JP4821385B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体光素子に関し、特に、高出力で所望の素子特性を安定して得られるＩＩＩ族窒化物半導体光素子する。

窒化ガリウムに代表されるＩＩＩ族窒化物半導体は、高効率で青紫色に発光することから発光ダイオード（Light Emitting Diode：LED）やレーザダイオード（Laser Diode：LD）の材料として注目されている。中でも、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いたＬＤ（以下、半導体レーザとも言う）は大容量光ディスク装置の光源として期待されており、近年では書き込み用光源として用いるための高出力ＬＤの開発が精力的に進められている。

窒化物系青紫色ＬＤの代表的な構造を図９に示す。図示する構造の半導体レーザは、ドライエッチングによりリッジ１０１が形成されている。リッジ１０１の上部はストライプ状開口部を有する絶縁膜１０２によって覆われており、開口部にはｐ型電極１０３が設けられてストライプ状電極を形成している。

電流狭窄はストライプ状電極でなされ、横モードの制御はリッジの幅及び高さを調整することによって行われている。

しかしながら、こうしたリッジ型の半導体レーザには、以下のような課題があった。
半導体レーザを光ディスク装置の光源として用いるためには、レーザビームをスポット状に効率よく絞り込む必要があり、そのためにビーム形状を整えることが求められる。このためには、レーザビームの遠視野像（ファーフィールドパターン）がガウシアン状の強度プロファイルとなるように横モードを制御する必要がある。

このため、高出力青色ＬＤでは、リッジ幅を１．７μｍ程度まで狭くする必要があるが、リッジ幅が狭くなると電極面積も狭くなるためコンタクト抵抗が増大してしまう。また、高出力ＬＤでは動作電流密度も高いため、コンタクトでの発熱により素子が劣化してしまう場合もある。

このような問題に鑑み、ＡｌＮや（Ａｌ）ＧａＮを電流狭窄層２０１とした図１０に示すようなインナーストライプ型ＬＤが提案されている（特許文献１、２、３参照）。これらのインナーストライプ型ＬＤは、コンタクト面積が広くとれるため、ストライプ幅の狭い高出力ＬＤにおいてもコンタクト抵抗を低減できる。特に、低温成長ＡｌＮを電流狭窄層２０１に用いたインナーストライプ構造（特許文献１参照）は、電流狭窄層２０１の開口部形成時におけるダメージや不純物汚染の影響が少ないという利点があるため、低電圧動作高出力ＬＤとして期待されている。
特開２００１−１５８６０号公報 特開平１０−９３１９２号公報 特開２００３−７８２１５号公報

ところが、インナーストライプ型ＬＤを実際に作製した場合、確かに電流注入効率は改善できるものの、所望の素子特性や高信頼性を安定的に得ることは必ずしも容易ではない。特に、クラッド層と電流狭窄層との歪みに起因した劈開面の異常を反映して、得られる素子の非可逆的光損傷（Catastrophic Optical Damage：COD）レベルがばらつくなどの現象が確認される。

ＧａＮ系の半導体レーザでは六方晶系の結晶構造やＡｌＧａＮクラッドの格子歪に起因して、均一な劈開面を安定的に得ることが困難であるが、インナーストライプ型構造ではさらに電流狭窄層とストライプ状開口部とを設けている部分でも歪が不均一となる。このため、この境界領域においては、劈開における形状異常（以下、劈開異常と表記する。）をかなりの確率で生じる。このような劈開異常が端面における活性層のうちレーザ光出射領域内に位置する部分（以下、活性層発光部と表記する。）にまで達している場合、ビーム形状やスロープ効率といった特性に影響を及ぼすだけでなく、光電界の集中によって局所的な端面損傷を引き起こすためにＣＯＤレベルが低下しやすい。

このように、従来は、高出力の半導体レーザを形成しようとすると、所望の素子特性を安定して得ることが難しいという問題があった。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、高出力で所望の素子特性を安定して得られるＩＩＩ族窒化物半導体光素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる活性層と、活性層よりも上層側に形成され電流注入領域に開口部が設けられた電流狭窄層と、電流狭窄層及び開口部よりも上層側に設けられたクラッド層と、クラッド層の上に設けられたコンタクト層と、コンタクト層の表面に設けられた電極とを備え、電流狭窄層がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-y（ただし、０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、ｘ＋ｙ≦１）を主成分として形成されており、電流狭窄層が端面近傍において活性層発光部の上部に形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体光素子を提供するものである。

以上の構成においては、電流狭窄層は、Ａｌの組成比率が前記クラッド層よりも高いことが好ましい。

上記のいずれの構成においても、電流狭窄層が低温成長ＡｌＮからなることがより好ましい。また、電流狭窄層は、厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。また、電流狭窄層は、前記クラッド層の下面と接していることが好ましい。また、クラッド層が、ＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子構造を有することが好ましい。また、コンタクト層の表面に設けられた前記電極が、端面近傍に形成された前記電流狭窄層の上部に位置する前記コンタクト層表面を含む領域に設けられていることが好ましい。また、電流狭窄層は、前記開口部から離れた領域において、その一部が除去されていることが好ましい。

本発明によれば、高出力で所望の素子特性を安定して得られるＩＩＩ族窒化物半導体光素子を提供できる。

〔発明の原理〕
Ａｌ組成の高い窒化物半導体からなる電流狭窄層をクラッド層とＩＩＩ族窒化物からなる活性層との間に配置した場合、電流狭窄層とその上部のクラッド層との界面で顕著な劈開異常が生じるが、その劈開異常は電流狭窄層の下層には伝播しにくい。

