JP3336599B2 - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎ
XＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりな
るレーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】紫外〜青色の領域に発光するレーザ素子
の材料として窒化物半導体が知られており、本出願人
は、最近この材料を用いてパルス電流において、室温で
の４１０ｎｍのレーザ発振を発表した（例えば、Jpn.J.
Appl.Phys. Vol35 (1996) pp.L74-76）。発表したレー
ザ素子はいわゆる電極ストライプ型のレーザ素子であ
り、活性層を含む窒化物半導体層のストライプ幅を数十
μｍにして、レーザ発振させたものである。しかしなが
ら,前記レーザ素子の閾値電流は１〜２Ａもあり、連続
発振させるためには、さらに閾値電流を下げる必要があ
る。

【０００３】例えば特開平６−１５２０７２号公報に窒
化物半導体よりなるレーザ素子の構造がいくつか示され
ている。この公報では、クラッド層で挟まれたストライ
プ状の活性層の両側をｉ型の窒化物半導体で挟んだ埋め
込みへテロ型のレーザ素子が示されている。しかし、こ
のレーザ素子の構造では閾値電流の低下は難しい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】４１０ｎｍの短波長レ
ーザのパルス発振が確認された現在では、早急に室温で
の連続発振が望まれている。従って、本発明はこのよう
な事情を鑑みて成されたものであって、その目的とする
ところは、窒化物半導体よりなるレーザ素子の閾値電流
を下げて室温での連続発振を目指すことにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体レ
ーザ素子は、基板上部に形成された活性層と、活性層上
に形成されたリッジ形状のストライプを有するＡｌ_ａＧ
ａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を有する第１のｐ
型クラッド層とを有し、前記リッジの頂上に窒化物半導
体が成長しない選択的性質を有する保護膜を形成してお
くことで、前記第１のｐ型クラッド層のストライプ側面
及び上に選択成長された埋め込み層を有し、該埋め込み
層は、II族元素よりなるｐ型不純物をｎ導電性が補償さ
れる程度ドープされたＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦
１、ｂ＞ａ）からなる層を有するi型の埋め込み層であ
ることを特徴とする

【０００６】また、本発明の窒化物半導体レーザ素子
は、基板上部に形成された活性層と、活性層上に形成さ
れたリッジ形状のストライプを有するＡｌ_ａＧａ_１−ａ
Ｎ（０≦ａ＜１）よりなる層を有する第１のｐ型クラッ
ド層とを有し、前記リッジの頂上に窒化物半導体が成長
しない選択的性質を有する保護膜を形成しておくこと
で、前記第１のｐ型クラッド層のストライプ側面及び上
に選択成長された埋め込み層を有し、該埋め込み層は、
ｐ型不純物をドープした状態でＡｌの混晶比が０．４以
上のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１、ｂ＞ａ）である
層を有するｉ型の埋め込み層であることを特徴とする

【０００７】また、本発明のレーザ素子によると、リッ
ジ形状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であ
ることにより、結晶性良く埋め込み層が成長できる。埋
め込み層の表面と、第１のｐ型クラッド層の表面とに接
して、さらに第１のｐ型クラッド層よりもバンドギャッ
プエネルギーが小さい第２のｐ型クラッド層が、その埋
め込み層の上に形成されていると、例えば第２のｐ型ク
ラッド層に直接電極が形成でき、電極の接触抵抗が下が
る。

【０００８】

【作用】図１は本発明の一レーザ素子の構造を示す模式
的な断面図である。基本構造として、基板１０の上に、
ｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２、活性層１
３、ｐ型クラッド層１４、およびｐ型コンタクト層１５
の積層構造を有しており、ｎ型クラッド層１２とｐ型ク
ラッド層１４は、両方ともレーザ光の縦方向の光閉じ込
め層として作用している。本発明のレーザ素子では、活
性層１３上にリッジ形状のストライプを有するｐ型クラ
ッド層１４を有している。この図はストライプに垂直な
方向で素子を切断した際の断面図を示しており、リッジ
状のｐ型クラッド層１４のストライプ側面に、活性層お
よび第１のｐ型クラッド層よりも屈折率の小さい窒化物
半導体よりなる埋め込み層２０が形成されている。これ
により、活性層１３の発光はｐ型クラッド層１４のリッ
ジの下に集中することにより、横方向の光が制御される
ので、閾値電流が低下する。活性層１３およびｐ型クラ
ッド層１４の屈折率よりも、埋め込み層２０の屈折率を
小さくするには、例えば、Ａｌ組成比が活性層およびｐ
型クラッド層１４よりも大きい窒化物半導体で埋め込み
層２０を形成すればよい。さらに、埋め込み層２０は窒
化物半導体よりなっているため、窒化物半導体よりなる
ｐ型クラッド層１４の上に、同じ窒化物半導体を成長さ
せるため、埋め込み層が成長しやすく、また後に、埋め
込み層２０の上にｐ型コンタクト層１５を成長させる際
においても、結晶性良く成長できる。埋め込み層２０の
導電型はｎ型、ｐ型、ｉ型いずれの導電型でも良いが、
好ましくはｉ型若しくはｎ型の導電型とする。

