JP4266694B2 - 窒化物半導体レーザ素子および光学装置 - Google Patents
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子およびこれを用いた光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、大きなエネルギーバンドギャップと高い熱的安定性を有するため、発光素子や高温デバイスをはじめとして、様々な半導体デバイスに応用されつつある。中でもレーザダイオード（ＬＤ）は、実用化間近の段階にある。その開発においては、比較的入手しやすいサファイア等の絶縁性基板を使用することが試みられてきた。それらは例えば、特許文献１〜５に開示されている。しかし、サファイア基板を使用した場合、基板とＧａＮエピタキシャル層との間の約１４％という大きな格子不整合から生じる格子歪や、エピタキシャル層中に導入される１０8〜１０10ｃｍ-2もの高密度の転位欠陥が、素子寿命等の信頼性特性に悪影響を及ぼしてきた。また、サファイア基板と窒化物半導体成長層との劈開方向が異なるため、劈開法による良好な端面が得にくいといった問題もある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２７７４３７号公報
【特許文献２】
特開２００２−９００４号公報
【特許文献３】
特開２００２−３３２８２号公報
【特許文献４】
特開２００２−３３５１２号公報
【特許文献５】
特開２００２−１００５７９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題を解消すべく、エピタキシャル層と同じく窒化物半導体であるＧａＮを基板として使用する素子の開発を行っている。その結果、上記問題を解消して窒化物半導体レーザ素子の特性を大きく向上できる結果が得られつつあるが、未だ、常に良好な窒化物半導体レーザ素子が得られるとは限らず、レーザ素子の歩留りが２５％程度にとどまっていた。本発明者らが、その原因について詳細に調査をしたところ、熱処理、研磨等の各工程において、熱衝撃や機械的ストレス等が加えられると、基板中に設けた転位集中領域あるいは転位集中領域上のエピタキシャル層の部分から、レーザ動作が行われる光導波領域、或いは該光導波領域周辺まで、欠陥が広がることが判明した。これが、窒化物半導体レーザ素子の歩留まりを大きく左右する一因であると考えられる。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑み、高歩留りの窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、該窒化物半導体レーザを用いた光学装置を提供することも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体成長層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体基板は、面内に、基板中に渡って存在する転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、前記窒化物半導体成長層が半導体レーザ素子の活性領域を構成するｐｎ接合を有するとともに、ストライプ状のレーザ光導波領域を有し、該レーザ光導波領域は、前記低転移領域に配置され、前記窒化物半導体成長層上面から、少なくとも、前記ｐｎ接合を構成する界面まで掘り込んだ溝部が、前記転位集中領域に設けられることを特徴とする。
【０００７】
このように、前記溝部（トレンチ）によって、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域、或いはレーザ光導波領域周辺まで伝搬することを防止することが可能となり、良好な電圧-電流特性が確保できて、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００１０】
また、他の本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体成長層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体基板は、面内に、基板中に渡って存在する転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、前記窒化物半導体成長層が半導体レーザ素子の活性領域を構成するｐｎ接合を有するとともに、ストライプ状のレーザ光導波領域を有し、該レーザ光導波領域は、前記低転移領域に配置され、前記窒化物半導体成長層上面から、少なくとも、前記ｐｎ接合を構成する界面まで掘り込んだ溝部が、前記レーザ光導波領域と前記転位集中領域との間に設けられる、もしくは、前記転位集中領域に設けられ、前記溝部の少なくとも側面に、絶縁膜を備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、エピタキシャル成長層中の特に転位集中領域の上方の領域に引き継がれた欠陥が上面に達して露出したとしても、トレンチ及び電流遮断の役割を持つ絶縁膜が備えられているため、ｐｎ接合を跨いだ転位に沿って電流経路が形成されることはなく、良好で安定した電流-電圧特性が得られ、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００１２】
なお、前記絶縁膜は、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｙのいずれかの酸化物、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの窒化物、Ａｌ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐｂ、Ｓｒのいずれかの弗化物、ＺｎＳ、ＺｎＳｅのうちの少なくとも１種類を含む誘電体で構成することが出来る。
【００１３】
これらは、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、および窒化物半導体のうちの少なくとも１種類を含む誘電体で有り得る。
【００１４】
また、前記窒化物半導体基板の転位集中領域が、ストライプ状のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状であることを特徴とする。
【００１５】
このように、窒化物半導体基板の転位集中領域（窒化物半導体成長層まで、ある程度の転位は引き継がれる）を、前記の形状とすることで、円形状等の他の形状と比較して、より多くの転位を転位集中領域へ集中させることが可能となり、ストライプ状のレーザ光導波領域における転位等の欠陥が減少し、良好な電流−電圧特性が得られ、高歩留りの半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１７】
本明細書で説明する窒化物半導体とは、少なくともＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成された半導体を含む。さらに、窒化物半導体は、その構成成分である窒素元素の約２０％以下が、Ａｓ、Ｐ、ＳｂのＶ族元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。
【００１８】
窒化物半導体基板として、最も好ましくは、二元結晶となるＧａＮ基板である。二元結晶とすることで、組成が一定となり、基板として安定した特性のものが得られやすくなるとともに、その上にエピタキシャル成長を行う際にも、組成の変化が無くなる。また、ＧａＮとすることで、良好な導電性が得られるようにもなる。次いでは、ＡｌＧａＮ基板である。ＡｌＧａＮ基板のように、屈折率がＧａＮよりも小さい材料を基板として用いることで、紫外〜青色領域の窒化物系半導体レーザを構成する場合、レーザ光伝播モードに与える影響が小さくなり、放射光ファーフィールドパターンのリップルの低減に貢献する。
【００１９】
また、窒化物半導体基板は、ｎ型もしくはｐ型のドーパント等の不純物が添加されていても構わない。不純物としては、Ｃｌ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅ等を用いることができる。その不純物の総添加量は５×１０16／ｃｍ3以上５×１０20／ｃｍ3以下が好ましい。窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物としては、前記不純物群のうち、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓｅ、Ｃｌのいずれかが特に好ましい。
【００２０】
本明細書で説明する活性層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層から構成された層の総称を指すものとする。例えば、単一量子井戸構造の活性層は、１つの井戸層のみから構成されるか、あるいは、障壁層／井戸層／障壁層から構成される。また、多重量子井戸構造の活性層は複数の井戸層と複数の障壁層から構成される。
【００２１】
なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態の半導体レーザ素子を光出射方向から見た縦断面模式図である。図１において、１００はｎ型ＧａＮ基板であり、ｎ型ＧａＮ基板１００中には、転位集中領域１０１が存在し、転位集中領域１０１以外の部分は低転位領域となっている。また、低転位領域中には、さらに転位集中領域１０１に平行して高ルミネセンス領域１０２が存在する。
【００２３】
ｎ型ＧａＮ基板１００上には、窒化物半導体成長層１０３が形成されている。窒化物半導体成長層１０３中には、活性層１１１、ｎ型窒化物半導体成長層１１３、ｐ型窒化物半導体成長層１１２、レーザ光導波領域１０４が位置している。また、トレンチＡ１２１は、ｐ型窒化物半導体成長層１１２上面から、ｎ型窒化物半導体成長層１１３まで掘り込んだ構造を指す。また、窒化物半導体成長層１０３上面およびｎ型ＧａＮ基板１００下面には、それぞれｐ電極１０５、ｎ電極１０６が形成されている。
【００２４】
図１の断面図には現れていないが、転位集中領域１０１、窒化物半導体成長層１０３の転位集中領域３３１、低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）１０２、窒化物半導体成長層１０３の低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）３３２、トレンチＡ１２１、およびレーザ光導波領域１０４は、図１の奥行き方向に延伸しており、互いに略平行の配置となっている。
窒化物半導体成長層１０３の転位集中領域３３１、窒化物半導体成長層１０３の低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）３３２に関しては、図３において詳細に説明する。
【００２５】
半導体レーザ素子を上面側から見たとき（平面視）、レーザ光導波領域１０４と転位集中領域１０１との距離をｄＡ、レーザ光導波領域１０４とトレンチＡ１２１との距離をｄＢ、レーザ光導波領域１０４と高ルミネセンス領域１０２との距離をｄＣとする。本実施の形態の半導体レーザ素子では、ｄＡ＝１２０μｍ、ｄＢ＝８０μｍ、ｄＣ＝１２０μｍとした。
【００２６】
なお、本明細書において、距離ｄＡ，ｄＢは各ストライプ状のレーザ光導波領域、転位集中領域、高ルミネセンス領域の中心位置間の距離から規定されるものとし、距離ｄＣはストライプ状のレーザ光導波領域の端部とトレンチＡの端部（最短距離）の距離とする。
【００２７】
