(57)【要約】【課題】長期間安定して高出力動作の可能な窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】本発明の窒化物半導体素子は、ｎ型ＧａＮ基板６０１と、ｎ型ＧａＮ基板６０１上に設けられた窒化物半導体の積層構造とを備え、この積層構造は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数よりも大きな格子定数を有するＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５と、ｎ型ＧａＮ基板６０１とＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５との間に位置するｎ型ＧａＮコンタクト層６０２とを有している。ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域６１４を含んでいる。【選択図】図７
2006024713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に設けられた窒化物半導体の積層構造と、
を備えた窒化物半導体素子であって、
前記積層構造は、
前記窒化物半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層と、
前記半導体基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層と、
を有しており、
前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる、窒化物半導体素子。
【請求項２】
結晶性を有する基板と、
前記基板上に設けられた窒化物半導体の積層構造と、
を備えた窒化物半導体素子であって、
前記積層構造は、
前記基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層と、
前記基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層と、
を有しており、
前記第２窒化物半導体層と前記基板との間に設けられた第３半導体層を更に備え、
前記第２窒化物半導体層は、前記第３窒化物半導体層の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる、窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記転位密度は貫通転位密度である、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記欠陥導入領域は、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の高貫通転位密度部分を有している請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記第１窒化物半導体層の少なくとも一部は、キャリアの注入によって発光する活性領域として機能する、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記活性領域と前記高貫通転位密度部分との距離は、２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記第１窒化物半導体層の圧縮歪は、前記欠陥導入領域の存在により、前記欠陥導入領域が存在しない場合に比べて低減されている請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記圧縮歪の低減は異方的である請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記第２窒化物半導体層は、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から形成されている請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体基板は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化アルミニウムガリウムから形成されている請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１１】
前記基板はサファイアから形成されている請求項２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１２】
窒化物半導体基板を用意する工程と、
前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体の積層構造を形成する工程と、
を含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記積層構造を形成する工程は、
前記窒化物半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層を形成する工程と
を含み、前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
結晶性を有する基板を用意する工程と、
前記基板上に窒化物半導体の積層構造を形成する工程と、
を含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
前記積層構造を形成する工程は、
前記基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層と前記基板との間に設けられた第３半導体層を形成する工程とを含み、
前記第２窒化物半導体層は、前記第３窒化物半導体層の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる、窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記欠陥導入領域を含む第２窒化物半導体層を形成する工程は、
前記第２窒化物半導体層となる結晶の層を第１温度以上の温度で成長させる工程と、
前記結晶を前記第１温度よりも低い温度に低下させるとき、前記結晶の層内に前記欠陥導入領域を形成する工程と、
を含む、請求項１２または１３に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記欠陥導入領域を含む第２窒化物半導体層を形成する工程を実行する前に、前記欠陥導入領域を形成すべき領域を規定する凹部および／または凸部を下地表面に形成する工程を行なう、請求項１２から１４のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記欠陥導入領域は、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の前記高貫通転位密度部分を有している請求項１２から１５のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記積層構造を形成した後、前記高貫通転位密度部分から外れた位置に発光領域を形成する工程を実行する請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
前記発光領域と前記高貫通転位密度部分との距離は、２μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある請求項１７に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体素子およびその製造方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を含む窒化物半導体は、そのバンド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（ＧａＮ系半導体：ＡｌＧａＩｎＮ）を用いた窒化物半導体素子は、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や緑色ＬＥＤとして実用化されている。
【０００３】
一方、光ディスク装置の大容量化のために、４００ｎｍ帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザが注目され現在では実用レベルに達しつつある。特許文献１から特許文献４は、ＧａＮ系半導体レーザの従来構造を開示している。
【０００４】
以下、図１を参照しながら、従来の半導体レーザ素子の構造を説明する。図１は、共振器長方向に垂直な面で切り取った断面を示している。
【０００５】
図示される半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板２０１と、基板２０１上に形成された積層構造とを備えている。ｎ型ＧａＮ基板２０１は、サファイア基板などの表面に選択横方向成長技術およびハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いて厚く成長させられＧａＮ結晶から構成されており、ｎ型ＧａＮ基板２０１には比較的低い密度で貫通転位２１５が存在している。このようにして作製されたＧａＮ基板は、ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ  ＧａＮ）基板と称されている。
【０００６】
ｎ型ＧａＮ基板２０１上に設けられた積層構造は、基板２０１に近い側から順番に、アンドープＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型ＧａＩｎＮクラック抑制層２０４、ｎ型クラッド層２０５、ｎ型光ガイド層２０６、活性層２０７、ｐ型ＡｌＧａＮ電子閉じ込め層２０８、ｐ型光ガイド層２０９、ｐ型クラッド層２１０、およびｐ型コンタクト層２１１を有している。これらの半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、積層されたものである。
【０００７】
ｐ型コンタクト層２１１上には、幅１．５μｍ〜２μｍ程度のリッジストライプが形成され、その両側はＺｒＯ2絶縁膜２１２によって覆われている。ＺｒＯ2絶縁膜２１２上には、リッジストライプ状に加工されたｐ型コンタクト層２１１と接触するようにｐ型電極２１３が形成されている。ｎ型電極２１４は、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２０３が露出するまでエッチングされた部分に形成されている。
【０００８】
図１に示す半導体レーザ素子によれば、ｎ型電極２１４を接地し、ｐ型電極２１３に電圧を印加すると、活性層２０７に向かってｐ型電極２１３側から正孔が注入されるとともに、ｎ型電極２１４側からは電子が注入されるため、活性層２０７内で光学利得が生じ、発振波長４０８ｎｍ帯のレーザ発振が生じることになる。この結果、半導体レーザ素子の活性層２０７の光出射端面からレーザ光が外部に放射され、例えば光ディスクのデータ記録や再生に利用されることになる。
【０００９】
図１の半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板２０１上にアンドープＡｌＧａＮ層２０２が形成された後、その上にｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２０３が形成されている。
【００１０】
その理由を以下に示す。
【００１１】
ＧａＮ基板２０１に接するようにしてＧａＮ層を直接にＧａＮ基板２０１上に成長させると、成長したＧａＮ層には圧縮歪も引っ張り歪も作用しないはずであり、クラックの無いＧａＮ層が得られるはずであるが、実際には、多くの微細なクラックがＧａＮ層中に発生する傾向がある。このことは、ＧａＮ基板２０１上に接するように成長したＧａＮ層にも、わずかに引っ張り歪が存在することを示唆している。微細なクラックは、レーザ素子の特性、特に寿命特性を大幅に悪化させるため望ましいものではない。
【００１２】
このような微細なクラックの発生を防止するため、ＧａＮ基板２０１上にはＧａＮ層よりも熱膨張係数の小さい半導体層をＧａＮ基板に接するように成長することが好ましい。アンドープＡｌＧａＮ層は、ＧａＮ層よりも熱膨張係数の小さい半導体層であるため、図１の半導体レーザ装置では、ｎ型ＧａＮ基板２０１と接するようにアンドープＡｌＧａＮ層（バッファ層）２０２が形成されている。
【００１３】
