(57)【要約】【課題】特性および歩留りの低下を抑制することが可能な窒化物系半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】この窒化物系半導体発光素子の製造方法は、ｎ型ＧａＮ基板１１上に形成される窒化物系半導体素子層２０の発光部分に対応するｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂ以外の所定領域を所定の深さまで選択的に除去することにより、ｎ型ＧａＮ基板１１に溝部１１ａを形成する工程と、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂおよび溝部１１ａ上に、ＡｌＧａＮ層３を含む窒化物系半導体素子層２０を形成する工程とを備えている。また、ｎ型ＧａＮ基板１１の表面は、（１１−２２）面を有する。【選択図】図１３
2008060375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系半導体基板上に形成される窒化物系半導体層の発光部分に対応する前記窒化物系半導体基板の第１領域以外の第２領域の所定領域を所定の深さまで選択的に除去することにより、前記窒化物系半導体基板に溝部を形成する工程と、
前記窒化物系半導体基板の前記第１領域および前記溝部上に、前記窒化物系半導体基板とは異なる組成を有する前記窒化物系半導体層を形成する工程とを備え、
前記窒化物系半導体基板の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する、窒化物系半導体発光素子の製造方法。（ＨとＫは整数であり、ＨとＫの少なくとも一方は０ではない。また、Ｌは０ではない整数である。）
【請求項２】
前記窒化物系半導体基板は、ＧａＮ基板を含み、
前記窒化物系半導体層は、ＡｌとＧａとＮとを含有する層を含む、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記窒化物系半導体基板上に前記窒化物系半導体層を形成する工程は、
前記窒化物系半導体基板の前記第１領域の上面上、前記溝部の底面および側面上に前記窒化物系半導体層を形成する工程を含み、
前記溝部の側面上に形成される前記窒化物系半導体層のＡｌ組成比は、前記第１領域の上面上に形成される前記窒化物系半導体層のＡｌ組成比よりも低い、請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記窒化物系半導体基板に前記溝部を形成する工程は、
［Ｋ、−Ｈ、Ｈ−Ｋ、０］方向に沿って延びるように前記溝部を形成する工程を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記窒化物系半導体基板上に前記窒化物系半導体層を形成する工程は、
前記窒化物系半導体基板の前記第１領域の上面上、前記溝部の底面および側面上に前記窒化物系半導体層を形成する工程を含み、
前記溝部の側面上に形成される前記窒化物系半導体層の厚みは、前記第１領域の上面上に形成される前記窒化物系半導体層の厚みよりも小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記窒化物系半導体基板に前記溝部を形成する工程は、
前記窒化物系半導体基板に、前記第１領域を囲むように、第１の方向および前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる細長状の前記溝部を格子状に形成する工程を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記窒化物系半導体基板の（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面は、（１１−２２）面である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記窒化物系半導体層は、前記窒化物系半導体基板の前記第１領域および前記第２領域に形成された前記窒化物系半導体基板とは異なる組成の窒化物系半導体からなる層と、少なくとも前記第１領域上に形成された窒化物系半導体からなる発光層とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
発光部分に対応する第１領域と、所定の高さを有する段差部を介して前記第１領域に隣接するように配置された第２領域とを含む窒化物系半導体基板と、
前記窒化物系半導体基板の前記第１領域の上面および前記段差部の側面上に形成されるとともに、前記窒化物系半導体基板とは異なる組成を有する窒化物系半導体層とを備え、
前記段差部の側面上に形成される前記窒化物系半導体層の厚みは、前記第１領域の上面上に形成される前記窒化物系半導体層の厚みよりも小さく、
前記窒化物系半導体基板の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する、窒化物系半導体発光素子。（ＨとＫは整数であり、ＨとＫの少なくとも一方は０ではない。また、Ｌは０ではない整数である。）
【請求項１０】
前記窒化物系半導体層は、前記窒化物系半導体基板の前記第１領域および前記第２領域に形成された前記窒化物系半導体基板とは異なる組成の窒化物系半導体からなる層と、少なくとも前記第１領域上に形成された窒化物系半導体からなる発光層とを含む、請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項１１】
発光部分に対応する第１領域と、所定の高さを有する段差部を介して前記第１領域に隣接するように配置された第２領域とを含む窒化物系半導体基板と、
前記窒化物系半導体基板の前記第１領域の上面および前記段差部の側面上に形成されるとともに、前記窒化物系半導体基板とは異なる組成を有するとともに、ＡｌとＧａとＮとを含有する窒化物系半導体層とを備え、
前記段差部の側面上に形成される前記窒化物系半導体層のＡｌ組成比は、前記第１領域の上面上に形成される前記窒化物系半導体層のＡｌ組成比よりも低く、
前記窒化物系半導体基板の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する、窒化物系半導体発光素子。（ＨとＫは整数であり、ＨとＫの少なくとも一方は０ではない。また、Ｌは０ではない整数である。）
【請求項１２】
前記段差部は、［Ｋ、−Ｈ、Ｈ−Ｋ、０］方向に沿って延びるように形成されている、請求項１１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項１３】
前記窒化物系半導体層は、前記窒化物系半導体基板の前記第１領域および前記第２領域に形成されたＡｌとＧａとを含有する窒化物系半導体からなる層と、少なくとも前記第１領域上に形成された窒化物系半導体からなる発光層とを含む、請求項１１または１２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項１４】
前記窒化物系半導体基板の（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面は、（１１−２２）面である、請求項８〜１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子の製造方法および窒化物系半導体発光素子に関し、特に、窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層が形成された窒化物系半導体発光素子の製造方法および窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物系半導体基板としてのＧａＮ基板上に、窒化物系半導体層が形成された窒化物系半導体レーザ素子などの窒化物系半導体発光素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、平坦な表面を有するｎ型ＧａＮ基板上に、ｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層が順次成長されることによって形成された窒化物系半導体レーザ素子が開示されている。上記特許文献１に開示された従来の窒化物系半導体レーザ素子において、ｎ型ＧａＮ基板上に形成されるｎ型窒化物系半導体層としてのｎ型クラッド層は、ｎ型ＡｌＧａＮ層とアンドープＧａＮ層とが交互に１００層積層された構造を有する。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−５８９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の窒化物系半導体レーザ素子では、平坦な表面を有するｎ型ＧａＮ基板上にｎ型クラッド層を構成するｎ型ＡｌＧａＮ層を成長させる際に、ｎ型ＡｌＧａＮ層に発生するクラックの量が増大するという不都合がある。具体的には、図２０に示すように、平坦な表面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＡｌＧａＮ層１０２を成長させた場合には、ｎ型ＧａＮ基板１０１とｎ型ＡｌＧａＮ層１０２との間の格子定数差に起因してｎ型ＡｌＧａＮ層１０２に歪みが生じたときに、その歪みを緩和するのが困難になる。このため、平坦な表面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＡｌＧａＮ層１０２を成長させた場合には、図２１に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０２に、［１１−２０］方向（図２２参照）と、［１１−２０］方向と等価な［１−２１０］方向および［−２１１０］方向（図２２参照）とに延びるように発生するクラック１０３の量が増加する。なお、図２２中のθは、１２０°である。
