JP3879619B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に関し、特に出射されるレーザ光の単一モード化された集光性のよいレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体レーザ素子には、活性層を含む窒化物半導体層を劈開又はエッチングしてその劈開面又はエッチング面を共振面とし、活性層内で増幅された大きな出力のコヒーレント光を共振面から放射するものがある。
【０００３】
本発明者等は共振面を有する窒化物半導体レーザ素子として、波長が４１０ｎｍの短波長のレーザ光の連続発振の可能な窒化物半導体レーザ素子を提案している。例えば、Ａｐｐｌ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）３０３４、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）４０５６などに記載されている。
レーザ光は、自然発光で生じた光が活性層内で反射／往復して増幅され、誘導放出光として共振面中の活性層端面から外へ放出される。ここで、光は、増幅し活性層中を導波しているとき、散乱し活性層以外の窒化物半導体層を導波するものがある。
このような光の散乱を防止し発光効率を向上させるため、上記の半導体レーザ素子は、活性層内で発生し誘導された光を閉じ込めるための層、光閉じ込め層（クラッド層）を活性層を挟むようにｎ側とｐ側に設けている。クラッド層は、その層を構成する物質の光屈折率が活性層物質のそれより小さく設計され、それによって光を閉じ込める作用を示す。
上記クラッド層を有する本発明者等が提案した窒化物半導体レーザ素子は、短波長のレーザ光を放射することができるので、光メモリーの高密度化や大容量化にとって大変有用である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共振面から出射されるレーザ光は、そのファーフィールドパターンが十分に良好な単一のスポットとして得られにくい。その原因として活性層で発生した光の一部がクラッド層を通過し、クラッド層と基板との間に積層されている屈折率が中間の値を示す材料、例えばＧａＮからなるｎ側窒化物半導体層（ｎ側層）で導波され、ｎ側層端面から放射される。
ちなみに窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体層の屈折率は、大きい方から順に、活性層、中間層（ＧａＮ等）、クラッド層、基板（サファイア、スピネル等）である。つまり、クラッド層と基板の間に比較的屈折率の大きい中間層があると散乱した光は中間層で導波され、また、サファイア基板面で反射され、ｎ側層端面から放射される。このように散乱した光は、基板があるとｎ側層を通過して基板から外部に放散されることが少なく、ｎ側層端面から放射されファーフィールドパターンを乱す。
一方、ｐ側窒化物半導体層（ｐ側層）に散乱した光は、ｐ側層の最上層に形成された電極とクラッド層の間に積層されている屈折率の値が中間の値を示す材料からなる層等を導波しｐ側層端面から放射される。しかし、ｐ側層は、ｎ側層に比べてかなり薄い膜であるので、ｐ側層端面から放射される光はファーフィールドパターンをほとんど乱さない。従って、ｎ側層端面からの不要な光を極力制御する必要がある。
【０００５】
光がクラッド層を通過しないようにするには、クラッド層の屈折率を更に小さくすることが考えられるが、クラッド層物質の物性の点から屈折率の調整には限界がある。また、クラッド層を厚く積層すれば、クラッド層を通過する光がクラッド層内で減衰し不要な光が出射されなくなるが、クラッド層は厚く積層されるとクラックが入り易く、厚く積層させることができない。
このように活性層内の光を十分に閉じ込めることができなければ、ファーフィールドパターンを十分に良好な単一モードとすることができず、レーザビーム径を小さくすることを必要とするＤＶＤ光源や、単一モードの光を必要とする光通信分野への適用を十分満足させることができない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、レーザ光のファーフィールドパターンが良好で、単一モードのレーザ光が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は以下の構成によって達成することができる。
（１） 互いに対向する活性層端面を共振面とする窒化物半導体レーザ素子において、少なくとも一方の共振面の活性層端面以外の端面に不透光膜が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２） 前記共振面の活性層端面以外の端面がｎ側層端面であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００８】
つまり、本発明は、上記の如く活性層端面以外の共振面に不透光膜を形成することで、散乱した光の放出を防止し、共振面の活性層端面のみから増幅された光を放射することができ、それによってレーザ光のファーフィールドパターンを良好にし単一モード化を可能にすることができる。
【０００９】
従来の不透光膜を有してない窒化物半導体レーザ素子として図１を例にとって示した。図１は、サファイア基板１上に、ｎ側ＧａＮ層２、ｎ側クラッド層３、活性層４、ｐ側クラッド層５、及びｐ側コンタクト層６を順に積層し、共振面１０１を有する窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。活性層４内で増幅した光ｃは活性層端面１０４から放出されるが、活性層４内で一部の光が活性層４以外の窒化物半導体層へ散乱する。そしてｎ側ＧａＮ層２を導波する光ａ及びｎ側クラッド層３を導波する光ｂがｎ側層端面１０２から放出し、更にｐ側クラッド層５を導波する光ｄ及びｐ側コンタクト層６を導波する光ｅがｎ側層に比べてごくわずかであるがｐ側層端面１０３から放射される。このような光ａ、ｂ、ｄ及びｅの放出を防止するのに、クラッド層の屈折率を更に小さくする又はクラッド層を光が減衰するほどに厚く形成することが困難である。
【００１０】
これに対して、本発明は、従来難しいとされている窒化物半導体層内の物質の調整や膜厚等の調整を行わず、活性層端面１０４以外の共振面の端面に不透光膜を形成するといった本発明の意外な発想により、不要な光の放射を防止し従来の問題点を解決するものである。
本発明において、活性層端面以外の端面とは、活性層端面以外であればいずれでもよく、具体的には、図１の端面１０２及び１０３を示す。不透光膜を形成するのに好ましくは、少なくともｎ側層端面１０２（但し、本発明においては光ガイド層は含まれず、ｎ側クラッド層を含んで基板に接して形成されている窒化物半導体層までを示す。）である。なぜならば、ｎ側層端面１０２からファーフィールドパターンを乱す不要な光が多量に放射されるので、ｎ側層端面１０２に不透光膜を形成することでファーフィールドパターンを良好にすることができる。また、不透光膜を形成する工程の簡便化及び操作性の点から、ｎ側層端面１０２に形成する際基板端面１０５にも形成することが好ましい。またｐ側層端面１０３（但し、本発明においてはキャップ層や光ガイド層は含まれず、ｐ側クラッド層を含んで活性層とは反対側のすべての窒化物半導体層を示す。）からも不必要な光が放射されるので不透光膜を形成することが好ましいが、その光の量はレーザ光の実用を阻害する程度にファーフィールドパターンを乱すものではなく、更にｐ側層が非常に薄膜に形成されているため、ｐ側層端面１０３に不透光膜を形成しなくてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、不透光膜とは、光を吸収するか光を全反射させるような、光を透過させない膜を示す。本発明で用いることのできる不透光膜としては、例えば金属膜、黒色膜等である。具体的な不透光膜としては、例えばＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ等を挙げることができる。好ましい不透光膜としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ等である。不透光膜は、窒化物半導体の共振面に接して形成してもよく、また絶縁体の膜（例えば絶縁体の反射鏡等）を形成した後に絶縁体膜上に形成してもよい。
【００１２】
本発明において、不透光膜の形成される位置は、窒化物半導体層の共振面であり、レーザ光放射口以外、つまり活性層端面以外の端面である。また、不透光膜は２面以上の共振面に形成されてもよく、少なくともレーザ光放出方向の共振面に形成されるのが好ましい。活性層端面以外の端面とは、図１に示されるように、共振面１０１中、活性層端面１０４以外の端面であるｎ側ＧａＮ層２及びｎ側クラッド層３等のｎ側窒化物半導体層（ｎ側層）端面１０２並びにｐ側クラッド層５及びｐ側コンタクト層６等のｐ側窒化物半導体層（ｐ側層）端面１０３である。不透光膜の形成される位置の好ましくは、ｎ側層端面１０２である。またｎ側層端面１０２及びｐ側層端面１０３に不透光膜を形成することがファーフィールドパターンをより良好とするのに好ましが、前記したようにｐ側層端面１０３に不透光膜を形成するのが困難であり、更にｐ側層端面１０３からの不要な光がわずかであるので、ｐ側層端面１０３には不透光膜を形成しなくてもよい。
散乱し活性層以外の層を導波して活性層端面１０４以外の共振面から放出される光は、ｎ側層端面１０２から放出されるのが多く、ｎ側層端面１０２からの不要な光の放出を防止できればほぼ良好なファーフィールドパターンが得られ、光を単一のモードにし易くなる。更に、ｎ側層端面１０２に加えて、ｐ側層端面１０３にも不透光膜を形成すると、より良好に光を制御できる。
また共振面を有してないレーザ素子であっても、光が散乱するのを防止するために、レーザ光放出部分以外の部分であれば不透光膜を形成することができる。
【００１３】
不透光膜の膜厚は、特に限定されず、光りを透過しない範囲の膜厚であればよい。具体的には２００・以上、好ましくは５００〜１００００・、より好ましくは５００〜２０００・である。この範囲であると光を完全に遮断でき出射ビームを妨げないので好ましい。
【００１４】
本発明においてレーザ素子の共振面は、窒化物半導体をエッチングあるいは劈開して形成される。エッチング方法及び劈開の方法は、いずれの方法を用いてもよく、特に限定されない。
【００１５】
本発明において、用いることのできる窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、共振面となるような平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングして共振面を形成することができる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。
【００１６】
上記のように形成された共振面に不透光膜を形成する方法としては、スパッタリング、蒸着により不透光膜を形成する。
【００１７】
また本発明において、共振面の一方又は両方の、活性層端面あるいは共振面の全面に反射鏡を形成してもよい。反射鏡は窒化物半導体端面に接して形成されることが好ましく、また接して形成される場合は絶縁体の反射鏡が好ましい。反射鏡を形成すると、光損失が少なく、活性層内で光が増幅するための反射／往復が良好に起こり、発光効率が向上するので好ましい。
本発明に用いることのできる反射鏡は、例えば誘電体多層膜が挙げられ、その具体例としては、以下のものを挙げることができる。
【００１８】
誘電体多層膜は基本的に互いに反射率の異なる無機材料を交互に積層してなり、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）の厚さで交互に積層することにより反射率を変化させることができる。誘電体多層膜の各薄膜の種類、厚さ等は発振させようとするレーザ素子の波長に応じてそれらの無機材料を適宜選択することにより設計可能である。例えばその無機材料には、高屈折率側の薄膜材料としてＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｈＯ2の内の少なくとも一種類が選択でき、低屈折率側の薄膜材料としてＳｉＯ2、ＴｈＦ4、ＬａＦ3、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＮａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6の内の少なくとも一種類が選択でき、これら高屈折率側の薄膜材料と、低屈折率側の薄膜材料とを適宜組み合わせ、発振する波長に応じて数十オングストローム〜数μｍの厚さで数層〜数十層積層することにより誘電体多層膜を形成することができる。
【００１９】
