(57)【要約】【課題】  窒化物半導体素子の特性を面内で均一にすることができる窒化物半導体の製造装置およびそれを用いて製造された窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  本発明の窒化物半導体の製造装置は、基板と平行に原料ガスを含むガスを流すフローチャネルを備え、基板の上流側からフローチャネル内に原料ガスを導入して窒化物半導体を結晶成長させる気相成長装置であって、前記フローチャネルの内壁には、複数の凸状の突起部が設けられている。【選択図】  図１
2006080374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と平行にＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとを含むガスを流すフローチャネルを備え、基板の上流側からフローチャネル内に原料ガスを導入して窒化物半導体を結晶成長させる気相成長装置であって、
前記フローチャネルの内壁には、複数の凸状の突起部が設けられていることを特徴とする窒化物半導体の製造装置。
【請求項２】
前記複数の凸状の突起部は、フローチャネルの基板から上流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の製造装置。
【請求項３】
前記フローチャネルには、基板の上流側に設けられているフローチャネル内に１個以上の水平方向の仕切り板が設けられており、
前記複数の凸状の突起部は、ＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとの間の仕切り板上に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体の製造装置。
【請求項４】
前記凸状の突起部の形状が、半球状であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の窒化物半導体の製造装置。
【請求項５】
前記複数の凸状の突起部は、各凸状の突起部において底面の中心が等間隔になるように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体の製造装置およびそれを用いて製造された窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶に代表される窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶は、紫外から可視領域で発振する半導体素子レーザとして注目されている。半導体素子レーザ素子に用いられる窒化物半導体は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置などの装置を用いて製造される。これらの装置の中でも、特に、ＭＯＣＶＤ装置は、窒化物半導体レーザの特性に優れることから、最も有望視されている。ＭＯＣＶＤ装置を用いて製造された窒化物半導体レーザには、寿命特性として、６０℃において３０ｍＷで、推定寿命１５，０００時間のものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
窒化物半導体を成長させる従来のＭＯＣＶＤ装置を図８に示す。ＭＯＣＶＤ装置３０１のフローチャネル３０２内に、基板３１０を保持する基板トレイ３１１と、発熱源となるサセプタ３１２と、サセプタを加熱するＲＦコイル３１３と、サセプタ３１２への窒化物半導体の付着を防止するサセプタ保護ガスライン３０９からなる。基板３１０から上流部のフローチャネルは、３層に分かれ、下から原料ＮＨ３ガスライン３０６、原料ＭＯガスライン３０７、保護ライン３０８からなる。
【０００４】
通常、このようなＭＯＣＶＤ装置では、ガス濃度の均一性を保つために、ガスの流れが層流になるようにフローチャネルの構造を設計する。ガスの流れを層流にすることで、ガスの流れが安定し、再現性に優れた半導体層を得ることができる。
【０００５】
【非特許文献１】Ｓｈｉｎ−ｉｃｈｉ  ＮＡＧＡＨＡＭＡ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  Ｌｏｎｇ−Ｌｉｆｅｔｉｍｅ  ＩｎＧａＮ  Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ｌｏｗ−Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ−Ｄｅｎｓｉｔｙ  ＧａＮ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ”、  Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ、Ｊｕｌｙ  ２０００、  Ｖｏｌ．７Ａ、  Ｐａｒｔ２、  ｐｐ．Ｌ６４７−Ｌ６５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶からなる窒化物半導体レーザを作製する場合には以下のような問題がある。まず、ＩＩＩ族元素（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）の原料ガスであるＭＯガスの粘性と、Ｖ族元素（Ｎ）の原料ガスであるＮＨ３ガスの粘性とが大きく異なる。このため、窒化物半導体を積層する基板の面内で、ＩＩＩ族元素原料ガスの濃度と、Ｖ族元素原料ガスの濃度とが、均一に分布しない。これにより、窒化物半導体レーザの特性が均一にならず、歩留まりが悪いという問題がある。
【０００７】
特に、窒化物半導体層を積層する基板のサイズをより大きくするに伴い、装置のサイズを大きくする場合には、基板面内での原料ガスの混合がより不均一になるため、窒化物半導体レーザの特性の均一性がさらに低下するという問題がある。このため、レーザの発振波長などの光学的特性が大きくばらつき、歩留まりが悪いという問題がある。
【０００８】
また、基板面内での原料ガスの混合を均一に行うために、整流板を設けることもできる。しかし、この場合には、整流板の形状や、整流板を設ける位置によって、原料ガス濃度の分布が大きく変化する。したがって、整流板の形状や、整流板を設ける位置を変更すると、そのたびに、目的とする窒化物半導体を得るために、原料ガス供給量の最適化を行う必要がある。このため、非常に効率が悪いという問題がある。
