(57)【要約】【課題】素子抵抗の低減、結晶歪みの抑制およびサイドリーク電流の発生抑制を実現し得る半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１０Ａは、下部電極層１１と、下部電極層１１上に形成された下部クラッド層２３と、下部クラッド層２３上に形成された発光層２４，２５，２７と、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂと、これら電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂ上に形成された上部クラッド層２８と、上部クラッド層２８上に形成された上部電極層１２Ａとを備える。上部クラッド層２８は、方向１３の分極電界を有する第１電界層２８６と、逆方向１４の分極電界を有する第２電界層２８５とを含む。【選択図】図１
2010016269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極層と、
前記下部電極層上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された活性層を含む発光層と、
前記発光層への電流流通路を挟み込むように前記発光層上に形成された第１および第２の電流狭窄層と、
前記第１および第２の電流狭窄層上に形成された上部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成された上部電極層と、
を備え、
前記上部クラッド層は、
積層方向に対して垂直方向の分極電界を有する第１電界層と、
前記第１電界層の分極電界の方向とは逆方向の分極電界を有する第２電界層と、
からなる分極反転構造を少なくとも１つ含む、半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子であって、前記第１の電流狭窄層、前記電流流通路および前記第２の電流狭窄層の全体の幅よりも前記上部電極層の幅の方が大きい、半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体発光素子であって、III族窒化物半導体基板を更に備え、
前記III族窒化物半導体基板上に、前記下部クラッド層、前記発光層、前記第１および第２の電流狭窄層、および前記上部クラッド層が順次形成されており、
前記III族窒化物半導体基板の下面に前記下部電極層が形成されている、
半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の半導体発光素子であって、前記III族窒化物半導体基板は、下地基板上にバッファ層を介してIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた後に、前記III族窒化物半導体層を前記下地基板から剥離させることにより得られる自立基板である、半導体発光素子。
【請求項５】
請求項３または４記載の半導体発光素子であって、前記下部クラッド層および前記発光層は、III族窒化物系化合物半導体からなる、半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記上部クラッド層の少なくとも一部がストライプ形状を有する、半導体発光素子。
【請求項７】
請求項６記載の半導体発光素子であって、前記ストライプ形状の長手方向と前記第１電界層の分極電界の方向とのなす角度は、０度より大きく、かつ９０度以下である、半導体発光素子。
【請求項８】
請求項３から５のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記III族窒化物半導体基板、前記下部クラッド層および前記発光層のいずれもウルツ鉱型の結晶構造を有し、
前記III族窒化物半導体基板の上面は、無極性面および半極性面のうちのいずれか一方の結晶面を有し、
前記第１電界層の格子定数は、前記III族窒化物半導体基板の格子定数よりも大きく、かつ、前記第２電界層の格子定数は、前記III族窒化物半導体基板の格子定数よりも小さい、半導体発光素子。
【請求項９】
請求項３から５のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記III族窒化物半導体基板、前記下部クラッド層および前記発光層のいずれもウルツ鉱型の結晶構造を有し、
前記III族窒化物半導体基板の上面は、無極性面および半極性面のうちのいずれか一方の結晶面を有し、
前記第１電界層は、前記垂直方向に圧縮歪みを有し、かつ、前記第２電界層は、前記垂直方向とは逆方向に引張り歪みを有する、半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１から９のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、前記第１電界層および前記第２電界層の光吸収端エネルギーは、前記下部クラッド層および前記発光層を少なくとも含む発光層の発光エネルギーよりも大きい、半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記下部クラッド層は、
積層方向に対して垂直方向の分極電界を有する第３電界層と、
前記第３電界層の分極電界の方向とは逆方向の分極電界を有する第４電界層と、
からなる分極反転構造を少なくとも１つ含む、半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流狭窄構造を有する半導体発光素子およびその関連技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体は、広い禁制帯を有し、直接遷移型のバンド構造を有するため、高効率の短波長発光を出力すると期待される発光素子の構成材料として盛んに検討されている。特に、近年、次世代の高密度光ディスク用光源としてこのIII族窒化物半導体を用いた発振波長４０５ｎｍ帯の青紫色半導体レーザ（Laser Diode: LD）の研究開発が精力的に進められている。
