(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板上に配置された第１導電型の半導体結晶よりなる第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に配置された半導体結晶よりなる活性層と、
前記活性層上に溝状の通電領域を設けた第１の導電型または半絶縁性の半導体結晶よりなる電流ブロック層と、
前記電流ブロック層上に前記溝状の通電領域を埋め込んで配置され、第１半導体層と前記第１半導体より禁制帯幅の狭い半導体層とを４ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の周期で交互に積層した超格子クラッド層を含むクラッド層と、
前記超格子クラッド層の上に配置され、半導体結晶よりなり、前記溝状の通電領域に対応する領域を残して、他の領域は除去された再成長層と、
前記再成長層の上面および側面ならびに前記他の領域の上に直接配置された電極と、を備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記再成長層は、アンドープであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームプリンタや光ディスク装置などの光源として用いる半導体レーザ光源に関するものであり、特に禁制帯幅が２ｅＶ以上の半導体により構成される短波長半導体レーザに関係する。
【背景技術】
【０００２】
従来の短波長半導体レーザはＧａＮおよびＡｌＧａＮなどの禁制帯幅が２ｅＶを超える広禁制帯幅の半導体材料により形成されていた。このような広い禁制帯幅の材料においてはｐｎ接合を利用した半導体デバイスを実現するために必要なｐ型又はｎ型のドーピングのどちらか一方が著しく困難であることが知られている。前記のＧａＮ及びＡｌＧａＮなどの半導体材料においては、特にｐ型の不純物ドーピングが困難であり、半導体レーザの実現は長い間困難とされてきた。
【０００３】
近年、結晶成長技術の進歩によりこれらの半導体材料でもｐ型ドーピングが可能となり半導体レーザの実用化が進んでいる。しかし、この材料系のｐ型ドーピングは依然として容易とはいえない。このため、図１７に示すような積層構造として、ｐ型クラッド層を禁制帯幅の比較的狭いＧａＮと禁制帯幅の比較的広いＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎの超格子構造として、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層にドーピングしたｐ型不純物のエネルギーレベルが超格子全体のフェルミレベルより低いエネルギーとなることを利用して、実用的な半導体レーザに必要なｐ型不純物濃度を得ている例がある。しかしながら、リッジ導波型の半導体レーザでは電流通路が矩形断面を持つリッジを上下に流れる通路のみであるため、このような工夫がなされても、大幅な素子抵抗の低減は実現できなかった。
【０００４】
以上のような技術を用いて作製されている半導体レーザ構造の１例としてＴ．  Ｍｉｚｕｎｏ他の文献（19th IEEE International Semiconductor Conference 63P）などがあげられる。
【０００５】
これに対し、半導体レーザの電流狭窄構造としてはこのようなリッジ導波型レーザのほかに電流ブロック層に設けた溝により電流狭窄と光導波を同時に実現する自己整合構造と呼ばれる構造が知られている。窒化物系の半導体レーザにおいても、たとえば、中島らの図１８のような構造が開示されている（特開２００３−１７９３１４号公報）。ここで、６は半導体基板、７はｎ型クラッド層、８は活性層、９はｐ型クラッド層、４は電流ブロック層、１は単一組成クラッド層（再成長クラッド層）である。この構造によれば、電流ブロック層４の最狭部が活性層８の近傍数百ナノメートルの位置にあり、参照符号１２を付して実線で示すような電流分布となって、その上では電流が広がる構造となっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７９３１４号公報
【非特許文献１】Mizuno他, 19th IEEE International Semiconductor Conference 63P
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記の通り、結晶成長技術の進歩と超格子構造の応用により実用レベルの短波長レーザが実現されつつある。これでも、素子の直列抵抗はいまだ２０Ω程度と高いが、数ｍＷの出力で用いられる読み出し専用光記録装置や１００ｍＷ前後の出力で用いられる比較的低速の書き換え型光記録装置に使用する場合には十分である。しかし、大きな光出力が必要で駆動電流も大きくなる高速の書き換え型光記録装置では不十分なものであった。
【０００８】
