(57)【要約】【課題】非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて低閾値電流を実現し、かつ、発光効率が向上された半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザダイオードは、基板１と、この基板１上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造２とを含む。基板１は、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体積層構造２は、ｐ型クラッド層１８およびｎ型クラッド層１４と、これらに挟まれたｐ型ガイド層１６およびｎ型ガイド層１５と、これらに挟まれたＩｎを含む活性層１０とを備えた半導体レーザダイオード構造を有している。ｐ型ガイド層１６およびｎ型ガイド層１５は、それぞれ、活性層１０に近づくほどＩｎ組成が大きくなっている。【選択図】図７
2010177651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる半導体レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子であって、
前記半導体レーザダイオード構造が、
ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層と、
前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層に挟まれ、Ｉｎを含む活性層とを備え、
前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層は、それぞれ、前記活性層に近づくほどＩｎ組成が大きくなっている、
半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層は、それぞれ複数のＩｎxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）を有しており、前記複数のＩｎxＧａ1-xＮ層は、前記活性層に近いほどＩｎ組成が大きくなる順序で積層されている、請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記複数のＩｎxＧａ1-xＮ層の少なくとも一層は、ＩｎＧａＮ超格子で構成されており、前記ＩｎＧａＮ超格子の構成素層の膜厚の比率を調整することによって、平均Ｉｎ組成が変調されている、請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記ｐ型ガイド層の全層厚途中に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層が介装されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層から前記ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層までの距離が４０ｎｍ以上である、請求項４記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層から前記ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層までの距離が４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項４記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、III族窒化物半導体からなる半導体レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことができる。
青紫色といった短波長のレーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、たとえば、ＧａＮ半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。
【０００３】
ＧａＮ半導体レーザダイオードは、ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）によって成長させて製造される。より具体的には、ＧａＮ基板上に、有機金属気相成長法によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、活性層（発光層）、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が順に成長させられ、これらの半導体層からなる半導体積層構造が形成される。活性層では、ｎ型層から注入される電子とｐ型層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３５２２１号公報
【特許文献２】特開平１１−５４７９４号公報
【特許文献３】特開２００５−２３５８３０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体レーザダイオードの重要な特性の一つは、レーザ発振を生じさせるための閾値電流（発振閾値）である。この閾値電流が低いほど、エネルギー効率の良いレーザ発振が可能になる。
ところが、ｃ面を主面として成長された活性層から生じる光はランダム偏光であるため、ＴＥモードの発振に寄与する光の割合が少ない。そのため、レーザ発振の効率が必ずしもよくなく、閾値電流を低減するうえで、改善の余地がある。
【０００７】
そこで、ｍ面等の非極性面を主面とするレーザダイオードが提案されている。たとえば、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でレーザダイオードを作製すると、活性層は、ｍ面に平行な偏光成分（より具体的にはａ軸方向の偏光成分）を多く含む光を発生する。これにより、活性層で生じた光のうち、多くの割合をレーザ発振に寄与させることができるので、レーザ発振の効率が良くなり、閾値電流を低減することができる。
【０００８】
その他、活性層が量子井戸構造（より具体的にはＩｎを含むもの）からなる場合に、量子井戸での自発圧電分極によるキャリアの分離が抑制されるので、これによっても、発光効率が増加する。さらに、ｍ面を結晶成長の主面とすることで、結晶成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やその他の結晶面を結晶成長の主面とする場合に比較して、結晶性を向上することができる。その結果、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
【０００９】
一方、発光波長を４５０ｎｍ以上の長波長とするには、量子井戸層のＩｎ組成を増大させる必要がある。また、光閉じ込めのための屈折率差を確保するために、ガイド層にはＩｎＧａＮ層を適用する必要がある。
ところが、ｍ面ＧａＮ層上にＩｎＧａＮ量子井戸層およびＩｎＧａＮガイド層をコヒーレントに成長させると、これらの層には、面内異方性圧縮応力が働く。より具体的には、ｃ軸に垂直な方向、すなわち、ａ軸方向に沿って比較的大きな圧縮応力が生じる。これは、ＩｎＧａＮのａ軸格子定数が、ＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいからである。そのため、ＩｎＧａＮ量子井戸層またはＩｎＧａＮガイド層のＩｎ組成や膜厚を大きくしたりすると、ａ面に沿って結晶欠陥が生じる。この結晶欠陥は、蛍光顕微鏡により観察したときに、ａ面に平行なダークラインとして観察される。したがって、非発光性の欠陥であると考えられる。この非発光性の欠陥を抑制することができれば、さらに発光効率を高めることができると考えられる。
【００１０】
光閉じ込めのための屈折率差を確保するために、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を大きくすることが考えられる。しかし、この場合には、結晶にクラックが発生し、このクラックに起因する電流リークのために、動作可能な半導体レーザを作製することができない。
他の非極性面であるａ面や半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いるレーザ素子についても、同様の課題がある。
【００１１】
