半導体レーザ及びその製造方法
【課題】 高光出力動作における長寿命化が可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】 基板１１上に、ｎ型半導体層１３、活性層１０１、およびｐ型半導体層２４がこの順で積層され、活性層１０１とｐ型半導体層２４との間に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる中間層３１が形成されており、
中間層３１は、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層３１ａと、ｎ型不純物がドープされた拡散抑制層３１ｂとが積層されて構成され、ｐ型半導体層２４と隣接する側に拡散抑制層３１ｂが配置されており、基板１１とｎ型半導体層１３との間に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層４３が形成されている半導体レーザ。
【解決手段】 基板１１上に、ｎ型半導体層１３、活性層１０１、およびｐ型半導体層２４がこの順で積層され、活性層１０１とｐ型半導体層２４との間に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる中間層３１が形成されており、
中間層３１は、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層３１ａと、ｎ型不純物がドープされた拡散抑制層３１ｂとが積層されて構成され、ｐ型半導体層２４と隣接する側に拡散抑制層３１ｂが配置されており、基板１１とｎ型半導体層１３との間に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層４３が形成されている半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代の高密度光ディスク用光源として青紫色の光を発するレーザダイオードに対する要望が高まり、特に、青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域で動作可能な窒化ガリウム（ＧａＮ）系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の研究開発が盛んに行われている。さらに、その光ディスク装置はレコーダーとして高密度・高速記録用が待望されているため、高光出力で信頼性の高いＧａＮ系半導体レーザが必要となっている。
【０００３】
最近、ＧａＮ系レーザの長寿命化のために、サファイア基板上に成長したＧａＮ系半導体膜上に二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの絶縁膜を部分的に堆積し、この絶縁膜上にＧａＮ系半導体を選択成長し転位密度を低減する手法が採用されている。この選択成長に関しては、非特許文献１がある。非特許文献１によれば、ＧａＮの＜１−１００＞方向にラインアンドスペース状のＳｉＯ２膜を周期的に形成することで、ＳｉＯ２上を横方向（ＥＬＯ：Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長したＧａＮ膜が平坦につながり、低転位基板として利用できるようになることが示されている。
【０００４】
このＥＬＯ選択成長技術をレーザに適用した文献として、非特許文献２および非特許文献３がある。非特許文献２によれば、選択成長によりレーザ構造の活性層部分での転位密度を１Ｅ１０ｃｍ−２程度から１Ｅ７ｃｍ−２程度に低減できることが示されている。さらに、非特許文献４によれば、ＧａＮ系レーザの動作電流と動作電圧を低減して消費電力（動作電流と動作電圧の積）を低減することも、レーザの発熱を抑制することに繋がり、長寿命化に有効であることが示されている。
【０００５】
ＧａＮ系レーザに限らず、一般に半導体レーザの活性層は、キャリア注入のためにｐ−ｎ接合で挟まれた構造を有している。このため、活性層付近でのｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの制御すなわち界面急峻性が、レーザ特性向上に重要である。なぜなら、上記ドーパントが活性層に拡散すると、非発光再結合中心として作用し、活性層の発光効率が低下することがあるからである。以下、ＧａＮ系半導体のｐ型ドーパントに関して、従来の制御方法について説明する。
【０００６】
ＧａＮのｐ型ドーパントには、一般的にビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が使用されている。しかしながら、非特許文献５によれば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた結晶成長では、ｐ型ドーパントであるＭｇが所定の結晶以外にまで拡散する問題があることが示されている。さらに、転位密度が多い場合には、この拡散が顕著であることも示されている。また、非特許文献６では、ＭｇがＭＯＶＰＥ装置の反応炉である石英製のリアクターに吸着するメモリー効果について記載されている。この文献によれば、Ｍｇがメモリー効果を有するため、ドーピング遅れが生じ、Ｍｇ濃度分布の界面急峻性が悪化することが示されている。
【０００７】
その他、従来のＭｇの拡散制御方法に関しては、特許文献１および特許文献２に記載がある。
【０００８】
我々は、ＧａＮ系レーザの長寿命化を図るため、上記非特許文献１、２と同様に、ＥＬＯ選択成長法によりＧａＮ膜の転位密度低減を試みたが、長寿命化の効果は不十分であった。すなわち、転位密度の低減だけでは、ＧａＮ系レーザの長寿命化は図れないことが明らかになった。
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．４ （１９９８） ４８３−４８９
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．７７ （２０００） １９３１−１９３３
【非特許文献３】ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， Ｖｏｌ．Ｅ８３−Ｃ （２０００） ５２９−５３５
【非特許文献４】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４０ （２００１） ３２０６−３２１０
【非特許文献５】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１８９／１９０ （１９９８） ５５１−５５５
【非特許文献６】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１４５ （１９９４） ２１４−２１８
【特許文献１】特開平６−２８３８２５号公報
【特許文献２】特開平１１−２５１６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、高光出力動作における長寿命化が可能な半導体レーザ及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の前記目的は、基板上に、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層がこの順で積層され、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる中間層が形成されており、前記中間層は、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層と、ｎ型不純物がドープされた拡散抑制層とが積層されて構成され、前記ｐ型半導体層と隣接する側に前記拡散抑制層が配置されており、前記基板とｎ型半導体層との間に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層が形成されている半導体レーザにより達成される。
【００１１】
この半導体レーザは、例えば、基板上に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層を形成するステップと、前記ｎ型半導体層上に、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む活性層を形成するステップと、前記活性層上に、窒化ガリウム系化合物からなる中間層を形成するステップと、前記中間層上に、ｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層を形成するステップとを備え、前記中間層を形成するステップは、不純物をドープせずに窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層を形成するステップと、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の成長途中にｎ型不純物のドープを開始して拡散抑制層を形成するステップとを含む半導体レーザの製造方法により作製される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高光出力動作における長寿命化が可能な半導体レーザ及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。図１に示すように、レーザウエハは、サファイア基板１１上に、ｎ型コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、第１の光ガイド層１４、多重量子井戸活性層１０１、中間層２１、キャップ層２２、第２の光ガイド層２３、ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２５が順次積層されており、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層とｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層との間に、活性層が挟持された構成となっている。ｐ型不純物は、電気的活性化率が高いことが好ましく、本実施形態ではＭｇとしている。また、ｎ型不純物は、電気伝導制御性が良好であることが好ましく、本実施形態ではＳｉとしている。
【００１５】
多重量子井戸活性層１０１は、図２に示すように、光ガイド層１４に近い方から順番に、第１のＧａＮバリア層１５、第１のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸１６、第２のＧａＮバリア層１７、第２のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸１８、第３のＧａＮバリア層１９、および第３のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸２０が積層されて構成されている。
【００１６】
このレーザウエハは、以下の方法により製造することができる。まず、（０００１）面を主面とするサファイア基板１１に対して、酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄した基板１１をＭＯＶＰＥ装置（図示せず）の反応炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）の水素雰囲気として、温度を約１１００℃にまで昇温して基板１１を加熱し、表面のサーマルクリーニングを約１０分間行う。
【００１７】
次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、基板１１の主面上に、供給量７ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が７．５ｓｌｍのアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層（図示せず）を成長する。続いて、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスを更に供給して、厚さが約４μｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２を成長する。次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を更に供給しながら、厚さが約０．７μｍでＳｉ不純物濃度が約５Ｅ１７ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるｎ型クラッド層１３を成長する。続いて、厚さが約１２０ｎｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなる第１の光ガイド層１４を成長する。
【００１８】
この後、温度を約８００℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更し、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを供給して、図２に示すように、それぞれ厚さが約３ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる量子井戸１６，１８，２０（３層）と、それぞれ厚さが約９ｎｍのＧａＮよりなるバリア層１５，１７，１９（３層）とからなる多重量子井戸活性層１０１を成長する。この際、活性層１０１の発光効率を向上させるために、バリア層の成長時にＳｉＨ４ガスも供給して、バリア層のみにＳｉ不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３程度のＳｉをドーピングしている。
【００１９】
