JP5090396B2 - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体光学装置 - Google Patents

窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体光学装置 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、半導体光学装置に関し、特に、窒化物半導体基板を備えた窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、この窒化物半導体発光素子を搭載した半導体光学装置に関する。
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、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を長波長化することにより、緑色領域で発光する半導体発光素子（緑色半導体レーザ）を実現しようとする試みが各研究機関で精力的に行われている。
窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、一般的に、基板として、六方晶系のＧａＮ基板（窒化物半導体基板）が用いられており、そのｃ面（（０００１）面）が成長主面とされている。そして、このｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層が積層されることによって窒化物半導体発光素子が形成されている。また、窒化物半導体基板を用いて窒化物半導体発光素子を形成する場合には、一般的に、Ｉｎを含む活性層が用いられ、そのＩｎ組成比を増加させることにより、発光波長の長波長化が図られる。
しかしながら、ＧａＮ基板のｃ面は、ｃ軸方向に極性を有する極性面であるため、ｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層を積層した場合、活性層内に自発分極が生じるという不都合がある。また、ｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層を積層した場合、Ｉｎ組成比の増加に伴い、活性層の格子歪みが増大し、活性層に、ピエゾ分極による強い内部電場が誘起されるという不都合もある。そして、この内部電場により、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、再結合して発光する割合が低下する。このため、緑色領域の発光を実現するために、Ｉｎ組成比を増加させた場合には、発光波長の長波長化に伴い、発光効率が著しく低下するという問題が生じていた。
そこで、近年では、自発分極およびピエゾ分極の影響を回避するために、一般的なｃ面ではなく、無極性面であるｍ面（｛１−１００｝面）上に窒化物半導体層を積層した窒化物半導体発光素子が提案されている。このような窒化物半導体発光素子は、たとえば、特許文献１に開示されている。
上記特許文献１に開示された窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）は、無極性面であるｍ面を成長主面とするＧａＮ基板を備えており、その成長主面（ｍ面）上に活性層を含む窒化物半導体各層が積層されている。このｍ面は、ｃ面と直交する結晶面であるため、ｍ面上に、活性層を含む窒化物半導体各層を積層することによって、分極軸となるｃ軸が活性層の面内に含まれる。このため、自発分極やピエゾ分極の影響が回避され、発光効率の低下が抑制される。なお、特許文献１の窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）では、表面モフォロジーの悪化を抑制するという観点から、ＧａＮ基板のｍ面は、そのオフ角度（方位誤差）が±１度以内となるように調整されている。
特開２００８−９１４８８号公報
上述のように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることによって、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下が抑制された窒化物半導体発光素子が得られる。
しかしながら、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子について、その発光効率（電流注入による発光：ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ））を測定したところ、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、発光効率が急減に低下してしまう現象が確認された。そこで、本願発明者らが、その原因を解明すべく、鋭意研究を重ねた結果、発光効率の低下の原因が、ＥＬ発光パターン（電流注入によって発光させたときの面内光分布）の輝点状化にあることを突き止めた。すなわち、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、窒化物半導体発光素子のＥＬ発光パターンが、輝点状発光することを見出した。
具体的には、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を作製し、電流注入を行うことによって窒化物半導体発光素子を発光させたところ、図２４に示すような、輝点状のＥＬ発光パターンが観察された。このような現象は、従来、どのような場合に起こるのか全く知られていない。そこで、原因を詳細に調べたところ、活性層のＩｎ組成比が高くなるにしたがい、ＥＬ発光パターンが輝点状に変化していくことが分かった。また、この輝点状のＥＬ発光パターンは、活性層のＩｎ組成比が増加すればするほど顕著になり、特に、緑色領域の近傍（活性層（井戸層）のＩｎ組成比が０．１５以上）から輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる傾向が認められた。そして、さらにＩｎ組成比を増加させると、発光する輝点の数（発光面積）が減少していく。このように、輝点状のＥＬ発光パターンとＩｎ組成比との間に強い相関性が認められ、ＥＬ発光パターンが輝点状化する現象が、活性層のＩｎ組成比を増加させたときに発光効率が低下する原因であることを見出した。なお、窒化物半導体基板には、オフ角度が０度のジャスト基板（オフ角度が設けられていない基板）を用いている。
また、上記した輝点状のＥＬ発光パターンは、無極性面、特にｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）で顕著に現れる現象である。
このように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子では、ｃ面を用いた窒化物半導体発光素子とは異なり、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下は抑制されるものの、ＥＬ発光パターンの輝点状化に起因して、発光効率が低下するという問題があることを見出した。このようなＥＬ発光パターンの輝点状化は、ｍ面を用いた窒化物半導体発光素子において、発光波長の長波長化を図る際の妨げとなるため、非常に問題となる。特に、半導体レーザ素子においては、発光効率の低下はゲインの低下を引き起こすため、問題が大きい。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ＥＬ発光パターンを改善することにより、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体発光素子を備えた半導体光学装置を提供することである。
この発明のもう１つの目的は、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体発光素子を備えた半導体光学装置を提供することである。
本願発明者らが、上記の問題に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、ｍ面に対してオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することが可能であることを見出した。
すなわち、この発明の第１の局面による窒化物半導体発光素子は、成長主面を有する窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の成長主面上に成長され、Ｉｎを含む活性層と活性層上に形成されたＡｌを含むｐ型半導体層とを有する窒化物半導体層とを備えている。そして、成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、活性層のＩｎ組成比が、０．１５以上０．４５以下である。なお、本発明の「Ａｌを含むｐ型半導体層」とは、活性層に注入されたキャリア（電子）がｐ型の半導体層へ流入するのを防ぐための層である。
この第１の局面による窒化物半導体発光素子では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることによって、成長主面上に活性層を成長させる際に、活性層におけるＩｎ原子のマイグレーションの方向が変化すると考えられる。このため、活性層のＩｎ組成比を増加させることによりＩｎ組成比を０．１５以上０．４５以下とした場合でも、Ｉｎの凝集を抑制することができ、結晶性が良好な活性層を形成することができる。また、結晶性の良好な活性層を形成することによって、活性層における表面荒れなどの発生を抑制することができるので、活性層上に形成されるＡｌを含むｐ型半導体層の結晶性を良好にすることもできる。このため、良好な結晶性を有する上記ｐ型半導体層によって、活性層に注入されたキャリアがｐ型の半導体層へ流入するのを効果的に防ぐことができる。また、Ａｌを含むｐ型半導体層の結晶性を良好にすることによって、ｐ型半導体層の結晶性が悪化することに起因して、ｐ型半導体層が高抵抗化するという不都合が生じるのを抑制することができる。そのため、電流を均一に注入することができる。このように、窒化物半導体基板の成長主面がｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、活性層の結晶性が良好になることに加えて、ｐ型半導体層によって、活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。すなわち、窒化物半導体発光素子のＥＬ発光パターンを改善することができる。その結果、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
また、第１の局面では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子を形成した際に、ゲインを高めることができる。
さらに、第１の局面では、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
なお、上記した第１の局面による窒化物半導体発光素子では、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である活性層のＩｎ組成比が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができるので、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、活性層のＩｎ組成比を０．４５以下にすることによって、活性層のＩｎ組成比が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層に転位が多数入るという不都合が生じるのを抑制することもできる。
