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JP5397136B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子、及びｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents
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JP5397136B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子、及びｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、III族窒化物半導体レーザ素子、及びIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に関する。
非特許文献１には、ｍ面ＧａＮ基板上に作製されたレーザダイオードが記載されている。レーザダイオードは共振器のための２つのへき開端面を有する。一方のへき開端面は＋ｃ面であり、他方のへき開端面は−ｃ面である。このレーザダイオードでは、フロント側端面（出射面）の誘電体多層膜の反射率は７０％であり、リア側端面の誘電体多層膜の反射率は９９％である。
非特許文献２には、ｍ面から−ｃ軸方向に１度の角度で傾斜したＧａＮ基板上に作製されたレーザダイオードが記載されている。レーザダイオードは共振器のための２つへき開端面を有する。一方のへき開端面は＋ｃ面であり、他方のへき開端面は−ｃ面である。このレーザダイオードでは、フロント側端面（出射面）の誘電体多層膜の反射率は９０％であり、リア側端面の誘電体多層膜の反射率は９５％である。
APPLIED PHYSICS LETTERS 94, (2009)，071105 AppliedPhysics Express 2， (2009)，082102
窒化ガリウム基板の半極性面上に発光素子を作製できる。半極性を示す窒化ガリウム面では、窒化ガリウムのｃ軸が窒化ガリウム基板の半極性面の法線に対して傾斜している。窒化ガリウムの半極性面を用いた半導体レーザの作製において、窒化ガリウムのｃ軸を半導体レーザの導波路の延在方向に傾斜させるとき、共振器のために利用可能な端面を形成できる。これらの端面に所望の反射率の誘電体多層膜を形成して、共振器を形成する。両端面上の誘電体多層膜の厚さは、互いに異なる反射率の誘電体多層膜を得るために互いに異なる。フロント側の端面の誘電体多層膜の反射率がリア側の端面の誘電体多層膜の反射率より小さく製作して、レーザ光はフロント側の端面から出射される。
窒化物半導体レーザ素子においても、端面破壊（ＣＯＤ：catastrophic optical damage）が生じる。発明者らの実験によれば、上記のようないくつかの半導体レーザを作製したとき、これらの半導体レーザが端面破壊に至る光強度は様々な値であり、端面破壊に至る光強度の分布が大きい理由は明らかではなかった。発明者らは、この点について検討を行った結果、共振器のための半導体端面の結晶方位と誘電体多層膜層の厚さとを関係しているという知見を得た。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、ＣＯＤに対する耐性を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的し、またＣＯＤに対する耐性を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体レーザ素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、（ｂ）前記半導体領域の第１及び第２の端面上にそれぞれ設けられ、該窒化物半導体レーザダイオードの共振器のための第１及び第２の誘電体多層膜とを備える。前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記支持基体の前記III族窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、前記法線軸の方向を示す法線ベクトルに対して前記III族窒化物半導体のｍ軸及びａ軸のいずれかの結晶軸の方向に４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲の角度で傾斜しており、前記第１及び第２の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体の前記結晶軸及び前記法線軸によって規定される基準面に交差し、前記ｃ＋軸ベクトルは、前記第２の端面から前記第１の端面への方向を示す導波路ベクトルと鋭角を成し、前記第１の誘電体多層膜の厚さは、前記第２の誘電体多層膜の厚さより薄い。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、ｃ＋軸ベクトルは導波路ベクトルと鋭角を成しており、この導波路ベクトルは、第２の端面から第１の端面への方向に向いている。また、第２の端面の法線ベクトルとｃ＋軸ベクトルと成す角は、第１の端面の法線ベクトルとｃ＋軸ベクトルと成す角よりも大きい。このとき、第１の端面上の第１の誘電体多層膜の厚さが、第２の端面上の第２の誘電体多層膜の厚さより薄いので、第１の端面上の第１の誘電体多層膜はフロント側になり、このフロント側からレーザ光は出射される。第２の端面上の第２の誘電体多層膜がリア側になり、このリア側でレーザ光の大部分は反射されは反射される。半極性面上のレーザ素子では、フロント側の第１の誘電体多層膜の厚さが、リア側の第２の誘電体多層膜の厚さより薄いとき、ＣＯＤによる端面破壊に対する耐性が大きくなり、端面上の誘電体多層膜に起因する素子劣化が低減される。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記レーザ構造体は第１及び第２の面を含み、前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、前記半導体領域は前記第１の面と前記支持基体との間に位置し、前記第１及び第２の端面の各々は、前記第１の面のエッジから前記第２の面のエッジまで延在する割断面に含まれることができる。
III族窒化物半導体レーザ素子によれば、レーザ構造体の第１及び第２の端面は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸又はｍ軸と主面の法線軸とによって規定される基準面に交差するので、第１及び第２の端面を割断面として形成でき、この割断面は第１の面のエッジから第２の面のエッジまで延在する。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜していることができる。或いは、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜していることができる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の主面が、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することができる。また、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の主面が、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、及び｛１０−１−１｝のいずれかの面であることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも上記の面方位及び角度範囲を含まれる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の主面が｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、及び｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することができる。また、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記支持基体の主面が、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、及び｛１１−２−２｝のいずれかの面であることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも上記の面方位及び角度範囲を含まれる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、構成元素としてＩｎを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含むことができる。また、本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、歪みを内包するＩｎＧａＮからなる井戸層を含むことができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、III族構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体において本件の劣化が観察される。また、劣化の程度は、インジウム組成の増加に伴って顕著になる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記活性層は、波長４３０〜５５０ｎｍの発振光を生成するように設けられることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、III族構成元素として例えばＩｎを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を用いて上記の波長範囲の発光を提供できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記III族窒化物半導体はＧａＮであることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、ＧａＮ主面を用いたレーザ構造体の実現により、例えば上記の波長範囲（青色から緑色までの波長範囲）における発光を実現できる。