【０００９】
本発明は上記に鑑みなされたものであり、その目的は、窒化物半導体素子の特性を面内で均一にすることができる窒化物半導体の製造装置およびそれを用いて製造された窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明の窒化物半導体の製造装置は、基板と平行にＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとを含むガスを流すフローチャネルを備え、基板の上流側からフローチャネル内に原料ガスを導入して窒化物半導体を結晶成長させる気相成長装置であって、前記フローチャネルの内壁には、複数の凸状の突起部が設けられていることとする。この構成によると、フローチャネルの内壁に設けられた複数の凸状の突起部により、窒化物半導体を積層する基板の面内において、ＩＩＩ族元素原料ガスの濃度とＶ族元素原料ガスの濃度とを、均一に分布させることができる。
【００１１】
前記複数の凸状の突起部は、フローチャネルの基板から上流側に設けられていればよい。この構成によると、原料ガスが基板に供給される前に、ＩＩＩ族元素原料ガスの濃度とＶ族元素原料ガスの濃度とを、さらに均一に分布させることができる。
【００１２】
前記フローチャネルには、基板の上流側に設けられているフローチャネル内に１個以上の水平方向の仕切り板が設けられており、前記複数の凸状の突起部は、ＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとの間の仕切り板上に設けられているものであればよい。この構成によれば、仕切り板上に設けられた複数の凸状の突起部がＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとをそれぞれ攪拌する。この結果、ＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとを均一に分布させることができる。
【００１３】
前記凸状の突起部の形状が、半球状であってもよい。半球状であれば、原料ガスの層流が乱されないので、ガス流れの安定性を保つことができる。
【００１４】
前記複数の凸状の突起部は、各凸状の突起部において底面の中心が等間隔になるように配置されていてもよい。各凸状の突起部において底面の中心が等間隔になるように配置することで、効率よく原料ガス濃度を均一に分布させることができる。
【００１５】
本発明は、上記窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子である。
【００１６】
なお、本明細書において上記窒化物半導体基板とは、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成された基板をいう。この窒化物半導体基板において、構成成分である窒素元素の約２０％以下は、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂから選択されたいずれかの元素で置換されていてもよい。
【００１７】
また、上記窒化物半導体基板は、ｎ型またはｐ型ドーパントなどの不純物が添加されていてもよい。このような不純物としては、例えばＣｌ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅなどが挙げられる。窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅが好ましく、窒化物半導体基板がｐ型導電性を有するための不純物としては、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅが好ましい。不純物の総添加量としては、５×１０１６／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下が望ましい。
【００１８】
本明細書中で説明する窒化物半導体基板に積層される窒化物半導体層とは、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成された層をいう。この窒化物半導体層において、構成成分である窒素元素の約２０％以下は、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂから選択されたいずれかの元素で置換されていてもよい。
【００１９】
また、上記窒化物半導体層は、ｎ型またはｐ型ドーパントなどの不純物が添加されていてもよい。このような不純物としては、例えばＣｌ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｃ、Ｔｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅなどが挙げられる。窒化物半導体層がｎ型導電性を有するための不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅが好ましく、窒化物半導体層がｐ型導電性を有するための不純物としては、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂｅが好ましい。不純物の総添加量としては、５×１０１６／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下が望ましい。
【００２０】
本明細書中で、活性層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層とから構成された層の総称をいう。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、あるいは、障壁層／井戸層／障壁層から構成される。また、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とから構成される。
【００２１】
