(57)【要約】【課題】良好な品質の劈開面を有する窒化物半導体レーザを提供する。【解決手段】支持基体１３上に半導体積層１５が設けられている。支持基体１３の主面１３ａの傾斜角は、六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に２０度以上であり、傾斜角は４０度以下である。一点鎖線１３ｃは、支持基体１３における六方晶系窒化物半導体の代表的なｃ面を示す。半導体積層１５は、半導体レーザのための複数の半導体膜を含む。半導体積層１５の活性層２３は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、この窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上である。半導体積層１５の表面１５ａは、Ｘ軸の方向に延びる複数の突起１９ａを有しており、複数の突起１９ａは、例えばＹ軸の方向に配列されている。半導体積層１５は、第２の方向に延びる第１及び第２の劈開面１７ａ、１７ｂを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
六方晶系窒化物半導体からなり、該六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面及び裏面を有する支持基体と、
第１導電型窒化物半導体層、第２導電型窒化物半導体層及び活性層を含んでおり、前記支持基体の前記主面上に設けられ半導体レーザのための構造を有する半導体積層と
を備え、
前記半導体積層の表面モフォロジは、第１の方向に延びる複数の突起を有しており、
前記半導体積層は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びる第１及び第２の劈開面を有しており、
前記支持基体の前記主面の傾斜角は２０度以上であり、前記傾斜角は４０度以下であり、
前記活性層は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、
前記窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上であり、
前記活性層は前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられている、ことを特徴とする窒化物半導体レーザ。
【請求項２】
前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−０．１度以下及び＋０．１度以上の角度範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項３】
前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−１度以上＋１度以下の角度範囲である、ことを特徴とする請求項２に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項４】
前記支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有しており、
前記第１導電型窒化物半導体層、前記活性層及び前記第２導電型窒化物半導体層は、前記窒化ガリウム系半導体領域上に位置する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項５】
前記支持基体は、ＧａＮからなり、
前記支持基体は、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有する第１の領域と、前記第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有する第２の領域とを含み、
前記第１の領域は、前記第１の劈開面から第２の劈開面に向かう方向に延びている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１及び第２の劈開面はｍ面である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項７】
前記第１の劈開面から前記第２の劈開面への方向に延在しており前記半導体積層の表面に設けられた電極を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
【請求項８】
窒化物半導体レーザを作製する方法であって、
六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面及び裏面を有し該六方晶系窒化物半導体からなるウエハを準備する工程と、
第１導電型窒化物半導体層を前記ウエハ上に成長する工程と、
前記第１導電型窒化物半導体層を成長した後に、当該窒化物半導体レーザの活性層のための窒化ガリウム系半導体層を前記ウエハ上に成長する工程と、
前記活性層を形成した後に、第２導電型窒化物半導体層を前記ウエハ上に形成して、半導体積層を含むエピタキシャルウエハを形成する工程と、
前記エピタキシャルウエハを形成した後に、電極を形成して基板生産物を作製する工程と、
前記電極を形成した後に、前記基板生産物の劈開により劈開面を形成する工程と
を備え、
前記エピタキシャルウエハの前記表面は、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸に交差する第１の方向に延びる複数の突起を有しており、
前記ウエハの前記六方晶系窒化物半導体は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びる劈開可能な結晶面を有しており、
前記劈開面は前記第２の方向に延びており、
前記ウエハの前記主面の傾斜角は２０度以上であり、前記傾斜角は４０度以下であり、
前記窒化ガリウム系半導体層は、インジウムを含む半導体からなり、
前記窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上である、ことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記ウエハのエッジ上の２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上である、ことを特徴とする請求項８に記載された方法。
【請求項１０】
前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−１度〜−０．１度及び＋０．１度〜＋１度の角度範囲である、ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載された方法。
【請求項１１】
前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有する、ことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１２】
前記ウエハは、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有する第１の領域と、前記第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有する第２の領域とを含み、
前記第１の領域は、前記所定の方向及び前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に交差する方向に延びている、ことを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１３】
前記劈開面はｍ面である、ことを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１４】
窒化物半導体レーザのためのエピタキシャルウエハであって、
六方晶系窒化物半導体からなり、該六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面及び裏面を有するウエハと、
