(57)【要約】【課題】本実施の形態によれば光閉じ込め能を向上可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、シリコン系無機絶縁層１８はリッジ構造３５の側面３５ｂ上の第１部分１８ａとトレンチ溝３６の底面３６ａ上の第２部分１８ｂとを含む。シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する一又は複数の溝２０を有する表面構造を備えており、電極４１が、この表面構造の凹凸に空隙を形成するように、シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面を覆う。リッジ側壁部３５ｂ上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、絶縁膜（例えばシリコン系無機絶縁層１８）とリッジ構造３５との屈折率差を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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主面を有する基板と、
第１導電型半導体層を含む第１III族窒化物領域と、
第１軸の方向に延在するリッジ構造と該リッジ構造を規定するトレンチ溝とを有しており、第２導電型半導体層を含む第２III族窒化物領域と、
III族窒化物からなる活性層と、
前記リッジ構造の上面に開口を有すると共に前記第２III族窒化物領域上に設けられたシリコン系無機絶縁層と、
前記リッジ構造の前記上面上に設けられたオーミック電極と、
前記オーミック電極及び前記シリコン系無機絶縁層上に設けられた電極と、
を備え、
前記活性層は、前記第１III族窒化物領域と前記第２III族窒化物領域との間に設けられ、
前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の側面上に設けられた第１部分と前記トレンチ溝の底面上に設けられた第２部分とを含み、
前記シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面は表面構造を備え、前記表面構造は、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内の深さを持ち前記第１軸の方向に延在する一又は複数の溝を備え、
前記電極は、前記表面構造に起因する空隙を残すように、前記シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面を覆う、III族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
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主面を有する基板と、
第１導電型半導体層を含む第１III族窒化物領域と、
第１軸の方向に延在するリッジ構造を有しており、第２導電型半導体層を含む第２III族窒化物領域と、
III族窒化物からなる活性層と、
前記リッジ構造の上面に開口を有すると共に前記第２III族窒化物領域上に設けられたシリコン系無機絶縁層と、
前記リッジ構造の前記上面上に設けられたオーミック電極と、
前記オーミック電極及び前記シリコン系無機絶縁層上に設けられた電極と、
を備え、
前記活性層は、前記第１III族窒化物領域と前記第２III族窒化物領域との間に設けられ、
前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の側面上に設けられた第１部分と該リッジ構造を規定するトレンチ溝の底面上に設けられた第２部分とを含み、
前記シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面は表面構造を備え、前記表面構造は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有し、
前記電極は、前記表面構造に起因する空隙を残すように、前記シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面を覆う、III族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記基板の前記主面は半極性面を備えており、
前記第１III族窒化物領域、前記活性層及び前記第２III族窒化物領域は、前記半極性面に対する法線軸の方向に順に配列されており、
前記基板の前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のうち一方の結晶軸と、前記法線軸とにより規定される基準面に沿って傾斜しており、
前記リッジ構造に係る前記第１軸は、前記III族窒化物半導体の前記ｃ軸を前記半極性面に投影した投影ｃ軸の方向に延在しており、前記投影ｃ軸の方向にレーザ導波路が延在し、
当該III族窒化物半導体レーザ素子は、レーザ共振器のための第１端面及び第２端面を更に備え、
前記レーザ導波路は前記第１端面から前記第２端面まで延在する、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。
【請求項４】
前記活性層はＩｎＧａＮ層を含み、
前記活性層は４８０ｎｍ以上の光を発生するように設けられる、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。
【請求項５】
前記第２III族窒化物領域は、前記活性層に接触を成す第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層上に設けられた第２光ガイド層とを含み、
前記リッジ構造の底は前記第１光ガイド層に到達する、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。
【請求項６】
前記シリコン系無機絶縁層の前記第２部分は、前記第１光ガイド層の表面を覆う、請求項５に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記リッジ構造の高さは８００ｎｍ以上である、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。
【請求項８】
前記リッジ構造の前記側面は、前記リッジ構造の底の位置において、前記基板の前記主面の法線軸に直交する基準面に対して７０度以上の傾斜する、請求項１〜請求項７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。
【請求項９】
前記オーミック電極はパラジウムを備える、請求項１〜請求項８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。
【請求項１０】
前記シリコン系無機絶縁層はシリコン酸化物を備える、請求項１〜請求項９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。
【請求項１１】
III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法であって、
第１軸の方向に延在するリッジ構造の上面に接触を成すオーミック電極及び前記リッジ構造の側面を覆うように、圧縮応力を有するシリコン系無機絶縁膜を成長する工程と、
前記リッジ構造の前記上面に開口を有するマスクを前記シリコン系無機絶縁膜上に形成する工程と、
前記マスクを用いて前記シリコン系無機絶縁膜をエッチングして、前記リッジ構造の前記上面に開口を有するシリコン系無機絶縁層を形成する工程と、
を備え、
前記シリコン系無機絶縁層の前記開口に、前記リッジ構造の前記上面の前記オーミック電極が露出している、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
【請求項１２】
前記シリコン系無機絶縁層及び前記オーミック電極上に、電極を形成する工程を更に備える、請求項１１に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
【請求項１３】
第１導電型半導体層を含む第１III族窒化物領域、第２導電型半導体層を含む第２III族窒化物領域、活性層、及び基板を備えるエピタキシャル基板を準備する工程と、
前記エピタキシャル基板上に、前記エピタキシャル基板の最表面の窒化ガリウム系半導体の材料と異なる材料のマスク膜を形成する工程と、
オーミック電極の形状を規定する開口を有するレジストマスクを前記マスク膜上に形成する工程と、
前記レジストマスクの前記開口に沿って該レジストマスクの庇を形成するように、前記レジストマスクを用いて前記マスク膜をエッチングして、第１開口を有する第１マスクを形成する工程と、
前記第１マスクを形成した後に、金属膜を前記レジストマスク上及び前記第１開口内に形成する工程と、
前記レジストマスクを除去して、リフトオフにより前記エピタキシャル基板の前記最表面に前記オーミック電極を形成する工程と、
前記オーミック電極を形成した後に、前記オーミック電極及び前記第１マスクを用いて、前記エピタキシャル基板をエッチングして、前記リッジ構造を有する基板生産物を形成する工程と、
