JP5351290B2 - 窒化物半導体レーザ、及びエピタキシャル基板 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体レーザ、及び、窒化物半導体レーザのためのエピタキシャル基板に関する。
特許文献１は、窒化物半導体発光素子を開示する。また、特許文献２は、窒化物半導体レーザ素子を開示する。
特開２０１０−１９２８６５号公報 特開２０１０−１２９６７６号公報
特許文献１は、窒化物半導体発光素子においてＧａＮとＩｎＡｌＧａＮとの格子定数の関係を開示する。また、特許文献２の窒化物半導体レーザ素子は、８ｎｍ〜２０ｎｍの範囲の厚さ及び１０％〜２５％の範囲のＡｌ組成を有するｐ型ＡｌＧａＮ層と、３％〜５％の範囲のＡｌ組成を有するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層とを含む。ｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は互いに接しており、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層上にはｐ型ＧａＮコンタクト層が接している。
例えば特許文献２の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成は、他方のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成よりも小さい。この他方のｐ型ＡｌＧａＮ層は電子障壁を提供するために大きなＡｌ組成を有する。また、Ａｌ組成の互いに異なるＡｌＧａＮ層が互いに接触しているので、高いＡｌ組成のＡｌＧａＮ層が大きな歪みを内包する。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたのであり、光閉じ込めの低下を縮小しながら駆動電圧の低減を可能にする窒化物半導体レーザを提供することを目的とする。また、本発明は、この窒化物半導体レーザのためのエピタキシャル基板を提供することを目的とする。
本発明に係る窒化物半導体レーザは、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する導電性の支持基体と、（ｂ）前記主面の上に設けられた活性層と、（ｃ）前記支持基体の前記主面の上に設けられたｐ型窒化物半導体領域とを備える。前記支持基体の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に延在する基準軸に直交する基準面に対して傾斜し、前記活性層は前記支持基体と前記ｐ型窒化物半導体領域との間に設けられ、前記ｐ型窒化物半導体領域はｐ型クラッド領域を含み、前記ｐ型クラッド領域は、第１ｐ型III族窒化物半導体層及び第２ｐ型III族窒化物半導体層を含み、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられ、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層と異なる材料からなり、前記ＡｌＧａＮ層は、非等方的な歪みを内包し、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のバンドギャップは、前記前記ｐ型クラッド領域において最も大きく、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗は、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より低い。
この窒化物半導体レーザによれば、ｐ型クラッド領域は、互いに異なる材料の第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層を含むので、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層の各々は組成傾斜を用いることなくｐ型クラッド領域の光閉じ込め性を優れたものにできる。また、この第１ｐ型III族窒化物半導体層は第２ｐ型III族窒化物半導体層と活性層との間に設けられている。正孔は、第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より低い第２ｐ型III族窒化物半導体層を伝導した後に、第１ｐ型III族窒化物半導体層に到達する。
また、第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層のバンドギャップがｐ型クラッド領域において最も大きいので、ｐ型クラッド領域における歪みを第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層において大きくできる。ｐ型クラッド領域におけるバンドギャップの最大を第１ｐ型III族窒化物半導体層に設けるので、大きな非等方的な歪みをＡｌＧａＮ層に付与することが可能になる。
第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層は非等方的な歪みを内包するので、このＡｌＧａＮ層における正孔は、ｃ面上に成長されるＡｌＧａＮに比べて小さい有効質量を有する。これ故に、第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層の比抵抗は第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より高いけれども、小さい有効質量の正孔が、ＡｌＧａＮ層における伝導を担う。したがって、第２ｐ型III族窒化物半導体層からの正孔が、第１ｐ型III族窒化物半導体層に到達してそこで伝導するとき、ＡｌＧａＮ層における動的な電気抵抗が、第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗から期待される値より優れたものになる。この結果、順方向駆動電圧が低減される。
本発明に係る、窒化物半導体レーザのためのエピタキシャル基板は、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板と、（ｂ）前記主面の上に設けられたｐ型窒化物半導体領域とを備える。前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に延在する基準軸に直交する基準面に対して傾斜し、前記活性層は前記支持基体と前記ｐ型窒化物半導体領域との間に設けられ、前記ｐ型窒化物半導体領域はｐ型クラッド領域を含み、前記ｐ型クラッド領域は、第１ｐ型III族窒化物半導体層及び第２ｐ型III族窒化物半導体層を含み、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられ、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層と異なり、前記ＡｌＧａＮ層は、非等方的な歪みを内包し、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のバンドギャップは、前記ｐ型クラッド領域において最も大きく、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗は、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より低い。
このエピタキシャル基板によれば、ｐ型クラッド領域は、互いに異なる材料の第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層を含むので、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層の各々は組成傾斜を用いることなく、優れた光閉じ込め性をｐ型クラッド領域に提供できる。また、この第１ｐ型III族窒化物半導体層は第２ｐ型III族窒化物半導体層と活性層との間に設けられるので、正孔は、第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より低い第２ｐ型III族窒化物半導体層を伝導した後に、第１ｐ型III族窒化物半導体層に到達する。
また、第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層のバンドギャップがｐ型クラッド領域において最も大きいので、ｐ型クラッド領域における歪みを第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層において大きくできる。ｐ型クラッド領域におけるバンドギャップの最大を第１ｐ型III族窒化物半導体層に設けるので、大きな非等方的な歪みをＡｌＧａＮ層に付与することが可能になる。
第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層は非等方的な歪みを内包するので、このＡｌＧａＮ層における正孔は、ｃ面上に成長されるＡｌＧａＮに比べて小さい有効質量を有する。これ故に、第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層の比抵抗は第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より高いけれども、ＡｌＧａＮ層における伝導を、小さい有効質量の正孔が担う。したがって、第２ｐ型III族窒化物半導体層からの正孔が、第１ｐ型III族窒化物半導体層に到達してそこで伝導するとき、ＡｌＧａＮ層における動的な電気抵抗が、第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗から期待される値より優れたものになる。この結果、順方向駆動電圧が低減される。
本発明に係る、窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板は、前記支持基体の前記主面と前記活性層の間に設けられたｎ型クラッド領域を更に備えることができる。前記ｎ型クラッド領域はＩｎＡｌＧａＮ層を含み、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ｎ型クラッド領域の前記ＩｎＡｌＧａＮ層のＡｌ組成より低いことが好ましい。
この発明によれば、ｎ型クラッド領域がＩｎＡｌＧａＮ層を含むので、ｎ型クラッド領域のＩｎＡｌＧａＮ層に内包される歪みは、第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層に内包される歪みより小さくされる。これ故に、ｎ型クラッド領域のＩｎＡｌＧａＮ層の緩和を抑制でき、この結果、ｎ型クラッド領域のＩｎＡｌＧａＮ層の緩和に起因して第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層の歪みが低下することを防ぐことができる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップエネルギは前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップエネルギより大きいことが好ましい。
この発明によれば、ｐ側領域における光閉じ込めを良好にできる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは３．４７エレクトロンボルト以上であり、３．６３エレクトロンボルト以下であることが好ましい。
この発明によれば、第１ｐ型III族窒化物半導体層は第２ｐ型III族窒化物半導体層より活性層に近く、上記のバンドギャップ値は、ＧａＮ系発光素子に良好な光閉じ込めを可能にする。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層にはマグネシウム（Ｍｇ）が添加されており、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度より小さいことが好ましい。
この発明によれば、活性層に近い第１ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度が第２ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度より小さいので、ドーパントの光吸収に起因する吸収ロスの増大およびドーパントのイオン散乱に起因する移動度の低減を抑制できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度は８×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。マグネシウム濃度がこの範囲であるとき、第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗が低くなる。また、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度は２×１０１９ｃｍ−３以下であることができる。マグネシウム濃度がこの範囲を超えるとき、ドーパントの光吸収に起因する吸収ロスが、しきい値電流の増大へ顕著に影響する。また、ドーパントのイオン散乱による移動度の低減が顕著になる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型クラッド領域の厚さは３００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ以下であり、前記第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層は、それぞれ、厚さｄ１及びｄ２を有し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の厚さは、０．２≦ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）≦０．６を満たすことが好ましい。