以下に、本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法について解説しつつ、さらに詳しくその構造についても説明する。
【００２８】
（ＧａＮ基板の作製方法）
まず、ｎ型ＧａＮ基板１００の結晶成長方法の概略を述べる。ＧａＮの結晶は、ファセット面からなる斜面が表出するようにして、その斜面を維持しながら成長させる。つまり、斜面を成長方向に次第に移動させていく。これにより、斜面の途中に発生する転位が斜面の下端に伝搬して集合し、斜面の下端であった部位が転位集中領域、斜面の途中であった部位が低転位領域となる。
【００２９】
転位集中領域にはいくつかの状態があり、例えば多結晶となることがある。また、周囲の低転位領域に対して僅かに傾斜した単結晶となることもある。さらに、周囲の低転位領域の成長方向が［０００１］方向であるのに対して、成長方向が逆に［０００−１］方向となることもある。
【００３０】
斜面を成長方向に移動させるため、ファセット面を最初にどのような形状で発生させるかにより、転位集中領域の形状を規定することができる。上下を逆にした（頂点が下で底面が上の）角錐の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその角錐の頂点の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な直線状となってピットを形成する。
【００３１】
また、断面がＶ字状の溝の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその溝の底の直線状の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な面状となってストライプ状に形成される。
【００３２】
最初に生じさせるファセット面の種としては、結晶成長を妨げるマスクを利用することができる。マスクを設けていない部位で結晶成長が始まって、マスクのない部位とある部位との境界にファセット面が生じ、水平方向への成長によってマスク上でファセット面が接し合い、その接点が転位集中領域の開始位置となる。ファセット面が接し合った後は、垂直方向（本来の成長方向）への結晶成長が安定して進み、ファセット面はそのまま成長方向に移動し、転位集中領域は成長方向に伸びていく。
【００３３】
結晶成長を妨げるマスクをドット状とすれば、上下が逆の角錐の側面のようなファセット面を発生させることができ、マスクを直線状とすれば、断面がＶ字状の溝の側面のようなファセット面を発生させることができる。マスクとしては非結晶または多結晶の層を設ければよく、例えばＳｉＯ2の薄膜を基体表面に形成しておく。
【００３４】
結晶成長後、その表面を研磨して鏡面化することで、半導体層を積層しうる基板が得られる。本実施の形態では、Ｖ字状にファセット面を生じさせて、転位集中領域がストライプ状となるようにするか、あるいは、ドットを取り巻く形状のファセット面を短い周期で多数生じさせて、転位集中領域が巨視的にストライプ状となるようにする。
【００３５】
該転位集中領域からは、欠陥が発生しやすく、熱処理、研磨等の各工程において、歪み等が加えられると、比較的容易に、転位集中領域から欠陥が光導波領域、或いは該光導波領域周辺まで広がることを実験により確認している。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１００の製造工程について説明する。図２（ａ）は、窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す拡大縦断面図である。種基板２０１上に、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により、ｎ型ＧａＮ層２０２を、ファセット｛１１−２２｝面２０３が成長中の表面に主として表出するように成長させる。その結果、表面の断面図形は鋸歯状の凹凸形状となる。ただし、凸部の頂点付近には、わずかに、｛０００１｝面２０６が表出した部分がストライプ状に見られた。
【００３７】
ここで、ＨＶＰＥ法というのは、ホットウォール型の反応炉の上流部にＧａボートを設けて加熱したＧａ融液にＨＣｌガスを吹き込むようにし、反応炉の下流部に基体を設けてＮＨ3を吹き込むようにしておき、加熱したＧａメタル（融液）にＨＣｌを吹き込んでＧａＣｌを合成し、下方へ送り、下方でＮＨ3と反応させＧａＮを合成して、ＧａＮが基体に堆積するようにしたものである。
【００３８】
種基板２０１としては２インチ（１１１）ＧａＡｓウェハーを用いた。種基板２０１の材料には特に制約はなく、一般的なサファイアを用いることも可能であるが、後に切除するため、このようにＧａＡｓを材料として用いて無駄を抑えるのが好ましい。
【００３９】
上記凹凸はピッチＰ＝４００μｍの周期構造であり、図面奥行き方向に畝状に延びている形状となっている。このように、凹凸の位置を規定するためには、種基板２０１上にあらかじめ上記凹部に対応したＳｉＯ2等のマスクを形成しておき、これを種としてファセットが表出する状態で、結晶成長を行えばよい。つまりマスクは、ＧａＮ結晶の［１−１００］方向に平行になるように、ピッチＰ＝４００μｍでストライプ状に配置されており、その形状は、連続したストライプ状、あるいは略一定間隔で直線上に位置する多数のドット状である。なお、成長時にＯをドーピングすることで、成長する結晶をｎ型とした。
【００４０】
このような成長モードを保ったまま、さらにＧａＮ結晶の形成を続けることで、種基板２０１上に高さ３０ｍｍのインゴットを作製した。図２（ｂ）は、インゴットを示した斜視図である。
【００４１】
このインゴットを、スライサーによりスライス切断加工して薄片（ｎ型ＧａＮ基板）化し、薄片を研磨加工して、表面が平坦な２インチ（約５ｃｍ）径、厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＮ基板１００を得た。エピタキシャル成長を行うための表面は鏡面研磨仕上げとした。
【００４２】
なお、この表面は、ほぼ（０００１）面としたが、上にエピタキシャル成長される窒化物半導体成長層１０３のモフォロジーが平坦で良好になるためには、（０００１）面から任意の方向に０．２〜１°の範囲の比較的小さいオフ角度を有していることが望ましく、特に表面の平坦性が最小になるようにするためには、０．４〜０．８°の範囲とすることが好ましかった。図２（ｃ）は、こうして得られたｎ型ＧａＮ基板１００の断面図（一部のみ表示）であり、図２（ｄ）は、上面図（一部のみ表示）である。
【００４３】
こうして得られたｎ型ＧａＮ基板１００の評価を次のように行った。まず、ｎ型ＧａＮ基板１００の表面を顕微鏡で詳細に観察した。研磨加工された表面は必ずしも平坦でなく、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域（図２（ａ）において符号２０４で示した部分）に対応する領域がやや窪んでいた。
【００４４】
さらに、硫酸、燐酸の混酸を２５０℃に加熱した液にサンプルを浸してエッチングを行い、エッチピットが表面に出るようにした。その結果、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域（図２（ａ）において符号２０４で示した部分）に対応する領域で、多数のエッチピットが現れ、この領域は転位（あるいは結晶欠陥）が極めて集中している領域（転位集中領域）であることが判明した。つまり、上記窪みは、この領域に対応していた。このように窪みの部分は、転位が極めて集中しているために、研磨工程で他の部分よりも侵食されやすく、そのため生じてしまったものと考えられる。
【００４５】
転位集中領域の幅は約１０〜４０μｍであった。それ以外の領域は、ＥＰＤ（エッチピット密度）１０4〜１０5／ｃｍ2台の低転位領域となっていた。転位集中領域のＥＰＤは、これよりも３桁以上大きいように観察された。このように、符号１０１で表されるような領域は、周囲に比べて数桁も転位密度が大きくなっている部分であるため、本明細書では、「転位集中領域」と呼称した。
【００４６】
また、サンプルに紫外線（Ｈｇランプ３６５ｎｍ輝線を用いることができる）を照射して、表面からのルミネセンスを顕微鏡を用いて観察した（蛍光顕微鏡観察）。その結果、転位集中領域１０１に挟まれた低転位領域の中央に、比較的はっきりと境界をもった、周囲とコントラストが異なるストライプ状の領域が観察された。この領域は、周囲よりも肉眼で観察される発光（ルミネセンス）が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域である。
【００４７】
この領域は、結晶成長時にファセット面｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分２０５であり、図１および図２（ｄ）に符号１０２で表される領域である。このように周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取り込まれ具合が周囲と異なるなどの理由が考えられる。上述の事実から、本明細書では、この領域を「高ルミネセンス領域」と呼称した。結晶成長時に、ファセット面｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分２０５が必ずしも同一の幅をもって均一に進行するものではないために、高ルミネセンス領域１０２の幅は、やや揺らぎを持っているものの、広いところで、３０μｍの程度であった。
【００４８】
なお、このような高ルミネセンス領域１０２は、上記インゴットを作成するときの条件や、インゴットにおける位置（種基板からの距離）によっては、ほとんど形成されないこともある。しかしながら、転位集中領域１０１にはさまれた部分のほぼ中央の領域は、上記凹凸の頂点付近の領域に対応している部分であり、これを、本明細書では、「低転位領域中央領域」とも呼称する。本明細書において、高ルミネセンス領域として説明する部分は、低転位領域中央領域に置き換えて考えることができる。
【００４９】
上記ＧａＮ基板１００の形成のための結晶成長は、ＨＶＰＥ法以外の気相成長によってもよく、ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）、ＭＯＣ法（Metalorganic Chloride Vapor Phase Epitaxy）、昇華法などを用いても実施することができる。
【００５０】
ＧａＮ基板１００の形成のための成長に用いる種基板２０１としては、ＧａＡｓの他にも、サファイア、ＳｉＣ、石英、ＮｄＧａＯ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮなどの六方晶系の結晶を用いることができる。Ｓｉ、スピネル、ＭｇＯ、ＧａＰなどの立方晶系の（１１１）面基板を用いることもできる。これらはＧａＮをＣ面で成長させるものである。
【００５１】
ＧａＮ基板１００の形成のためのマスクの設け方にも２種類の選択肢がある。一つは基体の上に直接マスクを形成する手法である。この場合、エピ層に先立ちマスク開口の内部の基体露出面にＧａＮバッファ層を堆積する等の工夫を行ったほうがよい。もう一つは基体の上に予め比較的薄くＧａＮ層を形成しておいて、その上にマスクを形成する手法である。後者の方が成長がスムーズに進行し、より好ましい場合が多い。
【００５２】
また、ここではｎ型ＧａＮ基板１００としてＧａＮを用いた例を説明したが、「課題を解決するための手段」の欄に記載したような材料で構成される窒化物半導体基板に置換してもよい。
【００５３】