劈開異常が電流狭窄層の下層に伝播しにくいのは、高Ａｌ組成の電流狭窄層において格子歪が緩和されているためと考えられる。すなわち、格子定数が基板とは極端に異なる電流狭窄層には、その格子不整合により転位が生じ、歪が緩和される。その結果、電流狭窄層の上層では電流狭窄層表層とその上部のクラッド層との間の格子歪により劈開異常が発生するものの、電流狭窄層内で歪が緩和されるため、その下方には劈開異常が伝播しない。

本発明にかかるＩＩＩ族窒化物半導体光素子（半導体レーザ）は、このような原理に基づいたものであり、具体的には以下の構成を有する。
すなわち、本発明にかかる半導体レーザは、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる活性層と、活性層よりも上層に設けられた電流狭窄層と、電流注入領域として電流狭窄層に設けられている電流注入用開口部と、電流狭窄層及び電流注入用開口部よりも上層に設けられたクラッド層と、クラッド層の上層に設けられたコンタクト層と、コンタクト層の表面に設けられた電極とを備え、電流狭窄層がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（ただし、０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０≦ｘ＋ｙ≦１。）からなり、電流狭窄層がレーザ端面において活性層発光部の上部にも形成されている。

このような高いＡｌ組成の電流狭窄層を用いた場合、基板との格子不整合に起因して完全に良好な劈開面を得ることは困難であるが、層厚や組成、成長条件を適切に選ぶことによって歪を緩和し、電流狭窄層よりも上層で生じた劈開異常が下層へ伝播することを防げる。

上記構成においては、レーザ端面における活性層発光部の上層に高Ａｌ組成の電流狭窄層を配置することにより、活性層発光部における劈開異常の発生を抑制している。

また、電流狭窄層の上層は劈開異常が発生しやすいため、電流注入用開口部を設けた箇所を劈開した場合、上層で生じた劈開異常が開口部を介して活性層発光部にまで到達してしまうことがあり、ＣＯＤレベルの低下を招く。そこで、本発明にかかる半導体レーザは、端面近傍には電流注入用開口部を設けないことにより、この劈開異常の伝播を防ぎ、高いＣＯＤレベルを安定的に得ている。

活性層発光部の上部に電流狭窄層を形成することにより、半導体レーザは端面非注入構造となり、端面近傍領域には電流を注入しない構造となる。端面近傍に形成する電流狭窄層は、短すぎるとこれが存在している部分で劈開させることが精度上困難となる。一方、長すぎると電流を注入しない領域（以下、非注入領域）の吸収が大きくなるため、特性が悪化してしまう。よって、端面近傍に形成する電流狭窄層の長さは５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。

電流狭窄層の厚さは、薄い方がその上部に形成されるクラッド層の制御性（層厚や組成の制御）や平坦性が向上するため、なるべく薄いこと、具体的には２００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、電流狭窄層は、Ａｌの組成比率が高いほど薄い膜厚でも安定して劈開異常防止効果が得られる。これは、Ａｌ組成が高いほど薄い膜でも格子緩和が起こるためであり、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-y（ただし、０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる電流狭窄層を用いることにより、５０〜１５０ｎｍの膜厚で安定した劈開異常防止効果が得られる。

本発明では、電流狭窄層のＡｌ組成が高く、格子緩和のためにその上部に設けられたクラッド層にも多数の転位が混入する。この転位によってクラッド層の抵抗が高くなるため、より確実な電流狭窄を行える。

本発明にかかる半導体レーザは、端面における活性層発光部の上層に高Ａｌ組成窒化物半導体からなる電流狭窄層を設ける構成としているため、活性層発光部における劈開異常の発生を抑制することができ、高いＣＯＤレベルを安定して得られる。

〔発明の実施の形態〕
本発明の好適な実施の形態について説明する。
図１、２に、本実施形態にかかる半導体レーザの構成を示す。図１（ａ）は、半導体レーザの斜視図、図１（ｂ）は平面図である。また、図２（ａ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は、図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
この半導体レーザは、ｎ型ＧａＮ基板３０１上にＳｉドープｎ型ＧａＮ層３０２、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるｎ型クラッド層３０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型光閉じ込め層３０４（ｎ型ガイド層３０４ともいう）、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層とＳｉドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎバリア層とからなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍulti-Ｑuantum Ｗell）層３０５（活性層３０５ともいう）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるキャップ層３０６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型ＧａＮガイド層３０７（ｐ型ガイド層３０７ともいう）を積層させた構造を有する。

そして、上記積層構造の上に、電流狭窄層３０８、ＧａＮ／Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ１３０周期構造からなる超格子構造のｐ型クラッド層３０９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３１０をさらに積層させている。なお、ｐ型コンタクト層３１０の上面は、半導体製造プロセスにおける不良発生を抑制するために好ましい平坦面となっている。この積層構造の上部（ｐ型コンタクト層３１０の上）にｐ型電極３１１が、ｎ型ＧａＮ基板３０１の下にｎ型電極３１２が、それぞれ設けられている。

電流狭窄層３０８は、高抵抗なＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなり、端面近傍の領域を除いてストライプ状の電流注入用開口部３１３が設けられている。電流狭窄層３０８は層厚方向に電流が流れることを阻止する機能を有し、電流注入用開口部３１３に電流を集中させることによりレーザ発振の閾値電流を下げる役割を果たすと同時に、端面近傍においてキャリアを注入しないことによりＣＯＤレベルを向上させる。

