(57)【要約】【課題】回折格子としてフォトニック結晶構造を含む窒化物半導体レーザで、好適なΓｗｅｌｌ、Γｐｃを提供すると共にＡｌＧａＮ内の内部応力を低減する。【解決手段】二次元回折格子層１７は、二次元フォトニック結晶構造２１を有しており、また第１導電型クラッド層１３と第２導電型クラッド領域１５との間に設けられる。活性層１９は、第１導電型クラッド領域１３と二次元回折格子層１７との間に設けられる。第１導電型クラッド領域１３は、少なくとも第１および第２のＡｌＧａＮ層２５、２７を含む。第１のＡｌＧａＮ層２５は第２のＡｌＧａＮ層２７と活性層１９との間に設けられ、第１のＡｌＧａＮ層２５は第１導電型クラッド層１３において活性層１９に最も近い。第１のＡｌＧａＮ層２５のＡｌ組成は第１導電型クラッド領域１３において最も大きく、第２のＡｌＧａＮ層２７のＡｌ組成は第１のＡｌＧａＮ層２５のＡｌ組成よりも小さい。【選択図】図１
2008227095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＮ半導体からなる第１導電型クラッド領域と、
ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体（０＜Ｘ１≦１）からなる第２導電型クラッド領域と、
ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１）からなる部分と該ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎよりも低い屈折率を有する低屈折率の部分とによって構成された二次元フォトニック結晶構造を有しており、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられた二次元回折格子層と、
前記第１導電型クラッド領域と前記二次元回折格子層との間に設けられており、III族構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる活性層と
を備え、
前記第１導電型クラッド領域は、少なくとも第１および第２のＡｌＧａＮ層を含み、
前記第１のＡｌＧａＮ層は前記第２のＡｌＧａＮ層と前記活性層との間に設けられており、
前記第１のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成は前記第１導電型クラッド領域において最も大きく、
前記第２のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成は前記第１のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成よりも小さい、
前記第１のＡｌＧａＮ層は前記第１導電型クラッド層において前記活性層に最も近い、ことを特徴とする窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
ＡｌＧａＮ半導体からなる第１導電型クラッド領域と、
ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体（０＜Ｘ１≦１）からなる第２導電型クラッド領域と、
ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１）と該ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎよりも低い屈折率を有する低屈折率材料とによって構成されたフォトニック結晶構造を有しており、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられた二次元回折格子層と、
前記第１導電型クラッド領域と前記二次元回折格子層との間に設けられており、III族構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる活性層と
を備え、
前記第１導電型クラッド領域のアルミニウム組成は、前記第１導電型クラッド領域から前記第２導電型クラッド領域への方向に徐々に増加している、ことを特徴とする窒化物半導体レーザ。
【請求項３】
前記活性層と前記二次元回折格子層との間に設けられたＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０≦Ｘ４≦１）を更に備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項４】
前記第２導電型クラッド層と前記二次元回折格子層との間に設けられたＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層（０≦Ｘ５≦１）を更に備える、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１導電型クラッド領域を搭載するIII族窒化物基板を更に備える、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窒化物半導体レーザ。
【請求項６】
前記III族窒化物基板はＧａＮ基板である、ことを特徴とする請求項５に記載された窒化物半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡＳ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザが記載されている。この半導体レーザのＧａＡｓ−ＳＣＨ層は、二次元正方格子のフォトニック結晶を含む。
【０００３】
