JP5367420B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子、特に発光波長が480nm以上、650nm以下の緑色帯で発振する半導体レーザ素子に関する。

従来、青紫色レーザダイオード（ＬＤ）や青色ＬＤでは、ｃ面ＧａＮ基板（ＧａＮ基板のｃ面）上にＩｎＧａＮ活性層が形成されている。このようなレーザダイオードでは、ｃ面上に作製したＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成を増加させると、ピエゾ電界効果により数ＭＶ／ｃｍの非常に大きな電界が生じるために電子と正孔が空間的に分離されて発光再結合の遷移確率が低下する問題点がある。そこで、最近、ｃ面以外の面方位を有するＧａＮ基板を用いることにより、ピエゾ電界を抑制でき、発光効率を増大させようと試みられている。その一例として、例えば、非特許文献１に記載された半導体レーザダイオードがある。この半導体レーザダイオードでは、ｍ面ＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ活性層が形成されている。

Japanese Journal of Applied Physics Vol. 46, No. 9, 2007, pp. L187-L189

しかしながら、上記非特許文献１に記載された半導体レーザダイオードでは、ＧａＮ基板に対してＩｎＧａＮ活性層材料のａ軸、c軸の格子定数がそれぞれ、３．３％、３．０％と大きいことにより、c軸ストライプ(レーザ端面がｃ面)の方がａ軸ストライプ(レーザ端面がａ面)よりも発振しやすい。つまり、ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ活性層にかかる歪（圧縮歪）は、ａ軸方向の方がｃ軸方向よりも大きい（表１参照）。より大きな歪がかかる方向の偏波（ＴＥ偏光）でレーザ発振することが知られているため、上記非特許文献１に記載された半導体レーザダイオードでは、レーザ端面（共振器端面）をｃ面にせざるを得ない。ところで、ｃ面は、低指数面ではあるが、電荷中性面でないため、へき開によってレーザ端面を形成するのが難しく、歩留まりが悪いという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、発光効率が高く、へき開でレーザ端面を綺麗にかつ容易に形成でき、歩留まりが向上し、更に高信頼性な半導体発光素子を提供することにある。

本発明者らは、緑色帯等、長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子において、ピエゾ電界を抑制し、発光効率を増大させることと歩留まりの向上との両立を図るべく、鋭意研究を行った。その結果、Ｉｎを含む窒化物半導体例えばＩｎＧａＮからなる活性層に対して、ｃ軸よりもａ軸方向（図１の矢印４０で示すＸ２方向）に大きな歪みがかかるような格子定数を有する六方晶系ウルツ鉱型単結晶からなる基板を用いることが適していることを見出した。
この発明は上述した知見に基づきなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る半導体発光素子は、六方晶系ウルツ鉱型単結晶からなる基板と、前記基板のｍ面（１＿１００）又は該ｍ面から微傾斜した面上に形成されたＩｎを含む窒化物半導体からなる活性層を含む半導体層と、を備え、前記活性層は、ａ面（１１＿２０）面にレーザ端面が形成され、かつ、前記基板に対するｃ軸方向の歪み量が、ａ軸方向の歪み量に比べて大きいことを特徴とする。