一方、図２に示す半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板２０１とｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２０３の間の構成が異なる点を除いて、図１に示す半導体レーザ素子の構成と同様の構成を有している。
【００１４】
図２の半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板２０１に接するように、緩和層３０１が形成され、その上に第１の窒化物半導体層３０２が形成されている。緩和層３０１および第１の窒化物半導体層３０２は、上述した理由により、ＧａＮ層よりも熱膨張係数の小さいＡｌＧａＮから形成されている。その後、ストライプ状にパターニングされた保護膜３０３で第１の窒化物半導体層３０２の表面を覆った後、選択横方向成長法によって第２の窒化物半導体層３０４を形成している。この第２の窒化物半導体層３０４における貫通転位密度は、ｎ型ＧａＮ基板２０１における貫通転位２１５の密度よりも更に低く、その上に成長した半導体層の結晶性をより良質なものとすることができる。
【００１５】
なお、緩和層３０１および第１の窒化物半導体層３０２は、第２の窒化物半導体層３０４の表面モフォロジーを改善することにも寄与している。
【００１６】
次に、図３を参照しながら、さらに他の従来例を説明する。
【００１７】
図３に示す半導体レーザ素子は、ＥＬＯ−ＧａＮ基板４０１と、基板４０１上に設けられた積層構造を有している。積層構造は、ｎ型ＧａＮコンタクト層４０２、ｎ型クラッド層４０３、ｎ型光ガイド層４０４、活性層４０５、ＡｌＧａＩｎＮ応力集中抑制層４０６、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７、ｐ型光ガイド層４０８、ｐ型クラッド層４０９、およびｐ型コンタクト層４１０を含んでいる。
【００１８】
ｐ型コンタクト層４１０上には、幅１．５μｍ〜２μｍ程度のリッジストライプが形成され、その両側はＳｉＯ2絶縁膜４１１によって覆われている。ＳｉＯ2絶縁膜４１１上には、リッジストライプ状に加工されたｐ型コンタクト層４１０と接触するようにｐ型電極４１２が形成されている。ｎ型電極４１３は、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層４０２が露出するまでエッチングされた部分に形成されている。
【００１９】
図３に示す半導体レーザ素子によれば、ｎ型電極４１３を接地し、ｐ型電極４１２に電圧を印加すると、活性層４０５に向かってｐ型電極４１２側から正孔が注入されるとともに、ｎ型電極４１３側からは電子が注入されるため、活性層４０５内で光学利得が生じ、発振波長４０８ｎｍ帯のレーザ発振が生じることになる。
【００２０】
図３の半導体レーザ素子では、活性層４０５とｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７との間における格子定数差に起因した格子歪が存在している。以下、この点をより具体的に説明する。
【００２１】
図３に示す例では、活性層４０５が、Ｉｎ組成８％のＧａＩｎＮ井戸層およびＩｎ組成２％のＧａＩｎＮ障壁層が積層された多重量子井戸構造を有しており、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７は、Ａｌ組成１５％のＡｌＧａＮから形成されている。Ｉｎ組成８％のＧａＩｎＮ井戸層は、ダブルへテロ構造を構成する半導体層の中で最も格子定数が大きく、Ａｌ組成１５％のｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７はダブルへテロ構造中で最も格子定数が小さい。この２つの層が近接していることにより、Ｉｎ組成８％のＧａＩｎＮ井戸層には大きな圧縮歪がｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７から加えられ、活性層４０５中に欠陥を発生させ、レーザ素子の特性、特に寿命特性を大幅に悪化させる要因となる。この欠陥は、結晶成長中のみならず、レーザ素子の加工中にも影響を及ぼすものであり、寿命特性だけでなく、歩留まりにも悪影響を与えている。
【００２２】
上記欠陥の発生を防止するためには、活性層４０５に加えられる圧縮歪を低減することが効果的であり、活性層４０５とｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７の間に、格子定数（組成）を連続的段階的に変化させたＡｌＧａＩｎＮ応力集中抑制層４０６を挿入している。このような構造を用いることにより、素子寿命の改善が達成されている。
【００２３】
以上に説明してきたように、図１から図３に示す半導体レーザ素子の構造によれば、レーザ素子用ダブルへテロ構造における貫通転位密度と格子歪に着目した発明であり、格子歪に起因した欠陥の発生を抑制することにより、信頼性の改善を達成している。特に、図１や図２に示す半導体レーザ素子では、ＧａＮ基板２０１から加えられた引っ張り歪によるｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型クラッド層２０５に発生するクラックを抑制し、図３に示す半導体レーザ素子では、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７から加えられた圧縮歪による活性層４０５に発生する欠陥を抑制している。
【００２４】
図４は、特許文献５に開示された半導体レーザ素子を示している。この半導体レーザ素子の製造方法は、以下のとおりである。
【００２５】
まず、表面に段差を形成したｎ型ＧａＮ基板上５０１にｎ型ＧａＮ層５０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層５０４、活性層５０５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５０６、ｐ型第１ＡｌＧａＮクラッド層５０７、電流狭窄層５０８を結晶成長する。その後、電流狭窄層の一部をｐ型第１ＡｌＧａＮクラッド層５０７が露出するまでエッチングし、再びｐ型第２ＡｌＧａＮクラッド層５０９、ｐ型コンタクト層５１０を順次結晶成長し、ダブルへテロ構造が形成されている。
【００２６】
ダブルへテロ構造の形成後、ｐ型コンタクト層５１０上にｐ型電極５１１、またｎ型ＧａＮ基板５０１下部にｎ型電極５１２が形成される。
【００２７】
図４に示される半導体レーザ素子では、ｎ型電極５１２を接地し、ｐ型電極５１１に電圧を印加すると、活性層５０５に向かってｐ型電極５１１側から正孔が、またｎ型電極５１２側から電子が注入され、活性層５０５内で光学利得を生じ、レーザ発振を起こす。
【００２８】
図４の半導体レーザ素子の特徴は、表面に段差を形成したｎ型ＧａＮ基板５０１を用いることにより、段差部分の貫通転位を屈曲させ、低貫通転位密度領域を形成することである。電流狭窄層５０８の開口部をこの低貫通転位密度領域に形成することで、高温動作可能な高信頼性レーザ素子を実現している。
【００２９】
次に、図５を参照しながら特許文献１に開示されている半導体レーザ素子を説明する。この半導体レーザ素子は、高出力動作時に基板とダブルへテロ構造との間に発生する応力を緩和する構造を備えている。
【００３０】
このダブルへテロ構造は、ＡｌＧａＡｓから形成されたクラッド層、光ガイド層、および活性層から構成されている。ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との間には、ほとんど格子定数差がないため、格子歪による応力は無視され得るが、熱膨張係数に差があるため、レーザ動作、特に高出力動作のような高電流注入状態で発熱量が多くなると、熱膨張係数差に起因した応力が発生する。この応力により、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層との界面に転位が発生し、これが活性層まで到達すると、光学利得が生じえなくなり、レーザ発振が停止してしまう。
【００３１】
図５の半導体レーザ素子において特徴的な点は、熱膨張係数差による応力が歪緩和膜１０２によって緩和されていることにある。ｎ型基板１０１表面には、周期的に歪緩和膜１０２が堆積されている。ｎ型クラッド層１０３は、ｎ型基板１０１の上面のうち歪緩和膜１０２が堆積されていない領域で、ｎ型基板１０１上にエピタキシャル成長している。一方、歪緩和膜１０２上においては、ｎ型クラッド層１０３と歪緩和膜１０２とがファンデルワールス力によって結合している。
【００３２】
通電時における発熱により、熱膨張係数差に起因する歪が発生した場合、ｎ型クラッド層１０３と歪緩和膜１０２との間におけるファンデルワールス力による結合は容易に切断されるため、歪緩和膜１０２上の構造が歪緩和膜１０２上を発生した歪を吸収するように水平方向に移動する。
【００３３】
ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ基板とＡｌＡｓ層との間において熱膨張係数差による歪が最も大きくなる。レーザ動作中の素子温度が３００℃程度まで上昇すると仮定した場合、ＡｌＡｓ層に０．０５％の引っ張り歪が作用することになる。
【００３４】
この引っ張り歪を歪緩和膜１０２上の構造で緩和し、活性層１０５の電流が注入される領域の歪を低減することにより、高電流注入状態によって発生する転位を抑制することが可能となり、高出力動作時の信頼性向上を達成することができる。
【特許文献１】特開２００２−２７０９６５号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９４９７号公報
【特許文献３】特開２００１−１９６７００号公報
【特許文献４】特開２００２−３６８３４３号公報
【特許文献５】特許３２０１４７５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
ＧａＮ系光素子の長寿命化には貫通転位密度の低減が必要不可欠であり、多くの研究者により、エピタキシャル成長に関する様々の発明がなされてきた。また、低貫通転位密度のエピタキシャル成長用基板も発明され、市場に供給されるようになってきた。
【００３６】
しかしながら、本願発明者らの検討により、ＧａＮ系半導体を用いる場合、低貫通転位密度のホモエピタキシャル成長用ＧａＮ基板を用いても、高出力で長寿命化を実現できるダブルへテロ構造を形成すると、応力の問題が充分に解決できないことがわかった。
【００３７】
図１および図２に示す半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板２０１からｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層２０３やｎ型クラッド層２０５に加えられる格子定数差による歪を緩和しても、長寿命化には不充分であることがわかった。また、図３に示す半導体レーザ素子においても、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層４０７から活性層４０５に加えられる格子定数差による歪を緩和するだけでは十分ではないことも見出した。
【００３８】
特許文献１に開示されている半導体レーザ素子では、基板とダブルへテロ構造との間の熱膨張係数差による歪は０．０５％であるのに対して、例えばＧａＮ基板上に形成したＩｎ組成８％のＧａＩｎＮ層の格子定数差による歪は約０．９０％とＡｌＧａＡｓ系に比べて１０倍以上と非常に大きくなる。逆に、ＧａＮ基板とＧａＩｎＮ層と熱膨張係数がほとんど等しいため、熱膨張係数差に起因した歪の影響は無視できるほど小さい。
【００３９】
本発明者の検討により、ＧａＮ系半導体による素子では、格子定数差による歪の低減抑制が特に重要であることがわかった。
【００４０】
なお、特許文献５に開示されている半導体レーザ素子のように、加工された基板を用いることは貫通転位密度の低減には有効であるが、歪の緩和・低減にはほとんど寄与しないこともわかった。
【００４１】
図６は、本願発明者らが開発した半導体レーザ素子の断面を示している。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板６０１上のダブルへテロ構造を設けた構成を備えている。
【００４２】
ｎ型ＧａＮ基板６０１の貫通転位は８×１０5ｃｍ-2以下に低減されているが、格子定数差に起因してｎ型ＧａＮ基板６０１がＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に印加する圧縮歪により半導体レーザ素子の活性層近傍に多くの欠陥が発生し、この欠陥が光出力３０ｍＷ以上の高出力動作時における信頼性に悪影響を及ぼすことがわかってきた。
