JP2007250971A - 窒化物系発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の自励発振型半導体レーザは、素子寿命が短いという問題点があった。
【解決手段】本発明による窒化物系発光素子は、III族窒化物半導体からなる活性層と、上記活性層よりも上層に設けられ、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、上記機能層よりも上層に設けられ、上記活性層で発生する光を吸収する吸収層と、を備えている。上記機能層および上記吸収層は、ストライプ状の開口部を有している。上記活性層の上記機能層に対向する領域の転位密度をＮａ、上記活性層の上記開口部に対向する領域の転位密度をＮｂ、上記吸収層の上記機能層に対向する領域の転位密度をＮｃとしたとき、Ｎａ<Ｎｃ、かつ、Ｎｂ<Ｎｃである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自励発振型半導体レーザ等の窒化物系発光素子に関する。

近年の代表的な光ディスクであるＤＶＤ（Digital Versatile Disk）は、映画、音楽、ゲーム、カーナビゲーション等の再生系から、ＴＶレコーダ、パソコン搭載ドライブ等の記録系まで、非常に幅広い分野に普及している。その記録容量はＣＤのおよそ７倍であり、例えば現行のＴＶ映像を標準的な画質で録画するには充分な量である。しかし、将来普及が見込まれるデジタルハイビジョン映像をそのままの高画質で録画する場合、従来に比べて情報量が圧倒的に多くなるため、現状のＤＶＤでは２０〜３０分程度しか記録できない。そこで、従来のＤＶＤに比べて約５倍もの大容量記録が可能な次世代光ディスクシステムに対する期待が高まりつつある。

次世代光ディスクシステム用の光源としては、波長４０５ｎｍ帯の窒化物系青紫色半導体レーザが用いられる。これは、従来のＤＶＤで使われている波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザよりも光を小さく絞り込むことが可能であり、信号の高密度記録に適しているためである。

従来の光ディスクシステムでは、光ディスクの信号を読み取る際に、光ディスクからの反射光により半導体レーザに過剰な雑音が誘起されるのを防ぐため、半導体レーザの光出力を百ＭＨｚ程度から数ＧＨｚ程度のパルス状にして用いる工夫がなされる。その手段として、半導体レーザの駆動回路に高周波重畳モジュールを付加して変調を重畳する方法と、直流駆動でもパルス状の光出力が得られる、いわゆる自励発振型の半導体レーザを用いる方法がある。特に後者の場合、高周波重畳モジュールおよびその不要輻射対策が不要となるため、光ディスクシステムの低コスト化、小型化に極めて有効である。そのため、次世代の光ディスクシステム用光源として用いられる窒化物系青紫色半導体レーザにおいても、自励発振型の実現が強く望まれている。

自励発振動作は、光強度を上げると光吸収が飽和して弱くなる、いわゆる可飽和吸収特性を有する領域を、活性層近傍に設けることで実現される。その具体的な手段として、例えば活性層とは独立して可飽和吸収層を設ける構造が良く知られている。

図７は、従来の自励発振型の半導体レーザを示す断面図である。ｎ型基板７０１、ｎ型バッファ層７０２、ｎ型クラッド層７０３、ｎ型光閉じ込め層７０４、活性層７０５、ｐ型キャップ層７０６、ｐ型光閉じ込め層７０７、可飽和吸収層７０８、ｐ型クラッド層７０９、ｐ型コンタクト層７１０、絶縁層７１１、ｐ電極７１２、ｎ電極７１３からなる。この構造の場合、安定した自励発振動作を持続させるために、可飽和吸収層で吸収により励起されたキャリアを速やかに消滅させること、つまり、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることが重要となる。従来の自励発振型半導体レーザでは、その手段として、可飽和吸収層へ高濃度の不純物ドーピングを行う方法が一般的に用いられる。

なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１〜５が挙げられる。
特開平１０−９３１９９号公報 特開平１０−１６３５６６号公報 特開２００２−２４６６８６号公報 特開２００２−３１９７３３号公報 特開２００５−１９８３５号公報

しかしながら、従来の自励発振型半導体レーザは、素子寿命が短いという問題点があった。その理由は、可飽和吸収層への高濃度の不純物ドーピングが活性層への不純物拡散、もしくは不純物に起因した欠陥の拡散を引き起こし、活性層の結晶品質を低下させてしまうためである。特に、電流注入経路に高濃度の不純物ドーピングが行われているため、半導体レーザの動作中にも不純物や欠陥の拡散が促進され、活性層品質の経時劣化が顕著である。

