JP2009158955A - 窒化物半導体レーザダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】発振効率を高め、閾値電流を低減することが可能な窒化物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窒化物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。発光層１０は、Ａｌ組成が５０％以上のＡｌＧａＮ層を量子井戸層とした多重量子井戸構造を有する。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軸に垂直（ａ軸に平行）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窒化物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。
S. Nakamura et al.: "InGaN-Based Multi-Quantum-Well-Structure Laser Diode" Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) L74 T. Onuma et al.: "Exciton spectra of an AlN epitaxial film on (0001) sapphire substrate grown by low-pressure metalorganic vapor phase epitaxy" Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 4, pp. 652-654 (2002) Y. Taniyasu et al.: "Radiation and polarization properties of free-exciton emission from AlN (0001) surface" Applied Physics Letters 90, 261911 (2007)
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。
この発明の目的は、発振効率を高め、閾値電流を低減することが可能な窒化物半導体レーザダイオード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ダイオードは、非極性面（ｍ面またはａ面）を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造内にＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ｘ≧０．５、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≦０．５）の混晶からなる量子井戸層を有し、共振器方向がｃ軸に垂直な方向（好ましくは、成長主面に平行で、かつ、ｃ軸に垂直な方向）とされている。
ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮおよびＡｌＩｎＮのように、Ａｌを含む組成のIII族窒化物半導体からなる量子井戸層を備えた３６５ｎｍ以下の波長で動作する窒化物半導体レーザダイオードの試作例についての報告は、現在までのところなされていない。
本件発明者は、ｃ面を主面とするIII族窒化物半導体積層構造内にＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ｘ≧０．５、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≦０．５）の混晶からなる量子井戸層を持つ多重量子井戸層を有する半導体レーザダイオードを試作した。すると、主たる偏光方向（電場方向）は、ｃ軸方向に平行であり、したがって、ＴＥモードでの発振が起こりにくいことが分かった。
そこで、この発明の一実施形態では、非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でレーザ構造を構成し、このIII族窒化物半導体積層構造内にＡｌ組成が５０％以上のIII族窒化物半導体（ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（ｘ≧０．５、ｙ≧０、１−ｘ−ｙ≦０．５）の混晶）からなる量子井戸層を備えるとともに、共振器方向をｃ軸に垂直な方向としている。これにより、量子井戸層から発生する光の主たる偏光方向がｃ軸方向に平行となり、この光がｃ軸に垂直な共振器方向に伝搬する。こうして、ＴＥモードでの発振を容易に生じさせることができるので、閾値電流を低減することができる。
また、非極性面を成長主面とする量子井戸層では、面内に非等方性歪みが生じる。これは、III族窒化物半導体の結晶構造がｃ軸方向に沿う正六角柱構造を有していて、ｃ軸長とａ軸長とが異なるからである。つまり、ｃ軸長とａ軸長との相違のために、下地層から印加される面内方向歪みが、非等方的になる。この非等方性歪みのために、価電子帯の有効質量が減少し、その結果、光学利得が増大する。これにより、発振効率をより高めることができ、閾値電流が低減される。
前記窒化物半導体レーザダイオードは、具体的には、前記III族窒化物半導体積層構造が、ｍ面を成長主面とするものであり、前記共振器方向が、ａ軸に沿う方向であるものであってもよい。
さらに具体的には、前記窒化物半導体レーザダイオードは、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、前記量子井戸層を含む発光層、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ものであってもよい。この場合に、前記III族窒化物半導体は、ｍ面を結晶成長のための成長面とするIII族窒化物半導体単結晶基板（たとえば、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。このとき、前記III族窒化物半導体単結晶基板の主面のオフ角は±１°以内であることが好ましい。
また、前記窒化物半導体レーザダイオードは、具体的には、たとえば、前記III族窒化物半導体積層構造が、ａ面を成長主面とするものであり、前記共振器方向が、ｍ軸に沿う方向であるものであってもよい。
さらに具体的には、前記窒化物半導体レーザダイオードは、ａ面を結晶成長の主面とするIII族窒化物半導体からなり、ａ軸方向に、ｎ型クラッド層、前記量子井戸層を含む発光層、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ものであってもよい。この場合に、前記III族窒化物半導体は、ａ面を結晶成長のための成長面とするIII族窒化物半導体単結晶基板（たとえば、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。このとき、前記III族窒化物半導体単結晶基板の主面のオフ角は±１°以内であることが好ましい。
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もよい。この場合に、前記窒化物半導体レーザダイオードは、ｃ軸に垂直な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型電極をさらに備え、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ものであってもよい。
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、ｃ軸に垂直な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ものであってもよい。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照してより詳細に説明する。