を更に備え、
前記第１III族窒化物領域、前記活性層、及び前記第２III族窒化物領域は前記基板のIII族窒化物半導体主面上に順に設けられる、請求項１１又は請求項１２に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
【請求項１４】
前記III族窒化物半導体主面は半極性面を備える、請求項１３に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
【請求項１５】
前記第１III族窒化物領域、前記活性層及び前記第２III族窒化物領域は、基板の前記主面の法線の方向に順に配列されており、
前記基板の前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のうち一方の結晶軸と、前記基板の前記主面に対する法線軸とにより規定される基準面に沿って傾斜しており、
前記リッジ構造は、前記III族窒化物半導体の前記ｃ軸を前記主面に投影した投影ｃ軸の方向に延在しており、前記投影ｃ軸の方向にレーザ導波路が延在し、
当該III族窒化物半導体レーザ素子は、レーザ共振器のための第１端面及び第２端面を更に備え、
前記レーザ導波路は前記第１端面から前記第２端面まで延在する、請求項１３又は請求項１４に記載されたIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法。
【請求項１６】
前記活性層はＩｎＧａＮ層を含み、
前記活性層は４８０ｎｍ以上の光を発生するように設けられる、請求項１３〜請求項１５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を作製する方法。
【請求項１７】
前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の前記側面において、前記第１軸の方向に延在する一又は複数の溝を有する表面構造を備える、請求項１１〜請求項１６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を作製する方法。
【請求項１８】
前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の前記側面において、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備える、請求項１１〜請求項１７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を作製する方法。
【請求項１９】
前記オーミック電極はパラジウムを備える、請求項１１〜請求項１８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を作製する方法。
【請求項２０】
前記シリコン系無機絶縁層はシリコン酸化物を備える、請求項１１〜請求項１９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を作製する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、半導体リッジ導波管レーザを開示する。この構造は、基板、及び上部と下部のクラッド層の間に配置された活性層を含むと共に、更に、上部クラッド層のコンタクト層と台形のリッジ部から成る導波管リッジを含む。台形のリッジ部は、その側面に、直接に上から見ると、正弦波状の凹凸を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２１６４７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
III族窒化物半導体レーザ素子における一形態は、リッジ構造の側面、及び該リッジ構造を規定するトレンチ溝の底面に形成された緻密なＳｉＯ２の絶縁膜でリッジ構造を覆っており、この絶縁膜と半導体リッジとにより規定される屈折率差に基づく光閉じ込め能を得ている。半導体の材料は、作製されるレーザダイオードのためのエピタキシャル膜構造により規定されるので、屈折率差に基づいて閉じ込め能を向上させるためには、上記の絶縁膜に低屈折率の材料を適用することになる。しかしながら、絶縁膜の材料の変更による屈折率差の変更には限界がある。また、III族窒化物半導体レーザ素子に新たな絶縁膜材料を適用するためには、その絶縁膜材料の適用に係る様々な検討が必要である。
【０００５】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、光閉じ込め能を向上可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、本発明は、光閉じ込め能を向上可能な、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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る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主面を有する基板と、（ｂ）第１導電型半導体層を含む第１III族窒化物領域と、（ｃ）第１軸の方向に延在するリッジ構造と該リッジ構造を規定するトレンチ溝とを有しており、第２導電型半導体層を含む第２III族窒化物領域と、（ｄ）III族窒化物からなる活性層と、（ｅ）前記リッジ構造の上面に開口を有すると共に前記第２III族窒化物領域上に設けられたシリコン系無機絶縁層と、（ｆ）前記リッジ構造の前記上面上に設けられたオーミック電極と、（ｇ）前記オーミック電極及び前記シリコン系無機絶縁層上に設けられた電極とを備え、前記活性層は、前記第１III族窒化物領域と前記第２III族窒化物領域との間に設けられ、前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の側面上に設けられた部分と前記トレンチ溝の底面上に設けられた別の部分とを含み、前記シリコン系無機絶縁層の前記部分の表面は表面構造を備え、前記表面構造は、１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内の深さを持ち前記第１軸の方向に延在する一又は複数の溝を有し、前記電極は、前記表面構造に起因する空隙を残すように、前記シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面を覆う、III族窒化物半導体レーザ素子。
【０００７】
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、シリコン系無機絶縁層はリッジ構造の側面上の第１部分とトレンチ溝の底面上の第２部分とを含む。シリコン系無機絶縁層の第１部分の表面は、第１軸の方向に延在する一又は複数の溝を有する表面構造を備えており、電極が、この表面構造の凹凸に空隙を形成するように、シリコン系無機絶縁層の第１部分の表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジと絶縁膜との屈折率差を高めることができる。
【０００８】
本発明に係る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面を有する基板と、（ｂ）第１導電型半導体層を含む第１III族窒化物領域と、（ｃ）第１軸の方向に延在するリッジ構造を有しており、第２導電型半導体層を含む第２III族窒化物領域と、（ｄ）III族窒化物からなる活性層と、（ｅ）前記リッジ構造の上面に開口を有すると共に前記第２III族窒化物領域上に設けられたシリコン系無機絶縁層と、（ｆ）前記リッジ構造の前記上面上に設けられたオーミック電極と、（ｇ）前記オーミック電極及び前記シリコン系無機絶縁層上に設けられた電極とを備え、前記活性層は、前記第１III族窒化物領域と前記第２III族窒化物領域との間に設けられ、前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の側面上に設けられた部分と該リッジ構造を規定するトレンチ溝の底面上に設けられた別の部分とを含み、前記シリコン系無機絶縁層の前記部分の表面は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備え、前記電極は、前記表面構造に起因する空隙を残すように、前記シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面を覆う。
【０００９】
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、シリコン系無機絶縁層はリッジ構造の側面上の第１部分とトレンチ溝の底面上の第２部分とを含む。このシリコン系無機絶縁層の第１部分の表面は１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備えており、この表面構造の凹凸に係る空隙を形成するように電極がシリコン系無機絶縁層の第１部分の表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジと絶縁膜との屈折率差を高めることができる。