特許文献１には、窒化物系半導体レーザ素子が記載されている。窒化物系半導体レーザ素子は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型コンタクト層を含む。これらのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ活性層、ｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型コンタクト層は、ｎ型ＧａＮ基板上に設けられている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型コンタクト層は、リッジストライプを形成する。
【非特許文献１】"Continuous  wave  operation  of  surface  emitting  two-dimensional  photonic  crystal  laser",D.  Ohnishi,  K.  Sakai,  M.  Imada  and  S.  Noda,  ELECTRONICS  LETTERS,  Vol.  39  No.  7(2003)
【特許文献１】特開２００３−２２９６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載されたＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザでは、ＧａＡｓ半導体がＡｌＧａＡｓ半導体に格子整合するので、格子不整合によるクラックの発生および発光層の劣化の影響がない。このため、ＡｌＧａＡｓ半導体とＧａＡｓ半導体との屈折率差を大きくするために、ＡｌＧａＡｓ半導体におけるアルミニウム組成を大きくできる。
【０００５】
特許文献１には、リッジストライプ構造を有する窒化物系半導体レーザが記載されている。この窒化物系半導体レーザでは、ＡｌＧａＮ半導体からなるクラッド層を用いる。ＧａＮ系半導体レーザでは、所望の屈折率差を得るためにＡｌＧａＮ半導体のアルミニウム組成を大きくすると、III族窒化物特有のクラックがＡｌＧａＮ半導体に発生する。一方、このようなクラックに関する問題は、非特許文献１に記載されたＧａＡｓ系半導体レーザでは発生しない。
【０００６】
ファブリ・ペロー型半導体レーザでは、一対の端面により共振器が構成され、この端面の間に活性層が設けられるので、特許文献１に記載されているような窒化物系半導体レーザはフォトニック結晶構造を含まない。また、特許文献１に記載された発明の目的は、アルミニウムを含む厚い窒化物半導体、または高いアルミニウム混晶比の窒化物半導体をクラッド層、コンタクト層として有する窒化物半導体素子を提供することにあり、フォトニック結晶構造とは関係ない。一方、フォトニック結晶構造を含む回折格子を用いる窒化物半導体レーザにおいて活性層中の電界の大きさを示す指標として「Γｗｅｌｌ」を用いる。また、フォトニック結晶構造を含む回折格子層における電界の大きさを示す指標として「Γｐｃ」を用いる。
これら２つの指標は、以下の式（１）、（２）
【数１】
2008227095.tif 000003
【数２】
2008227095.tif 000004
によって規定される。各式（１）、（２）において、分母の式に記載された積分領域「無限大」は、素子の全領域にわたる積分を示す。式（１）において、分子の式に記載された積分領域「ｗｅｌｌ」は、井戸層の領域にわたる積分を示す。式（２）において、分子の式に記載された積分領域「ｐｃ」は、フォトニック結晶構造の領域にわたる積分を示す。
【０００７】
発明者の知見によれば、フォトニック結晶構造を含む回折格子を用いる窒化物半導体レーザにおいて良好なレーザ発振を得るには、「Γｗｅｌｌ」だけでなく「Γｐｃ」も共に向上させる必要がある。ところが、窒化物半導体レーザでは、クラッドのための用いるＡｌＧａＮのアルミニウム組成を大きくすると、ＡｌＧａＮクラックが発生しないようなときでも、アルミニウム組成に応じて決まる臨界膜厚に近い膜厚のＡｌＧａＮ層には大きな内部応力が加わっている。内部応力は小さいことが望ましいけれども、窒化物系半導体素子では、光閉じ込め等のためにある程度のアルミニウム組成のＡｌＧａＮ半導体を必要とする。このため、アルミニウム組成に応じた内部応力がＡｌＧａＮ内に不可避的に残る。この内部応力は窒化物系半導体素子に影響する。
【０００８】
本発明の目的は、このような事情を鑑みて為されたものであり、回折格子としてフォトニック結晶構造を含む窒化物半導体レーザにおいて、好適な「Γｗｅｌｌ」および「Γｐｃ」を提供すると共に、ＡｌＧａＮ内の内部応力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面に係る窒化物半導体レーザは、（ａ）ＡｌＧａＮ半導体からなる第１導電型クラッド領域と、（ｂ）ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体（０＜Ｘ１≦１）からなる第２導電型クラッド領域と、（ｃ）ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１）からなる部分と該ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎよりも低い屈折率を有する低屈折率の部分とによって構成された二次元フォトニック結晶構造を有しており、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられた二次元回折格子層と、（ｄ）前記第１導電型クラッド領域と前記二次元回折格子層との間に設けられており、III族構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる活性層とを備え、前記第１導電型クラッド領域は、少なくとも第１および第２のＡｌＧａＮ層を含み、前記第１のＡｌＧａＮ層は前記第２のＡｌＧａＮ層と前記活性層との間に設けられており、前記第１のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成は前記第１導電型クラッド領域はにおいて最も大きく、前記第２のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成は前記第１のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成よりも小さい、前記第１のＡｌＧａＮ層は前記第１導電型クラッド層において前記活性層に最も近い。
