JP2008226865A - 半導体レーザダイオード - Google Patents

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、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。
【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、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-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。
ところが、ｃ面を主面として成長された発光層から生じる光はランダム偏光であるため、ＴＥモードの発振に寄与する光の割合が少ない。そのため、レーザ発振の効率が必ずしもよくなく、閾値電流を低減するうえで、改善の余地がある。

そこで、この発明の目的は、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、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、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た、半導体レーザダイオードである。
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。

この発明では、III族窒化物半導体積層構造は、ｍ面を結晶成長の主面としている。そのため、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、たとえば、発光層が量子井戸構造（より具体的にはＩｎを含むもの）からなる場合に、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、たとえば、発光層が量子井戸構造（より具体的にはＩｎを含むもの）からなる場合に、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。
請求項２記載の発明は、前記III族窒化物半導体が、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、請求項１記載の半導体レーザダイオードである。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、請求項４に記載のように、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。
また、請求項３に記載されているように前記ＧａＮ単結晶基板の主面のオフ角（ｍ面の面方位からのオフ角）は±１°以内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。

請求項５記載の発明は、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、前記半導体レーザダイオードは、所定方向に沿って形成され、前記ｐ型半導体層にストライプ状の接触領域で接触したｐ側電極をさらに備え、前記接触領域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、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。III族窒化物半導体積層構造は、ｍ面を結晶成長の主面としており、前述のとおり、優れた発振効率を有している。そのため、ｐ型半導体層をリッジ形状に整形する必要は必ずしもなく、たとえば、ｐ型半導体層の平坦な表面のストライプ状の領域にｐ側電極を接触させる構造により、電流を狭窄して、レーザ発振を起こさせることが可能である。したがって、ｐ型半導体層をリッジ形状に加工する必要がないので、生産工程が簡単になり、量産性を向上することができる。

ｐ側電極をストライプ状の電極としてストライプ状の接触領域を形成してもよいし、請求項６に記載されているように、前記ストライプ状の接触領域を除く前記ｐ型半導体の表面が、絶縁膜で保護されている構造としてもよい。この構造によっても、絶縁膜によって電流を狭窄することが可能である。また、この場合、ｐ側電極は絶縁膜の上方に至る広い領域に形成することができるから、ｐ側電極の半導体に接触する領域の面積を小さくする一方で、その全体の面積を大きくとることができるので、配線または外部回路への接続が容易になる。また、電極をストライプ状に整形する必要がないので、量産性に優れるという利点もある。

請求項７記載の発明は、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、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、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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。

請求項８記載の発明は、前記ストライプがリッジ形状（メサ形）に形成されており、前記ストライプとｐ側電極との接触部を除く当該ストライプの表面が、絶縁膜で保護されている、請求項７記載の半導体レーザダイオードである。この構成により、横方向からの光閉じ込めを緩やかにすることができるので、制御しやすくすることができる。また、側面からのリーク電流を防ぐことができる。前記絶縁膜の材料としては、屈折率が１よりも大きいもの、たとえば、ＺｒＯ₂やＳｉＯ₂を適用することが好ましい。

請求項９記載の発明は、前記ストライプの方向がｃ軸方向であり、前記一対の共振器端面が＋ｃ面および−ｃ面である、請求項５〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。この構成によれば、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。
請求項１０記載の発明は、前記−ｃ面の共振器端面が、絶縁膜からなる保護膜によって被覆されている、請求項９記載の半導体レーザダイオードである。この構成によれば、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を絶縁膜からなる保護膜で保護することにより、信頼性を高めることができる。

請求項１１記載の発明は、前記発光層が量子井戸構造からなり、前記量子井戸構造を構成する量子井戸のｃ軸方向への平坦性が、１０Å以下である、請求項９または１０記載の半導体レーザダイオードである。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。

請求項１２記載の発明は、前記ストライプの方向がａ軸方向であり、前記一対の共振器端面がａ面である、請求項５〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。III族窒化物半導体積層構造を結晶成長させるとき、積層欠陥はｃ面に平行に発生する。そこで、ｃ面と平行なａ軸方向にストライプを形成し、一対の共振器端面をａ面とすれば、積層欠陥と導波路とが交差しなくなる。これにより、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できる。

