JP2011003661A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、クラックの発生を抑制できる構造の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。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が結晶成長させられている。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。発光層１０は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＡｌＧａＮ障壁層とを積層した多重量子井戸構造を有している。ガイド層１５，１７はＩｎＧａＮからなり、クラッド層１４，１８は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）からなる。
【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レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子に関する。

III族窒化物半導体とは、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である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（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、レーザディスプレイおよび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、発光層（活性層）、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。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。

T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 Leszczynski et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 28, A149 (1995). Martin et al., Appl. Phys. Lett. 68, 2541 (1996). Yim et al., J. Appl. Phys. 44, 292 (1973). Yamaguchi et al., J. Phys.: Condens. Mater 9, 241 (1997). Kim et al., Phys. Rev. B 53, 16310 (1996). Shimada et al., J. Appl. Phys. 84, 4951 (1998). J. Piprek, Semiconductor Optoelectonic Devices (Academic Press, California, 2003) p. 195

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。

そこで、ｍ面等の非極性面を主面とするレーザダイオードが提案されている。たとえば、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でレーザダイオードを作製すると、発光層は、ｍ面に平行な偏光成分（より具体的にはａ軸方向の偏光成分）を多く含む光を発生する。これにより、発光層で生じた光のうち、多くの割合をレーザ発振に寄与させることができるので、レーザ発振の効率が良くなり、閾値電流を低減することができる。

その他、発光層が量子井戸構造（より具体的にはＩｎを含むもの）からなる場合に、量子井戸での自発圧電分極によるキャリアの分離が抑制されるので、これによっても、発光効率が増加する。さらに、ｍ面を結晶成長の主面とすることで、結晶成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やその他の結晶面を結晶成長の主面とする場合に比較して、結晶性を向上することができる。その結果、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。

一方、発光波長を４５０ｎｍ以上の長波長とするには、量子井戸層のＩｎ組成を増大させる必要がある。また、光閉じ込めのためにクラッド層とガイド層との間の屈折率差を確保するために、ガイド層にはＩｎＧａＮ層を適用する必要がある。
この場合、光閉じ込めのための屈折率を確保するためには、クラッド層には、Ａｌ組成の比較的大きなＡｌＧａＮ層を適用する必要がある。

ところが、ＡｌＧａＮとＧａＮとは格子定数に差があるから、ｍ面ＧａＮ層の上に、ＩｎＧａＮガイド層およびＡｌＧａＮクラッド層をコヒーレントに成長させると、ＡｌＧａＮクラッド層には、ｃ軸方向およびａ軸方向への引っ張り歪みが生じる。そのため、ＡｌＧａＮクラッド層は、そのＡｌ組成が大きいほど、また、膜厚が大きいほど、ｃ軸方向およびａ軸方向への大きな引っ張り応力を有することになり、その応力はｃ軸方向の方が相対的に大きくなる。そのため、主として、ｃ軸と垂直な方向に沿ったクラックが発生するという問題がある。このようなクラックは、リーク電流の原因となるから、半導体レーザダイオードを作製するうえで、その発生を可及的に抑制する必要がある。

ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体で発光ダイオード構造を有する半導体レーザ素子を作製する場合に限らず、他の非極性面であるａ面や半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いる半導体レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子についても、同様の課題がある。
そこで、この発明の目的は、非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、クラックの発生を抑制できる構造の半導体レーザ素子を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる半導体レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子であって、前記半導体レーザダイオード構造が、少なくとも各一部がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層と、前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層に挟まれ、Ｉｎを含む発光層とを備えている、半導体レーザ素子である。

この構成によれば、クラッド層は、Ａｌの他にＩｎも含む四元混晶の組成である。そのため、クラッド層は、ガイド層との間で光閉じ込めのための屈折率差を確保しつつ、半導体レーザダイオード構造を構成するIII族窒化物半導体を結晶成長させるときの下地層（たとえばＧａＮ層）との格子不整合率を減少させることができる。より具体的には、Ａｌ組成ｘおよびＩｎ組成ｙの関係を適切に調整することによって、下地層との格子不整合率を減少させることができる。これにより、格子整合系の半導体レーザダイオード構造を実現できるので、クラッド層にクラックが生じることを抑制または防止しつつ、半導体レーザ素子を作製することができる。これにより、クラックに起因するリーク電流を抑制できるので、優れた効率でレーザ発振を起こさせることができる。

なお、ｐ型クラッド層に含まれるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎと、ｐ型クラッド層に含まれるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎとは同じ組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。むろん、ｐ型クラッド層にはｐ型不純物が添加され、ｎ型クラッド層にはｎ型不純物が添加されている。
請求項２記載の発明は、前記Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、０＜ｘ＜０．８６、および０＜ｙ＜０．３１８を同時に満たす組成を有している、請求項１記載の半導体レーザ素子である。この組成範囲では、ＧａＮ層に対するｃ軸方向またはｃ軸に垂直な方向のいずれかの方向に関する格子不整合率を０．５％未満に抑えることができる。したがって、ＧａＮ層を下地層としてIII族窒化物半導体を結晶成長させて半導体レーザダイオード構造を形成するときに、格子整合系の構造を形成できる。これにより、格子不整合に起因する応力によるクラックがクラッド層に生じることを抑制または防止できる。

請求項３記載の発明は、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の少なくとも各一部を構成するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ＧａＮに対するｃ軸方向の格子不整合率が０．５％未満である、請求項１または２記載の半導体レーザ素子である。この構成により、ＧａＮとのｃ軸方向の格子不整合率が０．５％未満に抑えられる。そのため、ｃ面に沿うクラックの発生を抑制できる。具体的には、請求項４に記載されているように、ｙ＞０．３９２ｘ−０．０４９７を満たす組成とすることで、ＧａＮとのｃ軸方向の格子不整合率を０．５％未満とすることができる。

請求項５記載の発明は、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の各一部を構成するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ＧａＮに対するｃ軸直交方向の格子不整合率が０．５％未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、ＧａＮとのｃ軸垂直方向（ｃ軸に垂直な方向。ａ軸方向、ｍ軸方向その他ｃ面に沿う方向）の格子不整合率が０．５％未満に抑えられる。そのため、ｃ軸に沿って欠陥が生じることを抑制できる。具体的には、請求項６に記載されているように、ｙ＜０．２１６ｘ＋０．０４５５とすることで、ＧａＮとのｃ軸垂直方向の格子不整合率を０．５％未満とすることができる。欠陥を抑制できることによって、発光効率を高めることができる。

