(57)【要約】【課題】ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層などの、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する場合においても、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのｐ型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ側クラッド層５とｐ側クラッド層９、１２との間に活性層７が挟まれた構造を有し、かつ、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の少なくとも一部にＩｎを１×１０１９／ｃｍ３　以上含ませる。例えば、Ｉｎ濃度をほぼ均一とし、１×１０１９／ｃｍ３　以上１×１０２２／ｃｍ３　未満とする。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
上記ｐ型層の少なくとも一部にＩｎが１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
上記ｐ型層のＩｎ濃度がほぼ均一で１×１０１９／ｃｍ３　以上１×１０２２／ｃｍ３　未満である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
上記ｐ型層の厚さが３０ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
上記ｐ型層のＡｌ組成は１０％以上３０％以下である
ことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
上記ｐ型層がｐ型Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ（ただし、０．１≦ｘ＜１）からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項６】
上記ｐ型層がｐ型Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ（ただし、０．１≦ｘ≦０．３）からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項７】
上記ｐ型層はＩｎを含む層とＩｎを含まない層とが交互に積層された構造を有し、その平均的なＩｎ組成が１２％以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】
上記ｐ型層のＡｌ組成は１０％以上３０％以下である
ことを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
上記ｐ型層はｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子層である
ことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
上記ｐ型層は電子ブロック層である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
上記ｐ型層が上記活性層と上記ｐ側クラッド層との間および／または上記ｐ側クラッド層中に設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
Ｉｎ含有層上に上記ｐ型層を成長させ、その際上記Ｉｎ含有層から上記ｐ型層の少なくとも一部にＩｎを１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、
上記ｐ型層の少なくとも一部にＩｎが１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置の製造方法であって、
Ｉｎ含有層上に上記ｐ型層を成長させ、その際上記Ｉｎ含有層から上記ｐ型層の少なくとも一部にＩｎを１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体発光素子およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザや発光ダイオードに適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。
【０００３】
これまでに報告されている半導体レーザにおいては、ｐ型クラッド層側の活性層の直上にｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層（キャップ層ともいう）が設けられている（例えば、特開平９−２１９５５６号公報）。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を用いた従来の半導体レーザの一例のエネルギーバンド、特にその伝導帯を図１１に示す。図１１において、Ｅｃ　は伝導帯の下端のエネルギーを示す。ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層のＡｌ組成は一般に１０％以上であり、その厚さは１０〜３０ｎｍである。この半導体レーザにおいては、このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層が特に高温、高電流駆動時においても電子のオーバーフローを抑制し、かつ、活性層からのＩｎの脱離を防ぐと考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の半導体レーザにおいては、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、Ａｌ組成が１０％以上と高いことにより比抵抗が非常に大きいため（〜１０Ωｃｍ以上と考えられる）、１０〜３０ｎｍの厚さであっても、動作時にこのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層の抵抗により大きな電圧降下が発生し、これが動作電圧の低減の一つの障害になっていた。また、このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層は、ｐ型不純物として通常用いられるＭｇの活性化率が低く、正孔濃度が低いため、電子ブロック層としての役割を十分に果たすことができず、電子のオーバーフローの抑制効果が不十分であった。
【０００５】
したがって、この発明が解決しようとする課題は、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層などの、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する場合においても、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのｐ型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる半導体発光素子およびそのような半導体発光素子を容易に製造することができる半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
この発明が解決しようとする課題は、より一般的には、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する場合においても、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのｐ型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる半導体装置およびそのような半導体装置を容易に製造することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、この発明の第１の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子において、
ｐ型層の少なくとも一部にＩｎが１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれている
ことを特徴とするものである。
【０００８】
この発明の第２の発明は、
ｎ側クラッド層とｐ側クラッド層との間に活性層が挟まれた構造を有し、かつ、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の製造方法であって、
