(57)【要約】【課題】半極性面を用いて低しきい値を提供できるIII族窒化物半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体基板１３の主面１３ａは、ＧａＮのａ軸方向にＧａＮのｃ軸方向の基準軸Ｃｘに直交する基準面に対して５０度以上７０度以下の範囲の傾斜角ＡＯＦＦで傾斜する。第１のクラッド層１５、活性層１７及び第２のクラッド層１９が半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられている。活性層１７の井戸層２３ａはＩｎＧａＮからなる。この半導体レーザがレーザ発振を到達する前に活性層から出射されるＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが−１以上０．１以下である。III族窒化物半導体レーザの偏光度ＰはＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）によって規定される。【選択図】図１
2011188000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体レーザであって、
六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向の基準軸に直交する基準面に対して該III族窒化物半導体のａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか一方に５０度以上７０度以下の範囲の傾斜角で傾斜する主面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記主面上に設けられた第１導電型窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、
前記半導体基板の前記主面上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、
前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層と、
前記第１のクラッド層と前記活性層との間に設けられたＩｎＧａＮ層と、
を備え、
前記第１のクラッド層と前記ＩｎＧａＮ層との界面に、ミスフィット転位があり、
前記活性層における導波方向は、ａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか他方に向いており、
前記導波方向に向いたＸ１軸、このＸ１軸に直交するＸ２軸、および前記Ｘ１軸及びＸ２軸に直交するＸ３軸からなる直交座標系において、前記第１のクラッド層、前記活性層及び前記第２のクラッド層は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、
前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造は、前記Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなり、
前記多重量子井戸構造は、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層の厚みの少なくともいずれかによって当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが−１以上０．１以下になるように設けられており、
前記偏光度Ｐは、前記ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層の前記多重量子井戸構造の発振波長は、４５０ｎｍ以上であり、５５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項３】
前記井戸層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項４】
前記ミスフィット転位は、ｃ面がすべり面として作用して導入される、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項５】
前記ミスフィット転位はカソードルミネッセンス像において観察される、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項６】
前記ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項７】
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０１以上であり、
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１以下であり、
前記ＩｎＧａＮ層は前記第１のクラッド層の主面と接触しており、
前記第１のクラッド層の格子定数は前記ＩｎＧａＮ層の格子定数と異なる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項８】
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは２０ｎｍ以上であり、
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項９】
前記ＩｎＧａＮ層は第１の光ガイド層であり、
当該III族窒化物半導体レーザは、前記第２のクラッド層と前記活性層との間に設けられた第２の光ガイド層を更に備え、
前記第２の光ガイド層はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１０】
前記偏光度Ｐは負値である、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１１】
前記半導体基板はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１２】
前記傾斜の方向はａ軸の方向であり、
当該III族窒化物半導体レーザは、該六方晶系III族窒化物のｍ劈開面によって構成された一対の端面を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１３】
前記半導体基板の前記主面は（１１−２２）面及び（１１−２−２）面のいずれか一方である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１４】
前記傾斜の方向はｍ軸の方向であり、
当該III族窒化物半導体レーザは、該六方晶系III族窒化物のａ劈開面によって構成された一対の端面を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１５】
前記半導体基板の前記主面は（１０−１１）面及び（１０−１−１）面のいずれか一方である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１及び請求項１４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ。
【請求項１６】
III族窒化物半導体レーザを作製する方法であって、
六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向の基準軸に直交する基準面に対して該III族窒化物半導体のａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか一方に５０度以上７０度以下の範囲の傾斜角で傾斜する主面を有する半導体ウエハを準備する工程と、
第１導電型窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層を前記半導体ウエハの前記主面上に成長する工程と、
前記第１のクラッド層上にＩｎＧａＮ層を成長する工程と、
前記ＩｎＧａＮ層上に活性層を成長する工程と、
