JP2010093128A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】劈開時に生じた段差に起因する歩留まりの低下やレーザ特性の劣化を抑制し得る構造を有する半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１０は、下部電極層１１、半導体基板１２、下部クラッド層１３、活性層１６、キャップ層１７、段差閉じ込め層１９、電流狭窄構造２１Ａ，２１Ｂ、および上部電極層２３を含む。段差閉じ込め層１９は、半導体基板１２に対して１％以上の圧縮歪み量を有する。キャップ層１７は、活性層１６よりも広いバンドギャップを有し、段差閉じ込め層１９のバンドギャップは、活性層１６のバンドギャップよりも広く、かつキャップ層１７のバンドギャップよりも狭い。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体レーザや半導体光増幅器などの半導体発光素子に関する。

III族窒化物半導体は、直接遷移型のバンド構造を有する半導体であり、可視広域をカバーする発光素子の構成材料として盛んに検討されている。今日までに青紫色レーザは既に実用化されており、より波長の長い青色や緑色の波長域のレーザ光源について盛んに研究開発が進んでいる。

図１は、リッジ導波路型の半導体レーザ素子１００の概略構造を示す断面図である。図１に示されるように、この半導体レーザ素子１００は、ＧａＮ基板１０２の主面上に、ｎ型クラッド層１０３、発光層１０４、ｐ型クラッド層１０９およびｐ型コンタクト層１１１が積層された構造を有する。ＧａＮ基板１０２の裏面にはｎ側電極１０１が設けられている。発光層１０４は、ｎ型光ガイド層１０５、活性層１０６、キャップ層１０７およびｐ型光ガイド層１０８からなる。ｐ型クラッド層１０９の上層部とｐ型コンタクト層１１１とからなる積層体は、ドライエッチングによりリッジストライプ状に加工されたものである。この積層体の両側面は、絶縁膜１１０Ａ，１１０Ｂで被覆されており、当該絶縁膜１１０Ａ，１１０Ｂは電流狭窄構造を構成している。絶縁膜１１０Ａ，１１０Ｂ間の開口部すなわちリッジストライプ状の積層体（リッジストライプ）の上にｐ側電極１１２が形成されている。このリッジストライプの幅および高さを調整することで実効的な屈折率差（複屈折）を調整して水平横モードを制御できる。リッジ導波路型の半導体レーザ素子は、たとえば、特許文献１（特開２００６−２１０６３０号公報）に開示されている。

一方、図２は、インナーストライプ導波路型の半導体レーザ素子１２０の概略構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子１２０は、ＧａＮ基板１２２の主面上に、ｎ型クラッド層１２３、発光層１２４、電流狭窄層１２９Ａ，１２９Ｂ、ｐ型クラッド層１３０およびｐ型コンタクト層１３１が積層された構造を有する。発光層１２４は、ｎ型光ガイド層１２５、活性層１２６、キャップ層１２７およびｐ型光ガイド層１２８で構成されている。ｐ型コンタクト層１３１上にはｐ側電極１４０が形成され、ＧａＮ基板１２２の裏面にはｎ側電極１２１が形成されている。

図２に示す電流狭窄層１２９Ａ，１２９Ｂは、たとえば、発光層１２４を形成した後、この発光層１２４上にアモルファスＡｌＮ層を堆積し、このアモルファスＡｌＮ層を選択ウェットエッチングにより加工してストライプ状の開口部を形成することにより形成される。その後、この開口部を介して光ガイド層１２８上にｐ型クラッド層１３０を成長させる。電流狭窄層１２９Ａ，１２９Ｂは、電流狭窄と水平横モード制御という２つの機能を有しており、電流狭窄層１２９Ａ，１２９Ｂ間の開口部の幅と電流狭窄層１２９Ａ，１２９Ｂの厚みとをそれぞれ調整することで水平横モードを制御することができる。

上記したリッジ導波路型半導体レーザ素子１００とインナーストライプ導波路型半導体レーザ素子１２０のいずれの構造においても、ファブリ・ペロー型の光共振器を構成する劈開端面（図示せず）が形成されている。また、上記２つの構造は、III族窒化物半導体を用いて作製することができ、安定した水平横モードでのレーザ発振を可能とするものである。このような構造を有する半導体レーザ素子として、１００ｍＷ以上のシングルモード光を出力し、６０℃で１０００時間以上もの間、安定的に駆動する青紫色レーザが実現されている。

半導体レーザに関する先行技術文献としては、上記特許文献１の他に、たとえば、特許文献２（特開２００２−７６５１９号公報）や特許文献３（特開平７−８６６８７号公報）が挙げられる。
特開２００６−２１０６３０号公報 特開２００２−７６５１９号公報 特開平７−８６６８７号公報

上記したリッジ導波路型とインナーストライプ導波路型のいずれの構造でも、劈開時の応力集中による段差が劈開端面に生じてしまうという問題がある。ここで、段差とは、劈開端面に対して異なる面の角度方向に発生する凹凸やうねりのことをいう。特許文献３には、半導体ウェハに劈開用の刃を押し当てて劈開端面を形成する際に段差が発生することが開示されている。このような段差が活性層を含む発光層に伝播すると、半導体レーザの特性が劣化する。特許文献３には、半導体ウェハの裏面側にある応力集中部（たとえば、素子分離溝）を起点として当該半導体ウェハの表面側に伝播する段差の発生を防止するために、活性層よりも下方（裏面側）に、段差の入りやすいＡｌＧａＡｓ層が設けられる構造が開示されている。

本発明者は、上記したリッジ導波路型とインナーストライプ導波路型の２つの構造の劈開端面を電子顕微鏡を用いて注意深く観察した。この観察結果によれば、特許文献３に開示されるような、半導体ウェハの裏面から表面へ伝播した比較的大きな段差のみならず、リッジストライプの角部や電流狭窄層の角部を起点として局所的に伝播する段差の存在が確認された。更に、この段差は、特定の方向を持たずに全方位に伝播していた。このような段差は、劈開端面の反射率の変化や光損失を招き、歩留まりの低下やレーザ特性の劣化の原因となる。

このような段差が活性層あるいはその近傍に伝播した場合には、レーザ特性が大きく劣化する。図３および図４は、それぞれ、電流狭窄構造を構成する絶縁膜１１０Ａの角部を起点として発生した段差１１６，１１７を表す模式図である。図３の段差１１６は、絶縁膜１１０Ａの角部から、活性層１０６を含む光分布Ａ１の領域にまで伝播している。この場合、レーザ特性の劣化が確認された。一方、図４の段差１１７は、絶縁膜１１０Ａの角部から活性層１０６にまで伝播していない。この場合、レーザ特性の劣化は確認されなかった。