【０００９】さらに、本発明のレーザ素子では、活性層
がＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有し、ｐ
型クラッド層がＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ＜１）よりなる
層を有し、埋め込み層がＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b≦１、
ｂ＞ａ）よりなる層を有する。活性層をＩｎＧａＮを含
む層とするのは、ＩｎＧａＮは結晶の性質がＡｌＧａＮ
に比べて柔らかいので、レーザ発振させるために、多重
量子井戸構造としやすいからである。またバンドギャッ
プエネルギーが１．９５ｅＶ〜３．４ｅＶまであるた
め、３６５ｎｍ〜６６０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現
することができる。さらに窒化物半導体の中でも屈折率
の比較的大きな材料でもあるので、活性層にするとクラ
ッド層、電流阻止層の設計が容易になる。一方、リッジ
型のｐ型クラッド層をＡｌaＧａ1-aＮ（０≦a＜１）と
すると、活性層との屈折率差を大きくできるので縦方向
の光閉じ込めが効果的に行える。さらにまた、ストライ
プ状のリッジの側面に形成されている埋め込み層を、ｐ
型クラッド層よりもＡｌ組成比か大きいＡｌbＧａ1-bＮ
（０＜ｂ≦１）とすると、屈折率がｐ型クラッド層より
も小さくなるため、実質的に活性層の横方向の光がリッ
ジの下に閉じ込められて、実効屈折率導波型のレーザ素
子となるため、単一モードのレーザ光が得やすくなる。
さらに好ましいことに、ＡｌbＧａ1-bＮはb値が大きく
なるに従って、抵抗率が大きくなるという性質を有して
いる。例えばＡｌ組成比（ｂ値）が０．４以上になると
その傾向が大きい。このため、ｉ型の埋め込み層として
作用し、埋め込み層がｉ型となると、電流を阻止する作
用を奏するために、リッジ部分のｐ型クラッド層に電流
を集中させることができる。この性質はＡｌＧａＮの非
常に有用な作用である。また上記のように、電流を阻止
するためにはｎ型の導電型とすることも好ましい。

【００１０】また本発明のレーザ素子では、活性層、ｐ
型クラッド層、および埋め込み層とも単一の窒化物半導
体層で形成されていなくても良く、複数の窒化物半導体
層の積層構造よりなっていても良い。この例として図３
に本発明のレーザ素子に係る他の構造を示す模式断面図
を示す。このレーザ素子は基板１１０の上に、ｎ型コン
タクト層１１１、ｎ型光閉じ込め層１１２、ｎ型光ガイ
ド層１１３、多重量子井戸構造の活性層１１４、ｐ型光
ガイド層１１５、ｐ型光閉じ込め層１１６、ｐ型コンタ
クト層１１７とが積層された構造となっている。ｎ型光
閉じ込め層１１２、ｎ型光ガイド層１１３はｎ型クラッ
ド層として作用し、ｐ型光ガイド層１１５、およびｐ型
光閉じ込め層１１６がｐ型クラッド層として作用してい
る。まず、この図に示すように、活性層１１４の上に、
ｐ型光ガイド層１１５と、ｐ型光閉じ込め層１１６とか
らなるリッジ形状のストライプを有しており、リッジの
下部に活性層の光が閉じ込められる。さらに、リッジの
側面に形成された埋め込み層は活性層１１４側に接近し
て形成された第１の埋め込み層２０１と、ｐ型コンタク
ト層１１７側に接近して形成された第２の埋め込み層２
０２との少なくとも二層構造を有している。埋め込み層
を二層以上の構造とすると、例えばＡｌＧａＮよりなる
窒化物半導体を厚膜で形成すると、結晶中にクラックが
入りやすくなるので、クラックの入りにくい範囲でＡｌ
ＧａＮ薄膜を積層して、全体としての埋め込み層にクラ
ックを入りにくくできる。また、活性層１１４は多重量
子井戸構造とされている。多重量子井戸構造とすること
により井戸層と障壁層との積層構造による量子準位間発
光が得られ、レーザ素子の活性層として特に好ましい。
なお、図２の構造のレーザ素子においても、活性層がＩ
ｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）よりなる層を有し、ｐ型ク
ラッド層がＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を
有し、埋め込み層がＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b≦１、ｂ＞
ａ）よりなる層（特にｎ型、若しくはｉ型）を有するこ
とが好ましい。

