(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層を第１導電型半導体層と第２導電型半導体層で挟み、
前記活性層、前記第１導電型半導体層、及び前記第２導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状に形成される構造を有し、
前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、
発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であり、
前記基板主面に対して傾斜した結晶面は基板からの選択成長により形成される
ことを特徴とする半導体レーザー素子。
【請求項２】
前記一部領域の前記面内の方向の幅は当該半導体レーザー素子の発光波長のばらつきが１０nm以下となる範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項３】
前記一部領域は前記面内の方向で３μｍ以下の幅とされることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項４】
前記一部領域は前記活性層に電流を供給する電極を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成することで構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項５】
前記電極は絶縁膜をストライプ状に開口した部分に形成されることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザー素子。
【請求項６】
前記一部領域は前記活性層を挟む前記第１導電型半導体層及び前記第２導電型半導体層の少なくとも一方を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成することで構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項７】
前記一部領域は前記活性層を傾斜面内の傾斜の方向で所定の幅を有するように形成することで構成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項８】
前記一部領域は傾斜面内の方向で１箇所に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項９】
前記一部領域は傾斜面内の方向で複数箇所に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項１０】
前記一部領域が前記略三角形状の一方の傾斜面に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項１１】
前記一部領域が前記略三角形状の両方の傾斜面に形成されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザー素子。
【請求項１２】
基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層を第１導電型半導体層と第２導電型半導体層で挟み、
前記活性層、前記第１導電型半導体層、及び前記第２導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略台形形状に形成される構造を有し、
前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、
発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であり、
前記基板主面に対して傾斜した結晶面は基板からの選択成長により形成される
ことを特徴とする半導体レーザー素子。
【請求項１３】
基板上に選択成長によって基板主面に対して傾斜した結晶面を有し、前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状若しくは略台形形状となる構造を有する第１導電型半導体層を形成する工程と、
前記第１導電型半導体層上に活性層を形成する工程と、
前記活性層上に第２導電型半導体層を形成する工程と、
前記第２導電型半導体層上の傾斜した面の一部で前記第２導電型半導体層に接する電極層を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１４】
前記電極層を形成する前に、前記一部で開口する絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１３記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１５】
前記電極層は全面に形成された後、前記第２導電型半導体層に部分的に接触させる領域を除いて除去されることを特徴とする請求項１３記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第２導電型半導体層は全面に形成された後、前記電極層に部分的に接触させる領域を除いて除去されることを特徴とする請求項１３記載の半導体レーザー素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板上に化合物半導体層などの半導体層を選択成長させて形成する半導体レーザー素子及び半導体レーザー素子の製造方法に関し、特にＧａＮ系半導体層のような化合物半導体層を用いて構成される半導体レーザー素子及び半導体レーザー素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザー素子の製造方法として、サファイア基板上に選択マスクを形成し、その選択マスクに形成された開口部から窒化ガリウムなどの窒化物半導体層を成長させる選択成長によって、半導体レーザー素子や発光ダイオードを構成する技術が知られている。一般に、窒化ガリウムを成長させようとする場合、サファイア基板が使用されることが多く行われている。ところが、サファイア基板と成長させる窒化ガリウムの間の格子不整合から、結晶内に高密度の転位が内在することがある。このため基板上に低温バッファ層を形成する技術は、成長させる結晶に発生する欠陥を抑制するための１つの手段であり、また、結晶欠陥を低減する目的で特開平10-312971 号公報では、横方向への選択結晶成長（ELO: epitaxial lateral overgrowth）を組合わせている。更に、窒化ガリウム系の半導体レーザーを形成する方法として、選択成長によって傾斜面を伴う積層構造体を形成する技術も知られており、このような技術は例えば特開平１１−３１２８４０号公報に記載される。
【０００３】
また、青色、緑色、赤色の各色の発光ダイオードや半導体レーザーを組み合わせて各画素を構成し、各画素をマトリクス状に配列させて独立して駆動することで画像表示装置を構成することができ、また、青色、緑色、赤色の各色の発光素子を同時に発光させることで白色発光装置若しくは照明装置としても利用できる。特に窒化物半導体を用いた発光素子は、バンドギャップエネルギーが約１．９ｅＶから約６．２ｅＶまであり、１つの材料でフルカラーディスプレイが可能となるため、多色発光素子の研究が進められている。なお、本明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、全体の１％以内若しくは１ｘ１０２０ｃｍ３以下の不純物の混入を含む場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
まず、基板からの貫通転位を低減するために、横方向の選択結晶成長をする技術や成長領域にファセット構造を形成する結晶成長方法においては、基板からの貫通転位をファセット構造部分などによって横方向に曲げることが可能であり、結晶欠陥を大幅に減らすことも可能となる。しかし、その後に活性層などの発光領域を形成するためには、横方向の選択結晶成長を十分に行ったり、或いはファセット構造を埋めこむことが行われていて、その工程数が増大し製造のための時間が長くなってしまうと言う問題が生ずることになる。
【０００５】
また、上述の特開平１１−３１２８４０号公報に記載される窒化ガリウム系の半導体レーザーとその製造方法においては、絶縁性選択マスクの開口部の略中心部に導電性選択マスクが形成され、選択成長によって成長する断面三角形状の積層構造体が得られる。ところが、断面三角形状の積層構造体は主に中心部の活性層に電流を集中させるための高抵抗領域として利用されているに過ぎず、傾斜面にはＳ面（１−１０１面）が現れて、Ｓ面自体はその製造の再現性に優れているが、逆に活性層となる領域が断面三角形状の積層構造体に挟まれた中央の導電性選択マスク近傍に限定され、肝心な活性層の膜質の制御などが難しくなり、素子全体としての再現性が劣化してしまうと言った問題が発生する。