この発明によれば、第２ｐ型III族窒化物半導体層の厚さが上記範囲の値を有するとき、第２ｐ型III族窒化物半導体層が、残りの厚みを有する第１ｐ型III族窒化物半導体層と一緒になって、良好な光閉じ込め及び低い駆動電圧を提供できる。例えば、上記範囲の厚さを有する第２ｐ型III族窒化物半導体層はその低比抵抗により、また上記範囲の残りの厚さを有する第１ｐ型III族窒化物半導体層はその低い有効質量により、駆動電圧の低減に役立つ。上記の範囲内の厚さをそれぞれ有する第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層は、電極と良好な接触を成すために必要なコンタクト層の厚さより厚い。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記支持基体の前記主面と前記基準軸との成す角度は、１０度以上８０度以下又は１００度以上１７０度以下であることが好ましい。
この発明によれば、支持基体又は基板の主面の傾斜がこの角度範囲であるとき、正孔の有効質量が十分に小さくなり、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層を含むｐ型クラッド領域の効果が有効に発現する。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記支持基体の前記主面と前記基準軸との成す角度は、６３度以上８０度以下又は１００度以上１１７度以下であることが好ましい。
この発明によれば、支持基体又は基板の主面の傾斜がこの角度範囲であるとき、ＩｎＡｌＧａＮ層の成長のための下地の半極性面は、該ＩｎＡｌＧａＮ成長におけるインジウム取り込みに優れる。優れたＩｎ取り込みのおかげで、良好な結晶性のＩｎＡｌＧａＮを成長でき、良好な電気伝導のＩｎＡｌＧａＮ層をｎ型及びｐ型クラッド領域に提供することを容易にする。
本発明に係る窒化物半導体レーザは、前記ｐ型窒化物半導体領域に接触を成す電極を更に備えることができる。また、本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化物半導体領域は、前記ｐ型クラッド領域の上に設けられ電極と接合を成すためのｐ型コンタクト領域を含み、前記ｐ型コンタクト領域の厚さは３００ｎｍ未満であり、前記ｐ型クラッド領域のバンドギャップエネルギは前記ｐ型コンタクト領域のバンドギャップエネルギ以上であることが好ましい。
この発明によれば、ｐ型コンタクト領域は、電極とオーミック性の接触を成すことが可能なようなキャリア濃度を有するように設けられる。低比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層に、バンドギャップエネルギが小さくアクセプタの活性化エネルギが小さいｐ型コンタクト領域からの正孔が供給されて、駆動電圧の低減に役立つ。
本発明に係る窒化物半導体レーザは、前記ｐ型窒化物半導体領域に接触を成す電極を更に備えることができる。また、本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記ｐ型窒化物半導体領域は、前記ｐ型クラッド領域の上に設けられ電極と接合を成すためのｐ型コンタクト領域を含み、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度は前記ｐ型コンタクト領域のｐ型ドーパント濃度より低いことが好ましい。
この発明によれば、ｐ型コンタクト領域は、電極とオーミック性の接触を成すことが可能なようなキャリア濃度を有するように設けられる。低比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層に、ｐ型コンタクト領域から正孔が供給されて、駆動電圧の低減に役立つ。また、電極の接触抵抗を低くすることができる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗は前記ｐ型コンタクト領域の比抵抗より小さいことが好ましい。
この発明によれば、ｐ型コンタクト領域は第２ｐ型III族窒化物半導体層より薄いとき、素子抵抗の増加を小さくする一方で、低比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層に、ｐ型コンタクト領域から正孔が供給されて、駆動電圧の低減に役立つ。更には、異方的な歪みを内包する第１ｐ型III族窒化物半導体層に第２ｐ型III族窒化物半導体層から正孔が供給される。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は、歪みを内包するＩｎＡｌＧａＮ層を含むことが好ましい。
この発明によれば、第２ｐ型III族窒化物半導体層がＩｎＡｌＧａＮ層を含むとき、このＩｎＡｌＧａＮ層は、下地のＡｌＧａＮ層に接合を成しており、また非等方的な歪みを内包する。この歪みにより、第２ｐ型III族窒化物半導体層のＩｎＡｌＧａＮ層における正孔の有効質量を小さくできる。また、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層間の格子整合と独立して、所望のバンドギャップを第２ｐ型III族窒化物半導体層に提供できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層はＧａＮ層からなることができる。
この発明によれば、ＧａＮによる低い比抵抗とＡｌＧａＮ層による小さい有効質量との技術的寄与を得ることができる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板では、前記活性層は、４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光を発生するように設けられることが好ましい。
この発明によれば、上記の波長範囲において良好な光閉じ込め及び低い駆動電圧を提供できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板は、前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とを更に備えることができる。前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さは、前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さより大きいことが好ましい。
この発明によれば、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さをｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さより大きくするので、活性層を含む光導波路を伝搬する光の電界分布のピークがｎ型領域に寄り、低駆動電圧のためにｐ型クラッド領域の屈折率が、光閉じ込めに所望の値に比べて僅かに高くなるときでも、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
本発明に係る、窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板は、前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とを更に備えることができる。前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は、前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成より大きいことが好ましい。
この発明によれば、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成をｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成より大きくするので、活性層を含む光導波路を伝搬する光の電界分布のピークがｎ型領域に寄り、低駆動電圧のためにｐ型クラッド領域の屈折率が、光閉じ込めに所望の値に比べて僅かに高くなるときでも、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板で、前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とを更に備えることができる。前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は０．０４以上であることが好ましい。
この発明によれば、ｎ側及びｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成が共に０．０４以上であるので、これらＩｎＧａＮ光ガイド層の屈折率を高くできる。したがって、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板は、前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とを更に備えることができる。前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さと前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成との積は、前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さと前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とのインジウム組成の積より大きく、前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さと前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成の積は２以上１０以下であることが好ましく、ここで、前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さの単位はｎｍで表され、前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成はIII族構成元素に対するモル比で表されることができる。
この発明によれば、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積をｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積より大きくするので、活性層を含む光導波路を伝搬する光の電界分布のピークがｎ型領域に寄り、低駆動電圧のためにｐ型クラッド領域の屈折率が、光閉じ込めに所望の値に比べて僅かに高くなるときでも、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
本発明に係る窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板は、前記支持基体の前記主面と前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の間に設けられた窒化物半導体層を更に備えることができる。前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層は前記窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられ、前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と前記窒化物半導体層との界面におけるミスフィット転位密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にあることが好ましい。
この発明によれば、窒化物半導体層と活性層との間に設けられるＩｎＧａＮ光ガイド層が窒化物半導体層に対して緩和するので、第１ｐ型III族窒化物半導体層のＡｌＧａＮ層において非等方的な歪みを強めることが可能になる。
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。
