JP2009200437A - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な光閉じ込め性能と良好な結晶品質のＩｎＧａＮ井戸層とを共に有するIII族窒化物半導体レーザを提供する。
【解決手段】活性層１９は、第１の光ガイド層２１と第２の光ガイド層２３との間に設けられる。活性層１９は、井戸層２７ａ、２７ｂ、２７ｃを含むことができ、またこれらの井戸層の間に設けられた少なくとも一つの第１の障壁層２９ａを有する。第１及び第２の光ガイド層２１、２３が、第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９よりも小さい第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａを含むので、第１及び第２の光ガイド層２１、２３の平均屈折率ｎＧＵＩＤＥを第１の障壁層２９ａの屈折率ｎ２９よりも大きくできる。これ故に、光閉じ込めが良好になる。また、第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９が第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａのバンドギャップＥ２１、Ｅ２３よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体レーザに関する。
非特許文献１には、非極性ｍ面窒化ガリウム基板上に形成された青色レーザダイオードが記載されている。発振波長は４５１．８ｎｍであり、閾値電流は１３４ｍＡである。レーザダイオードは、ＩｎＧａＮ量子井戸構造と、ｐ型のＧａＮ又はＩｎＧａＮ光ガイド層と、ｎ型のＧａＮ又はＩｎＧａＮ光ガイド層と、Ａｌ含有のクラッド層とを含む。
特許文献１には、ＡｌＧａＩｎＮ系端面発光型半導体レーザ素子が記載されている。半導体レーザ素子は、サファイア基板上に作製されている。ＧａＩｎＮ−ＥＬＯ構造層が、サファイア基板上に形成されており、この構造層上に、ＭＯＣＶＤ法により積層構造が成長させている。積層構造は、ｎ−ＧａＩｎＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮクラッド層、ｎ−ＧａＮ光ガイド層、ＧａＩｎＮ活性層、ｐ−ＧａＮ光ガイド層、ｐ−（ＧａＮ：Ｍｇ／ＡｌＧａＩｎＮ）クラッド層、及びｐ−ＧａＩｎＮコンタクト層からなる。
特許文献２には、サファイア基板を用いた発光素子が記載されている。発光素子は、Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなる第１中間層、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２中間層、及びＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎからなる発光層を含む。
特許文献３には、III族窒化物系化合物半導体発光素子が記載されている。この発光素子は、Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ中間層、ｎ型クラッド層、及び発光層を含む。ｎ型クラッド層は中間層と発光層との間に位置する。発光層は、ＧａＮバリア層及びＩｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ井戸層を含む。
JJAP, vol.46, No.35, 2007, p.L820- L822 特開２００３−３３２６９７号公報 特開平９−２６６３２７号公報 特開２０００−２８６４４８号公報
特許文献１の発光素子はＧａＮ光ガイド層を用いる。特許文献２及び特許文献３の発光素子は、光ガイド層を用いない。非特許文献１では、ｍ面ＧａＮ基板上に発振波長４５０ｎｍの半導体レーザが作製されている。より長い発振波長を得るように活性層を作製するとき、クラッド層とガイド層との屈折率差が小さくなる。これを避けるために、ＧａＮガイド層に替えてＩｎＧａＮガイド層を用いる。これによって、光閉じ込め性能を向上させている。また、特許文献１では、ＩｎＧａＮ井戸層及びＩｎＧａＮ障壁層が用いられており、また光ガイド層はＧａＮからなる。
ＧａＮ光ガイド層に替えてＩｎＧａＮ光ガイド層を用いるとき、活性層及びこれに隣接する光ガイド層の屈折率がクラッド層の屈折率に比べて相対的に高くできる。これ故に、光閉じ込め性能が向上される。
しかしながら、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間には、数パーセントのインジウム組成の多数のＩｎＧａＮ層が成長される。ＩｎＧａＮの成長温度は、ＧａＮやＡｌＧａＮの成長温度に比べて低い。これ故に、ＩｎＧａＮの成長では、ＧａＮやＡｌＧａＮの成長に比べて三次元成長の発生可能性が高い。厚いＩｎＧａＮの成長では、ＩｎＧａＮの厚みが増すにつれてその結晶品質が悪くなる。また、ＩｎＧａＮ層のインジウム組成が高くなるにつれて、その成長温度はより低くする必要がある。低い成長温度では、ＩｎＧａＮの結晶品質が悪くなる。したがって、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質も悪くなる。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、良好な光閉じ込め性能と良好な結晶品質のＩｎＧａＮ井戸層とを共に有するIII族窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザは、（ａ）主面を有する基板と、（ｂ）前記基板上に設けられIII族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、（ｃ）前記基板上に設けられIII族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、（ｄ）前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた活性層と、（ｅ）前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第１の光ガイド層と、（ｆ）前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第２の光ガイド層とを備える。前記活性層は、複数の井戸層と、前記井戸層の間に設けられた少なくとも一つの第１の障壁層とを含み、前記第１の光ガイド層は、前記第１の障壁層のバンドギャップよりも小さく且つ前記井戸層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＮからなる第１のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第２の光ガイド層は、ＩｎＧａＮからなる第２のＩｎＧａＮ領域を含み、前記活性層の前記井戸層のうち前記第１の光ガイド層に最も近い井戸層は、第１の井戸層であり、前記活性層の前記井戸層のうち前記第２の光ガイド層に最も近い井戸層は、第２の井戸層であり、前記活性層は、前記第１の井戸層と前記第１の光ガイド層との間に設けられた第２の障壁層と、前記第２の井戸層と前記第２の光ガイド層との間に設けられた第３の障壁層とを含む。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第１の光ガイド層が、第１の障壁層のバンドギャップよりも小さい第１のＩｎＧａＮ領域を含むので、第１の光ガイド層の平均屈折率を第１の障壁層の屈折率よりも大きくできる。これ故に、光閉じ込めが良好になる。また、第１の障壁層のバンドギャップが第１のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも大きい。このため、第１の障壁層の成長温度を第１の光ガイド層の成長温度よりも高くできるので、第１の障壁層の結晶品質を良好にできる。これ故に、第１の障壁層上の井戸層は、良好な結晶品質を有する。
また、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２のＩｎＧａＮ領域は、前記第１の障壁層のバンドギャップよりも小さく且つ前記第１及び第２の井戸層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有することが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、第２の光ガイド層が、第１の障壁層のバンドギャップよりも小さい第２のＩｎＧａＮ領域を含むので、第２の光ガイド層の平均屈折率を第１の障壁層の屈折率よりも大きくできる。これ故に、光閉じ込めが良好になる。
