WO2021060538A1 - レーザーダイオード - Google Patents

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laser diode
longitudinal
substrate
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梓懿 張
真希 久志本
天野　浩
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旭化成株式会社
国立大学法人東海国立大学機構
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Definitions

  • This disclosure relates to laser diodes.
  • Nitride semiconductors containing Al and Ga are suitable as materials for laser diodes because they have a direct transition recombination form and therefore have high recombination efficiency and high optical gain.
  • the luminous efficiency, lifetime, and optical gain of the laser diode strongly depend on the crystal defect density. ..
  • Patent Document 1 discloses a technique for improving the injection efficiency of carriers by using a composition gradient layer.
  • the ratio of the electrical resistivity (horizontal resistivity) in the in-plane direction (ratio of the longitudinal resistivity) to the electrical resistivity (longitudinal resistivity) in the vertical direction. )
  • the vertical direction corresponds to the stacking direction of the layers in the laser diode.
  • the in-plane direction is a direction along the plane of one layer perpendicular to the vertical direction. From the viewpoint that a laser diode is required to uniformly inject a high current density over the electrode region, a ratio of high longitudinal conductivity and low longitudinal and lateral resistivity can be simultaneously obtained for the clad layer (particularly the p-type clad layer). At the same time, a clad layer is required so that the internal loss does not increase due to the absorption of the light mode by the electrodes.
  • An object of the present disclosure is to provide a laser diode capable of realizing a ratio of high longitudinal conductivity and low longitudinal-lateral resistivity and suppressing an increase in internal loss.
  • the laser diode according to the present disclosure is formed on an AlN single crystal substrate, an n-type clad layer formed on the substrate and including an n-type conductive nitride semiconductor layer, and the n-type clad layer.
  • a p-type contact layer containing a nitride semiconductor containing GaN is provided.
  • the p-type clad layer contains Al s Ga 1-s N (0.3 ⁇ s ⁇ 1), has a composition gradient in which the Al composition s decreases as the distance from the substrate increases, and the film thickness is less than 0.5 ⁇ m. and a p-type lateral conduction layer comprising a p Katatate conductive layer, Al t Ga 1-t N a (0 ⁇ t ⁇ 1) to.
  • n-type clad layer formed on a substrate and including a nitride semiconductor layer having n-type conductivity means that an n-type clad layer is formed on the substrate.
  • the case where another layer is further present between the substrate and the n-type clad layer is also included in this expression.
  • the word "above” has the same meaning in the relationships between other layers.
  • a laser diode that can realize a ratio of high longitudinal conductivity and low longitudinal-lateral resistivity and suppress an increase in internal loss.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a laser diode according to an embodiment.
  • the laser diode 1 of the present embodiment includes a substrate 11, an n-type clad layer 12, an n-type waveguide layer 13, a light emitting layer 14, a p-type waveguide layer 15, and a p-type.
  • a clad layer 20 and a p-type contact layer 18 are provided.
  • the p-type clad layer 20 includes a p-type longitudinal conductive layer 16 and a p-type transverse conductive layer 17. Since the laser diode 1 injects holes into the light emitting layer 14, the p-type longitudinal conductive layer 16 composed of Al s Ga 1-s N is inclined so that the Al composition s decreases as the distance from the upper surface of the substrate 11 increases.
  • the p Katatate conductive layer 16 comprises Al t Ga 1-t N p-type lateral p-type cladding layer 20 composed of a conductive layer 17 made of (t> s minimum value).
  • the minimum value of s means the minimum value of s that can be taken by the p-type longitudinal conductive layer 16 composed of Al s Ga 1-s N (0.3 ⁇ s ⁇ 1) having a composition slope.
  • the p-type longitudinal conductive layer 16 composed of Al s Ga 1-s inclined so that the Al composition s decreases as the distance from the substrate 11 increases can acquire p-type conductivity.
  • the inclination of the Al composition s Since the inclination of the Al composition s generates an internal electric field in the upper surface direction (that is, the vertical direction) of the substrate 11, it is superior in longitudinal conductivity to the Al s Ga 1-s mixed crystal composed of a single Al composition s. Suitable for laser diode 1.
  • the lateral resistivity in the layer in which the Al composition is inclined is significantly higher than the longitudinal resistivity, the ratio of the longitudinal resistivity tends to be large.
  • the upper surface of the substrate 11 means an interface with the layer directly above the layer laminated on the substrate 11 (n-type clad layer 12 in the example of FIG. 1).
  • the substrate 11 is preferably one capable of growing a nitride semiconductor containing Al and Ga on the upper surface of the substrate 11 having a low in-plane dislocation density.
  • One of the embodiments in which the effect of the present invention can be maximized is a high-quality layer having an in- plane dislocation density of 5 ⁇ 10 4 cm- 2 or less in various layers of the laser diode 1.
  • carrier scattering due to dislocations is reduced, and as a result, the longitudinal resistivity tends to decrease, and as a result, the ratio of longitudinal resistivity tends to further decrease.
  • the substrate 11 is required to have a defect density lower than the above-mentioned defect density (for example, 1 ⁇ 10 3 to 1 ⁇ 10 4 cm 2).
  • a defect density lower than the above-mentioned defect density (for example, 1 ⁇ 10 3 to 1 ⁇ 10 4 cm 2).
  • an Al x Ga 1-x N mixed crystal having a defect density of 1 ⁇ 10 4 cm- 2 or less can be obtained on the substrate 11 of an AlN single crystal, which is preferable. Not as long.
  • the through-dislocation density of the substrate 11 can be measured, for example, by performing KOH-NaOH eutectic etching at 450 ° C. for 5 minutes and then using etch pit density measurement.
  • Substrate 11 comprises, consists of, or consists of different materials (eg, SiC, Si, MgO, Ga 2 O 3 , alumina, ZnO, GaN, InN, and / or sapphire), on which. It is possible that the Al u Ga 1-u N material (0 ⁇ u ⁇ 1.0) is formed, for example, by epitaxial growth. Such materials can be substantially completely lattice relaxed and have a thickness of, for example, at least 1 ⁇ m.
  • the substrate 11 can be covered with a homoepitaxial layer containing, essentially consisting of, or made of the same material present in or on the substrate 11, such as AlN.
  • the substrate 11 is mixed with group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as H, C, O, F, Mg, and Si for the purpose of obtaining conductivity.
  • group V elements other than N such as P, As, and Sb
  • impurities such as H, C, O, F, Mg, and Si for the purpose of obtaining conductivity.
  • this is not the case as an element.
  • the laser diode 1 according to the present invention is preferably tilted at some angle from the (0001) plane or the (0001) plane normal direction (for example, -4 ° to 4 °, preferably ⁇ 0.4 ° to 0. 4 °) It can be formed on a surface, but it is not limited to this.
  • the various layers of the multilayer structure arranged on the substrate 11 include, for example, an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), a deposition method such as halide vapor deposition (HVPE), and a molecular beam epitaxy method (MBE). It can be formed by any of a wide variety of different techniques, such as various epitaxial growth techniques.
  • MOCVD organometallic chemical vapor deposition
  • HVPE halide vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy method
  • the p-type clad layer 20 includes a nitride semiconductor layer having p-type conductivity.
  • the p-type clad layer 20 is preferably completely strained with respect to the substrate 11. Since the layer of the laser diode 1 formed by complete strain can suppress an increase in the through-dislocation density, the effect of the present invention is maximized.
  • the phrase "complete strain with respect to the substrate 11" means that the layer constituting the multilayer film has a very small strain relaxation with a lattice relaxation rate of 5% or less with respect to the substrate 11.
  • the lattice relaxation rate is the reciprocal lattice of the diffraction peaks of any of the asymmetric planes, such as the (105) plane, (114) plane, or (205) plane, where sufficient diffraction intensity can be obtained by X-ray diffraction measurement of the asymmetric plane. It can be defined from the coordinates and the reciprocal lattice coordinates of the diffraction peak of the substrate 11.
  • the p-type longitudinal conductive layer 16 is a layer made of Al s Ga 1-s N inclined so that the Al composition s decreases in the direction away from the upper surface of the substrate 11 for the purpose of obtaining p-type conductivity.
  • the film thickness and Al composition s range of the p-type longitudinal conductive layer 16 are bandgap materials that do not absorb light of a desired emission wavelength, and the electric field intensity distribution of the optical mode and the light emitting layer 14 that are fixed in the device.
  • the Al composition and film thickness may be limited for the purpose of increasing the overlap (that is, increasing the light confinement).
  • the emission wavelength of the light emitting layer 14 is 210 nm or more and 300 nm or less, for example, in the range where the Al composition s is 0.3 or more and 1.0 or less
  • the light emitting layer 14 is composed of Al s Ga 1-s N decreasing in the direction away from the upper surface of the substrate 11.
  • the layer preferably has a film thickness of 250 nm or more and 450 nm or less, more preferably 300 nm or more and 400 nm or less. By appropriately controlling the film thickness, the internal loss of the laser diode 1 can be reduced.
  • the Al composition s of the p-type longitudinal conductive layer is larger than 0.35 and 1.0 or less.
  • the internal loss of the laser diode 1 can be measured by, for example, a known method such as Variable Stripe Length Method (hereinafter, VSLM).
