特許 6044671 窒化物半導体レーザダイオード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6044671

(24)【登録日】2016年11月25日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】窒化物半導体レーザダイオード

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20161206BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/343 610

【請求項の数】10

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2015-94131(P2015-94131)

(22)【出願日】2015年5月1日

(62)【分割の表示】特願2011-524767(P2011-524767)の分割

【原出願日】2010年7月26日

(65)【公開番号】特開2015-159327(P2015-159327A)

(43)【公開日】2015年9月3日

【審査請求日】2015年6月1日

(31)【優先権主張番号】特願2009-179810(P2009-179810)

(32)【優先日】2009年7月31日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【代理人】

【識別番号】100118681

【弁理士】

【氏名又は名称】田村 啓

(72)【発明者】

【氏名】三好 隆

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１５２５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０３２９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０８３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３４８６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６３４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５３７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０６８１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３４０５８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２８８５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０５７４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００５／０２０３９６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０１９８７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、前記基板の上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成されたＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含む井戸層を有する量子井戸構造の活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体レーザダイオードであって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層を含み、
前記活性層中の前記井戸層の発振波長は５００ｎｍ以上であり、前記井戸層を起点として発生した転位が前記ｐ側窒化物半導体層を貫通する結果、前記ｐ側窒化物半導体層における、前記基板に由来する転位と前記活性層を起点として発生した転位を含む転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２以上となっており、
前記ｐ側窒化物半導体層は、前記活性層に近い側から、
前記ｐ側窒化物半導体層に最も近い前記井戸層の上端から３００ｎｍ以内の範囲に、前記井戸層よりもバンドギャップが大きなＡｌを含む窒化物半導体から成り、ｐ型不純物濃度が５×１０^１８ｃｍ⁻³以上である第１のｐ型窒化物半導体層と、
前記第１のｐ型窒化物半導体層の上に形成され、前記３００ｎｍ以内の範囲におけるｐ型不純物濃度が前記第１のｐ型窒化物半導体層よりも低く、かつ、６×１０^１７ｃｍ^−３以上である第２のｐ型窒化物半導体層と、
前記第２のｐ型窒化物半導体層の上に形成され、前記第２のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、前記第１のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さな、第３のｐ型窒化物半導体層とを有することを特徴とする窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項2】

前記ｐ側窒化物半導体層に最も近い前記井戸層の上端から１５０ｎｍ以内に前記第１のｐ型窒化物半導体層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項3】

前記第２のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、前記第１のｐ型窒化物半導体層に近い側の界面から離れるに従って６×１０^１７ｃｍ^−３を下回らない範囲で一旦低下した後、逆側の界面に向かって増加することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項4】

前記第２のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、前記ｐ側窒化物半導体層に最も近い前記井戸層の上端から２５０ｎｍ以内に極小を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項5】

前記第２のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、前記ｐ側窒化物半導体層に最も近い前記井戸層の上端から３００ｎｍの位置において１×１０^１８ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項6】

基板と、前記基板の上に形成されたｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成されたＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含む井戸層と障壁層を有する多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体レーザダイオードであって、
前記ｎ側窒化物半導体層は、ＧａＮ層又はＡｌＧａＮ層を含み、
前記活性層は、発振波長が５００ｎｍ以上である井戸層と、活性層の最もｐ側にあって膜厚が３００ｎｍ以下の障壁層とを含み、
前記ｐ側窒化物半導体層は、前記活性層に近い側から、
前記井戸層よりもバンドギャップが大きなＡｌを含む窒化物半導体から成り、ｐ型不純物濃度が５×１０^１８ｃｍ⁻³以上であり、膜厚が３〜５０ｎｍである第１のｐ型窒化物半導体層と、
前記ｐ型不純物濃度が前記第１のｐ型窒化物半導体層よりも低く、かつ、６×１０^１７ｃｍ^−３以上である第２のｐ型窒化物半導体層と、
前記第２のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きく、前記第１のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さな、第３のｐ型窒化物半導体層と、
ｐ型不純物濃度が５×１０^１９／ｃｍ^３以上の第４のｐ型窒化物半導体層と、
を有し、
前記井戸層を起点として発生した転位が前記ｐ側窒化物半導体層を貫通する結果、前記ｐ側窒化物半導体層における、前記基板に由来する転位と前記活性層を起点として発生した転位を含む転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２以上となっていることを特徴とする窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項7】

前記発振波長は、５６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項8】

前記基板は、転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下の窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項9】

前記基板の転位密度は、前記活性層で発生する転位密度よりも低いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザダイオード。

【請求項10】

請求項１乃至９のいずれか１項に記載された波長５００〜５６０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長４４０〜４８０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長６００〜６６０ｎｍで発振する半導体レーザダイオードとを有するディスプレイ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本件発明は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザダイオードに関する。

【背景技術】

【0002】

化合物半導体を用いた半導体レーザダイオードは、大容量、高密度の情報記録／再生が可能な光ディスクシステム等に広く利用されている。一方、半導体レーザダイオードの新たな応用として、青、緑、赤色の半導体レーザを組み合わせることによるフルカラーディスプレイの実現が期待されている。

【0003】

光の３原色である青、緑、赤色のうち、青色と赤色の半導体レーザダイオードは、III-Ｖ族化合物半導体であるＩｎＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＰを用いて既に実用化されている。これに対して、緑色のレーザは、第２次高調波（ＳＨＧ）により波長を変換することで緑色の発光を可能にしたレーザは開発されているものの、直接、緑色を発光可能な素子は、未だ実用化されていない。

【0004】

緑色を直接発光可能な半導体レーザダイオードとしては、１９９３年頃にII-ＶＩ族化合物半導体を用いたレーザダイオードが報告されたが、高電流下での信頼性に乏しく、実用には至らなかった。そこで近年では、III−Ｖ族窒化物半導体を用いて緑色を直接発光する半導体レーザダイオードを実現することが期待されている。

【0005】

III−Ｖ族窒化物半導体としては、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）、特にＩｎＧａＮから成る発光層（以下、単に「ＩｎＧａＮ発光層」）を用いた紫外〜青色発光の半導体レーザダイオードが既に実用化されており（特許文献１等）、そのＩｎＧａＮ発光層のＩｎ含有率を高めてバンドギャップを小さくし、発光波長を長波長化すれば、緑色での発光が可能となる。しかしながら、ＩｎＧａＮ発光層を気相成長させる場合、Ｉｎ含有率が高くなるに従って下地となるＧａＮ層に対する格子不整合が大きくなり、ＩｎＧａＮ層自身も化学的に不安定で相分離を起こし易くなる。このため、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ含有率を高めて緑色発光が可能な半導体レーザを実現することは容易でない。

【0006】

特許文献２では、ＩｎＧａＮのＶ族元素を一部Ｐに置換したＩｎＧａＮＰを発光層に用いることにより、緑色を含む広い波長域で発光が可能な半導体レーザダイオードが提案されている。特許文献２によれば、ＩｎＧａＮＰを発光層に用いることにより、Ｎに比べて揮発性の低いＶ族元素であるＰをＩｎと結合させることができ、Ｉｎの偏析を防止できる。また、Ｐの含有率変化によるバンドギャップのボウイング効果が大きいため、従来のＩｎＧａＮ発光層に比べて、目的発光波長を得るために必要なＩｎ含有率を下げることができる。また、特許文献３では、ＩｎＧａＮＰ発光層に、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃ、Ｓｉ等の不純物を添加することにより、ＩｎＧａＮＰ発光層の結晶系分離を抑制することも提案されている。

【0007】

一方、本件発明者等は、最近、Ｉｎ含有率の高いＩｎＧａＮ発光層の結晶性を成長条件の工夫によって改善し、ＩｎＧａＮ発光層を用いた半導体レーザダイオードにおいて５１５ｎｍまでの室温連続発振に成功し、非特許文献１において報告した。この緑色半導体レーザの出力は、２５℃で５ｍＷであり、室温動作での推定寿命が５０００ｈ以上であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】国際特許公開ＷＯ２００２−０５３９９号公報

【特許文献2】特開２００２―２６４５９号公報

【特許文献3】特開２００２―８４０４０号公報

【非特許文献】

【0009】

【非特許文献1】Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈｉ ｅｔ．ａｌ．，”５１０−５１５ｎｍ ＩｎＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｇｒｅｅｎ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｏｎ ｃ−Ｐｌａｎｅ ＧａＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２（２００９）、０６２２０１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、上記のＩｎＧａＮ発光層を用いた緑色半導体レーザダイオードでは、ライフ特性がまだ十分ではなかった。非特許文献１に示されるように、波長が５１０〜５１３ｎｍの緑色半導体レーザダイオードは、室温動作（２５℃）のライフテストでは５００ｈまで駆動電流が安定しており、そこから推定される室温動作での寿命は５０００ｈ以上であった（非特許文献１、Ｆｉｇ．８参照）。しかし、加速試験として６０℃の高温動作を行うと駆動直後から急激な劣化を示し、高温動作における寿命は僅か数十時間であった。

【0011】

本件発明者が検討したところ、ＩｎＧａＮ発光層を用いた半導体レーザダイオードのライフ特性は波長に対する強い依存性を示し、発振波長が５００ｎｍを越えるとライフ特性が急激に低下する。従来より、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ含有率が増えると下地となるＧａＮ層との格子不整合が大きくなり、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層の界面で転位が発生することが知られていた。また、レーザダイオード素子中の転位密度が増えるとライフ特性が低下することも知られていた。しかし、転位密度の増大によってライフ特性が低下する原因は、転位自身が非発光再結合中心として働くためと考えられていた。そこで従来は、発振波長の長波長化に伴うライフ特性の低下を抑制するために、転位の発生を減少させる努力がされていた。

