JP5580965B2 - 窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は窒化物半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
これまで窒化物半導体レーザの結晶成長法としては、有機金属気相成長法が用いられており、素子構造としてはリッジ導波路型が用いられている。リッジ導波路型では、p型コンタクト層の上部に酸化膜を堆積した後、酸化膜の一部をストライプ状に加工し、この酸化膜をマスクとして、ドラエッチングによりp型コンタクト層からp型クラッド層をエッチングし、メサ形状を形成する。このように作製した窒化物半導体レーザでは、現在、素子の信頼性、光出力などにおいて、良好な素子特性が報告されている。
一方、窒化物半導体レーザのメサ形状は垂直型もしくは台形状であり、一般にp型コンタクト層のメサ幅やp型クラッド層上部のメサ幅は、活性層近傍におけるクラッド層のメサ幅と同等もしくは活性層近傍のメサ幅より狭い。さらに窒化物系半導体においては、従来のAlGaInP系に比べ、ｐ型のドーパントであるMgのアクセプター準位が深いことから、アクセプターの正孔への活性化率が低い。また高濃度にMgをドープした場合、結晶中に欠陥が発生したり、活性層へのMgの拡散により、素子特性が劣化してしまう。このため、ドープできるMg濃度には上限があり、正孔濃度はGaAs系やInP系に比べて低い。以上のことから、窒化物系半導体レーザでは素子抵抗が高く、メサ幅の減少に伴い素子抵抗は急激に増大する。
一方、素子抵抗を低減するためメサ幅を広くした場合には、横方向での閉じ込めが不十分となり、しきい電流値の増大や高出力時での電流−光出力の特性においてキンクが発生しやすい。このため窒化物半導体レーザ素子の動作電圧はAlGaInP系に比べ高い。図1はGaN系レーザとAlGaInP系レーザのメサ幅に対する素子抵抗を示しており、GaN系レーザではメサ幅の減少に伴い素子抵抗が著しく増大する。
このような課題を解決する方法として、例えば非特許文献１には、インナーストライプ型が報告されている。インナーストライプ型では活性層上部に低温で成長したアモルファスのAlN薄膜を成長後、メサ部分のAlN層をエッチング除去し、メサ上部およびアモルファスのAlN層上部にAlGaNクラッド層、GaNコンタクト層を再成長する。AlN層のバンドギャップはAlGaNクラッド層のバンドギャップに比べ大きいことから、注入電流はAlN層でブロックされ、メサ部分に閉じ込められる。またAlN層の屈折率はAlGaN層の屈折率に比べ小さいことから、横方向での屈折率差を設けることができ、光の閉じ込め効率を向上させることができる。このため、本従来技術ではクラッド層やコンタクト層の幅がメサ幅に比べ十分に広いことから、メサ幅を減少しても素子抵抗の増大を低減できる。しかしながら、本従来技術では電流ブロック層に低温で成長したアモルファスのAlN層を設けているため、再成長界面やAlN層上のAlGaNクラッド層において、高品質な結晶性を得ることに課題がある。
また別の従来技術としては、特許文献１や特許文献２に記載されている埋め込み型レーザがある。
特許文献１の埋め込み型レーザではp型AlGaNクラッド層まで積層した後、ドライエッチングによりn型GaN層までエッチングし、メサ形状を形成した後、側面をｐ型のドーパントであるZnをドープして高抵抗のGaN層で埋め込んでいる。さらに埋め込み層上部およびメサ上部にp型のMgをドープしたGaNコンタクト層で形成している。このため、コンタクト層の面積を広くすることができる。ただしメサ形状はドライエッチングを用いていることから、垂直もしくは台形状であり、クラッド層上部の抵抗を低減することが困難である。またZnは非常に拡散しやすいドーパントであることから、埋め込み層形成時に活性層へ拡散してしまい、活性層の抵抗が増大してしまう。またメサ側面の埋め込み層にAlを含まない高抵抗のGaN層を用いていることから、横方向での電流障壁や屈折率差が小さいため、注入電流や光の閉じ込め効率が小さい。
