(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（０００１）面方位を有するウエハ状の窒化物半導体の基板または下地の上に、少なくとも、窒化物半導体に含まれるＩＩＩ族元素に対するＡｌの組成比ｘ（０．５≧ｘ≧０．０１）を有する窒化物半導体層をＭＯＣＶＤでエピタキシャル結晶成長させる工程と、
前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層の表面から第１の深さを有する複数の凹部からなる複数の凹凸部を形成する工程と、
前記複数の凹凸部を被覆するようにＡｌ組成比ｙ（０．３≧ｙ≧０）を有する窒化物半導体層をＭＯＣＶＤでエピタキシャル結晶成長させる工程と、
前記Ａｌ組成比ｙを有する窒化物半導体層上に、発光素子機能に必須の複数の窒化物半導体層を含みかつ電流狭窄部分を有する発光素子積層構造を形成する工程と、を含み、
前記第１の深さは前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層の膜厚と同じかそれよりも深く、かつ、前記凹凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘが前記Ａｌ組成比ｙより大きくかつ前記凹凸部の底部におけるＡｌ組成比ｚ（０．５＞ｚ≧０）よりも大きく、前記電流狭窄部分が前記凹部上方に対応する領域内に形成されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
（０００１）面方位を有するウエハ状の窒化物半導体の基板または下地の上に、窒化物半導体に含まれるＩＩＩ族元素に対するＡｌの組成比ｘ（０．５≧ｘ≧０．０１）が窒化物半導体の成長方向に沿って変化させられたＡｌ組成比ｘを有する窒化物半導体層をＭＯＣＶＤでエピタキシャル結晶成長させる工程と、
前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層の表面から第１の深さを有する複数の凹部からなる複数の凹凸部を形成する工程と、
前記複数の凹凸部を被覆するようにＡｌ組成比ｙ（０．３≧ｙ≧０）を有する窒化物半導体層をＭＯＣＶＤでエピタキシャル結晶成長させる工程と、
前記Ａｌ組成比ｙを有する窒化物半導体層上に、発光素子機能に必須の複数の窒化物半導体層を含みかつ電流狭窄部分を有する発光素子積層構造を形成する工程と、を含み、
前記第１の深さは前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層よりも浅く、
かつ、前記凹凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘ１（０．５≧ｘ１＞０．０１）が前記Ａｌ組成比ｙより大きくかつ前記凹凸部の底部におけるＡｌ組成比ｘ２（０．５＞ｘ２≧０．０１）よりも大きく、前記電流狭窄部分が前記凹部上方に対応する領域内に形成されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層の成長方向に関してＡｌ組成比ｘが変化させられることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層はＡｌ組成比の異なる複数のサブ層からなることを特徴とする請求項２または３の項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記基板がＧａＮからなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記Ａｌ組成ｙの窒化物半導体層において前記凹部の上方領域に発生したクラックの密度は、前記凸部の上方領域に比べて小さいことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１の深さは１μｍ以上かつ１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記凹部の幅（ストライプ幅）は３μｍ以上１５μｍ以下で、前記凸部の幅（ストライプ幅）は５μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記凸部の幅（ストライプ幅）が前記凹部の幅（ストライプ幅）よりも大きいことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの項に記載の窒化物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、サファイアや窒化ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に形成される窒化物半導体層において発生するクラックの密度を制御するための窒化物半導体層の形成方法とそれらの窒化物半導体層を含む発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、特開２０００−３５３６６９号では、ＧａＮ基板上に第１のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を結晶成長させ、その第１のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層の厚さを超える段差を有する千鳥格子状の凹凸パタ−ンを形成し、その凹凸パターンを覆うように第２のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層を成長させている。そうすることによって、ＧａＮ基板と第１のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層との格子不整合を緩和させて、凹凸パターン上に成長させた第２のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層におけるクラックの発生を防止しようとしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らの実験によれば、特開２０００−３５３６６９号に記載の方法における第２のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層上には、実際に微細なクラックが発生することが確認された。このような微細なクラックを含む窒化物半導体層上に窒化物半導体発光素子を形成した場合、その発光素子の動作電流の上昇や動作寿命の低下などの悪影響を生じ、その窒化物半導体発光素子の信頼性を低下させる。