【0012】

例えば、ＩｎＧａＮ発光層の膜厚を薄くすれば、下地となるＧａＮ層との格子不整合による歪を緩和し易くなり、転位の発生はある程度抑制される。しかし、ＩｎＧａＮ発光層を薄くするとＩｎＧａＮ発光層へのキャリアの閉じ込めが悪くなるため、閾値電流が増大してしまう。

【0013】

一方、特許文献２及び３では、ＩｎＧａＮに代えて、ＩｎＧａＮＰやＩｎＧａＮＡｓを発光層に用いることにより、少ないＩｎ含有率で目的波長が得られるようにした。これによってＩｎの偏析防止と、格子不整合の緩和を図っている（特許文献２、段落００４１）。しかし、ＡｓやＰをＩｎＧａＮ発光層に導入すると発光層の結晶性が低下し易くなる。また、ＡｓやＰを含む発光層は、転位付近にＡｓやＰが偏析し易く、発光層の結晶性が低下して発光効率が低下し、閾値電流が増大し易くなる（特許文献３、段落００１２）。

【0014】

そこで本件発明は、ＩｎＧａＮ発光層を用い、発振波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、ＩｎＧａＮ発光層へのキャリア閉じ込めや結晶性は良好に維持しながら、発振波長の長波長化に伴うライフ特性の低下を抑制し、発光効率とライフ特性に優れた長波長の窒化物半導体レーザダイオードを実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本件発明者は、鋭意検討の結果、発振波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードにおけるライフ特性の急激な低下は、転位自身ではなく、転位の影響によってｐ型不純物の活性化が阻害され、ＩｎＧａＮ発光層への正孔の供給不足がライフ特性を低下させていたことを見出した。本件発明によれば、Ｉｎ含有率を増大して活性層に転位を発生させながら、ＩｎＧａＮ発光層から所定の距離内におけるｐ型不純物濃度を所定の範囲に制御することにより、５００ｎｍ以上の長波長での発振を実現すると共に、ライフ特性を劇的に改善することができる。

【0016】

即ち、本件発明の窒化物半導体レーザダイオードは、基板と、前記基板の上に形成されたｎ型不純物を含むｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層の上に形成され、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含む発光層を有する活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ型不純物を含むｐ側窒化物半導体層と、を備えた窒化物半導体レーザダイオードであって、
前記窒化物半導体レーザダイオードの発振波長は５００ｎｍ以上であり、
前記活性層を起点として発生した転位が前記ｐ側窒化物半導体層を貫通して、前記ｐ側窒化物半導体層の転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２以上となっており、
前記ｐ型不純物の深さ方向の濃度分布は、前記発光層から前記ｐ側窒化物半導体層の表面に向かって、前記ｐ側窒化物半導体層に最も近い前記発光層の上端から３００ｎｍ以内の範囲にｐ型不純物濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以上となる極大を有し、前記極大を過ぎた後、前記３００ｎｍ以内の範囲では６×１０^１７ｃｍ^−３を下回らないことを特徴とする。

【0017】

ここでｐ型不純物の深さ方向の濃度分布における「極大」とは、ｐ型不純物の濃度が増加から減少に転じるところを言う。逆に「極小」とは、ｐ型不純物の濃度が減少から増加に転じるところを言う。ここで増加又は減少とは、ｐ型不純物濃度の深さに対する関数が連続的に変化する場合だけでなく、不連続に変化を示す場合も含む。

【0018】

従来の短波長の窒化物半導体レーザダイオードでは、発光層の近傍のｐ型不純物濃度が高くなると光吸収による内部損失が増加し、閾値電流の増大や、スロープ効率の低下を招くため、発光層の近傍ではｐ型不純物のドーピング量を低くした方が良いことが知られていた。また、転位は非発光再結合中心となるため、発光層における転位発生は極力避けることが常識であった。しかし、本件発明では、長波長の窒化物半導体レーザダイオードにおいて活性層から転位を発生させながら、発光層近傍のｐ型不純物濃度を従来よりも高めて上記所定の範囲に制御する。これによって５００ｎｍ以上の長波長域における窒化物半導体レーザダイオードのライフ特性は劇的に改善し、従来は僅か数十時間であった高温動作時の推定寿命を一気に実用レベルである数千時間以上にまで高めることができる。このようなＭｇ濃度の制御によるライフ特性の劇的な改善は、従来の短波長の窒化物半導体レーザでは見られず、発振波長が５００ｎｍ以上のような長波長の窒化物半導体レーザに特有の現象である。このような現象が起きる理由は必ずしも明らかではないが、以下の通りと考えられる。

【0019】

本件発明では、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ含有率の増大によって発生する転位は敢えてそのままにするため、ＩｎＧａＮ発光層の薄膜化によるキャリア閉じ込め不足や、他のＶ族元素の導入による結晶性の低下といった問題を生じない。一方、発振波長を５００ｎｍ以上とするためにＩｎ含有率を増大する結果、活性層を起点として転位が発生するため、発光層より上にある窒化物半導体層の転位密度は増大し、ｐ側窒化物半導体層の転位密度は少なくとも１×１０^６ｃｍ^−２以上となる。転位近傍の窒化物半導体層の結晶性は低下するため、転位密度の増大に伴ってｐ型不純物による正孔の生成が不十分となり、ＩｎＧａＮ発光層への正孔の供給不足が生じる。その結果、ＩｎＧａＮ発光層のｐ側に電子が拡散して非発光再結合が発生し、ライフ特性を急激に低下させる。尚、このライフ特性の急激な低下は、単純にｐ側窒化物半導体層の転位密度だけに起因するのではなく、転位の由来にも依存していると考えられる。発振波長を５００ｎｍ以上の長波長にするためにＩｎＧａＮ発光層へのＩｎ含有率を増大させると、活性層から転位が発生する。活性層から発生した転位は、ｐ側窒化物半導体層の結晶性に影響し、その結果、ＩｎＧａＮ発光層への正孔の供給不足を生じ、ライフ特性を急激に低下させる。このような現象は、基板から伝播される転位の場合には、見受けられない。例えば、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ含有率が低い短波長の窒化物半導体レーザダイオードの場合でも基板の転位密度が高い場合にはｐ側窒化物半導体層の転位密度が１×１０^６ｃｍ^−２以上となる場合がある。しかし、その場合には発振波長５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードで見られたｐ型不純物濃度によるライフ特性の劇的な変化は観察されない。このことから、活性層から発生した転位と、基板から伝播される転位とでは、ｐ側窒化物半導体層に与える影響が異なっており、そのために上記のような長波長に特有のｐ型不純物濃度に対するクリティカルな依存性が生じるものと考えられる。尚、活性層を起点として発生する転位の多くは、発光層を起点として発生するものである。

【0020】

そこで本件発明では、ｐ型不純物の深さ方向の濃度分布を制御し、ｐ側窒化物半導体層に最も近い発光層の上端から３００ｎｍ以内の範囲において、ｐ型不純物濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３以上となる極大を持たせ、その極大を過ぎた後も、発光層の上端から３００ｎｍ以内の範囲では６×１０^１７ｃｍ^−３を下回らないようにする。ＩｎＧａＮ発光層に正孔を効率的に供給が可能な３００ｎｍの距離において、ｐ型不純物濃度を一旦５×１０^１８ｃｍ^−３以上に高めた後、ｐ型不純物濃度を低下させながら６×１０^１７ｃｍ^−３を下回らないようにすることで、ＩｎＧａＮ発光層への正孔供給が確保され、ＩｎＧａＮ発光層のｐ側での非発光再結合を抑制してライフ特性を飛躍的に改善することができる。また、発光層の上端から３００ｎｍ程度の領域には発光層の光が強く分布しているため、ｐ型不純物濃度を一旦５×１０^１８ｃｍ^−３以上に高めた後、６×１０^１７ｃｍ^−３を下回らない範囲でｐ型不純物濃度を低下させることによってｐ型不純物による発光の吸収を抑制しながら、発光層への正孔供給が確保できる。

【発明の効果】

【0021】

以上の通り、本件発明によれば、発振波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードにおいて、Ｉｎ含有率の増大に伴って発光層から発生する転位を敢えてそのままにすることで、ＩｎＧａＮ発光層へのキャリア閉じ込めや結晶性は良好に維持しながら、ＩｎＧａＮ発光層から所定の距離内におけるｐ型不純物濃度を所定の範囲に制御することにより、ライフ特性を劇的に改善することができる。したがって、発光効率とライフ特性に優れた長波長の窒化物半導体レーザダイオードを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、本発明の窒化物半導体レーザダイオードの一例を示す模式断面図である。