【０００３】
窒化物系青紫色ＬＤの代表的な構造としてはリッジストライプ構造がある。リッジストライプ構造は、たとえば、特許文献１（特開２００７−４９１８８号公報）に開示されている。リッジストライプ構造では、電極から注入された電流は、電流狭窄層に挟まれたリッジ部を介して活性層に供給される。このリッジストライプ構造を持つ半導体レーザを光ディスク用光源として使用する場合、レーザビームをスポット状にして効率よく絞り込むためにレーザビームの形状を整えることが要求される。また、レーザビームの遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）がガウシアン状の強度プロファイルを示すように横モード制御が要求される。このため、高出力青紫色ＬＤでは、リッジ幅を１．７μｍ程度まで狭くする必要がある。ところが、リッジ幅が狭くなるとリッジ部を流れる電流に対するバルク抵抗が増大する。また、リッジ部の上方にはコンタクト層と電極とが形成されており、当該電極の幅が狭いため、コンタクト層と電極との接合部でのコンタクト抵抗が増加する。したがって、特に高い動作電流密度が必要な高出力ＬＤでは、リッジ部および接合部での発熱により素子の劣化が生じるという問題がある。
【０００４】
これに対し、電流狭窄層が素子内部に埋め込まれた構造であるインナーストライプ構造が知られている。図４は、インナーストライプ構造を持つＬＤ素子（インナーストライプ型ＬＤ素子）１００Ａの構造を概略的に示す断面図である。このＬＤ素子１００Ａは、ｎ型電極１１１、ｎ型ＧａＮ基板１０１、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５、ｐ型光閉じ込め層１０７、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂ、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９およびｐ型上部電極１１２を有している。このインナーストライプ構造では、上部電極１１２の幅と面積とを広くとれる。よって、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂ間のストライプ領域（ｐ型ＧａＮ層１２０）の幅を比較的狭くすることが必要な高出力ＬＤにおいても、比較的広い領域で電流経路１１５を確保することにより、素子抵抗（バルク抵抗およびコンタクト抵抗）を低くし、発熱による素子劣化を抑制することが可能である。この種のインナーストライプ構造は、たとえば、特許文献２（特開２００５−１９８３５号公報）に開示されている。
【特許文献１】特開２００７−４９１８８号公報
【特許文献２】特開２００５−１９８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図４に示す電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂは、たとえば、活性層を含む発光層（ｎ型光閉じ込め層１０４、ＭＱＷ層１０５およびｐ型光閉じ込め層１０７）を形成した後、この発光層上にアモルファスＡｌＮ層を堆積し、このアモルファスＡｌＮ層を選択ウェットエッチングにより加工してストライプ状の開口部（電流流通領域）を形成することにより形成される。次いで、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂおよび発光層の上に、たとえばｐ型ＧａＮからなるクラッド層１０８を成長させる。電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂは、電流狭窄と光閉じ込めという２つの役割を担う。このため、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの構成材料として、当該電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの周辺にあるｐ型光閉じ込め層１０７やｐ型クラッド層１０８の結晶材料とはバンドギャップおよび屈折率が大きく異なる材料、すなわち、格子定数が大きく異なる材料を使用せざるをえない。たとえば、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの構成材料であるＡｌＮと、ｐ型クラッド層１０８の構成材料であるＧａＮとの間の面内格子定数の差は、２．４％にも及ぶ。それ故、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの幅が大きい場合には、当該電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの周辺領域での結晶歪みも大きくなるので、ＬＤ作製時のウェハ成長や素子化および組立てプロセスにおいて結晶欠陥が発生し易い。そこで、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの幅をできるだけ狭くすることが望ましい。
【０００６】
