JP2011061033A - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子、及びｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents

Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子、及びｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】六方晶系III族窒化物のｃ軸がａ軸の方向に傾斜した支持基体の半極性面上において、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】レーザ共振器となる第１及び第２の割断面２７、２９が、ａ−ｎ面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ａ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を有する。これ故に、低しきい値電流を可能にするバンド遷移の発光を利用できる。レーザ構造体１３では、第１の面１３ａは第２の面１３ｂの反対側の面である。第１及び第２の割断面２７、２９は、第１の面１３ａのエッジ１３ｃから第２の面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在する。割断面２７、２９は、ドライエッチングにより形成されず、ｃ面、ｍ面又はａ面等のこれまでのへき開面とは異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体レーザ素子、及びIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に関する。
非特許文献１には、ｃ面サファイア基板上に作製された半導体レーザが記載されている。ドライエッチングにより半導体レーザのミラー面が形成される。レーザの共振ミラー面の顕微鏡写真が掲載され、その端面の粗さが約５０ｎｍであることが記載されている。
非特許文献２には、（１１−２２）面ＧａＮ基板上に作製された半導体レーザが記載されている。ドライエッチングにより半導体レーザのミラー面が形成される。
非特許文献３には、窒化ガリウム系半導体レーザが記載されている。へき開面（cleaved facets）としてｍ面をレーザ共振器に利用するために、基板のｃ軸のオフ方向に偏光したレーザ光を生成することを提案している。この文献には、具体的には、無極性面では井戸幅を拡げること、半極性面では井戸幅を狭めることが記載されている。
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35, (1996) L74-L76 Appl. Phys. Express 1 (2008) 091102 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 46, (2007) L789
窒化ガリウム系半導体のバンド構造によれば、レーザ発振可能ないくつかの遷移が存在する。発明者の知見によれば、ｃ軸がａ軸の方向に傾斜した半極性面の支持基体を用いるIII族窒化物半導体レーザ素子では、ｃ軸及びａ軸によって規定される面に沿ってレーザ導波路を延在させるとき、しきい値電流を下げることができると考えている。このレーザ導波路の向きでは、これらのうち遷移エネルギ（伝導帯エネルギと価電子帯エネルギとの差）の最も小さいモードがレーザ発振可能になり、このモードの発振が可能になるとき、しきい値電流を下げることができる。
しかしながら、このレーザ導波路の向きでは、共振器ミラーのために、ｃ面、ａ面又はｍ面という従来のへき開面を利用することはできない。これ故に、共振器ミラーの作製のために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて半導体層のドライエッチング面を形成してきた。ＲＩＥ法で形成された共振器ミラーは、レーザ導波路に対する垂直性、ドライエッチング面の平坦性又はイオンダメージの点で、改善が望まれている。また、現在の技術レベルにおける良好なドライエッチング面を得るためのプロセス条件の導出が大きな負担となる。
発明者が知る限りにおいて、これまで、上記の半極性面上に形成された同一のIII族窒化物半導体レーザ素子において、ｃ軸の傾斜方向（オフ方向）に延在するレーザ導波路とドライエッチングを用いずに形成された共振器ミラー用端面との両方が達成されていない。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものである。本発明の目的は、六方晶系III族窒化物のｃ軸からａ軸の方向に傾斜した支持基体の半極性面上において、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供することにあり、またこのIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法を提供することにある。
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子は、（ａ）六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、（ｂ）前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極とを備える。前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜しており、前記レーザ構造体は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び前記法線軸によって規定されるａ−ｎ面に交差する第１及び第２の割断面を含み、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器は前記第１及び第２の割断面を含み、前記レーザ構造体は第１及び第２の面を含み、前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、前記第１及び第２の割断面は、前記第１の面のエッジから前記第２の面のエッジまで延在する。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、レーザ共振器となる第１及び第２の割断面が、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸によって規定されるａ−ｎ面に交差するので、ａ−ｎ面と半極性面との交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度は、４５度以上８０度以下又は１００度以上１３５度以下の範囲であることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がａ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度は、５９度以上８０度以下又は１００度以上１２１度以下の範囲であることが更に好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、５９度以上８０度以下の範囲では、押圧により形成される端面が、基板主面に垂直に近い面が得られる可能性が高くなる。また、１００度以上１２１度以下の範囲では、押圧により形成される端面が、基板主面に垂直に近い面が得られる可能性が高くなる。８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の厚さは４００μｍ以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の厚さは５０μｍ以上１００μｍ以下であることが更に好ましい。厚さ５０μｍ以上であれば、ハンドリングが容易になり、生産歩留まりが向上する。１００μｍ以下であれば、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために更に好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層からのレーザ光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に偏光している。このIII族窒化物半導体レーザ素子において、低しきい値電流を実現できるバンド遷移は偏光性を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、当該III族窒化物半導体レーザ素子におけるＬＥＤモードにおける光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に偏光成分Ｉ１と、前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸を主面に投影した方向に偏光成分Ｉ２を含み、前記偏光成分Ｉ１は前記偏光成分Ｉ２よりも大きい。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、ＬＥＤモードにおいて大きな発光強度のモードの光を、レーザ共振器を用いてレーザ発振させることができる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかの半極性面から、ａ面方向に−４度以上＋４度以下の範囲の微傾斜を有する面も前記主面として好適である。