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WO2011045876A1 - 窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

窒化物半導体レーザ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2011045876A1
WO2011045876A1 PCT/JP2010/004335 JP2010004335W WO2011045876A1 WO 2011045876 A1 WO2011045876 A1 WO 2011045876A1 JP 2010004335 W JP2010004335 W JP 2010004335W WO 2011045876 A1 WO2011045876 A1 WO 2011045876A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
composition ratio
convex structure
semiconductor laser
algan
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/004335
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
春日井秀紀
川口真生
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
Publication of WO2011045876A1 publication Critical patent/WO2011045876A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01S5/3215—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities graded composition cladding layers

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device using a nitride semiconductor.
  • III-V nitride compound semiconductors which are made of aluminum (Al), gallium (Ga) and indium (In), and nitrogen (N), a group V element, are attracting attention.
  • LEDs light emitting diodes
  • nitride semiconductors are used as elements of large display devices and traffic lights.
  • some white LEDs combining a nitride semiconductor LED and a phosphor have been commercialized, and if the luminous efficiency is improved in the future, it is expected to replace the current lighting device.
  • the blue-violet semiconductor laser device can reduce the spot diameter on the optical disc as compared with a semiconductor laser device that emits light in the red range or infrared range, which is used in conventional optical discs such as CDs and DVDs. Therefore, it is possible to improve the recording density of the optical disc.
  • pure blue semiconductor laser devices with emission wavelengths of 450 nm to 470 nm and pure green semiconductor laser devices with 525 nm to 535 nm can be used for laser display and liquid crystal backlight applications, and color reproducibility is much higher than conventional displays. A high display can be realized.
  • a high Al composition that can increase the difference in refractive index by using a GaN substrate having concave grooves and convex hills formed on the substrate surface and growing an n-AlGaN cladding layer thereon.
  • a method has been developed that realizes a cladding layer, releases strain applied to the AlGaN cladding layer, and reduces cracks (see, for example, Patent Document 1).
  • This method cracks and strains caused by lattice mismatch between the GaN substrate and the n-AlGaN cladding layer formed thereon are suppressed, and the yield of the nitride-based semiconductor laser device is improved. be able to.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of this conventional nitride-based semiconductor laser device.
  • a stripe-shaped convex structure is formed on an n-GaN substrate 1 which is a nitride semiconductor substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method (MOCVD method: Metal Organic Chemical Vapor Deposition method).
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • an Al 0.01 Ga 0.99 N buffer layer 2, an n-Al 0.07 Ga 0.93 N cladding layer 3, and an un-AlGaN carrier block layer 4 InGaN active layer 5, p-side light guide layer 6 made of un-InGaN, p-AlGaN carrier block layer 7, p-AlGaN cladding layer 8, and InGaN contact layer 9 are grown in this order.
  • the Al composition ratio of the n-AlGaN cladding layer 3 grown from the side wall surface of the convex structure is 6.6%, which is lower than the Al composition ratio of the n-AlGaN cladding layer 3 formed on the convex portion. It becomes possible to do.
  • the nitride semiconductor laser device having the above configuration can achieve high optical confinement, but because the Al composition of the cladding layer grown from the side wall of the convex structure is high, The inventor has obtained knowledge that the strain cannot be relaxed enough to suppress cracks.
  • an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor laser device that realizes high optical confinement and suppresses cracks.
  • a nitride semiconductor laser device includes a GaN substrate having a stripe-like convex structure, and an n-type cladding layer formed on the GaN substrate and comprising AlGaN,
  • the n-type cladding layer is formed in contact with a first layer in contact with a central portion of the top surface of the convex structure and a corner extending from the top surface of the convex structure, and has an Al composition ratio higher than the Al composition ratio of the first layer.
  • a second layer is formed in contact with a first layer in contact with a central portion of the top surface of the convex structure and a corner extending from the top surface of the convex structure, and has an Al composition ratio higher than the Al composition ratio of the first layer.
  • a second layer is formed in contact with a first layer in contact with a central portion of the top surface of the convex structure and a corner extending from the top surface of the convex structure, and has an Al composition ratio higher than the Al composition ratio of the first layer
  • the n-type cladding layer has a higher Al composition ratio of the second layer formed in contact with the corner extending from the upper surface of the convex structure than the Al composition ratio of the first layer on the central portion of the convex structure. A difference in refractive index from the layer formed on the n-clad layer can be obtained.
  • the nitride semiconductor laser device according to the present invention can realize high optical confinement.
  • the second layer is not formed on the entire top surface of the convex structure of the GaN substrate. In other words, the first layer having an Al composition ratio lower than that of the second layer is formed on the central portion of the upper surface of the convex structure. Therefore, the tensile strain applied to the n-type cladding layer can be greatly reduced. As a result, the nitride semiconductor laser device according to the present invention can suppress the generation of cracks and improve the yield.
  • the n-type cladding layer further includes a third layer formed in contact with the side surface of the convex structure and having an Al composition ratio lower than the Al composition ratio of the first layer, and the second layer includes: It may be formed on the third layer and may be in contact with the upper surface of the convex structure.
  • the Al composition ratio of the second layer may be gradually decreased toward the center of the convex structure.
  • This structure can further reduce the tensile strain applied to the n-type cladding layer.
  • the second layer may be formed symmetrically with respect to the upper surface center line of the convex structure.
  • the convex structure is formed to extend downward from the upper surface, and an angle x formed by a side surface of the convex structure with respect to a vertical direction of the main surface of the GaN substrate satisfies 0 ° ⁇ x ⁇ 40 °. Good.
  • the width W of the convex structure may satisfy 20 ⁇ W ⁇ 50 ( ⁇ m).
  • the nitride semiconductor laser device according to the present invention can realize high optical confinement and suppress cracks.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the Al composition of the n-AlGaN cladding layer near the convex structure.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing the steps of the method for manufacturing the buried nitride semiconductor laser device.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 3B.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 3C.
  • FIG. 3E is a cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 3D.
  • FIG. 4 is a top view showing the structure of the n-GaN substrate.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional nitride semiconductor laser
  • the nitride semiconductor laser device includes a GaN substrate having a striped convex structure, and an n-type cladding layer formed on the GaN substrate and including AlGaN.
  • the n-type cladding layer includes: A first layer in contact with the center of the upper surface of the convex structure; and a second layer formed in contact with an angle extending from the upper surface of the convex structure and having an Al composition ratio higher than the Al composition ratio of the first layer. .
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • a nitride semiconductor laser device 100 shown in FIG. 1 has an n-AlGaN cladding layer 102, an n-GaN light guide layer 105, a quantum well active on a (0001) -plane n-GaN substrate 101 having a stripe-like convex structure.
  • An InGaN active layer 106, a p-GaN light guide layer 107, a p-AlGaN electron barrier layer 108, and a p-AlGaN cladding layer 109 having a strained quantum well structure are formed.
  • the p-AlGaN cladding layer 109 has a ridge stripe structure.
