の共振器端面が形成されていることが好ましい。この構成では、ｐ型半導体層の一部が除去されてストライプが形成されているので、量産性の良い半導体レーザを提供することができ、かつ、特性の再現性に優れた半導体レーザを実現できる。
前記ストライプの方向をｃ軸方向とすることにより、前記一対の共振器端面が＋ｃ面および−ｃ面となる。この構成では、ｃ軸方向にストライプを形成し、ｃ面に沿う劈開を行うことにより、良好な共振器端面を形成することができる。
前記量子井戸構造を構成する量子井戸のｃ軸方向への平坦性は、１０Å以下であることが好ましい。この構成により、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。また、ｃ軸方向に沿ってストライプが形成されている場合に、導波路を伝搬する光子の吸収ロスを低減できる。
前記量子井戸構造を構成する量子井戸のｃ軸方向への平坦性は、１０Å以下であることが好ましい。この構成により、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。また、ｃ軸方向に沿ってストライプが形成されている場合に、導波路を伝搬する光子の吸収ロスを低減できる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、前記ｎ型クラッド層と当該III族窒化物半導体積層構造を担持する基板との間に、２軸性応力を有するＩｎを含む層を備えていることが好ましい。この構成によれば、２軸性応力を有するＩｎを含む層を設けることで、III族窒化物半導体積層構造に、ｃ面と平行なクラック（結晶の亀裂）が生じることを抑制できる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比が１０００以上（たとえば、３０００以上）の条件で少なくとも一部が成長（たとえば、有機金属気相成長法により成長）され、前記ｎ型クラッド層を含むｎ型半導体層を備えていることが好ましい。この構成により、ｎ型半導体層を良好な結晶性で成長させることができるので、このｎ型半導体層に積層して形成される発光層の結晶性が向上する。その結果、発光特性を向上させることができる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比が１０００以上（たとえば、３０００以上）の条件で少なくとも一部が成長（たとえば、有機金属気相成長法により成長）され、前記ｎ型クラッド層を含むｎ型半導体層を備えていることが好ましい。この構成により、ｎ型半導体層を良好な結晶性で成長させることができるので、このｎ型半導体層に積層して形成される発光層の結晶性が向上する。その結果、発光特性を向上させることができる。
前記クラッド層は、Ａｌを含み、層厚が１．５μｍ以下であることが好ましい。この構成によれば、クラッド層の層厚が適切な厚さ以下とされることにより、ｃ面と平行に生じるクラックを抑制することができる。
前記発光層は、Ｉｎを５％以上含むＩｎＧａＡｌＮからなり、この発光層から発生する光子の波長が４００ｎｍ〜５５０ｎｍであることが好ましい。Ｉｎを５％以上含むＧａＡｌＩｎＮで発光層を構成して波長４００〜５５０ｎｍの発光を生じさせようとする場合、ｃ面を成長主面とするときには、量子井戸での極が顕著になる。これに対し、ｃ面以外（たとえばｍ面）を結晶成長主面としたIII族窒化物半導体積層構造を用いると、量子井戸での分極を抑制することができ、発光効率を増加することができる。すなわち、４００〜５５０ｎｍの波長域においては、分極の抑制による発光効率向上の効果が顕著になる。
前記発光層は、Ｉｎを５％以上含むＩｎＧａＡｌＮからなり、この発光層から発生する光子の波長が４００ｎｍ〜５５０ｎｍであることが好ましい。Ｉｎを５％以上含むＧａＡｌＩｎＮで発光層を構成して波長４００〜５５０ｎｍの発光を生じさせようとする場合、ｃ面を成長主面とするときには、量子井戸での極が顕著になる。これに対し、ｃ面以外（たとえばｍ面）を結晶成長主面としたIII族窒化物半導体積層構造を用いると、量子井戸での分極を抑制することができ、発光効率を増加することができる。すなわち、４００〜５５０ｎｍの波長域においては、分極の抑制による発光効率向上の効果が顕著になる。
前記発光層は、７００torr以上の成長圧力で結晶成長されたものであることが好ましい。成長圧力が高いほどＩｎを含む発光層の成長温度を高くすることができるので、耐熱性に優れた発光層を形成することができる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長されたｐ型半導体層を含むことが好ましい。この構成によれば、発光層を積層した後のｐ型半導体層の成長温度を下げることによって、発光層への熱ダメージを抑制することができる。
前記III族窒化物半導体積層構造は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長されたｐ型半導体層を含むことが好ましい。この構成によれば、発光層を積層した後のｐ型半導体層の成長温度を下げることによって、発光層への熱ダメージを抑制することができる。
ｍ面を結晶成長主面とする場合に、前記半導体レーザは、ｍ面に垂直な方向の半値幅がｍ面に水平な方向の半値幅よりも大きなファーフィールドパターンを有し、かつ、発振モードがｍ面に垂直なＴＭモードであってもよい。この構成により、楕円形ビーム形状の長半径方向に偏光したレーザ光を得ることができる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図２は、図１のII−II線に沿う縦断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿う横断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（III族窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ側電極３と、III族窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ側電極４とを備えたファブリペロー型のものである。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図２は、図１のII−II線に沿う縦断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿う横断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（III族窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ側電極３と、III族窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ側電極４とを備えたファブリペロー型のものである。
基板１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板１は、ｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造２が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造２は、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
III族窒化物半導体積層構造２は、発光層１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は発光層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は発光層１０に対してｐ側電極４側に配置されている。こうして、発光層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが発光層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