【０００６】
また、例えば特開２０００−１８３４６０号公報記載の半導体素子のように、他の選択成長による傾斜面を利用した半導体発光素子においては、活性層を形成する面を傾斜面とすることでこの活性層が基板と非平行となり、このため戻り光などに起因するノイズを低減できるものとしている。しかしながら、一般に選択成長による傾斜面を用いた場合では、同じ傾斜面の面内であっても基板に近い位置と基板から遠い位置では結晶の組成が微妙にずれる傾向にあり、例えば基板から遠くなるほど発光波長が長波長化し易い。従って、半導体レーザー素子のように発光波長を所定の範囲に収める必要のあるデバイスでは、発光波長との関係で再現性に優れることがプロセス上求められている。
【０００７】
そこで本発明は、上述の技術的な課題に鑑み、素子の製造における再現性に優れる構造の半導体レーザー素子および半導体レーザー素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザー素子は、基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層を第１導電型半導体層と第２導電型半導体層で挟み、前記活性層、前記第１導電型半導体層、及び前記第２導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状、若しくは略台形形状に形成される構造を有し、前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であり、前記基板主面に対して傾斜した結晶面は基板からの選択成長により形成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体レーザー素子によれば、基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層は、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層によって挟まれる構造を有しており、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層に対して所要の電流を供給することで活性層に発光が生ずる。活性層は前記結晶面に略垂直な端面が共振面となることから、レーザー発振が可能とされるが、その活性層における発光する領域を傾斜した面内の一部である一部領域に制限させることで、発光波長のばらつきを抑えることが可能である。
【００１１】
また、前記活性層、前記第１導電型半導体層、及び前記第２導電型半導体層が前記結晶面に略垂直な断面において略三角形状若しくは略台形形状に形成される構造とすることで、選択成長によって形成される半導体層をそのまま利用して、発光する一部領域を形成することができる。
【００１２】
本発明の半導体レーザー素子の製造方法は、基板上に選択成長によって基板主面に対して傾斜した結晶面を有する第１導電型半導体層を形成する工程と、前記第１導電型半導体層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に第２導電型半導体層を形成する工程と、前記第２導電型半導体層上の傾斜した面の一部で前記第２導電型半導体層に接する電極層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
選択成長を用いることで、基板主面に対して傾斜した結晶面を形成することができ、活性層を第１導電型半導体層上に積層させることで、基板主面に対して傾斜した結晶面を有する活性層を形成できる。この活性層上に第２導電型半導体層を形成した後、傾斜した面の一部で前記第２導電型半導体層に接する電極層を形成することで、活性層における発光する領域を傾斜した面内の一部である一部領域に制限させることができ、当該半導体レーザー素子の発光波長のばらつきなどを抑えて、再現性に優れた素子を製造できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザー素子は、基板主面に対して傾斜した結晶面に沿って延長される活性層を第１導電型半導体層と第２導電型半導体層で挟む構造を有し、前記結晶面に略垂直な端面が共振面とされ、発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域であることを特徴とする。
【００１５】
本発明にかかる半導体レーザー素子に用いられる基板としては、ウルツ鉱型の化合物半導体層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＬｉＧａＯ２、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板などであり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイア基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイア基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。半導体装置の製造に広く使用されているシリコン基板などを利用することも可能である。基板自体は、製造中の半導体薄膜を支持する用途で用いられ、素子を完成させる際には剥離させる素子構造としても良く、そのまま基板を完成したレーザー素子に用いる素子構造であっても良い。
【００１６】
選択成長をさせる選択マスクの下層としては、前記基板自体であっても良いが、選択時に良好な結晶性を得るためにはバッファ層などの下地成長層を含めることができる。この下地成長層としては、化合物半導体層を選択することができ、後の工程でファセット構造を形成することからウルツ鉱型の化合物半導体を選ぶことが好ましい。さらに化合物半導体層としてはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、およびＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好ましい。窒化物半導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体が好ましい。一例としては、サファイア基板上にアンドープのＧａＮ層を形成し、その後でＳｉドープのＧａＮ層を形成しても良い。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。ここで本明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、全体の１％以内若しくは１ｘ１０２０ｃｍ３以下の不純物の混入を含む場合もある。
【００１７】
この化合物半導体層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００１８】
本発明の半導体レーザー素子においては、その結晶成長の下地成長層となる化合物半導体層の表面には例えばストライプ状に開口した開口部を有する選択マスクが形成され、そのストライプ状に開口した開口部の長辺に平行な稜線を有するように半導体層が選択成長によって形成される。マスクは基体主面上に直接若しくは基体上に形成されたバッファ層その他の層上に形成される成長阻害膜であり、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜などの絶縁膜からなるマスク材料が使用される。このマスクの開口部の形状は、一例としてストライプ状とされるが、共振面を得ることが可能な他の形状であっても良く、例えば曲線状、円形状、楕円形状、三角形状、五角形状又は六角形状などの多角形形状、若しくはこれらの複合体であっても良い。また、通常の半導体プロセスのように、複数個の開口部を形成することが可能である。
【００１９】
このような選択成長のマスク等を形成したところで、選択的な結晶成長によって半導体層を形成する。一例としては、ストライプ状に開口した開口部の長辺に平行な稜線を有するように半導体層を形成する。この半導体層は後述する傾斜面に略垂直な断面において略三角形状に形成され。選択成長の条件を変えた場合では前記断面において略台形状に形成される。
【００２０】
この選択成長における結晶成長は、前述の化合物半導体層の形成のための方法と同じ方法で行うことができる。具体的には、成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることができる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用されることなどについても同様である。
【００２１】