そこで、この発明の目的は、非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、低閾値電流で、かつ発光効率が高い半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は、非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる半導体レーザダイオード構造を有する半導体レーザ素子である。前記半導体レーザダイオード構造は、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層と、前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層に挟まれ、Ｉｎを含む活性層とを備え、前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層は、それぞれ、前記活性層に近づくほどＩｎ組成が大きくなっている。
【００１３】
この構成によれば、ガイド層は、活性層（発光層）に近いほどＩｎ組成が高いので、良好な光閉じ込め効果を得ることができる。すなわち、ガイド層の層厚を厚くしたり、その全体のＩｎ組成を高くしたりする必要がない。また、クラッド層をたとえばＡｌＧａＮで構成する場合に、そのＡｌ組成を過度に高める必要もない。その一方で、活性層から離れるほどＩｎ組成が低くなるので、たとえばＧａＮ層上にIII族窒化物半導体からなるレーザダイオード構造を形成する際の格子不整合が緩和される。そのため、格子不整合に起因する欠陥を抑制できるから、レーザダイオード構造は、優れた結晶性を有することができる。これにより、非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体を用いることで低閾値電流を実現しつつ、かつ、優れた発光効率が得られる半導体レーザ素子を実現できる。
【００１４】
ガイド層は活性層に近づくに従って連続的にＩｎ組成が減少する構成であってもよいが、前記ｐ型ガイド層およびｎ型ガイド層が、それぞれ複数のＩｎxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）を有しており、前記複数のＩｎxＧａ1-xＮ層は、前記活性層に近いほどＩｎ組成が大きくなる順序で積層されていてもよい。この場合は、活性層に近づくに従って段階的にＩｎ組成が増大することになる。
【００１５】
上記の構成において、前記複数のＩｎxＧａ1-xＮ層の少なくとも一層が、ＩｎＧａＮ超格子で構成されており、前記ＩｎＧａＮ超格子の構成素層の膜厚の比率を調整することによって、平均Ｉｎ組成が変調されていてもよい。より具体的には、ガイド層を構成する複数のＩｎxＧａ1-xＮ層は、Ｉｎ組成の大きな第１Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎ層とＩｎ組成の小さな第２Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎ層（０≦ｘ２＜ｘ１≦１）とを所定の周期厚で繰り返し積層した超格子で構成することができる。この場合に、第１Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎ層および第２Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎ層の層厚比率を変化させることによって、超格子全体の平均ＩｎＧａＮ組成を変調することができる。
【００１６】
また、上記の構成において、前記ｐ型ガイド層の全層厚途中に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層が介装されていてもよい。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、キャリヤのオーバーフローを防ぐ。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、屈折率が小さいので、活性層の近傍に位置していると、光閉じ込めを弱めるおそれがある。そこで、この発明では、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層がｐ型ガイド層の全層厚途中に介装されている。これにより、活性層から離隔した位置にｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を配置できるから、光閉じ込めを強化することができる。これにより、発光効率を一層高めることができる。
【００１７】
さらに、上記の構成において、前記活性層から前記ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層までの距離が４０ｎｍ以上であってもよい。
活性層から４０ｎｍ以上離してｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を配置することによって、充分な光閉じ込め効果を得ることができ、光強度のプロファイルに対するｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層の影響を充分に抑制できる。これにより、発光効率が高い半導体レーザ素子を実現できる。
【００１８】
また、上記の構成において、前記活性層から前記ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層までの距離が４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を活性層から４０ｎｍ〜１００ｎｍの距離範囲に配置することで、前述の効果に加えて、充分に高い光強度を得ることができる。すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層の働きによるキャリヤ閉じ込め効果を充分に得ることができるので、光強度のプロファイルが充分に急峻な形状を有する。これにより、光閉じ込めおよびキャリヤ閉じ込めを良好に行える結果、発光効率の向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿う縦断面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿う横断面図である。
【図４】前記半導体レーザダイオードの活性層の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図５】共振器端面に形成された絶縁膜（反射膜）の構成を説明するための図解図である。
【図６】III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。
【図７】III族窒化物半導体積層構造を構成する各層の組成例を示す図である。
【図８】III族窒化物半導体積層構造を構成する各層の他の組成例を示す図である。
【図９】図９Ａは図７の構成における各層の屈折率を図解的に示す図であり、図９Ｂは図８の構成における各層の屈折率を図解的に示す図である。
【図１０】III族窒化物半導体積層構造を構成する各層のさらに他の組成例を示す図である。
【図１１−１】図１１Ａ〜図１１Ｄは、図７の構成に対する光強度のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１−２】図１１Ｅ〜図１１Ｈは、図７の構成に対する光強度のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２−１】図１２Ａ〜図１２Ｄは、図７の構成に対する光強度の別のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２−２】図１２Ｅ〜図１２Ｈは、図７の構成に対する光強度の別のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３−１】図１３Ａ〜図１３Ｃは、図７の構成に対する光強度のさらに別のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３−２】図１３Ｄ〜図１３Ｇは、図７の構成に対する光強度のさらに別のシミュレーション結果を示す図である。
