(57)【要約】【課題】所望の光出力を得るために必要な動作電流を低減可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。【解決手段】III族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、光共振器の第１反射膜４３ａを６０％未満の反射率を有するように形成すると共に、光共振器の第２反射膜４３ｂを８５％以上の反射率を有するように形成する。これ故に、閾値電流の増加により発振特性の劣化を避けると共に、光共振器内の光密度の空間的な不均一の発生を避けることができる。両端面２６、２８の反射率が低すぎるとき、ミラーロスの増加により閾値電流が増加する。両端面２６、２８の反射率が高すぎるとき、光共振器内の光密度の空間的な不均一の生成によりレーザ利得が低下する。この光密度不均一（空間的ホールバーニング）の発生により、Ｉ−Ｌ特性にキンクが観察される現象だけでなく、電力・光出力変換効率を低下させる。【選択図】図１
2013243217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体レーザ素子であって、
III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、
前記半導体領域の第１端面上に設けられ、該窒化物半導体レーザ素子の光共振器のための第１反射膜と、
前記半導体領域の第２端面上に設けられ、該窒化物半導体レーザ素子の光共振器のための第２反射膜と、
を備え、
前記レーザ構造体は、前記支持基体の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、
前記半導体領域は活性層を含み、
前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を備え、
前記支持基体の前記III族窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、前記半極性主面の法線軸の方向を示す法線ベクトルに対して前記III族窒化物半導体のｍ軸の結晶軸の方向に６３度以上８０度未満の範囲の傾斜角で傾斜しており、
前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において６０％未満であり、
前記第２反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において８５％以上である、III族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体レーザ素子はリッジ構造を有する、請求項１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体領域は、III族窒化物からなるコンタクト層と、III族窒化物からなる光ガイド層とを含み、
前記光ガイド層は前記活性層と前記コンタクト層との間に設けられ、
前記リッジ構造は前記コンタクト層と前記光ガイド層の一部を含むように設けられた高さを有する、請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において３０％以上である、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において９９．９％以下である、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において３５％以上である、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において５５％以下の範囲にある、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において５０％以下である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において４０％以上である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記傾斜角は７０度以上である、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記傾斜角は８０度未満である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記支持基体の主面が、｛２０−２１｝面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記支持基体の主面が｛２０−２１｝を含む、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記支持基体はＧａＮ基板を含む、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記第１反射膜は誘電体多層膜を含み、
前記第２反射膜は誘電体多層膜を含む、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記支持基体は、前記半導体領域の前記第１端面に繋がれる第１基体端面を有し、
前記第１反射膜は前記基体端面上に設けられ、
前記支持基体は、前記半導体領域の前記第２端面に繋がれる第２基体端面を有し、
前記第２反射膜は前記第２基体端面上に設けられる、請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極を更に備え、
前記電極は前記半導体領域の上面に接触を成すＰｄ電極を含む、請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記第１反射膜の反射率と前記第２反射膜の反射率との差は２５％を超える、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記第１及び第２端面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、
前記半導体領域の前記活性層における端面と前記III族窒化物半導体からなる支持基体のｍ軸に直交する基準面との成す角度は、前記III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲の角度を成す、ことを特徴とする請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記角度は、前記第１平面及び前記法線軸に直交する第２平面において−５度以上＋５度以下の範囲になる、ことを特徴とする請求項１９に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【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素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、III族窒化物半導体発光素子が記載されている。
【０００３】
非特許文献１〜非特許文献３には、ｃ面上に作製された半導体レーザの特性が開示されている。非特許文献４及び非特許文献５には、半極性面上に作製された半導体レーザの特性が開示されている。非特許文献６には、絶対温度１６１Ｋ〜２４６Ｋの範囲におけるレーザ発振について開示されており、５０８ｎｍ〜５２０ｎｍの波長範囲の発光について開示されている。非特許文献７では、波長５２０ｎｍの発光について開示されており、へき開によって形成された前端面及び後端面における反射率は、レーザ発振を得るためにそれぞれ９７％及び９９％である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０７７３９３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S.  Lutgen,  D.  Dini,  I.  Pietzonka,  S.  Tautz,  A.  Breidenassel,  A.  Lell,  A.  Avramescu,  C.  Eichler,  T.  Lermer,  J.  Muller,  G.  Bruederl,  A.  Gomez,  U.  Strauss,  W.  G.  Scheibenzuber,  U.  T.  Schwarz,  B.  Pasenow,  and  S.  Koch:  Proc.  SPIE  7953  (2011)  79530G
【非特許文献２】T.  Miyoshi,  S.  Masui,  T.  Okada,  T.  Yanamoto,  T.  Kozaki,  S.  Nagahama,  and  T.  Mukai:  Appl.  Phys.  Express  2  (2009)  062201
【非特許文献３】T.  Miyoshi,  S.  Masui,  T.  Okada,  T.  Yanamoto,  T.  Kozaki,  S.  Nagahama,  and  T.  Mukai:  Phys.  Status  Solidi  A  207  (2010)  1389
【非特許文献４】J.  W.  Raring,  M.  C.  Schmidt,  C.  Poblenz,  Y.  Chang,  M.  J.  Mondry,  B.  Li,  J.  Iveland,  B.  Walters,  M.  R.  Krames,  R.  Craig,  P.  Rudy,  J.  S.  Speck,  S.  P.  DenBaars,  and  S.  Nakamura:  Appl.  Phys.  Express  3  (2010)  112101
【非特許文献５】J.  W.  Raring:  presented  at  ICNS9,  9th  Int.  Conf.  Nitride  Semiconductors,  2011
【非特許文献６】D.  Sizov,  R.  Bhat,  K.  Song,  D.  Allen,  B.  Paddock,  S.  Coleman,  L.  C.  Hughes,  and  C.  Zah:  Appl.  Phys.  Express  4  (2011)  102103
【非特許文献７】You-Da  Lin,  Shuichiro  Yamamoto,  Chia-Yen  Huang,   Chia-Lin  Hsiung,  Feng  Wu,  Kenji  Fujito,  Hiroaki  Ohta,  James  S.  Speck,  Steven  P.  DenBaars,  and  Shuji  Nakamura:  Appl.  Phys.  Express  3  (2010)  082001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば非特許文献４には、III族窒化物半導体を用いて長波長のレーザ発振が可能であることが報告されている。光共振器における反射率を高めることによって、レーザ発振を達成しやすくなる。多くの研究では、レーザ発振の有無やレーザ発振の閾値電流の低減、更には光パワーの増強等の特性に着目されてきた。
【０００７】
上記のような状況における研究・開発においては、光共振器における反射率については、殆ど着目されておらず、上記の特性に係る改善のための値が用いられてきたと推測される。
【０００８】