  • a p-electrode 112 is interposed via a p-GaN contact layer 110 made of p-type GaN. Is formed.
  • An insulating film 111 made of SiO 2 is formed on the upper surface and side surfaces of the p-AlGaN cladding layer 109 other than the convex portions of the ridge stripe structure.
  • a wiring electrode 113 is formed so as to cover part of the p-GaN contact layer 110 and the insulating film 111, and a pad electrode 114 is formed so as to cover the wiring electrode 113.
  • an n-electrode 115 is formed on the back surface (lower surface in FIG. 1) which is the surface opposite to the surface on which the n-AlGaN cladding layer 102 is formed of the n-GaN substrate 101.
  • the line II ′ is a line indicating the center of the nitride semiconductor laser device 100, the center of the convex structure of the n-GaN substrate 101 and the convex of the ridge stripe structure of the p-AlGaN cladding layer 109. It coincides with the center of the part.
  • the n-AlGaN cladding layer 102 corresponds to the n-type cladding layer of the present invention, and is composed of AlGaN having a different Al composition.
  • the n-AlGaN cladding layer 102 includes a constant composition ratio layer 102a corresponding to the first layer of the present invention, a first Al composition ratio change layer 102b corresponding to the second layer of the present invention, and a third layer of the present invention.
  • the constant composition ratio layer 102a is made of AlGaN having a substantially constant Al composition ratio, and is formed on the upper surface center of the convex structure.
  • the first Al composition ratio change layer 102b is formed on the low Al composition AlGaN layer 102c, is further formed in contact with the upper surface of the convex structure, and the Al composition ratio gradually decreases toward the center of the upper surface of the convex structure.
  • the first Al composition ratio change layer 102b is formed symmetrically with respect to the upper surface center line of the convex structure.
  • the low Al composition AlGaN layer 102c has an Al composition ratio lower than that of the constant composition ratio layer 102a, and is formed in contact with the side surface of the convex structure.
  • the first Al composition ratio changing layer 102b is formed in contact with a region different from the region in contact with the constant composition ratio layer 102a on the upper surface of the convex structure.
  • the second Al composition ratio change layer 102 d is formed below the low Al composition AlGaN layer 102 c and on the n-GaN substrate 101.
  • FIG. 2 is a diagram showing the Al composition of the n-AlGaN cladding layer 102 in the vicinity of the convex structure of the n-GaN substrate 101. Specifically, the figure shows an n-GaN substrate 101, an n-AlGaN cladding layer 102, and an n-GaN light guide layer 105 in the vicinity of the step of the convex structure of the n-GaN substrate 101.
  • a low Al composition AlGaN layer 102c is formed from the side wall surface of the convex structure.
  • the low Al composition AlGaN layer 102 c is formed to be inclined with respect to the main surface of the n-GaN substrate 101.
  • the first Al composition ratio change layer 102b is formed on the low Al composition AlGaN layer 102c and on the convex structure.
  • the first Al composition ratio change layer 102b is formed on the low Al composition AlGaN layer 102c, and is further in contact with the upper surface of the convex structure.
  • the first Al composition ratio change layer 102b is formed to be inclined with respect to the main surface of the n-GaN substrate 101, similarly to the low Al composition AlGaN layer 102c. Further, the Al composition ratio of the first Al composition ratio changing layer 102b becomes lower toward the center of the convex structure. Thereby, the tensile strain applied to the n-AlGaN cladding layer 102 can be further reduced.
  • a second Al composition ratio change layer 102d is formed below the low Al composition AlGaN layer 102c and on the n-GaN substrate 101. That is, the second Al composition ratio change layer 102 d is formed between the low Al composition AlGaN layer 102 c and the n-GaN substrate 101. Similar to the first Al composition ratio change layer 102b, the Al composition ratio of the second Al composition ratio change layer 102d becomes lower toward the center of the convex structure. However, the change amount of the Al composition ratio of the second Al composition ratio change layer 102d is larger than the change amount of the Al composition ratio of the first Al composition ratio change layer 102b.
  • 3A to 3E are views for explaining a method of manufacturing the nitride semiconductor laser device 100 according to the present embodiment.
  • a 300 nm thick SiO 2 film is formed on a (0001) plane n-GaN substrate by using a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Thereafter, the SiO 2 film is selectively removed by photolithography and etching using hydrofluoric acid to form a striped SiO 2 mask in the [10-10] direction. At this time, the width is 50 ⁇ m in the [11-20] direction. Thereafter, ICP dry etching using Cl 2 gas is performed, and the region not covered with the striped SiO 2 mask is etched to a depth of 2 ⁇ m. Thereafter, the SiO 2 mask is removed with hydrofluoric acid to form the n-GaN substrate 101 having a stripe-like convex structure shown in FIG. 3A. The width of the upper surface of the convex structure is 20 ⁇ m.
  • an n-AlGaN cladding layer 102 is formed on the n-GaN substrate 101 on which the convex structure is formed.
  • the composition of the n-AlGaN cladding layer 102 is n-Al 0.036 Ga 0.964 N.
  • the n-AlGaN cladding layer 102 includes the first Al composition ratio change layer 102b and the low Al composition AlGaN layer 102c inclined from the main surface of the substrate and the first Al composition ratio change inclined from the main surface of the substrate.
  • a second Al composition ratio change layer 102d having a larger Al composition ratio change amount than the layer 102b is formed.
  • an n-GaN light guide layer 105, an InGaN active layer 106, a p-GaN light guide layer 107, a p-AlGaN electron barrier layer 108, a p-AlGaN cladding layer 109 having a strained quantum well structure, and a p-GaN contact Layer 110 is formed sequentially by MOCVD.
  • the InGaN active layer 106 is made of In 0.1 Ga 0.9 N / In 0.02 Ga 0.98 N.
  • the p-AlGaN electron barrier layer 108 is made of p-Al 0.22 Ga 0.78 N.
  • the p-AlGaN cladding layer 109 is made of p-Al 0.072 Ga 0.928 / GaN.
  • a low Al composition AlGaN layer 102c (Al composition: 1%) is formed inclined from the main surface of the substrate from the side wall surface of the convex structure.
  • a first Al composition ratio changing layer 102b (Al composition: 3.7% to 5%) is formed on the upper surface of the substrate so as to be inclined from the main surface of the substrate.
  • the width of the first Al composition ratio change layer 102b extends from one end of the upper portion of the convex structure to about 8 ⁇ m to 10 ⁇ m and is formed toward the central portion of the convex structure.
  • a constant composition ratio layer 102a (Al composition: 3.6%) which is an n-AlGaN cladding layer having a constant composition ratio is formed in contact with the center of the upper surface of the convex structure.
  • the constant composition ratio layer 102a the first Al composition ratio change layer 102b, the low Al composition AlGaN layer 102c, and the second Al composition ratio change layer having different Al composition ratios.
  • a mechanism for forming 102d will be described.
  • the difference in the Al composition ratio among the constant composition ratio layer 102a, the first Al composition ratio change layer 102b, the low Al composition AlGaN layer 102c, and the second Al composition ratio change layer 102d is the composition ratio grown at the top of the center of the convex structure.