続いて、厚さが約１５ｎｍ（０．０１５μｍ）のＧａＮよりなる中間層２１を成長する。本実施形態では、この中間層２１は、意図的に不純物を添加しない実質的なアンドープ層とする。
【００２０】
その後、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温し、キャリアガスを窒素から水素に戻して、ｐ型ドーパントであるＣｐ２Ｍｇガスを供給しながら、厚さが約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎよりなるキャップ層２２を成長する。次に、厚さが約１２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＮよりなる第２の光ガイド層２３を成長する。続いて、厚さが約０．５μｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるｐ型クラッド層２４を成長する。最後に、厚さが約０．０５μｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２５を成長する。こうして、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に中間層２１および活性層１０１が挟持されたレーザウエハが完成する。
【００２１】
次に、図１及び図２に示すレーザウエハを用いて、図３に示す半導体レーザを作製する方法を説明する。
【００２２】
まず、レーザウエハに対してｐ型半導体層の活性化加熱処理を行う。その後、ウエハ表面に二酸化珪素（ＳｉＯ２）よりなる絶縁膜を堆積させる。続いて、この絶縁膜上にレジスト膜を堆積させ、フォトリソグラフィー法によりｐ型コンタクト層２５のリッジ形成位置（リッジ幅：約２μｍ）のみにレジスト膜を残す。この後、レジスト膜をエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜をフッ酸溶液で除去しｐ型コンタクト層２５を露出させる。続いて、リッジ形成位置以外のｐ型コンタクト層２５とｐ型クラッド層２４の一部とをドライエッチング装置でエッチングし、ｐ型半導体層の残し膜厚を０．１μｍ程度にする。その後、アセトンなどの有機溶液により、リッジ上のレジスト膜を除去する。
【００２３】
次に、ｎ型電極の形成位置以外をＳｉＯ２よりなる絶縁膜で覆い、ドライエッチングでｎ型コンタクト層１２を露出させる。そして、ｐ側とｎ側の電気的分離を行うため、表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜２６を形成した後、リッジ位置のｐ型コンタクト層２５上の絶縁膜をフッ酸溶液で除去する。この後、露出したｎ型コンタクト層１２上に、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）の蒸着によりｎ型電極２７を形成し、露出したｐ型コンタクト層２５上に、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）の蒸着によりｐ型電極２８を形成する。こうして、図３に示す半導体レーザが得られる。
【００２４】
続いて、レーザ共振器端面のへき開工程を行う。まず、サファイア基板１１の裏面側から研磨して、総膜厚が１００μｍ程度となるように薄膜化する。その後、共振器端面がサファイア基板の＜１−１００＞方向となるように、基板１１をへき開装置（図示せず）でバー状にへき開する。尚、本実施形態ではレーザ共振器長を７５０μｍとした。そして、レーザ共振器の後端面に、３対のＳｉＯ２および二酸化チタン（ＴｉＯ２）の積層体で構成される誘電体多層膜を堆積させ、高反射膜コートとする。
【００２５】
最後に、劈開されたバーに対して２次へき開を行い、レーザチップに分離して、レーザキャンにｐサイドダウンで実装する。この実装時は、レーザチップを炭化珪素（ＳｉＣ）からなるサブマウントに半田を介して行う。こうして、半導体レーザ素子を作製することができる。
【００２６】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は、図４に示すように、それぞれ６０ｍＡ、０．８Ｗ／Ａであった。
【００２７】
また、光出力３０ｍＷにおける消費電力（動作電流と動作電圧の積）が０．６Ｗ程度のレーザ素子を選別して、室温において３０ｍＷの高光出力での一定光出力（ＡＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）による寿命試験を実施した結果を図５に示す。レーザ素子での劣化率（動作電流の増加率）は１時間当たり０．９ｍＡ程度であり、約１００時間の寿命時間（動作電流が初期電流の２倍になるまでの時間）を確認した。
【００２８】
本実施形態においては、中間層を２元混晶のＧａＮで構成したが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの３元混晶や、ＡｌＩｎＧａＮなどの４元混晶などの、他の窒化ガリウム系化合物半導体とすることも可能である。また、本実施形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザや、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体レーザなどの場合も、本実施形態と同様の構成にすることができる。
【００２９】
比較例
第１の実施形態に係る半導体レーザの比較例として、中間層２１にＳｉをドーピングしてｎ型ＧａＮ層とする他は第１の実施形態と同様の方法により半導体レーザを作製し、Ｍｇの活性層内への拡散状態を比較検討した。ｎ型ＧａＮ層からなる中間層のＳｉ不純物濃度は、バリア層と同程度の約２Ｅ１８ｃｍ−３とした。
【００３０】
比較例における結晶成長後のレーザウエハに対して、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いて、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図６に示す。
【００３１】
図６から、Ｍｇが活性層内に（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）広く拡散している様子がわかる。具体的には、拡散したＭｇ濃度は、第１の量子井戸１６では約４Ｅ１７ｃｍ−３、第２の量子井戸１８では約２Ｅ１８ｃｍ−３、第３の量子井戸２０では約１Ｅ１９ｃｍ−３であった。後述するように、第１の実施形態に係るレーザウエハについての測定結果と比較すると、第２の量子井戸１８で約１０倍、第３の量子井戸２０で約４倍のＭｇが活性層内に拡散していることがわかる。すなわち、第１の実施形態におけるアンドープＧａＮ中間層２１に、ｎ型不純物であるＳｉをドープする（即ち、ｎ型ＧａＮ中間層とする）ことにより、Ｍｇの拡散が促進される。
【００３２】
この現象は、従来文献「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．６６ （１９８９） ６０５−６１０」を参考にすると以下のように解釈できる。拡散するＭｇ原子は、格子間位置に存在するために容易に拡散し、拡散により置換型位置に存在するＳｉと出会うと、ドナー・アクセプター相互作用（クーロン相互作用）によりＭｇＳｉからなる電気的に中性で安定な複合体を形成する。このため、ＭｇはＳｉがドープされている領域を容易に拡散するものと思われる。活性層は、バリア層においてＳｉがドープされているので、比較例のように中間層にＳｉがドープされていることにより、Ｍｇが活性層中央付近にまで広く拡散したものと推測される。
【００３３】
比較例に係る半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は各々７５ｍＡ、０．５Ｗ／Ａであった。上述した第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の測定結果と比較すると、閾値電流およびスロープ効率ともに悪化している。これは、レーザ素子の活性層の発光効率がＭｇ拡散により低下したことに起因しているものと思われる。このことを確認するため、本発明者らは以下の実験を行った。
【００３４】
本実験においては、第１の実施形態におけるレーザウエハの製造工程において、活性層成長時に意図的にＭｇをドーピングした半導体レーザ素子（試料Ａ）と、ドーピングしない半導体レーザ素子（試料Ｂ）とを作製した。更に、レーザウエハの製造工程において、活性層をＳｉドープＧａＮ層により形成し、且つ、活性層成長時に意図的にＭｇをドーピングする他は、第１の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ素子（試料Ｃ）を作製した。試料Ａ及び試料ＣのＭｇ不純物濃度は約１Ｅ１９ｃｍ−３とした。
【００３５】
そして、上記試料Ａ〜試料Ｃのフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定した。ＰＬ測定は、活性層を選択的に光励起して室温で実施した。この結果を図７に示す。但し、試料Ａおよび試料Ｃについては、ＰＬ強度を２５０倍にして表示している。
【００３６】
図７に示すように、Ｍｇをドーピングしない試料Ｂでは、ＰＬピーク波長は約４００ｎｍであったが、Ｍｇをドーピングした試料Ａでは約４３５ｎｍと約５５０ｎｍの２ピークに分離して、その半値幅も広くなっている。この現象は、活性層にＭｇをドーピングすることにより、ＩｎＧａＮ量子井戸内に深い準位が形成され、それが非発光再結合中心になっているものと思われる。また、ＩｎＧａＮの相分離を促し、量子井戸の界面急峻性を低下させている可能性もある。
【００３７】
深い準位からの発光（５５０ｎｍ）の各ＰＬ強度をピーク強度で規格化した値（規格化強度）は、Ｍｇをドーピングしない試料Ｂが、１３６００（５５０ｎｍ）／１３０００００（４００ｎｍ）＝１．１Ｅ−２であるのに対し、Ｍｇをドーピングした試料Ａは、１０４５０００（５５０ｎｍ）／４３３２００（４３０ｎｍ）＝２．４であった。即ち、試料Ａは、Ｍｇをドーピングすることにより深い準位からの発光確率が高くなり、活性層の発光効率が低下していることがわかった。
【００３８】
一方、ＳｉドープＧａＮ層からなる活性層にＭｇをドーピングした試料Ｃについては、上記規格化強度が、１２（５５０ｎｍ）／１６２００（３６０ｎｍ）＝７．４Ｅ−４であり、Ｍｇをドーピングしない試料Ｂよりも低い値であった。このように、Ｍｇのドーピングにより深い準位の規格化強度が高くなることで発光効率が低下するという問題は、活性層にＩｎＧａＮ量子井戸を含むレーザ素子に特有の問題である。従来は、ＧａＮ系発光素子の長寿命化対策として、転位密度低減と消費電力低減が唯一の手段と認知されていたが、活性層内の不純物濃度を制御することも重要な要素であることを今回初めて見出した意義は非常に大きい。
【００３９】
ところで、試料Ｃは特開平６−２８３８２５号公報に開示された窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの活性層にＭｇを添加した半導体レーザダイオードと同一である。特開平６−２８３８２５号公報では、Ｍｇの拡散に関する問題について言及されているものの、活性層にはＳｉをドープしたＧａＮが用いられている。我々の上記実験から明らかなように、特開平６−２８３８２５号公報では、ＳｉをドープしたＧａＮからなる活性層にＭｇが拡散したとしても、図７に示されるように、約４００ｎｍの波長から見て短波長側である約３６０ｎｍの波長においてＰＬ強度がピークとなる。
【００４０】
一方、我々は、ＩｎＧａＮからなる活性層にＭｇが拡散した場合、試料ＡのようにＰＬ強度のピークが長波長側の５５０ｎｍ付近に移動し、結果として発光色が黄色となってしまうという課題に着目している。特開平６−２８３８２５号公報においては、約４００ｎｍの波長から見てＰＬ強度のピークが長波長側に移動し、発光色が黄色となってしまうということは見出されていない。従って、一見したところ本発明と特開平６−２８３８２５号公報とは類似しているように見えるが、解決しようとする課題が全く異なる。なお、特開平６−２８３８２５号公報において、活性層にＩｎを含んでよいという示唆はない。
【００４１】
また、比較例の半導体レーザ素子について、光出力３０ｍＷにおける消費電力が０．６Ｗ程度のものを選別して、室温において３０ｍＷの高光出力での一定光出力（ＡＰＣ）寿命試験を実施した結果を図８に示す。
【００４２】
図８に示す測定結果を、消費電力が同じ場合の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の測定結果（図５参照）と比較すると、比較例のレーザ素子の劣化率は、第１の実施形態のレーザ素子に比べて１０倍程度（１時間当たり９ｍＡ程度）であり、急速に劣化が進行することがわかった。すなわち、比較例のレーザ素子は、転位密度は第１の実施形態のものと同程度（約１Ｅ１０ｃｍ−２）であるが、活性層内のＭｇ拡散状態が異なるために、寿命時間に差異が生じていることが明確になった。
【００４３】
尚、測定結果を比較する際に消費電力を同じにしたのは、ＧａＮ系レーザの寿命時間が消費電力に大きく依存するために、同程度の消費電力でレーザ素子を比較しないと、活性層内のＭｇ拡散状態と寿命時間との相関関係が明確にならないためである。
【００４４】
中間層厚みの検討