発明者らの検討によれば、半極性面を用いるIII族窒化物半導体レーザ素子においては、光共振器の端面品質及び反射率は、半導体素子の信頼性、及びＩ−Ｌ特性カーブの線形性に影響すると考えられる。上記のような研究・開発の背景の下では、半極性面を用いるIII族窒化物半導体レーザ素子に係る技術の複雑さ及び困難さに起因して、これまで、III族窒化物半導体レーザ素子において特性向上のために改善されるべき対象を十分に把握できていなかった。
【０００９】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、所望の光出力を得るために必要な動作電流を低減可能なIII族窒化物半導体レーザ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】
【００１０】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、（ｂ）前記半導体領域の第１端面上に設けられ、該窒化物半導体レーザダイオードの光共振器のための第１反射膜と、（ｃ）前記半導体領域の第２端面上に設けられ、該窒化物半導体レーザダイオードの光共振器のための第２反射膜とを備え、前記レーザ構造体は前記支持基体の前記半極性主面上に延在するレーザ導波路を含み、前記半導体領域は活性層を含み、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を備え、前記支持基体の前記III族窒化物半導体の＜０００１ ＞軸の方向を示すｃ＋ 軸ベクトルは、前記法線軸の方向を示す法線ベクトルに対して前記III族窒化物半導体のｍ軸の結晶軸の方向に６３度以上８０度以下の範囲の傾斜角で傾斜しており、前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において６０％未満であり、前記第２反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において８５％以上である。
【００１１】
III族窒化物半導体レーザ素子によれば、光共振器の第１反射膜を６０％未満の反射率を有するように形成すると共に、光共振器の第２反射膜を８５％以上の反射率を有するように形成する。これ故に、閾値電流の増加により発振特性の劣化を避けると共に、光共振器内の光密度の空間的な不均一の発生を避けることができる。一方の端面反射率が低すぎるとき、ミラーロスの増加により閾値電流が著しく増加する。両端面反射率が高すぎるとき、光共振器内の光密度の空間的な不均一の生成によりレーザ利得が低下する。この光密度不均一（空間的ホールバーニング）の発生により、Ｉ−Ｌ特性にキンクが観察されるといった現象だけでなく、電力・光出力変換効率を低下させる。
【００１２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記III族窒化物半導体レーザ素子はリッジ構造を有することが好ましい。
【００１３】
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、リッジ構造は、活性層に供給される電流の分布幅を制御できると共に縦方向及び横方向の光の閉じ込めを制御でき、半極性面に沿って延在するレーザ導波路を伝搬する光とキャリアとの相互作用の程度を調整できる。
【００１４】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記半導体領域は、III族窒化物からなるコンタクト層と、III族窒化物からなる光ガイド層とを含み、前記光ガイド層は前記活性層と前記コンタクト層との間に設けられ、前記リッジ構造は前記コンタクト層と前記光ガイド層の一部を含むように設けられた高さを有することが好ましい。
【００１５】
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、リッジ構造の高さは活性層に供給される電流をガイドして活性層内での電流分布幅の調整を容易にする。
【００１６】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において３０％以上であることが好ましい。
【００１７】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第２反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において９９．９％以下であることが好ましい。
【００１８】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において３５％以上であることが好ましい。また、本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において５５％以下の範囲にあることができる。第１反射膜の反射率は、上記波長範囲において３５％以上５５％以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において５０％以下であることができる。また、本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において４０％以上であることができる。第１反射膜の反射率は、上記波長範囲において４０％以上５０％以下であることが好ましい。
【００２０】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記傾斜角は７０度以上であることが好ましい。また、本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記傾斜角は８０度未満であることが好ましい。前記傾斜角は７０度以上８０度未満であることが好ましい。
【００２１】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の主面は、前記支持基体のｃ＋軸に垂直な面からの傾斜角（以下、必要に応じて「オフ角」とも記す）が６３度以上８０度未満であるとき、｛２０−２１｝面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することが好ましい。また、前記支持基体の主面は、オフ角度が４５度以上８０度未満、又は１００度以上１４５度以下であるとき、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することが好ましい。
【００２２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の主面が｛２０−２１｝を含むことが好ましい。
【００２３】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の前記半極性主面はＧａＮからなることが好ましい。また、本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体はＧａＮ基板を含むことが好ましい。
【００２４】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜は誘電体多層膜を含み、前記第２反射膜は誘電体多層膜を含むことが好ましい。
【００２５】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体は、前記半導体領域の前記第１端面に繋がれる第１基体端面を有し、前記第１反射膜は前記基体端面上に設けられ、前記支持基体は、前記半導体領域の前記第２端面に繋がれる第２基体端面を有し、前記第２反射膜は前記第２基体端面上に設けられ、前記第２反射膜は前記第２基体端面上に設けられることが好ましい。
【００２６】
III族窒化物半導体レーザ素子によれば、支持基体が、半導体領域の第１端面に繋がれる第１基体端面を有することがあると共に半導体領域の第２端面に繋がれる第２基体端面を有することがある。この形態においては、第１反射膜及び第２反射膜の平坦性を高められる。
【００２７】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子は、前記レーザ構造体の前記半導体領域上に設けられた電極を更に備えることができる。前記電極は前記半導体領域の上面に接触を成すＰｄ電極を含むことが好ましい。
【００２８】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１反射膜の反射率と前記第２反射膜の反射率との差は２５％を超えることが好ましい。
【００２９】
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、反射率の差の大きさにより、光共振器内の光密度の上限の上昇を下げることができる。
【００３０】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１及び第２端面の各々には、前記支持基体の端面及び前記半導体領域の端面が現れており、前記半導体領域の前記活性層における端面と前記六方晶系窒化物半導体からなる支持基体のｍ軸に直交する基準面との成す角度は、前記III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲の角度を成すことが好ましい。
【００３１】
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、ｃ軸及びｍ軸の一方から他方に取られる角度に関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。
【００３２】
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記角度は、前記第１平面及び前記法線軸に直交する第２平面において−５度以上＋５度以下の範囲になることができる。
【００３３】
このIII族窒化物半導体レーザ素子は、半極性面の法線軸に垂直な面において規定される角度に関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。
【００３４】
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】
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、所望の光出力を得るために必要な動作電流を低減可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、III族窒化物半導体レーザ素子の活性層における発光の偏光を示す図面である。
【図３】図３は、ｃ軸及びｍ軸によって規定される断面を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、実施例に係るレーザ構造体及びエピタキシャル基板の構造を示す図面である。
【図７】図７は、異なる面方位のＧａＮ基板上のＩｎＧａＮグリーンレーザダイオードの発振波長に対する出力パワーの依存性を示す図面である。
【図８】図８は、異なる面方位のＧａＮ基板上のＩｎＧａＮグリーンレーザダイオードの発振波長に対するウォールプラグ効率の依存性を示す図面である。
【図９】図９は、室温におけるＣＷ動作の下、｛２０−２１｝面上のレーザダイオードの発振スペクトルを示す図面である。
【図１０】図１０は、ＣＷ動作のもと、５２８．１ｎｍにおける半極性｛２０−２１｝グリーン発振のＬ−Ｉカーブの温度依存性を示す図面である。