  • VSLM Variable Stripe Length Method
  • the amount of change in the Al composition of the p-type longitudinal conductive layer 16 with respect to the film thickness does not have to be uniform.
  • the amount of change in the Al composition may decrease asymptotically or stepwise as it approaches the light emitting layer 14.
  • the p-type longitudinal conductive layer 16 should not intentionally mix impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B in a region close to the p-type waveguide layer 15 for the purpose of suppressing the diffusion of impurities. Is preferable, that is, it is preferably in an undoped state.
  • the word “undoped” means that the above is not intentionally supplied as an element in the process of forming the target layer. This does not apply when elements derived from raw materials and manufacturing equipment are mixed in a range of , for example, 10 16 cm -3 or less. The amount of elements mixed can be specified by a method such as secondary electron ion mass spectrometry. "Undope" in the present application has essentially the same meaning.
  • the region of the p-type longitudinal conductive layer 16 in the undoped state includes at least the boundary with the p-type waveguide layer 15. Its size is not limited. For example, all regions of the p-type longitudinal conductive layer 16 may be in an undoped state. As another example, 50% of the p-type longitudinal conductive layer 16 that is closer to the p-type waveguide layer 15 than the p-type transverse conductive layer 17 may be in an undoped state. Further, as another example, in the p-type longitudinal conductive layer 16, about 10% of the region close to the p-type waveguide layer 15 may be in an undoped state.
  • An intermediate layer made of Al v Ga 1-v N (0 ⁇ v ⁇ 1.0) can be provided so that the Al composition v increases in the direction away from the upper surface of the substrate 11.
  • the intermediate layer between the p-type longitudinal conduction layer 16 and the p-type waveguide layer 15 may be a mixed crystal having a band gap that does not absorb light having a desired emission wavelength, and is preferably a film thickness of 50 nm or less. It may be undoped.
  • the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 is calculated as Rs' ⁇ A / T from the area A of the p-type electrode in contact with the p-type contact layer 18 of the laser diode 1 and the film thickness T of the p-type clad layer 20. ..
  • the resistance value R of the n-type clad layer 12 can be determined by, for example, a transmission line measurement method or a non-contact resistance measurement using an eddy current.
  • the p-type transverse conductive layer 17 may have a thin film thickness so as to facilitate quantum transmission of carriers penetrating the p-type transverse conductive layer 17. For example, it is 20 nm or less, or 10 nm or less, preferably 5 nm or less.
  • Impurities such as H, Mg, Be, Zn, Si, and B can be intentionally mixed into the p-type transverse conductive layer 17 for the purpose of controlling the longitudinal resistivity of the p-type transverse conductive layer 17.
  • the amount of impurities mixed is, for example, 1 ⁇ 10 18 cm -3 or more and 5 ⁇ 10 21 cm -3 or less, depending on the amount of the net electric field attracted to the surface and the inside of the p-type transverse conductive layer 17. Can be taken.
  • the amount of impurities mixed can be 1 ⁇ 10 19 cm -3 or more and 5 ⁇ 10 21 cm -3 or less.
  • the Al composition of the p-type transverse conductive layer 17 at the interface with the p-type contact layer 18 is preferably in the range of 0.9 or more and 1.0 or less, and is preferably completely strained with respect to the substrate 11.
  • the net internal electric field generated on the surface of the p-type transverse conductive layer 17 and the inside near the surface becomes negative, and holes are attracted to improve the transverse conductivity. effective.
  • the distribution of the Al composition of the p-type transverse conductive layer 17 is limited to 5% or less in the region of the laser diode 1.
  • Such a p-type transverse conductive layer 17 can realize higher transverse conductivity because carrier scattering due to the distribution of the composition is reduced.
  • the p-type transverse conductive layer 17 holds Al y Ga 1-y N having an Al composition y smaller than the Al composition t of the final p-type transverse conductive layer 17 in a high temperature state where the Al raw material and the Ga raw material are not supplied. by, the Al composition t is formed such that a 0.9 ⁇ t ⁇ 1.0 Al t Ga 1-t N are preferred.
  • the n-type clad layer 12 includes a nitride semiconductor layer having n-type conductivity.
  • the n-type clad layer 12 is preferably formed with complete strain on the substrate 11, and for the purpose of forming the n-type clad layer 12 with complete strain on the substrate 11, the n-type clad layer 12 and the substrate 11
  • the n-type clad layer 12 obtains a low contact resistance (for example, 1 ⁇ 10 -6 to 1 ⁇ 10 -3 ⁇ cm 2 , preferably 1 ⁇ 10 -6 to 1 ⁇ 10 -4 ⁇ cm 2) with respect to a suitable electrode.
  • the Al composition may be limited for the purpose.
  • the Al composition may be 0.6 to 0.8 and the thickness may be 0.3 to 0.5 ⁇ m.
  • the n-type clad layer 12 may be an inclined layer that increases the Al composition in the direction away from the substrate 11 for the purpose of controlling its longitudinal conductivity.
  • the same embodiment can be taken as the above limitation on the Al composition as the Al composition obtained by averaging the Al composition at each film thickness direction position in the n-type clad layer 12 with the film thickness of the n-type clad layer 12. ..
  • the n-type clad layer 12 contains group V elements other than N such as P, As, and Sb, H, C, O, F, Mg, Ge, and Si for the purpose of controlling its longitudinal conductivity. Impurities such as these may be mixed, but this is not the case as an element. The appropriate amount of impurities mixed is limited by the Al composition of the n-type clad layer 12. It is preferably 1 ⁇ 10 19 to 1 ⁇ 10 20 cm -3 .
  • the waveguide layer is a nitride semiconductor containing Al and Ga having a band gap that does not absorb light of a desired emission wavelength, and increases the electric field intensity distribution of light resident in the device and the overlap of the light emitting layer 14.
  • the Al composition and film thickness can be limited for the purpose. For example, an Al composition of 0.55 to 0.65 and a film thickness of 70 to 150 nm are preferable for the light emitting layer 14 having a diameter of 260 nm to 280 nm.
  • the waveguide layer is a portion of the n-type clad layer 12 side (n-type waveguide layer 13) with respect to the light emitting layer 14 and a p-type clad layer 20 side (p-type waveguide layer 15) with respect to the light emitting layer 14. It may consist of two layers. That is, the n-type waveguide layer 13 is formed between the n-type clad layer 12 and the light emitting layer 14. Further, the p-type waveguide layer 15 can be formed between the p-type clad layer 20 and the light emitting layer 14.
  • the film thickness ratio of the n-type waveguide layer 13 and the p-type waveguide layer 15 can be variously determined depending on the light confinement in the light emitting layer 14 and the Al composition of the n-type clad layer 12 and the p-type clad layer 20.
  • the Al composition of the n-type waveguide layer 13 and the p-type waveguide layer 15 is preferably uniform in the film thickness direction, but this is not the case.
  • the Al composition of the p-type waveguide layer 15 may be higher than that of the n-type waveguide layer 13 in order to avoid light absorption by the metal present on the p-type contact.
  • the film thickness of the p-type waveguide layer 15 may be thicker than the film thickness of the n-type waveguide.
  • the n-type waveguide layer 13 includes V group elements other than N such as P, As, Sb, H, C, O, F, Mg in addition to N for the purpose of obtaining the same conduction type as the n-type clad layer 12. Impurities such as Si and Si may be mixed, but this is not the case as an element.
  • the intermediate layer between the n-type waveguide layer 13 and the n-type clad layer 12 preferably has a film thickness of 10 nm or less.
  • the intermediate layer between the p-type waveguide layer 15 and the p-type clad layer 20 is preferably thin enough (for example, 30 nm or less, or 20 nm or less) so as not to deteriorate the light confinement in the waveguide layer.
  • An electron block layer having a band gap larger than that of the p-type waveguide layer 15 can be provided inside the p-type waveguide layer 15, between the p-type waveguide layer 15 and the light emitting layer 14, or between the p-type waveguide layer 15 and the p-type longitudinal conduction layer 16, or a part of the p-type waveguide layer 15.
  • An electron block layer having a band gap larger than that of the p-type waveguide layer 15 can be provided inside the p-type waveguide layer 15, between the p-type waveguide layer 15 and the light emitting layer 14, or between the p-type waveguide layer 15 and the p-type longitudinal conduction layer 16, or a part of the p-type waveguide layer 15.
  • An electron block layer having a band gap larger than that of the p-type waveguide layer 15 can be provided.
  • the electron block layer can be 30 nm or less, or 20 nm or less, more preferably 15 nm or less so that holes can easily penetrate the electron block layer.
  • the light emitting layer 14 may be a single or a plurality of quantum wells sandwiched between the n-type waveguide layer 13 and the p-type waveguide layer 15.
  • the number of quantum wells can be 3 or 2 or 1 depending on the longitudinal conductivity of the n-type clad and the p-type clad.
  • a part or all of the light emitting layer 14 may be intentionally mixed with elements such as Si, Sb, and P in an amount of 1 ⁇ 10 15 cm -3 or more.
  • the p-type contact layer 18 may be a nitride semiconductor formed on the p-type clad layer 20 and containing GaN.
  • group V elements other than N such as P, As, and Sb, and impurities such as H, B, C, O, F, Mg, Ge, and Si are mixed in for the purpose of reducing contact resistance. It may be, but it is not limited to this as an element.