また、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の障壁層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する部分を含み、前記第３の障壁層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する部分を含むことができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、第１〜第３の障壁層のバンドギャップが第１及び第２のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも大きいので、第１〜第３の障壁層の成長温度を第１及び第２のＩｎＧａＮ領域の成長温度よりも高くできるので、第１〜第３の障壁層の結晶品質を良好にできる。これ故に、第１〜第３の障壁層上の井戸層は良好な結晶品質を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２及び第３の障壁層は、前記第１の障壁層と同じ窒化ガリウム系半導体からなることができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第２及び第３の障壁層のバンドギャップが第１の障壁層のバンドギャップと同じであるので、第２及び第３の障壁層は良好な結晶品質を有する。大きなインジウム組成のＩｎＧａＮを光ガイド層に用いるけれども、障壁層の成長では結晶品質が改善可能である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の光ガイド層は、前記第３の障壁層と前記第２のＩｎＧａＮ領域との間に設けられた第３のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第３のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第３の障壁層から前記第２のＩｎＧａＮ領域への方向に増加することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第２の光ガイド層に正孔が蓄積されることを低減できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第３の障壁層は、ＩｎＧａＮ領域を有しており、前記第３の障壁層の前記ＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第２の井戸層から前記第２のＩｎＧａＮ領域への方向に増加することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第３の障壁層の少なくとも一部分は組成傾斜している。このため、第２の光ガイド層から井戸層へ流れる正孔へのステップ状のポテンシャル障壁が低減される。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の光ガイド層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた第４のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は前記第２のＩｎＧａＮ領域から前記ｐ型クラッド層に向けて減少することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層の第４のＩｎＧａＮ領域はクラッド層に近いので、第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くすることによって、光ガイド層の結晶品質の低下を小さくできる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１の光ガイド層は、前記第２の障壁層と前記第１のＩｎＧａＮ領域との間に設けられた第５のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第５のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第２の障壁層から前記第１のＩｎＧａＮ領域への方向に増加することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第１の光ガイド層に電子が蓄積されることを低減できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の障壁層は、ＩｎＧａＮ領域を有しており、前記第２の障壁層の前記ＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第１の井戸層から前記第１のＩｎＧａＮ領域への方向に増加することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第２の障壁層の少なくとも一部分は組成傾斜している。このため、第１の光ガイド層から井戸層へ流れる電子へのステップ状のポテンシャル障壁が低減される。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１の光ガイド層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域と前記ｎ型クラッド層との間に設けられた第６のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第６のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第１のＩｎＧａＮ領域から前記ｎ型クラッド層への方向に減少することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層の第６のＩｎＧａＮ領域はクラッド層に近いので、第６のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第６のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くすることによって、光ガイド層の結晶品質の低下を小さくできる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の障壁層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する部分を含み、前記第３の障壁層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する部分を含む。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層から井戸層へキャリアがスムーズに流れるようになる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の光ガイド層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた第７のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第７のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は前記第２のＩｎＧａＮ領域から前記ｐ型クラッド層に向けて減少することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層の第７のＩｎＧａＮ領域はクラッド層に近いので、第７のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第７のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くすることによって、光ガイド層の結晶品質の低下を小さくできる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１の光ガイド層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域と前記ｎ型クラッド層との間に設けられた第８のＩｎＧａＮ領域を含み、前記第８のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第１のＩｎＧａＮ領域から前記ｎ型クラッド層への方向に減少することができる。
このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層の第８のＩｎＧａＮ領域はクラッド層に近いので、第８のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第８のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くすることによって、光ガイド層の結晶品質の低下を小さくできる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記活性層は、当該III族窒化物半導体レーザの発光波長が４３０ｎｍ以上の波長領域内にあるように設けられた多重量子井戸構造を有することができる。
このIII族窒化物半導体レーザでは、大きなインジウム組成の材料を井戸層に用いる長波長の半導体レーザに好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１の光ガイド層の厚さは１５０ｎｍ以下であり、前記第２の光ガイド層の厚さは１５０ｎｍ以下であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、大きなインジウム組成を用いる光ガイド層の厚さが１５０ｎｍよりも大きいとき、活性層の成長における結晶品質の回復が十分に得られず、この結果、活性層の結晶品質が低下する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１の光ガイド層の第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は０．０３以上であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、０．０３以上のインジウム組成のＩｎＧａＮ領域は光ガイド層に高屈折率を与えることができる。また、前記第２の光ガイド層の第２のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は０．０３以上であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、０．０３以上のインジウム組成のＩｎＧａＮ領域は光ガイド層に高屈折率を与えることができる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１の光ガイド層のインジウム組成は０．１２以下であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、０．１２を超えるインジウム組成のＩｎＧａＮ領域は光ガイド層の結晶品質を低下させる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第２の光ガイド層のインジウム組成は０．