(57)【要約】【課題】非極性面を主面とするIII族窒化物基板と、Ｉｎを含む活性層とを備える半導体レーザ素子において、光損失の少ない共振構造を実現する。【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、非極性面を主面１１ａとするIII族窒化物基板１１と、III族窒化物基板１１上に設けられたＩｎを含む活性層２７と、活性層２７に沿って設けられ、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含む回折格子層１７とを備える。【選択図】図１
2011100934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非極性面を主面とするIII族窒化物基板と、
前記III族窒化物基板上に設けられたＩｎを含む活性層と、
前記活性層に沿って設けられ、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含む回折格子層と
を備えることを特徴とする、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記周期構造が二次元フォトニック結晶構造であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記III族窒化物基板の主面が、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１０−１３｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、または前記III族窒化物基板のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面から前記III族窒化物基板のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した面であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、端面発光型の半導体レーザ素子が記載されている。この端面発光型半導体レーザ素子は、非極性面であるＭ面を主面とするＧａＮ基板上に形成されており、その共振端面は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって形成されている。
【０００３】
また、非特許文献２には、半極性面を主面とするＡｌＩｎＧａＮ基板の分極特性を計算により求め、共振端面を劈開により形成する際に望ましい分極特性を得る手法が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Mathew C. SCHMIDT etal., ”Demonstration of Nonpolar m-Plane InGaN/GaN Laser Diodes”, JapaneseJournal of Applied Physics, Volume 46, No. 9, 2007, pp.L190-L191
【非特許文献２】A.Yamaguchi, ”Theoreticalinvestigation on polarization control of semipolar-oriented InGaN quantum-wellemission using (Al)InGaN alloy substrates”, Applied Physics Letters, Volume 94, Article201104, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来よりＧａＮ系半導体レーザ素子においては、Ｃ面を主面とするＧａＮ系半導体基板上に共振構造が形成されるのが一般的である。しかし、緑色発光の半導体レーザ素子などにおいて活性層がＩｎを含む場合がある。Ｉｎを含むIII族窒化物半導体を例えばＧａＮ基板上に成長させると、結晶構造の歪みによる圧電分極によってピエゾ電界が発生する。そして、このピエゾ電界は、Ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体を成長させた場合に最も大きくなる。活性層のピエゾ電界が大きくなると、活性層に注入される電子と正孔が離れ、発光に寄与する再結合確率が低下するので発光効率が低下してしまう。したがって、活性層がＩｎを含む場合には、非極性面（半極性面または無極性面）を主面とするIII族窒化物基板を用いることが好ましい。
【０００６】
また、半導体レーザ素子を作製する際の共振構造の形成方法としては、劈開またはドライエッチングを利用した反射端面を形成する方法が一般的である。しかしながら、III族窒化物系半導体結晶は六方晶であるため、反射端面を含む共振構造を、例えば非極性面を主面とするIII族窒化物基板上に形成しようとしても、劈開面が主面と垂直ではない場合があり、平滑な反射端面を劈開によって形成することが困難となる。また、ドライエッチングにより反射端面を形成する方法では、平滑な反射端面を安定的に形成することは困難である。このように、光損失の少ない共振構造を非極性面上に作製することは難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、非極性面を主面とするIII族窒化物基板と、Ｉｎを含む活性層とを備える半導体レーザ素子において、光損失の少ない共振構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、半極性面または非極性面を主面とするIII族窒化物基板と、III族窒化物基板上に設けられたＩｎを含む活性層と、活性層に沿って設けられ、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含む回折格子層とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この半導体レーザ素子においては、非極性面を主面とするIII族窒化物基板上にＩｎを含む活性層が設けられているので、活性層において発生するピエゾ電界を低減し、発光効率を向上させることができる。