上記に鑑みて本発明は、劈開時に生じた段差に起因する歩留まりの低下やレーザ特性の劣化を抑制し得る構造を有する半導体レーザ素子を提供するものである。

本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、かつ第１導電型を有する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、かつ前記第１導電型とは逆の第２導電型を有するキャップ層と、前記キャップ層上に形成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上部電極層と、前記下部クラッド層と電気的に接続された下部電極層と、前記活性層と前記電流狭窄構造との間に介在する段差閉じ込め層と、を含む半導体発光素子が提供される。この半導体発光素子では、前記段差閉じ込め層は、前記半導体基板に対して１％以上の圧縮歪み量を有し、前記キャップ層は、前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、前記段差閉じ込め層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも広い、かつ前記キャップ層のバンドギャップよりも狭い。

また、本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、かつ第１導電型を有する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された段差閉じ込め層と、前記段差閉じ込め層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、かつ前記第１導電型とは逆の第２導電型を有するキャップ層と、前記キャップ層上に形成された電流狭窄構造と、前記電流狭窄構造上に形成され、かつ前記第２導電型を有する上部クラッド層と、前記上部クラッド層と電気的に接続された上部電極層と、前記下部クラッド層と電気的に接続された下部電極層と、を含む半導体発光素子が提供される。この半導体発光素子では、前記段差閉じ込め層は、前記半導体基板に対して１％以上の圧縮歪み量を有し、前記キャップ層は、前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、前記段差閉じ込め層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも広く、かつ前記キャップ層のバンドギャップよりも狭い。

本発明による半導体発光素子の段差閉じ込め層は、半導体基板に対して１％以上の圧縮歪み量を有することで、劈開時における応力集中部からの段差の伝播を抑止することができる。しかも、段差閉じ込め層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも広く、かつキャップ層のバンドギャップよりも狭くされるので、半導体発光素子の電気的特性（たとえば、電流−電圧特性）とレーザ特性（たとえば、駆動電流−光出力特性）とを損なうことなく、段差の伝播を抑止することが可能である。

したがって、本発明による半導体発光素子は、劈開時に生じた段差に起因する歩留まりの低下やレーザ特性の劣化を抑制し得る構造を有する。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。

（第１の実施形態）
図５は、本発明に係る第１の実施形態であるリッジ導波路型の半導体レーザ素子（半導体発光素子）１０の概略構成を示す断面図である。この半導体レーザ素子１０は、ｎ型III族窒化物半導体基板１２の主面上に、第１導電型（ｎ型）のクラッド層（下部クラッド層）１３、活性層１６を含む発光層１４、段差閉じ込め層１９、第１導電型とは逆の第２導電型（ｐ型）のクラッド層（上部クラッド層）２０および第２導電型（ｐ型）のコンタクト層２２が順次積層された構造を有する。また、発光層１４は、ｎ型光ガイド層１５、活性層１６、ｐ型キャップ層１７およびｐ型光ガイド層１８がこの順で積層された構造を有している。ｐ型コンタクト層２２上にはｐ側電極２３が設けられており、ｎ型III族窒化物半導体基板１２の裏面にはｎ側電極１１が設けられている。このｎ側電極１１は、ｎ型III族窒化物半導体基板１２を介してｎ型クラッド層１３と電気的に接続されている。

ｐ型クラッド層２０の上部とｐ型コンタクト層２２は、エッチングによりリッジストライプ状に加工形成されたリッジ部を構成している。このリッジ部の両側面を被覆するように絶縁膜２１Ａ，２１Ｂが形成されている。ここで、リッジ部は、図５に示す断面に対して垂直な方向を長手方向とするストライプ形状を有している。また、リッジ部を構成するｐ型コンタクト層２２上には、ｐ型クラッド層２０と電気的に接続されるｐ側電極２３が設けられている。絶縁膜２１Ａ，２１Ｂは、ｐ側電極２３からの注入電流を狭窄する構造を構成している。

段差閉じ込め層１９は、活性層１６と電流狭窄構造をなす絶縁膜２１Ａ，２１Ｂとの間に介在している。本実施形態では、段差閉じ込め層１９がｐ型キャップ層１７と絶縁膜２１Ａ，２１Ｂとの間に介在する構成が採用されているが、これに限定されるものではない。たとえば、ｐ型キャップ層１７と活性層１６との間に段差閉じ込め層が介在し、この段差閉じ込め層と活性層１６との間に光ガイド層が介在するという形態もあり得る。

このような半導体レーザ素子１０は、図５に示す断面に垂直な方向に形成された光導波路を有するとともに、ファブリ・ペロー型の光共振器を構成し前記導波路内に光を閉じ込める２つの劈開端面（図示せず）を有している。

発光層１４は、ｎ型光ガイド層１５、活性層である多重量子井戸（ＭＱＷ）層１６、ｐ型キャップ層１７およびｐ型光ガイド層１８が順次積層された構造を有する。活性層１６は、たとえば、Ａｌ_ｋＧａ_ｚＩｎ_{１−ｋ−ｚ}Ｎ材料（０≦ｋ≦１；０≦ｚ≦１；０≦ｚ＋ｋ≦１）からなる井戸層と、この井戸層を挟み込むバリア障壁層とを含む量子井戸構造を有する。バリア障壁層は、井戸層よりも広いバンドギャップを持つ層（たとえば、窒化ガリウム層）で構成されればよい。井戸層の数は１個に限らず、複数個でもよい。

段差閉じ込め層１９は、ｎ型III族窒化物半導体基板１２に対して１％以上の圧縮歪み量を有する。これにより、劈開時に応力集中部から段差が伝播したとき、この伝播を段差閉じ込め層１９で効果的に抑止することができる。段差の伝播を抑止するためには、段差閉じ込め層１９の厚みは１．５ｎｍ以上であることが望ましい。一般に、下地基板上に結晶層を成長させたとき、この結晶層の歪み量εは、次式（１）で定義される。

ε＝（Ａ_ｓ−Ａ_ｅ）／Ａ_ｅ …（１）

ここで、Ａ_ｓは、下地基板の格子定数を、Ａ_ｅは、結晶層の格子定数をそれぞれ表している。εの符号がマイナスのとき、結晶層は圧縮歪みを有し、εの符号がプラスのとき、結晶層は引張り歪みを有する。εの値が−０．０１以下となるときが、結晶層が１％以上の圧縮歪み量を有するときである。