電流狭窄層３０８のうち端面近傍に形成された部分（以下、電流狭窄層端面部３０８ａ）は、劈開による端面形成時において、電流狭窄層端面部３０８ａよりも下層側に位置する活性層３０５での劈開異常の発生を抑制する。これは、電流狭窄層３０８において格子緩和が起こることを利用したものであるため、少なくとも電流狭窄層端面部３０８ａにはある程度の膜厚が必要となるが、厚すぎるとその上部に形成するｐ型クラッド層３０９の制御性や表面平坦性が悪化するため、２００ｎｍ以下とすることが望ましい。

また、劈開異常の発生を抑制する効果は、電流狭窄層３０８のＡｌ組成が高いほど、電流狭窄層端面部３０８ａの膜厚を比較的薄くしても十分に得られる。よって、電流狭窄層３０８のＡｌ組成は０．４以上とすることが好ましい。電流狭窄層３０８がＡｌ_0.4Ｇａ_0.56Ｉｎ_0.04Ｎから成る場合、１５０ｎｍ程度の膜厚でも十分な劈開異常防止効果が得られる。さらに好ましいのは、低温成長ＡｌＮを用いることであり、この場合には５０ｎｍ程度の膜厚でも十分な劈開異常防止効果が得られる。電流狭窄層３０８のＡｌ組成を０．４以上とした場合、その膜厚は２００ｎｍ以下とすることが、電流狭窄層におけるクラック発生を抑制する上で望ましい。また、電流狭窄層端面部３０８ａの長さはプロセス精度と電流非注入領域による吸収等の観点から、５μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。

高Ａｌ組成の電流狭窄層３０８を用いることにより、電流注入用開口部３１３の両脇部分（以下、電流狭窄層本体部）３０８ｂは上述した電流ブロック機能のみならず、水平方向に屈折率差を形成して閾値を低減する効果をも奏する。電流狭窄層３０８に高Ａｌ組成のＡｌ_xＧａ_yＮＩｎ_1-x-yＮを用いると、電流狭窄層３０８の屈折率は、ｐ型ガイド層３０７の屈折率及びｐ型クラッド層３０９の実効屈折率よりも小さくできる。活性層３０５の屈折率をｎ１、ｐ型ガイド層３０７の屈折率をｎ２、ｐ型クラッド層３０９の屈折率をｎ３、電流狭窄層３０８の屈折率をｎ４とした場合、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の条件を満足するように、例えば、ｎ１−ｎ２≧０．０６、ｎ２−ｎ３≧０．０３、ｎ３−ｎ４≧０．０２とすればよい。従って、電流注入領域（ストライプ形状の電流注入用開口部３１３）と、その両側の電流狭窄層本体部３０８ｂが設けられた領域とを比較すると、両者の間に実効的な屈折率差Δｎ_effが形成され、電流狭窄層本体部３０８ｂを設けた領域への光染み出しを抑制する作用が得られる。

電流狭窄層３０８は、ｐ型クラッド層３０９と活性層３０５との間に設置すれば良く、ｐ型ガイド層３０７中に（ｐ型ガイド層３０７を二つに分けてその間に挟み込むように）形成しても良い。ただし、電流狭窄層３０８の上部には劈開異常が生じやすく、活性層３０５に近接してなるｐ型ガイド層３０７に劈開異常が発生すると、ＣＯＤレベルの低下といった問題が生じる。従って、少なくとも電流狭窄層端面部３０８ａはｐ型クラッド層３０９の下部に接するように設けることが好ましい。

本実施形態にかかる半導体レーザでは、端面近傍においてｐ型クラッド層３０９の直下に高Ａｌ組成の窒化物半導体からなる電流狭窄層３０８を配しているため、レーザ光強度が最も強い活性層発光部３０５ａとその近傍では良好な劈開面を安定して得ることができる。これにより、高いＣＯＤレベルを安定して実現できる。

また、高Ａｌ組成の窒化物半導体を用いて電流狭窄層３０８を形成することにより、横方向の屈折率分布が形成されており、水平方向の屈折率差によって閾値電流が低減される。さらに、広いコンタクト面積と電流注入効率とによる低閾値、低電圧動作というインナーストライプ型半導体レーザ本来の利点を損なうことなく、安定した高出力特性を得られる。

さらに、電流狭窄層３０８として高Ａｌ組成の窒化物半導体を用いるため、その上部に形成されるｐ型クラッド層３０９やコンタクト層３１０の結晶性が悪化して高抵抗となり、電流狭窄層端面部３０８ａによる電流ブロック効果が向上している。これによってもＣＯＤレベルが向上する。

また、電流狭窄層端面部３０８ａが存在することによって端面非注入構造となるため、非注入領域の真上の表面の全域、もしくは一部にｐ型電極３１１を形成することも可能となる。これによって端面近傍の放熱性が向上するため、例えば、ｐサイドダウン融着する場合にＣＯＤレベルを顕著に向上させられる。

電流狭窄層３０８は、Ａｌ組成が高い窒化物半導体によって形成されているため結晶性が悪い。このため、電流狭窄層３０８の直上領域と電流注入用開口部３１３の直上領域とで転位密度を比較すると、電流狭窄層３０８の直上領域では相対的に高く、電流注入用開口部３１３の直上領域では相対的に低くなっている。

