(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半極性面を主面とする窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る発光層を有する活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）から成る、ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層を有し、
前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層におけるＡｌの混晶比ｂが０．１以上であり、かつ、
Ｉｎの混晶比を横軸としＡｌの混晶比を縦軸とする座標系において、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層のＩｎの混晶比ａとＡｌ混晶比ｂを示す座標（ａ，ｂ）が式１で表される直線ＯＡと式２で表されるＯＢによって挟まれた領域内にあり、
（Ａｌ混晶比ｂ）＝６×（Ｉｎ混晶比ａ）  （式１）
（Ａｌ混晶比ｂ）＝３×（Ｉｎ混晶比ａ）（式２）
さらに、前記ｎ側窒化物半導体層は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層と前記活性層の間に、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記活性層中の前記発光層よりもバンドギャップの大きな第２のｎ側窒化物半導体層を有し、
前記第２のｎ側窒化物半導体層の上下にある界面は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層に近い側の第１の界面に線欠陥が発生しており、前記活性層に近い側の第２の界面には実質的に線欠陥が発生していないか、又は、前記第１の界面よりも線欠陥が少ないことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
半極性面を主面とする窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る発光層を有する活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）から成る、ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層を有し、
前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層におけるＡｌの混晶比ｂが０．１以上であり、かつ、
Ｉｎの混晶比を横軸としＡｌの混晶比を縦軸とする座標系において、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層のＩｎの混晶比ａとＡｌ混晶比ｂを示す座標（ａ，ｂ）が式１で表される直線ＯＡと式２で表されるＯＢによって挟まれた領域内にあり、
（Ａｌ混晶比ｂ）＝６×（Ｉｎ混晶比ａ）  （式１）
（Ａｌ混晶比ｂ）＝３×（Ｉｎ混晶比ａ）（式２）
さらに、前記ｎ型窒化物半導体層は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層と前記活性層の間に、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記活性層中の前記発光層よりもバンドギャップの大きな第２のｎ側窒化物半導体層を有し、前記第２のｎ側窒化物半導体層は、Ｉｎ混晶比が０．０３以上であり、且つ、膜厚が４００ｎｍ以上のＩｎＧａＮ層であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記ｐ側窒化物半導体層の上にｐ側電極が形成されており、
前記ｐ側電極として、前記ｐ側窒化物半導体層よりも屈折率の低い導電性酸化物層が形成され、前記導電性酸化物層が実質的に光閉じ込め層として機能することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
半極性面を主面とする窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体層から成る発光層を有する活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、前記ｐ側窒化物半導体層の上に形成されたｐ側電極とを備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）から成る、ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層を有し、さらに、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層と前記活性層の間に、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記活性層中の前記発光層よりもバンドギャップの大きな第２のｎ側窒化物半導体層を有し、前記第２のｎ側窒化物半導体層の上下にある界面は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層に近い側の第１の界面に線欠陥が発生しており、前記活性層に近い側の第２の界面には実質的に線欠陥が発生していないか、又は、前記第１の界面よりも線欠陥が少なく、
前記ｐ側電極として、前記ｐ側窒化物半導体層よりも屈折率の低い導電性酸化物層が形成され、前記導電性酸化物層が実質的に光閉じ込め層として機能することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層のＡｌ混晶比ｂが０．２以上であり、Ｉｎの混晶比ａが０．３ｂ以下であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
最もｎ側にある前記発光層からｎ側において光閉じ込め層として機能する層までの距離ｄｎを、最もｐ側にある前記発光層から前記導電性酸化物層までの距離ｄｐよりも３０ｎｍ以上大きくしたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記導電性酸化物が、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ及びＭｇから成る群から選択された少なくとも１種を含む酸化物であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記導電性酸化物が、ＩＴＯであることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体素子は、窒化物半導体レーザダイオードであり、
前記ｐ側窒化物半導体層は、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎ（０＜a'＜１、０＜ｂ'＜１、０＜ａ'＋ｂ'≦１）から成るＩｎとＡｌを含むｐ側窒化物半導体層と、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＧａＮから成る群から選択された１種とを交互に積層し、ｐ型不純物を含むｐ側超格子層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層の膜厚が、４００ｎｍ以上、２０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体素子は、窒化物半導体レーザダイオードであり、該窒化物半導体レーザダイオードの発振波長は、５００ｎｍ以上、５８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
前記半極性面は、{１１−２ｎ}面（ただしｎは０以外の整数又はｎ=±1/2、±1/3、±1/4）又は{１−１０ｍ}面（ただし、ｍは０以外の整数又はm=±1/2、±1/3、±1/4）であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載された波長５００〜５８０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードである窒化物半導体素子と、波長４４０〜４８０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長６００〜６６０ｎｍで発振する半導体レーザダイオードとを有するディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、ＩｎｘＡｌｙＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体を用いた半導体レーザダイオードは、大容量、高密度の情報記録／再生が可能な光ディスクシステム等に広く利用されている。一方、半導体レーザダイオードの新たな応用として、青、緑、赤色の半導体レーザを組み合わせることによるフルカラーディスプレイの実現が期待されている。
【０００３】
光の３原色である青、緑、赤色のうち、青色と赤色の半導体レーザダイオードは、
III-Ｖ族化合物半導体であるＩｎＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＰを用いて既に実用化されている。これに対して、緑色のレーザは、第２次高調波（ＳＨＧ）により波長を変換することで緑色の発光を可能にしたレーザは開発されているものの、直接、緑色を発光可能な素子は、未だ実用化されていない。
【０００４】
緑色を直接発光可能な半導体レーザダイオードとしては、１９９３年頃にII-ＶＩ族化合物半導体を用いたレーザダイオードが報告されたが、高電流下での信頼性に乏しく、実用には至らなかった。そこで近年では、III−Ｖ族窒化物半導体を用いて緑色を直接発光する半導体レーザダイオードを実現することが期待されている。
【０００５】
III−Ｖ族窒化物半導体としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）、特にＩｎＧａＮから成る発光層（以下、単に「ＩｎＧａＮ発光層」）を用いた紫外〜青色発光の半導体レーザダイオードが既に実用化されており（特許文献１等）、そのＩｎＧａＮ発光層のＩｎ含有率を高めてバンドギャップを小さくし、発光波長を長波長化すれば、緑色での発光が可能となる。
【０００６】
例えば、ＧａＮ基板のＣ面上において、Ｉｎ含有率の高いＩｎＧａＮ発光層の結晶性を成長条件の工夫によって改善し、ＩｎＧａＮ発光層を用いた半導体レーザダイオードにおいて５１５ｎｍまでの室温連続発振に成功したことが報告されている（非特許文献１）。
【０００７】