【００１０】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記基板の前記主面は半極性面を備えており、前記第１III族窒化物領域、前記活性層及び前記第２III族窒化物領域は、前記半極性面に対する法線軸の方向に順に配列されており、前記基板の前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のうち一方の結晶軸と、前記法線軸とにより規定される基準面に沿って傾斜しており、前記リッジ構造に係る前記第１軸は、前記III族窒化物半導体の前記ｃ軸を前記半極性面に投影した投影ｃ軸の方向に延在しており、前記投影ｃ軸の方向にレーザ導波路が延在する。当該III族窒化物半導体レーザ素子は、レーザ共振器のための第１端面及び第２端面を更に備えることができる。前記レーザ導波路は前記第１端面から前記第２端面まで延在する。
【００１１】
このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、共振器端面として窒化物結晶の劈開面を利用することができないが、他の作製方法、例えば窒化物結晶に割断を施すことにより、レーザ発振を可能にする共振器端面を得ることができる。
【００１２】
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ＩｎＧａＮ層を含み、前記活性層は４８０ｎｍ以上の光を発生するように設けられる。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、４８０ｎｍ以上の光を発生する活性層を含むレーザ導波路において好適な光閉じ込めを提供できる。
【００１３】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記第２III族窒化物領域は、前記活性層に接触を成す第１光ガイド層と、前記第１光ガイド層上に設けられた第２光ガイド層とを含み、前記リッジ構造の底は前記第１光ガイド層に到達する。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、活性層に接触を成す第１光ガイド層内に到達する深さのリッジ構造においては、深いリッジ形状により光閉じ込めをレーザ導波路に提供している。このリッジ構造の側面上に、緻密な絶縁膜に比べて低い実効屈折率のシリコン系無機絶縁層を設ける。この構造は、光閉じ込めに関して、大きな屈折率差を提供できる。
【００１４】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記リッジ構造の高さは８００ｎｍ以上である。
【００１５】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記リッジ構造の前記側面は、前記リッジ構造の底の位置において、前記基板の前記主面の法線軸に直交する基準面に対して７０度以上の角度で傾斜する。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、リッジ構造の側面が７０度以上の傾斜するとき、電極の成膜の際に、電極の材料が表面構造に起因する空隙を満たすことを効果的に妨げることができ、これ故に、電極が、表面構造に起因する空隙を形成するように、シリコン系無機絶縁層の第１部分の表面を覆うことを可能にする。
【００１６】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記シリコン系無機絶縁層の前記第２部分は、前記第１光ガイド層の表面を覆う。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、表面構造と電極とにより形成された空隙に起因して、シリコン系無機絶縁層の第２部分における単位体積当たりの膜密度は、シリコン系無機絶縁層の第１部分における単位体積当たりの膜密度より大きい。これ故に、より大きな膜密度のシリコン系無機絶縁層が第１光ガイド層の表面を覆う。
【００１７】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記オーミック電極はパラジウムを備える。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、パラジウム電極は窒化ガリウム系半導体に良好な電気的接触を提供できる。
【００１８】
本発明に係るIII族窒化物半導体レーザ素子では、前記シリコン系無機絶縁層はシリコン酸化物を備える。このIII族窒化物半導体レーザ素子によれば、シリコン系無機絶縁層がシリコン酸化物を備えるとき、好適な範囲の膜応力を有する成膜が可能になる。
【００１９】
本発明は、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法に係る。この方法は、（ａ）第１軸の方向に延在するリッジ構造の上面に接触を成すオーミック電極及び前記リッジ構造の側面を覆うように、圧縮応力を有するシリコン系無機絶縁膜を成長する工程と、（ｂ）前記リッジ構造の前記上面に開口を有するマスクを前記シリコン系無機絶縁膜上に形成する工程と、（ｃ）前記マスクを用いて前記シリコン系無機絶縁膜をエッチングして、前記リッジ構造の前記上面に開口を有するシリコン系無機絶縁層を形成する工程とを備え、前記シリコン系無機絶縁層の前記開口に、前記リッジ構造の前記上面の前記オーミック電極が露出している。
【００２０】
このIII族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法（以下、「作製方法」と記す）によれば、圧縮応力を有するシリコン系無機絶縁膜をオーミック電極及びリッジ構造の側面を覆うように成長する。シリコン系無機絶縁膜は、オーミック電極上に成長される第１部分と、オーミック電極の材料と異なるリッジ構造側面上に成長される第２部分とを有している。これ故に、シリコン系無機絶縁膜の第１部分及び第２部分は、それぞれ、互いに異なる材料のオーミック電極及びリッジ構造側面上に成長されると共に、互いに隣接する。このようなシリコン系無機絶縁膜を成長した後にオーミック電極上にシリコン系無機絶縁膜を部分的に除去するので、オーミック電極上のシリコン系無機絶縁膜に隣接していたシリコン系無機絶縁膜（リッジ構造側面上のシリコン系無機絶縁膜）の内部応力が解放される。この応力解放により、シリコン系無機絶縁層は、リッジ構造の側面において、シリコン系無機絶縁層の実効屈折率を低下させるような表面構造を備える。また、シリコン系無機絶縁膜は、オーミック電極上の部分からリッジ構造側面上の部分に屈曲しながら繋がっている。このような構造からも、オーミック電極上に開口を形成することにより、リッジ構造側面上のシリコン系無機絶縁膜の内部応力が解放される。
【００２１】
本発明に係る作製方法では、前記シリコン系無機絶縁層及び前記オーミック電極上に、電極を形成する工程を更に備えることができる。この作製方法によれば、電極が、応力解放により半導体リッジ側面に形成された表面構造に起因する空隙を残すように、シリコン系無機絶縁層の第１部分の表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低く維持でき、半導体リッジと絶縁膜との屈折率差を高めることができる。
【００２２】
本発明に係る作製方法は、基板のIII族窒化物半導体主面上に設けられた、第１導電型半導体層を含む第１III族窒化物領域、活性層、及び第２導電型半導体層を含む第２III族窒化物領域を含むエピタキシャル基板を準備する工程と、前記エピタキシャル基板上に、前記エピタキシャル基板の最表面の窒化ガリウム系半導体の材料と異なる材料のマスク膜を形成する工程と、オーミック電極の形状を規定する開口を有するレジストマスクを前記マスク膜上に形成する工程と、前記レジストマスクの前記開口に沿って該レジストマスクの庇を形成するように、前記レジストマスクを用いて前記マスク膜をエッチングして、第１開口を有する第１マスクを形成する工程と、前記第１マスクを形成した後に、金属膜を前記レジストマスク上及び前記第１開口内に形成する工程と、前記レジストマスクを除去して、リフトオフにより前記エピタキシャル基板の前記最表面に前記オーミック電極を形成する工程と、前記オーミック電極を形成した後に、前記オーミック電極及び前記第１マスクを用いて、前記エピタキシャル基板をエッチングして、前記リッジ構造を有する基板生産物を形成する工程とを更に備える。
【００２３】
この作製方法によれば、半導体リッジを形成する前に、エピタキシャル基板の最表面上に接触を成すオーミック電極を形成するので、オーミック電極は、窒化物半導体と良好な接触を成すことができる。また、オーミック電極の形状とセルフアラインに半導体リッジの上面を形成できる。
【００２４】
本発明に係る作製方法では、前記III族窒化物半導体主面は半極性面を備える。本発明に係る作製方法では、前記第１III族窒化物領域、前記活性層及び前記第２III族窒化物領域は、前記半極性面の法線の方向に順に配列されており、前記基板の前記III族窒化物半導体のｃ軸は、前記III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のうち一方の結晶軸と、前記基板の前記主面に対する法線軸とにより規定される基準面も沿って傾斜しており、前記リッジ構造は、前記III族窒化物半導体の前記ｃ軸を前記半極性面に投影した投影ｃ軸の方向に延在しており、前記投影ｃ軸の方向にレーザ導波路が延在する。当該III族窒化物半導体レーザ素子は、レーザ共振器のための第１端面及び第２端面を更に備えることができる。前記レーザ導波路は前記第１端面から前記第２端面まで延在する。