１２以下であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、０．１２を超えるインジウム組成のＩｎＧａＮ領域は光ガイド層の結晶品質を低下させる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記基板は、III族窒化物半導体からなり、前記基板の前記主面は、前記III族窒化物半導体のｃ面に対して１度以上の角度で傾斜しており、前記基板の前記主面は、前記III族窒化物半導体のｃ面に対して５０度以下の角度で傾斜していることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ｃ面から傾斜した表面は、高いインジウム組成のＩｎＧａＮを成長することに好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記主面の傾斜の方向は、前記III族窒化物半導体のａ軸方向であることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ｍ面劈開を用いて共振器を作製できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記基板はＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、高品質のＧａＮウエハを利用して半導体レーザを作製できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記基板はＩｎＧａＮからなることができる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、大きなインジウム組成の光ガイド層と基板との間の格子不整を小さくできる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザを作製する方法は、（ａ）第１導電型クラッド層上に、第１の温度で第１のＩｎＧａＮ光ガイド層を成長する工程と、（ｂ）前記第１のＩｎＧａＮ光ガイド層を成長した後に、障壁層を成長する工程と、（ｃ）前記障壁層を成長した後に、ＩｎＧａＮ井戸層を成長する工程と、（ｄ）前記ＩｎＧａＮ井戸層を成長した後に、第２の温度で別の障壁層を成長する工程と、（ｅ）前記別の障壁層を成長した後に、別のＩｎＧａＮ井戸層を成長する工程と、（ｆ）前記別のＩｎＧａＮ井戸層を成長した後に、更なる別の障壁層を成長する工程と、（ｇ）前記更なる別の障壁層を成長した後に、第３の温度で第２のＩｎＧａＮ光ガイド層を成長する工程とを備える。前記第２の温度は、前記第１及び第３の温度よりも高い。
この方法によれば、第２の温度は第１及び第３の温度よりも高いので、別の障壁層の成長の際に、結晶品質が向上される。故に、この別の障壁層上に成長される井戸層の結晶品質の低下が避けられる。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、良好な光閉じ込め性能と良好な結晶品質のＩｎＧａＮ井戸層とを共に有するIII族窒化物半導体レーザが提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構成を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ１１は、基板１３と、ｎ型クラッド層１５と、ｐ型クラッド層１７と、活性層１９と、第１の光ガイド層２１と、第２の光ガイド層２３とを備える。基板１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。基板１３は、例えば窒化ガリウム系半導体からなることができる。ｎ型クラッド層１５は、基板１３の主面１３ａ上に設けられ、またIII族窒化物半導体からなる。ｐ型クラッド層１７は、基板１３の主面１３ａ上に設けられ、またIII族窒化物半導体からなる。活性層１９は、ｎ型クラッド層１５とｐ型クラッド層１７との間に設けられている。第１の光ガイド層２１は、ｎ型クラッド層１５と活性層１９との間に設けられている。第２の光ガイド層２３は、ｐ型クラッド層１７と活性層１９との間に設けられている。活性層１９は、第１の光ガイド層２１と第２の光ガイド層２３との間に設けられている。活性層１９は、複数の井戸層（例えば２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）を含むことができ、またこれらの井戸層の間に設けられた少なくとも一つの第１の障壁層２９ａを有する。第１の光ガイド層２１は第１のＩｎＧａＮ領域２１ａを含み、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａは、ＩｎＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）からなり、またバンドギャップＥ２１を有する。バンドギャップＥ２１は、第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９よりも小さく、且つ井戸層（例えば２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）のバンドギャップＥＷよりも大きい。第２の光ガイド層２３は第２のＩｎＧａＮ領域２３ａを含み、第２のＩｎＧａＮ領域２３ａは、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）からなり、またバンドギャップＥ２３を有する。バンドギャップＥ２３は、第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９よりも小さく、且つ井戸層（例えば２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）のバンドギャップＥＷよりも大きい。
このIII族窒化物半導体レーザ１１によれば、第１及び第２の光ガイド層２１、２３が、第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９よりも小さい第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａを含むので、第１及び第２の光ガイド層２１、２３の平均屈折率ｎＧＵＩＤＥを第１の障壁層２９ａの屈折率ｎ２９よりも大きくできる。故に、光閉じ込めが良好になる。また、第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９が第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａのバンドギャップＥ２１、Ｅ２３よりも大きいので、第１の障壁層の２９ａ成長温度を第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３aの成長温度よりも高くできる。このため、第１の障壁層２９ａの結晶品質を良好にできる。これ故に、第１の障壁層２９ａ上の井戸層は良好な結晶品質を有する。また、第１及び第２の光ガイド層２１、２３のいずれか一方におけるインジウム組成を第１の障壁層２９ａより大きくできる。
ｎ型クラッド層１５は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。また、ｐ型クラッド層１７は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。障壁層２９ａは、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。井戸層２７ａは、例えばＩｎＧａＮからなることができる。第１の光ガイド層２１はアンドープＩｎＧａＮ領域を含むことができ、第２の光ガイド層２３はアンドープＩｎＧａＮ領域を含むことができる。アンドープ半導体により、キャリアによる光吸収を低減できる。
III族窒化物半導体レーザ１１は、ｐ型クラッド層１７上に設けられたｐ型コンタクト層３３を含み、ｐ型コンタクト層３３は、絶縁膜３５の開口を介して電極３７ａ（例えばアノード）に接続される。基板１３が導電性を示すときは、基板１３の裏面１３ｂ上に電極３７ｂ（例えば、カソード）が形成される。
本実施の形態では、III族窒化物半導体レーザ１１は、光ガイド層２３とｐ型クラッド層１７との間に電子ブロック層３１を含むことができ、電子ブロック層３１は、クラッド層１７よりも大きなバンドギャップを有する。電子ブロック層３１は、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。コンタクト層３３は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。
III族窒化物半導体レーザ１１では、第１の井戸層２７ａは、活性層１９の井戸層（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）のうち第１の光ガイド層２１に最も近い。また、第２の井戸層２７ｃは、活性層１９の井戸層（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）のうち第２の光ガイド層２３に最も近い。活性層１９は、第２の障壁層３９ａ及び第３の障壁層４１ａを含む。第２の障壁層３９ａは、第１の井戸層２７ａと第１の光ガイド層２１との間に設けられており、また第３の障壁層４１ａは、第２の井戸層２７ｃと第２の光ガイド層２３との間に設けられている。第２の障壁層３９ａのバンドギャップＥ３９ａは、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａのバンドギャップＥ２１よりも大きい。第３の障壁層４１ａのバンドギャップＥ４１ａは、第２のＩｎＧａＮ領域２３ａのバンドギャップＥ２３よりも大きい。
