WO2020105362A1 - 窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ素子の製造方法

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WO2020105362A1
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WO
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nitride semiconductor
semiconductor laser
laser device
sheet
light emitting
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丹下　貴志
邦彦 田才
耕太 徳田
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ソニー株式会社
ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a nitride semiconductor laser device using a gallium nitride (GaN) -based material and a manufacturing method thereof.
  • GaN gallium nitride
  • GaN gallium nitride
  • a light emitting layer is formed using GaInN as a GaN-based material.
  • LD semiconductor laser
  • LED Light Emitting Diode
  • GaInN has a longer emission wavelength as the In composition increases.
  • blue-violet, blue and green band light emitting devices having a relatively low indium (In) composition have been put to practical use.
  • the wavelength band longer than the green band where the In composition is relatively high the luminous efficiency decreases as the In composition increases.
  • Patent Document 1 the generation of threading dislocations is suppressed by forming nanometer-order fine wall-shaped structures (nanowalls) on the substrate, and the luminous efficiency is improved.
  • a nitride structure is disclosed.
  • the fine wall-shaped structure is composed of, for example, a plurality of layers, and an active layer is provided as one of the layers.
  • a nitride semiconductor laser device is a single crystal substrate extending in one direction, a base layer made of a nitride semiconductor provided on the single crystal substrate, and a base layer on the base layer.
  • a sheet-shaped structure made of a nitride semiconductor and provided on at least a side surface of the sheet-shaped structure, which is vertically erected vertically and has a side surface area extending in the longitudinal direction of the single crystal substrate larger than that of the upper surface.
  • a resonator mirror composed of a pair of end faces facing each other in the longitudinal direction of the sheet-shaped structure.
  • a method for manufacturing a nitride semiconductor laser device is to provide a base layer made of a nitride semiconductor on a single crystal substrate extending in one direction, and the single crystal substrate in a direction perpendicular to the base layer.
  • the area of the side surface extending in the longitudinal direction is larger than the area of the upper surface, forming a sheet-like structure made of a nitride semiconductor, and forming a light emitting layer made of a nitride semiconductor on at least the side surface of the sheet-like structure,
  • a resonator mirror is formed on a pair of end faces of the sheet-like structure which face each other in the longitudinal direction.
  • a base layer made of a nitride semiconductor is provided on a single crystal substrate extending in one direction.
  • the side surface area is larger than the upper surface area
  • the sheet-like structure made of a nitride semiconductor is erected in the vertical direction of the base layer.
  • a light emitting layer made of a nitride semiconductor is provided on at least a side surface of the sheet-shaped structure. This reduces the influence of threading dislocations generated from the single crystal substrate or the base layer on the light emitting layer.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the semiconductor laser device shown in FIG. 1 viewed from another direction.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the overall configuration of the semiconductor laser device shown in FIG. 1. It is a figure showing the crystal structure of a wurtzite type. It is a figure which defines the notation of the lattice constant of each part of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view explaining a manufacturing process of the semiconductor laser device shown in FIG. 1. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 5A.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a simulation model used for a light emission characteristic simulation of the semiconductor laser device shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a light intensity distribution diagram of a guided transverse mode of the simulation model shown in FIG. 6.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between current and light output using the simulation model shown in FIG. 6.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a configuration of a semiconductor laser device according to Modification 1 of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the configuration of the semiconductor laser device according to the first modification of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the configuration of the semiconductor laser device according to the first modification of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating another example of the configuration of the semiconductor laser device according to the first modification of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser device according to Modification 2 of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser device according to Modification 2 of the present disclosure. It is a perspective view showing the whole structure of the semiconductor laser element shown in FIG.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view explaining the manufacturing process of the semiconductor laser device shown in FIG. 17. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG.
  • FIG. 19A It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19B. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19C. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19D. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19E. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19F. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19G. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19H. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19I. It is a cross-sectional schematic diagram showing the process of following FIG. 19J.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an overall configuration of a semiconductor laser stripe array according to Modification 3 of the present disclosure.
  • First embodiment an example in which a semiconductor nanosheet is erected on a base layer and a light emitting layer is provided around the semiconductor nanosheet
  • Configuration of semiconductor laser device 1-2 Configuration of semiconductor laser device 1-2.
  • Manufacturing method of semiconductor laser device 1-3 Action and effect 2.
  • Second embodiment an example in which a semiconductor nanosheet is erected on a base layer and a light emitting layer having a multilayer structure is provided around the semiconductor nanosheet
  • Third embodiment an example in which a semiconductor nanosheet is erected on a base layer and a quantum dot light emitting layer is provided around the semiconductor nanosheet
  • Fourth embodiment an example in which a semiconductor nanosheet is erected on a base layer and a multiple quantum dot light emitting layer is provided around the semiconductor nanosheet
  • Modification 1 example in which the dopant concentration of the semiconductor nanosheet is provided with a gradient
  • Modification 2 an example in which both ends of a semiconductor nanosheet are sandwiched by n-type semiconductor layers
  • Modification 3 one example of array structure
  • FIG. 1 schematically illustrates a cross-sectional configuration of a nitride semiconductor laser device (semiconductor laser device 1) according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser device 1 taken along the line II ′ shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing the overall configuration of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • the left diagram of FIG. 1 shows the cross-sectional configuration near the ridge portion 10X
  • the right diagram of FIG. 1 shows the cross-sectional configuration of the p-electrode pad 21 portion shown in FIG.
  • This semiconductor laser device 1 is, for example, a semiconductor laser (LD) that emits light having a wavelength of 200 nm or more and 1800 nm or less, particularly in the visible region.
  • the semiconductor laser device 1 of the present embodiment has a mask layer 13 formed on a base layer 12 in which a substrate 11, a base layer 12 and a mask layer 13 extending in one direction (for example, the Z-axis direction) are laminated in this order.
  • the area of the side surface extending in the vertical direction (Y-axis direction) with respect to the base layer 12 through the opening 13H provided and extending in the longitudinal direction (Z-axis direction) of the substrate 11 is smaller than the area of the upper surface.
  • a large n-type semiconductor nanosheet 14 is provided.
  • a light emitting layer 15 is provided around the n-type semiconductor nanosheet 14. Further, the semiconductor laser device 1 has a resonator mirror R on a pair of end faces (a front face (face S1) and a back face (face S2)) facing each other in the Z-axis direction.
  • the semiconductor laser device 1 is formed using a gallium nitride (GaN) -based material, and as described above, the n-type is formed on the base layer 12 in which the substrate 11, the base layer 12, and the mask layer 13 are laminated in this order.
  • a semiconductor nanosheet 14 is provided upright and a light emitting layer 15 is provided around the semiconductor nanosheet 14.
  • the light emitting layer 15 is provided, for example, between the barrier layer 16A provided on the n-type semiconductor nanosheet 14 side and the barrier layer 16B, and a p-type layer is further provided around the barrier layer 16B covering the light emitting layer 15.
  • the semiconductor layer 17, the p electrode 18, and the passivation film 19 are provided in this order.
  • the substrate 11 is, for example, an n-type single crystal substrate made of gallium nitride (GaN) and extending in one direction (Z-axis direction in FIG. 3), for example.
  • the length (l) of the substrate 11 in the extending direction (Z-axis direction) is preferably, for example, 100 nm or more and 5 cm or less, and the film thickness in the Y-axis direction (hereinafter, simply referred to as thickness) is, for example, 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less. Is preferred.
  • the substrate 11 corresponds to a specific example of “a single crystal substrate” of the present disclosure.
  • the thickness of the base layer 12 is preferably 10 nm or more and 1000 nm or less, for example.
  • the mask layer 13 is provided on the base layer 12, and is formed of, for example, an inorganic oxide such as silicon oxide (SiO 2 ) or a metal oxide such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the mask layer 13 preferably has a thickness of 1 nm to 10000 nm, for example.
  • the mask layer 13 is provided with an opening 13H having a width in the X-axis direction (hereinafter, simply referred to as width) of 1 nm or more and 10000 nm or less at a predetermined position.
  • the width of the opening 13H corresponds to the width (w) of the n-type semiconductor nanosheet 14 described later.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 is erected in the vertical direction (Y-axis direction) on the base layer 12, extends in the longitudinal direction of the substrate 11 (Z-axis direction), and has a side surface area of the upper surface. Has a shape larger than the area of.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 corresponds to a specific but not limitative example of “sheet-like structure” of the present disclosure.
  • the sheet-like structure has a shape as described above. Specifically, for example, as shown in FIG. 1, when the height of the sheet-shaped structure (n-type semiconductor nanosheet) is h and the width is w, the ratio of h to w (h / w) is 1 Is larger than 1000 and is 1000 or less.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 preferably has a width (w) of, for example, 1 nm or more and 10000 nm or less, and the height (h, thickness in the Y-axis direction) is, for example, 1 nm or more and 10000 nm or less. Is preferred. Furthermore, the n-type semiconductor nanosheet 14 preferably has a wurtzite crystal structure. That is, the n-type semiconductor nanosheet 14 is formed by crystal growth in the direction (Y-axis direction) perpendicular to the surface of the base layer, starting from the opening 13H provided in the mask layer 13.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 extends in the ⁇ 1-100> direction of the crystal structure, and the side surface is a nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane, or ⁇ 32 ° or more + 32 ° with respect to the nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane. It is a semi-polar surface within the following range. Alternatively, it extends in the ⁇ 11-20> direction of the crystal structure, and the side surface is in the range of ⁇ 28 ° or more and + 28 ° or less with respect to the nonpolar ⁇ 1-100 ⁇ plane or the nonpolar ⁇ 1-100 ⁇ plane. It may be a semipolar surface. Thereby, the influence of the piezoelectric field on the light emitting layer 15 described later is reduced.
  • the above ranges are calculated assuming that the maximum is the case where the unit cells constituting the crystal structure are stepwise.
  • the light emitting layer 15 is provided along at least the side surface of the n-type semiconductor nanosheet 14, and in the present embodiment, the n-type semiconductor nanosheet is provided so as to cover the periphery of the n-type semiconductor nanosheet 14 standing in the Y-axis direction. It is continuously provided on the side surface and the upper surface of 14.
  • the light emitting layer 15 is preferably formed on the nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane or the ⁇ 1-100 ⁇ side surface of the n-type semiconductor nanosheet 14.
  • the thickness of the light emitting layer 15 is preferably, for example, 0.2 nm or more and 10 nm or less.
  • FIG. 4A shows a wurtzite crystal structure used for the n-type semiconductor nanosheet 14 in the present embodiment.
  • FIG. 4B defines the notation of the lattice constant in each part of the semiconductor laser device 1 shown in FIG.
  • the lattice constant of the crystal structure in the n-type AlGaInN forming the base layer 12 is (a x , c x )
  • the lattice constant of the crystal structure in the n-type AlGaInN forming the n-type semiconductor nanosheet 14 is (a y , c y )
  • the lattice constants (a z , c z ) of the crystal structure in the n-type AlGaInN forming the light emitting layer 15 are It is preferable that the magnitude relationship satisfies the following expressions (1) and (2).
  • the composition of indium (In) in the n-type AlGaInN satisfies the following formula (3).