  • the thickness of the constant layer 102a in the stacking direction, the thickness of the low Al composition AlGaN layer 102c grown from the side surface of the convex structure, the lower portion of the low Al composition AlGaN layer 102c grown from the side surface of the convex structure, and the n-GaN substrate 101 This is due to a difference from the film thickness of the second Al composition ratio change layer 102d formed above, that is, a growth rate difference.
  • the Ga species constituting AlGaN has a longer diffusion length than the Al species. For this reason, the Ga species existing in the peripheral part of the convex structure are adsorbed on the (11-2x) plane (x: integer) having a dangling bond number larger than the (0001) plane due to raw material diffusion, and the growth rate Will be faster.
  • the growth rate ratio between the n-AlGaN cladding layer 102 in the (11-2x) plane (x: integer) and the n-AlGaN cladding layer 102 in the (0001) plane is 3 or more.
  • the growth rate of the constant composition ratio layer 102a is three times or more the growth rate of the low Al composition AlGaN layer 102c.
  • the mechanism by which the first Al composition ratio change layer 102b and the low Al composition AlGaN layer 102c are formed to be inclined from the main surface of the n-GaN substrate 101 is also considered to be due to the diffusion length of Ga species.
  • a thick n-AlGaN cladding layer 102 is formed in a region sufficiently away from the side surface of the convex structure with respect to the diffusion length of Ga species because the growth driving force is strong in the main surface direction of the substrate.
  • the growth driving force on the side surface is strong due to the diffusion of Ga species, so that the growth driving force in the main surface direction of the n-GaN substrate 101 is weak and a thin n-AlGaN cladding layer 102 is formed. Is done.
  • a mountain-shaped n-AlGaN cladding layer 102 as shown on the bottom surface of the convex structure in FIG. 2 is formed.
  • the first Al composition ratio change layer 102b and the low Al composition AlGaN layer 102c can be tilted from the main surface of the n-GaN substrate.
  • the groove width at this time is 50 ⁇ m.
  • the groove width needs to be at least 20 ⁇ m. If the thickness is less than 20 ⁇ m, the Ga diffusion length is long, so that only the growth from the side wall surface occurs, and the above-described structure cannot be obtained.
  • the diffusion length of Ga species in the present embodiment can be estimated from the region width of the first Al composition ratio change layer 102b, and is 8 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the Al composition of the first Al composition ratio changing layer 102b (Al composition: 3.7% to 5%) becomes lower toward the center of the convex structure (5% ⁇ 3.7%). This is because the location where the concentration gradient of the raw material changes as the growth of the n-AlGaN cladding layer 102 proceeds from the side surface of the convex structure. Thereby, the V-shaped first Al composition ratio change layer 102b as shown in FIG. 3B can be formed. In other words, as the low Al composition AlGaN layer 102c grows from the side surface of the convex structure, the location where the concentration gradient of the Al composition ratio is changed changes. Therefore, the Al composition ratio of the first Al composition ratio change layer 102b is the convex structure. It gradually decreases toward the center of the. That is, the first Al composition ratio change layer 102b is formed symmetrically with respect to the upper surface center line of the convex structure. With this configuration, optical confinement is greatly improved.
  • growth conditions for making the growth rate ratio greater than 1 satisfy the condition of at least one of the three items of hydrogen partial pressure ratio: 0.3 or less, V / III ratio: 1000 to 3000, and growth temperature: 1000 to 1200 ° C. is required.
  • the hydrogen partial pressure ratio b / a> 1 when it is 0.3 or more, the growth rate from the side wall surface of the convex structure is reduced due to the hydrogen etching effect, and the growth rate ratio b / a> 1 cannot be realized. Therefore, in order to realize the growth rate ratio b / a> 1, it is preferable to set the hydrogen partial pressure lower than 0.3. Desirably, it should be lower than 0.2. Thereby, since the hydrogen etching effect can be further suppressed, the growth rate ratio b / a ⁇ 3 can be realized. Thereby, it is possible to increase the Al composition of the first Al composition ratio changing layer 102b as shown in FIG.
  • the V / III ratio is set to 1000 or less, the growth rate is increased, and the first Al composition ratio changing layer 102b can be made to have a higher Al composition.
  • the growth rate is fast, device characteristics are deteriorated due to a decrease in AlGaN crystallinity.
  • the V / III ratio is 3000 or more, the crystallinity is reduced due to the growth rate reduction. This leads to deterioration of device characteristics. Therefore, the V / III ratio is preferably between 1000 and 3000.
  • the growth temperature is lower than 1000 ° C.
  • the amount of Ga atom reevaporation decreases and the Ga migration length increases.
  • the growth rate from the side wall surface of the convex structure can be further increased, and the Al composition of the first Al composition ratio changing layer 102b can be further increased.
  • the growth temperature is preferably 1000 ° C. to 1200 ° C.
  • the volume of the first Al composition ratio changing layer 102b formed from the upper surface of the convex structure is 50% or less with respect to the entire volume of the n-AlGaN cladding layer 102 formed from the upper surface of the convex structure. It is preferable to form.
  • the first Al composition ratio change layer 102b in a V shape, it is possible to improve the light confinement and to improve the light distribution shape, and to increase the threshold current. Can be greatly reduced. Furthermore, since the tensile strain applied to the n-AlGaN cladding layer 102 can be reduced, the yield of the nitride semiconductor laser device 100 can be improved.
  • the side wall surface of the convex structure is preferably greater than 50 ° and less than 90 ° with respect to the [0001] direction.
  • the convex structure is formed to spread downward from the upper surface, and the angle x formed by the side surface of the convex structure with respect to the vertical direction of the main surface of the n-GaN substrate 101 may satisfy 0 ° ⁇ x ⁇ 40 °. preferable. If the angle becomes too large, the growth rate of the side wall surface becomes slow, and the concentration gradient of the raw material becomes small. As a result, the first Al composition ratio change layer 102b having a high Al composition ratio becomes small, and the Al composition of the first Al composition ratio change layer 102b having a high Al composition ratio becomes low.
  • the width of the convex structure in the present embodiment is preferably 20 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less because the width of the first Al composition ratio change layer 102b is about 8 ⁇ m on one side.
  • the width of the convex structure is narrower than 20 ⁇ m, the first Al composition ratio changing layer 102b having a high Al composition ratio is uniformly formed on the upper surface of the convex structure. That is, a layer having a high Al composition ratio is formed on the entire top surface of the convex structure. In this case, since the tensile strain applied to the clad layer is increased, there is a risk that fine cracks are generated.
  • the optical confinement is reduced by the low Al composition layer grown from the convex side wall.
  • the width of the convex structure is wider than 50 ⁇ m, the light confinement amount due to the reduction of the refractive index modulation effect becomes small. For this reason, there exists a risk which leads to the increase in threshold current. That is, by setting the width of the convex structure to 20 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less, high light confinement can be reliably realized and cracks can be further suppressed.
