WO2020017223A1 - 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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    • H01S5/2219—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers having special optical properties absorbing
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    • H01S5/3213—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities asymmetric clading layers

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor light emitting device using, for example, a gallium nitride (GaN) -based material and a method for manufacturing the same.
  • GaN gallium nitride
  • LDs Laser Diodes
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • a semipolar or nonpolar nitride semiconductor can reduce the influence of a piezoelectric field and is effective in forming a semiconductor light emitting device that emits light in a long wavelength band.
  • Patent Document 1 discloses a nitride semiconductor laser device in which a nitride semiconductor layer is etched to form a cavity facet.
  • a semiconductor light emitting device includes a GaN substrate having a semipolar plane or a nonpolar plane as a main surface inclined in a range of 20 ° or more and 90 ° or less from a c-plane in an m-axis direction or an a-axis direction, An active layer provided on the GaN substrate, a first layer made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In) on the active layer side and a first layer formed on the substrate side and provided between the GaN substrate and the active layer; It comprises a second layer having a lower refractive index than one layer and an n-type cladding layer.
  • a method for manufacturing a semiconductor light emitting device is directed to a method of manufacturing a semiconductor light-emitting device, comprising: An n-type having, on a substrate, a first layer made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In) and a second layer having a lower refractive index than the first layer in the order of the second layer and the first layer A cladding layer is formed, and an active layer is formed on the n-type cladding layer.
  • a semipolar plane or a non-polar surface inclined from 20 ° to 90 ° in the m-axis direction or the a-axis direction from the c-plane An n-type cladding layer having a first layer on the active layer side and a second layer on the substrate side is provided between the active layer and the GaN substrate having the polar surface as the main surface.
  • the first layer is made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In), and the second layer has a lower refractive index than the first layer.
  • a semipolar plane inclined in a range from 20 ° to 90 ° in a m-axis direction or an a-axis direction from a c-plane a first layer made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In) on the active layer side as an n-type cladding layer is formed between a GaN substrate having a nonpolar plane as a main surface and the active layer by GaN. Since the second layer having a lower refractive index than the first layer is provided on the substrate side, a flat resonator end face can be obtained. Therefore, light extraction efficiency and light emission characteristics can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a configuration of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present disclosure.
  • 2 is a flowchart illustrating a method for forming the semiconductor light emitting device illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view illustrating a method for forming the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1.
  • FIG. 3B is a schematic sectional view following FIG. 3A.
  • FIG. 3B is a schematic sectional view following FIG. 3B.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a refractive index and an electric field intensity distribution in a stacking direction of the semiconductor light emitting device illustrated in FIG. 1. It is a SEM image of the end face of the GaN layer (A) and the AlGaInN layer (B) formed by etching.
  • Embodiment an n-type clad layer having a first layer containing 0.5% or more of In and a second layer having a lower refractive index than the first layer is provided on an active layer side, and a resonator end face is formed by etching.
  • Example 1-1. Configuration of semiconductor light emitting device 1-2. Manufacturing method of semiconductor light emitting device 1-3. Action / effect
  • FIG. 1 schematically illustrates an example of a cross-sectional configuration of a semiconductor light emitting device (semiconductor laser 1) according to an embodiment of the present disclosure.
  • the semiconductor laser 1 is, for example, a nitride-based semiconductor laser that oscillates a laser beam having a wavelength of at least 450 nm in the visible region, and is used as a light source for a laser display, a pointer, and the like.
  • the semiconductor laser 1 of the present embodiment is provided between the substrate 11 and the active layer 15 on the active layer 15 side, and includes a first layer 13A made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In) and the substrate 11.
  • FIG. 1 schematically illustrates a cross-sectional configuration of the semiconductor laser 1 and differs from the actual dimensions and shape.
  • the semiconductor laser 1 has a semiconductor layer on a substrate 11.
  • the semiconductor layers on the substrate 11 are, for example, from the substrate 11 side, an underlayer 12, an n-type clad layer 13, an n-type guide layer 14, an active layer 15, a p-type guide layer 16, a p-type clad layer 17, and a contact layer 18.
  • the semiconductor laser 1 further has a lower electrode 21 on the back surface of the substrate 11 (the surface opposite to the surface on which the semiconductor layer is formed), and has an upper electrode 22 on the contact layer 18.
  • the substrate 11 is, for example, a GaN (gallium nitride) substrate having, as a main surface, a semipolar plane or a nonpolar plane inclined from the c plane in the range of 20 ° to 90 ° in the m-axis direction or the a-axis direction.
  • the plane orientation of the substrate 11 is, for example, (1-100), (20-21), (20-2-1), (30-31), (30-3-1), (10-11), (10-11). 11-20), (11-22) and (11-24).
  • the thickness of the substrate 11 is, for example, 300 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the semiconductor layer on the substrate 11 is made of a nitride semiconductor.
