JP2011119349A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折率分布層上に活性層が配置された構成を備える窒化ガリウム系の半導体レーザ素子において、再成長の際に導入された歪みによる活性層への影響を抑える。
【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、ＧａＮ基板１１上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなり、一次元又は二次元で広がる周期的な屈折率分布を有する屈折率分布層１７と、屈折率分布層１７上に設けられた活性層２７と、屈折率分布層１７と活性層２７との間に設けられたＩｎＧａＮからなる歪緩和層２５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。

特許文献１には、半導体レーザ素子が記載されている。この半導体レーザ素子は、主面を有する基板と、主面が延びる方向に沿って基板上に形成され、ＧａＮよりなるエピタキシャル層と、エピタキシャル層よりも低屈折率である低屈折率材料とを含むフォトニック結晶層と、基板上に形成されたｎ型クラッド層と、基板上に形成されたｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層に挟まれ、キャリアが注入されると発光する活性層と、フォトニック結晶層の真上を覆うＧａＮ層とを備えている。

国際公開第２００６／０６２０８４号パンフレット

特許文献１には、半導体レーザ素子の構成の一例として、窒化ガリウム基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、周期的な屈折率分布を有するフォトニック結晶層といった屈折率分布層、及びＧａＮ層をこの順に積層した構成が記載されている。しかしながら、半導体レーザ素子の別の構成として、例えば屈折率分布層上に活性層を配置する場合がある。特許文献１の例ではフォトニック結晶層上にＧａＮ層を設けているが、このＧａＮ層はフォトニック結晶層をエッチング等により形成した後に再成長された層なので、その上に活性層を成長させた場合、再成長の際に導入された歪みの影響を活性層が受けてしまう。これにより、活性層の結晶品質が低下し、発光効率が抑制されてしまうという問題がある。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、屈折率分布層上に活性層が配置された構成を備える窒化ガリウム系の半導体レーザ素子において、再成長の際に導入された歪みによる活性層への影響を抑えることを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、窒化ガリウム系半導体領域上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなり、一次元又は二次元で広がる周期的な屈折率分布を有する屈折率分布層と、屈折率分布層上に設けられた活性層と、屈折率分布層と活性層との間に設けられたＩｎＧａＮからなる歪緩和層とを備えることを特徴とする。

また、本発明による半導体レーザ素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体領域上に窒化ガリウム系半導体層を成長させる工程と、窒化ガリウム系半導体層の一部を除去して、一次元又は二次元で広がる周期的な屈折率分布を有する屈折率分布層を形成する工程と、屈折率分布層上にＩｎＧａＮからなる歪緩和層を成長させる工程と、歪緩和層上に活性層を成長させる工程とを備えることを特徴とする。

本発明者は、窒化ガリウム系の半導体レーザ素子において屈折率分布層上に活性層を成長させる場合、屈折率分布層と活性層との間にＩｎＧａＮ層を介在させることにより、再成長の際に導入された歪みが緩和されることを見出した。すなわち、上記した半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法によれば、屈折率分布層と活性層との間にＩｎＧａＮからなる歪緩和層を備えることによって、再成長の際に導入された歪みによる活性層への影響を効果的に抑え、活性層の結晶品質を向上させて発光効率を高めることができる。

また、半導体レーザ素子は、歪緩和層のＩｎ組成が０．０５以上であることを特徴としてもよい。本発明者の知見によれば、歪緩和層のＩｎ組成が０．０５以上であることによって、再成長の際に導入される歪みをより効果的に緩和することができる。

また、半導体レーザ素子は、屈折率分布層における周期的な屈折率分布が二次元フォトニック結晶により構成されていることを特徴としてもよい。或いは、半導体レーザ素子は、屈折率分布層における周期的な屈折率分布が一次元回折格子により構成されていることを特徴としてもよい。上記した半導体レーザ素子及びその製造方法によれば、屈折率分布層としての二次元フォトニック結晶や一次元回折格子上に、高い結晶品質を有する活性層を成長させることができる。

本発明によれば、屈折率分布層上に活性層が配置された構成を備える窒化ガリウム系の半導体レーザ素子及びその製造方法において、再成長の際に導入された歪みによる活性層への影響を抑えることができる。