【図2】図２は、図１の窒化物半導体レーザダイオードの活性層とｐ側窒化物半導体層の部分を拡大した模式断面図である。

【図3】図３は、窒化物半導体レーザダイオードの発振波長と推定寿命の関係を示すグラフである。

【図4】図４は、活性層における転位発生の様子を模式的に示す断面図である。

【図5】図５は、窒化物半導体レーザダイオードの発振波長と転位密度の関係を示すグラフである。

【図6】図６は、比較例である窒化物半導体レーザダイオードの高温ライフ試験の結果を示すグラフである。

【図7】図７は、比較例である窒化物半導体レーザダイオードの初期と通電後のＩ−Ｖ特性である。

【図8】図８は、比較例である窒化物半導体レーザダイオードのｐ型不純物の深さ方向の濃度分布を示すグラフである。

【図9】図９は、実施例である窒化物半導体レーザダイオードのｐ型不純物の深さ方向の濃度分布を示すグラフである。

【図10】図１０は、実施例である窒化物半導体レーザダイオードの高温ライフ試験の結果を示すグラフである。

【図11A】図１１Ａは、窒化物半導体レーザダイオードにおけるｐ型不純物濃度の極大値と推定寿命の関係を示すグラフである。

【図11B】図１１Ｂは、窒化物半導体レーザダイオードにおけるｐ型不純物濃度の極小値と推定寿命の関係を示すグラフである。

【図12】図１２は、ｎ側窒化物半導体層の層構成の例を示す模式断面図である。

【図13】図１３は、ｐ側窒化物半導体層に形成するリッジ構造の一例を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本件発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は模式図であり、そこに示された配置、寸法、比率、形状等は実際と異なる場合がある。

【0024】

図１は、本発明に係る窒化物半導体レーザダイオードの一例を示す模式断面図である。窒化物半導体から成る基板２の上に、Ｓｉ等のｎ型不純物を含むｎ側窒化物半導体層４、活性層６、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むｐ側窒化物半導体層８が積層され、ｐ側窒化物半導体層８の一部には導波路を構成するためのリッジ３６が形成されている。リッジ３６の周囲は埋め込み層４６で覆われており、さらに保護膜４８が形成されている。リッジ３６の上端に露出したｐ側窒化物半導体層８にｐ側電極３８が形成され、さらにｐ側電極３８に接しながら、リッジ３６を被覆するようにｐ側パッド電極４０が形成されている。一方、窒化物半導体から成る基板２の裏面にはｎ側電極４２が形成されている。

【0025】

図２は、図１に示す窒化物半導体レーザダイオードの活性層６とｐ側窒化物半導体層８の部分を拡大した模式断面図である。活性層６は、ＩｎＧａＮ又はＧａＮから成る障壁層２２ａ、ｂ、ｃとＩｎＧａＮから成る井戸層２４ａ、ｂを交互に積層した多重量子井戸構造となっており、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂが発光層となる。また、ｐ側窒化物半導体層８として、活性層６に近い側から順に、Ａｌを含む窒化物半導体層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）、ｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）、ｐ側コンタクト層３４が積層されている。図１及び２に示す層構成を持つストライプ構造が共振器本体を構成し、端面発光型のレーザダイオードとなっている。

【0026】

図１の窒化物半導体レーザダイオードは、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂのＩｎ含有率を変化させることで発振波長を変化させることができ、Ｉｎ含有率を高くする程、発振波長が長くなる。しかし、この窒化物半導体レーザダイオードのライフ特性は、発振波長に対して強い依存性を示し、発振波長が５００ｎｍを越えると急激に寿命が短くなる。図３は、図１のような構造を持つ窒化物半導体レーザダイオードの推定寿命を発振波長に対してプロットしたものであるが、発振波長が５００ｎｍに近づくと推定寿命が急激に低下し、５００ｎｍ以上の波長では僅か数十時間しかない。

【0027】

従来より、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂのＩｎ含有率が増えると下地となるＩｎＧａＮ又はＧａＮ障壁層２２ａ、ｂとの格子不整合が大きくなり、活性層６で新たな転位が発生することが知られていた。実際に本件発明者が調べたところ、発振波長が５００ｎｍを越える活性層６では、図４に模式的に示すように、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａとＩｎＧａＮ障壁層２２ａの界面や、ＩｎＧａＮ井戸層２４ｂとＧａＮ障壁層２２ｂの界面で多数の転位が発生していた。発振波長を長波長化するためにＩｎ含有率を高めると、それに応じて転位発生量も増大する。図５は、基板２の転位密度が約５×１０^５ｃｍ^−２である窒化物半導体レーザダイオードにおいて、ｐ側窒化物半導体層８の転位密度と発振波長の関係を示すグラフである。ここで基板に含まれる転位は約５×１０^５ｃｍ^−２であるので、図５の転位密度から５×１０^５を引いた値が活性層６で新たに発生した転位となる。図５に示す通り発振波長が４８０ｎｍ付近から活性層６で転位が発生し始め、発振波長が長くなるに従って活性層６で発生する転位密度が増大している。また、発振波長が５００ｎｍではｐ側窒化物半導体層８における転位密度が２×１０^６ｃｍ^−２以上となっていることから、発振波長５００ｎｍでは、１．５×１０^６ｃｍ^−２以上の転位が発生していることがわかる。

【0028】

レーザダイオード素子中の転位密度が増えるとライフ特性が低下することは知られていたが、転位密度の増大によってライフ特性が低下する原因は、転位自身が非発光再結合中心として働くためと考えられていた。そこで従来は、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂと障壁層２２ａ、ｂとの間の格子不整合に基づく歪を薄膜化によって緩和し、或いは、より少ないＩｎ含有率で目的波長を得られるようにする等、転位の発生を減少させる努力がされていた。しかし、転位発生を減少させるために井戸層２４ａ、ｂを薄膜化したり、井戸層に他のＶ族元素を添加してボウイングパラメータを大きくすると、井戸層２４ａ、ｂへのキャリア閉じ込めが弱まったり、井戸層２４ａ、ｂの結晶性が低下するなどの問題が発生する。

【0029】

一方、本件発明者が、発振波長が５０６ｎｍの窒化物半導体レーザダイオードの高温動作（６０℃）における劣化挙動を調べたところ、図６に示すように最初の数時間で劣化が急速に進行し、その後の劣化速度も大きなものであった。また、この窒化物半導体レーザダイオードのＩ−Ｖ特性を調べると、図７に示すように初期には正常な整流特性を示していたが、長時間駆動後には電流の立ち上がり部分に異常なスパイク５２が観察され、その異常がライフ中にさらに拡大することがわかった。

【0030】

この知見に基づいて種々検討の結果、本件発明者は、発振波長５００ｎｍ以上の長波長窒化物半導体レーザダイオードでは、ｐ型不純物濃度の深さ方向の分布を制御することによりライフ特性が飛躍的に改善することを見出した。

【0031】

図８は、図６のライフ特性を示した窒化物半導体レーザダイオードにおいて、ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度の深さプロファイルを２次イオン質量分析装置（以下、単に「ＳＩＭＳ」）で測定した結果を示す。図８の左端がｐ側窒化物半導体層８の表面に対応し、図８の略中央に２層目の井戸層２４ｂの上端に対応する位置が矢印で示されている。また、２番目の井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍの距離も破線で示されている。この距離内であれば、井戸層２４ｂ及び２４ａに対して正孔を効率的に供給することができる。この３００ｎｍの範囲内において、井戸層２４ｂからｐ側窒化物半導体層８の表面に向けてのｐ型不純物濃度の分布を観察すると、活性層６からｐ側窒化物半導体層８に入ると共にｐ型不純物濃度が増大し、Ａｌを含む窒化物半導体層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）に対応する位置で極大５４を示している。そして極大５４を過ぎるとｐ型不純物濃度は低下し、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）に対応する位置で極小５６を示す。

【0032】

この極大５４と極小５６におけるｐ型不純物濃度を所定の値以上に高めることにより、窒化物半導体レーザダイオードのライフ特性が劇的に改善する。図９に示す例では、図８に示すｐ型不純物濃度の深さプロファイルを示した窒化物半導体レーザダイオードと同様の構造を取りながら、極大５４におけるｐ型不純物濃度を５×１０^１８ｃｍ^−３以上とし、極小５６におけるｐ型不純物濃度を６×１０^１７ｃｍ^−３以上としている。図９に示すｐ型不純物濃度の深さプロファイルを持った窒化物半導体レーザダイオードの高温動作（６０℃）におけるライフ試験の結果を図１０に示す。１００時間まで駆動電流に変化は見られず、高温動作での推定寿命は約５万時間であった。尚、推定寿命は、所定の駆動条件において駆動電流の変化率を調べ、その変化率をもとに駆動電流が初期の１．３倍になるまでの時間として推定したものである。

【0033】

図１１Ａ及び図１１Ｂは、各々、極大５４及び極小５６におけるｐ型不純物濃度と高温動作における推定寿命の関係を示すグラフである。図１１Ａ及び図１１Ｂに示す通り、極大５４におけるｐ型不純物濃度を５×１０^１８ｃｍ^−３以上、かつ、極小におけるｐ型不純物濃度を６×１０^１７ｃｍ^−３以上にすることにより、窒化物半導体レーザダイオードのライフ特性が飛躍的に改善することがわかる。

【0034】

このようにｐ型不純物濃度を制御することによって窒化物半導体レーザダイオードのライフ特性が飛躍的に改善する理由は以下の通りと考えられる。上述の通り、発振波長を５００ｎｍ以上とするために井戸層２４ａ、ｂのＩｎ含有率を増大する結果、井戸層２４ａ、ｂより上にある窒化物半導体層の転位密度は増大し、少なくとも１×１０^６ｃｍ^−２以上となる。転位近傍の窒化物半導体層の結晶性は低下するため、転位密度の増大に伴ってｐ型不純物による正孔の生成が部分的に阻害され、通常のｐ型不純物濃度であるとＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂへの正孔の供給不足が生じる。そのため、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂのｐ側に電子が拡散して非発光再結合が発生する。また、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂのＩｎ含有率が高まる結果、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂからの転位が増加する。その転位は、ｐ側窒化物半導体層の結晶性に影響を与え、その結果、上述したようにライフ特性が急激に低下する。しかし、井戸層２４ａ、ｂにキャリアを効率的に供給可能な距離（井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の範囲）において、ｐ型不純物濃度を所定値以上に制御することにより、ＩｎＧａＮ井戸層２４ａ、ｂへの正孔供給が確保される。また、発光層の上端から３００ｎｍ程度の領域には発光層の光が強く分布しているため、ｐ型不純物濃度を一旦５×１０^１８ｃｍ^−３以上に高めた後、６×１０^１７ｃｍ^−３を下回らない範囲でｐ型不純物濃度を低下させることにより、ｐ型不純物による発光の吸収を抑えることができ、閾値電流の増大も抑制できる。したがって、窒化物半導体レーザダイオードのライフ特性を飛躍的に改善できる。