【図１４】III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図２は、図１のII−II線に沿う縦断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿う横断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（III族窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ型電極３と、III族窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ型電極４とを備えたファブリペロー型のものである。
【００２１】
基板１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板１は、非極性面の一つであるｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造２が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造２は、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
III族窒化物半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してコヒーレントに成長されている。コヒーレントな成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪みによって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。無歪みの状態でのＩｎＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいので、ＩｎＧａＮ層にはａ軸方向への圧縮応力（圧縮歪み）が生じる。
【００２２】
III族窒化物半導体積層構造２は、活性層（発光層）１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は活性層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は活性層１０に対してｐ型電極４側に配置されている。こうして、活性層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが活性層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
【００２３】
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ガイド層１５（たとえば総厚０．１μｍ）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、活性層１０の上に、ｐ型ガイド層１６（たとえば総厚０．１μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、ｐ型ガイド層１６の全層厚途中に介装されている。換言すれば、ｐ型ガイド層１６は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７を挟んで、活性層１０に近い内側部分と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８に近い外側部分とに分割されている。
【００２４】
ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は低抵抗層である。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型電極４とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。
【００２５】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、活性層１０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ｎ型ガイド層１５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ガイド層１６よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。
【００２６】
活性層１０の発光波長が４５０ｎｍ以上の長波長域に設定されている場合には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、Ａｌの平均組成が５％以下のＡｌＧａＮで構成されていることが好ましい。これにより、クラックの発生を抑止できる。クラッド層１４，１８は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との超格子構造で構成することもできる。この場合でも、クラッド層１４，１８全体のＡｌ平均組成が５％以下とされることが好ましい。
【００２７】
ｎ型ガイド層１５およびｐ型ガイド層１６は、活性層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層であり、かつ、クラッド層１４，１８とともに、活性層１０への光閉じ込め構造を形成している。これにより、活性層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ガイド層１５は、たとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ガイド層１６は、たとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）ことによってｐ型半導体とされている。
【００２８】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）して形成されたｐ型半導体であり、活性層１０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
活性層１０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。
【００２９】
活性層１０は、この実施形態では、図４に示すように、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層（たとえば３ｎｍ厚）２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）構造を有している。この場合に、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層２２１は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、ＡｌＧａＮからなる障壁層２２２は、バンドギャップが比較的大きくなる。たとえば、量子井戸層２２１と障壁層２２２とは交互に２〜７周期繰り返し積層されており、これにより、多重量子井戸構造の活性層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層２２１のバンドギャップに対応しており、バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。インジウムの組成比を大きくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が大きくなる。この実施形態では、発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。前記多重量子井戸構造は、Ｉｎを含む量子井戸層２２１の数が３以下とされることが好ましい。
【００３０】
障壁層２２２は、その膜厚を３ｎｍ〜８ｎｍ（たとえば７ｎｍ厚）とする。これにより、活性層１０まわりの平均屈折率を高くすることができるため、良好な光閉じ込め効果が得られ、低閾値電流を実現できる。たとえば、連続波発振の基準となる１００ｍＡ以下の閾値電流を実現できる。障壁層２２２の膜厚が３ｎｍ未満では、障壁層としての機能が得難く、また、８ｎｍを超える膜厚では、活性層１０まわりの光閉じ込め効果が弱くなり、連続波発振が困難になるおそれがある。
【００３１】
活性層１０まわりの平均屈折率をより高くし、光閉じ込めをより強く行うためには、障壁層２２２は、そのＡｌ組成を５％以下とすることが好ましい。