一方、ＧａＮ基板のＣ面は極性面であるため、活性層にピエゾ分極が生じ発光再結合の確率が低下することが指摘されており、その問題を解消するためにＧａＮ基板の｛２０−２１｝面のような半極性面に窒化物半導体レーザダイオードを作成することが報告されている（非特許文献２）。この文献では、４元ＩｎＡｌＧａＮクラッド層を用いてリッジ導波路構造の窒化物半導体レーザダイオードを製造することにより波長５２０ｎｍでの室温連続発振に成功したとされている。
【０００８】
尚、従来の青紫色や青色発光する窒化物半導体レーザダイオードにおいて、ｐ側電極にＩＴＯ等の導電性酸化物を用い、その導電性酸化物によってｐ側クラッド層を兼ねることが提案されている（特許文献２、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際特許公開ＷＯ２００２−０５３９９号公報
【特許文献２】特開平９−７４２４９号公報
【特許文献３】特開２００９−１１７６９５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈｉ ｅｔ．ａｌ．，”５１０−５１５ｎｍ ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ  Ｇｒｅｅｎ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  ｃ−Ｐｌａｎｅ  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２（２００９）、０６２２０１
【非特許文献２】Ｙ．Ｙｏｓｈｉｚｕｍｉ ｅｔ．ａｌ，  ”Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ５２０ｎｍ  Ｇｒｅｅｎ  ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｅｍｉ−Ｐｏｌａｒ｛２０−２１｝  ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”，  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ２（２００９）０９２１０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ＧａＮ基板の半極性面上に窒化物半導体レーザを作成した場合、線状の結晶欠陥（以下、単に「線欠陥」）が発生しやすいという問題が生じる。即ち、ＧａＮ基板の半極性面はＣ面に比べて表面に存在するＧａ原子又はＮ原子の面内密度が低いため、Ｇａ原子同士又はＮ原子同士の間に余分な原子が入り込み易い。このためＧａＮ基板の半極性面に窒化物半導体層を積層すると、格子不整合のある各界面において界面に平行な方向に線欠陥が発生し易い。
【００１２】
また、一般に窒化物半導体レーザでは、ＡｌＧａＮ層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層をクラッド層に用いて光閉じ込めを行うことが多いが、それらの半導体層が持つ屈折率には波長分散があり、レーザの発振波長が長波長になるほど光閉じ込めが弱くなる。したがって、レーザの発振波長の長波長化に伴って、クラッド層のＡｌ混晶比を高める必要がある。ところが、Ａｌ混晶比の高いＡｌＧａＮ層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層を十分な膜厚に成長しようとすると、ＡｌＧａＮ層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層にクラックが発生する問題もある。
【００１３】
こうした線欠陥やクラックの問題を解決するため、非特許文献２では４元混晶であるＩｎＡｌＧａＮをクラッド層に用いている。４元混晶であるＩｎＡｌＧａＮをクラッド層に用いることにより、Ａｌ混晶比を高めた場合でも、ＧａＮ基板との格子定数差を小さくでき、線欠陥やクラックの発生が抑制できる。
【００１４】
しかしながら、本件発明者が種々の混晶比を持つＩｎＡｌＧａＮクラッド層を用いて実験を繰り返したところ、線欠陥やクラックの発生しないように混晶比が調整されたＩｎＡｌＧａＮを用いても、レーザの動作電圧が高いなどの電気光学特性が十分でない問題があった。
【００１５】
また、非特許文献２の窒化物半導体レーザダイオードでは、ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層にＩｎＡｌＧａＮ層を用いているが、発振波長を長波長化するためにＩｎＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ混晶比を高めていくと、ｐ側クラッド層の抵抗が高くなり、レーザの動作電圧が上昇する問題もあった。
【００１６】
そこで本件発明は、上記問題点の少なくとも１つを解決し、窒化物半導体基板の半極性面に形成された長波長窒化物半導体レーザにおいて、動作電圧などの電気光学特性を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本件発明の第１の側面における窒化物半導体素子は、半極性面を主面とする窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る発光層を有する活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）から成る、ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層を有し、
前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層におけるＡｌの混晶比ｂが０．１以上であり、かつ、
Ｉｎの混晶比を横軸としＡｌの混晶比を縦軸とする座標系において、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層のＩｎの混晶比ａとＡｌ混晶比ｂを示す座標（ａ，ｂ）が式１で表される直線ＯＡと式２で表されるＯＢによって挟まれた領域内にあり、
（Ａｌ混晶比ｂ）＝６×（Ｉｎ混晶比ａ）  （式１）
（Ａｌ混晶比ｂ）＝３×（Ｉｎ混晶比ａ）（式２）
さらに、前記ｎ側窒化物半導体層は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層と前記活性層の間に、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記活性層中の前記発光層よりもバンドギャップの大きな第２のｎ側窒化物半導体層を有し、
前記第２のｎ側窒化物半導体層の上下にある界面は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層に近い側の第１の界面に線欠陥が発生しており、前記活性層に近い側の第２の界面には実質的に線欠陥が発生していないか、又は、前記第１の界面よりも線欠陥が少ないことを特徴とする。
【００１８】
また、本件発明の第２の側面における窒化物半導体素子は、  半極性面を主面とする窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体層から成る発光層を有する活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、前記ｐ側窒化物半導体層の上に形成されたｐ側電極とを備えた窒化物半導体素子であって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）から成る、ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層を有し、さらに、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層と前記活性層の間に、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、前記活性層中の前記発光層よりもバンドギャップの大きな第２のｎ側窒化物半導体層を有し、前記第２のｎ側窒化物半導体層の上下にある界面は、前記ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層に近い側の第１の界面に線欠陥が発生しており、前記活性層に近い側の第２の界面には実質的に線欠陥が発生していないか、又は、前記第１の界面よりも線欠陥が少なく、
前記ｐ側電極として、前記ｐ側窒化物半導体層よりも屈折率の低い導電性酸化物層が形成され、前記導電性酸化物層が実質的に光閉じ込め層として機能することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本件発明によれば、窒化物半導体基板の半極性面に形成された長波長発光可能な窒化物半導体素子の動作電圧を下げ、電気光学特性を顕著に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体素子の一例を示す模式断面図である。
【図２】図２は、図１の窒化物半導体素子の導波路部分を拡大した模式断面図である。
【図３】図３（ａ）は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上にＧａＮ層とＡｌＧａＮ層を成長した場合カソードルミネッセンス像（ＣＬ像）であり、図３（ｂ）は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上にＧａＮ層とＩｎＡｌＧａＮ層を成長した場合のカソードルミネッセンス像（ＣＬ像）である。
【図４】図４（ａ）は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に形成されたＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、ＧａＮ層、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層の断面写真であり、図４（ｂ）は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に形成されたＩｎ０．０４Ａｌ０．１４Ｇａ０．８２Ｎ層、ＧａＮ層、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層の断面写真である。
【図５】図５は、ＩｎＡｌＧａＮ層の表面状態をＩｎ混晶比を横軸、Ａｌ混晶比を縦軸とする２次元座標系に示したグラフである。