図３に、本実施形態にかかる半導体レーザの転位密度分布及び電流注入経路の概念を示す。下記の実施例では、電流狭窄層３０８の直上領域における転位密度は、電流狭窄層３０８に設けられている電流注入用開口部３１３の直上領域における転位密度の１００倍以上である。こうした構造は、電流狭窄層３０８の組成及び成膜条件、ｐ型クラッド層３０９の成長条件（成膜速度やＶ／ＩＩＩ比など）を適切に制御することによって実現できる。
こうした構造とすることによって、電流狭窄層３０８の直上領域においては、高抵抗の半導体層となり、良好な電流ブロック効果が得られるため、電流狭窄層本体部３０８ｂは端面部３０８ａに比して薄くすることも可能である。電流狭窄層３０８に高Ａｌ組成の窒化物半導体を用いた場合、電流狭窄層本体部３０８ｂの厚さは５０ｎｍ程度でも十分な電流ブロック効果を得ることが可能である。また、電流狭窄層本体部３０８ｂの厚さを２００ｎｍ以下とすることによって、電流狭窄層本体部３０８ｂにおけるクラックの発生を抑制し、かつその上部に形成するｐ型クラッド層３０９を制御性良く形成することができるため、最終的にウエハ全体にわたって平坦な表面を得ることができる。

電流狭窄層３０８としては、アンドープのＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮが用いられるが、これにシリコンや酸素などのｎ型不純物をドーピングしても良い。電流狭窄層３０８には、ｐ型クラッド層３０９の埋め込み成長時にｐ型不純物であるＭｇが拡散して、無効電流が増大することが懸念されるが、電流狭窄層３０８にｎ型不純物をドーピングすることによって、これを補償して無効電流を低減できる。加えて、電流狭窄層３０８とｐ型クラッド層３０９との界面にｐｎ接合による空乏層が形成されるため、より完全な電流狭窄が行われて、例えば、レーザ発振の閾値電流が低減される。

また、ｐ型クラッド層３０９に面する電流狭窄層３０８の表面にはアンドープＧａＮ層を設けることができる。なお、電流狭窄層３０８の表面に設けるアンドープＧａＮ層には、ｐ型クラッド層３０９の埋め込み成長時にｐ型不純物であるＭｇが拡散して、ｐ型クラッド層３０９に接する部分は、ｐ型導電性を示すＧａＮへと変換される。一方、このアンドープＧａＮ層を越えて電流狭窄層３０８に達するｐ型不純物の拡散は効果的に抑制される。上記の機能を果たすアンドープＧａＮ層の厚さは、電流狭窄層３０８の厚さに対して１／１０〜１／２程度で良いが、ｐ型クラッド層３０９の制御性や表面平坦性の観点から、アンドープＧａＮ層と電流狭窄層３０８との厚さの合計は２００ｎｍ以下であることが好ましい。

また、低温成長のアンドープＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮを用いた電流狭窄層３０８の表面に、予め高温成長により形成されるアンドープＧａＮ層を設けることにより、ｐ型クラッド層３０９の埋め込み成長が容易になる。

ｐ型クラッド層３０９は、Ｍｇドープしたｐ型ＡｌＧａＮを用いて形成できるが、ＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層が交互に積層された超格子構造とした方がより好ましい。例えば、ＧａＮ／Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（厚さ２．５ｎｍ／２．５ｎｍ；Ｍｇ濃度０／１×１０¹⁹ｃｍ^-3）１３０周期構造からなる超格子構造（総厚さ０．６５μｍ）のような構造とすると良い。超格子構造とすることによって、ｐ型クラッド層３０９の格子歪が層全体に分配され、ｐ型クラッド層３０９における劈開異常の発生を抑制する効果が得られる。また、層方向の抵抗が低減して低電圧動作が可能となるほか、平坦性が増すなどといった効果も得られる。超格子の周期数は５０周期以上であることが好ましく、１００周期以上であることがより好ましい。

上記周期数の超格子構造の層をｐ型クラッド層３０９の一部に挿入することにより、動作電圧の低減が顕著となる。その際、電流狭窄層３０８が設けられていない領域では超格子構造の層は、ｐ型ＧａＮガイド層３０７及びｐ型コンタクト層３１０と直に接していなくても良いが、ｐ型ＧａＮガイド層３０７との界面に挿入する方が低電圧化及びクラック抑制の点で好ましい。

なお、超格子構造を含むｐ型クラッド層３０９の層厚は、電流狭窄層３０８よりも厚くする必要がある。特に、ｐ型ＧａＮガイド層３０７との界面に超格子構造の層を挿入する際、ｐ型クラッド層３０９が有する超格子構造の層の厚さを、電流狭窄層３０８の厚さよりも厚くすることがクラック抑制及び低電圧化の点でより好ましい。また、この場合、ｐ型クラッド層３０９のｐ型不純物ドーピングは、超格子構造を構成するＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層の少なくとも一方に行えば良い。

また、層面方向の抵抗低減を図るためには、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造においてＡｌＧａＮ層のみにＭｇをドープした変調ドープ超格子構造を採用することが望ましい。また、ＡｌＧａＮ層のみにＭｇをドープする変調ドープ超格子構造を採用することにより、埋め込み成長の平坦性が向上する効果も得られる。

ｐ型電極３１１は、素子全面に亘って形成することが可能であるが、例えば、ＳｉＯ₂による絶縁層をｐ型コンタクト層３１０上に形成してｐ型電極３１１の幅や長さを制限しても良い。
この場合、ｐ型電極３１１は、電流注入用開口部３１３に対して対称に配置することが好ましい。また、低電圧化の観点からｐ型電極３１１の電極幅は、電流注入用開口部３１３の幅の１０倍以上であることが好ましい。