III族窒化物半導体積層構造２は、発光層１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は発光層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は発光層１０に対してｐ側電極４側に配置されている。こうして、発光層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが発光層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＧａＮガイド層１５（たとえば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、発光層１０の上に、順に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＮガイド層１７（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。
ｎ型ＧａＮコンタクト層１３およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、それぞれｎ側電極３およびｐ側電極４とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、発光層１０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。
ｎ型ＧａＮガイド層１５およびｐ型ＧａＮガイド層１７は、発光層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＧａＮガイド層１５は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＧａＮガイド層１７は、ＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）ことによってｐ型半導体とされている。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）して形成されたｐ型半導体であり、発光層１０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
発光層１０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層１０は、具体的には、ＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。
発光層１０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層１０は、具体的には、ＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。
ｐ型半導体層１２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ２０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層１９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮガイド層１７の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状のリッジストライプ２０が形成されている。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。
III族窒化物半導体積層構造２は、リッジストライプ２０の長手方向両端における劈開により形成された一対の端面２１，２２を有している。この一対の端面２１，２２は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直である。こうして、ｎ型ＧａＮガイド層１５、発光層１０およびｐ型ＧａＮガイド層１７によって、端面２１，２２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層１０で発生した光は、共振器端面２１，２２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面２１，２２からレーザ光として素子外に取り出される。
ｎ側電極３およびｐ側電極４は、たとえばＡｌ金属からなり、それぞれｐ型コンタクト層１９および基板１にオーミック接続されている。ｐ側電極４がリッジストライプ２０の頂面のｐ型ＧａＮコンタクト層１９だけに接触するように、ｎ型ＧａＮガイド層１７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の露出面を覆う絶縁層６が設けられている。これにより、リッジストライプ２０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。
共振器端面２１，２２には、それぞれ絶縁膜２３，２４（図１では図示を省略した。）が形成されている。共振器端面２１は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面２２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面２１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面２２の結晶面は−ｃ面である。
図４に図解的に示すように、＋ｃ面である共振器端面２１を被覆するように形成された絶縁膜２３は、たとえばＺｒＯ2の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面２２に形成された絶縁膜２４は、たとえばＳｉＯ2膜とＺｒＯ2膜とを交互に複数回（図４の例では５回）繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。絶縁膜２３を構成するＺｒＯ2の単膜は、その厚さがλ／２ｎ1（ただし、λは発光層１０の発光波長。ｎ1はＺｒＯ2の屈折率）とされている。一方、絶縁膜２４を構成する多重反射膜は、膜厚λ／４ｎ2（但しｎ2はＳｉＯ2の屈折率）のＳｉＯ2膜と、膜厚λ／４ｎ1のＺｒＯ2膜とを交互に積層した構造となっている。
図４に図解的に示すように、＋ｃ面である共振器端面２１を被覆するように形成された絶縁膜２３は、たとえばＺｒＯ2の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面２２に形成された絶縁膜２４は、たとえばＳｉＯ2膜とＺｒＯ2膜とを交互に複数回（図４の例では５回）繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。絶縁膜２３を構成するＺｒＯ2の単膜は、その厚さがλ／２ｎ1（ただし、λは発光層１０の発光波長。ｎ1はＺｒＯ2の屈折率）とされている。一方、絶縁膜２４を構成する多重反射膜は、膜厚λ／４ｎ2（但しｎ2はＳｉＯ2の屈折率）のＳｉＯ2膜と、膜厚λ／４ｎ1のＺｒＯ2膜とを交互に積層した構造となっている。
このような構造により、＋ｃ軸側端面２１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面２２における反射率が大きくなっている。より具体的には、たとえば、＋ｃ軸側端面２１の反射率は２０％程度とされ、−ｃ軸側端面２２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、＋ｃ軸側端面２１から、より大きなレーザ出力が出射されることになる。すなわち、この半導体レーザダイオード７０では、＋ｃ軸側端面２１が、レーザ出射端面とされている。
このような構成によって、ｎ側電極３およびｐ側電極４を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を発光層１０に注入することによって、この発光層１０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面２１，２２の間をガイド層１５，１７に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面２１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
図５は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長法によって、半導体レーザダイオード構造を構成するIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、発光層１０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、発光層１０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。
さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む発光層１０（活性層）には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、量子バンド構造が、ｃ面を主面として結晶成長された活性層とは異なるものとなる。したがって、ｃ面を成長主面とした活性層の場合とは異なる利得が得られ、レーザ特性が向上する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
発光層１０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。
発光層１０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。
換言すれば、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、ｃ軸方向とａ軸方向とに物性の異方性が生じる。さらに、Ｉｎを含む発光層１２は、格子歪みによる２軸性応力によって、ｃ面を結晶成長の主面とした場合とは異なる量子井戸バンド構造が生じる。その結果、ｃ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体の場合とは異なる利得が得られ、それにより、レーザ特性を向上することができる。
さらにまた、前述のとおり、ｍ面は非極性面であるので、量子井戸層での分極が抑制され、その結果、発光効率が増加する。これによっても、閾値の低下およびスロープ効率増加の効果を得ることができる。そして、分極がないことにより、発光波長の電流依存性が抑制されるので、安定した発振波長を実現することができる。
一方、ｍ面を結晶成長の主面とすることによって、III族窒化物半導体の結晶成長を極めて安定に行うことができるので、ｃ面やａ面を結晶成長の主面とする場合に比較して、III族窒化物半導体積層構造２の結晶性を向上することができる。これにより、高性能の半導体レーザダイオードを実現することができる。
一方、ｍ面を結晶成長の主面とすることによって、III族窒化物半導体の結晶成長を極めて安定に行うことができるので、ｃ面やａ面を結晶成長の主面とする場合に比較して、III族窒化物半導体積層構造２の結晶性を向上することができる。これにより、高性能の半導体レーザダイオードを実現することができる。
また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
図６は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層１３が成長する。
次に、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６に加えて、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、シランおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４がエピタキシャル成長させられる。
次いで、アルミニウム原料バルブ５３を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６を開く。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４上にｎ型ガイド層がエピタキシャル成長させられる。
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の発光層１０（活性層）の成長が行われる。発光層１０の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを、たとえば、５回に渡って繰り返し行う。発光層１０の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。このとき、成長圧力は７００torr以上とすることが好ましく、これにより、耐熱性を向上することができる。
次いで、ｐ型電子ブロック層１６が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子ブロック層１６が形成されることになる。このｐ型電子ブロック層１６の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層からなるガイド層１７が形成されることになる。このｐ型ＧａＮガイド層１７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次いで、再び、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされてｐ型とされたＡｌＧａＮ層からなるクラッド層１８が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、ｐ型コンタクト層１９が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層１９が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
ｐ型半導体層１２を構成する各層は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長させられることが好ましい。これにより、発光層１０への熱ダメージを低減できる。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造２の構成層１０，１３〜１９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造２の構成層１０，１３〜１９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。
この実施形態では、このような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とIII族窒化物半導体積層構造２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体積層構造２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。このIII族窒化物半導体積層構造２は、ＧａＮ単結晶基板１の主面から生じる積層欠陥や貫通転位を有していない。
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチング等のドライエッチングによって、ｐ型半導体層１２の一部を除去してリッジストライプ２０が形成される。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に平行になるように形成される。
リッジストライプ２０の形成後には、絶縁層６が形成される。絶縁層６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層１９を露出させるようにして、絶縁層６を形成できる。
リッジストライプ２０の形成後には、絶縁層６が形成される。絶縁層６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層１９を露出させるようにして、絶縁層６を形成できる。
次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９にオーミック接触するｐ側電極４が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３にオーミック接触するｎ側電極３が形成される。これらの電極３，４の形成は、たとえば、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって行うことができる。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をリッジストライプ２０に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。リッジストライプに平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面２１と、−ｃ面からなる共振器端面２２とが形成される。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をリッジストライプ２０に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。リッジストライプに平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面２１と、−ｃ面からなる共振器端面２２とが形成される。