図１は、本発明の第１実施形態として、半導体レーザ素子１Ａの構成を示す側断面図である。 図２は、二次元回折格子の一例として、格子間隔がａである三角格子を示す図である。 図３は、図２に示された三角格子が有する逆格子空間を示す図である。 図４（ａ）は、ＩｎＰからなるフォトニック結晶構造の三角格子について、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示すフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図７は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図８は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図９は、上記実施形態の一変形例に係る屈折率分布層１７ａの構成を示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子及びその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１に示される、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、主面１１ａを有するＧａＮ基板１１を備えている。ＧａＮ基板１１は、本実施形態における窒化ガリウム系半導体領域である。一実施例では、ＧａＮ基板１１はＳｉドープｎ型ＧａＮ基板である。或いは、ＧａＮ基板１１はＩｎＧａＮ等の他の窒化ガリウム系半導体から成ってもよい。主面１１ａは、例えばＧａＮ基板１１の結晶のＣ面である。なお、主面１１ａは、ＧａＮ結晶の無極性面、すなわち｛１０−１０｝面（Ｍ面）または｛１１−２０｝面（Ａ面）であってもよい。或いは、主面１１ａは、ＧａＮ結晶の半極性面（例えば｛１０−１１｝面、｛１０−１３｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、またはIII族窒化物基板のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からIII族窒化物基板のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した面、など）であってもよい。ＧａＮ基板１１の厚さは、例えば１００［μｍ］である。

また、半導体レーザ素子１Ａは、ＧａＮ基板１１の主面１１ａ上に設けられた活性層２７を備えている。活性層２７は、窒化ガリウム系半導体（例えばＧａＮやＩｎＧａＮ）によって構成される。一実施例では、活性層２７は量子井戸構造２９を有するが、活性層２７の構造はこれに限定されるものではない。この量子井戸構造２９は、交互に配列された井戸層２９ａおよび障壁層２９ｂを含む。井戸層２９ａは例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、また障壁層２９ｂは、井戸層２９ａよりも大きなバンドギャップのＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。

また、半導体レーザ素子１Ａは、屈折率分布層１７を備えている。屈折率分布層１７は、ＧａＮ基板１１の主面１１ａと活性層２７との間に設けられている。屈折率分布層１７は、活性層２７に沿って設けられており、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含んでいる。一実施例では、この周期構造は二次元フォトニック結晶からなる二次元回折格子構造であり、また他の一実施例では、この周期構造は一次元回折格子構造である。

具体的には、屈折率分布層１７は複数の空孔２１を含んでいる。複数の空孔２１は活性層２７に沿った面方向に一次元または二次元に配列されており、屈折率分布層１７の複数の空孔２１以外の部分は例えばＧａＮから成る。複数の空孔２１の半径は例えば７０［ｎｍ］であり、隣り合う空孔２１のピッチは例えば１６６［ｎｍ］（三角格子の場合）である。屈折率分布層１７の層厚は例えば１００［ｎｍ］である。

また、半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型クラッド層１５を備えている。ｎ型クラッド層１５は、ＧａＮ基板１１の主面１１ａと屈折率分布層１７との間に設けられている。ｎ型クラッド層１５は、窒化ガリウム系半導体、例えばＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１５の層厚は例えば２［μｍ］である。

また、半導体レーザ素子１Ａは、歪緩和層２５を備えている。歪緩和層２５は、屈折率分布層１７形成後の再成長の際に生じる結晶の歪みを緩和するために、屈折率分布層１７と活性層２７との間に設けられている。歪緩和層２５は、アンドープＩｎＧａＮから成る。歪緩和層２５の層厚は例えば１０［ｎｍ］である。なお、結晶の歪みを十分に緩和するために、歪緩和層２５のＩｎ組成は０．０５以上であることが好ましい。

また、半導体レーザ素子１Ａは、ＧａＮ系半導体層２３を備えている。ＧａＮ系半導体層２３は、屈折率分布層１７と歪緩和層２５との間に設けられている。ＧａＮ系半導体層２３は、ＧａＮ系化合物半導体、例えばＳｉドープｎ型ＧａＮから成る。ＧａＮ系半導体層２３の層厚は例えば２００［ｎｍ］である。