電流狭窄層本体部３０８ｂは、電流注入用開口部３１３から離れた領域において、その一部が除去されていても良い。電流狭窄層３０８が電流注入用開口部３１３を除く素子全面に形成された半導体レーザでは、基板３０１と電流狭窄層３０８との格子定数差に起因する大きな歪の影響で、素子分離、ワイヤ・ボンディング、ヒート・シンクへの融着などの工程で素子が破壊される恐れがあるほか、電流狭窄層３０８を成長させる際にもピットや異常成長が起こりやすい。
電流注入用開口部３１３から離れた領域において電流注入用開口部３０８ｂの一部を除去することによって、電流狭窄層３０８のチップ面積（活性層面積）に占める被覆率を低減できる。これにより、素子全体に内在する応力が低減され、長期信頼性が改善されるとともに、外部からの応力への耐性が向上する。
特に、ワイヤ・ボンディングや融着の際にかかる局所的な応力に対しては、電流狭窄層本体部３０８ｂが除去された領域（以下、ダミー開口部と表記する。）にボンディング・パッドを設けるなどすることにより、電流狭窄層本体部３０８ｂへの応力集中を避けることができ、素子へのダメージを最小限に抑えることが可能となる。

なお、電流注入用開口部３１３の両側にある電流狭窄層本体部３０８ｂの一部を除去する際、ダミー開口部への電流リークを抑制する必要があるため、絶縁層の形成などによりｐ型電極３１１の電極幅を制限する構造を選択する。この際、電流注入用開口部３１３の幅と、その両脇に位置する電流狭窄層本体３０８ｂの幅との合計が、ｐ型電極３１１の電極幅よりも広くなるように選択する。ｐ型電極３１１を電流注入用開口部３１３に対して対称に配置する際、各電流狭窄層本体部３０８ｂの幅は、上記電極幅の少なくとも０．５倍以上、より好ましくは０．７倍以上に選択する。なお、前記構造において、電流狭窄層３０８のチップ面積（活性層面積）に占める被覆率は、５０％以下、２．５％以上の範囲で選択可能である。

また、電流狭窄層端面部３０８ａの一部を除去することも可能である。この際、電流狭窄層端面部３０８ａの幅は、電流注入用開口部３１３の幅とその両脇に位置する電流狭窄層本体部３０８ｂの幅との合計と等しくする必要は無いが、電流注入用開口部３１３の幅に対して４倍以上に選択し、電流注入用開口部３１３に対して対称に配置することが望ましい。こうすることにより、活性層発光部３０５ａにおける劈開異常を抑制できる。
なお、電流狭窄層端面部３０８ａの幅が、電流注入用開口部３１３の幅と電流狭窄層本体部３０８ｂの幅との合計よりも小さい場合には、ｐ型電極３１１の構造もこれに応じて電流狭窄層端面部３０８ａの上部で電極幅を小さくする必要があり、ｐ型電極３１１の幅を電流狭窄層端面部３０５ａの幅の１／２以下とするか、又は電流狭窄層端面部３０８ａの上部にはｐ型電極３１１を設けない構造とする。

以下、本実施形態にかかる半導体レーザの具体的な実施例について説明する。

本実施例にかかる半導体レーザの構造は、図１、図２に示した通りである。基板としてｎ型ＧａＮ（面方位０００１）基板を用いた。素子構造の形成には、ＭＯＶＰＥ装置を用いた。キャリアガスとして水素と窒素との混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用いた

はじめに、活性層３０５、ｎ型クラッド層３０３、ｎ型及びｐ型ガイド層３０４及び３０７、電流狭窄層３０８のために低温でＡｌＮを成長させる。以下、この工程を「活性層成長工程」と表記する。

ｎ型ＧａＮ基板３０１を成長装置に投入後、ＮＨ₃を供給しながら基板を昇温させ、成長温度まで達した時点で成長を開始した。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層３０２（Ｓｉ濃度４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ１μｍ）、ＳｉドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層３０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層３０４、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ（Ｓｉ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ４ｎｍ）バリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層３０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ１０μｍ）からなるキャップ層３０６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型ガイド層３０７を順次積層した。ＧａＮ成長は基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行った。ＩｎＧａＮＭＱＷ成長は、基板温度８００℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにおいて、ＴＭＩｎ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎ、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎとした。これらの構造を堆積させた後、引き続いて基板温度を４００℃まで降下させ、低温ＡｌＮ層（厚さ１００ｎｍ、後に電流狭窄層３０８となる）を堆積させた。
上記のように、電流狭窄層本体部３０８ｂは端面部３０８ａに比して薄くすることも可能であり、本実施例においては５０ｎｍ程度の薄層とすることもできる。

次に、低温成長ＡｌＮ層にストライプ状の電流注入用開口部３１３を形成する。以下、この工程を「ストライプ形成工程」と表記する。
ＡｌＮ上にＳｉＯ₂を１００ｎｍ堆積させ、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーによって幅２μｍ、長さ５８０μｍのストライプパターンをレジスト上に形成した。次に、レジストをマスクとしてバッファードフッ酸でＳｉＯ₂をエッチングした後、レジストを有機溶媒によって除去し、水洗した。次に、ＳｉＯ₂をマスクとして低温ＡｌＮをエッチングした。エッチング液にはリン酸と硫酸とを体積比１：１の割合で混合した溶液を用いた。ＳｉＯ₂マスクでカバーされていない領域のＡｌＮ層は８０℃に保持した上記溶液中での１０分間のエッチングによって除去され、ストライプ状の電流注入用開口部３１３が得られた。さらに、マスクとしたＳｉＯ₂をバッファードフッ酸で除去し、ＡｌＮ層に幅２μｍ、長さ５８０μｍのストライプ状の電流注入用開口部３１３を有する構造を得た。