【００１０】
この窒化物半導体レーザによれば、第１のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成は第１導電型クラッド領域において最も大きく、また第２のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成が第１のＡｌＧａＮ層のアルミニウム組成よりも小さいので、クラックの発生を回避可能であると共に、二次元回折格子層および活性層への光閉じ込めに好適な電界分布と良好な結晶品質を得ることができる構造が提供される。この構造によって、二次元回折格子層を共振器として用いる窒化物半導体レーザにおいて、活性層における電界強度も好適になり、これにより利得が得られる。また、二次元回折格子層における電界強度が好適になり、これによりフィードバック効果が得られる。さらに、第１導電型クラッド領域が複数のＡｌＧａＮ層から構成されるので、単一組成のＡｌＧａＮ膜のクラッド領域に比べて、第１導電型クラッド領域の内部応力が低減される。このため、好適なレーザ特性が得られる。二次元回折格子層および活性層を低屈折率の窒化物半導体層の間に設けることによって、フォトニック結晶構造と活性層との光学的結合および活性層への光閉じ込めを実現できる。ＡｌＧａＮを用いることによる格子不整合は無くなることはないけれども、第１導電型クラッド領域を複数のＡｌＧａＮ層から構成することによって、部分的に高いＡｌ組成を用いて全体として厚いＡｌＧａＮ膜を実現可能になり、結晶品質劣化およびクラックの発生を避けることができる。
【００１１】
本発明の別の側面に係る窒化物半導体レーザは、（ａ）ＡｌＧａＮ半導体からなる第１導電型クラッド領域と、（ｂ）ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体（０＜Ｘ１≦１）からなる第２導電型クラッド領域と、（ｃ）ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１）と該ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎよりも低い屈折率を有する低屈折率材料とによって構成されたフォトニック結晶構造を有しており、前記第１導電型クラッド層と前記第２導電型クラッド領域との間に設けられた二次元回折格子層と、（ｄ）前記第１導電型クラッド領域と前記二次元回折格子層との間に設けられており、III族構成元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる活性層とを備え、前記第１導電型クラッド領域のアルミニウム組成は、前記第１導電型クラッド領域から前記第２導電型クラッド領域への方向に徐々に増加している。
【００１２】
この窒化物半導体レーザによれば、第１導電型クラッド領域のアルミニウム組成が第１導電型クラッド領域から第２導電型クラッド領域への方向に徐々に増加しているので、クラックの発生を回避可能であると共に、二次元回折格子層および活性層への光閉じ込めに好適な電界分布と良好な結晶品質を得ることができる構造が提供される。この構造によって、二次元回折格子層を共振器として用いる窒化物半導体レーザにおいて、活性層における電界強度も好適になり、これにより利得が得られる。また、二次元回折格子層における電界強度が好適になり、これによりフィードバック効果が得られる。さらに、第１導電型クラッド領域が、徐々に変化するアルミニウム組成のＡｌＧａＮから成るので、単一組成のＡｌＧａＮ膜のクラッド領域に比べて、第１導電型クラッド領域の内部応力が低減される。このため、好適なレーザ特性が得られる。二次元回折格子層および活性層を低屈折率の窒化物半導体層の間に設けることによって、二次元回折格子層と活性層との光学的結合および活性層への光閉じ込めを実現できる。ＡｌＧａＮを用いることによる格子不整合は無くなることはないけれども、アルミニウム組成を徐々に変化させる第１導電型クラッド領域用いることによって、部分的に高いＡｌ組成を用いて全体として厚いＡｌＧａＮ膜を実現可能になり、結晶品質劣化およびクラックの発生を避けることができる。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、前記活性層と前記二次元回折格子層との間に設けられたＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層（０≦Ｘ４≦１）を更に備えることができる。
【００１４】
この窒化物半導体レーザによれば、ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層をフォトニック結晶構造と活性層との間に設けることによって、電界分布のピークを、比較的高い屈折率を有しゲインを持つ活性層からフォトニック結晶層への方向にシフトさせることができる。
【００１５】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、前記第２導電型クラッド層と前記二次元回折格子層との間に設けられたＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層（０≦Ｘ５≦１）を更に備えることができる。