また、窒化物半導体で３６０ｎｍ〜４６０ｎｍに発振するレーザ素子である場合、その光共振面に形成する誘電体多層膜は、特にＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2より選択された少なくとも２種類以上が最も適している。なぜなら前記３種類の酸化物は３６０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲で光吸収が少なく、窒化物半導体と非常に良く密着して剥がれることもない。さらに前記波長の光が連続的に長時間照射されても劣化することがなく、さらに好ましいことにレーザ素子の発熱に対して非常に耐熱性に優れているからである。
【００２０】
誘電体多層膜は例えば、蒸着、スパッタ等の気相製膜技術を用いて形成することができる。またその他、上記化合物を含む溶媒にレーザ素子を浸漬（ディッピング）した後、乾燥するという操作を繰り返して形成することも可能である。例えばＳｉＯ2とＺｒＯ2よりなる誘電体多層膜を形成する場合、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2を蒸着、スパッタ等の気相製膜技術で形成する他、Ｓｉを含む有機金属化合物の溶媒にレーザ素子を浸漬した後、乾燥し、酸素雰囲気でベーキングして酸化物とし、次にＺｒを含む有機金属化合物の溶媒にレーザ素子を浸漬し、乾燥した後、ベーキングして酸化物とする操作を繰り返すことにより誘電体多層膜を製膜することが可能である。但し、好ましく膜厚制御の面で気相製膜技術を用いる方がよい。
【００２１】
本発明の一実施の形態である不透光膜を共振面に形成した窒化物半導体の模式的断面図である図２を用いて本発明に係る不透光膜の形成された窒化物半導体レーザ素子の具体例を示す。
図２は、基板１上に、ｎ側層２０１（ｎ側コンタクト層、ｎ側クラッド層等）、活性層４、ｐ側層２０２（ｐ側コンタクト層、ｐ側クラッド層等）を順に積層され、劈開又はエッチングにより形成された共振面全体に反射鏡２０３が形成され、更にこの反射鏡２０３に接してｎ側層端面及び基板端面に不透光膜２０４が形成されている。活性層端面１１３には不透光膜を形成せず、活性層内で増幅し誘導されたレーザ光がこの活性層端面１１３から放射される。また、ｐ側層端面には、前記した理由でこの図においては形成していない。
【００２２】
また、図２のように共振面全面に反射鏡２０３を形成すると、反射鏡２０３により活性層内の光が良好に共振できる。また反射鏡は少なくともレーザ光の放射側に形成されていることが好ましく、レーザ光の放射側の反対に形成されてもよい。
反射鏡の膜厚は、出射側に形成されるので、出射パワーやしきい値の制御によって異なるが、レーザ光の波長（λ）と反射鏡を形成する各物質の屈折率（η）、λ／４η、で表される。例えばＳｉＯ2／ＴｉＯ2より形成される場合、ＳｉＯ2の屈折率をη１、ＴｉＯ2の屈折率をη２とすると、反射鏡の膜厚は、λ／４η１＋λ／４η２、となる。また、反射鏡は、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2のように１ペアとすることが好ましい。
図２の反射鏡及び不透光膜の形成方法は、スパッタ、蒸着などによって形成する。
【００２３】
本発明において、窒化物半導体の層構成は特に限定されず、いずれの層構成及び形状を有していてもよい。またその他のレーザ素子を形成するための構成も限定されない。
以下に本発明に用いることのできる好ましい窒化物半導体素子の構成要素の一実施形態を記載する。
【００２４】
図３は、本発明に用いることのできる好ましい窒化物半導体素子の構造をす模式的な断面図（レーザ光の共振方向に垂直な断面）であり、該窒化物半導体素子は、例えば、Ｃ面を主面とするサファイア等の基板１上に、ｎ型窒化物半導体層領域（ｎ側コンタクト層１２、クラッド防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５からなる。）とｐ型窒化物半導体領域（キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０からなる。）とによって挟設された窒化物半導体からなる活性層１６を備えた窒化物半導体レーザダイオード素子である。但し、図３には、不透光膜を図示していない。
【００２５】
ここで、本実施形態の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層領域におけるｎ側クラッド層１４を超格子層で形成し、かつｐ型窒化物半導体領域におけるｐ側クラッド層１９を超格子層で形成することにより、ＬＤ素子である窒化物半導体素子のしきい値電圧を低く設定している。
超格子層とは、組成の異なる極めて薄い層が積層されたものであって、各層の厚さが十分薄いために、格子不整に伴う欠陥が発生することなく積層された層のことをいい、量子井戸構造を含む広い概念である。また、この超格子層は、内部に欠陥は有しないが、通常、格子不整に伴う歪みを有するので超格子とも呼ばれる。
【００２６】
この実施形態の窒化物半導体素子においては、まず、基板１０上にバッファ層１１と第２のバッファ層１１２を介してｎ側コンタクト層１２が形成され、さらにｎ側コンタクト層１２上に、クラック防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５が積層されて、ｎ型窒化物半導体層領域が形成される。なお、クラック防止層１３の両側に露出されたｎ側コンタクト層１２の表面にはそれぞれ、ｎ側コンタクト層１２とオーミック接触するｎ側電極２３が形成され、該ｎ側電極２３上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｎ側パッド電極が形成される。そして、ｎ側光ガイド層１５上に窒化物半導体からなる活性層１６が形成され、さらに該活性層１６上に、キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０が積層されてｐ側窒化物半導体層領域が形成される。さらに、ｐ側コンタクト層２０上に該ｐ側コンタクト層２０とオーミック接触するｐ側電極２１が形成され、該ｐ側電極２１上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｐ側パッド電極が形成される。なお、ｐ側コンタクト層２０とｐ側クラッド層１９の上部とによって、共振方向に長く伸びた峰状のリッジ部が構成された該リッジ部を形成することによって、活性層１６において、光を幅方向（共振方向に直交する方向）に閉じ込め、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開された劈開面を用いて、リッジ部の長手方向に共振する共振器を作製してレーザ発振させる。
【００２７】
（基板１０）
基板１０にはＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２８】
（バッファ層１１）
バッファ層１１は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が９００℃以下の温度で成長させて、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームに形成される。このバッファ層１１は、基板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によってはバッファ層１１を省略することも可能である。
【００２９】
（第２のバッファ層１１２）
第２のバッファ層１１２は、前記バッファ層１１の上に、前記バッファ層よりも高温で成長させた単結晶の窒化物半導体よりなる層であり、バッファ層１１よりも厚膜を有する。この第２のバッファ層１１２は次に成長させるｎ側コンタクト層１２よりもｎ型不純物濃度が少ない層とするか、若しくはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体層、好ましくはＧａＮ層とすると、第２のバッファ層１１２の結晶性が良くなる。最も好ましくはｎ型不純物をアンドープのＧａＮとすると最も結晶性が良い窒化物半導体が得られる。従来のように負電極を形成するｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで、ｎ側コンタクト層１２層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第２のバッファ層１１２を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良いｎ側コンタクト層１２を成長させることができる。この第２のバッファ層１１２の膜厚は、０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第２のバッファ層１１２が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きいｎ型コンタクト層１２を厚く成長させなければならず、ｎ側コンタクト層１２の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第２のバッファ層１１２自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第２のバッファ層１１２を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第２のバッファ層１１２で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第２のバッファ層１１２内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。なお、第２のバッファ層１１２は、基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用した場合には省略してもよい。
【００３０】
（ｎ側コンタクト層１２）
ｎ側コンタクト層１２は負電極を形成するコンタクト層として作用する層であり、０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整することが望ましい。０．２μｍよりも薄いと、後で負電極を形成する際にこの層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。このｎ側コンタクト層１２の窒化物半導体にドープするｎ型不純物の範囲は１×１０17／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3の範囲、さらに好ましくは、１×１０18／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3に調整することが望ましい。１×１０17／ｃｍ3よりも小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子ではしきい値電流、電圧の低下が望めず、１×１０21／ｃｍ3よりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。なおｎ側コンタクト層１２においては、ｎ電極２３とのオーミック接触抵抗を小さくするために、該ｎ側コンタクト層１２のキャリア濃度を上げる不純物の濃度を、ｎ側クラッド層１４よりも大きくすることが望ましい。なお、ｎ側コンタクト層１２は基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタクト層としてではなくバッファ層として作用する。
【００３１】
また、第２のバッファ層１１２、及びｎ側コンタクト層１２の内の少なくとも一方の層を、超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層の結晶性が飛躍的に良くなり、しきい値電流が低下する。好ましくは第２のバッファ層１１２よりも膜厚が薄いｎ側コンタクト層１２の方を超格子層とする。ｎ側コンタクト層１２を互いにバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とが積層されてなる超格子構造とした場合においては、好ましくはバンドギャップエネルギーの小さな層を露出させてｎ電極２３を形成することにより、ｎ電極２３との接触抵抗が低くできしきい値を低下させることができる。なおｎ型窒化物半導体と好ましいオーミックが得られるｎ電極２３の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が挙げられる。
【００３２】
また、ｎ側コンタクト層１２を不純物濃度が異なる超格子層とすることにより、横方向の抵抗値を低くでき、ＬＤ素子のしきい値電圧、電流を低くすることができる。
