JP4671702B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明はIII族窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置に関する。

近年、次世代の高密度光ディスク用光源として青紫色光を出力する半導体レーザ装置に対する要望が高まり、禁制帯幅が１．９ｅＶから６．２ｅＶにわたる直接遷移半導体であるIII族窒化物半導体からなる発光装置の研究開発が盛んに行われている。

III族窒化物半導体からなるレーザ装置においては、クラッド層にＡｌを含んだＡｌＧａＮ等が用いられることが多いが、このような結晶ではＡｌ組成比の増大に伴いｐ型キャリアの生成が困難になる傾向がある。そのためｐ型クラッド層には、１０^１８ｃｍ^−３を超える高濃度のｐ型不純物が添加される。また、活性層からｐ型クラッド層への電子の漏れを抑制するためにｐ型クラッド層の手前にｐ型クラッド層よりもさらにＡｌ組成比の大きいＡｌＧａＮからなる電子ブロック層が設けられることがあるが、この層にも高濃度のｐ型不純物が添加される。

一方、高濃度のｐ型不純物は光の吸収損失をもたらす要因になり、また活性層に拡散すると欠陥準位を形成しレーザ特性を悪化させる原因に成り得る。
従来、ｐ側クラッド層をｎ型層およびｐ型層の積層で構成し、活性層とｐ型層の間に距離を置く構造が開示されている。

以下、従来のIII族窒化物半導体レーザ装置について図１２を用いて説明する。
図１２は従来のIII族窒化物半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
図１２に示すように、従来のIII族窒化物半導体レーザ装置は、サファイア基板１０１上にエピタキシャル成長されたｎ型コンタクト層１０２、ｎ型クラッド層１０３、アンドープｎ側光ガイド層１０４、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０５、アンドープｐ側光ガイド層１０６、アンドープｐ側第１クラッド層１０８、ｐ型電子ブロック層１０９、ｐ型第２クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１からなる積層構造に絶縁膜１１２、ｐ側電極１１３およびｎ側電極１１４が設けられた構成である（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記構造は、動作電圧の低減を目的としていることもあり、イオン化不純物の拡散に影響が大きい電界の向きや大きさは考慮されていない。
特開２００３−２８９１７６

本発明は、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することにより、安定した光出力特性を有し、その結果、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために本発明のIII族窒化物半導体レーザ装置は、活性層とｐ型クラッド層との間に、圧縮歪みを有して少なくとも平衡状態においてｐ型クラッド層から活性層方向に向かう電界を有するｐ型不純物拡散抑制層を含むことを特徴とする。

また、ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１≦１）で構成されるｐ型不純物拡散抑制層とを有し、前記ｐ型不純物拡散抑制層が圧縮歪みを有して少なくとも平衡状態において前記クラッド層から活性層方向に向かう電界を有することを特徴とする。

また、ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間に圧縮歪みを有してＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１≦１）で構成される第１のｐ型不純物拡散抑制層と、前記活性層と前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の間に圧縮歪みを有してＡｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２≦１）で構成される第２のｐ型不純物拡散抑制層とを有し、前記第２のｐ型不純物拡散抑制層の歪み量が前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の歪み量を超えないことを特徴とする。

また、ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間に圧縮歪みを有してＧａ_１-ｙ１Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０．０３≦ｙ１≦１）で構成されるｐ型不純物拡散抑制層とを有し、前記ｐ型III族窒化物半導体領域の前記ｐ型不純物拡散抑制層と隣接する領域がＧａＮ層であることを特徴とする。

また、ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間に複数層の圧縮歪みを有してＡｌ_ｘａｎ１Ｇａ_{１−ｘａｎ１−ｙａｎ１}Ｉｎ_ｙａｎ１Ｎ（層ｎ１＝１，２，・・・，ｍ１、ｘａｎ１＋ｙａｎ１≦１）で構成される第１のｐ型不純物拡散抑制層と、前記活性層と前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の間に圧縮歪みを有してＡｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２≦１）で構成される第２のｐ型不純物拡散抑制層とを有し、前記第２のｐ型不純物拡散抑制層の歪み量が前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の歪量を超えないことを特徴とする。