【００１６】
この窒化物半導体レーザによれば、ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層をフォトニック結晶構造と第２導電型クラッド層との間に設けることによって、電界分布のピークを、比較的高い屈折率を有しゲインを持つ活性層からフォトニック結晶層への方向にシフトさせることができる。
【００１７】
本発明に係る窒化物半導体レーザは、前記第１導電型クラッド領域を搭載するIII族窒化物基板を更に備えることができる。III族窒化物基板を用いることによって、第１導電型クラッド層の結晶性を向上させることができる。本発明に係る窒化物半導体レーザでは、前記III族窒化物基板はＧａＮ基板であることが好ましい。
【００１８】
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】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、回折格子としてフォトニック結晶構造を含む窒化物半導体レーザが提供され、この窒化物半導体レーザでは、好適な「Γｗｅｌｌ」および「Γｐｃ」が提供されると共に、ＡｌＧａＮ内の内部応力が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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、本発明の窒化物半導体レーザ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。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。図１（ａ）を参照すると、窒化物半導体レーザ１１は、ＡｌＧａＮ半導体からなる第１導電型クラッド領域１３と、ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体（０＜Ｘ１≦１）からなる第２導電型クラッド領域１５と、二次元回折格子層１７と、活性層１９とを備える。二次元回折格子層１７は、二次元フォトニック結晶構造２１を有しており、また第１導電型クラッド層１３と第２導電型クラッド領域１５との間に設けられている。二次元フォトニック結晶構造２１は、ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１）からなる部分２１ａと該ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎよりも低い屈折率を有する複数の低屈折率の部分２１ｂとによって構成される。二次元フォトニック結晶構造２１では、複数の低屈折率の部分２１ｂが、二次元的に規則的に配置されている。低屈折率の部分２１ｂの間には、ＩｎＸ２ＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ２―Ｘ３Ｎが設けられている。好適な実施例では、複数の低屈折率の部分２１ｂの配列は、三角格子、正方格子、六方格子等を構成することができる。低屈折率の部分２１ｂは、活性層からの光を透過可能な絶縁物といった柱状部材からなることができる。好ましくは、部分２１ｂの材料は、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）といったシリコン系無機絶縁物からなる。しかしながら、部分２１ｂの材料としては、これらに限定されることなく、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、シリコン窒化物（例えば、ＳｉＮ）、シリコン酸窒化物（例えば、ＳｉＯＮ）等も用いることができる。二次元回折格子層２１は、活性層１９と光学的に結合されている。部分２１ａの材料は、窒化ガリウム系半導体からなることができ、例えばＧａＮ等である。二次元フォトニック結晶構造２１は共振器であり、また二次元フォトニック結晶構造２１の周期構造は、当該窒化物半導体レーザ１１におけるレーザ発振波長を規定している。活性層１９は、第１導電型クラッド領域１３と二次元回折格子層１７との間に設けられており、またIII族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。好適な実施例では、活性層１９は量子井戸構造２３を有する。量子井戸構造２３は、一または複数の井戸層２３ａを含む。井戸層２３ａは、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。また、量子井戸構造２３では、井戸層２３ａの間には、障壁層２３ｂが位置している。障壁層２３ｂは、井戸層２３ａのバンドギャップよりも大きなバンドギャップの材料から成る。
【００２２】
第１導電型クラッド領域１３は、少なくとも第１および第２のＡｌＧａＮ層２５、２７を含む。第１のＡｌＧａＮ層２５は第２のＡｌＧａＮ層２７と活性層１９との間に設けられている。第１のＡｌＧａＮ層２５は第１導電型クラッド層１３において活性層１９に最も近い。第１のＡｌＧａＮ層２５のアルミニウム組成Ｎ（Ａｌ）２５は第１導電型クラッド領域１３において最も大きく、第２のＡｌＧａＮ層２７のアルミニウム組成Ｎ（Ａｌ）２７は第１のＡｌＧａＮ層２５のアルミニウム組成Ｎ（Ａｌ）２５よりも小さい。第２導電型クラッド領域１５としては、例えば、ＡｌＧａＮまたはＡｌＮを用いることができる。
【００２３】
