JP2011086778A - 窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制する窒化物半導体レーザを提供する。
【解決手段】本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸構造を有するｎ−ＧａＮ基板１０１と、前記ｎ−ＧａＮ基板１０１上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２とを備え、前記ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、前記凸構造の上面中央部に接する組成比一定層１０２ａと、前記凸構造の上面から伸びる角に接して形成され、前記組成比一定層１０２ａのＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザ装置に関し、特に窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。

現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）を代表とし、一般式がＩｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される、III族元素であるアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）と、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とからなるIII−Ｖ族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体が注目を集めている。例えば、光デバイスに関しては、窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が、大型ディスプレイ装置及び信号機等の要素として用いられている。また、窒化物半導体を用いたＬＥＤと蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤも一部商品化されており、将来的に発光効率が改善されれば、現状の照明装置に置き換わることも期待されている。

一方、窒化物半導体を用いた青紫色〜純緑色領域の半導体レーザ装置も、非常に盛んに研究開発が行われている。青紫色半導体レーザ装置は、従来のＣＤ及びＤＶＤ等の光ディスクに用いられている赤色域や赤外域の光を発光する半導体レーザ装置と比べて、光ディスク上におけるスポット径を小さくすることが可能であるため、光ディスクの記録密度を向上させることが可能である。また、発光波長が４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの純青色レーザ装置及び、５２５ｎｍ〜５３５ｎｍの純緑色レーザ装置は、レーザディスプレイ及び液晶のバックライト用途として利用でき、従来のディスプレイよりも色再現性が非常に高いディスプレイを実現することが可能である。

これら窒化物半導体レーザ装置において、特に純青色、純緑色レーザでは発振閾値電流が非常に高い為、未だ製品化されていない。これは、レーザの発振閾値を決めるのに非常に重要な光閉じ込めが十分でないためである。光閉じ込めを高くするためには、ガイド層とクラッド層との屈折率差を大きくすることである。これを実現するには、クラッド層を構成しているＡｌＧａＮのＡｌ組成を高くする必要がある。しかしながら、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を高くすることにより、ＧａＮ基板との格子定数差が大きくなる。そのため、クラッド層における歪み及びクラックが発生し、窒化物半導体レーザ装置の発振閾値電流及び、歩留まりに大きな影響を与える。

そこで、基板表面に凹部である溝及び凸部である丘が形成されたＧａＮ基板を用い、その上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層を成長させることで屈折率差を大きくすることが可能な高Ａｌ組成クラッド層を実現し、なおかつＡｌＧａＮクラッド層に掛かっている歪みを開放し、クラックを低減する方法が開発された（例えば、特許文献１参照）。この方法を使用することで、ＧａＮ基板とその上に形成されるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層の格子不整合が原因で発生するクラック及び歪みを抑制し、窒化物系半導体レーザ装置の歩留まりの改善を図ることができる。

図５は、この従来の窒化物系半導体レーザ装置の断面図である。この窒化物系半導体レーザ装置においては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）により、窒化物半導体基板であるｎ−ＧａＮ基板１上にストライプ状の凸構造を形成し、その（０００１）面を有するｎ−ＧａＮ基板１上にＡｌ_0.01Ｇａ_0.09Ｎバッファー層２、ｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.093Ｎクラッド層３、ｕｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層４、ＩｎＧａＮ活性層５、ｕｎ−ＩｎＧａＮからなるｐ側光ガイド層６、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８、ＩｎＧａＮコンタクト層９を順次成長する。この時、凸構造の側壁面から成長したｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３のＡｌ組成比は、６．６％と凸部上部に形成されるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３のＡｌ組成比７％よりも低くすることが可能となる。

この理由は、ＡｌＧａＮを構成しているＧａがＡｌに比べマイグレーション長が長いためＧａが凸部の側面側へ移動しやすくなるためである。このため、凸構造の側壁面から成長したＡｌ組成６．６％のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３の格子定数がｎ−ＧａＮ基板１の格子定数に近づくので、凸構造の上部に形成したＡｌ組成約７％のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３とｎ−ＧａＮ基板１との間に歪が生じたとしても、その歪が凸構造の側壁面から成長したＡｌ組成約６．６％のＡｌＧａＮ層にて緩和される。これにより高い光閉じ込めを実現しつつ、クラックを抑制させることが可能であると開示されている。