活性層１６のバンドギャップ（活性層１６がＭＱＷ層である場合には井戸層のバンドギャップ）をΔ_ａで表し、段差閉じ込め層１９のバンドギャップをΔ_ｂで表し、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップをΔ_ｃで表すとき、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップΔ_ｃは、バンドギャップΔ_ａよりも広い。また、段差閉じ込め層１９のバンドギャップΔ_ｂは、バンドギャップΔ_ａよりも広く、かつ、バンドギャップΔ_ｃよりも狭い。段差閉じ込め層１９のバンドギャップΔ_ｂをΔ_ｃよりも狭くすることで、電流−電圧特性などの電気的特性の劣化を抑制しつつ、段差の伝播を効果的に抑止することができる。バンドギャップΔ_ｂの値は、Δ_ｃよりも０．１ｅＶ程度小さいことがより好ましい。一方、段差閉じ込め層１９のバンドギャップΔ_ｂをΔ_ａよりも広くすることで、段差閉じ込め層１９が光吸収領域として働くことが抑制されるので、発振しきい値やＩ−Ｌ特性などのレーザ特性の劣化を抑制しつつ、段差の伝播を効果的に抑止することができる。バンドギャップΔ_ｂの値は、Δ_ａよりも０．１ｅＶ程度大きいことがより好ましい。

更にレーザ特性の劣化を抑制する観点からは、段差閉じ込め層１９のバンドギャップΔ_ｂを、この段差閉じ込め層１９と上下で接するｐ型光ガイド層１８およびｐ型クラッド層２０の少なくとも一方のバンドギャップとほぼ等しくすることが好ましい。

このような段差閉じ込め層１９は、たとえば、マグネシウム（Ｍｇ）がドープされたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１；０＜ｘ＋ｙ＜１）で構成されればよい。Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層の組成比ｘ，ｙを調整することで、段差閉じ込め層１９の圧縮歪み量を１％以上とし、バンドギャップ差Δ_ｂ−Δ_ａを上記範囲内とすることが容易にできる。たとえば、ｐ型光ガイド層１８をＧａＮ層とし、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層の組成比をｘ＝０．２、ｙ＝０．２とした場合、１％以上の圧縮歪み量を有し、かつ、ｐ型光ガイド層１８のバンドギャップとほぼ等しいバンドギャップを有する段差閉じ込め層１９を形成することができる。

また、段差閉じ込め層１９の厚みは１．５ｎｍ以上、特に３ｎｍ以上であることが好ましい。段差閉じ込め層１９の厚みを１．５ｎｍ以上、特に３ｎｍ以上とすることで、段差の伝播の抑止効果を高めることができる。ただし、段差閉じ込め層１９は１％以上の圧縮歪みを有するので、このような段差閉じ込め層１９を、ある厚み（臨界膜厚）以上の厚みを持つように結晶成長させると、結晶中に転位が発生し、結晶品質に大きな影響を与える場合がある。このため、段差閉じ込め層１９の厚みは、臨界膜厚未満であることが望ましい。

図６は、段差閉じ込め層１９の臨界膜厚と歪み量との間の関係を示すグラフである。このグラフは、参考文献（J.W.MATTHEWS and A.E.BLAKESLEE , Journal of Crystal Growth 27(1974)118）に記載された理論に従って計算された結果を示すものである。図６のグラフにおいて、横軸の歪み量は等間隔目盛で、縦軸の臨界膜厚は対数目盛で、それぞれ示されている。このグラフから分かるように、歪み量が大きいほどに臨界膜厚が小さくなることが分かる。このグラフにより、１．５ｎｍ以上の厚みに対応する圧縮歪み量は、約５％以下であると考えられる。よって、段差閉じ込め層１９の圧縮歪み量の上限は５％であることが好ましい。

更に、段差閉じ込め層１９は、活性層１６に対して積層方向に５０ｎｍ以上離れていることが好ましい。これにより、図５に示すように、段差閉じ込め層１９に段差２５が伝播している場合でも、段差２５が発光層１４での光分布Ａ２に影響を与えることが抑制されるので、レーザ特性の劣化を確実に抑制することができる。

劈開時に段差が発生する箇所としては、リッジストライプ状のリッジ部の角部や、ストライプ状に形成された絶縁膜２１Ａ，２１Ｂの角部などの応力が集中しやすい部位が挙げられる。このような応力集中部を起点として発生した段差は下方に伝播するが、段差閉じ込め層１９がこの伝播を抑止する。上述の通り、活性層１６の井戸層がＡｌ_ｋＧａ_ｚＩｎ_{１−ｋ−ｚ}Ｎ材料（０≦ｋ≦１；０≦ｚ≦１；０≦ｚ＋ｋ≦１）からなり、この井戸層の格子定数がｎ型III族窒化物半導体基板１２の格子定数よりも大きい場合、活性層１６には圧縮歪みが生ずる。図３に示した従来の構造では、活性層１０６に段差が伝播すると、活性層１０６の圧縮歪みが解放されるため、段差は活性層１０６を伝播しやすいと考えられる。本実施形態の段差閉じ込め層１９は、このような段差の伝播を抑止することが可能である。

次に、上記半導体レーザ素子１０の好適な構成例について説明する。

ｎ型III族窒化物半導体基板１２には、ｎ型ＧａＮ基板が使用される。このｎ型III族窒化物半導体基板１２の主面上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：２μｍ）からなるｎ型クラッド層１３と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１５、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層（厚さ：３ｎｍ）とアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎバリア層（厚さ：１０ｎｍ）とで構成される３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層と、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるｐ型キャップ層１７と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：０．１μｍ）からなるｐ型光ガイド層１８と、段差閉じ込め層１９とが積層される。

これらｎ型クラッド層１３、ｎ型光ガイド層１５、活性層１６、ｐ型キャップ層１７、ｐ型光ガイド層１８および段差閉じ込め層１９は、たとえば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法またはハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により順次形成されればよい。

続いて、ＭＯＶＰＥ法またはＨＶＰＥ法により、段差閉じ込め層１９上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層およびｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層が交互に１３０周期分積層された超格子構造を有する上部クラッド層を成長させ、更に、この上部クラッド層上に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：２×１０^２０ｃｍ^−３以下、厚さ：０．０２μｍ）からなるコンタクト層を成長させる。

その後、フォトリソグラフィ工程により、コンタクト層上にストライプ状のエッチングマスクを形成し、ドライエッチングによりコンタクト層および上部クラッド層の上部を加工する。これにより、図５に示されるように、リッジ部を有するｐ型クラッド層２０およびｐ型コンタクト層２２が形成される。