  • the degree of lattice mismatch between the base layer 12 and the light emitting layer 15 is relaxed by the n-type semiconductor nanosheet 14, and the occurrence of crystal defects in the light emitting layer 15 is reduced.
  • the light emitting layer 15 is sandwiched between the barrier layer 16A and the barrier layer 16B.
  • the barrier layer 16A is provided between the n-type semiconductor nanosheet 14 and the light emitting layer 15, and is formed so as to cover the side surface and the upper surface of the n-type semiconductor nanosheet 14.
  • the barrier layer 16A is formed of, for example, undoped or n-type AlGaInN.
  • the thickness of the barrier layer 16A is preferably 1 nm to 100 nm, for example.
  • the barrier layer 16B is provided on the light emitting layer 15 so as to cover the light emitting layer 15 provided so as to continuously cover the side surface and the upper surface of the n-type semiconductor nanosheet 14.
  • the barrier layer 16B is formed of, for example, undoped or p-type AlGaInN.
  • the thickness of the barrier layer 16B is preferably 1 nm to 100 nm, for example.
  • the p-type semiconductor layer 17 is provided on the barrier layer 16B so as to cover the barrier layer 16B, and is made of, for example, p-type AlGaInN.
  • the thickness of the p-type semiconductor layer 17 is preferably 1 nm or more and 10000 nm or less, for example.
  • the p-electrode 18 covers the periphery of the p-type semiconductor layer 17, and the n-type semiconductor nanosheet 14 standing on the base layer 12 and the light-emitting layer 15 that covers the periphery thereof, the barrier layers 16A and 16B, and the p-type semiconductor layer 17 are provided. Is continuously provided on the mask layer 13 extending on both sides of the ridge portion 10X formed by.
  • the p electrode 18 is formed of a transparent electrode material such as ITO (Indiun Tin Oxide).
  • the thickness of the p-electrode 18 is preferably 1 nm or more and 1000 nm or less, for example.
  • the passivation film 19 is for protecting the surface of the semiconductor laser device 1, and is provided so as to cover the upper surface and the side surface of the p-electrode 18, for example.
  • the passivation film 19 is formed of, for example, silicon nitride.
  • the thickness of the passivation film 19 is preferably, for example, 1 nm or more and 10000 nm or less.
  • the p electrode pad 21 is an electrode for pulling out the p electrode 18, and is electrically connected to the p electrode 18. As shown in FIG. 3, the p-electrode pad 21 is provided, for example, next to the ridge portion 10X. The p-electrode pad 21 is formed, for example, on the p-electrode 18, and a part thereof is exposed by opening the passivation film 19 provided on the upper part as shown in FIG. The p electrode pad 21 is formed of, for example, gold (Au).
  • An n-electrode 22 formed of, for example, titanium (Ti) is provided on the back surface (surface 11S2) of the substrate 11.
  • a pair of end surfaces (front surface (surface S1) and back surface (surface S2)) facing each other in the Z-axis direction of the semiconductor laser device 1 are resonator end surfaces.
  • a front end face coat film 23 and a rear end face coat film 24 are provided on the resonator end faces, respectively.
  • the front end face coat film 23 and the rear end face coat film 24 are formed of, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • the cavity end face is preferably formed by physically processing the ⁇ 11-20 ⁇ face or the ⁇ 1-100 ⁇ face by cleavage or dry etching.
  • the resonator mirror R capable of laser oscillation is formed on the pair of end faces (face S1 and face S2) of the semiconductor laser device 1 which face each other in the Z-axis direction.
  • the semiconductor laser device 1 of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows. 5A to 5G show a method of manufacturing the semiconductor laser device 1 in the order of steps.
  • the substrate 11 is prepared as shown in FIG. 5A.
  • an n-AlGaInN film is grown on the substrate 11 to form the base layer 12.
  • a mask layer 13 is formed on the base layer 12 by using, for example, a chemical vapor deposition method (CVD method).
  • an n-type semiconductor nanosheet 14 is formed by using, for example, a molecular beam epitaxy method (MBE method).
  • MBE method molecular beam epitaxy method
  • a barrier layer 16A, a light emitting layer 15, and a barrier layer 16B are sequentially formed around the n-type semiconductor nanosheet 14.
  • an MO-CVD method is used to form an undoped AlGaInN film to form the barrier layer 16A.
  • the light emitting layer 15 made of, for example, AlGaInN is formed by using the MO-CVD method, and similarly, an undoped AlGaInN film is formed by using the MO-CVD method to form the barrier layer 16B. Form.
  • the p-type semiconductor layer 17 that covers the barrier layer 16B is formed by using, for example, the MO-CVD method.
  • a metal film for the p-electrode 18 is formed by using the atomic layer deposition method (ALD method), and then the metal film is formed by, for example, reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • the p-electrode 18 is formed by patterning.
  • the passivation film 19 covering the upper surface and the side surface of the p electrode 18 and the p electrode pad 21 is formed.
  • the passivation film 19 on the p electrode pad 21 After this, an opening is provided in the passivation film 19 on the p electrode pad 21. Finally, for example, after forming the cavity end faces on the front face (face S1) and the back face (face S2) of the semiconductor laser device 1 by cleavage, the front facet coat film is formed on the front face (face S1) and the rear face is formed on the back face (face S2).
  • the end face coating film is formed by, for example, sputtering. As described above, the semiconductor laser device 1 shown in FIGS. 1, 2 and 3 is completed.
  • a light emitting device using GaInN has been developed as a gallium nitride (GaN) light emitting device.
  • the light emitting layer formed using GaInN emits light having a wavelength in the visible region, and the emission wavelength becomes longer as the composition of In becomes higher.
  • blue-violet, blue and green band light emitting devices having a relatively low indium (In) composition have been put to practical use.
  • the emission efficiency tends to decrease as the In composition increases, and for example, a red band light emitting device has not reached a practical level.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 standing in the Y-axis direction is provided on the base layer 12 provided on the substrate 11 extending in the Z-axis direction. Is provided, and the light emitting layer 15 is provided on the side surface and the upper surface thereof. As a result, threading dislocations generated from the base layer 12 and the n-type semiconductor nanosheet 14 and extending in the direction perpendicular to the surface of the substrate 11 do not penetrate the light emitting layer 15.
  • FIG. 6 is a plan view of a simulation model used for simulating the emission characteristics of the semiconductor laser device 1 shown in FIG.
  • the light emitting layer 15 is made of GaInN and contains In at a ratio of 30%.
  • FIG. 7 shows the simulation result of the light intensity distribution of the guided transverse mode of the simulation model shown in FIG.
  • FIG. 8 shows the relationship between the current and the optical output using the simulation model shown in FIG. From the simulation results shown in FIGS. 7 and 8, it is understood that the semiconductor laser device 1 of the present embodiment can obtain good laser oscillation at a wavelength of 505 nm.
  • n is erected in the vertical direction (Y-axis direction) on the base layer 12 provided on the substrate 11 extending in the Z-axis direction.
  • the type semiconductor nanosheet 14 is provided, and the light emitting layer 15 is provided on the side surface thereof.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 is formed by using a wurtzite crystal structure, and the side surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 is a nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane or a nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane.
  • Semi-polar plane in the range of -32 ° or more and + 32 ° or less with respect to 11-20 ⁇ plane, or nonpolar ⁇ 1-100 ⁇ plane, or -28 ° or more +28 with respect to nonpolar ⁇ 1-100 ⁇ plane
  • the semi-polar surface is in the range of ° or less. This reduces the influence of the piezoelectric field on the light emitting layer 15. Therefore, it is possible to prevent a decrease in luminous efficiency due to the quantum confined Stark effect.
  • the present embodiment light is emitted to the side surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 having a lattice constant larger than that of the base layer 12 (formula (1) above) and smaller than that of the light emitting layer 15 (formula (2) above). Since the layer 15 is provided, the degree of lattice mismatch between the base layer 12 and the light emitting layer 15 is relaxed, and it becomes possible to suppress the generation of crystal defects due to the lattice mismatch generated in the light emitting layer 15. ..
  • the semiconductor laser device 1 having high luminous efficiency.
  • the light emitting layer 15 is formed on the side surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 having the non-polar plane ⁇ 11-20 ⁇ plane, the short wavelength of the emission spectrum as the current value increases. It is possible to suppress the shift to the side (blue shift).
  • the GaN substrate for example, a sapphire substrate, a silicon (Si) substrate, an aluminum nitride (AlN) substrate, a zinc oxide (ZnO) substrate, or the like is used as the substrate 11, the GaN substrate. Since it is possible to obtain the same effect as in the case of using, the cost can be reduced.
  • FIG. 9 schematically illustrates a cross-sectional configuration of a nitride semiconductor laser device (semiconductor laser device 2) according to the second embodiment of the present disclosure.
  • This semiconductor laser device 2 is, like the semiconductor laser device 1 of the first embodiment, a semiconductor laser (LD) that emits light having a wavelength of, for example, 200 nm or more and 1800 nm or less, particularly in the visible region.
  • the light emitting layer 15 provided on the side surface and the upper surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 has a multi-layer structure (in the present embodiment, two light emitting layers 15A and 15B). This is different from the first embodiment.
  • the semiconductor laser device 2 is formed using a gallium nitride (GaN) -based material, and the n-type semiconductor nanosheet 14 is used as a base on the base layer 12 in which the substrate 11, the base layer 12, and the mask layer 13 are laminated in this order.
  • the light emitting layers 15A and 15B are provided upright in the vertical direction (Y-axis direction) with respect to the layer 12 and are provided around the light emitting layers 15A and 15B.
  • the light emitting layers 15A and 15B are provided, for example, between the barrier layer 16A and the barrier layer 16C and the barrier layer 16C and the barrier layer 16B, which are sequentially provided from the n-type semiconductor nanosheet 14 side, respectively.
  • a p-type semiconductor layer 17, a p-electrode 18, and a passivation film 19 are further provided in this order around the barrier layer 16B covering the light-emitting layer 15B.
  • the barrier layer 16C provided between the light emitting layer 15A and the light emitting layer 15B is formed of, for example, undoped GaInN.
  • the light emitting layer 15 has a multi-layer structure (for example, two layers (light emitting layers 15A and 15B)), so that the semiconductor laser device 1 in the first embodiment is further improved. It is possible to improve the luminous efficiency.
  • FIG. 10 schematically shows a cross-sectional structure of a nitride semiconductor laser device (semiconductor laser device 3) according to the third embodiment of the present disclosure.
  • This semiconductor laser device 3 is a semiconductor laser (LD) that emits light having a wavelength of, for example, 200 nm or more and 1800 nm or less, particularly in the visible region, like the semiconductor laser device 1 of the first embodiment.
  • the semiconductor laser device 3 of the present embodiment is different from that of the first embodiment in that the light emitting layer 15 provided on the side surface and the upper surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 is formed by using quantum dots.
  • the semiconductor laser device 3 is formed using a gallium nitride (GaN) -based material, and as described above, the n-type is formed on the base layer 12 in which the substrate 11, the base layer 12, and the mask layer 13 are laminated in this order.
  • the semiconductor nanosheet 14 is provided upright, and the light emitting layer 35 made of quantum dots is provided around the semiconductor nanosheet 14.
  • the light emitting layer 35 is provided, for example, between the barrier layer 36A and the barrier layer 36B that are sequentially provided from the n-type semiconductor nanosheet 14 side.
  • a p-type semiconductor layer 17, a p electrode 18, and a passivation film 19 are further provided in this order.
  • the quantum dots forming the light emitting layer 35 are made of, for example, AlGaInN.
  • a light emitting layer 35 having a uniform size and a uniform quantum dot distribution is formed. Can be formed.
  • the barrier layers 36A, 36B, 36C are formed of, for example, undoped AlGaInN.
  • the light emitting layer 35 is formed using the quantum dots, it is possible to reduce the occurrence of dislocations as compared with the semiconductor laser device 1 in the first embodiment. Therefore, it becomes possible to further improve the luminous efficiency.
  • FIG. 11 schematically shows the cross-sectional structure of a nitride semiconductor laser device (semiconductor laser device 4) according to the fourth embodiment of the present disclosure.
  • This semiconductor laser device 4 is, like the semiconductor laser device 1 of the first embodiment, a semiconductor laser (LD) that emits light having a wavelength of, for example, 200 nm or more and 1800 nm or less, particularly in the visible region.
  • the light emitting layer 15 provided on the side surface and the upper surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 is formed by using quantum dots and has a multiple structure (in the present embodiment, light emission).
  • the two layers of layers 35A and 35B) are different from the first embodiment.
  • the semiconductor laser device 4 is formed using a gallium nitride (GaN) -based material, and as described above, the n-type is formed on the base layer 12 in which the substrate 11, the base layer 12, and the mask layer 13 are laminated in this order.
