JP4625998B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、又は太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体レーザ素子に関し、特に寿命特性が良好となる窒化物半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体からなるレーザ素子は、波長４００ｎｍ付近の青色レーザ素子として実用可能なレベルまで研究が進んでいる。
例えば、本発明者等を含む研究者等は、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.37(1998)pp.L1020-L1022に、ＥＬＯＧ（Epitaxially laterally overgrown GaN）を基板とし、この基板上に素子構造を形成し、約４００ｎｍの波長の光を、５０℃の環境温度の条件下、５ｍＷの出力で約１６０時間連続発振させることが可能な窒化物半導体レーザ素子を発表している。この技術は、井戸層の全積層数を２以下とすることにより、しきい値電流密度を低くすることができ、素子の発熱を抑えることで寿命特性を上記のように良好としている。
また、レーザディスプレイやカラーコピー等への用途のある発振波長が４２０ｎｍ以上のレーザ素子の研究も行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の４００ｎｍ付近の青色レーザ素子は、低しきい値電流密度とすることで寿命特性がかなり向上しているものの、製品に応用して用いる場合、寿命特性をさらに向上させて素子の信頼性を高めることが望まれる。
また、発振波長が４２０ｎｍ以上の場合には、４００ｎｍ付近の発振波長のレーザ素子に比べて、寿命特性がかなり低下する。この理由は、定かではないが、例えば、井戸層のＩｎ組成比を大きくすることにより、結晶性が低下する傾向があり、この結晶性の低下が素子の劣化を生じ易くさせているために、寿命特性が低下するのではないかと思われる。
【０００４】
以上のように従来技術では、素子の寿命特性を向上させるために、しきい値電流密度を低下させて素子に発生する熱を抑制し、劣化を防止することが行われているが、寿命特性のさらなる向上のためには、素子の劣化をより防止することが望まれる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、素子の劣化を防止して寿命特性が良好となる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記（１）〜（６）の構成とすることにより、本発明の目的を達成することができる。
（１） 基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体、障壁層とＩｎを含んでなる井戸層とを有する量子井戸構造の活性層、及びｐ型窒化物半導体を順に積層してなる窒化物半導体レーザ素子において、前記活性層が、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ井戸層の膜厚に対する障壁層の膜厚の比が［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］である量子井戸構造であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２） 前記活性層が、井戸層の全積層数が６以下の量子井戸構造であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（３） 前記活性層が、井戸層の全積層数が２〜４の量子井戸構造であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（４） 前記活性層が、障壁層の膜厚が１００〜５００オングストロームである量子井戸構造であることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（５） 前記活性層が、発振波長が４２０ｎｍ以上となるようにＩｎ組成比を調整されてなることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（６） 前記窒化物半導体レーザ素子が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板又は窒化物半導体基板上に、窒化物半導体の横方向の成長を利用して成長させてなる窒化物半導体上に成長されてなることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００７】
つまり、本発明は、上記の如く、活性層を、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上、且つ井戸層と障壁層の膜厚の比が［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］と、膜厚を特定してなる量子井戸構造とすることにより、素子の劣化が防止され、寿命特性が向上する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【０００８】
従来技術である前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．には、しきい値電流密度を低下させることで、素子の動作による発熱を抑制し素子の劣化を防止して寿命特性の向上を行っている。しかし、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の技術では、素子の十分な信頼性を得るためには、寿命特性が十分満足できるものではない。
【０００９】
これに対して、本発明者等は、素子の劣化の原因について種々検討した結果、Ｉｎ組成不均一が素子の劣化に影響を及ぼしているのではないかと考えた。つまり、Ｉｎを含んでなる井戸層では、Ｉｎ組成不均一によるＩｎの多い領域と、Ｉｎの少ない領域が形成されている。Ｉｎの多い領域は、バンドギャップエネルギーがＩｎの少ない領域よりも小さくなっており、電流が集中し易くなっている。そのため、電流が井戸層中を均一に流れない。この局所的な電流の流れが、素子全体の劣化をも促進しているのではないかと考えた。
そして、この考察をもとに、本発明者等は、素子の発熱を防止する点からしきい値電流密度をできるだけ低く抑えると共に、従来はあまり考慮されていなかった局所的な電流の流れによる素子の劣化を防止することを検討した。
その結果、本発明は、活性層を、障壁層の膜厚を１００オングストローム以上、且つ井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を３〜１０倍として成長させることにより、予想以上に良好な寿命特性の向上を達成させることができる。
【００１０】
この理由は定かではないが、以下のことが考えられる。
本発明において、障壁層の膜厚を１００オングストローム以上とすると、障壁層の結晶性が良好となる傾向があり、障壁層の結晶性が良好となれば障壁層上に成長される井戸層の結晶性も良好となり好ましい。更にまた、井戸層中のＩｎ組成不均一により局所的に電流が流れても、厚膜の障壁層により電流の流れが拡散され電流が均一に流れるようになり、劣化及び劣化によるショートを防止しているのではないかと考えられる。
更に本発明において、井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を３〜１０倍の膜厚にすることにより、Ｉｎ組成不均一により局所的に流れる電流に対して、障壁層で電流を均一に拡散し、電流が均一に活性層を流れるようになり素子の劣化を抑制していると考えられる。
【００１１】
ちなみに、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の素子構造において、井戸層の積層数を２とし、障壁層の膜厚、及び井戸層の膜厚と障壁層の膜厚の関係を上記本発明の構成とする他は同様にして素子を作製すると、しきい値電流密度がやや上昇する傾向が見られる。しかし、実際に寿命特性の試験を行うと、Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の素子の寿命特性より良好となる。このことからも、上記本発明の各構成が相乗的に作用し、予想外の顕著な効果が得られるものと考えられる。
【００１２】
更に本発明において、井戸層の全積層数を６以下とすると、しきい値電流密度を低く抑えられ、発熱による素子の劣化を防止する点から好ましい。更にまた、井戸層の結晶性及び低電圧の点からも好ましい。
更に本発明において、活性層が、井戸層の全積層数が２〜４の量子井戸構造であると、しきい値電流密度がより低くなり、寿命特性の向上の点で好ましい。
更にまた、本発明は、活性層が、障壁層の膜厚が１００〜５００オングストロームである量子井戸構造であると、しきい値電流密度を低く抑えながら、局所的な電流の流れによると思われる素子の劣化を良好に防止でき、寿命特性の向上の点で好ましい。
更にまた、本発明は、活性層が、発振波長が４２０ｎｍ以上となるようにＩｎ組成比を調整されてなると、井戸層でのＩｎ組成不均一が、発振波長が４２０ｎｍ未満の場合より大きくなり、局所的な電流の流れが大きくなり劣化がより促進される傾向があるが、上記のように、障壁層の膜厚と、及び井戸層と障壁層の膜厚の関係を上記のように特定すると、劣化を良好に防止でき、寿命特性の向上の点で好ましい。そして、従来の長波長の素子に比べて、より良好に寿命特性が向上する傾向がある。
【００１３】
また更に、本発明において、窒化物半導体レーザ素子が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板又は窒化物半導体基板上に、窒化物半導体の横方向の成長を利用して成長させてなる窒化物半導体（以下ＥＬＯＧ成長によるＥＬＯＧ基板、又は単にＥＬＯＧ基板とする）上に成長されてなると、転位の低減された窒化物半導体を基板とするので、井戸層及び障壁層の結晶性を良好にする点で好ましく、更に活性層以外のその他の素子構造も転位が少なく結晶性が良好となり、寿命特性の向上の点で好ましい。特に、発振波長が４２０ｎｍ以上の場合には、井戸層のＩｎ組成比が大きくなるので、Ｉｎ組成比の大きな井戸層の結晶性を良好にすることができ、素子の劣化を防止し寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１４】
また、以下に、本発明の好ましいその他の形態について記載する。
本発明において、ＥＬＯＧ基板が用いられ、ＥＬＯＧ基板上に成長させるｎ型コンタクト層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１、好ましくは０．０１≦ａ≦０．０５）からなると、ｎ型コンタクト層と熱膨張係数が異なる傾向があるＥＬＯＧ基板上に、ｎ型コンタクト層を形成しても内部の微細なクラックの発生が防止でき、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。ｎ型コンタクト層上には、レーザ素子の種々の機能を有する複数の層を成長させるため、ｎ型コンタクト層の結晶性が良好であればあるほど、結晶性の良好な素子を作製することができ、素子特性の向上を達成することができる。
また、本発明において、ＥＬＯＧ基板を成長させるための、異種基板が、サファイアのＣ面がステップ状にオフアングルされているものであると、転位の低減及び良好な面状態を得る点で好ましく、このようなＥＬＯＧ基板上に成長される素子構造も良好となり、本発明の効果を得る点で好ましい。更に、ステップ状にオフアングルされているサファイア基板のオフアングル角が、０．１°〜０．３°であるとＥＬＯＧ基板を良好に成長させることができ、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子について更に詳細に説明する。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体、障壁層とＩｎを含んでなる井戸層とを有する量子井戸構造の活性層、及びｐ型窒化物半導体を順に積層してなる窒化物半導体レーザ素子であって、活性層が、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］が［１：３〜１０］である量子井戸構造であれば特に限定されない。
以下に本発明のレーザ素子を構成する活性層について更に詳細に説明する。
【００１６】
（活性層）
本発明において、活性層としては、少なくともＩｎを含んでなる井戸層と、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい障壁層からなる量子井戸構造を有している。さらに活性層の量子井戸構造は、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ井戸層と障壁層の膜厚の比が、［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝１：３〜１０、好ましくは１：４〜７であり、このような膜厚の関係を有している。上記のように井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚が３〜１０倍であると、井戸層でのＩｎ組成不均一により局所的に流れる電流に対して、障壁層で電流を均一に拡散し、電流が均一に活性層を流れるようになり素子の劣化を抑制する点で好ましい。
【００１７】
活性層の井戸層としては、少なくともＩｎを含んでなるＩｎbＧａ1-bＮ（０≦ｂ＜１）で示される窒化物半導体が挙げられる。
活性層の量子井戸構造を形成する井戸層の全積層数としては、６以下、好ましくは２〜４であり、積層数が前記範囲であると、しきい値電流密度を低くでき、さらに井戸層の結晶性の点から好ましい。
井戸層の膜厚としては、特に限定されないが、少なくとも障壁層の膜厚との関係が上記したように、［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］となるような膜厚で、量子サイズ効果の得られる膜厚が好ましく、例えば好ましい具体的な膜厚としては、６０オングストローム以下、好ましくは５０オングストローム以下である。また井戸層の膜厚の下限値は、特に限定されないが、１０オングストローム程度である。そして、このような膜厚の範囲内で、障壁層との膜厚を調整させる。
また、井戸層は、アンドープでも、不純物をドープされていてもよいが、好ましくは結晶性を損なわない点で、アンドープ、または不純物をドープする場合でも不純物（例えばＳｉなど）を１×１０18／ｃｍ2以下含有されてなるものが好ましい。井戸層の結晶性が良好であれば、しきい値電流密度の低下や寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１８】
また、活性層の障壁層としては、特に限定されないが、少なくとも井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のものが挙げられ、例えば具体的には、ＩｎbＧａ1-bＮ（０≦ｂ＜０．１）で示される窒化物半導体が挙げられる。
障壁層の膜厚としては、１００オングストローム以上であって、且つ井戸層の膜厚に対する障壁層の膜厚の比が、［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］の関係を有する膜厚を有し、好ましくは１００〜５００オングストロームである。このような膜厚であると、井戸層のＩｎ組成不均一による局所的な電流の流れによる素子の劣化の防止及びショートの防止の点で好ましい。また、障壁層の膜厚の上限が５００オングストローム以下であると、しきい値電流密度を低く抑える点で好ましい。
障壁層は、アンドープでも、不純物をドープされていてもよいが、好ましくはバルク抵抗や順方向電圧の点から、不純物（例えばＳｉなど）を５×１０18／ｃｍ2〜１×１０20／ｃｍ2、好ましくは７×１０18／ｃｍ2〜５×１０19／ｃｍ2含有されてなるものが好ましい。
【００１９】
活性層の井戸層の積層数が、例えば６の場合、少なくとも井戸層が６層積層されていればよく、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、また井戸層から始まり井戸層で終わってもよい。好ましくは障壁層で始まり障壁層で終わると、しきい値電流密度を低下させ寿命特性を向上させるのに好ましい。
また、活性層が井戸層の積層数が１である単一量子井戸構造の場合は、障壁層は井戸層を挟むように形成されるのが好ましい。単一量子井戸構造の場合、障壁層が形成されていると、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。
また、発振波長が４２０ｎｍ以上の場合は、井戸層の積層数は、３以下、好ましくは２であると、しきい値電流密度を低下させる点で好ましい。
【００２０】
活性層の井戸層のＩｎ組成比の調整としては、所望する発振波長となるようにＩｎ組成比を調整してあればよく、具体的な値としては、例えば下記の理論値の計算式から求められる値を近似的な値として挙げることができる。しかし、実際にレーザ素子を動作させて得られる発振波長は、量子井戸構造をとる量子準位が形成されるため、発振波長のエネルギー（Ｅλ）がＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）よりも図７のように大きくなり、計算式などから求められる発振波長より、短波長側へシフトする傾向がある。
【００２１】
［理論値の計算式］
Ｅｇ＝（１−χ）３．４０＋１．９５χ−Ｂχ（１−χ）
波長（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ
Ｅｇ：ＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギー
χ：Ｉｎの組成比
３．４０（ｅＶ）：ＧａＮのバンドギャップエネルギー
１．９５（ｅＶ）：ＩｎＮのバンドギャップエネルギー
Ｂ：ボーイングパラメーターを示し、１〜６ｅＶとする。このようにボーイングパラメータが変動するのは、最近の研究では、ＳＩＭＳ分析などから、従来は結晶に歪みがないと仮定して１ｅＶとされていたが、Ｉｎ組成比の割合や膜厚が薄い場合等により歪みの生じる程度が異なり、１ｅＶ以上となることが明らかとなってきているためである。
【００２２】
上記のように井戸層のＳＩＭＳ分析などから求められる具体的なＩｎ組成比から考えられる発振波長と、実際に発振させたときの発振波長とには、やや相違があるものの、実際の発振波長が所望する波長となるように調整される。
【００２３】
以下に上記のような本発明の活性層を有する素子のその他の素子構造について説明する。
その他の素子構造としては、特に限定されず、例えば具体的なレーザ素子の一実施の形態としては、図１に示す素子構造のレーザ素子を挙げることができる。レーザ素子が、図１に示す素子構造と、上記の本発明の活性層とを組み合わせると、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。しかし、本発明はこれに限定されない。