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、これら典型的な半極性面からの微傾斜面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性の第１及び第２の端面を提供できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかであることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、これら典型的な半極性面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性の第１及び第２の端面を提供できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の積層欠陥密度は１×１０４ｃｍ−１以下であることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、積層欠陥密度が１×１０４ｃｍ−１以下であるので、偶発的な事情により割断面の平坦性及び／又は垂直性が乱れる可能性が低い。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な第１及び第２の端面を得ることができる。ＡｌＮ基板又はＡｌＧａＮ基板を用いるとき、偏光度を大きくでき、また低屈折率により光閉じ込めを強化できる。ＩｎＧａＮ基板を用いるとき、基板と発光層との格子不整合率を小さくでき、結晶品質を向上できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１及び第２の割断面の少なくともいずれか一方に設けられた誘電体多層膜を更に備えることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子においても、破断面にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、波長３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の利用により、ＬＥＤモードの偏光を有効に利用したIII族窒化物半導体レーザ素子を得ることができ、低しきい値電流を得ることができる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことが更に好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の利用により、ピエゾ電界の低減と発光層領域の結晶品質向上によって量子効率を向上させることが可能となり、波長４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１及び第２の割断面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のａ軸に直交する基準面との成す角度は、前記III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される第１平面において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲の角度を成す。
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、ｃ軸及びａ軸の一方から他方に取られる角度に関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記角度は、前記第１平面及び前記法線軸に直交する第２平面において−５度以上＋５度以下の範囲であることが好ましい。
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の法線軸に垂直な面において規定される角度に関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記電極は所定の軸の方向に延在しており、前記第１及び第２の割断面は前記所定の軸に交差する。
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に係る。この方法は、（ａ）六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、（ｃ）前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に前記基板生産物の第１の面を部分的にスクライブする工程と、（ｄ）前記基板生産物の第２の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程とを備える。前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、前記半導体領域は前記第１の面と前記基板との間に位置し、前記レーザバーは、前記第１の面から前記第２の面まで延在し前記分離により形成された第１及び第２の端面を有し、前記第１及び第２の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜しており、前記第１及び第２の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び前記法線軸によって規定されるａ−ｎ面に交差する。
この方法によれば、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に基板生産物の第１の面をスクライブした後に、基板生産物の第２の面への押圧により基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する。これ故に、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸と法線軸とによって規定されるａ−ｎ面に交差するように、レーザバーに第１及び第２の端面が形成される。この端面形成によれば、第１及び第２の端面に当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い共振ミラー面が提供される。
また、この方法では、レーザ導波路は、六方晶系III族窒化物のｃ軸の傾斜の方向に延在しており、このレーザ導波路を提供できる共振器ミラー端面をドライエッチング面を用いずに形成している。
本発明に係る方法では、前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが４００μｍ以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、前記第２の面は前記加工により形成された加工面であることができる。もしくは、前記加工面上に形成された電極を含む面であることができる。
本発明に係る方法では、前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが５０μｍ以上１００μｍ以下になるように研磨され、前記第２の面は前記研磨により形成された研磨面であることができる。もしくは、前記研磨面上に形成された電極を含む面であることができる。
このような厚さの基板では、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い第１及び第２の端面を歩留まりよく形成できる。
本発明に係る方法では、前記角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲であることができる。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がａ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られない。
本発明に係る方法では、更に好ましくは前記角度ＡＬＰＨＡは、５９度以上８０度以下及び１００度以上１２１度以下の範囲であることができる。５９度未満及び１２１度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、ａ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られない。
本発明に係る方法では、前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかの半極性面から、ａ面方向に−４度以上＋４度以下の範囲の微傾斜を有する面も前記主面として好適である。
これら典型的な半極性面からの微傾斜面においても、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い第１及び第２の端面を提供できる。
本発明に係る方法では、前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかであることが好ましい。
これら典型的な半極性面においても、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い第１及び第２の端面を提供できる。
本発明に係る方法では、前記スクライブは、レーザスクライバを用いて行われ、前記スクライブによりスクライブ溝が形成され、前記スクライブ溝の長さは、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び前記法線軸によって規定されるｍ−ｎ面と前記第１の面との交差線の長さよりも短い。
この方法によれば、基板生産物の割断により、別の基板生産物及びレーザバーが形成される。この割断は、レーザバーの割断線に比べて短いスクライブ溝を用いて引き起こされる。