Ｉｎ含有層上にｐ型層を成長させ、その際Ｉｎ含有層からｐ型層の少なくとも一部にＩｎを１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明の第１および第２の発明において、ｐ型層のＩｎの濃度分布は基本的には任意であるが、ｐ型層全体にわたって電子ブロッキング効果を確実に得る観点からは、好適には、ｐ型層のＩｎ濃度はほぼ均一であり、１×１０１９／ｃｍ３　以上１×１０２２／ｃｍ３　未満である。ｐ型層の厚さは必要に応じて選ばれるが、このｐ型層の抵抗が高くなりすぎるのを防止する観点からは、一般的には３０ｎｍ以下である。ｐ型層のＡｌ組成は、十分な電子ブロッキング効果を得るとともに、ドープされるｐ型不純物の活性化率を一定値以上確保する観点から、典型的には、１０％以上３０％以下である。ｐ型層は、具体的には、例えばｐ型Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ（ただし、０．１≦ｘ＜１）からなり、典型的には、ｐ型Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ（ただし、０．１≦ｘ≦０．３）からなる。Ｉｎを含有するｐ型層は、これらの単層構造のほか、Ｉｎを含む層とＩｎを含まない層とが交互に積層された構造、例えばｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子層であってもよく、これらの場合、十分な大きさのバンドギャップを確保するとともに、ドープされるｐ型不純物の活性化率を一定値以上確保する観点から、好適にはその平均的なＩｎ組成は１２％以下に選ばれ、また、Ａｌ組成は１０％以上３０％以下に選ばれる。電子ブロック層として用いられるｐ型層は、活性層とｐ側クラッド層との間に設けても良いし、ｐ側クラッド層中に設けても良いし、それらの両方に設けても良い。
【００１０】
この半導体発光素子は、典型的にはＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有する。すなわち、ｎ側クラッド層と活性層との間にｎ側光導波層が設けられ、ｐ側クラッド層と活性層との間にｐ側光導波層が設けられる。これらのｎ側光導波層およびｐ側光導波層の厚さは一般的には０ｎｍより大きく、１５０ｎｍ以下である。
【００１１】
ｎ側クラッド層、典型的にはｎ型クラッド層の厚さは、半導体発光素子の動作時に活性層で発生する光の閉じ込めを強くし、基板側への光のしみ出しを少なくする観点からは、好適には、２μｍ以上に選ばれる。このｎ側クラッド層は、典型的には、ＡｌＩｎＧａＮからなり、そのＡｌ組成は６％未満である。また、このｎ側クラッド層は、典型的には、互いにＡｌ組成が異なる２層以上の層により構成しても良く、具体的には、例えば、Ａｌ組成が５％以上の層とＡｌ組成が５％以下の層とにより構成し、前者の層の厚さを１μｍ以下、後者の層の厚さを１μｍ以上とする。一方、活性層あるいはｎ側光導波層とｎ側クラッド層との間の平均屈折率差は、好適には、０．０７未満である。
【００１２】
ｐ側クラッド層はその全体をｐ型としても良いが、ｐ側クラッド層の抵抗の低減を図る観点からは、活性層側から順にアンドープまたはｎ型の第１の層とｐ型不純物がドープされたｐ型の第２の層とにより構成し、かつ、第２の層がこの第２の層よりバンドギャップが大きい上記のｐ型層を有するようにしても良い。ｐ側クラッド層の全体の厚さは、一般には５００〜６００ｎｍあれば足りる。ｐ側クラッド層のｐ型の第２の層の厚さは一般的には０ｎｍより大きく、５５０ｎｍ以下あるいは４５０ｎｍ以下であるが、典型的には３９０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下、より典型的には４００ｎｍ以上５３０ｎｍ以下である。一方、ｐ側クラッド層のアンドープの第１の層（この場合、ｎ−　型を呈し、比抵抗は一般にｐ型層に比べて数分の１から１桁程度低い）の厚さは、一般には０ｎｍより大きく、５００ｎｍ以下であるが、ｐ側クラッド層の抵抗の低減を十分に図る観点より、好適には５０ｎｍ以上、より好適には７０ｎｍ以上、更に好適には９０ｎｍ以上に選ばれ、一方、典型的には４００ｎｍ以下あるいは３００ｎｍ以下あるいは２００ｎｍ以下に選ばれ、これらの上限および下限を任意に組み合わせた範囲であってよい。この第１の層の厚さは、一つの典型的な例では７０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であり、更に典型的な例では９０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下に選ばれる。これらのアンドープまたはｎ型の第１の層およびｐ型の第２の層は、必要な光学特性、例えば十分に高い光閉じ込め係数Γが得られて良好な遠視野像（Ｆａｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｐａｔｔｅｒｎ，ＦＦＰ）などが得られる限り、互いに同じ材料からなるものであっても、互いに異なる材料からなるものであってもよい。前者の例としては、第１の層および第２の層の材料ともＡｌＧａＮを用いる場合が挙げられ、後者の例としては、第２の層の材料としてＡｌＧａＮを用い、第１の層の材料としてＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを用いる場合が挙げられる。第１の層および第２の層は互いに直接接する場合のほか、何らかの機能を有する他の層を介して間接的に接する場合もありうる。
【００１３】
ｐ側クラッド層のアンドープまたはｎ型の第１の層は、半導体発光素子の動作時にｐ側電極側から注入される正孔をトンネル効果により活性層に到達しやすくして注入効率を高くするとともに、ヘテロ界面の導入により、第２の層のｐ型不純物として通常用いられるＭｇが活性層側に拡散するのを抑制して活性層の劣化を防止する観点より、好適には超格子構造とする。一つの典型的な例においてはｐ側クラッド層全体を超格子構造とする。
【００１４】
また、ｐ型の第２の層のｐ型不純物として通常用いられるＭｇが活性層に拡散することによる活性層の劣化を防止する観点からは、活性層とｐ側クラッド層のｐ型の第２の層との間の距離は、好適には２０ｎｍ以上、より好適には５０ｎｍ以上、更に好適には１００ｎｍ以上に選ばれる。また、最近の報告によれば、ＧａＮにおける正孔の拡散距離は約０．２８μｍ（２８０ｎｍ）であり、これを考慮すると、電子との再結合の確率を低くし、活性層への正孔の注入効率を高くするためには、活性層とｐ側クラッド層のｐ型の第２の層との間の距離は、この拡散距離以下にすることが望ましい。
【００１５】
一方、ｐ側クラッド層のｐ型の第２の層から活性層へのｐ型不純物、例えばＭｇの拡散を抑制して活性層の劣化を防止する観点からは、好適には、活性層とｐ側クラッド層の第２の層との間に、バンドギャップまたは格子定数が互いに異なる層の組み合わせが少なくとも１組以上存在するようにし、あるいは、互いに原子組成比が異なる層からなる超格子構造が少なくとも１層以上存在するようにし、これを格子歪み層としてＭｇの拡散を防止するようにする。
【００１６】
典型的には、活性層の障壁層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）であり、活性層の井戸層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ｎ（ただし、０＜ｙ＜１かつｙ＞ｘ）である。
【００１７】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、一般的には、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎおよびＢからなる群より選ばれた少なくとも一種のＩＩＩ族元素と、少なくともＮを含み、場合によって更にＡｓまたはＰを含むＶ族元素とからなり、具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
半導体発光素子は、半導体レーザや発光ダイオードである。
【００１８】
この発明の第３の発明は、
Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置において、
ｐ型層の少なくとも一部にＩｎが１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれている
ことを特徴とするものである。
【００１９】
この発明の第４の発明は、
Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置の製造方法であって、
Ｉｎ含有層上にｐ型層を成長させ、その際Ｉｎ含有層からｐ型層の少なくとも一部にＩｎを１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれるように拡散させるようにした
ことを特徴とするものである。
【００２０】
半導体装置は、半導体発光素子のほか、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子走行素子などであってよい。
この発明の第３および第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１および第２の発明に関連して説明したことが成立する。
