(57)【要約】【課題】半極性の主面上に形成される長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードおいて、活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ、安定した発振モードを得る。【解決手段】III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、半極性の主面１３ａを有するIII族窒化物基板１３と、Ａｌを含むIII族窒化物からなるｎ型クラッド層１５と、活性層１７と、Ａｌを含むIII族窒化物からなるｐ型クラッド層１９と、ｎ型クラッド層１５と活性層１７との間に設けられた第１光ガイド層２１と、ｐ型クラッド層１９と活性層１７との間に設けられた第２光ガイド層２３とを備える。光ガイド層２１，２３は、ＧａＮからなる第１の層３１，３５と、ＩｎＧａＮからなる第２の層３３，３７とを含み、各光ガイド層２１，２３における第１及び第２の層の合計厚さは０．１［μｍ］より大きい。【選択図】図１
2011023473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力するIII族窒化物半導体レーザダイオードであって、
半極性の主面を有するIII族窒化物基板と、
前記III族窒化物基板上に設けられ、Ａｌを含むIII族窒化物からなる第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ、Ａｌを含むIII族窒化物からなる第２導電型の第２クラッド層と、
前記第１クラッド層と前記活性層との間、及び前記第２クラッド層と前記活性層との間のうち少なくとも一方に設けられた光ガイド層と
を備え、
前記光ガイド層が、
Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）からなる第１の層と、
前記第１の層と前記活性層との間に設けられ、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２＜１）からなる第２の層と
を含み、
前記第１及び第２の層の合計厚さが０．１［μｍ］より大きいことを特徴とする、III族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項２】
前記光ガイド層が少なくとも前記第２クラッド層と前記活性層との間に設けられており、
前記第２クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記光ガイド層を層厚方向に二分割するように設けられた電子ブロック層を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項３】
前記電子ブロック層と前記活性層との間隔が５０［ｎｍ］以上であることを特徴とする、請求項２に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項４】
前記第１及び第２の層の合計厚さが０．５［μｍ］より小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項５】
前記第２の層のＩｎ組成ｘ２が０．０１≦ｘ２≦０．１を満たすことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項６】
前記第２の層の厚さｄ２［ｎｍ］が
【数４】
2011023473.tif 000006
の関係を満たすことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項７】
前記III族窒化物基板がＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１，０≦Ｔ≦１，０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなり、
前記III族窒化物基板の前記主面が、該ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶の｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準として１０度以上９０度未満の範囲の角度で傾斜していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項８】
前記III族窒化物基板の前記主面が、前記ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶の｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準として６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜していることを特徴とする、請求項７に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項９】
前記III族窒化物基板がＧａＮからなることを特徴とする、請求項７または８に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【請求項１０】
前記III族窒化物基板の前記主面が前記ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶のｍ軸方向に傾斜していることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。
【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ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、発振波長５００［ｎｍ］以上のファブリペロー型の半導体レーザダイオードが記載されている。この半導体レーザダイオードでは、非極性面（ｍ面）を主面とするＧａＮ基板上に、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が積層されている。ｎ型半導体層は、ｎ型ＧａＮクラッド層及びｎ型ＩｎＧａＮ光ガイド層を含む。ｐ型半導体層は、ｐ型ＧａＮクラッド層及びｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層を含む。