  • the semiconductor nanosheet 14 is provided upright, and the light emitting layers 35A and 35B made of quantum dots are sequentially provided around the semiconductor nanosheet 14.
  • the light emitting layers 35A and 35B are provided, for example, between the barrier layers 36A, 36B, and 36C that are sequentially provided from the n-type semiconductor nanosheet 14 side.
  • the light emitting layer 35A is provided between the barrier layer 36A and the barrier layer 36B, and the light emitting layer 35B is provided between the barrier layer 36B and the barrier layer 36C.
  • a p-type semiconductor layer 17, a p electrode 18, and a passivation film 19 are further provided in this order.
  • the light emitting layer 35 formed by the quantum dots has a multiple structure (for example, double (light emitting layers 35A and 35B)), and the semiconductor laser according to the third embodiment described above. It is possible to further improve the luminous efficiency as compared with the device 3.
  • FIG. 12 schematically shows an example of a cross-sectional configuration of a nitride semiconductor laser device (semiconductor laser device 5A) according to Modification Example 1 of the present disclosure.
  • 13 to 15 schematically illustrate other examples of the cross-sectional configuration of the nitride semiconductor laser device (semiconductor laser devices 5B, 5C, and 5D) according to the modification example (modification example 1) of the present disclosure.
  • the semiconductor laser elements 5A, 5B, 5C, and 5D are semiconductor lasers (LD) that emit light having a wavelength of, for example, 200 nm or more and 1800 nm or less, particularly in the visible region, as in the semiconductor laser element 1 of the first embodiment. Is.
  • LD semiconductor lasers
  • the semiconductor laser elements 5A, 5B, 5C, 5D of the present modification are provided on the base layer 12, are erected in the vertical direction (Y-axis direction) with respect to the base layer 12, and the longitudinal direction of the substrate 11 (
  • the first to fourth points are that the n-type semiconductor nanosheet 14 whose side surface extending in the Z-axis direction has a larger area than that of the upper surface has an n-type carrier concentration gradient in its growth direction (Y-axis direction).
  • the embodiment is different from the embodiment.
  • the semiconductor laser devices 5A, 5B, 5C, 5D are formed using a gallium nitride (GaN) -based material, and as described above, the base layer in which the substrate 11, the base layer 12, and the mask layer 13 are laminated in this order.
  • An n-type semiconductor nanosheet 14 is erected on 12 and a light emitting layer 15 is sequentially provided around it.
  • the light emitting layer 15 is provided, for example, between the barrier layer 16A provided on the n-type semiconductor nanosheet 14 side and the barrier layer 16B, and a p-type layer is further provided around the barrier layer 16B covering the light emitting layer 15.
  • the semiconductor layer 17, the p electrode 18, and the passivation film 19 are provided in this order.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 of this modification has a concentration gradient of n-type carriers in the growth direction thereof as described above.
  • the dopant concentration of the n-type carrier increases toward the growth direction, and the n-type carrier having the maximum concentration at the end thereof is formed.
  • a semiconductor nanosheet 14 is provided.
  • the dopant concentration of the n-type carrier may be continuously changed as shown in FIG. 12 or may be changed stepwise as shown in FIG.
  • the semiconductor laser device 5C shown in FIG. 14 and the semiconductor laser device 5D shown in FIG. 15 are each provided with an n-type semiconductor nanosheet 14 having a minimum or maximum concentration of a dopant in the growth direction.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 having the concentration gradient of n-type carriers in the growth direction is provided. This makes it possible to improve the transport efficiency of the n-type carriers and further improve the light emission efficiency.
  • FIG. 18 is a perspective view schematically showing the overall configuration of the semiconductor laser device 6 shown in FIG. 16, for example.
  • 16 shows a cross-sectional structure in the vicinity of the ridge portion 10X (left side of FIG. 16) and in the vicinity of the p electrode pad 21 (right side of FIG. 16)
  • FIG. 17 shows in the vicinity of the ridge portion 10X (left side of FIG. 17).
  • the cross-sectional structure in the vicinity of the n-electrode pad 25 (right view of FIG. 17).
  • This semiconductor laser element 6 is a semiconductor laser (LD) that emits light having a wavelength of, for example, 200 nm or more and 1800 nm or less, particularly in the visible region, as in the first embodiment.
  • an n-electrode 54 is further provided on the upper surface of an n-type semiconductor nanosheet 14 in which a barrier layer 16A, a light emitting layer 15 and a barrier layer 16B are provided in this order on both side surfaces, and the n-type semiconductor nanosheet 14 is provided.
  • the upper and lower surfaces are sandwiched between n-type semiconductor layers, which is different from the first to fourth embodiments and the first modification.
  • the semiconductor laser device 6 is formed using a gallium nitride (GaN) -based material.
  • the semiconductor laser device 6 of the present modification has a structure in which a substrate 11, a base layer 12, and a mask layer 13 are erected in a direction perpendicular to the base layer 12 on the base layer 12 in which the substrate 11, a base layer 12, and a mask layer 13 are laminated in this order, and
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 is provided in which the area of the side surface extending in the direction is larger than the area of the upper surface.
  • a barrier layer 16A, a light emitting layer 15, a barrier layer 16B, a p-type semiconductor layer 17, and a p-electrode 18 are laminated in this order. Further, the p-electrode 18 is continuously formed from the p-type semiconductor layer 17 to the mask layer 13.
  • the semiconductor laser device 6 of the present modification has a mask layer 51 and a mask layer 51 on the upper surface (surface S3) formed by the n-type semiconductor nanosheet 14, the light emitting layer 15, the barrier layers 16A and 16B, the p-type semiconductor layer 17, and the p-electrode 18.
  • the base layer 52 is provided in this order.
  • the base layer 52 is in contact with the n-type semiconductor nanosheet 14 through an opening 51H provided at a position facing the n-type semiconductor nanosheet 14.
  • the end surfaces of the mask layer 51 and the base layer 52 and the p-electrode 18 are covered with the interlayer insulating film 53, and the n-electrode 54 is provided on the base layer 52.
  • the n-electrode 54 is formed, for example, so as to extend from the base layer 52 to the interlayer insulating film 53.
  • an n-electrode pad 25 for electrically extracting the n-electrode 54, which is electrically connected to the n-electrode 54, is provided beside the ridge portion 60X, for example.
  • the n-electrode 54 is covered with the passivation film 19.
  • a p-electrode pad 21 electrically connected to the p-electrode 18 is provided beside the ridge portion 60X as in the first embodiment, and the substrate 11 is provided.
  • An n electrode 22 is provided on the lower surface (surface 11S2) of the.
  • the semiconductor laser device 6 of this modification can be manufactured, for example, as follows. 19A to 19R show a method of manufacturing the semiconductor laser device 6 in the order of steps.
  • the p-electrode 18 is formed as shown in FIG. 19A by using the same method as that of the semiconductor laser device 1 in the first embodiment.
  • a resist 63 is formed on the substrate 11 (specifically, on the p electrode 18) except the ridge portion 60X.
  • the p-electrode 18, the p-type semiconductor layer 17 barrier layers 16A and 16B, and the light emitting layer 15 are etched back by, for example, RIE to expose the n-type semiconductor nanosheet 14 and emit light.
  • the layer 15, the barrier layers 16A and 16B, the p-type semiconductor layer 17, and the p-electrode 18 form a surface S3 having the same surface.
  • a mask layer 51 made of, for example, SiO 2 is formed on the substrate 11 including the surface S3 by using, for example, the CVD method. Form on the entire surface.
  • a resist 64 is formed at a predetermined position of the mask layer 51 provided on the surface S3, and then the mask layer 51 is patterned by, for example, RIE, as shown in FIG. 19G.
  • the mask layer 51 other than on the ridge portion 60X is removed, and an opening 51H exposing the n-type semiconductor nanosheet 14 is formed in the mask layer 51 on the ridge portion 60X.
  • the mask layer 51 and the resist 65 are subjected to, for example, a CVD method.
  • An n-type AlGaInN film to be the base layer 52 is formed by using the above.
  • a resist 66 is formed at a position corresponding to the ridge portion 60X on the n-type AlGaInN film serving as the base layer 52.
  • FIG. 19K after patterning the n-type AlGaInN film to form the base layer 52, the resists 65 and 66 are removed as shown in FIG. 19L.
  • a silicon oxide film to be the interlayer insulating film 53 is formed on the entire surface of the substrate 11 including the upper surface and the side surfaces of the ridge portion 60X, and then as shown in FIG. 19N.
  • a resist 67 having the same surface as the base layer 52 is formed on the silicon oxide film except the ridge portion 60X.
  • FIG. 19O the silicon oxide film on the ridge portion 60X is removed.
  • an n-electrode 54 covering the base layer 52 and the interlayer insulating film 53 is formed by using, for example, the ALD method, as shown in FIG. 19Q.
  • the passivation film 19 is formed on the n-electrode 54 by using, for example, the CVD method. As described above, the semiconductor laser device 6 shown in FIGS. 16, 17, and 18 is completed.
  • the upper surface and the lower surface of the n-type semiconductor nanosheet 14 are sandwiched between the n-type semiconductor layers (the base layer 12 and the base layer 52), so that the current to the n-type semiconductor nanosheet 14 is It is possible to improve the injection rate. Therefore, it is possible to further improve the light emission efficiency as compared with the first embodiment.
  • FIG. 20 schematically shows the overall configuration of an array-shaped semiconductor laser device (semiconductor laser stripe array 7) according to Modification 3 of the present disclosure.
  • the semiconductor laser devices 1 to 6 described in the first to fourth embodiments and the modified examples 1 and 2 are formed on the base layer 12 at predetermined intervals as shown in FIG.
  • the n-type semiconductor nanosheet 14 standing upright in the vertical direction (Y-axis direction) and providing the light emitting layer 15 around the n-type semiconductor nanosheet 14 multilasing can be realized.
  • the present disclosure has been described above with reference to the first to fourth embodiments and the modified examples 1 to 3, but the present disclosure is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made.
  • the constituent elements, the arrangement, the number, and the like of the semiconductor laser device illustrated in the above-described embodiments and the like are merely examples, and it is not necessary to include all the constituent elements, and other constituent elements may be further included. Good.
  • the present disclosure may have the following configurations.
  • the base layer provided on the single crystal substrate extends in the longitudinal direction of the single crystal substrate, and the side surface area is larger than the upper surface area and faces in the longitudinal direction.
  • a sheet-like structure made of a nitride semiconductor having a cavity mirror on a pair of end faces is erected vertically to the base layer, and a light emitting layer made of a nitride semiconductor is provided on at least a side surface of the sheet-like structure.
  • a single crystal substrate extending in one direction A base layer made of a nitride semiconductor provided on the single crystal substrate, On the base layer, a sheet-like structure that is vertically provided with respect to the base layer, has a side surface area extending in the longitudinal direction of the single crystal substrate that is larger than an upper surface area, and is made of a nitride semiconductor.
  • a nitride semiconductor laser including at least a light emitting layer made of a nitride semiconductor provided on a side surface of the sheet-like structure, and a resonator mirror formed by a pair of end faces of the sheet-like structure facing in the longitudinal direction. element.
  • the crystal structure of the nitride semiconductor forming the sheet-like structure is a wurtzite structure,
  • the light emitting layer is formed on a nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane on a side surface of the sheet-like structure or a semipolar plane within a range of ⁇ 32 ° to + 32 ° with respect to the nonpolar ⁇ 11-20 ⁇ plane.
  • the crystal structure of the nitride semiconductor forming the sheet-like structure is a wurtzite structure,
  • the light emitting layer is formed on a nonpolar ⁇ 1-100 ⁇ plane on a side surface of the sheet-like structure or a semipolar plane within a range of ⁇ 28 ° to + 28 ° with respect to the nonpolar ⁇ 1-100 ⁇ plane.
  • the nitride semiconductor laser device according to the above [1] or [2].
  • the lattice constant of the nitride semiconductor is (a z , c z )
  • the nitride semiconductor laser device according to any one of [1] to [5], wherein the light emitting layer is composed of one layer and is formed using quantum dots.
  • the nitride semiconductor laser device according to any one of [1] to [5], wherein the light emitting layer is composed of two or more layers and is formed using quantum dots.
  • the nitride semiconductor laser device according to any one of [1] to [9], wherein the sheet-shaped structure has a different dopant concentration in a growth direction.
  • the sheet-like structure has a dopant concentration continuously changing in a growth direction.
  • the nitride semiconductor laser device according to any one of [1] to [14], wherein the emission wavelength of the emission layer is 200 nm or more and 1800 nm or less.
  • the base layer and the light emitting layer are formed using an n-type nitride semiconductor, The nitride semiconductor laser device according to any one of [1] to [15], further including a p-type nitride semiconductor layer and a p-type electrode sequentially provided around the light emitting layer.
  • the nitride semiconductor laser device according to the above [16], wherein the p-type electrode is a transparent electrode.