【０００６】
そして、上記特許文献１において、ｎ型ＡｌＧａＮ層（ｎ型窒化物系半導体層）に発生するクラックの量が増大する場合には、ｎ型窒化物系半導体層上に順次形成される発光層およびｐ型窒化物系半導体層にも多数のクラックが発生するという不都合が生じる。これにより、上記特許文献１では、ｎ型窒化物系半導体層、発光層およびｐ型窒化物系半導体層を含む窒化物系半導体素子層に多数のクラックが発生することに起因して、クラックにより窒化物系半導体素子層の発光部分に供給されないリーク電流が増大するとともに、クラックにより光導波が妨げられるという不都合がある。その結果、上記特許文献１では、窒化物系半導体レーザ素子の特性および歩留りが低下するという問題点がある。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、特性および歩留りの低下を抑制することが可能な窒化物系半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【０００８】
この発明のもう１つの目的は、特性および歩留りの低下を抑制することが可能な窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００９】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物系半導体発光素子の製造方法は、窒化物系半導体基板上に形成される窒化物系半導体層の発光部分に対応する窒化物系半導体基板の第１領域以外の第２領域の所定領域を所定の深さまで選択的に除去することにより、窒化物系半導体基板に溝部を形成する工程と、窒化物系半導体基板の第１領域および溝部上に、窒化物系半導体基板とは異なる組成を有する窒化物系半導体層を形成する工程とを備え、窒化物系半導体基板の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する（ＨとＫは整数であり、ＨとＫの少なくとも一方は０ではない。また、Ｌは０ではない整数である）。
【００１０】
この発明の第１の局面による窒化物系半導体発光素子の製造方法では、上記のように、発光部分に対応する窒化物系半導体基板の第１領域以外の第２領域の所定領域を所定の深さまで選択的に除去することにより、窒化物系半導体基板に溝部を形成することによって、溝部の側面が窒化物系半導体基板の表面に対して垂直な場合、および、溝部の開口幅が溝部の底面から開口端に向かって徐々に小さくなっている場合には、有機金属化学気相蒸着法（ＭＯＣＶＤ）などを用いて窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層を形成する際に、窒化物系半導体層の構成材料が溝部の側面上に堆積されにくくなるので、溝部の側面上に形成される窒化物系半導体層の厚みを、第１領域上に形成される窒化物系半導体層の厚みよりも小さくすることができる。この場合、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層に歪みが生じたとしても、その歪みが溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層の厚みが小さい部分に集中するので、第１領域での窒化物系半導体層に生じる歪みを小さくすることができる。
【００１１】
また、窒化物系半導体基板がＧａＮ基板であり、窒化物系半導体層がＡｌＧａＮ層であるとともに、溝部の開口幅が溝部の底面から開口端に向かって徐々に大きくなっている場合には、溝部の側面上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比を、第１領域上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比よりも低くすることができる。この理由は、ＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層を形成する際に、窒化物系半導体層の構成材料の一部であるＧａがＡｌに比べて成膜表面を移動しやすいことにより、Ｇａが溝部の側面側へ移動しやすくなるためであると考えられる。このため、溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層（ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成比が低い部分の格子定数が窒化物系半導体基板（ＧａＮ基板）の格子定数に近づくので、溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分において、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差を小さくすることができる。この場合、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層に歪みが生じたとしても、その歪みが溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分において緩和されるので、第１領域での窒化物系半導体層に生じる歪みを小さくすることができる。
【００１２】
このように、第１の局面では、窒化物系半導体層に生じる歪みを小さくすることができるので、窒化物系半導体層に生じる歪みが大きいことに起因して、窒化物系半導体層に発生するクラックの量が増大するという不都合が発生するのを抑制することができる。したがって、クラックにより窒化物系半導体層の発光部分に供給されないリーク電流が増大するとともに、クラックにより光導波が妨げられるという不都合が発生するのを抑制することができる。その結果、窒化物系半導体発光素子の特性および歩留りの低下を抑制することができる。
【００１３】
また、一般的に、窒化物系半導体層に面内の歪みが印加されている場合には、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場が最大となり、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面以外の面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場は、（０００１）面のときに発生するピエゾ電場より小さい。このように、窒化物系半導体基板の表面を（０００１）面以外の面である（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面とすることによって、窒化物系半導体からなる発光層に発生するピエゾ電場を小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体層の発光部分に発生するピエゾ電場を小さくすることができるので、発光効率を向上させることができる。また、窒化物系半導体基板の表面を（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面とすることによって、原子の配列上、表面に原子層レベルの段差を形成することができるので、結晶成長のモードが段差を起点として成長するステップフロー成長になりやすく、その結果、結晶性を向上させることができる。
【００１４】
上記構成において、好ましくは、窒化物系半導体基板は、ＧａＮ基板を含み、窒化物系半導体層は、ＡｌとＧａとＮとを含有する層を含む。このように構成すれば、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に形成されたＡｌＧａＮ層（ＡｌとＧａとＮとを含有する層）を含む窒化物系半導体層とを備えた窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮ基板とＡｌＧａＮ層との間の格子定数差に起因して、窒化物系半導体層に発生するクラックの量が増大するという不都合が発生するのを容易に抑制することができる。
【００１５】
