(57)【要約】  【課題】  本発明は、基板内に２つの欠陥密度領域を有し、表面に掘り込み領域及び丘が形成された窒化物半導体基板に窒化物半導体成長層を積層する際、その異常成長を抑制することのできる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。  【解決手段】  本発明の窒化物半導体発光素子は、第１の領域と第１の領域より高い値の欠陥密度を有する第２の領域とがそれぞれ、掘り込み領域が延在する方向と平行な方向にストライプ状に配列して形成され、第１の領域表面を終端している原子と前記第２の領域表面を終端している原子が異なり、掘り込み領域が第２の領域を含んでいるとともに、掘り込み領域の開口幅を掘り込み領域の深さよりも大きくすることで、丘の両端部における異常成長を抑制し、結果、歩留まり良く窒化物半導体発光素子が作製できる。【選択図】      図１
2006059973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面が窒化物半導体で構成される窒化物半導体基板表面にストライプ状の凹形状である掘り込み領域と凸形状である丘が設けられた加工基板と、当該加工基板表面上に複数の窒化物半導体薄膜から積層されて成る窒化物半導体成長層と、を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記加工基板において、第１の平均欠陥密度を有する第１の領域と前記第１の平均欠陥密度より高い値の欠陥密度を有する第２の領域とがそれぞれ、前記掘り込み領域が延在する方向と平行な方向にストライプ状に配列して形成され、
前記第１の領域表面を終端している原子と前記第２の領域表面を終端している原子が異なり、
前記窒化物半導体成長を積層する以前の前記加工基板において、前記掘り込み領域が前記第２の領域を含み、前記掘り込み領域の底面部に前記第１の領域と前記第２の領域の双方が露出するとともに、前記掘り込み領域の前記底面部以外では前記第２の領域が露出していないことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記掘り込み領域の開口幅の値が、前記掘り込み領域の深さよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記掘り込み領域が前記窒化物半導体成長層で完全に埋もれていないことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２の領域表面を終端している原子が窒素であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１の領域表面を終端している原子がガリウムであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体基板上面のオフ角が、０．１５°以上０．５°以下であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記掘り込み領域の前記開口幅が、２０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記掘り込み領域の前記深さが、３μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記第２の領域のストライプ状に延在する方向に対して垂直な方向の幅が、１５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記掘り込み領域内において、前記底面部表面での前記第１の領域と前記第２の領域との境界と、当該境界と隣接する前記掘り込み領域の側面部との間隔が、２μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記丘の幅が、４００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記窒化物半導体成長層の層厚が、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記加工基板上に積層する前記窒化物半導体成長層で前記加工基板に接する層が、Ａｌ組成比の異なるＡｌxＧａ1-xＮ層とＡｌyＧａ1-yＮ層とから構成される多層膜であるとともに、
前記ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比ｘと、前記ＡｌyＧａ1-yＮ層のＡｌ組成比ｙとの関係が、０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ≦０．１、ｘ＜ｙ、を満たすことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記多層膜を構成する前記ＡｌxＧａ1-xＮ層と前記ＡｌyＧａ1-yＮ層双方の層厚が８０ｎｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
Ａｌ組成比が大きい前記ＡｌyＧａ1-yＮ層の層厚が、Ａｌ組成比が小さい前記ＡｌxＧａ1-xＮ層の層厚より、薄いことを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記多層膜の最表面を構成する前記窒化物半導体薄膜が、Ａｌ組成比が小さい前記ＡｌxＧａ1-xＮ層であることを特徴とする請求項１３〜請求項１５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
前記窒化物半導体成長層表面における前記掘り込み領域以外の前記第１の領域に電流狭窄のためのリッジストライプが形成されるとともに、
当該リッジストライプの中心部と前記丘の中心部との距離をｄとし、隣接する２つの前記掘り込み領域中心部との間で前記掘り込み領域が延在する方向に対して垂直な方向における間隔をＡとしたとき、３μｍ≦ｄ≦０．２５×Ａとなることを特徴とする請求項１〜請求項１６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に当たる短波長の光の発光が可能な半導体レーザや、紫外線から赤色まで広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオードなどの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、高密度光ディスクやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
【０００３】
又、熱伝導性がＧａＡｓ系半導体などよりも高く、高温・高出力動作の素子の応用に期待される。さらに、ＡｌＧａＡｓ系半導体における砒素（Ａｓ）、ＺｎＣｄＳＳｅ系半導体におけるカドミウム（Ｃｄ）などに相当する材料及びその原料（アルシン（ＡｓＨ3））などを使用しないため、環境への負荷が小さい化合物半導体材料として期待される。
【０００４】
しかしながら、従来、窒化物半導体発光素子の一つである窒化物半導体レーザ素子の製造において、１ウエーハ上に作製された窒化物半導体レーザ素子の数に対して、得られる良品の素子数の割合を示す歩留まりの値が、非常に低いという問題がある。歩留まりを落としている原因の一つとして、クラックの発生が挙げられる。このクラックの発生は、基板が原因で発生する場合がある。
【０００５】
本来、ＧａＮなどの窒化物半導体成長層はＧａＮ基板上に成長させ、形成するのが望ましい。しかし、現在、ＧａＮに格子整合する高品質のＧａＮ単結晶基板がまだ開発されていない。このため、格子定数差が比較的に少ないＳｉＣ基板を使用することがあるが、このＳｉＣ基板は高価で大口径化が困難であるとともに、引っ張り歪が発生するため、結果的に、クラックが発生しやすい。さらに、窒化物半導体の基板材料に求められる条件として、約１０００℃の高い成長温度に耐えうること、そして原料のアンモニアガス雰囲気で変色・腐食されないことが求められる。
【０００６】
以上の理由により、窒化物半導体成長層を積層する基板としては、通常、サファイア基板が使用されている。しかし、サファイア基板は、ＧａＮとの格子不整合が大きい（約１３％）。このため、サファイア基板上に低温成長によりＧａＮやＡｌＮからなるバッファ層を形成し、当該バッファ層上に窒化物半導体成長膜を成長させている。しかし、歪を完全には除去することは困難であり、組成や膜厚の条件によっては、クラックが発生していた。
【０００７】
そこで、ＧａＮ基板を用いた窒化物半導体素子の製造方法として、加工されたＧａＮ基板を用い、ＧａＮ基板上の結晶性が悪い領域の影響を受けないように、窒化物半導体レーザ素子を形成する方法が提案されている(特許文献１参照)。
【０００８】