以上説明したように、本発明によれば、光閉じ込めの低下を縮小しながら駆動電圧の低減を可能に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のためのエピタキシャル基板が提供される。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図２は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザのためのｐ型クラッド領域における比抵抗、バンドギャップEｇ及びｐ型ドーパント濃度の関係を示す図面である。 図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザにおいてｐ型クラッド領域の第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層の適用可能な構造を示す図面である。 図４は、実施例１において作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図５は、実施例１におけるIII族窒化物半導体レーザを作製する工程フローを示す図面である。 図６は、実施例１の半導体レーザＬＤ１と半導体レーザＬＣ１との駆動特性（Ｉ−Ｖカーブ）を示す図面である。 図７は、実施例２において作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図８は、実施例３において作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。
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、エピタキシャル基板、並びに窒化物半導体レーザ及びエピタキシャル基板を製造する方法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。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ１１は、支持基体１７及び半導体領域１９を含む。III族窒化物半導体レーザ１１のためのエピタキシャル基板ＥＰは、支持基体１７に替えて基板を含むと共に、半導体領域１９に替えて半導体積層を有する。この半導体積層の層構造は半導体領域１９の層構造と同じである。エピタキシャル基板ＥＰは電極を含まない。なお、III族窒化物半導体レーザ１１は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本発明の実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではなく、本実施の形態は例えばリッジ構造を有するIII族窒化物半導体レーザに適用されることもできる。
引き続いて、III族窒化物半導体レーザ１１を説明するが、この記述はIII族窒化物半導体レーザ１１のためのエピタキシャル基板ＥＰにも適用される。支持基体１７は導電性を有しており、この導電性は、例えば当該半導体レーザ１１に電流を流すために必要な程度の値である。支持基体１７は主面１７ａ及び裏面１７ｂを有する。主面１７ａは窒化ガリウム系半導体からなり、例えば六方晶系ＧａＮからなる。好適な実施例では、支持基体１７は六方晶系III族窒化物半導体からなり、更には窒化ガリウム系半導体からなることができる。主面１７ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向（ｃ軸ベクトルＶＣの方向）に延在する基準軸に直交する基準面（例えば、代表的なｃ面Ｓｃ）に対して傾斜する。また、主面１７ａは半極性を示す。半導体領域１９は、支持基体１７の主面１７ａ上に設けられている。
半導体領域１９は、発光層１３と、ｎ型窒化物半導体領域１５ａ、及びｐ型窒化物半導体領域１５ｂを含む。発光層１３と、ｎ型窒化物半導体領域１５ａ、及びｐ型窒化物半導体領域１５ｂは支持基体１７の主面１７ａ上に設けられている。ｎ型窒化物半導体領域１５ａは一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、例えばｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｎ型窒化物半導体領域１５ａは第１のクラッド領域２１を含むことができ、本実施例では、ｎ型窒化物半導体領域１５ａは第１のクラッド領域２１であり、引き続く説明は、ｎ型窒化物半導体領域１５ａに替えて第１のクラッド領域２１を参照しながら行われる。また、ｐ型窒化物半導体領域１５ｂは複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。ｐ型窒化物半導体領域１５ｂは第２のクラッド領域２３を含む。半導体領域１９は、発光層１３と、第１のクラッド領域２１と、第２のクラッド領域２３とを含む。発光層１３は活性層２５を含むことができ、活性層２５は主面１７ａ上に設けられる。第１のクラッド領域（例えばｎ型クラッド領域）２１及び第２のクラッド領域（例えばｐ型クラッド領域）２３は主面１７ａ上に設けられる。活性層２５は支持基体１７とｐ型窒化物半導体領域１５ｂ及び第２のクラッド領域２３との間に設けられる。第１のクラッド領域２１は、一又は複数の窒化ガリウム系半導体層からなることができる。第１のクラッド領域２１は、例えばｎ型ＩｎＡｌＧａＮからなることが好ましく、またｎ型ＧａＮ、ｎ型ＡｌＧａＮ等からなることができる。第２のクラッド領域２３は、複数の窒化ガリウム系半導体層からなり、本実施例では第１ｐ型III族窒化物半導体層２７及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２９を含むことができる。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７はＡｌＧａＮ層からなり、このＡｌＧａＮ層は非等方的な歪みを内包する。非等方的に歪んだＡｌＧａＮ層はｃ軸を主面１７ａに投影した軸方向の格子不整合度と、ｃ軸と垂直で主面１７ａ内にある軸方向の格子不整合度が異なる。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９は、該ＡｌＧａＮ層の材料と異なる半導体からなり、例えば構成元素の異なる材料からなることができる。第２のクラッド領域２３では、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９はｐ型窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｐ型ＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７は第２ｐ型III族窒化物半導体層２９と活性層２５との間に設けられる。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の比抵抗ρ２９は第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の比抵抗ρ２７より低い。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層のバンドギャップは、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のバンドギャップより大きく、またｐ型クラッド領域２３において最も大きい。
この窒化物半導体レーザ１１によれば、第２クラッド領域２３は、互いに異なる材料の第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９を含むので、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９の各々は組成傾斜ではなく、第２クラッド領域２３は光閉じ込め性を優れたものにできる。また、この第１ｐ型III族窒化物半導体層２７は第２ｐ型III族窒化物半導体層２９と活性層２５との間に設けられている。正孔は、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７より低い比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層２９を伝導した後に、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に到達する。
また、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層のバンドギャップＥ１がｐ型クラッド領域２３において最も大きいので、ｐ型クラッド領域２３における歪みを第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層において大きくできる。これ故に、大きな非等方的な歪みをＡｌＧａＮ層が内包することが可能になる。
また、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層は非等方的な歪みを内包するので、このＡｌＧａＮ層における正孔は、ｃ面上に成長されるＡｌＧａＮに比べて、小さい有効質量を有する。これ故に、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層の比抵抗は第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の比抵抗より高いけれども、小さい有効質量の正孔がＡｌＧａＮ層における伝導を担うので、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に正孔が到達して層２７で伝導するとき、ＡｌＧａＮ層における動的な電気抵抗が、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の比抵抗から期待される値より小さいものになる。この結果、順方向駆動電圧が低減される。
したがって、本実施の形態によれば、光閉じ込め性の低下を縮小しながら駆動電圧の低減を可能にする窒化物半導体レーザ１１が提供され、またこの窒化物半導体レーザ１１のためのエピタキシャル基板ＥＰが提供される。
図２は、ｐ型クラッド領域における２つのクラッド層２７、２９における歪み、比抵抗、バンドギャップEｇ及びｐ型ドーパント濃度の関係を示す図面である。図２の（ａ）部を参照すると、歪み及び比抵抗の関係が示される。２層クラッド層の比抵抗及び有効質量に起因する電気的伝導の技術的寄与を得ながら、２層クラッド層の採用により光閉じ込めも確保している。
図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、半導体領域１９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する第１端面２８ａ及び第２端面２８ｂを含む。また、電極３９は半導体領域１９上に設けられ、電極４１は支持基体１７の裏面１７ｂ上に設けられる。
第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５は、半極性の主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。活性層２５は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２３との間に設けられる。活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層２５ａである。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂを含み、井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂは交互に配列されている。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は、半極性面の利用により、波長４３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。また、半導体レーザ素子１１は、波長４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。上記の波長範囲において良好な光閉じ込め及び低い駆動電圧を提供できる。
直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。図１に示される実施例では、支持基体１７のIII族窒化物半導体のｃ軸は、III族窒化物半導体のｍ軸の方向に法線軸ＮＸに対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。
III族窒化物半導体レーザ１１は、絶縁膜３１及びｐ型コンタクト領域３３を更に備える。ｐ型コンタクト領域３３は、ｐ型クラッド領域２３上に設けられる。ｐ型クラッド領域２３のバンドギャップエネルギはｐ型コンタクト領域３３のバンドギャップエネルギ以上である。また、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のｐ型ドーパント濃度はｐ型コンタクト領域３３のｐ型ドーパント濃度より低い。絶縁膜３１は半導体領域１９（ｐ型コンタクト領域３３）の表面１９ａを覆っている。絶縁膜３１は開口３１ａを有し、開口３１ａは半導体領域１９の表面１９ａと上記のｍ−ｎ面との交差線ＬＩＸの方向に延在し、例えばストライプ形状を成す。電極３９は、開口３１ａを介して半導体領域１９の表面１９ａ（例えばｐ型コンタクト領域３３）に接触を成しており、上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ１１では、レーザ導波路は、第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。