Abstract

本開示の一実施形態の窒化物半導体レーザ素子は、一方向に延在する単結晶基板と、単結晶基板上に設けられた窒化物半導体からなるベース層と、ベース層上において、ベース層に対して垂直方向に立設され、単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体と、少なくともシート状構造体の側面に設けられた窒化物半導体からなる発光層と、シート状構造体の長手方向に対向する一対の端面によって構成される共振器ミラーとを備える。

Description

窒化物半導体レーザ素子および窒化物半導体レーザ素子の製造方法
　本開示は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた窒化物半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
　近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いた発光デバイスの開発が活発に行われている。例えば、半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）および発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などの可視領域の波長の光を出射する発光デバイスでは、ＧａＮ系材料としてＧａＩｎＮを用いて発光層が形成されている。ＧａＩｎＮは、Ｉｎの組成が高くなるに従い発光波長が長くなる。現状では、比較的インジウム（Ｉｎ）組成の低い青紫色、青色および緑色帯の発光デバイスが実用化されている。一方で、比較的Ｉｎ組成が高い緑色帯よりも長波長帯では、Ｉｎの組成が高くなるにつれて発光効率が低下する。
　これに対して、例えば、特許文献１では、基板上にナノメーターオーダーの微細壁状構造体（ナノウォール）を形成することで貫通転位の発生を抑制し、発光効率の改善を図ったＩＩＩ族窒化物構造体が開示されている。このＩＩＩ族窒化物構造体では、微細壁状構造体は、例えば複数の層から構成されており、そのうちの１層として活性層が設けられている。
国際公開第２００９／０６９２８６号
　このように、発光効率を改善する手法が報告されているものの、ＬＥＤを想定したものとなっている。そのため、上記手法をＬＤに適用することは難しく、ＬＤの発光効率を改善する手法の開発が求められている。
　発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体レーザ素子およびそ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窒化物半導体レーザ素子は、一方向に延在する単結晶基板と、単結晶基板上に設けられた窒化物半導体からなるベース層と、ベース層上において、ベース層に対して垂直方向に立設され、単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体と、少なくともシート状構造体の側面に設けられた窒化物半導体からなる発光層と、シート状構造体の長手方向に対向する一対の端面によって構成される共振器ミラーとを備えたものである。
　本開示の一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、一方向に延在する単結晶基板上に窒化物半導体からなるベース層を設け、ベース層に対して垂直方向に、単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体を形成し、シート状構造体の少なくとも側面に窒化物半導体からなる発光層を形成し、シート状構造体の長手方向に対向する一対の端面に共振器ミラーを形成する。
　本開示の一実施形態の窒化物半導体レーザ素子および本開示の一実施形態の窒化物半導体レーザ素子の製造方法では、一方向に延在する単結晶基板上に窒化物半導体からなるベース層を設け、そのベース層上に、単結晶基板の長手方向に延在すると共に、側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体をベース層の垂直方向に立設し、シート状構造体の少なくとも側面に窒化物半導体からなる発光層を設けるようにした。これにより、発光層に対する単結晶基板やベース層から発生する貫通転位の影響を低減する。
本開示の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面模式図である。 図１に示した半導体レーザ素子の他の方向から見た断面模式図である。 図１に示した半導体レーザ素子の全体構成を表す斜視図である。 ウルツ鉱型の結晶構造を表す図である。 図１に示した半導体レーザ素子の各部の格子定数の表記を定義する図である。 図１に示した半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面模式図である。 図５Ａに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ｂに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ｃに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ｄに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ｅに続く工程を表す断面模式図である。 図５Ｆに続く工程を表す断面模式図である。 図１に示した半導体レーザ素子の発光特性シミュレーションに用いるシミュレーションモデルの断面模式図である。 図６に示したシミュレーションモデルの導波横モードの光強度分布図である。 図６に示したシミュレーションモデルを用いた電流と光出力との関係を表す特性図である。 本開示の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面模式図である。 本開示の第３の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面模式図である。 本開示の第４の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面模式図である。 本開示の変形例１に係る半導体レーザ素子の構成の一例を表す断面模式図である。 本開示の変形例１に係る半導体レーザ素子の構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例１に係る半導体レーザ素子の構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例１に係る半導体レーザ素子の構成の他の例を表す断面模式図である。 本開示の変形例２に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面模式図である。 本開示の変形例２に係る半導体レーザ素子の構成を表す断面模式図である。 図１３に示した半導体レーザ素子の全体構成を表す斜視図である。 図１７に示した半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面模式図である。 図１９Ａに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｂに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｃに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｄに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｅに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｆに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｇに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｈに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｉに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｊに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｋに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｌに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｍに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｎに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｏに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｐに続く工程を表す断面模式図である。 図１９Ｑに続く工程を表す断面模式図である。 本開示の変形例３に係る半導体レーザストライプアレイの全体構成を表す斜視図である。
　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、寸法比などについても、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．第１の実施の形態（ベース層上に半導体ナノシートを立設し、その周囲に発光層を設けた例）
　　　１－１．半導体レーザ素子の構成
　　　１－２．半導体レーザ素子の製造方法
　　　１－３．作用・効果
　２．第２の実施の形態（ベース層上に半導体ナノシートを立設し、その周囲に多層構造からなる発光層を設けた例）
　３．第３の実施の形態（ベース層上に半導体ナノシートを立設し、その周囲に量子ドット発光層を設けた例）
　４．第４の実施の形態（ベース層上に半導体ナノシートを立設し、その周囲に多重量子ドット発光層を設けた例）
　５．変形例１（半導体ナノシートのドーパント濃度に勾配を設けた例）
　６．変形例２（半導体ナノシートの両端をｎ型半導体層で挟持した例）
　７．変形例３（アレイ構造の一例）
＜１．第１の実施の形態＞
　図１は、本開示の第１の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子１）の断面構成を模式的に表したものである。図２は、図１に示したＩ－Ｉ’線における半導体レーザ素子１の断面構成を模式的に表したものである。図３は、図１などに示した半導体レーザ素子の全体構成を模式的に表した斜視図である。図１の左図は、リッジ部１０Ｘ近傍の断面構成を表したものであり、図１の右図は、図３に示したｐ電極パッド２１部分の断面構成を表したものである。この半導体レーザ素子１は、例えば２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、特に可視領域の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）である。本実施の形態の半導体レーザ素子１は、一方向（例えば、Ｚ軸方向）に延在する基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、マスク層１３に設けられた開口１３Ｈを介して、ベース層１２に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に立設すると共に、基板１１の長手方向（Ｚ軸方向）に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きなｎ型半導体ナノシート１４が設けられている。ｎ型半導体ナノシート１４の周囲には発光層１５が設けられている。更に、半導体レーザ素子１は、Ｚ軸方向に対向する一対の端面（前面（面Ｓ１）および背面（面Ｓ２））に共振器ミラーＲを有する。
（１－１．半導体レーザ素子の構成）
　半導体レーザ素子１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されており、上記のように、基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、ｎ型半導体ナノシート１４が立設され、その周囲に発光層１５が設けられたものである。発光層１５は、例えばｎ型半導体ナノシート１４側に設けられたバリア層１６Ａと、バリア層１６Ｂとの間に設けられており、発光層１５を覆うバリア層１６Ｂの周囲には、さらに、ｐ型半導体層１７、ｐ電極１８およびパッシベーション膜１９がこの順に設けられている。
　基板１１は、例えば一方向（図３では、Ｚ軸方向）に延在する、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型の単結晶基板である。基板１１の延在方向（Ｚ軸方向）の長さ（ｌ）は、例えば１００ｎｍ以上５ｃｍ以下であることが好ましく、Ｙ軸方向の膜厚（以下、単に厚みという）は、例えば１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。この基板１１が、本開示の「単結晶基板」の一具体例に相当する。
　ベース層１２は、基板１１の表面（面１１Ｓ１）上に設けられており、例えば、ｎ型のＡｌx1Ｇａx2Ｉｎx3Ｎ（０≦ｘ１≦１，０≦ｘ２≦１，０≦ｘ３≦１，ｘ１+ｘ２+ｘ３＝１）により形成されている。ベース層１２の厚みは、例えば１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
　マスク層１３は、ベース層１２上に設けられており、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）などの無機酸化物、あるいは、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの金属酸化物により形成されている。マスク層１３の厚みは、例えば１ｎｍ～１００００ｎｍであることが好ましい。更に、マスク層１３には、所定の位置に、Ｘ軸方向の幅（以下、単に幅という）が１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の開口１３Ｈが設けられている。なお、開口１３Ｈの幅は、後述するｎ型半導体ナノシート１４の幅（ｗ）に相当する。
　ｎ型半導体ナノシート１４は、マスク層１３に設けられた開口１３Ｈ内においてベース層１２上に設けられており、例えば、ｎ型のＡｌy1Ｇａy2Ｉｎy3Ｎ（０≦ｙ１≦１，０≦ｙ２≦１，０≦ｙ３≦１，ｙ１+ｙ２＋ｙ３＝１）により形成されている。ｎ型半導体ナノシート１４は、上記のように、ベース層１２上において垂直方向（Ｙ軸方向）に立設され、基板１１の長手方向（Ｚ軸方向）に延在すると共に、側面の面積が上面の面積よりも大きい形状を有する。このｎ型半導体ナノシート１４が、本開示の「シート状構造体」の一具体例に相当する。
　ここで、シート状構造体とは、上記のような形状を有するものである。具体的には、例えば図１に示したように、シート状構造体（ｎ型半導体ナノシート）の高さをｈ、幅をｗとしたとき、ｈとｗとの比（ｈ／ｗ）が１よりも大きく、１０００以下であるものとする。
　本実施の形態では、ｎ型半導体ナノシート１４は、例えば１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の幅（ｗ）を有することが好ましく、高さ（ｈ、Ｙ軸方向の厚み）は、例えば１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。更に、ｎ型半導体ナノシート１４は、ウルツ鉱型の結晶構造であることが望ましい。つまり、ｎ型半導体ナノシート１４は、マスク層１３に設けられた開口１３Ｈを起点として、ベース層の表面に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に結晶成長することにより形成されたものである。ｎ型半導体ナノシート１４は、結晶構造の＜１－１００＞方向に延在し、側面は非極性｛１１－２０｝面、または、非極性｛１１－２０｝面に対し－３２°以上＋３２°以下の範囲にある半極性面となる。もしくは、結晶構造の＜１１－２０＞方向に延在し、側面は非極性｛１－１００｝面、または、非極性｛１－１００｝面に対し－２８°以上＋２８°以下の範囲にある半極性面でもよい。これにより、後述する発光層１５に対するピエゾ電界の影響が低減される。なお、上記範囲は、それぞれ、結晶構造を構成するユニットセルが階段状になった場合を最大と想定して算出したものである。
　発光層１５は、ｎ型半導体ナノシート１４の少なくとも側面に沿って設けられており、本実施の形態では、Ｙ軸方向に立設するｎ型半導体ナノシート１４の周囲を覆うように、ｎ型半導体ナノシート１４の側面および上面に連続して設けられている。発光層１５は、例えば、Ａｌz1Ｇａz2Ｉｎz3Ｎ（０≦ｚ１≦１，０≦ｚ２≦１，０≦ｚ３≦１，ｚ１＋ｚ２＋ｚ３＝１）からなる量子井戸構造を有し、層内に発光領域を有する。発光層１５は、ｎ型半導体ナノシート１４の側面の非極性｛１１－２０｝面、または、｛１－１００｝に形成されていることが好ましい。発光層１５の厚みは、例えば０．２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
　図４Ａは、本実施の形態においてｎ型半導体ナノシート１４に用いられるウルツ鉱型の結晶構造を表したものである。図４Ｂは、図１に示した半導体レーザ素子１の各部における格子定数の表記を定義したものである。ベース層１２を構成するｎ型のＡｌＧａＩｎＮ中の結晶構造の格子定数を（ａx，ｃx）、ｎ型半導体ナノシート１４を構成するｎ型のＡｌＧａＩｎＮ中の結晶構造の格子定数を（ａy，ｃy）、および発光層１５を構成するｎ型のＡｌＧａＩｎＮ中の結晶構造の格子定数（ａz，ｃz）としたとき、ベース層１２、ｎ型半導体ナノシート１４および発光層１５の格子定数の大小関係は下記式（１），（２）を満たすことが好ましい。これにより、ベース層１２と発光層１５との格子不整合度がｎ型半導体ナノシート１４によって緩和され、発光層１５における結晶欠陥の発生が低減される。

（数１）ａx≦ａy・・・・・（１）
（数２）ｃy≦ｃz・・・・・（２）
　また、ベース層１２、ｎ型半導体ナノシート１４および発光層１５がｎ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている場合には、ｎ型のＡｌＧａＩｎＮ中のインジウム（Ｉｎ）の組成は、下記式（３）を満たすことが好ましい。これにより、ベース層１２と発光層１５との格子不整合度がｎ型半導体ナノシート１４によって緩和され、発光層１５における結晶欠陥の発生が低減される。

