JP2011142147A - 端面発光型半導体発光素子、端面発光型半導体発光素子の製造方法、画像表示装置、情報記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自励発振機能を有し、動作特性が良好で、かつ、素子寿命が長い端面発光型半導体発光素子を提供する。
【解決手段】
半導体結晶層の積層体と、光出射端面とを含み、前記積層体が、活性層１０３と、可飽和吸収層１０５と、光導波路とを含み、
可飽和吸収層１０５は、結晶構造中に（０００１）面を含み、
可飽和吸収層１０５の（０００１）面の法線ベクトル＜０００１＞の可飽和吸収層１０５主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとし、ＡとＢのなす角をθとしたとき、｜Ａ｜＞０、かつ、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１であり、
可飽和吸収層１０５の不純物濃度は、可飽和吸収層１０５以外の前記半導体結晶層のうち最も不純物濃度が高い層の不純物濃度以下であることを特徴とする端面発光型半導体発光素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、端面発光型半導体発光素子、端面発光型半導体発光素子の製造方法、画像表示装置、情報記録再生装置に関する。

窒化物系半導体レーザ等の端面発光型半導体発光素子は、画像表示装置（ディスプレイ）、情報記録再生装置（例えば、光ディスクシステム）等の光源として重要な素子である。端面発光型半導体発光素子には、自励発振機能を有するものがある（例えば、特許文献２等）。自励発振動作は、光強度を上げると光吸収が飽和して弱くなる、いわゆる可飽和吸収特性を有する領域を、活性層近傍に設けることで実現される。その具体的な手段として、例えば活性層とは独立して可飽和吸収層を設ける構造が知られている（特許文献２等）。

一方、窒化物系半導体等を用いた半導体素子は、例えば、（０００１）面を基板主面とするサファイア基板を用い、＜０００１＞方向にＧａＮをエピタキシャル成長させることにより製造される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６４６２３号公報 特開２００３−０３１８９８号公報

次世代光ディスクシステムや次世代ディスプレイなどの光源として用いられる端面発光型半導体発光素子には、以下のような理由により、自励発振などの高機能化が求められる。

例えば、半導体レーザを用いた光ディスクシステムでは、光ディスクの情報を読み取る際に、光ディスクからの反射光により前記半導体レーザに過剰な雑音が誘起されることがある。これを防ぐために、例えば、前記半導体レーザの光出力を百ＭＨｚ程度から数ＧＨｚ程度のパルス状にして用いることができる。そのための方法として、前記半導体レーザの駆動回路に高周波重畳モジュールを付加して変調を重畳する方法と、直流駆動でもパルス状の光出力が得られる、いわゆる自励発振型の半導体レーザを用いる方法がある。特に後者の場合、高周波重畳モジュールおよびその不要輻射対策が不要となるため、光ディスクシステムの低コスト化、小型化に極めて有効である。このように、光ディスクシステムにおいて、自励発振型半導体レーザは非常に有用である。同様の理由から、光ディスクシステムのみならず、端面発光型半導体発光素子を用いる全ての分野において、自励発振機能を有する端面発光型半導体発光素子の有用性は極めて高い。

図４の断面図に、自励発振機能を有する端面発光型半導体発光素子の構造の一例を示す。図示のとおり、この素子は、ｎ型基板３０１、ｎ型バッファ層３０２、ｎ型クラッド層３０３、ｎ型光閉じ込め層３０４、活性層３０５、ｐ型キャップ層３０６、ｐ型光閉じ込め層３０７、可飽和吸収層３０８、ｐ型クラッド層３０９、ｐ型コンタクト層３１０、絶縁層３１１、ｐ電極３１２、ｎ電極３１３から形成されている。ｎ型基板３０１上には、ｎ型バッファ層３０２、ｎ型クラッド層３０３、ｎ型光閉じ込め層３０４、活性層３０５、ｐ型キャップ層３０６、ｐ型光閉じ込め層３０７、可飽和吸収層３０８、ｐ型クラッド層３０９が前記順番で積層されている。ｐ型クラッド層３０９は、中央付近が隆起してリッジ導波路を形成している。ｐ型クラッド層３０９上面は、前記リッジ導波路の頂点付近がｐ型コンタクト層３１０で覆われ、それ以外の部分が絶縁層３１１で覆われている。ｐ型コンタクト層３１０および絶縁層３１１の上面にはｐ電極３１２が形成されている。ｎ型基板３０１の下面には、ｎ電極３１３が形成されている。ｎ型基板３０１の基板主面は（０００１）面であり、各層は＜０００１＞方向に積層される。この構造の場合、安定した自励発振動作を持続させるために、可飽和吸収層での光吸収により生成されたキャリアを速やかに消滅させること、すなわち、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることが重要となる。そのために、例えば、可飽和吸収層へ高濃度の不純物ドーピングを行う方法が用いられる。