【０００３】
特許文献２には、発振波長４２５［ｎｍ］〜４５０［ｎｍ］のレーザ素子が記載されている。このレーザ素子では、ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮクラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が積層されており、ｎ型クラッド層と活性層との間、及びｐ型クラッド層と活性層との間にＧａＮ光ガイド層が設けられ、更に、ＧａＮ光ガイド層と活性層との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体層が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１１６４０号公報
【特許文献２】特開２００２−２７０９７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
III族窒化物半導体を用いたレーザダイオードは、例えば発振波長５００［ｎｍ］前後といった長波長のレーザダイオードを実現するための候補である。そして、このような長波長のレーザダイオードでは、活性層としてＩｎを含むIII族窒化物半導体が用いられ、また、活性層付近に光を安定的に閉じ込めるために、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる光ガイド層が活性層の上下に設けられる。
【０００６】
５００［ｎｍ］程度の長い波長で安定な発振モードを得るためには、例えば厚さ１００［ｎｍ］を超える厚い光ガイド層が必要となる。しかし、Ｉｎを含むIII族窒化物半導体からなる光ガイド層を例えばＧａＮ基板上に厚く成長させると、臨界膜厚に近づくので活性層の結晶品質の低下を招くこととなる。特に、基板の結晶成長面が半極性面である場合、ｃ面が滑り面として作用し、活性層の結晶品質の低下が顕著となる。また、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を大きくするためには光ガイド層のＩｎ組成を高くする必要があり、これによって活性層の結晶品質が更に低下する。
【０００７】
なお、特許文献２に記載されたレーザ素子では、ｃ面を主面とするＧａＮ基板上にＩｎＧａＮ活性層等を成長させているので、５００［ｎｍ］といった長波長の光を発生し得るＩｎ組成にすると、格子定数差に起因するピエゾ電界によって発光効率が低下し、長波長の実用的なレーザダイオードを得ることが難しい。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半極性の主面上に形成される長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードおいて、活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ、安定した発振モードを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した課題を解決するために、本発明によるIII族窒化物半導体レーザダイオードは、４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力するIII族窒化物半導体レーザダイオードであって、半極性の主面を有するIII族窒化物基板と、III族窒化物基板上に設けられ、Ａｌを含むIII族窒化物からなる第１導電型の第１クラッド層と、第１クラッド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられ、Ａｌを含むIII族窒化物からなる第２導電型の第２クラッド層と、第１クラッド層と活性層との間、及び第２クラッド層と活性層との間のうち少なくとも一方に設けられた光ガイド層とを備え、光ガイド層が、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）からなる第１の層と、第１の層と活性層との間に設けられ、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２＜１）からなる第２の層とを含み、第１及び第２の層の合計厚さが０．１［μｍ］より大きいことを特徴とする。
【００１０】
発振波長が４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下という長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードでは、活性層付近に光を強く閉じ込めて安定した発振モードを得る為に、屈折率が比較的高いＩｎＧａＮを光ガイド層に用いることが有効である。しかし、ＩｎＧａＮを含む光ガイド層を厚くすると、上述したように活性層の結晶品質の低下が顕著になるという問題がある。
【００１１】
そこで、上記したIII族窒化物半導体レーザダイオードにおいては、光ガイド層が第１及び第２の層を含んでおり、活性層側に位置する第２の層のＩｎ組成ｘ２は、第１の層のＩｎ組成ｘ１より高くなっている。このように、Ｉｎ組成が異なる２つの層を光ガイド層内に設けることによって、活性層付近ではＩｎ組成が高い第２の層によって光の閉じ込め作用を強め、且つ、Ｉｎ組成が低い第１の層によって活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ光ガイド層の厚みを増すことができる。したがって、厚さが０．１［μｍ］より大きい光ガイド層によって安定した発振モードを得ることができる。また、半極性の主面を有するIII族窒化物基板を用いる場合には、この効果が特に顕著となる。
【００１２】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、光ガイド層が少なくとも第２クラッド層と活性層との間に設けられており、第２クラッド層と活性層との間に設けられた光ガイド層を層厚方向に二分割するように設けられた電子ブロック層を更に備えることを特徴としてもよい。そして、この場合、電子ブロック層と活性層との間隔は５０［ｎｍ］以上であることが好ましい。