第１導電型窒化物半導体層、第２導電型窒化物半導体層及び活性層を含んでおり、前記ウエハ上に設けられた半導体積層と
を備え、
前記半導体積層の前記表面は、第１の方向に延びる複数の突起を有しており、
前記ウエハの前記六方晶系窒化物半導体は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びる劈開可能な結晶面を有しており、
前記ウエハの前記主面の傾斜角は２０度以上であり、前記傾斜角は４０度以下であり、
前記活性層は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、
前記窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上であり、
前記活性層は前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられている、ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記ウエハのエッジ上の２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上である、ことを特徴とする請求項１４に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−１度〜−０．１度及び＋０．１度〜＋１度の角度範囲である、ことを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有する、ことを特徴とする請求項１４〜請求項１６のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記第１の方向はｍ軸の方向である、ことを特徴とする請求項１４〜請求項１７のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項１９】
前記ウエハは、前記第２の方向に交互に配置された複数の第１及び第２の領域を含み、前記第１の領域は、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有しており、前記第２の領域は、前記第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有しており、前記第１の領域は、前記ウエハのエッジ上の一地点から該エッジ上の別の地点まで第２の方向に交差する第３の方向に延びることができる、ことを特徴とする請求項１４〜請求項１８のいずれか一項に記載されたエピタキシャルウエハ。
【請求項２０】
前記劈開可能な結晶面は前記第３の方向にほぼ直交する、ことを特徴とする請求項１９に記載されたエピタキシャルウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ、窒化物半導体レーザを作製する方法、及び窒化物半導体レーザのためのエピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体発光素子が記載されている。半導体発光素子は、レーザ発振に必要な閾値電流密度を低減し、クラキングの発生し難い半導体層を有するとともに、面発光半導体レーザにおいては光の振動面を固定し且つ振動面の変動を抑制する。
【０００３】
特許文献２には、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザが記載されている。ＧａＮ基板上にレーザ構造を形成する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。ＧａＮ基板は、ウルツ鉱型結晶構造を有する窒化物系III−Ｖ族化合物半導体からなり、またその主面は｛０００１｝面にほぼ垂直な面、例えば｛０１−１０｝面、｛１１−２０｝面またはこれらの面から−５度〜＋５度以内オフしている。ＧａＮ基板をその上の窒化物系III−Ｖ族化合物半導体層とともに劈開容易面である｛０００１｝面に沿って劈開して、共振器端面を形成する。
【０００４】
特許文献３には、III族窒化物半導体から作製された発光ダイオード素子、半導体レーザ素子、受光素子、トランジスタが記載されている。これらのIII族窒化物半導体では、大きなＡｌ組成及び高キャリア濃度を有するＡｌＧａＮ層が求められている。ＡｌＧａＮ層の成長においては、Ａｌ原子の表面拡散が小さいけれども、Ａｌ原子の表面拡散を促進させている。結晶品質を損なうことなく、大きなＡｌ組成及び高キャリア濃度のＡｌＧａＮ層を１度から２０度のＧａＮ傾斜面の基板上に成長可能にしている。
【０００５】
非特許文献１には、ＩｎＧａＮ発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、半極性（１１−２２）面（ｃ面からａ軸方向に５６度のオフ角）ＧａＮ基板上に作製される。発光ダイオードは、幅３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層からなる単一量子井戸構造を有する。以下の特性が得られた：青色（波長４３０ｎｍ）で光出力は１．７６ｍＷであり、外部量子効率が３．０％であった。緑色（波長５３０ｎｍ）で光出力が１．９１ｍＷであり、外部量子効率が４．１％であった。アンバー（波長５８０ｎｍ）で光出力が０．５４ｍＷであり、外部量子効率が１．３％であった。出射光には［１−１００］方向への偏光が確認された。
【０００６】
非特許文献２及び非特許文献３には、緑色の光を発生するＩｎＧａＮ系発光ダイオードが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−１３５５７６号公報
【特許文献２】特開平１０−３３５７５０号公報
【特許文献３】特開２００２−１６０００号公報
【非特許文献１】Japanese  Journal  of  Applied  Physics  Vol.45,  No.  26,  2006,  pp.  L659-L662
【非特許文献２】Jpn.  J.  Appl.  Phys.  45  (2006)  9001
【非特許文献３】Jpn.  J.  Appl.  Phys.  36  (1997)  L382
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の特許文献及び非特許文献に示されるように、ｃ面だけでなく、ｍ面及びａ面、更には半極性面を有するＧａＮ基板上に発光素子が作製されている。
【０００８】
特許文献１及び特許文献２には、非極性面を利用した半導体レーザが記載されている。特許文献３には、ｃ面から傾斜したＧａＮ表面上に、小さいインジウム組成の活性層を用いて発光素子を作製している。しかしながら、半極性面を用いる半導体レーザでは、大きなインジウム組成の活性層が用いられる。非特許文献１〜３には、発光ダイオードが記載されており、半導体レーザには言及されていない。
【０００９】
半極性面を用いる半導体レーザでは、ｃ面を用いる半導体レーザに比べピエゾ電界が小さいので、比較的大きなインジウム組成の活性層で発光効率を上げれ、長波長化に有利である。
【００１０】
半導体レーザの作製では、エピタキシャル層の結晶品質が重要であるが、発振特性は、この結晶品質だけでなく、ファブリペロー共振器のための端面の品質も大きく影響している。半極性面上に半導体レーザを作製するとき、ファブリペロー共振器のための端面は、劈開により作製される。これ故に、半極性面を利用する半導体レーザの作製では、劈開の結晶面について考慮が必要である。
【００１１】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、良好な品質の劈開面を有する窒化物半導体レーザを提供することを目的とし、またこの窒化物半導体レーザを作製する方法を提供することを目的とし、さらにこの窒化物半導体レーザのためのエピタキシャルウエハ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】