  • the nitride semiconductor is, for example, GaN, AlGaN, GaInN, AlGaInN, or the like.
  • Boron (B) atoms, thallium (Tl) atoms, silicon (Si), oxygen (O), arsenic (As) atoms, phosphorus (P) atoms, and antimony (Sb) atoms may be included in the nitride semiconductor, if desired. Etc. may be included.
  • the underlayer 12 is provided on the substrate 11 and is made of, for example, n-type GaN.
  • the n-type cladding layer 13 is provided on the underlayer 12, and includes, for example, two layers of the first layer 13A and the second layer 13B as described above.
  • the first layer 13A is disposed on the active layer 15 side, and the second layer 13B is disposed on the substrate 11 side.
  • the In composition of AlGaInN constituting the first layer 13A is preferably 0.5% or more, more preferably 1% or more, and further preferably 2% or more.
  • the upper limit is, for example, preferably 20% or less, more preferably 15% or less, and still more preferably 10% or less.
  • the first layer 13A is doped with, for example, silicon (Si), oxygen (O), or germanium (Ge) as an n-type dopant.
  • the thickness of the first layer 13A is preferably, for example, 50 nm or more, more preferably 100 nm or more, and further preferably 200 nm or more.
  • the upper limit of the thickness of the first layer 13A is, for example, 2000 nm or less.
  • the surface roughness (for example, RMS or Ra) of the cavity end face of the first layer 13A is smaller than that of a p-type cladding layer 17 described later.
  • the second layer 13B is made of, for example, AlGaN.
  • the second layer 13B has a lower refractive index than the first layer 13A.
  • the first layer 13A has a refractive index of 2.41 while the second layer 13B has a refractive index of 2.36, for example.
  • the second layer 13B is doped with, for example, silicon (Si) as an n-type dopant.
  • the thickness of the second layer 13B is preferably, for example, 200 nm or more, more preferably 500 nm or more, and still more preferably 800 nm or more.
  • the n-type cladding layer 13 may include other layers in addition to the first layer 13A and the second layer 13B.
  • the first layer 13A is It is preferable that the first layer 13A has the highest refractive index.
  • the n-type guide layer 14 is provided on the n-type cladding layer 13 and, for example, silicon (Si). Is formed of GaInN that is doped.
  • the active layer 15 is provided on the n-type guide layer 14.
  • the active layer 15 has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum well layers are stacked between barrier layers.
  • the quantum well layer preferably contains indium (In), and the In composition in AlGaInN is preferably, for example, not less than 15% and not more than 50%.
  • the thickness of the active layer 15 is preferably, for example, not less than 2 nm and not more than 10 nm.
  • the peak wavelength of the laser light emitted from the active layer 15 is preferably, for example, 450 nm or more, and more preferably, 500 nm or more.
  • the p-type guide layer 16 is provided on the active layer 15 and is made of, for example, undoped GaInN.
  • the p-type cladding layer 17 is provided on the p-type guide layer 16 and is made of, for example, AlGaN doped with magnesium (Mg) as a p-type dopant.
  • a thin striped ridge portion 17X is formed as an optical waveguide, which is extended in a resonator direction (Z-axis direction in FIG. 1) for current confinement.
  • the ridge portion 17X has a width of, for example, 1 ⁇ m to 50 ⁇ m (X-axis direction: w in FIG. 1), and has a height of, for example, 0.1 to 1 ⁇ m (Y-axis direction: h in FIG. 1).
  • the length of the ridge 17X in the resonator direction is preferably, for example, 200 ⁇ m or more and 3000 ⁇ m or less.
  • the contact layer 18 is provided on the ridge 17X of the p-type cladding layer 17 and is made of, for example, GaN doped with magnesium (Mg).
  • the lower electrode 21 is formed on the back surface of the substrate 11 and is made of metal.
  • a multilayer film (Ti / Pt / Au) in which titanium (Ti), platinum (Pt), and gold (Au) are sequentially stacked from the substrate 11 side can be given.
  • the lower electrode 21 only needs to be electrically connected to the n-type cladding layer 13 via the substrate 11 or the like, and does not necessarily need to be formed on the back surface of the substrate 11.
  • the upper electrode 22 is provided, for example, from the contact layer 18 to the side of the ridge portion 17X with the current confinement layer 19 interposed therebetween, and is made of metal similarly to the lower electrode 21.
  • the upper electrode 22 for example, a multilayer film (Pd / Pt / Au) in which palladium (Pd), platinum (Pt), and gold (Au) are sequentially stacked from the side of the contact layer 18 is given.
  • the upper electrode 22 is extended in a strip shape so as to constrict current, and a region of the active layer 15 corresponding to the upper electrode 22 becomes a light emitting region.
  • the semiconductor laser 1 of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows.