【００１３】
上記したIII族窒化物半導体レーザダイオードにおいて、III族窒化物基板の主面は半極性面である。そして、半極性面上（特にピエゾ電界が負である半極性面上）に形成されたレーザダイオード構造では、電子がｐ型半導体側に漏れにくい。したがって、電子ブロック層と活性層との間隔を、ｃ面上や非極性面（ｍ面）上の場合では困難な５０［ｎｍ］以上と広くすることが可能である。これにより、電子ブロック層が活性層に歪みを与えることに起因する発光特性の低下を防ぐことができる。また、電子ブロック層と活性層との間隔を５０［ｎｍ］以上と広くすることにより、ｎ型半導体側への電界分布のシフトを防ぎ、発振閾値を効果的に低減できる。
【００１４】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、第１及び第２の層の合計厚さが０．５［μｍ］より小さいことを特徴としてもよい。これにより、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を高め、レーザ発振を好適に実現できる。
【００１５】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、第２の層のＩｎ組成ｘ２が０．０１≦ｘ２≦０．１を満たすことを特徴としてもよい。Ｉｎ組成ｘ２が０．０１以上であることによって十分な屈折率を確保し、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を高めレーザ発振を好適に実現できる。また、Ｉｎ組成が０．１以下であることによって活性層の結晶品質を高く維持し、発光効率を向上させ得る。
【００１６】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、第２の層の厚さｄ２［ｎｍ］が
【数１】
2011023473.tif 000003
の関係を満たすことを特徴としてもよい。第２の層の厚さｄ２がこのような関係を満たすことによって、活性層の結晶品質の低下を効果的に抑制し、十分な発光効率を得ることができる。
【００１７】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、III族窒化物基板がＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１，０≦Ｔ≦１，０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなり、III族窒化物基板の主面が、該ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶の｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準として１０度以上９０度未満の範囲の角度で傾斜していることを特徴としてもよい。この場合、III族窒化物基板の主面が、ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶の｛０００１｝面または｛０００−１｝面を基準として６３度以上８０度未満の範囲の角度で傾斜していると尚好ましい。
【００１８】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、III族窒化物基板がＧａＮからなることを特徴としてもよい。これにより、良好な結晶品質のエピタキシャル成長が可能となる。
【００１９】
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、III族窒化物基板の主面がＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶のｍ軸方向に傾斜していることを特徴としてもよい。これにより、光ガイド層及び活性層を成長させる際のＩｎの採り込み効率が高まり、その結果、良好な発光特性を得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、半極性の主面上に形成される長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードおいて、活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ、安定した発振モードを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオードの構造を概略的に示す図面である。図１（ｂ）は、量子井戸構造を有する活性層１７の構成の一部を拡大して示す図である。
【図２】図２は、III族窒化物半導体レーザダイオード１１の製造方法の一実施例における各半導体層の成長温度［℃］、成長速度［Å／分］、ＴＭＧａの流量［μｍｏｌ／分］、ＴＭＩｎの流量［μｍｏｌ／分］、ＴＭＡｌの流量［μｍｏｌ／分］、及びＮＨ３の流量［ｓｌｍ（標準リットル／分）］を示す図表である。
【図３】図３は、光ガイド層２１，２３の第２の層３３，３７のＩｎ組成ｘ２及び厚さを変化させて良好なレーザ発振が得られるか否か（発光効率が十分か否か）を実験により調べた結果を示すグラフである。
【図４】図４は、第２実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオード１２の構造を概略的に示す図面である。
