(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
この半導体基板の主面に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもって形成された六方晶窒化物からなる半導体層と、
この半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ形成されてＩｎを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第１及び第２の発光層と、
前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第１及び第２の発光層及び前記半導体層に形成された分離溝と
を有することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記半導体基板の主面はｃ面であり、前記半導体層の傾斜面は、ｃ軸とＲ軸とが作る平面に対して垂直で且つｃ面とのなす角が３０度以上である面及び、ｃ軸とａ軸とが作る平面に対して垂直で且つｃ面とのなす角が３０度以上である面のいずれか一方である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記半導体基板の主面はｃ面であり、前記半導体層の傾斜面は、Ｒ面である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の発光層は、前記傾斜面に形成された第２の発光層のＩｎ組成比が前記平面に形成された前記第１の発光層のそれより高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記傾斜面は、前記第２の発光層が形成される領域の前記半導体層をエッチングして形成される請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項６】
半導体基板の主面上に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもつように六方晶窒化物からなる半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ、Ｉｎを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第１及び第２の発光層を同時に形成する工程と、
前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第１及び第２の発光層及び前記半導体層に分離溝を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項７】
前記平面上に形成された前記第１の発光層よりも、前記傾斜面上に形成された前記第２の発光層の方が高いＩｎ組成比を有する請求項６記載の半導体発光装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基板上に異なる２波長の発光素子を一体形成してなる半導体発光装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、家庭電化製品，ＯＡ機器，通信機器，工業計測器などさまざまな分野で半導体レーザが用いられている。特に近年、高密度光ディスク記録等への応用を目的として短波長の半導体レーザの開発が注力されている。短波長半導体レーザには、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ，ＧａＰＮなどの窒素を含む六方晶化合物半導体（以下、単に窒化物半導体という）が用いられる。このような窒化物半導体を用いて、３５０ｎｍ以下までの短波長が可能で，４００ｎｍでの発振動作が報告されている。信頼性に関しても、ＬＥＤにおいて１万時間以上の寿命が確認されている。
【０００３】
一方これまで、モノリシックに２波長以上の波長で発振する半導体レーザを作る試みもなされている。異なる波長が発光材料の同一組成比で発振可能である場合には、共振器構造などを違えて発振させることが可能である。しかし、２波長が大きく異なり、これらを同一組成比で発振させるのが難しい場合にはそれぞれの発光層を作るために別々の工程が必要であった。具体的には、二つの発光層を順次に積層形成するか、或いは、一方の発光層を作る際に他方の発光層領域をマスクし、もう一度マスクを反転して他方の発光層の作成を行う必要がある．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、２波長レーザをモノリシックに作るには、工程数が多く、コストが上がり、歩留まりは低下する。特に、ＧａＮ系の窒化物半導体においては、長波長にするためにＩｎの組成を高くする必要があるが、Ｉｎの組成比が２５％以上，波長４５０ｎｍ以上では、Ｉｎ組成の不均一により半導体レーザは発振不能となる。