【0035】

実用的な窒化物半導体レーザダイオードとするためには、６０℃、５ｍＷにおける推定寿命が、５０００時間以上、好ましくは１万時間以上とすることが望ましい。

【0036】

本実施の形態では、ｐ側窒化物半導体層８に近い方の井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の範囲におけるｐ型不純物濃度の分布を以下のようにして制御している。ｐ側窒化物半導体層８に最も近い井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の範囲に、（ａ）井戸層２４ａ、ｂよりもバンドギャップが大きなＡｌを含む窒化物半導体から成り、ｐ型不純物濃度が５×１０^１８ｃｍ⁻³以上である第１のｐ型窒化物半導体層２６と、（ｂ）井戸層２６ｂの上端から３００ｎｍ以内の範囲におけるｐ型不純物濃度が第１のｐ型窒化物半導体層２６よりも低く、かつ、６×１０^１７ｃｍ^−３以上である第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂとを形成する。第１のｐ型窒化物半導体層２６内でｐ型不純物濃度が最大となるところがｐ型不純物の深さ方向の濃度分布における極大となる。第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂの中でｐ型不純物濃度が最低となるところがｐ型不純物の深さ方向の濃度分布における極小となる。尚、ｐ側窒化物半導体層８に最も近い井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の範囲にｐ型不純物濃度が添加されていないか、ｐ型不純物が６×１０^１７ｃｍ^―３よりも小さな濃度で添加された窒化物半導体層が挿入されていても、その窒化物半導体層の膜厚が十分に薄ければ問題がない。例えば、井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内にアンドープの窒化物半導体層が挿入されていても、後述するＳＩＭＳで測定したｐ型不純物の濃度が井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の範囲で６×１０^１７cm^-3を下回っていなければ本件発明の要件を充足する。本件明細書に例示した条件でＳＩＭＳで測定した場合にｐ型不純物の濃度が６×１０^１７cm^-3を下回らない程度にアンドープ層の膜厚が薄ければ、アンドープ層に隣接する層からのｐ型不純物の拡散によってアンドープ層のｐ型不純物濃度が本件発明の効果を得るために必要な程度になっていると考えられるからである。

【0037】

各層におけるｐ型不純物の濃度は、その層を気相成長させる際のｐ型不純物の原料ガスの流量、成長温度、圧力、Ｖ−ＩＩＩ比等によって制御することができる。例えば、ｐ型不純物の原料ガスの流量が高く、成長温度が高い程、ｐ型不純物の濃度が高くなる。但し、Ｉｎを含む窒化物半導体層の場合、成長温度が高くなるほどＩｎの偏析が起き易くなるため、成長温度を上げ過ぎることは好ましくない。また、窒化物半導体の気相成長中にｐ型不純物の原料ガスをある一定量で流し始めると、ドーピングされるｐ型不純物の濃度は階段状に変化するのではなく、窒化物半導体の成長と共にｐ型不純物の濃度が徐々に高くなる傾向がある。また、ある層に一定の濃度でｐ型不純物をドープした場合であっても、その隣接層のｐ型不純物濃度の影響を受ける。例えば、隣接層のｐ型不純物濃度が高ければ、隣接層からのｐ型不純物の拡散によって、隣接層の近傍においてｐ型不純物濃度が高くなるような濃度勾配ができる。

【0038】

（ｐ型不純物濃度の極大：第１のｐ型窒化物半導体層２６）
第１のｐ型窒化物半導体層２６内におけるｐ型不純物濃度の極大値は、５×１０^１８ｃｍ^−３以上であれば良いが、より好ましくは７×１０^１８ｃｍ^−３以上、さらに好ましくは１×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることが望ましい。このｐ型不純物濃度が高い程、井戸層２４ａ、２４ｂへの正孔の注入が容易となる。一方、ｐ型不純物濃度が高過ぎると、第１のｐ型窒化物半導体層２６の結晶性が低下し、光吸収も増加するので、閾値電流が増大する原因となる。従って、第１のｐ型窒化物半導体層２６におけるｐ型不純物濃度の極大値は、１×１０^２０ｃｍ^−３以下、より好ましくは５×１０^１９ｃｍ^−３以下とすることが望ましい。第１のｐ型窒化物半導体層２６内におけるｐ型不純物濃度は、第１のｐ型窒化物半導体層２６中で深さ方向に一定でも良いし、何らかの分布を持っていても良い。但し、第１のｐ型窒化物半導体層２６においてｐ型不純物濃度を５×１０^１８ｃｍ^−３以上とする領域の厚さは、１ｎｍ以上、より好ましくは５ｎｍ以上であることが望ましく、２０ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下とすることが望ましい。この領域が、あまり厚すぎると結晶性の低下や光吸収が問題となり、あまり薄すぎると井戸層２４ａ、ｂへの正孔の注入が不足するからである。

【0039】

本実施の形態において、第１のｐ型窒化物半導体層２６は、井戸層２４ａ、ｂよりもバンドギャップが大きなＡｌを含む窒化物半導体から成る。より好ましくは、障壁層２２ｃよりもバンドギャップの大きな窒化物半導体層から成る。これによって第１のｐ型窒化物半導体層２６は、電子を活性層６に閉じ込めるキャリア閉じ込め層として機能するため、好ましい。また、活性層６中のＩｎＧａＮ結晶の分解を抑制するためのキャップ層としても機能させることができる。尚、第１のｐ型窒化物半導体層２６は、ｐ側窒化物半導体層８の一部としても良いし、活性層６の一部であっても良い。

【0040】

第１のｐ型窒化物半導体層２６内におけるｐ型不純物濃度の極大は、ｐ側窒化物半導体層８に近い方の井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の距離にあれば良いが、より好ましくは井戸層２４ｂの上端から１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以内にすることが望ましい。また、好ましくは、第１のｐ型窒化物半導体層２６の全体が所定の距離内となるようにする。それによって井戸層２４ａ、ｂへの正孔の注入が一層容易になる。井戸層２４ｂの上端からの距離は、本実施の形態では最終の障壁層２２ｃの厚さで調整することができる。また、障壁層２２ｃ以外の層を井戸層２４ｂと第１のｐ型窒化物半導体層２６の間に介在させても良い。また、ｐ型不純物濃度の極大を第１のｐ型窒化物半導体層２６の中ではなく、その下の障壁層２２ｃ等に形成することもできる。

【0041】

（ｐ型不純物濃度の極小：第２のｐ側窒化物半導体層２８ａ、ｂ）
一方、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂ内におけるｐ型不純物濃度の極小値は、６×１０^１７ｃｍ^−３以上であれば良いが、より好ましくは８×１０^１７ｃｍ^−３以上、さらに好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３以上とすることが望ましい。このｐ型不純物濃度が高い程、井戸層２４ａ、２４ｂへの正孔の注入が容易となる。一方、ｐ側窒化物半導体層８に近い井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ程度の範囲は発光が比較的強く分布するため、この範囲における第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂ中のｐ型不純物濃度が高過ぎると、閾値電流が増大する原因となる。特に本実施の形態では、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂが分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）の光ガイド層として機能するため、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂ内におけるｐ型不純物による光吸収の影響は特に大きくなる。従って、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂにおけるｐ型不純物濃度の極小値は、第１のｐ型窒化物半導体層２６内におけるｐ型不純物濃度の極大値に対して１／５以下、より好ましくは１／１０以下とすることが望ましい。また、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂにおけるｐ型不純物濃度の極小値は、１×１０^１９ｃｍ^−３を越えないことが望ましく、より好ましくは５×１０^１８ｃｍ^−３を越えないようにする。

【0042】

第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂ内におけるｐ型不純物濃度の分布は、上記の極小を過ぎた後、井戸層２２ｂの上端から３００ｎｍの範囲において１×１０^１８ｃｍ^−３以上にまで増大することが好ましい。ｐ型不純物による光吸収は、井戸層２２ｂからの距離が近いほど大きくなる。したがって、井戸層２２ｂの上端から３００ｎｍの範囲内において、井戸層２４ｂの上端から近いところではｐ型不純物濃度を低下させて光吸収を抑制しながら、距離が遠いところでは１×１０^１８ｃｍ^−３以上にｐ型不純物濃度を増加させることにより、井戸層２４ａ、ｂへの正孔の注入が一層促進される。

【0043】

このようなｐ型不純物濃度の分布は、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂの気相成長中にｐ型不純物の原料ガスの流量を変化することで実現できる。例えば、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂを、第１層２８ａと第２層２８ｂに分け、第１層２８ａの成長中には原料ガスの流量を低くするか流量をゼロとし、第２層２８ｂの成長中にｐ型不純物の原料ガスの流量を高くしても良い。第１層２８ａの成長中におけるｐ型不純物の原料ガス流量をゼロとしても、その下にある第１のｐ型窒化物半導体層２６の成長中に流したｐ型不純物の原料ガスが残留しているため、第１層２８ａ中のｐ型不純物濃度は第１のｐ型窒化物半導体層２６との界面から離れるに従って徐々に低下し、第２層２８ｂとの界面で最も小さくなる。その次にｐ型不純物の原料ガスを流しながら第２層２８ｂを成長することによって、ｐ型不純物濃度が増大する。