【図５】光ガイド層２１，２５の厚さを変化させて光閉じ込め係数Γｗｅｌｌを算出した結果を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｃ）は、光導波層の厚さが３９０［ｎｍ］であるIII族窒化物半導体レーザダイオード１２において、発振波長を変化させた場合の導波光の分布を示すグラフである。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｃ）は、光導波層の厚さが４９０［ｎｍ］であるIII族窒化物半導体レーザダイオード１２において、発振波長を変化させた場合の導波光の分布を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、光導波層の厚さが５９０［ｎｍ］であるIII族窒化物半導体レーザダイオード１２において、発振波長を変化させた場合の導波光の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるIII族窒化物半導体レーザダイオード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。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオードの構造を概略的に示す図面である。図１（ａ）を参照しながら、４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力するゲインガイド型のIII族窒化物半導体レーザダイオード１１を説明する。
【００２４】
III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、III族窒化物基板１３と、III族窒化物基板１３上に設けられたｎ型クラッド層１５と、ｎ型クラッド層１５上に設けられた活性層１７と、活性層１７上に設けられたｐ型クラッド層１９とを備える。III族窒化物基板１３は六方晶系半導体ＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ（０≦Ｓ≦１、０≦Ｔ≦１、０≦Ｓ＋Ｔ≦１）からなり、例えばＧａＮ等からなることができる。III族窒化物基板１３は、半極性の主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。III族窒化物結晶のｃ軸Ｃｘは主面１３ａに対して傾斜しており、より好ましくはIII族窒化物結晶のｍ軸方向に傾斜している。ｎ型クラッド層１５はＡｌを含むｎ型（第１導電型）のIII族窒化物からなり、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型クラッド層１５は、本実施形態における第１クラッド層である。ｐ型クラッド層１９はＡｌを含むｐ型（第２導電型）のIII族窒化物からなり、例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型クラッド層１９は、本実施形態における第２クラッド層である。
【００２５】
活性層１７は、単一層からなることができ、或いは量子井戸構造を有することができる。必要な場合には、量子井戸構造は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含むことができる。図１（ｂ）は、このような量子井戸構造を有する活性層１７の構成の一部を拡大して示す図である。活性層１７は、井戸層１７ａ、中間層１７ｂ、及び障壁層１７ｃを含む。井戸層１７ａはＩｎＧａＮ等からなることができ、障壁層１７ｃは井戸層１７ａよりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。また、中間層１７ｂは、井戸層１７ａよりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。井戸層１７ａと障壁層１７ｃとの間に中間層１７ｂが介在することによって、III族窒化物半導体レーザダイオード１１の闘値電圧または駆動電圧を下げることができる。
【００２６】
一実施例では、井戸層１７ａの厚さは例えば３［ｎｍ］であり、中間層１７ｂの厚さは例えば１．１［ｎｍ］であり、障壁層１７ｃの厚さは例えば１３．９［ｎｍ］であり、井戸層１７ａの数は例えば３つであることができる。活性層１７の発光波長は、井戸層１７ａのバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。活性層１７は波長４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の範囲の光を発生するように設けられることができる。
【００２７】
また、III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、ｎ型クラッド層１５と活性層１７との間に、第１光ガイド層２１を更に備える。また、III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、活性層１７とｐ型クラッド層１９との間に、第２光ガイド層２３を更に備える。第１光ガイド層２１及び第２光ガイド層２３は、III族窒化物基板１３に光を逃がすことなく活性層１７付近に光を閉じ込め、しきい値電流を低減する為に設けられる。
【００２８】
図１を参照すると、第１光ガイド層２１、活性層１７及び第２光ガイド層２３はIII族窒化物基板１３の主面１３ａ上において法線軸Ｎｘに沿って配列されている。III族窒化物基板１３の主面１３ａの傾斜角は、法線軸Ｎｘを示す法線ベクトルＮＶとｃ軸方向を示すｃ軸ベクトルＶＣとの成す角度ＡＬＰＨＡによって規定される。この角度ＡＬＰＨＡは、III族窒化物のｃ軸に直交する基準平面Ｒｘ（すなわち｛０００１｝面又は｛０００−１｝面）に対して１０度以上９０度未満の範囲にあることができ、或いは９０度より大きく１７０度以下の範囲にあることができる。III族窒化物基板１３は例えばＧａＮであることができ、この角度範囲によればＧａＮの半極性の性質を提供できる。さらに、傾斜角ＡＬＰＨＡは６３度以上８０度未満の範囲にあることが好ましく、或いは１００度より大きく１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲によれば、５００［ｎｍ］といった長波長の光を発生するための活性層１７に好適なＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を提供できる。
【００２９】