【００２１】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる基板としては、種々のものを用いることができ、具体的には、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、スピネル基板、酸化シリコン基板などのほか、厚いＧａＮ層などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる基板を用いてもよい。
【００２２】
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の成長方法としては、例えば、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）などを用いることができる。
【００２３】
上述のように構成されたこの発明によれば、ｐ型層の少なくとも一部にＩｎが１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれていることにより、このｐ型層にドープされるＭｇなどのｐ型不純物の活性化率の向上を図ることができる。すなわち、アンドープのＡｌＧａＮ層にＩｎを添加することで発光効率が向上することが報告されているが（Ｈ．Ｈｉｒａｙａｍａ　ｅｔ　ａｌ．，ＧａＮ　ａｎｄ　Ｒｅｌａｔｅｄ　Ａｌｌｏｙｓ，Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．６３９，Ｇ２．８，（２００１））　、Ｉｎ添加はｐ型ＡｌＧａＮ層にドープされたＭｇなどのｐ型不純物の活性化率を高め、正孔濃度を増大させる上で有効であり、その結果、ｐ型層の比抵抗の低減を図ることができるとともに、電子ブロッキング効果の向上を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザは、リッジ構造およびＳＣＨ構造を有するものである。図２はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド、特にその伝導帯を示す。
【００２５】
図１に示すように、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｃ面サファイア基板１の一主面に、横方向結晶成長技術（例えば、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｖｏｌ．７５（１９９９）ｐｐ．１９６−１９８）　によりＧａＮ系半導体層が積層されている。具体的には、ｃ面サファイア基板１の一主面に、低温成長によるアンドープＧａＮバッファ層２とその上のアンドープＧａＮ層３とからなり、〈１−１００〉方向に延在するストライプが形成され、このストライプのアンドープＧａＮ層３を種結晶として、ｎ型ＧａＮコンタクト層４が連続層として成長されている。ここで、このストライプの両側の部分のｃ面サファイア基板１の表層部も除去されており、この部分では、ｎ型ＧａＮコンタクト層４はこのｃ面サファイア基板１から浮いた構造になっている。そして、このｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６、例えばアンドープのＩｎｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ／Ｉｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８、ｐ側クラッド層としてのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ側クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３が順次積層されている。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１０はいずれもｎ−　型である。ｐ側クラッド層としてｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０を用いているのは、トンネル効果により正孔が通りやすくするためである。
【００２６】
ここで、アンドープＧａＮバッファ層２は厚さが例えば３０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３は厚さが例えば２μｍである。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は厚さが例えば４μｍであり、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は厚さが例えば１．５μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成は例えば５．５％（０．０５５）である。アンドープＩｎＧａＮ光導波層６は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。また、アンドープＩｎｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ／Ｉｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ｎ多重量子井戸構造の活性層７は、障壁層としてのＩｎｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ層と井戸層としてのＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎ層の厚さが７ｎｍでｘ＝０．０２、井戸層としてのＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ＝０．０８、井戸数が３である。
【００２７】
アンドープＩｎＧａＮ光導波層８は厚さが例えば３０ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。アンドープＡｌＧａＮクラッド層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、Ａｌ組成は例えば２．５％（０．０２５）である。アンドープＩｎＧａＮ層１０は厚さが例えば５ｎｍであり、Ｉｎ組成は例えば２％（０．０２）である。
【００２８】
Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１は厚さが例えば１０ｎｍ、Ａｌ組成は例えば１８％（０．１８）、ｐ型不純物としてドープされたＭｇの濃度は例えば１×１０１９／ｃｍ３　〜１×１０２１／ｃｍ３　、典型的には５×１０１９／ｃｍ３　〜１×１０２０／ｃｍ３　であり、Ｉｎ濃度はほぼ均一で例えば１×１０１９／ｃｍ３　〜１×１０２１／ｃｍ３　である。
【００２９】
ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２は、例えば厚さが２．５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍのＭｇがドープされたＧａＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＡｌ組成は例えば６．０％（０．０６）、全体の厚さは例えば４００ｎｍである。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
【００３０】
ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部から上の層は全体として所定幅のメサ形状を有し、更にこのメサ部におけるｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３には例えば〈１−１００〉方向に延在するリッジ１４が形成されている。このリッジ１２の幅は例えば１．５μｍである。ここで、このリッジ１４、すなわちレーザストライプ部は、横方向結晶成長の種結晶から上層に伝播した転位１５と互いに隣接する種結晶からの横方向成長の会合部１６との間の低欠陥領域に位置している。
【００３１】
この場合、リッジ１４の両側の部分におけるｐ型層、ここではＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の合計の厚さｄ（図２）は、０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好適には０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００３２】