本発明による窒化物系発光素子は、III族窒化物半導体からなる活性層と、上記活性層よりも上層に設けられ、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、上記機能層よりも上層に設けられ、上記活性層で発生する光を吸収する吸収層と、を備え、上記機能層および上記吸収層は、ストライプ状の開口部を有し、上記活性層の上記機能層に対向する領域の転位密度をＮａ、上記活性層の上記開口部に対向する領域の転位密度をＮｂ、上記吸収層の上記機能層に対向する領域の転位密度をＮｃとしたとき、Ｎａ<Ｎｃ、かつ、Ｎｂ<Ｎｃであることを特徴とする。

また、本発明による窒化物系発光素子は、III族窒化物半導体からなる活性層と、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、上記活性層で発生する光を吸収する吸収層と、を備え、上記機能層は、ストライプ状の開口部を有し、上記活性層の上記機能層に対向する領域の転位密度をＮａ'、上記活性層の上記開口部に対向する領域の転位密度をＮｂ'、上記吸収層の上記機能層に対向する領域の転位密度をＮｃ'、上記吸収層の上記開口部に対向する領域の転位密度をＮｄ'としたとき、Ｎａ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｂ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｃ'>Ｎｄ'であることを特徴としてもよい。

これらの窒化物系発光素子は、ストライプ状の開口部を備えて電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層を有し、上記層の近傍もしくは上記層の中に可飽和吸収層を有し、それらの層は転位を多く含む。例えば、ＧａＮ基板上に素子を作製する場合、電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層としてＡｌＮを用いると、格子不整合度が大きいためにＡｌＮ層に多数の転位が発生して格子緩和が起こる。ここで、窒化物系材料の性質により、ＡｌＮ層で発生した転位の影響はＡｌＮ層に対して垂直方向に反映されるため、ＡｌＮ層の近傍もしくはＡｌＮ層の中に設けた可飽和吸収層の結晶性が悪化し、非発光再結合時間が短くなる。その結果、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることができる。

この時、ストライプ状の開口部には転位を多く含む層が存在しないため、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は良好な結晶性が維持される。さらに、活性層の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。

本発明によれば、良好な素子寿命を有する窒化物系発光素子が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による窒化物系発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による窒化物系発光素子の第１実施形態を示す断面図である。ｎ型基板１０１上に、ｎ型バッファ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、活性層１０５、ｐ型キャップ層１０６、ｐ型光閉じ込め層１０７、下部電流狭窄層１０８、吸収層１０９、および上部電流狭窄層１１０が、この順に積層されている。下部電流狭窄層１０８と、吸収層１０９と、上部電流狭窄層１１０とには、ストライプ状の開口部１１１が設けられている。上部電流狭窄層１１０上には、さらに、ｐ型クラッド層１１２およびｐ型コンタクト層１１３が、この順に積層されている。また、ｐ型コンタクト層１１３の上面にｐ電極１１４が設けられ、ｎ型基板１０１の下面にｎ電極１１５が設けられている。

ｎ型基板１０１は、例えばＧａＮ基板からなる。ｎ型バッファ層１０２は、例えば厚さ１μｍのＧａＮからなる。ｎ型クラッド層１０３は、例えば厚さ２μｍのＡｌＧａＮからなる。ｎ型光閉じ込め層１０４は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。活性層１０５は、例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造を有する。ｐ型キャップ層１０６は、例えば厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮからなる。ｐ型光閉じ込め層１０７は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。

下部電流狭窄層１０８および上部電流狭窄層１１０は、例えばそれぞれ厚さ０．０５μｍのＡｌＮからなり、水平方向の屈折率差により光分布制御層としての機能も兼ね備える。吸収層１０９は、活性層１０５で発生する発振光を吸収するように組成、層厚が設定され、例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる。ｐ型クラッド層１１２は、例えば厚さ２．５ｎｍのＧａＮと厚さ２．５ｎｍのＡｌＧａＮからなる１３０周期の超格子構造で構成される。ｐ型コンタクト層１１３は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。ｎ型不純物は、例えばＳｉであり、ｐ型不純物は、例えばＭｇである。