また、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含む回折格子層が活性層に沿って設けられているので、活性層で発生した光がこの周期構造によって閉じ込められ、半導体内部で共振することができる。すなわち、この半導体レーザ素子によれば、反射端面ではなく半導体内部の周期構造によって光の共振構造が構成されているので、良好な反射端面を劈開により形成できない場合であっても、光損失の少ない共振構造を実現できる。
【００１０】
また、半導体レーザ素子は、周期構造が二次元フォトニック結晶構造であることを特徴としてもよい。これにより、活性層で発生した光を効率良く反射させる周期構造を好適に実現できる。
【００１１】
また、半導体レーザ素子は、III族窒化物基板の主面が、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１０−１３｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、またはIII族窒化物基板のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からIII族窒化物基板のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した面であることを特徴としてもよい。III族窒化物基板の主面がこれらの非極性面であることによって、Ｉｎを含む活性層において発生するピエゾ電界を効果的に低減し、発光効率をより向上させることができる。また、ピエゾ電界が低減することによって活性層におけるＩｎの組成比をより高くでき、より長波長の光を出射させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非極性面を主面とするIII族窒化物基板と、Ｉｎを含む活性層とを備える半導体レーザ素子において、光損失の少ない共振構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態として、半導体レーザ素子１Ａの構成を示す側断面図である。
【図２】図２は、二次元回折格子の一例として、格子間隔がａである三角格子を示す図である。
【図３】図３は、図２に示された三角格子が有する逆格子空間を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、ＩｎＰからなるフォトニック結晶構造の三角格子について、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示すフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。
【図５】図５は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程として、半導体レーザ素子１Ａを作製するために準備されるIII族窒化物基板１１の外観を示す斜視図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。
【図８】図８は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。
【図９】図９は、半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、ＧａＮ基板主面のＣ面からの傾斜角度と、該ＧａＮ基板上に成長したＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層内に生じるピエゾ電界との関係を示すグラフである。図１０（ｂ）は、ＧａＮ基板上に成長したＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層のＩｎ組成Ｘ１とピエゾ電界との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、上記実施形態の一変形例に係る回折格子層１７ａの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１に示される、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、主面１１ａを有するIII族窒化物基板１１を備えている。一実施例では、III族窒化物基板１１はＳｉドープｎ型ＧａＮ基板である。或いは、III族窒化物基板１１はＩｎＧａＮ等の他のIII族窒化物系半導体から成ってもよい。主面１１ａは、III族窒化物基板１１のIII族窒化物半導体結晶のＣ面を除く他の面（非極性面）である。例えば主面１１ａは、III族窒化物半導体結晶の無極性面、すなわち｛１０−１０｝面（Ｍ面）または｛１１−２０｝面（Ａ面）である。或いは、主面１１ａは、III族窒化物半導体結晶の半極性面（例えば｛１０−１１｝面、｛１０−１３｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、またはIII族窒化物基板のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からIII族窒化物基板のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した面など）であってもよい。III族窒化物基板１１の厚さは、例えば３００［μｍ］である。
