(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上で、窒化物半導体からなる、クラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟まれており、
ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を有する、
窒化物系半導体発光素子において、
前記基板が（０００１）ｃ面を表面として有するサファイア基板であり、
前記量子井戸構造活性層が、２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持つ窒化物半導体層に接して結晶成長中におけるＩｎ原子およびＧａ原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により形成され、
２種類のストライプ状平面のうち一方のみが、基板表面と７０度以上１１０度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差しており、
前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記量子井戸構造活性層が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記基板が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板であることを特徴とする請求項１または２記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
（０００１）ｃ面を表面として有するサファイア基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層の表面に、２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を、この２種類の平面のうち一方のみが前記基板表面と７０度以上１１０度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差するように形成する工程と、
前記窒化物半導体層上での結晶成長中におけるＩｎ原子およびＧａ原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を窒化物半導体層に接して形成する工程を有し、
前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面とほぼ垂直に交差している平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であるように形成されることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記量子井戸構造活性層を、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成する工程を有することを特徴とする請求項４記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項４記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体よりなる量子井戸構造活性層を備えた窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体発光素子である半導体レーザ素子（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）の半導体材料として、窒化物系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。この窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子は、たとえば、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｉｎｔeｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  （ＩＷＮ２０００）  ＷＡ２−１、に記載されている。窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子の断面図を図１１に示す。図１１において、１０１は（０００１）ｃ面を有するサファイア基板、１０２はＧａＮ層、１０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、１０４はｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、１０５はｎ−ＧａＮガイド層、１０６はＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ量子井戸層とＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、１０７はｐ−Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎ層、１０８はｐ−ＧａＮガイド層、１０９はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85ＮとＧａＮが交互に積層されてなるｐ型クラッド層、１１０はｐ−ＧａＮコンタクト層、１１１はｐ側電極、１１２はｎ側電極、１１３は電流狭窄用ＳｉＯ2膜である。ここで、ＧａＮ層１０２は、幅２μｍのストライプ状に１２μｍ周期で形成されている。また、多重の量子井戸構造活性層１０６は、３．５ｎｍ厚のＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ量子井戸層と、７．０ｎｍ厚のＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の、３ペアで構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。
【０００３】
この従来例の製造方法においては窒化物系半導体を形成するために有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）が用いられている。まずサファイア基板１０１上にＧａＮ層１０２を形成後、このＧａＮ層１０２をストライプ状に加工し、その上にｎ−ＧａＮコンタクト層１０３からｐ−ＧａＮコンタクト層１１０までの半導体レーザ素子構造を積層している。
【０００４】
さらにこの従来例では注入電流を狭窄するためにｐ型クラッド層１０９とｐ−ＧａＮコンタクト層１１０はリッジストライプ状に形成されている。これにより電流注入されるストライプ状の領域が活性領域となる。その後、サファイア基板１０１を研磨により薄くしてからへき開技術を用いることにより共振器端面を形成している。
【０００５】
しかしながらこの従来例の窒化物系半導体レーザ素子では連続的な電流注入によって特性が急速に劣化するという問題があり、この半導体レーザ素子を実用化するためには、素子の信頼性を向上することが重要な課題であった。この急速な劣化の原因としては、活性層に用いられている窒化物系半導体材料中に存在する欠陥が電流注入により増殖することが考えられており、この欠陥を低減する試みがなされてきた。
【０００６】
たとえば、特開２０００−１５６３４８号公報では、平坦な表面を持ち欠陥の少ない活性層を得るために、半導体レーザ素子構造を形成する基板として用いるサファイア基板表面の面方位をｃ面から０．３度以上０．５度以下の範囲内のオフ角度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層する技術が示されている。
【０００７】
また、特開２０００−２２３７４３号公報では、同様の目的で、半導体レーザ素子構造を形成する基板として窒化ガリウム基板を用い、その表面の面方位をｃ面から０．０３度以上１０度以下の範囲内のオフ角度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層する技術が示されている。
【０００８】
一方、これらの欠陥を低減するための技術とは別に、窒化物系半導体の混晶材料においては非混和領域の存在の結果として生じる相分離が原因で、空間的に均一な組成を有する混晶を形成することができず、組成のゆらぎが生じるということが知られている。特に、窒化物系半導体発光素子の活性層としてよく用いられているＩｎＧａＮは相分離によってＩｎ組成が空間的にゆらぎ、このためＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層においては高いＩｎ組成を有するドット状の領域が形成される。このドットのサイズは非常に小さいので、量子ドットとして機能させることが考えられている。
