(57)【要約】【課題】ＳＤＨ構造を有するＧａＮ系の半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板が用いられる。そして、そのような基板１０上に、マスク層１７を利用してメサ状突起１１が形成され、さらに結晶成長速度の違いを利用して、メサ状突起１１の両脇に電流ブロック層１５が形成される。【選択図】図２
2012060023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面がＲ面またはＡ面となっている基板の主面に、所定の方向に延在する開口を有するマスク層を形成したのち、第１クラッド層および活性層を含み、かつ所定の複数の結晶面からなるＧａＮ系のメサ状突起を前記基板の主面のうち前記開口内に露出している部分に結晶成長により形成する第１工程と、
前記マスク層を除去し、前記基板の主面のうちメサ状突起の非形成領域にＧａＮ系の電流ブロック層を結晶成長により形成したのち、前記メサ状突起のうち前記活性層を含む部分を覆うようにＧａＮ系の第２クラッド層を結晶成長により形成する第２工程と
を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記基板は、サファイア基板、ＧａＮ系基板、またはＳｉ基板である
請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記開口は、＜１１−２０＞方向に延在している
請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記メサ状突起は、側面に（０００−１）面および（３３−６２）面を有し、上面に（１１−２０）を有する
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記メサ状突起は、側面および上面に[１−１００]面を有する
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記メサ状突起は、側面に（０００−１）面および（０００１）面を有し、上面に（１１−２２）を有する
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
所定の方向に延在する凸部を主面に有する基板の主面に、第１クラッド層、活性層、および電流ブロック層を含むＧａＮ系の半導体層を結晶成長により形成することにより、少なくとも前記第１クラッド層および前記活性層を含み、かつ所定の複数の結晶面からなるメサ状突起を前記凸部の上面に形成するとともに、前記凸部と、前記メサ状突起のうち前記活性層を含まない部分とを埋め込む埋め込み層を形成する第１工程と、
前記メサ状突起のうち前記活性層を含む部分を覆うようにＧａＮ系の第２クラッド層を結晶成長により形成する第２工程と
を含む半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
主面がＲ面またはＡ面となっている基板の主面に接してＧａＮ系半導体層を備え、
前記ＧａＮ系半導体層は、
第１クラッド層および活性層を前記主面側から順に含むメサ状突起と、
前記メサ状突起の両脇に形成された電流ブロック層と、
前記メサ状突起のうち前記活性層を含む部分を覆うように形成された第２クラッド層と
を備えた半導体発光素子。
【請求項９】
所定の方向に延在する凸部を主面に有する基板の主面に接してＧａＮ系半導体層を備え、
前記ＧａＮ系半導体層は、
第１クラッド層および活性層を前記主面側から順に含み、かつ前記凸部の上面に接して形成されたメサ状突起と、
前記メサ状突起の両脇に形成された電流ブロック層と、
前記メサ状突起のうち前記活性層を含む部分を覆うように形成された第２クラッド層と
を備えた半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＤＨ（Separated Double Hetero Junction）構造を有するＧａＮ系の半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子の閾値電流の低減を図る手段の１つとして、ＳＤＨ構造が知られている。ＡｌＧａＡｓ系の材料では、選択成長と選択エッチングが容易であることから、ＳＤＨ構造の作成が極めて容易である（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３０１１９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＧａＮ系の材料では、後述するようにＳＤＨ構造の作成が非常に困難である。例えば、ＧａＮ系の材料を結晶成長により積層したのち、ドライエッチングなどで選択的にエッチングすることにより、ＳＤＨ構造を作成することが考えられる。しかし、そのようにした場合には、結晶性の悪化から欠陥が起こり、ＳＤＨ構造を実現することができない。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＳＤＨ構造を有するＧａＮ系の半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の半導体発光素子の製造方法は、以下の２つの工程を含むものである。
（Ａ１）主面がＲ面またはＡ面となっている基板の主面に、所定の方向に延在する開口を有するマスク層を形成したのち、第１クラッド層および活性層を含み、かつ所定の複数の結晶面からなるＧａＮ系のメサ状突起を基板の主面のうち開口内に露出している部分に結晶成長により形成する第１工程