【００１２】
本発明の一側面によれば、窒化物半導体レーザは、（ａ）六方晶系窒化物半導体からなり、該六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面及び裏面を有する支持基体と、（ｂ）第１導電型窒化物半導体層、第２導電型窒化物半導体層及び活性層を含んでおり、前記支持基体の前記主面上に設けられており半導体レーザのための半導体積層とを備える。前記半導体積層の表面モフォロジは、第１の方向に延びる複数の突起を有しており、前記半導体積層は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びる第１及び第２の劈開面を有しており、前記支持基体の前記主面の傾斜角は２０度以上であり、前記傾斜角は４０度以下であり、前記活性層は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、前記窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上であり、前記活性層は前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられている。
【００１３】
この窒化物半導体レーザによれば、高いインジウム組成０．２以上の半導体層が活性層に含まれる。半導体積層の表面モフォロジは、第１の方向に延びる複数の突起を有する。このため、半導体積層の第１及び第２の劈開面が、この第１の方向に交差する第２の方向に延在するように形成されるので、劈開面の品質が良好であり、また劈開の歩留まりが良好である。
【００１４】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−０．１度以下＋０．１度以上の角度範囲であることが好ましい。この窒化物半導体レーザによれば、支持基体のｃ軸が傾斜される方向を支持基体のａ軸を基準にして僅かにシフトさせるとき、高いインジウム組成０．２以上の半導体層を含む半導体積層の表面モフォロジにおいて、突起の配列の規則性が高くなる。
【００１５】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−０．１度以上＋１度以下の角度範囲であることが好ましい。この窒化物半導体レーザによれば、レーザキャビティの延在方向のぶれによる利得の低下を避けることができる。
【００１６】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記支持基体は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有しており、前記第１導電型窒化物半導体層、前記活性層及び前記第２導電型窒化物半導体層は、前記窒化ガリウム系半導体領域上に位置することができる。この窒化物半導体レーザによれば、第１導電型窒化物半導体層、活性層及び第２導電型窒化物半導体層が低転位領域上に成長されるので、半導体積層の表面モフォロジに対する転位の影響が低減されて、半極性面及び高インジウム組成に由来する特徴が明瞭になる。
【００１７】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記支持基体はＧａＮからなり、前記支持基体は、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有する第１の領域と、前記第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有する第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記所定の方向及び前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に直交する方向に延びていることができる。この窒化物半導体レーザによれば、大口径のＧａＮウエハの低転位領域に半導体レーザを作製できる。
【００１８】
本発明の窒化物半導体レーザでは、前記第１及び第２の劈開面はｍ面であることが好ましい。この窒化物半導体レーザによれば、ｍ面は劈開容易である。
【００１９】
本発明の窒化物半導体レーザは、前記第１の劈開面から前記第２の劈開面への方向に延在しており前記半導体積層の表面に設けられた電極を更に備えることができる。この窒化物半導体レーザによれば、第１の劈開面及び第２の劈開面を含むレーザキャビティに沿って電極が設けられており、良好な特性の半導体レーザが提供される。
【００２０】
本発明の別の側面は、窒化物半導体レーザを作製する方法である。この方法は、（ａ）六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面及び裏面を有し該六方晶系窒化物半導体からなるウエハを準備する工程と、（ｂ）第１導電型窒化物半導体層を前記ウエハ上に成長する工程と、（ｃ）前記第１導電型窒化物半導体層を成長した後に、当該窒化物半導体レーザの活性層のための窒化ガリウム系半導体層を前記ウエハ上に成長する工程と、（ｄ）前記活性層を形成した後に、第２導電型窒化物半導体層を前記ウエハ上に成長して、半導体積層を含むエピタキシャルウエハを形成する工程と、（ｅ）前記エピタキシャルウエハを形成した後に、電極を形成して基板生産物を作製する工程と、（ｆ）前記電極を形成した後に、前記基板生産物の劈開により劈開面を形成する工程とを備えることができる。前記エピタキシャルウエハの表面モフォロジは、前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸に交差する第１の方向に延びる複数の突起を有しており、前記ウエハの前記六方晶系窒化物半導体は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びる劈開可能な結晶面を有しており、前記エピタキシャルウエハの劈開面は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びており、前記ウエハの前記主面の傾斜角は２０度以上であり、前記傾斜角は４０度以下であり、前記窒化ガリウム系半導体層は、インジウムを含む半導体からなり、前記窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上である。
【００２１】
この方法によれば、半極性面上に、インジウム組成０．２以上の半導体層が成長される。このため、半導体積層の表面モフォロジは、第１の方向に延びる複数の突起を有する。第１の方向に交差する第２の方向にエピタキシャルウエハを劈開するので、劈開の歩留まりが良好であり、また劈開面の品質も良好である。
【００２２】
本発明の方法では、前記ウエハのエッジ上の２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上であることが好ましい。この方法によれば、大口径のウエハを用いることができる。
【００２３】
本発明の方法では、前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−１度〜−０．１度及び＋０．１度〜＋１度の角度範囲であることが好ましい。この方法によれば、ウエハのｃ軸が傾斜される方向をウエハのａ軸を基準にして僅かにシフトさせるとき、高いインジウム組成０．２以上の半導体層を含む半導体積層の表面モフォロジにおいて、突起の配列の規則性が高くなる。
【００２４】
本発明の方法では、前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することが好ましい。この方法によれば、低転位領域上に成長される半導体積層の表面モフォロジに対して、転位の影響が低減されるので、半極性面及び高インジウム組成に由来する特徴が明瞭になる。
【００２５】