この構成によれば、Ｉｎを含む窒化物半導体で構成された活性層が、六方晶系ウルツ鉱型単結晶基板のｍ面（１＿１００）又は該ｍ面から微傾斜した面上に形成されているので、ピエゾ電界を抑制でき、発光効率を増大させることができる。また、六方晶系ウルツ鉱型単結晶基板のｍ面（１＿１００）又は該ｍ面から微傾斜した面上に形成されＩｎを含む窒化物半導体で構成された活性層には、a軸方向よりもc軸方向により大きな圧縮歪みが印加されるので、活性層により大きな歪がかかるｃ軸と平行な方向の偏波（ＴＥ偏光）でレーザ発振し易くなる。この場合、レーザ端面（共振器端面）はａ面（１１＿２０）に形成されており、ａ面（１１＿２０）は低指数面でかつ電荷中性面であるので、へき開でレーザ端面を綺麗にかつ容易に形成することができ、歩留まりが向上する。このように、ピエゾ電界を抑制でき、発光効率を増大させることと歩留まりの向上との両立を図ることができる。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記半導体層は、窒化ガリウムインジウム［ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜x＜１）］からなる活性層と、前記活性層又は前記基板の少なくとも一方に格子整合され、前記活性層を挟んで積層された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を備えたことを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記基板が酸化物からなることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記基板が、Ｚｎ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｍｇ_ａＢｅ_ｂＣｄ_ｃＯ（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c＜１）からなることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記基板が、Ａｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｙＩｎ_ｚＮ（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z＜１）からなることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記基板と前記活性層との間に、前記基板と擬似格子整合したＺｎ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｍｇ_ａＢｅ_ｂＣｄ_ｃＯ（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c＜１）からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記晶基板と前記活性層との間に、前記基板と擬似格子整合したＡｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｙＩｎ_ｚＮ（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z＜１）からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記擬似格子整合層は、１ＭＬ以上、前記基板に対して臨界膜厚以下の膜厚を有することを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記擬似格子整合層は、膜厚が１ＭＬ以上、基板に対して臨界膜厚以下の、ＧａＮおよびＩｎＮからなる超格子層からなることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記活性層は、発光波長が480nm以上、650nm以下であることを特徴とする。この構成により、発光効率が高くかつ歩留まりの高い青色より長波長の可視光の発光が可能な半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子を実現できる。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記活性層は、ＩｎＧａＮであり、インジウム（Ｉｎ）の組成比が、２０％以上、６０%以下であることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記活性層において、インジウム（Ｉｎ）の組成比は、発光波長が４８０ｎｍ以上、６５０ｎｍ以下となるように設定されているこことを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記インジウム（Ｉｎ）の組成比は、２０％以上、６０%以下とされていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体発光素子は、前記活性層と前記クラッド層との間に光ガイド層を有していることを特徴とする。

本発明によれば、発光効率が高く、かつ、へき開でレーザ端面を綺麗にかつ容易に形成することができる半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明に係る半導体レーザダイオードの基本構成を示す斜視図。 ＺｎＯ単結晶の面方位を表すユニットセル図。 ｍ面ＺｎＯ単結晶基板上ＩｎＧａＮ活性層の歪みを示す図。 可視域におけるＺｎＭｇＯ及びＺｎＣｄＯの最適組成領域を示す図。 第１の実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。 第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。 第３の実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。 各実施形態に係る半導体レーザダイオードの共振器端面を示す説明図。

以下、本発明を具体化した実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザダイオード１０の基本構成を示している。この半導体レーザダイオード１０は、六方晶系ウルツ鉱型単結晶である基板１２と、基板１２のｍ面（１＿１００）上に形成されたＩｎＧａＮからなる活性層１５とを備えている。また、図２は、基板の単位格子におけるｍ面（１＿１００）、ａ面（１１＿２０）およびｃ面（０００１）を示している。

この半導体レーザダイオード１０では、ｍ面基板１２上にＩｎＧａＮからなる活性層１５が形成されているので、ピエゾ電界を抑制でき、発光効率を増大させることができる。また、下記の表２で示すように、基板１２上の活性層１５にかかる歪（圧縮歪）は、ｃ軸方向の方がａ軸方向よりも大きい。歪が導入された活性層を有する半導体レーザでは、より大きな歪がかかる方向（ｃ軸方向）の偏波（ＴＥ偏光）でレーザ光４１がレーザ発振することが知られており、半導体レーザダイオード１０では、ａ軸方向の方がｃ軸方向よりも発振しやすい。そこで、半導体レーザダイオード１０では、レーザ端面１０ａ、１０ｂはａ面（１１＿２０）に形成されている。また、ａ面は、低指数面でかつ電荷中性面であるため、へき開でレーザ端面を綺麗に形成することができる。

図３は、六方晶系ウルツ鉱型単結晶である基板１２とＩｎＧａＮからなる活性層１５の格子定数の関係を示している。図３に示すように、基板１２とＩｎＧａＮ活性層１５とでは、ｃ軸方向の格子定数差Δｃ／ｃがa軸方向の格子定数差Δａ／ａに比べて大きい。ここで、Δｃ＝ｃ_ａ−ｃ_ｓ、Δａ＝ａ_ａ−ａ_ｓである。

図４は、ＩｎＧａＮからなる活性層１５に対する、六方晶系ウルツ鉱型単結晶であるＺｎＭｇＯとＺｎＣｄＯの最適な混晶組成領域を示している。横軸は中心がＺｎＯであり、中心から右方向にＭｇ組成が増加し、右端がＭｇＯを示している。また、中心から左方向にＣｄ組成が増加し、左端がＣｄＯを示している。縦軸は下端がＧａＮであり、上方向に向かうにつれてＩｎ組成が増していき、上端でＩｎＮを示している。