【図１１】図１１は、ＣＷ動作のもと、５２８．１ｎｍにおける半極性｛２０−２１｝グリーン発振のＶ−Ｉカーブの温度依存性を示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例３におけるグリーンレーザダイオードの構造を概略的に示す図面である。
【図１３】図１３は、摂氏２５度〜５５度のＴｃの範囲におけるＣＷ動作のもとで５０ｍＷにおける、発振スペクトル及び発振ピーク波長の温度依存性を示す図面である。
【図１４】図１４は、摂氏２５度〜５５度の温度範囲におけるＣＷ動作のもとで５０ｍＷの光出力パワー及び５２８ｎｍの波長を持つ純グリーンレーザダイオードの水平方向（θ平行）及び垂直方向（θ垂直）の遠視野像（ＦＦＰ）を示す図面である。
【図１５】図１５は、摂氏５５度のケース温度でＡＰＣ条件の下のＣＷ動作で５０ｍＷ、５２５．５〜５３１．２ｎｍの純グリーンの６個のレーザダイオードの寿命試験を示す図面である。
【図１６】図１６は、摂氏５５度のケース温度でＡＰＣ条件の下のＣＷ動作で７０ｍＷ、５２８．２〜５２９．１ｎｍの純グリーンの２個のレーザダイオードの寿命試験を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
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III族窒化物半導体レーザ素子、及びIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法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。
【００３８】
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ構造体１３及びオーミック電極１５を備える。レーザ構造体１３は、支持基体１７及び半導体領域１９を含む。支持基体１７は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面１７ａを有し、裏面１７ｂを有する。半導体領域１９は、支持基体１７の半極性主面１７ａ上に設けられている。電極１５は、レーザ構造体１３の半導体領域１９上に設けられる。半導体領域１９は活性層２５を含む、活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含む。
【００３９】
図１を参照すると、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。半極性主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。支持基体１７のIII族窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、III族窒化物半導体のｍ軸及びａ軸のいずれかの結晶軸の方向に、法線ベクトルＮＶに対して傾斜する。この傾斜角度は、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲にある。本実施例では、ｃ＋軸ベクトルの向きはベクトルＶＣの向きに一致しており、＜０００−１＞軸の方向はｃ＋軸ベクトルと逆方向である。図１に示される実施例では、支持基体１７の六方晶系III族窒化物半導体のｃ＋軸ベクトルは、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に法線軸ＮＸに対して角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。この角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度以下であることが好ましい。
【００４０】
レーザ構造体１３は、共振器のための第１端面２６及び第２端面２８を含む。共振器のためのレーザ導波路は、半極性面１７ａに沿って第２端面２８から第１端面２６まで延在しており、導波路ベクトルＷＶは第２端面２８から第１端面２６への方向を示す。レーザ構造体１３の第１及び第２の端面２６、２８は、六方晶系III族窒化物半導体の結晶軸（例えばｍ軸）及び法線軸ＮＸによって規定される基準面に交差する。図１では、第１及び第２端面２６、２８は六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差している。
【００４１】
支持基体１７のIII族窒化物半導体の＜０００１ ＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、法線軸ＮＸの方向を示す法線ベクトルＮＶに対してIII族窒化物半導体のｍ軸の結晶軸の方向に６３度以上８０度以下の範囲の傾斜角で傾斜している。この角度範囲の半極性面は、インジウムを含むIII族窒化物半導体においてインジウム組成の空間的均一性を提供でき、また高いインジウム組成を可能にする。
【００４２】
半導体領域１９の第１端面１９ｃ上に、窒化物半導体レーザダイオード１１の光共振器のための第１反射膜４３ａが設けられる。半導体領域１９の第２端面１９ｄ上に、該窒化物半導体レーザダイオード１１の光共振器のための第２反射膜４３ｂが設けられる。第１反射膜４３ａの反射率は５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において６０％未満であり、第２反射膜４３ｂの反射率は５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において８５％以上である。活性層２５からの光が５２５〜５４５ｎｍの波長範囲にあるとき、第１反射膜４３ａの反射率は第２反射膜４３ｂの反射率より小さい。
【００４３】
III族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、光共振器の第１反射膜４３ａを６０％未満の反射率を有するように形成すると共に、光共振器の第２反射膜４３ｂを８５％以上の反射率を有するように形成する。これ故に、閾値電流の増加により発振特性の劣化を避けると共に、光共振器内の光密度の空間的な不均一の発生を避けることができる。一方の端面２６、２８の反射率が低すぎるとき、ミラーロスの増加により閾値電流が増加する。両端面２６、２８の反射率が高すぎるとき、光共振器内の光密度の空間的な不均一の生成によりレーザ利得が低下する。この光密度不均一（空間的ホールバーニング）の発生により、Ｉ−Ｌ特性にキンクが観察されるといった現象だけでなく、電力・光出力変換効率（ＷＰＥ）を低下させる。
【００４４】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１反射膜４３ａの反射率と第２反射膜４３ｂの反射率との差は２５％を超えることが好ましい。反射率の差の大きさにより、光共振器内の光密度の最大値の上昇を下げることができる。この反射率差は７０％以下であることが好ましい。また、この反射率差はさらに大きい４０％以上であることが好ましい。
【００４５】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１反射膜４３ａの反射率は５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において３０％以上であることが好ましい。この値によれば、閾値電流の増加を実用的な範囲に抑えられる。第２反射膜の反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において９９．９％以下であることが好ましい。この値によれば、ミラーロスを最小にすることができる。
【００４６】
また、第１反射膜４３ａの反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において３５％以上であることが好ましい。この値によれば、閾値電流の増加をさらに実用的な範囲に抑えられる。第１反射膜４３ａの反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において５５％以下の範囲にあることができる。この値によれば、キンクの発生を抑制できる。
【００４７】
さらに、第１反射膜４３ａの反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において５０％以下であることができる。この値によれば、さらにキンクの発生率を下げることができる。第１反射膜４３ａの反射率は、５２５〜５４５ｎｍの波長範囲内において４０％以上であることができる。この値によれば、閾値電流が実用的な範囲でかつキンクの発生を抑制できる。
【００４８】
第１反射膜４３ａ及び第２反射膜４３ｂの各々は、例えば誘電体多層膜によって構成されることができる。引き続く説明では、第１反射膜４３ａ及び第２反射膜４３ｂは、それぞれ、第１誘電体多層膜４３ａ及び第２誘電体多層膜４３ｂとして参照する。
【００４９】
半導体領域１９は、また第１のクラッド層２１及び第２のクラッド層２３を含む。活性層２５は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２３との間に設けられる。第１のクラッド層２１は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。第２のクラッド層２３は、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層２５の窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層２５ａである。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂを含み、ｚ軸の方向に井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂは交互に配列されている。最上層及び／又は最下層の障壁層は省略できる。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は、波長３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。半極性面の利用により、活性層２５は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５は、半極性主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。法線軸ＮＸは法線ベクトルＮＶの方向へ延びる。支持基体１７のIII族窒化物半導体のｃ軸Ｃｘはｃ軸ベクトルＶＣの方向に延びる。
【００５０】
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、絶縁膜３１を更に備える。絶縁膜３１は、レーザ構造体１３の半導体領域１９の表面１９ａ上に設けられ、また表面１９ａを覆っている。半導体領域１９は絶縁膜３１と支持基体１７との間に位置する。支持基体１７は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜３１は開口３１ａを有する。開口３１ａは、例えばストライプ形状を成す。本実施例のようにｃ軸がｍ軸の方向に傾斜するとき、開口３１ａは半導体領域１９の表面１９ａと上記のｍ−ｎ面との交差線の方向に延在する。交差線は導波路ベクトルＷＶの向きに延在する。
【００５１】
電極１５は、開口３１ａを介して半導体領域１９の表面１９ａ（例えば第２導電型のコンタクト層３３）に接触を成しており、上記の交差線の方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ導波路は、第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線の方向に延在する。