【００２５】
この作製方法によれば、共振器端面として窒化物結晶の劈開面を利用することができないが、他の作製方法、例えば窒化物結晶に割断を施すことにより、レーザ発振を可能にする共振器端面を得ることができる。
【００２６】
本発明に係る作製方法では、前記活性層はＩｎＧａＮ層を含み、前記活性層は４８０ｎｍ以上の光を発生するように設けられることができる。この作製方法によれば、４８０ｎｍ以上の光を発生する活性層を含むレーザ導波路において好適な光閉じ込めを提供できる。
【００２７】
本発明に係る作製方法では、前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の前記側面において、前記第１軸の方向に延在する一又は複数の溝を有する表面構造を備える。この作製方法によれば、シリコン系無機絶縁層はリッジ構造の側面上の第１部分とトレンチ溝の底面上の第２部分とを含む。シリコン系無機絶縁層の第１部分の表面は、第１軸の方向に延在する一又は複数の溝を有する表面構造を備えており、電極が、この表面構造に起因する空隙を満たすことなく、シリコン系無機絶縁層の前記第１部分の表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジと絶縁膜との屈折率差を高めることができる。
【００２８】
また、本発明に係る作製方法では、前記シリコン系無機絶縁層は、前記リッジ構造の前記側面において、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備える。この作製方法によれば、シリコン系無機絶縁層はリッジ構造の側面上の第１部分とトレンチ溝の底面上の第２部分とを含む。このシリコン系無機絶縁層の第１部分の表面は１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備えており、電極が、この表面構造に起因する空隙を満たすことなく、シリコン系無機絶縁層の第１部分の表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジと絶縁膜との屈折率差を高めることができる。
【００２９】
本発明に係る作製方法では、前記オーミック電極はパラジウムを備える。この作製方法によれば、パラジウム電極は窒化ガリウム系半導体に良好な電気的接触を提供できる。また、本発明に係る作製方法では、前記シリコン系無機絶縁層はシリコン酸化物を備える。この作製方法によれば、シリコン系無機絶縁層がシリコン酸化物を備えるとき、好適な範囲の膜応力を有する成膜が可能になる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば光閉じ込め能を向上可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。また、本発明によれば、光閉じ込め能を向上可能な、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子に係る構造を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係るリッジ構造の詳細を示す図面である。
【図３】図３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を模式的に示す図面である。
【図４】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を模式的に示す図面である。
【図５】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を模式的に示す図面である。
【図６】図６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を模式的に示す図面である。
【図７】図７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を模式的に示す図面である。
【図８】図８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を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物半導体発光素子、及びIII族窒化物半導体発光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。
【００３３】
図１は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子に係る構造を示す図面である。図１には、ＸＹＺ座標系Ｓ及び結晶座標系ＣＲが記載されている。結晶座標系ＣＲはｃ軸、ａ軸及びｍ軸を有する。本実施例では、窒化物半導体発光素子として窒化物半導体レーザ素子１１を説明する。
【００３４】
窒化物半導体レーザ素子１１は、第１III族窒化物領域１３、活性層１５、第２III族窒化物領域１７及び電極１９を含む。活性層１５は第１III族窒化物領域１３と第２III族窒化物領域１７との間に設けられる。第１III族窒化物領域１３は、第１内側半導体層２１及びｎ型クラッド層２３を含む。活性層１５は、第１内側半導体層２１上に設けられる。第１内側半導体層２１はｎ型クラッド層２３上に設けられる。第２III族窒化物領域１７は、第２内側半導体層２５及びｐ型クラッド層２７を含み、ｐ型クラッド層２７は第２内側半導体層２５上に設けられる。第２III族窒化物領域１７は、III族窒化物からなる活性層１５上に設けられる。第１内側半導体層２１は活性層１５とｎ型クラッド層２３との間に設けられる。第２内側半導体層２５は活性層１５とｐ型クラッド層２７との間に設けられる。電極１９は、第２III族窒化物領域１７上に設けられる。第１III族窒化物領域１３、活性層１５及び第２III族窒化物領域１７は、積層軸Ａｘ（座標系ＳのＺ軸の方法）に沿って順に配列される。
【００３５】
リッジ構造３５の上面３５ａ上に電極（オーミック電極）１９が接触を成す。また、電極（パッド電極）４１が電極１９及びシリコン系無機絶縁層１８上に設けられる。第２III族窒化物領域１７は、第１軸（例えばＹ軸）の方向に延在するリッジ構造３５とトレンチ溝３６とを有する。トレンチ溝３６は、該リッジ構造３５を規定する。シリコン系無機絶縁層１８は、リッジ構造３５の上面３５ａに開口１８ｃを有する。第２III族窒化物領域上にはシリコン系無機絶縁層１８が設けられている。シリコン系無機絶縁層１８は、リッジ構造３５の側面３５ｂ上に設けられた第１部分１８ａとトレンチ溝３６の底面３６ａ上に設けられた第２部分１８ｂとを含む。
【００３６】
シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面は、表面構造を備える。この表面構造は一又は複数の溝２０を有する。溝２０の表面（側面、底面）はシリコン系無機絶縁層１８のシリコン系無機絶縁体からなっており、シリコン系無機絶縁層１８に下地の半導体に到達する貫通孔は形成されていない。これらの溝２０は第１軸Ａｘ１の方向に延在していることができる。また、溝２０は１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内の深さを持つ。また、溝２０の長さは５００ｎｍ以上である。電極４１は、上記の表面構造に起因する空隙２０を形成するように、シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８の表面を覆う。このため、電極４１は、一又は複数の溝２０を実質的に埋め込むことなく、溝２０が空隙としてシリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８に残される。
【００３７】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、シリコン系無機絶縁層１８はリッジ構造３５の側面３５ｂ上の第１部分１８ａとトレンチ溝３６の底面３６ａ上の第２部分１８ｂとを含む。シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面は、第１軸Ａｘ１の方向に延在する一又は複数の溝２０を有する表面構造を備えており、電極４１が、この表面構造の凹凸に空隙を形成するように、シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部３５ｂ上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、絶縁膜（例えばシリコン系無機絶縁層１８）とリッジ構造３５との屈折率差を高めることができる。
【００３８】
