JP2009267303A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルノイズが低減され、小型、低コストかつ高性能なＩＩＩ族窒化物半導体レーザ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体レーザは、第１導電型の半導体基板１０１と、半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層１０３と、第１導電型の半導体層１０３上に形成された活性層１０５と、活性層上において所定の方向にストライプ状に延設された電流狭窄構造１０７と、電流狭窄構造１０７上に形成された第２導電型の半導体層１０９とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体レーザであって、活性層１０５の発光領域が、半導体基板１０１の主面に対する勾配が異なる複数の結晶面に形成されているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ、特に青〜緑色帯で発光する窒化物半導体レーザ及びその製造方法に関する。

ＩＩＩ族窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。特に、１９９０年代半ば頃から、照明や各種ディスプレイ用途に、本材料を用いた紫外から青、緑色の波長領域の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の性能が急激に向上した。その結果、本材料を用いたＬＥＤの適用範囲は格段に広がり非常に大きな市場を形成している。

また、本材料は次世代の高密度光ディスク用光源としても重要である。そのため、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）の研究開発が精力的に進められ、既に製品化も始まっている。

さらに、本材料を用いたＬＤは投射型ディスプレイ等の光源としても検討されている。例えば、特許文献１に開示されている図１のようなＧａＮ基板上のインナーストライプ型レーザ構造により、良好なレーザ発振特性が得られている。また、本発明の関連技術として、特許文献２を挙げることができる。
特開２００３−７８２１５号公報 特開２００３−１７９３１１号公報

しかしながら、半導体レーザをディスプレイ用光源として用いる場合、レーザ光の可干渉性が原因で発生する「ちらつき」すなわちスペックルノイズの低減が重要な課題となる。従来は、このスペックルノイズを低減するために複数の独立なレーザ光を重ね合わせたり、時空間的に位相を変化させるための光学素子を用いる必要があり、光源の小型化や低コスト化が困難であった。

本発明は、スペックルノイズが低減され、小型、低コストかつ高性能なＩＩＩ族窒化物半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体レーザは、
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層と、
前記第１導電型の半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上において所定の方向にストライプ状に延設された電流狭窄構造と、
前記電流狭窄構造上に形成された第２導電型の半導体層とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体レーザであって、
前記活性層の発光領域が、互いに異なるミラー指数を有する複数の結晶面上に形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体レーザの製造方法は、
半導体基板上に第１導電型の半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型の半導体層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上において所定の方向にストライプ状の電流狭窄構造を延設する工程と、
前記電流狭窄構造上に第２導電型の半導体層を形成する工程とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体レーザの製造方法であって、
前記活性層の発光領域が、互いに異なるミラー指数を有する複数の結晶面上に形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、スペックルノイズが低減され、小型、低コストかつ高性能なＩＩＩ族窒化物半導体レーザ及びその製造方法を提供することができる。

本発明では、ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物半導体基板またはテンプレート表面に、ミラー指数が異なる複数の結晶面を形成する。この結晶面上にＩｎＧａＮ活性層を形成すると、結晶面によりＩｎの組成が変化するため、レーザのゲインスペクトル幅が広がる。従って、マルチ縦モードの発振波長幅が広がり、スペックルノイズが低減できる。

ここで、上記活性層の発光領域が形成された複数の結晶面のうち、基準となる１つの結晶面を考える。この基準となる結晶面と上記活性層の発光領域が形成された複数の結晶面とのなす角が（ただし、このなす角は向きも考慮し、一方を＋方向、他方を−方向とする。）、極小値及び極大値を持つように変化させれば、レーザの発振波長付近でのゲインの低下を抑制できる。そのため、特性悪化を抑制しつつゲインスペクトル幅を広げることができる。また、同一素子内における上記なす角の変動幅が、±１°以内であれば、発振波長付近でのゲインの低下がほとんど無くレーザの特性をほとんど悪化させずにゲインスペクトル幅を広げることができる。