III族窒化物半導体レーザ１１では、第１端面２８ａ及び第２端面２８ｂは、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２端面２８ａ、２８ｂを含み、第１及び第２端面２８ａ、２８ｂの一方から他方に、レーザ導波路が延在している。第１及び第２の端面２８ａ、２８ｂは、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。このIII族窒化物半導体レーザ１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の端面２８ａ、２８ｂがｍ−ｎ面に交差する。レーザ導波路は、ｍ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有し、活性層２５の発光において、低しきい値のレーザ発振を可能にするバンド間遷移が選択される。
また、図１に示されるように、第１及び第２の端面２８ａ、２８ｂのそれぞれに誘電体多層膜４３ａ、４３ｂが設けられることができる。端面２８ａ、２８ｂにも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド領域３５及びｐ側光ガイド領域３７を含む。ｎ側光ガイド領域３５は一又は複数のｎ側光ガイド層を含むことができる。ｐ側光ガイド領域３７は一又は複数のｐ側光ガイド層を含むことができる。ｎ側光ガイド領域３５は、例えばｎ側第１光ガイド層３５ａ及びｎ側第２光ガイド層３５ｂを含み、ｎ側光ガイド領域３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド領域３７はｐ側第１光ガイド層３７ａ及びｐ側第２光ガイド層３７ｂを含み、ｐ側光ガイド領域３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。
第２のクラッド領域２３を説明する。図１の（ｂ）部を参照すると、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７は単一のバンドギャップエネルギＥ１を有し、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９が単一のバンドギャップエネルギＥ２を有する。バンドギャップエネルギＥ１はバンドギャップエネルギＥ２より大きいことが好ましい。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の屈折率ｎ１は第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の屈折率ｎ２より小さいので、ｐ側領域における光閉じ込めを良好にできる。
第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９には、ｐ型ドーパント、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が添加されており、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のマグネシウム濃度は第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のマグネシウム濃度より小さいことが好ましい。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のマグネシウム濃度が、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のマグネシウム濃度より小さいので、ドーパントの光吸収に起因する吸収ロスの増大及びドーパントイオンのイオン散乱に起因する移動度の低減を抑制できる。
第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のバンドギャップエネルギＥ１を第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のバンドギャップエネルギＥ２より大きくして、光閉じ込め性を向上させる。また、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のマグネシウム濃度を第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のマグネシウム濃度より小さくして、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７における吸収ロスの増大と移動度の低下を小さくする。
例えば、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のバンドギャップは３．４７エレクトロンボルト以上であり、３．６３エレクトロンボルト以下であることが好ましい。バンドギャップＥｇの範囲は波長３４２ｎｍ〜３５７ｎｍに相当する。この範囲であれば、波長４８０ｎｍ〜５５０ｎｍの光を閉じ込めるために好適な屈折率が得られる。この素子では、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７が第２ｐ型III族窒化物半導体層２９より活性層２５に近く、上記のバンドギャップ値はＧａＮ系発光素子に良好な光閉じ込めを可能にする。
また、例えば第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のマグネシウム濃度は８×１０１７ｃｍ−３以上であることができる。マグネシウム濃度がこの範囲であるとき、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の比抵抗が低くなる。また、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のマグネシウム濃度は２×１０１９ｃｍ−３以下であることができる。マグネシウム濃度がこの範囲であるとき、イオン散乱による移動度低下が大きくなく、また吸収ロスによるしきい値電流の増大へ顕著に影響することはない。
第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のマグネシウム濃度は７×１０１８ｃｍ−３以上であることができる。マグネシウム濃度がこの範囲であるとき、自由ホール濃度を高くすることができる。また、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のマグネシウム濃度は５×１０１９ｃｍ−３以下であることができる。マグネシウム濃度がこの範囲を超えるとき、結晶性が悪化しやすくなり光閉じ込めに十分な膜厚を有するクラッド層を結晶性良く成長することが困難になる。
図２の（ｂ）部を参照すると、歪み、比抵抗及びバンドギャップEｇの関係が示される。２層クラッド層の採用により比抵抗及び有効質量に起因する電気的伝導の技術的寄与を得ながら、バンドギャップEｇ（屈折率）のプロファイルに基づき光閉じ込めも確保している。
図２の（ｃ）部を参照すると、ｐ型クラッド領域における歪み、比抵抗、バンドギャップEｇ及びｐ型ドーパント濃度の関係が示されている。２層クラッド層の採用により比抵抗及び有効質量に起因する電気的伝導の技術的寄与を得ながら、バンドギャップEｇ（屈折率）のプロファイルに基づき光閉じ込めを確保し、さらにＭｇドーパント濃度プロファイルに基づきしきい値電流の増加を抑え、なおかつ駆動電圧の低減を図っている。
第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に高バンドギャップ及び低ドーパント濃度を付与する。これらに加えて、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に低い比抵抗を付与することは難しい。なぜなら、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の正孔密度を高めるとき、ｐ型ドーパント濃度を増加して比抵抗を下げることは、ｐ型ドーパントイオンによるキャリア散乱を増加させる。
第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の比抵抗が高めであるけれども、異方的な圧縮歪みを内包するＡｌＧａＮ層の移動度が高いので、動的に正孔濃度を高めることによって動的な電気抵抗を下げることができる。正孔濃度を高めることは、レーザ駆動時には、低い比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層２９から正孔を第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に流すことによって可能である。レーザ駆動時においては、正孔の有効質量が小さい第１ｐ型III族窒化物半導体層２７において正孔濃度を大きくでき、電気抵抗が下がる。
以上説明したように、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のｐ型ドーパント濃度を第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のｐ型ドーパント濃度より低くして、ｐ型ドーパントによるイオン散乱を低減することになる。これは、移動度の向上のために有効である。このｐ型ドーパント濃度低減は、また、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の光吸収を低減している。
図３は、ｐ型クラッド領域における第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層の可能な構造を示す図面である。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９は第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に接合３０ａを成す。この実施例では、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７は下地の光ガイド層に接合３０ｂを成す。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９はコンタクト層３３に接合３０ｃを成す。半極性面上に設けられたＡｌＧａＮは、緩和せずに非等方的な歪みを内包するとき、この歪みにより価電子帯の縮退が解けて、正孔の有効質量が小さくなると考えられる。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮにおけるＡｌ組成は例えば０．０２以上であり、また０．１以下であることができる。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮの厚さは例えば１００ｎｍ以上であり、また５００ｎｍ以下であることができる。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮの厚さがこの範囲にあるとき、緩和することなく良好な光閉じ込めを提供することができる。
図３の（ａ）部に示されるように、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９がＧａＮからなるとき、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の比抵抗を小さくすることは三元系や四元系窒化物半導体に比べて容易である。つまり、この形態によれば、ＧａＮによる低い比抵抗とＡｌＧａＮ層による小さい有効質量との技術的寄与を得ることができる。
図３の（ｂ）部に示されるように、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９がＩｎＡｌＧａＮからなり、下地のＡｌＧａＮ層２７に接合３０ａを成している。第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層が非等方的な歪みを内包するとき、非等方的な歪みに起因して第２ｐ型III族窒化物半導体層２９における正孔の有効質量も小さくなる。この有効質量低減は、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９から第１ｐ型III族窒化物半導体層２７への正孔流入を容易にする点で有効である。つまり、ＩｎＡｌＧａＮ層の低い比抵抗とＡｌＧａＮ層による小さい有効質量との技術的寄与を得ることができる。
図３の（ｃ）部に示されるように、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９がＩｎＡｌＧａＮ及びＧａＮの少なくともいずれかからなり、このＡｌＧａＮ層２７が異方的な歪みを内包する。これにより、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９から第１ｐ型III族窒化物半導体層２７への正孔流入を容易にする。