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。本明細書では、そのような表記ができないことから、絶対値の前に符号「−」を付して、負の指数を表わす。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の窒化物半導体の製造装置は、フローチャネルの内壁に複数の凸状の突起部を設けることにより、基板面内における原料ガス濃度の分布を均一にすることができる。
【００２３】
また、本発明の窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体レーザの発振波長は、基板面内において１ｎｍ以内のばらつきに抑えることができる。さらに、ＡｌＧａＮ層の混晶比のばらつきと、ＡｌＧａＮ層厚の基板面内でのばらつきも数％以内に抑えることができる。この結果、光学特性のばらつきが低減し、歩留まりが向上した窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、これらによって限定されるものではない。
【００２５】
［窒化物半導体の製造装置］
図１は、本発明の窒化物半導体の製造装置における要部を拡大した横断面図である。図２は、図１で○で、囲った部分の拡大図である。図２（ａ）は、図１で、○で囲った部分の断面拡大図であり、図２（ｂ）は、図１で、○で囲った部分の上方拡大図である。なお、本発明の窒化物半導体の製造装置は、ＭＯＣＶＤ装置である。本発明では、ＭＯＣＶＤ装置のフローチャネルの内壁に複数の凸状の突起部を設けた点が、本発明の特徴である。この点において、従来のＭＯＣＶＤ装置と異なる。
【００２６】
本発明におけるＭＯＣＶＤ装置１０１は、フローチャネル１０２内に、基板１１０を保持する基板トレイ１１１と、発熱源となるサセプタ１１２と、サセプタを加熱するＲＦコイル１１３と、サセプタ１１２への窒化物半導体の付着を防止するサセプタ保護ガスライン１０９からなる。基板１１０から上流部のフローチャネルは、３層に分かれ、下から原料ＮＨ３ガスライン１０６、原料ＭＯガスライン１０７、保護ライン１０８からなる。また、原料ＮＨ３ガスライン１０６と原料ＭＯガスライン１０７との間の仕切り板には複数の凸状の突起部１０５が設けられている。
【００２７】
このＭＯＣＶＤ装置は、従来のＭＯＣＶＤ装置と同様に、サセプタ１１２の上面に戴置した基板１１０の表面に平行に原料ガスを流して基板１１０面に窒化物半導体層を成長させる、横型の気相成長装置である。本発明の原料ガスは、図示しない原料ガス供給部から基板の上流部フローチャネル１１４を介して基板１１０表面に供給され、余剰の原料ガスなどは、下流部フローチャネル１１６を介して、図示しない排気通路から排出される。上流部および下流部フローチャネル１１４、１１５の形状は、ガス流れが層流となるように設計されている。
【００２８】
フローチャネルは、熱的安定性の面から、一般に石英ガラスで作られる。石英ガラス以外には、カーボン、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ボロンナイトナライド（ＢＮ）、タンタルカーバイド（ＴａＣ）などを用いることもできる。
【００２９】
図１に示すように、窒化物半導体を積層する基板１１０は、基板をセットする基板トレイ１１１を介して発熱源となるサセプタ１１２に戴値されている。サセプタ１１２周辺には、サセプタを加熱するＲＦコイル１１３と、サセプタへの窒化物半導体の付着を防止するためにガスを流すサセプタ保護ガスライン１０９とが設けられている。
【００３０】
サセプタは毎分５〜３０回転の速度で回転する。サセプタに載置されるトレイと基板も、同じ速度で回転する。
【００３１】
（仕切り板）
図１の例では、上流部フローチャネルは、３層流となるように、２枚の仕切り板で仕切られている。図２に示すように、フローチャネルの上面１２０とフローチャネルの下面１２１との間に、仕切り板１２２、１２３が設けられている。３層流は、例えば下方から、原料ＮＨ３ガスライン１０６、原料ＭＯガスライン１０７、保護ライン１０８からなる。原料ＮＨ３ガスライン１０６には、原料ＮＨ３ガスと、キャリアガスであるＨ２ガスまたはＨ２ガスとシラン（ＳｉＯ４）ガスとが、流れる。原料ＭＯガスライン１０７には、原料ＭＯガスと、キャリアガスであるＨ２ガスまたはＮ２ガスとが、流れる。保護ライン１０８には、Ｈ２ガスまたはＮ２ガスとＮＨ３ガスとの混合ガスが、流れる。３種類のガスラインのうち、原料ＮＨ３ガスライン１０６と原料ＭＯガスライン１０７の位置は入れ替えてもよい。すなわち、３層流を、下方から、原料ＭＯガスライン、原料ＮＨ３ガスライン、保護ラインからなるものとしてもよい。
【００３２】
この図の例では、２枚の仕切り板１２２、１２３は、フローチャネルの高さを３等分する位置に設けられている。仕切り板を設ける位置に関しては、特に限定されず、例えば保護ラインの高さが、原料ＮＨ３ガスラインおよび原料ＭＯガスラインの高さより高くなるように、仕切り板を設けてもよい。
【００３３】
また、図１の例では３層流としているが、２層流にしてもよく、３層流に限られない。
【００３４】
（凸状の突起部）
本発明は、仕切り板を含むフローチャネルの内壁に複数の凸状の突起部を設ける点に特徴を有する。図１の例では、原料ＮＨ３ガスライン１０６と原料ＭＯガスライン１０７との間の仕切り板に複数の凸状の突起部１０５が設けられている。
【００３５】
（凸状の突起部の形状）
本発明において、フローチャネルの内壁に設ける凸状の突起部の形状は、特に制限されず、例えば半球状、錘状（三角錐、四角錐のような角錐、円錐など）、柱状（三角柱、四角柱のような角柱、円柱など）などいずれの形状であってもよい。また、角錐、角柱の底辺は、必ずしも正三角形、正四角形などで正多角形でなくてもよい。円錐、円柱の底辺は、楕円を含んでいてもよい。さらに、錘状の頂点から底面への垂線は、底面の中心からずれている形状であってもよい。あるいは、柱状の突起部の上面の重心から底面への垂線は、底面の重心からずれている形状であってもよい。ただし、製造の容易さ、原料ガスの混合を効率的に行うために、錘状、柱状の突起部の場合は、底辺が正多角形または円のものを用いるのが、好ましい。これらの凸状の突起部の形状のうち、最も好ましいのは、半球状である。
【００３６】
