(57)【要約】【課題】窒化ガリウム系半導体発光素子の発光効率、信頼性および製造歩留まりを改善する。【解決手段】基板１上においてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０）層３を含む複数の化合物半導体層２〜８の積層体を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、その積層体は部分的領域に形成された亀裂制御領域２と部分的領域に形成された発光領域とを含み、亀裂制御領域はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層からなりかつ所定の濃度範囲内の不純物を含み、亀裂制御領域の上方領域と亀裂制御領域以外の上方領域とのいずれか一方において亀裂の発生が集中しており、発光領域は亀裂の発生が集中していない領域内に形成されている。【選択図】　　　　図１
2004140020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上においてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０）層を含む複数の化合物半導体層の積層体を含む窒化ガリウム系半導体発光素子であって、
前記積層体は部分的領域に形成された亀裂制御領域と部分的領域に形成された発光領域とを含み、
前記亀裂制御領域はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層からなりかつ所定の濃度範囲内の不純物を含み、
前記亀裂制御領域の上方領域と前記亀裂制御領域以外の上方領域とのいずれか一方において亀裂の発生が集中しており、前記発光領域は前記亀裂の発生が集中していない領域内に形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素子。
【請求項２】
前記亀裂制御領域のＡｌ組成比ｙは０≦ｙ≦０．３の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記亀裂制御領域の前記不純物としてＳｉ、Ｍｇ、Ｇｅ、およびＩｎのいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記亀裂制御領域の前記不純物の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０２０ｃｍ−３以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記基板として、ＧａＮ基板、または窒化物半導体以外の異種基板上にＧａＮ層が成長されている擬似ＧａＮ基板が用いられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外光から可視光領域で発光可能な窒化ガリウム系半導体発光素子に関し、特にその発光素子の発光効率、信頼性および製造歩留まりの改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系半導体は、可視ＬＥＤ（発光ダイオード）用や近紫外光レーザ素子用の半導体材料として用いられている。これらの発光素子はコンタクト層としてのＧａＮ層、発光層としてのＩｎＧａＮ層、キャリアや光の閉じ込め層としてのＡｌＧａＮ層などを含んでおり、これらの半導体層を結晶成長により積層するための基板としてサファイア基板やＧａＮ基板が用いられている。
【０００３】
これら複数の異なる化合物半導体層を含む積層構造においては、各層の格子定数や熱膨張係数が互いに異なるので、格子歪みを内包しやすい。特に、ＡｌＧａＮ層を積層する際にＧａＮ層との格子定数差に起因してＡｌＧａＮ層中に引張り歪みが生じるが、この引張り歪みが原因と考えられる結晶性の劣化やウエハ亀裂が発生する場合がある。このような亀裂または歪みに起因する半導体積層構造における結晶性の劣化は、発光素子の信頼性や発光効率に悪影響を与える。
【０００４】