  • FIG. 2 shows a flow of a method of manufacturing the semiconductor laser 1
  • FIGS. 3A to 3C show a method of manufacturing the semiconductor laser 1 in the order of steps.
  • a substrate 11 made of GaN having, for example, a (20-21) plane as a main growth plane is prepared in the reactor (Step S101).
  • the underlayer 12 and the n-type cladding are formed on the upper surface (crystal growth surface) of the substrate 11 by using, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • a second layer 13B, a first layer 13A, an n-type guide layer 14, an active layer 15, a p-type guide layer 16, a p-type clad layer 17, and a contact layer 18 constituting the layer 13 are formed in this order (step S102). .
  • a source gas of gallium is, for example, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga)
  • a source gas of aluminum is, for example, trimethyl aluminum ((CH 3 ) 3 Al)
  • a source gas of indium for example, trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) is used, respectively.
  • Ammonia NH 3
  • monosilane (SiH 4 ) is used as a silicon source gas
  • bis cyclopentadienyl magnesium ((C 5 H 5 ) 2 Mg) is used as a magnesium source gas.
  • the ridge portion 17X and the current confinement layer 19 are formed (Step S103). Specifically, for example, a mask is formed on the contact layer 18 and a part of the contact layer 18 and a part of the p-type cladding layer 17 are formed by using the mask by, for example, RIE (Reactive Ion Etching). The ridge 17X is formed by selective removal. Next, after forming, for example, an SiO 2 film on the p-type cladding layer 17 and the contact layer 18, an opening is provided on the upper surface of the ridge portion 17 ⁇ / b > X to form the current confinement layer 19.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • a resonator end face is formed by etching (step S104).
  • dry etching as an etching method at least from the contact layer 18 to the n-type clad layer 13, more preferably to the underlayer 12, and still more preferably to a depth reaching the substrate 11. preferable.
  • etching gas for example, a fluorine-based gas such as carbon tetrafluoride (CF 4 ) or a chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ) or silicon tetrachloride (SiCl 4 ) is selected according to the etching conditions. I do.
  • a wet etching process using a solution such as potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH) may be added to improve the smoothness of the surface state.
  • KOH potassium hydroxide
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • titanium (Ti), platinum (Pt), and gold (Au) are sequentially deposited on the contact layer 18 and the current confinement layer 19 by using, for example, an evaporation method or a sputtering method, and then, for example, a photolithography method is used.
  • the upper electrode 22 is formed by patterning into a desired shape by the used etching.
  • the lower electrode 21 is formed on the back surface of the substrate 11. As described above, the semiconductor laser 1 of the present embodiment is completed.
  • the semiconductor laser 1 of the present embodiment when a predetermined voltage is applied between the lower electrode 21 and the upper electrode 22, a current is injected into the active layer 15, and light emission occurs due to recombination of electrons and holes. .
  • This light is repeatedly reflected on a pair of resonator end faces, and then emitted from one end face as laser light having a predetermined wavelength. In this way, laser oscillation is performed.
  • a crystal plane suitable for a cavity facet mirror is formed by cleavage.
  • a crystal plane suitable for a cavity facet mirror is formed by cleavage.
  • a method of forming a cavity facet by etching a nitride semiconductor layer there is a possibility that the cavity facet is roughened, the flatness is impaired, and a good cavity facet mirror cannot be obtained.
  • the surface roughness of the cavity end face lowers the light extraction efficiency and the characteristics of the semiconductor laser on the light emitting surface.
  • the active surface is formed on the substrate 11 having a semipolar plane or a nonpolar plane inclined from the c plane in the range of 20 ° to 90 ° in the m-axis direction or the a-axis direction.
  • An n-type clad layer having a first layer 13A on the active layer 15 side and a second layer 13B on the substrate 11 side is provided between the layer 15 and the cavity end face by etching.
  • the first layer 13A is made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In), and the second layer 13B has a lower refractive index than the first layer 13A.
  • FIG. 4 shows the refractive index and electric field intensity distribution in the stacking direction of the semiconductor laser 1 of the present embodiment.
  • FIG. 4 shows that the peak of the electric field strength is closer to the n-type semiconductor layer side than the active layer 15.
  • FIG. 5 is an SEM image of the end face (A) of the GaN layer and the end face (B) of the AlGaInN layer formed by etching.
  • the GaN layer containing no indium (In) is etched, its end face is rough as can be seen from FIG. 5A, whereas the etched face of the AlGaInN layer containing In is as shown in FIG. As can be seen, the flatness is improved. This is due to the presence or absence of In.
  • a semiconductor layer containing In is etched by dry etching like an AlGaInN layer, a product containing In such as indium chloride (InCl 3 ) is generated. This indium chloride (InCl 3 ) has low volatility, which is presumed to maintain the flatness of the etched surface.
  • the n-type cladding layer is made of AlGaN or GaN.
  • AlGaN and GaN have low flatness of an end face formed by etching.