本発明にかかる半導体レーザー素子においては、基板主面に対して傾斜した結晶面を形成するために、選択成長によって例えばストライプ状の開口部の長辺に平行な稜線を有するように半導体層が形成される。この稜線を挟む半導体層の一対の結晶面は、好ましくは｛１−１０１｝面若しくは｛１１−２２｝面またはこれらの各面に実質的に等価な面の中から選ばれる面であることが望ましい。この一対の結晶面は稜線を挟んでそれぞれ傾斜する結晶面であり、例えば基体若しくは基板の主面をC＋面とすることで、Ｓ面またはＳ面に実質的に等価な面、若しくは｛１１−２２｝面または｛１１−２２｝面に実質的に等価な面を容易に形成することが可能である。選択成長を行った場合では、基体主面に対して傾斜した傾斜面としてＳ面及び｛１１−２２｝面は、Ｃ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。
【００２２】
Ｓ面ついては、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を安定して形成することができ、Ｃ＋面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にV/III 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００２３】
選択成長マスクのストライプ状の開口部の長手方向が［１１−２０］方向若しくは［１−１００］方向である場合、半導体層を開口部の長手方向に平行な稜線を有するように容易に形成することができる。また、［１１−２０］方向若しくは［１−１００］方向のいずれかより０．２度以上で２０度以下の角度だけ傾いた方向を長手方向とするストライプ状に開口した開口部を選択成長の際に用いることもできる。このように所要角度分だけ方向が傾いた場合では、結晶のステップが或る結晶面の全面に亘って揃う傾向にあり、結晶のステップが揃っている部分に電極を形成することで素子ごとのばらつきを大幅に低減できることになる。開口部の長手方向が［１１−２０］方向若しくは［１−１００］方向のいずれかより、ずれている方向が０．２度未満の角度では、殆ど方向のずれがない［１１−２０］方向若しくは［１−１００］方向そのものと同じ結晶性の傾向を示すに過ぎない。また、２０度を越える角度分傾いた方向を長手方向とする開口部を用いた場合では、他の結晶のステップの影響が逆に結晶面に露呈し得る。
【００２４】
このような半導体層には、稜線の両側に形成される傾斜面上に第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層が積層される。第１導電型半導体層は下層の半導体層と連続的に形成しても良い。傾斜面上に積層される第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体層において、第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型半導体層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型半導体層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成することができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造や片側だけにＡｌＧａＮ層を形成する構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００２５】
これら第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層は、傾斜面に平行な面内に延在されるが、このような傾斜面に平行な面内への形成は、傾斜面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。第１導電型クラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型半導体層として機能する構造であっても良い。
【００２６】
活性層を挟む第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層には電極が直接或いは間接的に接続される。本発明にかかる半導体レーザー素子においては、発光する領域が前記活性層の傾斜した面内における一部領域に設定されている。一部領域とは傾斜した面の面内方向において全域に形成されているのではなく、一部の範囲だけに形成された領域を示す。このような一部領域は、傾斜面内の方向で１箇所に形成される構成であっても良く、傾斜面内の方向で複数箇所に形成される構成であっても良い。一部領域は実質的に発光に寄与する領域であり、次に説明するように電極を狭く形成して電流を狭窄したり、或いは絶縁膜を利用して電流の集中を図ることが可能である。
【００２７】
このような一部領域の面内の方向の幅は、当該半導体レーザー素子の発光波長のばらつきが約１０nm以下となる範囲に設定することが望ましい。このように半導体レーザー素子の発光波長のばらつきを約１０nm以下となる範囲に前記幅を設定する理由としては、本件発明者らが行った実験データによれば、半値幅が２０nm程度以内のスペクトラムを有する活性層が発振し易い事実があり、その際、ピーク波長が電極ストライプ内で許容されるピーク波長幅は程度としてその半値幅である１０nm以内であることが推論できるからである。
【００２８】
このような幅の設定は、経験則によれば、窒化ガリウム系化合物半導体層においては、一部領域は前記面内の方向でおよそ３μｍ以下の幅とされ、好ましくは２μｍ以下の幅、より好ましくは１μｍ以下の幅に設定される。即ち、前述の10nmの波長の分布を持ち得る範囲は、本件発明者らが行った実験によると、典型的なピラミッドの底辺からの高さと、発光ピーク波長の関係から、図１４の様に示される。図１４は横軸を底辺からの長さ（μｍ）とし、縦軸をピーク波長（nm）とした特性図である。底辺からの長さは斜面に沿った長さであり、高さに相当している。この図１４によれば、ピークのずれが10nm程度とすると、底辺からの長さが比較的長い位置すなわち底辺からある程度離れた位置で、高さの幅は3μｍ程度となり、それ以下であれば半導体レーザー素子の発光波長のばらつきが小さくなるという結果が得られることになる。
【００２９】
一部領域の構造として、活性層に電流を供給する電極を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成することも可能であり、或いは活性層を挟む第１導電型半導体層及び第２導電型半導体層の少なくとも一方を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成したり、活性層を傾斜面内の方向で所定の幅を有するように形成することも可能である。活性層に電流を供給する電極の幅を狭くする方法としては、フォトリソグラフィーによって電極層や第１及び第２導電型半導体層の幅を狭くすることも可能であるが、電極層の幅自体を実効的に狭くするために、電流の狭窄用に絶縁膜をストライプ状に開口した部分に形成しても良い。
【００３０】
ここで各電極はそれぞれの素子ごとに形成されるものであるが、複数のレーザー素子の間でｐ電極またはｎ電極の一方は共通化することもできる。接触抵抗を下げるために、所要のコンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。一般的に各電極は多層の金属膜を蒸着などによって被着して形成されるが、素子ごとに区分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフなどにより微細加工することができる。各電極は選択結晶成長層や基板の一方の面に形成することもでき、両側に電極を形成してより高密度で電極を配線するようにすることもできる。また、独立して駆動される電極はそれぞれ同じ材料を微細加工して形成したものであっても良いが、領域ごとに異なる材料の電極材料を使用することも可能である。
【００３１】
本発明の半導体レーザー素子としては、ストライプ状の結晶成長部の端面などに共振器が形成される。よく知られているように、共振器は結晶のへき開によって形成することができ、一例としてはストライプ状の開口部の長手方向に実質的に垂直な面に共振面をへき開などによって形成することができる。へき開によって共振面を形成しない場合でもエッチング法などによって共振面を形成しても良い。
【００３２】
また、本発明の半導体レーザー素子を複数個配列させるように形成することで、表示装置を構成することができる。このような半導体レーザー素子を複数個配列させた表示装置においては、高密度に発光素子を配置することができ、電極の共通化による製造の容易性も向上する。また、単色の発光による表示装置に限らず、多色の発光による表示装置を構成することも可能である。
【００３３】
