JP2008198952A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ発振効率を高め、閾値電流を低減することが可能な半導体レーザダイオードを提供する。
【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、非極性面または半極性面を主面とした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、例えば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。
【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ダイオードに関する。
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。
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
半導体レーザダイオードの重要な特性の一つは、レーザ発振を生じさせるための閾値電流（発振閾値）である。この閾値電流が低いほど、エネルギー効率の良いレーザ発振が可能になる。
この点においては、主面として非極性面または半極性面を用いることで、発光効率の高い発光素子を実現することができる。
ところが、ｍ面やa面などの非極性面または半極性面を主面とする半導体レーザダイオードにおいて、レーザの出射部および共振器面を構成する良好な端面を形成する技術は確立されていなかった。端面をプラズマなどを用いるドライエッチングで行うと、どうしても端面の平坦性が悪く、光のロスなどを引き起こし、レーザ特性を低下させる。また、信頼性においても影響を与え、劣化の原因となってしまう問題があった。また、劈開における端面形成技術においても、ｍ面やa面などの非極性面または半極性面を主面とする半導体レーザダイオードにおいて、いずれの面方位で劈開を行えばよいか知られていなかった。
そこで、この発明の目的は、光出射端面を良好に形成し、レーザ特性および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、非極性面または半極性面を結晶成長主面としたIII族窒化物半導体からなる、少なくともｎ型層、発光層、ｐ型層を有する半導体積層構造を備えた半導体レーザであって、レーザ出射端面がｃ面またはａ面から構成され、前記ｃ面または前記a面が劈開面であることを特徴とする半導体レーザである。
これにより、良好な端面が形成され、微細な凹凸による光の乱反射を抑えることができ、光出射における特性を改善することができる。非極性面または半極性面を利用することで、発光効率を高めることができる。結晶の対称性の高い面方位で劈開することで、劈開面を形成しやすくなり、量産性を高めることができる。請求項２記載の発明は、前記半導体レーザは共振器を備えており、前記共振器は、前記ｃ面またはａ面がそれぞれ対向して構成される一対のｃ面または一対のａ面から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザである。この端面を共振器とすることで、端面ロスの少なくなり、レーザ特性、例えばしきい値が小さくなる、スロープ効率が高くなるという効果が得られる。また、劈開による非常に平坦な面であることから、端面に起因する劣化を軽減することができる。請求項３記載の発明は、基板が非極性面または半極性面を主面とするGaN単結晶基板であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザである。GaN単結晶を用いることで、転位の小さい良好な発光素子を可能とする。また、放熱性に優れることでレーザの駆動時の発熱を抑えることができる。基板と発光素子構造部分が同じ面方位かつ同じIII族窒化物半導体であることから、劈開で露出する結晶面も同じ性質であるので、劈開が容易に行える。
請求項４記載の発明は、前記基板の厚さと、前記半導体積層構造の成長方向の厚さと、の総厚が200μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザである。劈開をする際に、厚さが薄いほど劈開しやすくなり、好ましくは、200μm以下にするとよい。はじめから薄い基板を使用してもよいし、結晶成長後に研磨などにより、基板を薄くしてもよい。
請求項５記載の発明は、結晶成長主面である前記非極性面がｍ面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザである。ｍ面を結晶性面とすることで、非極性の発光素子が可能となり、高い発光効率を得ることができる。また、対称性の強いｍ面を成長面とすることで、90°垂直なｃ面またはa面で劈開することが容易となる。
請求項６記載の発明は、前記発光層がIｎを含むIII族窒化物半導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザである。発光層は、Iｎを含むIII族窒化物半導体である請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。Inを含むことで、発光効率を高めることができ、また組成に応じて波長を制御することが可能となる。
請求項７記載の発明は、発光スペクトルのピーク波長は、400nmから550nmである請求項６記載の半導体レーザである。非極性または半極性面を結晶の積層方向とし、かつ、Inを含み400nmから550nmの波長領域の発光層により、高い発光効率の発光素子を実現することができる。特に、非極性面を使用することで、緑色領域で従来の極性面に比べて高い発光効率が得られる。
請求項８記載の発明は、前記ｃ面またはａ面に、絶縁膜からなる保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザである。これにより、酸化や汚染物の付着などを防ぐことができ、さらに信頼性の高い発光素子をつくることができる。特に、高い光密度になるレーザの場合に、高い信頼性を得ることができる。
請求項９記載の発明は、前記保護膜は、材料の屈折率をｎ、発光波長をλとして、膜厚が、λ/2nまたはλ/４nの単層、または屈折率の異なる材料からなり前記膜厚の保護膜の組み合わせで構成される多層膜からなることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザである。この膜厚にすることで、端面反射率を増減するように制御することができる。多層膜とすることで高い反射率が実現される。
請求項１０記載の発明は、非極性面または半極性面を結晶成長主面として、少なくともｎ型層、発光層、ｐ型層を有するIII族窒化物半導体層を積層する工程と、レーザ出射端面をｃ面またはａ面を劈開して形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法である。また、請求項１１記載の発明は、前記レーザ出射端面を形成する際に、前記III族窒化物半導体層表面または内部に、少なくとも部分的にスクライブラインを形成して劈開を行う工程とを、含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザの製造方法である。このようにすることで劈開を促進することができ、成功率の高い量産性に優れる製造方法を提供することができる。
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。
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、非極性面を主面としたものであり、非極性面とは、ａ面またはｍ面である。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、非極性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。
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。
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。本実施形態の場合、共振器端面２１，２２は、ｃ面（＋ｃ面または−ｃ面）であり、共振器端面２１は、例えば＋ｃ軸側端面であり、共振器端面２２は、例えば−ｃ軸側端面である。この場合、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。
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。
