JP2012248575A - 窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板、及び窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents

窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板、及び窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 Download PDF

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Takamichi Sumitomo
隆道 住友
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昌紀 上野
Katsunori Yanashima
克典 簗嶋
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邦彦 田才
Hiroshi Nakajima
中島　　博
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Abstract

【課題】長波長のレーザ発振においてしきい値電流を低減できるクラッド構造を有する窒化物半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ｎ型クラッド層２１、活性層２５及びｐ型クラッド層２３は主面１７ａの法線軸ＮＸの方向に配置される。この主面１７ａは、六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸Ｃｘに直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度ＡＬＰＨＡで六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜している。活性層２５はｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間に設けられる。
活性層２５は波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられる。ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さい。ｎ型クラッド層２１の厚さＤｎは２μｍ以上であり、ｐ型クラッド層２３の厚さＤｐは５００ｎｍ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板、及び窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に関する。
特許文献１には、ｃ面上に作製された窒化物半導体発光素子が記載されている。この窒化物半導体発光素子は、２つの三元ＡｌＧａＮクラッド層を含む。窒化物半導体発光素子の発光波長は、４１０ｎｍから４５５ｎｍ程度の青色の波長以下の短波長である。
特許第３５３８２７５号公報
特許文献１に記載されるように、厚いＡｌＧａＮクラッド層にはクラックが入る。クラッド層に厚いＡｌＧａＮを用いることには、臨界膜厚による限界がある。
特許文献１の発光素子は、波長４１０ｎｍから４５５ｎｍまでの発光を提供する。一方、特許文献１の発光素子の発光より長波長では、活性層とクラッド層との屈折率差は、窒化物材料の波長分散に起因して、上記の波長における値に比べて小さくなる。これは、その波長範囲においてＧａＮの屈折率とＡｌＧａＮの屈折率との差が小さくなるからであり、この低下を補うために、ＡｌＧａＮのアルミニウム組成を大きくすること、及び／又はＡｌＧａＮの膜厚を大きくすることが必要である。しかしながら、クラッド層に厚いＡｌＧａＮを用いることには、臨界膜厚による限界がある。また、ＡｌＧａＮのアルミニウム組成を大きくすることは、その臨界膜厚を低下させる。
ｃ面上の発光素子では、例えば青色より長波長の発光を得るためには、クラッド層の厚みの変更では対応できない。また、長波長の発光素子の作製にｃ面を用いることは、大きなピエゾ電界だけでなく、発光層のＩｎＧａＮ層におけるインジウム組成の不均一も伴う。
ｃ面上への四元ＩｎＡｌＧａＮ混晶の成長では、III族構成元素のアルミニウムに係るＡｌＮの成長温度が、III族構成元素のインジウムに係るＩｎＮの成長温度に比べて大きく異なる。この混晶はインジウムを構成元素として含むので、この窒化物半導体を成長するためには、該窒化物半導体を例えばＧａＮの成膜温度に比べて低温度で成長される。この窒化物半導体をｃ面上へ成長するとき、厚膜の成長の結果として、良好な表面モフォロジが窒化物半導体に提供されない。しかしながら、この結果、良好な発光特性を得るに至っていない。発明者らは、大きな膜厚の四元ＩｎＡｌＧａＮ混晶を良好な表面モフォロジを伴って成長することはその成長機構に係る理由により成功できないと考えている。
III族窒化物半導体発光素子では、青色より長波長の発光、例えば緑色のレーザ発振が達成されつつある。このような長波長を可能にする半導体レーザにおいて求められていることは、レーザ発振におけるしきい値電流の低減である。また、この低減のために求められることは、窒化物半導体材料の波長分散に起因する屈折率差の低下を補償するためのクラッド構造を提供することである。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、長波長のレーザ発振に好適なクラッド構造を有する窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、本発明は、窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。さらに、本発明は、この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を目的とする。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子は、（ａ）III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、（ｂ）III族構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含む活性層と、（ｃ）III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなるｐ型クラッド層とを備える。前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、六方晶系窒化物半導体からなる半極性半導体面上に設けられ、前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は前記半極性半導体面の法線軸の方向に配置され、前記半極性半導体面は、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で前記六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜しており、前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記活性層は波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられ、前記ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さく、前記ｎ型クラッド層の厚さは２μｍ以上であり、前記ｐ型クラッド層の厚さは５００ｎｍ以上である。
この窒化物半導体レーザ素子では、ｎ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなると共に、ｐ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなる。この窒化物半導体では、III族構成元素のアルミニウムに係るＡｌＮが、III族構成元素のインジウムに係るＩｎＮと比べて成長温度の点で大きく異なる。これ故に、この窒化物半導体を成長するためには、該窒化物半導体を例えばＧａＮの成膜温度に比べて低温度で成長される。この窒化物半導体をｃ面上へ成長するとき、厚膜の成長の結果として、良好な表面モフォロジが窒化物半導体に提供されない。また、ＡｌＮ及びＩｎＮの成長温度差に起因してｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のための厚膜を得ることは容易ではなく、その表面モフォロジも所望の品質ではない。
半極性半導体面が上記の角度範囲の角度で傾斜しており、この角度範囲の半極性面への上記窒化物半導体の成長では、上記の低温度においてステップフローな成長が生じる。このため、厚膜の窒化物半導体をクラッド層に提供できる。このクラッド層のための窒化物半導体は良好な表面モフォロジを有する。この良好な表面モフォロジを有する半極性面上に、活性層を含むコア半導体領域を設けることができる。故に、良好な結晶品質を活性層に提供できる。また、コア半導体領域の表面は上記の角度範囲の半極性を有するので、上記のクラッド層への厚膜を提供できることと同様の理由で、活性層上の他方のクラッド層に厚膜の窒化物半導体を提供できる。したがって、ｎ型クラッド層が厚膜の第１窒化物半導体から構成されると共に、ｐ型クラッド層が厚膜の第２窒化物半導体から構成される。
一方、活性層が波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられるとき、この波長範囲では、窒化物半導体の波長分散に起因してクラッドとコアとの屈折率差が、例えば青色発光の波長範囲に比べて小さくなる。これは、光閉じ込め性の向上を窒化物半導体材料の変更による屈折率差の改善に求めることができないことを示す。
ところが、上記の角度範囲の半極性面を用いることによって、ｎ型クラッド層に厚さ２μｍ以上の厚膜を提供できると共にｐ型クラッド層に厚さ５００ｎｍ以上の厚膜を提供できる。これによって、波長分散による屈折率差の低下をＧａＮの屈折率よりも小さく厚膜の上記窒化物半導体により補うことができる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子は、六方晶系III族窒化物半導体からなる支持基体を更に備えることができる。前記支持基体は前記半極性半導体面を提供しており、前記ｎ型クラッド層、前記発光層及び前記ｐ型クラッド層は、この順に前記半極性半導体面上に搭載される。上記の発明では、半極性半導体面の半極性は、六方晶系III族窒化物半導体からなる支持基体によって規定できる。
また、本発明は、窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板に係る。このエピタキシャル基板は、（ａ）III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、（ｂ）構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含む活性層と、（ｃ）III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、（ｄ）窒化物からなる半極性半導体面を有する基板とを備える。前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、六方晶系窒化物半導体からなる半極性半導体面上に設けられ、前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は前記半極性半導体面の法線軸の方向に配置され、前記半極性半導体面は、前記窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で前記窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜しており、前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、前記活性層は波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられ、前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さく、前記ｎ型クラッド層の厚さは２μｍ以上であり、前記ｐ型クラッド層の厚さは５００ｎｍ以上である。