【０００９】
たとえば、特開平１０−１４５００２号公報では、ＩｎＧａＮ活性層を形成する窒化物系半導体層の表面に三角関数的な波形の凹凸を形成した後に、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を形成する技術が示されている。このようにして凹凸の形状を持って形成されたＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層では、凹の領域は凸の領域に比べてＩｎ組成が高くなり、量子ドットが形成される。この結果、２次元的な量子井戸構造を活性層に用いる場合と比較して０次元的な量子ドットではレーザ発振の閾値電流値を低減できるとしている。
【００１０】
この他に、窒化物系半導体を用いた発光ダイオードも前記半導体レーザ素子と同様に、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を用いて作製されている。
【００１１】
しかし、従来の前記窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は次のような問題点がある。まず、窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子においては、従来例のように半導体レーザ素子構造を形成するための基板の表面をｃ面から１０度以下の範囲内の微少なオフ角度で傾斜させ、その上に半導体レーザ素子構造を積層しても、特性の劣化を生じてしまい、信頼性が十分に改善された窒化物系半導体レーザ素子を得ることが困難であった。
【００１２】
さらに、従来の前記窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子ではＩｎＧａＮ活性層の相分離によって生じるＩｎ組成のゆらぎがランダムに存在するために、このＩｎ組成ゆらぎの結果生じる光学利得のエネルギー的な広がりにより、発振波長において十分に高い光学利得を得ることができず、発振閾値電流値が増大してしまうという問題もある。
【００１３】
一方、従来の凹凸形状を有して形成されたＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を有する半導体レーザ素子においては、この凹凸構造により量子ドットは形成されるものの、この量子ドットの大きさすべてを均一に揃えることができない。したがってこの大きさのばらつきのため光学利得のエネルギー的な広がりを生じてしまい、この場合も発振閾値電流値を低減できないという問題があった。
【００１４】
さらに、窒化物系半導体を用いた発光ダイオードにおいても、前記窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子と同様にＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を用いているため、相分離によって生じるＩｎ組成のゆらぎの影響が特性に現れる。すなわち、この活性層ではＩｎ組成が均一でなく空間的にゆらぎを生じるため、電流注入により活性層に入った電子と正孔はまずＩｎ組成が大きい領域で再結合し、注入電流量を増大するとＩｎ組成の小さい領域へと広がって再結合する。つまり電流を注入するにつれて発光波長のピーク値が大きくブルーシフトするという問題があった。これは発光ダイオードをフルカラーディスプレーの画素として使用する場合、注入電流により色合いが変化してしまうことになる。このような相分離によって生じるＩｎ組成のゆらぎは、ＩｎおよびＧａを含む窒化物系半導体材料の量子井戸構造において特に顕著に見られるため、この量子井戸構造を活性層として用いる半導体発光素子においてこの課題を解決する必要がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、窒化物系半導体レーザ素子における上述の問題を解決して、発振閾値電流値が低く、信頼性が向上された窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
本発明者は窒化物系半導体を用いた半導体レーザ素子における特性の劣化についてその原因を調査した結果、相分離によって生じるＩｎ組成の空間的なゆらぎが局所的な格子歪みを引き起こして欠陥の増殖を促進していることを見い出した。
【００１７】
したがって、Ｉｎ組成のゆらぎを抑えることとで窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値を低減できるとともにその信頼性の向上も達成される。さらに窒化物系半導体発光ダイオードにおいてもＩｎ組成のゆらぎを低減すれば電流注入によるブルーシフト量を低減できる。
【００１８】
さらに本発明者が検討した結果、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造にみられるＩｎ組成の空間的なゆらぎは、相分離によって生じる組成の不均一化と、Ｉｎ原子やＧａ原子の拡散による組成の均一化の、２つの要因が競合して発生していることを見い出した。
【００１９】
したがって、この量子井戸構造における相分離による組成の不均一化の影響を低減するためには、拡散による組成の均一化の効果を増大してやればよい。この拡散の効果を増大するには原子を動きやすくして拡散係数を大きくすることが考えられるが、このためには結晶成長の温度を高める必要がある。ところが、このように成長温度を高めるとＩｎ原子が成長表面から離脱するなどの問題が生じるため、欠陥を大幅に増加させてしまう。
【００２０】
そこで、本発明者はこれとは異なり、Ｉｎ原子やＧａ原子を結晶成長面内で等方的に移動させずに、ある一方向に対して移動を抑制しその反対方向には抑制しないようにすることで、拡散係数が同じでも結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができることを新知見として得た。これは原子の移動をある一方向のみに限定することで、等方的に移動できる場合と比較して、実効的に拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大しているためである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
これらの点を鑑みて、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は以下の発明から構成されるのである。すなわち、本発明に係る窒化物系半導体発光素子は、基板上で、窒化物半導体からなる、クラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟まれており、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を有する、窒化物系半導体発光素子において、前記量子井戸構造活性層が、結晶成長中におけるＩｎ原子およびＧａ原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により形成されていることを特徴とする。
【００２２】
また、前記量子井戸構造活性層が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されることが可能である。
【００２３】
また、前記基板が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板であることが可能である。
【００２４】
また、前記量子井戸構造活性層が、２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持つ窒化物半導体層に接して形成されており、２種類のストライプ状平面のうち一方のみが、基板表面と７０度以上１１０度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差していることが可能である。
【００２５】
また、前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であることが可能である。
【００２６】
本発明に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法は、結晶成長中におけるＩｎ原子およびＧａ原子の表面移動を、量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層を形成する工程を有することを特徴とする。