これは、バンドギャップエネルギーの大きな層の方に、多くｎ型不純物をドープした超格子層をｎ層側のコンタクト層として形成した場合について、以下のようなＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ−Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ−Ｍｏｂｉｌｉｔｙ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に類似した作用が出現した効果が推察される。ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい第１の層（第２の層）と、バンドギャップが小さいアンドープ｛（ｕｎｄｏｐｅ）；以下、不純物がドープされてない状態をアンドープという｝の第２の層（第１の層）とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ（１００オングストローム）前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下すると推察される。
【００３３】
（クラック防止層１３）
クラック防止層１３は、例えば、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなり、例えば、５００オングストロームの膜厚を有する。このクラック防止層１３はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮを成長させて形成することにより、その上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なお、このクラック防止層１３は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層１３は、ｎ型コンタクト層１２を超格子とする場合、または次に成長させるｎ型クラッド層１４を超格子層とする場合には省略してもよい。
【００３４】
（ｎ型超格子からなるｎ側クラッド層１４）
ｎ側クラッド層は、例えばＳｉを５×１０18／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなり、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層、及びアンドープのＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層よりなり、全体で例えば０．５μｍの膜厚を有する。このｎ型クラッド層１４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、超格子層とした場合にはいずれか一方の層をＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることにより良好なキャリア閉じ込め層が成長できる。このｎ型クラッド層１４は単一の窒化物半導体で成長させることもできるが、超格子層とすることがクラックのない結晶性のよいキャリア閉じ込め層が形成できる。
【００３５】
（ｎ側光ガイド層１５）
ｎ側光ガイド層１５は、アンドープＧａＮからなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｎ側光ガイド層６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させて形成することが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なお、この光ガイド層１５も超格子層にすることができる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００３６】
（活性層１６）
活性層１６は、例えば、Ｓｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなり、２５オングストロームの膜厚を有する井戸層と、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなり、５０オングストロームの膜厚を有する障壁層とを交互に積層することにより、所定の膜厚を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で構成する。活性層１６においては、井戸層、障壁層両方に不純物をドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。また、このように活性層１６を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別される。井戸層の厚さは、１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは、５０オングストローム以下にする。障壁層の厚さは１５０オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オングストローム以下にする。
【００３７】
（ｐ側キャップ層１７）
ｐ側キャップ層１７は、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい、例えば、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなり、例えば、２００オングストロームの膜厚を有する。本実施形態では、このように、キャップ層１７を用いることが好ましいが、このキャップ層は、薄い膜厚に形成されるので、本発明では、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としてもよい。ｐ側キャップ層１７の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ側キャップ層１７中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。また、ｐ側キャップ層１７の膜厚が、０．１μｍより大きいと、キャリアがこのエネルギーバリアとなるｐ型キャップ層１７をトンネル効果により通過できなくなるからであり、該トンネル効果によるキャリアの通過を考慮すると、上述のように５００オングストローム以下、さらには３００オングストローム以下に設定することが好ましい
【００３８】
また、ｐ側キャップ層１７には、ＬＤ素子を発振しやすくするために、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮを用いて形成することが好ましく、該ＡｌＧａＮを薄く形成する程、ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ型キャップ層１７の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００３９】
（ｐ側光ガイド層１８）
ｐ側光ガイド層１８は、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、例えば、アンドープＧａＮよりなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｐ側光ガイド層１８は、活性層１６の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させて形成することが望ましい。また、この層はｐ型クラッド層１９を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型としても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００４０】
（ｐ側クラッド層１９＝超格子層）
ｐ側クラッド層１９は、例えば、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなり、例えば、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層と、例えばＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層からなる。このｐ側クラッド層１９は、ｎ側クラッド層１４と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層１９の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で形成することが望ましい。
【００４１】
（ｐ側コンタクト層２０）
ｐ側コンタクト層２０は、ｐ側クラッド層１９の上に、例えば、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、例えば、１５０オングストロームの膜厚を有する。このｐ側コンタクト層２０はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは、上述のようにＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。さらにｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・ｃｍ以上もあるｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低下させることができるため、しきい値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【００４２】
なお、本発明では、ｐ側コンタクト層２０も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極２１と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極２１の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００４３】
次に、図３に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜２５が形成され、この絶縁膜２５に形成された開口部を介してｐ電極２１と電気的に接続されたｐパッド電極２２、及びｎ電極２３と接続されたｎパッド電極２４が形成される。このｐパッド電極２２は実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにし、一方ｎパッド電極２４はｎ電極２３の剥がれを防止する。
【００４４】
以上の窒化物半導体素子は、第１の層、及び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層された超格子層である、結晶性のよいｐ型クラッド層１９を備えている。これによって、本実施形態の窒化物半導体素子は、ｐ側クラッド層１９の抵抗値を、超格子構造を有しないｐ側クラッド層に比較して１桁以上低くすることができるので、しきい値電圧、電流を低くすることができる。
【００４５】
また、本実施形態の窒化物半導体素子ではｐ型ＡｌYＧａ1-YＮを含むｐ側クラッド層１９に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層２０として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄く形成することにより、実質的にｐ側コンタクト層２０のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子のしきい値電流、電圧を低くすることができる。さらに、ｎ側コンタクト層を成長させる前に、第２のバッファ層１１２を備えているので、第２のバッファ層１１２の上に成長させる窒化物半導体層の結晶性が良くなり、長寿命の素子を実現できる。好ましくは、第２のバッファ層１１２の上に成長させるｎ側コンタクト層を超格子とすると、横方向の抵抗値が低くなり、しきい値電圧・しきい値電流の低い素子が実現できる。
【００４６】
なお、本実施形態のＬＤ素子ではＩｎＧａＮのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層１６に備える場合には、ＩｎXＧａ1-XＮと、ＡｌYＧａ1-YＮとが交互に積層された超格子層を、活性層１６を挟設する層（ｎ側クラッド層１４及びｐ側クラッド層１９）として用いることが好ましい。これによって、活性層１６と該超格子層とのバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層をレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作させることができる。さらにＩｎＧａＮは結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層とすると、積層した各窒化物層全体にクラックが入りにくくなる。これによって、ＬＤ素子の寿命を長くすることができる。
【００４７】