（Ａ２）マスク層を除去し、基板の主面のうちメサ状突起の非形成領域にＧａＮ系の電流ブロック層を結晶成長により形成したのち、メサ状突起のうち活性層を含む部分を覆うようにＧａＮ系の第２クラッド層を結晶成長により形成する第２工程
【０００７】
本発明の第１の半導体発光素子の製造方法では、主面がＲ面またはＡ面となっている基板の主面上に、マスク層を利用してメサ状突起が形成され、さらに結晶成長速度の違いを利用して、メサ状突起の両脇に電流ブロック層が形成される。このように、本発明では、サファイア基板のＣ面や、ＧａＮ基板のＡ面などの、一般的な面方位ではなく、特異な面方位で結晶成長が行われる。
【０００８】
本発明の第２の半導体発光素子の製造方法は、以下の２つの工程を含むものである。
（Ｂ１）所定の方向に延在する凸部を主面に有する基板の主面に、第１クラッド層、活性層、および電流ブロック層を含むＧａＮ系の半導体層を結晶成長により形成することにより、少なくとも第１クラッド層および活性層を含み、かつ所定の複数の結晶面からなるメサ状突起を凸部の上面に形成するとともに、凸部と、メサ状突起のうち活性層を含まない部分とを埋め込む埋め込み層を形成する第１工程
（Ｂ２）メサ状突起のうち活性層を含む部分を覆うようにＧａＮ系の第２クラッド層を結晶成長により形成する第２工程
【０００９】
本発明の第２の半導体発光素子の製造方法では、結晶成長速度の違いを利用して、主面に凹凸（凸部）を有する基板の凸部の上面にメサ状突起が形成され、さらに、メサ状突起の両脇に電流ブロック層が形成される。このように、本発明では、凹凸を有する基板（構造基板）で結晶成長が行われる。
【００１０】
本発明の第１の半導体発光素子は、主面がＲ面またはＡ面となっている基板の主面に接してＧａＮ系半導体層を備えたものである。ここで、ＧａＮ系半導体層は、第１クラッド層および活性層を主面側から順に含むメサ状突起と、メサ状突起の両脇に形成された電流ブロック層と、メサ状突起のうち活性層を含む部分を覆うように形成された第２クラッド層とを有している。
【００１１】
本発明の第１の半導体発光素子では、主面がＲ面またはＡ面となっている基板の主面上にメサ状突起が形成されており、さらにメサ状突起の両脇に電流ブロック層が形成される。このように、本発明では、サファイア基板のＣ面や、ＧａＮ基板のＡ面などの、一般的な面方位ではなく、特異な面方位で結晶成長が行われる。
【００１２】
本発明の第２の半導体発光素子は、所定の方向に延在する凸部を主面に有する基板の主面に接してＧａＮ系半導体層を備えたものである。ここで、ＧａＮ系半導体層は、第１クラッド層および活性層を主面側から順に含み、かつ凸部の上面に接して形成されたメサ状突起と、メサ状突起の両脇に形成された電流ブロック層と、メサ状突起のうち活性層を含む部分を覆うように形成された第２クラッド層とを有している。
【００１３】
本発明の第２の半導体発光素子では、結晶成長速度の違いを利用して、主面に凹凸（凸部）を有する基板の凸部の上面にメサ状突起が形成され、さらに、メサ状突起の両脇に電流ブロック層が形成される。このように、本発明では、凹凸を有する基板（構造基板）で結晶成長が行われる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の半導体発光素子およびその製造方法によれば、サファイア基板のＣ面や、ＧａＮ基板のＡ面などの、一般的な面方位ではなく、特異な面方位で結晶成長を行うようにしたので、結晶性が悪化したり、欠陥が起こったりすることがない。従って、ＧａＮ系のＢＨ／ＳＤＨ構造を有する発光素子を実現することができる。
【００１５】
本発明の第２の半導体発光素子およびその製造方法によれば、凹凸を有する基板（構造基板）で結晶成長を行うようにしたので、結晶性が悪化したり、欠陥が起こったりすることがない。従って、ＧａＮ系のＢＨ／ＳＤＨ構造を有する発光素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図２】図１の半導体発光素子の製造過程の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図４】図３の半導体発光素子の製造過程の一例を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図６】図５の半導体発光素子の製造過程の一例を示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子の断面図である。
【図８】図７の半導体発光素子の製造過程の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（図１、図２）
（１１−２０）面を有するＳＤＨ構造が平坦な基板上に形成されている例
２．第２の実施の形態（図３、図４）
（１−１００）面を有するＳＤＨ構造が平坦な基板上に形成されている例
３．第３の実施の形態（図５、図６）
（１１−２２）面を有するＳＤＨ構造が平坦な基板上に形成されている例
４．第４の実施の形態（図７、図８）
（１１−２０）面を有するＳＤＨ構造が構造基板上に形成されている例
【００１８】
＜第１の実施の形態＞
［半導体発光素子１の構造］
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子１の断面構成の一例を表したものである。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のメサ状突起１１（後述）の断面構成を拡大して表したものである。なお、図１（Ａ），（Ｂ）は、模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
