氮化物半导体激光器 发明的技术领域
本发明涉及使用由氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底的氮化物半导体激光器。现有技术
氮化物半导体作为蓝紫色激光元件的材料是大有前途的。如中村等人在Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)第1568至1571页中报告的，已经有在室温下输出2mW一万小时以上的连续振荡寿命。图10显示了这种半导体激光器的断面构造。在图10的激光元件中，在蓝宝石衬底101上的GaN膜102上，按照形成带状的SiO2膜(掩模)103、然后在其上生长GaN的方式进行选择生长，在掩模上形成横向生长的低位错密度的GaN，在该低位错密度区域104上形成p电极105，从而制作出激光元件。根据中村等人的上述方法制作地GaN衬底称为ELOG(外延横向过度生长GaN)衬底，在没有SiO2掩模的部分(氮区域)的上部，由于蓝宝石衬底上GaN膜的高密度贯通位错生长为原样地继续的膜，而成为高(1012m-2以上)的位错密度，而由于在SiO2掩模的上部通过掩模遮断位错传播，实现了低的(不足1011m-2)的位错密度。但是，由于在SiO2掩模的中心附近从两侧的开口区域横向生长的棒球式的GaN碰撞，而发生新的位错并达到高的位错密度。从而通过在低位错区域(SiO2掩模上的离开中心的部分：图中没有阴影线的区域)104的上部形成p电极105来制作出激光元件，由于向有源层内的低错位密度区域中注入了电流，所以引起错位的元件不产生劣化，元件的寿命得以延长。图10的激光元件是在Si掺杂n型GaN-ELOG衬底106上依次生长Si掺杂n型In0.1Ga0.9N层107、由120周期的硅掺杂n型GaN层(厚度为2.5nm)和未掺杂Al0.14Ga0.86N层(厚度为2.5nm)构成的n型覆盖层108、Si掺杂的n型GaN(厚度为0.1mm)构成的n型光封闭层109、硅掺杂n型In0.15Ga0.85N量子阱层(厚度为3.5nm)和硅掺杂n型In0.02Ga0.9aN间隔层(厚度为10.5nm)构成的多量子阱有源层110、Mg掺杂p型In0.2Ga0.8N盖(cap)层(厚度为20nm)111、Mg掺杂p型GaN(厚度为0.1mm)构成的p型光封闭层112、由120周期的Mg掺杂p型GaN层(厚度为2.5mm)和未掺杂型Al0.14Ga0.86N层(厚度为0.05nm)构成的p型接触层114后，通过干腐蚀等方法如图所示的那样形成脊构造，最后镀敷由Ni和Au构成的p电极105和由Ti及Al构成的n电极115，完成制作。
另一方面，如发明人在Jpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997)第L899至902页中或NEC Research and Development(NEC研究和开发)vol.41(2000)No.1第74-85页所述，通过称为FIELO(Facet-Initiated EpitaxialLateral Overgrowth：小平面开始的外延横向过度生成)的方法将衬底或有源层全面地降低位错密度而获得了成功。在FIELO中，与ELOG同样地在蓝宝石衬底上的GaN膜上形成带状的SiO2膜(掩模)，通过氢化物腐蚀气相生长而选择生长，从而能够使贯通位错歪斜，不会象ELOG那样产生位错密度高的区域。可以全面降低衬底的位错密度。使用这样得到的低位错密度的n-GaN衬底制作氮化物半导体激光器的例子如图9所示。如图中所示的那样，在低位错密度的n-GaN衬底21上依次生长Si掺杂n型Al0.1Ga0.9N(硅浓度为4×1017cm-3、厚度为1.2μm)构成的n型覆盖层22、Si掺杂n型GaN(硅浓度为4×1017cm-3、厚度为0.1μm)构成的n型光封闭层23、In0.2Ga0.8N(厚度为3nm)阱层和硅掺杂n型In0.05Ga0.95N(硅浓度为5×1018cm-3、厚度为5nm)阻挡层构成的多量子阱层14(阱数为3)、Mg掺杂p型In0.2Ga0.8N盖层25、Mg掺杂p型GaN(Mg浓度为2×1017cm-3、厚度为0.1μm)构成的p型光封闭层26、Mg掺杂p型Al0.1Ga0.9N(Mg浓度为2×1017cm-3、厚度为0.5μm)构成的p型覆盖层27、Mg掺杂p型GaN(Mg浓度为2×1017cm-3、厚度为0.1μm)构成的p型接触层28，形成LD构造。激光器构造的形成用200hPa的减压MOVPE(有机金属气相外延)装置进行。氮原料中使用的氨的分压为147hPa、Ga、Al、In材料使用TMG、TMA、TMI。生长温度在InGaN构成的多量子阱有源层24中为780℃，其它的层中都以1050℃进行。通过干腐蚀将包含p型覆盖层27及其后的p型接触层28的台面模具29部分地留下后，形成SiO2绝缘膜30。而且，通过曝光技术将台面部分的头露出，形成脊构造。在n型衬底内形成由Ti/Al构成的n电极31，在p接触上，形成由Ni/Au构成的p电极32。通过劈开而形成共振器端面，只对单面以TiO2/SiO2进行高反射的涂覆(反射率95％)，而两面以TiO2/SiO2进行高反射的涂覆(反射率95％)，形成两个元件。所得到的半导体激光的阈值电流密度在单面涂层为3.0kA/cm2、而在双面涂层为1.5kA/cm2。
如上所述的现有技术例所示那样，在氮化物半导体蓝色激光元件中，通常InGaN量子阱用于有源层中。但是，在结晶生长中制作质地均匀的InGaN混晶膜是不容易的，在InGaN量子阱有源层中，要考虑混晶组成发生波动的情况。根据以往的半导体器件的常识，这种组成波动成为器件特性恶化的主要因素，是要完全根除的。但是，在氮化物半导体激光器中，据称通过相反的组成波动而实现了特性良好的元件。例如，秩父等人在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2346(1997)中推测，根据InGaN量子阱的阴极发光(CL)图像的观察结果考察In组成波动及载流子扩散长度，与以往的半导体材料相比，之所以在位不同的缺陷密度高的氮化物中实现高的发光效率，是因为产生的电子(或正的空穴)的势能波动将载流子束缚，抑制了向非辐射中心的载流子捕获的缘故。如果该研究正确，则不降低缺陷密度也可以加大组成波动，从而提高发光效率，有望提高器件特性。但是，由于激光元件中光学增益与器件特性相关，通过In组成波动引起的状态密度变化使增益特性变大，情况复杂。例如Chow等人在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2608(1997)中在理论上预测，由于组成波动增益频谱的宽度变大，因此通过波动增益峰值下降，而提高了阈值电流密度。
另一方面，作为有源层的In组成波动的技术，在特开平11-340580号公报中，通过提高从光致发光(以下简称为“PL”)峰值波长分布测定的有源层内的组成均匀性，可以防止多波长振荡。在该公报中，与以往的半导体激光器的技术水平相关，说明“知道InGaN混晶非常地混乱，并且非混晶区域大，而且在In组成比为0.2以下的小区域中，伴随着In组成比的增加，存在组成分离的比例变大的问题。结果是，在In组成比为0.15左右的InGaN层中，在200μm左右的宏区域中看到的光致发光(PL)频谱的半值宽度反映出通过组成分离的结晶内不均匀非常大，良好的结晶也为150meV。”对此，在该公报记载的半导体激光器使用品质良好的SiC衬底，通过调整结晶生长的速度，可以将PL峰值波长分布降低为90meV，显示出防止了多波长的振荡。
