JP4197891B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外〜青色の領域に発光するレーザ素子の材料として窒化物半導体が知られており、本出願人は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。発表したレーザ素子はいわゆる電極ストライプ型のレーザ素子であり、活性層を含む窒化物半導体層のストライプ幅を数十μｍにして、レーザ発振させたものである。しかしながら,前記レーザ素子の閾値電流は１〜２Ａもあり、連続発振させるためには、さらに閾値電流を下げる必要がある。
【０００３】
例えば特開平６−１５２０７２号公報に窒化物半導体よりなるレーザ素子の構造がいくつか示されている。この公報では、クラッド層で挟まれたストライプ状の活性層の両側をｉ型の窒化物半導体で挟んだ埋め込みへテロ型のレーザ素子が示されている。しかし、このレーザ素子の構造では閾値電流の低下は難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
４１０ｎｍの短波長レーザのパルス発振が確認された現在では、早急に室温での連続発振が望まれている。従って、本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体よりなるレーザ素子の閾値電流を下げて室温での連続発振を目指すことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、下記（１）〜（１１）の構成によって達成することができる。
（１）基板上部に形成された活性層と、活性層より上に形成されたリッジ形状のストライプを有する第１の半導体層とを有し、その第１の半導体層のストライプ側面を含む第1の半導体層表面に、活性層及び第１の半導体層よりも屈折率の小さいＡｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ（０＜ b ≦１）よりなる層を有する窒化物半導体よりなる埋め込み層が形成され、該埋め込み層は積層構造よりなることを特徴とする。
（２）さらに本発明の具体的な半導体レーザ素子としては、前記第1の半導体層及び埋め込み層の上にコンタクト層が形成されている、
（３）前記第１の半導体層がＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１、ａ＜ｂ）よりなる層を有する、
（４）前記活性層がＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有する、
（５）前記第1の半導体層は、光閉じ込め層である、
（６）前記リッジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上である、
（７）前記コンタクト層は、前記埋め込み層の表面と、前記第１の半導体層の表面とに接して形成されている、
（８）前記コンタクト層は、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さい半導体層である、
（９）前記コンタクト層は、ＧａＮからなる、
（１０）前記コンタクト層の上に電極が形成されている、
（１１）前記埋め込み層の導電型はｉ型若しくはｎ型である、
ことを特徴とする。
【０００６】
活性層がＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有し、前記第１のｐ型クラッド層がＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を有し、前記埋め込み層がＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b≦１、ｂ＞ａ）よりなる層を有する。活性層、ｐ型クラッド層、および埋め込み層とも単一の窒化物半導体層で形成されていなくても良く、複数の窒化物半導体層の積層構造よりなっていても良い。
【０００７】
さらに好ましい態様として、前記埋め込み層に少なくともｎ型の窒化物半導体層若しくはｉ型窒化物半導体層を含むことにより電流狭窄ができる。
【０００８】
また、本発明のレーザ素子によると、リッジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であることにより、結晶性良く埋め込み層が成長できる。
【０００９】
埋め込み層の表面と、第１のｐ型クラッド層の表面とに接して、さらに第１のｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さい第２のｐ型クラッド層が、その埋め込み層の上に形成されていると、例えば第２のｐ型クラッド層に直接電極が形成でき、電極の接触抵抗が下がる。
【００１０】
【作用】
図１は本発明の一レーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。基本構造として、基板１０の上に、ｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、ｐ型クラッド層１４、およびｐ型コンタクト層１５の積層構造を有しており、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４は、両方ともレーザ光の縦方向の光閉じ込め層として作用している。本発明のレーザ素子では、活性層１３上にリッジ形状のストライプを有するｐ型クラッド層１４を有している。この図はストライプに垂直な方向で素子を切断した際の断面図を示しており、リッジ状のｐ型クラッド層１４のストライプ側面に、活性層および第１のｐ型クラッド層よりも屈折率の小さい窒化物半導体よりなる埋め込み層２０が形成されている。これにより、活性層１３の発光はｐ型クラッド層１４のリッジの下に集中することにより、横方向の光が制御されるので、閾値電流が低下する。活性層１３およびｐ型クラッド層１４の屈折率よりも、埋め込み層２０の屈折率を小さくするには、例えば、Ａｌ組成比が活性層およびｐ型クラッド層１４よりも大きい窒化物半導体で埋め込み層２０を形成すればよい。さらに、埋め込み層２０は窒化物半導体よりなっているため、窒化物半導体よりなるｐ型クラッド層１４の上に、同じ窒化物半導体を成長させるため、埋め込み層が成長しやすく、また後に、埋め込み層２０の上にｐ型コンタクト層１５を成長させる際においても、結晶性良く成長できる。埋め込み層２０の導電型はｎ型、ｐ型、ｉ型いずれの導電型でも良いが、好ましくはｉ型若しくはｎ型の導電型とする。