【0044】

本実施の形態において、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂは、第１のｐ型窒化物半導体層２６及び次に成長するｐ側クラッド層３２よりもバンドギャップが小さく、かつ、井戸層２４ａ、ｂよりも大きな窒化物半導体から成ることが好ましい。例えば、第１のｐ型窒化物半導体層２６及びｐ側クラッド層３２よりも少ないＡｌを含む窒化物半導体によって構成することができる。これによって第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂを、ｐ側光ガイド層として機能させることができる。尚、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂは、光ガイド層を省略した素子ではクラッド層等の別の機能を持つ層であっても良い。

【0045】

第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂ内におけるｐ型不純物濃度の極小は、ｐ側窒化物半導体層８に近い方の井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内の距離にあれば良いが、より好ましくは井戸層２４ｂの上端から２５０ｎｍ以内にする。それによって井戸層２４ａ、ｂへの正孔の注入が一層容易になる。井戸層２４ｂの上端からの距離は、本実施の形態では最終の障壁層２２ｃ、第１のｐ型窒化物半導体層２６及び第２のｐ型窒化物半導体層の第１層２８ａの厚さで調整することができる。また、これらの層以外を介在させて距離を調整しても良い。また、ｐ型不純物濃度の極小を第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂの中ではなく、その下の第１のｐ型窒化物半導体層２６内に形成することもできる。

【0046】

尚、窒化物半導体レーザダイオードの発振波長が長くなるほど、活性層６で発生する転位の密度が高くなる。このため第１のｐ型窒化物半導体層２６におけるｐ型不純物濃度の極大値や、第２のｐ型窒化物半導体層２８ａ、ｂにおける極小値は、発振波長が長くなるほど高くすることが好ましい。例えば、発振波長が５６０ｎｍである場合、ｐ型不純物濃度の極大値を５×１０^１９ｃｍ^−３程度とし、極小値を５×１０^１８ｃｍ^−３程度とすることが好ましい。このｐ型不純物濃度を越えると、ｐ側窒化物半導体層８の結晶性が低下し、また発光の吸収による影響も大きくなる。したがって、本件発明の窒化物半導体レーザダイオードにおいては、発振波長を５６０ｎｍ以下とすることが望ましい。

【0047】

本件発明において、ｐ型不純物濃度の深さ分布は、ＳＩＭＳ(ＡＴＯＭＩＫＡ社製、ＳＩＭＳ４５００)によって測定することができる。例えば、１次イオン種をＯ_２+、加速電圧を２kV、電流を１１０ｎＡ、ラスター領域（サンプルをエッチングしている領域）を１２０μm²として１次イオンを試料に対して垂直に入射し、測定領域（データを取得している領域）３０μm²として２次イオンの検出を行うことで測定できる。また、ｐ型不純物濃度の数値をＳＩＭＳ測定に基づいて決定するには、ｐ型不純物濃度が既知の窒化物半導体層を標準サンプルをＳＩＭＳ測定し、その２次イオンの検出量を基準すれば良い。標準サンプルは、例えば、窒化物半導体層にｐ型不純物をイオン注入して作成することができる。また、また、ｐ側窒化物半導体層の転位密度は、ｐ側窒化物半導体層の上面をカソードルミネッセンス（ＣＬ）で観察したり、断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察することで測定できる。

【0048】

以下、本実施の形態の窒化物半導体レーザダイオード１の各構成について詳細に説明する。

【0049】

（基板２）
基板２は、窒化物半導体から成ることが好ましく、より好ましくはＧａＮから成ることが望ましい。窒化物半導体から成る基板は、熱伝導率がサファイアに比べて高いため放熱効率の向上が可能であり、転位等の欠陥を低減して結晶性を良好にすることができる。
基板２における転位密度は低い方が、井戸層２４ａ、ｂの面状態が改善され、ライフ特性も向上する。ＩｎＧａＮ発光層を用いた半導体レーザダイオードは、他の材料系に比べると転位によるライフ特性の低下が比較的緩やかであるが、やはり転位に対する依存性がある。また、基板２の転位密度が少ない方がＥＳＤ耐性も高くなる。基板２の転位密度は、１×１０^７ｃｍ^−２以下、より好ましくは５×１０^６ｃｍ^−２以下、さらに好ましくは５×１０^５ｃｍ^−２以下とすることが望ましい。なお、基板２の転位密度は、窒化物半導体層を成長すべき主面における転位密度で考える。

【0050】

また、基板２の転位密度は、活性層６で発生する転位密度と同等以下であることが好ましい。基板２の転位密度は、活性層６で発生する転位密度と同等以下であると、素子全体の転位分布が特徴的な形になる。即ち、基板から活性層までは転位密度が低く、活性層から上は転位密度が高い構造となる。このような構造では、転位の導入によって、下地層から活性層（井戸層）にかかる歪みを緩和し、歪みが起因で発生する発光効率の低下（例えば、ピエゾ分極など）を弱めることが出来るため好ましい。

【0051】

基板２としては、種々の方法で製造したものを使用できる。例えば、サファイア等の異種基板上にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等によって窒化物半導体層を厚膜に成長した後、異種基板を除去して窒化物半導体から成る基板を得ても良い。また、サファイア等の異種基板上に窒化物半導体層を成長させる際、公知の横方向成長方法を用いて窒化物半導体の転位密度を低減しても良い。適切な種結晶を用いて成長させた窒化物半導体結晶のインゴットから切り出したウエハを基板２としても良い。

【0052】

また、窒化物半導体から成る基板のＣ面にレーザダイオードを成長することが好ましい。窒化物半導体のＣ面にレーザダイオードを形成すれば、劈開面（ｍ面）が簡単に出る、Ｃ面が化学的に安定していることからプロセスしやすい、後の工程に必要な程度のエッチング耐性がある、などの利点が得られる。

【0053】

（ｎ側窒化物半導体層４）
図１２に、本実施の形態で用いるｎ側窒化物半導体層４の層構成を示す。尚、下記に説明する層のうち、ｎ側クラッド層１６以外の層は、素子構造によっては省略可能である。

【0054】

まず、窒化物半導体から成る基板２の上に、基板を構成する窒化物半導体よりも熱膨張係数が小さく、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体から成る第１のｎ側窒化物半導体層１２を成長する。第１のｎ側窒化物半導体層１２は、下地層として機能する。第１のｎ側窒化物半導体層１２は、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮから成ることが望ましい。第１のｎ側窒化物半導体層１２を基板を構成する窒化物半導体よりも熱膨張係数の小さな材料とすることによって第１のｎ側窒化物半導体層１２に圧縮歪を加え、基板２上に成長する窒化物半導体層への微細なクラックの発生を防止することができる。第１のｎ側窒化物半導体層１２は、０．５〜５μｍの膜厚で形成することが好ましい。

【0055】

第１のｎ側窒化物半導体層１２の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮから成り、ｎ型不純物をドープした第２のｎ側窒化物半導体層１４を成長する。第２のｎ側窒化物半導体層１４は、クラック防止層として機能させることができる。Ｉｎを含む窒化物半導体は、結晶が比較的柔らかいため、その上に成長する窒化物半導体層に加わる歪を緩和して、クラックの発生を防止することができる。第２のｎ側窒化物半導体層１４は、５０〜２００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。

【0056】

第２のｎ側窒化物半導体層１４の上に、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮから成り、ｎ型不純物をドープした第３のｎ側窒化物半導体層１６を成長する。第３のｎ側窒化物半導体層１６は、ｎ側クラッド層として機能させることができる。第３のｎ側窒化物半導体層１６は、少なくとも障壁層２２ａ、ｂ、ｃよりも大きなバンドギャップを持つ窒化物半導体により構成する。第３のｎ側窒化物半導体層１６は、単層でも多層でも良い。また、超格子構造の多層膜としても良い。第３のｎ側窒化物半導体層１６は、０．５〜２．０μｍの膜厚で形成することが好ましい。

【0057】

第３のｎ側窒化物半導体層１６の上に、第３のｎ側窒化物半導体層１６よりもバンドギャップが小さく、井戸層２４ａ、ｂよりもバンドギャップの大きな窒化物半導体から成る第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂを形成する。第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂは、ｎ側光ガイド層として機能させることができる。第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂは、ＧａＮ又はＩｎＧａＮとすることが好ましい。また、第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂは、光吸収を抑制しながら活性層６への電子の供給を十分に行うため、（ｉ）活性層６から遠く、ｎ型不純物をドープして成長した第４のｎ側窒化物半導体層１８ａと、（ｉｉ）活性層６に近く、ｎ型不純物をドープせずに成長した第４のｎ側窒化物半導体層１８ｂに分けることが好ましい。第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂは、合計で２００〜３００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。

【0058】

（活性層６）
活性層６としては、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含む発光層を有するものであれば良く、図１に示した多重量子井戸構造の活性層の他に、単一量子井戸構造の活性層、薄膜の発光層単体から成る活性層などを用いることができる。量子井戸構造の場合は、井戸層２４ａ、ｂが発光層となる。発光層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１）を含むものであれば良いが、より好ましくはＩｎＧａＮとする。尚、本件明細書において「発光層」とは、電子と正孔が発光再結合する層を指す。

