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JP4954691B2 - 窒化物半導体レーザ装置の製造方法及び窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

窒化物半導体レーザ装置の製造方法及び窒化物半導体レーザ装置 Download PDF

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Description

本発明は窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、特に、埋込型の電流狭窄構造を有する窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
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において用いられている。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。
また、窒化物半導体を用いた青紫色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、窒化ガリウム系材料は、高絶縁破壊電界、高電界における高い飽和電子速度、ヘテロ接合での高い２次元電子ガス密度という優れた物性を有するため、電子デバイス用材料としても有望視されている。
以上のような窒化物半導体を用いたデバイスを作製するためには、窒化物半導体を任意の形状に加工する技術が必要となる。一般的に、窒化物半導体のエッチングにはドライエッチングが用いられている。
図７は、ＧａＮ系材料を用いた青紫色半導体レーザ装置（以下、「青紫ＬＤ」という）の一般的な構成を示した断面図である（特許文献１を参照）。
図７に示すように、青紫ＬＤは、ＧａＮ基板１０１、ｎ−ＧａＮ層１０２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ−ＧａＮガイド層１０４、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１０６、ｐ−ＧａＮガイド層１０７、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層（電流ブロック層）１０９、ｐ−ＧａＮ第２ガイド層１１０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１２から構成されている。
このような構成からなる青紫ＬＤは、埋込型と呼ばれ、電流は、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９には流れず、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９が除去された開口部のみを流れる。また、光閉じ込めは、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９とｐ−ＧａＮ第２ガイド層１１０との屈折率差で行われる。
図８（ａ）〜（ｃ）は、埋込型の青紫ＬＤの一般的な製造方法を示した工程断面図である。まず、図８（ａ）に示すように、１回目のＭＯＣＶＤ法による成長で、ＧａＮ基板１０１上に、ｎ−ＧａＮ層１０２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０３、ｎ−ＧａＮガイド層１０４、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１０６、ｐ−ＧａＮガイド層１０７、及びｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９を順次形成する。
次に、図８（ｂ）に示すように、電流導波領域を形成するために、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９の一部をエッチングして開口部１２０を形成する。
その後、図８（ｃ）に示すように、２回目のＭＯＣＶＤ法による成長で、開口部１２０を覆うように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９上に、ｐ−ＧａＮ第２ガイド層１１０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１１、及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１２を順次形成して、青紫ＬＤを形成する。
この製造方法において、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９の一部を除去する方法として、一般的に塩素系ガスをエッチングガスとするドライエッチングが用いられている。しかしながら、ドライエッチングでエッチングを行うと、エッチング面にダメージを生じ、青紫ＬＤの特性が劣化する畏れがある。特に、埋込構造においては、レーザ光が導波する部位に対してドライエッチングを行っているので、レーザ発振閾値電流等が大幅に劣化するという問題がある。
一方、ドライエッチングよりもダメージの小さいエッチング方法として、ウェットエッチングがあるが、窒化物半導体は、通常の酸やアルカリではほとんどエッチングされない。
そんな中、窒化物半導体をウェットエッチングする方法として、Photoelectrochemical（ＰＥＣ）エッチングが知られている（特許文献２、非特許文献１を参照）。図９は、ＰＥＣエッチングの方法を模式的に示した図である。水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液１１３の中に、白金（Ｐｔ）カソード１１４と接続されたＧａＮ等からなる窒化物半導体層１１５を浸して、外部から紫外光を照射することによって、窒化物半導体層１１５をエッチングすることができる。