このエピタキシャル基板では、ｎ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなると共に、ｐ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなる。このような窒化物半導体では、III族構成元素のアルミニウムに係るＡｌＮの成長温度が、III族構成元素のインジウムに係るＩｎＮの成長温度に比べて大きく異なる。これ故に、この窒化物半導体を成長するためには、該窒化物半導体を例えばＧａＮの成膜温度に比べて低温度で成長される。この窒化物半導体をｃ面上へ成長するとき、厚膜の成長の結果として、良好な表面モフォロジが窒化物半導体に提供されない。また、ＡｌＮ及びＩｎＮの成長温度差に起因してｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のための厚膜を得ることは容易ではなく、それらの表面モフォロジも所望の品質ではない。
基板の半極性半導体面が上記の角度範囲の角度で傾斜しており、この角度範囲の半極性面への上記窒化物半導体の成長では、上記の低温度においてステップフローな成長が生じる。このため、厚膜の窒化物半導体をクラッド層に提供できる。ｎ型クラッド層のための窒化物半導体は良好な表面モフォロジを有する。この良好な表面モフォロジを有する半極性面上に、活性層を含むコア半導体領域を設けることができる。故に、良好な結晶品質を活性層に提供できる。また、コア半導体領域の表面は上記の角度範囲の半極性を有するので、上記のクラッド層への厚膜の提供と同様な理由で、活性層上の他方のクラッド層に厚膜の窒化物半導体を提供できる。したがって、厚膜の第１窒化物半導体から構成されるｎ型クラッド層を基板上に設けると共に、厚膜の第２窒化物半導体から構成されるｐ型クラッド層を基板上に設けることができる。これ故に、エピタキシャル基板の表面モフォロジが良好になる。
一方、活性層が波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように基板上に設けられるとき、この波長範囲では、窒化物半導体の波長分散に起因してクラッドとコアとの屈折率差が、例えば青色発光の波長範囲に比べて小さくなる。これは、光閉じ込め性の向上を窒化物半導体材料の屈折率差に求めることができないことを示す。
ところが、基板が上記の角度範囲の半極性面を有するので、ｎ型クラッド層に厚さ２μｍ以上の厚膜を提供できると共にｐ型クラッド層に厚さ５００ｎｍ以上の厚膜を提供でき、これによって、波長分散により屈折率差の低下をＧａＮの屈折率よりも小さい窒化物半導体の厚膜により補うことができる。
さらに、本発明は、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）六方晶系窒化物半導体からなる半極性半導体面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）厚さ２μｍ以上のｎ型クラッド層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、（ｃ）前記ｎ型クラッド層を成長した後に、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生可能な活性層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、（ｄ）前記活性層を成長した後に、厚さ５００ｎｍ以上のｐ型クラッド層を前記半極性半導体面の上に成長する工程とを備え、前記ｎ型クラッド層は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなり、前記ｐ型クラッド層は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなり、前記活性層は、III族構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含み、前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は前記半極性半導体面の法線軸の方向に配置され、前記半極性半導体面は、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で前記六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜しており、前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さい。
この製造方法では、窒化物半導体レーザ素子のｎ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなると共に、ｐ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなる。このような窒化物半導体の成長では、III族構成元素のアルミニウムに係るＡｌＮの成長温度が、III族構成元素のインジウムに係るＩｎＮの成長温度に比べて大きく異なる。これ故に、この窒化物半導体を成長するためには、該窒化物半導体を例えばＧａＮの成膜温度に比べて低温度で成長される。この窒化物半導体をｃ面上へ成長するとき、厚膜の成長の結果として、良好な表面モフォロジが窒化物半導体に提供されない。また、ＡｌＮ及びＩｎＮの成長温度差に起因してｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のための厚膜を得ることは容易ではなく、それらの表面モフォロジも所望の品質ではない。
半極性半導体面が上記の角度範囲の角度で傾斜しており、この角度範囲の半極性面への上記窒化物半導体の成長では、上記の低温度においてステップフローな成長が生じる。このため、厚膜の窒化物半導体をｎ型クラッド層に提供できる。ｎ型クラッド層のための窒化物半導体は良好な表面モフォロジを有する。この良好な表面モフォロジを有する半極性面上に、活性層を含むコア半導体領域を設けることができる。故に、良好な結晶品質を活性層に提供できる。また、コア半導体領域の表面は上記の角度範囲の半極性を有するので、ｎ型クラッド層への厚膜の提供と同様な理由で、厚膜の窒化物半導体をｐ型クラッド層に提供できる。したがって、ｎ型クラッド層が厚膜の第１窒化物半導体から構成されると共に、ｐ型クラッド層が厚膜の第２窒化物半導体から構成される。
一方、活性層が波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられるとき、この波長範囲では、窒化物半導体の波長分散に起因してクラッドとコアとの屈折率差が、例えば青色発光の波長範囲に比べて小さくなる。したがって、光閉じ込め性の向上を窒化物半導体材料の屈折率差に求めることができないことを示す。しかしながら、上記の角度範囲の半極性面を用いることによって、ｎ型クラッド層に厚さ２μｍ以上の厚膜を提供できると共にｐ型クラッド層に厚さ５００ｎｍ以上の厚膜を提供でき、これによって、波長分散により屈折率差の低下をＧａＮの屈折率よりも小さい厚膜の窒化物半導体により補うことができる。
本発明に係る、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法は、前記ｐ型クラッド層を成長した後に、ｐ型コンタクト層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、前記ｐ型コンタクト層に接触を成す電極を形成する工程と、を更に備えることができる。前記エピタキシャル層は三元のＩｎＧａＮからなり、該ＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上であり、前記活性層を成長した後であって前記ｐ型コンタクト層を成長するまでの成膜における成長温度は、摂氏９５０度以下であることが好ましい。
この製造方法では、上記成長温度が摂氏９００度以下であるので、長波長の光を発生する活性層における高インジウム組成のＩｎＧａＮ層への熱的ストレスを低減できる。
本発明に係る、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法は、前記活性層を成長するに先だって、前記ｎ型クラッド層の上に窒化ガリウム層を摂氏１０００度以上の温度で成長する工程を更に備えることができる。前記ｎ型クラッド層の成長温度は摂氏９００度以下であり、前記活性層の成長温度は摂氏９００度以下であり、前記半極性半導体面はＧａＮからなることが好ましい。
この製造方法では、上記成長温度が摂氏１０００度以上であるので、長波長の光を発生する活性層の成長に先だって、良好な結晶品質のＧａＮを成長できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記エピタキシャル層は三元のＩｎＧａＮからなり、該ＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上であることが好ましい。
上記の発明では、活性層は、６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜する半極性面上に設けられるので、この半極性面に基づくステップフローな成長による技術的寄与がＩｎＧａＮの成長にも提供される。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層の合計膜厚は３μｍ以上であることが好ましい。上記の発明では、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層の膜厚の合計が３μｍ以上であるので、活性層における発光の波長範囲において十分な光閉じ込めを提供できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ前記活性層を含むコア半導体領域の屈折率の最大値はＧａＮの屈折率に等しいか又はより大きいことが好ましい。上記の発明では、厚膜のｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層により高い屈折率のコア半導体領域に光閉じ込めが可能にある。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｎ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｎ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上であり、前記ｐ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｐ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上であることが好ましい。
上記の発明では、０．０１以上のインジウム組成によれば、ＡｌＧａＮを用いることと異なり格子不整の程度を調整できる。また、０．０３以上のアルミニウム組成によれば、ＩｎＧａＮと異なりバンドギャップを大きくでき、また屈折率を低くできる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体はIII族構成元素としてガリウムを含み、前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体はIII族構成元素としてガリウムを含むことが好ましい。上記の発明では、第１及び第２窒化物半導体に、III族構成元素としてＩｎ、Ａｌ及びＧａを備える材料を適用できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子及びエピタキシャル基板は、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第１ＧａＮ光ガイド層と、前記第１ＧＮ層と前記活性層との間に設けられた第１ＩｎＧａＮ光ガイド層と、前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第２ＧａＮ光ガイド層と、前記第２ＧａＮ光ガイド層と前記活性層との間に設けられた第２ＩｎＧａＮ光ガイド層とを更に備えることができる。前記活性層は、前記第１ＧａＮ光ガイド層及び前記第１ＩｎＧａＮ光ガイド層と前記ｐ第２ＧａＮ光ガイド層及び前記第２ＩｎＧａＮ光ガイド層との間に設けられることが好ましい。