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、ｐ型半導体層のＡｌ組成比が、０．０８以上０．３５以下である。このように構成すれば、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁を形成することができるので、ｐ型半導体層を、キャリアをブロックする層として十分に機能させることができる。このため、活性層に注入されたキャリアがｐ型の半導体層へ流入するのをより効果的に防ぐことができるので、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。これにより、窒化物半導体発光素子の発光効率をより向上させることができる。また、ｐ型半導体層のＡｌ組成比を０．３５以下とすることによって、Ａｌ組成比が大きくなり過ぎることに起因するｐ型半導体層の高抵抗化を抑制することができる。なお、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることによって、活性層のＩｎ組成比が０．１５以上０．４５以下の場合でも、その活性層上に、Ａｌ組成比が０．０８以上０．３５以下であるｐ型半導体層を結晶性よく形成することができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制して、ＥＬ発光パターンを均一化することができる。
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、かつ、１０度以下である。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。なお、ａ軸方向のオフ角度を１０度以下の角度とすれば、ａ軸方向のオフ角度が１０度より大きくなることに起因して、表面モフォロジーが悪化するという不都合が生じるのを抑制することができる。また、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きくすれば、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以下となることに起因して、表面モフォロジーが悪化するという不都合が生じるのを抑制することもできる。すなわち、このように構成すれば、良好な表面モフォロジーを得ながら、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。
この場合において、窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下であるのが好ましい。このように構成すれば、良好な表面モフォロジーを得ながら、ＥＬ発光パターンの輝点状化をより容易に抑制することができる。また、ａ軸方向のオフ角度をこのように構成すれば、駆動電圧の低減効果が大きくなり、かつ、表面モフォロジーの改善効果も得られるため、より好ましい。さらに、ａ軸方向のオフ角度をこのように構成することにより、ｍ面上に窒化物半導体層を成長させた際に層表面に発生するピラミッド状の凸部の発生を有効に抑制することができる。
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、窒化物半導体基板は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有しており、ａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きい。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化をより効果的に抑制することができる。
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、活性層は、量子井戸構造からなり、１層の井戸層を有している。このように構成した場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができ、かつ、駆動電圧を容易に低減することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。また、このように構成することによって、井戸層を３層以上含むように活性層を構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。これにより、輝度の高い窒化物半導体発光素子を容易に得ることができる。
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、好ましくは、活性層は、量子井戸構造からなり、２層の井戸層を有している。このように構成した場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができ、かつ、駆動電圧を容易に低減することができる。また、このように構成することによって、井戸層を３層以上含むように活性層を構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。
上記第１の局面による窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体基板は、ＧａＮから構成されているのが好ましい。
この発明の第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を準備する工程と、窒化物半導体基板の成長主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、ｎ型半導体層、Ｉｎを含む活性層およびＡｌを含むｐ型半導体層を有する窒化物半導体層を積層する工程とを備えている。そして、窒化物半導体層を積層する工程は、活性層のＩｎ組成比を０．１５以上０．４５以下に構成する工程を含む。
この第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることによって、活性層のＩｎ組成比を増加させることによりＩｎ組成比を０．１５以上０．４５以下とした場合でも、結晶性が良好な活性層を形成することができる。また、結晶性の良好な活性層を形成することによって、活性層における表面荒れなどの発生を抑制することができるので、活性層上に形成されるｐ型半導体層の結晶性を良好にすることができる。このため、良好な結晶性を有する上記ｐ型半導体層によって、活性層に注入されたキャリアがｐ型の半導体層へ流入するのを効果的に防ぐことができる。これにより、電流を均一に注入することができる。このように、窒化物半導体基板の成長主面がｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、活性層の結晶性が良好になることに加えて、ｐ型半導体層によって、活性層にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。したがって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。すなわち、窒化物半導体発光素子のＥＬ発光パターンを改善することができる。その結果、窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
また、第２の局面では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、窒化物半導体発光素子の駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子を形成した際に、ゲインを高めることができる。
さらに、第２の局面では、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体発光素子を得ることができる。
なお、上記した第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法では、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である活性層のＩｎ組成比が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができるので、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、活性層のＩｎ組成比を０．４５以下にすることによって、活性層のＩｎ組成比が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層に転位が多数入るという不都合が生じるのを抑制することもできる。
上記第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法において、窒化物半導体層を積層する工程は、ｐ型半導体層のＡｌ組成比を０．０８以上０．３５以下に構成する工程を含むのが好ましい。このように構成すれば、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁を形成することができるので、ｐ型半導体層を、キャリアをブロックする層として十分に機能させることができる。
上記第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法において、好ましくは、窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、かつ、１０度以下である。このように構成すれば、良好な表面モフォロジーを得ながら、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。
この場合において、窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下であるのが好ましい。このように構成すれば、良好な表面モフォロジーを得ながら、ＥＬ発光パターンの輝点状化をより容易に抑制することができる。また、ａ軸方向のオフ角度をこのように構成すれば、駆動電圧の低減効果が大きくなり、かつ、表面モフォロジーの改善効果も得られるため、より好ましい。さらに、ａ軸方向のオフ角度をこのように構成することにより、ピラミッド状の凸部の発生を有効に抑制することができる。
上記第２の局面による窒化物半導体発光素子の製造方法において、好ましくは、窒化物半導体基板は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有しており、ａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きい。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化をより効果的に抑制することができる。
この発明の第３の局面による半導体光学装置は、上記第１の局面による窒化物半導体発光素子を光源として備える半導体光学装置である。
以上のように、本発明によれば、ＥＬ発光パターンを改善することにより、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体発光素子を備えた半導体光学装置を容易に得ることができる。
また、本発明によれば、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体発光素子を備えた半導体光学装置を容易に得ることができる。
