(57)【要約】【課題】半極性基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子において、通電時における電圧の低減が図られ、信頼性に優れた半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体基板の半極性面上に、第１導電型のＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（ｘ１＞０、ｙ１＞０）からなる第１クラッド層を形成し、第１クラッド層上に発光層を形成する。そして、発光層上に第２導電型のＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦０．０２、０．０３≦ｙ２≦０．０７）からなる第２クラッド層を形成することにより、窒化物系半導体レーザ素子を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板と、
Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（ｘ１＞０、ｙ１＞０）からなる第１導電型の第１クラッド層と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦０．０２、０．０３≦ｙ２≦０．０７）からなる第２導電型の第２クラッド層と、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の間に形成される発光層とを有し、前記半導体基板の半極性面上に形成されたエピタキシャル層と、
を備える半導体素子。
【請求項２】
前記第２クラッド層の組成は、前記半導体基板に対する格子不整合度ｄａ／ａが、｜ｄａ／ａ｜≦０．００１４５を満たす範囲内とされている
請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第２クラッド層の組成は、前記第２クラッド層のバンドギャップが３．４５ｅＶ以上となるように構成されている
請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第２クラッド層の膜厚は、２００ｎｍ以上とされている
請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第２クラッド層を構成するＡｌ組成比ｙ２は、０．０３５≦ｙ２≦０．０６とされている
請求項４に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第２クラッド層を構成するＩｎ組成比ｘ２は０である
請求項５に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体素子に関し、より詳細には、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、現在、非常に多くの技術分野で利用されているが、例えばテレビやプロジェクタなどの映像表示装置の分野においても重要な光デバイスになっている。このような用途では、光の三原色である赤色、緑色及び青色の光を出力する半導体レーザが必要となり、また、レーザ特性の向上が求められている。
【０００３】
特許文献１では、波長３７５ｎｍ以下の短波長領域で用いられる窒化物系半導体レーザ装置において、活性層（発光層）を挟む二つのクラッド層のうち、少なくとも一方に、Ａｌ及びＩｎを含む窒化物半導体層を形成する構成が記載されている。特許文献１では、例えばｎ側クラッド層をＩｎＡｌＧａＮで構成し、ｐ側クラッド層をＡｌＧａＮで構成することで、結晶性の悪化の抑制や、素子特性の向上が図られている。
【０００４】
ところで、赤色及び青色の半導体レーザは、すでに実用化されているが、近年では、緑色（波長５００〜５６０ｎｍ程度）の半導体レーザの開発も活発に行われている（例えば、非特許文献１及び２参照）。非特許文献１及び２には、ｎ型ＧａＮ基板の半極性面｛２，０，−２，１｝上に、ｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮからなる活性層を含む発光層及びｐ型クラッド層、すなわち、レーザ構造体をこの順で積層したＩＩＩ族窒化物半導体レーザ（緑色レーザ）が提案されている。なお、本明細書では、六方晶系結晶の面方位を｛ｈ，ｋ，ｌ，ｍ｝（ｈ、ｋ、ｌ及びｍは面指数）で表記する。
【０００５】
非特許文献１及び２では、ＧａＮ基板の半極性面上にエピタキシャル層を結晶成長させることで、ピエゾ電界の影響を抑えつつ結晶品質に優れた緑色レーザが実現されている。しかしながら、半導体基板の半極性面上に素子形成された半導体レーザ素子は、その基板の特性や基板上部に形成するエピタキシャル層の特性が、従来の半導体基板の極性面に素子形成された半導体レーザ素子とは異なる。このため、半導体基板の半極性面を用いた半導体レーザにおいて更なる開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３３５０５２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】京野孝史ら：「世界初の新規ＧａＮ基板上純緑色レーザ開発I」、２０１０年１月、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７６号、８８〜９２頁
【非特許文献２】足立真寛ら：「世界初の新規ＧａＮ基板上純緑色レーザ開発II」、２０１０年１月、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７６号、９３〜９６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の点に鑑み、本開示は、半極性基板を用いた窒化物系半導体素子において、通電時における電圧の低減が図られ、信頼性に優れた半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の半導体素子は、六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板と、エピタキシャル層とを備える。エピタキシャル層は、第１導電型の第１クラッド層と、第２導電型の第２クラッド層と、第１クラッド層及び第２クラッド層の間に形成された発光層を備える。そして、第１クラッド層はＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（ｘ１＞０、ｙ１＞０）で構成され、第２クラッド層はＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦０．０２、０．０３≦ｙ２≦０．０７）で構成される。