通常、窒化物半導体基板の製造方法では、基板結晶の成長を進行させるに従って、横方向成長技術（ＥＬＯＧ技術）を用いることで、転位を低減しているが、転位（欠陥）が生じる位置は特に制御されず、結晶成長が進むに従って、転位は面内に一様に分布するようになる。
【００５４】
一方、本発明で用いる窒化物半導体基板では、転位集中領域の位置が、基板結晶の成長を通じて、所定の位置（ピッチが数１００μｍオーダである）に制御される。従来技術のＧａＮ基板と、本発明で用いる窒化物半導体基板には、このような違いがある。
【００５５】
そのため、同程度の転位密度の基板を得ようとする場合、本実施の形態で説明する基板結晶の製造方法の方が、結晶成長回数が少なくてすみ、生産性が良好になる。
【００５６】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１００上に窒化物半導体層１０３等を形成して半導体レーザ素子を作製する方法について解説する。図３は、図１の半導体レーザ素子において、窒化物半導体成長層１０３の層構造を詳細に示した縦断面模式図である。
【００５７】
半導体レーザ素子は、次のようにして作製した。まず、上記のように製作したｎ型ＧａＮ基板１００上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、３μｍのｎ型ＧａＮ層３０１、４０ｎｍのｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層３０２、１．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０３、０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、４ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層から成る３重量子井戸活性層１１１（障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層）、２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層３０６、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層３０７、０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０８、０．１μｍのｐ型ＧａＮ第１コンタクト層３０９を順次結晶成長させ、半導体成長層を形成した。
【００５８】
窒化物半導体成長層１０３の断面を蛍光顕微鏡観察したところ、周囲よりも蛍光発光強度が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域が存在する場合があることも判明した。この蛍光発光の強い領域は、基板１００の高ルミネセンス領域１０２の上方に位置し、やはり、ｎ型ＧａＮ層３０１の下面からｐ型コンタクト層３０９の上面に達していた。
【００５９】
前述したように、窒化物半導体成長層１０３内部の転位の集中した領域と蛍光発光の強い領域は、ｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域１０１と高ルミネセンス領域１０２にそれぞれ連なっており、転位集中領域１０１や高ルミネセンス領域１０２の影響が及んで生じたものと考えられる。以下、窒化物半導体成長層１０３内部の転位の集中した領域を、ｎ型ＧａＮ基板１００のものと同様に「成長層転位集中領域」と呼称して、３３１で表し、同様に、窒化物半導体成長層１０３内部の蛍光発光の強い領域を、「成長層高ルミネセンス領域」と呼称して、３３２で表す。
【００６０】
成長層転位集中領域３３１が存在する場合に、その位置を考慮することなくレーザ光導波領域１０４を設けると、レーザ光導波領域１０４が成長層転位集中領域３３１を含んでしまうことになり、当然、その特性は良好にはならない。
【００６１】
また、成長層転位集中領域３３１や転位集中領域１０１には電流が流れやすく、露出した転位集中領域３３１、１０１に電極が触れると、動作電流の増大を招く。さらに、窒化物半導体成長層１０３上に設ける電極が露出した成長層転位集中領域３３１に接触すると、電極の材料である金属が成長層転位集中領域３３１を介して窒化物半導体成長層１０３内に拡散しやすくなり、該成長層１０３を成す各層の特性に変化をもたらす。
【００６２】
そこで、本実施の形態の半導体レーザ素子では、レーザ光導波領域１０４を成長層転位集中領域３３１から離れた位置に設け、また、電極も転位集中領域から離れた位置に設けるようにしている。
【００６３】
また、成長層高ルミネセンス領域３３２も、周囲とは特性が異なり、レーザ光導波領域１０４を設けるのに適していないため、レーザ光導波領域１０４は該高ルミネセンス領域３３２からも離れた位置に設けるようにしている。
なお、積層構造の内部に常に転位集中領域３３１や高ルミネセンス領域３３２が生じるとは限らないが、ここでは、転位集中領域３３１や高ルミネセンス領域３３２が生じたと仮定して、これらを図１〜図３に示している。
【００６４】
また、レーザ光導波領域１０４を成長層転位集中領域３３１、および成長層高ルミネセンス領域３３２から、離れた位置に設けるだけでなく、さらに、窒化物半導体成長層上面から、該窒化物半導体成長層上面の極性（本実施の形態の場合はｐ型）とは異なる極性（本実施の形態の場合はｎ型）の成長層まで掘り込んだ部位（トレンチＡ）を設けている。
【００６５】
このトレンチＡ１２１によって、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域１０４、或いはレーザ光導波領域１０４周辺まで伝搬することを防止することが可能となり、良好な電圧-電流特性が確保できて、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００６６】
仮に、トレンチＡ１２１がない場合、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域１０４、或いはレーザ光導波領域１０４周辺まで伝搬し、欠陥に沿った電流経路が形成され、素子の電流-電圧特性は、リーク、もしくは短絡傾向となると考えられる。
【００６７】
ＧａＮ基板上に窒化物半導体を積層して作製した従来の半導体レーザ素子で、動作電流や動作電圧が変化し、歩留りが低下する現象が見られたのは、これらが原因であると考えられる。
【００６８】
（素子化プロセス）
続いて、窒化物半導体成長層１０３の各層がｎ型ＧａＮ基板１００上に形成されたエピウェハを、ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するプロセス工程を説明する。
【００６９】
レーザ光導波領域１０４であるリッジストライプ構造を、エピウェハ表面側より、ｐ型クラッド層３０８の途中または下端までを、ストライプ状の部分を残してエッチングすることにより形成する。さらに、トレンチＡ１２１をｎ型クラッド層３０３の途中までをドライエッチングにより掘り下げて、リッジストライプ構造、およびトレンチＡ１２１を形成する際に除去した部分に、絶縁膜１０７を形成した。
【００７０】
本実施の形態において、リッジストライプ幅は２μｍ、エッチング底面は、ｐ型ガイド層３０７からの距離を０．１μｍとした。また、トレンチＡ１２１の幅は、５μｍとした。トレンチＡ１２１の位置、幅、深さ、および形状に関しては、実施の形態２以降で詳述する。
【００７１】
ここで、絶縁膜１０７としてはＡｌＧａＮを用いた。エッチングされずに残ったｐ型ＧａＮコンタクト層３０９は露出しているので、この部分および絶縁膜１０７上に、ｐ電極１０５をＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着して形成した。絶縁膜１０７としては上記以外に、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、および窒化物半導体のうちの少なくとも１種類を含む誘電体から成るものを使用できる。
【００７２】
また、ｐ電極１０５の材料として他に、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕのいずれかを用いても構わない。さらに、エピウェハ裏面側（基板側）を研磨することにより、ウェハの厚さを８０〜２００μｍに調整し、後にウェハの分割を行いやすいようにした。
【００７３】
ｎ電極１１１は、基板の裏側にＨｆ／Ａｌの順序で形成した。ｎ電極１１１の材料として他に、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｈｆ／Ｍｏ／Ａｕや、これらのうちのＨｆをＴｉ、Ｚｒに置き換えたものを用いても構わない。
【００７４】
最後に、エピウェハを、リッジストライプ方向に対して垂直方向に劈開し、共振器長６００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製した。共振器長は２５０μｍから１０００μｍが好ましい。この工程により、ウェハは個々のレーザ素子が横に連なったバー状の形態となった。ストライプが＜１−１００＞方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶の｛１−１００｝面である。
【００７５】
劈開はウェハ全面にスクライバーにより罫書き傷をつけて行うのではなく、ウェハの一部、例えば、ウェハの両端にのみ、あるいは、チップ両端に対応する部分にのみスクライバーによって罫書き傷をつけ、これを起点に劈開した。なお、端面で帰還させる手法以外に、内部に回折格子を設けて帰還させるＤＦＢ（Distributed Feedback）、外部に回折格子を設けて帰還させるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いても構わない。
【００７６】
ファブリ・ペロー共振器の共振器端面を形成した後、この端面に約８０％の反射率を有するＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成した。誘電多層反射膜は他の誘電体材料で形成しても構わない。さらにこの後、バーを個々のレーザ素子に分割することで、図１の半導体レーザ素子を得た。レーザチップの中央にレーザ光導波領域１０４（リッジストライプ）を配置し、レーザ素子の横幅は４００μｍとした。
【００７７】
元々のｎ型ＧａＮ基板１００にはピッチＰ＝４００μｍで転位集中領域１０１が配置され、各低転位領域の中央部に高ルミネセンス領域１０２が配置され、また、図１を用いて説明したように、ｄＡ＝１２０μｍ、ｄＢ＝８０μｍ、ｄＣ＝１２０μｍとして、各領域を配置したから、各半導体レーザ素子（チップ）には、１本の転位集中領域と、1本の高ルミネセンス領域が含まれることになる。ここで、レーザ発振寿命から鑑みて、ｄＡは４０μｍ以上、ｄＣは３０μｍ以上であることが好ましい。以上のようにして図１および図３に示す窒化物半導体レーザ素子のチップを作製した。
【００７８】
（半導体レーザ素子の特性）
得られた窒化物半導体レーザ素子では、前述している理由により、トレンチＡ１２１が存在しない場合は、２７％程度であったが、トレンチＡ１２１が存在することによって、歩留まりが６５％にまで改善された。なお、本発明者らが前述の従来技術によって半導体レーザを作製し、同一条件で試験を行ったところ、その寿命は５００時間程度であった。
【００７９】
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、トレンチＡ１２１の位置と形状に関して、説明する。
【００８０】
（レーザ光導波領域とトレンチＡとの位置関係）