【０００５】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数波長の発光素子をモノリシックに形成して成る半導体発光装置とその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体発光装置は、半導体基板と、この半導体基板の主面に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもって形成された六方晶窒化物からなる半導体層と、この半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ形成されてＩｎを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第１及び第２の発光層と、前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第１及び第２の発光層及び前記半導体層に形成された分離溝とを有することを特徴とする。
【０００７】
この発明に係る半導体発光装置の製造方法は、半導体基板の主面上に、その主面と平行な平面と主面から傾斜した傾斜面をもつように六方晶窒化物からなる半導体層を形成する工程と、前記半導体層の前記平面上及び傾斜面上にそれぞれ、Ｉｎを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる第１及び第２の発光層を同時に形成する工程と、前記平面と前記傾斜面とを分離するように前記第１及び第２の発光層及び前記半導体層に分離溝を形成する工程とを有することを特徴とする。この場合、半導体層の傾斜面は、半導体層を成長させた後、メサエッチングにより形成するか或いは、成長阻止用マスクを用いて半導体層を成長させることにより形成する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態に係わる半導体レーザ装置の概略構成を示す図である。この実施の形態では、一つの半導体基板１上に、波長の異なる二つの半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２が集積形成されている。ここで半導体基板１は、六方晶窒化物半導体であり、具体的にはｎ型ＧａＮ基板１１に、ｎ型ＧａＮバッファ層１２が成長形成されたものである。
【０００９】
第１の半導体レーザＬＤ１は、半導体基板１のバッファ層１２上に、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２ａ、ｎ型ＧａＮ光導波層３ａ、ＩｎＧａＮ活性層（多重量子井戸層）４ａ、ｐ型ＧａＮ光導波層５ａ、Ｍｇドープのｐ型クラッド層６ａが順次積層されて形成されている。第２の半導体レーザＬＤ２は、半導体基板１のバッファ層１２上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２ｂ、ｎ型ＧａＮ光導波層３ｂ、ＩｎＧａＮ活性層（多重量子井戸層）４ｂ、ｐ型ＧａＮ光導波層５ｂ、ｐ型クラッド層６ｂが順次積層されて形成されている。
【００１０】
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２ａと２ｂ、ｎ型ＧａＮ光導波層３ａと３ｂ、ＩｎＧａＮ活性層（多重量子井戸層）４ａと４ｂ、ｐ型ＧａＮ光導波層５ａと５ｂ、ｐ型クラッド層６ａと６ｂは、後に説明するように、同時に結晶成長され、素子形成後にバッファ層１２に達する溝１３を形成して分離されている。但し、半導体レーザＬＤ１では、ｎ型クラッド層２ａの上面がバッファ層１２の主面（ｃ面）と同じ平面Ａをもって形成されて、この上に発光層が形成されているのに対し、半導体レーザＬＤ２では、ｎ型クラッド層２ｂの上面が傾斜面Ｂをもって形成され、従ってこの上に形成される発光層も傾斜面を持つ。
【００１１】
各半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２のｐ型クラッド層６ａ，６ｂの表面には、ｐ型ＧａＮコンタクト層７ａ，７ｂが形成され、それぞれにｐ側電極８ａ，８ｂが形成されている。ｐ型コンタクト層７ａ，７ｂ及びその下のクラッド層６ａ，６ｂは、電流狭窄及び横方向の光閉じ込めのため、メサエッチングされている。基板１の裏面には共通のｎ側電極９が形成されている。溝１３により分離された各半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２は、ＺｒＯ２等の絶縁膜によるパシベーション膜１４で覆われている。
