(57)【要約】【課題】結晶欠陥を発生させずに、閾値電流を低減することの可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】酸化層３２を含む複数の半導体ブロック３０がＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体層２０のリッジ部２５上に設けられている。複数の半導体ブロック３０は、上部電極２７および金属層４０を介してリッジ部２５に接合されており、リッジ部２５の延在方向に沿って配列されている。これにより、酸化層２７から、活性層２２のうちリッジ部２５の直下の部分に対して、リッジ部２５の延在方向と直交する方向（［１１−２０］結晶方位と平行な方向）に一軸性の圧縮歪みＳ（図２参照）が印加される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板側から順に有すると共に、前記上部クラッド層の上部に一の方向に延在する電流狭窄構造を有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層と、
前記電流狭窄構造上に接合されると共に、前記電流狭窄構造の延在方向に沿って配列された複数の半導体ブロックを備え、
前記半導体ブロックは、酸化層を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記酸化層は、ＡｌＡｓ層を水蒸気酸化することにより得られたものである請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板はＧａＮ基板である請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層はＧａＮ基板のｃ面上に形成されたものである請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記電流狭窄構造は、ＧａＮ基板の［１−１００］結晶方位と平行な方向に延在している請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記電流狭窄構造はリッジ形状となっている請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層に圧縮歪を導入した窒化物系の半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高密度光ディスク装置やレーザビームプリンタなどの光源として、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザ素子が注目されている。このレーザ素子は、例えば、半導体基板の表面に、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層がこの順に積層配置されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を備えている。このＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の上部、具体的には、ｐ型クラッド層の上部およびｐ型コンタクト層に、帯状のリッジ部が形成されている。また、リッジ部の上部にはｐ側電極、ＧａＮ基板の裏面全体にはｎ側電極が形成されており、リッジ部の延在方向に対して垂直な端面に一対の反射鏡膜が形成されている。
【０００３】
このような構成のＩＩＩ−Ｖ窒化物半導体レーザ素子では、ｐ側電極とｎ側電極との間に所定の電位差の電圧が印加されると、リッジ部により電流狭窄されると共に、活性層の電流注入領域に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、ビームとして一方の反射鏡膜から外部に射出される。
【０００４】
ところで、ＩＩＩ−Ｖ窒化物半導体レーザ素子では、活性層に対して一軸性の圧縮歪を導入することにより、閾値電流を低減することが可能であることが知られている（特許文献１，２）。特許文献１，２に記載の方法では、熱膨張係数に異方性を有するＬｉＴａＯ３基板などが用いられており、リッジ部の延在方向と直交する方向に圧縮歪みを加えることにより、低閾値化を図っている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７３２３２号公報
【特許文献２】特開平０８−２５５９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献１，２で提案されているＬｉＴａＯ３基板のような誘電体基板上に、ＧａＮ系材料を結晶成長させることは困難である。上記特許文献１，２では、ＬｉＴａＯ３基板の結晶成長面にバッファ層を導入するなどしてＧａＮ系材料の結晶成長を容易にする方法が示されているが、実際に、バッファ層を介してＬｉＴａＯ３基板上にＧａＮ系材料を結晶成長させると、ＧａＮ系の半導体層には多くの結晶欠陥が発生してしまう。そのため、上記特許文献１，２に記載の方法では、近年の高出力化の要望に応えることは困難であり、ＬｉＴａＯ３基板を用いることは現実的ではない。
【０００７】