次に、本実施形態の半導体レーザにおける中間層２１の好ましい厚みについて検討する。本実施形態においては、ｐ型半導体層と活性層との間にアンドープ層である中間層２１が設けられているので、中間層２１の厚みが大きすぎる場合には、ｐ型半導体層から活性層に正孔が効率よく注入されない。そこで、サファイア基板上に、上記と同様にしてｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を積層することによりｐ−ｎ接合デバイスを作製し、ｎ型ＧａＮ層中の正孔の拡散長を評価した。そして、このデバイスをへき開し、ｐｎ接合部分を露出させた後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた電子線励起電流法（ＥＢＩＣ）により、へき開されたデバイス断面のｐ−ｎ接合部分を観察した。その結果、ｎ型ＧａＮ層中の正孔の拡散長は、０．２μｍ程度であった。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の場合は、他の化合物半導体と比較して電気伝導に寄与する正孔の有効質量が大きいため、その拡散長は０．２μｍ程度以下と非常に小さな値である。
【００４５】
このような実験結果から、活性層に効率良く電気的に正孔を注入するためには、中間層２１の厚みを正孔の拡散長（本実施形態においては０．２μｍ）よりも小さくすべきであることが明らかになった。
【００４６】
一方、中間層２１の厚みが小さすぎる場合には、ｐ型ドーパントが中間層２１を通過して活性層に拡散する。一例として、中間層２１の厚みが１５ｎｍの場合において、ＳＩＭＳ法を用いて、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図９に示す。Ｍｇが活性層内（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）に拡散している様子がわかる。具体的には、拡散したＭｇ濃度は、第１の量子井戸１６では約１Ｅ１７ｃｍ−３、第２の量子井戸１８では約２Ｅ１７ｃｍ−３、第３の量子井戸２０では約３Ｅ１８ｃｍ−３である。
【００４７】
更に詳細な検討を行うため、中間層２１が種々の厚みのレーザ素子を作製して、以下の実験を行った。一例として、中間層２１の厚みが６０ｎｍのレーザウエハについて、ＳＩＭＳ法を用いて、Ｍｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図１０に示す。
【００４８】
図１０に示す結果（中間層厚み：６０ｎｍ）を、図９に示す結果（中間層厚み：１５ｎｍ）と比較すると、中間層２１の厚みを大きくすることで、Ｍｇの活性層内（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）への拡散が抑制されている様子がわかる。具体的に、拡散したＭｇ濃度は、第１から第３の量子井戸にかけて約１Ｅ１７ｃｍ−３（検出限界程度）である。
【００４９】
このように、中間層２１の厚みを増加させることにより、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層と活性層との距離が増加するため、活性層内へのＭｇ拡散が抑制される。
【００５０】
この中間層厚みが６０ｎｍのレーザウエハから作製した半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。また、閾値電流およびスロープ効率は５０ｍＡ、１．０Ｗ／Ａであり、中間層厚みが１５ｎｍの場合に比べていずれも良好であった。尚、中間層厚みが３０ｎｍのレーザ素子についても同様の測定をしたところ、閾値電流およびスロープ効率は５５ｍＡ、０．９Ｗ／Ａであり、中間層厚みが１５ｎｍの場合に比べていずれも良好であった。この結果は、中間層厚みの増加によりＭｇの拡散が低減され、活性層の発光効率が向上したためと考えられる。
【００５１】
消費電力が０．６Ｗ程度の各レーザ素子における光出力３０ｍＷのＡＰＣ寿命試験では、中間層厚みが３０ｎｍのレーザ素子で１１０時間、中間層厚みが６０ｎｍのレーザ素子で１２５時間程度の寿命時間であった。中間層厚みが１５ｎｍのレーザ素子は、上述したように寿命時間が１００時間であるため、中間層厚みの増加と共に寿命時間も増加しているものの、顕著な寿命改善が図れなかった。この要因を明らかにするため、中間層厚みが６０ｎｍのレーザ素子について、ＡＰＣ寿命試験後のレーザ素子においてＳＩＭＳ分析を実施した。この結果を図１１に示す。
【００５２】
図１１から、ＡＰＣ寿命試験前のＳＩＭＳ結果（図１０）と比較して、寿命試験によって活性層中にＭｇが顕著に拡散している様子がわかる。この現象は、転位密度が多い（約１Ｅ１０ｃｍ−２）ために、寿命試験中にｐｎ接合での発熱および内部電界の作用により、ｐ型ドーパントであるＭｇが転位を介して活性層内に拡散したことに起因すると思われる。
【００５３】
ところが、中間層２１の厚みが更に増加すると、寿命時間が急激に改善されることがわかった。中間層２１が種々の厚みのレーザ素子に対してＡＰＣ寿命試験を行った結果を図１２示す。中間層の厚みが約１００ｎｍまでは、中間層厚みの増加と共に寿命時間も改善されているが、中間層厚みが約１００ｎｍを超えると寿命時間が徐々に低下していることがわかる。中間層厚みを２００ｎｍ（０．２μｍ）としたレーザ素子も作製したが、室温連続発振には到らなかった。これは、中間層厚みが正孔の拡散長（０．２μｍ）程度であるため、活性層への正孔の注入効率が大幅に低下したためと推測される。
【００５４】
この結果から、中間層２１の厚みは、１５ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下であることがより好ましく、８０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であることが更に好ましい。
【００５５】
次に、各レーザ素子の発光状態を観察するために、電流注入によりリッジストライプに沿って発光するエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）光を、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラによりサファイア基板の裏面から観察した。中間層厚みが１５ｎｍのレーザ素子では、ＥＬ光強度の弱い領域（発光むら）が多数生じているが、中間層厚みが３０ｎｍ，６０ｎｍのレーザ素子では、ＥＬ光が均一に改善されていることを確認した。このような発光むらに関する以前の報告例として、第７の文献「第４８回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集Ｎｏ．１ ２８ｐ−Ｅ−１２ ｐ．３６９」があるが、この文献によると、発光むらは活性層上に存在するｐ型ＡｌＧａＮキャップ層が活性層に大きな歪を生じさせているためと報告している。しかしながら、我々の検討においては、活性層内へのＭｇ拡散が発光むらの主原因であることを初めて見出した。発光むらの低減は、ウエハー面内でのレーザ素子の歩留り向上、ひいては低コスト化に大きく貢献するため、製造面においてもこの現象を見出した意義は非常に大きい。
【００５６】
また、中間層厚みが６０ｎｍのレーザ素子について、ＡＰＣ寿命試験前後のＥＬ発光像を比較したところ、寿命試験前においても貫通転位に起因すると思われる暗点が多数観察されたが、寿命試験後ではその暗点がより暗くなる（拡大する）傾向が見られた。この現象は、前述したように、寿命試験中にＭｇが貫通転位を介して活性層内に拡散するために、転位周辺の領域で活性層の発光効率が低下したものと推測される。
【００５７】
（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。第２の実施形態に係るレーザウエハは、図１に示す第１の実施形態に係るレーザウエハにおいて、アンドープ層からなる中間層２１を２層構造からなる新たな中間層３１とする他は、同様の構成としている。したがって、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子と同じ構成部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施形態のレーザウエハにおける中間層３１は、活性層１０１とキャップ層２２との間に形成された厚さ６０ｎｍのＧａＮ層であり、厚さ１５ｎｍのアンドープ層３１ａと、厚さ４５ｎｍの拡散抑制層３１ｂとが積層された構成となっている。拡散抑制層３１ｂは、例えばＳｉ不純物濃度が３Ｅ１９ｃｍ−３程度の層であり、キャップ層２２に隣接している。
【００５９】
このレーザウエハは、基本的には第１の実施形態と同様の方法で作製することができるが、中間層３１の形成時においては、ＧａＮ層の成長中にＳｉＨ４ガスの供給量を変化させ、中間層３１の膜厚内でＳｉ不純物濃度が厚さ方向に不均一になるようにしている。具体的には、中間層３１の成長開始後、厚さ約１５ｎｍはアンドープとし、残りの厚さ約４５ｎｍについてはＳｉＨ４ガスを供給してｎ型ＧａＮ層となるように成長する。
【００６０】
結晶成長が終了したレーザウエハにおいて、ＳＩＭＳ法を用いて、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図１４に示す。Ｍｇのドーピングを開始したｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層２２の直下に本実施形態の中間層３１が存在することにより、Ｍｇの活性層内への拡散が大幅に抑制できていることがわかる。具体的には、拡散したＭｇ濃度は、第１の量子井戸２６、第２の量子井戸２８および第３の量子井戸３０で、ともに約１Ｅ１７ｃｍ−３（検出限界程度）である。
【００６１】
この測定結果を、第１の実施形態において、アンドープ中間層２１の厚みが本実施形態の中間層３１全体の厚みと同程度（約６０ｎｍ）である場合（図１０参照）と比較すると、中間層内でのＭｇ濃度は本実施形態の方が多いにも拘わらず、活性層内のＭｇ濃度は同程度であることがわかる。このような現象は、以下のように考察することができる。
【００６２】
拡散するＭｇ原子は格子間位置に存在するために容易に拡散し、拡散により置換型位置に存在するＳｉと出会うと、ドナー・アクセプター相互作用（クーロン相互作用）により、ＭｇＳｉからなる電気的に中性で安定な複合体を形成する。このため、ＭｇはＳｉがドープされている領域に拡散し、その位置で安定化するものと思われる。本実施形態の場合は、中間層３１の成長後半である厚さ約４５ｎｍの領域が、３Ｅ１９ｃｍ−３程度の濃度でＳｉがドープされた拡散抑制層３１ｂであるため、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層２２との界面でＭｇの集積（パイルアップ）が発生する。このため、拡散するＭｇは上記界面に集中することで、活性層内へのＭｇの拡散が顕著に抑制される。さらに、中間層３１の成長前半である厚さ約１５ｎｍの領域がアンドープ層３１ａであるため、中間層３１の成長後半でドープしたＳｉが、第３の量子井戸２０に拡散することが抑制される。
【００６３】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は各々４５ｍＡ、１．２Ｗ／Ａであり、良好な結果が得られた。これは、レーザ素子の活性層の発光効率がＭｇ拡散抑制により向上したことに起因すると思われる。
【００６４】
また、上記第１の実施形態と同様に、光出力３０ｍＷにおける消費電力が０．６Ｗ程度のレーザ素子を選別して、室温における３０ｍＷのＡＰＣ寿命試験を実施した結果を図１５に示す。レーザ素子の劣化率は１時間当たり０．３ｍＡ程度であり、寿命時間として２５０時間を確認した。
【００６５】
この結果を、第１の実施形態において、アンドープ中間層２１の厚みが本実施形態の中間層３１全体の厚みと同程度（約６０ｎｍ）である場合と比較すると、上述したように第１の実施形態に係るレーザ素子では寿命時間が１２５時間程度であり、本実施形態に係るレーザ素子は、より長寿命化を図ることができることを確認した。
【００６６】
本実施形態においては、中間層を２元混晶のＧａＮで構成したが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの３元混晶や、ＡｌＩｎＧａＮなどの４元混晶などの、他の窒化ガリウム系化合物半導体とすることも可能である。また、本実施形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザや、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体レーザなどの場合も、本実施形態と同様の構成にすることができる。
【００６７】
中間層におけるＳｉ濃度の検討
次に、中間層３１の拡散抑制層３１ｂにおける好ましいＳｉ濃度について検討する。本実施形態において、中間層３１のＳｉ濃度がそれぞれ異なる３種類のレーザウエハを作製した（試料Ｄ〜試料Ｆ）。各レーザウエハにおける拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度は、試料Ｄが約５Ｅ１７ｃｍ−３、試料Ｅが約２Ｅ１８ｃｍ−３、試料Ｆが約１Ｅ１９ｃｍ−３（試料Ｆ）とした。尚、約２Ｅ１８ｃｍ−３のＳｉ濃度は、活性層のバリア層のＳｉ濃度と同程度であり、約１Ｅ１９ｃｍ−３のＳｉ濃度は、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層のＭｇ濃度と同程度である。
【００６８】
試料Ｄ〜試料Ｆに対して、ＳＩＭＳ法を用いて、Ｍｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図１６に示す。全てのレーザウエハにおいて、Ｍｇが活性層内（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）に拡散している様子がわがる。ただし、Ｍｇ拡散の程度は、試料Ｅが最も顕著であり、次いで試料Ｄ、試料Ｆの順番で拡散が抑制されていることがわかる。特に、試料Ｆでは、Ｍｇの集積（パイルアップ）が発生しており、Ｍｇ拡散を有効に防止できていることがわがる。
【００６９】