また、半導体レーザ素子１Ａは、ＧａＮ系半導体層３１、電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５およびｐ型コンタクト層３７を備えている。これらの層は、活性層２７上にこの順で積層されている。ＧａＮ系半導体層３１は、例えばＧａＮ層から成り、好ましくは、ドーパントによる光吸収を避けるためにアンドープである。電子ブロック層３３は、例えばＧａＮ系半導体層３１より大きなバンドギャップのＡｌＧａＮ層から成り、好ましくはｐ型ドーパントを含む。ｐ型クラッド層３５は、活性層２７に正孔を供給すると共に、光閉じ込めのために活性層２７の屈折率よりも小さなＧａＮ系半導体から成る。ｐ型クラッド層３５は、例えばＡｌＧａＮ層から成る。ｐ型コンタクト層３７は、良好な電気接触を提供するために、高濃度のドーパントを含むことが好ましい。ｐ型コンタクト層３７は、例えばｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層から成る。

また、半導体レーザ素子１Ａは、アノード電極４１ａ及びカソード電極４１ｂを備えている。アノード電極４１ａは、ｐ型コンタクト層３７上に設けられており、ｐ型コンタクト層３７とオーミック接触を成している。カソード電極４１ｂは、ＧａＮ基板１１の裏面１１ｂ上に設けられており、ＧａＮ基板１１とオーミック接触を成している。

以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａの作用について説明する。アノード電極４１ａとカソード電極４１ｂとの間に電流を供給すると、ｐ型コンタクト層３７及びｐ型クラッド層３５から活性層２７へ正孔が注入され、ＧａＮ基板１１及びｎ型クラッド層１５から電子が注入される。活性層２７へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が生じ、光が発生する。発生した光の波長は、活性層２７を構成する半導体（本実施形態では、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ）のバンドギャップによって決まる。また、活性層２７が量子井戸構造２９を有する場合には、井戸層２９ａの厚さも光の波長に大きく影響する。

活性層２７において発生した光は、ＧａＮ系半導体層２３，３１によって活性層２７内およびその付近に閉じ込められるが、光の一部はエバネッセント光として屈折率分布層１７に到達する。屈折率分布層１７に到達した光の波長と、屈折率分布層１７の複数の空孔２１による周期構造の周期とが一致する場合には、その光は周期構造に沿った方向に反射され、活性層２７内を共振することとなる。

特に、屈折率分布層１７の周期構造がフォトニック結晶構造である場合、活性層２７の光の一部はエバネッセント光として屈折率分布層１７に到達する。屈折率分布層１７に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶構造の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことができる。

続いて、屈折率分布層１７が二次元回折格子を有する場合について、更に詳細に説明する。二次元回折格子は、少なくとも二方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような二次元格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を三角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とする。

図２は、二次元回折格子の一例として、格子間隔がａである三角格子を示す図である。図２において、任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をΓ−Ｘ方向とし、また格子点Ａから格子点Ｃに向かう方向をΓ−Ｊ方向とする。ここでは、活性層２７において生じる光の波長がΓ−Ｘ方向の格子周期に対応している場合について説明する。

屈折率分布層１７は、以下に説明する３個の一次元回折格子群Ｌ、Ｍ及びＮを含むと考えることができる。一次元回折格子群Ｌは、Ｘ軸方向に沿って設けられた一次元格子Ｌ_１、Ｌ_２及びＬ_３からなる。一次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０°を成す方向に沿って設けられた一次元回折格子Ｍ_１、Ｍ_２及びＭ_３からなる。一次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０°を成す方向に沿って設けられた一次元格子Ｎ_１、Ｎ_２及びＮ_３からなる。一次元回折格子群Ｌ、Ｍ及びＮのそれぞれに含まれる一次元回折格子同士の間隔をｄとし、一次元回折格子内における格子間隔をａとする。

まず、一次元回折格子群Ｌについて考える。格子点Ａから格子点Ｂへ向かう方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・・）によって規定される。ここで、λは屈折率分布層１７における光の波長である。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０°、±１２０°の方向に別の格子点Ｄ、Ｅ、Ｆ及びＧが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０°、１８０°にも格子点Ａ及びＫが存在する。

格子点Ｂにおいて、例えば格子点Ｄに向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折された光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと順に回折される。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。

以上のように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、半導体レーザ素子１Ａにおいては、ある方向に進む光が複数回の回折を経て元の格子点の位置に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、屈折率分布層１７の二次元回折格子構造は、光共振構造、つまり波長選択器および反射器として作用する。