また、前記第１のｐ型不純物拡散抑制層のＩｎ組成比を前記第２のｐ型不純物拡散抑制層のＩｎ組成比よりも大きくすることが好ましい。

また、前記層数ｍが５以下であることが好ましい。

また、前記第２のｐ型不純物拡散抑制層の少なくとも一部にｎ型不純物を添加することが好ましい。

以上により、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することにより、安定した光出力特性を有し、その結果、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明による半導体レーザ装置では、活性層とｐ型クラッド層との間に、少なくとも平衡状態においてｐ型クラッド層から活性層方向に向かう電界を有するｐ型不純物拡散抑制層を設ける構成とすることにより、この電界が、マイナスイオンになっているｐ型不純物をｐ型クラッド層方向へ引き戻すように働き、ｐ型不純物の拡散を抑制することができるため、ｐ型不純物の制御が可能になり、安定した光出力特性を有し、その結果、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザ装置を提供することが可能になる。

本発明のIII族窒化物半導体レーザ装置は、活性層とｐ型クラッド層との間に、少なくとも平衡状態においてｐ型クラッド層から活性層方向に向かう電界（以降、負電界と呼ぶ）を有するｐ型不純物拡散抑制層を設ける構成とする。

ｐ型不純物は正孔の放出によりマイナスイオンになっているため、活性層とｐ型クラッド層との間に存在する負電界は、ｐ型不純物をｐ型クラッド層方向へ引き戻すように働き、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することができる。

本発明の半導体レーザ装置は、活性層とｐ型クラッド層との間にＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎからなるｐ型不純物拡散抑制層を有し、前記Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎと前記活性層との間に前記Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎに接してＡｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎが配置され、前記Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎが圧縮歪みを有し、更に前記Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎの歪量がＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎの歪量を超えない構成である。

ＡｌＧａＩｎＮ系材料は、他のIII−Ｖ族半導体に比べて自然分極Ｐ_ｓｐおよびピエゾ分極Ｐ_ｐｚが大きいという特徴を有するため、これらの分極を利用して、電界の大きさおよび極性を制御することができる。Ｐ_ｓｐの大きさは材料により一律的に決まるが、Ｐ_ｐｚは、面内の歪みε_１（＝（ａ−ａ_０）／ａ_０、ａ：歪み状態での面内の格子定数、ａ_０：緩和状態での面内の格子定数）を用いて次式で表される。

Ｐ_ｐｚ＝２ε_１＊（ｅ_３１−ｅ_３３＊Ｃ_１３／Ｃ_３３） （１）
ｅ_３１、ｅ_３３：圧電係数
Ｃ_１３、Ｃ_３３：弾性定数
（１）式から、Ｐ_ｐｚの大きさは歪量に比例して大きくなり、その符号は歪みの方向で決まることが分かる。ＡｌＧａＩｎＮ系材料では、（１）式の括弧内が必ず負になる（参考文献： Ｏ． Ａｍｂａｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｐｈｙｓ．：Ｃｏｎｄｅｎｓ． Ｍａｔｔｅｒ， Ｖｏｌ． １４， ３３９９−３４３４（２００２））ことから、Ｐ_ｐｚは圧縮歪みのときに正になり、引張歪みでは負になる。

また、分極Ｐ（＝Ｐ_ｓｐ＋Ｐ_ｐｚ）により誘起される電荷は次式で表され、
ρ_Ｐ＝−∇Ｐ （２）
Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ／Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎヘテロ界面（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎが上層、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎが下層）では、次式で示すような固定電荷が誘起される。