【0059】

発光層の発光波長は、実施例で具体的に説明するようにＩｎ含有率によって制御することができる。尚、Ｉｎ含有率が高い井戸層の場合、井戸層の分解を抑制するために各井戸層の上側に井戸キャップ層（図示せず）を設けることが好ましい。井戸キャップ層は、膜厚は１−５ｎｍの範囲で、Ａｌ含有率が０−５０％のＡｌＩｎＧａＮ、より好ましくはＡｌ含有率が０−３０％のＡｌＧａＮとすることが望ましい。井戸キャップ層は、井戸層と障壁層の間に形成する。

【0060】

活性層６の発光層は、薄い方が閾値電流を低下させることができ、障壁層との格子定数不整も緩和し易くなるが、薄くし過ぎるとキャリアの閉じ込めが不十分となる。そこで発光層の膜厚は、１．０ｎｍ以上、より好ましくは２．０ｎｍ以上、５．０ｎｍ以下、より好ましくは４．０ｎｍ以下とすることが望ましい。活性層６の発光層には、ｎ型不純物がドープされていても、いなくても良い。しかしながら、Ｉｎを含む窒化物半導体はｎ型不純物濃度が大きくなると結晶性が悪化する傾向にあるため、ｎ型不純物濃度を低く抑えて結晶性の良好な発光層とすることが好ましい。

【0061】

活性層６を多重量子井戸構造とすれば、出力の向上、発振閾値の低下などが図ることが可能となる。活性層６が多重量子井戸構造から成る場合、井戸層と障壁層が交互に積層されていれば、最初と最後の層は井戸層でも障壁層でも良い。但し、本実施の形態のように、最外層は障壁層であることが好ましい。また、多重量子井戸構造において、井戸層に挟まれた障壁層は、特に１層であること（井戸層／障壁層／井戸層）に限るものではなく、２層若しくはそれ以上の層の障壁層を、「井戸層／障壁層（１）／障壁層（２）／・・・／井戸層」というように、組成・不純物量等の異なる障壁層を複数設けても良い。

【0062】

量子井戸構造の活性層６に用いる障壁層２２ａ、ｂ、ｃとしては、特に限定されないが、井戸層２４ａ、ｂよりＩｎ含有率の低い窒化物半導体、ＧａＮ、Ａｌを含む窒化物半導体などを用いることができる。より好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを含むことが望ましい。障壁層２２ａ、ｂ、ｃの膜厚や組成は、量子井戸構造中で全て同じにする必要はない。本実施の形態においても、最もｎ側にある障壁層２２ａ＞最もｐ側にある障壁層２２ｃ＞それらの間に挟まれた障壁層２２ｂの順に膜厚を大きくしている。また、最もｎ側にある障壁層２２ａにだけｎ型不純物をドープし、残りの障壁層２２ｂ、ｃと井戸層２４ａ、ｂはｎ型不純物をドープせずに成長している。

【0063】

尚、本実施の形態では、井戸層２４ａ，ｂの数を２層、障壁層２２ａ、ｂ、ｃの数を３層としたが、本件発明はこれに限定されない。例えば、井戸層２４ａ，ｂの数を２層ではなく、３層又は４層等、より多い数に増やしても良い。一般には発振波長が長波長になるほど、活性層６における転位発生を抑制するために井戸層の厚みを薄くする必要がある。本件発明では、活性層６における転位の発生を許容するため、活性層６の全体としてキャリア閉じ込めが不十分となるような膜厚にまで井戸層を薄膜化する必要はない。しかし、井戸層の数を増やせば、より薄い膜厚の井戸層を用いても活性層６全体としてキャリア閉じ込めが達成できる。したがって、活性層６における過剰な転位発生を避けることができる。発振波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードの場合、井戸層の数が２層の場合よりも、３層又は４層の方が閾値電流は低下する。

【0064】

本件発明における活性層６の発振波長は、５００ｎｍ以上であれば良いが、あまりに長波長になると活性層６で発生する転位の密度が高くなり過ぎるため好ましくない。図５に示す通り、活性層６の発振波長が５６０ｎｍの場合に活性層６で発生する転位の密度は約１×１０^７ｃｍ^−２となる。転位密度がこれ以上になると、必要なｐ型不純物の濃度が高くなり過ぎるため好ましくない。そこで活性層６で発生する転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下となるように、活性層６の発振波長を５６０ｎｍ以下とすることが好ましい。

【0065】

（ｐ側窒化物半導体層８）
ｐ側窒化物半導体層８としては、Ａｌを含む窒化物半導体層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）、ｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）、ｐ側コンタクト層３４（第４のｐ型窒化物半導体層）が積層されている。ｐ側クラッド層３２を除く他の層は、素子によっては省略することもできる。ｐ側窒化物半導体層８は、少なくとも活性層６と接する部分において活性層６よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。また、各層は、ｐ型不純物をドープしながら成長させてｐ型としても良いし、隣接する他の層からｐ型不純物を拡散させてｐ型としても良い。ｐ型不純物としては、Ｍｇの他に、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ等を用いることができる。

【0066】

Ａｌを含む窒化物半導体層２６は、ｐ側クラッド層３２よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導体から成り、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０．１＜ｘ＜０．５）を含む。また、Ｍｇ等のｐ型不純物が５×１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度でドープされている。これによりＡｌを含む窒化物半導体層２６は、電子を活性層６中に有効に閉じ込めることができ、レーザの閾値を低下させる。また、Ａｌを含む窒化物半導体層２６は、３〜５０ｎｍ、より好ましくは３〜２０ｎｍ程度の薄膜で成長させれば良く、薄膜であればｐ側光ガイド層２８ａ、ｂやｐ側クラッド層３２よりも低温で成長させることができる。したがって、Ａｌを含む窒化物半導体層２６を形成することにより、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ等を活性層６の上に直接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層６の分解を抑制することができる。

【0067】

また、Ａｌを含む窒化物半導体層２６は、アンドープで成長させた障壁層２２ｃにｐ型不純物を拡散によって供給する役割を果たしており、両者は協働して、井戸層２４ａ、ｂを分解から保護すると共に、井戸層２４ａ、ｂへの正孔の注入効率を高める役割を果たす。即ち、活性層６の最終層としてアンドープ障壁層２２ｃを他の障壁層よりも厚く形成し、その上にＭｇ等のｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０．１＜ｘ＜０．５）を含む薄膜の窒化物半導体層２６を低温で成長させることにより、Ｉｎを含む活性層６が分解から保護されると共に、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ層からアンドープ障壁層２２ｃにＭｇ等のｐ型不純物が拡散して活性層６への正孔注入効率を向上することができる。

【0068】

また、このＡｌを含む窒化物半導体層２６は、電子閉込め層として機能させるため、活性層６とクラッド層３２との間に設けるものであり、更に光ガイド層２８ａ、ｂを有する場合には、光ガイド層２８ａ，ｂと活性層６との間に設けることが好ましい。ｐ側窒化物半導体層８に最も近い井戸層２４ｂの上端から３００ｎｍ以内、より好ましくは２００ｎｍ以内、さらに好ましくは１００ｎｍ以内にＡｌを含む窒化物半導体層２６を形成すれば、電子の閉込め層として機能し、かつ、正孔も効率的に供給可能となる。Ａｌを含む窒化物半導体層２６は、活性層６に近いほどキャリアの閉込めが効果的に機能し、その上レーザ素子において活性層６との間には、殆どの場合、特に他の層を必要とすることがないため、通常は活性層６に接してＡｌを含む窒化物半導体層２６を設けることが最も好ましい。尚、バッファ層を両者の間に設けることも可能である。

【0069】

ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）は、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体層２６及び次に成長するｐ側クラッド層３２よりもバンドギャップが小さく、かつ、井戸層２４ａ、ｂよりも大きな窒化物半導体から成ることが好ましい。例えば、Ａｌを含むｐ型窒化物半導体層２６及びｐ側クラッド層３２よりも少ないＡｌを含む窒化物半導体によって構成することができる。また、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂは、光吸収を抑制しながら活性層６への正孔の供給を十分に行うため、（ｉ）活性層６に近く、ｐ型不純物をドープしないで成長した第１ｐ側光ガイド層２８ａと、（ｉｉ）活性層６から遠く、ｐ型不純物をドープして成長した第２ｐ側光ガイド層２８ｂに分けることが好ましい。

【0070】

ｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜ｘ＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層３２を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子にすれば、クラッド層自体に発生するピットやクラックが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。ｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）が持つバンドギャップは、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）よりも大きく、第１のｐ型窒化物半導体層２６よりも小さなことが好ましい。Ａ層とＢ層を積層して成る超格子構造のｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）のバンドギャップは、Ａ層とＢ層の平均として考えれば良い。ｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）のｐ型不純物濃度は、ｐ側光ガイド層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）よりも高く、ｐ側コンタクト層３４（第４のｐ型窒化物半導体層）よりも低くすることが好ましい。ｐ側光ガイド層２８ａ，ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）よりも高いｐ型不純物濃度を有することで正孔供給機能を補助しながら、ｐ側コンタクト層３４（第４のｐ型窒化物半導体層）よりも低いｐ型不純物濃度を持つことで、結晶性の低下による閾値電流の増大を抑制することができる。Ａ層とＢ層を積層して成る超格子構造のｐ側クラッド層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）の不純物濃度は、Ａ層とＢ層の平均として考えれば良い。