次に、ＣＶＤ法などの気相堆積法により、シリコン酸化膜などの絶縁膜を素子全体の上に堆積させる。次いで、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により、ｐ側電極２３を形成すべき領域を除いて絶縁膜を選択的に除去する。そして、真空蒸着法により、ｐ型コンタクト層２２上にチタンや金などの金属膜を形成した後、この金属膜を適当な条件で加熱してアロイ処理することによりｐ側電極２３を形成する。他方、真空蒸着法により、ｎ型III族窒化物半導体基板１２の裏面にチタンや金などの金属膜を形成した後、この金属膜を適当な条件で加熱してアロイ処理することによりｎ側電極１１を形成する。

最後に、上記工程の結果得られた半導体ウェハを劈開することにより、ファブリ・ペロー型の光共振器を構成するミラー端面が形成される。

上記の通り、第１の実施形態の半導体レーザ素子１０では、段差閉じ込め層１９は、ｎ型III族窒化物半導体基板１２に対して１％以上の圧縮歪み量を有することで、劈開時における上方の応力集中部（たとえば、リッジ部の角部や絶縁膜２１Ａ，２１Ｂの角部）からの段差の伝播を抑止することができる。しかも、段差閉じ込め層１９のバンドギャップΔ_ｂが活性層１６のバンドギャップΔ_ａよりも広く、かつ、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップΔ_ｃよりも狭いので、半導体レーザ素子１０の電気的特性とレーザ特性とを損なうことがないように最適化され、段差の伝播を抑止することが可能である。

図７は、第１の実施形態の変形例である半導体レーザ素子１０Ｂの概略構造を示す断面図である。図７に示されるように、この半導体レーザ素子１０Ｂの構造および製法は、ｎ型III族窒化物半導体基板１２とｎ型クラッド層１３との間にｎ型III族窒化物半導体層１２Ｂが介在している点を除いて、図５の半導体レーザ素子１０の構造および製法と同じである。

（第２の実施形態）
次に、発明に係る第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態であるインナーストライプ導波路型の半導体レーザ素子（半導体発光素子）３０の概略構成を示す断面図である。この半導体レーザ素子３０は、ｎ型III族窒化物半導体基板３２の主面上に、ｎ型III族窒化物半導体層３３、第１導電型（ｎ型）のクラッド層（下部クラッド層）３４、活性層３７を含む発光層３５、段差閉じ込め層４０、電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂ、第１導電型とは逆の第２導電型（ｐ型）のクラッド層（上部クラッド層）４２およびｐ型コンタクト層４３が順次積層された構造を有する。また、発光層３５は、ｎ型光ガイド層３６、活性層３７、ｐ型キャップ層３８およびｐ型光ガイド層３９がこの順で積層された構造を有している。ｐ型コンタクト層４３上にはｐ側電極４４が設けられており、ｎ型III族窒化物半導体基板３２の裏面にはｎ側電極３１が設けられている。このｎ側電極３１は、ｎ型III族窒化物半導体基板３２とｎ型III族窒化物半導体層３３とを介してｎ型クラッド層３４と電気的に接続されている。

この半導体レーザ素子３０では、段差閉じ込め層４０上に、電流流通路（ストライプ状開口部）を挟み込む電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂが形成されている。これら電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂ間にｐ型クラッド層４２の一部が埋め込まれている。電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂ間のストライプ状開口部は、図８に示す断面に対して垂直な方向を長手方向とするストライプ形状を有している。

段差閉じ込め層４０は、活性層３７と電流狭窄構造をなす電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂとの間に介在している。本実施形態では、段差閉じ込め層４０がｐ型キャップ層３８と電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂとの間に介在する構成が採用されているが、これに限定されるものではない。たとえば、ｐ型キャップ層３８と活性層３７との間に段差閉じ込め層が介在し、この段差閉じ込め層と活性層３７との間に光ガイド層が介在するという形態もあり得る。

このような半導体レーザ素子３０は、図８に示す断面に垂直な方向に形成された光導波路を有するとともに、ファブリ・ペロー型の光共振器を構成し前記導波路内に光を閉じ込める２つの劈開端面を有している。

第２の実施形態のｎ側電極３１、ｎ型III族窒化物半導体基板３２、ｎ型III族窒化物半導体層３３、ｎ型クラッド層３４、発光層３５および段差閉じ込め層４０の構成は、それぞれ、上記第１の実施形態のｎ側電極１１、ｎ型III族窒化物半導体基板１２、ｎ型クラッド層１３、発光層１４および段差閉じ込め層１９の構成とほぼ同じである。これらの構成要素３１〜４０の製法も、上記第１の実施形態の構成要素１１〜１９の製法とほぼ同じである。

劈開時に段差が発生する箇所としては、電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂの角部などの応力が集中しやすい部位が挙げられる。このような応力集中部を起点として発生した段差は下方に伝播するが、段差閉じ込め層４０がこの伝播を抑止することができる。

次に、上記半導体レーザ素子３０の好適な構成例について説明する。

上記段差閉じ込め層４０が形成された後、この段差閉じ込め層４０上に基板温度が４００℃程度の低温プロセスでＡｌＮ層（厚さ：１００ｎｍ）を堆積する。このＡｌＮ層上にＳｉＯ_２マスク層を堆積し、このマスク層上にレジスト膜を塗布し、その後、フォトリソグラフィにより、ストライプ状開口部を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとしてバッファードフッ酸を用いたエッチングをマスク層に施した後、レジストパターンを有機溶媒を用いて除去し、水洗を行う。これにより、ＳｉＯ_２マスクパターンを形成することができる。

次に、このＳｉＯ_２マスクパターンを用いてＡｌＮ層にエッチングを施すことにより電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂを形成できる。ここで、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ればよい。ＳｉＯ_２マスクパターンで被覆されていない領域のＡｌＮ層は、９０℃に保持した上記溶液を用いたエッチングにより除去することができる。更に、バッファードフッ酸を用いてＳｉＯ_２マスクパターンを除去することにより、ＡｌＮ層の中央部にストライプ状開口部を有する電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂの構造を得ることができる。

その後、電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂ間のストライプ状開口部を介して段差閉じ込め層４０上に、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層をｐ型クラッド層４２として成長させる。更に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ：０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層４３を成長させる。

次に、ｐ側電極４４およびｎ側電極３１が真空蒸着法とアロイ処理により形成される。この結果得られた半導体ウェハを劈開することにより、ファブリ・ペロー型の光共振器のミラー端面を形成することができる。