本実施形態においては、少なくとも下部電流狭窄層１０８が転位を多く含んで格子緩和しており、下部電流狭窄層１０８と上部電流狭窄層１１０との間に、活性層１０５で発生する光を吸収する吸収層１０９が設けられている。吸収層１０９は、少なくとも下部電流狭窄層１０８の転位の影響を反映して結晶性が悪化し、非発光再結合時間が短くなる。その結果、吸収層１０９のキャリア寿命が短くなり、吸収層１０９は可飽和吸収層として機能する。この時、ストライプ状の開口部１１１には転位を多く含む領域が存在しないため、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は、良好な結晶性が維持される。

さらに、活性層１０５の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層１０５で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。

ここで、活性層１０５の転位密度は、水平方向で実質的に均一であれば良く、ウエハの面内分布やウエハ間のバラツキ程度の差があっても良い。つまり、活性層１０５の下部電流狭窄層１０８に対向する領域の転位密度をＮａ、活性層１０５の開口部１１１に対向する領域の転位密度をＮｂ、吸収層１０９の転位密度をＮｃとすると、Ｎａ≒Ｎｂ<Ｎｃである。あるいは、Ｎａ<Ｎｃ、かつ、Ｎｂ<Ｎｃである。好ましくは、例えば、０．１×Ｎａ<Ｎｂ<１０×Ｎａ、さらに好ましくは、０．５×Ｎａ≦Ｎｂ≦２×Ｎａ、かつ、（Ｎｃ／Ｎａ）>１０、かつ（Ｎｃ／Ｎｂ）>１０、さらに好ましくは、（Ｎｃ／Ｎｂ）>１００であれば、本実施形態の効果が顕著となる。

なお、下部電流狭窄層１０８と上部電流狭窄層１１０とは同じ材料である必要はなく、例えば各々がＡｌ組成の異なるＡｌＧａＮでも良い。また、下部電流狭窄層１０８と上部電流狭窄層１１０とは同じ層厚でなくても良く、少なくとも下部電流狭窄層１０８が転位を多く含んで格子緩和しておれば、その層厚は如何様でも良い。

次に、第１実施形態の製造方法の一例を説明する。素子構造の作製には、３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ装置を用いる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジウムを用いる。ｎ型不純物としてシラン、ｐ型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。

ｎ型ＧａＮ基板１０１を成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。１回目の成長では、ｎ型ＧａＮバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層１０４、ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層１０５、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層１０６、ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層１０７、ＡｌＮ下部電流狭窄層１０８、ＩｎＧａＮ吸収層１０９、ＡｌＮ上部電流狭窄層１１０を形成する。成長温度は、例えばＡｌＮ下部電流狭窄層１０８、ＩｎＧａＮ吸収層１０９、ＡｌＮ上部電流狭窄層１１０は２００〜８００℃、活性層１０５は８００℃、それ以外は１１００℃とする。ＡｌＮ下部電流狭窄層１０８およびＡｌＮ上部電流狭窄層１１０は低温で成長するため、１回目の成長終了時はアモルファス状である。その上にＳｉＯ２膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、ストライプ状の開口部を有するＳｉＯ２マスクを形成する。

次に、燐酸と硫酸の混合液を５０〜２００℃に保持してエッチング液とし、ＡｌＮ下部電流狭窄層１０８、ＩｎＧａＮ吸収層１０９、ＡｌＮ上部電流狭窄層１１０にストライプ状の開口部１１１を形成する。この時、アモルファス状のＡｌＮとＩｎＧａＮは容易にエッチングされ、単結晶のＧａＮはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。

次に、再び成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で２回目の成長を開始する。この時、ＡｌＮ下部電流狭窄層１０８およびＡｌＮ上部電流狭窄層１１０は、基板の昇温過程で単結晶化が進むが、ＧａＮとの格子定数差が大きいために、多数の転位を発生して格子緩和が起こる。その転位の影響は、ＡｌＮ下部電流狭窄層１０８およびＡｌＮ上部電流狭窄層１１０に対して垂直方向に反映されるため、ＩｎＧａＮ吸収層１０９の結晶性が悪化する。次いで、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層１１２、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１３を形成する。その後、上面にｐ電極１１４、下面にｎ電極１１５を形成する。

このようにして作製した半導体レーザは、ストライプ状の開口部１１１の結晶性は良好に維持されると共に、ＩｎＧａＮ吸収層１０９はキャリア寿命が短いため可飽和吸収層として機能する。従って、良好な信頼性を有する自励発振型半導体レーザが実現される。