なお、上記特許文献１，２では、サファイア基板上に作成したレーザをＬｉＴａＯ３からなるサブマウントに実装した例も紹介されている。しかし、そのようにした場合には、活性層とサブマウントとの間に、サファイア基板などが介在しているので、サブマウントによる一軸性の圧縮歪みが活性層にほとんど伝わらず、閾値電流を低減する効果はほとんど無いと考えられる。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、結晶欠陥を発生させずに、閾値電流を低減することの可能な半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体発光素子は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層をＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板側から順に有するＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層を備えている。上部クラッド層の上部には一の方向に延在する電流狭窄構造が設けられている。この電流狭窄構造上には複数の半導体ブロックが接合されており、複数の半導体ブロックは電流狭窄構造の延在方向に沿って配列されている。複数の半導体ブロックは酸化層を有している。
【００１０】
本発明の半導体発光素子では、酸化層を含む複数の半導体ブロックがＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の上部クラッド層の上部に設けられた電流狭窄構造上に接合されており、かつ電流狭窄構造の延在方向に沿って配列されている。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板およびＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の外部に設けられた酸化層から、活性層のうち電流狭窄構造の直下の部分に対して、電流狭窄構造の延在方向と直交する方向に圧縮歪みが印加される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体発光素子によれば、酸化層から活性層のうち電流狭窄構造の直下の部分に対して一軸性の圧縮歪みを印加するようにしたので、閾値電流を低減することができる。ここで、活性層に対して一軸性の圧縮歪みを印加する酸化層はＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板およびＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の外部に設けられている。従って、活性層に対して圧縮歪みを印加するものをＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板として用いたり、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の内部に設けたりした場合のような結晶欠陥がＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層内に発生しない。このように、本発明では、結晶欠陥を発生させずに、閾値電流を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ１（半導体発光素子）を斜視的に表したものである。図２は図１の半導体レーザ１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を、図３は図１の半導体レーザ１のＢ−Ｂ矢視方向の断面構成をそれぞれ表したものである。なお、図１ないし図３は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
【００１４】
半導体レーザ１は、基板１０（ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板）上に半導体層２０（ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層）を成長させたものである。半導体層２０は、下部クラッド層２１、活性層２２，上部クラッド層２３およびコンタクト層２４を基板１０側からこの順に積層してなる積層構造を有している。
【００１５】
基板１０は、ＧａＮ基板などのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板である。ここで、「ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体」とは、短周期型周期率表における３Ｂ族元素群のうちの少なくとも１種と、短周期型周期率表における５Ｂ族元素のうちの少なくともＮとを含むものを指している。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＧａとＮとを含んだ窒化ガリウム系化合物が挙げられる。窒化ガリウム系化合物には、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどが含まれる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＳｅなどのＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣなどのＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされている。
【００１６】
ここで、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体は、（１）六方晶であることから結晶に異方性が存在し、（２）有効質量が大きく、（３）価電子帯に、ヘビーホール（ＨＨ）、ライトホール（ＬＨ）および結晶場分裂ホール（ＣＨ）３つのバンドが近接して存在している、という特徴を有している。
【００１７】