以上の結果などから、中間層３１における拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度を、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層２２のＭｇ濃度（即ち、本実施形態の場合は約１Ｅ１９ｃｍ−３）と同程度以上にすることで、Ｍｇ拡散の抑制が顕著になることが明らかになった。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、一般的にｐ型不純物をドーピングしても、その電気的活性化率が数％程度であるため、ｐ型半導体層の電気伝導率は低くなる傾向がある。ｐ型半導体層の電気伝導率を向上させるには電気伝導に寄与する正孔濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３程度必要であるため、電気的活性化率を考慮してｐ型不純物を１Ｅ１９ｃｍ−３程度以上に多量にドーピングする必要がある。この場合、拡散抑制層３１ｂのｎ型不純物濃度を少なくとも１Ｅ１９ｃｍ−３以上に制御することで、ｐ型半導体層からのｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。尚、拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度の上限については実用的な範囲で定めればよく、例えば６Ｅ１９ｃｍ−３程度である。
【００７０】
中間層を構成する各層厚みの検討
本実施形態では、中間層３１（総厚み：６０ｎｍ）におけるアンドープ層３１ａの厚みを１５ｎｍとし、拡散抑制層３１ｂの厚みを４５ｎｍとしたが、アンドープ層３１ａの厚みに対する拡散抑制層３１ｂの厚みの比を適宜変更して、種々のレーザウエハについて上述したようにＭｇの活性層への拡散を評価した。尚、拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度は約１Ｅ１９ｃｍ−３とした。
【００７１】
この結果、アンドープ層３１ａの厚みを１としたときに、拡散抑制層３１ｂの厚みが１／１１以上１１以下である範囲において、Ｍｇ拡散を効果的に抑制することができ、１／３以上３以下の範囲において、より顕著な抑制効果を得ることができた。ただし、中間層３１の総厚みは、正孔の拡散長以下であることが好ましく、具体的には第１の実施形態と同様に１５ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７２】
（第３の実施形態）
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。第３の実施形態に係る半導体レーザは、図１３に示す第２の実施形態に係る半導体レーザにおいて、基板１１上に第１のＧａＮ層４１が形成され、この第１のＧａＮ層４１上にストライプ状の絶縁パターン４２が形成されており、この絶縁パターン４２を埋めるように第１のＧａＮ層４１上に第２のＧａＮ層４３がＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法により形成されている。そして、第２のＧａＮ層４３上にｎ型コンタクト層１２が形成されている。その他の構成については第２の実施形態に係る半導体レーザ素子と同じであるので、同様の構成部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。尚、本実施形態においては、ｎ型コンタクト層１２の厚みを約２μｍとしている。
【００７３】
本実施形態の半導体レーザは、基本的には第２の実施形態と同様の方法で製造することができるが、第２のＧａＮ層４３をＥＬＯ法により形成する方法をメインに、図１８を参照しながら以下説明する。
【００７４】
まず、基板１１上に低温バッファ層（図示せず）を成長した後、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、厚さが約１μｍの第１のＧａＮ層４１を成長する（図１８（ａ））。この後、基板１１を反応炉から取り出し、第１のＧａＮ層４１上に選択成長用の絶縁膜Ｉを形成する（図１８（ｂ））。絶縁膜Ｉは二酸化珪素（ＳｉＯ２）とし、プラズマＣＶＤ装置で１００ｎｍ程度堆積させる。
【００７５】
続いて、絶縁膜Ｉ上にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー法により、ラインアンドスペース状のレジストパターンＲを形成する（図１８（ｃ））。ここで、レジストパターン幅（Ｗｓ）：レジスト除去幅（Ｗｌ）＝１５μｍ：３μｍとしている。ただし、このストライプ方向は、第１のＧａＮ層４１の＜１−１００＞方向である。この後、レジストパターンＲをエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜Ｉをフッ酸溶液で除去し、第１のＧａＮ層４１を露出させる。続いて、アセトンなどの有機溶液によりレジストパターンＲを除去する。こうして、第１のＧａＮ層４１上に絶縁パターン４２が形成される（図１８（ｄ））。
【００７６】
この後、基板１１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内のサセプタに再び保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が２００Ｔｏｒｒの水素雰囲気とし、温度を約１０００℃にまで昇温して、供給量７ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が７．５ｓｌｍのアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、第２のＧａＮ層４３をＥＬＯ選択成長する。第２のＧａＮ層４３は、選択成長初期には絶縁パターン４２の間で成長するが（図１８（ｅ））、成長が進行すると絶縁パターン４２の上方において横方向成長し（図１８（ｆ））、やがて表面が平坦化する（図１８（ｇ））。
【００７７】
第２のＧａＮ層４３の貫通転位密度を平面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で評価したところ、隣接する絶縁パターン４２間では約１Ｅ１０ｃｍ−２であるのに対し、絶縁パターン４２上方のＥＬＯ部分においては約５Ｅ８ｃｍ−２となり、ＥＬＯ選択成長により転位密度が１／２０程度に低減できることがわかった。
【００７８】
レーザ構造の結晶成長においては、厚さ約５μｍの第２のＧａＮ層４３上に、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスも供給して、厚さが約２μｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２を成長する。この後は、第２の実施形態と同様の方法により、図１７に示すレーザウエハを作製することができる。
【００７９】
また、このレーザウエハから半導体レーザ素子を作製するレーザ加工プロセスは、第１の実施形態と同様である。但し、ｐ型コンタクト層２５のリッジは、絶縁パターン４２直上の低転位密度部分に形成する。
【００８０】
本実施形態に係るレーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は各々３５ｍＡ、１．４Ｗ／Ａであり、良好な結果が得られた。これは、レーザ素子の活性層の発光効率がＭｇ拡散抑制により向上したことに加え、活性層領域の転位密度が低減されていることに起因すると考えられる。つまり、活性層内の転位密度低減により、非発光再結合中心が減少し、発光効率が向上したためである。
【００８１】
また、上記第１の実施形態と同様、光出力３０ｍＷにおける消費電力が０．６Ｗ程度のレーザ素子を選別して、室温における３０ｍＷのＡＰＣ寿命試験を実施した結果を図１９に示す。レーザ素子の劣化率は１時間当たり０．０３ｍＡ程度であり、寿命時間が１０００時間以上の安定動作を確認し、劣化進行を大幅に抑制できた。即ち、ＧａＮ系発光素子の長寿命化対策として転位密度を低減することが重要であるが、このような長寿命化の効果は、第１及び第２の実施形態に係るレーザ素子のような活性層内の不純物濃度を制御できる構成と組み合わせることで、より顕著なものとなる。
【００８２】
本実施形態においては、中間層を２元混晶のＧａＮで構成したが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの３元混晶や、ＡｌＩｎＧａＮなどの４元混晶などの、他の窒化ガリウム系化合物半導体とすることも可能である。また、本実施形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザや、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体レーザなどの場合も、本実施形態と同様の構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。
【図２】図１の部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【図６】比較例に係るレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図７】波長に対するフォトルミネッセンス（ＰＬ）の変化を示す図である。
【図８】比較例に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係るレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る他のレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る上記他のレーザウエハについて、寿命試験後の活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る中間層の厚みと寿命時間との関係を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係るレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る他のレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を示す工程図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１１ 基板
１３ ｎ型半導体層
２４ ｐ型半導体層
３１ 中間層
３１ａ アンドープ層
３１ｂ 拡散抑制層
４１ 第１のＧａＮ層
４３ 第２のＧａＮ層
１０１ 活性層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代の高密度光ディスク用光源として青紫色の光を発するレーザダイオードに対する要望が高まり、特に、青紫光から紫外光に及ぶ短波長領域で動作可能な窒化ガリウム（ＧａＮ）系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子の研究開発が盛んに行われている。さらに、その光ディスク装置はレコーダーとして高密度・高速記録用が待望されているため、高光出力で信頼性の高いＧａＮ系半導体レーザが必要となっている。
【０００３】
最近、ＧａＮ系レーザの長寿命化のために、サファイア基板上に成長したＧａＮ系半導体膜上に二酸化珪素（ＳｉＯ２）などの絶縁膜を部分的に堆積し、この絶縁膜上にＧａＮ系半導体を選択成長し転位密度を低減する手法が採用されている。この選択成長に関しては、非特許文献１がある。非特許文献１によれば、ＧａＮの＜１−１００＞方向にラインアンドスペース状のＳｉＯ２膜を周期的に形成することで、ＳｉＯ２上を横方向（ＥＬＯ：Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）成長したＧａＮ膜が平坦につながり、低転位基板として利用できるようになることが示されている。
【０００４】
このＥＬＯ選択成長技術をレーザに適用した文献として、非特許文献２および非特許文献３がある。非特許文献２によれば、選択成長によりレーザ構造の活性層部分での転位密度を１Ｅ１０ｃｍ−２程度から１Ｅ７ｃｍ−２程度に低減できることが示されている。さらに、非特許文献４によれば、ＧａＮ系レーザの動作電流と動作電圧を低減して消費電力（動作電流と動作電圧の積）を低減することも、レーザの発熱を抑制することに繋がり、長寿命化に有効であることが示されている。
【０００５】
ＧａＮ系レーザに限らず、一般に半導体レーザの活性層は、キャリア注入のためにｐ−ｎ接合で挟まれた構造を有している。このため、活性層付近でのｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの制御すなわち界面急峻性が、レーザ特性向上に重要である。なぜなら、上記ドーパントが活性層に拡散すると、非発光再結合中心として作用し、活性層の発光効率が低下することがあるからである。以下、ＧａＮ系半導体のｐ型ドーパントに関して、従来の制御方法について説明する。
【０００６】
ＧａＮのｐ型ドーパントには、一般的にビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）が使用されている。しかしながら、非特許文献５によれば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いた結晶成長では、ｐ型ドーパントであるＭｇが所定の結晶以外にまで拡散する問題があることが示されている。さらに、転位密度が多い場合には、この拡散が顕著であることも示されている。また、非特許文献６では、ＭｇがＭＯＶＰＥ装置の反応炉である石英製のリアクターに吸着するメモリー効果について記載されている。この文献によれば、Ｍｇがメモリー効果を有するため、ドーピング遅れが生じ、Ｍｇ濃度分布の界面急峻性が悪化することが示されている。