亀裂の発生の問題に関しては、例えば特許文献１の特開２０００−２９９４９７号公報に示されているように、ＡｌＧａＮクラッド層の下部に亀裂防止のためのＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を導入することで結晶成長時の亀裂発生低減が図られてきた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２９９４９７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法によればある程度はウエハの亀裂や反りの発生を軽減し得るものの、たとえ結晶成長直後のウエハに亀裂がない場合でも、その後のエッチング、劈開、チップ分割、ワイヤボンディングなどの素子化加工工程において亀裂が発生することがある。これは、素子化加工工程でウエハに加わる様々な応力が原因となって、ウエハ内部の歪エネルギーが増加したことにより亀裂が発生するものであり、素子特性の劣化や信頼性の低下を招く。また、活性層におけるキャリアおよび光の閉じ込めをさらに改善するためにＡｌＧａＮクラッド層を厚くしまたはＡｌ組成比を大きくすれば、歪みに起因する結晶欠陥が増加してＡｌＧａＮ層の結晶性が劣化し、その上部に形成される活性層にも悪影響を与えて発光効率の低下などの特性劣化を引き起こす。
【０００７】
さらに、亀裂や歪による結晶性の劣化の発生領域はウエハ上で不規則に存在し、ウエハから分割される素子毎の特性のばらつきの原因となる。また、半導体積層構造に内包される歪によって生じるウエハの反りは、素子化加工工程においてプロセスの均一性を低下させ、素子毎の特性ばらつきの原因となる。これらの特性ばらつきは、ひどい場合には素子の製造歩留りの低下を引き起こす。
【０００８】
以上のような従来技術における状況に鑑み、本発明は、窒化ガリウム系半導体発光素子の発光効率、信頼性および製造歩留まりを改善することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板上においてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０）層を含む複数の化合物半導体層の積層体を含む窒化ガリウム系半導体発光素子において、その積層体は部分的領域に形成された亀裂制御領域と部分的領域に形成された発光領域とを含み、亀裂制御領域はＡｌｙＧａ１−ｙＮ層からなりかつ所定の濃度範囲内の不純物を含み、亀裂制御領域の上方領域と亀裂制御領域以外の上方領域とのいずれか一方において亀裂の発生が集中しており、発光領域は亀裂の発生が集中していない領域内に形成されていることを特徴としている。
【００１０】
なお、亀裂制御領域のＡｌ組成比ｙは、０≦ｙ≦０．３の範囲内にあることが好ましい。亀裂制御領域の不純物としては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｇｅ、およびＩｎのいずれかを含み得る。亀裂制御領域の不純物の濃度は、３×１０１８ｃｍ−３以上３×１０２０ｃｍ−３以下の範囲内にあることが好ましい。基板としては、ＧａＮ基板、または窒化物半導体以外の異種基板上にＧａＮ層が成長されている擬似ＧａＮ基板が用いられ得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施形態１］
図１において、本発明の実施形態１による窒化ガリウム系半導体レーザ素子が模式的な断面図で示されている。このレーザ素子においては、ｎ型ＧａＮ基板１上にＳｉを濃度３×１０１９ｃｍ−３で添加したＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる亀裂制御領域２が形成され、さらにＳｉを濃度２×１０１８ｃｍ−３で添加したＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる厚さ約１μｍのｎ型クラッド層３、厚さ約１００ｎｍのＳｉドープＧａＮからなるｎ型ガイド層４、ＩｎＧａＮ（井戸層）／ＧａＮ（障壁層）多重量子井戸構造からなる発光層５、厚さ約１００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型ガイド層６、厚さ約５００ｎｍのＭｇドープＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層７、および厚さ約１００ｎｍのＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層８が順次積層されている。