【００５２】
III族窒化物半導体レーザ素子１１はリッジ構造を有することが好ましい。電極１５は、リッジ構造２４の上面２４ａに接触を成す。リッジ構造２４は、活性層２５に供給される電流の分布幅を制御できると共に光の閉じ込めを制御でき、レーザ導波路を伝搬する光とキャリアとの相互作用の程度を調整できる。
【００５３】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、半導体領域１９は、III族窒化物からなるコンタクト層３３と、III族窒化物からなる光ガイド層３７とを含む。光ガイド層３７は活性層２５とコンタクト層３３との間に設けられ、また活性層２５とクラッド層２３との間に設けられる。リッジ構造２４はコンタクト層３３とクラッド層２３と光ガイド層３７の一部を含むように設けられた高さＨＲを有することが好ましい。リッジ構造２４の高さＨＲは活性層２５に供給される電流をガイドして活性層２５内での電流分布幅の調整を容易にする。
【００５４】
支持基体１７の裏面１７ｂには別の電極４１が設けられ、電極４１は例えば支持基体１７の裏面１７ｂを覆っている。III族窒化物半導体レーザ素子１５は、オーミック電極１５上に設けられたパッド電極４２を更に備えることができる。パッド電極４２は例えば金からなることができ、オーミック電極１５は半導体領域１９の上面１９ａに接触を成しており、また例えばＰｄ電極を含むことが好ましい。
【００５５】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７は第１基体端面１７ｃを有し、この基体端面１７ｃは半導体領域１９の第１端面１９ｃに繋がれている。第１反射膜４３ａは第１基体端面１７ｃ上に設けられている。支持基体１７は第２基体端面１７ｄを有し、この基体端面１７ｄは半導体領域１９の第２端面１９ｄに繋がれている。第２反射膜４３ｂは第２基体端面１７ｄ上に設けられる。この形態においては、第１反射膜４３ａ及び第２基体端面１７ｄは、それぞれ、半導体領域１９の第１端面１９ｃ及び第２端面１９ｄから連続して第１基体端面１７ｃ及び第２基体端面１７ｄ上に至る。
【００５６】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１端面２６及び第２端面２８の各々は割断面であることができる。引き続く説明では、第１端面２６及び第２端面２８を第１割断面２７及び第２割断面２９として参照する。第１割断面２７及び第２割断面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２割断面２７、２９を含み、第１割断面２７及び第２割断面２９の一方から他方に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体１３は第１面１３ａ及び第２面１３ｂを含み、第１面１３ａは第２面１３ｂの反対側の面である。第１及び第２割断面２７、２９は、第１面１３ａのエッジ１３ｃから第２面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在する。第１及び第２割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。
【００５７】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の割断面２７、２９がｍ−ｎ面に交差する。これ故に、ｍ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
【００５８】
III族窒化物半導体レーザ素子１１における光導波構造について説明する。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側の光ガイド層３５及びｐ側の光ガイド層３７を含む。ｎ側光ガイド層３５は、第１の部分３５ａ及び第２の部分３５ｂを含み、ｎ側光ガイド層３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド層３７は、第１の部分３７ａ及び第２の部分３７ｂを含み、ｐ側光ガイド層３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。キャリアブロック層３９は、例えば第１の部分３７ａと第２の部分３７ｂとの間に設けられる。
【００５９】
図２は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の活性層２５における発光の偏光を示す図面である。図３は、ｃ軸及びｍ軸によって規定される断面を模式的に示す図面である。図２に示されるように、誘電体多層膜４３ａ、４３ｂは、それぞれ、第１及び第２割断面２７、２９に設けられる。誘電体多層膜４３ａ、４３ｂの各々の材料は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つからなることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、実用的な誘電体膜は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯｘＮ１−ｘ）、チタン酸化物（例えばＴｉＯ２）、チタン窒化物（例えばＴｉＮ）、チタン酸窒化物（例えばＴｉＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム酸化物（例えばＺｒＯ２）、ジルコニウム窒化物（例えばＺｒＮ）、ジルコニウム酸窒化物（例えばＺｒＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム弗化物（ＺｒＦ４）、タンタル酸化物（例えばＴａ２Ｏ５）、タンタル窒化物（Ｔａ３Ｎ５）、タンタル酸窒化物（ＴａＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム酸化物（例えばＨｆＯ２）、ハフニウム窒化物（例えばＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（例えばＨｆＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム弗化物（例えばＨｆＦ４）、アルミ酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３）、アルミ窒化物（例えばＡｌＮ）、アルミ酸窒化物（ＡｌＯｘＮ１−ｘ）、マグネシウム弗化物（例えばＭｇＦ２）、マグネシウム酸化物（例えばＭｇＯ）、マグネシウム窒化物（例えばＭｇ３Ｎ２）、マグネシウム酸窒化物（例えばＭｇＯｘＮ１−ｘ）カルシウム弗化物（例えばＣａＦ２）、バリウム弗化物（例えばＢａＦ２）、セリウム弗化物（例えばＣｅＦ３）、アンチモン酸化物（例えばＳｂ２Ｏ３）、ビスマス酸化物（例えばＢｉ２Ｏ３）、ガドリニウム酸化物（例えばＧｄ２Ｏ３）のうち少なくとも１つからなることができる。これらの材料を利用して、端面面２７、２９にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
【００６０】
図２の（ｂ）部に示されるように、本実施の形態の結晶軸の方向に向きづけられたレーザ導波路の活性層２５からのレーザ光Ｌは六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に偏光している。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１において、低しきい値電流を実現できるバンド遷移は偏光性を有する。レーザ共振器のための第１及び第２割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。しかしながら、第１及び第２の割断面２７、２９は共振器のための,ミラーとしての平坦性、垂直性を有する。これ故に、第１及び第２割断面２７、２９とこれらの割断面２７、２９間に延在するレーザ導波路とを用いて、図２の（ｂ）部に示されるように、ｃ軸を主面に投影した方向に偏光する遷移による発光Ｉ２よりも強い遷移による発光Ｉ１を利用して低しきい値のレーザ発振が可能になる。
【００６１】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１割断面２７には、支持基体１７の端面１７ｃ及び半導体領域１９の端面１９ｃが現れており、端面１７ｃ及び端面１９ｃは誘電体多層膜４３ａで覆われている。支持基体１７の端面１７ｃ及び活性層２５における端面２５ｃの法線ベクトルＮＡと活性層２５のｍ軸ベクトルＭＡとの成す角度ＢＥＴＡは、III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面Ｓ１において規定される成分（ＢＥＴＡ）１と、第１平面Ｓ１及び法線軸ＮＸに直交する第２平面Ｓ２において規定される成分（ＢＥＴＡ）２とによって規定される。成分（ＢＥＴＡ）１は、III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面Ｓ１において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲であることが好ましい。この角度範囲は、図３において、代表的なｍ面ＳＭと参照面ＦＡとの成す角度として示されている。代表的なｍ面ＳＭが、理解を容易にするために、図３において、レーザ構造体の内側から外側にわたって描かれている。参照面ＦＡは、活性層２５の端面２５ｃに沿って延在する。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｃ軸及びｍ軸の一方から他方に取られる角度ＢＥＴＡに関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。また、成分（ＢＥＴＡ）２は第２平面Ｓ２において−４度以上＋４度以下の範囲であることが好ましい。ここで、ＢＥＴＡ２＝（ＢＥＴＡ）１２＋（ＢＥＴＡ）２２である。このとき、III族窒化物半導体レーザ素子１１の端面２７、２９は、半極性面１７ａの法線軸ＮＸに垂直な面において規定される角度に関して上記の垂直性を満たす。
【００６２】
再び図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の厚さは４００μｍ以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために好適である。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の厚さは５０μｍ以上１００μｍ以下であることが更に好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために更に好適である。また、ハンドリングが容易になり、生産歩留まりを向上させることができる。
【００６３】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度は４５度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、この角度は１００度以上であることが好ましく、また１３５度以下であることが好ましい。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がｍ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。支持基体の主面は、オフ角度が４５度以上８０度未満、又は１００度以上１４５度以下であるとき、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することが好ましい。また、支持基体の主面は、オフ角度が４５度以上８０度未満、又は１００度以上１４５度以下であるとき、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、｛１０−１−１｝のいずれかの面であることが好ましい。