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、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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮコンタクト層１３は、ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮガイド層１５およびｐ型ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮガイド層１５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）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＡｌＧａＮガイド層１７は、ＡｌＧａＮにたとえば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）することによって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、ＡｌＧａＮ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、図４に図解的に示すように、量子井戸層としてのＡｌＧａＮ層１０１（たとえば３ｎｍ厚）とバリア層としてのＡｌＧａＮ層１０２（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、ＡｌＧａＮ層１０１のＡｌの組成比が５０％以上とされることにより、ＡｌＧａＮ層１０１からの発光は、ｃ軸と平行な偏光成分が支配的となる。たとえば、ＡｌＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮ層１０２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、２０５ｎｍ〜２７５ｎｍとされており、紫外域に属する。すなわち、この半導体レーザダイオード７０は、紫外領域で発振する紫外レーザである。ＡｌＧａＮ層１０１のＡｌ組成を調整することによって、発光波長を調整できる。バリア層としてのＡｌＧａＮ層１０２は、ＡｌＧａＮ層１０１よりもＡｌ濃度の高いＡｌＧａＮからなっている。
ＡｌＧａＮ層１０１（量子井戸層）の組成はＡｌX1Ｇａ1-X1Ｎと表すことができる。また、ＡｌＧａＮ層１０２（バリア層）の組成はＡｌX2Ｇａ1-X2Ｎと表すことができる。ただし、Ｘ１＞０．５であり、Ｘ１＜Ｘ２である。
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ＡｌＧａＮ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軸に垂直な方向であるａ軸方向に沿って形成されている。したがって、共振器方向がａ軸方向に沿うことになる。
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ａ軸に垂直である。こうして、ｎ型ＡｌＧａＮガイド層１５、発光層１０およびｐ型ＡｌＧａＮガイド層１７によって、端面２１，２２を共振器端面とし、ａ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。
前述のとおり、量子井戸層としてのＡｌＧａＮ層１０１からの発光は、ｃ軸に平行な偏光成分が支配的となる。また、III族窒化物半導体積層構造２の成長主面がｍ面であり、共振器方向がａ軸方向に沿っている。そのため、クラッド層１４，１８間での光閉じ込めを良好に行うことができるとともに、共振器方向（ａ軸方向）への光の伝搬を促進することができる。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る。したがって、発振効率が良いので、閾値電流を効果的に低減することができる（後述の図６参照）。
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型ＡｌＧａＮ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。
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型電極４が形成されている。そして、ｎ型電極３が形成されている基板１の裏面もｍ面である。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２１，２２は、いずれもａ面である。
図５に図解的に示すように、一方の共振器端面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、他方の共振器端面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５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。絶縁膜２３，２４は、いずれも紫外領域での光吸収が少ない膜を形成している。
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、ｃ軸に平行な偏光成分が支配的な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。
紫外線レーザとしての半導体レーザダイオード７０は、光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器、光通信などの分野で用いることができる。とくに、医療分野においては、皮膚病の治療のための光源として用いることができ、光通信の分野においては超短距離通信のための光源として用いることができる。
図６は、閾値電流の低減を説明するための図である。曲線Ｌ１は、共振器方向（リッジストライプ２０の方向）をａ軸方向とした実施例に係る素子の電流−光出力特性を示す。曲線Ｌ２は、共振器方向（リッジストライプ２０の方向）をｃ軸方向とした比較例に係る素子の電流−光出力特性を示す。曲線Ｌ１，Ｌ２の比較から、前記実施例に係る素子の閾値電流Ｉth1が前記比較例に係る素子の閾値電流Ｉth2よりも格段に低減されていることが理解される。
図７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。
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。
結晶構造の軸長は、III族窒化物半導体の組成に依存する。III族窒化物半導体の下地層の上に異なる組成のIII族窒化物半導体層を結晶成長させると、この上層のIII族窒化物半導体層は下地層と格子整合しながら結晶成長する。そのため、そのIII族窒化物半導体層には、面内方向に歪みが生じる。ｃ面では正六角形の各頂点に原子が配列されているため、ｃ面を成長主面とするとき、面内方向歪みは等方的となる。一方、ａ軸長およびｃ軸長はIII族窒化物半導体の組成によって異なり、しかも、ａ軸長とｃ軸長との軸長比ｃ／ａもIII族窒化物半導体の組成によって異なる。そのため、ｍ面を成長主面とするときには、面内方向歪みは非等方的となる。
量子井戸層に非等方的歪みが印加されているとき、価電子帯の有効質量が減少し、これにより、光学利得が増大する効果が得られることが知られている。したがって、ｍ面を成長主面としたIII族窒化物半導体積層構造２中に多重量子井戸層を配置した構造の半導体レーザダイオード７０は、優れた発振効率を達成することができる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、たとえば、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。ａ軸方向への平坦性も同様である。このことは、発光層１０、とくに量子井戸層のａ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味する。これにより、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
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８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１２００℃〜１４５０℃（たとえば、１３００℃）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ＡｌＧａＮ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１２００℃〜１４５０℃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、アルミニウム原料バルブ５３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、トリメチルアルミニ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ＡｌＧａＮ層からなるｎ型ＡｌＧａＮ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、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６を開いて、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ＡｌＧａＮ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、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およびシリコン原料バルブ５６を開いて、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ＡｌＧａＮ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およびアルミニウム原料バルブ５３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アルミニウムをウエハ３５へと供給することによりＡｌＧａＮ層１０１を成長させる工程と、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびアルミニウム原料バルブ５３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アルミニウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＡｌＧａＮ層１０２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、比較的Ａｌ濃度の高いＡｌＧａＮ層１０２（バリア層）を始めに形成し、その上に比較的Ａｌ濃度の低いＡｌＧａＮ層１０１（量子井戸層）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、１２００℃〜１４５０℃（たとえば１３００℃）とされることが好ましい。このとき、成長圧力は２００torr以下とすることが好ましく、これにより、結晶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、１２００℃〜１４５０℃（たとえば１３００℃）とされることが好ましい。