或いは、シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面は、表面構造を備える。この表面構造は、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する。ここで、最大高さ（Ｒｍａｘ）はリッジ側壁に垂直な絶縁膜層の厚み方向の高さである。電極４１は、この表面構造に起因する空隙を形成するように、シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面を覆う。
【００３９】
このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、シリコン系無機絶縁層１８はリッジ構造３５の側面３５ｂ上の第１部分１８ａとトレンチ溝３６の底面３６ａ上の第２部分１８ｂとを含む。このシリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面は１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備えており、この表面構造の凹凸に係る空隙２０を形成するように電極４１がシリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジ３５と絶縁膜（例えばシリコン系無機絶縁層１８）との屈折率差を高めることができる。
【００４０】
電極１９はパラジウムを備えることができる。パラジウム電極は窒化ガリウム系半導体に良好な電気的接触を提供できる。また、シリコン系無機絶縁層１８は、シリコン酸化物、アルミ酸化物等を備えることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、シリコン系無機絶縁層１８がシリコン酸化物を備えるとき、好適な範囲の膜応力を有する成膜が可能になる。
【００４１】
第１内側半導体層２１、活性層１５及び第２内側半導体層２３は、クラッド領域に挟まれるコア領域３１を構成し、コア領域３１はｎ型クラッド層２３とｐ型クラッド層２７との間に設けられる。ｎ型クラッド層２３、コア領域３１及びｐ型クラッド層２７は光導波路構造を構成する。
【００４２】
活性層１５と第１内側半導体層２１とは第１ヘテロ接合ＨＪ１を構成する。ｎ型クラッド層２３はIII族窒化物半導体からなり、第１ヘテロ接合ＨＪ１は、ｎ型クラッド層２３のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面Ｓｃに対して、ゼロより大きい傾斜角Ａｎｇｌｅで傾斜する。図１では、ｎ型クラッド層２３における基準面は、結晶座標系ＣＲのｃ軸の方向を示す軸（ベクトルＶＣで示される軸）に直交する。
【００４３】
活性層１５はＩｎＧａＮ層を含むことができる。活性層１５は４８０ｎｍ以上の光を発生するように設けられる。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１では、リッジ構造３５の側面上のシリコン系無機絶縁層１８は、４８０ｎｍ以上の光を発生する活性層を含むレーザ導波路において好適な光閉じ込めを提供できる。活性層１５は、少なくとも１つの井戸層３３ａを含み、この井戸層３３ａは例えば窒化ガリウム系半導体からなる。井戸層３３ａは圧縮歪みを内包する。井戸層３３ａは例えばＩｎＧａＮ層を含むことができる。
【００４４】
活性層１５は、必要な場合には、複数の井戸層３３ａ及び少なくとも１つの障壁層３３ｂを含むことができる。隣り合う井戸層３３ａの間には障壁層３３ｂが設けられる。障壁層３３ｂは、例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮ層を含むことができる。活性層１５の最外層は、井戸層からなることができる。活性層１５と第２内側半導体層２５とは第２ヘテロ接合ＨＪ２を構成する。
【００４５】
既に説明したように、第２III族窒化物領域１７はリッジ構造３５を有する。本実施例では、リッジ構造３５は、ｎ型クラッド層２３のIII族窒化物半導体のｃ軸及びｍ軸によって規定される面にそって延在する。窒化物半導体レーザ素子１１は端面３７ａ及び３７ｂを含み、一実施例では、端面３７ａ及び３７ｂは光共振器を構成する。このリッジ構造３５は、第２内側半導体層２５とｐ型クラッド層２７との第３ヘテロ接合ＨＪ３を含む。第３ヘテロ接合ＨＪ３は、リッジ構造３５の側面３５ｂで終端する。リッジ構造３５は上端ＴＯＰ及び底ＢＯＴＴＯＭを有する。リッジ構造３５の上面３５ａは電極１９に接合Ｊ０を成す。リッジ構造３５の底ＢＯＴＴＯＭと第２ヘテロ接合ＨＪ２との距離Ｄは100nm以下であり、10nm以上である。
【００４６】
第２内側半導体層２５は、第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂを含む。第１部分２５ａ及び第２部分２５ｂは軸Ａｘに沿って順に配列される。第１部分２５ａは、活性層１５の井戸層３３ａに第２ヘテロ接合ＨＪ２を成す。第２部分２５ｂは、第３ヘテロ接合ＨＪ３からリッジ構造３５の底ＢＯＴＴＯＭまでの領域であり、リッジ構造３５内に含まれる。第２内側半導体層２５の一部と、ｐ型クラッド層２７と、ｐ型コンタクト層２９とをリッジ構造３５は含む。
【００４７】
第２内側半導体層２５は光ガイド層として働き、この光ガイド層上にｐ型クラッド層２７が設けられ、このｐ型クラッド層２７上にｐ型コンタクト層２９が設けられる。
【００４８】
この窒化物半導体レーザ素子１１によれば、活性層１５は、第１III族窒化物領域１３の第１内側半導体層２１とヘテロ接合（第１ヘテロ接合ＨＪ１）を成す。このヘテロ接合ＨＪ１はｎ型クラッド層２３のIII族窒化物半導体のｃ面に沿って延在する基準面Ｓｃに対して、ゼロより大きい傾斜角Ａｎｇｌｅで傾斜し、これ故に、活性層１５はいわゆる半極性面上に設けられる。
【００４９】
活性層１５は、例えば５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内にピーク波長を有する発光スペクトルを生成するように設けられることができる。リッジ構造３５の側面３５ｂを覆うシリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａは、長波長の光を発生する活性層を含むコア領域に光を閉じ込めることを容易にする。例えば５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲内にピーク波長を有する発光スペクトルを生成する活性層１５は、半極性面を利用して作製される。活性層１５では、井戸層３３ａは第２内側半導体層２７に接合を成すことができる。
【００５０】
再び図１を参照しながら、本実施の形態に係る窒化物半導体発光素子１１を説明する。傾斜角Ａｎｇｌｅが１０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあることができる。ｐ型クラッド層２７のバンドギャップが第３ヘテロ接合ＨＪ３において第２内側半導体層２５の第２部分２５ｂのバンドギャップより大きい。第３ヘテロ接合ＨＪ３はリッジ構造３５内に位置する。
【００５１】
窒化物半導体レーザ素子１１は、基板３９を更に備えることができる。基板３９は、III族窒化物半導体からなる半極性の主面３９ａを有する。この主面３９ａは、III族窒化物半導体のｃ軸の方向の延在する軸（ベクトルＶＣで示される軸Ｃｘ）に直交する基準面Ｓｃに対して傾斜する。半極性の主面３９ａと基準面Ｓｃとの成す角度（実質的に角度Ａｎｇｌｅに等しい角度）は、１０度以上８０度以下又は１３０度以上１７０度以下の範囲にあることができる。第１III族窒化物領域１３、活性層１５及び第２III族窒化物領域１７は、半極性の主面３９ａ上に設けられる。基板３９はＧａＮからなることができる。ＧａＮ基板上にコヒーレントにエピタキシャル成長されるＩｎＧａＮ層には、圧縮歪みが内包される。
【００５２】
また、傾斜角Ａｎｇｌｅは６３度以上８０度以下の範囲にあることができる。上記の傾斜角Ａｎｇｌｅの半極性面３９ａは、均質なＩｎ取り込み及び高Ｉｎ組成の窒化ガリウム系半導体の成長を可能にする。また、基板３９の半極性主面３９ａと基準面Ｓｃとの成す角度が６３度以上８０度以下の範囲にあることができる。
【００５３】
基板３９の主面３９ａは半極性面を備えるとき、第１III族窒化物領域１３、活性層１５及び第２III族窒化物領域１７は主面３９ａに対する法線軸ＮＸの方向に順に配列されている。基板３９のIII族窒化物半導体のｃ軸は、III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のうち一方の結晶軸と主面３９ａへの法線軸ＮＸとにより規定される基準面に沿って傾斜している。リッジ構造３５に係る第１軸は、III族窒化物半導体のｃ軸を主面３９ａに投影した投影ｃ軸ＰＶＣの方向に延在しており、この投影ｃ軸ＰＶＣの方向にレーザ導波路が延在する。当該III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ共振器のための第１端面３７ａ及び第２端面３７ｂを更に備える。レーザ導波路は第１端面３７ａから第２端面３７ｂまで延在する。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、共振器端面として窒化物結晶の劈開面を利用することができないが、他の作製方法、例えば窒化物結晶に割断を施すことにより、レーザ発振を可能にする共振器端面を得ることができる。
