JP4178807B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザとして、選択成長により形成されたリッジ構造を有する半導体レーザが提案されている（J.Crystal Growth 144(1994)133 および特開２０００−５８４６１号公報）。この半導体レーザの要部を図９に示す。図９に示すように、この半導体レーザを製造するには、ｃ面サファイア基板上に低温成長によるＧａＮバッファ層を介してｐ型ＧａＮコンタクト層（いずれも図示せず）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０１、ｎ型ＧａＮ光導波層１０２、活性層１０３、ｐ型ＧａＮ光導波層１０４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５を順次成長させ、その上にＳｉＯ2 膜１０６を形成し、このＳｉＯ2 膜１０６の所定部分にストライプ状の開口１０６ａを形成した後、このＳｉＯ2 膜１０６を成長マスクとしてその開口１０６ａの部分におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を順次選択成長させてリッジを形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の検討によれば、上述の従来の半導体レーザにおいては、ＳｉＯ2 膜１０６の開口１０６ａの部分におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７を選択成長させるとき、下層のｎ型層の成長時にドーピングに用いられるｎ型不純物（主としてＳｉ）が成長装置の成長室内に残存しており、このｎ型不純物により成長界面が汚染されたり、成長界面にドナーとして働く欠陥が発生したりすることにより、成長界面近傍がｎ型化する。このため、実際には、図１０に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５と選択成長されるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７との界面にｎ型ＡｌＧａＮ層１０９が形成され、これらの層によりｐｎｐ構造が形成されてしまう。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７とからなるｐ型クラッド層の全体で見た直列抵抗が増大し、半導体レーザの動作電圧の上昇をもたらすという問題があった。
【０００５】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、ｐ側クラッド層の厚さを良好な光学特性を得るのに必要かつ十分な値に保持しつつ、動作電圧の低減を図ることができる半導体発光素子およびそのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
この発明の上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
ｎ側クラッド層と、
ｎ側クラッド層上の活性層と、
活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有し、
リッジの成長界面が第１の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
ここで、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には第１の層もしくはこの他の層に含まれるとは、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層もしくはこの他の層の中に完全に含まれる場合のほか、リッジと下地層との成長界面が第１の層の第２の層側の面またはこの他の層の第２の層側の面と一致する場合も意味するものとする。これは、リッジの両側の部分の底面（下地層の表面）と活性層との間の距離をｄ、リッジに含まれる、活性層に最も近いｐ型層と活性層との間の距離をＬp とすると、Ｌp ≧ｄであると言い換えることもできる。
【０００７】
この半導体発光素子は、典型的にはＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有する。すなわち、ｎ側クラッド層と活性層との間にｎ側光導波層が設けられ、ｐ側クラッド層と活性層との間にｐ側光導波層が設けられる。
【０００８】
ｐ側クラッド層の全体の厚さは、一般には５００〜６００ｎｍあれば足りる。ｐ側クラッド層のｐ型の第２の層の厚さは一般的には０ｎｍより大きく、５５０ｎｍ以下あるいは４５０ｎｍ以下であるが、典型的には３９０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、より典型的には４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下である。一方、ｐ側クラッド層のアンドープの第１の層（この場合、ｎ- 型を呈し、比抵抗は一般にｐ型層に比べて数分の１から１桁程度低い）の厚さは、一般には０ｎｍより大きく、５００ｎｍ以下であるが、ｐ側クラッド層の抵抗の低減を十分に図る観点より、好適には５０ｎｍ以上、より好適には７０ｎｍ以上、更に好適には９０ｎｍ以上に選ばれ、一方、典型的には４００ｎｍ以下あるいは３００ｎｍ以下あるいは２００ｎｍ以下に選ばれ、これらの上限および下限を任意に組み合わせた範囲であってよい。この第１の層の厚さは、一つの典型的な例では７０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であり、更に典型的な例では９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下に選ばれる。これらのアンドープまたはｎ型の第１の層およびｐ型の第２の層は、必要な光学特性、例えば十分に高い光閉じ込め係数Γが得られて良好な遠視野像（far fieldpattern,ＦＦＰ) などが得られる限り、互いに同じ材料からなるものであっても、互いに異なる材料からなるものであってもよい。前者の例としては、第１の層および第２の層の材料ともＡｌＧａＮを用いる場合が挙げられ、後者の例としては、第２の層の材料としてＡｌＧａＮを用い、第１の層の材料としてＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを用いる場合が挙げられる。第１の層および第２の層は互いに直接接する場合のほか、何らかの機能を有する他の層を介して間接的に接する場合もあり得る。このうち特に、第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には、上述のようにリッジと下地層との成長界面は第１の層もしくはこの他の層に含まれる。
【０００９】
また、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層が設けられる場合、それらの厚さは一般的には０ｎｍより大きく、５０ｎｍ以下である。
【００１０】
ｐ側クラッド層のアンドープまたはｎ型の第１の層は、半導体発光素子の動作時にｐ側電極側から注入される正孔をトンネル効果により活性層に到達しやすくして注入効率を高くするとともに、ヘテロ界面の導入により、第２の層のｐ型不純物として通常用いられるＭｇが活性層側に拡散するのを抑制して活性層の劣化を防止する観点より、好適には超格子構造とする。一つの典型的な例においてはｐ側クラッド層全体を超格子構造とする。
【００１１】
ｐ型の第２の層に存在する第３の層は、一般的にはＡｌおよびＧａを含むｐ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、より具体的には、例えばｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）からなり、活性層に注入される電子のオーバフローを効果的に抑制する観点からは、好適にはｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０．１５≦ｘ＜１）からなる。
【００１２】
また、ｐ型の第２の層のｐ型不純物として通常用いられるＭｇが活性層に拡散することによる活性層の劣化を防止する観点からは、活性層とｐ側クラッド層のｐ型の第２の層との間の距離は、好適には２０ｎｍ以上、より好適には５０ｎｍ以上、更に好適には１００ｎｍ以上に選ばれる。また、最近の報告によれば、ＧａＮにおける正孔の拡散距離は約０．２８μｍ（２８０ｎｍ）であり、これを考慮すると、電子との再結合の確率を低くし、活性層への正孔の注入効率を高くするためには、活性層とｐ側クラッド層のｐ型の第２の層との間の距離は、この拡散距離以下にすることが望ましい。
【００１３】
一方、ｐ側クラッド層のｐ型の第２の層から活性層へのｐ型不純物、例えばＭｇの拡散を抑制して活性層の劣化を防止する観点からは、好適には、活性層とｐ側クラッド層の第２の層との間に、バンドギャップまたは格子定数が互いに異なる層の組み合わせが少なくとも１組以上存在するようにし、あるいは、互いに原子組成比が異なる層からなる超格子構造が少なくとも１層以上存在するようにし、これを格子歪み層としてＭｇの拡散を防止するようにする。
【００１４】
典型的には、活性層の障壁層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）であり、活性層の井戸層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎy Ｇａ1-y Ｎ（ただし、０＜ｙ＜１かつｙ＞ｘ）である。
【００１５】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、一般的には、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によって更にＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
【００１６】
典型的には、下地層上に成長マスクが形成され、この成長マスクの開口部における下地層上にリッジが選択成長される。成長マスクは一般的には絶縁膜により形成され、絶縁膜の具体例を挙げると、二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）膜、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜などである。選択成長の下地層は、第１の層であることもあるし、第１の層を途中の厚さまで成長させたアンドープまたはｎ型の層であることもあり、更には、第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合にはこの他の層であることもある。リッジは、例えば、第１の層の上層部、第２の層および第３の層を含み、具体的には、例えば、第１の層の上層部、第２の層、第３の層およびｐ型コンタクト層からなる。あるいは、リッジは、第２の層、第３の層およびｐ型コンタクト層からなる。
【００１７】
この発明の第２の発明は、
ｎ側クラッド層と、
ｎ側クラッド層上の活性層と、
活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、
リッジの成長界面が第１の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
この発明の第２の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１８】
この発明の第３の発明は、
ｎ側クラッド層と、
ｎ側クラッド層上の活性層と、
活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する半導体発光素子において、
ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、
リッジの成長界面が第１の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
【００１９】
ここで、この半導体発光素子は、基本的にはどのような半導体を用いたものであってもよく、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたもののほか、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体などの各種のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や、ＺｎＳｅ系半導体などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、更にはダイヤモンドなどを用いたものなどであってもよい。
この発明の第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２０】
この発明の第４の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上にアンドープまたはｎ型の層、第２の層および第３の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２１】
この発明の第５の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上に第２の層および第３の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２２】
この発明の第６の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上にアンドープまたはｎ型の層および第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２３】
この発明の第７の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上に第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２４】
この発明の第８の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上にアンドープまたはｎ型の層および第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２５】
この発明の第９の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上に第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２６】
この発明の第４〜第９の発明においては、典型的には、ｐ側クラッド層の第２の層上に更に、ｐ型コンタクト層が成長される。
この発明の第４〜第９の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２７】
この発明の第１０の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
活性層から第３の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００２８】
この発明の第１１の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
活性層からｐ側クラッド層の第１の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００２９】
この発明の第１２の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上である
ことを特徴とするものである。
【００３０】
この発明の第１２の発明においては、活性層とこの活性層に最も近いｐ型の層との間の距離は、ｐ型の層にドープされたｐ型不純物の拡散による活性層の劣化をより効果的に防止する観点より、好適には６０ｎｍ以上、より好適には１００ｎｍ以上とする。この活性層とｐ型の層との間の距離は、ｐ型不純物の拡散による活性層の劣化を防止するためには他に支障がない限りできるだけ大きくするのが望ましいが、一般的には５００ｎｍ以下である。この活性層とｐ型の層との間の距離は、典型的には５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より典型的には１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。活性層に最も近いｐ型の層は、例えば、ｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層であり、この発明の第１の発明における第３の層と同じものである。
【００３１】
この発明の第１３の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上であり、活性層に最も近いｐ型の層がｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層である、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
活性層からｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００３２】
この発明の第１０〜第１３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００３３】
この発明の第１２および第１３の発明においては、ｐ側クラッド層の全体がｐ型の層であっても、第１〜第１１の発明と同様にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型の第２の層とからなるものであってもよい。後者の場合は、その性質に反しない限り、この発明の第１〜第１１の発明に関連して述べたことが成立する。
【００３４】