図５は、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの幅を狭くした場合のインナーストライプ型ＬＤ素子１００Ｂの構造を概略的に示す断面図である。図５に示されるように、結晶歪みの低減のために電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの幅を狭くすると、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂよりも外側の領域でサイドリーク電流経路１２１が発生し、これにより、注入電流対光出力（Ｉ−Ｌ）特性などのＬＤ特性が悪化する。特に、ストライプ領域１２０と電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂとの全体の幅（＝Ｗ）が、上部電極１１２の幅（＝Ｄ）よりも狭い場合（Ｗ＜Ｄ）に、サイドリーク電流経路１２１の影響が顕著に表れることとなる。よって、サイドリーク電流を抑制するには、当該全体の幅（＝Ｗ）と比べて上部電極１１２の幅（＝Ｄ）を狭くする必要がある。
【０００７】
以上より、インナーストライプ構造には、上部電極１１２の幅の拡大による素子抵抗の低減と、電流狭窄層１１８Ａ，１１８Ｂの小幅化による結晶歪みの抑制と、サイドリーク電流の発生抑制とをバランス良く実現することが求められる。
【０００８】
上記に鑑みて本発明は、素子抵抗の低減、結晶歪みの抑制およびサイドリーク電流の発生抑制を実現し得る構造を有する半導体発光素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、下部電極層と、前記下部電極層上に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された活性層を含む発光層と、前記発光層への電流流通路を挟み込むように前記発光層上に形成された第１および第２の電流狭窄層と、前記第１および第２の電流狭窄層上に形成された上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された上部電極層と、を備えた半導体発光素子が提供される。この半導体発光素子では、前記上部クラッド層は、積層方向に対して垂直方向の分極電界を有する第１電界層と、前記第１電界層の上面に接合され、かつ前記垂直方向とは逆方向の分極電界を有する第２電界層とからなる分極反転構造を少なくとも１つ含む。
【００１０】
この発明によれば、第１および第２の電流狭窄層上に形成された上部クラッド層は、互いに逆方向の分極電界を有する第１電界層および第２電界層を含む。第１電界層は、一方の端から他方の端へ向かう分極電界を有するので、第１電界層内には、当該一方の端から当該他方の端へ向かうにつれて低くなる電位ポテンシャルが存在する。他方、第２電界層は、当該他方の端から当該一方の端へ向かう分極電界を有するので、第２電界層内には、当該他方の端から当該一方の端へ向かうにつれて低くなる電位ポテンシャルが存在する。このため、第１電界層と第２電界層間の電位差は、両端間の或る領域で最小となり、両端へ向かうにつれて大きくなる。よって、上部電極層からの注入電流は、当該両端で流れ難く、第１電界層と第２電界層間の電位差が最小となる領域では流れやすいので、この領域に向かって電気的に収束することとなる。これにより、上部電極層から第１および第２の電流狭窄層への電流経路を制御できるので、これら電流狭窄層よりも外側の領域でサイドリーク電流が発生することを防止できる。
【００１１】
また、たとえ、第１の電流狭窄層、電流流通路および第２の電流狭窄層の全体の幅よりも上部電極層の幅の方が大きい場合でも、電流経路の制御によりサイドリーク電流の発生を防止できるため、電流狭窄層の幅を狭くして結晶歪みの発生を抑制することができる。更に、上部電極層の幅を大きくすることにより、素子抵抗を低くして、発熱による素子劣化を抑制することも可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明による半導体発光素子は、第１および第２の電流狭窄層間の電流流通路に効率的にキャリアを注入し得る構造を有するので、素子抵抗の低減、結晶歪みの抑制およびサイドリーク電流の発生抑制を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同一符号を付し、その詳細な説明は重複しないように適宜省略される。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態の利得導波路型レーザダイオード（ＬＤ）素子１０Ａの概略構造を示す断面図である。図１に示されるように、このＬＤ素子１０Ａは、III族窒化物半導体基板２１の上面（主面）に、ｎ型クラッド層（下部クラッド層）２３、ｎ型光閉じ込め層２４、活性層である多重量子井戸（ＭＱＷ）層２５が順次積層されている。III族窒化物半導体基板２１の下面にはｎ型電極１１が設けられている。III族窒化物半導体基板２１としては、たとえば、ｎ型ＧａＮ基板を使用すればよい。ｎ型クラッド層２３、ｎ型光閉じ込め層２４およびＭＱＷ層２５は、III族窒化物系化合物半導体で構成すればよい。
【００１５】
ｎ型光閉じ込め層２４、ＭＱＷ層２５およびｐ型光閉じ込め層２７は、発光層を構成している。この発光層上に、電流流通路（開口部）を挟み込む電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂが形成されている。これら電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂの間にｐ型III族窒化物層２０が埋め込まれている。そして、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂおよびｐ型III族窒化物層２０の上に、ｐ型クラッド層（上部クラッド層）２８、ｐ型コンタクト層２９およびｐ型電極（上部電極）１２Ａが順次積層されている。
【００１６】