このＰＥＣエッチングは、ｎ型窒化物半導体はエッチングするが、ｐ型窒化物半導体はエッチングしないという特徴がある。以下、図１０及び図１１を参照しながら、ＰＥＣエッチングのメカニズムについて説明する。
ｎ型窒化物半導体をＫＯＨ溶液中に入れると、図１０に示すようなバンド構造となる。窒化物半導体は、下式に示すように、ＧａＮが正孔及びＯＨ−基と反応することによりエッチングされるので、窒化物半導体とＫＯＨ溶液の界面に正孔が存在する必要がある。
ＧａＮ＋３ｈ＋＋６ＯＨ− → ２ＧａＯ３ ３−＋０．２５Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
図１０に示すように、バンド構造上は界面に正孔が溜まることが可能であるが、ｎ型窒化物半導体であるので正孔がほとんど無い。そこで、ｎ型窒化物半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーの光を照射して、境界に正孔を発生させることにより、ｎ型窒化物半導体のエッチングが促進される。
一方、ｐ型窒化物半導体をＫＯＨ溶液に入れると、図１１に示すようなバンド構造となる。ｐ型窒化物半導体であるので正孔は多数存在するが、バンド構造が界面に正孔が溜まりにくい構造となっているため、光照射を行ってもエッチングが生じない。
特開２００３−１４２７８０号公報 特開平１０−９３１４０号公報 Appl. Phys. Lett, vol.72, No.5, 2 February 1998, p.p.560-562
本願発明者等は、上記ＰＥＣエッチングを電流狭窄層の開口部形成に適用して、埋込型の青紫ＬＤを形成する方法を検討していたところ、得られた青紫ＬＤの動作電圧が、予測される値よりも常に大きく、しかも、その値自身も大きく変動することに気がついた。
そこで、ＰＥＣエッチングを用いて形成した青紫ＬＤの電流狭窄層１０９の断面を、透過型電子顕微鏡 (Transmission Electron Microscope;ＴＥＭ）で観察したところ、電流狭窄層１０９が完全にエッチングで除去されていないことが分かった。図１２（ａ）は、電流狭窄層１０９の開口部近傍の断面ＴＥＭ写真で、図１２（ｂ）は、その輪郭を分かりやすく表した模式図である。図１２（ｂ）に示すように、ｎ型のＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９の開口部１２０には、ｐ型のＧａＮガイド層１０７上に、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の膜厚の電流狭窄層１０９ａが残存していることが分かる。
さらに、開口部１２０に残存している電流狭窄層１０９ａの膜厚と、動作電圧との関係を調べてみると、図１３に示すように、動作電圧（縦軸）と、電流狭窄層の残存膜厚（横軸）とに大きな相関関係があることが分かった。すなわち、電流狭窄層１０９のエッチング時において、電流狭窄層１０９の一部が開口部１２０に残存していることが原因で、上記した青紫ＬＤの動作電圧が予測値よりも大きく変動したものと推察される。
そこで、開口部１２０に残存した電流狭窄層１０９が、青紫ＬＤの動作電圧に与える影響についてさらに検討を行った。
図１４は、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９の開口部に、電流狭窄層の一部１０９ａが残存した状態で、電流狭窄層１０９ｂ上に、開口部を埋めるようにｐ−ＧａＮ第２ガイド層１１０等を２回目の成長で堆積したときの青紫ＬＤの構成を示した断面図である。
ここで、開口部に残存しているｎ型の電流狭窄層１０９ａは、２回目の成長時に、上層のｐ−ＧａＮ第２ガイド層１１０または／かつ下層のｐ−ＧａＮガイド層１０７からｐ型不純物（例えば、Ｍｇ）が拡散して、ｐ型の導電性に変わる可能性がある。すなわち、この場合、開口部に残存した電流狭窄層１０９ａは、電流を阻止するまでには至らず、電流は、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１１→ｐ−ＧａＮ第２ガイド層１１０→ｐ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９ａ→ｐ−ＧａＮガイド層１０７→ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層１０６を通じて流れる。
しかしながら、ｐ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９ａは、Ａｌ組成が大きく（通常、１０〜２０％程度）、エネルギーギャップＥｇが大きいため、ｐ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９ａが電流経路に加わると、電位障壁層として機能するため、動作電圧に影響を及ぼすことになる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、安定した特性を有する埋込型の窒化物半導体レーザ装置、及びその製造方法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、本願発明者等は、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９がＰＥＣエッチングで完全に除去されずに、常に数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の膜厚の電流狭窄層１０９ａが残存する原因について考察した。
