(57)【要約】【課題】窒化物半導体層の駆動（主発光）領域への転位の伝播、引っ張り歪の発生を抑制した窒化物半導体レーザ素子とその製造方法を提供すること。【解決手段】窒化物半導体基板１００と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、基板１００は、高転位密度領域と低転位密度領域とを有する基板であって、少なくとも高転位密度領域には凹部が形成され、窒化物半導体層は、基板の凹部側面から横方向への成長膜厚が凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層１１０と、第１の窒化物半導体層１１０上に、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層１２０とを有し、基板１００の凹部上に、第１及び第２の窒化物半導体層１１０、１２０は凹部を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、高転位密度領域と該高転位密度領域よりも転位密度が低い低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板であり、少なくとも該高転位密度領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、
前記窒化物半導体層は、前記基板の凹部側面からの横方向への成長膜厚が、前記凹部以外の領域からの縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に配置され、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層とを有しており、
前記窒化物半導体基板の凹部上において、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とは凹部を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記窒化物半導体基板の凹部は、窒化物半導体レーザ素子の共振器長方向と略平行方向に形成されている請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記窒化物半導体基板の高転位密度領域と低転位密度領域とは交互にストライプ状に形成されており、該窒化物半導体基板の凹部側面は、低転位密度領域である請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記窒化物半導体基板の凹部側面は、高転位密度領域の端部から５μｍ以上離間している請求項３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２の窒化物半導体層における凹部は、窒化物半導体基板の高転位密度領域から転位が伝播した領域である請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含有する窒化物半導体層である請求項１に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
高転位密度領域と該高転位密度領域よりも転位密度が低い低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記窒化物半導体基板の高転位密度領域に少なくとも１つの凹部を形成する工程と、
前記窒化物半導体基板の上に、前記基板の凹部側面から横方向への成長膜厚が前記凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚よりも大きくなるように第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層を形成する工程とを備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
前記窒化物半導体基板の凹部を、窒化物半導体レーザ素子の共振器長方向と略平行方向に形成する請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項９】
前記窒化物半導体基板の高転位密度領域と低転位密度領域とを、交互にストライプ状に形成する請求項７に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記窒化物半導体基板の凹部を、高転位密度領域、及び該高転位密度領域を挟んだ両側の低転位密度領域に連続して形成する請求項９に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化物半導体基板の凹部は、その側面を、高転位密度領域の端部から５μｍ以上離間して形成する請求項１０に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、高転位密度領域と該高転位密度領域よりも転位密度が低い低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板であり、少なくとも該高転位密度領域に少なくとも１つの凹部が形成されており、
前記窒化物半導体層は、前記基板の凹部側面からの横方向への成長膜厚が前記凹部以外の領域からの縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層を有しており、
前記第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には面内方向に伸びる転位があることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域における面内方向に伸びる転位は、１×１０8個／ｃｍ2以上である請求項１２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】
窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、基板表面における転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下であり、該基板表面には少なくとも１つの凹部が形成されており、前記窒化物半導体層は、前記基板の凹部側面からの横方向への成長膜厚が前記凹部以外の領域からの縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層を有しており、
前記第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には面内方向に伸びる転位があり、その転位密度は１×１０8個／ｃｍ2以上であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記窒化物半導体基板の凹部上において、前記第１の窒化物半導体層は凹部を有する請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含有する窒化物半導体層である請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記第１の窒化物半導体層の上に、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層を有する請求項１２〜１６のいずれか１つに記載の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、窒化物半導体を用いたレーザ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体レーザ素子は、次世代光ディスク用光源やディスプレイ用光源、その他にも露光用光源として期待されている。
窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板を半導体層の成長用基板として用いる。窒化物半導体基板は、高転位密度領域と低転位密度領域とを有するものである。
この窒化物半導体基板の表面に、窒化物半導体層を、例えば、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）により結晶成長させて、窒化物半導体層の積層構造を得る。
【０００３】
一般に、窒化物半導体レーザ素子は、製造上の歩留まりが低いことが問題となっている。その理由の一つは基板である。
現在、窒化物半導体層を成長させるための成長用基板としてＧａＮ基板が用いられている。このＧａＮ基板は、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板等と異なり、ウェハ状態で全面均一の低転位基板を製造することが困難である。低転位基板を製造することは可能であっても大口径化が新たな問題となる。そのため、現状では、ウェハ内に転位が内在するＧａＮ基板を用いている。このようなＧａＮ基板を窒化物半導体層の成長用基板に用いることで、窒化物半導体層には、基板の高転位密度領域から、転位が伝播される。これでは、窒化物半導体層の駆動（主発光）領域の特性悪化を招く恐れがある。
