(57)【要約】【課題】短波長シフトを低減し、長波長での発振を実現した半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザダイオード７０は、基板１と、この基板１上に形成されたIII族窒化物半導体積層構造２とを含む。基板１は、ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体積層構造２が結晶成長させられている。III族窒化物半導体積層構造２は、ｎ型半導体層１１、活性層１０、およびｐ型半導体層１２を積層して構成されている。活性層１０は、ＩｎＧａＮ量子井戸層とＡｌＧａＮ障壁層とを積層した多重量子井戸構造を有している。共振器端面２１は、反射率スペクトルの中心波長λCが活性層１０の自然放出光の発光ピーク波長λSPに対して、λSP−１０ｎｍ≦λC≦λSP＋１０ｎｍの関係を満たす分布ブラッグ反射鏡でコーティングされている。【選択図】図１
2009252861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子であって、
Ｉｎを含む活性層を備えた共振器と、
この共振器の共振器両端面にそれぞれコーティングされ、反射率スペクトルの中心波長λCが前記活性層の自然放出光の発光ピーク波長λSPに対して、λSP−１０ｎｍ≦λC≦λSP＋１０ｎｍの関係を満たす、分布ブラッグ反射鏡とを含む、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記自然放出光の発光ピーク波長が、０．１ｋＡ／ｃｍ2以下の電流密度での電流注入スペクトルのピーク波長である、請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記自然放出光の発光ピーク波長が、５００μＡ／ｃｍ2以下の電流密度での電流注入スペクトルのピーク波長である、請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記自然放出光の発光ピーク波長が、３０Ｗ／ｃｍ2以下の励起密度で前記活性層を弱励起したときのフォトルミネッセンスピーク波長である、請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層の発光波長が、４５０ｎｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層が、厚さ１００Å以下の量子井戸層を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記成長主面がｍ面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
共振器方向がｃ軸方向であり、前記共振器端面が劈開により形成されたｃ面である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、ＡｌXＩｎYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことができる。
青色や緑色といった短波長のレーザ光源は、ＤＶＤに代表される光ディスクへの高密度記録、画像処理、医療機器、計測機器などの分野で活用されるようになってきている。このような短波長レーザ光源は、たとえば、ＧａＮ半導体を用いたレーザダイオードで構成されている。
【０００３】
ＧａＮ半導体レーザダイオードは、ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）によって成長させて製造される。より具体的には、ＧａＮ基板上に、有機金属気相成長法によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｎ型ＧａＮガイド層、活性層（発光層）、ｐ型ＧａＮガイド層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が順に成長させられ、これらの半導体層からなる半導体積層構造が形成される。活性層では、ｎ型層から注入される電子とｐ型層から注入される正孔との再結合による発光が生じる。その光は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の間に閉じ込められ、半導体積層構造の積層方向と垂直な方向に伝搬する。その伝搬方向の両端に共振器端面が形成されており、この一対の共振器端面間で、誘導放出を繰り返しながら光が共振増幅され、その一部がレーザ光として共振器端面から出射される。
【非特許文献１】T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
【非特許文献２】S. Nagahama et al., Appl. Phys. Lett, 79, 1948 (2001)
【非特許文献３】K. Kojima et al., Appl. Phys. Lett. 89, 241127 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
【０００５】
そのため、ｃ面を成長主面とした半導体レーザダイオードでは、活性層に分極電場が印加されている。この分極電場のために、低電流密度領域の自然放出からレーザ発振に至るまでに、顕著な短波長シフトが生じる。また、４５０ｎｍ以上の長波長レーザを作製するときには、活性層のＩｎ組成を多く（たとえば、５％以上）する必要があるが、これにより、結晶の不均一性が多く、いわゆるバンドテイルが生じる。このバンドテイルへのキャリアの注入によるバンドフィリングが、短波長シフトの別の要因となっている。
【０００６】
具体的には、ｃ面を成長主面としたレーザダイオードにおいては、レーザ発振波長が４４５ｎｍ（非特許文献２）、４６０ｎｍ（非特許文献２）、４７０ｎｍ（非特許文献３）の場合に、自然放出からレーザ発振に至るまでに、自然放出光の発光ピーク波長から、それぞれ１５ｎｍ、２７ｎｍ、４７ｎｍの短波長シフトが生じる（図８参照）。このような短波長シフトのために、共振器構造、とくに、共振器端面の反射鏡構造の設計が困難であり、その結果、長波長のレーザ素子の実現が困難であるという問題がある。
【０００７】
図１５は、分極電場に起因する短波長シフトの原理を説明するための図である。活性層を量子井戸構造とする場合に、この量子井戸層に分極電場が印加される。この分極電場のためにバンドの曲がり（傾斜）が生じていて、そのために、バンドギャップＥｇが実行的に小さい状態となっている（図１５の左図）。しかし、レーザ発振のために電流密度を増やしていくと、伝導体に電子が蓄積され、価電子帯にホールが蓄積される（図１５の中央図および右図）。これらのキャリアは、バンドの曲がりに応じて局在し、分極電場を打ち消す電場を形成する。つまり、分極電場が遮蔽される。その結果、バンドの曲がり少なくなるので、バンドギャップＥｇが大きくなり、発光波長が短くなる。たとえば、自然放出ピーク波長が緑色波長域であっても、レーザ発振は青色波長域で生じることになる。