【００２７】
また、前記量子井戸構造活性層を、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成する工程を有することが可能である。
【００２８】
また、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造の窒化ガリウム基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、を有することが可能である。
【００２９】
また、基板上に、窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層の表面に、２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を、この２種類の平面のうち一方のみが前記基板表面と７０度以上１１０度以下の範囲内の角度でほぼ垂直に交差するように形成する工程と、前記窒化物半導体層に接して、前記量子井戸構造活性層を形成する工程と、を有することが可能である。
【００３０】
また、前記窒化物半導体層の表面の凹凸を形成する２種類のストライプ状平面は、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面とほぼ垂直に交差している平面では１０ｎｍ以上であり、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であるように形成される工程を有することが可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。図１において、１は（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板、２はｎ−ＧａＮ層、３はｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層、４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、５はｎ−ＧａＮガイド層、６は２層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、８はｐ−ＧａＮガイド層、９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層、１０はｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層、１１はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層、１２はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１３はｐ側電極、１４はｎ側電極、１５は電流狭窄のためのＳｉＯ2絶縁膜である。
【００３２】
次に、図１を参照して上記窒化物系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）などの他の気相成長法を用いることもできる。
【００３３】
まず、所定の成長炉内に設置された、（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面として有する厚さ１００μｍのｎ−ＧａＮ基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）、およびシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ層２を成長する。
【００３４】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層３を成長する。
【００３５】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に用いて、厚さ１．０μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層４を成長する。
【００３６】
続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層５を成長する。
【００３７】
本実施形態では基板として、（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用した結果、ｎ−ＧａＮガイド層５はウルツァイト構造でありその表面は、（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面となっている。
【００３８】
その後、再び、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＴＭＩを原料に用いて、ｎ−ＧａＮガイド層５上に、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重の量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２１ｎｍ）６を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層７を成長する。
【００３９】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、およびシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層８を成長させる。
【００４０】
さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．３μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層９を成長する。
【００４１】
次に成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＣｐ2Ｍｇ、およびＴＭＩを原料に用いて、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層１０を成長させる。
【００４２】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3とＣｐ2Ｍｇ、および、ＴＭＡを原料に用いて、厚さ０．８μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層１１を成長する。
【００４３】
続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。
【００４４】
その後、このウェハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００４５】
続いて、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いてｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２の最表面に、２μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層１１をエッチングする。この時、エッチングの深さがｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層１０に達すると、エッチング表面にＩｎ原子が現れるため、このＩｎ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御することが好適である。なおエッチストップ層１０は、Ａｌ原子とＧａ原子以外の原子が検出されてエッチングを停止できればよいので、他のＩｎ組成を有するＩｎＧａＮ３元混晶や、ＩｎＧａＡｌＮ４元混晶でも構わない。
【００４６】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１５を電流阻止層として形成し、このＳｉＯ2絶縁膜１５とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１２の表面にニッケルと金とからなるｐ側電極１３を形成する。
【００４７】
さらに、このウェハーのｎ−ＧａＮ基板１の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを３０μｍとし、ｎ−ＧａＮ基板１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１４を形成して、窒化物系半導体レーザ素子ウェハーを完成する。