基板１０の上面（結晶成長面）はｃ面（（０００１）面）となっており、図１においては、ｃ面の法線がＺ軸と平行となっている。また、基板１０のｃ面内には、互いに直交する２つの結晶方位（[１−１００]結晶方位、[１１−２０]結晶方位）が存在している。図１においては、[１−１００]結晶方位がＸ軸と平行となっており、[１１−２０]結晶方位がＹ軸と平行となっている。また、基板１０の端面には、法線が[１−１００]結晶方位と平行となっている（１−１００）面と、法線が[１１−２０]結晶方位と平行となっている（１１−２０）面が露出している。
【００１８】
半導体層２０内の各層は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体によって構成されている。下部クラッド層２１は、例えばｎ型ＡｌＧａＮからなる。活性層２２は、例えば組成比の互いに異なるＧａＩｎＮによってそれぞれ形成された井戸層およびバリア層を含む多重量子井戸構造を有している。この活性層２２において、後述のリッジ部２５との対向領域が発光領域２２Ａとなる。この発光領域２２Ａは、リッジ部２５で狭窄された電流が注入される電流注入領域に対応している。上部クラッド層２３は、例えばｐ型ＡｌＧａＮからなる。コンタクト層２４は、例えばｐ型ＧａＮからなる。
【００１９】
半導体層２０の上部（上部クラッド層２３の一部およびコンタクト層２４）には、一の方向に延在する帯状のリッジ部２５（電流狭窄構造）が形成されている。このリッジ部２５は、リッジ部２５の幅方向における電流狭窄と光閉じ込めを行うものであり、活性層２２のうちリッジ部２５直下に対応する領域が電流注入領域（発光領域２２Ａ）となる。リッジ部２５は、基板１０の[１−１００]結晶方位と平行な方向に延在しており、リッジ部２５の延在方向が半導体レーザ１の共振器方向に対応している。
【００２０】
リッジ部２５の側面から上部クラッド層２３の表面までの連続した表面上には、例えば、ＡｌＮやＳｉＯ２などからなる絶縁層２６が形成されている。また、リッジ部２５の上面（コンタクト層２４の表面）から絶縁層２６の表面までの連続した表面上には、上部電極２７が設けられている。この上部電極２７は、例えば、Ｔｉ，ＰｔおよびＡｕをコンタクト層２４側から順に積層して構成されており、コンタクト層２４と電気的に接続されている。また、基板１０の裏面には下部電極２８が設けられている。この下部電極２８は、例えば、ＡｕとＧｅとの合金，ＮｉおよびＡｕを基板１０側から順に積層して構成されており、基板１０と電気的に接続されている。
【００２１】
また、本実施の形態の半導体レーザ１には、複数の半導体ブロック３０が設けられている。複数の半導体ブロック３０は、リッジ部２５上に設けられた上部電極２７に対して、金属層４０を介して接合されており、かつリッジ部２５の延在方向に沿って配列されている。半導体ブロック３０は、例えば、第１半導体層３１、酸化層３２および第２半導体層３３を金属層４０側からこの順に積層してなる積層構造を有している。金属層４０は、リッジ部２５の上面および側面に渡って形成されており、リッジ部２５の延在方向と平行な方向に延在している。
【００２２】
第１半導体層３１および第２半導体層３３は、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる。酸化層３２は、酸化され易い半導体材料を酸化することによって得られたものであり、例えば、後述の被酸化層３２Ｄを水蒸気酸化することにより得られたものである。酸化層３２は、例えば、Ａｌ２Ｏ３などを含んで構成されている。金属層４０は、例えば、Ｔｉ，ＰｔおよびＳｎを第１半導体層３１側から順に積層して構成されている。
【００２３】
このような構成を有する半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。
【００２４】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系の半導体レーザ１を製造するためには、基板１０上の半導体層２０を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、半導体層２０の原料としては、例えば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、アンモニア (ＮＨ3)を用いる。
【００２５】
具体的には、まず、基板３４上に、第１半導体層３１、酸化層３２および第２半導体層３３をこの順に積層したのち（図４（Ａ））、第２半導体層３３に支持基板３５を貼り合わせる（図４（Ｂ））。第２半導体層３３と支持基板３５との貼り合わせには、例えばワックスなどを用いる。その後、例えばウエットエッチング法を用いて、基板３４を除去する（図４（Ｃ））。これにより、第１半導体層３１が露出する。
【００２６】
次に、例えば蒸着法を用いて、露出した第１半導体層３１の表面に、一の方向に延在する複数の金属層４０を所定の間隔で形成する（図５（Ａ））。このとき、互いに隣接する金属層４０同士の間隔は、別の工程で、基板１０上に形成した複数のリッジ部２５（図５（Ｃ）参照）の間隔と等しくなっている。
【００２７】
次に、例えばドライエッチング法を用いて、金属層４０をマスクとして第１半導体層３１、酸化層３２および第２半導体層３３を選択的に除去する（図５（Ｂ））。これにより、金属層４０の直下に、金属層４０の延在方向と平行な方向に延在する半導体ブロック３０Ｄが形成される。その後、金属層４０と、上部電極２７とを互いに貼り合わせる（図５（Ｃ））。このとき、金属層４０のＳｎと上部電極２７のＡｕとが合金化し、金属層４０と上部電極２７とが互いに接合される。
【００２８】