このIII族窒化物半導体レーザ１１によれば、第１〜第３の障壁層２９ａ、３９ａ、４１ａのバンドギャップが第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａのバンドギャップよりも大きいので、第１〜第３の障壁層２９ａ、３９ａ、４１ａの成長温度を第１及び第２のＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａの成長温度よりも高くできる。故に、第１〜第３の障壁層２９ａ、３９ａ、４１ａの結晶品質を良好にできる。したがって、第１〜第３の障壁層２９ａ、３９ａ、４１ａ上の井戸層は良好な結晶品質を有する。
ｎ型クラッド層１５からの電子Ｇが、光ガイド層２１を通して活性層１９に提供される。ｐ型クラッド層からの正孔Ｈは、光ガイド層２３を通して活性層１９に提供される。電子及び正孔は、活性層１９で再結合して、光を生成する。生成された光は、導波領域（２１、１９、２３）に閉じ込められる。ＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａのバンドギャップＥ２１、Ｅ２３が、障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９より小さいので、クラッド層１５、１７の屈折率と光ガイド層２１、２３の屈折率との間の差を大きくして、所望の屈折率差を得ることができる。ＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａのインジウム組成は大きいので、ＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａの結晶品質を良好に保つことは容易ではない。しかし、ＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａの成長温度よりも高い温度で、ＩｎＧａＮ領域を成長した後に障壁層２９ａを成長できるので、活性層１９の結晶品質をＩｎＧａＮ領域２１ａ、２３ａに比べて良好にできる。
また、III族窒化物半導体レーザ１１では、第２及び第３の障壁層３９ａ、４１ａは、第１の障壁層２９ａと実質的に同じ窒化ガリウム系半導体からなることができる。第２及び第３の障壁層３９ａ、４１ａのバンドギャップＥ３９ａ、Ｅ４１ａが第１の障壁層２９ａのバンドギャップＥ２９と同じであるので、第２及び第３の障壁層３９ａ、４１ａは良好な結晶品質を有する。大きなインジウム組成のＩｎＧａＮを光ガイド層２１、２３に用いるけれども、障壁層２９ａ、３９ａ、４１ａの成長では結晶品質が改善可能である。
図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構成を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、活性層１９は、第２の障壁層３９ｂ及び第３の障壁層４１ｂを含む。第２の障壁層３９ｂは、第１の井戸層２７ａと第１の光ガイド層２１との間に設けられており、第３の障壁層４１ｂは、第２の井戸層２７ｃと第２の光ガイド層２３との間に設けられている。
III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、第２の光ガイド層２３ｂは第３のＩｎＧａＮ領域２３ｂを含み、第３のＩｎＧａＮ領域２３ｂは、第３の障壁層４１ｂと第２のＩｎＧａＮ領域２３ａとの間に設けられている。第３のＩｎＧａＮ領域２３ｂのインジウム組成は、第３の障壁層４１ｂから第２のＩｎＧａＮ領域２３ａへの方向に増加することができる。ｐ型クラッド層１７からの正孔Ｈは第２の光ガイド層２３を介して活性層１９ａに提供される。この構造によれば、第２の光ガイド層２３に蓄積される正孔Ｈを低減できる。キャリアの蓄積量の低減により、キャリア注入効率の向上と光導波路を伝搬する光の吸収の低減が可能である。
また、第３の障壁層４１ｂの少なくとも一部分は組成傾斜していることができる。第３の障壁層４１ｂはＩｎＧａＮ領域を有する。第３の障壁層４１ｂは、例えば第１及び第２の部分４２ａ、４２ｂを含んでおり、第１及び第２の部分４２ａ、４２ｂは第２の井戸層２７ｃから光ガイド層２３へ向かう方向に順に配置されている。第２の部分４２ｂは、例えばＩｎＧａＮからなることができ、また第１の部分４２ａは、第１の障壁層２９ａと同じバリアを有することが好ましい。第２の部分４２ｂのインジウム組成は、第２の井戸層２７ｃから第２のＩｎＧａＮ領域２３ａへの方向に増加することができる。この構造によれば、第３の障壁層４１ｂの少なくとも一部分が組成傾斜しているので、光ガイド層２３から井戸層２７ａ、２７ｂ、２７ｃへ流れる正孔Ｈへのステップ状のポテンシャル障壁が低減される。また、第２の部分４２ｂは、第１の部分４２ａのインジウム組成より多いＩｎＧａＮからなることができる。
なお、必要な場合には、III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、第２の光ガイド層２３は第４のＩｎＧａＮ領域２３ｃを含むことができる。これによって、光ガイド層における屈折率の変化を所望の遠視野像に合わせて変更できる。
III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、第１の光ガイド層２１は、第５のＩｎＧａＮ領域２１ｂを含むことができ、第５のＩｎＧａＮ領域２１ｂは、第２の障壁層３９ｂと第１のＩｎＧａＮ領域２１ａとの間に設けられている。第５のＩｎＧａＮ領域２１ｂのインジウム組成は、第２の障壁層３９ｂから第１のＩｎＧａＮ領域２１ａへの方向に増加することができる。ｎ型クラッド層１５からの電子Ｇは第１の光ガイド層２１を介して活性層１９ａに提供される。この構造によれば、第１の光ガイド層２１に蓄積される電子Ｇを低減できる。キャリアの蓄積量の低減により、キャリア注入効率の向上と光導波路を伝搬する光の吸収の低減が可能である。
また、III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、第２の障壁層３９ｂの少なくとも一部分は組成傾斜していることができる。第２の障壁層３９ｂはＩｎＧａＮ領域を有する。第２の障壁層３９ｂは、例えば第１及び第２の部分４０ａ、４０ｂを含んでおり、第１及び第２の部分４０ａ、４０ｂは第１の井戸層２７ａから光ガイド層２１へ向かう方向に順に配置されている。第２の部分４０ｂは、例えばＩｎＧａＮからなることができ、また第１の部分４０ａは、第１の障壁層２９ａと同じバリアを有することが好ましい。第２の部分４０ｂのインジウム組成は、第１の井戸層２７ａから第１のＩｎＧａＮ領域２１ａへの方向に増加することができる。この構造によれば、第２の障壁層３９ｂの少なくとも一部分が組成傾斜しているので、光ガイド層２１から井戸層２７ａ、２７ｂ、２７ｃへ流れる電子Ｇへのステップ状のポテンシャル障壁が低減される。また、第２の部分４０ｂは、第１の部分４０ａのインジウム組成より多いＩｎＧａＮからなることができる。
また、III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、第１の光ガイド層２１は第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃを含むことができる。第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃは、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａとｎ型クラッド層１５との間に設けられている。第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃのインジウム組成は、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａからｎ型クラッド層１５への方向に減少する。
このIII族窒化物半導体レーザ１１ａによれば、光ガイド層２１の第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃはクラッド層１５に近いので、第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃのインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃのインジウム組成を低くすることによって、光ガイド層２１の結晶品質の低下を小さくできる。
この構造では、第２の光ガイド層２３は第４のＩｎＧａＮ領域２３ｃを含むことが好ましい。第２の光ガイド層２３の屈折率分布を第１の光ガイド層２１の屈折率分布に合わせることができる。また、第２の光ガイド層２３では、第４のＩｎＧａＮ領域２３ｃのインジウム組成は第２のＩｎＧａＮ領域２３ａからｐ型クラッド層１７に向けて減少する。この構造によれば、光ガイド層の第４のＩｎＧａＮ領域はクラッド層に近いので、第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成の低減によって、光ガイド層の結晶品質の低下を小さくできる。
III族窒化物半導体レーザ１１ａでは、第２の光ガイド層２３は、所望の遠視野像及び電気的特性が得られるように、第３及び第４のＩｎＧａＮ領域２３ｂ、２３ｃのいずれか一方を用いることができる。また、第１の光ガイド層２１は、所望の遠視野像及び電気的特性が得られるように、第５及び第６のＩｎＧａＮ領域２１ｂ、２１ｃのいずれか一方を用いることができる。さらに、所望の遠視野像及び電気的特性を得るために、第３の障壁層４１ｂは、その一部または全部にわたってインジウム組成傾斜領域であることができる。またさらに、所望の遠視野像及び電気的特性を得るために、第２の障壁層３９ｂは、その一部または全部にわたってインジウム組成傾斜領域であることができる。
（実施例１）
図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施の形態に係る実施例の半導体レーザの構造を示す図面である。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、図３に示された半導体レーザのバンドダイアグラムを示す図面である。