【００１２】
この実施の形態では、平面Ａ上に結晶成長されたレーザＬＤ１のＩｎＧａＮ活性層４ａと、傾斜面Ｂ上に結晶成長されたレーザＬＤ２のＩｎＧａＮ活性層４ｂとが異なるＩｎ組成比を持つこと、具体的には、傾斜面Ｂ上に成長したレーザＬＤ２のＩｎＧａＮ活性層４ｂのＩｎ組成比が高くなることを利用している。これにより、半導体レーザＬＤ２は、半導体レーザＬＤ１に比べて、長波長の発振が可能になる。
【００１３】
この実施の形態の具体的な製造工程を、図２〜図６を参照して説明する。結晶成長には、ＭＯＣＶＤ法を用いる。ＧａＮ基板１１を有機溶剤と酸で前処理を行った後に、ＭＯＣＶＤ装置の成長室に導入し、基板温度が１０３０℃になるまで窒素雰囲気中で昇温して、成長開始前に少量の水素を原料ガスを流す前に流し表面の酸化膜を除去する。その後、図２に示すように、通常のＭＯＣＶＤ成長法で、ｎ型バッファ層１２を成長し、ガス切り換えを行ってｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２を成長する。
【００１４】
この後、基板を一旦成長室から取り出し、第２の半導体レーザＬＤ２の領域のクラッド層をメサエッチングして傾斜面を形成する。具体的には、図３に破線で示すように、二つのレーザ領域を覆うマスク３１’を形成し、その端部が次第に後退して、実線のマスク３１となるようなエッチング条件に設定された反応性イオンエッチングを行って、第２の半導体レーザＬＤ２の領域のクラッド層２に傾斜面Ｂを形成する。エッチング条件は、イオンの引き出し電圧を通常のメサ形成時より低めに設定して、スパッタリングよりも反応性エッチングが支配的になる条件とする。このとき、イオンの引き出し電圧を加減することにより、傾斜角度をコントロールすることができる。
【００１５】
この後、再び基板をＭＯＣＶＤ成長炉に導入し、図４に示すように、ｎ型ＧａＮ光導波層３、ＩｎＧａＮ活性層４、ｐ型ＧａＮ光導波層５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層６、ｐ型コンタクト層７を順次形成する。そして基板を成長炉より取り出し、図５に示すように、ｐ型コンタクト層７上にｐ側電極８ａ，８ｂをパターン形成する。このとき、電極８ａ，８ｂを覆うマスクを用いて、電極８ａ，８ｂをパターンニングすると共に、引き続きｐ型クラッド層６をメサエッチングする。続いて、素子間を分離するために、図６に示すように、ｎ型バッファ層１２に達する溝１３のエッチングを行う。そして、図１に示すように、素子側面を覆うパッシベーション膜１４としてＺｒＯ２膜を形成する。
最後にＧａＮ基板１１を研磨して厚さが１００μｍ程度になるようにした後、ｎ側電極９を形成し、２つの半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２をペアとして含むように、ダイシングにより分割する。
【００１６】
この実施の形態において、第２の半導体レーザＬＤ２の活性層を形成する傾斜面Ｂの角度により、活性層に含まれるＩｎ量がコントロールされる。具体的に図７は、傾斜面（ｃ軸とＲ軸とが作る平面に対して垂直で且つｃ面から傾斜した面）の角度とその傾斜面上に形成されたＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比の関係を示している。このデータは、ＩｎＧａＮのＩｎ組成比がｃ面上で１１％になるような成長条件、具体的には成長温度８５０℃、原料ガスであるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の気相比０．９で行った場合のものである。この成長条件により、傾斜面上では最大４５％のＩｎ組成比が得られている。成長条件を変えて、ｃ面上でのＩｎ組成比が大きくなるようにすると、各角度でのＩｎ組成比の角度に対する変化量はさらに大きくなり、ｃ面上でのＩｎ組成比が小さくなる成長条件で行うとＩｎ組成比の角度に対する変化量は小さくなる．
【００１７】
具体的にこの実施の形態において、第２の半導体レーザＬＤ２の活性層のＩｎ組成比を第１の半導体レーザＬＤ１のそれに対して十分な有意差をもって大きくするためには、傾斜角度の設定が重要である。図８に示した六方晶系の結晶軸を参照して説明すれば、半導体基板１の主面をｃ面として、第２の半導体レーザＬＤ２の活性層の傾斜面Ｂは、ｃ軸とＲ軸とが作る平面に対して垂直で且つｃ面とのなす角が３０度以上とすることにより、Ｉｎ組成比２５〜４５％を得ることができて好ましい。或いは、ｃ軸とａ軸とが作る平面に対して垂直で且つｃ面とのなす角が３０度以上の面であることが好ましい。
【００１８】
