(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるシード層と、
前記シード層上に形成された選択成長層と、
前記選択成長層上に順次形成された第１の窒化物半導体層、該第１の窒化物半導体層よりも光の屈折率が大きい第２の窒化物半導体層からなる活性層、及び該活性層よりも光の屈折率が小さい第３の窒化物半導体層を含む積層体と、
前記積層体の上に形成され、前記活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部とを備え、
前記シード層の上部には、面方向に互いに間隔をおいて形成された凸部と、隣接する２つの前記凸部に挟まれている空隙部からなる凹部とが形成され、
前記凹部の底面および壁面にはマスク膜が形成されており、
前記凸部の上側に位置する前記選択成長層の上側には高転位密度領域が形成されている一方、前記凹部の上側には低転位密度領域が形成され、
前記電流狭搾部は、前記低転位密度領域の上側に形成されている、窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光情報処理分野等への応用が期待される短波長半導体レーザ素子等に用いる窒化物半導体の製造方法、並びに該窒化物半導体を用いた半導体素子、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｖ族元素に窒素（Ｎ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物からなる窒化物半導体は、そのエネルギーギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。なかでも、窒化ガリウム系化合物半導体（Ａｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１））は、その研究及び開発が盛んに行なわれており、その結果、青色又は緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）素子が実用化されるに至っている。また、光ディスク装置の大容量化に伴って、発振波長が４００ｎｍ程度の半導体レーザ素子が熱望されており、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子が実用レベルに達しつつある。
【０００３】
（第１の従来例）
以下、第１の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図３７はレーザ発振が達成されている従来の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面構成を示している。図３７に示すように、従来の半導体レーザ素子は、サファイアからなる基板３０１の上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により順次形成された、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層３０２、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３０３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｎ型クラッド層３０４、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層３０５、インジウムの組成が異なる窒化ガリウムインジウム（Ｇａ１−ｘ  Ｉｎｘ  Ｎ／Ｇａ１−ｙ  Ｉｎｙ  Ｎ（但し、０＜ｙ＜ｘ＜１）が積層されてなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３０６、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層３０７、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層３０８、及びｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３０９を有している。
【０００５】
ｐ型クラッド層３０８の上部及びｐ型コンタクト層３０９には、幅が３μｍ〜１０μｍ程度のリッジ部が形成されている。ＭＱＷ活性層３０６を含む積層体は、ｎ型コンタクト層３０３の一部を露出するようにエッチングされており、エッチングされた積層体の上面及び側面は絶縁膜３１０により覆われている。絶縁膜３１０におけるｐ型コンタクト層３０９の上側部分にはストライプ状の開口部が設けられ、絶縁膜３１０のリッジ部の上には該開口部を通してｐ型コンタクト層３０９とオーミック接触するｐ側電極３１１が形成されている。また、ｎ型コンタクト層３０３の絶縁膜３１０からの露出部分の上にはｎ型コンタクト層３０３とオーミック接触するｎ側電極３１２が設けられている。
【０００６】
このように形成された半導体レーザ素子におけるｎ側電極３１２を接地し、ｐ側電極３１１に所定電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層３０６内で光学利得を生じて、発振波長が４００ｎｍ程度のレーザ発振を起こす。
【０００７】
レーザ光の発振波長は、ＭＱＷ活性層３０６を構成するＧａ１−ｘ  Ｉｎｘ  Ｎ及びＧａ１−ｙ  Ｉｎｙ  Ｎの組成又は膜厚によって変化する。現在、室温以上での連続発振が実現されている。
【０００８】
また、リッジ部の幅又は高さを調節することによって、水平方向（基板面に平行）の横モードにおける基本モードのレーザ発振を可能としている。すなわち、基本横モードと１次以上の高次モードとの光の閉じ込め係数値に差を設けることにより、基本横モードにおける発振を可能としている。
【０００９】
基板３０１には、サファイアの他に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）やネオジウムガレート（ＮｄＧａＯ３：Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ  ｇａｌｌａｔｅ）等が用いられるが、いずれの材料も窒化ガリウムと格子整合を行なえず、コヒーレントな成長を得ることが難しい。その結果、刃状転位、らせん転位又は異種の転位が混合した混合転位が多く、例えば基板にサファイアを用いた場合には、約１ｘ１０９  ｃｍ−２の転位が存在して、半導体レーザ素子の信頼性の低下を引き起こす。
【００１０】
そこで、転位密度を低減する方法として、選択的横方向成長（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯＧ）法が提案されている。これは格子不整合が大きい半導体結晶において、貫通転位を低減させる方法として有効である。
【００１１】
（第２の従来例）
図３８はＥＬＯＧによって形成された窒化ガリウムからなる半導体層の結晶転位の分布を模式的に表わしている。
【００１２】
図３８を用いてＥＬＯＧ法の概略を説明すると、まず、ＭＯＶＰＥ法等により、サファイアからなる基板４０１上にＧａＮからなるシード（種）層４０２を成長する。
【００１３】
次に、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法等により、酸化シリコン等からなる誘電体膜を堆積した後、フォトリソグラフィ法及びエッチング法とによって、堆積した誘電体膜から、所定周期のストライプ状の開口パターンを持つマスク膜４０３を形成する。
【００１４】
次に、ＭＯＶＰＥ法又はハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により、マスク膜４０３の上にシード層４０２のマスク膜３０３から露出した部分を種結晶とする選択成長によってＧａＮからなる半導体層４０４を成長する。
【００１５】
このとき、半導体層４０４におけるマスク膜４０３の開口部の上側の領域は、転位密度が約１ｘ１０９  ｃｍ−２程度の高転位密度領域４０４ａとなるものの、マスク膜４０３上でラテラル成長した領域は転位密度が１ｘ１０７  ｃｍ−２程度の低転位密度領域４０４ｂを得られる。
【００１６】
図３９はこの低転位密度領域４０４ｂの上方に活性領域、すなわち電流注入領域となるリッジ部を形成した半導体レーザ素子の断面構成を示している。図３９において、図３７及び図３８に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【００１７】
このように、ＭＱＷ活性層３０６における低転位密度領域４０４ｂの上方に電流注入領域を設けることより、レーザ素子の信頼性の向上を図ることができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者らは、種々検討を行なった結果、前記の第１の従来例及び第２の従来例に係る半導体レーザ素子には、以下に述べるような様々な問題があることを見い出している。
【００１９】
第１に、第２の従来例に係るＥＬＯＧ法による窒化物半導体の成長方法に対する問題点を説明する。
【００２０】
図４０（ａ）〜図４０（ｄ）は半導体層４０４の成長時にマスク膜４０３上に窒化ガリウムの多結晶体４０５が析出して、半導体層４０４の結晶性が劣化する様子を模式的に表わしている。
【００２１】
具体的には、図４０（ａ）に示すように、まず、シード層４０２の上面に開口部を持つマスク膜４０３を形成しておき、次に、図４０（ｂ）に示すように、シード層４０２におけるマスク膜４０３の各開口部から露出する領域を種結晶として複数の半導体層４０４をそれぞれ成長させる。このとき、マスク膜４０３は誘電体からなり、該誘電体上では結晶化されない複数の多結晶体４０５が析出することがある。
【００２２】
次に、図４０（ｃ）及び図４０（ｄ）に示すように、多結晶体４０５が析出した状態で、複数の半導体層４０４が一体化しその表面が平坦化されるまで成長し続けると、多結晶体４０５の上には結晶性が悪い領域４０４ｃが形成される。
【００２３】
本願発明者らは、この結晶性が悪い領域４０４の上方に電流注入領域を形成しても良好な特性を持つレーザ素子を決して得ることはできないという知見を得ている。
【００２４】
第２に、第１及び第２の従来例に係る半導体レーザ素子では、活性層の基板面に対して垂直な方向の光の閉じ込め係数値を大きくすることが困難であるという問題点を見い出している。
【００２５】
図４１は、第１の従来例に係る半導体レーザ素子における、ＭＱＷ活性層３０６における基板面に対して垂直な方向の屈折率分布と、共振器端面での光強度分布との関係を示している。ＭＱＷ活性層３０６に閉じ込められた生成光の一部が基板３０１に漏れ出して、ｎ型コンタクト層３０３に定在波が生成していることが分かる。このように、ＭＱＷ活性層３０６から基板３０１への生成光の漏れが多いと、ＭＱＷ活性層３０６への光の閉じ込め率が低下し、レーザ光の発振しきい値が大きくなる。
【００２６】
また、図４２は第１の従来例に係るレーザ素子の遠視野像を示している。ここで、横軸は出射光における共振器端面の法線方向からの水平方向（基板面方向）へのずれを表わし、縦軸は出射光の光強度を表わしている。第１の従来例のように基板３０１側への生成光の漏れが多いと、単峰性の遠視野像を得ることも困難となる。これは、第２の従来例に係る半導体レーザ素子においても同様である。
【００２７】
第３に、第１の従来例に係る半導体レーザ素子は、ウエハ状態で形成された複数のレーザ素子を、例えば、へき開により個々のレーザチップとして形成する際に、サファイアからなる基板と窒化物半導体層との結晶面が異なるために、共振器端面に平坦な面が得られないという問題がある。すなわち、図４３に示すように、基板３０１を構成するサファイアは、面方位が（１−１００）面の、いわゆるＭ面のへき開が容易であるため、通常はサファイアのＭ面をへき開面としている。
【００２８】
ところが、窒化物半導体、例えば、窒化ガリウムのＭ面はサファイアのＭ面と面内で３０度だけずれているため、サファイアのＭ面と窒化ガリウムの（１１−２０）面、いわゆるＡ面が一致する。このため、基板３０１をへき開するとバッファ層３０２及びその上の積層体には、基板３０１とへき開面が３０度だけずれたへき開面が、段差が数百ｎｍの凹凸面となって現われる。
【００２９】
共振器端面がこのような凹凸面となると、共振器端面によるレーザ光のミラー損失が増大するため、半導体レーザ素子の動作電流が増大し、ひいては信頼性の低下をもたらす。さらに、共振器端面の凹部及び凸部は無秩序に発生するため、所定の反射率を有する共振器端面を再現性良く形成することが困難となり、歩留まりが低下する。なお、共振器の形成に、へき開法ではなくドライエッチング法を用いても同様の問題が生じる。なお、本願明細書においては、面方位の負符号”−”は該負符号に続く一指数の反転を表わす。
【００３０】
一方、第２の従来例に係る半導体レーザ素子の場合は、選択成長用のマスク膜４０３のストライプ状の開口部は、半導体層４０４のＭ軸に平行となるよう形成される。これはＡ軸方向へのラテラル成長の速度が他の方向と比べて極めて速く、短時間で効率良く選択成長を行なえるからである。このため、低転位密度領域４０４ｂはＭ軸に平行となるので、低転位密度領域の上に形成するレーザ素子の共振器端面は必然的にＭ面となる。その結果、基板４０１のＡ面でへき開する必要がある。前述したように、サファイアはＭ面におけるへき開は容易であるが、Ａ面はそれ程容易ではないため、半導体レーザ素子の歩留まりが大幅に低下するという問題がある。
【００３１】
第４に、ＥＬＯＧ法は、シード層４０２のＣ軸と、その上に選択成長する半導体層４０４のＣ軸とのなす角度（チルト）が０．１度〜１度程度に存在することが知られている。
【００３２】
一方、ＥＬＯＧ法によって得られた低転位密度領域４０４ｂを再度種結晶とし、高転位密度領域４０４ａを別の選択成長用マスク膜により被覆して再度ＥＬＯＧ成長を行なうと、低転位密度領域４０４ｂのみからなる窒化物半導体結晶を得ることができる。これにより、低転位密度領域４０４ｂのみからなる結晶上に端面がＡ面の共振器を形成することが可能となり、へき開による歩留まりを大幅に向上できる。
【００３３】
しかしながら、Ａ軸方向に共振器を形成すると、シード層４０２とその上の選択成長層との間に、前述したＣ軸のチルトが存在するため、導波路がＣ軸方向にジグザグ形状となる。このジグザグ形状の導波路により、導波損失が生じてレーザ素子の動作電流が増加するという問題がある。また、複数の共振器が基板面に対してそれぞれ垂直な方向に設けられる垂直共振器型の面発光レーザ素子アレイを形成するような場合には、アレイ状の共振器からの各レーザ光の出射方向が一致しなくなるという問題がある。
【００３４】
第５に、前記第２の従来例に係る半導体レーザ素子は、低転位密度領域４０４ｂ同士の幅が約５μｍ程度と極めて小さく、この低転位密度領域４０４ｂから外れないように、約３μｍの幅を持つリッジ部のフォトマスクの位置合わせを行なう必要がある。その結果、フォトリソグラフィ工程における位置合わせに高い精度が要求されるため、フォトリソグラフィ工程のスループットの低下や歩留まりの低下等が生じて、生産効率を向上できないという問題がある。
【００３５】
本発明は、前記の種々の問題に鑑みてなされ、ＥＬＯＧ法による結晶性の向上を図ること第１の目的とし、共振器への光の閉じ込め係数値を大きくできるようにすることを第２の目的とし、ミラー損失が少ない共振器端面を形成できるようにすることを第３の目的とし、導波損失が少ない共振器を形成できるようにすることを第４の目的とし、リッジ部形成用のマスクの位置合わせを容易に行なえるようすることを第５の目的とする。これにより、本発明は、特に光ディスク装置用レーザ素子への応用に優れた効果を奏する。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の窒化物半導体の製造方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に、Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の凸部を形成する工程と、互いに隣接する凸部同士に挟まれてなる凹部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上に、マスク膜から露出する各凸部の頂面であるＣ面を種結晶として、Ａｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）からなる第２の窒化物半導体層を成長する工程とを備えている。
【００３７】
第１の窒化物半導体の製造方法によると、第１の窒化物半導体層の上面に複数の凸部を形成し、形成した凸部同士に挟まれた底面をマスク膜により覆うため、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層の凸部の頂面に現われたＣ面のみを種結晶として成長する。その結果、マスク膜の上に第２の窒化物半導体層の多結晶体が析出したとしても、マスク膜を凸部同士の間の底面上に設けているため、第２の窒化物半導体層が基板面と平行な方向に成長（ラテラル成長）する際に、多結晶体の上方を成長するので、多結晶体によりその成長が妨げられなくなり、第２の窒化物半導体層の結晶性が良好となる。