【０００８】
長波長化のためにＩｎ組成を多くすると、分極電場が大きくなるため、分極電場の遮蔽による短波長シフトがより顕著に現れる。
図１６は、バンドフィリングに起因する短波長シフトを説明するための図である。縦軸は、エネルギー、横軸は状態密度である。理想的には、二点鎖線で示すように、バンドギャップＥｇ以下での状態密度が零であり、バンドギャップＥｇで状態密度が急峻に立ち上がることが好ましい。しかし、実際には、とくに、Ｉｎを含む活性層の場合には、結晶の不均一性のために、実線で示すような特性となる。すなわち、バンドギャップＥｇよりも低いエネルギーでの状態密度が零にならず、バンドテイルが生じている。
【０００９】
キャリアを注入すると、バンドテイルのエネルギー準位が順に満たされていく。これがバンドフィリングである。電流密度を増やしていくと、バンドフィリングが進行していき、利得が損失を上回るところで、レーザ発振が生じる。したがって、自然放出からレーザ発振に至るまでに発光波長が短波長側にシフトする。
活性層のＩｎ組成を増やすと、結晶の不均一性が増大し、バンドテイルが長くなる（図１６の点線参照）。そのために、短波長シフトがより大きく現れることになる。その結果、波発振波長を正確に見積もることが困難になる。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、短波長シフトを低減し、長波長での発振を実現した半導体レーザ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子であって、Ｉｎを含む活性層を備えた共振器と、この共振器の共振器両端面にそれぞれコーティングされ、反射率スペクトルの中心波長λCが前記活性層の自然放出光の発光ピーク波長λSPに対して、λSP−１０ｎｍ≦λC≦λSP＋１０ｎｍの関係を満たす、分布ブラッグ反射鏡とを含む、半導体レーザ素子である。
【００１２】
この構成によれば、非極性面または半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体によって半導体レーザ素子が構成されている。非極性面を成長主面とすれば、活性層における自発圧電分極がなくなり、半極性面を成長主面とすれば、活性層における自発圧電分極が少なくなる。したがって、分極電場の遮蔽に起因する短波長シフトを低減できる。
一方、活性層はＩｎを含む組成となっており、これにより、長波長化が図られているが、Ｉｎを含む活性層の結晶不均一性に起因するバンドテイルが生じている。
【００１３】
そこで、この発明では、共振器両端面に分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）がコーティングされている。より具体的には、分布ブラッグ反射鏡は、その反射率スペクトルの中心波長λCが活性層の自然放出光の発光ピーク波長λSPに対して、λSP−１０ｎｍ≦λC≦λSP＋１０ｎｍの関係を満たすように設計されている。これにより、自然放出ピーク波長の近傍での誘導放出が促進される結果、バンドフィリングに起因する短波長シフトが抑制される。こうして、長波長の半導体レーザ素子を実現できる。
【００１４】
分布ブラッグ反射鏡は、その反射率スペクトルの中心波長λCが活性層の自然放出光の発光ピーク波長λSPに対して、λSP−５ｎｍ≦λC≦λSPの関係を満たすように設計されることがより好ましい。レーザ発振波長は、自然放出ピーク波長よりも低くなるので、分布ブラッグ反射鏡の反射率スペクトル中心波長λCを前記の範囲とすることで、より効率的にレーザ発振を生じさせることができ、閾値電流の低減および短波長化の低減に寄与できる。
【００１５】
請求項２に記載されているように、前記自然放出光の発光ピーク波長が、０．１ｋＡ／ｃｍ2以下の電流密度での電流注入スペクトルのピーク波長であってもよい。
また、請求項３に記載されているように、前記自然放出光の発光ピーク波長が、５００μＡ／ｃｍ2以下の電流密度での電流注入スペクトルのピーク波長であってもよい。
さらに、請求項４に記載されているように、前記自然放出光の発光ピーク波長が、３０Ｗ／ｃｍ2以下の励起密度で前記活性層を弱励起したときのフォトルミネッセンスピーク波長であってもよい。
【００１６】
請求項５記載の発明は、前記活性層の発光波長が、４５０ｎｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。４５０ｎｍ以上の長波長域での発光のためには、活性層（とくに、量子井戸構造とする場合の量子井戸層）のＩｎ組成を多く（たとえば、５％以上）とする必要がある。この場合に生じるバンドフィリングによる短波長化を抑制することができるので、４５０ｎｍ以上の長波長レーザを容易に実現でき、共振器構造（とくに反射鏡構造）の設計が困難になることはない。
【００１７】
請求項６記載の発明は、前記活性層が、厚さ１００Å以下の量子井戸層を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。量子井戸層の厚さを１００Å以下とすることによって、量子効果により、発光効率を高めることができる。したがって、分極電場遮蔽効果の低減およびバンドフィリング抑制効果に加えて量子効果による発光効率向上の効果が加わる。これの相乗効果により、優れた発光効率および低閾値電流化を実現することができる。そして、閾値電流化によって、バンドフィリングを一層抑制できるので、レーザ発振波長を自然放出ピーク波長にさらに近づけることができるから、短波長化を抑制して、長波長レーザを実現できる。
【００１８】
請求項７記載の発明は、前記成長主面がｍ面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。非極性面の一つであるｍ面を主面とするIII族窒化物半導体結晶の成長は安定しており、良好な結晶性を有しているため、発光効率を向上できる。そのため、分極電場遮蔽効果およびバンドフィリングをともに抑制できる上に、発光効率の向上による低閾値電流を実現できる。これにより、短波長シフトを一層効果的に抑制して、長波長レーザを実現できる。
【００１９】
請求項８記載の発明は、共振器方向がｃ軸方向であり、前記共振器端面が劈開により形成されたｃ面である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子である。この構成によれば、ｃ軸方向にストライプを形成し、ｃ面に沿う劈開を行うことにより、良好な共振器端面を形成することができる。