  • the n-type cladding layer 13 has a two-layer structure, and the first layer 13A made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In) is provided on the active layer 15 side. It was arranged.
  • the AlGaInN layer has high flatness of an end face formed by etching. Therefore, it is possible to improve the flatness of the emission surface of the laser light.
  • the substrate having the semipolar plane or the nonpolar plane inclined from the c plane in the range of 20 ° to 90 ° in the m-axis direction or the a-axis direction is used as the main surface.
  • the second layer 13B having a lower refractive index than that is provided.
  • the surface roughness of the first layer 13A is reduced in the vicinity of the active layer 15 near the n-type semiconductor layer where the peak of the electric field intensity exists, and more specifically, the cavity facet is flattened.
  • the performance is improved. Therefore, it is possible to improve light extraction efficiency and light emission characteristics (laser characteristics).
  • the present disclosure has been described above with reference to the embodiments, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified.
  • the components, arrangement, number, and the like of the semiconductor laser 1 illustrated in the above-described embodiment are merely examples, and it is not necessary to include all the components, and may further include other components. .
  • the present disclosure may have the following configurations.
  • a GaN substrate having, as a main surface, a semipolar plane or a nonpolar plane inclined in a range of 20 ° or more and 90 ° or less in the m-axis direction or the a-axis direction from the c-plane;
  • An active layer provided on the GaN substrate;
  • a n-type cladding layer having a low second layer.
  • the plane orientation of the GaN substrate is (1-100), (20-21), (20-2-1), (30-31), (30-3-1), (10-11), (11 (20)
  • An n-type cladding layer having a first layer made of AlGaInN containing 0.5% or more of indium (In) and a second layer having a lower refractive index than the first layer in the order of the second layer and the first layer.

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Abstract

本開示の一実施形態の半導体発光素子は、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に設けられた活性層と、ＧａＮ基板と活性層との間に設けられると共に、活性層側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層および基板側に第１層よりも屈折率の低い第２層と有するｎ型クラッド層とを備える。

Description

半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
　本開示は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた半導体発光素子およびその製造方法に関する。
　近年、光源用途として窒化物半導体を用いた青色帯域～緑色帯域の光を発する半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）および発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）の開発が活発に行われている。その中でも、半極性や非極性の窒化物半導体は、ピエゾ電界の影響を小さくでき、長波長帯域の光を発する半導体発光素子を構成する上で効果的である。
　しかしながら、ｃ面からｍ軸やａ軸方向に傾斜した半極性面または非極性面を結晶成長の主面とした窒化ガリウム（ＧａＮ）系基板では、劈開によって共振器端面ミラーの形成に適した結晶面を用いることができない。このため、例えば、特許文献１では、窒化物半導体層をエッチングして共振器端面を形成する窒化物半導体レーザ素子が開示されている。
特開２００９－１６４４５９号公報
　ところで、窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、光取り出し効率および発光特性の向上が求められている。