σ＝ Ｐ_２−Ｐ_１
＝（Ｐ_ＳＰ２＋Ｐ_ＰＺ２）−（Ｐ_ＳＰ１＋Ｐ_ＰＺ１）
＝（Ｐ_ＳＰ２−Ｐ_ＳＰ１）＋（Ｐ_ＰＺ２−Ｐ_ＰＺ１） （３）
ここで、Ｐ_１およびＰ_２はそれぞれＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１ＮおよびＡｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎの分極を表す。

上記Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ層中に負電界を生じさせるためには、上記σを負にする必要がある。上記へテロ界面が同じ材料系の半導体層で形成されていることから、Ｐ_ＳＰ１とＰ_ＳＰ２との差は小さいと考えることができる。そのため、σを負にするためには、Ｐ_ＰＺ１が正であり、Ｐ_ＰＺ２＜Ｐ_ＰＺ１を満たせばよい。つまり、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎが圧縮歪みを有し、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎの歪量がＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ歪量を超えないようにすることで負電界が実現できる。

この場合に、ｐ型不純物拡散抑制層がＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ層で構成され、前記Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮと前記活性層との間に前記Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮに接してＧａＮが配置され、前記Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮのＩｎ組成比ｙが０．０３以上であることが好ましい。この構成は、この材料系において負電界を実現できる元素数が最小の組み合わせであり、最も容易に作製することができる。

また、ｐ型不純物拡散抑制層を複数のＡｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層（ｎ＝１，２，・・・，ｍ）で構成し、前記Ａｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層と前記活性層との間に前記各Ａｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層に接してＡｌ_ｘｂｎＧａ_{１−ｘｂｎ−ｙｂｎ}Ｉｎ_ｙｂｎＮ層（ｎ＝１，２，・・・，ｍ）を配置し、前記Ａｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層が圧縮歪みを有し、更に前記各Ａｌ_ｘｂｎＧａ_{１−ｘｂｎ−ｙｂｎ}Ｉｎ_ｙｂｎＮ層の歪量がｐ型クラッド層側で接したＡｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層の歪量をそれぞれ超えない構造としても良い。ｐ型不純物拡散抑制層の薄膜化および多層化によって更に高負電界を得、ｐ型不純物の拡散抑制効果を高めることが可能になる。

この場合、前記Ａｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層の層数ｍは５以下にすることが望ましい。ｍを５以下とすると、素子抵抗の増大を抑制したまま、ｐ型不純物の拡散抑制効果を高めることができる。

また、ｐ型不純物拡散抑制層を構成する各Ａｌ_ｘａｎＧａ_{１−ｘａｎ−ｙａｎ}Ｉｎ_ｙａｎＮ層（ｎ＝１，２，・・・・，ｍ）に接して配置されたＡｌ_ｘｂｎＧａ_{１−ｘｂｎ−ｙｂｎ}Ｉｎ_ｙｂｎＮ層（ｎ＝１，２，・・・・，ｍ）の少なくとも一部にｎ型不純物を添加しても良い。ｎ型不純物にもｐ型不純物の拡散を抑制する効果が期待されることから、負電界との相乗効果によりｐ型不純物の拡散抑制効果を高めることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１，図２を参照しながら説明する。

図１は実施の形態１に係わる半導体レーザ装置の構成を示す断面図、図２は実施の形態１に係わる半導体レーザ装置の電界分布を示す図である。
初めに、実施の形態１における半導体レーザ装置の製造方法を説明する。

まず、直径が約５１ｍｍ（２インチ）のサファイアからなる基板１を用意し、その表面を酸性の水溶液により洗浄する。続いて、洗浄した基板１を、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置の反応炉内のサセプタに保持し、反応炉を真空に排気する。続いて、反応炉内を、圧力が約３００×１３３．３２２Ｐａ（３００Ｔｏｒｒ）の水素雰囲気とし、温度を約１１００℃まで昇温し基板１を加熱して基板表面のサーマルクリーニングを約１０分間行う。