【図６】図６は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層を介して成長したＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ層の表面を観察したものであり、（ａ）は通常の光学顕微鏡写真、（ｂ）は蛍光顕微鏡写真である。
【図７】図７は、実施の形態１に係る窒化物半導体素子のリッジ付近の形状を示す部分拡大断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体素子の導波路部分を拡大した模式断面図である。
【図９】図９は、図１に示した窒化物半導体素子の変形例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本件発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は模式図であり、そこに示された配置、寸法、比率、形状等は実際と異なる場合がある。
【００２２】
実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る窒化物半導体素子を示す模式断面図であり、端面発光型の窒化物半導体レーザダイオードである。ＧａＮから成り、半極性面を主面とする窒化物半導体基板２の上に、Ｓｉ等のｎ型不純物を含むｎ側窒化物半導体層４、活性層６、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むｐ側窒化物半導体層８が積層され、ｐ側窒化物半導体層８の一部に導波路を構成するためのリッジ３６が形成されている。リッジ３６の周囲は埋め込み層４６で覆われており、さらに別の保護膜４８が形成されている。リッジ３６の上端に露出したｐ側窒化物半導体層８にＮｉ、Ｔｉ及びＡｕを含む部材から成るｐ側電極３８が形成され、さらにｐ側電極３８に接しながら、リッジ３６を被覆するようにｐ側パッド電極４０が形成されている。一方、上面からのエッチングによってｎ側窒化物半導体層４の一部が露出され、その露出面にｎ側電極４２が形成されている。ただし、図９に示すように、窒化物半導体基板を導電性基板として、基板の裏面側にｎ側電極４２を形成した構造としてもよい。
【００２３】
図２は、図１に示す窒化物半導体レーザダイオードの導波路部分を拡大した模式断面図である。図２に示す通り、ｎ側窒化物半導体層４として、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体であるＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）から成るｎ側クラッド層１６（＝ＩｎをＡｌを含むｎ側窒化物半導体層）と、ｎ側光ガイド層１８が形成されている。ｎ側光ガイド層は、ＧａＮから成る第１光ガイド層１８ａと、ＩｎＧａＮから成る第２光ガイド層１８ｂの２層を積層して成る。活性層６は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）から成る窒化物半導体層を有するものであり、例えばＩｎＧａＮから成る井戸層２４ａ、ｂとＩｎＧａＮ又はＧａＮから成る障壁層２２ａ、ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造となっており、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂが発光層となる。また、ｐ側窒化物半導体層８として、活性層６に近い側から順に、Ａｌを含む窒化物半導体層２６、ＧａＮまたはＩｎＧａＮから成るｐ側光ガイド層２８、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎ（０＜a'＜１、０＜ｂ'＜１、０＜ａ'＋ｂ'＜１）から成るＩｎとＡｌを含むｐ側窒化物半導体層とＧａＮとを交互に積層したｐ側超格子層から成るｐ側クラッド層３２、ｐ側コンタクト層３４が積層されている。図１及び２に示す層構成を持つストライプ構造が、共振器本体を構成する。
【００２４】
ここで窒化物半導体基板２の半極性面とは、Ｃ面などの極性面と、Ａ面やＭ面などの非極性面の間にある面を指し、Ｃ面とのなす角度がθ（０°＜θ＜９０°）となる面である。図１及び図２に示す窒化物半導体レーザでは、半極性面を主面とする窒化物半導体基板を用いることにより、活性層に生じるピエゾ分極を防止して、発光再結合の確率低下を抑制することができる。しかしながら、一般に、半極性面では、Ｃ面に比べてＧａ原子の面内密度が低いため、Ｇａ原子同士の間に別の原子が入り込み易い。このため窒化物半導体基板の半極性面に窒化物半導体層を積層すると、格子不整合のある各界面において界面に平行な方向に線欠陥が発生し易いという問題が生じる。例えば、ＧａＮのＡ面からＣ面方向に傾いた半極性面では、［１０−１０］方向の線欠陥が発生し、Ｍ面からＣ面方向に傾いた半極性面では、［１１−２０］方向に線欠陥が発生する。
【００２５】
図３（ａ）は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層２μｍとＡｌＧａＮ層０．５μｍを成長した場合に発生する線欠陥を示すカソードルミネッセンス像（ＣＬ像）である。［１１−２０］方向に線欠陥が発生しているのがわかる。また、図４（ａ）は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、ＧａＮ層、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層、活性層を順に積層した構造におけるＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層、ＧａＮ層、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層の断面写真である。各層の界面にコントラストの暗い部分があり、線欠陥が走っているのがわかる。
【００２６】
窒化物半導体レーザでは、ＡｌＧａＮ層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層をクラッド層に用いて光閉じ込めを行うことが多いが、それらの半導体層が持つ屈折率には波長分散があるため、レーザの発振波長の長波長化に伴って、クラッド層のＡｌ混晶比を高める必要がある。例えば、レーザの発振波長を５００ｎｍ以上とした場合、クラッド層のＡｌ混晶比は少なくとも０．０６以上であることが望ましい。しかし、ｎ側クラッド層１６のＡｌ混晶比を高くするほど、窒化物半導体基板２を構成するＧａＮやｎ側クラッド層１６の上にあるＩｎＧａＮ層とｎ側クラッド層１６との格子定数差が大きくなるため、上記の線欠陥の問題は顕著になる。また、膜厚が厚いほど、線欠陥は発生しやすい。図３（ａ）の例では、ＡｌＧａＮ層の膜厚が０．５μｍであるため、Ａｌ混晶比が０．０２以上ですでに線欠陥が発生してしまう。
【００２７】
また、Ａｌ混晶比が高くなり、窒化物半導体基板２とｎ側クラッド層１６との格子定数差が大きくなると、ｎ側クラッド層１６に加わる応力が大きくなる。このため、Ａｌ混晶比の高いＡｌＧａＮ層やＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子層を用いた場合、ｎ側クラッド層１６にクラックが発生し易いという問題もある。例えば、ＡｌＧａＮ層をｎ側クラッド層１６に用いた場合、Ａｌ混晶比が０．１以上になればｎ側クラッド層１６にクラックが発生してしまう。
【００２８】
そこで本実施の形態に係る窒化物半導体レーザダイオードでは、窒化物半導体基板２の上にＩｎとＡｌを含む窒化物半導体であるＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）を用いてｎ側クラッド層１６を形成している。このＩｎとＡｌを含む窒化物半導体層（４元混晶であるＩｎＡｌＧａＮ層又は３元混晶であるＩｎＡｌＮ層）は、Ａｌ混晶比を高くすることで屈折率が小さくできるが、同時にＩｎを含むことで格子定数がＧａＮに近づき、結晶自身も柔らかくなる。このためＡｌ混晶比を０．１以上に高くした場合であっても、各界面における線欠陥の発生やｎ側クラッド層におけるクラックの発生を抑制することができる。
【００２９】
例えば、図３（ｂ）は、図３（ａ）の３元ＡｌＧａＮ層に代えて、４元混晶であるＩｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎを成長した場合のＣＬ像であるが、図３（ａ）で発生していた線欠陥が解消していることがわかる。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の３元Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ層に代えて、４元混晶であるＩｎ０．０４Ａｌ０．１４Ｇａ０．８２Ｎ層を成長し、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層に代えて、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層を成長したものを示す。図４（ａ）で見られた界面の暗いコントラストが消え、各界面での格子定数差が緩和されて線欠陥が抑制されることがわかる。
【００３０】
しかしながら、本件発明者が種々検討したところ、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体層であるＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮから成るｎ側クラッド層１６のＩｎ混晶比とＡｌ混晶比を線欠陥やクラックの発生しないように設定した場合であっても、窒化物半導体レーザが満足な電気光学特性を示さないことがわかった。そこで、さらに検討を重ねた結果、その原因がＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ層に発生する内部クラックやＩｎ組成ゆらぎにあることを見出した。
【００３１】
図５は、｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層を２μｍとＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ層を０．２〜０．５μｍ積層し、Ｉｎ混晶比ａとＡｌ混晶比ｂを種々変化させながらＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ層の状態を評価した結果である。図５は、Ｉｎの混晶比を横軸としＡｌの混晶比を縦軸とする座標系を示しており、Ｉｎの混晶比ａとＡｌ混晶比ｂを示す座標点（ａ，ｂ）をプロットしたものである。図５において、黒塗りで示した点（■、▲、●）は、線欠陥の発生した点である。四角（■）で示した点は表面にクラックが発生した点、三角（▲、△）で示した座標点は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ層に内部クラックが発生した場合を示している。バツ（×）で示した座標点は、ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ層にＩｎ偏析による異常成長が観察された点である。また、実際のＬＤ素子として成長する際にはＡｌＩｎＧａＮ成膜後、成長温度を高温に保ったまま他の層を成膜するために、ＡｌＩｎＧａＮ層が徐々に分解してしまうことがある。この点も同様に×で示した。丸（○、●）で示した座標点は、内部クラックやＩｎ偏析による異常成長が観察されない点を表す。