（凸状の突起部の大きさ）
本発明において、フローチャネルの内壁に設ける凸状の突起部の大きさは、フローチャンネルの内径の幅方向の大きさから相対的に決定される。これは、横型のＭＯＣＶＤ装置においては、フローチャネルの幅方向に、原料ガスが分布しやすくなると考えられるからである。ただし、実際の値は、フローチャネルの大きさに関わらず、下記の範囲であればよい。これは、本発明の窒化物半導体の製造装置においては、原料ガス全体では層流を維持しながら、その界面領域に存在する原料ガスを突起部で混合することにより、基板面内における原料ガス濃度の分布を均一にすると考えられるからである。従って、基板のサイズが大きくなっても、本発明の突起部を設けることで、原料ガス濃度を容易に均一化することができる。
【００３７】
凸状の突起部の大きさは、例えば突起の高さを１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜８ｍｍ、突起の幅を１ｍｍ〜１０ｍｍ、好ましくは２ｍｍ〜８ｍｍとする。突起部の形状が錘状のものでは、突起の幅は底面の最長径である。凸状の突起部の高さ、幅がこれらの値より小さくても、大きくても、ＩＩＩ族元素の原料ガスとＶ族元素の原料ガスとを均一に分布させる効果が小さくなるためである。また、突起部の形状が半球状の場合は、半球の底辺の長さ≧半球の高さの関係にあればよい。
【００３８】
（凸状の突起部の配列）
凸状の突起部は、周期的に配列しても、非周期的に配列してもよい。基板面内でのガス濃度の均一性をより向上できる点から、周期的に配列することが好ましい。周期的に配列するとは、隣接する突起部同士が等間隔になるように配列することをいう。隣接する突起部同士が等間隔になるとは、突起の底辺の重心が等間隔になることを意味する。図２の例からわかるように、最近接の突起間で三角形を作ると、正三角形になる。また、凸状の突起部の配列は正三角形に限らず、正四角形であってもよい。突起間の配列の距離は、突起の底辺の重心からの距離であればよく、例えば１ｍｍ〜１０ｍｍである。
【００３９】
（凸状の突起部を設ける位置）
凸状の突起部は、フローチャネルにおいて基板から上流部１１４に設けると、原料ガスを均一化できるので、好ましい。フローチャネルの内壁に設ける凸状の突起部の位置は、フローチャネルの形状や大きさにより適宜決定すればよい。具体的には、基板中心から、突起部が設けられている領域の最短距離が、フローチャネルの幅の１／２倍〜３倍、好ましくはフローチャネルの幅の１倍〜２．５倍であればよい。例えば、フローチャネルの幅が１００ｍｍの場合には、５０ｍｍ〜３００ｍｍ、好ましくは１００ｍｍ〜２５０ｍｍである。
【００４０】
フローチャネルの内壁に設ける凸状の突起部の位置は、フローチャネルの上面１２０内壁、フローチャネルの下面１２１内壁、保護ラインとＩＩＩ族原料ガスとの間の仕切り板１２２の上下面、ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとの間の仕切り板１２３の上下面のいずれに設けてもよい。また、仕切り板に設ける場合は、上面または下面のいずれかであってもよい。ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとの間の仕切り板１２３に凸状の突起部を設けるのが、好ましい。ＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとの間の仕切り板１２３に凸状の突起部１０５を設ければ、凸状の突起部がＩＩＩ族原料ガスとＶ族原料ガスとをそれぞれ個別に独立させて攪拌することができる。この結果、攪拌された原料ガス同士が混合されるので、原料ガス濃度がより均一化すると考えられる。
【００４１】
本発明において、ＭＯＣＶＤ装置のフローチャネルの内壁に複数の凸状の突起部を設ける点以外は、通常のＭＯＣＶＤ装置と同様である。また、以下の実施例に述べる［窒化物半導体層のエピタキシャル成長］、［素子化プロセス］も、従来公知の方法と同様である。したがって、本明細書では、実施例中に、窒化物半導体層のエピタキシャル成長に関する一般的な記載や、素子化プロセスに関する一般的な記載を行っている。
【００４２】
このように、本発明の窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体を用いた窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体層の組成と膜厚とが基板内で均一化されているので、光学特性のばらつきが低減し、歩留まりが向上したものである。
【実施例１】
【００４３】
（実施例１）
【００４４】
［ＭＯＣＶＤ装置］
本実施例のＭＯＣＶＤ装置は、図１に示すＭＯＣＶＤ装置であり、内径の幅が１００ｍｍ、高さが１０ｍｍのフローチャネルを有するものを用いた。複数の凸状の突起部は、原料ＮＨ３ガスラインと原料ＭＯガスラインとの間の仕切り板に設けた。また、凸状の突起部の形状は、半球状であり、その底面の半径は２ｍｍ、高さは２ｍｍであった。複数の凸状の突起部は、基板の中心からフローチャネルの上流側１７５ｍｍ〜１８３ｍｍの位置に配列した。複数の凸状の突起部は、隣接する突起部間の底辺中心間の距離が４ｍｍの正三角形になるように、周期的に配列した。
【００４５】
［窒化物半導体層のエピタキシャル化］
次に、ｎ型ＧａＮ基板上に窒化物半導体層などを形成して半導体レーザ素子を作成する方法を説明する。図３は、本実施の形態の半導体レーザ素子を模式的に説明する縦断面図である。
【００４６】
ｎ型ＧａＮ基板２０３に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、基板温度１１００℃、膜厚１μｍのｎ型ＧａＮ層２０４を形成した。原料ガスは、Ｖ族原料ガスとしてＮＨ３ガスを、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用い、ドーパント原料としてシラン（ＳｉＮ４）を加えた。
【００４７】