この発明の第１０、第１１および第１３の発明においては、Ｉｎを含む層、例えば活性層からのＩｎの脱離をより効果的に防止する観点より、最も好適には、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気としてＮ2 ガス雰囲気を用いる。一方、この実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気を用いて成長を行った後に行われるｐ型の層の成長については、そのｐ型層の抵抗の低減を図る観点より、好適には、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気を用い、最も好適には、Ｎ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気を用いる。
【００３５】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる基板としては、種々のものを用いることができ、具体的には、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、スピネル基板、酸化シリコン基板などのほか、厚いＧａＮ層などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる基板を用いてもよい。
【００３６】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長方法または選択成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）などを用いることができる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む化合物半導体全般の成長方法としては、これらに加えて、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などを用いることもできる。
【００３７】
上述のように構成されたこの発明の第１〜第９の発明によれば、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には第１の層もしくはこの他の層に含まれることにより、すなわちリッジと下地層との成長界面がｎ型層に含まれることにより、リッジと下地層との成長界面がｐ型層の表面である従来技術のようにリッジを選択成長により形成する場合にｎ型不純物により成長界面が汚染されたり、成長界面にドナーとして働く欠陥が発生したりすることにより成長界面近傍がｎ型化してｐｎｐ構造が形成される問題が本質的に存在せず、したがってｐ側クラッド層全体の直列抵抗の低減を図り、動作電圧の低減を図ることができる。また、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなることにより、光閉じ込め係数Γなどの光学特性の良否を左右するｐ側クラッド層の厚さと動作電圧の大小を左右するｐ型の第２の層の厚さとを独立に制御することができるため、低動作電圧でかつ光学特性が良好な（例えば、ＦＦＰのθ⊥が小さいなど）半導体発光素子を容易に実現することができる。言い換えれば、半導体発光素子に対して良好な光場を得て良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧上昇の原因となる高比抵抗のｐ型層の厚さを可能な限り薄くして動作電圧の低減を図ることができる。また、活性層と第２の層との間の距離を十分に大きくすることができるため、第２の層のｐ型不純物が活性層に拡散するのを抑制することができ、活性層の劣化を防止することができる。更に、特に、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きいｐ型の第３の層を有する場合には、この第３の層により、活性層に注入される電子がオーバーフローするのを抑制することができる一方、通常活性層と組成が大きく異なるこの第３の層と活性層との間の距離を自由に設計することができ、それによって活性層に生じる歪を緩和することができるため、活性層の劣化を防止することができる。
【００３８】
また、ｐ型の第２の層などのｐ型層の全部がリッジ内に収まっていることにより、半導体発光素子の動作温度が上昇してｐ型の第２の層などのｐ型層中のｐ型不純物、例えばＭｇの活性化率が高まり、このｐ型層が低抵抗化しても、リッジの外部に漏れ出る電流を大幅に低減することができる。これは特に、半導体レーザの特性温度Ｔ0 の向上に資するものである。
【００３９】
また、この発明の第１０および第１１の発明によれば、第１０の発明においては活性層から第３の層までの成長を、第１１の発明においては活性層からｐ側クラッド層の第１の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、Ｉｎを含む層、例えば活性層からＩｎが脱離するのを効果的に抑えることができ、活性層の劣化を防止することができる。一方、この後のｐ型の層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させることにより、良好な結晶性で成長させることができる。
【００４０】
また、この発明の第１２の発明によれば、活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上であるので、このｐ型の層にドープされたｐ型不純物の活性層への拡散を大幅に減少させることができ、活性層の劣化を防止することができる。
【００４１】
また、この発明の第１３の発明によれば、活性層からｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、Ｉｎを含む層、例えば活性層からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層の劣化を防止することができる。この後のｐ型の層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させることにより、良好な結晶性で成長させることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、選択成長により形成されたリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するものである。図２はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部近傍の拡大図である。また、図３はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド、特にその伝導帯を示す。
【００４３】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１の一主面に、横方向結晶成長技術（例えば、AppliedPhysics Letters vol.75(1999)pp.196-198) によりＧａＮ系半導体層が積層されている。具体的には、ｃ面サファイア基板１の一主面に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層２とその上のアンドープＧａＮ層３とからなり、〈１−１００〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープＧａＮ層３を種結晶としてｎ型ＧａＮコンタクト層４が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のｃ面サファイア基板１の表層部も除去されており、この部分では、ｎ型ＧａＮコンタクト層４はこのｃ面サファイア基板１から浮いた構造になっている。そして、このｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９が順次積層されている。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＡｌＧａＮクラッド層９はいずれもｎ- 型である。これらの層には横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１０と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１１が形成されている。
【００４４】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部からアンドープＡｌＧａＮクラッド層９までの層は全体として所定幅のメサ形状を有する。このメサ部のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９上には、成長マスクである例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１２が設けられている。この絶縁膜１２の所定部分には、例えば〈１−１００〉方向に延在するストライプ状の開口１３が形成されている。そして、この開口１３の部分において、下地のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９上に、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７が選択成長により順次積層され、例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジ１８が形成されている。このリッジ１８の幅、言い換えれば絶縁膜１２の開口１３の幅は例えば１．６μｍである。このリッジ１８、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１０と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１１との間の低欠陥領域の上方に位置している。アンドープＩｎＧａＮ層１４はｎ- 型である。ｐ側クラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【００４５】
ここで、アンドープＧａＮバッファ層２は厚さが例えば３０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３は厚さが例えば２μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１．２μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成比は例えば０．０６５である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成比は例えば０．０２である。また、アンドープＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７は、障壁層としてのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層と井戸層としてのＩｎy Ｇａ1-y Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層の厚さが７ｎｍでｘ＝０．０２、井戸層としてのＩｎy Ｇａ1-y Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ＝０．０８、井戸数が３である。
【００４６】
アンドープＩｎＧａＮ光導波層８は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成比は例えば０．０２である。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、Ａｌ組成比は例えば０．０２５である。アンドープＩｎＧａＮ層１４は厚さが例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は例えば０．０２である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５は厚さが例えば１０ｎｍであり、Ａｌ組成比は例えば０．１８である。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍのＭｇがドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成比は例えば０．０６、全体の厚さは例えば４００ｎｍである。ｐ型ＧａＮコンタクト層１７は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００４７】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を覆うようにｐ側電極１９が、絶縁膜１２上に延在して設けられている。このｐ側電極１９は、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。更に、メサ部の全体を覆うように例えば厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2 膜のような絶縁膜２０が設けられている。この絶縁膜２０は電気絶縁および表面保護のためのものである。この絶縁膜２０のうちのリッジ１８の上の部分には開口２１が設けられており、この開口２１にｐ側電極１９が露出している。一方、絶縁膜２０のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口２２が設けられており、この開口２２を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にｎ側電極２３が接触している。このｎ側電極２３は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。
【００４８】
次に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５００℃程度の温度でアンドープＧａＮバッファ層２を成長させた後、同じくＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でアンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００４９】
次に、アンドープＧａＮ層３の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが１００ｎｍのＳｉＯ2 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ2 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｃ面サファイア基板１の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープＧａＮ層３が形成される。このストライプ形状のアンドープＧａＮ層３の延在方向は〈１−１００〉方向である。
【００５０】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープＧａＮ層３を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりｎ型ＧａＮコンタクト層４を成長させる。このときの成長温度は例えば１０７０℃とする。
【００５１】
引き続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を順次成長させる。
【００５２】
次に、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１２を形成した後、この絶縁膜１２上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法により絶縁膜１２をエッチングし、開口１３を形成する。次に、この開口１３を有する絶縁膜１２を成長マスクとして、例えばＭＯＣＶＤ法により、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７を順次選択成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の選択成長は、絶縁膜１２上に横方向成長して断面形状が台形となった時点で停止するようにする。
【００５３】
これらのＧａＮ系半導体層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は９００〜１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４およびｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５は７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７は９００〜１０００℃とする。
【００５４】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはＮＨ3 を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００５５】
また、これらのＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層４およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５はＮ2 とＨ2 との混合ガス、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５まではＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＩｎＧａＮ層１４からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００５６】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、リッジ１８および絶縁膜１２の全面に例えば真空蒸着法によりＰｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成してｐ側電極１９を形成する。
【００５７】