上述したように、ＰＥＣエッチングは、窒化物半導体層とＫＯＨ溶液との界面近傍のバンド構造に大きく影響される。また、図１２（ａ）、（ｂ）に示したように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９のほとんどがエッチングされ、ｐ−ＧａＮガイド層１０７との界面近傍にのみエッチング残りが生じることから、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９のバンド構造を、ｐ−ＧａＮガイド層との界面近傍で大きく変動させる何らかの要因が、エッチング残りを生じさせる原因であることが推測される。
すなわち、図１５に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９とｐ−ＧａＮガイド層１０７との界面に空乏層が形成されると、光照射でｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９に正孔を生成しても、エッチングが空乏層領域まで進むと、正孔がＫＯＨ界面から逃げてしまい、その結果、エッチングがｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９とｐ−ＧａＮガイド層１０７との界面Ｐ２まで進まず、その手前の空乏層の端部Ｐ１でストップしまうと考えられる。実際、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９ａの残存膜厚として観察される数ｎｍ〜数十ｎｍという値は、バンド構造から算出される空乏層の幅と凡そ一致する。
上記の理由により、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１０９のエッチング残りが生じていると考えると、ｐ型窒化物半導体層と接合したｎ型窒化物半導体層を完全に除去することは原理的に不可能である。
上記の考察に基づき、本願発明者等が想到した埋込型の窒化物半導体レーザ装置は、図１（ａ）の断面図に示すように、ｐ型のガイド層７とｎ型の電流狭窄層９との間に、電流狭窄層９を構成する窒化物半導体層よりもエネルギーギャップの小さいｎ型の窒化物半導体層８を追加した構成を特徴とする。
図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿ったバンド構造を示した図で、空乏層は、ｎ型の窒化物半導体層８とｐ型のガイド層７との間に形成されている。ｎ型の電流狭窄層９をＰＥＣエッチングで除去すると、ｎ型の電流狭窄層９には空乏層が形成されていないので、ｎ型の電流狭窄層９とｎ型の窒化物半導体層８との境界Ｐ１までエッチングが進み、ｎ型の窒化物半導体層８内の空乏層の端部Ｐ２でエッチングがストップする。すなわち、図１（ａ）に示すように、ｎ型の電流狭窄層９は完全に除去され、その代わりにｎ型の窒化物半導体層８の一部が、ｐ型のガイド層７に残存することになる。
ここで、ｎ型の窒化物半導体層８が、電流狭窄層９を構成する窒化物半導体層よりもエネルギーギャップの小さいものであれば、電流経路にｐ型化された窒化物半導体層８が加わっても、窒化物半導体層８は電位障壁層にはならず、その結果、窒化物半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
本発明に係わる窒化物半導体レーザ装置の製造方法は、活性層への電流を狭窄するための開口部を有する電流狭窄層を備えた窒化物半導体レーザ装置の製造方法であって、活性層上にｐ型の第１の窒化物半導体層、ｎ型の第２の窒化物半導体層、及び電流狭窄層を構成するｎ型の第３の窒化物半導体層を順次形成する工程（ａ）と、第３の窒化物半導体層の一部を、光を照射しながらアルカリ溶液でエッチングして電流狭窄層の開口部を形成する工程（ｂ）と、第３の窒化物半導体層上に、電流狭窄層の開口部を覆うようにｐ型の第４の窒化物半導体層を形成する工程（ｃ）とを含み、第２の窒化物半導体層のエネルギーギャップが、第３の窒化物半導体層のエネルギーギャップよりも小さく、工程（ｂ）において、第２の窒化物半導体層における開口部下の領域が、エッチングにより厚み方向にエッチングされて薄くなっていることを特徴とする。
ここで、上記工程（ｃ）において、第２の窒化物半導体層における開口部下の領域が、第１の窒化物半導体層及び第４の窒化物半導体層からｐ型不純物が拡散することにより、ｐ型化されていることが好ましい。
また、第２の窒化物半導体層の厚みは、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とが接合して形成される空乏層のうち、第２の窒化物半導体層領域内に形成される空乏層の幅よりも大きいことが好ましい。
本発明に係わる窒化物半導体レーザ装置の製造方法によれば、ＰＥＣエッチングを用いて電流狭窄層の開口部を形成しても、開口部に電流狭窄層の一部が残存することがないので、安定した特性を有する埋込型の窒化物半導体レーザ装置を提供することができる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態における窒化物半導体レーザ装置の製造方法を模式的に示した工程断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、１回目のＭＯＣＶＤ法による成長で、ＧａＮ基板１上に、ｎ−ＧａＮ層２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３、ｎ−ＧａＮガイド層４、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層５、ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層６、ｐ−ＧａＮガイド層（第１の窒化物半導体層）７、ｎ−ＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）８、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層（第３の窒化物半導体層）９を順次形成する。ここで、ｎ−ＧａＮ層８には、例えば、ｎ型不純物であるＳｉがドープされている。