但是在该公报记载的技术中，对降低PL峰值波长分布的半导体激光器的说明只是停留在PL峰值波长分布约90meV，没有对其以下的波动的半导体激光器作具体说明。即，象在进一步降低PL峰值波长分布的情况下会给予激光特性怎样的影响这样的问题并没有说明。
这样，还没有对In组成波动影响激光特性的效果有更为综合的理解，没有解决激光器的有源层在InGaN量子阱中组成波动是怎样的等基本的疑问。
这方面，蓝色激光的用户最为引人注意，其具有对DVD等光盘的写入和读入的光源的用途。蓝色激光的光输出在读入时为3mW左右的输出，在写入时需要30mW左右的输出。这样，在DVD-RAM等上装载的激光(以下称为高输出规格激光)中，伴随着写入，最好仅在用于得到30mW的高的光输出的共振器镜面的单面(光射出侧和背侧的面)进行高反射的涂覆。而且，在不进行读入的DVD-ROM和便携式DVD播放器等所装载的激光(以下称为低输出规格激光)中，由于在低输出动作中的阈值电流密度下降，所以最好是两个共振器镜都进行高反射的涂覆(以下称为HR涂覆)。
在高输出规格的激光中，在70℃时，需要在30mW输出5000小时以上的元件寿命。与此相反，如中村等人在JSAPInternational No.1pp.5-17(2000)中所述，到目前为止，即使是在60℃时以30mW输出500小时左右以上的元件都还没有实现。如果能降低30mW时的动作电流，则可以延长元件的寿命，因此今后需要更低阈值的高输出激光。
此外，在低输出规格的激光中，考虑到其在使用电池作为电源的便携式DVD播放器中的用途，要求消耗的电力少。因此，首先第一必须降低作为激光的基本特性的阈值电流密度。但是，在氮化物半导体激光器中，象以往的其它半导体激光器那样，还没有小于1kA/cm2的阈值电流密度的报道，而目前的状况仍然是阈值电流密度较高。
如以上所述那样，蓝色激光根据其用途不同而采用不同的式样和构成。
本发明是鉴于这样的背景而作出的。本发明的目的是与高输出规格、低输出规格等半导体激光器的各形式分别对应，高度地控制有源层的In组成波动和带隙能量的波动，由此提供将阈值电流密度大大降低的方法。发明概述
涉及本发明的半导体激光器，是通过以下的各项而确定的。
[1]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
每一个量子阱的阈值模式增益是12cm-1以下，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是75～200meV。
[2]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
每一个量子阱的阈值模式增量是12cm-1以下，
上述有源层微分增益dg/dn的范围是0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
[3]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
内部损失αi[cm-1]是αi≤12×n-αm(共振器端面的镜面损失为αm[cm-1])，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是75～200meV。
[4]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
内部损失αi[cm-1]是αi≤12×n-αm(共振器端面的镜面损失为αm[cm-1])，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn ≤0.7×10-20(m2)。
[5]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，发光效率S[W/A]满足下式：S≥3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>
R1：激光射出方向侧的共振器端面的反射率
R2：与激光射出方向相反侧的共振器端面的反射率
αm：镜面损失，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是75～200meV。
[6]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
发光效率S[W/A]满足下式：S≥3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>
R1：激光射出方向侧的共振器端面的反射率
R2：与激光射出方向相反侧的共振器端面的反射率
αm：镜面损失，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
[7]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，共振器长度大于200μ m，共振器端面的两面具有反射率为80％至100％之间的高反射涂膜，
发光效率S[W/A]是1.4/n[W/A]以上，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是75～200meV。
[8]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，共振器长度大于200μm，共振器端面的两面具有反射率为80％至100％之间的高反射涂膜，
发光效率S[W/A]是1.4/n[W/A]以上，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
[9]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
光致发光峰波长分布是40meV以下，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是75～200meV。
[10]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
光致发光峰波长分布是40meV以下，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即0.5×10-20(m2)≤dg/dn≤0.7×10-20(m2)。
[11]根据[9]或[10]所述的氮化物半导体激光器，其特征在于，每一个量子阱的阈值模式增益是12cm-1以下。
[12]根据[1]～[11]任何一项所述的氮化物半导体激光器，其特征在于，每一个量子阱的阈值模式增益是8cm-1以下。
[13]根据[1]～[12]任何一项所述的氮化物半导体激光器，其特征在于，量子阱的阱数是3以下。
[14]根据[1]～[13]任何一项所述的氮化物半导体激光器，其特征在于，上述衬底是表面位错密度为108个/cm2以下的氮化镓半导体的衬底。