この窒化物半導体レーザ１１によれば、第１のＡｌＧａＮ層２５のアルミニウム組成Ｎ（Ａｌ）２５は第１導電型クラッド領域１３において最も大きく、また第２のＡｌＧａＮ層２７のアルミニウム組成Ｎ（Ａｌ）２７が第１のＡｌＧａＮ層２５のアルミニウム組成Ｎ（Ａｌ）２５よりも小さいので、クラックの発生を回避可能であると共に、二次元回折格子層１７および活性層１９に好適な電界分布と良好な結晶品質を得ることができる構造が提供される。この構造によって、二次元フォトニック結晶構造２１を有する二次元回折格子層１７を共振器として用いる窒化物半導体レーザ１１において、二次元フォトニック結晶構造２１における電界強度が好適になり、これにより二次元フォトニック結晶構造２１から活性層１へのフィードバック効果が得られる。また、活性層１９における電界強度も好適になり、これにより利得が得られる。さらに、第１導電型クラッド領域１３が複数のＡｌＧａＮ層から構成されるので、単一組成のＡｌＧａＮ膜のクラッド領域に比べて、第１導電型クラッド領域１３の内部応力が低減される。このため、好適なレーザ特性が得られる。フォトニック結晶構造２１および活性層１９を低屈折率の窒化物半導体層１３、１５の間に設けることによって、フォトニック結晶構造２１と活性層１９との光学的結合および活性層１９への光閉じ込めを実現できる。ＡｌＧａＮを用いることによる格子不整合は無くなることはないけれども、第１導電型クラッド領域１３を複数のＡｌＧａＮ層から構成することによって、部分的に高いＡｌ組成を用いて全体として厚いＡｌＧａＮ膜を実現可能になり、結晶品質劣化およびクラックの発生を避けることができる。
【００２４】
図１に示された参照線Ｒｅｆに沿って与えられた屈折率分布を用いて、転送行列法を用いて電磁界分布を求めた。図２は、参照線Ｒｅｆに沿って計算された電界分布を示す。横軸は座標を示し、縦軸は電界分布を示す。この計算において、二次元回折格子層２１の屈折率として、平均屈折率を用いる。体積割合を示すフィリングファクタ「ＦＦｉｌｌ」、部分２１ａの屈折率ｎａ、部分２１ｂの屈折率ｎｂを用いて、この平均屈折率は、
ｎＡＶＥ＝ｎａ×（１−ＦＦｉｌｌ）＋ｎｂ×ＦＦｉｌｌ
と表される。
【００２５】
窒化物半導体レーザ１１は、III族窒化物基板２９を更に備えることができる。III族窒化物基板２９は導電性を有しており、例えば第１導電型の半導体からなることができる。III族窒化物基板２９は主面２９ａおよび裏面２９ｂを有する。III族窒化物基板２９の主面２９ａ上には、第１導電型クラッド領域１３が搭載される。好適な実施例では、III族窒化物基板２９はＧａＮ基板である。III族窒化物基板２９としてＧａＮ基板を用いることによって、第１導電型クラッド領域１３の結晶性を苦情させることができる。しかしながら、III族窒化物基板２９はＧａＮ基板に限定されることなく、ＳｉＣ基板、サファイア基板等であってもよい。
【００２６】
窒化物半導体レーザ１１は、ＡｌＧａＮ半導体からなる電子ブロック層３１を含むことができる。電子ブロック層３１は、活性層１９と第２導電型クラッド領域１５との間に設けられる。
【００２７】
窒化物半導体レーザ１１はＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ（０≦Ｘ４≦１）層３３および／または３５を更に備えることができる。ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層３３、３５は、活性層１９と二次元回折格子層１７との間に設けられている。ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層３３（および／または３５）をフォトニック結晶構造と活性層との間に設けることによって、電界分布の中心を、比較的高い屈折率を有しゲインを持つ活性層１７からフォトニック結晶構造２１への方向にシフトさせることができる。このため、活性層１７とフォトニック結晶構造２１との光学的結合を調整できる。ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層３３、３５としては、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮを用いることができる。
【００２８】
窒化物半導体レーザ１１は、ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ（０≦Ｘ５≦１）層３７を更に備えることができる。ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層３７は、第２導電型クラッド層１５と二次元回折格子層１７との間に設けられている。ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層３７よれば、電界分布の中心を、比較的高い屈折率を有しゲインを持つ活性層からフォトニック結晶層への方向にシフトさせることができる。ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層３７としては、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＮを用いることができる。
【００２９】
窒化物半導体レーザ１１は、第２導電型クラッド層１５上に設けられた第２導電型コンタクト層３９を含むことができる。コンタクト層３９は、高濃度に第２導型ドーパントが添加された窒化ガリウム形半導体からなる。基板２９の裏面２９ｂ上には第１の電極４１が設けられ、コンタクト層３９上には第２の電極が設けられる。上記のような構造を有する窒化物半導体レーザ１１は、例えば面発光レーザである。
【００３０】
図１（ｂ）に示されるように、第１導電型クラッド領域１３は、２つのＡｌＧａＮ層からなることができる。第１導電型クラッド領域１３が２つのＡｌＧａＮ層からなる窒化物半導体レーザでは、良好な「Γｗｅｌｌ」および「Γｐｃ」が得られると共に，クラックの発生を抑制することができる。
【００３１】
一例の窒化物半導体レーザは、以下の構造を有する。
III族窒化物基板２９：ｎ型ＧａＮ基板