請求項１３記載の発明は、前記共振器端面は、劈開面である、請求項５〜１２のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。この構成により、共振器端面を劈開面からなる良好な端面とすることができるので、微細な凹凸による光の乱反射を抑えることができる。
請求項１４記載の発明は、前記ｐ型半導体層への接触領域を複数個備えた、請求項５〜１３のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。この構成により、複数個のストライプ構造で同時にレーザ発振を生じさせたり、また、個々のストライプ構造でレーザ発振を起こさせたりすることができる。

請求項１５記載の発明は、前記ｐ型半導体層のｍ面にｐ側電極が形成されており、前記III族窒化物半導体積層構造が導電性基板の一主面に成長させられており、この導電性基板の他の主面がｍ面であり、当該他の主面にｎ側電極が形成されている、請求項５〜１４のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。この構成によれば、ｐ側電極およびｎ側電極が、いずれも安定なｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分耐えられる信頼性を実現できる。たとえば、従来からのｃ面を成長主面とするレーザダイオードの場合には、裏面の結晶面が−ｃ面となっていたため、裏面電極の信頼性が乏しかった。

請求項１６記載の発明は、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、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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。

請求項１７記載の発明は、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、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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。

請求項１８記載の発明は、前記クラッド層は、Ａｌを含み、層厚が１．５μｍ以下である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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。
請求項１９記載の発明は、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比について、ｎ型クラッド層から最上層のｐ型コンタクト層までの平均値が１０００以上である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。この構成により、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。この効果は、安定なｍ面を用いることではじめて実現されたものである。

請求項２０記載の発明は、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、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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、量子井戸での分極が顕著になる。これに対し、この発明では、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ているので、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。

請求項２１記載の発明は、前記発光層は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下である多重量子井戸構造を有し、前記III族窒化物半導体積層構造は、前記発光層を挟んで配置された一対のガイド層を含み、前記ｎ型クラッド層は、前記一対のガイド層の一方を前記発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもバンドギャップが広い少なくともＡｌを含むクラッド層であり、前記ｐ型クラッド層は、前記一対のガイド層の他方を前記発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもバンドギャップが広い少なくともＡｌを含むクラッド層である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。この構成により、閉じ込めが良く、低閾値および高効率のレーザ特性を得ることができる。

請求項２２記載の発明は、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、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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。
請求項２３記載の発明は、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、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオードである。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。

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、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。

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ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ｎ型ＧａＮガイド層１５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ＧａＮガイド層１７よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。

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。前記ＭＱＷ構造は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下とされることが好ましい。

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（メサ形）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（劈開面）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は、たとえばＡｌ金属からなり、ｐ側電極４は、たとえば、Ａｌ金属、Ｐｄ／Ａｕ合金からなり、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（ストライプ状の接触領域）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。また、リッジストライプ２０の表面は、ｐ側電極４との接触部を除く領域が絶縁層６で覆われて保護されているので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができるとともに、側面からのリーク電流を防ぐことができる。絶縁層６は、屈折率が１よりも大きな絶縁材料、たとえば、ＳｉＯ₂やＺｒＯ₂で構成することができる。

さらに、リッジストライプ２０の頂面はｍ面となっていて、このｍ面にｐ側電極４が形成されている。そして、ｎ側電極３が形成されている基板１の裏面もｍ面である。このように、ｐ側電極４およびｎ側電極３のいずれもがｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。
共振器端面２１，２２は、それぞれ絶縁膜２３，２４（図１では図示を省略した。）によって被覆されている。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。−ｃ面側の絶縁膜２４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。

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。
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。いいかえると、ａ軸方向に偏光したａ面内方向へ出射する光子の割合が多いので、この発明にあるレーザダイオードを作製する場合には、横方向の閉じ込めをしなくても、自ずとｃ軸方向に伝搬する光の割合が多い。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。

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。より具体的には、ｎ型クラッド層１４から最上層のｐ型コンタクト層１９までにおいて、Ｖ／III比の平均値が１０００以上であることが好ましい。これにより、ｎ型クラッド層１４、発光層１０およびｐ型クラッド層１８の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。