次に、図２（ｂ）に示すように、ＰＥＣエッチングにより、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９を部分的に除去して開口部２０を形成する。ＰＥＣエッチングは、例えば、アルカリ溶液を用い、窒化物半導体のバンドギャップよりも大きなエネルギーの光を照射することによって行われる。
次に、図２（ｃ）に示すように、２回目のＭＯＣＶＤ法による成長で、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９上に、開口部２０を覆うように、ｐ−ＧａＮ第２ガイド層（第４の窒化物半導体層）１０、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２を順次形成する。
最後に、図２（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２上にｐ型電極１３を形成し、ＧａＮ基板１の裏面にｎ型電極１４を形成して、埋込型の窒化物半導体レーザ装置を完成する。
図３は、上記の方法により製造した窒化物半導体レーザ装置の電流狭窄層の開口部近傍を拡大した断面図である。ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９の開口部２０下に残存するＧａＮ層８ａは、２回目のＭＯＣＶＤ法によるｐ−ＧａＮ第２ガイド層１０等の成長時に、ｐ−ＧａＮガイド層７及びｐ−ＧａＮ第２ガイド層１０からｐ型不純物が拡散することにより、ｐ型化されている。なお、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９下のＧａＮ層８ｂは、ｐ型不純物が拡散されてもｐ型化はされず、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９とともに、電流ブロック層として機能する。
ここで、ｎ−ＧａＮ層８の厚みは、図１（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮガイド層７とｎ−ＧａＮ層８とが接合して形成される空乏層のうち、ｎ−ＧａＮ層８内に形成される空乏層の幅よりも大きいことが好ましい。このようにすれば、ＰＥＣエッチングは、ｎ−ＧａＮ層８内の空乏層の端部Ｐ２まで進むので、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９を確実に除去することができる。この場合、図１（ａ）に示すように、開口部２０下のｎ−ＧａＮ層８は、エッチングにより厚み方向にエッチングされて薄くなっている。
また、空乏層の幅は、ｐ−ＧａＮガイド層７及びｎ−ＧａＮ層８の不純物濃度によっても変わるが、一般的なキャリア密度から計算すると、ｎ−ＧａＮ層８の膜厚は５ｎｍ以上が望ましい。ただし、ｎ−ＧａＮ層８の膜厚が厚くなり過ぎると、２回目の成長時におけるｐ型不純物の拡散によるｎ−ＧａＮ層８のｐ型化が生じにくくなるこのことから、ｎ−ＧａＮ層８の膜厚は５０ｎｍ以下が望ましい。
なお、ｎ−ＧａＮ層８の厚みが、ｎ−ＧａＮ層８内に形成される空乏層の幅よりも小さい場合、空乏層がｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９にまで形成されるため、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９を完全に除去することはできないが、残存するｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９の膜厚を大幅に低減できるので、動作電圧を低減する効果は失われない。
図４（ａ）は、ｐ−ＧａＮガイド層７上にｎ−ＧａＮ層８及びｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９を形成した試料に対して、ＰＥＣエッチングによりｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９の一部をエッチングしたときの断面ＴＥＭ写真で、図４（ｂ）は、その輪郭を分かりやすく示した模式図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９下にｎ−ＧａＮ層８を設けることによって、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９が完全に除去されていることが分かる。
ところで、本実施形態では、図３に示したように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９の開口部２０に残存しているＧａＮ層８ａには、２回目の成長時にｐ型不純物であるＭｇが熱拡散により導入されてｐ型化している。しかし、２回目のＭＯＣＶＤの成長温度やｐ−ＧａＮガイド層７あるいは／かつｐ−ＧａＮ第２ガイド層１０のＭｇ濃度によっては、Ｍｇの拡散量が不十分で、ＧａＮ層８ａがｐ型には転換されているが、比較的高抵抗なｐ型層になっている場合がある。
この場合、ｐ−ＧａＮガイド層７とｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９との間に形成する層８を、ＧａＮ層に代えて、ＡｌＧａＮ電流狭窄層９よりもエネルギーギャップの小さいＩｎＧａＮ層にしてもよい。ＩｎＧａＮはＧａＮよりもＭｇをより多く取り込むことができるため、２回目の成長で、ＩｎＧａＮ層８ａにＭｇを多く取り込むことによって、ｐ型層の抵抗をより低減することができる。なお、Ｍｇを取り込む効果を発揮するには、Ｉｎの組成が２％以上であることが望ましい。また、発光波長によっては、ＩｎＧａＮ層８で光吸収が生じ、デバイス特性が劣化する場合がある。このような場合には、ＩｎＧａＮ層に代えて、バンドギャップが若干大きいＧａＡｌＩｎＮ層にしてもよい。