このような好ましい条件で作成した素子を動作させたところ、二つの半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２ともに、しきい値３５ｍＡで室温連続発振した。発振波長は第１のレーザＬＤ１が４０５ｎｍであり、第２のレーザが４５０ｎｍであった。動作電圧は３．１Ｖであり、それぞれの発振しきい値はほぼ同じであった。信頼性は、温度を７０℃に設定しての加速試験において、１０万時間相当の信頼性試験を行っても劣化は見られなかった。
【００１９】
これまでＩｎＧａＮ系半導体レーザにおいては、Ｉｎ組成が大きくなるとＩｎの組成の不均一いわゆる組成分離が生じ、しきい値電流密度が上昇する傾向が見られた。この発明を用いると、成長温度が高い状態で高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮを成長させることができ、組成分離が抑えられてしきい値電流を下げることができることがわかった。この理由は、傾斜面Ｂ上においては表面での結合エネルギーが変化するためであると考えられる。ＭＯＣＶＤ成長においては通常Ｇａ極性で成長は進む事がわかっている。しかし、傾斜面Ｂ上では結合として逆のＮ極性に対応する結合が生じ易く、これにより結合時の表面エネルギーが変化して、Ｉｎが取り込まれやすい状況が生じるものと考えられる。或いは、ＩｎＧａＮの成長時にはエッチングと成長の拮抗状態にあり、Ｉｎの組成が大きくなるとエッチングされやすくなるが、そのエッチングの割合が傾斜面Ｂでは小さくなるとも考えられる。
【００２０】
以上のようにこの実施の形態によると、これまでよりもＩｎ組成の高いＩｎＧａＮ活性層をＩｎ組成の低い活性層と同時に作成でき、量産できていなかった２波長緑色窒化物半導体レーザが量産できる。各半導体レーザは、活性層形成前に一部表面処理工程が入るだけで、その他基本的に一つの半導体レーザを作る工程と変わらず、２波長レーザを複雑な工程を要せず実現することができる。
【００２１】
傾斜面Ｂの作成方法は、メサエッチングによらず、マスクを用いた再成長方法によっても良い。具体的には、図９に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の一部クラッド層２１まで成長した後、成長炉から基板を取り出し、ストライプ状にＳｉＯ２マスク９１をパターニングする。このとき、マスク９１は、間隔を３００μｍ程度とする。これを再び成長炉に導入し、残りのクラッド層２２を成長する。このとき、クラッド層２２は、ＳｉＯ２マスク９１がない部分のみに成長し、その両端部は傾斜面Ｂとなる。この後、再び基板取り出してＳｉＯ２マスクを除去し、以下先の工程と同様の工程を行う。
【００２２】
この方法によると、傾斜面ＢとしてＲ面を出すことができる。この面におけるＩｎの取り込みはもっとも大きく、第１のレーザＬＤ１の発振波長が４０５ｎｍの場合、第２のレーザＬＤ２の発振波長は５３０ｎｍとなる。
【００２３】
［実施の形態２］
図１０は、この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の概略構成を示している。先の実施の形態の図１と対応する部分には同一符号を付してある。この実施の形態では、第２の半導体レーザＬＤ２側の発光層部分が、両側に段差のある平面Ａ１，Ａ２を持ち、これらの平面Ａ１，Ａ２間に傾斜面Ｂが形成された屈曲構造を有する。先の実施の形態と同様に、傾斜面Ｂがｃ面とは異なる面になっており、この部分でＩｎ組成比が高い。
【００２４】
第１の半導体レーザＬＤ１は、半導体基板１のバッファ層１２上に、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２ａ、ｎ型ＧａＮ光導波層３ａ、ＩｎＧａＮ活性層（多重量子井戸層）４ａ、ｐ型ＧａＮ光導波層５ａ、Ｍｇドープのｐ型クラッド層６ａが順次積層されて形成されている。第２の半導体レーザＬＤ２は、半導体基板１のバッファ層１２上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２ｂ、ｎ型ＧａＮ光導波層３ｂ、ＩｎＧａＮ活性層（多重量子井戸層）４ｂ、ｐ型ＧａＮ光導波層５ｂ、ｐ型クラッド層６ｂが順次積層されて形成されている。
【００２５】
先の実施の形態と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２ａと２ｂ、ｎ型ＧａＮ光導波層３ａと３ｂ、ＩｎＧａＮ活性層（多重量子井戸層）４ａと４ｂ、ｐ型ＧａＮ光導波層５ａと５ｂ、ｐ型クラッド層６ａと６ｂは、同時に結晶成長され、素子形成後にバッファ層１２に達する溝１３を形成して分離されている。半導体レーザＬＤ１では、ｎ型クラッド層２ａの上面がバッファ層１２の主面（ｃ面）と同じ平面Ａをもって形成されて、この上に発光層が形成されているのに対し、半導体レーザＬＤ２では、ｎ型クラッド層２ｂの上面が二つの平面Ａ１，Ａ２とこれらを結ぶ傾斜面Ｂをもって形成され、この上に形成される発光層も同様の屈曲構造を持つ。