特許文献２では埋め込み層にMQWと成長温度の等しいアンドープAlGaN層を用いている。AlGaN層を埋め込み層に用いていることから、横方向の屈折率差を大きくすることは可能であり、成長温度が低いことから、活性層の結晶性は劣化しにくいが、アンドープ層であることから、界面や埋め込み層での電流ブロック構造が不十分である。一方、埋め込み型の半導体レーザとしては光通信用の半導体レーザであるInP系があり、埋め込み構造としては、ｐ型、ｎ型のInP層を交互に積層した構造やFeをドープした半絶縁層による埋め込み構造が一般的である。しかしながら、GaN系やAlGaN系では、p型、n型の埋め込み層を用いた場合、高濃度のp型層の形成や微妙な埋め込み構造の形状制御が困難である。さらにｐ型層もしくは高抵抗層のドーパントとしてMgやZnを用いた場合には、MgやZnの活性層への拡散による結晶性の劣化が問題になる。
特開平10-93198号公報 特開2000-294883号公報 特開2005-306723号公報 第67回応用物理学会学術講演会（2006 秋）p.361 1p-E-8 "ワイドギャップ半導体 光・電子デバイス" 森北出版（株）第３５２頁 "ＩＩＩ族窒化物半導体" 培風館 第２１１−２１２頁 Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.1171-1174
本発明は窒化物半導体レーザの素子特性において、長期信頼性や製造歩留まりを劣化させることなく、素子特性の向上を図るものである。このために、上記従来技術にある埋め込み型の半導体レーザ構造において、光閉じ込め効率の低下や再成長界面の結晶性を劣化させることなく、簡便な方法により、素子抵抗の低減やしきい電流値を低減することを目的としている。
本発明の要旨の一つは次の通りである。
半導体基板上にn型クラッド層、活性層、p型クラッド層およびp型コンタクト層が設けられ、
前記p型クラッド層の断面の一部に逆台形形状の部分があり、前記逆台形形状の部分の前記p型クラッド層の両側面は半絶縁性のAlGaN層によって埋め込まれ、かつ、前記AlGaN層上にも、前記p型クラッド層の前記逆台形形状の部分と連続して前記p型クラッド層が設けられ、その上にp型コンタクト層が設けられていることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
この構成は図２，３および６等の構成にも対応する。
具体的にはp型コンタクト層のコンタクト幅やp型クラッド層のメサ幅を広くし、埋め込み層には屈折率差の大きな結晶を用いた。また微妙な形状制御を不要とし、再成長界面でのリーク電流を低減する。
素子抵抗の低減に向けて、p型コンタクト層の低抵抗化においては、素子構造を埋め込み型構造とし、メサ上部および埋め込み層上部に幅広いp型コンタクト層を形成し、p型コンタクト層の低抵抗化を図った。またp型クラッド層の低抵抗化に対しては、p型クラッド層の形状を逆台形状とし、上部クラッド層のメサ幅を広くすることにより低抵抗化を図る。
具体的には活性層直上までの平坦な多層膜を形成後、マスクを用いた選択成長法により高抵抗埋め込み層を形成し、埋め込み層のマスク端での成長形状が斜めの斜面で律速されるようにする。その後、マスクを除去し、ｐ型のクラッド層を成長して、逆台形状のクラッド層形状とする。
尚、選択成長形状と成長条件との関係ついては、例えば、非特許文献２、3に記載されているように成長条件やマスクストライプの方向によりマスク端の形状は垂直になったり、斜めになったりする。特にマスク端での成長形状については、メサストライプを<11-20>方向にした方が容易に斜面（例えば（1-101）を形成しやすいが、劈開が難しく、ドライエッチングによるレーザ端面の形成が必要となる。
一方、半導体レーザは一般に劈開によってレーザ端面を形成しており、劈開での端面ではドライエッチング時での端面に比べ、結晶欠陥が少なく、作製が容易である。このため、ストライプ方向については、<1-100>方向とし、(1-100)面を劈開面とした。成長条件はマスク端での成長形状が斜めの斜面（例えば（11-22）面）になるように、また再成長時の熱履歴により結晶性の劣化を低減するため、比較的低温の常圧成長とする。