とくに、III族窒化物半導体の成長主面がｍ面の場合には、活性層から発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、ストライプ方向、すなわち導波路の方向を光の進行方向であるｃ軸方向と平行とすることによって、ＴＥモードに寄与する自然放出光を効率よく利用してレーザ発振を生じさせることができ、大きな利得が得られる。これにより、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができ、短波長シフトをさらに低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図２は、図１のII−II線に沿う縦断面図であり、図３は、図１のIII−III線に沿う横断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造２と、基板１の裏面（III族窒化物半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ型電極３と、III族窒化物半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ型電極４とを備えたファブリペロー型のものである。
【００２１】
基板１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板１は、非極性面の一つであるｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造２が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造２は、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
III族窒化物半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してコヒーレントに成長されている。コヒーレントな成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪みによって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。無歪みの状態でのＩｎＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも大きいので、ＩｎＧａＮ層にはａ軸方向への圧縮応力（圧縮歪み）が生じる。これに対して、無歪みの状態でのＡｌＧａＮのａ軸格子定数はＧａＮのａ軸格子定数よりも小さいので、ＡｌＧａＮ層にはａ軸方向への引っ張り応力（引っ張り歪み）が生じる。
【００２２】
III族窒化物半導体積層構造２は、活性層（発光層）１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２とを備えている。ｎ型半導体層１１は活性層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は活性層１０に対してｐ型電極４側に配置されている。こうして、活性層１０が、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層１０には、ｎ型半導体層１１から電子が注入され、ｐ型半導体層１２から正孔が注入される。これらが活性層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
【００２３】
ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５（たとえば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、活性層１０の上に、順に、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。
【００２４】
ｎ型ＧａＮコンタクト層１３およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、それぞれｎ型電極３およびｐ型電極４とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層１３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。
【００２５】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、活性層１０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。
【００２６】
活性層１０の発光波長が４５０ｎｍ以上の長波長域に設定されている場合には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８は、Ａｌの平均組成が５％以下のＡｌＧａＮで構成されていることが好ましい。これにより、良好な光閉じ込めを実現できる。クラッド層１４，１８は、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との超格子構造で構成することもできる。この場合でも、クラッド層１４，１８全体のＡｌ平均組成が５％以下とされることが好ましい。
【００２７】
ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６は、活性層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層であり、かつ、クラッド層１４，１８とともに、活性層１０への光閉じ込め構造を形成している。これにより、活性層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５は、ＩｎＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６は、ＩｎＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）ことによってｐ型半導体とされている。
【００２８】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）して形成されたｐ型半導体であり、活性層１０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
活性層１０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。
【００２９】