次に、ｎ型ＧａＮ層２０４上に、３層のｎ型クラッド層２０５、２０６、２０７を成長させた。基板温度は１０５０℃とし、ＩＩＩ族原料ガスとしてＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）を用いた。３層のｎ型クラッド層は、第１層２０５が、膜厚２．３μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層、第２層２０６が、膜厚０．２μｍのｎ型Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎクラッド層、第３層２０７が、膜厚０．１μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層である。ｎ型不純物として、Ｓｉを５×１０１７／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３添加した。
【００４８】
次に、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０８（Ｓｉ不純物濃度：１×１０１６／ｃｍ３〜１×１０１８／ｃｍ３）を、０．１μｍ成長させた。
【００４９】
その後、基板温度を８００℃に下げ、３周期の多重量子井戸構造の活性層２０９を作製した。活性層２０９は、膜厚４ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ井戸層と、膜厚８ｎｍのＩｎ０．０１Ｇａ４μｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９９Ｎ障壁層とからなる。活性層は、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で成長させた。障壁層から井戸層を成長させる際、あるいは井戸層から障壁層を成長させる際に、１秒以上１８０秒以下の成長中断を実施すると、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少するので、好ましい。この場合に、ＳｉＨ４は、障壁層、または障壁層と井戸層のいずれにも、任意に添加をしなかった。
【００５０】
活性層２０９にＡｓを添加する場合には、ＡｓＨ３（アルシン）またはＴＢＡｓ（ターシャルブチルアルシン）を原料に用いる。活性層２０９にＰを添加する場合には、ＰＨ３（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャルブチルホスフィン）を原料に用いる。活性層２０９にＳｂを添加する場合には、ＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）を原料に用いる。また、活性層２０９を形成する際に、Ｎ原料として、ＮＨ３以外に、Ｎ２Ｈ４（ヒドラジン）、Ｃ２Ｎ２Ｈ８（ジメチルヒドラジン）、あるいはＮを含む有機物を用いてもよい。
【００５１】
次に、基板温度を再び１０００℃まで上昇させて、膜厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎキャリアブロック層２１０、膜厚０．０２μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２１１、膜厚０．５μｍのｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎクラッド層２１２、膜厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２１３を順次成長させた。ｐ型不純物として、ＥｔＣＰ２Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタンジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１８／ｃｍ３〜２×１０２０／ｃｍ３添加した。ｐ型ＧａＮコンタクト層２１３のｐ型不純物濃度は、ｐ電極２１６の方向に向かって高くなるようにしたほうが好ましい。これによりｐ電極２１６形成に起因するコンタクト抵抗が低減する。また、ｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素を混入させてもよい。
【００５２】
ｐ型ＧａＮコンタクト層２１３を成長させた後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内を窒素キャリアガスとＮＨ３に完全に置換し、６０℃／分でリアクター内の温度を降下させた。基板温度が８００℃になった時点でＮＨ３の供給を停止し、５分間基板温度を保った後に、室温まで降下させた。基板の保持温度は、８００℃に限らず、６５０℃〜９００℃であればよい。また、温度の降下速度は、３０℃／分であればよい。
【００５３】
このようにして作製した成長膜をラマン測定により評価した。この結果、ＭＯＣＶＤ装置からウェハを取り出した後に、ｐ型化アニールを実施しなくても、成長膜はすでにｐ型化の特性が示されていた、すなわち、Ｍｇが活性化していたことが確認された。また、ｐ電極形成によるコンタクト抵抗も低下していた。また、この成長膜にさらに、従来のｐ型化アニールを組み合わせたものは、Ｍｇの活性化がより向上した。
【００５４】
本実施例の活性層２０９は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成の活性層でも、同様の効果が得られた。また、井戸層の層数は、上記した３層には限られない。井戸層の総数が１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温で連続発振が可能であった。特に、２層以上６層以下のとき、閾値電流密度が低く好ましかった。さらに、活性層にＡｌを含有させてもよい。
【００５５】
本実施例では、活性層２０９を構成する井戸層と障壁層のいずれにも、不純物としてＳｉを添加しなかったが、不純物を添加してもよい。Ｓｉのような不純物を活性層に添加すると、発光強度が強くなった。添加する不純物としては、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｍｇなどが挙げられる。これらの不純物は、単独で、あるいは２種以上を組み合わせて使用することができる。不純物の添加量の総和は、約１×１０１７／ｃｍ３〜８×１０１８／ｃｍ３が好ましかった。さらに、不純物は、井戸層と障壁層の両層に添加してもよく、一方の層にのみ添加してもよかった。