以下、本発明を各実施形態を参照しながら更に詳細に説明する。なお、本発明の半導体レーザー素子は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが可能であり、本発明は以下の各実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
[第１の実施形態]
図１は本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体レーザー素子の要部断面図である。基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体１１上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク１２が形成される。基体１１は、具体的にはその主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。バッファ層としてAｌN層などを形成しても良い。選択マスク１２にはストライプ状に開口した開口部１３がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においては、開口部１３の長手方向は稜線を備えた結晶成長を図るために［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向とされる。
【００３５】
細長い帯状の開口部１３からは、選択成長により第１導電型半導体層としてシリコンドープのＧａＮ層１４が形成される。本実施形態においてはシリコンドープのＧａＮ層１４は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部１３から成長するために図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのＧａＮ層１４では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのＧａＮ層１４の成長時においてその成長温度は例えば９８０℃に設定される。
【００３６】
シリコンドープのＧａＮ層１４上には、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１５がガイド層として例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１６が例えば膜厚３ｎｍで形成され、そのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１７が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。これらＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１６、及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１７は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのＧａＮ層１４の稜線を跨いで両側の傾斜面に積層するように形成される。
【００３７】
ガイド層としてのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１７上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１８が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層１８は第２導電型半導体層として機能する層であり、ｐ型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのＧａＮ層１８上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜２１が形成される。この絶縁膜２１は断面三角形状の半導体層を被覆するように形成され、この絶縁膜２１の傾斜面上の一部を開口して開口部２０が形成される。この開口部２０は水平方向に延長されており、当該開口部２０の存在する高さの部分の半導体層を臨ませる。開口部２０の斜面上の幅は例えば１〜３μｍ程度に細く設定される。
【００３８】
開口部２０が形成された領域にはｐ側電極層１９が形成される。ｐ側電極層１９は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。このｐ側電極層１９は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたｐ側電極層１９は、上述のように例えば１〜３μｍ程度に細く開口した開口部２０を介してマグネシウムドープのＧａＮ層１８の界面に被着され、断面三角形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域とさせる。
【００３９】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク１２と絶縁膜２１が開口してｎ側電極層２２が形成される。このｎ側電極層２２は例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造を有し、第１導電型半導体層であるシリコンドープのＧａＮ層１４に基体１１を介して電気的に接続される。
【００４０】
図２は本実施形態の半導体レーザー素子における一部領域を概念的に示す模式図である。水平方向を長手方向とするように三角柱形状の半導体層２８が配され、垂直に立ち上がる両端面２５、２５がレーザーの共振面とされる。傾斜面２６の高さ方向の中途には、発光領域となる一部領域２７が形成される。すなわち、本実施形態の半導体レーザー素子では、傾斜面２６の全域の幅Ｒではなく、部分的な幅Ｗ１に亘って一部領域２７が形成される。このため一部領域２７で発生する光は、波長のばらつきが抑えられたものとなり、共振面で共振させた場合に半値幅の細い再現性に優れたレーザー素子が得られることになる。傾斜面２６の全域の幅Ｒは、例えば５μｍから５０μｍ程度の範囲内のサイズとされる。
【００４１】
ここで図３乃至図８を参照しながら、本実施形態にかかる半導体レーザー素子の製造方法について説明する。先ず、図３に示すように、サファイア基板と下地成長層の積層体である基体３１上に、シリコン酸化膜からなる選択マスク３２が形成される。基体３１は、例示的にはその主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。選択マスク３２には水平方向を長手方向とするストライプ状に開口した開口部３３が形成される。この水平方向は例えば［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向である。
【００４２】
次に、図４及び図５に示すように、細長い帯状の開口部３３を選択マスク３２に形成した選択成長により第１導電型半導体層として機能するシリコンドープのＧａＮ層３４が形成される。図５は図４のＶ−Ｖ線断面図に該当し、同じ工程にかかる工程断面図である。この選択成長によって断面略三角形状のシリコンドープのＧａＮ層３４が形成される。該ＧａＮ層３４の稜線の両側に形成される傾斜面は例えばＳ面若しくは｛１１−２２｝面であり、選択成長時に安定して形成される結晶面である。
【００４３】
断面略三角形状のシリコンドープのＧａＮ層３４の形成後、図６に示すように、ガイド層となるＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３５が例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３６が例えば膜厚３ｎｍで形成され、そのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３７が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。ガイド層としてのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３７上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層３８が形成される。これらのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層３６、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３７、マグネシウムドープのＧａＮ層３８はそれぞれ薄膜であって積層されることから、マグネシウムドープのＧａＮ層３８のＳ面などの傾斜面を反映し、稜線の両側には傾斜面がそれぞれ形成されて構成される。
【００４４】