また、ＧａＮ基板と窒化物半導体層とは、格子定数が完全に一致しないため、窒化物半導体層には引っ張り歪が生じる。この引っ張り歪によってウェハ内にクラックが生じる。その結果、歩留まりが低下する。
【０００４】
このような問題を解消するために、凹部を形成した窒化物半導体レーザ素子が提案されている（特許文献１）。
特許文献１に開示されている窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を成長した後に窒化物半導体層に凹部が形成されている。この凹部によって、レーザ光導波領域又はレーザ光導波領域周辺まで転位（欠陥）が伝播することを防止している。
【０００５】
また、高転位密度領域（転位集中領域）及び低転位密度領域（非転位集中領域）に凹部を形成する技術が提案されている（特許文献２）。
この技術は、特許文献２の図１２及び図１３に開示されているように、凹部を有する窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を成長させる。
【特許文献１】特開２００４−３２７８７９号公報
【特許文献２】特開２００５−２９４４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１では、凹部は窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を成長した後に形成されるものであるため、窒化物半導体層の成長段階で発生した転位（欠陥）、特にレーザ光導波領域に伝播した転位を取り除くことはできない。また、転位が内在する窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を成長させることにより、引っ張り歪が生じやすくなるためクラックが発生しやすい。さらに、その後のデバイス工程でのエッチングや成膜等により、引っ張り歪が生じて、新たにクラックが発生する問題が生じる。
特許文献２では、高転位密度領域に凹部を形成することのみによって、転位の再発を防止するものであるが、これだけではクラックの発生を十分に抑制することができず、窒化物半導体レーザ素子の安定した歩留まりが望めない。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものである。具体例としては、高転位密度領域と低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を成長させた窒化物半導体レーザ素子であって、高転位密度領域から窒化物半導体層の駆動（主発光）領域への転位の伝播及び引っ張り歪の発生を抑制することができる窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、高転位密度領域と該高転位密度領域よりも転位密度が低い低転位密度領域（以下同じ）とを有する窒化物半導体基板であり、少なくとも１つの凹部が、少なくとも該高転位密度領域に形成されており、
前記窒化物半導体層は、前記基板の凹部側面からの横方向への成長膜厚が、前記凹部以外の領域からの縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に配置され、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層とを有しており、
前記窒化物半導体基板の凹部上において、前記第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とは凹部を有することを特徴とする。
【０００９】
この窒化物半導体レーザ素子においては、前記窒化物半導体基板の凹部は、窒化物半導体レーザ素子の共振器長方向と略平行方向に形成されていることが好ましい。
また、前記窒化物半導体基板の高転位密度領域と低転位密度領域とは交互にストライプ状に形成されており、該窒化物半導体基板の凹部側面は、低転位密度領域であることが好ましい。
さらに、前記窒化物半導体基板の凹部側面は、高転位密度領域の端部から５μｍ以上離間していることが好ましい。
また、前記第２の窒化物半導体層における凹部は、窒化物半導体基板の高転位密度領域から転位が伝播した領域であることが好ましい。
前記第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含有する窒化物半導体層であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、高転位密度領域と低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記窒化物半導体基板の高転位密度領域に凹部を形成する工程と、
前記窒化物半導体基板の上に、前記基板の凹部側面から横方向への成長膜厚が前記凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚よりも大きくなるように第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
この方法では、前記窒化物半導体基板の凹部を、窒化物半導体レーザ素子の共振器長方向と略平行方向に形成することが好ましい。
また、前記窒化物半導体基板の高転位密度領域と低転位密度領域とを、交互にストライプ状に形成することが好ましい。
さらに、前記窒化物半導体基板の凹部を、高転位密度領域、及び該高転位密度領域を挟んだ両側の低転位密度領域に連続して形成することが好ましい。
前記窒化物半導体基板の凹部は、その側面を、高転位密度領域の端部から５μｍ以上離間して形成することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の第２の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、高転位密度領域と低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板であり、少なくとも該高転位密度領域に凹部が形成されており、
前記窒化物半導体層は、前記基板の凹部側面からの横方向への成長膜厚が前記凹部以外の領域からの縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層を有しており、
前記第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には面内方向に伸びる転位があることを特徴とする。
【００１３】
この窒化物半導体レーザ素子では、前記第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域における面内方向に伸びる転位は、１×１０8個／ｃｍ2以上であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の第３の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、基板表面における転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下であり、該基板表面には凹部が形成されており、前記窒化物半導体層は、前記基板の凹部側面からの横方向への成長膜厚が前記凹部以外の領域からの縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層を有しており、
前記第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には面内方向に伸びる転位があり、その転位密度は１×１０8個／ｃｍ2以上であることを特徴とする。
【００１５】
これら第２及び第３の窒化物半導体レーザ素子では、前記窒化物半導体基板の凹部上において、前記第１の窒化物半導体層は凹部を有することが好ましい。
また、前記第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含有する窒化物半導体層であることが好ましい。
さらに、前記第１の窒化物半導体層の上に、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、窒化物半導体基板に内在する高転位密度領域からウェハ全体に伝播しようとする転位を優先的に凹部に収束させることができる。これによって、転位が窒化物半導体層の駆動（主発光）領域に伝播することを抑制することができる。また、窒化物半導体層にクラックが発生することを抑制することができる。
さらに、窒化物半導体レーザ素子の駆動時に生じる発熱（温度上昇）による素子の膨張によってクラックが発生することをも抑制することができるため、安定な寿命特性を示すとともに、レーザ特性の優れたものとすることができる。