【００１１】また、本発明のレーザ素子では、リッジ形
状の側面の基板表面に対する角度が９０゜以上であるこ
とを特徴としている。つまり、図１および図２に示すθ
１およびθ２の角度が９０゜以上であることが好まし
い。本発明のレーザ素子において、ストライプ状のｐ型
クラッド層のリッジの形状は特に問うものではなく、図
θ1、θ2が９０゜よりも大きい角度、順メサ形状となる
ようにしても良く、またθ1、θ2が９０゜よりも小さい
角度、逆メサ形状となるようにしても良い。しかしなが
ら、本発明では９０゜以上、好ましくは９０゜より大き
い角度、さらに好ましくは９５゜以上にする。なぜな
ら、９０゜よりも小さい逆メサ部には窒化物半導体が均
一な膜厚で成長しにくい傾向にあるからである。これに
対し、θ1、θ2を９０゜以上にすると、ＡｌＧａＮのよ
うな屈折率の小さい窒化物半導体でも、結晶中にクラッ
クが入らないようにして成長させることができる。

【００１２】さらにまた、本発明のレーザ素子では、埋
め込み層の表面と、第１のｐ型クラッド層の表面とに接
して、その第１のｐ型クラッド層よりもバンドギャップ
エネルギーが小さい第２のｐ型クラッド層が形成されて
いる。即ち、図１および図２ではｐ型コンタクト層１
５、１１７がその第２のｐ型クラッド層に相当する。電
極を形成するための第２のｐ型クラッド層の材料として
はｐ型ＧａＮが最も好ましい。ｐ型ＧａＮはキャリア濃
度の高い層が得られ易く、正電極３０と好ましいオーミ
ック接触が得られる他、正電極３０をｐ型コンタクト層
のほぼ全面に形成することができるので、レーザ素子の
Ｖｆ（順方向電圧）を低下させることができる。また正
電極３０を埋め込み層２０、２０２の上に形成した場合
に比べて、素子の信頼性が良くなる。

【００１３】なお、これらの図では、活性層のストライ
プの長さ方向、つまり共振方向に対して平行な負電極３
１を、正電極３０を挟んで対向する形状で設けている。
このように、活性層を挟んでレーザの共振方向に平行な
負電極を対向して設けることにより、電流が電極に均一
に分配されるため、窒化物半導体層に電界の集中を回避
できるので閾値電流を下げることができるという作用も
ある。この負電極の作用については、同一面側に正、負
一対の電極が形成された窒化物半導体よりなるレーザ素
子であれば、素子の構造を問わず全てについて適用可能
である。

【００１４】

【発明の実施の形態】［実施例］ 図３は本実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的断
面図であり、図４〜図７は実施例において得られるウェ
ーハの構造を示す模式的な断面図である。以下これらの
図を元に、ＭＯＶＰＥ法により本発明のレーザ素子を作
製する方法について詳説する。

【００１５】（クラッド層および活性層を成長する工
程） スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）１１１面を主面とする基板３
１０をＭＯＶＰＥ装置の反応容器内に設置した後、原料
ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）と、アンモニアを
用い、温度５００℃で、基板３１０の表面にＧａＮより
なるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長
させる。基板３１０にはスピネルの他、Ａ面、Ｒ面、Ｃ
面を主面とするサファイアも使用でき、またこの他、Ｓ
ｉＣ、ＭｇＯ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＯ等の単結晶よりな
る従来より知られている基板が用いられる。バッファ層
は基板の種類、成長方法等によっては削除できるので、
図では特に示していない。