【００１９】
半導体発光素子１は、平坦な基板１０上に、ＢＨ（Ｂuried Ｈetero）／ＳＤＨ構造を含むＧａＮ系半導体層を備えたものである。ここで、ＢＨ／ＳＤＨ構造とは、積層方向だけでなく、横方向（図１（Ａ）の紙面の左右方向）にもＤＨ（Double Hetero）構造を設け、かつ、電流狭窄のための電流ブロック層を設けたものを指している。また、ＧａＮ系とは、ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を指している。
【００２０】
ここで、「ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体」とは、短周期型周期率表における３Ｂ族元素群のうちの少なくとも１種と、短周期型周期率表における５Ｂ族元素のうちの少なくともＮとを含むものを指している。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＧａとＮとを含んだ窒化ガリウム系化合物が挙げられる。窒化ガリウム系化合物には、例えば、ＧａＮ、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜０．５）、Ａｌx2Ｉｎx3Ｇａ1-x2-x3Ｎ（０＜ｘ２＜０．５、０＜ｘ３＜０．２）、Ｉｎx4Ｇａ1-x4Ｎ（０＜ｘ４＜０．５）などが含まれる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＳｅなどのＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣなどのＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされている。
【００２１】
基板１０は、例えば、六方晶系の基板、ＧａＮ基板、または、Ｓｉ基板である。ここで、六方晶系の基板としては、例えば、サファイア、ＳｉＣなどが挙げられる。基板１０の主面は、基板１０が六方晶系の基板である場合には例えば（１−１０２）面（Ｒ面）であり、基板１０がＧａＮ基板である場合には例えば（１１−２０）面（Ａ面）である。また、基板１０の主面は、基板１０がＳｉ基板である場合には例えば（１１１）面である。
【００２２】
半導体発光素子１は、基板１０上に、ストライプ状のメサ状突起１１を備えている。メサ状突起１１は、メサ状突起１１の両脇の部分と共に光導波路を構成しており、横方向の屈折率差を利用して横方向の光閉じ込めを行うと共に、半導体発光素子１へ注入される電流を狭窄するものである。後述するように、メサ状突起１１内に活性層１３が設けられていることから、活性層１３全体が電流注入領域に対応しており、活性層１３全体が発光領域となる。
【００２３】
メサ状突起１１は、基板１０の上面（主面）に接して形成されており、例えば、基板１０の＜１１−２０＞方向（図１（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の形状となっている。メサ状突起１１は、例えば、図１（Ｂ）に示したように、側面に、（０００−１）面、（３３−６２）面を有し、上面に、（１１−２０）面を有している。メサ状突起１１の断面は、例えば、上記の３つの結晶面と、基板１０の上面とで囲まれた台形形状となっている。
【００２４】
メサ状突起１１は、例えば、下部クラッド層１２および活性層１３を基板１０側から順に含んでいる。例えば、図１（Ａ）に示したように、活性層１３がメサ状突起１１の上面に位置していてもよいし、図示しないが、メサ状突起１１の内部に位置していてもよい。なお、活性層１３がメサ状突起１１の内部に位置している場合には、後述の上部クラッド層１６と同一の導電型のＧａＮ系半導体層（例えば、後述の埋め込み層１４の材料と同一材料からなる層）が活性層１３の上面に接して形成されていることが好ましい。
【００２５】
半導体発光素子１は、さらに、メサ状突起１１の周囲に、埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６を備えている。メサ状突起１１は、埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６によって埋め込まれている。埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６は、基板１０側からこの順に積層されている。埋め込み層１４および電流ブロック層１５は、基板１０の上面（主面）のうちメサ状突起１１の非形成領域に形成されている。上部クラッド層１６は、少なくとも、メサ状突起１１の上面と、電流ブロック層１５の上面とに接して形成されており、例えば、メサ状突起１１の上部（活性層１３を含む部分）を覆っている。つまり、活性層１３は、積層方向において、下部クラッド層１２と、上部クラッド層１６（または、上部クラッド層１６と同一の導電型のＧａＮ系半導体層）とによって挟まれており、横方向において、上部クラッド層１６によって挟まれている。
【００２６】
ここで、下部クラッド層１２は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮによって構成されている。下部クラッド層１２の屈折率は、活性層１３の屈折率よりも小さく、下部クラッド層１２の禁制帯幅は、活性層１３の禁制帯幅よりも小さくなっている。活性層１３は、例えば、組成比の互いに異なるＧａＩｎＮによりそれぞれ形成された井戸層およびバリア層を交互に積層してなる多重量子井戸構造となっている。上部クラッド層１６は、例えば、ｐ型のＡｌＧａＮによって構成されている。上部クラッド層１６の屈折率は、活性層１３の屈折率よりも小さく、上部クラッド層１６の禁制帯幅は、活性層１３の禁制帯幅よりも小さくなっている。