しかしながら、上記において説明したような自励発振型の端面発光型半導体発光素子は、可飽和吸収層への高濃度の不純物ドーピングが、活性層への不純物拡散、もしくは不純物に起因した欠陥の拡散を引き起こすことがある。これにより、前記活性層の結晶品質が低下し、素子寿命が短くなってしまうおそれがある。また、電流注入経路に高濃度の不純物ドーピングが行われているため、素子の動作中にも不純物や欠陥の拡散が促進され、活性層品質の経時劣化が顕著となるおそれがある。

そこで、本発明は、自励発振機能を有し、動作特性が良好で、かつ、素子寿命が長い端面発光型半導体発光素子の提供を目的とする。さらに、本発明は、前記端面発光型半導体発光素子の製造方法、前記端面発光型半導体発光素子を用いた画像表示装置および情報記録再生装置を提供する。

前記目的を達成するために、本発明の端面発光型半導体発光素子は、
半導体結晶層の積層体と、光出射端面とを含み、前記積層体が、活性層と、可飽和吸収層と、光導波路とを含み、
前記可飽和吸収層は、結晶構造中に（０００１）面を含み、
前記可飽和吸収層の（０００１）面の法線ベクトルの前記可飽和吸収層主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとし、ＡとＢのなす角をθとしたとき、｜Ａ｜＞０、かつ、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１であり、
前記可飽和吸収層の不純物濃度は、前記可飽和吸収層以外の前記半導体結晶層のうち最も不純物濃度が高い層の不純物濃度以下であることを特徴とする。

また、本発明の製造方法は、半導体基板を準備する基板準備工程と、前記半導体基板上に前記半導体結晶層の積層体をエピタキシャル成長させる積層体成長工程とを含み、前記半導体基板は、結晶構造中に（０００１）面を含み、かつ、前記（０００１）面以外の面を主面とすることを特徴とする、前記本発明の端面発光型半導体発光素子の製造方法である。

さらに、本発明の画像表示装置は、光源を含み、前記光源が、前記本発明の端面発光型半導体発光素子を含むことを特徴とする。

さらに、本発明の情報記録再生装置は、光源を含み、前記光源が、前記本発明の端面発光型半導体発光素子を含むことを特徴とする。

本発明によれば、自励発振機能を有し、動作特性が良好で、かつ、素子寿命が長い端面発光型半導体発光素子を提供できる。さらに、本発明によれば、前記端面発光型半導体発光素子の製造方法、前記端面発光型半導体発光素子を用いた画像表示装置および情報記録再生装置を提供できる。

本発明の端面発光型半導体発光素子の構造および動作を例示する断面斜視図である。 本発明の端面発光型半導体発光素子の一実施形態を例示する断面図である。 本発明の端面発光型半導体発光素子の別の一例を例示する断面図である。 端面発光型半導体発光素子の構造の一例を示す参考断面図である。

［用語の定義等］
本発明において、「片面側に」は、特に断らない限り、片面側に直接接触している状態でも良いし、他の構成要素等が存在していても良い。「両面に」も、同様とする。「上に」は、特に断らない限り、上面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在していても良い。同様に、「下に」は、特に断らない限り、下面に直接接触している状態でも良いし、間に他の構成要素等が存在していても良い。また、「上面に」は、特に断らない限り、上面に直接接触している状態を指す。同様に、「下面に」は、特に断らない限り、下面に直接接触している状態を指す。

本発明において、前記光導波路、あるいは半導体層の「厚み方向」とは、前記半導体層の主面に垂直な方向をいう。また、本発明において、半導体層あるいは基板の「主面」とは、半導体層あるいは基板において最も広い平面、すなわち、いわゆる表面もしくは裏面、または上面もしくは下面をいう。

本発明において、結晶層とは、単結晶構造または多結晶構造から形成された層をいい、結晶欠陥を含む場合と、含まない場合とがある。また、非結晶層とは、結晶層以外の層をいい、アモルファス層または一部微晶化領域を含むアモルファス層等をいう。

本発明で「光出射端面」とは、特に断らない限り、光の主な出射端面をいう。ここで、光の主な出射端面とは、主目的で利用される光が出射される側の端面をいう。例えば、光ディスクシステムで用いられる半導体レーザの場合、光ディスクの情報を再生・記録するために利用される光が出射される側の端面のことを、光の主な出射端面という。

本発明において、「組成」とは、半導体層等を構成する元素の原子数の量的関係をいう。「組成比」とは、前記半導体層等を構成する特定の元素の原子数と、他の元素の原子数との相対的な割合をいう。例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮで表される組成を有する半導体において、ｘの数値を「Ｉｎ組成比」という。