（第２実施形態）
図２は、本発明による窒化物系発光素子の第２実施形態を示す断面図である。第１実施形態との相違点は、上部電流狭窄層１１０を省略した点である。このように、吸収層１０９は、必ずしも電流狭窄層の間に位置しなくても良く、電流狭窄層の上部に位置しても良い。

この場合においても、下部電流狭窄層１０８の転位の影響により、吸収層１０９のキャリア寿命を短くすることができる。この時、図２に示すように、吸収層１０９を保護するためのキャップ層２０１を設けても良い。キャップ層２０１は、例えばＡｌＧａＮからなる。なお、キャップ層２０１は、吸収層１０９より上方に位置すれば、吸収層１０９と隣接しなくても良い。また、製造方法等によってはキャップ層２０１は必ずしも必要ではなく、例えば吸収層１０９を充分保護できる製造方法等を用いる場合は、キャップ層２０１は省略しても良い。

第２実施形態の製造方法の一例は、第１実施形態の製造方法において、ＡｌＮ上部電流狭窄層１１０を形成する代わりに、ＡｌＧａＮキャップ層２０１を、例えば２００〜８００℃で形成する点以外は、第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
図３は、本発明による窒化物系発光素子の第３実施形態を示す断面図である。第１実施形態との相違点は、下部電流狭窄層１０８と吸収層１０９の間に、例えば第１の光分布制御層３０１を設け、吸収層１０９と上部電流狭窄層１１０の間に、例えば第２の光分布制御層３０２を設けた点である。このように、吸収層１０９は、必ずしも電流狭窄層と隣接しなくても良く、電流狭窄層の近傍に位置しても良い。

第１の光分布制御層３０１は、例えばＡｌＧａＮからなり、第２の光分布制御層３０２は、例えばＡｌＧａＮからなる。この時、本発明の第２実施形態と同様に、上部電流狭窄層１１０を省略しても良い。例えば上部電流狭窄層１１０を省略する場合、吸収層１０９の上、もしくは吸収層１０９より上方に、吸収層１０９を保護するためのキャップ層を設けても良い。なお、第１の光分布制御層３０１および第２の光分布制御層３０２の組成と層厚は、同一でなくてもよく、各々を独立して適切に設定することができる。また、第１の光分布制御層３０１、もしくは第２の光分布制御層３０２のいずれかを省略しても良い。

第３実施形態の製造方法の一例は、第１実施形態の製造方法において、ＡｌＮ下部電流狭窄層１０８の形成後に続いて、ＡｌＧａＮ第１光分布制御層３０１、ＩｎＧａＮ吸収層１０９、ＡｌＧａＮ第２光分布制御層３０２、ＡｌＮ上部電流狭窄層１１０を、例えば２００〜８００℃で形成する点以外は、第１実施形態と同様である。

（第４実施形態）
図４（ａ）は、本発明による窒化物系発光素子の第４実施形態を示す鳥瞰図である。また、図４（ｂ）および図４（ｃ）は、それぞれ図４（ａ）におけるＡ−Ａ'面およびＢ−Ｂ'面での断面図である。このように、ストライプ状の開口部１１１は、共振器方向で途切れていても良い。具体的には、端面付近はストライプ状の開口部１１１を必ずしも設けなくても良く、端面近傍に吸収層１０９を残しても良い。

この時、ストライプ状の開口部１１１の埋め込み領域１１１ａの等価屈折率をｎ_ａ、ストライプ状の開口部１１１が途切れた領域１１１ｂの等価屈折率をｎ_ｂとすると、一般的にｎ_ａ≠ｎ_ｂが成り立つため、素子寿命の大幅な向上効果が付加される。その理由は、例えばｎ_ａ>ｎ_ｂの場合は、端面近傍における光分布は下方へシフトし、逆にｎ_ａ<ｎ_ｂの場合は、端面近傍における光分布は上方へシフトするため、いずれの場合においても、端面近傍における活性層１０５の光閉じ込めを低減することができる。このように、活性層１０５の光閉じ込めを端面近傍においてのみ低減することができるので、端面の光密度が低減し、端面劣化が抑制され、素子寿命を大幅に向上することができる。

第４実施形態の製造方法の一例は、第１実施形態の製造方法において、ストライプ状の開口部が共振器方向で途切れたパターンを有するＳｉＯ２マスクを用いる以外は、第１実施形態と同様である。

なお、図４（ａ）から図４（ｃ）では、本発明の第１実施形態において、ストライプ状の開口部１１１が共振器方向で途切れている例を示したが、本発明の第２実施形態、および本発明の第３実施形態においても同様に、ストライプ状の開口部１１１が共振器方向で途切れていても良い。