また、ｐ型クラッド層２８およびｐ型コンタクト層２９からなる積層構造は、図面に対して垂直な方向を長手方向とするストライプ状に加工されている。なお、本実施形態では、ｐ型クラッド層２８の全体がストライプ形状を有するが、これに限定されるものではなく、ｐ型クラッド層２８の一部がストライプ形状を有していてもよい。
【００１７】
ｐ型クラッド層２８は、積層方向に対して垂直方向１３の分極電界（以下、この種の分極電界を「第１分極電界」と呼ぶ。）を有する電界層２８６と、この分極電界の方向１３とは逆方向１４の分極電界（以下、この種の分極電界を「第２分極電界」と呼ぶ。）を有する電界層２８５とからなる分極反転構造を含む。ｐ型クラッド層２８は、更に、第１分極電界を有する電界層２８４と第２分極電界を有する電界層２８３とからなる分極反転構造を含み、第１分極電界を有する電界層２８２と第２分極電界を有する電界層２８１とからなる分極反転構造を含む。すなわち、ｐ型III族窒化物層２０上に、第１分極電界を有する電界層と第２分極電界を有する電界層とが交互に積層されている。
【００１８】
III族窒化物半導体基板２１、ｎ型クラッド層２３、ｎ型光閉じ込め層２４、ＭＱＷ層２５、ｐ型光閉じ込め層２７およびｐ型III族窒化物層２０のいずれも、ウルツ鉱型の結晶構造を有しており、ｐ型III族窒化物層２０は、III族窒化物半導体基板２１の主面からの結晶情報を引き継いでいる。III族窒化物半導体基板２１としては、無極性面または半極性面を主面として有するものが使用される。ミラー指数を用いると、無極性面は、（１−１００）面、（１１−２０）面または（−１−１２０）面で表現される。半極性面は、（１１−２２）面または（１−１０１）面で表現される。要するに、いわゆるｃ面と呼ばれる（０００１）面または（０００−１）面に対して直交または交差する結晶面が、III族窒化物半導体基板２１の主面として使用される。この理由は、電界層２８１〜２８６内の分極電界が、主にｃ軸に沿った方向に形成されるためである。
【００１９】
第１分極電界を有する電界層２８６は、このようなｐ型III族窒化物層２０上に形成されており、III族窒化物半導体基板２１よりも大きな格子定数を有するため、積層方向に対して垂直な方向に圧縮歪みを有する。この圧縮歪みにより電界層２８６内に分極が発生し、これにより電界層２８６内には第１分極電界が形成される。たとえば、ｐ型III族窒化物層２０をＧａＮ層とし、電界層２８６をＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ層（０≦ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）とした場合、電界層２８６がＧａＮ層よりも大きな格子定数を有するように材料組成比ｘ，ｙを最適な値に調整することができる。
【００２０】
この電界層２８６上に形成される電界層２８５は、III族窒化物半導体基板２１よりも小さな格子定数を有するため、積層方向に対して垂直な方向に引張り歪みを有する。この引張り歪みにより電界層２８５内に分極が発生し、これにより電界層２８５内には逆方向１４の第２分極電界が形成されることとなる。たとえば、ｐ型III族窒化物層２０をＧａＮ層とし、電界層２８５をＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）とした場合、電界層２８５がＧａＮ層よりも小さな格子定数を有するように材料組成比ｘを最適な値に設定することができる。
【００２１】
他の電界層２８４，２８２も、電界層２８６と同じ結晶構造を有する材料で構成されるため、電界層２８６と同様の圧縮歪みを有している。また、電界層２８３，２８１は、電界層２８５と同じ結晶構造を有する材料で構成されるため、電界層２８５と同様の引張り歪みを有する。
【００２２】
なお、電界層２８１〜２８６の光吸収端エネルギーは、発光層の発光エネルギーよりも大きいことが望ましい。これにより、電界層２８１〜２８６における光吸収損失を小さくすることができる。
【００２３】
上記の通り、電界層２８６，２８４，２８２は、右端から左端へ向かう第１分極電界を有するので、これら電界層２８６，２８４，２８２内では、右端から左端へ向かうにつれて低くなる電位ポテンシャルが存在する。一方、電界層２８５，２８３，２８１は、左端から右端へ向かう第２分極電界を有するので、これら電界層２８５，２８３，２８１内では、左端から右端へ向かうにつれて低くなる電位ポテンシャルが存在する。このため、電界層２８６，２８４，２８２と、電界層２８６，２８４，２８２との間の電位差は、左右両端の間の中央領域で最小となり、左右両端に向かうにつれて大きくなる。更に、ＬＤ素子１０Ｂの駆動時には、ｐ型電極１２Ａから電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂへ向かう方向にキャリア（ホール）を移動させる電位勾配が形成される。よって、ｐ型電極１２Ａから注入された電流は、これら電界層２８１〜２８６内の電位ポテンシャルの勾配（すなわち、分極電界）に従って、左右両端では流れ難く、中央領域で流れやすくなるので、この中央領域に電気的に収束することとなる。これにより、注入電流は、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂよりも外側の領域に逸脱することなく、図１の電流経路１５Ａに沿って電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂ間の電流流通路（開口部）を介して発光層に供給される。
【００２４】
図１に示されるように、ｐ型電極１２Ａの幅は、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂと電流流通路との全体の幅よりも広い。これにより、コンタクト抵抗などの素子抵抗が低い構造を実現することができる。