（数３）Ｚ３＞Ｙ３＞Ｘ３＞０・・・・・（３）

（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＝１，Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＝１，Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＝１，０≦｛Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３｝≦１）
　発光層１５は、バリア層１６Ａおよびバリア層１６Ｂによって挟持されている。バリア層１６Ａは、ｎ型半導体ナノシート１４と発光層１５との間に設けられ、ｎ型半導体ナノシート１４の側面および上面を覆うように形成されている。バリア層１６Ａは、例えば、アンドープあるいはｎ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。バリア層１６Ａの厚みは、例えば１ｎｍ～１００ｎｍであることが好ましい。バリア層１６Ｂは、ｎ型半導体ナノシート１４の側面および上面を連続して覆うように設けられた発光層１５を覆うように、発光層１５上に設けられている。バリア層１６Ｂは、例えば、アンドープあるいはｐ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。バリア層１６Ｂの厚みは、例えば１ｎｍ～１００ｎｍであることが好ましい。
　ｐ型半導体層１７は、バリア層１６Ｂを覆うようにバリア層１６Ｂ上に設けられており、例えば、ｐ型のＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。ｐ型半導体層１７の厚みは、例えば１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。
　ｐ電極１８は、ｐ型半導体層１７の周囲を覆うと共に、ベース層１２上に立設されたｎ型半導体ナノシート１４およびその周囲を覆う発光層１５、バリア層１６Ａ，１６Ｂおよびｐ型半導体層１７によって形成されるリッジ部１０Ｘの両側に延在するマスク層１３上に連続して設けられている。ｐ電極１８は、例えば、ＩＴＯ（Indiun Tin Oxide）などの透明電極材料により形成されている。ｐ電極１８の厚みは、例えば１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
　パッシベーション膜１９は、半導体レーザ素子１の表面を保護するためのものであり、例えば、ｐ電極１８の上面および側面を覆うように設けられている。パッシベーション膜１９は、例えば窒化シリコンにより形成されている。パッシベーション膜１９の厚みは、例えば１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。
　ｐ電極パッド２１は、ｐ電極１８の引き出し用の電極であり、ｐ電極１８と電気的に接続されている。ｐ電極パッド２１は、図３に示したように、例えば、リッジ部１０Ｘの横に設けられている。ｐ電極パッド２１は、例えば、ｐ電極１８上に形成され、図１に示したように、上部に設けられたパッシベーション膜１９を開口することで、その一部が露出している。ｐ電極パッド２１は、例えば、金（Ａｕ）により形成されている。
　基板１１の裏面（面１１Ｓ２）には、例えば、チタン（Ｔｉ）により形成されたｎ電極２２が設けられている。半導体レーザ素子１のＺ軸方向に対向する一対の端面（前面（面Ｓ１）および背面（面Ｓ２））は共振器端面となっている。共振器端面には、それぞれ、フロント端面コート膜２３およびリア端面コート膜２４が設けられている。フロント端面コート膜２３およびリア端面コート膜２４は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）により形成されている。なお、共振器端面は、｛１１－２０｝面、または、｛１－１００｝面を劈開またはドライエッチングなどの物理的加工によって形成することが好ましい。これにより、半導体レーザ素子１のＺ軸方向に対向する一対の端面（面Ｓ１および面Ｓ２）には、レーザ発振可能な共振器ミラーＲが形成される。
（１－２．半導体レーザ素子の製造方法）
　本実施の形態の半導体レーザ素子１は、例えば以下のように製造することができる。図５Ａ～図５Ｇは、半導体レーザ素子１の製造方法を工程順に表したものである。
　まず、図５Ａに示したように、基板１１を用意する。続いて、図５Ｂに示したように、基板１１上にｎ－ＡｌＧａＩｎＮ膜を成長させベース層１２を形成する。次に、図５Ｃに示したように、ベース層１２上に、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いてマスク層１３を形成する。
　続いて、マスク層１３の所定の位置に開口１３Ｈを形成したのち、図５Ｄに示したように、例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）を用いてｎ型半導体ナノシート１４を形成する。次に、図５Ｅに示したように、ｎ型半導体ナノシート１４の周囲に、バリア層１６Ａ、発光層１５およびバリア層１６Ｂを順に形成する。具体的には、例えばＭＯ－ＣＶＤ法を用いて、例えばアンドープのＡｌＧａＩｎＮ膜を成膜してバリア層１６Ａを形成する。続いて、同様に、ＭＯ－ＣＶＤ法を用いて、例えばＡｌＧａＩｎＮからなる発光層１５を形成したのち、同様に、ＭＯ－ＣＶＤ法を用いて、アンドープのＡｌＧａＩｎＮ膜を成膜してバリア層１６Ｂを形成する。
　次に、図５Ｆに示したように、例えば、ＭＯ－ＣＶＤ法を用いてバリア層１６Ｂを覆うｐ型半導体層１７を形成する。続いて、図５Ｇに示したように、例えば、原子層堆積法（ＡＬＤ法）を用いてｐ電極１８用の金属膜を成膜したのち、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により金属膜をパターニングしてｐ電極１８を形成する。次に、ｐ電極１８上の所定の位置にｐ電極パッド２１を形成したのち、ｐ電極１８の上面および側面ならびにｐ電極パッド２１を覆うパッシベーション膜１９を形成する。こののち、ｐ電極パッド２１上のパッシベーション膜１９に開口を設ける。最後に、例えば、劈開により半導体レーザ素子１の前面（面Ｓ１）および背面（面Ｓ２）に共振器端面を形成したのち、前面（面Ｓ１）にフロント端面コート膜、背面（面Ｓ２）にリア端面コート膜を、例えばスパッタにより形成する。以上により、図１、図２および図３に示した半導体レーザ素子１が完成する。
（１－３．作用・効果）
　前述したように、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光デバイスとして、ＧａＩｎＮを用いた発光デバイスが開発されている。ＧａＩｎＮを用いて形成された発光層は、可視領域の波長の光を出射し、Ｉｎの組成が高くなるに従いその発光波長は長くなる。現状では、比較的インジウム（Ｉｎ）組成の低い青紫色、青色および緑色帯の発光デバイスが実用化されている。一方で、比較的Ｉｎ組成が高くなる緑色帯よりも長波長帯では、Ｉｎの組成が高くなるにつれて発光効率が低下する傾向があり、例えば赤色帯の発光デバイスは実用レベルまで至っていない。
　一般に、ｃ面ＧａＮ基板上に結晶を成長させた場合、ｃ軸方向にピエゾ電界が発生し、ＧａＩｎＮ発光層は、ピエゾ電界の影響により発光効率が低下する。また、ＧａＩｎＮ発光層はＩｎ組成が高くなると、ＧａＮ基板との格子不整合度が大きくなり、結晶品質が悪化する。その結果、非発光再結合中心が発生し、発光効率が低下する。
　上記課題を解決する方法として、例えば、前述した、基板上に、発光層を含むナノメーターオーダーの微細壁状構造体（ナノウォール）を形成することで貫通転位の発生を抑制する方法のほかに、窒化物ナノロッドの周囲にＧａＩｎＮからなる発光層を形成する方法などが報告されている。しかしながら、上記方法は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を想定したものであり、半導体レーザ（ＬＤ）おいて十分な効果を得ることが難しい。また、ＧａＩｎＮテンプレート基板を用いることで、基板と発光層との格子不整合度を低減する方法が報告されているが、ＧａＩｎＮテンプレート基板においては量産に耐えうる良質な結晶を得ることが難しいという課題がある。このため、半導体レーザにおいて発光効率を改善する方法が求められている。
　これに対して、本実施の形態の半導体レーザ素子１では、例えば、Ｚ軸方向に延在する基板１１上に設けられたベース層１２上に、Ｙ軸方向に立設するｎ型半導体ナノシート１４を設け、その側面および上面に発光層１５を設けるようにした。これにより、ベース層１２やｎ型半導体ナノシート１４から発生し、基板１１の表面に対して垂直方向に延伸する貫通転位が発光層１５を貫通しないようになる。
　図６は、図１に示した半導体レーザ素子１の発光特性のシミュレーションに用いたシミュレーションモデルの平面図である。本シミュレーションでは、発光層１５はＧａＩｎＮからなり、Ｉｎを３０％の割合で含有するものとしている。図７は、図６に示したシミュレーションモデルの導波横モードの光強度分布のシミュレーション結果を表したものである。図８は、図５に示したシミュレーションモデルを用いた電流と光出力との関係を表したものである。図７および図８に示したシミュレーション結果から、本実施の形態の半導体レーザ素子１は、波長５０５ｎｍで良好なレーザ発振が得られることがわかる。
　以上のように、本実施の形態の半導体レーザ素子１では、例えば、Ｚ軸方向に延在する基板１１上に設けられたベース層１２上に、垂直方向（Ｙ軸方向）に立設するｎ型半導体ナノシート１４を設け、その側面に発光層１５を設けるようにした。これにより、ベース層１２やｎ型半導体ナノシート１４から発生し、基板１１の表面に対して垂直に延伸する貫通転位の影響が低減され、貫通転位による発光効率の低下を抑制することが可能となる。
　また、本実施の形態では、ｎ型半導体ナノシート１４をウルツ鉱型の結晶構造を用いて形成し、さらに、ｎ型半導体ナノシート１４の側面が非極性｛１１－２０｝面、または、非極性｛１１－２０｝面に対し－３２°以上＋３２°以下の範囲にある半極性面、もしくは、非極性｛１－１００｝面、または、非極性｛１－１００｝面に対し－２８°以上＋２８°以下の範囲にある半極性面となるようにした。これにより、発光層１５に対するピエゾ電界の影響が低減される。よって、量子閉じ込めシュタルク効果による発光効率の低下も防ぐことが可能となる。