この実施形態では、上記のような高い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。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、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。これらの共振器端面２１，２２も、劈開によって形成された劈開面である。
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９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。
図１０は、この発明の第４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図解的な斜視図である。この図１０において、前述の図１に示された各部に対応する部分には、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１００では、ｐ型半導体層１２はリッジ形状に整形されておらず、平坦な上面を有している。このｐ型半導体層１２の平坦な上面に、幅方向（ａ軸方向）のほぼ中央に、ｃ軸方向に沿うストライプ状（直線状）のｐ側電極４が形成されている。したがって、このｐ側電極４は、ｃ軸方向に沿うストライプ状の接触領域４ａでｐ型半導体層１２の表面（ｍ面）に接触している。そして、ストライプ状の接触領域４ａのストライプの方向（ｃ軸方向）に垂直に一対の共振器端面２１（２２）が形成されている。ｐ型電極４のストライプ幅は、たとえば、１〜１００μｍとされる。

前述のとおり、ａ軸方向へ偏光した（つまり、ａ面内へ出射される）光子の割合が多いので、III族窒化物半導体積層構造２の結晶成長主面をｍ面としていることによりレーザ発振効率が高められており、そのため、ｐ型半導体層１２をリッジ形状に整形しなくとも、ｐ側電極４とｐ型半導体層１２の接触領域４ａをストライプ状として電流狭窄を行うことにより、レーザ発振が可能である。したがって、図１０の構造を採用することにより、半導体レーザダイオードの製造工程を簡単にすることができ、量産性に優れた半導体レーザダイオードを提供することができる。

図１１は、この発明の第５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図解的な斜視図である。この図１１において、前述の図１０に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
この半導体レーザダイオード１１０は、前述の第４の実施形態の場合と同じく、ｐ型半導体層１２がリッジ形状に整形されておらず、平坦な上面を有している。このｐ型半導体層１２の平坦な上面は、絶縁膜６によって覆われている。この絶縁膜６は、幅方向（ａ軸方向）のほぼ中央に、ｃ軸方向に沿うストライプ状（直線状）の開口部６ａを有している。ｐ側電極４は、開口部６ａ内および絶縁膜６上の領域に渡って形成されており、開口部６ａ内のストライプ状の接触領域４ａにおいてｐ型半導体層１２の表面（ｍ面）に接触している。そして、ストライプ状の接触領域４ａのストライプの方向（ｃ軸方向）に垂直に一対の共振器端面２１（２２）が形成されている。開口部６ａのストライプ幅（すなわち、接触領域４ａのストライプ幅）は、たとえば、１〜１００μｍとされる。

この構成により、絶縁膜６により、ｐ側電極４とｐ型半導体層１２との接触領域４ａをストライプ状に制限して電流狭窄を行うことができるので、前記第４の実施形態の場合と同じく、レーザ発振を行わせることができる。そればかりでなく、ｐ側電極４の全体の面積が大きくなるので、外部回路などとの配線接続が容易である。また、ｐ側電極４をストライプ状に整形しなくてもよいので、製造工程が簡単であり、量産性に優れている。

この半導体レーザダイオード１１０の製造に際しては、ウエハ上にIII族窒化物半導体積層構造２を成長させた後、このウエハの表面（正確にはIII族窒化物半導体積層構造２の表面）に絶縁層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、ウエハ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、ストライプ状開口部６ａを有する絶縁層６を形成できる。

以上、この発明の５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、図１２に示すように、III族窒化物半導体積層構造２のｐ型半導体層１２に複数のリッジストライプ２０をｃ軸方向に沿って平行に形成して、各リッジストライプ２０の部分でレーザ発振を同時に起こさせるようにしてもよい。図１２の例では、ｐ側電極４は、複数のリッジストライプ２０に対して共通になっているが、個々のリッジストライプ２０に対して個別に電極４を設けて、個々のリッジストライプ２０の部分でレーザ発振を個別に行えるようにしてもよい。