上述の特許分文献１によると、ＧａＮ基板などの窒化物半導体基板において、ある平均転位密度を有する領域(以下、低欠陥密度領域)中に、当該平均転位密度よりも欠陥密度の高い領域（以下、高欠陥密度領域）を複数、規則的に形成するとともに、窒化物半導体基板表面に凹部及び凸部を形成し、高欠陥密度領域を掘り込むことで凹状にし、結晶性の悪い高欠陥密度領域の影響を低欠陥密度領域が受けないようにする。更に、この凹部及び凸部の形成された窒化物半導体基板上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層を積層することで、窒化物半導体レーザ素子が作製される。
【０００９】
即ち、上述した窒化物半導体基板は、例えば、図７に示すように、低欠陥密度領域７１から成るｎ型ＧａＮ基板７０に、高欠陥密度領域７２が[１−１００]方向にストライプ状に形成されている。このようなｎ型ＧａＮ基板７０の表面に、スパッタ蒸着法などを用いてＳｉＯ2膜などを蒸着する。次にＳｉＯ2膜上に、レジスト材を塗布し、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、高欠陥密度領域７２を開口部とするストライプ状のフォトレジストパターンを形成し、引き続き、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などのエッチング技術を用いて、ＳｉＯ2膜及び、ｎ型ＧａＮ基板７０の高欠陥密度領域７２の表面から基板途中までエッチングを行い、高欠陥密度領域７２の一部分を除去する。その後、残存したフォトレジスト及びＳｉＯ2膜を除去すると、図８に示すように、高密度欠陥領域７２部分には凹部となる掘り込み領域８０が形成されるとともに、低密度欠陥部分７１には凸部となる丘８１とが形成されたｎ型ＧａＮ基板７０が得られる。この掘り込み領域８０の開口幅Ｘは１０μｍとし、深さＺは２０μｍとする。又、丘８１の［１１−２０］方向と平行な方向の幅Ｙは４００μｍとする。即ち、掘り込み領域８０の隣接する掘り込み領域８０との間隔である周期は４１０μｍである。尚、図７及び図８には面方位も併せて表示してある。
【００１０】
このような加工されたｎ型ＧａＮ基板７０を用いた窒化物半導体レーザ素子を作製する際、その窒化物半導体成長層が、例えば、図９のように構成される。
【００１１】
即ち、エッチングが行われたｎ型ＧａＮ基板７０表面に形成された窒化物半導体成長層９９は、ｎ型ＧａＮ基板７０の表面に、層厚３μｍのｎ型ＧａＮ層９１と、層厚１．８μｍのｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層９２と、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層９３と、層厚４ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層が３層及び層厚８ｎｍのＧａＮ障壁層が４層から成る多重量子井戸活性層９４と、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層９５と、層厚０．０８μｍのｐ型ＧａＮガイド層９６と、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層９７と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９８と、が順に積層され構成されている。
【００１２】
このようにして、掘り込み領域８０と丘８１が形成されたｎ型ＧａＮ基板７０表面上に、窒化物半導体成長層９９をＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などを用いて積層することで、窒化物半導体レーザ素子が作製される。
【００１３】
尚、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書において、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【特許文献１】特開２００３−１２４５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上述した特許文献１の技術を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製するとき、ｎ型ＧａＮ基板７０に凹部となる掘り込み領域８０及び凸部となる丘８１を形成した後、窒化物半導体成長層９９を積層すると、当該丘８１の両脇で掘り込み領域８０に隣接した領域において、積層した窒化物半導体成長層９９の層厚が厚くなり、盛り上がった形状を形成するように結晶成長がおこる。
【００１５】
即ち、図１０に示すように、窒化物半導体成長層９９は、掘り込み領域８０の底面部１０２には形成されず、丘８１の表面と掘り込み領域８０の側面部１０１表面の一部に形成される。又、丘８１表面の掘り込み領域８０に隣接した領域において、窒化物半導体成長層９９の層厚が丘８１の中央部分より厚く積層した異常成長部１００が形成される。このように異常成長部１００が形成されるのは、丘８１において、その中央部分より掘り込み領域８０に隣接する両端部分の方が、窒化物半導体成長層９９を構成する窒化物半導体薄膜の成長速度が大きいためである。このように丘８１上において、異常成長部１００と丘８１の中央部分とで窒化物半導体薄膜の成長速度が大きく異なるのは、一旦、窒化物半導体薄膜の成長面に吸着した窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が、窒化物半導体薄膜を形成することなく成長面から再び蒸発する確率を示す再蒸発確率が異なるためである。
【００１６】
即ち、掘り込み領域８０の間の丘８１の表面に付着した原料となる原子・分子は、そこで成長表面をマイグレーションなどをして、エネルギー的に安定な領域まで移動した後、そこで表面の原子・分子と結合して窒化物半導体薄膜となる。しかしながら、一定時間内にエネルギー的に安定となる領域に移動できない場合は、成長表面より再蒸発してしまう。又、上述したｎ型ＧａＮ基板７０のように基板表面に掘り込み領域８０を形成するとき、掘り込み領域８０の間の丘８１においてエネルギー的に最も安定な部分は、掘り込み領域８０の近傍となる端部であることが分かっている。よって、この掘り込み領域８０の近傍となる端部での再蒸発確率は低い。又、掘り込み領域８０の深さＺ（２０μｍ）が開口幅Ｘ（１０μｍ）より大きいと、この丘８１で掘り込み領域８０の近傍となる両端部での再蒸発確率は、更に低いものとなる。結果、掘り込み領域８０の近傍となる丘８１の両端部における窒化物半導体薄膜の成長速度は、丘８１のその他の部分となる中央部分より大きくなり、層厚の厚い凸形状の異常成長部１００が形成される。
【００１７】
又、底面部１０２上に窒化物半導体成長層９９が形成されないのは、底面部１０２表面に高欠陥密度領域７２が露出しているためである。この高欠陥密度領域７２の表面は窒素原子で終端されており、窒化物半導体成長層９９を積層する際、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が付着しにくいため、掘り込み領域８０の底面部１０２に、窒化物半導体薄膜が形成されない。更に、ｎ型ＧａＮ基板７０に窒化物半導体成長層９９を積層させるために用いる成長炉の雰囲気から、掘り込み領域８０内に一旦、入りながらも、底面部１０２に付着できなかった窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子は、再び、成長炉内の雰囲気に放出されるか、丘８１に付着する。そして、この丘８１に付着した原子・分子は丘８１上でマイグレーションするので、結果、上述したように、異常成長部１００での成長速度が、更に大きくなる。尚、以下において、このような特定領域で盛り上がった形状を形成する結晶成長を、「異常成長」とする。
【００１８】
このような異常成長が発生すると、ｎ型ＧａＮ基板７０などの窒化物半導体基板上に窒化物半導体成長層９９を積層した際、平坦な窒化物半導体成長層９９の表面が得られない。結果、それ以降の工程、特にフォトリソグラフィ工程において問題が発生する。即ち、窒化物半導体成長層９９が積層された窒化物半導体基板上に、フォトレジストを塗布し、レチクルを用いて特定部分を遮光して露光し、更に、現像を実施してレジストを溶解する際、窒化物半導体成長層９９表面に異常成長で盛り上がった部分があると、塗布されたレジストの層厚が設定した値からばらついたものとなり、結果、露光を実施するときに焦点深度のずれなどが発生し、所望のレジスト形状が得られない。このため、引き続き、ドライエッチング技術を用いて窒化物半導体成長層９９を加工しても、所望の加工形状、寸法精度を得ることができず、設計した形状の窒化物半導体レーザ素子が得られない。その結果、歩留まりを低下させることとなる。
【００１９】
本発明は、このような問題を鑑みて、基板内に低欠陥密度領域と高欠陥密度領域を有するとともに、表面に凹部となる掘り込み領域及び凸部となる丘が形成された窒化物半導体基板に窒化物半導体成長層を積層する際、その異常成長を抑制することのできる窒化物半導体発光素子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】