本発明の端面発光型半導体発光素子では、前述のように、前記可飽和吸収層の（０００１）面の法線ベクトルの前記可飽和吸収層主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとし、ＡとＢのなす角をθとしたとき、｜Ａ｜＞０、かつ、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１である。なお、前記ベクトルＢの方向は、前記光導波路と前記光出射端面との交点近傍において前記光導波路が直線状のときは、前記交点における前記光導波路の方向に等しい。前記ベクトルＢの方向は、前記光導波路と前記光出射端面との交点近傍において前記光導波路が曲線状のときは、前記交点における前記光導波路の接線方向に等しい。

ここで、｜Ａ｜＞０とは、前記（０００１）面の法線ベクトルの前記可飽和吸収層主面への投影ベクトルの大きさが０ではないことを示すものである。これにより、前記可飽和吸収層の＜０００−１＞方向に発生する内部電界が前記可飽和吸収層主面内に０でない成分をもつ。したがって、前記可飽和吸収層内部のキャリアを前記可飽和吸収層主面方向にドリフトさせることが可能となる。

なお、本発明の端面発光型半導体発光素子は、前述のとおり、半導体結晶層の積層体を含む。前記半導体結晶層は、特に制限されないが、窒化物半導体から形成されることが好ましく、ＩＩＩ族窒化物半導体から形成されることがより好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体結晶としては、例えば、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ等の結晶が挙げられる。

前記活性層および前記可飽和吸収層は、Ｉｎ及びＧａを含むＩＩＩ族窒化物半導体結晶により形成されることがさらに好ましい。Ｉｎ及びＧａを含むＩＩＩ族窒化物半導体結晶としては、例えば、Ａｌ_ｚＧａ_ｗＩｎ_{１−ｚ−ｗ}Ｎ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）の組成で表される半導体結晶が挙げられる。

半導体、特に窒化物系半導体は、（０００１）面に垂直な方向、すなわち＜０００１＞あるいは＜０００−１＞の方向に、自発分極とピエゾ分極に起因した大きな内部電界を生ずる。特に、バンドギャップの異なる材料から形成された複数の層を積層した場合、相対的にバンドギャップが小さい層には、＜０００−１＞方向に内部電界が発生する。本発明の端面発光型半導体発光素子は、（０００１）面の法線ベクトルの基板主面への投影ベクトルが０でないため、＜０００−１＞方向に発生する内部電界は基板主面内に０でない成分を有する。ここで、＜０００−１＞方向に発生する内部電界の基板主面への投影ベクトルをＥとすると、素子内部のキャリアはＥによって基板主面内でドリフトする力を受ける。すなわち、Ｅのストライプ方向の成分をＥ//、ストライプに直交する成分をＥ⊥とすると、素子内部のキャリアをＥ//によってストライプ方向に、Ｅ⊥によってストライプと直交する方向にドリフトさせることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なる場合がある。

［実施形態１］
図１の断面斜視図に、本実施形態の端面発光型半導体発光素子の構造を示す。同図は、この端面発光型半導体発光素子を、光出射端面に平行に見た断面図である。図示のとおり、この端面発光型半導体発光素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層１０１〜１０７の積層体から形成されている窒化物半導体レーザである。前記積層体は、活性層１０３と、可飽和吸収層１０５と、光導波路とを含む。より具体的には、前記積層体は、ｎ型クラッド層１０１、ｎ型光閉じ込め層１０２、活性層１０３、ｐ型光閉じ込め層１０４、可飽和吸収層１０５、電流狭窄層１０６、およびｐ型クラッド層１０７が前記順番で積層されて形成されている。電流狭窄層１０６は、その一部が除去されて開口部（開口埋め込み部）が形成され、インナーストライプ（光導波路）を構成している。前記開口部（開口埋め込み部）は、ｐ型クラッド層１０７により埋め込まれている。活性層１０３及び可飽和吸収層１０５は、例えば、ＩｎＧａＮから形成することができる。ここで、ＩｎＧａＮとは、Ｉｎ（インジウム）とＧａ（ガリウム）とＮ（窒素）を主成分とする半導体である。本発明では、ＩｎＧａＮにおけるＩｎ（インジウム）とＧａ（ガリウム）とＮ（窒素）の３元素の含有率は、好ましくは、組成比で９９％以上である。なお、図１では、簡略化のため、基板、電極等の構成要素は省略して示している。