【０００７】
その他、従来のＭｇの拡散制御方法に関しては、特許文献１および特許文献２に記載がある。
【０００８】
我々は、ＧａＮ系レーザの長寿命化を図るため、上記非特許文献１、２と同様に、ＥＬＯ選択成長法によりＧａＮ膜の転位密度低減を試みたが、長寿命化の効果は不十分であった。すなわち、転位密度の低減だけでは、ＧａＮ系レーザの長寿命化は図れないことが明らかになった。
【非特許文献１】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．４ （１９９８） ４８３−４８９
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．７７ （２０００） １９３１−１９３３
【非特許文献３】ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓｕｃｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， Ｖｏｌ．Ｅ８３−Ｃ （２０００） ５２９−５３５
【非特許文献４】Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．４０ （２００１） ３２０６−３２１０
【非特許文献５】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１８９／１９０ （１９９８） ５５１−５５５
【非特許文献６】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｖｏｌ．１４５ （１９９４） ２１４−２１８
【特許文献１】特開平６−２８３８２５号公報
【特許文献２】特開平１１−２５１６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、高光出力動作における長寿命化が可能な半導体レーザ及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の前記目的は、基板上に、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層がこの順で積層され、前記活性層と前記ｐ型半導体層との間に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる中間層が形成されており、前記中間層は、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層と、ｎ型不純物がドープされた拡散抑制層とが積層されて構成され、前記ｐ型半導体層と隣接する側に前記拡散抑制層が配置されており、前記基板とｎ型半導体層との間に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層が形成されている半導体レーザにより達成される。
【００１１】
この半導体レーザは、例えば、基板上に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層を形成するステップと、前記半導体層上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層を形成するステップと、前記ｎ型半導体層上に、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む活性層を形成するステップと、前記活性層上に、窒化ガリウム系化合物からなる中間層を形成するステップと、前記中間層上に、ｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層を形成するステップとを備え、前記中間層を形成するステップは、不純物をドープせずに窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層を形成するステップと、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の成長途中にｎ型不純物のドープを開始して拡散抑制層を形成するステップとを含む半導体レーザの製造方法により作製される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高光出力動作における長寿命化が可能な半導体レーザ及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。図１に示すように、レーザウエハは、サファイア基板１１上に、ｎ型コンタクト層１２、ｎ型クラッド層１３、第１の光ガイド層１４、多重量子井戸活性層１０１、中間層２１、キャップ層２２、第２の光ガイド層２３、ｐ型クラッド層２４およびｐ型コンタクト層２５が順次積層されており、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層とｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層との間に、活性層が挟持された構成となっている。ｐ型不純物は、電気的活性化率が高いことが好ましく、本実施形態ではＭｇとしている。また、ｎ型不純物は、電気伝導制御性が良好であることが好ましく、本実施形態ではＳｉとしている。
【００１５】
多重量子井戸活性層１０１は、図２に示すように、光ガイド層１４に近い方から順番に、第１のＧａＮバリア層１５、第１のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸１６、第２のＧａＮバリア層１７、第２のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸１８、第３のＧａＮバリア層１９、および第３のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ量子井戸２０が積層されて構成されている。
【００１６】
このレーザウエハは、以下の方法により製造することができる。まず、（０００１）面を主面とするサファイア基板１１に対して、酸溶液を用いて洗浄を行なう。その後、洗浄した基板１１をＭＯＶＰＥ装置（図示せず）の反応炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が３００Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）の水素雰囲気として、温度を約１１００℃にまで昇温して基板１１を加熱し、表面のサーマルクリーニングを約１０分間行う。
【００１７】
次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、基板１１の主面上に、供給量７ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が７．５ｓｌｍのアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、厚さが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層（図示せず）を成長する。続いて、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスを更に供給して、厚さが約４μｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２を成長する。次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を更に供給しながら、厚さが約０．７μｍでＳｉ不純物濃度が約５Ｅ１７ｃｍ−３のｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるｎ型クラッド層１３を成長する。続いて、厚さが約１２０ｎｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなる第１の光ガイド層１４を成長する。
【００１８】
この後、温度を約８００℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更し、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを供給して、図２に示すように、それぞれ厚さが約３ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる量子井戸１６，１８，２０（３層）と、それぞれ厚さが約９ｎｍのＧａＮよりなるバリア層１５，１７，１９（３層）とからなる多重量子井戸活性層１０１を成長する。この際、活性層１０１の発光効率を向上させるために、バリア層の成長時にＳｉＨ４ガスも供給して、バリア層のみにＳｉ不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ−３程度のＳｉをドーピングしている。
【００１９】
続いて、厚さが約１５ｎｍ（０．０１５μｍ）のＧａＮよりなる中間層２１を成長する。本実施形態では、この中間層２１は、意図的に不純物を添加しない実質的なアンドープ層とする。
【００２０】
その後、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温し、キャリアガスを窒素から水素に戻して、ｐ型ドーパントであるＣｐ２Ｍｇガスを供給しながら、厚さが約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎよりなるキャップ層２２を成長する。次に、厚さが約１２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＮよりなる第２の光ガイド層２３を成長する。続いて、厚さが約０．５μｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるｐ型クラッド層２４を成長する。最後に、厚さが約０．０５μｍでＭｇ不純物濃度が約１Ｅ１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２５を成長する。こうして、ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に中間層２１および活性層１０１が挟持されたレーザウエハが完成する。
【００２１】
次に、図１及び図２に示すレーザウエハを用いて、図３に示す半導体レーザを作製する方法を説明する。
【００２２】
まず、レーザウエハに対してｐ型半導体層の活性化加熱処理を行う。その後、ウエハ表面に二酸化珪素（ＳｉＯ２）よりなる絶縁膜を堆積させる。続いて、この絶縁膜上にレジスト膜を堆積させ、フォトリソグラフィー法によりｐ型コンタクト層２５のリッジ形成位置（リッジ幅：約２μｍ）のみにレジスト膜を残す。この後、レジスト膜をエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜をフッ酸溶液で除去しｐ型コンタクト層２５を露出させる。続いて、リッジ形成位置以外のｐ型コンタクト層２５とｐ型クラッド層２４の一部とをドライエッチング装置でエッチングし、ｐ型半導体層の残し膜厚を０．１μｍ程度にする。その後、アセトンなどの有機溶液により、リッジ上のレジスト膜を除去する。
【００２３】
次に、ｎ型電極の形成位置以外をＳｉＯ２よりなる絶縁膜で覆い、ドライエッチングでｎ型コンタクト層１２を露出させる。そして、ｐ側とｎ側の電気的分離を行うため、表面にＳｉＯ２からなる絶縁膜２６を形成した後、リッジ位置のｐ型コンタクト層２５上の絶縁膜をフッ酸溶液で除去する。この後、露出したｎ型コンタクト層１２上に、チタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）の蒸着によりｎ型電極２７を形成し、露出したｐ型コンタクト層２５上に、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）の蒸着によりｐ型電極２８を形成する。こうして、図３に示す半導体レーザが得られる。
【００２４】
続いて、レーザ共振器端面のへき開工程を行う。まず、サファイア基板１１の裏面側から研磨して、総膜厚が１００μｍ程度となるように薄膜化する。その後、共振器端面がサファイア基板の＜１−１００＞方向となるように、基板１１をへき開装置（図示せず）でバー状にへき開する。尚、本実施形態ではレーザ共振器長を７５０μｍとした。そして、レーザ共振器の後端面に、３対のＳｉＯ２および二酸化チタン（ＴｉＯ２）の積層体で構成される誘電体多層膜を堆積させ、高反射膜コートとする。
【００２５】
最後に、劈開されたバーに対して２次へき開を行い、レーザチップに分離して、レーザキャンにｐサイドダウンで実装する。この実装時は、レーザチップを炭化珪素（ＳｉＣ）からなるサブマウントに半田を介して行う。こうして、半導体レーザ素子を作製することができる。
【００２６】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は、図４に示すように、それぞれ６０ｍＡ、０．８Ｗ／Ａであった。
【００２７】
また、光出力３０ｍＷにおける消費電力（動作電流と動作電圧の積）が０．６Ｗ程度のレーザ素子を選別して、室温において３０ｍＷの高光出力での一定光出力（ＡＰＣ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）による寿命試験を実施した結果を図５に示す。レーザ素子での劣化率（動作電流の増加率）は１時間当たり０．９ｍＡ程度であり、約１００時間の寿命時間（動作電流が初期電流の２倍になるまでの時間）を確認した。
【００２８】