本実施形態のように量子井戸構造を有する活性層１６を有するダブルヘテロ構造の半導体素子の場合、その活性層１６に接して、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７を設け、そのｐ側キャップ層１７よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャップ層１７よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層１８を設け、そのｐ側光ガイド層１８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層１８よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子構造を有するｐ側クラッド層１９を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層１７のバンドギャップエネルギーを大きくしてあるため、ｎ層から注入された電子が、このｐ側キャップ層１７で阻止されて閉じ込められ、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【００４８】
以上の本実施形態の窒化物半導体素子では、レーザ素子の構造として好ましい構造を示したが、本実施形態ではｎ型の超格子層は活性層１６から下のｎ型窒化物半導体層領域（ｎ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、またｐ型の超格子層も活性層１６から上のｐ型窒化物半導体層領域（ｐ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但し、前記超格子層はｐ層側に形成する場合はキャリア閉じ込め層としてのｐ側クラッド層１９に形成し、ｎ層側に形成する場合はｎ電極２３が接した電流注入層としてのｎコンタクト層１２、またはキャリア閉じ込めとしてのｎ側クラッド層１４として形成することが素子のＶｆ、しきい値を低下させる上で最も好ましい傾向にある。
【００４９】
以上のように構成された実施形態２の窒化物半導体素子では、各層が形成された後、水素を含まない雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、４００℃以上、例えば７００℃でアニーリングを行うことが好ましく、これによって、ｐ型窒化物半導体層領域の各層をさらに低抵抗化することができるので、これによって、さらにしきい値電圧を低くすることができる。
【００５０】
また、実施形態の窒化物半導体素子では、ｐ側コンタクト層１２の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１がストライプ状に形成され、このｐ電極２１に対して左右対称にｎ側コンタクト層を露出させて、そのｎ側コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極２３を設けている。このように、絶縁性基板を用いた場合ｐ電極２１の両側に左右対称にｎ電極２３を設ける構造は、しきい値電圧を低くする上で非常に有利である。
【００５１】
なお、本実施形態では、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開した劈開面（共振器面）にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成してもよい。
【００５２】
このように、本実施形態において、超格子層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。しかし本発明はこれに限定されるものではない。
［実施例１］
本発明に係る実施例１は図３に示す窒化物半導体素子（ＬＤ素子）の作成例であり、以下の手順で作製される。
まず、サファイア（Ｃ面）よりなる基板１０を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア（ＮＨ3）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１０上にＧａＮよりなるバッファ層１１を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
バッファ層１１成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、キャリア濃度１×１０18／cm3アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層１１２を５μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層１１２はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはアンドープでＡｌ（Ｙ値）が０．１以下のＡｌYＧａ1-YＮ、最も好ましくはアンドープのＧａＮとする。
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１２を１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層１２は超格子で形成するとさらに好ましい。
【００５５】
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５６】
そして、温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡ、シランを止め、アンドープＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。
【００５７】
続いて、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１６を成長させる。
【００５８】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５９】
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１９を形成する。
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６０】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図３に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層２０と、ｐ側クラッド層１９とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【００６１】
次にリッジ表面にマスクを形成し、図３に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対称にして、ｎ側コンタクト層１２の表面を露出させる。
【００６２】
次にｐ側コンタクト層２０のストライプリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１を形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３をストライプ状のｎ側コンタクト層１２のほぼ全面に形成する。
【００６３】
次に、図３に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２、及びｎパッド電極２４を形成する。
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板１をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とする。
【００６４】
基板研磨後、研磨面側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振面を作製する。図２のように共振面等にＳｉＯ2（屈折率は１．４５）とＴｉＯ2（屈折率は２．５８）よりなる誘電体多層膜（反射鏡）を膜厚０．１０９μｍで形成し、更にｐ側層多端面及び活性層端面にレジストでマスクをして図２のようにｎ側層端面（光ガイド層を除く）及び基板端面にスパッタリングにてＣｒよりなる不透光膜を膜厚５００・で形成し、その後レジスト膜を除去し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、波長４００ｎｍ、しきい値電流密度２．９ｋＡ／cm2、しきい値電圧４．４Ｖで、ファーフィールドパターンはレーザ光のスポットが１つであり、単一モードで集光性が良好であった。
【００６５】
［実施例２］
実施例１において、第２のバッファ層１１２を成長させず、さらにｎ側コンタクト層１２をＳｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮ単一で２μｍ成長させ、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０20／m3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、さらにｐ側コンタクト層２０をＭｇを２×１０20／cm3ドープした単一のｐ型ＧａＮを３００オングストローム成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、室温において、波長４００ｎｍ、しきい値電流密度３．２ｋＡ／cm2、しきい値電圧４．６Ｖで、ファーフィールドパターンはレーザ光のスッポトが１つであり、単一モードで集光性が良好であった。
【００６６】
［実施例３］
実施例１において、不透光膜をＮｉからなる膜厚３５０・の膜とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、同様に良好なファーフィールドパターンが得られた。
【００６７】
［実施例４］
実施例１において、不透光膜をＡｌからなる膜厚１０００・の膜とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、同様に良好なファーフィールドパターンが得られた。
【００６８】
［実施例５］
実施例１において、不透光膜の膜厚を７００・とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、同様に良好なファーフィールドパターンが得られた。
【００６９】
［比較例１］
実施例１において、共振面のｎ側層及び基板の各端面に不透光膜を形成しない他は同様にして行った。その結果、ファーフィールドパターンは主ビームのスッポトの下に複数のその他の小さいにスッポトが見られ、活性層端面以外から不要な光が放射されていることが確認された。また主ビームの上にもかすかな小さいスッポトが見られたが実用するには差し支えない程度であった。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、レーザ光のファーフィールドパターン形状が良好で、単一モードのレーザ光が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の共振面に不透光膜が形成されていない窒化物半導体の模式的断面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態である共振面に不透光膜が形成されている窒化物半導体の模式的断面図である。
【図３】本発明に係るの一実施形態である共振面に対し垂直に切断した窒化物半導体素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ側ＧａＮ層
３・・・・ｎ側クラッド層
４・・・・活性層
５・・・・ｐ側クラッド層
６・・・・ｐ側コンタクト層
１０１・・・・共振面
１０２・・・・ｎ側層端面
１０３・・・・ｐ側層端面
１０４、１１３・・・・活性層端面
２０１・・・・ｎ側層
２０２・・・・ｐ側層
２０３・・・・反射鏡
２０４、２０５・・・・不透光膜
１０・・・・基板
１１・・・・バッファ層
１１２・・・・第２のバッファ層
１２・・・・ｎ側コンタクト層
１３・・・・クラック防止層
１４・・・・ｎ側クラッド層（超格子層）
１５・・・・ｎ側光ガイド層
１６・・・・活性層
１７・・・・キャップ層
１８・・・・ｐ側光ガイド層
１９・・・・ｐ側クラッド層（超格子層）
２０・・・・ｐ側コンタクト層
２１・・・・ｐ電極
２２・・・・ｐパッド電極
２３・・・・ｎ電極
２４・・・・ｎパッド電極
２５・・・・絶縁膜
【産業上の利用分野】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなるレーザ素子に関し、特に出射されるレーザ光の単一モード化された集光性のよいレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体レーザ素子には、活性層を含む窒化物半導体層を劈開又はエッチングしてその劈開面又はエッチング面を共振面とし、活性層内で増幅された大きな出力のコヒーレント光を共振面から放射するものがある。
【０００３】