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第１の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つからなり、前記第２の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つからなることができる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、実用的な誘電体膜の材料は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯｘＮ１−ｘ）、チタン酸化物（例えばＴｉＯ２）、チタン窒化物（例えばＴｉＮ）、チタン酸窒化物（例えばＴｉＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム酸化物（例えばＺｒＯ２）、ジルコニウム窒化物（例えばＺｒＮ）、ジルコニウム酸窒化物（例えばＺｒＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム弗化物（ＺｒＦ４）、タンタル酸化物（例えばＴａ２Ｏ５）、タンタル窒化物（Ｔａ３Ｎ５）、タンタル酸窒化物（ＴａＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム酸化物（例えばＨｆＯ２）、ハフニウム窒化物（例えばＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（例えばＨｆＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム弗化物（例えばＨｆＦ４）、アルミ酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３）、アルミ窒化物（例えばＡｌＮ）、アルミ酸窒化物（ＡｌＯｘＮ１−ｘ）、マグネシウム弗化物（例えばＭｇＦ２）、マグネシウム酸化物（例えばＭｇＯ）、マグネシウム窒化物（例えばＭｇ３Ｎ２）、マグネシウム酸窒化物（例えばＭｇＯｘＮ１−ｘ）カルシウム弗化物（例えばＣａＦ２）、バリウム弗化物（例えばＢａＦ２）、セリウム弗化物（例えばＣｅＦ３）、アンチモン酸化物（例えばＳｂ２Ｏ３）、ビスマス酸化物（例えばＢｉ２Ｏ３）、ガドリニウム酸化物（例えばＧｄ２Ｏ３）からなることができる。
本発明の別の側面に係る発明は、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、（ｃ）前記基板生産物を形成した後に、第１及び第２の端面を形成する工程と、（ｄ）前記第１及び第２の端面にそれぞれ該窒化物半導体レーザ素子の共振器のための第１及び第２の誘電体多層膜を形成する工程とを備える。前記第１及び第２の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のいずれか一方の結晶軸及び前記半極性主面の法線軸によって規定される基準面に交差し、前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記法線軸の方向に配列されており、前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基板の前記半極性主面は、該窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルに直交する平面に４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲の角度で交差しており、前記ｃ＋軸ベクトルは、前記第２の端面から前記第１の端面への方向を示す導波路ベクトルと鋭角を成し、前記第１の誘電体多層膜の厚さは、前記第２の誘電体多層膜の厚さより薄い。
この方法によれば、ｃ＋軸ベクトルと鋭角を成す導波路ベクトルは第２の端面から第１の端面への方向に対応しており、また第１の端面上の第１の誘電体多層膜（Ｃ＋側）の厚さを第２の端面上の第２の誘電体多層膜（Ｃ−側）の厚さより薄く形成するので、端面上の誘電体多層膜と半導体との界面に起因する光吸収が低減されて、ＣＯＤによる端面破壊に対する耐性が大きくなる。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、第２の端面の法線ベクトルとｃ＋軸ベクトルと成す角は、第１の端面の法線ベクトルとｃ＋軸ベクトルと成す角よりも大きい。フロント側の第１の誘電体多層膜（Ｃ−側）の厚さが、リア側の第２の誘電体多層膜（Ｃ＋側）の厚さより薄いとき、第１の端面上の第１の誘電体多層膜はフロント側になり、このフロント側からレーザ光は出射される。第２の端面上の第２の誘電体多層膜はリア側になり、このリア側でレーザ光の大部分は反射される。
本発明に係る方法は、前記第１及び第２の誘電体多層膜を形成する前に、前記第１及び第２の端面の面方位を判別する工程を更に備える。この方法によれば、この判別に従って、それぞれの端面に適切な誘電体多層膜を選択してそれを端面に成長できる。
本発明に係る方法では、第１及び第２の端面を形成する前記工程は、前記基板生産物の第１の面をスクライブする工程と、前記基板生産物の第２の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って前記第１及び第２の端面を有するレーザバーを形成する工程とを含むことができる。前記レーザバーの前記第１及び第２の端面は前記分離により形成され、前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、前記半導体領域は前記第１の面と前記基板との間に位置し、前記レーザバーの前記第１及び第２の端面の各々は、前記第１の面から前記第２の面にまで延在し前記分離により形成された割断面に含まれる。
この方法によれば、レーザバーの第１及び第２の端面は、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸又はｍ軸と主面の法線軸とによって規定される基準面に交差するので、第１及び第２の端面は、スクライブ形成及び押厚によって割断面として形成されることができ、該割断面は第１の面のエッジから第２の面のエッジまで延在する。
本発明に係る方法では、前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜していることができる。或いは、本発明に係る方法では、前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜していることができる。
本発明に係る方法では、前記基板の主面が、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、及び｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することができる。また、本発明に係る方法では、前記基板の主面が、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、及び｛１０−１−１｝のいずれかの面であることができる。
この方法では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも上記の面方位及び角度範囲を含む。
本発明に係る方法では、前記基板の主面が｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、及び｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することができる。また、本発明に係る方法では、前記基板の主面が、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、及び｛１１−２−２｝のいずれかの面であることができる。
この基板では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも上記の面方位及び角度範囲を含む。
本発明に係る方法では、前記活性層の形成では、構成元素としてＩｎを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を成長することが良い。また、本発明に係る方法では、前記活性層の形成で成長された井戸層は歪みを内包するＩｎＧａＮからなる、この歪みは、井戸層に隣接する半導体層からの応力に因る。この方法によれば、III族構成元素としてＩｎを含む窒化ガリウム系半導体において本件の劣化が観察される。また、劣化の程度は、インジウム組成の増加に伴って顕著になる。
本発明に係る方法では、前記活性層は、波長４３０〜５５０ｎｍの発振光を生成するように構成されることができる。この方法によれば、この方法によれば、構成元素としてＩｎを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を用いて上記の波長範囲の発光を提供できる。
本発明に係る方法では、前記III族窒化物半導体はＧａＮであることが良い。この方法によれば、ＧａＮ主面を用いたレーザ構造体の実現により、例えば上記の波長範囲（青色から緑色までの波長範囲）における発光を実現できる。
本発明に係る方法では、前記第１の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つを用いて形成されることができる。また、前記第２の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つを用いて形成されることができる。
この方法によれば、実用的な誘電体膜は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯｘＮ１−ｘ）、チタン酸化物（例えばＴｉＯ２）、チタン窒化物（例えばＴｉＮ）、チタン酸窒化物（例えばＴｉＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム酸化物（例えばＺｒＯ２）、ジルコニウム窒化物（例えばＺｒＮ）、ジルコニウム酸窒化物（例えばＺｒＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム弗化物（ＺｒＦ４）、タンタル酸化物（例えばＴａ２Ｏ５）、タンタル窒化物（Ｔａ３Ｎ５）、タンタル酸窒化物（ＴａＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム酸化物（例えばＨｆＯ２）、ハフニウム窒化物（例えばＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（例えばＨｆＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム弗化物（例えばＨｆＦ４）、アルミ酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３）、アルミ窒化物（例えばＡｌＮ）、アルミ酸窒化物（ＡｌＯｘＮ１−ｘ）、マグネシウム弗化物（例えばＭｇＦ２）、マグネシウム酸化物（例えばＭｇＯ）、マグネシウム窒化物（例えばＭｇ３Ｎ２）、マグネシウム酸窒化物（例えばＭｇＯｘＮ１−ｘ）カルシウム弗化物（例えばＣａＦ２）、バリウム弗化物（例えばＢａＦ２）、セリウム弗化物（例えばＣｅＦ３）、アンチモン酸化物（例えばＳｂ２Ｏ３）、ビスマス酸化物（例えばＢｉ２Ｏ３）、ガドリニウム酸化物（例えばＧｄ２Ｏ３）からなることができる。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、ＣＯＤに対する耐性を有するIII族窒化物半導体レーザ素子が提供される。また、本発明によれば、ＣＯＤに対する耐性を有するIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法が提供される。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。 図２は、III族窒化物半導体レーザ素子の活性層における発光の偏光を示す図面である。 図３は、III族窒化物半導体レーザ素子の端面と活性層のｍ面との関係を示す図面である。 図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す工程フロー図である。 図５は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を模式的に示す図面である。 