【００２０】
上記目的を達成するために本発明は、少なくとも表面が窒化物半導体で構成される窒化物半導体基板表面にストライプ状の凹形状である掘り込み領域と凸形状である丘が設けられた加工基板と、当該加工基板表面上に複数の窒化物半導体薄膜から積層されて成る窒化物半導体成長層と、を備えた窒化物半導体発光素子において、前記加工基板において、第１の平均欠陥密度を有する第１の領域と前記第１の平均欠陥密度より高い値の欠陥密度を有する第２の領域とがそれぞれ、前記掘り込み領域が延在する方向と平行な方向にストライプ状に配列して形成され、前記第１の領域表面を終端している原子と前記第２の領域表面を終端している原子が異なり、前記窒化物半導体成長を積層する以前の前記加工基板において、前記掘り込み領域が前記第２の領域を含み、前記掘り込み領域の底面部に前記第１の領域と前記第２の領域の双方が露出するとともに、前記掘り込み領域の前記底面部以外では前記第２の領域が露出していないことを特徴とする。
【００２１】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域の開口幅の値が、前記掘り込み領域の深さよりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
このような構成にすると、前記掘り込み領域内に、前記窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子ガスが直接入り込み、前記掘り込み領域内の側面部及び底面部に前記窒化物半導体薄膜が形成される。このため、前記丘上に成長した前記窒化物半導体薄膜と前記掘り込み領域内の前記側面部及び前記底面部上に成長した前記窒化物半導体薄膜は結合する。その結果、前記丘上に成長した前記窒化物半導体薄膜表面に付着した前記窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子がマイグレーションして、前記丘上に留まることなく前記掘り込み領域内に移動しやすくなる。このため、結果的に、前記丘の両端部での前記窒化物半導体成長層の異常成長が抑制される。
【００２３】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域が前記窒化物半導体成長層で完全に埋もれていないことを特徴とする。これは、前記掘り込み領域が前記窒化物半導体成長層で埋もれてしまうと、前記丘の前記両端部において、前記異常成長を抑制する効果がなくなるからである。
【００２４】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記第２の領域表面を終端している原子が窒素であることが好ましい。又、前記第１の領域表面を終端している原子がガリウムでことが好ましい。
【００２５】
このように、前記第１の領域と前記第２の領域とで、それぞれの表面を終端している原子が異なると、前記窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子の付着係数が異なり、前記窒素で終端された前記第２の領域表面では、特に前記窒化物半導体薄膜が形成されにくくなる。そうすると、掘り込み領域の底面部のうち、前記第２の領域の外周部に在る第１の領域において、層厚の厚い凸部が形成される。この結果、従来前記丘上の前記両端部で生じていた前記異常成長が抑制される。又、前記層厚の厚い凸部は前記掘り込み領域の中に形成されるため、上述したフォトリソグラフィ工程における不具合が発生しない。
【００２６】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記窒化物半導体基板上面のオフ角が、０．１５°以上０．５°以下であることが好ましい。
【００２７】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域の前記開口幅が、２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２８】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域の前記深さが、３μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記第２の領域のストライプ状に延在する方向に対して垂直な方向の幅が、１５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記掘り込み領域内において、前記底面部表面での前記第１の領域と前記第２の領域との境界と、当該境界と隣接する前記掘り込み領域の側面部との間隔が、２μｍ以上であることが好ましい。このことによって、前記掘り込み領域内の前記第１の領域に前記層厚の厚い凸部を、十分に層厚を厚くして形成することができる。
【００３１】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記丘の幅が、４００μｍ以上であることが好ましい。このようにすることで、前記丘上に積層される前記窒化物半導体成長層の表面平坦性を、良好なものとすることができる。
【００３２】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記窒化物半導体成長層の層厚が、５μｍ以下であることが好ましい。このようにすることで、前記掘り込み領域が前記窒化物成長層で埋もれてしまうことが防止される。
【００３３】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記加工基板上に積層する前記窒化物半導体成長層で前記加工基板に接する層が、Ａｌ組成比の異なるＡｌxＧａ1-xＮ層とＡｌyＧａ1-yＮ層とから構成される多層膜であるとともに、前記ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ組成比ｘと、前記ＡｌyＧａ1-yＮ層のＡｌ組成比ｙとの関係が、０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ≦０．１、ｘ＜ｙ、を満たすことが好ましい。
【００３４】
このようにＡｌ組成比の異なる膜から成る前記多層膜を積層することで、前記丘の前記両端部における前記異常成長を抑制するとともに、積層した前記多層膜の表面平坦性も良好なものとすることができる。
【００３５】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記多層膜を構成する前記ＡｌxＧａ1-xＮ層と前記ＡｌyＧａ1-yＮ層双方の層厚が８０ｎｍ以上３μｍ以下であることが好適である。
【００３６】
又、このような窒化物半導体発光素子において、Ａｌ組成比が大きい前記ＡｌyＧａ1-yＮ層の層厚が、Ａｌ組成比が小さい前記ＡｌxＧａ1-xＮ層の層厚より、薄いことが好適である。
【００３７】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記多層膜の最表面を構成する前記窒化物半導体薄膜が、Ａｌ組成比が小さい前記ＡｌxＧａ1-xＮ層であることが好適である。
【００３８】
又、このような窒化物半導体発光素子において、前記窒化物半導体成長層表面における前記掘り込み領域以外の前記第１の領域に電流狭窄のためのリッジストライプが形成されるとともに、当該リッジストライプの中心部と前記丘の中心部との距離をｄとし、隣接する２つの前記掘り込み領域中心部との間で前記掘り込み領域が延在する方向に対して垂直な方向における間隔をＡとしたとき、３μｍ≦ｄ≦０．２５×Ａとなることが好ましい。
【００３９】
このような構成にすることにより、良好な特性をもつ窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によると、凹部である掘り込み領域と凸部である丘を備えた加工基板上に、複数の窒化物半導体薄膜からなる窒化物半導体成長層が積層する際、掘り込み領域に隣接した丘の両端部における丘の中央部よりも層厚が厚い凸形状の異常成長部の形成が抑制される。そのため、丘の中央部においても良好な平坦性を得ることができる。よって、リソグラフィ工程において均一な層厚のレジストを塗布することができ、所望のレジスト形状、寸法が得られる。その結果、引き続きエッチングを行うことで、所望の形状の窒化物半導体発光素子を得ることができる。又、他の工程においても良好な表面平坦性が得られ、均一な層厚の窒化物半導体薄膜を成長できるので、クラックなどが抑制された良好な特性を持つ窒化物半導体発光素子を作製できる。これらのことにより、窒化物半導体基板より、歩留まり良く窒化物半導体発光素子を作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下において、本発明による種々の実施の形態を説明するにあたり、幾つかの用語の意味を予め明らかにしておく。まず、本明細書に記載の「掘り込み領域」とは、例えば、後述する図４に示されているように、加工基板１９表面でストライプ状に加工された凹部である溝を意味し、「丘」とはストライプ状に加工された凸部となる領域で且つ掘り込み領域を除いた領域を意味する。