次に、反応炉を約５００℃にまで降温した後、基板１上に、供給量が約２５μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、供給量が約７．５Ｌ／ｍｉｎのアンモニア（ＮＨ_３）ガスと、水素からなるキャリアガスとを同時に供給することにより、厚さが約２０ｎｍの窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる低温バッファ層（図示せず）を成長する。このとき、Ｖ族原料であるアンモニアガスとIII族原料であるＴＭＧとの供給比の値は、約６５００である。

続いて、反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温し、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ_４）ガスをも供給しながら、低温バッファ層（図示せず）上に、厚さが約４μｍでシリコン（Ｓｉ）の不純物濃度が約１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２を成長する。続いて、ｎ型コンタクト層２の上にIII族原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）をも供給しながら、厚さが約１．２μｍでＳｉの不純物濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層３を成長する。

その後、ｎ型クラッド層３の上に、厚さが約９０ｎｍでＳｉの不純物濃度が約１×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型ＧａＮと厚さが約７．５ｎｍのＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎとを積層してｎ側光ガイド層４を成長する。ここで、Ｇａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎの成長は、反応炉内の温度を約８００℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更した後に行う。また、Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎの成長時には、III族原料にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧとを供給する。

その後、ｎ側光ガイド層４の上に、厚さが約３ｎｍのＧａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎからなる３層の歪み量子井戸と厚さが約７．５ｎｍのＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎからなる２層のバリア層とを交互に積層して、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層５を成長する。

その後、ＭＱＷ活性層５の上に、厚さが約３５ｎｍのＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎと厚さが約４５ｎｍのＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎとを積層してｐ側第１光ガイド層６を成長する。ここで、Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎの成長は、再度、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た後に行う。

その後、ｐ側第１光ガイド層６の上に、厚さが約１０ｎｍのＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９２Ｉｎ_０．０６Ｎからなるｐ型不純物拡散抑制層７を成長する。続いて、ｐ型不純物拡散抑制層７の上に厚さが約１５ｎｍのＧａＮからなるｐ側第２光ガイド層８を成長する。

その後、III族原料のＴＭＡおよびＴＭＧと、Ｖ族原料のアンモニアガスと、ｐ型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガスとを供給しながら、ｐ側第２光ガイド層８の上に、厚さが約１０ｎｍでＭｇの不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎからなる電子ブロック層９を成長する。続いて、電子ブロック層９の上に、厚さが約０．５μｍでＭｇの不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層１０を成長する。ｐ型クラッド層１０はＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ／ＧａＮ超格子（ＳＬ）で構成しても良い。

その後、ｐ型クラッド層１０の上に、厚さが約５０ｎｍでＭｇの不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３のｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１を成長する。
次に、ｐ型コンタクト層１１まで成長した基板１を反応炉から取り出し、ｐ型コンタクト層１１の表面を有機溶剤により洗浄し、さらにフッ酸系のウェットエッチングによりクリーニングした後、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型コンタクト層１１の全面にわたって厚さが約０．１μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜（図示せず）を堆積する。その後、この絶縁膜上にフォトリソグラフィー法によりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜にパターンを形成する。次に、この所定形状の絶縁膜をマスクとして、ｎ型コンタクト層２が露出するまで、例えば塩素（Ｃｌ_２）ガスを用いたドライエッチングを行う。このエッチングにより、ｎ型コンタクト層２の上層部、ｎ型クラッド層３、ｎ側光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ側第１光ガイド層６、ｐ型不純物拡散抑制層７、ｐ側第２光ガイド層８、電子ブロック層９、ｐ型クラッド層１０およびｐ型コンタクト層１１がメサ形状にパターニングされる。