図５は、半導体レーザＬＤ１の作製のための主要な工程フローを示す図面である。図３（ａ）に示された半導体レーザＬＤ１の作製を図５を参照しながら説明する。半導体レーザＬＤ１は、有機金属気相成長法により作製された。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いた。工程フロー１００の工程Ｓ１０１では、ＧａＮウエハを準備する。ＧａＮウエハはｎ型ＧａＮからなり、オフ角０．３度の主面を有する。ＧａＮウエハを有機金属気相成長炉（以下、成長炉として参照する）に配置した。成長炉にアンモニア及び水素を供給して、これらのガスを含む雰囲気中、摂氏１０５０度の温度で、ＧａＮウエハの熱処理工程を行った。工程Ｓ１０２では、摂氏１１５０度の温度で、ＧａＮウエハ上にＡｌＧａＮクラッド層を成長した。ＡｌＧａＮクラッド層は、例えば厚さ２μｍのｎ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎである。
工程Ｓ１０３では、成膜温度ＴＧ１で、ＡｌＧａＮクラッド層上にＩｎＧａＮ光ガイド層を成長した。成膜温度ＴＧ１は例えば摂氏８４０度の温度である。ＩｎＧａＮ光ガイド層は、例えば厚さ１００ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎである。このＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は、後ほど成長されるＩｎＧａＮ障壁層のインジウム組成よりも大きい。工程Ｓ１０４では、成膜温度ＴＢ２で、ＩｎＧａＮ光ガイド層上にＩｎＧａＮ障壁層を成長した。成膜温度ＴＢ２は、本実施例では成膜温度ＴＧ１はよりも高く、例えば摂氏８６０度の温度である。ＩｎＧａＮ障壁層は、例えば厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎである。工程Ｓ１０５では、摂氏８００度の温度で、ＩｎＧａＮ障壁層上にＩｎＧａＮ井戸層を成長した。ＩｎＧａＮ井戸層は、例えば厚さ３ｎｍのアンドープＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ｎである。工程Ｓ１０６では、成膜温度ＴＢ１で、ＩｎＧａＮ光ガイド層上にＩｎＧａＮ障壁層を成長した。成膜温度ＴＢ１は、成膜温度ＴＧ１はよりも高く、また本実施例では成膜温度ＴＢ２と同じであり、例えば摂氏８６０度の温度である。ＩｎＧａＮ障壁層は、例えば厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎである。次いで、工程Ｓ１０５と同様に、摂氏８００度の温度で、ＩｎＧａＮ障壁層上にＩｎＧａＮ井戸層を成長した。この後に、工程Ｓ１０６と同様に、成膜温度ＴＢ１で、ＩｎＧａＮ井戸層上にＩｎＧａＮ障壁層を成長した。そして、工程Ｓ１０５と同様に、摂氏８００度の温度で、ＩｎＧａＮ障壁層上にＩｎＧａＮ井戸層を成長した。このように、工程Ｓ１０５及びＳ１０６を所望の回数（例えば２回）繰り返した後に、工程Ｓ１０７では、成膜温度ＴＢ３で、ＩｎＧａＮ井戸層上にＩｎＧａＮ障壁層を成長した。成膜温度ＴＢ３は、本実施例では成膜温度ＴＧ１はよりも高く、例えば摂氏８６０度の温度である。ＩｎＧａＮ障壁層は、例えば厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎである。これによって、３層の井戸層を含むＩｎＧａＮ活性層が作製された。
工程Ｓ１０８では、温度ＴＢ２よりも低い成膜温度ＴＧ２の温度で、ＩｎＧａＮ活性層上にＩｎＧａＮ光ガイド層を成長した。成膜温度ＴＧ２は例えば摂氏８４０度である。ＩｎＧａＮ光ガイド層は、例えば厚さ１００ｎｍのアンドープＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎである。このＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は、ＩｎＧａＮ障壁層のインジウム組成よりも大きい。光導波領域の形成において、インジウム組成が高いほど、成長温度は低い。光ガイド層の成長温度（例えば、摂氏８４０度）よりも、障壁層の成長温度（例えば摂氏８６０度）よりも高いので、障壁層の形成の際に結晶品質の回復が可能になる。回復された結晶品質の障壁層上に井戸層を形成するので、井戸層の結晶品質も良好になる。
本実施例におけるＩｎＧａＮ光ガイド層の成長温度は、摂氏７６０度以上であることが好ましい。ＩｎＧａＮ光ガイド層の成長温度は、摂氏８８０度以下であることが好ましい。また、本実施例におけるＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は、摂氏７００度以上であることが好ましい。また、ＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は、摂氏８４０度以下であることが好ましい。さらに、本実施例における障壁層の成長温度は、摂氏８００度以上であることが好ましい。障壁層の成長温度は、摂氏９２０度以下であることが好ましい。障壁層の成長温度は光ガイド層の成長温度よりも大きい光ガイド層の成長温度は、井戸層の成長温度より大きい。
工程Ｓ１０９で、摂氏１１００度の温度で、ＩｎＧａＮ光ガイド層上にＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長した。ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、例えば厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎである。工程Ｓ１１０では、摂氏１１００度の温度で、ＡｌＧａＮ電子ブロック層上にＡｌＧａＮクラッド層を成長した。ＡｌＧａＮクラッド層は、例えば厚さ４００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎである。工程Ｓ１１１では、摂氏１１００度の温度で、ＡｌＧａＮクラッド層上にＧａＮコンタクト層を成長した。ＧａＮコンタクト層の厚さは、例えば５０ｎｍである。これによって、エピタキシャルウエハが作製された。成長炉からエピタキシャルウエハを取り出した後に、工程Ｓ１１２では、コンタクト層上に絶縁膜を成長した。絶縁膜は、例えばＣＶＤ法で成長されたシリコン酸化物からなる。幅１０μｍコンタクト窓を形成した。
工程Ｓ１１３では、コンタクト窓及び絶縁膜上にアノード電極を形成した。アノード電極Ａは、例えば蒸着により形成されたＮｉ／Ａｕからなる。次いで、アノード電極に接続されたパッド電極を形成した。パッド電極は、例えば蒸着により形成されたＴｉ／Ａｕからなる。また、基板の裏面研削をした後に、工程Ｓ１１３では、研削された裏面上にカソード電極を形成した。カソード電極Ｋは、例えば蒸着により形成されたＴｉ／Ａｌからなる。次いで、カソード電極に接続されたパッド電極を形成した。パッド電極は、例えば蒸着により形成されたＴｉ／Ａｕからなる。これによって基板生産物が作製された。
工程Ｓ１１４では、基板生産物を劈開してレーザバーを作製した。レーザバーは劈開面ＣＬ１、ＣＬ２を有しており、共振器長は８００μｍである。そして、工程Ｓ１１５では、レーザバーから、ゲインガイド型半導体レーザを作製した。
次に半導体レーザＬＤ２、ＬＤ３の作製を説明する。半導体レーザＬＤ１と同じ種類の基板を準備した。半導体レーザＬＤ２では、光ガイド層はＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなり、障壁層もＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる。光ガイド層及び障壁層の成長において、成長温度を摂氏８６０度であった。また、半導体レーザＬＤ３では、光ガイド層はＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなり、障壁層もＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎからなる。光ガイド層及び障壁層の成長において、成長温度を摂氏８４０度であった。光ガイド層及び障壁層の成長条件の他は変更されていない。
半導体レーザＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３に通電した。いずれの半導体レーザも、４３０ｎｍ以上４４０ｎｍの範囲でレーザ発振した。
ＬＤ１ ＬＤ２ ＬＤ３
ガイド層のＩｎ組成 ０．０４ ０．０２ ０．０４
障壁層のＩｎ組成 ０．０２ ０．０２ ０．０４
しきい値 ５５０ｍＡ ９００ｍＡ ６００ｍＡ
実施例の半導体レーザＬＤ１が最も良好な特性を示した。
遠視野像（ＦＦＰ）評価によって光閉じ込めを比較した。半導体レーザＬＤ２が他の２つ（ＬＤ１、ＬＤ３）に比べて劣っていた。この理由は、半導体レーザＬＤ２の光ガイド層と障壁層のＩｎ組成が低いからであると考えられる。また、この光閉じ込め性能が低いので、しきい値電流が大きいと考えられる。半導体レーザＬＤ３の光閉じ込め性能は良好であるけれども、しきい値電流は高い。半導体レーザＬＤ３の障壁層のＩｎ組成が高いので、井戸層の結晶品質が低下したからであると考えられる。半導体レーザＬＤ１は、障壁層のＩｎ組成を下げて発光層の結晶品質を向上させると共に、高いＩｎ組成のＩｎＧａＮガイド層を用いて、十分な光閉じ込め性能を得ているので、しきい値が低いと考えられる。最も高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ井戸層の成長後に結晶品質が悪化する可能性が高いけれども、障壁層のＩｎ組成を低くして障壁層の成長温度を高くしたことが、結晶品質の回復に役立っていると考えられる。
（実施例２）
図４（ｄ）に示されるバンドダイアグラムを有する半導体レーザＬＤ４を作製した。半導体レーザＬＤ４では、光ガイド層と障壁層との境界付近で、Ｉｎ組成を傾斜させた。この組成傾斜は成長温度を連続的に変化させることによって実現しており、光ガイド層と障壁層との境界から両側にそれぞれ１０ｎｍ（合計２０ｎｍ）の領域で組成傾斜を形成した。