図４中の線ａ，ｂは、活性層１５の組成として、Ｉｎ組成が２０から６０％の領域を示している。図４中の線ｃ、ｄは、ＺｎＭｇＯ及びＺｎＣｄＯが六方晶ウルツ鉱型結晶構造となるＭｇ及びＣｄ組成は５０％以下の領域を示している。
上記の線ａ〜ｄに囲まれた領域のうち、ｃ軸方向の格子定数差Δｃ／ｃがa軸方向の格子定数差Δａ／ａに比べて大きい領域は、ＺｎＭｇＯではＭｇ組成が０から５０％、ＺｎＣｄＯではＣｄ組成が０から１００％になる（境界は図４中の線ｅ，ｆに示す）。

また、図４中の線ｇ、ｈは、ｃ軸方向の格子定数差Δｃ／ｃ及びａ軸方向の格子定数差Δａ/ａが正になる、すなわち圧縮歪みが生じる領域を示している。これらの境界線ａからｈで囲まれた領域におけるＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＯからなる基板、及びＩｎＧａＮからなる活性層を用いることにより、ａ軸方向に比べてｃ軸方向の圧縮歪みが大きくなり、ｃ軸方向に平行な方向での偏波にてレーザ発振が生じやすくなる。

更に、信頼性を向上させるためには、ｃ軸方向の歪みが４％の境界線である、ＺｎＭｇＯでは線ｉ、ＺｎＣｄＯでは線ｊによりそれぞれ限定され、更に３％の境界線である、ＺｎＭｇＯでは線ｋ、ＺｎＣｄＯでは線ｌによりそれぞれ限定され、更に２％の境界線である、ＺｎＭｇＯでは線ｍ、ＺｎＣｄＯでは線ｎにそれぞれ限定された領域で囲まれた領域のＺｎＭｇＯ及びＺｎＣｄＯ基板を用いることにより、ＩｎＧａＮ活性層１５にかかる歪みの大きさを小さくできるので、より高信頼性なａ面をレーザ端面とした半導体レーザを実現することができる。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザダイオード１０Ａの概略構成を示している。
この半導体レーザダイオード１０Ａは、図５に示すように、基板１２と、この基板１２のｍ面（１＿１００）上に順に形成された擬似格子整合層１３、ｎ型の下部クラッド層１４、ＩｎＧａＮからなる活性層１５、及びｐ型の上部クラッド層１６を備えている。また、半導体レーザダイオード１０Ａは、上記の構成に加え、下部クラッド層１４の下に形成されたｎ型の下部コンタクト層１７Ａ、上部クラッド層１６の上に形成されたｐ型の上部コンタクト層１７Ｂ、及び活性層１５を挟むように形成されたｎ型の下部光ガイド層２１Ａ、及びｐ型の上部光ガイド層２１Ｂを備えている。さらに、半導体レーザダイオード１０Ａは、下部コンタクト層１７Ａに形成された下部電極１１と、半導体層の表面に形成されたパッシベーション膜１８と、上部コンタクト層１７Ｂ上に形成された上部電極１９とを備えている。

この半導体レーザダイオード１０Ａでは、基板１２のｍ面（１＿１００）上に積層された半導体層によって緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオードが形成される。

また、基板１２と活性層１５との間に形成される擬似格子整合層１３は、膜厚が１ＭＬ（分子層）以上、基板１２に対して臨界膜厚以下のＧａＮ、又はＩｎＧａＮからなる層である。

ここにいう「臨界膜厚」は、下地の基板１２に対して、その上にどれだけの膜厚の層を成長できるかを計算により求めたものである。例えば基板をＺｎＯとした場合、ＧａＮからなる擬似格子整合層１３の臨界膜厚は、最大で約２０ｎｍ程度である。なお、この臨界膜厚は、上にＩｎＧａＮ系活性層１５等を形成するので、擬似格子整合層１３上に形成する層も考慮すると、ＧａＮからなる擬似格子整合層１３の臨界膜厚は５０ｎｍ程度まで厚くすることが可能である。このように、ＧａＮからなる擬似格子整合層１３の臨界膜厚は、１ＭＬ以上、５０ｎｍ以下の範囲内に設定可能であり、好ましくは、１ＭＬ以上、約２０ｎｍ以下の範囲内に設定される。