四元系窒化物半導体では、三元系窒化物半導体に比べて、バンドギャップ及び格子定数を互いに独立して決定できる。これは、格子不整の調整に役立つ。バンドギャップＥｇを大きくするためには、ＩｎＡｌＧａＮのＡｌ組成及びＩｎ組成を高くすることが必要であり、ＩｎＡｌＧａＮでは格子整合が複雑である。半極性面上に設けられたＩｎＡｌＧａＮは、ｃ軸の傾斜方向（以下、「オフ方向」と記す）とこのオフ方向に垂直な方向との両方を同時にＧａＮに対して格子整合させることはできない。なぜなら、格子定数の比ｃ／ａがＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮのそれぞれで異なるからである。ＩｎＡｌＧａＮの緩和により、有効質量の低減効果を得られなくなる。
図３の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部に示されるｐ型クラッド領域において、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９の界面には、緩和を引き起こす程の実質的なミスフィット転位は形成されていない。また、第２クラッド領域２３は、発光層１３上に成長されるけれども、第２クラッド領域２３と発光層１３との界面には、緩和を引き起こす程の実質的なミスフィット転位は形成されていない。
第１ｐ型III族窒化物半導体層２７がＡｌＧａＮからなる構造では、散乱因子の点で四元構成元素の窒化物よりも三元構成元素の窒化物が小さい。また、あるバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮと同じバンドギャップのＡｌＧａＮにおいて、そのＡｌＧａＮのＡｌ組成は該ＩｎＡｌＧａＮのＡｌ組成より低くでき、またＡｌＧａＮの成長温度がＩｎＡｌＧａＮの成長温度より高くできるので、ＡｌＧａＮ成長において酸素の取り込みがＩｎＡｌＧａＮの成長に比べて小さい。これ故に、酸素等の不純物に起因するキャリア散乱を低減できる。例えばＡｌＧａＮ中の酸素濃度は３×１０１７（３Ｅ＋１７）ｃｍ−３以下であることができる。これらの理由により、ＡｌＧａＮの移動度をＩｎＡｌＧａＮと同程度以上に高めることができる。
支持基体１７上の半導体領域１９は、支持基体１７の主面１７ａの法線軸ＮＸの方向に配列された複数のIII属窒化物半導体層（２１、１３、２３、３３）を含む。半導体領域１９内には、これらのIII族窒化物半導体層が形成する複数の接合（界面）があり、一実施例では、これらの界面には緩和を引き起こす程のミスフィット転位は形成されていない。故に、支持基体１７の主面１７ａが例えばＧａＮからなるとき、半導体領域１９のIII族窒化物半導体層の各々は、その格子定数とＧａＮの格子定数との違いに応じた歪みを内包する。
（格子整合の形態１）
支持基体１７がＧａＮ基板であるとき、このＧａＮ基板のｃ軸の格子定数Ｄ１（ＧａＮ）は、支持基体１７の主面１７ａに平行な成分Ｄ１（ＧａＮ）ｐと支持基体１７の主面１７ａに垂直な成分Ｄ１（ＧａＮ）ｎとを有する。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のＩｎＡｌＧａＮ層におけるｃ軸の格子定数Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）は、支持基体１７の主面１７ａに平行な成分Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐと支持基体１７の主面１７ａに垂直な成分Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｎとを有する。ＩｎＡｌＧａＮ層における格子不整合度Ｒ１ｐを（Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐ−Ｄ１（ＧａＮ）ｐ）／Ｄ１（ＧａＮ）ｐとして規定するとき、この格子不整合度Ｒ１ｐは−０．１５％以上＋０．２％以下である。
この構造では、クラッドを構成できる程度に大きなバンドギャップを有する第２ｐ型III族窒化物半導体層２９にミスフィット転位が入らない。上記の条件は、格子整合に係る２つの結晶軸のうちｃ軸に係る格子定数を格子整合させることを意図しており、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９は、もう片方の軸（ａ軸又はｍ軸）は歪んでいる。この非等方的な歪みによって上記有効質量の低減効果を達成できる。
（格子整合の形態２）
支持基体１７がＧａＮ基板であるとき、このＧａＮ基板のｃ軸に直交する結晶軸（ａ軸又はｍ軸）の格子定数Ｄ２（ＧａＮ）は、支持基体１７の主面１７ａに平行な成分Ｄ２（ＧａＮ）ｐと支持基体１７の主面１７ａに垂直な成分Ｄ２（ＧａＮ）ｎとを有する。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のＩｎＡｌＧａＮ層のｃ軸に直交する結晶軸の格子定数Ｄ２（ＩｎＡｌＧａＮ）は、支持基体１７の主面１７ａに平行な成分Ｄ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐと支持基体１７の主面１７ａに垂直な成分Ｄ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｎとを有する。ＩｎＡｌＧａＮ層における格子不整合度Ｒ２ｐを（Ｄ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐ−Ｄ２（ＧａＮ）ｐ）／Ｄ２（ＧａＮ）ｐとして規定するとき、この格子不整合度Ｒ２ｐは−０．１５％以上＋０．２％以下である。なお、オフ方向が正確にａ軸あるいはｍ軸であるとき、Ｄ２（ＧａＮ）ｎとＤ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｎはゼロである。オフ方向がわずかにａ軸あるいはｍ軸からずれたとき、Ｄ２（ＧａＮ）ｎとＤ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｎはゼロに近い非常に小さい値である。
この構造では、クラッド領域が大きなバンドギャップを有するけれども、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９と下側のＡｌＧａＮ層２７との界面にミスフィット転位が入らない。格子整合に係る２つの結晶軸のうちｃ軸に直交する格子定数を格子整合させることを意図しており、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９は、もうｃ軸方向には歪んでいる。この非等方的な歪みによって上記有効質量の低減効果を達成できる。
（格子整合の形態３）
支持基体１７はＧａＮ基板であり、このＧａＮ基板のｃ軸は、ＧａＮ基板のａ軸及びｍ軸のいずれか一方の結晶軸（ここでは、ｍ軸）に傾斜している。ＧａＮ基板のｃ軸の格子定数Ｄ１（ＧａＮ）は、支持基体１７の主面１７ａに平行な成分Ｄ１（ＧａＮ）ｐと支持基体１７の主面１７ａに垂直な成分Ｄ１（ＧａＮ）ｎとを有する。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のＩｎＡｌＧａＮ層におけるｃ軸の格子定数Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）は、支持基体１７の主面１７ａに平行な成分Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐと支持基体１７の主面１７ａに垂直な成分Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｎとを有する。このＩｎＡｌＧａＮ層における格子不整合度Ｒ１ｐは、（Ｄ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐ−Ｄ１（ＧａＮ）ｐ）／Ｄ１（ＧａＮ）ｐとして規定される。この格子不整合度Ｒ１ｐは−０．１５％以上０％以下である。ｃ軸がｍ軸の方向に傾斜している形態ではａ軸に関して、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＩｎＡｌＧａＮ層における格子不整合度Ｒ２ｐは、（Ｄ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐ−Ｄ２（ＧａＮ）ｐ）／Ｄ２（ＧａＮ）ｐとして規定される。この格子不整合度Ｒ２ｐは０％以上０．２％以下を満たす。ここで、Ｄ２（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐはＤ１（ＩｎＡｌＧａＮ）ｐに直交し、Ｄ２（ＧａＮ）ｐはＤ１（ＧａＮ）ｐに直交する。
この構造では、格子整合に係る２つの結晶軸のうちどちらか一方の結晶軸に格子整合させるのではない。つまり、２つの結晶軸とも、小さいある程度の範囲で歪んでいる。クラッドを構成できる程度に大きいバンドギャップを有する第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のＩｎＡｌＧａＮでは、結晶軸の片方に関する格子整合を行うとき、もう片方の格子不整合度が大きくなり、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のＩｎＡｌＧａＮが緩和する可能性がある。このようなＩｎＡｌＧａＮを用いるとき、両結晶軸とも格子整合しないが、ＩｎＡｌＧａＮに格子不整合度を低くする組成を提供することが、緩和を避けるために有効である。両軸に関する非等方的な歪みによって、上記有効質量低減が提供できる。
クラッド領域は内側の光導波路に光を閉じ込めるように働く。第２クラッド領域２３（ｐ型クラッド領域）が２つの半導体層からなるとき、このｐ型クラッド領域の一方の半導体層のみでは十分な光閉じ込めが提供されないけれども、第２クラッド領域２３の２つの半導体層の総厚が光閉じ込めに十分なほど厚く、これら２層によって十分な光閉じ込めが提供される。
例えば、第２クラッド領域２３の厚さｄ２３（図１参照）は３００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。第２クラッド領域２３の厚さｄ２３が３００ｎｍ以上であるとき、発光層１３への光閉じ込めが良好になり、ｐ型コンタクト領域３３及び電極３９への光の漏れが抑制される。また、第２クラッド領域２３の厚さｄ２３が１０００ｎｍ以下であるとき、直列抵抗成分増加に伴う駆動電圧の増加が抑制される。
第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９は、それぞれ、厚さｄ１及びｄ２を有する。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の厚さｄ２は、０．２≦ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）≦０．６を満たすことが好ましい。第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の厚さｄ２が上記範囲の値を有するとき、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９が、残りの厚みｄ１を有する第１ｐ型III族窒化物半導体層２７と一緒になって、良好な光閉じ込め及び低い駆動電圧を提供できる。例えば、上記範囲の厚さｄ２を有する第２ｐ型III族窒化物半導体層２９はその低い比抵抗により、また上記範囲の残りの厚さを有する第１ｐ型III族窒化物半導体層２７はその低い有効質量により、駆動電圧の低減に役立つ。上記の範囲内の厚さをそれぞれ有する第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９は、電極３９と良好な接触を成すために必要なコンタクト領域３３の厚さより大きい。
第１ｐ型III族窒化物半導体層２７の厚さは、その材料に基づく臨界膜厚より小さい。これにより、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７が緩和することを避けることができる。また、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の厚さは、その材料に基づく臨界膜厚より小さい。これにより、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９が緩和することを避けることができる。
既に説明したように、支持基体１７（エピタキシャル基板ＥＰの基板）の主面１７ａは半極性を示す。主面（エピタキシャル基板ＥＰの基板主面）１７ａと基準軸Ｃｘとの成す角度ＡＬＰＨＡは１０度以上８０度以下又は１００度以上１７０度以下であることが好ましい。支持基体１７の主面１７ａの傾斜がこの角度範囲であるとき、正孔の有効質量が十分に小さくなり、第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層２７、２９を含むｐ型クラッド領域２３の効果が有効に発現する。