【００４８】
その後、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向にへき開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは共振器の長さを５００μｍとした。さらにこの共振器端面に、ＳｉＯ2とＴｉＯ2が交互に各３層ずつ積層されたλ／４誘電体多層反射膜を形成し、共振器端面の反射率を６０％とする。
【００４９】
続いてこのレーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップのｎ側電極１４を接着してステムにマウントし、ワイヤーボンディングによりｐ側電極１３とリード端子とを接続して窒化物系半導体レーザ素子を完成する。
【００５０】
このようにして作製された窒化物系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は４０ｍＡであり、良好なレーザ特性が得られた。また、素子特性の劣化も見られず、信頼性が大幅に改善された。このように低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られるのは、Ｉｎ原子とＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層６を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【００５１】
図２に、本実施形態におけるＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層６の成長中の断面を表わす模式図を示す。本実施形態では基板として、（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用した結果、ｎ−ＧａＮガイド層５もウルツァイト構造でありその表面は（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面となっている。このような（０００１）ｃ面から傾斜した窒化物半導体の表面は、図２に示されるようにｃ面を表面とするテラス部分と、ｃ軸方向の１原子層分の段差を有するステップ部分とからなる周期構造の表面形状を有している。
【００５２】
本実施形態でのｎ−ＧａＮガイド層５の表面は、ステップ状の段差の大きさはｃ軸方向の１原子層分の段差０．５２ｎｍであり、テラス部を構成するｃ面と表面の垂直方向とのなす角度が２８度になっているので、テラス部分の幅は０．９８ｎｍである。このような段差構造を有する表面にＩｎＧａＮ量子井戸構造を結晶成長すると、気相中から表面に付着したＩｎ原子やＧａ原子の表面上での移動は、図２中の矢印Ａの方向には自由に移動できるが、矢印Ｂの方向には１原子層のステップを乗り越える必要があるため移動が抑制される。これは原子の移動を矢印Ａで示される方向のみに限定することになり、そのため等方的に移動できる場合と比較して、実効的に拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができた。これによりＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層６中における空間的なＩｎ組成ゆらぎが大幅に改善されて、低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られた。
【００５３】
なお、本実施形態では、基板として（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用したが、傾斜角度は本実施形態に限らず、１５度以上６０度以下の傾斜角度であれば、本実施形態と同等の特性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られる。
【００５４】
図３に、基板の傾斜角度以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値の、傾斜角度依存性を示す。この図からわかるように、傾斜角度が１５度より小さいと、テラス部を構成するｃ面の幅が広くなるため図２中の矢印Ｂの方向への移動の抑制の効果がなくなり、Ｉｎ組成の空間的ゆらぎが大きくなる。一方、傾斜角度が６０度より大きくなると、テラス部を構成するｃ面の幅が狭くなるため、矢印Ａの方向にも原子の移動が抑制されてしまう。この結果、原子の移動をある一方向のみに限定する効果がなくなり、やはりＩｎ組成の空間的ゆらぎが大きくなる。
【００５５】
また本実施形態では、基板として（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板１を使用した結果として、ｎ−ＧａＮガイド層５もウルツァイト構造でありその表面は（０００１）ｃ面から２８度の傾斜角度を有する面となったが、基板の半導体材料はＧａＮに特に限定されるものではなく、ＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層６が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されるようにすればよい。したがって、ＳｉＣ基板などの、他のウルツァイト構造を有する半導体材料からなる基板であっても構わない。ただし、窒化物半導体発光素子の基板としてしばしば用いられるサファイア基板では、窒化物半導体層との格子定数差を緩和するために、その基板表面に接して低温バッファ層を形成した後に窒化物半導体層を積層しているが、この低温バッファ層を形成するとサファイア基板表面の面方位に係わらず窒化物半導体層のｃ軸が基板表面と垂直に形成されてしまうため、ＩｎＧａＮ量子井戸構造を、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成させることが困難となる。
【００５６】
本実施形態のように、窒化物半導体層のｃ軸と基板のｃ軸とを平行にして、ステップ状の段差とテラス部とを窒化物系半導体層の表面に形成し、その上にＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層を形成するためには、低温バッファ層を形成せずに積層でき、格子定数がよくあっているＧａＮ基板が最も好ましい。
【００５７】
また、基板の結晶構造としてはウルツァイト構造のほかにジンクブレンド構造も考えられるが、窒化物系半導体材料ではウルツァイト構造の方が熱的に安定で、欠陥の少ないものが得られるので、ウルツァイト構造の基板を用いることが好ましい。
【００５８】
ｎ−ＧａＮガイド層５とｐ−ＧａＮガイド層８は、そのエネルギーギャップが、多重の量子井戸構造活性層６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップと、ｎ型クラッド層４やｐ型クラッド層９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、たとえばＩｎＧａＮ３元混晶、ＡｌＧａＮ３元混晶、ＩｎＧａＡｌＮ４元混晶などを用いてもよい。
【００５９】
また、ガイド層全体にわたってドナーまたはアクセプターをドーピングする必要はなく、多重の量子井戸構造活性層６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００６０】
多重の量子井戸構造活性層６を構成する２層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。
【００６１】
また、量子井戸層と障壁層は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよい。さらに量子井戸層と障壁層の層数も本実施形態にこだわらず他の層数を用いてもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【００６２】
さらには、電流阻止層としてはＳｉＯ2絶縁膜１５に限らず、ＳｉＮなどの他の誘電体絶縁膜や、ｎ型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いることもできる。
【００６３】
また、活性領域を形成するためのストライプ構造は本実施形態のようなリッジ構造に限らず、リッジを形成する際にｎ型層までエッチングを行う、いわゆる埋め込み構造や、電流狭窄層を形成した後に電流注入を行う領域のみに電流狭窄層のエッチングを行う、いわゆる内部電流狭窄構造、などの他のストライプ構造でも構わない。