図示のとおり、この窒化物半導体レーザにおいて、光出射端面は、可飽和吸収層１０５の主面に垂直である。また、可飽和吸収層１０５の（０００１）面の法線ベクトル＜０００１＞は、可飽和吸収層１０５の主面に平行であり、かつ、光出射端面に平行である。また、図１の半導体レーザにおいて、光導波路の全体の形状は図示していないが、光の導波方向が光出射端面に垂直であり、かつ一直線状である。したがって、この窒化物半導体レーザにおいて、（０００１）面の法線ベクトルの基板主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとし、ＡとＢとのなす角をθとしたとき、｜Ａ｜＞０、かつ、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１となる。なお、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１とは、前記ベクトルＡと前記ベクトルＢが平行ではないことを意味する。本発明の端面発光型半導体発光素子において、より良好な信頼性を得る観点から、後述のように、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／√２であることが好ましく、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／２であることがより好ましく、ｃｏｓθ＝０であることが特に好ましい。図１に示す例では、前記ベクトルＡと前記ベクトルＢが直交するため、ｃｏｓθ＝０である。なお、√２は、２の平方根であり、かつ正の数である。

図１においては、前述のとおり、導波路における光の導波方向が光出射端面に垂直であり、かつ一直線状である。しかし、本発明の端面発光型半導体発光素子はこれに限定されず、前記光の導波方向が、光出射端面に垂直な方向から傾斜していてもよいし、一直線状でなく屈曲していてもよい。また、図１のように、導波路における光の導波方向が光出射端面に垂直であり、かつ一直線状である場合は、ベクトルＢは、前記光出射端面の法線ベクトルに等しくなる。なお、本発明で、光導波路の「始点」とは、光導波路を構成する半導体結晶層において、光出射端面とは反対側の（光出射端面と対を成す）端面での光導波路における幅方向の中心点をいう。同様に、光導波路の「終点」とは、光導波路を構成する半導体結晶層において、光出射端面での光導波路における幅方向の中心点をいう。

図１に示す窒化物半導体レーザは、可飽和吸収層１０５の（０００１）面に垂直な方向、すなわち図示の＜０００１＞（＜０００−１＞とも表記することがある）の方向に、自発分極とピエゾ分極に起因した大きな内部電界を生ずる。特に、バンドギャップの異なる材料から形成された複数の層を積層した場合、相対的にバンドギャップが小さい層には、＜０００−１＞方向に内部電界が発生する。この窒化物半導体レーザは、可飽和吸収層１０５において、（０００１）面の法線ベクトルの主面への投影ベクトルが０でないため、＜０００−１＞方向に発生する内部電界は主面内に０でない成分をもつ。ここで、＜０００−１＞方向に発生する内部電界の可飽和吸収層１０５主面への投影ベクトルをＥとすると、可飽和吸収層１０５内部のキャリア（電子２および正孔３）はＥによって主面内でドリフトする力を受ける。すなわち、ストライプ（前記導波路あるいはインナーストライプ）に直交する成分をＥ⊥とすると、電子２および正孔３をＥ⊥によって前記ストライプと直交する方向４にドリフトさせることが可能となる。

可飽和吸収層１０５で光吸収により励起されたキャリアは、Ｅ⊥によって可飽和吸収層１０５主面内でストライプ（光導波路）と直交する方向にドリフトするため、可飽和吸収層１０５のキャリア寿命が実効的に短くなる。すなわち、可飽和吸収層１０５のストライプ内で励起されたキャリアは、迅速にストライプ外へ移動する。これにより、可飽和吸収層１０５において光との相互作用が最も大きいストライプ内の可飽和吸収特性が迅速に回復される。このように、本発明の端面発光型半導体発光素子では、可飽和吸収層への高濃度不純物ドーピングをしなくても、前記可飽和吸収層において導波路に対応する領域内の励起キャリアを迅速に除去し、可飽和吸収特性を回復できる。このため、本発明の端面発光型半導体発光素子では、可飽和吸収層への高濃度不純物ドーピングによる活性層の結晶性の悪化が避けられ、良好な信頼性と自励発振機能の両立が可能である。この機構によれば、Ｅがストライプ方向と直交するとき、すなわち、（０００１）面の法線ベクトルの基板主面への投影ベクトルが、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルと直交するとき、理論上最大の効果が得られる。このような理由により、本発明では、前記ベクトルＡおよびＢのなす各θが、前述のとおり０≦｜ｃｏｓθ｜＜１である必要があり、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／√２であることが好ましく、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／２であることがより好ましく、ｃｏｓθ＝０であることが特に好ましいのである。