[15]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
每一个量子阱的阈值模式增益是12cm-1以上，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是40meV以下。
[16]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
每一个量子阱的阈值模式增益是12cm-1以上，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
[17]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
内部损失αi[cm-1]是αi＞12×n-αm(共振器端面的镜面损失为αm[cm-1])，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是40meV以下。
[18]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
内部损失αi[cm-1]是αi＞12×n-αm(共振器端面的镜面损失为αm[cm-1])，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
[19]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
发光效率S[W/A]满足下式：S<3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>
R1：激光射出方向侧的共振器端面的反射率
R2：与激光射出方向相反侧的共振器端面的反射率
αm：镜面损失，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是40meV以下。
[20]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，
发光效率S[W/A]满足下式：S<3×am12×n×(1-R1)R2(1-R1R2)(R1+R2)]]>
R1：激光射出方向侧的共振器端面的反射率
R2：与激光射出方向相反侧的共振器端面的反射率
αm：镜面损失，
上述有源层微分增益dg/dn在以下范围，即dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
[21]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，共振器长度小于1mm，在共振器端面中，激光射出方向侧的共振器端面不具有涂膜，露出上述有源层、或者具有反射率20％以下的涂膜，在与激光射出方向相反侧的共振器端面，具有反射率为80％至100％之间的高反射涂膜，
发光效率S[W/A]是2.1/n[W/A]以下，
上述发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差是40meV以下。
[22]氮化物半导体激光器，其特征在于，在氮化镓系材料或蓝宝石构成的衬底上，具有层叠氮化镓系半导体层的结构，该氮化镓系半导体层含有覆盖层和具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的量子阱结构的有源层，共振器长是1mm以下，共振器端面中，激光射出方向侧的共振器端面，不具有涂膜，露出上述有源层、或者具有反射率20％以下的涂膜，在与激光射出方向相反侧的共振器端面，具有反射率为80％至100％之间的高反射涂膜，
发光效率S[W/A]是2.1/n[W/A]以下，
上述有源层微分增益dg/dn的范围是dg/dn≥1.0×10-20(m2)。
[23]根据权利要求15～22任何一项所述的氮化物半导体激光器，其特征在于，上述光致发光峰波长分布是40meV以下。
[24]根据权利要求15～23任何一项所述的氮化物半导体激光器，其特征在于，上述衬底是位错密度为108个/cm2以下的氮化镓半导体的衬底。
上述氮化物半导体激光器中，[1]～[14]适合用于低输出规格、低耗电的半导体激光器。将此激光器用于如DVD的用途时，适合于读入专用的便携式装置等。另一方面，[15]～[24]适合用于高输出规格的半导体激光器。将此激光器用于如DVD的用途时，适合于可写入的便携式装置等。
附图的简要说明
图1是波动的标准偏差为3meV时的增益光谱；
图2是波动的标准偏差为75meV时的增益光谱；
图3是表示对于具有各种波动(σg)的InGaN量子阱的最大光学增益的载流子密度依存性的计算结果的图；
图4是表示阈值电流密度的波动依存性的图；
图5是表示阈值电流密度的波动依存性的图；
图6是表示计算波动的标准偏差与微分增益的关系的结果的图；
图7是表示载流子密度和非辐射再结合寿命的关系的图；
图8是表示测定发光寿命随温度变化的结果的图；
图9是表示现有的半导体激光器的构造的图；
图10是表示现有的半导体激光器的构造的图；
图11是表示实施例所涉及的半导体激光器的构造的图；
图12是交替形成TiO2和SiO2的多层膜的反射光谱；
图13是表示本发明所涉及的半导体元件与现有的半导体元件的关系的图；
图14是表示本发明所涉及的半导体元件与现有的半导体元件的关系的图；
图15是阴极发光的观察结果；
图16是表示现有的半导体激光器的构造的图；
图17是表示本发明所涉及的半导体元件与现有的半导体元件的关系的图；
图18是表示本发明所涉及的半导体元件与现有的半导体元件的关系的图。发明的详细说明
本发明将有源层的In组成分布和带隙能量的微观波动规定在预定的范围内。在有源层的组成分布和带隙能量的“波动”既有宏观尺度中的波动也有微观尺度的波动。宏观尺度的波动是例如通过显微PL(光致发光)测定等能够测定的距离尺度的波动。另一方面，微观尺度的波动意味着比上述更近距离的波动。在现有技术中“波动”一般是指上述的宏观尺度波动，即通过PL测定而观测的波动，从测定的原理上来说，意味着1μm程度以上的距离尺度的波动。
在上述特开平11-340580号公报中所记载的是上述宏观尺度中的波动，降低其来防止多波长振荡。但是，多波长振荡产生意味着存在相当程度的In组成波动，为了控制阈值电流等的目的，在进一步降低宏观的波动的同时，必须对微观的波动进行控制。
对于控制微观的领域中的波动的研究，至今没有进行报告的例子，相关的波动对元件性能的影响是未知的。而且，对于降低这样的微观的波动的具体措施没有公开。为了降低宏观尺度中的波动，如上述特开平11-340580号公报中所记载那样，提高衬底的位错密度的降低和有源层的成膜速度的调整，能够在某种程度上实现。但是，为了降低象本发明这样的微观的波动，仅用这样的措施是难以实现的，就需要更高度的结晶生长的控制。
如上述那样，本发明所涉及的氮化物半导体激光器，控制在现有技术中没有重视的微观尺度上的发光层组成分布和带隙能量的波动，或者，使微分增益为一定范围。所谓的微观尺度上的发光层组成分布和带隙能量的波动是指比载流子扩散长度(约1μm)短的距离尺度上的波动。如实施例2和图15(阴极发光图像)中表示的那样，在本发明中，控制亚微米级的，具体地说500nm以下尺度的微观的波动，由此，来把发光层的局部失真控制在最佳范围内，以寻求阈值电流的降低。