なお6方晶の結晶の表記（Miller-Bravais Index）より＜abcd>は方向を表し、（abcd）は面を表す。さらにabcは6方晶系の面内の座標軸、ｄは6方晶の面内に垂直な座標軸を表し、6方晶に結晶軸において、abとｃの間にc=−（a+b）の関係がある。また本願発明での−（マイナス）の表記は逆方向の方位を表し、例えば（0001）と(000-1)では界面において上側を向いた面と下側を向いた面に対応する。
一方、埋め込み型構造における注入電流と光の閉じ込めにおいては、埋め込み層として、活性層よりバンドギャップの大きいAlGaN層を用い、横方向における電流障壁と屈折率差を設け、注入電流と光の閉じ込め効率の向上を図った。なお、MQW活性層はInGaN層であることから埋め込み層はGaN層でも可能であるが、光ガイド層やバリヤー層のIn組成は一般に数％と少ないことから、屈折率差やバンドギャップ差を少しでも大きくするためにAlGaN層を埋め込み層に設ける。
埋め込み型素子の長期信頼性に対しては、再成長界面や埋め込み層へのリーク電流をブロックするため、埋め込み層を半絶縁層とした。埋め込み層の比抵抗については、比抵抗が低すぎる場合には界面や埋め込み層へ電流が流れ、素子の信頼性が劣化するため、比抵抗を1x104Ωcm以上、望ましくは1x107cm以上とした。また比抵抗の上限値については、ドーピング濃度が高すぎると結晶欠陥や半絶縁性のドーパントであるFeが拡散するため、1x1010Ωcｍ以下とする。
なお、GaN系埋め込み型素子の従来技術では、埋め込み層に高抵抗層を用いた例や絶縁膜を用いた例があるが、単なる高抵抗層では界面や埋め込み層に微小電流が流れ、長期信頼性の劣化要因となる。また、絶縁膜では放熱が悪く、絶縁膜上へのクラッド層の成長が困難である。以上のことから、埋め込み層には1ｘ104Ωｃｍ〜1x1010Ωcｍ、望ましくは1ｘ107Ωｃｍ〜1x1010Ωcｍの半絶縁層を設ける。
なお、GaN系における半絶縁のドーパントとしては、Fe（鉄）があり、結晶成長法としては、ハイドライド気相成長法、有機金属塩化水素気相成長法、有機金属気相成長法があるが、ハイドライド気相成長法、有機金属塩化水素気相成長法はGaN基板を作製するたの成長法であり、成長速度が速すぎて、微妙な膜厚制御や形状制御が困難であることから、埋め込み成長では有機金属気相成長法を用いた。またFeの有機金属原料としては、フェロセン（CP2Fe：bis-cyclopentadienyl iron）があり、GaN系のFeを用いた公知例としては、特許文献３がある。
さらに埋め込み型レーザの長期高信頼性においては、再成長界面の高品質化や低拡散な半絶縁性ドーパントの適用が挙げられる。再成長界面の高品質化としては、再成長界面にAlを含まないよう薄膜のGaN層を設ける方法や再成長時での成長炉内における表面層のガスエッチングなどが挙げられる。これらの課題に対してはFeに代わる低拡散な半絶縁性ドーパントとしては、Ruがある。また成長炉内のガスエッチングに対しては高温時におけるH２（水素）キャリアガスでのエッチングを用い、エッチング後の界面の保護にはN2（窒素）キャリアガスを用い、不要なエッチングを防止した。なお、水素ガスでの成長炉内のガスエッチングについては、従来技術の特許文献１や特許文献２に記載があり、GaN系は一般に水素ガス雰囲気で成長しており、高温ではN（窒素）の脱離が多く、成長中断時にはエッチングになることがある。このため、成長炉内のガスエッチング後は不要なエッチングによる形状変化を防ぐため、窒素キャリアガスで昇温する。
なお、Ｆｅに代わる低拡散なドーパントとしてはRuがあり、Ruの従来技術としてはInP系の半導体レーザにおいて、Ruドープ半絶縁性InPを埋め込み層に用いた非特許文献4がある。
本発明によれば、低抵抗で高信頼な窒化物半導体光素子（レーザ装置等。）が実現できる。
（実施例１）