【００３８】
本発明に係る第２の窒化物半導体の製造方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に、Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の凸部を形成する工程と、互いに隣接する凸部同士に挟まれてなる凹部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上に、各凸部におけるマスク膜から露出する領域を種結晶として、Ａｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）からなる第２の窒化物半導体層を成長する工程とを備えている。
【００３９】
第２の窒化物半導体の製造方法によると、第２の窒化物半導体層が基板面と平行な方向に成長する際に、マスク膜の上に第２の窒化物半導体層の多結晶体が析出したとしても、マスク膜を凸部同士の間の底面及び壁面の少なくとも一部に設けているため、第２の窒化物半導体層は多結晶体の上方を成長するので、多結晶体によりその成長が妨げられなくなり、第２の窒化物半導体層の結晶性が良好となる。
【００４０】
本発明に係る第１の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上面における各溝部同士の間にマスク膜から露出するＣ面を種結晶として、基板側から、第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第３の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第４の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部を形成する工程とを備えている。
【００４１】
第１の窒化物半導体素子の製造方法によると、活性層を含む積層体は本発明の第１の窒化物半導体の製造方法により形成されるため、活性層及びそれを上下方向から挟む窒化物半導体層のそれぞれの結晶性が優れる。このため、半導体素子としての信頼性を著しく向上することができる。
【００４２】
本発明に係る第２の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上における各溝部同士の間にマスク膜から露出する領域を種結晶として、基板側から、第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第３の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第４の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部を形成する工程とを備えている。
【００４３】
第２の窒化物半導体素子の製造方法によると、活性層を含む積層体は本発明の第２の窒化物半導体の製造方法により形成されるため、活性層及びそれを上下方向から挟む窒化物半導体層のそれぞれの結晶性が優れる。このため、半導体素子としての信頼性を著しく向上することができる。
【００４４】
本発明に係る第３の窒化物半導体の製造方法は、前記第１の目的を達成し、基板の上部に、基板面方向に互いに並行して延びる複数の凸部を形成する工程と、基板の上の各凸部の頂面に、Ａｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）からなる窒化物半導体層を選択的に成長する工程とを備えている。
【００４５】
第３の窒化物半導体の製造方法によると、本発明の第１の窒化物半導体の製造方法と同様の効果を得られる上に、基板自体にストライプ状の凸部を設けるため、種結晶用の半導体層が不要となる。また、基板に窒化物半導体を用いない場合には選択成長用のマスク膜をも設ける必要がなくなり、半導体の製造プロセスを大幅に簡略化できる。
【００４６】
本発明に係る第３の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第１の目的を達成し、基板の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、基板の上面における各溝部同士の間の領域上に、基板側から選択的に、第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第２の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第３の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部を形成する工程とを備えている。
【００４７】
第３の窒化物半導体素子の製造方法によると、活性層を含む積層体は本発明の第３の窒化物半導体の製造方法により形成されるため、活性層及びそれを上下方向から挟む窒化物半導体層のそれぞれの結晶性が優れると共に、製造プロセスを大幅に簡略化できるので、生産性を向上することができる。
【００４８】
本発明に係る第１の窒化物半導体素子は、前記第２の目的を達成し、基板上に順次形成され、第１の窒化物半導体層、該第１の窒化物半導体層よりも光の屈折率が大きい第２の窒化物半導体層からなる活性層及び該活性層よりも光の屈折率が小さい第３の窒化物半導体層とを含む積層体と、積層体の上に形成され、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部とを備え、活性層における電流狭窄部の下方で且つ活性層と基板との間の領域に空隙部が形成されている。
【００４９】
第１の窒化物半導体素子によると、活性層における電流狭窄部の下方であって活性層と基板との間の領域に、光の屈折率が半導体よりも小さい空隙部を設けているため、活性層で生成された生成光が基板側に漏れにくくなるので、活性層への生成光の閉じ込め係数値を大きくできる。
【００５０】
本発明に係る第２の窒化物半導体素子は、前記第２の目的を達成し、基板上に形成され、上部に互いに間隔をおいて基板面方向に延びる複数の凸部を有する第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に、下面が各凸部の頂面と接するように形成された第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層の上に形成され、第３の窒化物半導体層、該第３の窒化物半導体層よりも光の屈折率が大きい第４の窒化物半導体層からなる活性層及び該活性層よりも光の屈折率が小さい第５の窒化物半導体層とを含む積層体とを備え、第２の窒化物半導体層は、第３の窒化物半導体層の光の屈折率よりも小さい又は同等の屈折率を持つ。
【００５１】
第２の窒化物半導体素子によると、第２の窒化物半導体層は、上部にストライプ状の凸部を有する第１の窒化物半導体層の凸部の頂面を種結晶として成長しているため、第２の窒化物半導体層の下側で且つ第１の窒化物半導体層の凸部同士の間の領域には空隙部が形成されることになる。さらに、第２の窒化物半導体層は、第３の窒化物半導体層の光の屈折率よりも小さいか又は同等の屈折率を持つため、積層体における空隙部の上方に電流狭窄部を設けると、活性層における光の閉じ込め係数値が確実に大きくなる。
【００５２】
本発明に係る第４の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第２の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上面における各溝部同士の間にマスク膜から露出するＣ面を種結晶として、基板側から、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層と、該第３の窒化物半導体層よりも光の屈折率が大きい第４の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりも光の屈折率が小さい第５の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部を形成する工程とを備え、積層体を成長する工程は、第２の窒化物半導体層を、その光の屈折率が第３の窒化物半導体層の光の屈折率よりも小さいか又は同等となるように成長する工程を含む。
【００５３】
第４の窒化物半導体素子の製造方法によると、本発明の第２の窒化物半導体素子を確実に形成できる。
【００５４】
本発明に係る第５の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第２の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上における各溝部同士の間にマスク膜から露出する領域を種結晶として、基板側から、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層と、該第３の窒化物半導体層よりも光の屈折率が大きい第４の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりも光の屈折率が小さい第５の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部を形成する工程とを備え、積層体を成長する工程は、第２の窒化物半導体層を、その光の屈折率が第３の窒化物半導体層の光の屈折率よりも小さいか又は同等となるように成長する工程を含む。
【００５５】
第５の窒化物半導体素子の製造方法によると、本発明の第２の窒化物半導体素子を確実に形成できる。
【００５６】
本発明に係る第４の窒化物半導体の製造方法は、前記第３の目的を達成し、基板上に、Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の凸部を形成する工程と、互いに隣接する凸部同士に挟まれてなる凹部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上に、マスク膜から露出する各凸部の頂面であるＣ面を種結晶として、Ａｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）からなる複数の第２の窒化物半導体層を成長する工程とを備え、複数の第２の窒化物半導体層を形成する工程は、各第２の窒化物半導体層を、各第２の窒化物半導体層が複数の凸部のうちの所定数の凸部を跨ぐごとに該凸部が延びる方向と平行な側端面が露出するように形成する工程を含む。
【００５７】
第４の窒化物半導体の製造方法によると、第２の窒化物半導体層のそれぞれを、第１の窒化物半導体層の上部に設けられた複数の凸部のうちの所定数の凸部を跨ぐごとに該凸部が延びる方向と平行な側端面が露出するように形成するため、該側端面を共振器端面とすれば、該共振器端面がへき開面やエッチング面に影響されなくなるので、共振器端面のミラー損失を低減できる。
【００５８】
本発明に係る第５の窒化物半導体の製造方法は、前記第３の目的を達成し、基板上に、Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の凸部を形成する工程と、互いに隣接する凸部同士に挟まれてなる凹部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上に、各凸部におけるマスク膜から露出する領域を種結晶として、Ａｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。）からなる複数の第２の窒化物半導体層を成長する工程とを備え、複数の第２の窒化物半導体層を形成する工程は、各第２の窒化物半導体層を、各第２の窒化物半導体層が複数の凸部のうちの所定数の凸部を跨ぐごとに該凸部が延びる方向と平行な側端面が露出するように形成する工程を含む。
【００５９】
第５の窒化物半導体の製造方法によると、第２の窒化物半導体層のそれぞれを、第１の窒化物半導体層の上部に設けられた複数の凸部のうちの所定数の凸部を跨ぐごとに該凸部が延びる方向と平行な側端面が露出するように形成するため、該側端面を共振器端面とすれば、該共振器端面がへき開面やエッチング面に影響されなくなるので、共振器端面のミラー損失を低減できる。
【００６０】
本発明に係る第６の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第３の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上面における各溝部同士の間にマスク膜から露出するＣ面を種結晶として、基板側から、それぞれが、第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第３の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第４の窒化物半導体層とを含むように複数の積層体を成長する工程と、各積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部をそれぞれ形成する工程とを備え、複数の積層体を成長する工程は、各積層体を、該積層体が第１の窒化物半導体層のＣ面を所定数だけ跨ぐごとに電流狭窄部からなる共振器端面が露出するように形成する工程を含む。
【００６１】
第６の窒化物半導体素子の製造方法によると、それぞれ活性層を含む各積層体は、本発明の第４の窒化物半導体の製造方法により形成されるため、共振器端面がへき開面やエッチング面に影響されなくなるので、共振器端面のミラー損失を低減できる。
【００６２】
本発明に係る第７の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第３の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上における各溝部同士の間にマスク膜から露出する領域を種結晶として、基板側から、それぞれが、第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第３の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第４の窒化物半導体層とを含むように複数の積層体を成長する工程と、各積層体の上に、活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄部をそれぞれ形成する工程とを備え、複数の積層体を成長する工程は、各積層体を、該積層体が第１の窒化物半導体層の隣接する溝部同士の間の領域を所定数だけ跨ぐごとに電流狭窄部からなる共振器端面が露出するように形成する工程を含む。
【００６３】
第７の窒化物半導体素子の製造方法によると、それぞれ活性層を含む各積層体は、本発明の第５の窒化物半導体の製造方法により形成されるため、共振器端面がへき開面やエッチング面に影響されなくなるので、共振器端面のミラー損失を低減できる。
【００６４】
本発明に係る第３の窒化物半導体素子は、前記第３及び第４の目的を達成し、基板上に形成され、上部に互いに間隔をおいて基板面方向に延びる複数の凸部を有する第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上で且つ各凸部同士の側面の間に空隙部を持つように形成された第２の窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層の上に形成され、キャリアが狭窄されて注入されるストライプ状の共振器を含む第３の窒化物半導体層とを備え、共振器は生成光の共振方向が凸部が延びる方向とほぼ直交するように設けられている。
【００６５】
第３の窒化物半導体素子によると、生成光の共振方向が凸部が延びる方向とほぼ直交するように共振器を設けているため、例えば、凸部が延びる方向をＭ軸方向とし、共振器の共振方向をＡ軸方向とすると共振器端面はＡ面となる。従って、基板にサファイアを用いた場合には、基板のへき開面がＭ面となり、へき開が容易となって、へき開時の歩留まりが向上する。また、この場合の共振器は、種結晶となる複数の凸部と交差するが、第１の窒化物半導体層は各凸部同士の側面の間に空隙部を持つため、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＣ軸のチルトが抑制されるので、導波損失も低減する。
【００６６】