図６は、結晶格子における｛２０−２１｝面を示すと共に、共振器端面の走査型電子顕微鏡像を示す図面である。 図７は、実施例１に示されたレーザダイオードの構造を示す図面である。 図８は、実施例１に示されたレーザダイオードの構造を示す図面である。 図９は、求めた偏光度ρとしきい値電流密度の関係を示す図面である。 図１０は、ＧａＮ基板のｍ軸方向へのｃ軸の傾斜角と発振歩留まりとの関係を示す図面である。 図１１は、（０００１）面主面に垂直な（−１０１０）面及び（１０−１０）面の原子配列、並びに（１０−１７）面主面に垂直な（−２０２１）面及び（２０−２−１）面の原子配列を示す図面である。 図１２は、（１０−１２）面主面に垂直な（−４０４７）面及び（４０−４−７）面の原子配列、並びに（１０−１１）面主面に垂直な（−２０２７）面及び（２０−２−７）面の原子配列を示す図面である。 図１３は、（２０−２１）面主面に垂直な（−１０１７）面及び（１０−１−７）面の原子配列、並びに（１０−１０）面主面に垂直な（０００１）面及び（０００−１）面の原子配列を示す図面である。 図１４は、（２０−２−１）面主面に垂直な（１０−１７）面及び（−１０１−７）面の原子配列、並びに（１０−１−１）面主面に垂直な（２０−２７）面及び（−２０２−７）面の原子配列を示す図面である。 図１５は、（１０−１−２）面主面に垂直な（４０−４７）面及び（−４０４−７）面の原子配列、並びに（１０−１−７）面主面に垂直な（２０−２１）面及び（−２０２−１）面の原子配列を示す図面である。 図１６は、（０００−１）面主面に垂直な（１０−１０）面及び（−１０１０）面の原子配列を示す図面である。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体レーザ素子、及びにIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子の構造を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、利得ガイド型の構造を有するけれども、本発明の実施の形態は、利得ガイド型の構造に限定されるものではない。III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ構造体１３及び電極１５を備える。レーザ構造体１３は、支持基体１７及び半導体領域１９を含む。支持基体１７は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面１７ａを有し、裏面１７ｂを有する。半導体領域１９は、支持基体１７の半極性主面１７ａ上に設けられている。電極１５は、レーザ構造体１３の半導体領域１９上に設けられる。半導体領域１９は、第１のクラッド層２１と、第２のクラッド層２３と、活性層２５とを含む。第１のクラッド層２１は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。第２のクラッド層２３は、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなり、例えばｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。活性層２５は、第１のクラッド層２１と第２のクラッド層２３との間に設けられる。活性層２５は窒化ガリウム系半導体層を含み、この窒化ガリウム系半導体層は例えば井戸層２５ａである。活性層２５は窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂを含み、井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂは交互に配列されている。井戸層２５ａは、例えばＩｎＧａＮ等からなり、障壁層２５ｂは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。活性層２５は、波長３６０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の光を発生するように設けられた量子井戸構造を含むことができる。半極性面の利用により、波長４３０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の光の発生に好適である。第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５は、半極性主面１７ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。法線軸ＮＸは法線ベクトルＮＶの方向へ延びる。支持基体１７のIII族窒化物半導体のｃ軸Ｃｘはｃ軸ベクトルＶＣの方向に延びる。
レーザ構造体１３は、共振器のための第１の端面２６及び第２の端面２８を含む。共振器のための導波路は、第２の端面２８から第１の端面２６まで延在しており、導波路ベクトルＷＶは第２の端面２８から第１の端面２６への方向を示す。レーザ構造体１３の第１及び第２の端面２６、２８は、六方晶系III族窒化物半導体の結晶軸（ｍ軸又はａ軸）及び法線軸ＮＸによって規定される基準面に交差する。図１では、第１及び第２の端面２６、２８は六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差している。しかしながら、第１及び第２の端面２６、２８は六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面に交差していても良い。
図１を参照すると、直交座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが描かれている。法線軸ＮＸは、直交座標系ＳのＺ軸の方向に向く。半極性主面１７ａは、直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸により規定される所定の平面に平行に延在する。また、図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれている。支持基体１７のIII族窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、III族窒化物半導体のｍ軸及びａ軸のいずれかの結晶軸の方向に法線ベクトルＮＶに対して傾斜する。この傾斜角度は、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲にある。本実施例では、ｃ＋軸ベクトルの向きはベクトルＶＣの向きに一致する。図１に示される実施例では、支持基体１７の六方晶系III族窒化物半導体のｃ＋軸ベクトルは、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の方向に法線軸ＮＸに対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。この角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下の範囲内にあることができ、また１００度以上１３５度以下の範囲にあることができる。
第１の誘電体多層膜（Ｃ＋側）４３ａの厚さＤＲＥＦ１が第２の誘電体多層膜（Ｃ−側）４３ｂの厚さＤＲＥＦ２より薄い。III族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、ｃ＋軸ベクトルは導波路ベクトルＷＶと鋭角を成しており、この導波路ベクトルＷＶは、第２の端面２８から第１の端面２６への方向に対応する。このとき、第１の端面２６（Ｃ＋側）上の第１の誘電体多層膜４３ａの厚さＤＲＥＦ１が、第２の端面（Ｃ−側）２８上の第２の誘電体多層膜４３ｂの厚さＤＲＥＦ２より薄いので、第１の誘電体多層膜４３ａはフロント側になり、このフロント側からレーザ光は出射される。第２の誘電体多層膜４３ｂはリア側になり、このリア側でレーザ光の大部分は反射される。フロント側の第１の誘電体多層膜４３ａの厚さＤＲＥＦ１が、リア側の第２の誘電体多層膜４３ｂの厚さＤＲＥＦ２より薄いとき、端面上の誘電体多層膜と半導体端面との界面に起因する光吸収が低減されて、ＣＯＤによる端面破壊に対する耐性を大きくできる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、絶縁膜３１を更に備える。絶縁膜３１は、レーザ構造体１３の半導体領域１９の表面１９ａ上に設けられ、また表面１９ａを覆っている。半導体領域１９は絶縁膜３１と支持基体１７との間に位置する。支持基体１７は六方晶系III族窒化物半導体からなる。絶縁膜３１は開口３１ａを有する。開口３１ａは、例えばストライプ形状を成す。本実施例のようにｃ軸がｍ軸の方向に傾斜するとき、開口３１ａは半導体領域１９の表面１９ａと上記のｍ−ｎ面との交差線ＬＩＸの方向に延在する。交差線ＬＩＸは導波路ベクトルＷＶの向きに延在する。なお、ｃ軸がａ軸の方向に傾斜するとき、開口３１ａはａ−ｎ面と表面１９ａとの交差線の方向に延在する。
電極１５は、開口３１ａを介して半導体領域１９の表面１９ａ（例えば第２導電型のコンタクト層３３）に接触を成しており、上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ導波路は、第１のクラッド層２１、第２のクラッド層２３及び活性層２５を含み、また上記の交差線ＬＩＸの方向に延在する。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１の端面２６及び第２の端面２８の各々は割断面であることができる。引き続く説明では、第１の端面２６及び第２の端面２８を第１の割断面２７及び第２の割断面２９として参照する。第１の割断面２７及び第２の割断面２９は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に交差する。III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器は第１及び第２の割断面２７、２９を含み、第１の割断面２７及び第２の割断面２９の一方から他方に、レーザ導波路が延在している。レーザ構造体１３は第１の面１３ａ及び第２の面１３ｂを含み、第１の面１３ａは第２の面１３ｂの反対側の面である。第１及び第２の割断面２７、２９は、第１の面１３ａのエッジ１３ｃから第２の面１３ｂのエッジ１３ｄまで延在する。第１及び第２の割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、レーザ共振器を構成する第１及び第２の割断面２７、２９がｍ−ｎ面に交差する。これ故に、ｍ−ｎ面と半極性面１７ａとの交差線の方向に延在するレーザ導波路を設けることができる。これ故に、III族窒化物半導体レーザ素子１１は、低しきい値電流を可能にするレーザ共振器を有することになる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｎ側光ガイド層３５及びｐ側光ガイド層３７を含む。ｎ側光ガイド層３５は、第１の部分３５ａ及び第２の部分３５ｂを含み、ｎ側光ガイド層３５は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。ｐ側光ガイド層３７は、第１の部分３７ａ及び第２の部分３７ｂを含み、ｐ側光ガイド層３７は例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ等からなる。キャリアブロック層３９は、例えば第１の部分３７ａと第２の部分３７ｂとの間に設けられる。支持基体１７の裏面１７ｂには別の電極４１が設けられ、電極４１は例えば支持基体１７の裏面１７ｂを覆っている。