【００２４】
図１に示される本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図について以下に説明する。
図１には、サファイア等の異種基板上にＥＬＯＧ成長させた窒化物半導体基板１上に、ｎ型不純物（例えばＳｉ）をドープしてなるＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）よりなるｎ型コンタクト層２、ＳｉドープのＩｎgＧａ1-gＮ（０．０５≦ｇ≦０．２）よりなるクラック防止層３、ＡｌeＧａ1-eＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）を含んでなる多層膜のｎ型クラッド層４、アンドープのＧａＮからなるｎ型ガイド層５、障壁層の膜厚及び井戸層と障壁層の膜厚の関係が上記のような量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層以上のｐ型電子閉じ込め層７、アンドープのＧａＮからなるｐ型ガイド層８、ＡｌfＧａ1-fＮ（０＜ｆ≦１）を含んでなる多層膜のｐ型クラッド層９、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０からなるリッジ形状のストライプを有する窒化物半導体レーザ素子が示されている。
また、ｐ電極は、リッジ形状のストライプの最上層に形成され、ｎ電極はｎ型コンタクト層上に形成される。
以下に、基板や各層等について更に詳細に説明する。
【００２５】
（ＥＬＯＧ成長）
まず、ＥＬＯＧ成長について以下に説明する。
本発明において、用いることのできるＥＬＯＧ成長としては、窒化物半導体の縦方向の成長を少なくとも部分的に一時的止めて、横方向の成長を利用して転位を抑制することのできる成長方法であれば特に限定されない。
【００２６】
例えば具体例としては、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、窒化物半導体が成長しないかまたは成長しにくい材料からなる保護膜を部分的に形成し、その上から窒化物半導体を成長させることにより、保護膜が形成されていない部分から窒化物半導体が成長し、成長を続けることにより保護膜上に向かって横方向に成長することにより厚膜の窒化物半導体（ＥＬＯＧ基板）が得られる成長方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１０−２７５８２６号、特願平１０−１１９３７７号、特願平１０−１４６４３１号、特願平１１−３７８２６号、各明細書に記載の方法が挙げられる。
【００２７】
また、その他の具体例としては、保護膜を用いない方法であり、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に成長させた窒化物半導体上に、凹凸を形成し、この上から再び窒化物半導体を成長させてなる窒化物半導体（ＥＬＯＧ基板）が得られる成長方法が挙げられる。また、保護膜を用いず、窒化物半導体の表面を部分的に改質して窒化物半導体の横方向の成長を意図的に行わせる方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１１−３７８２２７号、特願平１１−１６８０７９号、特願平１１−１４２４００号、各明細書に記載の方法が挙げられる。
【００２８】
また更に、上記のようなＥＬＯＧ成長等により得られた窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体上に、上記に示したような保護膜を用いて行う又は凹凸を形成する等のＥＬＯＧ成長を繰り返して転位を良好に低減される窒化物半導体を得る成長方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１１−８０２８８号明細書に記載の方法が挙げられる。
【００２９】
上記したＥＬＯＧ成長として好ましくは保護膜を用いないで成長させる方法、及び窒化物半導体上にＥＬＯＧ成長させる方法である。このような方法で行うと転位の低減の点で好ましく、さらには転位の低減されたＥＬＯＧ基板上に素子構造を形成すると、しきい値電流密度の低減及び寿命特性の向上の点で好ましい。
上記に挙げたＥＬＯＧ成長方法についての詳細は、上記列記した各号明細書の記載の通りであるが、好ましい一例を以下に示す。しかし、本発明はこれに限定されない。
【００３０】
以下に、本発明に用いることのできる好ましいＥＬＯＧ成長の一実施の形態を図２を用いて説明する。
図２（ａ−１〜ａ−４）は、窒化物半導体の成長方法の一実施の形態を段階的に示した模式図である。
まず、図２（ａ−１）の第１の工程において、異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させ、図２（ａ−２）の第２の工程において、第１の窒化物半導体４２に凹凸を形成し、続いて図２（ａ−３）の第３の工程において、凹凸の形成された第１の窒化物半導体４２上に、常圧以上の圧力条件下で、第２の窒化物半導体４３を成長させる。
【００３１】
以下に上記各工程ごとに図２を用いて更に詳細に説明する。
（第１の工程）
図２（ａ−１）は異種基板４１上に、第１の窒化物半導体４２を成長させる第１の工程を行った模式的段面図である。
この第１の工程において、用いることのできる異種基板４１としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。
異種基板としてサファイアを用いる場合、サファイアの主面をどの面にするかにより、凹凸を形成した時の凸部上部と凹部側面の窒化物半導体の面方位が特定される傾向があり、その面方位によって、窒化物半導体の成長速度がやや異なることから、凹部側面に成長し易い面方位がくるように主面を選択してもよい。
【００３２】
また、第１の工程において、異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させる前に、異種基板４１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１０オングストロームで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板４１と第１の窒化物半導体４２との格子定数不正を緩和し、第１の窒化物半導体４２の結晶欠陥が少なくなる傾向にある。
【００３３】
第１の工程において、異種基板４１上に形成される第１の窒化物半導体４２としては、アンドープ（不純物をドープしない状態、undope）のＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。
第１の窒化物半導体４２は、高温、具体的には約９００℃より高温〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で異種基板４１上に成長される。このような温度で成長させると、第１の窒化物半導体４２は単結晶となる。第１の窒化物半導体４２の膜厚は特に限定しないが、凹部内部での縦方向の成長を抑えて、横方向の成長が促進できるように、凹凸の形状を調整することが可能な膜厚であることが好ましく、少なくとも５００オングストローム以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上の膜厚で形成する。
【００３４】
（第２の工程）
次に、図２（ａ−２）は異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させた後、第１の窒化物半導体４２に部分的に凹凸を形成して、凹部側面に第１の窒化物半導体４２を露出させてなる模式的断面図である。
【００３５】
第２の工程において、部分的に凹凸を形成するとは、少なくとも凹部側面に第１の窒化物半導体４２が露出されるように、第１の窒化物半導体４２の表面から異種基板４１方向に窪みを形成してあればよく、第１の窒化物半導体４２にいずれの形状で凹凸を設けてもよく、例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤目状、ドット状に形成できる。好ましい形状としては、ストライプ状であり、この形状とすると、異常成長が少なく、より平坦に埋まり好ましい。
第１の窒化物半導体４２に部分的に設けられた凹凸は、第１の窒化物半導体４２の途中まで、異種基板に達する深さまで、又は異種基板をエッチングして５００〜２０００オングストロームの深さまで、の形状で形成され、好ましくは異種基板が露出する程度、又は異種基板を上記のような深さに削る程度の深さが好ましく、より好ましくは異種基板を上記の深さで削る程度の深さである。凹部底部に異種基板が露出されていると、凹部底部からの成長が抑制されやすくなり、凹部開口部から厚膜に成長する第２の窒化物半導体４３の転位を低減し易くなり好ましい。異種基板を上記のような深さに削ってあると、凹部上部の転位の低減と、転位のほとんどない部分と転位のある部分を再現性よく明確に区別できるなど結晶面が良好となり、転位のない凹部上部へのリッジ形状の形成の点で好ましく、量産する場合などに好ましい。
【００３６】
凹凸の形状は、凹部側面の長さや、凸部上部の幅と凹部底部の幅などは、特に限定されないが、少なくとも凹部内での縦方向の成長が抑制され、凹部開口部から厚膜に成長する第２の窒化物半導体４３が凹部側面から横方向に成長したものとなるように調整されていることが好ましい。
凹凸の形状をストライプ状とする場合、ストライプの形状として特に限定されないが、例えばストライプ幅（凸部上部の幅）を１〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍであり、ストライプ間隔（凹部底部の幅）を３〜２０μｍ、好ましくは１０〜１９μｍであるものを形成することができる。このようなストライプ形状を有していると、転位の低減と面状態を良好にする点で好ましい。
凹部開口部から成長する第２の窒化物半導体４３の部分を多くするには、凹部底部の幅を広くし、凸部上部の幅を狭くすることで可能となり、このようにすると転位の低減された部分を多くすることができる。凹部底部の幅を広くした場合には、凹部の深さを深めにすることが、凹部底部から成長する可能性のある縦方向の成長を防止するのに好ましい。
【００３７】
第２の工程で凹凸を設ける方法としては、第１の窒化物半導体４２を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。
エッチングにより、第１の窒化物半導体４２に部分的（選択的）に凹凸を形成する場合は、フォトリソグラフィー技術における種々の形状のマスクパターンを用いて、ストライプ状、碁盤目状等のフォトマスクを作製し、レジストパターンを第１の窒化物半導体２に形成してエッチングすることにより形成できる。フォトマスクは、エッチングして凹凸を形成後に除去される。
また、ダイシングで行う場合は、例えば、ストライプ状や碁盤目状に形成できる。
【００３８】
第２の工程において窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。
また、エッチングによって凹凸を形成する場合、エッチング面（凹部側面）が、図２（ａ−２）に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは階段状になるように形成された形状等がある。好ましくは転位の低減や面状態の良好性などの点から、垂直、逆メサ、順メサであり、より好ましくは垂直である。
【００３９】
（第３の工程）
次に、図２（ａ−３）は、エッチングにより凹凸を有する第１の窒化物半導体４２上に、常圧以上の加圧条件下で、第２の窒化物半導体４３を成長させる第３の工程を行った模式的断面図である。
第２の窒化物半導体４３としては、前記第１の窒化物半導体４２と同様のものを用いることができる。第２の窒化物半導体４３の成長温度は、第１の窒化物半導体４２を成長させる場合と同様であり、このような温度で成長させる第２の窒化物半導体４３は単結晶となる。
また、第２の窒化物半導体４３を成長させる際に、不純物（例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇ等）をドープして成長さる、または窒化物半導体の原料となるＩＩＩ族とＶ族の成分のモル比（ＩＩＩ／Ｖのモル比）を調整して成長させる等により、横方向の成長を縦方向の成長に比べて促進させ転位を低減させる点で好ましく、さらに第２の窒化物半導体４３の表面の面状態を良好にする点で好ましい。
【００４０】
上記の常圧以上の加圧条件とは、常圧（意図的に圧力を加えない状態の圧力）から、装置などを調整し意図的に圧力を加えて加圧条件にした状態で反応を行うことである。具体的な圧力としては、常圧以上の圧力であれば特に限定されないが、好ましくは常圧（ほぼ１気圧）〜２．５気圧であり、好ましい圧力としては、常圧〜１．５気圧である。このような圧力の条件下で第２の窒化物半導体を成長させると、第２の窒化物半導体の表面の面状態を良好にする点で好ましい。
【００４１】
また、第３の工程において、凹部内部では凹部の側面から横方向に成長するものと、凹部底部から縦方向に成長するものとがあると思われるが、成長し続ける過程で、凹部側面から成長した第２の窒化物半導体同士が接合し、凹部底部からの成長を抑制する。その結果、凹部開口部から成長した第２の窒化物半導体には転位がほとんど見られない。凹部底部からの縦方向の成長は、凹部側面からの横方向の成長に比べ、成長速度が遅いと思われる。また、凹部底部の表面が、サファイアなどの異種基板であると、凹部底部からの第２の窒化物半導体の成長が抑制され、凹部側面からの第２の窒化物半導体の成長が良好となり、転位の低減の点で好ましい。
【００４２】
一方、凸部上部から成長した第２の窒化物半導体部分には、凹部開口部から成長するものに比べてやや多めの転位が見られるが、凸部上部に縦方向に成長を始める窒化物半導体も、縦方向に成長する速度よりも、凹部開口部に向かって横方向に成長する傾向があり、凹凸を形成しないで縦方向に成長させた場合に比べれば転位が低減する。また、本発明の第２及び第３の工程を繰り返すことで、凸部上部の転位をなくすことができる。また、凸部上部と凹部内部から成長した第２の窒化物半導体は、成長の過程で接合し、図２（ａ−４）のようになる。
【００４３】
更に、第３の工程において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、圧力を常圧以上の加圧条件に調整することにより、第２の窒化物半導体の表面が異常成長の少ない平坦な良好な面状態となる。
【００４４】
また、本発明において、第２及び第３の工程を繰り返す場合、図２（ｂ−１）に示すように、第１の窒化物半導体に形成した凹部上部に凸部が、第１の窒化物半導体に形成した凸部上部に凹部が、それぞれ位置するように第２の窒化物半導体に部分的に凹凸を形成する。そして凹凸を形成された第２の窒化物半導体上に第３の窒化物半導体４を成長させる。第３の窒化物半導体４は、全体的に転位の少ない窒化物半導体となり好ましい。第３の窒化物半導体としては第２の窒化物半導体と同様のものを成長させる。
また、第２及び第３の工程を繰り返す場合、第２の窒化物半導体の膜厚を、繰り返さない場合に比べて、やや薄く成長させ、第２の窒化物半導体に形成される凹部底部がサファイアなどの異種基板面となるように第２の窒化物半導体をエッチングすると、転位のより少ない面状態の良好な第３の窒化物半導体が得られ好ましい。
【００４５】
また、第２の窒化物半導体４３は、この上に素子構造となる窒化物半導体を成長させるための基板となるが、素子構造を形成するには異種基板を予め除去してから行う場合と、異種基板等を残して行う場合がある。また、素子構造を形成した後で異種基板を除去する場合もある。
異種基板等を除去する場合の第２の窒化物半導体５の膜厚は、５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、好ましくは５００μｍ以下である。この範囲であると異種基板及び保護膜等を研磨除去しても、第２の窒化物半導体４３が割れにくくハンドリングが容易となり好ましい。
【００４６】
また異種基板等を残して行う場合の第２の窒化物半導体４３の膜厚は、特に限定されないが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。この範囲であると異種基板と窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止でき、更に素子基板となる第２の窒化物半導体４５の上に素子構造となる窒化物半導体を良好に成長させることができる。
【００４７】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１の窒化物半導体４２、及び第２の窒化物半導体４３を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００μｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。また膜厚が１００μｍ以下ではＨＶＰＥでは成長速度が速くてコントロールが難しい。
【００４８】
また本発明において、第２の窒化物半導体４３上には、素子構造となる窒化物半導体を形成することができるので、明細書内において第２の窒化物半導体を素子基板又は窒化物半導体基板と言う場合がある。
【００４９】
また第１の工程における前記異種基板となる材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステップ状にオフアングルさせた基板を用いたほうが好ましい。オフアングルさせた基板を用いると、表面に３次元成長が見られず、ステップ成長があらわれ表面が平坦になり易い。更にステップ状にオフアングルされているサファイア基板のステップに沿う方向（段差方向）が、サファイアのＡ面に対して垂直に形成されていると、窒化物半導体のステップ面がレーザの共振器方向と一致し、レーザ光が表面粗さにより乱反射されることが少なくなり好ましい。
【００５０】
更に好ましい異種基板としては、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイア、（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするスピネルである。ここで異種基板が、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイアであるとき、前記第１の窒化物半導体等に形成される凹凸のストライプ形状が、そのサファイアの（１１２−０）面[Ａ面]に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）[Ｍ面]に平行方向にストライプを形成すること］が好ましく、また、オフアングルのオフ角θ（図７に示すθ）は０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°が好ましい。また（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイアであるとき、前記凹凸のストライプ形状はそのサファイアの（１１−０２）面[Ｒ面]に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記凹凸のストライプ形状はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。