  • FIG. 4 is a top view of the n-GaN substrate 101.
  • 3A is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG.
  • the width W1 of the convex structure preferably satisfies 20 ⁇ W ⁇ 50 ( ⁇ m).
  • the width W2 of the groove part which is a concave structure satisfy
  • fills W2> 20 (micrometer).
  • a 300 nm thick SiO 2 film is formed on the p-GaN contact layer 110 by plasma CVD as shown in FIG. 3C. Thereafter, the SiO 2 film is selectively removed by photolithography and etching using hydrofluoric acid to form a stripe-shaped SiO 2 mask having a width of 1.5 ⁇ m. Thereafter, ICP dry etching using Cl 2 gas is performed to etch a region not covered with the striped SiO 2 mask to a depth of 0.35 ⁇ m. Thereby, a ridge stripe structure having a convex portion with a width of 1.5 ⁇ m is formed. Thereafter, the SiO 2 mask is removed with hydrofluoric acid.
  • the insulating film 111 is formed by exposing and selectively removing the SiO 2 film by dry etching or the like.
  • a p-electrode 112 made of palladium (Pd) having a thickness of 35 nm and platinum (Pt) having a thickness of 40 nm is formed by using an EB (Electron Beam) vapor deposition method or the like. It is formed on the GaN contact layer 110.
  • photolithography and EB vapor deposition are used to cover the convex portion of the ridge stripe structure, titanium (Ti) having a thickness of 50 nm, Pt having a thickness of 200 nm, and a thickness.
  • Ti titanium
  • Pt having a thickness of 200 nm
  • a wiring electrode 113 made of Ti with a thickness of 50 nm is formed.
  • the wiring electrode 113 has a width in the direction parallel to the cleavage plane of 20 ⁇ m.
  • a film in which Ti having a thickness of 50 nm and Au having a thickness of 1000 nm is laminated is formed into a planar square shape having a thickness of 550 ⁇ m in the cavity direction and 150 ⁇ m in the cleavage direction by using photolithography and an EB vapor deposition apparatus.
  • the thickness of Au is increased to 10 ⁇ m by electrolytic plating, and the pad electrode 114 is formed.
  • the n-GaN substrate 101 is polished to a thickness of about 100 ⁇ m using a diamond slurry, and then thinned, and then the back surface of the n-GaN substrate 101 is formed with 5 nm thick Ti and 10 nm thick Pt. Then, an n-electrode 115 made of Au having a thickness of 1000 nm is formed using an EB deposition apparatus. Thereafter, cleavage is performed to separate the chips, and the nitride semiconductor laser device 100 according to the present embodiment is manufactured.
  • the nitride semiconductor laser device 100 includes the n-GaN substrate 101 having a stripe-shaped convex structure, and the n-AlGaN cladding formed on the n-GaN substrate 101 and including AlGaN.
  • the n-AlGaN cladding layer 102 includes a constant composition ratio layer 102a in contact with the central portion of the upper surface of the convex structure, and an Al composition of the constant composition ratio layer 102a formed in contact with the corner extending from the upper surface of the convex structure.
  • a first Al composition ratio changing layer 102b having an Al composition ratio higher than the ratio.
  • the nitride semiconductor laser device 100 can realize high optical confinement and suppress the occurrence of cracks.
  • the n-AlGaN cladding layer 102 includes the first Al composition ratio changing layer 102b having a high Al composition ratio, so that the refractive index difference from the n-GaN light guide layer 105 can be increased. it can.
  • the nitride semiconductor laser device 100 can realize high optical confinement.
  • the first Al composition ratio change layer 102 b is not formed on the entire upper surface of the convex structure of the n-GaN substrate 101.
  • the constant composition ratio layer 102a is formed on the center of the top surface of the convex structure, the tensile strain applied to the n-AlGaN cladding layer 102 can be greatly reduced. As a result, the nitride semiconductor laser device 100 can suppress the generation of cracks and improve the yield.
  • the nitride semiconductor laser of the present invention has been described based on the embodiment.
  • the present invention is not limited to this embodiment.
  • the present invention includes various modifications that can be conceived by a trader who does not depart from the gist of the present invention.
  • the width of the convex portion of the ridge stripe structure is 1.5 ⁇ m is shown, but the same applies in any case as long as the stripe width is 10 ⁇ m or less. be able to.
  • the example of the n-GaN substrate 101 having the (0001) plane as the main surface of the substrate is shown as the substrate of the nitride semiconductor laser device 100.
  • the (10-10) plane ( The same applies to the case where the n-GaN substrate 101 having the 11-20) plane as the main surface of the substrate is used.
  • the present invention can be applied to the case where other substrates such as sapphire, SiC, Si are used. Can be applied as well.
  • the method for manufacturing the nitride semiconductor laser device 100 of the present invention has been shown by way of example in the case of manufacturing a semiconductor laser device having a ridge waveguide type optical waveguide.
  • the present invention can also be applied to a method for manufacturing an embedded laser device.
  • the nitride semiconductor laser device of the present invention has improved threshold current characteristics due to improved optical confinement, it is useful for applications such as an optical head of an optical disk device and a laser display.