活性層１０は、この実施形態では、図４に示すように、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層（たとえば１ｎｍ厚）２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）構造を有している。この場合に、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層２２１は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、ＡｌＧａＮからなる障壁層２２２は、バンドギャップが比較的大きくなる。たとえば、量子井戸層２２１と障壁層２２２とは交互に２〜７周期繰り返し積層されており、これにより、多重量子井戸構造の活性層１０が構成されている。発光波長は、量子井戸層２２１のバンドギャップに対応しており、バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。インジウムの組成比を大きくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が大きくなる。この実施形態では、発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４５０ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。前記多重量子井戸構造は、Ｉｎを含む量子井戸層２２１の数が３以下とされることが好ましい。
【００３０】
障壁層２２２は、その膜厚を３ｎｍ〜８ｎｍ（たとえば７ｎｍ厚）とする。これにより、活性層１０まわりの平均屈折率を高くすることができるため、良好な光閉じ込め効果が得られ、低閾値電流を実現できる。たとえば、連続波発振の基準となる１００ｍＡ以下の閾値電流を実現できる。障壁層２２２の膜厚が３ｎｍ未満では、障壁層としての機能が得難く、また、８ｎｍを超える膜厚では、活性層１０まわりの光閉じ込め効果が弱くなり、連続波発振が困難になるおそれがある。
【００３１】
活性層１０まわりの平均屈折率をより高くし、光閉じ込めをより強く行うためには、障壁層２２２は、そのＡｌ組成を５％以下とすることが好ましい。
図１等に示すように、ｐ型半導体層１２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ２０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層１９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状（メサ形）のリッジストライプ２０が形成されている。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。
【００３２】
III族窒化物半導体積層構造２は、リッジストライプ２０の長手方向両端における劈開により形成された一対の端面２１，２２（劈開面）を有している。この一対の端面２１，２２は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直である。こうして、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５、活性層１０およびｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６によって、端面２１，２２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、活性層１０で発生した光は、共振器端面２１，２２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面２１，２２からレーザ光として素子外に取り出される。
【００３３】
ｎ型電極３およびｐ型電極４は、たとえばＡｌ金属からなり、それぞれｐ型コンタクト層１９および基板１にオーミック接続されている。ｐ型電極４がリッジストライプ２０の頂面（ストライプ状の接触領域）のｐ型ＧａＮコンタクト層１９だけに接触するように、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の露出面を覆う絶縁層６が設けられている。これにより、リッジストライプ２０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジストライプ２０の表面は、ｐ型電極４との接触部を除く領域が絶縁層６で覆われて保護されているので、横方向の光閉じ込めを緩やかにして制御を容易にすることができるとともに、側面からのリーク電流を防ぐことができる。絶縁層６は、屈折率が１よりも大きな絶縁材料、たとえば、ＳｉＯ2やＺｒＯ2で構成することができる。
【００３４】
さらに、リッジストライプ２０の頂面はｍ面となっていて、このｍ面にｐ型電極４が形成されている。そして、ｎ型電極３が形成されている基板１の裏面もｍ面である。このように、ｐ型電極４およびｎ型電極３のいずれもがｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。
共振器端面２１，２２は、それぞれ絶縁膜２３，２４（図１では図示を省略した。）によって被覆されている。共振器端面２１は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面２２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面２１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面２２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜２４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。
【００３５】
図５に図解的に示すように、共振器両端面２１，２２の絶縁膜２３，２４は、これらの両端面２１，２２にコーティングされた分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）からなる。より具体的には、絶縁膜２３，２４は、たとえばＺｒＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に複数回繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。より具体的には、たとえば、共振器端面２１を被覆する絶縁膜２３は、ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜を交互に全５層積層して構成された多重反射膜である。また、共振器端面２２側の絶縁膜２４は、ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜を交互に全１３層積層して構成された多重反射膜である。いずれも、共振器端面２１，２２に接しているのは、ＺｒＯ2膜である。目的とする反射率スペクトルの中心波長をλCとして、ＺｒＯ2膜の膜厚は、λC／４ｎ1（ただし、ｎ1はＺｒＯ2の屈折率。ｎ1＝２．０８）とされ、ＳｉＯ2膜の膜厚は、λC／４ｎ2（ただし、ｎ2はＳｉＯ2の屈折率。ｎ2＝１．４５）とされている。λC＝４６０ｎｍとすると、ＺｒＯ2膜の膜厚は５５ｎｍ、ＳｉＯ2膜の膜厚は７９ｎｍとなる。