Ｐ＝６００μｍのｎ型ＧａＮ基板上に、実施の形態１の半導体レーザ素子とほぼ同様にして作製し、ストライプ状のレーザ光導波領域１０４の端部とトレンチＡ１２１の端部（最短距離）の距離ｄＢを変更した半導体レーザ素子を作製した。ストライプ状のレーザ光導波領域１０４の端部とトレンチＡ１２１の端部（最短距離）の距離ｄＢに関して、距離ｄＢが５μｍ以下の場合、歩留まりがが３５％以下と極端に劣化した。また、距離ｄＢが５μｍ〜１０μｍの場合、距離ｄＢが１０μｍを超えると、４５％以上の歩留まりとなり、２０μｍ以上で、５５％以上と良好な歩留まりが得られた。
【００８１】
これは、トレンチＡ１２１を形成する際、距離ｄＢが短い場合、エッチング等のダメージにより、レーザ光導波領域１０４周辺の活性層が劣化するためであると考えられる。以上のことから、ｄＢは１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上が必要であると判明した。また、レーザ光導波領域と高ルミネセンス領域の中心位置間の距離ｄＢとは関係なく（ｄＡは４０μｍ以上、ｄＣは３０μｍ以上において）、上記傾向が確認された。
【００８２】
（トレンチＡの幅）
ｄＢが１０μｍ以上確保された場合、レーザ光導波領域１０４周辺の活性層へのエッチング等からのダメージを防ぐことができるので、トレンチＡ１２１の幅は特性に大きく影響を与えないことを確認した。
【００８３】
（トレンチＡの深さ（底面の位置））
原理的には、トレンチＡ１２１は、窒化物半導体成長層表面（この場合はｐ型窒化物半導体が表面側とする）から、活性層１１１を超えて、ｎ型光ガイド層まで掘り込み、その結果、レーザ光導波領域１０４とｐ型窒化物半導体成長層１１２の転位集中領域３３１とが分離されれば、本発明の効果を得ることができる。しかしながら、各層の凹凸、エッチングの制御性等を考慮して、トレンチＡ１２１はｎ型クラッド層まで掘り込むことがより好ましい。
【００８４】
（トレンチＡの形状）
トレンチＡ１２１は、レーザ光導波領域１０４と略平行である必要はなく、レーザ光導波領域１０４とｐ型窒化物半導体成長層１１２の転位集中領域３３１とが分離されればよい。
【００８５】
図４（ａ）、図４（ｂ）は、上面からの窒化物半導体レーザ素子の模式図である。図４（ａ）に示すような矩形状、図４（ｂ）に示すような円弧状の形状であっても構わない。また、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、窒化物半導体レーザ素子の断面の模式図である。溝の断面形状も矩形だけでなく、図５（ａ）に示すような台形、図５（ｂ）に示すような三角形、図５（ｃ）に示すような円形等であっても構わない。
【００８６】
＜実施の形態３＞
本実施の形態では、トレンチＡ１２１が、窒化物半導体成長層１０３の転位集中領域１０１を含む場合について説明する。図６は、本実施の形態における窒化物半導体レーザ素子の縦断面模式図である。図６に示すように、トレンチＡ１２１が、窒化物半導体成長層の転位集中領域３３１を覆う形状となっている。該窒化物半導体レーザ素子においても、実施の形態１と同様に、歩留まりの良好な半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８７】
＜実施の形態４＞
本実施の形態では、転位集中領域がストライプ状ではなく、円形状である場合について説明する。図７、図８は、本実施の形態における上面からの窒化物半導体レーザ素子の模式図である。図７においては、円形状の転位集中領域３３１を矩形状にトレンチＡ１２１が取り囲み、図８においては、円形状の転位集中領域３３１を、同じく円状にトレンチＡ１２１が取り囲む形状となっている。
【００８８】
本実施の形態においても、トレンチＡ１２１によって、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域１０４、或いはレーザ光導波領域１０４周辺まで伝搬することを防止することが可能となり、実施の形態１と同様に、良好な電圧-電流特性が確保できて、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００８９】
また、転位集中領域は他の形状の場合でも、本実施の形態においても、該窒化物半導体成長層の転位集中領域と、ストライプ状のレーザ光導波領域とを分離できれば、実施の形態１と同様に、レーザ発振寿命の優れた半導体レーザ素子を得ることができる。
【００９０】
＜実施の形態５＞
極性が反転する場合、つまり基板がｐ型であり、窒化物半導体成長層をｐ型窒化物半導体、活性層、ｎ型窒化物半導体の順に成長させた場合について説明する。
この場合、トレンチＡを窒化物半導体成長層表面から活性層を超え、ｐ型クラッド層途中まで掘り込み、該窒化物半導体成長層の転位集中領域と、ストライプ状のレーザ光導波領域とを、分離させた構造にすれば、実施の形態１、２、３、及び４と同様の効果が得られる。
【００９１】
ここで、実施の形態１、２、３、４、及び５において、トレンチＡ１２１には、絶縁膜１０７を形成しているが、トレンチＡ１２１に電極がかからない場合には、特に絶縁膜１０７を形成する必要はない。しかしながら、プロセス中に、メタル等が直接、もしくは間接的にトレンチＡ１２１内部の窒化物半導体成長層に接触、残留すると、電流特性に関して、好ましくない状態となるため、特に意図がない場合は、絶縁膜を形成することが好ましい。
【００９２】
また、絶縁膜と電極間に隙間ができる場合、絶縁膜と電極間の隙間が絶縁膜で占められている場合、絶縁膜と電極間の隙間が電極構成金属で占められている場合も、実施の形態１、２、３，４、及び５と同様の効果が得られる。
【００９３】
＜実施の形態６＞
本実施の形態では、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に適用したものについて説明する。本発明の窒化物半導体レーザ素子（３３０〜５５０ｎｍの発振波長）は、半導体光学装置、例えば光ピックアップ装置に利用すると、以下の点において好ましい。各窒化物半導体レーザ素子は、高出力（３０ｍＷ）であり、高温雰囲気中（６０℃）でも安定して動作し、しかもレーザ発振寿命が長いことから、高い信頼性が要求される高密度記録再生用光ディスク装置に最適である（発振波長が短いほど、より高密度に記録再生が可能となる）。
【００９４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に利用した一例として、図９に、光ディスク装置（光ピックアップを有する装置、例えば、ＤＶＤ装置など）の概略構成のブロック図を示す。
【００９５】
光ディスク装置は、光ピックアップ４０１、制御回路４０２、ディスク４０３を回転させるモータ４０４、および光ピックアップ４０１を移動させるモータ４０４を備えている。光ピックアップ４０１には、半導体レーザ素子４１０、ビームスプリッタ４０６、ミラー４０７、レンズ４０８、および光検出器４０９が含まれている。また、４１２は信号を示し、半導体レーザ素子４１０は、実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子である。
【００９６】
情報の記録に際し、半導体レーザ素子４１０が発するレーザ光４１１は、制御回路４０２によって入力情報に応じて変調され、ビームスプリッタ４０６、ミラー４０７および対物レンズ４０８を経てディスク４０３の記録面上に収束して、情報をディスク４０３に記録する。また、半導体レーザ素子４１０が無変調のレーザ光４１１を発している間に、ディスク４０３の記録面のうちレーザ光が収束する部位の磁界を入力情報に応じて変調することによっても、情報を記録することができる。情報の再生に際しては、ディスク４０３上のピット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光４１１が、レンズ４０８、ミラー４０７、ビームスプリッタ４０６を経て光検出器４０９に入射し、光検出器４０９によって再生信号とされる。半導体レーザ素子４１０が出力するレーザ光４１１のパワーは、例えば、記録時には３０ｍＷ、再生時には５ｍＷ程度である。
【００９７】
本発明の半導体レーザ素子は、光ピックアップ装置を有するこのような光ディスク装置の他に、例えば、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等にも利用可能であり、高出力で高寿命の光源として適している。
【００９８】
【発明の効果】
本発明によると、高歩留りの窒化物半導体レーザ素子および該窒化物半導体レーザを用いた光学装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の半導体レーザ素子を光出射方向から見た縦断面模式図である。
【図２】（ａ）窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す拡大縦断面図である。
（ｂ）インゴットを示した斜視図である。
（ｃ）ｎ型ＧａＮ基板の断面図である。
（ｄ）ｎ型ＧａＮ基板の上面図である。
【図３】 図１の半導体レーザ素子において、窒化物半導体成長層の層構造を詳細に示した縦断面模式図である。
【図４】（ａ）上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
（ｂ）上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
【図５】（ａ）窒化物半導体レーザ素子の断面の一例の模式図である。
（ｂ）窒化物半導体レーザ素子の断面の一例の模式図である。
（ｃ）窒化物半導体レーザ素子の断面の一例の模式図である。
【図６】 実施の形態３における窒化物半導体レーザ素子の縦断面模式図である。
【図７】 実施の形態４における上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
【図８】 実施の形態４における上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
【図９】 光ディスク装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００ ｎ型ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）
１０１ 転位集中領域
１０２ 低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）
１０３ 窒化物半導体成長層
１０４ レーザ光導波領域
１０７ 絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子およびこれを用いた光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、大きなエネルギーバンドギャップと高い熱的安定性を有するため、発光素子や高温デバイスをはじめとして、様々な半導体デバイスに応用されつつある。中でもレーザダイオード（ＬＤ）は、実用化間近の段階にある。その開発においては、比較的入手しやすいサファイア等の絶縁性基板を使用することが試みられてきた。それらは例えば、特許文献１〜５に開示されている。しかし、サファイア基板を使用した場合、基板とＧａＮエピタキシャル層との間の約１４％という大きな格子不整合から生じる格子歪や、エピタキシャル層中に導入される１０8〜１０10ｃｍ-2もの高密度の転位欠陥が、素子寿命等の信頼性特性に悪影響を及ぼしてきた。また、サファイア基板と窒化物半導体成長層との劈開方向が異なるため、劈開法による良好な端面が得にくいといった問題もある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２７７４３７号公報