第１導電型クラッド領域１３（第１のＡｌＧａＮ層２５／第２のＡｌＧａＮ層２７）：ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ／ｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ
活性層１９（井戸層２３ａ／障壁層２３ｂ）：
Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ／Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ
ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層３３：ｐ型ＧａＮ
電子ブロック層３１：ｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎ
ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層３５：ｐ型ＧａＮ
二次元回折格子層１７（部分２１ａ／低屈折率の部分２１ｂ）：
ｐ型ＧａＮ／ＳｉＯ２
ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層３７：ｐ型ＧａＮ
第２導電型クラッド領域１５：ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ
第２導電型コンタクト層３９：ｐ型ＧａＮ
【００３２】
図１（ｃ）に示されるように、第１導電型クラッド領域１３では、そのアルミニウム組成は、第１導電型クラッド領域１３から第２導電型クラッド領域１５への方向に徐々に増加することができる。アルミニウム組成が段階的に増加している窒化物半導体レーザでは、良好な「Γｗｅｌｌ」および「Γｐｃ」が得られると共に，クラックの発生を抑制することができる。また縦方向に関して屈折率分布の設計自由度が増す。さらに急激なＡｌ組成の変化が無いので、ＡｌＧａＮ層内部での応力を低減できる。ＡｌＧａＮを用いることによる格子不整合は無くなることはないけれども、アルミニウム組成を段階的に変化させる第１導電型クラッド領域１３を用いることによって、部分的に高いＡｌ組成を用いて全体として厚いＡｌＧａＮ膜を実現可能になり、結晶品質劣化およびクラックの発生を避けることができる。アルミニウム組成の階段状の変化のために、第１導電型クラッド領域１３は３つ以上のＡｌＧａＮ膜から構成される。一例の窒化物半導体レーザでは、アルミニウム組成は０％以上であり、また７％以下の範囲で段階的に変更される。
【００３３】
図１（ｄ）に示されるように、第１導電型クラッド領域１３では、そのアルミニウム組成は、第１導電型クラッド領域１３から第２導電型クラッド領域１５への方向に徐々に増加することができる。アルミニウム組成が傾斜している窒化物半導体レーザでは、良好な「Γｗｅｌｌ」および「Γｐｃ」が得られると共に、クラックの発生を抑制することができる。また、縦方向に関して屈折率分布の設計自由度が増す．さらに急激なＡｌ組成の変化が無いため，ＡｌＧａＮ層内部での応力を低減できる。ＡｌＧａＮを用いることによる格子不整合は無くなることはないけれども、アルミニウム組成が傾斜した第１導電型クラッド領域１３を用いることによって、部分的に高いＡｌ組成を用いて全体として厚いＡｌＧａＮ膜を実現可能になり、結晶品質劣化およびクラックの発生を避けることができる。アルミニウム組成をＮ（Ａｌ）２からＮ（Ａｌ）１に連続的に変化させるために、第１導電型クラッド領域１３はＡｌ原子を提供する原料ガスの供給量を徐々に変化させながら成長される。一例の窒化物半導体レーザでは、アルミニウム組成は０％以上であり、また７％以下の範囲で傾斜している。
【００３４】
引き続いて、窒化物半導体レーザ１１の実施例を説明する。青紫色フォトニック結晶レーザを作製した。結晶成長には、以下の通り有機金属気相成長法を用いる。原料には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。ｎ型窒化ガリウム（０００１）基板を有機金属成長炉のサセプタ上に配置する。炉内圧力を３０ｋＰａに制御しながら成長炉にアンモニアと水素を導入し、基板表面のサーマルクリーニングを摂氏１０５０度の基板温度で１０分間行った。その後に、成長を中断し、炉内圧力を大気圧に戻す。基板温度を摂氏１１００度に上昇させた後、原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４）を供給し、２μｍ（厚さｔ２）の型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎを成長した。次に、炉内温度を摂氏１１００度に維持して、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を供給し、６００ｎｍ（厚さｔ１）のｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを成長した。
【００３５】
続いて、摂氏８８０度に基板温度を下げて原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３）を供給し、１５ｎｍのノンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを成長する。この後に、基板温度を摂氏８００度に変更して原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３）を供給し、３ｎｍのＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを成長した。この工程を繰り返して、３周期の量子井戸活性層を形成した。次に、結晶成長を中断すると共に基板温度を摂氏１１００度に変更して原料ガス（ＴＭＧ、ＮＨ３）を供給し、５０ｎｍのノンドープＧａＮを成長した。続いて、原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ）を供給し、２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎを成長した。続いて、原料ガス（ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ）を供給し、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮを成長した。