請求項７記載の発明は、前記Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ｘ＞０．０５を満たす組成を有している、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、４５０ｎｍ以上の波長域において、ＧａＮよりも低い屈折率のクラッド層を形成できる。これにより、クラックの発生を抑制しつつ、良好な光閉じ込め構造を形成できるから、優れた発振効率を実現できる。

請求項８記載の発明は、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の少なくとも一方は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）からなる層を含む超格子構造を有している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成によれば、超格子構造によって応力の蓄積を低減できるから、クラックの発生をより一層抑制できる。

請求項９記載の発明は、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の少なくとも一方は、ＧａＮに対するｃ軸方向の格子不整合率が０．５％未満のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎからなる第１層と、ＧａＮに対するｃ軸直交方向の格子不整合率が０．５％未満のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎからなる第２層とを交互に積層した超格子構造を有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、超格子構造によって応力の蓄積を低減でき、かつ、ｃ軸方向およびｃ軸垂直方向の両方に対して、擬似的に格子整合したクラッド層を実現できる。これにより、より一層効果的にクラックの発生を抑制できる。なお、第１および第２層の組成は、互いに異なっている。すなわち、第１および第２層のＡｌ組成ｘをそれぞれｘ１，ｘ２と表すと、これらのＡｌ組成ｘ１，ｘ２は互いに異なっている。また、第１および第２層のＩｎ組成ｙをそれぞれｙ１，ｙ２と表すと、これらのＩｎ組成ｙ１，ｙ２は互いに異なっている。たとえば、ｙ１＞０．３９２・ｘ１−０．０４９７であることが好ましい。また、ｙ２＜０．２１６・ｘ２＋０．０４５５であることが好ましい。

請求項１０記載の発明は、前記発光層は、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる量子井戸層とＡｌを含むIII族窒化物半導体からなるバリア層とを交互に積層した量子井戸構造を有している、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、Ｉｎを含む量子井戸層とＡｌを含むバリア層とで量子井戸構造を形成していることによって、４５０ｎｍ以上の波長域のレーザ発振に対して適切な構造の発光層とすることができる。

請求項１１記載の発明は、前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層の少なくとも一方は、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成により、４５０ｎｍ以上の波長域の光を良好に発光層に閉じ込めることができるので、良好な発振効率を実現できる。
前記発光層は、厚さ１００Å以下の少なくとも１つの量子井戸層を含む量子井戸構造を有していることが好ましい。量子井戸層の厚さを１００Å以下とすることによって、量子効果により、発光効率を高めることができる。

前記III族窒化物半導体の成長主面がｍ面であることが好ましい。ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体結晶の成長は安定しており、良好な結晶性を有している。このような良好な結晶性のIII族窒化物半導体で構成された半導体発光素子に格子整合系を形成するクラッド層を導入することによって、結晶欠陥の発生を抑制でき、優れた発光効率を実現できる。

また、半導体レーザダイオード構造は、ｃ面に沿った劈開によって形成された鏡面からなる共振器端面を有することが好ましい。共振器方向をｃ軸方向にとることによって、ＴＥモードに寄与する自然発光を効率的に利用してレーザ発振を起こさせることができ、大きな利得を得ることができる。しかも、III族窒化物半導体は、ｃ面での劈開が可能であるため、劈開によって形成された鏡面からなる共振器端面を利用して、高効率なレーザ発振が可能である。そして、格子整合系を形成するクラッド層には、ｃ軸垂直方向に沿うクラックが生じにくいので、共振器方向をｃ軸方向にとることで、優れた発振効率を実現できる。

この発明の第１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。 前記半導体レーザダイオードの発光層の構成を説明するための図解的な断面図である。 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族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。 ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎＧａＮ層における面内歪みおよび面外歪みのＩｎＮモル分率依存性を示すグラフである。 ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＡｌＧａＮ層における面内歪みおよび面外歪みのＡｌＮモル分率依存性を示すグラフである。 ＡｌＩｎＧａＮの格子整合組成を示す図である。 格子整合組成のＡｌＩｎＧａＮにおける歪み量を示す図である。 図１０Ａはａ軸格子整合組成のＡｌＩｎＧａＮにおける格子定数のＡｌ組成依存性を示し、図１０Ｂはｃ軸格子整合組成のＡｌＩｎＧａＮにおける格子定数のＡｌ組成依存性を示す。 図１１Ａはａ軸格子整合系の組成としたＡｌＩｎＧａＮの屈折率波長分散を示し、図１１Ｂはｃ軸格子整合系の組成としたＡｌＩｎＧａＮの屈折率波長分散を示す。 図１２Ａはａ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮの屈折率波長分散を示し、図１２Ｂはｃ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮの屈折率波長分散を示す。 ＡｌＩｎＧａＮのＡｌ組成に対するバンドギャップエネルギーの変化を示す。 図１４Ａはａ軸格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示し、図１４Ｂはｃ軸格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す。 ｃ軸格子整合系の組成としたＡｌＩｎＧａＮに関してＩｎＧａＮガイド層との屈折率差を求めた結果を示す。 ＧａＮに対する格子整合系を形成するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの組成範囲を説明するための図である。 図１６Ａの一部の領域の拡大図である。 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。 この発明の第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を示す図解的な横断面図である。 この発明の第３の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を示す図解的な横断面図である。

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、非極性面の一つである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を形成する各層は、基板１に対してコヒーレントに成長されている。コヒーレントな成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪みによって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。無歪み（strain-free）の状態でのＩｎＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいので、ＩｎＧａＮ層にはａ軸方向への圧縮応力（圧縮歪み）が生じる。これに対して、無歪みの状態でのＡｌＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも小さいので、ＡｌＧａＮ層にはａ軸方向への引っ張り応力（引っ張り歪み）が生じる。

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ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＩｎＧａＮ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ＩｎＧａＮガイド層１７（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ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およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、低抵抗層である。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型電極４にオーミック接触している。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、３×１０^１８cm^−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、３×１０^１９cm^−３）することによってｐ型半導体層とされている。