また、別の方法としては、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９に開口部２０を形成した工程の後、ｐ−ＧａＮ第２ガイド層１０を形成する工程の前に、開口部２０下のＧａＮ層８ａの領域に、ｐ型の不純物（例えばＭｇ）を導入する工程をさらに追加して行ってもよい。また、電界を印加してＭｇを拡散させる方法も適用し得る。
（本実施形態の変形例１）
本発明において、ｎ−ＧａＮ層８の厚みを、図１（ｂ）に示したように、ｐ−ＧａＮガイド層７とｎ−ＧａＮ層８とが接合して形成される空乏層のうち、ｎ−ＧａＮ層８内に形成される空乏層の幅よりも大きく設定しておけば、ＰＥＣエッチングは、ｎ−ＧａＮ層８内の空乏層の端部Ｐ２まで進むので、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９を確実に除去することができる。
しかしながら、ｎ−ＧａＮ層８の厚みをこのように設定していた場合でも、ＰＥＣエッチング後に、数ｎｍ程度の厚みのｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９が薄く残ることがある。この原因は定かでないが、以下の要因が関係しているものと推測される。
すなわち、一般に、窒化物半導体の組成が異なると、格子常数が大きく変わるため、組成の異なる層同士が接合すると歪が生じ、その結果、歪により生じるピエゾ電界が窒化物半導体層に加わる。ｎ−ＧａＮ層８及びｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９は組成が大きく異なるため、ピエゾ電界が発生し、バンド構造が変化していると考えられる。そして、このバンド構造の変化に起因して、ＰＥＣエッチングでｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９が一部残るのではないかと推測される。
そこで、電流狭窄層９のうち、ｎ−ＧａＮ層８の近傍領域での歪を小さくすれば、ピエゾ電界を小さくし、バンド構造の変化を抑制することができる。具体的には、図５に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のうち、ｎ−ＧａＮ層８との界面に近い層をｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９ａ、遠い層をｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９ｂとし、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９ａのＡｌ組成を、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９ｂのＡｌ組成よりも小さくする。このような構成にすることによって、ｎ−ＧａＮ層８およびｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９ａに加わるピエゾ電界が小さくなり、バンド構造の変化が抑制されるので、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９をＰＥＣエッチングで完全に除去することが可能となる。これにより、青紫ＬＤの動作電圧をより低減することができる。
なお、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のＡｌ組成は、２段の階段状プロファイルに限らず、何段であってもよい。また、Ａｌ組成のプロファイルは、階段状に限らず、連続的に変化する傾斜状であってもよい。
ｎ−ＧａＮ層８とｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９との歪を低減する他の方法として、電流狭窄層９をＧａｙＡｌｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（ｙ＞０、ｚ＞０）としてもよい。電流狭窄層９として４元層を用いることで、光分布特性を変えることなく、ｎ−ＧａＮ層８と格子定数が近い層にすることが可能である。すなわち、ｎ−ＧａＮ層８との歪が低減され、電流狭窄層のエッチ残りを低減あるいは無くすことができる。
ただし、一般的に、ＭＯＣＶＤによる成長では、ＧａｙＡｌｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ層は、Ｉｎを含まない層よりも低い成長温度で形成されるため、ＧａｙＡｌｚＩｎ１−ｙ−ｚＮは良好な結晶性が得られにくい。そこで、電流狭窄層９のうち、ｎ−ＧａＮ層８との界面近傍部のみ４元層とし、それ以外の領域はＡｌＧａＮ層とする方が望ましい。
（本実施形態の変形例２）
ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９が一部エッチングされずに残る理由として、上述したピエゾ効果の他に、次のような要因が関係していることも推測される。
すなわち、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９とｎ−ＧａＮ層８とが接合する際に、各々のフェルミレベルが異なる場合、両者の界面近傍のバンド構造は変化することが考えられる。