上記のメサ部の全体を覆うように、例えば厚さが４０ｎｍのＳｉＯ２　膜のような絶縁膜１７および例えば厚さが４５ｎｍのＳｉ膜１８が順次設けられている。ここで、絶縁膜１７は電気絶縁および表面保護のためのものである。Ｓｉ膜１８は、リッジ１４の側壁部において、キンク現象の原因となるレーザ光の１次モードの吸収係数を高め、キンク現象を防止するためのものである。これらの絶縁膜１７およびＳｉ膜１８のうちのリッジ１４の上の部分には開口１９が設けられており、この開口１９を通じてｐ型ＧａＮコンタクト層１３にｐ側電極２０が接触している。このｐ側電極２０は、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｐｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３００ｎｍである。一方、絶縁膜１７およびＳｉ膜１８のうちのメサ部に隣接する所定部分には開口２１が設けられており、この開口２１を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にｎ側電極２２が接触している。このｎ側電極２２は、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した構造を有し、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍである。
【００３３】
次に、この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、あらかじめサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば５００℃程度の温度でアンドープＧａＮバッファ層２を成長させた後、同じくＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でアンドープＧａＮ層３を成長させる。
【００３４】
次に、アンドープＧａＮ層３の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが１００ｎｍのＳｉＯ２　膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２　膜上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４　やＣＨＦ３　などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２　膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ２　膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｃ面サファイア基板１の表層部が除去されるまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては、例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングによって、種結晶となるストライプ形状のアンドープＧａＮ層３が形成される。このストライプ形状のアンドープＧａＮ層３の延在方向は〈１−１００〉方向である。
【００３５】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２　膜をエッチング除去した後、ストライプ形状のアンドープＧａＮ層３を種結晶として上述の横方向結晶成長技術によりｎ型ＧａＮコンタクト層４を成長させる。このときの成長温度は例えば１０７０℃とする。
【００３６】
引き続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、アンドープのＧａ１−ｘ　Ｉｎｘ　Ｎ／Ｇａ１−ｙ　Ｉｎｙ　Ｎ多重量子井戸構造の活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３を順次成長させる。ここで、これらの層の成長温度は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は９００〜１０００℃、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までは７８０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３は９００〜１０００℃とする。
【００３７】
ここで、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１は、ＭＯＣＶＤ法により直接成長させてもよいが、Ｉｎ拡散を利用して形成するようにしてもよい。すなわち、アンドープＩｎＧａＮ層１０まで成長させた後、その上にｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を成長させる。この成長時には、下地のアンドープＩｎＧａＮ層１０からＩｎがこのｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層に拡散する。この結果、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１が得られる。
【００３８】
これらのＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ３　）３　Ｇａ、ＴＭＧ）、Ａｌの原料としてはトリメチルアルミニウム（（ＣＨ３　）３　Ａｌ、ＴＭＡ）、Ｉｎの原料としてはトリメチルインジウム（（ＣＨ３　）３　Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｎの原料としてはＮＨ３　を用いる。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ４　）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ３　Ｃ５　Ｈ４　）２　Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ５　Ｈ５　）２　Ｍｇ）を用いる。
【００３９】
また、これらのＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮコンタクト層４およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５はＮ２　とＨ２　との混合ガス、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１まではＮ２　ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３はＮ２　とＨ２　との混合ガスを用いる。この場合、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ２　雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２　が含まれないので、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８およびアンドープＩｎＧａＮ層１０からＩｎが脱離するのを抑えることができ、これらの層の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ２　とＨ２　との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型層を良好な結晶性で成長させることができる。
【００４０】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。そして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１３の全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．１μｍのＳｉＯ２　膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２　膜上にリソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４　やＣＨＦ３　などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２　膜をエッチングし、パターニングする。次に、この所定形状のＳｉＯ２　膜をマスクとして例えばＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層４に達するまでエッチングを行う。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。このエッチングにより、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の上層部、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６、活性層７、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９、アンドープＩｎＧａＮ層１０、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３がメサ形状にパターニングされる。