本発明者等は共振面を有する窒化物半導体レーザ素子として、波長が４１０ｎｍの短波長のレーザ光の連続発振の可能な窒化物半導体レーザ素子を提案している。例えば、Ａｐｐｌ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）３０３４、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）４０５６などに記載されている。
レーザ光は、自然発光で生じた光が活性層内で反射／往復して増幅され、誘導放出光として共振面中の活性層端面から外へ放出される。ここで、光は、増幅し活性層中を導波しているとき、散乱し活性層以外の窒化物半導体層を導波するものがある。
このような光の散乱を防止し発光効率を向上させるため、上記の半導体レーザ素子は、活性層内で発生し誘導された光を閉じ込めるための層、光閉じ込め層（クラッド層）を活性層を挟むようにｎ側とｐ側に設けている。クラッド層は、その層を構成する物質の光屈折率が活性層物質のそれより小さく設計され、それによって光を閉じ込める作用を示す。
上記クラッド層を有する本発明者等が提案した窒化物半導体レーザ素子は、短波長のレーザ光を放射することができるので、光メモリーの高密度化や大容量化にとって大変有用である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、共振面から出射されるレーザ光は、そのファーフィールドパターンが十分に良好な単一のスポットとして得られにくい。その原因として活性層で発生した光の一部がクラッド層を通過し、クラッド層と基板との間に積層されている屈折率が中間の値を示す材料、例えばＧａＮからなるｎ側窒化物半導体層（ｎ側層）で導波され、ｎ側層端面から放射される。
ちなみに窒化物半導体レーザ素子を構成する窒化物半導体層の屈折率は、大きい方から順に、活性層、中間層（ＧａＮ等）、クラッド層、基板（サファイア、スピネル等）である。つまり、クラッド層と基板の間に比較的屈折率の大きい中間層があると散乱した光は中間層で導波され、また、サファイア基板面で反射され、ｎ側層端面から放射される。このように散乱した光は、基板があるとｎ側層を通過して基板から外部に放散されることが少なく、ｎ側層端面から放射されファーフィールドパターンを乱す。
一方、ｐ側窒化物半導体層（ｐ側層）に散乱した光は、ｐ側層の最上層に形成された電極とクラッド層の間に積層されている屈折率の値が中間の値を示す材料からなる層等を導波しｐ側層端面から放射される。しかし、ｐ側層は、ｎ側層に比べてかなり薄い膜であるので、ｐ側層端面から放射される光はファーフィールドパターンをほとんど乱さない。従って、ｎ側層端面からの不要な光を極力制御する必要がある。
【０００５】
光がクラッド層を通過しないようにするには、クラッド層の屈折率を更に小さくすることが考えられるが、クラッド層物質の物性の点から屈折率の調整には限界がある。また、クラッド層を厚く積層すれば、クラッド層を通過する光がクラッド層内で減衰し不要な光が出射されなくなるが、クラッド層は厚く積層されるとクラックが入り易く、厚く積層させることができない。
このように活性層内の光を十分に閉じ込めることができなければ、ファーフィールドパターンを十分に良好な単一モードとすることができず、レーザビーム径を小さくすることを必要とするＤＶＤ光源や、単一モードの光を必要とする光通信分野への適用を十分満足させることができない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、レーザ光のファーフィールドパターンが良好で、単一モードのレーザ光が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は以下の構成によって達成することができる。
（１） 互いに対向する活性層端面を共振面とする窒化物半導体レーザ素子において、少なくとも一方の共振面の活性層端面以外の端面に不透光膜が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２） 前記共振面の活性層端面以外の端面がｎ側層端面であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００８】
つまり、本発明は、上記の如く活性層端面以外の共振面に不透光膜を形成することで、散乱した光の放出を防止し、共振面の活性層端面のみから増幅された光を放射することができ、それによってレーザ光のファーフィールドパターンを良好にし単一モード化を可能にすることができる。
【０００９】
従来の不透光膜を有してない窒化物半導体レーザ素子として図１を例にとって示した。図１は、サファイア基板１上に、ｎ側ＧａＮ層２、ｎ側クラッド層３、活性層４、ｐ側クラッド層５、及びｐ側コンタクト層６を順に積層し、共振面１０１を有する窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。活性層４内で増幅した光ｃは活性層端面１０４から放出されるが、活性層４内で一部の光が活性層４以外の窒化物半導体層へ散乱する。そしてｎ側ＧａＮ層２を導波する光ａ及びｎ側クラッド層３を導波する光ｂがｎ側層端面１０２から放出し、更にｐ側クラッド層５を導波する光ｄ及びｐ側コンタクト層６を導波する光ｅがｎ側層に比べてごくわずかであるがｐ側層端面１０３から放射される。このような光ａ、ｂ、ｄ及びｅの放出を防止するのに、クラッド層の屈折率を更に小さくする又はクラッド層を光が減衰するほどに厚く形成することが困難である。
【００１０】
これに対して、本発明は、従来難しいとされている窒化物半導体層内の物質の調整や膜厚等の調整を行わず、活性層端面１０４以外の共振面の端面に不透光膜を形成するといった本発明の意外な発想により、不要な光の放射を防止し従来の問題点を解決するものである。
本発明において、活性層端面以外の端面とは、活性層端面以外であればいずれでもよく、具体的には、図１の端面１０２及び１０３を示す。不透光膜を形成するのに好ましくは、少なくともｎ側層端面１０２（但し、本発明においては光ガイド層は含まれず、ｎ側クラッド層を含んで基板に接して形成されている窒化物半導体層までを示す。）である。なぜならば、ｎ側層端面１０２からファーフィールドパターンを乱す不要な光が多量に放射されるので、ｎ側層端面１０２に不透光膜を形成することでファーフィールドパターンを良好にすることができる。また、不透光膜を形成する工程の簡便化及び操作性の点から、ｎ側層端面１０２に形成する際基板端面１０５にも形成することが好ましい。またｐ側層端面１０３（但し、本発明においてはキャップ層や光ガイド層は含まれず、ｐ側クラッド層を含んで活性層とは反対側のすべての窒化物半導体層を示す。）からも不必要な光が放射されるので不透光膜を形成することが好ましいが、その光の量はレーザ光の実用を阻害する程度にファーフィールドパターンを乱すものではなく、更にｐ側層が非常に薄膜に形成されているため、ｐ側層端面１０３に不透光膜を形成しなくてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、不透光膜とは、光を吸収するか光を全反射させるような、光を透過させない膜を示す。本発明で用いることのできる不透光膜としては、例えば金属膜、黒色膜等である。具体的な不透光膜としては、例えばＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ等を挙げることができる。好ましい不透光膜としては、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ等である。不透光膜は、窒化物半導体の共振面に接して形成してもよく、また絶縁体の膜（例えば絶縁体の反射鏡等）を形成した後に絶縁体膜上に形成してもよい。
【００１２】
本発明において、不透光膜の形成される位置は、窒化物半導体層の共振面であり、レーザ光放射口以外、つまり活性層端面以外の端面である。また、不透光膜は２面以上の共振面に形成されてもよく、少なくともレーザ光放出方向の共振面に形成されるのが好ましい。活性層端面以外の端面とは、図１に示されるように、共振面１０１中、活性層端面１０４以外の端面であるｎ側ＧａＮ層２及びｎ側クラッド層３等のｎ側窒化物半導体層（ｎ側層）端面１０２並びにｐ側クラッド層５及びｐ側コンタクト層６等のｐ側窒化物半導体層（ｐ側層）端面１０３である。不透光膜の形成される位置の好ましくは、ｎ側層端面１０２である。またｎ側層端面１０２及びｐ側層端面１０３に不透光膜を形成することがファーフィールドパターンをより良好とするのに好ましが、前記したようにｐ側層端面１０３に不透光膜を形成するのが困難であり、更にｐ側層端面１０３からの不要な光がわずかであるので、ｐ側層端面１０３には不透光膜を形成しなくてもよい。
散乱し活性層以外の層を導波して活性層端面１０４以外の共振面から放出される光は、ｎ側層端面１０２から放出されるのが多く、ｎ側層端面１０２からの不要な光の放出を防止できればほぼ良好なファーフィールドパターンが得られ、光を単一のモードにし易くなる。更に、ｎ側層端面１０２に加えて、ｐ側層端面１０３にも不透光膜を形成すると、より良好に光を制御できる。
また共振面を有してないレーザ素子であっても、光が散乱するのを防止するために、レーザ光放出部分以外の部分であれば不透光膜を形成することができる。
【００１３】
不透光膜の膜厚は、特に限定されず、光りを透過しない範囲の膜厚であればよい。具体的には２００・以上、好ましくは５００〜１００００・、より好ましくは５００〜２０００・である。この範囲であると光を完全に遮断でき出射ビームを妨げないので好ましい。
【００１４】
本発明においてレーザ素子の共振面は、窒化物半導体をエッチングあるいは劈開して形成される。エッチング方法及び劈開の方法は、いずれの方法を用いてもよく、特に限定されない。
【００１５】
本発明において、用いることのできる窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、共振面となるような平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングして共振面を形成することができる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。
【００１６】
上記のように形成された共振面に不透光膜を形成する方法としては、スパッタリング、蒸着により不透光膜を形成する。
【００１７】
また本発明において、共振面の一方又は両方の、活性層端面あるいは共振面の全面に反射鏡を形成してもよい。反射鏡は窒化物半導体端面に接して形成されることが好ましく、また接して形成される場合は絶縁体の反射鏡が好ましい。反射鏡を形成すると、光損失が少なく、活性層内で光が増幅するための反射／往復が良好に起こり、発光効率が向上するので好ましい。
本発明に用いることのできる反射鏡は、例えば誘電体多層膜が挙げられ、その具体例としては、以下のものを挙げることができる。
【００１８】
誘電体多層膜は基本的に互いに反射率の異なる無機材料を交互に積層してなり、例えばλ／４ｎ（λ：波長、ｎ：屈折率）の厚さで交互に積層することにより反射率を変化させることができる。誘電体多層膜の各薄膜の種類、厚さ等は発振させようとするレーザ素子の波長に応じてそれらの無機材料を適宜選択することにより設計可能である。例えばその無機材料には、高屈折率側の薄膜材料としてＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｈＯ2の内の少なくとも一種類が選択でき、低屈折率側の薄膜材料としてＳｉＯ2、ＴｈＦ4、ＬａＦ3、ＭｇＦ2、ＬｉＦ、ＮａＦ、Ｎａ3ＡｌＦ6の内の少なくとも一種類が選択でき、これら高屈折率側の薄膜材料と、低屈折率側の薄膜材料とを適宜組み合わせ、発振する波長に応じて数十オングストローム〜数μｍの厚さで数層〜数十層積層することにより誘電体多層膜を形成することができる。
【００１９】
また、窒化物半導体で３６０ｎｍ〜４６０ｎｍに発振するレーザ素子である場合、その光共振面に形成する誘電体多層膜は、特にＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2より選択された少なくとも２種類以上が最も適している。なぜなら前記３種類の酸化物は３６０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲で光吸収が少なく、窒化物半導体と非常に良く密着して剥がれることもない。さらに前記波長の光が連続的に長時間照射されても劣化することがなく、さらに好ましいことにレーザ素子の発熱に対して非常に耐熱性に優れているからである。
【００２０】
誘電体多層膜は例えば、蒸着、スパッタ等の気相製膜技術を用いて形成することができる。またその他、上記化合物を含む溶媒にレーザ素子を浸漬（ディッピング）した後、乾燥するという操作を繰り返して形成することも可能である。例えばＳｉＯ2とＺｒＯ2よりなる誘電体多層膜を形成する場合、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2を蒸着、スパッタ等の気相製膜技術で形成する他、Ｓｉを含む有機金属化合物の溶媒にレーザ素子を浸漬した後、乾燥し、酸素雰囲気でベーキングして酸化物とし、次にＺｒを含む有機金属化合物の溶媒にレーザ素子を浸漬し、乾燥した後、ベーキングして酸化物とする操作を繰り返すことにより誘電体多層膜を製膜することが可能である。但し、好ましく膜厚制御の面で気相製膜技術を用いる方がよい。