本発明の断面構造を図2、概観図を図３、作製プロセスのフローを図４、各作製プロセスでの概観図を図５に示す。有機金属気相成長法により(0001)ｎ型GaN基板1上にSiドープn型GaNバッファ層２（膜厚1000nm、Si濃度：１x1018cm-3）、Siドープｎ型AlGaNクラッド層3（Al組成：0.04、膜厚：2500nm、Si濃度：１x1018cm-3）、Siドープn型GaNガイド層4（膜厚：100nm、Si濃度：５x1017cm-3））、アンドープInGaNガイド層5（In組成：0.02、膜厚：30nm）、アンドープInGaN多重量子井戸活性層6（周期数：3、InGaN井戸層のIn組成：0.10、膜厚： 3.5nm、InGaN障壁層のIn組成：0.02、膜厚：7nm）、アンドープInGaNガイド層7（In組成：0.02、膜厚：30nm）、アンドープGaNガイド層8（膜厚：100nm）、Mgドープp型AlGaN電子ストッパー層9（Al組成：0.15、膜厚：10nm、Mg濃度：１x1019cm-3））、Mgドープp型AlGaN層クラッド層10（Al組成：0.05、膜厚：20nm、Mg濃度：２x1019cm-3））を順次成長後（図５（a）参照）、 酸化膜を堆積し、ウエットエッチングにより幅2μmのストライプ11を形成する（図5（ｂ）参照）。
ストライプの長手方向は<1-100>方向（図3内の結晶軸を参照）であり、選択成長によりFeドープ半絶縁性のAlGaN埋め込み層12（Al組成：0.08、膜厚：400nm、比抵抗：107Ωcm、Fe濃度：1x1019cm-3））を970℃、大気圧で成長する（図５（ｃ）参照）。その後、選択成長用のストライプ11を弗酸系のウエットエッチングで除去する（図５（ｄ）参照）。なお、この時のマスク端における成長面は斜めになっており、低温で大気圧に近い成長条件ほどマスク端での成長面は(11-22)面に近い。なお、AlGaN埋め込み層の成長温度について、本検討では970℃とし、(11-22)面を形成したが、埋め込み形状が若干変化することを考慮すれば、他の成長温度においても良い。
なお、成長形状と成長温度については、以下の傾向がある。一般的に平坦な膜の成長ではGaN、AlGaN系が1000〜1100℃、InGaN系が750〜800℃であり、選択成長形状はAlを含んでいることから、表面マイグレーションが抑制されており、高温においても若干、斜めの斜面が出る傾向である。一方、低温でAlGaNを成長した場合には残留不純物濃度が若干増大することから、AlGaNの成長温度は従来技術にあるGaNの選択成長温度より若干、高めの成長温度が望ましい。またストライプの方向としては、劈開によってレーザ端面を形成するため、<1-100>方向とする。
その後、MgドープAlGaN系p型クラッド層13（Al組成：0.05、膜厚：550nm、Mg濃度：２x101９cm-3））、MgドープGaNコンタクト層14（膜厚：50nm、Mg濃度：1.5x1020cm-3））を成長する（図2、3参照）。さらにp型電極15、n型電極16を蒸着し、ストライプと垂直方向である<11-20>方向に劈開して素子化した。本実施例ではMgドープコンタクト層での電極との接触面積を従来の2μm（メサ幅と同等）から、例えば150μmと広げることができる。
またp型クラッド層の形状は垂直型から逆台形状になったことから上部クラッド層の幅も従来の2μmから約3μmに広げることができる。
この結果、素子の抵抗を約35Ωから20Ωに低減できる。
また埋め込み層について、本実施例ではFe濃度を1x1019cm-3としたが、Fe濃度の最適値は残留キャリア濃度に依存しており、残留キャリア濃度が低ければ低濃度でも良い。ただし高濃度にドープした場合にはFeは拡散しやすいドーパントであるため、活性層に拡散した場合には、しきい電流値の増大や光出力の低下が懸念される。またＦｅドープＧａＮ層においても、高濃度の場合には新たな欠陥の発生や表面モホロジーが劣化するため、約1x1017cm-3〜約1x1020cm-3の範囲、望ましくは1x1019cm-3付近が良い。また本発明での埋め込み層の膜厚は400nmとしたが、他の膜厚でも良い。ただし膜厚が薄すぎる場合には電界をかけた時にリーク電流が若干発生し、厚すぎる場合にはp型クラッド層の膜厚も増大し、抵抗が増大する。このため、埋め込み層の膜厚は300nm以上から1000nm以下程度が望ましい。Al組成については、本願発明では埋め込み層のAl組成を0.08、p型クラッド層のAl組成を0.05としているが、上記記載のAl組成比以外でも良い。