次に、ｐ側電極１９の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ2 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ2 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４に達するまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、絶縁膜１２およびｐ側電極１９がメサ形状にパターニングされる。
【００５８】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ2 膜のような絶縁膜２０を成膜する。
【００５９】
次に、リソグラフィーにより、ｎ側電極形成領域を除いた領域の絶縁膜２０の表面を覆うレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜２０をエッチングすることにより、開口２２を形成する。
【００６０】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、絶縁膜２０の開口２２を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にコンタクトしたｎ側電極２３が形成される。次に、ｎ側電極２３をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００６１】
次に、リソグラフィーにより、リッジ１８の上部の近傍のｐ側電極１９が露出する開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜２０をエッチングすることにより開口２１を形成し、この開口２１の部分にｐ側電極１９を露出させる。
【００６２】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００６３】
このＧａＮ系半導体レーザにおいて、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６とからなるｐ側クラッド層中のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９の厚さｔを変化させ、そのときの動作電圧およびエージング劣化率を求めた結果を表１に示す。また、表１をグラフ化したものを図４および図５に示す。ここで、動作電圧は２５℃で光出力が３０ｍＷのときのものである。エージング劣化率は、６０℃で光出力が３０ｍＷのときのものであるが、エージング開始直後は動作電流ＩOPの上昇率が高いため、１０〜１００時間でのＩOP上昇率を用いた。初期の動作電流ＩOPは５５ｍＡとした。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の比抵抗は数分の１Ωｃｍ程度、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の比抵抗は２Ωｃｍ程度である。また、共振器長は６００μｍ（０．０６ｃｍ）、リッジ１８の幅は１．６μｍ、ｐ側クラッド層の全体の厚さは５００ｎｍとした。
【００６４】
【００６５】
いま、３０ｍＷ（２５℃）での動作電圧は５Ｖ以下が望ましく、エージング劣化率は、５０００時間動作で動作電流の上昇率２０％以下が実用レベルと考えると、表１、図４および図５より、これらの条件を満たすためには、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の厚さを５０ｎｍ以上にする必要があることが分かる。また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の厚さをより大きくすることにより、動作電圧およびエージング劣化率とも減少することが分かる。
【００６６】
この第１の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、ｐ側クラッド層が活性層７側から順に厚さが例えば１０５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９と厚さが例えば４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなり、絶縁膜１２の開口１３の部分に選択成長により形成されるリッジ１８と下地層との成長界面がｎ- 型のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に含まれることにより、リッジと下地層との成長界面がｐ型層の表面である従来技術のようにリッジを選択成長により形成する場合にｎ型不純物により成長界面が汚染されたり、成長界面にドナーとして働く欠陥が発生したりすることにより成長界面近傍がｎ型化してｐｎｐ構造が形成される問題が本質的に存在しない。このため、ｐ側クラッド層全体の直列抵抗の低減を図り、動作電圧の低減を図ることができる。また、このようにｐ側クラッド層がアンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６とからなるので、その分だけ比抵抗が高いｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さを小さくすることができることにより、ｐ側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６で構成した場合に比べて、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧を例えば約０．１６Ｖも低減することができる。また、ｐ側クラッド層の全体の厚さは約５００ｎｍあり、十分大きいため、ｐ側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好なＦＦＰを得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さを約１００ｎｍも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【００６７】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層、すなわちｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７との間の距離は、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１４の合計の厚さ、例えば３０ｎｍ＋１００ｎｍ＋５ｎｍ＝１３５ｎｍもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってＭｇの拡散による活性層７の劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【００６８】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層との間に格子歪層であるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９があるため、これによってもｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを抑制することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。
【００６９】
また、Ｍｇがドープされたｐ型層は一般にｎ型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、ｐ型層が活性層７の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層７とｐ型層とは１３５ｎｍも離れているため、活性層７の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊth、したがってしきい値電流Ｉthを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いＭｇがドープされたｐ型層が光密度の高い活性層７の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層７の付近の結晶の劣化が生じにくく、ＧａＮ系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【００７０】
また、Ａｌ組成比が０．１８と大きいｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５とＩｎＧａＮ層からなる活性層７との間には大きな格子定数差があるが、それらは上述のように１３５ｎｍも離れているため、この格子定数差により活性層７に生じる歪を緩和することができ、発光効率の向上を図ることができる。このため、量子効率の向上により、しきい値電流密度Ｊth、したがってしきい値電流Ｉthを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００７１】
また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１との間に活性層７と格子定数がほぼ等しいアンドープＩｎＧａＮ層１４が設けられているため、活性層７とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６との間に大きな格子定数差があっても、これらのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６により活性層７に生じる歪を緩和することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊth、したがってしきい値電流Ｉthを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００７２】
また、上述のしきい値電流Ｉthの低減により、ＧａＮ系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【００７３】
また、活性層７に注入された電子が活性層７を通り過ぎてアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に到達すると、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８とこのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との間の伝導帯のエネルギー差ΔＥC （図３）より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越える際にΔＥC 分だけエネルギーが低下する。一方、ΔＥC より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えることができないため、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８に留まることになる。このように、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、ＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの動作電流の低減、動作電圧の低減および特性温度Ｔ0 の向上を図ることができる。
【００７４】
また、リッジ１８の部分にあるｐ型層は全てこのリッジ１８の内部に収まっているので、ＧａＮ系半導体レーザの動作温度が上昇してこれらのｐ型層中のＭｇが活性化しｐ型層が低抵抗化しても、リッジ１８の両脇に漏れ出る電流を極めて少なく抑えることができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ0 を従来のＧａＮ系半導体レーザに比べて著しく高くすることが可能である。具体的には、特性温度Ｔ0 を例えば２３０Ｋ程度と、従来のＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ0 に比べて約９０Ｋも高くすることが可能である。この２３０Ｋ程度という特性温度Ｔ0 は、他の材料系の半導体レーザと比較しても、これまで到底得られなかった著しく高い値である。更に、光出力−電流特性の傾き、すなわちスロープ効率についても、このＧａＮ系半導体レーザは、従来のＧａＮ系半導体レーザに比べてかなり大きくすることが可能である。
【００７５】
また、リッジ１８の両脇の部分における活性層７とアンドープＡｌＧａＮクラッド層９の表面（絶縁膜１２とアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との界面）との間の距離はＧａＮ系半導体レーザの光学特性、特にリッジ１８の部分における横方向屈折率差Δｎに影響を及ぼし、ひいてはＧａＮ系半導体レーザの製造歩留まりを左右するが、この距離は結晶成長により精度良く制御することができるため、製造上のばらつきが少なく、したがってＧａＮ系半導体レーザの製造歩留まりの向上を図ることができる。
【００７６】
更に、リッジ幅は絶縁膜１２の開口１３の幅により決定されるところ、この開口１３の幅の制御は絶縁膜１２のウエットエッチングなどにより精度良くしかも容易に行うことができることから、ＲＩＥなどのドライエッチングによりリッジを形成する場合に比べて生産性が高く、ＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができる。
【００７７】
また、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５における正孔の活性化エネルギーは高いため、常温では大部分の正孔は不活性である。しかしながら、高温になるほど正孔が活性化してｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５の電子ブロッキング効果は高まる。ところが、従来のＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジの両脇への電流漏れ量が多いため、上記効果は見えにくかったものと推測することができる。これに対し、このＧａＮ系半導体レーザによれば、上述のようにリッジ１８の両脇への電流漏れ量が極めて少ないことにより、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５の電子ブロッキング効果は高く、高温、高出力駆動時においても電子のオーバーフローを効果的に防止することができる。
【００７８】
また、上述のように高温駆動時の漏れ電流、すなわち無効電流が低減されることにより、しきい値電流Ｉthの低減を図ることができ、特性温度Ｔ0 の向上を図ることができるとともに、高温でも低雑音のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００７９】
また、上述のように特性温度Ｔ0 の著しい向上により、いわゆるドループ特性を改善することができる。このドループ特性は、レーザビームプリンタなどの光源にＧａＮ系半導体レーザを適用する上で重要なパラメータである。また、同一基板上に複数のＧａＮ系半導体レーザを互いに隣接して集積化する場合においても、ＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ0 が著しく高いことにより、これらのＧａＮ系半導体レーザ間の熱的クロストークを低く抑えることができるため、マルチビームレーザなどへの応用にも適している。
【００８０】
また、ｐ側クラッド層の一部をアンドープＡｌＧａＮクラッド層９により構成しているため、活性層７よりｐ側の部分に存在するｐ型層は全体として少なく、したがって活性層７からオーバーフローした電子がｐ型層において再結合中心にトラップされて非発光再結合する確率が小さい。高温になるほど、ｐ型層で電子がトラップされる確率が高まると仮定すると、このＧａＮ系半導体レーザの構造は無効電流低減に効果的と考えられる。
【００８１】
また、上述のスロープ効率の向上と温度特性の向上とによって、Ｍｇがドープされた結晶性の悪いｐ型層に電子がオーバーフローにより注入されて結晶を破壊することが少なくなるため、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００８２】
更に、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、特に活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００８３】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【００８４】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図６はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。
図６に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９の代わりに、アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４が設けられている。ここで、このアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍのＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成比は例えば０．０２５〜０．１０、全体の厚さは例えば１００〜５００ｎｍである。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００８５】