【００４３】
以下、上記欠陥の発生機構を列挙する。
【００４４】
（１）  熱処理工程による欠陥発生増殖機構
ＧａＮ系半導体を用いたレーザ素子では、ｐ型半導体層の不純物活性化やドライエッチング面のダメージを回復するために製造工程途中で複数回の熱処理（４００℃〜８００℃）を行う必要がある。しかし、このような熱処理を行なうと、圧縮歪による応力を緩和しようとして欠陥が発生する。
【００４５】
（２）  プラズマ処理工程による欠陥発生増殖機構
ＧａＮ系半導体を用いたレーザ素子では、ウェットエッチングによる加工が非常に困難であるため、ドライエッチングによる微細加工が施される。このドライエッチング工程などで使用されるプラズマ処理を行なうと、圧縮歪による応力を緩和しようとして欠陥が発生する。
【００４６】
（３）  素子加工工程による欠陥発生増殖機構
研削研磨工程や、素子分離のためのへき開工程を行なうと、圧縮歪による応力を緩和しようとして欠陥が発生する。
【００４７】
（４）  通電中の欠陥発生増殖機構
半導体素子に電流を流すことによって熱が発生し、結晶の温度が上昇すると、圧縮歪による応力を緩和しようとして欠陥が発生する。
【００４８】
このように、活性層に圧縮歪が存在すると、製造段階または動作段階で、種々の機構により、結晶欠陥が発生するため、ＧａＮ系半導体レーザ素子の作製において、活性層に加えられる圧縮歪を低減することは不可欠である。
【００４９】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、特に高出力動作において信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く作製する方法を提供するものである。その結果、光ディスク用レーザ、レーザディスプレイ装置や医療用レーザを高い歩留まりで作製することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００５０】
本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に設けられた窒化物半導体の積層構造とを備えた窒化物半導体素子であって、前記積層構造は、前記窒化物半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層と、前記半導体基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層とを有しており、前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる。
【００５１】
本発明の他の窒化物半導体素子は、結晶性を有する基板と、前記基板上に設けられた窒化物半導体の積層構造とを備えた窒化物半導体素子であって、前記積層構造は、前記基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層と、前記基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層とを有しており、前記第２窒化物半導体層と前記基板との間に設けられた第３半導体層を更に備え、前記第２窒化物半導体層は、前記第３窒化物半導体層の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる。
【００５２】
好ましい実施形態において、前記転位密度は貫通転位密度である。
【００５３】
好ましい実施形態において、前記欠陥導入領域は、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の高貫通転位密度部分を有している。
【００５４】
好ましい実施形態において、前記第１窒化物半導体層の少なくとも一部は、キャリアの注入によって発光する活性領域として機能する。
【００５５】
好ましい実施形態において、前記活性領域と前記高貫通転位密度部分との距離は、２μｍ以上２０μｍ以下の範囲内にある。
【００５６】
好ましい実施形態において、前記第１窒化物半導体層の圧縮歪は、前記欠陥導入領域の存在により、前記欠陥導入領域が存在しない場合に比べて低減されている。
【００５７】
好ましい実施形態において、前記圧縮歪の低減は異方的である。
【００５８】
好ましい実施形態において、前記第２窒化物半導体層は、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から形成されている。
【００５９】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または窒化アルミニウムガリウムから形成されている。
【００６０】
好ましい実施形態において、前記基板は、サファイアから形成されている。
【００６１】
本発明による窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体基板を用意する工程と、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体の積層構造を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、前記積層構造を形成する工程は、前記窒化物半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記半導体基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層を形成する工程とを含み、前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる。
【００６２】
本発明による窒化物半導体素子の製造方法は、結晶性を有する基板を用意する工程と、前記基板上に窒化物半導体の積層構造を形成する工程とを含む窒化物半導体素子の製造方法であって、前記積層構造を形成する工程は、前記基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記基板と前記第１窒化物半導体層との間に位置する第２窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２窒化物半導体層と前記基板との間に設けられた第３半導体層を形成する工程とを含み、前記第２窒化物半導体層は、前記第３窒化物半導体層の転位密度よりも高い転位密度を有する欠陥導入領域を含んでいる。
【００６３】
好ましい実施形態において、前記欠陥導入領域を含む第２窒化物半導体層を形成する工程は、前記第２窒化物半導体層となる結晶の層を第１温度以上の温度で成長させる工程と、前記結晶を前記第１温度よりも低い温度に低下させるとき、前記結晶の層内に前記欠陥導入領域を形成する工程とを含む。
【００６４】
好ましい実施形態において、前記欠陥導入領域を含む第２窒化物半導体層を形成する工程を実行する前に、前記欠陥導入領域を形成すべき領域を規定する凹部および／または凸部を下地表面に形成する工程を行なう。
【００６５】
好ましい実施形態において、前記欠陥導入領域は、貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2以上の前記高貫通転位密度部分を有している。
【００６６】
好ましい実施形態において、前記積層構造を形成した後、前記高貫通転位密度部分から外れた位置に発光領域を形成する工程を実行する。
【００６７】
好ましい実施形態において、前記発光領域と前記高貫通転位密度部分との距離は、２μｍ以上２０μｍ以下の範囲にある。
【発明の効果】
【００６８】
本発明によれば、活性層を含む窒化物半導体層の格子定数が窒化物半導体基板の格子定数よりも大きく、窒化物半導体基板によって窒化物半導体層に圧縮歪が印加される場合であっても、その圧縮歪を効果的に抑制することができる。このため、圧縮歪に起因して素子作製時や通電動作時に形成される欠陥の密度を低減することができ、窒化物半導体素子の信頼性や製造歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
図７を参照しながら、本発明による半導体レーザ素子の構成例を説明する。
【００７０】
図７に示す半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板６０１と、その上に設けられた窒化物半導体の積層構造を有している。積層構造は、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０３、ＧａＮ光ガイド層６０４、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５、ＧａＩｎＮ第１光ガイド層６０６、ＧａＮ第２光ガイド層６０７、ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層６０８、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層６０９、およびｐ型ＧａＮコンタクト層６１０を有しており、内部ダブルへテロ構造が形成されている。
【００７１】
ｐ型コンタクト層６１０には、幅１．４〜１．８μｍ程度のリッジストライプが設けられており、活性層６０５の所定領域に電流を狭窄する。リッジストライプの両側はＳｉＯ2絶縁膜６１１で被覆されている。リッジストライプおよびＳｉＯ2絶縁膜６１１上にはｐ型電極６１２、また一部をｎ型ＧａＮコンタクト層６０２が露出するまでエッチングした表面にｎ型電極６１３が形成されている。
【００７２】
この半導体レーザ素子によれば、ｎ型電極６１３を接地し、ｐ型電極６１２に電圧を印加すると、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に向かってｐ型電極６１２側から正孔が注入され、またｎ型電極６１３側から電子が注入される。その結果、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５内で光学利得を生じ、閾値電流３８ｍＡで発振波長４０８ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。
【００７３】
図７に示す半導体レーザ素子で最も特徴的な点は、活性層６０５とｎ型ＧａＮ基板６０１との間に位置する窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２）が欠陥導入領域６１４を有していることである。以下、この欠陥導入領域６１４の役割を説明する。
【００７４】
ｎ型ＧａＮ基板６０１とＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５の間には、前述したように、格子定数の差に起因する大きな格子歪が存在する。例えばＩｎ組成８％のＧａＩｎＮ層には、ｎ型ＧａＮ基板５０１から約０．９０％の圧縮歪が加えられる。ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪は、レーザ素子の作製時およびレーザ素子動作時において、欠陥の発生・増殖原因となる。本発明者は、欠陥導入領域を意図的に設けることにより、上記の圧縮歪を低減することができ、それによって半導体レーザ素子の信頼性を改善し、歩留まりを向上させることができることを見出した。
【００７５】
図７に示す構成例では、貫通転位６１５が基板６０１における密度よりも高い密度で存在する欠陥導入領域６１４を、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２の一部に形成している。貫通転位６１５の密度は、欠陥導入領域６１４の全体において基板よりも高い値を示す必要はなく、欠陥導入領域６１４の一部で局所的に高密度の貫通転位６１５が存在していても良い。本明細書では、基板６０１よりも高い密度で貫通転位６１５が存在する部分を「高貫通転位密度部分」と称する場合がある。
【００７６】
図７に示す構造では、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５の発光領域を規定するリッジストライプは、発光領域が高貫通転位密度部分の近傍に位置するように形成されており、これにより、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪が低減される。
【００７７】