この発明では、活性層と各クラッド層との間に設けられる光ガイド領域が、互いに異なる屈折率の少なくとも２層（ＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層）を含むので、内包歪みを低減する共にクラッドとコアとの屈折率差の縮小を避けることができる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子及びエピタキシャル基板は、前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた電子ブロック層を更に備えることができる。前記半極性半導体面はＧａＮからなり、前記電子ブロック層はＧａＮからなり、前記電子ブロック層は２つのＩｎＧａＮ層に接合を成して挟まれる。上記の発明では、電子ブロック層がＧａＮからなるので、クラッド層間に設けられるコア半導体領域の実効屈折率の低下を低減できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記半極性半導体面は、７０度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜することができる。上記の発明では、長波長の発光を提供する活性層の実現に好適である。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。上記の第１窒化物半導体は、そのｃ軸及びａ軸の方向に関して、ゼロではない小さな歪みを内包する。第２窒化物半導体は、そのｃ軸及びａ軸の方向に関して、ゼロではない小さな歪みを内包する。
本発明に係る窒化物半導体レーザ素子、エピタキシャル基板及びこれらの製造方法では、前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の一方の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の他方の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、長波長のレーザ発振に好適なクラッド構造を有する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、この窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板が提供される。さらに、本発明によれば、この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及びエピタキシャル基板の構造を概略的に示す図面である。 図２は、クラッド層の格子定数に関する形態の一覧を示す図面である。 図３は、窒化ガリウム系半導体の屈折率の波長依存性（波長分散関係）を示す図面である。 図４は、ＩｎＧａＮ層のカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。 図５は、６３度以上８０度未満の角度範囲における半導体半極性面及びｃ面の表面構造を模式的に示す図面である。 図６は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図７は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図８は、実施例１において作製されたIII族窒化物半導体レーザを概略的に示す図面である。 図９は、ＩｎＡｌＧａＮの表面モフォロジと成長面方位との関係を示す図面である。 図１０は、ＧａＮ（２０−２１）面上にレーザ構造を有するいくつかのエピタキシャル基板から作製される半導体レーザを示す図面である。
添付図面を参照しながら、窒化物半導体レーザ、エピタキシャル基板、並びにエピタキシャル基板及び窒化物半導体レーザを作製する方法に係る本発明の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及びエピタキシャル基板の構造を概略的に示す図面である。図１の（ａ）部に示されるように、III族窒化物半導体レーザ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く、例えばリッジ構造を有することもできる。III族窒化物半導体レーザ１１は、支持基体１７及び半導体領域１９を含む。図１の（ｂ）部に示されるように、III族窒化物半導体レーザ１１のためのエピタキシャル基板ＥＰは、支持基体１７に替えて基板１８を含むと共に、半導体領域１９に替えて半導体積層２０を有する。この半導体積層２０の層構造は半導体領域１９の層構造と同じである。エピタキシャル基板ＥＰの半導体積層２０の主面２０ａは良好な表面モフォロジを有する。半導体積層２０は基板１８の半極性面１８ａ上に設けられる。エピタキシャル基板ＥＰは電極を含まない。
引き続いて、III族窒化物半導体レーザ１１を説明するが、この記述は窒化物半導体レーザ１１のためのエピタキシャル基板ＥＰにも適用される。図１の（ａ）部に示されるように、窒化物半導体レーザ１１は、ｎ型クラッド層２１と、ｐ型クラッド層２３と、活性層２５とを備える。エピタキシャル基板ＥＰに関して説明すると、エピタキシャル基板ＥＰは、ｎ型クラッド層２１のための第１の半導体層と、ｐ型クラッド層２３のための第２の半導体層と、活性層のための第３の半導体層とを備える。III族窒化物半導体レーザ１１では、活性層２５は発光層１３に含まれ、この発光層１３はｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間に設けられる。発光層１３はｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間に設けられるコア半導体領域として働く。半導体領域１９は、発光層１３、ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３を含む。ｎ型クラッド層２１は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなる。ｐ型クラッド層２３は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなる。活性層２５は、構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含む。活性層２５は波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられる。ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さい。ｎ型クラッド層２１の厚さＤｎは２μｍ以上であり、ｐ型クラッド層２３の厚さＤｐは５００ｎｍ以上である。
この窒化物半導体レーザ素子１１では、ｎ型クラッド層２１、ｐ型クラッド層２３及び活性層２５は、支持基体１７上に搭載される。支持基体１７は導電性を有しており、この導電性は、例えば当該半導体レーザ１１に電流を流すために必要な程度の値である。支持基体１７は半極性半導体面からなる主面１７ａ及び裏面１７ｂを有する。主面１７ａは窒化ガリウム系半導体からなり、例えば六方晶系ＧａＮからなる。好適な実施例では、支持基体１７は六方晶系III族窒化物半導体からなり、更には窒化ガリウム系半導体からなることができる。主面１７ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向（ｃ軸ベクトルＶＣの方向）に延在する基準軸に直交する基準面（例えば、代表的なｃ面Ｓｃ）に対して傾斜する。また、主面１７ａは半極性を示す。半導体領域１９は、支持基体１７の主面１７ａ上に設けられている。
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。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。図１に示される実施例では、支持基体１７のIII族窒化物半導体のｃ軸は、III族窒化物半導体のｍ軸の方向に法線軸ＮＸに対して角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。
ｎ型クラッド層２１、発光層２５及びｐ型クラッド層２３は、この順に主面１７ａ上に搭載される。支持基体１７がIII族窒化物半導体からなるとき、主面１７ａの半極性は支持基体１７のIII族窒化物半導体によって規定できる。ｎ型クラッド層２１、活性層２５及びｐ型クラッド層２３は主面１７ａの法線軸ＮＸの方向に配置される。この主面１７ａは、六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸Ｃｘに直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度ＡＬＰＨＡで六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜している。活性層２５はｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間に設けられる。
この窒化物半導体レーザ素子１１では、ｎ型クラッド層２１はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなると共に、ｐ型クラッド層２３はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなる。この窒化物半導体に係るＡｌＮの成長温度がＩｎＮの成長温度に比べて大きく異なる。これ故に、この窒化物半導体を成長するためには、該窒化物半導体を例えばＧａＮの成膜温度に比べて低温度で成長される。この窒化物半導体をｃ面上へ成長するとき、厚膜の成長の結果として、良好な表面モフォロジが窒化物半導体に提供されない。また、ＡｌＮ及びＩｎＮの成長温度差に起因してｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３のための厚膜を得ることは容易ではなく、これらの表面モフォロジも所望の品質ではない。
半極性半導体の主面１７ａが上記の角度範囲の角度ＡＬＰＨＡで傾斜しており、この角度範囲の半極性面への上記窒化物半導体の成長では、上記の低温度においてステップフローな成長が生じる。このため、厚膜の窒化物半導体をクラッド層２１に提供できる。このクラッド層２１のための窒化物半導体は良好な表面モフォロジを有する。この良好な表面モフォロジの半極性面がクラッド層２１の主面に提供されるので、この半極性面上に、活性層を含むコア半導体領域を設けることができる。故に、活性層２５は良好な結晶品質を有する。この活性層２５は良好な表面モフォロジの半極性面を有する。また、コア半導体領域、つまり発光層１３の表面は上記の角度範囲の半極性を有するので、クラッド層２１への厚膜の提供と同様な理由で、活性層２５上のクラッド層２３に厚膜の窒化物半導体を提供できる。したがって、ｎ型クラッド層２１が厚膜の第１窒化物半導体から構成されると共に、ｐ型クラッド層２３が厚膜の第２窒化物半導体から構成される。
一方、活性層２５が波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられるとき、この波長範囲では、窒化物半導体の波長分散に起因して、クラッドとコアとの屈折率差が、例えば青色発光の波長範囲に比べて小さくなる。これは、光閉じ込め性の向上を窒化物半導体材料の屈折率差に求めることができないことを意味する。
ところが、上記の角度範囲の半極性面を用いることによって、ｎ型クラッド層２１に厚さ２μｍ以上の厚膜を提供できると共にｐ型クラッド層２３に厚さ５００ｎｍ以上の厚膜を提供でき、これによって、波長分散により屈折率差の低下がＧａＮの屈折率よりも小さく厚膜の窒化物半導体によって補償される。
窒化物半導体レーザ１１では、ｎ型クラッド層２１は厚さ３μｍ以上を有することが更に好ましい。これによって、支持基体側への光の漏れ出しを小さくすることができ、光の共振モードが安定し、駆動電流が低減されることができる。また、ｐ型クラッド層２３は厚さ１μｍ以上を有することが更に好ましい。これによって、電極側への光の漏れ出しを小さくすることができ、光の吸収ロスが減ってレーザ素子の駆動電流が低減されることができる。
また、ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３の合計膜厚（Ｄｎ＋Ｄｐ）は３μｍ以上であることが好ましい。クラッド層の総膜厚（Ｄｎ＋Ｄｐ）が３μｍ以上であるので、活性層２５における発光の波長範囲において十分な光閉じ込めを提供できる。これによって支持基体側への光の漏れ出しを小さくすることができ、光の共振モードが安定するとともに、電極側への光の漏れ出しを小さくすることができ、光の吸収ロスが減って、レーザ素子の駆動電流が低減されることができる。