【００１６】
また、半導体レーザ素子１Ａは、III族窒化物基板１１の主面１１ａ上に設けられた活性層２７を備えている。活性層２７は、Ｉｎを含むIII族窒化物系半導体によって構成される。一実施例では、活性層２７は量子井戸構造２９を有するが、活性層２７の構造はこれに限定されるものではない。この量子井戸構造２９は、交互に配列された井戸層２９ａおよび障壁層２９ｂを含む。井戸層２９ａは例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、また障壁層２９ｂは、井戸層２９ａよりも大きなバンドギャップのＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。
【００１７】
また、半導体レーザ素子１Ａは、回折格子層１７を備えている。本実施形態では、回折格子層１７はIII族窒化物基板１１の主面１１ａと活性層２７との間に設けられているが、回折格子層１７は活性層２７上に設けられてもよい。回折格子層１７は、活性層２７に沿って設けられており、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含んでいる。一実施例では、この周期構造は二次元フォトニック結晶からなる二次元回折格子構造であり、また他の一実施例では、この周期構造は一次元回折格子構造である。
【００１８】
具体的には、回折格子層１７は複数の空孔２１を含んでいる。複数の空孔２１は活性層２７に沿った面方向に一次元または二次元に配列されており、回折格子層１７の複数の空孔２１以外の部分は例えばＩｎＧａＮから成る。複数の空孔２１の半径は例えば７０［ｎｍ］であり、隣り合う空孔２１のピッチは例えば１６６［ｎｍ］（三角格子の場合）である。回折格子層１７の層厚は例えば１００［ｎｍ］である。
【００１９】
また、半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型クラッド層１５を備えている。ｎ型クラッド層１５は、III族窒化物基板１１の主面１１ａと回折格子層１７との間に設けられている。ｎ型クラッド層１５は、III族窒化物系半導体、例えばＳｉドープｎ型ＡｌＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１５の層厚は例えば２［μｍ］である。
【００２０】
また、半導体レーザ素子１Ａは、ＧａＮ系半導体層２３を備えている。ＧａＮ系半導体層２３は、回折格子層１７と活性層２７との間に設けられている。ＧａＮ系半導体層２３は、ＧａＮ系化合物半導体、例えばＳｉドープｎ型ＧａＮから成る。ＧａＮ系半導体層２３の層厚は例えば２００［ｎｍ］である。
【００２１】
また、半導体レーザ素子１Ａは、ＧａＮ系半導体層３１、電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５およびｐ型コンタクト層３７を備えている。これらの層は、活性層２７上にこの順で積層されている。ＧａＮ系半導体層３１は、例えばＧａＮ層から成り、好ましくは、ドーパントによる光吸収を避けるためにアンドープである。電子ブロック層３３は、例えばＧａＮ系半導体層３１より大きなバンドギャップのＡｌＧａＮ層から成り、好ましくはｐ型ドーパントを含む。ｐ型クラッド層３５は、活性層２７に正孔を供給すると共に、光閉じ込めのために活性層２７の屈折率よりも小さなＧａＮ系半導体から成る。ｐ型クラッド層３５は、例えばＡｌＧａＮ層から成る。ｐ型コンタクト層３７は、良好な電気接触を提供するために、高濃度のドーパントを含むことが好ましい。ｐ型コンタクト層３７は、例えばｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層から成る。
【００２２】
また、半導体レーザ素子１Ａは、アノード電極４１ａ及びカソード電極４１ｂを備えている。アノード電極４１ａは、ｐ型コンタクト層３７上に設けられており、ｐ型コンタクト層３７とオーミック接触を成している。カソード電極４１ｂは、III族窒化物基板１１の裏面１１ｂ上に設けられており、III族窒化物基板１１とオーミック接触を成している。
【００２３】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａの作用について説明する。アノード電極４１ａとカソード電極４１ｂとの間に電流を供給すると、ｐ型コンタクト層３７及びｐ型クラッド層３５から活性層２７へ正孔が注入され、III族窒化物基板１１及びｎ型クラッド層１５から電子が注入される。活性層２７へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が生じ、光が発生する。発生した光の波長は、活性層２７を構成する半導体（本実施形態では、ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ）のバンドギャップによって決まる。また、活性層２７が量子井戸構造２９を有する場合には、井戸層２９ａの厚さも光の波長に大きく影響する。
【００２４】
活性層２７において発生した光は、ＧａＮ系半導体層２３，３１によって活性層２７内およびその付近に閉じ込められるが、光の一部はエバネッセント光として回折格子層１７に到達する。回折格子層１７に到達した光の波長と、回折格子層１７の複数の空孔２１による周期構造の周期とが一致する場合には、その光は周期構造に沿った方向に反射され、活性層２７内を共振することとなる。
【００２５】