次に、共振器端面２１，２２に、それぞれ前述の絶縁膜２３，２４が形成される。この絶縁膜２３，２４の形成は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法によって行うことができる。
図７は、この発明の第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。この図７において、前述の図１に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
図７は、この発明の第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。この図７において、前述の図１に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
この実施形態の半導体レーザダイオード９０では、III族窒化物半導体積層構造２は、基板１とｎ型ＧａＮコンタクト層１３との間に、２軸性応力を含むＩｎを含む層、すなわちｎ型ＩｎＧａＮ層２６（たとえば、０．１μｍ厚。ｎ型不純物濃度は１×１０18cm-3）が介在されている。このｎ型ＩｎＧａＮ層２６を設けることにより、その２軸性応力によって、III族窒化物半導体積層構造２にｃ面と平行なクラックが生じることを抑制することができる。
基板１をｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１とし、この上にIII族窒化物半導体積層構造２を成長させると、その成長主面はｍ面となり、むろん、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６もｍ面を成長主面として成長する。これにより、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６は、２軸性応力を有することになる。
以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の層厚や不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。また、クラッド層１４，１８は、ＡｌＧａＮの単層である必要はなく、ＡｌＧａＮ感層とＧａＮ層とで構成された超格子によりクラッド層を構成することもできる。
以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の層厚や不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。また、クラッド層１４，１８は、ＡｌＧａＮの単層である必要はなく、ＡｌＧａＮ感層とＧａＮ層とで構成された超格子によりクラッド層を構成することもできる。
また、III族窒化物半導体積層構造２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板１を除去し、基板１のない半導体レーザダイオードとすることもできる。
さらに、前述の実施形態では、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体積層構造２を備えた半導体レーザダイオード７０，９０の構成について説明したが、ｍ面以外にも、ａ面や前述の半極性面を結晶成長の主面とした六方晶構造のIII族窒化物半導体でIII族窒化物半導体積層構造を形成してもよい。この場合に、ｃ軸と交差する平面に平行な一対の端面を共振器端面とし、そのうち＋ｃ軸側端面からのレーザ出力が−ｃ軸側端面からのレーザ出力よりも大きくなるようにすればよい。さらに、導波路の方向、すなわち、リッジストライプ２０の方向は、ｃ軸の結晶成長主面への投影ベクトルに平行になるようにすることが好ましい。これにより、レーザ出射端面となる＋ｃ軸側端面を化学的に安定で耐久性の高い端面とすることができる。
さらに、前述の実施形態では、ｍ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体積層構造２を備えた半導体レーザダイオード７０，９０の構成について説明したが、ｍ面以外にも、ａ面や前述の半極性面を結晶成長の主面とした六方晶構造のIII族窒化物半導体でIII族窒化物半導体積層構造を形成してもよい。この場合に、ｃ軸と交差する平面に平行な一対の端面を共振器端面とし、そのうち＋ｃ軸側端面からのレーザ出力が−ｃ軸側端面からのレーザ出力よりも大きくなるようにすればよい。さらに、導波路の方向、すなわち、リッジストライプ２０の方向は、ｃ軸の結晶成長主面への投影ベクトルに平行になるようにすることが好ましい。これにより、レーザ出射端面となる＋ｃ軸側端面を化学的に安定で耐久性の高い端面とすることができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
１ 基板（ＧａＮ単結晶基板）
２ III族窒化物半導体積層構造
３ ｎ側電極
４ ｐ側電極
６ 絶縁層
１０ 発光層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ ｎ型ＧａＮガイド層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１７ ｐ型ＧａＮガイド層
１８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０ リッジストライプ
２１ 端面
２２ 端面
２３ 絶縁膜
２４ 絶縁膜
２６ ｎ型ＩｎＧａＮ層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ 基板
３６ 排気配管
４０ 原料ガス導入路
４１ 窒素原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ 窒素原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ
７０ 半導体レーザダイオード
９０ 半導体レーザダイオード
２ III族窒化物半導体積層構造
３ ｎ側電極
４ ｐ側電極
６ 絶縁層
１０ 発光層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ ｎ型ＧａＮガイド層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１７ ｐ型ＧａＮガイド層
１８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０ リッジストライプ
２１ 端面
２２ 端面
２３ 絶縁膜
２４ 絶縁膜
２６ ｎ型ＩｎＧａＮ層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ 基板
３６ 排気配管
４０ 原料ガス導入路
４１ 窒素原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ 窒素原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ
７０ 半導体レーザダイオード
９０ 半導体レーザダイオード
Claims (5)
- ｃ面以外の結晶面を結晶成長主面とした六方晶構造のIII族窒化物半導体からなるファブリペロー型半導体レーザであって、
ｃ軸と交差する平面に平行な＋ｃ軸側端面および−ｃ軸側端面を有し、＋ｃ軸側端面からのレーザ出力が、−ｃ軸側端面からのレーザ出力よりも大きくなるようにして、前記＋ｃ軸側端面をレーザ出射端面とした、半導体レーザ。 - ｃ軸の前記結晶成長主面への投影ベクトルに平行に導波路が形成されている、請求項１記載の半導体レーザ。
- 前記結晶成長主面がｍ面である、請求項１または２記載の半導体レーザ。
- 前記＋ｃ軸側端面が＋ｃ面であり、前記−ｃ軸側端面が−ｃ面である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
- 前記レーザ出射端面を被覆する絶縁膜をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
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