これら半導体層を積層した後、図７に示すように、全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の如き絶縁膜３９を被覆させる。この絶縁膜３９はフォトリソグラフィ等を用いてその斜面における一部を開口するように微細加工され、その微細加工によって開口部４０が形成される。この開口部４０の底部ではマグネシウムドープのＧａＮ層３８の表面がストライプ状に露出する。この開口部４０の幅は、およそ３μｍ以下の幅とされるが、好ましくは２μｍ以下の幅、より好ましくは１μｍ以下の幅に設定される。
【００４５】
次に、図８に示すように、ｐ側電極層４１を開口部４０を形成した領域に形成する。このｐ側電極層４１は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。以下、図示を省略するが、ｎ側電極層を形成し、へき開等を利用して結晶面に略垂直な端面に共振面を形成する。ｎ側電極層、共振面の形成工程は前後しても良い。所要の電流を流すことで、ストライプ状に細く形成されたｐ側電極層４１から電流が供給され、そのｐ側電極層４１を反映して傾斜した結晶面の狭い領域でのみ発光が生ずる。
【００４６】
このような製法においては、絶縁膜３９に形成された幅の狭い開口部４０が電流狭窄部となって機能するため、発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することが可能である。
【００４７】
なお、本実施形態においては、発光にかかる領域を傾斜面内の方向で制限するための一部領域の形成のためにフォトリソグラフィで開口部４０を形成し、ｐ側電極層４１を狭い幅で形成するものとして説明したが、絶縁膜３９の膜厚を厚くして、アスペクト比の高い開口部を形成し、その開口部の段差によるリフトオフによってｐ側電極層４１を狭い幅で形成することも可能である。また、本実施形態では水平方向においては電極が連続するように説明したが、水平方向において電極若しくは活性層が断続的に存在する構造などを有していても良い。
【００４８】
［第２の実施形態］
図９に第２の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、傾斜面内に２つのｐ側電極層を形成した例であり、発光波長を複数に制御できる素子構造を有している。
【００４９】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体５１上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク５２が形成される。基体５１は、具体的にはその主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。バッファ層としてAｌN層などを形成しても良い。選択マスク５２にはストライプ状に開口した開口部５３がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部５３の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向とされる。
【００５０】
細長い帯状の開口部５３からは、選択成長により第１導電型半導体層としてシリコンドープのＧａＮ層５４が形成される。本実施形態においては、前述の実施形態と同様に、シリコンドープのＧａＮ層５４は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部５３から成長するために図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのＧａＮ層５４では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのＧａＮ層５４の成長時においてその成長温度は例えば９８０℃に設定される。
【００５１】
シリコンドープのＧａＮ層５４上には、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５５がガイド層として例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層５６が例えば膜厚３ｎｍで形成され、そのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層５６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５７が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。これらＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層５６、及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５７は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのＧａＮ層５４の稜線を跨いで両側の傾斜面に積層するように形成される。
【００５２】
ガイド層としてのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層５７上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層５８が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層５８は第２導電型半導体層として機能する層であり、ｐ型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのＧａＮ層５８上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜６１が形成される。この絶縁膜６１は断面三角形状の半導体層を被覆するように形成される。この絶縁膜６１の傾斜面上の２箇所を開口して開口部６６、６７が形成される。この開口部６６、６７は水平方向にそれぞれ延長されており、半導体層を当該開口部６６、６７の部分で臨ませる。開口部６６、６７の斜面上の幅は例えば１〜３μｍ程度に細く設定される。
【００５３】
開口部６６、６７を形成した領域にはｐ側電極層６４、６５が形成される。ｐ側電極層６４、６５は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。これらｐ側電極層６４、６５は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたｐ側電極層６４、６５は、上述のように例えば１〜３μｍ程度に細く開口した開口部６６、６７を介してマグネシウムドープのＧａＮ層５８の界面に被着され、断面三角形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域６８、６９とさせる。ｐ側電極層６４、６５は同じ積層構造の膜をフォトリソグラフィー技術によってパターニングすることで形成でき、異なる構造、材質の電極層を順次形成し微細加工するようにしても良い。
【００５４】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク５２と絶縁膜６１を開口した開口部６３内にｎ側電極層６２が形成される。このｎ側電極層６２は例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造を有し、第１導電型半導体層であるシリコンドープのＧａＮ層５４に基体５１を介して電気的に接続される。
【００５５】
このような図９に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜した結晶面内に２つの電極層６４、６５が形成され、一般に傾斜した面内においては発光波長が頂点に近くなるほど長波長側にずれることから、ｐ側電極層６４に対応した一部領域６８とｐ側電極層６５に対応した一部領域６９では、発光波長が異なることになり、２波長の発光が同一素子内で可能となる。また、絶縁膜６１に形成された幅の狭い開口部６６、６７が電流狭窄部となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【００５６】
［第３の実施形態］
図１０に第３の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、稜線を挟んで対向する２つの傾斜面にそれぞれｐ側電極層を形成した例である。
【００５７】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体７１上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク７２が形成される。基体７１は、その主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。バッファ層としてAｌN層などを形成しても良い。選択マスク７２にはストライプ状に開口した開口部７３がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部７３の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために例えば［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向とされる。