【００１１】
さらに、本発明のレーザ素子では、活性層がＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有し、ｐ型クラッド層がＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を有し、埋め込み層がＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b≦１、ｂ＞ａ）よりなる層を有する。活性層をＩｎＧａＮを含む層とするのは、ＩｎＧａＮは結晶の性質がＡｌＧａＮに比べて柔らかいので、レーザ発振させるために、多重量子井戸構造としやすいからである。またバンドギャップエネルギーが１．９５ｅＶ〜３．４ｅＶまであるため、３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。さらに窒化物半導体の中でも屈折率の比較的大きな材料でもあるので、活性層にするとクラッド層、電流阻止層の設計が容易になる。一方、リッジ型のｐ型クラッド層をＡｌaＧａ1-aＮ（０≦a＜１）とすると、活性層との屈折率差を大きくできるので縦方向の光閉じ込めが効果的に行える。さらにまた、ストライプ状のリッジの側面に形成されている埋め込み層を、ｐ型クラッド層よりもＡｌ組成比か大きいＡｌbＧａ1-bＮ（０＜ｂ≦１）とすると、屈折率がｐ型クラッド層よりも小さくなるため、実質的に活性層の横方向の光がリッジの下に閉じ込められて、実効屈折率導波型のレーザ素子となるため、単一モードのレーザ光が得やすくなる。さらに好ましいことに、ＡｌbＧａ1-bＮはb値が大きくなるに従って、抵抗率が大きくなるという性質を有している。例えばＡｌ組成比（ｂ値）が０．４以上になるとその傾向が大きい。このため、ｉ型の埋め込み層として作用し、埋め込み層がｉ型となると、電流を阻止する作用を奏するために、リッジ部分のｐ型クラッド層に電流を集中させることができる。この性質はＡｌＧａＮの非常に有用な作用である。また上記のように、電流を阻止するためにはｎ型の導電型とすることも好ましい。
【００１２】
また本発明のレーザ素子では、活性層、ｐ型クラッド層、および埋め込み層とも単一の窒化物半導体層で形成されていなくても良く、複数の窒化物半導体層の積層構造よりなっていても良い。この例として図３に本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す模式断面図を示す。このレーザ素子は基板１１０の上に、ｎ型コンタクト層１１１、ｎ型光閉じ込め層１１２、ｎ型光ガイド層１１３、多重量子井戸構造の活性層１１４、ｐ型光ガイド層１１５、ｐ型光閉じ込め層１１６、ｐ型コンタクト層１１７とが積層された構造となっている。ｎ型光閉じ込め層１１２、ｎ型光ガイド層１１３はｎ型クラッド層として作用し、ｐ型光ガイド層１１５、およびｐ型光閉じ込め層１１６がｐ型クラッド層として作用している。まず、この図に示すように、活性層１１４の上に、ｐ型光ガイド層１１５と、ｐ型光閉じ込め層１１６とからなるリッジ形状のストライプを有しており、リッジの下部に活性層の光が閉じ込められる。さらに、リッジの側面に形成された埋め込み層は活性層１１４側に接近して形成された第１の埋め込み層２０１と、ｐ型コンタクト層１１７側に接近して形成された第２の埋め込み層２０２との少なくとも二層構造を有している。埋め込み層を二層以上の構造とすると、例えばＡｌＧａＮよりなる窒化物半導体を厚膜で形成すると、結晶中にクラックが入りやすくなるので、クラックの入りにくい範囲でＡｌＧａＮ薄膜を積層して、全体としての埋め込み層にクラックを入りにくくできる。また、活性層１１４は多重量子井戸構造とされている。多重量子井戸構造とすることにより井戸層と障壁層との積層構造による量子準位間発光が得られ、レーザ素子の活性層として特に好ましい。なお、図２の構造のレーザ素子においても、活性層がＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有し、ｐ型クラッド層がＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を有し、埋め込み層がＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b≦１、ｂ＞ａ）よりなる層（特にｎ型、若しくはｉ型）を有することが好ましい。
【００１３】
また、本発明のレーザ素子では、リッジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であることを特徴としている。つまり、図１および図２に示すθ１およびθ２の角度が９０゜以上であることが好ましい。本発明のレーザ素子において、ストライプ状のｐ型クラッド層のリッジの形状は特に問うものではなく、図θ1、θ2が９０゜よりも大きい角度、順メサ形状となるようにしても良く、またθ1、θ2が９０゜よりも小さい角度、逆メサ形状となるようにしても良い。しかしながら、本発明では９０゜以上、好ましくは９０゜より大きい角度、さらに好ましくは９５゜以上にする。なぜなら、９０゜よりも小さい逆メサ部には窒化物半導体が均一な膜厚で成長しにくい傾向にあるからである。これに対し、θ1、θ2を９０゜以上にすると、ＡｌＧａＮのような屈折率の小さい窒化物半導体でも、結晶中にクラックが入らないようにして成長させることができる。
【００１４】