第１光ガイド層２１は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）からなる第１の層３１と、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２＜１）からなる第２の層３３とを含むことができる。第１の層３１はｎ型クラッド層１５上に設けられ、第２の層３３は第１の層３１と活性層１７との間に設けられる。なお、第２の層３３のＩｎ組成ｘ２は、第１の層３１のＩｎ組成ｘ１より大きく、活性層１７内のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成より小さい。一実施例では、第１の層３１はｎ型ＧａＮからなり、第２の層３３はアンドープＩｎＧａＮからなることができる。
【００３０】
第２光ガイド層２３は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）からなる第１の層３５と、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２＜１）からなる第２の層３７とを含むことができる。第１の層３５は活性層１７上に設けられ、第２の層３７は活性層１７と第１の層３５との間に設けられる。なお、第２の層３７のＩｎ組成ｘ２は、第１の層３５のＩｎ組成ｘ１より大きく、活性層１７内のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成より小さい。一実施例では、第１の層３５はｐ型ＧａＮからなり、第２の層３７はアンドープ又はｐ型のＩｎＧａＮからなる。
【００３１】
第１の層３１と第２の層３３との合計厚さ、並びに第１の層３５と第２の層３７との合計厚さは、安定した発振モードを得る為に０．１［μｍ］より大きく設定され、また、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を高めてレーザ発振を好適に実現する為に、０．５［μｍ］より小さく設定される。
【００３２】
また、第２の層３３，３７のＩｎ組成ｘ２は、０．０１≦ｘ２≦０．１を満たすことが好ましい。Ｉｎ組成ｘ２が０．０１以上であることによって十分な屈折率を確保し、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を高めレーザ発振を好適に実現できる。また、Ｉｎ組成が０．１以下であることによって活性層１７の結晶品質を高く維持し、発光効率を向上させ得る。
【００３３】
III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、電子ブロック層２７を更に備える。電子ブロック層２７は、第２光ガイド層２３を層厚方向に二分割するように設けられており、本実施形態では、第２の層３７を層厚方向に二分割するように設けられている。具体的には、第２の層３７は下層部分３７ａ及び上層部分３７ｂに分割され、下層部分３７ａは活性層１７上に設けられ、上層部分３７ｂは下層部分３７ａと第１の層３５との間に設けられている。電子ブロック層２７は、下層部分３７ａと上層部分３７ｂとの間に設けられている。一実施例では、下層部分３７ａはアンドープＩｎＧａＮからなり、上層部分３７ｂはｐ型ＩｎＧａＮからなることができる。電子ブロック層２７は例えばＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）からなることができ、このＡｌｚＧａ１−ｚＮのＡｌ組成ｚはｐ型クラッド層１９のＡｌ組成より大きい。また、電子ブロック層２７と活性層１７との間隔（本実施形態では下層部分３７ａの厚さ）は、５０［ｎｍ］以上であることが好ましい。
【００３４】
III族窒化物半導体レーザダイオード１１では、第１の層３１，３５及び第２の層３７の上層部分３７ｂはｎ型又はｐ型であるのに対し、第２の層３３と、第２の層３７の下層部分３７ａとはアンドープである。このように、活性層１７に隣接する第２の層３３及び下層部分３７ａがアンドープなので、ドーパントによる光吸収を避けることができる。しかし、低動作電圧駆動を目的に低抵抗とするために、これらの層３３，３７ａにドーピングしても良い。第１の層３１，３５及び上層部分３７ｂにはそれぞれのドーパントが添加されているので、これらの層３１，３５及び３７ｂの抵抗を下げることができる。
【００３５】
III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、ｐ型クラッド層１９上に設けられたｐ型コンタクト層４１を更に備える。ｐ型コンタクト層４１は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。アノード電極４５ａは、絶縁膜４７の開口を介してｐ型コンタクト層４１に接触している。III族窒化物基板１３の裏面１３ｂには、カソード電極４５ｂが接触している。
【００３６】
好適な実施例を示すと、ｎ型クラッド層１５の厚さは２０００［ｎｍ］であり、Ａｌ組成は０．０４である。第１光ガイド層２１の第１の層３１の厚さは１００［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ１は０（すなわちＧａＮ）である。第２の層３３の厚さは１１５［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ２は０．０２である。第２光ガイド層２３の第１の層３５の厚さは１００［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ１は０（すなわちＧａＮ）である。第２光ガイド層２３の第２の層３７の下層部分３７ａ及び上層部分３７ｂの厚さはそれぞれ６５［ｎｍ］、５０［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ２は共に０．０２である。電子ブロック層２７の厚さは２０［ｎｍ］であり、Ａｌ組成ｚは０．１８である。ｐ型クラッド層１９の厚さは４００［ｎｍ］であり、Ａｌ組成は０．０６である。ｐ型コンタクト層４１の厚さは５０［ｎｍ］である。アノード電極４５ａはＮｉ／Ａｕからなり、カソード電極４５ｂはＴｉ／Ａｌ／Ａｕからなる。この実施例の場合、発振波長は４９７［ｎｍ］であり、しきい値電流は１．４［Ａ］である。
【００３７】