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Abstract

　本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸構造を有するｎ－ＧａＮ基板（１０１）と、前記ｎ－ＧａＮ基板（１０１）上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ－ＡｌＧａＮクラッド層（１０２）とを備え、前記ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層（１０２）は、前記凸構造の上面中央部に接する組成比一定層（１０２ａ）と、前記凸構造の上面から伸びる角に接して形成され、前記組成比一定層（１０２ａ）のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層（１０２ｂ）とを含む。

Description

窒化物半導体レーザ装置
　本発明は半導体レーザ装置に関し、特に窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。
　現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）を代表とし、一般式がＩｎｘＧａｙＡｌ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）と、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とからなるＩＩＩ－Ｖ族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体が注目を集めている。例えば、光デバイスに関しては、窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が、大型ディスプレイ装置及び信号機等の要素として用いられている。また、窒化物半導体を用いたＬＥＤと蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤも一部商品化されており、将来的に発光効率が改善されれば、現状の照明装置に置き換わることも期待されている。
　一方、窒化物半導体を用いた青紫色～純緑色領域の光を発光する半導体レーザ装置も、非常に盛んに研究開発が行われている。青紫色半導体レーザ装置は、従来のＣＤ及びＤＶＤ等の光ディスクに用いられている赤色域や赤外域の光を発光する半導体レーザ装置と比べて、光ディスク上におけるスポット径を小さくすることが可能であるため、光ディスクの記録密度を向上させることが可能である。また、発光波長が４５０ｎｍ～４７０ｎｍの純青色半導体レーザ装置及び、５２５ｎｍ～５３５ｎｍの純緑色半導体レーザ装置は、レーザディスプレイ及び液晶のバックライト用途として利用でき、従来のディスプレイよりも色再現性が非常に高いディスプレイを実現することが可能である。
　これら窒化物半導体レーザ装置において、特に純青色及び純緑色半導体レーザ装置では発振閾値電流が非常に高い為、未だ製品化されていない。これは、レーザの発振閾値を決めるのに非常に重要な光閉じ込めが十分でないためである。光閉じ込めを高くするためには、ガイド層とクラッド層との屈折率差を大きくすることが必要である。これを実現するには、クラッド層を構成しているＡｌＧａＮのＡｌ組成を高くする必要がある。しかしながら、ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を高くすることにより、ＧａＮ基板との格子定数差が大きくなる。そのため、クラッド層における歪み及びクラックが発生し、窒化物半導体レーザ装置の発振閾値電流及び歩留まりに大きな影響を与える。
　そこで、基板表面に凹部である溝及び凸部である丘が形成されたＧａＮ基板を用い、その上にｎ－ＡｌＧａＮクラッド層を成長させることで屈折率差を大きくすることが可能な高Ａｌ組成クラッド層を実現し、なおかつＡｌＧａＮクラッド層に掛かっている歪みを開放し、クラックを低減する方法が開発された（例えば、特許文献１参照）。この方法を使用することで、ＧａＮ基板とその上に形成されるｎ－ＡｌＧａＮクラッド層の格子不整合が原因で発生するクラック及び歪みを抑制し、窒化物系半導体レーザ装置の歩留まりの改善を図ることができる。
　図５は、この従来の窒化物系半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。この窒化物系半導体レーザ装置においては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ）により、窒化物半導体基板であるｎ－ＧａＮ基板１上にストライプ状の凸構造を形成し、その（０００１）面を有するｎ－ＧａＮ基板１上にＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎバッファー層２、ｎ－Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層３、ｕｎ－ＡｌＧａＮキャリアブロック層４、ＩｎＧａＮ活性層５、ｕｎ－ＩｎＧａＮからなるｐ側光ガイド層６、ｐ－ＡｌＧａＮキャリアブロック層７、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層８、ＩｎＧａＮコンタクト層９を順次成長させる。この時、凸構造の側壁面から成長したｎ－ＡｌＧａＮクラッド層３のＡｌ組成比は、６．６％と凸部上部に形成されるｎ－ＡｌＧａＮクラッド層３のＡｌ組成比７％よりも低くすることが可能となる。
　この理由は、ＡｌＧａＮを構成しているＧａがＡｌに比べマイグレーション長が長いため、ＧａがＡｌに比べ凸部の側面側へ移動しやすくなるためである。このため、凸構造の側壁面から成長したＡｌ組成６．６％のｎ－ＡｌＧａＮクラッド層３の格子定数がｎ－ＧａＮ基板１の格子定数に近づくので、凸構造の上部に形成したＡｌ組成約７％のｎ－ＡｌＧａＮクラッド層３とｎ－ＧａＮ基板１との間に歪が生じたとしても、その歪が凸構造の側壁面から成長したＡｌ組成約６．６％のＡｌＧａＮ層にて緩和される。これにより高い光閉じ込めを実現しつつ、クラックを抑制させることが可能であると開示されている。
特開２００６－３０３４７１号公報
　しかしながら、本願発明者らが試みた結果、上記構成の窒化物半導体レーザ装置では、高い光閉じ込めを実現することは可能であるが、凸構造の側壁から成長したクラッド層のＡｌ組成が高いため、クラックを抑制することが可能なほどの歪み緩和を実現することができないという知見を得た。
　従って本発明は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制する窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸構造を有するＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ型クラッド層とを備え、前記ｎ型クラッド層は、前記凸構造の上面中央部に接する第１層と、前記凸構造の上面から延びる角に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第２層とを含む。
　この構成にすることにより、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックの発生を抑制できる。具体的には、ｎ型クラッド層は、凸構造の中央部上の第１層のＡｌ組成比よりも凸構造の上面から延びる角に接して形成された第２層のＡｌ組成比が高いため、当該ｎクラッド層上に形成される層との屈折率差を稼ぐことができる。その結果、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、高い光閉じ込めを実現できる。また、この第２層は、ＧａＮ基板の凸構造の上面全体に形成されているわけではない。言い換えると、凸構造の上面中央部上には、第２層よりもＡｌ組成比の低い第１層が形成されている。よって、ｎ型クラッド層に掛かる引っ張り歪を大幅に低減できる。その結果、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、クラックの発生を抑制でき、歩留まりが向上する。
　また、前記ｎ型クラッド層は、さらに、前記凸構造の側面に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比を有する第３層を含み、前記第２層は、前記第３層上に形成され、さらに、前記凸構造の上面に接して形成されてもよい。
　また、前記第２層のＡｌ組成比は、前記凸構造の中心に向かって漸減してもよい。
　この構造にすることにより、ｎ型クラッド層に掛かっている引っ張り歪を更に低減させることができる。
　また、前記第２層は、前記凸構造の上面中心線に対して対称に形成されてもよい。
　この構造にすることにより、光閉じ込めを一層向上することができると共に、光分布形状を改善することが可能となる。
　また、前記凸構造は、上面から下方に広がって形成され、前記凸構造の側面が前記ＧａＮ基板の主面の垂直方向に対して成す角度ｘは、０°＜ｘ＜４０°を満たしてもよい。
　この構造にすることにより、ｎ型クラッド層の成長時において、凸構造周辺部にて原料の濃度勾配が発生する。その為、第１層よりもＡｌ組成比の高い第２層を形成することが可能となる。
　また、前記凸構造の幅Ｗは、２０≦Ｗ≦５０（μｍ）を満たしてもよい。
　この構造にすることにより、高い光閉じ込めを確実に実現し、かつ、クラックをより一層抑制できる。
　本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制できる。
図１は、本発明の一実施の形態における窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 図２は、凸構造近傍のｎ－ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成を示す図である。 図３Ａは、埋め込み型窒化物半導体レーザ装置の製造方法の工程を示す断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの後の工程を示す断面図である。 図３Ｃは、図３Ｂの後の工程を示す断面図である。 図３Ｄは、図３Ｃの後の工程を示す断面図である。 図３Ｅは、図３Ｄの後の工程を示す断面図である。 図４は、ｎ－ＧａＮ基板の構造を示す上面図である。 図５は、従来例の窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