【００１２】
図１に示された化合物半導体積層構造において、亀裂制御領域２の形成方法が図２を参照して説明される。本実施形態１における複数の半導体層の結晶成長は、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニュウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、シラン、Ｃｐ２Ｍｇなどを利用するＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により行なわれる。
【００１３】
まず図２（ａ）において、ＧａＮ基板１上にストライプ状のフォトマスク（図示せず）を形成し、スパッタ装置によりストライプ幅２００μｍでストライプ間隔３００μｍにパターン化されたＳｉＯ２膜２１を形成する。
【００１４】
図２（ｂ）において、ＳｉＯ２膜２１の形成されたウエハを結晶成長装置の反応炉内に置き、Ｓｉを濃度３×１０１９ｃｍ−３で添加したＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層２を厚さ０．２μｍに成長させる。このときＡｌＧａＮ層２はＳｉＯ２膜２１上には成長しないので、ストライプ状（ストライプ幅３００μｍ、ストライプ間隔２００μｍ）に形成される。
【００１５】
図２（ｃ）において、ストライプ状ＳｉＯ２膜２１を除去することによって、ストライプ状にパターン化されたＳｉドープＡｌＧａＮ層（亀裂制御領域）２が得られる。本願明細書においては、このようにＡｌＧａＮクラッド層と基板との間またはＡｌＧａＮ層内で部分的に形成されたＡｌＧａＮからなりかつＳｉが高濃度に添加された領域を亀裂制御領域と称する。
【００１６】
図２（ｄ）において、再びウエハを反応炉内にセットし、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層３を成長させる。このとき、ウエハ表面は平坦化されていなくてもよい。このｎ型クラッド層３上に、ｎ型ガイド層、発光層、ｐ型ガイド層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層を順次に積層してレーザ構造ウエハを得る。
【００１７】
こうして得られた、レーザ構造ウエハの表面および断面を顕微鏡観察したところ、亀裂制御領域２のストライプパターンに対応して、亀裂制御領域上方において亀裂が密集しており（図２（ｅ）において斜線を施した部分）、亀裂制御領域２が形成されていない領域の上方では亀裂が観測されなかった。なお、図２（ｃ）の状態でウエハを顕微鏡観察したときにはウエハ上に亀裂の発生は観測されず、図２（ｅ）における亀裂はレーザ構造の結晶成長中または結晶成長後の冷却過程で発生したものと考えられる。
【００１８】
上記レーザ構造ウエハを素子化するための、素子化加工工程について説明する。フォトリソグラフィーとドライエッチング技術とを用いて、図１に示されているように幅約２μｍのストライプ状リッジ構造を形成するように、ｐ型コンタクト層８とｐ型クラッド層７とをエッチングする。続いて、リッジの側面とリッジ部以外のｐ型層表面にＳｉＯ２絶縁膜９を形成する。ＳｉＯ２絶縁膜９の作用によって、電流はリッジ部分のみを介して流れるように狭窄される。このＳｉＯ２膜絶縁膜９とｐ型コンタクト層８の表面にｐ電極１０が形成され、基板裏面にｎ電極１１が形成される。素子駆動電流は、ｐ電極１０およびｎ電極１１から供給される。発光層５において、リッジ下部の電流経路となる部分が発光領域となる。
【００１９】
図１におけるリッジ構造は、図２（ｅ）において亀裂が観測されなかった領域に形成され得る。すなわち、発光層５において発光領域は亀裂発生の無い領域に形成されることとなる。こうして、その発光領域は歪みに起因する結晶欠陥や亀裂の影響のない結晶性の良好な状態に保たれ得る。そして、レーザ構造ウエハから分割される全ての素子において発光領域の欠陥や亀裂を防止できるので、素子毎の特性ばらつきが少なく、信頼性と製造歩留まりが改善された発光素子を得ることができる。また、亀裂制御領域２の上方に集中して亀裂を発生させることによってウエハの反りが軽減されるため、フォトリソグラフィーやドライエッチング工程の加工精度のウエハ面内での均一性が向上する。このような加工精度の均一性向上は、特に素子毎のリッジ形状の均一化を図ることができ、素子歩留りを改善することが可能となる。