図２は、III族窒化物半導体レーザ素子１１の活性層２５における発光の偏光を示す図面である。図３は、ｃ軸及びｍ軸によって規定される断面を模式的に示す図面である。図２に示されるように、誘電体多層膜４３ａ、４３ｂは、それぞれ、第１及び第２の割断面２７、２９に設けられる。誘電体多層膜４３ａ、４３ｂの各々の材料は、例えばシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つからなることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、実用的な誘電体膜は、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ２）、シリコン窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４）、シリコン酸窒化物（例えばＳｉＯｘＮ１−ｘ）、チタン酸化物（例えばＴｉＯ２）、チタン窒化物（例えばＴｉＮ）、チタン酸窒化物（例えばＴｉＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム酸化物（例えばＺｒＯ２）、ジルコニウム窒化物（例えばＺｒＮ）、ジルコニウム酸窒化物（例えばＺｒＯｘＮ１−ｘ）、ジルコニウム弗化物（ＺｒＦ４）、タンタル酸化物（例えばＴａ２Ｏ５）、タンタル窒化物（Ｔａ３Ｎ５）、タンタル酸窒化物（ＴａＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム酸化物（例えばＨｆＯ２）、ハフニウム窒化物（例えばＨｆＮ）、ハフニウム酸窒化物（例えばＨｆＯｘＮ１−ｘ）、ハフニウム弗化物（例えばＨｆＦ４）、アルミ酸化物（例えばＡｌ２Ｏ３）、アルミ窒化物（例えばＡｌＮ）、アルミ酸窒化物（ＡｌＯｘＮ１−ｘ）、マグネシウム弗化物（例えばＭｇＦ２）、マグネシウム酸化物（例えばＭｇＯ）、マグネシウム窒化物（例えばＭｇ３Ｎ２）、マグネシウム酸窒化物（例えばＭｇＯｘＮ１−ｘ）カルシウム弗化物（例えばＣａＦ２）、バリウム弗化物（例えばＢａＦ２）、セリウム弗化物（例えばＣｅＦ３）、アンチモン酸化物（例えばＳｂ２Ｏ３）、ビスマス酸化物（例えばＢｉ２Ｏ３）、ガドリニウム酸化物（例えばＧｄ２Ｏ３）のうち少なくとも１つからなることができる。これらの材料を利用して、破断面２７、２９にも端面コートを適用できる。端面コートにより反射率を調整できる。この調整された反射率により、第１の誘電体多層膜（Ｃ−側）４３ａの反射率が、第２の誘電体多層膜（Ｃ＋側）４３ｂの反射率より小さいとき、ＣＯＤに関して、端面上の誘電体多層膜と半導体との界面に起因する素子劣化が低減される。
図２（ｂ）に示されるように、活性層２５からのレーザ光Ｌは六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に偏光している。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１において、低しきい値電流を実現できるバンド遷移は偏光性を有する。レーザ共振器のための第１及び第２の割断面２７、２９は、ｃ面、ｍ面又はａ面といったこれまでのへき開面とは異なる。しかしながら、第１及び第２の割断面２７、２９は共振器のための、ミラーとしての平坦性、垂直性を有する。これ故に、第１及び第２の割断面２７、２９とこれらの割断面２７、２９間に延在するレーザ導波路とを用いて、図２（ｂ）に示されるように、ｃ軸を主面に投影した方向に偏光する遷移による発光Ｉ２よりも強い遷移による発光Ｉ１を利用して低しきい値のレーザ発振が可能になる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、第１及び第２の割断面２７、２９の各々には、支持基体１７の端面１７ｃ及び半導体領域１９の端面１９ｃが現れており、端面１７ｃ及び端面１９ｃは誘電体多層膜４３ａで覆われている。支持基体１７の端面１７ｃ及び活性層２５における端面２５ｃの法線ベクトルＮＡと活性層２５のｍ軸ベクトルＭＡとの成す角度ＢＥＴＡは、III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面Ｓ１において規定される成分（ＢＥＴＡ）１と、第１平面Ｓ１及び法線軸ＮＸに直交する第２平面Ｓ２において規定される成分（ＢＥＴＡ）２とによって規定される。成分（ＢＥＴＡ）１は、III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面Ｓ１において（ＡＬＰＨＡ−４）度以上（ＡＬＰＨＡ＋４）度以下の範囲であることが好ましい。この角度範囲は、図３において、代表的なｍ面ＳＭと参照面ＦＡとの成す角度として示されている。代表的なｍ面ＳＭが、理解を容易にするために、図３において、レーザ構造体の内側から外側にわたって描かれている。参照面ＦＡは、活性層２５の端面２５ｃに沿って延在する。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１は、ｃ軸及びｍ軸の一方から他方に取られる角度ＢＥＴＡに関して、上記の垂直性を満たす端面を有する。また、成分（ＢＥＴＡ）２は第２平面Ｓ２において−４度以上＋４度以下の範囲であることが好ましい。ここで、ＢＥＴＡ２＝（ＢＥＴＡ）１ ２＋（ＢＥＴＡ）２ ２である。このとき、III族窒化物半導体レーザ素子１１の端面２７、２９は、半極性面１７ａの法線軸ＮＸに垂直な面において規定される角度に関して光学的な意味で垂直性を満たす。
再び図１を参照すると、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の厚さＤＳＵＢは４００μｍ以下であることが好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために好適である。III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の厚さＤＳＵＢは５０μｍ以上１００μｍ以下であることが更に好ましい。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１では、レーザ共振器のための良質な割断面を得るために更に好適である。また、ハンドリングが容易になり、生産歩留まりを向上させることができる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは４５度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１３５度以下であることが好ましい。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がｍ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、破断面の形成の観点から、更に好ましくは、法線軸ＮＸと六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸との成す角度ＡＬＰＨＡは６３度以上であることが好ましく、また８０度以下であることが好ましい。また、角度ＡＬＰＨＡは１００度以上であることが好ましく、また１１７度以下であることが好ましい。６３度未満及び１１７度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、ｍ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のｍ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも以下の面方位及び角度範囲を含む。例えば、支持基体１７の主面１７ａが、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、｛１０−１−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することができる。また、支持基体１７の主面１７ａが、｛１０−１１｝、｛２０−２１｝、｛２０−２−１｝、｛１０−１−１｝のいずれかの面であることができる。
III族窒化物半導体レーザ素子１１では、III族窒化物半導体のｃ軸が窒化物半導体のａ軸の方向に傾斜するとき、実用的な面方位及び角度範囲は、少なくとも以下の面方位及び角度範囲を含む。支持基体１７の主面１７ａが｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、｛１１−２−２｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜することができる。また、支持基体１７の主面１７ａが、｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、｛１１−２−２｝のいずれかの面であることができる。
これら典型的な半極性面１７ａにおいて、当該III族窒化物半導体レーザ素子１１のレーザ共振器を構成できる程度に十分な平坦性及び垂直性を有する第１及び第２の端面２６、２８を提供できる。これらの典型的な面方位にわたる角度の範囲において、十分な平坦性及び垂直性を示す端面が得られる。第１の誘電体多層膜（Ｃ−側）４３ａの厚さが第２の誘電体多層膜（Ｃ＋側）４３ｂの厚さより薄いとき、誘電体多層膜と半導体発光層の端面との界面に起因する劣化が避けられる。また、第１の誘電体多層膜（Ｃ−側）４３ａの反射率が第２の誘電体多層膜（Ｃ＋側）４３ｂの反射率より小さいとき、端面上の誘電体多層膜と半導体端面との界面に起因する光吸収が低減されて、ＣＯＤによる端面破壊に対する耐性を大きくできる。
支持基体１７は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、共振器として利用可能な割断面２７、２９を得ることができる。
支持基体１７はＧａＮであることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、ＧａＮ主面を用いたレーザ構造体の実現により、例えば上記の波長範囲（青色から緑色までの波長範囲）における発光を実現できる。また、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮ基板を用いるとき、偏光度を大きくでき、また低屈折率により光閉じ込めを強化できる。ＩｎＧａＮ基板を用いるとき、基板と発光層との格子不整合率を小さくでき、結晶品質を向上できる。また、III族窒化物半導体レーザ素子１１では、支持基体１７の積層欠陥密度は１×１０４ｃｍ−１以下であることができる。積層欠陥密度が１×１０４ｃｍ−１以下であるので、偶発的な事情により割断面の平坦性及び／又は垂直性が乱れる可能性が低い。
図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法の主要な工程を示す図面である。図５（ａ）を参照すると、基板５１が示されている。本実施例では、基板５１の＜０００１＞軸がｍ軸の方向に傾斜しているけれども、本作製方法は、ａ軸の方向に＜０００１＞軸が傾斜した基板５１にも適用可能である。図４における工程Ｓ１０１では、III族窒化物半導体レーザ素子の作製のための基板５１を準備する。基板５１の六方晶系III族窒化物半導体の＜０００１＞軸（ベクトルＶＣ）は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸方向（ベクトルＶＭ）の方向に法線軸ＮＸに対して有限な角度ＡＬＰＨＡで傾斜している。これ故に、基板５１は、六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面５１ａを有する。