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。
非極性面の例として、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。
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。
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、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。例えば、本発明の半導体レーザでは、ストライプ幅１．５μｍ、ストライプ長６００μｍの場合、共振器端面２１，２２をｃ面としたとき、パルス発振ではしきい値電流が２８ｍＡ、連続発振ではしきい値電流が３６ｍＡであった。また共振器端面２１，２２をａ面とした場合、パルス発振でしきい値電流が６０ｍＡであった。
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。
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。
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。
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。
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。共振器端面２１，２２をｃ面とする場合、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。一方、共振器端面２１，２２をａ面とする場合、リッジストライプに平行な方向に関する劈開はｃ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ａ面に沿って行われる。こうして、ａ面から成る共振器端面２１，２２が形成される。
次に劈開の方法について説明する。
劈開を行う場合、基板１と、半導体積層構造の成長方向の厚さとの総厚が200μｍ以下であることが好ましく、そのため、予め基板１を機械的、化学的研磨を行う場合もある。劈開の具体的方法は、まず、半導体積層表面に、ダイヤモンドペンによりスクライブラインを加える、またはレーザにより、半導体積層構造の内部に焦点を合わせることで、半導体内部にスクライブラインを入れる。それ以外にも、スクライブラインとは、劈開にそった方向に半導体に損傷をくわえることを意味する。次に、そのスクライブラインにそって、外部から応力を加えるなどして、劈開を行う。劈開面がc面またはa面であるので、対称性がよく、劈開を行うことができる。
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示す斜視図であり、図８は、図７の切断線IX−IXに沿う縦断面図である。これらの図７および図８において、前述の図１〜図３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８０では、結晶主成長面が非極性面または半極性面であり、半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面などである。また、リッジストライプ２０がａ軸方向に平行に形成されており、したがって、共振器端面２１，２２は、いずれもａ面となっている。
III族窒化物半導体積層構造２をエピタキシャル成長する際に生じる積層欠陥は、ｃ面に平行に発生する。そのため、前述の第１の実施形態の構成では、積層欠陥と導波路とが交差することになる。これに対して、この実施形態では、ストライプ方向をａ軸に平行にしてあり、したがって、導波路はａ軸と平行になっている。そして、ａ軸はｃ面と平行であるので、ｃ面と平行に発生する積層欠陥が導波路と交差することがなくなる。これによって、積層欠陥による光導波の妨害やリーク電流の増加を回避することができる。
図９は、この発明の第３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１０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、例えば成長主面が非極性面である例として、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３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。
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。
この発明の第１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。 図１のII−II線に沿う縦断面図である。 図１のIII−III線に沿う横断面図である。 共振器端面に形成された絶縁膜（反射膜）の構成を説明するための図解図である。 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族窒化物半導体積層構造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。 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示す斜視図である。 図８の切断線IX−IXに沿う縦断面図である。 この発明の第３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。
符号の説明
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
８０ 半導体レーザダイオード
９０ 半導体レーザダイオード

Claims (11)

  1. 非極性面または半極性面を結晶成長主面としたIII族窒化物半導体からなる、少なくともｎ型層、発光層、ｐ型層を有する半導体積層構造を備えた半導体レーザであって、
    レーザ出射端面がｃ面またはａ面から構成され、前記ｃ面または前記a面が劈開面であることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記半導体レーザは共振器を備えており、前記共振器は、前記ｃ面またはａ面がそれぞれ対向して構成される一対のｃ面または一対のａ面から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 基板が非極性面または半極性面を主面とするGaN単結晶基板であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
  4. 前記基板の厚さと、前記半導体積層構造の成長方向の厚さと、の総厚が200μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
  5. 結晶成長主面である前記非極性面がｍ面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ。
  6. 前記発光層がIｎを含むIII族窒化物半導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ。
  7. 発光スペクトルのピーク波長は、400nmから550nmである請求項６記載の半導体レーザ。
  8. 前記ｃ面またはａ面に、絶縁膜からなる保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ。
  9. 前記保護膜は、材料の屈折率をｎ、発光波長をλとして、膜厚が、λ/2nまたはλ/４nの単層、または屈折率の異なる材料からなり前記膜厚の保護膜の組み合わせで構成される多層膜からなることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ。
  10. 非極性面または半極性面を結晶成長主面として、少なくともｎ型層、発光層、ｐ型層を有するIII族窒化物半導体層を積層する工程と、
    レーザ出射端面をｃ面またはａ面を劈開して形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  11. 前記レーザ出射端面を形成する際に、前記III族窒化物半導体層表面または内部に、少なくとも部分的にスクライブラインを形成して劈開を行う工程とを、含むことを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザの製造方法。
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