本発明の方法では、前記ウエハは、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有する第１の領域と、前記第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有する第２の領域とを含み、前記第１の領域は、前記所定の方向及び前記六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向に直交する方向に延びていることができる。この方法によれば、大口径のＧａＮウエハの低転位領域に半導体レーザを作製できる。
【００２６】
本発明の方法では、前記劈開面はｍ面であることが好ましい。この方法によれば、ｍ面は劈開容易である。
【００２７】
本発明の更なる別の側面は、窒化物半導体レーザのためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）六方晶系窒化物半導体からなり、該六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面及び裏面を有するウエハと、（ｂ）第１導電型窒化物半導体層、第２導電型窒化物半導体層及び活性層を含んでおり、前記ウエハ上に設けられた半導体積層とを備える。前記半導体積層の表面モフォロジは、第１の方向に延びる複数の突起を有しており、前記ウエハの前記六方晶系窒化物半導体は、前記第１の方向に交差する第２の方向に延びる劈開可能な結晶面を有しており、前記ウエハの前記主面の傾斜角は２０度以上であり、前記傾斜角は４０度以下であり、前記活性層は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、前記窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上であり、前記活性層は前記第１導電型窒化物半導体層と前記第２導電型窒化物半導体層との間に設けられている。
【００２８】
このエピタキシャルウエハによれば、高いインジウム組成０．２以上の半導体層が活性層に含まれる。このため、半導体積層の表面モフォロジは、第１の方向に延びる複数の突起を有する。エピタキシャルウエハの劈開可能な結晶面が、第１の方向に交差する第２の方向に延びるので、劈開の歩留まりが良好なエピタキシャルウエハが提供される。
【００２９】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハのエッジ上の２点間の距離の最大値は４５ｍｍ以上であることが好ましい。このエピタキシャルウエハによれば、大口径のウエハを用いた大口径のエピタキシャルウエハを作製できる。
【００３０】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記所定の方向は、＜１１−２０＞方向から−１度〜−０．１度及び＋０．１度〜＋１度の角度範囲であることが好ましい。このエピタキシャルウエハによれば、ウエハのｃ軸が傾斜される方向をウエハのａ軸を基準にして僅かにシフトさせるとき、高いインジウム組成０．２以上の半導体層を含む半導体積層の表面モフォロジにおいて、突起の配列の規則性が高くなる。
【００３１】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有することが好ましい。このエピタキシャルウエハによれば、低転位領域上に成長される半導体積層の表面モフォロジに対して、転位の影響が低減されるので、半極性面及び高インジウム組成に由来する特徴が明瞭になる。
【００３２】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記ウエハは、前記第１の方向に交差する第２の方向に交互に配置された複数の第１及び第２の領域を含み、前記第１の領域は、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有しており、前記第２の領域は、前記第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有しており、前記第１の領域は、前記ウエハのエッジ上の一地点から該エッジ上の別の地点まで第２の方向に交差する第３の方向に延びることができる。このエピタキシャルウエハによれば、大口径のＧａＮウエハの低転位領域に半導体レーザを作製できる。
【００３３】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記劈開可能な結晶面は前記第３の方向にほぼ直交することが好ましい。
【００３４】
本発明のエピタキシャルウエハでは、前記第１の方向はｍ軸の方向であることが好ましい。このエピタキシャルウエハによれば、ｍ面は劈開容易である。
【００３５】
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】
【００３６】
以上説明したように、本発明によれば、良好な品質の劈開面を有する窒化物半導体レーザが提供される。また、本発明によれば、この窒化物半導体レーザを作製する方法が提供される。さらに、本発明によれば、この窒化物半導体レーザのためのエピタキシャルウエハが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【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、本発明の窒化物半導体レーザ、窒化物半導体レーザを作製する方法、及び窒化物半導体レーザのためのエピタキシャルウエハ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半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。窒化物半導体レーザ１１は、支持基体１３及び半導体積層１５を備える。図１には直交座標系Ｓが示されている。支持基体１３は、六方晶系窒化物半導体からなり、例えばＧａＮといった窒化ガリウム系半導体、窒化アルミニウム系半導体、等である。また、支持基体１３は、六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面１３ａ及び裏面１３ｂを有する。支持基体１３の主面１３ａの傾斜角は２０度以上であり、傾斜角は４０度以下である。六方晶系窒化物半導体のｃ軸の傾斜角は、図１に示されたベクトルＣによって示される。一点鎖線１３ｃは、支持基体１３における六方晶系窒化物半導体の代表的なｃ面を示す。半導体積層１５は、支持基体１３の主面１３ａ上に設けられている。半導体積層１５は、半導体レーザのための複数の半導体膜を含み、例えば第１導電型窒化物半導体層２１、活性層２３及び第２導電型窒化物半導体層２５を含む。第１導電型窒化物半導体層２１、活性層２３及び第２導電型窒化物半導体層２５は、支持基体１３の主面１３ａに交差する方向（Ｚ軸の方向）に順に配置されている。活性層２３は第１導電型窒化物半導体層２１と第２導電型窒化物半導体層２５との間に設けられている。活性層２３は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、この窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上である。半導体積層１５の表面１５ａは、第１の方向（例えばＸ軸の方向）に延びる複数の突起１９ａを有しており、複数の突起１９ａは、第１の方向に交差する第２の方向（例えばＹ軸の方向）に配列されている。半導体積層１５は、第２の方向に延びる第１及び第２の劈開面１７ａ、１７ｂを有する。
【００３９】
この窒化物半導体レーザ１１によれば、高いインジウム組成０．２以上の半導体層が活性層２３に含まれる。このため、半導体積層１５の表面１５ａは、第１の方向に延びる複数の突起１９ａを含むモフォロジを示す。突起１９ａの高さは、例えば０．５〜２ｎｍ程度であり、また単位長さ当たりの突起密度は、例えば０．１〜５／ｎｍ程度である。半導体積層１５の第１及び第２の劈開面１７ａ、１７ｂが第２の方向に延びるように形成されるので、劈開面の品質が良好になると共に劈開の歩留まりも良好である。