ｎ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＩｎＧａＮ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ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４は、ＡｌＩｎＧａＮ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、１×１０^１８cm^−３）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ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、１×１０^１９cm^−３）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ＩｎＧａＮ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ＩｎＧａＮガイド層１５およびｐ型ＩｎＧａＮ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り、かつ、クラッド層１４，１８とともに、発光層１０への光閉じ込め構造を形成している。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ＩｎＧａＮガイド層１５は、ＩｎＧａＮ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、１×１０^１８cm^−３）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１７は、ＩｎＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０^１８cm^−３）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、５×１０^１８cm^−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、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(多重量子井戸：multiple-quantum well)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、この実施形態では、図４に示すように、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層（たとえば３ｎｍ厚）２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層（バリア層：たとえば９ｎｍ厚）２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）構造を有している。この場合に、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層２２１は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、ＡｌＧａＮからなる障壁層２２２は、バンドギャップが比較的大きくなる。たとえば、量子井戸層２２１と障壁層２２２とは交互に２〜７周期繰り返し積層されており、これにより、多重量子井戸構造の発光層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層２２１のバンドギャップに対応しており、バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。インジウムの組成比を大きくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が大きくなる。この実施形態では、発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。前記多重量子井戸構造は、Ｉｎを含む量子井戸層２２１の数が３以下とされることが好ましい。

図１等に示すように、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ＩｎＧａＮ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軸方向に沿って形成されている。

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鏡面からなる一対の端面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ｃ軸に垂直（すなわち、ｃ面）である。こうして、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５、発光層１０およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１７によって、端面２１，２２を共振器端面とする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およびｐ型電極４は、たとえばＡｌ金属からなり、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ＩｎＧａＮ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、ＳｉＯ_２やＺｒＯ_２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は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面２２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面２１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面２２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜２４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。

図５に図解的に示すように、＋ｃ面である共振器端面２１を被覆するように形成された絶縁膜２３は、たとえばＺｒＯ_２の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面２２に形成された絶縁膜２４は、たとえばＳｉＯ_２膜とＺｒＯ_２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ＺｒＯ_２の単膜は、その厚さがλ／２ｎ_１（ただし、λは発光層１０の発光波長。ｎ_１はＺｒＯ_２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／４ｎ_２（ただしｎ_２はＳｉＯ_２の屈折率）のＳｉＯ_２膜と、膜厚λ／４ｎ_１のＺｒＯ_２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、＋ｃ軸側端面２１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面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、＋ｃ軸側端面２１の反射率は２０％程度とされ、−ｃ軸側端面２２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、＋ｃ軸側端面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、＋ｃ軸側端面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４５０ｎｍ〜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。

図６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。

＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
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。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。

非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
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。

ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。

さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む発光層１０（活性層）には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、ｃ面を主面とした場合よりも価電子帯の状態密度が小さくなって反転分布が得られやすくなり利得が増強され、レーザ特性が向上する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。

発光層１０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。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、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。

また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。

図７は、ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎＧａＮ層における面内歪みおよび面外歪みのＩｎＮモル分率依存性を示すグラフである。負の歪み量（％）は圧縮歪みを表し、正の歪み量は引っ張り歪みを表す。この図７から、ＩｎＮモル分率（InN molar fraction。すなわち、Ｉｎの組成）を増やすことによって、ａ軸方向圧縮歪みε_ｘｘおよびｃ軸方向圧縮歪みε_ｚｚ、ならびにｍ軸方向引っ張り歪みε_ｙｙが増大することが分かる。ａ軸方向圧縮歪みε_ｘｘに着目すると、この歪みは、無歪みの状態におけるＩｎＧａＮのａ軸格子定数がＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいことに起因するものである。そして、Ｉｎ組成の増大に伴って、格子不整合が増大するために、それに応じてａ軸方向圧縮歪みε_ｘｘが増大することになるものと理解される。

一方、図８は、ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＡｌＧａＮ層における面内歪みおよび面外歪みのＡｌＮモル分率依存性を示すグラフである。負の歪み量（％）は圧縮歪みを表し、正の歪み量は引っ張り歪みを表す。この図８から、ＡｌＮモル分率（AlN molar fraction。すなわち、Ａｌの組成）を増やすことによって、ａ軸方向引っ張り歪みε_ｘｘおよびｃ軸方向引っ張り歪みε_ｚｚ、ならびにｍ軸方向圧縮歪みε_ｙｙが増大することが分かる。ａ軸方向引っ張り歪みε_ｘｘに着目すると、この歪みは、無歪みの状態におけるＡｌＧａＮのａ軸格子定数がＧａＮのａ軸格子定数よりも小さい（したがって、ＩｎＧａＮのａ軸格子定数よりも小さい）ことに起因するものである。そして、Ａｌ組成の増大に伴って、格子不整合が増大するために、それに応じてａ軸方向引っ張り歪みε_ｘｘが増大することになるものと理解される。

この実施形態では、前述のとおり、発光層１０が、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２とを交互に積層した多重量子井戸構造を形成している。III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層は、ｍ面ＧａＮ基板１に対してコヒーレントに成長されている。そのため、ａ軸方向に関して、ＩｎＧａＮ層には圧縮歪みが生じ、ＡｌＧａＮ層には引っ張り歪みが生じることになる。しかし、発光層１０では、これらが交互に積層されているため、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１の圧縮応力が、ＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２によって緩和されている。すなわち、障壁層２２２は、量子井戸層２２１の圧縮応力を緩和する歪み補償層として機能している。これにより、圧縮応力に起因する結晶欠陥を抑制できるため、量子井戸層２２１は、欠陥の少ない優れた結晶性を有することができる。より具体的には、ｍ面ＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ層を形成した場合に見られるａ軸方向に平行なストライプ状結晶欠陥の発生を抑制または解消できる。これにより、量子井戸層２２１において発光に寄与することができる領域が増大するから、発光効率が向上し、それに応じて発振閾値を低減することができる。

しかも、この実施形態では、前述のとおり、量子井戸層２２１の厚さが１００Å以下とされているため、量子効果による発光効率の向上をも見込むことができる。量子井戸層２２１が量子効果を生じるほど薄く、しかも、結晶欠陥が少ない高品質の結晶状態であるため、優れた発光効率を実現できる。
一方、この実施形態では、クラッド層１４，１８は、ＡｌＩｎＧａＮ層を少なくとも一部に含む構成となっている。クラッド層１４，１８をＡｌＧａＮ層で構成すると、図８から理解されるとおり、ｃ軸方向およびａ軸方向に引っ張り歪みが生じる。ガイド層１５，１７との屈折率差を大きくして光閉じ込め効果を強化するためにＡｌ組成を増やすと、引っ張り歪みはより大きくなり、クラッド層にクラックが生じるおそれがある。このクラックは、電流リークの原因となり、レーザ発振を阻害するおそれがある。