【００５６】
ｐ型キャリアブロック層２１０は、組成がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎでなくてもよい。例えば、Ｉｎを添加したＡｌＧａＮ層とすれば、より低温での成長でｐ型化するので、結晶成長時に活性層が受けるダメージを軽減できるので、好ましい。また、キャリアブロック層は必ずしも、必須ではない。しかし、キャリアブロック層を設けたほうが、閾値電流密度が低くなった。これは、キャリアブロック層は、活性層にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。キャリアブロック層のＡｌ組成比を高くすると、キャリアの閉じ込めが強くなる。一方、キャリアの閉じ込めが保持される程度で、Ａｌ組成比を低くすると、キャリアブロック層のキャリア移動度大きくなり、電気抵抗を低くすることができる。
【００５７】
また、本実施例では、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層に、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ結晶とＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ結晶を用いた。Ａｌの混晶比として、０．０５、０．０８以外のＡｌＧａＮ結晶を用いてもよい。Ａｌの混晶比を高くすると、クラッド層と活性層とのエネルギーギャップ差および屈折率差が大きくなるので、キャリアや光が活性層に効率よく閉じ込められ、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。また、キャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌの混晶比を低くすると、クラッド層でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができる。
【００５８】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層を３層構造としたことにより、垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上と、レーザ閾値電流密度の低減が図れた。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層は３層構造に限定されない。単層構造でも、３層以外の多層構造であっても同様の効果が得られた。
【００５９】
本実施例では、クラッド層をＡｌＧａＮ３元混晶としたが、ＡｌＩｎＧａｎ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓなどの４元混晶であってもよい。
【００６０】
ｐ型クラッド層２１２は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とからなる超格子構造、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａＮ層とからなる超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮとからなる超格子構造を有していてもよい。
【００６１】
［素子化プロセス］
次に、ｎ型ＧａＮ基板に窒化物半導体層の各層が形成されたエピウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出して、以下の工程により、窒化物半導体レーザ素子チップに加工する。
【００６２】
まず、レーザ光導領域２１４であるリッジストライプ部を形成する。具体的には、エピウェハ表面側からキャリアブロック層の途中または下端までを、ストライプ状の部分を残してエッチングする。ストライプ幅は、１〜３μｍ、好ましくは１．３〜２μｍである。その後リッジストライプ部以外の部分に絶縁膜２１５を形成した。絶縁膜２１５の材料としてＡｌＧａＮを用いた。絶縁膜としては、これ以外に珪素、チタン、ジルコニア、タンタル、アルミニウムなどの酸化物または窒化物を用いてもよい。
【００６３】
露出しているエッチングされずに残ったｐ型ＧａＮコンタクト層２１３上と、前記絶縁膜２１５上に、ｐ電極２１６を、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着して形成した。ｐ電極２１６の材料としては、これ以外にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕのいずれかを用いてもよい。
【００６４】
次に、エピウェハの裏面側（基板側）を研磨して、ウェハの厚みを８０〜２００μｍに調整し、後でウェハの分割を行いやすいようにした。ｎ電極２０２は、基板の裏側にＨｆ／Ａｌの順に蒸着して形成した。ｎ電極２０２の材料としては、これ以外にＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｈｆ／Ｍｏ／Ａｕ、あるいはこれらの電極材料のうちＨｆをＴｉまたはＺｒに置換したものを用いることができる。
【００６５】
最後に、エピウェハを、リッジストライプ方向に対して垂直方向に劈開し、共振器長６００μｍのファブリ・ペロー共振器を作成した。共振器長としては、２５０μｍ〜１０００μｍであれば好ましい。
【００６６】
この工程により、ウェハはここのレーザ素子２０１が横に連なったバー状の形態となった。ストライプが、＜１−１００＞方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶の｛１−１００｝面である。なお、端面で帰還させる手法以外に、内部に回折格子を設けて帰還させるＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ）、外部に回折格子を設けて帰還させるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用いてもよい。
【００６７】