本実施形態においては、中間層を２元混晶のＧａＮで構成したが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの３元混晶や、ＡｌＩｎＧａＮなどの４元混晶などの、他の窒化ガリウム系化合物半導体とすることも可能である。また、本実施形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザや、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体レーザなどの場合も、本実施形態と同様の構成にすることができる。
【００２９】
比較例
第１の実施形態に係る半導体レーザの比較例として、中間層２１にＳｉをドーピングしてｎ型ＧａＮ層とする他は第１の実施形態と同様の方法により半導体レーザを作製し、Ｍｇの活性層内への拡散状態を比較検討した。ｎ型ＧａＮ層からなる中間層のＳｉ不純物濃度は、バリア層と同程度の約２Ｅ１８ｃｍ−３とした。
【００３０】
比較例における結晶成長後のレーザウエハに対して、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いて、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図６に示す。
【００３１】
図６から、Ｍｇが活性層内に（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）広く拡散している様子がわかる。具体的には、拡散したＭｇ濃度は、第１の量子井戸１６では約４Ｅ１７ｃｍ−３、第２の量子井戸１８では約２Ｅ１８ｃｍ−３、第３の量子井戸２０では約１Ｅ１９ｃｍ−３であった。後述するように、第１の実施形態に係るレーザウエハについての測定結果と比較すると、第２の量子井戸１８で約１０倍、第３の量子井戸２０で約４倍のＭｇが活性層内に拡散していることがわかる。すなわち、第１の実施形態におけるアンドープＧａＮ中間層２１に、ｎ型不純物であるＳｉをドープする（即ち、ｎ型ＧａＮ中間層とする）ことにより、Ｍｇの拡散が促進される。
【００３２】
この現象は、従来文献「Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ．６６ （１９８９） ６０５−６１０」を参考にすると以下のように解釈できる。拡散するＭｇ原子は、格子間位置に存在するために容易に拡散し、拡散により置換型位置に存在するＳｉと出会うと、ドナー・アクセプター相互作用（クーロン相互作用）によりＭｇＳｉからなる電気的に中性で安定な複合体を形成する。このため、ＭｇはＳｉがドープされている領域を容易に拡散するものと思われる。活性層は、バリア層においてＳｉがドープされているので、比較例のように中間層にＳｉがドープされていることにより、Ｍｇが活性層中央付近にまで広く拡散したものと推測される。
【００３３】
比較例に係る半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は各々７５ｍＡ、０．５Ｗ／Ａであった。上述した第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の測定結果と比較すると、閾値電流およびスロープ効率ともに悪化している。これは、レーザ素子の活性層の発光効率がＭｇ拡散により低下したことに起因しているものと思われる。このことを確認するため、本発明者らは以下の実験を行った。
【００３４】
本実験においては、第１の実施形態におけるレーザウエハの製造工程において、活性層成長時に意図的にＭｇをドーピングした半導体レーザ素子（試料Ａ）と、ドーピングしない半導体レーザ素子（試料Ｂ）とを作製した。更に、レーザウエハの製造工程において、活性層をＳｉドープＧａＮ層により形成し、且つ、活性層成長時に意図的にＭｇをドーピングする他は、第１の実施形態と同様の方法により、半導体レーザ素子（試料Ｃ）を作製した。試料Ａ及び試料ＣのＭｇ不純物濃度は約１Ｅ１９ｃｍ−３とした。
【００３５】
そして、上記試料Ａ〜試料Ｃのフォトルミネッセンス（ＰＬ）を測定した。ＰＬ測定は、活性層を選択的に光励起して室温で実施した。この結果を図７に示す。但し、試料Ａおよび試料Ｃについては、ＰＬ強度を２５０倍にして表示している。
【００３６】
図７に示すように、Ｍｇをドーピングしない試料Ｂでは、ＰＬピーク波長は約４００ｎｍであったが、Ｍｇをドーピングした試料Ａでは約４３５ｎｍと約５５０ｎｍの２ピークに分離して、その半値幅も広くなっている。この現象は、活性層にＭｇをドーピングすることにより、ＩｎＧａＮ量子井戸内に深い準位が形成され、それが非発光再結合中心になっているものと思われる。また、ＩｎＧａＮの相分離を促し、量子井戸の界面急峻性を低下させている可能性もある。
【００３７】
深い準位からの発光（５５０ｎｍ）の各ＰＬ強度をピーク強度で規格化した値（規格化強度）は、Ｍｇをドーピングしない試料Ｂが、１３６００（５５０ｎｍ）／１３０００００（４００ｎｍ）＝１．１Ｅ−２であるのに対し、Ｍｇをドーピングした試料Ａは、１０４５０００（５５０ｎｍ）／４３３２００（４３０ｎｍ）＝２．４であった。即ち、試料Ａは、Ｍｇをドーピングすることにより深い準位からの発光確率が高くなり、活性層の発光効率が低下していることがわかった。
【００３８】
一方、ＳｉドープＧａＮ層からなる活性層にＭｇをドーピングした試料Ｃについては、上記規格化強度が、１２（５５０ｎｍ）／１６２００（３６０ｎｍ）＝７．４Ｅ−４であり、Ｍｇをドーピングしない試料Ｂよりも低い値であった。このように、Ｍｇのドーピングにより深い準位の規格化強度が高くなることで発光効率が低下するという問題は、活性層にＩｎＧａＮ量子井戸を含むレーザ素子に特有の問題である。従来は、ＧａＮ系発光素子の長寿命化対策として、転位密度低減と消費電力低減が唯一の手段と認知されていたが、活性層内の不純物濃度を制御することも重要な要素であることを今回初めて見出した意義は非常に大きい。
【００３９】
ところで、試料Ｃは特開平６−２８３８２５号公報に開示された窒化ガリウム系化合物半導体レーザダイオードの活性層にＭｇを添加した半導体レーザダイオードと同一である。特開平６−２８３８２５号公報では、Ｍｇの拡散に関する問題について言及されているものの、活性層にはＳｉをドープしたＧａＮが用いられている。我々の上記実験から明らかなように、特開平６−２８３８２５号公報では、ＳｉをドープしたＧａＮからなる活性層にＭｇが拡散したとしても、図７に示されるように、約４００ｎｍの波長から見て短波長側である約３６０ｎｍの波長においてＰＬ強度がピークとなる。
【００４０】
一方、我々は、ＩｎＧａＮからなる活性層にＭｇが拡散した場合、試料ＡのようにＰＬ強度のピークが長波長側の５５０ｎｍ付近に移動し、結果として発光色が黄色となってしまうという課題に着目している。特開平６−２８３８２５号公報においては、約４００ｎｍの波長から見てＰＬ強度のピークが長波長側に移動し、発光色が黄色となってしまうということは見出されていない。従って、一見したところ本発明と特開平６−２８３８２５号公報とは類似しているように見えるが、解決しようとする課題が全く異なる。なお、特開平６−２８３８２５号公報において、活性層にＩｎを含んでよいという示唆はない。
【００４１】
また、比較例の半導体レーザ素子について、光出力３０ｍＷにおける消費電力が０．６Ｗ程度のものを選別して、室温において３０ｍＷの高光出力での一定光出力（ＡＰＣ）寿命試験を実施した結果を図８に示す。
【００４２】
図８に示す測定結果を、消費電力が同じ場合の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の測定結果（図５参照）と比較すると、比較例のレーザ素子の劣化率は、第１の実施形態のレーザ素子に比べて１０倍程度（１時間当たり９ｍＡ程度）であり、急速に劣化が進行することがわかった。すなわち、比較例のレーザ素子は、転位密度は第１の実施形態のものと同程度（約１Ｅ１０ｃｍ−２）であるが、活性層内のＭｇ拡散状態が異なるために、寿命時間に差異が生じていることが明確になった。
【００４３】
尚、測定結果を比較する際に消費電力を同じにしたのは、ＧａＮ系レーザの寿命時間が消費電力に大きく依存するために、同程度の消費電力でレーザ素子を比較しないと、活性層内のＭｇ拡散状態と寿命時間との相関関係が明確にならないためである。
【００４４】
中間層厚みの検討
次に、本実施形態の半導体レーザにおける中間層２１の好ましい厚みについて検討する。本実施形態においては、ｐ型半導体層と活性層との間にアンドープ層である中間層２１が設けられているので、中間層２１の厚みが大きすぎる場合には、ｐ型半導体層から活性層に正孔が効率よく注入されない。そこで、サファイア基板上に、上記と同様にしてｎ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層を積層することによりｐ−ｎ接合デバイスを作製し、ｎ型ＧａＮ層中の正孔の拡散長を評価した。そして、このデバイスをへき開し、ｐｎ接合部分を露出させた後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた電子線励起電流法（ＥＢＩＣ）により、へき開されたデバイス断面のｐ−ｎ接合部分を観察した。その結果、ｎ型ＧａＮ層中の正孔の拡散長は、０．２μｍ程度であった。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の場合は、他の化合物半導体と比較して電気伝導に寄与する正孔の有効質量が大きいため、その拡散長は０．２μｍ程度以下と非常に小さな値である。
【００４５】
このような実験結果から、活性層に効率良く電気的に正孔を注入するためには、中間層２１の厚みを正孔の拡散長（本実施形態においては０．２μｍ）よりも小さくすべきであることが明らかになった。
【００４６】
一方、中間層２１の厚みが小さすぎる場合には、ｐ型ドーパントが中間層２１を通過して活性層に拡散する。一例として、中間層２１の厚みが１５ｎｍの場合において、ＳＩＭＳ法を用いて、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図９に示す。Ｍｇが活性層内（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）に拡散している様子がわかる。具体的には、拡散したＭｇ濃度は、第１の量子井戸１６では約１Ｅ１７ｃｍ−３、第２の量子井戸１８では約２Ｅ１７ｃｍ−３、第３の量子井戸２０では約３Ｅ１８ｃｍ−３である。
【００４７】
更に詳細な検討を行うため、中間層２１が種々の厚みのレーザ素子を作製して、以下の実験を行った。一例として、中間層２１の厚みが６０ｎｍのレーザウエハについて、ＳＩＭＳ法を用いて、Ｍｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図１０に示す。
【００４８】
図１０に示す結果（中間層厚み：６０ｎｍ）を、図９に示す結果（中間層厚み：１５ｎｍ）と比較すると、中間層２１の厚みを大きくすることで、Ｍｇの活性層内（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）への拡散が抑制されている様子がわかる。具体的に、拡散したＭｇ濃度は、第１から第３の量子井戸にかけて約１Ｅ１７ｃｍ−３（検出限界程度）である。
【００４９】
このように、中間層２１の厚みを増加させることにより、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層と活性層との距離が増加するため、活性層内へのＭｇ拡散が抑制される。
【００５０】
この中間層厚みが６０ｎｍのレーザウエハから作製した半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。また、閾値電流およびスロープ効率は５０ｍＡ、１．０Ｗ／Ａであり、中間層厚みが１５ｎｍの場合に比べていずれも良好であった。尚、中間層厚みが３０ｎｍのレーザ素子についても同様の測定をしたところ、閾値電流およびスロープ効率は５５ｍＡ、０．９Ｗ／Ａであり、中間層厚みが１５ｎｍの場合に比べていずれも良好であった。この結果は、中間層厚みの増加によりＭｇの拡散が低減され、活性層の発光効率が向上したためと考えられる。
【００５１】
消費電力が０．６Ｗ程度の各レーザ素子における光出力３０ｍＷのＡＰＣ寿命試験では、中間層厚みが３０ｎｍのレーザ素子で１１０時間、中間層厚みが６０ｎｍのレーザ素子で１２５時間程度の寿命時間であった。中間層厚みが１５ｎｍのレーザ素子は、上述したように寿命時間が１００時間であるため、中間層厚みの増加と共に寿命時間も増加しているものの、顕著な寿命改善が図れなかった。この要因を明らかにするため、中間層厚みが６０ｎｍのレーザ素子について、ＡＰＣ寿命試験後のレーザ素子においてＳＩＭＳ分析を実施した。この結果を図１１に示す。
【００５２】
図１１から、ＡＰＣ寿命試験前のＳＩＭＳ結果（図１０）と比較して、寿命試験によって活性層中にＭｇが顕著に拡散している様子がわかる。この現象は、転位密度が多い（約１Ｅ１０ｃｍ−２）ために、寿命試験中にｐｎ接合での発熱および内部電界の作用により、ｐ型ドーパントであるＭｇが転位を介して活性層内に拡散したことに起因すると思われる。
【００５３】
ところが、中間層２１の厚みが更に増加すると、寿命時間が急激に改善されることがわかった。中間層２１が種々の厚みのレーザ素子に対してＡＰＣ寿命試験を行った結果を図１２示す。中間層の厚みが約１００ｎｍまでは、中間層厚みの増加と共に寿命時間も改善されているが、中間層厚みが約１００ｎｍを超えると寿命時間が徐々に低下していることがわかる。中間層厚みを２００ｎｍ（０．２μｍ）としたレーザ素子も作製したが、室温連続発振には到らなかった。これは、中間層厚みが正孔の拡散長（０．２μｍ）程度であるため、活性層への正孔の注入効率が大幅に低下したためと推測される。