　更に、本実施の形態では、格子定数をベース層１２よりも大きく（上記式（１））、発光層１５より小さな（上記式（２））格子定数を有するｎ型半導体ナノシート１４の側面に発光層１５を設けるようにしたので、ベース層１２と発光層１５との格子不整合度が緩和され、発光層１５内に発生する格子不整合に伴う結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。
　以上により、本実施の形態では、高い発光効率を有する半導体レーザ素子１を提供することが可能となる。
　また、本実施の形態では、発光層１５を、非極性面｛１１－２０｝面を有するｎ型半導体ナノシート１４の側面に形成するようにしたので、電流値の増加に伴う発光スペクトルの短波長側へのシフト（ブルーシフト）を抑制することが可能となる。
　更に、本実施の形態では、基板１１として、ＧａＮ基板の他に、例えばサファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板および酸化亜鉛（ＺｎＯ）基板などを用いた場合も、ＧａＮ基板を用いた場合と同等の効果を得ることができるため、コストを低減することが可能となる。
　次に、本開示の第２～第４の実施の形態および変形例（変形例１～３）について説明する。以下では、上記第１の実施の形態と同様の構成要素については同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
＜２．第２の実施の形態＞
　図９は、本開示の第２の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子２）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体レーザ素子２は、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子１と同様に、例えば２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、特に可視領域の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）である。本実施の形態の半導体レーザ素子２は、ｎ型半導体ナノシート１４の側面および上面に設けられる発光層１５が多層構造からなる（本実施の形態では、発光層１５Ａ，１５Ｂの２層）点が、上記第１の実施の形態とは異なる。
　半導体レーザ素子２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されており、基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、ｎ型半導体ナノシート１４がベース層１２に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に立設され、その周囲に発光層１５Ａ，１５Ｂが設けられたものである。発光層１５Ａ，１５Ｂは、例えばｎ型半導体ナノシート１４側から順に設けられたバリア層１６Ａとバリア層１６Ｃとの間、バリア層１６Ｃとバリア層１６Ｂとの間にそれぞれ設けられている。発光層１５Ｂを覆うバリア層１６Ｂの周囲には、さらに、ｐ型半導体層１７、ｐ電極１８およびパッシベーション膜１９がこの順に設けられている。なお、ここで、発光層１５Ａと発光層１５Ｂとの間に設けられるバリア層１６Ｃは、例えば、アンドープのＧａＩｎＮにより形成されている。
　以上のように、本実施の形態では、発光層１５を多層構造（例えば、２層（発光層１５Ａ，１５Ｂ））とすることで、上記第１の実施の形態における半導体レーザ素子１よりもさらに発光効率を向上させることが可能となる。
＜３．第３の実施の形態＞
　図１０は、本開示の第３の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子３）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体レーザ素子３は、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子１と同様に、例えば２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、特に可視領域の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）である。本実施の形態の半導体レーザ素子３は、ｎ型半導体ナノシート１４の側面および上面に設けられる発光層１５を、量子ドットを用いて形成した点が上記第１の実施の形態とは異なる。
　半導体レーザ素子３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されており、上記のように、基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、ｎ型半導体ナノシート１４が立設され、その周囲に量子ドットからなる発光層３５が設けられたものである。発光層３５は、例えばｎ型半導体ナノシート１４側から順に設けられたバリア層３６Ａとバリア層３６Ｂとの間に設けられている。バリア層３６Ｂの周囲には、さらに、ｐ型半導体層１７、ｐ電極１８およびパッシベーション膜１９がこの順に設けられている。
　発光層３５を構成する量子ドットは、例えばＡｌＧａＩｎＮから構成されている。本実施の形態では、例えば、ｎ型ドープされた窒化物ベースのＩＩＩ－Ｖ族半導体からなるナノワイヤコアを用いることにより、均一な大きさ、且つ、均一な量子ドットの分布を有する発光層３５を形成することができる。バリア層３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃは、例えば、アンドープのＡｌＧａＩｎＮにより形成されている。
　以上のように、本実施の形態では、量子ドットを用いて発光層３５を形成するようにしたので、上記第１の実施の形態における半導体レーザ素子１よりも転位の発生を低減することが可能となり、さらに発光効率を向上させることが可能となる。
＜４．第４の実施の形態＞
　図１１は、本開示の第４の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子４）の断面構成を模式的に表したものである。この半導体レーザ素子４は、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子１と同様に、例えば２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、特に可視領域の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）である。本実施の形態の半導体レーザ素子４は、ｎ型半導体ナノシート１４の側面および上面に設けられる発光層１５が、量子ドットを用いて形成されると共に、多重構造からなる（本実施の形態では、発光層３５Ａ，３５Ｂの２層）点が、上記第１の実施の形態とは異なる。
　半導体レーザ素子４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されており、上記のように、基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、ｎ型半導体ナノシート１４が立設され、その周囲に量子ドットからなる発光層３５Ａ，３５Ｂが順に設けられたものである。発光層３５Ａ，３５Ｂは、例えばｎ型半導体ナノシート１４側から順に設けられたバリア層３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃの間に設けられている。具体的には、発光層３５Ａは、バリア層３６Ａとバリア層３６Ｂとの間に、発光層３５Ｂは、バリア層３６Ｂとバリア層３６Ｃとの間との間に、それぞれ設けられている。バリア層３６Ｃの周囲には、さらに、ｐ型半導体層１７、ｐ電極１８およびパッシベーション膜１９がこの順に設けられている。
　以上のように、本実施の形態では、量子ドットによって形成された発光層３５を多重構造（例えば、２重（発光層３５Ａ，３５Ｂ））とすること、上記第３の実施の形態における半導体レーザ素子３よりもさらに発光効率を向上させることが可能となる。
＜５．変形例１＞
　図１２は、本開示の変形例１に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子５Ａ）の断面構成の一例を模式的に表したものである。図１３～図１５は、本開示の変形例（変形例１）に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ）の断面構成の他の例を模式的に表したものである。この半導体レーザ素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、上記第１の実施の形態の半導体レーザ素子１と同様に、例えば２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、特に可視領域の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）である。本変形例の半導体レーザ素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、ベース層１２上に設けられると共に、ベース層１２に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に立設すると共に、基板１１の長手方向（Ｚ軸方向）に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きなｎ型半導体ナノシート１４が、その成長方向（Ｙ軸方向）にｎ型キャリアの濃度勾配を有する点が上記第１～第４の実施の形態とは異なる。
　半導体レーザ素子５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されており、上記のように、基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、ｎ型半導体ナノシート１４が立設され、その周囲に発光層１５が順に設けられたものである。発光層１５は、例えばｎ型半導体ナノシート１４側に設けられたバリア層１６Ａと、バリア層１６Ｂとの間に設けられており、発光層１５を覆うバリア層１６Ｂの周囲には、さらに、ｐ型半導体層１７、ｐ電極１８およびパッシベーション膜１９がこの順に設けられている。