そこで、この実施形態では、クラッド層１４，１８が、ＡｌＩｎＧａＮ層を含む構成となっている。より具体的には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）で表される四元混晶のIII族窒化物半導体からなるＡｌＩｎＧａＮ層を有している。このＡｌＩｎＧａＮ層において、Ａｌ組成ｘとＩｎ組成ｙとを適切に調整することによって、クラッド層１４，１８を下地層としてのＧａＮ層とほぼ格子整合させることができ、クラックの発生しにくい半導体レーザダイオード構造を形成できる。

図９Ａの線Ｌ１は、ｃ軸格子整合系のＡｌ組成ｘおよびＩｎ組成ｙの関係を示す。この場合のｃ軸格子整合系とは、ｃ軸方向の格子定数をＧａＮのｃ軸方向格子定数と一致させることができるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ結晶系である。また、図９Ａの線Ｌ２は、ａ軸格子整合系のＡｌ組成およびＩｎ組成ｙの関係を示す。ａ軸格子整合系とは、ａ軸方向の格子定数をＧａＮのａ軸方向格子定数と一致させることができるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ結晶系である。図９Ａの上図は０≦ｘ≦１の区間を示し、図９Ａの下図は０≦ｘ≦０．１の区間を示す。

図９Ｂには、ｃ軸格子整合系（図９Ａの線Ｌ１）に従ってＡｌ組成ｘおよびＩｎ組成ｙを変化させた場合のｍ軸方向歪みε_ｙｙの変化を線Ｌ３で示し、同じくａ軸方向歪みε_ｘｘの変化を線Ｌ４で示す。ｃ軸方向歪みε_ｚｚ＝０である。さらに、図９Ｂにおいて、ａ軸格子整合系（図９Ａの線Ｌ２）に従ってＡｌ組成ｘおよびＩｎ組成ｙを変化させた場合のｍ軸方向歪みε_ｙｙの変化を線Ｌ５で示し、同じくｃ軸方向歪みε_ｚｚの変化を線Ｌ６で示す。ａ軸方向歪みε_ｘｘ＝０である。図９Ｂの上図は０≦ｘ≦１の区間を示し、図９Ｂの下図は０≦ｘ≦０．１の区間を示す。

ｃ軸方向歪みε_ｚｚとａ軸方向歪みε_ｘｘとを同時に零にすることはできないが、いずれか一方に完全に格子整合したＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの作製は可能であることが分かる。また、格子整合に一定範囲内の誤差を許容すれば、ｃ軸方向およびａ軸方向の両方に関してほぼ格子整合した両軸格子整合系のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの作製も可能である。たとえば、格子不整合率が０．５％未満（すなわち、歪み量が０．５％未満）であれば、引っ張り応力に起因するクラックや欠陥の発生は十分に抑制できる。したがって、ｃ軸方向およびａ軸方向のいずれに関しても格子不整合率を０．５％未満に抑制できる組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いてクラッド層１４，１８を形成できれば、最も好ましい。

Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎのａ軸方向歪み量ε_ｘｘ、ｍ軸方向歪み量ε_ｙｙ、およびｃ軸方向歪み量ε_ｚｚは、下記式(1)(2)(3)でそれぞれ与えられる。したがって、ａ軸方向歪み量ε_ｘｘ＝０とするには、Ａｌ組成ｘとＩｎ組成ｙとの間に下記式(4)の関係が成立すればよく、これが図９Ａの線Ｌ２に対応している。また、ｃ軸方向歪み量ε_ｚｚ＝０とするためには、Ａｌ組成ｘおよびＩｎ組成ｙの間に下記式(5)の関係が成立すればよく、これが図９Ａの線Ｌ１に対応している。これらの式(4)または(5)の関係を有する対応する様々なｘ，ｙの組を式(1)(2)(3)に代入することにより、図９Ｂの線Ｌ３〜Ｌ６が得られる。

ただし、ａ_ＧａＮはＧａＮのａ軸方向格子定数（lattice constant）、ａ_ＡｌＮはＡｌＮのａ軸方向格子定数、ａ_ＩｎＮはＩｎＮのａ軸方向格子定数、ｃ_ＧａＮはＧａＮのｃ軸方向格子定数、ｃ_ＡｌＮはＡｌＮのｃ軸方向格子定数、ｃ_ＩｎＮはＩｎＮのｃ軸方向格子定数をそれぞれ表し、それらの具体的な数値は、下記表１のとおりである（非特許文献２〜４参照）。さらに、Ｃ_{１１，ＧａＮ}，Ｃ_{１２，ＧａＮ}，Ｃ_{１３，ＧａＮ}，Ｃ_{３３，ＧａＮ}はＧａＮの弾性定数(elastic stiffness constant)であり、Ｃ_{１１，ＡｌＮ}，Ｃ_{１２，ＡｌＮ}，Ｃ_{１３，ＡｌＮ}，Ｃ_{３３，ＡｌＮ}はＡｌＮの弾性定数であり、Ｃ_{１１，ＩｎＮ}，Ｃ_{１２，ＩｎＮ}，Ｃ_{１３，ＩｎＮ}，Ｃ_{３３，ＩｎＮ}はＩｎＮの弾性定数である。これらの具体的な数値は、下記表２のとおりである（非特許文献５〜７参照）。

前記式(1)をｙについて解き、さらに、表１に従って格子定数ａの値を代入すると、下記式(6)が得られる。この式(6)式から、ｃ軸格子不整合率が０．５％（｜ε_ｚｚ｜＝０．５％）、すなわち、ε_ｚｚ＝＋０．５％となるときのＩｎ組成ｙは下記式(7)で与えられることが分かる。さらに、ａ軸格子不整合率が０．５％（｜ε_ｘｘ｜＝０．５％）、すなわち、ε_ｘｘ＝−０．５％となるときのＩｎ組成ｙは下記式(8)で与えられることが分かる。