特に、回折格子層１７の周期構造がフォトニック結晶構造である場合、活性層２７の光の一部はエバネッセント光として回折格子層１７に到達する。回折格子層１７に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶構造の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において定在波が誘起される。定在波によるフィードバック効果により、レーザ発振を起こすことができる。
【００２６】
続いて、回折格子層１７が二次元回折格子を有する場合について、更に詳細に説明する。二次元回折格子は、少なくとも二方向に同一の周期で並進させたときに重なり合うような性質を有する。このような二次元格子は、正三角形、正方形、または正六角形を一面に敷き詰めて配置し、その各頂点に格子点を設けることによって形成される。ここでは、正三角形を用いて形成される格子を三角格子、正方形を用いて形成される格子を正方格子、正六角形を用いて形成される格子を六角格子とする。
【００２７】
図２は、二次元回折格子の一例として、格子間隔がａである三角格子を示す図である。図２において、任意に選択された格子点Ａに着目し、格子点Ａから格子点Ｂに向かう方向をΓ−Ｘ方向とし、また格子点Ａから格子点Ｃに向かう方向をΓ−Ｊ方向とする。ここでは、活性層２７において生じる光の波長がΓ−Ｘ方向の格子周期に対応している場合について説明する。
【００２８】
回折格子層１７は、以下に説明する３個の一次元回折格子群Ｌ、Ｍ及びＮを含むと考えることができる。一次元回折格子群Ｌは、Ｘ軸方向に沿って設けられた一次元格子Ｌ１、Ｌ２及びＬ３からなる。一次元回折格子群Ｍは、Ｘ軸方向に対して１２０°を成す方向に沿って設けられた一次元回折格子Ｍ１、Ｍ２及びＭ３からなる。一次元回折格子群Ｎは、Ｘ軸方向に対して６０°を成す方向に沿って設けられた一次元格子Ｎ１、Ｎ２及びＮ３からなる。一次元回折格子群Ｌ、Ｍ及びＮのそれぞれに含まれる一次元回折格子同士の間隔をｄとし、一次元回折格子内における格子間隔をａとする。
【００２９】
まず、一次元回折格子群Ｌについて考える。格子点Ａから格子点Ｂへ向かう方向に進む光は、格子点Ｂにおいて回折現象を生じる。回折方向は、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・・）によって規定される。ここで、λは回折格子層１７における光の波長である。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±６０°、±１２０°の方向に別の格子点Ｄ、Ｅ、Ｆ及びＧが存在する。また、ｍ＝０に対応する角度θ＝０°、１８０°にも格子点Ａ及びＫが存在する。
【００３０】
格子点Ｂにおいて、例えば格子点Ｄに向けて回折された光は、格子点Ｄにおいて格子群Ｍに従って回折される。この回折は、格子群Ｌに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｄにおいて格子点Ｈに向けて回折された光は、格子群Ｎに従って回折される。このようにして、格子点Ｈ、格子点Ｉ、格子点Ｊと順に回折される。格子点Ｊから格子点Ａに向けて回折される光は、格子群Ｎに従って回折される。
【００３１】
以上のように、格子点Ａから格子点Ｂに進む光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ａに到達する。このため、半導体レーザ素子１Ａにおいては、ある方向に進む光が複数回の回折を経て元の格子点の位置に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、回折格子層１７の二次元回折格子構造は、光共振構造、つまり波長選択器および反射器として作用する。
【００３２】
格子点Ａについて先に説明した回折作用は、二次元的に配置された全ての格子点において生じる。このため、Γ−Ｘ方向に伝搬する光は、ブラッグ回折によって二次元的に相互に結合していると考えられる。回折格子層１７では、このような二次元的結合によって、コヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００３３】
図３は、図２に示された三角格子が有する逆格子空間を示す図である。図３には、逆格子空間における複数のブリリアンゾーンの各中心点Γが示されており、また、互いに隣接する２つのブリリアンゾーンの中心点Γ同士を相互に結ぶ直線と、該２つのブリリアンゾーン同士の境界線とが交差する点Ｘが示されており、更に、互いに隣接する３つのブリリアンゾーンが接する点Ｊが示されている。図３における点Γ、Ｘ及びＪによって規定される方向は、上述したΓ−Ｘ方向およびＸ−Ｊ方向に対応する。
【００３４】
図４（ａ）は、ＩｎＰからなるフォトニック結晶構造の三角格子について、平面波展開法を用いてバンド計算を行った結果を示すフォトニックバンド図であり、特にＴＥモードに対する計算結果である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＳ点近傍における拡大図である。図１に示した回折格子層１７は、図４（ａ）に示された分散関係、すなわちフォトニックバンド構造を有することができる。なお、フォトニックバンド構造とは、媒質内に設けられた少なくとも二次元の周期的な屈折率分布に基づいて、光子のエネルギーに対して規定された分散関係をいう。
【００３５】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、点Γ及びその近傍の波数範囲では、図中の部分Ｐ，Ｓにおいて、バンド端が存在している。ここでは、部分Ｓを「第１バンド端」とし、部分Ｐを「第２バンド端」とする。第１バンド端の規格化周波数ω１は約０．３５となっており、第２バンド端の規格化周波数ω２は約０．６１となっている。ここで、点Γでは群速度（ｄλ／ｄｋ）＝０なので、光の規格化周波数ωがω１またはω２である場合には、結晶方向にかかわらず定在波が立つことになる。ＧａＮから成るフォトニック結晶構造（三角格子）に対して同様の計算を行うと、第１バンド端の規格化周波数ω１は約０．４７となり、第２バンド端の規格化周波数ω２は約０．８２となる。