なお、上記第１〜第４実施形態は例示であり、様々な変形例が可能であること、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されうるところである。例えば、吸収層１０９は、バルク層からなっても良く、量子井戸層からなっても良く、多重量子井戸構造からなっても良い。また、吸収層１０９は、例えば導電型の制御のために、結晶性を悪化させない範囲で不純物をドーピングしても良い。また、吸収層１０９を構成する材料は、活性層１０５で発生する光の波長によって様々に選択することができ、例えばＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）を含んでなる単層、または複数の層から構成されても良い。また、下部電流狭窄層１０８、あるいは上部電流狭窄層１１０は、転位を含んで格子緩和すればＡｌＮ以外の材料でも良く、例えばＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０≦ｘ＋ｙ≦１）で構成されても良い。

また、上記各実施形態の製造方法も例示であり、様々な変形例が可能であることは当業者に理解されうるところである。

（第５実施形態）
図５は、本発明による窒化物系発光素子の第５実施形態を示す断面図である。ｎ型基板５０１上に、ｎ型バッファ層５０２、ｎ型クラッド層５０３、ｎ型光閉じ込め層５０４、活性層５０５、ｐ型キャップ層５０６、ｐ型光閉じ込め層５０７、および電流狭窄層５０８が、この順に積層されている。電流狭窄層５０８には、ストライプ状の開口部５０９が設けられている。電流狭窄層５０８上には、さらに、吸収層５１０、ｐ型クラッド層５１１、およびｐ型コンタクト層５１２が、この順に積層されている。また、ｐ型コンタクト層５１２の上面にｐ電極５１３が設けられ、ｎ型基板５０１の下面にｎ電極５１４が設けられている。

ｎ型基板５０１は、例えばＧａＮ基板からなる。ｎ型バッファ層５０２は、例えば厚さ１μｍのＧａＮからなる。ｎ型クラッド層５０３は、例えば厚さ２μｍのＡｌＧａＮからなる。ｎ型光閉じ込め層５０４は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。活性層５０５は、例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層と厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する。ｐ型キャップ層５０６は、例えば厚さ１０ｎｍのＡｌＧａＮからなる。ｐ型光閉じ込め層５０７は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。

電流狭窄層５０８は、例えば厚さ０．１μｍのＡｌＮからなり、水平方向の屈折率差により光分布制御層としての機能も兼ね備える。吸収層５１０は、活性層５０５で発生する光を吸収するように組成、層厚が設定され、例えば厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる。ｐ型クラッド層５１１は、例えば厚さ２．５ｎｍのＧａＮと厚さ２．５ｎｍのＡｌＧａＮからなる１３０周期の超格子構造で構成される。ｐ型コンタクト層５１２は、例えば厚さ０．１μｍのＧａＮからなる。ｎ型不純物は、例えばＳｉであり、ｐ型不純物は、例えばＭｇである。

本実施形態においては、少なくとも電流狭窄層５０８が転位を多く含んで格子緩和しており、その近傍に、活性層５０５で発生する発振光を吸収する吸収層５１０が設けられている。ここで、吸収層５１０のうち、ストライプ外に位置する領域５１０ａは、電流狭窄層５０８の転位の影響を反映して結晶性が悪化し、非発光再結合時間が短くなる。その結果、吸収層のうちストライプ外に位置する領域５１０ａはキャリア寿命が短くなり、可飽和吸収層として機能する。一方、吸収層５１０のうち、ストライプ内に位置する領域５１０ｂは、電流狭窄層５０８の転位の影響を受けないため、良好な結晶性が保たれる。その結果、ストライプ状の開口部５０９には転位を多く含む領域が存在せず、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は良好な結晶性が維持される。

さらに、活性層５０５の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層５０５で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。