【００５４】
第２III族窒化物領域１７は、活性層１５に接触を成す第１光ガイド層と、ｐ型クラッド層２７に接触を成す第２光ガイド層とを含むことができる。第２光ガイド層は第１光ガイド層上に設けられる。第１光ガイド層の半導体材料は第２光ガイド層の半導体材料と異なり、第１光ガイド層は例えばアンドープＩｎＧａＮからなり、第２光ガイド層は例えばＩｎＧａＮ又はＧａＮからなる。リッジ構造３５の底３５ａは第１光ガイド層に到達する一方で、リッジ構造３５は第２光ガイド層を含む。より具体的には、第１光ガイド層は、活性層１５とリッジ構造３５内の第２光ガイド層との間に設けられリッジ構造３５内に位置する第１領域と、この第１領域と活性層１５との間に位置し該第１領域に隣接する第２領域とを含むことができる。
【００５５】
リッジ構造３５の高さは８００ｎｍ以上であることができ、850nm以下であることができる。また、リッジ構造３５の外側に位置する第２領域（第１光ガイド層の第２領域）は２５ｎｍ以下であることができ、10nm以上であることができる。このIII族窒化物半導体レーザ素子１１によれば、活性層１５に接触を成す第１光ガイド層内に到達する深さのリッジ構造３５においては、深いリッジ形状により光閉じ込めをレーザ導波路に提供している。このリッジ構造３５の側面３５ｂ上に、緻密な絶縁膜に比べて低い実効屈折率のシリコン系無機絶縁層１８を設ける。この構造は、光閉じ込めに関して、大きな屈折率差を提供できる。
【００５６】
リッジ構造３５の側面３５ｂは、リッジ構造３５の底ＢＯＴＴＯＭの位置において、基板３９の主面３９ａの法線軸ＮＸに直交する基準面に対して７０度以上の角度ＴＥＴＡで傾斜することが好ましい。リッジ構造３５の側面３５ｂが７０度以上の傾斜するとき、電極４１の成膜の際に、電極４１の材料が、表面構造に起因する空隙２０を満たすことを効果的に妨げることができ、これ故に、表面構造に起因する空隙２０を形成するように、電極４１がシリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａの表面を覆うことを可能にする。
【００５７】
シリコン系無機絶縁層１８の第２部分１８ｂは第１光ガイド層の表面を覆う。電極４１と表面構造とにより形成された空隙２０に起因して、シリコン系無機絶縁層１８の第２部分１８ｂにおける単位体積当たりの膜密度は、シリコン系無機絶縁層１８の第１部分１８ａにおける単位体積当たりの膜密度より大きい。これ故に、より大きな膜密度のシリコン系無機絶縁層１８が、活性層１５を覆う第１光ガイド層の表面を覆う。リッジ構造内での光閉じ込めは、よりリッジ近傍の部分１８aの影響を受け、向上する。
【００５８】
図２は、リッジ構造の詳細を示す図面である。図２の（ａ）部を参照すると、絶縁膜に形成されたトレンチ構造を模式的に示す。図２の（ｂ）部を参照すると、絶縁膜に形成されたトレンチ構造の走査型電子顕微鏡像を示す。走査型電子顕微鏡像は、パッド電極を形成する前のレーザダイオード上面の像を示しており、レーザダイオードの真上から僅かな角度で傾斜した斜めから撮られている。図２の（ｂ）部に示される鳥瞰図は、リッジ構造の上面上のストライプ状Ｐｄ電極と、ストライプ状Ｐｄ電極の両側に位置する光ガイド層上のＳｉＯ２絶縁膜とを表す。僅かな角度で傾斜した斜めから撮像の利点により、図２の（ｂ）部には、リッジ構造の一方の側面上のＳｉＯ２絶縁膜の表面が示される。リッジ構造の両側の光ガイド層上及びリッジ構造の側面上のＳｉＯ２絶縁膜は同時に成長されている。ストライプ状Ｐｄ電極上にストライプ形状の開口をＳｉＯ２絶縁膜に形成した後にあっては、リッジ構造の両側の光ガイド層上に成長されたＳｉＯ２絶縁膜の表面外観は絶縁膜表面が平坦であるように見える一方で、リッジ構造の側面上のＳｉＯ２絶縁膜の表面外観は、絶縁膜表面が溝を有する表面構造を備えるように見える。これ故に、リッジ構造の側面上のＳｉＯ２絶縁膜の表面外観は、リッジ構造の両側の光ガイド層上に成長されたＳｉＯ２絶縁膜の表面外観と異なる。
【００５９】
絶縁膜に形成されたトレンチ構造は、好ましくは、レーザストライプ断面においてリッジ構造の側面のＳｉＯ２絶縁膜に１つ又は複数の溝を備えることが好ましい。溝間の間隔を維持するために、溝の数は３つ以下であることが好ましい。
多数の溝（例えば４つ以上のトレンチ）が存在すると、リッジ構造の側面上のＳｉＯ２絶縁膜において溝同士が繋がって幅広い溝が形成される。この構造において、パッド電極を上から成長する際に電極材料が溝内に侵入して、実効屈折率の低下の点で有効な空隙が形成されない。
【００６０】
図２の（ｃ）部に示されるような溝幅ＷＤ及び溝深さＤＰに関して、リッジ構造の側面のＳｉＯ２絶縁膜の溝深さＤＰは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内にあることができ、ＳｉＯ２絶縁膜の表面における溝幅ＷＤは２０ｎｍ〜３００ｎｍ以下の範囲内にあることができる。パッド電極を形成した際にトレンチ内部が空隙を形成するために好適である。
【００６１】
或いは、リッジ構造の側面上のＳｉＯ２絶縁膜の表面は、１００ｎｍ以上２００ｎ以下の最大高さ（Ｒｍａｘ）の表面構造を有することができる。この最大高さ（Ｒｍａｘ）はレーザ顕微鏡もしくは原子間力顕微鏡での測定で定義される。
【００６２】
図２の（ａ）部に示されるように、リッジ側壁の傾斜角が７０度以上であることが好ましく、９０度以下であることができる。このリッジ側面の傾斜角度の範囲内では、パッド電極の形成の際に、表面構造に起因するギャップがシリコン酸化物に残されて、低屈折率部が形成され光閉じ込めが向上し閾値電流が下がる。
【００６３】
図３〜図８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を模式的に示す図面である。図３の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０１では、基板５１を準備する。基板５１はIII族窒化物半導体からなる主面（III族窒化物半導体主面）５１ａを有する。主面５１ａは、基板５１のIII族窒化物半導体のｃ軸が、基板５１のIII族窒化物半導体のｍ軸及び該ｃ軸により規定される平面（ｃ−ｍ面）に沿って傾斜している。本実施例では、半極性ＧａＮ基板を準備する。この半極性ＧａＮ基板の主面は｛２０−２１｝面を有する。｛２０−２１｝面では、基板のＧａＮのｃ軸はこのＧａＮのｍ軸の方向に７５度の角度で傾斜している。ＧａＮ基板のサーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングは、アンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含む雰囲気中で行われ、熱処理温度は、摂氏１０５０度である。この前処理の後に、まず、第１III族窒化物領域を成長する。
【００６４】
図３の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０２では、基板５１の主面５１ａ上に半導体積層５３を成長して、エピタキシャル基板ＥＰを準備する。エピタキシャル基板ＥＰの半導体積層５３は、第１導電型半導体層（例えば参照符号２３）を含む第１III族窒化物領域（例えば参照符号１３）、活性層（例えば参照符号１５）、及び第２導電型半導体層（例えば参照符号２７）を含む第２III族窒化物領域（例えば参照符号１７）を含む。半導体積層５３の成長は例えば有機金属気相成長法で行われることができる。必要な場合には、エピタキシャル基板ＥＰに活性化処理を施すことができる。
半導体積層５３の一例。
(20-21)半極性GaN基板：厚み400〜700μｍ。
ｎ側エピ領域。
n-GaN：厚さ250nm。
n-InAlGaN：厚さ1200nm、Ｉｎ組成0.03、Ａｌ組成0.14。
n-GaN：厚さ1100nm。
n-InGaN：厚さ150nm、Ｉｎ組成0.03。
活性層。
InGaN：厚さ2.5nm、Ｉｎ組成0.30。
InGaN：厚さ2.5nm、Ｉｎ組成0.08。
InGaN：厚さ2.5nm、Ｉｎ組成0.30。
ｐ側エピ領域。
p-InGaN：厚さ38nm、Ｉｎ組成0.03。
p-InGaN：厚さ77nm、Ｉｎ組成0.03。
GaN：厚さ200nm。
p-AlGaN：厚さ260nm、Ａｌ組成0.065。
p-GaN：厚さ200nm。
p-GaN：厚さ40nm。
p+GaN：厚さ10nm。
【００６５】
図４の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０３では、エピタキシャル基板ＥＰの表面５３ａ上にマスク膜５５を形成する。マスク膜５５の材料は、エピタキシャル基板ＥＰの最表面５３ａの窒化ガリウム系半導体の材料と異なる。マスク膜５５の材料は、例えばシリコン系無機絶縁膜を含むことができ、例えばシリコン酸化物、アルミ酸化物等であることができる。シリコン系無機絶縁膜は、電子ビーム蒸着法等で成長されることができる。本実施例では、エピタキシャル基板ＥＰの有機洗浄を行った後に、ＥＢ蒸着装置を用いてＳｉＯ２膜の成膜を行う。マスク膜５５の厚さは、例えば400-500nmである。
【００６６】