次に、エッチングマスクとして用いた絶縁膜を、例えばフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングにより除去する。その後、再度、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、基板全面に厚さが約０．２μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜（図示せず）を堆積する。その後、この絶縁膜上にフォトリソグラフィー法によりリッジ部の形状に対応した所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜にパターンを形成する。次に、この所定形状の絶縁膜をマスクとして、ｐ型クラッド層１０の途中まで、例えば塩素（Ｃｌ_２）ガスを用いたドライエッチングを行い、リッジを形成する。ｐ型クラッド層１０の残し厚は、光放射角やキンクレベルに対する設計により決められる。

次に、エッチングマスクとして用いた絶縁膜を、例えばフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングにより除去する。その後、再度、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、基板全面に厚さが約０．２μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜１２を堆積する。その後、この絶縁膜１２の上にフォトリソグラフィー法によりｎ側電極形成領域を除いた所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ酸系の水溶液を用いたウェットエッチングにより絶縁膜１２にパターンを形成する。次に、レジストパターンを残したままの状態で基板全面に例えば真空蒸着法により、チタン（Ｔｉ）膜およびアルミニウム（Ａｌ）膜を順次形成した後、レジストパターンをその上に形成されたＴｉ膜およびＡｌ膜とともに除去する。これによって絶縁膜１２の開口を通じてｎ型コンタクト層２に接触したｎ側電極１４が形成される。次に、ｎ側電極１４をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。

次に、同様なプロセスで、リッジ上部の絶縁膜１２を除去し、ｐ型コンタクト層１１を露出させた後、ｎ側電極１４と同様にして、ｐ型コンタクト層１１と電気的に接続したニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなるｐ側電極１３を形成する。

次に、図示はしていないが、レーザ素子の共振器構造をへき開などによって形成し、その後、へき開した共振器の各端面に端面コーティングを施す。ここで、共振器長は例えば６００μｍ、フロント側の端面反射率は例えば１０％、リア側の端面反射率は例えば９５％である。

以上により、目的の構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置が形成される。
上記半導体レーザ装置の電界分布を計算した結果について図２を用いて説明する。
ｐ型不純物拡散抑制層７を構成するＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９２Ｉｎ_０．０６Ｎは約０．６％の圧縮歪みを有し、ｐ側第１光ガイド層６を構成し前記ｐ型不純物拡散抑制層７と接するＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎは約０．０５％の圧縮歪みを有する。ｐ型不純物拡散抑制層７の圧縮歪みの方が、ｐ側第１光ガイド層６よりも大きいことから、これらの界面には負の固定電荷が誘起される。図２は活性層５周辺の電界分布を示しているが、本実施の形態では、ｐ型不純物拡散抑制層７の領域で約３．５×１０^５Ｖ／ｃｍの負電界を得ることができ、ｐ型不純物であるＭｇが活性層に拡散することを抑制することができる。その結果、信頼性の高い青紫色半導体レーザ装置を得ることが可能である。

本実施の形態では、ｐ型不純物拡散抑制層７に接するｐ側第１光ガイド層６をＡｌＧａＮ３元化合物で構成したが、各元素の組成比は任意であり、ｐ型不純物拡散抑制層７を構成する結晶よりも歪量が小さければ、ＡｌＧａＩｎＮ４元化合物で構成しても良い。４元化合物は、歪量と屈折率とを独立に制御できることから、レーザ装置の光出力特性やビーム形状の設計自由度を大きく保つことができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について図３，図４，図５，図６，図７を参照しながら説明する。

図３は実施の形態２に係わる半導体レーザ装置の構成を示す断面図、図４はＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮからなるｐ型不純物拡散抑制層における電界強度とＩｎ組成比との関係の計算結果を示す図、図５は実施の形態２におけるＭｇ濃度分布を示す図、図６は実施の形態２に係わる半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す図、図７は実施の形態２に係わる半導体レーザ装置のエージング特性を示す図である。