工程Ｓ１０２では、基板生産物ＳＰを形成する。図５（ａ）では、基板生産物ＳＰがほぼ円板形の部材として描かれているけれども、基板生産物ＳＰの形状はこれに限定されるものではない。基板生産物ＳＰを得るために、まず、工程Ｓ１０３では、レーザ構造体５５を形成する。レーザ構造体５５は、半導体領域５３及び基板５１を含んでおり、工程Ｓ１０３では、半導体領域５３は半極性主面５１ａ上に形成される。半導体領域５３を形成するために、半極性主面５１ａ上に、第１導電型の窒化ガリウム系半導体領域５７、発光層５９、及び第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域６１を順に成長する。窒化ガリウム系半導体領域５７は例えばｎ型クラッド層を含み、窒化ガリウム系半導体領域６１は例えばｐ型クラッド層を含むことができる。発光層５９は窒化ガリウム系半導体領域５７と窒化ガリウム系半導体領域６１との間に設けられ、また活性層、光ガイド層及び電子ブロック層等を含むことができる。窒化ガリウム系半導体領域５７、発光層５９、及び第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域６１は、半極性主面５１ａの法線軸ＮＸに沿って配列されている。これらの半導体層は主面５１ａ上にエピタキシャル成長される。半導体領域５３上は、絶縁膜５４で覆われている。絶縁膜５４は例えばシリコン酸化物からなる。絶縁膜５４の開口５４ａを有する。開口５４ａは例えばストライプ形状を成す。図５（ａ）を参照すると、導波路ベクトルＷＶが描かれており、本実施例では、このベクトルＷＶはｍ−ｎ面に平行に延在する。必要な場合には、絶縁膜５４の形成に先立って、半導体領域５３にリッジ構造を形成しても良い。このリッジ構造は、リッジ形状に加工された窒化ガリウム系半導体領域６１を含むことができる。
工程Ｓ１０４では、レーザ構造体５５上に、アノード電極５８ａ及びカソード電極５８ｂが形成される。また、基板５１の裏面に電極を形成する前に、結晶成長に用いた基板の裏面を研磨して、所望の厚さＤＳＵＢの基板生産物ＳＰを形成する。電極の形成では、例えばアノード電極５８ａが半導体領域５３上に形成されると共に、カソード電極５８ｂが基板５１の裏面（研磨面）５１ｂ上に形成される。アノード電極５８ａはＸ軸方向に延在し、カソード電極５８ｂは裏面５１ｂの全面を覆っている。これらの工程により、基板生産物ＳＰが形成される。基板生産物ＳＰは、第１の面６３ａと、これに反対側に位置する第２の面６３ｂとを含む。半導体領域５３は第１の面６３ａと基板５１との間に位置する。
次いで、工程Ｓ１０５では、レーザ共振器のための端面を形成する。本実施例では、基板生産物ＳＰからレーザバーを作製する。レーザバーは、誘電体多層膜を形成可能な一対の端面を有する。引き続き、レーザバー及び端面の作製の一例を説明する。
工程Ｓ１０６では、図５（ｂ）に示されるように、基板生産物ＳＰの第１の面６３ａをスクライブする。このスクライブは、レーザスクライバ１０ａを用いて行われる。スクライブによりスクライブ溝６５ａが形成される。図５（ｂ）では、５つのスクライブ溝が既に形成されており、レーザビームＬＢを用いてスクライブ溝６５ｂの形成が進められている。スクライブ溝６５ａの長さは、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるａ−ｎ面と第１の面６３ａとの交差線ＡＩＳの長さよりも短く、交差線ＡＩＳの一部分にレーザビームＬＢの照射が行われる。レーザビームＬＢの照射により、特定の方向に延在し半導体領域に到達する溝が第１の面６３ａに形成される。スクライブ溝６５ａは例えば基板生産物ＳＰの一エッジに形成されることができる。
工程Ｓ１０７では、図５（ｃ）に示されるように、基板生産物ＳＰの第２の面６３ｂへの押圧により基板生産物ＳＰの分離を行って、基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。押圧は、例えばブレード６９といったブレイキング装置を用いて行われる。ブレード６９は、一方向に延在するエッジ６９ａと、エッジ６９ａを規定する少なくとも２つのブレード面６９ｂ、６９ｃを含む。また、基板生産物ＳＰ１の押圧は支持装置７１上において行われる。支持装置７１は、支持面７１ａと凹部７１ｂとを含み、凹部７１ｂは一方向に延在する。凹部７１ｂは、支持面７１ａに形成されている。基板生産物ＳＰ１のスクライブ溝６５ａの向き及び位置を支持装置７１の凹部７１ｂの延在方向に合わせて、基板生産物ＳＰ１を支持装置７１上において凹部７１ｂに位置決めする。凹部７１ｂの延在方向にブレイキング装置のエッジの向きを合わせて、第２の面６３ｂに交差する方向からブレイキング装置のエッジを基板生産物ＳＰ１に押し当てる。交差方向は好ましくは第２の面６３ｂにほぼ垂直方向である。これによって、基板生産物ＳＰの分離を行って、基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。押し当てにより、第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂを有するレーザバーＬＢ１が形成され、これらの端面６７ａ、６７ｂでは、少なくとも発光層の一部は半導体レーザの共振ミラーに適用可能な程度の垂直性及び平坦性を有する。
形成されたレーザバーＬＢ１は、上記の分離により形成された第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂを有し、端面６７ａ、６７ｂの各々は、第１の面６３ａから第２の面６３ｂにまで延在する。これ故に、端面６７ａ、６７ｂは、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成し、ＸＺ面に交差する。このＸＺ面は、六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸及び法線軸ＮＸによって規定されるｍ−ｎ面に対応する。レーザバーＬＢ０、ＬＢ１の各々に、導波路ベクトルＷＶが示されている。導波路ベクトルＷＶは、端面６７ａから端面６７ｂへの方向に向いている。図５（ｃ）において、レーザバーＬＢ０は、ｃ軸ベクトルＶＣの向きを示すために一部破断して示されている。導波路ベクトルＷＶはｃ軸ベクトルＶＣと鋭角を成す。
この方法によれば、六方晶系III族窒化物半導体のａ軸の方向に基板生産物ＳＰの第１の面６３ａをスクライブした後に、基板生産物ＳＰの第２の面６３ｂへの押圧により基板生産物ＳＰの分離を行って、新たな基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１を形成する。これ故に、ｍ−ｎ面に交差するように、レーザバーＬＢ１に第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂが形成される。この端面形成によれば、第１及び第２の端面６７ａ、６７ｂに当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性及び垂直性が提供される。形成されたレーザ導波路は、六方晶系III族窒化物のｃ軸の傾斜の方向に延在している。この方法では、このレーザ導波路を提供できる共振器ミラー端面を形成している。
この方法によれば、基板生産物ＳＰ１の割断により、新たな基板生産物ＳＰ１及びレーザバーＬＢ１が形成される。工程Ｓ１０８では、押圧による分離を繰り返して、多数のレーザバーを作製する。この割断は、レーザバーＬＢ１の割断線ＢＲＥＡＫに比べて短いスクライブ溝６５ａを用いて引き起こされる。
工程Ｓ１０９では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂに誘電体多層膜を形成して、レーザバー生産物を形成する。この工程は、例えば以下のように行われる。工程Ｓ１１０では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂの面方位を判別する。判別のために、例えばｃ＋軸ベクトルの向きを調べることができる。或いは、判別のために、端面６７ａ、６７ｂの作製の際に、端面６７ａ、６７ｂとｃ＋軸ベクトルの向きとを関連づける、例えば以下のような処理及び／又は操作を行うことができる：ｃ＋軸ベクトルの向きを示すマークをレーザバー上に作製する；及び／又は、作製されたレーザバーをｃ＋軸ベクトルの向きを表すように配置する。判別後において、レーザバーＬＢ１において、第２の端面６７ｂの法線ベクトルとｃ＋軸ベクトルと成す角は、第１の端面６７ａの法線ベクトルとｃ＋軸ベクトルと成す角よりも大きい。
判別の後に、工程Ｓ１１１では、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂに誘電体多層膜を形成する。この方法によれば、レーザバーＬＢ１において、ｃ＋軸ベクトルと鋭角を成す導波路ベクトルＷＶの向きは第２の端面６７ａから第１の端面６７ｂへの方向に対応する。このレーザバー生産物において、第１の端面６７ｂ上の第１の誘電体多層膜（Ｃ＋側）の厚さＤＲＥＦ１を第２の端面６７ａ上の第２の誘電体多層膜（Ｃ−側）の厚さＤＲＥＦ２より薄く形成するので、ＣＯＤによる端面破壊に対する耐性を大きくできる。第１の誘電体多層膜（Ｃ＋側）の厚さＤＲＥＦ１が、第２の誘電体多層膜（Ｃ−側）の厚さＤＲＥＦ２より薄いとき、第１の端面上の第１の誘電体多層膜はフロント側になり、このフロント側からレーザ光は出射される。第２の端面上の第２の誘電体多層膜はリア側になり、このリア側でレーザ光の大部分は反射される。
工程Ｓ１１２では、このレーザバー生産物を個々の半導体レーザのチップに分離する。
本実施の形態に係る製造方法では、角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲であることができる。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面がｍ面からなる可能性が高くなる。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。更に好ましくは、角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲であることができる。４５度未満及び１３５度を越える角度では、押圧により形成される端面の一部に、ｍ面が出現する可能性がある。また、８０度を越え１００度未満の角度では、所望の平坦性及び垂直性が得られないおそれがある。半極性主面５１ａは、｛２０−２１｝面、｛１０−１１｝面、｛２０−２−１｝面、及び｛１０−１−１｝面のいずれかの面であることができ、或いは、ｃ軸がａ軸の方向に傾斜するとき｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、｛１１−２−２｝のいずれかの面であることができる。更に、これらの面から−４度以上＋４度以下の範囲で微傾斜した面も前記主面として好適である。これら典型的な半極性面において、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の光学的な平坦性及び垂直性でレーザ共振器のための端面を提供できる。