図１等に示すように、ｐ型半導体層１２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ２０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層１９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、およびｐ型ガイド層１６の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状（メサ形）のリッジストライプ２０が形成されている。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。
【００３２】
III族窒化物半導体積層構造２は、リッジストライプ２０の長手方向両端における劈開により形成された一対の端面２１，２２（劈開面）を有している。この一対の端面２１，２２は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直である。こうして、ｎ型ガイド層１５、活性層１０およびｐ型ガイド層１６によって、端面２１，２２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、活性層１０で発生した光は、共振器端面２１，２２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面２１，２２からレーザ光として素子外に取り出される。
【００３３】
ｎ型電極３およびｐ型電極４は、たとえばＡｌ金属からなり、それぞれｐ型コンタクト層１９および基板１にオーミック接続されている。ｐ型電極４がリッジストライプ２０の頂面（ストライプ状の接触領域）のｐ型ＧａＮコンタクト層１９だけに接触するように、ｐ型ガイド層１６、およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の露出面を覆う絶縁層６が設けられている。これにより、リッジストライプ２０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジストライプ２０の表面は、ｐ型電極４との接触部を除く領域が絶縁層６で覆われて保護されているので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができるとともに、側面からのリーク電流を防ぐことができる。絶縁層６は、屈折率が１よりも大きな絶縁材料、たとえば、ＳｉＯ2やＺｒＯ2で構成することができる。
【００３４】
さらに、リッジストライプ２０の頂面はｍ面となっていて、このｍ面にｐ型電極４が形成されている。そして、ｎ型電極３が形成されている基板１の裏面もｍ面である。このように、ｐ型電極４およびｎ型電極３のいずれもがｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。
共振器端面２１，２２は、それぞれ絶縁膜２３，２４（図１では図示を省略した。）によって被覆されている。共振器端面２１は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面２２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面２１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面２２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜２４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。
【００３５】
図５に図解的に示すように、＋ｃ面である共振器端面２１を被覆するように形成された絶縁膜２３は、たとえばＺｒＯ2の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面２２に形成された絶縁膜２４は、たとえばＳｉＯ2膜とＺｒＯ2膜とを交互に複数回（図５の例では５回）繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。絶縁膜２３を構成するＺｒＯ2の単膜は、その厚さがλ／２ｎ1（ただし、λは活性層１０の発光波長。ｎ1はＺｒＯ2の屈折率）とされている。一方、絶縁膜２４を構成する多重反射膜は、膜厚λ／４ｎ2（但しｎ2はＳｉＯ2の屈折率）のＳｉＯ2膜と、膜厚λ／４ｎ1のＺｒＯ2膜とを交互に積層した構造となっている。
【００３６】
このような構造により、＋ｃ軸側端面２１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面２２における反射率が大きくなっている。より具体的には、たとえば、＋ｃ軸側端面２１の反射率は２０％程度とされ、−ｃ軸側端面２２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、＋ｃ軸側端面２１から、より大きなレーザ出力が出射されることになる。すなわち、この半導体レーザダイオード７０では、＋ｃ軸側端面２１が、レーザ出射端面とされている。
【００３７】
このような構成によって、ｎ型電極３およびｐ型電極４を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を活性層１０に注入することによって、この活性層１０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面２１，２２の間をガイド層１５，１６に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面２１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
【００３８】
図６は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
【００３９】
ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
【００４０】
＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
【００４１】
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
【００４２】
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長法によって、半導体レーザダイオード構造を構成するIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、活性層１０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
【００４３】
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
【００４４】
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、活性層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。
【００４５】
さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む活性層１０には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、量子バンド構造が、ｃ面を主面として結晶成長された活性層とは異なるものとなる。したがって、ｃ面を成長主面とした活性層の場合とは異なる利得が得られ、レーザ特性が向上する。
【００４６】
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
活性層１０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。
【００４７】
また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
【００４８】