特開２００６−３０３４７１号公報

しかしながら、我々が試みた結果、上記構成の窒化物半導体レーザ装置では、高い光閉じ込めを実現することは可能であるが、凸構造の側壁から成長したクラッド層のＡｌ組成が高いため、クラックを抑制することが可能なほどの歪み緩和を実現することができない。

従って本発明は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制する窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸構造を有するＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ型クラッド層とを備え、前記ｎ型クラッド層は、前記凸構造の上面中央部に接する第１層と、前記凸構造の上面から延びる角に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第２層とを含む。

この構成にすることにより、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックの発生を抑制できる。具体的には、ｎ型クラッド層は、凸構造の中央部上の第１層のＡｌ組成比よりも凸構造の上面から伸びる角に接して形成された第２層のＡｌ組成比が高いため、当該ｎクラッド層上に形成される層との屈折率差を稼ぐことができる。その結果、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、高い光閉じ込めを実現できる。また、この第２層は、ＧａＮ基板の凸構造の上面全体に形成されているわけではない。言い換えると、凸構造の上面中央部上には、第２層よりもＡｌ組成比の低い第１層が形成されている。よって、ｎ型クラッド層に掛かる引っ張り歪を大幅に低減できる。その結果、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、クラックの発生を抑制でき、歩留まりが向上する。

また、前記ｎ型クラッド層は、さらに、前記凸構造の側面に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比を有する第３層を含み、前記第２層は、前記第３層上に形成され、さらに、前記凸構造の上面に接して形成されてもよい。

また、前記第２層のＡｌ組成比は、前記凸構造の中心に向かって漸減してもよい。

この構造にすることにより、ｎ型クラッド層に掛かっている引っ張り歪を更に低減させることができる。

また、前記第２層は、前記凸構造の上面中心線に対して対称に形成されてもよい。

この構造にすることにより、光閉じ込めを一層向上することができると共に、光分布形状を改善することが可能となる。

また、前記凸構造は、上面から下方に広がって形成され、前記凸構造の側面が前記ＧａＮ基板の主面の垂直方向に対して成す角度ｘは、０°＜ｘ＜４０°を満たしてもよい。

この構造にすることにより、ｎ型クラッド層の成長時において、凸構造周辺部にて原料の濃度勾配が発生する。その為、第１層よりもＡｌ組成比の高い第２層を形成することが可能となる。

また、前記凸構造の幅Ｗは、２０≦Ｗ≦５０（μｍ）を満たしてもよい。

この構造にすることにより、高い光閉じ込めを確実に実現し、かつ、クラックを確実に防止できる。

本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制できる。

本発明の一実施の形態における窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 凸部近傍のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を示す図である。 同埋め込み型窒化物半導体レーザ装置の製造方法の工程を示す断面図である。 同製造方法の図３Ａの後の工程を示す断面図である。 同製造方法の図３Ｂの後の工程を示す断面図である。 同製造方法の図３Ｃの後の工程を示す断面図である。 同製造方法の図３Ｄの後の工程を示す断面図である。 ｎ−ＧａＮ基板の構造を示す上面図である。 従来例の窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。

本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸構造を有するＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ型クラッド層とを備え、前記ｎ型クラッド層は、前記凸構造の上面中央部に接する第１層と、前記凸構造の上面から延びる角に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第２層とを含む。これにより、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制することができる。その結果、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、閾値電流特性が向上し、さらには歩留まりが向上する。

以下に、本発明の実施の形態における窒化物半導体レーザ装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態における窒化物半導体レーザ装置の断面構成を示す。

同図に示す窒化物半導体レーザ装置１００は、ストライプ状の凸構造を有する（０００１）面のｎ−ＧａＮ基板１０１、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０５、量子井戸活性層であるＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８、歪量子井戸構造を有するｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９が形成されている。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９は、リッジストライプ構造を有し、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９のリッジストライプ構造の凸部上には、ｐ型ＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１１０を介してｐ−電極１１２が形成されている。また、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９のリッジストライプ構造の凸部以外の上面及び側面にはＳｉＯ₂からなる絶縁膜１１１が形成されている。さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０及び絶縁膜１１１の一部を覆うように、配線電極１１３が形成され、配線電極１１３の上を覆うようにパッド電極１１４が形成されている。さらに、ｎ−ＧａＮ基板１０１のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成されている面と反対側の面である裏面（図１において下面）上には、ｎ−電極１１５が形成されている。

なお、図１において、Ｉ−Ｉ’は、窒化物半導体レーザ装置１００の中心を示す線であり、ｎ−ＧａＮ基板１０１の凸構造の中心及びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９のリッジストライプ構造の凸部の中心と一致する。

ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮから構成され、本発明の第１層である組成比一定層１０２ａと、本発明の第２層である第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂと、本発明の第３層である低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃと、本発明の第２層のＡｌ組成比よりもＡｌ組成比の変化量が大きいＡｌ組成比を有する第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄとを含む。組成比一定層１０２ａは、Ａｌ組成比が一定のＡｌＧａＮから構成され、凸構造の上面中央上に形成されている。第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ上に形成され、さらに、凸構造の上面に接して形成され、凸構造の上面中央に向かってＡｌ組成比が漸減する。また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、凸構造の上面中心線に対して対称に形成されている。低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃは、組成比一定層１０２ａよりも低いＡｌ組成比を有し、凸構造の側面に接して形成されている。なお、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、凸構造の上面において組成比一定層１０２ａに接する領域とは異なる領域に接して形成されている。また、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの下部及びｎ−ＧａＮ基板１０１上に形成されている。

図２は、ｎ−ＧａＮ基板１０１の凸構造近傍のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２のＡｌ組成を示す図である。具体的に同図には、ｎ−ＧａＮ基板１０１の凸構造の段差近傍における、ｎ−ＧａＮ基板１０１と、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２と、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０５とが示されている。

同図に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２において、凸構造の側壁面から低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃが形成されている。ここで、この低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃは、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に対して傾いて形成されている。

また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、この低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの上部及び凸構造の上部に形成されている。言い換えると、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ上に形成され、さらに、凸構造の上面に接して形成されている。この第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃと同様に、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に対して傾いて形成されている。また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比は、凸構造の中央部に向かうにつれ低くなっている。

低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの下部及び、ｎ−ＧａＮ基板１０１上には、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成されている。つまり、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃと、ｎ−ＧａＮ基板１０１との間に形成されている。この第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄのＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂと同様に、凸構造の中央部に向かうにつれ低くなっている。ただし、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄのＡｌ組成比の変化量は、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比の変化量よりも大きい。

次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。

図３Ａ〜図３Ｅは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００の製造方法を説明するための図である。

まず、（０００１）面のｎ−ＧａＮ基板にプラズマＣＶＤ法を用いて厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー及び、フッ酸を用いたエッチングにより、ＳｉＯ₂膜を選択的に除去して、[１０−１０]方向にストライプ状のＳｉＯ₂マスクを形成する。この時、幅は[１１−２０]方向に５０μｍとする。その後、Ｃｌ₂ガスを用いたＩＣＰドライエッチングを行い、ストライプ状のＳｉＯ₂マスクに覆われていない領域を２μｍの深さまでエッチングを行う。その後、フッ酸により、ＳｉＯ₂マスクを除去することにより、図３Ａに示すストライプ状の凸構造を有するｎ−ＧａＮ基板１０１を形成する。また、凸構造の上面の幅は、２０μｍである。

次に、図３Ｂに示すように、凸構造が形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１上に、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２を形成する。例えば、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２の組成は、ｎ−Ａｌ_0.036Ｇａ_0.964Ｎである。このとき、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２には、基板の主面から傾いた第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ及び基板の主面から傾いた第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂよりもＡｌ組成比変化量が大きい第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成される。次に、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０５、ＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８、歪量子井戸構造を有するｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９、及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１０をＭＯＣＶＤ法により順次形成する。

例えば、ＩｎＧａＮ活性層１０６は、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎから成る。また、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８は、ｐ-Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎから成る。また、例えば、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０９は、ｐ-Ａｌ_0.072Ｇａ_0.928／ＧａＮから成る。

この時、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２において、図２に示すように、凸構造の側壁面から低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ（Ａｌ組成：１％）が基板の主面から傾いて形成され、その層の上部に第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ（Ａｌ組成：３．７％〜５％）が基板の主面から傾いて形成される。第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの幅は、凸構造上部の片端から約８μｍ〜１０μｍに渡り、凸構造の中央部に向かって形成されている。また、凸構造の上面中央に接して組成比が一定のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層である組成比一定層１０２ａ（Ａｌ組成：３．６％）が形成されている。

ここで、このｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２において、異なるＡｌ組成比を有する、組成比一定層１０２ａ、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ及び第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成される仕組みについて説明する。