　光取り出し効率および発光特性を向上させることが可能な半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法を提供することが望ましい。
　本開示の一実施形態の半導体発光素子は、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に設けられた活性層と、ＧａＮ基板と活性層との間に設けられると共に、活性層側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層および基板側に第１層よりも屈折率の低い第２層と有するｎ型クラッド層とを備えたものである。
　本開示の一実施形態の半導体発光素子の製造方法は、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板上に、インジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層と、第１層よりも屈折率の低い第２層とを、第２層および第１層の順に有するｎ型クラッド層を形成し、ｎ型クラッド層上に活性層を形成する。
　本開示の一実施形態の半導体発光素子および一実施形態の半導体発光素子の製造方法では、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板と活性層との間に、活性層側に第１層および基板側に第２層と有するｎ型クラッド層を設けるようにした。第１層は、インジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなり、第２層は、第１層よりも低い屈折率を有している。これにより、エッチングを用いた共振器端面の形成時における共振器端面の表面荒れを低減し、平坦な共振器端面を得る。
　本開示の一実施形態の半導体発光素子および一実施形態の半導体発光素子の製造方法によれば、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板と活性層との間に、ｎ型のクラッド層として、活性層側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからな第１層を、ＧａＮ基板側に第１層よりも低い屈折率を有する第２層を設けるようにしたので、平坦な共振器端面が得られるようになる。よって、光取り出し効率および発光特性を向上させることが可能となる。
　なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。
本開示の実施の形態に係る半導体発光素子の構成の一例を表す断面模式図である。 図１に示した半導体発光素子の形成方法を表す流れ図である。 図１に示した半導体発光素子の形成方法を説明する断面模式図である。 図３Ａに続く断面模式図である。 図３Ｂに続く断面模式図である。 図１に示した半導体発光素子の積層方向の屈折率および電界強度分布を表す図である。 エッチングにより形成されたＧａＮ層（Ａ）およびＡｌＧａＩｎＮ層（Ｂ）の端面のＳＥＭ画像である。
　以下、本開示における実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明は本開示の一具体例であって、本開示は以下の態様に限定されるものではない。また、本開示は、各図に示す各構成要素の配置や寸法、寸法比等についても、それらに限定されるものではない。なお、説明する順序は、下記の通りである。
　１．実施の形態
（活性層側に０．５％以上のＩｎを含む第１層と第１層よりも屈折率の低い第２層とを有するｎ型クラッド層を設け、共振器端面をエッチングにより形成する例）
　　　１－１．半導体発光素子の構成
　　　１－２．半導体発光素子の製造方法
　　　１－３．作用・効果
＜１．実施の形態＞
　図１は、本開示の一実施の形態に係る半導体発光素子（半導体レーザ１）の断面構成の一例を模式的に表したものである。半導体レーザ１は、例えば可視領域、特に４５０ｎｍ以上の波長のレーザ光を発振する窒化物系の半導体レーザであり、例えばレーザディスプレイやポインタ等の光源として用いられるものである。本実施の形態の半導体レーザ１は、基板１１と活性層１５との間に、活性層１５側に設けられ、インジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層１３Ａおよび基板１１側に設けられた、第１層１３Ａよりも屈折率の低い第２層１３Ｂの２層を有するｎ型クラッド層１３が設けられた構成を有する。なお、図１は、半導体レーザ１の断面構成を模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
（１－１．半導体発光素子の構成）
　半導体レーザ１は、基板１１上に半導体層を有している。基板１１上の半導体層は、例えば、基板１１側から、下地層１２、ｎ型クラッド層１３、ｎ型ガイド層１４、活性層１５、ｐ型ガイド層１６、ｐ型クラッド層１７およびコンタクト層１８がこの順に積層されたている。半導体レーザ１は、さらに基板１１の裏面（上記半導体層の形成面とは反対側の面）に下部電極２１を有しており、コンタクト層１８上に上部電極２２を有している。
　基板１１は、例えばｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とする、例えばＧａＮ（窒化ガリウム）基板である。基板１１の面方位は、例えば、（１－１００）、（２０－２１）、（２０－２－１）、（３０－３１）、（３０－３－１）、（１０－１１）、（１１－２０）、（１１－２２）および（１１－２４）のうちのいずれかである。基板１１の厚みは、例えば３００μｍ～５００μｍである。
　基板１１上の半導体層は、窒化物半導体により構成されている。窒化物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、または、ＡｌＧａＩｎＮ等である。窒化物半導体には、所望に応じて、ホウ素（Ｂ）原子、タリウム（Ｔｌ）原子、ケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、ヒ素（Ａｓ）原子、リン（Ｐ）原子およびアンチモン（Ｓｂ）原子等が含まれていてもよい。
　下地層１２は、基板１１上に設けられており、例えばｎ型のＧａＮにより構成されている。
　ｎ型クラッド層１３は、下地層１２上に設けられており、上記のように、例えば第１層１３Ａおよび第２層１３Ｂの２層を含んで構成されている。第１層１３Ａは、活性層１５側に配置されており、第２層１３Ｂは、基板１１側に配置されている。