【００２０】
亀裂の発生には様々な原因が考えられるが、格子定数の異なる複数の化合物半導体層を積層することによる格子歪みが主要因であると考えられる。ＧａＮに比べてクラッド層材料であるＡｌＧａＮの格子定数が小さいので、ＧａＮ基板上に積層されたＡｌＧａＮ層は引張り歪みを受ける。そして、Ａｌ組成比や膜厚を増した場合に、ＡｌＧａＮ層に内包される歪エネルギーが亀裂発生の臨界値を越えた時に亀裂が発生すると考えられる。そこで、ＧａＮ基板上に様々な条件でＡｌＧａＮ膜を形成して亀裂発生の様子を調べたところ、亀裂発生の臨界膜厚とＳｉ濃度との間に、図３に示すような相関の有ることが分かった。
【００２１】
図３は、図２（ｃ）のようにパターン化されたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜２に関して、Ｓｉの添加量と膜厚とを種々異ならせて成膜した場合の亀裂の発生状況を調べた結果を示している。このグラフの横軸はＳｉ濃度（ｃｍ−３）を表わし、縦軸は膜厚（μｍ）を表わしている。そして、グラフ中の曲線の下側の膜厚および左側のＳｉ濃度の範囲内で亀裂の発生のないＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜２が得られたことを表わしている。すなわち、図３中の曲線は、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜２に関して亀裂発生の臨界膜厚を表わしている。また、Ｓｉ添加量の増加に伴って臨界膜厚が減少していることから、Ｓｉ添加量が増大することにより亀裂が発生し易くなることが分かる。Ｓｉが添加されることによる臨界膜厚減少のメカニズムは、Ｓｉが添加されることによるＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜の脆性や弾性定数の変化が影響しているものと考えられる。
【００２２】
図２においては、ＧａＮ基板１の上面に接して亀裂制御領域２を形成しているが、基板１と亀裂制御領域２との間に、他の層として例えばＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などが挟まれていてもよい。また、亀裂制御領域２の上面に接してＡｌＧａＮクラッド層３を形成しているが、亀裂制御領域２とＡｌＧａＮクラッド層３との間に、他の層として例えばＧａＮ層やＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層などが挟まれていてもよい。
【００２３】
さらに、図４の模式的な断面図の斜線部に示されているように、亀裂制御領域として部分的に厚さの異なる高不純物濃度のＡｌＧａＮ層を利用することもできる。図４（ａ）では、高濃度にＳｉドープされたＡｌＧａＮ層２ａの表面を部分的にエッチング除去することによって部分的に膜厚の異なる領域を形成しており、膜厚の厚い部分（凸部）の上方においてウエハ中の亀裂が集中する。図４（ｂ）では、亀裂制御領域と隣接する下地層に凹凸を形成し、そのうえに高濃度にＳｉドープされたＡｌＧａＮ層２ｂを形成することによって部分的に膜厚の異なる領域を形成しており、ウエハ中の亀裂はＡｌＧａＮ層２ｂの膜厚の大きい部分の上方に集中する。
【００２４】
図４において部分的に膜厚の異なる領域を形成する方法は限定的なものではないが、図４に示した方法でも、ウエハ中の亀裂を選択的に発生させることができるので、発光領域を亀裂の無い領域に形成することができ、ひいては素子毎の特性ばらつきを少なくすることができて、素子の信頼性と製造歩留まりを改善することができる。また、亀裂制御領域となるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、その上下に積層される層のＡｌ組成比に等しいか大きくすることによって、亀裂発生の原因と考えられる格子定数差を大きくすることができ、このことは亀裂制御領域の上方で亀裂を発生し易くするので望ましい。
【００２５】