【００１６】続いて温度を１０５０℃に上げ、原料ガス
にＴＭＧ、アンモニア、ドナー不純物としてＳｉＨ4
（シラン）ガスを用いて、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ
型コンタクト層３１１を４μｍの膜厚で成長させる。ｎ
型コンタクト層３１１はＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦
X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ、その中でもＳｉドープＧａＮで構成す
ることにより、キャリア濃度の高いｎ型層が得られ、ま
た負電極と好ましいオーミック接触が得られるので、レ
ーザ素子の閾値電流を低下させることができる。負電極
の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉ
ｎ等の金属若しくは合金が好ましいオーミックが得られ
る。

【００１７】次に、温度を７５０℃にして、原料ガスに
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、ＳｉドープＩｎ0.
1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層を５００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。クラック防止層はＩｎを含
むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長さ
せることにより、次に成長させるＡｌを含む窒化物半導
体よりなるｎ型光閉じ込め層３１２を厚膜で成長させる
ことが可能となり、非常に好ましい。ＬＤの場合は、光
閉じ込め層、光ガイド層となる層を、例えば０．１μｍ
以上の膜厚で成長させる必要がある。従来ではＧａＮ、
ＡｌＧａＮ層の上に直接厚膜のＡｌＧａＮを成長させる
と、後から成長させたＡｌＧａＮにクラックが入りやす
くなるので素子作製が困難であったが、このクラック防
止層が、次に成長させる光閉じ込め層にクラックが入る
のを防止することができる。クラック防止層は１００オ
ングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させ
ることが好ましい。１００オングストロームよりも薄い
と前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．
５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。
なお、このクラック防止層も成長方法、成長装置等によ
っては省略可能であるので特に図示していないが、レー
ザ素子を作製する上では成長させる方が好ましい。

【００１８】次に、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＡ（トリメ
チルアルミニウム）、アンモニア、不純物ガスにシラン
ガスを用いて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりな
るｎ型光閉じ込め層３１２を０．５μｍの膜厚で成長さ
せる。ｎ型光閉じ込め層３１２はＡｌを含むｎ型の窒化
物半導体で構成し、好ましくは二元混晶あるいは三元混
晶のＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y≦１）とすることにより、
結晶性の良いものが得られ、また活性層との屈折率差を
大きくしてレーザ光の縦方向の閉じ込めに有効である。
この層は通常０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させるこ
とが望ましい。０．１μｍよりも薄いと光閉じ込め層と
して作用しにくく、１μｍよりも厚いと、たとえ、クラ
ック防止層の上に成長させたＡｌＧａＮでも、結晶中に
クラックが入りやすくなり、素子作成が困難となる傾向
にある。

【００１９】続いて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、
不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ
よりなるｎ型光ガイド層３１３を５００オングストロー
ムの膜厚で成長させる。ｎ型光ガイド層３１３は、Ｉｎ
を含むｎ型の窒化物半導体若しくはｎ型ＧａＮ、好まし
くは三元混晶若しくは二元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０≦
X≦１）とする。この層は通常１００オングストローム
〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましく、特にＩｎ
ＧａＮ、ＧａＮとすることにより次の活性層１０４を量
子構造とすることが容易に可能になる。なお、本発明で
はクラック防止層、ｎ型光閉じ込め層３１２、およびｎ
型光ガイド層３１３等の活性層を挟んだ一方のｎ型層
は、全てｎ型クラッド層の中に含まれるものとする。

【００２０】次に原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニ
アを用いて活性層３１４を成長させる。活性層は温度を
７５０℃に保持して、まずノンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ
よりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長さ
せる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで、同一温
度で、ノンドープＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を
５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を
１３回繰り返し、最後に井戸層を成長させ総膜厚０．１
μｍの膜厚の多重量子井戸構造よりなる活性層３１４を
成長させる。