ファブリ・ペロー共振器の共振器端面を形成した後、この端面に約８０％の反射率を有するＳｉＯ２とＴｉＯ２との誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成した。誘電体多層反射膜は、これ以外の誘電体材料で形成してもよい、
【００６８】
この工程の後に、バーを個々のレーザ素子に分割して図３の半導体レーザ素子２０１を得た。レーザチップの中央に、レーザ光導波領域を配置し、レーザ素子の横幅を３００μｍとした。
【００６９】
（比較例１）
フローチャネル内に凸状の突起部が設けられていないＭＯＣＶＤ装置を用いて、同様に半導体レーザ素子を作製した。
【００７０】
［半導体レーザ素子の特性］
（発振波長）
本実施例の半導体レーザ素子は、発振波長４０５±１ｎｍ以内、レーザ出力６０ｍＷ、雰囲気温度７０℃で、レーザ発振寿命５０００時間以上が達成された。
【００７１】
一方、比較例の半導体レーザ素子は、発振波長４０５±３ｎｍであった。
【００７２】
図４に、比較例１の半導体レーザ素子におけるレーザの発振波長の度数分布（％）を示す。発振波長範囲は４０４．５±３ｎｍであった。
【００７３】
図５に、本実施例の半導体レーザ素子におけるレーザの発振波長の度数分布（％）を示す。発振波長範囲は４０５±１ｎｍであった。
【００７４】
以上から、本発明の製造装置で製造された窒化物半導体レーザは、発振波長の面内均一性を向上させることがわかった。
【００７５】
（半導体層の膜厚分布）
図６は、本実施例の窒化物半導体レーザと比較例１の窒化物半導体レーザにおける第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚の面内分布（％）を示す図である。図６において、実線は、本実施例の窒化物半導体レーザの膜厚の面内分布（％）を、点線は、窒化物半導体レーザの膜厚の面内分布（％）を、示す。また、図６において、横軸のウェハ位置とは、原点０が基板の中心に対応している。第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の設計膜厚は、２．３μｍとした。
【００７６】
図６より、本実施例の窒化物半導体レーザの膜厚範囲は、２．２８μｍから２．３２μｍであり、膜厚のばらつきは１％以内であることがわかる。一方、比較例の窒化物半導体レーザの膜厚範囲は、２．２０μｍから２．４７μｍであり、膜厚のばらつきは８％以内であった。これから、本発明の窒化物半導体レーザにおいて、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚が基板面内で均一化していることがわかった。
【００７７】
図７は、本実施例の窒化物半導体レーザと比較例１の窒化物半導体レーザにおける第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成についての面内分布（％）を示す図である。図７において、実線は、本実施例の窒化物半導体レーザのＡｌ組成についての面内分布（％）を、点線は、窒化物半導体レーザのＡｌ組成についての面内分布（％）を、示す。また、図６において、横軸のウェハ位置とは、原点０が基板の中心に対応している。第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成の設計値は、０．０８とした。
【００７８】
図７より、本実施例の窒化物半導体レーザの第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成は、０．０７８から０．０８２であり、Ａｌ組成のばらつきは３％以内であることがわかる。一方、比較例の窒化物半導体レーザの第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成は、０．０６６から０．０８８であり、Ａｌ組成のばらつきは１８％以内であることがわかる。これから、本発明の窒化物半導体レーザにおいて、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が基板面内で均一化していることがわかった。
【００７９】
（実施例２）
フローチャネルの上面内壁、フローチャネルの下面内壁、保護ラインとＩＩＩ族ガスとの間の仕切り板の上下面に、凸状の突起部を設けたＭＯＣＶＤ装置を用いて、実施例１と同様にして、窒化物半導体レーザを作成した。この窒化物半導体レーザにおいても、発振波長の面内均一性が向上しており、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が基板面内で均一化していることがわかった。
【００８０】
突起部の形状を半球状から、錘状（正三角錐、正四角錐、正円錐）、柱状（正三角柱、正四角柱、円柱）に変えたＭＯＣＶＤ装置を用いて、実施例１と同様にして、窒化物半導体レーザを作成した。この窒化物半導体レーザにおいても、発振波長の面内均一性が向上しており、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が基板面内で均一化していることがわかった。
【００８１】
凸状の突起部の大きさを、突起の高さを１ｍｍ〜１０ｍｍ、突起の幅を１ｍｍ〜１０ｍｍに変えたＭＯＣＶＤ装置を用いて、実施例１と同様にして、窒化物半導体レーザを作成した。この窒化物半導体レーザにおいても、発振波長の面内均一性が向上しており、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が基板面内で均一化していることがわかった。特に、突起部の高さを２ｍｍ〜８ｍｍ、突起の幅を２ｍｍ〜８ｍｍとしたものが優れていた。
【００８２】
（比較例２）
凸状の突起部を、フローチャネルにおいて、基板上１１５に設けたものと、基板から下流部１１６に設けたＭＯＣＶＤ装置を用いて、実施例１と同様にして、窒化物半導体レーザを作成した。この窒化物半導体レーザは、従来例と比べ、発振波長の面内均一性が向上せず、第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成が基板面内で均一化していなかった。
【００８３】
（実施例３）