【００１０】
本開示の半導体素子では、第２クラッド層のＡｌ組成比ｙ２が０．０７以下とされるため、第２クラッド層内の酸素濃度が低減され、通電時における低電圧化が図られる。また、第２クラッド層のＡｌ組成比ｙ２が０．０３以上とされるため、光閉じ込め係数が高くなると共に内部ロスが減少し、しきい電流の低減化が図られる。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、半極性基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子において、通電時における電圧の低減が図られ、信頼性に優れた半導体レーザ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の概略断面構成図である。
【図２】図２ＡはＧａＮの結晶構造においてｃ面を明示する図であり、図２ＢはＧａＮの結晶構造においてｍ面を明示する図である。
【図３】ＧａＮの結晶構造において半極性面を明示する図である。
【図４】試料１〜３における第２クラッド層内の酸素濃度を示す図である。
【図５】試料１〜３における電圧−電流特性を示す図である。
【図６】試料１、試料４〜８における第２クラッド層の観察結果を示す図である。
【図７】試料１、試料４〜８における第２クラッド層の観察結果と、Ａｌ組成比に対する臨界膜厚の理論曲線とを重ねて示した図である。
【図８】試料１、試料４〜８の結果を、格子不整合度の観点から示した図である。
【図９】第２クラッド層のＡｌ組成比に対する内部ロスαｉ及び光閉じ込め係数Γの依存性を示す計算結果である。
【図１０】第２クラッド層のＡｌ組成比を変化させた場合のしきい電流の変化を測定した実験結果である。
【図１１】第２クラッド層を構成するＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２ＮのＡｌ組成比ｙ２及びＩｎ組成比ｘ２の好ましい範囲を実験結果に基づいて示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の半導体素子を、半導体レーザ素子として図を参照しながら説明する。本開示の実施形態は以下の順で説明する。なお、本開示は以下の例に限定されるものではない。
１．半導体レーザ素子の構成
２．第２クラッド層の構成
【００１４】
〈１．半導体レーザ素子の構成〉
［半導体レーザ素子の全体構成］
図１に、本開示の一実施形態に係る半導体レーザ素子の概略断面構成図を示す。
半導体レーザ素子１３は、半導体基板１と、エピタキシャル層２と、絶縁層１０と、第１電極１２と、第２電極１１とを備える。本実施形態の半導体レーザ素子１３では、半導体基板１の一方の面１ａ上に、エピタキシャル層２、絶縁層１０、第１電極１２がこの順で形成される。また、半導体基板１の他方の面１ｂ上には、第２電極１１が形成される。なお、後述のように、半導体基板１は、半極性面１ａが例えば｛２，０，−２，１｝面等の半極性面である半極性基体であり、エピタキシャル層２、絶縁層１０、第１電極１２の積層方向は、その半極性面１ａの法線方向となる。
【００１５】
半導体レーザ素子１３は、図示を省略するが、略直方体状の形状を有し、第１電極１２及び第２電極１１で挟まれる積層体の対向する一対の端面（側面）は共振器端面を構成する。この一対の共振器端面間の長さは、例えば数百μｍ程度とされている。
【００１６】
［各部の構成］
次に、本実施形態の半導体レーザ素子１３の各部の構成について、より詳細に説明する。
【００１７】
（１）半導体基板
半導体基板１は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の六方晶系のＩＩＩ族窒化物半導体で形成される。また、半導体基板１としては、キャリアの導電型がｎ型の基板を用いることができる。そして、本実施形態では、エピタキシャル層２、絶縁層１０及び第１電極１２が形成される半導体基板１の一方の面を、ｃ面（極性面）でなく、半極性面１ａで構成する。
【００１８】
ここで、図２Ａ及び図２Ｂ、並びに、図３に、ＧａＮの結晶構造を示す。ＧａＮは、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、六方晶と呼ばれる結晶構造を有し、発光層内部に発生するピエゾ電界はｃ軸に沿って発生するので、ｃ軸に直交するｃ面２０１（｛０，０，０，１｝面）は極性を有し、極性面と呼ばれる。一方、ｍ軸に直交するｍ面２０２（｛１，０，−１，０｝面）は、ｃ軸に平行であるので無極性面になる。それに対して、ｃ軸をｍ軸方向に所定角度傾けた軸方向を法線方向とする面、例えば、図３に示す例では、ｃ軸をｍ軸方向に７５度傾けた軸方向を法線方向とする面（｛２，０，−２，１｝面２０３）はｃ面とｍ面の中間的な面となり、半極性面と呼ばれる。半極性面は、ｃ面よりも緩和しやすい特性を有する。
【００１９】
本実施形態のように、半導体基板１の半極性面１ａ上に、エピタキシャル層２、絶縁層１０及び第１電極１２を形成した場合には、例えば、波長が５００ｎｍ付近の緑色の光を発振させることができる。
【００２０】
半極性面１ａとしては、半極性面１ａの法線方向が、ｃ軸をｍ軸方向に４５度〜８０度、又は、１００度から１３５度傾けた方向である結晶面を用いることができる。
【００２１】