  • Mg can be mixed with 1 ⁇ 10 20 to 1 ⁇ 10 22 cm -3.
  • the electrical contact with the laser diode 1 of the present invention can be performed by an electrode layer arranged on the p-type contact layer 18 and by an electrode layer arranged so as to contact the n-type clad layer 12.
  • an electrode layer may be placed on the back side of the substrate 11, or various upper layers of the laser diode 1 may be provided so that the n-type clad layer 12 is exposed in one or more regions near the p-type contact layer 18. It can be achieved by, for example, removing by chemical etching or dry etching and placing an electrode on the exposed n-type clad layer 12.
  • the electrode layer arranged on the p-type contact layer 18 may be a metal containing one or more elements of Ni, Pt, Au, B, and Pd.
  • the electrode layer arranged on the back surface of the n-type clad layer 12 or the substrate 11 may be a metal containing one or more elements of V, Al, Au, Ti, Ni, and Mo.
  • the metal layer in contact with the substrate 11 is preferably a metal containing V or Ti.
  • Example 1-4 having the same layer structure as the laser diode 1 of the above embodiment was produced.
  • Examples 5 and 6, Comparative Examples 1 and 2, and Reference Example 1-5 are shown below.
  • Example 1 As Example 1, the nitride semiconductor laser diode 1 shown below was manufactured. MOCVD is used to prepare the laser diode 1, and trimethylgallium (TMG), triethylgallium (TEG), trimethylaluminum (TMA), ammonia (NH 3 ), silane (SiH 4 ), and biscyclopentadienyl are used as raw materials. Magnesium (Cp 2 Mg) and the like were used. To 0.1 ° ⁇ 0.3 ° inclined on the plane with respect to [0001] surface of the single crystal AlN substrate 11, TMA, by reacting H 2 atmosphere of NH 3 1200 °C, 0.2 ⁇ m of A homoepi layer composed of AlN was formed.
  • TMA trimethylgallium
  • TMA triethylgallium
  • TMA trimethylaluminum
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 silane
  • biscyclopentadienyl biscyclopentadienyl
  • the film thickness is 30 nm
  • the Al composition is formed in a direction away from the upper surface of the substrate 11.
  • Al 0.7 Ga 0.3 N with an AlGaN intermediate layer that uniformly decreases from 1.0 to 0.7 and a film thickness of 0.35 ⁇ m and doped with 5 ⁇ 10 19 cm -3 Si.
  • the n-type clad layer 12 of the above was laminated in this order.
  • the AlN homoepi layer, the intermediate layer, and the n-type clad layer 12 were formed so as to be completely strained with respect to the substrate 11 by being formed at a rate of 0.3 to 0.6 ⁇ m / h.
  • TMA, TMG by reacting H 2 atmosphere of NH 3 1055 ° C., has a thickness of 60 nm, n Katashirube consisting Al 0.63 Ga 0.37 N
  • the waveguide layer 13 and the light emitting layer 14 composed of a multilayer quantum well layer having a total film thickness of 30 nm were laminated in this order.
  • 3 ⁇ 10 19 cm -3 Si was doped by introducing SiH 4 as a raw material.
  • a p-type waveguide layer 15 having a film thickness of 50 nm and made of Al 0.62 Ga 0.38 N was formed on the light emitting layer 14.
  • the n-type waveguide layer 13, the light emitting layer 14, and the p-type waveguide layer 15 were formed at a speed of 0.4 ⁇ m / h so as to be completely strained with respect to the substrate 11.
  • the film thickness is 20 nm
  • the Al composition is 0 in the direction away from the upper surface of the substrate 11. It had an AlGaN intermediate layer that uniformly increased from .62 to 1.0 and a film thickness of 0.32 ⁇ m, and the Al composition decreased from 1.0 to 0.3 in the direction away from the upper surface of the substrate 11.
  • the p-type longitudinal conductive layer 16 and the p-type longitudinal conductive layer 16 were laminated in this order.
  • the p-type longitudinal conductive layer 16 was formed so as to be completely strained with respect to the substrate 11 by being formed at a speed of 0.3 to 0.5 ⁇ m / h. Further, the p-type longitudinal conductive layer 16 is in an undoped state in all regions.
  • a p-type transverse conductive layer 17 having a film thickness of 3 nm and made of Al 0.45 Ga 0.05 N was formed on the p-type longitudinal conductive layer 16. Further, the supply of TMA and TMG raw materials was stopped at 1055 ° C., and the state where only Cp 2 Mg was supplied was held (annealed) for 10 minutes or more, and the p-type transverse conductive layer 17 was held at 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ . It was transformed into an Al 0.97 Ga 0.03 N layer doped with Mg of 3. By altering the quality in this procedure, the p-type transverse conductive layer 17 was formed so as to be completely strained with respect to the substrate 11.
  • the dispersion of the Al composition of the p-type transverse conductive layer 17 was 3.5% in the region range corresponding to the region of the laser diode 1.
  • the atomic arrangement of the p-type transverse conductive layer 17 was confirmed by a transmission image in the ⁇ 11-20> direction of a transmission electron microscope at a plurality of positions, it was completely distorted with respect to the substrate 11.
  • the film thickness is 20 nm and doped with 5 ⁇ 10 20 cm -3 Mg.
  • a p-type contact layer 18 made of GaN was formed.
  • the n-type clad layer 12 was exposed in a rectangular region parallel to the ⁇ 11-20> direction and long in the ⁇ 11-20> direction. Further, a passivation layer containing SiO 2 was formed on the surface of the nitride semiconductor laser diode 1.
  • a plurality of electrode metal regions including rectangular Ni or Au parallel to the ⁇ 11-20> direction and long in the ⁇ 11-20> direction were formed on the p-type contact layer 18. Further, in the region where the n-type clad layer 12 is exposed, an electrode metal (n) made of a rectangular V, Al, Ni, Ti or Au parallel to the ⁇ 11-20> direction and long in the ⁇ 11-20> direction. A plurality of mold electrodes) were formed. Further, in the electrode metal region, the substrate 11 was divided into stripes by a plurality of cleavages parallel to the ⁇ 1-100> direction.
  • these resonators having different lengths of Y ⁇ m, the excitation length dependence of rectangular laser spots having a length of 500 ⁇ m and a width of 15 ⁇ m was obtained.
  • the internal loss was 10 cm -1 .
  • the overall series resistance of the laser diode 1 was measured by evaluating the diode characteristics of the laser diode 1 manufactured as described above under a forward bias using the closest p-type electrode and n-type electrode. Further, by measuring the resistance between the plurality of n-type electrodes based on the TLM method, the longitudinal and lateral resistivity of the n-type clad layer 12 was obtained. Since the n-type clad layer 12 is a homogeneous mixed crystal, the longitudinal resistivity and the transverse resistivity match. From the measured data above, the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated to be 0.13 ⁇ -1 cm -1.
  • the lateral resistivity of the p-type clad layer 20 was obtained.
  • the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was 1.5.
  • the lattice relaxation rate calculated from the XRD diffraction intensity peak on the (205) plane of the substrate 11 and the XRD diffraction intensity peak on the (205) plane of each film of the laser diode 1 produced as described above is 4 in each case. It was less than%.
  • Example 2 In the procedure of Example 1, the laser diode 1 was manufactured by the same procedure except that the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 was set to 0.21 ⁇ m.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 was 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was 0.17 ⁇ -1 cm -1 . Further, as determined by the method described in Example 1, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type cladding layer 20 was 1.9. When measured by the method described in Example 1, the internal loss due to VSLM was 20 cm -1 .
  • Example 3 In the procedure of Example 1, the laser diode 1 was manufactured by the same procedure except that the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 was set to 0.25 ⁇ m.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 was 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was 0.15 ⁇ -1 cm -1 . Further, as determined by the method described in Example 1, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type cladding layer 20 was 1.9. When measured by the method described in Example 1, the internal loss due to VSLM was 15 cm -1 .
  • Example 4 In the procedure of Example 1, the laser diode 1 was manufactured by the same procedure except that the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 was 0.45 ⁇ m.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 was 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was 0.11 ⁇ -1 cm -1 . Further, as determined by the method described in Example 1, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type cladding layer 20 was 1.4. When measured by the method described in Example 1, the internal loss due to VSLM was 9 cm -1 .
  • Example 5 In the procedure of Example 1, the laser diode 1 is manufactured by the same procedure except for the procedure for manufacturing the p-type transverse conductive layer 17 shown below.
  • a p-type transverse conductive layer 17 composed of Al 0.97 Ga 0.03 N doped with 3 ⁇ 10 20 cm -3 Mg is laminated by the above method.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 is 0.13 ⁇ -1 cm -1 . Further, as determined by the method described in Example 1, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type cladding layer 20 is 2.9. As measured by the method described in Example 1, the internal loss due to VSLM is 11 cm -1 .
  • Example 6 In the procedure of Example 1, the laser diode 1 is manufactured by the same procedure except that the Mg concentration in the p-type transverse conductive layer 17 is 1 ⁇ 10 16 cm -3.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 is 0.11 ⁇ -1 cm -1 . Further, as determined by the method described in Example 1, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type cladding layer 20 is 1.6. As measured by the method described in Example 1, the internal loss due to VSLM is 10 cm -1 .
