(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系材料からなる下地層と、クラッド層と、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層とがこの順で積層された構造を有し、前記発光層におけるＩｎ組成の微視的揺らぎの標準偏差Δｘが０．０６７以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
窒化ガリウム系材料からなる下地層と、クラッド層と、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層とがこの順で積層された構造を有し、前記発光層におけるバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σが４０ｍｅＶ以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子であって、窒化ガリウム系材料からなる下地層と、クラッド層と、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層とがこの順で積層された構造を有し、前記活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎが、
ｄｇ／ｄｎ≧１．０×１０-20（ｍ2）
を満たすことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子であって、前記下地層は、ＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子であって、前記下地層の裏面にサファイア基板を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子であって、前記下地層の表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに一項に記載の窒化物半導体素子であって、フォトルミネッセンスピーク波長分布が４０ｍｅＶ以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の窒化物半導体素子であって、前記クラッド層がＡｌＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項９】
請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子の製造方法であって、窒化ガリウム系材料からなる下地層の上部にクラッド層を形成した後、その上部に、アンモニアガスを含む原料ガスを用いて有機金属気相成長法によりＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層を形成する工程を含み、
前記下地層の表面転位密度を１０8個／ｃｍ2未満とし、
前記発光層を形成する際、アンモニアガスの分圧を１１０ｈＰａ以下とすることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の窒化物半導体素子の製造方法であって、前記下地層は、ＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の窒化物半導体素子の製造方法であって、前記下地層の裏面にサファイア基板を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ等として用いられる窒化物半導体素子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体材料を用いた発光素子は、窒化物半導体層中に多くの貫通転位を含むため、層構造の設計に際し、他の材料系を用いた発光素子とは異なる設計思想がしばしば用いられる。
【０００３】
通常、半導体レーザにおける活性層は、構成材料が均一に分布し、バンドギャップの値が均一になっていることが望ましい。これらが不均一であると、発光効率が低下するとともに発光波長が多波長となりやすいからである。ところが、窒化物半導体レーザでは、活性層に欠陥が多いため、キャリアが欠陥に捕捉され非発光再結合等が起こりやすい。これを避けるためには、活性層の面内にポテンシャルの揺らぎを形成し、この谷部にキャリアを局在化させることが有効となる。これにより、キャリアが欠陥に捕捉され非発光再結合を起こすことを抑制できる。このような事情から、窒化物半導体レーザでは、他の材料系からなる半導体レーザとは異なり、活性層の構成材料の分布が不均一となっている方がむしろ好ましいとされている。
【０００４】
ところで、窒化ガリウム系素子の活性層としてはＩｎＡｌＧａＮが一般に用いられるが、このＩｎＡｌＧａＮは、混晶を成長させにくい材料であり、ＩｎＮとＧａＮ或いはＡｌＮとが相分離する傾向にある。このためＩｎＡｌＧａＮ活性層においてはＩｎ組成の不均一な領域が形成される。この相分離は意図的に形成されるものではないが、結果として、活性層の面内にポテンシャルの揺らぎが形成され、非発光再結合が抑制されることとなり、発光効率の向上、しきい値電流の低減が図られることとなる。
【０００５】
上記事実は特開平１０−１２９６９号公報にも記載されている。この公報には、ＩｎＧａＮは混晶を成長させにくい材料であり、ＩｎＮとＧａＮとが相分離する傾向が強いと記載されており、さらに、「井戸層においてＩｎ組成の面内不均一があるということは、単一のＩｎＧａＮ井戸層にバンドギャップの異なるＩｎＧａＮ領域が存在し、電子と正孔とが井戸層内のＩｎ組成の大きい（ポテンシャルエネルギーとしては低い方向）領域に局在化して局在エキシトンを形成し、レーザの閾値が下がり、出力が高くなるのは局在エキシトンによるものである。」と記載されている。
【０００６】
また、アプライド・フィジックス・レターズ（APPLIED PHYSISCS LETTERS、第７１巻、２３４６頁、１９９７年）にも同様の記載がある。ＩｎＧａＮの成長は、相分離を起こすために混晶成長が難しく、ＩｎＧａＮ量子井戸内でＩｎＮ組成が揺らいでおり、その量子ディスクやドットのようなものがエキシトンの運動を制限し非発光再結合を抑制していると記載されている。ここでもＩｎ組成揺らぎが大きい方が非発光再結合が抑制され、即ち発光効率が向上するとされている。
【０００７】
さらに、アプライド・フィジックス・レターズ（APPLIED PHYSISCS LETTERS、第７０巻、９８３頁、１９９７年）にも同様の記載があり、ＩｎＧａＮ量子井戸構造の断面ＴＥＭ写真でＩｎ組成揺らぎの構造を観測し、ＩｎＧａＮ系レーザダイオードの高い量子効率は、エキシトン局在による非発光パスの抑制であると結論づけている。
【０００８】
この様にＩｎＧａＮ量子井戸を有する半導体レーザでは、他の材料系と異なり、ＩｎＧａＮにおけるＩｎＮとＧａＮの相分離が起こりやすく、相分離によるＩｎ組成揺らぎが、発光効率、レーザ閾値、レーザ出力の向上など様々なレーザ特性を向上すると考えられてきた。
【０００９】
しかしながら、Ｉｎ組成揺らぎが存在する場合、活性層中でバンドギャップの値が不均一となり、発振波長が多波長になったり、注入電流によって発光波長分布が変動するといった現象を引き起こすこととなる。
【００１０】
このような問題に対し、特開平１１−３４０５８０号公報では、フォトルミネッセンス（以下、「ＰＬ」と略記する）ピーク波長分布から測定される活性層内の組成均一性を向上させることが有効であると記載されている。具体的には、Ｉｎ組成分布を±０．０３の範囲内とすることにより１５０ｍｅＶ以下のＰＬピーク波長分布とし、多波長発振等を抑制し得ることが記載されている。
【００１１】
ところで、近年、窒化物半導体レーザに対する高寿命化の要請がとみに強まっている。たとえば次世代の光記憶装置（例えばデジタルビデオディスク：ＤＶＤなど）の光源として用いる場合、書き込み用途まで含めると、７０℃、３０ｍＷのＡＰＣ試験で最低でも５０００時間以上の寿命が必要とされる。
【００１２】
素子の高寿命化のための手段として、基板の転位密度を低減することが有効である。「フィジカ・ステイタス・ソリディ（Physica status solidi(a)）第１７６巻、１５頁、１９９９年」には、低転位基板とＡｌＧａＮ／ＧａＮ変調ドープクラッドを用いることで、室温２ｍＷの光出力一定制御（ＡＰＣ）試験で１００００時間以上を達成したことが記載されている。しかしながら、上同文献によれば低転位基板上のレーザでも６０℃、３０ｍＷのＡＰＣ試験で４００時間あまりの寿命しか得られておらず、現在望まれている水準の寿命は実現されていない。
