JP2009141340A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

窒化物半導体レーザ素子 Download PDF

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Abstract

【課題】ｐ型ガイド層とｐ型クラッド層との間にＡｌを含む電子ブロック層を配置した構造によって閾値電流密度の低減を図りながら、電子ブロック層に起因する応力を緩和して寿命特性の向上を図ることができる窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】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。III族窒化物半導体積層構造２は、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。ｐ型半導体層１２は、ｐ型ガイド層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８を含む。ｐ型ガイド層１６は、ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層を交互に複数回繰り返し積層した超格子構造を有している。
【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窒化物半導体レーザ素子に関する。
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型クラッド層、ｎ型ガイド層、発光層（活性層）、ｐ型電子ブロック層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層が成長させられ、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。たとえば、ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＮ単膜、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造とされる。ｎ型ガイド層は、ＩｎＧａＮまたはＧａＮからなる。発光層は、ＩｎＧａＮを量子井戸層に用いた多重量子井戸構造とされる。ｐ型電子ブロック層は、ＡｌＧａＮで構成される。ｐ型クラッド層は、ＡｌＧａＮ単膜、またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造とされる。そして、ｐ型コンタクト層は、ＡｌＩｎＧａＮで構成される。
このような構成により、発光層では、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型クラッド層およびｐ型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。
特開２００４−０３１９９０号公報 特開２００１−１１９１０２号公報
ｐ型電子ブロック層は、電子のオーバーフローを防ぎ、非発光再結合を防止して、閾値電流密度を低減することを目的として設けられている。この目的のために大きなバンドギャップが求められるので、ｐ型電子ブロック層は、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ層で構成される。
電子のオーバーフローを防ぐ目的からは、ｐ型電子ブロック層を発光層に近い位置に形成することが効果的である。一方、ｐ型ＡｌＧａＮは高抵抗であるため、これを低抵抗化するためには、多くのｐ型ドーパントが必要である。ところが、発光層の近傍にドーパントが多量に存在していると、発光損失が大きくなる。
そこで、発光層とｐ型電子ブロック層との間に、ＩｎＧａＮまたはＧａＮからなるｐ側ガイド層を介装することが考えられる。これにより、発光損失を抑制し、低閾値電流密度の窒化物半導体レーザ素子を実現できる。
しかし、この構造では、ＡｌＧａＮで構成されたｐ型クラッド層に隣接して、Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮからなる電子ブロック層が配置されることになる。ＡｌＧａＮの格子定数は、他の組成のIII族窒化物半導体よりも小さく、しかも、ＡｌＧａＮ結晶は硬いため、これと隣接する層に対して大きな応力を与えてしまう。そのため、前述の構造では、ＡｌＧａＮ層からなるｐ型クラッド層およびｐ型電子ブロック層からの大きな応力がｐ側ガイド層に印加されることになる。この応力が、通電試験における劣化の原因となり、寿命特性が悪くなる。
そこで、この発明の目的は、ｐ側ガイド層とｐ型クラッド層との間にＡｌを含む電子ブロック層を配置した構造によって閾値電流密度の低減を図りながら、電子ブロック層に起因する応力を緩和して寿命特性の向上を図ることができる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
この発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子は、III族窒化物半導体積層構造を有する。このIII族窒化物半導体積層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層に挟まれた発光層とを含む構造を形成しており、前記ｐ型半導体層が、ｐ側ガイド層と、このｐ側ガイド層に接するｐ型電子ブロック層と、このｐ型電子ブロック層に接するｐ型クラッド層とを前記発光層側から順に積層したものである。前記ｐ側ガイド層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を積層して形成されている。前記ｐ型クラッド層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなり、前記ｐ型電子ブロック層は、前記ｐ型クラッド層よりもＡｌ組成の大きいIII族窒化物半導体からなる。
この構成によれば、Ａｌを含むｐ型クラッド層に接して、このｐ型クラッド層よりも大きなＡｌ組成のｐ型電子ブロック層が形成されている。そして、このｐ型電子ブロック層と発光層との間にｐ側ガイド層が形成されている。このｐ側ガイド層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を積層して形成されている。この構成により、ｐ側ガイド層は、ｐ型電子ブロック層により発生する応力を緩和する構造となっている。
これにより、Ａｌを含むｐ型電子ブロック層を発光層から遠ざけて配置し、発光損失を抑制して閾値電流密度の低減を図りつつ、ｐ型電子ブロック層に起因する応力をｐ側ガイド層で吸収できるので、素子の寿命特性を向上することができる。
前記ｐ側ガイド層の厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍ（より好ましくは１００ｎｍ程度）であることが好ましい。
前記ｐ側ガイド層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を複数対交互に積層した超格子構造を有していることが好ましい。この構成によれば、ｐ側ガイド層を超格子構造としたことによって、ｐ型電子ブロック層に起因する応力をより一層効果的に緩和することができる。
前記ｐ側ガイド層の超格子構造は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を５対以上交互に積層したものであることが好ましい。
前記ｐ型クラッド層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を積層して形成されていることが好ましい。この構成によれば、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層の単膜でｐ型クラッド層を構成する場合に比較して、ｐ型電子ブロック層に起因する応力をより一層緩和することができる。
前記ｐ型クラッド層は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を複数対交互に積層した超格子構造を有していることが好ましい。この構成によれば、ｐ型クラッド層を超格子構造としたことによって、ｐ型電子ブロック層に起因する応力をより一層効果的に緩和することができる。
前記ｐ型クラッド層の超格子構造は、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を５対以上交互に積層したものであることが好ましい。