【００４０】
窒化物半導体レーザ１１では、支持基体１３の主面１３ａの傾斜角は２０度より大きいことが好ましい。ｃ面からのオフ角が大きいので、半導体レーザの特性は、ｃ面由来の特性よりも半極性面に由来する特性を主に示すようになる。
【００４１】
図２（ａ）は、図１のＸ軸の方向が＜１０−１０＞方向に一致したウエハ上に成長された半導体積層１５において観察された表面モフォロジのスケッチを示す図面である。この観察は、原子間力顕微鏡を用いて行われた。結晶成長における安定面がｍ面であるので、個々の突起１９ｂは、蛇行しながらｍ軸の方向に延びている。全体としては、突起１９ａは、ｍ軸の方向に延びている。シンボルＤｃは、ｃ軸の傾斜方向を示す。方向Ｄｃはｍ軸にほぼ直交している。
【００４２】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示された半導体積層１５の表面モフォロジの断面のスケッチを示す図面である。この断面は、図２（ａ）に示されたI−I線に沿って取られている。図２（ｂ）には、六方晶系窒化物の主要な結晶軸を示す座標系ＣＲが示されている。ベクトルＮは、支持基体１３の主面１３ａの法線ベクトルを示し、ベクトルＣは、支持基体１３上にエピタキシャル成長された半導体積層１５のｃ軸の方向、つまり支持基体１３のｃ軸の方向を示す。ベクトルＮはベクトルＣと角度θを成す。図２（ａ）に示されるように、突起１９ｂは、第１の方向（例えば＜１０−１０＞の方向）に延びると共に、第２の方向（例えば＜１１−２０＞の方向）に配列されている。図２（ｂ）に示されるように、突起１９ｂの典型的な構造は、主要な構成面として面Ｓｃ及び面Ｓａを含んでおり、更に高次の結晶面を含むことができる。面Ｓｃはｃ面からなり、面Ｓａはａ面からなる。突起１９ｂの配列によれば、好適な劈開面が形成される。
【００４３】
図３は、支持基体１３のｃ軸の傾斜方向が、ａ軸（＜１１−２０＞）方向に対して僅かな角度δだけオフしたウエハ上に成長された半導体積層１５において観察された表面モフォロジのスケッチを示す図面である。支持基体１３のｃ軸が傾斜される方向を支持基体１３のａ軸を基準にして僅かにシフトさせるとき、半導体積層１５の表面モフォロジにおいて、突起の配列の規則性が高くなる。発明者らの実験によれば、規則性を高めるｃ軸の傾斜範囲は、六方晶系窒化物半導体のａ軸から角度の絶対値が０．１度以上であることが好ましい。半導体レーザの劈開面１７ａ、１７ｂを含む好適なレーザキャビティの特性を得るために、劈開面１７ａ、１７ｂの各々に対する光に入射角の絶対値が１度以下であることが好ましく、この値は、突起配列の規則性とは直接に関係していない。ｃ軸の傾斜方向は、＜１１−２０＞方向から−１度〜−０．１度及び＋０．１度〜＋１度の角度範囲であることが好ましい。窒化物半導体レーザ１１では、ｍ面は劈開容易であるので、第１及び第２の劈開面１７ａ、１７ｂはｍ面であることが好ましい。
【００４４】
ＩｎＧａＮは二次元核成長を行う。成長速度、インジウム組成等が、半導体積層１５の表面１５ａにおける突起の密度や突起の間隔等に影響を与える。発明者らの実験によれば、突起の間隔の規則性が高まると、ＩｎＧａＮ層の膜厚や組成に関して、微視的な均一性が良好になる。この結果、半導体レーザ１１の発光スペクトルにおける半値全幅が小さくなる。また、半導体レーザ１１の利得が改善されて、発振閾値も低くできる。
【００４５】
ファブリペロー型レーザにおいて、劈開面を利用するレーザキャビティに利用するとき、劈開面の平坦性が重要である。ウエハ上に成長されたエピタキシャル膜表面及びウエハ裏面における形態的な不規則性は、劈開面の品質に影響を与える。半導体積層１５の表面１５ａにおける突起の規則性が高まると、形態的な規則性が増して、劈開面の品質が向上すると共に、劈開歩留まりも向上する。
【００４６】
発明者らの実験によれば、この傾向は、高いインジウム組成のＩｎＧａＮにおいて観察される。例えば、活性層２３のＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層のＩｎ組成Ｘが０．２以上であることが好ましい。また、Ｉｎ組成が高すぎると欠陥密度が高くなるので、Ｉｎ組成Ｘが０．５以下であることが好ましい。
【００４７】
窒化物半導体レーザ１１では、支持基体１３は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の低転位の窒化ガリウム系半導体領域を有することが好ましい。第１導電型窒化物半導体層２１、活性層２３及び第２導電型窒化物半導体層２５は、低転位の窒化ガリウム系半導体領域上に成長されるので、半導体積層１５の表面モフォロジに対する転位の影響が低減されて、半極性面及び高インジウム組成に由来する特徴が明瞭になる。
【００４８】
また、後ほど詳細に説明するけれども、支持基体１３は以下の構造を有することができる。支持基体１３は、第１の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有する第１の領域と、第１の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有する第２の領域とを含むことができる。第１の領域は、所定の方向及び六方晶系窒化物半導体のｃ軸の方向にほぼ直交する方向に延びていることができる。このような構造の大口径のＧａＮウエハを用いて、支持基体１３を含む半導体レーザ１１を作製できる。
【００４９】
再び図１を参照しながら、更に窒化物半導体レーザ１１を説明する。第１導電型窒化物半導体層２１は、例えばｎ型クラッド層３１を含んでおり、必要な場合は、ｎ型バッファ層３３を含むことができる。活性層２３は、光導波領域３５に含まれている。必要な場合には、光導波領域３５は、第１の光ガイド層３７ａ及び第２の光ガイド層３７ｂを含むことができる。活性層２３は、第１の光ガイド層３７ａ及び第２の光ガイド層３７ｂの間に位置している。第２導電型窒化物半導体層２５は、例えばｐ型クラッド層３９及びｐ型コンタクト層４１を含むことができる。
【００５０】
半導体積層１５の表面１５ａは、絶縁膜４３で覆われている。絶縁膜４３には開口４３ａが設けられている。ｐ型コンタクト層４１及び絶縁膜４３には、電極４５が設けられており、電極４５（例えば、アノード）は開口４３ａを介してコンタクト層４１に接続されている。また、支持基体１３の裏面１３ｂには、別の電極（例えば、カソード）４７が設けられている。本実施例では、電極４７は、裏面１３ｂの全面に設けられている。電極４５は、劈開面１７ａ、１７ｂの一方から劈開面１７ａ、１７ｂの他方への方向に延在している。電極４５は、レーザキャビティの延在方向に沿って延びるストライプ形状を成す。これによって、良好な特性の半導体レーザが提供される。
【００５１】
活性層２３は、例えば量子井戸構造４９であることができる。量子井戸構造４９は、井戸層４９ａ及び障壁層４９ｂを含むことができる。井戸層４９ａ及び障壁層４９ｂは交互に配列されている。好ましくは、井戸層４９ａは、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなることができ、例えばＩｎＧａＮ等である。また、障壁層４９ｂは、井戸層４９ａよりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体からなることができ、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ等である。
【００５２】
半導体レーザ１１の発光波長は、４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。このような波長範囲に合わせて、ＩｎＧａＮ井戸層におけるＩｎ組成の範囲は、０．２以上０．４以下である。また、ＩｎＧａＮ井戸層における厚さの範囲は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。半導体レーザ１１の発光波長は、例えば、実用的な見地から緑の波長範囲であることができる。