【００６４】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、破断面の形成の観点から、更に好ましくは、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは６３度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１１７度以下であることが好ましい。６３度未満及び１１７度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、ｍ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
【００６５】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも以下の面方位及び角度範囲を含む。例えば、支持基体１７の主面１７ａは、オフ角度が６３度以上８０度未満であるとき、｛２０−２１｝面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することが好ましい。また、支持基体１７の主面１７ａが、｛２０−２１｝面であることができる。
【００６６】
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、傾斜角ＡＬＰＨＡは７０度以上であることが好ましい。この傾斜角ＡＬＰＨＡを超えると、活性層のインジウム組成の不均一が抑制されて、良好な発光特性が得られる。また、傾斜角ＡＬＰＨＡは８０度未満であることが好ましい。この傾斜角ＡＬＰＨＡを超えると、インジウムの取り込み効率が悪化して長波長化が困難になる。
【００６７】
支持基体１７は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な割断面２７、２９を得ることができる。
【００６８】
支持基体１７の主面１７ａはＧａＮであることができ、また支持基体１７はＧａＮであることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、ＧａＮ主面を用いたレーザ構造体の実現により、例えば上記の波長範囲（青色から緑色までの波長範囲）における発光を実現できる。また、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ基板を用いるとき、偏光度を大きくでき、また低屈折率により光閉じ込めを強化できる。ＩｎＧａＮ基板を用いるとき、基板と発光層との格子不整合率を小さくでき、結晶品質を向上できる。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の積層欠陥密度は１×１０４ｃｍ−１以下であることができる。積層欠陥密度が１×１０４ｃｍ−１以下であるので、偶発的な事情により割断面の平坦性及び／又は垂直性が乱れる可能性が低い。
【００６９】
図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図５の（ａ）部を参照すると、基板５１が示されている。本実施例では、基板５１のｃ軸がｍ軸の方向に傾斜している。工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体レーザ素子の作製のための基板５１を準備する。基板５１の六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸（ベクトルＶＣ）は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸方向（ベクトルＶＭ）の方向に法線軸ＮＸに対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。これ故に、基板５１は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面５１ａを有する。
【００７０】
工程Ｓ１０２では、基板生産物ＳＰを形成する。図５の（ａ）部では、基板生産物ＳＰはほぼ円板形の部材として描かれているけれども、基板生産物ＳＰの形状はこれに限定されるものではない。基板生産物ＳＰを得るために、まず、工程Ｓ１０３では、レーザ構造体５５を形成する。レーザ構造体５５は、半導体領域５３及び基板５１を含んでおり、工程Ｓ１０３では、半導体領域５３は半極性主面５１ａ上に形成される。半導体領域５３を形成するために、半極性主面５１ａ上に、第１導電型の窒化ガリウム系半導体領域５７、発光層５９、及び第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域６１を順に成長する。窒化ガリウム系半導体領域５７は例えばｎ型クラッド層を含み、窒化ガリウム系半導体領域６１は例えばｐ型クラッド層を含むことができる。発光層５９は窒化ガリウム系半導体領域５７と窒化ガリウム系半導体領域６１との間に設けられ、また活性層、光ガイド層及び電子ブロック層等を含むことができる。窒化ガリウム系半導体領域５７、発光層５９、及び第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域６１は、半極性主面５１ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。これらの半導体層は主面５１ａ上にエピタキシャル成長される。半導体領域５３上は、絶縁膜５４で覆われている。絶縁膜５４は例えばシリコン酸化物からなる。絶縁膜５４の開口５４ａを有する。開口５４ａは例えばストライプ形状を成す。図５の（ａ）部を参照すると、導波路ベクトルＷＶが描かれており、本実施例では、このベクトルＷＶはｍ−ｎ面に平行に延在する。必要な場合には、絶縁膜５４の形成に先立って、半導体領域５３にリッジ構造を形成しても良く、絶縁膜５４の形成と共に半導体領域５３にリッジ構造を形成しても良く、絶縁膜５４の形成及び電極の形成と共に半導体領域５３にリッジ構造を形成しても良い。このように形成されたリッジ構造は、リッジ形状に加工された窒化ガリウム系半導体領域６１を含むことができる。
【００７１】
工程Ｓ１０４では、レーザ構造体５５上に、アノード電極５８ａ及びカソード電極５８ｂが形成される。また、基板５１の裏面に電極を形成する前に、結晶成長に用いた基板の裏面を研磨して、所望の厚さＤＳＵＢの基板生産物ＳＰを形成する。電極の形成では、例えばアノード電極５８ａが半導体領域５３上に形成されると共に、カソード電極５８ｂが基板５１の裏面（研磨面）５１ｂ上に形成される。アノード電極５８ａはＸ軸方向に延在し、カソード電極５８ｂは裏面５１ｂの全面を覆っている。これらの工程により、基板生産物ＳＰが形成される。基板生産物ＳＰは、第１面６３ａと、これに反対側に位置する第２面６３ｂとを含む。半導体領域５３は第１面６３ａと基板５１との間に位置する。
【００７２】
次いで、工程Ｓ１０５では、レーザ共振器のための端面を形成する。本実施例では、基板生産物ＳＰからレーザバーを作製する。レーザバーは、誘電体多層膜を形成可能な一対の端面を有する。引き続き、レーザバー及び端面の作製の一例を説明する。
【００７３】
工程Ｓ１０６では、図５の（ｂ）部に示されるように、基板生産物ＳＰの第１の面６３ａをスクライブする。このスクライブは、レーザスクライバ１０ａを用いて行われる。スクライブによりスクライブ溝６５ａが形成される。図５の（ｂ）部では、５つのスクライブ溝が既に形成されており、レーザビームＬＢを用いてスクライブ溝６５ｂの形成が進められている。スクライブ溝６５ａの長さは、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面と第１面６３ａとの交差線ＡＩＳの長さよりも短く、交差線ＡＩＳの一部分にレーザビームＬＢの照射が行われる。レーザビームＬＢの照射により、特定の方向に延在し基板に到達する溝が第１面６３ａに形成される。スクライブ溝６５ａは例えば基板生産物ＳＰの一エッジに形成されることができる。
【００７４】
工程Ｓ１０７では、図５の（ｃ）部に示されるように基板生産物ＳＰをシート１２ａ、１２ｂに挟んだ後に、基板生産物ＳＰの第２の面６３ｂへの押圧により基板生産物ＳＰの分離を行って、基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。押圧は、例えばブレード６９といったブレイキング装置を用いて行われる。ブレード６９は、一方向に延在するエッジ６９ａと、エッジ６９ａを規定する少なくとも２つのブレード面６９ｂ、６９ｃを含む。また、基板生産物ＳＰ１の押圧は支持装置７１上において行われる。支持装置７１は、支持面７１ａと凹部７１ｂとを含み、凹部７１ｂは一方向に延在する。凹部７１ｂは、支持面７１ａに形成されている。基板生産物ＳＰ１のスクライブ溝６５ａの向き及び位置を支持装置７１の凹部７１ｂの延在方向に合わせて、基板生産物ＳＰ１を支持装置７１上において凹部７１ｂに位置決めする。凹部７１ｂの延在方向にブレイキング装置のエッジの向きを合わせて、第２面６３ｂに交差する方向からブレイキング装置のエッジを基板生産物ＳＰ１に押し当てる。交差方向は好ましくは第２面６３ｂにほぼ垂直方向である。これによって、基板生産物ＳＰの分離を行って、基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。押し当てにより、第１及び第２端面６７ａ、６７ｂを有するレーザバーＬＢ１が形成され、これらの端面６７ａ、６７ｂでは、少なくとも発光層の一部は半導体レーザの共振ミラーに適用可能な程度の垂直性及び平坦性を有する。
【００７５】
形成されたレーザバーＬＢ１は、上記の分離により形成された第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂを有し、端面６７ａ、６７ｂの各々は、第１の面６３ａから第２の面６３ｂにまで延在する。これ故に、端面６７ａ、６７ｂは、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成でき、ＸＺ面に交差する。このＸＺ面は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に対応する。レーザバーＬＢ０、ＬＢ１の各々に、導波路ベクトルＷＶが示されている。導波路ベクトルＷＶは、端面６７ａから端面６７ｂへの方向に向いている。図５の（ｃ）部において、レーザバーＬＢ０は、ｃ軸ベクトルＶＣの向きを示すために一部破断して示されている。導波路ベクトルＷＶはｃ軸ベクトルＶＣと鋭角を成す。
【００７６】
この方法によれば、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に基板生産物ＳＰの第１面６３ａをスクライブした後に、基板生産物ＳＰの第２面６３ｂへの押圧により基板生産物ＳＰの分離を行って、新たな基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。これ故に、ｍ−ｎ面に交差するように、レーザバーＬＢ１に第１及び第２端面６７ａ、６７ｂが形成される。この端面形成によれば、第１及び第２端面６７ａ、６７ｂに当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性が提供される。形成されたレーザ導波路は、六方晶系III族窒化物のｃ軸の傾斜の方向に延在している。この方法では、このレーザ導波路を提供できる共振器ミラー端面を形成している。