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法によれば、ウェハ内に引っ張り歪が生じることを抑制することができる。これにより、後の設計工程でクラックが発生することを防止することができ、製品歩留まりを向上した窒化物半導体レーザ素子の製造方法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】
【００１７】
以下、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法の実施の形態について、図面を用いて説明する。但し、本発明は以下の図面に限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１
この窒化物半導体レーザ素子は、図２に示すように、窒化物半導体基板１００の表面１００ａに窒化物半導体層が積層されている。この窒化物半導体層は窒化物半導体基板１００の表面１００ａ側から順に第１の窒化物半導体層１１０と第２の窒化物半導体層１２０とを有している。さらに、その上には活性層２０５等が積層されている。また、窒化物半導体基板１００の裏面１００ｂには電極２３２が形成されている。
【００１９】
このようなレーザ素子は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とで、活性層を挟んだ積層構造となっている。活性層２０５は多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造とすることができる。また、光ガイド層を活性層の上下に備えることで光の導波路を構成する分離光閉じ込め型構造ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）としてもよい。
【００２０】
以下に、窒化物半導体基板１００上に窒化物半導体層を成長させる製造工程を説明する。
まず、窒化物半導体基板１００を準備する。
この窒化物半導体基板１００は、図１（ａ）に示すように表面１００ａから裏面１００ｂに貫通したストライプ状の転位が集中した高転位密度領域１０２が形成されており、これ以外の領域に低転位密度領域１０１がある。
低転位密度領域１０１とは高転位密度領域１０２よりも単位面積あたりの転位数が少ない領域である。この低転位密度領域１０１の単位面積あたりの転位数は、１×１０7／ｃｍ2以下、好ましくは５×１０6／ｃｍ2以下、より好ましくは１×１０6／ｃｍ2以下である。高転位密度領域１０２とは低転位密度領域１０１よりも単位面積あたりの転位数が多い領域であって、特にその数は限定されない。転位密度の測定方法は、ＣＬ（カソード・ルミネッセンス）観察、ＴＥＭ観察で行うのがよい。窒化物半導体基板は○状か□状のウェハであって、サイズは１インチ以上、好ましくは２インチ以上である。
【００２１】
この窒化物半導体基板１００は、表面１００ａ及び／又は裏面１００ｂに０．０５°〜１．０°のオフ角を有するものが好ましい。オフ角は、研磨や研削、レーザ照射によって形成することができる。これにより、レーザ素子の発振波長が３６５ｎｍ以下の紫外領域から５００ｎｍ以上の長波長領域に至る範囲で素子特性を安定させることができる。具体的には、チップ内での活性層の組成分布を均一にすることができる。
【００２２】
また、この窒化物半導体基板１００の膜厚は５０μｍ以上１ｍｍ以下とするが、好ましくは１００μｍ以上５００μｍ以下である。
窒化物半導体基板１００の製造方法には、ＭＯＣＶＤ法又はＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等がある。
窒化物半導体基板としては、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板等を用いてもよいが、本実施形態ではＧａＮ基板を使用する。
【００２３】
窒化物半導体基板１００の表面１００ａは、Ｃ（０００１）面、Ｍ（１−１００）面、Ａ（１１−２０）面である。前記窒化物半導体基板１００の表面１００ａをＣ（０００１）面とすれば、裏面１００ｂは（０００−１）面となる。
窒化物半導体基板は、窒化物半導体とは材料が異なる異種基板上に窒化物半導体を形成し、その後に異種基板を除去して形成することもできる。この窒化物半導体基板は、表面１００ａの全面が低転位であるＧａＮ基板とすることができる。
また、窒化物半導体基板１００は、２軸結晶法による（０００２）回折Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）が２分以下、好ましくは１分以下である。窒化物半導体基板１００の曲率半径は、少なくとも０．１ｍ以上、１ｍ以上であってもよい。なお、本明細書において、面指数を表す括弧内のバー（−）は、後ろの数字の上に付すべきバーを表すものとする。
【００２４】
次に、図１（ｂ）に示すように、窒化物半導体基板１００上に、少なくとも１つの凹部１０３を、高転位密度領域１０２ごとに形成することが好ましい。この凹部１０３は、高転位密度領域１０２とその両側の低転位密度領域１０１に及ぶ幅で形成する。この凹部１０３は、後に形成される窒化物半導体レーザ素子の共振器長方向と略平行に形成する。
この凹部は高転位密度領域１０２のみに形成されるものに限定する必要はなく、図１（ｂ）に示すように、高転位密度領域１０２の両側にある低転位密度領域１０１にも一部形成されるものであってもよい。凹部１０３側面を低転位密度領域１０１とすることにより、凹部側面からの転位の伝播が少なくなるため好ましい。
【００２５】
つまり、凹部は、図１（ｂ）に示す以外に、図６（ａ）に示すように、窒化物半導体基板の高転位密度領域１０２にのみ形成されるもの、図６（ｂ）に示すように、凹部を階段状に形成するものであってもよい。また、図６（ｃ）に示すように、低転位密度領域にも凹部を形成することにより、窒化物半導体基板の応力を更に緩和させることができる。
【００２６】
凹部１０３を形成するために、任意に、マスクパターンとなる保護膜を形成し、化学的エッチングを利用する方法、物理的エッチングを利用する方法が利用できる。
化学的エッチングは、マスクパターンを使用せずに、窒化物半導体基板の高転位密度領域１０２と低転位密度領域１０１との溶液に対するエッチングレートの違い、ドライエッチング等の選択比を利用するものである。溶液には、例えば、硫酸と燐酸との混合酸、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）水溶液、他の酸溶液等を用いることができる。この混合液は１００℃〜３００℃に加熱したものを用いてもよい。ウェハをこの溶液に浸すことによって、凹部を形成する。
なお、マスクパターンを用いるウェットエッチングを利用してもよい。
【００２７】
物理的エッチングでは、まずＧａＮ基板の表面にマスクを形成する。マスクにはＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁膜、レジスト膜、金属膜を用いることができる。このマスクのパターンは、上述した凹部１０３が形成できるように開口部を有する。この開口部は高転位密度領域１０２上に形成される。
例えば、ＧａＮ基板が低転位密度領域１０１と高転位密度領域１０２とを交互にストライプ状に形成されている基板である場合には、開口部はストライプ状に形成される。低転位密度領域１０１と高転位密度領域１０２とが交互にストライプ状に形成されているＧａＮ基板であれば、例えば、ＧａＮ基板の低転位密度領域１０１上にマスクの幅が５０〜５００μｍで形成され、少なくとも高転位密度領域１０２上は開口部となっており、その開口部の幅が５〜１００μｍでストライプ状のパターンを形成する。
マスクの膜厚は凹部１０３の深さを所望の深さにできるものであればよく、例えば、０．１μｍ〜２μｍ、好ましくは０．３μｍ〜２μｍとする。マスクの形成方法はＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、蒸着法、スパッタ法が挙げられる。
【００２８】
次に、少なくとも高転位密度領域１０２に開口部を有するマスクを形成したＧａＮ基板をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて選択的にエッチングする。エッチングに用いるガスには、Ｃｌ2、ＣＣｌ4、ＣＨＣｌ3、ＳｉＣｌ4、ＢＣｌ3などの塩素を含むガス又はＣＨＦ3、ＣＦ4などのフッ素を含むガスを用いる。このエッチング条件は、例えば、Ｃｌ2ガスを用い、ガス圧を２０〜２００ｍＴｏｒｒとし、好ましくは８０〜１２０ｍＴｏｒｒとする。ガス流量は１０〜２００ｓｃｃｍ、好ましくは３０〜１００ｓｃｃｍとする。ガス流量の一例としては５０ｓｃｃｍ以下である。また、プラズマ励起パワーは５０〜１０００Ｗ、好ましくは２００Ｗ〜５００Ｗ、エッチレートは０．１〜２．０μｍ／ｍｉｎ、好ましくは０．１０〜１．２５μｍ／ｍｉｎとする。
その後、保護膜を除去する。これによって、少なくとも高転位密度領域１０２に、例えば、ストライプ状の凹部が形成される。凹部同士の間隔幅は、１００〜５００μｍで形成される。
【００２９】