格子点Ａについて先に説明した回折作用は、二次元的に配置された全ての格子点において生じる。このため、Γ−Ｘ方向に伝搬する光は、ブラッグ回折によって二次元的に相互に結合していると考えられる。屈折率分布層１７では、このような二次元的結合によって、コヒーレントな状態が形成されると考えられる。

図３は、図２に示された三角格子が有する逆格子空間を示す図である。図３には、逆格子空間における複数のブリリアンゾーンの各中心点Γが示されており、また、互いに隣接する２つのブリリアンゾーンの中心点Γ同士を相互に結ぶ直線と、該２つのブリリアンゾーン同士の境界線とが交差する点Ｘが示されており、更に、互いに隣接する３つのブリリアンゾーンが接する点Ｊが示されている。図３における点Γ、Ｘ及びＪによって規定される方向は、上述したΓ−Ｘ方向およびＸ−Ｊ方向に対応する。

図４（ａ）は、ＩｎＰからなるフォトニック結晶構造の三角格子について、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示すフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。図１に示した屈折率分布層１７は、図４（ａ）に示された分散関係、すなわちフォトニックバンド構造を有することができる。なお、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた周期的な屈折率分布に基づいて、光子のエネルギーに対して規定された分散関係をいう。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、点Γ及びその近傍の波数範囲では、図中の部分Ｐ，Ｓにおいて、バンド端が存在している。ここでは、部分Ｓを「第１バンド端」とし、部分Ｐを「第２バンド端」とする。第１バンド端の規格化周波数ω_１は約０．３５となっており、第２バンド端の規格化周波数ω_２は約０．６１となっている。ここで、点Γでは群速度（ｄλ／ｄｋ）＝０なので、光の規格化周波数ωがω_１またはω_２である場合には、定在波が立つことになる。ＧａＮから成るフォトニック結晶構造（三角格子）に対して同様の計算を行うと、第１バンド端の規格化周波数ω_１は約０．４７となり、第２バンド端の規格化周波数ω_２は約０．８２となる。

続いて、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａの製造方法について説明する。図５〜図８は、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａを製造する方法の主要な工程を示す側断面図である。本実施形態では、半導体レーザのためのいくつかの窒化ガリウム系半導体層が、例えば有機金属気相成長法で形成される。

まず、図５に示されるように、ＧａＮ基板１１を準備する。このＧａＮ基板１１を成長炉のサセプタ上に配置し、半導体レーザのための工程を施していく。まず、ＧａＮ基板１１の主面１１ａのサーマルクリーニングを行ったのち、ｎ型クラッド層１５を成長させる。ｎ型クラッド層１５は例えばＡｌＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなることができる。このｎ型クラッド層１５上には、屈折率分布層１７（図１参照）となる窒化ガリウム系半導体層であるｎ型ＧａＮ層４３を成長させる。ｎ型ＧａＮ層４３は、ｎ型クラッド層１５よりも大きい屈折率を有する。なお、ｎ型ＧａＮ層４３に代えて、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を成長させてもよい。ｎ型ＧａＮ層４３を成長させた後に、室温近くの温度まで成長炉の温度を下げて、基板Ｗ１を成長炉から取り出す。

次いで、ｎ型ＧａＮ層４３の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部をｎ型ＧａＮ層４３に形成する工程を説明する。図５（ｂ）に示されるように、基板Ｗ１のｎ型ＧａＮ層４３上に、複数の凹部を形成するためのレジスト４５を均一に塗布する。このレジスト４５は、例えば電子ビーム露光用のレジストである。そして、このレジスト４５を露光することにより、図６（ａ）に示されるようにマスク１９を形成する。マスク１９は、複数の凹部のための開口の配列を有しており、これらの開口は、例えば三角格子、正方格子等の格子状に配列される。

マスク１９を用いて、複数の凹部をＧａＮ層４３に形成する。この形成は、エッチングといった加工により行われる。図６（ｂ）に示されるように、例えばドライエッチング装置においてマスク１９を用いてｎ型ＧａＮ層４３をエッチングして、周期的屈折率分布のパターンが形成された屈折率分布層１７を形成する。屈折率分布層１７には、マスク１９の開口に対応して一次元又は二次元で周期的に配列された複数の空孔２１の配列が形成される。複数の空孔２１は、その配列の態様によって、一次元回折格子か或いは二次元フォトニック結晶を構成する。このエッチングの後にマスク１９を除去して、基板Ｗ２が提供される。基板Ｗ２は、パターン形成された屈折率分布層１７を含む。