この第２の実施形態によれば、ｐ側クラッド層のうちのアンドープ層がアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４により構成されているので、ｐ側電極１９側から注入されてこのアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４に到達した正孔はこのアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４をトンネル効果により容易に通り抜けて活性層７に注入されるので、活性層７への正孔の注入が容易となり、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧のより一層の低減を図ることができる。また、アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４に存在するヘテロ界面により、ｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのをより効果的に防止することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。その他の利点は第１の実施形態と同様である。
【００８６】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、基本的には第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構造を有するが、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さが第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと異なる。具体的には、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８の厚さは例えば３０ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さは例えば４００ｎｍであるのに対し、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８の厚さは例えば２４．５ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さは例えば５００ｎｍである。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様である。
また、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００８７】
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００８８】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図７はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド、特にその伝導帯を示す。
図７に示すように、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６中にｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５が設けられている。すなわち、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５はアンドープＩｎＧａＮ層１４とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６との界面に設けられているのに対し、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５はｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６中にアンドープＩｎＧａＮ層１４から離れて設けられている。ここで、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５との間に存在するｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さは例えば１０〜５０ｎｍ程度である。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様である。
また、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００８９】
次に、この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、選択成長により形成されたリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するが、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いていることが第１〜第４の実施形態と異なる。図８にこのＧａＮ系半導体レーザを示す。
【００９０】
図８に示すように、この第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えばｃ面方位のｎ型ＧａＮ基板２５上に、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層２６がバッファ層（低温成長によるバッファ層とは異なる）として設けられ、その上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９が順次積層されている。
【００９１】
アンドープＡｌＧａＮクラッド層９上には、成長マスクである例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１２が設けられている。この絶縁膜１２の所定部分には、例えば〈１−１００〉方向に延在するストライプ状の開口１３が形成されている。そして、この開口１３の部分において、下地のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９上に、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７が選択成長により順次積層され、例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジ１８が形成されている。
【００９２】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を覆うようにｐ側電極１９が、絶縁膜１２上に延在して設けられている。一方、ｎ型ＧａＮ基板２５の裏面にｎ側電極２３が接触している。
上記以外のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００９３】
次に、この第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｎ型ＧａＮ基板２５上にＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を順次成長させる。
【００９４】
次に、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の全面に絶縁膜１２を形成した後、エッチングによりこの絶縁膜１２に開口１３を形成する。次に、この開口１３を有する絶縁膜１２を成長マスクとして、例えばＭＯＣＶＤ法により、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７を順次選択成長させる。
【００９５】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、リッジ１８および絶縁膜１２の全面にｐ側電極１９を形成する。
次に、ｎ型ＧａＮ基板２５の裏面にｎ側電極２３を形成する。
【００９６】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法の上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００９７】
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、例えばＧａＡｓ系半導体レーザと同様に、ｐ側電極１９およびｎ側電極２３がそれぞれ基板の表面および裏面に形成された構造とすることができることにより、ＧａＡｓ系半導体レーザの組み立てに用いるボンディング装置などを使用することができ、特殊なボンディング装置などの組み立て装置を導入する必要がなく、その分だけＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができるという利点を得ることができる。更に、チップサイズを小さくすることができため、それによってもＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができる。
【００９８】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００９９】
例えば、上述の第１〜第５の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【０１００】
具体的には、例えば、上述の第１〜第５の実施形態においては、レーザ構造を形成するｎ型層を基板上に最初に積層し、その上にｐ型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にｐ型層を積層し、その上にｎ型層を積層した構造としてもよい。
【０１０１】
また、上述の第１〜第５の実施形態においては、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８は互いに同一組成であるが、これらのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層８の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープＩｎＧａＮ光導波層８のＩｎ組成をアンドープＩｎＧａＮ光導波層６より低くしてもよい。更には、必要に応じて、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層の材料としてＩｎＧａＮと異なる組成のもの、例えばＧａＮを用いてもよい。
【０１０２】
また、上述の第１〜第４の実施形態においては、ｃ面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板などを用いてもよい。また、ＧａＮバッファ層の代わりに、ＡｌＮバッファ層やＡｌＧａＮバッファ層を用いてもよい。
【０１０３】
また、上述の第１〜第５の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Double Heterostructure）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、ＧａＮ系発光ダイオードに適用してもよい。
【０１０４】
更に、上述の第１〜第５の実施形態においては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２において、ＡｌＧａＮ層にはＭｇをドープしていないが、必要に応じて、このＡｌＧａＮ層にもＭｇをドープしてもよく、あるいは、ＧａＮ層にはＭｇをドープせず、ＡｌＧａＮ層にのみＭｇをドープしてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には第１の層もしくはこの他の層に含まれることにより、成長界面近傍がｎ型化してｐｎｐ構造が形成される問題が本質的に存在せず、したがってｐ側クラッド層全体の直列抵抗の低減を図り、動作電圧の低減を図ることができる。また、このようにｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなることにより、半導体発光素子に対して良好な光場を得て良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧上昇の原因となる高比抵抗のｐ型層の厚さを可能な限り薄くして半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることができる。また、活性層と第２の層との間の距離を十分に大きくすることができるため、第２の層のｐ型不純物が活性層に拡散を抑えて活性層の劣化を防止することができる。更に、特に、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きいｐ型の第３の層を有する場合には、この第３の層により、活性層に注入される電子がオーバーフローするのを抑制することができる。
【０１０６】
また、リッジの部分のｐ型層は全てリッジの内部に収まっていることにより、半導体発光素子の動作時に注入される電流がリッジの外部に漏れ出るのを効果的に抑えることができ、これによって従来に比べて著しく高い特性温度を得ることができ、極めて良好な温度特性を得ることができる。
【０１０７】
また、Ｉｎを含む層を含む特定の層の成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、そのＩｎを含む層、例えば活性層からＩｎが脱離するのを効果的に抑えることができ、活性層の劣化を防止することができ、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【０１０８】
また、活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上であるので、このｐ型の層にドープされたｐ型不純物の活性層への拡散を大幅に減少させることができ、活性層の劣化を防止することができ、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ側クラッド層のアンドープ層の厚さによる動作電圧の変化を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ側クラッド層のアンドープ層の厚さによるエージング劣化率の変化を示す略線図である。
【図６】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図７】この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図８】この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図９】選択成長によりリッジ構造を形成する従来のＧａＮ系半導体レーザの要部を示す断面図である。
【図１０】選択成長によりリッジ構造を形成する従来のＧａＮ系半導体レーザの問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、７・・・活性層、８・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、９・・・アンドープＡｌＧａＮクラッド層、１２・・・絶縁膜、１３・・・開口、１４・・・アンドープＩｎＧａＮ層、１５・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、１６・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１７・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、１８・・・リッジ、１９・・・ｐ側電極、２０・・・絶縁膜、２３・・・ｎ側電極、２４・・・アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、２５・・・ｎ型ＧａＮ基板
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【０００３】
この窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザとして、選択成長により形成されたリッジ構造を有する半導体レーザが提案されている（J.Crystal Growth 144(1994)133 および特開２０００−５８４６１号公報）。この半導体レーザの要部を図９に示す。図９に示すように、この半導体レーザを製造するには、ｃ面サファイア基板上に低温成長によるＧａＮバッファ層を介してｐ型ＧａＮコンタクト層（いずれも図示せず）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０１、ｎ型ＧａＮ光導波層１０２、活性層１０３、ｐ型ＧａＮ光導波層１０４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５を順次成長させ、その上にＳｉＯ2 膜１０６を形成し、このＳｉＯ2 膜１０６の所定部分にストライプ状の開口１０６ａを形成した後、このＳｉＯ2 膜１０６を成長マスクとしてその開口１０６ａの部分におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０８を順次選択成長させてリッジを形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者の検討によれば、上述の従来の半導体レーザにおいては、ＳｉＯ2 膜１０６の開口１０６ａの部分におけるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７を選択成長させるとき、下層のｎ型層の成長時にドーピングに用いられるｎ型不純物（主としてＳｉ）が成長装置の成長室内に残存しており、このｎ型不純物により成長界面が汚染されたり、成長界面にドナーとして働く欠陥が発生したりすることにより、成長界面近傍がｎ型化する。このため、実際には、図１０に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５と選択成長されるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７との界面にｎ型ＡｌＧａＮ層１０９が形成され、これらの層によりｐｎｐ構造が形成されてしまう。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０５とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０７とからなるｐ型クラッド層の全体で見た直列抵抗が増大し、半導体レーザの動作電圧の上昇をもたらすという問題があった。