以上の「ストライプ形成工程」によって得られた電流注入用開口部３１３を有する試料に対し、ＧａＮ／ＭｇドープＡｌＧａＮＳＬＳクラッド層を埋め込み再成長させる。以下、この工程を「ｐクラッド再成長工程」という。
電流注入用開口部３１３を有する試料をＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ₃供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎという条件の下で成長温度である９５０℃まで昇温させた。９５０℃に達した後、ＧａＮ（厚さ２．５ｎｍ）井戸層とＭｇドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ２．５ｎｍ）バリア層とを１４０周期成長させてなるｐ型クラッド層３０９を堆積させ、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０²⁰ｃｍ^-3）、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層３１０を堆積させた。

以上の各工程によって、ｐ型コンタクト層３１０、電流狭窄層３０８、ｐ型及びｎ型クラッド層３０９及び３０３、ｐ型及びｎ型ガイド層３０７及び３０４、及び活性層３０５を備えたＬＤウエハが得られた。

次に、このＬＤウエハに対しｐ型及びｎ型電極３１１、３１２を形成する。以下、この工程を「電極工程」と表記する。
ｎ型ＧａＮ基板３０１裏面にＴｉ５ｎｍ、Ａｌ２０ｎｍをこの順で真空蒸着し、次に、ｐ型コンタクト層３１０上にＮｉ１０ｎｍ、Ａｕ１０ｎｍをこの順で真空蒸着した。上記試料を、ＲＴＡ装置に投入し、６００℃、３０秒間のアロイを行って、オーミック・コンタクトを形成する。基板３０１の裏面側のＴｉＡｌ膜及び表面側のＮｉＡｕ膜上に、Ａｕを５００ｎｍ真空蒸着し、ｎ型電極３１２及びｐ型電極３１１とする。

以上のようにしてｎ型電極３１２とｐ型電極３１１とを形成したウエハを、ストライプ状の電流注入用開口部３１３に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に垂直な６００μｍ長の共振器を形成した。また、この際、劈開位置は電流注入用開口部３１３に対して対称となるようにし、両端面における電流狭窄層端面部３０８ａの長さは共に１０μｍとした。

バー状態のまま劈開面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察して、劈開異常が活性層発光部３０５ａに到達している素子の割合を劈開不良率と定義した。これを上記の工程によって得られたバーについて測定したところ、劈開不良率１％未満という良好な結果が得られた。

共振器端面にＴｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃とからなる誘電体多層膜を形成し、前面の反射率Ｒｆ＝５％、背面の反射率Ｒｂ＝９０％とし、最後に、劈開面に垂直な方向でバーを切断して、図１、図２に示したような半導体レーザ素子とした。なお、共振器長は６００μｍ、素子幅は４００μｍとした。

以上の工程によって得られた半導体レーザを、Ｐサイド・アップの配置でヒート・シンク上に融着し、それぞれの電極をワイヤ・ボンディングして発光特性を調べたところ、ヒート・シンク温度２５℃、ＣＷ（連続発振）における閾値条件として、電流密度（電流Ｉをストライプ状の電流注入用開口部（２μｍ（Ｗ）×５８０μｍ（Ｌ））面積Ｓで除した値（Ｉ／Ｓ）で示す）３ｋＡ／ｃｍ²以下、半導体レーザに印加する電圧４．０Ｖ以下にてレーザ発振させ、注入電流Ｉ＝６０ｍＡ付近におけるスロープ効率が、１．５Ｗ／Ａ以上という良好な特性を有する素子（以下、良品素子）が８０％以上の確率で得られることを確認した。これらの良品素子各々について、ヒート・シンク温度２５℃、ＣＷにおけるＣＯＤレベルを評価したところ、平均ＣＯＤレベル５４０ｍＷ、標準偏差４０ｍＷであった。

なお、本実施例においては、活性層３０５、ｐ型ＧａＮガイド層３０７、厚さ１００μｍの低温成長ＡｌＮ層を形成した後に、ＡｌＮ層においてレーザ端面近傍を除いてストライプ状の電流注入用開口部３１３を形成した後、ＧａＮ／ＭｇドープＡｌＧａＮ超格子構造からなるｐ型クラッド層３０９の埋め込み再成長を行った。また、ｐ型電極３１１は素子全面に形成している。

得られた半導体レーザは、電流注入効率に優れ、低電圧動作であり、安定した高いＣＯＤレベルを有する素子が得られた。

このように、本実施例にかかる半導体レーザは、その端面において活性層発光部３０５ａの上部に高Ａｌ組成の電流狭窄層３０８を設けることにより、ｐ型クラッド層３０９で生じた劈開異常が活性層発光部３０５ａまで伝播することを防ぐ構造となっているため、高いＣＯＤレベルを安定的に得られる。

図４、図５に、本実施例にかかる半導体レーザの概略構造を示す。図４（ａ）は、半導体レーザの構造を示す斜視図であり、図４（ｂ）は、図５（ａ）に示す電流狭窄層３０８の平面図であり、図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。この半導体レーザは、電流狭窄層本体部３０８ｂ及び電流狭窄層端面部３０８ａの一部が除去され、ダミー開口部５０１が形成されている点と、ｐ型電極３１１の接触面積が絶縁膜５０２によって制限されている点で上記実施例１の半導体レーザと相違する。以下、その製造方法について説明する。