【００２５】
なお、ｐ型クラッド層２８では、電流経路を確実に制御する観点から、複数の分極反転構造が積層されることが好ましいが、これに限定されるものではない。少なくとも１つの分極反転構造が形成されていてもよい。
【００２６】
III族窒化物半導体基板２１としては、いわゆる自立基板を使用すればよい。自立基板は、たとえば、サファイア基板などの下地基板上にバッファ層を堆積し、このバッファ層上にＧａＮなどのIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた後に、このIII族窒化物半導体層を下地基板から剥離させることにより得られる基板である。
【００２７】
次に、上記ＬＤ素子１０Ａの好適な構成について説明する。
【００２８】
III族窒化物半導体基板２１には、ｎ型ＧａＮ基板が使用される。このIII族窒化物半導体基板２１の（１−１００）面すなわちｍ面上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層２３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層２４、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＧａＮバリア層（厚さ１０ｎｍ）とからなる３周期ＭＱＷ層２５、および、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層２７が積層される。
【００２９】
これらｎ型クラッド層２３、ｎ型光閉じ込め層２４、ＭＱＷ層２５およびｐ型光閉じ込め層２７は、たとえば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法やハイドライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法により順次形成されればよい。その後、ｐ型光閉じ込め層２７上に、基板温度が４００℃程度の低温プロセスでＡｌＮ層（厚さ１００ｎｍ）を堆積する。このＡｌＮ層上にＳｉＯ２マスク層を堆積し、このマスク層上にレジスト膜を塗布し、その後、フォトリソグラフィにより、全幅７．５μｍで中央部に幅１．５μｍのストライプ状開口部を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとしてバッファードフッ酸を用いたエッチングをマスク層に施した後、レジストパターンを有機溶媒を用いて除去し、水洗を行う。これにより、ＳｉＯ２マスクパターンを形成することができる。
【００３０】
次に、このＳｉＯ２マスクパターンを用いてＡｌＮ層にエッチングを施すことにより電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂを形成できる。ここで、エッチング液には、リン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いればよい。ＳｉＯ２マスクパターンで被覆されていない領域のＡｌＮ層は、９０℃に保持した上記溶液中を用いたエッチングにより除去することができる。更に、バッファードフッ酸を用いてＳｉＯ２マスクパターンを除去することにより、全幅７．５μｍのＡｌＮ層の中央部に１．５μｍ幅のストライプ状開口部を有する電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂの構造を得ることができる。
【００３１】
その後、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂ間のストライプ状開口部に、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮ層２０を埋め込み成長させる。次いで、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂおよびｐ型ＧａＮ層２０上に、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉn０．０５Ｎ多層膜（厚さ２．５ｎｍ／２．５ｎｍ、周期数１３０）からなるｐ型クラッド層２８を成長させ、更に、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層２９を成長させる。
【００３２】
次に、ｐ型コンタクト層２９上に、幅２０μｍおよび厚さ３００ｎｍを持つＳｉＯ２ストライプパターンをフォトリソグラフィとウェットエッチングにより形成する。ストライプの方向は＜１１−２０＞にすればよい。次に、このＳｉＯ２ストライプパターンをマスクとしてドライエッチング（たとえば、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング）を行う。多層膜からなるｐ型クラッド層２８の下部までをエッチングすることで、図１に示すリッジストライプ形状を有するｐ型クラッド層２８が形成される。その後、ＳｉＯ２ストライプパターンは除去される。
【００３３】
次に、ｐ型電極１２Ａおよびｎ型電極１１が真空蒸着法により形成される。この結果得られたＬＤウェハを（１１−２０）面および（−１−１２０）面でへき開することによりＬＤ共振器端面を形成することができる。更に、＜１１−２０＞方向に結晶面を割り出すことによりＬＤ素子１０Ａを作製することができる。
【００３４】
上記した本実施形態のＬＤ素子１０Ａが奏する効果を以下に説明する。
【００３５】