【００２７】
また、埋め込み層１４は、例えば、ｐ型のＡｌＧａＮによって構成されている。埋め込み層１４の屈折率は、活性層１３の屈折率よりも小さく、埋め込み層１４の禁制帯幅は、活性層１３の禁制帯幅よりも小さくなっている。電流ブロック層１５は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＮによって構成されている。電流ブロック層１５の屈折率は、活性層１３の屈折率よりも小さく、電流ブロック層１５の禁制帯幅は、活性層１３の禁制帯幅よりも小さくなっている。
【００２８】
なお、各半導体層の導電型は、上で例示した導電型に限られるものではなく、上で例示した導電型が全て、反対となっていてもよい。例えば、下部クラッド層１２および電流ブロック層１５がｐ型となっており、埋め込み層１４および上部クラッド層１６がｎ型となっていてもよい。
【００２９】
上部クラッド層１６の上面（上部クラッド層１６の上面にコンタクト層が存在する場合にはコンタクト層の上面）には、上部電極（図示せず）が設けられている。この上部電極は、例えばＴｉ、Ｐｔ、Ａｕをこの順に積層して構成されており、上部クラッド層１６と電気的に接続されている。一方、基板１０の裏面には、下部電極（図示せず）が設けられている。この下部電極は、例えばＡｕとＧｅとの合金，ＮｉおよびＡｕを基板１０側から順に積層して構成されており、基板１０と電気的に接続されている。なお、基板１０が高抵抗基板である場合には、例えば、基板１０と、下部クラッド層１２および埋め込み層１４との間に、下部クラッド層１２と同一導電型のバッファ層などを設けておき、このバッファ層などに接するように下部電極が設けられている。
【００３０】
［半導体発光素子１の製造方法］
本実施の形態の半導体発光素子１は、例えば次のようにして製造することができる。
【００３１】
図２（Ａ）〜（Ｄ）は、製造過程における素子の断面構成の一例を表したものである。まず、基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板を用意する。次に、基板１０の主面に、例えば、基板１０の＜１１−２０＞方向（図１（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の開口１７Ａを有するマスク層１７を形成する（図２（Ａ））。マスク層１７は、例えば、ＳｉＯ2，ＳｉＮ，ＴｉＯ2などの絶縁材料によって構成されている。
【００３２】
次に、例えば、ＧａＮ系材料の選択成長を行うことにより、基板１０の主面のうち開口１７Ａ内に露出している部分の上に、下部クラッド層１２および活性層１３を順次形成する（図２（Ｂ））。これにより、側面に、（０００−１）面、（３３−６２）面を有し、上面に、（１１−２０）面を有する断面台形形状の突起が形成される。
【００３３】
上記の選択成長には、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法などのエピタキシャル結晶成長法を用いる。また、上記の選択成長の際に用いられるＧａＮ系材料の原料としては、例えば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＮＨ3（アンモニア）などを用いる。ｐ型ドーパントとして、例えば、ＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）を用い、ｎ型ドーパントとして、例えば、Ｈ2Ｓｅ（セレン化水素）を用いる。下部クラッド層１２の選択成長に際して、成長速度を例えば０．５〜８μｍ/ｈ、ＩＩＩ族元素の原料(例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩｎなど)の流量を例えば１０〜９０ｓｃｃｍ、窒素原料(例えば、ＮＨ3)の流量を例えば５〜３９ｓｌｍ、成長温度を例えば８００〜９５０℃、成長原料のＶ／ＩＩＩ比を例えば１０００〜１５０００、成長圧力を例えば０．０１〜１気圧とした。活性層１３の選択成長に際しては、成長速度を例えば０．５〜８μｍ/ｈ、ＩＩＩ族元素の原料(例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩｎなど)の流量を例えば１０〜９０ｓｃｃｍ、窒素原料(例えば、ＮＨ3)の流量を例えば５〜３０ｓｌｍ、成長温度を例えば６００〜８００℃、成長原料のＶ／ＩＩＩ比を例えば１０００〜１５０００、成長圧力を例えば０．０１〜２気圧とした。
【００３４】
次に、マスク層１７を除去したのち（図２（Ｃ））、埋め込み層１４および電流ブロック層１５を順次形成する（図２（Ｄ））。このとき、突起の側面である（０００−１）面および（３３−６２）面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じにくく、その一方で、基板１０の主面および活性層１３の上面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じ易い。従って、埋め込み層１４および電流ブロック層１５は、台形形状の突起の側面にはほとんど成長せず、基板１０の主面のうち下部クラッド層１２の非形成領域と、活性層１３の上面とにのみ選択的に互いに分断して形成される（図２（Ｄ））。埋め込み層１４および電流ブロック層１５の選択成長に際して、平坦表面を得るために、成長速度を例えば０．５〜８μｍ/ｈ、ＩＩＩ族元素の原料(例えば、ＴＭＧ、ＴＭＩｎなど)の流量を例えば１０〜９０ｓｃｃｍ、窒素原料(例えば、ＮＨ3)の流量を例えば５〜３９ｓｍｌ、成長温度を例えば９５０〜１２５０℃、成長原料のＶ／ＩＩＩ比を例えば１０００〜１５０００、成長圧力を例えば０．０１〜１気圧とした。