本発明においては、前述の通り、前記ベクトルＡと前記ベクトルＢとは平行ではない。この条件を満たすことにより、前記光導波路の前記光出射端面近傍において、前述の通り、キャリアを前記光導波路（ストライプ）外に移動させる効果が得られる。前記ベクトルＡの方向は、例えば本実施形態のように、前記光出射端面に平行であることが好ましい。前記ベクトルＡの方向が前記光出射端面に平行であれば、必ず、前記光出射端面近傍において前記ベクトルＡと前記ベクトルＢとが平行ではないという前述の条件を満たすことができるためである。

また、本発明の端面発光型半導体発光素子は、図１の構造に限定されない。例えば、半導体結晶層の積層体は、活性層と可飽和吸収層とを含み、かつ端面発光型半導体発光素子として機能しうる必要最小限の構造でも良い。また、半導体結晶層の積層体は、活性層と可飽和吸収層以外に任意の半導体結晶層を含んでいて良く、例えば後述の実施形態２のような構造でもよい。また、導波路は、図１ではインナーストライプ型の構造であるが、後述のようにリッジストライプ型の構造等でもよい。

本発明の端面発光型半導体発光素子の製造方法は特に制限されないが、前述した本発明の製造方法により製造することが好ましい。

［実施形態２］
図２の断面図に、本発明の端面発光型半導体発光素子の別の一実施形態を示す。同図は、この端面発光型半導体発光素子を、光出射端面に平行に見た断面図である。図示のとおり、この端面発光型半導体発光素子は、ｎ型基板２０１上に、ｎ型バッファ層２０２、ｎ型クラッド層２０３、ｎ型光閉じ込め層２０４、活性層２０５、ｐ型キャップ層２０６、第１のｐ型光閉じ込め層２０７、可飽和吸収層２０８、第２のｐ型光閉じ込め層２０９、電流狭窄層２１０、ｐ型クラッド層２１２およびｐ型コンタクト層２１３がこの順番で積層された半導体結晶層積層体を含む窒化物半導体レーザである。電流狭窄層２１０は、一部がウエットエッチング等により除去されてストライプ状の開口部（開口埋め込み部）２１１が設けられている。開口部（開口埋め込み部）２１１は、ｐ型クラッド層２１２により埋め込まれ、光導波路が形成されている。ｐ型コンタクト層２１３の上面にはｐ電極２１４が設けられ、ｎ型基板２０１の下面にはｎ電極２１５が設けられている。

ｎ型基板２０１は、例えばＧａＮ基板からなる。ｎ型バッファ層２０２は、例えば厚さ１μｍのＧａＮからなる。ｎ型クラッド層２０３は、例えば厚さ２μｍのＡｌＧａＮからなる。ｎ型光閉じ込め層２０４は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。活性層２０５は、例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する。ｐ型キャップ層２０６は、例えば厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮからなる。第１のｐ型光閉じ込め層２０７と第２のｐ型光閉じ込め層２０９は、例えばそれぞれ厚さ０．０５μｍのＧａＮからなる。可飽和吸収層２０８は、活性層２０５で発生する発振光を吸収するように組成、層厚が設定され、例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる。電流狭窄層２１０は、例えば厚さ０．１μｍのＡｌＮからなり、水平方向の屈折率差により光分布制御層としての機能も兼ね備える。ｐ型クラッド層２１２は、例えば厚さ２．５ｎｍのＧａＮと厚さ２．５ｎｍのＡｌＧａＮからなる１３０周期の超格子構造で構成される。ｐ型コンタクト層２１３は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。ｎ型不純物は、例えばＳｉであり、ｐ型不純物は、例えばＭｇである。

図２の窒化物半導体レーザにおいて、光出射端面は、可飽和吸収層２０８の主面に垂直である。また、可飽和吸収層２０８の（０００１）面の法線ベクトル＜０００１＞は、可飽和吸収層２０８の主面に平行であり、かつ、光出射端面に平行である。また、図２の半導体レーザにおいて、光導波路の全体の形状は図示していないが、実施形態１と同様、光の導波方向が光出射端面に垂直であり、かつ一直線状である。

本実施形態では、可飽和吸収層２０８（０００１）面の法線ベクトルの可飽和吸収層２０８主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとすると、Ａが０でなく、かつＡとＢが直交している。この構造は、ｎ型基板２０１としてＧａＮ基板を用いる場合、その基板主面として例えば（１１−２０）面や（１−１００）面を選び、ストライプ状の開口部（開口埋め込み部）２１１をＡ方向と直交する方向に設けることで実現される。このとき、可飽和吸収層２０８には、その主面（基板主面と一致する）内で、前記ストライプ（光導波路またはインナーストライプ）に直交する方向に内部電界が発生する。これにより、可飽和吸収層２０８で光吸収により生成されるキャリアは速やかに水平方向にドリフトする。このため、高濃度ドーピングを施すことなく、可飽和吸収層２０８のキャリア寿命を実効的に短くすることが可能となり、良好な信頼性と良好な自励発振動作が得られる。なお、活性層２０５においては、可飽和吸収層２０８に比べてキャリア密度が高いため、内部電界のスクリーニング効果が大きく、キャリアが水平方向にドリフトする効果は小さい。そのため、活性層２０５のキャリア寿命が実効的に短くなる効果は小さく、素子特性を悪化させる要因にはならない。