而且，在本发明中，对于上述微观的波动，根据每个量子阱的阈值模式增益和激光器内部损失的大小，来规定其最佳范围。即，与低输出规格的激光器相关，提出了例如在使阈值模式增益为一定值以下的区域中，微观的波动处于预定范围内的半导体激光器，另一方面，与高输出规格相关，提出了例如在阈值模式增益超过一定值的区域中，微观的波动处于预定范围内的半导体激光器。
本发明所涉及的氮化物半导体激光器阈值电流密度较低，耗电较低。因此，能够用于光盘用光源等用途。下面，说明本发明所涉及的氮化物半导体激光器的阈值电流密度被降低的理由。
本发明人为了了解InGaN量子阱有源层中的混晶组成波动对激光器元件的阈值电流密度产生的影响的效果，首先进行了理论的研究。首先，假定由In组成波动所产生的带隙的空间变化为正态分布，把其标准偏差σg考虑为组成波动的指标。而且，与其相对应，根据带偏移比(3∶7)，考虑电子与空穴的势能进行空间分布。电子、空穴都考虑抛物线的分散关系，对于电子，考虑n＝1的量子能级的带，对于空穴，考虑A带和B带的n＝1的量子能级的带，来计算电子、空穴的状态密度。这样，当没有波动时，表示成为尖锐上升的阶段函数的量子阱的状态密度，当存在波动时，表示成为上升缓慢的误差函数。这样，当使用定量化的电子和空穴的状态密度时，对于具有各种组成波动的量子阱，能够计算光学增益特性。
本发明人假定在电流注入时载流子(电子和空穴)的费米能量在空间上为一样的，来进行光学增益的计算。该假定是意识到组成波动的空间上的尺度而进行的。即，在电流注入时费米能量在空间上是一样的这样的假定意味着与载流子的扩散长度相比，组成波动的空间上的尺度较小。如果载流子的扩散长度为1mm程度，组成波动必须为超微以下的尺度。实际上，如秩父等人在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2346(1997)中报告的那样，在InGaN量子阱的CL测定等中所观察的In组成波动的尺度为几十～几百nm程度，上述假定是适当的。
在图1中表示了对于波动较小的情况(σg＝3meV)的InGaN量子阱，计算室温(300K)下的光学增益频谱的载流子密度依赖性的结果，在图2中表示了对于波动较大的情况(σg＝75meV)的InGaN量子阱，计算室温(300K)下的光学增益频谱的载流子密度依赖性的结果。首先，当着眼于1×1019cm-3的载流子密度时，在波动小的情况下，增益尚未产生，但是，在波动大的情况下，增益已经产生。这是因为：在增益大的情况下，载流子流入波动的势能的谷中，由此，载流子集中在狭窄的区域中，在该区域中实现了反转分布。实际上，如从图2所看到的那样，增益在比平均带隙能量(EGO)低的能量侧的局部存在的状态下产生。在此情况下，引起反转分布而产生增益的区域是空间上狭窄的区域，但是，在没有实现反转分布的区域中，不会产生吸收损失，该区域对于光来说是透明的，这能够从上述模型在理论上进行证明。因此，在一部分的区域中产生的增益作为在整体所见到的值的增益被观测到。但是，由于这样的小区域(状态密度)中的增益已经饱和，如在图2中所看到的那样，当使载流子密度增加时的增益的增加(即，微分增益)较小，并且，增益的峰值逐渐地向高能量侧移动。与此相对，在波动较小的情况下，透明载流子密度存在的程度大，但是，反映出状态密度的急剧上升、增益频谱狭窄，微分增益变大。
在图3中表示了对于具有各种波动(σg)的InGaN量子阱的最大光学增益的载流子密度依赖性的计算结果。如上述那样，在波动大的系统中，透明载流子密度变小这点是有利的，但是，存在微分增益小这样的缺点。从阈值载流子密度这样的观点出发，波动的存在是否有利取决于每个量子阱的阈值模式增益。根据图3的计算结果，当每个量子阱的阈值模式增益为12cm-1以下时，波动大的一方的阈值载流子密度变小，但是，反之，当每个量子阱的阈值模式增益超过12cm-1时，波动小的一方变为有利。由于每个量子阱的阈值模式增益取决于内部损失、共振器镜面的反射率和量子阱数，通过激光器元件的设计，In组成波动的利弊能够转换。
如上述那样，在In组成波动中，存在降低了透明载流子密度的优点和降低了微分增益的缺点，随着每个量子阱的阈值模式增益的大小，两者的有效方发生变化，由此，在有源层中决定所希望的波动的情况。迄今为止，对于In组成波动对LD特性产生影响的效果，Chow等在Appl.Phys.Lett.，vol.71p.2608(1997)中报告了理论预测，但是，他们仅处理了波动扩展增益频谱的效果，却忽略了通过波动来降低透明载流子密度的效果。因此，在他们的结果中，组成波动作为对激光器特性产生不良影响的因素来处理。
在组成波动的空间上的尺度大到亚微米级以上的情况下，载流子不能集中到势能的谷中，可以考虑他们计算的那样的描绘。但是，在微米级中是均匀组成而在亚微米级中存在波动的有源层中，成为上述那样的描绘，微观的波动的存在能够提供激光器特性的提高。实际上，亚微米级尺度的组成波动通过上述秩父等的报告等进行了证实，实现了这样的描绘。在本发明中讨论的In组成波动是上述亚微米级的波动，不是微米以上尺度的波动。
在图4和图5中，表示了阈值电流密度的波动。图4是仅对共振器的单面(与光出射侧相反的表面)进行HR涂层的情况下的计算结果，图5表示对共振器两个表面进行HR涂层的情况下的计算结果。其中，有源层有3个量子阱组成，内部损失为15cm-1。镜面损失在单面HR涂层中，为20cm-1，在双面HR涂层中，为1cm-1。当使光封闭系数在一个阱中为1％时，在单面HR涂层的情况下，相当于每个量子阱的阈值模式增益为14cm-1左右，在两面HR涂层的情况下，相当于每个量子阱的阈值模式增益6cm-1左右。在图4中，In组成波动的程度约小，阈值电流密度降低，特别是，通过使波动的标准偏差为40meV以下，预测到显著的阈值降低效果。另一方面，在图5中，降低使In组成波动增大的一方的阈值，通过使波动的标准偏差为75～200meV，呈现显著的阈值电流密度降低效果，预测到阈值电流密度减低到1kA/cm2以下。即使在上述计算例以外的情况下，当每个量子阱的阈值模式增益为大于12cm-1的值时，通过使波动的标准偏差为40meV以下，阈值电流密度被降低，另一方面，当每个量子阱的阈值模式增益为12cm-1以下时，通过使波动的标准偏差为75～200meV，阈值电流密度被降低。
如上述那样，当阈值模式增益(每个量子阱)为12cm-1以下时，当使波动的标准偏差为75～200meV时，阈值载流子密度降低。由于阈值电流密度与阈值载流子密度成比例，则当阈值模式增益(每个量子阱)为12cm-1以下并且波动为75～200meV时，阈值电流密度被降低。
其中，在上述讨论中，阈值载流子密度与阈值电流密度按1比1这样进行处理。但是，严格地说，它们不是1比1这样对应的量。正确的是，由于阈值电流密度与[(阈值载流子密度)/(载流子的再结合寿命)]成比例，因此，载流子再结合寿命与阈值电流密度相关。下面表示考虑了这点的处理。