【００４２】
本明細書に記載の「窒化物半導体基板」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる基板を意味する。ただし、窒化物半導体基板の窒素元素のうちで、その約１０％以下がＡｓ、Ｐ、またはＳｂの元素で置換されてもよい（但し、基板の六方晶系が維持されている。）。また、窒化物半導体基板中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされても構わない。ｎ型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００４３】
本明細書に記載の「異種基板」とは、窒化物半導体以外の基板を意味する。具体的な異種基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、またはＧａＡｓ基板などが用いられる。
【００４４】
本明細書に記載の「加工基板」とは、窒化物半導体基板、もしくは、窒化物半導体基板表面又は異種基板表面に積層された窒化物半導体薄膜表面上に、掘り込み領域が形成された基板を意味する。この掘り込み領域は、一定の周期を有して構成されるものとしても構わないし、種々に異なる幅を有して構成されるものとしても構わない。又、掘り込み領域における溝の深さに関しても、すべての溝が一定の深さを有していても構わないし、種々に異なる深さを有していても構わない。
【００４５】
本明細書に記載の、ある領域における窒化物半導体基板表面の「極性」とは、当該領域の表面が、窒化物半導体基板を構成する原子種の中で、どの原子で終端しているか、を示す。例えば、ＧａＮ基板のある領域において、当該領域の表面がＧａ原子で終端されていれば、その領域の「極性」は、Ｇａ（ガリウム）である。
【００４６】
本明細書に記載の「活性層」とは、井戸層と障壁層から構成された層の総称を意味するものとする。例えば、単一量子井戸構造の「活性層」は、１つの井戸層のみから構成されるか、もしくは、障壁層／井戸層／障壁層から構成される。又、多重量子井戸構造の「活性層」は、複数の井戸層と複数の障壁層から構成される。
【００４７】
又、以下に記載する実施形態において、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いるものとして説明する。当該ＧａＮ基板の材料となるＧａＮは六方晶系（hexagonal）であるから軸方向や面方位を表すには４つの指数を使う表記方法を採用する。ａ軸、ｂ軸は１２０度をなし、長さは等しい（ａ＝ｂ）これらに直交するｃ軸は特異な軸でありａ軸と等しくない（ｃ≠ａ）。ａ軸とｂ軸だけではａｂ面の方向を表す際に対称性がなくなるのでもう一つの軸を想定する。これを仮にｄ軸とする。尚、ａ、ｂ、ｄ軸は、ａ、ｂ軸だけで充分に方位を指定できるが対称性を損なわないようにもう一つ余分のｄ軸を導入したのであるから、これらは互いに独立でない。
【００４８】
一つの平行面群を４つの指数（ｋｌｍｎ）で表現したとすると、これは原点から数えて１枚目の面がａ軸、ｂ軸、ｄ軸、ｃ軸を切る点の原点からの距離がａ／ｋ、ｂ／ｌ、ｄ／ｍ、ｃ／ｎであるということである。これは他の晶系の場合と同じ定義である。ただしａ、ｂ、ｄ軸は平面内に含まれる冗長な座標であるから、ｋ、ｌ、ｍは独立でなく、常にｋ＋ｌ＋ｍ＝０である。ｃ軸に関しては立方晶等の場合と同じである。同等な平行面がｃ軸単位長さにｎ枚あるときｃ方向の指数がｎとなる。だから４つの指数のうち前３つについては回転対称性があるが、ｃ軸の指数は独立である。
【００４９】
個々の面方位は（…）で表現する。集合的な面方位は｛…｝によって表現する。集合的なというのはある面方位をその晶系が許す全ての対称操作によって到達できる全ての面方位の集合を意味する。結晶方位も同じ指数によって表現する。結晶方位はそれに垂直な面の指数と同じ指数をつかう。個別の方位は［…］であらわす。集合方位は＜…＞で表現する。これらは結晶学の常識であるが混乱を避けるため説明した。マイナスの指数は数字の上に横線を引いて示すのが直観的に分かりやすくて結晶学の決まりでもある。しかし、上述したように、本明細書において、数字の上に横線を引く事ができないので、ここでは数字の前に−をつけて負数を示す。
【００５０】
＜ＧａＮ基板の作製＞
まず、窒化物半導体発光素子の一つである窒化物半導体レーザ素子を作製するために、その表面に窒化物半導体成長層を形成する窒化物半導体基板の一つであるＧａＮ基板の作製方法について、図２を参照して説明する。図２は、ｎ型ＧａＮ基板の製造過程を示す図である。
【００５１】
このｎ型ＧａＮ基板を製造する際の結晶成長において、ファセット面からなる斜面を有して成長する。尚、ファセット面というのは成長方向に垂直な面（成長面）以外の面をいう。このファセット面となる斜面を維持して成長することで、転位を成長方向に対して伝播させて所定の位置に集合させることができる。このファセット面の成長した領域は、結晶欠陥（＝転位）の移動により低欠陥密度領域となる。又、ファセット面となる斜面の下部には、明確な境界を持った高密度の欠陥領域を有した高欠陥密度領域の成長がなされる。そして、転位が、この高欠陥密度領域の境界或いはその内部に集合するため、この高欠陥密度領域内で消滅或いは蓄積する。
【００５２】
このとき、この高欠陥密度領域の形状によって、ファセット面の形状も異なる。高欠陥密度領域がドット状となる場合、ファセット面が高欠陥密度領域を取り巻くように形成され、ファセット面から成るピットが形成される。又、高欠陥密度領域がストライプ状となる場合、この高欠陥密度領域のストライプとなる部分を底となるようにして、高欠陥密度領域の両側にファセット面の斜面を形成してＶ字型となる。尚、本実施形態では、高欠陥密度領域はストライプ状とする。
【００５３】
この高欠陥密度領域を形成するためには、下地基板となる支持基体上に、高欠陥密度領域を形成する場所に、非晶質又は多結晶の層である転位形成用の種を予め形成しておく必要がある。このように転位形成用の種が表面上に形成された支持基体にＧａＮを成長させることによって、この転位形成用の種の直上の領域に、高欠陥密度領域が形成される。そして、この高欠陥密度領域を有してＧａＮ層を成長させることにより、ファセット面を埋め込むこと無く、ファセット面を維持して成長を進行させることができる。
【００５４】
即ち、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）法により、図２のように、支持基体２１上にｎ型ＧａＮ層２２を成長させるとき、ファセット面｛１１−２２｝面２３が成長中の表面に主として表出するように成長する。その結果、図２（ａ）のように、表面の断面図形は鋸歯状の凹凸形状となる。ただし、凸部の頂点付近には、わずかに、｛０００１｝面２６が表出した部分がストライプ状に生成される。
【００５５】
このＨＶＰＥ法で形成する際、ホットウォール型の反応炉の上流部にＧａボートを設け、加熱したＧａ融液にＨＣｌガスを吹き込むようにし、反応炉の下流部にｎ型ＧａＮ層２２を成長させるための支持基体２１を設けて、ＮＨ3を吹き込むようにしておく。そして、加熱したＧａメタル（融液）にＨＣｌを吹きこんでＧａＣｌを合成し、下方へ送り、下方でＮＨ3と反応させＧａＮを合成することで、ＧａＮを基板に堆積させる。
【００５６】
又、支持基体２１としては２インチ（１１１）ＧａＡｓウエーハを用いた。図２（ａ）に示す凹凸はピッチ（周期）＝４９０μｍの周期構造であり、図面奥行き方向にストライプ状に延在している形状となっている。このＧａＡｓウエーハは、ＧａＮを成長させて、後述するｎ型ＧａＮ層２２のインゴットを作製した後に除去する際に、容易に除去できるため、サファイアウエーハなどに比べて適している。このように、上述した凹凸の位置を規定するためには、支持基体２１上にあらかじめ上記凹部に対応した開口部を持つＳｉＯ2のマスク（開口部が上述の「転位形成用の種」に相当する）を形成しておき、ファセット面が表出する状態で、結晶成長を行えば良い。
【００５７】
つまり、マスクの開口部は、ＧａＮ結晶の［１−１００］方向に平行になるように、周期＝４９０μｍでストライプ状配置されており、そのマスクの形状は、連続したストライプ状としたり、あるいは個々のドット状として列上に並ぶような配置にしても構わない。以下、本実施形態では、［１１−２０］方向と平行な方向において隣接するマスク開口部の間隔（周期）が４９０μｍで、ストライプ状の形状を形成することによりＧａＮ基板を作製した例について説明するが、開口部の周期は４９０μｍでなくても構わない。