さらにまた、本発明のレーザ素子では、埋め込み層の表面と、第１のｐ型クラッド層の表面とに接して、その第１のｐ型クラッド層よりもバンドギャップエネルギーが小さい第２のｐ型クラッド層が形成されている。即ち、図１および図２ではｐ型コンタクト層１５、１１７がその第２のｐ型クラッド層に相当する。電極を形成するための第２のｐ型クラッド層の材料としてはｐ型ＧａＮが最も好ましい。ｐ型ＧａＮはキャリア濃度の高い層が得られ易く、正電極３０と好ましいオーミック接触が得られる他、正電極３０をｐ型コンタクト層のほぼ全面に形成することができるので、レーザ素子のＶｆ（順方向電圧）を低下させることができる。また正電極３０を埋め込み層２０、２０２の上に形成した場合に比べて、素子の信頼性が良くなる。
【００１５】
なお、これらの図では、活性層のストライプの長さ方向、つまり共振方向に対して平行な負電極３１を、正電極３０を挟んで対向する形状で設けている。このように、活性層を挟んでレーザの共振方向に平行な負電極を対向して設けることにより、電流が電極に均一に分配されるため、窒化物半導体層に電界の集中を回避できるので閾値電流を下げることができるという作用もある。この負電極の作用については、同一面側に正、負一対の電極が形成された窒化物半導体よりなるレーザ素子であれば、素子の構造を問わず全てについて適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［実施例］
図３は本実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的断面図であり、図４〜図７は実施例において得られるウェーハの構造を示す模式的な断面図である。以下これらの図を元に、ＭＯＶＰＥ法により本発明のレーザ素子を作製する方法について詳説する。
【００１７】
（クラッド層および活性層を成長する工程）
スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）１１１面を主面とする基板３１０をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを用い、温度５００℃で、基板３１０の表面にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。基板３１０にはスピネルの他、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を主面とするサファイアも使用でき、またこの他、ＳｉＣ、ＭｇＯ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶よりなる従来より知られている基板が用いられる。バッファ層は基板の種類、成長方法等によっては削除できるので、図では特に示していない。
【００１８】
続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ4（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３１１を４μｍの膜厚で成長させる。ｎ型コンタクト層３１１はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａＮ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉドープＧａＮで構成することにより、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、また負電極と好ましいオーミック接触が得られるので、レーザ素子の閾値電流を低下させることができる。負電極の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られる。
【００１９】
次に、温度を７５０℃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ドープＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。クラック防止層はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物半導体よりなるｎ型光閉じ込め層３１２を厚膜で成長させることが可能となり、非常に好ましい。ＬＤの場合は、光閉じ込め層、光ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させると、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが入りやすくなるので素子作製が困難であったが、このクラック防止層が、次に成長させる光閉じ込め層にクラックが入るのを防止することができる。クラック防止層は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も成長方法、成長装置等によっては省略可能であるので特に図示していないが、レーザ素子を作製する上では成長させる方が好ましい。
【００２０】
次に、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｎ型光閉じ込め層３１２を０．５μｍの膜厚で成長させる。ｎ型光閉じ込め層３１２はＡｌを含むｎ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶あるいは三元混晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより、結晶性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差を大きくしてレーザ光の縦方向の閉じ込めに有効である。この層は通常０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。０．１μｍよりも薄いと光閉じ込め層として作用しにくく、１μｍよりも厚いと、たとえ、クラック防止層の上に成長させたＡｌＧａＮでも、結晶中にクラックが入りやすくなり、素子作成が困難となる傾向にある。
【００２１】