図７は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の組成例を示す図である。この例では、ｎ型ガイド層１５は、Ｉｎ組成が比較的大きいＩｎＧａＮ（図７の例ではＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ）からなる第１部分１５１と、Ｉｎ組成が比較的小さいＩｎＧａＮ（図７の例ではＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ）からなる第２部分１５２とを積層して構成されている。Ｉｎ組成が比較的大きい第１部分１５１は、Ｉｎ組成が比較的小さい第２部分１５２よりも活性層１０に近い側に配置されている。
【００４９】
同様に、ｐ型ガイド層１６は、Ｉｎ組成が比較的大きいＩｎＧａＮ（図７の例ではＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ）からなる第１部分１６１と、Ｉｎ組成が比較的小さいＩｎＧａＮ（図７の例ではＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ）からなる第２部分１６２とを備えており、これらの間に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が介装されている。Ｉｎ組成が比較的大きい第１部分１６１は、Ｉｎ組成が比較的小さい第２部分１６２よりも活性層１０に近い側に配置されている。すなわち、活性層１０側から順に、第１部分１６１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７、および第２部分１６２が、この順で積層されている。
【００５０】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、この例では、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎで構成されている。また、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１８は、この例では、いずれもＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎで構成されている。
なお、ｐ型電子ブロック層１７は、Ｉｎ組成の異なる第１部分１６１と第２部分１６２との間に配置される必要はなく、第１部分１６１の層厚途中や第２部分１６２の層厚途中に配置されてもよい。つまり、ｐ型電子ブロック層１７の一方側と他方側とにそれぞれ接するガイド層部分は、組成が異なっていてもよいし、組成が等しくてもよい。ただし、活性層１０からｐ型電子ブロック層１７までの距離があまり大きくなると、キャリヤのオーバーフローを抑制する機能が損なわれ、発光効率が悪くなるおそれがある。
【００５１】
図８は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の他の組成例を示す図である。この例では、ｎ型ガイド層１５は、第１部分１５１、第２部分１５２および第３部分１５３を積層して構成されている。第１部分１５１はＩｎ組成が最も大きいＩｎＧａＮ（図８の例ではＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ）からなり、第２部分１５２はＩｎ組成が次に大きいＩｎＧａＮ（図８の例ではＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ）からなり、第３部分１５３はＩｎ組成が最も小さいＩｎＧａＮ（図８の例ではＧａＮ。すなわち、Ｉｎを含まない。）からなる。Ｉｎ組成が最も大きい第１部分１５１は、第２および第３部分１５２，１５３よりも活性層１０に近い側に配置されている。また、２番目にＩｎ組成が大きい第２部分１５２は、Ｉｎを含まない第３部分１５３よりも活性層１０に近い側に配置されている。
【００５２】
同様に、ｐ型ガイド層１６は、第１部分１６１、第２部分１６２および第３部分１６３を有している。第１部分１６１はＩｎ組成が最も大きいＩｎＧａＮ（図８の例ではＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ）からなり、第２部分１６２はＩｎ組成が次に大きいＩｎＧａＮ（図８の例ではＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ）からなり、第３部分１６３はＩｎ組成が最も小さいＩｎＧａＮ（図８の例ではＧａＮ。すなわち、Ｉｎを含まない。）からなる。そして、第１および第２部分１６２，１６３の間に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が介装されている。Ｉｎ組成が最も大きい第１部分１６１は、第２および第３部分１６２，１６２よりも活性層１０に近い側に配置されている。また、２番目にＩｎ組成が大きな第２部分１６２は、Ｉｎを含まない第３部分１６３よりも活性層１０に近い側に配置されている。すなわち、活性層１０側から順に、第１部分１６１、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７、第２部分１６２、および第３部分１６３が、この順で積層されている。
【００５３】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、この例では、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎで構成されている。また、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１８は、この例では、いずれもＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎで構成されている。
なお、ｐ型電子ブロック層１７は、Ｉｎ組成の異なる第１部分１６１と第２部分１６２との間に配置される必要はなく、第１部分１６１、第２部分１６２または第３部分１６３のいずれかの層厚途中に配置されてもよい。また、ｐ型電子ブロック層１７は、第２部分１６２と第３部分１６３との間に配置されてもよい。つまり、ｐ型電子ブロック層１７の一方側と他方側とにそれぞれ接するガイド層部分は、組成が異なっていてもよいし、組成が等しくてもよい。ただし、活性層１０からｐ型電子ブロック層１７までの距離があまり大きくなると、キャリヤのオーバーフローを抑制する機能が損なわれ、発光効率が悪くなるおそれがある。
【００５４】
図９Ａは図７の構成における各層の屈折率を図解的に示す図であり、図９Ｂは図８の構成における各層の屈折率を図解的に示す図である。横軸はIII族窒化物半導体積層構造２の表面からの深さを表し、縦軸は屈折率を表す。いずれの構成の場合も、ガイド層１５，１６は、活性層１０側ほど屈折率が高くなっている。これにより、活性層１０に向かって屈折率が高くなる構造とすることができるので、ＩｎＧａＮ層の層厚を厚くしなくとも、良好な光閉じ込め効果を得ることができ、また、ガイド層１５，１６全体の平均Ｉｎ組成を低くすることができる。これにより、活性層１０の付近における圧縮応力の集中を低減できるから、欠陥の発生を抑制できる。その結果、発光効率を高めることができる。
【００５５】
図１０は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層のさらに他の組成例を示す図である。この例では、ｎ型ガイド層１５は、ＩｎＧａＮ（図１０の例ではＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ）からなる第１部分２５１と、超格子構造の第２部分２５２と、超格子構造の第３部分２５３とを積層して構成されている。第２部分２５２の平均Ｉｎ組成は、第１部分２５１のＩｎ組成よりも小さい。また、第３部分２５３の平均Ｉｎ組成は、第２部分２５２の平均Ｉｎ組成よりも小さい。より具体的には、第２部分２５２は、層厚３ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層と層厚３ｎｍのＧａＮ層とを交互に繰り返し積層した周期６ｎｍの超格子構造を有している。また、第３部分２５３は、層厚２ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層と層厚４ｎｍのＧａＮ層とを交互に繰り返し積層した周期６ｎｍの超格子構造を有している。すなわち、超格子構造の構成素層の膜厚比率を変えることによって、平均Ｉｎ組成が変調されている。Ｉｎ組成が最も大きい第１部分２５１は、第２および第３部分２５２，２５３よりも活性層１０に近い側に配置されている。また、Ｉｎ組成（平均Ｉｎ組成）が２番目に大きい第２部分２５２は、第３部分２５３よりも活性層１０に近い側に配置されている。