　第１層１３Ａは、例えばＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ（０≦ｘ１≦０．９９５，０００５≦ｙ１≦１，０＜ｚ１≦０．９９５，ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）からなる。第１層１３Ａを構成するＡｌＧａＩｎＮにおけるＩｎ組成は、上記のように０．５％以上であることが好ましく、より好ましくは１％以上、さらに好ましくは２％以上である。上限は、例えば２０％以下であることが好ましく、より好ましくは１５％以下、さらに好ましくは１０％以下である。その際、第１層１３Ａを構成するＡｌＧａＩｎＮ層の格子定数がＧａＮと同等になるようにアルミニウム（Ａｌ）の組成を調整することが好ましい。第１層１３Ａには、ｎ型のドーパントとして、例えばケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされている。第１層１３Ａの厚みは、例えば５０ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以上、さらに好ましくは２００ｎｍ以上である。第１層１３Ａの厚みの上限としては、例えば２０００ｎｍ以下である。第１層１３Ａの共振器端面の表面粗さ（例えばＲＭＳやＲａ）は、後述するｐ型クラッド層１７よりも小さい。
　第２層１３Ｂは、例えばＡｌＧａＮから構成されている。第２層１３Ｂは、第１層１３Ａよりも低い屈折率を有する。例えば、第１層１３Ａが、２．４１の屈折率を有するのに対し、第２層１３Ｂは、例えば２．３６の屈折率を有する。第２層１３Ｂには、ｎ型のドーパントとして、例えばケイ素（Ｓｉ）がドープされている。第２層１３Ｂの厚みは、例えば２００ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以上、さらに好ましくは８００ｎｍ以上である。
　ｎ型クラッド層１３は、第１層１３Ａおよび第２層１３Ｂの他に、他の層を含んでいてもよいが、例えば３層以上を積層する場合には、第１層１３Ａは活性層１５に最も近い位置に配置することが好ましく、さらに、第１層１３Ａが最も高い屈折率を有することが好ましい。
　ｎ型ガイド層１４は、ｎ型クラッド層１３上に設けられており、ｎ型のドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）．がドープされたＧａＩｎＮにより構成されている。
　活性層１５は、ｎ型ガイド層１４上に設けられている。活性層１５は、単一量子井戸構造または、障壁層を間に複数の量子井戸層が積層された多重量子井戸構造を有する。活性層１５は、量子井戸層および障壁層共に、例えばＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２≦１，０＜ｚ２≦１，ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）からなる。量子井戸層はインジウム（Ｉｎ）を含んでいることが好ましく、ＡｌＧａＩｎＮにおけるＩｎ組成は、例えば１５％以上５０％以下であることが好ましい。活性層１５の厚みは、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。活性層１５から発振されるレーザ光のピーク波長は、例えば４５０ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以上である。
　ｐ型ガイド層１６は、活性層１５上に設けられており、例えばアンドープのＧａＩｎＮにより構成されている。
　ｐ型クラッド層１７は、ｐ型ガイド層１６上に設けられており、ｐ型のドーパントとして、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＡｌＧａＮにより構成されている。ｐ型クラッド層１７の一部には、光導波路として、電流狭窄のための共振器方向（図１では、Ｚ軸方向）に延長された細いストライプ状のリッジ部１７Ｘが形成されている。リッジ部１７Ｘは、例えば１μｍ～５０μｍの幅（図１ではＸ軸方向：ｗ）を有し、例えば０．１～１μｍの高さ（図１ではＹ軸方向：ｈ）を有する。リッジ部１７Ｘの共振器方向の長さは、例えば２００μｍ以上３０００μｍ以下であることが好ましい。
　コンタクト層１８は、ｐ型クラッド層１７のリッジ部１７Ｘ上に設けられており、例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮにより構成されている。
　リッジ部１７Ｘの側面を含むｐ型クラッド層１７上およびコンタクト層１８の側面には、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）からなる電流狭窄層１９が形成されている。
　下部電極２１は、基板１１の裏面に形成されており、金属によって構成されている。下部電極２１の一例としては、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を基板１１側から順に積層した多層膜（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）が挙げられる。下部電極２１は、基板１１等を介してｎ型クラッド層１３と電気的に接続されていればよく、必ずしも基板１１の裏面に形成されていなくてもよい。
　上部電極２２は、例えばコンタクト層１８上から電流狭窄層１９を間にリッジ部１７Ｘの側面にかけて設けられており、下部電極２１と同様に金属によって構成されている。上部電極２２の一例としては、例えばパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をコンタクト層１８の側から順に積層した多層膜（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）が挙げられる。上部電極２２は、電流狭窄をするように帯状に延長されており、この上部電極２２に対応する活性層１５の領域が発光領域となる。
（１－２．半導体発光素子の製造方法）
　本実施の形態の半導体レーザ１は、例えば以下のように製造することができる。図２は、半導体レーザ１の製造方法の流れを表したものであり、図３Ａ～図３Ｃは、半導体レーザ１の製造方法を工程順に表したものである。
　まず、リアクター内に、図３Ａに示したように、例えば（２０－２１）面を成長の主面とするＧａＮよりなる基板１１を用意する（ステップＳ１０１）。次に、図３Ｂに示したように、基板１１の上面（結晶成長面）に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長）法を用いて、下地層１２、ｎ型クラッド層１３を構成する第２層１３Ｂ、第１層１３Ａ、ｎ型ガイド層１４、活性層１５、ｐ型ガイド層１６、ｐ型クラッド層１７およびコンタクト層１８を、この順に形成する（ステップＳ１０２）。