図６（ａ）〜（ｃ）は、両者が接合した場合のバンド構造を示す。図６（ａ）は、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のフェルミ準位がｎ−ＧａＮ層８のフェルミ準位より大きい場合、図６（ｂ）は、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のフェルミ準位がｎ−ＧａＮ層８のフェルミ準位と等しい場合、図６（ｃ）は、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のフェルミ準位がｎ−ＧａＮ層８のフェルミ準位より小さい場合を示す。これらのうち、図６（ａ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のフェルミ準位がｎ−ＧａＮ層８のフェルミ準位より大きい場合には、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のｎ−ＧａＮ層８との界面近傍のバンドの曲がりが、上向きに曲がっている。これは、図１５に示したｐｎ接合でのバンドの曲がりと同じ方向となるので、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９がエッチングされずに残ってしまうのではないかと考えられる。
そこで、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９のフェルミ準位を、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層８のフェルミ準位と等しく、あるいは小さくすることによって、ｐｎ接合でのバンドの曲がりを、図１（ｂ）と同じ方向にすることができる。このような構成にすることによって、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９を全て除去することが可能となり、青紫ＬＤの動作電圧を低減することが出来る。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、ｐ−ＧａＮガイド層７とｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層９との間に形成する層８をｎ−ＧａＮ層またはｎ−ＩｎＧａＮ層としたが、バンドギャップが電流狭窄層９よりも小さい層であれば、同様の効果が得られる。また、ｐ−ＧａＮ層７及びｐ−ＧａＮ層１０は、ガイド層を構成していたが、クラッド層を構成するものであってもよい。
（ａ）は、本発明の窒化物半導体レーザ装置における電流狭窄構造の断面図で、（ｂ）は、図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿ったバンド構造を示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態における窒化物半導体レーザ装置の製造方法を示した工程断面図である。 本実施形態における電流狭窄構造の断面図である。 （ａ）は、本実施形態における電流狭窄層のエッチング後の断面ＴＥＭ写真、（ｂ）は、その輪郭を分かりやすく示した模式図である。 本実施形態の変形例１における窒化物半導体レーザ装置の構成を示した断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の変形例２における窒化物半導体レーザ装置のバンド構造を説明した図である。 従来の窒化物半導体レーザ装置の構成を示した断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の窒化物半導体レーザ装置の製造方法を示した工程断面図である。 従来のＰＥＣエッチングの方法を説明した断面図である。 従来のｎ型窒化物半導体とＫＯＨ溶液とが接触した場合のバンド構造を示した図である。 従来のｐ型窒化物半導体とＫＯＨ溶液とが接触した場合のバンド構造を示した図である。 （ａ）は、従来の電流狭窄層のエッチング後の断面ＴＥＭ写真、（ｂ）は、その輪郭を分かりやすく示した模式図である。 従来の窒化物半導体レーザ装置における動作電圧と電流狭窄層の残存膜厚との関係を示したグラフである。 従来の電流狭窄構造を示した断面図である。 従来の電流狭窄構造におけるバンド構造を示した図である。
符号の説明
１ ＧａＮ基板
２ ｎ−ＧａＮ層
３ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
４ ｎ−ＧａＮガイド層
５ ＭＱＷ活性層
６ ｐ−ＡｌＧａＮオーバーフロー抑制層
７ ｐ−ＧａＮガイド層（第１の窒化物半導体層）
８、８ａ ｎ−ＧａＮ層（第２の窒化物半導体層）
８ｂ ｐ型化されたＧａＮ層
９ ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層（第３の窒化物半導体層）
１０ ｐ−ＧａＮ第２ガイド層（第４の窒化物半導体層）
１１ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１２ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１３ ｐ型電極
１４ ｎ型電極
２０ 開口部

Claims (20)

  1. 活性層への電流を狭窄するための開口部を有する電流狭窄層を備えた窒化物半導体レーザ装置の製造方法であって、
    前記活性層上にｐ型の第１の窒化物半導体層、ｎ型の第２の窒化物半導体層、及び前記電流狭窄層を構成するｎ型の第３の窒化物半導体層を順次形成する工程（ａ）と、
    前記第３の窒化物半導体層の一部を、光を照射しながらアルカリ溶液でエッチングして前記電流狭窄層の開口部を形成する工程（ｂ）と、
    前記第３の窒化物半導体層上に、前記電流狭窄層の開口部を覆うようにｐ型の第４の窒化物半導体層を形成する工程（ｃ）と
    を含み、
    前記第２の窒化物半導体層のエネルギーギャップが、前記第３の窒化物半導体層のエネルギーギャップよりも小さく、