上記窒化物系半導体基板がＧａＮ基板を含むとともに、窒化物系半導体層がＡｌとＧａとＮとを含有する層を含む構成において、好ましくは、窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層を形成する工程は、窒化物系半導体基板の第１領域の上面上、溝部の底面および側面上に窒化物系半導体層を形成する工程を含み、溝部の側面上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比は、第１領域の上面上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比よりも低い。このように構成すれば、溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層（ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成比が低い部分の格子定数が窒化物系半導体基板（ＧａＮ基板）の格子定数に近づくので、溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分において、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差を小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層に歪みが生じたとしても、容易に、溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分において歪みを緩和することができる。
【００１６】
上記構成において、好ましくは、窒化物系半導体基板に溝部を形成する工程は、［Ｋ、−Ｈ、Ｈ−Ｋ、０］方向に沿って延びるように溝部を形成する工程を含む。このように構成すれば、クラックが発生し易い［０００１］方向と交差する方向へのクラックの伝搬を効果的に抑制することができる。
【００１７】
上記構成において、好ましくは、窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層を形成する工程は、窒化物系半導体基板の第１領域の上面上、溝部の底面および側面上に窒化物系半導体層を形成する工程を含み、溝部の側面上に形成される窒化物系半導体層の厚みは、第１領域の上面上に形成される窒化物系半導体層の厚みよりも小さい。このように構成すれば、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層に歪みが生じたとしても、溝部の側面上に位置する窒化物系半導体層の厚みが小さい部分に歪みが集中するので、容易に、第１領域での窒化物系半導体層の歪みを緩和することができる。
【００１８】
上記構成において、窒化物系半導体基板に溝部を形成する工程は、窒化物系半導体基板に、第１領域を囲むように、第１の方向および第１の方向と交差する第２の方向に延びる細長状の溝部を格子状に形成する工程を含んでいてもよい。このように構成すれば、第１の方向と交差する方向に延びるように発生するクラックが、少なくとも第１の方向に延びる溝部に対応する領域を横切って伝播するのを抑制することができるとともに、第２の方向と交差する方向に延びるように発生するクラックが、少なくとも第２の方向に延びる溝部に対応する領域を横切って伝播するのを抑制することができる。これにより、第１の方向および第２の方向の両方に延びるように発生するクラックを溝部で分断することができるので、クラックの量が増大するのをより有効に抑制することができる。
【００１９】
上記構成において、好ましくは、窒化物系半導体基板の（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面は、（１１−２２）面である。このように構成すれば、表面に原子層レベルの段差が少ない（０００１）面、（１１−２０）面および（１−１００）面上の成長と比較して、結晶成長のモードが段差を起点として成長するステップフロー成長に、よりなりやすくすることができるので、結晶性をより向上させることができる。
【００２０】
上記構成において、窒化物系半導体層を、窒化物系半導体基板の第１領域および第２領域に形成された窒化物系半導体基板とは異なる組成の窒化物系半導体からなる層と、少なくとも第１領域上に形成された窒化物系半導体からなる発光層とを含むように構成してもよい。
【００２１】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体発光素子は、発光部分に対応する第１領域と、所定の高さを有する段差部を介して第１領域に隣接するように配置された第２領域とを含む窒化物系半導体基板と、窒化物系半導体基板の第１領域の上面および段差部の側面上に形成されるとともに、窒化物系半導体基板とは異なる組成を有する窒化物系半導体層とを備えている。そして、段差部の側面上に形成される窒化物系半導体層の厚みは、第１領域の上面上に形成される窒化物系半導体層の厚みよりも小さく、窒化物系半導体基板の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する（ＨとＫは整数であり、ＨとＫの少なくとも一方は０ではない。また、Ｌは０ではない整数である）。
【００２２】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体発光素子では、上記のように、窒化物系半導体基板の段差部の側面上に形成される窒化物系半導体層の厚みを、発光部分に対応する窒化物系半導体基板の第１領域の上面上に形成される窒化物系半導体層の厚みよりも小さくすることによって、ＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層を形成する際に、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層に歪みが生じたとしても、段差部の側面上に位置する窒化物系半導体層の厚みが小さい部分に歪みが集中するので、第１領域での窒化物系半導体層に生じる歪みを小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体層に生じる歪みが大きいことに起因して、窒化物系半導体層に発生するクラックの量が増大するという不都合が発生するのを抑制することができる。したがって、クラックにより窒化物系半導体層の発光部分に供給されないリーク電流が増大するとともに、クラックにより光導波が妨げられるという不都合が発生するのを抑制することができる。その結果、窒化物系半導体発光素子の特性および歩留りの低下を抑制することができる。
【００２３】
また、一般的に、窒化物系半導体層に面内の歪みが印加されている場合には、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場が最大となり、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面以外の面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場は、（０００１）面のときに発生するピエゾ電場より小さい。このように、窒化物系半導体基板の表面を（０００１）面以外の面である（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面とすることによって、窒化物系半導体からなる発光層に発生するピエゾ電場を小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体層の発光部分に発生するピエゾ電場を小さくすることができるので、発光効率を向上させることができる。また、窒化物系半導体基板の表面を（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面とすることによって、原子の配列上、表面に原子層レベルの段差を形成することができるので、結晶成長のモードが段差を起点として成長するステップフロー成長になりやすく、その結果、結晶性を向上させることができる。
【００２４】
上記構成において、窒化物系半導体層を、窒化物系半導体基板の第１領域および第２領域に形成された窒化物系半導体基板とは異なる組成の窒化物系半導体からなる層と、少なくとも第１領域上に形成された窒化物系半導体からなる発光層とを含むように構成してもよい。
【００２５】
この発明の第３の局面による窒化物系半導体発光素子は、発光部分に対応する第１領域と、所定の高さを有する段差部を介して第１領域に隣接するように配置された第２領域とを含む窒化物系半導体基板と、窒化物系半導体基板の第１領域の上面および段差部の側面上に形成されるとともに、窒化物系半導体基板とは異なる組成を有するとともに、ＡｌとＧａとＮとを含有する窒化物系半導体層とを備えている。そして、段差部の側面上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比は、第１領域の上面上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比よりも低く、窒化物系半導体基板の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する（ＨとＫは整数であり、ＨとＫの少なくとも一方は０ではない。また、Ｌは０ではない整数である）。
【００２６】