さらに、傾斜方向が素子の共振器ストライプ方向と一致しているとゲインスペクトル幅が広がりやすくスペックルノイズの低減に有効である。ここで、素子の共振器ストライプ方向が＜１−１００＞であると、レーザ共振器面のミラーが形成しやすい上にＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成分布が制御しやすい。そのため、レーザ素子の良品歩留まりが高く、低コスト化に有利である。

ここで、基板主面の面方位が（０００１）面であると高品質なＩＩＩ族窒化物半導体結晶が得られやすく、低コスト化に有利である。また、基板主面の面方位が｛１−１００｝又は｛１−１２０｝であると、格子不整合歪に起因する内部電界の影響が回避できるため、高効率な低スペックルレーザが実現できる。さらに、活性層の発光領域が主に形成される結晶面を、原子レベルで平坦な｛１−１０１｝面又は｛１１−２２｝面とすれば、低コストで格子不整合歪に起因する内部電界の影響の少ない高効率な低スペックルレーザが実現できる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係るＬＤの構成について図１を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るＬＤの断面図であって、出射されるレーザ光に平行な断面図である。また、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るＬＤの断面図であって、出射されるレーザ光に垂直な断面図である。このＬＤは、ｎ型ＧａＮ基板１０１、ｎ側バッファ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、量子井戸層１０５、ｐ型光閉じ込め層１０６、電流狭窄層１０７、ｐ型クラッド層１０９、ｐ側コンタクト層１１０、ｐ型電極１１１、ｎ型電極１１２を有する。

図１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０１には、断面矩形状（幅約１〜５μｍ、高さ０．２μｍ）のリッジ１０１ａが形成されている。また、このリッジ１０１ａは、平面的には、約１０μｍ間隔で、＜１１−２０＞方向にストライプ状に形成されている。さらにレーザ共振器面はへき開又はドライエッチング等によって出射するレーザ光と垂直な面に形成されている。

ここで、リッジ１０１ａを有する（０００１）ｎ型ＧａＮ基板１０１の製造方法を説明する。例えば、図２に示すような方法がある。まず、図２（ａ）に示すように、（０００１）ＧａＮ基板１０１表面にＳｉＯ_２などの誘電体マスクをフォトリソグラフィー等により形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、ドライエッチング等によって適当な形状、適当な深さの溝を形成する。その後、図２（ｃ）に示すように、誘電体マスクを除去する。

あるいは、図３に示すような方法でもよい。まず、図３（ａ）に示すように、（０００１）ＧａＮ基板またはテンプレートの表面にＳｉＯ_２などの誘電体マスクをフォトリソグラフィー等により形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、マスク開口部に選択成長により適当な高さのリッジを形成する。その後、図３（ｃ）に示すように、誘電体マスクを除去する。

凹凸の周期や形状は誘電体マスクの形状により自由に設計できる。この凹凸面上に好適な成長条件でＧａＮ層を数μｍ程度再成長させると、基板主面に対するオフ角が異なる複数の結晶面からなるなだらかな斜面が形成され、この上にデバイス構造を形成する。ここで、上記活性層の発光領域が形成された複数の結晶面のうち基準となる（０００１）面とその他の結晶面とがなす角は、＜１−１００＞方向に０°を中心として±１°以内の範囲にある。そのため、発振波長付近でのゲインの低下がほとんど無くレーザの特性をほとんど悪化させずにゲインスペクトル幅を広げることができ好適である。また、上記なす角の変動が小さいため、（０００１）面上とその他の結晶面上の層厚の差を小さくすることができる。具体的には、（０００１）面上とその他の結晶面上の層厚の差が５０％以内であることが好ましく、２０％以内であることがより好ましい。

ｎ型ＧａＮ基板１０１のリッジ１０１ａを覆うように、ｎ側バッファ層１０２が形成されている。ｎ側バッファ層１０２は、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１μｍ＝１０００ｎｍ）からなる。

Ｓｉドープｎ型ＧａＮバッファ層１０２を覆うように、ｎ型クラッド層１０３が形成されている。ｎ型クラッド層１０３は、例えば、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ２μｍ＝２０００ｎｍ）からなる。

ｎ型クラッド層１０３を覆うように、ｎ型光閉じ込め層１０４が形成されている。ｎ型光閉じ込め層１０４は、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１００ｎｍ）からなる。