【００３５】
次に、電流ブロック層１５の表面と、メサ状突起１１の上面とに、上部クラッド層１６を形成する（図１（Ａ））。このようにして、メサ状突起１１が埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６によって埋め込まれる。その後、図示しないが、必要に応じて、上部電極および下部電極を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子１が製造される。
【００３６】
［半導体発光素子１の作用・効果］
次に、本実施の形態の半導体発光素子１の作用および効果について説明する。
【００３７】
本実施の形態の半導体発光素子１では、上部電極および下部電極に所定の電流が供給されると、電流ブロック層１５により電流狭窄された電流がメサ状突起１１内の活性層１３に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。その結果、活性層１３での発光光が外部に射出される。
【００３８】
ところで、本実施の形態では、基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板が用いられる。そして、そのような基板１０上に、マスク層１７を利用してメサ状突起１１が形成され、さらに結晶成長速度の違いを利用して、メサ状突起１１の両脇に電流ブロック層１５が形成される。このように、本実施の形態では、サファイア基板のＣ面や、ＧａＮ基板のＡ面などの、一般的な面方位ではなく、特異な面方位を主面に有する基板１０で結晶成長が行われる。これにより、結晶性が悪化したり、欠陥が起こったりすることがないので、ＧａＮ系のＢＨ／ＳＤＨ構造を有する発光素子を実現することができる。
【００３９】
＜第２の実施の形態＞
［半導体発光素子２の構造］
図３（Ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子２の断面構成の一例を表したものである。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のメサ状突起２１（後述）の断面構成を拡大して表したものである。なお、図３（Ａ），（Ｂ）は、模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
【００４０】
半導体発光素子２は、半導体発光素子１と同様、平坦な基板１０上に、ＢＨ／ＳＤＨ構造を含むＧａＮ系半導体層を備えており、その点で半導体発光素子１の構成と共通している。しかし、半導体発光素子２は、基板１０上のストライプ状のメサ状突起２１の断面形状がメサ状突起１１の断面形状とは異なっている点で半導体発光素子１の構成と相違している。以下では、半導体発光素子１の構成と相違する点について主に説明し、半導体発光素子１と同一の構成についての説明を適宜省略するものとする。
【００４１】
メサ状突起２１は、メサ状突起２１の両脇の部分と共に光導波路を構成しており、横方向の屈折率差を利用して横方向の光閉じ込めを行うと共に、半導体発光素子２へ注入される電流を狭窄するものである。後述するように、メサ状突起２１内に活性層１３が設けられていることから、活性層１３全体が電流注入領域に対応しており、活性層１３全体が発光領域となる。
【００４２】
メサ状突起２１は、基板１０の上面（主面）に接して形成されており、例えば、基板１０の＜１１−２０＞方向（図３（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の形状となっている。メサ状突起２１は、例えば、図３（Ｂ）に示したように、側面および上面に、[１−１００]面を有している。メサ状突起２１の断面は、例えば、上記の結晶面で囲まれた５角形形状となっている。メサ状突起２１は、例えば、下部クラッド層１２および活性層１３を基板１０側から順に含んでいる。例えば、図３（Ａ）に示したように、活性層１３がメサ状突起２１の上面（一対の傾斜面）に位置している。
【００４３】
［半導体発光素子２の製造方法］
本実施の形態の半導体発光素子２は、例えば次のようにして製造することができる。
【００４４】
図４（Ａ）〜（Ｄ）は、製造過程における素子の断面構成の一例を表したものである。まず、基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板を用意する。次に、基板１０の主面に、例えば、基板１０の＜１１−２０＞方向（図４（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の開口１７Ａを有するマスク層１７を形成する（図４（Ａ））。
【００４５】
次に、例えば、ＧａＮ系材料の選択成長を行うことにより、基板１０の主面のうち開口１７Ａ内に露出している部分の上に、下部クラッド層１２および活性層１３を順次形成する（図４（Ｂ））。これにより、側面および上面に[１−１００]面を有する断面５角形状の突起が形成される。上記の選択成長には、例えば、上記第１の実施の形態の半導体発光素子１の製造のときよりも低温の条件で、ＭＯＣＶＤ法などを用いる。