この発明の第３の局面による窒化物系半導体発光素子では、上記のように、窒化物系半導体基板の段差部の側面上に形成されるＡｌとＧａとＮとを含有する窒化物系半導体層のＡｌ組成比を、発光部分に対応する窒化物系半導体基板の第１領域の上面上に形成される窒化物系半導体層のＡｌ組成比よりも低くすることによって、ＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体層を形成する際に、段差部の側面上に位置するＡｌとＧａとＮとを含有する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分の格子定数が、ＡｌとＧａとＮとを含有する窒化物系半導体層とは異なる組成を有する窒化物系半導体基板の格子定数に近づくので、段差部の側面上に位置する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分において、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差を小さくすることができる。このため、窒化物系半導体基板と窒化物系半導体層との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層に歪みが生じたとしても、段差部の側面上に位置する窒化物系半導体層のＡｌ組成比が低い部分において歪みを緩和することができるので、窒化物系半導体層に生じる歪みを小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体層に生じる歪みが大きいことに起因して、窒化物系半導体層に発生するクラックの量が増大するという不都合が発生するのを抑制することができる。したがって、クラックにより窒化物系半導体層の発光部分に供給されないリーク電流が増大するとともに、クラックにより光導波が妨げられるという不都合が発生するのを抑制することができる。その結果、窒化物系半導体発光素子の特性および歩留りの低下を抑制することができる。
【００２７】
また、一般的に、窒化物系半導体層に面内の歪みが印加されている場合には、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場が最大となり、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面以外の面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場は、（０００１）面のときに発生するピエゾ電場より小さい。このように、窒化物系半導体基板の表面を（０００１）面以外の面である（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面とすることによって、窒化物系半導体からなる発光層に発生するピエゾ電場を小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体層の発光部分に発生するピエゾ電場を小さくすることができるので、発光効率を向上させることができる。また、窒化物系半導体基板の表面を（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面とすることによって、原子の配列上、表面に原子層レベルの段差を形成することができるので、結晶成長のモードが段差を起点として成長するステップフロー成長になりやすく、その結果、結晶性を向上させることができる。
【００２８】
この場合、好ましくは、段差部は、［Ｋ、−Ｈ、Ｈ−Ｋ、０］方向に沿って延びるように形成されている。このように構成すれば、クラックが発生し易い［０００１］方向と交差する方向へのクラックの伝搬を効果的に抑制することができる。
【００２９】
上記構成において、窒化物系半導体層を、窒化物系半導体基板の第１領域および第２領域に形成されたＡｌとＧａとを含有する窒化物系半導体からなる層と、少なくとも第１領域上に形成された窒化物系半導体からなる発光層とを含むように構成してもよい。
【００３０】
上記第２および第３の局面の構成において、好ましくは、窒化物系半導体基板の（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面は、（１１−２２）面である。このように構成すれば、表面に原子層レベルの段差が少ない（０００１）面、（１１−２０）面および（１−１００）面上の成長と比較して、結晶成長のモードが段差を起点として成長するステップフロー成長に、よりなりやすくすることができるので、結晶性をより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】
【００３１】
図１は、本発明の概念を説明するための断面図である。まず、図１を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する前に本発明の概念について説明する。ここでは、本発明を窒化物系半導体発光素子の一例である窒化物系半導体レーザ素子に適用する場合について説明する。なお、本発明は、半導体レーザ素子に限定されるものではなく、発光ダイオードなどの他の半導体発光素子にも適用可能である。
【００３２】
本発明を半導体レーザ素子に適用する場合、半導体レーザ素子には、図１に示すように、窒化物系半導体基板１と、窒化物系半導体層２と、活性層３と、窒化物系半導体層４と、一方電極５と、他方電極６とが設けられる。窒化物系半導体層４の表面側には、リッジ部（発光領域）７が形成されている。
【００３３】
窒化物系半導体基板１は、ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体からなる。ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮ、または、これらの混晶からなる。また、窒化物系半導体基板１は、ｎ型の導電性を有するものでもよいし、ｐ型の導電性を有するものでもよい。なお、窒化物系半導体基板１が導電性を有しない場合は、窒化物系半導体層２の一部を露出させて窒化物系半導体層２に他方電極を形成してもよい。
【００３４】
ここで、窒化物系半導体基板１は、｛１１−２２｝面、｛１１−２４｝面、｛１−１０１｝面、｛１−１０２｝面および｛１−１０３｝面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面を有する基板である。なお、ＨおよびＫは、少なくともいずれか一方が０ではない整数であり、Ｌは０ではない整数である。また、発光部分に対応する窒化物系半導体基板１の第１領域以外の第２領域の所定領域を所定の深さまで選択的に除去することにより、窒化物系半導体基板１に段差部が形成されている。
【００３５】
また、窒化物系半導体層２、活性層３および窒化物系半導体層４は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＢＮ、ＴｌＮなどの窒化物系半導体、または、これらの混晶からなっていてもよい。また、窒化物系半導体基板１が導電性を有する場合、窒化物系半導体層２は、窒化物系半導体基板１と同じ導電性を有してもよい。また、窒化物系半導体層４は、窒化物系半導体層２と異なる導電性を有する。
【００３６】
ここで、窒化物系半導体層２、活性層３および窒化物系半導体層４のうちの少なくとも１層は、窒化物系半導体基板１と異なる組成を有する窒化物系半導体層を含んでいる。特に、窒化物系半導体層２および４のうちの少なくとも１層が、ＡｌとＧａとＮとを含有する層を含み、窒化物系半導体基板１が、ＧａＮ基板を含んでいる場合に、クラックが発生するのを抑制する効果が大きくなる。
【００３７】
また、活性層３は、単層、単一量子井戸構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる。なお、活性層３を、量子井戸構造に形成する場合、井戸層の材料として特にＧａＩｎＮを用いることができる。
【００３８】
また、窒化物系半導体層２は、活性層３よりもバンドギャップの大きいクラッド層などからなる。窒化物系半導体層２と活性層３との間に、窒化物系半導体層２および活性層３の間のバンドギャップを有する光ガイド層を設けてもよい。また、窒化物系半導体基板１と窒化物系半導体層２との間に、バッファ層を設けてもよい。また、窒化物系半導体層４は、活性層３よりもバンドギャップの大きいクラッド層などからなる。窒化物系半導体層４と活性層３との間に、窒化物系半導体層４および活性層３の間のバンドギャップを有する光ガイド層を設けてもよい。また、活性層３とは反対側の窒化物系半導体層４上に、コンタクト層を設けてもよい。この場合、コンタクト層は、窒化物系半導体層４よりもバンドギャップが小さいことが好ましい。
【００３９】
また、窒化物系半導体層２および４をクラッド層により形成する場合には、クラッド層からなる窒化物系半導体層２および４の材料として、特にＡｌＧａＮを用いることができる。この場合、窒化物系半導体基板１として、たとえば、ＧａＮ基板を用いると、窒化物系半導体基板１上に形成する窒化物系半導体層２または４は、窒化物系半導体基板１よりも格子定数が小さいので、窒化物系半導体基板１上に形成する窒化物系半導体層２または４にクラックが発生する場合がある。このとき、窒化物系半導体基板１に溝を形成することにより、窒化物系半導体基板１上に形成する窒化物系半導体層２または４にクラックが発生するのを抑制する効果が大きくなる。