【００６４】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。この図において、２１は（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板、２２はｎ−ＧａＮ層、２３はＩｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸構造活性層、２４はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２５はｐ−ＧａＮ層、２６はｐ側透明電極、２７はｐ側パッド電極、２８はｎ側電極である。
【００６５】
次に、図４を参照して上記窒化物系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）などの他の気相成長法を用いることもできる。
【００６６】
まず、所定の成長炉内に設置された、（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面として有する厚さ１００μｍのｎ−ＧａＮ基板２１上に、ＴＭＧ、ＮＨ3、およびＳｉＨ4を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ層２２を成長する。
【００６７】
本実施形態では基板として、（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板２１を使用した結果、ｎ−ＧａＮ層２２はウルツァイト構造であり、その表面は、（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面となっている。
【００６８】
その後、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＴＭＩを原料に用いて、ｎ−ＧａＮ層２２上に、厚さ３ｎｍのＩｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸構造活性層２３を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層２４を成長する。
【００６９】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、およびＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ層２５を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その後、このウェハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００７０】
続いて、ｐ−ＧａＮ層２５の表面全体にニッケルと金からなるｐ側透明電極２６を形成し、このｐ側透明電極の一部に金からなるｐ側パッド電極２７を形成する。さらに、このウェハーのｎ−ＧａＮ基板２１の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを５０μｍとし、ｎ−ＧａＮ基板２１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極２８を形成して、窒化物系半導体発光ダイオードウェハーを完成する。
【００７１】
その後、この発光ダイオードを、正方形状に個々のチップに分割する。そして、各チップのｎ側電極２８を接着してステムにマウントし、ワイヤーボンディングによりｐ側パッド電極２７とリード端子とを接続して窒化物系半導体発光ダイオードを完成する。
【００７２】
このようにして作製された窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、２０ｍＡの電流注入時に発光波長は４７０ｎｍ、光出力は３ｍＷであり、良好な素子特性が得られた。また、電流注入によるブルーシフト量も低減され、６０ｍＡまでの電流注入によるブルーシフト量は、従来では８ｎｍであったものが２ｎｍになった。このようにブルーシフト量が低減された窒化物系半導体発光ダイオードが得られるのは、Ｉｎ原子とＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層２３を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【００７３】
なお、本実施形態では、基板として（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板２１を使用したが、傾斜角度は本実施形態に限らず、１５度以上６０度以下の傾斜角度であれば、本実施形態と同等の特性を有する窒化物系半導体発光ダイオードが得られる。
【００７４】
また、本実施形態では、基板として（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板２１を使用した結果として、ｎ−ＧａＮ層２２もウルツァイト構造であり、その表面は（０００１）ｃ面から４０度の傾斜角度を有する面となったが、基板の半導体材料はＧａＮに特に限定されるものではなく、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層２３が、（０００１）ｃ面から１５度以上６０度以下の範囲内での傾斜角度を有する表面を持つウルツァイト構造の窒化物半導体層に接して形成されるようにすればよい。したがってＳｉＣ基板などの、他のウルツァイト構造を有する半導体材料からなる基板であっても構わない。
【００７５】
さらに、量子井戸構造活性層２３を構成するＩｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸層は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。
【００７６】
図５に、量子井戸構造活性層２３のＩｎ組成以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体発光ダイオードのブルーシフト量の、発光波長依存性を示す。
【００７７】
なお、比較例として、（０００１）ｃ面を主面とするウルツァイト構造のｎ−ＧａＮ基板を用いた従来の窒化物半導体発光ダイオードにおけるブルーシフト量も合わせて示す。図５からわかるように、Ｉｎ組成を変化させても青色から緑色のすべての波長領域でブルーシフト量の低減の効果は得られており、従来の窒化物半導体発光ダイオードでのブルーシフト量の約３分の１程度に低減している。
【００７８】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。図６において、３１はｃ面を表面として有するサファイア基板、３２はＧａＮバッファ層、３３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、３４はｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層、３５はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、３６はｎ−ＧａＮガイド層、３７は２層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と３層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層とからなる多重の量子井戸構造活性層、３８はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、３９はｐ−ＧａＮガイド層、４０はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層、４１はｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層、４２はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層、４３はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、４４はｐ側電極、４５はｎ側電極、４６は電流狭窄のためのＳｉＯ2絶縁膜である。
【００７９】
本発明において、ＧａＮバッファ層３２はその上に窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることができるものであればＧａＮにこだわらず他の材料、たとえばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００８０】