【００２１】
本発明の一実施の形態である不透光膜を共振面に形成した窒化物半導体の模式的断面図である図２を用いて本発明に係る不透光膜の形成された窒化物半導体レーザ素子の具体例を示す。
図２は、基板１上に、ｎ側層２０１（ｎ側コンタクト層、ｎ側クラッド層等）、活性層４、ｐ側層２０２（ｐ側コンタクト層、ｐ側クラッド層等）を順に積層され、劈開又はエッチングにより形成された共振面全体に反射鏡２０３が形成され、更にこの反射鏡２０３に接してｎ側層端面及び基板端面に不透光膜２０４が形成されている。活性層端面１１３には不透光膜を形成せず、活性層内で増幅し誘導されたレーザ光がこの活性層端面１１３から放射される。また、ｐ側層端面には、前記した理由でこの図においては形成していない。
【００２２】
また、図２のように共振面全面に反射鏡２０３を形成すると、反射鏡２０３により活性層内の光が良好に共振できる。また反射鏡は少なくともレーザ光の放射側に形成されていることが好ましく、レーザ光の放射側の反対に形成されてもよい。
反射鏡の膜厚は、出射側に形成されるので、出射パワーやしきい値の制御によって異なるが、レーザ光の波長（λ）と反射鏡を形成する各物質の屈折率（η）、λ／４η、で表される。例えばＳｉＯ2／ＴｉＯ2より形成される場合、ＳｉＯ2の屈折率をη１、ＴｉＯ2の屈折率をη２とすると、反射鏡の膜厚は、λ／４η１＋λ／４η２、となる。また、反射鏡は、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2のように１ペアとすることが好ましい。
図２の反射鏡及び不透光膜の形成方法は、スパッタ、蒸着などによって形成する。
【００２３】
本発明において、窒化物半導体の層構成は特に限定されず、いずれの層構成及び形状を有していてもよい。またその他のレーザ素子を形成するための構成も限定されない。
以下に本発明に用いることのできる好ましい窒化物半導体素子の構成要素の一実施形態を記載する。
【００２４】
図３は、本発明に用いることのできる好ましい窒化物半導体素子の構造をす模式的な断面図（レーザ光の共振方向に垂直な断面）であり、該窒化物半導体素子は、例えば、Ｃ面を主面とするサファイア等の基板１上に、ｎ型窒化物半導体層領域（ｎ側コンタクト層１２、クラッド防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５からなる。）とｐ型窒化物半導体領域（キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０からなる。）とによって挟設された窒化物半導体からなる活性層１６を備えた窒化物半導体レーザダイオード素子である。但し、図３には、不透光膜を図示していない。
【００２５】
ここで、本実施形態の窒化物半導体素子は、ｎ型窒化物半導体層領域におけるｎ側クラッド層１４を超格子層で形成し、かつｐ型窒化物半導体領域におけるｐ側クラッド層１９を超格子層で形成することにより、ＬＤ素子である窒化物半導体素子のしきい値電圧を低く設定している。
超格子層とは、組成の異なる極めて薄い層が積層されたものであって、各層の厚さが十分薄いために、格子不整に伴う欠陥が発生することなく積層された層のことをいい、量子井戸構造を含む広い概念である。また、この超格子層は、内部に欠陥は有しないが、通常、格子不整に伴う歪みを有するので超格子とも呼ばれる。
【００２６】
この実施形態の窒化物半導体素子においては、まず、基板１０上にバッファ層１１と第２のバッファ層１１２を介してｎ側コンタクト層１２が形成され、さらにｎ側コンタクト層１２上に、クラック防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５が積層されて、ｎ型窒化物半導体層領域が形成される。なお、クラック防止層１３の両側に露出されたｎ側コンタクト層１２の表面にはそれぞれ、ｎ側コンタクト層１２とオーミック接触するｎ側電極２３が形成され、該ｎ側電極２３上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｎ側パッド電極が形成される。そして、ｎ側光ガイド層１５上に窒化物半導体からなる活性層１６が形成され、さらに該活性層１６上に、キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０が積層されてｐ側窒化物半導体層領域が形成される。さらに、ｐ側コンタクト層２０上に該ｐ側コンタクト層２０とオーミック接触するｐ側電極２１が形成され、該ｐ側電極２１上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｐ側パッド電極が形成される。なお、ｐ側コンタクト層２０とｐ側クラッド層１９の上部とによって、共振方向に長く伸びた峰状のリッジ部が構成された該リッジ部を形成することによって、活性層１６において、光を幅方向（共振方向に直交する方向）に閉じ込め、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開された劈開面を用いて、リッジ部の長手方向に共振する共振器を作製してレーザ発振させる。
【００２７】
（基板１０）
基板１０にはＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。
【００２８】
（バッファ層１１）
バッファ層１１は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が９００℃以下の温度で成長させて、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームに形成される。このバッファ層１１は、基板と窒化物半導体との格子定数不正を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によってはバッファ層１１を省略することも可能である。
【００２９】
（第２のバッファ層１１２）
第２のバッファ層１１２は、前記バッファ層１１の上に、前記バッファ層よりも高温で成長させた単結晶の窒化物半導体よりなる層であり、バッファ層１１よりも厚膜を有する。この第２のバッファ層１１２は次に成長させるｎ側コンタクト層１２よりもｎ型不純物濃度が少ない層とするか、若しくはｎ型不純物をドープしない窒化物半導体層、好ましくはＧａＮ層とすると、第２のバッファ層１１２の結晶性が良くなる。最も好ましくはｎ型不純物をアンドープのＧａＮとすると最も結晶性が良い窒化物半導体が得られる。従来のように負電極を形成するｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで、ｎ側コンタクト層１２層を成長させる前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良い第２のバッファ層１１２を成長させることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良いｎ側コンタクト層１２を成長させることができる。この第２のバッファ層１１２の膜厚は、０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第２のバッファ層１１２が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きいｎ型コンタクト層１２を厚く成長させなければならず、ｎ側コンタクト層１２の結晶性の向上があまり望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第２のバッファ層１１２自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にある。また第２のバッファ層１１２を厚く成長させる利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレーザ素子を作製した場合に、第２のバッファ層１１２で熱が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレーザ光の漏れ光が第２のバッファ層１１２内で広がって、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。なお、第２のバッファ層１１２は、基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用した場合には省略してもよい。
【００３０】
（ｎ側コンタクト層１２）
ｎ側コンタクト層１２は負電極を形成するコンタクト層として作用する層であり、０．２μｍ以上、４μｍ以下に調整することが望ましい。０．２μｍよりも薄いと、後で負電極を形成する際にこの層を露出させるようにエッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にある。このｎ側コンタクト層１２の窒化物半導体にドープするｎ型不純物の範囲は１×１０17／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3の範囲、さらに好ましくは、１×１０18／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3に調整することが望ましい。１×１０17／ｃｍ3よりも小さいとｎ電極の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、レーザ素子ではしきい値電流、電圧の低下が望めず、１×１０21／ｃｍ3よりも大きいと、素子自体のリーク電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子の寿命が短くなる傾向にある。なおｎ側コンタクト層１２においては、ｎ電極２３とのオーミック接触抵抗を小さくするために、該ｎ側コンタクト層１２のキャリア濃度を上げる不純物の濃度を、ｎ側クラッド層１４よりも大きくすることが望ましい。なお、ｎ側コンタクト層１２は基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタクト層としてではなくバッファ層として作用する。
【００３１】
また、第２のバッファ層１１２、及びｎ側コンタクト層１２の内の少なくとも一方の層を、超格子層とすることもできる。超格子層とすると、この層の結晶性が飛躍的に良くなり、しきい値電流が低下する。好ましくは第２のバッファ層１１２よりも膜厚が薄いｎ側コンタクト層１２の方を超格子層とする。ｎ側コンタクト層１２を互いにバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とが積層されてなる超格子構造とした場合においては、好ましくはバンドギャップエネルギーの小さな層を露出させてｎ電極２３を形成することにより、ｎ電極２３との接触抵抗が低くできしきい値を低下させることができる。なおｎ型窒化物半導体と好ましいオーミックが得られるｎ電極２３の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が挙げられる。
【００３２】
また、ｎ側コンタクト層１２を不純物濃度が異なる超格子層とすることにより、横方向の抵抗値を低くでき、ＬＤ素子のしきい値電圧、電流を低くすることができる。
これは、バンドギャップエネルギーの大きな層の方に、多くｎ型不純物をドープした超格子層をｎ層側のコンタクト層として形成した場合について、以下のようなＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ−Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ−Ｍｏｂｉｌｉｔｙ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に類似した作用が出現した効果が推察される。ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい第１の層（第２の層）と、バンドギャップが小さいアンドープ｛（ｕｎｄｏｐｅ）；以下、不純物がドープされてない状態をアンドープという｝の第２の層（第１の層）とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ（１００オングストローム）前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下すると推察される。
【００３３】
（クラック防止層１３）