組成比一定層１０２ａ、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ及び第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄにおけるＡｌ組成比の違いは、凸構造中央の上部に成長した組成比一定層１０２ａの積層方向の膜厚と、凸構造の側面から成長した低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの膜厚と、凸構造の側面から成長した低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの下部とｎ−ＧａＮ基板１０１上に形成されている第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄの膜厚との差、すなわち成長速度差によるものである。一般的に、ＡｌＧａＮを構成しているＧａ種はＡｌ種よりも拡散長が長い。このため、凸構造の周辺部に存在するＧａ種は原料拡散により、ダングリングボンド数が（０００１）面よりも多い（１１−２ｘ）面（ｘ：整数）にＧａ種が吸着され、成長速度が速くなる。

その結果、凸構造上面及び下面端部においてＧａ種の急激な濃度勾配が生じ、組成比一定層１０２ａのＡｌ組成比よりもＡｌ組成比が高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成される。また、同時に、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃも形成される。

本実施の形態では、（１１−２ｘ）面（ｘ：整数）におけるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２と、（０００１）面におけるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２との成長速度の比は３以上である。言い換えると、組成比一定層１０２ａの成長速度は、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの成長速度の３倍以上である。

また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃがｎ−ＧａＮ基板１０１の主面から傾いて形成されるメカニズムについても、同様にＧａ種の拡散長によるものと考えられる。具体的には、Ｇａ種の拡散長に対して凸構造の側面から十分離れた領域において、基板の主面方向に成長駆動力が強いため厚膜なｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成される。一方、凸構造の側面近傍の領域において、Ｇａ種の拡散により側面の成長駆動力が強いため、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面方向の成長駆動力が弱く薄膜なｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成される。

これにより、図２の凸構造の底面に示すような山なりのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成される。この性質を利用することにより、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃは、ｎ−ＧａＮ基板の主面から傾けることが可能となる。このときの溝幅は、５０μｍである。また、溝幅は少なくとも２０μｍ以上は必要である。２０μｍ未満にすると、Ｇａの拡散長が長いため、側壁面からの成長のみになり、上記のような構造にすることができなくなる。本実施の形態におけるＧａ種の拡散長は、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの領域幅により見積もることができ、８μｍ〜１０μｍである。

また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ（Ａｌ組成：３．７％〜５％）は、Ａｌ組成が凸構造の中央部に向かうと共にＡｌ組成が低くなっている（５％→３．７％）。これは、凸構造の側面からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２の成長が進むにつれ、原料の濃度勾配が起こる箇所が変化するためである。これにより、図３Ｂに示すようなＶ字型の第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂを形成することができる。言い換えると、凸構造の側面から低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃが成長するにつれ、Ａｌ組成比の濃度勾配が生じる箇所が変化するので、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比は、凸構造の中心に向かって漸減する。つまり、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、凸構造の上面中心線に対して対称に形成されている。この構成により、光閉じ込めが大幅に向上する。

このような結果を引き起こすには、［０００１］方向の成長レート（ａ）と［１１−２０］方向の成長レート（ｂ）の比（ｂ／ａ）を１より大きくすることが必要となる。

成長レート比を１より大きくさせる成長条件として、水素分圧比：０．３以下、Ｖ／ＩＩＩ比：１０００〜３０００、成長温度：１０００〜１２００℃の３項目のうち少なくとも１項目の条件を満たすことが必要である。

水素分圧比に着目すると、０．３以上にした場合、水素エッチング効果により凸構造の側壁面からの成長レートが小さくなり、成長レート比ｂ／ａ＞１の実現が不可能になる。そのため、成長レート比ｂ／ａ＞１を実現するには、水素分圧を０．３より低くすることが好ましい。望ましくは、０．２より低くすることである。これにより、水素エッチング効果をさらに抑制することができるため、成長レート比ｂ／ａ≧３を実現することが可能となる。それにより、図２のような第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの高Ａｌ組成化が可能となる。

また、Ｖ／ＩＩＩ比を１０００以下にすると成長レートが速くなり、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂをより一層高Ａｌ組成化することができる。しかしながら、成長レートが速いため、ＡｌＧａＮの結晶性が低下することによるデバイス特性低下が起こる。また、Ｖ／ＩＩＩ比３０００以上にすると、成長レート低下が起因による結晶性低下が起こる。これによりデバイス特性低下につながる。よって、Ｖ／ＩＩＩ比は、１０００〜３０００の間が好ましい。