【００５６】
同様に、ｐ型ガイド層１６は、ＩｎＧａＮ（図１０の例ではＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ）からなる第１部分２６１と、超格子構造の第２部分２６２と、超格子構造の第３部分２６３とを有している。そして、第１部分２６１と第２部分２６２とに間に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が介装されている。第２部分２６２の平均Ｉｎ組成は、第１部分２６１のＩｎ組成よりも小さい。また、第３部分２６３の平均Ｉｎ組成は、第２部分２６２の平均Ｉｎ組成よりも小さい。より具体的には、第２部分２６２は、層厚３ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層と層厚３ｎｍのＧａＮ層とを交互に繰り返し積層した周期６ｎｍの超格子構造を有している。また、第３部分２６３は、層厚２ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層と層厚４ｎｍのＧａＮ層とを交互に繰り返し積層した周期６ｎｍの超格子構造を有している。すなわち、超格子構造の構成素層の膜厚比率を変えることによって、平均Ｉｎ組成が変調されている。Ｉｎ組成が最も大きい第１部分２６１は、第２および第３部分２６２，２６３よりも活性層１０に近い側に配置されている。また、Ｉｎ組成（平均Ｉｎ組成）が２番目に大きい第２部分２６２は、第３部分２６３よりも活性層１０に近い側に配置されている。
【００５７】
このような構造によっても、ガイド層１５，１６を、活性層１０に向かって屈折率が高くなる構造とすることができるから、ガイド層１５，１６の層厚および全体の平均Ｉｎ組成を低減しつつ、良好な光閉じ込め効果を得ることができる。これにより、結晶欠陥を抑制しつつ優れた発光効率を実現することができる。
なお、第１部分２６１についても超格子構造とし、その構成素層の膜厚比率によって、所要の平均Ｉｎ組成を実現する構成としてもよい。また、超格子構造は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とからなる必要はなく、Ｉｎ組成の比較的高い第１ＩｎＧａＮ層と、Ｉｎ組成が比較的低い第２ＩｎＧａＮ層とを交互に繰り返し積層して超格子構造としてもよい。さらに、ｐ型電子ブロック層１７は、Ｉｎ組成の異なる第１部分２６１と第２部分２６２との間に配置される必要はなく、第１部分２６１の層厚途中に配置されてもよいし、第２２部分２６２の層厚途中に配置されてもよいし、第３部分２６２の層厚途中に配置されてもよい。また、第２部分２６２と第３部分２６３との間に配置されてもよい。つまり、ｐ型電子ブロック層１７の一方側と他方側とにそれぞれ接するガイド層部分は、組成が異なっていてもよいし、組成が等しくてもよい。ただし、活性層１０からｐ型電子ブロック層１７までの距離があまり大きくなると、キャリヤのオーバーフローを抑制する機能が損なわれ、発光効率が悪くなるおそれがある。
【００５８】
図１１Ａ〜図１１Ｈは、図７の構成に対する光強度のシミュレーション結果を示す。各図の横軸はIII族窒化物半導体積層構造２の表面からの深さＹ（μｍ）であり、階段状の折れ線は各層の屈折率（Refractive Index）を表し、山形の曲線は光強度（Optical Intensity（任意単位））を表す。ただし、発光波長は５００ｎｍ（緑色）とし、ｐ型電子ブロック層１７については、その組成をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎとし、層厚を２０ｎｍとした。また、ガイド層１５，１６の構成層のうち、活性層１０から遠い側の第２部分１５２，１６２は、その組成をＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎとし、層厚を２００ｎｍとした。ガイド層１５，１６の構成層のうち、活性層１０に近い側の第１部分１５１，１６１については、その組成をＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎとし、層厚（すなわち、活性層１０からｐ型電子ブロック層１７までの距離）を各図に記載のとおり、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で種々に設定した。
【００５９】
図１２Ａ〜図１２Ｈは、図７の構成に対する光強度の別のシミュレーション結果を示す。図１１Ａ〜図１１Ｈのシミュレーションとの相違は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の組成を、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎとしたことである。
図１３Ａ〜図１３Ｇは、図７の構成に対する光強度のさらに別のシミュレーション結果を示す。図１１Ａ〜図１１Ｈのシミュレーションとの相違は、ｎ型ガイド層１５については、活性層１０に近い第１部分１５１の層厚を８０ｎｍに固定したことである。すなわち、ｐ型ガイド層１６の第１第１部分１６１についてのみ、層厚（すなわち、活性層１０からｐ型電子ブロック層１７までの距離）を各図に記載のとおり、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲で種々に設定した。
【００６０】
これらのシミュレーション結果に対する評価は次のとおりである。
図１１Ａ〜図１１Ｄのシミュレーション結果では、光強度のプロファイルにおいて、ｐ型側の領域に明確な段差が生じている。すなわち、いわば２段ピーク形状の光強度プロファイルとなっている。したがって、光閉じ込めが不充分であり、ファーフィールドパターンの形状が悪くなるおそれがある。これに対して、図１１Ｅ〜図１１Ｈのシミュレーション結果では、光強度のプロファイルにおいて、ｐ型側の領域に生じている屈曲点が、最高強度の半分程度以下の範囲に位置しており、ガウス分布に近いプロファイルとなっている。したがって、良好な光閉じ込めを得ることができ、ファーフィールドパターンも良好であると考えられる。よって、ガイド層１５，１６において活性層１０に近い側の第１部分１５１，１６１の層厚は４０ｎｍ以上であれば、良好な発光効率の半導体レーザ素子を実現できると考えられる。ただし、図１１Ｈのシミュレーション結果からは、第１部分１５１，１６１の層厚は１００ｎｍを超えると、光強度が不充分になることが懸念されるので、それらの層厚は１００ｎｍ以下が好ましいと考えられる。
【００６１】
図１２Ａ〜図１２Ｈのシミュレーション結果からは、図１１Ａ〜図１１Ｈのシミュレーション結果と同様な考察が可能である。したがって、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の組成は、光閉じ込め特性に大きな影響を与えないことが分かる。一般に、ｐ型電子ブロック層１７のＡｌ組成は１５％〜２０％の範囲とされる。これは、Ａｌ組成が１５％未満であると電子ブロック効果を期待できず、Ａｌ組成が２０％を超えるとｐ型化が困難となり活性層１０に正孔を供給できなくなるおそれがあるからである。
【００６２】
次に、図１３Ａ〜図１３Ｃのシミュレーション結果では、光強度のプロファイルにおいて、ｐ型部分に明確な段差が生じている。すなわち、いわば２段ピーク形状の光強度プロファイルとなっている。これに対して、図１３Ｄ〜図１３Ｇのシミュレーション結果では、光強度のプロファイルにおいて、ｐ型部分に生じている屈曲点が、最高強度の半分程度以下の範囲に位置しており、ガウス分布に近いプロファイルとなっている。よって、ｐ型ガイド層１６において活性層１０に近い側の第１部分１６１の層厚は４０ｎｍ以上であれば、良好な発光効率の半導体レーザ素子を実現できると考えられる。ただし、図１３Ｇのシミュレーション結果からは、第１部分１６１の層厚は１００ｎｍを超えると、光強度が不充分になることが懸念されるので、その層厚は１００ｎｍ以下が好ましいと考えられる。
【００６３】
以上より、活性層１０からｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７までの距離を４０ｎｍ以上とすることによって、良好な光強度プロファイルが得られることが分かる。そして、その距離を１００ｎｍ以下とすることによって、充分な光強度が得られることが分かる。