上述の通り、ｐ型クラッド層２８は、積層方向に対して垂直方向１３の第１分極電界を有する電界層２８６，２８４，２８２と、この分極電界の方向１３とは逆方向１４の第２分極電界を有する電界層２８５，２８３，２８１とを含むので、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂ間の電流流通路に効率的にキャリアを注入し得る構造を有する。よって、発光層への電流流通路と電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂとの全体の幅よりも上部電極層１２Ａの幅が広い場合であっても、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂの外側への電流リークの発生を防止できる。このため、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂの幅を狭くすることにより、これら電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂの周囲の結晶歪みを低減することが可能である。更に、上部電極層１２Ａの幅を大きくすることにより、素子抵抗を低減させることも可能である。
【００３６】
たとえば、ｎ型ＧａＮからなるIII族窒化物半導体基板２１の（１−１００）面（ｍ面）を成長面とする場合、電界層２８１〜２８６は、このｍ面に対して平行な＜０００１＞方向（ｃ軸方向）または＜０００−１＞方向（−ｃ軸方向）に圧縮または引張りの結晶格子歪みを有し、電界層２８１〜２８６内に＜０００１＞方向または＜０００−１＞方向に沿った分極電界が形成される。すなわち、この分極電界の向きは、電界層が＜０００１＞方向の圧縮歪みを有する場合は[０００１]向きであり、電界層が＜０００１＞方向の引張り歪みを有する場合は[０００−１]向きとなる。
【００３７】
ｐ型クラッド層１０８が、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とＡｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層との多層膜により構成されている場合、ＧａＮの格子定数（ｃ軸：約５．１８オングストローム）に対して、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層の格子定数は約５．１６オングストロームであり、Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層の格子定数は約５．２０オングストロームである。よって、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層は＜０００１＞方向の引張り歪みを有するため、この層内には[０００−１]向きの分極電界が発生する。一方、Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層は＜０００１＞方向の圧縮歪みを有するため、この層内には[０００１]向きの分極電界が発生する。
【００３８】
更に、ｐ型クラッド層２８のリッジストライプ形状の長手方向が＜１１−２０＞方向に形成されている。Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とＧａＮとの間の価電子帯電位差と、Ａｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０５Ｎ層とＧａＮとの間の価電子帯電位差とはほぼ同じであり、両層の分極電界の大きさもほぼ同じである。したがって、リッジストライプ形状のほぼ中央領域でＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層とＡｌ０．１Ｇａ０．８５Ｉn０．０５Ｎ層の間の価電子帯電位差が最小となるとともに、この電位差は左右両端に向かうにつれて大きくなる。これにより、ｐ型電極１２Ａから注入されたホールは、ｐ型クラッド層２８を通過する際に、リッジストライプ形状の中央に向かって電流経路１５Ａに沿うように収束され、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂ間の開口部に流入し、ＭＱＷ層２５に到達する。したがって、ｐ型電極１２Ａの幅を広くしても、当該ｐ型電極１２Ａの接触抵抗と、ホールに対するバルク抵抗とを抑制することができる。
【００３９】
次に、上記第１の実施形態の変形例の構成について説明する。図２は、この変形例のＬＤ素子１０Ｂの概略構成を示す断面図である。図２に示されるように、このＬＤ素子１０Ｂでは、III族窒化物半導体基板２１とｎ型クラッド層２３との間にＳｉドープｎ型ＧａＮ層２２が形成されている。また、ＭＱＷ層２５とｐ型光閉じ込め層２７との間に、キャップ層２６が形成されている。更に、ストライプ状開口部１７を持つ絶縁膜１６Ａ，１６Ｂが形成されており、このストライプ状開口部１７にｐ型電極（上部電極）１２Ｂが形成されている。
【００４０】
この変形例のＬＤ素子１０Ｂの好適な構成について以下に説明する。
【００４１】
III族窒化物半導体基板２１には、ｎ型ＧａＮ基板が使用される。このIII族窒化物半導体基板２１の（１−１００）面すなわちｍ面上に、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層（厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層２３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層２４、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ井戸層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＧａＮバリア層（厚さ１０ｎｍ）とからなる３周期ＭＱＷ層２５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層２６、および、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層（厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層２７が積層される。