ｎ型ＧａＮ基板６０１の貫通転位密度が１×１０6ｃｍ-2未満である場合、欠陥導入領域６１４における貫通転位密度は１×１０6ｃｍ-2以上であることが好ましい。
【００７８】
欠陥導入領域６１４の形成により、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪を、欠陥導入領域６１４を設けない場合における圧縮歪の９０％以下に低減することができる。この圧縮歪は、欠陥導入領域６１４を設けない場合における圧縮歪の７０％以下に低減することが好ましい。
【００７９】
ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に生じる圧縮歪は、通常、基板主面に平行な面内において、等方的である。すなわち上記面内において、共振器長方向（リッジストライプと平行な方向）に平行な圧縮歪と、共振器長方向垂直な圧縮歪とは、相互に略等しい大きさを有していると考えられる。
【００８０】
一方、欠陥導入領域６１４は、半導体レーザ素子の共振器長方向に延びている。このため、貫通転位密度が他の部分よりも局所的に高い領域（高貫通転位密度領域）も、共振器長方向に沿って形成される。その結果、欠陥導入領域６１４は、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪のうち、共振器長方向に垂直な方向の圧縮歪の低減に寄与することになる。言い換えると、共振器長方向に垂直な方向の圧縮歪が低減される割合は、共振器長方向の圧縮歪が低減される割合よりも大きくなる。従って、本発明の典型的な実施形態では、共振器長方向の圧縮歪は、欠陥導入領域６１４を有しない場合における圧縮歪と同等な値を示し、かつ、共振器長方向に垂直な方向における圧縮歪は、欠陥導入領域６１４を有しない場合における圧縮歪の９０％以下の値を示すことになる。このように非等方的に圧縮歪が低減されても、本発明の効果は充分に発揮される。
【００８１】
図７に示す例では、ｎ型ＧａＮ基板６０１上でＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５の間に欠陥導入領域６１４が設けられているが、欠陥導入領域６１４は、ｎ型ＧａＮ基板６０１、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２、およびｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０３の少なくとも１つに形成されていればよい。ただし、再現性良く高貫通転位密度部分を作製し、かつ、制御性良く活性層に作用する圧縮歪を低減するため、欠陥導入領域６１４は、ｎ型ＧａＮ基板６０１に接していることが望ましい。
【００８２】
好ましい実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板６０１上に形成された欠陥導入領域６１４の結晶軸が、ｎ型ＧａＮ基板６０１の主面にほぼ垂直な結晶軸（例えばＣ面基板ならｃ軸（［０００１］軸）、Ａ面基板ならａ軸（＜１１−２０＞軸）、Ｍ面基板ならｍ軸（＜１−１００＞軸））に対して０°より大きく０．３°以下の傾きを有している。この傾きは、０．００５°以上０．２°以下の範囲内にあることが好ましく、０．００５°以上０．１°以下の範囲内にあることが更に好ましい。
【００８３】
本発明では、表面に凹部および／または凸部が形成されているか、あるいは、選択成長のマスクが形成されたｎ型ＧａＮ基板６０１上に窒化物半導体層を成長させることにより、その窒化物半導体層の一部に欠陥導入領域６１４を設けている。
【００８４】
本実施形態における欠陥導入領域６１４は、ＡｌxＧａ1-z-yＩｎyＮ（０≦ｘ、ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から構成されており、好ましい例では、ＧａＮから構成される。
【００８５】
本実施形態の欠陥導入領域６１４には、ｎ型不純物がドープされ、伝導性を示す。望ましくはｎ型不純物としてシリコン、酸素、ゲルマニウム、セレン、硫黄が添加されているが、意図的に不純物を添加しなくても良い。
【００８６】
本発明の好ましい実施形態では、窒化物半導体の積層構造がＧａＮ基板上に作製されるが、用いる基板としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、サファイアから形成されたものであってもよい。また、ＧａＮ基板上にＧａＮ層やＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＩｎＮ層を一度形成したもの、サファイア基板上にＧａＮ層やＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＩｎＮ層を形成したものを用いても良い。導電性を示す半導体基板を用いると、基板裏面に電極を形成することができる。
【００８７】
半導体基板としてＧａＮ基板を用いる場合は、基板上に欠陥導入領域や積層構造を形成する前に、窒素雰囲気中で２００℃から９００℃の範囲内で熱処理を実行し、残留歪を除去するとともに、表面モフォロジーの改善を行うことが好ましい。この熱処理は、窒素ガス雰囲気中で行うことが好ましいが、アルゴンやヘリウム、ネオンなどの希ガス中で行っても良い。また、雰囲気ガスには、全体の５０％以下であれば。アンモニアガスや水素ガスを混入しても良い。
【００８８】
本発明では、ｎ型ＧａＮ基板６０１において半導体層の積層構造が形成される主面として、Ｃ面を選んだ場合、ａ軸方向またはｍ軸方向に平行な方向に、ｎ型ＧａＮ基板６０１のダブルへテロ構造を形成する主面としてＡ面を選んだ場合、ｃ軸方向またはｍ軸方向に平行な方向に、ｎ型ＧａＮ基板６０１のダブルへテロ構造を形成する主面としてＭ面を選んだ場合、ｃ軸方向またはａ軸方向に平行な方向に電流の狭窄構造として機能するリッジストライプを形成することが好ましい。
【００８９】
本発明の好ましい実施形態では、１×１０6ｃｍ-2以上の貫通転位密度を有する部分が積層構造中に形成されており、欠陥導入領域が１×１０6ｃｍ-2以上の貫通転位密度を有する部分を含んでいる。欠陥導入領域の上方にも、１×１０6ｃｍ-2以上の貫通転位密度を有する部分が形成されていることが望ましい。１×１０6ｃｍ-2以上で貫通転位密度を有する部分の幅は、０．１μｍ以上５０μｍ以下のサイズを有していることが好ましい。欠陥導入領域の上方に位置する高貫通転密度部分の幅は、好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、更に好ましくは、０．１μｍ以上２．０μｍ以下である。高貫通転密度部分における転位密度は、１×１０6ｃｍ-2以上１×１０8ｃｍ-2以下であることが好ましく、１×１０6ｃｍ-2以上１×１０7ｃｍ-2以下であることがさらに好ましい。
【００９０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下の各実施形態では、窒化物半導体の成長方法として、ＭＯＶＰＥ法を用いるが、本発明の窒化物半導体素子は、ＭＯＶＰＥ法の半導体成長方法、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などを広く用いることができる。なお、ＭＯＶＰＥ法における結晶成長時の成長ガス圧力は減圧（大気圧未満）または大気圧以上のいずれであっても良く、各半導体層の結晶成長に最適な圧力に適宜に設定してもよい。また、原料を基板に供給するためのキャリアガスは、少なくとも窒素（Ｎ2）または水素（Ｈ2）等の不活性ガスを含むガスである。
【００９１】
（実施形態１）
まず、図８を参照して、本実施形態に係る半導体レーザ素子の構成を説明する。
【００９２】
本実施形態の半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板６０１と、基板６０１上に形成された積層構造とを備えている。ｎ型ＧａＮ基板６０１は、ＥＬＯＧ基板である。
【００９３】
ｎ型ＧａＮ基板６０１上に設けられた積層構造は、基板６０１に近い側から順番に、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６０４、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５、ＧａＩｎＮ第１光ガイド６０６、ＧａＮ第２光ガイド６０７、ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層６０８、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層６０９、およびｐ型ＧａＮコンタクト層６１０を有している。これらの半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、積層されたものである。  ｐ型ＧａＮコンタクト層６１０およびｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層６０９の上部には、幅１．５μｍ〜２μｍ程度のリッジストライプが形成され、その両側はＳｉＯ2絶縁膜６１１によって覆われている。ＳｉＯ2絶縁膜６１１上には、リッジストライプ状に加工されたｐ型ＧａＮコンタクト層６１０と接触するようにｐ型電極３１２が形成されている。ｎ型電極６１３４は、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２が露出するまでエッチングされた部分に形成されている。
【００９４】
図８に示す半導体レーザ素子によれば、ｎ型電極６１３を接地し、ｐ型電極６１２に電圧を印加すると、活性層６０５に向かってｐ型電極６１２側から正孔が注入されるとともに、ｎ型電極６１３側からは電子が注入されるため、活性層６０５内で光学利得が生じ、発振波長４０８ｎｍ帯のレーザ発振が生じることになる。この結果、半導体レーザ素子の活性層６０５の光出射端面からレーザ光が外部に放射され、例えば光ディスクのデータ記録や再生に利用されることになる。
【００９５】
図８に示す半導体レーザ素子に特徴的な点は、活性層６０５と基板６０１との間に位置する半導体層（本実施形態ではｎ型ＧａＮコンタクト層６０２）が一部にｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４を含んでいることにある。
【００９６】
ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２のうち、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４が形成されている部分の上面は、基板６０１に向かって凹んだ形状を有しており、リッジストライプは、このｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４の上方に配置されている。図８では、基板主面を横切るように貫通転位６１５が存在しているが、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４の中央部には、基板６０１には無かった転位欠陥が導入されている。この欠陥の意図的な導入により、活性層６０５に印加される応力が緩和されている。
【００９７】
次に、図８および図９を参照しながら、本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
【００９８】
まず、図９（ａ）を参照する。図９（ａ）は、本実施形態で用いるｎ型ＧａＮ基板６０１の一部の断面を示している。このｎ型ＧａＮ基板６０１は、ｃ軸に配向したＧａＮ基板であり、貫通転位密度は１×１０6ｃｍ-2未満である。ｎ型ＧａＮ基板６０１は、結晶軸がｃ軸に正確に一致したジャスト基板であってもよいが、ａ軸方向に０．０５°〜０．２０°のオフ角度を有するオフ基板であることが好ましい。
【００９９】
ｎ型ＧａＮ基板６０１の表面を有機溶剤や酸によって清浄化した後、成膜装置におけるチャンバ内のサセプター上に設置し、チャンバ内部をＮ2で充分に置換する。Ｎ2置換が終了した後、Ｎ2雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで８００℃まで昇温する。その後、ｎ型ＧａＮ基板６０１の主面に対して、８００℃で２０分間の熱処理（サーマルクリーニング）を施すことにより、表面研磨などによってｎ型ＧａＮ基板６０１に生じた残留歪を除去する。
【０１００】