【特許文献２】
特開２００２−９００４号公報
【特許文献３】
特開２００２−３３２８２号公報
【特許文献４】
特開２００２−３３５１２号公報
【特許文献５】
特開２００２−１００５７９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記問題を解消すべく、エピタキシャル層と同じく窒化物半導体であるＧａＮを基板として使用する素子の開発を行っている。その結果、上記問題を解消して窒化物半導体レーザ素子の特性を大きく向上できる結果が得られつつあるが、未だ、常に良好な窒化物半導体レーザ素子が得られるとは限らず、レーザ素子の歩留りが２５％程度にとどまっていた。本発明者らが、その原因について詳細に調査をしたところ、熱処理、研磨等の各工程において、熱衝撃や機械的ストレス等が加えられると、基板中に設けた転位集中領域あるいは転位集中領域上のエピタキシャル層の部分から、レーザ動作が行われる光導波領域、或いは該光導波領域周辺まで、欠陥が広がることが判明した。これが、窒化物半導体レーザ素子の歩留まりを大きく左右する一因であると考えられる。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑み、高歩留りの窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、該窒化物半導体レーザを用いた光学装置を提供することも目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体成長層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体基板は、面内に、基板中に渡って存在する転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、前記窒化物半導体成長層が半導体レーザ素子の活性領域を構成するｐｎ接合を有するとともに、ストライプ状のレーザ光導波領域を有し、該レーザ光導波領域は、前記低転移領域に配置され、前記窒化物半導体成長層上面から、少なくとも、前記ｐｎ接合を構成する界面まで掘り込んだ溝部が、前記転位集中領域に設けられることを特徴とする。
【０００７】
このように、前記溝部（トレンチ）によって、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域、或いはレーザ光導波領域周辺まで伝搬することを防止することが可能となり、良好な電圧-電流特性が確保できて、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００１０】
また、他の本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体成長層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、前記窒化物半導体基板は、面内に、基板中に渡って存在する転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、前記窒化物半導体成長層が半導体レーザ素子の活性領域を構成するｐｎ接合を有するとともに、ストライプ状のレーザ光導波領域を有し、該レーザ光導波領域は、前記低転移領域に配置され、前記窒化物半導体成長層上面から、少なくとも、前記ｐｎ接合を構成する界面まで掘り込んだ溝部が、前記レーザ光導波領域と前記転位集中領域との間に設けられる、もしくは、前記転位集中領域に設けられ、前記溝部の少なくとも側面に、絶縁膜を備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、エピタキシャル成長層中の特に転位集中領域の上方の領域に引き継がれた欠陥が上面に達して露出したとしても、トレンチ及び電流遮断の役割を持つ絶縁膜が備えられているため、ｐｎ接合を跨いだ転位に沿って電流経路が形成されることはなく、良好で安定した電流-電圧特性が得られ、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００１２】
なお、前記絶縁膜は、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｙのいずれかの酸化物、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれかの窒化物、Ａｌ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐｂ、Ｓｒのいずれかの弗化物、ＺｎＳ、ＺｎＳｅのうちの少なくとも１種類を含む誘電体で構成することが出来る。
【００１３】
これらは、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、および窒化物半導体のうちの少なくとも１種類を含む誘電体で有り得る。
【００１４】
また、前記窒化物半導体基板の転位集中領域が、ストライプ状のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状であることを特徴とする。
【００１５】
このように、窒化物半導体基板の転位集中領域（窒化物半導体成長層まで、ある程度の転位は引き継がれる）を、前記の形状とすることで、円形状等の他の形状と比較して、より多くの転位を転位集中領域へ集中させることが可能となり、ストライプ状のレーザ光導波領域における転位等の欠陥が減少し、良好な電流−電圧特性が得られ、高歩留りの半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１７】
本明細書で説明する窒化物半導体とは、少なくともＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成された半導体を含む。さらに、窒化物半導体は、その構成成分である窒素元素の約２０％以下が、Ａｓ、Ｐ、ＳｂのＶ族元素群のうち少なくともいずれかの元素で置換されても構わない。
【００１８】
窒化物半導体基板として、最も好ましくは、二元結晶となるＧａＮ基板である。二元結晶とすることで、組成が一定となり、基板として安定した特性のものが得られやすくなるとともに、その上にエピタキシャル成長を行う際にも、組成の変化が無くなる。また、ＧａＮとすることで、良好な導電性が得られるようにもなる。次いでは、ＡｌＧａＮ基板である。ＡｌＧａＮ基板のように、屈折率がＧａＮよりも小さい材料を基板として用いることで、紫外〜青色領域の窒化物系半導体レーザを構成する場合、レーザ光伝播モードに与える影響が小さくなり、放射光ファーフィールドパターンのリップルの低減に貢献する。
【００１９】
また、窒化物半導体基板は、ｎ型もしくはｐ型のドーパント等の不純物が添加されていても構わない。不純物としては、Ｃｌ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅ等を用いることができる。その不純物の総添加量は５×１０16／ｃｍ3以上５×１０20／ｃｍ3以下が好ましい。窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物としては、前記不純物群のうち、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、Ｓｅ、Ｃｌのいずれかが特に好ましい。
【００２０】
本明細書で説明する活性層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層から構成された層の総称を指すものとする。例えば、単一量子井戸構造の活性層は、１つの井戸層のみから構成されるか、あるいは、障壁層／井戸層／障壁層から構成される。また、多重量子井戸構造の活性層は複数の井戸層と複数の障壁層から構成される。
【００２１】
なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【００２２】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態の半導体レーザ素子を光出射方向から見た縦断面模式図である。図１において、１００はｎ型ＧａＮ基板であり、ｎ型ＧａＮ基板１００中には、転位集中領域１０１が存在し、転位集中領域１０１以外の部分は低転位領域となっている。また、低転位領域中には、さらに転位集中領域１０１に平行して高ルミネセンス領域１０２が存在する。
【００２３】
ｎ型ＧａＮ基板１００上には、窒化物半導体成長層１０３が形成されている。窒化物半導体成長層１０３中には、活性層１１１、ｎ型窒化物半導体成長層１１３、ｐ型窒化物半導体成長層１１２、レーザ光導波領域１０４が位置している。また、トレンチＡ１２１は、ｐ型窒化物半導体成長層１１２上面から、ｎ型窒化物半導体成長層１１３まで掘り込んだ構造を指す。また、窒化物半導体成長層１０３上面およびｎ型ＧａＮ基板１００下面には、それぞれｐ電極１０５、ｎ電極１０６が形成されている。
【００２４】
図１の断面図には現れていないが、転位集中領域１０１、窒化物半導体成長層１０３の転位集中領域３３１、低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）１０２、窒化物半導体成長層１０３の低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）３３２、トレンチＡ１２１、およびレーザ光導波領域１０４は、図１の奥行き方向に延伸しており、互いに略平行の配置となっている。
窒化物半導体成長層１０３の転位集中領域３３１、窒化物半導体成長層１０３の低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）３３２に関しては、図３において詳細に説明する。
【００２５】
半導体レーザ素子を上面側から見たとき（平面視）、レーザ光導波領域１０４と転位集中領域１０１との距離をｄＡ、レーザ光導波領域１０４とトレンチＡ１２１との距離をｄＢ、レーザ光導波領域１０４と高ルミネセンス領域１０２との距離をｄＣとする。本実施の形態の半導体レーザ素子では、ｄＡ＝１２０μｍ、ｄＢ＝８０μｍ、ｄＣ＝１２０μｍとした。
【００２６】
なお、本明細書において、距離ｄＡ，ｄＢは各ストライプ状のレーザ光導波領域、転位集中領域、高ルミネセンス領域の中心位置間の距離から規定されるものとし、距離ｄＣはストライプ状のレーザ光導波領域の端部とトレンチＡの端部（最短距離）の距離とする。
【００２７】
以下に、本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法について解説しつつ、さらに詳しくその構造についても説明する。
【００２８】
（ＧａＮ基板の作製方法）
まず、ｎ型ＧａＮ基板１００の結晶成長方法の概略を述べる。ＧａＮの結晶は、ファセット面からなる斜面が表出するようにして、その斜面を維持しながら成長させる。つまり、斜面を成長方向に次第に移動させていく。これにより、斜面の途中に発生する転位が斜面の下端に伝搬して集合し、斜面の下端であった部位が転位集中領域、斜面の途中であった部位が低転位領域となる。
【００２９】
転位集中領域にはいくつかの状態があり、例えば多結晶となることがある。また、周囲の低転位領域に対して僅かに傾斜した単結晶となることもある。さらに、周囲の低転位領域の成長方向が［０００１］方向であるのに対して、成長方向が逆に［０００−１］方向となることもある。
【００３０】
斜面を成長方向に移動させるため、ファセット面を最初にどのような形状で発生させるかにより、転位集中領域の形状を規定することができる。上下を逆にした（頂点が下で底面が上の）角錐の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその角錐の頂点の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な直線状となってピットを形成する。