　本変形例のｎ型半導体ナノシート１４は、上記のように、その成長方向にｎ型キャリアの濃度勾配を有する。例えば、図１２に示した半導体レーザ素子５Ａおよび図１３に示した半導体レーザ素子５Ｂには、その成長方向に向かってｎ型キャリアのドーパント濃度が高くなり、その端部において最大濃度を有するｎ型半導体ナノシート１４が設けられている。なお、ｎ型キャリアのドーパント濃度は、図１２に示したように連続的に変化してもよいし、図１３に示したように段階的に変化していてもよい。また、図１４に示した半導体レーザ素子５Ｃおよび図１５に示した半導体レーザ素子５Ｄには、その成長方向の途中にドーパントの最小濃度または最大濃度を有するｎ型半導体ナノシート１４が設けられている。
　以上のように、本変形例では、成長方向にｎ型キャリアの濃度勾配を有するｎ型半導体ナノシート１４を設けるようにした。これにより、ｎ型キャリアの輸送効率を向上させることが可能となり、発光効率をさらに向上させることが可能となる。
＜６．変形例２＞
　図１６および図１７は、本開示の変形例２に係る窒化物半導体レーザ素子（半導体レーザ素子６）の断面構成を模式的に表したものである。図１８は、例えば図１６に示した半導体レーザ素子６の全体構成を模式的に表した斜視図である。図１６は、リッジ部１０Ｘ近傍（図１６左図）と共に、ｐ電極パッド２１近傍（図１６右図）の断面構成を表したものであり、図１７は、リッジ部１０Ｘ近傍（図１７左図）と共に、ｎ電極パッド２５近傍（図１７右図）の断面構成を表したものである。この半導体レーザ素子６は、上記第１の実施の形態と同様に、例えば２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下、特に可視領域の波長の光を出射する半導体レーザ（ＬＤ）である。本変形例の半導体レーザ素子６は、両側面にバリア層１６Ａ、発光層１５およびバリア層１６Ｂがこの順に設けられたｎ型半導体ナノシート１４の上面にｎ電極５４をさらに設け、ｎ型半導体ナノシート１４の上面および下面を、ｎ型の半導体層で挟持した点が、上記第１～第４の実施の形態および変形例１とは異なる。
　半導体レーザ素子６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料を用いて形成されたものである。本変形例の半導体レーザ素子６は、基板１１、ベース層１２およびマスク層１３がこの順に積層されたベース層１２上に、ベース層１２に対して垂直方向に立設すると共に、基板１１の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きなｎ型半導体ナノシート１４が設けられている。ｎ型半導体ナノシート１４の両側面には、それぞれ、バリア層１６Ａ、発光層１５、バリア層１６Ｂ、ｐ型半導体層１７およびｐ電極１８がこの順に積層されている。ｐ電極１８は、さらに、ｐ型半導体層１７上からマスク層１３上にかけて連続して形成されている。
　本変形例の半導体レーザ素子６は、ｎ型半導体ナノシート１４、発光層１５、バリア層１６Ａ，１６Ｂ、ｐ型半導体層１７およびｐ電極１８によって形成される上面（面Ｓ３）に、マスク層５１およびベース層５２がこの順に設けられている。ベース層５２は、ｎ型半導体ナノシート１４と対向する位置に設けられた開口５１Ｈを介してｎ型半導体ナノシート１４と接している。マスク層５１およびベース層５２の端面およびｐ電極１８は、層間絶縁膜５３によって覆われており、ベース層５２上には、ｎ電極５４が設けられている。このｎ電極５４は、例えば、ベース層５２上から層間絶縁膜５３上に延在形成されている。ｎ電極５４上には、例えばリッジ部６０Ｘの横に、ｎ電極５４と電気的に接続された、ｎ電極５４の引き出し用のｎ電極パッド２５が設けられている。ｎ電極５４は、パッシベーション膜１９によって覆われている。なお、リッジ部６０Ｘの横には、ｎ電極パッド２５の他に、上記第１の実施の形態と同様に、ｐ電極１８と電気的に接続されているｐ電極パッド２１が設けられ、基板１１の下面（面１１Ｓ２）には、ｎ電極２２が設けられている。
　本変形例の半導体レーザ素子６は、例えば以下のように製造することができる。図１９Ａ～図１９Ｒは、半導体レーザ素子６の製造方法を工程順に表したものである。
　まず、上記第１の実施の形態における半導体レーザ素子１と同様の方法を用いて、図１９Ａに示したように、ｐ電極１８まで形成する。次に、図１９Ｂに示したように、リッジ部６０Ｘを除く基板１１上（具体的には、ｐ電極１８上）に、レジスト６３を形成する。
　続いて、図１９Ｃに示したように、例えばＲＩＥによりｐ電極１８、ｐ型半導体層１７バリア層１６Ａ，１６Ｂ、および発光層１５をエッチバックして、ｎ型半導体ナノシート１４が露出すると共に、発光層１５、バリア層１６Ａ，１６Ｂ、ｐ型半導体層１７およびｐ電極１８が互いに同一面を有する面Ｓ３を形成する。
　次に、図１９Ｄに示したように、レジスト６３を除去したのち、図１９Ｅに示したように、例えばＣＶＤ法を用い、例えばＳｉＯ2からなるマスク層５１を、面Ｓ３を含む基板１１上の全面に形成する。続いて、図１９Ｆに示したように、面Ｓ３上に設けられたマスク層５１の所定の位置にレジスト６４を形成したのち、図１９Ｇに示したように、例えばＲＩＥによりマスク層５１をパターニングし、リッジ部６０Ｘ上以外のマスク層５１を除去すると共に、リッジ部６０Ｘ上のマスク層５１にｎ型半導体ナノシート１４を露出させる開口５１Ｈを形成する。
　次に、図１９Ｈに示したように、リッジ部６０Ｘを除くと共に、マスク層５１と同一面を有するレジスト６５を基板１１上に形成したのち、マスク層５１およびレジスト６５上に、例えばＣＶＤ法を用いてベース層５２となるｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜を成膜する。続いて、図１９Ｊに示したように、ベース層５２となるｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜上のリッジ部６０Ｘに対応する位置にレジスト６６を形成する。次に、図１９Ｋに示したように、ｎ型のＡｌＧａＩｎＮ膜をパターニングしてベース層５２を形成したのち、図１９Ｌに示したように、レジスト６５，６６を除去する。
　続いて、図１９Ｍに示したように、層間絶縁膜５３となる、例えば酸化シリコン膜を、リッジ部６０Ｘの上面および側面を含む基板１１上の全面に形成したのち、図１９Ｎに示したように、リッジ部６０Ｘを除く酸化シリコン膜上に、例えばベース層５２と同一面を有するレジスト６７を形成する。次に、図１９Ｏに示したように、リッジ部６０Ｘ上の酸化シリコン膜を除去する。
　続いて、図１９Ｐに示したように、レジスト６７を除去したのち、図１９Ｑに示したように、例えばＡＬＤ法を用いて、ベース層５２および層間絶縁膜５３を覆うｎ電極５４を形成する。最後に、図１９Ｒに示したように、例えばＣＶＤ法を用いてｎ電極５４上にパッシベーション膜１９を形成する。以上により、図１６、図１７および図１８に示した半導体レーザ素子６が完成する。
　以上のように、本変形例では、ｎ型半導体ナノシート１４の上面および下面をｎ型の半導体層（ベース層１２およびベース層５２）で挟むようにしたので、ｎ型半導体ナノシート１４への電流の注入口率を向上させることが可能となる。よって、上記第１の実施の形態と比較して、さらに発光効率を向上させることが可能となる。
＜７．変形例３＞
　図２０は、本開示の変形例３に係るアレイ状の半導体レーザ素子（半導体レーザストライプアレイ７）の全体構成を模式的に表したものである。上記第１～第４の実施の形態および変形例１，２で挙げた半導体レーザ素子１～６は、図２０に示したように、ベース層１２上に、所定の間隔で、ベース層１２に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に立設するｎ型半導体ナノシート１４を設け、その周囲に、発光層１５を設けることで、マルチレーザ化が可能となる。
　以上、第１～第４の実施の形態および変形例１～３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、上記実施の形態などにおいて例示した半導体レーザ素子の構成要素、配置および数などは、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。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であってこれに限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
　なお、本開示は、以下のような構成も可能である。以下の構成の本技術によれば、単結晶基板上に設けられたベース層上に、単結晶基板の長手方向に延在すると共に、側面の面積が上面の面積よりも大きく、長手方向に対向する一対の端面に共振器ミラーを有する窒化物半導体からなるシート状構造体を、ベース層に対して垂直方向に立設し、シート状構造体の少なくとも側面に窒化物半導体からなる発光層を設けるようにしたので、発光層に対する単結晶基板やベース層から発生する貫通転位の影響が低減され、発光効率を向上させることが可能となる。
［１］
　一方向に延在する単結晶基板と、
　前記単結晶基板上に設けられた窒化物半導体からなるベース層と、
　前記ベース層上において、前記ベース層に対して垂直方向に立設され、前記単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体と、
　少なくとも前記シート状構造体の側面に設けられた窒化物半導体からなる発光層と
　前記シート状構造体の前記長手方向に対向する一対の端面によって構成される共振器ミラーと
　を備えた窒化物半導体レーザ素子。
［２］
前記シート状構造体を構成する窒化物半導体の結晶構造はウルツ鉱構造であり、
前記発光層は、前記シート状構造体の側面の非極性｛１１－２０｝面、または、非極性｛１１－２０｝面に対し－３２°以上＋３２°以下の範囲にある半極性面に形成されている、前記［１］に記載の窒化物半導体レーザ素子。
［３］
前記シート状構造体を構成する窒化物半導体の結晶構造はウルツ鉱構造であり、
前記発光層は、前記シート状構造体の側面の非極性｛１－１００｝面、または、非極性｛１－１００｝面に対し－２８°以上＋２８°以下の範囲にある半極性面に形成されている、前記［１］または［２］に記載の窒化物半導体レーザ素子。
［４］
　前記ベース層を構成する窒化物半導体の格子定数を（ａx，ｃx）、前記シート状構造体を構成する窒化物半導体の格子定数を（ａy，ｃy）、および前記発光層を構成する窒化物半導体の格子定数を（ａz，ｃz）としたとき、
　前記ベース層、前記シート状構造体および前記発光層の格子定数の大小関係は下記式（１），（２）を満たす、前記［１］乃至［３］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。