【００３６】
成長炉から取り出して、エピタキシャルウエハをプラズマＣＶＤ装置にセットする。プラズマＣＶＤ法を用いて１００ｎｍのＳｉＯ２をｐ型ＧａＮ上に成膜した。この後に、ＳｉＯ２膜上に電子ビーム露光用レジストを滴下して、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。続いて、電子ビーム露光装置を用いて、サイズ７０ｎｍ、周期１６６ｎｍのフォトニック結晶正方格子パターンを３００×３００μｍ２のエリアにわたってレジスト上に描画した。現像により形成されたレジストマスクを用いて、反応性イオンエッチング装置によりＳｉＯ２をエッチングにより、フォトニック結晶正方格子パターンをＳｉＯ２に転写した。このエッチングは、例えばＣＦ４ガスを用いて行われる。エッチングの後に、再び成長炉に基板を配置すると共に基板温度を摂氏１１００度まで上げた後に、原料ガス（ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ）を供給して、ＳｉＯ２柱のアレイを覆うように２００ｎｍのアンドープＧａＮを成長しフォトニック結晶を形成した。フォトニック結晶構造におけるＳｉＯ２柱のフィリングファクタ（フォトニック結晶において低屈折率材料部分が占める体積割合）は例えば０．１５である。
【００３７】
次いで、原料ガス（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ）を供給して、６００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを成長し、原料ガス（ＴＭＧ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇ）を供給して、５０ｎｍのアンドープＧａＮを成長した。このように形成されたエピタキシャル基板を成長炉から取り出し、エピタキシャル基板の表面を観察したところ、全くクラックが発生していない。
【００３８】
続いて、ｐ型ＧａＮ層上にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極を形成すると共に、基板を研削して減厚した後に基板の裏面にｎ電極を形成する。１ｍｍ角の半導体チップを切り出した。半導体チップは、約３００μｍ角のエリア上に設けられたフォトニック結晶構造を含む。
【００３９】
図３は、こうして作製した青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子を示す構造を有している。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を印加したところ、レーザ発振が観測された。
【００４０】
上記の実施例と同じ成長炉を用いて、上記の実施例のＧａＮ基板を同じ種類のＧａＮ基板上にｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層を成長すると共に、実施例の同じ活性層を形成した。活性層を成長したエピタキシャルウエハの表面にはクラックが見られ、良好な成長が行われていなかった。
【００４１】
上記の実施例と同じ成長炉を用いて、上記の実施例のＧａＮ基板を同じ種類のＧａＮ基板上にｎ型Ａｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎクラッド層を成長すると共に、実施例の同じ半導体積層およびフォトニック結晶構造を形成した。しかしながら、フォトニック結晶レーザとして動作せず発振が得られなかった。「Γｗｅｌｌ」、「Γｐｃ」の両立が得られなかったと考えられる。
【００４２】
図４、図５、図６は、図３に示される積層構造を有する半導体発光素子のモデルで計算された「Γｐｃ」および「Γｗｅｌｌ」を示す。横軸はＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎにおけるアルミニウム組成Ｘ２を示し、（左右）縦軸はΓ値を示す。フィリングファクタは０．１５である。
【００４３】
図４を参照すると、本実施の形態に係る半導体レーザでは、臨界膜厚未満の複数のｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることによって、良好な「Γｐｃ」が得られ、また良好な「Γｗｅｌｌ」が得られる。ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎにおけるアルミニウム組成Ｘ１は０．０７であり、ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの厚さｔ２は０．８μｍである。例えば、横軸のアルミニウム組成Ｘ１が０．０２以上であれば、良好なΓ値が得られる。
【００４４】
比較のために単一のＡｌＧａＮクラッド層（Ｘ１＝０．０７、厚さ１．１μｍ（臨界膜厚））を有する半導体発光素子のモデルは、Γｐｃ＝３．５１、Γｗｅｌｌ＝４．４６（共に計算値）を有する。
【００４５】