【００２１】活性層３１４はＩｎを含む窒化物半導体で
構成し、前記したように好ましくは三元混晶のＩｎXＧ
ａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む層とすることが望ましい。
三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性
が良い物が得られるので、発光出力が向上する。その中
でも特に好ましくは活性層をＩｎXＧａ1-XＮよりなる井
戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きい窒化物半
導体よりなる障壁層とを積層した多重量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ：Multi-quantum-well）とする。障壁層も同様に三
元混晶のＩｎX'Ｇａ1-X'Ｎ（０≦X'＜１、X'＜X）が好
ましく、例えば井戸＋障壁＋井戸＋・・・＋障壁＋井戸
層（逆でも可）となるように積層して多重量子井戸構造
を構成する。このように活性層をＩｎＧａＮを積層した
ＭＱＷとすると、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６
０ｎｍ間での高出力なＬＤを実現することができる。さ
らに、井戸層の上にＩｎＧａＮよりなる障壁層を積層す
ると、ＩｎＧａＮよりなる障壁層はＧａＮ、ＡｌＧａＮ
結晶に比べて結晶が柔らかい。そのためクラッド層のＡ
ｌＧａＮの厚さを厚くできるのでレーザ発振が実現でき
る。さらに、ＩｎＧａＮとＧａＮとでは結晶の成長温度
が異なる。例えばＭＯＶＰＥ法ではＩｎＧａＮは６００
℃〜８００℃で成長させるのに対して、ＧａＮは８００
℃より高い温度で成長させる。従って、ＩｎＧａＮより
なる井戸層を成長させた後、ＧａＮよりなる障壁層を成
長させようとすれば、成長温度を上げてやる必要があ
る。成長温度を上げると、先に成長させたＩｎＧａＮ井
戸層が分解してしまうので結晶性の良い井戸層を得るこ
とは難しい。さらに井戸層の膜厚は数十オングストロー
ムしかなく、薄膜の井戸層が分解するとＭＱＷを作製す
るのが困難となる。それに対し本発明では、障壁層もＩ
ｎＧａＮであるため、井戸層と障壁層が同一温度で成長
できる。従って、先に形成した井戸層が分解することが
ないので、結晶性の良いＭＱＷを形成することができ
る。これはＭＱＷの最も好ましい態様を示したものであ
るが、他に井戸層をＩｎＧａＮ、障壁層をＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮのように井戸層よりも障壁層のバンドギャップエ
ネルギーを大きくすればどのような組成でも良い。また
この活性層３１４を単一の井戸層のみで構成した単一量
子井戸構造としても良い。

【００２２】活性層３１４成長後、温度を１０５０℃に
してＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、アクセプター不純物
源としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウ
ム）を用い、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる
ｐ型キャップ層を１００オングストロームの膜厚で成長
させる。このｐ型キャップ層は１μｍ以下、さらに好ま
しくは１０オングストローム以上、０．１μｍ以下の膜
厚で成長させることにより、ＩｎＧａＮよりなる活性層
が分解するのを防止するキャップ層としての作用があ
り、また活性層の上にＡｌを含むｐ型窒化物半導体、好
ましくはＡｌYＧａ1-YＮ（０＜Y＜１）よりなるｐ型キ
ャップ層を成長させることにより、発光出力が格段に向
上する。このｐ型キャップ層の膜厚は１μｍよりも厚い
と、層自体にクラックが入りやすくなり素子作製が困難
となる傾向にある。なお、ｐ型キャップ層も成長方法、
成長装置等によっては省略可能であるため、特に図示し
ていない。

【００２３】次に温度を１０５０℃に保持しながら、Ｔ
ＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇドープｐ型Ｇ
ａＮよりなるｐ型光ガイド層３１５を５００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。ｐ型光ガイド層３１５も、
Ｉｎを含むｐ型の窒化物半導体若しくはｐ型ＧａＮ、好
ましくは二元混晶または三元混晶のＩｎXＧａ1-XＮ（０
≦X≦１）を成長させる。光ガイド層は、通常１００オ
ングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ま
しく、特にＩｎＧａＮ、ＧａＮとすることにより、次の
ｐ型光閉じ込め層３１５を結晶性良く成長できる。

【００２４】続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃ
ｐ2Ｍｇを用いてＭｇドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなる
ｐ型光閉じ込め層３１６を０．５μｍの膜厚で成長させ
る。図４にｐ型光閉じ込め層３１６まで成長させたウェ
ーハの断面構造を示す。なお、ｐ型光閉じ込め層３１６
は、Ａｌを含むｐ型の窒化物半導体で構成し、好ましく
は二元混晶または三元混晶のＡｌaＧａ1-aＮ（０＜a≦
１）とすることにより結晶性の良いものが得られる。ｐ
型光閉じ込め層３１６はｎ型光閉じ込め層３１２と同じ
く、０．１μｍ〜１μｍの膜厚で成長させることが望ま
しく、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含むｐ型窒化物半導体
とすることにより、活性層との屈折率差を大きくして、
レーザ光の縦方向の光閉じ込め層として有効に作用す
る。