次に、チャンバ内部における雰囲気ガスの１０％をアンモニア（ＮＨ3）で置き換え、さらに８００℃で１０分間の熱処理を実行する。このＮＨ3を加えた雰囲気ガス中で熱処理工程により、基板表面におけるマストランスポート現象が引き起こされるため、ｎ型ＧａＮ基板６０１の主面（研磨面）に存在していた微小な凹凸が均され、表面が平坦化される。
【０１０１】
その後、新たな残留歪が発生しないように５℃／１０秒の降温レートで４００℃まで降温する。そして、４００℃でＮＨ3の供給を停止、Ｎ2に置換し引き続き室温まで降温する。
【０１０２】
次に、図９（ａ）に示すように、そのｎ型ＧａＮ基板６０１のｍ軸方向と平行に延びる幅約１μｍ、深さ０．５μｍのストライプ状のＶ字型溝１５０１を５０μｍ間隔でｎ型ＧａＮ基板６０１の主面に形成する。Ｖ字型溝１５０１は、Ｖ字型溝１５０１が形成されるべき領域に開口部を有するマスクでｎ型ＧａＮ基板６０１の主面を覆った後、ｎ型ＧａＮ基板６０１の露出部分をエッチングすることにより、形成される。
【０１０３】
図９（ｂ）では、１本のＶ字型溝１５０１のみが示されているが、実際のｎ型ＧａＮ基板６０１の主面には、並行する多数のＶ字型溝１５０１が周期的に配列されている。このＶ字型溝１５０１の幅は、０．１μｍ以上２．０μｍ以下であればよく、その深さは０．１μｍ以上１．０μｍ以下であればよい。隣接する２つのＶ字型溝１５０１の間隔は１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【０１０４】
なお、本実施形態におけるＶ字型溝１５０１は周期的に配列されているが、本発明は、このような場合に限定されず、隣接するＶ字型溝１５０１の間隔はｎ型ＧａＮ基板６０１上の位置に応じて変化していても良い。後述するように、Ｖ字型溝１５０１の位置は、半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の位置に基づいて決定される。
【０１０５】
次に、Ｖ字型溝１５０１が表面に形成されたｎ型ＧａＮ基板６０１を、再び有機溶剤や酸によって清浄化した後、薄膜堆積装置のチャンバ内のサセプター上に設置し、チャンバ内部をＮ2で充分に置換する。
【０１０６】
Ｎ2置換が終了した後、Ｎ2雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで１０００℃まで昇温する。その後、キャリアガスをＨ2に切り替え、同時にＮＨ3をも供給し、１分間、基板表面のサーマルクリーニングを行う。
【０１０７】
その後、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ4）を基板表面に供給することにより、図９（ｃ）に示す厚さ３μｍの再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２をｎ型ＧａＮ基板６０１の主面上に成長させる。
【０１０８】
再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の成長条件（結晶成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比）を調節することにより、ｎ型ＧａＮ基板６０１のＶ字型溝１５０１に対応したＶ字型溝１５０３が、成長途中の再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の上面に形成される。このため、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の形成が完了した段階では、ｎ型ＧａＮ基板６０１のＶ字型溝１５０１のほぼ真上に、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２のＶ字型溝１５０３が存在することになる。
【０１０９】
再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の成長温度では、結晶に応力が生じないため、ｎ型ＧａＮ基板６０１のｃ軸１５１１は、再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸にほとんど平行である。その後、成長温度から４００℃まで１０℃／１０秒の降温レートで冷却し、４００℃でＮＨ3の供給を停止し、キャリアガスを全てＮ2に切り替える。ｎ型ＧａＮ基板６０１及び再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２は、高温（成長温度）状態では熱膨張していたが、降温過程において収縮する。このとき、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の表面に形成されているＶ字型溝１５０３の影響により、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２は全体に均一に熱収縮するのではなく、Ｖ字型溝１５０３が形成されている領域付近の結晶軸を傾けながら熱収縮が小さい領域と熱収縮が大きい領域とに分かれる。この結果、図９（ｄ）に示すように、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の形態が変化する。そして、Ｖ字型溝１５０３が形成されている領域付近における熱収縮が小さい領域が欠陥導入領域１５０４に変化する。
【０１１０】
熱収縮の大きい領域および熱収縮の小さい領域（欠陥導入領域１５０４）における格子定数のうち、Ｖ字型溝１５０３が延びる方向（紙面に垂直な方向：以下、「ストライプ方向」）と平行な方向における格子定数は、いずれも、ｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数と等しい。しかし、ストライプ方向に垂直な方向における格子定数は、熱収縮が大きい領域ではｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数よりも小さくなる。逆に、欠陥導入領域１５０４（熱収縮が小さい領域）におけるストライプ方向に垂直な方向の格子定数は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数よりも大きくなる。
【０１１１】
欠陥導入領域１５０４における結晶軸の傾斜は、Ｖ字型溝１５０３を中心としたその両側近傍の結晶に存在する熱収縮により発生した大きな応力を緩和するべく起こり、Ｖ字型溝１５０３に向かってその両側の結晶軸が引き寄せられるように微傾斜することで生じる。この結果、Ｖ字型溝１５０３付近が窪んだ形状が形成される。このとき、応力の集中を緩和するため、Ｖ字型溝１５０３の下方に高密度の貫通転位１５０５が形成される。貫通転位１５０５は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の表面付近から延び、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２をほとんど貫通している。Ｖ字型溝１５０３付近には、集中的に転位が発生し、その部分の転位密度は２×１０6ｃｍ-2程度になる。この転位密度は、下地となるｎ型ＧａＮ基板６０１の転位密度よりも高い。一方、貫通転位１５０５が集中している領域以外の領域における貫通転位密度は、ｎ型ＧａＮ基板６０１とほとんど同じである。
【０１１２】
再び図８を参照し、その後の製造工程を説明する。
【０１１３】
ｎ型ＧａＮ基板６０１上にｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４を形成した後は、いったん温度を低下させても良いし、温度を低下させることなく、引き続き結晶成長を行なっても良い。
【０１１４】
本実施形態では、図９（ｄ）に示す再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２から構成される厚さ３μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層６０２の上に、ＴＭＧおよびＳｉＨ4にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加えたガスを供給し、厚さ１．８μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６０３を成長させる。
【０１１５】
その後、ＴＭＡおよびＳｉＨ4の供給を停止し、厚さ０．１μｍのノンドープＧａＮ光ガイド層６０４を成長させる。ＧａＮ光ガイド層６０４の成長後、キャリアガスをＮ2に変え、ＮＨ3の供給を停止し、成長温度を８２０℃まで降温する。成長温度が８２０℃で安定した後、まずＮＨ3を供給し、続いてＴＭＧおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することにより、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５を形成する。このＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５は、Ｉｎ組成５％、厚さ４ｎｍのＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ井戸層とＩｎ組成１％、厚さ６ｎｍのＧａ0.99Ｉｎ0.01Ｎ障壁層とを３周期積層することによって作製することができる。ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５もノンドープ層である。
【０１１６】
次に、Ｉｎ組成１％で厚さ１０ｎｍのノンドープＧａＩｎＮ第１光ガイド層６０６を成長させた後、その上に、厚さ９０ｎｍのノンドープＧａＮ第２光ガイド層６０７を成長する。その後、ＴＭＧおよびＮＨ3を供給した状態で厚さ１０ｎｍのノンドープＧａＮ第２光ガイド層６０７を成長しながら、９８０℃まで急速に昇温し、成長温度が９８０℃に到達した後、いったんＴＭＧの供給を停止する。そして、キャリアガスをＮ2とＨ2の混合ガスに変更することにより、Ｎ2、Ｈ2、およびＮＨ3を供給する。そして直ちにＴＭＧ、ＴＭＡ、およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）をＭｇ原料として供給し、ＭｇがドープされたＡｌ組成１０％で厚さ１０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層６０８を成長させる。この後、速やかにキャリアガスをＨ2のみに切り替え、引き続きｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層６０９、および厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６１０を順次積層する。
【０１１７】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層６０８、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層６０９、およびｐ型ＧａＮコンタクト層６１０をエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４の上方に、幅１．６μｍのリッジストライプを形成する。リッジストライプの両側をＳｉＯ2絶縁膜６１１で覆い、電流注入領域を形成する。
【０１１８】
その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層６１０の露出表面と接触するように、ＳｉＯ2絶縁膜６１１のストライブ状の開口部を覆うようにｐ型電極６１２が設けられる。エッチングによって露出したｎ型ＧａＮコンタクト層６０２の表面には、ｎ型電極６１３が形成されている。本実施形態では、導電性を有するｎ型ＧａＮ基板６０１を用いているため、ｎ型電極６１３をｎ型ＧａＮ基板６０１の裏面に形成して良い。
【０１１９】
ｐ型ＧａＮコンタクト層６１０とｐ型電極６１２とのコンタクト抵抗を低減するため、ｐ型ＧａＮコンタクト層６１０には、濃度が１×１０20ｃｍ-3〜５×１０20ｃｍ-3のＭｇがドープされることが好ましい。
【０１２０】
積層構造の上部に形成したリッジストライプは、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４の真上に形成されているが、貫通転位密度が２×１０6ｃｍ-2以上となる領域（貫通転位集中領域）からは２μｍ程度離れた位置に配置されている。リッジストライプの位置は、貫通転位集中領域から１μｍ以上１０μｍ以内の位置に設置されることが望ましい。
【０１２１】