まず、実施例１と同様の「活性層成長工程」を経た後、幅４０μｍ、長さ６００μｍのＡｌＮ層に電流注入領域として幅２μｍ、長さ５８０μｍのストライプ状開口部が形成された電流狭窄層３０８を有する構造を、上記「ストライプ形成工程」で説明した方法によって得ている。下地膜（ｐ型ＧａＮガイド層３０７／活性層３０５）に対する電流狭窄層３０８（低温成長ＡｌＮ層）の被覆率、すなわち、幅４００μｍ、長さ６００μｍのｐ型ＧａＮガイド層３０７全体の面積に対して電流狭窄層３０８の面積が占める割合は、１０％程度となっている。

その後、実施例１と同様の「ｐクラッド再成長工程」を経て、ｎ型クラッド層３０３、ｎ型ガイド層３０４、活性層３０５、キャップ層３０６、ｐ型ガイド層３０７、電流狭窄層３０８、ｐ型クラッド層３０９、及びｐ型コンタクト層３１０を備えたＬＤウエハを得る。

さらにその後、ｐ型コンタクト層３１０上に絶縁層として７０００ÅのＳｉＯ₂膜（後に、絶縁膜５０２となる）をＣＶＤ法によって堆積させたあと、フォトリソグラフィーにより２０μｍ幅のストライプ状開口部を形成する。ストライプ状開口部は、電流狭窄層３０８に設けた電流注入用開口部３１３の直上に位置するように形成されている。その後、実施例１と同様の「電極工程」を経て、ｐ型電極３１１及びｎ型電極３１２を形成する。

以上の工程によって得られたウエハを、電流狭窄層３０８に設けるストライプ状電極注入用開口部３１３に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に垂直な共振器を形成した。上記の各工程によって得られたバーについて劈開面をＳＥＭによって観察したところ、劈開不良率は１％未満であった。

共振器端面にＴｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃とからなる誘電体多層膜を形成して、前面の反射率Ｒｆ＝５％、背面の反射率Ｒｂ＝９０％とした。最後に劈開面に垂直な方向でバーを切断して図４、図５に示したような半導体レーザ素子を形成した。なお、共振器長は６００μｍ、素子幅は４００μｍとした。

以上の工程によって得られた半導体レーザを、Ｐサイド・アップの配置でヒート・シンク上に融着し、それぞれの電極をワイヤ・ボンディングした。この際、ｐ側のボンディングはダミー開口部５０１の上部に形成されたｐ型電極３１１上に行った。
発光特性を調べたところ、ヒート・シンク温度２５℃、ＣＷ条件において、閾値電流密度３ｋＡ／ｃｍ²以下、閾値電圧４．０Ｖ以下、注入電流Ｉ＝６０ｍＡ付近におけるスロープ効率１．５Ｗ／Ａ以上という良品素子が９５％以上の確率で得られることを確認した。
これらの良品素子各々について、ヒート・シンク温度２５℃、ＣＷ条件におけるＣＯＤレベル（２５℃ＣＷ）を評価したところ、平均ＣＯＤレベル５３０ｍＷ、標準偏差３０ｍＷであった。また、実施例１にかかる半導体レーザと比較して長期信頼性が大幅に改善された。

本実施例では、活性層３０５、ｐ型ＧａＮガイド層３０７、厚さ１００μｍの低温成長ＡｌＮ層を形成した後、ＡｌＮ層においてレーザ端面近傍を除き、ストライプ状の電流注入用開口部３１３を形成するとともに、電流注入用開口部３１３から隔たった領域において、その一部を除去することにより、チップ面積（活性層面積）に対する電流狭窄層３０８の被覆率を低減した上で、ＧａＮ／ＭｇドープＡｌＧａＮ超格子構造からなるｐ型クラッド層３０９の埋め込み再成長を行っている。

得られた半導体レーザは、電流注入効率に優れ、ワイヤ・ボンディング等による破損の起きにくいものであった。また、高いＣＯＤレベルと長期信頼性を有する低電圧動作ＬＤ素子をウエハ全体で安定して得られる。

本実施例にかかる半導体レーザは、ｐ型コンタクト層３１０表面に開口部を有する絶縁膜５０２を設けるとともに、電流注入用開口部３１３から離れた領域で電流狭窄層３０８にダミー開口部５０１を設けているため、電流狭窄層３０８による歪みの発生を抑制しつつ、発光部における劈開異常の発生を防ぐことができ、その結果、高いＣＯＤレベルと長期信頼性とをウエハ全体で安定的に得られる。

（比較例１）
電流狭窄層３０８において、電流注入用開口部３１３が端面に達していること、及び端面近傍領域において絶縁層５０２を設けることによって端面非注入構造としていること以外は、実施例２と同様にして半導体レーザを作製し、評価した。本実施例にかかる半導体レーザの概略構造を図６、７に示す。図６（ａ）は、本比較例にかかる半導体レーザの構造を示す斜視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す電流狭窄層３０８の平面図であり、図７（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図６（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。

このような構造では、端面近傍、すなわち劈開位置における電流狭窄層３０８に開口部が形成されているため、図８（ａ）に示すように、電流狭窄層３０８上部に形成されたｐ型クラッド層３０９で生じた劈開異常が電流狭窄層３０８下部に位置する活性層３０５まで開口部を介して伝播してしまい、劈開不良率が高くなる。また、図８（ｂ）に示すように、絶縁層５０２の作用により端面近傍ではｐ型電極３１１を電極として機能させないことにより、上記実施例１、２と同等な電流非注入領域を設けているものの、ｐ型電極３１１から注入されたキャリアがｐ型クラッド層３０９、ｐ型ＧａＮガイド層３０７中で端面近傍まで広がってしまう。このような理由により、本例の構造ではＣＯＤレベルが低下しばらつきも増大する。