ｎ型クラッド層２１の厚さはｐ型クラッド層２３の厚さより大きいことができる。III族窒化物半導体の支持基体１７上にｎ型クラッド層２１が設けられる。支持基体１７は、コア半導体領域を伝搬する光を基板モードに引き込む可能性がある。しかしながら、ｐ型クラッド層２３の厚さより大きい厚さのｎ型クラッド層２１により、基板モードの生成を避けて、光閉じ込めを向上できる。
ｎ型クラッド層２１、ｐ型クラッド層２３及び活性層２５は、半極性の主面１７ａの法線軸ＮＸの方向に配列されている。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなるエピタキシャル層を含み、上記のエピタキシャル層は三元のＩｎＧａＮからなり、該ＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上であることが好ましい。活性層２５が６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜する半極性面上に設けられるので、この半極性面に基づくステップフローな成長による技術的寄与がＩｎＧａＮの成長にも提供される。活性層２５は単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造であることができる。活性層２５が量子井戸構造を有するとき、このエピタキシャル層は例えば井戸層２５ａであることができる。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、半極性面の利用により、半導体レーザ素子１１は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。上記の波長範囲において良好な光閉じ込め及び低い駆動電流を提供できる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、半導体領域１９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面に交差する第１端面２８ａ及び第２端面２８ｂを含む。また、電極１５は半導体領域１９上に設けられ、電極４１は支持基体１７の裏面１７ｂ上に設けられる。
III族窒化物半導体レーザ１１は、絶縁膜３１を更に備える。絶縁膜３１は半導体領域１９の表面１９ａを覆っている。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ｍ−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１１では、レーザ導波路は、ｎ型クラッド層２１、ｐ型クラッド層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。
再び図１を参照すると、ｐ型コンタクト層３３は、ｐ型クラッド層２３に接合を成すように設けられ、電極１５がｐ型コンタクト層３３に接合を成すように設けられる。ｐ型コンタクト層３３の厚さは例えば３００ｎｍ以下であり、ｐ型コンタクト層３３の厚さは例えば５ｎｍ以上であることができる。ｐ型クラッド層２３の厚さは、電極１５と良好な接触を成すために必要なコンタクト層３３の厚さより大きい。また、ｐ型コンタクト層３３のｐ型ドーパント濃度はｐ型クラッド層２３のｐ型ドーパント濃度より高いことが好ましい。この構造によれば、低いドーパント濃度のｐ型クラッド層２３に、高いドーパント濃度のｐ型コンタクト層３３から正孔が供給されて、駆動電圧の低減に役立つ。ｐ型クラッド層２３の屈折率はｐ型コンタクト層３３の屈折率より低いことが好ましい。ｐ型コンタクト層３３上には、絶縁膜３１及び電極１５が設けられている。厚いクラッド層２３は、伝搬光が電極により吸収されることにより引き起こされるロスを防止できる。
III族窒化物半導体レーザ１１では、第１端面２８ａ及び第２端面２８ｂ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端面２８ａ、２８ｂを含み、第１及び第２端面２８ａ、２８ｂの一方から他方に、レーザ導波路が延在している。第１及び第２の端面２８ａ、２８ｂ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１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の端面２８ａ、２８ｂがｍ−ｎ面に交差する。レーザ導波路は、ｍ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有し、活性層２５の発光において、低しきい値のレーザ発振を可能にするバンド間遷移が選択される。
また、図１に示されるように、第１及び第２の端面２８ａ、２８ｂのそれぞれに誘電体多層膜４３ａ、４３ｂが設けられることができる。端面２８ａ、２８ｂ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。
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド領域３５及びｐ側光ガイド領域３７を含む。ｎ側光ガイド領域３５は一又は複数のｎ側光ガイド層を含むことができ、ｐ側光ガイド領域３７は一又は複数のｐ側光ガイド層を含むことができる。ｎ側光ガイド領域３５は、例えばｎ側第１光ガイド層３５ａ及びｎ側第２光ガイド層３５ｂを含み、ｎ側光ガイド領域３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド領域３７はｐ側第１光ガイド層３７ａ、ｐ側第２光ガイド層３７ｂ及びｐ側第３光ガイド層３７ｃを含み、ｐ側光ガイド領域３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。電子ブロック層３９は、例えばｐ側第１光ガイド層３７ａとｐ側第２光ガイド層３７ｂとの間に設けられる。ｐ側第３光ガイド層３７ｃは電子ブロック層３９と活性層２５との間に設けられる。
より具体的には、ｎ側第１光ガイド層３５ａは、ｎ型クラッド層２１と活性層２５との間に設けられる第１ＧａＮ光ガイド層であることができ、ｎ側第２光ガイド層３５ｂは、第１光ガイド層３５ａと活性層２５との間に設けられた第１ＩｎＧａＮ光ガイド層であることができる。また、ｐ側第１光ガイド層３７ａは、ｐ型クラッド層２１と活性層２５との間に設けられた第２ＧａＮ光ガイド層からなることができ、ｐ側第２光ガイド層３７ｂは、ｐ側第１光ガイド層３７ａと活性層２５との間に設けられた第２ＩｎＧａＮ光ガイド層からなることができ、ｐ側第３光ガイド層３７ｃは、ｐ側第２光ガイド層３７ｂと活性層２５との間に設けられた第３ＩｎＧａＮ光ガイド層からなることができる。活性層２５と各クラッド層２１、２３との間に設けられる光ガイド領域３５、３７が、互いに異なる屈折率の少なくとも２層（ＩｎＧａＮ層及びＧａＮ層）を含むので、内包歪みを低減できると共に、クラッドとコアとの屈折率差の縮小を避けることができる。
窒化物半導体レーザ素子１１では、ｎ型クラッド層２１とｐ型クラッド層２３との間に発光層１３（コア半導体領域）の屈折率ｎｃｏｒｅの最大値はＧａＮの屈折率以上である（等しいか又はより大きい）ことが好ましい。図１の（ｂ）部に示されるように、厚膜のｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３により低い屈折率のコア半導体領域に光閉じ込めが可能にある。また、ｎ型クラッド層２１は単一の半導体層からなり、組成傾斜構造ではなく単一のバンドギャップエネルギＥ１を有する。ｐ型クラッド層２３は、単一の半導体層からなり、組成傾斜構造ではなく単一のバンドギャップエネルギＥ２を有する。これによれば、光閉じ込めを良好にできる。第１窒化物半導体層の屈折率ｎ１及び第２窒化物半導体層の屈折率ｎ２は、コア半導体領域の平均屈折率より小さい。
電子ブロック層３９は、ｐ型クラッド層２３と活性層２５との間に設けられる。半極性半導体の主面１７ａがＧａＮからなると共に電子ブロック層３９がＧａＮからなるとき、電子ブロック層３９は２つのＩｎＧａＮ層に接合を成して挟まれることが良い。電子ブロック層３９がＧａＮからなるので、クラッド層２１、２３間に設けられるコア半導体領域の実効屈折率の低下を低減できる。
半極性半導体の主面１７ａは基準軸Ｃｘを基準にしてｍ軸の方向に７０度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜することができる。長波長の発光を提供する活性層の実現に好適である。また発光層中のＩｎの偏析が抑制され、内部量子効率を向上させることが可能である。
窒化物半導体レーザ素子１１では、ｎ型クラッド層２１の第１窒化物半導体はIII族構成元素としてガリウムを含むことが好ましい。この第１窒化物半導体に、III族構成元素としてＩｎ、Ａｌ及びＧａを備える材料を適用できる。また、ｐ型クラッド層２３の第２窒化物半導体はIII族構成元素としてガリウムを含むことが好ましい。第２窒化物半導体に、III族構成元素としてＩｎ、Ａｌ及びＧａを備える材料を適用できる。
窒化物半導体レーザ素子１１では、ｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３においては、インジウム組成が０．０１以上であるとき、ＡｌＧａＮを用いることと異なり格子不整の程度を調整できる。また、アルミニウム組成が０．０３以上であるとき、ＩｎＧａＮと異なりバンドギャップを大きくでき、また屈折率を低くできる。
ｎ型クラッド層２１のインジウム組成は０．０１以上であると共にｎ型クラッド層２１のアルミニウム組成は０．０３以上であるとき、支持基体との格子不整の程度を調整できるとともに、屈折率を小さくできるため良好な光閉じ込めを実現することが可能である。また、ｐ型クラッド層２３のインジウム組成は０．０１以上であると共にｐ型クラッド層２３のアルミニウム組成は０．０３以上であるとき、支持基体との格子不整の程度を調整できるとともに、屈折率を小さくできるため良好な光閉じ込めを実現することが可能である。
窒化物半導体レーザ素子１１では、共にＩｎＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３では、インジウム組成は０．０１以上であると共にｎ型クラッド層２１のアルミニウム組成は０．０３以上であるとき、支持基体との格子不整の程度を調整できるとともに、屈折率を小さくできるため良好な光閉じ込めを実現することが可能であり、またＧａを含むことでＧａを含まない場合よりもクラッド層の結晶性が良好である。また、共にＩｎＡｌＮからなるｎ型クラッド層２１及びｐ型クラッド層２３では、インジウム組成は０．０１以上であると共にｎ型クラッド層２１のアルミニウム組成は０．０３以上であるとき、支持基体との格子不整の程度を調整できるとともに、屈折率を小さくできるため良好な光閉じ込めを実現することが可能であり、またＧａを含まないことでＧａを含む場合よりも屈折率を小さくすることが可能である。さらに、窒化物半導体レーザ素子１１では、ＩｎＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層２１及びＩｎＡｌＮからなるｐ型クラッド層２３では、ｎ型クラッド層がＧａを含むので結晶性が良好で、その上に作製する活性層も良好な結晶を有することが可能である。また、ＩｎＡｌＮからなるｎ型クラッド層２１及びＩｎＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２３では、ｎ型クラッド層がＧａを含まないので屈折率をより下げることが可能で、基板側への光の漏れ出しが減り、共振モードが安定するため、レーザ素子の駆動電流を低減することが可能である。
図２はクラッド層の格子定数に関する形態の一覧を示す。図２において「Ｍ」は格子整合を示し、「ＮＭ」は格子不整合を示す。
（ａ軸の格子整合）
ｎ型クラッド層２１の第１窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。第１窒化物半導体のａ軸の格子定数Ｄ１ａ及び六方晶系III窒化物半導体のａ軸の格子定数Ｄ０ａと規定するとき、格子不整合度Ｒ１ａ＝（Ｄ１ａ−Ｄ０ａ）／Ｄ０ａ×１００において、−０．０５≦Ｒ１ａ≦＋０．０５である。このとき２μｍ以上の厚膜のクラッド層を成長しても格子緩和が起こることなく、コヒーレントなエピタキシャル成長が可能である。
（ａ軸の格子整合）