　本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸構造を有するＧａＮ基板と、前記ＧａＮ基板上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ型クラッド層とを備え、前記ｎ型クラッド層は、前記凸構造の上面中央部に接する第１層と、前記凸構造の上面から延びる角に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第２層とを含む。これにより、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックを抑制することができる。その結果、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置は、閾値電流特性が向上し、さらには歩留まりが向上する。
　以下に、本発明の実施の形態における窒化物半導体レーザ装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態における窒化物半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
　同図に示す窒化物半導体レーザ装置１００は、ストライプ状の凸構造を有する（０００１）面のｎ－ＧａＮ基板１０１上に、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｎ－ＧａＮ光ガイド層１０５、量子井戸活性層であるＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ－ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ－ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８、歪量子井戸構造を有するｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９が、形成されている。ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９は、リッジストライプ構造を有し、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９のリッジストライプ構造の凸部上には、ｐ型ＧａＮからなるｐ－ＧａＮコンタクト層１１０を介してｐ－電極１１２が形成されている。また、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９のリッジストライプ構造の凸部以外の上面及び側面にはＳｉＯ２からなる絶縁膜１１１が形成されている。さらに、ｐ－ＧａＮコンタクト層１１０及び絶縁膜１１１の一部を覆うように、配線電極１１３が形成され、配線電極１１３の上を覆うようにパッド電極１１４が形成されている。さらに、ｎ－ＧａＮ基板１０１のｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成されている面と反対側の面である裏面（図１において下面）上には、ｎ－電極１１５が形成されている。
　なお、図１において、Ｉ－Ｉ’線は、窒化物半導体レーザ装置１００の中心を示す線であり、ｎ－ＧａＮ基板１０１の凸構造の中心及びｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９のリッジストライプ構造の凸部の中心と一致する。
　ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、本発明のｎ型クラッド層に相当し、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮから構成される。このｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、本発明の第１層に相当する組成比一定層１０２ａと、本発明の第２層に相当する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂと、本発明の第３層に相当する低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃと、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比よりも変化量が大きいＡｌ組成比を有する第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄとを含む。組成比一定層１０２ａは、Ａｌ組成比がほぼ一定のＡｌＧａＮから構成され、凸構造の上面中央上に形成されている。第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ上に形成され、さらに、凸構造の上面に接して形成され、凸構造の上面中央に向かってＡｌ組成比が漸減する。また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、凸構造の上面中心線に対して対称に形成されている。低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃは、組成比一定層１０２ａよりも低いＡｌ組成比を有し、凸構造の側面に接して形成されている。なお、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、凸構造の上面において組成比一定層１０２ａに接する領域とは異なる領域に接して形成されている。また、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの下部及びｎ－ＧａＮ基板１０１上に形成されている。
　図２は、ｎ－ＧａＮ基板１０１の凸構造近傍のｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２のＡｌ組成を示す図である。具体的に同図には、ｎ－ＧａＮ基板１０１の凸構造の段差近傍における、ｎ－ＧａＮ基板１０１と、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２と、ｎ－ＧａＮ光ガイド層１０５とが示されている。
　同図に示すように、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２において、凸構造の側壁面から低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃが形成されている。ここで、この低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃは、ｎ－ＧａＮ基板１０１の主面に対して傾いて形成されている。
　また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、この低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの上部及び凸構造の上部に形成されている。言い換えると、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ上に形成され、さらに、凸構造の上面に接して形成されている。この第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃと同様に、ｎ－ＧａＮ基板１０１の主面に対して傾いて形成されている。また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比は、凸構造の中央部に向かうにつれ低くなっている。これにより、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２に掛かっている引っ張り歪を更に低減させることができる。
　低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの下部及び、ｎ－ＧａＮ基板１０１上には、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成されている。つまり、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄは、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃと、ｎ－ＧａＮ基板１０１との間に形成されている。この第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄのＡｌ組成比は、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂと同様に、凸構造の中央部に向かうにつれ低くなっている。ただし、第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄのＡｌ組成比の変化量は、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比の変化量よりも大きい。
　次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００の製造方法について、図面を参照して説明する。
　図３Ａ～図３Ｅは、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００の製造方法を説明するための図である。
　まず、（０００１）面のｎ－ＧａＮ基板にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー及び、フッ酸を用いたエッチングにより、ＳｉＯ２膜を選択的に除去して、［１０－１０］方向にストライプ状のＳｉＯ２マスクを形成する。この時、幅は［１１－２０］方向に５０μｍとする。その後、Ｃｌ２ガスを用いたＩＣＰドライエッチングを行い、ストライプ状のＳｉＯ２マスクに覆われていない領域を２μｍの深さまでエッチングを行う。その後、フッ酸により、ＳｉＯ２マスクを除去することにより、図３Ａに示すストライプ状の凸構造を有するｎ－ＧａＮ基板１０１を形成する。また、凸構造の上面の幅は、２０μｍである。
　次に、図３Ｂに示すように、凸構造が形成されたｎ－ＧａＮ基板１０１上に、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２を形成する。例えば、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２の組成は、ｎ－Ａｌ０．０３６Ｇａ０．９６４Ｎである。このとき、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２には、基板の主面から傾いた第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ及び基板の主面から傾いた第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂよりもＡｌ組成比変化量が大きい第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成される。次に、ｎ－ＧａＮ光ガイド層１０５、ＩｎＧａＮ活性層１０６、ｐ－ＧａＮ光ガイド層１０７、ｐ－ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８、歪量子井戸構造を有するｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９、及びｐ－ＧａＮコンタクト層１１０をＭＯＣＶＤ法により順次形成する。