本発明に係る第４の窒化物半導体素子は、基板上に形成され、上部に互いに間隔をおいて基板面方向に延びる複数の凸部を有する第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上で且つ各凸部同士の側面の間に空隙部を持つように形成された第２の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の上に形成され、活性層を含む第３の窒化物半導体層とを備え、第１の窒化物半導体層の凸部の頂面はＣ面であり、第１の窒化物半導体層のＣ軸と第２の窒化物半導体層のＣ軸とがなす角度（チルト角）は、約０．０５度以下である。
【００６７】
第４の窒化物半導体素子によると、第２の窒化物半導体層が空隙部を形成しながら成長するラテラル成長により成長した際に、チルト角が０．０５度以下であるため、活性層を含む第３の半導体層に導波路を設ける場合であっても、該導波路が基板面に対して垂直な方向にうねるジグザグ形状となることが防止されるので、導波路における導波損失を低減することができる。
【００６８】
本発明に係る第８の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第第３及び４の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、互いに間隔をおいて基板面方向の一の方向に延びる複数の第１の溝部を形成する工程と、第１の溝部の底面を覆う第１のマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上面における各第１の溝部同士の間に第１のマスク膜から露出するＣ面を種結晶として、第２の窒化物半導体層を成長する工程と、第２の窒化物半導体層の上部に、互いに間隔をおいて一の方向に延び且つ互いに隣接する溝部同士の間の領域の位置が第１の溝部同士の間の領域の位置と基板面方向に異なる複数の第２の溝部を形成する工程と、第２の溝部の底面を覆う第２のマスク膜を形成する工程と、第２の窒化物半導体層の上面における各第２の溝部同士の間に第２のマスク膜から露出するＣ面を種結晶として、活性層を含む第３の窒化物半導体層を形成する工程と、第３の窒化物半導体層の上に、生成光の共振方向が一の方向とほぼ直交するように電流狭窄部を形成する工程とを備えている。
【００６９】
第８の窒化物半導体素子の製造方法によると、本発明の第３の窒化物半導体素子を確実に得ることができる。
【００７０】
本発明に係る第９の窒化物半導体素子の製造方法は、前記第第３及び４の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、互いに間隔をおいて基板面方向の一の方向に延びる複数の第１の溝部を形成する工程と、第１の溝部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆う第１のマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上における各第１の溝部同士の間に第１のマスク膜から露出する領域を種結晶として、第２の窒化物半導体層を成長する工程と、第２の窒化物半導体層の上部に、互いに間隔をおいて一の方向に延び且つ互いに隣接する溝部同士の間の領域の位置が第１の溝部同士の間の領域の位置と基板面方向に異なる複数の第２の溝部を形成する工程と、第２の溝部の底面とその壁面の少なくとも一部とを覆う第２のマスク膜を形成する工程と、第２の窒化物半導体層の上における各第２の溝部同士の間に第２のマスク膜から露出する領域を種結晶として、活性層を含む第３の窒化物半導体層を形成する工程と、第３の窒化物半導体層の上に、生成光の共振方向が一の方向とほぼ直交するように電流狭窄部を形成する工程とを備えている。
【００７１】
第９の窒化物半導体素子の製造方法によると、本発明の第３の窒化物半導体素子を確実に得ることができる。
【００７２】
本発明に係る半導体発光素子は、前記第５の目的を達成し、基板上に形成され、上部に間隔をおいて基板面方向に延びる複数の第１の凸部を有する第１の半導体層と、第１の半導体層の上に第１の凸部と接するように形成され、上部に第１の凸部が延びる方向と同一で且つ第１の凸部同士の間隔と異なる間隔をおいて延びる複数の第２の凸部を有し、活性層を含む積層体からなる第２の半導体層とを備え、複数の第２の凸部のうちの１つの頂面から、活性層に対してキャリアが注入される。
【００７３】
一般に、ＥＬＯＧ法により得られる第２の半導体層は、第１の凸部の上側の領域に貫通転位が多く存在するため、その領域を避けて電流注入領域を設ける必要がある。本発明の半導体発光素子によると、第１の凸部の形成周期と第２の凸部の形成周期との間に差が設けられているため、基板上には、これらのいずれの形成周期よりも大きい周期で第１の凸部と第２の凸部とが一致する領域が現われる。この大きい周期を用いれば、位置合わせ用の目印を容易に且つ確実に付けることができるので、製造プロセスの歩留まり及びスループットが向上する。
【００７４】
本発明に係る第１の半導体発光素子の製造方法は、前記第５の目的を達成し、基板上に、第１の半導体層を形成し、形成した第１の半導体層の上部に、基板面方向に間隔をおいて延びる複数の第１の凸部を形成する工程と、第１の半導体層の上に、その下面が第１の凸部と接すると共に、活性層を含む積層体からなる第２の半導体層を形成し、形成した第２の半導体層の上部に第１の凸部が延びる方向と同一で且つ第１の凸部同士と異なる間隔をおいて延びる複数の第２の凸部を形成する工程と、複数の第２の凸部のうち、活性層にキャリアを注入する凸部を選別するためのマスクの位置合わせ用の目印を基板に形成する工程と、目印によりマスクの位置合わせを行なった後、マスクを用いて複数の第２の凸部のうちの１つをキャリア注入部とする工程とを備えている。
【００７５】
第１の半導体発光素子の製造方法によると、本発明の半導体発光素子を確実に得ることできる。
【００７６】
本発明に係る第２の半導体発光素子の製造方法は、前記第５の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面を覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上面における各溝部同士の間にマスク膜から露出するＣ面を種結晶として、基板側から、第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第３の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第４の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上部に、溝部が延びる方向と同一で且つ溝部同士の間の間隔と異なる間隔をおいて延びる複数の凸部を形成する工程と、複数の凸部のうち、溝部の上方で且つ溝部同士の間の領域の近傍に位置する凸部を選択して、活性層にキャリアを注入するキャリア注入部を形成する工程とを備えている。
【００７７】
第２の半導体発光素子の製造方法によると、本発明の半導体発光素子を確実に得ることできる。
【００７８】
本発明に係る第３の半導体発光素子の製造方法は、前記第５の目的を達成し、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上部に、基板面方向に互いに間隔をおいて延びる複数の溝部を形成する工程と、溝部の底面とその壁面の少なくとも１部とを覆うマスク膜を形成する工程と、第１の窒化物半導体層の上における各溝部同士の間にマスク膜から露出する領域を種結晶として、基板側から、第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層よりもエネルギーギャップが小さい第３の窒化物半導体層からなる活性層と、該活性層よりもエネルギーギャップが大きい第４の窒化物半導体層とを含むように積層体を成長する工程と、積層体の上部に、溝部が延びる方向と同一で且つ溝部同士の間の間隔と異なる間隔をおいて延びる複数の凸部を形成する工程と、複数の凸部のうち、溝部の上方で且つ溝部同士の間の領域の近傍に位置する凸部を選択し選択した凸部に、活性層にキャリアを注入するキャリア注入部を形成する工程とを備えている。
【００７９】
第３の半導体発光素子の製造方法によると、本発明の半導体発光素子を確実に得ることできる。
【００８０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８１】
図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００８２】
図１に示すように、サファイア（結晶性Ａｌ２Ｏ３）からなる基板１１上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる低温バッファ層（図示せず）を介して、ＥＬＯＧ用のＧａＮからなるシード層１２が形成されている。
【００８３】
シード層１２の上部には、基板面方向に互いに間隔をおいて延びるストライプ状の凸部１２ａが形成され、凸部１２ａ同士に挟まれてなる各凹部（溝部）１２ｂの底面及び壁面上には窒化シリコン（ＳｉＮｘ  ）からなるマスク膜１３がそれぞれ形成されている。
【００８４】
シード層１２の上には、各凸部１２ａと接するようにＧａＮからなる選択成長層１４がその下面と溝部１２ｂの底面との間に空隙部１２ｃが設けられるように形成されている。
【００８５】
ここで、シード層１２及び選択成長層１４のＩＩＩ  族元素には、ガリウムに限らず、アルミニウム又はインジウムを含んでいてもよい。すなわち、シード層１２及び選択成長層１４は、Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）を満たせばよい。
【００８６】
選択成長層１４上には、レーザ素子を構成するダブルへテロ接合を含む複数の窒化物半導体層からなる積層体３０が形成されている。
【００８７】
すなわち、積層体３０は、選択成長層１４の上に順次形成され、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１５、ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１６、ｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１７、厚さが約３ｎｍのＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎからなる井戸層と厚さが約６ｎｍのＧａＮからなるバリア層により構成された多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１８、ｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１９、ｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層２０、及びｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１を有している。
【００８８】
知られているように、ダブルへテロ接合型のレーザ構造は、ＭＱＷ活性層１８におけるインジウムを含む井戸層のエネルギーギャップが、アルミニウムを含むｎ型及びｐ型クラッド層１６、２０のエネルギーギャップよりも小さい。一方、光の屈折率は、ＭＱＷ活性層１８の井戸層が最も大きく、以下、光ガイド層１７、１９、クラッド層１６、２０の順に小さくなる。
【００８９】
ｐ型クラッド層２０の上部及びｐ型コンタクト層２１は、幅が３μｍ〜５μｍ程度の電流注入領域で、電流狭窄部となるリッジ部３１が形成されている。
【００９０】
ＭＱＷ活性層１８を含む積層体３０は、ｎ型コンタクト層１５の一部を露出するようにエッチングされており、エッチングされた積層体３０の上面及び側面は酸化シリコンからなる絶縁膜２２により覆われている。
【００９１】
絶縁膜２２におけるｐ型コンタクト層２１の上側には凸部１２ａと平行な開口部が設けられ、絶縁膜２２上のリッジ部３１の上側及び側方の領域には、開口部を通してｐ型コンタクト層２１とオーミック接触するニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなるｐ側電極２３が形成されている。
【００９２】
ｎ型コンタクト層１５の絶縁膜２２からの露出部分の上にはｎ型コンタクト層１５とオーミック接触するチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との積層体からなるｎ側電極２４が形成されている。
【００９３】
ここで、リッジ部３１は空隙部１２ｃの上方に位置する、結晶転位が少ない低転位密度領域に形成されている。
【００９４】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００９５】
図２（ａ）、図２（ｂ）〜図４は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００９６】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、ＭＯＶＰＥ法を用いて、基板温度を約５００℃〜５３０℃に設定した後、Ｃ面（＝（０００１）面）を主面とする基板１１上に、ＩＩＩ  族源のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、窒素源のアンモニア（ＮＨ３  ）とを供給して、ＧａＮからなる低温バッファ層（図示せず）を堆積する。続いて、基板温度を約１０２０℃〜１０３０℃にまで昇温した後、ＴＭＧとＮＨ３  とを基板１１上に供給することにより、ＧａＮからなるシード層１２を成長する。
【００９７】
次に、図２（ｂ）に示すように、シード層１２の上面にレジスト膜を塗布した後、塗布したレジスト膜をフォトリソグラフィ法によりストライプ状にパターニングを行なって、レジストパターン４０を形成する。続いて、レジストパターン４０をマスクとして、シード層１２に対してドライエッチングを行なうことにより、シード層１２の上部に、断面幅が約３μｍの凸部１２ａと断面幅が約１２μｍの溝部（リセス部）１２ｂとを１周期とする周期構造体を形成する。
【００９８】
次に、図３（ａ）に示すように、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ法を用いて、シード層１２における溝部１２ｂの底面及び壁面とレジストパターン４０上に、窒化シリコンからなるマスク膜１３を堆積する。ここで、シリコンの原料には、固体シリコンを用い、反応性ガスには窒素を用い、プラズマガスにはアルゴンを用いている。このように、マスク膜１３の堆積にＥＣＲスパッタ法を用いることにより、低温で良質のマスク膜１３を得ることができる。
【００９９】
次に、図３（ｂ）に示すように、レジスタパターン４０に対してリフトオフを行なって、レジストパターン４０及び該レジストパターン４０上のマスク膜１３を除去する。なお、マスク膜１３は、溝部１２ｂの壁面の全面を覆っていてもよく、壁面の一部を覆っていてもよい。
【０１００】
次に、図４に示すように、再度ＭＯＶＰＥ法を用いて、シード層１２の上に、マスク膜１３から露出する凸部１２ａの頂面に現われるＣ面を種結晶として、ＧａＮからなる選択成長層１４を成長する。このとき、選択成長層１４は、各凸部１２ａの頂面から上方に成長すると共に、基板面に平行な方向にも成長（ラテラル成長）して、各溝部１２ｂの両側から成長してきた結晶体同士の互いに対向する側面が溝部１２ｂのほぼ中央部で接合して接合部１４ａを形成する。これにより、複数の凸部１２ａの頂面から成長する各結晶体は一体化され、且つ、その上面はＣ面となる。続いて、一体化された選択成長層１４の上に、ｎ型コンタクト層１５、ｎ型クラッド層１６、ｎ型光ガイド層１７、ＭＱＷ活性層１８、ｐ型光ガイド層１９、ｐ型クラッド層２０及びｐ型コンタクト層２１を順次成長して積層体３０を形成する。
【０１０１】
その後、図１に示すように、ｐ型クラッド層２０の上部及びｐ型コンタクト層２１に対して、ＭＷＱ活性層１８に選択的に電流を注入するリッジ部３１を、空隙部１２ｃの上方で且つ接合部１４ａと重ならない領域からなる低転位密度領域に形成する。
【０１０２】
続いて、積層体３０におけるリッジ部３１を含まない領域に対してドライエッチングを行なって、ｎ型コンタクト層１５を露出した後、積層体３０の露出面に絶縁膜２２を堆積する。その後、絶縁膜２２における、リッジ部３１の上側部分及びｎ型コンタクト層１５の上側部分にそれぞれ開口部を選択的に設けた後、蒸着法又はスパッタ法等により、リッジ部３１における絶縁膜２２の開口部からの露出領域及びその側方上にｐ側電極２３を形成し、ｎ型コンタクト層１５における絶縁膜２２の開口部からの露出領域上にｎ側電極２４を形成する。
【０１０３】
このようにして得られた半導体レーザ素子に対して、ｐ側電極２３とｎ側電極２４との間に順方向の所定電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１８に向かって、ｐ側電極２３から正孔が注入されると共にｎ側電極２４から電子が注入され、ＭＱＷ活性層１８において光学利得を生じて、発振波長が約４０４ｎｍのレーザ発振を起こす。