【００５８】
細長い帯状の開口部７３からは、選択成長により第１導電型半導体層としてシリコンドープのＧａＮ層７４が形成される。本実施形態においても前述の実施形態と同様に、シリコンドープのＧａＮ層７４は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部７３から成長することから、図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのＧａＮ層７４では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのＧａＮ層７４の成長時においてその成長温度は例えば９８０℃に設定される。
【００５９】
シリコンドープのＧａＮ層７４上には、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７５がガイド層として例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７６が例えば膜厚３ｎｍで形成され、そのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７７が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。これらＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層７６、及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７７は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのＧａＮ層７４の稜線を跨いで両側の傾斜面にそれぞれ積層するように形成される。
【００６０】
ガイド層としてのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７７上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層７８が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層７８は第２導電型半導体層として機能する層であり、ｐ型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのＧａＮ層７８上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜８１が形成される。この絶縁膜８１は断面三角形状の半導体層を被覆するように形成される。
【００６１】
この絶縁膜８１の傾斜面上の一部を開口して開口部８６、８７が対向する両傾斜面に形成される。これら開口部８６、８７は水平方向に延長されており、当該開口部８６、８７の存在する高さの部分の半導体層を臨ませる。開口部８６、８７の斜面上の幅は例えば１〜３μｍ程度に細く設定される。
【００６２】
開口部８６、８７を形成した領域にはｐ側電極層８４、８５が形成される。ｐ側電極層８４、８５は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。これらｐ側電極層８４、８５は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたｐ側電極層８４、８５は、上述のように例えば１〜３μｍ程度に細く開口した開口部８６、８７を介してマグネシウムドープのＧａＮ層７８の界面に被着され、断面三角形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域８９、８８とさせる。ｐ側電極層８４、８５は同じ積層構造の膜をフォトリソグラフィー技術によってパターニングすることで形成でき、異なる構造、材質の電極層を順次形成し微細加工するようにしても良い。
【００６３】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク７２と絶縁膜８１を開口した開口部８３内にｎ側電極層８２が形成される。このｎ側電極層８２は例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造を有し、第１導電型半導体層であるシリコンドープのＧａＮ層７４に基体７１を介して電気的に接続される。
【００６４】
図１０に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜し稜線の両側に設けられる２つの結晶面内それぞれにｐ側電極層８４、８５が形成され、例えばｐ側電極層８４、８５をフォトリソグラフィ等を用いて形成する場合に、電極間の距離をとることができ、微細加工をする際に有利である。また、絶縁膜８１に形成された幅の狭い開口部８６、８７が電流狭窄部となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【００６５】
なお、開口部８６、８７の高さを一方が高く他方が低くなるように変えることで、発光波長を複数に制御できる素子構造を有している。また、稜線を挟んで傾斜する結晶面の両側に2個ずつのように複数個形成することも可能である。
【００６６】
［第４の実施形態］
図１１に第４の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、稜線を挟んで対向する２つの傾斜面にそれぞれマグネシウムドープのＧａＮ層を形成した例である。
【００６７】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体９１上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク９２が形成される。基体９１は、その主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。バッファ層としてAｌN層などを形成しても良い。選択マスク９２にはストライプ状に開口した開口部９３がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部９３の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために例えば［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向とされる。
【００６８】
細長い帯状の開口部９３からは、選択成長により第１導電型半導体層としてシリコンドープのＧａＮ層９４が形成される。本実施形態においても前述の実施形態と同様に、シリコンドープのＧａＮ層９４は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部９３から成長することから、図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのＧａＮ層９４では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのＧａＮ層９４の成長時においてその成長温度は例えば９８０℃に設定される。
【００６９】
シリコンドープのＧａＮ層９４上には、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９５がガイド層として例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層９６が例えば膜厚３ｎｍで形成され、そのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層９６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９７が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。これらＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層９６、及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９７は、断面略三角形状の頂点に当たるシリコンドープのＧａＮ層９４の稜線を跨いで両側の傾斜面にそれぞれ積層するように形成される。
【００７０】