　例えば、ＩｎＧａＮ活性層１０６は、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ／Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎから成る。また、例えば、ｐ－ＡｌＧａＮ電子障壁層１０８は、ｐ－Ａｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎから成る。また、例えば、ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層１０９は、ｐ－Ａｌ０．０７２Ｇａ０．９２８／ＧａＮから成る。
　この時、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２において、図２に示すように、凸構造の側壁面から低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ（Ａｌ組成：１％）が基板の主面から傾いて形成され、その層の上部に第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ（Ａｌ組成：３．７％～５％）が基板の主面から傾いて形成される。第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの幅は、凸構造上部の片端から約８μｍ～１０μｍに渡り、凸構造の中央部に向かって形成されている。また、凸構造の上面中央に接して組成比が一定のｎ－ＡｌＧａＮクラッド層である組成比一定層１０２ａ（Ａｌ組成：３．６％）が形成されている。
　ここで、このｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２において、異なるＡｌ組成比を有する、組成比一定層１０２ａ、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ及び第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成される仕組みについて説明する。
　組成比一定層１０２ａ、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃ及び第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄにおけるＡｌ組成比の違いは、凸構造中央の上部に成長した組成比一定層１０２ａの積層方向の膜厚と、凸構造の側面から成長した低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの膜厚と、凸構造の側面から成長した低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの下部とｎ－ＧａＮ基板１０１上に形成されている第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄの膜厚との差、すなわち成長速度差によるものである。一般的に、ＡｌＧａＮを構成しているＧａ種はＡｌ種よりも拡散長が長い。このため、凸構造の周辺部に存在するＧａ種は原料拡散により、ダングリングボンド数が（０００１）面よりも多い（１１－２ｘ）面（ｘ：整数）にＧａ種が吸着され、成長速度が速くなる。
　その結果、凸構造上面及び下面端部においてＧａ種の急激な濃度勾配が生じ、組成比一定層１０２ａのＡｌ組成比よりもＡｌ組成比が高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び第２のＡｌ組成比変化層１０２ｄが形成される。また、同時に、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃも形成される。
　本実施の形態では、（１１－２ｘ）面（ｘ：整数）におけるｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２と、（０００１）面におけるｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２との成長速度の比は３以上である。言い換えると、組成比一定層１０２ａの成長速度は、低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃの成長速度の３倍以上である。
　また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃがｎ－ＧａＮ基板１０１の主面から傾いて形成されるメカニズムについても、同様にＧａ種の拡散長によるものと考えられる。具体的には、Ｇａ種の拡散長に対して凸構造の側面から十分離れた領域において、基板の主面方向に成長駆動力が強いため厚膜なｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成される。一方、凸構造の側面近傍の領域において、Ｇａ種の拡散により側面の成長駆動力が強いため、ｎ－ＧａＮ基板１０１の主面方向の成長駆動力が弱く薄膜なｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成される。
　これにより、図２の凸構造の底面に示すような山なりのｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２が形成される。この性質を利用することにより、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ及び低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃは、ｎ－ＧａＮ基板の主面から傾けることが可能となる。このときの溝幅は、５０μｍである。また、溝幅は少なくとも２０μｍ以上は必要である。２０μｍ未満にすると、Ｇａの拡散長が長いため、側壁面からの成長のみになり、上記のような構造にすることができなくなる。本実施の形態におけるＧａ種の拡散長は、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの領域幅により見積もることができ、８μｍ～１０μｍである。
　また、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂ（Ａｌ組成：３．７％～５％）のＡｌ組成は、凸構造の中央部に向かうにつれ低くなっている（５％→３．７％）。これは、凸構造の側面からｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２の成長が進むにつれ、原料の濃度勾配が起こる箇所が変化するためである。これにより、図３Ｂに示すようなＶ字型の第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂを形成することができる。言い換えると、凸構造の側面から低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層１０２ｃが成長するにつれ、Ａｌ組成比の濃度勾配が生じる箇所が変化するので、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成比は、凸構造の中心に向かって漸減する。つまり、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、凸構造の上面中心線に対して対称に形成されている。この構成により、光閉じ込めが大幅に向上する。
　このような結果を引き起こすには、［０００１］方向の成長レート（ａ）と［１１－２０］方向の成長レート（ｂ）の比（ｂ／ａ）を１より大きくすることが必要となる。
　成長レート比を１より大きくさせる成長条件として、水素分圧比：０．３以下、Ｖ／ＩＩＩ比：１０００～３０００、成長温度：１０００～１２００℃の３項目のうち少なくとも１項目の条件を満たすことが必要である。
　水素分圧比に着目すると、０．３以上にした場合、水素エッチング効果により凸構造の側壁面からの成長レートが小さくなり、成長レート比ｂ／ａ＞１の実現が不可能になる。そのため、成長レート比ｂ／ａ＞１を実現するには、水素分圧を０．３より低くすることが好ましい。望ましくは、０．２より低くすることである。これにより、水素エッチング効果をさらに抑制することができるため、成長レート比ｂ／ａ≧３を実現することが可能となる。それにより、図２のような第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの高Ａｌ組成化が可能となる。
　また、Ｖ／ＩＩＩ比を１０００以下にすると成長レートが速くなり、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂをより一層高Ａｌ組成化することができる。しかしながら、成長レートが速いため、ＡｌＧａＮの結晶性が低下することによるデバイス特性低下が起こる。また、Ｖ／ＩＩＩ比３０００以上にすると、成長レート低下が起因による結晶性低下が起こる。これによりデバイス特性低下につながる。よって、Ｖ／ＩＩＩ比は、１０００～３０００の間が好ましい。
　また、成長温度を１０００℃より低くすると、Ｇａ原子の再蒸発量が低下し、なおかつＧａのマイグレーション長が長くなる。それにより、凸構造側壁面からの成長レートをさらに速くすることができ、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成をより一層高Ａｌ組成化することが可能となる。しかし、成長レートの増大により凸構造上面から成長した組成比一定層１０２ａの結晶性が低下するため、デバイス特性の低下につながる。よって、成長温度は、１０００℃～１２００℃が好ましい。
　また、凸構造の上面から形成された第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの体積は、凸構造の上面から形成されたｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２全体の体積に対して５０％以下となるように形成することが好ましい。
　このように、局所的に第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂをＶ字型に形成することで、光閉じ込めを高めることができると共に、光分布形状を良好にすることが可能となり、しきい電流を大幅に低下させることが可能となる。さらには、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２にかかる引張り歪を低減させることができるため、窒化物半導体レーザ装置１００の歩留まりを向上させることが可能となる。