【００５３】
図４及び図５は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ及び窒化物半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す図面である。製造工程におけるエピタキシャル膜は、例えば有機金属気相成長法により作製される。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、またドーパントしてシラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いる。
【００５４】
図４（ａ）に示されるように、六方晶系窒化物半導体からなるウエハ５１を準備する。ウエハ５１は、六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜した主面５１ａ及び裏面５１ｂを有する。主面５１ａ及び裏面５１ｂは、実質的に互いに平行になるように作製されている。ウエハ５１の主面５１ａのオフ角は２０度以上である。このウエハ上に成長させるＩｎを含む発光層（とくに発光波長５００ｎｍ以上）に発生するピエゾがｃ面に比べ低減でき効率が向上できるためである。また、傾斜角は４０度以下である。この角度以上ではウエハ上に成長するエピタキシャル膜のモフォロジーが悪化するためである。オフ角度は、ｍ軸の方向への傾斜角θＭ及びａ軸の方向への傾斜角θＡを用いてｓｑｒｔ（θＭ２＋θＡ２）によって規定され、シンボル「ｓｑｒｔ」は平方根の演算を示す。ウエハ５１の形状は、実質的には円盤状を成していることができる。ウエハ５１のエッジ５１ｃ上の２点の間隔の最大値は４５ｍｍ以上（例えば２インチ）であるものを用いることが好ましい。六方晶系窒化物半導体は、例えばＧａＮである。ＧａＮウエハは、例えば酸素ドープされており、また電子キャリア濃度は、例えば１×１０７ｃｍ−３〜１×１０９ｃｍ−３である。ＧａＮウエハの厚みは、例えば３００マイクロメートル程度である。
【００５５】
図４（ｂ）に示されるように、ウエハ５１上に、第１導電型窒化物半導体層５３を形成する。第１導電型窒化物半導体層５３は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体膜を含むことができる。第１導電型窒化物半導体層５３は、例えばｎ型ＧａＮバッファ層及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を含むことができる。
【００５６】
図４（ｃ）に示されるように、第１導電型窒化物半導体層５３を形成した後に、必要な場合には、光ガイド層５５ａをウエハ５１上に形成する。光ガイド層５５ａは、クラッド層より大きい屈折率の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮまたはＩｎＧａＮ等である。次いで、図５（ａ）に示されるように、光ガイド層５５ａを形成した後に、活性層５７をウエハ５１上に形成する。活性層５３は、既に説明したように一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことができ、例えば多重量子井戸構造を有することができる。この後に、光ガイド層５５ａを形成した場合には、活性層５３を成長した後に、図５（ｂ）に示されるように、光ガイド層５５ｂをウエハ５１上に形成する。光ガイド層５５ｂは、クラッド層に屈折率より大きい屈折率の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばＧａＮまたはＩｎＧａＮ等である。光ガイド層５５ａ、５５ｂは、活性層５７の障壁層と同程度のバンドギャップを有する材料からなることが好ましい。
【００５７】
図５（ｃ）に示されるように、ウエハ５１上に、第２導電型窒化物半導体層５９を形成する。第２導電型窒化物半導体層５９は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体膜を含むことができる。第２導電型窒化物半導体層５９は、例えばｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を含むことができる。
【００５８】
これらの工程によって、エピタキシャルウエハＥ１が作製される。このエピタキシャルウエハＥ１は、窒化物半導体レーザのために好適な半導体積層構造を有する。図５（ｃ）に示されるように、エピタキシャルウエハＥ１は、ウエハ５１及び半導体積層６１を備える。ウエハ５１及び半導体積層６１は、六方晶系窒化物半導体からなる。六方晶系窒化物半導体のｃ軸の傾斜角は、図１に示されたベクトルＣと同様に傾斜している。ウエハ５１の表面５１ａだけでなく、半導体積層６１の表面６１ａも、六方晶系窒化物半導体のｃ面から所定の方向に傾斜している。ウエハ５１の主面５１ａの傾斜角に応じて、半導体積層６１の表面６１ａの傾斜角は２０度以上であり、４０度以下である。半導体積層６１は、半導体レーザのための複数の半導体膜を含み、またウエハ５１の主面５１ａ上に設けられている。半導体積層６１は、第１導電型窒化物半導体層５３、活性層５７及び第２導電型窒化物半導体層５９を含む。第１導電型窒化物半導体層５３、活性層５７及び第２導電型窒化物半導体層５９は、ウエハ５１の主面５１ａに垂直な方向に順に配置されている。活性層５７は第１導電型窒化物半導体層２１と第２導電型窒化物半導体層５９との間に設けられている。活性層５７は、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層を有しており、この窒化ガリウム系半導体層のインジウム組成は０．２以上である。半導体積層６１の表面６１ａのモフォロジは、図５（ｃ）に示されるように、第１の方向に延びる複数の突起を有しており、複数の突起１９ａは、第１の方向に交差する第２の方向に配列されている。ウエハ５１の六方晶系窒化物半導体は、第２の方向に延びる劈開可能な結晶面を有する。
【００５９】
このエピタキシャルウエハＥ１によれば、劈開可能な結晶面が第１の方向に交差する第２の方向に延びる。このため、高いインジウム組成０．２以上の半導体層が活性層に含まれると共に半導体積層６１の表面６１ａには複数の突起が第１の方向に延びるので、エピタキシャルウエハを用いて窒化物半導体レーザを作製するとき、劈開の歩留まりが良好になる。
【００６０】
引き続き、図６及び図７は、窒化物半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図６（ａ）に示されるように、第１導電型窒化物半導体層５３は、例えばｎ型ＧａＮバッファ層６３ａ及びｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６３ｂを含む。第２導電型窒化物半導体層５９は、例えばｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６５ａ及びｐ型ＧａＮコンタクト層６５ｂを含む。エピタキシャルウエハＥ１の半導体積層６１上に、開口を有する絶縁膜６７を形成する。絶縁膜６７は、例えばシリコン酸化物等からなることができる。絶縁膜６７を形成した後に、エピタキシャルウエハＥ１の表面に電極６９ａを形成する。次に、ウエハ５１の厚みを薄くしてウエハ５１ｄを形成する。この工程は、例えばウエハ５１の裏面５１ｂを研削することによって行うことができる。ウエハ５１ｄの裏面５１ｅに電極６９ｂを形成する。これらの工程により基板生産物Ｐ１が作製された。裏面５１ｅは、主面５１ａに実質的に平行である。
【００６１】
図６（ｂ）に示されるように、電極６８ａ、６９ｂを形成した後に、エピタキシャルウエハＥ１を劈開して劈開面７１ａ、７１ｂを形成する。劈開により、レーザバー７３ａ、７３ｂ等が順に形成される。レーザバー７３ａ、７３ｂの各々は、対向する劈開面７１ａ、７１ｂを有している。ｍ面は劈開容易であるので、劈開面７１ａ、７１ｂはｍ面であることが好ましい。。