【００７７】
この方法によれば、基板生産物ＳＰ１の割断により、新たな基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１が形成される。工程Ｓ１０８では、押圧による分離を繰り返して、多数のレーザバーを作製する。この割断は、レーザバーＬＢ１の割断線ＢＲＥＡＫに比べて短いスクライブ溝６５ａを用いて引き起こされる。
【００７８】
工程Ｓ１０９では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂに誘電体多層膜を形成して、レーザバー生産物を形成する。この工程は、例えば以下のように行われる。まず、工程Ｓ１１０では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂのいずれか一方に誘電体多層膜を形成する。次いで、工程Ｓ１１１では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂのいずれか他方に誘電体多層膜を形成する。フロント側の誘電体多層膜の反射率が、リア側の誘電体多層膜の反射率より小さいとき、このフロント側からレーザ光の多くは出射され、このリア側でレーザ光の大部分は反射される。
【００７９】
工程Ｓ１１２では、このレーザバー生産物を個々の半導体レーザのチップに分離する。
【００８０】
本実施の形態に係る製造方法では、主面の傾斜角は、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲であることができる。４５度未満及び１３５度を越える傾斜角では、押圧により形成される端面がｍ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の傾斜角では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。更に好ましくは、角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲であることができる。４５度未満及び１３５度を越える傾斜角では、押圧により形成される端面の一部に、ｍ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の傾斜角では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。既に列挙した典型的な半極性面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性でレーザ共振器のための端面を提供できる。
【００８１】
また、基板５１は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、レーザ共振器として利用可能な端面を得ることができる。基板５１は好ましくはＧａＮからなる。
【００８２】
基板生産物ＳＰを形成する工程Ｓ１０６において、結晶成長に使用された半導体基板は、基板厚が４００μｍ以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、第２の面６３ｂが研磨により形成された加工面であることができる。この基板厚では、割断を使用するとき、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性を歩留まりよく得られる。また、割断を使用するとき、イオンダメージの無い端面６７ａ、６７ｂを形成できる。第２の面６３ｂが研磨により形成された研磨面であることが好ましい。また、基板生産物ＳＰを比較的容易に取り扱うためには、基板厚が５０μｍ以上であることが好ましい。割断を使用しないときは、端面６７ａ、６７ｂは、例えばエッチングにより形成されたエッチング面であることができる。エッチング面には発光層の端面が現れている。
【００８３】
本実施の形態に係るレーザ端面の製造方法では、レーザバーＬＢ１においても、図２を参照しながら説明された角度ＢＥＴＡが規定される。レーザバーＬＢ１では、角度ＢＥＴＡの成分（ＢＥＴＡ）１は、III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面（図２を参照した説明における第１平面Ｓ１に対応する面）において（ＡＬＰＨＡ−５）度以上（ＡＬＰＨＡ＋５）度以下の範囲であることが好ましい。レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂは、ｃ軸及びｍ軸の一方から他方に取られる角度ＢＥＴＡの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。また、角度ＢＥＴＡの成分（ＢＥＴＡ）２は、第２平面（図２に示された第２平面Ｓ２に対応する面）において−５度以上＋５度以下の範囲であることが好しい。このとき、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂは、半極性面５１ａの法線軸ＮＸに垂直な面において規定される角度ＢＥＴＡの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。
【００８４】
端面６７ａ、６７ｂは、半極性面５１ａ上にエピタキシャルに成長された複数の窒化ガリウム系半導体層への押圧によるブレイクによって形成される。半極性面５１ａ上へのエピタキシャル膜であるが故に、端面６７ａ、６７ｂは、これまで共振器ミラーとして用いられてきたｃ面、ｍ面、又はａ面といった低面指数のへき開面ではない。しかしながら、半極性面５１ａ上へのエピタキシャル膜の積層のブレイクにおいて、端面６７ａ、６７ｂは、共振器ミラーとして適用可能な平坦性及び垂直性を有する。
【００８５】
（実施例１）
以下の通り、レーザダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料には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）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。基板７１として、｛２０−２１｝ＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ法で厚く成長した（０００１）ＧａＮインゴットからｍ軸方向に７５度の範囲の角度でウエハスライス装置を用いて切り出して作製可能である。
【００８６】
この基板を反応炉内のサセプタ上に配置した後に、図６に示されるレーザ構造体のためのエピタキシャル層を以下の成長手順で成長した。基板７１を成長炉に配置した後に、まず、基板７１上にｎ型ＧａＮ層（厚さ：５００ｎｍ）７２を成長した。次に、ｎ型クラッド層（例えばＩｎ０．０３Ａｌ０．１４Ｇａ０．８３Ｎ、厚さ：２０００ｎｍ）７３をｎ型ＧａＮ層７２上に成長した。引き続き、発光層を作製した。まず、ｎ型光ガイド層（例えばＧａＮ、厚さ：２００ｎｍ）７４ａ及びアンドープ光ガイド層（例えばＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、厚さ：１５０ｎｍ）７４ｂをｎ型クラッド層７３上に成長した。次いで、活性層７５を成長した。この活性層７５は、Ｉｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ（厚さ：３ｎｍ）から構成される。この後に、アンドープ光ガイド層（例えばＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、厚さ：５０ｎｍ）７６ａ、ｐ型光ガイド層（例えばＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、厚さ：１００ｎｍ）７６ｂ及びｐ型光ガイド層（例えばＧａＮ、厚さ２００ｎｍ）７６ｃを活性層７５上に成長した。次に、ｐ型クラッド層（例えばＩｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ及び／又はＡｌＧａＮ、厚さ：４００ｎｍ）７７を発光層上に成長した。最後に、ｐ型コンタクト層（例えば、ＧａＮ厚さ：５０ｎｍ）７８をｐ型クラッド層７７上に成長した。これらのエピタキシャル成長によりエピタキシャル基板ＥＰを成長する。
【００８７】
このエピタキシャル基板ＥＰを用いて、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によりリッジ構造を作製した。まず、フォトリソグラフィを用いてストライプ状マスクを形成した。マスクは、ｃ軸を主面に投影した方向に延在する。このマスクを用いてドライエッチングを行い、２μｍ幅のストライプ状リッジ構造を作製した。ドライエッチングには、例えば塩素ガス（Ｃｌ２）を用いた。リッジ構造の表面に絶縁膜７９を形成した。絶縁膜は例えば真空蒸着法により形成したＳｉＯ２を用いた。絶縁膜７９を形成した後、ｐ側電極８０ａ及びｎ側電極８０ｂを作製して基板生産物を作製した。ｐ側電極８０ａを真空蒸着法によって作製した。ｐ側電極８０ａは例えばＮｉ／Ａｕであった。このエピタキシャル基板の裏面を研磨して、１００ｕｍまで薄くした。裏面の研磨は、ダイヤモンドスラリーを用いて行われた。研磨面には、ｎ側電極８０ｂを蒸着により形成した。ｎ側電極８０ｂはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成る。
【００８８】
この基板生産物からスクライブによってレーザバーを作製するために、波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザを照射可能なレーザスクライバを用いた。４００μｍピッチで基板の絶縁膜開口箇所を通してエピ表面に直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を形成した。共振器長は５００μｍとした。ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。基板生産物の裏面の押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製した。共振器長は例えば４００μｍ〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。
【００８９】
この後に、端面コートを行った。端面コートとして、シリコン酸化膜（例えばＳｉＯ２）／タンタル酸化膜（例えばＴａ２Ｏ５）の組み合せた誘電体多層膜を用いた。端面コートとして、フロント側の出射面には２．３ペアの誘電体多層膜を成膜し、この誘電体多層膜の反射率は５４％である。また、リア側の反射面には６．５ペアの誘電体多層膜を成膜し、この誘電体多層膜の反射率は９８％である。これ以外にも、様々な反射率の誘電体多層膜の組み合わせで端面コートを行った。
【００９０】
この実験において、端面コートの反射率のうち出射面側について様々に検討しており、この検討では８６％の反射膜から端面コート無しの範囲の反射率を実現した。この検討により、４５％の反射率であるときに、III族窒化物半導体レーザ素子は、８６％の反射率に比べて４倍のスロープ効率を示し、高い光出力と効率を達成した。この実験に結果から、フロント側の反射率は３０％以上６０％未満であることが望ましい。さらには、フロント側の反射率は３５％以上５５％未満であることが望ましい。