  • Example 1 the same laser diode 1 as in Example 1 is produced except that the p-type longitudinal conductive layer 16 is made of Al 0.7 Ga 0.3 N (no composition gradient) having a film thickness of 0.32 ⁇ m.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.06 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 11.3. The internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1 and found to be 31 cm -1 .
  • the p-type longitudinal conductive layer 16 is made of Al 0.7 Ga 0.3 N (no composition gradient) having a film thickness of 0.32 ⁇ m, and further, following the formation of the p-type longitudinal conductive layer 16, the p-type contact By taking the procedure after the formation of the layer 18, the laser diode 1 without the p-type transverse conductive layer 17 is manufactured.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.07 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 16.4. The internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1 and found to be 31 cm -1 .
  • the laser diode 1 without the p-type transverse conductive layer 17 is manufactured by producing up to the p-type longitudinal conductive layer 16 in the same procedure as in Example 1 and then following the procedure after the formation of the p-type contact layer 18. ..
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.14 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 26.7. The internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1 and found to be 10 cm -1 .
  • the laser diode 1 is manufactured by the same procedure except that the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 is 0.8 ⁇ m in the procedure of Example 1.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 30%.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.02 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 6.1. The internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1 and found to be 17 cm -1 .
  • the laser diode 1 is manufactured by the same procedure except that the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 is 0.5 ⁇ m.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 20%.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.04 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 9.7. When the internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1, it was 8 cm -1 .
  • Example 1 except that the p-type longitudinal conductive layer 16 has a film thickness of 0.32 ⁇ m and is laminated so that the Al composition is reduced from 1.0 to 0.1 in the direction away from the upper surface of the substrate 11.
  • the laser diode 1 is manufactured by the same procedure as in the above.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.13 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 1.5. The internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1 and found to be 27 cm -1 .
  • Example 1 except that the p-type longitudinal conductive layer 16 has a film thickness of 0.32 ⁇ m and is laminated so that the Al composition is reduced from 1.0 to 0.2 in the direction away from the upper surface of the substrate 11.
  • the laser diode 1 is manufactured by the same procedure as in the above.
  • the lattice relaxation rate calculated by the method described in Example 1 is 4% or less.
  • the longitudinal conductivity of the p-type clad layer 20 was calculated for the laser diode 1 produced as described above by the method described in Example 1, it was 0.13 ⁇ -1 cm -1 . Further, the ratio of the longitudinal resistivity of the p-type clad layer 20 was determined by the method described in Example 1 and found to be 1.5. The internal loss due to VSLM was measured by the method described in Example 1 and found to be 19 cm -1 .
  • Table 1 summarizes the above configurations, manufacturing conditions, and evaluation results for the laser diode 1 of Examples 1-6, Comparative Examples 1 and 2, and Reference Example 1-5.
  • the laser diode 1 of Example 1-6 has a longitudinal conductivity of 0.11 or more and 0.17 or less, a longitudinal resistivity ratio of 1.5 or more and 2.9 or less, and an internal loss of 9 cm -1 or more and 20 cm. It is -1 or less.
  • the laser diodes 1 of Comparative Examples 1 and 2 have a longitudinal conductivity of 0.06 or more and 0.07 or less, a longitudinal resistivity ratio of 11.3 or more and 16.7 or less, and an internal loss of 31 cm -1. Is.
  • the laser diode 1 of Comparative Example 1-2 has a structure that does not use a composition gradient layer as the p-type longitudinal conductive layer 16, the longitudinal conductivity is low. Further, in Comparative Example 2, the resistivity ratio is further increased as compared with Comparative Example 1 due to the absence of the p-type transverse conductive layer 17. In any of the comparative examples, the characteristics of the laser diode 1 of Example 1-6 having a low internal loss, a high longitudinal conductivity and a low longitudinal-lateral resistivity ratio at the same time cannot be achieved.
  • the laser diode 1 of Reference Example 1-5 includes a composition gradient layer as a p-type longitudinal conduction layer as in Comparative Example 1, but the p-type transverse conduction layer 17 does not exist.
  • the laser diode 1 of Reference Example 1 cannot achieve a lower aspect ratio than that of Example 1-6.
  • the laser diodes 1 of Reference Examples 2 and 3 include a composition gradient layer as the p-type longitudinal conductive layer 16 as in Comparative Example 1, but the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 is 0.5 ⁇ m or more.
  • the laser diodes 1 of Reference Examples 2 and 3 cannot achieve a ratio of high longitudinal conductivity and low longitudinal-lateral resistivity as compared with Examples 1-6.
  • the laser diodes 1 of Reference Examples 4 and 5 include a composition gradient layer as a p-type longitudinal conduction layer, but the minimum value of the Al composition is less than 0.3.
  • the laser diodes 1 of Reference Examples 4 and 5 cannot achieve a lower internal loss as compared with Examples 1-6. It cannot be said that the laser diode 1 of Reference Example 1-5 achieves the characteristics of having a ratio of low internal loss, high longitudinal conductivity and low longitudinal and lateral resistivity at the same time as compared with Example 1-6.
  • the laser diode 1 of Example 1-6 has a ratio of low internal loss, high longitudinal conductivity and low longitudinal and lateral resistivity at the same time.
  • a modified example in which the configuration of the quantum well layer included in the light emitting layer 14 and the configuration of the p-type longitudinal conduction layer 16 are modified with respect to Example 1 is used. The oscillation state was measured.
  • a laser diode 1 with an electrode was cut out along the ⁇ 11-20> direction to form a laser cavity having a length of 400 ⁇ m.
  • a highly reflective coating composed of an HfO 2 / SiO 2 multilayer film was applied to the cleavage surfaces on both sides. Electrical properties were measured at room temperature with a 0.5 ms cycle (duty 0.01%) under 50 ns pulsed current injection.
  • Modification 1 As a modification 1, a laser diode 1 having the same configuration as that of the first embodiment was produced except that the light emitting layer 14 includes one quantum well layer having a total film thickness of 7.5 nm.
  • the laser diode 1 of the modified example 1 oscillated, and the oscillation threshold was 60 kA / cm 2 .
  • Modification 2 As a modification 2, a laser diode 1 having the same configuration as that of the first embodiment was produced except that the light emitting layer 14 includes one quantum well layer having a total film thickness of 9 nm.
  • the laser diode 1 of the modified example 2 oscillated, and the oscillation threshold was 25 kA / cm 2 .
  • Modification 3 As a modification 3, a laser diode 1 having the same configuration as that of the first embodiment was produced except that the light emitting layer 14 includes one quantum well layer having a total film thickness of 15 nm.
  • the laser diode 1 of the modified example 3 oscillated, and the oscillation threshold was 9 kA / cm 2 .
  • the light emitting layer 14 is provided with one quantum well layer having a total film thickness of 9 nm, and the region of the p-type longitudinal conductive layer 16 from the interface with the p-type waveguide layer 15 to 10 nm in the thickness direction is undoped.
  • the same laser diode 1 as in Example 1 was produced except in the state of.
  • the non-undoped portion of the p-type longitudinal conductive layer 16 is doped with 1.3 ⁇ 10 19 cm -3 Mg.
  • the film thickness of the p-type longitudinal conductive layer 16 is 0.32 ⁇ m, which is the same as in Example 1.
  • the laser diode 1 of the modified example 4 oscillated, and the oscillation threshold was 30 kA / cm 2 .
  • the light emitting layer 14 includes one quantum well layer having a total film thickness of 9 nm, and the region of the p-type longitudinal conductive layer 16 from the interface with the p-type waveguide layer 15 to 50 nm in the thickness direction is undoped.
  • the same laser diode 1 as in Example 1 was produced except in the state of.
  • the non-undoped portion of the p-type longitudinal conductive layer 16 is doped with 1.3 ⁇ 10 19 cm -3 Mg.
  • the laser diode 1 of the modified example 5 oscillated, and the oscillation threshold was 20 kA / cm 2 .
  • the light emitting layer 14 includes one quantum well layer having a total film thickness of 9 nm, and the region of the p-type longitudinal conductive layer 16 from the interface with the p-type waveguide layer 15 to 100 nm in the thickness direction is undoped.
  • the same laser diode 1 as in Example 1 was produced except in the state of.
  • the non-undoped portion of the p-type longitudinal conductive layer 16 is doped with 1.3 ⁇ 10 19 cm -3 Mg.
  • the laser diode 1 of the modified example 6 oscillated, and the oscillation threshold was 18 kA / cm 2 .
  • Table 2 summarizes the above configuration and evaluation results for the laser diode 1 of the modified example 1-6.
  • the laser diode 1 of the modified example 1-6 oscillates at a low oscillation threshold.
  • the oscillation threshold of Modification 3 was 9 kA / cm 2 .
  • a convex hexagonal pyramidal hillock (HPH) may be generated and the characteristics may be deteriorated.
  • the density of HPH was 6 ⁇ 10 3 cm- 2 as an example, and the characteristic deterioration that shifted the emission peak of the wavelength to the long wavelength side was observed.
  • HPH is considered to be formed mainly in the vicinity of the presence of transmissive dislocations on the single crystal AlN substrate.