本実施形態では、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に含まれるＧａＩｎＮ井戸層として、Ｉｎ組成８％、厚さ３ｎｍのＧａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ井戸層が用いられる代わりに、Ｉｎ組成５％、厚さ４ｎｍのＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ井戸層を用いている。これにより、ＧａＩｎＮ井戸層に加わる圧縮歪を低減することができる。
【０１２２】
本実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５はリッジストライプ構造と平行な方向には０．６％の圧縮歪が加わっているが、リッジストライプ構造と垂直な方向には圧縮歪が低減され、０．３％の圧縮歪となっている。
【０１２３】
本実施形態では、ノンドープＧａＮ第２光ガイド層６０７を成長した後、ＴＭＧの供給を継続したままノンドープＧａＮ第２光ガイド層６０７を成長しながらすばやく９８０℃まで昇温したが、いったんＴＭＧの供給を停止して、Ｎ2とＮＨ3を供給した状態ですばやく昇温しても良い。結晶中に非発光再結合中心の原因となるような欠陥が生成されない方法であればどのような昇温方法でも構わない。
【０１２４】
なお、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板６０１を用いているが、本発明の結晶成長は、基板材料はＧａＮに限定されない。基板は、例えば、窒化物半導体基板、サファイア基板、炭化珪素基板、シリコン基板などであってもよい。窒化物半導体基板としては、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどから形成されたバルク基板が好適に用いられる。また、ＧａＮ等の窒化物半導体が表面に成長したガリウム砒素基板や、選択横方向成長を用いて作製されたＥＬＯ−ＧａＮ基板であってもよい。
【０１２５】
また、本実施形態では、ｎ型のクラッド層をＡｌＧａＮバルク結晶から形成し、ｐ型のクラッド層をＡｌＧａＮおよびＧａＮから構成される超格子から形成しているが、ｐ型のクラッド層をＡｌＧａＮバルク結晶から形成し、ｎ型のクラッド層をＡｌＧａＮおよびＧａＮから構成される超格子から形成してもよい。また、ｎ型およびｐ型の両方のクラッド層をＡｌＧａＮバルク結晶層から形成してもよいし、あるいは、ＡｌＧａＮおよびＧａＮから構成される超格子から形成してもよい。更に、これらのクラッド層には、Ｉｎ、ホウ素（Ｂ）砒素（Ａｓ）、および／またはリン（Ｐ）を添加しても良く、クラッド層は、光とキャリアの閉じ込めが効果的に実現できる構成であれば何でも良い。
【０１２６】
本実施形態では、Ｇａの原料としてＴＭＧ、Ａｌの原料としてＴＭＡ、Ｉｎの原料としてＴＭＩ、Ｍｇの原料としてＣｐ2Ｍｇ、Ｎの原料としてＮＨ3を用いているが。他の原料ガスを用いて結晶成長を行なっても良い。例えば、Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）や塩化ガリウム（ＧａＣｌやＣａＣｌ3）、Ａｌの原料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）やジメチルアルミハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジメチルアルミクロライド（ＤＭＡＣｌ）、トリメチルアミンアラン（ＴＭＡＡ）、Ｉｎの原料としてトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｍｇの原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）やビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ2Ｍｇ）、Ｎの原料としてヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）やモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用いても良い。
【０１２７】
本実施形態に係る半導体素子は、半導体レーザ素子であるが、本発明はこれに限定されず、発光ダイオード素子や受光素子などの、ｐｎ接合を有する全ての半導体素子に適用され得る。また半導体素子の材料となる窒化物半導体としては、ＡｌＧａＩｎＮや、ＡｓおよびＰを含有するＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ混晶化合物半導体など、広い範囲から選択され得る。このことは、以下に説明する他の実施形態の場合についても成立する。
【０１２８】
（実施形態２）
次に、図１０を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。
【０１２９】
本実施形態における半導体レーザ素子の構成が実施形態１における半導体レーザ素子の構成と異なる点は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の表面に凹部が形成されている点と、半導体の積層構造がこの凹部の上方に位置している点にある。より具体的には、ｎ型ＧａＮコンタクト層６０２に含まれるｎ型ＧａＮ欠陥導入領域８１４は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の凹部の真上に位置し、このｎ型ＧａＮ欠陥導入領域８１４とｎ型ＧａＮ基板６０１との間にはエアギャップ８１５が存在している。
【０１３０】
次に、図１１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、本実施形態の半導体レーザ素子を製造する方法を説明する。
【０１３１】
まず、実施形態１と同様に、ｎ型ＧａＮ基板６０１を用意する。本実施形態で用いるｎ型ＧａＮ基板６０１は、ｃ軸に配向したＧａＮ基板であり、貫通転位密度は８×１０5ｃｍ-2以下である。ｎ型ＧａＮ基板６０１は、結晶軸がｃ軸に正確に一致したジャスト基板であってもよいが、ａ軸方向に０．０５°〜０．２０°のオフ角度を有するオフ基板であることが好ましい。
【０１３２】
ｎ型ＧａＮ基板６０１の表面を有機溶剤や酸によって清浄化した後、成膜装置におけるチャンバ内のサセプター上に設置し、チャンバ内部をＮ2で充分に置換する。Ｎ2置換が終了した後、Ｎ2雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで８００℃まで昇温する。その後、ｎ型ＧａＮ基板６０１の主面に対して、８００℃で２０分間の熱処理（サーマルクリーニング）を施すことにより、表面研磨などによってｎ型ＧａＮ基板６０１に生じた残留歪を除去する。
【０１３３】
次に、チャンバ内部における雰囲気ガスの１０％をアンモニア（ＮＨ3）で置き換え、さらに８００℃で１０分間の熱処理を実行する。このＮＨ3を加えた雰囲気ガス中で熱処理工程により、基板表面におけるマストランスポート現象が引き起こされるため、ｎ型ＧａＮ基板６０１の主面（研磨面）に存在していた微小な凹凸が均され、表面が平坦化される。
【０１３４】
その後、新たな残留歪が発生しないように５℃／１０秒の降温レートで４００℃まで降温する。そして、４００℃でＮＨ3の供給を停止、Ｎ2に置換し引き続き室温まで降温する。
【０１３５】
このような処理を経たｎ型ＧａＮ基板６０１を、図１１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板６０１のｍ軸方向と平行に延びる幅約１５μｍ、深さ３μｍのストライプ状の溝１６０１を１００μｍ間隔でｎ型ＧａＮ基板６０１の主面に形成する。溝１６０１は、溝１６０１が形成されるべき領域に開口部を有するマスクでｎ型ＧａＮ基板６０１の主面を覆った後、ｎ型ＧａＮ基板６０１の露出部分をエッチングすることにより、形成される。
【０１３６】
図１１（ａ）では、１本の溝１６０１のみが示されているが、実際のｎ型ＧａＮ基板６０１の主面には、並行する多数の溝１６０１が周期的に配列されている。この溝１６０１の幅は、８μｍ以上３０μｍ以下であればよく、その深さは０．１μｍ以上１５μｍ以下であればよい。隣接する２つの溝１６０１の間隔は１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内に設定されることが好ましい。
【０１３７】
なお、本実施形態における溝１６０１は周期的に配列されているが、本発明は、このような場合に限定されず、隣接する溝１６０１の間隔はｎ型ＧａＮ基板６０１上の位置に応じて変化していても良い。後述するように、溝１６０１の位置は、半導体レーザ素子のリッジストライプ構造の位置に基づいて決定される。
【０１３８】
次に、溝１６０１が表面に形成されたｎ型ＧａＮ基板６０１を、再び有機溶剤や酸によって清浄化した後、薄膜堆積装置のチャンバ内のサセプター上に設置し、チャンバ内部をＮ2で充分に置換する。
【０１３９】
Ｎ2置換が終了した後、Ｎ2雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで１０００℃まで昇温する。その後、キャリアガスをＨ2に切り替え、同時にＮＨ3をも供給し、１分間、基板表面のサーマルクリーニングを行う。
【０１４０】
その後、ＴＭＧとＳｉＨ4を基板表面に供給することにより、図１１（ｂ）に示す厚さ５μｍの再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２をｎ型ＧａＮ基板６０１の主面上に成長させる。再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の結晶成長は、基板主面における凸部から生じ、溝１６０１の上方にエアブリッジ構造を形成しながら横方向成長し、最終的に溝１６０１の中央付近で合体する。このため、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の結晶成長が終了した段階で、溝１６０１はエアギャップ１６０２となり、このエアギャップ１６０２の上方に、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の表面にＶ字型溝１５０３が形成される。
【０１４１】
本実施形態では、このように縦方向だけではなく横方向にも結晶成長が進むように、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の成長条件（結晶成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比）を調節する。このとき、エアギャップ１６０２の部分に結晶成長が生じないようにするには、溝１６０１の表面を絶縁膜で被覆することが好ましい。ただし、溝１６０１にＧａＮの結晶成長が生じても良い。その場合、溝１６０２の深さを再成長ｎＧａＮ層１５０２の厚さの同程度または、厚さよりも大きく設定しておくことが好ましい。そのようにすれば、溝１６０１に成長したＧａＮが再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の横方向成長の障害となることを確実に防止できる。
【０１４２】
再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の成長温度では、結晶に応力が生じないため、ｎ型ＧａＮ基板６０１のｃ軸１５１１は、再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸にほとんど平行である。その後、成長温度から４００℃まで１０℃／１０秒の降温レートで冷却し、４００℃でＮＨ3の供給を停止し、キャリアガスを全てＮ2に切り替える。ｎ型ＧａＮ基板６０１及び再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２は、高温（成長温度）状態では熱膨張していたが、降温過程において収縮する。このとき、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の表面に形成されているＶ字型溝１５０３の影響により、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２は全体に均一に熱収縮するのではなく、Ｖ字型溝１５０３が形成されている領域付近の結晶軸を傾けながら熱収縮が小さい領域と熱収縮が大きい領域とに分かれる。この結果、図１１（ｃ）に示すように、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の形態が変化する。そして、Ｖ字型溝１５０３が形成されている領域付近における熱収縮が小さい領域が欠陥導入領域１５０４に変化する。