【００３６】
このような構造により、＋ｃ軸側端面２１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面２２における反射率が大きくなっている。より具体的には、たとえば、＋ｃ軸側端面２１の反射率は６９％程度（ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜を交互に全５層積層した場合）とされ、−ｃ軸側端面２２における反射率は９９％程度（ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜を交互に全１３層積層した場合）となる。したがって、＋ｃ軸側端面２１から、より大きなレーザ出力が出射されることになる。すなわち、この半導体レーザダイオード７０では、＋ｃ軸側端面２１が、レーザ出射端面とされている。
【００３７】
このような構成によって、ｎ型電極３およびｐ型電極４を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を活性層１０に注入することによって、この活性層１０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面２１，２２の間をガイド層１５，１６に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面２１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
【００３８】
図６は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
【００３９】
ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
【００４０】
＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
【００４１】
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
【００４２】
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、有機金属気相成長法によって、半導体レーザダイオード構造を構成するIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、活性層１０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
【００４３】
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
【００４４】
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、活性層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。
【００４５】
さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む活性層１０には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、ｃ面を主面とした場合よりも価電子帯のバンド端の状態密度が小さくなって反転分布が起きやすくなり、利得が増強され、レーザ特性が向上する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
【００４６】
活性層１０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。
【００４７】
また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
【００４８】
図７は、量子井戸層２２１（図４参照）のバンド構造を説明するための図である。非極性面であるｍ面を成長主面とする量子井戸層には、自発圧電分極に起因するバンドの曲がり生じていない。そのため、レーザ発振のために電流密度を増やしても（図７中央図および右図）、キャリアによる分極電場の遮蔽（図１５参照）が生じないので、エネルギーギャップＥｇの変化が生じない。したがって、分極電波の遮蔽に起因する短波長シフトが生じない。
【００４９】
図８は、ｃ面(c-plane)を成長主面としたレーザダイオード（ｃ面レーザダイオード）、およびｍ面(m-plane)を成長主面としたレーザダイオード（ｍ面レーザダイオード）について、さまざまな電流密度におけるＥＬ(Electro-Luminescence)ピーク波長（ＥＬピークエネルギーと１対１に対応する。）を調べた結果を示すグラフである。各曲線における矢印は、レーザ発振が生じる電流密度（閾電流密度）を表し、このときの発光波長を図中に記してある。矢印の左側は自然放出領域であり、矢印から右側はレーザ発振領域である。
【００５０】
ｃ面レーザダイオードでは、電流密度の増大に伴って発光波長が短くなる短波長シフトが生じ、レーザ発振領域のピーク波長は、自然放出光のピーク波長よりもかなり短くなっている。この傾向は、長波長のｃ面レーザダイオードにおいて、より顕著に現れている。これが、分極電場の遮蔽により生じる短波長シフトである。
一方、ｍ面レーザダイオードにおいては、電流密度の増大に伴う発光波長の変化が少なく、自然放出領域とレーザ発振領域とで、発光ピーク波長に大きな変化がないことがわかる。これは、前述のとおり、ｍ面レーザダイオードでは、分極電場の遮蔽による短波長シフトが生じないからである。
【００５１】
図９は、共振器端面コーティングによる閾値電流低減効果を説明するための図であり、図１０は、共振器端面コーティングによるレーザ発振周波数の長波長化を説明するための図である。自然放出光の発光ピーク波長λSP＝４６８ｎｍの半導体レーザダイオード７０を作製し、その共振器端面２１，２２を前述のような分布ブラッグ反射鏡を形成する絶縁膜２３，２４でコーティングする前後で光出力（図９）および発光波長のスペクトル（図１０）を調べた。自然放出光の発光ピーク波長λSPは、この場合、３０Ｗ／ｃｍ2以下の励起密度で活性層１０を弱励起したときのフォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長である。共振器端面２１，２２の分布ブラッグ反射鏡は、いずれも反射率スペクトルの中心波長λC＝４６０ｎｍとなるように設計し、出射側の共振器端面２１は、ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜を交互に全５層積層した分布ブラッグ反射鏡とし、反射側の共振器端面２２は、ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜を交互に全１３層積層した分布ブラッグ反射鏡とした。