ここでは、凹凸がストライプ形状の場合について記載したが、本発明においてサファイアのＡ面及びＲ面、スピネルの（１１０）面に窒化物半導体が横方向に成長し易いので、これらの面に第１の窒化物半導体の端面が形成されるように第１の窒化物半導体２に段差を形成するために保護膜の形成を考慮することが好ましい。
【００５１】
本発明に用いられる異種基板について図を用いて更に詳細に説明する。図３はサファイアの結晶構造を示すユニットセル図である。
まず本発明の方法において、Ｃ面を主面とするサファイアを用い、凹凸はサファイアＡ面に対して垂直なストライプ形状とする場合について説明する。例えば、図５は主面側のサファイア基板の平面図である。この図はサファイアＣ面を主面とし、オリエンテーションフラット（オリフラ）面をＡ面としている。この図に示すように凹凸のストライプをＡ面に対して垂直方向で、互いに平行なストライプを形成する。図５に示すように、サファイアＣ面上に窒化物半導体を選択成長させた場合、窒化物半導体は面内ではＡ面に対して平行な方向で成長しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向にある。従ってＡ面に対して垂直な方向でストライプを設けると、ストライプとストライプの間の窒化物半導体がつながって成長しやすくなり、図２に示したような結晶成長が容易に可能となると考えられるが詳細は定かではない。
【００５２】
次に、Ａ面を主面とするサファイア基板を用いた場合、上記Ｃ面を主面とする場合と同様に、例えばオリフラ面をＲ面とすると、Ｒ面に対して垂直方向に、互いに平行なストライプを形成することにより、ストライプ幅方向に対して窒化物半導体が成長しやすい傾向にあるため、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができる。
【００５３】
また次に、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）に対しても、窒化物半導体の成長は異方性があり、窒化物半導体の成長面を（１１１）面とし、オリフラ面を（１１０）面とすると、窒化物半導体は（１１０）面に対して平行方向に成長しやすい傾向がある。従って、（１１０）面に対して垂直方向にストライプを形成すると窒化物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上部でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。なおスピネルは四方晶であるため特に図示していない。
【００５４】
また、以下に、オフアングルされたサファイア基板のステップに沿う方向が、サファイア基板のＡ面に対して垂直に形成されてなる場合について図４を用いて説明する。
ステップ状にオフアングルしたサファイアなどの異種基板は、図４に示すようにほぼ水平なテラス部分Ａと、段差部分Ｂとを有している。テラス部分Ａの表面凹凸は少なく、ほぼ規則正しく形成されている。このようなオフ角θを有するステップ状部分は、基板全体にわたって連続して形成されていることが望ましいが、特に部分的に形成されていてもよい。なおオフ角θとは、図４に示すように、複数の段差の底部を結んだ直線と、最上層のステップの水平面との角度を示すものとする。
また異種基板はオフ角が０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°である。オフ角を上記範囲とすると、第１の窒化物半導体４２表面は細かな筋状のモフォロジーとなり、エピタキシャル成長表面（第２の窒化物半導体４３表面）は波状のモフォロジーとなり、この基板を用いて得られる窒化物半導体素子は平滑で、特性も長寿命、高効率、高出力、歩留まりの向上したものが得られる。
【００５５】
またさらに、上記のＥＬＯＧ成長等により得られた窒化物半導体基板上に更にＥＬＯＧ成長を行って得られる窒化物半導体を素子構造の基板とすると、転位の低減及び反りの低減などが良好となり、本発明の効果を得るのに好ましい。この好ましい一実施の形態としては、特願平１１−８０２８８号明細書に記載されている内容が挙げられる。
例えば好ましい一例として、上記の図２に示された工程により得られた第２の窒化物半導体４３上に更に、例えばＨＶＰＥなどによって厚膜、例えば８０〜５００μｍの第３の窒化物半導体を成長させ、その後、異種基板などを除去して第３の窒化物半導体のみとし、この第３の窒化物半導体の異種基板除去面とは反対の面上に、ＨＶＰＥ等により第４の窒化物半導体を成長させる。第４の窒化物半導体の膜厚は、第３の窒化物半導体の膜厚と、第４の窒化物半導体の膜厚の合計が、例えば好ましくは４００〜８０μｍ程度の膜厚となるように調整される。
このような第３及び第４の窒化物半導体からなる窒化物半導体上にＥＬＯＧ成長を繰り返すと転位が良好に低減された窒化物半導体基板を得ることができ、本発明の効果を得るのに好ましい。
【００５６】
上記のような、転位の少ない窒化物半導体を基板とし、この基板上に素子構造を形成すれば結晶性の良好な素子が得られ、しきい値電流密度の低減及び寿命特性の向上の点で好ましい。
【００５７】
上記のようなＥＬＯＧ成長により得られた窒化物半導体基板１上に、素子構造を成長させる。しかし、本発明はこれに限定されない。
（ｎ型コンタクト層２）
まず、ｎ型コンタクト層２を窒化物半導体基板１上に成長させる。ｎ型コンタクト層としては、ｎ型不純物（好ましくはＳｉ）をドープされたＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）を成長させ、好ましくはａが０．０１〜０．０５のＡｌaＧａ1-aＮを成長させる。ｎ型コンタクト層がＡｌを含む３元混晶で形成されると、窒化物半導体基板１に微細なクラックが発生していても、微細なクラックの伝播を防止することができ、更に従来の問題点であった窒化物半導体基板１とｎ型コンタクト層との格子定数及び熱膨張係数の相違によるｎ型コンタクト層への微細なクラックの発生を防止することができ好ましい。ｎ型不純物のドープ量としては、１×１０18／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3である。このｎ型コンタクト層２にｎ電極が形成される。ｎ型コンタクト層２の膜厚としては、１〜１０μｍである。
また、窒化物半導体基板１とｎ型コンタクト層２との間に、アンドープのＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）を成長させてもよく、このアンドープの層を成長させると結晶性が良好となり、寿命特性を向上させるのに好ましい。アンドープｎ型コンタクト層の膜厚は、数μｍである。
【００５８】
（クラック防止層３）
次に、クラック防止層３をｎ型コンタクト層２上に成長させる。クラック防止層３としては、ＳｉドープのＩｎgＧａ1-gＮ（０．０５≦ｇ≦０．２）を成長させ、好ましくはｇが０．０５〜０．０８のＩｎgＧａ1-gＮを成長させる。このクラック防止層３は、省略することができるが、クラック防止層３をｎ型コンタクト層２上に形成すると、素子内のクラックの発生を防止するのに好ましい。Ｓｉのドープ量としては、５×１０18／ｃｍ3である。
また、クラック防止層３を成長させる際に、Ｉｎの混晶比を大きく（ｘ≧０．１）すると、クラック防止層３が、活性層６から発光しｎ型クラッド層４から漏れ出した光を吸収することができ、レーザ光のファーフィールドパターンの乱れを防止することができ好ましい。
クラック防止層の膜厚としては、結晶性を損なわない程度の厚みであり、例えば具体的には０．０５〜０．３μｍである。
【００５９】
（ｎ型クラッド層４）
次に、ｎ型クラッド層４をクラック防止層３上に成長させる。ｎ型クラッド層４としては、ＡｌeＧａ1-eＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）を含む窒化半導体を有する多層膜の層として形成される。多層膜とは、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を示し、例えば、ＡｌeＧａ1-eＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）層と、このＡｌeＧａ1-eＮと組成の異なる窒化物半導体、例えばＡｌの混晶比の異なるもの、Ｉｎを含んでなる３元混晶のもの、又はＧａＮ等からなる層とを組み合わせて積層してなるものである。この中で好ましい組み合わせとしては、ＡｌeＧａ1-eＮとＧａＮとを積層してなる多層膜とすると、同一温度で結晶性の良い窒化物半導体層が積層でき好ましい。より好ましい多層膜としは、アンドープのＡｌeＧａ1-eＮとｎ型不純物（例えばＳｉ）ドープのＧａＮとを積層してなる組み合わせである。ｎ型不純物は、ＡｌeＧａ1-eＮにドープされてもよい。ｎ型不純物のドープ量は、４×１０18／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3である。ｎ型不純物がこの範囲でドープされていると抵抗率を低くでき且つ結晶性を損なわない。
このような多層膜は、単一層の膜厚が１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは４０オングストローム以下、好ましくは１０オングストローム以上の膜厚の窒化物半導体層を積層してなる。単一の膜厚が１００オングストローム以下であるとｎ型クラッド層が超格子構造となり、Ａｌを含有しているにもかかわらず、クラックの発生を防止でき結晶性を良好にすることができる。また、ｎ型クラッド層４の総膜厚としては、０．７〜２μｍである。
またｎ型クラッド層の全体のＡｌの平均組成は、０．０５〜０．１である。Ａｌの平均組成がこの範囲であると、クラックを発生させない程度の組成比で、且つ充分にレーザ導波路との屈折率の差を得るのに好ましい組成比である。
【００６０】
（ｎ型ガイド層）
次に、ｎ型ガイド層５をｎ型クラッド層４上に成長させる。ｎ型ガイド層５としては、アンドープのＧａＮからなる窒化物半導体を成長させる。ｎ型ガイド層５の膜厚としては、０．２〜０．０７μｍであるとしきい値が低下し好ましい。ｎ型ガイド層４をアンドープとすることで、レーザ導波路内の伝搬損失が減少し、しきい値が低くなり好ましい。
【００６１】
（活性層６）
次に、活性層６をｎ型ガイド層５上に成長させる。活性層６としては、上記に記載の障壁層の膜厚や、井戸層の膜厚と障壁層の膜厚が特定された量子井戸構造の活性層である。
【００６２】
（ｐ型電子閉じ込め層６）
次に、ｐ型電子閉じ込め層７を活性層６上に成長させる。ｐ型電子閉じ込め層７としては、ＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層以上を成長させてなるものである。好ましくはｄが０．１〜０．５のＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮである。ｐ型電子閉じ込め層７の膜厚は、１０〜１０００オングストローム、好ましくは５０〜２００オングストロームである。膜厚が上記範囲であると、活性層６内の電子を良好に閉じ込めることができ、且つバルク抵抗も低く抑えることができ好ましい。
またｐ型電子閉じ込め層７のＭｇのドープ量は、１×１０19／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3である。ドープ量がこの範囲であると、バルク抵抗を低下させることに加えて、後述のアンドープで成長させるｐ型ガイド層へＭｇが良好に拡散され、薄膜層であるｐ型ガイド層８にＭｇを１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3の範囲で含有させることができる。
またｐ型電子閉じ込め層７は、低温、例えば８５０〜９５０℃程度の活性層を成長させる温度と同様の温度で成長させると活性層の分解を防止することができ好ましい。
またｐ型電子閉じ込め層７は、低温成長の層と、高温、例えば活性層の成長温度より１００℃程度の高温度で成長させる層との２層から構成されていてもよい。このように、２層で構成されていると、低温成長の層が活性層の分解を防止し、高温成長の層がバルク抵抗を低下させるので、全体的に良好となる。
またｐ型電子閉じ込め層７が２層から構成される場合の各層の膜厚は、特に限定されないが、低温成長層は１０〜５０オングストローム、高温成長層は５０〜１５０オングストロームが好ましい。
【００６３】
（ｐ型ガイド層８）
次に、ｐ型ガイド層８をｐ型電子閉じ込め層７上に成長させる。ｐ型ガイド層８としては、アンドープのＧａＮからなる窒化物半導体層として成長させてなるものである。膜厚は０．２〜０．０７μｍであり、この範囲であるとしきい値が低くなり好ましい。また上記したように、ｐ型ガイド層はアンドープ層として成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層７にドープされているＭｇが拡散して、１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3の範囲でＭｇが含有される。
【００６４】
（ｐ型クラッド層９）
次に、ｐ型クラッド層９をｐ型ガイド層８に成長させる。ｐ型クラッド層としては、ＡｌfＧａ1-fＮ（０＜ｆ≦１）を含んでなる窒化物半導体層、好ましくはＡｌfＧａ1-fＮ（０．０５≦ｆ≦０．１５）を含んでなる窒化物半導体層を有する多層膜の層として形成される。多層膜とは、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造であり、例えば、ＡｌfＧａ1-fＮ層と、ＡｌfＧａ1-fＮと組成の異なる窒化物半導体、例えばＡｌの混晶比の異なるもの、Ｉｎを含んでなる３元混晶のもの、又はＧａＮ等からなる層とを組み合わせて積層してなるものである。この中で好ましい組み合わせとしては、ＡｌfＧａ1-fＮとＧａＮとを積層してなる多層膜とすると、同一温度で結晶性の良い窒化物半導体層が積層でき好ましい。より好ましい多層膜としは、アンドープのＡｌfＧａ1-fＮとｐ型不純物（例えばＭｇ）ドープのＧａＮとを積層してなる組み合わせである。ｐ型不純物は、ＡｌfＧａ1-fＮにドープされてもよい。ｐ型不純物のドープ量は、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3である。ｐ型不純物がこの範囲でドープされていると結晶性を損なわない程度のドープ量で且つバルク抵抗が低くなり好ましい。
このような多層膜は、単一層の膜厚が１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは４０オングストローム以下、好ましくは１０オングストローム以上の膜厚の窒化物半導体層を積層してなる。単一の膜厚が１００オングストローム以下であるとｎ型クラッド層が超格子構造となり、Ａｌを含有しているにもかかわらず、クラックの発生を防止でき結晶性を良好にすることができる。
ｐ型クラッド層９の総膜厚としては、０．３５〜０．５μｍであり、この範囲であると順方向電圧（Ｖｆ）を低減するために好ましい。
またｐ型クラッド層の全体のＡｌの平均組成は、０．０５〜０．１である。この値は、クラックの発生を抑制し且つレーザ導波路との屈折率差を得るのに好ましい。
【００６５】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、ｐ型コンタクト層１０をｐ型クラッド層９上に成長させる。ｐ型コンタクト層としては、ＭｇドープのＧａＮからなる窒化物半導体層を成長させてなるものである。膜厚は１０〜２００オングストロームである。Ｍｇのドープ量は１×１０19／ｃｍ3〜１×１０22／ｃｍ3である。このよう膜厚とＭｇのドープ量を調整することにより、ｐ型コンタクト層のキャリア濃度が上昇し、ｐ電極とのオーミックがとりやすくなる。
【００６６】
本発明の素子において、リッジ形状のストライプは、ｐ型コンタクト層からエッチングされてｐ型コンタクト層よりも下側（基板側）までエッチングされることにより形成される。例えば図１に示すようなｐ型コンタクト層１０からｐ型クラッド層９の途中までエッチングしてなるストライプ、ｐ型コンタクト層１０からｐ型ガイド層８までエッチングしてなるストライプ、又はｐ型コンタクト層１０からｎ型コンタクト層２までエッチングしてなるストライプなどが挙げられる。
【００６７】
エッチングして形成されたリッジ形状のストライプの側面やその側面に連続した窒化物半導体層の平面に、例えば図１に示すように、レーザ導波路領域の屈折率より小さい値を有する絶縁膜が形成されている。ストライプの側面等に形成される絶縁膜としては、例えば、屈折率が約１．６〜２．３付近の値を有する、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物や、ＢＮ、ＡｌＮ等が挙げられ、好ましくは、Ｚｒ及びＨｆの酸化物のいずれか１種以上の元素や、ＢＮである。
さらにこの絶縁膜を介してストライプの最上層にあるｐ型コンタクト層１０の表面にｐ電極が形成される。
エッチングして形成されるリッジ形状のストライプの幅としては、０．５〜４μｍ、好ましくは１〜３μｍである。ストライプの幅がこの範囲であると、水平横モードが単一モードになり易く好ましい。
また、エッチングがｐ型クラッド層９とレーザ導波路領域との界面よりも基板側にかけてなされていると、アスペクト比を１に近づけるのに好ましい。
以上のように、リッジ形状のストライプのエッチング量や、ストライプ幅、さらにストライプの側面の絶縁膜の屈折率などを特定すると、単一モードのレーザ光が得られ、さらにアスペクト比を円形に近づけられ、レーザビームやレンズ設計が容易となり好ましい。
また、リッジ形状のストライプを形成する際、素子構造を形成するための基板がＥＬＯＧ基板である場合、ＥＬＯＧ成長が保護膜を用いて行う場合は保護膜の上方部に、ＥＬＯＧ成長が凹凸を設けて行う場合は凹部上方部に、リッジ形状のストライプが形成されることが素子の信頼性の向上の点で好ましい。また、保護膜の中心部、凹部の中心部のそれぞれの上部を避けることが信頼性の点で好ましい。
また本発明の素子において、ｐ電極やｎ電極等は従来公知の種々のものを適宜選択して用いることができる。
【００６８】
以上のような不純物濃度、膜厚、組成などを調整された各素子構造、幅の狭いリッジ形状のストライプなどを組み合わせると、しきい値電流密度の低下と寿命特性の向上の点で好ましい。
【００６９】
【実施例】
以下に本発明の一実施の形態である実施例を示す。しかし本発明はこれに限定されない。