【００３２】
ここで内部クラックとは、結晶の内部に存在し、結晶の表面からは観察されない微細なクラックを指す。内部クラックは、通常の光学顕微鏡観察では確認できないが、ＵＶ光を照射しながら蛍光顕微鏡で観察すれば確認することができる。図６（ａ）及び（ｂ）は、
｛２０−２１｝面を主面とするＧａＮ基板の上に、ＧａＮ層２μｍを介して０．５μｍの膜厚で成長したＩｎ０．０２Ａｌ０．３４Ｇａ０．６４Ｎ層の表面を観察したものであり、図６（ａ）は通常の光学顕微鏡写真で、図６（ｂ）は波長２６０ｎｍ〜３８０ｎｍのＵＶ光を照射しながら観察した蛍光顕微鏡写真である。図６（ａ）及び（ｂ）に示される通り、表面にはクラックが発生していないが、結晶内部には微細な線状クラックが発生していることがわかる。
【００３３】
図５に示されるように、直線ＯＡよりも上の領域では、Ａｌ混晶比が大きくなる結果、内部クラックが発生する。直線ＯＡ上では、（Ａｌ混晶比ｂ）：（Ｉｎ混晶比ａ）＝６：１、即ち（Ａｌ混晶比ｂ）＝６×（Ｉｎ混晶比ａ）の関係が成り立つ。窒化物半導体のＣ面にＡｌ混晶比の大きなＡｌＧａＮを成長した場合には、通常の結晶表面に現れるクラックが発生していたが、窒化物半導体の半極性面にＡｌ混晶比の大きなＩｎＡｌＧａＮを成長した場合、通常のクラックが発生しない条件であっても、結晶の外側から観察できない内部クラックが発生する。この内部クラックの発生原因が不明であるが、膜厚方向の組成ゆらぎによって局所的に引っ張り歪みが加わり、発生した微細なクラック同士が内部でつながって、結晶内部で歪みが解消していると推定される。内部クラックが発生すると、動作電圧等の電気光学特性が悪化してしまう。
【００３４】
一方、図５の直線ＯＢよりも下の領域では、Ｉｎ混晶比が大きくなる結果、Ｉｎの偏析や異常成長が発生し易くなる。直線ＯＢ上では、Ａｌ混晶比ｂ：Ｉｎ混晶比ａ＝
３：１、即ち（Ａｌ混晶比ｂ）＝３×（Ｉｎ混晶比ａ）の関係が成り立つ。ＩｎＡｌＧａＮの結晶成長では、Ｉｎ源とＡｌ源を同時に供給することになるが、ＡｌとＩｎは反応性が高いため、Ａｌ混晶比に対するＩｎ混晶比の割合が高くなるとＡｌとＩｎが激しく反応してＩｎＡｌＧａＮ層内のＩｎ組成ゆらぎが促進される。このため図５の直線ＯＢよりも下の領域では、Ｉｎ偏析や異常成長が発生するものと考えられる。
【００３５】
そこで本実施の形態では、ｎ側クラッド層１６をＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮを用いて形成する際に、Ｉｎ混晶比ａとＡｌ混晶比ｂの座標点（ａ，ｂ）が図５の直線ＯＡと直線ＯＢで挟まれる領域内に位置するように組成を調整する。これによってＩｎＡｌＧａＮ層への内部クラックの発生やＩｎ組成ゆらぎを抑制して、窒化物半導体レーザの動作電圧等の電気光学特性を向上することができる。（１１−２２）、（１０−１１）、（１０−１２）、（１１−２１）、（２２−４１）面等においても同様の実験を行ったが、その結果から、他の半極性面においても同じ効果が得られると考えられる。
【００３６】
以下、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザダイオードの各構成について詳しく説明する。
（窒化物半導体基板２）
本実施の形態では、窒化物半導体基板の半極性面を使う。上記の通り、窒化物半導体基板２の半極性面とは、Ｃ面などの極性面とＡ面やＭ面などの非極性面の間にある面を指し、Ｃ面とのなす角度がθ（０°＜θ＜９０°）となる面である。Ｃ面となす角度θは、２０°≦θ＜９０°であることが好ましい。さらにθは、窒化物半導体基板の{０００１}面と{１０−１４}面とのなす角度（約２５°）以上であることがより好ましい。さらに望ましくは窒化物半導体の半極性面は、{１１−２ｎ}面（ただしｎは０以外の整数又はｎ=±1/2、±1/3、±1/4）又は{１−１０ｍ}面（ただし、ｍは０以外の整数又はm=±1/2、±1/3、±1/4）である。例えば、ｎが分数となる場合は、カッコ内が整数になるように分母を掛けて整数として考える。
【００３７】
窒化物半導体基板２は、３元又は２元混晶の窒化物半導体から成ることが好ましく、より好ましくはＧａＮから成ることが望ましい。窒化物半導体から成る基板は、熱伝導率がサファイアに比べて高いため放熱効率の向上が可能であり、転位等の欠陥を低減して結晶性を良好にすることができる。窒化物半導体基板２における転位密度は低い方が、井戸層２４ａ、ｂの面状態が改善され、ライフ特性も向上する。ＩｎＧａＮ発光層を用いた半導体レーザダイオードは、他の材料系に比べると転位によるライフ特性の低下が比較的緩やかであるが、やはり転位に対する依存性がある。また、窒化物半導体基板２の転位密度が少ない方がＥＳＤ耐性も高くなる。窒化物半導体基板２の転位密度は、１×１０７ｃｍ−２以下、より好ましくは５×１０６ｃｍ−２以下、さらに好ましくは５×１０５ｃｍ−２以下とすることが望ましい。なお、窒化物半導体基板２の転位密度は、窒化物半導体層を成長すべき主面における転位密度（貫通転位）で考える。
【００３８】
窒化物半導体基板２としては、種々の方法で製造したものを使用できる。例えば、サファイア等の異種基板上にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等によって窒化物半導体層を厚膜に成長した後、異種基板を除去して窒化物半導体から成る基板を得ても良い。また、サファイア等の異種基板上に窒化物半導体層を成長させる際、公知の横方向成長方法を用いて窒化物半導体の転位密度を低減しても良い。適切な種結晶を用いて成長させた窒化物半導体結晶のインゴットから切り出したウエハを基板２としても良い。
【００３９】
（ｎ側窒化物半導体層４）
（１）ｎコンタクト層５０
窒化物半導体基板２は、導電性を有していても、絶縁性であっても良い。絶縁性の基板を用いる場合には、基板上にｎ型不純物を含む導電性のｎコンタクト層５０を形成する。その上にｎ側クラッド層１６などの窒化物半導体層を積層し、上面からのエッチングによってｎコンタクト層５０の一部を露出させ、その露出面にｎ側電極４２を形成する。
なお、半極性面はＣ面に比べて成長温度を上げたり、その状態で長時間の待機時間があると、特に表面が分解しやすく表面荒れが生じやすい。特に研磨仕上げのＧａＮ基板からの再成長をする場合にはその分解は顕著である。そのため、第１のｎ型半導体層を形成する前に、ＧａＮ層を成長させることが好ましい。また、導電性の基板を用いる場合であっても、窒化物半導体基板２と第１のｎ型半導体層との間に、ＧａＮ層を有することが好ましい。もし、表面状態が荒れたまま第１のｎ側半導体層であるＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＡｌＮを成長すると、表面の凹凸や欠陥によりＩｎ等が部分的に多く取り込まれ、混晶のムラが生じ結晶状態を悪化させてしまう。このため、結晶成長中にＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＡｌＮを層を成長する下の層は、平坦な表面状態および良好な結晶状態となりやすいＧａＮ層が好ましい。
【００４０】
（２）ｎ側クラッド層１６（第１のｎ側窒化物半導体層）
本実施の形態において、ｎ側クラッド層１６は、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体であるＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）によって形成する。５００ｎｍ以上の長波長における光閉じ込めを実現するために、Ａｌ混晶比ｂは少なくとも０．１以上であることが好ましく、より好ましくは０．１４以上、さらに好ましくは０．２０以上とする。なお、Ａｌ混晶比ｂが０．１以上であるとき、Ｉｎ混晶比ａが０．９以下であることは言うまでもない。また、前述の通り、Ｉｎ混晶比ａとＡｌ混晶比ｂは、座標点（ａ、ｂ）が図５の直線ＯＡとＯＢに挟まれる領域内にあるように選定する。ただし、この条件を充足する場合であっても、Ａｌ混晶比ｂが高すぎると３次元成長が発生しやすくなり表面が荒れてしまう。また、通常のクラックも発生し易くなる。このため、Ａｌ混晶比ｂが０．６以下、より好ましくは０．５以下であることが望ましい。
【００４１】
ｎ側クラッド層１６の膜厚は、少なくとも０．４μｍ以上、より好ましくは０．７μｍ以上、さらに好ましくは１．０μｍ以上であることが望ましい。ｎ側クラッド層１６の膜厚が不十分であると、光の閉じ込めが不足するからである。一方、ｎ側クラッド層１６が厚すぎると結晶性が低下するため、ｎ側クラッド層１６の膜厚は２．０μｍ以下であることが望ましい。ｎ側クラッド層１６は、次に形成するｎ側光ガイド層１８よりも大きなバンドギャップを持つようにする。また、ｎ側光ガイド層１８が省略された場合は、障壁層２２ａ、ｂよりも大きなバンドギャップを持つようにする。
【００４２】
（３）ｎ側光ガイド層１８（第２のｎ側窒化物半導体層）
ｎ側光ガイド層は、ｎ側クラッド層１６よりもバンドギャップが小さく、井戸層２４ａ、ｂよりもバンドギャップの大きな窒化物半導体から成る。ｎ側光ガイド層１８は、ＧａＮ又はＩｎＧａＮとすることが好ましい。本実施の形態では、窒化物半導体基板の半極性面を用いるため、ｎ側光ガイド層１８とｎ側クラッド層１６や活性層６との間の格子定数差が大きい場合は、それら界面に線欠陥が発生する。したがって、ｎ側光ガイド層１８に用いるＩｎＧａＮのＩｎ混晶比は、線欠陥が発生しない程度にすることが望ましい。例えば、光ガイド層１８に用いる窒化物半導体のＩｎ混晶比は、０．０３以下、より好ましくは０．０２以下とすることが望ましい。ｎ側光ガイド層１８は、光吸収を抑制しながら活性層６への電子の供給を十分に行うため、（ｉ）活性層６から遠く、ｎ型不純物をドープして成長した第１のｎ側光ガイド層１８ａと、（ｉｉ）活性層６に近く、ｎ型不純物をドープせずに成長した第２のｎ側光ガイド層１８ｂに分けることが好ましい。本実施の形態では、ＧａＮから成る第１のｎ側光ガイド層１８ａと、ＩｎＧａＮから成る第２のｎ側光ガイド層１８ｂとを形成する。このように、ｎ側光ガイド層１８のうち、第１のｎ側光ガイド層１８ａをＧａＮから成る層とすることにより、ｎ側ＩｎＡｌＧａＮクラッド層またはｎ側ＩｎＡｌＮクラッド層成長時に多少の表面荒れが生じた場合であっても、その上に成長させるＧａＮ層によって表面状態および結晶状態を回復させ、その上の第２のｎ側光ガイド層１８ｂを結晶性良く成長させることができる。ｎ側光ガイド層１８は、合計で１００〜７００ｎｍの膜厚で形成、より好ましくは合計で２００〜６００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。尚、ｎ側光ガイド層１８は、省略することもできる。その場合は、活性層６の最もｎ側に障壁層を形成し、その障壁層の膜厚を他の障壁層よりも厚くすることが好ましい。