再び基板Ｗ２を成長炉のサセプタ上に配置して、成長炉の温度を成長温度まで上昇させる。この後に、図７に示されるように、ＧａＮ系半導体層２３を屈折率分布層１７上に形成する。なお、ＧａＮ系半導体層２３は、屈折率分布層１７の複数の空孔２１を保持したまま覆う。そして、ＧａＮ系半導体層２３上に歪緩和層２５を成長させる。歪緩和層２５は、アンドープＩｎＧａＮからなる。

引き続き、いくつかの窒化ガリウム系半導体層の成長を行う。図７に示されるように、ＩｎＧａＮ歪緩和層２５上に活性層２７を成長させる。この活性層２７は、複数の空孔２１と光学的に結合される。一実施例では、活性層２７は量子井戸構造２９を有し、量子井戸構造２９は交互に配列された井戸層２９ａおよび障壁層２９ｂを含む。

次いで、活性層２７上にＧａＮ系半導体層３１が成長される。ＧａＮ系半導体層３１は、例えばＧａＮ層であることができ、好ましくは、ドーパントによる光吸収を避けるためにアンドープ層からなる。このＧａＮ系半導体層３１上に、電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５およびｐ型コンタクト層３７が順に成長される。電子ブロック層３３は、例えばＧａＮ系半導体層３１より大きなバンドギャップのＡｌＧａＮ層からなることができ、好ましくはｐ型ドーパントを含む。ｐ型クラッド層３５は、活性層２７に正孔を供給すると共に、光閉じ込めのために活性層２７の屈折率よりも小さな窒化ガリウム系半導体からなる。ｐ型クラッド層３５は、例えばＡｌＧａＮ層からなることができる。ｐ型コンタクト層３７は、良好な電気接触を提供するために、高濃度のドーパントを含むことが好ましい。ｐ型コンタクト層３７は、例えばｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層からなることができる。これらの成長により、基板Ｗ３が提供される。

この後、必要な場合には、ＧａＮ基板１１の裏面の研削を行う。そして、図８に示されるように、ｐ型コンタクト層３７上にアノード電極４１ａを形成すると共に、ＧａＮ基板１１の裏面１１ｂにカソード電極４１ｂを形成する。最後に、アノード電極４１ａおよびカソード電極４１ｂが形成された基板Ｗ３をチップ状に分割する。こうして、半導体レーザ素子１Ａが完成する。

本実施形態の半導体レーザ素子１Ａ及びその製造方法による効果について説明する。前述したように、活性層が屈折率分布層上に配置される構造においては、再成長の際に導入された歪みの影響を活性層が受けてしまう。これにより、活性層の結晶品質が低下し、発光効率が抑制されてしまう。この問題に対し、本発明者は、窒化ガリウム系の半導体レーザ素子において屈折率分布層上に活性層を成長させる場合、屈折率分布層と活性層との間にＩｎＧａＮ層を介在させることにより、再成長の際に導入された歪みが緩和されることを見出した。すなわち、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａ及びその製造方法によれば、屈折率分布層１７と活性層２７との間にＩｎＧａＮからなる歪緩和層２５を備えることによって、再成長の際に導入された歪みによる活性層２７への影響を効果的に抑え、活性層２７の結晶品質を向上させて発光効率を高めることができる。

また、前述したように、歪緩和層２５のＩｎ組成は０．０５以上であることが好ましい。本発明者の知見によれば、歪緩和層２５のＩｎ組成が０．０５以上であることによって、再成長の際に導入される歪みをより効果的に緩和することができる。

ここで、以下の表１は、歪緩和層２５のＩｎ組成と活性層２７のフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を示す表である。ここで、歪緩和層２５のＩｎ組成が１４％のときのＰＬ強度を１として規格化している。表１に示すとおり、歪緩和層２５のＩｎ組成が大きいほど活性層２７のＰＬ強度が高いことがわかる。また、歪緩和層２５のＩｎ組成が０．０５より小さい場合、ＰＬ強度が０．３［ａ．ｕ．］といった小さな値となり、このような半導体レーザ素子１Ａでは活性層２７への電流密度を５０［ｋＡ／ｃｍ^２］といった比較的大きな値としても発振に至ることは難しい。したがって、歪緩和層２５のＩｎ組成は０．０５以上であることが好ましい。