下部クラッド層１４は、活性層１５、基板１２の少なくとも一方に格子整合された格子整合系クラッド層である。下部クラッド層１４は、活性層１５又は基板１２の少なくとも一方に格子整合するＡｌＧａＩｎＮを、擬似格子整合層１３上に成長して形成される。
また、下部光ガイド層２１Ａは、下部クラッド層１４上にＩｎＧａＮ結晶を成長させて形成されている。
ここで、擬似格子整合層１３、下部クラッド層１４、下部光ガイド層２１Ａは、それぞれｎ型不純物、例えばシリコン（Ｓｉ）がドーピングされ、ｎ型の導電層となっている。

活性層１５は、下部光ガイド層２１Ａ上に窒化ガリウムインジウム［Ｉｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜x＜１）］を成長させることによって形成されている。このＩｎＧａＮからなる活性層１５において、インジウム（Ｉｎ）の組成比は、発光波長が４８０ｎｍ以上となるように設定されている。具体的には、この活性層１５は、緑色域での発光波長を有するＩｎ組成（Ｉｎの組成比が２０％以上）のＩｎＧａＮで構成されている。本例では、活性層におけるＩｎの組成比が３０％程度になっている。

上部光ガイド層２１Ｂは、活性層１５上にＩｎＧａＮ結晶を成長させて形成されている。

上部クラッド層１６は、活性層１５又は基板１２の少なくとも一方に格子整合するＡｌＧａＩｎＮを、上部光ガイド層２１Ｂ上に成長して形成される。

そして、上部コンタクト層１７Ｂは、上部クラッド層１６上に形成されている。
ここで、上部光ガイド層２１Ｂ、上部クラッド層１６、上部コンタクト層１７Ｂは、ｐ型不純物、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされ、ｐ型の導電層となっている。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示している。
図６に示すように、この半導体レーザダイオード１０Ｂは、ｎ型のＺｎＭｇＯ基板１２Ａと、このＺｎＭｇＯ基板１２Ａのｍ面（１＿１００）上に順に形成されたｎ型の擬似格子整合層１３、ｎ型の下部クラッド層１４、ｎ型の上部光ガイド層２１Ａ、活性層１５、ｐ型の上部光ガイド層２１Ｂ、ｐ型の上部クラッド層１６及びｐ型のコンタクト層１７を備えている。さらに、半導体レーザダイオード１０Ａは、基板１２Ａの裏面側に形成された下部電極１１Ａと、半導体層の表面に形成されたパッシベーション膜１８と、コンタクト層１７上に形成された上部電極１９とを備えている。

ＺｎＭｇＯ基板１２ＡのＭｇ組成は、ＩｎＧａＮからなる活性層１５のＩｎ組成によって適宜設定することができる。例えば、Ｉｎ組成が３０％のＩｎＧａＮからなる活性層を有する場合、Ｍｇ組成が１０％から４０％程度のＺｎＭｇＯ基板を用いることにより、ｃ軸に平行な方向の偏波で発振する、すなわちａ面（１１＿２０）をレーザ端面とする半導体レーザダイオードを実現できる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示している。
この半導体レーザダイオード１０Ｃは、図７に示すように、ｎ型の基板１２Ｂと、基板１２Ｂのｍ面（１＿１００）上に、順に形成されたｎ型の擬似格子整合層１３、ｎ型の下部クラッド層１４、ｎ型の下部光ガイド層２１Ａ、ＩｎＧａＮからなる活性層１５、ｐ型の上部光ガイド層２１Ｂ、ｐ型の上部クラッド層１６及びコンタクト層１７と、を備えている。さらに、半導体レーザダイオード１０Ｃは、基板１２Ｂの裏面側に形成された下部電極１１Ａと、半導体層の表面にパッシベーション膜１８と、コンタクト層１７上に形成された上部電極１９と、を備えている。
ここで、基板１２Ｂは、ＺｎＯ単結晶からなる基板１２上にＺｎＣｄＯ層４２を積層した複合基板である。

ＺｎＣｄＯ層４２のＣｄ組成は、活性層１５のＩｎ組成によって適宜設定することができる。例えば、Ｉｎ組成が３０％のＩｎＧａＮからなる活性層１５を有する場合、Ｃｄ組成は０％から１２％程度のＺｎＣｄＯ基板を用いることにより、活性層１５の歪みを制御して、ｃ軸に平行な方向の偏波で発振する、すなわちａ面（１１＿２０）をレーザ端面とする半導体レーザダイオードを実現できる。