【００１３】
また、最近開発されたＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth（「応用物理  第６８巻、第７号（１９９９年）第７７４頁〜第７７９頁」等に記載）を利用すれば、転位密度を大幅に低減したＧａＮ基板を得ることが可能である。以下、このようにして得た低転位ｎ−ＧａＮ基板を用い、窒化物半導体レーザを作製した例について図１０を参照して説明する。
【００１４】
図１０に示すように、低転位ｎ−ＧａＮ基板１０１上にＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（シリコン濃度４×１０17ｃｍ-3、厚さ１．２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０17ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０３、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（シリコン濃度５×１０18ｃｍ-3厚さ６ｎｍ）バリア層からな多重量子井戸層１０４（井戸数２個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.２Ｇａ0.8Ｎからなるキャップ層１０５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０17ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１０６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１０７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０17ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層１０８を順次成長させて、ＬＤ構造を形成した。
【００１５】
レーザ構造の形成は、２００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシ）装置を用いて行われた。窒素原料に用いたアンモニアの分圧は１４７ｈＰａであり、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ材料はＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩを用いた。成長温度は、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層１０４では７８０℃であり、その他の層においてはすべて１０５０℃で行った。ドライエッチングによりｐ型クラッド層１０７そしてｐ型コンタクト層１０８を含んだメサ型１０９を部分的に残した後、ＳｉＯ2絶縁膜１１０を形成した。また、メサ部分の頭出しを露光技術により行い、リッジ構造を形成した。ｎ型基板裏にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１１１を形成し、ｐコンタクト上には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極１１２を形成した。へき開によりレーザ共振器端面を形成し、片面はＴｉＯ2／ＳｉＯ2で高反射コーティング（反射率９５％）を行った。
【００１６】
得られた半導体レーザのしきい値電流密度は３．７ＫＡ／ｃｍ2であり、この時の電圧は４．７Ｖであった。この素子について７０℃、３０ｍＷ、ＡＰＣ試験を行ったところ、平均素子寿命は２００時間であった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来技術の窒化物系半導体レーザでは、高温動作時の素子寿命が充分でなく、システムサイドが要求する７０℃、３０ｍＷのＡＰＣ試験で５０００時間以上の寿命を実現するものは見出されていなかった。
【００１８】
本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、発光効率を良好に維持しつつ高温動作時における素子寿命を改善することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザは、以下の事項により特定される。
［１］窒化ガリウム系材料からなる下地層と、クラッド層と、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層とがこの順で積層された構造を有し、前記発光層におけるＩｎ組成の微視的揺らぎの標準偏差Δｘが０．０６７以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
［２］窒化ガリウム系材料からなる下地層と、クラッド層と、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層とがこの順で積層された構造を有し、前記発光層におけるバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σが４０ｍｅＶ以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
［３］窒化ガリウム系材料からなる下地層と、クラッド層と、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層とがこの順で積層された構造を有し、前記活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎが、
ｄｇ／ｄｎ≧１．０×１０-20（ｍ2）
を満たすことを特徴とする窒化物半導体素子。
［４］［１］乃至［３］いずれかに記載の窒化物半導体素子であって、前記下地層は、ＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
［５］［１］乃至［３］いずれかに記載の窒化物半導体素子であって、前記下地層の裏面にサファイア基板を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
［６］［１］乃至［５］いずれかに記載の窒化物半導体素子であって、前記下地層の表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満であることを特徴とする窒化物半導体素子。
［７］［１］乃至［６］いずれかに記載の窒化物半導体素子であって、フォトルミネッセンスピーク波長分布が４０ｍｅＶ以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
［８］［１］乃至［７］いずれかに記載の窒化物半導体素子であって、前記クラッド層がＡｌＧａＮからなることを特徴とする窒化物半導体素子。
［９］窒化ガリウム系材料からなる下地層の上部にクラッド層を形成した後、その上部に、アンモニアガスを含む原料ガスを用いて有機金属気相成長法によりＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を含む活性層を形成する工程を含み、前記発光層を形成する際、アンモニアガスの分圧を１１０ｈＰａ以下とすることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
［１０］［９］に記載の窒化物半導体素子の製造方法であって、前記下地層は、ＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
［１１］［９］に記載の窒化物半導体素子の製造方法であって、前記下地層の裏面にサファイア基板を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
［１２］［９］乃至［１１］いずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法であって、前記下地層の表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【００２０】
前述したように、ＩｎＧａＮ活性層を備えた従来の窒化ガリウムレーザでは、活性層が多くの転位を含むため、Ｉｎ組成揺らぎが存在する方が良好なレーザ特性が得られるというのが技術常識となっていた。