図４の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、レジストマスク５７をマスク膜５５上に形成すると共に、レジストマスク５７を用いてマスク膜５５をエッチングして第１マスク５９を形成する。第１マスク５９として用いられるシリコン系無機絶縁層上のレジストマスク５７はオーミック電極の形状を規定する開口を有しており。本実施例では、開口は、素子区画の境界を横切るように延在するストライプ形状を成す。エッチングは、レジストマスク５７の開口５７ａに沿って該レジストマスク５７の庇５７ｂを形成するように行われる。マスク膜５５のエッチングは、レジストマスク５７の開口５７ａの幅Ｗ５７よりも広くサイドエッチングを引き起こす程度に行われる。この結果は、第１マスク５９は、幅Ｗ５９のストライプ開口を有しており、このストライプ開口には、最表面５３ａの窒化ガリウム系半導体が現れている。第１マスク５９の幅Ｗ５９は、リッジ構造を規定するように後の工程で形成される一対のトレンチ溝の各外縁の幅を規定する。本実施例では、フォトリソグラフィプロセスによりリッジストライプ形状の開口を有するレジストマスクを形成した後に、ＳｉＯ２膜のウエットエッチングを行う。ウエットエッチングでは例えばフッ酸を用いることができる。このエッチングによりＳｉＯ２の開口幅はレジスト膜に形成したストライプ形状の幅より拡がる。
【００６７】
図５の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０５では、第１マスク５９を形成した後に、オーミック電極のための金属膜６３を成長する。金属膜６３は、第１開口５９ａ内に堆積された第１金属層６３ａと、レジストマスク５７上に堆積された第２金属層６３ｂとを含む。レジストマスク５７の開口５７ａの関係により、金属膜６３の厚さは50nm以下であることが好ましく、厚さは20nm以上であることが好ましい。また、金属膜６３は、第１マスク５９より厚く成長され、第１マスク５９及びレジストマスク５７の総和より薄く成長されることが好ましい。本実施例では、金属膜６３の成長は、例えば真空蒸着装置で厚さ３０ｎｍのＰｄ膜を蒸着する。蒸着のとき、基板温度は摂氏３００度である。
【００６８】
図５の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０６では、レジストマスク５７を除去して、リフトオフによりエピタキシャル基板ＥＰの最表面５３ａにオーミック電極６３ａを形成する。レジストマスク５７上の金属層６３ｂをレジストと一緒に除去される共に、第１マスク５９はエピタキシャル基板ＥＰの最表面５３ａに残される。オーミック電極６３ａの高さは、第１マスク５９の厚さより小さい。オーミック電極６３ａの２つの側面６３ｃ、６３ｄは、エピタキシャル基板ＥＰの最表面５３ａに垂直な平面に対して傾斜している。
【００６９】
図６の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０７では、オーミック電極６３ａを形成した後に、オーミック電極６３ａ及び第１マスク５９を用いてエピタキシャル基板ＥＰをエッチングして、基板生産物ＳＰを形成する。エッチングとしては、異方性のドライエッチングを用いることができる。エッチングにより、トレンチ溝６５ａ、６５ｂ及びリッジ構造６７を形成する。基板生産物ＳＰは、トレンチ溝６５ａ、６５ｂ及びリッジ構造６７を有する。
【００７０】
この作製方法によれば、半導体リッジ６７を形成する前に、エピタキシャル基板ＥＰの最表面５３ａ上に接触を成すオーミック電極６３ａを形成するので、オーミック電極６３ａは、窒化物半導体と良好な接触を成すことができる。また、オーミック電極６３ａの形状とセルフアラインに半導体リッジ６７の上面６７ａを形成できる。
【００７１】
本実施例では、ＲＩＥ装置を用いて、Ｐｄ電極及びＳｉＯ２マスク膜をマスクとして用いて、半導体積層５３の窒化ガリウム系半導体のエッチングを行って、深さ８００ｎｍのトレンチ構造及びリッジ構造を形成する。このときのエッチング条件として、２Ｐａのチャンバ圧力で、２００ｓｃｃｍのＣｌ２及び１４ｓｃｃｍのＢＣｌ３をエッチングガスして流す。エッチング圧力・ガス比率を変えることにより、リッジ側壁角度を調整することができ、本実施例は、側面の傾斜角は７５度であった。
【００７２】
図６の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０８では、リッジ構造６７の表面及びトレンチ溝６５ａ、６５ｂの表面を覆うように、シリコン系無機絶縁膜６９を成長する。成長されたシリコン系無機絶縁膜６９が圧縮応力を有する。この成膜は、例えば電子ビーム蒸着法、スパッタ法等を用いることができる。シリコン系無機絶縁膜６９の膜厚は２８０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下であることができる。詳細には、圧縮応力を有するシリコン系無機絶縁膜６９は、オーミック電極６３ａの側面６３ｃ及び上面６３ｄ、リッジ構造６７の側面６７ｂ、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの底面６５ｃ、６５ｄ及び側面６５ｅ、６５ｆ、並びにマスク膜５９の上面を覆う。シリコン系無機絶縁膜６９は、オーミック電極６３ａの側面６３ｃ及びリッジ構造６７の側面６７ｂを覆う第１部分６９ａ、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの底面６５ｃ、６５ｄを覆う第２部分６９ｂ、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの側面６５ｅ、６５ｆ及びマスク膜５９の側面を覆う第３部分６９ｃ、マスク膜５９の上面を覆う第４部分６９ｄ、並びにオーミック電極６３ａの上面６３ｄを覆う第５部分６９ｅを含む。本実施例では、電子ビーム蒸着装置を用いてＳｉＯ２膜を成長する。その膜厚は２８０ｎｍ〜３８０ｎｍである、成膜レートは０．２〜０．８ｎｍ／秒である。
【００７３】
シリコン系無機絶縁膜６９の被覆については、第１部分６９ａは、互いに異なる材料のオーミック電極６３ａの側面６３ｃ及びリッジ構造６７の側面６７ｂを覆っており、これら２つの第１部分６９ａが、オーミック電極６３ａの上面６３ｄを覆う第５部分６９ｅを介して屈曲しながら繋がる。一方、第３部分６９ｃは、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの側面６５ｅ、６５ｆ及び第１マスク５９（第１マスクとして用いられるシリコン系無機絶縁層）の側面を覆っている。第３部分６９ｃ及び第４部分６９ｄの材料は、マスク膜５９の材料に、シリコン系無機絶縁体であるという点で同類であるが、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの側面６５ｅ、６５ｆの材料は、リッジ構造６７の側面６７ｂ及びトレンチ溝６５ａ、６５ｂの底面６５ｃ、６５ｄの材料に、窒化ガリウム系半導体であるという点で同質である。
【００７４】
図７の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０９では、マスク７１をシリコン系無機絶縁膜６９上に形成する。マスク７１は、リッジ構造６７の上面６７ａに位置するストライプ形状の開口７１ａを有する。本実施例では、フォトリソプロセスにより、リッジストライプ形状上部に開口部を持つレジスト膜を形成する。
【００７５】
図７の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１１０では、マスク７１を用いてシリコン系無機絶縁膜６９をエッチングして、シリコン系無機絶縁層７３を形成する。このエッチングは、異方性のドライエッチングにより行われる。シリコン系無機絶縁層７３はリッジ構造６７の上面６７ａに開口７３ｈを有する。
【００７６】
シリコン系無機絶縁層７３は、オーミック電極６３ａの側面６３ｃ及びリッジ構造６７の側面６７ｂを覆う第１部分７３ａ、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの底面６５ｃ、６５ｄを覆う第２部分７３ｂ、トレンチ溝６５ａ、６５ｂの側面６５ｅ、６５ｆ及びマスク膜５９の側面を覆う第３部分７３ｃ、並びにマスク膜５９の上面を覆う第４部分７３ｄを含む。エッチングにより、オーミック電極６３ａの上面６３ｄ上のシリコン系無機絶縁層が除去されている。シリコン系無機絶縁層７３の開口７３ｈにリッジ構造６７の上面６７ａ上にオーミック電極６３ａが露出しており、リッジ構造６７の上面はIII族窒化物半導体からなる。
【００７７】
本実施例では、反応性イオンエッチング法を用いてリッジ上部のＳｉＯ２を除去してストライプ状の開口を形成する。これにより、その開口にＰｄ電極を露出させる。このときのエッチング条件は、チャンバ圧力１ＰａでエッチングガスをＣＨＦ３：４５ｓｃｃｍを流した。リッジ上部のＳｉＯ２を除去することにより、圧縮応力が緩和されて、側壁部のＳｉＯ２にトレンチ構造といった表面構造が導入される。本実施例では、Ｏ２アッシングによりレジストのマスク７１を除去する。
【００７８】