　なお、ＭＯＣＶＤを行う際、ガリウムの原料ガスとしては、例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）、アルミニウムの原料ガスとしては、例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、インジウムの原料ガスとしては、例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ）をそれぞれ用いる。また、窒素の原料ガスとしてはアンモニア（ＮＨ3）を用いる。また、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ4）を用い、マグネシウムの原料ガスとしては例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ）を用いる。
　続いて、図３Ｃに示したように、リッジ部１７Ｘおよび電流狭窄層１９を形成する（ステップＳ１０３）。具体的には、例えばコンタクト層１８上にマスクを形成し、このマスクを利用して、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法によりコンタクト層１８およびｐ型クラッド層１７の一部を選択的に除去してリッジ部１７Ｘを形成する。次に、ｐ型クラッド層１７およびコンタクト層１８の上に、例えばＳｉＯ2膜を成膜したのち、リッジ部１７Ｘの上面に開口を設けて電流狭窄層１９を形成する。
　続いて、エッチングにより共振器端面を形成する（ステップＳ１０４）。ここで、エッチング方法としてドライエッチングを用い、少なくともコンタクト層１８からｎ型クラッド層１３まで行うことが好ましく、より好ましくは下地層１２まで、さらに好ましくは、基板１１まで到達する深さまでエッチングすることが好ましい。
　なお、エッチング方法は、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ（Reactive Ion Beam Etching；反応性イオンビームエッチング）等を用いることができる。いずれにおいても、エッチングガスは、例えば、四フッ化炭素（ＣＦ4）のようなフッ素系もしくは塩素（Ｃｌ2）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ4）のような塩素系ガスをエッチング条件に合わせて選択する。ドライエッチング後は、表面状態の平滑性改善のために、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等の溶液によるウエットエッチング処理を追加しても構わない。
　次に、コンタクト層１８および電流狭窄層１９上に、例えば蒸着法またはスパッタ法等を用いてチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を順に積膜したのち、例えばフォトリソグラフィ法を用いたエッチングにより所望の形状にパターニングして上部電極２２を形成する。最後に、基板１１の裏面側を研磨して基板１１を所定の厚さ、例えば９０μｍの厚みにしたのち、基板１１の裏面に下部電極２１を形成する。以上により、本実施の形態の半導体レーザ１が完成する。
　本実施の形態の半導体レーザ１では、下部電極２１と上部電極２２との間に所定の電圧が印加されると活性層１５に電流が注入され、電子と正孔との再結合により発光が生じる。この光は、一対の共振器端面において繰り返し反射されたのち、一方の端面から所定の波長のレーザ光として出射する。このようにして、レーザ発振がなされる。
（１－３．作用・効果）
　前述したように、近年、光源用途として窒化物半導体を用いた青色帯域～緑色帯域の光を発する半導体レーザおよび発光ダイオードの開発が活発に行われている。その中でも、半極性や非極性の窒化物半導体は、ピエゾ電界の影響を小さくでき、長波長帯域の光を発する半導体発光素子を構成する上で効果的である。
　しかしながら、ｃ面からｍ軸やａ軸方向に傾斜した半極性面または非極性面を結晶成長の主面とした窒化ガリウム（ＧａＮ）系基板では、劈開によって共振器端面ミラーに適した結晶面を形成することができない。例えば、窒化物半導体層をエッチングして共振器端面を形成する方法があるが、共振器端面に表面荒れが生じ、平坦性が損なわれて良好な共振器端面ミラーが得られない虞がある。共振器端面の表面荒れは、光出射面における光取り出し効率および半導体レーザの特性を低下させる。
　これに対して、本実施の形態では、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とする基板１１上と活性層１５との間に、活性層１５側に第１層１３Ａ、基板１１側に第２層１３Ｂを有するｎ型クラッド層を設け、エッチングを用いて共振器端面を形成するようにした。第１層１３Ａは、インジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなり、第２層１３Ｂは、第１層１３Ａよりも低い屈折率を有している。
　図４は、本実施の形態の半導体レーザ１の積層方向の屈折率および電界強度分布を表したものである。図４から、電界強度のピークは、活性層１５よりもｎ型半導体層側に寄っていることがわかる。
　図５は、エッチングによって形成されるＧａＮ層の端面（Ａ）およびＡｌＧａＩｎＮ層の端面（Ｂ）のＳＥＭ画像である。インジウム（Ｉｎ）を含まないＧａＮ層をエッチングした場合、その端面は、図５（Ａ）からわかるように荒れているのに対し、Ｉｎを含むＡｌＧａＩｎＮ層のエッチング面は、図５（Ｂ）からわかるように平坦性が改善されている。これは、Ｉｎの有無によるものであり、例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層のように、Ｉｎを含む半導体層をドライエッチングによってエッチングした場合、塩化インジウム（ＩｎＣｌ3）等のＩｎを含む生成物が生成される。この塩化インジウム（ＩｎＣｌ3）は揮発性が低く、これにより、エッチング表面の平坦性が維持されると推察される。
　一般的な半導体レーザでは、ｎ型クラッド層はＡｌＧａＮやＧａＮによって構成されている。ＡｌＧａＮやＧａＮは、図４（Ａ）に示したように、エッチングによって形成される端面の平坦性は低い。本実施の形態の半導体レーザ１では、上記のように、ｎ型クラッド層１３を２層構造とし、活性層１５側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層１３Ａを配置するようにした。ＡｌＧａＩｎＮ層は、図４（Ｂ）に示したように、エッチングによって形成される端面の平坦性が高い。よって、レーザ光の出射面の平坦性を向上させることが可能となる。
　以上のように、本実施の形態の半導体レーザ１では、ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とする基板１１と活性層１５との間に、ｎ型クラッド層１３として、活性層１５側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからな第１層１３Ａを、基板１１側に第１層１３Ａよりも屈折率の低い第２層１３Ｂを設けるようにした。これにより、共振器端面の形成時に、電界強度のピークが存在するｎ型半導体層寄りの活性層１５の近傍、具体的には、第１層１３Ａの表面荒れが低減され、共振器端面の平坦性が向上する。よって、光取り出し効率および発光特性（レーザ特性）を向上させることが可能となる。