【０１４３】
熱収縮の大きい領域および熱収縮の小さい領域（欠陥導入領域１５０４）における格子定数のうち、ストライプ方向と平行な方向における格子定数は、いずれも、ｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数と等しい。しかし、ストライプ方向に垂直な方向における格子定数は、熱収縮が大きい領域ではｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数よりも小さくなる。逆に、欠陥導入領域１５０４（熱収縮が小さい領域）におけるストライプ方向に垂直な方向の格子定数は、ｎ型ＧａＮ基板６０１の格子定数よりも大きくなる。
【０１４４】
また、結晶軸の傾きはＶ字型溝１５０３に向かってその両側から起こり、Ｖ字型溝１５０３付近が窪んだ形状となる。また、このとき、Ｖ字型溝１５０３の下方には、応力の集中を緩和するため、多くの結晶欠陥が新たに発生する。結晶欠陥は貫通転位であり、Ｖ字型溝１５０３付近に集中して３×１０6ｃｍ-2の貫通転位密度であった。
【０１４５】
この貫通転位密度は、下地となるｎ型ＧａＮ基板６０１の貫通転位密度よりも高密度であり、貫通転位が集中している領域以外の貫通転位密度はｎ型ＧａＮ基板６０１とほとんど同じである。
【０１４６】
この後、実施形態１における製造工程と同様の製造工程により、図１０に示す半導体レーザ素子が作製される。
【０１４７】
図１０の半導体レーザ素子でも、ｎ型電極６１３とｐ型電極６１２の間に電圧を印加すると、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に向かってｐ型電極６１２側から正孔が注入され、またｎ型電極６１３側から電子が注入される。その結果、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５内で光学利得を生じ、閾値電流３８ｍＡで発振波長４０８ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。
【０１４８】
本実施形態のリッジストライプ構造は、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域８１４及びエアギャップ８１５の上方に形成されるが、３×１０6ｃｍ-2の貫通転位密度が集中した領域から３μｍ離れた位置に設置されている。このリッジストライプ構造の形成位置は、貫通転位集中領域から１μｍ以上１５μｍ以内の位置に設置されることが望ましい。
【０１４９】
ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域８１４上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５はリッジストライプ構造と平行な方向には０．６％の圧縮歪が加わっているが、リッジストライプ構造と垂直な方向には圧縮歪が低減され、０．３％の圧縮歪となっている。
【０１５０】
本実施形態におけるｎ型ＧａＮ基板６０１の溝１６０１の表面は、前述したように、絶縁膜でマスクしてもよい。図１２は、凹部の全面または一部分を、ＳｉＮx絶縁膜で被覆した半導体レーザ素子を示している。このような絶縁膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＯＮx、ＡｌＯx、ＡｌＯＮx、ＧａＯx、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＮｂＯ3、ＴｉＮx、およびＷＮxからなる群から選択された材料から好適に形成される。
【０１５１】
溝１６０１の全面または一部分を上述の絶縁膜で被覆することにより、溝１６０１の幅を４０μｍ程度にまで広げることができ、凹部の深さを２μｍ程度にまで浅くすることができる。絶縁膜として望ましくは、窒化シリコン（ＳｉＮx）、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮx）、酸化アルミニウム（ＡｌＯx）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＯＮx）、酸化ガリウム（ＧａＯx）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ニオブ（ＮｂＯ3）、窒化チタン（ＴｉＮx）、窒化タングステン（ＷＮx）である。
【０１５２】
（実施形態３）
次に、図１３を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。
【０１５３】
本実施形態における半導体レーザ素子の構成が実施形態１における半導体レーザ素子の構成と異なる点は、ｎ型ＧａＮ欠陥領域をＳｉＯ２絶縁膜１０１５上に形成していることにある。
【０１５４】
以下、図１４（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実施形態に特有な点のみを説明する。
【０１５５】
まず、前述の実施形態と同様の処理を施したｎ型ＧａＮ基板６０１の表面に、図１４（ａ）に示すようにパターニングされたＳｉＯ2絶縁膜１７０１を形成する。ＳｉＯ2絶縁膜１７０１は、複数のストライプからなり、各ストライプは、ｍ軸方向に平行であり、その幅は１５μｍ、深さは３μｍである。ストライプの幅は８μｍ以上２０μｍ以下であればよく、ストライプの間隔は１０μｍ以上５００μｍ以下の間隔で形成されていれば良い。ＳｉＯ2絶縁膜１７０１の厚さは０．００５μｍ以上０．２μｍ以下であればよい。
【０１５６】
この後、実施形態１、２について説明した方法と同一の方法により、５μｍ厚の再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の結晶成長を行う（図１４（ｂ））。再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２は、ｎ型ＧａＮ基板６０１上のＳｉＯ2絶縁膜１７０１が形成されていない開口領域から結晶成長が起こり、ＳｉＯ2絶縁膜１７０１の上方をすべるように横方向成長し、最終的にＳｉＯ2絶縁膜１７０１の中央付近で合体する。ここで横方向成長をする再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２とＳｉＯ2絶縁膜１７０１の間にはせん断応力が作用するため、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２の成長終了段階で、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２のｃ軸はｎ型ＧａＮ基板６０１のｃ軸に対して傾き、かつ横方向成長した領域同士の合体部分には３×１０6ｃｍ-2の貫通転位密度が形成されている。このとき、ここで形成されている貫通転位密度は下地となるｎ型ＧａＮ基板６０１の貫通転位密度よりも高密度であり、貫通転位が集中している領域以外の貫通転位密度はｎ型ＧａＮ基板６０１とほとんど同じである。
【０１５７】
その後、成長温度から４００℃まで１０℃／１０秒の降温レートで冷却し、４００℃でＮＨ3の供給を停止し、キャリアガスを全てＮ2に切り替える。ｎ型ＧａＮ基板６０１及び再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２は高温（成長温度）状態では熱膨張していたが、この降温過程において収縮する。このとき、図１４（ｃ）に示すように、再成長ｎ型ＧａＮ層１５０２のｃ軸の傾きはさらに傾きを大きくしながら、熱収縮が大きい領域と小さい領域に分かれる。この熱収縮が小さい、ＳｉＯ2絶縁膜１７０１上の領域が欠陥導入領域１５０４である。  この後、前述の実施形態と同様の方法により、図１３の半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１５８】
本実施形態の半導体レーザ素子でも、ｎ型電極６１３とｐ型電極６１２の間に電圧を印加すると、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に向かってｐ型電極６１２側から正孔が、またｎ型電極６１３側から電子が注入され、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５内で光学利得を生じ、閾値電流３８ｍＡで発振波長４０８ｎｍ帯のレーザ発振を起こす。
【０１５９】
リッジストライプ構造はｎ型ＧａＮ欠陥導入領域１０１４及びＳｉＯ2絶縁膜１０１５の上方に形成されるが、３×１０6ｃｍ-2の貫通転位密度が集中した領域から２μｍ離れた位置に設置されている。このリッジストライプ構造の形成位置は貫通転位集中領域から１μｍ以上９μｍ以内の位置に設置されることが望ましい。
【０１６０】
ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域１０１４上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５はリッジストライプ構造と平行な方向には０．６％の圧縮歪が加わっているが、リッジストライプ構造と垂直な方向には圧縮歪が低減され、０．１５％の圧縮歪となっている。
【０１６１】
また、本構造において絶縁膜として、ＳｉＯ2を用いたが、絶縁膜としてＳｉＮx、ＳｉＯＮx、ＡｌＯx、ＡｌＯＮx、ＧａＯx、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＮｂＯ3、ＴｉＮx、ＷＮxを用いてももちろん良い。
【０１６２】
（実施形態４）
次に、図１５を参照しながら、本発明の第４の実施形態を説明する。
【０１６３】
本実施形態では、欠陥導入領域がｎ型ＧａＮ基板６０１に近いｎ型ＡｌＧａＮ第１欠陥導入領域１１１５と、その上に位置するｎ型ＧａＮ第２欠陥導入領域１１１４から構成されている。ｎ型ＧａＮ基板６０１に近い側に、格子定数の小さいｎ型ＡｌＧａＮ第１欠陥導入領域１１１５を配置することにより、局所的に基板の貫通転位密度８×１０5ｃｍ-2よりも高密度の２×１０6ｃｍ-2の貫通転位６１５を導入することができ、この高貫通転位密度に近接して活性層の発光領域を配置することで、欠陥導入領域のｃ軸の傾きをさらに大きくすることが可能であり、より効果的にＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪を低減することができる。このときｎ型ＧａＮ第２欠陥導入領域１１１４上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５はリッジストライプ構造と平行な方向には０．６％の圧縮歪が加わっているが、リッジストライプ構造と垂直な方向には圧縮歪が低減され、０．２％の圧縮歪となっている。
【０１６４】
（実施形態５）
次に、図１６を参照しながら、本発明の第５の実施形態を説明する。
【０１６５】
本実施形態における半導体レーザ素子の構成は、欠陥導入領域を除いて、実施形態１における半導体レーザ素子の構成と同一である。
【０１６６】
本実施形態に特徴的な点は、欠陥導入領域がｎ型ＧａＮ基板６０１に近いｎ型ＡｌＧａＮ第１欠陥導入領域１２１５とその主面に対する上方側のｎ型ＧａＮ第２欠陥導入領域１２１４から構成されている。ｎ型ＡｌＧａＮ第１欠陥導入領域１２１５中にはエアギャップ１２１７が形成されている、エアギャップの下部にはＳｉＮx絶縁膜１２１６が形成されているが、エアギャップ１２１７が形成されればこのＳｉＮx絶縁膜１２１６はなくても良い。欠陥導入領域のｎ型ＧａＮ基板６０１に近い側に、格子定数の小さいｎ型ＡｌＧａＮ第１欠陥導入領域１２１５とエアギャップ１２１７を配置することで、局所的に基板の貫通転位密度５×１０5ｃｍ-2よりも高密度の１×１０6ｃｍ-2の貫通転位６１５を導入することができ、この高貫通転位密度に近接して活性層の発光領域を配置することで、欠陥導入領域のｃ軸の傾きをさらに大きくすることが可能であり、より効果的にＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪を低減することができる。このときｎ型ＧａＮ第２欠陥導入領域１２１４上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５はリッジストライプ構造と平行な方向には０．６％の圧縮歪が加わっているが、リッジストライプ構造と垂直な方向には圧縮歪が低減され、０．１％の圧縮歪となっている。