【００２１】
これに対し本発明は、下地層の転位密度を大幅に低減した上で、Ｉｎ組成やバンドギャップの微視的揺らぎを一定値以下としている。これにより、発光効率やレーザしきい値を良好に維持しつつ素子の高寿命化を実現している。
【００２２】
半導体レーザ素子の劣化は大きく分けると、端面劣化と活性層の欠陥増殖によって引き起こされる。端面劣化は衝撃劣化とも呼ばれ、その名前の通り瞬時にレーザ発振が止まるものである。一方、活性層の欠陥増殖は徐々に増加していくものであり、動作電流が徐々に劣化していく。従来技術の項で述べた図１０のレーザについては、徐々に動作電流が劣化する現象が確認され、後者のタイプの劣化、すなわち、活性層の欠陥増殖に起因する劣化が起こっていることが確認されている。したがって、素子の高寿命化を図るためには、活性層を劣化の起こりにくい構造をすることが有効と考えられる。
【００２３】
活性層の組成分布やバンドギャップエネルギーの揺らぎが存在する場合、局所的な歪みが生じ、高温動作時に、熱、光、あるいはキャリアなどからエネルギーを受けて欠陥が発生するものと推察される。本発明者らは、かかる推察のもと、素子寿命を長くするためには活性層の組成分布やバンドギャップエネルギーの揺らぎを低減することが有効であると考えた。
【００２４】
ここで、活性層の組成分布やバンドギャップエネルギーの「揺らぎ」には、巨視的スケールにおける揺らぎと、微視的スケールにおける揺らぎがある。巨視的スケールにおける揺らぎとは、たとえば顕微ＰＬ測定等により測定可能な距離スケールの揺らぎをいい、フォトルミネッセンスピーク波長分布をいう。フォトルミネッセンスピーク波長分布とは、観測されたフォトルミネッセンスピーク波長の最大値から最低値までのエネルギー範囲をいう。
【００２５】
一方、微視的スケールにおける揺らぎとは、これよりも近距離の揺らぎを意味する。従来技術における「揺らぎ」とは、上記巨視的スケールにおける揺らぎ、すなわち、ＰＬ測定により観測される揺らぎを意味するのが一般的であり、測定の原理上、１μｍ程度の距離スケールにおけるゆらぎを意味していた。前述した特開平１１−３４０５８０号公報に記載されているのも上記巨視的スケールにおける揺らぎであり、これを低減させることにより多波長発振の防止を図っている。これに対し本発明は、これよりも近距離スケールにおけるゆらぎ、すなわち、微視的スケールにおける揺らぎに着目したものである。微視的スケールにおける発光層組成分布やバンドギャップエネルギーの揺らぎとは、キャリア拡散長（約１μｍ）よりも短距離スケールにおける揺らぎという意味である。参考例および図１４（カソードルミネッセンス像）で後述するように、本発明では、サブミクロンオーダー、具体的には５００ｎｍ以下のスケールにおける微視的揺らぎを制御し、これにより発光層の局所歪みを安定的に制御して素子の高寿命化を図っている。
【００２６】
前述した特開平１１−３４０５８０号公報には、巨視的スケールにおけるゆらぎを低減することで多波長発振を充分に抑制できることが記載されている。しかし、本発明の目的とする、高温動作時における素子の高寿命化は、巨視的スケールにおけるゆらぎを低減することでは実現困難である（この点については、実施例にて後述する。）。本発明では、顕微ＰＬで観測できるスケールよりもさらに微視的領域における組成やバンドギャップ揺らぎを低減し、これにより、高温動作時における素子の高寿命化を実現している。
【００２７】
このような微視的領域における揺らぎを制御することについての検討はこれまで報告された例はなく、かかる揺らぎが素子性能に与える影響は知られていなかった。また、このような微視的揺らぎを低減する具体的手段についての知見は得られていなかった。巨視的スケールにおける揺らぎを低減するためには、上記特開平１１−３４０５８０号公報に記載されているように基板の転位密度の低減や、活性層の成膜速度の調整によって、ある程度実現することも可能である。しかしながら、本発明のように微視的揺らぎを低減するには、このような手段のみでは実現困難であり、さらに高度な結晶成長の制御が必要となる。
【００２８】
以上のように本発明に係る窒化物半導体素子は、従来、着目されることのなかった微視的スケールにおける発光層組成分布やバンドギャップエネルギーの揺らぎを低減し、あるいは、微分利得を一定以上としている。これにより、発光層の局所歪みを低減して、高温動作時における活性層の劣化を防止している。なお、本発明における「発光層」とは、活性層中に含まれる層であって、反転分布により利得の発生する層をいうものとする。量子井戸構造の活性層においては、量子井戸層が本発明における発光層に相当し、量子井戸構造以外の構造の活性層では、通常、活性層全体が発光層となる。
【００２９】
また、本発明に係る窒化物半導体素子は、表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満の窒化ガリウム系材料からなる下地層を用い、この上にクラッド層および活性層を積層させている。下地層の表面転位密度が低いため、その上部に形成される活性層の転位密度を低減できる。また、下地層を窒化ガリウム系材料により構成しているため、クラッド層の残留歪みを低減し、結果として活性層の残留歪みを低減できる。
【００３０】
本発明は、以上述べた作用の総和により、活性層の転位密度を低減するとともに、素子の高温動作時等に後発的に発生する欠陥の発生を有効に防止している。この結果、キャリアが欠陥にトラップされて非発光再結合を起こすことを防止し、素子の高寿命化、高効率化を実現している。具体的には、素子の効率を低下させることなく、高温（７０℃）高出力（３０ｍＷ）動作時において、５０００時間以上の素子寿命を実現できる。
【００３１】
ところで、発光層におけるＩｎ組成やバンドギャップエネルギーの揺らぎに関し、巨視的揺らぎだけでなく微視的揺らぎまで低減した場合、従来の技術常識にしたがえば、以下の理由によりしきい値電流密度が劣化することが懸念される。すなわち、上記揺らぎを低減させた場合、揺らぎが存在する場合に比べて反転分布を形成しにくくなる。また、転位密度を低減させたとしても発光層には一定程度の転位が含まれるため、この転位により非発光再結合が起こり得る。以上のことから、従来の技術常識によればレーザしきい値電流密度の上昇が懸念される。
【００３２】
しかしながら、本発明者の検討によれば、実施例で後述するように、レーザのしきい値電流密度の劣化は起こらないことが確認された。発光層におけるＩｎ組成やバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎを低減させた場合、微分利得が向上する。この寄与が大きいためレーザのしきい値電流密度を良好に維持できるものと推察される。
【００３３】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、下地層として、表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満の窒化ガリウム系材料を選択するとともに、発光層を形成する際、アンモニアガスの分圧を所定の値以下としている。このため、発光層におけるＩｎ組成やバンドギャップの微視的揺らぎを確実に低減することができ、この結果、微分利得を向上させることができる。高寿命化、高効率の素子を安定的に製造することができる。下地層は、ＧａＮ基板またはＡｌＧａＮ基板とすることが好ましい。基板としてサファイアを用いた構成、すなわち、ＧａＮ等からなる下地層の裏面にサファイア基板を備えた構成としてもよい。このようにすることによって、微視的揺らぎを高精度に制御しやすくなる。たとえばＳｉＣ基板を用いると、熱膨張率の関係で半導体層に引っ張り歪みが生じるため、微視的揺らぎを高精度に安定に制御することが困難となる。また、下地層の表面転位密度は、１０8個／ｃｍ2未満とすることが好ましい。このようにすることによって微視的揺らぎを確実に低減できる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明において、「発光層におけるＩｎ組成の微視的揺らぎ」、および、「バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎ」とは、空間分布における揺らぎ（変動）をいう。また、「微視的揺らぎ」とは、前述したように、サブミクロオーダー以下の揺らぎをいう。従来行われていた顕微ＰＬ測定では、通常、スポット径が１μｍ以上であり、測定の原理上、１μｍ以上の距離スケールにおけるゆらぎが観測されていた。これに対し本発明における微視的揺らぎとは、この方法では観測し得ない狭い領域内の揺らぎをいう。