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窒化物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型電極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型電極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、たとえばｃ面や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。III族窒化物半導体積層構造２は、基板１と同じ結晶面を成長主面とする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型電極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側ガイド層１６（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７（たとえば２０ｎｍ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は、低抵抗層である。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型電極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側ガイド層１６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側ガイド層１６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型半導体とされている。
ｐ側ガイド層１６は、図４に示す超格子構造１６０を有している。具体的には、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６１（斜線を付して示す。）と、ｐ型ＧａＮ層１６２とを交互に複数対（好ましくは５対以上。図４の例では６対）繰り返し積層して超格子構造１６０が形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６１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、５×１０18cm-3）したｐ型半導体からなる。ｐ型ＧａＮ層１６２は、同じくｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープしたｐ型半導体からなる。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６１の厚さは、たとえば５ｎｍとされ、そのＡｌ組成は、たとえば、２％程度とされる。また、ｐ型ＧａＮ層１６２の厚さはたとえば５ｎｍとされる。超格子構造１６０の発光層１０側には、ｐ型ＧａＮ層１６１よりも厚い（たとえば、５０ｎｍ）のｐ型ＧａＮ層１６３が形成されており、ｐ側ガイド層１６の一部をなしている。このｐ型ＧａＮ層１６３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、５×１０18cm-3）したＧａＮ半導体からなる。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７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型半導体である。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、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。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、バンドギャップを高くするために、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８よりも大きなＡｌ組成（たとえば、１５％のＡｌ組成）を有している。
ｐ側ガイド層１６におけるｐ型ドーパント濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７のｐ型ドーパント濃度よりも低くすることができる。たとえば、超格子構造１６０におけるｐ型ドーパントの濃度およびｐ型ＧａＮ層１６３におけるｐ型ドーパントの濃度は、たとえば、いずれも１×１０18cm-3としてもよい。また、超格子構造１６０およびＧａＮ層１６３を、いずれもノンドープ層とすることもできる。さらに、超格子構造１６０におけるｐ型ドーパントの濃度を、たとえば１×１０18cm-3とし、ＧａＮ層１６３をノンドープ層としてもよい。この場合、ｐ側ガイド層１６内では、超格子構造１６０のみがｐ型半導体となる。そのため、超格子構造１６０においても幾分かの電子ブロック効果を得ることができるから、それに応じて発光効率を向上することができる。
発光層１０は、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、量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とバリア層としての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。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、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成を調整することによって、発光波長を調整できる。バリア層には、ＧａＮ層の代わりに、Ｉｎ組成が量子井戸層よりも小さいＩｎＧａＮ層を適用してもよい。
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、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７およびｐ側ガイド層１６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。より具体的には、超格子構造１６０の膜厚途中までがエッチング除去されている。このリッジストライプ２０は、基板１の主面がｃ面のときにはｍ軸方向に沿って形成され、基板１の主面がｍ面のときにはｃ軸方向に沿って形成される。リッジストライプ２０の下側側縁が超格子構造１６０に位置していることにより、リッジストライプ２０の下側側縁における応力を緩和することができる。
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、いずれもリッジストライプ２０の長手方向に垂直である。こうして、ｎ型ＧａＮガイド層１５、発光層１０およびｐ側ガイド層１６によって、端面２１，２２を共振器端面とし、ｃ軸方向に沿う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型電極３は、たとえばＡｌ金属からなり、ｐ型電極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型電極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、ｐ側ガイド層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層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型電極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。
基板１の主面がｍ面の場合には、リッジストライプ２０の頂面はｍ面となり、このｍ面にｐ型電極４が形成されることになる。そして、ｎ型電極３が形成されている基板１の裏面もｍ面となる。このように、ｐ型電極４およびｎ型電極３のいずれもがｍ面に形成されていると、レーザの高出力化や高温動作に対する信頼性を高めることができる。
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。