【００２５】（リッジ形状のｐ型クラッド層を形成する
工程） ｐ型光閉じ込め層３１６成長後、ウェーハを反応容器か
ら取り出し、ｐ型光閉じ込め層３１６の表面に、フォト
リソグラフィー技術を用いて、ストライプ幅５μｍのＳ
ｉＯ2よりなる保護膜を形成する。保護膜３００形成
後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いて、
図５に示すように、ｐ型光閉じ込め層３１６を０．４μ
ｍの深さでストライプ状にメサエッチし、ストライプ状
のリッジ形状を有するｐ型光閉じ込め層３１６を作製す
る。なおリッジ側面の基板に対する角度はおよそ１００
゜とする。エッチング後、保護膜を除去した状態の断面
図が図５であり、この図はストライプに垂直な方向で切
断した際の図を示している。本実施例ではエッチング深
さをｐ型光閉じ込め層３１６の途中までとしたが、いう
までもなく、ｐ型光ガイド層３１５、またはｐ型キャッ
プ層までエッチングしても、その作用には変わりない。
また、ｐ型光ガイド層３１５で成長を止め、そのｐ型光
ガイド層３１５のみをストライプ状のリッジとしても良
い。好ましいストライプ幅としては、幅の広い方のスト
ライプで１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下、
最も好ましくは３μｍ以下とする。

【００２６】エッチング後、保護膜を除去し、新たにリ
ッジの頂上のｐ型光閉じ込め層３１６の表面に、ＳｉＯ
2よりなる別の保護膜を形成した後、ウェーハを再び反
応容器内に移送し、次にｐ型光閉じ込め層３１６の表面
に埋め込み層４００を形成する。

【００２７】（埋め込み層を形成する工程） 再度ウェーハを反応容器に設置した後、原料ガスにＴＭ
Ｇ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、不純物ガスにシランガ
スを用い、１０５０℃でＳｉドープｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5
Ｎよりなる埋め込み層４００を０．２μｍの膜厚で選択
成長させる。埋め込み層４００は窒化物半導体よりなる
光閉じ込め層３１６の上には成長するが、ＳｉＯ2より
なる保護膜の上には成長しない。その他、このような選
択的性質を有する保護膜としては、ＳｉＯ2以外の酸化
ケイ素（ＳｉXＯY）、窒化ケイ素（ＳｉXＮY）等があ
る。また、埋め込み層４００はｉ型のＡｌYＧａ1-YＮと
してもよい。ｉ型にするには、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ等のII
族元素よりなるｐ型不純物を、ｎ導電性が補償される程
度ドープするか、またはノンドープの状態で、あるいは
ｐ型不純物をドープした状態でＡｌの混晶比を例えば
０．４以上にするとｉ型となりやすい。ｉ型およびｐ型
の埋め込み層を形成すると電流狭窄層としての作用があ
る。その他、埋め込み層はｐ型の窒化物半導体としても
良い。但し、ｐ型の窒化物半導体とすると電流狭窄層と
しての作用はなく、活性層の横方向の光を閉じ込める層
のみとして作用する。

【００２８】埋め込み層４００形成後、ウェーハを反応
容器から取り出し、保護膜を除去する。保護膜除去後の
ウェーハの構造を示す断面図が図６である。保護膜を除
去した後、ウェーハを反応容器内に設置し、１０５０℃
でＭｇドープｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層３１
７を、０．５μｍの膜厚で成長させる。ｐ型コンタクト
層３１７はｐ型ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）で構成することができ、特にＩｎＧａ
Ｎ、ＧａＮ、その中でもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮと
すると、最もキャリア濃度の高いｐ型層が得られて、正
電極と良好なオーミック接触が得られ、閾値電流を低下
させることができる。正電極の材料としてはＮｉ、Ｐ
ｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の比較的仕事関数
の高い金属又は合金がオーミックが得られやすい。