【００５８】
ファセット面｛１１−２２｝面２３が表出した状態で、結晶成長を持続させる手法（成長条件）に付いては、本出願人が先に出願した特開２００１−１０２３０７号広報に詳細に開示している。尚、成長時に酸素をドーピングすることで、成長する結晶をｎ型とする。
【００５９】
このように、ファセット面｛１１−２２｝面２３が表出した状態で結晶成長を持続させ、さらにＧａＮ結晶の形成を続けることで、図２（ｂ）のように、支持基体２１上にｎ型ＧａＮ層２２によるインゴットが作製される。このとき、その表面上に、種となるマスクの形状に応じたファセット面が形成される。即ち、マスクがドット状のパターンとなる場合は、ファセット面からなるピットが規則正しく形成され、又、マスクがストライプ状のパターンとなる場合は、Ｖ字型のファセット面が形成される。
【００６０】
このｎ型ＧａＮ層２２によるインゴットを、スライサーによりスライス切断加工して薄片（ｎ型ＧａＮ基板）を得る。更に、この薄片を研磨加工して、図２（ｃ）の断面図及び図２（ｄ）の上面図で表されるような、表面が平坦なｎ型ＧａＮ基板２０が得られる。その後、ｎ型ＧａＮ基板２０の表面を研削、研磨を施すことによって、表面を平坦化して、使用可能な状態とすることができる。即ち、このｎ型ＧａＮ基板２０において、エピタキシャル成長を行うための表面を鏡面研磨仕上げとする。
【００６１】
尚、この表面は、ほぼ（０００１）面としたが、後述する理由により、（０００１）面から［１１−２０］方向に０．１５°以上０．５°以下の範囲で、オフ角度を有していることが望ましい。
【００６２】
このようにして構成されるｎ型ＧａＮ基板２０を、硫酸、燐酸の混酸を２５０℃に加熱した液に浸しウエットエッチングを行って、ファセット面が集合するエッチピットが表面にでるようにした。その結果、高欠陥密度領域２４に対応する領域に多数のエッチピットが現れるため、この領域に転位が極めて集中していることが判明した。この高欠陥密度領域２４は、転位が極めて集中しているために、研磨工程で他の部分よりも侵食されやすく、窪みが生じている。
【００６３】
この窪みの生じた高欠陥密度領域２４の幅は１５μｍ〜５０μｍ程度であった。この高欠陥密度領域２４以外の領域は、ＥＰＤ（エッチピット密度）約１０6ｃｍ-2の低欠陥密度領域２７となっており、又、高欠陥密度領域２４のＥＰＤは、約１０9ｃｍ-2と、大きな値となる。
【００６４】
又、この高欠陥密度領域２４は基板上の他の領域と異なり、極性が反転している。即ち、ｎ型ＧａＮ基板２０の表面位置において、高欠陥密度領域２４以外の表面はＧａ（ガリウム）で終端しており、高欠陥密度領域２４の表面はＮ（窒素）で終端している。このように表面の極性が異なると、後述するように、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子の付着し易さを表す指標である付着係数が異なることとなる。尚、付着係数が大きいと、その領域に窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が付着しやすく、又、窒化物半導体薄膜の成長速度も大きくなる。
【００６５】
又、サンプルとなるｎ型ＧａＮ基板２０に対して紫外線（Ｈｇランプ３６５ｎｍ輝線を用いることができる）を照射して、表面からのルミネッセンスを顕微鏡を用いて蛍光顕微鏡観察を行った。その結果、高欠陥密度領域２４に挟まれた低欠陥密度領域２７の中央に、比較的はっきりと境界をもった、周囲とコントラストが異なるストライプ状の領域が観察される。この領域は、周囲よりも肉眼で観察される発光（ルミネッセンス）が強く、やや黄色がかった発光が明るく観察される領域である。
【００６６】
この観察された発光の明るい領域２５は、結晶成長時に｛０００１｝面２６が表出しつつ成長していた部分である。以下、この領域２５を「高ルミネッセンス領域」と呼称する。又、結晶成長時に、｛０００１｝面が表出しつつ成長した部分は必ずしも同一の幅をもって均一に進行するものではなく、高ルミネッセンス領域２５の幅は、０μｍから３０μｍの程度の範囲の値であった。
【００６７】
このようなｎ型ＧａＮ基板２０の形成のための結晶成長方法は、ＨＶＰＥ法以外の気相成長によってもよく、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、昇華法などを用いても実施することができる。
【００６８】
又、ｎ型ＧａＮ基板２０の形成のための成長に用いる支持基体２１としては、ＧａＡｓの他にも、軸廻りに六回対称性あるいは三回対称性がある単結晶基板を用いることができる。つまり結晶系としては六方晶系又は立方晶系（Cubic symmetry）の単結晶である。立方晶系の場合（１１１）面を使えば三回対称性がある。サファイア、ＳｉＣ、ＳｉＯ2、ＮｄＧａＯ3、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｒＢ2などの六方晶系の単結晶を用いることができる。Ｓｉ、スピネル、ＭｇＯ、ＧａＰなどの立方晶系の（１１１）面基板を用いることもできる。これらはＧａＮを（０００１）面で成長させるものである。
【００６９】
更に、ｎ型ＧａＮ基板２０の形成のためのマスクの設け方も２種類ある。一つは支持基体２１の上に直接にマスクを形成する手法である。この場合エピ層に先立ち、マスクの開口部の基板露出面にＧａＮバッファ層を堆積する必要がある。もう一つの方法は、支持基体２１の上に予め薄くＧａＮ層を形成しておいて、その上にマスクを形成する手法である。後者の方が成長がスムーズに進行し、より好ましい。
【００７０】
このようにして形成された高欠陥密度領域２４と当該高欠陥密度領域２４よりも欠陥密度の低い低欠陥密度領域２７と高ルミネッセンス領域２５を備えた窒化物半導体基板の一つであるｎ型ＧａＮ基板２０の概略断面図を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）は図３（ｂ）の上面図である。このｎ型ＧａＮ基板２０表面の法線方向３２に対して、ｃ軸方向３１は［１１−２０］方向に向かってオフ角θを有している。当該オフ角θは、後述する理由により、０．１５°以上０．５°以下であることが好ましい。このように、ｎ型ＧａＮ基板２０において、[１−１００]方向にストライプ状に延在する高欠陥密度領域２４と高ルミネッセンス領域２５が形成されている。
【００７１】
＜窒化物半導体レーザ素子の作製＞
上述のようにして形成された高欠陥密度領域２４と、当該高欠陥密度領域２４よりも欠陥密度の低い低欠陥密度領域２７と高ルミネッセンス領域２５を備えた窒化物半導体基板の一つであるｎ型ＧａＮ基板２０を用いて作製される本発明の窒化物半導体発光素子の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態では、窒化物半導体発光素子の一例として窒化物半導体レーザ素子について、説明する。図１（ａ）に、本実施形態の窒化物半導体レーザ素子が形成されたウエーハの概略断面図を示す。又、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。又、図４（ｂ）は、本発明の実施形態の窒化物半導体薄膜を成長させる前の加工基板１９の概略断面図であり、図４（ａ）は図４（ｂ）の上面図である。図１及び図４に面方位も併せて表示する。尚、オフ角はゼロとして面方位を示している。図４に示した加工基板１９に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層１１（図１参照）を積層させるなどして、図１の窒化物半導体レーザ素子を得る。
【００７２】
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、凹部となる掘り込み領域１６を備えたｎ型ＧａＮなどから成る窒化物半導体基板より形成された加工基板１９に窒化物半導体成長層１１を成長させることで作製される。このような窒化物半導体レーザ素子において、まず、加工基板１９の作製方法について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態では加工基板１９として、上述したｎ型ＧａＮ基板２０を用いるものとする。又、当該ｎ型ＧａＮ基板２０が備える高欠陥密度領域２４の［１１−２０］方向と平行な方向の幅Ｒ（図４参照）を２０μｍとするとともに、ｎ型ＧａＮ基板２０のオフ角を、０．１８°とする。このｎ型ＧａＮ基板２０の全面に膜厚１μｍのＳｉＯ2膜などをスパッタ蒸着し、引き続き、一般的なフォトリソグラフィ工程において、ストライプ形状のフォトレジストパターンをレジスト開口部の幅４０μｍ、フォトレジストパターンのストライプ中心部と隣接するフォトレジストパターンのストライプ中心部との［１１−２０］方向と平行な方向での間隔（周期）が４９０μｍとなるように、［１−１００］方向に形成する。この際、フォトレジストパターンの開口部の中心部と高欠陥密度領域２４のストライプ中心部が一致するように、フォトレジストパターンを形成する。即ち、フォトレジストパターンの開口部の中心に高欠陥密度領域２４のストライプパターンが位置する。又、高欠陥密度領域２４とその他の領域との区別は、高欠陥密度領域２４の表面には多くのピットが存在するため、光学顕微鏡で観察することで十分に区別可能である。