また、本実施例はＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）について示すものであるが、本発明の方法は、ＭＯＶＰＥ法に限るものではなく、例えばＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
また、発明の詳細な説明に記載したように、Ｉｎ組成比の理論値の計算式の値と、量子井戸構造をとる量子準位の形成による短波長へのシフトなどによる実際の発振波長とは異なるために、実施例の活性層のＩｎ組成比は近似的な値である。
【００７０】
［実施例１］
実施例１として、図１に示される本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を製造する。
【００７１】
異種基板４１として、図４に示すようにステップ状にオフアングルされたＣ面を主面とし、オフアングル角θ＝０．１５°、ステップ段差およそ２０オングストローム、テラス幅Ｗおよそ８００オングストロームであり、オリフラ面をＡ面とし、ステップがＡ面に垂直であるサファイア基板を用意する。
このサファイア基板を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上にＧａＮよりなる低温成長のバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮからなる第１の窒化物半導体層を２μｍの膜厚で成長させる。
次に、第１の窒化物半導体層を積層したウェーハ上にストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅（凸部の上部になる部分）５μｍ、ストライプ間隔（凹部底部となる部分）１０μｍにパターニングされたＳｉＯ2膜を形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分の第１の窒化物半導体層をサファイアが露出しさらに１２００オングストロームの深さに削れるまでエッチングして凹凸を形成することにより、凹部側面に第１の窒化物半導体層を露出させる。凹凸を形成後に、凸部上部のＳｉＯ2膜を除去する。なおストライプ方向は、図５に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
次に、反応容器にセットし、常圧で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させ窒化物半導体基板１とする。凹部上方部の表面には転位がほとんど見られなくなる。
得られた窒化物半導体を窒化物半導体基板１として以下の素子構造を積層成長させる。
【００７２】
（アンドープｎ型コンタクト層）［図１には図示されていない］
窒化物半導体基板１上に、１０５０℃で原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用いアンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層を１μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型コンタクト層２）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアガスを用い、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層２を３μｍの膜厚で成長させる。
成長されたｎ型コンタクト層２には、微細なクラックが発生しておらず、微細なクラックの発生が良好に防止されている。また、窒化物半導体基板１に微細なクラックが生じていても、ｎ型コンタクト層２を成長させることで微細なクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長さることができる。結晶性の改善は、ｎ型コンタクト層２のみの場合より、上記のようにアンドープｎ型コンタクト層を成長させることによりより良好となる。
【００７３】
（クラック防止層３）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びアンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなるクラック防止層３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
（ｎ型クラッド層４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.14Ｇａ0.86ＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００７５】
（ｎ型ガイド層５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型ガイド層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７６】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４５オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚７３５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
【００７７】
（ｐ型電子閉じ込め層７）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７８】
（ｐ型ガイド層８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型ガイド層８を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
このｐ型ガイド層８は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。
【００７９】
（ｐ型クラッド層９）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9ＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚５０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層９を成長させる。
【００８０】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８１】
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図６に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層２の表面を露出させる。
次に図６（ａ）に示すように、最上層のｐ側コンタクト層１０のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、ストライプ幅１．８μｍ、厚さ１μｍで形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように第３の保護膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4ガスを用い、第３の保護膜６３をマスクとして、前記第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、図６（ｃ）に示すようにｐ側コンタクト層１０の上にストライプ幅１．８μｍの第１の保護膜６１が形成できる。
【００８２】
さらに、図６（ｄ）に示すように、ストライプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１０、ｐ側クラッド層９、及びｐ側ガイド層８をエッチングして、ストライプ幅１．８μｍのリッジ形状のストライプを形成する。但し、リッジ形状のストライプは、図１に示すように、ＥＬＯＧ成長を行う際に形成した凹部の上部で且つ凹部の中心部分を避けるように形成される。
リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶＤ装置に移送し、図６（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第２の保護膜６２を、第１の保護膜６１の上と、エッチングにより露出されたｐ側クラッド層９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。このようにＺｒ酸化物を形成すると、ｐ−ｎ面の絶縁をとるためと、横モードの安定を図ることができ好ましい。
次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図６（ｆ）に示すように、第１の保護膜６１をリフトオフ法により除去する。
【００８３】
次に図６（ｇ）に示すように、ｐ側コンタクト層１０の上の第１の保護膜６１が除去されて露出したそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのストライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜６２の上に渡って形成する。
第２の保護膜６２形成後、図１に示されるように露出させたｎ側コンタクト層２の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をストライプと平行な方向で形成する。
【００８４】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面（１１−００面、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図１に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は３００〜５００μｍとすることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。
その結果、得られたレーザ素子は、６０℃、しきい値電流密度２．２ｋＡ／ｃｍ2、出力３０ｍＷ、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、３０００時間以上の寿命を示す。
【００８５】
［実施例２］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４５オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚６９０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好な寿命特性を有する。
【００８６】
［実施例３］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚２１５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は実施例１とほぼ同等に良好な結果である。
【００８７】
［実施例４］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚９５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好であるが、実施例１と比較すると、しきい値電流密度及び電圧が共に低下し、寿命特性がより良好となる傾向がある。
【００８８】
［実施例５］
実施例４において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を３００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚１３５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例４とほぼ同等に良好である。
【００８９】
［実施例６］
実施例４において、活性層６の井戸層の全積層数が６層となるように、障壁層と井戸層の積層数を調整し活性層の膜厚を変える他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られたレーザ素子は、実施例４に比べてややしきい値電流密度が上昇する傾向があるが、実施例４とほぼ同様に良好な寿命特性を有する。
【００９０】
［実施例７］
実施例４において、活性層の井戸層の全積層数が７層となるように、障壁層と井戸層の積層数を調整し活性層の膜厚を変える他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。 得られたレーザ素子は、実施例４に比べてしきい値電流密度が上昇する傾向があり、実施例４に比べてやや寿命特性が低下する傾向があるが、従来の素子比べれば寿命特性が向上する。
【００９１】
［実施例８］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を６００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を６０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚２５８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好であるが、実施例１と比較すると、ややしきい値電流密度が上昇し、寿命特性がやや低下する傾向がある。
【００９２】
［実施例９］
実施例１において、活性層６を下記のように、発振波長を４３０ｎｍとなるようにＩｎ組成比を調整し、井戸層の積層数を調整する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５３０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
得られたレーザ素子は、実施例１と同様の条件でレーザ発振させたところ、従来の長波長レーザ素子に比べて、しきい値電流密度及び電圧が低くなり、寿命特性が良好となる。
【００９３】
［比較例１］
実施例４において、活性層６を下記のように障壁層の膜厚を１００オングストロームより薄い膜厚に変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を９０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚４５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、しきい値電流密度は実施例４とほぼ同等程度であるが、寿命特性がかなり低下し、約１／３程度の寿命しか示さない。
【００９４】
［比較例２］
実施例４において、活性層６を下記のように井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を２．５倍の膜厚に変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５２０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、しきい値電流密度は実施例４とほぼ同等程度であるが、寿命特性がかなり低下し、約１／３程度の寿命しか示さない。
【００９５】
［比較例３］
実施例４において、活性層６を下記のように井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を１１倍の膜厚に変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を４９５オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４５オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚２１１５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、しきい値電流密度が実施例４に比べてかなり上昇し、寿命特性が低下する。
【００９６】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、障壁層の膜厚、且つ井戸層と障壁層の膜厚の関係を特定することにより、素子の劣化を防止して寿命特性が良好となる窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明で用いることのできるＥＬＯＧ成長の一実施の形態の各工程の構造を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、サファイアの面方位を示すユニットセル図である。
【図４】図４は、オフアングルした異種基板の部分的な形状を示す模式的断面図である。
【図５】図５は、凹凸のストライプ方向を説明するための基板主面側の平面図である。
【図６】図６は、リッジ形状のストライプを形成する一実施の形態である方法の各工程におけるウエハの部分的な構造を示す模式的断面図である。
【図７】図７は、ＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）と、量子準位の形成による発振波長のエネルギー（Ｅλ）とを示した模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・窒化物半導体基板
２・・・ｎ型コンタクト層
３・・・クラック防止層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・ｎ型ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ型電子閉じ込め層
８・・・ｐ型ガイド層
９・・・ｐ型クラッド層
１０・・・ｐ型コンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、又は太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体レーザ素子に関し、特に寿命特性が良好となる窒化物半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体からなるレーザ素子は、波長４００ｎｍ付近の青色レーザ素子として実用可能なレベルまで研究が進んでいる。
例えば、本発明者等を含む研究者等は、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.37(1998)pp.L1020-L1022に、ＥＬＯＧ（Epitaxially laterally overgrown GaN）を基板とし、この基板上に素子構造を形成し、約４００ｎｍの波長の光を、５０℃の環境温度の条件下、５ｍＷの出力で約１６０時間連続発振させることが可能な窒化物半導体レーザ素子を発表している。この技術は、井戸層の全積層数を２以下とすることにより、しきい値電流密度を低くすることができ、素子の発熱を抑えることで寿命特性を上記のように良好としている。