【００４６】
次に、マスク層１７を除去したのち（図４（Ｃ））、埋め込み層１４および電流ブロック層１５を順次形成する（図４（Ｄ））。このとき、５角形状の突起の側面および上面である[１−１００]面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じにくく、その一方で、基板１０の主面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じ易い。従って、埋め込み層１４および電流ブロック層１５は、台形形状の突起の側面および上面にはほとんど成長せず、基板１０の主面のうち下部クラッド層１２の非形成領域にのみ選択的に互いに分断して形成される（図４（Ｄ））。なお、埋め込み層１４および電流ブロック層１５の成長の条件は、上記第１の実施の形態の半導体発光素子１の製造のときとほぼ同一の条件である。
【００４７】
次に、電流ブロック層１５の表面と、メサ状突起２１の上面とに、上部クラッド層１６を形成する（図３（Ａ））。このようにして、メサ状突起２１が埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６によって埋め込まれる。その後、図示しないが、必要に応じて、上部電極および下部電極を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子２が製造される。
【００４８】
［半導体発光素子２の作用・効果］
次に、本実施の形態の半導体発光素子２の作用および効果について説明する。
【００４９】
本実施の形態の半導体発光素子２では、上部電極および下部電極に所定の電流が供給されると、電流ブロック層１５により電流狭窄された電流がメサ状突起２１内の活性層１３に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。その結果、活性層１３での発光光が外部に射出される。
【００５０】
ところで、本実施の形態では、基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板が用いられる。そして、そのような基板１０上に、マスク層１７を利用してメサ状突起２１が形成され、さらに結晶成長速度の違いを利用して、メサ状突起２１の両脇に電流ブロック層１５が形成される。このように、本実施の形態では、サファイア基板のＣ面や、ＧａＮ基板のＡ面などの、一般的な面方位ではなく、特異な面方位を主面に有する基板１０で結晶成長が行われる。これにより、結晶性が悪化したり、欠陥が起こったりすることがないので、ＧａＮ系のＢＨ／ＳＤＨ構造を有する発光素子を実現することができる。
【００５１】
＜第３の実施の形態＞
［半導体発光素子３の構造］
図５（Ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子３の断面構成の一例を表したものである。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のメサ状突起３１（後述）の断面構成を拡大して表したものである。なお、図５（Ａ），（Ｂ）は、模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
【００５２】
半導体発光素子３は、半導体発光素子１と同様、平坦な基板１０上に、ＢＨ／ＳＤＨ構造を含むＧａＮ系半導体層を備えており、その点で半導体発光素子１の構成と共通している。しかし、半導体発光素子３は、基板１０上のストライプ状のメサ状突起３１の断面形状がメサ状突起１１の断面形状とは異なっている点で半導体発光素子１の構成と相違している。以下では、半導体発光素子１の構成と相違する点について主に説明し、半導体発光素子１と同一の構成についての説明を適宜省略するものとする。
【００５３】
メサ状突起３１は、メサ状突起３１の両脇の部分と共に光導波路を構成しており、横方向の屈折率差を利用して横方向の光閉じ込めを行うと共に、半導体発光素子３へ注入される電流を狭窄するものである。後述するように、メサ状突起３１内に活性層１３が設けられていることから、活性層１３全体が電流注入領域に対応しており、活性層１３全体が発光領域となる。
【００５４】
メサ状突起３１は、基板１０の上面（主面）に接して形成されており、例えば、基板１０の＜１１−２０＞方向（図５（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の形状となっている。メサ状突起３１は、例えば、図５（Ｂ）に示したように、側面に、（０００−１）面、（０００１）面を有し、上面に、（１１−２２）面を有している。メサ状突起３１の断面は、例えば、上記の３つの結晶面と、基板１０の上面とで囲まれた、上の辺が斜めになっている４角形形状となっている。メサ状突起３１は、例えば、下部クラッド層１２および活性層１３を基板１０側から順に含んでいる。例えば、図５（Ａ）に示したように、活性層１３がメサ状突起３１の上面（一対の傾斜面）に位置している。
【００５５】
［半導体発光素子３の製造方法］
本実施の形態の半導体発光素子３は、例えば次のようにして製造することができる。
【００５６】
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、製造過程における素子の断面構成の一例を表したものである。まず、基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板を用意する。次に、基板１０の主面に、例えば、基板１０の＜１１−２０＞方向（図６（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の開口１７Ａを有するマスク層１７を形成する（図６（Ａ））。