同様に、前記式(3)をｙについて解き、さらに、表１に従って格子定数ｃの値を代入すると、下記式(9)が得られる。この式(9)式から、ｃ軸格子不整合率が０．５％（｜ε_ｚｚ｜＝０．５％）、すなわち、ε_ｚｚ＝＋０．５％となるときのＩｎ組成ｙは下記式(10)で与えられることが分かる。さらに、ａ軸格子不整合率が０．５％（｜ε_ｘｘ｜＝０．５％）、すなわち、ε_ｘｘ＝−０．５％となるときのＩｎ組成ｙは下記式(11)で与えられることが分かる。

これらから、ｃ軸格子不整合率が５％未満（｜ε_ｚｚ｜＜０．５％、すなわち、ε_ｚｚ＜＋０．５％）となるＩｎ組成ｙの範囲はｙ＞０．３９２ｘ−０．０４９７であることが分かる。また、ａ軸格子不整合率が５％未満（｜ε_ｘｘ｜＜０．５％、すなわち、ε_ｘｘ＞−０．５％）となるＩｎ組成ｙの範囲はｙ＜０．２１６ｘ＋０．０４５５であることが分かる。

図１０ＡはＧａＮに対してａ軸格子整合したＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ε_ｘｘ＝０：ｙ＝０．２１６ｘ）のｍ軸格子定数ｍ（左側目盛り）およびｃ軸格子定数ｃ（右側目盛り）のＡｌ組成ｘに対する依存を示している。線Ｌ２１は格子緩和（relaxed）した状態でのｍ軸格子定数ｍを表し、線Ｌ２２はＧａＮ層にコヒーレントに成長したとき（strained）のｍ軸格子定数ｍを表している。さらに、線Ｌ２３は格子緩和した状態でのｃ軸格子定数ｃを表し、線Ｌ２４はＧａＮ層にコヒーレントに成長したときのｃ軸格子定数ｃを表している。

また、図１０ＢはＧａＮに対してｃ軸格子整合したＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ε_ｚｚ＝０：ｙ＝０．３９２ｘ）のｍ軸格子定数ｍ（左側目盛り）およびａ軸格子定数ａ（右側目盛り）のＡｌ組成ｘに対する依存を示している。線Ｌ２５は格子緩和した状態でのｍ軸格子定数ｍを表し、線Ｌ２６はＧａＮにコヒーレントに成長したときのｍ軸格子定数ｍを表している。さらに、線Ｌ２７は格子緩和した状態でのａ軸格子定数ａを表し、線Ｌ２８はＧａＮ層にコヒーレントに成長したときのａ軸格子定数ａを表している。

図１０Ａおよび図１０Ｂから、Ａｌ組成の増加に従って格子不整合方向の格子定数が増加することから、結晶欠陥を抑制するためには、格子不整合方向の歪み量にも留意する必要があることが分かる。
図１１Ａおよび図１１Ｂは、屈折率の波長分散を説明するための図である。屈折率の波長分散とは、波長(Wave length)に依存する屈折率(Refractive index)のばらつきである。図１１Ａはａ軸格子整合系の組成としたＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．２１６ｘ）の屈折率波長分散を示し、図１１Ｂはｃ軸格子整合系の組成としたＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．３９２ｘ）の屈折率波長分散を示している。

まず、図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、ＩｎＧａＮの屈折率波長分散が曲線Ｌ３１で示されている。また、ＧａＮの屈折率波長分散が曲線Ｌ３２で示されている。さらに、２種類の組成のＡｌＧａＮの屈折率波長分散がＬ３３，Ｌ３４で示されている。そして、図１１Ａには、ａ軸格子整合系（ε_ｘｘ＝０）の２種類の組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの屈折率波長分散が曲線Ｌ３５，Ｌ３６で示されている。より具体的には、曲線Ｌ３５はＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９４Ｎの屈折率波長分散を示し、曲線Ｌ３６はＡｌ_０．０８Ｉｎ_{０．０１７}Ｇａ_{０．９０３}Ｎの屈折率波長分散を示している。そして、図１１Ｂには、ｃ軸格子整合系（ε_ｚｚ＝０）の２種類の組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの屈折率波長分散が曲線Ｌ３７，Ｌ３８で示されている。より具体的には、曲線Ｌ３７はＡｌ_０．０５Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９３Ｎの屈折率波長分散を示し、曲線Ｌ３８はＡｌ_０．０８Ｉｎ_０．０３Ｇａ_{０．０８９}Ｎの屈折率波長分散を示している。

ガイド層１５，１７を形成するＩｎＧａＮは、屈折率の波長分散が比較的大きな材料であり、波長の変化に対して屈折率が大きく変化する。これに対して、ＡｌＧａＮは屈折率の波長分散が比較的小さく、長波長側でもあまり屈折率が小さくならない。そのため、ガイド層にＩｎＧａＮを適用し、クラッド層にＡｌＧａＮを適用しようとすると、長波長側での屈折率差が不足し、光閉じ込めが不良になるおそれがある。これを補うためにＡｌ組成を大きくすると、ＧａＮ基板との格子不整合に起因するクラックの発生という、別の問題に直面することになる。

一方、図１１Ａにおける曲線Ｌ３３，Ｌ３４；Ｌ３５，Ｌ３６の比較、および図１１Ｂにおける曲線Ｌ３３，Ｌ３４；Ｌ３７，Ｌ３８の比較から分かるように、ＡｌＩｎＧａＮは、屈折率の波長分散がＡｌＧａＮよりも大きい。そのため、長波長側においても、ＩｎＧａＮとの間に充分な屈折率差を確保することが可能である。したがって、ａ軸またはｃ軸格子整合系の組成を保ちつつ、ガイド層１５，１７との間に光閉じ込めのための充分な屈折率差を確保することができる。

なお、４５０ｎｍ以上の波長域において、クラッド層１４，１８の屈折率をＧａＮの屈折率よりも低くし、それらをクラッド層として機能させるためには、クラッド層１４，１８を形成するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ｘ＞０．０５を満たす組成とすることが好ましい。
図１２Ａおよび図１２Ｂは、同じく屈折率の波長分散を示す図であり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮにおけるＩｎ組成ｘ(Molar fraction x)に対する屈折率(Refractive index：右目盛り)の変化、およびＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＮのＡｌ組成ｘ(Molar fraction x)に対する屈折率(Refractive index：左目盛り)の変化が数種類の波長に関して示されている。ただし、図１２Ａには、ａ軸格子整合系のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．２１６ｘ）の屈折率を示し、図１２Ｂには、ｃ軸格子整合系のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．３９２ｘ）の屈折率を示す。