【００６２】
ウエハ５１及びエピタキシャルウエハＥ１は、図６（ｂ）において一点鎖線によって示される劈開可能な結晶面ＣＬを有する。レーザバー７３ａ、７３ｂは、この劈開可能な結晶面ＣＬにおける劈開により作製されている。既に説明したように、エピタキシャルウエハＥ１の表面には、図６（ｂ）に示されるように、第１の方向に延びる複数の突起が形成されている。結晶面ＣＬは、第１の方向に交差する第２の方向に延びる。これ故に、劈開面の平坦性が良好になる。また、第１の方向に交差する第２の方向に基板生産物Ｐ１、エピタキシャルウエハＥ１を劈開するので、劈開の歩留まりが良好である。
【００６３】
ｃ軸の傾斜の方向が＜１１−２０＞方向から−１度〜−０．１度及び＋０．１度〜＋１度の角度範囲であるとき、高いインジウム組成０．２以上の半導体層を含む半導体積層６１の表面モフォロジにおいて、突起の配列の規則性が高くなる。規則性の向上は、劈開の歩留まりに有効である。
【００６４】
また、ウエハ５１の主面５１ａの傾斜角が２０度より大きいとき、半導体レーザの特性は、ｃ面由来の特性よりも半極性面に由来する特性を主に示すようになる。
【００６５】
ウエハ５１は、貫通転位密度１×１０７ｃｍ−２以下の窒化ガリウム系半導体領域を有するとき、低転位領域上に成長される半導体積層の表面モフォロジに対して、転位の影響が低減されるので、半極性面及び高インジウム組成に由来する特徴が明瞭になる。故に、劈開の歩留まりが良好である。
【００６６】
図７は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ及び窒化物半導体レーザを作製する方法に使用可能なウエハの一例を示す図面である。ウエハ８１は、複数の第１の領域８３及び複数の第２の領域８５を含む。第１の領域８３は、ウエハ８１のエッジ上の一地点から該エッジ上の別の地点まで第１の方向（例えば、ｍ軸の方向）に延びており、第１の領域８３及び第２の領域８５は、第１の方向に交差する第２の方向（例えば、ａ軸の方向）に交互に配置されている。第１の領域８３は、例えば１×１０７ｃｍ−２以下の貫通転位密度を有しており、第２の領域８５は、第１の領域８３の貫通転位密度より大きな貫通転位密度を有する。ウエハ８１を用いて作製される半導体レーザにおいて、レーザキャビティは第１の領域８３上に形成され、第１の領域８３に沿って延びる。ウエハ８１では、劈開可能な結晶面が第２の方向（例えば、Ｙ軸の方向）に延びる。このウエハ８１は、例えばＧａＮウエハであることができる。このため、大口径のＧａＮウエハの低転位領域に半導体レーザを作製できる。レーザキャビティの延在方向はｍ軸の方向であることができる。ｍ面は劈開容易である。
【００６７】
ウエハ８１を用いて作製されるエピタキシャルウエハによれば、低転位領域上に成長される半導体積層の表面モフォロジに対して、転位の影響が低減されるので、半極性面及び高インジウム組成による特徴が半導体積層で明瞭になる。
【００６８】
（実施例１）
ＧａＮウエハ上に半導体レーザのためのエピタキシャル構造を作製した。ｃ軸の［１１−２０］方向へ０．１度、１０度、２１度、２６度、３０度の傾斜角αで傾斜している主面を有するＧａＮウエハを準備した。それぞれの傾斜角のＧａＮウエハにおいて、［１０−１０］方向への傾斜角βが、０．０２度、０．１度、１度であった。これら１２種類のＧａＮウエハ上に。レーザダイオード構造のエピタキシャル成長を行った。レーザダイオード構造は複数の窒化ガリウム系半導体膜を有する。エピタキシャル成長は、有機金属気相成長法で行われた。エピタキシャル成長に先だって、アンモニア及び水素を用いてＧａＮウエハの表面の熱処理を行った。
【００６９】
［１１−２０］方向へ異なる傾きを有するＧａＮウエハ上に、同一の成膜条件で井戸層となるＩｎＧａＮ層を成長すると、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が互いに異なるものになる。具体的には、傾斜角が大きくなるにつれて、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が小さくなる。このため、異なる傾きのＧａＮウエハ上においてもほぼ同じＩｎ組成のＩｎＧａＮ層が成長されるように、ＩｎＧａＮ層の成長条件を調整した。エピタキシャル膜の成長条件は、成長温度、原料の供給量等の調整により行われた。成長温度の変更は、摂氏６００度以上から７６０度以下の範囲である。原料の調節のために、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給量を変更した。
ＩｎＧａＮが表面をマイグレーションする余裕が必要なので成長速度は０．５μｍ／ｈｒ以下、さらには０．２μｍ/ｈｒ以下であることが望ましい。井戸層とバリア層の間に成長中断をもうけるとＩｎＧａＮ層の表面が変質しモフォロジーが悪化する。井戸層とバリア層の間は１分以上の中断は行わないほうがよく、連続で成長するのが望ましい。電子ブロックの成長温度の範囲は摂氏９００〜摂氏１２００度（℃）である。ｐ型クラッドの成長温度の範囲は摂氏９００〜摂氏１２００度（℃）である。ｐ型コンタクトの成長温度の範囲は摂氏９００〜摂氏１２００度（℃）である。
【００７０】
図８に示された半導体レーザのためのエピタキシャルウエハを作製した。
ウエハ９１ａ：２インチのｎ型ＧａＮウエハ
ｎ型クラッド９１ｂ：ＳｉドープＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ、２３００ｎｍ
ｎ側光ガイド９１ｃ：アンドープＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、１００ｎｍ
活性層９１ｄ：６つの井戸層
障壁層９１ｅ：アンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ、１５ｎｍ
井戸層９１ｆ：アンドープＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ、１．８ｎｍ
ｐ側光ガイド９１ｇ：アンドープＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、１００ｎｍ
ｐ型電子ブロック９１ｈ：ＭｇドープＡｌ０．１８Ｇａ０８２６Ｎ、２０ｎｍ
ｐ型クラッド９１ｉ：ＳｉドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ、４００ｎｍ
ｐ型コンタクト９１ｊ：ＳｉドープＧａＮ、５０ｎｍ。
【００７１】
これらのエピタキシャルウエハのフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定を行った。励起光レーザの波長は３７５ｎｍであった。ＰＬスペクトルのピーク波長は、５１０ｎｍ〜５３０ｎｍの範囲にあった。０．０２度の傾斜角βを有するエピタキシャルウエハのＰＬスペクトルの半値全幅は、４０ｎｍ〜５０ｎｍであったけれども、０．１度及び１度の傾斜角βを有するエピタキシャルウエハのＰＬスペクトルの半値全幅は、３０ｎｍ〜４０ｎｍであった。この理由はこのウエハの方が突起間隔が均一でＩｎ組成分布が均一なためである。
【００７２】
フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングを用いて上記のエピタキシャルウエハにリッジ構造を形成した。リッジ構造の幅は、例えば１．５μｍであった。リッジ構造の深さは、５００ｎｍである。リッジ構造は、ｐ型電子ブロック、ｐ型クラッド９１ｉ及びｐ型コンタクト９１ｊを含んでいた。リッジ構造を形成した後に、開口を有する絶縁膜９１ｋをリッジ構造及びウエハ上に堆積した。この後に、ｐ側電極９１ｍを形成した。ＧａＮウエハの裏面を研削した。研削されたＧａＮウエハの厚さは、１５０μｍであった。研削されたＧａＮウエハの裏面に、ｎ側電極９１ｎを作製した。これらの電極を作製した後に、合金化アニールを行って、基板生産物を作製した。
【００７３】