【００４０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
図２〜図１２は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための平面図および断面図である。図１３は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを用いて形成された窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図２〜図１３および図２２を参照して、以下に第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００４２】
第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスでは、図２および図３に示すように、まず、（１１−２２）面の表面を有するとともに、低い転位密度を有するｎ型ＧａＮ基板１１を準備する。なお、ｎ型ＧａＮ基板１１は、本発明の「窒化物系半導体基板」の一例である。そして、プラズマＣＶＤ法などを用いて、ｎ型ＧａＮ基板１１上の所定領域に、約０．５μｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなるストライプ状（細長状）のマスク層２５を形成する。具体的には、マスク層２５が、［１−１００］方向に延びるように形成する。また、隣接するマスク層２５間の距離Ｗ１を、約９０μｍに設定するとともに、マスク層２５の幅Ｗ２を、約２００μｍに設定する。なお、本明細書において、各層の厚みは、平坦部分の厚みである。
【００４３】
次に、図４および図５に示すように、Ｃｌ２ガスによる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて、マスク層２５をエッチングマスクとして、ｎ型ＧａＮ基板１１の上面から約３μｍの深さまでをエッチングする。なお、この場合のエッチング選択比（マスク層２５／ｎ型ＧａＮ基板１１）は、１：１０である。また、エッチング条件としては、エッチング圧力：約３．３２５ｋＰａ、プラズマパワー：約２００Ｗ、エッチング速度：約１４０ｎｍ／ｓｅｃ〜約１５０ｎｍ／ｓｅｃである。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１１に、約９０μｍの幅（開口端の幅）Ｗ１と、約３μｍの深さＤ１（図５参照）とを有するとともに、［１−１００］方向に延びるストライプ状（細長状）の溝部１１ａが形成される。なお、エッチングマスクとしてＳｉＯ２膜からなるマスク層２５を用いるとともに、上記したエッチング条件でｎ型ＧａＮ基板１１をエッチングした場合、溝部１１ａの断面形状は、メサ形状となる。すなわち、溝部１１ａの開口幅が、溝部１１ａの底面から開口端に向かって徐々に大きくなる。具体的には、溝部１１ａの底面と側面とがなす角度αが、約４５°となる。そして、ｎ型ＧａＮ基板１１において、溝部１１ａに挟まれた約２００μｍの幅Ｗ２を有する領域１１ｂは、後述する窒化物系半導体素子層２０の発光部分に対応する領域となる。なお、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂは、本発明の「第１領域」の一例であり、ｎ型ＧａＮ基板１１の溝部１１ａが形成された領域は、本発明の「第２領域」の一例である。この後、マスク層２５を除去する。
【００４４】
次に、図６および図７に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂの上面上、溝部１１ａの底面および側面上に、バッファ層１２を介して、窒化物系半導体素子層２０を構成する窒化物系半導体各層（１３〜１９）を順次形成する。
【００４５】
具体的には、図７に示すように、基板温度が約１１６０℃付近にまで達した時点で、Ｇａ原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス（約６６μｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＡｌ原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）ガス（約０．２６μｍｏｌ／ｍｉｎ）を、キャリアガスとしてのＨ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、ｎ型ＧａＮ基板１１上に、約０．８μｍの厚みを有するアンドープＡｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるバッファ層１２を約１．１μｍ／ｈの速度で成長させる。この後、ＴＭＧａガス（約９０μｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＴＭＡｌガス（約２．４μｍｏｌ／ｍｉｎ）と、ｎ型不純物としてのＧｅ原料であるＧｅＨ４（モノゲルマン）ガス（約０．２４μｍｏｌ／ｍｉｎ）とを、キャリアガスとしてのＨ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、バッファ層１２上に、約１．８μｍの厚みを有するＧｅがドープされたｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１３を約１．１μｍ／ｈの速度で成長させる。なお、ｎ型クラッド層１３は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００４６】
さらに、ＴＭＧａガス（約４８μｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＴＭＡｌガス（約４．７μｍｏｌ／ｍｉｎ）を、キャリアガスとしてのＨ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、ｎ型クラッド層１３上に、約２０ｎｍの厚みを有するアンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるｎ側キャリアブロック層１４を約１μｍ／ｈの速度で成長させる。
【００４７】
次に、基板温度を約１１６０℃から約８５０℃に下げる。そして、Ｇａ原料であるトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）ガスおよびＩｎ原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガスを、キャリアガスとしてのＮ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、ｎ側キャリアブロック層１４上に、約２０ｎｍの厚みを有するアンドープＩｎ０．０２Ｇａ０．９３Ｎからなる４つの量子障壁層（図示せず）と、約３．５ｎｍの厚みを有するアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる３つの量子井戸層（図示せず）とを交互に約０．２５μｍ／ｈの速度で成長させる。これにより、４つの量子障壁層と３つの量子井戸層とが交互に積層されたＭＱＷ構造を有するＭＱＷ活性層１５が形成される。続けて、ＭＱＷ活性層１５上に、約０．１μｍの厚みを有するアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなるｐ側光ガイド層１６を成長させる。この後、ＴＭＧａガス（約１０３μｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＴＭＡｌガス（約４００μｍｏｌ／ｍｉｎ）を、キャリアガスとしてのＮ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、ｐ側光ガイド層１６上に、約２０ｎｍの厚みを有するアンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるｐ側キャリアブロック層１７を約１．２μｍ／ｈの速度で成長させる。
【００４８】
次に、基板温度を約８５０℃から約１１６０℃に加熱する。そして、ＴＭＧａガス（約５４μｍｏｌ／ｍｉｎ）およびＴＭＡｌガス（約１．７μｍｏｌ／ｍｉｎ）と、ｐ型不純物としてのＭｇ原料であるＭｇ（Ｃ５Ｈ５）２（シクロペンタジエニルマグネシウム）ガス（約０．０３８μｍｏｌ／ｍｉｎ）とを、キャリアガスとしてのＮ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、ｐ側キャリアブロック層１７上に、約０．４５μｍの厚みを有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ型クラッド層１８を約１．１μｍ／ｈの速度で成長させる。なお、ドーパントガスの種類と供給量に依存して、ＡｌＧａＮのＡｌ組成と成長速度が変化するので、同じＡｌ組成を有するｎ型クラッド層１３とｐ型クラッド層１８とを同じ成長速度で成長するように、ＴＭＧａガスとＴＭＡｌガスとの供給流量を調整している。この後、基板温度を約１１６０℃から約８５０℃に下げる。そして、ＴＥＧａガスおよびＴＭＩｎガスを、キャリアガスとしてのＮ２ガスを用いて反応炉内に供給することによって、ｐ型クラッド層１８上に、約３ｎｍの厚みを有するアンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｐ側コンタクト層１９を約０．２５μｍ／ｈの速度で成長させる。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂの上面上、溝部１１ａの底面および側面上に、バッファ層１２を介して、窒化物系半導体各層（１３〜１９）により構成される窒化物系半導体素子層２０が形成される。