また、主面１７ａと基準軸Ｃｘとの成す角度ＡＬＰＨＡは６３度以上８０度以下又は１００度以上１１７度以下であることが好ましい。主面１７ａの傾斜がこの角度範囲であるとき、クラッドに適用されるＩｎＡｌＧａＮ層の成長のための下地の半極性面（つまり、主面１７ａ）は、該ＩｎＡｌＧａＮ成長におけるインジウム取り込みに優れる。優れたＩｎ取り込みのおかげで、良好な結晶性のＩｎＡｌＧａＮを成長でき、良好な電気伝導のＩｎＡｌＧａＮ層をｎ型及びｐ型クラッド構造に提供することを容易にする。このとき、ｃ軸は、該ｃ軸から窒化ガリウム系半導体のｍ軸への方向に傾斜していることが好ましい。
再び図１を参照すると、ｐ型コンタクト領域３３は、第２クラッド領域２３に接合を成すように設けられ、電極３９がｐ型コンタクト領域３３に接合を成すように設けられる。ｐ型コンタクト領域３３の厚さは例えば３００ｎｍ未満であり、ｐ型コンタクト領域３３の厚さは例えば１０ｎｍ以上であることができる。ｐ型コンタクト領域３３のｐ型ドーパント濃度は例えば５×１０２０（５Ｅ＋２０）ｃｍ−３以下であり、ｐ型コンタクト領域３３のｐ型ドーパント濃度は例えば１×１０１９（１Ｅ＋１９）ｃｍ−３以上であることができる。
第２ｐ型III族窒化物半導体層２９の比抵抗はｐ型コンタクト領域３３の比抵抗より小さいことが好ましい。このとき、ｐ型コンタクト領域３３は第２ｐ型III族窒化物半導体層２９より薄いとき、素子抵抗の増加を小さくする一方で、ｐ型コンタクト領域３３から正孔が、低比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層２９に供給されて、駆動電圧の低減に役立つ。更には、異方的な歪みを内包する第１ｐ型III族窒化物半導体層２７に第２ｐ型III族窒化物半導体層２９から正孔が供給される。
第２クラッド領域２３では、第２ｐ型III族窒化物半導体層２９のバンドギャップエネルギＥ２はｐ型コンタクト領域３３のバンドギャップエネルギＥｃ以上であることが好ましい。この構造によれば、バンドギャップエネルギが小さくアクセプタの活性化エネルギが小さいｐ型コンタクト領域３３から正孔が、低い比抵抗の第２ｐ型III族窒化物半導体層２９に供給されて、駆動電圧の低減に役立つ。
支持基体１７の主面１７ａとＩｎＧａＮ光ガイド層３５の間に設けられたｎ型窒化物半導体領域１５ａでは、ＩｎＧａＮ光ガイド層３５はｎ型窒化物半導体領域１５ａと活性層１３との間に設けられる。ある実施例では、ＩｎＧａＮ光ガイド層３５とｎ型窒化物半導体領域１５ａとの界面（図１に示される界面２０ａ）におけるミスフィット転位密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にあることが好ましい。この形態では、ｎ型窒化物半導体領域１５ａと活性層１３との間に設けられるＩｎＧａＮ光ガイド層３３がｎ型窒化物半導体領域１５ａに対して緩和するので、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層において非等方的な歪みを強めることが可能になる。ｎ側第１光ガイド層３５ａとｎ側第２光ガイド層３５ｂの界面にミスフィット転位を導入しても、同様の効果を得ることができる。
一実施例では、ｎ型クラッド領域２１はＩｎＡｌＧａＮ層を含み、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成はｎ型クラッド領域２１のＩｎＡｌＧａＮ層のＡｌ組成より低いことが好ましい。この形態では、ｎ型クラッド領域２１がＩｎＡｌＧａＮ層を含むので、ｎ型クラッド領域２１のＩｎＡｌＧａＮ層に内包される歪みは、第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層に内包される歪みより小さくできる。これ故に、ｎ型クラッド領域２１のＩｎＡｌＧａＮ層の緩和を抑制でき、この結果、ｎ型クラッド領域２１のＩｎＡｌＧａＮ層の緩和に起因して第１ｐ型III族窒化物半導体層２７のＡｌＧａＮ層の歪みが低下することを防ぐことができる。
（実施例１）
図４は、実施例１において作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。このIII族窒化物半導体レーザは、図５に示される工程フローに従って作製される。
工程Ｓ１０１では、半極性主面を有するIII族窒化物基板を準備する。本実施例では、ｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した半極性主面を有するＧａＮ基板５１を準備する。この半極性主面の面方位は、（２０−２１）面に対応する。このＧａＮ基板５１の半極性主面上に、発振波長５２０ｎｍ帯で動作するＬＤ構造ＬＤ１を有する半導体領域を成長する。
工程Ｓ１０２では、成長炉にＧａＮ基板５１を配置した後に、ＧａＮ基板５１の前処理（サーマルクリーニング）を行う。この前処理は、アンモニア及び水素を含む雰囲気中、摂氏１０５０度の熱処理温度、１０分間の処理時間の条件で行われる。
この前処理の後に、工程Ｓ１０３では、摂氏１０５０度の成長温度でＧａＮ基板５１上にｎ型ＧａＮ層５３といった窒化ガリウム系半導体層を成長する。ｎ型ＧａＮ層５３の厚さは例えば５００ｎｍである。工程Ｓ１０４では、この窒化ガリウム系半導体層上にｎ型クラッド領域を成長する。ｎ型クラッド領域は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたＩｎＡｌＧａＮ層５５を含む。このｎ型クラッド領域の厚さは例えば２μｍである。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層５５は非等方的な歪みを内包する。工程Ｓ１０５では、ｎ型クラッド領域上のｎ側光ガイド層を成長する。本実施例では、ｎ側光ガイド層は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたｎ型ＩｎＧａＮ層５７を含む。ｎ型ＩｎＧａＮ層５７の厚さは、例え２００ｎｍである。ｎ型ＩｎＧａＮ層５７は圧縮歪みを内包する。
次の工程では、ｎ側光ガイド層上に活性層５９を成長する。活性層５９は、障壁層及び井戸層を含む。本実施例では、工程Ｓ１０６で障壁層を成長し、工程Ｓ１０７で井戸層を成長する。障壁層は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたＧａＮ層５９ａを含み、このＧａＮ層５９ａの厚さは例えば１５ｎｍである。井戸層は、例えば摂氏７９０度の成長温度で成長されたＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ層５９ｂを含み、ＩｎＧａＮ層５９ｂの厚さは例えば３ｎｍである。このＩｎＧａＮ層５９ｂは圧縮歪みを内包する。
工程Ｓ１０８では、活性層５９上にｐ側光ガイド層６１を成長する。本実施例では、ｐ側光ガイド層６１は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長されたＩｎＧａＮ層６１を含む。ｐ側ＩｎＧａＮ層６１の厚さは、例え２００ｎｍである。ｐ側ＩｎＧａＮ層６１は圧縮歪みを内包する。
工程Ｓ１０９では、ｐ側光ガイド層６１上にｐ型クラッド領域６５を成長する。ｐ型クラッド領域６５の成長では、工程Ｓ１１０において、まず、ｐ側光ガイド層に接合を成すように第１クラッド層を成長する。第１クラッド層はｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７である。このｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長される。このｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７の厚さは例えば２００ｎｍである。ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７は、ｐ側光ガイド層に接合を成し、また非等方的な歪みを内包する。ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７の比抵抗は、例えば２５Ωｃｍである。ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７のバンドギャップエネルギは３．５４ｅＶである。ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７のＭｇ濃度は例えば３×１０１８ｃｍ−３である。
ｐ型クラッド領域６５の成長では、次いで、工程Ｓ１１１において、第１クラッド層に接合を成すように第２クラッド層をコヒーレントに成長する。第２クラッド層の成長では、ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９を成長する。このｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９は、例えば摂氏８４０度の成長温度で成長される。このｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９の厚さは例えば２００ｎｍである。ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９は、第１クラッド層に接合を成し、また非等方的な歪みを内包する。第１クラッド層のＩｎＡｌＧａＮは、ａ軸方向に関してＧａＮに対して−０．１％の格子不整合度を有し、ｃ軸の傾斜方向に関してＧａＮに対して−０．２％の格子不整合度を有する。第２クラッド層のＩｎＡｌＧａＮは、ａ軸方向に関してＧａＮにほぼ格子整合しており、ｃ軸の傾斜方向に関して−０．０８％の格子不整合度を有する。
本実施例においては、ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９の比抵抗は、例えば８Ωｃｍである。ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９のバンドギャップエネルギは３．４８ｅＶであり、この値はｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７の値より小さい。ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９のＭｇ濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３であり、この値はｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層６７の値より大きい。１ｅＶは、１．６０２×１０−１９ジュールで換算される。
工程Ｓ１１２では、ｐ型クラッド領域６５にオーミック性の接合を成すようなドーパント濃度及び厚さを有するｐ型コンタクト層７１を成長する。本実施例では、ｐ型コンタクト層７１は、例えば摂氏１０００度の成長温度で成長されたＧａＮ層を含む。ｐ型コンタクト層７１の厚さは、例え５０ｎｍである。ｐ型コンタクト層７１のｐ型ＧａＮの比抵抗は例えば１０Ω・ｃｍであり、ｐ型コンタクト層７１のＭｇ濃度は例えば１×１０２０ｃｍ−３である。これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＰ１が作製される。
工程Ｓ１１３では、ｐ型コンタクト層７１上に絶縁膜を成膜し、またこの絶縁膜に、レーザ導波路の方向に延在するストライプ窓をウエットエッチングにより形成して、保護絶縁層７３を形成する。ストライプ窓の幅は例えば１０μｍである。ｐ型コンタクト層７１及び保護絶縁層７３上にアノード電極７５を形成すると共にＧａＮ基板の裏面にカソード電極７７を形成する。アノード電極７５はストライプ窓を介してｐ型コンタクト層７１に接触を成す。アノード電極７５は、Ｎｉ／Ａｕからなるオーミック電極とＴｉ／Ａｕからなるパッド電極とを含み、これらは蒸着により形成される。基板厚が８０μｍ程度になるまで基板研磨した後に、カソード電極７７を形成する。カソード電極７７は、Ｔｉ／Ａｌからなるオーミック電極とＴｉ／Ａｕからなるパッド電極とを含み、これらは蒸着により形成される。これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＰ１から基板生産物が作製される。
工程Ｓ１１４では、基板生産物からレーザバーを作製する。レーザバーの共振器長は６００μｍである。レーザバーのレーザ端面上には、誘電体多層膜を成膜する。誘電体多層膜は例えばＳｉＯ２／ＴｉＯ２の多層膜からなる。
上記のＬＤ構造の作製とは別に、単一のｐ型クラッド層（ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層、厚さ４００ｎｍ）からなるｐクラッド領域を含むＬＤ構造ＬＣ１を作製する。ＬＤ構造ＬＣ１は、ｐ型クラッド領域の構造を除いて、ＬＤ構造ＬＤ１と同様の構造を有する。