ｐ型クラッド層２３の第２窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。第２窒化物半導体のａ軸の格子定数Ｄ２ａ及び六方晶系III窒化物半導体のａ軸の格子定数Ｄ０ａと規定するとき、格子不整合度Ｒ２ａ＝（Ｄ２ａ−Ｄ０ａ）／Ｄ０ａ×１００において、−０．０５≦Ｒ２ａ≦＋０．０５である。このとき２μｍ以上の厚膜のクラッド層を成長しても格子緩和が起こることなく、コヒーレントなエピタキシャル成長が可能である。
（ｃ軸の格子整合）
ｎ型クラッド層２１の第１窒化物半導体はｃ軸の格子定数に関して六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。第１窒化物半導体のｃ軸の格子定数Ｄ１ａ及び六方晶系III窒化物半導体のｃ軸の格子定数Ｄ０ｃと規定するとき、格子不整合度Ｒ１ｃ＝（Ｄ１ｃ−Ｄ０ｃ）／Ｄ０ｃ×１００において、−０．１≦Ｒ１ｃ≦＋０．１である。このとき２μｍ以上の厚膜のクラッド層を成長しても格子緩和が起こることなく、コヒーレントなエピタキシャル成長が可能である。
（ｃ軸の格子整合）
ｐ型クラッド層２３の第２窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。第２窒化物半導体のｃ軸の格子定数Ｄ２ｃ及び六方晶系III窒化物半導体のｃ軸の格子定数Ｄ０ｃであるとき、格子不整合度Ｒ２ｃ＝（Ｄ２ｃ−Ｄ０ｃ）／Ｄ０ｃ×１００において−０．１≦Ｒ２ｃ≦＋０．１である。このとき２μｍ以上の厚膜のクラッド層を成長しても格子緩和が起こることなく、コヒーレントなエピタキシャル成長が可能である。
（ａ軸の格子不整合）
ｐ型クラッド層２３の第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して六方晶系III窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することができる。ここで、−０．１５≦Ｒ２ｃ≦＋０．１５及び−０．１≦Ｒ２ａ≦＋０．１が満たされる。第２窒化物半導体は、そのｃ軸及びａ軸の方向に関して、ゼロではない小さな歪みを内包する。このとき活性層２５との格子不整が緩和され、活性層２５に内包される歪みが低減されるため、内部量子効率が向上する。
（ａ軸及びｃ軸の格子不整合）
ｎ型クラッド層２１の第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。ここで、−０．４５≦Ｒ１ｃ≦＋０．１５及び−０．１≦Ｒ１ａ≦＋０．２５が満たされる。第１窒化物半導体は、そのｃ軸及びａ軸の方向に関して、ゼロではない小さな歪みを内包する。このとき活性層２５との格子不整が緩和され、活性層２５に内包される歪みが低減されるため、内部量子効率が向上する。
（ａ軸又はｃ軸の格子不整合）
ｐ型クラッド層２３の第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の一方の格子定数に関して六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有すると共に、ｎ型クラッド層２１の第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の他方の格子定数に関して六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有することが好ましい。第１窒化物半導体は、例えばｃ軸（又はａ軸）の方向に関して格子整合する。第２窒化物半導体は、そのａ軸（及びｃ軸）の方向に関して格子整合する。
図３は、窒化ガリウム系半導体の屈折率の波長依存性（波長分散関係）を示す。図３において、符号Ｍ１はＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成：０．０６）、符号Ｍ２はＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成：０．０２）、符号Ｍ３はＧａＮ、符号Ｍ４はＡｌＧａＮ、符号Ｍ５はＩｎＡｌＧａＮを示す。活性層２５が波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲に単一のピーク波長を有する発光スペクトルを生成するとき、上記の材料間の屈折率差は、波長が長くなるに伴って小さくなる。
長波長の半導体レーザのレーザ構造の設計における課題は以下の技術的な事項に実用的な解を提供することにある。つまり、長波長になるにつれてＧａＮとＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮとの屈折率差は低下して、光閉じ込めが悪化する。
光閉じ込め低下を抑制するために、基板と活性層との間に設けられるクラッド層については、クラッド層に比べて厚くこれに隣接した基板の作用により、光閉じ込めのための屈折率差を大きくすることは容易にではない。基板の存在に起因して屈折率差を十分に大きくできないとき、導波光は基板に比較的大きな振幅を有する。この振幅を小さくするために、例えばクラッド層を厚積みすることになる。また、エピタキシャル基板の表面上の電極と活性層との間に設けられるクラッド層については、エピタキシャル基板の外側は半導体ではないので、光閉じ込めのための屈折率差はｎ側領域に比べて大きくなる。しかしながら、エピタキシャル基板上の電極の作用により、導波光が反射・吸収されて伝搬ロスを増大させる。これを避けるために、例えばクラッド層を厚積みすることになる。ところが、厚積みクラッド層は、その結晶品質の悪化により発光層に悪影響を与える可能性がある。
また、長波長の窒化ガリウム系発光素子の作製には、発光層の品質向上が課題である。その原因はピエゾ電界と、構成元素としてインジウムを含む活性層における組成不均一性とである。図４は、ＩｎＧａＮ層のカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。図４の（ａ）部を参照すると、上記の傾斜角（６３度以上８０度未満の範囲）の半極性面（ｍ軸方向に７５度オフした表面）上に成長されたＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成：０．２５）のＣＬ像であり、この像は発光が均一であることを示す。この均一性はインジウム組成の均一性によって提供される。図４の（ｂ）部を参照すると、ｃ面上に成長されたＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成：０．２５）のＣＬ像であり、この像は、図４の（ａ）部のＣＬ像に比べて、発光が不均一であることを示す。この不均一はインジウム組成の不均一性に起因する。このようにｃ面は、インジウム組成の均一性の点で高インジウム組成の窒化ガリウム系半導体の成長に不向きである。
窒化ガリウム系半導体レーザのクラッド層には一般的にＡｌＧａＮが用いられる。しかしながら、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整合度は大きく、ＡｌＧａＮの厚積みにより活性層のエピタキシャル層の歪みが増えて、発光効率が低下する。また、非常に大きな格子不整合によるときＡｌＧａＮにクラックが入る可能性もある。
ｃ面上への成長における構成元素に係る技術課題は、活性層のためのＩｎＧａＮ層だけでなく、Ａｌ及びＩｎを含む窒化物半導体をクラッド層に用いるときにも当てはまる。Ａｌ及びＩｎを含む窒化物半導体は、原子半径の小さいアルミニウムと原子半径の大きなインジウムを含むので、上記のＡｌＧａＮと異なって、格子定数の調整について利点がある。しかしながら、上記の窒化物半導体に含まれるＡｌＮ及びＩｎＮの成長温度並びにＧａＮの成長温度は以下のものである。
材料名、最適成長温度。
ＡｌＮ、摂氏１１００度〜摂氏１２００度。
ＧａＮ、摂氏１０００度〜摂氏１１００度。
ＩｎＮ、摂氏 ５００度〜摂氏 ６００度。
上記のように、Ａｌ及びＩｎを含む窒化物半導体、例えばＩｎＡｌＧａＮをクラッド層に用いることが望ましい。しかしながら、ＡｌＮ（更にはＧａＮ）とＩｎＮとの最適成長温度が大きくことなるので、ＩｎＡｌＧａＮの厚積み成長は容易ではない。インジウム組成を増やすにつれて、その困難度は高まる。なぜなら、ＩｎＡｌＧａＮへのインジウムの取り込みを可能するために、成長温度を下げることを必要とするからである。
発明者らの知見によれば、６３度以上８０度未満の角度範囲における半導体半極性面の表面構造が、Ａｌ及びＩｎを含む窒化物半導体の成長に適している。図５は、６３度以上８０度未満の角度範囲における半導体半極性面の及びｃ面の表面構造を模式的に示す図面である。図５の（ａ）部を参照すると、ｃ面におけるＩｎＡｌＧａＮの成長では、いわゆる「島状成長」とよばれる成長モードが、所望のＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮの低温での成長において支配的である。島状の結晶のサイズは、数１０ナノメートルから数１００ナノメートル程度の範囲である。これ故に、表面モフォロジが良好ではない。
図５の（ｂ）部を参照すると、上記の半導体半極性面におけるＩｎＡｌＧａＮの成長では、いわゆる「ステップフロー成長」とよばれる成長モードが、所望のＩｎ組成を有するＩｎＡｌＧａＮの低温での成長において支配的である。半極性半導体面におけるステップのサイズは、数ナノメートル程度である。これ故に、表面モフォロジが良好になる。また、構成元素の均一性と厚積みの両立を可能にする。この半極性面では結晶表面がミクロなステップからなり、より低温でもステップフローな成長となり、結晶の高品質化が可能である。
図６及び図７は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。図６及び図７を参照しながら、窒化物半導体レーザの作製方法を説明する。以下の実施例のようにレーザ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）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。工程Ｓ１０１では、六方晶系窒化物半導体からなる半極性半導体面を有する基板を準備する。この半極性半導体面は、六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜している。好適な実施例では、この基板は窒化ガリウム系半導体基板であり、例えばＧａＮ基板を用いることができる。ＧａＮ基板の主面は、ＧａＮ半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に７５度の角度でＧａＮのｍ軸の方向に傾斜していることができる。
工程Ｓ１０２では、厚さ２μｍ以上のｎ型クラッド層を基板の半極性半導体面上に成長する。このｎ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さい。ｎ型クラッド層は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなり、この第１窒化物半導体は例えばＳｉドープＩｎＡｌＧａＮ又はＳｉドープＩｎＡｌＮであることができる。ｎ型クラッド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９５０度以下であることができ、本実施例では摂氏８７０度である。必要な場合には、ｎ型クラッド層の成長に先立って、基板の半極性半導体面上にｎ型バッファ層を成長することができ、このｎ型バッファ層は例えば半極性半導体面と同じ材料からなる。
工程Ｓ１０３では、ｎ型クラッド層を成長した後に、第１ＧａＮ光ガイド層をｎ型クラッド層の主面上に成長する。第１ＧａＮ光ガイド層の厚さは例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。第１ＧａＮ光ガイド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。成長温度は摂氏８００度以上摂氏１１００度以下であることができ、本実施例では摂氏１０５０度である。
工程Ｓ１０４では、第１ＧａＮ光ガイド層を成長した後に、第１ＩｎＧａＮ光ガイド層を第１ＧａＮ光ガイド層の主面上に成長する。第１ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さは例えば５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることができる。第１ＩｎＧａＮ光ガイド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。第１ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は例えば０．０１以上０．０５以下であることができる。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度未満であることができ、本実施例では摂氏８４０度である。