続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層３１３を５００オングストロームの膜厚で成長させる。ｎ型光ガイド層３１３は、Ｉｎを含むｎ型の窒化物半導体若しくはｎ型ＧａＮ、好ましくは三元混晶若しくは二元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）とする。この層は通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の活性層１０４を量子構造とすることが容易に可能になる。なお、本発明ではクラック防止層、ｎ型光閉じ込め層３１２、およびｎ型光ガイド層３１３等の活性層を挟んだ一方のｎ型層は、全てｎ型クラッド層の中に含まれるものとする。
【００２２】
次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて活性層３１４を成長させる。活性層は温度を７５０℃に保持して、まずノンドープ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、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎ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１３回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１μｍの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層３１４を成長させる。
【００２３】
活性層３１４はＩｎを含む窒化物半導体で構成し、前記したように好ましくは三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む層とすることが望ましい。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良い物が得られるので、発光出力が向上する。その中でも特に好ましくは活性層をＩｎXＧａ1-XＮよりなる井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きい窒化物半導体よりなる障壁層とを積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-quantum-well）とする。障壁層も同様に三元混晶のＩｎX'Ｇａ1-X'Ｎ（０≦X'＜１、X'＜X）が好ましく、例えば井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸層（逆でも可）となるように積層して多重量子井戸構造を構成する。このように活性層をＩｎＧａＮを積層したＭＱＷとすると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。さらに、井戸層の上にＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層すると、ＩｎＧａＮよりなる障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ結晶に比べて結晶が柔らかい。そのためクラッド層のＡｌＧａＮの厚さを厚くできるのでレーザ発振が実現できる。さらに、ＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成長温度が異なる。例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは６００℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは８００℃より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮよりなる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層を成長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要がある。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ井戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得ることは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロームしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製するのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層もＩｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成長できる。従って、先に形成した井戸層が分解することがないので、結晶性の良いＭＱＷを形成することができる。これはＭＱＷの最も好ましい態様を示したものであるが、他に井戸層をＩｎＧａＮ、障壁層をＧａＮ、ＡｌＧａＮのように井戸層よりも障壁層のバンドギャップエネルギーを大きくすればどのような組成でも良い。またこの活性層３１４を単一の井戸層のみで構成した単一量子井戸構造としても良い。
【００２４】
活性層３１４成長後、温度を１０５０℃にしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物源としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなるｐ型キャップ層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層は１μｍ以下、さらに好ましくは１０オングストローム以上、０．１μｍ以下の膜厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりなる活性層が分解するのを防止するキャップ層としての作用があり、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導体、好ましくはＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）よりなるｐ型キャップ層を成長させることにより、発光出力が格段に向上する。このｐ型キャップ層の膜厚は１μｍよりも厚いと、層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が困難となる傾向にある。なお、ｐ型キャップ層も成長方法、成長装置等によっては省略可能であるため、特に図示していない。