  • the laser diode 1 of the modified example by suppressing the occurrence of through-translocation, the HPH was prevented from coming into contact with the p-type electrode, and laser oscillation was achieved.

Abstract

レーザーダイオード１は、ＡｌＮ単結晶の基板１１と、基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層上に形成され、一つ以上の量子井戸を含む発光層１４と、発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層２０と、ｐ型クラッド層上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体を含むｐ型コンタクト層１８と、を備え、ｐ型クラッド層は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）を含み、基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を０．５μｍ未満とするｐ型縦伝導層１６と、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０＜ｔ≦１）を含むｐ型横伝導層１７と、を備える。

Description

レーザーダイオード 関連出願へのクロスリファレンス
　本出願は、日本国特許出願２０１９－１７７７８８号（２０１９年９月２７日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　本開示は、レーザーダイオードに関する。
　Ａｌ、Ｇａを含む窒化物半導体は、直接遷移の再結合形態を有することから高い再結合効率、また高い光学利得を得ることができる点で、レーザーダイオードための材料として適している。特に、波長３００ｎｍ以下の紫外領域の発光波長を得るための高Ａｌ組成のＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶系において、レーザーダイオードの発光効率、寿命、光学利得はその結晶欠陥密度に強く依存する。近年導入されたＡｌＮ単結晶基板上にＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を成長させることで、欠陥密度が抑制された良好な窒化物半導体を得ることが可能となり、レーザーダイオードの特性を著しく向上させる可能性がある。しかしながら、高Ａｌ組成のＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶系については不純物ドープによってバルクのＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶にｐ型伝導性を得ることが困難である。これに対し、例えば特許文献１には、組成傾斜層を用いてキャリアの注入効率を向上させる技術が開示されている。
特表２０１８－５３２２６５号公報
　ここで、上述の組成不連続性を含む組成傾斜層は、垂直方向の電気抵抗率（縦抵抗率）に対して面内方向の電気抵抗率（横抵抗率）の比率（縦横抵抗率の比）が大きい。ここで、垂直方向はレーザーダイオードにおける層の積層方向に対応する。また、面内方向は垂直方向に垂直な１つの層の面に沿った方向である。レーザーダイオードにおいては電極領域にわたって均質に高い電流密度が注入されることが求められる観点から、クラッド層（特にｐ型クラッド層）については高い縦伝導率と低い縦横抵抗率の比を同時に求められる。また同時に、電極へ光モードが吸収されることで内部損失が増加しないようなクラッド層が求められる。
　本開示の目的は、高い縦伝導率と低い縦横抵抗率の比を実現し、内部損失の増加を抑制できるレーザーダイオードを提供することにある。
　本開示に係るレーザーダイオードは、ＡｌＮ単結晶の基板と、前記基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に形成され、一つ以上の量子井戸を含む発光層と、前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体を含むｐ型コンタクト層と、を備える。前記ｐ型クラッド層は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を０．５μｍ未満とするｐ型縦伝導層と、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０＜ｔ≦１）を含むｐ型横伝導層と、を備える。ここで、例えば「基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層」という表現における「上に」という文言は、基板の上にｎ型クラッド層が形成されることを意味するが、基板とｎ型クラッド層との間に別の層がさらに存在する場合もこの表現に含まれる。その他の層同士の関係においても、「上の」という文言は、同様の意味を有する。
　本開示によれば、高い縦伝導率と低い縦横抵抗率の比を実現し、内部損失の増加を抑制できるレーザーダイオードの提供が可能となる。
図１は、一実施形態に係るレーザーダイオードの構成を示す断面図である。
＜レーザーダイオードの構成＞
　図１に示すように、本実施形態のレーザーダイオード１は、基板１１と、ｎ型クラッド層１２と、ｎ型導波路層１３と、発光層１４と、ｐ型導波路層１５と、ｐ型クラッド層２０と、ｐ型コンタクト層１８と、を備える。ｐ型クラッド層２０は、ｐ型縦伝導層１６と、ｐ型横伝導層１７と、を備える。レーザーダイオード１は、正孔を発光層１４へ注入させるため、Ａｌ組成ｓが、基板１１の上面から遠ざかるにつれて減少する様に傾斜させたＡｌｓＧａ１－ｓＮから成るｐ型縦伝導層１６と、ｐ型縦伝導層１６との隣接面において、ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（ｔ＞ｓの最小値）から成るｐ型横伝導層１７から構成されるｐ型クラッド層２０を備える。ここで、ｓの最小値とは、組成傾斜を有するＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）から成るｐ型縦伝導層１６がとり得るｓのうち最小の値をいう。基板１１から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが減少する様に傾斜させたＡｌｓＧａ１－ｓから成るｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を獲得し得る。Ａｌ組成ｓの傾斜は、基板１１の上面方向（すなわち垂直方向）の内部電界を生じさせるため、単一のＡｌ組成ｓから成るＡｌｓＧａ１－ｓ混晶より縦伝導率に優れており、レーザーダイオード１に適している。一方で、Ａｌ組成を傾斜させた層における横抵抗率は縦抵抗率と比較して大幅に高いため、縦横抵抗率の比が大きくなる傾向にある。ここで、基板１１の上面とは、基板１１に積層される層のうち直上の層（図１の例ではｎ型クラッド層１２）との界面を意味する。
（基板）
　基板１１は、Ａｌ及びＧａを含む窒化物半導体を、低い面内転位密度を有する基板１１の上面に成長できるものが好ましい。本発明の効果を最大化できる実施形態の一つは、レーザーダイオード１の様々な層において、面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の良質な層である。特に面内転位密度が５×１０４ｃｍ－２以下の結晶では、転位によるキャリア散乱が軽減されることで、縦抵抗率が減少する結果、さらに縦横抵抗率の比が小さくなる傾向にある。したがって基板１１は上記の欠陥密度よりさらに低い欠陥密度（例えば１×１０３～１×１０４ｃｍ２）が求められる。様々な基板１１のうち、例えば、ＡｌＮ単結晶の基板１１上には１×１０４ｃｍ－２以下の欠陥密度を有するＡｌｘＧａ１－ｘＮ混晶を得ることができるため好ましいが、この限りではない。基板１１の貫通転位密度は、例えば、４５０℃で５分間ＫＯＨ－ＮａＯＨ共晶エッチングを行った後にエッチピット密度測定を用いて測定され得る。
　基板１１は、異なる材料（例えばＳｉＣ、Ｓｉ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、アルミナ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、及び／又はサファイア）を含むか、本質的にそれから成るか、若しくはそれから成り、その上にＡｌｕＧａ１－ｕＮ材料（０≦ｕ≦１．０）が例えばエピタキシャル成長によって形成されている可能性がある。そのような材料は、実質的に完全に格子緩和され、例えば少なくとも１μｍの厚さを有し得る。基板１１は、例えばＡｌＮのような、基板１１内又は基板１１上に存在する同一の材料を含むか、本質的にそれから成るか、又はそれから成るホモエピタキシャル層で覆うことができる。
　基板１１は、伝導性を得るなどの目的で、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。
　本発明に係るレーザーダイオード１は、好ましくは（０００１）面、又は（０００１）面法線方向からいくらかの角度に傾いた（例えば－４°～４°、好ましくは－０．４°～０．４°）面上に形成することができるが、これに限らない。
　基板１１上に配置された多層膜構造の様々な層は、例えば、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の堆積法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）のようなエピタキシャル成長技法等、多種多様な異なる技法のいずれかによって形成され得る。
（ｐ型クラッド層）
　ｐ型クラッド層２０は、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｐ型クラッド層２０は、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。完全歪で形成されるレーザーダイオード１の層は貫通転位密度の増加を抑制することができるため、本発明の効果を最大化する。ここで、「基板１１に対して完全歪」という文言は、多層膜を構成する層が基板１１に対して格子緩和率が５％以下の非常に小さな歪み緩和を有することを意味する。格子緩和率は、非対称面のＸ線回折測定によって十分な回折強度が得られる面、例えば（１０５）面、（１１４）面又は（２０５）面などのいずれかの非対称面の回折ピークの逆格子座標と、基板１１の回折ピークの逆格子座標から規定することができる。
（ｐ型縦伝導層）
　ｐ型縦伝導層１６は、ｐ型の伝導性を得る目的で、Ａｌ組成ｓが基板１１の上面から遠ざかる方向へ減少する様に傾斜したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層である。ｐ型縦伝導層１６の膜厚とＡｌ組成ｓ範囲は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップの材料であって、デバイス内で定在する光モードの電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる（すなわち光閉じ込めを増大させる）目的でＡｌ組成、膜厚が限定されることがある。発光層１４の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の場合、例えばＡｌ組成ｓが０．３以上１．０以下の範囲において、基板１１の上面から遠ざかる方向に減少したＡｌｓＧａ１－ｓＮから成る層であって、膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが好ましい。適切に膜厚を制御することで、レーザーダイオード１の内部損失を低減することができる。
　適切な光閉じ込めと完全歪下でのｐ型クラッド層形成の観点から、ｐ型縦伝導層のＡｌ組成ｓが０．３５より大きく１．０以下であることが好ましい場合がある。
　レーザーダイオード１の内部損失は、例えば、公知のＶａｒｉａｂｌｅ　Ｓｔｒｉｐｅ　Ｌｅｎｇｔｈ　Ｍｅｔｈｏｄ（以下、ＶＳＬＭ）などの方法によって測定が可能である。
　ｐ型縦伝導層１６は、その膜厚に対するＡｌ組成の変化量が一様でなくとも良い。光閉じ込めを増大させる目的などから、発光層１４へ近づくにつれてＡｌ組成の変化量が漸近的に、又は段階的に減少する構成であり得る。