ただし、図１１Ａ〜図１１Ｈのシミュレーション結果と図１３Ａ〜図１３Ｇのシミュレーション結果とを比較すると、図１３Ｈ〜図１３Ｇのシミュレーション結果においては、光強度プロファイルの中心が活性層１０よりもｎ型半導体層１１側にシフトしている。したがって、ｎ型ガイド層１５およびｐ型ガイド層１６の構成を活性層１０に対して対称とする方が、発光効率の向上の観点で有利であることが分かる。
【００６４】
図１４は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。
【００６５】
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
【００６６】
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
【００６７】
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層１３が成長する。
【００６８】
次に、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６に加えて、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、シランおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４がエピタキシャル成長させられる。このときＡｌＧａＮクラッド層１４のＡｌ組成が５％以下となるように、各原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量比が調整される。
【００６９】
次いで、アルミニウム原料バルブ５３を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４、およびシリコン原料バルブ５６を開く。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４上にｎ型ガイド層１５がエピタキシャル成長させられる。このｎ型ガイド層１５の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。
【００７０】
ｎ型ガイド層１５を図７の構成とするには、原料ガスの流量比の調整によって、始めにＩｎ組成が比較的小さい第２部分１５２が形成され、次にＩｎ組成が比較的大きい第１部分１５１が形成される。また、ｎ型ガイド層１５を図８の構成とするには、原料ガスの流量比を調整することによって、始めにＧａＮからなる（Ｉｎを含まない）第３部分１５３が形成され、次にＩｎＧａＮからなるＩｎ組成の大きな第２部分１５３が形成され、さらにその上に第２部分１５２よりもＩｎ組成の大きな第１部分１５１が形成される。ｎ型ガイド層１５を図１０の構成とするには、原料ガスの流量比を調整することによって、始めに第３部分２５３が形成され、その上に第２部分２５２が形成され、そのうえに第１部分２５１が形成される。超格子構造の第２および第３部分２５２，２５３を形成するには、所要層厚のｎ型ＩｎＧａＮ層を形成する工程と、所要層厚のｎ型ＧａＮ層を形成する工程とを交互に繰り返し実行する。ｎ型ＩｎＧａＮ層を形成する工程では、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４およびシリコン原料バルブ５６を開き、他の原料バルブを閉じることにより、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびシランがウエハ３５へと供給される。ｎ型ＧａＮ層を形成する工程では、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６を開き、他の原料バルブを閉じることにより、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランがウエハ３５へと供給される。
【００７１】
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の活性層１０（発光層）の成長が行われる。活性層１０の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびアルミニウム原料バルブ５３を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムをウエハ３５へと供給することにより、ＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。具体的には、障壁層２２２を始めに形成し、その上に量子井戸層２２１を形成する。これを、たとえば、２回に渡って繰り返し行い、最後に障壁層２２２を形成する。障壁層２２２の形成時には、形成される層のＡｌ組成が５％以下となるように、原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量比が調節される。活性層１０の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
【００７２】
次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたｐ型ＩｎＧａＮ層からなるガイド層１６の内側部分（図７、図８および図１０の構成における第１部分１６１，２６１）が形成されることになる。Ｉｎ組成は、原料ガスの流量比を調整することによって所要の値に制御される。このｐ型ガイド層１６の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。
【００７３】
次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００７４】
次に、ｐ型ガイド層１６の外側部分（図７、図８および図１０の構成における第２部分１６２，１６３および第３部分２６２，２６３）が形成される。ｐ型ガイド層１６を図７の構成とするには、原料ガスの流量比の調整によって、第１部分１６１よりもＩｎ組成が小さいＩｎＧａＮからなる第２部分１６２がｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の上に形成される。また、ｐ型ガイド層１６を図８の構成とするには、原料ガスの流量比を調整することによって、始めに第１部分１６１よりもＩｎ組成の小さなＩｎＧａＮからなる第２部分１６２がｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の上に形成され、次にＧａＮからなる（Ｉｎを含まない）第３部分１６３がその上に形成される。ｐ型ガイド層１６を図１０の構成とするには、原料ガスの流量比を調整することによって、始めに第２部分２５２がｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の上に形成され、第３部分２６３がその上に形成される。超格子構造の第２および第３部分２６２，２６３を形成するには、所要層厚のｐ型ＩｎＧａＮ層を形成する工程と、所要層厚のｐ型ＧａＮ層を形成する工程とを交互に繰り返し実行する。ｐ型ＩｎＧａＮ層を形成する工程では、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４およびマグネシウム原料バルブ５５を開き、他の原料バルブを閉じることにより、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムがウエハ３５へと供給される。ｐ型ＧａＮ層を形成する工程では、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５を開き、他の原料バルブを閉じることにより、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムがウエハ３５へと供給される。
【００７５】
次いで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされてｐ型とされたＡｌＧａＮ層からなるクラッド層１８が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８のＡｌ組成が５％以下となるように、各原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量が調節されることが好ましい。