【００２５】
次に温度を１０５０℃に保持しながら、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型光ガイド層３１５を５００オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ型光ガイド層３１５も、Ｉｎを含むｐ型の窒化物半導体若しくはｐ型ＧａＮ、好ましくは二元混晶または三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦X≦１）を成長させる。光ガイド層は、通常１００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより、次のｐ型光閉じ込め層３１５を結晶性良く成長できる。
【００２６】
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ型光閉じ込め層３１６を０．５μｍの膜厚で成長させる。図４にｐ型光閉じ込め層３１６まで成長させたウェーハの断面構造を示す。なお、ｐ型光閉じ込め層３１６は、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体で構成し、好ましくは二元混晶または三元混晶のＡｌaＧａ1-aＮ（０＜a≦１）とすることにより結晶性の良いものが得られる。ｐ型光閉じ込め層３１６はｎ型光閉じ込め層３１２と同じく、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体とすることにより、活性層との屈折率差を大きくして、レーザ光の縦方向の光閉じ込め層として有効に作用する。
【００２７】
（リッジ形状のｐ型クラッド層を形成する工程）
ｐ型光閉じ込め層３１６成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、ｐ型光閉じ込め層３１６の表面に、フォトリソグラフィー技術を用いて、ストライプ幅５μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜を形成する。保護膜３００形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いて、図５に示すように、ｐ型光閉じ込め層３１６を０．４μｍの深さでストライプ状にメサエッチし、ストライプ状のリッジ形状を有するｐ型光閉じ込め層３１６を作製する。なおリッジ側面の基板に対する角度はおよそ１００゜とする。エッチング後、保護膜を除去した状態の断面図が図５であり、この図はストライプに垂直な方向で切断した際の図を示している。本実施例ではエッチング深さをｐ型光閉じ込め層３１６の途中までとしたが、いうまでもなく、ｐ型光ガイド層３１５、またはｐ型キャップ層までエッチングしても、その作用には変わりない。また、ｐ型光ガイド層３１５で成長を止め、そのｐ型光ガイド層３１５のみをストライプ状のリッジとしても良い。好ましいストライプ幅としては、幅の広い方のストライプで１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、最も好ましくは３μｍ以下とする。
【００２８】
エッチング後、保護膜を除去し、新たにリッジの頂上のｐ型光閉じ込め層３１６の表面に、ＳｉＯ2よりなる別の保護膜を形成した後、ウェーハを再び反応容器内に移送し、次にｐ型光閉じ込め層３１６の表面に埋め込み層４００を形成する。
【００２９】
（埋め込み層を形成する工程）
再度ウェーハを反応容器に設置した後、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎよりなる埋め込み層４００を０．２μｍの膜厚で選択成長させる。埋め込み層４００は窒化物半導体よりなる光閉じ込め層３１６の上には成長するが、ＳｉＯ2よりなる保護膜の上には成長しない。その他、このような選択的性質を有する保護膜としては、ＳｉＯ2以外の酸化ケイ素（ＳｉXＯY）、窒化ケイ素（ＳｉXＮY）等がある。また、埋め込み層４００はｉ型のＡｌYＧａ1-YＮとしてもよい。ｉ型にするには、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ等のII族元素よりなるｐ型不純物を、ｎ導電性が補償される程度ドープするか、またはノンドープの状態で、あるいはｐ型不純物をドープした状態でＡｌの混晶比を例えば０．４以上にするとｉ型となりやすい。ｉ型およびｐ型の埋め込み層を形成すると電流狭窄層としての作用がある。その他、埋め込み層はｐ型の窒化物半導体としても良い。但し、ｐ型の窒化物半導体とすると電流狭窄層としての作用はなく、活性層の横方向の光を閉じ込める層のみとして作用する。
【００３０】
埋め込み層４００形成後、ウェーハを反応容器から取り出し、保護膜を除去する。保護膜除去後のウェーハの構造を示す断面図が図６である。保護膜を除去した後、ウェーハを反応容器内に設置し、１０５０℃でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層３１７を、０．５μｍの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト層３１７はｐ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮとすると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正電極と良好なオーミック接触が得られ、閾値電流を低下させることができる。正電極の材料としてはＮｉ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数の高い金属又は合金がオーミックが得られやすい。