図８は、上記各実施形態に係る半導体レーザ素子の端面構造を示す模式的な上面図である。
図８に示すように、活性層１５の両端面は、光出射側端面３１と光反射側端面３２とを有する共振器構造となっており、レーザ端面である光出射側端面３１と光反射側端面３２はそれぞれａ面（１１＿２０）に形成されている。共振器端面のうちの光出射側端面３１には、窒化ガリウムよりも低い屈折率を有する２層以上の低反射膜３３が、光出射側端面３１の屈折率が徐々に低くなるように形成されている。また、共振器端面のうちの光反射側端面３２には、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した誘電体多層膜からなる高反射膜３４が形成されている。

次に、上記構成を有する半導体レーザダイオード１０Ａを製造する方法について説明する。
なお、本実施形態では、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用の上記エピタキシャルウェハを、以下の工程により、ＲＦＭＢＥ法を用いて基板１２のｍ面（１＿１００）上に形成する。
（工程１）まず、ＺｎＯからなる基板１２を用意し、表面処理を行う。この表面処理として、以下に説明する表面平坦化処理、表面清浄化処理、及び表面改質処理を行う。

（工程１ａ）表面平坦化処理では、まず、ＣＭＰ(機械化学研磨)処理を行い、この後、基板のｍ面（１＿１００）（以下、「表面」ともいう。）に対して大気中で熱処理を行い、ステップ・テラス構造を形成する。この際には、基板１２を酸化ジルコニアや酸化亜鉛などの無機材質平板で挟んだ状態で行うのが好ましい。熱処理条件は、温度１０００〜１３００℃で１〜５時間行うのが好ましい。この表面平坦化処理後、基板１２の裏面に高融点金属であるモリブデン(Ｍｏ)等をスパッタ、ＥＢ法等により蒸着した後、成長チャンバーに導入する。基板を保持するために、モリブデン（Ｍｏ）ホルダーを用いる場合は、基板１２の裏面にインジウム等の金属を溶かしてモリブデンホルダーに固定しても良い。

（工程１ｂ）次に、表面清浄化処理では、成長チャンバー内で、大気圧下または減圧下でサーマルクリーニング処理を行う。具体的には、真空中、７００〜７５０℃の温度で基板を５〜６０分加熱し、有機物などを除去する。このような処理を行うことにより、基板表面をＲＨＥＥＤ測定したとき、シャープなストリークパターンが観測されるようになる。

あるいは、サーマルクリーニング処理条件として酸素雰囲気中又は酸素プラズマ照射中で高温熱処理を施すことにより、基板１２の洗浄と、基板１２の表面再構成を行うことができる。

（工程１ｃ）次に、表面改質処理では、基板１２上に窒化物であるＧａＮからなる擬似格子整合層１３を形成する前段階として、窒化処理を行う。具体的には、基板温度を５００℃で、窒素プラズマガンによって３０〜６０分間、窒素ラジカルを供給し、基板１２の表面の酸素を窒素で置換する。
（工程１ａ）から（工程１ｃ）は、大気に暴露することなく、真空搬送可能な装置で一貫して行うことが好ましい。また、（工程１ａ）から（工程１ｃ）を必ずしも全て行う必要はない。

（工程２）次に、低温で、ＩｎとＧａの少なくともひとつと窒素ラジカル(Ｎ)を基板表面に同時に供給することにより、基板１２のｍ面（１＿１００）上にＧａＮ、又はＩｎＧａＮ結晶を成長させて擬似格子整合層１３を形成する。ここでは、擬似格子整合層１３は、ＧａＮとする。

ＧａＮの成長温度を低温で行うのは、基板１２とＧａＮとの界面反応を抑制するためである。ここで、ＧａＮを４ＭＬ成長した後にＩｎＮを１ＭＬ成長したり、ＩｎＮを１ＭＬ成長した後にＧａＮを４ＭＬ成長したり、或いは、ＧａＮ層とＩｎＮ層を交互に積層させた層（超格子層）を成長して、擬似格子整合層１３を形成しても良い。

ＺｎＯとＧａＮとの格子定数差はａ軸で１．８％程度、ＺｎＯとＩｎＮとの格子定数差はa軸でそれぞれ８．８％程度存在するが、擬似格子整合層１３をＧａＮとＩｎＧａＮの複合層とする場合、ＧａＮ層とＩｎＮ層の合計の膜厚を、ＧａＮ層とＩｎＮ層の平均組成をとったＩｎＧａＮの臨界膜厚以下にすることにより、ＺｎＯの格子定数を維持させることができる。ここで、擬似格子整合層１３にシリコン（Ｓｉ）をドーピングすることにより、ｎ型導電性を有する擬似格子整合層１３が形成される。