ここで、活性層５０５の転位密度は、水平方向で実質的に均一であれば良く、ウエハの面内分布やウエハ間のバラツキ程度の差があっても良い。つまり、活性層５０５の電流狭窄層５０８に対向する領域の転位密度をＮａ'、活性層５０５の開口部５０９に対向する領域の転位密度をＮｂ'、吸収層５１０の電流狭窄層５０８に対向する領域５１０ａの転位密度をＮｃ'、吸収層５１０の開口部５０９に対向する領域５１０ｂの転位密度をＮｄ'とすると、Ｎａ'≒Ｎｂ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｃ'>Ｎｄ'である。あるいは、Ｎａ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｂ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｃ'>Ｎｄ'である。好ましくは、例えば、０．１×Ｎａ'<Ｎｂ'<１０×Ｎａ'、さらに好ましくは、０．５×Ｎａ'≦Ｎｂ'≦２×Ｎａ'、かつ、（Ｎｃ'／Ｎａ'）>１０、かつ、（Ｎｃ'／Ｎｂ'）>１０、かつ、（Ｎｃ'／Ｎｄ'）>１０、さらに好ましくは、（Ｎｃ'／Ｎｂ'）>１００、かつ、（Ｎｃ'／Ｎｄ'）>１００であれば、本実施形態の効果が顕著となる。

次に、第５実施形態の製造方法の一例を説明する。素子構造の作製には、３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ装置を用いる。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとして、それぞれトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムトリメチルインジウムを用いる。ｎ型不純物としてシラン、ｐ型不純物としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。

ｎ型ＧａＮ基板５０１を成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。１回目の成長では、ｎ型ＧａＮバッファ層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０３、ｎ型ＧａＮ光閉じ込め層５０４、ＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する活性層５０５、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層５０６、ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層５０７、ＡｌＮ電流狭窄層５０８を形成する。成長温度は、例えばＡｌＮ電流狭窄層５０８は２００〜８００℃、活性層５０５は８００℃、それ以外は１１００℃とする。ＡｌＮ電流狭窄層５０８は低温で成長するため、１回目の成長終了時はアモルファス状である。その上にＳｉＯ２膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー技術を用いて、ストライプ状の開口部を有するＳｉＯ２マスクを形成する。

次に、燐酸と硫酸の混合液を５０〜２００℃に保持してエッチング液とし、ＡｌＮ電流狭窄層５０８にストライプ状の開口部５０９を形成する。この時、アモルファス状のＡｌＮは容易にエッチングされ、単結晶のＧａＮはエッチングが困難であるため、選択性が高く制御性の良好なエッチングがなされる。次に、再び成長装置に投入後、アンモニアを供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で２回目の成長を開始する。この時、ＡｌＮ電流狭窄層５０８は、基板の昇温過程で単結晶化が進むが、ＧａＮとの格子定数差が大きいために、転位を発生して格子緩和が起こる。

次いで、ＩｎＧａＮ吸収層５１０、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層５１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層５１２を形成した後、上面にｐ電極５１３、下面にｎ電極５１４を形成する。ここで、ＡｌＮ電流狭窄層５０８で発生した転位の影響は、ＡｌＮ電流狭窄層５０８に対して垂直方向に反映される。このため、ＩｎＧａＮ吸収層５１０のうち、ストライプ外に位置する領域５１０ａは、結晶性が悪化してキャリア寿命が短くなり、可飽和吸収層として機能する。一方、ＩｎＧａＮ吸収層５１０のうち、ストライプ内に位置する領域５１０ｂは、ＡｌＮ電流狭窄層５０８の転位の影響を受けないため、良好な結晶性が保たれる。

このようにして作製した半導体レーザは、ストライプ内の結晶性は良好に維持されると共に、ストライプ外に位置するＩｎＧａＮ吸収層が可飽和吸収層として機能する。従って、良好な信頼性を有する自励発振型半導体レーザが実現される。

（第６実施形態）
図６は、本発明による窒化物系発光素子の第６実施形態を示す断面図である。第５実施形態との相違点は、電流狭窄層５０８と吸収層５１０との間に光分布制御層６０１を設けた点である。このように、吸収層５１０は、必ずしも電流狭窄層と隣接しなくても良く、電流狭窄層の近傍に位置しても良い。光分布制御層６０１は、例えばＡｌＧａＮからなる。また、吸収層５１０より上方に、吸収層５１０を保護するためのキャップ層を設けても良い。

第６実施形態の製造方法の一例は、第５実施形態の製造方法の２回目の成長において、ＩｎＧａＮ吸収層５１０の下に、ＡｌＧａＮ光分布制御層６０１を形成する点以外は、第５実施形態と同様である。

なお、本発明の第４実施形態では、本発明の第1実施形態におけるストライプ状の開口部１１１が共振器方向で途切れている例を示したが、本発明の第５実施形態、および本発明の第６実施形態においても同様に、ストライプ状の開口部５０９が共振器方向で途切れていても良い。