【００４３】
（活性層６）
活性層６としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含む発光層を有するものであれが好ましく、図１に示した多重量子井戸構造の活性層の他に、単一量子井戸構造の活性層、薄膜の発光層単体から成る活性層などを用いることができる。量子井戸構造の場合は、井戸層２４ａ、ｂが発光層となる。発光層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含むものが好ましいが、より好ましくはＩｎＧａＮとする。尚、本件明細書において「発光層」とは、電子と正孔が発光再結合する層を指す。
【００４４】
発光層の発光波長は、実施例で具体的に説明するようにＩｎ含有率によって制御することができる。尚、Ｉｎ含有率が高い井戸層の場合、井戸層の分解を抑制するために各井戸層の上側に井戸キャップ層（図示せず）を設けることが好ましい。井戸キャップ層は、膜厚は１−５ｎｍの範囲で、Ａｌ含有率が０−５０％のＡｌＩｎＧａＮ、より好ましくはＡｌ含有率が０−３０％のＡｌＧａＮとすることが望ましい。井戸キャップ層は、井戸層と障壁層の間に形成する。
【００４５】
活性層６の発光層は、薄い方が閾値電流を低下させることができ、障壁層との格子定数不整も緩和し易くなるが、薄くし過ぎるとキャリアの閉じ込めが不十分となる。そこで発光層の膜厚は、１．０ｎｍ以上、より好ましくは２．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下、より好ましくは４．０ｎｍ以下とすることが望ましい。活性層６の発光層には、ｎ型不純物がドープされていても、いなくても良い。しかしながら、Ｉｎを含む窒化物半導体はｎ型不純物濃度が大きくなると結晶性が悪化する傾向にあるため、ｎ型不純物濃度を低く抑えて結晶性の良好な発光層とすることが好ましい。
【００４６】
活性層６を多重量子井戸構造とすれば、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層６が多重量子井戸構造から成る場合、井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でも良い。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。
【００４７】
量子井戸構造の活性層６に用いる障壁層２２ａ、ｂとしては、特に限定されないが、井戸層２４ａ、ｂよりＩｎ含有率の低い窒化物半導体、ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを含むことが望ましい。障壁層２２ａ、ｂの膜厚や組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。本実施の形態においても、ｐ側にある障壁層２２ｂを井戸層２４ａ、ｂの間に挟まれた障壁層２２ａよりも厚くしている。本実施の形態では、障壁層２２ａ、ｂと井戸層２４ａ、ｂは、結晶性を良好にするためｎ型不純物をドープせずに成長している。
【００４８】
尚、本実施の形態では、井戸層２４ａ，ｂの数を２層、障壁層２２ａ、ｂの数を２層としたが、本件発明はこれに限定されない。例えば、井戸層２４ａ，ｂの数を２層ではなく、３層又は４層等、より多い数に増やしても良い。一般には発振波長が長波長になるほど、活性層６における転位発生を抑制するために井戸層の厚みを薄くする必要がある。井戸層の数を増やせば、より薄い膜厚の井戸層を用いても活性層６全体としてキャリア閉じ込めが達成できる。発振波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードの場合、井戸層の数が２層の場合よりも、３層又は４層の方が閾値電流は低下する。
【００４９】
活性層６の発振波長は、５００ｎｍ以上であることが好ましいが、あまりに長波長になると活性層６で発生する転位の密度が高くなる。そこで活性層６の発振波長を５８０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５０】
（ｐ側窒化物半導体層８）
（１）Ａｌを含む窒化物半導体層２６（第１のｐ側窒化物半導体層）
Ａｌを含む窒化物半導体層２６は、比較的高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導体から成ることが好ましく、ＡｌｘＧａ1-ｘＮ（０．１＜ｘ＜０．５）を含むことが望ましい。また、Ｍｇ等のｐ型不純物が５×１０１８ｃｍ−３以上の濃度でドープされている。これによりＡｌを含む窒化物半導体層２６は、電子を活性層６中に有効に閉じ込めることができ、レーザの閾値を低下させる。また、Ａｌを含む窒化物半導体層２６は、３〜５０ｎｍ、より好ましくは３〜２０ｎｍ程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ側光ガイド層２８やｐ側クラッド層３２よりも低温で成長させることができる。したがって、Ａｌを含む窒化物半導体層２６を形成することにより、ｐ側光ガイド層２８を活性層６の上に直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層６の分解を抑制することができる。また、このＡｌを含む窒化物半導体層２６は、電子閉込め層として機能させるため、活性層６とクラッド層３２との間に設けるものであり、更に光ガイド層２８を有する場合には、光ガイド層２８と活性層６との間に設けることが好ましい。
【００５１】
（２）ｐ側光ガイド層２８（第２のｐ側窒化物半導体層）
ｐ側光ガイド層２８は、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体層２６及び次に成長するｐ側クラッド層３２よりもバンドギャップが小さく、かつ、井戸層２４ａ、ｂよりも大きな窒化物半導体から成ることが好ましい。次に成長するｐ側クラッド層がＩｎＡｌＧａＮ層またはＩｎＡｌＮ層である場合は、前述したようにＧａＮ層が好ましい。
【００５２】
（３）ｐ側クラッド層３２（第３のｐ側窒化物半導体層）
ｐ側クラッド層３２は、ｎ側クラッド層１６と同様に、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎ（０＜a'＜１、０＜ｂ'＜１、０＜ａ'＋ｂ'≦１）（＝ＩｎとＡｌを含むｐ側窒化物半導体層）の単層によって構成することができる。その場合、５００ｎｍ以上の長波長における光閉じ込めを実現するために、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'ＮのＡｌ混晶比ｂ'は少なくとも０．１０以上であることが好ましく、より好ましくは０．１４以上、さらに好ましくは０．２０以上とする。また、Ａｌ混晶比ｂ'が高すぎると３次元成長が発生しやすくなり表面が荒れてしまい、Ａｌ混晶比ｂが０．５以下、より好ましくは０．４以下であることが望ましい。また、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'ＮのＡｌが増加すると、半導体のｐ型化が困難になってしまう。そこで本実施の形態では、Ａｌ混晶を増加させながらp型化を促進するために、比較的ｐ型化しやすいＧａＮ等とＩｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎとの超格子構造としている。例えば、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎ（０＜a'＜１、０＜ｂ'＜１、０＜ａ'＋ｂ'≦１）と、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＧａＮから成る群から選択された少なくとも１種とを交互に積層し、ｐ型不純物を含む超格子層とすることができる。Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎ層の間にＧａＮ等を成膜することにより、結晶状態をよくすることができ、点欠陥や光吸収を低減することができる。たとえば、ＧａＮ／Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎを２５Å／２５Åを１００ペア（５０００Å）程度とすることができる。ｐ側クラッド層３２を超格子構造とした場合も、その中に含まれるＩｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎ（＝ＩｎとＡｌを含むｐ側窒化物半導体層）のＡｌ混晶比ｂ'を上記の範囲にすれば良好な特性を得ることができる。
【００５３】
ｐ側クラッド層３２をＩｎとＡｌを含むｐ側窒化物半導体（４元混晶のＩｎＡｌＧａＮ又は３元混晶のＩｎＡｌＮ）を含む超格子構造とすることによって、従来のＡｌＧａＮを含む超格子構造のクラッド層に比べてクラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができ、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、バンドギャップエネルギーが大きくなる。したがって、レーザダイオードの閾値を低下させる上で非常に有効である。尚、超格子構造を取ることで、クラッド層自体に発生するピットやクラックが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【００５４】
ｐ側クラッド層３２が持つバンドギャップは、ｐ側光ガイド層２８よりも大きく、Ａｌを含む窒化物半導体層２６よりも小さなことが好ましい。Ａ層とＢ層を積層して成る超格子構造のｐ側クラッド層３２のバンドギャップは、Ａ層とＢ層の平均として考えれば良い。ｐ側クラッド層３２のｐ型不純物濃度は、ｐ側光ガイド層２８よりも高く、ｐ側コンタクト層３４よりも低くすることが好ましい。ｐ側光ガイド層２８よりも高いｐ型不純物濃度を有することで正孔供給機能を補助しながら、ｐ側コンタクト層３４よりも低いｐ型不純物濃度を持つことで、結晶性の低下による閾値電流の増大を抑制することができる。Ａ層とＢ層を積層して成る超格子構造のｐ側クラッド層３２の不純物濃度は、Ａ層とＢ層の平均として考えれば良い。