図６は、実施例１の半導体レーザＬＤ１と半導体レーザＬＣ１との駆動特性（Ｊ−Ｖカーブ）を示す図面である。図６は、単一の組成を有する単一のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層、厚さ４００ｎｍ）を含む半導体レーザＬＣ１の駆動特性Ｃ（ＬＣ１）と、異方的な歪みを含むｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層、厚さ２００ｎｍ）及び異方的な歪みを含むｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層、厚さ２００ｎｍ）を含む半導体レーザＬＤ１の駆動特性Ｃ（ＬＤ１）とを示す。駆動特性Ｃ（ＬＤ１）を駆動特性Ｃ（ＬＣ１）と比較すると、駆動特性Ｃ（ＬＤ１）の順方向駆動電圧Ｖｆ（ＬＤ１）が駆動特性Ｃ（ＬＣ１）の順方向駆動電圧Ｖｆ（ＬＣ１）に比べて低減されている。このＶｆの低減は、ｐ型ＡｌＧａＮより低い比抵抗のｐ型ＩｎＡｌＧａＮを用いた効果だけでは説明できず、追加の作用があることを示している。なぜなら、微分抵抗ｄＶ／ｄＪは両者とも２Ｅ−４Ωｃｍ２程度で、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の比抵抗から予想される値よりも一桁低いからである。また、断面ＴＥＭを用いた観察によれば、ｐ側光ガイド層とｐ型クラッド領域の界面、ｐ型クラッド領域とｐ型コンタクト層の界面、これら２つのクラッド領域の界面のいずれにもミスフィット転位は認められなかった。
上記の半導体レーザＬＤ１及び半導体レーザＬＣ１ともにｐ型クラッド領域における一層目のｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層の比抵抗（２５Ωｃｎ）が比較的高いけれども、図６のＪ−Ｖカーブは、半導体レーザＬＤ１では駆動の際に動的な抵抗が低減していることを示している。この理由のひとつに、半極性上では非等方的な歪みを内包するＡｌＧａＮ層ではキャリアの有効質量が低減され、二層目の、大きなキャリア濃度のｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（又はｐ型ＧａＮ）から流入したキャリアが効率的に流れることが関与している可能性がある。この効果が、複数層（例えば２層）からなるクラッド領域が、非等方的な歪みを内包するＡｌＧａＮ層と、このＡｌＧａＮ層に接合を成し大きな正孔濃度を有する別のｐ型クラッド層（つまり、低い比抵抗）との組み合わせから、より顕著に提供されると考えられる。
（実施例２）
図７は、実施例２において作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。実施例２における半導体レーザＬＤ２は、半導体レーザＬＤ１における第２クラッド層のＩｎＡｌＧａＮ層６９に替えて、ｐ型ＧａＮ層６８を成長する。第２クラッド層のｐ型ＧａＮ層６８の比抵抗は例えば３Ω・ｃｍであり、ｐ型ＧａＮ層６８のＭｇ濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３である。実施例１の半導体レーザＬＤ１と１２ｋＡ／ｃｍ２の注入電流で比較するとき、半導体レーザＬＤ２の駆動電圧Ｖｆは半導体レーザＬＤ１の駆動電圧Ｖｆより０．４ボルト低減される。
（実施例３）
図８は、実施例３において作製されたIII族窒化物半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。図８の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部を参照すると、ｐ型クラッド領域は、発光層に接合を成すｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層に接合を成すｐ型ＧａＮクラッド層とを含む。
第２クラッド層にｐ型ＧａＮ層を用いた実施例２における光ガイド層から該光ガイド層の構造を変更することによって、しきい値電流の低減の効果を得ることができる。図８の（ａ）部に示されるように、ｐ側及びｎ側の光ガイド層のＩｎＧａＮにおけるインジウム組成を０．０３より大きな値、例えば０．０４以上にすることが好ましい。この実施例によれば、ｎ側及びｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成が共に上記の値以上であるので、これらＩｎＧａＮ光ガイド層の屈折率を高くできる。したがって、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
別の実施例では、図８の（ｂ）部に示されるように、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成はｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成より大きいことが好ましい。なお、ここでｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積は８、ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積は４であり、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の方が値が大きい。この実施例によれば、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成をｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成より大きくするので、活性層を含む光導波路を伝搬する光の電界分布のピークがｎ型領域に寄り、低駆動電圧のためにｐ型クラッド領域の屈折率が、光閉じ込めに所望の値に比べて僅かに高くなるときでも、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。この構造では、ｐ型クラッド領域の屈折率が多少高い場合でも十分な光閉じ込めを実現できる。光ガイド層のインジウム組成を大きくする構造に比べて、非対称なインジウム組成をｐ側及びｎ側の光ガイド層に用いることは、設計値からのズレに関する許容範囲を広くできる。
更なる別の実施例では、図８の（ｃ）部に示されるように、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さは、ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さより大きいことが好ましい。なお、ここでｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積は７．５、ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積は４．５であり、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の方が値が大きい。この実施例によれば、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さをｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さより大きくするので、活性層を含む光導波路を伝搬する光の電界分布のピークがｎ型領域に寄り、低駆動電圧のためにｐ型クラッド領域の屈折率が、光閉じ込めに所望の値に比べて僅かに高くなるときでも、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
該実施例から、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成との積はｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とのインジウム組成の積より大きく、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成の積は２以上１０以下であることが好ましい。ここで、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さの単位はｎｍで表され、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成はIII族構成元素に対するモル比で表される。該実施例によれば、ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積をｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さとインジウム組成との積より大きくするので、活性層を含む光導波路を伝搬する光の電界分布のピークがｎ型領域に寄り、低駆動電圧のためにｐ型クラッド領域の屈折率が、光閉じ込めに所望の値に比べて僅かに高くなるときでも、光導波路全体として良好な光閉じ込めを発光素子に提供できる。
実施例３については、第２クラッド層がＧａＮ層であることを例にして説明しているけれども、第２クラッド層がＩｎＡｌＧａＮにおいても同様な技術的寄与が得られる。
（実施例４）
図８における構造では、ｎ側光ガイド層が活性層の下に位置し、ｐ側光ガイド層が活性層の上に位置する。図８の（ａ）部の構造では、ｎ側光ガイド層の組成及び厚さが、それぞれ、ｐ側光ガイド層の組成及び厚さと同じであり、活性層を挟む２つの光ガイド構造が対称である。活性層を挟む２つの光ガイド層が膜厚及び／又は組成において互いに異なる構造、つまり非対称な構造を有することができる。図８の（ｂ）部及び（ｃ）部は、活性層を挟む２つの光ガイド層が膜厚又は組成において互いに異なる構造、つまり非対称な構造を示す。このような非対称なＩｎＧａＮガイド構造は、ｎ側ＩｎＧａＮ層を、ｃ軸の傾斜方向に緩和させることを可能にする。この緩和によって、ＡｌＧａＮクラッド層の歪みにおける非等方性を強めることができ、ＡｌＧａＮクラッド層における移動度をさらに改善することが可能になる。この構造では、ｎ側ＩｎＧａＮ層とその下地窒化物層との界面にミスフィット転位が導入される。そのミスフィット転位の密度が５×１０３ｃｍ−１〜１×１０５ｃｍ−１の範囲内であるとき、この界面が井戸層からは離れているので、発光特性への悪影響は小さい。
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。
以上説明したように、本実施の形態によれば、光閉じ込めの低下を縮小しながら駆動電圧の低減を可能にする窒化物半導体レーザが提供される。また、本実施の形態によれば、この窒化物半導体レーザのためのエピタキシャル基板が提供される。
１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…発光層、１５ａ、１５ｂ…窒化物半導体領域、１７…支持基体、１７ａ…支持基体主面、１７ｂ…支持基体裏面、１９…半導体領域、１９ａ…半導体領域表面、２１…第１のクラッド層、２３…第２のクラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２８ａ、２８ｂ…端面、ＡＬＰＨＡ…角度、Ｓｃ…ｃ面、ＮＸ…法線軸、３１…絶縁膜、３１ａ…絶縁膜開口、３５…ｎ側光ガイド領域、３７…ｐ側光ガイド領域、３９…電極、４１…電極、４３ａ、４３ｂ…誘電体多層膜、５１…基板、５１ａ…半極性主面、５３…バッファ層、５５…ｎ型クラッド領域、５７…ＩｎＧａＮ層、５９…活性層、６１…ＩｎＧａＮ層、６５…ｐ型クラッド領域、６７…ｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層、６９…ｐ型Ｉｎ０．０２Ａｌ０．０７Ｇａ０．９１Ｎ層６９、７１…ｐ型コンタクト層。

Claims (24)

  1. 窒化物半導体レーザであって、
    窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する導電性の支持基体と、
    前記主面の上に設けられた活性層と、
    前記主面の上に設けられたｐ型窒化物半導体領域と、
    を備え、
    前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に延在する基準軸に直交する基準面に対して傾斜し、
    前記活性層は前記支持基体と前記ｐ型窒化物半導体領域との間に設けられ、
    前記ｐ型窒化物半導体領域はｐ型クラッド領域を含み、
    前記ｐ型クラッド領域の厚さは３００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ以下であり、
    前記ｐ型クラッド領域は、第１ｐ型III族窒化物半導体層及び第２ｐ型III族窒化物半導体層から構成され、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層及び第２ｐ型III族窒化物半導体層は、それぞれ、厚さｄ１及びｄ２を有し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は、０．２≦ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）≦０．６を満たす厚さを有し、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層に接合を成し、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられ、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記ＡｌＧａＮ層は０．１以下のＡｌ組成を有し、
    前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層と異なる材料からなり、