【０１０４】
図５に示すように、選択成長層１４における種結晶の上側の領域、すなわち、凸部１２ａの上側の領域は、転位密度が約１ｘ１０９  ｃｍ−２と高転位密度領域１４ｂが形成される。一方、ラテラル成長した領域は転位密度が１ｘ１０７  ｃｍ−２程度の低転位密度領域１４ｃとなる。従って、積層体３０における低転位密度領域１４ｃの上方に、リッジ部３１、すなわちレーザ光の共振器となる電流注入領域を形成することにより、レーザ素子の信頼性を向上することができる。
【０１０５】
本実施形態の特徴であるシード層１２の溝部１２ｂの効果について図６（ａ）〜図６（ｄ）を参照しながら説明する。
【０１０６】
図６（ａ）に示すように、シード層１２の上部にストライプ状の溝部１２ｂを形成し、続いて、溝部の少なくとも底面上にマスク膜１３を形成する。
【０１０７】
次に、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、溝部１２ｂ同士に挟まれてなる凸部１２ａの頂面を種結晶として選択成長層１４を成長させると、マスク膜１３の上にＧａＮからなる多結晶体４１が析出する場合がある。
【０１０８】
次に、図６（ｄ）に示すように、多結晶体４１が析出したままＥＬＯ成長を続けて、選択成長層１４が一体化されたとしても、種結晶である凸部１２ａの頂面と、多結晶体４１が析出した溝部１２ｂの底面との間には段差部が形成されているため、多結晶体４１は選択成長層１４及び積層体３０の結晶性に何ら影響を及ぼすことがない。その結果、積層体３０の結晶性のばらつきを大きく低減でき、半導体レーザ素子の製造の歩留まりを大きく向上することができる。
【０１０９】
ところで、図１に示した選択成長層１４及び積層体３０を基板面に垂直な方向に貫く接合部１４ａは、刃状転位が集中して小傾角粒界を形成している。従って、ｎ側電極２４から注入された電子は複数の接合部１４ａを横切ってＭＱＷ活性層１８に到達することになるが、接合部１４ａに集中した転位が電子の注入を妨げることはない。
【０１１０】
また、半導体レーザ素子をチップ状に形成する際には、共振器のミラー面となる共振器端面を形成する必要がある。一般に、半導体レーザ素子の共振器端面は基板１１をへき開することによって形成するが、へき開時には基板１１に傷やクラックが生じることがある。
【０１１１】
図３９に示した第２の従来例に係る製造方法は、基板４０１と最下層の半導体層４０４とが接触しているために、基板４０１に生じた傷はＭＱＷ活性層３０６を含む積層体にまで達し、レーザ素子の動作及び光学特性を大きく損ねるといった不具合を生じる。
【０１１２】
一方、本実施形態においては、基板１１と積層体３０との間に空隙部１２ｃを設けているため、基板１１に生じた傷を空隙部１２ｃでとどめることができる。このため、基板１１に生じた傷によって積層体３０が不具合を被る虞を著しく低減できる。
【０１１３】
また、図３７に示した第１の従来例に係る製造方法は、サファイアや炭化ケイ素からなる基板３０１上に窒化物半導体層を成長させると、結晶の転位密度が約１０９  ｃｍ−２と多くなる。このような高転位密度を有する半導体結晶は、ステップフロー成長する際に、高密度の転位、特にらせん転位によって結晶表面のステップが終端され、結晶表面にマイクロファセットが形成される。このため、結晶表面の凹凸が大きくなって平坦性が悪い結晶となってしまう。その結果、インジウムを含むＭＱＷ活性層３０６を成長する際に、原料のインジウムが成長中の結晶内に取り込まれる量にばらつきが生じてしまい、レーザ素子のしきい値電流が増大する等の悪影響が生じる。
【０１１４】
本実施形態に係る製造方法によると、図５に示した、ラテラル成長領域、すなわち低転位密度領域１４ｃにおいて、一様なステップフロー成長を観察しており、結晶表面の平坦性が良好である。その結果、ＭＱＷ活性層１８を成長する際にも、インジウムの局所的な偏析が生じないので、しきい値電流の低減を図ることができる。
【０１１５】
なお、本実施形態においては、窒化物半導体の成長方法にＭＯＶＰＥ法を用いたが、これに限定されない。ＭＯＶＰＥ法に代えて、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法又は分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法等の、窒化物半導体を成長可能な方法であればよい。後述の各実施形態においても同様である。
【０１１６】
また、基板１１にサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素、ネオジムガレート（ＮＧＯ）又は窒化ガリウム等を用いてもよい。
【０１１７】
また、シード層１２は、基板１１との間に低温バッファ層を介した２段階成長によって形成したが、シード層１２に単結晶を得られる方法であれば、低温バッファ層は必ずしも必要ではない。
【０１１８】
また、シード層１２の上部の凸部１２ａの形成にリフトオフ法を用いたが、凸部１２ａ及び溝部１２ｂが形成でき、該溝部１２ｂの少なくとも底面にマスク膜１３が残る方法であれば、他の方法を用いてもよい。すなわち、凸部１２ａにおけるマスク１３により覆われていない領域のうちのＣ面を種結晶として、空隙部１２ｃが形成される方法であれば良い。さらには、凸部１２ａをシード層１２の上部を掘り込むリセスエッチによって形成する代わりに、シード層１２の平坦な上面に、ストライプ状の開口パターンを持つ選択成長用のマスク膜を形成し、そのマスク膜の開口パターンから突出して成長した凸部を用いてもよい。
【０１１９】
また、マスク膜１３は、空隙部１２ｃが形成されればよく、溝部１２ｂの底面上にのみ形成してもよい。
【０１２０】
また、マスク膜１３の材料に窒化シリコンを用いたが、窒化シリコンに代えて、他の誘電体膜又は非晶質の絶縁膜を用いてもよい。具体的には、酸化シリコン（ＳｉＯ２  ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２  ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２  ）又は酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ３）を用いてもよい。これらの膜はＥＣＲスパッタ法を用いることにより、比較的容易に形成することができる。
【０１２１】
（第１の実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第１の実施形態の第１変形例として、マスク膜に高融点金属又は高融点金属化物を用いる例を説明する。
【０１２２】
選択成長用のマスク膜１３に、高融点金属であるタングステン（Ｗ）を用いると、マスク膜１３に誘電体を用いる場合と比べて結晶成長の選択性が向上し、マスク膜１３上の多結晶体４１の析出がより抑えられる。これにより、多結晶体４１の影響を受けない高品質な積層体３０を極めて容易に形成することができる。
【０１２３】
これは金属からなるマスク膜１３の方が誘電体からなるマスク膜１３と比べて、窒化物半導体結晶との結合力が弱いことに起因する。
【０１２４】
また、高融点金属であるタングステンは、その融点が３３８０℃と、金属で最も融点が高く且つ蒸気圧も低くて特性が安定しているため、酸化シリコン等の誘電体を用いた場合のシリコンや酸素等の不純物が選択成長層１４へ混入する虞がない。このため、タングステンからなるマスク膜１３を用いて成長した選択成長層１４には深い準位や非発光中心が形成されない。
【０１２５】
図７は誘電体からなるマスク膜１３を用いた選択成長層１４と、高融点金属からなるマスク膜１３を用いた選択成長層１４との室温でのフォトルミネッセンスを比較した結果を示している。
【０１２６】
図７に示すように、第１変形例に係る選択成長層１４は波長が４３０ｎｍ付近の深い準位からの発光もなく、極めて強いバンド端発光を得られている。これにより、第１の実施形態に係る選択成長層１４と比べて、より高品質な結晶体を得られることが分かる。従って、このような高品位な選択成長層１４の上に積層体３０を成長すれば、より発光効率が高いＭＱＷ活性層１８を形成することができる。
【０１２７】
なお、第１変形例に係るマスク膜１３にタングステンを用いたが、代わりに、他の高融点金属又は高融点金属化物を用いてもよい。例えば、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ  ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ  ）又はニオブシリサイド（ＮｂＳｉｘ  ）を用いてもよい。これらの膜は、電子ビーム蒸着法又はスパッタ法を用いることにより、比較的容易に得ることができる。
【０１２８】
（第１の実施形態の第２変形例）
図８は本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面構成を示している。図８において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１２９】
図８に示すように、第２変形例に係る半導体レーザ素子は、シード層１２の上に、選択成長層及びｎ型コンタクト層を設けることなく、ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１６を設けている。
【０１３０】
第１の実施形態において説明したように、シード層１２の上部に種結晶となる領域を除いて溝部１２ｂを形成しているため、マスク膜１３の上側には空隙部１２ｃが形成される。これにより、マスク膜１３上に多結晶体が析出したとしても、該多結晶体がシード層１２の上に選択成長する半導体層に取り込まれなくなる。その結果、選択成長する半導体層の結晶性が良好となり、レーザ構造の積層体３０の一部であるｎ型クラッド層１６をシード層１２の上に直接に形成できる。この場合には、ｎ側電極２４は露出したｎ型クラッド層１６の露出部分上に設けることになる。
【０１３１】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１３２】
図９は本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子のＭ面を共振器端面とする断面構成を示している。図９において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１３３】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、例えば、サファイアからなる基板１１Ａの上部に、選択成長用のストライプ状の凸部１１ａが共振器端面のＭ面に垂直な方向、すなわち基板１１ＡのＡ軸（＝＜１１−２０＞）方向に設けられている。
【０１３４】
ここで、ｎ型コンタクト層１５は、基板１１Ａの各凸部１１ａのＣ面上に生成された単結晶核を種結晶として直接に形成されていることを特徴とする。
【０１３５】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【０１３６】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）〜図１２は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の工程順の断面構成を示している。
【０１３７】
まず、図１０（ａ）に示すように、Ｃ面を主面とする基板１１Ａ上にレジスト膜を塗布した後、塗布したレジスト膜をフォトリソグラフィ法によりストライプ状にパターニングを行なって、基板１１ＡのＡ軸方向に延びるストライプ状パターンでその周期が約１０μｍ〜３０μｍとなるレジストパターン４０を形成する。続いて、レジストパターン４０をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより基板１１Ａの上部に、断面幅が約９μｍ〜２７μｍで深さが約２０ｎｍ〜５００ｎｍの溝部１１ｂを形成する。ここでは、溝部１１ｂ同士の間の領域からなる凸部１１ａの断面幅を約１μｍ〜３μｍとしている。
【０１３８】
次に、図１０（ｂ）に示すように、レジストパターン４０を除去して、上部にＡ軸方向に延びるストライプ状の凸部１１ａを有する基板１１Ａを得る。
【０１３９】
次に、図１１に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、基板温度を約１０００℃に昇温した後、例えば、圧力が約１００Ｔｏｒｒ（１Ｔｏｒｒ＝１３３．３２２Ｐａ）の水素と窒素との混合雰囲気として、基板１１Ａの上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３  ）及びシラン（ＳｉＨ４  ）を供給して、基板１１Ａの上に、凸部１１ａの頂面に現われたＣ面上に生成する単結晶核を種結晶として、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１５を成長する。このとき、ｎ型コンタクト層１５は、各凸部１１ａの頂面から上方に成長すると共に、基板面に平行な方向にも成長して、隣接する溝部１１ｂの両側から成長してきた結晶体同士の互いに対向する側面が溝部１１ｂのほぼ中央部で接合して接合部１５ａを形成する。これにより、複数の凸部１１ａの頂面から成長する各結晶体は一体化されて、上面がＣ面からなるｎ型コンタクト層１５が形成される。また、このとき、各溝部１１ｂの底面及び壁面とｎ型コンタクト層１５の下面とにより囲まれてなる複数の空隙部１１ｃが形成される。
【０１４０】
ここで、サファイアからなる基板１１Ａによる選択成長の成長機構を説明する。
【０１４１】
通常、窒化物半導体を成長する際に、該窒化物半導体と格子定数が異なる基板を用いる場合には、基板上に窒化物半導体からなる低温バッファ層を介さずにＧａＮ結晶を直接に成長させると、ＧａＮからなる単結晶核同士が合体してなる３次元的な膜しか得られない。
【０１４２】
一方、本実施形態においては、基板１１Ａの溝部１１ｂの形成にドライエッチングを施しているため、溝部１１ｂの底面及び壁面上にはドライエッチングによるダメージ層が形成される。このため、溝部１１ｂの底面及び壁面上では単結晶核の生成が阻害される。また、ドライエッチングが施されていない凸部１１ａの頂面は、その断面幅が約１μｍ〜３μｍと小さいため、高密度の単結晶核が容易に生成される。このように凸部１１ａの頂面上に生成された単結晶核が選択成長の種結晶となり、前述の成長条件で基板面方向への選択成長が促進される。
【０１４３】
図１１において、接合部１５ａ以外の選択成長領域では貫通転位が約１ｘ１０６  ｃｍ−２の密度で観測されるのに対して、接合部１５ａではＣ面内に水平な転位が約４ｘ１０７  ｃｍ−２の密度で観測される。ｎ型コンタクト層１５の厚さは、溝部１１ｂの幅等にも依存するが、約２μｍ〜６μｍとしている。また、ｎ型コンタクト層１５における凸部１１ａの上側部分のＣ軸と空隙部１１ｃ上の領域のＣ軸とのチルト角は０．０１度〜０．０３度に抑えられている。
【０１４４】
このように、本実施形態に係るＥＬＯ成長法が従来のＥＬＯ成長と比較してチルト角が極めて小さくなるのは、ＥＬＯ成長した結晶層であるｎ型コンタクト層１５が基板１１Ａと接触しておらず、マスク膜１３との界面で従来のようなストレスが発生しないからである。
【０１４５】
なお、このとき、接合部１５ａの下部に、空隙部１１ｃ側に開口する逆Ｖ字状のボイドが現われる。
【０１４６】
さらに、本実施形態においては、ｎ型コンタクト層１５の選択成長を行なう際に、溝部１１ｂの底面上に多結晶体が析出したとしても、基板１１Ａの上部に設けた凸部１１ａと溝部１１ｂとの間に生じる段差によって多結晶体がｎ型コンタクト層１５と接触しないため、積層体３０の結晶の品質に悪影響を及ぼすことはない。その結果、積層体３０から形成されるレーザ素子の動作特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上させることができる。
【０１４７】
次に、図１２に示すように、ｎ型コンタクト層１５の上に積層体３０の残りの半導体層を形成する。
【０１４８】
すなわち、例えば、基板温度を約９７０℃に設定した後、圧力が約３００Ｔｏｒｒの水素と窒素との混合雰囲気として、ｎ型コンタクト層１５の上に、ｎ型クラッド層１６、ｎ型光ガイド層１７、ＭＱＷ活性層１８、ｐ型光ガイド層１９、ｐ型クラッド層２０及びｐ型コンタクト層２１を順次成長する。ここでは、ＭＱＷ活性層１８を、厚さが約４ｎｍのＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層と厚さが約６ｎｍのＧａＮからなるバリア層により構成している。
【０１４９】
続いて、図９に示すように、ｐ型クラッド層２０の上部及びｐ型コンタクト層２１に対して、積層体３０のＭ軸（＝＜１−１００＞）方向、すなわち、基板１１Ａの溝部１１ｂと平行な方向に、ＭＷＱ活性層１８に選択的に電流を注入するリッジ部３１を、空隙部１１ｃの上方で且つ接合部１５ａと重ならない領域、すなわち、低転位密度領域に形成する。ここで、リッジ部３１の幅は約２μｍ〜５μｍとしている。