上記第２の実施形態の半導体レーザ素子３０では、段差閉じ込め層４０は、ｎ型III族窒化物半導体基板３２に対して１％以上の圧縮歪み量を有することで、劈開時における上方の応力集中部（たとえば、電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂの角部）からの段差の伝播を抑止することができる。しかも、第１の実施形態の場合と同様に、段差閉じ込め層４０のバンドギャップは、活性層３７のバンドギャップよりも広く、かつ、ｐ型キャップ層３８のバンドギャップよりも狭いので、半導体レーザ素子３０の電気的特性とレーザ特性とを損なうことがないように最適化され、段差の伝播を抑止することが可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態について説明する。図９は、第３の実施形態である半導体レーザ素子（半導体発光素子）１０Ｃの概略構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子１０Ｃは、ｎ型クラッド層１３と発光層１４との間に段差閉じ込め層（以下、下部段差閉じ込め層と呼ぶ。）１９Ｂを有している。この下部段差閉じ込め層１９Ｂよりも上部の構成は、第１の実施形態の発光層１４、段差閉じ込め層１９Ｕ、ｐ型クラッド層２０、絶縁膜２１Ａ，２１Ｂ、ｐ型コンタクト層２２およびｐ側電極２３からなる構成と同じである。段差閉じ込め層１９Ｕは、図５の段差閉じ込め層１９と同じ構成を有している。

第３の実施形態では、ｎ型III族窒化物半導体基板１２上に素子分離用マスク４０Ａ，４０Ｂが形成されている。これらマスク４０Ａ，４０Ｂ間のストライプ状開口部を介してｎ型III族窒化物半導体基板１２の主面上にｎ型III族窒化物半導体層１２Ｃを成長させる。更に、このｎ型III族窒化物半導体層１２Ｃ上に、ｎ型クラッド層１３、下部段差閉じ込め層１９Ｂが順次積層される。

下部段差閉じ込め層１９Ｂは、ｎ型III族窒化物半導体基板１２に対して１％以上の圧縮歪み量を有する。これにより、劈開時に応力集中部から段差が伝播したとき、この伝播を下部段差閉じ込め層１９Ｂで効果的に抑止することができる。

活性層１６のバンドギャップ（活性層１６がＭＱＷ層である場合には井戸層のバンドギャップ）をΔ_ａで表し、下部段差閉じ込め層１９ＢのバンドギャップをΔ_ｄで表し、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップをΔ_ｃで表すとき、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップΔ_ｃは、バンドギャップΔ_ａよりも広い。また、下部段差閉じ込め層１９ＢのバンドギャップΔ_ｄは、バンドギャップΔ_ａよりも広く、かつ、バンドギャップΔ_ｃよりも狭い。下部段差閉じ込め層１９ＢのバンドギャップΔ_ｄをΔ_ｃよりも狭くすることで、電流−電圧特性などの電気的特性の劣化を抑制しつつ、段差の伝播を効果的に抑止することができる。バンドギャップΔ_ｄの値は、Δ_ｃよりも０．１ｅＶ程度小さいことがより好ましい。一方、下部段差閉じ込め層１９ＢのバンドギャップΔ_ｄをΔ_ａよりも広くすることで、下部段差閉じ込め層１９Ｂが光吸収領域として働くことが抑制されるので、発振しきい値やＩ−Ｌ特性などのレーザ特性の劣化を抑制しつつ、段差の伝播を効果的に抑止することができる。バンドギャップΔ_ｄの値は、Δ_ａよりも０．１ｅＶ程度大きいことがより好ましい。

更にレーザ特性の劣化を抑制する観点からは、下部段差閉じ込め層１９ＢのバンドギャップΔ_ｄを、この下部段差閉じ込め層１９Ｂと上下で接するｎ型光ガイド層１５およびｎ型クラッド層１３の少なくとも一方のバンドギャップとほぼ等しくすることが好ましい。

このような下部段差閉じ込め層１９Ｂは、たとえば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１；０＜ｘ＋ｙ＜１）で構成されればよい。Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ層の組成比ｘ，ｙを調整することで、下部段差閉じ込め層１９Ｂの圧縮歪み量を１％以上とし、バンドギャップ差Δ_ｄ−Δ_ａを上記範囲内とすることが容易にできる。

また、段差閉じ込め層１９Ｕと同様に、下部段差閉じ込め層１９Ｂの厚みは１．５ｎｍ以上、特に３ｎｍ以上であることが好ましい。下部段差閉じ込め層１９Ｂの厚みを１．５ｎｍ以上、特に３ｎｍ以上とすることで、段差の伝播の抑止効果を高めることができる。

ただし、下部段差閉じ込め層１９Ｂは１％以上の圧縮歪みを有するので、このような下部段差閉じ込め層１９Ｂを、ある厚み（臨界膜厚）以上の厚みを持つように結晶成長させると、結晶中に転位が発生し、結晶品質に大きな影響を与える場合がある。このため、下部段差閉じ込め層１９Ｂの厚みは、臨界膜厚未満であることが望ましい。したがって、段差閉じ込め層１９Ｕと同様に、下部段差閉じ込め層１９Ｂの圧縮歪み量の上限は５％であることが好ましい。

上記第３の実施形態の半導体レーザ素子１０Ｃでは、下部段差閉じ込め層１９Ｂは、発光層１４の下方の応力集中部（たとえば、マスク４０Ａ，４０Ｂの角部）からの段差の伝播を抑止することができる。しかも、下部段差閉じ込め層１９ＢのバンドギャップΔ_ｄが活性層１６のバンドギャップΔ_ａよりも広く、かつ、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップΔ_ｃよりも狭いので、半導体レーザ素子の電気的特性（たとえば、電流−電圧特性）とレーザ特性（たとえば、駆動電流−光出力特性）とを損なうことがないように最適化され、段差の伝播を抑止することが可能である。

上記第１〜第３の実施形態について説明したが、本発明による半導体レーザ素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。たとえば、第３の実施形態では、発光層１４よりも上方に段差閉じ込め層１９Ｕが形成され、発光層１４よりも下方に下部段差閉じ込め層１９Ｂが形成されていたが、これに限定されるものではない。発光層１４よりも上方には段差閉じ込め層１９Ｕが形成されず、発光層１４よりも下方に下部段差閉じ込め層１９Ｂが形成された形態もあり得る。

上記第１〜第３の実施形態では、段差閉じ込め層１９，１９Ｕ、１９Ｂの好適な構成材料としてＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いたが、１％以上の圧縮歪み量を形成し得る材料であれば、ＩｎＡｌＮなどの材料を用いることも可能である。