    前記ＡｌＧａＮ層は、非等方的な歪みを内包し、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のバンドギャップは、前記ｐ型クラッド領域において最も大きく、
    前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗は、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より低い、窒化物半導体レーザ。
  2. 前記支持基体の前記主面と前記活性層の間に設けられたｎ型クラッド領域を更に備え、
    前記ｎ型クラッド領域は、ＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ｎ型クラッド領域の前記ＩｎＡｌＧａＮ層のＡｌ組成より低い、請求項１に記載された窒化物半導体レーザ。
  3. 前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップエネルギは前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップエネルギより大きい、請求項１又は請求項２に記載された窒化物半導体レーザ。
  4. 前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは３．４７エレクトロンボルト以上であり、３．６３エレクトロンボルト以下である、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。
  5. 前記第１及び第２ｐ型III族窒化物半導体層にはマグネシウム（Ｍｇ）が添加されており、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度より小さい、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。
  6. 前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のマグネシウム濃度は８×１０１７ｃｍ−３以上であり、２×１０１９ｃｍ−３以下である、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。
  7. 前記支持基体の前記主面と前記基準軸との成す角度は、１０度以上８０度以下又は１００度以上１７０度以下である、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。
  8. 前記支持基体の前記主面と前記基準軸との成す角度は、６３度以上８０度以下又は１００度以上１１７度以下である、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  9. 前記ｐ型窒化物半導体領域に接触を成す電極を更に備え、
    前記ｐ型窒化物半導体領域は、前記ｐ型クラッド領域の上に設けられ前記電極と接合を成すためのｐ型コンタクト領域を含み、
    前記ｐ型コンタクト領域の厚さは３００ｎｍ未満であり、
    前記ｐ型クラッド領域のバンドギャップエネルギは前記ｐ型コンタクト領域のバンドギャップエネルギ以上である、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  10. 前記ｐ型窒化物半導体領域に接触を成す電極を更に備え、
    前記ｐ型窒化物半導体領域は、前記ｐ型クラッド領域の上に設けられ前記電極と接合を成すためのｐ型コンタクト領域を含み、
    前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度は前記ｐ型コンタクト領域のｐ型ドーパント濃度より低い、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  11. 前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗は前記ｐ型コンタクト領域の比抵抗より小さい、請求項１０に記載された窒化物半導体レーザ。
  12. 前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は、歪みを内包するＩｎＡｌＧａＮ層を含む、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  13. 前記第２ｐ型III族窒化物半導体層はＧａＮ層を含む、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  14. 前記活性層は、４８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光を発生するように設けられる、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  15. 前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    を更に備え、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さは、前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さより大きい、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  16. 前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    を更に備え、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は、前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成より大きい、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  17. 前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    を更に備え、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成は０．０４以上である、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  18. 前記活性層と前記支持基体との間に設けられたｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    前記活性層と前記ｐ型クラッド領域との間に設けられたｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と、
    を更に備え、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さと前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成との積は、前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さと前記ｐ側ＩｎＧａＮ光ガイド層とのインジウム組成の積より大きく、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さと前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成の積は２以上１０以下であり、ここで、前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の厚さの単位はｎｍで表され、前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層のインジウム組成はIII族構成元素に対するモル比で表される、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  19. 前記支持基体の前記主面と前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層の間に設けられた窒化物半導体層を更に備え、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層は前記窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられ、
    前記ｎ側ＩｎＧａＮ光ガイド層と前記窒化物半導体層との界面におけるミスフィット転位密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、請求項１５〜請求項１８のいずれか一項に記載された窒化物半導体レーザ。
  20. 窒化物半導体レーザのためのエピタキシャル基板であって、
    窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する基板と、
    前記主面の上に設けられた活性層と、
    前記主面の上に設けられたｐ型窒化物半導体領域と、
    を備え、
    前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ軸方向に延在する基準軸に直交する基準面に対して傾斜し、
    前記活性層は前記基板と前記ｐ型窒化物半導体領域との間に設けられ、
    前記ｐ型窒化物半導体領域はｐ型クラッド領域を含み、
    前記ｐ型クラッド領域の厚さは３００ｎｍ以上であり、１０００ｎｍ以下であり、
    前記ｐ型クラッド領域は、第１ｐ型III族窒化物半導体層及び第２ｐ型III族窒化物半導体層から構成され、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層及び第２ｐ型III族窒化物半導体層は、それぞれ、厚さｄ１及びｄ２を有し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は、０．２≦ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）≦０．６を満たす厚さを有し、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層に接合を成し、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層は前記第２ｐ型III族窒化物半導体層と前記活性層との間に設けられ、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層はＡｌＧａＮ層からなり、前記ＡｌＧａＮ層は０．１以下のＡｌ組成を有し、
    前記第２ｐ型III族窒化物半導体層は前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層と異なり、
    前記ＡｌＧａＮ層は、非等方的な歪みを内包し、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のバンドギャップは、前記ｐ型クラッド領域において最も大きく、
    前記第２ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗は、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の比抵抗より低い、エピタキシャル基板。
  21. 前記基板の前記主面と前記活性層の間に設けられたｎ型クラッド領域を更に備え、
    前記ｎ型クラッド領域は、ＩｎＡｌＧａＮ層を含み、
    前記第１ｐ型III族窒化物半導体層の前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、前記ｎ型クラッド領域の前記ＩｎＡｌＧａＮ層のＡｌ組成より低い、請求項２０に記載されたエピタキシャル基板。
  22. 前記活性層と前記基板との間に設けられたＩｎＧａＮ光ガイド層を更に備え、
    前記ＩｎＧａＮ光ガイド層と前記ｎ型クラッド領域との界面におけるミスフィット転位密度は、５×１０３ｃｍ−１以上１×１０５ｃｍ−１以下の範囲にある、請求項２１に記載されたエピタキシャル基板。
  23. 前記ｐ型窒化物半導体領域は前記ｐ型クラッド領域の上に設けられたｐ型コンタクト領域を含み、
    前記ｐ型コンタクト領域の厚さは３００ｎｍ未満であり、
    前記ｐ型クラッド領域のバンドギャップエネルギは前記ｐ型コンタクト領域のバンドギャップエネルギ以上である、請求項２０〜請求項２２のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
  24. 前記ｐ型窒化物半導体領域は前記ｐ型クラッド領域の上に設けられたｐ型コンタクト領域を含み、
    前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のｐ型ドーパント濃度は前記ｐ型コンタクト領域のｐ型ドーパント濃度より低い、請求項２０〜請求項２２のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
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