【０００５】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、ｐ側クラッド層の厚さを良好な光学特性を得るのに必要かつ十分な値に保持しつつ、動作電圧の低減を図ることができる半導体発光素子およびそのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
この発明の上記課題およびその他の課題は、添付図面を参照した本明細書の以下の記述により明らかとなるであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
ｎ側クラッド層と、
ｎ側クラッド層上の活性層と、
活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有し、
リッジの成長界面が第１の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
ここで、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には第１の層もしくはこの他の層に含まれるとは、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層もしくはこの他の層の中に完全に含まれる場合のほか、リッジと下地層との成長界面が第１の層の第２の層側の面またはこの他の層の第２の層側の面と一致する場合も意味するものとする。これは、リッジの両側の部分の底面（下地層の表面）と活性層との間の距離をｄ、リッジに含まれる、活性層に最も近いｐ型層と活性層との間の距離をＬp とすると、Ｌp ≧ｄであると言い換えることもできる。
【０００７】
この半導体発光素子は、典型的にはＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を有する。すなわち、ｎ側クラッド層と活性層との間にｎ側光導波層が設けられ、ｐ側クラッド層と活性層との間にｐ側光導波層が設けられる。
【０００８】
ｐ側クラッド層の全体の厚さは、一般には５００〜６００ｎｍあれば足りる。ｐ側クラッド層のｐ型の第２の層の厚さは一般的には０ｎｍより大きく、５５０ｎｍ以下あるいは４５０ｎｍ以下であるが、典型的には３９０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、より典型的には４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下である。一方、ｐ側クラッド層のアンドープの第１の層（この場合、ｎ- 型を呈し、比抵抗は一般にｐ型層に比べて数分の１から１桁程度低い）の厚さは、一般には０ｎｍより大きく、５００ｎｍ以下であるが、ｐ側クラッド層の抵抗の低減を十分に図る観点より、好適には５０ｎｍ以上、より好適には７０ｎｍ以上、更に好適には９０ｎｍ以上に選ばれ、一方、典型的には４００ｎｍ以下あるいは３００ｎｍ以下あるいは２００ｎｍ以下に選ばれ、これらの上限および下限を任意に組み合わせた範囲であってよい。この第１の層の厚さは、一つの典型的な例では７０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であり、更に典型的な例では９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下に選ばれる。これらのアンドープまたはｎ型の第１の層およびｐ型の第２の層は、必要な光学特性、例えば十分に高い光閉じ込め係数Γが得られて良好な遠視野像（far fieldpattern,ＦＦＰ) などが得られる限り、互いに同じ材料からなるものであっても、互いに異なる材料からなるものであってもよい。前者の例としては、第１の層および第２の層の材料ともＡｌＧａＮを用いる場合が挙げられ、後者の例としては、第２の層の材料としてＡｌＧａＮを用い、第１の層の材料としてＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを用いる場合が挙げられる。第１の層および第２の層は互いに直接接する場合のほか、何らかの機能を有する他の層を介して間接的に接する場合もあり得る。このうち特に、第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には、上述のようにリッジと下地層との成長界面は第１の層もしくはこの他の層に含まれる。
【０００９】
また、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層が設けられる場合、それらの厚さは一般的には０ｎｍより大きく、５０ｎｍ以下である。
【００１０】
ｐ側クラッド層のアンドープまたはｎ型の第１の層は、半導体発光素子の動作時にｐ側電極側から注入される正孔をトンネル効果により活性層に到達しやすくして注入効率を高くするとともに、ヘテロ界面の導入により、第２の層のｐ型不純物として通常用いられるＭｇが活性層側に拡散するのを抑制して活性層の劣化を防止する観点より、好適には超格子構造とする。一つの典型的な例においてはｐ側クラッド層全体を超格子構造とする。
【００１１】
ｐ型の第２の層に存在する第３の層は、一般的にはＡｌおよびＧａを含むｐ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、より具体的には、例えばｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）からなり、活性層に注入される電子のオーバフローを効果的に抑制する観点からは、好適にはｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０．１５≦ｘ＜１）からなる。
【００１２】
また、ｐ型の第２の層のｐ型不純物として通常用いられるＭｇが活性層に拡散することによる活性層の劣化を防止する観点からは、活性層とｐ側クラッド層のｐ型の第２の層との間の距離は、好適には２０ｎｍ以上、より好適には５０ｎｍ以上、更に好適には１００ｎｍ以上に選ばれる。また、最近の報告によれば、ＧａＮにおける正孔の拡散距離は約０．２８μｍ（２８０ｎｍ）であり、これを考慮すると、電子との再結合の確率を低くし、活性層への正孔の注入効率を高くするためには、活性層とｐ側クラッド層のｐ型の第２の層との間の距離は、この拡散距離以下にすることが望ましい。
【００１３】
一方、ｐ側クラッド層のｐ型の第２の層から活性層へのｐ型不純物、例えばＭｇの拡散を抑制して活性層の劣化を防止する観点からは、好適には、活性層とｐ側クラッド層の第２の層との間に、バンドギャップまたは格子定数が互いに異なる層の組み合わせが少なくとも１組以上存在するようにし、あるいは、互いに原子組成比が異なる層からなる超格子構造が少なくとも１層以上存在するようにし、これを格子歪み層としてＭｇの拡散を防止するようにする。
【００１４】
典型的には、活性層の障壁層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）であり、活性層の井戸層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎy Ｇａ1-y Ｎ（ただし、０＜ｙ＜１かつｙ＞ｘ）である。
【００１５】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、一般的には、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によって更にＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
【００１６】
典型的には、下地層上に成長マスクが形成され、この成長マスクの開口部における下地層上にリッジが選択成長される。成長マスクは一般的には絶縁膜により形成され、絶縁膜の具体例を挙げると、二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）膜、窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）膜、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜などである。選択成長の下地層は、第１の層であることもあるし、第１の層を途中の厚さまで成長させたアンドープまたはｎ型の層であることもあり、更には、第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合にはこの他の層であることもある。リッジは、例えば、第１の層の上層部、第２の層および第３の層を含み、具体的には、例えば、第１の層の上層部、第２の層、第３の層およびｐ型コンタクト層からなる。あるいは、リッジは、第２の層、第３の層およびｐ型コンタクト層からなる。
【００１７】
この発明の第２の発明は、
ｎ側クラッド層と、
ｎ側クラッド層上の活性層と、
活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、
リッジの成長界面が第１の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
この発明の第２の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００１８】
この発明の第３の発明は、
ｎ側クラッド層と、
ｎ側クラッド層上の活性層と、
活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する半導体発光素子において、
ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、
リッジの成長界面が第１の層に含まれる
ことを特徴とするものである。
【００１９】
ここで、この半導体発光素子は、基本的にはどのような半導体を用いたものであってもよく、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたもののほか、ＡｌＧａＡｓ系半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体などの各種のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体や、ＺｎＳｅ系半導体などのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、更にはダイヤモンドなどを用いたものなどであってもよい。
この発明の第３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２０】
この発明の第４の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上にアンドープまたはｎ型の層、第２の層および第３の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２１】
この発明の第５の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上に第２の層および第３の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２２】
この発明の第６の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上にアンドープまたはｎ型の層および第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２３】
この発明の第７の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上に第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２４】
この発明の第８の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上にアンドープまたはｎ型の層および第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２５】
この発明の第９の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる半導体発光素子の製造方法であって、
第１の層を成長させた後、第１の層上に所定の開口部を有する成長マスクを形成する工程と、
成長マスクの開口部における第１の層上に第２の層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とするものである。
【００２６】
この発明の第４〜第９の発明においては、典型的には、ｐ側クラッド層の第２の層上に更に、ｐ型コンタクト層が成長される。
この発明の第４〜第９の発明においては、その性質に反しない限り、第１〜第３の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２７】
この発明の第１０の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
活性層から第３の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００２８】
この発明の第１１の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなる、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
活性層からｐ側クラッド層の第１の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００２９】
この発明の第１２の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上である
ことを特徴とするものである。
【００３０】
この発明の第１２の発明においては、活性層とこの活性層に最も近いｐ型の層との間の距離は、ｐ型の層にドープされたｐ型不純物の拡散による活性層の劣化をより効果的に防止する観点より、好適には６０ｎｍ以上、より好適には１００ｎｍ以上とする。この活性層とｐ型の層との間の距離は、ｐ型不純物の拡散による活性層の劣化を防止するためには他に支障がない限りできるだけ大きくするのが望ましいが、一般的には５００ｎｍ以下である。この活性層とｐ型の層との間の距離は、典型的には５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より典型的には１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。活性層に最も近いｐ型の層は、例えば、ｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層であり、この発明の第１の発明における第３の層と同じものである。
【００３１】
この発明の第１３の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層がはさまれた構造および選択成長により形成されたリッジ構造を有し、活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上であり、活性層に最も近いｐ型の層がｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層である、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
活性層からｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにした
ことを特徴とするものである。
【００３２】
この発明の第１０〜第１３の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
【００３３】
この発明の第１２および第１３の発明においては、ｐ側クラッド層の全体がｐ型の層であっても、第１〜第１１の発明と同様にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型の第２の層とからなるものであってもよい。後者の場合は、その性質に反しない限り、この発明の第１〜第１１の発明に関連して述べたことが成立する。
【００３４】
この発明の第１０、第１１および第１３の発明においては、Ｉｎを含む層、例えば活性層からのＩｎの脱離をより効果的に防止する観点より、最も好適には、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気としてＮ2 ガス雰囲気を用いる。一方、この実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気を用いて成長を行った後に行われるｐ型の層の成長については、そのｐ型層の抵抗の低減を図る観点より、好適には、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気を用い、最も好適には、Ｎ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気を用いる。
【００３５】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる基板としては、種々のものを用いることができ、具体的には、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、スピネル基板、酸化シリコン基板などのほか、厚いＧａＮ層などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる基板を用いてもよい。
【００３６】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長方法または選択成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）などを用いることができる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を含む化合物半導体全般の成長方法としては、これらに加えて、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などを用いることもできる。
【００３７】