凹部１０３の深さは、窒化物半導体基板１００上に形成する第１の窒化物半導体層１１０と第２の窒化物半導体層１２０に凹部を形成することができる深さとする。具体的には０．５〜３μｍである。
また、凹部１０３の幅は高転位密度領域１０２の幅に依存するものであるが、５〜１００μｍとすることができる。
【００３０】
凹部１０３側面を低転位密度領域１０１とする場合には、高転位密度領域１０２の両側にある低転位密度領域１０１の除去幅は４０μｍ以下、好ましくは５〜２５μｍとする。この範囲で低転位密度領域１０１を除去すると、後に形成する第１の窒化物半導体層を容易に所望の成長膜厚比で形成することができる。
凹部１０３側面は、高転位密度領域の端部から５μｍ以上、好ましくは７μｍ以上離間していることで、窒化物半導体基板から窒化物半導体層への転位の伝播を抑制することができる。
また、凹部１０３側面の傾斜角度は、６０°以上、好ましくは８０°以上である。
【００３１】
次に、凹部１０３が形成された窒化物半導体基板上に気相成長法を用いて窒化物半導体層を形成する。
【００３２】
本発明では、窒化物半導体層は、一般式をＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）とすることができる。これに加えて、III族元素としてＢを一部に有することもできる。またＶ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換することもできる。ｎ型窒化物半導体層にはｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのＩＶ族元素、あるいはＶＩ族元素等のいずれか１つ以上を含有している。またｐ型窒化物半導体層にはｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有している。不純物の濃度は５×１０16／ｃｍ3以上５×１０21／ｃｍ3以下の範囲でドープされることが好ましい。なお、ｎ型又はｐ型窒化物半導体層の全てがｎ型又はｐ型不純物を含有していなくてもよい。
【００３３】
この窒化物半導体層の成長方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤは結晶性良く成長させることができるので好ましい。また、窒化物半導体は、種々の窒化物半導体の成長方法を使用目的により適宜選択して成長させることが好ましい。
【００３４】
まず、図１（ｃ）に示すように凹部１０３が形成された窒化物半導体基板上に第１の窒化物半導体層１１０を形成する。
この第１の窒化物半導体層１１０は、図１（ｃ）の拡大図である図１（ｃ’）に示すように、窒化物半導体基板の凹部側面から横方向への成長膜厚Ｙが凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚Ｘよりも大きくなるように形成する。
このような窒化物半導体層１１０を形成する具体的な条件としては、反応炉内を常圧よりも減圧で成長させる。また、１０５０℃以上で成長させることが好ましい。
【００３５】
第１の窒化物半導体層１１０は、縦方向への成長膜厚Ｘが５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下とする。これに対して基板の凹部側面から横方向への成長膜厚Ｙは５μｍ以上、好ましくは５μｍ以上２５μｍ以下とする。また、凹部の底面から縦方向へ成長する膜厚Ｚは、特に限定されるものではないが、例えば、成長膜厚Ｘと同程度かそれ以下の膜厚であってもよい。
【００３６】
さらなる拡大図である図１（ｃ”）に示すように、第１の窒化物半導体層を横方向に成長させることにより、転位１０６が結晶方位の（０００１）方向に対して垂直の方向に発生する。結晶方位の（０００１）方向に対して垂直の方向とは、例えば、（１１−２０）方向又は１−１００）方向等が挙げられる。横方向に成長させた領域には結晶方位に転位が発生することにより、結晶にかかる歪みをこの転位部分に分断して蓄えることができる。さらに横方向への成長領域の幅が大きいほど、また縦方向への成長膜厚Ｘと横方向への成長膜厚Ｙとの関係がＹ＞Ｘであって、その比率が大きいほど、歪みを抑制する効果は大きい。
【００３７】
第１の窒化物半導体層１１０は、窒化物半導体基板１００とは格子定数が異なるものであって、好ましくはＡｌを含有する窒化物半導体層である。これによって、結晶方位に転位を断続的に形成することができるため、より歪みを抑制する効果が期待できる。また、窒化物半導体基板１００がＡｌを含有する場合には、第１の窒化物半導体層１１０と窒化物半導体基板１００との格子定数が異なるように第１の窒化物半導体層１１０のＡｌ混晶比を変化させる。第１の窒化物半導体層１１０は、窒化物半導体基板上で横方向の成長を縦方向の成長よりも優先させるものであって、その条件の一例としては、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて常圧以下の減圧条件で成長させるものである。
【００３８】
また、第１の窒化物半導体層１１０の表面には、窒化物半導体基板１００の凹部１０３上において凹部１０４が形成されている。窒化物半導体基板の高転位密度領域１０２から伝播される転位は第１の窒化物半導体層の凹部１０４内に収束させることが可能となる。この凹部１０４側面の傾斜角度は、窒化物半導体基板１００に形成された凹部１０３よりも傾斜角度を小さくすることが好ましい。これによって凹部１０４内に転位をより選択的に収束させることができる。
【００３９】
この第１の窒化物半導体層１１０は、Ａｌを含有する窒化物半導体層であって、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）で示される。また、窒化物半導体基板の転位が窒化物半導体層に広範囲に伝播しない程度であれば、窒化物半導体基板１００と第１の窒化物半導体層１１０との間に一般式がＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ＜１）で示されるバッファ層、パターン形成された金属層を介してもよい。
第１の窒化物半導体層１１０の膜厚は０．１μｍ〜４μｍであって、好ましくは０．４μｍ〜２．５μｍである。
【００４０】
その後、図１（ｄ）に示すように、第１の窒化物半導体層１１０上に第２の窒化物半導体層１２０を形成する。この第２の窒化物半導体層１２０は、Ｉｎを含有する窒化物半導体層である。好ましくは一般式がＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で示される。第２の窒化物半導体層の下層である第１の窒化物半導体層に転位が内在しており、その部分に微少な温度分布が発生すると考えられる。そのため横方向成長した第１の窒化物半導体層上に成長させるＩｎを含有する窒化物半導体層内には微少なＩｎ分布ゆらぎが発生し、このＩｎ分布の揺らぎにより、引っ張り歪みをより効果的に分断し、クラックの発生を抑制することができる。このＩｎを含有する窒化物半導体層は、面内方向での緩衝層として働くものとなる。以上の構成により、この第２の窒化物半導体層１２０上に成長させる層にクラックが発生しにくくなる。第１の窒化物半導体層をＡｌを含有するクラッド層として機能させてもよい。その際、第２の窒化物半導体層は、Ｉｎを含有する活性層として機能させてもよい。
【００４１】
また、第２の窒化物半導体層１２０の表面には、窒化物半導体基板の凹部１０３上において凹部１０５が形成されている。凹部１０３が形成された窒化物半導体基板１００上に前記第１の窒化物半導体層１１０を形成し、その上にＩｎを含有する窒化物半導体層を形成することによって、窒化物半導体基板と窒化物半導体層との間で発生する引っ張り歪を、第２の窒化物半導体層１２０の凹部１０５で分断させることができる。窒化物半導体基板と、その上に成長させる窒化物半導体層に連続して引っ張り歪が内在すると、結晶成長終了後、および後の設計工程でクラックが発生しやすくなるが、上記構成によって引っ張り歪を分断することができるため、後の設計工程でクラックが発生することを抑制することができる。引っ張り歪を緩和することのできるＩｎを含有する窒化物半導体層に関しては平坦な方向に面積が広ければ効果が大きいと考えられる。つまり、図１（ｃ）に示す第１の窒化物半導体層１１０の横方向への成長領域（横方向成長膜厚Ｙ）上に形成される第２の窒化物半導体層１２０の成長範囲が広いことが引っ張り歪を緩和する効果が大きいと考えられる。さらにその下層であるＡｌを含有する窒化物半導体層の横方向の転位の発生により引っ張り歪をさらに効果的に分断することができる。
【００４２】
第２の窒化物半導体層１２０の膜厚は０．０５μｍ〜０．３μｍである。
この第２の窒化物半導体層１２０を形成する条件としては、例えば、反応炉内での成長温度を１０００℃以下、圧力条件を常圧とすることである。
【００４３】