ｐ型クラッド層のドーピングレベルを上げる目的で超格子構造を用いた結果、ドーピングレベルが２〜３×１０１７ｃｍ−３程度から１×１０１８ｃｍ−３以上に改善しているにもかかわらず素子抵抗が不十分な値にとどまっている原因としては、超格子の膜面と直交する方向（縦方向）に対しては超格子と同一の平面内（横方向）に比べ数倍の電気抵抗が発生しているためと考えられる。また、この手法により形成した高濃度ドーピング層はレーザ光に対しては高濃度ドーピングに対応した強い光吸収を有するため半導体レーザの共振器損失が大きくなるという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記のような超格子構造による縦方向伝導の阻害を補償し超格子構造による高濃度ドーピングの効果を十分に活用するために、本発明では、単結晶基板上に形成した第１及び第２の導電型の半導体結晶よりなるクラッド層と該クラッド層よりも狭い禁制帯幅の半導体結晶よりなる活性層とを少なくとも有し、活性層を基点に基板と反対側に位置する第２の導電型のクラッド層上に溝状の通電領域を設けた第１の導電型または半絶縁性の半導体層よりなる電流ブロック層を有し、これを第２導電型の半導体よりなる再成長クラッド層で埋め込む構造を有する半導体レーザ装置であって、該再成長クラッド層の少なくとも一部は禁制帯幅の広い半導体層と禁制帯幅の狭い半導体層を４ｎｍ以上、１０ｎｍ以下の周期で交互に積層した超格子クラッド層を形成することを提案する。すなわち、超格子構造による縦方向電気伝導度の改善に限界があっても、図１８に太い破線で示すような電流分布に示すように広範囲の横方向伝導による電流広がりにより大幅な素子抵抗の低減を可能にするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば従来高濃度ｐ型ドーピングが難しく低抵抗の半導体レーザを実現することが困難であったＧａＮ系材料を用いた半導体レーザの直列抵抗を大幅に低減することが可能となり、標準的な５Ｖ電源を用いて駆動できる青色半導体レーザが実現可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
前述のように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造においては、エネルギーレベルがフェルミレベルより低くなるＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎバリア層中のアクセプタ不純物の活性化率が高まり、単一組成のＡｌＧａＮに比べ高いキャリア濃度が実現可能となる。アクセプタ不純物から放出されたホールはＧａＮウエル層に蓄積し超格子の面に並行方向（横方向）に走行するときはバリア層中の活性化して電荷をもった不純物による散乱を受けないため、単一組成の窒化物半導体で問題になるドーピング濃度増加に伴う移動度の低下が発生しないという利点もあり、横方向の導電率は単一組成の半導体層の３〜５倍程度が実現可能となる。超格子の周期とキャリア密度の関係は図１（Ａ）に示すような特性が、超格子の周期と移動度の関係は図１（Ｂ）に示すような特性が報告されている。
【００１２】
図１（Ａ），（Ｂ）から分かるように、超格子によるキャリア濃度増大効果は超格子の周期４ｎｍ程度から現れ始め、周期６ｎｍ以上で特に顕著な効果が得られている。均一組成の結晶ではキャリア濃度増大に伴い移動度が低減して電気伝導度の点で考えるとキャリア濃度増大の効果を相殺する方向に働くが、このような超格子構造では１×１０１８レベルのキャリア濃度でも１０ｃｍ２／Ｖ・ｓの移動度が実現されているにすぎない。
【００１３】
一方で、半導体レーザは層状のダブルへテロ構造に縦方向に電流を注入することが必要であり、電気伝導の方向としては縦方向の成分が一般的には重要である。超格子層により形成されるミニバンドのエネルギーを計算すると図２に示すような結果が得られる。図２の網掛け領域がホールの存在が許容されるレベルとなる。超格子を通り抜ける電気伝導の起こりやすさはおおむねこのミニバンドの幅に比例すると考えられる。
【００１４】
図２のミニバンドの計算で、ドーピングに対し有意の効果がある４ｎｍ以上の周期では縦方向の電気伝導が可能なミニバンドの幅が得られるのは主にスピンスプリットオフバンドであるため、このバンドの基底レベルからのエネルギー差とバンドの幅を考慮すればおおよその縦方向の伝導度を見積もることができる。
【００１５】
図３はこのようにして見積もった超格子層および平均組成の混晶の横方向及び縦方向の電気伝導度と超格子の周期の関係を示す図である。図３より、単一組成のＡｌＧａＮと同等以上の縦方向の電気伝導度を得るためには、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ／ＧａＮの場合では超格子の周期は４ｎｍ以上、１０ｎｍ以下にすることが必要と考えられる。縦方向の電気伝導が最大値の７０％以上を目安に考えれば超格子の最適周期は５ｎｍから７ｎｍの範囲が望ましくこのとき単一組成のＡｌＧａＮ混晶にくらべ３〜５倍以上の横方向の電気伝導度が得られることがわかる。
【００１６】
以上に述べたような構造による動作電流低減効果を見積もるために、図１８で説明した半導体基板６、ｎ型クラッド層７、活性層８、ｐ型クラッド層９、電流ブロック層４および単一組成クラッド層１よりなる積層構造よりなる半導体レーザの単一組成クラッド層１と、溝状の通電領域３を持つ電流ブロック層４との間に超格子横伝導層２を形成した図４に示すモデルで計算した。
【００１７】