ただし横方向での電流や光を閉じ込めるためには、埋め込み層のAl組成をクラッド層のAl組成より高めることにより、埋め込み層部分の屈折率を下げることが望ましい。
ストライプ方向について、レーザ端面を劈開で形成するため、本実施例ではストライプの方向を<1-100>方向に平行としたが、ドライエッチングによりレーザ端面を形成する場合にはこの方向以外でも可能である。ただし、一般的には劈開で端面を形成した方がダメージが少ないため、ストライプは<1-100>方向が望ましい。また選択成長時のマスク材料として、本実施例では酸化膜を用いているが、マスク上へのデポ物が少なく、選択成長後にマスクを除去できれば窒化膜でも良い。
なお本発明の実施例の効果として、従来のp型、n型の電流ブロック層を用いた場合には、埋め込み層に欠陥が多いことや、ｐ型濃度が低いことから、埋め込み層での電流ブロック機能が十分で無いため、しきい電流値がリッジ構造と変わらず、長期信頼性が不十分（100時間程度）である。一方、本実施例では半絶縁のFeドープAlGaN層でブロックされるため、リーク電流の増大や欠陥の増殖は起こりにくい。また比抵抗については、表1に示すように絶縁性が高まるにつれて、効果が高まる。このため埋め込み層の比抵抗としては、104Ωcm以上、望ましくは107Ωcm以上の値であれば効果的である。本実施例による具体的な長期信頼性の値としては、100mWの光出力において2000時間以上の長期信頼性が得られる。
（実施例２）
図６は本願発明のＡｌＧａＮ埋め込み層の上面、斜面にＦｅドープＧａＮ埋め込み層を付加した例である。実施例１と同様の工程により、有機金属気相成長法でＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０（Ａｌ組成：０．０５、膜厚：２０ｎｍ、Ｍｇ濃度：２ｘ１０１９ｃｍ−３ ）を成長後、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層１７（膜厚：１０ｎｍ、Ｍｇ濃度：２ｘ１０１９ｃｍ−３ ）を成長し、マスクストライプ１１を形成し、ＡｌＧａＮ埋め込み層１２（Ａｌ組成：０．０８、膜厚：５００ｎｍ、Ｆｅ濃度：１ｘ１０１９ｃｍ−３、比抵抗：１０７Ωｃｍ）まで成長した後、ＦｅドープＧａＮ埋め込み層１８（膜厚：１０ｎｍ、Ｆｅ濃度：１ｘ１０１９ｃｍ−３、比抵抗：１０７Ωｃｍ）を成長する。その後、実施例１と同様の工程によりＭｇドープｐ型ＧａＮ層１７上にＭｇドープＡｌＧａＮ系ｐ型クラッド層１３、ｐ型のコンタクト層１４まで成長し、劈開により素子化する。本実施例では埋め込み層の再成長界面、クラッド層の再成長界面が全てＧａＮ層であり、実施例１に記載のＡｌＧａＮ層への再成長が無いことから、再成長界面における表面酸化が少なく、低欠陥な再成長界面を実現できる。
図7はGaN上およびAlGaN上の再成長GaN層の表面モホロジーであり、本実施例ではGaN層を挿入することにより表面層の酸化が低減でき、再成長時での欠陥が少ない。このため、実施例1に比べ、p型クラッド層の結晶性が向上し、長期信頼性が得られており、本発明の効果としては、100mWでの光出力において、3000時間以上の長期信頼性が得られる。なお、本願発明ではAlGaN埋め込み層の上面、斜面および下面にGaN層を設けたが、AlGaN埋め込み層の上面と斜面だけの場合においては、実施例2に比べれば効果は低減するが、実施例1と比較すれば若干の効果がある。この場合には100mWの光出力において2500時間以上の長期信頼性が得られる。
（実施例3）