その後、図１（ｅ）に示すように、第２の窒化物半導体層１２０上に第３の窒化物半導体層１３０を形成する。この第３の窒化物半導体層１３０は、下層から引き継いだ凹部を有している必要はなく、平坦化されていてもよい。第３の窒化物半導体層１３０は、クラッド層として機能させることができる。この場合には、ｎ側クラッド層を別途設ける必要はない。また、第２の窒化物半導体層１２０を活性層として機能させる場合には、第３の窒化物半導体層１３０はｐ側窒化物半導体層として機能させる。
【００４４】
あるいは、本発明では、窒化物半導体基板上の窒化物半導体層であって、基板側から形成された第３の窒化物半導体層１３０までを下地層と称することがある。これら下地層は、ｎ型不純物又はｐ型不純物を含有するもののいずれであってよいが、本実施形態ではｎ型窒化物半導体層である。
【００４５】
第３の窒化物半導体層１３０は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．５）、好ましくはＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．３）である。
具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を９５０℃以上、圧力条件を常圧とする。
第３の窒化物半導体層１３０の膜厚は０．０１〜５μｍ、好ましくは０．５〜５μｍである。
【００４６】
次に、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の製造工程を説明する。但し、本発明は以下の構成に限定されるわけではない。以下の条件で形成された窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図を図２に示す。
【００４７】
（第１の工程）
まず、上述した窒化物半導体基板１００を準備する。
（第２の工程）
次に、前記窒化物半導体基板１００に上述した凹部１０３を形成する。
（第３の工程）
続いて、上述したように、窒化物半導体基板の表面１００ａ上に、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層を形成する。例えば、下地層（ｎ型窒化物半導体層）を形成し、その上に、任意にｎ型窒化物半導体層、活性層を含んだコア領域、ｐ型窒化物半導体層を形成する。例えば、これら各層は、ＭＯＣＶＤ法により、減圧〜大気圧の条件で成長させることができる。
【００４８】
上述した第３の窒化物半導体層上にｎ型窒化物半導体層２０１を形成する。このｎ型窒化物半導体層は光ガイド層として機能するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）又はＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．１）である。膜厚は０．０５〜１μｍである。但し、このｎ型窒化物半導体層は省略することが可能である。
前記ｎ型窒化物半導体層２０１中には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる中間層を介した構成とすることもできる。また、中間層は単一層構造又は多層積層構造である。ｎ型窒化物半導体層には組成比がお互いに異なる２層からなる超格子構造を有する構成であってもよい。
【００４９】
続いて、活性層２０５として、少なくともＩｎを含有している一般式ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる層を形成する。これにより、３００ｎｍ〜５８０ｎｍまでが発光可能となる。また、活性層を量子井戸構造で形成すると発光効率が向上する。ここで、井戸層の組成はＩｎの混晶が０＜ｘ≦０．４、Ａｌの混晶が０≦ｘ＜０．３である。井戸層の膜厚としては、１０〜２００Å、好ましくは３０〜１００Åである。障壁層の組成はＩｎの混晶が０≦ｘ＜０．５、Ａｌの混晶が０≦ｘ＜０．３である。障壁層の膜厚としては、２０〜３００Å、好ましくは５０〜２００Åである。活性層を多重量子井戸構造とする場合には、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、また井戸層から始まり井戸層で終わってもよい。障壁層をＡｌを含有する窒化物半導体層とすることで紫外域の発光が可能となる。活性層２０５は単一量子井戸構造であってもよい。
【００５０】
次に、活性層２０５上にｐ型窒化物半導体層を多層構造で形成する。第１のｐ型窒化物半導体層２１１としては、ｐ型不純物を含有したＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）である。第１のｐ型窒化物半導体層はｐ側電子閉じ込め層として機能する。第２のｐ型窒化物半導体層２１２としては、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）、第３のｐ型窒化物半導体層２１３としては、ｐ型不純物を含有したＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦０．５）である。第３のｐ型窒化物半導体層は超格子構造であることが好ましく、クラッド層として機能する。具体的には、膜厚が１００Å以下のＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ＜１）層とＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１、ｘ＜ｙ）層とを交互に形成する。第４のｐ型窒化物半導体層２１４としてｐ型不純物を含有したＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を形成する。この第４のｐ型窒化物半導体層は電極とのコンタクト層として機能する。第３のｐ型窒化物半導体層をコンタクト層として機能させる場合には、この第４のｐ型窒化物半導体層は省略可能である。また、これらの半導体層にＩｎを混晶させてもよい。各層の膜厚としては、３０Å〜５μｍである。第１のｐ型窒化物半導体層２１１と第２のｐ型窒化物半導体層２１２は省略可能である。
【００５１】
反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃以上の温度でアニーリングして、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗化する。
【００５２】
（第４の工程）
窒化物半導体基板１００上に窒化物半導体層を積層したウェハを反応容器から取り出す。ｐ型窒化物半導体層側からエッチングを行い、ｎ型窒化物半導体層又は下地層又は窒化物半導体基板を露出させる。このエッチングにより窒化物半導体層の外周部が形成され、その幅を１００μｍ〜５００μｍとする。露出面の位置は特に限定されるのものではないが、本実施形態では第３の窒化物半導体層１３０まで露出する。これによって、応力緩和の効果がある。この工程は省略することが可能である。このエッチングと同時にｐ型窒化物半導体層の表面であって、光出射側端面付近にＷ型溝を形成してもよい。このＷ型溝によって迷光が端面から放出することを抑制することができる。また、このエッチングと同時に素子の四隅に劈開補助溝を形成してもよい。この劈開補助溝によってウェハからバー化、さらにはチップ化が容易になる。エッチングにはＲＩＥ法を用いＣｌ2、ＣＣｌ4、ＣＨＣｌ3、ＢＣｌ3、ＳｉＣｌ4ガス等によりエッチングする。
【００５３】
次に、前記ｐ型窒化物半導体層にストライプ状のリッジ部を形成する。導波路領域であるリッジ部の幅は１．０μｍ〜３０．０μｍとする。シングルモードのレーザ光とする場合のリッジ部の幅は１．０μｍ〜３．０μｍとするのが好ましい。リッジ部の高さ（エッチングの深さ）は、少なくとも第３のｐ型窒化物半導体層２１３を露出する範囲であればよく、第１のｐ型窒化物半導体層２１１まで露出してもよい。
【００５４】
その後、前記ｐ型窒化物半導体層の露出面に第１の絶縁膜２２０を形成する。第１の絶縁膜２２０はリッジの側面に形成することが好ましい。この第１の絶縁膜２２０は窒化物半導体層よりも屈折率が小さく、絶縁性の材料から選択することができる。具体例としては、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ等の酸化物又は窒化物である。この第１の絶縁膜２２０は上記材料を組み合わせて積層された多層構造であってもよい。
【００５５】
その後、前記第４のｐ型窒化物半導体層２１４の表面にｐ電極２３０を形成する。好ましくは、第４のｐ型窒化物半導体層２１４上にのみｐ電極２３０を形成する。ｐ電極としては、多層構造とする。例えばＮｉとＡｕからなる２層構造であれば、まず第４のｐ型窒化物半導体層上にＮｉを５０Å〜２００Åの膜厚で形成し、次にＡｕを５００Å〜３０００Åの膜厚で形成する。また、ｐ電極を３層構造とする場合にはＮｉ―Ａｕ―Ｐｔ又はＮｉ―Ａｕ―Ｐｄの順に形成する。ｐ電極を３層構造とする場合の膜厚は、ＮｉとＡｕは２層構造と同じ膜厚として、最終層となるＰｔやＰｄは５００Å〜５０００Åである。その他にはＰｄ―Ｍｏ―Ａｕ、Ｐｄ―Ｐｔ―Ａｕ、Ｐｄ―Ａｕが挙げられる。