また、好適な他の実施例を示すと、ｎ型クラッド層１５、電子ブロック層２７、ｐ型クラッド層１９、及びｐ型コンタクト層４１の厚さ及び組成は上記と同じである。そして、第１光ガイド層２１の第１の層３１、及び第２光ガイド層２３の第１の層３５の厚さは共に２５０［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ１は上記と同一である。第１光ガイド層２１の第２の層３３、及び第２光ガイド層２３の第２の層３７の厚さは上記と同一であり、これらのＩｎ組成ｘ２は０．０３である。この実施例の場合、発振波長は５２０［ｎｍ］であり、しきい値電流は４［Ａ］である。
【００３８】
以上の構成を備えるIII族窒化物半導体レーザダイオード１１は、例えば次のような方法で製造される。まず、III族窒化物基板１３となるウェハを準備する。このウェハの主面は半極性面を有する。次に、有機金属気相成長法を用いて、ｎ型クラッド層１５となるｎ型Ａｌ０．０４ＧａＮ層、第１光ガイド層２１の第１の層３１となるｎ型ＧａＮ層、第２の層３３となるアンドープＩｎ０．０２ＧａＮ層、活性層１７となるＩｎＧａＮ多重量子井戸層、第２光ガイド層２３の第２の層３７の下層部分３７ａとなるアンドープＩｎ０．０２ＧａＮ層、電子ブロック層２７となるｐ型Ａｌ０．１８ＧａＮ層、第２光ガイド層２３の第２の層３７の上層部分３７ｂとなるｐ型Ｉｎ０．０２ＧａＮ層、第２光ガイド層２３の第１の層３５となるｐ型ＧａＮ層、ｐ型クラッド層１９となるｐ型Ａｌ０．０６ＧａＮ層、及びコンタクト層４１となるｐ＋型ＧａＮ層を、ウェハ上に順次成長させる。
【００３９】
なお、これらの半導体層の成長のための母体材料の供給ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、及びアンモニア（ＮＨ３）を用いることができる。また、ｎ型及びｐ型のドーパントとして、シラン及びビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いることができる。図２は、一実施例における各半導体層の成長温度［℃］、成長速度［Å／分］、ＴＭＧａの流量［μｍｏｌ／分］、ＴＭＩｎの流量［μｍｏｌ／分］、ＴＭＡｌの流量［μｍｏｌ／分］、及びＮＨ３の流量［ｓｌｍ（標準リットル／分）］を示す図表である。
【００４０】
本実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオード１１の作用及び効果について説明する。発振波長が４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下という長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードでは、活性層付近に光を強く閉じ込めて安定した発振モードを得る為に、屈折率が比較的高いＩｎＧａＮを光ガイド層に用いることが有効である。しかし、ＩｎＧａＮを含む光ガイド層を厚くすると、［発明が解決しようとする課題］欄で述べたように、活性層の結晶品質の低下が顕著になるという問題がある。
【００４１】
そこで、本実施形態のIII族窒化物半導体レーザダイオード１１においては、第１光ガイド層２１が第１の層３１及び第２の層３３を含んでおり、第２光ガイド層２３が第１の層３５及び第２の層３７を含んでいる。そして、活性層１７側に位置する第２の層３３，３７のＩｎ組成ｘ２は、第１の層３１，３５のＩｎ組成ｘ１より高くなっている。このように、Ｉｎ組成が異なる２つの層を第１光ガイド層２１及び第２光ガイド層２３内に設けることによって、活性層１７付近ではＩｎ組成が高い第２の層３３，３７によって光の閉じ込め作用を強めつつ、Ｉｎ組成が低い第１の層３１，３５によって活性層１７の結晶品質の低下を抑制しつつ光ガイド層２１，２３の厚みを増すことができる。したがって、厚さが０．１［μｍ］より大きい光ガイド層２１，２３によって安定した発振モードを得ることができる。また、半極性の主面を有するIII族窒化物基板１３を用いる場合には、この効果が特に顕著となる。
【００４２】
なお、本実施形態ではｎ型クラッド層１５と活性層１７との間に第１光ガイド層２１が設けられ、且つ活性層１７とｐ型クラッド層１９との間に第２光ガイド層２３が設けられているが、ｎ型クラッド層１５と活性層１７との間及び活性層１７とｐ型クラッド層１９との間のうちいずれか一方にのみ光ガイド層が設けられた場合であっても、上記効果を奏することができる。
【００４３】
ここで、光ガイド層２１，２３の第２の層３３，３７のＩｎ組成ｘ２及び厚さを変化させて良好なレーザ発振が得られるか否か（発光効率が十分か否か）を実験により調べた結果について説明する。図３は、その結果を示すグラフであり、縦軸は第２の層３３，３７の厚さ（第２の層３７の場合、下層部分３７ａ及び上層部分３７ｂの厚さの和）を示しており、横軸は第２の層３３，３７のＩｎ組成ｘ２を示している。また、図中の○印は良好なレーザ発振が得られたことを示しており、×印は良好なレーザ発振が得られなかったことを示している。なお、本実験において、第１の層３１，３５の厚さは１００［ｎｍ］である。
【００４４】
図３に示すように、第２の層３３，３７のＩｎ組成ｘ２が０．０４の場合には、厚さ６５［ｎｍ］とした場合に良好なレーザ発振が得られたが、厚さ１１５［ｎｍ］とした場合には、活性層１７の結晶品質が損なわれて良好なレーザ発振が得られなかった。また、Ｉｎ組成ｘ２が０．０３の場合には、厚さ１１５［ｎｍ］とした場合でも良好なレーザ発振が得られたが、厚さ１６５［ｎｍ］とした場合には良好なレーザ発振が得られなかった。また、Ｉｎ組成ｘ２が０．０２の場合には、厚さ１６５［ｎｍ］とした場合でも良好なレーザ発振が得られたが、厚さ２１５［ｎｍ］とした場合には良好なレーザ発振が得られなかった。この結果から、第２の層３３，３７の厚さｄ２［ｎｍ］が
【数２】
2011023473.tif 000004
の関係（図３における直線Ａ）を満たすことによって、また、更に好ましくは
【数３】
2011023473.tif 000005
の関係を満たすことによって、活性層１７の結晶品質の低下を効果的に抑制し、十分な発光効率が得られることが示された。
【００４５】
また、本実施形態のように、III族窒化物半導体レーザダイオード１１は、第２光ガイド層２３を層厚方向に二分割するように設けられた電子ブロック層２７を備えることが好ましい。そして、電子ブロック層２７と活性層１７との間隔は、５０［ｎｍ］以上であることが好ましい。