次に、図６、図７、および、図８を参照して上記窒化物系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）などの他の気相成長法を用いることもできる。
【００８１】
まず、所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板３１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層３２を３５ｎｍ成長させる。
【００８２】
次に、成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、およびＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３３を成長する。次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、およびＴＭＩを原料に用いて、厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層３４を成長する。
【００８３】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、およびＴＭＡを原料に用いて、厚さ１．０μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層３５を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで、厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層３６を成長する。
【００８４】
以上の結晶成長までを終了後、一旦エピタキシャルウェハーを成長炉から取り出し、図７に示されるようなフォトリソマスクを用いたフォトリソグラフィー技術により、図８（ａ）の断面図に示されるようにレジストマスク４７をｎ−ＧａＮガイド層３６の表面に形成する。この時、図７中での矢印Ａの方向に対して周期構造を有するフォトマスクにおけるその周期は１５０ｎｍであり、１周期内でのさらに微細なマスクパターンはフォトリソグラフィー技術の分解能よりも微細であるためにレジストパターンの形成には至らず、マスクからの光の透過率の増大につながるため、図８（ａ）に示されるような断面を有するレジストマスク４７が形成される。
【００８５】
このようにレジストマスク４７は２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この２種類の平面のうち一方のみが基板表面と９０の角度で垂直に交差している。さらにこのウェハー全面を通常のドライエッチング技術によりレジストマスク４７とｎ−ＧａＮガイド層３６とを一括してエッチングを行うと、レジストマスク４７の形状を反映して、図８（ｂ）に示されるような断面を有する周期構造がｎ−ＧａＮガイド層３６の表面に形成される。この表面は２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この２種類の平面のうち一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差している。
【００８６】
本実施形態では、周期構造をなす矢印Ａの方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍである。すなわち、１５０ｎｍの周期で２０ｎｍの段差が形成されている。
【００８７】
その後、再びこのエピタキシャルウェハーを成長炉に設置し、成長温度を７５０℃として、ＴＭＧとＮＨ3とＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ３ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重の量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２１ｎｍ）３７を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層３８を成長する。この時、ＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層３７を形成する際に、図８（ｃ）に示される矢印Ａの方向に移動するＩｎ原子やＧａ原子は段差を乗り越えやすいが、矢印Ｂの方向では基板表面に対して垂直に形成された段差のために移動が抑制されてしまう。これは原子の移動を矢印Ａで示される方向のみに限定することになり、そのため等方的に移動できる場合と比較して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができ、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを低減できた。
【００８８】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、およびＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層３９を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層４０を成長する。
【００８９】
次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＣｐ2Ｍｇ、およびＴＭＩを原料に用いて、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層４１を成長する。
【００９０】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3とＣｐ2Ｍｇ、および、ＴＭＡを原料に用いて、厚さ０．８μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層４２を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その後、このウェハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００９１】
続いて、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて２００μｍ幅のストライプ状に、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３の最表面からｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３３が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。その後、同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いてｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３の最表面に、２μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層４２をエッチングする。この時、エッチングの深さがｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層４１に達すると、エッチング表面にＩｎ原子が現れるため、このＩｎ原子を元素分析により検出した時点でエッチングを停止するようにして、エッチングする深さを正確に制御できた。
【００９２】
続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜４６を電流阻止層として形成する。さらに、このＳｉＯ2絶縁膜４６とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層４３の表面にニッケルと金からなるｐ側電極４４を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極４５を形成して、窒化物系半導体レーザ素子ウェハーを完成する。
【００９３】
その後、このウェハーのサファイア基板３１の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを５０μｍとし、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向にへき開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは、共振器の長さを５００μｍとした。さらにこの共振器端面に、ＳｉＯ2とＴｉＯ2が交互に各３層ずつ積層されたλ／４誘電体多層反射膜を形成し、共振器端面の反射率を６０％とする。