【００５２】
図９から、共振器端面のコーティングによって閾値電流が１０６ｍＡから３２ｍＡに低減されていることがわかる。図８を併せて参照すれば、閾値電流の低減により、短波長シフトを抑制できることが理解される。これは、図１０に表れているとおりであり、共振器端面コーティング前のレーザ発振波長が４５１ｎｍであったのに対して、共振器端面コーティング後のレーザ発振波長は４５７ｎｍとなって、自然放出光の発光ピーク波長λSPに近づいていることがわかる。
【００５３】
ｍ面レーザダイオードにおける短波長シフトの主な原因は、バンドテイル（図１６参照）へのバンドフィリングである。共振器両端面に形成された分布ブラッグ反射鏡の反射率スペクトル中心波長λCを自然放出光の発光ピーク波長λSPに近い値としたことで、この波長λSPに近い波長での誘導放出が促進される。これにより、自然放出からレーザ発振までのバンドフィリングを抑制して、閾値電流を低減できる結果、自然放出光の発光ピーク波長λSPに近い波長でのレーザ発振を実現できる。つまり、バンドフィリングに起因する短波長シフトを抑制して、長波長のレーザ発振を達成できる。
【００５４】
図１１は、共振器端面２１，２２に形成される分布ブラッグ反射鏡（絶縁膜２３，２４）の反射率スペクトルを示す図である。反射率スペクトルの中心波長λC＝４６０ｎｍとなっており、λC−４０ｎｍ〜λC＋４０ｎｍ程度の広い波長域で、中心波長λCでの反射率に近い反射率が達成されていることが分かる。また、ＺｒＯ2膜およびＳｉＯ2膜の合計の層数Ｎ（Ｎ＝０，１，２，…）が３以上の領域では、層数Ｎが多いほど（ただし、Ｎが奇数の場合）反射率が高くなることが分かる。層数Ｎと中心波長λCでの反射率との関係を図１２に示す。層数Ｎを奇数に選択することで高い反射率が得られる。
【００５５】
図１３は、反射率スペクトルの中心波長がレーザ発振波長に与える影響を調べた結果を示す図である。シンボル「●」は、共振器両端面に中心波長λC＝４７０ｎｍに設計した分布ブラッグ反射鏡をコーティングした複数個のサンプルについて、発振波長と閾電流密度との関係を調べた結果を表す。また、シンボル「▲」は、共振器両端面に中心波長λC＝４８０ｎｍに設計した分布ブラッグ反射鏡をコーティングした複数個のサンプルについて、発振波長と閾電流密度との関係を調べた結果を表す。ただし、自然放出光の発光ピーク波長λSP＝４９４ｎｍである。
【００５６】
この図１３より、自然放出光の発光ピーク波長λSPに近い長波長側に反射率スペクトルの中心波長λCを設定することによって、閾電流密度の低減および発振波長の長波長化を実現できることわかる。
以上のようにこの実施形態によれば、ｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造２によってレーザ共振器が形成されており、これにより、分極電場の遮蔽に起因する短波長シフトを抑制している。また、共振端両面２１，２２に形成される分布ブラッグ反射鏡の反射率スペクトルの中心波長λCが、活性層１０の自然放出光の発光ピーク波長λSPに近い値に定められている。これにより、バンドフィリングによる高エネルギーシフトを抑制して、発振波長の長波長化を実現している。より具体的には、自然放出光の発光ピーク波長λSPからの波長シフトを１０ｎｍ以下に低減することができ、長波長でのレーザ発振を実現することができる。
【００５７】
共振器両端面２１，２２の分布ブラッグ反射鏡の中心波長λCは、λSP−１０ｎｍ≦λC≦λSP＋１０ｎｍの範囲に定めることにより、バンドフィリングによる高エネルギーシフトの低減に有効である。レーザ発振波長は自然放出光の発光ピーク波長λSPよりも若干短波長側となるので、λSP−５ｎｍ≦λC≦λSPを満たすように分布ブラッグ反射鏡を設計することが好ましく、これにより、より効果的にバンドフィリングによる短波長シフトを抑制できる。
【００５８】
分布ブラッグ反射鏡を設計するときの自然放出光の発光ピーク波長λSPとしては、弱励起（３０Ｗ／ｃｍ2以下の励起密度）下でのフォトルミネッセンスピーク波長を用いてもよいが、０．１ｋＡ／ｃｍ2以下（より好ましくは５００μＡ／ｃｍ2以下）の電流密度での電流注入スペクトルのピーク波長（図８参照）を用いてもよい。
この実施形態では、レーザ共振器を構成するIII族窒化物半導体積層構造２がｍ面を成長主面とした優れた結晶性のIII族窒化物半導体からなり、さらに、活性層１０の量子井戸層２２１の厚さが１００Å以下となっていて量子効果を生じるようになっている。しかも、共振器方向がｃ軸方向とされることによっても、発振効率の向上が図られている。これらによって、閾値電流の一層の低減が図られていて、それに応じて、短波長シフトが一層抑制されている。
【００５９】
さらにまた、この実施形態では、前述のとおり、活性層１０が、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１とＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２とを交互に積層した多重量子井戸構造を形成している。III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層は、ｍ面ＧａＮ基板１に対してコヒーレントに成長されている。そのため、ａ軸方向に関して、ＩｎＧａＮ層には圧縮歪みが生じ、ＡｌＧａＮ層には引っ張り歪みが生じることになる。しかし、活性層１０では、これらが交互に積層されているため、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１の圧縮応力が、ＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２によって緩和されている。すなわち、障壁層２２２は、量子井戸層２２１の圧縮応力を緩和する歪み補償層として機能している。これにより、圧縮応力に起因する結晶欠陥を抑制できるため、量子井戸層２２１は、欠陥の少ない優れた結晶性を有することができる。これにより、量子井戸層２２１において発光に寄与することができる領域が増大するから、発光効率が向上し、それに応じて閾値電流を低減することができる。
【００６０】
さらにまた、障壁層２２２の膜厚が３ｎｍ〜８ｎｍとされ、Ａｌの組成が５％以下とされていることで、活性層１０まわりの平均屈折率が高くなっている。これにより、良好な光閉じ込め効果を実現でき、閾値電流の一層の低減が図られている。