【００４２】
これらｎ型クラッド層２３、ｎ型光閉じ込め層２４、ＭＱＷ層２５、キャップ層２６およびｐ型光閉じ込め層２７は、たとえば、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法により順次形成されればよい。その後、上述した方法により、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂ、ｐ型ＧａＮ層２０、ｐ型クラッド層２８およびｐ型コンタクト層２９を形成する。
【００４３】
その後、ｐ型コンタクト層２９上に、幅２０μｍおよび厚さ３００ｎｍを持つＳｉＯ２ストライプパターンをフォトリソグラフィとウェットエッチングにより形成する。ストライプの方向は＜１１−２０＞にすればよい。次に、このＳｉＯ２ストライプパターンをマスクとしてドライエッチング（たとえば、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチング）を行う。多層膜からなるｐ型クラッド層２８の下部までをエッチングすることで、図２に示すリッジストライプ形状を有するｐ型クラッド層２８が形成される。その後、ＳｉＯ２ストライプパターンは除去される。
【００４４】
次に、表面全体に厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２膜を堆積する。次に、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより、このＳｉＯ２膜を開口してｐ型コンタクト層２９の上面を露出させる。この結果、図２に示されるように、幅１５μｍ程度のストライプ状開口部１７を有するＳｉＯ２絶縁膜１６Ａ，１６Ｂを形成することができる。その後、このストライプ状開口部１７を介してｐ型電極１２Ｂを真空蒸着法により形成し、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面にｎ型電極１１を真空蒸着法により形成する。この結果得られたＬＤウェハを（１１−２０）面および（−１−１２０）面でへき開することによりＬＤ共振器端面を形成することができる。更に、＜１１−２０＞方向に結晶面を割り出すことによりＬＤ素子１０Ｂを作製することができる。
【００４５】
なお、ｐ型クラッド層２８およびｐ型コンタクト層２９からなる積層体の側面は、ｐ型クラッド層２８の上面に対して垂直であってもよいし、あるいは、傾斜していてもよい。
【００４６】
また、ＬＤウェハを（１１−２０）面および（−１−１２０）面でへき開してＬＤ共振器端面を形成する代わりに、ドライエッチングなどの他の方法により共振器端面を形成してもよい。
【００４７】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態の利得導波路型レーザダイオード（ＬＤ）素子１０Ｃの概略構成を示す断面図である。
【００４８】
図３に示されるように、このＬＤ素子１０Ｃは、III族窒化物半導体基板２１上に形成されたｎ型クラッド層２３を有している。このｎ型クラッド層２３は、積層方向に対して垂直方向の分極電界（以下、この種の分極電界を「第３分極電界」と呼ぶ。）を有する電界層２３６と、この電界層２３６の分極電界の方向とは逆方向の分極電界（以下、この種の分極電界を「第４分極電界」と呼ぶ。）を有する電界層２３５とからなる分極反転構造を含む。ｎ型クラッド層２３は、更に、第３分極電界を有する電界層２３４と第４分極電界を有する電界層２３３とからなる分極反転構造を含み、第３分極電界を有する電界層２３２と第４分極電界を有する電界層２３１とからなる分極反転構造を含む。すなわち、III族窒化物半導体基板２１上に、第３分極電界を有する電界層と第４分極電界を有する電界層とが交互に積層されている。
【００４９】
電界層２３６は、III族窒化物半導体基板２１よりも大きな格子定数を有するので、積層方向に対して垂直な方向に圧縮歪みを有する。この圧縮歪みにより電界層２３６内に分極が発生し、これにより電界層２３６内には第３分極電界が形成される。たとえば、III族窒化物半導体基板２１をＧａＮ基板とし、電界層２３６をＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ層（０≦ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｘ＋ｙ＜１）とした場合、電界層２３６がＧａＮ基板よりも大きな格子定数を有するように材料組成比ｘ，ｙを最適な値に調整することができる。
【００５０】
また、電界層２３５は、III族窒化物半導体基板２１よりも小さな格子定数を有するので、積層方向に対して垂直な方向に引張り歪みを有する。この引張り歪みにより電界層２３５内に分極が発生し、これにより電界層２３５内には第４分極電界が形成される。たとえば、ｐ型III族窒化物層２０をＧａＮ層とし、電界層２３５をＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）とした場合、電界層２３５がＧａＮ基板よりも小さな格子定数を有するように材料組成比ｘを最適な値に調整することができる。
【００５１】