【００７３】
引き続き、ＲＩＥ技術などのドライエッチング技術を用い、ＳｉＯ2膜及びｎ型ＧａＮ基板２０をエッチングすることで、掘り込み深さＬを３μｍ、開口幅Ｍを４０μｍとする掘り込み領域１６を形成する。又、掘り込み領域１６と隣接する掘り込み領域１６との間に形成される凸部となる丘１５の幅Ｎは４５０μｍとする。その後、エッチャントとしてＨＦ（フッ酸）などを用いてＳｉＯ2膜を除去し、図４に示すような、その表面に窒化物半導体成長層１１が積層される前の加工基板１９を得る。この加工基板１９は、掘り込み領域１６内の底面において、中心部では高欠陥密度領域２４が露出しているとともに、その他の領域では低欠陥密度領域２７が露出している。尚、上述したＳｉＯ2膜の蒸着方法はスパッタ蒸着に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、プラズマＣＶＤ法などの方法を用いても構わない。又、フォトレジストパターンについても、その周期は４９０μｍに限定されるものではなく、ｎ型ＧａＮ基板２０に形成されたストライプ状の高欠陥密度領域２４の周期に応じて、変化させても構わない。
【００７４】
このように加工基板１９に掘り込み領域１６を作製する際のエッチング方法として、ドライエッチング技術、もしくはウエットエッチング技術を用いて構わない。又、加工基板１９は、上述のようにｎ型ＧａＮ基板２０表面に直接、掘り込み領域１６を掘り込むことで形成しても構わないし、ｎ型ＧａＮ基板２０の表面に、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの窒化物半導体薄膜を成長させた後に、掘り込むことで形成しても構わない。
【００７５】
上述のようにして得られた加工基板１９上に、ＭＯＣＶＤ法などの周知の技術を適宜用いて、窒化物半導体成長層１１をエピタキシャル成長させることで、図１に示された窒化物半導体レーザ素子を作製する。この窒化物半導体成長層１１は、例えば、図６のような窒化物半導体薄膜から構成される。
【００７６】
即ち、エッチングが行われたｎ型ＧａＮから成る加工基板１９上に形成される窒化物半導体成長層１１は、加工基板１９の表面に、層厚２．３μｍのｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層６１と、層厚０．１５μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層６２と、層厚０．１μｍのｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層６３と、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層６４と、層厚４ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層が３層及び層厚８ｎｍのＧａＮ障壁層が４層から成る多重量子井戸活性層６５と、層厚１０ｎｍのｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層６６と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層６７と、層厚０．６μｍのｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層６８と、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６９と、が順に積層され構成されている。
【００７７】
このような構成の窒化物半導体成長層１１を加工基板１９の上に積層する。図５は、窒化物半導体成長層１１が積層されたウエーハの一部の概略断面図である。図５に示すように、加工基板１９に形成された凸状の丘１５の両端部において、従来の窒化物半導体レーザ素子で発生していた異常成長が抑制され、丘１５上に積層された窒化物半導体成長層１１表面において、良好な平坦性が得られている。
【００７８】
又、掘り込み領域１６内において、側面部８の表面と、底面部９の表面で低欠陥密度領域２７が露出した領域上に窒化物半導体成長層１１が積層している。又、掘り込み領域１６内の底面部９の表面で高欠陥密度領域２４が露出した領域の中央部には窒化物半導体成長層１１は積層せず、更に、高欠陥密度領域２４が露出した領域の外周部分には、層厚の厚い凸形状の異常成長部１０が形成されている。
【００７９】
このように、従来の窒化物半導体レーザ素子で見られた丘１５の両端部における異常成長が抑制されたのは、本実施形態において、掘り込み領域１６の深さＬの値（３μｍ）が開口幅Ｍの値（４０μｍ）に比べて非常に小さいためである。即ち、深さＬの値が開口幅Ｍの値よりも小さいと、掘り込み領域１６の内にも窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子ガスが直接入り込み、側面部８及び底面部９（高欠陥密度領域２４の表面は除く）上に層厚の厚い窒化物半導体薄膜が形成される。このため、丘１５上に成長した窒化物半導体薄膜と掘り込み領域１６内の側面部８及び底面部９（高欠陥密度領域２４の表面は除く）上に成長した窒化物半導体薄膜は結合する。その結果、丘１５上に成長した窒化物半導体薄膜表面に付着した窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子がマイグレーションして、丘１５上に留まることなく掘り込み領域１６内に移動しやすくなる。このため、結果的に、丘１５の両端部での窒化物半導体成長層１１の異常成長が抑制される。
【００８０】
又、掘り込み領域１６内の底面部９において、低欠陥密度領域２７が露出した部分と高欠陥密度領域２４が露出した部分との、双方が存在する。上述したように、高欠陥密度領域２４の表面はＮ（窒素）で終端されているのに対して、低欠陥密度領域２７の表面はＧａ（ガリウム）で終端されている。このため、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子の付着係数が異なり、高密度欠陥領域２４の表面には殆ど、窒化物半導体薄膜は形成されず、この高欠陥密度領域２４の外周部分において、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子の付着係数が非常に大きくなり、この領域において層厚の厚い凸形状の異常成長部１０が形成される。このことが結果的に、従来の窒化物半導体レーザ素子において、丘１５の両端部で発生していた異常成長を抑制することとなる。
【００８１】
上述したように、掘り込み領域１６が形成された加工基板１９上に、複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層１１を積層することで、窒化物半導体レーザ素子を作製するわけであるが、窒化物半導体薄膜を加工基板１１上に積層する際、掘り込み領域１６が窒化物半導体薄膜で埋まらないようにする。掘り込み領域１６が窒化物半導体薄膜で埋まってしまいと、上述したような丘１５上の両端部において異常成長を抑制する効果が
なくなるためである。
【００８２】
このように掘り込み領域１６の開口幅Ｍの値を深さＬの値よりも大きくすることで、丘１５の両端部において、異常成長が抑制されるが、これら開口幅Ｍ、深さＬの値を適切な値に設定する必要がある。まず、掘り込み領域１６の開口幅Ｍについては、開口幅Ｍの値が２０μｍより小さいと、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子ガスが掘り込み領域１６内に入りにくくなる。又、掘り込み領域１６の開口幅Ｍの値が１００μｍより大きいと、窒化物半導体レーザ素子は掘り込み領域１６内ではなく丘１５上に形成されるため（図１参照）、一枚のウエーハから作製される窒化物半導体レーザ素子の数が小さくなってしまい、好ましくない。よって、掘り込み領域１６の開口幅Ｍの値は、２０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。
【００８３】
又、掘り込み領域１６の深さＬについては、深さＬの値が３μｍ未満だと、容易に掘り込み領域１６は窒化物半導体成長層１１で埋まってしまうので、好ましくない。又、深さＬの値が１０μｍより大きくなると、上述したような丘１５の両端部における異常成長の発生を抑制する効果が小さくなるため、好ましくない。よって、掘り込み領域１６の深さＬの値は、３μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。
【００８４】