実施例１と同様に半導体レーザＬＤ４を作製した。また、半導体レーザＬＤ４に通電した。レーザ発振波長は、４３１ｎｍであった。
ＬＤ１ ＬＤ４（組成傾斜）
ガイド層のＩｎ組成 ０．０４ ０．０４
障壁層のＩｎ組成 ０．０２ ０．０２
しきい値 ５５０ｍＡ ５００ｍＡ。
半導体レーザＬＤ４のしきい値は、半導体レーザＬＤ１よりも小さい。この組成傾斜により活性層へのキャリアの注入効率が改善されたと考えられる。
半導体レーザＬＤ１、ＬＤ４の基板生産物において、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した。図６は、ＥＬスペクトルの測定結果を示す図面である。図６（ａ）を参照すると、半導体レーザＬＤ１の基板生産物では、波長３８０ｎｍ付近及び４２０ｎｍ付近に２つのＥＬピークが観察された。図６（ｂ）を参照すると、半導体レーザＬＤ４の基板生産物では、波長４３０ｎｍ付近に単独のＥＬピークが観察された。ＥＬスペクトルにおける２つのピークは、半導体レーザＬＤ１においてはガイド層にキャリアが蓄積されることを示していると考えられる。ＥＬスペクトルにおける単独のピークは、半導体レーザＬＤ４においてはガイド層から活性層へのキャリア注入効率が向上したことを示していると考えられる。
図７は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構成を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ１１ｂでは、活性層１９ｂは、第２及び第３の障壁層３９ｃ、４１ｃを含む。
第２の障壁層３９ｃは、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する部分を含む。この実施例では、第２の障壁層３９ｃの全体にわたって、第２の障壁層３９ｃのインジウム組成は、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａのインジウム組成よりも小さい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層２１から井戸層２９ａへキャリアがスムーズに流れるようになる。
また、第３の障壁層４１ｃは、第２のＩｎＧａＮ領域２３ａのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する部分を含む。この実施例では、第３の障壁層４１ｃの全体にわたって、第３の障壁層４１ｃのインジウム組成は、第２のＩｎＧａＮ領域２３ａのインジウム組成よりも小さい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、光ガイド層２３から井戸層２９ｃへキャリアがスムーズに流れるようになる。
必要な場合には、III族窒化物半導体レーザ１１ｂでは、第１の光ガイド層２１は、III族窒化物半導体レーザ１１ａと同様な第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃを含むことができる。第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃは、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａとｎ型クラッド層１５との間に設けられている。第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃのインジウム組成は、第１のＩｎＧａＮ領域２１ａからｎ型クラッド層１５への方向に減少する。この第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃはクラッド層１５に近いので、第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃのインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。一方、第６のＩｎＧａＮ領域２１ｃのインジウム組成を低くすることによって、光ガイド層２１の結晶品質の低下を小さくできる。
この構造では、第２の光ガイド層２３は、III族窒化物半導体レーザ１１ａと同様な第４のＩｎＧａＮ領域２３ｃを含むことが好ましい。第２の光ガイド層２３の屈折率分布を第１の光ガイド層２１の屈折率分布に合わせることができる。また、第２の光ガイド層２３では、第４のＩｎＧａＮ領域２３ｃのインジウム組成は第２のＩｎＧａＮ領域２３ａからｐ型クラッド層１７に向けて減少する。第４のＩｎＧａＮ領域がクラッド層に近いので、第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成を低くしても光閉じ込め性能の低下は小さい。
（実施例３）
半導体レーザＬＤ５を実施例１と同様な方法で形成した。第１及び第２の光ガイド層のインジウム組成は０．０４であり、第２及び第３の障壁層のインジウム組成は０．０５であった。第２及び第３の障壁層の厚さは１５ｎｍ、その成長温度は摂氏８３０度であった。半導体レーザＬＤ５のしきい値は実施例２とほぼ同等の低い値であった。また、ＥＬスペクトルの測定結果によれば、光ガイド層に由来するピークは非常に小さかった。半導体レーザＬＤ５は、実施例２の半導体レーザと同じく、光ガイド層にキャリアへの蓄積が避けられる。そして、キャリア注入効率が向上される。また、半導体レーザＬＤ５の発光特性は、半導体レーザＬＤ２、３の発光特性よりも良好である。この理由として、内側の２つの障壁層のＩｎ組成が小さいので、これらの障壁層の成長温度を上げることができ、この結果、結晶品質の回復が行われたと考えられる。
III族窒化物半導体レーザ１１ｂでは、第２の障壁層３９ｃのＩｎ組成が、光ガイド層２１から井戸層２９ａへの方向に徐々に大きくなるように傾斜していてもよい。また、第２の障壁層３９ｃ及び光ガイド層２１のＩｎ組成が、ｎ型クラッド層１５から井戸層２９ａへの方向に徐々に大きくなるように傾斜していてもよい。さらに、第３の障壁層４１ｃのＩｎ組成が、光ガイド層２３から井戸層２９ｃへの方向に徐々に大きくなるように傾斜していてもよい。またさらに、第３の障壁層４１ｃ及び光ガイド層２３のＩｎ組成が、ｐ型クラッド層１７から井戸層２９ｃへの方向に徐々に大きくなるように傾斜していてもよい。
発明者らの実験によれば、第１の光ガイド層２１では、０．０３以上のインジウム組成のＩｎＧａＮ領域２１ａは光ガイド層２１に高屈折率を与えることができる。０．１２を超えるインジウム組成のＩｎＧａＮ領域２１ａは光ガイド層２１の結晶品質を低下させる。また、第２の光ガイド層２３では、０．０３以上のインジウム組成のＩｎＧａＮ領域２３ａは光ガイド層２３に高屈折率を与えることができる。０．１２を超えるインジウム組成のＩｎＧａＮ領域２３ａは光ガイド層２３の結晶品質を低下させる。
第１の光ガイド層２１の厚さは１５０ｎｍ以下であることが好ましい。大きなインジウム組成を用いる光ガイド層２１の厚さが１５０ｎｍよりも大きいとき、活性層１９の成長における結晶品質の回復が十分に得られず、この結果、活性層１９の結晶品質が低下する。また、第２の光ガイド層２３の厚さは１５０ｎｍ以下であることが好ましい。良好な光閉じ込めを行うために、第１の光ガイド層２１の厚さは２５ｎｍ以上であることが好ましい。また、良好な光閉じ込めを行うために、第２の光ガイド層２３の厚さは２５ｎｍ以上であることが好ましい。第１の光ガイド層２１及び第２の光ガイド層２３の厚さの調整により、半導体レーザの遠視野像を調整できる。
図８は、カソードルミネッセンスを測定するためのエピタキシャルウエハの構造を示す図面である。電子線を用いて発光層の電子線像を得るためには、エピタキシャルウエハＥは、実施例１、２等のエピタキシャルウエハと異なり、ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層及びｐ型クラッド層を含まない。ａ軸の方向に２度オフした主面のＧａＮウエハと、ｃ面ジャストの主面を有するＧａＮウエハとを準備して、これらのウエハ上にエピタキシャル成長を行った。図９はカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。図９（ａ）を参照すると、島状のＣＬ像が観察された。この像は、多重量子井戸構造が島状に成長されたことを示している。図９（ｂ）を参照すると、筋状のＣＬ像が観察された。この像は、多重量子井戸構造がステップフロー成長により形成されたことを示している。オフ角度が大きくなるにつれて、ステップ密度が高くなる。このため、島状成長が抑制される。発明者らの実験によれば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮといったIII族窒化物半導体からなるウエハ主面のオフ角は、III族窒化物半導体のｃ面に対して１度以上の角度で傾斜していることが好ましく、III族窒化物半導体のｃ面に対して５０度以下の角度で傾斜していることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ｃ面から傾斜した表面は、高いインジウム組成のＩｎＧａＮを成長することに好適である。また、オフ角は１０度以上であるとき、ピエゾ電界を低減できるという利点がある。
ウエハ主面の傾斜の方向は、III族窒化物半導体のａ軸方向であることができる。ｍ面劈開を用いて共振器を作製できる。
（実施例４）
ａ軸方向に２度、２０度、４０度のオフ角を有するＧａＮウエハを準備した。これらのＧａＮウエハ上に実施例１と同じレーザ構造を上に作製した。レーザ導波路をｍ軸の方向に形成した。電極を形成した後に、ｍ面で劈開してレーザバーを作製した。
オフ角 閾値電流
０．３度 ５５０ｍＡ（実施例１）
２度 ５００ｍＡ
２０度 ５５０ｍＡ
４０度 ５５０ｍＡ