第２導電型窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層を前記活性層上に成長する工程と、
を備え、
前記第１のクラッド層と前記ＩｎＧａＮ層との界面に、ミスフィット転位があり、
前記活性層における導波方向は、ａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか他方に向いており、
前記導波方向に向いたＸ１軸、このＸ１軸に直交するＸ２軸、および前記Ｘ１軸及びＸ２軸に直交するＸ３軸からなる直交座標系において、前記第１のクラッド層、前記活性層及び前記第２のクラッド層は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、
前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造は、前記Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層はＧａＮ又はＩｎＧａＮからなり、
前記多重量子井戸構造は、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層の厚みの少なくともいずれかによって当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが−１以上０．１以下になるように設けられており、
前記偏光度Ｐは、前記ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記ミスフィット転位は、ｃ面がすべり面として作用して導入される、ことを特徴とする請求項１６に記載された方法。
【請求項１８】
前記ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下である、ことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０１以上であり、
前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１以下であり、
前記ＩｎＧａＮ層は前記第１のクラッド層の主面と接触しており、
前記第１のクラッド層の格子定数は前記ＩｎＧａＮ層の格子定数と異なる、ことを特徴とする請求項１６〜請求項１８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２０】
前記ＩｎＧａＮ層の厚さは２０ｎｍ以上であり、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１６〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体レーザ、及びIII族窒化物半導体レーザを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＧａＮ（１１−２２）基板上に作製されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造が示されている。ＧａＮ基板のオフ角はａ軸方向に５８度である。上記の結晶面では共振器構造を形成できないので、光ポンピングによって量子井戸構造を発光させている。ポンピング光は、ｃ軸及びａ軸によって規定される平面に沿った方向に導波される。この量子井戸構造はＧａＮ光ガイド層に挟まれている。［−１−１２３］方向に沿って測定された発光は、［１−１００］方向に沿って測定された発光に比べてより低いエネルギでより低いポンピング閾値で生じる。
【０００３】
非特許文献２には、ｍ面上に作製されたレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードはＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有しており、発光波長は４００ｎｍである。この量子井戸構造は、ＧａＮガイド層の間に設けられている。ａ軸及びｃ軸に平行なストライプはＴＥモード動作であり、これらのレーザダイオードのうちｃ軸ストライプのレーザダイオードが低い閾値電流密度を示す。非特許文献３には、偏光度について理論的な計算が示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Applied  Physics  Letters、vol．91、pp.251197
【非特許文献２】Japanese  Journal  of  Applied  Physics、vol．46、No．9、2007、pp.L187-L189
【非特許文献３】Japanese  Journal  of  Applied  Physics、vol．46、No.33、2007、pp.L789-L791
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ｃ面ＧａＮウエハ上に半導体レーザが作製されている。ピエゾ電界が実質的に零にできるので、非極性面（ａ面、ｍ面）ＧａＮウエハ上に半導体レーザを作製することが研究されている。また、ピエゾ電界の影響が残るけれども、半極性面ＧａＮウエハ上に半導体レーザを作製することに着目されている。
【０００６】
ｃ面ＧａＮウエハを用いる半導体レーザと異なって、非極性面及び半極性面を用いる半導体レーザは光学異方性を示し、また、低いしきい値の半導体レーザを得るために、へき開端面の向きが重要である。非特許文献２に示されるように、ｍ面ＧａＮ基板上の半導体レーザはａ軸方向に偏光するので、劈開はｃ面で行うことによって、遷移確率の高い成分をＴＥモードとして利用できる。しかしながら、非特許文献２のレーザ構造を非極性面から傾斜された半極性面に適用するとき、劈開のｃ面は導波方向に傾斜してしまい、共振器が得られない。一方、非特許文献１及び２における偏光度は、０．７程度またはそれ以上である。
【０００７】
III族窒化物半導体レーザでは、偏光度はしきい値電流と関連している。発明者らの知見によれば、偏光度が負値またはゼロに近い値であるとき、III族窒化物半導体レーザのしきい値電流が低くなると考えられる。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、半極性面を用いて低しきい値を提供できるIII族窒化物半導体レーザを提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る一側面は、III族窒化物半導体レーザである。このIII族窒化物半導体レーザは、（ａ）六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向の基準軸に直交する基準面に対して該III族窒化物半導体のａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか一方に５０度以上７０度以下の範囲の傾斜角で傾斜する主面を有する半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板上に設けられた第１導電型窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、（ｃ）前記半導体基板上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、（ｄ）前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを備える。前記活性層における導波方向は、ａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか他方に向いている。前記導波方向に向いたＸ１軸、このＸ１軸に直交するＸ２軸、および前記Ｘ１軸及びＸ２軸に直交するＸ３軸からなる直交座標系において、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記Ｘ３軸の方向に配列されている。前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造は、前記Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層はＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる。前記多重量子井戸構造は、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層の厚みの少なくともいずれかにおいて、当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが−１以上０．１以下になるように設けられている。前記偏光度Ｐは、前記ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。