また、基板５１は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなることができる。これらの窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いるとき、レーザ共振器として利用可能な端面を得ることができる。基板５１は好ましくはＧａＮからなる。
基板生産物ＳＰを形成する工程Ｓ１０６において、結晶成長に使用された半導体基板は、基板厚が４００μｍ以下になるようにスライス又は研削といった加工が施され、第２の面６３ｂが研磨により形成された加工面であることができる。この基板厚では、割断を使用するとき、当該III族窒化物半導体レーザ素子のレーザ共振器を構成できる程度の十分な平坦性、垂直性を歩留まりよく得られる。また、割断を使用するとき、イオンダメージの無い端面６７ａ、６７ｂを形成できる。第２の面６３ｂが研磨により形成された研磨面であり、研磨されて基板厚が１００μｍ以下であれば更に好ましい。また、基板生産物ＳＰの取り扱いを容易にするためには、基板厚が５０μｍ以上であることが好ましい。割断を使用しないときは、端面６７ａ、６７ｂは、例えばエッチングにより形成されたエッチング面であることができる。エッチング面には発光層の端面が現れている。
本実施の形態に係るレーザ端面の製造方法では、レーザバーＬＢ１においても、図２を参照しながら説明された角度ＢＥＴＡが規定される。レーザバーＬＢ１では、角度ＢＥＴＡの成分（ＢＥＴＡ）１は、III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面（図２を参照した説明における第１平面Ｓ１に対応する面）において（ＡＬＰＨＡ−４）度以上（ＡＬＰＨＡ＋４）度以下の範囲であることが好ましい。レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂは、ｃ軸及びｍ軸の一方から他方に取られる面いおいて規定された角度ＢＥＴＡの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。また、角度ＢＥＴＡの成分（ＢＥＴＡ）２は、第２平面（図２に示された第２平面Ｓ２に対応する面）において−４度以上＋４度以下の範囲であることが好ましい。このとき、レーザバーＬＢ１の端面６７ａ、６７ｂは、半極性面５１ａの法線軸ＮＸに垂直な面において規定される角度ＢＥＴＡの角度成分に関して上記の垂直性を満たす。
端面６７ａ、６７ｂは、半極性面５１ａ上にエピタキシャルに成長された複数の窒化ガリウム系半導体層への押圧によるブレイクによって形成される。半極性面５１ａ上へのエピタキシャル膜であるが故に、端面６７ａ、６７ｂは、これまで共振器ミラーとして用いられてきたｃ面、ｍ面、又はａ面といった低面指数のへき開面ではない。しかしながら、半極性面５１ａ上へのエピタキシャル膜の積層のブレイクにおいて、端面６７ａ、６７ｂは、共振器ミラーとして適用可能な平坦性及び垂直性を有する。
（実施例１）
以下の通り、レーザダイオードを有機金属気相成長法により成長した。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。基板７１として、｛２０−２１｝ＧａＮ基板を準備した。このＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ法で厚く成長した（０００１）ＧａＮインゴットからｍ軸方向に７５度の範囲の角度でウエハスライス装置を用いて切り出して作製された。
この基板を反応炉内のサセプタ上に配置した後に、図７に示されるレーザ構造体のためのエピタキシャル層を以下の成長手順で成長した。基板７１を成長炉に配置した後に、まず、基板７１上にｎ型ＧａＮ層（厚さ：１０００ｎｍ）７２を成長した。次に、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（厚さ：１２００ｎｍ）７３をｎ型ＧａＮ層７２上に成長した。引き続き、発光層を作製した。まず、ｎ型ＧａＮガイド層（厚さ：２００ｎｍ）７４ａ及びアンドープＩｎＧａＮガイド層（厚さ：６５ｎｍ）７４ｂをｎ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７３上に成長した。次いで、活性層７５を成長した。この活性層７５は、ＧａＮ（厚さ：１５ｎｍ）／ＩｎＧａＮ（厚さ：３ｎｍ）から構成される２周期の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する。この後に、アンドープＩｎＧａＮガイド層（厚さ：６５ｎｍ）７６ａ、ｐ型ＡｌＧａＮブロック層（厚さ：２０ｎｍ）７６ｄ、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層（厚さ：５０ｎｍ）７６ｂ及びｐ型ＧａＮガイド層（厚さ２００ｎｍ）７６ｃを活性層７５上に成長した。次に、ｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層（厚さ：４００ｎｍ）７７を発光層上に成長した。最後に、ｐ型ＧａＮコンタクト層（厚さ：５０ｎｍ）７８をｐ型ＩｎＡｌＧａＮクラッド層７７上に成長した。
このエピタキシャル基板を用いて、フォトリソグラフィ法及びエッチング法によりインデックスガイド型レーザを作製した。まず、フォトリソグラフィを用いてストライプ状マスクを形成した。マスクは、ｃ軸を主面に投影した方向に延在する。このマスクを用いてドライエッチングを行い、２μｍ幅のストライプ状リッジ構造を作製した。ドライエッチングには、例えば塩素ガス（Ｃｌ２）を用いた。ストライプ状の開口を有する絶縁膜７９をリッジ構造の表面に形成した。絶縁膜７９は例えば真空蒸着法により形成したＳｉＯ２を用いた。絶縁膜７９を形成した後、ｐ側電極８０ａ及びｎ側電極８０ｂを作製して基板生産物を作製した。ｐ側電極８０ａを真空蒸着法によって作製した。ｐ側電極８０ａは例えばＮｉ／Ａｕであった。このエピタキシャル基板の裏面を研磨して、１００μｍまで薄くした。裏面の研磨は、ダイヤモンドスラリーを用いて行われた。研磨面には、ｎ側電極８０ｂを蒸着により形成した。ｎ側電極８０ｂはＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕから成った。
この基板生産物からスクライブによってレーザバーを作製するために、波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザを照射可能なレーザスクライバを用いた。スクライブ溝の形成条件として以下のものを用いた：
レーザ光出力１００ｍＷ；
走査速度５ｍｍ／秒。
形成されたスクライブ溝は、例えば、長さ３０μｍ、幅１０μｍ、深さ４０μｍの溝であった。８００μｍピッチで基板の絶縁膜開口箇所を通してエピ表面に直接レーザ光を照射することによって、スクライブ溝を形成した。共振器長は６００μｍとした。ブレードを用いて、共振ミラーを割断により作製した。基板生産物の裏面の押圧によりブレイクすることによって、レーザバーを作製した。
図６は、結晶格子における｛２０−２１｝面を示すと共に、共振器端面の走査型電子顕微鏡像を示す図面である。より具体的に、｛２０−２１｝面のＧａＮ基板について、結晶方位と割断面との関係を示したものが、図６（ｂ）と図６（ｃ）である。図６（ｂ）はレーザストライプを＜１１−２０＞方向に設けた端面の面方位を示しており、従来の窒化物半導体レーザの共振器端面として用いられてきたｍ面又はｃ面で示される劈開面を端面８１ｄ又はｃ面８１として示してある。図６（ｃ）はレーザストライプをｃ軸を主面に投影した方向（以降、Ｍ方向と呼ぶ）に設けた端面の面方位を示しており、半極性面７１ａと共にレーザ共振器のための端面８１ａ、８１ｂが示される。端面８１ａ、８１ｂは半極性面７１ａにほぼ直交しているが、従来のｃ面、ｍ面又はａ面等のこれまでのへき開面とは異なる。
本実施例における｛２０−２１｝面ＧａＮ基板上のレーザダイオードでは、共振器のための端面は、極性を有する方向（例えばｃ＋軸ベクトルの方向）に対して傾斜するので、これらの端面の結晶面の化学的性質は等価ではない。引き続く説明では、＋ｃ面に近い端面８１ａを｛−１０１７｝端面として参照すると共に、−ｃ面に近い端面８１ｂを｛１０−１−７｝端面として参照する。また、これらの端面の法線ベクトルとして、ほぼ法線ベクトルとなる＜−１０１４＞および＜１０−１−４＞方向を便宜的に使用する。
レーザバーの端面に真空蒸着法によって誘電体多層膜８２ａ、８２ｂをコーティングした。誘電体多層膜は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２を交互に積層して構成した。膜厚はそれぞれ、５０〜１００ｎｍの範囲で調整して、反射率の中心波長が５００〜５３０ｎｍの範囲になるように設計した。同一ウエハを事前に３分割し、以下の３試料を作製した。
デバイスＡ：
｛１０−１−７｝端面上に反射膜（４周期、反射率６０％）を形成した。｛１０−１−７｝端面を光出射面（フロント）とする。
｛−１０１７｝端面上に反射膜を（１０周期、反射率９５％）を形成した。｛−１０１７｝端面を反射面（リア）とする。
デバイスＢ：
｛１０−１−７｝端面上に反射膜（１０周期、反射率９５％）を形成した。｛１０−１−７｝端面を反射面（リア）とする。
｛−１０１７｝端面上に反射膜を（４周期、反射率６０％）を形成した。｛−１０１７｝端面を 光出射面（フロント）とする。
デバイスＣ：
結晶面を考慮しないで（バーにより混ざった状態で）光出射面（フロント）反射面（リア）を形成。反射膜の膜厚は上記と同様にした。
これらのレーザ素子をＴＯヘッダーに実装した後、実装体に通電を行って素子寿命の評価を行った。電源には、ＤＣ電源を用いた。作製されたレーザダイオードのうち、発振波長が５２０〜５３０ｎｍのデバイスの電流―光出力特性を評価した。光出力測定の際には、レーザ素子の端面からの発光をフォトダイオードによって検出した。レーザ素子には最大４００ｍＡまでの通電を行い、ＣＯＤ破壊が生じた電流値を調べた。ＣＯＤ破壊と判定した基準は、本実施例では、電流―光出力特性における高電流域での光出力低下の有無、及び通電後の端面に物理的破壊の有無、によって判断した。
デバイスＡ〜Ｃの数値は４００ｍＡまで通電したときの最大光出力値を示す（単位：ミリワット：ｍＷ）。
デバイス種、デバイスＡ、デバイスＢ、デバイス試料Ｃ
ＳＵＢ１ ：１４８、 （１６３）、 １３３；
ＳＵＢ２ ：１２０、 （１２６）、（１２４）；
ＳＵＢ３ ：１５０、 （２１８）、（１６３）；
ＳＵＢ４ ：１３２、 （２０４）、 １５３；
ＳＵＢ５ ：（１３７）、 （１４０）、 １４２；
ＳＵＢ６ ：１４０、 （１６３）、（２１０）；
ＳＵＢ７ ：１６２、 （１６９）、 １４３；
ＳＵＢ８ ：１６２、 （１８９）、（２２０）；
ＳＵＢ９ ：（１２４）、 （１３５）、（１３２）；
ＳＵＢ１０：（１０５）、 （１０５）、（１０５）。
丸括弧付き表示は最大電流４００ｍＡでもＣＯＤ破壊しなかったことを示しており、４００ｍＡでの光出力である。
上記結果から、デバイス毎のＣＯＤ破壊が生じる光出力値（ＣＯＤレベル）を見積もると、以下の結果が得られた。
デバイスＡ：１０チップ中ＣＯＤ破壊は７チップ、
７チップの平均値：１４４ｍＷ
デバイスＢ：１０チップ中ＣＯＤ破壊は０チップ
デバイスＣ：１０チップ中ＣＯＤ破壊は４チップ、
４チップの平均値：１４２ｍＷ。