（数１）ａx≦ａy・・・・・（１）
（数２）ｃy≦ｃz・・・・・（２）

［５］
　前記ベース層、前記シート状構造体および前記発光層を構成する窒化物半導体の組成は、前記ベース層がＡｌx1Ｇａx2Ｉｎx3Ｎ、前記シート状構造体がＡｌy1Ｇａy2Ｉｎy3Ｎ、前記発光層がＡｌz1Ｇａz2Ｉｎz3Ｎであり、
　前記ベース層、前記シート状構造体および前記発光層のＩｎ組成は下記式（３）を満たす、前記［１］乃至［４］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。

（数３）Ｚ３＞Ｙ３＞Ｘ３＞０・・・・・（３）

（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＝１，Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＝１，Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＝１，０≦｛Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３｝≦１）

［６］
　前記発光層は１層からなる、前記［１］乃至［５］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［７］
　前記発光層は２層以上からなる、前記［１］乃至［５］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［８］
　前記発光層は１層からなると共に、量子ドットを用いて形成されている、前記［１］乃至［５］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［９］
　前記発光層は２層以上からなると共に、量子ドットを用いて形成されている、前記［１］乃至［５］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１０］
　前記シート状構造体は、成長方向にドーパント濃度が異なる、前記［１］乃至［９］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１１］
　前記シート状構造体は、成長方向に連続的にドーパント濃度が変化している、前記［１］乃至［１０］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１２］
　前記シート状構造体は、成長方向に段階的にドーパント濃度が変化している、前記［１］乃至［１０］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１３］
　前記シート状構造体は、成長方向の端部にドーパントの最大濃度を有する、前記［１］乃至［１０］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１４］
　前記シート状構造体は、成長方向の途中にドーパントの最大濃度を有する、前記［１］乃至［１０］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１５］
　前記発光層の発光波長は２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下である、前記［１］乃至［１４］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１６］
　前記ベース層および前記発光層はｎ型窒化物半導体を用いて形成されており、
　前記発光層の周囲には、さらにｐ型窒化物半導体層およびｐ型電極が順に設けられている、前記［１］乃至［１５］のうちのいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１７］
　前記ｐ型電極は透明電極である、前記［１６］に記載の窒化物半導体レーザ素子。
［１８］
　一方向に延在する単結晶基板上に窒化物半導体からなるベース層を設け、
　前記ベース層に対して垂直方向に、前記単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体を形成し、
　前記シート状構造体の少なくとも側面に窒化物半導体からなる発光層を形成し、
　前記シート状構造体の前記長手方向に対向する一対の端面に共振器ミラーを形成する
　窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
［１９］
　前記ベース層上に開口を有するマスク層を設け、前記開口を起点として前記ベース層の表面に対して垂直方向に結晶を成長させることにより前記シート状構造体を形成する、前記［１８］に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
［２０］
　前記共振器ミラーを劈開またはドライエッチングを用いて形成する、前記［１８］または［１９］に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
　本出願は、日本国特許庁において２０１８年１１月２０日に出願された日本特許出願番号２０１８－２１６９５７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 (20)

  1. 　一方向に延在する単結晶基板と、
    　前記単結晶基板上に設けられた窒化物半導体からなるベース層と、
    　前記ベース層上において、前記ベース層に対して垂直方向に立設され、前記単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体と、
    　少なくとも前記シート状構造体の側面に設けられた窒化物半導体からなる発光層と
    　前記シート状構造体の前記長手方向に対向する一対の端面によって構成される共振器ミラーと
    　を備えた窒化物半導体レーザ素子。
  2. 前記シート状構造体を構成する窒化物半導体の結晶構造はウルツ鉱構造であり、
    前記発光層は、前記シート状構造体の側面の非極性｛１１－２０｝面、または、非極性｛１１－２０｝面に対し－３２°以上＋３２°以下の範囲にある半極性面に形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  3. 前記シート状構造体を構成する窒化物半導体の結晶構造はウルツ鉱構造であり、
    前記発光層は、前記シート状構造体の側面の非極性｛１－１００｝面、または、非極性｛１－１００｝面に対し－２８°以上＋２８°以下の範囲にある半極性面に形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  4. 　前記ベース層を構成する窒化物半導体の格子定数を（ａx，ｃx）、前記シート状構造体を構成する窒化物半導体の格子定数を（ａy，ｃy）、および前記発光層を構成する窒化物半導体の格子定数を（ａz，ｃz）としたとき、
    　前記ベース層、前記シート状構造体および前記発光層の格子定数の大小関係は下記式（１），（２）を満たす、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。

    （数１）ａx≦ａy・・・・・（１）
    （数２）ｃy≦ｃz・・・・・（２）
  5. 　前記ベース層、前記シート状構造体および前記発光層を構成する窒化物半導体の組成は、前記ベース層がＡｌx1Ｇａx2Ｉｎx3Ｎ、前記シート状構造体がＡｌy1Ｇａy2Ｉｎy3Ｎ、前記発光層がＡｌz1Ｇａz2Ｉｎz3Ｎであり、
    　前記ベース層、前記シート状構造体および前記発光層のＩｎ組成は下記式（３）を満たす、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。

    （数３）Ｚ３＞Ｙ３＞Ｘ３＞０・・・・・（３）

    （Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＝１，Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＝１，Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＝１，０≦｛Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３｝≦１）
  6. 　前記発光層は１層からなる、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  7. 　前記発光層は２層以上からなる、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  8. 　前記発光層は１層からなると共に、量子ドットを用いて形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  9. 　前記発光層は２層以上からなると共に、量子ドットを用いて形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  10. 　前記シート状構造体は、成長方向にドーパント濃度が異なる、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  11. 　前記シート状構造体は、成長方向に連続的にドーパント濃度が変化している、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  12. 　前記シート状構造体は、成長方向に段階的にドーパント濃度が変化している、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  13. 　前記シート状構造体は、成長方向の端部にドーパントの最大濃度を有する、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  14. 　前記シート状構造体は、成長方向の途中にドーパントの最大濃度を有する、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  15. 　前記発光層の発光波長は２００ｎｍ以上１８００ｎｍ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  16. 　前記ベース層および前記発光層はｎ型窒化物半導体を用いて形成されており、
    　前記発光層の周囲には、さらにｐ型窒化物半導体層およびｐ型電極が順に設けられている、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  17. 　前記ｐ型電極は透明電極である、請求項１６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
  18. 　一方向に延在する単結晶基板上に窒化物半導体からなるベース層を設け、
    　前記ベース層に対して垂直方向に、前記単結晶基板の長手方向に延在する側面の面積が上面の面積よりも大きく、窒化物半導体からなるシート状構造体を形成し、
    　前記シート状構造体の少なくとも側面に窒化物半導体からなる発光層を形成し、
    　前記シート状構造体の前記長手方向に対向する一対の端面に共振器ミラーを形成する
    　窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
  19. 　前記ベース層上に開口を有するマスク層を設け、前記開口を起点として前記ベース層の表面に対して垂直方向に結晶を成長させることにより前記シート状構造体を形成する、請求項１８に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
  20. 　前記共振器ミラーを劈開またはドライエッチングを用いて形成する、請求項１８に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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