なお、上記第５および第６実施形態は例示であり、様々な変形例が可能であること、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されうるところである。例えば、吸収層５１０は、バルク層からなっても良く、量子井戸層からなっても良く、多重量子井戸構造からなっても良い。また、吸収層５１０は、例えば導電型の制御のために、結晶性を悪化させない範囲で不純物をドーピングしても良い。また、吸収層５１０を構成する材料は、活性層５０５で発生する光の波長によって様々に選択することができ、例えばＡｌ_ｚＩｎ_ｗＧａ_{１−ｚ−ｗ}Ｎ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）を含んでなる単層、または複数の層から構成されても良い。また、電流狭窄層５０８は、転位を含んで格子緩和すればＡｌＮ以外の材料でも良く、例えばＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０≦ｘ＋ｙ≦１）で構成されても良い。

また、上記各実施形態の製造方法も例示であり、様々な変形例が可能であることは当業者に理解されうるところである。

上記各実施形態の効果を説明する。第１の効果は、窒化物系発光素子、特に半導体レーザにおいて、良好な自励発振動作を実現できる。その理由は、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層を有し、機能層の近傍もしくは機能層の中に吸収層を有し、吸収層の機能層に対向する領域の転位密度が活性層の転位密度より高いので、吸収層が良好な可飽和吸収層として機能するためである。

第２の効果は、窒化物系自励発振型半導体レーザにおいて、良好な信頼性が得られる。その理由は、前記吸収層のうち、ストライプ外に位置する吸収層は可飽和吸収層として機能する一方、ストライプ内は良好な結晶性が維持されており、かつ、活性層は水平方向に均一で良好な結晶性が維持されているためである。

第３の効果は、窒化物系自励発振型半導体レーザにおいて、素子寿命の一層の改善効果を付加することができる。その理由は、端面近傍に前記吸収層を残すことで、端面近傍の活性層の光密度が低減し、端面劣化が抑制されるためである。

また、本発明の各実施形態の製造方法においては、少なくとも電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層を低温で形成し、前記層の近傍もしくは前記層の中に可飽和吸収層を設ける。例えば、電流狭窄もしくは光分布制御として機能する層としてＡｌＮを用い、それを２００〜８００℃程度の低温で形成するとアモルファス状となる。次いで、ＡｌＮ層にストライプ状の開口部を形成した後、再成長のために昇温過程を経ると、アモルファス状のＡｌＮ層は転位を多く導入して格子緩和を起こしながら単結晶化が進む。そのため、ＡｌＮ層の近傍もしくはＡｌＮ層の中に設けた可飽和吸収層の結晶性が悪化し、可飽和吸収層のキャリア寿命を短くすることができる。この時、ストライプ状の開口部には転位を多く含む層が存在しないため、主な電流注入領域もしくは主な発光領域は良好な結晶性が維持される。

さらに、活性層の良好な結晶性は水平方向で均一に保たれているため、注入電流が活性層で水平方向に広がる場合に、結晶性の悪い活性層領域でキャリアが無駄に消費されることがない。つまり、活性層での発光効率が高く保たれ、発熱も小さく抑えることができる。このように、高濃度ドーピングなどの特別な工夫を施すことなく、かつ、必要な領域のみ結晶性を悪化させて自己整合的に可飽和吸収層を設けることで、良好な素子寿命を有する自励発振型半導体レーザが実現される。

本発明の活用例として、自励発振型半導体レーザが挙げられる。

本発明による窒化物系発光素子の第１実施形態を示す断面図である。 本発明による窒化物系発光素子の第２実施形態を示す断面図である。 本発明による窒化物系発光素子の第３実施形態を示す断面図である。 （ａ）は、本発明による窒化物系発光素子の第４実施形態を示す鳥瞰図である。（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ（ａ）におけるＡ−Ａ'面およびＢ−Ｂ'面での断面図である。 本発明による窒化物系発光素子の第５実施形態を示す断面図である。 本発明による窒化物系発光素子の第６実施形態を示す断面図である。 従来の自励発振型の半導体レーザを示す断面図である。