基板のサイズを２インチから３インチへ大きくした場合でも、上記窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体レーザの発振波長は、基板面内において１ｎｍ以内のばらつきに抑えることができた。さらに、ＡｌＧａＮ層の混晶比のばらつきと、ＡｌＧａＮ層厚の基板面内でのばらつきも数％以内に抑えることができた。このとき、ＭＯＣＶＤ装置の内径の幅は１５０ｍｍ、高さが１２ｍｍのフローチャネルを有するものを用いた。凸状の突起部の形状は、半球状であり、その底面の半径は２ｍｍ、高さは２ｍｍであった。複数の凸状の突起部は、基板の中心からフローチャネルの上流側２２０ｍｍ〜２３６ｍｍの位置に配列した。複数の凸状の突起部は、隣接する突起部間の底辺中心間の距離が４ｍｍの正三角形になるように、周期的に配列した。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
フローチャネルの内壁に複数の凸状の突起部を設けることにより、窒化物半導体の製造装置において、基板面内における原料ガス濃度の分布を均一にする。これにより、各窒化物半導体層が面内で均一に作成される。
【００８５】
また、上記窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体レーザの発振波長は、基板面内において１ｎｍ以内のばらつきに抑えることができる。さらに、ＡｌＧａＮ層の混晶比のばらつきと、ＡｌＧａＮ層厚の基板面内でのばらつきも数％以内に抑えることができる。この結果、光学特性のばらつきが低減し、歩留まりが向上した窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。
【００８６】
さらに、基板のサイズが大きくなっても、フローチャネルの内壁に複数の凸状の突起部を設けることにより、原料ガス濃度を容易に均一化することができる。
基板のサイズを２インチから３インチへ大きくした場合でも、上記窒化物半導体の製造装置を用いて製造された窒化物半導体レーザの発振波長は、基板面内において１ｎｍ以内のばらつきに抑えることができる。さらに、ＡｌＧａＮ層の混晶比のばらつきと、ＡｌＧａＮ層厚の基板面内でのばらつきも数％以内に抑えることができる。
この結果、窒化物半導体層を積層する基板のサイズがより大きくなっても、窒化物半導体レーザの特性を均一に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明の窒化物半導体の製造装置における要部を拡大した横断面図である。
【図２】図２は、図１で○で、囲った部分の拡大図である。  図２（ａ）は、図１で、○で囲った部分の断面拡大図である。  図２（ｂ）は、図１で、○で囲った部分の上方拡大図である。
【図３】図３は、本実施の形態の半導体レーザ素子を模式的に説明する縦断面図である。
【図４】図４は、比較例１の半導体レーザ素子におけるレーザの発振波長の度数分布（％）を示す図である。
【図５】図５に、本実施例の半導体レーザ素子におけるレーザの発振波長の度数分布（％）を示す図である。
【図６】図６は、本実施例の窒化物半導体レーザと比較例１の窒化物半導体レーザにおける第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚の面内分布（％）を示す図である。
【図７】図７は、本実施例の窒化物半導体レーザと比較例１の窒化物半導体レーザにおける第１のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成についての面内分布（％）を示す図である。
【図８】図は、従来技術のＭＯＣＶＤ装置における要部を拡大した横断面図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０１    ＭＯＣＶＤ装置
１０２    フローチャネル
１０５    突起部
１０６    原料ＮＨ３ガスライン
１０７    原料ＭＯガスライン
１０８    保護ライン
１０９    サセプタ保護ガスライン
１１０    基板
１１１    基板トレイ
１１２    サセプタ
１１３    ＲＦコイル
１１４    上流部フローチャネル
１１５    基板上フローチャネル
１１６    下流部フローチャネル
１２０    フローチャネルの上面
１２１    フローチャネルの下面
１２２、１２３    仕切り板
２０１    半導体レーザ素子
２０２    ｎ電極
２０３    ｎ型ＧａＮ基板
２０４    ｎ型ＧａＮ層
２０５    第１層のｎ型クラッド層
２０６    第２層のｎ型クラッド層
２０７    第３層のｎ型クラッド層
２０８    ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２０９    活性層
２１０    ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層
２１１    ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２１２    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２１３    ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１４    レーザ光導領域
２１５    絶縁膜
２１６    ｐ電極
３０１    ＭＯＣＶＤ装置
３０２    フローチャネル
３０６    原料ＮＨ３ガスライン３０６
３０７    原料ＭＯガスライン
３０８    保護ライン
３０９    サセプタ保護ガスライン
３１０    基板
３１１    基板トレイ
３１２    サセプタ
３１３    ＲＦコイル
【図１】
2006080374.tif 000003
【図２】
2006080374.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006080374.tif 000008
【図７】
2006080374.tif 000009
【図８】
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