【００５４】
この結果から、中間層２１の厚みは、１５ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが好ましく、６０ｎｍ以上１６０ｎｍ以下であることがより好ましく、８０ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であることが更に好ましい。
【００５５】
次に、各レーザ素子の発光状態を観察するために、電流注入によりリッジストライプに沿って発光するエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）光を、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラによりサファイア基板の裏面から観察した。中間層厚みが１５ｎｍのレーザ素子では、ＥＬ光強度の弱い領域（発光むら）が多数生じているが、中間層厚みが３０ｎｍ，６０ｎｍのレーザ素子では、ＥＬ光が均一に改善されていることを確認した。このような発光むらに関する以前の報告例として、第７の文献「第４８回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集Ｎｏ．１ ２８ｐ−Ｅ−１２ ｐ．３６９」があるが、この文献によると、発光むらは活性層上に存在するｐ型ＡｌＧａＮキャップ層が活性層に大きな歪を生じさせているためと報告している。しかしながら、我々の検討においては、活性層内へのＭｇ拡散が発光むらの主原因であることを初めて見出した。発光むらの低減は、ウエハー面内でのレーザ素子の歩留り向上、ひいては低コスト化に大きく貢献するため、製造面においてもこの現象を見出した意義は非常に大きい。
【００５６】
また、中間層厚みが６０ｎｍのレーザ素子について、ＡＰＣ寿命試験前後のＥＬ発光像を比較したところ、寿命試験前においても貫通転位に起因すると思われる暗点が多数観察されたが、寿命試験後ではその暗点がより暗くなる（拡大する）傾向が見られた。この現象は、前述したように、寿命試験中にＭｇが貫通転位を介して活性層内に拡散するために、転位周辺の領域で活性層の発光効率が低下したものと推測される。
【００５７】
（第２の実施形態）
図１３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。第２の実施形態に係るレーザウエハは、図１に示す第１の実施形態に係るレーザウエハにおいて、アンドープ層からなる中間層２１を２層構造からなる新たな中間層３１とする他は、同様の構成としている。したがって、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子と同じ構成部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施形態のレーザウエハにおける中間層３１は、活性層１０１とキャップ層２２との間に形成された厚さ６０ｎｍのＧａＮ層であり、厚さ１５ｎｍのアンドープ層３１ａと、厚さ４５ｎｍの拡散抑制層３１ｂとが積層された構成となっている。拡散抑制層３１ｂは、例えばＳｉ不純物濃度が３Ｅ１９ｃｍ−３程度の層であり、キャップ層２２に隣接している。
【００５９】
このレーザウエハは、基本的には第１の実施形態と同様の方法で作製することができるが、中間層３１の形成時においては、ＧａＮ層の成長中にＳｉＨ４ガスの供給量を変化させ、中間層３１の膜厚内でＳｉ不純物濃度が厚さ方向に不均一になるようにしている。具体的には、中間層３１の成長開始後、厚さ約１５ｎｍはアンドープとし、残りの厚さ約４５ｎｍについてはＳｉＨ４ガスを供給してｎ型ＧａＮ層となるように成長する。
【００６０】
結晶成長が終了したレーザウエハにおいて、ＳＩＭＳ法を用いて、ｐ型ドーパントであるＭｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図１４に示す。Ｍｇのドーピングを開始したｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層２２の直下に本実施形態の中間層３１が存在することにより、Ｍｇの活性層内への拡散が大幅に抑制できていることがわかる。具体的には、拡散したＭｇ濃度は、第１の量子井戸２６、第２の量子井戸２８および第３の量子井戸３０で、ともに約１Ｅ１７ｃｍ−３（検出限界程度）である。
【００６１】
この測定結果を、第１の実施形態において、アンドープ中間層２１の厚みが本実施形態の中間層３１全体の厚みと同程度（約６０ｎｍ）である場合（図１０参照）と比較すると、中間層内でのＭｇ濃度は本実施形態の方が多いにも拘わらず、活性層内のＭｇ濃度は同程度であることがわかる。このような現象は、以下のように考察することができる。
【００６２】
拡散するＭｇ原子は格子間位置に存在するために容易に拡散し、拡散により置換型位置に存在するＳｉと出会うと、ドナー・アクセプター相互作用（クーロン相互作用）により、ＭｇＳｉからなる電気的に中性で安定な複合体を形成する。このため、ＭｇはＳｉがドープされている領域に拡散し、その位置で安定化するものと思われる。本実施形態の場合は、中間層３１の成長後半である厚さ約４５ｎｍの領域が、３Ｅ１９ｃｍ−３程度の濃度でＳｉがドープされた拡散抑制層３１ｂであるため、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層２２との界面でＭｇの集積（パイルアップ）が発生する。このため、拡散するＭｇは上記界面に集中することで、活性層内へのＭｇの拡散が顕著に抑制される。さらに、中間層３１の成長前半である厚さ約１５ｎｍの領域がアンドープ層３１ａであるため、中間層３１の成長後半でドープしたＳｉが、第３の量子井戸２０に拡散することが抑制される。
【００６３】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は各々４５ｍＡ、１．２Ｗ／Ａであり、良好な結果が得られた。これは、レーザ素子の活性層の発光効率がＭｇ拡散抑制により向上したことに起因すると思われる。
【００６４】
また、上記第１の実施形態と同様に、光出力３０ｍＷにおける消費電力が０．６Ｗ程度のレーザ素子を選別して、室温における３０ｍＷのＡＰＣ寿命試験を実施した結果を図１５に示す。レーザ素子の劣化率は１時間当たり０．３ｍＡ程度であり、寿命時間として２５０時間を確認した。
【００６５】
この結果を、第１の実施形態において、アンドープ中間層２１の厚みが本実施形態の中間層３１全体の厚みと同程度（約６０ｎｍ）である場合と比較すると、上述したように第１の実施形態に係るレーザ素子では寿命時間が１２５時間程度であり、本実施形態に係るレーザ素子は、より長寿命化を図ることができることを確認した。
【００６６】
本実施形態においては、中間層を２元混晶のＧａＮで構成したが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの３元混晶や、ＡｌＩｎＧａＮなどの４元混晶などの、他の窒化ガリウム系化合物半導体とすることも可能である。また、本実施形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザや、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体レーザなどの場合も、本実施形態と同様の構成にすることができる。
【００６７】
中間層におけるＳｉ濃度の検討
次に、中間層３１の拡散抑制層３１ｂにおける好ましいＳｉ濃度について検討する。本実施形態において、中間層３１のＳｉ濃度がそれぞれ異なる３種類のレーザウエハを作製した（試料Ｄ〜試料Ｆ）。各レーザウエハにおける拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度は、試料Ｄが約５Ｅ１７ｃｍ−３、試料Ｅが約２Ｅ１８ｃｍ−３、試料Ｆが約１Ｅ１９ｃｍ−３（試料Ｆ）とした。尚、約２Ｅ１８ｃｍ−３のＳｉ濃度は、活性層のバリア層のＳｉ濃度と同程度であり、約１Ｅ１９ｃｍ−３のＳｉ濃度は、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層のＭｇ濃度と同程度である。
【００６８】
試料Ｄ〜試料Ｆに対して、ＳＩＭＳ法を用いて、Ｍｇの活性層への拡散状態を評価した結果を図１６に示す。全てのレーザウエハにおいて、Ｍｇが活性層内（第３の量子井戸２０から第１の量子井戸１６に向けて）に拡散している様子がわがる。ただし、Ｍｇ拡散の程度は、試料Ｅが最も顕著であり、次いで試料Ｄ、試料Ｆの順番で拡散が抑制されていることがわかる。特に、試料Ｆでは、Ｍｇの集積（パイルアップ）が発生しており、Ｍｇ拡散を有効に防止できていることがわがる。
【００６９】
以上の結果などから、中間層３１における拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度を、ｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎキャップ層２２のＭｇ濃度（即ち、本実施形態の場合は約１Ｅ１９ｃｍ−３）と同程度以上にすることで、Ｍｇ拡散の抑制が顕著になることが明らかになった。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、一般的にｐ型不純物をドーピングしても、その電気的活性化率が数％程度であるため、ｐ型半導体層の電気伝導率は低くなる傾向がある。ｐ型半導体層の電気伝導率を向上させるには電気伝導に寄与する正孔濃度が１Ｅ１８ｃｍ−３程度必要であるため、電気的活性化率を考慮してｐ型不純物を１Ｅ１９ｃｍ−３程度以上に多量にドーピングする必要がある。この場合、拡散抑制層３１ｂのｎ型不純物濃度を少なくとも１Ｅ１９ｃｍ−３以上に制御することで、ｐ型半導体層からのｐ型不純物の拡散を効果的に抑制することができる。尚、拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度の上限については実用的な範囲で定めればよく、例えば６Ｅ１９ｃｍ−３程度である。
【００７０】
中間層を構成する各層厚みの検討
本実施形態では、中間層３１（総厚み：６０ｎｍ）におけるアンドープ層３１ａの厚みを１５ｎｍとし、拡散抑制層３１ｂの厚みを４５ｎｍとしたが、アンドープ層３１ａの厚みに対する拡散抑制層３１ｂの厚みの比を適宜変更して、種々のレーザウエハについて上述したようにＭｇの活性層への拡散を評価した。尚、拡散抑制層３１ｂのＳｉ濃度は約１Ｅ１９ｃｍ−３とした。
【００７１】
この結果、アンドープ層３１ａの厚みを１としたときに、拡散抑制層３１ｂの厚みが１／１１以上１１以下である範囲において、Ｍｇ拡散を効果的に抑制することができ、１／３以上３以下の範囲において、より顕著な抑制効果を得ることができた。ただし、中間層３１の総厚みは、正孔の拡散長以下であることが好ましく、具体的には第１の実施形態と同様に１５ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００７２】
（第３の実施形態）
図１７は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。第３の実施形態に係る半導体レーザは、図１３に示す第２の実施形態に係る半導体レーザにおいて、基板１１上に第１のＧａＮ層４１が形成され、この第１のＧａＮ層４１上にストライプ状の絶縁パターン４２が形成されており、この絶縁パターン４２を埋めるように第１のＧａＮ層４１上に第２のＧａＮ層４３がＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）法により形成されている。そして、第２のＧａＮ層４３上にｎ型コンタクト層１２が形成されている。その他の構成については第２の実施形態に係る半導体レーザ素子と同じであるので、同様の構成部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。尚、本実施形態においては、ｎ型コンタクト層１２の厚みを約２μｍとしている。
【００７３】
本実施形態の半導体レーザは、基本的には第２の実施形態と同様の方法で製造することができるが、第２のＧａＮ層４３をＥＬＯ法により形成する方法をメインに、図１８を参照しながら以下説明する。
【００７４】
まず、基板１１上に低温バッファ層（図示せず）を成長した後、反応炉を約１０００℃にまで昇温し、厚さが約１μｍの第１のＧａＮ層４１を成長する（図１８（ａ））。この後、基板１１を反応炉から取り出し、第１のＧａＮ層４１上に選択成長用の絶縁膜Ｉを形成する（図１８（ｂ））。絶縁膜Ｉは二酸化珪素（ＳｉＯ２）とし、プラズマＣＶＤ装置で１００ｎｍ程度堆積させる。
【００７５】
続いて、絶縁膜Ｉ上にレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー法により、ラインアンドスペース状のレジストパターンＲを形成する（図１８（ｃ））。ここで、レジストパターン幅（Ｗｓ）：レジスト除去幅（Ｗｌ）＝１５μｍ：３μｍとしている。ただし、このストライプ方向は、第１のＧａＮ層４１の＜１−１００＞方向である。この後、レジストパターンＲをエッチングマスクとして、レジスト除去部の絶縁膜Ｉをフッ酸溶液で除去し、第１のＧａＮ層４１を露出させる。続いて、アセトンなどの有機溶液によりレジストパターンＲを除去する。こうして、第１のＧａＮ層４１上に絶縁パターン４２が形成される（図１８（ｄ））。
【００７６】