上記の結果は、同一のエピタキシャル基板から作製されたレーザダイオードチップにおいて、結晶面と反射膜総数との関係を考慮することによって、良好な素子寿命を得ることを示している。同一のエピウェハから切り出したレーザチップであっても、結晶面と光出射面の関係を考慮しなければ、ＣＯＤレベルが低いことがわかる。デバイスＡにように化学的性質の弱い｛１０−１−７｝面側を光出射面とした場合に、ＣＯＤレベルが低いことが考えられる。ＣＯＤレベルは、動作電流が高いほど、また動作電圧が高いほど低下する。このことから、素子の発熱が大きいほど、素子からの放熱が小さいほど、ＣＯＤレベルは低下する。また、発光する井戸層の総厚みが６ｎｍ以下で、単一井戸層当りの光密度が高まる構造では、更にＣＯＤレベルが低下する。
レーザバーの端面における極性（ｃ軸がどちらを向くかという面方位）の判別は、例えば以下のように行われることができる：導波路に平行な面を集束イオンビーム（ＦＩＢ）法で切り出して透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）法の観察において、収束電子線回折（ＣＢＥＤ）評価によって調べることができる。膜総数は、透過型電子顕微鏡によって誘電体多層膜の部位を観察することによって調べることができる。素子劣化の原因は、反射膜に接する高Ｉｎ組成の井戸層の結晶品質が劣化していると推測される。この劣化を抑制して、長寿命な素子を得るためには、−ｃ面に近い端面の反射膜厚を厚く形成して、＋ｃ面に近い端面の反射膜厚を薄く形成することが良い。
作製したレーザの基本特性を評価するため通電による評価を室温にて行った。電源には、パルス幅５００ｎｓ、デューティ比０．１％のパルス電源を用いて行った。光出力測定の際には、レーザ端面からの発光をフォトダイオードによって検出して、電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を調べた。発光波長を測定する際には、レーザ端面からの発光を光ファイバに通し、検出器にスペクトルアナライザを用いてスペクトル測定を行った。偏光状態を調べる際には、レーザからの発光を偏光板を通すと共に偏光板を回転させることで、レーザ光の偏光状態を調べた。ＬＥＤモード光を観測する際には、光ファイバをレーザの上面側に配置して、レーザ素子の上面から放出される光を測定した。
全てのレーザで発振後の偏光状態を確認した結果、ａ軸方向に偏光していることがわかった。発振波長は５００〜５３０ｎｍであった。
全てのレーザでＬＥＤモード（自然放出光）の偏光状態を測定した。ａ軸の方向の偏光成分をＩ１、ｍ軸を主面に投影した方向の偏光成分をＩ２とし、（Ｉ１−Ｉ２）／（Ｉ１＋Ｉ２）を偏光度ρと定義した。こうして、求めた偏光度ρとしきい値電流密度の最小値の関係を調べた結果、図９が得られた。図９から、偏光度が正の場合に、レーザストライプＭ方向のレーザでは、しきい値電流密度が大きく低下することがわかる。すなわち、偏光度が正（Ｉ１＞Ｉ２）で、かつオフ方向に導波路を設けた場合に、しきい値電流密度が大幅に低下することがわかる。
図９に示されたデータは以下のものである。
しきい値電流 しきい値電流
偏光度、（Ｍ方向ストライプ）、（＜１１−２０＞ストライプ）
0.08 64 20
0.05 18 42
0.15 9 48
0.276 7 52
0.4 6
ＧａＮ基板のｍ軸方向へのｃ軸の傾斜角と発振歩留まりとの関係を調べた結果、図１０が得られた。本実施例では、発振歩留まりについては、（発振チップ数）／（測定チップ数）と定義した。また、図１０は、基板の積層欠陥密度が１×１０４（ｃｍ−１）以下の基板であり且つＭ方向のレーザストライプを含むレーザにおける測定値をプロットしたものである。図１０から、オフ角が４５度以下では、発振歩留まりが極めて低いことがわかる。端面状態を光学顕微鏡で観察した結果、４３度より小さい角度では、ほとんどのチップでｍ面が出現し、垂直性が得られないことがわかった。また、オフ角が６３度以上８０度以下の範囲では、垂直性が向上し、発振歩留まりが５０％以上に増加することがわかる。これらの事実から、ＧａＮ基板のオフ角度の範囲は、６３度以上８０度以下が最適である。なお、この結晶的に等価な端面を有することになる角度範囲である、１００度以上１１７度以下の範囲でも、同様の結果が得られる。
図１０に示されたデータは以下のものである。
傾斜角、歩留まり
10 0.1
43 0.2
58 50
63 65
66 80
71 85
75 80
79 75
85 45
90 35。
（実施例２）
窒化ガリウムの基板主面の面指数と基板主面に垂直かつｃ軸を主面に投影した方向にほぼ垂直な面指数は、以下に示す。角度の単位は「度」である：
主面面指数、(0001)と成す角、主面に垂直な
第１の端面の面指数、主面と成す角
(0001) ： 0.00、 (-1010)、 90.00 ；図１１（ａ）
(10-17)： 15.01、 (-2021)、 90.10 ；図１１（ｂ）
(10-12)： 43.19、 (-4047)、 90.20 ；図１２（ａ）
(10-11)： 61.96、 (-2027)、 90.17 ；図１２（ｂ）
(20-21)： 75.09、 (-1017)、 90.10 ；図１３（ａ）
(10-10)： 90.00、 (0001)、 90.00 ；図１３（ｂ）
(20-2-1)： 104.91、 (10-17)、 89.90 ；図１４（ａ）
(10-1-1)： 118.04、 (20-27)、 89.83 ；図１４（ｂ）
(10-1-2)： 136.81、 (40-47)、 89.80 ；図１５（ａ）
(10-1-7)： 164.99、 (20-21)、 89.90 ；図１５（ｂ）
(000-1) ： 180.00、 (10-10)、 90.00 ；図１６。
図１１〜図１６は、主面に垂直な光共振器としての端面となり得る面指数の結晶表面における原子配列を模式的に示す図面である。図１１（ａ）を参照すると、（０００１）面主面に垂直な（−１０１０）面及び（１０−１０）面の原子配列が模式的に示されている。図１１（ｂ）を参照すると、（１０−１７）面主面に垂直な（−２０２１）面及び（２０−２−１）面の原子配列が模式的に示されている。図１２（ａ）を参照すると、（１０−１２）面主面に垂直な（−４０４７）面及び（４０−４−７）面の原子配列が模式的に示されている。図１２（ｂ）を参照すると、（１０−１１）面主面に垂直な（−２０２７）面及び（２０−２−７）面の原子配列が示されている。図１３（ａ）を参照すると、（２０−２１）面主面に垂直な（−１０１７）面及び（１０−１−７）面の原子配列が模式的に示されている。図１３（ｂ）を参照すると、（１０−１０）面主面に垂直な（０００１）面及び（０００−１）面の原子配列が模式的に示されている。図１４（ａ）を参照すると、（２０−２−１）面主面に垂直な（１０−１７）面及び（−１０１−７）面の原子配列が示されている。図１４（ｂ）を参照すると、（１０−１−１）面主面に垂直な（２０−２７）面及び（−２０２−７）面の原子配列が示されている。図１５（ａ）を参照すると、（１０−１−２）面主面に垂直な（４０−４７）面及び（−４０４−７）面の原子配列が模式的に示されている。図１５（ｂ）を参照すると、（１０−１−７）面主面に垂直な（２０−２１）面及び（−２０２−１）面の原子配列が示されている。図１６を参照すると、（０００−１）面主面に垂直な（１０−１０）面及び（−１０１０）面の原子配列が模式的に示されている。これらの図中では、黒丸が窒素原子を、白丸がIII族原子を示している。
図１１〜図１６を参照すると、ｃ面から比較的小さいオフ角の面であっても構成原子の表面配列が変化し、表面の様子が大きく変化することが理解される。例えば、図１１（ｂ）では、基板主面が（１０−１７）の場合であり、（０００１）面と成す角度は約１５度である。このときの第１の端面は（−２０２１）、第２の端面は（２０−２−１）であり、この２つの結晶面は最表面における構成元素の種類及び結晶と結合するボンド数及び角度が大きく異なるため、化学的性質が大きく異なる。従来、窒化物半導体レーザに広く用いられてきたような基板主面が（０００１）面であるときには、図１１（ａ）に示すように、共振器のための端面は（１０−１０）と（−１０１０）であり、この２つの結晶面は最表面における構成元素の種類及び結晶と結合するボンド数及び角度が同一であるため、化学的性質が同一である。基板主面が（０００１）面から傾斜角度が大きくなるにつれて、端面の表面における構成元素の種類および結晶との結合するボンド数及び角度が大きく変化することが示される。このことから、基板主面が（０００１）面であるレーザダイオードでは、端面コートの特性に特段に注意をはらわなくても良好なレーザ素子を作製することが可能であるけれども、基板主面が半極性面であるレーザダイオードでは、端面コートの形成において端面面方位を必ず統一することで、特性の改善を図れる。
ＣＯＤ破壊の原因は、以下のように考えられている：半導体と誘電体の界面において、バンドギャップ中の欠陥などの準位が光を吸収し、発熱し、実効バンドギャップを小さくし、更に吸収量が増える、といった負のフィードバックによって破壊に至る。発明者らの知見によれば、構成元素の表面配置において、結晶と３本のボントで結合する窒素原子の数が、連続で２箇所以上配置する割合が高まると、上記の反応が促進されると推測される。このとき、ＧａＮ基板の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、ＧａＮ基板の主面の法線軸の方向を示す法線ベクトルに対してＧａＮ基板のｍ軸及びａ軸のいずれかの結晶軸の方向に約４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲の角度で傾斜している。例えば、図１３（ａ）では、基板主面が（２０−２１）の場合であり、（０００１）面と成す角度は約７５度である。このときの第１の端面は（−１０１７）、第２の端面は（１０−１−７）であり、（１０−１−７）には、結晶と３本のボンドで結合する窒素原子の数が連続で３箇所配置している。従って、端面コート膜と高Ｉｎ組成ＩｎＧａＮ井戸層との間に界面準位が発生し易く、この界面準位による光吸収が促進され、発熱および吸収量増大が増加して、やがてＣＯＤ破壊に至る。
このレーザダイオードにおいて、ｃ＋軸ベクトルと鋭角を成す導波路ベクトルＷＶは、第２の端面（例えば図１の端面２８）から第１の端面（例えば図１の端面２６）への方向を向くとき、第１の端面（Ｃ＋側）上の第１の誘電体多層膜の厚さを第２の端面（Ｃ−側）上の第２の誘電体多層膜の厚さより薄くすると、第１の誘電体多層膜はフロント側に位置し、このフロント側からレーザ光が出射される。第２の誘電体多層膜はリア側に位置し、このリア側でレーザ光が反射される。第１の誘電体多層膜の厚さが第２の誘電体多層膜の厚さより薄いとき、ＣＯＤ破壊を避けて、ＣＯＤ破壊に対する耐性の低下を抑制できる。
上記の実施例を含めた様々な実験によって、角度ＡＬＰＨＡは、４５度以上８０度以下及び１００度以上１３５度以下の範囲であることができる。発振チップ歩留及び素子寿命を向上させるためには、角度ＡＬＰＨＡは、６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲であることができる。＜０００１＞軸のｍ軸方向への傾斜では、典型的な半極性主面、例えば｛２０−２１｝面、｛１０−１１｝面、｛２０−２−１｝面、及び｛１０−１−１｝面のいずれかであることができる。更に、これらの半極性面からの微傾斜面であることができる。また、半極性主面は、例えば｛２０−２１｝面、｛１０−１１｝面、｛２０−２−１｝面、及び｛１０−１−１｝面のいずれかの面から、ｍ面方向に−４度以上＋４度以下の範囲でオフした微傾斜面であることができる。＜０００１＞軸のａ軸方向への傾斜では、典型的な半極性主面、例えば｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、｛１１−２−２｝のいずれかの面であることができる。更に、これらの半極性面からの微傾斜面であることができる。また、半極性主面は、例えば｛１１−２２｝、｛１１−２１｝、｛１１−２−１｝、及び｛１１−２−２｝のいずれか面からａ面方向に−４度以上＋４度以下の範囲で微傾斜面であることができる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