窒化物半導体の結晶構造を説明するための模式図（ユニットセルを表した図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の構造を示した断面図（図６のＡ−Ａ線に沿った断面に対応する図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の全体斜視図である。 基板のオフ角度を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の平面図（窒化物半導体レーザ素子を上側から見た図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（基板の製造方法を説明するための図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（基板の製造方法を説明するための図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための斜視図（基板の製造方法を説明するための図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための平面図（基板の製造方法を説明するための図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図（基板の製造方法を説明するための図）である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置の斜視図である。 本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の効果を確認するために作製した発光ダイオード素子の斜視図である。 確認用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真である。 ＳＱＷ構造の活性層の一例を示した断面図である。 輝点状のＥＬ発光パターンを示す顕微鏡写真（比較用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真）である。
本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した場合について説明する。また、以下の実施形態において、「窒化物半導体」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる半導体を意味する。
まず、図１〜図６を参照して、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の構造について説明する。
一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００を構成する窒化物半導体は、図１に示すように、六方晶系の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面）をｃ面（０００１）と呼び、六角柱の側壁面の各々をｍ面｛１−１００｝と呼ぶ。窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と−ｃ面（（０００−１）面）とは等価な面ではなく、化学的な性質も異なる。一方、ｍ面は、ｃ面に対して直角な結晶面であるため、ｍ面の法線は、分極方向に対して直交している。このため、ｍ面は、極性のない無極性面である。なお、上述のように、六角柱の側壁面の各々がｍ面となるため、ｍ面は、６種類の面方位（（１−１００）、（１０−１０）、（０１−１０）、（−１１００）、（−１０１０）、（０−１１０））で示されるが、これらの面方位は、結晶幾何学的に等価な面方位であるため、これらを総称して｛１−１００｝と示す。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２および図３に示すように、窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０を備えている。このＧａＮ基板１０の成長主面１０ａは、ｍ面に対してオフ角度を有する面からなる。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１００のＧａＮ基板１０は、ｍ面に対して、ａ軸方向（［１１−２０］方向）にオフ角度を有している。なお、上記ＧａＮ基板１０は、ａ軸方向のオフ角度に加えて、ｃ軸方向（［０００１］方向）にもオフ角度を有していてもよい。
ここで、図４を参照して、ＧａＮ基板１０のオフ角度についてより詳細に説明する。まず、ｍ面に対して、ａ軸［１１−２０］方向およびｃ軸［０００１］方向の２つの結晶軸方向を定義する。これらａ軸およびｃ軸は、互いに垂直な関係となっているとともに、ｍ軸に対しても互いに垂直な関係となっている。また、ＧａＮ基板１０の結晶軸ベクトルが基板表面（成長主面１０ａ）の法線ベクトルと一致する場合（全ての方向に対してオフ角度が０になった場合）に、ａ軸方向、ｃ軸方向、ｍ軸方向と平行となる方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。次に、Ｙ方向の法線を持つ第１面、および、Ｘ方向の法線を持つ第２面を考える。そして、結晶軸ベクトルを第１面および第２面に投影したときに現れる結晶軸ベクトルを、それぞれ、第１投影ベクトルおよび第２投影ベクトルとする。このときの第１投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θａがａ軸方向のオフ角度であり、第２投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θｃがｃ軸方向のオフ角度である。なお、ａ軸方向のオフ角度は、＋方向と−方向とで、結晶的にみて同じ表面状態になるため、＋方向と−方向とで同じ特性を有する。このため、絶対値で記載することができる。一方、ｃ軸方向は、＋方向と−方向とで、Ｇａ極性面が強くなる場合と、Ｎ極性面が強くなる場合とがあり、方向により特性が異なるため、＋方向と−方向とを区別して記載する。
このように、本実施形態によるＧａＮ基板１０は、その成長主面１０ａが、ｍ面｛１−１００｝に対して傾斜した面となっている。
ここで、本実施形態では、上記ＧａＮ基板１０は、ａ軸方向のオフ角度が、０．１度より大きい角度に調整されている。また、上記ＧａＮ基板１０は、表面モフォロジーの悪化を抑制するために、ａ軸方向のオフ角度が１０度以下の角度に調整されている。なお、ｃ軸方向にもオフ角度を有している場合には、ｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度に調整されているのが好ましい。また、ｃ軸方向のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度より小さい角度に調整されているのが好ましい。この場合、ｃ軸方向のオフ角度は、±１０度よりも小さい角度となる。
また、上記の場合において、ａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下の角度に調整されているのが好ましい。ａ軸方向のオフ角度が、このような範囲となるように調整されていれば、駆動電圧の低減効果が大きくなることに加えて、表面モフォロジーの改善効果も得られるためより好ましい。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、上記したＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、複数の窒化物半導体層が積層されることによって形成されている。具体的には、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２および図３に示すように、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層１１が形成されている。ｎ型ＧａＮ層１１上には、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２が形成されている。下部クラッド層１２上には、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層１３が形成されている。下部ガイド層１３上には、活性層１４が形成されている。
上記活性層１４は、図５に示すように、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎからなる２つの井戸層１４ａと、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎからなる３つの障壁層１４ｂ（但しｘ１＞ｘ２）とが交互に積層された量子井戸（ＤＱＷ；Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有している。具体的には、活性層１４は、下部ガイド層１３側から、第１障壁層１４１ｂ、第１井戸層１４１ａ、第２障壁層１４２ｂ、第２井戸層１４２ａおよび第３障壁層１４３ｂが順次積層されることによって形成されている。なお、２つの井戸層１４ａ（第１井戸層１４１ａ、第２井戸層１４２ａ）は、それぞれ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みに形成されている。また、第１障壁層１４１ｂは、約３０ｎｍの厚みに形成されており、第２障壁層１４２ｂは、約１６ｎｍの厚みに形成されており、第３障壁層１４３ｂは、約６０ｎｍの厚みに形成されている。すなわち、３つの障壁層１４ｂは、それぞれ、異なる厚みに形成されている。
また、本実施形態では、井戸層１４ａ（活性層１４）のＩｎ組成比ｘ１は、０．１５以上０．４５以下（たとえば、０．２〜０．２８）に構成されている。また、上記障壁層１４ｂは、光閉じ込めを効率よく行うために、ＩｎＧａＮから構成されており、そのＩｎ組成比ｘ２は、たとえば、０．０４〜０．０５とされている。
通常、井戸層としては、Ｉｎ組成比が大きな領域（ｘ１≧０．１５）では、３ｎｍ以下の厚みに設定される。これは、Ｉｎ組成比が大きくなったときに、格子不整合からくるミスフィット転位などの発生を抑えるためである。しかしながら、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度が０．１度より大きい上記ＧａＮ基板１０を用いた場合には、井戸層１４ａの厚みを３ｎｍ以上の厚みにした場合でも、ミスフィット転位などの発生が抑制される。この理由としては、以下のように考えられる。すなわち、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以下の場合には、Ｉｎ組成比の大きい井戸層を成膜するときに、面内においてＩｎの組成バラツキが大きくなり、局所的にＩｎ組成が増大する。このため、Ｉｎ組成の高い局所領域が形成され、その局所領域から転位の発生が起きる。これに対し、ａ軸方向のオフ角度が０．１度より大きい場合には、面内においてＩｎ組成が非常に均一になるため、井戸層の厚みが大きい場合でも、Ｉｎ組成の高い局所領域が形成され難くなる。これにより、井戸層の厚膜化が可能になると考えられる。なお、井戸層１４ａの厚みは、光閉じ込めの増大などを考慮すると、３．２ｎｍ以上が好ましい。また、井戸層１４ａの厚みが、８ｎｍより大きくなるとミスフィット転位が多数発生するため、井戸層１４ａの厚みは、８ｎｍ以下が好ましい。
また、上記活性層１４上には、図２および図３に示すように、４０ｎｍ以下（たとえば、約１２ｎｍ）の厚みを有するｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５が形成されている。このキャリアブロック層１５は、そのＡｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下（たとえば、約０．１５）となるように構成されている。また、キャリアブロック層１５上には、凸部と、凸部以外の平坦部とを有するｐ型ＧａＮからなる上部ガイド層１６が形成されている。上部ガイド層１６の凸部上には、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる上部クラッド層１７が形成されている。上部クラッド層１７上には、約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１８が形成されている。そして、コンタクト層１８と上部クラッド層１７と上部ガイド層１６の凸部とによって、約１μｍ〜約３μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するストライプ状（細長状）のリッジ部１９が構成されている。このリッジ部１９は、図６に示すように、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に延びるように形成されている。なお、キャリアブロック層１５は、本発明の「Ａｌを含むｐ型半導体層」の一例である。また、キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８は、本発明の「ｐ型の半導体層」の一例である。また、ｐ型の半導体層（キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８）には、ｐ型不純物としてＭｇがドープされている。