    前記工程（ｂ）において、前記第２の窒化物半導体層における前記開口部下の領域が、前記エッチングにより厚み方向にエッチングされて薄くなっていることを特徴とする、窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  2. 前記工程（ｃ）において、前記第２の窒化物半導体層における前記開口部下の領域が、前記第１の窒化物半導体層及び前記第４の窒化物半導体層の少なくとも一方からｐ型不純物が拡散することにより、ｐ型化されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  3. 前記第２の窒化物半導体層の厚みは、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とが接合して形成される空乏層のうち、前記第２の窒化物半導体層領域内に形成される前記空乏層の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  4. 前記第２の窒化物半導体層の厚みが、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  5. 前記工程（ｂ）において、前記第２の窒化物半導体層領域内に形成される前記空乏層の端でエッチングがストップしていることを特徴とする、請求項３に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  6. 前記第１の窒化物半導体層及び前記４の窒化物半導体層は、ガイド層またはクラッド層を構成していることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  7. 前記第２の窒化物半導体層がＧａＮ層からなり、前記第３の窒化物半導体層がＡｌＧａＮ層からなることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  8. 前記ＧａＮ層がＩｎを含有していることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  9. 前記Ｉｎの組成が２％以上であることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  10. 前記ＧａＮ層がＡｌをさらに含有していることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  11. 前記ＡｌＧａＮ層が複数の層からなり、前記第２の窒化物半導体層に接する前記ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成が、前記第４の窒化物半導体層に接する前記ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成よりも小さいことを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体レーザ装置の
    製造方法。
  12. 前記ＡｌＧａＮ層がＩｎを含有していることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  13. 前記第１の窒化物半導体層及び前記４の窒化物半導体層は、ＧａＮ層からなることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  14. 前記第３の窒化物半導体層のフェルミ準位は、前記第２の窒化物半導体層のフェルミ準位と等しい、またはそれよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  15. 前記工程（ｂ）の後、前記工程（ｃ）の前に、前記第２の窒化物半導体層における前記開口部下の領域に、ｐ型の不純物を導入する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置の製造方法。
  16. 請求項１〜１５の何れかに記載の製造方法によって製造された窒化物半導体レーザ装置であって、該装置は、
    活性層上に、ｐ型の第１の窒化物半導体層、ｎ型の第２の窒化物半導体層、前記活性層への電流を狭窄するための開口部を有する電流狭窄層を構成するｎ型の第３の窒化物半導体層、及びｐ型の第４の窒化物半導体層を備え、
    前記第２の窒化物半導体層における前記開口部下の領域は、ｐ型不純物が導入されてｐ型化されており、
    前記第２の窒化物半導体層のエネルギーギャップは、前記第３の窒化物半導体層のエネルギーギャップよりも小さいことを特徴とする、窒化物半導体レーザ装置。
  17. 前記第２の窒化物半導体層の厚みは、前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層とが接合して形成される空乏層のうち、前記第２の窒化物半導体層領域内に形成される前記空乏層の幅よりも大きいことを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体レーザ装置。
  18. 前記第３の窒化物半導体層のフェルミ準位が、前記第２の窒化物半導体層のフェルミ準位と等しい、またはそれよりも小さいことを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体レーザ装置。
  19. 前記第１の窒化物半導体層及び前記４の窒化物半導体層は、ガイド層またはクラッド層を構成していることを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体レーザ装置。
  20. 前記第２の窒化物半導体層がＧａＮ層からなり、前記第３の窒化物半導体層がＡｌＧａＮ層からなることを特徴とする、請求項１６に記載の窒化物半導体レーザ装置。
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