【０１５０】
なお、ＧａＮ系結晶は可視光にとって透明であるため、光学顕微鏡により凸部１１ａと空隙部１１ｃとを識別することが容易である。このため、フォトリソグラフィ法を用いたリッジ部３１の位置決めを行なう際に、専用のアライメントパターンを用いる必要がない。
【０１５１】
次に、積層体３０のリッジ部３１を含まない領域をマスクして、ｎ型コンタクト層１５を露出した後、積層体３０の露出面に絶縁膜２２を堆積する。続いて、絶縁膜２２上にリッジ部３１を跨ぐと共にｐ型コンタクト層２１の絶縁膜２２からの露出領域上にｐ側電極２３を形成する。また、ｎ型コンタクト層１５における絶縁膜２２からの露出領域上にｎ側電極２４を形成する。
【０１５２】
次に、積層体３０のＭ面で、すなわち基板１１ＡをそのＡ面でへき開することにより共振器端面を形成する。前述したように、サファイアのＡ面はへき開が困難な結晶面であるが、基板１１Ａに空隙部１１ｃを設けたことにより、へき開が所定の位置からずれた状態でサファイア結晶が破断したとしても、この破断が積層体３０に伝播しないため、共振器端面の近傍には良好なへき開面を容易に得ることができる。これにより、レーザ素子のへき開による歩留まりを高くすることができる。
【０１５３】
次に、へき開した共振器の両端面に適当な反射率となるように誘電体膜等によってコーティングを施し、その後、リッジ部３１に対して平行な側面でチップ状に分割して半導体レーザ素子を得る。
【０１５４】
本実施形態に係る半導体レーザ素子は、第１の実施形態で述べたように、ＥＬＯ成長した領域において一様なステップフロー成長が観察される。このような平坦な表面上にＭＱＷ活性層１８を成長すると、インジウムの局所的な偏析が起こらない。その結果、ＭＱＷ活性層１８は高品位な結晶体となるので、レーザ素子の動作電流を低減することができる。
【０１５５】
図１３は本実施形態に係る半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の共振器端面に平行な方向における遠視野像を示しており、単峰性の良好な光強度分布が得られている。一方、第１の従来例に係る半導体レーザ素子は、図４２に示したように、光強度分布が多峰性となる遠視野像を示す。
【０１５６】
本実施形態に係る半導体レーザ素子に単峰性を得られるのは、積層体３０と基板１１Ａとの間に空隙部１１ｃが設けられることにより、積層体３０と基板１１Ａとが光学的に互いに分離されているためである。
【０１５７】
具体的に説明すると、図９に示すように、ｎ型クラッド層１６の下側には、該ｎ型クラッド層１６よりも光の屈折率が大きいｎ型コンタクト層１５が形成されているため、ＭＱＷ活性層１８で生成された生成光が基板１１Ａ側に漏れやすい。しかしながら、本実施形態においては、ｎ型コンタクト層１５の下側に、屈折率が極めて低い空隙部１１ｃを設けているため、ｎ型クラッド層１６と基板１１Ａとの間に寄生的な導波路が形成されず、従って、生成光の漏れによるＭＱＷ活性層１８の光の閉じ込め係数値が低下しないからである。
【０１５８】
なお、この寄生的な導波路の生成を阻止する効果は、空隙部１１ｃの基板面に垂直な方向の間隔、すなわち溝部１１ｂの深さに依存する。計算機シミュレーションによると、溝部１１ｂの深さ寸法が少なくとも５０ｎｍ程度あれば、基板１１Ａ側への光の漏れが実質的になくなることを確認している。
【０１５９】
また、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１５にアルミニウムを２％以上添加すると、基板１１Ａ側への光の漏れをより効果的に抑制できることをも確認している。
【０１６０】
また、本実施形態においては、基板１１Ａの凸部１１ａの頂面に生成される単結晶核として窒化ガリウムを用いたが、他の窒化ガリウム系の混晶、すなわち、Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）であればよい。混晶の場合は、該混晶の組成に応じてＥＬＯ成長に最適な成長条件を選ぶことができる。
【０１６１】
また、基板１１Ａにサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素や窒化ガリウム等を用いてもよい。但し、炭化ケイ素を基板１１Ａに用いると、積層体３０に引っ張り歪みが加わり、クラックが発生しやすくなるため、溝部１１ｂの断面幅をできるだけ小さくすることにより、ｎ型コンタクト層１５が一体化されたときの膜厚が２μｍ未満となるようにすることが望ましい。また、基板１１Ａに炭化ケイ素や窒化ガリウムを用いた場合は、へき開はＭ面及びＡ面のいずれの面でも容易となるが、溝部１１ｂのストライプ方向と直交する面でへき開する方が歩留まりを高くできる。
【０１６２】
また、基板１１Ａに溝部１１ｂを形成する際に、ＲＩＥ法によるドライエッチングを用いたが、溝部１１ｂの底面及び壁面にダメージ層を形成し、窒化ガリウム系半導体に選択成長性を付与できる方法であれば、他のドライエッチング方法、例えば、イオンミリング法を用いてもよい。
【０１６３】
また、溝部１１ｂのダメージ層をＥＬＯ成長のためのマスク層としたが、析出した多結晶体がダメージ層に付着するような場合、特に、基板１１Ａに窒化ガリウムを用いる場合には、選択性をより向上させるために、窒化シリコン等からなるマスク膜を溝部１１ｂの少なくとも底面上に形成することが好ましい。
【０１６４】
なお、マスク膜１３は、窒化シリコンに限らず、第１の実施形態に示した誘電体、非晶質の絶縁体でも良く、さらには、その第１変形例に示した高融点金属又は高融点金属化物を用いることが好ましい。
【０１６５】
以上説明したように、本実施形態に係る発明は、レーザ素子に関するが、転位密度が低い窒化ガリウム系結晶を得る半導体の製造方法としても適用できる。さらに、第１の実施形態のように、基板１１上にシード層１２を設けないため、製造プロセスを簡略化できる。
【０１６６】
また、本実施形態に係る低転位密度領域を有する窒化物半導体層を用いることにより、発光素子に限らず、電子素子等の他の半導体素子を形成しても良い。これにより、該半導体素子の高信頼性と高歩留まりとを実現できる。
【０１６７】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１６８】
図１４は本発明の第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面構成を示している。図１４において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１６９】
第１の実施形態との構成上の相違点のみを説明する。
【０１７０】
シード層１２の各凸部１２ａの頂面から成長して一体化された選択成長層１４Ａに窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を用いる共に、ｎ型ＡｌＧａＮとｎ型ＧａＮとを含む超格子構造を持つｎ型超格子クラッド層１６Ａがｎ型コンタクト層１５を兼ねる構成を採る。これにより、ＭＱＷ活性層１８の光の閉じ込め係数値を大きくしている。
【０１７１】
図１５は本実施形態に係る半導体レーザ素子のリッジ部における基板と垂直な方向の屈折率分布と、共振器端面の光強度分布との関係を示している。また、図１６は本実施形態に係る半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の共振器端面に平行な方向における遠視野像を示している。
【０１７２】
第３の実施形態においては、シード層１２の溝部１２ｂの深さを約５０ｎｍとし、ｎ型超格子クラッド層１６Ａの平均組成をＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎとしている。また、ｎ型光ガイド層１７から上の積層体の構成は、図３７に示した従来の半導体レーザ素子と同等の構成としている。
【０１７３】
図１５から分かるように、本実施形態に係る半導体レーザ素子は基板１１側への生成光の漏れがみられない。また、ＭＱＷ活性層１８への光の閉じ込め係数値は、図４１の場合の約１．５４倍にも達することを確認している。
【０１７４】
これは、ＭＱＷ活性層１８が、シード層１２の空隙部１２ｃによって基板１１と分離されている上に、ｎ型超格子クラッド層１６Ａとシード層１２との間に、光の屈折率がｎ型超格子クラッド層１６Ａよりも小さいか又同等の屈折率を持つｎ型ＡｌＧａＮからなる選択成長層１４Ａを設けていることによる。これにより、ｎ型超格子クラッド層１６Ａと基板１１との間に寄生的な導波路が形成されないため、ＭＱＷ活性層１８における光の閉じ込め係数値の生成光の漏れによる低下を抑制できる。
【０１７５】
なお、この寄生的な導波路の生成を阻止する効果は、空隙部１２ｃの基板面に垂直な方向の間隔、すなわち溝部１２ｂの深さ寸法に依存する。前述したように、溝部１２ｂの深さ寸法が少なくとも５０ｎｍ程度あれば、基板１１側への光の漏れを実質的になくすことができる。
【０１７６】
また、選択成長層１４Ａのアルミニウムの組成は、２％以上、望ましくは４％以上とすることにより、生成光の基板１１側への漏れを抑制できる。
【０１７７】
また、本実施形態においても、選択成長層１４Ａを成長する際に、ＡｌＧａＮからなる多結晶体がマスク膜１３上に析出したままＥＬＯ成長を続行しても、種結晶である凸部１２ａの頂面と多結晶体が析出した溝部１２ｂの底面との間には段差が生じているため、多結晶体により選択成長層１４Ａの結晶性が劣化することがない。その結果、積層体３０の結晶性のばらつきを大きく低減でき、半導体レーザ素子の製造の歩留まりが向上する。
【０１７８】
以下、積層体３０上のリッジ部３１の位置合わせ方法について説明する。
【０１７９】
積層体３０における空隙部１２ｃの上方の低転位密度領域にリッジ部３１を形成するには、フォトリソグラフィ法によりリッジ部３１の位置決めを高精度に行なう必要がある。
【０１８０】
図１７は積層体３０を形成する前の選択成長層１４の光学顕微鏡による平面写真と、それと対応する選択成長層１４の断面構成を表わしている。図１７に示すように、光学顕微鏡によって、低転位密度領域１４ｃは、高転位密度領域１４ｂ及び接合部１４ａと容易に識別できる。従って、フォトリソグラフィ法によるリッジ部３１の位置決めを行なう工程において、専用のアライメントパターン（位置合わせマーク）を用意する必要がない。
【０１８１】
また、共振器端面の形成には、基板１１及び積層体３０をへき開する必要がある。本実施形態においても、シード層１２に設けた空隙部１２ｃにより、基板１１に生じた傷が空隙部１２ｃでとどまるため、積層体３０への影響を確実に低減できる。
【０１８２】
本実施例においては、ｎ側電極２４はｎ型超格子クラッド層１６Ａと接するように形成されており、ｎ型超格子クラッド層１６Ａをｎ型コンタクト層としている。
【０１８３】
前述したように、ＭＱＷ活性層１８からの生成光が基板１１側に漏れないためには、ｎ型光ガイド層１７と空隙部１２ｃとの間にアルミニウムを含む半導体層によって構成する必要がある。ところが、ｎ側電極２４を形成するためのｎ型コンタクト層にアルミニウムの組成が大きいバルク層（単層）、例えば、ｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる単層を用いると、該単層の抵抗率が窒化ガリウムと比べて２倍程度に増えたり、さらにはコンタクト抵抗が増えたりして、レーザ素子の駆動電圧が増大してしまう。
【０１８４】
本願発明者らは種々検討を重ねた結果、例えば、ｎ型Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎとｎ型ＧａＮとからなるｎ型超格子クラッド層１６Ａの比抵抗は単層のｎ型ＧａＮ層の比抵抗とほぼ同等となるという知見を得ている。これは超格子半導体層に生成される２次元電子ガスの移動度が大きいためである。さらに、本願発明者らは、超格子を構成する単位層の膜厚を十分に小さく、例えば２ｎｍ程度とすることにより、コンタクト抵抗がｎ型ＧａＮ層と同等にできるという知見をも得ている。このときのｎ型不純物のドーピング濃度を１×１０１８ｃｍ−３程度としている。
【０１８５】
これにより、ＡｌＧａＮとＧａＮとを超格子構造とすることにより、ＡｌＧａＮの低屈折率を生かしながら、同時に低抵抗化をも実現でき、低電圧化を確実に達成できる。
【０１８６】
なお、超格子層は、アルミニウムの平均組成が２％で且つ膜厚がλ／（４ｎ）以下が好ましい。ここで、λは光の波長であり、ｎは単位層の屈折率である。
【０１８７】
さらに、本実施形態によると、図１７に示す選択成長層１４Ａの低転位密度領域１４ｃは、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ−Ｆｏｒｃｅ−Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）による測定によって、一様なステップフロー成長が確認されており、表面は良好な平坦性を有している。その結果、インジウムを含むＭＱＷ活性層１８の成長時に、インジウムの局所的な偏析が生じなくなるので、しきい値電流を低減することができる。
【０１８８】
また、基板１１にサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素、ネオジムガレート（ＮＧＯ）又は窒化ガリウム等を用いてもよい。
【０１８９】
また、シード層１２の上部の凸部１２ａの形成にリフトオフ法を用いたが、凸部１２ａ及び溝部１２ｂが形成でき、該溝部１２ｂの少なくとも底面上にマスク膜１３が残る方法であれば、他の方法を用いてもよい。
【０１９０】
また、マスク膜１３は、空隙部１２ｃが形成されればよく、溝部１２ｂの底面上にのみ形成してもよい。
【０１９１】
また、マスク膜１３には、ＥＣＲスパッタ法による窒化シリコンや酸化シリコン等の誘電体を用いても良く、さらに好ましくは、タングステン等の高融点金属やそのシリサイド化物を用いると良い。
【０１９２】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０１９３】
図１８は本発明の第４の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面構成を示している。図１８において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１９４】
第３の実施形態との構成上の相違点のみを説明する。
【０１９５】
第３の実施形態に係るＡｌＧａＮからなる選択成長層１４Ａを、図１８に示すように、シード層１２の凸部１２ａの頂面の近傍に形成されたＧａＮからなる第１の選択成長層１４Ｂと、該第１の選択成長層１４Ｂの上方及び側方を覆う、ＡｌＧａＮからなる第２の選択成長成長１４Ｃとの２層構造としている。
【０１９６】
また、ｎ型コンタクト層を兼ねるｎ型超格子クラッド層１６Ａを、ｎ型超格子コンタクト層１５Ａと単層のＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１６との２層構造としている。ここでは、ｎ型超格子コンタクト層１５Ａの構成を、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎとｎ型ＧａＮとからなる超格子構造としている。
【０１９７】
また、積層体３０の上部におけるリッジ部３１には、該リッジ部３１の上面にのみｐ側電極２３を形成し、該ｐ側電極２３及びリッジ部３１を覆うようにｐ側配線電極２５が形成されている。同様に、ｎ側電極２４上には該ｎ側電極２４を覆うｎ側配線電極２６が形成されている。
【０１９８】
以下、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の特徴を説明する。
【０１９９】
まず、シード層１２の各凸部１２ａの頂面を種結晶として成長する複数の第１の選択成長層１４Ｂを成長させる。続いて、各第１の選択成長層１４Ｂを種結晶として成長する第２の選択成長層１４Ｃ同士が接合して一体化するまでは、第１及び第２の選択成長層１４Ｂ、１４Ｃの成長圧力を２００Ｔｏｒｒ程度と比較的低く設定している。
【０２００】
これは、減圧状態とする程、第１及び第２の選択成長層１４Ｂ、１４Ｃの成長速度が、基板面に垂直のＣ軸方向と比べて、シード層１２のＡ軸方向、すなわち、溝部１２ｂを横切る方向の方が大きくなるからである。
【０２０１】
これに対して、ＭＱＷ活性層１８は成長時の圧力を３００Ｔｏｒｒ程度に高くして行なう。これは、成長圧力を高くした方が、蒸気圧が高いインジウムの蒸発を抑制でき、ＭＱＷ活性層１８の結晶品質を高くしやすいためである。従って、積層体３０を形成する際には、第１及び第２の選択成長層１４Ｂ、１４Ｃと成長圧力を変更することになる。
【０２０２】
このように、連続する窒化物半導体の成長工程において、成長圧力を変更するには、稼働中に成長圧力を変更可能な１つの結晶成長炉を用いても良く、また、それぞれの成長圧力に設定された別々の結晶成長炉を用いても良い。