在氮化物半导体的情况下，载流子再结合寿命主要与非辐射再结合寿命相一致，延长非辐射再结合寿命与延长载流子寿命以及阈值电流密度的降低相关。这样，In组成波动抑制了载流子被缺陷捕获，因此，具有延长非辐射再结合寿命的效果。但是，即使在波动大的情况下，当载流子密度变大时，载流子埋完势能的谷而溢出到外面，因此，易于由缺陷所捕获，非辐射再结合寿命变短。在图7中表示了具体地计算其的结果。如从图中所看到的那样，当波动为75～200meV时，载流子密度小于1.5×1019cm-3，非辐射再结合寿命显著变长。而且，如从图3所看到那样，如果阈值模式增益为8cm-1以下，在波动为75～200meV时，实现了载流子密度为1.5×1019cm-3以下。如上述那样，即使在阈值模式增益(每个量子阱)为12cm-1以下通过阈值载流子密度的降低，具有阈值电流密度降低的效果，但是，当为8cm-1以下时，在进一步延长载流子寿命的效果上，更显著地降低了阈值电流密度。
下面对每个量子阱的阈值模式增益和激光器元件构造的关联性进行描述。阈值模式增益为内部损失与镜面损失之和。在InGaN类LD中，每个量子阱的光封闭系数为1％，因此，在有源层中具有n个量子阱的激光器元件中，每个量子阱的阈值模式增益为大于12cm-1的值，这与内部损失αi满足αi＞12×n-αm相对应。反之，当其为12cm-1以下时，与内部损失αi满足αi≤12×n-αm相对应。而且，每个量子阱的阈值模式增益为8cm-1以下的情况，与内部损失αi满足αi≤8×n-αm相对应。而且，每个量子阱的阈值模式增益通过内部损失，而与斜度效率相对应。在波长400nm的半导体激光器中，理论界限的斜度效率为3[W/A]，但是，实际的元件中的斜度效率S如下式那样，为用预定的系数乘以3[W/A]的值：从该式和上述αi＞12×n-αm，导出下式：
考虑R1、R2取通常的范围，当共振器长度为1mm以下时，上式为：
S＜2.1/n[W/A]而且，从上述αi≤12×n-αm，导出下式：
考虑R1、R2取通常的范围，当共振器长度为200μm以上时，上式为：
S≥1.4/n[W/A]
另一方面，带隙能量波动的标准偏差能够换算为In组成波动和微分增益。下面说明InxGa1-xN中的In组成微观的波动的标准偏差Δx与上述带隙能量的微观的波动的标准偏差σ的关系。如Osamura等在1975年的ジヤ—ナル·オブ·アプライフィジツクス(应用物理·通用)，第46卷，第3432页中所描述的那样，InxGa1-xN的带隙能量被表示为：
Eg(x)＝3.40(1-x)+2.07x-1.0x(1-x)(单位eV)
当使用该式时，在用于蓝色激光二极管的有源层的InGaN的组成范围(x＝0.15附近：x＝0.1～0.3程度)中，dEg/dx＝0.6(eV)
因此，In组成x的空间分布的标准偏差Δx与带隙能量的标准偏差σg的关系为：
Δx＝σg/0.6(eV)
通过该关系，能够把上述“带隙能量的微观的波动的标准偏差的标准偏差为40meV以下”换称为“In组成微观的波动的标准偏差Δx为0.067以下”，能够把“带隙能量的微观的波动的标准偏差的标准偏差为75～200meV”换称为“In组成微观的波动的标准偏差Δx为0.125～0.333”。
而且，对于前面所述的事项，在包括InxAlyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y≤0.2)发光层的元件中适合共同使用，但是，本发明中的发光层最好具有InxAlyGa1-x-yN(0＜x≤0.3，0≤y≤0.05)或者InxGa1-xN(0＜x≤0.3)的组成。
而且，带隙能量波动的标准偏差与微分增益相对应。图6是根据上述理论模型计算波动的标准偏差与微分增益的关系的结果。从图中可以看出，波动越大，微分增益越小。当波动大时，在带端部的状态密度的上升变得缓慢，因此，易于引起由载流子注入所产生的增益饱和，微分增益成为较小的值。与此相对，当波动小时，量子阱的二维所产生的阶段函数的状态密度为有效的，达到大的微分增益。对于这样的机构，产生组成波动的程度与微分增益的对应关系。从图6可见，波动的标准偏差为40meV的微分增益对应于1.0×10-16cm2(1.0×10-20m2)，因此，上述的“波动的标准偏差为40meV以下”可以换称为“微分增益为1.0×10-20m2以上”。而且，从图6可见，“波动的标准偏差为75～200meV”对应于“微分增益为0.5×10-20m2以上0.7×10-20m2以下”。
下面对本发明与现有技术的关系进行说明。其中，作为现有技术的代表例子，列举出现有技术1(IEEE JOURNAL OF SELECTEDTOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.3，NO.3，JUNE 1997中记载的)、现有技术2、3(特开平11-340580号公报中记载的)，下面对它们与本发明的关系进行说明。
首先，本发明是这样的技术：在使用氮化镓系材料或者蓝宝石作为衬底的基础上，规定有源层的组成分布和带隙能量的波动。使用SiC作为衬底，但是，在本发明中，当使用SiC时，难以稳定并充分地降低阈值电流。SiC、蓝宝石和GaN系半导体的热膨胀系数的大小关系为：
蓝宝石＞GaN系半导体＞SiC
因此，在SiC衬底上使GaN系半导体层成膜之后，当进行冷却时，在受衬底约束的GaN系半导体层的水平面内残存有拉伸畸变。因此，在使用SiC衬底的半导体激光器中，一般在有源层中残存拉伸热畸变。当残存有拉伸畸变时，稳定地调节微观的波动变得困难。
与此相对，当使用蓝宝石衬底时，在GaN系半导体层的水平面内残存压缩热畸变。与压缩畸变相对应的半导体层的强度高于与拉伸畸变相对应的强度，因此，在此情况下，能够比较稳定地调节组成波动。而且，当使用由GaN和A1GaN组成的衬底时，由于衬底和在其上形成的GaN系半导体层具有相等的热膨胀率，因此，GaN系半导体层中的残存热畸变几乎不会发生。因此，能够稳定地调节组成波动特别是微观的波动。
根据以上说明，在本发明中，使用氮化镓系材料或者蓝宝石作为衬底。
下面就波动和增益的数值范围来表示本发明与现有技术对比结果。在图16中表示了在现有技术1中所记载的半导体激光器的构造。该激光器是使用蓝宝石衬底的一般的氮化镓系激光器的构造。在蓝宝石衬底上通过GaN缓冲层形成AlGaN覆盖层、InGaN多个量子阱(MQW)有源层，而成为多层构造。
在现有技术2、3中，公开了使用SiC衬底的氮化镓系半导体激光器。在上述公报中，现有的半导体激光器是：共振器内的有源层的光致发光波长的分布为150meV程度(把其作为现有技术2)，与此相对，在该公报记载的发明中，记载了降低到90meV以下程度(把其作为现有技术3)。对于使用SiC衬底的原因，在该公报的段落161中进行了以下记载：即，“在现有的短波长半导体激光器中，使用与掺氮化合物半导体的晶格不整合为13％的非常大的蓝宝石作为生长衬底，因此，共振器内的有源层的位错密度为1010cm-2程度，但是，在掺氮化合物中，由于位错不形成非发光中心，对器件的特性不产生影响，因此，这样的位错密度完全没有问题，推进了器件化，但是，在上述情况中，位错密度和组成不均匀显示相关，当位错密度变小时，组成不均匀变小，因此，通过使用晶格不整合大幅度降低到3％的SiC衬底，能够把位错密度降低到109cm-2以下，至少能够降低到107cm- 2，由此，能够实现多波长振荡被抑制的短波长半导体发光元件。”
在图13和图14中表示了本发明所涉及的低输出规格的半导体激光器的一例与上述现有技术的关系。在图中，阴影区域是包含本发明所涉及的氮化物半导体激光器的区域。
图13中，横轴为In组成的微观的波动(亚微米级的波动)，纵轴为In组成的宏观的波动(PL波长分布：1微米以上的距离尺度的波动)。在现有技术1中记载为：微分增益是5.8×10-17cm2，当其换算为有源层带隙的宏观的波动时，为约100meV。