【００１０】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、ｃ面を用いる発光ではランダム偏光を示すけれども、ｃ面から傾斜した面における発光では光学的異方性が現れ、上記の５０度以上７０度以下の角度の範囲の傾斜面では、該半導体レーザのＬＥＤモードにおける光の偏光度を、ゼロに近い値にまで小さくでき、または負値にできる。このとき、半導体レーザのＴＥモードに一致した光の偏光成分を大きくでき、半導体レーザのしきい値を下げることができる。つまり、上記の半極性面上の多重量子井戸構造では、圧縮歪みの作用に比べて量子閉じ込め性の作用を強めることによって、ＬＥＤモードにおける偏光度が小さくなり、ゼロに近い値または負値にすることができる。
【００１１】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記活性層の前記多重量子井戸構造の発振波長は、４５０ｎｍ以上であり、５５０ｎｍ以下であることができる。
【００１２】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、偏光度は波長依存性を示し、この範囲であれば、偏光度を−１≦Ｐ≦０．１の範囲に実現できる。
【００１３】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記井戸層の厚さが２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることができる。
【００１４】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、狭い井戸幅により、ゼロに近い或いは負の偏光度を提供しやすくなる。一方、上記の傾斜角の範囲では、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の井戸層を用いて、偏光度を−１≦Ｐ≦０．１の範囲に実現できる。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記傾斜の方向はａ軸の方向である。当該III族窒化物半導体レーザは、該六方晶系III族窒化物のｍ劈開面によって構成された一対の端面を更に備えることができる。
【００１６】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、III族窒化物半導体レーザの共振器をｍ劈開面を用いて構成できる。
【００１７】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記半導体基板の前記主面は、例えば（１１−２２）面及び（１１−２−２）面のいずれか一方である。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ａ軸方向への傾斜が可能である。
【００１８】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記傾斜の方向はｍ軸の方向である。当該III族窒化物半導体レーザは、該六方晶系III族窒化物のａ劈開面によって構成された一対の端面を更に備えることができる。
【００１９】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、III族窒化物半導体レーザの共振器をａ劈開面を用いて構成できる。
【００２０】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記半導体基板の前記主面は（１０−１１）面及び（１０−１−１）面のいずれか一方である。このIII族窒化物半導体レーザによれば、ｍ軸方向への傾斜が可能である。
【００２１】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記半導体基板はＧａＮからなる。このIII族窒化物半導体レーザによれば、良好な結晶品質のエピタキシャル膜が得られる。また、オフ角付きのＧａＮウエハを作製可能である。
【００２２】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１のクラッド層と前記活性層との間に設けられたＩｎＧａＮ層を更に備えることができる。
【００２３】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、ＩｎＧａＮ層は活性層への応力を調整する緩衝層として作用する。
【００２４】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記第１のクラッド層と前記ＩｎＧａＮ層との界面に、ミスフィット転位がある。
【００２５】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、ミスフィット転位によってＩｎＧａＮ層が緩和することにより歪の異方性が変化する。この歪みの変化により、偏光度を−１≦Ｐ≦０．１の範囲にするために利用できる。ミスフィット転位は、ＩｎＧａＮ層のｃ面がすべり面となって導入されていると考えられる。このミスフィット転位は、半導体基板を用いることによって導入されている。
【００２６】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０１以上であり、前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１以下であり、前記ＩｎＧａＮ層は前記第１のクラッド層の主面と接触しており、前記第１のクラッド層の格子定数は前記ＩｎＧａＮ層の格子定数と異なる。
【００２７】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、ミスフィット転位導入のためにはある程度のＩｎ組成が必要である。一方で、高すぎるＩｎ組成は活性層の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００２８】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは２０ｎｍ以上であり、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１５０ｎｍ以下である。
【００２９】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、ミスフィット転位導入のためにはある程度の膜厚が必要である。一方で、厚すぎる膜厚は活性層の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００３０】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記ＩｎＧａＮ層は第１の光ガイド層であり、当該III族窒化物半導体レーザは、前記第２のクラッド層と前記活性層との間に設けられた第２の光ガイド層を更に備えることができる。前記第２の光ガイド層はＩｎＧａＮからなる。