　また、凸構造の側壁面は［０００１］方向に対し５０°より大きく９０°未満が好ましい。言い換えると、凸構造は上面から下方に広がって形成され、凸構造の側面がｎ－ＧａＮ基板１０１の主面の垂直方向に対して成す角度ｘは、０°＜ｘ＜４０°を満たす事が好ましい。角度が大きくなり過ぎると、側壁面の成長レートが遅くなるため、原料の濃度勾配が小さくなる。その結果、Ａｌ組成比が高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂが小さくなると共に、Ａｌ組成比が高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂのＡｌ組成が低くなってしまう。言い換えると、０°＜ｘ＜４０°を満たすことにより、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２の成長時において、凸構造周辺部にて原料の濃度勾配が発生する。そのため、組成比一定層１０２ａよりもＡｌ組成比の高い第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂを形成することが可能となる。
　また、本実施の形態における凸構造の幅は、図２に示すように、第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂの幅が片側で約８μｍであることから、２０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。凸構造の幅が２０μｍより狭い場合、高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂが凸構造上面に一様に形成される。つまり、凸構造の上面全体に高Ａｌ組成比を有する層が形成される。この場合、クラッド層に掛かる引張り歪が大きくなるため、微細クラックが発生するリスクがある。更には、凸部側壁から成長した低Ａｌ組成層による光閉じ込め低下が懸念される。また、凸構造の幅が５０μｍより広い場合、屈折率変調効果が小さくなることによる光閉じ込め量が小さくなる。このため、閾値電流の増加に繋がるリスクがある。つまり、凸構造の幅を２０μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、高い光閉じ込めを確実に実現し、かつ、クラックをより一層抑制できる。
　図４は、ｎ－ＧａＮ基板１０１の上面図である。なお、同図におけるＡ－Ａ’断面における断面図が図３Ａである。上述したように、凸構造の幅Ｗ１は、２０≦Ｗ≦５０（μｍ）を満たすことが好ましい。また、凹構造である溝部の幅Ｗ２は、Ｗ２≧２０（μｍ）を満たすことが好ましい。
　上述したようにｐ－ＧａＮコンタクト層１１０までを形成した後、図３Ｃに示すように、ｐ－ＧａＮコンタクト層１１０の上に、プラズマＣＶＤ法を用いて厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成する。その後、フォトリソグラフィー、及び、フッ酸を用いたエッチングにより、ＳｉＯ２膜を選択的に除去して、幅１．５μｍのストライプ状のＳｉＯ２マスクを形成する。その後、Ｃｌ２ガスを用いたＩＣＰドライエッチングを行い、ストライプ状のＳｉＯ２マスクに覆われていない領域を０．３５μｍの深さまでエッチングをする。これにより、幅が１．５μｍの凸部を有するリッジストライプ構造が形成される。その後、ＳｉＯ２マスクをフッ化水素酸により除去する。
　次に、ｎ－ＧａＮ基板１０１の上方の全面を覆うようにプラズマＣＶＤ法により、厚さ３００ｎｍのＳｉＯ２膜を形成し、フォトリソグラフィーを用いて、ｐ－ＧａＮコンタクト層１１０上のＳｉＯ２膜を露出させ、ドライエッチング等にてＳｉＯ２膜を選択的に除去して、絶縁膜１１１を形成する。
　その後、図３Ｄに示すように、厚さが３５ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さが４０ｎｍの白金（Ｐｔ）とからなるｐ－電極１１２を、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｍ）蒸着法などを用いてｐ－ＧａＮコンタクト層１１０の上に形成する。
　次に、図３Ｅに示すように、フォトリソグラフィー及びＥＢ蒸着法を用いて、リッジストライプ構造の凸部を覆う、厚さが５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）、厚さが２００ｎｍのＰｔ、及び、厚さが５０ｎｍのＴｉからなる配線電極１１３を形成する。配線電極１１３は、へき開面に平行な方向の幅を２０μｍとする。続いて、厚さが５０ｎｍのＴｉと厚さが１０００ｎｍのＡｕを積層させた膜を、共振器方向に５５０μｍ、へき開方向に１５０μｍの平面方形状に、フォトリソグラフィー、ＥＢ蒸着装置を用いて形成する。さらに、電解メッキにより、Ａｕの厚さを１０μｍまで増やし、パッド電極１１４を形成する。
　その後、ダイヤモンドスラリーを用いてｎ－ＧａＮ基板１０１の厚さを１００μｍ程度まで研磨することにより薄片化した後、ｎ－ＧａＮ基板１０１の裏面に、厚さが５ｎｍのＴｉ、厚さが１０ｎｍのＰｔ、及び、厚さが１０００ｎｍのＡｕからなるｎ－電極１１５を、ＥＢ蒸着装置を用いて形成する。その後、へき開を行うことによりチップ分離され、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００が製造される。
　以上のように、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００は、ストライプ状の凸構造を有するｎ－ＧａＮ基板１０１と、ｎ－ＧａＮ基板１０１上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２とを備え、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、凸構造の上面中央部に接する組成比一定層１０２ａと、凸構造の上面から延びる角に接して形成され、組成比一定層１０２ａのＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂとを含む。
　これにより、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ装置１００は、高い光閉じ込めを実現し、かつ、クラックの発生を抑制できる。具体的には、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２は、高いＡｌ組成比を有する第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂを含むことにより、ｎ－ＧａＮ光ガイド層１０５との屈折率差を大きくすることができる。その結果、窒化物半導体レーザ装置１００は、高い光閉じ込めを実現できる。また、この第１のＡｌ組成比変化層１０２ｂは、ｎ－ＧａＮ基板１０１の凸構造の上面全体に形成されているわけではない。言い換えると、凸構造の上面中央上には、組成比一定層１０２ａが形成されているので、ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層１０２に掛かる引っ張り歪を大幅に低減できる。その結果、窒化物半導体レーザ装置１００は、クラックの発生を抑制でき、歩留まりが向上する。
　以上、本発明の窒化物半導体レーザについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で問う業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
　例えば、上述の実施の形態においては、リッジストライプ構造の凸部の幅として１．５μｍの例を示したが、１０μｍ以下のストライプ幅であれば、いずれかの場合であっても同様に適用することができる。
　また、上述の実施の形態においては、窒化物半導体レーザ装置１００の基板として（０００１）面を基板の主面としたｎ－ＧａＮ基板１０１の例を示したが、（１０－１０）面、（１１－２０）面を基板の主面としたｎ－ＧａＮ基板１０１を用いた場合でも同様に適用することができる。
　また、上述の実施の形態においては、窒化物半導体レーザ装置１００の基板としてｎ－ＧａＮ基板１０１を用いた例を示したが、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉなど他の基板を用いる場合にも、本発明を同様に適用することができる。
　また、上記実施の形態においては、リッジ導波路型の光導波路を有する半導体レーザ装置を製造する場合を例として、本発明の窒化物半導体レーザ装置１００の製造方法を示したが、本発明は、埋め込み型レーザ装置の製造方法にも適用可能である。
　本発明の窒化物半導体レーザ装置は、光閉じ込めの向上により閾値電流特性が向上するので、光ディスク装置の光学ヘッド、レーザディスプレイなどの用途に有用である。
１、１０１　ｎ－ＧａＮ基板
２　バッファー層
３、１０２　ｎ－ＡｌＧａＮクラッド層
４　ｕｎ－ＡｌＧａＮキャリアブロック層
５、１０６　ＩｎＧａＮ活性層
６　光ガイド層
７　ｐ－ＡｌＧａＮキャリアブロック層
８、１０９　ｐ－ＡｌＧａＮクラッド層
９　ＩｎＧａＮコンタクト層
１０２ａ　組成比一定層
１０２ｂ　第１のＡｌ組成比変化層
１０２ｃ　低Ａｌ組成ＡｌＧａＮ層
１０２ｄ　第２のＡｌ組成比変化層
１０５　ｎ－ＧａＮ光ガイド層
１０７　ｐ－ＧａＮ光ガイド層
１０８　ｐ－ＡｌＧａＮ電子障壁層
１１０　ｐ－ＧａＮコンタクト層
１１１　絶縁膜
１１２　ｐ－電極
１１３　配線電極
１１４　パッド電極
１１５　ｎ－電極

Claims (6)

  1. 　ストライプ状の凸構造を有するＧａＮ基板と、
    　前記ＧａＮ基板上に形成され、ＡｌＧａＮを備えるｎ型クラッド層とを備え、
    　前記ｎ型クラッド層は、
    　前記凸構造の上面中央部に接する第１層と、
    　前記凸構造の上面から延びる角に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも高いＡｌ組成比を有する第２層とを含む
    　窒化物半導体レーザ装置。
  2. 　前記ｎ型クラッド層は、さらに、前記凸構造の側面に接して形成され、前記第１層のＡｌ組成比よりも低いＡｌ組成比を有する第３層を含み、
    　前記第２層は、
    　前記第３層上に形成され、さらに、前記凸構造の上面に接して形成されている
    　請求項１記載の窒化物半導体レーザ装置。
  3. 　前記第２層のＡｌ組成比は、前記凸構造の中心に向かって漸減する
    　請求項１記載の窒化物半導体レーザ装置。
  4. 　前記第２層は、前記凸構造の上面中心線に対して対称に形成されている
    　請求項１記載の窒化物半導体レーザ装置。
  5. 　前記凸構造は、上面から下方に広がって形成され、
    　前記凸構造の側面が前記ＧａＮ基板の主面の垂直方向に対して成す角度ｘは、０°＜ｘ＜４０°を満たす
    　請求項１記載の窒化物半導体レーザ装置。
  6. 　前記凸構造の幅Ｗは、２０≦Ｗ≦５０（μｍ）を満たす
    　請求項１記載の窒化物半導体レーザ装置。
     
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