【００３６】
続いて、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａの作製方法について説明する。図５〜図９は、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。本実施形態では、半導体レーザのためのいくつかのIII族窒化物系半導体層が、例えば有機金属気相成長法で形成される。
【００３７】
まず、図５に示されるように、III族窒化物基板１１を準備する。なお、III族窒化物基板１１は、半極性面である主面１１ａを有しており、III族窒化物結晶のｃ軸Ｃｘは主面１１ａの法線Ｈに対して角度θ（θ＞０）だけ傾斜している。例えば、主面１１ａは、III族窒化物結晶の無極性面、すなわち｛１０−１０｝面（Ｍ面）または｛１１−２０｝面（Ａ面）である。或いは、主面１１ａは、III族窒化物結晶の半極性面（例えば｛１０−１１｝面、｛１０−１３｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、またはIII族窒化物基板のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からIII族窒化物基板のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した面など）である。III族窒化物基板１１は例えば六方晶系半導体ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなり、一実施例ではｎ型ＧａＮからなる。
【００３８】
次に、III族窒化物基板１１を成長炉にセットし、半導体レーザのための工程を施していく。まず、III族窒化物基板１１の主面１１ａのサーマルクリーニングを行ったのち、図６（ａ）に示すように、ｎ型クラッド層１５を成長させる。ｎ型クラッド層１５は例えばＡｌＧａＮといったIII族窒化物系半導体からなることができる。このｎ型クラッド層１５上には、回折格子層１７（図１参照）となるｎ型ＧａＮ層４３を成長させる。ｎ型ＧａＮ層４３は、ｎ型クラッド層１５よりも大きい屈折率を有する。なお、ＧａＮ層４３に代えて、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を成長させてもよい。ＧａＮ層４３を成長させた後に、室温近くの温度まで成長炉の温度を下げて、基板Ｗ１を成長炉から取り出す。
【００３９】
次いで、ＧａＮ層４３の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部をＧａＮ層４３に形成する工程を説明する。図６（ｂ）に示されるように、基板Ｗ１のＧａＮ層４３上に、複数の凹部を形成するためのレジスト４５を均一に塗布する。このレジスト４５は、例えば電子ビーム露光用のレジストである。そして、このレジスト４５を露光することにより、図７（ａ）に示されるようにマスク１９を形成する。マスク１９は、複数の凹部のための開口の配列を有しており、これらの開口は、例えば三角格子、正方格子等の格子状に配列される。
【００４０】
マスク１９を用いて、複数の凹部をＧａＮ層４３に形成する。この形成は、エッチングといった加工により行われる。図７（ｂ）に示されるように、例えばドライエッチング装置においてマスク１９を用いてＧａＮ層４３をエッチングして、周期的屈折率分布のパターンが形成された回折格子層１７を形成する。回折格子層１７には、マスク１９の開口に対応して一次元又は二次元で周期的に配列された複数の空孔２１の配列が形成される。複数の空孔２１は、その配列の態様によって、一次元回折格子か或いは二次元フォトニック結晶を構成する。このエッチングの後にマスク１９を除去して、基板Ｗ２が提供される。基板Ｗ２は、パターン形成された回折格子層１７を含む。
【００４１】
基板Ｗ２を成長炉にセットして、成長炉の温度を成長温度まで上昇させる。この後に、図８に示されるように、ＧａＮ系半導体層２３を回折格子層１７上に形成する。ＧａＮ系半導体層２３は、回折格子層１７の複数の空孔２１を保持したまま覆う。
【００４２】
引き続き、いくつかのIII族窒化物系半導体層の成長を行う。図８に示されるように、ＧａＮ系半導体層２３上に活性層２７を成長させる。この活性層２７は、複数の空孔２１と光学的に結合される。一実施例では、活性層２７は量子井戸構造２９を有し、量子井戸構造２９は交互に配列された井戸層２９ａおよび障壁層２９ｂを含む。
【００４３】
次いで、活性層２７上にＧａＮ系半導体層３１が成長される。ＧａＮ系半導体層３１は、例えばＧａＮ層であることができ、好ましくは、ドーパントによる光吸収を避けるためにアンドープ層からなる。このＧａＮ系半導体層３１上に、電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５およびｐ型コンタクト層３７が順に成長される。電子ブロック層３３は、例えばＧａＮ系半導体層３１より大きなバンドギャップのＡｌＧａＮ層からなることができ、好ましくはｐ型ドーパントを含む。ｐ型クラッド層３５は、活性層２７に正孔を供給すると共に、光閉じ込めのために活性層２７の屈折率よりも小さなIII族窒化物系半導体からなる。ｐ型クラッド層３５は、例えばＡｌＧａＮ層からなることができる。ｐ型コンタクト層３７は、良好な電気接触を提供するために、高濃度のドーパントを含むことが好ましい。ｐ型コンタクト層３７は、例えばｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層からなることができる。これらの成長により、基板Ｗ３が提供される。