【００４９】
この際、第１実施形態では、ｎ型クラッド層１３には、ＡｌＧａＮ層が用いられており、このＡｌＧａＮ層とｎ型ＧａＮ基板との格子定数差は基板の結晶軸の方向によって異なっている。たとえば、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３ＮおよびＧａＮのａ軸方向の格子定数は、各々約０．３１８４ｎｍおよび約０．３１８９ｎｍであり、その比は、０．９９８４である。一方、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３ＮおよびＧａＮのｃ軸方向の格子定数は、各々約０．５１７２ｎｍおよび０．５１８６ｎｍであり、その比は、０．９９７３である。このようにＡｌ０．０７Ｇａ０．９３ＮとＧａＮとの格子定数比は、ａ軸方向で０．９９８４、ｃ軸方向で０．９９７３であり、ｃ軸方向の方が１からのずれが大きい。（１１−２２）面を有するＧａＮ基板を用いた第１実施形態では、面内の方向は、［１−１００］方向と、［１−１００］方向および［１１−２２］方向に垂直な方向（ここではｙ方向と表す）とを含んでいる。［１−１００］方向のＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数比は、ａ軸方向のＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数比に等しい。一方、ｙ方向はａ軸方向とｃ軸方向との成分を有するため、ｙ方向のＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数比は、ａ軸方向とｃ軸方向とのＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数比の中間の値となり、ａ軸方向のＡｌＧａＮとＧａＮとの格子定数比より大きい。したがって、面内の軸方向がａ軸だけの（０００１）面を有するＧａＮ基板を用いた場合に比べ、（１１−２２）面を有するｎ型ＧａＮ基板１１を用いた第１実施形態の方が、ＡｌＧａＮ層に加わる歪みや応力が大きくなる。このため、第１実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子では、ＡｌＧａＮ層にクラック２９ａ〜２９ｃ（図６参照）が発生しやすく、その結果、窒化物系半導体素子層２０にクラック２９ａ〜２９ｃが発生し易い。
【００５０】
そこで、第１実施形態にあっては、ｎ型ＧａＮ基板１１に設ける溝部１１ａを［１−１００］方向に延びるように設けている。
【００５１】
すなわち、［１−１００］方向はｍ軸方向に相当し、結晶構造的にｍ軸方向の歪みあるいは応力の大きさは、ａ軸方向の歪みあるいは応力の大きさと略等しい。したがって、（１１−２２）面を有する基板を用いた場合にあっては、［１−１００］ｍ軸方向よりもｙ方向の方が歪みあるいは応力が大きいため、［１−１００］方向と交差する方向よりも、ｙ方向と交差する方向にクラック２９ａ〜２９ｃ（図６参照）が発生し易い。これにより、第１実施形態のようにｙ方向と交差する［１−１００］軸方向に沿って溝部１１ａを設けることにより、ｙ方向と交差する方向に発生するクラック２９ａ〜２９ｃの伝搬を効果的に抑制することが可能である。
【００５２】
また、第１実施形態では、溝部１１ａの断面形状がメサ形状であることにより、ｎ型ＧａＮ基板１１上にバッファ層１２を介してｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１３を形成する際に、ｎ型クラッド層１３の構成材料の一部であるＧａが溝部１１ａの傾斜した側面側へ移動しやすくなると考えられる。このため、溝部１１ａの側面上に形成されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂ上に形成されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比よりも低くなる。具体的には、ＡｌＧａＮ層としてＡｌ組成比が約７％の層を形成する場合、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂ上に形成されるＧｅがドープされたｎ型ＡｌＧａＮ層からなるｎ型クラッド層１３のＡｌ組成比が約７％であるのに対して、溝部１１ａの側面上に形成されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が約１．７％〜約２．６％となる。また、ＡｌＧａＮ層としてＡｌ組成比が約７％の層を形成する場合、ｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂ上に形成されるＭｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層からなるｐ型クラッド層１８のＡｌ組成比が約７％であるのに対して、溝部１１ａの側面上に形成されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が約３．９％〜約４．３％となる。この場合、溝部１１ａの側面上に位置するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が低い部分の格子定数がｎ型ＧａＮ基板１１の格子定数に近づくので、溝部１１ａの側面上に位置するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が低い部分において、ｎ型ＧａＮ基板１１とＡｌＧａＮ層との間の格子定数差が小さくなる。このため、ｎ型ＧａＮ基板１１と、窒化物系半導体素子層２０中のＡｌＧａＮ層との間の格子定数差に起因してＡｌＧａＮ層に歪みが生じたとしても、その歪みが溝部１１ａの側面上に位置するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が低い部分において緩和されるので、ＡｌＧａＮ層に生じる歪みが小さくなる。これにより、ＡｌＧａＮ層に発生するクラック２９ａ〜２９ｃの量が増大するのが抑制されるとともに、ＡｌＧａＮ層を含む窒化物系半導体素子層２０に発生するクラック２９ａ〜２９ｃの量が増大するのも抑制される。
【００５３】
この後、窒化物系半導体素子層２０が形成されたｎ型ＧａＮ基板１１を反応炉内から取り出す。
【００５４】
次に、図８に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ側コンタクト層１９上のｎ型ＧａＮ基板１１の領域１１ｂに対応する所定領域に、ＳｉＯ２膜からなるストライプ状（細長状）のマスク層２８を形成する。具体的には、マスク層２８が、［１−１００］方向（図６参照）に延びるように形成する。また、マスク層２８のｙ方向（図６参照）の幅を、約１．５μｍに設定する。
【００５５】
次に、図９に示すように、Ｃｌ２ガスによるＲＩＥ法を用いて、マスク層２８をエッチングマスクとして、ｐ側コンタクト層１９およびｐ型クラッド層１８の上面から約０．４μｍの厚み分をエッチングする。これにより、ｐ型クラッド層１８の凸部とｐ側コンタクト層１９とにより構成されるとともに、［１−１００］方向（図６参照）に延びるストライプ状（細長状）のリッジ部２１が形成される。また、リッジ部２１は、約１．５μｍのｙ方向（図６参照）の幅と、約０．４０２μｍの突出高さとを有するように形成される。このリッジ部２１は、電流通路になるとともに、このリッジ部２１の下方が発光部分となる。また、ｐ型クラッド層１８の凸部以外の平坦部の厚みは、約０．０５μｍとなる。この後、マスク層２８を除去する。
【００５６】
次に、図１０に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、全面上に、約０．２μｍの厚みを有するＳｉＯ２膜を形成した後、そのＳｉＯ２膜のリッジ部２１に対応する領域を除去することによって、リッジ部２１に対応する領域に開口部２２ａを有する電流ブロック層２２を形成する。
【００５７】
次に、図１１に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、リッジ部２１を構成するｐ側コンタクト層１９上に、ｐ側オーミック電極２３を形成する。このｐ側オーミック電極２３を形成する際には、下層から上層に向かって、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約１０ｎｍの厚みを有するＰｄ層とを順次形成する。この後、電子ビーム蒸着法を用いて、電流ブロック層２２上に、ｐ側オーミック電極２３の上面に接触するように、ｐ側パッド電極２４を形成する。このｐ側パッド電極２４を形成する際には、下層から上層に向かって、約３０ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約１５０ｎｍの厚みを有するＰｄ層と、約３μｍの厚みを有するＡｕ層とを順次形成する。