【００４１】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２　膜をエッチング除去した後、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが０．２μｍのＳｉＯ２　膜（図示せず）を形成した後、このＳｉＯ２　膜上にリソグラフィーによりリッジ部に対応する所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ４　やＣＨＦ３　などのフッ素を含むエッチングガスを用いたＲＩＥ法によりＳｉＯ２　膜をエッチングし、リッジ部に対応する形状とする。
【００４２】
次に、このＳｉＯ２　膜をマスクとしてＲＩＥ法によりｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１０およびＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の合計の厚さが０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好適には０ｎｍ以上５０ｎｍ以下になるまでエッチングを行うことによりリッジ１４を形成する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
【００４３】
次に、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２　膜をエッチング除去した後、基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ２　膜のような絶縁膜１７およびＳｉ膜１８を順次成膜する。
【００４４】
次に、リソグラフィーにより、ｎ側電極形成領域を除いた領域のＳｉ膜１８の表面を覆うレジストパターン（図示せず）を形成する。
次に、このレジストパターンをマスクとしてＳｉ膜１８および絶縁膜１７をエッチングすることにより、開口２１を形成する。
【００４５】
次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法によりＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオフ）。これによって、絶縁膜１７およびＳｉ膜１８の開口２１を通じてｎ型ＧａＮコンタクト層４にコンタクトしたｎ側電極２２が形成される。次に、ｎ側電極２２をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
【００４６】
次に、同様なプロセスで、リッジ１４の上の部分のＳｉ膜１８および絶縁膜１７をエッチング除去して開口１９を形成した後、ｎ側電極２２と同様にして、この開口１９を通じてｐ型ＧａＮコンタクト層１３にコンタクトしたＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｐ側電極２０を形成する。
【００４７】
この後、上述のようにしてレーザ構造が形成された基板を劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。ここで、共振器長は例えばＬ＝６００μｍ、リア側の端面反射率は例えばＲｒ　＝０．９５、フロント側の端面反射率は例えばＲｆ　＝０．１である。
以上により、目的とするリッジ構造およびＳＣＨ構造を有するＧａＮ系半導体レーザが製造される。
【００４８】
このＧａＮ系半導体レーザの光出力−電流特性を測定したところ、スロープ効率が大幅に向上していることが分かった。具体的には、Ｉｎを含有しないｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を用いた従来のＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率は１．１Ｗ／Ａであるのに対し、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１を用いたこのＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率は１．２７Ｗ／Ａであり、約１５％向上している。
【００４９】
図４は、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１のＩｎ濃度による特性温度（Ｔ０　）の変化を測定した結果を示す。図４より、Ｉｎ濃度が１×１０１９／ｃｍ３　以上であると、Ｔ０　は約１５０Ｋ以上になり、特に約１×１０２１／ｃｍ３　程度になると、Ｔ０　は約１８０Ｋ以上にもなる。これに対し、Ｉｎを含有しないｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を用いた従来のＧａＮ系半導体レーザのＴ０　は１４０Ｋ程度にすぎない。
【００５０】
また、従来のＧａＮ系半導体レーザのしきい値電圧Ｖｔｈは例えば４．３Ｖであったのに対し、このＧａＮ系半導体レーザのＶｔｈは例えば４．０Ｖと、０．３Ｖも低い。これは、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１において、Ｉｎが含まれていることにより、ｐ型不純物としてドープされたＭｇの活性化率が向上して正孔濃度が増加し、それによって電子ブロッキング効果が高まったためである。
【００５１】
この第１の実施形態によれば、以下のような種々の利点を得ることができる。すなわち、従来のｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層の代わりに、Ｉｎ濃度が１×１０１９／ｃｍ３　〜１×１０２１／ｃｍ３　のＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１を用いていることにより、上述のようにこのＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の正孔濃度が従来に比べて増加し、高い電子ブロッキング効果が得られる。このため、ＧａＮ系半導体レーザの動作時に活性層７に注入される電子のオーバーフローの抑制効果の向上を図ることができ、それによってしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈの低減を図ることができるとともに、上述のようにスロープ効率の向上を図ることができる。また、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１による電子のオーバーフローの抑制効果の向上により、上述のように特性温度Ｔ０　の向上を図ることもできる。更に、しきい値電圧Ｖｔｈの低減を図ることもできる。しかも、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層にＩｎを添加するだけでＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１を容易に得ることができるので、極めて低コストでこれらの効果を得ることができ、製造上有利である。
【００５２】
また、この第１の実施形態によれば、ｐ側クラッド層が活性層７側から順に厚さが例えば１０５ｎｍのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９と厚さが例えば４００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２とからなることにより、ｐ側クラッド層の全体をそれらの合計の厚さのｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２で構成した場合に比べて、ＧａＮ系半導体レーザの動作電圧を例えば約０．１６Ｖも低減することができる。また、ｐ側クラッド層の全体の厚さは約５００ｎｍあり十分大きいため、ｐ側の光の閉じ込めを十分行うことができ、良好なＦＦＰを得ることができる。すなわち、良好な光学特性を得るのに必要なｐ側クラッド層の厚さを確保しつつ、動作電圧の上昇の原因となっている高比抵抗のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の厚さを約１００ｎｍも減少させて動作電圧の低減を図ることができる。
【００５３】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層、すなわちＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１３との間の距離は、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９およびアンドープＩｎＧａＮ層１０の合計の厚さ、例えば３０ｎｍ＋１００ｎｍ＋５ｎｍ＝１３５ｎｍもあるため、結晶成長中やエージング中などにおいてｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを効果的に抑制することができ、それによってＭｇの拡散による活性層７の劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザのエージング劣化率を低減することができ、信頼性および歩留まりの向上を図ることができる。