図５及び図６は、表面と溝部分の間に１ボルトの電圧を加えたときの図４に表示した計算領域５での電流密度分布を示した結果である。図５は超格子横伝導層２の電気伝導度が単一組成クラッド層１１の電気伝導度と同程度の等方的値の場合を示し、図６は縦方向の電気伝導度が単一組成クラッド層１と同じで横方向の電気伝導度が単一組成クラッド層１の５倍の場合を示している。ｐ型クラッド層９全体の厚さを１μｍとし、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子を有する構造においては再成長クラッド層１１の最初の０．２μｍを超格子層２とした。計算結果より、等方的電気伝導度の場合（図５）の自己整合構造レーザでは、ストライプ幅１．４μｍ、共振器長６００μｍ（通電領域３）の場合、１ボルトの電圧に対しストライプ部分の平均的電流密度が１２０００Ａ／ｃｍ２であることより、ストライプに流れる電流の総和は約１００ｍＡとなり、直列抵抗は約１０Ωである。これに対し、横方向の電気伝導度が単一組成クラッド層１１の５倍の場合（図６）の自己整合構造レーザでは、ストライプ部分の平均的電流密度は２００００Ａ／ｃｍ２である。すなわち、超格子横伝導層２の電気伝導度を５倍にすることでストライプに流れる電流の総和は約１６６ｍＡとなるので、単一組成混晶による５倍のストライプ幅と共振器長の場合の横方向の電気伝導度で得られる６Ωの直列抵抗が実現できることがわかる。
【００１８】
（実施例１）
以上のような検討結果に基づく本発明の第１の実施例を図に従い説明する。まず、実施例１の半導体レーザチップの構造を製造工程に沿って図７から図９を用いて説明する。
【００１９】
図７から図９において、１０１はｎ型ＧａＮ基板を示しており、このｎ型ＧａＮ基板１０１の面方位は（１−１００）面である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上に有機金属気相成長法を用いてｎ型ＧａＮバッファ層１０２（０．２μｍ）、ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層１０３（Ｓｉドープ、ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、１．２μｍ）、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０４、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５（Ｍｇドープ、ｐ＝７×１０１７ｃｍ−３、０．１５μｍ）、およびｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６（Ｓｉドープ、ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、０．１μｍ）を順次結晶成長して図７の構造を形成した。ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０４は、図の右側に拡大して示すように、４層のＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎウエル層１０７（厚さ７ｎｍ）とこれを挟む５層のＧａＮバリア層１０８（厚さ４ｎｍ）よりなっている。またｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５は、図の右側に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１０９（３ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層１１０（３ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００２０】
ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６上に酸化シリコン膜を形成し、ホトリソグラフ技術を用いてストライプ状の溝を形成する。この酸化シリコン膜をマスクとしてリアクティブイオンエッチング法によりｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５の一部を除去してストライプ状の溝１１１を形成して図８の構造とした。
【００２１】
次に、このウエハに再び有機金属気相成長法による結晶成長を行い、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２（Ｍｇドープ、ｐ＝１０１８ｃｍ−３，０．２μｍ）、ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ第２クラッド層１１３（Ｍｇドープ、ｐ＝２×１０１７ｃｍ−３、０．５μｍ）、ＧａＮキャップ層１１４（Ｍｇドープ、ｐ＝３×１０１７ｃｍ−３、０．１μｍ）、及びＧａＩｎＮ超格子コンタクト層１１５（Ｍｇドープ、ｐ＝２×１０１９ｃｍ−３、５ｎｍ）を順次追加結晶成長して図９の構造とした。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２は、図の右側に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１１６（３．５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層１１７（３．５ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００２２】
本構造のウエハ表面のＧａＩｎＮ超格子コンタクト層１１５上にｐ側電極としてＴｉＡｕ層１１８を蒸着する。一方、ＧａＮ基板１０１の裏側にｎ側電極としてＮｉＡｌＡｕ層１１９を蒸着する。その後、共振器長６００μｍにへき開してレーザチップとした。ｐ型第２クラッド層１１３を全てＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２とすることも可能であるが、０．２μｍで十分な効果があり、一方、この超格子層が厚すぎると結晶の表面状態が劣化しやすいため再成長クラッド層１１３の一部のみを超格子構造とした。