【００３１】
このIII族窒化物半導体レーザによれば、第１及び第２の光ガイド層は、ＩｎＧａＮからなる。レーザのビームパターンを整えると共に、ミスフィット転位の導入を可能にしている。
【００３２】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記偏光度Ｐは負値である。このIII族窒化物半導体レーザによれば、低いしきい値を実現できる。
【００３３】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザでは、前記傾斜角は５８度以上であり、６２度以下である。このIII族窒化物半導体レーザは、この角度範囲において、偏光度Ｐは負値である。
【００３４】
本発明の別の側面は、III族窒化物半導体レーザを作製する方法である。この方法は、（ａ）  六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸方向の基準軸に直交する基準面に対して該III族窒化物半導体のａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか一方に５０度以上７０度以下の範囲の傾斜角で傾斜する主面を有する半導体ウエハを準備する工程と、（ｂ）第１導電型窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層を前記半導体ウエハ上に成長する工程と、（ｃ）前記ＩｎＧａＮ層上に活性層を成長する工程と、（ｄ）第２導電型窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層を前記活性層上に成長する工程とを備える。前記活性層における導波方向は、ａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか他方に向いている。前記導波方向に向いたＸ１軸、このＸ１軸に直交するＸ２軸、および前記Ｘ１軸及びＸ２軸に直交するＸ３軸からなる直交座標系において、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、前記活性層及び前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記Ｘ３軸の方向に配列されており、前記活性層は多重量子井戸構造を有しており、前記多重量子井戸構造は、前記Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層及び障壁層を含み、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記障壁層は窒化ガリウム系半導体からなり、前記多重量子井戸構造は、前記井戸層と前記障壁層とのバンドギャップエネルギ差及び前記井戸層の厚みの少なくともいずれかにおいて、当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが−１以上０．１以下になるように設けられており、前記偏光度Ｐは、前記ＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。
【００３５】
この方法によれば、ｃ面を用いる発光ではランダム偏光を示すけれども、ｃ面から傾斜した面における発光では光学的異方性が現れ、上記に５０度以上７０度以下の角度の傾斜面では、該半導体レーザのＬＥＤモードにおける光の偏光度を、ゼロに近い値にまで小さくでき、または負値にできる。このとき、半導体レーザのＴＥモードに一致した光の偏光成分を大きくでき、半導体レーザのしきい値を下げることができる。つまり、上記の半極性面上の多重量子井戸構造では、圧縮歪みの作用に比べて量子閉じ込め性の作用を強めることによって、ＬＥＤモードにおける偏光度を小さくして、ついには負値にすることができる。
【００３６】
本発明に係る方法は、前記活性層を成長する前に、前記第１のクラッド層上にＩｎＧａＮ層を成長する工程を更に備えることができる。この方法によれば、ＩｎＧａＮ層は活性層への応力を調整する緩衝層として作用する。
【００３７】
本発明に係る方法では、前記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．０１以上であり、記ＩｎＧａＮ層のインジウム組成は０．１以下であることができる。前記ＩｎＧａＮ層は前記第１のクラッド層の主面と接触しており、前記第１のクラッド層の格子定数は前記ＩｎＧａＮ層の格子定数と異なる。
【００３８】
この方法によれば、ミスフィット転位導入のためにはある程度のＩｎ組成が必要である一方で、高すぎるＩｎ組成は活性層の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００３９】
本発明に係る方法では、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは２０ｎｍ以上であり、前記ＩｎＧａＮ層の厚さは１５０ｎｍ以下である。
【００４０】
この方法によれば、ミスフィット転位導入のためにはある程度の膜厚が必要である一方で、厚すぎる膜厚は活性層の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００４１】
本発明に係る方法では、前記第１のクラッド層と前記ＩｎＧａＮ層との界面に、ミスフィット転位があり、前記ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下であることができる。
【００４２】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、半極性面を用いて低しきい値を提供できるIII族窒化物半導体レーザが提供される。また、本発明によれば、このIII族窒化物半導体レーザを作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図２】図２は、実施例１における発光ダイオードの構造を示す図面である。
【図３】図３は、オフ角と偏光度との関係を示す図面である。
【図４】図４は、代表的な傾斜角ＡＯＦＦ（ａ軸方向に５８度の傾斜及びｍ軸方向に６２度傾斜）において、ＬＥＤモードにおけるピーク発光波長と偏光度との関係を示す図面である。
【図５】図５は、ＬＥＤ構造のカソードルミネッセンス像を示す図面である。
【図６】図６は、シュミット因子を説明する図面である。
【図７】図７は、オフ角とシュミット因子との関係を示す図面である。
【図８】図８は、実施例２におけるエピタキシャルウエハ及び半導体レーザの構造を示す図面である。
【図９】図９は、実施例２におけるエピタキシャルウエハ及び半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図１０】図１０は、実施例２におけるエピタキシャルウエハ及び半導体レーザを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図１１】図１１は、半導体レーザＤＭ及びＤＣの特性を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の、III族窒化物半導体レーザ、エピタキシャルウエハ、並びにエピタキシャルウエハ及びIII族窒化物半導体レーザを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００４６】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザを概略的に示す図面である。図１には、Ｘ１軸、Ｘ２軸及びＸ３軸を有する直交座標系Ｓと、ａ軸、ｍ軸及びｃ軸方位を示すための結晶座標系ＣＲとが示されている。引き続く説明では、窒化ガリウム系半導体の例えば（０００１）面の反対面を（０００−１）面という表記で示す。
【００４７】