上述のように構成されたこの発明の第１〜第９の発明によれば、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には第１の層もしくはこの他の層に含まれることにより、すなわちリッジと下地層との成長界面がｎ型層に含まれることにより、リッジと下地層との成長界面がｐ型層の表面である従来技術のようにリッジを選択成長により形成する場合にｎ型不純物により成長界面が汚染されたり、成長界面にドナーとして働く欠陥が発生したりすることにより成長界面近傍がｎ型化してｐｎｐ構造が形成される問題が本質的に存在せず、したがってｐ側クラッド層全体の直列抵抗の低減を図り、動作電圧の低減を図ることができる。また、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなることにより、光閉じ込め係数Γなどの光学特性の良否を左右するｐ側クラッド層の厚さと動作電圧の大小を左右するｐ型の第２の層の厚さとを独立に制御することができるため、低動作電圧でかつ光学特性が良好な（例えば、ＦＦＰのθ⊥が小さいなど）半導体発光素子を容易に実現することができる。言い換えれば、半導体発光素子に対して良好な光場を得て良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧上昇の原因となる高比抵抗のｐ型層の厚さを可能な限り薄くして動作電圧の低減を図ることができる。また、活性層と第２の層との間の距離を十分に大きくすることができるため、第２の層のｐ型不純物が活性層に拡散するのを抑制することができ、活性層の劣化を防止することができる。更に、特に、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きいｐ型の第３の層を有する場合には、この第３の層により、活性層に注入される電子がオーバーフローするのを抑制することができる一方、通常活性層と組成が大きく異なるこの第３の層と活性層との間の距離を自由に設計することができ、それによって活性層に生じる歪を緩和することができるため、活性層の劣化を防止することができる。
【００３８】
また、ｐ型の第２の層などのｐ型層の全部がリッジ内に収まっていることにより、半導体発光素子の動作温度が上昇してｐ型の第２の層などのｐ型層中のｐ型不純物、例えばＭｇの活性化率が高まり、このｐ型層が低抵抗化しても、リッジの外部に漏れ出る電流を大幅に低減することができる。これは特に、半導体レーザの特性温度Ｔ0 の向上に資するものである。
【００３９】
また、この発明の第１０および第１１の発明によれば、第１０の発明においては活性層から第３の層までの成長を、第１１の発明においては活性層からｐ側クラッド層の第１の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、Ｉｎを含む層、例えば活性層からＩｎが脱離するのを効果的に抑えることができ、活性層の劣化を防止することができる。一方、この後のｐ型の層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させることにより、良好な結晶性で成長させることができる。
【００４０】
また、この発明の第１２の発明によれば、活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上であるので、このｐ型の層にドープされたｐ型不純物の活性層への拡散を大幅に減少させることができ、活性層の劣化を防止することができる。
【００４１】
また、この発明の第１３の発明によれば、活性層からｐ側クラッド層よりバンドギャップが大きいｐ型の層までの成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、Ｉｎを含む層、例えば活性層からＩｎが脱離するのを抑えることができ、活性層の劣化を防止することができる。この後のｐ型の層は、窒素と水素とを主成分とするキャリアガス雰囲気中で成長させることにより、良好な結晶性で成長させることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、選択成長により形成されたリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するものである。図２はこのＧａＮ系半導体レーザのリッジ部近傍の拡大図である。また、図３はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド、特にその伝導帯を示す。
【００４３】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１の一主面に、横方向結晶成長技術（例えば、AppliedPhysics Letters vol.75(1999)pp.196-198) によりＧａＮ系半導体層が積層されている。具体的には、ｃ面サファイア基板１の一主面に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層２とその上のアンドープＧａＮ層３とからなり、〈１−１００〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープＧａＮ層３を種結晶としてｎ型ＧａＮコンタクト層４が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のｃ面サファイア基板１の表層部も除去されており、この部分では、ｎ型ＧａＮコンタクト層４はこのｃ面サファイア基板１から浮いた構造になっている。そして、このｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９が順次積層されている。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＡｌＧａＮクラッド層９はいずれもｎ- 型である。これらの層には横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１０と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１１が形成されている。
【００４４】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部からアンドープＡｌＧａＮクラッド層９までの層は全体として所定幅のメサ形状を有する。このメサ部のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９上には、成長マスクである例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１２が設けられている。この絶縁膜１２の所定部分には、例えば〈１−１００〉方向に延在するストライプ状の開口１３が形成されている。そして、この開口１３の部分において、下地のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９上に、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７が選択成長により順次積層され、例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジ１８が形成されている。このリッジ１８の幅、言い換えれば絶縁膜１２の開口１３の幅は例えば１．６μｍである。このリッジ１８、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１０と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１１との間の低欠陥領域の上方に位置している。アンドープＩｎＧａＮ層１４はｎ- 型である。ｐ側クラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【００４５】
ここで、アンドープＧａＮバッファ層２は厚さが例えば３０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３は厚さが例えば２μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１．２μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成比は例えば０．０６５である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成比は例えば０．０２である。また、アンドープＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７は、障壁層としてのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層と井戸層としてのＩｎy Ｇａ1-y Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ層の厚さが７ｎｍでｘ＝０．０２、井戸層としてのＩｎy Ｇａ1-y Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ＝０．０８、井戸数が３である。
【００４６】
アンドープＩｎＧａＮ光導波層８は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成比は例えば０．０２である。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、Ａｌ組成比は例えば０．０２５である。アンドープＩｎＧａＮ層１４は厚さが例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成比は例えば０．０２である。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５は厚さが例えば１０ｎｍであり、Ａｌ組成比は例えば０．１８である。ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍのＭｇがドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成比は例えば０．０６、全体の厚さは例えば４００ｎｍである。ｐ型ＧａＮコンタクト層１７は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００４７】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を覆うようにｐ側電極１９が、絶縁膜１２上に延在して設けられている。このｐ側電極１９は、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。更に、メサ部の全体を覆うように例えば厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2 膜のような絶縁膜２０が設けられている。この絶縁膜２０は電気絶縁および表面保護のためのものである。この絶縁膜２０のうちのリッジ１８の上の部分には開口２１が設けられており、この開口２１にｐ側電極１９が露出している。一方、絶縁膜２０のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口２２が設けられており、この開口２２を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にｎ側電極２３が接触している。このｎ側電極２３は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。
【００４８】
次に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５００℃程度の温度でアンドープＧａＮバッファ層２を成長させた後、同じくＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でアンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００４９】
次に、アンドープＧａＮ層３の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが１００ｎｍのＳｉＯ2 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2 膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ2 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｃ面サファイア基板１の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープＧａＮ層３が形成される。このストライプ形状のアンドープＧａＮ層３の延在方向は〈１−１００〉方向である。
【００５０】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープＧａＮ層３を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりｎ型ＧａＮコンタクト層４を成長させる。このときの成長温度は例えば１０７０℃とする。
【００５１】
引き続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を順次成長させる。
【００５２】
次に、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１２を形成した後、この絶縁膜１２上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法により絶縁膜１２をエッチングし、開口１３を形成する。次に、この開口１３を有する絶縁膜１２を成長マスクとして、例えばＭＯＣＶＤ法により、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７を順次選択成長させる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の選択成長は、絶縁膜１２上に横方向成長して断面形状が台形となった時点で停止するようにする。
【００５３】
これらのＧａＮ系半導体層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は９００〜１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４およびｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５は７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７は９００〜１０００℃とする。
【００５４】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはＮＨ3 を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００５５】
また、これらのＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層４およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５はＮ2 とＨ2 との混合ガス、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５まではＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＩｎＧａＮ層１４からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００５６】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、リッジ１８および絶縁膜１２の全面に例えば真空蒸着法によりＰｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成してｐ側電極１９を形成する。
【００５７】
次に、ｐ側電極１９の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ2 膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ2 膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ4 やＣＨＦ3 などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ2 膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ2 膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４に達するまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、絶縁膜１２およびｐ側電極１９がメサ形状にパターニングされる。
【００５８】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ2 膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ2 膜のような絶縁膜２０を成膜する。
【００５９】
次に、リソグラフィーにより、ｎ側電極形成領域を除いた領域の絶縁膜２０の表面を覆うレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜２０をエッチングすることにより、開口２２を形成する。
【００６０】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、絶縁膜２０の開口２２を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にコンタクトしたｎ側電極２３が形成される。次に、ｎ側電極２３をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００６１】