【００３１】
以上のようにして窒化物半導体を積層したウェーハを反応容器から取り出した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置にて、最上層のｐ型コンタクト層３１７から選択エッチを行い、負電極を形成すべきｎ型コンタクト層３１１の平面を露出させる。次に最上層のｐ型コンタクト層３１７のほぼ全面に正電極３０を形成し、露出させたｎ型コンタクト層３１１には、活性層の発振領域に平行、つまりリッジのストライプに平行な、ストライプ状の負電極３１を形成する。なお本発明ではｐ型キャップ層、ｐ型光ガイド層３１５、ｐ型光閉じ込め層３１６等の活性層を挟んだ一方のｐ型層は、全てｐ型クラッド層の中に含まれるものとする。
【００３２】
電極形成後、ウェーハを研磨装置に移送し、基板を８０μｍの厚さになるまで研磨して薄くした後、負電極３１に垂直な方向でウェーハを劈開して共振面を作製する。共振面となる劈開面に誘電体多層膜よりなる反射鏡をスパッタリング装置を用いて形成して共振器を作製する。さらにストライプ状の負電極３１に平行な方向でウェーハをダイシングして、共振器長５００μｍのレーザチップとする。図３はこのレーザチップの構造を示す断面図である。以上のようにして得られたチップをヒートシンクに設置してレーザ素子としたところ、閾値電流が直流０．１Ａで、４１０ｎｍの連続発振を示した。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、活性層の上に形成されたリッジ形状のストライプを有するｐ型クラッド層を有し、ｐ型クラッド層のストライプ側面に、活性層および第ｐ型クラッド層よりも屈折率の小さい窒化物半導体よりなる埋め込み層が形成されていることにより、リッジの下の部分にある活性層に光を集中させることができるので、横方向のレーザ光が制御される。従って、素子構造として、実効屈折率導波型のレーザ素子ができあがるため、電極ストライプ型のレーザ素子に比べて閾値電流を下げることができ、室温での連続発振が可能となる。このように、本発明によると、窒化物半導体では初めて実用的な屈折率導波型のレーザ素子が実現でき、短波長半導体レーザを実現するために、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図２】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図３】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図５】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図６】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【図７】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの主要部の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１０、１１０、３１０・・・基板
１１、１１１、３１１・・・ｎ型コンタクト層
１２、１１２、３１２・・・ｎ型光閉じ込め層
１１３、３１３・・・ｎ型光ガイド層
１３、１１４、３１４・・・活性層
１１５、３１５・・・ｐ型光ガイド層
１４、１１６、３１６・・・ｐ型光閉じ込め層
１５、１１７、３１７・・・ｐ型コンタクト層
２０、２０１、２０２、４００・・・埋め込み層
３０・・・正電極
３１・・・負電極

Claims (11)

1. 基板上部に形成された活性層と、活性層より上に形成されたリッジ形状のストライプを有する第１の半導体層とを有し、その第１の半導体層のストライプ側面を含む第１の半導体層表面に、活性層及び第１の半導体層よりも屈折率の小さいＡｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ（０＜ b ≦１）よりなる層を有する窒化物半導体よりなる埋め込み層が形成され、該埋め込み層は積層構造よりなることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 前記第１の半導体層及び埋め込み層の上にコンタクト層が形成されてい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。
3. 前記第１の半導体層がＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜１、ａ＜ｂ）よりなる層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記活性層がＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記第1の半導体層は、光閉じ込め層である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 前記リッジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記コンタクト層は、前記埋め込み層の表面及び前記第１の半導体層の表面に接して形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記コンタクト層は、第１の半導体層よりもバンドギャップが小さい半導体層であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記コンタクト層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記コンタクト層の上に電極が形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
11. 前記埋め込み層の導電型はｉ型若しくはｎ型であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。

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