４６０ｍｍの波長帯におけるＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（屈折率ｎ＝２．３９６）とＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ（屈折率ｎ＝２．４８７）との間の屈折率差Δｎは０．０９１である。この波長帯において、Ｉｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎに対して同等の屈折率差を確保できるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの組成は、ｃ軸格子整合系では、Ａｌ_０．０８Ｉｎ_{０．０３２}Ｇａ_{０．８８８}Ｎである（図１１Ｂの曲線Ｌ３８参照）。一方、５００ｍｍの波長帯では、Ｉｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎの屈折率ｎ＝２．４３６、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎの屈折率ｎ＝２．３６６となり、屈折率差Δｎ＝０．０７となって、充分な光閉じ込めを確保できない。これに対して、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いる場合、たとえば、Ａｌ_０．１０Ｉｎ_０．０４Ｇａ_０．８６Ｎを用いると、４６０ｍｍと同等の屈折率差を確保でき、良好な光閉じ込めを実現できる。

屈折率ｎとバンドギャップエネルギーＥｇとの間には、下記式(12)に示す関係がある（非特許文献８）。
ＡｌＧａＮについては、下記式(13)(14)(15)を下記式(12)に当てはめることによって、Ａｌ組成ｘに対応する屈折率ｎが求まる。
同様に、ＩｎＧａＮについては、下記式(16)(17)(18)を下記式(12)に当てはめることによって、Ｉｎ組成ｘに対応する屈折率ｎが求まる。

さらに、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎについては、下記式(19)(20)(21)を下記式(12)に当てはめることによって、Ａｌ組成ｘおよびＩｎ組成ｙに対応する屈折率ｎが求まる。

図１３は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＮのＡｌ組成ｘ(AlN molar fraction x)に対するバンドギャップエネルギー(Bandgap energy)Ｅｇの変化を示しており、曲線Ｌ４１はａ軸格子整合系の組成の場合、曲線Ｌ４２はｃ軸格子整合系の組成の場合の例を示している。曲線Ｌ４０は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにおけるＡｌ組成ｘに対するバンドギャップエネルギーの変化を示す。いずれの場合も、Ａｌ組成ｘの増加に伴ってバンドギャップエネルギーＥｇが増加することが分かる。これらの曲線は、上記の式(13)〜(21)から得られる。

図１４Ａはａ軸格子定数（Lattice constantａ）とバンドギャップエネルギー(Bandgap energy)との関係を示しており、図１４Ｂはｃ軸格子定数（Lattice constantｃ）とバンドギャップエネルギー(Bandgap energy)との関係を示している。Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎのａ軸格子定数ａ＝ａ_AlNｘ＋ａ_InNｙ＋ａ_GaN（１−ｘ−ｙ）であり（前記式(1)参照）、y軸格子定数ｃ＝ｃ_AlNｘ＋ｃ_InNｙ＋ｃ_GaN（１−ｘ−ｙ）である（前記式(3)参照）。この関係と、前記式(13)〜(21)とから、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎのａ軸格子定数ａおよびｃ軸格子定数ｃとバンドギャップエネルギーとの関係を導き出すことができる。こうして図１４Ａおよび図１４Ｂに示された線Ｌ５１，Ｌ５２が得られる。

ａ軸格子整合系の組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．２１６ｘ）におけるａ軸格子定数ａとバンドギャップとの関係は、図１４Ａの線Ｌ５１のとおりであり、ａ軸格子定数ａは一定となる。ｃ軸格子整合系の組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．３９２ｘ）におけるｃ軸格子定数ｃとバンドギャップとの関係は、図１４Ｂの線Ｌ５２のとおりであり、ｃ軸格子定数ｃは一定となる。

ａ軸格子整合系の組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｃ軸格子定数ｃとバンドギャップとの関係は、図１４Ｂの線Ｌ５３のとおりであり、ｃ軸格子定数ｃが小さいほどバンドギャップエネルギーは大きくなる。ｃ軸格子整合系の組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるａ軸格子定数ａとバンドギャップとの関係は、図１４Ａの線Ｌ５４のとおりであり、ａ軸格子定数ａが大きいほどバンドギャップエネルギーは大きくなる。

図１４Ａにおいて、曲線Ｌ５１^＋および曲線Ｌ５１⁻は、ａ軸方向歪み量が＋０．５％および−０．５％となる組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるａ軸格子定数ａとバンドギャップエネルギーとの関係をそれぞれ示す。また、曲線Ｌ５４^＋および曲線Ｌ５４⁻は、ｃ軸方向歪み量が＋０．５％および−０．５％となる組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるａ軸格子定数ａとバンドギャップエネルギーとの関係をそれぞれ示す。さらに、図１４Ｂにおいて、曲線Ｌ５３^＋および曲線Ｌ５３⁻は、ａ軸方向歪み量が＋０．５％および−０．５％となる組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｃ軸格子定数ｃとバンドギャップエネルギーとの関係をそれぞれ示す。また、曲線Ｌ５２^＋および曲線Ｌ５２⁻は、ｃ軸方向歪み量が＋０．５％および−０．５％となる組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおけるｃ軸格子定数ｃとバンドギャップエネルギーとの関係をそれぞれ示す。

同様に、図１３において、曲線Ｌ４１^＋および曲線Ｌ４１⁻は、ａ軸方向歪み量が＋０．５％および−０．５％となるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＮにおけるＡｌ組成ｘとバンドギャップエネルギーとの関係をそれぞれ示す。また、曲線Ｌ４２^＋および曲線Ｌ４２⁻は、ｃ軸方向歪み量が＋０．５％および−０．５％となるＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}ＮにおけるＡｌ組成ｘとバンドギャップエネルギーとの関係をそれぞれ示す。

これらから、ａ軸方向およびｃ軸方向歪み量が±０．５％となる範囲内で、ＩｎＧａＮガイド層１５，１７との間に光閉じ込めのための屈折率差を確保できる組成を見いだせば、ａ軸およびｃ軸の両方に格子整合した両軸格子整合系のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎが得られる。
前述のとおり、ｃ軸格子不整合率が５％未満（｜ε_ｚｚ｜＜０．５％）、すなわち、ε_ｚｚ＜＋０．５％となるＩｎ組成ｙの範囲はｙ＞０．３９２ｘ−０．０４９７である。また、ａ軸格子不整合率が５％未満（｜ε_ｘｘ｜＜０．５％）、すなわち、ε_ｘｘ＞−０．５％となるＩｎ組成ｙの範囲はｙ＜０．２１６ｘ＋０．０４５５である。また、前述のとおり、ε_ｚｚ＝０（ｃ軸格子整合）の条件は、ｙ＝０．３９２ｘであり、ε_ｘｘ＝０（ａ軸格子整合）の条件はｙ＝０．２１６ｘである。