【００５４】
また、活性層７とＭｇがドープされたｐ型層との間に格子歪層であるアンドープＡｌＧａＮクラッド層９があるため、これによってもｐ型層中のＭｇが活性層７に拡散するのを抑制することができ、活性層７の劣化をより効果的に防止することができる。
【００５５】
また、Ｍｇがドープされたｐ型層は一般にｎ型層に比べて結晶性が悪く、光の吸収が起こりやすいため、ｐ型層が活性層７の付近にあると光吸収係数αが増大するが、上述のように活性層７とｐ型層とは１３５ｎｍも離れているため、活性層７の付近のαを十分に低く抑えることができる。これによって、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。更に、結晶性の悪いＭｇがドープされたｐ型層が光密度の高い活性層７の付近から上述のように十分に離れているため、光による活性層７の付近の結晶の劣化が生じにくく、ＧａＮ系半導体レーザの寿命および信頼性の向上を図ることができる。
【００５６】
また、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９とＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１との間に活性層７と格子定数がほぼ等しいアンドープＩｎＧａＮ層１０が設けられているため、活性層７とＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２との間に大きな格子定数差があっても、これらのＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１およびｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２により活性層７に生じる歪を緩和することができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザのしきい値電流密度Ｊｔｈ、したがってしきい値電流Ｉｔｈを低減することができるとともに、スロープ効率の向上を図ることができる。
【００５７】
また、上述のしきい値電流Ｉｔｈの低減により、ＧａＮ系半導体レーザの雑音特性の向上を図ることができる。
【００５８】
また、活性層７に注入された電子が活性層７を通り過ぎてアンドープＡｌＧａＮクラッド層９に到達すると、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８とこのアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との間の伝導帯のエネルギー差ΔＥＣ　（図３）より大きなエネルギーを持つ電子は、このアンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越える際にΔＥＣ　分だけエネルギーが低下する。一方、ΔＥＣ　より小さいエネルギーしか持っていない電子は、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えることができないため、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８に留まることになる。このように、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９を飛び越えようとする電子のエネルギーや数が減少することにより、ＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率の向上を図ることができる。また、ＧａＮ系半導体レーザの高温、高出力駆動時の電子のオーバーフローを防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの動作電流および動作電圧の低減を図ることができる。
【００５９】
また、ｐ型層の大半がリッジ１４の内部に収まっており、リッジ１４の外部におけるｐ型層は合計の厚さが１００ｎｍ以下、好適には５０ｎｍ以下のｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２および厚さが１０ｎｍのＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１だけであって十分に薄く、したがってその横方向の抵抗が十分に高いので、ＧａＮ系半導体レーザの動作温度が上昇してこれらのｐ型層中のＭｇが活性化しｐ型層が低抵抗化しても、リッジ１４の両脇に漏れ出る電流を極めて少なく抑えることができる。このため、ＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ０　を１８０Ｋ以上と著しく高くすることができる。更に、仮に、ｐ側クラッド層の全部がｐ型層である従来のＧａＮ系半導体レーザにおいてリッジの両脇のｐ型層の厚さを小さくしようとすると、リッジを形成する際にかなり深くエッチングしなければならないが、そうするとリッジの内外での屈折率差Δｎが大きくなり、キンクが発生しやすくなる。また、リッジの形成のためにＲＩＥで深くエッチングすると、活性層７にプラズマダメージが生じ、ＧａＮ系半導体レーザの特性を劣化させるおそれがある。これに対し、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジ１４の深さは従来のＧａＮ系半導体レーザと同等でも、これらの問題を生じることなく、リッジ１４の両脇のｐ型層の厚さを上述のように１００ｎｍ以下、好適には５０ｎｍ以下にすることができる。
【００６０】
また、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１における正孔の活性化エネルギーは高いため、常温では大部分の正孔は不活性である。しかしながら、高温になるほど正孔が活性化してＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の電子ブロッキング効果は高まる。ところが、従来のＧａＮ系半導体レーザにおいては、リッジの両脇への電流漏れ量が多いため、上記効果は見えにくかったものと推測することができる。これに対し、このＧａＮ系半導体レーザによれば、上述のようにリッジ１４の両脇への電流漏れ量が極めて少ないことにより、Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の電子ブロッキング効果は高く、高温、高出力駆動時においても電子のオーバーフローを効果的に防止することができる。
【００６１】
また、上述のように高温駆動時の漏れ電流、すなわち無効電流が低減されることにより、しきい値電流Ｉｔｈの低減を図ることができ、高温でも低雑音のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
【００６２】
また、上述のように特性温度Ｔ０　の著しい向上により、いわゆるドループ特性を改善することができる。このドループ特性は、レーザビームプリンタなどの光源にＧａＮ系半導体レーザを適用する上で重要なパラメータである。また、同一基板上に複数のＧａＮ系半導体レーザを互いに隣接して集積化する場合においても、ＧａＮ系半導体レーザの特性温度Ｔ０　が著しく高いことにより、これらのＧａＮ系半導体レーザ間の熱的クロストークを低く抑えることができるため、マルチビームレーザなどへの応用にも適している。
【００６３】
また、ｐ側クラッド層の一部をアンドープＡｌＧａＮクラッド層９により構成しているため、活性層７よりｐ側の部分に存在するｐ型層は全体として少なく、したがって活性層７からオーバーフローした電子がｐ型層において再結合中心にトラップされて非発光再結合する確率が小さい。高温になるほど、ｐ型層で電子がトラップされる確率が高まると仮定すると、このＧａＮ系半導体レーザの構造は無効電流低減に効果的と考えられる。
【００６４】
また、上述のスロープ効率の向上と温度特性の向上とによって、Ｍｇがドープされた結晶性の悪いｐ型層に電子がオーバーフローにより注入されて結晶を破壊することが少なくなるため、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００６５】
更に、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６からＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１までの成長ではキャリアガス雰囲気をＮ２　雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ２　が含まれないので、特に活性層７からＩｎが脱離するのを抑えることができ、その劣化を防止することができ、ＧａＮ系半導体レーザの信頼性および寿命の向上を図ることができる。