また、以下の表２は、活性層２７の障壁層２９ｂ及び歪緩和層２５のそれぞれにおける、好適なＩｎ組成範囲及び膜厚範囲を示す表である。

表２に示すように、例えば出力波長が４００［ｎｍ］付近の帯域である場合、井戸層２９ａのＩｎ組成は８％程度であり、障壁層のＩｎ組成が上記範囲より大きいと、良好な量子井戸構造２９を形成することが難しい。更に、高いＩｎ組成で障壁層を形成すると結晶性の劣化を引き起こし、その影響が直近に位置する井戸層２９ａにまで及ぶ。なお、障壁層の厚さについての上記範囲は、良好な量子井戸構造２９を形成するために好適な範囲であり、歪緩和層２５も厚過ぎると結晶性が低下することとなるため上記範囲が好適である。

また、本実施形態のように、屈折率分布層１７の周期構造は二次元フォトニック結晶構造であることが好ましい。これにより、活性層２７で発生した光を効率良く反射させる周期構造を好適に実現できる。また、フォトニック結晶構造の特徴を活かして、ビーム・偏光などの制御が容易となり、応用用途を広げることができる。また、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａ及びその製造方法によれば、屈折率分布層１７としての二次元フォトニック結晶構造上に、高い結晶品質を有する活性層２７を成長させることができる。

（変形例）
上記実施形態では、屈折率分布層１７の二次元フォトニック結晶の一例として、図２に示すような三角格子について説明した。しかしながら、屈折率分布層１７の周期構造は、たとえば以下のようなものであってもよい。

図９は、上記実施形態の一変形例に係る屈折率分布層１７ａの構成を示す平面図である。図９に示すように、屈折率分布層１７ａは、複数の空孔２１が正方格子（格子間隔ｄ）を形成するように設けられていてもよい。図９において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をΓ−Ｘ方向とし、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向をΓ−Ｍ方向とする。ここでは、活性層２７において発生する光の波長がΓ−Ｘ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。

屈折率分布層１７ａは、以下に説明する２個の一次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。一次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた複数の一次元格子（例えばＵ_１〜Ｕ_３）を含む。一次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた一次元格子（例えばＶ_１〜Ｖ_３）を含む。

まず、一次元回折格子群Ｕについて考える。格子点Ｗから格子点Ｐに達した光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、三角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・・）によって規定される。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０°の角度に別の格子点Ｑ，Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０°，１８０°にも格子点Ｗ，Ｓが存在する。

格子点Ｐにおいて格子点Ｑへ向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて一次元回折格子群Ｖに従って回折される。この回折は、一次元回折格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔへ向けて回折される光は、一次元回折格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Ｔから格子点Ｗへ向けて回折される光は、一次元回折格子群Ｖに従って回折される。

このように、格子点Ｗから格子点Ｐへ進んだ光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。すなわち、或る方向に進む光が複数回の回折を経て元の格子点に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、屈折率分布層１７ａの二次元回折格子は、光共振器として作用する。

屈折率分布層１７ａの二次元回折格子では、任意の格子点Ｗにおいて生じる上記現象が全ての格子点において生じ得る。このため、Γ−Ｘ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって二次元的に相互に結合していると考えられる。屈折率分布層１７ａの二次元回折格子では、この二次元的結合によって３つのΓ−Ｘ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。

（実施例１）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色二次元フォトニック結晶レーザを作製した。原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ_３）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

｛０００１｝面を主面とするｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ_３とＨ_２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、以下の順に成膜を行った。まず、基板温度を摂氏１１００度に上昇させた後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、ｎ型クラッド層となる厚さ２［μｍ］のｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ結晶を成長した。次に、基板温度を維持したままＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、二次元フォトニック結晶のための窒化ガリウム系半導体層である厚さ１００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ結晶を成長した。

基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおりフォトニック結晶のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、レジスト膜の３００［μｍ］角のエリア内に、フォトニック結晶のための正方格子パターン（半径１８６［ｎｍ］、ピッチ８５［ｎｍ］）を描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ_２によりｎ型ＧａＮ層を部分的に除去して転写し、パターンに対応した空孔の配列を有するｎ型ＧａＮ層（屈折率分布層）を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。