図１５は、ｃ軸格子整合系の組成としたＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．３９２ｘ）に関して、Ｉｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎガイド層との屈折率差Δｎを求めた結果を示す。この図１５には、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮに関して同様の屈折率差Δｎを求めた結果も併せて示されている。複数の曲線は、波長４６０ｎｍ、４８０ｎｍ、５００ｎｍおよび５２０ｎｍに対する計算結果を示す。Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの屈折率はＩｎ組成の増加に従って減少するため、４６０ｎｍ帯以上の波長領域で動作するレーザダイオードのクラッド層には、少なくとも０．０５以上のＡｌ組成を有するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎを用いる必要がある。

たとえば、４６０ｎｍ帯でのＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ−Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（ε_ｚｚ＝０．１９７％）と同程度の屈折率差Δｎを５００ｍｍにおいて達成するｃ軸格子整合系のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎの組成は、Ａｌ_{０．０９０}Ｉｎ_{０．０３６}Ｇａ_{０．８７４}Ｎである。
以上のように、この実施形態によれば、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１８をＡｌＩｎＧａＮで形成している。そのため、その組成を調整することによって、ＧａＮに対してａ軸およびｃ軸の一方または両方に格子整合し、かつ、ガイド層１５，１７に対して、光閉じ込めのための屈折率差を確保したクラッド層１４，１８を形成することができる。

より具体的には、図１６Ａおよびその部分拡大図である図１６Ｂに示すように、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎにおいて、０＜ｘ＜０．８６と、０＜ｙ＜０．３１８とを同時に満たす組成範囲を選択することで、ＧａＮに対して、ｃ軸方向およびｃ軸垂直方向のうちの一方または両方に対して、０．５％未満の格子不整合率の格子整合系を形成できる。
さらに具体的には、前記式(7)（ｙ＝０．２１６ｘ−０．０４５０）、ｘ＜０＜１、０＜ｙ＜１およびｘ＋ｙ＜１を同時に満たすｘ，ｙの範囲は、０．２０９＜ｘ≦０．８６０、０＜ｙ≦０．１４０である。また、前記式(8)（ｙ＝０．２１６ｘ＋０．０４５５）、ｘ＜０＜１、０＜ｙ＜１およびｘ＋ｙ＜１を同時に満たすｘ，ｙの範囲は、０＜ｘ≦０．７８５、０．０４５＜ｙ≦０．２１５である。同様に、前記式(10)（ｙ＝０．３９２ｘ−０．０４９７）、ｘ＜０＜１、０＜ｙ＜１およびｘ＋ｙ＜１を同時に満たすｘ，ｙの範囲は、０．１２７＜ｘ≦０．７５４、０＜ｙ≦０．２４６である。さらに、前記式(11)（ｙ＝０．３９２ｘ＋０．０５０２）、ｘ＜０＜１、０＜ｙ＜１およびｘ＋ｙ＜１を同時に満たすｘ，ｙの範囲は、０＜ｘ≦０．６８２、０．０５０＜ｙ≦０．３１８である。これらから、ｃ軸方向およびｃ軸垂直方向のうちの少なくとも一方に対して０．５％未満の格子不整合率の格子整合系を形成するためにＡｌ組成ｘがとり得る範囲は、０＜ｘ＜０．８６であることが分かる。また、ｃ軸方向およびｃ軸垂直方向のうちの少なくとも一方に対して０．５％未満の格子不整合率の格子整合系を形成するためにＩｎ組成ｙがとり得る範囲は、０＜ｙ＜０．３１８であることが分かる。

さらには、ｙ＞０．３９２ｘ−０．０４９７を満たす組成範囲とすることで、ｃ軸方向の格子不整合率を０．５％未満とすることができる。また、ｙ＜０．２１６ｘ＋０．０４５５を満たす組成範囲とすることで、ｃ軸垂直方向の格子不整合率を０．５％未満とすることができる。とくに、図１６Ｂに詳細に示されているように、直線ｙ＝０．３９２ｘ−０．０４９７（ε_ｚｚ＝０．５％）および直線ｙ＝０．２１６ｘ＋０．０４５５（ε_ｘｘ＝−０．５％）によって囲まれた領域内の組成を選択することにより、ｃ軸およびｃ軸垂直方向の両方に関して格子不整合率を０．５％未満とすることができる。

さらに、ｘ＞０．０５を満たす組成範囲とすることで、光閉じ込めのために必要な、ガイド層との屈折率差を得ることができる。
このような構成によって、クラッド層１４，１８のクラックを抑制でき、かつ、良好な光閉じ込めを行うことができる。これによって、高効率での発振が可能なレーザ素子を提供できる。

図１７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（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）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（ＳｉＨ_４）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およびインジウム原料バルブ５４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、トリメチルアルミニウムおよびトリメチルインジウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３上に、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４がエピタキシャル成長させられる。このときＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４の組成が前述の格子整合系の組成となるように、各原料ガスの流量比が調整される。このＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。

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、インジウム原料バルブ５４、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、トリメチルインジウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１４上にｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５がエピタキシャル成長させられる。このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。

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層からなる量子井戸層２２１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、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層からなる障壁層２２２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。具体的には、障壁層２２２を始めに形成し、その上に量子井戸層２２１を形成する。これを、たとえば、２回に渡って繰り返し行い、最後に障壁層２２２を形成する。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。

次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ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ＡｌＧａＮ電子ブロック層１６が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層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。

次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４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、トリメチルインジ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ＩｎＧａＮ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ＩｎＧａＮガイド層１７の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。

次いで、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１８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、インジウム原料バルブ５４およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、シリコン原料バルブ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、トリメチルインジ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ＡｌＩｎＧａＮ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ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１８の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。また、ｐ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１８の組成が前述の格子整合系の組成となるように、各原料ガスの流量が調節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、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、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ＡｌＩｎＧａＮ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に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、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。リッジストライプに平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面２１と、−ｃ面からなる共振器端面２２とが形成される。