又、掘り込み領域１６内においては、底面部９に露出している高欠陥密度領域２４の［１１−２０］方向と平行な方向の幅Ｒについて、幅Ｒの値が１５μｍより小さいと、掘り込み領域１６内に入ってきた窒化物半導薄膜の原料となる原子・分子が高欠陥密度領域２４の上を横断して拡散することとなり、結果、高欠陥密度領域２４の表面の外周部における原子・分子の付着係数が小さくなる。このため、異常成長部１０の形成が抑制され、丘１５の両端部における異常成長を抑制する効果が小さくなり、好ましくない。又、幅Ｒの値を５０μｍより大きくすると、ウエーハに対して高欠陥密度領域２４の占める割合が大きくなり、窒化物半導体レーザ素子が作製される低欠陥密度領域２７の割合が小さくなり、一枚のウエーハから作製される窒化物半導体レーザ素子の数が小さくなり、好ましくない。よって、高欠陥密度領域２４の幅Ｒの値は、１５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。又、プロセスの変動などが発生した場合を考慮すると、さらに好ましくは、２０μｍ以上４０μｍ以下である。
【００８５】
又、掘り込み領域１６内の底面部９において、高欠陥密度領域２４と低欠陥密度領域２７との境界と、掘り込み領域１６の側面部８との間で、[１１−２０]方向と平行な方向における間隔Ｓは、間隔Ｓの値が２μｍ未満だと、異常成長部１０と丘１５の両端部とが近すぎて異常成長部１０を十分に形成することができないため、丘１５の両端部において異常成長を抑制する効果が小さくなる。このため、間隔Ｓは、２μｍ以上が好ましく、更に好ましくは５μｍ以上である。
【００８６】
更に、丘１５については、その幅Ｎの値が、４００μｍ未満だと丘１５の上に付着した窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子がマイグレーションして丘１５の両端部に移動し、そこで異常成長が発生する可能性が高い。それを抑制するために、丘１５の幅Ｎの値は、４００μｍ以上が好ましい。更に好ましくは、５００μｍ以上である。又、このように幅Ｎの値を大きく設定することで、丘１５上に積層される窒化物半導体成長層１１の表面平坦性を、良好なものとすることができる。
【００８７】
又、上述したように、掘り込み領域１６の開口幅Ｍの値は、２０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。又、丘１５の幅Ｎの値は、４００μｍ以上が好ましい。即ち、掘り込み領域１６と隣接する掘り込み領域１６の［１１−２０］方向と平行な方向における間隔（周期）は４２０μｍ以上が好ましい。又、掘り込み領域１６内の高欠陥密度領域２４の周期についても、同様に、４２０μｍ以上が好ましい。
【００８８】
又、このように掘り込み領域１６と丘１５を備える加工基板１９上に積層する複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層１１については、その層厚が５μｍより大きくなると、掘り込み領域１６が埋もれてしまう可能性がある。このため、窒化物半導体成長層１１の層厚は５μｍ以下が好ましい。
【００８９】
又、窒化物半導体成長層１１、特に加工基板１９表面に直接、積層する窒化物半導体薄膜については、丘１９の両端部における異常成長を抑制するために、マイグレーション長の短いＡｌ（アルミニウム）原子を含む窒化物半導体薄膜を成長させることが好ましい。これは、マイグレーション長の短いＡｌ原子を含む窒化物半導体薄膜を積層すると、下地の形状（ファセット面の形状）を保持したままで成長が進み易く、異常成長を更に抑制することができるためである。このため、加工基板１９の上に積層する窒化物半導体薄膜として、Ａｌ組成比の大きな膜を成長させると、異常成長の抑制には効果的である。しかしながら、Ａｌ組成比が高いと、Ａｌ原子のマイグレーション長が短いため、成長させた窒化物半導体薄膜の表面の平坦性が良好なものとならない。そこで、Ａｌ組成比の高い窒化物半導体薄膜と、Ａｌ組成比の低い窒化物半導体薄膜とを、交互に積層して多層膜を形成すれば、丘１５の両端部における異常成長を抑制するとともに、積層した多層膜の表面平坦性も良好なものとすることができる。
【００９０】
上述した多層膜は、ＡｌxＧａ1-xＮ層とＡｌyＧａ1-yＮ層（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ≦０．１、ｘ＜ｙ）から構成されることが好ましい。これらＡｌ組成比の異なる２種類の膜双方の膜厚の値は、８０ｎｍ未満であると異常成長を抑制する効果が小さくなり、又、３μｍより大きくなると掘り込み領域１６が埋もれてしまう可能性がある。よって、これらＡｌ組成比の異なる２種類の膜双方の膜厚の値は、８０ｎｍ以上３μｍ以下が好ましい。
【００９１】
又、上述したＡｌ組成比の異なる２種類の窒化物半導体薄膜について、Ａｌ組成比が大きい窒化物半導体薄膜の膜厚が、Ａｌ組成比が小さな窒化物半導体薄膜の膜厚より大きいと、これら２種類の膜が積層された多層膜について、良好な表面平坦性が得られない。よって、Ａｌ組成比が大きい窒化物半導体薄膜の膜厚の値は、Ａｌ組成比が小さな窒化物半導体薄膜の膜厚の値より小さいことが好ましい。また、このＡｌ組成比の異なる２種類の窒化物半導体薄膜からなる多層膜について、当該多層膜の上に更に積層される他の窒化物半導体薄膜との格子不整合を小さくし、窒化物半導体薄膜中の歪みが低減され、更に、その歪みを原因とする表面荒れが抑制されるため、多層膜の表面はＡｌ組成比の低い窒化物半導体薄膜であることが好ましい。
【００９２】
又、このようにして窒化物半導体成長層１１が積層される加工基板１９は、本実施形態では、オフ角θが０．１８°のｎ型ＧａＮ基板２０を用いて作製されている（図３参照）。このオフ角θを０．１５°以上とすることで、丘１５の両端部双方で同様に発生していた異常成長が、両端部の片側では、より顕著となるに対して、もう一方では異常成長が抑制される。又、オフ角を０．５°より大きくすると、丘１５上に積層される窒化物半導体成長層１１の表面モフォロジーが悪化する。このため、加工基板１９を作製するのに用いるｎ型ＧａＮ基板２０のオフ角θの値は、０．１５°以上０．５°以下が好ましい。
【００９３】
このようにして、丘１５の両端部で異常成長を発生させることなく、加工基板１９に窒化物半導体成長層１１を形成することで、図１に示された窒化物半導体レーザ素子を作製する。
【００９４】
図１の窒化物半導体レーザ素子は、掘り込み領域１６を備えた加工基板１９上に、図６で示した複数の窒化物半導体薄膜から成る積層構造を備えた窒化物半導体成長層１１が形成されている。又、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術などを用い、窒化物半導体成長層１１の表面にはリッジストライプ１２と、リッジストライプ１２を挟むようにして設置され電流狭窄を目的としたＳｉＯ2などから成る誘電体膜１３とが形成される。そして、このリッジストライプ１２及び誘電体膜１３それぞれの表面にはｐ側電極１４が形成され、又、加工基板１９の裏面にはｎ側電極７が形成される。又、ｐ側電極１４表面の凸部をストライプ１７とする。又、丘１５上に積層された窒化物半導体成長層１１の両端部１８において、異常成長が抑制されている。又、掘り込み領域１６内は、窒化物半導体成長層１１で完全には埋もれておらず、側面部８、及び底面部９において低欠陥密度領域２７が露出した領域の表面には、窒化物半導体成長１１が積層している。更に、掘り込み領域１６内の底面部９において、高欠陥密度領域２４が露出した領域の外周部には、層厚の厚い凸形状の異常成長部１０が形成されている。又、丘１５の中心部には高ルミネッセンス領域２５が形成されている。
【００９５】
上述のリッジストライプ１２は、通常のフォトリソグラフィ技術を用い、[１−１００]方向に延在するストライプ形状のレジストパターンを形成し、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）などのプラズマ源を用いたＲＩＥ技術を用いエッチングを実施することにより形成される。このとき、窒化物半導体成長層１１の表面から、ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層６８（図６参照）の途中までエッチングを実施する。形成されたリッジストライプ１２の［１１−２０］方向と平行な方向の幅は、略１．６μｍであった。又、丘１５の中央からリッジストライプ１２の中心部との距離をｄとする。尚、本実施形態では、この距離ｄを１０μｍとする。
【００９６】
リッジストライプ１２を形成する位置であるが、丘１５の中心部（高ルミネッセンス領域２５）上にリッジストライプ１２を形成し、窒化物半導体レーザ素子を作製したところ、閾値電流値が大きく、良好な特性をもつ窒化物半導体レーザ素子が得られなかった。このため、リッジストライプ１２の中心部を、丘１５の中心部（高ルミネッセンス領域２５）から３μｍ以上離して、リッジストライプ１２を形成すると、良好な特性の窒化物半導体レーザ素子が得られることが分かった。尚、図１に示すような加工基板１９上に窒化物半導体レーザ素子が作製されたウエーハを分割してバー形状にすることで共振器端面を形成し、共振器端面のコーティングを行い、更に、チップ分割を実施して、個々の窒化物レーザ素子にするには、周知の技術を適宜適用すれば良いので、その方法の説明は省略する。