同様に、図１３に示すように、図１０の実施形態を変形して、ｐ型半導体層１２の平坦な上面（ｍ面）に複数本のストライプ状ｐ側電極４をｃ軸方向に沿って平行に形成して、ストライプ状ｐ側電極４の部分でレーザ発振を同時に、または個別に起こさせることができるようにしてもよい。
図１４に示すように、図１１の実施形態についても同様の変形が可能であり、絶縁層６に複数本のストライプ状開口部６ａをｃ軸方向に沿って平行に形成してもよい。これにより、ｐ側電極４は、複数本のストライプ状接触領域４ａでｐ側半導体層１２に接触することになり、各接触領域４ａの部分でレーザ発振を同時に起こさせることができる。

また、図９〜図１４の構成において、ストライプ構造（リッジストライプ２０または接触領域４ａの方向）の方向を、前記第２の実施形態（図７）のようにとることもできる。
さらにまた、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７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。 この発明の第４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図解的な斜視図である。 この発明の第５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図解的な斜視図である。 この発明の第６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図解的な斜視図である。 この発明の第７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図解的な斜視図である。 この発明の第８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図解的な斜視図である。

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
４ａ 接触領域
６ 絶縁層
６ａ 開口部
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
７０，８０，９０，１００，１１０ 半導体レーザダイオード

Claims (23)

1. 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、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た、半導体レーザダイオード。
2. 前記III族窒化物半導体が、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、請求項１記載の半導体レーザダイオード。
3. 前記ＧａＮ単結晶基板の主面のオフ角は±１°以内である、請求項２記載の半導体レーザダイオード。
4. 前記III族窒化物半導体積層構造は、前記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、請求項２または３記載の半導体レーザダイオード。
5. 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、
   前記半導体レーザダイオードは、所定方向に沿って形成され、前記ｐ型半導体層にストライプ状の接触領域で接触したｐ側電極をさらに備え、
   前記接触領域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、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
6. 前記ストライプ状の接触領域を除く前記ｐ型半導体の表面が、絶縁膜で保護されている、請求項５記載の半導体レーザダイオード。
7. 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、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、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
8. 前記ストライプがリッジ形状に形成されており、
   前記ストライプとｐ側電極との接触部を除く当該ストライプの表面が、絶縁膜で保護されている、請求項７に記載の半導体レーザダイオード。
9. 前記ストライプの方向がｃ軸方向であり、前記一対の共振器端面が＋ｃ面および−ｃ面である、請求項５〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
10. 前記−ｃ面の共振器端面が、絶縁膜からなる保護膜によって被覆されている、請求項９記載の半導体レーザダイオード。
11. 前記発光層が量子井戸構造からなり、
    前記量子井戸構造を構成する量子井戸のｃ軸方向への平坦性が、１０Å以下である、請求項９または１０記載の半導体レーザダイオード。
12. 前記ストライプの方向がａ軸方向であり、前記一対の共振器端面がａ面である、請求項５〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
13. 前記共振器端面は、劈開面である、請求項５〜１２のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
14. 前記ｐ型半導体層への接触領域を複数個備えた、請求項５〜１３のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
15. 前記ｐ型半導体層のｍ面にｐ側電極が形成されており、
    前記III族窒化物半導体積層構造が導電性基板の一主面に成長させられており、この導電性基板の他の主面がｍ面であり、当該他の主面にｎ側電極が形成されている、請求項５〜１４のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
16. 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、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
17. 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以上の条件で少なくとも一部が成長され、前記ｎ型クラッド層を含むｎ型半導体層を備えている、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
18. 前記クラッド層は、Ａｌを含み、層厚が１．５μｍ以下である、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
19. 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比について、ｎ型クラッド層から最上層のｐ型コンタクト層までの平均値が１０００以上である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
20. 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、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
21. 前記発光層は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下である多重量子井戸構造を有し、
    前記III族窒化物半導体積層構造は、前記発光層を挟んで配置された一対のガイド層を含み、
    前記ｎ型クラッド層は、前記一対のガイド層の一方を前記発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもバンドギャップが広い少なくともＡｌを含むクラッド層であり、
    前記ｐ型クラッド層は、前記一対のガイド層の他方を前記発光層との間に挟むように配置され、当該ガイド層よりもバンドギャップが広い少なくともＡｌを含むクラッド層である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
22. 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、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。
23. 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、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の半導体レーザダイオード。

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