III族窒化物半導体レーザ１１は、半導体基板１３と、第１のクラッド層１５と、活性層１７と、第２のクラッド層１９とを備える。半導体基板１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。半導体基板１３は、六方晶系のIII族窒化物半導体からなり、このIII族窒化物半導体は、例えばＧａＮ等である。半導体基板１３の主面１３ａは、該III族窒化物半導体のａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか一方に該III族窒化物半導体のｃ軸方向の基準軸Ｃｘに直交する基準面に対して５０度以上７０度以下の範囲の傾斜角ＡＯＦＦで傾斜する。この角度ＡＯＦＦは、本実施例では、ベクトルＶＣとベクトルＶＮとの成す角の余角に等しい。図１には、代表的なｃ面ＳＣ及びｃ軸ベクトルＶＣが示されており、主面１３ａへの法線ベクトルＶＮも示されている。第１のクラッド層１５は、半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられており、また第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる。第１のクラッド層１５の窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層１７の光の導波方向は、ａ軸方向及びｍ軸方向のいずれか他方であり、図１では軸Ａｘが導波方向を示す。導波された光は端面から出射されるレーザ光Ｌ０となる。第２のクラッド層１９は、半導体基板１３の主面１３ａ上に設けられており、また第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる。第２のクラッド層１９の窒化ガリウム系半導体は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層１７は第１のクラッド層１５と第２のクラッド層１９との間に設けられている。活性層１７は多重量子井戸構造２２を有する。多重量子井戸構造２２は、Ｘ３軸の方向に交互に配列された井戸層２３ａ及び障壁層２３ｂを含み、井戸層２３ａはＩｎＧａＮからなり、障壁層２３ｂはＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる。本実施例では、III族窒化物半導体レーザ１１は、Ｘ１軸の方向に導波方向（図１では、ｍ軸方向）を有するゲインガイド型を有する。III族窒化物半導体レーザ１１では、半導体基板１３上において、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、活性層及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域はＸ３軸の方向に配列されている。多重量子井戸構造は、井戸層２３ａと障壁層２３ｂとのバンドギャップエネルギ差及び井戸層２３の厚みＤＷの少なくともいずれかによって当該III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける偏光度Ｐが−１以上０．１以下になるように設けられている。III族窒化物半導体レーザのＬＥＤモードにおける光は、この半導体レーザがレーザ発振を到達する前に活性層から出射される光である。偏光度Ｐは、このＬＥＤモードにおける光の該Ｘ１方向の電界成分Ｉ１と該Ｘ２方向の電界成分Ｉ２とを用いて、
Ｐ＝（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）
によって規定される。
【００４８】
このIII族窒化物半導体レーザ１１によれば、ｃ面を用いる発光ではランダム偏光を示すけれども、ｃ面から傾斜した面における発光では光学的異方性が現れ、上記の５０度以上７０度以下の角度範囲におけるＧａＮ傾斜面（つまり、半極性面）では、該半導体レーザ１１のＬＥＤモードにおける光の偏光度Ｐを、ゼロに近い値にまで小さくでき、または負値にできる。このとき、半導体レーザ１１のＴＥモードに一致した光の偏光成分を大きくでき、半導体レーザ１１のしきい値が低減される。つまり、上記の半極性面上の多重量子井戸構造２２では、ＬＥＤモードにおける偏光度を小さくして、ついには負値にすることができる。偏光度に関しては、強い圧縮歪みの多重量子井戸構造では偏光度は増加して「１」に近づく。一方、本実施の形態に係る上記範囲（−１以上０．１以下）の偏光度Ｐは、圧縮歪みの作用よりも、量子閉じ込め性の作用によって提供されると考えられる。量子閉じ込め性を相対的に強めるためには、例えば井戸層と障壁層とのバンドギャップエネルギ差を大きくすることが好適であり、井戸層の厚みを小さくすることが好適である。長波長の発光を得るためにＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成を増加することは、量子閉じ込め性を強化することを可能にする。
【００４９】
III族窒化物半導体レーザ１１では、多重量子井戸構造２２の発振波長は、４５０ｎｍ以上である。また、発振波長は、５５０ｎｍ以下であることあることができる。偏光度Ｐは波長依存性を示し、この範囲であれば、偏光度Ｐを−１≦Ｐ≦０．１の範囲に実現できる。多重量子井戸構造２２において、井戸層２３ａの厚さＤＷは２ｎｍ以上であることができる。また、厚さＤＷは１０ｎｍ以下であることができる。狭い井戸幅により、ゼロに近い或いは負の偏光度を提供することが容易になる。一方、上記の傾斜角の範囲では、厚さ２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の井戸層を用いて、偏光度を−１≦Ｐ≦０．１の範囲に実現できる。
【００５０】
III族窒化物半導体レーザ１１はＩｎＧａＮ層２７を更に備えることができる。ＩｎＧａＮ層２７は、第１のクラッド層１５と活性層１７との間に設けられている。ＩｎＧａＮ層２７は活性層１７への応力を調整するための緩衝層として作用する。例えば、ＩｎＧａＮ層２７は第１のクラッド層１５の主面と接触しており、第１のクラッド層１５の格子定数はＩｎＧａＮ層２７の格子定数と異なる。また、ＩｎＧａＮ層２７は活性層１７と接触しており、活性層１７の井戸層２３ａの格子定数はＩｎＧａＮ層２７の格子定数と異なる。
【００５１】
第１のクラッド層１５とＩｎＧａＮ層２７との界面２９に、ミスフィット転位がある。ミスフィット転位の導入によってＩｎＧａＮ層２７が緩和することにより、活性層１７における歪の異方性が変化する。この歪みの変化により、−１≦Ｐ≦０．１の範囲の偏光度Ｐを実現できると考えられる。ミスフィット転位はＩｎＧａＮ層のｃ面がすべり面として作用して導入されていると考えられる。このミスフィット転位は、半導体基板を用いることによって導入されている。歪の異方性を変化させるにはある程度の転位密度が必要であるので、ミスフィット転位の密度は５×１０３ｃｍ−１以上であることができる。また、高すぎる転位密度は結晶品質を悪化させる可能性があるので、ミスフィット転位の密度は１×１０５ｃｍ−１以下であることができる。
【００５２】
ＩｎＧａＮ（ＩｎＸＧａ１−ＸＮ）層２７のインジウム組成Ｘは０．０１以上であることができる。ミスフィット転位導入のためには、ある程度のＩｎ組成が必要である。インジウム組成Ｘは０．１以下であることができる。高すぎるＩｎ組成は活性層１７の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００５３】
また、ＩｎＧａＮ層２７の厚さＤ２７は２０ｎｍ以上であることができる。ミスフィット転位導入のためにはある程度の膜厚が必要である。この厚さＤ２７は１５０ｎｍ以下であることができる。厚すぎる膜厚Ｄは活性層１７の結晶品質を低下させる可能性がある。
【００５４】