【００２３】
作製した半導体レーザはしきい値電流約４０ｍＡでレーザ発振し、直列抵抗は約６Ωであった。本素子の光出力のスロープ効率は約１．２ｍＷ／ｍＡであり光出力３００ｍＷ時の駆動電流は約２９０ｍＡであった。本素子の電流電圧特性は３Ｖ付近から直線的に立ち上がる特性を示すため、このときの動作電圧は４．７４Ｖとなり、ゆとりを持って一般的な５Ｖ電源で駆動可能であった。また、本半導体レーザを１００ｍＷ前後の出力で使用する場合の動作電圧は約３．６Ｖとなり乾電池３本で駆動する携帯用記録機器にも搭載可能であった。
【００２４】
（実施例２）
本発明の第２の実施例を図に従い説明する。まず、実施例２の半導体レーザの構成を製造工程に沿って図１０、図１１を用いて説明する。
【００２５】
図１０、図１１において、１０１はｎ型ＧａＮ基板を示しており、このｎ型ＧａＮ基板１０１の面方位は（１−１００）面である。この基板上に有機金属気相成長法を用いてｎ型ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層１０３（Ｓｉドープ、ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、１．２μｍ）、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０４、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５（Ｍｇドープ、ｐ＝７×１０１７ｃｍ−３、０．１５μｍ）、およびｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ電流ブロック層２０１（Ｓｉドープ、ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、０．２μｍ）を順次結晶成長した。ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０４は、図の右側に拡大して示すように、４層のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｎウエル層１０７（厚さ７ｎｍ）とこれを挟む５層のＧａＮバリア層１０８（厚さ４ｎｍ）よりなっている。またｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５は、図の右側に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１０９（３ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層１１０（３ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００２６】
ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層２０１上に酸化シリコン膜を形成し、ホトリソグラフ技術を用いてストライプ状の溝を形成する。この酸化シリコン膜をマスクとしてリアクティブイオンエッチング法によりｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層２０１及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５の一部を除去する。
【００２７】
次に、このウエハに再び有機金属気相成長法による結晶成長を行い、変調ドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層２０２、ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ第２クラッド層１１３、ＧａＮキャップ層１１４、及び超格子コンタクト層１１５を順次結晶成長した。変調ドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層２０２は、図の右側に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１１６（３．５ｎｍ）とアンドープＧａＮ層２０３（３．５ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００２８】
本構造のウエハ表面にｐ側電極としてＴｉＡｕ層１１８を蒸着する。一方、ＧａＮ基板１０１の裏側にｎ側電極としてＮｉＡｌＡｕ層１１９を蒸着する。その後、共振器長６００μｍにへき開して図１１に示すような構造の半導体レーザとした。
【００２９】
作製した半導体レーザはしきい値電流約４０ｍＡでレーザ発振し、直列抵抗は約５Ωであった。本素子の光出力のスロープ効率は約１．２ｍＷ／ｍＡであり光出力４００ｍＷ時の駆動電流は約３３０ｍＡであった。本素子の電流電圧特性は３Ｖ付近から直線的に立ち上がる特性を示すため、このときの動作電圧は４．６６Ｖとなり、ゆとりを持って汎用の５Ｖ電源で駆動可能であった。
【００３０】
（実施例３）
本発明の超格子横伝導層においては横方向の導電性は高くなるものの縦方向の導電性は均一組成の混晶より数１０％改善する程度であった。特に横方向の導電性が大幅に改善できる周期の大きい超格子においては縦方向の導電性が大幅に低下するという問題が発生した。実施例３では、この問題への対応を考慮した。実施例３の半導体レーザの構成を図１２を用いて説明する。
【００３１】