可飽和吸収層２０８においては、（０００１）面の法線ベクトルの主面への投影ベクトルＡが０でないように選べば、内部電界は可飽和吸収層２０８主面（基板主面と一致する）内で０でない成分を持つ。したがって、（１１−２０）面や（１−１００）面以外を基板主面としても良い。また、（０００１）面の法線ベクトルの前記主面への投影ベクトルＡの方向と、光の主な出射端面の法線ベクトルＢとが平行でないように選べば、内部電界は基板主面内でストライプに直交する方向に０でない成分を持つので、ＡとＢが直交していなくても良い。すなわち、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１であれば良い。好ましくは、Ｅ⊥＞Ｅ//、すなわち、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／√２であり、より好ましくは、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／２である。こうすることにより、キャリア寿命を実効的に短くする作用を効果的に発揮することが可能となる。しかしながら、実施形態１でも述べたように、前記ベクトルＡとＢが直交すること、すなわちｃｏｓθ＝０であることが特に好ましい。図２の端面発光型半導体発光素子では、前述の説明どおり、前記ベクトルＡとＢが直交しているため、ｃｏｓθ＝０である。

なお、本発明の端面発光型発光素子において、可飽和吸収層は、他の半導体結晶層において最も不純物濃度が高い層における不純物濃度以下のドーピングが施されていても良い。前記可飽和吸収層は、意図的でないドーピングが施された層、すなわち、アンインテンショナリードープ（ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｏｐｅ）な層でも良い。意図的でないドーピングとは、例えば、可飽和吸収層上に積層された層に不純物をドーピングする際、可飽和吸収層内にも前記不純物が若干ドーピングされる場合がある。前記可飽和吸収層は、ドーピングを施さない、すなわち、アンドープ（ノンドープということもある）な層であることが特に好ましい。こうすることにより、良好な信頼性を実現する作用を特に効果的に発揮できる。なお、アンドープ（ノンドープ）とは、理想的には不純物濃度がゼロであるが、若干の不純物を含んでいてもよい。本発明の端面発光型発光素子において、前記可飽和吸収層における不純物濃度は、特に制限されない。前記アンインテンショナリードープな層において、前記不純物濃度は、特に制限されないが、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３以下である。前記アンドープな層において、前記不純物濃度は、特に制限されないが、例えば５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。なお、前記アンインテンショナリードープな層における前記不純物濃度は、例えば、近接するドーピング層の不純物濃度等に影響される。前記アンドープな層における前記不純物濃度は、例えば、各半導体結晶層の結晶成長条件等に影響される。前記可飽和吸収層における不純物濃度は、全ての半導体結晶層において最も不純物濃度が高い層の不純物濃度に対し、例えば１／１０以下、好ましくは１／２０以下、より好ましくは１／１００以下、さらに好ましくは１／２００以下である。すなわち、全ての半導体結晶層において最も不純物濃度が高い層における不純物濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３程度であった場合、前記可飽和吸収層における不純物濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３以下、好ましくは５×１０^１７ｃｍ^−３以下、より好ましくは１×１０^１７ｃｍ^−３以下、さらに好ましくは５×１０^１６ｃｍ^−３以下である。

本発明の端面発光型半導体発光素子は上記の説明に限定されず、様々な変形例が可能である。例えば、可飽和吸収層２０８は、バルク層からなっても良く、量子井戸層からなっても良く、多重量子井戸構造からなっても良い。また、可飽和吸収層２０８を構成する材料は、活性層２０５で発生する光の波長によって様々に選択することができ、例えばＡｌ_zＩｎ_wＧａ_１−z−wＮ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）を含んでなる単層、または複数の層から構成されても良い。

また、図２では光導波路がインナーストライプ型であるが、本実施形態の変形例の一例として、例えば図３の断面図に示すように、光導波路がリッジストライプ型でもよい。図３の端面発光型半導体発光素子において、可飽和吸収層２０８の（０００１）面の法線ベクトル＜０００１＞は、可飽和吸収層２０８の主面に平行であり、かつ、光出射端面に平行である。このように結晶構造の方向が異なる以外は、図３の端面発光型半導体発光素子の構造は、前述した図４の端面発光型半導体発光素子と同様である。