本発明に係る方法では、前記第１及び第２の端面の各々における前記活性層の端面は、前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のａ軸に直交する基準面に対して、前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される平面において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲の角度を成すことができる。
この方法によれば、ｃ軸及びａ軸の一方から他方に取られる角度に関して、上記の垂直性を有する端面を形成できる。
本発明に係る方法では、前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。この方法によれば、これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な第１及び第２の端面を得ることができる。
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、六方晶系III族窒化物のｃ軸がａ軸の方向に傾斜した支持基体の半極性面上において、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有するIII族窒化物半導体レーザ素子が提供される、また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法が提供される。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。 図２は、III族窒化物半導体レーザ素子における活性層におけるバンド構造を示す図面である。 図３は、III族窒化物半導体レーザ素子の活性層における発光の偏光を示す図面である。 図４は、III族窒化物半導体レーザ素子の端面と活性層のａ面との関係を示す図面である。 図５は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す工程フロー図である。 図６は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を模式的に示す図面である。 図７は、結晶格子における｛１１−２１｝面を示すと共に、共振器端面の走査型電子顕微鏡像を示す図面である。 図８は、実施例１に示されたレーザーダイオードの構造を示す図面である。 図９は、求めた偏光度ρとしきい値電流密度の関係を示す図面である。 図１０は、ＧａＮ基板のａ軸方向へのｃ軸の傾斜角と発振歩留まりとの関係を示す図面である。 図１１は、積層欠陥密度と発振歩留まりとの関係を示す図面である。 図１２は、基板厚みと発振歩留まりとの関係を示す図面である。 図１３は、（１１−２１）面と他の面方位（指数）との成す角度を示す図面である。
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素子、及びIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法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素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本発明の実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではない。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ構造体１３及び電極１５を備える。レーザ構造体１３は、支持基体１７及び半導体領域１９を含む。支持基体１７は、六方晶系III族窒化物半導体からなり、また半極性主面１７ａ及び裏面１７ｂを有する。半導体領域１９は、支持基体１７の半極性主面１７ａ上に設けられている。電極１５は、レーザ構造体１３の半導体領域１９上に設けられる。半導体領域１９は、第１のクラッド層２１と、第２のクラッド層２３と、活性層２５とを含む。第１のクラッド層２１は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。第２のクラッド層２３は、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層２５は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２３との間に設けられる。活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層２５ａである。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂを含み、井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂは交互に配列されている。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は、波長３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。半極性面の利用により、波長４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５は、半極性主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ構造体１３は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面に交差する第１の割断面２７及び第２の割断面２９を含む。
図１を参照すると、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。半極性主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。支持基体１７の六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に法線軸ＮＸに対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、絶縁膜３１を更に備える。絶縁膜３１はレーザ構造体１３の半導体領域１９の表面１９ａを覆っており、半導体領域１９は絶縁膜３１と支持基体１７との間に位置する。支持基体１７は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜３１は開口３１ａを有し、開口３１ａは半導体領域１９の表面１９ａと上記のａ−ｎ面との交差線ＬＩＸの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。電極１５は、開口３１ａを介して半導体領域１９の表面１９ａ（例えば第２導電型のコンタクト層３３）に接触を成しており、上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ導波路は、第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１の割断面２７及び第２の割断面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２の割断面２７、２９を含み、第１の割断面２７及び第２の割断面２９の一方から他方に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体１３は第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂを含み、第１の面１３ａは第２の面１３ｂの反対側の面である。第１及び第２の割断面２７、２９は、第１の面１３ａのエッジ１３ｃから第２の面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在する。第１及び第２の割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の割断面２７、２９がａ−ｎ面に交差する。これ故に、ａ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド層３５及びｐ側光ガイド層３７を含む。ｎ側光ガイド層３５は、第１の部分３５ａ及び第２の部分３５ｂを含み、ｎ側光ガイド層３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド層３７は、第１の部分３７ａ及び第２の部分３７ｂを含み、ｐ側光ガイド層３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。キャリアブロック層３９は、例えば第１の部分３７ａと第２の部分３７ｂとの間に設けられる。支持基体１７の裏面１７ｂには別の電極４１が設けられ、電極４１は例えば支持基体１７の裏面１７ｂを覆っている。
図２は、III族窒化物半導体レーザ素子における活性層におけるバンド構造を示す図面である。図３は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の活性層２５における発光の偏光を示す図面である。図４は、ｃ軸及びａ軸によって規定される断面を模式的に示す図面である。図２（ａ）を参照すると、バンド構造ＢＡＮＤのΓ点近傍では、伝導帯と価電子帯との間の可能な遷移は、３つある。Ａバンド及びＢバンドは比較的小さいエネルギ差である。伝導帯とＡバンドとの遷移Ｅａによる発光はｍ軸方向に偏光しており、伝導帯とＢバンドとの遷移Ｅｂによる発光はｃ軸を主面に投影した方向に偏光している。レーザ発振に関して、遷移Ｅａのしきい値は遷移Ｅｂのしきい値よりも小さい。