【００４６】
III族窒化物半導体レーザダイオード１１において、III族窒化物基板１３の主面１３ａは半極性面である。そして、半極性面上（特にピエゾ電界が負である半極性面上）に形成されたレーザダイオード構造では、活性層と電子ブロック層との間の伝導体の実効的なバンドオフセットが大きくなるため、電子がｐ型半導体側に漏れにくい。したがって、電子ブロック層２７と活性層１７との間隔を、ｃ面上や非極性面（ｍ面）上の場合では困難な５０［ｎｍ］以上と広くすることが可能である。これにより、電子ブロック層２７が活性層１７に歪みを与えることに起因する発光特性の低下を防ぐことができる。また、電子ブロック層２７と活性層１７との間隔を５０［ｎｍ］以上と広くすることにより、ｎ型半導体側への電界分布のシフトを防ぎ、発振閾値を効果的に低減できる。
【００４７】
また、本実施形態のように、III族窒化物基板１３の主面はＩｎＳＡｌＴＧａ１−Ｓ−ＴＮ結晶のｍ軸方向に傾斜していることが好ましい。これにより、光ガイド層２１，２３及び活性層１７を成長させる際のＩｎの採り込み効率が高まり、その結果、良好な発光特性を得ることができる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオードについて説明する。図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオード１２の構造を概略的に示す図面である。このIII族窒化物半導体レーザダイオード１２も、第１実施形態と同様に４８０［ｎｍ］以上５５０［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力するゲインガイド型のものである。
【００４９】
III族窒化物半導体レーザダイオード１２は、III族窒化物基板１３と、III族窒化物基板１３上に設けられたｎ型クラッド層（第１クラッド層）１５と、ｎ型クラッド層１５上に設けられた活性層１７と、活性層１７上に設けられたｐ型クラッド層（第２クラッド層）１９とを備える。また、III族窒化物半導体レーザダイオード１２は、ｎ型クラッド層１５と活性層１７との間に、第１光ガイド層２１を備える。III族窒化物基板１３、ｎ型クラッド層１５、活性層１７、ｐ型クラッド層１９、及び第１光ガイド層２１の構成は第１実施形態と同様なので、これらの詳細な説明を省略する。また、III族窒化物半導体レーザダイオード１２は、ｐ型クラッド層１９上に設けられたｐ型コンタクト層４１を備え、アノード電極４５ａが絶縁膜４７の開口を介してｐ型コンタクト層４１に接触しており、III族窒化物基板１３の裏面１３ｂにカソード電極４５ｂが接触している点でも、第１実施形態と同様である。
【００５０】
本実施形態のIII族窒化物半導体レーザダイオード１２は、活性層１７とｐ型クラッド層１９との間に、第２光ガイド層２５を備える。第２光ガイド層２５は、III族窒化物基板１３に光を逃がすことなく活性層１７付近に光を閉じ込め、しきい値電流を低減する為に設けられる。
【００５１】
第２光ガイド層２５は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）からなる第１の層３５と、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２＜１）からなる第２の層３９とを含むことができる。第１の層３５は活性層１７上に設けられ、第２の層３９は活性層１７と第１の層３５との間に設けられる。なお、第２の層３９のＩｎ組成ｘ２は、第１の層３５のＩｎ組成ｘ１より大きく、活性層１７内のＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成より小さい。一実施例では、第１の層３５はｐ型ＧａＮからなり、第２の層３９はアンドープＩｎＧａＮからなる。
【００５２】
第１の層３５と第２の層３９との合計厚さは、安定した発振モードを得る為に０．１［μｍ］より大きく設定され、また、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を高めてレーザ発振を好適に実現する為に、０．５［μｍ］より小さく設定される。
【００５３】
また、第２の層３９のＩｎ組成ｘ２は、０．０１≦ｘ２≦０．１を満たすことが好ましい。Ｉｎ組成ｘ２が０．０１以上であることによって十分な屈折率を確保し、光閉じ込め係数（Γｗｅｌｌ）を高めレーザ発振を好適に実現できる。また、Ｉｎ組成が０．１以下であることによって活性層１７の結晶品質を高く維持し、発光効率を向上させ得る。
【００５４】
III族窒化物半導体レーザダイオード１２は、電子ブロック層２９を更に備える。電子ブロック層２９は、第２光ガイド層２５を層厚方向に二分割するように設けられており、本実施形態では、第１の層３５と第２の層３９との間に設けられている。電子ブロック層２９は例えばＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０＜ｚ＜１）からなることができ、このＡｌｚＧａ１−ｚＮのＡｌ組成ｚはｐ型クラッド層１９のＡｌ組成より大きい。また、電子ブロック層２９と活性層１７との間隔（本実施形態では第２の層３９の厚さ）は、５０［ｎｍ］以上であることが好ましい。
【００５５】
好適な実施例について第１実施形態と相違する点を示すと、第１光ガイド層２１の第２の層３３の厚さは６５［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ２は０．０３である。第２光ガイド層２５の第２の層３９の厚さは６５［ｎｍ］であり、Ｉｎ組成ｘ２は０．０３である。この実施例の場合、発振波長は５２０［ｎｍ］である。
【００５６】
本実施形態のIII族窒化物半導体レーザダイオード１２においては、第１光ガイド層２１が第１の層３１及び第２の層３３を含んでおり、第２光ガイド層２５が第１の層３５及び第２の層３９を含んでいる。そして、活性層１７側に位置する第２の層３３，３９のＩｎ組成ｘ２は、第１の層３１，３５のＩｎ組成ｘ１より高くなっている。これにより、活性層１７付近ではＩｎ組成が高い第２の層３３，３９によって光の閉じ込め作用を強め、且つ、Ｉｎ組成が低い第１の層３１，３５によって活性層１７の結晶品質の低下を抑制しつつ光ガイド層２１，２３の厚みを増すことができる。したがって、厚さが０．１［μｍ］より大きい光ガイド層２１，２３によって安定した発振モードを得ることができる。また、半極性面の主面を有するIII族窒化物基板１３を用いる場合には、この効果が特に顕著となる。