まず、本発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の構成について図３を用いて説明する。
ｐ側第１光ガイド層２６およびｐ型不純物拡散抑制層２７以外は実施の形態１と同様である。ここでは、ｐ側第１光ガイド層２６をＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２ＮとＧａＮとの積層で構成してｐ型不純物拡散抑制層２７とＧａＮを隣接させ、ｐ型不純物拡散抑制層２７をＧａ_０．９４Ｉｎ_０．０６Ｎで構成する。

次に、ｐ型不純物拡散抑制層をＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮで構成した構造において、Ｉｎ組成比ｙとｐ型不純物拡散抑制層中の電界Ｆとの関係について図４を用いて説明する。
図４においては、ｐ型不純物拡散抑制層の厚さｄもパラメータとしているが、電界Ｆは、膜厚に依らずＩｎ組成比ｙが０．０２の時にほぼゼロになり、Ｉｎ組成比ｙがそれ以上大きくなると、それにつれて負の電界が大きくなっていく傾向が見てとれる。したがって、ｐ型不純物の拡散を抑制するためにはＩｎ組成比ｙを０．０３以上とすることが望ましい。

本実施の形態では、ｐ型不純物拡散抑制層２７を構成するＧａ_０．９４Ｉｎ_０．０６Ｎの膜厚を１０ｎｍとしているため、約３×１０^５Ｖ／ｃｍの負電界が得られる。
電子ブロック層９、ｐ型クラッド層１０等にｐ型不純物として添加しているＭｇの層厚方向の分布をＳＩＭＳ分析により調べた結果を図５に示す。同図から、ｐ型層に約１×
１０^１９ｃｍ^−３添加したＭｇはｐ型拡散抑制層中で１０^１６ｃｍ^−３台まで急激に濃度が低下し、そこから先へは拡散しないことが確認できた。また、半導体レーザ素子の室温における注入電流−光出力特性の測定結果を図６に示すが、しきい値電流は３５ｍＡ程度の非常に低い値であることが分かった。さらに、６０℃、１００ｍＷ一定光出力通電試験における動作電流Ｉｏｐの通電時間依存性を調べた結果を図７に示すが、１２００時間後のＩｏｐの上昇率は２０％以下であり、高温で安定に動作することが確認できた。

以上のように、ｐ型不純物拡散抑制層をＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮで構成し、ｐ型不純物拡散抑制層下部にＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２ＮとＧａＮとの積層構造を有するｐ側第１光ガイド層を設けることにより、負電界を得ることができるため最小の元素数の組み合わせで構成でき、もっとも容易に、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することにより、安定した光出力特性を有し、その結果、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図８，図９，図１０，図１１を参照しながら説明する。

図８は実施の形態３に係わる半導体レーザ装置の構成を示す断面図、図９は実施の形態３に係わる半導体レーザ装置のバンドギャップ波長のＩｎ組成比依存性を示す図、図１０は実施の形態３に係わる半導体レーザ装置の電界分布図、図１１は負電界層を積層したときの電流−電圧特性の負電界層数依存性の計算結果を示す図である。

まず、実施の形態３による半導体レーザ装置の構成について図８を用いて説明する。
ｐ型不純物拡散抑制層３７の構成以外は実施の形態２と同様である。本実施の形態では、ｐ型不純物拡散抑制層３７は厚さが約４ｎｍのＧａ_０．９４Ｉｎ_０．０６Ｎからなる負電界層３７ａ_１、約４ｎｍのＧａ_０．９１Ｉｎ_０．０９Ｎからなる負電界層３７ａ_２および厚さが約７ｎｍのＧａＮからなる中間層３７ｂの積層で構成される。図４で示したようにＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ層中の負電界は、Ｉｎ組成比ｙの増大および膜厚の低減によって強度を高めることができる。しかし、Ｉｎ組成比ｙを増大すると、バンドギャップが縮小するためＩｎ組成比ｙはレーザ光の吸収とのトレードオフにより制限される。図９にＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮのバンドギャップのＩｎ組成比ｙ依存性を示すが、４００ｎｍ帯のレーザ装置では、Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮのバンドギャップがレーザ光の波長に近づくため、ｙが０．０６を超えると吸収が問題になる可能性がある。しかし、薄膜化すると、量子効果による吸収端の増大および吸収体積の減少が生じることから、Ｉｎ組成比ｙを０．０６よりも大きくしても、吸収の影響を低減することができる。また、本実施の形態に示すように、中間層３７ｂを介して負電界層（３７ａ_１，３７ａ_２）を２重構造にすることにより、活性層から離れた位置にある負電界層３７ａ_２のみＩｎ組成比ｙを高くすることが可能であり、吸収の影響を抑えつつ、負電界を高めることが容易になる。