【００５７】
次に、例えば、ＧａＮ系材料の選択成長を行うことにより、基板１０の主面のうち開口１７Ａ内に露出している部分の上に、下部クラッド層１２および活性層１３を順次形成する（図６（Ｂ））。これにより、側面に、（０００−１）面、（０００１）面を有し、上面に、（１１−２２）面を有する断面４角形状の突起が形成される。上記の選択成長には、例えば、上記第１の実施の形態の半導体発光素子１の製造のときよりも低温の条件で、ＭＯＣＶＤ法などを用いる。
【００５８】
次に、マスク層１７を除去したのち（図６（Ｃ））、埋め込み層１４および電流ブロック層１５を順次形成する（図６（Ｄ））。このとき、４角形状の突起の側面および上面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じにくく、その一方で、基板１０の主面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じ易い。従って、埋め込み層１４および電流ブロック層１５は、４角形形状の突起の側面および上面にはほとんど成長せず、基板１０の主面のうち下部クラッド層１２の非形成領域にのみ選択的に互いに分断して形成される（図６（Ｄ））。なお、埋め込み層１４および電流ブロック層１５の成長の条件は、上記第１の実施の形態の半導体発光素子１の製造のときとほぼ同一の条件である。
【００５９】
次に、電流ブロック層１５の表面と、メサ状突起３１の上面とに、上部クラッド層１６を形成する（図５（Ａ））。このようにして、メサ状突起３１が埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６によって埋め込まれる。その後、図示しないが、必要に応じて、上部電極および下部電極を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子３が製造される。
【００６０】
［半導体発光素子３の作用・効果］
次に、本実施の形態の半導体発光素子３の作用および効果について説明する。
【００６１】
本実施の形態の半導体発光素子３では、上部電極および下部電極に所定の電流が供給されると、電流ブロック層１５により電流狭窄された電流がメサ状突起３１内の活性層１３に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。その結果、活性層１３での発光光が外部に射出される。
【００６２】
ところで、本実施の形態では、基板１０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板が用いられる。そして、そのような基板１０上に、マスク層１７を利用してメサ状突起３１が形成され、さらに結晶成長速度の違いを利用して、メサ状突起３１の両脇に電流ブロック層１５が形成される。このように、本実施の形態では、サファイア基板のＣ面や、ＧａＮ基板のＡ面などの、一般的な面方位ではなく、特異な面方位を主面に有する基板１０で結晶成長が行われる。これにより、結晶性が悪化したり、欠陥が起こったりすることがないので、ＧａＮ系のＢＨ／ＳＤＨ構造を有する発光素子を実現することができる。
【００６３】
＜第４の実施の形態＞
［半導体発光素子４の構造］
図７（Ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光素子４の断面構成の一例を表したものである。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のメサ状突起４１（後述）の断面構成を拡大して表したものである。なお、図７（Ａ），（Ｂ）は、模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。
【００６４】
半導体発光素子４は、半導体発光素子１とは異なり、上面（主面）に凹凸を有する基板１０上に、ＢＨ／ＳＤＨ構造を含むＧａＮ系半導体層を備えたものであり、その点で半導体発光素子１の構成と相違している。以下では、半導体発光素子１の構成と相違する点について主に説明し、半導体発光素子１と同一の構成についての説明を適宜省略するものとする。
【００６５】
基板１０は、例えば、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）もしくは（０００１）面（Ｃ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）もしくは（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板である。つまり、基板１０は、特異な面方位の基板であってもよいし、一般的な面方位の基板であってもよい。
【００６６】
半導体発光素子４は、基板４０の凸部４０Ａの上面にメサ状突起４１を備えている。メサ状突起４１は、メサ状突起４１の両脇の部分と共に光導波路を構成しており、横方向の屈折率差を利用して横方向の光閉じ込めを行うと共に、半導体発光素子４へ注入される電流を狭窄するものである。後述するように、メサ状突起４１内に活性層１３が設けられていることから、活性層１３全体が電流注入領域に対応しており、活性層１３全体が発光領域となる。凸部４０Ａは、例えば、基板４０の＜１１−２０＞方向（図７（Ａ）の紙面に垂直な方向）に延在する帯状の形状となっている。
【００６７】