また、レーザディスプレイやカラーコピー等への用途のある発振波長が４２０ｎｍ以上のレーザ素子の研究も行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の４００ｎｍ付近の青色レーザ素子は、低しきい値電流密度とすることで寿命特性がかなり向上しているものの、製品に応用して用いる場合、寿命特性をさらに向上させて素子の信頼性を高めることが望まれる。
また、発振波長が４２０ｎｍ以上の場合には、４００ｎｍ付近の発振波長のレーザ素子に比べて、寿命特性がかなり低下する。この理由は、定かではないが、例えば、井戸層のＩｎ組成比を大きくすることにより、結晶性が低下する傾向があり、この結晶性の低下が素子の劣化を生じ易くさせているために、寿命特性が低下するのではないかと思われる。
【０００４】
以上のように従来技術では、素子の寿命特性を向上させるために、しきい値電流密度を低下させて素子に発生する熱を抑制し、劣化を防止することが行われているが、寿命特性のさらなる向上のためには、素子の劣化をより防止することが望まれる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、素子の劣化を防止して寿命特性が良好となる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記（１）〜（６）の構成とすることにより、本発明の目的を達成することができる。
（１） 基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体、障壁層とＩｎを含んでなる井戸層とを有する量子井戸構造の活性層、及びｐ型窒化物半導体を順に積層してなる窒化物半導体レーザ素子において、前記活性層が、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ井戸層の膜厚に対する障壁層の膜厚の比が［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］である量子井戸構造であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
（２） 前記活性層が、井戸層の全積層数が６以下の量子井戸構造であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（３） 前記活性層が、井戸層の全積層数が２〜４の量子井戸構造であることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（４） 前記活性層が、障壁層の膜厚が１００〜５００オングストロームである量子井戸構造であることを特徴とする前記（１）〜（３）に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（５） 前記活性層が、発振波長が４２０ｎｍ以上となるようにＩｎ組成比を調整されてなることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
（６） 前記窒化物半導体レーザ素子が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板又は窒化物半導体基板上に、窒化物半導体の横方向の成長を利用して成長させてなる窒化物半導体上に成長されてなることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【０００７】
つまり、本発明は、上記の如く、活性層を、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上、且つ井戸層と障壁層の膜厚の比が［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］と、膜厚を特定してなる量子井戸構造とすることにより、素子の劣化が防止され、寿命特性が向上する窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【０００８】
従来技術である前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．には、しきい値電流密度を低下させることで、素子の動作による発熱を抑制し素子の劣化を防止して寿命特性の向上を行っている。しかし、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の技術では、素子の十分な信頼性を得るためには、寿命特性が十分満足できるものではない。
【０００９】
これに対して、本発明者等は、素子の劣化の原因について種々検討した結果、Ｉｎ組成不均一が素子の劣化に影響を及ぼしているのではないかと考えた。つまり、Ｉｎを含んでなる井戸層では、Ｉｎ組成不均一によるＩｎの多い領域と、Ｉｎの少ない領域が形成されている。Ｉｎの多い領域は、バンドギャップエネルギーがＩｎの少ない領域よりも小さくなっており、電流が集中し易くなっている。そのため、電流が井戸層中を均一に流れない。この局所的な電流の流れが、素子全体の劣化をも促進しているのではないかと考えた。
そして、この考察をもとに、本発明者等は、素子の発熱を防止する点からしきい値電流密度をできるだけ低く抑えると共に、従来はあまり考慮されていなかった局所的な電流の流れによる素子の劣化を防止することを検討した。
その結果、本発明は、活性層を、障壁層の膜厚を１００オングストローム以上、且つ井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を３〜１０倍として成長させることにより、予想以上に良好な寿命特性の向上を達成させることができる。
【００１０】
この理由は定かではないが、以下のことが考えられる。
本発明において、障壁層の膜厚を１００オングストローム以上とすると、障壁層の結晶性が良好となる傾向があり、障壁層の結晶性が良好となれば障壁層上に成長される井戸層の結晶性も良好となり好ましい。更にまた、井戸層中のＩｎ組成不均一により局所的に電流が流れても、厚膜の障壁層により電流の流れが拡散され電流が均一に流れるようになり、劣化及び劣化によるショートを防止しているのではないかと考えられる。
更に本発明において、井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を３〜１０倍の膜厚にすることにより、Ｉｎ組成不均一により局所的に流れる電流に対して、障壁層で電流を均一に拡散し、電流が均一に活性層を流れるようになり素子の劣化を抑制していると考えられる。
【００１１】
ちなみに、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の素子構造において、井戸層の積層数を２とし、障壁層の膜厚、及び井戸層の膜厚と障壁層の膜厚の関係を上記本発明の構成とする他は同様にして素子を作製すると、しきい値電流密度がやや上昇する傾向が見られる。しかし、実際に寿命特性の試験を行うと、Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の素子の寿命特性より良好となる。このことからも、上記本発明の各構成が相乗的に作用し、予想外の顕著な効果が得られるものと考えられる。
【００１２】
更に本発明において、井戸層の全積層数を６以下とすると、しきい値電流密度を低く抑えられ、発熱による素子の劣化を防止する点から好ましい。更にまた、井戸層の結晶性及び低電圧の点からも好ましい。
更に本発明において、活性層が、井戸層の全積層数が２〜４の量子井戸構造であると、しきい値電流密度がより低くなり、寿命特性の向上の点で好ましい。
更にまた、本発明は、活性層が、障壁層の膜厚が１００〜５００オングストロームである量子井戸構造であると、しきい値電流密度を低く抑えながら、局所的な電流の流れによると思われる素子の劣化を良好に防止でき、寿命特性の向上の点で好ましい。
更にまた、本発明は、活性層が、発振波長が４２０ｎｍ以上となるようにＩｎ組成比を調整されてなると、井戸層でのＩｎ組成不均一が、発振波長が４２０ｎｍ未満の場合より大きくなり、局所的な電流の流れが大きくなり劣化がより促進される傾向があるが、上記のように、障壁層の膜厚と、及び井戸層と障壁層の膜厚の関係を上記のように特定すると、劣化を良好に防止でき、寿命特性の向上の点で好ましい。そして、従来の長波長の素子に比べて、より良好に寿命特性が向上する傾向がある。
【００１３】
また更に、本発明において、窒化物半導体レーザ素子が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板又は窒化物半導体基板上に、窒化物半導体の横方向の成長を利用して成長させてなる窒化物半導体（以下ＥＬＯＧ成長によるＥＬＯＧ基板、又は単にＥＬＯＧ基板とする）上に成長されてなると、転位の低減された窒化物半導体を基板とするので、井戸層及び障壁層の結晶性を良好にする点で好ましく、更に活性層以外のその他の素子構造も転位が少なく結晶性が良好となり、寿命特性の向上の点で好ましい。特に、発振波長が４２０ｎｍ以上の場合には、井戸層のＩｎ組成比が大きくなるので、Ｉｎ組成比の大きな井戸層の結晶性を良好にすることができ、素子の劣化を防止し寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１４】
また、以下に、本発明の好ましいその他の形態について記載する。
本発明において、ＥＬＯＧ基板が用いられ、ＥＬＯＧ基板上に成長させるｎ型コンタクト層が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１、好ましくは０．０１≦ａ≦０．０５）からなると、ｎ型コンタクト層と熱膨張係数が異なる傾向があるＥＬＯＧ基板上に、ｎ型コンタクト層を形成しても内部の微細なクラックの発生が防止でき、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。ｎ型コンタクト層上には、レーザ素子の種々の機能を有する複数の層を成長させるため、ｎ型コンタクト層の結晶性が良好であればあるほど、結晶性の良好な素子を作製することができ、素子特性の向上を達成することができる。
また、本発明において、ＥＬＯＧ基板を成長させるための、異種基板が、サファイアのＣ面がステップ状にオフアングルされているものであると、転位の低減及び良好な面状態を得る点で好ましく、このようなＥＬＯＧ基板上に成長される素子構造も良好となり、本発明の効果を得る点で好ましい。更に、ステップ状にオフアングルされているサファイア基板のオフアングル角が、０．１°〜０．３°であるとＥＬＯＧ基板を良好に成長させることができ、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の窒化物半導体レーザ素子について更に詳細に説明する。
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体、障壁層とＩｎを含んでなる井戸層とを有する量子井戸構造の活性層、及びｐ型窒化物半導体を順に積層してなる窒化物半導体レーザ素子であって、活性層が、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］が［１：３〜１０］である量子井戸構造であれば特に限定されない。
以下に本発明のレーザ素子を構成する活性層について更に詳細に説明する。
【００１６】
（活性層）
本発明において、活性層としては、少なくともＩｎを含んでなる井戸層と、井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい障壁層からなる量子井戸構造を有している。さらに活性層の量子井戸構造は、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ井戸層と障壁層の膜厚の比が、［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝１：３〜１０、好ましくは１：４〜７であり、このような膜厚の関係を有している。上記のように井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚が３〜１０倍であると、井戸層でのＩｎ組成不均一により局所的に流れる電流に対して、障壁層で電流を均一に拡散し、電流が均一に活性層を流れるようになり素子の劣化を抑制する点で好ましい。
【００１７】
活性層の井戸層としては、少なくともＩｎを含んでなるＩｎbＧａ1-bＮ（０≦ｂ＜１）で示される窒化物半導体が挙げられる。
活性層の量子井戸構造を形成する井戸層の全積層数としては、６以下、好ましくは２〜４であり、積層数が前記範囲であると、しきい値電流密度を低くでき、さらに井戸層の結晶性の点から好ましい。
井戸層の膜厚としては、特に限定されないが、少なくとも障壁層の膜厚との関係が上記したように、［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］となるような膜厚で、量子サイズ効果の得られる膜厚が好ましく、例えば好ましい具体的な膜厚としては、６０オングストローム以下、好ましくは５０オングストローム以下である。また井戸層の膜厚の下限値は、特に限定されないが、１０オングストローム程度である。そして、このような膜厚の範囲内で、障壁層との膜厚を調整させる。
また、井戸層は、アンドープでも、不純物をドープされていてもよいが、好ましくは結晶性を損なわない点で、アンドープ、または不純物をドープする場合でも不純物（例えばＳｉなど）を１×１０18／ｃｍ2以下含有されてなるものが好ましい。井戸層の結晶性が良好であれば、しきい値電流密度の低下や寿命特性の向上の点で好ましい。
【００１８】
また、活性層の障壁層としては、特に限定されないが、少なくとも井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成のものが挙げられ、例えば具体的には、ＩｎbＧａ1-bＮ（０≦ｂ＜０．１）で示される窒化物半導体が挙げられる。
障壁層の膜厚としては、１００オングストローム以上であって、且つ井戸層の膜厚に対する障壁層の膜厚の比が、［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］の関係を有する膜厚を有し、好ましくは１００〜５００オングストロームである。このような膜厚であると、井戸層のＩｎ組成不均一による局所的な電流の流れによる素子の劣化の防止及びショートの防止の点で好ましい。また、障壁層の膜厚の上限が５００オングストローム以下であると、しきい値電流密度を低く抑える点で好ましい。
障壁層は、アンドープでも、不純物をドープされていてもよいが、好ましくはバルク抵抗や順方向電圧の点から、不純物（例えばＳｉなど）を５×１０18／ｃｍ2〜１×１０20／ｃｍ2、好ましくは７×１０18／ｃｍ2〜５×１０19／ｃｍ2含有されてなるものが好ましい。
【００１９】
活性層の井戸層の積層数が、例えば６の場合、少なくとも井戸層が６層積層されていればよく、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、また井戸層から始まり井戸層で終わってもよい。好ましくは障壁層で始まり障壁層で終わると、しきい値電流密度を低下させ寿命特性を向上させるのに好ましい。
また、活性層が井戸層の積層数が１である単一量子井戸構造の場合は、障壁層は井戸層を挟むように形成されるのが好ましい。単一量子井戸構造の場合、障壁層が形成されていると、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。
また、発振波長が４２０ｎｍ以上の場合は、井戸層の積層数は、３以下、好ましくは２であると、しきい値電流密度を低下させる点で好ましい。
【００２０】
活性層の井戸層のＩｎ組成比の調整としては、所望する発振波長となるようにＩｎ組成比を調整してあればよく、具体的な値としては、例えば下記の理論値の計算式から求められる値を近似的な値として挙げることができる。しかし、実際にレーザ素子を動作させて得られる発振波長は、量子井戸構造をとる量子準位が形成されるため、発振波長のエネルギー（Ｅλ）がＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）よりも図７のように大きくなり、計算式などから求められる発振波長より、短波長側へシフトする傾向がある。
【００２１】
［理論値の計算式］
Ｅｇ＝（１−χ）３．４０＋１．９５χ−Ｂχ（１−χ）
波長（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ
Ｅｇ：ＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギー
χ：Ｉｎの組成比
３．４０（ｅＶ）：ＧａＮのバンドギャップエネルギー
１．９５（ｅＶ）：ＩｎＮのバンドギャップエネルギー
Ｂ：ボーイングパラメーターを示し、１〜６ｅＶとする。このようにボーイングパラメータが変動するのは、最近の研究では、ＳＩＭＳ分析などから、従来は結晶に歪みがないと仮定して１ｅＶとされていたが、Ｉｎ組成比の割合や膜厚が薄い場合等により歪みの生じる程度が異なり、１ｅＶ以上となることが明らかとなってきているためである。
【００２２】
上記のように井戸層のＳＩＭＳ分析などから求められる具体的なＩｎ組成比から考えられる発振波長と、実際に発振させたときの発振波長とには、やや相違があるものの、実際の発振波長が所望する波長となるように調整される。
【００２３】
以下に上記のような本発明の活性層を有する素子のその他の素子構造について説明する。
その他の素子構造としては、特に限定されず、例えば具体的なレーザ素子の一実施の形態としては、図１に示す素子構造のレーザ素子を挙げることができる。レーザ素子が、図１に示す素子構造と、上記の本発明の活性層とを組み合わせると、しきい値電流密度の低下及び寿命特性の向上の点で好ましい。しかし、本発明はこれに限定されない。
【００２４】
図１に示される本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図について以下に説明する。
図１には、サファイア等の異種基板上にＥＬＯＧ成長させた窒化物半導体基板１上に、ｎ型不純物（例えばＳｉ）をドープしてなるＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）よりなるｎ型コンタクト層２、ＳｉドープのＩｎgＧａ1-gＮ（０．０５≦ｇ≦０．２）よりなるクラック防止層３、ＡｌeＧａ1-eＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）を含んでなる多層膜のｎ型クラッド層４、アンドープのＧａＮからなるｎ型ガイド層５、障壁層の膜厚及び井戸層と障壁層の膜厚の関係が上記のような量子井戸構造の活性層６、ＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層以上のｐ型電子閉じ込め層７、アンドープのＧａＮからなるｐ型ガイド層８、ＡｌfＧａ1-fＮ（０＜ｆ≦１）を含んでなる多層膜のｐ型クラッド層９、ＭｇドープのＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０からなるリッジ形状のストライプを有する窒化物半導体レーザ素子が示されている。