また、図５に示すように、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａ（最もキャリアブロック層１５側の井戸層１４ａ（１４２ａ））との間の距離ｈは、キャリアの井戸層１４ａへの注入効率を向上させるために、約６０ｎｍに設定されている。キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈは、８０ｎｍ以下に設定されているのが好ましく、３０ｎｍ以下に設定されていればより好ましい。なお、一実施形態では、上記距離ｈは、第３障壁層１４３ｂの厚みと同じである。
また、図２および図３に示すように、リッジ部１９の両脇には、電流狭窄を行うための絶縁層２０が形成されている。具体的には、上部ガイド層１６上、上部クラッド層１７の側面上およびコンタクト層１８の側面上に、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ2からなる絶縁層２０が形成されている。
絶縁層２０およびコンタクト層１８の上面上には、コンタクト層１８の一部を覆うように、ｐ側電極２１が形成されている。このｐ側電極２１は、コンタクト層１８を覆っている部分において、コンタクト層１８と直接接触している。また、ｐ側電極２１は、絶縁層２０（コンタクト層１８）側から約１５ｎｍの厚みを有するＰｄ層（図示せず）、約１５ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる。
また、ＧａＮ基板１０の裏面上には、ＧａＮ基板１０の裏面側から順に、約５ｎｍの厚みを有するＨｆ層（図示せず）および約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるｎ側電極２２が形成されている。また、ｎ側電極２２上には、ｎ側電極２２側から順に、約３６ｎｍの厚みを有するＭｏ層（図示せず）、約１８ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるメタライズ層２３が形成されている。
一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図３および図６に示すように、レーザ光が出射される光出射面３０ａと、光出射面３０ａと対向する光反射面３０ｂとを含む一対の共振器面３０を有している。また、光出射面３０ａには、たとえば、反射率５％〜８０％の出射側コーティング膜（図示せず）が形成されている。一方、光反射面３０ｂには、たとえば、反射率９５％の反射側コーティング膜（図示せず）が形成されている。なお、出射側コーティング膜の反射率は、発振出力により所望の値に調整されている。また、出射側コーティング膜は、たとえば、半導体の出射端面から順に、アルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）：膜厚３０ｎｍ／Ａｌ2Ｏ3（膜厚：２１５ｎｍ）で構成されており、反射側コーティング膜は、たとえば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの多層膜から構成されている。上記以外の材料として、たとえば、ＳｉＮ、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＭｇＦ2などの誘電体膜を用いてもよい。また、光出射面側の膜構成として、ＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）：膜厚１２ｎｍ／シリコンの窒化膜であるＳｉＮ（膜厚：１００ｎｍ）を用いてもよい。
上記のように、ｍ面の窒化物半導体基板の劈開端面（本実施形態ではｃ面）、もしくは気相エッチング、液相エッチングによりエッチングされたエッチング端面に、アルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）を形成することで、半導体、出射側コーティング膜の界面での非発光再結合の割合を大幅に低減でき、ＣＯＤレベルを格段に向上させることができる。さらにアルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）は、窒化物半導体と同じ六方晶の結晶であると、より好ましい。さらには、窒化物半導体と結晶軸が揃った状態で結晶化していると、非発光再結合の割合がさらに低減し、ＣＯＤレベルがさらに向上するため、より好ましい。また、光出射面側の反射率を大きくするために、上記コーティング膜の上にシリコンの酸化膜、アルミニウムの酸化膜、チタニウムの酸化膜、タンタルの酸化膜、ジルコニウムの酸化膜、シリコン窒化膜、などを積層した積層膜を形成してもよい。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図６に示すように、共振器面３０と直交する方向（Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向））に、約３００μｍ〜約１８００μｍ（たとえば、約６００μｍ）の長さＬ（チップ長Ｌ（共振器長Ｌ））を有するとともに、共振器面３０に沿った方向（Ｘ方向（略ａ軸［１１−２０］方向）に、約１５０μｍ〜約６００μｍの幅Ｗ（チップ幅Ｗ）を有している。
ここで、ＥＬ発光パターンが輝点状化する理由として、以下のように考えられる。すなわち、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板（ジャスト基板）を用いた場合、井戸層のＩｎ組成比が０．１５以上に増加すると、活性層の結晶性が悪化し、その上に形成される障壁層、キャリアブロック層などの半導体層の結晶性が悪化する。また、井戸層のＩｎ組成比の増加により、格子不整合からくる歪みなどにより、活性層の表面が荒れる。このように、活性層の結晶性が悪化することにより、キャリアブロック層の結晶性が悪化し、キャリアブロック層が高抵抗化される。そして、高抵抗化したキャリアブロック層を電流が流れる際に輝点状に電流狭窄され、これによって、輝点状のＥＬ発光パターンが現れると考えられる。
一方、本実施形態では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面をＧａＮ基板１０の成長主面１０ａとすることによって、結晶性が良好な活性層１４を形成することができる。すなわち、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることによって、成長主面１０ａ上に活性層１４を成長させる際に、活性層１４（井戸層１４ａ）におけるＩｎ原子のマイグレーションの方向が変化すると考えられる。このため、活性層１４（井戸層１４ａ）のＩｎ組成比を増加させることによりＩｎ組成比を０．１５以上０．４５以下とした場合でも、Ｉｎの凝集を抑制することができ、結晶性が良好な活性層１４を形成することができる。また、結晶性の良好な活性層１４を形成することによって、活性層１４における表面荒れなどの発生を抑制することができるので、活性層１４上に形成されるキャリアブロック層１５の結晶性を良好にすることもできる。このため、良好な結晶性を有するキャリアブロック層１５によって、活性層１４に注入されたキャリアがｐ型の半導体層へ流入するのを効果的に防ぐことができる。また、キャリアブロック層１５の結晶性を良好にすることによって、キャリアブロック層１５の結晶性が悪化することに起因して、キャリアブロック層１５が高抵抗化するという不都合が生じるのを抑制することができる。さらに、活性層１４上に形成されるｐ型の半導体層の成長モードも変化するため、ｐ型不純物であるＭｇの活性化率も向上し、ｐ型の半導体層が低抵抗化するとも考えられる。そのため、電流を均一に注入することができる。このように、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａがｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、活性層１４の結晶性が良好になることに加えて、キャリアブロック層１５によって、活性層１４にキャリアを効果的に閉じ込めることができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。すなわち、ＥＬ発光パターンを改善することができる。その結果、窒化物半導体レーザ素子の発光効率を向上させることができる。
また、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａが、ｍ面に対してｃ軸方向にもオフ角度を有する面からなる場合には、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、ｃ軸方向のオフ角度が大きくなり過ぎることに起因して、輝点状発光の抑制効果が低減されるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、発光効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子の形成において、ゲインを高めることができる。
さらに、本実施形態では、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
また、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いることによって、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。このため、活性層１４の井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１を０．１５以上とすることによって、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１を０．４５以下とすることによって、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層１４に転位が多数入るという不都合が生じるのを有効に抑制することができる。
また、本実施形態では、キャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙを０．０８以上０．３５以下に構成することによって、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁を形成することができるので、活性層１４に注入されたキャリアがｐ型の半導体層へ流入するのをより効果的に防ぐことができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。また、キャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙを０．３５以下とすることによって、Ａｌ組成比ｙが大きくなり過ぎることに起因するキャリアブロック層１５の高抵抗化を抑制することができる。なお、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が大きな領域（ｘ１≧０．１５）では、活性層１４上に形成されるキャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙが０．０８以上になると、キャリアブロック層１５を良好に成長させることが非常に難しくなる。それは、井戸層１４ａのＩｎ濃度が増大するにしたがい、活性層１４の表面の平坦性が悪化し、Ａｌ組成比ｙの高い層を結晶性よく成膜するのが困難になるためである。しかしながら、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いれば、活性層１４（井戸層１４ａ）のＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上０．４５以下の場合でも、その活性層１４上に、Ａｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下であるキャリアブロック層１５を結晶性よく形成することができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制して、ＥＬ発光パターンを均一化することができる。