【００３１】
また、断面がＶ字状の溝の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその溝の底の直線状の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な面状となってストライプ状に形成される。
【００３２】
最初に生じさせるファセット面の種としては、結晶成長を妨げるマスクを利用することができる。マスクを設けていない部位で結晶成長が始まって、マスクのない部位とある部位との境界にファセット面が生じ、水平方向への成長によってマスク上でファセット面が接し合い、その接点が転位集中領域の開始位置となる。ファセット面が接し合った後は、垂直方向（本来の成長方向）への結晶成長が安定して進み、ファセット面はそのまま成長方向に移動し、転位集中領域は成長方向に伸びていく。
【００３３】
結晶成長を妨げるマスクをドット状とすれば、上下が逆の角錐の側面のようなファセット面を発生させることができ、マスクを直線状とすれば、断面がＶ字状の溝の側面のようなファセット面を発生させることができる。マスクとしては非結晶または多結晶の層を設ければよく、例えばＳｉＯ2の薄膜を基体表面に形成しておく。
【００３４】
結晶成長後、その表面を研磨して鏡面化することで、半導体層を積層しうる基板が得られる。本実施の形態では、Ｖ字状にファセット面を生じさせて、転位集中領域がストライプ状となるようにするか、あるいは、ドットを取り巻く形状のファセット面を短い周期で多数生じさせて、転位集中領域が巨視的にストライプ状となるようにする。
【００３５】
該転位集中領域からは、欠陥が発生しやすく、熱処理、研磨等の各工程において、歪み等が加えられると、比較的容易に、転位集中領域から欠陥が光導波領域、或いは該光導波領域周辺まで広がることを実験により確認している。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１００の製造工程について説明する。図２（ａ）は、窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す拡大縦断面図である。種基板２０１上に、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により、ｎ型ＧａＮ層２０２を、ファセット｛１１−２２｝面２０３が成長中の表面に主として表出するように成長させる。その結果、表面の断面図形は鋸歯状の凹凸形状となる。ただし、凸部の頂点付近には、わずかに、｛０００１｝面２０６が表出した部分がストライプ状に見られた。
【００３７】
ここで、ＨＶＰＥ法というのは、ホットウォール型の反応炉の上流部にＧａボートを設けて加熱したＧａ融液にＨＣｌガスを吹き込むようにし、反応炉の下流部に基体を設けてＮＨ3を吹き込むようにしておき、加熱したＧａメタル（融液）にＨＣｌを吹き込んでＧａＣｌを合成し、下方へ送り、下方でＮＨ3と反応させＧａＮを合成して、ＧａＮが基体に堆積するようにしたものである。
【００３８】
種基板２０１としては２インチ（１１１）ＧａＡｓウェハーを用いた。種基板２０１の材料には特に制約はなく、一般的なサファイアを用いることも可能であるが、後に切除するため、このようにＧａＡｓを材料として用いて無駄を抑えるのが好ましい。
【００３９】
上記凹凸はピッチＰ＝４００μｍの周期構造であり、図面奥行き方向に畝状に延びている形状となっている。このように、凹凸の位置を規定するためには、種基板２０１上にあらかじめ上記凹部に対応したＳｉＯ2等のマスクを形成しておき、これを種としてファセットが表出する状態で、結晶成長を行えばよい。つまりマスクは、ＧａＮ結晶の［１−１００］方向に平行になるように、ピッチＰ＝４００μｍでストライプ状に配置されており、その形状は、連続したストライプ状、あるいは略一定間隔で直線上に位置する多数のドット状である。なお、成長時にＯをドーピングすることで、成長する結晶をｎ型とした。
【００４０】
このような成長モードを保ったまま、さらにＧａＮ結晶の形成を続けることで、種基板２０１上に高さ３０ｍｍのインゴットを作製した。図２（ｂ）は、インゴットを示した斜視図である。
【００４１】
このインゴットを、スライサーによりスライス切断加工して薄片（ｎ型ＧａＮ基板）化し、薄片を研磨加工して、表面が平坦な２インチ（約５ｃｍ）径、厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＮ基板１００を得た。エピタキシャル成長を行うための表面は鏡面研磨仕上げとした。
【００４２】
なお、この表面は、ほぼ（０００１）面としたが、上にエピタキシャル成長される窒化物半導体成長層１０３のモフォロジーが平坦で良好になるためには、（０００１）面から任意の方向に０．２〜１°の範囲の比較的小さいオフ角度を有していることが望ましく、特に表面の平坦性が最小になるようにするためには、０．４〜０．８°の範囲とすることが好ましかった。図２（ｃ）は、こうして得られたｎ型ＧａＮ基板１００の断面図（一部のみ表示）であり、図２（ｄ）は、上面図（一部のみ表示）である。
【００４３】
こうして得られたｎ型ＧａＮ基板１００の評価を次のように行った。まず、ｎ型ＧａＮ基板１００の表面を顕微鏡で詳細に観察した。研磨加工された表面は必ずしも平坦でなく、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域（図２（ａ）において符号２０４で示した部分）に対応する領域がやや窪んでいた。
【００４４】
さらに、硫酸、燐酸の混酸を２５０℃に加熱した液にサンプルを浸してエッチングを行い、エッチピットが表面に出るようにした。その結果、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域（図２（ａ）において符号２０４で示した部分）に対応する領域で、多数のエッチピットが現れ、この領域は転位（あるいは結晶欠陥）が極めて集中している領域（転位集中領域）であることが判明した。つまり、上記窪みは、この領域に対応していた。このように窪みの部分は、転位が極めて集中しているために、研磨工程で他の部分よりも侵食されやすく、そのため生じてしまったものと考えられる。
【００４５】
転位集中領域の幅は約１０〜４０μｍであった。それ以外の領域は、ＥＰＤ（エッチピット密度）１０4〜１０5／ｃｍ2台の低転位領域となっていた。転位集中領域のＥＰＤは、これよりも３桁以上大きいように観察された。このように、符号１０１で表されるような領域は、周囲に比べて数桁も転位密度が大きくなっている部分であるため、本明細書では、「転位集中領域」と呼称した。
【００４６】
また、サンプルに紫外線（Ｈｇランプ３６５ｎｍ輝線を用いることができる）を照射して、表面からのルミネセンスを顕微鏡を用いて観察した（蛍光顕微鏡観察）。その結果、転位集中領域１０１に挟まれた低転位領域の中央に、比較的はっきりと境界をもった、周囲とコントラストが異なるストライプ状の領域が観察された。この領域は、周囲よりも肉眼で観察される発光（ルミネセンス）が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域である。
【００４７】
この領域は、結晶成長時にファセット面｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分２０５であり、図１および図２（ｄ）に符号１０２で表される領域である。このように周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取り込まれ具合が周囲と異なるなどの理由が考えられる。上述の事実から、本明細書では、この領域を「高ルミネセンス領域」と呼称した。結晶成長時に、ファセット面｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分２０５が必ずしも同一の幅をもって均一に進行するものではないために、高ルミネセンス領域１０２の幅は、やや揺らぎを持っているものの、広いところで、３０μｍの程度であった。
【００４８】
なお、このような高ルミネセンス領域１０２は、上記インゴットを作成するときの条件や、インゴットにおける位置（種基板からの距離）によっては、ほとんど形成されないこともある。しかしながら、転位集中領域１０１にはさまれた部分のほぼ中央の領域は、上記凹凸の頂点付近の領域に対応している部分であり、これを、本明細書では、「低転位領域中央領域」とも呼称する。本明細書において、高ルミネセンス領域として説明する部分は、低転位領域中央領域に置き換えて考えることができる。
【００４９】
上記ＧａＮ基板１００の形成のための結晶成長は、ＨＶＰＥ法以外の気相成長によってもよく、ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）、ＭＯＣ法（Metalorganic Chloride Vapor Phase Epitaxy）、昇華法などを用いても実施することができる。
【００５０】
ＧａＮ基板１００の形成のための成長に用いる種基板２０１としては、ＧａＡｓの他にも、サファイア、ＳｉＣ、石英、ＮｄＧａＯ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮなどの六方晶系の結晶を用いることができる。Ｓｉ、スピネル、ＭｇＯ、ＧａＰなどの立方晶系の（１１１）面基板を用いることもできる。これらはＧａＮをＣ面で成長させるものである。
【００５１】
ＧａＮ基板１００の形成のためのマスクの設け方にも２種類の選択肢がある。一つは基体の上に直接マスクを形成する手法である。この場合、エピ層に先立ちマスク開口の内部の基体露出面にＧａＮバッファ層を堆積する等の工夫を行ったほうがよい。もう一つは基体の上に予め比較的薄くＧａＮ層を形成しておいて、その上にマスクを形成する手法である。後者の方が成長がスムーズに進行し、より好ましい場合が多い。
【００５２】
また、ここではｎ型ＧａＮ基板１００としてＧａＮを用いた例を説明したが、「課題を解決するための手段」の欄に記載したような材料で構成される窒化物半導体基板に置換してもよい。
【００５３】
通常、窒化物半導体基板の製造方法では、基板結晶の成長を進行させるに従って、横方向成長技術（ＥＬＯＧ技術）を用いることで、転位を低減しているが、転位（欠陥）が生じる位置は特に制御されず、結晶成長が進むに従って、転位は面内に一様に分布するようになる。
【００５４】
一方、本発明で用いる窒化物半導体基板では、転位集中領域の位置が、基板結晶の成長を通じて、所定の位置（ピッチが数１００μｍオーダである）に制御される。従来技術のＧａＮ基板と、本発明で用いる窒化物半導体基板には、このような違いがある。
【００５５】
そのため、同程度の転位密度の基板を得ようとする場合、本実施の形態で説明する基板結晶の製造方法の方が、結晶成長回数が少なくてすみ、生産性が良好になる。
【００５６】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１００上に窒化物半導体層１０３等を形成して半導体レーザ素子を作製する方法について解説する。図３は、図１の半導体レーザ素子において、窒化物半導体成長層１０３の層構造を詳細に示した縦断面模式図である。
【００５７】