他の電界層２３４，２３２も、電界層２３６と同じ結晶構造を有する材料で構成されるため、電界層２３６と同様の圧縮歪みを有している。また、電界層２３３，２３１は、電界層２３５と同じ結晶構造を有する材料で構成されるため、電界層２３５と同様の引張り歪みを有する。
【００５２】
上記の通り、電界層２３６，２３４，２３２は、右端から左端へ向かう第３分極電界を有するので、これら電界層２３６，２３４，２３２内では、右端から左端へ向かうにつれて低くなる電位ポテンシャルが存在する。一方、電界層２３５，２３３，２３１は、左端から右端へ向かう第４分極電界を有するので、これら電界層２３５，２３３，２３１内では、左端から右端へ向かうにつれて低くなる電位ポテンシャルが存在する。このため、電界層２３６，２３４，２３２と、電界層２３６，２３４，２３２との間の電位差は、左右両端の間の中央領域で最小となり、左右両端に向かうにつれて大きくなる。更に、ＬＤ素子１０Ｃの駆動時には、ｎ型電極１１からＭＱＷ層２５に向かう方向にキャリア（電子）を移動させる電位勾配が形成される。よって、ｎ型電極１１から注入されたキャリアは、これら電界層２３１〜２３６内の電位ポテンシャルの勾配（すなわち、分極電界）に従って、左右両端では流れ難く、中央領域で流れやすくなるので、この中央領域に電気的に収束することとなる。これにより、注入電子は、図３の電流経路３０に沿って発光層の中央領域に供給される。
【００５３】
したがって、第２の実施形態のＬＤ素子１０Ｃは、電流狭窄層１８Ａ，１８Ｂを経て供給されたホールと注入電子とを効率的に再結合させる構造を有する。
【００５４】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえば、第１の実施形態のｐ型クラッド層２８の電界層２８１〜２８６を構成する材料については様々な変形例が可能である。上記した好適な構成以外にも、電界層２８１〜２８６の各々の組成を他の組み合わせの組成のＡｌＧａＩｎＮ系材料とすることができる。第２の実施形態のｎ型クラッド層２３を構成する電界層２３１〜２３６についても同様である。
【００５５】
上記第１および第２の実施形態では好適なIII族窒化物半導体基板２１としてＧａＮ基板を例に挙げたが、サファイアやＳｉＣなどの他の材料からなる基板上にIII族窒化物半導体層を成長させて得た基板を、III族窒化物半導体基板２１の代わりに使用してもよい。このIII族窒化物半導体層は、ＧａＮ層でもよいし、ＧａＮ層以外のIII族窒化物半導体であるＡｌＧａＩｎＮ系材料の任意の組成の組み合わせの層であってもよい。
【００５６】
上記第１の実施形態では、ｐ型クラッド層２８のみにキャリア（ホール）を局所領域に収束させる分極反転構造が形成され、ｎ型クラッド層２３には分極反転構造は形成されていない。一方、上記第２の実施形態では、ｐ型クラッド層２８とｎ型クラッド層２３の双方に、キャリアを局所領域へ収束させる分極反転構造が形成されている。ｐ型クラッド層２８に分極反転構造が形成されず、ｎ型クラッド層２３のみに分極反転構造が形成された構成もあり得る。
【００５７】
上記第２の実施形態では、ｎ型クラッド層２３内に分極反転構造が形成されていたが、これに限定されるものではない。たとえば、図１のＬＤ素子１０ＡにおけるIII族窒化物半導体基板２１とｎ型クラッド層２３との間に分極反転構造を介在させたり、図１のＬＤ素子１０Ａにおけるｎ型クラッド層２３とｎ型光閉じ込め層２４との間に分極反転構造を介在させたりする形態もあり得る。
【００５８】
上記第１および第２の実施形態のＬＤ素子１０Ａ，１０Ｂは、ｐ型クラッド層２８のストライプ形状の長手方向と電界層２８１〜２８６の分極電界の方向とが略直交する好適な構造を有するが、これに限定されるものではない。たとえば、ｐ型クラッド層２８のストライプ形状の長手方向と電界層２８１〜２８６の分極電界の方向とのなす角度が、０度よりも大きく、かつ９０度以下の範囲内である形態もあり得る。
【００５９】
上記実施形態はＬＤ素子であるが、発光ダイオードや電界効果トランジスタなどの他のデバイスにおいて局所的なキャリア注入が求められる構造に、上記ｐ型クラッド層２８の構成を適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の利得導波路型レーザダイオード素子の概略構造を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の変形例であるＬＤ素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態の利得導波路型レーザダイオード素子の概略構成を示す断面図である。
【図４】インナーストライプ構造を持つＬＤ素子の構造の例を概略的に示す断面図である。
【図５】インナーストライプ構造を持つＬＤ素子の構造の他の例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  レーザダイオード（ＬＤ）素子
１１  ｎ型電極
１２Ａ，１２Ｂ  ｐ型電極（上部電極）
１６Ａ，１６Ｂ  絶縁膜
１７  ストライプ状開口部
１８Ａ，１８Ｂ  電流狭窄層
２０  ｐ型III族窒化物層
２１  III族窒化物半導体基板
２２  Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
２３  ｎ型クラッド層
２３１〜２３６  電界層
２４  ｎ型光閉じ込め層
２５  多重量子井戸（ＭＱＷ）層
２６  キャップ層
２７  ｐ型光閉じ込め層
２８  ｐ型クラッド層
２８１〜２８６  電界層
２９  ｐ型コンタクト層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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