図２（ｂ）を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１におけるＬＥＤモードにおける光のスペクトルが示されている。ＬＥＤモードにおける光は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向の偏光成分Ｉ１と、六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸を主面に投影した方向の偏光成分Ｉ２を含み、偏光成分Ｉ１は偏光成分Ｉ２よりも大きい。偏光度ρは（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）によって規定される。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器を用いて、ＬＥＤモードにおいて大きな発光強度のモードの光をレーザ発振させることができる。
図３に示されるように、第１及び第２の割断面２７、２９の少なくとも一方、又はそれぞれに設けられた誘電体多層膜４３ａ、４３ｂを更に備えることができる。破断面２７、２９にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
図３（ｂ）に示されるように、活性層２５からのレーザ光Ｌは六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に偏光している。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１において、低しきい値電流を実現できるバンド遷移は偏光性を有する。レーザ共振器のための第１及び第２の割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。しかしながら、第１及び第２の割断面２７、２９は共振器のための,ミラーとしての平坦性、垂直性を有する。これ故に、第１及び第２の割断面２７、２９とこれらの割断面２７、２９間に延在するレーザ導波路とを用いて、図３（ｂ）に示されるように、ｃ軸を主面に投影した方向に偏光する遷移Ｅｂの発光よりも強い遷移Ｅａの発光を利用して低しきい値のレーザ発振が可能になる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１及び第２の割断面２７、２９の各々には、支持基体１７の端面１７ｃ及び半導体領域１９の端面１９ｃが現れており、端面１７ｃ及び端面１９ｃは誘電体多層膜４３ａで覆われている。支持基体１７の端面１７ｃ及び活性層２５における端面２５ｃの法線ベクトルＮＡと活性層２５のａ軸ベクトルＡＡとの成す角度ＢＥＴＡは、III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される第１平面Ｓ１において規定される成分（ＢＥＴＡ）１と、第１平面Ｓ１（理解を容易にするために図示しないが「Ｓ１」として参照する）及び法線軸ＮＸに直交する第２平面Ｓ２（理解を容易にするために図示しないが「Ｓ２」として参照する）において規定される成分（ＢＥＴＡ）２とによって規定される。成分（ＢＥＴＡ）１は、III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される第１平面Ｓ１において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲であることが好ましい。この角度範囲は、図４において、代表的なａ面ＳＡと参照面ＦＭとの成す角度として示されている。代表的なａ面ＳＡが、理解を容易にするために、図４において、レーザ構造体の内側から外側にわたって描かれている。参照面ＦＭは、活性層２５の端面２５ｃに沿って延在する。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｃ軸及びａ軸の一方から他方に取られる角度ＢＥＴＡに関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。また、成分（ＢＥＴＡ）２は第２平面Ｓ２において−５度以上＋５度以下の範囲であることが好ましい。ここで、ＢＥＴＡ２＝（ＢＥＴＡ）１ ２＋（ＢＥＴＡ）２ ２である。このとき、III族窒化物半導体レーザ素子１１の端面２７、２９は、半極性面１７ａの法線軸ＮＸに垂直な面において規定される角度に関して上記の垂直性を満たす。
再び図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の厚さＤＳＵＢは４００μｍ以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために好適である。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の厚さＤＳＵＢは５０μｍ以上１００μｍ以下であることが更に好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために更に好適である。また、ハンドリングが容易になり、生産歩留まりを向上させることができる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは４５度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１３５度以下であることが好ましい。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がａ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、更に好ましくは、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは５９度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１２１度以下であることが好ましい。５９度未満及び１２１度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、ａ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
半極性主面１７ａは、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかであることができる。更に、これらの面から−４度以上＋４度以下の範囲で微傾斜した面も前記主面として好適である。これら典型的な半極性面１７ａにおいて、当該III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性の第１及び第２の端面２７、２９を提供できる。また、これらの典型的な面方位にわたる角度の範囲において、十分な平坦性及び垂直性を示す端面が得られる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の積層欠陥密度は１×１０４ｃｍ−１以下であることができる。積層欠陥密度が１×１０４ｃｍ−１以下であるので、偶発的な事情により割断面の平坦性及び／又は垂直性が乱れる可能性が低い。また、支持基体１７は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な端面２７、２９を得ることができる。ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ基板を用いるとき、偏光度を大きくでき、また低屈折率により光閉じ込めを強化できる。ＩｎＧａＮ基板を用いるとき、基板と発光層との格子不整合率を小さくでき、結晶品質を向上できる。
図５は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図６（ａ）を参照すると、基板５１が示されている。工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体レーザ素子の作製のための基板５１を準備する。基板５１の六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸（ベクトルＶＣ）は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸方向（ベクトルＶＡ）に法線軸ＮＸに対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。これ故に、基板５１は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面５１ａを有する。
工程Ｓ１０２では、基板生産物ＳＰを形成する。図６（ａ）では、基板生産物ＳＰはほぼ円板形の部材として描かれているけれども、基板生産物ＳＰの形状はこれに限定されるものではない。基板生産物ＳＰを得るために、まず、工程Ｓ１０３では、レーザ構造体５５を形成する。レーザ構造体５５は、半導体領域５３及び基板５１とを含んでおり、工程Ｓ１０３では、半導体領域５３は半極性主面５１ａ上に形成される。半導体領域５３を形成するために、半極性主面５１ａ上に、第１導電型の窒化ガリウム系半導体領域５７、発光層５９、及び第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域６１を順に成長する。窒化ガリウム系半導体領域５７は例えばｎ型クラッド層を含み、窒化ガリウム系半導体領域６１は例えばｐ型クラッド層を含むことができる。発光層５９は窒化ガリウム系半導体領域５７と窒化ガリウム系半導体領域６１との間に設けられ、また活性層、光ガイド層及び電子ブロック層等を含むことができる。窒化ガリウム系半導体領域５７、発光層５９、及び第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域６１は、半極性主面５１ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。これらの半導体層はエピタキシャル成長される。半導体領域５３上は、絶縁膜５４で覆われている。絶縁膜５４は例えばシリコン酸化物からなる。絶縁膜５４の開口５４ａを有する。開口５４ａは例えばストライプ形状を成す。