また、上記角度範囲の中でも、長波長の発光を得るためには、半極性面１ａの法線方向とｃ軸との間の角度が６３度〜８０度、又は、１００度〜１１７度にすることが好ましい。これらの角度範囲では、エピタキシャル層２内の後述する発光層６でのピエゾ分極が小さくなるとともに、活性層成長（形成）時のＩｎの取り込みが良好になり、発光層６（活性層）におけるＩｎ組成の可変範囲を広げることができる。それゆえ、半極性面１ａの法線方向とｃ軸との間の角度を上記角度範囲とすることにより、長波長の発光を得易くすることができる。
【００２２】
上記角度範囲内の法線方向を有する半極性面１ａとしては、例えば、｛２，０，−２，１｝面、｛１，０，−１，１｝面、｛２，０，−２，−１｝面、｛１，０，−１，−１｝面等の結晶面を用いることができる。なお、これらの結晶面から±４度程度、微傾斜した結晶面も半極性面１ａとして用いることができる。本実施形態では、半導体基板１としてｎ型のＧａＮを用い、その｛２，０，−２，１｝面を一方の主面として構成した。ＧａＮは、二次元化合物である窒化ガリウム系半導体であるため、良好な結晶品質と安定した基板面（主面）を提供できる。
【００２３】
（２）エピタキシャル層、絶縁層、第１電極、第２電極
次に、本実施形態の半導体レーザ素子１３のエピタキシャル層２、絶縁層１０、第１電極１２、第２電極１１について説明する。
【００２４】
本実施形態では、エピタキシャル層２は、図１に示すように、バッファ層３と、第１クラッド層４と、第１光ガイド層５と、発光層６と、第２光ガイド層７と、第２クラッド層８と、コンタクト層９とを備える。そして、バッファ層３、第１クラッド層４、第１光ガイド層５、発光層６、第２光ガイド層７、第２クラッド層８及びコンタクト層９は、半導体基板１の半極性面１ａ上に、この順で積層される。
【００２５】
バッファ層３は、半導体基板１の一方の主面とされた半極性面１ａ上に形成されており、ｎ型のドーパントが添加された窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、バッファ層３は、例えばｎ型のＧａＮ層で構成することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを適用することができる。
【００２６】
第１クラッド層４は、バッファ層３上部に形成され、ｎ型のドーパントが添加された一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第１クラッド層４は、ｎ型のＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ層（ｘ１＞０、ｙ１＞０）で構成することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを適用することができる。第１クラッド層４では、ＩｎＡｌＧａＮからなる４元系で構成することにより半導体基板１の半極性面１ａへ格子整合を得ながらバンドギャップを調整することが可能となる。また、第１クラッド層４の膜厚は、例えば７００ｎｍ以上とされるのが好ましい。
【００２７】
第１光ガイド層５は、第１クラッド層４上部に形成され、一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第１光ガイド層５は、例えばノンドープ又はｎ型のＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＩｎＡｌＧａＮ層等で構成することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを適用することができる。
【００２８】
発光層６は、第１光ガイド層５上部に形成され、不純物が添加されないノンドープの窒化ガリウム系半導体層で構成された井戸層（不図示）と障壁層（不図示）とが交互に配置された構成とされる。より具体的には、井戸層及び障壁層は、例えばノンドープ又はｎ型のＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＩｎＡｌＧａＮ層等で構成することができ、ｎ型のドーパントとしてはＳｉを適用することができる。このとき、障壁層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように構成する。
【００２９】
発光層６は、一層の井戸層を備える単一量子井戸構造としてもよく、また、複数の井戸層と障壁層とが交互に配置された多重量子井戸構造としてもよい。本実施形態では、半導体基板１の半極性面１ａ上に各層を積層することで、波長４３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の光を発振する発光層６を形成することができる。また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１３の構造は、特に、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発振に好適である。
【００３０】
第２光ガイド層７は、発光層６上部に形成され、一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第２光ガイド層７は、例えばノンドープ又はｐ型のＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層等で構成することができ、ｐ型のドーパントとしてはＭｇを適用することができる。
【００３１】
第２クラッド層８は、第２光ガイド層７上部に形成され、一層又は複数層の窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、第２クラッド層８は、ｐ型のＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ層（０≦ｘ２≦０．０２、０．０３≦ｙ２≦０．０７）で構成することができ、ｐ型のドーパントとしてはＭｇを適用することができる。また、第２クラッド層８の膜厚は、例えば２００ｎｍ以上とされるのが好ましい。
本実施形態の半導体レーザ素子１３では、特に、第２クラッド層８の組成をより好ましい範囲に特定することで、低電圧化や、低しきい電流化を図る。第２クラッド層８の好ましい組成を決定する要因や、その膜厚については後述する。