【００９４】
続いてこのレーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをサファイア基板３１を下にしてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化物系半導体レーザ素子を完成する。
【００９５】
このようにして作製された窒化物系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は４０ｍＡであり、良好なレーザ特性が得られた。また素子特性の劣化も見られず、信頼性が大幅に改善された。このように低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られるのは、Ｉｎ原子とＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層３７を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【００９６】
なお、本実施形態では、ｎ−ＧａＮガイド層３６の表面は２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この２種類の平面のうち一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差しているが、この角度は９０度に限らず、７０度以上１１０度以下であれば表面上でのＩｎ原子やＧａ原子の移動をある一方向にのみ移動しやすくする効果が得られる。
【００９７】
また、本実施形態では、周期構造をなす矢印Ａの方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍである。すなわち、１５０ｎｍの周期で２０ｎｍの段差が形成されているが、これらの幅の値は本実施形態に限らず、基板表面と垂直に交差している平面では１０ｎｍ以上、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であれば同様の効果が得られる。
【００９８】
図９に、２種類の平面の幅を変えたこと以外は本実施形態と同様に作製した窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値電流値の、基板表面と垂直に交差している平面の幅に対する依存性を示す。
【００９９】
図９からわかるように、基板表面と垂直に交差している平面の幅が１０ｎｍ以上、かつ、もう一方の平面の幅が２００ｎｍ以下では、Ｉｎ原子とＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しない効果が十分得られるため、低い発振閾値電流値を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られることがわかる。
【０１００】
基板表面と垂直に交差している平面の幅が１０ｎｍ以下ではこの段差を乗り越えて原子が移動できるようになり、また、もう一方の平面の幅が２００ｎｍ以上になると、段差の効果がなくなる。したがってこの時はＩｎ原子とＧａ原子の移動を量子井戸面内で一方向にのみ移動しやすくする効果が得られないため、発振閾値電流値が増大する。
【０１０１】
（第４の実施形態）
図１０は本発明の第４の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。図１０において、５１はｃ面を表面として有するサファイア基板、５２はＧａＮバッファ層、５３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、５４はＩｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸構造活性層、５５はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、５６はｐ−ＧａＮ層、５７はｐ側透明電極、５８はｐ側パッド電極、５９はｎ側電極である。
【０１０２】
次に、図１０を参照して上記窒化物系半導体発光ダイオードの作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、窒化物系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）などの他の気相成長法を用いることもできる。
【０１０３】
まず、所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板５１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層５２を３５ｎｍ成長させる。次に、成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、およびＳｉＨ4を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層５３を成長する。
【０１０４】
以上の結晶成長までを終了後、一旦エピタキシャルウェハーを成長炉から取り出し、第３の実施形態の窒化物系半導体レーザ素子と同様に、２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸をｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層５３の表面に形成する。この２種類の平面のうち一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差している。本実施形態では、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍとなるように形成した。
【０１０５】
その後再びこのエピタキシャルウェハーを成長炉に設置し、成長温度を７５０℃として、ＴＭＧとＮＨ3とＴＭＩを原料に用いて、厚さ３ｎｍのＩｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸構造活性層５４を形成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層５５を成長する。この時、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層５４を形成する際には、第３の実施形態と同様に、原子の移動を一方向のみに限定することになり、そのため等方的に移動できる場合と比較して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大している。この結果、結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができ、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを低減できた。
【０１０６】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、およびＣｐ2Ｍｇを原料に用いて、厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ層５６を成長して、窒化物系エピタキシャルウェハーを完成する。その後、このウェハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【０１０７】
続いて、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて２００μｍ幅のストライプ状に、ｐ−ＧａＮ層５６の最表面からｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層５３が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。その後、ｐ−ＧａＮ層５６の表面全体にニッケルと金からなるｐ側透明電極５７を形成し、このｐ側透明電極の一部に金からなるｐ側パッド電極５８を形成する。さらに、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層５３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極５９を形成して、窒化物系半導体発光ダイオードウェハーを完成する。
【０１０８】