（工程３）次に、７５０℃より低い成長温度、例えば６００℃で、所望のセル温度に設定した原料であるＩｎ、Ｇａ及びＡｌをＮと一緒に基板上に供給させることにより、活性層１５又は基板１２の少なくとも一方に格子整合するＡｌＧａＩｎＮを成長して下部クラッド層１４を形成する。この際に、シリコン（Ｓｉ）をドーピングすることにより、下部クラッド層１４をｎ型導電性にすることができる。

このように、本実施形態では、下部クラッド層１４は、窒化アルミニウムガリウムインジウム［Ａｌ1-ｘ-ｙＧａ ｘ Ｉｎ ｙＮ （0≦ｘ＜1、0≦ｙ＜1、ｘ＋ｙ≦１）］である。なお、下部クラッド層１４を、窒化アルミニウムガリウムインジウムに代えて、酸化亜鉛マグネシウムベリリウムカドミウム［Ｚｎ _1-a-b-c ＭＧａ_ａＢｅ_b Ｃｄ_cＯ（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c＜１）］、或いは酸化亜鉛で構成してもよい。

（工程４）次に、７５０℃より低い成長温度、例えば６００℃で、所望のセル温度に設定した原料であるＩｎ、Ｇａ及びＮを供給することによりＩｎＧａＮ結晶を成長させて、下部クラッド層１４上に下部光ガイド層２１Ａを形成する。この際に、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は下部クラッド層１４と活性層１５のＩｎ組成の間にすることにより良好なＩｎＧａＮ結晶を成長することができる。また、この際にＩｎＧａＮからなる下部光ガイド層２１Ａにシリコン（Ｓｉ）を供給することにより、下部光ガイド層２１Ａをn型導電性にする。

（工程５）次に、７５０℃より低い成長温度、例えば６００℃で、所望のＩｎ/Ｇａ比（Ｖ/ＩＩＩ比）になるようにセル温度の設定を変更して（もしくは、複数のセルを有していれば、あらかじめ設定しておいたＩｎとＧａセルに切り替えて）、Ｉｎ、Ｇａ、およびＮを一緒に基板表面へ供給することにより、緑色域での発光波長を有するＩｎ組成（３０％程度）のＩｎＧａＮからなる活性層１５を形成する。

（工程６）次に、７５０℃より低い成長温度、例えば６００℃で、再び活性層１５と上部クラッド層１６のＩｎ組成の間のＩｎ組成のＩｎＧａＮからなる上部光ガイド層２１Ｂを活性層１５上に形成する。この際に、所望のＩｎ/Ｇａ比、Ｖ/ＩＩＩ比になるようにセル温度の設定を変更して（もしくは、複数のセルを有していれば、あらかじめ設定しておいたＩｎとＧａセルに切り替えて）、Ｉｎ、Ｇａ、およびＮを一緒に基板表面へ供給してＩｎＧａＮからなる上部光ガイド層２１Ｂを形成する。この際、ＩｎＧａＮにマグネシウム（Ｍｇ）をドープすることにより上部光ガイド層２１Ｂをｐ型導電性にする。

（工程７）次に、７５０℃より低い成長温度、例えば６００℃のまま、所望のセル温度に設定した原料であるＩｎ、Ｇａ及びＡｌをＮと一緒に基板上に供給させることにより、活性層１５又は、基板１２の少なくとも一方（或いは、基板及びＩｎＧａＮからなる光ガイド層）に格子整合するＡｌＧａＩｎＮを成長して、上部クラッド層１６を形成する。この際に、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングすることにより、上部クラッド層２１Ｂをｐ型導電性にする。

（工程８）最後に、最適なセル温度に設定したＧａ、Ｉｎと一緒にＮを基板上に供給することにより上部コンタクト層１７Ｂを形成する。この際にＭｇを同時に供給することにより、ｐ型導電性にする。

なお、上記工程において、ｐ型ドーパントとして、マグネシウム（Ｍｇ）に代えて、ベリリウム（Ｂｅ）を用いてもよく、また、ＭｇとＳｉの両方をドーピングするコドープなどの方法を用いてもよい。

また、活性層等の半導体層を成長した後に、成長チャンバー内もしくは真空中から取り出した後、高温で熱処理を施す（Ｍｇの活性化熱処理）ことにより、Ｍｇをドーピングした層をｐ型導電性にしても良いが、この工程は必ずしも行う必要はない。