【００３５】
本発明において、活性層を多重量子井戸構造とする場合、上記揺らぎは、各量子井戸層全体にわたる揺らぎを意味する。
【００３６】
本発明においてＩｎ組成やバンドギャップエネルギーの巨視的揺らぎおよび微視的揺らぎを低減するための具体的手段として、アンモニア分圧を低くすることが有効である。たとえばアンモニア分圧を１１０ｈＰａ以下とし、窒化ガリウム系半導体層の成長速度を適切に選択することにより、図８に示すように微分利得を１．０×１０-20（ｍ2）以上とすることができ、この結果、発光層のＩｎ組成の微視的揺らぎを安定的に低減できる。また、ＰＬ波長分布（バンドギャップエネルギーの巨視的揺らぎ）を２０ｍｅＶ以下とすることができる。
【００３７】
本発明において、内部損失を低減するためには、ｐ型ＳＣＨ（Self Confinement Heterostructure）層をノンドープとし、成長温度をたとえば１１００℃以上と高くすることが有効である。これにより内部損失を減らすことができる。一般にＳＣＨ層のｐ型ドープにはＭｇが用いられるが、Ｍｇドープした場合、結晶性が低下するとともに不純物準位が形成され、内部損失の低下をもたらす原因となる。この影響を排除し、さらに成長条件を適切に選択することによって内部損失を有効に低減できる。
【００３８】
本発明において、フォトルミネッセンスのピーク波長分布は、好ましくは４０ｍｅＶ以下、より好ましくは２０ｍｅＶ以下とする。このようにすることによってしきい値電流をより効果的に低減できる。この値が大きすぎると、しきい値電流が大きくなって消費電力が大きくなる。
【００３９】
本発明における下地層とは、レーザ等を構成する層を成長させる際に下地となる層をいう。下地層そのものをＧａＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等の結晶成長基板とすることもできるし、下地層の下部にサファイア基板を備えた構成とすることもできる。また、下地層の表面転位密度とは、下地層の表面に存在する貫通転位の密度をいう。
【００４０】
表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満の下地層は、以下に示すＦＩＥＬＯあるいはペンディオエピタキシ法等により得ることができる。以下、これらの方法について説明する。
【００４１】
（ＦＩＥＬＯによる下地層の形成）
たとえば、サファイア等の基板上に薄いＧａＮを形成し、その上にストライプ状のＳｉＯ2マスクを形成する。マスク開口部にＧａＮを選択横方向成長させることにより、表面転位密度の少ないＧａＮ層が得られる。これは転位がSiO2マスクでブロックされるだけでなく、選択横方向成長時に基板水平方向に曲げられる為である。この方法は、「応用物理  第６８巻、第７号（１９９９年）第７７４頁〜第７７９頁」等に記載されている。
【００４２】
（ペンディオエピタキシ法による下地層の形成）
たとえば、基板上に低温バッファ層を形成した後、単結晶からなるＧａＮ層を形成する。次いでマスクを用いて選択エッチングすることによりストライプ状に延びたＧａＮのパターンを形成する。このＧａＮストライプの上面または側面から結晶成長させることにより、表面転位密度の少ない下地層を形成することができる。ペンディオエピタキシ法については、たとえば「Tsvetankas.Zhelevaet.Ａｌ.；ＭＲＳInternet J. Nitride Semicond.Res. 4S1、G3.38(1999)」等に記載されている。
【００４３】
また、以下のような手法を用いれば、さらに転位密度を低減した基板を得ることもできる。すなわち、サファイア基板上に直接、またはバッファ層を介して、窒化ガリウム系材料からなる単結晶層を形成する。次いで、この単結晶層をエッチングして離間した島状の形態とする。このような形態とされた単結晶層を起点として結晶成長させることにより、表面転位密度の少ない下地層を形成することができる。なお、上記島状の形態は、エッチングによらず、単結晶層成長条件を適切に選択し、直接島状の形態を有する単結晶層を形成してもよい。
【００４４】
本発明における下地層の表面転位密度は、１０8個／ｃｍ2未満であるが、より好ましくは１０7個／ｃｍ2以下とする。下地層の転位密度が高いと、Ｉｎ組成やバンドギャップの微視的揺らぎを低減し、あるいは微分利得を向上させても、素子寿命を向上させることは困難である。表面転位密度を１０8個／ｃｍ2未満、特に１０7個／ｃｍ2以下とした場合は、上記微視的揺らぎの低減等によりる作用との相乗作用が得られ、良好な素子特性を維持しつつ素子寿命の向上を図ることができる。なお、下地層の表面転位密度は、エッチピットを測定する、あるいは、断面部をＴＥＭ観察する等、公知の方法により測定することができる。
このような低転位密度の下地層は、上記島状の形態を有する単結晶層を形成し、これを起点として結晶成長を行うことにより実現することができる。
【００４５】
下地層の態様としては、(i)基板上にＦＩＥＬＯにより成長させた低転位ＧａＮ層、あるいは低転位ＡｌＧａＮ層、(ii)基板上にペンディオエピタキシー法により成長させた低転位ＧａＮ層、あるいは低転位ＡｌＧａＮ層、(iii)基板上に島状に単結晶窒化ガリウム層を形成し、これを起点として結晶成長を行うことにより得られた低転位ＧａＮ層、あるいは低転位ＡｌＧａＮ層、(iv)上記(i)〜(iii)により低転位層を得た後、裏面の基板を研磨・エッチング等により除去したもの、等が挙げられる。
【００４６】
なお、本発明における下地層は表面転位密度の低いものであり、たとえば５００℃程度で堆積を行う、いわゆる低温バッファ層は含まれない。
【００４７】
本発明の下地層は窒化ガリウム系材料からなるものであるが、ここでいう「窒化ガリウム系材料」とは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等、構成元素として窒素およびガリウムを含む材料をいう。ここで、下地層としてＧａＮまたはＡｌＧａＮを用いた場合、光閉じ込め率を良好にしつつ素子寿命の改善を図ることができる。窒化ガリウム系半導体レーザでは、通常、ＡｌＧａＮからなるクラッド層が用いられるが、良好な光閉じ込め率を実現するためには、クラッド層のＡｌ組成比を高く、膜厚を厚くすることが望まれる。たとえば光ディスク用途に用いる発光波長３９０〜４３０ｎｍの半導体レーザにおいては、クラッド層の膜厚を１μｍ以上とすることが望ましく、Ａｌ組成比を、０．０５以上、より好ましくは０．０７以上とすることが望まれる。このような場合において、下地層としてＧａＮまたはＡｌＧａＮを選択することが有効となる。このようにすれば下地層とクラッド層の熱膨張係数や格子定数が近似することとなり、異種材料を下地層として用いた場合に比べ、クラッド層の残留歪みが低減するため、高温動作時における活性層の劣化を一層有効に防止できる。一方、クラッド層の膜厚やＡｌ組成を所望の範囲とすることが可能となり、光閉じ込め率を良好にすることができる。
【００４８】
なお、下地層としてＧａＮまたはＡｌＧａＮを用いた場合、下地層の膜厚を一定程度厚くすれば、さらに効果的である。たとえば、１μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上の下地層とすることにより、残留歪みはより効果的に低減される。
【００４９】
以上、本発明における下地層について説明したが、発光層におけるＩｎ組成やバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎ、微分利得が好適な範囲にある窒化物半導体素子を得るためには、下地層の選択だけでなく、発光層の成長条件等についても留意する必要がある。図８は、アンモニアガスの分圧を変えてＩｎＧａＮ量子井戸活性層を形成した場合の微分利得を示す図である。発光層を、アンモニアガスを含む原料ガスを用いて有機金属気相成長法により形成するものとし、この際、アンモニアガスの分圧を１１０ｈＰａ以下、より好ましくは９５ｈＰａ以下とすれば、上記微視的揺らぎ、微分利得が好適な範囲にある窒化物半導体素子を得ることができることがわかる。
【００５０】
本発明においては、発光層におけるＩｎ組成の微視的揺らぎの標準偏差Δｘは、好ましくは０．０６７以下、より好ましくは０．０４以下とする。これにより、高温高出力動作時の素子寿命を一層長くすることができる。
【００５１】