次に、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ｐ型ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮガイド層１７の形成時には、ウエハ３５の温度は、１２００℃〜１４５０℃（たとえば１３００℃）とされることが好ましい。
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、１２００℃〜１４５０℃（たとえば１３００℃）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、１３００℃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、５０以上１５００以下の値に維持される。
この実施形態では、上記のような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。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、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。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。
以上、この発明の一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、ｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２によってレーザダイオード構造が作製されているが、ａ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ダイオードを作製してもよい。この場合、共振器方向はｍ軸方向（ｃ軸に垂直な方向）に設定すればよい。ａ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造は、たとえば、ａ面を主面とするＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによって形成できる。
また、前述の実施形態では、ＡｌＧａＮ層１０１で量子井戸層を形成しているが、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層またはＡｌＮ層で量子井戸層を形成してもよい。いずれの組成の場合にも、Ａｌ組成を５０％以上とすることによって、主たる偏光成分がｃ軸に平行な発光を得ることができる。したがって、共振器方向をｃ軸に垂直な方向とすることで、容易にＴＥモードの発振を生じさせることができる。また、バリア層を形成するＡｌＧａＮ層１０２の組成も前述のものに限らず、量子井戸層よりもＡｌ濃度の高いＡｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（ｘ２＞ｘ１、ｙ２≧０、１−ｘ２−ｙ２＜０．５）で形成することができる。
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、互いに組成の異なるＡｌＧａＮ層とＡｌＧａＮ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、前述の実施形態では、電子ブロック層１６がｐ型ガイド層１７と発光層１０との間に配置されているが、電子ブロック層１６およびｐ型ガイド層１７は別の配置をとることもできる。たとえば、ｐ型ガイド層１７の膜厚途中（具体的には膜厚方向のほぼ中央）に電子ブロック層１６が配置されてもよい。たとえば、電子ブロック層１６は、バリア層１０２やｐ型ガイド層１７よりもＡｌ濃度の高いＡｌx3Ｉｎy3Ｇａ1-x3-y3Ｎ（ｘ３＞ｘ２、ｙ３≧０）で形成することができる。
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。 発光層の構成を説明するための図解的な拡大断面図である。 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。 閾値電流の低減を説明するための図である。 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。
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ＡｌＧａＮコンタクト層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５ ｎ型ＡｌＧａＮガイド層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１７ ｐ型ＡｌＧａＮ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
２１，２２ 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 ウエハ
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
１０１ ＡｌＧａＮ層（量子井戸層）
１０２ ＡｌＧａＮ層（バリア層）

Claims (8)

  1. 非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造内にＡｌx1Ｉｎy1Ｇａ1-x1-y1Ｎ（ｘ１≧０．５、ｙ１≧０、１−ｘ１−ｙ１≦０．５）の混晶からなる量子井戸層を有し、共振器方向がｃ軸に垂直な方向である、窒化物半導体レーザダイオード。
  2. 前記共振器方向が、前記成長主面に平行である、請求項１記載の窒化物半導体レーザダイオード。
  3. 前記III族窒化物半導体積層構造が、ｍ面を成長主面とするものであり、
    前記共振器方向が、ａ軸に沿う方向である、請求項１または２記載の窒化物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、前記量子井戸層と、この量子井戸層よりもＡｌ濃度の高いＡｌx2Ｉｎy2Ｇａ1-x2-y2Ｎ（ｘ２＞ｘ１、ｙ２≧０、１−ｘ２−ｙ２＜０．５）からなるバリア層とを交互に積層した多重量子井戸構造を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。
  5. 前記窒化物半導体レーザダイオードが、紫外領域の光を発生する紫外レーザである、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ダイオード。
  6. 前記III族窒化物半導体積層構造は、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、前記量子井戸層を含む発光層、およびｐ型クラッド層を積層したものである、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、
    前記窒化物半導体レーザダイオードは、ｃ軸に垂直な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型電極をさらに備え、
    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６記載の窒化物半導体レーザダイオード。
  8. 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、ｃ軸に垂直な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６記載の窒化物半導体レーザダイオード。
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