III族窒化物半導体レーザ１１では、光ガイド層３１を更に備えることができる。光ガイド層３１は、第２のクラッド層１９と活性層１７との間に設けられている。光ガイド層３１はＩｎＧａＮからなる。光ガイド層３１は、いわゆる上側光ガイド層として作用するとき、ＩｎＧａＮ層２７は下側光ガイド層として作用する。これらの光ガイド層２７、３１はレーザのビームパターンを整えると共に、光ガイド層２７はミスフィット転位の導入を可能にしている。光ガイド層３１のＩｎ組成は、例えば０．０１以上０．１以下であることができる。光ガイド層２７はアンドープＩｎＧａＮからなることができ、光ガイド層３１はアンドープＩｎＧａＮからなることができる。
【００５５】
III族窒化物半導体レーザ１１は、第２のクラッド層１９と活性層１７との間に設けられた電子ブロック層３３を更に含む。電子ブロック層３３のバンドギャップは、光ガイド層３１のバンドギャップよりも大きく、また第２のクラッド層１９のバンドギャップよりも大きい。電子ブロック層３３は、例えばＡｌＧａＮからなる。
【００５６】
III族窒化物半導体レーザ１１は、必要な場合には、第２のクラッド層１９上に設けられたコンタクト層３５を更に含む。コンタクト層３５のドーパント濃度は第２のクラッド層１９のドーパント濃度よりも大きい。コンタクト層３５は、例えばｐ型ＧａＮ等からなることができる。
【００５７】
III族窒化物半導体レーザ１１は、劈開面によって構成された一対の端面３７ａ、３７ｂを更に含むことができる。傾斜の方向はａ軸方向であるとき、ｍ面における劈開面が可能になる。III族窒化物半導体レーザ１１の端面３７ａ、３７ｂはｍ面劈開面である。ｍ面劈開面を用いてIII族窒化物半導体レーザ１１の共振器を構成できる。また、傾斜の方向はｍ軸方向であるとき、ａ面における劈開面が可能になる。III族窒化物半導体レーザ１１の端面３７ａ、３７ｂはａ面劈開面である。ａ面劈開面を用いてIII族窒化物半導体レーザ１１の共振器を構成できる。端面３７ａ、３７ｂと導波方向を示す軸Ａｘとの成す角は、−１度以上＋１度以下の範囲にあることができる。
【００５８】
半導体基板１３の主面１３ａは、例えば（１１−２２）面（オフ角５８度ａ軸方向）及び（１１−２−２）面のいずれか一方であるとき、ａ軸方向への傾斜が可能である。また、半導体基板１３の主面１３ａは（１０−１１）面（オフ角６２度ｍ軸方向）及び（１０−１−１）面のいずれか一方であるとき、ｍ軸方向への傾斜が可能である。
【００５９】
III族窒化物半導体レーザでは、ｐ型窒化ガリウム半導体領域３９ａの表面を覆う保護膜４１を更に備える。保護膜４１には、導波方向に延在するコンタクト窓４１ａが設けられている。電極（例えば、アノード）４３ａは、コンタクト窓４１ａを介して窒化ガリウム半導体領域３９ａに接触を成す。一方、電極（例えば、カソード）４３ｂは、半導体基板１３ｂの裏面１３ｂに接触を成す。アノード及びカソード間に電源を接続するとき、アノードから導電性の半導体基板を介してカソードに電流が流れる。半導体基板１３は例えば導電性ＧａＮからなることができる。ＧａＮは、導電性を基板に付与することを可能にすると共に、良好な結晶品質のエピタキシャル膜の成長を提供できる。また、オフ角付きのＧａＮウエハを作製可能である。
【００６０】
（実施例１）
種々のオフ角を有する半極性ＧａＮウエハを準備した。ｃ面とウエハ主面との成す角度（オフ角）は、例えばｍ軸方向４３度、ａ軸方向５８度、ｍ軸方向６２度、ｍ軸方法７５度であった。ＧａＮウエハ上に図２に示される発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を作製した。エピタキシャル成長は、有機金属気相成長法により行われ、エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。以下の工程を行って、図２に示されたエピタキシャルウエハを作製する。
【００６１】
ＧａＮウエハ上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。ＧａＮウエハのエッジ上の２点間の間隔の最大値は、例えば４５ｍｍ以上である。まず、前処理工程を行うために、ＧａＮウエハを成長炉のサセプタ上に配置した。成長炉にＮＨ３及びＨ２を供給しながら、前処理として、摂氏１０５０度の温度で熱処理を行った。熱処理時間は例えば１０分であった。この熱処理の後にｎ型半導体成長工程を行うために例えば摂氏１１５０度の温度に基板温度を変更した。摂氏１１５０度の基板温度でＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＧａＮ層を成長した。ＧａＮ層の厚さは例えば２マイクロメートルである。
【００６２】
次の工程では、オフ角に応じてインジウム組成を調整するために、摂氏６５０度以上摂氏８８０度以下の範囲の基板温度を用いて、以下の半導体層の成長を行った。ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＩｎＧａＮ層を成長した。ＩｎＧａＮ層の厚さは例えば１００ｎｍである。ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は例えば０．０４である。
【００６３】
活性層を成長する工程を行った。まず、障壁層成長工程では、障壁層の成長温度（ＴＢ）でＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＧａＮ障壁層を成長した。このＧａＮ層の厚さは１５ｎｍである。ＧａＮ障壁層の成長後に成長を中断して、成長温度（ＴＢ）から井戸層の成長温度（ＴＷ）に基板温度を変更した。変更後に、井戸層成長工程では、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層を成長した。ＩｎＧａＮ井戸層の厚さは３ｎｍであった。このＩｎＸＧａ１−ＸＮのＩｎ組成Ｘは例えば０．２であった。ＩｎＧａＮ井戸層の成長後に、ＴＭＩの供給を停止した。次いで、ＮＨ３を成長炉に供給しながら、成長温度（ＴＷ）から成長温度（ＴＢ）に基板温度を変更した。変更後に、障壁層成長工程を行って、アンドープＧａＮ障壁層を成長した。ＧａＮ障壁層の厚さは１５ｎｍである。繰り返し工程では、井戸層の成長、温度変更、障壁層の成長を繰り返して、ＩｎＧａN井戸層及びＧａＮ障壁層を形成した。
【００６４】
ｐ型半導体成長工程では、活性層上にｐ型ＧａＮ系半導体領域が成長される。例えば、ＧａＮ障壁層の成長後に、ＴＭＧの供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ電子ブロック層を成長した。この電子ブロック層は例えば２０ｎｍであった。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、ｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。ｐ型ＧａＮコンタクト層は例えば５０ｎｍであった。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャルウエハＥＬＥＤを作製した。
【００６５】
電極形成工程では、エピタキシャルウエハＥＬＥＤ上に電極を形成する。まず、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にｐ側電極（透明電極Ｎｉ／Ａｕ）を形成する。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成する。ｎ側電極（Ｔｉ／Ａｌ）をＧａＮウエハの裏面に形成する。この後に、電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）を行う。これの工程により、半導体発光素子の基板生産物が得られた。
【００６６】
図２は、発光ダイオード構造ＬＥＤ及びそのためのエピタキシャルウエハＥＬＥＤの構造を示す図面である。発光ダイオード構造ＬＥＤ及びエピタキシャルウエハＥＬＥＤは、ＧａＮウエハ５１の主面５１ａ上に順に成長されたｎ型ＧａＮ半導体層５２、ｎ型ＩｎＧａＮ層５３、活性層５４、ｐ型電子ブロック層５５及びｐ型コンタクト層５６を含む。活性層５４は、障壁層５４ａ及び井戸層５４ｂを含む。また、エピタキシャルウエハＥＬＥＤのコンタクト層５６上にはアノード５７aが形成されると共に、ＧａＮウエハの裏面５１ｂにはカソード５７ｂが形成される。