【０１６７】
（実施形態６）
次に、図１７を参照しながら、本発明の第６の実施形態を説明する。
【０１６８】
本実施形態では、積層構造を形成した後、貫通転位が集中した領域にプロトン注入を行い、５×１０6ｃｍ-2の貫通転位密度まで転位密度を増加させている。注入するイオン種は、リンや砒素等、伝導性に影響を与えるもの以外であれば何でも良い。貫通転位密度が高くなりことにより、欠陥導入領域のｃ軸の傾きをさらに大きくすることができるため、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５に加わる圧縮歪を、より効果的に低減することができる。
【０１６９】
ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域１３１４上に形成されたＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層６０５はリッジストライプ構造と平行な方向には０．６％の圧縮歪が加わっているが、リッジストライプ構造と垂直な方向には圧縮歪が低減され、０．１％の圧縮歪となっている。
【０１７０】
また、本実施形態では、図８に示すようにあらかじめｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４が形成され、下地であるｎ型ＧａＮ基板よりも高密度の貫通転位密度集中領域が形成されたレーザ素子用ダブルへテロ構造を用いているが、イオン注入を行うことで１×１０6ｃｍ-2から５×１０6ｃｍ-2の貫通転位密度を発生させることが可能であれば、ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域７１４の形成されていない図６で示すようなレーザ素子用ダブルへテロ構造を用いても良い。
【０１７１】
（実施形態７）
図１８（ａ）から（ｃ）を参照しながら、欠陥誘発領域１８０１を形成する他の方法を説明する。
【０１７２】
まず、前述の各実施形態と同様に、ｎ型ＧａＮ基板６０１を用意した後、図１８（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＮ基板６０１の主面に欠陥誘発領域１８０１を形成する。
【０１７３】
次に、図１８（ｂ）に示すように、再生長ｎ型ＧａＮ層１５０２を成長させると、再生長ｎ型ＧａＮ層１５０２中に２×１０6ｃｍ-2程度の貫通転位６１５を有する欠陥導入領域１５０４を形成することができる。
【０１７４】
本実施形態の方法によっても、欠陥導入領域１５０４のｃ軸の傾きを大きくすることが可能であり、その上に形成するＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層に加わる圧縮歪を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１７５】
本発明の窒化物半導体素子および製造方法によれば、基板上に形成した積層構造に含まれる活性層に印加させる圧縮応力を緩和することが可能になるため、応力に起因した特性の劣化や歩留まりの低下を抑制し、種々の電子機器に好適に用いられる。本発明によれば、高い出力で信頼性の高いＧａＮ系半導体レーザ素子を歩留まり良く実現することができるため、例えば大容量高速光記録装置やレーザディスプレイ装置等の光源として好適に用いられる。その他、加工用や医療用の高出力レーザ素子として用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１７６】
【図１】ｎ型ＧａＮ基板上に作製されたｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層を有する窒化物半導体レーザ素子（従来例）の断面構造図である。
【図２】ｎ型ＧａＮ基板上に作製されたｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層と緩和層を有する窒化物半導体レーザ素子（他の従来例）の断面構造図である。
【図３】ＥＬＯ−ＧａＮ基板上に作製されたＡｌＧａＩｎＮ応力集中抑制層を有する窒化物半導体レーザ素子（更に他の従来例）の断面構造図である。
【図４】段差を有するｎ型ＧａＮ基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子（更に他の従来例）の断面構造図である。
【図５】歪緩和膜を有する半導体レーザ素子（更に他の従来例）の断面構造図である。
【図６】ｎ型ＧａＮ基板上に作製された窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域を有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域を有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図９】（ａ）から（ｄ）は、本発明の一実施形態に係るｎ型ＧａＮ基板上への高貫通転位密度領域の作製方法を示す工程断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域とエアギャップを有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図１１】（ａ）から（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るｎ型ＧａＮ基板上へのエアギャップを有する高貫通転位密度領域の作製方法を示す工程断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域とエアギャップを有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域と絶縁膜を有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図１４】（ａ）から（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るｎ型ＧａＮ基板上への絶縁膜を有する高貫通転位密度領域の作製方法を示す工程断面図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域を有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図１６】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域とエアギャップを有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図１７】本発明の一実施形態に係る欠陥導入領域を有する窒化物半導体レーザ素子の断面構造図である。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るｎ型ＧａＮ基板上への高貫通転位密度領域の作製方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０１７７】
１０１  ｎ型基板
１０２  歪緩和膜
１０３  ｎ型クラッド層
１０４  ｎ型光ガイド層
１０５  活性層
１０６  ｐ型光ガイド層
１０７  ｐ型クラッド層
１０８  ｐ型コンタクト層
１０９  ｎ型電流ブロック層
１１０  ｐ型電極
１１１  ｎ型電極
２０１  ｎ型ＧａＮ基板
２０２  アンドープＡｌＧａＮ層
２０３  ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層
２０４  ｎ型ＧａIｎＮクラック抑制層
２０５  ｎ型クラッド層
２０６  ｎ型光ガイド層
２０７  活性層
２０８  ｐ型ＡｌＧａＮ電子閉じ込め層
２０９  ｐ型光ガイド層
２１０  ｐ型クラッド層
２１１  ｐ型コンタクト層
２１２  ＺｒＯ2絶縁膜
２１３  ｐ型電極
２１４  ｎ型電極
２１５  貫通転位
３０１  緩和層
３０２  第１の窒化物半導体層
３０３  保護膜
３０４  第２の窒化物半導体層
４０１  ＥＬＯ−ＧａＮ基板
４０２  ｎ型ＧａＮコンタクト層
４０３  ｎ型クラッド層
４０４  ｎ型光ガイド層
４０５  活性層
４０６  ＡｌＧａIｎＮ応力集中抑制層
４０７  ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層
４０８  ｐ型光ガイド層
４０９  ｐ型クラッド層
４１０  ｐ型コンタクト層
４１１  ＳｉＯ2絶縁膜
４１２  ｐ型電極
４１３  ｎ型電極
４１４  貫通転位
５０１  ｎ型ＧａＮ基板
５０２  ｎ型ＧａＮコンタクト層
５０３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
５０４  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
５０５  活性層
５０６  ｐ型ＧａＮ光ガイド層
５０７  ｐ型第１ＡｌＧａＮクラッド層
５０８  電流狭窄層
５０９  ｐ型第２ＡｌＧａＮクラッド層
５１０  ｐ型コンタクト層
５１１  ｐ型電極
５１２  ｎ型電極
５１３  貫通転位
６０１  ｎ型ＧａＮ基板
６０２  ｎ型ＧａＮコンタクト層
６０３  ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
６０４  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
６０５  ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層
６０６  ＧａＩｎＮ第１光ガイド層
６０７  ＧａＮ第２光ガイド層
６０８  ｐ型ＡｌＧａＮ電子オーバーフロー抑制層
６０９  ｐ型ＡｌＧａＮ超格子クラッド層
６１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層
６１１  ＳｉＯ2絶縁膜
６１２  ｐ型電極
６１３  ｎ型電極
６１４  欠陥導入領域
６１５  貫通転位
７１４  ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域
８１４  ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域
８１５  エアギャップ
９１６  ＳｉＮx絶縁膜
１０１４  ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域
１０１５  ＳｉＯ2絶縁膜
１１１４  ｎ型ＧａＮ第２欠陥導入領域
１１１５  ｎ型ＡｌＧａＮ第２欠陥導入領域
１２１４  ｎ型ＧａＮ第２欠陥導入領域
１２１５  ｎ型ＡｌＧａＮ第２欠陥導入領域
１２１６  ＳｉＮx絶縁膜
１２１７  エアギャップ
１３１４  ｎ型ＧａＮ欠陥導入領域
１３１５  転位導入領域
１５０１  Ｖ字型溝
１５０２  再成長ｎ型ＧａＮ層
１５０３  Ｖ字型溝
１５０４  再成長ｎ型ＧａＮによる欠陥導入領域
１５０５  貫通転位
１５１１  ｎ型ＧａＮ基板のｃ軸
１５１２  再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸（成長温度付近）
１５１３  再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸（室温付近）
１６０１  凹凸構造
１６０２  エアギャップ
１６１２  再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸（成長温度付近）
１６１３  再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸（室温付近）
１７０１  ＳｉＯ2絶縁膜
１７１２  再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸（成長温度付近）
１７１３  再成長ｎ型ＧａＮ層のｃ軸（室温付近）
１８０１  欠陥誘発領域
【図１】
2006024713.tif 000003
【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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