また、本実施形態では、ａ軸方向のオフ角度を、０．１度より大きく、かつ、１０度以下とすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。なお、ａ軸方向のオフ角度を１０度以下の角度とすれば、ａ軸方向のオフ角度が１０度より大きくなることに起因して、表面モフォロジーが悪化するという不都合が生じるのを抑制することができる。また、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きくすれば、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以下となることに起因して、表面モフォロジーが悪化するという不都合が生じるのを抑制することもできる。すなわち、このように構成すれば、良好な表面モフォロジーを得ながら、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。
また、ａ軸方向のオフ角度を、１度より大きく、かつ、１０度以下とすれば、良好な表面モフォロジーを得ながら、ＥＬ発光パターンの輝点状化をより容易に抑制することができる。また、ａ軸方向のオフ角度をこのように構成すれば、駆動電圧の低減効果が大きくなり、かつ、表面モフォロジーの改善効果も得られるため、より好ましい。
なお、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板を用いた場合に、その成長主面上に窒化物半導体層を成長させると、窒化物半導体層の層表面にピラミッド状の凸部が発生する。このため、ピラミッド状の凸部領域において、窒化物半導体層の層厚が変動するという不都合が生じる。その一方、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度を、１度より大きく、かつ、１０度以下とすることによって、その成長主面１０ａ上に窒化物半導体層を成長させた場合でも、層表面にピラミッド状の凸部が発生するのを有効に抑制することができる。このため、窒化物半導体層の層厚が変動するという上記不都合が生じるのを有効に抑制することができる。
また、本実施形態では、窒化物半導体レーザ素子１００の活性層１４を、ＤＱＷ構造に構成することによって、駆動電圧を容易に低減することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。なお、活性層１４をＤＱＷ構造に構成した場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状発光を抑制することができる。また、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いた場合において、ＧａＮ基板１０上に形成される活性層１４をＤＱＷ構造に構成することにより、活性層１４を多重量子井戸（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造に構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。これにより、輝度の高い窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。
また、本実施形態では、井戸層１４ａの下側（ＧａＮ基板１０側）に形成される障壁層１４ｂを、ＩｎＧａＮから構成するとともに、そのＩｎ組成比ｘ２を０．０１以上とすれば、井戸層１４ａに取り込まれるＩｎの効率を非常に良好にすることができる。このため、Ｉｎのガス流量を少なくした場合でも、高いＩｎ組成比を維持することができるので、取り込み効率を向上させることができる。これにより、有効に長波長化を図ることができる。また、原料ガス（ＴＭＩｎ）の消費量を削減することができるため、コスト的にもメリットがある。
なお、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを２００ｎｍ以上とすれば、キャリアブロック層１５から活性層１４までキャリアが拡散していくときに電流が広がるため、輝点状発光が若干抑制される。その一方、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いれば、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、２００ｎｍ以上としなくても、輝点状発光を効果的に抑制することができる。たとえば、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、１２０ｎｍよりも短くした場合でも、輝点状発光を効果的に抑制することができる。キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈは、短い方がキャリアの井戸層１４ａへの注入効率が向上するため好ましい。このため、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、１２０ｎｍより短くすることにより、キャリアの井戸層１４ａへの注入効率を向上させることができる。
図７〜図１９は、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。次に、図２、図３および図５〜図１９を参照して、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
まず、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を準備する。このＧａＮ基板１０は、たとえば、ｃ面（０００１）を主面とするＧａＮバルク結晶から切り出した基板を種基板とし、この種基板上にＧａＮ結晶を成長させることによって作製される。具体的には、図７に示すように、下地基板３００上にＳｉＯ2からなる保護膜（図示せず）を部分的に形成した後、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのエピタキシャル成長法を用いて、下地基板３００上に保護膜の上からＧａＮバルク結晶を成長させる。これにより、保護膜が形成されていない部分から成長が開始し、保護膜上部でＧａＮ結晶の横方向の成長が生じる。そして、横方向に成長したＧａＮ結晶同士が保護膜上で接合して成長を続け、下地基板３００上にＧａＮ結晶層４００ａが形成される。このＧａＮ結晶層４００ａは、下地基板３００を除去した後にも自立して取り扱いが可能なように、十分に厚く形成する。次に、形成されたＧａＮ結晶層４００ａから、たとえば、エッチングなどによって、下地基板３００を除去する。これにより、図８に示すように、ｃ面（０００１）を主面とするＧａＮバルク結晶４００が得られる。なお、下地基板３００としては、たとえば、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを用いることが可能である。また、ＧａＮバルク結晶４００の厚みＳは、たとえば、約３ｍｍとすることができる。
次に、得られたＧａＮバルク結晶４００の両主面である（０００１）面および（０００−１）面を、研削および研磨加工することにより、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとする。この平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定する算術平均粗さＲａであり、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定することができる。
次に、ＧａＮバルク結晶４００を、［１−１００］方向と垂直な複数の面でスライスすることにより、ｍ面｛１−１００｝を主面とする複数のＧａＮ結晶基板４１０を厚みＴ（たとえば、１ｍｍ）（幅Ｓ：３ｍｍ）で切り出す。そして、切り出したＧａＮ結晶基板４１０の研削および研磨加工が施されていない４面を研削および研磨加工することにより、これら４面の平均粗さＲａを５ｎｍとする。その後、図９および図１０に示すように、複数のＧａＮ結晶基板４１０において、その主面が互いに平行となるようにするとともに、それらＧａＮ結晶基板４１０の［０００１］方向が同一となるようして、互いに隣接させて配置する。
続いて、図１１に示すように、互いに隣接させて配置した複数のＧａＮ結晶基板４１０を種基板として、これらＧａＮ結晶基板４１０のｍ面｛１−１００｝上に、ＨＶＰＥ法などのエピタキシャル成長法を用いて、ＧａＮ結晶を成長させる。これにより、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板１が得られる。次に、得られたＧａＮ基板１の主面を化学的機械的研磨処理によって研磨することにより、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度を独立して制御し、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度を所望のオフ角度とする。このオフ角度は、Ｘ線回折法により測定することができる。これにより、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板１０が得られる。
なお、上記ＧａＮ基板１０の作製において、オフ角度が大きい基板を作製する場合には、ＧａＮバルク結晶４００から複数のＧａＮ結晶基板４１０を切り出す際に、ＧａＮ結晶基板４１０の主面がｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有するように、［１−１００］方向に対して所定の切り出し角度で切り出してもよい。このようにすれば、ＧａＮ結晶基板４１０の主面がｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有する面となるため、その主面上に形成されるＧａＮ基板１（１０）の主面（成長主面）もｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有する面となる。
また、ＧａＮバルク結晶４００（図８参照）から切り出したＧａＮ結晶基板４１０の主面を化学的機械的研磨処理によって研磨することにより、このＧａＮ結晶基板４１０を、ＧａＮ基板１０として用いることもできる。この場合、ＧａＮ結晶基板４１０の幅Ｓは、３ｍｍ以上とすることもできる。
ここで、本実施形態では、上記ＧａＮ基板１０におけるａ軸方向のオフ角度を、０．１度より大きい角度となるように調整する。また、ａ軸方向のオフ角度は、表面モフォロジーの悪化を抑制するために、１０度以下の角度に調整する。なお、ｃ軸方向にもオフ角度を設ける場合には、ｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度に調整するのが好ましい。また、ｃ軸方向のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度より小さい角度に調整するのが好ましい。この場合、ｃ軸方向のオフ角度は、±１０度よりも小さい角度となる。