以上のように、ｐ型不純物拡散抑制層を中間層を介して負電界層を積層する構造にすることにより、活性層から離れた位置にある負電界層３７ａ_２のみＩｎ組成比ｙを高くすることが可能であり、吸収の影響を抑えつつ、負電界を高めることができるため、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することができ、安定した光出力特性を有し、その結果、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。

また、本実施の形態の電界分布を図１０に示すが、実施の形態１に比べ、約２倍の負電界が得られ、ｐ型不純物の拡散抑制効果を高めることができる。本実施の形態では、ｐ型不純物拡散抑制層３７を２層の負電界層で構成する例を示したが、層数を増やせばそれにつれてｐ型不純物の拡散抑制効果が高められる。

しかし、層数を増やすと、電流−電圧特性に悪影響を及ぼす可能性がある。図１１は負電界層の層数をパラメータとして電流−電圧特性を計算した結果である。層数が増大すると、特に立上り電圧が高くなる傾向があるが、５層では問題がないことが確認できた。そのため、ｐ型不純物拡散抑制層３７を構成する負電界層は５層以下であることが好ましい。

また、実施の形態３で説明した半導体レーザ装置では、ｐ型不純物拡散抑制層３７を構成する負電界層３７ａ_１および３７ａ_２に挟まれた中間層３７ｂは故意に不純物を添加していない半導体層で構成したが、例えばＳｉ等のｎ型の不純物を添加しても良い。ｐ型不純物は、その濃度以上のｎ型不純物を含有する半導体層中では拡散しにくくなることが知られており、負電界の効果との相乗効果が期待できる。そのため、ｐ型不純物の拡散抑制効果を高めることができ、信頼性の高い青紫色半導体レーザの実現が容易になる。

本発明のIII族窒化物半導体レーザ装置は、ｐ型不純物の活性層への拡散を抑制することができ、安定した光出力特性を有し、その結果、高い信頼性を有するIII族窒化物半導体レーザ装置を提供することができ、III族窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置等に有用である。

実施の形態１に係わる半導体レーザ装置の構成を示す断面図 実施の形態１に係わる半導体レーザ装置の電界分布を示す図 実施の形態２に係わる半導体レーザ装置の構成を示す断面図 Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮからなるｐ型不純物拡散抑制層における電界強度とＩｎ組成比との関係の計算結果を示す図 実施の形態２におけるＭｇ濃度分布を示す図 実施の形態２に係わる半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す図 実施の形態２に係わる半導体レーザ装置のエージング特性を示す図 実施の形態３に係わる半導体レーザ装置の構成を示す断面図 実施の形態３に係わる半導体レーザ装置のバンドギャップ波長のＩｎ組成比依存性を示す図 実施の形態３に係わる半導体レーザ装置の電界分布図 負電界層を積層したときの電流−電圧特性の負電界層数依存性の計算結果を示す図 従来のIII族窒化物半導体レーザ装置の構造を示す断面図