次に、リソグラフィーにより、リッジ１８の上部の近傍のｐ側電極１９が露出する開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜２０をエッチングすることにより開口２１を形成し、この開口２１の部分にｐ側電極１９を露出させる。
【００６２】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００６３】
このＧａＮ系半導体レーザにおいて、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６とからなるｐ側クラッド層中のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９の厚さｔを変化させ、そのときの動作電圧およびエージング劣化率を求めた結果を表１に示す。また、表１をグラフ化したものを図４および図５に示す。ここで、動作電圧は２５℃で光出力が３０ｍＷのときのものである。エージング劣化率は、６０℃で光出力が３０ｍＷのときのものであるが、エージング開始直後は動作電流ＩOPの上昇率が高いため、１０〜１００時間でのＩOP上昇率を用いた。初期の動作電流ＩOPは５５ｍＡとした。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の比抵抗は数分の１Ωｃｍ程度、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の比抵抗は２Ωｃｍ程度である。また、共振器長は６００μｍ（０．０６ｃｍ）、リッジ１８の幅は１．６μｍ、ｐ側クラッド層の全体の厚さは５００ｎｍとした。
【００６４】
いま、３０ｍＷ（２５℃）での動作電圧は５Ｖ以下が望ましく、エージング劣化率は、５０００時間動作で動作電流の上昇率２０％以下が実用レベルと考えると、表１、図４および図５より、これらの条件を満たすためには、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の厚さを５０ｎｍ以上にする必要があることが分かる。また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の厚さをより大きくすることにより、動作電圧およびエージング劣化率とも減少することが分かる。
【００６６】
この第１の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、ｐ側クラッド層が活性層７側から順に厚さが例えば１０５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９と厚さが例えば４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなり、絶縁膜１２の開口１３の部分に選択成長により形成されるリッジ１８と下地層との成長界面がｎ- 型のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に含まれることにより、リッジと下地層との成長界面がｐ型層の表面である従来技術のようにリッジを選択成長により形成する場合にｎ型不純物により成長界面が汚染されたり、成長界面にドナーとして働く欠陥が発生したりすることにより成長界面近傍がｎ型化してｐｎｐ構造が形成される問題が本質的に存在しない。このため、ｐ側クラッド層全体の直列抵抗の低減を図り、動作電圧の低減を図ることができる。また、このようにｐ側クラッド層がアンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６とからなるので、その分だけ比抵抗が高いｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さを小さくすることができることにより、ｐ側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６で構成した場合に比べて、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧を例えば約０．１６Ｖも低減することができる。また、ｐ側クラッド層の全体の厚さは約５００ｎｍあり、十分大きいため、ｐ側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好なＦＦＰを得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さを約１００ｎｍも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【００６７】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層、すなわちｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７との間の距離は、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１４の合計の厚さ、例えば３０ｎｍ＋１００ｎｍ＋５ｎｍ＝１３５ｎｍもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってＭｇの拡散による活性層７の劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【００６８】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層との間に格子歪層であるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９があるため、これによってもｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを抑制することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。
【００６９】
また、Ｍｇがドープされたｐ型層は一般にｎ型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、ｐ型層が活性層７の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層７とｐ型層とは１３５ｎｍも離れているため、活性層７の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊth、したがってしきい値電流Ｉthを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いＭｇがドープされたｐ型層が光密度の高い活性層７の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層７の付近の結晶の劣化が生じにくく、ＧａＮ系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【００７０】
また、Ａｌ組成比が０．１８と大きいｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５とＩｎＧａＮ層からなる活性層７との間には大きな格子定数差があるが、それらは上述のように１３５ｎｍも離れているため、この格子定数差により活性層７に生じる歪を緩和することができ、発光効率の向上を図ることができる。このため、量子効率の向上により、しきい値電流密度Ｊth、したがってしきい値電流Ｉthを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００７１】
また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１との間に活性層７と格子定数がほぼ等しいアンドープＩｎＧａＮ層１４が設けられているため、活性層７とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６との間に大きな格子定数差があっても、これらのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６により活性層７に生じる歪を緩和することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊth、したがってしきい値電流Ｉthを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００７２】
また、上述のしきい値電流Ｉthの低減により、ＧａＮ系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【００７３】
また、活性層７に注入された電子が活性層７を通り過ぎてアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に到達すると、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８とこのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との間の伝導帯のエネルギー差ΔＥC （図３）より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越える際にΔＥC 分だけエネルギーが低下する。一方、ΔＥC より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えることができないため、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８に留まることになる。このように、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、ＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの動作電流の低減、動作電圧の低減および特性温度Ｔ0 の向上を図ることができる。
【００７４】
また、リッジ１８の部分にあるｐ型層は全てこのリッジ１８の内部に収まっているので、ＧａＮ系半導体レーザの動作温度が上昇してこれらのｐ型層中のＭｇが活性化しｐ型層が低抵抗化しても、リッジ１８の両脇に漏れ出る電流を極めて少なく抑えることができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ0 を従来のＧａＮ系半導体レーザに比べて著しく高くすることが可能である。具体的には、特性温度Ｔ0 を例えば２３０Ｋ程度と、従来のＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ0 に比べて約９０Ｋも高くすることが可能である。この２３０Ｋ程度という特性温度Ｔ0 は、他の材料系の半導体レーザと比較しても、これまで到底得られなかった著しく高い値である。更に、光出力−電流特性の傾き、すなわちスロープ効率についても、このＧａＮ系半導体レーザは、従来のＧａＮ系半導体レーザに比べてかなり大きくすることが可能である。
【００７５】
また、リッジ１８の両脇の部分における活性層７とアンドープＡｌＧａＮクラッド層９の表面（絶縁膜１２とアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との界面）との間の距離はＧａＮ系半導体レーザの光学特性、特にリッジ１８の部分における横方向屈折率差Δｎに影響を及ぼし、ひいてはＧａＮ系半導体レーザの製造歩留まりを左右するが、この距離は結晶成長により精度良く制御することができるため、製造上のばらつきが少なく、したがってＧａＮ系半導体レーザの製造歩留まりの向上を図ることができる。
【００７６】
更に、リッジ幅は絶縁膜１２の開口１３の幅により決定されるところ、この開口１３の幅の制御は絶縁膜１２のウエットエッチングなどにより精度良くしかも容易に行うことができることから、ＲＩＥなどのドライエッチングによりリッジを形成する場合に比べて生産性が高く、ＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができる。
【００７７】
また、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５における正孔の活性化エネルギーは高いため、常温では大部分の正孔は不活性である。しかしながら、高温になるほど正孔が活性化してｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５の電子ブロッキング効果は高まる。ところが、従来のＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジの両脇への電流漏れ量が多いため、上記効果は見えにくかったものと推測することができる。これに対し、このＧａＮ系半導体レーザによれば、上述のようにリッジ１８の両脇への電流漏れ量が極めて少ないことにより、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５の電子ブロッキング効果は高く、高温、高出力駆動時においても電子のオーバーフローを効果的に防止することができる。
【００７８】
また、上述のように高温駆動時の漏れ電流、すなわち無効電流が低減されることにより、しきい値電流Ｉthの低減を図ることができ、特性温度Ｔ0 の向上を図ることができるとともに、高温でも低雑音のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００７９】
また、上述のように特性温度Ｔ0 の著しい向上により、いわゆるドループ特性を改善することができる。このドループ特性は、レーザビームプリンタなどの光源にＧａＮ系半導体レーザを適用する上で重要なパラメータである。また、同一基板上に複数のＧａＮ系半導体レーザを互いに隣接して集積化する場合においても、ＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ0 が著しく高いことにより、これらのＧａＮ系半導体レーザ間の熱的クロストークを低く抑えることができるため、マルチビームレーザなどへの応用にも適している。
【００８０】
また、ｐ側クラッド層の一部をアンドープＡｌＧａＮクラッド層９により構成しているため、活性層７よりｐ側の部分に存在するｐ型層は全体として少なく、したがって活性層７からオーバーフローした電子がｐ型層において再結合中心にトラップされて非発光再結合する確率が小さい。高温になるほど、ｐ型層で電子がトラップされる確率が高まると仮定すると、このＧａＮ系半導体レーザの構造は無効電流低減に効果的と考えられる。
【００８１】
また、上述のスロープ効率の向上と温度特性の向上とによって、Ｍｇがドープされた結晶性の悪いｐ型層に電子がオーバーフローにより注入されて結晶を破壊することが少なくなるため、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００８２】
更に、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、特に活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００８３】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【００８４】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図６はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。
図６に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９の代わりに、アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４が設けられている。ここで、このアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍのＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成比は例えば０．０２５〜０．１０、全体の厚さは例えば１００〜５００ｎｍである。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００８５】
この第２の実施形態によれば、ｐ側クラッド層のうちのアンドープ層がアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４により構成されているので、ｐ側電極１９側から注入されてこのアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４に到達した正孔はこのアンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４をトンネル効果により容易に通り抜けて活性層７に注入されるので、活性層７への正孔の注入が容易となり、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧のより一層の低減を図ることができる。また、アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層２４に存在するヘテロ界面により、ｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのをより効果的に防止することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。その他の利点は第１の実施形態と同様である。
【００８６】
次に、この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。