上記第３の実施形態は、リッジ導波路型レーザ素子に関する形態であるが、インナーストライプ導波路型レーザ素子に関しても同様に適用可能である。

上記第１〜第３の実施形態ではｎ型III族窒化物半導体基板１２，３２として、六方晶構造のｃ面と称する（０００１）面を主面とするＧａＮ基板を用いることができるが、ｃ面以外の異なる結晶面（たとえば、（１−１００）面などの無極性面や、（１１−２２）面などの半極性面）を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。あるいは、ＧａＮ基板などのｎ型III族窒化物半導体基板１２，３２の代わりに、サファイアやＳｉＣなどの他の材料の下地基板上にＧａＮ層などのIII族窒化物半導体層を結晶成長させてなるテンプレート基板を使用してもよい。テンプレート基板を使用する場合、上式（１）の格子定数Ａ_ｓは、このテンプレート基板のIII族窒化物半導体層の格子定数である。

第３の実施形態では、素子分離用マスク４０Ａ，４０Ｂとして酸化シリコンを使用することができるが、これに限定されるものではない。また、フォトリソグラフィ工程とドライエッチング工程により、ｎ型III族窒化物半導体基板１２に素子分離用の溝が形成されてもよい。この場合、当該溝は、段差の伝播の起点となる応力集中部となり得る。

第２の実施形態では、ｐ側電極４４は、素子全面に亘って形成されてもよいが、このｐ側電極４４の代わりに、ｐ型コンタクト層４３上に形成された絶縁膜により制限された一定の幅を有するｐ側電極が形成されてもよい。

第２の実施形態では、電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂとして、アンドープのＡｌＮ層にシリコンや酸素のｎ型不純物をドーピングして得られる層を使用してもよいし、あるいは、ＧａＮ層にシリコンや酸素のｎ型不純物をドーピングして得られる層を使用してもよい。

上記第１〜第３の実施形態に係る半導体レーザ素子１０，１０Ｂ，３０，１０Ｃは、いずれも、ファブリ・ペロー型の光共振器を構成する２つの劈開端面を有している。本発明に係る半導体発光素子は、これに限定されず、図５、図７、図８および図９に示す断面構造と同じ構造を有する半導体光増幅器であってもよい。この種の半導体光増幅器は、図５、図７、図８および図９に示す断面に垂直な方向に形成された光導波路を有するとともに、この光導波路の両端面として反射防止膜が形成された２つの劈開端面を有するものである。

上記第１および第３の実施形態に係る半導体レーザ素子１０，１０Ｂ，１０Ｃ（図５，図７，図９）は、段差閉じ込め層１９，１９Ｕがｐ型光ガイド層１８とｐ型クラッド層２０との間に形成された好ましい構造を有するが、これに限定されるものではない。段差閉じ込め層１９，１９Ｕに代えて、ｐ型キャップ層１７とｐ型光ガイド層１８との間に段差閉じ込め層が形成されてもよい。上記第２の実施形態に係る半導体レーザ素子３０（図）も、段差閉じ込め層４０が電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂとｐ型光ガイド層３９との間に形成された好ましい構造を有するが、これに限定されるものではない。この段差閉じ込め層４０に代えて、ｐ型キャップ層３８とｐ型光ガイド層３９との間に段差閉じ込め層が形成されてもよい。

上記第１および第３の実施形態に係る半導体レーザ素子１０，１０Ｂ，１０Ｃ（図５，図７，図９）は、ｐ型キャップ層１７が活性層１６の上面に接するように形成された構造を有するが、これに限定されるものではない。たとえば、ｐ型キャップ層１７と活性層１６との間に半導体層が介在していてもよい。このような半導体層として、ｐ型キャップ層１７と活性層１６との間に光ガイド層を介在させることができる。上記第２の実施形態に係る半導体レーザ素子３０（図８）についても、活性層３７とｐ型キャップ層３８との間に光ガイド層が介在してもよい。

第１および第３の実施形態やその変形例においてｐ型キャップ層１７と活性層１６との間に半導体層が介在する構成の場合、活性層１６とｐ型キャップ層１７との間の距離は、約１５０ｎｍ以下であることが望ましい。ｐ型キャップ層１７は、素子駆動時に活性層１６での電子とホールの再結合効率を向上させる機能を有しており、この機能を発揮させるためには、両層間の距離を約１５０ｎｍ以下、好ましくは約１４０ｎｍ以下にすることが好ましい。一方、ｐ型キャップ層１７から活性層１６へのｐ型不純物の拡散を抑制するためには、両層間の距離を大きくすることが好ましい。両層間の距離を、約１００ｎｍより大きく、かつ約１５０ｎｍ以下、より好ましくは約１４０ｎｍ以下の範囲内とすることで、ｐ型キャップ層１７から活性層１６へのｐ型不純物の拡散抑制と、ｐ型キャップ層１７の機能の発揮とをバランス良く実現することができる。

同様に、第２の実施形態やその変形例において活性層３７とｐ型キャップ層３８との間に半導体層が介在する構成の場合、活性層３７とｐ型キャップ層３８との間の距離を、約１００ｎｍより大きく、かつ約１５０ｎｍ以下、より好ましくは約１４０ｎｍ以下の範囲内とすることで、ｐ型キャップ層３８から活性層３７へのｐ型不純物の拡散抑制と、ｐ型キャップ層３８の機能の発揮とをバランス良く実現することができる。

以下に、具体例を挙げて、本発明に係る半導体レーザ素子とその製造方法に関して、より詳しく説明する。

（第１実施例）
第１実施例の構造は、図７に示した半導体レーザ素子１０Ｂの構造である。ｎ型III族窒化物半導体基板１２として、ｃ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板を用いた。また、半導体レーザ素子１０Ｂの作製には、ＭＯＶＰＥ法を用いた。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれ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）を使用した。ｎ型ドーパントを導入するためにシラン（ＳｉＨ_４）を使用し、ｐ型ドーパントを導入するためにビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を使用した。

ｎ型ＧａＮ基板１２をＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ_３を供給しながら基板１２を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。すなわち、この基板１２の主面上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１２Ｂ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：２μｍ）からなるｎ型クラッド層１３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１５、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層（厚さ：３ｎｍ）とアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎバリア層（厚さ：１０ｎｍ）からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層である活性層１６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層１７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：０．１μｍ）からなるｐ型光ガイド層１８を順次堆積した。