【００５５】
（４）ｐ側コンタクト層３４（第４のｐ側窒化物半導体層）
ｐ側コンタクト層３４は、ｐ型の窒化物半導体で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ側電極３８と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ側コンタクト層３４は電極を形成する層であるので、５×１０１９／ｃｍ３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。
【００５６】
（リッジ構造）
本実施の形態のレーザダイオードでは、光ガイド層２８の途中までエッチングすることによってリッジ３６を設けた後、リッジ３６の側面をＳｉＯ２やＺｒＯ２等の絶縁性の埋め込み層４６で覆い、さらにＳｉＯ２等の絶縁性の保護膜４８を形成している。保護膜４８として、半絶縁性、ｉ型の窒化物半導体、リッジ部とは逆の導電型の窒化物半導体等を用いることもできる。
【００５７】
尚、リッジ３６を設ける際、図７に示すように、リッジ３６の底部の両側にリッジ３６と平行な溝４９を形成することが好ましい。井戸層のＩｎ含有率が高くなると、ｐ側クラッド層３２との屈折率差が小さくなり、十分な光閉じ込め係数が得られ難くなる。そこでリッジ３６の両側に共振器方向に連続する溝部４９を設けることで、井戸層のＩｎ含有率が高い場合であっても、十分な光閉じ込めが行える。
【００５８】
実施の形態２
図８は、実施の形態２に係る窒化物半導体レーザダイオードを示す模式断面図である。本実施の形態では、ｐ側クラッド層３２の形成が省略され、ｐ側電極３８が屈折率の低い導電性酸化物によって構成されている。その他以下で説明する点を除いては、実施の形態１と同様である。
【００５９】
実施の形態１では、ｐ側クラッド層３２は、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎを含む超格子層とした。前述の通り、発振波長の長波長化に伴ってｐ側クラッド層３２のＡｌ混晶比を高め、膜厚を厚くする必要がある。ところが、窒化物半導体層中ではｐ型不純物の活性化率が低いため、ｐ側クラッド層３２のＡｌ混晶比を高め、膜厚を厚くするとｐ側クラッド層３２における抵抗率が増大し、レーザダイオードの動作電圧が高くなる問題がある。特に、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体であるＩｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎは、Ｉｎを含むために窒素雰囲気で成長する必要があり、結晶品質が比較的低い。このためＩｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎを含むｐ側クラッド層３２では、Ａｌ混晶比や膜厚の増加による抵抗率の増大は一層顕著になる。
【００６０】
そこで本実施の形態では、Ｉｎa'Ａｌb'Ｇａ１−a'−b'Ｎを含むｐ側クラッド層３２の形成を省略し、導電性酸化物層から成るｐ側電極３８をクラッド層として機能させる。これによって、レーザダイオードの発振波長を長波長にした場合の動作電圧の増大を抑制することができる。尚、本件明細書においてクラッド層とは、活性層（井戸層と障壁層を含む）の上側と下側に位置するそれぞれの膜のうち、井戸層の屈折率より低く膜厚は少なくとも１００ｎｍ以上ある層のことを指している。これらは多層膜や超格子構造、またはＧＲＩＮ構造であってもよい。このように活性層の上下に光屈折率の小さなクラッド層を設けることにより、光を活性層に閉じ込める機能をもつ。このクラッド層がないと、閾値電流が数倍増加し、ときには全くレーザ発振しない場合もある。つまり、端面発光型のレーザダイオードや端面発光型のＬＥＤの場合、クラッド層として機能させるとは、実質的に光を閉じ込めるという意味であり、ある層がクラッド層として機能しているかは、等価屈折率シミュレーション等によって確認することができる。例えば、５００ｎｍにおけるＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮの屈折率を２．３６８、２．１２２、２．８として、各層の屈折率をその層を構成する窒化物半導体の混晶比に基づいて比例計算で算出して等価屈折率シミュレーションを行う。そのシミュレーションの結果、光の最大強度を１．０として、活性層を中心に活性層の上下にある特定の層までの領域で、光の強度が０．５以上となる領域のそれらの上下にある層をクラッド層と考えて良い（層の途中で０．５以上となる場合は、そこからをクラッド層と考える）。そのためクラッド層は多層膜であることもある。また、簡易には、窒化物半導体レーザのニアフィールドパターンから導波路の大きさを見積もり、その導波路の大きさに合う位置にある層をクラッド層と判断することもできる。
【００６１】
一方、ｎ側クラッド層１６には、実施の形態１と同様にＩｎとＡｌを含む窒化物半導体を用いることが好ましい。実施の形態１と同様に、Ａｌの混晶比ｂを０．１以上とし、かつ、Ｉｎの混晶比を横軸としＡｌの混晶比を縦軸とする座標系において、ｎ側クラッド層１６を構成する窒化物半導体のＩｎの混晶比とＡｌ混晶比を示す座標（ａ，ｂ）が、図５における直線ＯＡと直線ＯＢによって挟まれた領域内にあることが好ましい。これによってｎ側クラッド層１６における内部クラックやＩｎ組成ゆらぎの発生を抑制して、結晶品質の優れた窒化物半導体レーザダイオードとすることができる。
【００６２】
ｐ側電極３８に用いる導電性酸化物としては、ｐ側ガイド層２８（又はｐ側ガイド層２８が省略された場合は障壁層２２ｂ）よりも屈折率の小さなものであれば良いが、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｎ及びＭｇからなる群から選択された１種を含む酸化物とすることが好ましい。例えば、ＺｎＯ（屈折率１．９５）、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＡＴＯ（アンチモンドープ酸化スズ）、ＩＴＯ（ＩｎとＳｎの複合酸化物）、ＭｇＯなどが挙げられる。中でも、ＩＴＯ（屈折率約２．１）が好ましい。尚、導電性酸化物は、窒化物半導体と異なり、屈折率の波長分散は少ない。導電性酸化物層は、当該分野で公知の方法によって形成することができる。例えば、スパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオン注入法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、又はこれらの方法と熱処理の組み合わせ等、種々の方法を利用することができる。具体的には、スパッタ法により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、スパッタガスとして酸素分圧の小さい又はゼロのガスから大きいガスに切り替えるか、徐々に酸素分圧を増加させて用いる方法、ＩＴＯ成膜用のターゲットのほかに、Ｉｎ量が多いターゲットまたは酸素量が少ないターゲットを用い、途中でＩｎ量が多いターゲットまたは酸素量が少ないターゲットに切り替える方法、スパッタ装置の投入電力を徐々に又は急激に増大させて成膜する方法等が挙げられる。また、真空蒸着により導電性酸化物膜、例えば、ＩＴＯ膜を成膜する際に、半導体層の温度を急激又は徐々に上昇または低下させる方法、成膜レートを急激に低下させる方法、イオン銃を用いて酸素イオンを成膜途中から照射する方法等が挙げられる。また、本実施の形態においても、リッジ３６の底部の両側に、図７に示すようなリッジ３６と平行な溝４９を形成することが好ましい。これにより、導電性酸化物とｎ側のクラッド層により縦方向の光閉じ込めを行う一方で、溝４９によって横方向の光閉じ込めも好適に行うことができるため好ましい。
【００６３】
本実施の形態のようにＩＴＯ等の導電性酸化物をｐ側電極３８に用いてｐ側クラッド層として機能させる場合、通常の窒化物半導体に比べて屈折率が低いため、ｐ側ガイド層２８との屈折率差を大きくして光閉じ込めを強くすることができる。しかしながら、本件発明者が種々検討した結果、ＩＴＯ等の導電性酸化物をｐ側のクラッドとして機能させる場合、ｐ側の光閉じ込めが強くなり過ぎ、導波路内におけるビームの中心がｎ側にシフトして、レーザダイオードの利得が低下する問題があることがわかった。この問題を解決するためには、ｎ側クラッド層１６に用いるＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮのＡｌ混晶比を高め、Ｉｎ混晶比を低くすることが好ましい。ＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮの屈折率は、Ａｌの混晶比が高いほど低くなり、Ｉｎの混晶比が高いほど高くなる。したがって、内部クラックやＩｎ組成ゆらぎの問題が起きない範囲でＡｌ混晶比を高くし、Ｉｎ混晶比を低くすることで、ｎ側クラッド層１６の屈折率を低くし、ビームの中心を活性層に近づけることができる。具体的には、ｎ側クラッド層１６に用いる４元又は３元混晶のＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮにおいて、Ａｌ混晶比ｂを０．２以上とし、Ｉｎの混晶比ａを０．３ｂ以下とすることが好ましい。さらにＡｌ混晶比ｂを０．２５以上（一層好ましくは０．３以上）とし、Ｉｎ混晶比ａを０．２５ｂ以下（一層好ましくは０．２２ｂ以下）とすることが望ましい。
【００６４】
ただし、ｎ側クラッド層１６に用いるＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮにおいて、Ａｌ混晶比とＩｎの混晶比を制御しても、結晶の品質を維持しながら、ＩＴＯ等の導電性酸化物と同一の屈折率を実現することは容易でない。そこで、ｎ側クラッド層１６の屈折率がｐ側クラッドとして機能させる導電性酸化物層の屈折率よりも高い場合、ビームの中心を活性層に近づけるために、最もｐ側にある井戸層２４ｂからｐ側クラッドとして機能するｐ側電極３８までの距離ｄｐを、最もｎ側にある井戸層２４ａからｎ側クラッド層１６までの距離ｄｎよりも大きくすることが好ましい。本実施の形態であれば、距離ｄｎは、ｎ側光ガイド層１８の膜厚で決まり、距離ｄｐは、最もｐ側にある障壁層２２ｂとｐ側光ガイド層２８との合計膜厚で決まる。具体的には、ｄｐをｄｎよりも３００Å以上、より好ましくは５００Å以上、さらに好ましくは１０００Å以上大きくすることが望ましい。また、別の観点から、ｄｐはｄｎの１．１倍〜２．０倍の範囲とすることが望ましい。