図8は本願発明のFeドープAlGaN埋め込み層における成長条件を変えた例である。実施例1、2と同様の工程によりマスクストライプ11を形成した後、有機金属気相成長法で1050℃、0.1気圧でFeドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層19（Al組成：0.08、膜厚：200nm、Fe濃度：1x1019cm-3、比抵抗：１０７Ωcm）を成長後、9７0℃、大気圧でFeドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層20（Al組成：0.08、膜厚：300nm、比抵抗：107Ωcm）を成長する。その後、実施例1、2と同様の工程によりp型のコンタクト層14まで成長し、へき開により素子化する。
なお、この時のマスク端における成長形状はGaN系と同様に高温、減圧であるほど垂直形状（（11-20）面）に近かったが、成長温度が高すぎる場合（例えば1150℃）には、InGaN活性層の結晶性が劣化したため、1000〜1100℃付近が望ましい。本実施例の効果として、本実施例では全てのp型のドーパントにMgを用いており、クラッド層におけるMg濃度は約2x1019cm-3と高濃度あり、高温で成長するため、MgがFeドープ埋め込み層へ若干拡散する。
このため、実施例1、2のように埋め込み層の先端が鋭角の場合にはMgが拡散し、先端部分がp型化し、リークパスの生じることがある。
一方、本実施例では鋭角な部分が無いことから、埋め込み層部分のp型化によるリークパスが低減している。このため、本実施例では素子抵抗は若干高くなるが、上記実施例1、2に比べ、横方向での電流閉じ込めが強く、45mAのしきい電流値を約35mAに低減することが可能である。また素子の信頼性においても、鋭角な部分のp型化が低減できることから、信頼性の向上が可能であり、本実施例では4000時間以上の長期信頼性が得られる。
なお本実施例においては実施例2にあるFeドープGaN層17、18を用いていないが、本実施例において用いても、再成長界をGaN層にすれば、同様の効果が有り、再成長界面の欠陥が低減し、信頼性のさらなる向上が可能である。
（実施例4）
図9は本実施例を活性層までエッチング除去した場合に適用した例である。上記実施例と同様の工程によりマスクストライプ11を形成した後、ドライエッチングにより深さ700nmのメサを形成する。その後、有機金属気相成長法でFeドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層21（Al組成：0.08、膜厚：300nm、Fe濃度：1x1019cm-3、比抵抗：107Ωcm）、Feドープ半絶縁のGaN埋め込み層22（膜厚：50nm、Fe濃度：1x1019cm-3、比抵抗：107Ωcm）を成長した。その後、前記実施例と同様の工程によりp型クラッド層13、p型コンタクト層14を成長し、へき開により素子化する。本願発明では活性層の側面をバンドギャップの大きい半絶縁のAlGaN層で埋め込むことにより、横方向での電流狭窄が強まる。
また実施例1〜3はｐ型層で電流狭窄を行っていたが、本実施例ではn型層でも電流狭窄が可能であるため、本実施例では45mAのしきい電流値を約25mAにまで低減することができる。
なお、本実施例では活性層のエッチングについて700nmとしたが、エッチング深さはガイド層の膜厚や活性層構造によって若干異なる。特にn型層へのエッチング深さを増大した場合には、電流狭窄を主にn型層でも行うことができ、p型層のメサ幅を広くすることが可能である。
一方、素子抵抗は主にp型層で決まるとから、n型層内まで深くエッチングすれば、駆動電流と素子抵抗を低減できる。このため、例えばエッチング深さを1000nmとし、ｐ型クラッドにおける斜面の高さを150nmと低減し、残りのp型クラッド層の幅をコンタクト層幅と同じにした場合には、駆動電圧を2割低減し、しきい電流値を18mAにまで低減できる。
（実施例5）
図10は活性層までエッチングした埋め込み構造の場合について、再成長界面の高品質化を行った例である。