図５を参照すると、本実施の形態に係る半導体レーザでは、臨界膜厚以下の複数のｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることによって、良好な「Γｐｃ」が得られ、また良好な「Γｗｅｌｌ」が得られる。ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎにおけるアルミニウム組成Ｘ１は０．１であり、ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの厚さｔ２は０．５μｍである。例えば、横軸のアルミニウム組成Ｘ１が０．０３以上であれば、良好なΓ値が得られる。
【００４６】
比較のために単一のＡｌＧａＮクラッド層（Ｘ１＝０．１、厚さ０．５４μｍ（臨界膜厚））を有する半導体発光素子のモデルは、Γｐｃ＝４．５０、Γｗｅｌｌ＝４．９３（共に計算値）を有する。
【００４７】
図６を参照すると、本実施の形態に係る半導体レーザでは、臨界膜厚以下の複数のｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることによって、良好な「Γｐｃ」が得られ、また良好な「Γｗｅｌｌ」が得られ、さらに良好な「Γｓｕｂ」が得られる。ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎにおけるアルミニウム組成Ｘ１は０．１であり、ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの厚さｔ２は０．３μｍである。例えば、横軸のアルミニウム組成Ｘ１が０．０４以上であれば、良好なΓ値が得られる。
【００４８】
比較のために単一のＡｌＧａＮクラッド層（Ｘ１＝０．１、厚さ０．５４μｍ（臨界膜厚））を有する半導体発光素子のモデルは、Γｐｃ＝４．５０、Γｗｅｌｌ＝４．９３（共に計算値）を有する。
【００４９】
図７を参照すると、本実施の形態に係る半導体レーザでは、臨界膜厚以下の複数のｐ型ＡｌＧａＮ層を用いることによって、良好な「Γｐｃ」が得られ、また良好な「Γｗｅｌｌ」が得られる。ＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎにおけるアルミニウム組成Ｘ１は０．１であり、ＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの厚さｔ２は０．１μｍである。例えば、横軸のアルミニウム組成Ｘ１が０．０４以上であれば、良好なΓ値が得られる。
【００５０】
比較のために単一のＡｌＧａＮクラッド層（Ｘ１＝０．１、厚さ０．５４μｍ（臨界膜厚））を有する半導体発光素子のモデルは、Γｐｃ＝４．５０、Γｗｅｌｌ＝４．９３（共に計算値）を有する。
【００５１】
なお、図４〜図７を参照すると、アルミニウム組成Ｘ１が小さい領域（約０．３或いは０．４以下の領域）において「Γ値」が単調な変化を示していない。アルミニウム組成Ｘ１が小さいことによって、活性層に閉じこもるモードが基本モードとならない。参考のため、それぞれの図には高次ながらも活性層に光が閉じこもるモードを示している。
【００５２】
以上説明したように、臨界膜厚のＡｌＧａＮ層を用いることなく、ＡｌＧａＮを用いて良好な上記Γ値を有する半導体レーザを提供できる。本実施の形態における半導体レーザでは、ＡｌＧａＮクラッドに内包される歪みが小さい。このため、クラッドの歪みに起因する発光特性の劣化が低減される。Γｗｅｌｌは半導体レーザの利得に大きく影響する。
【００５３】
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。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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、参照線Ｒｅｆに沿って計算された電界分布を示す図面である。
【図３】図３は、青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子を示す構造を示す図面である。
【図４】図４は、図３に示される積層構造を有する半導体発光素子の一モデルで計算された「Γｐｃ」及び「Γｗｅｌｌ」を示す図面である。
【図５】図５は、図３に示される積層構造を有する半導体発光素子の別のモデルで計算された「Γｐｃ」及び「Γｗｅｌｌ」を示す図面である。
【図６】図６は、図３に示される積層構造を有する半導体発光素子の更なる別のモデルで計算された「Γｐｃ」及び「Γｗｅｌｌ」を示す図面である。
【図７】図７は、図３に示される積層構造を有する半導体発光素子の更なる別のモデルで計算された「Γｐｃ」及び「Γｗｅｌｌ」を示す図面である。
【符号の説明】
【００５５】
１３…第１導電型クラッド領域、１５…第２導電型クラッド領域、１７…二次元回折格子層、１９…活性層、２１…フォトニック結晶構造、２１ａ…部分、２１ｂ…低屈折率の部分、２３…量子井戸構造、２３ａ…井戸層、２３ｂ…障壁層、２５…第１のＡｌＧａＮ層、２７…第２のＡｌＧａＮ層、２９…III族窒化物基板、３１…電子ブロック層、３３…ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層、３５…ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ層、３７…ＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ層、３９…第２導電型コンタクト層、４１…第１の電極  
【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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