いずれの場合でも、亀裂制御領域は亀裂が発生しないぎりぎりの条件（図３の臨界膜厚に近い条件）で形成しておくことによって、結晶成長中の格子歪みや成長温度変化による熱歪みによってウエハ内部の歪エネルギーが増加した場合や、素子化プロセス中にウエハに過大な応力が加わった場合に、亀裂制御領域の上方で優先的に亀裂を発生させることができる。また、亀裂制御領域のＳｉ添加量は、その上方に積層されるＡｌＧａＮ層のＳｉ添加量の３倍以上とすることが望ましい。こうすることによって、亀裂制御領域の上方のみに亀裂を集中させることができる。亀裂の発生によりウエハ全体の歪エネルギーが緩和されるので、亀裂制御領域の形成されていない領域の上方は格子歪みに起因する結晶欠陥や亀裂の少ない状態に保たれ、ウエハの反りも減少する。
【００２６】
亀裂制御領域は、ストライプ状以外に、ドット状、格子状などのパターンであってもよい。亀裂制御領域の配置をチップ分割の際の分割領域と一致させておけば、亀裂が密集している領域でチップ分割することができ、かつ発光領域には亀裂のない素子を得ることができる。こうして、チップ分割した後の素子特性が良好でなかったという無駄を防止し、ウエハ一枚からとれる有用素子数を多くすることができる。なお、亀裂制御領域をストライプ状以外のパターンにした場合でも、亀裂発生の臨界膜厚は図３の曲線とほとんど変化しないことが確認されている。
【００２７】
亀裂制御領域のＡｌ組成比またはＳｉの添加量を大きくすることによって、亀裂を発生しやすくさせることができる。しかしながら、Ａｌ組成比がｙ＞０．３の場合でＳｉ濃度が３×１０２０ｃｍ−３より大きい場合には、亀裂制御領域を形成する段階（図２（ｂ）の段階）で既に多数の亀裂が発生してしまうので効果的ではなく、格子歪みや熱歪みによってウエハ内部の歪みエネルギーが増加した場合に亀裂制御領域で優先的に亀裂を発生させるためにはｙ≦０．３かつＳｉ濃度３×１０２０ｃｍ−３以下の範囲内にあることが望ましい。
【００２８】
図１に示した発光素子の構造は一例であって、これに限定されない。発光層５として多重量子井戸の例を示したが、単一量子井戸としてもよい。障壁層はＧａＮとしたが、Ｉｎを含むＩｎＧａＮ層としてもよい。また、量子井戸層のＩｎ組成比は、所望の発光波長を得るために適宜に変更され得る。また、障壁層と量子井戸層の少なくとも一方は、例えばＡｓやＰなどの他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体であってもよい。この場合にも、混晶組成比は所望の発光波長を生じるるように適宜に変更され得る。多重量子井戸構造中のＩｎの再蒸発を防止するために、多重量子井戸構造５とｐ型ガイド層６との間にＡｌＧａＮからなる蒸発防止層を挿入してもよい。発光素子中に含まれる各化合物半導体層の混晶組成や膜厚は、所望の特性を得るために適宜に変更され得る。
【００２９】
基板１としてｎ型ＧａＮの例を示したが、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＺｒＢ２、ＧａＡｓ、サファイアなどの窒化ガリウム系半導体とは異なる基板上にＧａＮ膜が形成された擬似ＧａＮ基板を用いることもできる。さらに、選択成長法などを利用して低転位密度化された擬似ＧａＮ基板を用いてもよい。
【００３０】
なお、図２を参照して説明された亀裂制御領域の形成方法は一例であって、不純物が部分的な亀裂制御領域内に高濃度に存在し得るならば他のどんな方法が用いられてもよい。例えば、Ｓｉが高濃度添加されたＡｌＧａＮ層を基板の全面上に形成しておいて、その局所的領域が部分的にエッチング除去されてもよい。Ｓｉの添加方法としては、イオン注入法を用いてもよい。この場合には、ＡｌＧａＮ層上に金属マスクを形成して、そのマスクが形成されていない領域に選択的にイオン注入して亀裂制御領域とする方法や、一様にＳｉイオンを注入したＡｌＧａＮ層を部分的にエッチング除去することで亀裂制御領域を形成する方法を用いることができる。
【００３１】
［実施形態２］
実施形態１ではＳｉを高濃度添加したＡｌＧａＮ層からなる亀裂制御領域の例が示されたが、実施形態２ではＡｌＧａＮ亀裂制御領域にＭｇ、ＩｎまたはＧｅを添加した場合について説明する。これらの不純物を添加した場合にも、不純物添加量に応じて亀裂制御領域の臨界膜厚が変化するので、ウエハ中の亀裂の発生領域を制御することができる。
【００３２】