図１４は、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。
【００６１】
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
【００６２】
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
【００６３】
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層１３が成長する。
【００６４】
次に、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６に加えて、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、シランおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４がエピタキシャル成長させられる。このときＡｌＧａＮクラッド層１４のＡｌ組成が５％以下となるように、各原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量比が調整される。
【００６５】
次いで、アルミニウム原料バルブ５３を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４、およびシリコン原料バルブ５６を開く。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４上にｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５がエピタキシャル成長させられる。このｎ型ＩｎＧａＮガイド層１５の形成時には、ウエハ３５の温度は８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。
【００６６】
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の活性層１０（発光層）の成長が行われる。活性層１０の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層２２１を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびアルミニウム原料バルブ５３を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムをウエハ３５へと供給することにより、ＡｌＧａＮ層からなる障壁層２２２を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。具体的には、障壁層２２２を始めに形成し、その上に量子井戸層２２１を形成する。これを、たとえば、２回に渡って繰り返し行い、最後に障壁層２２２を形成する。障壁層２２２の形成時には、形成される層のＡｌ組成が５％以下となるように、原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量比が調節される。活性層１０の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
【００６７】
次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、インジウム原料バルブ５４およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたｐ型ＩｎＧａＮ層からなるガイド層１６が形成されることになる。このｐ型ＩｎＧａＮガイド層１６の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃〜９００℃（たとえば８５０℃）とされることが好ましい。
【００６８】
次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層１７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００６９】
次いで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされてｐ型とされたＡｌＧａＮ層からなるクラッド層１８が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８のＡｌ組成が５％以下となるように、各原料ガス（とくにアルミニウム原料ガス）の流量が調節されることが好ましい。
【００７０】
次に、ｐ型コンタクト層１９が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層１９が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００７１】
ｐ型半導体層１２を構成する各層は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長させられることが好ましい。これにより、活性層１０への熱ダメージを低減できる。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造２の構成層１０，１３〜１９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。より具体的には、ｎ型クラッド層１４から最上層のｐ型コンタクト層１９までにおいて、Ｖ／III比の平均値が１０００以上であることが好ましい。これにより、ｎ型クラッド層１４、活性層１０およびｐ型クラッド層１８の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。
【００７２】
この実施形態では、上記のような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とIII族窒化物半導体積層構造２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体積層構造２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。このIII族窒化物半導体積層構造２は、ＧａＮ単結晶基板１の主面から生じる積層欠陥や貫通転位を有していない。
【００７３】
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体積層構造２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチング等のドライエッチングによって、ｐ型半導体層１２の一部を除去してリッジストライプ２０が形成される。このリッジストライプ２０は、ｃ軸方向に平行になるように形成される。