図５に図解的に示すように、出射側の共振器端面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、反対側の共振器端面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、共振器端面２１における反射率は小さく、共振器端面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、共振器端面２１の反射率は２０％程度とされ、共振器端面２２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、共振器端面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、共振器端面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型電極３およびｐ型電極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１５，１６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。
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。
図６は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層のエネルギーギャップを説明するためのエネルギーバンド図である。Ａｌ組成の大きいｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７のエネルギーギャップが最も大きく、次いで、クラッド層１４，１８のエネルギーギャップが大きくなっている。発光層１０は、エネルギーギャップの小さな量子井戸層と、エネルギーギャップが比較的大きいバリア層とを交互に積層した構造となっている。この発光層１０とｎ型クラッド層１４との間には、ＧａＮの単膜で構成したｎ型ＧａＮガイド層１５が配置されている。
一方、発光層１０とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７との間には、ｐ側ガイド層１６が介装されている。このｐ側ガイド層１６は、前述のとおり、バンドギャップが比較的小さいＧａＮ層１６２，１６３と、バンドギャップが比較的大きいＡｌＧａＮ層１６２とを交互に積層した構造となっている。
このように、この実施形態の半導体レーザダイオード７０では、Ａｌ組成の大きなｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７と発光層１０との間にｐ側ガイド層１６が介装されている。これにより、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７に含まれる高濃度のｐ型ドーパント（Ｍｇ）に起因する発光損失を抑制できるので、閾値電流密度の低減が図られている。ｐ側ガイド層１６は、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮ層１６１を有しているものの、そのＭｇ濃度は低くてよい。なぜなら、このｐ型ＡｌＧａＮ層１６１はｐ型ＧａＮ層１６２とともに超格子構造１６０を形成するものであり、かつ、Ａｌ組成をＡｌＧａＮ電子ブロック層１７ほど大きくする必要がないので、低濃度のＭｇドープで必要な導電率が得られるからである。
しかも、前述の実施形態では、発光層１０に接するのはｐ型ＧａＮ層１６３である。このｐ型ＧａＮ層１６３のＭｇ濃度は高くなくてよいので、発光損失を抑制できる。さらに、このｐ型ＧａＮ層１６３は、クラッド層１８の内側において、光を導波するコア層（発光層１０およびガイド層１５，１６）の機能を高める働きを有する。すなわち、超格子構造１６０は、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層を交互に積層した構造であるため、ＧａＮ単膜に比較して屈折率が低い。これに対して、超格子構造１６０の内側に配置されたｐ型ＧａＮ層１６３は屈折率が充分に高い。これにより、ｐ側ガイド層１６は、全体として充分な屈折率を有するので、コア層への光の集中を図ることができる。
一方、Ａｌ組成の大きなｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７をｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８に隣接して配置することに起因する応力は、超格子構造１６０を含むｐ側ガイド層１６によって緩和される。これにより、通電時の劣化を抑制できるので、素子の寿命特性を向上することができる。
図７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、ｃ面または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ＧａＮガイド層１５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（量子井戸層）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（バリア層）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。
バリア層を量子井戸層よりもＩｎ組成の小さなＩｎＧａＮで構成するときには、バリア層を形成するときのトリメチルインジウムの流量比を、量子井戸層を形成するときよりも小さくなるように制御すればよい。
次に、ｐ側ガイド層１６の形成が行われる。まず、インジウム原料バルブ５４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１６３（図４参照）が形成される。次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６１およびｐ型ＧａＮ層１６２が交互に複数回繰り返し形成されることによって、超格子構造１６０が形成される。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６１を形成する工程は、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を開き、他のバルブ５４，５６を閉じて、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をウエハ３５へと供給することによって行える。また、ｐ型ＧａＮ層１６２を形成する工程は、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を開き、他のバルブ５３，５４，５６を閉じて、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をウエハ３５へと供給することによって行える。ｐ側ガイド層１６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、ｐ型電子ブロック層１７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１７が形成されることになる。このｐ型電子ブロック層１７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。Ａｌ組成は、原料ガスの流量比を調整することによって、たとえば、１５％に制御される。
次いで、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。Ａｌ組成は、原料ガスの流量比を調整することによって、たとえば、５％に制御される。
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、ｃ面やｍ面を主面とする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側ガイド層１６、ｐ型電子ブロック層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の露出部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型電極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型電極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に垂直な方向およびこれに平行な方向に劈開して、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。たとえば、基板１の主面がｃ面のときには、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｍ面に沿って行われ、リッジストライプ２０に平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。基板１の主面がｍ面のときには、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、リッジストライプ２０に平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。こうして、共振器端面２１，２２が形成される。