ｎ型光閉じ込め層１０４を覆うように、量子井戸層１０５が形成されている。量子井戸層１０５は、例えば、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる２周期多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）層である。

量子井戸層１０５を覆うように、キャップ層（不図示）及びｐ型光閉じ込め層１０６が形成されている。キャップ層は、例えば、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる。また、ｐ型光閉じ込め層１０６は、例えば、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ１００ｎｍ）からなる。

そして、ｐ型光閉じ込め層１０６を覆うように、電流狭窄層１０７が形成されている。電流狭窄層１０７は、例えば、ＡｌＮからなる。また、電流狭窄層１０７には、開口部１０８が形成されている。

ここで、電流狭窄層１０７は、以下の工程により形成することができる。まず、低温堆積により非結晶層を形成する。その後、エッチングにより、非結晶層にストライプ状の開口部１０８を設ける。開口部１０８は、光露光又は電子線露光などのリソグラフィーと、例えば、特開２００３−７８２１５に開示されている燐酸系含有液等を用いた選択エッチングとにより形成することができる。その後、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１０９及びこれより上層を形成する。これにより、電流狭窄層１０７を非結晶層から結晶層へ変換することができる。

電流狭窄層１０７を覆うようにｐ型クラッド層１０９が形成されている。ｐ型クラッド層１０９は、例えば、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ５００ｎｍ）からなる。

ｐ型クラッド層１０９を覆うようにｐ側コンタクト層１１０が形成されている。ｐ側コンタクト層１１０は、例えば、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０^２０ｃｍ^−３以下、厚さ２０ｎｍ）からなる。そして、ｐ側コンタクト層１１０の上部には、ｐ型電極１１１が設けられている。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の下部には、ｎ型電極１１２が設けられている。

以下に、図１を参照して、本発明に係る具体的な実施例について説明する。ｎ型キャリアＳｉ濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。ＧａＮ基板表面のリッジストライプ形成には、ドライエッチング装置を用いエッチングガスには塩素（Ｃｌ_２）を用いた。

有機金属気相化学堆積（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて、４００ｈＰａの減圧下で、ｎ型ＧａＮ基板１０１上へ素子構造を形成した。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎの供給源としては、各々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）を用いた。ｎ型ドーパントＳｉの供給源としてはシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型ドーパントＭｇの供給源としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

まず、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、高さ約０．２μｍのストライプ状のリッジ１０１ａを形成する。以下この工程を「凹凸基板形成工程」と呼ぶ。この工程について図２を用いて説明する。ｎ型ＧａＮ基板上にＣＶＤによりＳｉＯ_２膜を形成した後リソグラフィー工程により幅２μｍ程度のＳｉＯ_２ストライプをＧａＮ基板面内の＜１１−２０＞方向に形成する（図２（ａ））。次にこれをマスクとしてドライエッチング装置によって高さ０．２μｍ、幅１から５μｍの＜１１−２０＞方向のＧａＮリッジストライプを形成する（図２（ｂ））。バッファードフッ酸でＳｉＯ_２ストライプを除去し凹凸基板が完成する（図２（ｃ））。

次に、活性層、ｎ型クラッド層１０３、ｐ型クラッド層１０９及び電流狭窄層１０７のための非結晶ＡｌＮの結晶成長を行う。以下、この工程を「活性層成長工程」という。表面に上記凹凸形状を形成したｎ型ＧａＮ基板１０１を成長装置に投入後、ＮＨ_３を供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。Ｓｉドープｎ型ＧａＮバッファ層１０２（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０４、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる２周期多重量子井戸（ＤＱＷ）層１０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層（図示せず）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１０６を順次堆積した。

ここで、ＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量４９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行った。ＩｎＧａＮのＭＱＷ成長は、基板温度８００℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにおいて、ＴＭＩｎ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎ、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎとした。これらの構造を堆積後、基板温度を４００℃程度まで降温し、非結晶ＡｌＮ層（後に結晶化して電流狭窄層１０７となる）の堆積を行った。非結晶ＡｌＮ層堆積時のＴＭＡおよびＮＨ_３供給量はそれぞれ３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとし、堆積膜厚は０．１μｍとした。