この結果得られた積層構造上に、引き続いて、Ｍｇドープｐ型Ｉｎ_０．２Ａｌ_０．２Ｇａ_０．６Ｎ（Ｍｇ濃度：２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：３ｎｍ）からなるｐ型段差閉じ込め層１９、ＧａＮ井戸層（厚さ：２．５ｎｍ）とＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎバリア層（Ｍｇ濃度：１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：２．５ｎｍ）とを１３０周期分成長したｐ型クラッド層、および、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ：０．０２μｍ）からなるコンタクト層を堆積した。

その後、素子をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、ｐ型コンタクト層上に、フォトリソグラフィー工程により、幅１．５ミクロン程度のストライプ状のエッチングマスクを形成した。このエッチングマスクを用い、塩素系ガスを用いたドライエッチングにより、コンタクト層およびｐ型クラッド層の途中までエッチングを実行した。これにより、幅約１．５ミクロン程度のリッジストライプ形状を持つｐ型クラッド層２０およびｐ型コンタクト層２２を得た。

次に、ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜を素子全体の上に堆積させた。次いで、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により、ｐ側電極２３を形成すべき領域を除いてシリコン酸化膜を選択的に除去した。そして、真空蒸着法により、ｐ型コンタクト層２２上にチタンや金などの金属膜を形成した後、この金属膜を適当な条件で加熱してアロイ処理することによりｐ側電極２３を形成した。他方、真空蒸着法により、ｎ型III族窒化物半導体基板１２の裏面にチタンや金などの金属膜を形成した後、この金属膜を適当な条件で加熱してアロイ処理することによりｎ側電極１１を形成した。

最後に、上記工程の結果得られた半導体ウェハを劈開することにより、ファブリ・ペロー型の光共振器を構成するミラー端面が形成された。

上記の如く作製された半導体レーザ素子１０Ｂのレーザ特性を測定したところ、劈開不良による端面反射率の変化や端面損失の増加などに起因した素子の特性ばらつきはほとんど見られなかった。

また、リッジ部の角部などの応力集中部を起点として発生した段差を有する半導体レーザ素子のうち、活性層１６の方向に向かって段差が伝播した場合には、段差閉じ込め層１９で段差の伝播方向が水平方向に変化して、段差が段差閉じ込め層１９内を伝播したこと、これにより段差の活性層１６への侵入が阻止されたことが電子顕微鏡観察より判明した。

更に、上記組成で作製された段差閉じ込め層１９は、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１８のバンドギャップとほぼ等しいバンドギャップを有し、かつおよそ１．７％の圧縮歪み量を有している。段差閉じ込め層１９上に積層された層内に欠陥の増殖は見られなかった。

（第２実施例）
第２実施例の構造は、図８に示した半導体レーザ素子３０の構造である。ｎ型III族窒化物半導体基板３２〜段差閉じ込め層４０の製造工程は、第１実施例のｎ型III族窒化物半導体基板１２〜段差閉じ込め層１９の製造工程と同じである。

段差閉じ込め層４０の堆積後、基板温度を４００℃まで降温させ、段差閉じ込め層４０上に低温成長ＡｌＮ層（厚さ：１００ｎｍ）を成長させた。その後、素子をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、フォトリソグラフィ工程により、幅１．５ミクロン程度のストライプ状のエッチングマスクを形成し、９０℃のりん酸と硫酸の体積１：１の混合溶液を用いたウエットエッチングによりストライプ状開口部をＡｌＮ層に形成した。この結果、電流狭窄層４１Ａ，４１Ｂが形成された。

次いで、素子を再びＭＯＶＰＥ装置に投入し、ＭＯＶＰＥ装置内を成長温度である１１００℃まで昇温した。１１００℃に達した後、ＧａＮ井戸層（厚さ：２．５ｎｍ）とＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎバリア層（Ｍｇ濃度：１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：２．５ｎｍ）とを１３０周期分成長したｐ型クラッド層４２と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ：０．０２μｍ）からなるコンタクト層４３とを堆積した。

その後、ｐ側電極４４およびｎ側電極３１が真空蒸着法とアロイ処理により形成された。この結果得られた半導体ウェハを劈開することにより、ファブリ・ペロー型の光共振器のミラー端面を形成した。

上記の如く作製された半導体レーザ素子３０のレーザ特性を測定したところ、第１実施例と同様に劈開不良による端面反射率の変化や端面損失の増加などに起因した素子の特性ばらつきはほとんど見られず、劈開不良による歩留まり低下を防止する効果が得られたことが確認された。

（第３実施例）
第３実施例の構造は、図９に示した半導体レーザ素子１０Ｃの構造である。ｎ型III族窒化物半導体基板１２として、ｃ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板を用いた。ＣＶＤ法により、この基板１２の全面上にシリコン酸化膜を形成した。その後、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程により、幅３０μｍおよび周期４００μｍを持つストライプ状マスク４０Ａ，４０Ｂを形成した。

その後、基板１２をＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ_３を供給しながら基板１２を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。すなわち、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１２Ｃ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：１μｍ）、および、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：２μｍ）からなるｎ型クラッド層１３を順次堆積した。

その後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ_０．２Ａｌ_０．２Ｇａ_０．６Ｎ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：３ｎｍ）からなるｎ型の下部段差閉じ込め層１９Ｂ、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度：４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ：０．１μｍ）からなるｎ型光ガイド層１５、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層（厚さ：３ｎｍ）とアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎバリア層（厚さ：１０ｎｍ）とを３周期分積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層である活性層１６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層１７、および、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：０．１μｍ）からなるｐ型ＧａＮガイド層１８を順次堆積した。

引き続いて、ＧａＮ井戸層（厚さ：２．５ｎｍ）とＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎバリア層（Ｍｇ濃度：１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ：２．５ｎｍ）とを１３０周期分成長したｐ型クラッド層２０、および、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度：１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ：０．０２μｍ）からなるコンタクト層２２を形成した。これ以降の工程は、第１実施例の製造工程と同じである。

上記の如く作製された半導体レーザ素子１０Ｃのレーザ特性を測定したところ、劈開不良による端面反射率の変化や端面損失の増加などに起因した素子の特性ばらつきはほとんど見られなかった。

また、リッジ部の角部などの応力集中部を起点として発生した段差を有する半導体レーザ素子のうち、活性層１６の方向に向かって段差が伝播した場合には、段差閉じ込め層１９Ｕで段差の伝播方向が水平方向に変化して、段差が段差閉じ込め層１９Ｕ内を伝播したこと、これにより段差の活性層１６への侵入が阻止されたことが電子顕微鏡観察より判明した。