【００６７】
これらのＬＥＤ構造のアノード５７ａ及びカソード５７ｂに電源５９を接続して、コンタクト層５６を介してＬＥＤ構造の上面からの光ＬＬＥＤの偏光度を測定した。図３は、オフ角と偏光度との関係を示す図面である。図３を参照すると、例えばｍ軸方向４３度（矢印Ａ４３）、ａ軸方向５８度（矢印Ａ５８）、ｍ軸方向６２度（矢印Ａ６２）、ｍ軸方法７５度（矢印Ａ７５）が示されている。偏光度特性線Ｐ０は、角度ＡＤ０、ＡＵ０においてゼロ偏光を示す。図３より、角度ＡＤ０は約５０度であり、角度ＡＵ０は約６８度である。また、偏光度特性線Ｐ０は、角度ＡＤ、ＡＵにおいて偏光度０．１を示す。図３から角度ＡＤは約４９度であり、角度ＡＵは約７３度である。図３に示されるように、偏光度特性線Ｐ０は、ｃ面からの傾斜角ＡＯＦＦの増加に伴って正の偏光度の領域において一旦増加する。しかしながら、偏光度特性線Ｐ０は、傾斜角が３０度を超えると、傾斜角ＡＯＦＦの増加に伴って減少して、角度ＡＤ当たりで偏光度０．１以下になり、更には角度ＡＤ０当たり負値になる。そして、６０度付近の傾斜角で最小値になり、傾斜角ＡＯＦＦの増加に伴って増加して、角度ＡＵ０当たり正値になり、角度ＡＵ当たりで偏光度０．１を越えて、さらに増加する。
【００６８】
図４は、代表的な傾斜角ＡＯＦＦの５８度（ａ軸方向傾斜）及び６２度（ｍ軸方向傾斜）において、ＬＥＤモードにおけるピーク発光波長と偏光度との関係を示す図面である。図４を参照すると、偏光度は、波長４５０ｎｍ近傍の波長ΛLにおいて０．１を示す。また、４６０ｎｍ近傍の波長Λ０において偏光度がゼロになる。波長ΛＳ１は４５０ｎｍである。
【００６９】
このＬＥＤ構造では、偏光度Ｐは波長依存性を示す。この実験に加えて発明者らの他の実験に基づき、４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のピーク発振波長の範囲において、偏光度Ｐを−１≦Ｐ≦０．１の範囲に実現できる。
【００７０】
また、負値の偏光度を得るためには、多重量子井戸構造のピーク発振波長は、４６０ｎｍ以上であり、５５０ｎｍ以下であることができる。この半導体レーザによれば、低いしきい値を実現できる。例えば５８度以上６２度以下の範囲の傾斜角では、偏光度Ｐは負値である。
【００７１】
図５は、ＬＥＤ構造のカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図面である。図５（ａ）〜図５（ｄ）は、それぞれ、ｍ軸方向４３度オフ（偏光度：０．５２）、ａ軸方向５８度オフ（偏光度：−０．２９）、ｍ軸方向６２度オフ（偏光度：−０．０６）、ｍ軸方向７５度オフ（偏光度：０．２４）のＬＥＤ構造のＣＬ像を示す。ＣＬ像の測定における加速電圧は、加速電子がＩｎＧａＮ層に到達できるように設定された。負値の偏光度を示す軸方向５８度オフ及びｍ軸方向６２度オフのＣＬ像おいて、オフ方向と垂直方向に入っている暗線が観測された。暗線の向きから判断して、ｃ面がすべり面となってミスフィット転位が導入されていると考えられる。半極性ＧａＮ基板では、半極性面に対して傾いた面（すべり面）上を転位のハーフループが広がることによって、すべり面と界面（上記のＬＥＤ構造では、ＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層との界面）とが交差する位置にミスフィット転位が導入される。
【００７２】
図４に示されるように、発光ピーク波長が増加するとき、偏光度Ｐが減少する。この偏光度Ｐの振る舞いは、井戸層のＩｎ組成の増加によって以下のように説明可能である。大きなＩｎ組成の井戸層では、量子閉じ込め効果が強いと考えられる。また、図５の結果も、井戸層のＩｎ組成の増加によって説明可能である。大きなＩｎ組成の井戸層は、ＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層との界面に大きな応力を与えるので、この界面にミスフィット転位が生じやすいと考えられる。
【００７３】
図３〜図５の結果から、５０度から７０度の範囲のオフ角ではｃ面に対してせん断応力が大きく働き、ＩｎＧａＮ層と下地ＧａＮ層との界面にミスフィット転位が導入されると考えられる。ミスフィット転位の導入によって、井戸層の歪みの面内異方性が変化して偏光度に影響を及ぼしていると考えられる。
【００７４】
ｃ面がすべり面であるとき、ｃ面のシュミット因子を見積もる。このシュミット因子は、ｃ面においてすべりの起こる程度を表す。図６を参照しながら、シュミット因子を説明する。図６には、ＩｎＧａＮ層の一部が円筒形状の物体として示されている。ｃ面すべり面Ｓｓｌｉｐは法線ベクトルＮｓｌｉｐによって示される方向に軸Ａｘに対して傾斜している。ｃ面すべり面ＳｓｌｉｐはすべりベクトルＤｓｌｉｐによって示される方向（ｃ軸の方向）にすべる。断面積Ａに引っ張り張力Ｆを加えるとき、すべり方向のせん断応力τは、
τ＝（Ｆ×ｃｏｓλ）／（Ａ／ｃｏｓφ）＝σ×ｃｏｓλ×ｃｏｓφ  （１）
で表される。応力σ（＝Ｆ／Ａ）が臨界値以上であるとき、すべり面で変形が生じる。式（１）における「ｃｏｓλ・ｃｏｓφ」をシュミット因子（以下「ＦＳ」で表す）と呼ぶ。
【００７５】
図７は、オフ角とシュミット因子との関係を示す図面である。シュミット因子の大きさは、以下の順序である。
ＦＳａ５８＞ＦＳｍ６２＞ＦＳｍ４３＞ＦＳｍ７５  （２）
式（２）で示される順序は、ＣＬ像における暗線の発生とオフ角度との関係を定性的に支持している。ＣＬ像では、ａ軸方向５８度のＧａＮ基板上のＬＥＤ構造、ｍ軸方向６２度のＧａＮ基板上のＬＥＤ構造にミスフィット転位が観測される。ミスフィット転位の発生の境界は、５０度以下であり５０度近傍の角度であり、また、７０度以上であり７０度近傍の角度である。
【００７６】
（実施例２）
実施例１では、ＬＥＤ構造からの発光を観測することによって、偏光度と角度との関係を見出した。実施例２では、半導体レーザ構造を、ａ軸方向５８度傾斜のＧａＮウエハ上に作製した。エピタキシャル成長は、有機金属気相成長法により行われ、エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いる。以下の工程を行って、図８に示されたエピタキシャルウエハ及び半導体レーザの作製を図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００７７】
工程Ｓ１０１では、５０度以上７０度以下の範囲内の傾斜角を有する半極性ＧａＮウエハを準備した。実施例２では、ａ軸方向５８度傾斜のＧａＮウエハ６１を準備した。
【００７８】
ＧａＮウエハ６１上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。まず、工程Ｓ１０２では、ＧａＮウエハ６１を成長炉のサセプタ上に配置した。工程Ｓ１０３では、前処理を行うために成長炉にＮＨ３及びＨ２を供給しながら、摂氏１０５０度の温度で熱処理を行った。熱処理時間は例えば１０分であった。この熱処理の後に、工程Ｓ１０４では、ｎ型半導体の成長を行うために例えば摂氏１１５０度の温度に基板温度を変更した。摂氏１１５０度の基板温度でＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ＳｉドープＡｌＧａＮ層６２をＧａＮウエハ６１の主面６１ａ上に成長した。このＡｌＧａＮ層６２の厚さは例えば２マイクロメートルである。ＡｌＧａＮ層６２のＡｌ組成は例えば０．０４である。
【００７９】
次の工程Ｓ１０５では、摂氏８４０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、ＩｎＧａＮ層６３ａをＡｌＧａＮ層６２上に成長した。ＩｎＧａＮ層６３ａの厚さは例えば１００ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば０．０４である。このＩｎＧａＮ層６３ａは光ガイド層としても働く。