【００７６】
次に、ｐ型コンタクト層１９が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層１９が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００７７】
ｐ型半導体層１２を構成する各層は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長させられることが好ましい。これにより、活性層１０への熱ダメージを低減できる。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造２の構成層１０，１３〜１９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。より具体的には、ｎ型クラッド層１４から最上層のｐ型コンタクト層１９までにおいて、Ｖ／III比の平均値が１０００以上であることが好ましい。これにより、ｎ型クラッド層１４、活性層１０およびｐ型クラッド層１８の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。
【００７８】
この実施形態では、上記のような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とIII族窒化物半導体積層構造２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体積層構造２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。このIII族窒化物半導体積層構造２は、ＧａＮ単結晶基板１の主面から生じる積層欠陥や貫通転位を有していない。
【００７９】
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチング等のドライエッチングによって、ｐ型半導体層１２の一部を除去してリッジストライプ２０が形成される。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に平行になるように形成される。
リッジストライプ２０の形成後には、絶縁層６が形成される。絶縁層６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層１９を露出させるようにして、絶縁層６を形成できる。
【００８０】
次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９にオーミック接触するｐ型電極４が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３にオーミック接触するｎ型電極３が形成される。これらの電極３，４の形成は、たとえば、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって行うことができる。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をリッジストライプ２０に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。リッジストライプに平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面２１と、−ｃ面からなる共振器端面２２とが形成される。
【００８１】
次に、共振器端面２１，２２に、それぞれ前述の絶縁膜２３，２４が形成される。この絶縁膜２３，２４の形成は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法によって行うことができる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。
【００８２】
たとえば、前述の実施形態では、ガイド層１５，１６が２層または３層の構造を有する例を挙げたが、ガイド層１５，１６を４層以上の構成とすることもできる。この場合、活性層１０に近い方からｉ番目の組成をＩｎxiＧａ1-xiＮ（０≦ｘi≦１。ｉ＝１，２，３，…）と表すとすると、任意のｉに対して、ｘi-1＞ｘi＞ｘi+1が成立するように各層のＩｎ組成ｘiを定めればよい。
【００８３】
また、前述の実施形態では、リッジストライプ２０をｃ軸に平行に形成した構造について説明したが、リッジストライプ２０をａ軸に平行とし、共振器端面をａ面としてもよい。また、基板１の主面は、ｍ面に限らず、他の非極性面であるａ面としてもよいし、半極性面としてもよい。
さらにまた、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の層厚や不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。
【００８４】
また、III族窒化物半導体積層構造２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板１を除去し、基板１のない半導体レーザダイオードとすることもできる。
また、前述の実施形態では、量子井戸層が複数個設けられた多重量子井戸構造の活性層を有する素子について説明したが、活性層の構造は、量子井戸層が１個の量子井戸構造としてもよい。
【００８５】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１      基板（ＧａＮ単結晶基板）
２      III族窒化物半導体積層構造
３      ｎ側電極
４      ｐ側電極
６      絶縁層
１０    活性層
２２１  量子井戸層
２２２  障壁層
１１    ｎ型半導体層
１２    ｐ型半導体層
１３    ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５    ｎ型ガイド層
１５１  第１部分
１５２  第２部分
１５３  第３部分
２５１  第１部分
２５２  第２部分
２５３  第３部分
１６    ｐ型ガイド層
１６１  第１部分
１６２  第２部分
１６３  第３部分
２６１  第１部分
２６２  第２部分
２６３  第３部分
１７    ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１８    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９    ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０    リッジストライプ
２１，２２    端面
２３，２４    絶縁膜
３０    処理室
３１    ヒータ
３２    サセプタ
３３    回転軸
３４    回転駆動機構
３５    基板
３６    排気配管
４０    原料ガス導入路
４１    窒素原料配管
４２    ガリウム原料配管
４３    アルミニウム原料配管
４４    インジウム原料配管
４５    マグネシウム原料配管
４６    シリコン原料配管
５１    窒素原料バルブ
５２    ガリウム原料バルブ
５３    アルミニウム原料バルブ
５４    インジウム原料バルブ
５５    マグネシウム原料バルブ
５６    シリコン原料バルブ
７０    半導体レーザダイオード
【図１】
2010177651.tif 000003
【図２】
2010177651.tif 000004
【図３】
2010177651.tif 000005
【図４】
2010177651.tif 000006
【図５】
2010177651.tif 000007
【図６】
2010177651.tif 000008
【図７】
2010177651.tif 000009
【図８】
2010177651.tif 000010
【図９】
2010177651.tif 000011
【図１０】
2010177651.tif 000012
【図１１−１】
2010177651.tif 000013
【図１１−２】
2010177651.tif 000014
【図１２−１】
2010177651.tif 000015
【図１２−２】
2010177651.tif 000016
【図１３−１】
2010177651.tif 000017
【図１３−２】
2010177651.tif 000018
【図１４】
2010177651.tif 000019