以上の工程は、ＺｎＯ基板以外の、ＺｎＭｇＯ、ＺｎＣｄＯからなる基板、又はＩｎＧａＮ等、その他の六方晶系ウルツ鉱型単結晶からなる基板についても同様に実施する。
また、以上の工程は、ＲＦＭＢＥ法を用いて形成しているが、アンモニア（ＮＨ_３）をＮ源として利用するＧＳＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法を用いて形成しても良い。
次に、このようにして製造されたエピタキシャルウェハを用いて、半導体レーザダイオードを作製する手順を説明する。

（工程９）上記の工程で形成された半導体層に、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング等を行うことによりリッジ構造を形成する。
リッジ構造は、半導体レーザダイオードの構造の一種で、光導波路での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。

（工程１０）次に、半導体層の表面全体にパッシベーション膜１８を形成する。
パッシベーション膜１８は、保護層として機能し、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等の誘電体をＰＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition ）法により堆積させて形成する。

（工程１１）次に、上部コンタクト層１７Ｂに上部電極１９を形成する。
具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、上部コンタクト層上のパッシベーション膜を除去した後、抵抗加熱、ＥＢ（電子ビーム）或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ｎｉ/Ａｕ或いはＰｄ/Ｐｔ/Ａｕ電極をｐ型の上部電極１９として形成する。

（工程１２）次に、上述した緑色域等の長波長の可視域レーザダイオード用のエピタキシャルウェハの裏面側に下部電極１１を形成する。

具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、下部コンタクト層１７Ａ上のパッシべーション膜１８を除去した後、抵抗加熱、ＥＢ（電子ビーム）或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ｔｉ/Ａｌ或いはＴｉ/Ｐｔ/Ａｕ電極をｎ型下部電極１１として形成する。なお、下部電極１１を形成する前に、基板１２をＣＭＰ(機械化学研磨)処理により薄くしておくのが好ましい。

（工程１３）次に、半導体レーザダイオードのレーザ端面（共振器端面）である光出射側端面３１と光反射側端面３２を、ａ面をへき開することによって形成する。

（工程１４）次に、形成された共振器端面の光出射側端面３１に低反射膜３３、光反射側端面３２に高反射膜３４をそれぞれ形成する。これにより、緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオードの製造が完了する。

以上のように構成された一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）ＩｎＧａＮからなる活性層１５が、基板１２のｍ面（１＿１００）上に形成されているので、ピエゾ電界を抑制でき、発光効率を増大させることができる。また、ピエゾ電界を抑制することにより、電流注入の際の波長シフトが生じにくい。
基板１２のｍ面（１＿１００）上に形成されたＩｎＧａＮ系活性層１５には、a軸方向よりもc軸方向により大きな圧縮歪みが印加される。これにより、活性層１５により大きな歪がかかるｃ軸と平行な方向の偏光（ＴＥ偏光）でレーザ発振し易くなる。
（２）レーザ端面（共振器端面）である光出射側端面３１と光反射側端面３２はａ面（１１＿２０）に形成されており、ａ面（１１＿２０）は低指数面でかつ電荷中性面であるので、へき開で光出射側端面３１と光反射側端面３２を綺麗にかつ容易に形成することができる。

（３）基板１２と活性層１５との間に擬似格子整合層１３が形成されているので、基板１２と活性層１５の間に窒化物/酸化物の急峻な界面が得られ、ＩｎＧａＮからなる活性層１５の良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体レーザダイオードを得ることができる。

（４）擬似格子整合層１３を、膜厚が１ＭＬ以上、基板１２に対して臨界膜厚以下のＧａＮで構成することにより、下地の基板１２の格子定数を維持させたまま、上部に基板１２と格子整合したＩｎＧａＮからなる活性層１５を成長させることにより、良好な結晶性を有する活性層が得られる。

（５）基板１２がｎ型導電性を有するので、基板１２の裏面に下部電極を形成することで、縦型デバイスの半導体レーザダイオードを構成することができる。つまり、基板１２の表面側から裏面側へ電流が流せるようになり、縦型デバイス（縦方向注入型デバイス）の半導体レーザダイオードを実現できる。
（６）ＩｎＧａＮからなる活性層１５において、インジウム（Ｉｎ）の組成比は、発光波長が４８０ｎｍ以上となるように設定されている。具体的には、この活性層１５は、緑色域での発光波長を有するＩｎ組成（Ｉｎの組成比が３０％程度）のＩｎＧａＮ層で構成されているので、青色より長波長の可視光（例えば緑色）の発光が可能な半導体レーザダイオードを実現できる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
上記実施形態において、光ガイド層の無い構成の半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。つまり、本発明は、ＺｎＯ単結晶からなる基板と、この基板上に順に形成された擬似格子整合層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層と、を備えた半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子に広く適用可能である。