【００４４】
この後、必要な場合には、III族窒化物基板１１の裏面の研削を行う。そして、図９に示されるように、ｐ型コンタクト層３７上にアノード電極４１ａを形成すると共に、III族窒化物基板１１の裏面１１ｂにカソード電極４１ｂを形成する。最後に、アノード電極４１ａおよびカソード電極４１ｂが形成された基板Ｗ３をチップ状に分割する。こうして、半導体レーザ素子１Ａが完成する。
【００４５】
本実施形態の半導体レーザ素子１Ａにおいては、非極性面を主面とするIII族窒化物基板１１上に、Ｉｎを含む活性層２７が設けられている。ここで、図１０（ａ）は、ＧａＮ基板主面のＣ面からの傾斜角度と、該ＧａＮ基板上に成長したＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層内に生じるピエゾ電界との関係を示すグラフである。同図に示されるように、活性層でのピエゾ電界は、主面の傾斜角が０°（すなわちＣ面）である場合に最も大きくなり、傾斜角が増すほど低下し、傾斜角４５°で０［Ｖ／ｃｍ］となる。そして、傾斜角が４５°を超えるとピエゾ電界は負の値をとり、９０°で再び０［Ｖ／ｃｍ］となる。
【００４６】
また、図１０（ｂ）は、ＧａＮ基板上に成長したＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ層のＩｎ組成Ｘ１とピエゾ電界との関係を示すグラフである。図１０（ｂ）において、グラフＧ１〜Ｇ４は、基板主面のＣ面に対する傾斜角がそれぞれ０°、３０°、６０°、及び９０°である場合を示している。同図に示されるように、傾斜角が０°または３０°の場合、ピエゾ電界は、Ｉｎ組成が大きいほど高くなる傾向がある。一方、傾斜角が６０°の場合、ピエゾ電界は、Ｉｎ組成が大きいほど負の値が小さくなる（絶対値が大きくなる）傾向がある。
【００４７】
このように、III族窒化物基板上にＩｎを含む層を成長させる場合、ピエゾ電界を考慮する必要がある。すなわち、緑色発光の半導体レーザ素子などにおいては活性層がＩｎを含む場合があるが、活性層のピエゾ電界が大きくなると、活性層に注入される電子と正孔が離れ、発光効率が低下してしまう。これに対し、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａにおいては、III族窒化物基板１１の主面が非極性面なので、活性層２７において発生するピエゾ電界を低減し、発光効率を向上させることができる。
【００４８】
また、従来、基板の主面がＣ面と異なる場合には、劈開面が主面と垂直ではないため共振構造を作成することが困難であった。この点、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａにおいては、一次元又は二次元において屈折率が周期的に変化する周期構造を含む回折格子層１７が活性層２７に沿って設けられているので、活性層２７で発生した光がこの周期構造によって反射し、半導体内部で共振することができる。すなわち、この半導体レーザ素子１Ａによれば、反射端面ではなく半導体内部の周期構造によって光の共振構造が構成されているので、良好な反射端面を劈開により形成できない場合であっても、光損失の少ない共振構造を実現できる。
【００４９】
また、本実施形態のように、回折格子層１７の周期構造は二次元フォトニック結晶構造であることが好ましい。これにより、活性層２７で発生した光を効率良く反射させる周期構造を好適に実現できる。また、フォトニック結晶構造の特徴を活かして、ビーム・偏光などの制御が容易となり、応用用途を広げることができる。
【００５０】
また、本実施形態のように、III族窒化物基板１１の主面１１ａは、｛１０−１０｝面、｛１１−２０｝面、｛１０−１１｝面、｛１０−１３｝面、｛１１−２２｝面、｛２０−２１｝面、またはIII族窒化物基板のｃ軸に沿って延びる基準軸に直交する面からIII族窒化物基板のｍ軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜した面であることが好ましい。III族窒化物基板１１の主面１１ａがこれらの非極性面であることによって、Ｉｎを含む活性層２７において発生するピエゾ電界を効果的に低減し、発光効率をより向上させることができる。また、ピエゾ電界が低減することによって活性層２７におけるＩｎの組成比をより高くでき、より長波長の光を出射させることができる。
【００５１】
（変形例）
上記実施形態では、回折格子層１７の二次元回折格子の一例として、図２に示すような三角格子について説明した。しかしながら、回折格子層１７の周期構造は、たとえば以下のようなものであってもよい。
【００５２】
図１１は、上記実施形態の一変形例に係る回折格子層１７ａの構成を示す平面図である。図１１に示すように、回折格子層１７ａは、複数の空孔２１が正方格子（格子間隔ｄ）を形成するように設けられていてもよい。図１１において、任意に選択された格子点Ｗに着目し、格子点Ｗから格子点Ｐに向かう方向をΓ−Ｘ方向とし、また格子点Ｗから格子点Ｑへ向かう方向をΓ−Ｍ方向とする。ここでは、活性層２７において発生する光の波長がΓ−Ｘ方向に関する格子周期に対応している場合について説明する。
【００５３】
回折格子層１７ａは、以下に説明する２個の一次元回折格子群Ｕ、Ｖを含むと考えることができる。一次元回折格子群Ｕは、Ｙ軸方向に向けて設けられた複数の一次元格子（例えばＵ１〜Ｕ３）を含む。一次元回折格子群Ｖは、Ｘ軸方向に向けて設けられた一次元格子（例えばＶ１〜Ｖ３）を含む。
【００５４】
まず、一次元回折格子群Ｕについて考える。格子点Ｗから格子点Ｐに達した光は、格子点Ｐにおいて回折現象を生じる。回折方向は、三角格子の場合と同様に、ブラッグ条件２ｄ・ｓｉｎθ＝ｍλ（ｍ＝０、±１、・・・）によって規定される。２次のブラッグ反射（ｍ＝±２）を満足するように回折格子が形成されている場合には、θ＝±９０°の角度に別の格子点Ｑ，Ｒが存在し、ｍ＝０に対応する角度θ＝０°，１８０°にも格子点Ｗ，Ｓが存在する。