上記エピタキシャルウェハをサセプタ上に再度配置した後に、基板温度を成長温度（摂氏１１００度）に上昇させた。炉内圧力を大気圧として、ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、２００［ｎｍ］のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層を屈折率分布層上に成長した。なお、屈折率分布層の空孔内部におけるこのｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層の成長速度は、空孔以外の屈折率分布層上の領域における成長速度と比較して極めて遅く、このｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層は屈折率分布層の空孔を残したままその上を覆うように成長する。

そして、成長炉の温度を下げ、歪緩和層を形成した。具体的には、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、歪緩和層となる厚さ１０［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層を成長した。

続いて、３周期の量子井戸構造を有する活性層を歪緩和層上に形成した。具体的には、摂氏８８０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ１５［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層を成長し、その上に、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ３［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ井戸層を成長した。この工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸活性層を形成した。

続いて、成長炉の温度を上げ、摂氏１１００度の成長温度においてＴＭＧおよびＮＨ_３を供給し、ＧａＮ系半導体層としての厚さ１００［ｎｍ］のアンドープＧａＮ層を成長した。その上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、電子ブロック層としての厚さ２０［ｎｍ］のｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層を成長した。また、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、ｐ型クラッド層としての厚さ６００［ｎｍ］のｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層を成長した。また、ＴＭＧ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、コンタクト層としての厚さ５０［ｎｍ］のｐ型ＧａＮ層を成長した。これらの成長の後に、エピタキシャルウェハを成長炉から取り出して、Ｎｉ／Ａｕからなる３００［μｍ］角のアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成した。また、ＧａＮ基板を厚さ１００［μｍ］まで研削した後に、基板の裏面全体にＴｉ／Ａｕからなるカソード電極を形成した。

以上の工程を経たのち、３００［μｍ］角のフォトニック結晶パターンを含むように１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００［ｎｓｅｃ］）を印加したとき、電流密度２０［ｋＡ／ｃｍ^２］で明確な閾値をもって光出力が増大し、フォトニック結晶レーザとしての発振が確認された。

（実施例２）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色分布帰還型レーザを作製した。その際、原料として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４、及びＣｐ_２Ｍｇを用いた。

まず、｛０００１｝面を主面とするｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ_３とＨ_２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、以下の順に成膜を行った。まず、基板温度を摂氏１１００度に上昇させた後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、およびＳｉＨ_４を供給し、ｎ型クラッド層となる厚さ２［μｍ］のｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ結晶を成長した。次に、基板温度を維持したままＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、およびＳｉＨ_４を供給し、一次元回折格子のための厚さ１００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ結晶を成長した。

基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおり一次元回折格子のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、一次元回折格子パターン（ピッチ８０［ｎｍ］、領域５０［ｍｍ］×６００［ｍｍ］）をレジスト膜に描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ_２によりｎ型ＧａＮ層を部分的に除去して転写し、パターンに対応した一次元回折格子構造を有するｎ型ＧａＮ層（屈折率分布層）を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。

以降、実施例１と同様にして、ｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層（２００［ｎｍ］）、歪緩和層としてのアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層（１０［ｎｍ］）、活性層、ＧａＮ系半導体層としてのアンドープＧａＮ層（１００［ｎｍ］）、電子ブロック層としてのＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層（２０［ｎｍ］）、ｐ型クラッド層としてのｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層（６００［ｎｍ］）、及びコンタクト層としてのｐ型ＧａＮ層（５０［ｎｍ］）を成長した。これらの成長の後に、Ｎｉ／Ａｕアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成し、ＧａＮ基板を研削した後に、基板の裏面にＴｉ／Ａｕカソード電極を形成した。

以上の工程を経たのち、１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色分布帰還型レーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００［ｎｓｅｃ］）を印加したところ、レーザ発振が確認された。

（実施例３）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色二次元フォトニック結晶レーザを作製した。原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ_３）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

｛２０−２１｝面を主面とするｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ_３とＨ_２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、以下の順に成膜を行った。まず、基板温度を摂氏１１００度に上昇させた後、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、ｎ型クラッド層となる厚さ２［μｍ］のｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ結晶を成長した。次に、基板温度を維持したままＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、二次元フォトニック結晶のための窒化ガリウム系半導体層である厚さ１００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ結晶を成長した。