【０２０３】
第４の実施形態に係る半導体レーザ素子は、第３の実施形態と同様に、図１５に示した屈折率分布及び光強度分布を示し、図１６に示した出射光の遠視野像を得ている。
【０２０４】
これは、ＭＱＷ活性層１８が、シード層１２の空隙部１２ｃによって基板１１と分離されている上に、ｎ型クラッド層１６とシード層１２との間に、光の屈折率がｎ型クラッド層１６Ａよりも小さいか又は同等の屈折率を持つｎ型超格子コンタクト層１５Ａ及び第２の選択成長層１４Ｃを設けているからである。これにより、ｎ型クラッド層１６と基板１１との間に寄生的な導波路が形成されず、ＭＱＷ活性層１８における光の閉じ込め係数値の生成光の漏れによる低下を抑制できる。
【０２０５】
なお、本実施形態の場合は、計算機シミュレーションの結果、溝部１２ｂの深さ寸法が少なくとも２０ｎｍ程度あれば、基板１１側への光の漏れを実質的になくすことができることを確認している。
【０２０６】
また、第２の選択成長層１４Ｃのアルミニウムの組成は、２％以上、望ましくは４％以上とすることにより、生成光の基板１１側への漏れを抑制できる。
【０２０７】
以上の構成により、ＭＱＷ活性層１８への光閉じ込め係数値は、図４１の場合の約１．５倍となり、レーザのしきい値電流を低減できる。
【０２０８】
次に、本発明に係る凸部１２ａの頂面を種結晶とする選択成長法と、図３８に示す、平坦なシード層をストライプ状にマスクする第２の従来例の選択成長法との成長機構の相違点を説明する。
【０２０９】
図１９（ａ）は第４の実施形態に係る選択成長機構を模式的に表わしており、図１９（ｂ）は第２の従来例に係る選択成長機構を模式的に表わしている。
【０２１０】
良く知られているように、分子等からなる反応種が所望の結晶体に成長するまでには、結晶体の表面上やマスク膜の表面上において、反応種が吸着、拡散及び蒸発等を繰り返すというプロセスを経る。例えば、ＧａＮからなる結晶表面に吸着した原子は結晶表面の上面であるテラス上を拡散する。また、表面に吸着された原子はステップと呼ばれるテラス上の段差部で結晶化する。
【０２１１】
図１９（ｂ）に示すように、従来のＥＬＯ成長の場合においても、マスク膜４０３上で同様のプロセスを経る。すなわち、マスク膜４０３上を拡散した原子は、ＧａＮからなる半導体層４０４の端部に吸着する。このとき、マスク膜４０３を構成するシリコン又は酸素が、水素やアンモニアの還元作用によって分解されて、不純物として半導体層４０４に取り込まれることにより、半導体層４０４の結晶性が劣化する。
【０２１２】
これに対して、図１９（ａ）に示すように、本実施形態においては、マスク膜１３上を拡散して、ＧａＮからなる第１の選択成長層１４Ｂに取り込まれる原子はない。それは、第１の選択成長層１４Ｂの下面に結晶が成長し得ないためである。このように、マスク膜１３上の反応種の結晶成長への寄与が従来のＥＬＯ法と異なっており、このことから、本発明の成長機構は従来のＥＬＯ法による成長機構と異なっている。
【０２１３】
本実施形態においては、第１の選択成長層１４ＢにＧａＮを用い、第２の選択成長層１４ＣにＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを用いたが、第１の選択成長層１４Ｂには、アルミニウムの組成が４％以下のＡｌｘ  Ｇａｙ  Ｉｎｚ  Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる窒化物半導体であればよい。
【０２１４】
以下、低屈折率を有する第２の選択成長層１４Ｃを成長するよりも前に、シード層１２を種結晶とする第１の選択成長層１４Ｂを形成する目的を図面に基づいて説明する。
【０２１５】
第３の実施形態で説明したように、基板面に対して垂直な方向の横モード制御及びＭＱＷ活性層１８への光の閉じ込め係数値を大きくするのであれば、選択成長層を２層構造とする必要はない。
【０２１６】
ところが、図２０（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮからなる選択成長層１４Ａにおいてアルミニウムの組成が４％を越える場合には、選択成長層１４Ａの成長方向の端面にうねり１４ｄが生じる場合がある。選択成長層１４Ａの成長条件、例えば成長圧力、成長温度、又はＩＩＩ  族源に対するＶ族源のモル比であるＶ／ＩＩＩ  比等に適当な値を設定すれば多少の改善はされるものの、量産を考えると、成長端面のうねり１４ｄの発生を極力なくすことが好ましい。
【０２１７】
本願発明者らは、シード層１２を種結晶とする選択成長層には、アルミニウムの組成を小さくした窒化物半導体層を用いることが好ましいことを見いだしている。
【０２１８】
具体的には、図２０（ａ）に示すように、まず、アルミニウムの組成が４％以下の窒化ガリウム系半導体からなる第１の選択成長層１４Ｂをシード層１２の凸部１２の近傍に成長しておき、その後、成長した第１の選択成長層１４Ｂを種結晶として、アルミニウムの組成が４％を越え、低屈折率を有する窒化ガリウム系半導体からなる第２の選択成長層１４Ｃを成長する。これにより、第２の選択成長層１４Ｃは成長端面にうねり１４ｄを生じない良好なラテラル成長を行なえるようになる。
【０２１９】
また、第２の選択成長層１４Ｃは、そのアルミニウムの組成が大きい程、また、その成長時間が長いほど、マスク膜１３上に多結晶体４１が析出しやすくなる。これはＧａＮ結晶と比べてＡｌＧａＮ結晶又はＡｌＮ結晶の蒸発速度が小さいためである。
【０２２０】
図２１（ａ）〜図２１（ｄ）に示すように、ＧａＮからなり、多結晶体４１が析出しにくい第１の選択成長層１４Ｂを最初に成長することにより、成長端面が接合するまでに要する第２の選択成長層１４Ｃの成長時間を短くすることができる。
【０２２１】
また、図２１（ｃ）第１の選択成長層１４Ｂが傘状に成長するため、マスク膜１３上に供給される反応種の量を低減できる。これらの効果により、マスク膜１３上の多結晶体４１の析出量を大きく低減できるようになり、空隙部１２ｃの上方に成長する積層体３０への影響を極めて小さくすることができる。その結果、光の閉じ込め係数値を確実に大きくできる上に、積層体３０の結晶性が向上してレーザ素子としての動作特性のばらつきを大きく低減できるので、製造の歩留まりをも確実に向上することができる。
【０２２２】
なお、本実施形態においては、基板１１にサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素、ネオジムガレート又は窒化ガリウム等を用いてもよい。
【０２２３】
また、マスク膜１３は、空隙部１２ｃが形成されれば、溝部１２ｂの底面上にのみ形成してもよい。
【０２２４】
また、マスク膜１３には、ＥＣＲスパッタ法による窒化シリコンや酸化シリコン等の誘電体を用いても良く、さらに好ましくは、タングステン等の高融点金属やそのシリサイド化物を用いると良い。
【０２２５】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０２２６】
図２２及び図２３は本発明の第５の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子であって、図２２は積層体のＭ面における断面構成、すなわち基板のＡ面における断面構成を示し、図２３図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線における断面を示し、積層体のＡ面、すなわち基板のＭ面における断面構成を示している。図２２及び図２３において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０２２７】
第５の実施形態は、ＭＱＷ活性層１８を含む積層体３０から、平坦な共振器端面３２を持つ半導体レーザ素子を確実に形成できるようにすることを特徴とする。
【０２２８】
図２２に示すように、シード層１２の上部には、断面幅が約３μｍの凸部１２ａと断面幅が約１２μｍの溝部１２ｂとを一周期とする周期構造体の３４周期（長さ５１０μｍ）ごとに、溝部１２ｂの断面幅を約２０μｍと大きくした拡大溝部１２ｄが形成されている。
【０２２９】
第１の実施形態と同様の方法で積層体３０を形成すると、シード層１２の各凸部１２ａの頂面を種結晶としてラテラル成長する積層体３０は、拡大溝部１２ｄの上方では接合されないため、隣接する積層体３０のＡ面同士の成長端面が接することなく現われる。この成長端面は、自然形成された結晶面であるため、Ｍ面等の他の面方位が全く混在していない。従って、この成長端面を共振器端面３２に用いると、図４３に示した従来の半導体レーザ素子のように、Ａ面とＭ面とが混在することにより生ずる共振器端面におけるミラー損失を防止できる。
【０２３０】
この自然形成されたＡ面を持つ成長端面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察すると、その表面は荒さの２乗の平均値が１ｎｍ以下となる極めて平坦な表面を得られていることを確認している。
【０２３１】
さらに、この成長端面を共振器端面３２とすると、エネルギーギャップがＭＱＷ活性層１８よりも大きいｐ型光ガイド層１９、ｐ型クラッド層２０が共振器端面３２上に形成されているため、ｐ型光ガイド層１９及びｐ型クラッド層２０における端面上の領域で出射光が吸収されることがない。これにより、積層体３０における共振器端面３２の近傍の温度上昇が抑制されるので、端面劣化による信頼性の低下を防止できる。
【０２３２】
第５の実施形態に係る半導体レーザ素子によると、ストライプ状の凸部１２ａの頂面を種結晶とするＥＬＯ成長法を用いると共に、さらに、凸部１２ａ同士の側面により形成される溝部１２ｂの形成周期をその形成周期よりも大きい周期で拡大溝部１２ｄを設けている。これにより、拡大溝部１２ｄの上方に積層体３０の成長端面がそのまま露出するため、この自然形成された露出面が共振器の端面３２となる。この共振器端面を持つ本実施形態に係る半導体レーザ素子と、図３９に示す第２の従来例に係る半導体レーザ素子とのレーザ光の発振しきい値を比較すると、本実施形態に係るレーザ素子の方が約３０％も低減する。
【０２３３】
なお、基板１１にサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素、ネオジムガレート（ＮＧＯ）又は窒化ガリウム等を用いてもよい。
【０２３４】
また、マスク膜１３は、空隙部１２ｃが形成されれば、溝部１２ｂの底面上にのみ形成してもよい。
【０２３５】
また、マスク膜１３には、ＥＣＲスパッタ法による窒化シリコンや酸化シリコン等の誘電体を用いても良く、さらに好ましくは、タングステン等の高融点金属やそのシリサイド化物を用いると良い。
【０２３６】
また、シード層１２の上部に設けた凸部１２ａ及び溝部１２ｂの幅はそれぞれ３μｍ及び１２μｍに限られないが、凸部１２ａの幅を溝部１２ｂの幅よりも小さくする方が好ましい。このようにすると、凸部１２ａの頂面の種結晶から積層体３０に伝播する転位の影響を低減でき、転位によるレーザ素子の動作特性の劣化を防止できるので、該レーザ素子の信頼性を向上することができる。
【０２３７】
また、シード層１２の上部の拡大溝部１２ｄの形成周期も共振器長に合わせて適当な値に設定すればよい。
【０２３８】
第５の実施形態においては、凸部１２ａのストライプ方向として積層体３０のＭ軸方向を選び、その自然形成されたＡ面を共振器端面３２としたが、代わりに、凸部１２ａのストライプ方向として積層体３０のＭ軸と直交するＡ軸方向を選ぶと、Ｍ面が自然形成される。従って、Ａ軸方向に延びるストライプ状の凸部１２ａを形成することにより、自然形成されたＭ面を共振器端面３２に持ち、しきい値電流を大きく低減でき且つ信頼性が向上する半導体レーザ素子を得ることができる。
【０２３９】
（第５の実施形態の第１変形例）
以下、本発明の第５の実施形態の第１変形例について図面を参照しながら説明する。
【０２４０】
図２４は第５の実施形態の第１変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体のＭ面における断面構成、すなわち基板のＡ面における断面構成を示している。図２４においては、図２２に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。
【０２４１】
図２４に示すように、第１変形例に係る半導体レーザ素子は、積層体３０の共振器端面３２を自然形成する拡大溝部１２ｄの内側に隣接する溝部をも断面幅が２０μｍ程度に拡大された拡大溝部１２ｄを有している。これにより、積層体３０の共振器端面側の両端部に、それぞれの対向面がＡ面からなる側面空隙部３０ａが形成されている。
【０２４２】
このように、共振器端面３２に、屈折率が１である側面空隙部３０ａと、屈折率が約２．６の窒化ガリウム系半導体からなる積層体３０とを組み合わせることにより、高屈折率差を実現できるため、共振器端面３２におけるレーザ光の反射率を誘電体膜等によりコーティングする場合と比べて大きくすることができる。
【０２４３】
共振器端面３２におけるレーザ光の反射率を高めるには、側面空隙部３０ａによって積層体３０から孤立する孤立体の出射方向の幅寸法が、λ／（４ｎ）の整数倍であることが好ましい。ここで、λは光の波長であり、ｎは孤立体の屈折率である。
【０２４４】
なお、側面空隙部３０ａを積層体３０の両端部に設けたが、反射率を高めて出射光の出力値を増大させるために、積層体３０のいずれか一方の端部にのみ側面空隙部３０ａを設けてもよい。
【０２４５】
本変形例によると、レーザ光の発振しきい値電流は、側面空隙部３０ａを設けない場合と比べて、約２０％も低減され、側面空隙部３０ａの効果は極めて大きい。なお、側面空隙部３０ａは積層体３０中に３つ以上設けてもよい。
【０２４６】
（第５の実施形態の第２変形例）
図２５は、第５の実施形態に係る第２変形例であって、シード層１２の上部に設けるストライプ状の溝部をすべて拡大溝部１２ｄとしている。
【０２４７】
このようにすると、複数の積層体３０のそれぞれは、基板１１上においてすべてが孤立体となる。従って、所望の共振器長を持つ共振器が形成されるように複数の孤立体からなる共振器を形成し、形成した共振器の端面と対応する位置の側面空隙部３０ａにおいて基板１１を分割することにより、複数の孤立体を含む１つの半導体レーザ素子を形成できる。
【０２４８】
これにより、第２変形例に係る半導体レーザ素子は、レーザ光のミラー損失の要因となる凹凸がなく極めて平坦なＡ面を持ち、且つ、該レーザ素子に孤立体を含める個数を変えることにより、共振器長を容易に変更することができる。
【０２４９】
さらには、各拡大溝部１２ｄごとに基板１１を分割することにより、凸部１２ａの１つ分からなり、共振器長が約１５μｍのレーザ素子を得ることも可能となる。従来のように基板と積層体とを同時にへき開する方法では、共振器端面の平坦性を維持しながら、このような微小な共振器を形成することは極めて困難である。
【０２５０】
（第５の実施形態の第３変形例）
以下、第３変形例として、選択成長層の上部にストライプ状の凸部をさらに設けて、積層体３０から結晶転位を完全になくしてしまうことにより、半導体レーザ素子の信頼性をより向上できる方法を説明する。
【０２５１】
図２６に示すように、上部に凸部１２ａ及び溝部１２ｂが設けられ、該溝部１２ｂの底面及び壁面に第１のマスク膜１３Ａが形成されたシード層１２ａの上には、選択成長シード層３４がＥＬＯ成長により一体に形成されている。
【０２５２】
選択成長シード層３４の上には、シード層１２の凸部１２ａ及び溝部１２ｂと同等の周期を持つ、凸部３４ａ及び溝部３４ｂが設けられており、該溝部３４ｂの底面及び壁面には第２のマスク膜１３Ｂが形成されている。
【０２５３】
ここで、凸部３４ａは、選択成長シード層３４における低転位密度領域及び接合部を避けるように、溝部１２ｂの上方に形成されている。
【０２５４】
このように、第３変形例によると、選択成長シード層３４の上部に設けられた凸部３４ａの頂面であるＣ面を種結晶として選択成長層１４が成長している。この凸部３４ａの頂面には、シード層１２における凸部１２ａの頂面の種結晶からの転位や、選択成長シード層３４の接合部に起因する欠陥等が含まれない高品位の結晶面が現われている。その結果、高品位の選択成長層１４の上に形成される積層体３０は欠陥フリーとなり、結晶欠陥に起因したレーザ光の散乱による損失及びキャリアの非発光過程による信頼性の低下等を防止でき、極めて高品質な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を実現できる。
【０２５５】
（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０２５６】
図２７は本発明の第６の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子であって、積層体のＡ面における断面構成、すなわち基板のＭ面における断面構成を示している。図２７において、図１４に示す第３の実施形態に係るレーザ素子の構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０２５７】