【００５５】
格子点Ｐにおいて格子点Ｑへ向けて回折された光は、格子点Ｑにおいて一次元回折格子群Ｖに従って回折される。この回折は、一次元回折格子群Ｕに従う回折現象と同様に考えることができる。次いで、格子点Ｑにおいて格子点Ｔへ向けて回折される光は、一次元回折格子群Ｕに従って回折される。このようにして順次に回折されていく。格子点Ｔから格子点Ｗへ向けて回折される光は、一次元回折格子群Ｖに従って回折される。
【００５６】
このように、格子点Ｗから格子点Ｐへ進んだ光は、複数回の回折を経て、最初の格子点Ｗに到達する。すなわち、或る方向に進む光が複数回の回折を経て元の格子点に戻るので、各格子点間には定在波が立つ。したがって、回折格子層１７ａの二次元回折格子は、光共振器として作用する。
【００５７】
回折格子層１７ａの二次元回折格子では、任意の格子点Ｗにおいて生じる上記現象が全ての格子点において生じ得る。このため、Γ−Ｘ方向に伝搬する光が、ブラッグ回折によって二次元的に相互に結合していると考えられる。回折格子層１７ａの二次元回折格子では、この二次元的結合によって３つのΓ−Ｘ方向が結合しあってコヒーレントな状態が形成されると考えられる。
【００５８】
（実施例１）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色二次元フォトニック結晶レーザを作製した。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）、モノシラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
【００５９】
｛２０−２１｝面を主面とするｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ３とＨ２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１１００度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、以下の順に成膜を行った。まず、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を供給し、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ結晶を成長した。次にＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を供給し、二次元フォトニック結晶のための厚さ１００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ結晶を成長した。
【００６０】
基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおりフォトニック結晶のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、レジスト膜の３００［μｍ］角のエリア内に、フォトニック結晶のための正方格子パターン（半径７０［ｎｍ］、ピッチ１６６［ｎｍ］）を描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ２によりｎ型ＧａＮ層を部分的に除去して転写し、パターンに対応した空孔の配列を有するｎ型ＧａＮ層（回折格子層）を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。
【００６１】
上記エピタキシャルウェハをサセプタ上に配置した後に、基板温度を成長温度（摂氏１１００度）に上昇させた。炉内圧力を大気圧として、ＴＭＧ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を供給し、２００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ層を回折格子層上に成長した。そして、成長炉の温度を下げ、３周期の量子井戸構造を有する活性層を形成した。具体的には、摂氏８８０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を供給し、厚さ１５［ｎｍ］のアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ障壁層を成長し、その上に、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を供給し、厚さ３［ｎｍ］のアンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ井戸層を成長した。この工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸活性層を形成した。
【００６２】
続いて、成長炉の温度を上げ、摂氏１１００度の成長温度においてＴＭＧおよびＮＨ３を供給し、厚さ５０［ｎｍ］のアンドープＧａＮ層を成長した。その上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層を成長した。また、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを供給し、厚さ６００［ｎｍ］のｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層を成長した。また、ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを供給し、厚さ５０［ｎｍ］のｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。これらの成長の後に、エピタキシャルウェハを成長炉から取り出して、Ｎｉ／Ａｕからなるアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成した。また、ＧａＮ基板を厚さ１００［μｍ］まで研削した後に、基板の裏面にＴｉ／Ａｕからなるカソード電極を形成した。