【００８０】
活性層６４を成長する工程Ｓ１０６を行った。まず、障壁層成長工程Ｓ１０７では、摂氏８６０度の成長温度（ＴＢ）でＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＧａＮ障壁層６５ａを成長した。このＧａＮ層６５ａの厚さは例えば１５ｎｍである。温度変更の後に、井戸層成長工程Ｓ１０８では、摂氏７９０度の成長温度（ＴＷ）で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層６５ｂをＧａＮ障壁層６５ａ上に成長した。ＩｎＧａＮ井戸層６５ｂの厚さは例えば３ｎｍであった。このＩｎＸＧａ１−ＸＮのＩｎ組成Ｘは例えば０．１８であった。Ｉｎ組成Ｘは例えば０．１０以上０．４０以下の範囲であることができる。ＩｎＧａＮ井戸層６５ｂの成長後に、成長温度（ＴＷ）から成長温度（ＴＢ）に基板温度を変更した。変更後に、障壁層成長工程Ｓ１０７を行って、アンドープＧａＮ障壁層６５ａを成長した。ＧａＮ障壁層６５ａの厚さは例えば１５ｎｍである。繰り返し工程Ｓ１０９では、井戸層６５ｂの成長、温度変更、障壁層６５ａの成長を繰り返して、交互に配列されたＧａＮ障壁層６５ａ及びＩｎＧａN井戸層６５ｂを含む多重量子井戸構造を形成した。
【００８１】
次の工程Ｓ１１０では、摂氏８４０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、ＩｎＧａＮ層６３ｂを活性層６４上に成長した。ＩｎＧａＮ層の厚さは例えば１００ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば０．０４である。
【００８２】
ｐ型半導体成長工程Ｓ１１１では、ＩｎＧａＮ層６３ｂ上にｐ型ＧａＮ系半導体領域６６が成長される。例えば、ＩｎＧａＮ光ガイド層６３ｂの成長後に、ＴＭＧの供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層６６ａをＩｎＧａＮ光ガイド層６３ｂ上に成長した。この電子ブロック層６６ａは例えば２０ｎｍであった。電子ブロック層６６ａのＡｌ組成は例えば０．１８であった。次いで、温度を変更せずに、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６６ｂを電子ブロック層６６ａ上に成長した。このｐ型クラッド層６６ｂは例えば４００ｎｍであった。ｐ型クラッド層６６ｂのＡｌ組成は例えば０．０４であった。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、ｐ型ＧａＮコンタクト層６６ｃをｐ型クラッド層６６ｂ上に成長した。ｐ型ＧａＮコンタクト層６６ｃは例えば５０ｎｍであった。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャルウエハＥＬＤを作製した。
【００８３】
電極形成工程Ｓ１１２では、エピタキシャルウエハＥＬＤ上に、コンタクト窓を有する絶縁膜６８を形成した後に、エピタキシャルウエハＥＬＤ上にｐ側電極６９ａおよびｎ側電極６９ｂを形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層６６ｃ上にｐ側透明電極（Ｎｉ／Ａｕ）を形成する。この後に、アノードパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成する。絶縁膜は例えばシリコン酸化膜である。コンタクト窓は、例えば幅１０μｍのストライプ形状を成す。カソード電極（Ｔｉ／Ａｌ）をＧａＮウエハ６１の裏面６１ｂに形成する。この後に、電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）を行う。これの工程により、半導体発光素子の基板生産物が得られた。
【００８４】
へき開工程Ｓ１１３では、基板生産物を所定の間隔でへき開を行って、レーザ共振器を作成した。へき開により、例えばレーザ共振器は一対のｍ面劈開面を含む。これらの工程によって、半導体レーザＤＭが作製された。
【００８５】
比較のために、ｃ面ＧａＮウエハ上にも同様なレーザ構造をエピタキシャル成長により作製した。半導体レーザＤＣが作製された。
【００８６】
図１１は、半導体レーザＤＭ及びＤＣの特性を示す図面である。図１１（ａ）を参照すると、注入電流密度と、ＬＥＤモードにおける発光スペクトルのピーク波長との関係が示されている。図１１（ｂ）を参照すると、注入電流密度と、ＬＥＤモードにおける発光スペクトルの半値幅との関係が示されている。
【００８７】
半導体レーザＤＭは半極性面（ａ軸方向に５８度の傾斜面）上に作製されているので、半導体レーザＤＭのブルーシフトは半導体レーザＤＣに比べて小さい。また、半導体レーザＤＭの半値幅も半導体レーザＤＣに比べて小さい。半値幅の振る舞いは、以下のように理解される。半導体レーザＤＣは大きなピエゾ効果を示すので、活性層への注入電流の量に応じて活性層の各井戸層毎にキャリア密度に差が生じる。キャリア密度の差に起因して各井戸層のピエゾスクリーニングの程度に差異が生じる。このため、ＬＥＤモードの発光スペクトルにおいて半値幅が大きくなる。一方、半導体レーザＤＭのピエゾ分極は半導体レーザＤＣに比べて小さいので、各井戸層におけるピエゾスクリーニングの程度の差は小さい。加えて、半導体レーザＤＭの井戸層では、Ｉｎ組成の不均一性が半導体レーザＤＣに比べて小さい。このＩｎ組成の均一性も、ＬＥＤモードの発光スペクトルにおける半値幅の縮小に寄与している。
【００８８】
半導体レーザＤＭにおいて注入電流５ｍＡで測定した偏光度は＋０．０２であった。この偏光度は、これまでの報告例に比べて小さい。半導体レーザＤＭ及びＤＣへの印加電流を増加したとき、半導体レーザＤＭでは８５０ｍＡの電流でレーザ発振が生じた。一方、半導体レーザＤＣでは９００ｍＡの電流でレーザ発振が生じた。
【００８９】
以上説明したように、非常に小さい偏光度（０．１以下−１以上）の半導体レーザが得られた。ｍ面へき開による端面ミラーを用いて、比較例に比べて低いしきい値が得られたと考えられる。
【００９０】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００９１】
１１…III族窒化物半導体レーザ、１３…半導体基板、１５…第１のクラッド層、１７…活性層、１９…第２のクラッド層、１３ａ…半導体基板主面、１３ｂ…半導体基板裏面、２２…多重量子井戸構造、２３ａ…井戸層、２３ｂ…障壁層、Ｐ…偏光度、２７…ＩｎＧａＮ層、２９…界面、３１…光ガイド層、３３…電子ブロック層、３５…コンタクト層、３７ａ、３７ｂ…端面、３９ａ…ｐ型窒化ガリウム半導体領域、４１ａ…コンタクト窓、４３ａ、４３ｂ…電極、ＬＥＤ…発光ダイオード構造、ＥＬＥＤ…エピタキシャルウエハ、５１…ＧａＮウエハ、５２…ｎ型ＧａＮ半導体層、５３…ｎ型ＩｎＧａＮ層、５４…活性層、５５…ｐ型電子ブロック層、５６…ｐ型コンタクト層、５４ａ…障壁層、５４ｂ…井戸層、６１…ＧａＮウエハ、６２…ＳｉドープＡｌＧａＮ層、６３ａ…ＩｎＧａＮ層、６３ｂ…ＩｎＧａＮ層、６４…活性層、６５ａ…アンドープＧａＮ障壁層、６５ｂ…アンドープＩｎＧａＮ井戸層、６６…ｐ型ＧａＮ系半導体領域、６６ａ…ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、６６ｂ…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、６６ｃ…ｐ型ＧａＮコンタクト層、ＥＬＤ…エピタキシャルウエハ、６８…絶縁膜、６９ａ…ｐ側電極、６９ｂ…ｎ側電極
【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５】
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