上記実施形態において、基板、擬似格子整合層、下部クラッド層、光ガイド層及び下部電極にそれぞれｐ型導電性を持たせ、光ガイド層、上部クラッド層及びコンタクト層にそれぞれｎ型導電性を持たせた半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。

上記実施形態では、エピタキシャルウェハを、基板１２のｍ面（１＿１００）上に形成しているが、基板１２の面方位を、ｍ面（１＿１００）から微傾斜した面にしても良い。
上記実施形態では、エピタキシャルウェハを、基板１２のｍ面（１＿１００）上に形成しているが、基板１２の上にＺｎＯ、ＺｎＭｇＯ、又はＺｎＣｄＯをエピタキシャル成長した上に形成しても良い。
上記実施形態では、半導体レーザダイオードとして構成した半導体発光素子について説明したが、ｐｎ接合部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。

上記実施形態では、活性層１５はＩｎＧａＮで構成されているが、活性層１５をＡｌＧａＩｎＮなどの他のＩＩＩ―Ｖ族窒化物系化合物半導体、つまりＩｎを含む窒化物半導体で構成した半導体発光素子にも本発明は適用可能である。

上記実施形態において、ＩｎＧａＮからなる活性層１５を量子井戸構造にした構成にも本発明は適用可能である。

上記実施形態において、活性層１５をＡｌＧａＩｎＮで構成した場合にも、基板１２の格子定数はＩｎＧａＮ と同様にＡｌＧａＩｎＮにも近い（格子整合する）ので、活性層のＩｎの組成を高くしても、相分離が抑制される。これにより、Ｉｎの組成を高くしても均一なＩｎ組成を有するＡｌＧａＩｎＮ活性層が得られるので、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体発光素子を実現できる。

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…半導体発光素子としての半導体レーザダイオード、１１…下部電極、１２…基板、１２Ａ…ＺｎＭｇＯ基板、１２Ｂ…ＺｎＣｄＯ基板、１３…擬似格子整合層、１４…下部クラッド層、１５…活性層、１６…上部クラッド層、１７…コンタクト層、１８…パッシベーション膜、１９…上部電極、２１Ａ…下部光ガイド層、２１Ｂ…上部光ガイド層。

Claims (10)

1. 六方晶系ウルツ鉱型単結晶からなる基板と、
   前記基板のｍ面（１＿１００）又は該ｍ面から微傾斜した面上に形成されたＩｎを含む窒化物半導体からなる活性層を含む半導体層と、を備え
   前記活性層は、ａ面（１１＿２０）面にレーザ端面が形成され、かつ、前記基板に対するｃ軸方向の歪み量が、ａ軸方向の歪み量に比べて大きく、またＩｎＧａＮであり、インジウム（Ｉｎ）の組成比が、２０％以上、６０％以下であり、さらにａ軸方向の歪Δａ／ａおよびｃ軸方向の歪Δｃ／ｃがともに正の圧縮歪であることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記半導体層は、
   窒化ガリウムインジウム［ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜x＜１）］からなる活性層と、
   前記活性層又は前記基板の少なくとも一方に格子整合され、前記活性層を挟んで積層された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記基板が酸化物からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記基板が、Ｚｎ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｍｇ_ａＢｅ_ｂＣｄ_ｃＯ（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c＜１）からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記基板が、Ａｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｙＩｎ_ｚＮ（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記基板と前記活性層との間に、前記基板と擬似格子整合したＺｎ_{１−ａ−ｂ−ｃ}Ｍｇ_ａＢｅ_ｂＣｄ_ｃＯ（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c＜１）からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至５のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記晶基板と前記活性層との間に、前記基板と擬似格子整合したＡｌ_{１−ｙ−ｚ}Ｇａ_ｙＩｎ_ｚＮ（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）からなる擬似格子整合層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至５のいずれか1項に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記擬似格子整合層は、１ＭＬ以上、前記基板に対して臨界膜厚以下の膜厚を有することを特徴とする請求項６または７に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記擬似格子整合層は、膜厚が１ＭＬ以上、基板に対して臨界膜厚以下の、ＧａＮおよびＩｎＮからなる超格子層からなることを特徴とする請求項７に記載した半導体レーザ素子。
10. 前記活性層は、発光波長が480nm以上、650nm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

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