１１…III族窒化物半導体レーザ素子、１３…レーザ構造体、１３ａ…第１の面、１３ｂ…第２の面、１３ｃ、１３ｄ…エッジ、１５…電極、１７…支持基体、１７ａ…半極性主面、１７ｂ…支持基体裏面、１７ｃ…支持基体端面、１９…半導体領域、１９ａ…半導体領域表面、１９ｃ…半導体領域端面、２１…第１のクラッド層、２３…第２のクラッド層、２５…活性層、２５ａ…井戸層、２５ｂ…障壁層、２７、２９…割断面、ＡＬＰＨＡ…角度、Ｓｃ…ｃ面、ＮＸ…法線軸、３１…絶縁膜、３１ａ…絶縁膜開口、３５…ｎ側光ガイド層、３７…ｐ側光ガイド層、３９…キャリアブロック層、４１…電極、４３ａ、４３ｂ…誘電体多層膜、ＭＡ…ｍ軸ベクトル、ＢＥＴＡ…角度、ＤＳＵＢ…支持基体厚さ、５１…基板、５１ａ…半極性主面、ＳＰ…基板生産物、５７…窒化ガリウム系半導体領域、５９…発光層、６１…窒化ガリウム系半導体領域、５３…半導体領域、５４…絶縁膜、５４ａ…絶縁膜開口、５５…レーザ構造体、５８ａ…アノード電極、５８ｂ…カソード電極、６３ａ…第１の面、６３ｂ…第２の面、１０ａ…レーザスクライバ、６５ａ…スクライブ溝、６５ｂ…スクライブ溝、ＬＢ…レーザビーム、ＳＰ１…基板生産物、ＬＢ１…レーザバー、６９…ブレード、６９ａ…エッジ、６９ｂ、６９ｃ…ブレード面、７１…支持装置、７１ａ…支持面、７１ｂ…凹部

Claims (15)

  1. III族窒化物半導体レーザ素子であって、
    III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する支持基体、及び前記支持基体の前記半極性主面上に設けられた半導体領域を含むレーザ構造体と、
    前記半導体領域の第１及び第２の端面上にそれぞれ設けられ、該III族窒化物半導体レーザ素子の共振器のための第１及び第２の誘電体多層膜と、
    を備え、
    前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
    前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記半極性主面の法線軸に沿って配列されており、
    前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
    前記支持基体の前記III族窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルは、前記法線軸の方向を示す法線ベクトルに対して前記III族窒化物半導体のｍ軸の結晶軸の方向に６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲の角度で傾斜しており、
    前記第１及び第２の端面は、前記III族窒化物半導体の前記結晶軸及び前記法線軸によって規定される基準面に交差し、前記半導体領域は前記基準面と交差する表面を有し、
    前記半導体領域の前記活性層における端面の法線ベクトルと前記活性層のｍ軸ベクトルとの成す角度は、前記III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面において（ＡＬＰＨＡ−４）度以上（ＡＬＰＨＡ＋４）度以下の範囲であり、
    前記ｃ＋軸ベクトルは、前記第２の端面から前記第１の端面への方向を示す導波路ベクトルと鋭角を成し、前記導波路ベクトルは前記基準面と前記半導体領域の前記表面との交差線の方向に延在し、
    前記第１の誘電体多層膜の厚さは、前記第２の誘電体多層膜の厚さより薄い、ことを特徴とするIII族窒化物半導体レーザ素子。
  2. 前記レーザ構造体は第１及び第２の面を含み、前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、
    前記半導体領域は前記第１の面と前記支持基体との間に位置し、
    前記第１及び第２の端面の各々は、前記第１の面のエッジから前記第２の面のエッジまで延在する割断面に含まれる、ことを特徴とする請求項１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  3. 前記支持基体の主面が、｛２０−２１｝及び｛２０−２−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  4. 前記活性層は、構成元素としてＩｎを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  5. 前記活性層は、波長４３０〜５５０ｎｍの発振光を生成するように設けられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  6. 前記III族窒化物半導体はＧａＮである、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  7. 前記第１の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つからなり、
    前記第２の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
  8. III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
    六方晶系III族窒化物半導体からなる半極性主面を有する基板を準備する工程と、
    前記半極性主面上に形成された半導体領域と前記基板とを含むレーザ構造体、アノード電極、及びカソード電極を有する基板生産物を形成する工程と、
    前記基板生産物を形成した後に、第１及び第２の端面を形成する工程と、
    前記第１及び第２の端面にそれぞれ該III族窒化物半導体レーザ素子の共振器のための第１及び第２の誘電体多層膜を形成する工程と、
    を備え、
    前記第１及び第２の端面は、前記六方晶系III族窒化物半導体のｍ軸の結晶軸及び前記半極性主面の法線軸によって規定される基準面に交差し、前記半導体領域は前記基準面と交差する表面を有し、
    前記半導体領域は、第１導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第１のクラッド層と、第２導電型の窒化ガリウム系半導体からなる第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に設けられた活性層とを含み、
    前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層は、前記法線軸の方向に配列されており、
    前記活性層は窒化ガリウム系半導体層を含み、
    前記基板の前記半極性主面は、該六方晶系III族窒化物半導体の＜０００１＞軸の方向を示すｃ＋軸ベクトルに直交する平面に６３度以上８０度以下及び１００度以上１１７度以下の範囲の角度で交差しており、
    前記半導体領域の前記活性層における端面の法線ベクトルと前記活性層のｍ軸ベクトルとの成す角度は、前記六方晶系III族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される第１平面において（ＡＬＰＨＡ−４）度以上（ＡＬＰＨＡ＋４）度以下の範囲であり、
    前記ｃ＋軸ベクトルは、前記第２の端面から前記第１の端面への方向を示す導波路ベクトルと鋭角を成し、前記導波路ベクトルは前記基準面と前記半導体領域の前記表面との交差線の方向に延在し、
    前記第１の誘電体多層膜の厚さは、前記第２の誘電体多層膜の厚さより薄い、ことを特徴とする方法。
  9. 前記第１及び第２の誘電体多層膜を形成する前に、前記第１及び第２の端面の面方位を判別する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項８に記載された方法。
  10. 第１及び第２の端面を形成する前記工程は、
    前記基板生産物の第１の面をスクライブする工程と、
    前記基板生産物の第２の面への押圧により前記基板生産物の分離を行って、前記第１及び第２の端面を有するレーザバーを形成する工程と、
    を含み、
    前記レーザバーの前記第１及び第２の端面は前記分離により形成され、
    前記第１の面は前記第２の面の反対側の面であり、
    前記半導体領域は前記第１の面と前記基板との間に位置し、
    前記レーザバーの前記第１及び第２の端面の各々は、前記第１の面から前記第２の面にまで延在し前記分離により形成された割断面に含まれる、ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載された方法。
  11. 前記基板の主面が、｛２０−２１｝及び｛２０−２−１｝のいずれかの面から−４度以上４度以下の範囲で傾斜する、ことを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
  12. 前記活性層の形成では、構成元素としてＩｎを含むと共に歪みを内包する窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を成長する工程を含む、ことを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
  13. 前記活性層は、波長４３０〜５５０ｎｍの発振光を生成するように構成される、ことを特徴とする請求項８〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
  14. 前記六方晶系III族窒化物半導体はＧａＮである、ことを特徴とする請求項８〜請求項１３のいずれか一項に記載された方法。
  15. 前記第１の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つを用いて形成され、
    前記第２の誘電体多層膜内の誘電体層は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン酸窒化物、ジルコニウム酸化物、ジルコニウム窒化物、ジルコニウム酸窒化物、ジルコニウム弗化物、タンタル酸化物、タンタル窒化物、タンタル酸窒化物、ハフニウム酸化物、ハフニウム窒化物、ハフニウム酸窒化物、ハフニウム弗化物、アルミ酸化物、アルミ窒化物、アルミ酸窒化物、マグネシウム弗化物、マグネシウム酸化物、マグネシウム窒化物、マグネシウム酸窒化物、カルシウム弗化物、バリウム弗化物、セリウム弗化物、アンチモン酸化物、ビスマス酸化物、ガドリニウム酸化物のうち少なくとも１つを用いて形成される、ことを特徴とする請求項８〜請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
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