また、ｐ電極は、リッジ形状のストライプの最上層に形成され、ｎ電極はｎ型コンタクト層上に形成される。
以下に、基板や各層等について更に詳細に説明する。
【００２５】
（ＥＬＯＧ成長）
まず、ＥＬＯＧ成長について以下に説明する。
本発明において、用いることのできるＥＬＯＧ成長としては、窒化物半導体の縦方向の成長を少なくとも部分的に一時的止めて、横方向の成長を利用して転位を抑制することのできる成長方法であれば特に限定されない。
【００２６】
例えば具体例としては、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、窒化物半導体が成長しないかまたは成長しにくい材料からなる保護膜を部分的に形成し、その上から窒化物半導体を成長させることにより、保護膜が形成されていない部分から窒化物半導体が成長し、成長を続けることにより保護膜上に向かって横方向に成長することにより厚膜の窒化物半導体（ＥＬＯＧ基板）が得られる成長方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１０−２７５８２６号、特願平１０−１１９３７７号、特願平１０−１４６４３１号、特願平１１−３７８２６号、各明細書に記載の方法が挙げられる。
【００２７】
また、その他の具体例としては、保護膜を用いない方法であり、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に成長させた窒化物半導体上に、凹凸を形成し、この上から再び窒化物半導体を成長させてなる窒化物半導体（ＥＬＯＧ基板）が得られる成長方法が挙げられる。また、保護膜を用いず、窒化物半導体の表面を部分的に改質して窒化物半導体の横方向の成長を意図的に行わせる方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１１−３７８２２７号、特願平１１−１６８０７９号、特願平１１−１４２４００号、各明細書に記載の方法が挙げられる。
【００２８】
また更に、上記のようなＥＬＯＧ成長等により得られた窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体上に、上記に示したような保護膜を用いて行う又は凹凸を形成する等のＥＬＯＧ成長を繰り返して転位を良好に低減される窒化物半導体を得る成長方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１１−８０２８８号明細書に記載の方法が挙げられる。
【００２９】
上記したＥＬＯＧ成長として好ましくは保護膜を用いないで成長させる方法、及び窒化物半導体上にＥＬＯＧ成長させる方法である。このような方法で行うと転位の低減の点で好ましく、さらには転位の低減されたＥＬＯＧ基板上に素子構造を形成すると、しきい値電流密度の低減及び寿命特性の向上の点で好ましい。
上記に挙げたＥＬＯＧ成長方法についての詳細は、上記列記した各号明細書の記載の通りであるが、好ましい一例を以下に示す。しかし、本発明はこれに限定されない。
【００３０】
以下に、本発明に用いることのできる好ましいＥＬＯＧ成長の一実施の形態を図２を用いて説明する。
図２（ａ−１〜ａ−４）は、窒化物半導体の成長方法の一実施の形態を段階的に示した模式図である。
まず、図２（ａ−１）の第１の工程において、異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させ、図２（ａ−２）の第２の工程において、第１の窒化物半導体４２に凹凸を形成し、続いて図２（ａ−３）の第３の工程において、凹凸の形成された第１の窒化物半導体４２上に、常圧以上の圧力条件下で、第２の窒化物半導体４３を成長させる。
【００３１】
以下に上記各工程ごとに図２を用いて更に詳細に説明する。
（第１の工程）
図２（ａ−１）は異種基板４１上に、第１の窒化物半導体４２を成長させる第１の工程を行った模式的段面図である。
この第１の工程において、用いることのできる異種基板４１としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。
異種基板としてサファイアを用いる場合、サファイアの主面をどの面にするかにより、凹凸を形成した時の凸部上部と凹部側面の窒化物半導体の面方位が特定される傾向があり、その面方位によって、窒化物半導体の成長速度がやや異なることから、凹部側面に成長し易い面方位がくるように主面を選択してもよい。
【００３２】
また、第１の工程において、異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させる前に、異種基板４１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１０オングストロームで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板４１と第１の窒化物半導体４２との格子定数不正を緩和し、第１の窒化物半導体４２の結晶欠陥が少なくなる傾向にある。
【００３３】
第１の工程において、異種基板４１上に形成される第１の窒化物半導体４２としては、アンドープ（不純物をドープしない状態、undope）のＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。
第１の窒化物半導体４２は、高温、具体的には約９００℃より高温〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で異種基板４１上に成長される。このような温度で成長させると、第１の窒化物半導体４２は単結晶となる。第１の窒化物半導体４２の膜厚は特に限定しないが、凹部内部での縦方向の成長を抑えて、横方向の成長が促進できるように、凹凸の形状を調整することが可能な膜厚であることが好ましく、少なくとも５００オングストローム以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上の膜厚で形成する。
【００３４】
（第２の工程）
次に、図２（ａ−２）は異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させた後、第１の窒化物半導体４２に部分的に凹凸を形成して、凹部側面に第１の窒化物半導体４２を露出させてなる模式的断面図である。
【００３５】
第２の工程において、部分的に凹凸を形成するとは、少なくとも凹部側面に第１の窒化物半導体４２が露出されるように、第１の窒化物半導体４２の表面から異種基板４１方向に窪みを形成してあればよく、第１の窒化物半導体４２にいずれの形状で凹凸を設けてもよく、例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤目状、ドット状に形成できる。好ましい形状としては、ストライプ状であり、この形状とすると、異常成長が少なく、より平坦に埋まり好ましい。
第１の窒化物半導体４２に部分的に設けられた凹凸は、第１の窒化物半導体４２の途中まで、異種基板に達する深さまで、又は異種基板をエッチングして５００〜２０００オングストロームの深さまで、の形状で形成され、好ましくは異種基板が露出する程度、又は異種基板を上記のような深さに削る程度の深さが好ましく、より好ましくは異種基板を上記の深さで削る程度の深さである。凹部底部に異種基板が露出されていると、凹部底部からの成長が抑制されやすくなり、凹部開口部から厚膜に成長する第２の窒化物半導体４３の転位を低減し易くなり好ましい。異種基板を上記のような深さに削ってあると、凹部上部の転位の低減と、転位のほとんどない部分と転位のある部分を再現性よく明確に区別できるなど結晶面が良好となり、転位のない凹部上部へのリッジ形状の形成の点で好ましく、量産する場合などに好ましい。
【００３６】
凹凸の形状は、凹部側面の長さや、凸部上部の幅と凹部底部の幅などは、特に限定されないが、少なくとも凹部内での縦方向の成長が抑制され、凹部開口部から厚膜に成長する第２の窒化物半導体４３が凹部側面から横方向に成長したものとなるように調整されていることが好ましい。
凹凸の形状をストライプ状とする場合、ストライプの形状として特に限定されないが、例えばストライプ幅（凸部上部の幅）を１〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍであり、ストライプ間隔（凹部底部の幅）を３〜２０μｍ、好ましくは１０〜１９μｍであるものを形成することができる。このようなストライプ形状を有していると、転位の低減と面状態を良好にする点で好ましい。
凹部開口部から成長する第２の窒化物半導体４３の部分を多くするには、凹部底部の幅を広くし、凸部上部の幅を狭くすることで可能となり、このようにすると転位の低減された部分を多くすることができる。凹部底部の幅を広くした場合には、凹部の深さを深めにすることが、凹部底部から成長する可能性のある縦方向の成長を防止するのに好ましい。
【００３７】
第２の工程で凹凸を設ける方法としては、第１の窒化物半導体４２を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。
エッチングにより、第１の窒化物半導体４２に部分的（選択的）に凹凸を形成する場合は、フォトリソグラフィー技術における種々の形状のマスクパターンを用いて、ストライプ状、碁盤目状等のフォトマスクを作製し、レジストパターンを第１の窒化物半導体２に形成してエッチングすることにより形成できる。フォトマスクは、エッチングして凹凸を形成後に除去される。
また、ダイシングで行う場合は、例えば、ストライプ状や碁盤目状に形成できる。
【００３８】
第２の工程において窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。
また、エッチングによって凹凸を形成する場合、エッチング面（凹部側面）が、図２（ａ−２）に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは階段状になるように形成された形状等がある。好ましくは転位の低減や面状態の良好性などの点から、垂直、逆メサ、順メサであり、より好ましくは垂直である。
【００３９】
（第３の工程）
次に、図２（ａ−３）は、エッチングにより凹凸を有する第１の窒化物半導体４２上に、常圧以上の加圧条件下で、第２の窒化物半導体４３を成長させる第３の工程を行った模式的断面図である。
第２の窒化物半導体４３としては、前記第１の窒化物半導体４２と同様のものを用いることができる。第２の窒化物半導体４３の成長温度は、第１の窒化物半導体４２を成長させる場合と同様であり、このような温度で成長させる第２の窒化物半導体４３は単結晶となる。
また、第２の窒化物半導体４３を成長させる際に、不純物（例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇ等）をドープして成長さる、または窒化物半導体の原料となるＩＩＩ族とＶ族の成分のモル比（ＩＩＩ／Ｖのモル比）を調整して成長させる等により、横方向の成長を縦方向の成長に比べて促進させ転位を低減させる点で好ましく、さらに第２の窒化物半導体４３の表面の面状態を良好にする点で好ましい。
【００４０】
上記の常圧以上の加圧条件とは、常圧（意図的に圧力を加えない状態の圧力）から、装置などを調整し意図的に圧力を加えて加圧条件にした状態で反応を行うことである。具体的な圧力としては、常圧以上の圧力であれば特に限定されないが、好ましくは常圧（ほぼ１気圧）〜２．５気圧であり、好ましい圧力としては、常圧〜１．５気圧である。このような圧力の条件下で第２の窒化物半導体を成長させると、第２の窒化物半導体の表面の面状態を良好にする点で好ましい。
【００４１】
また、第３の工程において、凹部内部では凹部の側面から横方向に成長するものと、凹部底部から縦方向に成長するものとがあると思われるが、成長し続ける過程で、凹部側面から成長した第２の窒化物半導体同士が接合し、凹部底部からの成長を抑制する。その結果、凹部開口部から成長した第２の窒化物半導体には転位がほとんど見られない。凹部底部からの縦方向の成長は、凹部側面からの横方向の成長に比べ、成長速度が遅いと思われる。また、凹部底部の表面が、サファイアなどの異種基板であると、凹部底部からの第２の窒化物半導体の成長が抑制され、凹部側面からの第２の窒化物半導体の成長が良好となり、転位の低減の点で好ましい。
【００４２】
一方、凸部上部から成長した第２の窒化物半導体部分には、凹部開口部から成長するものに比べてやや多めの転位が見られるが、凸部上部に縦方向に成長を始める窒化物半導体も、縦方向に成長する速度よりも、凹部開口部に向かって横方向に成長する傾向があり、凹凸を形成しないで縦方向に成長させた場合に比べれば転位が低減する。また、本発明の第２及び第３の工程を繰り返すことで、凸部上部の転位をなくすことができる。また、凸部上部と凹部内部から成長した第２の窒化物半導体は、成長の過程で接合し、図２（ａ−４）のようになる。
【００４３】
更に、第３の工程において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、圧力を常圧以上の加圧条件に調整することにより、第２の窒化物半導体の表面が異常成長の少ない平坦な良好な面状態となる。
【００４４】
また、本発明において、第２及び第３の工程を繰り返す場合、図２（ｂ−１）に示すように、第１の窒化物半導体に形成した凹部上部に凸部が、第１の窒化物半導体に形成した凸部上部に凹部が、それぞれ位置するように第２の窒化物半導体に部分的に凹凸を形成する。そして凹凸を形成された第２の窒化物半導体上に第３の窒化物半導体４を成長させる。第３の窒化物半導体４は、全体的に転位の少ない窒化物半導体となり好ましい。第３の窒化物半導体としては第２の窒化物半導体と同様のものを成長させる。
また、第２及び第３の工程を繰り返す場合、第２の窒化物半導体の膜厚を、繰り返さない場合に比べて、やや薄く成長させ、第２の窒化物半導体に形成される凹部底部がサファイアなどの異種基板面となるように第２の窒化物半導体をエッチングすると、転位のより少ない面状態の良好な第３の窒化物半導体が得られ好ましい。
【００４５】
また、第２の窒化物半導体４３は、この上に素子構造となる窒化物半導体を成長させるための基板となるが、素子構造を形成するには異種基板を予め除去してから行う場合と、異種基板等を残して行う場合がある。また、素子構造を形成した後で異種基板を除去する場合もある。
異種基板等を除去する場合の第２の窒化物半導体５の膜厚は、５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、好ましくは５００μｍ以下である。この範囲であると異種基板及び保護膜等を研磨除去しても、第２の窒化物半導体４３が割れにくくハンドリングが容易となり好ましい。
【００４６】
また異種基板等を残して行う場合の第２の窒化物半導体４３の膜厚は、特に限定されないが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。この範囲であると異種基板と窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止でき、更に素子基板となる第２の窒化物半導体４５の上に素子構造となる窒化物半導体を良好に成長させることができる。
【００４７】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１の窒化物半導体４２、及び第２の窒化物半導体４３を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００μｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。また膜厚が１００μｍ以下ではＨＶＰＥでは成長速度が速くてコントロールが難しい。
【００４８】
また本発明において、第２の窒化物半導体４３上には、素子構造となる窒化物半導体を形成することができるので、明細書内において第２の窒化物半導体を素子基板又は窒化物半導体基板と言う場合がある。
【００４９】
また第１の工程における前記異種基板となる材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステップ状にオフアングルさせた基板を用いたほうが好ましい。オフアングルさせた基板を用いると、表面に３次元成長が見られず、ステップ成長があらわれ表面が平坦になり易い。更にステップ状にオフアングルされているサファイア基板のステップに沿う方向（段差方向）が、サファイアのＡ面に対して垂直に形成されていると、窒化物半導体のステップ面がレーザの共振器方向と一致し、レーザ光が表面粗さにより乱反射されることが少なくなり好ましい。
【００５０】
更に好ましい異種基板としては、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイア、（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするスピネルである。ここで異種基板が、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイアであるとき、前記第１の窒化物半導体等に形成される凹凸のストライプ形状が、そのサファイアの（１１２−０）面[Ａ面]に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）[Ｍ面]に平行方向にストライプを形成すること］が好ましく、また、オフアングルのオフ角θ（図７に示すθ）は０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°が好ましい。また（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイアであるとき、前記凹凸のストライプ形状はそのサファイアの（１１−０２）面[Ｒ面]に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記凹凸のストライプ形状はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。
ここでは、凹凸がストライプ形状の場合について記載したが、本発明においてサファイアのＡ面及びＲ面、スピネルの（１１０）面に窒化物半導体が横方向に成長し易いので、これらの面に第１の窒化物半導体の端面が形成されるように第１の窒化物半導体２に段差を形成するために保護膜の形成を考慮することが好ましい。
【００５１】
本発明に用いられる異種基板について図を用いて更に詳細に説明する。図３はサファイアの結晶構造を示すユニットセル図である。