またｐ電極２３０を形成した後、オーミックアニールを行ってもよい。アニール条件としては、温度を３００℃以上、好ましくは５００℃以上とする。雰囲気は窒素及び／又は酸素を含有するものとする。なお、ｐ電極を形成する方法、本発明における他の電極を形成する方法は特に限定されず、スパッタ、ＣＶＤ等の方法を用いることができる。
【００５６】
次に、前工程で露出したｎ型窒化物半導体層の側面等に第２の絶縁膜２４０を形成する。この第２の絶縁膜はＺｒＯ2、ＳｉＯ2、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、その他Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ等の酸化物又は窒化物を用いることができる。また、この第２の絶縁膜は単一膜に限定されるものではなく、上記材料を組み合わせて積層された多層膜であってもよい。
【００５７】
次に、ｐ電極２３０の上にパッド電極２５０を形成する。パッド電極はＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ等の金属からなる積層体とすることが好ましい。例えば、パッド電極はｐ電極側からＷ―Ｐｄ―Ａｕ、Ｐｔ―Ｔｉ―Ａｕ、Ｎｉ―Ｔｉ―Ａｕ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕ等をこのの順に形成する。パッド電極の膜厚は特に限定されないが、最終層のＡｕの膜厚を１０００Å以上とする。
【００５８】
（第５の工程）
その後、窒化物半導体基板の第２主面１００ｂにｎ電極２３２を形成する。ｎ電極２３２を形成する工程としては、まず、基板の第２主面側から研磨を行うことによって基板の膜厚を２００μｍ以下とする。次に、ｎ電極をスパッタ等により多層で形成する。ｎ電極２３２は、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｒｕからなる群より選択される少なくとも１つを含む合金または層構造を用いることができる。好ましくはＶ―Ｐｔ―Ａｕ、Ｔｉ―Ｐｔ―Ａｕ、Ｍｏ―Ｐｔ―Ａｕ、Ｗ―Ｐｔ―Ａｕ、Ｔｉ―Ｐｄ―Ａｌ、Ｔｉ―Ａｌ、Ｃｒ―Ａｕ、Ｗ―Ａｌ、Ｒｈ―Ａｌ、Ｈｆ―Ａｌ、Ｈｆ―Ａｌ―Ｍｏ―Ａｕ、Ｈｆ―Ａｌ―Ｐｔ―Ａｕ、Ｈｆ―Ａｌ―Ｗ―Ａｕ、Ｈｆ―Ａｕ、Ｈｆ―Ｍｏ―Ａｕの順に形成して２層構造又は３層構造とする。ｎ電極の表面上にバリア目的でＴｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｈ又はこれらの酸化物、窒化物を積層してもよい。チップの実装強度を強めることができる。
【００５９】
ｎ電極の膜厚は、例えば、第１の層にはＶを用いて膜厚１００Åで形成する。第２の層にはＰｔを用いて膜厚２０００Å、第３の層にはＡｕを用いて膜厚３０００Åで形成する。スパッタの他にはＣＶＤや蒸着等で形成してもよい。またｎ電極を形成した後、５００℃以上でアニールを行ってもよい。
【００６０】
ｎ電極２３２を形成した後、さらにメタライズ電極を形成することもできる。メタライズ電極としてはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｎ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｉ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｇｅ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｉ、Ａｕ／Ｇｅ等を用いる。
【００６１】
ｎ電極２３２を形成した後、共振器長の長さが２００μｍ〜１５００μｍになるように、ストライプ状のｐ電極２３０に垂直な方向に窒化物半導体層をバー状に分割して、共振器端面を形成する。なお、共振器方向は、基板の高転位密度領域が延びる方向と略平行に形成される。ここで、共振器端面は、Ｍ面（１−１００）又はＡ面（１１−２０）とする。ウェハをバー状に分割する方法としては、ブレードブレイク、ローラーブレイク、又はプレスブレイクがある。
【００６２】
（第６の工程）
次に共振器端面に誘電体膜を形成する。バー形状の半導体の共振器端面に誘電体膜を形成した後、バー形状からチップ化して窒化物半導体レーザ素子を形成する。窒化物半導体レーザ素子はチップ化した後の形状は矩形状であって、該矩形状の共振器長は１５００μｍ以下とする。
以上より、上述した構成により得られる窒化物半導体レーザ素子は結晶成長工程、設計工程、駆動中に発生するクラックを抑制又は無くすことができる。その結果、発振波長３７５ｎｍであって、寿命試験（Ｔｃ=２５℃、ＣＷで出力５０ｍＷ）では、３０００時間以上の結果を得ることができる。また、ＣＯＤレベルが３００ｍＷ以上であって、Ｋｉｎｋパワーが１００ｍＷ以上となる。
さらに、本発明では接触抵抗を低減した対向電極構造の窒化物半導体レーザ素子であって、接触抵抗率は１．０Ｅ-3Ωｃｍ2以下となる。
【００６３】
実施の形態２
この窒化物半導体レーザ素子は、高転位密度領域と低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、その上に積層された窒化物半導体層とを備えており、少なくとも１つの凹部が、少なくとも高転位密度領域に形成されており、窒化物半導体層は、基板の凹部側面から横方向への成長膜厚が凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層を有している。また、第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には、面内方向に伸びる転位がある。これ以外の構造や製造条件は実施の形態１と同様とすることができる。なお、面内方向に伸びる転位は、第１窒化物半導体層以外の窒化物半導体層に存在してもよい。
【００６４】
このレーザ素子は、凹部が形成された窒化物半導体基板上に第１の窒化物半導体層を有している。この第１の窒化物半導体層は、基板の凹部側面から横方向への成長膜厚が凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚よりも大きく、第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には面内方向に伸びる転位がある。面内方向に伸びる転位は、１×１０8個／ｃｍ2以上、より好ましくは１×１０8個／ｃｍ2以上、１×１０11個／ｃｍ2以下、さらに好ましくは１×１０8個／ｃｍ2以上、１×１０10個／ｃｍ2以下である。この範囲の転位が存在することで、上述した効果を発揮させることができる。特にウェハをエッチングする工程でウェハ表面に生じる引っ張り歪の発生を抑制することができる。
【００６５】
窒化物半導体層の面内方向に伸びる転位は、第１の窒化物半導体層の全面にあるのではなく、横方向への成長領域にのみ面内方向に伸びる転位があることが好ましい。この面内方向に伸びる転位の長さは特に限定するものではないが、０．１〜１．５μｍが好ましく、０．３〜１．５μｍであることがより好ましい。この範囲にあれば、レーザ素子の特性に影響を及ぼすような転位が他の領域に伝播せずに、ウェハ表面に生じる引っ張り歪の発生を抑制することができる。
【００６６】
このレーザ素子に用いられる窒化物半導体基板は、基板表面の転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下であるものを用いることが適している。窒化物半導体基板の基板全面がこの範囲の転位密度を有していてもよいが、通常、高転位密度領域と低転位密度領域とを有する基板の低転位密度領域がこの範囲の転位密度を有する。
【００６７】
実施の形態３
この窒化物半導体レーザ素子は、基板表面における転位密度が１×１０7個／ｃｍ2以下であって、基板表面には少なくとも１つの凹部が形成されており、窒化物半導体層は、基板の凹部側面から横方向への成長膜厚が凹部以外の領域から縦方向への成長膜厚よりも大きい第１の窒化物半導体層を有しており、第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域には面内方向に伸びる転位があり、その転位密度は１×１０8個／ｃｍ2以上である以外、実質的に実施の形態１及び２と同様である。
第１の窒化物半導体層の横方向への成長領域に存在する面内方向に伸びる転位密度は、上述したとおりである。
【００６８】
これら実施の形態２及び３のレーザ素子では、実施の形態１と同様に、窒化物半導体基板の凹部上において、第１の窒化物半導体層は凹部を有することが好ましい。また、第１の窒化物半導体層は、Ａｌを含有する窒化物半導体層であることが好ましい。さらに、第１の窒化物半導体層の上に、Ｉｎを含有する第２の窒化物半導体層を有することが好ましい。
【００６９】
実施の形態４
この窒化物半導体レーザ素子は、実施の形態１において、窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を介して第１の窒化物半導体層を形成したものである。