【００３２】
コンタクト層９は、第２クラッド層８上部に形成され、ｐ型のドーパントが添加された窒化ガリウム系半導体層で構成される。より具体的には、コンタクト層９は、例えばｐ型のＧａＮ層で構成することができ、ｐ型のドーパントとしてはＭｇを適用することができる。
【００３３】
絶縁層１０は、コンタクト層９上部に形成され、その一部を開口するように形成されている。絶縁層１０は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁材料で形成することができる。
【００３４】
第１電極１２は、一層又は複数層の導電膜で形成され、絶縁層１０に開口に露出されたコンタクト層９を含む絶縁層１０上部に形成され、コンタクト層９に電気的に接続されるように形成されている。第１電極１２を構成する導電材料としては、コンタクト層９とオーミック接触可能な材料であればよい。第１電極１２は、例えばＰｄ膜等で構成でき、単層でも複数層でもよい。
【００３５】
第２電極１１は、一層、又は複数層の導電膜で形成され、半導体基板１の他方の面（裏面１ｂ）上に形成されている。第２電極１１は、例えばＡｌ膜等で構成でき、単層でも複数層でもよい。
そして、本実施形態では、第１電極１２及び第２電極１１間に所望の電流を流すことにより、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の緑色のレーザ光が得られる。
【００３６】
〈２．第２クラッド層の構成〉
本提案者らは、本実施形態の半導体レーザ素子１３における第２クラッド層８の構成について様々な検証を行い、第２クラッド層８の好適な組成やその膜厚を求めた。
【００３７】
第２クラッド層８を構成するＡｌの濃度が高い場合、クラッド層中の酸素（Ｏ）が増加して、本来ｐ型としている第２クラッド層８において、ｐ型のキャリア濃度が薄まり、駆動時の電圧が高くなる。一方、光の閉じ込めや内部ロスの観点からすると、Ａｌ濃度が高いほど低いしきい値電流が得られる。また、Ａｌ組成によってコヒーレント成長が可能な範囲を示す臨界膜厚も変化する。
そこで、本実施形態では、主に酸素濃度限界、臨界膜厚（格子不整限界）、低しきい電流の観点から、第２クラッド層８の組成の好適な範囲を求めた。
【００３８】
以下に、本実施形態の半導体レーザ素子１３について、第２クラッド層８を構成するＡｌ組成比とＩｎ組成比の好適な範囲を検証した実験について説明する。ここでは、第２クラッド層８の組成を異ならせた複数の半導体レーザ素子を作製し、その半導体レーザ素子を試料として実験を行った。
【００３９】
まず、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎからなる第２クラッド層８のＩｎ組成比ｘ２と、Ａｌ組成比ｙ２とを異ならせた試料（半導体レーザ素子）１〜３に含有される酸素濃度と、その試料１〜３の電圧−電流特性について測定した。
【００４０】
［試料１］
以下に、試料１に係る半導体レーザ素子を構成する半導体基板１、及びエピタキシャル層２の各層の組成について説明する。
【００４１】
半導体基板１は、ｎ型のＧａＮ層で構成し、｛２，０，−２，１｝面からなる半極性面を結晶成長面とした。
バッファ層３は、ｎ型のＧａＮ層で構成し、膜厚は１１００ｎｍとした。また、バッファ層３では、ｎ型の不純物としてＳｉを用いた。
第１クラッド層４は、膜厚１２００ｎｍのｎ型のＩｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ層で構成した。また、第１クラッド層４では、ｎ型の不純物としてＳｉを用いた。
【００４２】
第１光ガイド層５の構造は、第１クラッド層４側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層、第３結晶層からなる３層構造（不図示）とした。第１光ガイド層５を構成する第１結晶層は、ｎ型のＧａＮ層で構成し、膜厚は２５０ｎｍとした。また、この第１結晶層では、ｎ型の不純物としてＳｉを用いた。第１光ガイド層５を構成する第２結晶層は、ｎ型のＩｎ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎ層で構成し、膜厚は１１４ｎｍとした。また、この第２結晶層では、ｎ型の不純物としてＳｉを用いた。第１光ガイド層５を構成する第３結晶層は、ノンドープのＩｎ０．０４５Ｇａ０．９５５Ｎ層で構成し、膜厚は１ｎｍとした。
【００４３】
発光層６は、ノンドープのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎで構成し、膜厚は３ｎｍとした。
第２光ガイド層７の構造は、発光層６側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層、第３結晶層からなる３層構造（不図示）とした。第２光ガイド層７を構成する第１結晶層は、ノンドープのＩｎ０．０２５Ｇａ０．９７５Ｎ層で構成し、膜厚は７５ｎｍとした。第２光ガイド層７を構成する第２結晶層は、ｐ型のＧａＮ層で構成し、膜厚は１５ｎｍとした。また、この第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。第２光ガイド層７を構成する第３結晶層は、ｐ型のＧａＮ層で構成し、膜厚は２００ｎｍとした。また、この第３結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００４４】
第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造（不図示）とした。第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また第２クラッド層８を構成する第１結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００４５】