工程Ｓ１０５では、光ガイド層を成長した後に、活性層を半極性半導体面上に成長する。この活性層は、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生可能な構造を有する。活性層は、例えば単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、又はバルク構造等のいずれかを有する。量子井戸構造では、活性層の成長においては、光ガイド層を成長した後に、井戸層を半極性半導体面上に成長することができる。或いは、光ガイド層を成長した後に、工程Ｓ１０５−１では、障壁層を半極性半導体面上に成長することができ、この後に、工程Ｓ１０５−２では、この障壁層上に井戸層を成長することができる。更に、工程Ｓ１０５−３では、別の障壁層を井戸層上に成長することができる。必要な場合には、工程Ｓ１０５−４において井戸層の成長及び障壁層の成長を繰り返すことができる。井戸層は例えばＩｎＧａＮからなることができ、障壁層は例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮからなることができる。活性層の半導体の成長ではＩｎを０．２０以上の組成で取り込ませる必要があるので、井戸層の成長温度は例えば摂氏８００度以下であることが好ましい。活性層の半導体の成長では井戸層への熱ダメージの影響があるので、障壁層の成長温度は例えば摂氏９００度以下であることが好ましい。井戸層のＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上であり、活性層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。井戸層の成長温度は摂氏６７０度未満摂氏７８０度以下であることができ、本実施例ではＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎは摂氏７２０度で成長される。活性層の半導体の成長では井戸層への熱ダメージの影響があるであるので、井戸層及び障壁層の成長温度は例えば摂氏９００度以下であることが好ましい。
工程Ｓ１０６では、活性層を成長した後に、第２ＩｎＧａＮ光ガイド層を活性層の主面上に成長する。第２ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さは例えば５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることができる。第２ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は例えば０．０１以上０．０５以下であることができる。第２ＩｎＧａＮ光ガイド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができ、本実施例では摂氏８４０度である。
工程Ｓ１０７では、第２ＩｎＧａＮ光ガイド層を成長した後に、電子ブロック層を成長することができる。この電子ブロック層はＧａＮからなることが好ましく、電子ブロック層がＧａＮからなるとき、電子ブロック層の成長温度をＡｌＧＡＮ成長に比べて下げることができる。電子ブロック層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができ、本実施例では摂氏９００度である。
工程Ｓ１０８では、電子ブロック層を成長した後に、第３ＩｎＧａＮ光ガイド層を電子ブロック層の主面上に成長する。第３ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さは例えば５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下であることができる。第３ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は例えば０．０１以上０．０５以下であることができる。第３ＩｎＧａＮ光ガイド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。電子ブロック層は２つのＩｎＧａＮ層に接合を成して挟まれる。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９００度以下であることができ、本実施例では摂氏８４０度である。
工程Ｓ１０９では、第３ＩｎＧａＮ光ガイド層を成長した後に、第２ＧａＮ光ガイド層を第３ＩｎＧａＮ光ガイド層の主面上に成長する。第２ＧａＮ光ガイド層はＭｇドープであることができる。第２ＧａＮ光ガイド層の厚さは例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることができる。第２ＧａＮ光ガイド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９５０度以下であることができ、本実施例では摂氏８４０度である。
工程Ｓ１１０ででは、光ガイド層を成長した後に、厚さ５００ｎｍ以上のｐ型クラッド層を半極性半導体面の上に成長する。このｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さい。ｐ型クラッド層は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなり、この第２窒化物半導体は例えばＭｇドープＩｎＡｌＧａＮ又はＭｇドープＩｎＡｌＮであることができる。ｐ型クラッド層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９５０度以下であることができ、本実施例では摂氏８７０度である。
工程Ｓ１１１では、ｐ型クラッド層を成長した後に、ｐ型コンタクト層をｐ型クラッド層の主面上に成長する。ｐ型コンタクト層の主面は、基板の半極性半導体面と同様の半極性を有する。ｐ型コンタクト層は例えばＭｇドープＧａＮからなることができる。成長温度は摂氏８００度以上摂氏９５０度以下であることができ、本実施例では摂氏９００度である。
これらの工程によりエピタキシャル基板が作製される。
工程Ｓ１１２では、ｐ型コンタクト層上にアノード電極を形成すると共に、基板の裏面にカソード電極を形成して、基板生産物を形成する。工程Ｓ１１３では、レーザ共振器の長さで基板生産物を割断して、レーザバーを作製する。
この製造方法では、窒化物半導体レーザ素子のｎ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなると共に、ｐ型クラッド層はIII族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む窒化物半導体からなる。この窒化物半導体に係るＡｌＮの成長温度がＩｎＮの成長温度に比べて大きく異なる。これ故に、この窒化物半導体を成長するためには、該窒化物半導体を例えばＧａＮの成膜温度に比べて低温度で成長される。この窒化物半導体をｃ面上へ成長するとき、厚膜の成長の結果として、良好な表面モフォロジが窒化物半導体に提供されない。また、ＡｌＮ及びＩｎＮの成長温度差に起因してｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のための厚膜を得ることは容易ではなく、この理由においてもその表面モフォロジが所望の品質ではない。
一方、活性層が波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられるとき、この波長範囲では、窒化物半導体の波長分散に起因してクラッドとコアとの屈折率差が、例えば青色発光の波長範囲に比べて小さくなる。これは、光閉じ込め性の向上を窒化物半導体材料の屈折率差に求めることができないことを示す。
６３度以上８０度未満の角度範囲内の傾斜角を有する半極性面への上記窒化物半導体の成長では、上記の低温度においてステップフローな成長が生じるので、厚膜の窒化物半導体をｎ型クラッド層に提供できる。この窒化物半導体は良好な表面モフォロジを有する。この良好な表面モフォロジを有する半極性面上に、活性層を含むコア半導体領域を成長できるので、良好な結晶品質を活性層に提供できる。また、コア半導体領域の表面は上記の角度範囲の半極性を有するので、ｎ型クラッド層への厚膜の提供と同様な理由で、厚膜の窒化物半導体をｐ型クラッド層に成長できる。
ところが、上記の角度範囲の半極性面を用いることによって、既に説明した技術的寄与から、ｎ型クラッド層に厚さ２μｍ以上の厚膜を提供できると共にｐ型クラッド層に厚さ５００ｎｍ以上の厚膜を提供でき、これによって、波長分散により屈折率差の低下をＧａＮの屈折率よりも小さく厚膜の窒化物半導体により補うことができる。ｎ型クラッド層の厚さが２μｍ以上であるとき、支持基体側への光の漏れ出しを小さくすることができ、光の共振モードが安定し、駆動電流が低減される。ｐ型クラッド層の厚さが５００ｎｍ以上であるとき、電極側への光の漏れ出しを小さくすることができ、光の吸収ロスが減ってレーザ素子の駆動電流が低減される。
上記の作製方法において、摂氏１０００度以上の温度を用いてｎ型クラッド層上にＧａＮ光ガイド層を成長することが好ましい。このとき、ｎ型クラッド層の成長温度は摂氏９５０度以下であり、活性層の成長温度は摂氏９００度以下であり、半極性半導体面はＧａＮからなることが好ましい。この製造方法では、ＧａＮ半導体層の成長温度が、他の半導体層の成長温度より高く摂氏１０００度以上であるので、長波長の光を発生する活性層の成長に先だって、良好な結晶品質のＧａＮを成長できる。
上記の作製方法において、活性層の成長前の半導体の成長では、表面モフォロジを良好にするために、ｎ型クラッド層及びＩｎＧａＮ光ガイド層の成長温度は例えば摂氏９５０度以下であることが好ましい。
上記の作製方法において、活性層を成長した後であってｐ型コンタクト層を成長するまでの成膜における成長温度は、摂氏９５０度以下であることが好ましい。上記成長温度が摂氏９５０度以下であるので、長波長の光を発生する活性層における高インジウム組成のＩｎＧａＮ層への熱的ストレスを低減できる。
（実施例１）
図８は、実施例１において作製されたIII族窒化物半導体レーザを概略的に示す図面である。図８の（ａ）部を参照すると、III族窒化物半導体レーザの構造が概略的に示される。このIII族窒化物半導体レーザは、図８の（ｂ）部に示される工程条件リストに従って作製される。
半極性主面を有するIII族窒化物基板を準備する。本実施例では、ｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した半極性主面を有するＧａＮ基板５１を準備する。この半極性主面の面方位は、｛２０−２１｝面に対応する。このＧａＮ基板５１の半極性主面上に、発振波長５２０ｎｍ帯で動作するＬＤ構造ＬＤ１を有する半導体領域を成長する。成長炉にＧａＮ基板５１を配置した後に、ＧａＮ基板の前処理（サーマルクリーニング）を行う。この前処理は、アンモニア及び水素を含む雰囲気中、摂氏１０５０度の熱処理温度、１０分間の処理時間の条件で行われる。
この前処理の後に、摂氏９５０度の成長温度でＧａＮ基板５１上にｎ型窒化ガリウム層５３といった窒化ガリウム系半導体層を成長する。このｎ型ＧａＮ層の厚さは例えば１０００ｎｍである。この窒化ガリウム系半導体層上にｎ型クラッド層を成長する。ｎ型クラッド層５５は、例えば摂氏８７０度の成長温度で成長されたＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ組成０．０３、Ａｌ組成０．１４、Ｇａ組成０．８３）層を含む。このｎ型クラッド層５５の厚さは例えば２μｍである。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層は歪みを内包する。厚さ２μｍ以上のｎ型クラッド層５５上のｎ側光ガイド層を成長する。本実施例では、ｎ側光ガイド層は、例えば摂氏１０５０度の成長温度で成長されたｎ型ＧａＮ層５７ａを含み、また例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたアンドープＩｎＧａＮ層５７ｂを含む。ＩｎＧａＮ５７ｂ層の厚さは、例えば１１５ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層５７ａの厚さは、例えば２５０ｎｍである。