まず、亀裂制御領域の臨界膜厚の評価方法が、Ｍｇを添加した場合を例にして説明される。亀裂制御領域の構造としては、図２（ｃ）に示されているように、不純物としてＭｇが添加されたＡｌＧａＮ層がストライプ状に形成される。この構造において、ＡｌＧａＮ亀裂制御領域２の厚さとＭｇ添加量とを変化させて種々のウエハを作製し、そのウエハ表面を顕微鏡観察することにより亀裂の発生状況を調べた。こうして得られた結果が、図３に類似した図５のグラフに示されている。図５のグラフにおいて、Ｍｇを添加した場合の臨界膜厚の評価結果は曲線５１で示されており、曲線５１の下側の膜厚および左側のＭｇ濃度の範囲内で亀裂制御領域が形成された場合に亀裂が観測されなかったことを意味している。すなわち、曲線５１は不純物としてＭｇを添加されたＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ膜に関して臨界膜厚の不純物濃度依存性を表している。
【００３３】
同様にして、ＡｌＧａＮの亀裂制御領域に添加される不純物としてＩｎまたはＧｅを用いた場合についても、臨界膜厚と不純物濃度との関係が調べられた。図５において、曲線５２と５３は不純物としてそれぞれＧｅとＩｎを添加した場合について臨界膜厚の不純物濃度依存性を表わしており、各曲線の下側の膜厚および左側の不純物濃度範囲では亀裂が発生しなかったことを意味している。なお、曲線５０は図３中の曲線と同じであり、実施形態１において不純物としてＳｉを添加した場合の臨界膜厚の不純物濃度依存性を示している。
【００３４】
図５において、不純物としてＭｇを添加した場合（曲線５１）には、実施形態１のＳｉ不純物の場合と同様に、Ｍｇの添加量が増大すれば臨界膜厚が減少している。対照的に、ＧｅやＩｎの不純物を添加した場合（曲線５２、５３）には、添加量を増大させれば臨界膜厚も増大する傾向にある。このように、添加する不純物種に依存して臨界膜厚が増減したり、それぞれの不純物濃度に応じて臨界膜厚が変化する理由は、不純物添加によってＡｌＧａＮ層の脆性や弾性定数、格子定数が変化が変化していることが影響しているものと考えられる。
【００３５】
以下において、亀裂制御領域中の不純物としてそれぞれＭｇ、Ｇｅ、およびＩｎを用いた場合のレーザ構造ウエハの作製例について説明する。
【００３６】
不純物としてＭｇを添加したＡｌＧａＮ層により亀裂制御領域を形成するレーザ構造ウエハの作製方法の一例は、実施形態１で図２を参照して説明した方法に比べて、次のいくつかの異なる点を除いて同様である。それらの異なる点は、亀裂制御領域２の形成時に不純物としてＳｉの代わりにＭｇが添加されること、Ｍｇの添加量が３×１０１９ｃｍ−３であること、および亀裂制御領域２の厚さを０．３μｍにしていることである。
【００３７】
こうして得られたレーザ構造ウエハの表面および断面を顕微鏡観察したところ、亀裂制御領域２のストライプパターンに対応して、亀裂制御領域の上方において亀裂が密集しており（図２（ｅ）において斜線を施した部分）、亀裂制御領域が形成されていない領域の上方では亀裂が観察されなかった。これは、Ｓｉを添加した場合と同様に高濃度のＭｇが添加されることによって、亀裂制御領域において臨界膜厚が減少して亀裂が発生しやすくなっているからである。そして、複数の化合物半導体層の積層による格子歪みや熱歪みによってウエハ内部の歪みエネルギーが増加したときまたは素子化プロセスにおいて応力が加わった場合に、亀裂制御領域上方で優先的に亀裂の発生が起こるのである。したがって、Ｍｇを高濃度に添加した場合においても亀裂制御領域上方に亀裂を集中させることができ、亀裂発生の無い領域を選んで発光領域を形成することが可能となる。なお、Ｍｇを添加したＧａＮ層やＡｌＧａＮ層は高抵抗であるかｐ型となるため、亀裂制御領域２に不純物としてＭｇを添加した場合、電流経路は亀裂制御領域以外の領域に制限される。これにより発光領域をより狭い範囲にすることが可能となりレーザ発振の閾値電流を小さくできることが期待できる。
【００３８】
亀裂制御領域上方で優先的に亀裂を発生させるためには、Ａｌ組成比ｙ≦０．３でＭｇ濃度３×１０２０ｃｍ−３以下にすることが必要である。Ａｌ組成比がｙ＞０．３の場合でＭｇ濃度が３×１０２０ｃｍ−３より大きい場合には、亀裂制御領域を形成する段階（図２（ｂ）の段階）で多数の亀裂が発生してしまうので効果的ではない。