在现有技术中，宏观的波动都较大。在现有技术1中，没有涉及宏观的波动，但是，当考虑激光器构造及其制造工序时，处于与现有技术2和3相同的一般的水准上。与此相对，表示本发明所涉及的半导体激光器的一例的图中的斜线的区域为40meV以下，与现有技术相比，为低的宏观的波动。
图14中，横轴为In组成的微观的波动(亚微米级的波动)，纵轴为每个量子阱的阈值模式增益(cm-1)。在现有技术中，每个量子阱的阈值模式增益都较大。与现有技术相关的氮化镓系半导体激光器的内部损失通常为40cm-1程度以上，如果量子阱数为3以下，当考虑镜面损失时，每个量子阱的阈值模式增益为14cm-1以上。与此相对，本发明通过采用用于抑制内部损失的措施(在实施例中进行描述)，把每个量子阱的阈值模式增益抑制到12cm-1或者8cm-1以下。
下面，在图17和图18中表示了本发明所涉及的高输出规格的半导体激光器的一例与上述现有技术的关系。在图中，阴影区域是包含本发明所涉及的氮化物半导体激光器的区域。
图17中，横轴为In组成的微观的波动(亚微米级的波动)，纵轴为In组成的宏观的波动(PL波长分布：1微米以上的距离尺度的波动)。在现有技术中，宏观的波动和微观的波动都较大。
图18中，横轴为In组成的微观的波动(亚微米级的波动)，纵轴为每个量子阱的阈值模式增益(cm-1)。在现有技术中，微观的波动较大。发明的实施例
与本发明中的覆盖层的带隙能量和In组成的微观的波动相关，来对其测定方法进行说明。如上述那样，在现有技术中，作为测定In组成波动的方法，利用显微PL测定，但是，用其难以观测亚微米级的微观的波动。因此，本发明人提出了能够观测亚微米级的微观的波动的方法。下面进行详细说明。图8是对于上述图9所示的半导体激光器测定发光寿命的温度变化的结果。发光寿命这样进行测定：首先，对半导体激光器试验品从表面照射微微秒钛蓝宝石激光器的二次谐波(波长370nm，输出5mW，重复频率80MHz)的光，进行激发。发光由透镜聚光到分光器上，由光电子倍增管检测该分光，通过单一光子计数法进行时间分解测定。时间分解测定可以使用快扫描摄象机来进行。温度通过使用液氦的温度可变低温箱，在5K至300K的范围内变化。发光寿命的温度变化与带隙能量的微观的波动的标准偏差相关。在存在微观的波动的情况下，被光激发的电子被捕获到由In组成微观波动所形成的势能微观波动的谷中，因此，不会自由运动，被捕获到缺陷(非辐射中心)中的概率减小，成为发光寿命较长的值。但是，当温度变高，由于热能而能够超过由微观的波动所产生的势能壁垒时，电子变得能够自由运动，被捕获到非辐射中心中的概率剧增，发光寿命急剧缩短。在图8中，发光寿命从100K左右开始变短，这是因为在该温度以上热激发的效果开始起作用。通过定量地分析，图8的曲线能够用下式进行拟合：
τPL-1＝τ0-1+AT1/2exp(-T0/T) (1)其中，τPL是发光寿命，T是温度，τ0、A、T0是拟合参数。上式将在下面进行说明。在温度低的情况下，电子被捕获在由波动所产生的势能的谷中，几乎不会运动，因此，通过其固有的寿命τ0进行再结合。在低温下，上式第二项无效，仅第一项有效，因此，发光寿命为τ0，成为一定的。当温度变高时，电子的热激发产生，但是，如果由波动所产生的势能壁垒的大小为kT0(k是玻耳兹曼常数)，所激励的载流子的比例与exp(-T0/T)成比例。而且，所激励的载流子的一部分以热速度运动而返回期间被缺陷(非辐射中心)所捕获。该捕获的概率用Nvs表示。其中，N是缺陷密度，v是热速度，s是捕获断面面积。当仅着眼于温度依赖性时，根据热速度与温度的平方根成比例，可记述为：
Nvs＝AT1/2
因此，当温度变高时，通过上述机构，非辐射再结合进行激活，因此，载流子的再结合速度随AT1/2exp(-T0/T)即式(1)的第二项而增加。这样，通过拟合所求出的参数T0是成为In组成波动的程度的指标的参数。在图8中，通过拟合求出：T0是460K。
下面描述参数T0与实际的带隙能量波动的关系。kT0是电子为了自由运动所需要的热能量的大小，与空间上分布的电子的势能微观的波动应该具有比例关系。在量子阱这样的二维系统中，当存在势能微观的波动时，势能的空间的平均值以下的能量的电子被束缚住(即，不会自由运动)，具有平均值以上的能量的电子可以自由运动，这可以从古典的渗透理论导出。因此，kT0是从势能的谷底到平均势能的能量。当势能的空间分布为正规分布，其标准偏差为σe时，势能的谷处于距平均值2σe左右的低能量侧，因此，导出：σe＝0.5kT0。InGaN的带隙能量的微观的波动的标准偏差(标准偏差：σg)是把传导带(电子)的势能微观的波动与价电子带(空穴)的势能微观的波动相加，因此，如在1996年的“APPLIED PHYSISCS LETTERS”(应用物理快讯)，第68卷，2541页中由Martin等描述的那样，当InGaN系的传导带与价电子带的带偏移比为3∶7时，成为：σg＝3.33，σe＝1.67kT0。通过使用该式，由从实验求出的T0，能够求出InGaN的带隙能量的波动(标准偏差σg)。在图8的情况下，作为带隙能量的波动的标准偏差的标准偏差σg，得到66meV的值。
对于图9的半导体激光器，从用1μm的微小点径进行PL测定的结果可以看出：PL峰值波长的分布进入±1nm，不存在超过1μm尺寸的In组成波动。因此，在用从发光寿命的温度依存性来求值的方法来进行测定的情况下，观测到带隙能量的波动。由此，在以图9的半导体激光器为代表的现有的半导体激光器中，用PL测定没有观测到的微观的波动即亚微米级的波动存在。
在本发明中，作为用于降低In组成和带隙能量的宏观的波动的具体措施，降低氨分压是有效的。例如，使氨分压为110hPa以下，通过适当选择氮化镓系半导体层的生长速度，能够使带隙能量的宏观的波动为20meV以下。
在这样降低宏观的波动的基础上，为了使带隙能量的微观的波动的标准偏差为75～200meV，如上述那样，降低氨分压，来形成激光器构造，然后，进行比较高温的加热处理是有效的。热处理温度为850℃以上，最好为900℃以上。对于上限，例如为1200℃以下。处理时间通常需要40分钟以上。该热处理用于形成In组成的微观的波动，在电极形成时的退火这样的由低温所产生稳定的热处理中，难以达到该目的。
在本发明中，为了降低内部损失并且降低每个量子阱的阈值模式增益，把p型SCH(SelfConfinement Heterostructure自约束异质结构)层作为不掺杂，把生长温度提高到例如1100℃以上是有效的。由此，能够降低内部损失。一般，在SCH层的p型掺杂中使用Mg，但是，当进行Mg掺杂时，结晶性较低，同时，形成杂质能级，而成为导致内部损失低下的原因。通过排除其影响，进一步适当地选择生长条件，能够有效地降低内部损失。
在本发明中，光致发光的峰值波长分布(最大波长与最小波长之差)最好为40meV以下，20meV以下更好。由此，能够更有效地降低阈值电流。当该值过大时，阈值电流变大，耗电变大。
在本发明中，发光层的带隙能量的微观的波动的标准偏差最好为75～200meV，80～150meV更好。而且，In组成x的微观的波动的标准偏差最好为0.125～0.333，为0.133～0.266更好。由此，能够更有效地降低半导体激光器的阈值电流。