【００２６】
各半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２のｐ型クラッド層６ａ，６ｂの表面には、ｐ型ＧａＮコンタクト層７ａ，７ｂが形成され、それぞれにｐ側電極８ａ，８ｂが形成されている。ｐ型コンタクト層７ａ，７ｂ及びその下のクラッド層７ａ，７ｂは、電流狭窄及び横方向の光閉じ込めのため、メサエッチングされている。基板１の裏面には共通のｎ側電極９が形成されている。溝１３により分離された各半導体レーザＬＤ１，ＬＤ２は、ＺｒＯ２等の絶縁膜によるパシベーション膜１４で覆われている。
【００２７】
この実施の形態でも、平面Ａ上に結晶成長されたレーザＬＤ１のＩｎＧａＮ活性層４ａと、傾斜面Ｂ上に結晶成長されたレーザＬＤ２のＩｎＧａＮ活性層４ｂとが異なるＩｎ組成比を持つこと、具体的には、傾斜面Ｂ上に成長したレーザＬＤ２のＩｎＧａＮ活性層４ｂのＩｎ組成比が高くなることを利用している。これにより、半導体レーザＬＤ２は、半導体レーザＬＤ１に比べて、長波長の発振が可能になる。
【００２８】
具体的な製造工程は、説明を省略するが、基本的に先の実施の形態と同様である。この実施の形態の場合、第１のレーザＬＤ１の発振しきい値３５ｍＡに対して、第２のレーザＬＤ２は発振しきい値２０ｍＡが得られ、単一横モード発振が認められた。これは屈曲構造により、光閉じ込め効果と電流狭窄効果が先の実施の形態に比べて良好になっている結果である。
【００２９】
上記各実施の形態では、波長の異なる二つの半導体レーザを同一基板上に形成する場合を説明したが、この発明はこれに限られない。例えば、３つ以上の半導体レーザを集積形成することもできる。またその場合、傾斜角度が異なる複数の傾斜面を形成すれば、発振波長が３種以上のレーザを一体形成することができる。また、この発明は半導体レーザに限らず、発光ダイオードにも同様に適用可能である。
【００３０】
更に実施の形態では、ＩｎＧａＮ系の半導体レーザであって、傾斜面でＩｎ組成比が大きくなることを利用しているが、ＩｎＧａＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＧａＢＮ，ＩｎＢＮ，ＩｎＧａＡｌＢＮ等の他のＩｎを含む六方晶窒化物半導体発光層を持つ発光装置において、Ｉｎを互いに異なる組成比で含んだ、六方晶窒化物半導体からなる少なくとも二つの発光層を持つ発光装置に対しても同様の効果をもって適用できる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、複数波長の発光素子をモノリシックに形成した半導体発光装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による半導体発光装置の構成を示す図である。
【図２】同実施の形態のｎ型クラッド層形成までの工程を示す図である。
【図３】同実施の形態のｎ型クラッド層の傾斜面を形成する工程を示す図である。
【図４】同実施の形態のｐ型コンタクト層形成までの工程を示す図である。
【図５】同実施の形態のｐ側電極形成及びメサエッチング工程を示す図である。
【図６】同実施の形態の素子分離溝形成工程を示す図である。
【図７】ＩｎＧａＮ層の成長傾斜面の傾斜角とＩｎ組成比との関係を示す図である。
【図８】六方晶の結晶面の関係を示す図である。
【図９】傾斜面の他の形成方法を説明するための図である。
【図１０】他の実施の形態による半導体発光装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
ＬＤ１，ＬＤ２…半導体レーザ、１…半導体基板、１１…ｎ型ＧａＮ基板、１２…ｎ型ＧａＮバッファ層、２ａ，２ｂ…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、３ａ，３ｂ…ｎ型ＧａＮ光導波層、４ａ，４ｂ…ＩｎＧａＮ活性層、５ａ，５ｂ…ｐ型ＧａＮ光導波層、６ａ，６ｂ…ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、７ａ，７ｂ…ｐ型コンタクト層、８ａ，８ｂ…ｐ側電極、９…ｎ側電極、１３…溝、１４…パシベーション膜。Ａ…平面、Ｂ…傾斜面。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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