次に、共振器端面２１，２２に、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。
図１８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の構成を説明するための図解的な横断面図である。この図１８において、前述の図３に示された各部の対応部分には同一参照符号を付して示す。この実施形態では、ｐ型クラッド層１４およびｎ型クラッド層１８が、いずれも超格子構造を有している。ｎ型クラッド層１４は、格子整合系のｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４１と、ｎ型ＧａＮ層１４２とを交互に複数周期積層して形成されている。同様に、ｐ型クラッド層１８は、格子整合系のｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１８１と、ｐ型ＧａＮ層１８２とを交互に複数周期積層して形成されている。格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４１，１８１は、ｃ軸およびａ軸の両方に対して、格子不整合率が０．５％未満となる組成を有している。たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層１４１，１８１の膜厚は、２．５ｎｍ程度とされる。また、ＧａＮ層１４２，１８２の膜厚は、２．５ｎｍ程度とされる。交互に積層する周期数は、ｎ型クラッド層１４は２００周期程度、ｐ型クラッド層１８は８０周期程度が好ましい。

この構成によれば、超格子構造によって応力の蓄積を低減できる。これにより、格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４１と超格子構造との相乗効果によって、クラックの発生をより効果的に低減することができる。また、ａ軸方向に関しても格子整合しているので、欠陥の発生を抑制できるから、高い発光効率を実現できる。
図１９は、この発明のさらに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図解的な横断面図である。この図１９において、前述の図３に示された各部の対応部分には同一参照符号を付して示す。この実施形態においても、ｐ型クラッド層１４およびｎ型クラッド層１８が、いずれも超格子構造を有している。ただし、ｎ型クラッド層１４は、ｃ軸格子整合系のｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４３と、ａ軸格子整合系のｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層１４４とを交互に複数周期積層して形成されている。同様に、ｐ型クラッド層１８は、ｃ軸格子整合系のｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１８３と、ａ軸格子整合系のｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層１８４とを交互に複数周期積層して形成されている。ｃ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４３，１８３は、ｃ軸にしてＧａＮに対して完全に格子整合した組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．３９２ｘ）からなる。ただし、ｃ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４３，１８３は、ｃ軸方向に関して０．５％未満の範囲でＧａＮに対する格子不整合を有する組成のＡｌＩｎＧａＮ層としてもよい。また、ａ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４４，１８４は、ａ軸に関してＧａＮに対して完全に格子整合した組成のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｙ＝０．２１６ｘ）からなる。ただし、ＡｌＩｎＧａＮ層１４４，１８４は、ａ軸方向に関して０．５％未満の範囲でＧａＮに対する格子不整合を有する組成のＡｌＩｎＧａＮ層としてもよい。たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ層１４３，１８３の膜厚は、２．５ｎｍ程度とされる。また、ＧａＮ層１４４，１８４の膜厚は、２．５ｎｍ程度とされる。交互に積層する周期数は、ｎ型クラッド層１４は２００周期程度、ｐ型クラッド層１８は８０周期程度が好ましい。

この構成によれば、超格子構造によって応力の蓄積を低減できる。そのうえ、ｃ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４３，１８３によってｃ軸方向の格子不整合を緩和できる。これにより、クラックの発生を抑制できる。また、ａ軸格子整合系のＡｌＩｎＧａＮ層１４４，１８４によって、ａ軸方向の格子不整合を緩和できる。これにより、欠陥の発生を抑制して、発光効率を高めることができる。

以上、この発明の３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、リッジストライプ２０をｃ軸に平行に形成した構造について説明したが、リッジストライプ２０をａ軸に平行とし、共振器端面をａ面としてもよい。また、基板１の主面は、ｍ面に限らず、他の非極性面であるａ面としてもよいし、半極性面としてもよい。

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。
また、図１８および図１９に示す実施形態では、ｐ型クラッド層１４およびｎ型クラッド層１８の両方を超格子構造としているが、いずれか一方のみを超格子構造としてもよい。

また、前述の実施形態では、量子井戸層が複数個設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する素子について説明したが、発光層の構造は、量子井戸層が１個の量子井戸構造としてもよい。
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。

１ 基板（ＧａＮ単結晶基板）
２ III族窒化物半導体積層構造
３ ｎ側電極
４ ｐ側電極
６ 絶縁層
１０ 発光層
２２１ 量子井戸層
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ＡｌＩｎＧａＮクラッド層
１４１ ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層（格子整合系）
１４２ ｎ型ＧａＮ層
１４３ ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層（ｃ軸格子整合）
１４４ ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層（ａ軸格子整合）
１５ ｎ型ガイド層
１７ ｐ型ガイド層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１８ ｐ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層
１８１ ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層（格子整合系）
１８２ ｐ型ＧａＮ層
１８３ ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層（ｃ軸格子整合）
１８４ ｐ型ＡｌＩｎＧａＮ層（ａ軸格子整合）
１９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０ リッジストライプ
２１，２２ 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 半導体レーザダイオード

Claims (11)

1. 非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる半導体レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子であって、
   前記半導体レーザダイオード構造が、
   少なくとも各一部がＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層と、
   前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層に挟まれ、Ｉｎを含む発光層とを備えている、
   半導体レーザ素子。
2. 前記Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、０＜ｘ＜０．８６および０＜ｙ＜０．３１８を満たす組成を有している、請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の少なくとも各一部を構成するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ＧａＮに対するｃ軸方向の格子不整合率が０．５％未満である、請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
4. 前記Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ｙ＞０．３９２ｘ−０．０４９７を満たす組成を有している、請求項３記載の半導体レーザ素子。
5. 前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の各一部を構成するＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ＧａＮに対するｃ軸直交方向の格子不整合率が０．５％未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ｙ＜０．２１６ｘ＋０．０４５５を満たす組成を有している、請求項５記載の半導体レーザ素子。
7. 前記Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎは、ｘ＞０．０５を満たす組成を有している、請求項１〜６の何れか一項に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の少なくとも一方は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）からなる層を含む超格子構造を有している、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層の少なくとも一方は、ＧａＮに対するｃ軸方向の格子不整合率が０．５％未満のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎからなる第１層と、ＧａＮに対するｃ軸直交方向の格子不整合率が０．５％未満のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎからなる第２層とを交互に積層した超格子構造を有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記発光層は、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる量子井戸層とＡｌを含むIII族窒化物半導体からなるバリア層とを交互に積層した量子井戸構造を有している、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層の少なくとも一方は、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。

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