コンタクト層９の構造は、第２クラッド層８側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造（不図示）とした。コンタクト層９を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ、不純物濃度の異なるｐ型のＧａＮ層で構成し、第１結晶層の膜厚を４０ｎｍ、第２結晶層の膜厚を１０ｎｍとして形成した。また、コンタクト層９を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００４６】
［試料２］
試料２は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００４７】
試料２では、第２クラッド層８の構造は第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料２において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＩｎ０．０１５Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１５Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００４８】
［試料３］
試料３は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００４９】
試料３では、第２クラッド層８の構造は第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料３において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＩｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ構造で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００５０】
図４は、試料１〜３における第２クラッド層８内の酸素濃度を示す図である。図４において、横軸は第２クラッド層８におけるＡｌ組成比を示し、縦軸は、第２クラッド層８内の酸素濃度を示している。また、図５は、試料１〜３における電圧−電流特性を示している。図５において、横軸は電流値を示し、縦軸は電圧値を示している。
【００５１】
図４より、第２クラッド層８内の酸素濃度は第２クラッド層８を構成するＡｌの組成比に依存性を有しており、Ａｌ組成比が低い程、酸素濃度も低くなることがわかる。一方、図５に示すように、第２クラッド層８内のＡｌ組成比が低い程、同一電流に対する電圧が低くなっていることがわかる。これは、前述したように、第２クラッド層８内の酸素濃度が高くなると、第２クラッド層８のｐ型のキャリア濃度が薄まり、抵抗が高くなってしまうことに拠るものである。
【００５２】
図４及び図５に示すように、第２クラッド層８のＡｌ組成を低くすることで、第２クラッド層８に含有される酸素（不純物）濃度を低くし、低電圧化が可能であることが確認された。また、試料３（Ａｌ組成比０．１４、酸素濃度８．０×１０１７／ｃｍ３）に比較して試料２の方が低電圧化が可能であり、さらに、試料２に比較して試料１の方が低電圧化が可能であることが確認された。そして、試料３と試料２とでは電圧に顕著な差が見られる。したがって、酸素濃度の観点からすると、第２クラッド層８のＡｌ組成比は０．０７以下であることが好ましいといえる。
【００５３】
ところで、第２クラッド層８のＡｌ組成比を決定する１つの要素として、臨界膜厚が挙げられる。臨界膜厚は、エピタキシャル層がコヒーレント成長するための限界の膜厚であり、エピタキシャル層の組成比が異なることによりその厚さは異なる。そこで、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（ｘ２＝０、ｙ２＞０）からなる第２クラッド層８のＡｌの組成比ｙ２を異ならせた試料（半導体レーザ素子）１、４〜８を用いて、臨界膜厚を評価した。試料１は、上述した試料１である。以下に、試料４〜８の組成について説明する。
【００５４】
［試料４］
試料４は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００５５】
試料４における第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料４において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００５６】
［試料５］
試料５は、第２クラッド層８の組成及び膜厚のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００５７】
試料５における第２クラッド層８の構造は、１層構造で、ｐ型のＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層で構成し、その膜厚は２５０ｎｍとした。また、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００５８】
［試料６］
試料６は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００５９】
試料６における第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。また、試料６において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００６０】
［試料７］
試料７は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００６１】
試料７における第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料７における第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００６２】
［試料８］
試料８は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００６３】