在本发明中，所谓“发光层中的In组成的微观的波动”和“带隙能量的微观的波动的标准偏差”是指空间分布中的波动(变动)。而且，所谓“微观的波动”如上述那样是指亚微米级以下的波动。在现有技术中进行的PL测定中，通常，点径为1μm以上，在测定的原理上，观测1μm以上的距离尺度上的波动。与此相对，本发明中的微观的波动是指用该方法进行观测不能得到的狭窄区域内的波动。
在本发明中，当有源层为多个量子阱构造时，上述波动意味着各个量子阱层全部的波动。
本发明中的衬底是指当构成激光器等的层生长时成为基底的衬底。所谓衬底的表面位错密度是指在衬底表面上存在的贯通位错的密度。
表面位错密度不足108个/cm2的氮化镓系半导体衬底能够通过以下步骤得到：在通过下面所示的FIELO或者ペンディオエピタキシ(悬挂式外延生长)法等形成氮化镓系半导体层之后，除去用于生长的蓝宝石等的衬底。下面对这些方法进行说明。(FIELO)
例如，在蓝宝石等衬底上形成薄的GaN，在其上形成条纹状的SiO2掩模。在掩模的开口部有选择性地横向生长GaN，由此，得到表面位错密度小的GaN。这是因为：位错被SiO2掩模阻挡，并且，在有选择性地横向生长时，在衬底水平方向上弯曲。该方法记载在「应用物理第68卷，第7号(1999年)第774页～第779页」等中。(悬挂式外延生长法)
例如，在蓝宝石等的衬底上形成低温缓冲层之后，形成由单晶组成的GaN层。接着，使用掩模进行选择腐蚀，由此，形成条纹状延伸的GaN的图形。从该GaN条纹的上表面或者侧面进行结晶生长，由此，能够形成表面位错密度小的基底层。对于悬挂式外延生长法，记载在例如“Tsvetankas.Zhelevaet.Al.；MR S Internet J.NitrideSemicond.Res.4S1，G3.38(1999)”等中。
而且，如果使用以下的方法，能够得到进一步降低了位错密度的衬底。即，在蓝宝石衬底上直接或者通过缓冲层形成由氮化镓系处理组成的单晶层。接着，腐蚀该单晶层，而成为隔开的岛状形态。把成为这样形态的单晶层作为起点，来进行结晶生长，由此，能够形成表面位错密度小的基底层。而且，上述岛状形态与腐蚀无关，而可以适当地选择单晶层生长条件来直接形成具有岛状形态的单晶层。
本发明的衬底的表面位错密度不足108个/cm2，但是，最好为107个/cm2以下。当衬底的位错密度高时，即使降低In组成和带隙的微观的波动，或者提高微分增益，都难以提高元件寿命。当表面位错密度不足108个/cm2，特别是，为107个/cm2以下时，得到与通过上述微观波动降低所产生的作用相乘的效果，能够在维持良好的元件特性的同时，提高元件寿命。而且，衬底的表面位错密度可以通过测定侵蚀孔或者TEM观察断面部等公知的方法来进行测定。
这样的低位错密度的衬底可以通过形成具有上述岛状的形态的单晶层，把其作为起点来进行结晶生长来实现。
以上，对低位错密度的氮化镓系半导体衬底进行了描述，也可以使用蓝宝石作为衬底，在其上生长低位错密度的氮化镓系半导体层，而形成激光器构造。此时的氮化镓系半导体层的位错密度的最佳范围及其测定方法与上述相同。
本发明的基底层由氮化镓系材料组成，其中，所谓“氮化镓系材料”是指AlGaN、GaN等作为构成元素并包含氮和镓的材料。其中，当使用GaN或者AlGaN作为基底层时，能够使光封闭率良好，并且，能够谋求元件寿命的改善。在氮化镓系半导体激光器中，通常，使用由AlGaN组成的覆盖层，但是，为了实现良好的光封闭率，希望提高覆盖层的Al组成比，并使膜厚变厚。例如，在用于光盘的发光波长390～430nm的半导体激光器中，希望覆盖层的膜厚为1μm以上，希望Al组成比为0.05以上，最好为0.07以上。在这样的情况下，选择GaN或者AlGaN作为基底层是有效的。若如此，则基底层与覆盖层的热膨胀系数和晶格常数变得近似，覆盖层的残留畸变降低，因此，能够进一步有效地防止高温作业时的有源层的劣化。另一方面，能够使覆盖层的膜厚和Al组成处于所希望的范围内，能够使光封闭率变得良好。
以上对本发明的衬底进行了说明，但是，为了得到发光层中的In组成和带隙能量的微观的波动的标准偏差、微分增益处于适当的范围内的氮化物半导体激光器，必须进行衬底的选择和留意发光层的生长条件等。例如，使用含有氨气的原料气体，通过有机金属气相生长法来形成发光层，此时，如果氨气的分压为110hPa以下，最好为95hPa以下，能够得到上述微观的波动、微分增益处于适当的范围内的氮化物半导体激光器。
本发明中的“发光层”是指在有源层中包含的层，通过反转分布而进行增益发生的层。在量子阱构造的有源层中，量子阱层相当于本发明中的发光层，在量子阱构造以外的构造的有源层中，通常，有源层全体为发光层。
在本发明所涉及的低输出规格的激光器中，有源层的阱数最好为3以下。阈值电流的大小依赖于阱数，因此，由此能够降低耗电。而且，能够使与量子阱相对应的载流子注入为均匀的。当量子阱数为4以上时，载流子特别是空穴的注入成为不均匀的，在载流子密度不足的量子阱中，内部损失的降低变得显著起来。而且，关于这一点，Domen等在Appl.Phys.vol.73(1998)，第2775-2777页中报告了：当阱数为3时，载流子的注入是均匀的，当阱数为5时，则成为不均匀的。【实施例】
首先，对在实施例中制作的半导体激光器的反射率、镜面损失、内部损失、阈值模式增益的测定方式进行说明。
(i)反射率
试验制作的激光器共振器的反射率R在仅劈开在半导体表面上的情况下表示为：R＝(n-1/n+1)2(例如，末松安晴、伊贺健一共同编著的《光纤通信入门》オ—ム公司)。其中，n是半导体的折射率。GaN的折射率随波长而不同，但是，在作为典型的氮化物半导体激光器波长的400nm中，为2.553程度，因此，反射率为19％。另一方面，为了得到高反射镜面，通常利用介电体多层膜。通过交替形成高折射率和低折射率，能够得到高反射率。此时的反射率可以是使用的材料的折射率与层厚和层数，例如，在图12中表示了交替形成各100nm的TiO2(折射率2.31)和SiO2(折射率1.44)时的反射光谱。
如图12那样，在波长400nm附近得到了具有较大反射率的光谱。这些光谱能够通过增加层数来改变反射率，当形成一个TiO2/SiO2的搭配时，得到50％的反射率，当为3个时，得到90％以上的反射率。这样，如果区分涂敷材料和层厚，能够研究反射率的大小。
作为测定所形成的高反射涂敷的反射率的一个措施，考虑使用半导体激光器。从半导体激光器的端面的反射率R1、R2所射出的光输出P1和P2的关系是P1/P2＝(1-R1)/(1-R2)×(R2/R1)0.5。这样，如果区分P1和P2的光输出比和单方的反射率，就能区分出其中之一的反射率。特别是，在单方没有涂层的情况下，可见到为19％的反射率，因此，该方法是有效的。
(ii)镜面损失
镜面损失从激光器的振荡条件和共振器的反射率R1、R2求出(例如，伊贺健一所著的《半导体激光器》(オ—ム公司))。当激光器的共振器长度为L时，镜面损失αm为：αm＝1/2L×1n(1/R1/R2)。这样，能够从共振器长度和镜面反射率求出镜面损失。
而且，在通常的氮化物半导体激光器的高反射涂层中，使用TiO2/SiO2等介电体多层膜镜面，反射率为80％以上。在此情况下，在双面HR涂层的情况下，镜面损失为1cm-1程度。而且，在单面HR涂层的情况下，如果共振器长度为400μm，则镜面损失为20cm-1程度。