【００５７】
なお、本実施形態においても、ｎ型クラッド層１５と活性層１７との間に第１光ガイド層２１が設けられ、且つ活性層１７とｐ型クラッド層１９との間に第２光ガイド層２５が設けられているが、ｎ型クラッド層１５と活性層１７との間及び活性層１７とｐ型クラッド層１９との間のうちいずれか一方にのみ光ガイド層が設けられた場合であっても、上記効果を奏することができる。
【００５８】
ここで、光ガイド層２１，２３の第２の層３３，３９の厚さを一定（６５［ｎｍ］）とし、第１の層３１，３５の厚さを変化させることにより、光ガイド層２１，２５の厚さを変化させて光閉じ込め係数Γｗｅｌｌを算出した結果について説明する。図５は、その結果を示すグラフであり、縦軸は光閉じ込め係数Γｗｅｌｌ［％］を示しており、横軸は光ガイド層２１，２５の厚さ［ｎｍ］を示している。また、図中にプロットした点は計算により求めた光閉じ込め係数Γｗｅｌｌの値を示しており、曲線Ｂはその近似曲線を示している。このIII族窒化物半導体レーザダイオード１２の発振波長は５２０［ｎｍ］である。
【００５９】
図５に示すように、光ガイド層２１，２５の厚さが厚くなるに従い、光閉じ込め係数Γｗｅｌｌは低下する。また、光ガイド層２１，２５の厚さが０．１［μｍ］以下である場合、光閉じ込め係数Γｗｅｌｌは高いが、III族窒化物基板１３に光が漏れ、安定した発振モードを得ることができない。一方、光ガイド層２１，２５の厚さが０．５［μｍ］以上である場合、光閉じ込め係数Γｗｅｌｌが２［％］を下回ってしまい、良好なレーザ発振を得ることが難しくなる。このことから、光ガイド層２１，２５の厚さは、０．１［μｍ］より大きく０．５［μｍ］より小さいことが好ましいことがわかる。
【００６０】
また、図６〜図８は、上述のようにして光ガイド層２１，２５の厚さを変化させ、また発振波長を変化させた場合における、導波光の分布を示すグラフである。図６〜図８において、縦軸は光強度を示している。横軸は、III族窒化物半導体レーザダイオード１２の厚さ方向位置を示しており、区間Ｃ１は光導波層（光ガイド層２１，２５及び活性層１７）の範囲を示しており、区間Ｃ２はIII族窒化物基板１３の範囲を示している。図６（ａ）〜図６（ｃ）は、光導波層の厚さが３９０［ｎｍ］の場合を示しており、図７（ａ）〜図７（ｃ）は、光導波層の厚さが４９０［ｎｍ］の場合を示しており、図８（ａ）〜図８（ｃ）は、光導波層の厚さが５９０［ｎｍ］の場合を示している。また、図６（ａ）、図７（ａ）及び図８（ａ）は、発振波長が４８０［ｎｍ］である場合を示しており、図６（ｂ）、図７（ｂ）及び図８（ｂ）は、発振波長が５００［ｎｍ］である場合を示しており、図６（ｃ）、図７（ｃ）及び図８（ｃ）は、発振波長が５２０［ｎｍ］である場合を示している。
【００６１】
光導波層の厚さが３９０［ｎｍ］と比較的薄い場合、発振波長が５００［ｎｍ］以上の長波長になると、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように光導波層内に光が閉じ込められず、III族窒化物基板１３（区間Ｃ２）において発振モードが安定化してしまうが、発振波長４８０［ｎｍ］では図６（ａ）に示すように光導波層内（区間Ｃ１）に光を効果的に閉じ込めることができる。なお、このときの光閉じ込め係数Γｗｅｌｌは３．１０であった。
【００６２】
また、光導波層の厚さが４９０［ｎｍ］である場合、発振波長が５２０［ｎｍ］以上になると、図７（ｃ）に示すようにIII族窒化物基板１３（区間Ｃ２）において発振モードが安定化してしまうが、発振波長５００［ｎｍ］以下では図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように光導波層内（区間Ｃ１）に光を効果的に閉じ込めることができる。なお、このときの光閉じ込め係数Γｗｅｌｌは、２．９４（波長４８０［ｎｍ］）及び２．７４（波長５００［ｎｍ］）であった。
【００６３】
また、光導波層の厚さが５９０［ｎｍ］である場合、発振波長４８０［ｎｍ］〜５２０［ｎｍ］の範囲において、図８（ａ）ないし図８（ｃ）に示すように光導波層内（区間Ｃ１）に光を効果的に閉じ込めることができる。なお、このときの光閉じ込め係数Γｗｅｌｌは、２．８２（波長４８０［ｎｍ］）、及び２．６２（波長５００［ｎｍ］）、及び２．４５（波長４８０［ｎｍ］）であった。
【００６４】
以上の結果から、発振波長が長くなる程、光導波層から光が漏れてIII族窒化物基板１３において発振モードが安定化し易くなる傾向があり、また、このような現象に対し、光導波層（光ガイド層２１，２５及び活性層１７）を厚くすることによって光導波層内において発振モードを安定化し易くできることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００６５】
１１，１２…III族窒化物半導体レーザダイオード、１３…III族窒化物基板、１５…ｎ型クラッド層、１７…活性層、１７ａ…井戸層、１７ｂ…中間層、１７ｃ…障壁層、１９…ｐ型クラッド層、２１…第１光ガイド層、２３，２５…第２光ガイド層、２７，２９…電子ブロック層、３１，３５…第１の層、３３，３７，３９…第２の層、３７ａ…下層部分、３７ｂ…上層部分、４１…ｐ型コンタクト層、４５ａ…アノード電極、４５ｂ…カソード電極、４７…絶縁膜、ＡＬＰＨＡ…傾斜角、Ｃｘ…ｃ軸、ＮＶ…法線ベクトル、Ｎｘ…法線軸、Ｒｘ…基準平面、ＶＣ…ｃ軸ベクトル。
【図１】
2011023473.tif 000007
【図２】
2011023473.tif 000008
【図３】
2011023473.tif 000009
【図４】
2011023473.tif 000010
【図５】
2011023473.tif 000011
【図６】
2011023473.tif 000012
【図７】
2011023473.tif 000013
【図８】
2011023473.tif 000014