クラック防止層１３は、例えば、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなり、例えば、５００オングストロームの膜厚を有する。このクラック防止層１３はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮを成長させて形成することにより、その上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なお、このクラック防止層１３は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層１３は、ｎ型コンタクト層１２を超格子とする場合、または次に成長させるｎ型クラッド層１４を超格子層とする場合には省略してもよい。
【００３４】
（ｎ型超格子からなるｎ側クラッド層１４）
ｎ側クラッド層は、例えばＳｉを５×１０18／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなり、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層、及びアンドープのＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層よりなり、全体で例えば０．５μｍの膜厚を有する。このｎ型クラッド層１４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、超格子層とした場合にはいずれか一方の層をＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させることが望ましく、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることにより良好なキャリア閉じ込め層が成長できる。このｎ型クラッド層１４は単一の窒化物半導体で成長させることもできるが、超格子層とすることがクラックのない結晶性のよいキャリア閉じ込め層が形成できる。
【００３５】
（ｎ側光ガイド層１５）
ｎ側光ガイド層１５は、アンドープＧａＮからなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｎ側光ガイド層６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させて形成することが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なお、この光ガイド層１５も超格子層にすることができる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００３６】
（活性層１６）
活性層１６は、例えば、Ｓｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなり、２５オングストロームの膜厚を有する井戸層と、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなり、５０オングストロームの膜厚を有する障壁層とを交互に積層することにより、所定の膜厚を有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で構成する。活性層１６においては、井戸層、障壁層両方に不純物をドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。また、このように活性層１６を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別される。井戸層の厚さは、１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは、５０オングストローム以下にする。障壁層の厚さは１５０オングストローム以下、好ましくは１００オングストローム以下、最も好ましくは７０オングストローム以下にする。
【００３７】
（ｐ側キャップ層１７）
ｐ側キャップ層１７は、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい、例えば、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなり、例えば、２００オングストロームの膜厚を有する。本実施形態では、このように、キャップ層１７を用いることが好ましいが、このキャップ層は、薄い膜厚に形成されるので、本発明では、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としてもよい。ｐ側キャップ層１７の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ側キャップ層１７中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。また、ｐ側キャップ層１７の膜厚が、０．１μｍより大きいと、キャリアがこのエネルギーバリアとなるｐ型キャップ層１７をトンネル効果により通過できなくなるからであり、該トンネル効果によるキャリアの通過を考慮すると、上述のように５００オングストローム以下、さらには３００オングストローム以下に設定することが好ましい
【００３８】
また、ｐ側キャップ層１７には、ＬＤ素子を発振しやすくするために、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮを用いて形成することが好ましく、該ＡｌＧａＮを薄く形成する程、ＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ型キャップ層１７の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００３９】
（ｐ側光ガイド層１８）
ｐ側光ガイド層１８は、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、例えば、アンドープＧａＮよりなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｐ側光ガイド層１８は、活性層１６の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させて形成することが望ましい。また、この層はｐ型クラッド層１９を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型としても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００４０】
（ｐ側クラッド層１９＝超格子層）
ｐ側クラッド層１９は、例えば、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなり、例えば、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層と、例えばＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第２の層とが交互に積層された超格子層からなる。このｐ側クラッド層１９は、ｎ側クラッド層１４と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層１９の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で形成することが望ましい。
【００４１】
（ｐ側コンタクト層２０）
ｐ側コンタクト層２０は、ｐ側クラッド層１９の上に、例えば、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなり、例えば、１５０オングストロームの膜厚を有する。このｐ側コンタクト層２０はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくは、上述のようにＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。さらにｐ側コンタクト層の膜厚を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３００オングストローム以下、最も好ましくは２００オングストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、上述したように抵抗率が数Ω・ｃｍ以上もあるｐ型窒化物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整することにより、さらに抵抗率を低下させることができるため、しきい値での電流、電圧が低下する。またｐ型層から除去される水素の量を多くすることができ、さらに抵抗率を低下させることができる。
【００４２】
なお、本発明では、ｐ側コンタクト層２０も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極２１と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極２１の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００４３】
次に、図３に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜２５が形成され、この絶縁膜２５に形成された開口部を介してｐ電極２１と電気的に接続されたｐパッド電極２２、及びｎ電極２３と接続されたｎパッド電極２４が形成される。このｐパッド電極２２は実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにし、一方ｎパッド電極２４はｎ電極２３の剥がれを防止する。
【００４４】
以上の窒化物半導体素子は、第１の層、及び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層された超格子層である、結晶性のよいｐ型クラッド層１９を備えている。これによって、本実施形態の窒化物半導体素子は、ｐ側クラッド層１９の抵抗値を、超格子構造を有しないｐ側クラッド層に比較して１桁以上低くすることができるので、しきい値電圧、電流を低くすることができる。
【００４５】
また、本実施形態の窒化物半導体素子ではｐ型ＡｌYＧａ1-YＮを含むｐ側クラッド層１９に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層２０として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄く形成することにより、実質的にｐ側コンタクト層２０のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子のしきい値電流、電圧を低くすることができる。さらに、ｎ側コンタクト層を成長させる前に、第２のバッファ層１１２を備えているので、第２のバッファ層１１２の上に成長させる窒化物半導体層の結晶性が良くなり、長寿命の素子を実現できる。好ましくは、第２のバッファ層１１２の上に成長させるｎ側コンタクト層を超格子とすると、横方向の抵抗値が低くなり、しきい値電圧・しきい値電流の低い素子が実現できる。
【００４６】
なお、本実施形態のＬＤ素子ではＩｎＧａＮのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体を活性層１６に備える場合には、ＩｎXＧａ1-XＮと、ＡｌYＧａ1-YＮとが交互に積層された超格子層を、活性層１６を挟設する層（ｎ側クラッド層１４及びｐ側クラッド層１９）として用いることが好ましい。これによって、活性層１６と該超格子層とのバンドギャップエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格子層をレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込め層として動作させることができる。さらにＩｎＧａＮは結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層とすると、積層した各窒化物層全体にクラックが入りにくくなる。これによって、ＬＤ素子の寿命を長くすることができる。
【００４７】
本実施形態のように量子井戸構造を有する活性層１６を有するダブルヘテロ構造の半導体素子の場合、その活性層１６に接して、活性層１６よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７を設け、そのｐ側キャップ層１７よりも活性層から離れた位置に、ｐ側キャップ層１７よりもバンドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層１８を設け、そのｐ側光ガイド層１８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層１８よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、好ましくはＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子構造を有するｐ側クラッド層１９を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層１７のバンドギャップエネルギーを大きくしてあるため、ｎ層から注入された電子が、このｐ側キャップ層１７で阻止されて閉じ込められ、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【００４８】