更に、ＳｉＯ_２マスク４０Ａ，４０Ｂの角部を起点として発生した段差を有する半導体レーザ素子のうち、活性層１６の方向に向かって段差が伝播した場合には、下部段差閉じ込め層１９Ｂで段差の伝播方向が水平方向に変化して、段差が下部段差閉じ込め層１９Ｂ内を伝播したこと、これにより段差の活性層１６への侵入が阻止されたことが電子顕微鏡観察より判明した。

上記組成で作製された段差閉じ込め層１９Ｕは、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１８のバンドギャップとほぼ等しいバンドギャップを有する。また、上記組成で作製された下部段差閉じ込め層１９Ｂは、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１５のバンドギャップとほぼ等しいバンドギャップを有する。これら段差閉じ込め層１９Ｕおよび下部段差閉じ込め層１９Ｂは、それぞれ、およそ１．７％の圧縮歪みを有している。また、段差閉じ込め層１９の上に積層された層、並びに、下部段差閉じ込め層１９Ｂの上に形成された層において欠陥の増殖などは見られなかった。

リッジ導波路型の半導体レーザ素子の概略構造を示す断面図である。 インナーストライプ導波路型の半導体レーザ素子の概略構造を示す断面図である。 応力集中部を起点として発生した段差を表す模式図である。 応力集中部を起点として発生した段差を表す模式図である。 本発明に係る第１の実施形態であるリッジ導波路型の半導体レーザ素子の概略構成を示す断面図である。 段差閉じ込め層の臨界膜厚と歪み量との間の関係を示すグラフである。 第１の実施形態の変形例である半導体レーザ素子の概略構造を示す断面図である。 本発明に係る第２の実施形態であるインナーストライプ導波路型の半導体レーザ素子の概略構成を示す断面図である。 本発明に係る第３の実施形態である半導体レーザ素子の概略構造を示す断面図である。

符号の説明

１０，１０Ｂ，１０Ｃ，３０ 半導体レーザ素子
１１ ｎ側電極
１２ ｎ型III族窒化物半導体基板
１２Ｂ，１２Ｃ ｎ型III族窒化物半導体層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 発光層
１５ ｎ型光ガイド層
１６ 活性層
１７ ｐ型キャップ層
１８ ｐ型光ガイド層
１９，１９Ｕ 段差閉じ込め層
１９Ｂ 下部段差閉じ込め層
２０ ｐ型クラッド層
２１Ａ，２１Ｂ 絶縁膜
２２ ｐ型コンタクト層
２３ ｐ側電極
２５ 段差
３１ ｎ側電極
３２ ｎ型III族窒化物半導体基板
３３ ｎ型III族窒化物半導体層
３４ ｎ型クラッド層
３５ 発光層
３６ ｎ型光ガイド層
３７ 活性層
３８ ｐ型キャップ層
３９ ｐ型光ガイド層
４０ 段差閉じ込め層
４１Ａ，４１Ｂ 電流狭窄層
４２ ｐ型クラッド層
４３ ｐ型コンタクト層
４４ ｐ側電極

Claims (12)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、かつ第１導電型を有する下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成され、かつ前記第１導電型とは逆の第２導電型を有するキャップ層と、
   前記キャップ層上に形成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上部電極層と、
   前記下部クラッド層と電気的に接続された下部電極層と、
   前記活性層と前記電流狭窄構造との間に介在する段差閉じ込め層と、
   を含み、
   前記段差閉じ込め層は、前記半導体基板に対して１％以上の圧縮歪み量を有し、
   前記キャップ層は、前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、
   前記段差閉じ込め層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも広く、かつ前記キャップ層のバンドギャップよりも狭い、半導体発光素子。
2. 請求項１に記載の半導体発光素子であって、前記段差閉じ込め層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ材料（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１；０＜ｘ＋ｙ＜１）からなる、半導体発光素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体発光素子であって、前記段差閉じ込め層の厚みが１．５ｎｍ以上である、半導体発光素子。
4. 請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記活性層は、Ａｌ_ｋＧａ_ｚＩｎ_{１−ｋ−ｚ}Ｎ材料（０≦ｋ≦１；０≦ｚ≦１；０≦ｚ＋ｋ≦１）からなる、半導体発光素子。
5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記上部電極層と前記段差閉じ込め層との間に介在し、かつリッジ部を有する上部クラッド層を含む半導体発光素子。
6. 請求項５に記載の半導体発光素子であって、前記上部クラッド層のリッジ部の両側面を被覆するように絶縁膜が形成されており、前記絶縁膜は前記電流狭窄構造を構成する、半導体発光素子。
7. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記電流狭窄構造と前記上部電極層との間に介在し、かつ前記電流狭窄構造を被覆する上部クラッド層を含む半導体発光素子。
8. 請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、ファブリ・ペロー型レーザダイオードの光共振器を構成する２つの劈開端面を有する半導体発光素子。
9. 請求項１から８のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記活性層と前記下部クラッド層との間に介在する裏面側段差閉じ込め層を更に含み、
   前記裏面側段差閉じ込め層は、前記半導体基板に対して１％以上の圧縮歪みを有し、
   前記裏面側段差閉じ込め層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも広く、かつ前記キャップ層のバンドギャップよりも狭い、半導体発光素子。
10. 請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記半導体基板は、III族窒化物半導体基板、もしくは、下地基板上にIII族窒化物半導体層を成長させてなるテンプレート基板である、半導体発光素子。
11. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、かつ第１導電型を有する下部クラッド層と、
    前記下部クラッド層上に形成された段差閉じ込め層と、
    前記段差閉じ込め層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成され、かつ前記第１導電型とは逆の第２導電型を有するキャップ層と、
    前記キャップ層上に形成された電流狭窄構造と、
    前記電流狭窄構造上に形成され、かつ前記第２導電型を有する上部クラッド層と、
    前記上部クラッド層と電気的に接続された上部電極層と、
    前記下部クラッド層と電気的に接続された下部電極層と、
    を含み、
    前記段差閉じ込め層は、前記半導体基板に対して１％以上の圧縮歪み量を有し、
    前記キャップ層は、前記活性層よりも広いバンドギャップを有し、
    前記段差閉じ込め層のバンドギャップは、前記活性層のバンドギャップよりも広く、かつ前記キャップ層のバンドギャップよりも狭い、半導体発光素子。
12. 請求項１１記載の半導体発光素子であって、前記段差閉じ込め層は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ材料（０＜ｘ＜１；０＜ｙ＜１；０＜ｘ＋ｙ＜１）からなる、半導体発光素子。

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