【0071】

ｐ側コンタクト層３４（第４のｐ型窒化物半導体層）は、ｐ型の窒化物半導体で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ側電極３８と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ側コンタクト層３４は電極を形成する層であるので、５×１０^１９／ｃｍ^３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。

【0072】

本実施の形態のレーザダイオードでは、光ガイド層２８ａ、ｂの途中までエッチングすることによってリッジ３６を設けた後、リッジ３６の側面をＳｉＯ_２等の絶縁性の埋め込み層４６で覆い、さらにＳｉＯ_２等の絶縁性の保護膜４８を形成している。保護膜４８として、半絶縁性、ｉ型の窒化物半導体、リッジ部とは逆の導電型の窒化物半導体等を用いることもできる。

【0073】

尚、リッジ３６を設ける際、図１３に示すように、リッジ３６の底部の両側にリッジ３６と平行な溝４９を形成することが好ましい。井戸層のＩｎ含有率が高くなると、ｐ側クラッド層３２として通常用いられるＡｌＧａＮとの屈折率差が小さくなり、十分な光閉じ込め係数が得られ難くなる。そこでリッジ３６の両側に共振器方向に連続する溝部４９を設けることで、井戸層のＩｎ含有率が高い場合であっても、十分な光閉じ込めが行える。

【0074】

本発明のレーザダイオードは、上記のリッジ構造を持つ屈折率導波型に限定されず、リッジ側面を再成長により埋め込んだＢＨ構造や、電流狭窄層を設けた構造など種々の構造とすることができる。また、本発明のレーザダイオードは、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される窒化物半導体から成るが、六方晶系の窒化物半導体であることが好ましい。六方晶系であれば、III族元素又はＶ族元素に他の元素が結晶性を低下させない程度に少量含まれていても構わない。

【0075】

本件発明によれば、発振波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体レーザダイオードであって、発光効率とライフ特性に優れた窒化物半導体レーザダイオードを実現することができる。本発明によって得られた緑色の窒化物半導体レーザダイオードに、従来からの青色の窒化物半導体レーザダイオードと赤色の半導体レーザダイオードを組み合わせれば、フルカラーのディスプレイが実現できる。例えば、本件発明に従って構成された波長５００〜５６０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長４４０〜４８０ｎｍで発振する窒化物半導体レーザダイオードと、波長６００〜６６０ｎｍで発振する半導体レーザダイオードとを組み合わせることで、半導体レーザを用いたフルカラーディスプレイ装置を得ることができる。

【実施例1】

【0076】

図１に示す構造の窒化物半導体レーザを以下のようにして製造する。
（ｎ側窒化物半導体層４）
まず、Ｃ面を主面とし、転位密度が約５×１０^５ｃｍ^−２である窒化ガリウム基板２を準備する。ＭＯＣＶＤ法によりこの窒化ガリウム基板２上に、水素をキャリアガスとして、１１４０℃でＴＭＧ(トリメチルガリウム)、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＳｉＨ_４（シラン）、アンモニアを用い、Ｓｉを３×１０^１８/cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層１２を膜厚２μmで成長させる（第１のｎ側窒化物半導体層）。続いて温度を９３０℃とし、ＴＭＩ(トリメチルインジウム)を用いてＳｉを４×１０^１８/cm^３ドープしたｎ型Ｉｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層１４を膜厚０．１５μmで成長させる（第２のｎ側窒化物半導体層）。次に温度を９９０℃としＳｉを２×１０^１８/cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ層１６を膜厚1μmで成長させる（第３のｎ側窒化物半導体層１６）。なおこの層は平均Ａｌ組成が９％となる任意の膜厚比のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ／Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）などの多層膜構造とすることも出来る。次にＴＭＡを止め、９９０℃でＳｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮ層１８ａ、アンドープのｎ型ＧａＮ層１８ｂをそれぞれ０．１５μｍの膜厚で成長させる（第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂ）。なおこのアンドープＧａＮ層１８ｂにｎ型不純物をドープしてもよい。

【0077】

（活性層６）
次に活性層６を以下のようにして成長する。キャリアガスを窒素に切り替え、温度を９２５℃にしてＳｉを２×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなる障壁層２２ａ、アンドープＧａＮ層（図示せず）をそれぞれ２１０ｎｍ、１ｎｍの膜厚で成長させる。続いて温度を７８０℃にしてアンドープＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ｎよりなる井戸層２４ａを３ｎｍを成長した後、アンドープＧａＮよりなる井戸キャップ層（図示せず）を１ｎｍ成長し、温度を９２５℃に上げてアンドープＧａＮよりなる障壁層２２ｂを１４ｎｍ成長する。温度を７８０℃にして再度アンドープＩｎ_０．２３Ｇａ_０．７７Ｎよりなる井戸層２４ｂを３ｎｍ成長させた後、アンドープＧａＮよりなる井戸キャップ層（図示せず）を１ｎｍ成長し、温度を９２５℃に上げてアンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎよりなる障壁層２２ｃを７０ｎｍ成長させ、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を形成する。

【0078】

（ｐ側窒化物半導体層８）
次に温度を９９０℃に上げ、キャリアガスを窒素から水素に切り替えながら、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）をＭｇドーパントに用い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８ Ｎ層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）を１０ｎｍの膜厚で成長させる。なおこの層２６は成長方向にＡｌ組成分布が０〜２０％の間である。続いて９９０℃でアンドープのｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、Ｍｇを３×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ｂをそれぞれ０．１５μｍの膜厚で成長させる（第２のｐ型窒化物半導体層）。なおアンドープ層２８ａではＭｇを意図的にはドーピングしていないが、直前に層２６を成長した際のＭｇがＭＯＣＶＤ反応室内に残留しており、そのＭｇが層２８ａを成長する際に取り込まれることによって層２８ａ中のＭｇ濃度は１．２×１０^１８ｃｍ^−３以上となる。尚、層２８ａに意図的にＭｇをドーピングしてもよく、Ａｌ組成が０〜３％であってもよい。次に９９０℃でＭｇをドープしたＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４ Ｎよりなる２．５ｎｍの層と、アンドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８ Ｎよりなる２．５ｎｍの層とを交互に成長させ、総膜厚０．４５μｍよりなる層３２を成長させる（第３のｐ型窒化物半導体層）。層３２における平均のＭｇ濃度は、約１×１０^１９ｃｍ^−３となる。最後に９９０℃で層２６の上にＭｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮ層３２を１５ｎｍの膜厚で成長させる。

【0079】

次に、窒化物半導体を成長させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮ層３２の表面にＳｉＯ_２からなるマスクを形成し、このマスクを用いて窒化物半導体層を３μｍエッチングし、６００μｍの長さ（共振器長に対応）のストライプ構造を形成する。この部分がレーザ素子の共振器本体となる。共振器長は２００μｍ〜５０００μｍ程度の範囲であることが好ましい。次にｐ型ＧａＮ層３２の表面にＳｉＯ_２からなるストライプ状のマスクを形成し、このマスクを用いてｐ型ＧａＮ層３２の表面をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりエッチングする。これによってストライプ状の導波路領域であるリッジ部３６を幅２μｍで形成する。またこの際、図１３に示すようにリッジ脇部分４９が周辺領域よりも３０ｎｍ深くエッチングされ、かつリッジ部３６の側壁はｐ型ＧａＮ層３２に対して７５度の角度で形成されるようエッチング条件（圧力、温度）を調整する。

【0080】

次にフォトレジストによりウェハ全面を覆い、リッジ部３６上のＳｉＯ_２が露出するまでフォトレジストのエッチングを行う。続いてチップ化された際に共振器の端面となる領域を再度フォトレジストによりマスクした後、共振器端面付近を除くリッジ３６上のＳｉＯ_２をエッチングし、ｐ型ＧａＮ層３２を露出させる。次にウェハ全体にＮｉ（１０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（１００ｎｍ）よりなるｐ電極３８をスパッタリングにより形成し、その後すべてのフォトレジストを除去することによってストライプ状のリッジ部３６のＳｉＯ_２を除去した部分のみにｐ電極３８を残す。その後、６００℃でオーミックアニールを行う。

【0081】

次にＳｉ酸化物（ＳｉＯ_２、２００ｎｍ）からなる埋め込み層４６をスパッタリングにより成膜する。ここでリッジ部３６の形状はテーパー状であり、リッジ３６の側壁はウェハ表面に対する断面積がその他の領域に比べて小さいため、埋め込み層４６の膜厚はリッジ側壁部分＜リッジ脇部分４９の関係で形成される。またリッジ脇部分４９はリッジ側壁に膜が形成されるに従って反応性イオンの密度が低下し、成膜レートがリッジ外領域に比べて低下するため、埋め込み層４６の膜厚がリッジ脇部分４９＜リッジ外領域の関係で形成される。従って埋め込み層４６の膜厚はリッジ側壁部分＜リッジ脇部分４９＜リッジ外領域３４の関係となる。

【0082】

次に再度フォトレジストによりウェハ全面を覆い、リッジ部３６上のｐ電極３８が露出するまでフォトレジストのエッチングを行う。続いてｐ電極３８および共振器端面部分上のＳｉＯ_２を除去する。次にＳｉ酸化物（ＳｉＯ_２）からなる保護膜４８を埋め込み膜の上及び半導体層の側面に０．５μｍの膜厚で、スパッタリングにより成膜する。