試料８における第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料８において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００６４】
図６に、試料１、試料４〜８における第２クラッド層８の関係を示す。また、図７に、Ａｌ組成比に対する臨界膜厚の理論曲線を示す。図７では、図６の特性点を合わせて記載している。図６において、横軸はＡｌ組成比であり、縦軸は膜厚である。ここで、図７に示す理論曲線は、ＧａＮ基板の｛１，１，−２，２｝面に、ＡｌＧａＮ層をエピタキシャル成長させた場合のＡｌ組成比に対する臨界膜厚を計算したものであり、D.Holecらの計算結果(D.Holec,et al,J.Appl.Phys.104,123514(2008))を引用した。理論曲線は、コヒーレント成長する限界の膜厚（臨界膜厚）を示しており、理論曲線の下側がコヒーレント成長域、上側が格子緩和成長域である。  
【００６５】
実験では、試料１、試料４〜８について、Ｘ線回折の逆格子マッピング測定を行った。その結果、試料１及び試料４〜６では、それぞれ、第２クラッド層８がａ軸方向にコヒーレント成長していることが観察され、試料７及び８では、第２クラッド層８がａ軸を回転軸にチルト（Ｔｉｌｔ）して成長していることが観察された。
【００６６】
また、試料１、試料４〜８の観察結果と理論曲線とを比較すると、図７からわかるように、実際の試料の方が理論曲線よりもコヒーレント成長域が大きいものの、理論曲線が示す傾向にほぼ一致していることがわかる。したがって、理論曲線が示す臨界膜厚以下であれば、第２クラッド層８をコヒーレント成長させることができる。理論曲線と観察結果から、例えば、Ａｌ組成比が０．０７であるときの臨界膜厚は２５０ｎｍ程度であり、Ａｌ組成比が０．０６であるときの臨界膜厚は４００ｎｍ程度であるといえる。
【００６７】
さらに、本提案者らの知見によると、ＡｌＧａＮ層を膜厚４００ｎｍまでコヒーレント成長させるためには、Ａｌ組成比は６％程度が臨界であることが見出された。すなわち、膜厚４００ｎｍ以上とするためには、第２クラッド層８の組成はＡｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ２≦０．０６）であることが好ましい。
【００６８】
ところで、図７の実験結果から得られた第２クラッド層８の好適な組成は、第２クラッド層８をＡｌＧａＮからなる３元系元素で形成した場合のみを考慮したものである。そこで、第２クラッド層８を、ＩｎＡｌＧａＮからなる４原系元素で形成した場合の組成について検討した。以下では、コヒーレント成長可能なエピタキシャル層の組成を、格子不整の観点から求めた。
【００６９】
一般的に、基板に対するエピタキシャル層の格子不整合度は、基板及びエピタキシャル層の格子定数の差と、基板の格子定数との比で求めることができる。すなわち、基板の格子定数をａ、エピタキシャル層の格子定数をａ’とすると、格子不整合度はｄａ／ａ（ｄａ＝ａ’−ａ）で表すことができる。これらの格子定数ａ、ａ’は、ベガード則とよばれる一般式で求めることができる定数である。
【００７０】
上述したように、ＧａＮからなる半導体基板上にＡｌＧａＮ層を膜厚４００ｎｍ程度までコヒーレント成長させることができるＡｌ組成比の臨界値は０．０６であることがわかった。そこで、Ａｌ組成比が０．０６であるＡｌＧａＮ層を、ＧａＮからなる基板に対する格子不整合度で表現すると、以下の［数１］で表される。
【００７１】
【数１】
2013168393.tif 000003
【００７２】
ここで、ｄａ＝ａ’−ａであり、ａ’はＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎのａ軸の格子定数、ａはＧａＮ基板のａ軸の格子定数である。したがって、｜ｄａ／ａ｜≦０．００１４５であれば、エピタキシャル層（ＡｌＧａＮ層）は格子の連続性を保持してコヒーレント成長する。
【００７３】
図８は、試料１、試料４〜８の結果を、格子不整合度の観点から示した図である。図８の横軸は、格子不整合度であり、縦軸は膜厚である。このような格子不整度と膜厚との関係は、第２クラッド層８をＩｎＡｌＧａＮ層からなる４元系元素で構成する場合にも適用することができる。したがって、第２クラッド層８をＩｎＡｌＧａＮ層で構成する場合には、以下に示す［数２］の条件を満たす組成を選べばよい。
【００７４】
【数２】
2013168393.tif 000004
【００７５】
ここで、ｄａ＝ａ’−ａであり、ａ’はＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎの格子定数、ａはＧａＮ基板の格子定数である。
【００７６】
次に、しきい電流の観点から第２クラッド層８の組成について検討した。［数３］に、半導体レーザ素子におけるしきい電流密度Ｊｔｈの一般式を示す。
【００７７】
【数３】
2013168393.tif 000005
【００７８】
ここで、ηは内部量子効率、ｄは活性層の厚み、Γは光閉じ込め係数、αｉは内部ロス、Ｌは共振器長、Ｒｆ，Ｒｒは表面、裏面端面反射率、Ｊ０はゲインを生じる必要電流密度、ｇ０は利得を表す。この［数３］の右辺と左辺との関係を簡略化すると、以下の［数４］で示すことができる。
【００７９】
【数４】
2013168393.tif 000006
【００８０】
［数４］からわかるように、半導体レーザ素子では、内部ロスαｉが小さいほど低しきい電流が得られ、光閉じ込め係数Γが大きいほど低しきい電流が得られることがわかる。図９は、第２クラッド層８のＡｌ組成比に対する内部ロスαｉ及び光閉じ込め係数Γの依存性を示す計算結果である。図９の横軸は、第２クラッド層のＡｌ組成比（％）を示し、縦軸に光閉じ込め係数Γ、及び、内部ロスαｉと光閉じ込め係数Γとの比αｉ／Γ（／ｃｍ）を示す。
【００８１】
図９に示すように、光閉じ込め係数Γは、第２クラッド層８のＡｌ組成比が高くなるにつれて大きくなることがわかった。一方、内部ロスαｉはＡｌ組成比が高くなるにつれて小さくなり、その結果、内部ロスαｉと光閉じ込め係数Γとの比αｉ／Γ（／ｃｍ）は、第２クラッド層のＡｌ組成比が高くなるにつれて小さくなることがわかった。この結果から、本実施形態の半導体レーザ素子１３では、第２クラッド層８のＡｌ組成比が大きいほど低しきい電流が得られることがわかる。