図２に示す端面発光型半導体発光素子の製造方法は、特に制限されないが、例えば以下の通りである。以下で説明する製造方法は、半導体基板を準備する基板準備工程と、前記半導体基板上に前記半導体結晶層の積層体をエピタキシャル成長させる積層体成長工程とを含む。前記半導体基板は、結晶構造中に（０００１）面を含み、かつ、前記（０００１）面以外の面を主面とする。すなわち、この製造方法は、前述した本発明の製造工程の一例である。

この製造方法において、素子構造の作製には、３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ装置を用いる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジウムを用いる。ｎ型不純物としてはシラン、ｐ型不純物としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウムをそれぞれ用いる。ｎ型ＧａＮ基板２０１の基板主面として、例えば（１１−２０）面や（１−１００）面を用いる。

まず、ｎ型ＧａＮ基板２０１を準備する（基板準備工程）。具体的には、例えば、ｎ型ＧａＮ基板２０１を自家で作製しても良いし、完成品のｎ型ＧａＮ基板２０１を購入する等しても良い。（１１−２０）面または（１−１００）面を基板主面とするｎ型ＧａＮ基板２０１の作製方法としては、例えば以下の方法がある。すなわち、まず、（０００１）面を有するサファイア基板を準備し、前記（０００１）面上にＧａＮをエピタキシャル成長させる。その後、前記サファイア基板を剥離させ、得られた厚膜のＧａＮ層を研磨または切削加工して、（１１−２０）面または（１−１００）面の面出しをする。さらに、ドーピング等の処理を適宜行い、基板主面が（１１−２０）面または（１−１００）面であるｎ型ＧａＮ基板２０１を得る。

次に、ｎ型ＧａＮ基板２０１上に前記半導体結晶層の積層体をエピタキシャル成長させる（積層体成長工程）。具体的には以下の通りである。すなわち、まず、ｎ型ＧａＮ基板２０１を成長装置（前記減圧ＭＯＶＰＥ装置）に投入後、アンモニアを供給しながらｎ型ＧａＮ基板２０１を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。１回目の成長では、ｎ型ＧａＮバッファ層２０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０３、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層２０４、ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層２０５、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２０６、第１のｐ型ＧａＮ光閉じ込め層２０７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層２０８、第２のｐ型ＧａＮ光閉じ込め層２０９、ＡｌＮ電流狭窄層２１０の前駆層をこの順番に形成する（エピタキシャル成長させる）。成長温度は、例えばＡｌＮ電流狭窄層２１０の前駆層は２００〜８００℃、活性層２０５は８００℃、それ以外は１１００℃とする。ＡｌＮ電流狭窄層２１０の前駆層は低温で成長するため、１回目の成長終了時はアモルファス状である。その上にＳｉＯ_２膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、＜０００１＞方向と直交する方向にストライプ状の開口部を有するＳｉＯ_２マスクを形成する。次に、燐酸と硫酸の混合液を５０〜２００℃に保持してエッチング液とし、ＡｌＮ電流狭窄層２１０の前駆層（アモルファス状）にストライプ状の開口部２１１を形成する。この時、アモルファス状のＡｌＮは容易にエッチングされ、単結晶のＧａＮはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。次に、再び成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で２回目の成長を開始する。この時、ＡｌＮ電流狭窄層２１０の前駆層は、基板の昇温過程で単結晶化が進み、ＡｌＮ電流狭窄層２１０となる。さらに、開口部２１１（ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層２０９が露出した部分）およびＡｌＮ電流狭窄層２１０の上面に、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２１２、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１３をこの順番に形成する（エピタキシャル成長させる）。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１３の上面にｐ電極２１４を形成し、ｎ型ＧａＮ基板２０１の下面にｎ電極２１５を形成して、図２の端面発光型半導体発光素子を得る。

本発明の製造方法は、当業者であれば、本明細書の記載および技術常識に基づいて実施し、本発明の端面発光型半導体発光素子を製造することができる。また、本発明の製造方法は、上記の説明に限定されない。例えば、各層の成長条件、エッチング条件等の各種条件は、公知の半導体素子の製造方法等を参考に、適宜変形を加えても良い。

上記実施形態１および２では、主に半導体レーザ（ＬＤ）について説明した。このように、本発明の端面発光型半導体発光素子は、半導体レーザであることが好ましい。ただし、本発明の端面発光型半導体発光素子は、これに限定されず、例えば、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）、または半導体光増幅器（ＳＯＡ）等でもよい。本発明の端面発光型半導体発光素子の用途は特に制限されず、画像表示装置（ディスプレイ）、情報記録再生装置（例えば光ディスクシステム）等の製品に広く用いることができる。本発明の端面発光型半導体発光素子は、自励発振機能を有し、動作特性が良好で、かつ、素子寿命が長いという優れた性質を有するから、特に、次世代光ディスクシステムや次世代ディスプレイなどの光源として適する。