ガイド層としてのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９７上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層９８が形成されるが、本実施形態においては、傾斜面の全域ではなく一部だけを被覆するようにマグネシウムドープのＧａＮ層９８が形成される。Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層９７上のマグネシウムドープのＧａＮ層９８が形成されていない領域には、シリコン酸化膜などの絶縁膜９９が形成される。この絶縁膜９９は断面三角形状の半導体層をマグネシウムドープのＧａＮ層９８以外の部分で被覆するように形成される。ここでマグネシウムドープのＧａＮ層９８の斜面上の幅は例えば１〜３μｍ程度に細く設定され、例えばマグネシウムドープのＧａＮ層９８はエッチングなどにより細い帯状のパターンにされる。
【００７１】
マグネシウムドープのＧａＮ層９８と絶縁膜９９の上にはｐ側電極層１００が形成される。ｐ側電極層１００は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。このｐ側電極層１００は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって少なくとも前記マグネシウムドープのＧａＮ層９８と電気的に接続するように形成される。マグネシウムドープのＧａＮ層９８は、上述のように例えば１〜３μｍ程度に既に細く帯状に形成されていることから、ｐ側電極層１００は比較的に広い領域に形成することができる。
【００７２】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク９２と絶縁膜１０４を開口した開口部１０３内にｎ側電極層１０２が形成される。このｎ側電極層１０２は例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造を有し、第１導電型半導体層であるシリコンドープのＧａＮ層９４に基体９１を介して電気的に接続される。
【００７３】
図１１に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜し稜線の両側に設けられる２つの結晶面内それぞれに細い線幅のマグネシウムドープのＧａＮ層９８が形成され、そのマグネシウムドープのＧａＮ層９８の周囲を絶縁膜９９が埋めるように形成されていることから、ｐ側電極層１００を比較的広い領域に形成しても確実に発光すべき一部領域を形成することができ、またフォトリソグラフィ等を用いてｐ側電極層１００を形成する際には微細加工が容易となる。また、絶縁膜９９に挟まれて形成された幅の狭いマグネシウムドープのＧａＮ層９８が電流狭窄部となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【００７４】
なお、本実施形態では、マグネシウムドープのＧａＮ層９８を稜線の両側傾斜面に形成しているが、片側傾斜面に形成することも可能である。また、各傾斜面内で複数のマグネシウムドープのＧａＮ層９８を形成するように構成することも可能である。
【００７５】
［第５の実施形態］
図１２に第５の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造の断面図を示す。本実施形態は、稜線を挟んで対向する２つの傾斜面にそれぞれ細い線幅の活性層を形成した例である。
【００７６】
基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体１１１上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク１１２が形成される。基体１１１は、その主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。バッファ層としてAｌN層などを形成しても良い。選択マスク１１２にはストライプ状に開口した開口部１１３がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においても、前述の実施形態と同様に、開口部１１３の長手方向は稜線を備えた結晶成長を得るために例えば［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向とされる。
【００７７】
細長い帯状の開口部１１３からは、選択成長により第１導電型半導体層としてシリコンドープのＧａＮ層１１４が形成される。本実施形態においても前述の実施形態と同様に、シリコンドープのＧａＮ層１１４は断面略三角形状とされ、細長い帯状の開口部１１３から成長することから、断面に垂直な方向を長手方向とする。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのＧａＮ層１１４では、断面略三角形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのＧａＮ層１１４の成長時においてその成長温度は例えば９８０℃に設定される。
【００７８】
シリコンドープのＧａＮ層１１４上には、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１１５がガイド層として例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１１５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６が例えば膜厚３ｎｍで形成される。本実施形態においてはＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６が細い帯状のパターンに形成され、その上側及び下側の領域はアンドープＧａＮ層の如き導電性の低い低導電層１１７が形成される。低導電層１１７の代わりに絶縁層を形成することも可能である。
【００７９】
低導電層１１７及びＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１１８が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。このＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１１８上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１１９が形成され、マグネシウムドープのＧａＮ層１１９上にはｐ側電極層１２０が形成される。ｐ側電極層１２０は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。活性層となるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６が、上述のように既に細く帯状に形成されていることから、ｐ側電極層１２０は比較的広い領域に形成することができる。
【００８０】
断面三角形状の半導体層の傍らには、選択マスク１１２と絶縁膜１２４を開口した開口部１２３内にｎ側電極層１２２が形成される。このｎ側電極層１２２は例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造を有し、第１導電型半導体層であるシリコンドープのＧａＮ層１１４に基体１１１を介して電気的に接続される。
【００８１】
図１２に示す構造の本実施形態の半導体レーザー素子では、基板主面に対して傾斜し稜線の両側に設けられる２つの結晶面内それぞれに細い線幅の活性層であるＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６が形成され、ｐ側電極層１２０を比較的広い領域に形成しても確実に発光すべき一部領域を形成することができ、またフォトリソグラフィ等を用いてｐ側電極層１２０を形成する際に、容易に微細加工することができる。また、低導電層１１７に挟まれて形成された幅の狭いＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６が活性層となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６を稜線の両側傾斜面に形成しているが、片側傾斜面に形成することも可能である。また、各傾斜面内で複数個のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１１６を形成するように構成することも可能である。
【００８３】
[第６の実施形態]