基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおりフォトニック結晶のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、レジスト膜の３００［μｍ］角のエリア内に、フォトニック結晶のための正方格子パターン（半径１８６［ｎｍ］、ピッチ８５［ｎｍ］）を描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ_２によりｎ型ＧａＮ層を部分的に除去して転写し、パターンに対応した空孔の配列を有するｎ型ＧａＮ層（屈折率分布層）を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。

上記エピタキシャルウェハをサセプタ上に再度配置した後に、基板温度を成長温度（摂氏１１００度）に上昇させた。炉内圧力を大気圧として、ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、２００［ｎｍ］のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層を屈折率分布層上に成長した。なお、屈折率分布層の空孔内部におけるこのｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層の成長速度は、空孔以外の屈折率分布層上の領域における成長速度と比較して極めて遅く、このｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層は屈折率分布層の空孔を残したままその上を覆うように成長する。

そして、成長炉の温度を下げ、歪緩和層を形成した。具体的には、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、歪緩和層となる厚さ１０［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層を成長した。

続いて、３周期の量子井戸構造を有する活性層を歪緩和層上に形成した。具体的には、摂氏８８０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ１５［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層を成長し、その上に、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ３［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ井戸層を成長した。この工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸活性層を形成した。

続いて、成長炉の温度を上げ、摂氏１１００度の成長温度においてＴＭＧおよびＮＨ_３を供給し、ＧａＮ系半導体層としての厚さ１００［ｎｍ］のアンドープＧａＮ層を成長した。その上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、電子ブロック層としての厚さ２０［ｎｍ］のｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層を成長した。また、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、ｐ型クラッド層としての厚さ６００［ｎｍ］のｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層を成長した。また、ＴＭＧ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、コンタクト層としての厚さ５０［ｎｍ］のｐ型ＧａＮ層を成長した。これらの成長の後に、エピタキシャルウェハを成長炉から取り出して、Ｎｉ／Ａｕからなる３００［μｍ］角のアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成した。また、ＧａＮ基板を厚さ１００［μｍ］まで研削した後に、基板の裏面全体にＴｉ／Ａｕからなるカソード電極を形成した。

以上の工程を経たのち、３００［μｍ］角のフォトニック結晶パターンを含むように１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００［ｎｓｅｃ］）を印加したとき、電流密度２０［ｋＡ／ｃｍ^２］で明確な閾値をもって光出力が増大し、フォトニック結晶レーザとしての発振が確認された。

本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では屈折率分布層の周期構造の一例として二次元フォトニック結晶構造からなる二次元回折格子、並びに一次元回折格子を例示したが、本発明における周期構造はこれらに限られず、他の様々な微細構造に適用できる。

１Ａ…半導体レーザ素子、１１…ＧａＮ基板、１５…ｎ型クラッド層、１７，１７ａ…屈折率分布層、１９…マスク、２１…空孔、２３，３１…ＧａＮ系半導体層、２７…活性層、２９…量子井戸構造、２９ａ…井戸層、２９ｂ…障壁層、３３…電子ブロック層、３５…ｐ型クラッド層、３７…ｐ型コンタクト層、４１ａ…アノード電極、４１ｂ…カソード電極。

Claims (5)

1. 窒化ガリウム系半導体領域上に設けられ、窒化ガリウム系半導体からなり、一次元又は二次元で広がる周期的な屈折率分布を有する屈折率分布層と、
   前記屈折率分布層上に設けられた活性層と、
   前記屈折率分布層と前記活性層との間に設けられたＩｎＧａＮからなる歪緩和層と
   を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記歪緩和層のＩｎ組成が０．０５以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記屈折率分布層における周期的な屈折率分布が二次元フォトニック結晶により構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記屈折率分布層における周期的な屈折率分布が一次元回折格子により構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
5. 窒化ガリウム系半導体領域上に窒化ガリウム系半導体層を成長させる工程と、
   前記窒化ガリウム系半導体層の一部を除去して、一次元又は二次元で広がる周期的な屈折率分布を有する屈折率分布層を形成する工程と、
   前記屈折率分布層上にＩｎＧａＮからなる歪緩和層を成長させる工程と、
   前記歪緩和層上に活性層を成長させる工程と
   を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子の製造方法。

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