符号の説明

１０１ ｎ型基板
１０２ ｎ型バッファ層
１０３ ｎ型クラッド層
１０４ ｎ型光閉じ込め層
１０５ 活性層
１０６ ｐ型キャップ層
１０７ ｐ型光閉じ込め層
１０８ 下部電流狭窄層
１０９ 吸収層
１１０ 上部電流狭窄層
１１１ 開口部
１１１ａ 開口部１１１の埋め込み領域
１１１ｂ 開口部１１１が途切れた領域
１１２ ｐ型クラッド層
１１３ ｐ型コンタクト層
１１４ ｐ電極
１１５ ｎ電極
２０１ キャップ層
３０１ 第１の光分布制御層
３０２ 第２の光分布制御層
５０１ ｎ型基板
５０２ ｎ型バッファ層
５０３ ｎ型クラッド層
５０４ ｎ型光閉じ込め層
５０５ 活性層
５０６ ｐ型キャップ層
５０７ ｐ型光閉じ込め層
５０８ 電流狭窄層
５０９ 開口部
５１０ 吸収層
５１０ａ ストライプ外に位置する吸収層
５１０ｂ ストライプ内に位置する吸収層
５１１ ｐ型クラッド層
５１２ ｐ型コンタクト層
５１３ ｐ電極
５１４ ｎ電極
６０１ 光分布制御層
７０１ ｎ型基板
７０２ ｎ型バッファ層
７０３ ｎ型クラッド層
７０４ ｎ型光閉じ込め層
７０５ 活性層
７０６ ｐ型キャップ層
７０７ ｐ型光閉じ込め層
７０８ 可飽和吸収層
７０９ ｐ型クラッド層
７１０ ｐ型コンタクト層
７１１ 絶縁層
７１２ ｐ電極
７１３ ｎ電極

Claims (11)

1. III族窒化物半導体からなる活性層と、
   前記活性層よりも上層に設けられ、電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、
   前記機能層よりも上層に設けられ、前記活性層で発生する光を吸収する吸収層と、を備え、
   前記機能層および前記吸収層は、ストライプ状の開口部を有し、
   前記活性層の前記機能層に対向する領域の転位密度をＮａ、前記活性層の前記開口部に対向する領域の転位密度をＮｂ、前記吸収層の前記機能層に対向する領域の転位密度をＮｃとしたとき、Ｎａ<Ｎｃ、かつ、Ｎｂ<Ｎｃであることを特徴とする窒化物系発光素子。
2. 請求項１に記載の窒化物系発光素子において、
   前記Ｎａおよび前記Ｎｂは、互いに略等しい窒化物系発光素子。
3. 請求項１または２に記載の窒化物系発光素子において、
   前記活性層の転位密度は、略均一である窒化物系発光素子。
4. III族窒化物半導体からなる活性層と、
   電流狭窄もしくは光分布制御の機能を有する機能層と、
   前記活性層で発生する光を吸収する吸収層と、を備え、
   前記機能層は、ストライプ状の開口部を有し、
   前記活性層の前記機能層に対向する領域の転位密度をＮａ'、前記活性層の前記開口部に対向する領域の転位密度をＮｂ'、前記吸収層の前記機能層に対向する領域の転位密度をＮｃ'、前記吸収層の前記開口部に対向する領域の転位密度をＮｄ'としたとき、Ｎａ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｂ'<Ｎｃ'、かつ、Ｎｃ'>Ｎｄ'であることを特徴とする窒化物系発光素子。
5. 請求項４に記載の窒化物系発光素子において、
   前記Ｎａ'および前記Ｎｂ'は、互いに略等しい窒化物系発光素子。
6. 請求項４または５に記載の窒化物系発光素子において、
   前記活性層の転位密度は、略均一である窒化物系発光素子。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の窒化物系発光素子において、
   前記吸収層は、前記機能層の中に設けられている窒化物系発光素子。
8. 請求項１乃至６いずれかに記載の窒化物系発光素子において、
   前記吸収層は、前記機能層に隣接して設けられている窒化物系発光素子。
9. 請求項１乃至６いずれかに記載の窒化物系発光素子において、
   前記吸収層は、前記機能層の近傍に設けられている窒化物系発光素子。
10. 請求項１乃至９いずれかに記載の窒化物系発光素子において、
    前記機能層は、共振器内部においてストライプ状の開口部を有し、共振器端部において開口部を有さない窒化物系発光素子。
11. 請求項１乃至１０いずれかに記載の窒化物系発光素子において、
    前記吸収層は、Ａｌ_ｚＩｎ_ｗＧａ_{１−ｚ−ｗ}Ｎ（０≦ｚ≦１、０≦ｗ≦１、０≦ｚ＋ｗ≦１）からなり、
    前記機能層は、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０．４≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．６、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる窒化物系発光素子。

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