この作製方法によれば、圧縮応力を有するシリコン系無機絶縁膜６９をオーミック電極６３ａ及びリッジ構造６７の側面６７ｂを覆うように成長する。シリコン系無機絶縁膜６９は、オーミック電極６３ａ上に成長される第５部分６９ｅと、オーミック電極の材料と異なるリッジ構造側面上に成長される第１部分６９ａとを有している。これ故に、シリコン系無機絶縁膜の第１部分６９ａ及び第５部分６９ｅは、それぞれ、互いに異なる材料のオーミック電極６３ａ及びリッジ構造側面６７ｂ上に成長されると共に、互いに隣接する。このようなシリコン系無機絶縁膜６９を成長した後にオーミック電極６３ａ上のシリコン系無機絶縁膜の一部分６９ｅを部分的に除去するので、オーミック電極６３ａ上のシリコン系無機絶縁膜６９に隣接していた、リッジ構造側面６９ｂ上のシリコン系無機絶縁膜６９の内部応力が解放される。この応力解放により、シリコン系無機絶縁層７３は、リッジ構造６７の側面６７ｂにおいて、シリコン系無機絶縁層７３の実効屈折率を低下させるような表面構造を備える。また、シリコン系無機絶縁膜６９は、オーミック電極６３ａ上の部分からリッジ構造側面６７ｂ上の部分に屈曲しながら繋がっている。このような構造からも、オーミック電極６３ａ上に開口７３ｈを形成することにより、リッジ構造側面６７ｂ上のシリコン系無機絶縁膜６９の内部応力が解放される。
【００７９】
図８の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１１１では、シリコン系無機絶縁層７３及びオーミック電極６３ａ上に、電極７７を形成する。この作製方法によれば、電極７７が、応力解放により半導体リッジ側面６７ｂに形成された表面構造に起因する空隙７５を残すように、シリコン系無機絶縁層７３の第１部分７３ａの表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部６７ｂ上の絶縁膜の実効屈折率を低く維持でき、半導体リッジ６７とシリコン系無機絶縁層７３との屈折率差を高めることができる。本実施例では、パッド電極を真空蒸着によりを形成する。パッド電極の構造は、以下の構造を有する。
Ti/Pt/Au/Pt/Ti/Pt/Au。Ti：厚さ10nm。Pt：厚さ15nm。Au：厚さ250nm。Pt：厚さ50nm。Ti：厚さ10nm。Pt：厚さ100nm。Au：厚さ300nm。
成膜のとき、蒸着原料は成膜する基板の直上に設置されるので、リッジ側壁角度が７０度以上である角度範囲内であれば、二酸化シリコンといったシリコン系無機絶縁体のトレンチ内に電極材料が侵入して空隙を埋めることを避けることができる。
【００８０】
上記のように作製されるとき、シリコン系無機絶縁層７３は、リッジ構造６７の側面６７ｂにおいて表面構造を備えており、この表面構造は、一又は複数の溝７５を含むことができる。溝７５の表面（側面、底面）はシリコン系無機絶縁層７３のシリコン系無機絶縁体からなっており、下地の半導体に到達する貫通孔はシリコン系無機絶縁層７３に形成されていない。溝７５はリッジ構造６７の延在方向（第１軸の方向）に延在する。この延在に際して、わずかな屈曲があるかもしれないが、溝７５の延在方向は全体として第１軸Ａｘ１の方向である。シリコン系無機絶縁膜６９のエッチングによりシリコン系無機絶縁層７３を形成する際に、膜応力の緩和の結果として、溝７５が形成される。このような形成の経緯から、溝７５の延在方向が個々の溝毎に異なっている可能性があり、全体として第１軸Ａｘ１の方向に向く。
【００８１】
この作製方法によれば、シリコン系無機絶縁層７３はリッジ構造６７の側面６７ｂ上の第２部分７３ｂとトレンチ溝６５ａの底面上の第３部分７３ｃとを含む。シリコン系無機絶縁層７３の第２部分７３ｂの表面における表面構造は、第１軸の方向に延在する一又は複数の溝７５を有しており、電極７７が、この表面構造に起因する空隙７５を満たすことなく、シリコン系無機絶縁層７３の第１部分７３ａの表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジと絶縁膜との屈折率差を高めることができる。
【００８２】
或いは、上記のように作製されるとき、シリコン系無機絶縁層７３はリッジ構造６７の側面６７ｂにおいて、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備えることができる。シリコン系無機絶縁膜６９のエッチングによりシリコン系無機絶縁層７３を形成する際に、膜応力の緩和の結果として、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造が形成される。このような形成の経緯から、表面構造の凹凸が個々に異なっている可能性がある。表面構造の凹凸の表面（側面、底面）はシリコン系無機絶縁層７３のシリコン系無機絶縁体からなっており、下地の半導体に到達する貫通孔はシリコン系無機絶縁層７３に形成されていない。
【００８３】
この作製方法によれば、シリコン系無機絶縁層７３はリッジ構造６７の側面６７ｂ上の第１部分７３ａとトレンチ溝６５ａの底面上の第２部分７３ｂとを含む。このシリコン系無機絶縁層７３の第１部分７３ａの表面は１００ｎｍ以上２００ｎｍ以上の最大高さ（Ｒｍａｘ）を有する表面構造を備えており、電極７７が、この表面構造に起因する空隙７５を満たすことなく、シリコン系無機絶縁層７３の第１部分７３ａの表面を覆う。これ故に、リッジ側壁部上の絶縁膜の実効屈折率を低くでき、半導体リッジ６７とシリコン系無機絶縁層７３との屈折率差を高めることができる。
【００８４】
図８の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１１２では、必要に応じて基板５１の裏面を研磨・研削を行った後に、研磨面５１ｂに真空蒸着によりｎ型電極７９を形成する。これらの工程により基板生産物ＳＰ０が作製される。この後に、レーザスクライブ・ブレイクを行ってレーザバーを形成する。個々のレーザバーの分離からレーザダイオードチップを作製する。このように作製されたレーザダイオードチップの発振波長は、５２５ｎｍ（ＣＷ動作）であり、閾値電流は４８ｍＡ（ＣＷ動作）である。
【００８５】
オーミック電極６３ａはパラジウムを備える。パラジウム電極は窒化ガリウム系半導体に良好な電気的接触を提供でき、また絶縁膜６９のエッチングに対してマスクとして利用可能である。また、シリコン系無機絶縁層７３はシリコン酸化物を備える。シリコン系無機絶縁層がシリコン酸化物を備えるとき、好適な範囲の膜応力を有する成膜が可能になる。
【００８６】
ＩｎＧａＮ層を含む活性層は４８０ｎｍ以上の光を発生するように設けられる。表面構造は、４８０ｎｍ以上の光を発生する活性層を含むレーザ導波路において好適な光閉じ込めを提供できる。
【００８７】
このような波長範囲の発光を得るためには、主面５１ａが、III族窒化物半導体からなる半極性面を備えることが好ましい。このような主面５１ａにエピタキシャル成長により、レーザエピ構造を作製する。このレーザエピ構造では、第１III族窒化物領域（例えばｎ型クラッド層）、活性層及び第２III族窒化物領域（例えばｐ型クラッド層）が半極性面の法線（Ｚ軸）の方向に順に配列されている。この基板５１のIII族窒化物半導体のｃ軸は、III族窒化物半導体のａ軸及びｍ軸のうち一方の結晶軸と、基板５１の主面５１ａに対する法線軸ＮＸとにより規定される基準面に沿って傾斜している。リッジ構造６７は、III族窒化物半導体のｃ軸を主面５１ａに投影した投影ｃ軸ＰＶＣの方向に延在することが良い。この投影ｃ軸ＰＶＣの方向にレーザ導波路を向き付ける。当該III族窒化物半導体レーザ素子１１は、レーザ共振器のための第１端面３７ａ及び第２端面３７ａを更に備える。レーザビームを伝搬させるレーザ導波路は、第１端面３７ａから第２端面３７ｂまで延在する。共振器端面として窒化物結晶の劈開面を利用することができないが、他の作製方法、例えば窒化物結晶に割断を施すことにより、レーザ発振を可能にする共振器端面を得ることができる。
【００８８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上説明したように、本実施の形態によれば光閉じ込め能を向上可能なIII族窒化物半導体レーザ素子を提供できる。また、本実施の形態によれば、光閉じ込め能を向上可能な、III族窒化物半導体レーザ素子を作製する方法を提供できる。
【符号の説明】
【００９０】
１１…窒化物半導体発光素子、１３…第１III族窒化物領域、１５…活性層、１７…第２III族窒化物領域、１９…電極、２１…第１内側半導体層、２３…ｎ型クラッド層、２５…第２内側半導体層、２７…ｐ型クラッド層、２９…ｐ型コンタクト層、Ａｘ…積層軸、３１…コア領域、ＨＪ１、ＨＪ２、ＨＪ３…ヘテロ接合、３３ａ…井戸層、３３ｂ…障壁層、３５…半導体リッジ、ＢＯＴＴＯＭ…リッジ構造の底、３７ａ、３７ｂ…端面、３９…基板、３９ａ…半極性主面、Ａｎｇｌｅ…傾斜角、Ｓｃ…基準面。
【図１】
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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２】
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