次に、支持基板３５を除去したのち（図６（Ａ））、例えばＡｌＡｓからなる被酸化層３２Ｄを側面から水蒸気酸化することにより酸化層３２を形成する（図６（Ｂ））。これにより、酸化層３２を有する半導体ブロック３０Ｄが形成される。なお、図示しないが、被酸化層３２Ｄを側面から水蒸気酸化したのち、支持基板３５を除去してもよい。
【００２９】
次に、図示しないが、例えばドライエッチング法を用いて、半導体ブロック３０Ｄを複数のブロックに分割する。これにより、リッジ部２５の延在方向に沿って配列された複数の半導体ブロック３０が形成される。その後、基板１０を、リッジ部２５の延在方向と直交する方向にへき開してバー状にしたのち、バー状の基板１０をリッジ部２５の形成されていない帯状の領域に沿ってスクライビング加工する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。
【００３０】
次に、本実施の形態の半導体レーザ１の作用および効果について説明する。
【００３１】
本実施の形態の半導体レーザ１では、上部電極２７と下部電極２８との間に所定の電圧が印加されると、リッジ部２５により電流狭窄された電流が電流注入領域（発光領域２２Ａ）に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、ビームとして外部に射出される。
【００３２】
ところで、本実施の形態では、酸化層３２を含む複数の半導体ブロック３０が、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体層２０のリッジ部２５上に設けられている。複数の半導体ブロック３０は、上部電極２７および金属層４０を介してリッジ部２５に接合されており、かつリッジ部２５の延在方向に沿って配列されている。これにより、酸化層２７から、活性層２２のうちリッジ部２５の直下の部分（発光領域２２Ａ）に対して、リッジ部２５の延在方向と直交する方向に一軸性の圧縮歪みＳ（図２参照）が印加される。なお、半導体ブロック３０はリッジ部２５の延在方向に一体に形成されておらず、複数に分割されているので、リッジ部２５の延在方向と平行な方向については、圧縮歪みＳは生じない。
【００３３】
活性層２２に生じた圧縮歪みＳの方向は、基板１０の [１１−２０]結晶方位と平行となっている。従って、圧縮歪みＳによって、活性層２２において、価電子帯の頂上にＨＨバンドが位置するようになり、ＨＨとＬＨとの間でバンドスプリットが生じる。また、酸化層２７から印加される一軸性の圧縮歪みＳは、例えば１ＭＰａ以上の大きさとなっていることから、活性層２２において、大きなバンドスプリットを得ることができる。これにより、透明キャリア密度が減少するので、半導体レーザ１の閾値電流を下げることができる。また、活性層２２に一軸性の圧縮歪みＳが印加されているので、ＴＥモード利得が増大する。
【００３４】
また、本実施の形態では、活性層２２に対して一軸性の圧縮歪みを印加する酸化層２７は、基板１０および半導体層２０の外部に設けられている。そのため、活性層に対して圧縮歪みを印加するものを基板として用いたり、基板上に結晶成長させることにより得られるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層の内部に設けたりした従来の場合のような結晶欠陥が、半導体層２０内に発生しない。
【００３５】
このように、本実施の形態では、結晶欠陥を発生させずに、閾値電流を低減することができる。
【００３６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００３７】
例えば、上記実施の形態では、半導体ブロック３０には、酸化層３２の上下に第１半導体層３１および第２半導体層３３が設けられていたが、第１半導体層３１および第２半導体層３３の少なくとも一方が設けられていなくてもよいし、第１半導体層３１および第２半導体層３３の他に、何らかの層が設けられていてもよい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、金属層４０はリッジ部２５の上面全体を覆っていたが、リッジ部２５の一部（例えば半導体ブロック３０の直下）だけを覆っていてもよい。
【００３９】
また、上記実施の形態では、リッジ部２５による電流狭窄構造としたが、他の方法によるものであってもよい。
【００４０】
また、本発明は、半導体レーザの他に、発光ダイオードなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体発光素子一般に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの概略構成を表した斜視図である。
【図２】図１の半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面図である。
【図３】図１の半導体レーザのＢ−Ｂ矢視方向の断面図である。
【図４】図１の半導体レーザの製造工程を説明するための断面図である。
【図５】図４の続きの工程を説明するための断面図である。
【図６】図５の続きの工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…半導体レーザ、１０…基板、２０，２０Ｄ…半導体層、２１…下部クラッド層、２２…活性層、２３…上部クラッド層、２４…コンタクト層、２５…リッジ部、２６…絶縁膜、２７…上部電極、２８…下部電極、３０，３０Ｄ…半導体ブロック、３１…第１半導体層、３２…酸化層、３２Ｄ…被酸化層、３３…第２半導体層、４０…金属層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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