まず本発明の方法において、Ｃ面を主面とするサファイアを用い、凹凸はサファイアＡ面に対して垂直なストライプ形状とする場合について説明する。例えば、図５は主面側のサファイア基板の平面図である。この図はサファイアＣ面を主面とし、オリエンテーションフラット（オリフラ）面をＡ面としている。この図に示すように凹凸のストライプをＡ面に対して垂直方向で、互いに平行なストライプを形成する。図５に示すように、サファイアＣ面上に窒化物半導体を選択成長させた場合、窒化物半導体は面内ではＡ面に対して平行な方向で成長しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向にある。従ってＡ面に対して垂直な方向でストライプを設けると、ストライプとストライプの間の窒化物半導体がつながって成長しやすくなり、図２に示したような結晶成長が容易に可能となると考えられるが詳細は定かではない。
【００５２】
次に、Ａ面を主面とするサファイア基板を用いた場合、上記Ｃ面を主面とする場合と同様に、例えばオリフラ面をＲ面とすると、Ｒ面に対して垂直方向に、互いに平行なストライプを形成することにより、ストライプ幅方向に対して窒化物半導体が成長しやすい傾向にあるため、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができる。
【００５３】
また次に、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）に対しても、窒化物半導体の成長は異方性があり、窒化物半導体の成長面を（１１１）面とし、オリフラ面を（１１０）面とすると、窒化物半導体は（１１０）面に対して平行方向に成長しやすい傾向がある。従って、（１１０）面に対して垂直方向にストライプを形成すると窒化物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上部でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。なおスピネルは四方晶であるため特に図示していない。
【００５４】
また、以下に、オフアングルされたサファイア基板のステップに沿う方向が、サファイア基板のＡ面に対して垂直に形成されてなる場合について図４を用いて説明する。
ステップ状にオフアングルしたサファイアなどの異種基板は、図４に示すようにほぼ水平なテラス部分Ａと、段差部分Ｂとを有している。テラス部分Ａの表面凹凸は少なく、ほぼ規則正しく形成されている。このようなオフ角θを有するステップ状部分は、基板全体にわたって連続して形成されていることが望ましいが、特に部分的に形成されていてもよい。なおオフ角θとは、図４に示すように、複数の段差の底部を結んだ直線と、最上層のステップの水平面との角度を示すものとする。
また異種基板はオフ角が０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°である。オフ角を上記範囲とすると、第１の窒化物半導体４２表面は細かな筋状のモフォロジーとなり、エピタキシャル成長表面（第２の窒化物半導体４３表面）は波状のモフォロジーとなり、この基板を用いて得られる窒化物半導体素子は平滑で、特性も長寿命、高効率、高出力、歩留まりの向上したものが得られる。
【００５５】
またさらに、上記のＥＬＯＧ成長等により得られた窒化物半導体基板上に更にＥＬＯＧ成長を行って得られる窒化物半導体を素子構造の基板とすると、転位の低減及び反りの低減などが良好となり、本発明の効果を得るのに好ましい。この好ましい一実施の形態としては、特願平１１−８０２８８号明細書に記載されている内容が挙げられる。
例えば好ましい一例として、上記の図２に示された工程により得られた第２の窒化物半導体４３上に更に、例えばＨＶＰＥなどによって厚膜、例えば８０〜５００μｍの第３の窒化物半導体を成長させ、その後、異種基板などを除去して第３の窒化物半導体のみとし、この第３の窒化物半導体の異種基板除去面とは反対の面上に、ＨＶＰＥ等により第４の窒化物半導体を成長させる。第４の窒化物半導体の膜厚は、第３の窒化物半導体の膜厚と、第４の窒化物半導体の膜厚の合計が、例えば好ましくは４００〜８０μｍ程度の膜厚となるように調整される。
このような第３及び第４の窒化物半導体からなる窒化物半導体上にＥＬＯＧ成長を繰り返すと転位が良好に低減された窒化物半導体基板を得ることができ、本発明の効果を得るのに好ましい。
【００５６】
上記のような、転位の少ない窒化物半導体を基板とし、この基板上に素子構造を形成すれば結晶性の良好な素子が得られ、しきい値電流密度の低減及び寿命特性の向上の点で好ましい。
【００５７】
上記のようなＥＬＯＧ成長により得られた窒化物半導体基板１上に、素子構造を成長させる。しかし、本発明はこれに限定されない。
（ｎ型コンタクト層２）
まず、ｎ型コンタクト層２を窒化物半導体基板１上に成長させる。ｎ型コンタクト層としては、ｎ型不純物（好ましくはＳｉ）をドープされたＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）を成長させ、好ましくはａが０．０１〜０．０５のＡｌaＧａ1-aＮを成長させる。ｎ型コンタクト層がＡｌを含む３元混晶で形成されると、窒化物半導体基板１に微細なクラックが発生していても、微細なクラックの伝播を防止することができ、更に従来の問題点であった窒化物半導体基板１とｎ型コンタクト層との格子定数及び熱膨張係数の相違によるｎ型コンタクト層への微細なクラックの発生を防止することができ好ましい。ｎ型不純物のドープ量としては、１×１０18／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3である。このｎ型コンタクト層２にｎ電極が形成される。ｎ型コンタクト層２の膜厚としては、１〜１０μｍである。
また、窒化物半導体基板１とｎ型コンタクト層２との間に、アンドープのＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜１）を成長させてもよく、このアンドープの層を成長させると結晶性が良好となり、寿命特性を向上させるのに好ましい。アンドープｎ型コンタクト層の膜厚は、数μｍである。
【００５８】
（クラック防止層３）
次に、クラック防止層３をｎ型コンタクト層２上に成長させる。クラック防止層３としては、ＳｉドープのＩｎgＧａ1-gＮ（０．０５≦ｇ≦０．２）を成長させ、好ましくはｇが０．０５〜０．０８のＩｎgＧａ1-gＮを成長させる。このクラック防止層３は、省略することができるが、クラック防止層３をｎ型コンタクト層２上に形成すると、素子内のクラックの発生を防止するのに好ましい。Ｓｉのドープ量としては、５×１０18／ｃｍ3である。
また、クラック防止層３を成長させる際に、Ｉｎの混晶比を大きく（ｘ≧０．１）すると、クラック防止層３が、活性層６から発光しｎ型クラッド層４から漏れ出した光を吸収することができ、レーザ光のファーフィールドパターンの乱れを防止することができ好ましい。
クラック防止層の膜厚としては、結晶性を損なわない程度の厚みであり、例えば具体的には０．０５〜０．３μｍである。
【００５９】
（ｎ型クラッド層４）
次に、ｎ型クラッド層４をクラック防止層３上に成長させる。ｎ型クラッド層４としては、ＡｌeＧａ1-eＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）を含む窒化半導体を有する多層膜の層として形成される。多層膜とは、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造を示し、例えば、ＡｌeＧａ1-eＮ（０．１２≦ｅ＜０．１５）層と、このＡｌeＧａ1-eＮと組成の異なる窒化物半導体、例えばＡｌの混晶比の異なるもの、Ｉｎを含んでなる３元混晶のもの、又はＧａＮ等からなる層とを組み合わせて積層してなるものである。この中で好ましい組み合わせとしては、ＡｌeＧａ1-eＮとＧａＮとを積層してなる多層膜とすると、同一温度で結晶性の良い窒化物半導体層が積層でき好ましい。より好ましい多層膜としは、アンドープのＡｌeＧａ1-eＮとｎ型不純物（例えばＳｉ）ドープのＧａＮとを積層してなる組み合わせである。ｎ型不純物は、ＡｌeＧａ1-eＮにドープされてもよい。ｎ型不純物のドープ量は、４×１０18／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3である。ｎ型不純物がこの範囲でドープされていると抵抗率を低くでき且つ結晶性を損なわない。
このような多層膜は、単一層の膜厚が１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは４０オングストローム以下、好ましくは１０オングストローム以上の膜厚の窒化物半導体層を積層してなる。単一の膜厚が１００オングストローム以下であるとｎ型クラッド層が超格子構造となり、Ａｌを含有しているにもかかわらず、クラックの発生を防止でき結晶性を良好にすることができる。また、ｎ型クラッド層４の総膜厚としては、０．７〜２μｍである。
またｎ型クラッド層の全体のＡｌの平均組成は、０．０５〜０．１である。Ａｌの平均組成がこの範囲であると、クラックを発生させない程度の組成比で、且つ充分にレーザ導波路との屈折率の差を得るのに好ましい組成比である。
【００６０】
（ｎ型ガイド層）
次に、ｎ型ガイド層５をｎ型クラッド層４上に成長させる。ｎ型ガイド層５としては、アンドープのＧａＮからなる窒化物半導体を成長させる。ｎ型ガイド層５の膜厚としては、０．２〜０．０７μｍであるとしきい値が低下し好ましい。ｎ型ガイド層４をアンドープとすることで、レーザ導波路内の伝搬損失が減少し、しきい値が低くなり好ましい。
【００６１】
（活性層６）
次に、活性層６をｎ型ガイド層５上に成長させる。活性層６としては、上記に記載の障壁層の膜厚や、井戸層の膜厚と障壁層の膜厚が特定された量子井戸構造の活性層である。
【００６２】
（ｐ型電子閉じ込め層６）
次に、ｐ型電子閉じ込め層７を活性層６上に成長させる。ｐ型電子閉じ込め層７としては、ＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦１）からなる少なくとも１層以上を成長させてなるものである。好ましくはｄが０．１〜０．５のＭｇドープのＡｌdＧａ1-dＮである。ｐ型電子閉じ込め層７の膜厚は、１０〜１０００オングストローム、好ましくは５０〜２００オングストロームである。膜厚が上記範囲であると、活性層６内の電子を良好に閉じ込めることができ、且つバルク抵抗も低く抑えることができ好ましい。
またｐ型電子閉じ込め層７のＭｇのドープ量は、１×１０19／ｃｍ3〜１×１０21／ｃｍ3である。ドープ量がこの範囲であると、バルク抵抗を低下させることに加えて、後述のアンドープで成長させるｐ型ガイド層へＭｇが良好に拡散され、薄膜層であるｐ型ガイド層８にＭｇを１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3の範囲で含有させることができる。
またｐ型電子閉じ込め層７は、低温、例えば８５０〜９５０℃程度の活性層を成長させる温度と同様の温度で成長させると活性層の分解を防止することができ好ましい。
またｐ型電子閉じ込め層７は、低温成長の層と、高温、例えば活性層の成長温度より１００℃程度の高温度で成長させる層との２層から構成されていてもよい。このように、２層で構成されていると、低温成長の層が活性層の分解を防止し、高温成長の層がバルク抵抗を低下させるので、全体的に良好となる。
またｐ型電子閉じ込め層７が２層から構成される場合の各層の膜厚は、特に限定されないが、低温成長層は１０〜５０オングストローム、高温成長層は５０〜１５０オングストロームが好ましい。
【００６３】
（ｐ型ガイド層８）
次に、ｐ型ガイド層８をｐ型電子閉じ込め層７上に成長させる。ｐ型ガイド層８としては、アンドープのＧａＮからなる窒化物半導体層として成長させてなるものである。膜厚は０．２〜０．０７μｍであり、この範囲であるとしきい値が低くなり好ましい。また上記したように、ｐ型ガイド層はアンドープ層として成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層７にドープされているＭｇが拡散して、１×１０16／ｃｍ3〜１×１０18／ｃｍ3の範囲でＭｇが含有される。
【００６４】
（ｐ型クラッド層９）
次に、ｐ型クラッド層９をｐ型ガイド層８に成長させる。ｐ型クラッド層としては、ＡｌfＧａ1-fＮ（０＜ｆ≦１）を含んでなる窒化物半導体層、好ましくはＡｌfＧａ1-fＮ（０．０５≦ｆ≦０．１５）を含んでなる窒化物半導体層を有する多層膜の層として形成される。多層膜とは、互いに組成が異なる窒化物半導体層を積層した多層膜構造であり、例えば、ＡｌfＧａ1-fＮ層と、ＡｌfＧａ1-fＮと組成の異なる窒化物半導体、例えばＡｌの混晶比の異なるもの、Ｉｎを含んでなる３元混晶のもの、又はＧａＮ等からなる層とを組み合わせて積層してなるものである。この中で好ましい組み合わせとしては、ＡｌfＧａ1-fＮとＧａＮとを積層してなる多層膜とすると、同一温度で結晶性の良い窒化物半導体層が積層でき好ましい。より好ましい多層膜としは、アンドープのＡｌfＧａ1-fＮとｐ型不純物（例えばＭｇ）ドープのＧａＮとを積層してなる組み合わせである。ｐ型不純物は、ＡｌfＧａ1-fＮにドープされてもよい。ｐ型不純物のドープ量は、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3である。ｐ型不純物がこの範囲でドープされていると結晶性を損なわない程度のドープ量で且つバルク抵抗が低くなり好ましい。
このような多層膜は、単一層の膜厚が１００オングストローム以下、好ましくは７０オングストローム以下、さらに好ましくは４０オングストローム以下、好ましくは１０オングストローム以上の膜厚の窒化物半導体層を積層してなる。単一の膜厚が１００オングストローム以下であるとｎ型クラッド層が超格子構造となり、Ａｌを含有しているにもかかわらず、クラックの発生を防止でき結晶性を良好にすることができる。
ｐ型クラッド層９の総膜厚としては、０．３５〜０．５μｍであり、この範囲であると順方向電圧（Ｖｆ）を低減するために好ましい。
またｐ型クラッド層の全体のＡｌの平均組成は、０．０５〜０．１である。この値は、クラックの発生を抑制し且つレーザ導波路との屈折率差を得るのに好ましい。
【００６５】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、ｐ型コンタクト層１０をｐ型クラッド層９上に成長させる。ｐ型コンタクト層としては、ＭｇドープのＧａＮからなる窒化物半導体層を成長させてなるものである。膜厚は１０〜２００オングストロームである。Ｍｇのドープ量は１×１０19／ｃｍ3〜１×１０22／ｃｍ3である。このよう膜厚とＭｇのドープ量を調整することにより、ｐ型コンタクト層のキャリア濃度が上昇し、ｐ電極とのオーミックがとりやすくなる。
【００６６】
本発明の素子において、リッジ形状のストライプは、ｐ型コンタクト層からエッチングされてｐ型コンタクト層よりも下側（基板側）までエッチングされることにより形成される。例えば図１に示すようなｐ型コンタクト層１０からｐ型クラッド層９の途中までエッチングしてなるストライプ、ｐ型コンタクト層１０からｐ型ガイド層８までエッチングしてなるストライプ、又はｐ型コンタクト層１０からｎ型コンタクト層２までエッチングしてなるストライプなどが挙げられる。
【００６７】
エッチングして形成されたリッジ形状のストライプの側面やその側面に連続した窒化物半導体層の平面に、例えば図１に示すように、レーザ導波路領域の屈折率より小さい値を有する絶縁膜が形成されている。ストライプの側面等に形成される絶縁膜としては、例えば、屈折率が約１．６〜２．３付近の値を有する、Ｓｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物や、ＢＮ、ＡｌＮ等が挙げられ、好ましくは、Ｚｒ及びＨｆの酸化物のいずれか１種以上の元素や、ＢＮである。
さらにこの絶縁膜を介してストライプの最上層にあるｐ型コンタクト層１０の表面にｐ電極が形成される。
エッチングして形成されるリッジ形状のストライプの幅としては、０．５〜４μｍ、好ましくは１〜３μｍである。ストライプの幅がこの範囲であると、水平横モードが単一モードになり易く好ましい。
また、エッチングがｐ型クラッド層９とレーザ導波路領域との界面よりも基板側にかけてなされていると、アスペクト比を１に近づけるのに好ましい。
以上のように、リッジ形状のストライプのエッチング量や、ストライプ幅、さらにストライプの側面の絶縁膜の屈折率などを特定すると、単一モードのレーザ光が得られ、さらにアスペクト比を円形に近づけられ、レーザビームやレンズ設計が容易となり好ましい。
また、リッジ形状のストライプを形成する際、素子構造を形成するための基板がＥＬＯＧ基板である場合、ＥＬＯＧ成長が保護膜を用いて行う場合は保護膜の上方部に、ＥＬＯＧ成長が凹凸を設けて行う場合は凹部上方部に、リッジ形状のストライプが形成されることが素子の信頼性の向上の点で好ましい。また、保護膜の中心部、凹部の中心部のそれぞれの上部を避けることが信頼性の点で好ましい。
また本発明の素子において、ｐ電極やｎ電極等は従来公知の種々のものを適宜選択して用いることができる。
【００６８】
以上のような不純物濃度、膜厚、組成などを調整された各素子構造、幅の狭いリッジ形状のストライプなどを組み合わせると、しきい値電流密度の低下と寿命特性の向上の点で好ましい。
【００６９】
【実施例】
以下に本発明の一実施の形態である実施例を示す。しかし本発明はこれに限定されない。
また、本実施例はＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）について示すものであるが、本発明の方法は、ＭＯＶＰＥ法に限るものではなく、例えばＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
また、発明の詳細な説明に記載したように、Ｉｎ組成比の理論値の計算式の値と、量子井戸構造をとる量子準位の形成による短波長へのシフトなどによる実際の発振波長とは異なるために、実施例の活性層のＩｎ組成比は近似的な値である。
【００７０】
［実施例１］
実施例１として、図１に示される本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を製造する。
【００７１】
異種基板４１として、図４に示すようにステップ状にオフアングルされたＣ面を主面とし、オフアングル角θ＝０．１５°、ステップ段差およそ２０オングストローム、テラス幅Ｗおよそ８００オングストロームであり、オリフラ面をＡ面とし、ステップがＡ面に垂直であるサファイア基板を用意する。
このサファイア基板を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上にＧａＮよりなる低温成長のバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮからなる第１の窒化物半導体層を２μｍの膜厚で成長させる。