次に、上記非結晶ＡｌＮ層に＜１−１００＞方向に伸びるストライプ開口部１０８を形成した。以下この工程を「ストライプ形成工程」という。非結晶ＡｌＮ層上にＳｉＯ_２を１００ｎｍ堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅１．５μｍのストライプパターンを形成した。

次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ_２をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。非結晶ＡｌＮ層はバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはなかった。次に、ＳｉＯ_２をマスクとして非結晶ＡｌＮ層のエッチングを行った。エッチング液にはリン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いた。ＳｉＯ_２マスクでカバーされていない領域の非結晶ＡｌＮ層は、９０℃に保持した前記溶液中８．５分間のエッチングにより除去された。その後、バッファードフッ酸により、マスクとして用いたＳｉＯ_２を除去した。以上により、非結晶ＡｌＮ層に１．５μｍ幅のストライプ状の開口部１０８を形成した。

開口部１０８が形成された非結晶ＡｌＮ層上に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９の埋め込み再成長を行った。以下、この工程を「ｐ型クラッド層再成長工程」という。ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて成長温度である１１００℃まで昇温した。１１００℃に達した後、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１０９を堆積した。その後、基板温度を１０８０℃に下げてからＭｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１０を堆積した。ＡｌＧａＮ、ＧａＮの堆積条件はドーパントの違いを除き、先に述べた活性層成長工程と同様とした。

以上により得られたＬＤウエハの上部にｐ型電極１１１、下部にｎ型電極１１２を真空蒸着法により形成した。この工程を「電極形成工程」という。電極形成後、ストライプ状の開口部１０８に垂直な方向に劈開しＬＤチップとした。典型的な素子長は５００μｍとした。

以上の工程により得られたＬＤチップを、アンコートのまま、ヒートシンクに融着し発光特性を調べた。その結果、電流密度４．０ｋＡ／ｃｍ^２、電圧５．０Ｖで中心波長４５０ｎｍ、波長広がり５ｎｍのマルチ縦モードでレーザ発振した。一方、比較例であるの平坦な（０００１）面ＧａＮ基板上に形成された同様の層構造を有する図５のＬＤの発振スペクトルは、中心波長４５０ｎｍ、波長広がり２ｎｍのマルチ縦モードであった。ここで、図５（ａ）は、従来例に係るＬＤの断面図であって、出射されるレーザ光に平行な断面図である。また、図５（ｂ）は、従来例に係るＬＤの断面図であって、出射されるレーザ光に垂直な断面図である。

実施の形態２
実施の形態１において、ＬＤ構造を作製した凹凸面をドライリッジ上の選択成長ファセット面で構成することができる。そのための構成を図４に示す。図４（ａ）は斜視図、図４（ｂ）は断面図である。本実施の形態に係るＬＤでは、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に幅２μｍ高さ７μｍのリッジ５０１が＜１１−２０＞方向に曲線ストライプ状に形成されている。

その上に、（０００１）面である上面５０２、｛１−１０１｝面から徐々にミラー指数が変化する複数の結晶面から構成される第１の側面５０３及び｛１−１００｝面から徐々にミラー指数が変化する複数の結晶面から構成される第２の側面５０４で囲まれたＳｉドープｎ型ＧａＮバッファ層１０２（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）が形成されている。以下、同様に、各層において、｛１−１０１｝面から徐々にミラー指数が変化する複数の結晶面から構成される面を第１の側面５０３といい、｛１−１００｝面から徐々にミラー指数が変化する複数の結晶面から構成される面を第２の側面５０４という。ここで、第１の側面５０３を構成する複数の結晶面のうち基準となる｛１−１０１｝面とその他の結晶面とのなす角は、０°を中心として±１°以内の範囲にある。そのため、発振波長付近でのゲインの低下がほとんど無くレーザの特性をほとんど悪化させずにゲインスペクトル幅を広げることができ好適である。また、上記なす角の変動が小さいため、｛１−１０１｝面上とその他の結晶面上の層厚の差を小さくすることができる。具体的には、｛１−１０１｝面上とその他の結晶面上の層厚の差が５０％以内であることが好ましく、２０％以内であることがより好ましい。