【００９７】
又、隣接する高欠陥密度領域２４の［１１−２０］方向と平行な方向の間隔（周期）をＡとすると、上述した距離ｄが０．２５×Ａよりも大きいと、良好な特性を有する窒化物半導体レーザ素子を得ることができなかった。よって、リッジストライプ１２を形成する際、丘１５の中央（高ルミネッセンス領域２５）からリッジストライプ１２の中心部との距離ｄが、３μｍ以上０．２５×Ａ以下が好ましく、且つ、掘り込み領域１６を含まない低欠陥密度領域２７にリッジストライプ１２を形成することが好ましい。
【００９８】
このようにして窒化物半導体レーザ素子を作製すると、丘１５上に積層した窒化物半導体成長層１１の両端部１８において、異常成長が抑制され、丘１５上に積層した窒化物半導体成長層１１の両端部１８以外の領域においても、良好な表面平坦性が得られた。このことにより、リソグラフィ工程において所望の形状及び寸法のレジストパターンが形成され、結果、窒化物半導体レーザ素子製造の歩留まりが向上した。
【００９９】
尚、図１において、丘１５上に一つの窒化物半導体レーザ素子が作製されているが、これに限定されるものではなく、例えば、丘１５の中心部にある高ルミネッセンス領域２５を挟んだ反対側（図１では左側）の領域にも別の窒化物半導体レーザ素子を作製するものとしても構わない。又、可能であるなら、更に多くの窒化物半導体レーザ素子を作製しても構わない。
【０１００】
尚、本実施形態では、周期的に形成されたストライプ状の高欠陥密度領域２４を備えたｎ型ＧａＮ基板２０を用い、高欠陥密度領域２４の位置にあわせて、ｎ型ＧａＮ基板２０に周期的に掘り込み領域１６を形成するものとしたが、これに限定されるものではない。即ち、ｎ型ＧａＮ基板２０の形成された高欠陥密度領域２４を含むように掘り込み領域１６が形成されれば、高欠陥密度領域２４及び掘り込み領域１６は、周期的に形成されたものでなくても構わない。又、掘り込み領域１６内の底面部９の中心部に、高欠陥密度領域２４の中心部が位置しなくても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
このようにして作製した窒化物半導体レーザ素子は、光磁気再生記録装置、高密度記録再生装置、レーザプリンター、バーコードリーダ、プロジェクターなどの光学装置に好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の実施形態における窒化物半導体レーザ素子が設けられたウエーハの一部の概略図である。
【図２】ｎ型ＧａＮ基板の製造過程を示す図である。
【図３】本発明の実施形態におけるｎ型ＧａＮ基板の概略図である。
【図４】本発明の実施形態における加工基板の概略図である。
【図５】本発明の実施形態において、加工基板に窒化物半導体成長層を積層させた場合のウエーハの一部の概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態における窒化物半導体成長層の概略断面図である。
【図７】ｎ型ＧａＮ基板の概略図である。
【図８】従来の加工基板の概略図である。
【図９】従来の窒化物半導体成長層の概略断面図である。
【図１０】従来の加工機基板に窒化物半導体成長層を積層させたウエーハの一部の概略図である。
【符号の説明】
【０１０３】
７      ｎ側電極
８      側面部
９      底面部
１０    異常成長部
１１    窒化物半導体成長層
１２    リッジストライプ
１３    誘電体膜
１４    ｐ側電極
１５    丘
１６    掘り込み領域
１７    ストライプ
１８    両端部
１９    加工基板
２０    ｎ型ＧａＮ基板
２１    支持基体
２２    ｎ型ＧａＮ層
２３    ファセット面｛１１−２２｝
２４    高欠陥密度領域
２５    高ルミネッセンス領域
２６    ｛０００１｝面
２７    低欠陥密度領域
３１    ｃ軸方向
３２    法線
６１    ｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層
６２    ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
６３    ｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層
６４    ｎ型ＧａＮ光ガイド層
６５    多重量子井戸活性層
６６    ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎキャリアブロック層
６７    ｐ型ＧａＮ光ガイド層
６８    ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層
６９    ｐ型ＧａＮコンタクト層
７０    ｎ型ＧａＮ基板
７１    低欠陥密度領域
７２    高欠陥密度領域
８０    掘り込み領域
８１    丘
９１    ｎ型ＧａＮ層
９２    ｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層
９３    ｎ型ＧａＮガイド層
９４    多重量子井戸活性層９４
９５    ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
９６    ｐ型ＧａＮガイド層
９７    ｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層
９８    ｐ型ＧａＮコンタクト層
９９    窒化物半導体成長層
１００  異常成長部
１０１  側面部
１０２  底面部
【図１】
2006059973.tif 000003
【図２】
2006059973.tif 000004
【図３】
2006059973.tif 000005
【図４】
2006059973.tif 000006
【図５】
2006059973.tif 000007
【図６】
2006059973.tif 000008
【図７】
2006059973.tif 000009
【図８】
2006059973.tif 000010
【図９】
2006059973.tif 000011
【図１０】
2006059973.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成17年8月9日(2005.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
少なくとも表面が窒化物半導体で構成される窒化物半導体基板表面にストライプ状の凹形状である掘り込み領域と凸形状である丘が設けられた加工基板と、当該加工基板表面上に複数の窒化物半導体薄膜から積層されて成る窒化物半導体成長層と、を備えた窒化物半導体発光素子において、
前記加工基板において、第１の平均欠陥密度を有する第１の領域と前記第１の平均欠陥密度より高い値の欠陥密度を有する第２の領域とがそれぞれ、前記掘り込み領域が延在する方向と平行な方向にストライプ状に配列して形成され、
前記第１の領域表面を終端している原子と前記第２の領域表面を終端している原子が異なり、
前記窒化物半導体成長を積層する以前の前記加工基板において、前記掘り込み領域が前記第２の領域を含み、前記掘り込み領域の底面部に前記第１の領域と前記第２の領域の双方が露出するとともに、前記掘り込み領域において前記底面部以外では前記第２の領域が露出していないことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
上記目的を達成するために本発明は、少なくとも表面が窒化物半導体で構成される窒化物半導体基板表面にストライプ状の凹形状である掘り込み領域と凸形状である丘が設けられた加工基板と、当該加工基板表面上に複数の窒化物半導体薄膜から積層されて成る窒化物半導体成長層と、を備えた窒化物半導体発光素子において、前記加工基板において、第１の平均欠陥密度を有する第１の領域と前記第１の平均欠陥密度より高い値の欠陥密度を有する第２の領域とがそれぞれ、前記掘り込み領域が延在する方向と平行な方向にストライプ状に配列して形成され、前記第１の領域表面を終端している原子と前記第２の領域表面を終端している原子が異なり、前記窒化物半導体成長を積層する以前の前記加工基板において、前記掘り込み領域が前記第２の領域を含み、前記掘り込み領域の底面部に前記第１の領域と前記第２の領域の双方が露出するとともに、前記掘り込み領域において前記底面部以外では前記第２の領域が露出していないことを特徴とする。