工程Ｓ１０４では、レーザ構造体５５上に、アノード電極５８ａ及びカソード電極５８ｂが形成される。また、基板５１の裏面に電極を形成する前に、結晶成長に用いた基板の裏面を研磨して、所望の厚さＤＳＵＢの基板生産物ＳＰを形成する。電極の形成では、例えばアノード電極５８ａが半導体領域５３上に形成されると共に、カソード電極５８ｂが基板５１の裏面（研磨面）５１ｂ上に形成される。アノード電極５８ａはＸ軸方向に延在し、カソード電極５８ｂは裏面５１ｂの全面を覆っている。これらの工程により、基板生産物ＳＰが形成される。基板生産物ＳＰは、第１の面６３ａと、これに反対側に位置する第２の面６３ｂとを含む。半導体領域５３は第１の面６３ａと基板５１との間に位置する。
工程Ｓ１０５では、図６（ｂ）に示されるように、基板生産物ＳＰの第１の面６３ａをスクライブする。このスクライブは、レーザスクライバ１０ａを用いて行われる。スクライブによりスクライブ溝６５ａが形成される。図６（ｂ）では、５つのスクライブ溝が既に形成されており、レーザビームＬＢを用いてスクライブ溝６５ｂの形成が進められている。スクライブ溝６５ａの長さは、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面と第１の面６３ａとの交差線ＡＩＳの長さよりも短く、交差線ＡＩＳの一部分にレーザビームＬＢの照射が行われる。レーザビームＬＢの照射により、特定の方向に延在し半導体領域に到達する溝が第１の面６３ａに形成される。スクライブ溝６５ａは例えば基板生産物ＳＰの一エッジに形成されることができる。
工程Ｓ１０６では、図６（ｃ）に示されるように、基板生産物ＳＰの第２の面６３ｂへの押圧により基板生産物ＳＰの分離を行って、基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。押圧は、例えばブレード６９といったブレイキング装置を用いて行われる。ブレード６９は、一方向に延在するエッジ６９ａと、エッジ６９ａを規定する少なくとも２つのブレード面６９ｂ、６９ｃを含む。また、基板生産物ＳＰ１の押圧は支持装置７１上において行われる。支持装置７１は、支持面７１ａと凹部７１ｂとを含み、凹部７１ｂは一方向に延在する。凹部７１ｂは、支持面７１ａに形成されている。基板生産物ＳＰ１のスクライブ溝６５ａの向き及び位置を支持装置７１の凹部７１ｂの延在方向に合わせて、基板生産物ＳＰ１を支持装置７１上において凹部７１ｂに位置決めする。凹部７１ｂの延在方向にブレイキング装置のエッジの向きを合わせて、第２の面６３ｂに交差する方向からブレイキング装置のエッジを基板生産物ＳＰ１に押し当てる。交差方向は好ましくは第２の面６３ｂにほぼ垂直方向である。これによって、基板生産物ＳＰの分離を行って、基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。押し当てにより、第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂを有するレーザバーＬＢ１が形成され、これらの端面６７ａ、６７ｂは少なくとも発光層の一部は半導体レーザの共振ミラーに適用可能な程度の垂直性及び平坦性を有する。
形成されたレーザバーＬＢ１は、上記の分離により形成された第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂを有し、端面６７ａ、６７ｂの各々は、第１の面６３ａから第２の面６３ｂにまで延在する。これ故に、端面６７ａ、６７ｂは、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、ＸＺ面に交差する。このＸＺ面は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面に対応する。
この方法によれば、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に基板生産物ＳＰの第１の面６３ａをスクライブした後に、基板生産物ＳＰの第２の面６３ｂへの押圧により基板生産物ＳＰの分離を行って、新たな基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。これ故に、ａ−ｎ面に交差するように、レーザバーＬＢ１に第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂが形成される。この端面形成によれば、第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂに当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性が提供される。
また、この方法では、形成されたレーザ導波路は、六方晶系III族窒化物のｃ軸の傾斜の方向に延在している。ドライエッチング面を用いずに、このレーザ導波路を提供できる共振器ミラー端面を形成している。
この方法によれば、基板生産物ＳＰ１の割断により、新たな基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１が形成される。工程Ｓ１０７では、押圧による分離を繰り返して、多数のレーザバーを作製する。この割断は、レーザバーＬＢ１の割断線ＢＲＥＡＫに比べて短いスクライブ溝６５ａを用いて引き起こされる。
工程Ｓ１０８では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂに誘電体多層膜を形成して、レーザバー生産物を形成する。工程Ｓ１０９では、このレーザバー生産物を個々の半導体レーザのチップに分離する。
本実施の形態に係る製造方法では、角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲であることができる。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がａ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。更に好ましくは、角度ＡＬＰＨＡは、５９度以上８０度以下の範囲であることができ、また、角度ＡＬＰＨＡは、１００度以上１２１度以下の範囲であることができる。５９度未満及び１２１度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、ａ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。半極性主面５１ａは、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかであることができる。更に、これらの面から−４度以上＋４度以下の範囲で微傾斜した面も前記主面として好適である。これら典型的な半極性面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性でレーザ共振器のための端面を提供できる。
また、基板５１は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、レーザ共振器として利用可能な端面を得ることができる。基板５１は好ましくはＧａＮからなる。
基板生産物ＳＰを形成する工程Ｓ１０４において、結晶成長に使用された半導体基板は、基板厚が４００μｍ以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、第２の面６３ｂが研磨により形成された加工面であることができる。この基板厚では、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性又はイオンダメージの無い端面６７ａ、６７ｂを歩留まりよく形成できる。第２の面６３ｂが研磨により形成された研磨面であり、研磨されて基板厚が１００μｍ以下であれば更に好ましい。また、基板生産物ＳＰを比較的容易に取り扱うためには、基板厚が５０μｍ以上であることが好ましい。
本実施の形態に係るレーザ端面の製造方法では、レーザバーＬＢ１においても、図３を参照しながら説明された角度ＢＥＴＡが規定される。レーザバーＬＢ１では、角度ＢＥＴＡの成分（ＢＥＴＡ）１は、III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される第１平面（図３を参照した説明における第１平面Ｓ１に対応する面）において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲であることが好ましい。レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂは、ｃ軸及びａ軸の一方から他方に取られる角度ＢＥＴＡの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。また、角度ＢＥＴＡの成分（ＢＥＴＡ）２は、第２平面（図３に示された第２平面Ｓ２に対応する面）において−５度以上＋５度以下の範囲であることが好ましい。このとき、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂは、半極性面５１ａの法線軸ＮＸに垂直な面において規定される角度ＢＥＴＡの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。