上記実施例4と同様の工程により、ドライエッチングで深さ700nmのメサを形成する。その後、有機金属気相成長装置内において、1100℃まで水素雰囲気で昇温し、メサ側面における表面層を成長炉内にて約20nm〜80nmエッチングする。さらに連続して成長炉内にて970℃まで降温した後、Feドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層21（Al組成：0.08、膜厚：300nm、Fe濃度：1x1019cm-3、比抵抗：107Ωcm）、Feドープ半絶縁のGaN埋め込み層22（膜厚：50nm、Fe濃度：1x1019cm-3、比抵抗：107Ωcm）を成長する。
その後、前記実施例と同様の工程によりp型クラッド層13、p型コンタクト層14を成長し、劈開により素子化する。本実施例ではドライエッチング後の表面ダメージ層や自然酸化膜を成長炉内でエッチング除去し、連続的に成長できることから、再成長界面の欠陥を低減できる。このため本実施例の効果としては、実施例4に比べ素子の長期信頼性を約3割増大でき、100mWでの光出力において、4000時間以上の長期信頼性が得られる。
なお、図10の活性層近傍における多層構造のメサ幅が各成長層で異なるのは、成長炉内でエッチングした際のエッチング速度の差を反映しており、エッチング速度は、AlGaN<GaN<InGaNの順である。このため、成長炉内でのエッチング量が大きい場合にはメサ側面の段差が大きくなり、平坦に埋め込むことが困難になる。
一方、エッチング量が少ない場合には表面酸化膜の除去、特にAlGaNでの表面酸化膜の除去が不十分になる。以上のことから、側面のエッチング形状は多層構造（組成と膜厚）に依存しており、本実施例ではメサ側面のエッチング量としては20nm〜80nmとしたが、10nm〜200nm程度なら他のエッチング量でも良い。
なお上記実施例1から5で用いたFeドーパントの成長原料としては、CP2Fe（bis-cyclopentadienyl iron：フェロセン）が一般的である。また他の有機金属原料としては、TMIn（トリメチルインジウム）、TMGa（トリメチルガリウム）、TEGa（トリエチルガリウム）、TMAｌ（トリメチルアルミニウム）、V族原料としてNH3が一般的である。
（実施例6）
本実施例は半絶縁のドーパントにRuを適用した例である。上記実施例と同様にマスクストライプ11を形成した後、有機金属気相成長法によりRuドープ半絶縁性のAlGaN埋め込み層23（Al組成：0.08、膜厚：200nm、Ru濃度：5x1019cm-3比抵抗：8ｘ107Ωcm）、Ruドープ半絶縁のGaN埋め込み層24（膜厚：50nm、Ru濃度：5x1019cm-3比抵抗：8ｘ107Ωcm）を成長する。その後、前記実施例と同様の工程によりp型クラッド層13、p型コンタクト層14を成長し、ヘキカイにより素子化する。
本実施例では半絶縁性のドーパントとして、Feの代わりにRuを用いており、RuはFeに比べ低拡散のドーパントであることから、Ru濃度を増大させても、p型クラッド層やアンドープ活性層への半絶縁性ドーパントの拡散が少ない。このため、しきい電流値を増大させることなく、AlGaN埋め込み層の比抵抗を増大でき、横方向のリーク電流をさらにブロックすることができる。本実施例6では実施例4に対し、しきい電流値をさらに14mAにまで低減できる。なお本実施例ではRuドープのみの埋め込み構造としたが、RuドープとFeドープでは最適な成長条件が異なることから、先の実施例であるFeドープ埋め込み層と組み合わせたRuドープAlGaN層／FeドープAlGaN層からなる埋め込み構造、もしくはRuとFeを同時にドープしたRu、FeドープAlGaN層でも良い。
なおRuの有機金属原料としては、bis(η5-2,4-dimethil pentadienyle) ruthenium(ＩＩ)3)、Ru(C2H5C5H4)2、Ru(CH3C5H4)2、Ru(C5H5)2などがある。
なお、上記実施例1〜6では結晶成長方法に有機金属気相成長法を用いているが、最近の窒化物半導体の成長方法として、クロライド気相成長法や分子線エピタキシー法の検討も進んでいる。しかしながら、薄膜制御や選択成長、半絶縁の成長などにおいては有機金属気相成長法が有利であり、本願発明の結晶成長法としては、有機金属気相成長法が望ましい。
なお、図面の符号の説明は次の通りである。