この後、基板１１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内のサセプタに再び保持し、反応炉を真空排気する。続いて、反応炉内を圧力が２００Ｔｏｒｒの水素雰囲気とし、温度を約１０００℃にまで昇温して、供給量７ｓｃｃｍのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が７．５ｓｌｍのアンモニア（ＮＨ３）ガスと、キャリアガスとして水素とを同時に供給することにより、第２のＧａＮ層４３をＥＬＯ選択成長する。第２のＧａＮ層４３は、選択成長初期には絶縁パターン４２の間で成長するが（図１８（ｅ））、成長が進行すると絶縁パターン４２の上方において横方向成長し（図１８（ｆ））、やがて表面が平坦化する（図１８（ｇ））。
【００７７】
第２のＧａＮ層４３の貫通転位密度を平面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）で評価したところ、隣接する絶縁パターン４２間では約１Ｅ１０ｃｍ−２であるのに対し、絶縁パターン４２上方のＥＬＯ部分においては約５Ｅ８ｃｍ−２となり、ＥＬＯ選択成長により転位密度が１／２０程度に低減できることがわかった。
【００７８】
レーザ構造の結晶成長においては、厚さ約５μｍの第２のＧａＮ層４３上に、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）ガスも供給して、厚さが約２μｍでＳｉ不純物濃度が約１Ｅ１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層１２を成長する。この後は、第２の実施形態と同様の方法により、図１７に示すレーザウエハを作製することができる。
【００７９】
また、このレーザウエハから半導体レーザ素子を作製するレーザ加工プロセスは、第１の実施形態と同様である。但し、ｐ型コンタクト層２５のリッジは、絶縁パターン４２直上の低転位密度部分に形成する。
【００８０】
本実施形態に係るレーザ素子は、電流注入により室温連続発振に到った。この際の閾値電流およびスロープ効率は各々３５ｍＡ、１．４Ｗ／Ａであり、良好な結果が得られた。これは、レーザ素子の活性層の発光効率がＭｇ拡散抑制により向上したことに加え、活性層領域の転位密度が低減されていることに起因すると考えられる。つまり、活性層内の転位密度低減により、非発光再結合中心が減少し、発光効率が向上したためである。
【００８１】
また、上記第１の実施形態と同様、光出力３０ｍＷにおける消費電力が０．６Ｗ程度のレーザ素子を選別して、室温における３０ｍＷのＡＰＣ寿命試験を実施した結果を図１９に示す。レーザ素子の劣化率は１時間当たり０．０３ｍＡ程度であり、寿命時間が１０００時間以上の安定動作を確認し、劣化進行を大幅に抑制できた。即ち、ＧａＮ系発光素子の長寿命化対策として転位密度を低減することが重要であるが、このような長寿命化の効果は、第１及び第２の実施形態に係るレーザ素子のような活性層内の不純物濃度を制御できる構成と組み合わせることで、より顕著なものとなる。
【００８２】
本実施形態においては、中間層を２元混晶のＧａＮで構成したが、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなどの３元混晶や、ＡｌＩｎＧａＮなどの４元混晶などの、他の窒化ガリウム系化合物半導体とすることも可能である。また、本実施形態においては、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザについて説明したが、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザや、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族半導体レーザなどの場合も、本実施形態と同様の構成にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。
【図２】図１の部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザを示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【図６】比較例に係るレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図７】波長に対するフォトルミネッセンス（ＰＬ）の変化を示す図である。
【図８】比較例に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係るレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る他のレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る上記他のレーザウエハについて、寿命試験後の活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係る中間層の厚みと寿命時間との関係を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係るレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る他のレーザウエハにおける活性層へのＭｇの拡散状態を示す図である。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザを構成するレーザウエハの断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの製造方法を示す工程図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の作動時間に対する動作電流の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１１ 基板
１３ ｎ型半導体層
２４ ｐ型半導体層
３１ 中間層
３１ａ アンドープ層
３１ｂ 拡散抑制層
４１ 第１のＧａＮ層
４３ 第２のＧａＮ層
１０１ 活性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層がこの順で積層され、
前記活性層と前記ｐ型半導体層との間に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる中間層が形成されており、
前記中間層は、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層と、ｎ型不純物がドープされた拡散抑制層とが積層されて構成され、前記ｐ型半導体層と隣接する側に前記拡散抑制層が配置されており、
前記基板とｎ型半導体層との間に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層が形成されている半導体レーザ。
【請求項２】
前記拡散抑制層におけるｎ型不純物の濃度が、前記ｐ型半導体層におけるｐ型不純物の濃度と同程度以上である請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザであり、前記ｎ型半導体層は、ｎ型不純物としてＳｉを含み、前記ｐ型半導体層は、ｐ型不純物としてＭｇを含む請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記アンドープ層の厚みを１としたときに、前記拡散抑制層の厚みが１／１１以上１１以下である請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記中間層の厚みが６０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下である請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記活性層はＩｎＧａＮからなる井戸層を含む請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】
基板上に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層を形成するステップと、
前記半導体層上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層を形成するステップと、
前記ｎ型半導体層上に、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む活性層を形成するステップと、
前記活性層上に、窒化ガリウム系化合物からなる中間層を形成するステップと、
前記中間層上に、ｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層を形成するステップとを備え、
前記中間層を形成するステップは、不純物をドープせずに窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層を形成するステップと、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の成長途中にｎ型不純物のドープを開始して拡散抑制層を形成するステップとを含む半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
前記基板上に前記半導体層を形成するステップは、横方向への選択成長により行われる請求項７に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項１】
基板上に、ｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層がこの順で積層され、
前記活性層と前記ｐ型半導体層との間に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる中間層が形成されており、
前記中間層は、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層と、ｎ型不純物がドープされた拡散抑制層とが積層されて構成され、前記ｐ型半導体層と隣接する側に前記拡散抑制層が配置されており、
前記基板とｎ型半導体層との間に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層が形成されている半導体レーザ。
【請求項２】
前記拡散抑制層におけるｎ型不純物の濃度が、前記ｐ型半導体層におけるｐ型不純物の濃度と同程度以上である請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記半導体レーザは、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザであり、前記ｎ型半導体層は、ｎ型不純物としてＳｉを含み、前記ｐ型半導体層は、ｐ型不純物としてＭｇを含む請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記アンドープ層の厚みを１としたときに、前記拡散抑制層の厚みが１／１１以上１１以下である請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記中間層の厚みが６０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下である請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記活性層はＩｎＧａＮからなる井戸層を含む請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】
基板上に、貫通転位密度が５Ｅ８ｃｍ−２以下の低転位領域を有する半導体層を形成するステップと、
前記半導体層上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層を形成するステップと、
前記ｎ型半導体層上に、ＩｎＧａＮからなる井戸層を含む活性層を形成するステップと、
前記活性層上に、窒化ガリウム系化合物からなる中間層を形成するステップと、
前記中間層上に、ｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層を形成するステップとを備え、
前記中間層を形成するステップは、不純物をドープせずに窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させることにより、不純物が実質的にドープされていないアンドープ層を形成するステップと、前記窒化ガリウム系化合物半導体層の成長途中にｎ型不純物のドープを開始して拡散抑制層を形成するステップとを含む半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
前記基板上に前記半導体層を形成するステップは、横方向への選択成長により行われる請求項７に記載の半導体レーザの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００７−１９４６６４（Ｐ２００７−１９４６６４Ａ）
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９８７１４（Ｐ２００７−９８７１４）
【出願日】平成１９年４月４日（２００７．４．４）
【分割の表示】特願２００３−５７５４８５（Ｐ２００３−５７５４８５）の分割
【原出願日】平成１５年３月６日（２００３．３．６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月４日（２００７．４．４）
【分割の表示】特願２００３−５７５４８５（Ｐ２００３−５７５４８５）の分割
【原出願日】平成１５年３月６日（２００３．３．６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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