この窒化物半導体層は、窒化物半導体基板の凹部を除く領域に形成されていればよく、凹部内には第１の窒化物半導体層が形成されている。
【００７０】
この窒化物半導体レーザ素子の製造方法は、例えば、図８(ａ）に示すように、表面領域に凹部３０３を有する窒化物半導体基板を準備し、図８（ｂ）に示すように、凹部３０３およびその近傍を被覆する保護膜３０４を形成する。ここで保護膜は、上述した第１又は第２の絶縁膜で例示したものを用いることができ、公知の方法で所望の形状にパターニングすることにより形成することができる。
【００７１】
図８（ｃ）に示すように、その上に窒化物半導体層３０５を形成する。ここでの窒化物半導体層としては、第１窒化物半導体と同様のものが挙げられるが、必ずしも同じ組成でなくてもよい。その膜厚は、特に限定されることなく、凹部の幅等によって適宜調整することができる。
その後、図８（ｄ）に示すように、保護膜を除去する。ここで保護膜の除去は、リフトオフ法で行うことができる。なお、図８（ｄ）は、図１（ｂ）、図６(ａ）、図６（ｂ）に略対応する。
続いて、図８（ｅ）に示すように、窒化物半導体層上に、実施の形態１と同様に、第１の窒化物半導体層を形成する。
この製造方法では、第１の窒化物半導体層上の活性層形成時において、保護膜は除去されているため、活性層に保護膜から発生する汚染源が侵入することを抑止できる。
【００７２】
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００７３】
［実施例１］
基板は、Ｃ面を主面とするウェハ状のＧａＮ基板１００を用いる。このＧａＮ基板は、幅が５０μｍ以下である高転位密度領域と幅が２００μｍ以上である低転位密度領域とを交互にストライプ状に有するＧａＮ基板である。
【００７４】
次に、ＧａＮ基板１００の表面１００ａに凹部１０３を形成する。
ＳｉＯ2からなるマスクをパターン形成する。低転位密度領域にはマスクが形成されており、高転位密度領域はマスクの開口部とする。その後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＣｌ2ガスによりエッチングを行い、幅が６０μｍであり、深さが２．５μｍである凹部１０３を形成する。凹部の側面は高転位密度領域の端部からの距離が５μｍ以上である。
【００７５】
凹部が形成されたＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置に搬送する。
まず、ＧａＮ基板上に第１の窒化物半導体層１１０を形成する。炉内の雰囲気温度を１０００℃以上、圧力を減圧にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ｓｉ含有のＡｌ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を膜厚２．０μｍで成長させる。
【００７６】
第１の窒化物半導体層１１０上に第２の窒化物半導体層１２０を形成する。炉内の雰囲気温度を１０００℃以下、圧力を常圧にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ｓｉ含有Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を膜厚０．１５μｍで成長させる。
【００７７】
第２の窒化物半導体層１２０上に第３の窒化物半導体層１３０を形成する。炉内の雰囲気温度を１０００℃、圧力を常圧にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ｓｉ含有のＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎを膜厚０．８μｍで成長させる。
【００７８】
次に、第３の窒化物半導体層１３０と略同じ温度で原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型窒化物半導体層２０１を０．１５μｍの膜厚で成長させる。この層は、ｎ型不純物をドープさせてもよい。
【００７９】
温度を９５０℃にして、原料にＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用いて、Ｓｉ含有のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる障壁層を８０Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎよりなる井戸層を１５０Åの膜厚で成長させる。最後にアンドープのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなる障壁層を６０Åの膜厚で成長させて総膜厚２９０Åの単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の活性層を成長させる。
【００８０】
同様の温度で、Ｎ2雰囲気中で、Ｍｇ含有のＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを３０Åの膜厚で成長させる。次いで、Ｈ2雰囲気中で、Ｍｇ含有のＡｌ0.30Ｇａ0.70Ｎを１００Åの膜厚で成長させて、２層構造からなる第１のｐ型半導体層２１１を成長させる。
【００８１】
温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる第２のｐ型半導体層２１２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００８２】
続いて、アンドープのＡｌ0.14Ｇａ0.86ＮよりなるＡ層を８０Åの膜厚で成長させ、その上にＭｇドープのＡｌ0.06Ｇａ0.94ＮよりなるＢ層を８０Åの膜厚で成長させる。これを２８回繰り返してＡ層とＢ層とを交互に積層させて、総膜厚０．４５μｍの多層膜（超格子構造）よりなる第３のｐ型半導体層２１３を成長させる。
【００８３】
最後に、１０５０℃で第３のｐ型半導体層２１３の上にＭｇドープのＧａＮよりなる第４のｐ型半導体層２１４を１５０Åの膜厚で成長させる。
反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウェハを７００℃でアニーリングして、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００８４】
以上のようにしてＧａＮ基板上に窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウェハを反応容器から取り出し、最上層の第４のｐ型半導体層２１４の表面にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成してＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてＣｌ2ガスによりエッチングし、第３の窒化物半導体層１３０の表面を露出させる。
【００８５】
次に、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層の第４のｐ型半導体層２１４のほぼ全面にＣＶＤ装置により、ＳｉＯ2よりなるマスクを０．５μｍの膜厚で形成した後、ＲＩＥ装置によりＣＨＦ3ガスを用いたエッチングによりストライプ状の形状をしたマスクを形成する。このマスクと、Ｃｌ2ガス及びＳｉＣｌ4ガスとを用いて半導体層をエッチングして、活性層よりも上にリッジストライプが形成される。このとき、リッジの幅は１．８μｍとなるようにする。
【００８６】
ＳｉＯ2マスクを形成させた状態で、ｐ型半導体層表面にＺｒＯ2よりなる第１の絶縁膜を膜厚約２０００Åで形成する。ＢＨＦ（バッファードフッ酸）水溶液に浸漬して、リッジストライプの上面に形成したＳｉＯ2を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ2と共に、第４のｐ型半導体層２１４上にあるＺｒＯ2を除去する。これにより、リッジの上面は露出され、リッジの側面はＺｒＯ2で覆われた構造となる。
【００８７】
第４のｐ型半導体層の上にＮｉ−Ａｕからなるｐ電極２３０を形成する。Ｎｉの膜厚は１００Å、Ａｕの膜厚は１５００Åとする。その後、６００℃で熱処理をする（省略可能）。
次に、第２の絶縁膜としてＳｉＯ2をレーザ素子の側面に形成する。さらに、ｐ電極上にｐパッド電極としてＮｉ−Ｔｉ−Ａｕの順に形成する。
ＧａＮ基板を研磨して約８５μｍの膜厚になるよう調整し、基板裏面１００ｂにＶ−Ｐｔ−Ａｕの順に膜厚を１００Å、２０００Å、３０００Åで積層したｎ電極２３２を形成する。
【００８８】
次に、ウェハのブレーキングにより、劈開を行いバー形状とする。窒化物半導体層の劈開面は、窒化物半導体のＭ面（１１−００面）となっており、この面を共振器面とする。
【００８９】
上記のように形成されたバー形状の窒化物半導体の光出射側端面に誘電体膜を設ける。