(iii)内部损失
内部损失αi能够从电流-输出特性进行分析。在反射率为R1、R2的半导体激光器中，从R1侧射出的光输出P1可以表示为：其中，I是电流，Ith是阈值电流，Vd是接合电位。可以考虑Vd与振荡波长所对应的光能量大致相同，对于区分反射率和镜面损失的元件，通过研究电流-光输出特性，来分析内部损失。
(iv)阈值模式增益
激光器通过匹配增益和损失来激起振荡。这样，阈值模式增益能够用内部损失和镜面损失之和来求出。实施例1
图11是本实施例所涉及氮化物半导体激光器的断面构造图。在通过上述FIELO制作的表面位错密度为5×107个/cm2的低位错n-GaN衬底21上，依次生长由Si掺杂n型Al0.1Ga0.9N(硅浓度4×1017cm-3，厚1.2μm)组成的n型覆盖层22、由Si掺杂n型GaN(硅浓度4×1017cm-3，厚0.1μm)组成的n型光封闭层23、由In0.2Ga0.8N(厚度3nm)阱层和Si掺杂n型In0.05Ga0.95N(硅浓度5×1018cm-3，厚度5nm)阻挡层组成的多量子阱层24(阱数为3个)、由Mg掺杂p型Al0.2Ga0.8N组成的载流子层25、由未掺杂GaN(厚度0.1μm)组成的光封闭层26、由Mg掺杂p型Al0.1Ga0.9N(Mg浓度2×1017cm-3，厚0.5μm)组成的p型覆盖层27、由Mg掺杂p型GaN(Mg浓度2×1017cm-3，厚0.1μm)组成的p型接触层28，来形成激光器构造。激光器构造的形成使用200hPa的减压MOVPE(有机金属气相外延)装置来进行。在氮原料中使用的氨的分压为53hPa，Ga、Al、In材料使用TMG、TMA、TMI。生长基本上在1050℃下进行。但是，对于由InGaN组成的多量子阱有源层24，在780℃下进行生长，对于由未掺杂GaN(厚度0.1μm)组成的光封闭层26，在1150℃下进行生长。对生长的试验品在900℃下进行1小时热处理，然后，通过干腐蚀来部分地残留包含p型覆盖层27和p型接触层28的台面模具29，然后，形成SiO2绝缘膜30。而且，通过曝光技术来露出台面部分，形成脊构造。在n型衬底里面形成由Ti/Al组成的n电极31，在p接触上，形成由Ni/Au组成的p电极32。通过劈开形成激光器共振器端面，在两面用TiO2/SiO2进行高反射涂敷(反射率80％)。共振器长度为300μm。
在「现有技术」中记载的图9的激光器元件(两面涂层)与本实施例的激光器元件的制作方法的不同点是：(1)生长时的氨分压低；(2)生长后，在900℃下进行一小时热处理；(3)由GaN(厚度0.1μm)组成的光封闭层26是未掺杂的，并且，生长温度高到1150℃。(1)是用于同时减小有源层量子阱的微观的波动、宏观的波动的措施。在通过(1)而制作了波动小的量子阱之后，当进行(2)的热处理时，能够使宏观的波动变小，而使微观的波动变大，这是发明人刚刚发现的。而且，发明人发现了在GaN光封闭层26中的光吸收为激光器元件的内部损失的主要原因，为了降低该层中的光吸收，为了提高结晶性，而提高生长温度，并且，为了减小通过杂质能级的吸收，不进行Mg添加。在表1中的NO.1中表示出了所得到的半导体激光器的各个特性。阈值电流密度减低到0.8kA/cm2，呈现良好的性能。
对于按上述那样制作的半导体激光器，进行以下测定：
①由显微PL测定(1μm分辨率)所进行的宏观的组成波动的测定
②由微分增益测定(缓和振动测定)所进行的微观的组成波动的测定
③由CL(阴极发光)观察所进行的微观的组成波动的测定
在由阴极发光所进行的测定中，在量子阱有源层上形成载流子层的阶段中，单独制作停止生长而得到的评价用样品，对该样品照射电子线，进行分光，来进行特定波长下的映射。加速电压为3kV，在室温中进行测定。
用1mm分辨率的显微PL进行观察的结果，得到PL波长分布为20meV以下的结果，但是，由缓和振动测定所进行的测定的结果，求出微观的波动为100meV。而且，在CL像中，观测到400～500nm的大小的区域(图15)。从以上可以看出，在本实施例中制作的激光器中，宏观的波动几乎不存在，但是，适当地存在亚微米级的微观的波动。实施例2
在图11中表示了本实施例所涉及氮化物半导体激光器的简要断面构造图。但是，在本实施例中，由于阱数为1，多量子阱层24的构造与图示稍微不同。与实施例1的半导体激光器是低输出规格相对应，在本实施例中，为高输出规格。下面对制作该半导体激光器的程序进行说明。首先，在通过FIELO制作的表面位错密度为5×107个/cm2的低位错n-GaN衬底21上，依次生长由Si掺杂n型Al0.1Ga0.9N(硅浓度4×1017cm-3，厚1.2μm)构成的n型覆盖层22、由Si掺杂n型GaN(硅浓度4×1017cm-3，厚0.1μm)构成的n型光封闭层23、由In0.2Ga0.8N(厚度3nm)阱层和Si掺杂n型In0.05Ga0.95N(硅浓度5×1018cm-3，厚度5nm)阻挡层组成的多量子阱层24(阱数为1个)、由Mg掺杂p型Al0.2Ga0.8N组成的载流子层25、由未掺杂GaN(厚度0.1μm)组成的光封闭层26、由Mg掺杂p型Al0.1Ga0.9N(Mg浓度2×1017cm-3，厚0.5μm)组成的p型覆盖层27、由Mg掺杂p型GaN(Mg浓度2×1017cm-3，厚0.1μm)组成的p型接触层28，来形成激光器的构造。激光器构造的形成使用200hPa的减压MOVPE(有机金属气相外延)装置来进行。在氮原料中使用的氨的分压为53hPa，Ga、Al、In材料使用TMG、TMA、TMI。生长基本上在1050℃下进行。但是，对于由InGaN组成的多量子阱有源层24，在780℃下进行生长，对于由未掺杂GaN(厚度0.1μm)组成的光封闭层26，在1150℃下进行生长。通过干腐蚀来部分地残留包含p型覆盖层27和p型接触层28的台面模具29，然后，形成SiO2绝缘膜30。而且，通过曝光技术露出台面部分，形成脊构造。在n型衬底里面形成由Ti/Al组成的n电极31，在p接触上，形成由Ni/Au组成的p电极32。通过劈开形成激光器共振器端面，对于与光出射侧相对侧的端面，用TiO2/SiO2进行高反射涂敷(反射率95％)。而且，对于光出射侧端面不形成涂敷膜，成为无涂层。共振器长度为500μm。
在表1中的NO.2中表示出了所得到的半导体激光器的各个特性。阈值电流密度减低到0.8kA/cm2，呈现良好的性能。【表1】 NO.1 NO.2用途 低输出用途 高输出用途量子阱数 3 1共振器长度(μm) 300 500每个量子阱的阈值模式增益(cm-1) 6.5 29光出射侧镜面反射率(％) 80(HR涂层) 19(无涂层)与光出射侧相对侧的镜面反射率(％) 80(HR涂层) 95(HR涂层)镜面损失(cm-1) 7.4 17内部损失(cm-1) 12 12斜度效率(W/A) 0.57 1.7In组成微观的波动的标准偏差 0.167 0.0083带隙能量的微观的波动的标准偏差(meV) 100 5微分增益dg/dN(×10-24m2) 0.6 2.2阈值电流密度(kA/cm2) 0.8 0.8光致发光波长分布(meV) 19 17发明的效果
如上述那样，根据本发明，能够大幅度降低半导体激光器的阈值电流密度。因此，通过本发明，作为光盘用光源，能够实现可实用的氮化物半导体激光器，产业上的利用价值非常大。