実施例３では、ｐ型再成長クラッド層１１３の成長前の結晶表面に電子ビーム露光法によりレーザ共振器方向に形成した回折格子を有する構造を示す。実施例３の半導体レーザチップの構成を製造工程に沿って図１２、図１３を用いて説明する。
【００３２】
実施例３においては、ＧａＮ基板１０１からｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６（Ｓｉドープ、ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、０．１μｍ）までの結晶成長及びストライプ状の溝の形成までは実施例１と同様に行った。このウエハに電子ビーム露光技術及びリアクティブエッチング技術を用いて約７０ｎｍ周期の回折格子３０１（深さ４０ｎｍ）を形成し図１２のような構造とした。
【００３３】
次に、このウエハに再び有機金属気相成長法による結晶成長を行い、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子横伝導層３０２（Ｍｇドープ、ｐ＝１０１８ｃｍ−３，０．２μｍ）、ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ第２クラッド層１１３（Ｍｇドープ、ｐ＝２×１０１７ｃｍ−３、０．５μｍ）、ＧａＮキャップ層１１４（Ｍｇドープ、ｐ＝３×１０１７ｃｍ−３、０．１μｍ）、及びＧａＩｎＮ超格子コンタクト層１１５（Ｍｇドープ、ｐ＝２×１０１９ｃｍ−３、５ｎｍ）を、順次、追加結晶成長して図１３の構造とした。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子横伝導層３０２は、図の右側に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１１６（７ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層１１７（７ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００３４】
本構造のウエハ表面にｐ側電極としてＴｉＡｕ層１１８を蒸着する。一方、ＧａＮ基板１０１の裏側にｎ側電極としてＮｉＡｌＡｕ層１１９を蒸着する。その後、共振器長６００μｍにへき開して図１３に示すようなレーザチップとした。
【００３５】
図３に示したように、周期１４ｎｍの超格子層では横方向の電気伝導度は均一組成のＡｌＧａＮ混晶の１０倍以上と非常に大きくなるが、縦方向の電気伝導度は均一組成のＡｌＧａＮ混晶の１０％以下となり素子抵抗はかえって増加する結果となった。しかし、回折格子３０１を形成した上にＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子横伝導層３０２を形成した結果、回折格子の側面部分で超格子構造が薄くなり、この部分を通して電流が流れることとなり、長周期超格子であっても十分な縦方向導電性が得られた。
【００３６】
作製した半導体レーザはしきい値電流約４０ｍＡでレーザ発振し、直列抵抗は約４Ωであった。本素子の光出力のスロープ効率は約１．２ｍＷ／ｍＡであり光出力１００ｍＷ時の駆動電流は約８０ｍＡであった。本素子の電流電圧特性は３Ｖ付近から直線的に立ち上がる特性を示すため、このときの動作電圧は３．３Ｖとなり、乾電池３本で駆動する携帯用記録機器に搭載可能であった。また、本構造によれば回折格子による離散的反射を光共振器に利用する分布帰還形共振器が形成できるため、従来の短波長半導体レーザにおいて集積化などの障害になっていたへき開による端面形成が不必要となる利点が得られることは言うまでもない。
【００３７】
（実施例４）
上述した実施例は、ＡｌＧａＮ混晶をクラッド層１０３として用いているために、ＧａＮ基板１０１に対して格子定数が完全には整合しておらず、臨界歪条件を満たすためにはクラッド層１０３全体の厚さを１〜１．５μｍ程度に抑える必要があった。しかし、半導体レーザの高出力化とビーム形状の縦横比を小さくする必要性からレーザ光の分布を縦方向に広げることが望まれており、成長膜の厚さが制限されていることはこれらの要求を実現する障害となっていた。実施例４では、この問題への対応を考慮した。実施例４の半導体レーザの構成を製造工程に沿って図１４、図１５を用いて説明する。
【００３８】
実施例４では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層の特性を活用してＡｌＧａＮ系半導体レーザの結晶膜にｐ型ドーピングがより難しいＡｌＧａＩｎＮを用いる構造を提案する。実施例４においても、ＧａＮ基板１０１からｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６までの結晶成長及びストライプ状の溝の形成までは実施例１と同様に行った。
【００３９】
次に、このウエハに再び有機金属気相成長法による結晶成長を行い、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２（Ｍｇドープ、ｐ＝１０１８ｃｍ−３、０．２μｍ）、アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ光導波層４０１（ｎ＝１×１０１７ｃｍ−３、１．０μｍ）を順次追加結晶成長して図１４の構造とした。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２は、図の右側に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１１６（３．５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層１１７（３．５ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００４０】