第３の実施形態との構成上の相違点のみを説明する。
【０２５８】
図２７に示すように、サファイアからなる基板１１上には、第１のシード層１２Ａ及び第２のシード層１２Ｂが設けられている。
【０２５９】
第１のシード層１２Ａの上部には、ストライプ状の凸部１２ａ及び溝部１２ｂが基板１１のＭ面に対して平行に、すなわち、積層体３０のＡ面に対して平行に設けられている。同様に、第２のシード層１２Ｂの上部には、ストライプ状の凸部１２ａ及び溝部１２ｂが、第１のシード層１２Ａの凸部１２ａ及び溝部１２ｂと平行で且つ基板面に垂直な方向で重ならないように設けられている。
【０２６０】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【０２６１】
図２８（ａ）、図２８（ｂ）〜図３１は本発明の第６の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法であって、基板のＡ面における工程順の断面構成を示している。
【０２６２】
まず、図２８（ａ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、Ｃ面を主面とする基板１１上に、基板温度を約５３０℃に設定し、例えば圧力が約３００Ｔｏｒｒの水素と窒素との混合雰囲気として、ＩＩＩ  族源のＴＭＧと、窒素源のＮＨ３  とを供給して、ＧａＮからなる低温バッファ層を堆積する（図示せず）。続いて、基板温度を約９７０℃にまで昇温した後、ＴＭＧ、ＮＨ３  及びＳｉＨ４  を基板１１上に供給することにより、膜厚が０．５μｍ〜１μｍ程度のｎ型ＧａＮからなる第１のシード層１２Ａを成長する。このとき、第１のシード層の主面はＣ面となっており、転位密度は１０９  ｃｍ−２台である。
【０２６３】
次に、図２８（ｂ）に示すように、第１のシード層１２Ａ上にレジスト膜を塗布した後、塗布したレジスト膜をフォトリソグラフィ法により、ストライプ方向が第１のシード層１２ＡのＭ軸方向と一致するパターニングを行なって、レジストパターン４０を形成する。続いて、レジストパターン４０をマスクとして、第１のシード層１２Ａに対してドライエッチングを行なうことにより、第１のシード層１２Ａの上部に、断面幅が約３μｍ〜６μｍの凸部１２ａと断面幅が約１２μｍ〜２４μｍの溝部１２ｂとを一周期とする周期構造体を形成する。このとき、溝部１２ｂの深さ寸法を５０ｎｍ〜１μｍ程度としている。
【０２６４】
次に、図２９（ａ）に示すように、ＥＣＲスパッタ法を用いて、第１のシード層１２Ａにおける溝部１２ｂの底面及び壁面とレジストパターン４０上に、窒化シリコンからなるマスク膜１３を堆積する。ここでも、シリコンの原料には、固体シリコンを用い、反応性ガスには窒素を用い、プラズマガスにはアルゴンを用いている。
【０２６５】
次に、図２９（ｂ）に示すように、レジスタパターン４０に対してリフトオフを行なって、レジストパターン４０及びその上のマスク膜１３を除去する。なお、マスク膜１３は、溝部１２ｂの壁面の全面を覆っていても良く、壁面の一部を覆っていても良い。
【０２６６】
次に、図３０（ａ）に示すように、再度ＭＯＶＰＥ法を用いて、例えば圧力が約１００Ｔｏｒｒの水素と窒素との混合雰囲気とし、基板温度を約１０００℃にまで昇温した後、ＴＭＧ、ＮＨ３  及びＳｉＨ４  を第１のシード層１２Ａの上に供給することにより、第１のシード層１２Ａのマスク膜１３から露出した領域を種結晶として、ｎ型ＧａＮからなる第２のシード層１２Ｂを成長する。このとき、第２のシード層１２Ｂは、各凸部１２ａの頂面から上方に成長すると共に、基板面に平行な方向にも成長して、隣接する溝部１２ｂの両側から成長してきた結晶体同士の互いに対向する側面が溝部１２ｂのほぼ中央部で接合して接合部１２ｅを形成する。これにより、複数の凸部１２ａの頂面から成長する各結晶体は一体化されて、上面がＣ面からなる第２のシード層１２Ｂが形成される。また、このとき、第１のシード層１２Ａにおける各溝部１２ｂの底面及び壁面と第２のシード層１２Ｂの下面とにより囲まれてなる複数の空隙部１２ｃが形成される。このときの、第２のシード層１２Ｂの膜厚は、溝部１２ｂの幅寸法等に依存するが、約２μｍ〜６μｍである。
【０２６７】
第２のシード層１２Ｂにおける接合部１２ｅを除く選択成長領域では、転位密度が約１ｘ１０６  ｃｍ−２程度の貫通転位が観測されるのに対し、接合部１２ｅでは、Ｃ面内に平行な転位密度が約４ｘ１０７  ｃｍ−２の結晶転位が観測される。
【０２６８】
また、第２のシード層１２Ｂにおける凸部１２ａの上側部分のＣ軸と空隙部１２ｃ上の領域のＣ軸とのチルト角は０．０１度〜０．０３度である。
【０２６９】
このように、本実施形態に係るＥＬＯ成長法が従来のＥＬＯ成長と比較してチルト角が極めて小さくなるのは、ＥＬＯ成長した結晶層である第２のシード層１２Ｂが第１のシード層１２Ａと接触しておらず、マスク膜１３との界面で従来のようなストレスが発生しないからである。
【０２７０】
なお、接合部１２ｅの下部に、空隙部１２ｃ側に開口する逆Ｖ字状のボイドが現われる。
【０２７１】
さらに、本実施形態においては、第２のシード層１２Ｂの選択成長を行なう際に、溝部１２ｂの底面上に多結晶体が析出したとしても、第１のシード層１２Ａの上部に設けた凸部１２ａ及び溝部１２ｂにより形成される段差によって多結晶体が第２のシード層１２Ｂと接触しないため、レーザ構造を含む積層体３０の結晶品質に悪影響を及ぼすことはない。その結果、積層体３０から形成されるレーザ素子の動作特性のばらつきを低減でき、歩留まりを向上させることができる。
【０２７２】
次に、図３０（ｂ）に示すように、成長した第２のシード層１２Ｂの上部に、凸部１２ａ及び溝部１２ｂを一周期とする周期構造体を、第１のシード層１２Ａと同様の方法で形成する。このとき、第２のシード層１２Ｂの凸部１２ａを、その頂面の位置が第２のシード層１２Ｂの低転位密度領域の上に位置するように形成することが好ましい。すなわち、第２のシード層１２Ｂの凸部１２ａの頂面の位置が、第１のシード層１２Ａの凸部１２ａの頂面の位置と基板面方向に異なり且つ接合部１２ｅの側方の領域に形成する。
【０２７３】
これにより、第２のシード層１２Ｂにおける、第１のシード層１２Ａの空隙部１２ｃ上に位置する低転位密度領域を種結晶として、２回目のＥＬＯ成長を行なえるようになる。なお、窒化ガリウム系結晶は可視光にとって透明であるため、光学顕微鏡により凸部１２ａと溝部部１２ｂとを容易に識別することができ、フォトリソグラフィ法によるストライプ状パターンを持つ凸部１２ａの位置決めを行なう際に、専用のアライメントパターンを用いる必要はない。
【０２７４】
次に、図３１に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、例えば、圧力が約１００Ｔｏｒｒの水素と窒素との混合雰囲気とし、基板温度を約１０００℃として、第２のシード層１２Ｂの上に、マスク膜１３から露出する凸部１２ａの頂面に現われたＣ面を種結晶として、ｎ型ＡｌＧａＮからなり主面がＣ面からなる選択成長層１４Ａを一体化されるまで成長させる。これにより、選択成長層１４Ａは周期的に形成される接合部１４ａを除くすべての領域で転位密度が約１ｘ１０６  ｃｍ−２と小さくなる。
【０２７５】
続いて、圧力が約３００Ｔｏｒｒの水素と窒素との混合雰囲気とし、基板温度を約９７０℃として、一体化された選択成長層１４Ａの上に、ｎ型超格子クラッド層１６Ａ、ｎ型光ガイド層１７、ＭＱＷ活性層１８、ｐ型光ガイド層１９、ｐ型クラッド層２０及びｐ型コンタクト層２１を順次成長して積層体３０を形成する。ここで、ＭＱＷ活性層１８は発振波長が４００ｎｍ帯となるレーザ発振を得るために、例えば、厚さが約４ｎｍのＧａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎからなる井戸層と厚さが約６ｎｍのＧａＮからなるバリア層とにより構成している。
【０２７６】
その後、図２７に示すように、ドライエッチング法により、ｐ型クラッド層２０の上部及びｐ型コンタクト層２１に対して、ＭＷＱ活性層１８に選択的に電流を注入する、幅が２μｍ〜５μｍのリッジ部３１を積層体３０のＡ軸方向、すなわち凸部１２ａのストライプ方向と直交する方向に形成する。
【０２７７】
続いて、積層体３０におけるリッジ部３１を含まない領域に対してドライエッチングを行なって、ｎ型超格子クラッド層１６Ａを露出した後、積層体３０の露出面に絶縁膜２２を堆積する。続いて、絶縁膜２２における、リッジ部３１の上側の領域及びｎ型超格子クラッド層１６Ａの上側の領域にそれぞれ開口部を設けた後、蒸着法又はスパッタ法等により、リッジ部３１における絶縁膜２２の開口部からの露出領域上及びリッジ部３１の周辺部上にｐ側電極２３を形成し、また、ｎ型超格子クラッド層１６Ａの絶縁膜２２からの露出領域上にｎ側電極２４を形成する。
【０２７８】
次に、積層体３０のＡ面、すなわちサファイアからなる基板１１のＭ面でへき開することによって共振器端面を形成する。サファイアのＭ面はへき開が容易であり、半導体レーザ素子のへき開の歩留まりを良好に維持できる。なお、基板１１と積層体３０との間には、へき開面と平行にのびる複数で且つ２段構成の空隙部１２ｃが存在するが、これらの空隙部１２ｃによってへき開の歩留まりが低下することはない。
【０２７９】
次に、へき開した両端面に適当な反射率を得られるように誘電体等によりコーティングを施し、チップ状に分離して図２７に示す半導体レーザ素子を実現できる。
【０２８０】
第６の実施形態に係る半導体レーザ素子は、ＭＱＷ活性層１８を含む積層体３０のＡ軸方向に形成された共振器と、選択成長により形成されるＭ軸方向に延びるストライプ状の空隙部１２ｃとが直交するように設けられていることを特徴とする。
【０２８１】
但し、このようにすると、図３１から分かるように、ＭＱＷ活性層１８のリッジ部３１の長軸方向である電流注入領域は、各半導体層の接合部１４ａを横切ることになる。その結果、接合部１４ａに集中する転位がレーザ素子の動作に影響を与える虞がある。ところが、ＭＱＷ活性層１８の層内の転位を観測すると、貫通転位は接合部１４ａと無関係に面内で均一に約１ｘ１０６  ｃｍ−２の密度で存在することを確認している。従って、電流注入領域が接合部１４ａを横切ることは半導体レーザ素子の信頼性に悪影響を与えることはない。
【０２８２】
また、種結晶である第２のシード層１２Ｂと選択成長層１４Ａとの間でＣ軸にチルトが存在すると、Ａ軸方向に形成された共振器の場合は、基板面に対して垂直な方向にうねるジグザグ導波路となって導波損失を招く。その結果、レーザ素子の動作電流が増加する虞がある。たしかに、図３８に示すような従来のＥＬＯ成長法を用いて製造したレーザ素子ではチルト角が０．１度以上もあり、例えば空隙部１２ｃの幅が１２ミクロンとすれば、高低差が１０ｎｍ以上のジグザグ導波路となるため、レーザ素子の動作電流が増加する。
【０２８３】
一方、チルト角が０．０５度以下であると、高低差は５ｎｍ程度に抑えられるため、ジグザグ導波路の影響をほとんど無視できる。本実施形態においては、明のレーザ素子では空隙部１２ｃを形成しながら成長するラテラル成長により、チルト角を０．０３度以下に抑えることができるので、ジグザグ導波路の発生を防止できる。
【０２８４】
また、選択成長層１４Ａにおけるラテラル成長した領域において、一様なステップフロー成長を観察している。このような平坦な表面上にＭＱＷ活性層１８を成長すると、インジウムの局所的な偏析が起こらず、均質なＭＱＷ活性層１８を得られるので、動作電流の低減を図ることができる。
【０２８５】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子における基板面に垂直な方向の遠視野像は図１６に示すグラフと同等であって、単峰性で良好な光強度分布を得られている。
【０２８６】
これは、第３の実施形態と同様に、第２のシード層１２Ｂの各凸部１２ａの頂面から成長して一体化された選択成長層１４Ａにｎ型ＡｌＧａＮを用いる共に、ｎ型ＡｌＧａＮとｎ型ＧａＮとを含む超格子構造を持つｎ型超格子クラッド層１６Ａがｎ型コンタクト層を兼ねている。これにより、ＭＱＷ活性層１８の光の閉じ込め係数値が大きく向上するからである。
【０２８７】
前述したように、選択成長層１４Ａのアルミニウムの組成は、２％以上、好ましくは４％以上とすると、光の基板１１側への漏れを確実に防止することができる。
【０２８８】
なお、本実施形態においては、第１及び第２のシード層１２Ａ、１２ＢにＧａＮを用いたが、一般式Ａｌｕ  Ｇａｖ  Ｉｎｗ  Ｎ（但し、ｕ，ｖ，ｗは、０≦ｕ，ｖ，ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１である。）からなる窒化ガリウム系混晶、特にＡｌＧａＮ又はＧａＩｎＮ等を用いると良く、混晶の組成に応じてラテラル成長に最適な成長条件を選べばよい。
【０２８９】
また、第１のシード層１２Ａは、低温バッファ層を介して形成したが、第１のシード層に単結晶が得られる方法を用いれば良い。
【０２９０】
また、基板１１にサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素、ネオジムガレート（ＮＧＯ）又は窒化ガリウム等を用いてもよい。但し、炭化ケイ素を基板１１に用いると、積層体３０に引っ張り歪みが加わり、クラックが発生しやすいため、溝部１２ｂの断面幅をできるだけ小さくすることにより、第２のシード層１２Ｂが一体化されたときの膜厚が２μｍ未満となるようにすることが望ましい。このようにすると、２回の選択成長及び積層体３０の成長を行なった後でも積層体３０にクラックが生じない。
【０２９１】
このため、基板１１の材料に無関係に３回以上の選択成長は無意味であり、さらには、歪みに起因する新たな不具合を生じるので好ましくない。
【０２９２】
また、第１及び第２のシード層１２Ａ、１２Ｂの各上部の凸部１２ａを形成する際にリフトオフ法を用いたが、凸部１２ａ及び溝部１２ｂが形成でき、該溝部１２ｂの少なくとも底面にマスク膜１３が残る方法であれば、他の方法を用いてもよい。すなわち、凸部１２ａにおけるマスク１３により覆われていない領域のうちのＣ面を種結晶として、空隙部１２ｃが形成される方法であれば良い。
【０２９３】
また、マスク膜１３は、窒化シリコンに限らず、第１の実施形態及びその第１変形例に示した誘電体、非晶質の絶縁体、高融点金属又は高融点金属化物を用いることが好ましい。なお、誘電体膜の堆積にはＥＣＲスパッタ法を用いることにより、低温で良質のマスク膜１３を得ることができる。
【０２９４】
また、本実施形態に係る低転位密度領域を有する窒化物半導体層を用いることにより、発光素子に限らず、電子素子等の他の半導体素子を形成しても良い。これにより、該半導体素子の高信頼性と高歩留まりとを実現できる。
【０２９５】
（第７の実施形態）
以下、本発明の第７の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【０２９６】
図３２は本発明の第７の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の断面構成を示している。図３２において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０２９７】
図３２に示すように、第７の実施形態に係る半導体レーザ素子は、シード層１２の上部に設けられたＥＬＯ成長用の種結晶となり且つ第１の形成周期を持つストライプ状の凸部１２ａと、積層体３０の上部に設けられ、電流注入用の１つのリッジ部３１Ａ及び該リッジ部３１Ａの位置合わせ用の複数のダミーリッジ部３１Ｂとを有している。これらリッジ部３１Ａ及びダミーリッジ部３１Ｂは、凸部１２ａと同一の方向に延び、且つ、第１の形成周期と異なる第２の形成周期を持つように形成されている。
【０２９８】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【０２９９】
図３３〜図３５は本発明の第７の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【０３００】
まず、図３３に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、第１の実施形態と同様に、第１のサファイアからなる基板１１上にＧａＮからなるシード層１２を成長し、レジスト膜を用いたフォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、成長したシード層１２の上部に、リッジストライプ状の凸部１２ａを形成する。ここでは、一例として、凸部１２ａの断面幅を約４μｍとし、溝部１２ｂの断面幅を約１２μｍとして、第１の形成周期を１６μｍとしている。
【０３０１】