リッジストライプ２０の形成後には、絶縁層６が形成される。絶縁層６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層１９を露出させるようにして、絶縁層６を形成できる。
【００７４】
次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９にオーミック接触するｐ型電極４が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３にオーミック接触するｎ型電極３が形成される。これらの電極３，４の形成は、たとえば、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって行うことができる。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をリッジストライプ２０に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。リッジストライプに平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、リッジストライプ２０に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面２１と、−ｃ面からなる共振器端面２２とが形成される。
【００７５】
次に、共振器端面２１，２２に、それぞれ前述の絶縁膜２３，２４が形成される。この絶縁膜２３，２４の形成は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法によって行うことができる。絶縁膜２３，２４は、前述のような分布ブラッグ反射鏡を構成するものであり、膜厚λC／４ｎ1のＺｒＯ2膜と、膜厚λC／４ｎ2のＳｉＯ2膜とが、各共振器端面２１，２２に交互に積層形成される。
【００７６】
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、リッジストライプ２０をｃ軸に平行に形成した構造について説明したが、リッジストライプ２０をａ軸に平行とし、共振器端面をａ面としてもよい。また、基板１の主面は、ｍ面に限らず、他の非極性面であるａ面としてもよいし、半極性面としてもよい。
【００７７】
さらにまた、III族窒化物半導体積層構造２を構成する各層の層厚や不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。
また、III族窒化物半導体積層構造２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板１を除去し、基板１のない半導体レーザダイオードとすることもできる。
また、前述の実施形態では、量子井戸層が複数個設けられた多重量子井戸構造の発光層を有する素子について説明したが、発光層の構造は、量子井戸層が１個の量子井戸構造としてもよい。
【００７８】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿う縦断面図である。
【図３】図１のIII−III線に沿う横断面図である。
【図４】前記半導体レーザダイオードの発光層の構成を説明するための図解的な断面図である。
【図５】共振器端面に形成された絶縁膜（反射膜）の構成を説明するための図解図である。
【図６】III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。
【図７】量子井戸層のバンド構造を説明するための図である。
【図８】ｃ面レーザダイオードおよびｍ面レーザダイオードについて、さまざまな電流密度におけるＥＬピーク波長を調べた結果を示すグラフである。
【図９】共振器端面コーティングによる閾値電流低減効果を説明するための図である。
【図１０】共振器端面コーティングによるレーザ発振周波数の長波長化を説明するための図である。
【図１１】共振器端面に形成される分布ブラッグ反射鏡の反射率スペクトルを示す図である。
【図１２】分布ブラッグ反射鏡の層数と中心波長での反射率との関係を示す図である。
【図１３】反射率スペクトルの中心波長がレーザ発振波長に与える影響を調べた結果を示す図である。
【図１４】III族窒化物半導体積層構造を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【図１５】ｃ面レーザダイオードにおける分極電場に起因する短波長シフトの原理を説明するための図である。
【図１６】バンドフィリングに起因する短波長シフトを説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
１      基板（ＧａＮ単結晶基板）
２      III族窒化物半導体積層構造
３      ｎ側電極
４      ｐ側電極
６      絶縁層
１０    発光層
２２１  量子井戸層
２２２  障壁層
１１    ｎ型半導体層
１２    ｐ型半導体層
１３    ｎ型ＧａＮコンタクト層
１４    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５    ｎ型ＩｎＧａＮガイド層
１６    ｐ型ＩｎＧａＮガイド層
１７    ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
１８    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１９    ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０    リッジストライプ
２１，２２    端面
２３，２４    絶縁膜（分布ブラッグ反射鏡）
２６    ｎ型ＩｎＧａＮ層
３０    処理室
３１    ヒータ
３２    サセプタ
３３    回転軸
３４    回転駆動機構
３５    基板
３６    排気配管
４０    原料ガス導入路
４１    窒素原料配管
４２    ガリウム原料配管
４３    アルミニウム原料配管
４４    インジウム原料配管
４５    マグネシウム原料配管
４６    シリコン原料配管
５１    窒素原料バルブ
５２    ガリウム原料バルブ
５３    アルミニウム原料バルブ
５４    インジウム原料バルブ
５５    マグネシウム原料バルブ
５６    シリコン原料バルブ
６１    歪み補償層
６２    歪み補償層
７０    半導体レーザダイオード
【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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