続いて、図１２に示すように、得られたＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層１１〜１８を成長させる。具体的には、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ層１１、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２、約０．１μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる下部ガイド層１３、および活性層１４を順次成長させる。なお、活性層１４を成長させる際には、図５に示したように、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎからなる２つの井戸層１４ａと、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎからなる３つの障壁層１４ｂ（但しｘ１＞ｘ２）とを交互に成長させる。具体的には、下部ガイド層１３上に、下層から上層に向かって、約３０ｎｍの厚みを有する第１障壁層１４１ｂ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みを有する第１井戸層１４ａ、約１６ｎｍの厚みを有する第２障壁層１４２ｂ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みを有する第２井戸層１４ａおよび約６０ｎｍの厚みを有する第３障壁層１４３ｂを順次成長させる。これにより、下部ガイド層１３上に、２つの井戸層１４ａと３つの障壁層１４ｂとからなるＤＱＷ構造を有する活性層１４が形成される。このとき、井戸層１４ａは、そのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上０．４５以下（たとえば、０．２〜０．２５）となるように構成する。一方、障壁層１４ｂは、そのＩｎ組成比ｘ２が、たとえば、０．０４〜０．０５となるように構成する。
次に、図１２に示すように、活性層１４上に、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５、約０．０５μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなる上部ガイド層１６、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる上部クラッド層１７および約０．１μｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１８を順次成長させる。この際、キャリアブロック層１５は、その厚みが４０ｎｍ以下（たとえば、約１２ｎｍ）となるように形成するのが好ましい。また、キャリアブロック層１５は、そのＡｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下（たとえば、約０．１５）となるように構成する。なお、ｎ型の半導体層（ｎ型ＧａＮ層１１、下部クラッド層１２および下部ガイド層１３）には、ｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープし、ｐ型の半導体層（キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８）には、ｐ型不純物として、Ｍｇをドープする。
また、本実施形態では、ｎ型の半導体層は、９００℃以上であって、１３００℃より低い成長温度（たとえば、１０７５℃）で形成する。また、活性層１４の井戸層１４ａは、６００℃以上７７０℃以下の成長温度（たとえば、７００℃）で形成する。井戸層１４ａに接する障壁層１４ｂは、井戸層１４ａと同じ成長温度（たとえば、７００℃）で形成する。さらに、ｐ型の半導体層は、７００℃以上であって、９００℃より低い成長温度（たとえば、８８０℃）で形成する。なお、ｎ型の半導体層の成長温度は、９００℃以上１３００未満が好ましく、１０００℃以上１３００未満であればより好ましい。また、活性層１４の井戸層１４ａの成長温度は、６００℃以上８３０℃以下が好ましく、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上の場合には、６００℃以上７７０℃以下が好ましい。６３０℃以上７４０℃以下であればより好ましい。また、活性層１４の障壁層１４ｂの成長温度は、井戸層１４ａと同じ温度か、井戸層１４ａより高い温度が好ましい。さらに、ｐ型の半導体層の成長温度は、７００℃以上９００℃未満が好ましく、７００℃以上８８０℃以下であればより好ましい。もちろん、９００℃以上の温度でｐ型の半導体層を形成してもｐ型伝導が得られるため、ｐ型の半導体層を９００℃以上の温度で形成してもよい。
次に、図１３に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、コンタクト層１８上に、約１μｍ〜約３μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するとともに、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に平行に延びるストライプ状（細長状）のレジスト４５０を形成する。そして、図１４に示すように、ＳｉＣｌ4、Ｃｌ2などの塩素系ガスや、ＡｒガスなどによるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いて、レジスト４５０をマスクとして上部ガイド層１６の途中の深さまでエッチングを行う。これにより、上部ガイド層１６の凸部と上部クラッド層１７とコンタクト層１８とによって構成されるとともに、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に互いに平行に延びるストライプ状（細長状）のリッジ部１９（図３および図６参照）が形成される。
続いて、図１５に示すように、リッジ部１９上にレジスト４５０を残した状態で、スパッタ法などにより、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ2からなる絶縁層２０を形成し、リッジ部１９を埋め込む。そして、リフトオフによりレジスト４５０を除去することによって、リッジ部１９の上部のコンタクト層１８を露出させる。これにより、リッジ部１９の両脇に、図１６に示すような絶縁層２０が形成される。
次に、図１７に示すように、真空蒸着法などを用いて、基板側（絶縁層２０側）から、約１５μｍの厚みを有するＰｄ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、絶縁層２０（コンタクト層１８）上に、多層構造からなるｐ側電極２１を形成する。
次に、基板を分割し易くするために、ＧａＮ基板１０の裏面を研削または研磨することにより、ＧａＮ基板１０を１００μｍ程度の厚みまで薄くする。その後、図２に示したように、ＧａＮ基板１０の裏面上に、真空蒸着法などを用いて、ＧａＮ基板１０の裏面側から約５ｎｍの厚みを有するＨｆ層（図示せず）および約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるｎ側電極２２を形成する。そして、ｎ側電極２２上に、ｎ側電極２２側から約３６ｎｍの厚みを有するＭｏ層（図示せず）、約１８ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるメタライズ層２３を形成する。なお、ｎ側電極２２の形成前に、ｎ側の電気特性の調整などの目的でドライエッチングやウェットエッチングを行ってもよい。
続いて、図１８に示すように、スクライブ／ブレーク法やレーザスクライブなどの手法を用いて、基板をバー状に分割する。これにより、その端面を共振器面３０とするバー状の素子が得られる。次に、蒸着法やスパッタ法などの手法を用いて、バー状の素子の端面（共振器面３０）にコーティングを施す。具体的には、光出射面となる片側の端面に、たとえば、アルミニウムの酸窒化膜などからなる出射側コーティング膜（図示せず）を形成する。また、光反射面となるその反対側の端面に、たとえば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの多層膜からなる反射側コーティング膜（図示せず）を形成する。
最後に、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に沿った分割予定線Ｐに沿ってバー状の素子を分割することにより、図１９に示すように、個々の窒化物半導体レーザ素子に個片化する。このようにして、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００が製造される。
このようにして製造された一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２０に示すように、サブマウント１１０を介してステム１２０上にマウントされ、ワイヤ１３０によってリードピンと電気的に接続される。そして、キャップ１３５がステム１２０上に溶接されることにより、キャンパッケージ型の半導体レーザ装置（半導体光学装置）１５０に組み立てられる。
本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法では、上記のように、ｎ型の半導体層を、９００℃以上の高温で形成することによって、ｎ型の半導体層の層表面を平坦化することができる。このため、平坦化されたｎ型の半導体層上に活性層１４およびｐ型の半導体層を形成することにより、活性層１４およびｐ型の半導体層における結晶性の低下を抑制することができる。そのため、これによっても、高品質な結晶を形成することができる。また、ｎ型の半導体層を、１３００℃より低い成長温度で形成することによって、１３００℃以上の成長温度で形成されることに起因して、昇温時にＧａＮ基板１０の表面が再蒸発し、表面荒れが引き起こされるという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子１００を容易に製造することができる。
また、本実施形態では、活性層１４の井戸層１４ａを、６００℃以上の成長温度で形成することによって、６００℃より低い成長温度で形成することに起因して、原子の拡散長が短くなり結晶性が悪化するという不都合が生じるのを抑制することができる。また、活性層１４の井戸層１４ａを、７７０℃以下の成長温度で形成することによって、７７０℃より高い成長温度（たとえば、８３０℃以上）で活性層１４の井戸層１４ａが形成されることに起因して、熱ダメージによって活性層１４が黒色化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。なお、井戸層１４ａに接する障壁層１４ｂの成長温度は、井戸層１４ａと同じ温度か、井戸層１４ａより高い温度が好ましい。
また、本実施形態では、ｐ型の半導体層を、７００℃以上の成長温度で形成することによって、ｐ型の半導体層の成長温度が低すぎることに起因して、ｐ型の半導体層が高抵抗化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、ｐ型の半導体層を、９００℃より低い成長温度で形成することによって、活性層１４の熱ダメージを低減することができる。なお、ｃ面を成長主面とするＧａＮ基板を用いた場合、ｐ型の半導体層を９００℃より低い成長温度で形成すると、ｐ型の半導体層が非常に高抵抗となってしまい、デバイス（窒化物半導体発光素子）としての使用が難しくなる。一方、ｍ面に対してa軸方向のオフ角度が設けられた面を成長主面１０ａとする上記ＧａＮ基板１０を用いることによって、９００℃より低い成長温度であっても、ｐ型不純物としてＭｇをドープすることにより、ｐ型伝導を得ることができる。特に、活性層１４の井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が、０．１５以上０．４５以下の場合には、Ｉｎの偏析などにより、面内でＩｎ組成のバラツキが生じやすくなる。このため、ｐ型の半導体層の成長温度は低い方が好ましい。また、活性層１４の井戸層１４ａの成長温度とｐ型の半導体層の成長温度との差は、２００℃未満が活性層１４の熱ダメージ回避の意味で好ましく、１５０℃以下であればより好ましい。
次に、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、まず、確認用素子として、図２１に示すような発光ダイオード素子２００を作製し、ＥＬ発光パターンの観察を行った。なお、ＥＬ発光パターンの観察に発光ダイオード素子を用いたのは、窒化物半導体レーザ素子では、リッジ部の形成によって電流注入される領域が狭められているため、ＥＬ発光パターンの観察が困難になるからである。