【００６３】
以上の工程を経たのち、３００［μｍ］角のフォトニック結晶パターンを含むように１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００［ｎｓｅｃ］）を印加したとき、フォトニック結晶レーザとしての発振が確認された。
【００６４】
（実施例２）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色分布帰還型レーザを作製した。その際、原料として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４、及びＣｐ２Ｍｇを用いた。
【００６５】
まず、｛２０−２１｝面を主面とするｎ型ＧａＮ基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ３とＨ２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１１００度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、以下の順に成膜を行った。まず、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、およびＳｉＨ４を供給し、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ結晶を成長した。次にＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３、およびＳｉＨ４を供給し、回折格子のための厚さ１００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ結晶を成長した。
【００６６】
基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおり一次元回折格子のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、一次元回折格子パターン（ピッチ８０［ｎｍ］、領域５０［μｍ］×６００［μｍ］）をレジスト膜に描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ２によりｎ型ＧａＮ層を部分的に除去して転写し、パターンに対応した一次元回折格子構造を有するｎ型ＧａＮ層（回折格子層）を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。
【００６７】
以降、実施例１と同様にして、ｎ型ＧａＮ層（２００［ｎｍ］）、ＩｎＧａＮ活性層、アンドープＧａＮ層（５０［ｎｍ］）、Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ電子ブロック層（２０［ｎｍ］）、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層（６００［ｎｍ］）、及びｐ型ＧａＮコンタクト層（５０［ｎｍ］）を成長した。これらの成長の後に、Ｎｉ／Ａｕアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成し、ＧａＮ基板を研削した後に、基板の裏面にＴｉ／Ａｕカソード電極を形成した。
【００６８】
以上の工程を経たのち、１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色分布帰還型レーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００［ｎｓｅｃ］）を印加したところ、レーザ発振が確認された。
【００６９】
本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では回折格子層の周期構造の一例として二次元フォトニック結晶構造からなる二次元回折格子、並びに一次元回折格子を例示したが、本発明における周期構造はこれらに限られず、他の様々な微細構造に適用できる。また、上記実施形態ではｎ型ＧａＮ基板を備える半導体レーザ素子を例示したが、本発明に係る半導体レーザ素子に用いられる基板は、III族窒化物基板であれば他の組成のものであってもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１Ａ…半導体レーザ素子、１１…III族窒化物基板、１５…ｎ型クラッド層、１７，１７ａ…回折格子層、１９…マスク、２１…空孔、２３，３１…ＧａＮ系半導体層、２７…活性層、２９…量子井戸構造、２９ａ…井戸層、２９ｂ…障壁層、３３…電子ブロック層、３５…ｐ型クラッド層、３７…ｐ型コンタクト層、４１ａ…アノード電極、４１ｂ…カソード電極。
【図１】
2011100934.tif 000003
【図２】
2011100934.tif 000004
【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】
2011100934.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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