（付記１）
半導体結晶層の積層体と、光出射端面とを含み、前記積層体が、活性層と、可飽和吸収層と、光導波路とを含み、
前記可飽和吸収層は、結晶構造中に（０００１）面を含み、
前記可飽和吸収層の（０００１）面の法線ベクトルの前記可飽和吸収層主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとし、ＡとＢのなす角をθとしたとき、｜Ａ｜＞０、かつ、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１であり、
前記可飽和吸収層の不純物濃度は、前記可飽和吸収層以外の前記半導体結晶層のうち最も不純物濃度が高い層の不純物濃度以下であることを特徴とする端面発光型半導体発光素子。

（付記２）
前記活性層および前記可飽和吸収層が、Ｉｎ及びＧａを含むＩＩＩ族窒化物半導体結晶により形成されることを特徴とする付記１に記載の端面発光型半導体発光素子。

（付記３）
半導体レーザであることを特徴とする付記１または２に記載の端面発光型半導体発光素子。

１ 前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルの向き
２ 電子
３ 正孔
４ 電子および正孔の移動（ドリフト）方向
１０１ ｎ型クラッド層
１０２ ｎ型光閉じ込め層
１０３ 活性層
１０４ ｐ型光閉じ込め層
１０５ 可飽和吸収層
１０６ 電流狭窄層
１０７ ｐ型クラッド層
２０１ ｎ型基板
２０２ ｎ型バッファ層
２０３ ｎ型クラッド層
２０４ ｎ型光閉じ込め層
２０５ 活性層
２０６ ｐ型キャップ層
２０７ 第１のｐ型光閉じ込め層
２０８ 可飽和吸収層
２０９ ｐ型光閉じ込め層
２１０ 電流狭窄層
２１１ 開口部（開口埋め込み部）
２１２ ｐ型クラッド層
２１３ ｐ型コンタクト層
２１４ ｐ電極
２１５ ｎ電極
３０１ ｎ型基板
３０２ ｎ型バッファ層
３０３ ｎ型クラッド層
３０４ ｎ型光閉じ込め層
３０５ 活性層
３０６ ｐ型キャップ層
３０７ ｐ型光閉じ込め層
３０８ 可飽和吸収層
３０９ ｐ型クラッド層
３１０ ｐ型コンタクト層
３１１ 絶縁層
３１２ ｐ電極
３１３ ｎ電極

Claims (10)

1. 半導体結晶層の積層体と、光出射端面とを含み、前記積層体が、活性層と、可飽和吸収層と、光導波路とを含み、
   前記可飽和吸収層は、結晶構造中に（０００１）面を含み、
   前記可飽和吸収層の（０００１）面の法線ベクトルの前記可飽和吸収層主面への投影ベクトルをＡ、前記光出射端面から出射される直前の光の導波方向のベクトルをＢとし、ＡとＢのなす角をθとしたとき、｜Ａ｜＞０、かつ、０≦｜ｃｏｓθ｜＜１であり、
   前記可飽和吸収層の不純物濃度は、前記可飽和吸収層以外の前記半導体結晶層のうち最も不純物濃度が高い層の不純物濃度以下であることを特徴とする端面発光型半導体発光素子。
2. 前記ベクトルＡの方向が、前記光出射端面に平行である請求項１記載の端面発光型半導体発光素子。
3. 前記可飽和吸収層が、アンインテンショナリードープな層であることを特徴とする請求項１または２記載の端面発光型半導体発光素子。
4. 前記可飽和吸収層がアンドープな層であることを特徴とする請求項１または２記載の端面発光型半導体発光素子。
5. ０≦｜ｃｏｓθ｜＜１／√２であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の端面発光型半導体発光素子。
6. ｃｏｓθ＝０であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の端面発光型半導体発光素子。
7. 前記半導体結晶層の積層体における各半導体結晶層が、ＩＩＩ族窒化物半導体から形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の端面発光型半導体発光素子。
8. 半導体基板を準備する基板準備工程と、前記半導体基板上に前記半導体結晶層の積層体をエピタキシャル成長させる積層体成長工程とを含み、
   前記半導体基板は、結晶構造中に（０００１）面を含み、かつ、前記（０００１）面以外の面を主面とすることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の端面発光型半導体発光素子の製造方法。
9. 光源を含み、前記光源が、請求項１から７のいずれか一項に記載の端面発光型半導体発光素子を含むことを特徴とする画像表示装置。
10. 光源を含み、前記光源が、請求項１から７のいずれか一項に記載の端面発光型半導体発光素子を含むことを特徴とする情報記録再生装置。

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