端面６７ａ、６７ｂは、半極性面５１ａ上にエピタキシャルに成長された複数の窒化ガリウム系半導体層への押圧によるブレイクによって形成される。半極性面５１ａ上へのエピタキシャル膜であるが故に、端面６７ａ、６７ｂは、これまで共振器ミラーとして用いられてきたｃ面、ｍ面、又はａ面といった低面指数のへき開面ではない。しかしながら、半極性面５１ａ上へのエピタキシャル膜の積層のブレイクにおいて、端面６７ａ、６７ｂは、共振器ミラーとして適用可能な平坦性及び垂直性を有する。
（実施例１）
以下の通り、半極性面ＧａＮ基板を準備し、割断面の垂直性を観察した。基板には、ＨＶＰＥ法で厚く成長した（０００１）ＧａＮインゴットからａ軸方向に７３度の角度で切り出した｛１１−２１｝面ＧａＮ基板を用いた。ＧａＮ基板の主面は鏡面仕上げであり、裏面は研削仕上げされた梨地状態であった。基板の厚さは３７０μｍであった。
梨地状態の裏面側に、ダイヤモンドペンを用いて、ｃ軸を基板主面に投影した方向に垂直にケガキ線を入れた後、押圧して基板を割断した。得られた割断面の垂直性を観察するため、走査型電子顕微鏡を用いてｍ面方向から基板を観察した。
図７（ａ）は、割断面をｍ面方向から観察した走査型電子顕微鏡像であり、右側の端面が割断面である。割断面は半極性主面に対して、平坦性及び垂直性を有する領域が存在することがわかる。基板を薄く研磨して、スクライブ方法を改善することで、平坦性及び垂直性を向上した端面をレーザダイオードに適用できる。
（実施例２）
実施例１では、半極性｛１１−２１｝面を有するＧａＮ基板において、ｃ軸を基板主面に投影した方向に垂直にケガキ線を入れて押圧して得た割断面は、基板主面に対して平坦性及び垂直性を有することがわかった。そこでこの割断面をレーザの共振器としての有用性を調べるため、以下の通り、図８に示されるレーザーダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）を用いた。基板７１を準備した。基板７１には、ＨＶＰＥ法で厚く成長した（０００１）ＧａＮインゴットからａ軸方向に０度から９０度の範囲の角度でウェハスライス装置を用いて切り出し、ａ軸方向へのｃ軸の傾斜角度ＡＬＰＨＡが、０度から９０度の範囲の所望のオフ角を有するＧａＮ基板を作製した。例えば、７３度の角度で切り出したとき、｛１１−２１｝面ＧａＮ基板が得られ、図７（ｂ）に示される六方晶系の結晶格子において参照符号７１ａによって示されている。
成長前に、基板の積層欠陥密度を調べるため、カソードルミネッセンス法によって、基板を観察した。カソードルミネッセンスでは、電子線によって励起されたキャリアの発光過程を観察するが、積層欠陥が存在すると、その近傍ではキャリアが非発光再結合するので、暗線状に観察される。その暗線の単位長さあたりの密度（線密度）を求め、積層欠陥密度と定義した。ここでは、積層欠陥密度を調べるために、非破壊測定のカソードルミネッセンス法を用いたが、破壊測定の透過型電子顕微鏡を用いてもよい。透過型電子顕微鏡では、ｍ軸方向から試料断面を観察したとき、基板から試料表面に向かってａ軸方向に伸びる欠陥が、支持基体に含まれる積層欠陥であり、カソードルミネッセンス法の場合と同様に、積層欠陥の線密度を求めることができる。
この基板７１を反応炉内のサセプタ上に配置した後に、以下の成長手順でエピタキシャル層を成長した。まず、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＮ７２を成長した。次に、厚さ１２００ｎｍのｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７３を成長した。引き続き、厚さ２００ｎｍのｎ型ＧａＮガイド層７４ａ及び厚さ６５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮガイド層７４ｂを成長した後に、ＧａＮ厚さ１５ｎｍ／ＩｎＧａＮ厚さ３ｎｍから構成される３周期ＭＱＷ７５を成長した。続いて、厚さ６５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮガイド層７６ａ、厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮブロック層７７及び厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＮガイド層７６ｂを成長した。次に、厚さ４００ｎｍのｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７７を成長した。最後に、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層７８を成長した。
ＳｉＯ２の絶縁膜７９をコンタクト層７８上に成膜した後に、フォトリソグラフィを用いて幅１０μｍのストライプ窓をウェットエッチングにより形成した。ここで、以下の２通りにストライプ方向のコンタクト窓を形成した。レーザストライプが（１）Ａ方向（コンタクト窓がｃ軸及びａ軸によって規定される所定の面に沿った方向）のものと、（２）Ｍ方向：＜１−１００＞方向、のものである。
ストライプ窓を形成した後に、Ｎｉ／Ａｕから成るｐ側電極８０ａとＴｉ／Ａｌから成るパッド電極を蒸着した。次いで、ＧａＮ基板（ＧａＮウエハ）の裏面をダイヤモンドスラリーを用いて研磨し、裏面がミラー状態の基板生産物を作製した。このとき、接触式膜厚計を用いて基板生産物の厚みを測定した。厚みの測定には、試料断面からの顕微鏡によっても行っても良い。顕微鏡には、光学顕微鏡や、走査型電子顕微鏡を用いることができる。ＧａＮ基板（ＧａＮウエハ）の裏面（研磨面）にはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成るｎ側電極８０ｂを蒸着により形成した。
これら２種類のレーザストライプに対する共振器ミラーの作製には、波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザを用いるレーザスクライバを用いた。レーザスクライバを用いてブレイクした場合には、ダイヤモンドスクライブを用いた場合と比較して、発振チップ歩留まりを向上させることが可能である。スクライブ溝の形成条件として以下のものを用いた：レーザ光出力１００ｍＷ；走査速度は５ｍｍ／ｓ。形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ３０μｍ、幅１０μｍ、深さ４０μｍの溝であった。８００μｍピッチで基板の絶縁膜開口箇所を通してエピ表面に直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を形成した。共振器長は６００μｍとした。
ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。基板裏側に押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製した。より具体的に、｛１１−２１｝面のＧａＮ基板について、結晶方位と割断面との関係を示したものが、図７（ｂ）と図７（ｃ）である。図７（ｂ）はレーザストライプを（１）Ａ方向に設けた場合であり、半極性面７１ａと共にレーザ共振器のための端面８１ａ、８１ｂが示される。端面８１ａ、８１ｂは半極性面７１ａにほぼ直交しているが、従来のｃ面、ｍ面又はａ面等のこれまでのへき開面とは異なる。図７（ｃ）はレーザストライプを（２）＜１−１００＞方向に設けた場合であり、半極性面７１ａと共にレーザ共振器のための端面８１ｃ、８１ｄが示される。端面８１ｃ、８１ｄは半極性面７１ａにほぼ直交しており、ｍ面から構成される。
ブレイクによって形成された割断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、（１）および（２）のそれぞれにおいて、顕著な凹凸は観察されなかった。このことから、割断面の平坦性（凹凸の大きさ）は、２０ｎｍ以下と推定される。更に、割断面の試料表面に対する垂直性は、±５度の範囲内であった。
レーザバーの端面に真空蒸着法によって誘電体多層膜をコーティングした。誘電体多層膜は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層して構成した。膜厚はそれぞれ、５０〜１００ｎｍの範囲で調整して、反射率の中心波長が５００〜５３０ｎｍの範囲になるように設計した。片側の反射面を１０周期とし、反射率の設計値を約９５％に設計し、もう片側の反射面を６周期とし、反射率の設計値を約８０％とした。
通電による評価を室温にて行った。電源には、パルス幅５００ｎｓ、デューティ比０．１％のパルス電源を用い、表面電極に針を落として通電した。光出力測定の際には、レーザバー端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を調べた。発光波長を測定する際には、レーザバー端面からの発光を光ファイバに通し、検出器にスペクトルアナライザを用いてスペクトル測定を行った。偏光状態を調べる際には、レーザバーからの発光に偏光板を通して回転させることで、偏光状態を調べた。ＬＥＤモード光を観測する際には、光ファイバをレーザバー表面側に配置することで、表面から放出される光を測定した。