符号の説明

１ 基板
２ ｎ型コンタクト層
３ ｎ型クラッド層
４ ｎ側光ガイド層
５ 活性層
６ ｐ側第１光ガイド層
７ ｐ型不純物拡散抑制層
８ ｐ側第２光ガイド層
９ 電子ブロック層
１０ ｐ型クラッド層
１１ ｐ型コンタクト層
１２ 絶縁膜
１３ ｐ側電極
１４ ｎ側電極
２６ ｐ側第１光ガイド層
２７ ｐ型不純物拡散抑制層
３７ ｐ型不純物拡散抑制層
３７ａ_１ 負電界層
３７ａ_２ 負電界層
３７ｂ 中間層
１０１ サファイア基板
１０２ ｎ型コンタクト層
１０３ ｎ型クラッド層
１０４ ｎ側光ガイド層
１０５ 活性層
１０６ ｐ側光ガイド層
１０８ ｐ側第１クラッド層
１０９ 電子ブロック層
１１０ ｐ側第２クラッド層
１１１ ｐ型コンタクト層
１１２ 絶縁膜
１１３ ｐ側電極
１１４ ｎ側電極

Claims (8)

1. 活性層とｐ型クラッド層との間に、圧縮歪みを有して少なくとも平衡状態においてｐ型クラッド層から活性層方向に向かう電界を有するｐ型不純物拡散抑制層を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ装置。
2. ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、
   ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、
   前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、
   前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１≦１）で構成されるｐ型不純物拡散抑制層と
   を有し、前記ｐ型不純物拡散抑制層が圧縮歪みを有して少なくとも平衡状態において前記クラッド層から活性層方向に向かう電界を有することを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ装置。
3. ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、
   ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、
   前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、
   前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間に圧縮歪みを有してＡｌ_ｘ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｉｎ_ｙ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１≦１）で構成される第１のｐ型不純物拡散抑制層と、
   前記活性層と前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の間に圧縮歪みを有してＡｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２≦１）で構成される第２のｐ型不純物拡散抑制層と
   を有し、前記第２のｐ型不純物拡散抑制層の歪み量が前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の歪み量を超えないことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ装置。
4. ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、
   ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、
   前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、
   前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間に圧縮歪みを有してＧａ_１-ｙ１Ｉｎ_ｙ１Ｎ（０．０３≦ｙ１≦１）で構成されるｐ型不純物拡散抑制層と
   を有し、前記ｐ型III族窒化物半導体領域の前記ｐ型不純物拡散抑制層と隣接する領域がＧａＮ層であることを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ装置。
5. ｎ側電極を設けたｎ型III族窒化物半導体領域と、
   ｐ側電極を設けクラッド層を備えたｐ型III族窒化物半導体領域と、
   前記ｎ型III族窒化物半導体領域と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間にｎ型III族窒化物半導体で形成された活性層と、
   前記活性層と前記ｐ型III族窒化物半導体領域の間に複数層の圧縮歪みを有してＡｌ_ｘａｎ１Ｇａ_{１−ｘａｎ１−ｙａｎ１}Ｉｎ_ｙａｎ１Ｎ（層ｎ１＝１，２，・・・，ｍ１、ｘａｎ１＋ｙａｎ１≦１）で構成される第１のｐ型不純物拡散抑制層と、
   前記活性層と前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の間に圧縮歪みを有してＡｌ_ｘ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｉｎ_ｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２≦１）で構成される第２のｐ型不純物拡散抑制層と
   を有し、前記第２のｐ型不純物拡散抑制層の歪み量が前記第１のｐ型不純物拡散抑制層の歪量を超えないことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ装置。
6. 前記第１のｐ型不純物拡散抑制層のＩｎ組成比を前記第２のｐ型不純物拡散抑制層のＩｎ組成比よりも大きくすることを特徴とする請求項５記載のIII族窒化物半導体レーザ装置。
7. 前記層数ｍが５以下であることを特徴とする請求項５または請求項６いずれかに記載のIII族窒化物半導体レーザ装置。
8. 前記第２のｐ型不純物拡散抑制層の少なくとも一部にｎ型不純物を添加することを特徴とする請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載のIII族窒化物半導体レーザ装置。

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