【００２９】以上のようにして窒化物半導体を積層した
ウェーハを反応容器から取り出した後、反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）装置にて、最上層のｐ型コンタクト
層３１７から選択エッチを行い、負電極を形成すべきｎ
型コンタクト層３１１の平面を露出させる。次に最上層
のｐ型コンタクト層３１７のほぼ全面に正電極３０を形
成し、露出させたｎ型コンタクト層３１１には、活性層
の発振領域に平行、つまりリッジのストライプに平行
な、ストライプ状の負電極３１を形成する。なお本発明
ではｐ型キャップ層、ｐ型光ガイド層３１５、ｐ型光閉
じ込め層３１６等の活性層を挟んだ一方のｐ型層は、全
てｐ型クラッド層の中に含まれるものとする。

【００３０】電極形成後、ウェーハを研磨装置に移送
し、基板を８０μｍの厚さになるまで研磨して薄くした
後、負電極３１に垂直な方向でウェーハを劈開して共振
面を作製する。共振面となる劈開面に誘電体多層膜より
なる反射鏡をスパッタリング装置を用いて形成して共振
器を作製する。さらにストライプ状の負電極３１に平行
な方向でウェーハをダイシングして、共振器長５００μ
ｍのレーザチップとする。図３はこのレーザチップの構
造を示す断面図である。以上のようにして得られたチッ
プをヒートシンクに設置してレーザ素子としたところ、
閾値電流が直流０．１Ａで、４１０ｎｍの連続発振を示
した。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、活性層の上に形成
されたリッジ形状のストライプを有するｐ型クラッド層
を有し、ｐ型クラッド層のストライプ側面に、活性層お
よび第ｐ型クラッド層よりも屈折率の小さい窒化物半導
体よりなる埋め込み層が形成されていることにより、リ
ッジの下の部分にある活性層に光を集中させることがで
きるので、横方向のレーザ光が制御される。従って、素
子構造として、実効屈折率導波型のレーザ素子ができあ
がるため、電極ストライプ型のレーザ素子に比べて閾値
電流を下げることができ、室温での連続発振が可能とな
る。このように、本発明によると、窒化物半導体では初
めて実用的な屈折率導波型のレーザ素子が実現でき、短
波長半導体レーザを実現するために、その産業上の利用
価値は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式
断面図。

【図２】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式
断面図。

【図３】 本発明に係る一レーザ素子の構造を示す模式
断面図。

【図４】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの
主要部の構造を示す模式断面図。

【図５】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの
主要部の構造を示す模式断面図。

【図６】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの
主要部の構造を示す模式断面図。

【図７】 実施例の一工程を説明するためのウェーハの
主要部の構造を示す模式断面図。

【符号の説明】

１０、１１０、３１０・・・基板 １１、１１１、３１１・・・ｎ型コンタクト層 １２、１１２、３１２・・・ｎ型光閉じ込め層 １１３、３１３・・・ｎ型光ガイド層 １３、１１４、３１４・・・活性層 １１５、３１５・・・ｐ型光ガイド層 １４、１１６、３１６・・・ｐ型光閉じ込め層 １５、１１７、３１７・・・ｐ型コンタクト層 ２０、２０１、２０２、４００・・・埋め込み層 ３０・・・正電極 ３１・・・負電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−235723（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−18159（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−275906（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−275799（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−299781（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−343793（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−297483（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−232680（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上部に形成された活性層と、活性層
   上に形成されたリッジ形状のストライプを有するＡｌ_ａ
   Ｇａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を有する第１の
   ｐ型クラッド層とを有し、前記リッジの頂上に窒化物半
   導体が成長しない選択的性質を有する保護膜を形成して
   おくことで、前記第１のｐ型クラッド層のストライプ側
   面及び上に選択成長された埋め込み層を有し、該埋め込
   み層は、II族元素よりなるｐ型不純物をｎ導電性が補償
   される程度ドープされたＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦
   １、ｂ＞ａ）からなる層を有するi型の埋め込み層であ
   ることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 基板上部に形成された活性層と、活性層
   上に形成されたリッジ形状のストライプを有するＡｌ_ａ
   Ｇａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）よりなる層を有する第１の
   ｐ型クラッド層とを有し、前記リッジの頂上に窒化物半
   導体が成長しない選択的性質を有する保護膜を形成して
   おくことで、前記第１のｐ型クラッド層のストライプ側
   面及び上に選択成長された埋め込み層を有し、該埋め込
   み層は、ｐ型不純物をドープした状態でＡｌの混晶比が
   ０．４以上のＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１、ｂ＞
   ａ）である層を有するｉ型の埋め込み層であることを特
   徴とする窒化物半導体レーザ素子。