また、本発明においては、発光層におけるバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σは、好ましくは４０ｍｅＶ以下、より好ましくは３０ｍｅＶ以下とする。これにより、高温動作時の素子寿命を一層長くすることができる。
【００５２】
さらに、本発明においては、活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎを、好ましくは１．０×１０-20（ｍ2）以上、より好ましくは１．４×１０-20（ｍ2）以上とする。これにより、高温動作時の素子寿命を一層長くすることができる。
【００５３】
次に、本発明における「微視的揺らぎ」の測定方法について説明する。
【００５４】
本発明の窒化物半導体素子は、発光層におけるＩｎ組成の微視的揺らぎやバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎを低減するものである。ここで、微視的揺らぎの観測方法が問題となる。従来行われていた顕微ＰＬ測定ではこのような微視的揺らぎを観測することは困難だからである。本発明者らは、このような微視的揺らぎを発光寿命の依存性から求めた。以下、詳細に説明する。
【００５５】
まず、図１０のＩｎＧａＮ量子井戸レーザ素子におけるＩｎＧａＮ量子井戸内のＩｎ組成微視的揺らぎに起因するバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの測定を行った。測定方法の詳細を以下に示す。
【００５６】
図１は、従来技術の項で説明した図１０に示す半導体レーザに対して、発光寿命の温度変化を測定した結果である。発光寿命は次のように測定した。まず、半導体レーザ試料にピコ秒チタンサファイアレーザの第２高調波（波長３７０ｎｍ、出力５ｍＷ、繰り返し周波数８０ＭＨｚ）の光を表面から照射して励起した。発光はレンズで分光器に集光し、分光された光を光電子増倍管で検出し、単一光子計数法によって時間分解測定を行った。時間分解測定はストリークカメラを用いて行うこともできる。温度は、液体ヘリウムを用いた温度可変クライオスタットにより、５Ｋから３００Ｋの範囲で変化させた。
【００５７】
発光寿命の温度変化はバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎと関係している。微視的揺らぎがある場合、光励起された電子はＩｎ組成微視的揺らぎによって形成されたポテンシャル微視的揺らぎの谷に捕まるため、自由に動けなくなり、欠陥（非輻射中心）に捕まる確率が減り、発光寿命は長い値となる。しかし、温度が高くなり、熱エネルギーによって微視的揺らぎによるポテンシャル障壁を超えることができるようになると、電子は自由に動けるようになり非輻射中心に捕まる確率が急増し、発光寿命も急激に短くなる。図１で１００Ｋ程度から発光寿命が短くなり始めているのは、この温度以上で熱励起の効果が効き始めているからであると説明できる。定量的には、図１の曲線は
τPL-1＝τ0-1＋ＡＴ1/2ｅｘｐ（−Ｔ0／Ｔ）      （１）
という式でフィッティングすることができる。ここで、τPLは発光寿命、Ｔは温度、τ0、Ａ、Ｔ0はフィッティングのパラメータである。上記の式は次のように説明される。温度が低い場合には、電子は微視的揺らぎによるポテンシャルの谷に捕まってほとんど動けないため、そこでの固有の寿命τ0によって再結合する。低温では上式の第二項は効かず、第一項のみが効くので発光寿命はτ0で一定となる。温度が高くなると、電子の熱励起が起こるが、微視的揺らぎによるポテンシャル障壁の大きさをｋＴ0（ｋはボルツマン定数）とすれば、励起されるキャリアの割合はｅｘｐ（−Ｔ0／Ｔ）に比例する。そして、励起されたキャリアの一部は熱速度で動き回っている間に欠陥（非輻射中心）に捕獲される。この捕獲の確率は、Ｎｖｓで表される。ここで、Ｎは欠陥密度、ｖは熱速度、ｓは捕獲断面積を表す。温度依存性のみに着目すると熱速度が温度の平方根に比例することより、
Ｎｖｓ＝ＡＴ1/2
と記述できる。したがって、温度が高くなると、上記のメカニズムによって、非輻射再結合が活発化するために、キャリアの再結合速度は、
ＡＴ1/2ｅｘｐ（−Ｔ0／Ｔ）、
すなわち式（１）の第二項によって増加することになる。このように、フィッティングによって求められるパラメータＴ0はＩｎ組成微視的揺らぎの度合いの指標となるパラメータとなる。図１ではフィッティングによりＴ0は４６０Ｋと求められる。
【００５８】
次に、パラメータＴ0と実際のバンドギャップエネルギー微視的揺らぎの関係について述べる。ｋＴ0は電子が自由に動けるために必要な熱エネルギーの大きさなので、空間的に分布する電子のポテンシャル微視的揺らぎと比例関係にあるはずである。量子井戸のような２次元系においてポテンシャル微視的揺らぎがある場合、ポテンシャルの空間的な平均値以下のエネルギーの電子は局在し（すなわち自由に動けない）、平均値以上のエネルギーをもつ電子は自由に動けることが、古典的なパーコレーション理論から導かれる。したがって、ｋＴ0はポテンシャルの谷底から平均ポテンシャルまでのエネルギーと考えられる。ポテンシャルの空間分布が正規分布であるとし、その標準偏差をσeとすると、ポテンシャルの谷は平均値から２σe程度低エネルギー側にあるので、σe＝０．５ｋＴ0となることが導かれる。ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎ（標準偏差：σg）は、伝導帯（電子）のポテンシャル微視的揺らぎと価電子帯（正孔）のポテンシャル微視的揺らぎを加えたものになるので、「アプライド・フィジックス・レターズ（APPLIED PHYSISCS LETTERS）、第６８巻、２５４１頁、１９９６年」においてＭａｒｔｉｎらが述べているように、ＩｎＧａＮ系の伝導帯と価電子帯のバンドオフセット比を３：７とすると、σg＝３．３３σe＝１．６７ｋＴ0となる。この式を用いることによって、実験から求められるＴ0から、ＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎ（標準偏差σg）を求めることができる。図１の場合、バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σgとして、６６ｍｅＶという大きな値が得られた。
【００５９】
図１０の半導体レーザについて１μmの微小スポット径で顕微ＰＬ測定をした結果からは、ＰＬピーク波長の分布が±1nmに入っており（±９ｍｅＶ以下に相当）、１μmを超えるサイズのIn組成揺らぎが存在しなかった。ところが、発光寿命の温度依存性から求める方法で測定した場合には、バンドギャップエネルギーの揺らぎが観測された。このことから、図１０の半導体レーザに代表される従来の半導体レーザでは、ＰＬ測定では観測にかからない微視的揺らぎ、すなわち、サブミクロンオーダーの微視的揺らぎが存在していることが明らかになった。
【００６０】
以上、Ｉｎ組成微視的揺らぎをバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σとして表現したが、ＩｎxＧａ1-xＮ中のＩｎ組成微視的揺らぎの標準偏差Δｘと上述したバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σとの関係を次に説明する。Ｏｓａｍｕｒａらがジャーナル・オブ・アプライドフィジックス、第４６巻、３４３２頁、１９７５年に述べているように、ＩｎxＧａ1-xＮのバンドギャップエネルギーは、
Ｅｇ（ｘ）＝３．４０（１−ｘ）＋２．０７ｘ−１．０ｘ（１−ｘ）
（単位ｅＶ）
と表される。この式を用いると、青色レーザーダイオードの活性層に用いるＩｎＧａＮの組成の範囲（ｘ＝０．１５近傍：ｘ＝０．１〜０．３程度）では、ｄＥｇ／ｄｘ＝０．６（ｅＶ）
となる。したがって、Ｉｎ組成ｘの空間分布の標準偏差Δｘとバンドギャップエネルギーの標準偏差σgとの関係は、
Δｘ＝σg／０．６（ｅＶ）
となる。この関係により、前述の「バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差が４０ｍｅＶ以下であること」は「Ｉｎ組成微視的揺らぎの標準偏差Δｘが０．０６７以下であること」と言い換えることもできる。
【００６１】