メサ状突起４１は、凸部４０Ａの上面に接して形成されており、例えば、基板４０の＜１１−２０＞方向に延在する帯状の形状となっている。メサ状突起４１は、例えば、図７（Ｂ）に示したように、側面に、（０００−１）面、（３３−６２）面を有し、上面に、（１１−２０）面を有している。メサ状突起４１の断面は、例えば、上記の３つの結晶面と、基板４０の上面とで囲まれた４角形形状となっている。メサ状突起４１は、例えば、下部クラッド層１２および活性層１３を基板４０側から順に含んでいる。例えば、図７（Ａ）に示したように、活性層１３がメサ状突起４１の上面に位置している。
【００６８】
［半導体発光素子４の製造方法］
本実施の形態の半導体発光素子４は、例えば次のようにして製造することができる。
【００６９】
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、製造過程における素子の断面構成の一例を表したものである。まず、基板４０として、主面が（１−１０２）面（Ｒ面）もしくは（０００１）面（Ｃ面）となっているサファイア基板、主面が（１１−２０）面（Ａ面）もしくは（１１−２０）面（Ａ面）となっているＧａＮ基板、または主面が（１１１）面となっているＳｉ基板を用意する。このとき、基板４０の上面（主面）には、所定の方向に延在する凸部４０Ａが形成されている。ここで、凸部４０Ａの延在方向は、基板４０の主面がＣ面となっている場合にはＡ軸方向に延在しており、基板４０の主面がＡ面となっている場合にはＣ軸方向に延在している。
【００７０】
次に、例えば、ＧａＮ系材料の選択成長を行うことにより、基板４０の凸部４０Ａの上面と、基板４０の上面のうち凸部４０Ａ以外の部分の上に、下部クラッド層１２および活性層１３を順次形成する（図８（Ｂ））。これにより、基板４０の凸部４０Ａの上面に、側面に、（０００−１）面、（３３−６２）面を有し、上面に、（１１−２０）面を有する断面４角形状の突起が形成される。上記の選択成長には、例えば、上記第１の実施の形態の半導体発光素子１の製造のときと同等の条件で、ＭＯＣＶＤ法などを用いる。
【００７１】
このとき、凸部４０Ａの側面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じにくく、その一方で、基板４０の主面（凸部４０Ａの上面、凸部４０Ａの裾野）では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じ易い。従って、下部クラッド層１２および活性層１３は、凸部４０Ａの側面にはほとんど成長せず、基板４０の主面にのみ選択的に互いに分断して形成される（図８（Ｂ））。
【００７２】
続けて、埋め込み層１４および電流ブロック層１５を順次形成する（図８（Ｃ））。このときも、４角形状の突起の側面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じにくく、その一方で、活性層１３の上面では、ＭＯＣＶＤによるエピタキシャル成長が生じ易い。従って、埋め込み層１４および電流ブロック層１５は、４角形形状の突起の側面にはほとんど成長せず、活性層１３の上面にのみ選択的に互いに分断して形成される（図８（Ｃ））。なお、埋め込み層１４および電流ブロック層１５の成長の条件は、上記第１の実施の形態の半導体発光素子１の製造のときとほぼ同一の条件である。
【００７３】
次に、電流ブロック層１５の表面と、メサ状突起４１の上面とに、上部クラッド層１６を形成する（図７（Ａ））。このようにして、メサ状突起４１が埋め込み層１４、電流ブロック層１５および上部クラッド層１６によって埋め込まれる。その後、図示しないが、必要に応じて、上部電極および下部電極を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体発光素子４が製造される。
【００７４】
［半導体発光素子４の作用・効果］
次に、本実施の形態の半導体発光素子４の作用および効果について説明する。
【００７５】
本実施の形態の半導体発光素子４では、上部電極および下部電極に所定の電流が供給されると、電流ブロック層１５により電流狭窄された電流がメサ状突起４１内の活性層１３に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。その結果、活性層１３での発光光が外部に射出される。
【００７６】
ところで、本実施の形態では、結晶成長速度の違いを利用して、上面（主面）に凹凸（凸部４０Ａ）を有する基板４０の凸部４０Ａの上面にメサ状突起４１が形成され、さらに、メサ状突起４１の両脇に電流ブロック層１５が形成される。このように、本実施の形態では、凹凸を有する基板４０で結晶成長が行われる。これにより、結晶性が悪化したり、欠陥が起こったりすることがないので、ＧａＮ系のＢＨ／ＳＤＨ構造を有する発光素子を実現することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１，２，３，４…半導体発光素子、１０，４０…基板、１１，２１，３１，４１…メサ状突起、１２…下部クラッド層、１３…活性層、１４…埋め込み層、１５…電流ブロック層、１６…上部クラッド層、１７…マスク層、１７Ａ…開口、４０Ａ…凸部。
【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】
2012060023.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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