【００９１】
先行する文献や本件に先立つ実験では、反射率を規定するための反射膜の下地に起因する事情から、種々の反射率の検討で信頼できる実験データが提供されてこなかった。本件によれば、半極性面上のグリーンレーザの特性も安定しており、長い時間の実験に耐える。この安定性のお陰で、信頼性やＩ−Ｌカーブの線形性に影響（キンク）を与える端面品質及び反射率に関連する特性を得ることができた。
【００９２】
このような端面コートの反射率に係る高い信頼度のデータに基づき、高い光出力を得るために必要な動作電流（Ｉｏｐ）を低く抑えることが可能となる。また出射面の反射率が高いと、端面における光密度が高くなり、大量の電流を印加して光出力を上げたとき、端面破壊（ＣＯＤ）による劣化が発生する。また、このような端面破壊が生じないときでも、光密度が高くなることによって導波路内で局所的にキャリアが減少して空間的ホールバーニングが発生する。この空間的ホールバーニングが発生すると、レーザ利得の一時的な低下によりＩ−Ｌ特性にキンクが観察される。したがって、出射面の反射率は高すぎてはよくない。出射面の反射率が低すぎるとき、ミラーロスが高くなって、しきい値電流の増加につながる。これらを総合的に鑑みて、半極性面上緑レーザの端面コート反射率を決定できるような端面品質を実証できる。
【００９３】
（実施例２）
１００ｍＷを超える高出力のグリーンレーザダイオードが半極性｛２０−２１｝面のＧａＮ基板上に作製された。波長５３０ｎｍ及びこれを超える発振波長で動作した。レーザ動作は連続発振（ＣＷ）で可能であった。７．０〜８．９％のウォールプラグ効率（ＷＰＥｓ：Ｗａｌｌ  Ｐｌｕｇ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓ）が、５２５ｎｍ〜５３２ｎｍの波長範囲で実現された。このＷＰＥｓは、ｃ面レーザダイオードについて報告された値を超える。ｃ面と半極性面との間のＷＰＥｓの差は、発振波長が長波長になるにつれて増加するようになる。これらの結果は、小さいピエゾ電界及び高い組成均一性の｛２０−２１｝面上のＩｎＧａＮ緑色レーザダオードが、波長５２５ｎｍより長い発振波長を必要とする用途のための光源としてより適していることを示唆している。
【００９４】
ＩｎＧａＮ系グリーンレーザダイオードは、モバイル用途のフルカラーレザープロジェクタにおける光源として期待されている。ＳＨＧ技術に基づくグリーンレーザは既に入手可能であるけれども、半導体レーザはそのサイズにおいて利点を有し、商業的用途に最適でありまた効率的である。レーザプロジェクションの要求を満たすために、５０ｍＷを超える光出力及び４．５％のＷＰＥｓが、５１５ｎｍを超える発振波長と共に必要であると考えられ、広い分野の用途の見地から５２５ｎｍを超える発振波長が好ましい。活発な研究・開発の努力が、ＧａＮ基板の極性ｃ面と半極性面又は無極性面との両方に関して、これらの特性を得ることに注力されてきた。非特許文献１は、ｃ面を用いたグリーンレーザダイオードを報告しており、このレーザダイオードは、５２２ｎｍの発振波長、８０ｍＷの出力パワー及び６％のＷＰＥを有する。５２５ｎｍを超える波長の拡張は困難であると信じられており、なぜなら、ＩｎＧａＮ量子井戸における大きなピエゾ分極及びインジウム組成のゆらぎといった技術課題が、ｃ面上では特にインジウム組成の増加に伴ってはっきりしている。
【００９５】
本実施例では、例えば５２０ｎｍ〜５３０ｎｍ波長領域において、従来のｃ面上のレーザダイオードとの比較で、特に低い閾値電流密度を示し｛２０−２１｝面上のＩｎＧａＮグリーンレーザダイオードを作製した。ＩｎＧａＮ量子井戸におけるより弱いピエゾ分極とこの結果として高い光学遷移確率に加えて、｛２０−２１｝面は、小さいキャリア局在エネルギ及びマイクロフォトルミネッセンス（ＰＬ）像によって示されるように、均一なＩｎＧａＮの成長の点で有利であるとわかっている。これらの特徴は、グリーンレーザダイオードを作製するために役に立ち、最長の発振波長は、ＣＷ動作における評価で５３６．６ｎｍに到達する。これは、この面方位上のグリーンレーザダイオードを、高出力及び長波長の発光を求める用途に魅力的な光源としている。
【００９６】
本実施例では、５３０ｎｍを超える波長範囲において１００ｍＷを超える出力パワーを持つ、｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上のグリーンレーザダイオードを説明する。ＷＰＥｓ特性において｛２０−２１｝面とｃ面の間で発振波長に関して異なる依存性が、ＩｎリッチのＩｎＧａＮ量子井戸の結晶寝室及び発光特性を示して説明される。
【００９７】
半極性｛２０−２１｝面ＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ法で作製された。このＧａＮ基板の貫通転位密度は１×１０６ｃｍ−２より小さい。この基板はｎ導電性を示し、その抵抗率は、基板の裏面にオーミック接触を形成するために十分に低い（約０．０１Ω・ｃｍ）。ＬＤ構造は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で作製される。ｎ型ＧａＮ層がＧａＮ基板上に直接に成長し、引き続き、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＩｎＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層、ｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を成長する。２μｍ幅のリッジ導波構造が、ドライエッチング及びフォトリソグラフィを用いて作製される。ｐ型コンタクト層上に、ｐ側電極が蒸着され、ｎ側電極が基板の裏面に作製される。レーザストライプが、半極性｛２０−２１｝面上のレーザダイオードに有利な面方位のため［−１０１４］方向に沿って形成される。５００μｍ長のキャビティ及び共振器ミラーが形成される。両端面は、端面反射率を制御するために誘電体ミラーで被覆される。
【００９８】
図７は、発明者らの実験におけるグリーンレーザダイオードの光出力を示す。｛２０−２１｝面上のグリーンレーザダイオードは、５３０ｎｍを超える波長領域における１００ｍＷを超える光出力を示す。光出力は、室温（ＲＴ）における連続動作（ＣＷ動作）の下で以下のものである。図７において、６個の丸印で示されている。
光出力（ｍＷ）、波長（ｎｍ）。
１６８ｍＷ、  ５２２．０ｎｍ。
１６７ｍＷ、  ５２５．１ｎｍ。
１０５ｍＷ、  ５３１，３ｎｍ。
１０７ｍＷ、  ５３２．１ｎｍ。
７５ｍＷ  、  ５３６．６ｎｍ。
ｃ面レーザダイオードからの値は、非特許文献１（Ｄ１）、非特許文献２及び非特許文献３によって提供され、非特許文献１（Ｄ１）のデータは、図７において、クロス印で示される。半極性面レーザダイオードからの他の値は、非特許文献４（Ｄ４）及び非特許文献５（Ｄ５）によって提供され、図７において、ダイヤ印で示される。これまでの実験では、発明者らは、｛２０−２１｝面上のグリーンレーザダイオードは、５２０〜５３０ｎｍの緑色の波長領域において、ｃ面レーザダイオードに比べて、非常に低い閾値電流密度を示してきた。しかしながら、スロープ効率について、本実施例では更に良好な値を得られる。本実施例では、光共振器に係るキャビティ長及び反射膜の反射率を検討する。この実施例では、閾値電流密度を低減すると共にスロープ効率において４倍の改善を達成できる。スロープ効率の改善は、最大光出力に関して目を見張る進歩を導く。
【００９９】
図８は、ｃ面グリーンレーザダイオード及び半極性｛２０−２１｝面グリーンレーザダイオードのＷＰＥ特性を示す。このグリーンの波長領域では、本実施例の半極性｛２０−２１｝面グリーンレーザダイオードは、より高いＷＰＥ特性を示す。本実施例におけるＷＰＲ特性の値は、図８において、丸印で示されている。ｃ面レーザダイオードからの値は、非特許文献１（Ｄ１）、非特許文献２及び非特許文献３によって提供され、非特許文献１（Ｄ１）のデータは、図７において、クロス印で示される。半極性面レーザダイオードからの他の値は、非特許文献４（Ｄ４）及び非特許文献５（Ｄ５）によって提供され、図７において、ダイヤ印で示される。特に、ｃ面及び｛２０−２１｝面の２つの面方位間のＷＰＥ特性における違いは、発振波長の増加に伴って増加することが示される。この違いの理由は、より弱いピエゾ電界だけでなく、｛２０−２１｝面上のＩｎリッチＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷｓ）の高い組成均一性の向上によるものである可能性がある。
【０１００】
発明者らのこれまでの実験において示された、狭いエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ライン幅、一様なＰＬ顕微鏡像、及び量子井戸構造における急峻な界面が、｛２０−２１｝面上のＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷｓ）の均一性を示している。これは、また、時間軸解像のフォトルミネッセンス（ＴＲＰＬ）測定から得られた他の実験結果によっても支持される。本実施例における結果では、Ｉｎ組成の増加に伴ってＩｎＧａＮ量子井戸の結晶品質が劣化することは、｛２０−２１｝面上のＩｎＧａＮ量子井戸（ＱＷ）を作製することによって避けられる。加えて、ＷＰＥ特性の改善が、図９に示される、５３６．５ｎｍと同程度に長い連続発振（ＣＷ）波長という結果になったと考えられる。５３６．５ｎｍの発振波長は、この出願時における発明者らの知る範囲において、最長の発振波長である。
【０１０１】
本実施例の半極性｛２０−２１｝面グリーンレーザダイオードのデバイス特性を説明する。図１０及び図１１は、連続発振動作の下で典型的なグリーンレーザダイオードに関して光出力−対−電流特性（Ｌ−Ｉ特性）、及び電圧−対−電流曲線に係る温度依存性を示す。室温において、閾値電流（Ｉｔｈ）、閾値電流密度（Ｊｔｈ）、及び閾値電圧（Ｖｔｈ）は、それぞれ、５９ｍＡ、５．９ｌＡ／ｃｍ２、及び４．７Ｖである。発振波長は、室温動作において７０ｍＷの連続発振造作の下で５２８．１ｎｍである。発明者らの以前の実験に比べて、閾値電圧Ｖｔｈは６．４Ｖから４．７Ｖに低減され、これはドーパントのプロファイル制御により達成される。既に説明したスロープ効率の改善と共に、閾値電圧Ｖｔｈの低減は、より高いＷＰＥｓ特性に大きく寄与している。図１０では、温度による僅かなロールオーバーにも拘わらず摂氏８０度でさえ９０ｍＷを超える光出力を示しており、これは、本実施例のグリーンレーザダイオードが、限定的な熱放散能で使用されるポータブル用途に適していることを示す。非特許文献６は、ｃ面グリーンレーザダイオードに比べてかなり高い特性温度（Ｔ０）を持つ半極性グリーンレーザダイオードを開示し、また高い特性温度（Ｔ０）は半極性面上のＩｎＧａＮ量子井戸の本来の性質に帰するものであり、電子ブロック層の追加はあまり重要ではないことを指摘している。図１０から導かれる特性温度（Ｔ０）の値は、１６５Ｋと同じである。電子ブロック層の採用する本実施例のデバイスはパルス動作の下で１８５Ｋを超える特性温度（Ｔ０）を示しており、キャリアの漏れ出しの改善は特性温度（Ｔ０）の改善の一部を担う。
【０１０２】