その後、このウェハーのサファイア基板５１の裏面を通常の研磨技術により研磨してウェハーの厚さを５０μｍとし、この発光ダイオードを、正方形状に個々のチップに分割する。そして、各チップをサファイア基板５１を下にしてステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化物系半導体発光ダイオードを完成する。
【０１０９】
このようにして作製された窒化物系半導体発光ダイオードにおいて、２０ｍＡの電流注入時に発光波長は４７０ｎｍ、光出力は３ｍＷであり、第２の実施形態と同様に良好な素子特性が得られた。また、電流注入によるブルーシフト量も低減され、６０ｍＡまでの電流注入によるブルーシフト量は、従来では８ｎｍであったものが２ｎｍになった。
【０１１０】
このようにブルーシフト量が低減された窒化物系半導体発光ダイオードが得られるのは、Ｉｎ原子とＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制し、その反対方向には抑制しないようにした結晶成長によりＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層５４を形成して、Ｉｎ組成の空間的なゆらぎを抑えたことによるものである。
【０１１１】
なお、本実施形態では、ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層５４に接するｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層５３の表面は２種類のストライプ状平面の周期構造からなる凹凸を有する表面を持ち、この２種類の平面のうち一方のみが基板表面と９０度の角度で垂直に交差しているが、この角度は９０度に限らず、７０度以上１１０度以下であれば表面上でのＩｎ原子やＧａ原子の移動をある一方向にのみ移動しやすくする効果が得られる。
【０１１２】
また、本実施形態では、周期構造をなす方向に対する平面の幅が、基板表面と垂直に交差している平面では２０ｎｍ、もう一方の平面では１５０ｎｍである。すなわち、１５０ｎｍの周期で２０ｎｍの段差が形成されているが、これらの幅の値は本実施形態に限らず、基板表面と垂直に交差している平面では１０ｎｍ以上、もう一方の平面では２００ｎｍ以下であれば同様の効果が得られる。
【０１１３】
さらに、量子井戸構造活性層５４を構成するＩｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸層は、必要な発光波長に応じてその組成を設定すればよく、発光波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。このようにＩｎ組成を変化させて青色から緑色の波長領域で本実施形態と同様に窒化物系半導体発光素子を作製しても、ブルーシフト量の低減の効果は得られており、従来の窒化物半導体発光ダイオードでのブルーシフト量の約３分の１程度に低減した。
【０１１４】
なお、今回開示された実施の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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。
【０１１５】
【発明の効果】
上述したように、本発明による窒化物系半導体発光素子では、窒化物半導体からなる、クラッド層もしくはガイド層の少なくともいずれか一方に挟まれ、ＩｎおよびＧａを含む窒化物半導体からなる量子井戸構造活性層が、Ｉｎ原子およびＧａ原子の結晶成長中の表面移動を量子井戸面内で一方向に対して抑制するとともにその反対方向には抑制しないようにした結晶成長により形成されているという独特の構成を採用している。これにより、拡散係数が同じでも結晶成長中における拡散の効果を大幅に増大させることができることを新知見として得た。これは原子の移動をある一方向のみに限定することで、等方的に移動できる場合と比較して、拡散が促進されて組成の均一化の効果が増大しているためと考えられる。
【０１１６】
この結果、量子井戸構造活性層におけるＩｎ組成の空間的なゆらぎが低減されて、低い発振閾値電流値と高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子が得られた。さらに、この量子井戸構造活性層におけるＩｎ組成の空間的なゆらぎの低減により、青色から緑色のすべての波長領域で、電流注入によるブルーシフト量が低減された窒化物系半導体発光ダイオードも得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】  本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子におけるＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層６の成長中の断面を表わす模式図である。
【図３】  本発明の第１の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子における発振閾値電流値の、基板の傾斜角度依存性を示す図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。
【図５】  本発明の第２の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードと比較例としての従来の窒化物系半導体発光ダイオードにおけるブルーシフト量の、発光波長依存性を示す図である。
【図６】  本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図７】  本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子を作製する際に用いたフォトリソグラフィー用のフォトマスクのパターンを示す図である。
【図８】  本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子に用いられるＩｎＧａＮからなる多重の量子井戸構造活性層３７の製造工程を説明する図であって、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも製造工程の断面図である。
【図９】  本発明の第３の実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子における発振閾値電流値の、基板表面と垂直に交差している平面の幅と、もう一方の平面の幅に対する依存性を示すを示すグラフ図である。
【図１０】  本発明の第４の実施形態に係る窒化物系半導体発光ダイオードを示す断面図である。
【図１１】  窒化物系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１，２１  ｎ−ＧａＮ基板、２，２２  ｎ−ＧａＮ層、３，３４  ｎ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層、４，３５  ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、５，３６  ｎ−ＧａＮガイド層、６，３７  量子井戸構造活性層、７，２４，３８，５５  Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、８，３９  ｐ−ＧａＮガイド層、９，４０  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第１クラッド層、１０，４１  ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎエッチストップ層、１１，４２  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型第２クラッド層、１２，４３  ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１３，４４  ｐ側電極、１４，２８，４５，５９  ｎ側電極、１５，４６  ＳｉＯ2絶縁膜、２３，５４  Ｉｎ0.30Ｇａ0.70Ｎ量子井戸構造活性層、２５，５６  ｐ−ＧａＮ層、２６，５７ｐ側透明電極、２７，５８  ｐ側パッド電極、３１，５１  サファイア基板、３２，５２  ＧａＮバッファ層、３３，５３  ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４７  レジストマスク。
【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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