２度オフのＧａＮウエハ上に作製された半導体レーザのしきい値電流は約５００ｍＡであり、実施例１に比べて低くなった。ステップフロー成長で結晶品質や表面平坦性が改善された効果と考えられる。２０度、４０度のオフ角のＧａＮウエハ上に作製された半導体レーザのしきい値電流は、実施例１と同等又は僅かに高かった。オフ角が大きくなると、ＩｎＧａＮ層の成長においてインジウムの取り込みにくくなる。このため、ＩｎＧａＮの成長温度を下げることが必要であった。しかしながら、しきい値電流が実施例１とほぼ同等であることは、更なる改善が可能であると考えられる。これらのオフ角のウエハでは、ピエゾ電界が小さいので、実施例１に比べてレーザ発振までのブルーシフトが小さい。
III族窒化物半導体レーザ１１、１１ａ、１１ｂは、貫通低密度１０６ｃｍ−２以下の高品質のＧａＮウエハを用いて作製されることができる。４５ｍｍ以上の径を有するＧａＮウエハを利用して半導体レーザを作製できる。
III族窒化物半導体レーザ１１、１１ａ、１１ｂのための基板は、ＩｎＧａＮからなることができる。大きなインジウム組成の光ガイド層と基板との間の格子不整を小さくできる。
（実施例６）
ａ軸方向に２度のオフ角を有するＩｎＧａＮ基板を準備した。ＩｎＧａＮ基板は、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる。このＩｎＧａＮ基板上に、レーザ構造のためのエピタキシャルウエハを以下のように作製した。ＩｎＧａＮ基板を成長炉に配置した。成長炉に窒素を供給しながら、ＩｎＧａＮ基板の温度を接し８００度に上昇した。ＩｎＧａＮ基板上に、ＡｌＧａＮ層を成長した。ＡｌＧａＮ層は、ｎ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなり、その厚みは例えば１０ｎｍである。ＡｌＧａＮの成長温度は、例えば摂氏８００度である。次いで、ＡｌＧａＮ層上にｎ型クラッド層を成長した。ｎ型クラッド層は、例えばＳｉ添加ＧａＮからなり、その厚みは例えば２μｍである。ＧａＮの成長温度は、例えば摂氏１１００度である。成長炉の温度を摂氏８００度に下げた後に、光ガイド層をｎ型クラッド層上に成長した。光ガイド層は、例えばアンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなり、その厚みは例えば１００ｎｍである。
次に、活性層を成長した。活性層は、例えばＩｎＧａＮからなる井戸層とＩｎＧａＮからなる障壁層とを含む。例えば、井戸層はＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎからなり、その厚さは２ｎｍである。例えば、障壁層はＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなり、その厚さは１５ｎｍである。活性層は３つの井戸層を含む。井戸層の成長温度は、例えば摂氏７７０度であり、障壁層の成長温度は、例えば摂氏８３０度である。
活性層上に光ガイド層を成長した。光ガイド層は、例えばアンドープＩｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなり、その厚みは例えば１００ｎｍである。光ガイド層の成長温度は、例えば摂氏８００度である。光ガイド層上に電子ブロック層を成長した。電子ブロック層は、例えばＭｇ添加のｐ型Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎからなり、その厚みは例えば２０ｎｍである。電子ブロック層の成長温度は、例えば摂氏１１００度である。電子ブロック層上にｐ型クラッド層を成長した。ｐ型クラッド層は、例えばＭｇ添加Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなり、その厚みは例えば４００ｎｍである。ＧａＮの成長温度は、例えば摂氏１１００度である。ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を成長した。ｐ型コンタクト層は、例えばＭｇ添加ＧａＮからなり、その厚みは例えば５０ｎｍである。ＧａＮの成長温度は、例えば摂氏１１００度である。これらの工程によって、エピタキシャルウエハが作製された。このエピタキシャルウエハを用いて、半導体レーザＬＤ６を作製した。
また、２度のオフ角を有するＧａＮ基板上に、半導体レーザＬＤ６と同様のレーザ構造を作製してエピタキシャルウエハを作製した。このエピタキシャルウエハを用いて、半導体レーザＬＤ７を作製した。
半導体レーザＬＤ６、ＬＤ７は共にレーザ発振した。発振波長は、４７０ｎｍ〜４８０ｎｍであった。半導体レーザＬＤ６、ＬＤ７のしきい値は、それぞれ、約１５００ｍＡ、１７００ｍＡであった。半導体レーザＬＤ６はＩｎＧａＮ基板上に作製されているので、数パーセントのＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ厚膜を成長しても、基板とエピタキシャル膜との間の格子不整合に起因する歪みや欠陥が入り難く、しきい値が低くできたと考えられる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
発振波長４３０ｎｍ以上の長い波長で発光する窒化物半導体レーザダイオードが求められている。このレーザダイオードでは、導波する光の波長が長くなるとクラッド層とガイド層の屈折率差が小さくなる。Ｂｌｕ−ｒａｙやＨＤ−ＤＶＤに用いられる青紫色レーザ（波長４０５ｎｍ程度）に比べて光閉じ込めを強くする工夫が必要である。光閉じ込めを強くするために、障壁層及びガイド層の材料にＩｎＧａＮを用いると共に、これらの層のＩｎ組成を高くしている。
半導体レーザのエピタキシャルウエハは、多層のエピタキシャル膜からなる。本件の窒化物半導体レーザダイオードでは、この多層構造においてＩｎＧａＮの割合が大きくなる。これ故に、エピタキシャル膜の結晶品質が低下する。結晶品質の低下は、高いＩｎ組成の井戸層を成長した後に生じやすい。
結晶品質の低下を避けるために、井戸層を挟む障壁層のＩｎ組成を下げる。この低減により、導波路の平均屈折率が低下する。この低下を抑制するために、例えば、光ガイド層のＩｎ組成を増加する。光閉じ込めを維持できると共に、多重量子井戸構造の結晶品質を改善できる。Ｉｎ組成の低い障壁層を成長する際に結晶品質が回復する。光ガイド層の高屈折率により、所望の光閉じ込めが提供される。
また、光ガイド層の一部においてＩｎ組成を傾斜させる。高いＩｎ組成の光ガイド層を用いても、キャリア注入効率の低下が避けられる。光ガイド層のＩｎ組成の傾斜によって、高いＩｎ組成の光ガイド層にキャリアの蓄積を避けることができる。
さらに、オフ角を有する自立ＧａＮウエハを用いる。ＩｎＧａＮ領域が厚くなっても、結晶品質の低下が生じにくい。ＩｎＧａＮ領域が厚くなると島状の表面モフォロジが生じやすい。大きなオフ角のＧａＮ基板の使用により、基板主面のステップ密度が多くなる。このため、島状の表面モフォロジが抑制される。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構成を概略的に示す図面である。 図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構成を概略的に示す図面である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は、本実施の形態に係る実施例の半導体レーザの構造を示す図面である。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は、半導体レーザのバンドダイアグラムを示す図面である。 図５は、実施例に係る工程フローを示す図面である。 図６は、エレクトロルミネッセンスの測定結果を示す図面である。 図７は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構成を概略的に示す図面である。 図８は、カソードルミネッセンスを測定するためのエピタキシャルウエハの構造を示す図面である。 図９は、カソードルミネッセンス像を示す図面である。
符号の説明
１１、１１ａ、１１ｂ…III族窒化物半導体レーザ、１３…基板、１３ａ…基板主面、１３ｂ…基板裏面、１５…ｎ型クラッド層、１７…ｐ型クラッド層、１９…活性層、２１…第１の光ガイド層、２１ａ…第１のＩｎＧａＮ領域、２１ｂ…第５のＩｎＧａＮ領域、２１ｃ…第６のＩｎＧａＮ領域、２３…第２の光ガイド層、２３ａ…第２のＩｎＧａＮ領域、２３ｂ…第３のＩｎＧａＮ領域、２３ｃ…第４のＩｎＧａＮ領域、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…井戸層、２９ａ…第１の障壁層、３１…電子ブロック層、３３…ｐ型コンタクト層、３５…絶縁膜、３７ａ、３７ｂ…電極、３９ａ、３９ｂ…第２の障壁層、４０ａ…第２の障壁層の第１の部分、４０ｂ…第２の障壁層の第２の部分、４１ａ、４１ｂ…第３の障壁層、４２ａ…第３の障壁層の第１の部分、４２ｂ…第３の障壁層の第２の部分、Ｇ…電子、Ｈ…正孔

Claims (21)

  1. 主面を有する基板と、
    前記基板上に設けられIII族窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
    前記基板上に設けられIII族窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた活性層と、
    前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第１の光ガイド層と、
    前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第２の光ガイド層と
    を備え、
    前記活性層は、複数の井戸層と、前記井戸層の間に設けられた少なくとも一つの第１の障壁層とを含み、