【００３９】
不純物としてＧｅを添加したＡｌＧａＮ層により亀裂制御領域を形成するレーザ構造ウエハの作製方法の一例も、実施形態１で図２を参照して説明した方法に比べて、次のいくつかの異なる点を除いて同様である。それらの異なる点は、亀裂制御領域２の形成時に不純物としてＳｉの代わりにＧｅが添加されること、図５の臨界膜厚の評価結果に鑑みてＧｅの添加量が３×１０１８ｃｍ−３にされること、および亀裂制御領域２の厚さを０．３μｍにすることである。なお、Ｇｅの原料としては、モノゲルマン（ＧｅＨ４）が用いられ得る。
【００４０】
こうして得られたレーザ構造ウエハの表面および断面を顕微鏡観察したところ、亀裂制御領域２のストライプパターンに対応して、亀裂制御領域の上方（図２の斜線部）においては亀裂が観測されず、それ以外の部分（斜線を施していない部分）に亀裂が集中的に発生していた。これは、ＳｉやＭｇを高濃度添加した場合とは逆に、高濃度のＧｅが添加されることによって亀裂制御領域において臨界膜厚が増大して亀裂が発生しにくくなっているからである。そして、複数の化合物半導体層の積層による格子歪みや熱歪みによってウエハ内部の歪エネルギーが増加したときまたは素子化加工工程において応力が加わった場合に、亀裂制御領域以外の上方で優先的に亀裂の発生が起こるのである。よって、Ｇｅを高濃度に添加した場合においても亀裂制御領域外に亀裂を集中させることができ、亀裂発生の無い領域を選んで発光領域を形成することが可能となる。
【００４１】
不純物としてＩｎを添加したＡｌＧａＮ層により亀裂制御領域を形成するレーザ構造ウエハの作製方法の一例も、実施形態１で図２を参照して説明した方法に比べて、次のいくつかの異なる点を除いて同様である。それらの異なる点は、亀裂制御領域２の形成時に不純物としてＳｉの代わりにＩｎが添加されること、図５の臨界膜厚の評価結果に鑑みてＧｅの添加量が３×１０１８ｃｍ−３にされること、および亀裂制御領域２の厚さを０．３μｍにすることである。なお、Ｉｎの原料としては、トリメチルインジウムが用いられ得る。
【００４２】
こうして得られたレーザ構造ウエハの表面および断面を顕微鏡観察したところ、亀裂制御領域２のストライプパターンに対応して、亀裂制御領域の上方（図２の斜線部）においては亀裂が観測されず、それ以外の部分（斜線を施していない部分）に亀裂が集中的に発生していた。これは、ＳｉやＭｇを高濃度添加した場合とは逆に、高濃度のＩｎが添加されることによって亀裂制御領域では臨界膜厚が増大して亀裂が発生しにくくなっているからである。そして、複数の化合物半導体層の積層による格子歪みや熱歪みによってウエハ内部の歪エネルギーが増加したときまたは素子化加工工程において応力が加わった場合に、亀裂制御領域以外の上方で優先的に亀裂の発生が起こるのである。よって、Ｉｎを高濃度に添加した場合においても亀裂制御領域外に亀裂を集中させることができ、亀裂発生の無い領域に発光領域を形成することが可能となる。
【００４３】
Ｍｇ、Ｉｎ、およびＧｅをそれぞれ高濃度添加することによって亀裂発生領域を制御したレーザ構造ウエハを素子化するプロセスは実施形態１の場合に類似しており、リッジ構造は図２（ｅ）において亀裂が観測されなかった領域に形成される。これにより、リッジ下部に位置し電流注入される発光領域は、亀裂の無い領域に形成されることとなる。すなわち、不純物がＳｉやＭｇである場合にはＳｉやＭｇが高濃度添加された亀裂制御領域以外の領域の上方に発光領域を形成し、不純物がＧｅやＩｎである場合にはＧｅやＩｎが高濃度添加された亀裂制御領域の上方に発光領域を形成する。こうして、発光領域が歪に起因する結晶欠陥や亀裂の影響の無い領域に形成され得るので、発光素子の発光効率が改善されて信頼性が向上する。また、発光領域以外に集中して亀裂を発生させるので、ウエハに内包されていた歪エネルギーが緩和される。このことによって、ウエハの反りが軽減され、素子化プロセスにおいて加工精度の均一性が改善され、素子毎の特性ばらつきが低減されて素子歩留りが改善される。
【００４４】
［実施形態３］