その上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０４、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる２周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層（図示せず）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１０６が積層されている。

この上に、ＡｌＮからなる電流狭窄層１０７、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１０９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（２×１０^２０ｃｍ^−３以下、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１０が積層されている。この積層構造の上部および下部に、それぞれｐ型電極１１１およびｎ型電極１１２が設けられている。

ここで、ＡｌＮ電流狭窄層１０７を形成するには、まず、低温堆積により非結晶層を形成する。その後、エッチングにより、第１の側面５０３上に開口部を設ける。そして、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１０９よりも上部の層を形成する。これにより、非結晶層が結晶層に変換され、ＡｌＮ電流狭窄層１０７が形成される。

前記ＬＤにおいては、ＡｌＮ電流狭窄層１０７の第１の側面５０３上の開口部は、光露光または電子線露光などのリソグラフィーと、例えば特開２００３−７８２１５号公報に開示されている燐酸系含有液等による選択エッチングにより形成される。

図４に本実施例２に係る半導体レーザ構造を示す。ｎ型キャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。ＧａＮ基板表面のリッジストライプ形成には、ドライエッチング装置を用いエッチングガスには塩素（Ｃｌ_２）を用いた。

有機金属気相化学堆積（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法を用いて、４００ｈＰａの減圧下で、ｎ型ＧａＮ基板１０１上へ素子構造を形成した。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用いた。Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎの供給源としては、各々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）を用いた。ｎ型ドーパントＳｉの供給源としてはシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型ドーパントＭｇの供給源としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

まず、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、高さ７μｍの曲線リッジストライプを形成する。以下この工程を「曲線リッジストライプ形成工程」と呼ぶ。ｎ型ＧａＮ基板上にＣＶＤによりＳｉＯ_２膜を形成した後リソグラフィー工程により幅２μｍ程度のＳｉＯ_２曲線ストライプをＧａＮ基板面内の＜１−１２０＞方向に曲線状に形成する。次に、これをマスクとしてドライエッチング装置によって高さ７μｍ、幅２μｍの＜１１−２０＞方向ＧａＮ曲線リッジストライプを形成する。

次に活性層、ｎ型クラッド層１０３、ｐ型クラッド層１０９及び電流狭窄層１０７のための非結晶ＡｌＮの結晶成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。ｎ型ＧａＮ基板１０１を成長装置に投入後、ＮＨ_３を供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。Ｓｉドープｎ型ＧａＮバッファ層１０２（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０４、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる２周期多重量子井戸（ＤＱＷ）層１０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層（図示せず）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１０６を順次堆積した。

ここで、ＧａＮ成長は基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量４９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行った。ＩｎＧａＮのＭＱＷ成長は、基板温度８００℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにおいて、ＴＭＩｎ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎ、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎとした。これらの構造を堆積後、基板温度を４００℃程度まで降温し、非結晶ＡｌＮ層（後に結晶化して電流狭窄層１０７となる）の堆積を行った。非結晶ＡｌＮ層堆積時のＴＭＡおよびＮＨ_３供給量はそれぞれ３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとし、堆積膜厚は０．１μｍとした。ここで、上記各層の不純物濃度、厚さは全て｛１−１０１｝面上での値である。

次に、非結晶ＡｌＮ層の第１の側面５０３上にストライプ開口部１０８を形成した。以下この工程を「ストライプ形成工程」という。非結晶ＡｌＮ層上にＳｉＯ_２を１００ｎｍ堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅１．５μｍのストライプパターンを非結晶ＡｌＮ層の第１の側面５０３のレジスト上に形成した。

次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ_２をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。非結晶ＡｌＮ層はバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはなかった。次にＳｉＯ_２をマスクとして非結晶ＡｌＮ層のエッチングを行った。エッチング液にはリン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いた。ＳｉＯ_２マスクでカバーされていない領域の非結晶ＡｌＮ層は、９０℃に保持した前記溶液中８．５分間のエッチングにより除去された。その後、さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いたＳｉＯ_２を除去した。以上により、非結晶ＡｌＮ層の第１の側面５０３に１．５μｍ幅のストライプ状の開口部１０８を形成した。