次に、アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ光導波層４０１の内、電流ブロック層１０６のストライプ状の溝（図８に示す溝１１１に対応する）を覆う部分の吸収緩和領域４０２（幅２．４μｍ）を残してリアクティブイオンエッチング法により除去した。吸収緩和領域４０２はアンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎで構成されているため、自由キャリア吸収による光の損失がなく、この領域に多くの光エネルギーが分布する場合でも、素子の共振器損失が増大しないという利点があった。
【００４１】
しかも、ＡｌＧａＩｎＮは同程度の禁制帯幅のＡｌＧａＮに比べＧａＮとの格子定数のずれが小さくなるため、結晶成長層全体の臨界膜厚が厚くなり、高出力化に必要な光学的体積を増大できる利点もあった。
【００４２】
本構造のウエハ表面にｐ側電極としてＴｉＡｕ層１１８を蒸着する。一方、ＧａＮ基板１０１の裏側にｎ側電極としてＮｉＡｌＡｕ層１１９を蒸着する。その後、共振器長６００μｍにへき開して図１５に示すようなレーザチップとした。
【００４３】
作製した半導体レーザはしきい値電流約４０ｍＡでレーザ発振し、直列抵抗は約６Ωであった。本素子の光出力のスロープ効率は約１．２ｍＷ／ｍＡであり光出力５００ｍＷ時の駆動電流は約２９０ｍＡであった。本素子の電流電圧特性は３Ｖ付近から直線的に立ち上がる特性を示すため、このときの動作電圧は４．７４Ｖとなり、ゆとりを持って一般的な５Ｖ電源で駆動可能であった。また、本半導体レーザを１００ｍＷ前後の出力で使用する場合の動作電圧は約３．６Ｖとなり乾電池３本で駆動する携帯用記録機器にも搭載可能であった。
【００４４】
（実施例５）
実施例５として超格子横導伝層を面発光型半導体レーザに適用した例を図１６に示す。
【００４５】
図１６において、１０１はｎ型ＧａＮ基板を示しており、このｎ型ＧａＮ基板１０１の面方位は（１−１００）面である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上に有機金属気相成長法を用いてｎ型ＧａＮバッファ層１０２（０．２μｍ）、下側分布反射膜５０３、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０４、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５（Ｍｇドープ、ｐ＝７ｘ１０１７ｃｍ−３、０．１μｍ）、および厚さ約０．１μｍのｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６（Ｓｉドープ、ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、０．２μｍ）を順次結晶成長して図１６の構造を形成した。ここで、下側分布反射膜５０３は、図の下部の左側に拡大して示すように、ｎ型ＧａＮ層５０１（Ｓｉドープ、ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、３６ｎｍ）とｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ層５０２（Ｓｉドープ、ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、３３．７ｎｍ）を交互に３０周期積層した構造とした。ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層１０４は４層のＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｎウエル層１０７（厚さ７ｎｍ）とこれを挟む５層のＧａＮバリア層１０８（厚さ４ｎｍ）よりなっている。
【００４６】
ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６上に酸化シリコン膜を形成し、ホトリソグラフ技術を用いて発光領域となる孔を形成する。この酸化シリコン膜をマスクとしてリアクティブイオンエッチング法によりｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層１０６及びｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層１０５の一部を除去した。
【００４７】
次に、このウエハに再び有機金属気相成長法による結晶成長を行い、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２（Ｍｇドープ、ｐ＝１０１８ｃｍ−３，０．２μｍ）及びＧａＮキャップ層１１５（Ｍｇドープ、ｐ＝３×１０１７ｃｍ−３、０．１μｍ）を順次結晶成長した。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層１１２は、図の下部の中央に拡大して示すように、ＭｇドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層１１６（３．５ｎｍ）とＭｇドープＧａＮ層１１７（３．５ｎｍ）を交互に積層した構造となっている。
【００４８】