また、成長温度を１０００℃より低くすると、Ｇａ原子の再蒸発量が低下し、なおかつＧａのマイグレーション長が長くなる。それにより、凸構造側壁面からの成長レートをさらに速くすることができ、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成をより一層高Ａｌ組成化することが可能となる。しかし、成長レートの増大により凸構造上面から成長した組成比一定層１０２ａの結晶性が低下するため、デバイス特性低下につながる。これにより、成長温度は、１０００℃〜１２００℃が好ましい。

また、凸構造の上面から形成された第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの体積は、凸構造の上面から形成されたｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２全体の体積に対して５０％以下となるように形成することが好ましい。

このように、局所的に第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂをＶ字型に形成することで、光閉じ込めを高めることができると共に、光分布形状を良好にすることが可能となり、しきい電流を大幅に低下させることが可能となる。さらには、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２にかかる引張り歪を低減させることができるため、窒化物半導体レーザ装置１００の歩留まりを向上させることが可能となる。

また、凸構造の側壁面は[０００１]方向に対し５０°より大きく９０°未満が好ましい。言い換えると、凸構造は上面から下方に広がって形成され、凸構造の側面がｎ−ＧａＮ基板１０１の主面の垂直方向に対して成す角度ｘは、０°＜ｘ＜４０°を満たす事が好ましい。角度が大きくなり過ぎると、側壁面の成長レートが遅くなるため、原料の濃度勾配が小さくなる。その結果、Ａｌ組成比が高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂが小さくなると共に、Ａｌ組成比が高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成が低くなってしまう。

また、本実施の形態における凸構造の幅は、図２に示すように、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの幅が片側で約８μｍであることから、２０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。凸構造の幅が２０μｍより狭い場合、高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂが凸構造上面に一様に形成される。つまり、凸構造の上面全体に高Ａｌ組成比を有する層が形成される。この場合、クラッド層に掛かる引張り歪が大きくなるため、微細クラックが発生するリスクがある。更には、凸部側壁から成長した低Ａｌ組成層による光閉じ込め低下が懸念される。また、凸構造の幅が５０μｍより広い場合、屈折率変調効果が小さくなることによる光閉じ込め量が小さくなる。このため、閾値電流の増加に繋がるリスクがある。つまり、凸構造の幅を２０μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、高い光閉じ込めを確実に実現し、かつ、クラックを確実に防止できる。

図４は、ｎ−ＧａＮ基板１０１の上面図である。なお、同図におけるＡ−Ａ’断面における断面図が図３Ａである。上述したように、凸構造の幅Ｗ１は、２０≦Ｗ≦５０（μｍ）を満たすことが好ましい。また、凹構造である溝部の幅Ｗ２は、Ｗ２≧２０（μｍ）を満たすことが好ましい。

上述したようにｐ−ＧａＮコンタクト層１１０までを形成した後、図３Ｃに示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー及び、フッ酸を用いたエッチングにより、ＳｉＯ₂膜を選択的に除去して、幅１．５μｍのストライプ状のＳｉＯ₂マスクを形成する。その後、Ｃｌ₂ガスを用いたＩＣＰドライエッチングを行い、ストライプ状のＳｉＯ₂マスクに覆われていない領域を０．３５μｍの深さまでエッチングをする。これにより、幅が１．５μｍのリッジストライプ部が形成される。その後、ＳｉＯ₂マスクをフッ化水素酸により除去する。

次に、ｎ−ＧａＮ基板１０１の上方の全面を覆うようにプラズマＣＶＤ法により、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソグラフィーを用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０上のＳｉＯ₂膜を露出させ、ドライエッチング等にてＳｉＯ₂膜を選択的に除去して、絶縁膜１１１を形成する。

その後、図３Ｄに示すように、厚さが３５ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが４０ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ−電極１１２を、ＥＢ蒸着法などを用いてｐ−ＧａＮコンタクト層１１０の上に形成する。

次に、図３Ｅに示すように、フォトリソグラフィーとＥＢ蒸着法を用いて、リッジストライプ部を覆う厚さ５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが２００ｎｍのＰｔ、及び厚さが５０ｎｍのＴｉからなる配線電極１１３を形成する。配線電極１１３は、へき開面に平行な方向の幅を２０μｍとする。続いて、厚さが５０ｎｍのＴｉと厚さが１０００ｎｍのＡｕを積層させた膜を、共振器方向に５５０μｍ、へき開方向に１５０μｍの平面方形状に、フォトリソグラフィー、ＥＢ蒸着装置を用いて形成する。さらに、電解メッキにより、Ａｕの厚さを１０μｍまで増やし、パッド電極１１４を形成する。