全てのレーザで発振後の偏光状態を確認した結果、ｍ軸方向に偏光していることがわかった。発振波長は５００〜５３０ｎｍであった。
全てのレーザでＬＥＤモード（自然放出光）の偏光状態を測定した。ｍ軸の方向の偏光成分をＩ１、ｃ軸を主面に投影した方向の偏光成分をＩ２とし、（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）を偏光度ρと定義した。こうして、求めた偏光度ρとしきい値電流密度の最小値の関係を調べた結果、図９が得られた。図９から、偏光度が正の場合に、（１）レーザストライプＡ方向のレーザでは、しきい値電流密度が大きく低下することがわかる。すなわち、偏光度が正（Ｉ１＞Ｉ２）で、かつオフ方向に導波路を設けた場合に、しきい値電流密度が大幅に低下することがわかる。
図９に示されたデータは以下のものである。
しきい値電流 しきい値電流
偏光度、（Ａ方向ストライプ）、（＜１−１００＞ストライプ）
−0.15 58 30
0.05 30 45
0.23 20 60
0.35 15
ＧａＮ基板のａ軸方向へのｃ軸の傾斜角と発振歩留まりとの関係を調べた結果、図１０が得られた。本実施例では、発振歩留まりについては、（発振チップ数）／（測定チップ数）と定義した。また、図１０は、基板の積層欠陥密度が１×１０４（ｃｍ−１）以下の基板であり、かつレーザストライプが（１）Ａ方向のレーザにおいて、プロットしたものである。図１０から、オフ角が４５度以下では、発振歩留まりが極めて低いことがわかる。端面状態を光学顕微鏡で観察した結果、４５度より小さい角度では、ほとんどのチップでａ面が出現し、垂直性が得られないことがわかった。また、オフ角が５９度以上８０度以下の範囲では、垂直性が向上し、発振歩留まりが５０％以上に増加することがわかる。これらの事実から、ＧａＮ基板のオフ角度の範囲は、５９度以上８０度以下が最適である。なお、この結晶的に等価な端面を有することになる角度範囲である、１００度以上１２１度以下の範囲でも、同様の結果が得られる。
図１０に示されたデータは以下のものである。
傾斜角、歩留まり
0
10 0.1
39 0.2
58 40
60 58
66 65
73 70
75 65
79 60
85 35
90 30
積層欠陥密度と発振歩留まりとの関係を調べた結果、図１１が得られた。発振歩留まりの定義については、上記と同様である。図１１から、積層欠陥密度が１×１０４（ｃｍ−１）を超えると急激に発振歩留まりが低下することがわかる。また、端面状態を光学顕微鏡で観察した結果、発振歩留まりが低下したサンプルでは、端面の凹凸が激しく平坦な割断面が得られていないことがわかった。積層欠陥の存在によって、割れ易さに違いが出たことが原因と考えられる。このことから、基板に含まれる積層欠陥密度が１×１０４（ｃｍ−１）以下である必要がある。
図１１に示されたデータは以下のものである。
積層欠陥密度（ｃｍ−１）、歩留まり
500 63
1000 65
4000 60
8000 55
10000 10
50000 1
基板厚みと発振歩留まりとの関係を調べた結果、図１２が得られた。発振歩留まりの定義については、上記と同様である。また、図１２では、基板の積層欠陥密度１×１０４（ｃｍ−１）以下であり、かつレーザストライプが（１）Ａ方向のレーザにおいて、プロットした。図１２から、基板厚みが１００μｍよりも薄く５０μｍよりも厚いときに、発振歩留まりが高い。これは、基板厚みが１００μｍよりも厚いと、割断面の垂直性が悪化することによる。また、５０μｍよりも薄いと、ハンドリングが困難で、チップが破壊され易くなることによる。これらのことから、基板の厚みは、５０μｍ以上１００μｍ以下が最適である。
図１２に示されたデータは以下のものである。
基板厚、歩留まり
44 12
82 55
90 65
110 45
150 40
210 20
400 10
（実施例３）
実施例２では、｛１１−２１｝面を有するＧａＮ基板上に、半導体レーザのための複数のエピタキシャル膜を成長した。上記のように、スクライブ溝の形成と押圧とによって光共振器用の端面が形成された。これらの端面の候補を見いだすために、（１１−２１）面に９０度近傍の角度を成し、ａ面とは異なる面方位を計算により求めた。図１３を参照すると、以下の角度及び面方位が、（１１−２１）面に対して９０度近傍の角度を有する。
具体的な面指数、｛１１−２１｝面に対する角度
（−１−１２ ９）： ９２．７７度；
（−１−１２ １０）： ９０．９２度；
（−１−１２ １１）： ８９．３７度；。
このような指数で表される面指数が端面に現れたと考えられる。
（ａ１、ａ２、ａ２、ｃ）という記法を採用したとき、
面方位（−１−１２ ９）は、ａ１＝−１、ａ２＝−１、ａ２＝２、ｃ＝９；
面方位（−１−１２ １０）は、ａ１＝−１、ａ２＝−１、ａ３＝２、ｃ＝１０；
面方位（−１−１２ １１）は、ａ１＝−１、ａ２＝−１、ａ３＝２、ｃ＝１１；
である。
上記の実施例１〜３を含めた様々な実験によって、角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲であることができる。発振チップ歩留を向上させるためには、角度ＡＬＰＨＡは、５９度以上８０度以下及び１００度以上１２１度以下の範囲であることができる。典型的な半極性主面、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２１｝面のいずれかであることができる。更に、これらの半極性面からの微傾斜面であることができる。
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。
１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１の面、１３ｂ…第２の面、１３ｃ、１３ｄ…エッジ、１５…電極、１７…支持基体、１７ａ…半極性主面、１７ｂ…支持基体裏面、１７ｃ…支持基体端面、１９…半導体領域、１９ａ…半導体領域表面、１９ｃ…半導体領域端面、２１…第１のクラッド層、２３…第２のクラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７、２９…割断面、ＡＬＰＨＡ…角度、Ｓｃ…ｃ面、ＮＸ…法線軸、３１…絶縁膜、３１ａ…絶縁膜開口、３５…ｎ側光ガイド層、３７…ｐ側光ガイド層、３９…キャリアブロック層、４１…電極、４３ａ、４３ｂ…誘電体多層膜、ＡＡ…ａ軸ベクトル、ＢＥＴＡ…角度、ＤＳＵＢ…支持基体厚さ、５１…基板、５１ａ…半極性主面、ＳＰ…基板生産物、５７…窒化ガリウム系半導体領域、５９…発光層、６１…窒化ガリウム系半導体領域、５３…半導体領域、５４…絶縁膜、５４ａ…絶縁膜開口、５５…レーザ構造体、５８ａ…アノード電極、５８ｂ…カソード電極、６３ａ…第１の面、６３ｂ…第２の面、１０ａ…レーザスクライバ、６５ａ…スクライブ溝、６５ｂ…スクライブ溝、ＬＢ…レーザビーム、ＳＰ１…基板生産物、ＬＢ１…レーザバー、６９…ブレード、６９ａ…エッジ、６９ｂ、６９ｃ…ブレード面、７１…支持装置、７１ａ…支持面、７１ｂ…凹部

Claims (25)

  1. III族窒化物半導体レーザ素子であって、
    六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、
    前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極と
    を備え、
    前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
    前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
    前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
    前記支持基体の前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜しており、
    前記レーザ構造体は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び前記法線軸によって規定されるａ−ｎ面に交差する第１及び第２の割断面を含み、
    当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器は前記第１及び第２の割断面を含み、
    前記レーザ構造体は第１及び第２の面を含み、前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、
    前記第１及び第２の割断面は、それぞれ前記第１の面のエッジから前記第２の面のエッジまで延在する、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。
  2. 前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度は、４５度以上８０度以下又は１００度以上１３５度以下の範囲である、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素子。