【００６６】
以上により、動作電圧およびしきい値電流が低く、温度特性が良好で長寿命かつ高信頼性のＧａＮ系半導体レーザを実現することができる。
この第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、高温、高出力駆動時の動作電流および動作電圧の低減を図ることができ、長寿命でもあることから、特に光ディスクに対する書き込み用高出力半導体レーザとして用いて好適なものである。
【００６７】
次に、この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図５はこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。また、図６はこのＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３のエネルギーバンド構造の詳細を示す。
【００６８】
図８に示すように、この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１１の代わりに、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３が設けられている。ここで、このｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３は、例えば厚さが２．５ｎｍのＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層を障壁層とし、例えば厚さが２．５ｎｍのＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮＩｎＮ層を井戸層とし、これらを交互に積層した構造を有し、平均のＩｎ組成は例えば０．１２以下、全体の厚さは例えば１０ｎｍである。
【００６９】
その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００７０】
ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３のＩｎ平均組成は１２％以下が望ましい。すなわち、Ｉｎ平均組成が１２％より高いと、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３の実質的なバンドギャップが小さくなり、電子ブロッキング効果は逆に低減する。Ｉｎ平均組成が７％以上であっても、Ａｌ組成を増やすことでバンドギャップを大きくすることができるが、Ａｌ組成が３０％以上になるとｐ型不純物としてドープされたＭｇの活性化率が非常に低くなって正孔濃度が低くなりすぎるため、電子ブロッキング効果が弱まって電子のオーバーフローが増大する。そこで、Ａｌ組成が３０％以下でかつバンドギャップを３．６５ｅＶ以上確保するために、Ｉｎ組成は１２％以下が望ましい。本発明者による実験では、バンドギャップ３．６５ｅＶ以下でスロープ効率は０．３Ｗ／Ａ以下となり、特性低下が著しい結果が得られた。Ｉｎ組成が１２％以下が望ましいことは、図７より分かる。すなわち、図７はＡｌＩｎＧａＮの組成とその発光波長との関係を示したものであり、図中、３１０〜４３０の数字はｎｍ単位で表した発光波長λ、０、０．２、０．４、０６などの数字はＧａＮの組成である。ここで、発光波長λ（ｎｍ）とバンドギャップＥｇ　（ｅＶ）との間には、λ＝１２４０／Ｅｇ　の関係がある。図７より、Ａｌ組成が３０％以下でかつバンドギャップを３．６５ｅＶ以上確保するためには、Ｉｎ組成は１２％以下とする必要があることが分かる（その領域に斜線を施した）。
【００７１】
このＧａＮ系半導体レーザの光出力−電流特性を測定したところ、スロープ効率が大幅に向上していることが分かった。具体的には、Ｉｎを含有しないｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層を用いた従来のＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率は１．１Ｗ／Ａであるのに対し、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３を用いたこのＧａＮ系半導体レーザのスロープ効率は１．２７Ｗ／Ａであり、約１５％向上している。
【００７２】
また、従来のＧａＮ系半導体レーザのしきい値電圧Ｖｔｈは例えば４．３Ｖであったのに対し、このＧａＮ系半導体レーザのＶｔｈは例えば４．１Ｖと、０．２Ｖ低い。これは、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層２３において、Ｉｎが含まれていることにより、ｐ型不純物としてドープされたＭｇの活性化率が向上して正孔濃度が増加し、それによって電子ブロッキング効果が高まったためである。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な種々の利点を得ることができる。
【００７３】
ところで、一般に、ＧａＮ系半導体レーザにおいては、縦方向（レーザ構造を形成する層に垂直な方向）の光の閉じ込めが不十分であるため、クラッド層、特にｎ型クラッド層から漏れた光が基板に入射し、反射されることにより、フリンジと呼ばれる光の干渉を引き起しやすい。この問題を解消する方法として、クラッド層の厚さを増大させ、光の閉じ込めを強化する方法が考えられる。しかしながら、クラッド層のＡｌ組成が高く、ＧａＮとの格子定数差が大きいと、簡単にクラックが発生して、ＧａＮ系半導体レーザの特性が著しく低下する。一方、クラッド層のＡｌ組成を低くすると、クラックの発生は抑えられるが、光の閉じ込め効果が低下する。そこで、本発明者は、この問題を解決するために鋭意実験を重ねた結果、クラッド層、特にｎ型クラッド層において、Ａｌ組成が５％以上の層の厚さは１μｍ以下に抑え、Ａｌ組成が５％以下の層の厚さは１μｍ以上にすることで、光の閉じ込め効果を十分に保持しつつ、クラックの発生を低減することができることを見出した。
【００７４】
更に、上記のような低Ａｌ組成のクラッド層を用いることで、以下に示す有効な効果が得られることを見出した。すなわち、一般に、半導体レーザの垂直放射角度（θ⊥）を低減する方法として、ＳＣＨ構造の半導体レーザでは、光導波層や活性層の厚さを薄くし、光閉じ込め係数Γを低減させる方法を採用してきた。しかしながら、何らかの理由により活性層周辺の層の厚さや組成を変化させずに垂直放射角度を低減させたい場合、この方法を採用することはできない。これに対し、上記のようにクラッド層のＡｌ組成を低減し、活性層や光導波層との屈折率差を小さくすることで、クラッド層中の光の広がりを増大させ、その結果として垂直放射角度を低減させることができる。このように、活性層周辺の構造を維持したまま垂直放射角度を低減させることができるため、レーザ設計の自由度を格段に向上させることができる。
【００７５】
そこで、この発明の第３の実施形態においては、そのようなＧａＮ系半導体レーザについて説明する。図８にこのＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。
図８に示すように、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザは、基本的には第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様な構造を有するが、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５の構造および厚さが、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと異なる。具体的には、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５はＡｌ組成が均一で５．５％（０．０５５）であり、厚さは１．５μｍであるのに対し、この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は、Ａｌ組成が例えば４．８％（０．０４８）で厚さが例えば１．７μｍの低Ａｌ組成層５ａとＡｌ組成が例えば５．５％（０．０５５）で厚さが例えば０．５μｍの高Ａｌ組成層５ｂとからなり、全体の厚さは１．７＋０．５＝２．１μｍである。また、この場合、低Ａｌ組成層５ａの屈折率は２．４８１、高Ａｌ組成層５ｂの屈折率は２．４７５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層８の屈折率は２．５４、アンドープＡｌＧａＮクラッド層９の屈折率は２．５０、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２の屈折率は２．４８３であり、アンドープＩｎＧａＮ光導波層６とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５との間の屈折率差は２．５４−２．４７５＝０．０６５、アンドープＩｎＧａＮ光導波層８とアンドープＡｌＧａＮクラッド層９との間の屈折率差は２．５４−２．５０＝０．０４であり、いずれも０．０７未満である。