【００５８】
次に、図１２に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面を、後述する劈開工程において劈開しやすい厚みになるまで研磨する。この後、電子ビーム蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面上の所定領域に、ｎ側オーミック電極２５と、約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ層からなるｎ側パッド電極２６とを順次形成する。なお、ｎ側オーミック電極２５を形成する際には、ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面側から順に、約６ｎｍの厚みを有するＡｌ層と、約１０ｎｍの厚みを有するＰｄ層とを形成する。
【００５９】
最後に、図１２に示した構造体において、ｙ方向（図６参照）にｎ型ＧａＮ基板１１の溝部１１ａの中心に沿って素子分離するとともに、［１−１００］方向（図６参照）に素子を各チップに劈開することによって、図１３に示すような第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００６０】
なお、図１３に示すように、第１実施形態の製造プロセスにより形成された窒化物系半導体レーザ素子において、ｎ型ＧａＮ基板１１の溝部１１ａ（図１２参照）は、上記した素子分離工程により傾斜した側面を有する段差部１１ｃとなる。
【００６１】
第１実施形態では、上記のように、ｎ型ＧａＮ基板１１の溝部１１ａの開口幅が溝部１１ａの底面から開口端に向かって徐々に大きく形成することによって、溝部１１ａの側面上に形成されるｎ型クラッド層１３のＡｌ組成比を、領域１１ｂ上に形成されるｎ型クラッド層１３のＡｌ組成比よりも低くすることができる。この理由は、ＭＯＣＶＤ法などを用いてｎ型ＧａＮ基板１１上にｎ型クラッド層１３を形成する際に、ｎ型クラッド層１３の構成材料の一部であるＧａがＡｌに比べて成膜表面を移動しやすいことにより、Ｇａが溝部１１ａの側面側へ移動しやすくなるためであると考えられる。このため、溝部１１ａの側面上に位置するｎ型クラッド層１３のＡｌ組成比が低い部分の格子定数がｎ型ＧａＮ基板１１の格子定数に近づくので、溝部１１ａの側面上に位置するｎ型クラッド層１３のＡｌ組成比が低い部分において、ｎ型ＧａＮ基板１１とｎ型クラッド層１３との間の格子定数差を小さくすることができる。この場合、ｎ型ＧａＮ基板１１とｎ型クラッド層１３との間の格子定数差に起因してｎ型クラッド層１３に歪みが生じたとしても、その歪みが溝部１１ａの側面上に位置するｎ型クラッド層１３のＡｌ組成比が低い部分において緩和されるので、領域１１ｂでのｎ型クラッド層１３に生じる歪みを小さくすることができる。
【００６２】
また、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１１の表面は、（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、Ｌ）面である（１１−２２）面を有する。一般的に、窒化物系半導体層に面内の歪みが印加されている場合には、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場が最大となり、窒化物系半導体基板の表面が（０００１）面以外の面のときに窒化物系半導体層に発生するピエゾ電場は、（０００１）面のときに発生するピエゾ電場より小さい。このように、窒化物系半導体基板の表面を（０００１）面以外の面である（１１−２２）面とすることによって、ＭＱＷ活性層１５に発生するピエゾ電場を小さくすることができる。これにより、窒化物系半導体素子層２０の発光部分に発生するピエゾ電場を小さくすることができるので、発光効率を向上させることができる。
【００６３】
また、第１実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１１の表面を（１１−２２）面とすることによって、原子の配列上、表面に原子層レベルの段差を形成することができるので、表面に原子層レベルの段差が少ない（０００１）面、（１１−２０）面および（１−１００）面上の成長と比較して、結晶成長のモードが段差を起点として成長するステップフロー成長になりやすく、結晶性を向上させることができる。
【００６４】
（第２実施形態）
図１４は、本発明の第２実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための平面図であり、図１５は、図１４における４００−４００線に沿った断面図である。第２実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子が第１実施形態に係る半導体レーザ素子と異なる点は、溝部の方向が異なる点である。以下、図１４および図１５を参照して、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００６５】
第２実施形態では、上記第１実施形態と同様のプロセスを用いて、ｎ型ＧａＮ基板３１に、約９０μｍの幅（開口端の幅）Ｗ１１と、約３μｍの深さとを有するとともに、メサ形状の断面形状を有するストライプ状（細長状）の溝部３１ａを形成する。ただし、第２実施形態においては、溝部３１ａを、上記第１実施形態のｙ方向に延びるように形成する。このとき、溝部３１ａが形成された領域に挟まれた［１−１００］方向の幅Ｗ１２を有する領域３１ｂが形成される。なお、ｎ型ＧａＮ基板３１は、本発明の「窒化物系半導体基板」の一例であり、溝部３１ａが形成された領域は、本発明の「第２領域」の一例である。また、領域３１ｂは、本発明の「第１領域」の一例である。
【００６６】
そして、ｎ型ＧａＮ基板３１上に、上記第１実施形態と同様のプロセスを用いて、窒化物系半導体素子層４０を形成する。この窒化物系半導体素子層４０は、上記第１実施形態と同様に、ｎ型ＧａＮ基板３１側からｎ型クラッド層１３、ＭＱＷ活性層１５およびｐ型クラッド層１８を有するように形成する。
【００６７】
なお、第２実施形態のその他の製造プロセスは、上記第１実施形態の製造プロセスと同様である。
【００６８】
第２実施形態では、上記のように、ｎ型ＧａＮ基板３１上にバッファ層１２を介して窒化物系半導体素子層を形成する際に、溝部３１ａの側面上に形成されるｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１３の厚み（Ｔ１＝１．１μｍ）が、ｎ型ＧａＮ基板１の領域３１ｂ上に形成されるｎ型クラッド層１３の厚み（Ｔ２＝１．８μｍ）よりも小さくなる。このため、約０，３１８９μｍの格子定数を有するｎ型ＧａＮ基板３１と、約０．３１８４μｍの格子定数を有するｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなるｎ型クラッド層１３との間の格子定数差に起因してｎ型クラッド層１３に歪みが生じたとしても、その歪みが溝部３１ａの側面上に位置するｎ型クラッド層１３の厚みが小さい部分に集中するので、ｎ型ＧａＮ基板３１の領域３１ｂ上に位置するｎ型クラッド層１３に生じる歪みを緩和することができる。これにより、ｎ型クラッド層１３に生じる歪みが大きいことに起因して、ｎ型クラッド層１３に発生するクラックの量が増大するという不都合が発生するのを抑制することができる。したがって、ｎ型クラッド層１３を含む窒化物系半導体素子層４０に発生するクラックの量が増大するのも抑制することができるので、クラックにより窒化物系半導体素子層４０の発光部分に供給されないリーク電流が増大するとともに、クラックにより光導波が妨げられるという不都合が発生するのを抑制することができる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の特性および歩留りの低下を抑制することができる。
【００６９】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００７０】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００７１】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板を用いたが、本発明はこれに限らず、ｐ型窒化物系半導体基板を用いるとともに、ｐ型窒化物系半導体基板上に、ｐ型窒化物系半導体層、活性層およびｎ型窒化物系半導体層を順次形成するようにしてもよい。
【００７２】
また、上記第１および第２実施形態では、ＧａＮ基板を用いたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ基板以外の窒化物系半導体基板を用いてもよい。ＧａＮ基板以外の窒化物系半導体基板としては、たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＢＮからなる窒化物系半導体基板がある。