次に、ＩｎxＧａ1-xＮのバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σとレーザにおける微分利得の関係を示す。上記のＩｎ組成微視的揺らぎあるいはバンドギャップエネルギー微視的揺らぎは、次に示すように、微分利得とも対応関係がある。図２はバンドギャップエネルギーの空間的な微視的揺らぎと微分利得との関係を理論的に計算した結果である。図に示されるように、バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎが大きいほど微分利得が小さくなるのがわかる。微視的揺らぎが大きい場合、バンド端での状態密度の立ち上がりが緩やかになるので、キャリア注入による利得飽和が起こりやすく微分利得は小さな値となる。これに対し、微視的揺らぎが小さい場合には、量子井戸の２次元性による階段関数の状態密度が有効となり、大きな微分利得が得られる。このような機構によって、組成微視的揺らぎと微分利得の対応関係が生じている。図２より、バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎ４０ｍｅＶでの微分利得が１．０×１０-20ｍ2に対応していることから、前述の「バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎが４０ｍｅＶ以下であること」は「微分利得が１．０×１０-20ｍ2以上であること」と言い換えることもできる。
【００６２】
なお、これまで述べた事項については、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ≦０．２）発光層を備えた素子に共通にあてはまるが、本発明における発光層は、特に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦０．３、０≦ｙ≦０．０５）、あるいは、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．３）の組成を有するものとすることが好ましい。
【００６３】
次に、本発明と従来技術との関係について説明する。ここでは従来技術の代表例として、従来技術１（IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.3, NO.3, JUNE 1997に記載）、従来技術２、３（特開平１１−３４０５８０号公報に記載）を挙げ、これらと本発明との関係について説明する。
【００６４】
まず本発明は、基板として窒化ガリウム系材料またはサファイアを用いた上で、活性層の組成分布やバンドギャップエネルギーの揺らぎを規定している。基板としてＳｉＣを用いる技術もあるが、本発明においてはＳｉＣを使用すると、微視的組成揺らぎを調節することが困難となる。ＳｉＣ、サファイアおよびＧａＮ系半導体の熱膨張率の大小関係は、
サファイア＞ＧａＮ系半導体＞ＳｉＣ
となっている。このため、ＳｉＣ基板上にＧａＮ系半導体層を成膜後、冷却すると、基板に拘束されたＧａＮ系半導体層の水平面内に引っ張り歪みが残存する。したがって、ＳｉＣ基板を用いた半導体レーザでは、一般に、活性層に引っ張り熱歪みが残存する。引っ張り歪みが残存した場合、組成揺らぎ、特に微視的揺らぎを安定的に調節することが困難となりやすい。
【００６５】
これに対してサファイア基板を用いた場合は、ＧａＮ系半導体層の水平面内には圧縮熱歪みが残存することとなる。圧縮歪みに対する半導体層の強度は、引っ張り歪みに対する強度よりも高いことから、この場合は、組成揺らぎを比較的安定に調節できる。また、ＧａＮやＡｌＧａＮからなる基板を用いた場合は、基板とその上に形成されるＧａＮ系半導体層が等しい熱膨張率を有するため、ＧａＮ系半導体層中の残存熱歪みはほとんど発生しない。このため、組成揺らぎ、特に微視的揺らぎを安定的に調節することができる。
【００６６】
以上のことから、本願発明では基板として窒化ガリウム系材料またはサファイアを用いている。
【００６７】
次に揺らぎや利得の数値範囲について本発明と従来技術を対比した結果を示す。従来技術１に記載された半導体レーザの構造を図１６に示す。このレーザはサファイア基板を用いた一般的な窒化ガリウム系レーザの構造を示すものである。サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層を介して、ＡｌＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層が形成された層構造となっている。
【００６８】
従来技術２、３には、ＳｉＣ基板を用いた窒化ガリウム系半導体レーザが開示されている。上記公報には、従来の半導体レーザは、共振器内の活性層のフォトルミネッセンス波長の分布が１５０ｍｅＶ程度である（これを従来技術２とする）のに対し、同公報記載の発明では９０ｍｅＶ以下程度に低減されている（これを従来技術３とする）と記載されている。ＳｉＣ基板を用いる理由については、同公報の段落１６１に以下のように記載されている。すなわち、「従来の短波長半導体レーザにおいては、ナイトライド系化合物半導体との格子不整合が１３％程度と非常に大きなサファイアを成長基板として用いていたため、共振器内の活性層の転位密度は１０10ｃｍ-2程度であるが、ナイトライド系化合物半導体においては、転位は非発光中心を形成しないのでデバイスの特性には影響しないと言われているので、この様な転位密度を全く問題にせずにデバイス化が進められていたが、上述の様に、転位密度と組成不均一とが相関を示し、転位密度が小さくなると組成不均一も小さくなるので、格子不整合が３％と大幅に低減されるＳｉＣ基板を用いることにより、転位密度を１０9ｃｍ-2以下に、少なくとも、１０7ｃｍ-2程度までは低減することができ、それによって、多波長発振の抑制された短波長半導体発光素子を実現することができる。」と記載されている。
【００６９】
本発明と上記従来技術との関係を図１３に示す。図中、ハッチングを施した領域が本発明に係る窒化物半導体レーザを含む領域である。従来技術では、いずれも微視的揺らぎが大きくなっている。従来技術１には、微分利得が５．８×１０-17ｃｍ2と記載されており、これは、活性層バンドギャップの微視的揺らぎに換算すると約１００ｍｅＶとなる。これに対して本発明は、微視的揺らぎ４０ｍｅＶ以下となっている。
【００７０】
図１３は、横軸をＩｎ組成の微視的揺らぎ（サブミクロンオーダーの揺らぎ）、縦軸をＩｎ組成の巨視的揺らぎ（１ミクロン以上の距離スケールの揺らぎ）としたものである。従来技術はいずれも巨視的揺らぎが大きくなっている。従来技術１には巨視的揺らぎについての言及はないが、レーザ構造およびその作製プロセスを考慮すると、従来技術２や３と同様の一般的な水準にあるものと考えられる。これに対して本発明の好ましい範囲は、図中ハッチング部分のうち微視的揺らぎ４０ｍｅＶ以下、より好ましくは２０ｍｅＶ以下の領域である。
【００７１】
【実施例】
はじめに、実施例で作製した半導体レーザの反射率の測定方法について述べる。試作したレーザ共振器の反射率Ｒは、半導体の面をへき開しただけの場合R=(n-1/n+1)2と表される（例えば末松安晴伊賀健一共著光ファイバ通信入門オーム社）。但し、ｎは半導体の屈折率である。GaNの屈折率は波長によっても違うが典型的な窒化物半導体レーザ波長である400nmでは2.553程度であることが知られているので、反射率は１９％となる。一方高反射ミラーを得るには通常誘電体多層膜を利用することが多い。これは、高い屈折率と低い屈折率の誘電体を交互に形成することで高い反射率を得ることが可能である。この時の反射率は使用する材料の屈折率と層厚と層数できまり、例えばTiO2（屈折率2.31）とSiO2（屈折率1.44）を100nmづつ交互に形成した場合の反射スペクトルを図１２に示した。図１２にあるように波長400nm付近で大きな反射率を有するスペクトルが得られた。これらのスペクトルは層数を増やすことで反射率を変えることができ、TiO2/SiO2のペアを１つ形成するとおよそ50％の反射が得られ、３つにすると90％以上の反射率が得られる。従って、コーティング材料と層厚が分かれば反射率の大きさを調べることが可能である。
【００７２】
形成された高反射コーティングの反射率を測定するもう一つの手段として、半導体レーザを使用することが考えられる。半導体レーザの端面の反射率R1、R2から出てくる光出力P1とＰ２の関係は、P1/P2=(1-R1)/(1-R2)×(R2/R1)0.5である。従って、P1とP2の光出力比と片方の反射率が分かればもう一つの反射率が分かる。特に片方がアンコートの場合１９％の反射率が見込まれるのでこの方法は有効である。
【００７３】