　ｐ型縦伝導層１６は、不純物の拡散を抑制する目的などから，ｐ型導波路層１５に近い領域においてＨ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｂ，等の不純物を意図的に混入しないことが好ましく、すなわちアンドープの状態であることが好ましい。ここで、「アンドープ」という文言は、対象の層を形成する過程で元素として上記が意図に供給されないことを意味する。原料、製造装置由来の元素が、例えば１０１６ｃｍ－３以下の範囲で混入される場合は、この限りではない。元素の混入量は、二次電子イオン質量分析等の手法によって規定することができる。本願の「アンドープ」は本質的に同様な意味を示す。また、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態とする領域は、少なくともｐ型導波路層１５との境界を含む。その大きさは限定されない。例えば、ｐ型縦伝導層１６の全ての領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、ｐ型縦伝導層１６のうち、ｐ型横伝導層１７よりもｐ型導波路層１５に近い５０％の領域がアンドープの状態であってよい。また、別の例として、ｐ型縦伝導層１６のうち、ｐ型導波路層１５に近い約１０％の領域がアンドープの状態であってよい。
　ｐ型縦伝導層１６とｐ型導波路層１５の中間に、伝導率を向上させる目的、かつ／又はｐ型横伝導層１７及びｐ型コンタクト層１８を完全歪で形成させるためなどの目的から、基板１１の上面から遠ざかる方向へＡｌ組成ｖが増加するようなＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ≦１．０）から成る中間層を設けることができる。ｐ型縦伝導層１６とｐ型導波路層１５の中間層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップである混晶であって良く、さらに５０ｎｍ以下の膜厚であることが好ましく、アンドープであって良い。
　ｐ型縦伝導層１６の縦抵抗率は、例えば本願実施形態のレーザーダイオード１の直列抵抗値Ｒｓから、ｎ型クラッド層１２が寄与する抵抗値Ｒｎを除いた抵抗値Ｒｓ´＝Ｒｓ－Ｒｎを用いて算出することができる。レーザーダイオード１のｐ型コンタクト層１８に接触するｐ型電極の面積Ａとｐ型クラッド層２０の膜厚Ｔから、ｐ型クラッド層２０の縦抵抗率はＲｓ´×Ａ／Ｔとして算出される。ｎ型クラッド層１２の抵抗値Ｒは、例えば、伝送線路測定法、渦電流による非接触抵抗測定によって決定され得る。
（ｐ型横伝導層）
　ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７を貫通するキャリアの量子透過を容易とするように薄い膜厚であり得る。例えば２０ｎｍ以下、又は１０ｎｍ以下、好ましくは５ｎｍ以下である。
　ｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７の縦抵抗率を制御する目的などからＨ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｓｉ，Ｂ，等の不純物を意図的に混入されることができる。混入される不純物の量は、ｐ型横伝導層１７の表面及び内部に誘積される正味の電界量に応じて、一例として、１×１０１８ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３以下を取り得る。また、混入される不純物の量は、１×１０１９ｃｍ－３以上５×１０２１ｃｍ－３以下を取り得る。
　ｐ型横伝導層１７の、ｐ型コンタクト層１８との界面におけるＡｌ組成は、好ましくは０．９以上１．０以下の範囲であって、基板１１に対して完全歪であることが好ましい。このようなｐ型横伝導層１７は、ｐ型横伝導層１７の表面及び表面付近の内部に生じる正味内部電界が負となって、正孔が誘積されることで横伝導率を向上させる効果がある。また、レーザーダイオード１の領域においてｐ型横伝導層１７のＡｌ組成の分布が５％以下に制限されることが好ましい。このようなｐ型横伝導層１７は、組成の分布によるキャリア散乱が低減されるためにより高い横伝導率を実現し得る。
　ｐ型横伝導層１７は、最終的なｐ型横伝導層１７のＡｌ組成ｔより小さいＡｌ組成ｙから成るＡｌｙＧａ１－ｙＮをＡｌ原料及びＧａ原料が供給されない高温状態で保持することによって、Ａｌ組成ｔが０．９≦ｔ≦１．０のＡｌｔＧａ１－ｔＮであるように形成されることが好ましい。
（ｎ型クラッド層）
　ｎ型クラッド層１２は、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含む。ｎ型クラッド層１２は、基板１１に対して完全歪で形成されることが好ましい、またｎ型クラッド層１２が基板１１に対して完全歪で形成する目的で、ｎ型クラッド層１２と基板１１の界面にＡｌ組成が一様に変化する中間層が存在し得、また、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成と膜厚が制約を受けることがある。ｎ型クラッド層１２は、適切な電極に対して低い接触抵抗（例えば１×１０－６～１×１０－３Ωｃｍ２、好ましくは１×１０－６～１×１０－４Ωｃｍ２）を得る目的でＡｌ組成が制限を受けることがある。上記の制限を鑑みたｎ型クラッド層１２の実施形態として、Ａｌ組成が０．６～０．８、厚みが０．３～０．５μｍであってよい。
　ｎ型クラッド層１２は、その縦伝導率を制御する目的などから、Ａｌ組成を基板１１から遠ざかる方向に対して増加させるような傾斜層であって良い。この場合、上記のＡｌ組成に対する限定はｎ型クラッド層１２内、各膜厚方向位置におけるＡｌ組成をｎ型クラッド層１２の膜厚で平均したＡｌ組成として、同様の実施形態を取ることができる。
　ｎ型クラッド層１２は、その縦伝導率を制御する目的などから，Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。適切な不純物の混入量はｎ型クラッド層１２のＡｌ組成によって制限を受ける。好ましくは１×１０１９～１×１０２０ｃｍ－３である。
（導波路層）
　導波路層は、所望する発光波長の光を吸収しないバンドギャップを持つＡｌ、Ｇａを含む窒化物半導体であって、デバイス内で定在する光の電界強度分布と発光層１４の重なりを増大させる目的でＡｌ組成、膜厚が限定され得る。例えば２６０ｎｍ～２８０ｎｍの発光層１４に対してＡｌ組成０．５５～０．６５、膜厚７０～１５０ｎｍなどが好ましい。
　導波路層は、発光層１４に対してｎ型クラッド層１２側の部分（ｎ型導波路層１３）と、発光層１４に対してｐ型クラッド層２０側（ｐ型導波路層１５）の２層から構成され得る。すなわち、ｎ型導波路層１３は、ｎ型クラッド層１２と発光層１４との間に形成される。また、ｐ型導波路層１５は、ｐ型クラッド層２０と発光層１４との間に形成され得る。ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５の膜厚比は、発光層１４への光閉じ込めと、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層２０のＡｌ組成によってさまざまに取りうる。ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５のＡｌ組成は膜厚方向において均一であることが好ましいが、この限りではない。ｐ型コンタクト上に存在する金属への光吸収を回避するために、ｐ型導波路層１５のＡｌ組成がｎ型導波路層１３のＡｌ組成より高い可能性がある。同様の目的で、ｐ型導波路層１５の膜厚がｎ型導波路の膜厚より厚い可能性がある。ｎ型導波路層１３は、ｎ型クラッド層１２と同じ伝導型を得る目的などからＮの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。
　ｎ型導波路層１３とｎ型クラッド層１２の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、Ａｌ組成ｗが、基板１１の上面から遠ざかる方向において、減少するようなＡｌｗＧａ１－ｗＮから成る組成傾斜層を設けることができる。ｎ型導波路層１３とｎ型クラッド層１２の中間層は、１０ｎｍ以下の膜厚であることが好ましい。
　ｐ型導波路層１５とｐ型クラッド層２０の中間に、縦伝導率を向上させる目的などから、基板１１の上面から遠ざかる方向へＡｌ組成ｘが増加するようなＡｌｘＧａ１－ｘＮから成る組成傾斜層を設けることができる。ｐ型導波路層１５とｐ型クラッド層２０の中間層は、導波路層への光閉じ込めを劣化させないために十分に薄い（例えば３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下の）膜厚であることが好ましい。
　ｐ型導波路層１５の内部又はｐ型導波路層１５と発光層１４の中間、又はｐ型導波路層１５とｐ型縦伝導層１６の中間、又はｐ型導波路層１５の一部において、バンドギャップがｐ型導波路層１５より大きい電子ブロック層を設けることができる。電子ブロック層は、電子ブロック層を正孔が量子貫通しやすいように、３０ｎｍ以下、又は２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下とすることができる。
（発光層）
　発光層１４は、ｎ型導波路層１３とｐ型導波路層１５によって挟まれた単数又は複数の量子井戸であり得る。量子井戸の数は、ｎ型クラッドとｐ型クラッドの縦伝導率によって、３又は２、又は１であり得る。
　発光層１４の結晶欠陥の影響を低減する目的などから、発光層１４の一部又は全てがＳｉ，Ｓｂ，Ｐなどの元素が１×１０１５ｃｍ－３以上意図的に混入されても良い。
（ｐ型コンタクト層）
　ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型クラッド層２０上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体であってよい。コンタクト抵抗を低減するなどの目的において、Ｎの他に，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ等のＮ以外のＶ族元素，Ｈ，Ｂ，Ｃ，Ｏ，Ｆ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ等の不純物が混入していて良いが，元素としてはこの限りではない。例えばＭｇを１×１０２０～１×１０２２ｃｍ－３混入させることができる。
　本発明のレーザーダイオード１に対する電気的接触は、ｐ型コンタクト層１８上に配置された電極層によって、及び、ｎ型クラッド層１２に接触するように配置された電極層によって行うことができる。例えば、基板１１の裏側に電極層を配置するか、又は、ｐ型コンタクト層１８近傍の１つ以上の領域において、ｎ型クラッド層１２が露出するようにレーザーダイオード１の様々な上部の層を、例えば化学エッチング又はドライエッチングによって除去し、露出したｎ型クラッド層１２上に電極を配置することで成し得る。
（電極層）
　ｐ型コンタクト層１８上に配置された電極層は、Ｎｉ，Ｐｔ、Ａｕ、Ｂ、Ｐｄのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。
　ｎ型クラッド層１２、又は基板１１の裏面に配置された電極層は、Ｖ，Ａｌ，Ａｕ，Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち一つ以上の元素を含む金属であって良い。基板１１に接触する金属層はＶ又はＴｉを含む金属であることが好ましい。
　上記の実施形態のレーザーダイオード１と同じ層構成を有する、実施例１－４のレーザーダイオード１が作製された。また、実施例５、６、比較例１、２及び参考例１－５を以下に示す。
［実施例１］
　実施例１として、以下に示す窒化物半導体レーザーダイオード１が作製された。レーザーダイオード１の作製にはＭＯＣＶＤ、また、原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）などが用いられた。単結晶ＡｌＮ基板１１の［０００１］面に対して０．１°～０．３°傾斜した面上に、ＴＭＡ、ＮＨ３を１２００℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、０．２μｍのＡｌＮから成るホモエピ層が形成された。
　ＡｌＮから成るホモエピ層上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、３０ｎｍの膜厚を有し、基板１１の上面から遠ざかる方向にＡｌ組成が１．０から０．７まで一様に減少するＡｌＧａＮ中間層と、０．３５μｍの膜厚を有し、５×１０１９ｃｍ－３のＳｉによってドープされたＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎのｎ型クラッド層１２と、がこの順序で積層された。ＡｌＮホモエピ層、中間層及びｎ型クラッド層１２は、０．３～０．６μｍ／ｈの速度で形成されることによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。