開口部１０８が形成された非結晶ＡｌＮ層上に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９の埋め込み再成長を行った。以下、この工程を「ｐ型クラッド層再成長工程」という。ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて成長温度である１１００℃まで昇温した。１１００℃に達した後、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１０９を堆積した。その後、基板温度を１０８０℃に下げてからＭｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層１１０を堆積した。ＡｌＧａＮ、ＧａＮの堆積条件はドーパントの違いを除き、先に述べた活性層成長工程と同様とした。

以上により得られたＬＤウエハの上部にｐ型電極１１１、下部にｎ型電極１１２を真空蒸着法により形成した。この工程を「電極工程」という。電極形成後の試料を｛１１−２０｝面で劈開しＬＤチップとした。典型的な素子長は５００μｍとした。

以上の工程により得られたＬＤチップを、アンコートのまま、ヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、波長４５０ｎｍ、電流密度３．０ｋＡ／ｃｍ^２、電圧４．５Ｖ、波長広がり５ｎｍのマルチ縦モードでレーザ発振した。

本発明の実施方法は上記した各種形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。上記実施の形態２における、｛１−１００｝面に代えて｛１１−２０｝面、｛１−１０１｝面に代えて｛１１−２２｝面としてもよい。これにより、上記と同様の効果を得ることができる。また、発光素子の波長、材料、組成についても実施の形態に挙げたもの以外を選ぶことが可能である。

実施の形態１に係る半導体レーザの斜視図である。 実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法の他の一例を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザの斜視図及び断面図である。 関連する半導体レーザの斜視図である。

符号の説明

１０１ ｎ型ＧａＮ基板
１０１ａ リッジ（凸部）
１０２ ｎ側バッファ層
１０３ ｎ型クラッド層
１０４ ｎ型光閉じ込め層
１０５ 量子井戸層
１０６ ｐ型光閉じ込め層
１０７ 電流狭窄層
１０８ 開口部
１０９ ｐ型クラッド層
１１０ ｐ側コンタクト層
１１１ ｐ型電極
１１２ ｎ型電極
５０１ リッジ
５０２ 上面
５０３ 第１の側面
５０４ 第２の側面

Claims (9)

1. 第１導電型の半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された第１導電型の半導体層と、
   前記第１導電型の半導体層上に形成された活性層と、
   前記活性層上において所定の方向にストライプ状に延設された電流狭窄構造と、
   前記電流狭窄構造上に形成された第２導電型の半導体層とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体レーザであって、
   前記活性層の発光領域が、互いに異なるミラー指数を有する複数の結晶面上に形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
2. 前記活性層が形成された複数の結晶面のうち、基準となる所定の結晶面と、その他の結晶面とのなす角が、±１°以内の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
3. 前記電流狭窄構造の長手方向に沿って、前記活性層が形成された結晶面のミラー指数が変化することを特徴とする請求項１又は２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザおよびその製造方法。
4. 前記長手方向が＜１−１００＞であることを特徴とする請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
5. 前記なす角が、極大値及び極小値を有することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
6. 前記半導体基板の主面が（０００１）面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
7. 前記所定の結晶面が（０００１）面であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
8. 前記所定の結晶面が｛１−１０１｝面又は｛１１−２２｝面であることを特徴とする請求項２又は３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザ。
9. 半導体基板上に第１導電型の半導体層を形成する工程と、
   前記第１導電型の半導体層上に活性層を形成する工程と、
   前記活性層上において所定の方向にストライプ状の電流狭窄構造を延設する工程と、
   前記電流狭窄構造上に第２導電型の半導体層を形成する工程とを備えるＩＩＩ族窒化物半導体レーザの製造方法であって、
   前記活性層の発光領域が、互いに異なるミラー指数を有する複数の結晶面上に形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体レーザの製造方法。

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