光出射側端面（フロント側端面）には、ＥＣＲスパッタ装置を用いて酸素等の活性ガスのプラズマを用い共振器端面をクリーニングした後、Ａｌ2Ｏ3からなる誘電体膜を形成する。この誘電体膜の屈折率は３７５ｎｍの光に対して１．６６である。
【００９０】
次に、光反射側端面（リア側端面）にはＡｌ2Ｏ3からなるなる誘電体膜を形成した後、ＳｉＯ2とＺｒＯ2を交互に４ペア積層して反射ミラーを形成する。
【００９１】
その後、バー形状の半導体からチップ化して矩形状の窒化物半導体レーザ素子を形成する（図２）。チップ化する基準位置は両側面ともに前記凹部に内在する高転位密度領域とする。この位置でチップ化を行うことにより、チップ化工程での歩留まりが向上する。共振器長は６００μｍ、チップ幅を４００μｍとする。
【００９２】
以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子は、凹部や第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層を有しない従来例（図９）と比べてクラックが発生しないため、寿命特性が３０００時間以上を示す。
また、本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度３．５ｋＡ／ｃｍ2、ＣＷ駆動時で３０ｍＷの高出力において発振波長３７５ｎｍの連続発振が可能となる。
【００９３】
［実施例２］
実施例１において、リッジストライプを高転位密度領域１０２を避けて形成する（図５）。またバー形状の半導体からチップ化する工程で、チップ化する基準位置を両側面ともに低転位密度領域とする（図３）。その他は実施例１と同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
本実施例で得られる窒化物半導体レーザ素子は結晶成長工程や設計工程で発生するクラックを抑制又は無くすことができるため、良好な寿命特性が期待できる。
【００９４】
［実施例３］
実施例１において、高転位密度領域と高転位密度領域との間の中央部をチップ化する基準位置とする。これによりチップの一方の側面は凹部に内在する高転位密度領域、もう一方の側面は低転位密度領域となり、チップ幅は２００μｍとなる（図４）。その他は実施例１と同様にして窒化物半導体レーザ素子を形成する。
本実施例で得られる窒化物半導体レーザ素子は結晶成長工程や設計工程で発生するクラックを抑制又は無くすことができるため、良好な寿命特性が期待できる。
しかも、チップ幅を小さくしているため、実施例１に比べてチップの取れ数が２倍になる。
【００９５】
［実施例４］
実施例１において、チップ幅を６００μｍとして、その内部にリッジストライプを３つ形成する（図５）。いずれのリッジストライプも高転位密度領域を避けて形成する。
本実施例で得られる窒化物半導体レーザ素子は結晶成長工程や設計工程で発生するクラックを抑制又は無くすことができるため、良好な寿命特性が期待できる。
しかも、リッジストライプを３つ備えたマルチアレイ型窒化物半導体レーザ素子であるため、１５０ｍＷ以上の高出力が期待できる。
【００９６】
［実施例５］
この実施例の素子は、図７に示すように、窒化物半導体層の構成を以下に示すように形成する以外、実質的に実施例１と同様の素子を作製する。
第１の窒化物半導体層１１０として、Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎ（２５Å）／ＧａＮ（２５Å）を２２０回繰り返した総膜厚１．１μｍの超格子構造（平均Ａｌ混晶は４％）を形成する。なお、ここでは、第２の窒化物半導体層は、省略する。
その後、第３の窒化物半導体層１３０として、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ（２５Å）／ＧａＮ（２５Å）を６０回繰り返した総膜厚３０００Åの超格子構造（平均Ａｌ混晶は２．５％）を形成する
コア領域におけるｎ型光ガイド層として機能するｎ型窒化物半導体層２０１として、ＧａＮ層（１７００Å）を形成する。
活性層２０５として、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる障壁層（１４０Å）／Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなる井戸層（７０Å）を２回繰り返し、その上にＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる障壁層（３００Å）を形成した総膜厚約７２０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を形成する。
ｐ型ガイド層として機能する窒化物半導体層２１２として、ＧａＮ（１５００Å）、ｐ型の窒化物半導体層２１３として、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（２０Å）／ＧａＮ（２０Å）を３００回繰り返した総膜厚４５００Åの超格子構造（平均Ａｌ混晶は４．９％）を形成する。
【００９７】
なお、チップ化する基準位置は、実施例１と同様に、両側面ともに凹部に内在する高転位密度領域とする。この位置でチップ化を行うことにより、チップ化工程での歩留まりが向上する。共振器長は６００μｍ、チップ幅を４００μｍとする。
【００９８】
本実施例の窒化物半導体レーザ素子は、室温において閾値電流密度３．５ｋＡ／ｃｍ2、ＣＷ駆動時で３０ｍＷの高出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が可能となる。
本実施例で得られる窒化物半導体レーザ素子は結晶成長工程や設計工程で発生するクラックを抑制又は無くすことができるため、良好な寿命特性が期待できる。
【００９９】
［実施例６］
実施例５において、第１の窒化物半導体層をＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎとして２μｍの膜厚で形成し、第３の窒化物半導体層をＧａＮとして１７００Åの膜厚で形成する以外は、同様に形成する。これにより、実施例５と略同様の特性を示すレーザが得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明にの窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法は、次世代光ディスク用光源、ディスプレイ用光源、プリンター用光源等として利用することができる。
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法は、端面で帰還させるファブリ・ペロー共振器を有するもの以外に、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）を有するものに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式的断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子を説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子を説明するための模式的断面図である。
【図５】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子を説明するための模式的断面図である。
【図６】本発明に係る窒化物半導体基板を説明するための模式的断面図である。
【図７】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子を説明するための模式的断面図である。
【図８】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の別の製造工程を説明するための模式的断面図である。
【図９】従来の窒化物半導体レーザ素子を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１００  窒化物半導体基板
１００ａ  表面
１００ｂ  裏面
１０１、３０１  低転位密度領域
１０２、３０２  高転位密度領域
１０３、３０３  凹部
１１０、３０６  第１の窒化物半導体層
１２０  第２の窒化物半導体層
３０４  保護膜
３０５  窒化物半導体層
【図１】
2008091890.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008091890.tif 000007
【図６】
2008091890.tif 000008
【図７】
2008091890.tif 000009
【図８】
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【図９】
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