【００８２】
そこで、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（ｘ２＝０、ｙ２＞０）からなる第２クラッド層８のＡｌの組成比ｙ２、及びドーパント量を異ならせた試料（半導体レーザ素子）９〜１３を用いてレーザを作製し、しきい電流を測定した。以下に、試料９〜１３の組成について説明する。
【００８３】
［試料９］
試料９は、試料１と同一構造であって、説明を省略する。
【００８４】
［試料１０］
試料１０は、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層の不純物濃度のみが試料９と異なる構成とされている。その他の構成は試料９と同様であるから説明を省略する。
【００８５】
［試料１１］
試料１１は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００８６】
試料１１における第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料１１において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．０３５Ｇａ０．９６５Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００８７】
［試料１２］
試料１２は、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層の不純物濃度のみが試料１１と異なる構成とされている。その他の構成は試料１１と同様であるから説明を省略する。
【００８８】
［試料１３］
試料１３は、第２クラッド層８の組成のみが試料１と異なる構成とされているため、以下では、第２クラッド層８の構成のみを説明し、その他の層の構成についての説明は省略する。
【００８９】
試料１３における第２クラッド層８の構造は、第２光ガイド層７側から順に形成された第１結晶層、第２結晶層からなる２層構造とした。試料１２において、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層は、それぞれ不純物濃度の異なるｐ型のＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ層で構成し、それぞれの膜厚は２００ｎｍとした。また、第２クラッド層８を構成する第１結晶層及び第２結晶層では、ｐ型の不純物としてＭｇを用いた。
【００９０】
図１０は、第２クラッド層８のＡｌ組成比を変化させた場合のしきい電流の変化を測定した実験結果である。試料９〜試料１３におけるしきい電流の測定結果からわかるように、Ａｌ組成比が大きくなるにつれてしきい電流が小さくなり、図９に示した計算結果と整合する傾向を示した。
【００９１】
ところで、内部ロスαｉを決める因子として、Ａｌ組成比の他に、不純物のドーパント量がある。同じＡｌ組成比（同じ光閉じ込め）であっても不純物のドーパント量が異なる場合、内部ロスαｉが異なり、しきい電流が変わるが、図１０に示すようにドーパント量が異なる場合にも、Ａｌ組成比の増加に伴い、しきい電流が低下する傾向を示している。
【００９２】
また、しきい電流は光ガイド層の組成や膜厚によっても変化するため設計上で一意には決まらないが、第２クラッド層８のＡｌ組成比の観点からすると、第２クラッド層８におけるＡｌ組成比は０．０３以上であることが好ましい。また、図１０からわかるように、第２クラッド層８のＡｌ組成比が０．０３の場合と、０．０３５の場合のしきい電流には顕著な差が見られ、第２クラッド層８のＡｌ組成比が０．０３５以上とすることでしきい電流をより低減できることがわかる。さらに、実験の結果と計算結果とは定性的に良い整合を示すことから、計算結果からＡｌ組成比が０．０３未満ではしきい電流２００ｍＡ以上が想定され、特性として好ましくない。すなわち、本実施形態では、第２クラッド層８のＡｌ組成比は０．０３以上であることが好ましく、０．０３５以上であることがより好ましい。
【００９３】
ところで、図１０の実験結果から得られた第２クラッド層８の好適な組成は、第２クラッド層８をＡｌＧａＮからなる３元系元素で形成した場合のみを考慮したものである。そこで、第２クラッド層８を、ＩｎＡｌＧａＮからなる４元系元素に拡張した場合の組成について検討する。光閉じ込め係数Γは各層の屈折率と関係し、また各層の屈折率はバンドギャップに関係する。したがって、ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比が０．０３以上）が示すバンドギャップと同等のバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮであれば、上述した試料９〜１３と同等の光閉じ込め効果が得られ、しきい電流の低減が図られる。
【００９４】
第２クラッド層８をＡｌ０．０３Ｇａ０．９７Ｎで構成した場合のバンドギャップは、Ｅｇ＝３．４５ｅＶ（波長換算で３５９．２７ｎｍ）であり、Ａｌ組成比の上昇に伴いバンドギャップは大きくなる。すなわち、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２ＮのＡｌ組成比ｙ２のｙ２≧０．０３という関係をバンドギャップで置き換えると、Ｅｇ≧３．４５ｅＶという関係になる。したがって、第２クラッド層をＩｎＡｌＧａＮからなる４元系元素で構成した場合には、そのバンドギャップがＥｇ≧３．４５ｅＶの範囲内であれば、ＡｌＧａＮと同様の光閉じ込め効果が得られ、しきい電流の低減が図られる。
【００９５】
以下に、上述した実験結果をまとめる。
図１１は、第２クラッド層８を構成するＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２ＮのＡｌ組成比ｙ２及びＩｎ組成比ｘ２の好ましい範囲を、上述した実験結果に基づいて示した図である。図１１の横軸はＡｌ組成比ｙ２であり、縦軸はＩｎ組成比ｘ２である。