次いで、６００μｍのレーザキャビティ長を有するように、この基板生産物を（１０−１０）面で劈開を行って、レーザバーを作製した。劈開面を光学顕微鏡を用いて観察したところ、［１０−１０］方向への傾きが０．０２度の基板生産物から作製されたレーザバーのうちの７０％に、劈開面に筋状の模様が観察された。［１０−１０］方向への傾きが０．１度及び１．０度の基板生産物から作製されたレーザバーには、筋状の模様が劈開面に観察されず、良好な鏡面が劈開により形成されていた。作製されたレーザバーから、鏡面端面を有するレーザバーを選別した。選別されたレーザバーの端面に反射膜を形成した後に、レーザバーを分離して、図８に示される半導体レーザチップを作製した。半導体レーザチップをパッケージに実装して半導体レーザ素子を作製した。
【００７４】
半導体レーザ素子に通電して、電気的特性を測定した。通電では、周期５μｓｅｃ及びＤｕｔｙ０．５％のパルス電流を５０ｋＡｃｍ−２まで印加した。
（１）ｃ軸の［１１−２０］方向への０．１度及び１０度の傾斜のＧａＮウエハを用いて作製された半導体レーザ素子では、レーザ発振は観測されなかった。これらの半導体レーザでは、大きなピエゾ電界が発光再結合確率を下げていると考えられる。
（２）ｃ軸の［１０−１０］方向への０．０１度の傾斜のＧａＮウエハを用いて作製された半導体レーザ素子では、レーザ発振は観測されなかった。これらの半導体レーザでは、ＰＬスペクトルの半値全幅が大きいので、レーザ発振に必要な利得が得られていないと考えられる。
（３）その他の傾斜角のＧａＮウエハを用いて作製された半導体レーザ素子では、レーザ発振が観測された。つまり、ｃ軸の［１１−２０］方向へ２１度、２６度、３０度の傾斜角αで傾斜している主面を有するＧａＮウエハであって、［１０−１０］方向への傾斜角βが０．１度及び１度であるＧａＮウエハ上に作製されたレーザダイオード構造では、レーザ発振が観測された。
【００７５】
緑色発光の半導体レーザには、高いインジウム組成のエピタキシャル層が必要である。半極性面を有するウエハ上の窒化ガリウム系半導体薄膜の成長する際のウエハ主面のオフ角依存性が、本実施の形態において示された。また、エピタキシャル膜の表面モフォロジが、高いインジウム組成のＩｎＧａＮに関連に関連していることを示している。また、半極性ウエハに特有の成長様式が本実施の形態において示されている。この成長様式は、半導体レーザ構造における劈開性に関連している。
【００７６】
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】
【００７７】
半極性面を有するＧａＮウエハを用いた発光素子は、緑色の発光源として期待されている。
【００７８】
発光素子は液晶TVなどの光源として用いられている。ホワイト・バランスを満足する白色を作るためには，ＲＧＢの発光素子の光量の割合を約３：６：１にする必要がある。故に、緑色の発光素子の高出力化が必要となる。現状市販されているＩｎＧａＮ系緑色発光ダイオードの外部量子効率は，赤色発光ダイオード及び青色発光ダイオードの外部量子効率より低い。たとえば同じＩｎＧａＮ系の青色発光ダイオードでは外部量子効率が約４５％に達するけれども、ＩｎＧａＮ系緑色発光ダイオードは２０％程度である。このようにＩｎＧａＮ系緑色発光素子の外部量子効率が低い原因は、以下のものと考えられる。
（１）格子不整合が大きくなりＩｎＧａＮ発光層の品質が低下する。
（２）ピエゾ電界による電子／正孔の分布が分離することにより発光効率が低下する。
特に、項目（２）の結晶構造の歪みによって生じた圧電分極によって発生するピエゾ電界は物性上の問題であり、ＧａＮ系材料に本質的である。入手可能なＩｎＧａＮ系緑色発光ダイオードは，ＧａＮ結晶の極性面であるｃ面（０００１）のＧａＮ基板上に作製されている。ｃ軸方向が成長軸となるので、発光素子にピエゾ電界が生じる。ピエゾ電界は、発光層に注入される電子と正孔の分離を引き起こし，発光に寄与する再結合確率が低下させる。この結果、発光素子の外部量子効率が低下する。ｃ軸方向にピエゾ電界が生じる理由は、ＩｎＧａＮ層の結晶構造が歪んで圧電分極が生じるからである。圧電分極のほかＩｎＧａＮ層には自発分極も生じる。しかしながら、圧電分極が大きいため自発分極による電界はピエゾ電界に比べて非常に小さい。青色ＩｎＧａＮ系発光ダイオードでは，緑色発光ダイオードのＩｎＧａＮ層に生じるピエゾ電界に比べ低い。これ故に、発光効率が高い。緑色発光ダイオードではＩｎＧａＮのＩｎ組成が青色発光ダイオードよりも高く、緑色発光ダイオ−ドにおけるＩｎＧａＮの結晶に生じる歪みが青色発光ダイオードよりも大きくなり，これ故に、ピエゾ電界が増加し、発光効率を低下させている。
【００７９】
このような発光に係る技術的課題は、緑色発光の半導体レーザにも通じるものがある。一方、本実施の形態によれば、半導体レーザが提供される。半導体レーザは半極性面を用いると共に高いインジウム組成の発光層を含むので、緑色の発光に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２（ａ）は、図１のＸ軸の方向が＜１０−１０＞方向に一致したウエハ上に成長された半導体積層１５において観察された表面モフォロジのスケッチを示す図面である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示された半導体積層の表面モフォロジの断面のスケッチを示す図面である。
【図３】図３は、支持基体のｃ軸の傾斜方向が、ａ軸（＜１１−２０＞）方向に対して僅かな角度δだけオフしたウエハ上に成長された半導体積層において観察された表面モフォロジのスケッチを示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ及び窒化物半導体レーザ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エピタキシャルウエハ及び窒化物半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザを作製する方法に使用可能なウエハの一例を示す図面である。
【図８】図８は、半導体レーザチップの構造を示す図面である。
【符号の説明】
【００８１】
１１…窒化物半導体レーザ、１３…支持基体、１３ａ…支持基体の主面、１３ｂ…支持基体の裏面、１５…半導体積層、１５ａ…半導体積層の表面、１７ａ、１７ｂ…劈開面、１９ａ、１９ｂ…突起、２１…第１導電型窒化物半導体層、２３…活性層、２５…第２導電型窒化物半導体層、３１…ｎ型クラッド層、３３…ｎ型バッファ層、３５…光導波領域、３７ａ、３７ｂ…光ガイド層、３９…ｐ型クラッド層、４１…ｐ型コンタクト層、４３…絶縁膜、４５、４７…電極、４９…量子井戸構造、４９ａ…井戸層、４９ｂ…障壁層、５１…ウエハ、５１ａ…ウエハの主面、５１ｂ…ウエハの裏面、５１ｄ…研削されたウエハ、５１ｅ…研削された裏面、５３…第１導電型窒化物半導体層、５５ａ…光ガイド層、５７…活性層、５５ｂ…光ガイド層、５９…第２導電型窒化物半導体層、Ｅ１…エピタキシャルウエハ、６１…半導体積層、６１ａ…半導体積層の表面、６３ａ…ｎ型ＧａＮバッファ層、６３ｂ…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６５ａ…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、６５ｂ…ｐ型ＧａＮコンタクト層、６７…絶縁膜、６９ａ、６９ｂ…電極、７１ａ、７１ｂ…劈開面、７３ａ、７３ｂ…レーザバー、９１ａ…ウエハ、９１ｂ…ｎ型クラッド、９１ｃ…ｎ側光ガイド、９１ｄ…活性層、９１ｅ…障壁層、９１ｆ…井戸層、９１ｇ…ｐ側光ガイド、９１ｈ…ｐ型電子ブロック、９１ｉ…ｐ型クラッド、９１ｊ…ｐ型コンタクト  
【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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