共振器端面２１，２２には、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。リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開を行ってバー状体を得た後に、このバー状体の一対の側面に絶縁膜２３，２４を形成すれば、複数のレーザ素子に対する絶縁膜形成工程を一括して行える。その後に、そのバー状体を、リッジストライプ２０に平行な方向に沿って劈開して、個別のチップに分割すればよい。
図８は、この発明の他の実施形態に係る半導体レーザダイオード８０の構成を説明するための横断面図である。この図８には、共振器方向に垂直な断面（前述の図３に対応する断面）が示されている。
前述の実施形態ではｐ型クラッド層１８がＡｌＧａＮの単膜で構成されているが、この実施形態では、ｐ型クラッド層１８は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１８１とｐ型ＧａＮ層１８２とを交互に複数回（たとえば５回）繰り返し積層した超格子構造を有している。ｐ型ＡｌＧａＮ層１８１の厚さは例えば１０ｎｍとされ、ｐ型ＧａＮ層１８２の厚さは、たとえば、１０ｎｍとされる。
このような構成により、Ａｌ組成の大きなｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の両側に超格子構造が配置されることになる。その結果、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７に起因する応力をより一層効果的に吸収することができる。それに応じて、素子の寿命特性をより一層向上することができる。
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、前述の実施形態では、ｃ面またはｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２によってレーザ構造が形成されているが、ａ面などの他の結晶面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造によってレーザ構造を形成してもよい。
また、前述の実施形態では、ｐ側ガイド層１６がｐ型ＡｌＧａＮ層１６１およびｐ型ＧａＮ層１６２を複数回交互に積層した超格子構造１６０を有しているが、たとえば、ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層を一層ずつ有する構造でｐ側ガイド層１６を形成しても、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７からの応力緩和する効果が得られる。むろん、超格子構造１６０を有する前述の実施形態の構造の方が、より効果的に応力を緩和できる。
さらに、前述の第２の実施形態では、ｐ型クラッド層１８がｐ型ＡｌＧａＮ層１８１およびｐ型ＧａＮ層１８２を複数回交互に積層した超格子構造を有しているが、たとえば、ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層を一層ずつ有する構造でｐ型クラッド層１８を形成しても、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７からの応力緩和する効果が得られる。むろん、超格子構造を有する前述の実施形態の構造の方が、より効果的に応力を緩和できる。
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、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。 ｐ側ガイド層の構造を説明するための部分拡大断面図である。 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族窒化物半導体積層構造を構成する各層のエネルギーギャップを説明するためのエネルギーバンド図である。 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。 この発明の他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横断面図である。
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型電極
４ ｐ型電極
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型ガイド層
１６０ 超格子構造
１６１ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１６２ ｐ型ＧａＮ層
１６３ ｐ型ＧａＮ層
１７ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１８１ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１８２ ｐ型ＧａＮ層
１９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０ リッジストライプ
２１，２２ 共振器端面
２３，２４ 絶縁膜
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 半導体レーザダイオード

Claims (7)

  1. III族窒化物半導体積層構造を有する窒化物半導体レーザ素子であって、
    前記III族窒化物半導体積層構造が、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層に挟まれた発光層とを含む構造を形成しており、
    前記ｐ型半導体層が、ｐ側ガイド層と、このｐ側ガイド層に接するｐ型電子ブロック層と、このｐ型電子ブロック層に接するｐ型クラッド層とを前記発光層側から順に積層したものであり、
    前記ｐ側ガイド層が、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を積層して形成されており、
    前記ｐ型クラッド層が、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなり、
    前記ｐ型電子ブロック層が、前記ｐ型クラッド層よりもＡｌ組成の大きいIII族窒化物半導体からなる、窒化物半導体レーザ素子。
  2. 前記ｐ側ガイド層が、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を複数対交互に積層した超格子構造を有している、請求項１記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 前記ｐ側ガイド層が、前記超格子構造と発光層との間に、Ａｌ含まないIII族窒化物半導体層からなる層をさらに有している、請求項２記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 前記超格子構造がノンドープのIII族窒化物半導体からなり、
    前記ｐ側ガイド層が、前記超格子構造と発光層との間に、Ａｌ含まないｐ型III族窒化物半導体層からなる層をさらに有している、請求項２記載の窒化物半導体レーザ素子。
  5. 前記ｐ側ガイド層のｐ型ドーパント濃度が、前記ｐ型電子ブロック層のｐ型ドーパント濃度よりも低い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  6. 前記ｐ型クラッド層が、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を積層して形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 前記ｐ型クラッド層が、Ａｌを含むIII族窒化物半導体からなる層およびＡｌを含まないIII族窒化物半導体からなる層を複数対交互に積層した超格子構造を有している、請求項６記載の窒化物半導体レーザ素子。
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