　以上、実施の形態を挙げて本開示を説明したが、本開示は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態において例示した半導体レーザ１の構成要素、配置および数等は、あくまで一例であり、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素をさらに備えていてもよい。
　また、上記実施の形態等において説明した効果は一例であり、本開示の効果は、他の効果であってもよいし、更に他の効果を含んでいてもよい。
　なお、本開示は以下のような構成であってもよい。
（１）
　ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板と、
　前記ＧａＮ基板上に設けられた活性層と、
　前記ＧａＮ基板と前記活性層との間に設けられると共に、前記活性層側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層および前記基板側に前記第１層よりも屈折率の低い第２層と有するｎ型クラッド層と
　を備えた半導体発光素子。
（２）
　前記第１層の組成範囲は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦０．９９５，０００５≦ｙ≦１，０＜ｚ≦０．９９５，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）である、前記（１）に記載の半導体発光素子。
（３）
　前記第１層は５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚みを有する、前記（１）または（２）に記載の半導体発光素子。
（４）
　前記ＧａＮ基板の面方位は、（１－１００）、（２０－２１）、（２０－２－１）、（３０－３１）、（３０－３－１）、（１０－１１）、（１１－２０）、（１１－２２）および（１１－２４）のうちのいずれかである、前記（１）乃至（３）のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
（５）
　前記活性層上に、さらにｐ型クラッド層を有し、
　共振器端面を構成する前記第１層の表面粗さは前記ｐ型クラッド層の表面粗さよりも小さい、前記（１）乃至（４）のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
（６）
　前記活性層は４５０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する、前記（１）乃至（５）のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
（７）
　前記第１層は、ドーパントとしてケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）を含む、前記（１）乃至（６）のうちのいずれかに記載の半導体発光素子。
（８）
　ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板上に、
　インジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層と、前記第１層よりも屈折率の低い第２層とを、第２層および第１層の順に有するｎ型クラッド層を形成し、
　前記ｎ型クラッド層上に活性層を形成する
　半導体発光素子の製造方法。
（９）
　前記活性層上に、さらにｐ型クラッド層を形成したのち、ドライエッチングを用いて共振器端面を形成する、前記（８）に記載の半導体発光素子の製造方法。
　本出願は、日本国特許庁において２０１８年７月２０日に出願された日本特許出願番号２０１８－１３６６２６号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願の全ての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (9)

  1. 　ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板と、
    　前記ＧａＮ基板上に設けられた活性層と、
    　前記ＧａＮ基板と前記活性層との間に設けられると共に、前記活性層側にインジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層および前記基板側に前記第１層よりも屈折率の低い第２層と有するｎ型クラッド層と
    　を備えた半導体発光素子。
  2. 　前記第１層の組成範囲は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦０．９９５，０００５≦ｙ≦１，０＜ｚ≦０．９９５，ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）である、請求項１に記載の半導体発光素子。
  3. 　前記第１層は５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１に記載の半導体発光素子。
  4. 　前記ＧａＮ基板の面方位は、（１－１００）、（２０－２１）、（２０－２－１）、（３０－３１）、（３０－３－１）、（１０－１１）、（１１－２０）、（１１－２２）および（１１－２４）のうちのいずれかである、請求項１に記載の半導体発光素子。
  5. 　前記活性層上に、さらにｐ型クラッド層を有し、
    　共振器端面を構成する前記第１層の表面粗さは前記ｐ型クラッド層の表面粗さよりも小さい、請求項１に記載の半導体発光素子。
  6. 　前記活性層は４５０ｎｍ以上のピーク波長を有するレーザ光を発振する、請求項１に記載の半導体発光素子。
  7. 　前記第１層は、ドーパントとしてケイ素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）を含む、請求項１に記載の半導体発光素子。
  8. 　ｃ面からｍ軸方向またはａ軸方向に２０°以上９０°以下の範囲で傾斜した半極性面または非極性面を主面とするＧａＮ基板上に、
    　インジウム（Ｉｎ）を０．５％以上含むＡｌＧａＩｎＮからなる第１層と、前記第１層よりも屈折率の低い第２層とを、第２層および第１層の順に有するｎ型クラッド層を形成し、
    　前記ｎ型クラッド層上に活性層を形成する
    　半導体発光素子の製造方法。
  9. 　前記活性層上に、さらにｐ型クラッド層を形成したのち、ドライエッチングを用いて共振器端面を形成する、請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
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