なお、通常の窒化物半導体レーザの高反射コートにはTiO2/SiO2などの誘電体多層膜ミラーが用いられ、反射率は80%以上である。この場合、両面HRコートの場合はミラー損失が1ｃｍ-1程度になる。また、片面HRコートの場合、共振器長が400μｍ程度であれば、ミラー損失が20ｃｍ-1程度になる。
【００７４】
実施例１
前記したＦＩＥＬＯ法により、低転位ｎ−ＧａＮ基板を作製した。得られた基板について、リン酸系溶液を用いて発生させたエッチングピットの密度を測定することにより基板表面の転位密度を測定したところ、表面転位密度は、１．０×１０7／ｃｍ2であった。
【００７５】
この低転位ｎ−ＧａＮ基板を用いて窒化ガリウムレーザを作製した。図３は本実施例に係る半導体レーザの構造断面図である。図３中、低転位ｎ−ＧａＮ基板１上にＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（シリコン濃度４×１０17ｃｍ-3、厚さ１．２μｍ）からなるｎ型クラッド層２、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０17ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層３、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（シリコン濃度５×１０18ｃｍ-3厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層４（井戸数２個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるキャップ層５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０17ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０17ｃｍ-3、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０17ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層８を順次成長させて、レーザ構造を形成した。
【００７６】
ここで、レーザ構造の形成は、２００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ法により行った。
【００７７】
成膜装置の反応管形状は、図５のようになっている。図５（ａ）は上面図であり図５（ｂ）は側面図である。反応管は一層流型反応管であり、III族とＶ族原料をそれぞれ別のラインから導入される。図５（ａ）の円形部分に基板を導入し、その直上に加熱機構が配置されている。また、図６のように、基板を下部に導入してもよい。この場合は基板直下に加熱機構が配値されている。また、原料のラインは上下逆でもよい。
【００７８】
窒素原料に用いたアンモニアの分圧は１２０ｈＰａであり、ＩｎＧａＮ活性層４でのアンモニア分圧は、それぞれ１４７ｈＰａ（サンプル１）、１３４ｈＰａ（サンプル２）、１２０ｈＰａ（サンプル３）１０７ｈＰａ（サンプル４）、９３ｈＰａ（サンプル５）５３ｈＰａ（サンプル６）とした。Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ材料はＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩを用いている。成長温度は、ＩｎＧａＮＭＱＷ活性層４では７８０℃であり、その他の層においてはすべて１０５０℃で行った。
【００７９】
ドライエッチングによりｐ型クラッド層７そしてｐ型コンタクト層８を含んだメサ型９を部分的に残した後、ＳｉＯ2絶縁膜１０を形成し、メサ部分の頭出しを露光技術により行い、リッジ構造を形成した。ｎ型基板裏にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１１を形成し、ｐコンタクト上には、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ電極１２を形成した。へき開によりレーザ共振器端面を形成し、片面についてはＴｉＯ2／ＳｉＯ2により高反射コーティング（反射率９５％）を行った。
【００８０】
サンプル１〜５の素子におけるしきい値電流密度はそれぞれ、３．８ＫＡ／ｃｍ2（サンプル１）、３．７ＫＡ／ｃｍ2（サンプル２）、３．７ＫＡ／ｃｍ2（サンプル３）３．８ＫＡ／ｃｍ2（サンプル４）、３．６ＫＡ／ｃｍ2（サンプル５）、３．８ＫＡ／ｃｍ2（サンプル６）であり、この時の電圧はそれぞれ、４．８Ｖ（サンプル１）、４．７Ｖ（サンプル２）、４．９Ｖ（サンプル３）５Ｖ（サンプル４）、４．７Ｖ（サンプル５）、４．８Ｖ（サンプル６）であった。
【００８１】
このように成長条件の違うサンプルでも、しきい値電流密度と電圧はほぼ同じ値を示した。
【００８２】
本レーザのＩｎ組成微視的揺らぎに起因する、発光層（量子井戸層）バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの測定を上記手法で行ったところ、標準偏差はσ＝８２ｍｅＶ（サンプル１）、６６ｍｅＶ（サンプル２）、５２ｍｅＶ（サンプル３）４１ｍｅＶ（サンプル４）、２２ｍｅＶ（サンプル５）、５ｍｅＶ（サンプル６）であった。従って、発光層（量子井戸層）におけるＩｎ組成微視的揺らぎの標準偏差はΔｘ＝０．１４（サンプル１）、０．１１（サンプル２）、０．０８７（サンプル３）、０．０６７（サンプル４）、０．０３７（サンプル５）、０．００８３（サンプル６）であった。
【００８３】
また、緩和振動周波数の測定により各レーザ素子の微分利得を測定したところ、ｄｇ／ｄＮ＝０．６×１０-20ｍ2（サンプル１）、０．７×１０-20ｍ2（サンプル２）、０．８×１０-20ｍ2（サンプル３）、１×１０-20ｍ2（サンプル４）、１．４×１０-20ｍ2（サンプル５）、２．２×１０-20ｍ2（サンプル６）であり、図２の理論値とほぼ一致することが分かった。なお、上記微分利得の測定方法は、「半導体レーザ」（伊藤良一著、培風館、１４７−１５４頁）に記載されている。
【００８４】
本実施例で試作したレーザと同じInGaN 活性層について、１μmの微小スポット径でフォトルミネッセンス（顕微PL）測定を行った。測定は、50μm×50μmの領域を１μm毎に微小スポットを移動させ、励起はHe-Cdレーザを用いて行った。その結果、全てのサンプルにおいて、PLピーク波長の分布が±1nmに入っており、尚且つその分布は2500μm2領域内で一定の方向に傾斜していた。実施例記載の条件で作製したすべての半導体レーザのスペクトル測定（分解能は0.02nm）を行ったところ、図７のようにレーザ発振後は単一縦モードで発振（電流はしきい値の1.2倍）している。従って、低転位GaN基板上に成長したInGaN 混晶ではすべて１μmを超えるサイズのIn組成揺らぎが存在しないことが、この実験から判明した。このことから、従来の半導体レーザでは、分解能１μmの微少区域を観察できるフォトルミネッセンス測定において、InGaN量子井戸中のIn組成揺らぎが観察されなくとも、サブミクロンオーダーの微視的揺らぎが存在することが明らかになった。微分利得に対しては、キャリアの拡散長に比べて短い範囲で分布する微視的揺らぎが主として関与しているものと推測される。
【００８５】
実施例１で作製した各サンプルの７０℃、３０ｍＷ、ＡＰＣ試験の結果を図４に示す。図４に示した通り、高温高出力条件下の素子寿命は微視的揺らぎに対して非常に敏感であり、バンドギャップ微視的揺らぎの標準偏差が５０ｍｅＶより小さくなるところで急激に長寿命化し、４０ｍｅＶでは５０００時間に達した。Ｉｎ組成微視的揺らぎが大きい場合、局所的な歪みが生じ、高温レーザ動作時の熱、光、キャリアなどからのエネルギーによって欠陥を生成しやすく、劣化が促進されると考えられる。一旦欠陥が生じると、そこで光に変換されないキャリアの再結合が生じ、局所的な発熱を起こす。発熱は欠陥を生じさせるために、ネガティブフィードバックが掛かり、劣化を促進すると考えられる。
【００８６】
比較例１
低転位ｎ−ＧａＮ基板１に代えサファイア基板（高転位密度：転位密度が５×１０8個/cm2以上）を用い、この上に５００℃で成長させた低温バッファ層を介して実施例１と同様のレーザ構造を形成した。素子寿命の改善は認められなかった。
【００８７】
サファイア基板を用いた半導体レーザにおけるバンドギャップエネルギーの揺らぎの測定を行ったところ、成長条件にはよらず、σ＝80meV±5meVの範囲内に入っており、In組成揺らぎの変化が無いので素子寿命が延びなかったものと推察される。