　ｎ型クラッド層１２上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、６０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ｎから成るｎ型導波路層１３と、総膜厚３０ｎｍの多層量子井戸層から成る発光層１４と、がこの順序で積層された。発光層１４の障壁層の一部の形成中に、ＳｉＨ４を原料として導入することによって、３×１０１９ｃｍ－３のＳｉがドープされた。さらに、発光層１４上に５０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎから成るｐ型導波路層１５が形成された。ｎ型導波路層１３、発光層１４及びｐ型導波路層１５は、０．４μｍ／ｈの速度で形成されたことによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。
　ｐ型導波路層１５上に、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ３を１０５５℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、２０ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に０．６２から１．０まで一様に増加するＡｌＧａＮ中間層と、０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．３まで減少させたｐ型縦伝導層１６と、がこの順序で積層された。ｐ型縦伝導層１６は、０．３～０．５μｍ／ｈの速度で形成されたことによって、基板１１に対して完全歪であるように形成された。また、ｐ型縦伝導層１６は、全ての領域がアンドープの状態である。
　ｐ型縦伝導層１６上に、３ｎｍの膜厚を有し、Ａｌ０．４５Ｇａ０．０５Ｎから成るｐ型横伝導層１７が形成された。さらに、１０５５℃の状態でＴＭＡ、ＴＭＧ原料の供給を停止し、Ｃｐ２Ｍｇの供給のみを行った状態を１０分間以上保持（アニール）し、ｐ型横伝導層１７を１×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎ層に変質させた。このような手順で変質させることによって、ｐ型横伝導層１７は基板１１に対して完全歪であるように形成された。
　（００２）面のＸＲＤ測定を行ったところ、ｐ型横伝導層１７のＡｌ組成の分散は、レーザーダイオード１の領域に相当する領域範囲において３．５％であった。ｐ型横伝導層１７は、複数の位置において、透過電子顕微鏡の＜１１－２０＞方向の透過像によって原子配列を確認したところ、基板１１に対して完全歪であった。
　ｐ型横伝導層１７上に、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３を９４０℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、膜厚２０ｎｍであって、５×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＧａＮから成るｐ型コンタクト層１８が形成された。
　上記のように作製された窒化物半導体レーザーダイオード１は、Ｎ２雰囲気中、７００℃で１０分以上アニーリングを行うことによって、ｐ型層を更に低抵抗化した。Ｃｌ２を含むガスによりドライエッチングを行うことによって、＜１１－２０＞方向に平行であって、＜１１－２０＞方向に長い矩形の領域内において、ｎ型クラッド層１２が露出した。さらに、窒化物半導体レーザーダイオード１の表面にＳｉＯ２を含むパッシベーション層が形成された。
　ｐ型コンタクト層１８上に、＜１１－２０＞方向に平行であって、＜１１－２０＞方向に長い矩形のＮｉ又はＡｕを含む電極金属領域（ｐ型電極）が複数形成された。また、ｎ型クラッド層１２が露出した領域において、＜１１－２０＞方向に平行であって、＜１１－２０＞方向に長い矩形のＶ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｔｉ又はＡｕから成る電極金属（ｎ型電極）が複数形成された。さらに、電極金属領域内において、＜１－１００＞方向に平行な複数回の劈開によって、基板１１はストライプ状に分割された。
　＜１－１００＞方向に平行な複数の自然劈開面を端面とし、長辺がその劈開方向と垂直となるような、長さＹμｍ（Ｙ＝５０、１００，１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００μｍ）の共振器を形成した。これら長さＹμｍが異なる共振器を用いて、長さ５００μｍ及び幅１５μｍの矩形レーザースポットによる励起長依存性を取得した。ＶＳＬＭに基づいて演算を行ったところ、内部損失は１０ｃｍ－１であった。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、最近接のｐ型電極とｎ型電極によって順方向バイアスの元でダイオード特性を評価することによって、レーザーダイオード１の全体の直列抵抗が測定された。さらに、複数ｎ型電極間の抵抗をＴＬＭ法に基づいて測定することによって、ｎ型クラッド層１２の縦・横抵抗率が得られた。ｎ型クラッド層１２は均質の混晶であることから、縦抵抗率と横抵抗率が一致する。測定された上記のデータから、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は、０．１３Ω－１ｃｍ－１と算出された。さらに複数ｐ型電極間の抵抗をＴＬＭ法に基づいて測定することによって、ｐ型クラッド層２０の横抵抗率が得られた。ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．５であった。
　基板１１の（２０５）面におけるＸＲＤ回折強度ピークと、以上のように作製されたレーザーダイオード１のそれぞれの膜の（２０５）面におけるＸＲＤ回折強度ピークから算出される格子緩和率は、いずれも４％以下であった。
［実施例２］
　実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．２１μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１が作製された。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、４％以下であった。
　実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１７Ω－１ｃｍ－１であった。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．９であった。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は２０ｃｍ－１であった。
［実施例３］
　実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．２５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１が作製された。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下であった。
　実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１５Ω－１ｃｍ－１であった。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．９であった。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は１５ｃｍ－１であった。
［実施例４］
　実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．４５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製した。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下であった。
　実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１１Ω－１ｃｍ－１であった。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．４であった。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は９ｃｍ－１であった。
［実施例５］
　実施例１の手順において、以下に示すｐ型横伝導層１７の作製手順以外は同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
　ｐ型縦伝導層１６上に、３ｎｍの膜厚を有し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ、ＮＨ３を９４０℃のＨ２雰囲気中で反応させることによって、レーザーダイオード１のさまざまな層と同様の手法にて３×１０２０ｃｍ－３のＭｇによってドープされたＡｌ０．９７Ｇａ０．０３Ｎから成るｐ型横伝導層１７を積層する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１３Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は２．９である。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は１１ｃｍ－１である。
［実施例６］
　実施例１の手順において、ｐ型横伝導層１７におけるＭｇ濃度を１×１０１６ｃｍ－３とする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　実施例１記載の手法にて算出したところ、ｐ型クラッド層２０の縦伝導率は０．１１Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にて求めたところ、ｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比は１．６である。実施例１記載の手法にて測定したところ、ＶＳＬＭによる内部損失は１０ｃｍ－１である。
［比較例１］
　実施例１において、ｐ型縦伝導層１６を膜厚０．３２μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（組成傾斜なし）とする以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０６Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１１．３である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、３１ｃｍ－１である。
［比較例２］
　実施例１において、ｐ型縦伝導層１６を膜厚０．３２μｍのＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ（組成傾斜なし）とし、さらにｐ型縦伝導層１６の形成に続いて、ｐ型コンタクト層１８形成以降の手順を取ることによって、ｐ型横伝導層１７を無いレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０７Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１６．４である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、３１ｃｍ－１である。
［参考例１］
　実施例１と同様の手順で、ｐ型縦伝導層１６までを作製し、続いてｐ型コンタクト層１８形成以降の手順を取ることによって、ｐ型横伝導層１７の無いレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．１４Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、２６．７である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、１０ｃｍ－１である。
［参考例２］
　意図的にレーザーダイオード構造を緩和させる目的で、実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．８μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも３０％である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０２Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、６．１である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、１７ｃｍ－１である。