【００６５】
実施の形態３
本実施の形態では、実施の形態１又は２において、ｎ側光ガイド層１８としてＩｎ混晶比の高い窒化物半導体を用いて、ｎ側光ガイド層１８とｎ側クラッド層１６との界面で意図的に線欠陥を発生させる。その他の点は、実施の形態１又は２と同様である。
【００６６】
実施の形態１又は２においては、ｎ側光ガイド層１８に用いる窒化物半導体のＩｎ混晶比を小さくし、ｎ側光ガイド層１８とｎ側クラッド層１６との界面に線欠陥が入らないようにした。しかしながら、レーザダイオードの発振波長をより長波長にする場合、活性層６中の井戸層２４ａ、ｂのＩｎ混晶比をより高くすることが必要となる。ところが、ｎ側光ガイド層１８のＩｎ混晶比を低く抑えた場合、活性層６中の井戸層２４ａ、ｂのＩｎ混晶比を高くすると、ｎ側光ガイド層１８と活性層６との格子定数差が大きくなってくる。したがって、ｎ側光ガイド層１８と活性層６との間に線欠陥が発生することを防止しようとすると、井戸層２４ａ、ｂのＩｎ混晶比を高くしようとしても限界がある。
【００６７】
そこで本実施の形態では、発想を転換し、ｎ側光ガイド層１８としてＩｎ混晶比が高く、膜厚の厚い窒化物半導体を用いて、ｎ側クラッド層１６とｎ側光ガイド層１８との界面で意図的に線欠陥を発生させる。ｎ側クラッド層１６とｎ側光ガイド層１８との界面で線欠陥が発生すると、そこで格子不整が緩和されるため、ｎ側光ガイド層１８の格子定数は下地にあるｎ側クラッド層１６の格子定数よりも広くなる。したがって、ｎ側光ガイド層１８の上に活性層６を成長させる場合、活性層６中の井戸層２４ａ，ｂのＩｎ混晶比を高めても、ｎ側光ガイド層１６と活性層の界面における線欠陥の発生を防止できる。即ち、ｎ側クラッド層１６とｎ側光ガイド層１８との界面で意図的に線欠陥を発生させることにより、活性層６中の井戸層２４ａ，ｂにおけるＩｎ混晶比を高めて長波長の発振を可能としながら、ｎ側光ガイド層１６と活性層６との界面における線欠陥の発生を抑制できる。線欠陥のような結晶欠陥は、活性層に近いほど電気光学特性への影響が顕著になる。このためｎ側クラッド層１６とｎ側光ガイド層１８の界面における線欠陥がレーザダイオードの特性に与える影響は、ｎ側光ガイド層１８と活性層６の界面で発生する線欠陥による影響に比べて小さい。したがって、本実施の形態によれば、電気光学特性に優れた長波長レーザを実現できる。
【００６８】
具体的には、実施の形態１または２において、第１のｎ側光ガイド層１８ａと第２の光ガイド層１８ｂをいずれもＩｎＧａＮとし、そのＩｎ混晶比をｎ側クラッド層１６との界面において線欠陥が発生する程度に高く設定すれば良い。例えば、第１のｎ側光ガイド層１８ａ及び第２のｎ側光ガイド層１８ｂにおけるＩｎ混晶比を０．０３以上、より好ましくは０．０４以上とすることが好ましい。また、第１のｎ側光ガイド層１８ａ及び第２のｎ側光ガイド層１８ｂの合計膜厚は、２００ｎｍ以上、より好ましくは４００ｎｍ以上、８００ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００６９】
尚、本実施の形態において充足すべき条件は、ｎ側光ガイド層１８のｎ側クラッド層１６側の界面（第１の界面）で線欠陥を発生させ、活性層６側の界面（第２の界面）で線欠陥を発生させないか、線欠陥を第１の界面より少なくする点である。したがって、上記の説明では、ｎ側クラッド層１６とｎ側光ガイド層１８との界面に線欠陥を発生させ、ｎ側光ガイド層１８と活性層６との界面に線欠陥を発生させない、と説明したが、上記条件が充足される限り、線欠陥の発生を議論する界面が別の界面であっても構わない。例えば、ｎ側クラッド層１６の上に、ｎ側クラッド層１６と格子整合する窒化物半導体層を形成した後、その追加の窒化物半導体層との界面に線欠陥が発生するようにｎ側光ガイド層１８を形成しても構わない。また、本実施の形態の考え方は、特に５１０ｎｍ以上の発振波長を持つレーザダイオードに有効である。
【００７０】
上記の実施の形態１〜３では、ｎ側クラッド層が単層である場合について説明したが、互いに組成の異なる多層としても良い。例えば、ＩｎとＡｌを含む窒化物半導体であるＩｎaＡｌbＧａ１−a−bＮ（０＜a＜１、０＜ｂ＜１、０＜ａ＋ｂ≦１）（＝ＩｎとＡｌを含むｎ側窒化物半導体層）とＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ等との超格子構造の多層膜としても良い。また、リッジ構造を持つ屈折率導波型のレーザダイオードについて説明したが、本件発明はそれに限定されない。リッジ側面を再成長により埋め込んだＢＨ構造や、電流狭窄層を設けた構造など種々の構造とすることができる。また、端面発光型や面発光型の発光ダイオードに本件発明を適用することもできる。面発光型の発光ダイオードでは、クラッド層による光閉じ込めは行わないが、クラッド層などのＡｌ混晶比を高めることに伴う結晶品質上の問題点は上記実施の形態１〜３と共通する。また、実施の形態１から３のレーザダイオードは、ＩｎｘＡｌｙＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される窒化物半導体から成るが、六方晶系の窒化物半導体であることが好ましい。六方晶系であれば、III族元素又はＶ族元素に他の元素が結晶性を低下させない程度に少量含まれていても構わない。
【００７１】
実施の形態１〜３において得られた緑色の窒化物半導体レーザダイオードに、従来からの青色の窒化物半導体レーザダイオードと赤色の半導体レーザダイオードを組み合わせれば、フルカラーのディスプレイが実現できる。例えば、本件発明に従って構成された波長５００〜５６０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長４４０〜４８０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長６００〜６６０ｎｍで発振する半導体レーザダイオードとを組み合わせることで、半導体レーザを用いたフルカラーディスプレイ装置を得ることができる。
【００７２】
[実施例]
（実施例１）
図１に示す構造の窒化物半導体レーザを、表１の層構成で製造する。
（表１）
0005589380.tif 000002
【００７３】
この窒化物半導体レーザを、以下のようにして製造する。
（ｎ側窒化物半導体層４）
まず、｛２０−２１｝面を主面とし、転位密度が約５×１０６ｃｍ−２である窒化ガリウム基板２を準備する。この窒化物半導体基板は、横方向成長技術を用いて成長した後、表面を研磨したものである。ＭＯＣＶＤ法によりこの窒化ガリウム基板２上に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ(トリエチルガリウム)、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ(トリメチルインジウム)、ＳｉＨ４（シラン）、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、アンモニアを用い結晶成長を行った。水素をキャリアガスとして、１０００℃でＳｉを４×１０１８/cm３ドープしたｎ型ＧａＮ層を膜厚４μmで成長させる（ｎコンタクト層５０）。次に、窒素をキャリアガスに切り替えて９５０℃でＳｉを４×１０１８/cm３ドープしたｎ型Ｉｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層１２を膜厚１μmで成長させる（ｎ側クラッド層１６）。次にキャリアガスを水素に切り替え、９９０℃でＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮ層１８ａを成長した後、キャリアガスを窒素に切り替え、ＴＭＩを再び流しながら、成長温度を９２０℃にしてアンドープのｎ型Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ層１８ｂをそれぞれ０．３０μｍの膜厚で成長させる（ｎ側光ガイド層１８ａ、ｂ）。なおこのアンドープＩｎＧａＮ層１８ｂにｎ型不純物をドープしてもよい。
【００７４】
（活性層６）
次に活性層６を以下のようにして成長する。温度を７８０℃にしてアンドープＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層２４ａを２ｎｍを成長した後、アンドープＧａＮよりなる井戸キャップ層（図示せず）を１ｎｍ成長し、温度を９２５℃に上げてアンドープＧａＮよりなる障壁層２２ａを１０ｎｍ成長する。温度を７８０℃にして再度アンドープＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層２４ｂを２ｎｍ成長させた後、アンドープＧａＮよりなる井戸キャップ層（図示せず）を１ｎｍ成長し、温度を９２５℃に上げてアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる障壁層２２ｂを８０ｎｍ成長させ、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を形成する。
【００７５】
（ｐ側窒化物半導体層８）
次に温度を９９０℃に上げ、キャリアガスを窒素から水素に切り替え、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８  Ｎ層２６（Ａｌを含む窒化物半導体層２６）を１０ｎｍの膜厚で成長させる。続いて９９０℃でＭｇを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層２８を０．３μｍの膜厚で成長させる（ｐ側光ガイド層２８）。尚、層２８のＡｌ組成が０〜３％であってもよい。次にキャリアガスを窒素に切り替え、９５０℃でＭｇをドープしたＧａＮよりなる２．５ｎｍの層と、アンドープＩｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎよりなる２．５ｎｍの層とを交互に成長させ、総膜厚０．５μｍよりなる層ｐ側クラッド層３２を成長させる。ｐ側クラッド層３２における平均のＭｇ濃度は、約１×１０１９ｃｍ−３となる。最後にキャリアガスを水素に切り替え９９０℃で層２６の上にＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層３２を１５ｎｍの膜厚で成長させる。
【００７６】
次に、窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮ層３２の表面にＳｉＯ２からなるマスクを形成し、このマスクを用いて窒化物半導体層を