半導体レーザ素子は、次のようにして作製した。まず、上記のように製作したｎ型ＧａＮ基板１００上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、３μｍのｎ型ＧａＮ層３０１、４０ｎｍのｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層３０２、１．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０３、０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層３０４、４ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層から成る３重量子井戸活性層１１１（障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層）、２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層３０６、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層３０７、０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３０８、０．１μｍのｐ型ＧａＮ第１コンタクト層３０９を順次結晶成長させ、半導体成長層を形成した。
【００５８】
窒化物半導体成長層１０３の断面を蛍光顕微鏡観察したところ、周囲よりも蛍光発光強度が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域が存在する場合があることも判明した。この蛍光発光の強い領域は、基板１００の高ルミネセンス領域１０２の上方に位置し、やはり、ｎ型ＧａＮ層３０１の下面からｐ型コンタクト層３０９の上面に達していた。
【００５９】
前述したように、窒化物半導体成長層１０３内部の転位の集中した領域と蛍光発光の強い領域は、ｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域１０１と高ルミネセンス領域１０２にそれぞれ連なっており、転位集中領域１０１や高ルミネセンス領域１０２の影響が及んで生じたものと考えられる。以下、窒化物半導体成長層１０３内部の転位の集中した領域を、ｎ型ＧａＮ基板１００のものと同様に「成長層転位集中領域」と呼称して、３３１で表し、同様に、窒化物半導体成長層１０３内部の蛍光発光の強い領域を、「成長層高ルミネセンス領域」と呼称して、３３２で表す。
【００６０】
成長層転位集中領域３３１が存在する場合に、その位置を考慮することなくレーザ光導波領域１０４を設けると、レーザ光導波領域１０４が成長層転位集中領域３３１を含んでしまうことになり、当然、その特性は良好にはならない。
【００６１】
また、成長層転位集中領域３３１や転位集中領域１０１には電流が流れやすく、露出した転位集中領域３３１、１０１に電極が触れると、動作電流の増大を招く。さらに、窒化物半導体成長層１０３上に設ける電極が露出した成長層転位集中領域３３１に接触すると、電極の材料である金属が成長層転位集中領域３３１を介して窒化物半導体成長層１０３内に拡散しやすくなり、該成長層１０３を成す各層の特性に変化をもたらす。
【００６２】
そこで、本実施の形態の半導体レーザ素子では、レーザ光導波領域１０４を成長層転位集中領域３３１から離れた位置に設け、また、電極も転位集中領域から離れた位置に設けるようにしている。
【００６３】
また、成長層高ルミネセンス領域３３２も、周囲とは特性が異なり、レーザ光導波領域１０４を設けるのに適していないため、レーザ光導波領域１０４は該高ルミネセンス領域３３２からも離れた位置に設けるようにしている。
なお、積層構造の内部に常に転位集中領域３３１や高ルミネセンス領域３３２が生じるとは限らないが、ここでは、転位集中領域３３１や高ルミネセンス領域３３２が生じたと仮定して、これらを図１〜図３に示している。
【００６４】
また、レーザ光導波領域１０４を成長層転位集中領域３３１、および成長層高ルミネセンス領域３３２から、離れた位置に設けるだけでなく、さらに、窒化物半導体成長層上面から、該窒化物半導体成長層上面の極性（本実施の形態の場合はｐ型）とは異なる極性（本実施の形態の場合はｎ型）の成長層まで掘り込んだ部位（トレンチＡ）を設けている。
【００６５】
このトレンチＡ１２１によって、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域１０４、或いはレーザ光導波領域１０４周辺まで伝搬することを防止することが可能となり、良好な電圧-電流特性が確保できて、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００６６】
仮に、トレンチＡ１２１がない場合、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域１０４、或いはレーザ光導波領域１０４周辺まで伝搬し、欠陥に沿った電流経路が形成され、素子の電流-電圧特性は、リーク、もしくは短絡傾向となると考えられる。
【００６７】
ＧａＮ基板上に窒化物半導体を積層して作製した従来の半導体レーザ素子で、動作電流や動作電圧が変化し、歩留りが低下する現象が見られたのは、これらが原因であると考えられる。
【００６８】
（素子化プロセス）
続いて、窒化物半導体成長層１０３の各層がｎ型ＧａＮ基板１００上に形成されたエピウェハを、ＭＯＣＶＤ装置から取り出して、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するプロセス工程を説明する。
【００６９】
レーザ光導波領域１０４であるリッジストライプ構造を、エピウェハ表面側より、ｐ型クラッド層３０８の途中または下端までを、ストライプ状の部分を残してエッチングすることにより形成する。さらに、トレンチＡ１２１をｎ型クラッド層３０３の途中までをドライエッチングにより掘り下げて、リッジストライプ構造、およびトレンチＡ１２１を形成する際に除去した部分に、絶縁膜１０７を形成した。
【００７０】
本実施の形態において、リッジストライプ幅は２μｍ、エッチング底面は、ｐ型ガイド層３０７からの距離を０．１μｍとした。また、トレンチＡ１２１の幅は、５μｍとした。トレンチＡ１２１の位置、幅、深さ、および形状に関しては、実施の形態２以降で詳述する。
【００７１】
ここで、絶縁膜１０７としてはＡｌＧａＮを用いた。エッチングされずに残ったｐ型ＧａＮコンタクト層３０９は露出しているので、この部分および絶縁膜１０７上に、ｐ電極１０５をＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着して形成した。絶縁膜１０７としては上記以外に、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、および窒化物半導体のうちの少なくとも１種類を含む誘電体から成るものを使用できる。
【００７２】
また、ｐ電極１０５の材料として他に、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕのいずれかを用いても構わない。さらに、エピウェハ裏面側（基板側）を研磨することにより、ウェハの厚さを８０〜２００μｍに調整し、後にウェハの分割を行いやすいようにした。
【００７３】
ｎ電極１１１は、基板の裏側にＨｆ／Ａｌの順序で形成した。ｎ電極１１１の材料として他に、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｈｆ／Ｍｏ／Ａｕや、これらのうちのＨｆをＴｉ、Ｚｒに置き換えたものを用いても構わない。
【００７４】
最後に、エピウェハを、リッジストライプ方向に対して垂直方向に劈開し、共振器長６００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製した。共振器長は２５０μｍから１０００μｍが好ましい。この工程により、ウェハは個々のレーザ素子が横に連なったバー状の形態となった。ストライプが＜１−１００＞方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶の｛１−１００｝面である。
【００７５】
劈開はウェハ全面にスクライバーにより罫書き傷をつけて行うのではなく、ウェハの一部、例えば、ウェハの両端にのみ、あるいは、チップ両端に対応する部分にのみスクライバーによって罫書き傷をつけ、これを起点に劈開した。なお、端面で帰還させる手法以外に、内部に回折格子を設けて帰還させるＤＦＢ（Distributed Feedback）、外部に回折格子を設けて帰還させるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いても構わない。
【００７６】
ファブリ・ペロー共振器の共振器端面を形成した後、この端面に約８０％の反射率を有するＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成した。誘電多層反射膜は他の誘電体材料で形成しても構わない。さらにこの後、バーを個々のレーザ素子に分割することで、図１の半導体レーザ素子を得た。レーザチップの中央にレーザ光導波領域１０４（リッジストライプ）を配置し、レーザ素子の横幅は４００μｍとした。
【００７７】
元々のｎ型ＧａＮ基板１００にはピッチＰ＝４００μｍで転位集中領域１０１が配置され、各低転位領域の中央部に高ルミネセンス領域１０２が配置され、また、図１を用いて説明したように、ｄＡ＝１２０μｍ、ｄＢ＝８０μｍ、ｄＣ＝１２０μｍとして、各領域を配置したから、各半導体レーザ素子（チップ）には、１本の転位集中領域と、1本の高ルミネセンス領域が含まれることになる。ここで、レーザ発振寿命から鑑みて、ｄＡは４０μｍ以上、ｄＣは３０μｍ以上であることが好ましい。以上のようにして図１および図３に示す窒化物半導体レーザ素子のチップを作製した。
【００７８】
（半導体レーザ素子の特性）
得られた窒化物半導体レーザ素子では、前述している理由により、トレンチＡ１２１が存在しない場合は、２７％程度であったが、トレンチＡ１２１が存在することによって、歩留まりが６５％にまで改善された。なお、本発明者らが前述の従来技術によって半導体レーザを作製し、同一条件で試験を行ったところ、その寿命は５００時間程度であった。
【００７９】
＜実施の形態２＞
本実施の形態では、トレンチＡ１２１の位置と形状に関して、説明する。
【００８０】
（レーザ光導波領域とトレンチＡとの位置関係）
Ｐ＝６００μｍのｎ型ＧａＮ基板上に、実施の形態１の半導体レーザ素子とほぼ同様にして作製し、ストライプ状のレーザ光導波領域１０４の端部とトレンチＡ１２１の端部（最短距離）の距離ｄＢを変更した半導体レーザ素子を作製した。ストライプ状のレーザ光導波領域１０４の端部とトレンチＡ１２１の端部（最短距離）の距離ｄＢに関して、距離ｄＢが５μｍ以下の場合、歩留まりがが３５％以下と極端に劣化した。また、距離ｄＢが５μｍ〜１０μｍの場合、距離ｄＢが１０μｍを超えると、４５％以上の歩留まりとなり、２０μｍ以上で、５５％以上と良好な歩留まりが得られた。
【００８１】
これは、トレンチＡ１２１を形成する際、距離ｄＢが短い場合、エッチング等のダメージにより、レーザ光導波領域１０４周辺の活性層が劣化するためであると考えられる。以上のことから、ｄＢは１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上が必要であると判明した。また、レーザ光導波領域と高ルミネセンス領域の中心位置間の距離ｄＢとは関係なく（ｄＡは４０μｍ以上、ｄＣは３０μｍ以上において）、上記傾向が確認された。
【００８２】
（トレンチＡの幅）