その他の構成は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様である。また、このＧａＮ系半導体レーザの製造方法は、第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【００７６】
図９にこのＧａＮ系半導体レーザの遠視野像の測定結果を示す。また、比較のために、図１０にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が均一で５．５％（０．０５５）のＧａＮ系半導体レーザの遠視野像の測定結果を示す。ただし、測定は２０℃の温度で光出力３０ｍＷ、連続発振（ＣＷ）の条件で行った。図９と図１０とを比較すると、接合と平行方向の放射角度、すなわち水平放射角度θ‖はいずれも９．０°で変わらないが、接合と垂直方向の放射角度、すなわち垂直放射角度θ⊥は図９では２０．１°であり、図１０の２３．５°に比べて著しく減少していることが分かる。また、垂直方向の遠視野像の形状は、図９の方が図１０に比べて明らかに良好である。
【００７７】
以上のように、この第３の実施形態によれば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５の全体の厚さが２．１μｍと十分に厚いことにより、縦方向の光の閉じ込めが強化され、基板側への光のしみ出しを減少させることができ、フリンジの問題を解消することができる。また、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は、Ａｌ組成が４．８％と低い厚さが１．７μｍの低Ａｌ組成層５ａとＡｌ組成が５．５％で厚さが０．５μｍの高Ａｌ組成層５ｂとからなるため、全体の厚さが２．１μｍと厚いにもかかわらず、クラックの発生を有効に抑えることができる。具体的には、例えば、Ａｌ組成が６％で厚さが１．３μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層ではクラック密度が５本／ｃｍであったのに対し、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５ではクラック密度は１本／ｃｍ以下であった。すなわち、光の閉じ込め効果を十分に高く保持しつつ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５のクラックの発生を低減することができることが分かる。更に、活性層７の周辺の構造を何ら変えることなく、上述のように垂直放射角度θ⊥を２０．１°と大幅に低減することができ、しかも、垂直方向の遠視野像の形状も良好である。
これに加えて、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００７８】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００７９】
例えば、上述の第１〜第３の実施形態において挙げた数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００８０】
具体的には、例えば、上述の第１〜第３の実施形態においては、レーザ構造を形成するｎ型層を基板上に最初に積層し、その上にｐ型層を積層しているが、これと積層順序を逆にし、基板上に最初にｐ型層を積層し、その上にｎ型層を積層した構造としてもよい。
【００８１】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｎ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびｐ側光導波層としてのアンドープＩｎＧａＮ光導波層８は互いに同一組成であるが、これらのアンドープＩｎＧａＮ光導波層６およびアンドープＩｎＧａＮ光導波層８の組成は、良好な光学特性が得られる限り、互いに異なっていてもよく、例えばアンドープＩｎＧａＮ光導波層８のＩｎ組成をアンドープＩｎＧａＮ光導波層６より低くしてもよい。更には、必要に応じて、ｎ側光導波層およびｐ側光導波層の材料としてＩｎＧａＮと異なる組成のもの、例えばＧａＮを用いてもよい。
【００８２】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｃ面サファイア基板を用いているが、必要に応じて、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、厚いｎ型ＧａＮ層からなる基板などを用いてもよい。また、ＧａＮバッファ層の代わりに、ＡｌＮバッファ層やＡｌＧａＮバッファ層を用いてもよい。
【００８３】
また、上述の第１〜第３の実施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レーザに適用した場合について説明したが、この発明は、例えば、ＤＨ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造のＧａＮ系半導体レーザに適用してもよいことはもちろん、ＧａＮ系発光ダイオードに適用してもよい。
【００８４】
更に、上述の第１〜第３の実施形態においては、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１２において、ＡｌＧａＮ層にはＭｇをドープしていないが、必要に応じて、このＡｌＧａＮ層にもＭｇをドープしてもよく、あるいは、ＧａＮ層にはＭｇをドープせず、ＡｌＧａＮ層にのみＭｇをドープしてもよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、Ａｌ組成が１０％以上のｐ型層を有する場合であっても、その少なくとも一部にＩｎが１×１０１９／ｃｍ３　以上含まれていることにより、動作電圧の低減を図ることができ、しかもそのｐ型層による電子ブロッキング効果を十分に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部の拡大断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるＩｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層のＩｎ濃度と特性温度との関係を示す略線図である。
【図５】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図６】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザにおけるｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層のエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図７】ＡｌＩｎＧａＮの組成とエネルギーギャップに対応する発光波長との関係を示す略線図である。
【図８】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【図９】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの遠視野像を示す略線図である。
【図１０】従来のＧａＮ系半導体レーザの遠視野像を示す略線図である。
【図１１】従来の一般的なＧａＮ系半導体レーザのエネルギーバンド構造を示す略線図である。
【符号の説明】
１・・・ｃ面サファイア基板、４・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層、５・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、７・・・活性層、８・・・アンドープＩｎＧａＮ光導波層、９・・・アンドープＡｌＧａＮクラッド層、１０・・・アンドープＩｎＧａＮ層、１１・・・Ｉｎ含有ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層、１２・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層、１３・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層、１４・・・リッジ、１７・・・絶縁膜、１８・・・Ｓｉ膜、２０・・・ｐ側電極、２２・・・ｎ側電極、２３・・・ｐ型ＡｌＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ超格子電子ブロック層
【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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