1；ｎ型GaN基板、2；ｎ型GaNバッファ層、3；ｎ型AlGaNクラッド層、4；n型GaNガイド層、５；アンドープInGaNガイド層、６；アンドープInGaN多重量子井戸活性層、７；アンドープInGaNガイド層、８；アンドープGaNガイド層、９；Mgドープp型AlGaN層、１０；Mgドープp型GaN層、１１；選択成長用マスクストライプ、１２；Feドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層、１３；MgドープAlGaN系p型クラッド層、１４；MgドープGaNコンタクト層、１５；p型電極、１６；n型電極、１７；Feドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層、１８；FeドープGaN埋め込み層、１９；Feドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層、２０；Feドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層、２１；Feドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層、
２２；Feドープ半絶縁のGaN埋め込み層、２３；Ruドープ半絶縁のAlGaN埋め込み層、２４；Ruドープ半絶縁のGaN埋め込み層。
本発明は、窒化物半導体レーザを用いた青紫色（波長405nm付近）のDVD用レーザ光源、またデスプレイ用RGB光源向けた青色（波長420から490nm）半導体レーザや緑色（490から550nm）半導体レーザに関するものであり、産業上の利用可能性を有する。
リッジ型GaN系レーザとリッジ型AlGaInP系レーザのメサ幅に対する素子抵抗の関係図。 本願発明の第１の実施例を示す半導体多層膜の断面構造を示す模式図。 本願発明の第１の実施例を示す半導体レーザ構造の概観図。 本発明の作製工程を示すプロセス図。 本発明の各工程での素子概観図。 本願発明の第２の実施例を示す半導体多層膜の断面構造を示す模式図。 本願発明の効果を示す表面モホロジー写真。 本願発明の第3の実施例を示す半導体多層膜の断面構造を示す模式図。 本願発明の第4の実施例を示す半導体多層膜の断面構造を示す模式図。 本願発明の第5の実施例を示す半導体多層膜の断面構造を示す模式図。

Claims (1)

  1. 半導体基板上にｎ型クラッド層、活性層、ガイド層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層が順に積層され、
    前記ｐ型クラッド層の断面の一部に逆台形形状の部分を有し、
    前記逆台形形状の部分の前記ｐ型クラッド層の両側面は半絶縁性のＡｌＧａＮ層によって埋め込まれ、かつ、前記ＡｌＧａＮ層上にも、前記ｐ型クラッド層の前記逆台形形状の部分と連続して前記ｐ型クラッド層が設けられ、
    前記逆台形形状の部分であるメサ型のストライプの延在方向は＜1-100＞に平行な方向であり、
    前記逆台形形状の部分における前記ＡｌＧａＮ層の斜面の面方位は（11-22）であり、
    前記ＡｌＧａＮ層の前記半導体基板面からみて下面の面方位が（0001）であり、
    前記ＡｌＧａＮ層の前記斜面、上面および下面上にはＧａＮ層が設けられ、
    前記ＡｌＧａＮ層を構成するＡｌＧａＮ材料におけるＡｌ組成比ＡｌＢと、ＡｌＧａＮ材料からなる前記ｐ型クラッド層におけるＡｌ組成比ＡｌＣとの関係が、ＡｌＢ≧ＡｌＣ＞０であり、
    前記ＡｌＧａＮ層の前記斜面、前記上面および前記下面上に設けられた前記ＧａＮ層は、前記ＡｌＧａＮ材料からなる前記ｐ型クラッド層と接しており、
    前記ＡｌＧａＮ層はドーパントとしてＦｅまたはＲｕが用いられ、
    前記ＡｌＧａＮ層の膜厚は３００〜１０００ｎｍであることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
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