【００９６】
まず、酸素濃度限界の観点からみた第２クラッド層８のＡｌ組成比ｘ２の好適な範囲は、図４及び図５で示したように、ｙ２≦０．０７であった。したがって、第２クラッド層８を構成するＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２ＮのＡｌ組成比ｙ２の上限は０．０７であり、Ａｌ組成比ｙ２≦０．０７であれば第２クラッド層８内の酸素濃度が抑制されるとともに通電時の電気抵抗が下がるため、低電圧化を図ることができる。
【００９７】
一方、臨界膜厚の観点からみると、第２クラッド層８の膜厚を少なくとも４００ｎｍ程度までコヒーレント成長させるためのＡｌ組成比ｙ２の好適な範囲は、ｙ２≦０．０６であった。また、格子不整の観点からみると、第２クラッド層８の膜厚を４００ｎｍ以上とするためには、第２クラッド層８の組成は上述の［数２］を満足するＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ層で構成されるのが好ましい。
【００９８】
また、しきい電流の観点からみたＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎからなる第２クラッド層８のＡｌ組成比ｙ２の好適な範囲は、図１０で示したように、ｙ２≧０．０３であった。したがって、第２クラッド層８を構成するＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２ＮのＡｌ組成比ｙ２の下限は０．０３であり、Ａｌ組成比ｙ２≧０．０３であれば光閉じ込め係数Γが大きくなるともに内部ロスαｉが小さくなり、しきい電流を低減することができる。また、バンドギャップの観点からみると、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎからなる第２クラッド層８は、Ｅｇ≧３．４５ｅＶの範囲内であれば、しきい電流の低減を図ることができる。
【００９９】
以上の実験結果から求められた本実施形態の第２クラッド層８を構成するＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ層における好適なＡｌ及びＩｎの組成範囲を、図１１のグラフ中に色づけ（ハッチング）で示した（図１１中の領域Ｓ参照）。図１１より、第２クラッド層８を構成するＩｎ組成比ｘ２の好適な範囲は０≦ｘ２≦０．０２であることがわかる。本実施形態の半導体レーザ素子１３では、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎからなる第２クラッド層８を、図１１に示す領域Ｓ内にある組成で形成することにより、低電圧化、低しきい電流が図られた半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１００】
なお、上述の実施形態では、半導体基板１側に第１クラッド層４を設ける例を示したが、ｐ型の半導体基板を用いる場合には、第１クラッド層４〜第２クラッド層８の各層の積層順を逆にすることで本開示と同様の効果を得ることができる。
また、本開示の半導体レーザ素子は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。
【０１０１】
本開示は以下の構成をとることもできる。
（１）
六方晶系ＩＩＩ族窒化物半導体で形成された半極性面を有する半導体基板と、
Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（ｘ１＞０、ｙ１＞０）からなる第１導電型の第１クラッド層と、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦０．０２、０．０３≦ｙ２≦０．０７）からなる第２導電型の第２クラッド層と、前記第１クラッド層及び前記第２クラッド層の間に形成される発光層とを有し、前記半導体基板の半極性面上に形成されたエピタキシャル層と、
を備える半導体素子。
（２）
前記第２クラッド層の組成は、前記半導体基板に対する格子不整合度ｄａ／ａが、｜ｄａ／ａ｜≦０．００１４５を満たす範囲内とされている
（１）に記載の半導体素子。
（３）
前記第２クラッド層の組成は、前記第２クラッド層のバンドギャップが３．４５ｅＶ以上となるように構成されている
（１）又は（２）に記載の半導体素子。
（４）
前記第２クラッド層の膜厚は、２００ｎｍ以上とされている
（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体素子。
（５）
前記第２クラッド層を構成するＡｌ組成比ｙ２は、０．０３５≦ｙ２≦０．０６とされている
（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体素子。
（６）
前記第２クラッド層を構成するＩｎ組成比ｘ２は０である
（１）〜（５）のいずれかに記載の半導体素子。  
【符号の説明】
【０１０２】
１・・・半導体基板、１ａ・・・半極性面、１ｂ・・・裏面、２・・・エピタキシャル層、３・・・バッファ層、４・・・第１クラッド層、５・・・第１光ガイド層、６・・・発光層、７・・・第２光ガイド層、８・・・第２クラッド層、９・・・コンタクト層、１０・・・絶縁層、１１・・・第２電極、１２・・・第１電極、１３・・・半導体レーザ素子
【図１】
2013168393.tif 000007
【図２】
2013168393.tif 000008
【図３】
2013168393.tif 000009
【図５】
2013168393.tif 000010
【図９】
2013168393.tif 000011
【図１０】
2013168393.tif 000012
【図１１】
2013168393.tif 000013
【図４】
2013168393.tif 000014
【図６】
2013168393.tif 000015
【図７】
2013168393.tif 000016
【図８】
2013168393.tif 000017