次に、第１の窒化物半導体層を積層したウェーハ上にストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅（凸部の上部になる部分）５μｍ、ストライプ間隔（凹部底部となる部分）１０μｍにパターニングされたＳｉＯ2膜を形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分の第１の窒化物半導体層をサファイアが露出しさらに１２００オングストロームの深さに削れるまでエッチングして凹凸を形成することにより、凹部側面に第１の窒化物半導体層を露出させる。凹凸を形成後に、凸部上部のＳｉＯ2膜を除去する。なおストライプ方向は、図５に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
次に、反応容器にセットし、常圧で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を１５μｍの膜厚で成長させ窒化物半導体基板１とする。凹部上方部の表面には転位がほとんど見られなくなる。
得られた窒化物半導体を窒化物半導体基板１として以下の素子構造を積層成長させる。
【００７２】
（アンドープｎ型コンタクト層）［図１には図示されていない］
窒化物半導体基板１上に、１０５０℃で原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用いアンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層を１μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型コンタクト層２）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアガスを用い、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層２を３μｍの膜厚で成長させる。
成長されたｎ型コンタクト層２には、微細なクラックが発生しておらず、微細なクラックの発生が良好に防止されている。また、窒化物半導体基板１に微細なクラックが生じていても、ｎ型コンタクト層２を成長させることで微細なクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長さることができる。結晶性の改善は、ｎ型コンタクト層２のみの場合より、上記のようにアンドープｎ型コンタクト層を成長させることによりより良好となる。
【００７３】
（クラック防止層３）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びアンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなるクラック防止層３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７４】
（ｎ型クラッド層４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.14Ｇａ0.86ＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００７５】
（ｎ型ガイド層５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型ガイド層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７６】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４５オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚７３５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
【００７７】
（ｐ型電子閉じ込め層７）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７８】
（ｐ型ガイド層８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型ガイド層８を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
このｐ型ガイド層８は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。
【００７９】
（ｐ型クラッド層９）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9ＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚５０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層９を成長させる。
【００８０】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００８１】
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図６に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層２の表面を露出させる。
次に図６（ａ）に示すように、最上層のｐ側コンタクト層１０のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、ストライプ幅１．８μｍ、厚さ１μｍで形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように第３の保護膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4ガスを用い、第３の保護膜６３をマスクとして、前記第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、図６（ｃ）に示すようにｐ側コンタクト層１０の上にストライプ幅１．８μｍの第１の保護膜６１が形成できる。
【００８２】
さらに、図６（ｄ）に示すように、ストライプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１０、ｐ側クラッド層９、及びｐ側ガイド層８をエッチングして、ストライプ幅１．８μｍのリッジ形状のストライプを形成する。但し、リッジ形状のストライプは、図１に示すように、ＥＬＯＧ成長を行う際に形成した凹部の上部で且つ凹部の中心部分を避けるように形成される。
リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶＤ装置に移送し、図６（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第２の保護膜６２を、第１の保護膜６１の上と、エッチングにより露出されたｐ側クラッド層９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。このようにＺｒ酸化物を形成すると、ｐ−ｎ面の絶縁をとるためと、横モードの安定を図ることができ好ましい。
次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図６（ｆ）に示すように、第１の保護膜６１をリフトオフ法により除去する。
【００８３】
次に図６（ｇ）に示すように、ｐ側コンタクト層１０の上の第１の保護膜６１が除去されて露出したそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのストライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜６２の上に渡って形成する。
第２の保護膜６２形成後、図１に示されるように露出させたｎ側コンタクト層２の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をストライプと平行な方向で形成する。
【００８４】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面（１１−００面、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図１に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は３００〜５００μｍとすることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。
その結果、得られたレーザ素子は、６０℃、しきい値電流密度２．２ｋＡ／ｃｍ2、出力３０ｍＷ、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、３０００時間以上の寿命を示す。
【００８５】
［実施例２］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４５オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚６９０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好な寿命特性を有する。
【００８６】
［実施例３］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚２１５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は実施例１とほぼ同等に良好な結果である。
【００８７】
［実施例４］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚９５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好であるが、実施例１と比較すると、しきい値電流密度及び電圧が共に低下し、寿命特性がより良好となる傾向がある。
【００８８】
［実施例５］
実施例４において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を３００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚１３５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例４とほぼ同等に良好である。
【００８９】
［実施例６］
実施例４において、活性層６の井戸層の全積層数が６層となるように、障壁層と井戸層の積層数を調整し活性層の膜厚を変える他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
得られたレーザ素子は、実施例４に比べてややしきい値電流密度が上昇する傾向があるが、実施例４とほぼ同様に良好な寿命特性を有する。
【００９０】
［実施例７］
実施例４において、活性層の井戸層の全積層数が７層となるように、障壁層と井戸層の積層数を調整し活性層の膜厚を変える他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。 得られたレーザ素子は、実施例４に比べてしきい値電流密度が上昇する傾向があり、実施例４に比べてやや寿命特性が低下する傾向があるが、従来の素子比べれば寿命特性が向上する。
【００９１】
［実施例８］
実施例１において、活性層６を下記のように、変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を６００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を６０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚２５８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、実施例１とほぼ同等に良好であるが、実施例１と比較すると、ややしきい値電流密度が上昇し、寿命特性がやや低下する傾向がある。
【００９２】
［実施例９］
実施例１において、活性層６を下記のように、発振波長を４３０ｎｍとなるようにＩｎ組成比を調整し、井戸層の積層数を調整する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.12Ｇａ0.88Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５３０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
得られたレーザ素子は、実施例１と同様の条件でレーザ発振させたところ、従来の長波長レーザ素子に比べて、しきい値電流密度及び電圧が低くなり、寿命特性が良好となる。
【００９３】
［比較例１］
実施例４において、活性層６を下記のように障壁層の膜厚を１００オングストロームより薄い膜厚に変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を９０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚４５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、しきい値電流密度は実施例４とほぼ同等程度であるが、寿命特性がかなり低下し、約１／３程度の寿命しか示さない。
【００９４】
［比較例２］
実施例４において、活性層６を下記のように井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を２．５倍の膜厚に変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５２０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、しきい値電流密度は実施例４とほぼ同等程度であるが、寿命特性がかなり低下し、約１／３程度の寿命しか示さない。
【００９５】
［比較例３］
実施例４において、活性層６を下記のように井戸層の膜厚に対して障壁層の膜厚を１１倍の膜厚に変更する他は同様にして窒化物半導体レーザ素子を作製する。
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を４９５オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる井戸層を４５オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚２１１５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
上記の活性層を有するレーザ素子は、しきい値電流密度が実施例４に比べてかなり上昇し、寿命特性が低下する。
【００９６】
【発明の効果】
本発明は、上記のように、障壁層の膜厚、且つ井戸層と障壁層の膜厚の関係を特定することにより、素子の劣化を防止して寿命特性が良好となる窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、本発明で用いることのできるＥＬＯＧ成長の一実施の形態の各工程の構造を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、サファイアの面方位を示すユニットセル図である。
【図４】図４は、オフアングルした異種基板の部分的な形状を示す模式的断面図である。
【図５】図５は、凹凸のストライプ方向を説明するための基板主面側の平面図である。
【図６】図６は、リッジ形状のストライプを形成する一実施の形態である方法の各工程におけるウエハの部分的な構造を示す模式的断面図である。
【図７】図７は、ＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）と、量子準位の形成による発振波長のエネルギー（Ｅλ）とを示した模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・窒化物半導体基板
２・・・ｎ型コンタクト層
３・・・クラック防止層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・ｎ型ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ型電子閉じ込め層
８・・・ｐ型ガイド層
９・・・ｐ型クラッド層
１０・・・ｐ型コンタクト層
Claims (7)
- 基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体、障壁層とＩｎを含んでなる井戸層とを有する量子井戸構造の活性層、及びｐ型窒化物半導体を順に積層してなる窒化物半導体レーザ素子において、
前記基板は窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板を備え、その上に第１の窒化物半導体を有し、その表面に凹凸が形成されており、
前記凹凸の凹部は、前記第１の窒化物半導体及び前記異種基板を削って形成されており、
前記異種基板は、前記異種基板の表面から５００〜２０００オングストロームの深さにまで削られて、前記凹部の底面に前記異種基板が露出されており、
前記活性層が、障壁層の膜厚が１００オングストローム以上で、且つ井戸層の膜厚に対する障壁層の膜厚の比が［井戸層の膜厚：障壁層の膜厚］＝［１：３〜１０］である量子井戸構造であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記活性層が、井戸層の全積層数が６以下の量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層が、井戸層の全積層数が２〜４の量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層が、障壁層の膜厚が１００〜５００オングストロームである量子井戸構造であることを特徴とする請求項１〜３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記活性層が、発振波長が４２０ｎｍ以上となるようにＩｎ組成比を調整されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記凹凸を埋める第２の窒化物半導体をさらに有し、該第２の窒化物半導体の上に、前記窒化物半導体レーザ素子が成長されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記凹凸は、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤目状及びドット状のうちのいずれかの形状であることを特徴とする請求項１〜６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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