この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、基本的には第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構造を有するが、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さが第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと異なる。具体的には、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８の厚さは例えば３０ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さは例えば４００ｎｍであるのに対し、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８の厚さは例えば２４．５ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さは例えば５００ｎｍである。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様である。
また、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００８７】
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００８８】
次に、この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図７はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド、特にその伝導帯を示す。
図７に示すように、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６中にｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５が設けられている。すなわち、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５はアンドープＩｎＧａＮ層１４とｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６との界面に設けられているのに対し、この第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５はｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６中にアンドープＩｎＧａＮ層１４から離れて設けられている。ここで、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５との間に存在するｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６の厚さは例えば１０〜５０ｎｍ程度である。その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様である。
また、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００８９】
次に、この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、選択成長により形成されたリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するが、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いていることが第１〜第４の実施形態と異なる。図８にこのＧａＮ系半導体レーザを示す。
【００９０】
図８に示すように、この第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えばｃ面方位のｎ型ＧａＮ基板２５上に、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層２６がバッファ層（低温成長によるバッファ層とは異なる）として設けられ、その上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎx Ｇａ1-x Ｎ／Ｉｎy Ｇａ1-y Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９が順次積層されている。
【００９１】
アンドープＡｌＧａＮクラッド層９上には、成長マスクである例えばＳｉＯ2 膜のような絶縁膜１２が設けられている。この絶縁膜１２の所定部分には、例えば〈１−１００〉方向に延在するストライプ状の開口１３が形成されている。そして、この開口１３の部分において、下地のアンドープＡｌＧａＮクラッド層９上に、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７が選択成長により順次積層され、例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジ１８が形成されている。
【００９２】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１７を覆うようにｐ側電極１９が、絶縁膜１２上に延在して設けられている。一方、ｎ型ＧａＮ基板２５の裏面にｎ側電極２３が接触している。
上記以外のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００９３】
次に、この第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｎ型ＧａＮ基板２５上にＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ1-x Ｉｎx Ｎ／Ｇａ1-y Ｉｎy Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を順次成長させる。
【００９４】
次に、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の全面に絶縁膜１２を形成した後、エッチングによりこの絶縁膜１２に開口１３を形成する。次に、この開口１３を有する絶縁膜１２を成長マスクとして、例えばＭＯＣＶＤ法により、薄いアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１５、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１７を順次選択成長させる。
【００９５】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、リッジ１８および絶縁膜１２の全面にｐ側電極１９を形成する。
次に、ｎ型ＧａＮ基板２５の裏面にｎ側電極２３を形成する。
【００９６】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法の上記以外のことは第１の実施形態と同様である。
【００９７】
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができるほか、例えばＧａＡｓ系半導体レーザと同様に、ｐ側電極１９およびｎ側電極２３がそれぞれ基板の表面および裏面に形成された構造とすることができることにより、ＧａＡｓ系半導体レーザの組み立てに用いるボンディング装置などを使用することができ、特殊なボンディング装置などの組み立て装置を導入する必要がなく、その分だけＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができるという利点を得ることができる。更に、チップサイズを小さくすることができため、それによってもＧａＮ系半導体レーザの製造コストの低減を図ることができる。
【００９８】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００９９】
例えば、上述の第１〜第５の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【０１００】
具体的には、例えば、上述の第１〜第５の実施形態においては、レーザ構造を形成するｎ型層を基板上に最初に積層し、その上にｐ型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にｐ型層を積層し、その上にｎ型層を積層した構造としてもよい。
【０１０１】
また、上述の第１〜第５の実施形態においては、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８は互いに同一組成であるが、これらのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層８の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープＩｎＧａＮ光導波層８のＩｎ組成をアンドープＩｎＧａＮ光導波層６より低くしてもよい。更には、必要に応じて、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層の材料としてＩｎＧａＮと異なる組成のもの、例えばＧａＮを用いてもよい。
【０１０２】
また、上述の第１〜第４の実施形態においては、ｃ面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板などを用いてもよい。また、ＧａＮバッファ層の代わりに、ＡｌＮバッファ層やＡｌＧａＮバッファ層を用いてもよい。
【０１０３】
また、上述の第１〜第５の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Double Heterostructure）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、ＧａＮ系発光ダイオードに適用してもよい。
【０１０４】
更に、上述の第１〜第５の実施形態においては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２において、ＡｌＧａＮ層にはＭｇをドープしていないが、必要に応じて、このＡｌＧａＮ層にもＭｇをドープしてもよく、あるいは、ＧａＮ層にはＭｇをドープせず、ＡｌＧａＮ層にのみＭｇをドープしてもよい。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、リッジと下地層との成長界面が第１の層または第１の層と第２の層との間に第１の層と接してアンドープまたはｎ型の他の層が設けられる場合には第１の層もしくはこの他の層に含まれることにより、成長界面近傍がｎ型化してｐｎｐ構造が形成される問題が本質的に存在せず、したがってｐ側クラッド層全体の直列抵抗の低減を図り、動作電圧の低減を図ることができる。また、このようにｐ側クラッド層が活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなることにより、半導体発光素子に対して良好な光場を得て良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧上昇の原因となる高比抵抗のｐ型層の厚さを可能な限り薄くして半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることができる。また、活性層と第２の層との間の距離を十分に大きくすることができるため、第２の層のｐ型不純物が活性層に拡散を抑えて活性層の劣化を防止することができる。更に、特に、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きいｐ型の第３の層を有する場合には、この第３の層により、活性層に注入される電子がオーバーフローするのを抑制することができる。
【０１０６】
また、リッジの部分のｐ型層は全てリッジの内部に収まっていることにより、半導体発光素子の動作時に注入される電流がリッジの外部に漏れ出るのを効果的に抑えることができ、これによって従来に比べて著しく高い特性温度を得ることができ、極めて良好な温度特性を得ることができる。
【０１０７】
また、Ｉｎを含む層を含む特定の層の成長を、実質的に水素を含まず、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気中で行うようにしているので、そのＩｎを含む層、例えば活性層からＩｎが脱離するのを効果的に抑えることができ、活性層の劣化を防止することができ、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【０１０８】
また、活性層とこの活性層に最も近い、ｐ型不純物がドープされたｐ型の層との間の距離が５０ｎｍ以上であるので、このｐ型の層にドープされたｐ型不純物の活性層への拡散を大幅に減少させることができ、活性層の劣化を防止することができ、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ側クラッド層のアンドープ層の厚さによる動作電圧の変化を示す略線図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ側クラッド層のアンドープ層の厚さによるエージング劣化率の変化を示す略線図である。
【図６】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図７】この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図８】この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図９】選択成長によりリッジ構造を形成する従来のＧａＮ系半導体レーザの要部を示す断面図である。
【図１０】選択成長によりリッジ構造を形成する従来のＧａＮ系半導体レーザの問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、７・・・活性層、８・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、９・・・アンドープＡｌＧａＮクラッド層、１２・・・絶縁膜、１３・・・開口、１４・・・アンドープＩｎＧａＮ層、１５・・・ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、１６・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１７・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、１８・・・リッジ、１９・・・ｐ側電極、２０・・・絶縁膜、２３・・・ｎ側電極、２４・・・アンドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、２５・・・ｎ型ＧａＮ基板
Claims (7)
- ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
上記ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記ｐ側クラッド層が上記活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、上記第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有し、かつ、上記第１の層の厚さが５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、
上記第１の層上に絶縁膜からなる成長マスクが形成され、この成長マスクの開口部における上記第１の層上に上記リッジが選択成長されており、
上記リッジの成長界面が上記第１の層に含まれ、
上記第２の層は上記成長マスク上に横方向成長して上部の断面形状が台形となっており、
上記第２の層の上記上部の表面の全体にｐ型コンタクト層を有し、上記ｐ型コンタクト層を覆うようにｐ側電極が設けられている
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 上記ｎ側クラッド層と上記活性層との間にｎ側光導波層が設けられ、上記ｐ側クラッド層と上記活性層との間にｐ側光導波層が設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 上記第２の層の厚さが０ｎｍより大きく、５５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - ｎ側クラッド層と、
上記ｎ側クラッド層上の活性層と、
上記活性層上のｐ側クラッド層とを有し、
上記ｐ側クラッド層に選択成長により形成されたリッジを有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記ｐ側クラッド層が上記活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とからなり、かつ、上記第１の層の厚さが５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、
上記第１の層上に絶縁膜からなる成長マスクが形成され、この成長マスクの開口部における上記第１の層上に上記リッジが選択成長されており、
上記リッジの成長界面が上記第１の層に含まれ、
上記第２の層は上記成長マスク上に横方向成長して上部の断面形状が台形となっており、
上記第２の層の上記上部の表面の全体にｐ型コンタクト層を有し、上記ｐ型コンタクト層を覆うようにｐ側電極が設けられている
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 上記ｎ側クラッド層と上記活性層との間にｎ側光導波層が設けられ、上記ｐ側クラッド層と上記活性層との間にｐ側光導波層が設けられている
ことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。 - 上記第２の層の厚さが０ｎｍより大きく、５５０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。 - 上記第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい第３の層を有する
ことを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
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