図１３は本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体レーザー素子の要部断面図である。基板主面をサファイア基板と下地成長層との積層体である基体１３１上に、例えばシリコン酸化膜からなる選択マスク１３２が形成される。基体１３１は、具体的にはその主面をＣ面とするサファイア基板上に、例えばアンドープＧａＮ層及びシリコンドープのＧａＮ層を積層した構造体である。バッファ層としてAｌN層などを形成しても良い。選択マスク１３２にはストライプ状に開口した開口部１３３がレジストマスクの形成後フッ酸系のエッチングにより形成される。本実施形態においては、開口部１３３の長手方向は稜線を備えた結晶成長を図るために［１−１００］方向若しくは［１１−２０］方向とされる。
【００８４】
細長い帯状の開口部１３３からは、選択成長により第１導電型半導体層としてシリコンドープのＧａＮ層１３４が形成される。本実施形態においてはシリコンドープのＧａＮ層１３４は断面略台形形状とされ、細長い帯状の開口部１３３から成長するために図示の断面に垂直な方向を長手方向とする。断面略台形形状のシリコンドープのＧａＮ層１３４は平らな上面が例えばＣ面であり、両側の傾斜面が例えばＳ面とされる。この長手方向の図示しない両端部にへき開若しくはエッチングによって共振面が形成されてレーザー発振が可能となる。シリコンドープのＧａＮ層１３４では、断面略台形形状の斜辺により構成される面が、基板主面に対して傾斜した結晶面となる。シリコンドープのＧａＮ層１３４の成長時においてその成長温度は例えば９８０℃に設定される。
【００８５】
シリコンドープのＧａＮ層１３４上には、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１３５がガイド層として例えば膜厚１０ｎｍで形成され、そのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１３５上には活性層としてＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１３６が例えば膜厚３ｎｍで形成され、そのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１３６上にはガイド層としてＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１３７が例えば膜厚１０ｎｍで形成される。これらＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１３５、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層１３６、及びＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１３７は、断面略台形形状の頂点に当たるシリコンドープのＧａＮ層１３４の両側の傾斜面及び基板主面に平行な上面に積層するように形成される。
【００８６】
ガイド層としてのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１３７上には、第２導電型半導体層としてマグネシウムドープのＧａＮ層１３８が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層１３８は第２導電型半導体層として機能する層であり、ｐ型化合物半導体層である。このマグネシウムドープのＧａＮ層１３８上にはシリコン酸化膜などの絶縁膜１３９が形成される。この絶縁膜１３９は断面台形形状の半導体層を被覆するように形成され、この絶縁膜１３９の傾斜面上の一部を開口して開口部１４０が形成される。この開口部１４０は水平方向に延長されており、当該開口部１４０の存在する高さの部分の半導体層を臨ませる。開口部１４０の斜面上の幅は例えば１〜３μｍ程度に細く設定される。
【００８７】
開口部１４０が形成された領域にはｐ側電極層１４１が形成される。ｐ側電極層１４１は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造からなる。このｐ側電極層１４１は全面に形成した後、エッチングやリフトオフなどの手法によって細い帯状のパターンに形成される。この傾斜面に部分的に形成されたｐ側電極層１４１は、上述のように例えば１〜３μｍ程度に細く開口した開口部１４０を介してマグネシウムドープのＧａＮ層１３８の界面に被着され、断面台形形状の半導体層の所定の高さの部分に集中的に電流を供給し、発光すべき領域を斜面の幅方向で限定された一部領域とさせる。
【００８８】
断面台形形状の半導体層の傍らには、選択マスク１３２と絶縁膜１３９が開口してｎ側電極層１４２が形成される。このｎ側電極層１４２は例えばＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ電極構造を有し、第１導電型半導体層であるシリコンドープのＧａＮ層１３４に基体１３１を介して電気的に接続される。
【００８９】
このような半導体レーザー素子においては、絶縁膜１３９に形成された幅の狭い開口部１４０が電流狭窄部となって機能するため、発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することが可能である。なお、ｐ側電極層１４１は他方の傾斜面にも追加して形成することも可能であり、当該断面台形形状の各傾斜面に複数本の電極層を配設することも可能である。これらの実施例において電極の部分は部分的に熱活性化する（マスクを形成してマスク開口のみ活性化）や、ストライプ部分以外の部分で水素のイオン注入を行い、ストライプのみ電流を流すなどして、電流注入部分を形成することもできる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザー素子によれば、基板主面に対して傾斜した結晶面において幅の狭い電極層、半導体層、活性層等が一部領域となって機能するため、それぞれ発光波長のばらつきを抑えてレーザー素子を形成することができ、発光波長の安定した半導体レーザー素子を再現性良く製造することができることになる。また、本発明の半導体レーザー素子によれば、基板主面に対して傾斜した結晶面を発光に利用するため、結晶転位を抑えながら電流密度を高くすることができ、輝度の高い半導体レーザー素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の一部領域を説明するための模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、開口部の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、シリコンドープのＧａＮ層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、図４のＶ−Ｖ線断面図であって且つシリコンドープのＧａＮ層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、マグネシウムドープのＧａＮ層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、開口部の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の半導体レーザー素子の製造方法における工程斜視断面図であって、ｐ側電極層の形成工程までの工程斜視断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態の半導体レーザー素子の素子構造を示す断面図である。
【図１４】本発明にかかる半導体レーザー素子の波長と底辺からの長さの関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１１、３１、５１、７１、９１、１１１、１３１  基体
１２、３２、５２、７２、９２、１１２、１３２  選択マスク
１３、３３、５３、７３、９３、１１３、１３３  開口部
１４、３４、５４、７４、９４、１１４、１３４  シリコンドープのＧａＮ層
１５、３５、５５、７５、９５、１１５、１３５  Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層
１６、３６、５６、７６、９６、１１６、１３６    Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層
１７、３７、５７、７７、９７、１１８、１３７    Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層
１８、３８、５８、７８、９８、１１９、１３８  マグネシウムドープのＧａＮ層
１９、４１、６４、６５、８４、８５、１００、１２０、１４１  ｐ側電極層
２２、４２、６２、８２、１０２、１２２、１４２  ｎ側電極層
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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