その後、ダイヤモンドスラリーを用いて、ｎ−ＧａＮ基板１０１の厚さを１００μｍ程度まで研磨することにより薄片化した後、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にｎ−電極１１５として厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ及び、厚さが１０００ｎｍのＡｕを、ＥＢ蒸着装置を用いて形成する。その後、へき開を行うことによりチップ分離され、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００が製造される。

以上のように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００は、ストライプ状の凸構造を有するｎ−ＧａＮ基板１０１と、前記ｎ−ＧａＮ基板１０１上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２とを備え、前記ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、前記凸構造の上面中央部に接する組成比一定層１０２ａと、前記凸構造の上面から伸びる角に接して形成され、前記組成比一定層１０２ａのＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂとを含む。

これにより、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックの発生を抑制できる。具体的には、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂを含むことにより、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０５との屈折率差を大きくすることができる。その結果、窒化物半導体レーザ装置１００は、高い光閉じ込めを実現できる。また、この第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、ｎ−ＧａＮ基板１０１の凸構造の上面全体に形成されているわけではない。言い換えると、凸構造の上面中央上には、組成比一定層１０２ａが形成されているので、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２に掛かる引っ張り歪を大幅に低減できる。その結果、窒化物半導体レーザ装置１００は、クラックの発生を抑制でき、歩留まりが向上する。

以上、本発明の窒化物半導体レーザについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で問う業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上述の実施の形態においては、リッジストライプの幅として１．５μｍの例を示したが、１０μｍ以下のストライプ幅であれば、いずれかの場合であっても同様に適用することができる。

また、上述の実施の形態においては、窒化物半導体レーザ装置１００の基板として（０００１）面を基板の主面としたｎ−ＧａＮ基板１０１の例を示したが、（１０−１０）面、（１１−２０）面を基板の主面としたｎ−ＧａＮ基板１０１を用いた場合でも同様に適用することができる。

また、上述の実施の形態においては、窒化物半導体レーザ装置１００の基板としてｎ−ＧａＮ基板１０１を用いた例を示したが、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなど他の基板を用いる場合にも、本発明を同様に適用することができる。

また、上記実施の形態においては、リッジ導波路型の光導波路を有する半導体レーザ装置を製造する場合を例として、本発明の窒化物半導体レーザ装置１００の製造方法を示したが、本発明は、埋め込み型レーザ装置の製造方法にも適用可能である。

本発明の窒化物半導体レーザ装置は、光閉じ込めの向上により閾値電流特性が向上するので、光ディスク装置の光学ヘッド、レーザディスプレイなどの用途に有用である。

１、１０１ ｎ−ＧａＮ基板
２ バッファー層
３、１０２ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
４ ｕｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層
５、１０６ ＩｎＧａＮ活性層
６ 光ガイド層
７ ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層
８、１０９ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
９ ＩｎＧａＮコンタクト層
１０２ａ 組成比一定層
１０２ｂ 第１のＡｌ組成比変化層
１０２ｃ 低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層
１０２ｄ 第２のＡｌ組成比変化層
１０５ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１０７ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１０８ ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層
１１０ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１１ 絶縁膜
１１２ ｐ−電極
１１３ 配線電極
１１４ パッド電極
１１５ ｎ−電極

Claims (6)

1. ストライプ状の凸構造を有するＧａＮ基板と、
   前記ＧａＮ基板上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ型クラッド層とを備え、
   前記ｎ型クラッド層は、
   前記凸構造の上面中央部に接する第１層と、
   前記凸構造の上面から延びる角に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第２層とを含む
   窒化物半導体レーザ装置。
2. 前記ｎ型クラッド層は、さらに、前記凸構造の側面に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比を有する第３層を含み、
   前記第２層は、
   前記第３層上に形成され、さらに、前記凸構造の上面に接して形成されている
   請求項１記載の窒化物半導体レーザ装置。
3. 前記第２層のＡｌ組成比は、前記凸構造の中心に向かって漸減する
   請求項１又は２記載の窒化物半導体レーザ装置。
4. 前記第２層は、前記凸構造の上面中心線に対して対称に形成されている
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ装置。
5. 前記凸構造は、上面から下方に広がって形成され、
   前記凸構造の側面が前記ＧａＮ基板の主面の垂直方向に対して成す角度ｘは、０°＜ｘ＜４０°を満たす
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ装置。
6. 前記凸構造の幅Ｗは、２０≦Ｗ≦５０（μｍ）を満たす
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ装置。