次に、ホトレジストをマスクとしたリフトオフ技術を用いてウエハの通電孔（電流ブロック層１０６の除去部）の上に直径約３μｍの上側分布反射膜５０６を形成する。上側分布反射膜５０６は、図の下部の右側に拡大して示すように、酸化シリコン膜５０４（７０．８ｎｍ）と酸化チタン５０５（３６．２ｎｍ）を積層した構造である。
【００４９】
本構造のウエハ表面の上側分布反射膜５０６をつけた領域以外のＧａＮ層１１７（Ｍｇドープ、ｐ＝３×１０１７ｃｍ−３、０．１μｍ）上にｐ側電極としてＴｉＡｕ層１１８を蒸着する。一方、ＧａＮ基板１０１の裏側にｎ側電極としてＮｉＡｌＡｕ層１１９を蒸着して図１６に示すような半導体レーザとした。
【００５０】
作製した半導体レーザはしきい値電流約０．５ｍＡでレーザ発振し、直列抵抗は約１５Ωであった。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（Ａ）はＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子の周期とキャリア密度の関係の例を示す図、（Ｂ）は超格子の周期と移動度の関係を示す図である。
【図２】超格子層により形成されるミニバンドのエネルギーの計算例を示す図である。
【図３】超格子層および平均組成の混晶の横方向及び縦方向の電気伝導度と超格子の周期の関係の例を示す図である。
【図４】再成長クラッド層と溝状の通電領域を持つ電流ブロック層との間に超格子横伝導層を形成した半導体レーザの素子抵抗計算のモデルを示す断面図である。
【図５】図４の超格子横伝導層が単一組成混晶と同じ等方的抵抗率を持つ場合の電流密度の分布の計算結果を示す図である。
【図６】図４の超格子横伝導層が縦横で５：１の異方的抵抗率を持つ場合の電流密度の分布の計算結果を示す図である。
【図７】実施例１の半導体レーザチップの電流ブロック層成長後の構造を示す斜視図である。
【図８】実施例１の半導体レーザチップの電流ブロック層に溝状の通電領域を形成した状態での
【図９】実施例１の半導体レーザチップの完成した構造を示す斜視図である。
【図１０】実施例２の半導体レーザチップの電流ブロック層成長後の構造を示す斜視図である。
【図１１】実施例２の半導体レーザチップの完成した構造を示す斜視図である。
【図１２】実施例３の半導体レーザチップの電流ブロック層成長後の構造を示す斜視図である。
【図１３】実施例３のレーザチップの完成した構造を示す斜視図である。
【図１４】実施例４のレーザチップの多層結晶成長完了時の構造を示す斜視図である。
【図１５】実施例４のレーザチップの完成した構造を示す斜視図である。
【図１６】実施例５のレーザチップの完成した構造を一部断面で示す斜視図である。
【図１７】従来のリッジ型半導体レーザの一例を示す斜視図である。
【図１８】自己整合型半導体レーザの電流ブロック層の効果を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…単一組成クラッド層、２…超格子横伝導層、３…溝状の通電領域、４…電流ブロック層、５…計算領域、６…半導体基板、７…ｎ型クラッド層、８…活性層、９…ｐ型クラッド層、１２…電流分布、１０１…ｎ型ＧａＮ基板、１０２…ｎ型ＧａＮバッファ層、１０３…ｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層、１０４…ＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層、１０５…ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子層、１０６…ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ電流ブロック層、１０７…Ｇａ０．８Ｉｎ０．２Ｎウエル層、１０８…ＧａＮバリア層、１０９…Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ、１１０…ＧａＮ、１１１…ストライプ状の溝、１１２…ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層、１１３…ｐ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ第２クラッド層、１１４…ＧａＮキャップ層、１１５…ＧａＩｎＮ超格子コンタクト層、１１６…Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層、１１７…ＧａＮ層、１１８…ＴｉＡｕ層、１１９…ＮｉＡｌＡｕ層、２０１…ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ電流ブロック層、２０２…変調ドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子横伝導層、２０３…アンドープＧａＮ層、３０１…回折格子、３０２…ＡｌＧａＮ／ＧａＮ長周期超格子横伝導層、４０１…アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ光導波層、４０２…吸収緩和領域、５０１…ｎ型ＧａＮ、５０２…ｎ型Ａｌ０．１６Ｇａ０．８Ｉｎ０．０４Ｎ、５０３…下側分布反射膜、５０４…酸化シリコン膜、５０５…酸化チタン、５０６…上側分布反射膜。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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