［参考例３］
　実施例１の手順において、ｐ型縦伝導層１６の膜厚を０．５μｍとする以外は、同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも２０％である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．０４Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、９．７である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、８ｃｍ－１である。
［参考例４］
　ｐ型縦伝導層１６が０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．１まで減少させるように積層される以外は、実施例１と同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．１３Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１．５である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、２７ｃｍ－１である。
［参考例５］
　ｐ型縦伝導層１６が０．３２μｍの膜厚を有し、Ａｌ組成が、基板１１の上面から遠ざかる方向に１．０から０．２まで減少させるように積層される以外は、実施例１と同様の手順でレーザーダイオード１を作製する。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の方法で算出された格子緩和率は、いずれも４％以下である。
　以上のように作製されたレーザーダイオード１について、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦伝導率を算出したところ、０．１３Ω－１ｃｍ－１である。また、実施例１記載の手法にてｐ型クラッド層２０の縦横抵抗率の比を求めたところ、１．５である。実施例１記載の手法にてＶＳＬＭによる内部損失を測定したところ、１９ｃｍ－１である。
　実施例１－６、比較例１、２及び参考例１－５のレーザーダイオード１について、上記の構成、製造条件及び評価の結果を下記の表１にまとめて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（比較）
　実施例１－６のレーザーダイオード１は、縦伝導率が０．１１以上かつ０．１７以下、縦横抵抗率の比が１．５以上かつ２．９以下、内部損失が９ｃｍ－１以上かつ２０ｃｍ－１以下である。比較例１及び２のレーザーダイオード１は、縦伝導率が０．０６以上かつ０．０７以下、縦横抵抗率の比が１１．３以上かつ１６．７以下であって、内部損失が３１ｃｍ－１である。
　比較例１－２のレーザーダイオード１はｐ型縦伝導層１６として組成傾斜層を用いない構造であるため、縦伝導率が低い。さらに比較例２はｐ型横伝導層１７が存在しないことにより、抵抗率の比が比較例１に対してさらに増大している。いずれの比較例においても、実施例１－６のレーザーダイオード１が示す、低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する特性を達成できない。
　さらに、参考例１－５のレーザーダイオード１について検討する。参考例１のレーザーダイオード１は、比較例１と同じくｐ型縦伝導層として組成傾斜層を備えるが、ｐ型横伝導層１７が存在しない。参考例１のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、低い縦横抵抗率の比を達成できない。また、参考例２及び３のレーザーダイオード１は、比較例１と同じくｐ型縦伝導層１６として組成傾斜層を備えるが、ｐ型縦伝導層１６の膜厚が０．５μｍ以上である。参考例２及び３のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、高い縦伝導率も低い縦横抵抗率の比も達成できない。参考例４及び５のレーザーダイオード１は、ｐ型縦伝導層として組成傾斜層を備えるが、Ａｌ組成の最小値が０．３未満である。参考例４及び５のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、低い内部損失を達成できない。参考例１－５のレーザーダイオード１は、実施例１－６と比べると、低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する特性を達成するとは言えない。
（変形例）
　上記の通り、実施例１－６のレーザーダイオード１は低い内部損失、高い縦伝導率及び低い縦横抵抗率の比を同時に有する。ここで、更に発振との関係性を調べるために、実施例１に対して発光層１４が含む量子井戸層の構成と、ｐ型縦伝導層１６の構成と、を変更した変形例を用いて発振状態について測定した。以下の変形例の作製では、まず、電極付きのレーザーダイオード１を＜１１－２０＞方向に沿って切り出して、長さ４００μｍのレーザーキャビティを形成した。劈開によって原子的に平坦な（１－１００）ファセットを得た後、両側の劈開面にＨｆＯ２／ＳｉＯ２多層膜からなる高反射コーティング（反射率９０％以上）を適用した。電気的特性は、室温で０．５ｍｓ周期（デューティ０．０１％）で５０ｎｓのパルス電流注入下で測定された。
［変形例１］
　変形例１として、発光層１４が総膜厚７．５ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例１のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が６０ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例２］
　変形例２として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例２のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が２５ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例３］
　変形例３として、発光層１４が総膜厚１５ｎｍの１枚の量子井戸層を備える以外は、実施例１と同じ構成のレーザーダイオード１を作製した。変形例３のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が９ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例４］
　変形例４として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に１０ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。また、ｐ型縦伝導層１６の膜厚は実施例１と同じく０．３２μｍである。変形例４のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が３０ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例５］
　変形例５として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に５０ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。変形例５のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が２０ｋＡ／ｃｍ２であった。
［変形例６］
　変形例６として、発光層１４が総膜厚９ｎｍの１枚の量子井戸層を備え、ｐ型縦伝導層１６のうちｐ型導波路層１５との界面から厚み方向に１００ｎｍまでの領域がアンドープの状態である以外は、実施例１と同一のレーザーダイオード１を作製した。ここで、ｐ型縦伝導層１６のアンドープの状態でない部分は、１．３×１０１９ｃｍ－３のＭｇによってドープされている。変形例６のレーザーダイオード１は発振し、発振閾値が１８ｋＡ／ｃｍ２であった。
　変形例１－６のレーザーダイオード１について、上記の構成及び評価の結果を下記の表２にまとめて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　変形例１－６のレーザーダイオード１は低い発振閾値で発振する。例えば変形例３の発振閾値は９ｋＡ／ｃｍ２であった。
　ここで、レーザーダイオード１の作製において、エピタキシャル成長後に、凸状の六角錐状ヒロック（ＨＰＨ）が生じて特性を悪化することがあった。ＨＰＨの密度は一例として６×１０３ｃｍ－２であり、波長の発光ピークを長波長側にシフトさせる特性悪化が見られた。ＨＰＨは、主に単結晶ＡｌＮ基板の貫通転位が存在する近傍で形成されると考えられる。変形例のレーザーダイオード１では、貫通転位の発生を抑制することで、ＨＰＨがｐ型電極と接することを回避し、レーザー発振を達成した。
（その他）
　本開示は、以上に記載した実施形態及び変形例に限定されうるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様は本開示の範囲に含まれる。
　１　　レーザーダイオード１１　基板１２　ｎ型クラッド層１３　ｎ型導波路層１４　発光層１５　ｐ型導波路層１６　ｐ型縦伝導層１７　ｐ型横伝導層１８　ｐ型コンタクト層２０　ｐ型クラッド層

Claims (10)

  1. 　ＡｌＮ単結晶の基板と、
    　前記基板上に形成され、ｎ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｎ型クラッド層と、
    　前記ｎ型クラッド層上に形成され、一つ以上の量子井戸を含む発光層と、
    　前記発光層上に形成され、ｐ型の導電性を有する窒化物半導体層を含むｐ型クラッド層と、
    　前記ｐ型クラッド層上に形成され、ＧａＮを含む窒化物半導体を含むｐ型コンタクト層と、
    を備え、
    　前記ｐ型クラッド層は、
    　　ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３≦ｓ≦１）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｓが小さくなる組成傾斜を有し、膜厚を０．５μｍ未満とするｐ型縦伝導層と、
    　　ＡｌｔＧａ１－ｔＮ（０＜ｔ≦１）を含むｐ型横伝導層と、を備える、レーザーダイオード。
  2. 　前記ｐ型クラッド層は、ＡｌｓＧａ１－ｓＮ（０．３５＜ｓ≦１）を含む請求項１に記載のレーザーダイオード。
  3. 　前記ｐ型横伝導層は、膜厚が２０ｎｍ以下である請求項１又は２に記載のレーザーダイオード。
  4. 　前記ｎ型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるｎ型導波路層と、
    　前記ｐ型クラッド層と前記発光層との間に形成されて、前記発光層へ光を閉じ込めるｐ型導波路層と、を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
  5. 　前記ｐ型縦伝導層と前記ｐ型導波路層との間に形成されて、ＡｌｖＧａ１－ｖＮ（０＜ｖ≦１．０）を含み、前記基板から遠ざかるにつれてＡｌ組成ｖが増加する組成傾斜を有する中間層、を備える、請求項４に記載のレーザーダイオード。
  6. 　前記ｐ型縦伝導層は、前記ｐ型導波路層との界面を含む領域がアンドープである、請求項４又は５に記載のレーザーダイオード。
  7. 　前記発光層の発光波長が２１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である、請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
  8. 　前記ｐ型縦伝導層の膜厚が２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
  9. 　前記ｐ型横伝導層は、前記ｐ型縦伝導層との隣接面において、前記Ａｌ組成ｔが前記Ａｌ組成ｓの最小値よりも大きい、請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
  10. 　前記ｐ型縦伝導層及び前記ｐ型横伝導層が前記基板に対して完全歪である、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザーダイオード。
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