得られたウエハを、電極狭窄層３０８に設けるストライプ状の電流注入用開口部３１３に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に垂直な共振器を作製した。上記の工程によって得られたバーについて、劈開面をＳＥＭによって観察したところ、劈開不良率は約２０％であった。

共振器端面にＴｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃とからなる誘電体多層膜を形成し、前面の反射率Ｒｆ＝５％、背面の反射率Ｒｂ＝９０％とした。最後に、劈開面に垂直な方向でバーを切断して図７、８に示したような半導体レーザとした。なお、共振器長は６００μｍ、素子幅は４００μｍとしている。また、ｐ型電極３１１の幅は２０μｍ、長さは５８０μｍとし、両端面における非注入領域長は上記第２の実施例にかかる半導体レーザと同じ１０μｍとしている。

得られた半導体レーザをＰサイド・アップの配置でヒート・シンク上に融着し、それぞれの電極をワイヤ・ボンディングした。この際、ｐ側のボンディングはダミー開口部５０１の上部に形成されたカバー電極上に行った。発光特性を調べたところ、ヒート・シンク温度２５℃、ＣＷ条件において、閾値電流密度３ｋＡ／ｃｍ²以下、閾値電圧４．０Ｖ以下、注入電流Ｉ＝６０ｍＡ付近におけるスロープ効率１．５Ｗ／Ａ以上という良品素子が９５％以上の確率で得られることを確認した。これらの良品素子各々について、ヒート・シンク温度２５℃、ＣＷ条件におけるＣＯＤレベル（２５℃ＣＷ）を評価したところ、平均ＣＯＤレベル４８０ｍＷ、標準偏差９０ｍＷであった。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることはない。
例えば、上記実施形態では４００℃で成長させた厚さ１００ｎｍのＡｌＮを電流狭窄層３０８として用いたが、電流狭窄層３０８は、６００℃以下の比較的低温で成長させた窒化物半導体であれば適用可能である。低温で成長させることによって電流狭窄層３０８の開口部形成等の加工をウエットエッチングによって良好に行えるようになる。また、この場合、電流狭窄層３０８の結晶性は高温で成長させた場合に比べて悪化するが、５０ｎｍまで薄層化しても十分な劈開異常防止効果が得られる。
また、上記の実施例ではプロセスの簡便性の点から電流狭窄層３０８の膜厚は端面部３０８ａ、本体部３０８ｂともに１００ｎｍとしたが、それぞれの機能は独立であるため、異なる膜厚とすることもできる。
このよう、上記実施形態は一例で様々な変形が可能であり、本発明はそうした変形実施も包含するものである。
は様々な変形が可能である。

本発明の好適な実施の形態の第１の実施例にかかる半導体レーザの構造を示す図である。 第１の実施例にかかる半導体レーザの構造を示す図である。 転位密度及び電流経路を模式的に示す図である。 本発明の好適な実施の形態の第２の実施例にかかる半導体レーザの構成を示す図である。 第２の実施例にかかる半導体レーザの構成を示す図である。 比較例にかかる半導体レーザの構成を示す図である。 比較例にかかる半導体レーザの構成を示す図である。 比較例にかかる半導体レーザの劈開異常を模式的に示す図である。 従来のリッジ型半導体レーザの構造を示す図である。 従来のインナーストライプ型半導体レーザの構成を示す図である。

符号の説明

３０１ 基板
３０２ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
３０３ ｎ型クラッド層
３０４ ｎ型光閉じ込め層（ｎ型ガイド層）
３０５ 活性層
３０５ａ 活性層発光部
３０６ キャップ層
３０７ ｐ型ＧａＮガイド層（ｐ型ガイド層）
３０８ 電流狭窄層
３０８ａ 電流狭窄層端面部
３０８ｂ 電流狭窄層本体部
３０９ ｐ型クラッド層
３１０ ｐ型コンタクト層
３１１ ｐ型電極
３１２ ｎ型電極
３１３ 電流注入用開口部
５０１ ダミー開口部
５０２ 絶縁膜

Claims (8)

1. ＩＩＩ族窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層よりも上層側に形成され電流注入領域に開口部が設けられた電流狭窄層と、前記電流狭窄層及び前記開口部よりも上層側に設けられたクラッド層と、前記クラッド層の上に設けられたコンタクト層と、前記コンタクト層の表面に設けられた電極とを備え、
   前記電流狭窄層がＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-y（ただし、０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、ｘ＋ｙ≦１）を主成分として形成されており、
   前記電流狭窄層が端面近傍において前記活性層発光部の上部に形成されていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
2. 前記電流狭窄層は、Ａｌの組成比率が前記クラッド層よりも高いことを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
3. 前記電流狭窄層が低温成長ＡｌＮからなることを特徴とする請求項１又は２記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
4. 前記電流狭窄層は、厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
5. 前記電流狭窄層は、前記クラッド層の下面と接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
6. 前記クラッド層が、ＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる超格子構造を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
7. 前記コンタクト層の表面に設けられた前記電極が、端面近傍に形成された前記電流狭窄層の上部に位置する前記コンタクト層表面を含む領域に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。
8. 前記電流狭窄層は、前記開口部から離れた領域において、その一部が除去されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載のＩＩＩ族窒化物半導体光素子。

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