    前記第１の光ガイド層は、前記第１の障壁層のバンドギャップよりも小さく且つ前記井戸層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＮからなる第１のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第２の光ガイド層は、ＩｎＧａＮからなる第２のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記活性層の前記井戸層のうち前記第１の光ガイド層に最も近い井戸層は、第１の井戸層であり、
    前記活性層の前記井戸層のうち前記第２の光ガイド層に最も近い井戸層は、第２の井戸層であり、
    前記活性層は、前記第１の井戸層と前記第１の光ガイド層との間に設けられた第２の障壁層と、前記第２の井戸層と前記第２の光ガイド層との間に設けられた第３の障壁層とを含む、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ。
  2. 前記第２のＩｎＧａＮ領域は、前記第１の障壁層のバンドギャップよりも小さく且つ前記井戸層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するＩｎＧａＮからなり、
    前記第２の障壁層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する部分を含み、
    前記第３の障壁層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する部分を含む、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  3. 前記第２及び第３の障壁層は、前記第１の障壁層と同じ窒化ガリウム系半導体からなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  4. 前記第２の光ガイド層は、前記第３の障壁層と前記第２のＩｎＧａＮ領域との間に設けられた第３のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第３のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第３の障壁層から前記第２のＩｎＧａＮ領域への方向に増加する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  5. 前記第３の障壁層は、ＩｎＧａＮ領域を有しており、
    前記第３の障壁層の前記ＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第２の井戸層から前記第２のＩｎＧａＮ領域への方向に増加する、ことを特徴とする請求項４に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  6. 前記第２の光ガイド層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた第４のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第４のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は前記第２のＩｎＧａＮ領域から前記ｐ型クラッド層に向けて減少する、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項４及び請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  7. 前記第１の光ガイド層は、前記第２の障壁層と前記第１のＩｎＧａＮ領域との間に設けられた第５のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第５のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第２の障壁層から前記第１のＩｎＧａＮ領域への方向に増加する、請求項１、請求項２、及び請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  8. 前記第２の障壁層は、ＩｎＧａＮ領域を有しており、
    前記第２の障壁層の前記ＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第１の井戸層から前記第１のＩｎＧａＮ領域への方向に増加する、ことを特徴とする請求項７に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  9. 前記第１の光ガイド層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域と前記ｎ型クラッド層との間に設けられた第６のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第６のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第１のＩｎＧａＮ領域から前記ｎ型クラッド層への方向に減少する、請求項１、請求項２、及び請求項４〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  10. 前記第２の障壁層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する部分を含み、
    前記第３の障壁層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する部分を含む、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  11. 前記第２の光ガイド層は、前記第２のＩｎＧａＮ領域と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた第７のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第７のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は前記第２のＩｎＧａＮ領域から前記ｐ型クラッド層に向けて減少する、ことを特徴とする請求項１０に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  12. 前記第１の光ガイド層は、前記第１のＩｎＧａＮ領域と前記ｎ型クラッド層との間に設けられた第８のＩｎＧａＮ領域を含み、
    前記第８のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は、前記第１のＩｎＧａＮ領域から前記ｎ型クラッド層への方向に減少する、ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  13. 前記活性層は、当該III族窒化物半導体レーザの発光波長が４３０ｎｍ以上の波長領域内にあるように設けられた多重量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  14. 前記第１の光ガイド層の厚さは１５０ｎｍ以下であり、
    前記第２の光ガイド層の厚さは１５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  15. 前記第１の光ガイド層の第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は０．０３以上であり、
    前記第２の光ガイド層の第２のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は０．０３以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  16. 前記第１の光ガイド層の第１のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は０．１２以下であり、
    前記第２の光ガイド層の第２のＩｎＧａＮ領域のインジウム組成は０．１２以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  17. 前記基板は、III族窒化物半導体からなり、
    前記基板の前記主面は、前記III族窒化物半導体のｃ面に対して１度以上の角度で傾斜しており、
    前記基板の前記主面は、前記III族窒化物半導体のｃ面に対して５０度以下の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  18. 前記主面の傾斜の方向は、前記III族窒化物半導体のａ軸方向である、ことを特徴とする請求項１７に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  19. 前記基板はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  20. 前記基板はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
  21. III族窒化物半導体レーザを作製する方法であって、
    第１導電型クラッド層上に、第１の温度で第１のＩｎＧａＮ光ガイド層を成長する工程と、
    前記第１のＩｎＧａＮ光ガイド層を成長した後に、障壁層を成長する工程と、
    前記障壁層を成長した後に、ＩｎＧａＮ井戸層を成長する工程と、
    前記ＩｎＧａＮ井戸層を成長した後に、第２の温度で別の障壁層を成長する工程と、
    前記別の障壁層を成長した後に、別のＩｎＧａＮ井戸層を成長する工程と、
    前記別のＩｎＧａＮ井戸層を成長した後に、更なる別の障壁層を成長する工程と、
    前記更なる別の障壁層を成長した後に、第３の温度で第２のＩｎＧａＮ光ガイド層を成長する工程と
    を備え、
    前記第２の温度は、前記第１及び第３の温度よりも高い、ことを特徴とする方法。
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