【００８８】
実施例１と比較例１の比較から、素子寿命とIn組成揺らぎの相関が分かり、InGaN量子井戸のアンモニア成長圧力を変えることで、異なるIn組成揺らぎの量子井戸を得ることができたが、この手法は一例であって、他の手法によってIn組成揺らぎを制御してもよい。
【００８９】
実施例２
図９は本実施例に係る半導体レーザの構造断面図である。実施例１で用いたのと同様の低転位ｎ−ＧａＮ基板を用い、半導体レーザを作製した。
【００９０】
低転位ｎ−ＧａＮ基板2１上にSiドープｎ型Al0.1Ga0.9N（シリコン濃度4×１０17cm-3、厚さ１.2μｍ）からなるｎ型クラッド層22、 Siドープｎ型GaN（シリコン濃度4×１０17cm-3、厚さ0.1μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層23、 Al0.01In0.2Ga0.79N（厚さ4nm）井戸層とSiドープAl0.01In0.05Ga0.94N (シリコン濃度5×１０18cm-3厚さ6nm)バリア層からな多重量子井戸（MQW）層2４（井戸数２個）、Mgドープp型Al0.2Ga0.8N からなるキャップ層25、Mgドープp型GaN（Mg濃度2×１０17cm-3、厚さ0.1μｍ）からなるp型光閉じ込め層26、 Mgドープp型Al0.1Ga0.9N（Mg濃度2×１０17cm-3、厚さ0.５μｍ）からなるp型クラッド層27、 Mgドープp型GaN（Mg濃度2×１０17cm-3、厚さ0.１μｍ）からなるp型コンタクト層28を順次成長させて、LD構造を形成する。レーザ構造は200hPa の減圧MOVPE装置で成長が行われ、窒素原料に用いたアンモニアの分圧は120hPaであり、InGaN活性層24でのアンモニア分圧は、それぞれ147hPa（サンプル7）、134hPa（サンプル8）、120hPa（サンプル9） 107hPa（サンプル10）、93hPa（サンプル11）53hPa（サンプル12）とした。成長条件としては、実施例１と同じ条件を使用している。ドライエッチングによりｐ型クラッド層27そしてｐ型コンタクト層28を含んだメサ型29を部分的に残した後、SiO2絶縁膜3０をつけ、メサ部分の頭出しを露光技術により行い、リッジ構造を形成した。ｎ型基板裏にはTi/Alからなるｎ電極31を形成し、ｐコンタクト上には、Ni/Auからなるｐ電極32を形成した。
【００９１】
本実施例で得られた半導体レーザのうち、サンプル１０〜１２については、下記条件を満たしていた。
(i)Ｉｎ組成の微視的揺らぎの標準偏差Δｘが０．０６７以下
(ii)バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σが４０ｍｅＶ以下
(iii)微分利得ｄｇ／ｄｎが１．０×１０-20（ｍ2）以上
その結果、サンプル１０〜１２については、７０℃、３０ｍＷ、ＡＰＣ試験の結果、５０００時間以上の素子寿命が得られた。
【００９２】
本実施例で示したように、活性層にAlInGaNの四元混晶を用いても実施例１のレーザ同様、高寿命化を図ることができた。これはAlを活性層に混入しても素子寿命に効果的な組成ゆらぎの大きさはInに依存するためであると考えられる。なお、しきい値電流については、サンプル７〜１２でほぼ同様の値を示した。
【００９３】
参考例１
ＩｎＧａＮ活性層の成長に際し、窒素原料に用いたアンモニア分圧を１４７ｈＰａとして作製した半導体レーザについて、以下の測定を行った。
▲１▼顕微ＰＬ測定（１μm分解能）による巨視的組成揺らぎの測定
▲２▼微分利得測定（緩和振動測定）による微視的組成揺らぎの測定
▲３▼ＣＬ（カソードルミネッセンス）観察による微視的組成揺らぎの測定
カソードルミネッセンスによる測定では、量子井戸活性層上にキャップ層を形成した段階で成長を止めて得た評価用サンプルを別途作製し、このサンプルに対して電子線を照射し、分光しながら特定の波長でのマッピングを行なった。加速電圧は３ｋＶとし、室温において測定を行った。
【００９４】
１μm分解能の顕微PLで観察した結果、ＰＬ波長分布２０ｍｅＶ以下という結果が得られたが、緩和振動測定による測定の結果、微視的揺らぎは８２ｍｅＶと求まった。また、ＣＬ像では400〜500nmの領域が観測された（図１４）。
【００９５】
以上のように、本サンプルでは巨視的な揺らぎが無くてもサブミクロンオーダーの微視的な揺らぎがあることが分かった。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の窒化物半導体素子によれば、▲１▼発光層におけるＩｎ組成の微視的揺らぎの標準偏差Δｘが０．０６７以下、または▲２▼前記発光層におけるバンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差σが４０ｍｅＶ以下、または▲３▼活性層の微分利得ｄｇ／ｄｎが、ｄｇ／ｄｎ≧１．０×１０-20（ｍ2）なる構成を有しているため、素子の効率を良好に維持しつつ高温動作時における素子寿命を長くすることができる。具体的には、７０℃、３０ｍＷ、ＡＰＣ試験において、５０００時間以上の素子寿命を実現することができる。
【００９７】
また本発明の窒化物半導体素子の製造方法によれば、下地層として、表面転位密度が１０8個／ｃｍ2未満の窒化ガリウム系材料を選択するとともに、発光層を形成する際、アンモニアガスの分圧を所定の値以下としている。このため、発光層におけるＩｎ組成やバンドギャップの微視的揺らぎを確実に低減することができ、高寿命素子を安定的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バンドギャップエネルギーにおける微視的揺らぎの標準偏差測定方法を示す図である。
【図２】バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差と微分利得との関係を説明する図である。
【図３】実施例１に係る半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図４】バンドギャップエネルギーの微視的揺らぎの標準偏差と高温高出力動作時における素子寿命との関係を示す図である。
【図５】実施例に係る半導体レーザのレーザ構造を形成するのに用いられる反応装置の概略構成を示す図である。
【図６】実施例に係る半導体レーザのレーザ構造を形成するのに用いられる反応装置の概略構成を示す図である。
【図７】試作した半導体レーザの発振スペクトル測定結果を示す図である。
【図８】ＩｎＧａＮ発光層形成時のアンモニア分圧と、得られた半導体レーザの微分利得との関係を示す図である。
【図９】実施例２に係る半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図１０】従来の半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図１１】従来の半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図１２】  TiO2とSiO2を交互に形成した多層膜の反射スペクトルである。
【図１３】本発明に係る半導体素子と従来の半導体素子の関係を示す図である。
【図１４】参考例で作製した半導体レーザのカソードルミネッセンス像である。
【符号の説明】
１  低転位ｎ型基板
２  ｎ型クラッド層
３  ｎ型光閉じ込め層
４  ＭＱＷ活性層
５  ｐ型キャップ層
６  ｐ型光閉じ込め層
７  ｐ型クラッド層
８  ｐ型コンタクト層
９  メサ型
１０  ＳｉＯ2絶縁膜
１１  ｎ電極
１２  ｐ電極
２１  低転位ｎ型基板
２２  ｎ型クラッド層
２３  ｎ型光閉じ込め層
２４  ＭＱＷ活性層
２５  ｐ型キャップ層
２６  ｐ型光閉じ込め層
２７  ｐ型クラッド層
２８  ｐ型コンタクト層
２９  メサ型
３０  ＳｉＯ2絶縁膜
３１  ｎ電極
３２  ｐ電極
１０１  低転位ｎ−ＧａＮ基板
１０２  ｎ型クラッド層
１０３  ｎ型光閉じ込め層
１０４  ＭＱＷ活性層
１０５  ｐ型キャップ層
１０６  ｐ型光閉じ込め層
１０７  ｐ型クラッド層
１０８  ｐ型コンタクト層
１０９  メサ型
１１０  ＳｉＯ2絶縁膜
１１１  ｎ電極
１１２  ｐ電極
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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