実施形態３においては、図１のレーザ構造中で、発光層５がＧａＮ０．９７Ｐ０．０３（井戸層）／ＧａＮ（障壁層）多重量子井戸構造であり、ガイド層４がＳｉドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、ｐ型ガイド層６がＭｇドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、ｎ型クラッド層３がＳｉドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、そしてｐ型クラッド層７がＭｇドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎである半導体レーザが作製される。
【００４５】
図６中の斜線で示すように、不純物Ｓｉが添加された亀裂制御領域２ｃは一辺５０μｍの正方形を間隔５０μｍで周期的に配置したパターンとされる。このように亀裂制御領域２ｃが形成されたウエハを用いてレーザ構造ウエハを作製し、その表面および断面を顕微鏡観察したところ、周期的に配置された正方形の亀裂制御領域の上方に亀裂が密集しており（図６において斜線を施した部分）、亀裂制御領域が形成されていない領域上では亀裂が観測されなかった。亀裂が観測されなかった領域にレーザ構造の発光領域が配置されるように素子化プロセスを行って素子の特性を評価したところ、全ての素子において発振波長が３７５ｎｍであり、レーザ発振開始時の電流密度は３ｋＡ／ｃｍ２、電圧は４．２Ｖであり、１万時間以上の推定寿命を示した。
【００４６】
本実施形態３で作製したレーザ構造においては、発光波長が短波長であるので、有効に発光層でのキャリアおよび光の閉じ込めを行なうためにはガイド層とクラッド層のＡｌ組成比が実施形態１に比べて大きくされる。このようにＡｌ組成比を高くする必要がある構造においては、亀裂制御領域を用いない場合、または亀裂防止の構造としてｎ型クラッド層と基板との間の全面にＩｎＧａＮやＡｌＧａＮからなる均一厚さの亀裂防止層を挿入する場合には、いたるところで不規則に亀裂が発生してしまうので、リッジ構造中に亀裂の存在しない素子を作製するのは困難となって歩留まりが悪くなる。これに対して、本実施形態３によれば、亀裂のない領域に発光領域を形成することができるので、発光領域が歪みに起因する結晶欠陥や亀裂の影響のない結晶性の良好な状態にされうる。よって、レーザ構造ウエハから分割される全ての素子で発光領域における欠陥や亀裂を防止できるので、素子毎の特性ばらつきが少なく、信頼性と素子歩留まりが改善された発光素子を得ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高濃度に不純物添加されたＡｌＧａＮ層からなる亀裂制御領域を設けることによって、格子歪みに起因する亀裂の発生や結晶性の劣化を特定の領域に集中させることができる。これにより亀裂や結晶性劣化のない領域に発光領域を形成することが可能となり、発光素子の発光効率と信頼性が改善され得る。また、亀裂が発生しやすい領域を形成することによって、ウエハに内包される歪を緩和することができてウエハの反りが軽減されるので、素子化プロセスの均一性が向上して素子歩留まりが改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の半導体レーザ構造ウエハの作製工程を示す模式的斜視図である。
【図３】亀裂制御領域における亀裂発生の臨界膜厚とＳｉ添加量との関係を示すグラフである。
【図４】亀裂制御領域の断面形態例を示す模式的なウエハ断面図である。
【図５】亀裂制御領域における亀裂発生の臨界膜厚と不純物添加量との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態３の半導体レーザ構造ウエハの亀裂制御領域の形成部を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
１　ｎ型ＧａＮ基板、２、２ａ、２ｂ、２ｃ　亀裂制御領域、３　ｎ型クラッド層、４　ｎ型ガイド層、５　発光層、６　ｐ型ガイド層、７　ｐ型クラッド層、８　ｐ型コンタクト層、９　ＳｉＯ２、１０　ｐ電極、１１　ｎ電極、２１　ＳｉＯ２、２２　亀裂制御領域の上方の領域。
【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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