この確認用素子（発光ダイオード素子２００）は、上記実施形態と同様のＧａＮ基板１０上に、同様の窒化物半導体層を形成することによって作製した。窒化物半導体層の形成は、上記実施形態と同様の方法を用いて行った。具体的には、図２１に示すように、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いて、その成長主面１０ａ上に、ｎ型ＧａＮ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８を順次形成した。次に、コンタクト層１８上に、ｐ側電極２２１を形成した。このｐ側電極２２１は、ＥＬ発光パターンを確認するために透明電極とした。また、ＧａＮ基板１０の裏面上には、ｎ側電極２２およびメタライズ層２３を形成した。確認用素子におけるＧａＮ基板１０のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角が１．１度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．１２度であった。また、確認用素子における井戸層のＩｎ組成比は、０．２５であった。このようにして作製した確認用素子（発光ダイオード素子２００）に電流注入を行うことによって、確認用素子（発光ダイオード素子２００）を発光させ、面内光分布を観察した。図２２に、確認用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真を示す。
また、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板（ｍ面ジャスト基板）を用いた発光ダイオード素子を比較用素子として作製した。この比較用素子は、上記確認用素子と同一方法で作製した。Ｉｎガス流量は、確認用素子と同一としたが、比較用素子における井戸層のＩｎ組成比は、０．２であった。そして、確認用素子と同様に、面内光分布の観察を行った。比較用素子は、ＧａＮ基板にｍ面ジャスト基板を用いている点および井戸層のＩｎ組成比が０．２である点を除き、確認用素子（発光ダイオード素子２００）と同様の構成とした。なお、図２４に示したＥＬ発光パターンが、比較用素子において観察されたＥＬ発光パターン（顕微鏡写真）である。
図２４に示したように、比較用素子では、ＥＬ発光パターンが輝点状化しているのに対し、図２２に示すように、確認用素子では、井戸層のＩｎ組成比が高いにもかかわらず、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制され、均一発光のＥＬ発光パターンとなっているのがわかる。これにより、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制されることが確認された。また、確認用素子および比較用素子の発光効率を測定したところ、確認用素子の発光効率は、比較用素子の発光効率に対して１．５倍に増加していることが確認された。なお、確認用素子の発光波長は、５１０ｎｍであり、比較用素子の発光波長は、５００ｎｍであった。このことより、オフ角度を制御した確認用素子では、ｍ面ジャスト基板を用いた比較用素子に比べて、Ｉｎの取り込みに関しても効率がよいことが確認された。以上より、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることにより、緑色の波長領域において、輝点状発光の抑制効果が得られ、発光効率が増加することが確認された。
続いて、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度が異なる複数のＧａＮ基板を用いて、図２１に示した発光ダイオード素子２００と同様の素子を複数作製し、ＥＬ発光パターンの観察等の実験を行った。
その結果、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化の抑制効果が得られることが明らかとなった。また、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以下の範囲では、輝点状発光の抑制効果が小さく、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以上になると、ＥＬ発光パターンの輝点状化の抑制効果が顕著に現れることが判明した。また、ｃ軸方向にもオフ角度を有する場合には、ｃ軸方向のオフ角度が±０．１度以下の範囲で、輝点状発光の抑制効果が小さいことが判明した。ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度が、それぞれ、０．１度以下の範囲では、オフ角度が小さ過ぎてオフ角度が設けられていない基板（ジャスト基板）とほとんど同じになるために、輝点状発光の抑制効果が得難くなるものと考えられる。これより、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制可能であることが確認された。また、ａ軸方向のオフ角度が１０度より大きくなると、輝点状発光の抑制効果は得られるものの、表面モフォロジーが悪化してくる傾向があることも確認された。また、ａ軸方向のオフ角度が、±０．１度以下の範囲では、表面モフォロジーが悪化することが確認された。さらに、ｃ軸方向にオフ角度を有する場合において、ｃ軸方向のオフ角度が、±０．１度より小さい範囲では、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の厚みが面内でバラツクことが確認された。なお、ｃ軸方向のオフ角度は、＋方向と−方向とで同様の傾向を示し、絶対値で議論可能であることが確認された。
また、ａ軸方向およびｃ軸方向のそれぞれにオフ角度を有する場合には、輝点状発光の抑制効果に関して、ａ軸方向のオフ角度とｃ軸方向のオフ角との間に強い相関があることが認められた。すなわち、ｃ軸方向のオフ角度が大きい場合、ａ軸方向のオフ角度の効果（輝点状発光の抑制効果）が薄れてくる傾向が見られた。具体的には、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度がそれぞれ±０．１度より大きい場合でも、ｃ軸方向のオフ角度がａ軸方向のオフ角度より大きくなると、ａ軸方向のオフ角度の効果（輝点状発光の抑制効果）が低減する傾向が見られた。ここでは、ｃ軸方向のオフ角度は、＋方向も−方向も同様の傾向を示した。これより、ａ軸方向のオフ角度とｃ軸方向のオフ角との関係において、より好ましい条件は、ａ軸方向のオフ角度の絶対値が、ｃ軸方向のオフ角度の絶対値より大きい場合であることが確認された。この場合、より広い範囲の成長条件で、輝点状発光の抑制効果を得ることが可能となる。なお、このようなａ軸方向のオフ角度とｃ軸方向のオフ角度との関係性により、輝点状発光の抑制効果が異なることに関して、ｃ軸方向のオフ角度が大きくなると、原子のマイグレーションの方向が変化するためであると考えられる。
以上より、表面モフォロジーなども考慮すると、好ましいａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、かつ、１０度以下の角度であることが確認された。また、ｃ軸方向にもオフ角度が設けられている場合、好ましいｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きく、かつ、１０度より小さい角度であり、ｃ軸方向のオフ角度がａ軸方向のオフ角度より小さいことが好ましいことも確認された。
実施例１による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が１．７度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．１度であるＧａＮ基板を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例１では、井戸層のＩｎ組成比は０．２５であり、キャリアブロック層のＡｌ組成比は０．１５であった。実施例１のその他の構成は、上記実施形態と同様である。なお、オフ角度を有さないＧａＮ基板（ｍ面ジャスト基板）を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様に作製した窒化物半導体レーザ素子を比較例とした。比較例による窒化物半導体レーザ素子のその他の構成は、実施例１と同様である。
実施例１および比較例について、閾値電流を測定したところ、比較例による窒化物半導体レーザ素子では閾値電流の値が１００ｍＡ程度であったのに対し、実施例１による窒化物半導体レーザ素子では閾値電流の値が６０ｍＡであり、実施例１による窒化物半導体レーザ素子では、比較例に比べて、閾値電流が非常に小さくなることが確認された。これは、輝点状発光が抑制されて、面内で均一に発光することでゲインが大きくなったためとも考えられる。さらに、駆動電圧に関しても、実施例１による窒化物半導体レーザ素子では、比較例に比べて、５０ｍＡ電流注入時の駆動電圧が、０．３２Ｖ程度小さくなることが確認された。このような結果が得られた理由として、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板の成長主面とすることによって、キャリアブロック層の結晶性が改善したためであると考えられる。また、ｐ型の半導体層におけるＭｇの取り込まれが変化し、活性化率が向上したことも理由として考えられる。
実施例２による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が０．３度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．１度であるＧａＮ基板を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例２では、井戸層のＩｎ組成比は０．２５であり、キャリアブロック層のＡｌ組成比は０．１２であった。実施例２のその他の構成は、上記実施形態と同様である。
実施例３による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が５度、ｃ軸方向のオフ角度が−１．２度であるＧａＮ基板を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例３では、井戸層のＩｎ組成比は０．２８であり、キャリアブロック層のＡｌ組成比は０．２５であった。実施例３のその他の構成は、上記実施形態と同様である。
実施例４による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が０．１５度、ｃ軸方向のオフ角度が−０．１度であるＧａＮ基板を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例２では、井戸層のＩｎ組成比は０．２８であり、キャリアブロック層のＡｌ組成比は０．０８であった。実施例４のその他の構成は、上記実施形態と同様である。
上記実施例２〜４の窒化物半導体レーザ素子でも、上記実施例１と同様の効果が得られた。また、上記実施例１〜４における窒化物半導体レーザ素子の発光波長は、４９０ｎｍ〜４９５ｎｍであった。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、窒化物半導体発光素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物発光ダイオード素子に本発明を適用してもよい。
また、上記実施形態では、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きい角度に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ａ軸方向のオフ角度は、０．１度以下の角度であってもよい。ただし、輝点状発光の抑制効果や表面モフォロジーなどを考慮すると、ａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きい角度であることが好ましい。