３μｍエッチングし、６００μｍの長さ（共振器長に対応）のストライプ構造を形成する。ストライプの方向はＣ軸に平行な方向又はＡ軸に平行な方向に形成することが望ましい。ここではＡ軸に平行な方向で形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。共振器長は２００μｍ〜５０００μｍ程度の範囲であることが好ましい。次にｐ型ＧａＮ層３２の表面にＳｉＯ２からなるストライプ状のマスクを形成し、このマスクを用いてｐ型ＧａＮ層３２の表面をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりエッチングする。これによってストライプ状の導波路領域であるリッジ部３６を幅２μｍで形成する。またこの際、図７に示すようにリッジ脇部分４９が周辺領域よりも３０ｎｍ深くエッチングされ、かつリッジ部３６の側壁はｐ型ＧａＮ層３２に対して７５度の角度で形成されるようエッチング条件（圧力、温度）を調整する。
【００７７】
次にフォトレジストによりウェハ全面を覆い、リッジ部３６上のＳｉＯ２が露出するまでフォトレジストのエッチングを行う。続いてチップ化された際に共振器の端面となる領域を再度フォトレジストによりマスクした後、共振器端面付近を除くリッジ３６上のＳｉＯ２をエッチングし、ｐ型ＧａＮ層３２を露出させる。次にウェハ全体にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（１５０ｎｍ）よりなるｐ電極３８をスパッタリングにより形成し、その後すべてのフォトレジストを除去することによってストライプ状のリッジ部３６のＳｉＯ２を除去した部分のみにｐ電極３８を残す。その後、６００℃でオーミックアニールを行う。
【００７８】
次にＳｉ酸化物（ＳｉＯ２、２００ｎｍ）からなる埋め込み層４６をスパッタリングにより成膜する。ここでリッジ部３６の形状はテーパー状であり、リッジ３６の側壁はウェハ表面に対する断面積がその他の領域に比べて小さいため、埋め込み層４６の膜厚はリッジ側壁部分＜リッジ脇部分４９の関係で形成される。またリッジ脇部分４９はリッジ側壁に膜が形成されるに従って反応性イオンの密度が低下し、成膜レートがリッジ外領域に比べて低下するため、埋め込み層４６の膜厚がリッジ脇部分４９＜リッジ外領域の関係で形成される。従って埋め込み層４６の膜厚はリッジ側壁部分＜リッジ脇部分４９＜リッジ外領域３４の関係となる。
【００７９】
次に再度フォトレジストによりウェハ全面を覆い、リッジ部３６上のｐ電極３８が露出するまでフォトレジストのエッチングを行う。続いてｐ電極３８および共振器端面部分上のＳｉＯ２を除去する。次にＳｉ酸化物（ＳｉＯ２）からなる保護膜４８を埋め込み膜の上及び半導体層の側面に０．５μｍの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。
【００８０】
次に先ほど露出させたｐ電極３８に連続してＮｉ（８ｎｍ）／Ｐｄ（２００ｎｍ）／Ａｕ（８００ｎｍ）からなるｐパッド電極４０を形成する。次に基板２の厚みが８０μｍになるように窒化物半導体層の成長面と反対側の面から研磨する。次に、ｎコンタクト層をエッチングにより露出させ、露出面にＴｉ（１０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｔｉ（１５００ｎｍ）／Ｐｔ（３０００ｎｍ）／Ａｕ（４０００ｎｍ）よりなるｎ電極４２を形成する。次にウェハをレーザによってピース状に分割し、ストライプ方向と垂直な方向に共振器端面を形成する。次にこの端面の両側にＳｉＯ２／ＺｒＯ２からなるミラーを形成する。最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーを切り分けることによって半導体レーザ素子とする。
【００８１】
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１０ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は７.５Ｖである。
【００８２】
（比較例１）
実施例１の窒化物半導体レーザダイオードの層構成を表２のようにする。その他の点は、実施例１と同様である。
（表２）
0005589380.tif 000003
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、レーザ発振しなかった。
【００８３】
（実施例２）
図８に示す構造の窒化物半導体レーザを、表３の層構成で製造する。
（表３）
0005589380.tif 000004
【００８４】
本実施例において、ｐ側窒化物半導体層８は、以下のようにして製造した。その他の点は、実施例１と同様である。
（ｐ側窒化物半導体層８）
温度を９９０℃に上げ、キャリアガスを窒素から水素に切り替え、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層２６（Ａｌを含む窒化物半導体層２６）を１０ｎｍの膜厚で成長させる。続いて９９０℃でＭｇを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層２８を０．５μｍの膜厚で成長させる（ｐ側光ガイド層２８）。尚、層２８のＡｌ組成が０〜３％であってもよい。最後に９９０℃で層２６の上にＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮ層３２を１５ｎｍの膜厚で成長させる。
またｐ電極３８はＩＴＯのスパッタリングにより４０００Åの膜厚で形成する。
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１０ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は７．０Ｖである。本実施例によれば、ｐ側クラッド層３２を省略して、ｐ側電極３８でクラッドを兼用したため、実施例１に比較して動作電圧を下げることができる。
【００８５】
（実施例３）
実施例２における窒化物半導体レーザダイオードの層構成を表４のようにする。その他の点は、実施例２と同様である。
（表４）
0005589380.tif 000005
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１０ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は７Ｖである。
【００８６】
（実施例４）
実施例２における窒化物半導体レーザダイオードの層構成を表５のようにする。その他の点は、実施例２と同様である。
（表５）
0005589380.tif 000006
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１０ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は７.２Ｖである。本実施例によれば、ｎ側クラッド層１６のＡｌ混晶比を０．０３に高め、距離ｄｐをｄｎの約１．７倍にするため、実施例２及び３に比べて閾値電流を低下することができる。
【００８７】
（実施例５）
実施例２における窒化物半導体レーザダイオードの層構成を表６のようにする。その他の点は、実施例２と同様である。
（表６）
0005589380.tif 000007
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１０ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は６．８Ｖである。本実施例によれば、ｎ側ガイド層とｐ側ガイド層の膜厚を薄くしたため、動作電圧を低下することができる。但し、活性層からＩＴＯまでの距離が近いため、閾値電流は実施例２〜４に比べて高くなる。
【００８８】
（実施例６）
実施例２の窒化物半導体レーザを、表７の層構成で製造する。
（表７）
0005589380.tif 000008
【００８９】
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１０ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は７．５Ｖである。本実施例によれば、ｎ側クラッド層の組成をAl0.75In025Nとすることにより、ｎ側クラッド層の屈折率を低下させて、ＩＴＯの屈折率に近づけることができる。したがって、実施例２に比較して閾値電流を下げることができる。
【００９０】
（実施例７）
実施例１の窒化物半導体レーザを、表８の層構成で製造する。その他の点は、実施例１と同様である。
（表８）
0005589380.tif 000009
【００９１】
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、５１５ｎｍでレーザ発振し、動作電圧は７．７Ｖである。本実施例では、ｎ側ガイド層のＩｎ混晶比を高め、ｎ側ガイド層とｎ側クラッド層の間で線欠陥を発生させる。このため、井戸層のＩｎ混晶比を高めて、より長波長の発光が可能となる。
【００９２】
（実施例８）
図９に示す構造の窒化物半導体レーザを、表９の層構成で製造する。
（表９）
0005589380.tif 000010
【００９３】
本実施例は、図１に示した窒化物半導体レーザダイオードの変形例である。本実施例では、ｎ側電極４２を基板２の裏面側に形成しており、ｎコンタクト層としてのＧａＮ層を有していないが、基板とＡｌＩｎＧａＮ層との間にＧａＮ層を有している。ｎ電極は、Ｖ/Ｐｔ/Ａｕをそれぞれ１０ｎｍ/２００ｎｍ/３００ｎｍの膜厚で形成する。
このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、実施例１と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１  窒化物半導体レーザダイオード
２  基板
４  ｎ側窒化物半導体層
６  活性層
８  ｐ側窒化物半導体層
１６  ｎ側クラッド層
１８ａ、ｂ  ｎ側光ガイド層
２２ａ、ｂ  ＩｎＧａＮ障壁層
２４ａ、ｂ  ＩｎＧａＮ井戸層
２６  Ａｌを含む窒化物半導体層
２８  ｐ側光ガイド層
３２  ｐ側クラッド層
３４  ｐ側コンタクト層
３６  リッジ構造
３８  ｐ側電極
４０  ｐ側パッド電極
４２  ｎ側電極
４６  埋め込み層
４８  保護膜
４９  窪み
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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