【0083】

次に先ほど露出させたｐ電極３８に連続してＮｉ（８ｎｍ）／Ｐｄ（２００ｎｍ）／Ａｕ（８００ｎｍ）からなるｐパット電極４０を形成する。次に基板２の厚みが８０μｍになるように窒化物半導体層の成長面と反対側の面から研磨する。次に研磨した面にＶ（１０ｎｍ）／Ｐｔ（２００ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）よりなるｎ電極４２を形成する。次にウェハをレーザによってピース状に分割し、（１−１００）面をへき開面としてへき開して、共振器端面を形成する。次にこの端面の両側にＳｉＯ_２／ＺｒＯ_２からなるミラーを形成する。最後に、共振器端面に垂直な方向で、バーを切り分けることによって半導体レーザ素子とする。

【0084】

このようにして作成した窒化物半導体レーザダイオードは、活性層６から約２×１０^６ｃｍ^−２の転位が発生する。ｐ側窒化物半導体層８内におけるＭｇ濃度のプロファイルは、図９のようになり、Ｍｇ濃度の極大値は１×１０^１９／ｃｍ^３、極小値は１．２×１０^１８ｃｍ^３となる。５００ｎｍでレーザ発振し、閾値電流は、２５ｍＡ、出力は５ｍＷである。６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、図１０のような結果を示し、６０℃における推定寿命が５万時間となる。

【比較例１】

【0085】

実施例１において、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８ Ｎ層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を４．３×１０^１８ｃｍ^−３とし、ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、２８ｂ（第２ｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を各々５．６×１０^１７ｃｍ^−３、１．４×１０^１８ｃｍ^−３とする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザダイオードを作成する。活性層６から約２×１０^６ｃｍ^−２の転位が発生する。ｐ側窒化物半導体層８内におけるＭｇ濃度のプロファイルは、図８のようになり、Ｍｇ濃度の極大値は４．３×１０^１８ｃｍ^−３、極小値は５．６×１０^１７ｃｍ^−３となる。５００ｎｍでレーザ発振し、閾値電流は、３０ｍＡ、出力は５ｍＷである。６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、図６のような結果を示し、６０℃における寿命は約４０時間となる。

【実施例2】

【0086】

実施例１において、井戸層の組成をＩｎ_０．２５Ｇａ_０．７５Ｎとし、膜厚を２．５ｎｍ、井戸層の数を３層とする。また、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を２×１０^１９ｃｍ^−３とし、ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、２８ｂ（第２ｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を各々２×１０^１８ｃｍ^−３、４×１０^１８ｃｍ^−３とする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザダイオードを作成する。活性層６から約５×１０^６ｃｍ^−２の転位が発生する。５１７ｎｍでレーザ発振し、閾値電流７０ｍＡ、出力は５ｍＷである。６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、推定寿命は１万時間以上となる。

【実施例3】

【0087】

実施例１において、井戸層の組成をＩｎ_０．２７Ｇａ_０．７３Ｎし、膜厚を２．２ｎｍ、井戸層の数を４層とする。また、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を３×１０^１９ｃｍ^−３とし、ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、２８ｂ（第２ｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を各々３×１０^１８ｃｍ^−３、６×１０^１８ｃｍ^−３とする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザダイオードを作成する。活性層６から約７．５×１０^６ｃｍ^−２の転位が発生する。５４０ｎｍでレーザ発振し、６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、比較例に対して、顕著に良好な寿命特性を示す。

【実施例4】

【0088】

実施例１において、井戸層の組成をＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎとし、膜厚を２ｎｍ、井戸層の数を４層とする。また、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を５×１０^１９ｃｍ^−３とし、ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、２８ｂ（第２ｐ型窒化物半導体層）のＭｇ濃度を各々５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３とする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザダイオードを作成する。活性層６から約１×１０^７ｃｍ^−２の転位が発生する。５６０ｎｍでレーザ発振し、６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、比較例に対して、顕著に良好な寿命特性を示す。

【実施例5】

【0089】

実施例１において、ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）の成長を省略し、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層２６（第１のｐ型窒化物半導体層）の上に、膜厚^０．４５μｍよりなる層３２を直接成長する。層３２の最初の０．１５μｍはＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層とＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層を両方アンドープで成長し、残りの０．３μｍはＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層に実施例１と同じ濃度のＭｇをドープして成長する。層３２は、層２８ａ、ｂよりバンドギャップが大きい（＝屈折率が小さい）ため、これにより光閉じ込めが強化され、かつＭｇをドーピングした際の光吸収を低減できる。活性層６から約２×１０^６ｃｍ^−２の転位が発生する。ｐ側窒化物半導体層８内におけるＭｇ濃度のプロファイルは、実施例１と同様に、Ｍｇ濃度の極大値は１×１０^１９／ｃｍ^３、極小値は１．２×１０^１８ｃｍ^３となる。５００ｎｍでレーザ発振し、閾値電流は、実施例１よりもやや高くなるが、６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、実施例１と同程度の寿命を示す。

【実施例6】

【0090】

実施例１において、ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、ｂ（第２のｐ型窒化物半導体層）中のＭｇ濃度を次のようにして３×１０^１８ｃｍ^−３で一定にする。層２６の成長後、成長温度を一定としてＭｇ原料を成長初期１０ｎｍだけ供給し、一旦Ｍｇ原料の供給を停止する。そこから５０ｎｍ程度成長後に再びＭｇ原料の供給を開始し、徐々にＭｇ原料ガスの流量を絞っていく。これによりｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、ｂの全体に渡ってＭｇ濃度が一定の層となる。実施例１と同様に、活性層６から約２×１０^６ｃｍ^−２の転位が発生する。ｐ側窒化物半導体層８内におけるＭｇ濃度のプロファイルは、Ｍｇ濃度の極大値は１×１０^１９／ｃｍ^３となるが、その後ｐ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ層２８ａ、ｂの中は３×１０^１８ｃｍ^３と一定となる。５００ｎｍでレーザ発振し、閾値電流は、５０ｍＡになるが、６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、実施例１と同程度の寿命を示す。

【実施例7】

【0091】

実施例１において、障壁層２２ｃを連続的もしくは段階的にバンドギャップが大きくなるように成長する。実施例１と同様に、アンドープＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎよりなる障壁層２２ｃを７０ｎｍ成長させた後、それよりもバンドギャップが大きなアンドープＡｌＩｎＧａＮ層（例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ）を２０ｎｍの膜厚で成長する。その後、実施例１と同様にしてｐ側窒化物半導体層８を成長する。これによりｐ側窒化物半導体層８の膜厚を増加させることなく光閉じ込めが強化されるので、動作電圧が低減する。また、６０℃、ＡＰＣ、５ｍＷでライフ試験をすると、実施例１と同程度の寿命を示す。

【実施例8】

【0092】

実施例１において、ＭｇをドープしたＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎよりなる２．５ｎｍの層と、アンドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎよりなる２．５ｎｍの層とを交互に成長させた層３２（第３のｐ型窒化物半導体層）の成長を省略する。また、ｐ電極３８としてＮｉ／Ａｕ／Ｐｔの代わりにＩＴＯを形成する。その他は実施例１と同様にして窒化物半導体レーザダイオードを作成する。ＩＴＯから成るｐ電極３８が層３２の代わりにクラッド層として機能する。ｐ側窒化物半導体層８の厚みが減少するため、駆動電圧が低減する。その他は、実施例１と同様の特性が得られる。

【実施例9】

【0093】

実施例１において、第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂの組成をＧａＮから、第３のｎ側窒化物半導体層１６よりもＡｌの少ないＡｌＧａＮに変える。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザを作成する。実施例１と同様の特性が得られる。

【実施例10】

【0094】

実施例１において、第４のｎ側窒化物半導体層１８ａ、ｂを全てアンドープとする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザを作成する。実施例１と同様の特性が得られる。

【実施例11】

【0095】

実施例１において、次に温度を９９０℃としＳｉを２×１０^１８/cm^３ドープしたｎ型Ａｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎ層（第３のｎ側窒化物半導体層１６）の膜厚を２μｍにする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザを作成する。実施例１よりも基板側への光の漏れが小さくなり、ＦＦＰ−Ｙ形状が改善される。その他は実施例１とほぼ同様の特性が得られる。

【実施例12】

【0096】

実施例１において、障壁層２２ｂをＧａＮに代えて、井戸層よりもＩｎの少ないＩｎＧａＮとＧａＮの２層構造とする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザを作成する。実施例１に比べて駆動電圧が低減する。その他は実施例１と同様の特性が得られる。

【実施例13】

【0097】

実施例１において、井戸キャップ層をＧａＮからＡｌＩｎＧａＮとする。その他は、実施例１と同様にして窒化物半導体レーザを作成する。実施例１と同様の特性が得られる。

【符号の説明】

【0098】

１ 窒化物半導体レーザダイオード
２ 基板
４ ｎ側窒化物半導体層
６ 活性層
８ ｐ側窒化物半導体層
１２ 第１のｎ側窒化物半導体層
１４ 第２のｎ側窒化物半導体層
１６ ｎ側クラッド層
１８ａ、ｂ ｎ側ガイド層
２２ａ、ｂ、ｃ ＩｎＧａＮ井戸層
２４ａ、ｂ、ｃ ＩｎＧａＮ障壁層
２６ Ａｌを含む窒化物半導体層
２８ａ、ｂ ｐ側光ガイド層
３２ ｐ側クラッド層
３４ ｐ側コンタクト層
３６ リッジ構造
３８ ｐ側電極
４０ ｐ側ボンディングパッド
４２ ｎ側電極
４６ 埋め込み層
４８ 保護膜
４９ 窪み
５０ 転位
５２ スパイク
５４ 極大
５６ 極小

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】