ｄＢが１０μｍ以上確保された場合、レーザ光導波領域１０４周辺の活性層へのエッチング等からのダメージを防ぐことができるので、トレンチＡ１２１の幅は特性に大きく影響を与えないことを確認した。
【００８３】
（トレンチＡの深さ（底面の位置））
原理的には、トレンチＡ１２１は、窒化物半導体成長層表面（この場合はｐ型窒化物半導体が表面側とする）から、活性層１１１を超えて、ｎ型光ガイド層まで掘り込み、その結果、レーザ光導波領域１０４とｐ型窒化物半導体成長層１１２の転位集中領域３３１とが分離されれば、本発明の効果を得ることができる。しかしながら、各層の凹凸、エッチングの制御性等を考慮して、トレンチＡ１２１はｎ型クラッド層まで掘り込むことがより好ましい。
【００８４】
（トレンチＡの形状）
トレンチＡ１２１は、レーザ光導波領域１０４と略平行である必要はなく、レーザ光導波領域１０４とｐ型窒化物半導体成長層１１２の転位集中領域３３１とが分離されればよい。
【００８５】
図４（ａ）、図４（ｂ）は、上面からの窒化物半導体レーザ素子の模式図である。図４（ａ）に示すような矩形状、図４（ｂ）に示すような円弧状の形状であっても構わない。また、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、窒化物半導体レーザ素子の断面の模式図である。溝の断面形状も矩形だけでなく、図５（ａ）に示すような台形、図５（ｂ）に示すような三角形、図５（ｃ）に示すような円形等であっても構わない。
【００８６】
＜実施の形態３＞
本実施の形態では、トレンチＡ１２１が、窒化物半導体成長層１０３の転位集中領域１０１を含む場合について説明する。図６は、本実施の形態における窒化物半導体レーザ素子の縦断面模式図である。図６に示すように、トレンチＡ１２１が、窒化物半導体成長層の転位集中領域３３１を覆う形状となっている。該窒化物半導体レーザ素子においても、実施の形態１と同様に、歩留まりの良好な半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８７】
＜実施の形態４＞
本実施の形態では、転位集中領域がストライプ状ではなく、円形状である場合について説明する。図７、図８は、本実施の形態における上面からの窒化物半導体レーザ素子の模式図である。図７においては、円形状の転位集中領域３３１を矩形状にトレンチＡ１２１が取り囲み、図８においては、円形状の転位集中領域３３１を、同じく円状にトレンチＡ１２１が取り囲む形状となっている。
【００８８】
本実施の形態においても、トレンチＡ１２１によって、転位集中領域から欠陥がレーザ光導波領域１０４、或いはレーザ光導波領域１０４周辺まで伝搬することを防止することが可能となり、実施の形態１と同様に、良好な電圧-電流特性が確保できて、高歩留りのレーザ素子を得ることができる。
【００８９】
また、転位集中領域は他の形状の場合でも、本実施の形態においても、該窒化物半導体成長層の転位集中領域と、ストライプ状のレーザ光導波領域とを分離できれば、実施の形態１と同様に、レーザ発振寿命の優れた半導体レーザ素子を得ることができる。
【００９０】
＜実施の形態５＞
極性が反転する場合、つまり基板がｐ型であり、窒化物半導体成長層をｐ型窒化物半導体、活性層、ｎ型窒化物半導体の順に成長させた場合について説明する。
この場合、トレンチＡを窒化物半導体成長層表面から活性層を超え、ｐ型クラッド層途中まで掘り込み、該窒化物半導体成長層の転位集中領域と、ストライプ状のレーザ光導波領域とを、分離させた構造にすれば、実施の形態１、２、３、及び４と同様の効果が得られる。
【００９１】
ここで、実施の形態１、２、３、４、及び５において、トレンチＡ１２１には、絶縁膜１０７を形成しているが、トレンチＡ１２１に電極がかからない場合には、特に絶縁膜１０７を形成する必要はない。しかしながら、プロセス中に、メタル等が直接、もしくは間接的にトレンチＡ１２１内部の窒化物半導体成長層に接触、残留すると、電流特性に関して、好ましくない状態となるため、特に意図がない場合は、絶縁膜を形成することが好ましい。
【００９２】
また、絶縁膜と電極間に隙間ができる場合、絶縁膜と電極間の隙間が絶縁膜で占められている場合、絶縁膜と電極間の隙間が電極構成金属で占められている場合も、実施の形態１、２、３，４、及び５と同様の効果が得られる。
【００９３】
＜実施の形態６＞
本実施の形態では、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に適用したものについて説明する。本発明の窒化物半導体レーザ素子（３３０〜５５０ｎｍの発振波長）は、半導体光学装置、例えば光ピックアップ装置に利用すると、以下の点において好ましい。各窒化物半導体レーザ素子は、高出力（３０ｍＷ）であり、高温雰囲気中（６０℃）でも安定して動作し、しかもレーザ発振寿命が長いことから、高い信頼性が要求される高密度記録再生用光ディスク装置に最適である（発振波長が短いほど、より高密度に記録再生が可能となる）。
【００９４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に利用した一例として、図９に、光ディスク装置（光ピックアップを有する装置、例えば、ＤＶＤ装置など）の概略構成のブロック図を示す。
【００９５】
光ディスク装置は、光ピックアップ４０１、制御回路４０２、ディスク４０３を回転させるモータ４０４、および光ピックアップ４０１を移動させるモータ４０４を備えている。光ピックアップ４０１には、半導体レーザ素子４１０、ビームスプリッタ４０６、ミラー４０７、レンズ４０８、および光検出器４０９が含まれている。また、４１２は信号を示し、半導体レーザ素子４１０は、実施の形態１の窒化物半導体レーザ素子である。
【００９６】
情報の記録に際し、半導体レーザ素子４１０が発するレーザ光４１１は、制御回路４０２によって入力情報に応じて変調され、ビームスプリッタ４０６、ミラー４０７および対物レンズ４０８を経てディスク４０３の記録面上に収束して、情報をディスク４０３に記録する。また、半導体レーザ素子４１０が無変調のレーザ光４１１を発している間に、ディスク４０３の記録面のうちレーザ光が収束する部位の磁界を入力情報に応じて変調することによっても、情報を記録することができる。情報の再生に際しては、ディスク４０３上のピット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光４１１が、レンズ４０８、ミラー４０７、ビームスプリッタ４０６を経て光検出器４０９に入射し、光検出器４０９によって再生信号とされる。半導体レーザ素子４１０が出力するレーザ光４１１のパワーは、例えば、記録時には３０ｍＷ、再生時には５ｍＷ程度である。
【００９７】
本発明の半導体レーザ素子は、光ピックアップ装置を有するこのような光ディスク装置の他に、例えば、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクター等にも利用可能であり、高出力で高寿命の光源として適している。
【００９８】
【発明の効果】
本発明によると、高歩留りの窒化物半導体レーザ素子および該窒化物半導体レーザを用いた光学装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１の半導体レーザ素子を光出射方向から見た縦断面模式図である。
【図２】（ａ）窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す拡大縦断面図である。
（ｂ）インゴットを示した斜視図である。
（ｃ）ｎ型ＧａＮ基板の断面図である。
（ｄ）ｎ型ＧａＮ基板の上面図である。
【図３】 図１の半導体レーザ素子において、窒化物半導体成長層の層構造を詳細に示した縦断面模式図である。
【図４】（ａ）上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
（ｂ）上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
【図５】（ａ）窒化物半導体レーザ素子の断面の一例の模式図である。
（ｂ）窒化物半導体レーザ素子の断面の一例の模式図である。
（ｃ）窒化物半導体レーザ素子の断面の一例の模式図である。
【図６】 実施の形態３における窒化物半導体レーザ素子の縦断面模式図である。
【図７】 実施の形態４における上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
【図８】 実施の形態４における上面からの窒化物半導体レーザ素子の一例の模式図である。
【図９】 光ディスク装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００ ｎ型ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）
１０１ 転位集中領域
１０２ 低転位領域中央領域（高ルミネセンス領域）
１０３ 窒化物半導体成長層
１０４ レーザ光導波領域
１０７ 絶縁膜
Claims (4)
- 窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体成長層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、面内に、基板中に渡って存在する転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、
前記窒化物半導体成長層が半導体レーザ素子の活性領域を構成するｐｎ接合を有するとともに、ストライプ状のレーザ光導波領域を有し、
該レーザ光導波領域は、前記低転移領域に配置され、
前記窒化物半導体成長層上面から、少なくとも、前記ｐｎ接合を構成する界面まで掘り込んだ溝部が、前記転位集中領域に設けられることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体成長層とを備える窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、面内に、基板中に渡って存在する転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、
前記窒化物半導体成長層が半導体レーザ素子の活性領域を構成するｐｎ接合を有するとともに、ストライプ状のレーザ光導波領域を有し、
該レーザ光導波領域は、前記低転移領域に配置され、
前記窒化物半導体成長層上面から、少なくとも、前記ｐｎ接合を構成する界面まで掘り込んだ溝部が、前記レーザ光導波領域と前記転位集中領域との間に設けられる、もしくは、前記転位集中領域に設けられ、
前記溝部の少なくとも側面に、絶縁膜を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記絶縁膜が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｉｎ、Ｎｄ、Ｓｂ、Ｔａ、Ｙの何れかの酸化物、Ｓｉ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの何れかの窒化物、Ａｌ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐｂ、Ｓｒの何れかの弗化物、ＺｎＳ、ＺｎＳｅのうちの少なくとも１種類を含む誘電体から成ることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記転位集中領域が、前記レーザ光導波領域と略平行なストライプ状であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
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