本実施例では、半極性｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮグリーンレーザダイオードは１００ｍＷを超える光出力及び波長５３０ｎｍを超えるグリーン発振波長域を実証した。７．０〜８．９％の高いＷＰＥ特性は、波長域５２５ｎｍ〜５３２ｎｍでｃ面上の値に比べて優れており、これは、ＩｎリッチのＩｎＧａＮ量子井戸における高い組成均一性によるものである可能性がある。したがって、｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮレーザダイオードは、グリーン波長域及び高出力を求める光源の用途に有望な候補である。
【０１０３】
（実施例３）
半極性｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上の純粋なグリーンＩｎＧａＮレーザダイオードが、エピタキシャル層の成長条件及びレーザダイオードの構造を改善することによって作製され、連続発振（ＣＷ）動作の下で５２５ｎｍを超える波長を有する。グリーンレーザダイオ−ドの寿命が見積もられ、これは、摂氏５５度のケース温度（Ｔｃ）で５０ｍＷの光出力を用いて５０００時間を超え、ＣＷ動作の下で７０ｍＷの光出力を用いて１０００時間を超える。
【０１０４】
ＲＧＢレーザプロジェクタの用途を見込んで、ＩｎＧａＮグリーンレーザダイオードが研究されている。第二次高調波発生グリーンレーザは既に開発されているけれども、ＩｎＧａＮ系グリーンレーザダイオードは、コンパクト化、高効率及び信頼性を持つ直接光源として特別に注目されてきた。著しい進展が５１５ｎｍのＩｎＧａＮレーザダイオードに関して為されてきた。摂氏２５度で５ｍＷの光出力パワーの連続発振動作の下に、ｃ面ＧａＮ基板上の５１０〜５１５ｎｍのＩｎＧａＮグリーンレーザダイオードの素子寿命が５０００時間を超えることが知られている。しかし、グリーン光源用のより長い発振波長が特に５２５ｎｍを超えるプロジェクタとして使用されると期待されている。また、多くの研究者が、より長波長の発振を得ることを試みてきた。いくつかの研究グループは５３０ｎｍ付近の波長のレーザダイオードを作製することに成功した。しかしながら、活性層に高いＩｎ組成を内包すること及び高い消費電力のため、長い素子寿命を得ることは難しい。これまでに、５２５ｎｍを超える波長域において高温で、高い光出力を用いた長寿命の報告はない。
【０１０５】
本実施例では、半極性｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上のＩｎＧａＮ系純グリーンレーザダイオードの作製に成功し、このレーザダイオードの寿命は、摂氏５５度のＴｃ、５０ｍＷの光出力のＣＷ動作の下で、５０００時間を超えると見積もられ、また摂氏５５度のＴｃ、７０ｍＷの光出力の下で、１０００時間を超えると見積もられる。この寿命の鍵は、半極性｛２０−２１｝ＧａＮ基板を用いることである。半極性｛２０−２１｝ＧａＮ基板を用いることにより、小さいピエゾ分極、一様なＩｎＧａＮ活性層に関する利点がある。発明者らは、ｃ面レーザダイオードと比較して、５２０ｎｍを超える波長を持つ｛２０−２１｝面レーザダイオードの閾値電流密度が低い一方でスロープ効率についてはその後の改善を検討している。この実施例では、動作電流の低減及び高いスロープ効率のためにキャビティ長及びミラー反射率を検討し、またエピ層のＭｇ添加濃度及び厚さの検討によりコンタクト抵抗を低減する。スロープ効率の低減及びコンタクト抵抗の改善が安定した信頼性に関する著しい改善に結びつく。
【０１０６】
この実施例では、レーザ構造は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で自立半極性｛２０−２１｝ＧａＮ基板上に成長される。トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム及びアンモニアが、原料として用いられる。モノシラン及びビスシクロペンタジエニルマグネシウムが、それぞれ、ｎ型及びｐ型ドーパントとして用いられる。図１２は、本実施例におけるグリーンレーザダイオードの断面を概略的に示す図面である。デバイス構造は、半極性｛２０−２１｝ＧａＮ基板上に成長される。デバイス構造は、基板に始まり、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型及びアンドープＩｎＧａＮ光ガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、アンドープ及びｐ型ＩｎＧａＮ光ガイド層、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮ層、並びにｐ＋型ＧａＮ層からなる。この成長の後に、リッジ構造をドライエッチングにより作製する。レーザストライプは、半極性｛２０−２１｝レーザダイオードのための面方位の利点を生かすために［−１０１４］方向に沿って形成される。リッジ構造の上面の幅は約１．５μｍである。５００μｍ長のキャビティ長が切断により形成され、個々の端面は、それぞれ、反射率５５％及び９７％の誘電体膜で被覆される。
【０１０７】
このグリーンレーザダイオードの温度依存性を測定する。図１３は、摂氏２５度から摂氏５５度のＴｃの温度範囲におけるＣＷ動作の下で５０ｍＷの光出力パワーで、発振ピーク波長の温度依存性を示す。図１３の（ａ）部は５２５ｎｍを超えるグリーンレーザダイオードの典型的な発振スペクトルを示す。ピーク波長シフトは、図１３の（ｂ）部において、０．０６６ｎｍ／Ｋと見積もられる。
【０１０８】
図１４は、摂氏２５度から摂氏５５度のＴｃの温度範囲におけるＣＷ動作の下で５０ｍＷの光出力パワーで５２５ｎｍを超える発振波長の遠視野像（ＦＦＰ）を示す。遠視野像は、この温度範囲でほとんど同じである。ビーム発散角は、それぞれ、基板面に対して平行方向（θ平行）及び垂直方向（θ垂直）において１６．６度及び２３．２度である。アスペクト比（θ垂直／θ平行）が１．４である。平行方向（θ平行）及び垂直方向（θ垂直）の角度は、それぞれ、図１４の（ａ）部及び（ｂ）部に示される。デバイス構造のパラメータを変更することによってアスペクト比を制御できる。
【０１０９】
いくつかのグリーンレーザダイオードの、５０ｍＷの光出力パワーレベルにおける信頼性試験データが、図１５に示されており、該グリーンレーザダイオードの発振波長は５２７．５ｎｍ〜５３１．２ｎｍの範囲にある。図１５の（ａ）部は、レーザダイオードの動作電流の時間依存性を示し、図１５の（ｂ）部は、レーザダイオードの動作電圧の時間依存性を示す。デバイスの数は６個である。寿命試験は、自動パワー制御（ＡＰＣ）条件の下、ＣＷ動作、摂氏５５度のケース温度で行われる。デバイスの寿命は、動作電流がその初期値から１．３倍になるときの見積もり時間として規定される。エイジングプロファイルは、９００時間のデータから、動作電流及び動作電圧の増加をほとんど示さない。寿命は、摂氏５５度で５０ｍＷを用いて５０００時間以上と見積もられる。
【０１１０】
図１６に示される、７０ｍＷの光出力パワーレベルを用いて、ＣＷ動作の５２８．２〜５２９．１ｎｍのレーザダイオード寿命試験を行う。レーザダイオードの動作電流の時間依存性の結果が図１６の（ａ）部に示され、レーザダイオードの動作電圧の時間依存性の結果が図１６の（ｂ）部に示される。試験デバイスの数は２である。ＡＰＣ条件の下での寿命試験が、ＣＷ動作で摂氏５５度ので行われる。５００時間のエイジングプロファイルの劣化率から、寿命は、摂氏５５度７０ｍＷを用いて、１０００時間を超えると見積もられる。
【０１１１】
この実施例では、半極性｛２０−２１｝ＧａＮ基板を用いてＩｎＧａＮ系の純グリーンレーザダイオードが実証され、このレーザダイオードは、摂氏５５度のＴｃ、ＣＷ動作の下で、５０〜７０ｍＷの光出力パワー及び５２５ｎｍを超える波長を持つ。これらの純グリーンレーザダイオードの寿命は、摂氏５５度、５０ｍＷで少なくとも５０００時間を超えると見積もられ、摂氏５５度、７０ｍＷを用いて１０００時間を超えると見積もられる。ｃ面レーザダイオードの寿命に比べて長寿命が、５２５ｎｍを超える波長で実現され、またＩｎリッチのＩｎＧａＮ量子井戸の小さいピエゾ電界及び高い均一性、並びに高いスロープ効率及び低いｐ型コンタクト抵抗に因る。これらの結果は、｛２０−２１｝面上のグリーンレーザダイオードが、表示装置のグリーン光源用の期待できる候補であることを良く示している。
【０１１２】
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。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。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。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、所望の光出力を得るために必要な動作電流を低減可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。
【符号の説明】
【０１１４】
１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１の面、１３ｂ…第２の面、１３ｃ、１３ｄ…エッジ、１５…電極、１７…支持基体、１７ａ…半極性主面、１７ｂ…支持基体裏面、１７ｃ…支持基体端面、１９…半導体領域、１９ａ…半導体領域表面、１９ｃ…半導体領域端面、２１…第１のクラッド層、２３…第２のクラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７、２９…割断面、ＡＬＰＨＡ…角度、Ｓｃ…ｃ面、ＮＸ…法線軸、３１…絶縁膜、３１ａ…絶縁膜開口、３５…ｎ側光ガイド層、３７…ｐ側光ガイド層、３９…キャリアブロック層、４１…電極、４３ａ、４３ｂ…誘電体多層膜、ＭＡ…ｍ軸ベクトル、ＢＥＴＡ…角度、５１…基板、５１ａ…半極性主面、ＳＰ…基板生産物、５７…窒化ガリウム系半導体領域、５９…発光層、６１…窒化ガリウム系半導体領域、５３…半導体領域、５４…絶縁膜、５４ａ…絶縁膜開口、５５…レーザ構造体、５８ａ…アノード電極、５８ｂ…カソード電極、６３ａ…第１の面、６３ｂ…第２の面、１０ａ…レーザスクライバ、６５ａ…スクライブ溝、６５ｂ…スクライブ溝、ＬＢ…レーザビーム、ＳＰ１…基板生産物、ＬＢ１…レーザバー、６９…ブレード、６９ａ…エッジ、６９ｂ、６９ｃ…ブレード面、７１…支持装置、７１ａ…支持面、７１ｂ…凹部。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年7月2日(2013.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８２】
基板生産物ＳＰを形成する工程Ｓ１０２において、結晶成長に使用された半導体基板は、基板厚が４００μｍ以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、第２の面６３ｂが研磨により形成された加工面であることができる。この基板厚では、割断を使用するとき、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性を歩留まりよく得られる。また、割断を使用するとき、イオンダメージの無い端面６７ａ、６７ｂを形成できる。第２の面６３ｂが研磨により形成された研磨面であることが好ましい。また、基板生産物ＳＰを比較的容易に取り扱うためには、基板厚が５０μｍ以上であることが好ましい。割断を使用しないときは、端面６７ａ、６７ｂは、例えばエッチングにより形成されたエッチング面であることができる。エッチング面には発光層の端面が現れている。