  3. 前記法線軸と前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度は、５９度以上８０度以下又は１００度以上１２１度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  4. 前記支持基体の厚さは４００μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  5. 前記支持基体の厚さは、５０μｍ以上１００μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  6. 前記活性層からのレーザ光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に偏光している、ことを特徴とする請求項１〜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素子。
  7. 当該III族窒化物半導体レーザ素子におけるＬＥＤモードにおける光は、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に偏光成分Ｉ１と、前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸を主面に投影した方向に偏光成分Ｉ２を含み、
    前記偏光成分Ｉ１は前記偏光成分Ｉ２よりも大きい、ことを特徴とする請求項１〜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素子。
  8. 前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかの面から−４度以上＋４度以下の範囲でオフした微傾斜面である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  9. 前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかである、ことを特徴とする請求項１〜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素子。
  10. 前記支持基体の積層欠陥密度は１×１０４ｃｍ−１以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  11. 前記支持基体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  12. 前記第１及び第２の割断面の少なくともいずれか一方に設けられた誘電体多層膜を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  13. 前記活性層は、波長３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた発光領域を含む、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素子。
  14. 前記活性層は、波長４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含む、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素子。
  15. 前記第１及び第２の割断面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、
    前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のａ軸に直交する基準面との成す角度は、前記III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される第１平面において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲の角度を成す、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素子。
  16. 前記角度は、前記第１平面及び前記法線軸に直交する第２平面において−５度以上＋５度以下の範囲になる、ことを特徴とする請求項１５に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  17. III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
    六方晶系III族窒化物半導体からなり半極性主面を有する基板を準備する工程と、
    前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、
    前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に前記基板生産物の第１の面を部分的にスクライブする工程と、
    前記基板生産物の第２の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、別の基板生産物及びレーザバーを形成する工程と
    を備え、
    前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、
    前記半導体領域は前記第１の面と前記基板との間に位置し、
    前記レーザバーは、前記第１の面から前記第２の面にまで延在し前記分離により形成された第１及び第２の端面を有し、
    前記第１及び第２の端面は当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、
    前記アノード電極及びカソード電極は、前記レーザ構造体上に形成され、
    前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
    前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
    前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
    前記基板の前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に前記法線軸に対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜しており、
    前記第１及び第２の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び前記法線軸によって規定されるａ−ｎ面に交差する、ことを特徴とする方法。
  18. 前記角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下又は１００度以上１３５度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１７に記載された方法。
  19. 前記角度ＡＬＰＨＡは、５９度以上８０度以下又は１００度以上１２１度以下の範囲である、ことを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載された方法。
  20. 前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが４００μｍ以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、
    前記第２の面は前記加工により形成された加工面、又は前記加工面上に形成された電極を含む面である、ことを特徴とする請求項１７〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
  21. 前記基板生産物を形成する前記工程において、前記基板は、前記基板の厚さが５０μｍ以上１００μｍ以下になるように研磨され、
    前記第２の面は前記研磨により形成された研磨面、又は前記研磨面上に形成された電極を含む面である、ことを特徴とする請求項１７〜請求項２０のいずれか一項に記載された方法。
  22. 前記スクライブは、レーザスクライバを用いて行われ、
    前記スクライブによりスクライブ溝が形成され、前記スクライブ溝の長さは、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び前記法線軸によって規定されるｍ−ｎ面と前記第１の面との交差線の長さよりも短い、ことを特徴とする請求項１７〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
  23. 前記半極性主面は、｛１１−２２｝面、｛１１−２１｝面、｛１１−２−２｝面、及び｛１１−２−１｝面のいずれかである、ことを特徴とする請求項１７〜請求項２２のいずれか一項に記載された方法。
  24. 前記第１及び第２の端面の各々における前記活性層の端面は、前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のａ軸に直交する基準面に対して、前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸及びａ軸によって規定される平面において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲の角度を成す、ことを特徴とする請求項１７〜請求項２３のいずれか一項に記載された方法。
  25. 前記基板は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる、ことを特徴とする請求項１７〜請求項２４のいずれか一項に記載された方法。
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