以上の本実施形態の窒化物半導体素子では、レーザ素子の構造として好ましい構造を示したが、本実施形態ではｎ型の超格子層は活性層１６から下のｎ型窒化物半導体層領域（ｎ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、またｐ型の超格子層も活性層１６から上のｐ型窒化物半導体層領域（ｐ型層側）に少なくとも１層有していれば良く、素子構成は特に規定するものではない。但し、前記超格子層はｐ層側に形成する場合はキャリア閉じ込め層としてのｐ側クラッド層１９に形成し、ｎ層側に形成する場合はｎ電極２３が接した電流注入層としてのｎコンタクト層１２、またはキャリア閉じ込めとしてのｎ側クラッド層１４として形成することが素子のＶｆ、しきい値を低下させる上で最も好ましい傾向にある。
【００４９】
以上のように構成された実施形態２の窒化物半導体素子では、各層が形成された後、水素を含まない雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、４００℃以上、例えば７００℃でアニーリングを行うことが好ましく、これによって、ｐ型窒化物半導体層領域の各層をさらに低抵抗化することができるので、これによって、さらにしきい値電圧を低くすることができる。
【００５０】
また、実施形態の窒化物半導体素子では、ｐ側コンタクト層１２の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１がストライプ状に形成され、このｐ電極２１に対して左右対称にｎ側コンタクト層を露出させて、そのｎ側コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極２３を設けている。このように、絶縁性基板を用いた場合ｐ電極２１の両側に左右対称にｎ電極２３を設ける構造は、しきい値電圧を低くする上で非常に有利である。
【００５１】
なお、本実施形態では、リッジ部（ストライプ状の電極）に垂直な方向で劈開した劈開面（共振器面）にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成してもよい。
【００５２】
このように、本実施形態において、超格子層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成されるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大きくなるように調整することが望ましい。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を用いて本発明を更に詳細に説明する。しかし本発明はこれに限定されるものではない。
［実施例１］
本発明に係る実施例１は図３に示す窒化物半導体素子（ＬＤ素子）の作成例であり、以下の手順で作製される。
まず、サファイア（Ｃ面）よりなる基板１０を反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア（ＮＨ3）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板１０上にＧａＮよりなるバッファ層１１を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５４】
バッファ層１１成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、キャリア濃度１×１０18／cm3アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層１１２を５μｍの膜厚で成長させる。第２のバッファ層１１２はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成でき、その組成は特に問うものではないが、好ましくはアンドープでＡｌ（Ｙ値）が０．１以下のＡｌYＧａ1-YＮ、最も好ましくはアンドープのＧａＮとする。
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１２を１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層１２は超格子で形成するとさらに好ましい。
【００５５】
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５６】
そして、温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡ、シランを止め、アンドープＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。
【００５７】
続いて、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長させる。
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１６を成長させる。
【００５８】
次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスにＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
続いて、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５９】
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１９を形成する。
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６０】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図３に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層２０と、ｐ側クラッド層１９とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。
【００６１】
次にリッジ表面にマスクを形成し、図３に示すように、ストライプ状のリッジに対して左右対称にして、ｎ側コンタクト層１２の表面を露出させる。
【００６２】
次にｐ側コンタクト層２０のストライプリッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１を形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３をストライプ状のｎ側コンタクト層１２のほぼ全面に形成する。
【００６３】
次に、図３に示すようにｐ電極２１と、ｎ電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２、及びｎパッド電極２４を形成する。
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板１をラッピングし、基板の厚さを５０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とする。
【００６４】
基板研磨後、研磨面側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振面を作製する。図２のように共振面等にＳｉＯ2（屈折率は１．４５）とＴｉＯ2（屈折率は２．５８）よりなる誘電体多層膜（反射鏡）を膜厚０．１０９μｍで形成し、更にｐ側層多端面及び活性層端面にレジストでマスクをして図２のようにｎ側層端面（光ガイド層を除く）及び基板端面にスパッタリングにてＣｒよりなる不透光膜を膜厚５００・で形成し、その後レジスト膜を除去し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、波長４００ｎｍ、しきい値電流密度２．９ｋＡ／cm2、しきい値電圧４．４Ｖで、ファーフィールドパターンはレーザ光のスポットが１つであり、単一モードで集光性が良好であった。
【００６５】
［実施例２］
実施例１において、第２のバッファ層１１２を成長させず、さらにｎ側コンタクト層１２をＳｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮ単一で２μｍ成長させ、ｎ側クラッド層１４をＳｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０20／m3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ単一で０．４μｍ成長させ、さらにｐ側コンタクト層２０をＭｇを２×１０20／cm3ドープした単一のｐ型ＧａＮを３００オングストローム成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、室温において、波長４００ｎｍ、しきい値電流密度３．２ｋＡ／cm2、しきい値電圧４．６Ｖで、ファーフィールドパターンはレーザ光のスッポトが１つであり、単一モードで集光性が良好であった。
【００６６】
［実施例３］
実施例１において、不透光膜をＮｉからなる膜厚３５０・の膜とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、同様に良好なファーフィールドパターンが得られた。
【００６７】
［実施例４］
実施例１において、不透光膜をＡｌからなる膜厚１０００・の膜とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、同様に良好なファーフィールドパターンが得られた。
【００６８】
［実施例５］
実施例１において、不透光膜の膜厚を７００・とする他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、同様に良好なファーフィールドパターンが得られた。
【００６９】
［比較例１］
実施例１において、共振面のｎ側層及び基板の各端面に不透光膜を形成しない他は同様にして行った。その結果、ファーフィールドパターンは主ビームのスッポトの下に複数のその他の小さいにスッポトが見られ、活性層端面以外から不要な光が放射されていることが確認された。また主ビームの上にもかすかな小さいスッポトが見られたが実用するには差し支えない程度であった。
【００７０】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、レーザ光のファーフィールドパターン形状が良好で、単一モードのレーザ光が得られる窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の共振面に不透光膜が形成されていない窒化物半導体の模式的断面図である。
【図２】本発明に係る一実施形態である共振面に不透光膜が形成されている窒化物半導体の模式的断面図である。
【図３】本発明に係るの一実施形態である共振面に対し垂直に切断した窒化物半導体素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・・基板
２・・・・ｎ側ＧａＮ層
３・・・・ｎ側クラッド層
４・・・・活性層
５・・・・ｐ側クラッド層
６・・・・ｐ側コンタクト層
１０１・・・・共振面
１０２・・・・ｎ側層端面
１０３・・・・ｐ側層端面
１０４、１１３・・・・活性層端面
２０１・・・・ｎ側層
２０２・・・・ｐ側層
２０３・・・・反射鏡
２０４、２０５・・・・不透光膜
１０・・・・基板
１１・・・・バッファ層
１１２・・・・第２のバッファ層
１２・・・・ｎ側コンタクト層
１３・・・・クラック防止層
１４・・・・ｎ側クラッド層（超格子層）
１５・・・・ｎ側光ガイド層
１６・・・・活性層
１７・・・・キャップ層
１８・・・・ｐ側光ガイド層
１９・・・・ｐ側クラッド層（超格子層）
２０・・・・ｐ側コンタクト層
２１・・・・ｐ電極
２２・・・・ｐパッド電極
２３・・・・ｎ電極
２４・・・・ｎパッド電極
２５・・・・絶縁膜
Claims (2)
- 互いに対向する活性層端面を共振面とする窒化物半導体レーザ素子において、少なくとも一方の共振面の活性層端面以外の端面に不透光膜が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
- 前記共振面の活性層端面以外の端面がｎ側層端面であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
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