また、上記実施形態では、ａ軸方向のオフ角度を１０度以下の角度に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ａ軸方向のオフ角度は１０度以上の角度であってもよい。ただし、ａ軸方向のオフ角度を大きくし過ぎると、表面モフォロジーの悪化が懸念されるため、ａ軸方向のオフ角度は、１０度以下の角度であることが好ましい。
また、上記実施形態では、活性層の量子井戸構造を、ＤＱＷ構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＤＱＷ構造以外の量子井戸構造に活性層を構成してもよい。たとえば、活性層の量子井戸構造を、ＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造に構成してもよい。具体的には、たとえば、図２３に示すように、下部ガイド層１３上に、ＩｎＧａＮからなる１つの井戸層５４ａと、ＩｎＧａＮからなる２つの障壁層５４ｂとが交互に積層されたＳＱＷ構造を有する活性層５４を形成することができる。なお、井戸層５４ａの厚みは、約３ｎｍ〜約４ｎｍ、障壁層５４ｂの厚みは、約７０ｎｍに構成することができる。また、上記実施形態の構成において、活性層をＳＱＷ構造に構成することにより、活性層をＤＱＷ構造に構成した場合に比べて、駆動電圧を低減することが可能となる。具体的には、ＳＱＷ構造の活性層では、ＤＱＷ構造の活性層に比べて、５０ｍＡ電流注入時の駆動電圧が０．１Ｖ〜０．２５Ｖ程度低減する。これは、ＤＱＷ構造の場合、二つの井戸層に挟まれた障壁層のキャリアが空乏化するために、障壁層で大きな電界がかかってしまうために引き起こされているのではないかと考えられる。また、上記活性層は、ＳＱＷ構造以外に、ＭＱＷ構造に構成してもよい。活性層をＳＱＷ構造またはＭＱＷ構造にした場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ基板以外の窒化物半導体基板を用いてもよい。たとえば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、および、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる窒化物半導体基板を用いてもよい。また、基板上に結晶成長される窒化物半導体各層については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。
また、上記実施形態では、井戸層のＩｎ組成比を、０．２〜０．２８に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、井戸層のＩｎ組成比は、０．１５以上０．４５以下の範囲内で適宜変更することができる。また、井戸層のＩｎ組成比は、０．１５より小さい値にしてもよい。また、井戸層には、５％以内であればＡｌが含まれていてもよい。
また、上記実施形態では、障壁層のＩｎ組成比を、０．０４〜０．０５に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、障壁層のＩｎ組成比は、井戸層のＩｎ組成比より小さい範囲内で適宜変更することができる。
また、上記実施形態では、障壁層をＩｎＧａＮから構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、障壁層をＧａＮから構成してもよい。このように、障壁層をＧａＮから構成した場合には、井戸層のＩｎ組成比を増加したときに活性層に発生する、ｃ軸方向に対し平行方向に入る転位（ＥＬ発光パターンを見るとダークラインのように見える）を抑制することができる。なお、障壁層をＧａＮから構成した場合には、光閉じ込めを有効にするために、ガイド層などのＩｎ組成比を増加するなどすればよい。
また、上記実施形態では、キャリアブロック層と井戸層との間の距離を第３障壁層の厚みと同じにしたが、キャリアブロック層と井戸層（最もキャリアブロック層側の井戸層）との間に組成の異なる複数の窒化物半導体層を形成してもよい。また、キャリアブロック層と井戸層（最もキャリアブロック層側の井戸層）の間の一部にＭｇなどのｐ型不純物をドーピングし、ｐ型化することも好ましい。なお、上記実施形態では、ノンドープとしている。
また、上記実施形態では、キャリアブロック層を４０ｎｍ以下の厚みに形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、キャリアブロック層の厚みは４０ｎｍより大きくてもよい。また、キャリアブロック層に、３％程度のＩｎが含まれていても、本発明の効果は得られる。また、キャリアブロック層のＡｌ組成比は、駆動電圧低減の目的から、上部クラッド層のＡｌ組成比より高いことが好ましい。
また、上記実施形態では、活性層に注入されたキャリア（電子）がｐ型の半導体層へ流入するのをブロックする層としてキャリアブロック層を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体レーザ素子であれば、Ａｌ含むクラッド層を上記キャリアをブロックする層として用いることもできる。この場合、クラッド層のＡｌ組成比は、０．０８以上であるのが好ましい。
また、上記実施形態では、ｎ型半導体層のｎ型不純物としてＳｉを用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型不純物として、Ｓｉ以外に、たとえば、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇまたはＢｅを用いてもよい。なお、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、ＯおよびＣｌが特に好ましい。
また、上記実施形態では、絶縁層をＳｉＯ2から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＯ2以外の絶縁性材料から構成してもよい。たとえば、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3やＺｒＯ2などから埋め込み層を構成してもよい。
また、上記実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法以外のエピタキシャル成長法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。ＭＯＣＶＤ法以外の方法としては、たとえば、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、および、ガスソースＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などが考えられる。
１０ ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）
１０ａ 成長主面
１１ ｎ型ＧａＮ層
１２ 下部クラッド層
１３ 下部ガイド層
１４ 活性層
１４ａ 井戸層
１４ｂ 障壁層
１５ アブロック層（Ａｌを含むｐ型半導体層、ｐ型の半導体層）
１６ 上部ガイド層（ｐ型の半導体層）
１７ 上部クラッド層（ｐ型の半導体層）
１８ コンタクト層（ｐ型の半導体層）
１９ リッジ部
２０ 絶縁層
２１ ｐ側電極
２２ ｎ側電極
２３ メタライズ層
３０ 共振器面
３０ａ 光出射面
３０ｂ 光反射面
１００ 窒化物半導体レーザ素子（窒化物半導体発光素子）
１１０ サブマウント
１２０ ステム
１３０ ワイヤ
１３５ キャップ
１５０ 半導体レーザ装置（半導体光学装置）

Claims (12)

  1. 成長主面を有する窒化物半導体基板と、
    前記窒化物半導体基板の成長主面上に成長され、Ｉｎを含む活性層と前記活性層上に形成されたＡｌを含むｐ型半導体層とを有する窒化物半導体層とを備え、
    前記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、
    前記窒化物半導体基板は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有しており、
    前記ａ軸方向のオフ角度が、前記ｃ軸方向のオフ角度より大きく、
    前記活性層に含まれる井戸層のＩｎ組成比が、０．１５以上０．４５以下であり、
    前記活性層に含まれる障壁層もＩｎを含み、
    前記ｐ型半導体層のＡｌ組成比が、０．０８以上０．３５以下であることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
  2. 前記窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、かつ、１０度以下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発光素子。
  3. 前記窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下であることを特徴とする、請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記活性層は３つの前記障壁層を含み、３つの前記障壁層は、それぞれ、異なる厚みに形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記井戸層はＩｎ x1 Ｇａ 1-x1 Ｎからなり、前記障壁層はＩｎ x2 Ｇａ 1-x2 Ｎからなる（ただしｘ１＞ｘ２）請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
  6. 前記ｐ型半導体層はｐ型Ａｌ y Ｇａ 1-y Ｎから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発光素子。
  7. 前記窒化物半導体基板は、ＧａＮからな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発光素子。
  8. ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を準備する工程と、
    前記窒化物半導体基板の成長主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、ｎ型半導体層、Ｉｎを含む活性層およびＡｌを含むｐ型半導体層を有する窒化物半導体層を積層する工程とを備え、
    前記窒化物半導体基板は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有しており、
    前記ａ軸方向のオフ角度が、前記ｃ軸方向のオフ角度より大きく、
    前記窒化物半導体層を積層する工程は、
    前記活性層に含まれる井戸層のＩｎ組成比を０．１５以上０．４５以下にするとともに、前記活性層に含まれる障壁層もＩｎを含むように構成する工程を含むとともに、前記ｐ型半導体層のＡｌ組成比を０．０８以上０．３５以下に構成する工程を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、０．１度より大きく、かつ、１０度以下であることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  10. 前記窒化物半導体基板のａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下であることを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  11. 前記活性層は３つの前記障壁層を含み、３つの前記障壁層は、それぞれ、異なる厚みに形成されている請求項８〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  12. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子を備えることを特徴とする、半導体光学装置。
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