次に、ＥＣＲスパッタ法を用いて、凸部１２ａが形成されたシード層１２の上に全面にわたって、窒化シリコンからなるマスク膜１３を堆積し、続いて、レジスト膜をリフトオフすることにより、凸部１２ａの少なくとも頂面をマスク膜１３から露出する。ここで、マスク膜１３は、溝部１２ｂの壁面を覆っていてもよく、覆っていなくてもよい。
【０３０２】
続いて、ＭＯＶＰＥ法により、第１の実施形態と同様に、シード層１２の上に、マスク膜１３から露出する凸部１２ａの頂面に現われるＣ面を種結晶として、選択成長層１４及び積層体３０を順次成長させる。
【０３０３】
次に、図３４に示すように、ｐ型クラッド層２０の上部及びｐ型コンタクト層２１に対して、断面幅が約３μｍで、周期が１８μｍの第２の形成周期を持つリッジ部３１Ａ及びダミーリッジ部３１Ｂを形成する。ここでは、電流注入用のリッジ部３１Ａは、空隙部１２ｃの上方で且つ接合部１４ａと重ならない領域、すなわち、結晶転位が少ない低転位密度領域に形成する。その後、ＥＣＲスパッタ法により、アルゴンを雰囲気とし、金属アルミニウム及び窒素を原料として、リッジ部３１Ａ及びダミーリッジ部３１Ｂの側面及びその間の領域を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる絶縁膜３５で覆う。
【０３０４】
次に、図３５に示すように、積層体３０におけるリッジ部３１Ａを含まない領域に対して、ドライエッチングを行なって、ｎ型コンタクト層１５を、ｎ型クラッド層１６によるダミーリッジ部３１が形成されるように露出した後、積層体３０の露出面に窒化シリコンからなる絶縁膜２２を堆積する。
【０３０５】
次に、図３２に示すように、四フッ化炭素（ＣＦ４  ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、絶縁膜２２における、リッジ部３１Ａの上側及び側方部分、並びにｎ型コンタクト層１５における１つのダミーリッジ部３１Ｂの上側及び側方部分にそれぞれ開口部を設ける。その後、リッジ部３１Ａ及びその側方における絶縁膜２２の開口部からの露出領域上にｐ側電極２３を形成すると共に、ｎ型コンタクト層１５の上におけるダミーリッジ部３１Ｂ及びその側方における絶縁膜２２の開口部からの露出領域上にｎ側電極２４を形成する。なお、絶縁膜２２におけるリッジ部３１Ａの上側及び側方部分を除去する際に、絶縁膜２２の下側に形成されている絶縁膜３５も多少はエッチングされるが、注入電流に対する電流狭窄及び水平横モード制御に影響がない程度であれば無視してもよい。
【０３０６】
以上のようにして得られた半導体レーザ素子は、厚さが約３ｎｍのＧａ０．８  Ｉｎ０．２  Ｎからなる井戸層と厚さが約６ｎｍのＧａＮからなるバリア層とから構成されたＭＱＷ活性層１８により、波長が約４０３ｎｍのレーザ発振を起こす。
【０３０７】
以下、本実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の特徴であるリッジ部３１Ａ及びダミーリッジ部３１Ｂと凸部１２ａとの位置合わせ方法を図面に基づいて説明する。
【０３０８】
前述したように、図３２において、電流注入用のリッジ部３１Ａは積層体３０における低転位密度領域に形成することが半導体レーザ素子の特性の向上を図る上で必須となる。
【０３０９】
図３６（ａ）は複数のリッジ部３１のうち、電流注入用として適当なリッジ部３１を示した例である。○印を付したリッジ部３１は、凸部１２ａと接合部１４ａとの間にあって、最も転位密度が低い領域に位置している。これとは逆に、×印を付したリッジ部３１は高転位密度領域上に位置している。
【０３１０】
従って、図３５に示した、ｎ型コンタクト層１５を露出するエッチング工程において、○印を付したリッジ部３１を電流注入用のリッジ部３１Ａとして残しておく必要がある。
【０３１１】
そこで、本実施形態においては、図３６（ｂ）に示すように、リッジ部３１Ａとダミーリッジ部３１Ｂとを容易に且つ確実に選別できるように、以下のような方法を採る。
【０３１２】
あらかじめ、第２の形成周期（パターンＢ）を持つリッジ部３１Ａ及びダミーリッジ部３１Ｂを区別できるように番号等を付しておく。ここでは、番号２を付したリッジ部３１を電流注入用のリッジ部３１Ａとする。
【０３１３】
一方、ウエハ上には、リッジ部３１ごとに付された番号と対応するように、例えば、基板１１上におけるレーザ素子同士の間のへき開領域等に、合わせマーク（＝アライメントパターン）を設けておく。本実施形態の場合は、第１の形成周期（パターンＡ）と第２の形成周期（パターンＢ）との差は２μｍであるため、パターンＢを８回繰り返すと、互いに近接するリッジ部３１と凸部１２ａとの互いの位置関係が同一となる。従って、少なくとも８個の合わせマークを用意すれば、番号１〜８の間には、○印を付すことができるリッジ部３１が少なくとも１つ存在することになる。
【０３１４】
従って、図３５に示したエッチング工程においては、一例として、積層体３０における番号３のダミーリッジ部３１Ｂと番号４のダミーリッジ部３１Ｂとの間の領域に、フォトマスクの境界を合わせれば、電流注入用のリッジ部３１Ａを残すことができる。
【０３１５】
また、ｐ側電極２３を形成する際に絶縁膜２２に対して開口部を形成するエッチングの際にも、番号２が付されたリッジ部３１Ａを容易に認識できる。
【０３１６】
なお、レーザ素子のチップ幅は約３００μｍ〜５００μｍであるため、番号１〜８の第３の周期が１回でなく、２、３回現われる。
【０３１７】
さらに、シード層１２と選択成長層１４との間にストライプ状の空隙部１２ｃが形成されていることによる、マスクの位置合わせ時に生じる効果について説明する。この効果は、シード層１２の上部に設けた空隙部１２ｃ同士の間の凸部１２ａの頂面をＥＬＯ成長の種結晶に用いることから生じている。すなわち、転位が少ないリッジ部３１を選択するには、光学顕微鏡等を用いて上方から観察する際に、積層体３０における低転位密度領域を特定できなくてはならない。本実施形態においては、図３２に示すように、空隙部１２ｃによって、観察光の屈折率差が大きくなるため、凸部１２ａ（高転位密度領域）の位置が明確となるので、凸部１２ａと接合部１４ａとの間に位置する電流注入用のリッジ部３１Ａの候補となるリッジ部３１を容易に且つ確実に区別できるようになる。その結果、フォトリソグラフィ工程におけるマスクの位置合わせが容易となり、フォトリソグラフィ工程のスループットを向上できる。
【０３１８】
なお、本実施形態においては、凸部１２ａの第１の形成周期と、リッジ部３１の第２の形成周期とをいずれも一定の周期としたが、必ずしも一定である必要はなく、各形成周期が互いにずれるような構成であればよい。例えば、各形成周期が等差級数を満足するような数列群を構成していていもよい。
【０３１９】
また、絶縁膜３５に窒化アルミニウムを用い、絶縁膜２２に窒化シリコンを用いたが、絶縁膜２２のエッチングの際に、絶縁膜３５に対してエッチング選択比が十分に大きければ良く、これらの代わりに、例えば、絶縁膜３５が酸化シリコンで且つ絶縁膜２２が窒化シリコンであっても良い。また、絶縁膜２２に対するエッチングはウエットエッチングでもドライエッチングでもよい。
【０３２０】
また、基板１１にサファイアを用いたが、サファイアに代えて、例えば炭化ケイ素、ネオジウムガレート（ＮＧＯ）又は窒化ガリウム等を用いてもよい。
【０３２１】
また、マスク膜１３には、ＥＣＲスパッタ法による窒化シリコンや酸化シリコン等の誘電体を用いても良く、さらに好ましくは、タングステン等の高融点金属やそのシリサイド化物を用いると良い。
【０３２２】
また、シード層１２の上部の凸部１２ａを形成する際にリフトオフ法を用いたが、凸部１２ａ及び溝部１２ｂが形成できる方法であればよい。
【０３２３】
また、本実施形態に係る、互いに周期が異なる２種類の周期構造体を用いる方法は、従来のＥＬＯ成長法等にも適用できる。
【０３２４】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体の製造方法によると、ＥＬＯ成長する選択成長層が、ＥＬＯ成長時のマスク膜の上に析出する多結晶体の影響を受けなくなるため、選択成長層及びその上に成長する積層体の結晶の品位が向上する。従って、本発明の窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子の動作特性及び信頼性を向上できる。
【０３２５】
また、マスク膜の上に析出する多結晶体の影響を受けなくなるするための凸部同士の間を壁面とする空隙部により、光閉じ込め係数値を向上できる。
【０３２６】
また、空隙部を設けることにより、共振器端面を自然形成でき、該共振器端面をへき開面としなくても済み、また、選択成長層の結晶成長軸のチルトを低減でき、マスクの位置合わせをも容易に行なえるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法の特徴を示す模式的な断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法の特徴を段階的に示す模式的な断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の選択成長層の室温におけるフォトルミネッセンスを、第１の実施形態と比較した結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の共振器端面に平行な方向における遠視野像を示すグラフである。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子のリッジ部における基板と垂直な方向の屈折率分布と、共振器端面の光強度分布との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の共振器端面に平行な方向における遠視野像を示すグラフである。
【図１７】本発明の第３の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体３０を形成する前の選択成長層の光学顕微鏡による平面写真と、それと対応する構成断面図である。
【図１８】本発明の第４の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図１９】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法における選択成長機構を模式的に表わした断面構成図である。
（ｂ）は第２の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法における選択成長機構を模式的に表わした断面構成図である。
【図２０】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法において選択成長層を２段階で形成する効果を示す部分的な斜視図である。
（ｂ）は比較用であって、窒化ガリウム系半導体レーザ素子の選択成長層の側面にうねりが生じる様子を示す部分的な斜視図である。
【図２１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法の特徴を段階的に示す模式的な断面図である。
【図２２】本発明の第５の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体のＭ面、すなわち基板のＡ面における構成断面図である。
【図２３】本発明の第５の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示し、図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線における構成断面図である。
【図２４】本発明の第５の実施形態の第１変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体のＭ面、すなわち基板のＡ面における構成断面図である。
【図２５】本発明の第５の実施形態の第２変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体のＭ面、すなわち基板のＡ面における構成断面図である。
【図２６】本発明の第５の実施形態の第３変形例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体のＭ面、すなわち基板のＡ面における構成断面図である。
【図２７】本発明の第６の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子における積層体のＡ面、すなわち基板のＭ面における構成断面図である。
【図２８】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図２９】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３０】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第６の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３１】本発明の第６の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３２】本発明の第７の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の構成断面図である。
【図３３】本発明の第７の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３４】本発明の第７の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３５】本発明の第７の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第７の実施形態に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法を示し、（ａ）は電流注入用に使用が適当なリッジ部と不適当なリッジ部とを示す断面図であり、（ｂ）はリッジ部ごとに識別用の目印を周期的に付した様子を示す断面図である。
【図３７】第１の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の構成断面図である。
【図３８】第２の従来例に係るＥＬＯＧ法によって形成された窒化ガリウムの結晶転位の
【図３９】第２の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の構成断面図である。分布を模式的に表わした構成断面図である。
【図４０】（ａ）〜（ｄ）は第２の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の製造方法における結晶成長の様子を段階的に示す模式的な断面図である。
【図４１】第１の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子のリッジ部における基板と垂直な方向の屈折率分布と、共振器端面の光強度分布との関係を示すグラフである。
【図４２】第１の従来例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子の遠視野像を示している。
【図４３】第１の従来例に係る窒化ガリウム系レーザ素子における基板と共振器のへき開端面を示す模式的な斜視図である。
【符号の説明】
１１      基板
１１Ａ    基板
１１ａ    凸部
１１ｂ    溝部
１２      シード層
１２ａ    凸部
１２ｂ    凹部（溝部）
１２ｃ    空隙部
１３      マスク膜
１４      選択成長層
１４ａ    接合部
１４ｂ    高転位密度領域
１４ｃ    低転位密度領域
１４ｄ    うねり
１４Ａ    選択成長層
１４Ｂ    第１の選択成長層
１４Ｃ    第２の選択成長層
１５      ｎ型コンタクト層
１５ａ    接合部
１５Ａ    ｎ型超格子コンタクト層
１６      ｎ型クラッド層
１６Ａ    ｎ型超格子クラッド層
１７      ｎ型光ガイド層
１８      多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１９      ｐ型光ガイド層
２０      ｐ型クラッド層
２１      ｐ型コンタクト層
２２      絶縁膜
２３      ｐ側電極
２４      ｎ側電極
２５      ｐ側配線電極
２６      ｎ側配線電極
３０      積層体
３１      リッジ部
３１Ａ    リッジ部
３１Ｂ    ダミーリッジ部
３２      共振器端面
３４      選択成長シード層
３５      絶縁膜
４０      レジストパターン
４１      多結晶体
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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