【００７３】
また、上記第１および第２実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板に、底面を有する溝部を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板に、底面を有しない溝部を形成してもよい。たとえば、図１６に示した第１変形例のように、ｎ型ＧａＮ基板５１に、断面形状がＶ字状の溝部５１ａを形成してもよい。なお、ｎ型ＧａＮ基板５１は、本発明の「窒化物系半導体基板」の一例である。このように構成すれば、上記第１実施形態と同様、ＭＯＣＶＤ法などを用いてｎ型ＧａＮ基板５１上にＡｌＧａＮ層を形成する際に、ＡｌＧａＮ層の構成材料であるＧａがＶ字状の断面形状を有する溝部５１ａの内面側へ移動しやすくなると考えられる。これにより、容易に、溝部５１ａの内面上に形成されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を、溝部５１ａ以外の領域上に形成されるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比よりも低くすることができる。また、ｎ型ＧａＮ基板５１の溝部５１ａが形成された領域以外の領域５１ｂは、窒化物系半導体素子層のリッジ部の下方に位置する発光部分に対応する領域となる。なお、ｎ型ＧａＮ基板５１の領域５１ｂは、本発明の「第１領域」の一例であり、ｎ型ＧａＮ基板５１の溝部５１ａが形成された領域は、本発明の「第２領域」の一例である。
【００７４】
また、上記第１および第２実施形態では、溝部の側面を傾斜するように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、図１７に示した第２変形例のように、ｎ型ＧａＮ基板６１の溝部６１ａの側面を垂直にしてもよいし、図１８に示した第３変形例のように、ｎ型ＧａＮ基板７１の溝部７１ａの開口幅が溝部７１ａの底面から開口端に向かって徐々に小さくなるように形成してもよい。この場合、ＭＯＣＶＤ法などを用いてｎ型ＧａＮ基板６１または７１上に窒化物系半導体層６２または７２を形成する際に、窒化物系半導体層６２または７２の構成材料が溝部６１ａまたは７１ａの側面上に堆積されにくくなるので、溝部６１ａまたは７１ａの側面上に形成される窒化物系半導体層６２または７２の厚みを、領域６１ｂまたは７１ｂ上に形成される窒化物系半導体層６２または７２の厚みよりも小さくしやすい。これにより、ｎ型ＧａＮ基板６１または７１と窒化物系半導体層６２または７２との間の格子定数差に起因して窒化物系半導体層６２または７２に歪みが生じたとしても、その歪みが溝部６１ａまたは７１ａの側面上に位置する窒化物系半導体層６２または７２の厚みが小さい部分に集中するので、領域６１ｂまたは７１ｂでの窒化物系半導体層６２または７２に生じる歪みを小さくすることができる。
【００７５】
また、上記第１および第２実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板の溝部を［１−１００］方向またはｙ方向に延びるように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、図１９に示した第４変形例のように、ｎ型ＧａＮ基板８１に［１−１００］方向に延びる溝部８１ａおよびｙ方向に延びる溝部８１ｂを形成し、格子状に溝部８１ａおよび８１ｂを形成してもよい。
【００７６】
また、上記第１および第２実施形態では、窒化物系半導体各層の結晶成長を、ＭＯＣＶＤ法を用いて行ったが、本発明はこれに限らず、ハライド気相成長法、および、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ３、ヒドラジン、ＳｉＨ４、ＧｅＨ４およびＭｇ（Ｃ５Ｈ５）２などを原料ガスとして用いるガスソース分子線エピタキシー法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
【００７７】
また、上記第１および第２実施形態では、（１１−２２）面の表面を有するＧａＮ基板を用いたが、本発明はこれに限らず、（１１−２１）面、（１１−２３）面、（１１−２４）面、（１１−２５）面、（２−２０１）面、（１−１０１）面、（１−１０２）面、（１−１０３）面および（１−１０４）面などの面方位を有する窒化物系半導体基板を用いてもよいし、これらの面から約１．０°以下の範囲内でオフしている窒化物系半導体基板を用いてもよい。
【００７８】
また、上記第１および第２実施形態では、ＭＱＷ構造の活性層を用いたが、本発明はこれに限らず、量子効果を有しない大きな厚みを有する単層または単一量子井戸構造の活性層であっても同様の効果を得ることができる。
【００７９】
また、上記第１および第２実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板に形成されるメサ形状の断面形状を有する溝部の底面と側面とがなす角度α（図５参照）を、約４５°にしたが、本発明はこれに限らず、溝部の底面と側面とがなす角度αが、約１５°以上であればよい。なお、溝部の側面の傾斜が緩やかな方が、溝部の側面上に形成される窒化物系半導体層（ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成比を、溝部以外の領域上に形成される窒化物系半導体層（ＡｌＧａＮ層）のＡｌ組成比に比べてより低くすることができる。
【００８０】
また、上記第１および第２実施形態では、溝の断面形状を［１−１００］方向またはｙ方向に関してほぼ面対称になるように構成したが、非対称になるように構成しても良い。すなわち、図５において、溝部１１ａの底面と側面とがなす角度αを左右で異なる角度としてもよい。
【００８１】
また、上記第１および第２実施形態において、溝部の深さはＡｌＧａＮから構成されるｎ型層の厚みあるいはＡｌＧａＮから構成されるｐ型層の厚みより大きい値であることが好ましく、０．５μｍ〜３０μｍの範囲がより好ましい。
【００８２】
また、上記第１および第２実施形態において、溝部の幅はＡｌＧａＮから構成されるｎ型層の厚みあるいはＡｌＧａＮから構成されるｐ型層の厚みより大きい値であることが好ましく、５μｍ〜４００μｍの範囲がより好ましい。
【００８３】
また、上記第１および第２実施形態において、発光部分に対応する領域の幅は、１０μｍ〜４００μｍの範囲が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の概念を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための平面図である。
【図３】図２の１００−１００線に沿った断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための平面図である。
【図５】図４の２００−２００線に沿った断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための平面図である。
【図７】図６の３００−３００線に沿った断面図である。
【図８】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを用いて形成された窒化物系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための平面図である。
【図１５】図１４における４００−４００線に沿った断面図である。
【図１６】第１および第２実施形態の第１変形例による窒化物系半導体レーザ素子のｎ型ＧａＮ基板を示した断面図である。
【図１７】第１および第２実施形態の第２変形例による窒化物系半導体レーザ素子のｎ型ＧａＮ基板を示した断面図である。
【図１８】第１および第２実施形態の第３変形例による窒化物系半導体レーザ素子のｎ型ＧａＮ基板を示した断面図である。
【図１９】第１および第２実施形態の第４変形例による窒化物系半導体レーザ素子を示した平面図である。
【図２０】平坦な表面を有するｎ型ＧａＮ基板上にｎ型ＡｌＧａＮ層を成長させたときの状態を示した断面図である。
【図２１】図２０に示したｎ型ＡｌＧａＮ層におけるクラックの発生状態を示した平面図である。
【図２２】六方晶ＧａＮ基板の結晶方位を示した模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１、１１、３１、５１、６１、７１、８１      ｎ型ＧａＮ基板（窒化物系半導体基板）
２、４      窒化物系半導体層
７、２１      リッジ部
１１ａ、３１ａ、５１ａ、６１ａ、７１ａ、８１ａ、８１ｂ      溝部
１１ｂ、３１ｂ、５１ｂ、６１ｂ、７１ｂ      領域（第１領域）
１３      ｎ型クラッド層（窒化物系半導体層）
２０、４０、６２、７２  窒化物系半導体素子層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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