ｎ側光ガイド層５７上に活性層を成長する。活性層５９は井戸層を含む。本実施例では、井戸層は、例えば摂氏７２０度の成長温度で成長されたＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ（Ｉｎ組成０．３０、Ｇａ組成０．７０）層を含み、ＩｎＧａＮ層の厚さは例えば３ｎｍである。このＩｎＧａＮ層は圧縮歪みを内包する。必要な場合には、活性層５９は例えば障壁層を含むことができ、この障壁層は例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたＧａＮ層を含み、このＧａＮ層の厚さは例えば１５ｎｍである。
活性層５９上にｐ側光ガイド層及び電子ブロック層を成長する。本実施例では、ｐ側光ガイド層は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたアンドープＩｎＧａＮ層６１ａを含む。ｐ側ＩｎＧａＮ層６１ａの厚さは、例えば７５ｎｍである。このｐ側ＩｎＧａＮ層６１ａは歪みを内包する。次いで、このｐ側光ガイド層上に電子ブロック層を成長する。本実施例では、電子ブロック層は、例えば摂氏９００度の成長温度で成長されたｐ型ＧａＮ層６３を含む。このＧａＮ層６３の厚さは、例えば２０ｎｍである。電子ブロック層上に、別のｐ側光ガイド層を成長する。このｐ側光ガイド層は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたｐ型ＩｎＧａＮ層６１ｂを含む。ｐ側ＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば５０ｎｍである。さらに、このｐ側光ガイド層上に、更なる別のｐ側光ガイド層を成長する。このｐ側光ガイド層は、例えば摂氏９００度の成長温度で成長されたｐ型ＧａＮ層６１ｃを含む。ｐ型ＧａＮ層６１ｃの厚さは、例えば２５０ｎｍである。
これらのｐ側光ガイド層上にｐ型クラッド層を成長する。ｐ型クラッド層は、例えば摂氏８７０度の成長温度で成長されたＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ組成０．０３、Ａｌ組成０．１４、Ｇａ組成０．８３）層を含む。このｐ型クラッド層の厚さは例えば０．５０μｍである。ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層６５は歪みを内包する。ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ層６５は歪みを内包する。ｐ型クラッド層のＩｎＡｌＧａＮは、ａ軸方向に関してＧａＮに対して絶対値で０．０１％以下の格子不整合度を有し、ｃ軸方向に関してＧａＮに対して−０．２５％の格子不整合度を有する。
ｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を成長する。本実施例では、ｐ型コンタクト層は、例えば摂氏９００度の成長温度で成長されたＧａＮ層を含む。ｐ型コンタクト層の厚さは、例えば５０ｎｍである。これらの工程により、エピタキシャル基板が作製される。
図９は、ＩｎＡｌＧａＮの表面モフォロジと成長面方位との関係を示す。図９に示されたノマルスキ顕微鏡像は、上記の工程フローに従って、（２０−２１）ＧａＮ面及び（０００１）ＧａＮ面上に同時に成長されたＩｎＡｌＧａＮ膜の表面モフォロジを示す。図９の（ａ）部及び（ｂ）部については、（０００１）ＧａＮ面上のＩｎＡｌＧａＮ膜のＡｌ組成及びＩｎ組成は、それぞれ、０．１４及び０．０３の値である。図９の（ｃ）部及び（ｄ）部については、（２０−２１）ＧａＮ面上のＩｎＡｌＧａＮ膜のＡｌ組成及びＩｎ組成は、それぞれ、０．１４及び０．０３の値である。（２０−２１）ＧａＮ面上のＩｎＡｌＧａＮ膜の表面モフォロジは、（０００１）ＧａＮ面上のＩｎＡｌＧａＮ膜の表面モフォロジより優れる。図９の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、（２０−２１）ＧａＮ面上のＩｎＡｌＧａＮ膜の表面モフォロジは、鏡面で平坦なエピ表面を有する。（０００１）ＧａＮ面上のＩｎＡｌＧａＮ膜では、図９の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、エピ表面荒れが発生して鏡面なエピにならず、半導体レーザの作製プロセスを適用して作製された半導体レーザは発振しない。
（実施例２）
図１０は、（２０−２１）ＧａＮ面上にいくつかのレーザ構造を有するエピタキシャル基板から作製される半導体レーザの構造を示す。クラッド層の厚みを除いて、実施例１と同様の成長条件を用いて、（２０−２１）ＧａＮ面上にいくつかのレーザエピ構造を形成する。図１０の（ａ）部に示されたレーザエピ構造は、実施例１と同じ構造を有する。図１０の（ｂ）部を参照すると、ｎ型クラッド層がより厚く成長される。図１０の（ｃ）部を参照すると、ｎ型及びｐ型クラッド層が共により厚く成長される。
これらのレーザエピ構造を有するエピタキシャル基板に、以下のようなレーザ作製プロセスを適用する。レーザエピ構造上に、例えばシリコン酸化膜といった絶縁膜を成膜した後に、幅１０μｍストライプ窓を絶縁膜にウェットエッチングにより形成して、保護膜を形成する。パラジウム（Ｐｄ）からなるアノード電極とこの上にパッド電極を形成する。ＧａＮ基板の裏面にパラジウム（Ｐｄ）からなるカソード電極とこの上にパッド電極を形成する。これらのプロセスの結果、基板生産物が形成される。この基板生産物を６００μｍ間隔で割断して、レーザバーを作製する。このように形成された割断面は、｛２０−２１｝面及び｛２１−２０｝面に実質的に垂直である。これらの割断面に誘電体多層膜を形成して、レーザ共振器を形成する。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜からなる。その反射率は前端面を８０％に設定し、後端面を９５％に設定する。
これらの３種類の半導体レーザを作製し、これらの通電するとき、いずれも波長５２５ｎｍで発振する。これらのしきい値電流密度は以下のものである。
図１０の（ａ）部に示されたレーザエピ構造：５×１０３Ａ／ｃｍ２。
図１０の（ｂ）部に示されたレーザエピ構造：４×１０３Ａ／ｃｍ２。
図１０の（ｃ）部に示されたレーザエピ構造：３×１０３Ａ／ｃｍ２。
これらは、クラッド層を厚く形成できる窒化物半導体レーザは、長波長の発光のためのしきい値電流を低減可能であることを示す。本実施の形態によれば、４８０ｎｍ〜６００ｎｍの波長範囲に発振波長を有する半導体レーザにおいてしきい値電流の低減を可能する実用的なレーザ構造が提供される。
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。
以上説明したように、本実施の形態によれば、長波長のレーザ発振に好適なクラッド構造を有する窒化物半導体レーザ素子が提供される。また、本実施の形態によれば、この窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板が提供される。さらに、本実施の形態によれば、この窒化物半導体レーザ素子を作製する方法が提供される。
１１…族窒化物半導体レーザ、１３…発光層、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、２１…ｎ型クラッド層、２３…ｐ型クラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、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…電子ブロック層。

Claims (35)

  1. 窒化物半導体レーザ素子であって、
    III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
    III族構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含む活性層と、
    III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
    を備え、
    前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、六方晶系窒化物半導体からなる半極性半導体面上に設けられ、
    前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は前記半極性半導体面の法線軸の方向に配置され、
    前記半極性半導体面は、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で前記六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜しており、
    前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
    前記活性層は波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられ、
    前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さく、
    前記ｎ型クラッド層の厚さは２μｍ以上であると共に、前記ｐ型クラッド層の厚さは５００ｎｍ以上である、窒化物半導体レーザ素子。
  2. 前記エピタキシャル層は三元のＩｎＧａＮからなり、該ＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上である、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の合計膜厚は３μｍ以上である、請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ前記活性層を含むコア半導体領域の屈折率の最大値はＧａＮの屈折率以上である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  5. 六方晶系III族窒化物半導体からなる支持基体を更に備え、
    前記支持基体は前記半極性半導体面を提供しており、
    前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、この順に前記半極性半導体面上に搭載される、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  6. 前記ｎ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｎ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上である、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 前記ｐ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｐ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上である、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  8. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体はIII族構成元素としてガリウムを含み、
    前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体はIII族構成元素としてガリウムを含む、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  9. 前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第１ＧａＮ光ガイド層と、
    前記第１ＧａＮ光ガイド層と前記活性層との間に設けられた第１ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた第２ＧａＮ光ガイド層と、
    前記第２ＧａＮ光ガイド層と前記活性層との間に設けられた第２ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    を更に備える、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  10. 前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられた電子ブロック層を更に備え、
    前記半極性半導体面はＧａＮからなり、
    前記電子ブロック層はＧａＮからなり、
    前記電子ブロック層は２つのＩｎＧａＮ層に接合を成して挟まれる、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  11. 前記半極性半導体面は、７０度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜する、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  12. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  13. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  14. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  15. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１〜請求項１１及び請求項１４のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  16. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  17. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の一方の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の他方の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  18. 窒化物半導体レーザ素子のためのエピタキシャル基板であって、
    III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなるｎ型クラッド層と、
    III族構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含む活性層と、
    III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなるｐ型クラッド層と、
    六方晶系窒化物半導体からなる半極性半導体面を有する基板と、
    を備え、
    前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は、前記六方晶系窒化物半導体からなる前記半極性半導体面上に設けられ、
    前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は前記半極性半導体面の法線軸の方向に配置され、
    前記半極性半導体面は、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で前記六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜しており、
    前記活性層は前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
    前記活性層は波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生するように設けられ、
    前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さく、
    前記ｎ型クラッド層の厚さは２μｍ以上であり、
    前記ｐ型クラッド層の厚さは５００ｎｍ以上である、エピタキシャル基板。
  19. 前記エピタキシャル層は三元のＩｎＧａＮからなり、該ＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上である、請求項１８に記載のエピタキシャル基板。
  20. 前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の合計膜厚は３μｍ以上である、請求項１８又は請求項１９に記載のエピタキシャル基板。
  21. 前記半極性半導体面は、７０度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜する、請求項１８〜請求項２０のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
  22. 前記ｎ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｎ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上であり、
    前記ｐ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｐ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上である、請求項１８〜請求項２１のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
  23. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１８〜請求項２２のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
  24. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１８〜請求項２２のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
  25. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項１８〜請求項２２のいずれか一項に記載のエピタキシャル基板。
  26. 窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
    窒化物半導体からなる半極性半導体面を有する基板を準備する工程と、
    厚さ２μｍ以上のｎ型クラッド層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、
    前記ｎ型クラッド層を成長した後に、波長４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の範囲にピーク波長を有する光を発生可能な活性層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、
    前記活性層を成長した後に、厚さ５００ｎｍ以上のｐ型クラッド層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、
    を備え、
    前記ｎ型クラッド層は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第１窒化物半導体からなり、
    前記ｐ型クラッド層は、III族構成元素としてインジウム及びアルミニウムを含む第２窒化物半導体からなり、
    前記活性層は、構成元素としてインジウムを含む窒化物半導体からなるエピタキシャル層を含み、
    前記ｎ型クラッド層、前記活性層及び前記ｐ型クラッド層は前記半極性半導体面の法線軸の方向に配置され、
    前記半極性半導体面は、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に延在する基準軸に直交する面を基準に６３度以上８０度未満の範囲の角度で前記六方晶系窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜しており、
    前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の屈折率はＧａＮの屈折率よりも小さい、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  27. 前記ｐ型クラッド層を成長した後に、ｐ型コンタクト層を前記半極性半導体面の上に成長する工程と、
    前記ｐ型コンタクト層に接触を成す電極を形成する工程と、
    を更に備え、
    前記エピタキシャル層は三元のＩｎＧａＮからなり、該ＩｎＧａＮのインジウム組成は０．２以上であり、
    前記活性層の成長から前記ｐ型コンタクト層の成長までの成膜における成長温度は、摂氏９５０度以下である、請求項２６に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  28. 前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層の合計膜厚は３μｍ以上である、請求項２６又は請求項２７に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  29. 前記半極性半導体面は、７０度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜する、請求項２６〜請求項２８のいずれか一項に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  30. 前記活性層を成長するに先だって、前記ｎ型クラッド層の上に窒化ガリウム層を摂氏１０００度以上の温度で成長する工程を更に備え、
    前記ｎ型クラッド層の成長温度は摂氏９５０度以下であり、
    前記活性層の成長温度は摂氏９００度以下であり、
    前記半極性半導体面はＧａＮからなる、請求項２６〜請求項２９のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  31. 前記ｎ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｎ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上であり、
    前記ｐ型クラッド層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ｐ型クラッド層のアルミニウム組成は０．０３以上である、請求項２６〜請求項３０のいずれか一項に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  32. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ａ軸の格子定数に関して前記六方晶系III窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項２６〜請求項３１のいずれか一項に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  33. 前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項２６〜請求項３１のいずれか一項に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  34. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合しないようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項２６〜請求項３１のいずれか一項に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
  35. 前記ｐ型クラッド層の前記第２窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の一方の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有し、
    前記ｎ型クラッド層の前記第１窒化物半導体は、ｃ軸及びａ軸の他方の格子定数に関して前記六方晶系窒化物半導体に格子整合するようなインジウム組成及びアルミニウム組成を有する、請求項２６〜請求項３１のいずれか一項に記載された、窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
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