【０００４】
このような先行技術における課題に鑑み、本発明は、基板上に成長させられる窒化物半導体層においてクラックの発生を低減させた領域を形成することを目的とし、さらにその領域上方に発光素子の電流狭窄部分を形成することによって、より信頼性の高い窒化物半導体発光素子を提供することをも目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体発光素子の製造方法は、（０００１）面方位を有するウエハ状の窒化物半導体の基板または下地の上において、少なくとも、窒化物半導体に含まれるＩＩＩ族元素に対するＡｌの組成比ｘ（０．５≧ｘ≧０．０１）を有する窒化物半導体層をＭＯＣＶＤでエピタキシャル結晶成長させ、そのＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層の表面から貫通した深さまでで選択された深さを有する複数の凹部を形成することによって複数の凹凸部を形成し（以後、この状態における基板からＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層までを含めて段差基板と称す）、これら複数の凹凸部を被覆するようにＡｌ組成比ｙ（０．３≧ｙ≧０）の窒化物半導体層をＭＯＣＶＤでエピタキシャル結晶成長させる工程と、そのＡｌ組成比ｙを有する窒化物半導体層上に、発光素子機能に必須の複数の窒化物半導体層を含みかつ電流狭窄部分を有する発光素子積層構造を形成する工程とを含み、凹凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘがＡｌ組成比ｙより大きく、かつ凹凸部の底部におけるＡｌ組成比ｚ（０．５＞ｚ≧０．０１）よりも大きく、電流狭窄部分が凹部上方に対応する領域内に形成されることを主要な特徴としている。
【０００６】
基板としては、ＧａＮ、サファイア、６Ｈ−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉ、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｒＢ2等のいずれかを用いることができる。また、基板の主面としては、Ｃ面を用いることが望ましい。ただし、基板として例示されたＧａＮは、これに限定されずにＩｎaＡｌbＧａcＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で置き換えることが可能である。また、そのＩｎaＡｌbＧａcＮ基板の窒素元素のうちの約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれかの元素で置換されてもよい（ただし、基板の六方晶系が維持されることが前提条件）。
【０００７】
段差基板における複数の凹凸部は、周期的なストライプ状に形成されてもよい。この場合、凹部は溝に対応し、凸部は丘に対応する。凹凸における高低差は、１μｍ以上であることが好ましい。凸部の形状としては、その頂面が水平な面であってもよいし、他の異なる面であってもよい。また、凸部の側面は垂直面であってもよいし、他の異なる傾斜した面であってもよい。
【０００９】
たとえば、図２の模式的な断面図に示されているように、基板１００上に、バッファ層１０１、窒化物半導体下地層（Ａｌ組成比ｚ＝０）１０２、およびＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．５）からなる窒化物半導体層１０３を順次結晶成長させる。そして、そのＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の厚さより大きな段差を有する凹凸部（すなわち、凹部の底が窒化物半導体層１０２に達している）を形成する。さらに、それらの凹凸を埋め込むようにＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．３、凸部の頂面においてｙ＜ｘ）からなる窒化物半導体層１０４を結晶成長させる。このようにして、本発明による窒化物半導体層の形成方法の一例が実行され得る。
【００１０】
このとき、凸部の頂部はＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３であり、凹部の底部におけるＡｌ組成比ｚは０である。また、凹凸を被覆する窒化物半導体層のＡｌ組成比ｙは、ｙ＜ｘの関係にある。このことによって、凹部の上方領域において、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４に発生するクラックの密度が低減し得る。すなわち、凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘが凹部の底部におけるＡｌ組成比ｚよりも大きく、かつ凹凸を被覆する窒化物半導体層のＡｌ組成比ｙよりも大きいので、凸部の上方領域において意図的にクラック密度を集中させることが可能となる。また、凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘと凹凸を被覆する窒化物半導体層のＡｌ組成比ｙとのギャップが大きいほど、凸部上方の領域においてクラックが発生しやすくなる。このことの理由としては、おそらく、凸部の上方の領域にクラックが集中させられることによって、凹部の上方の領域で歪が緩和されてクラック密度が減少するのであろうと思われる。
【００１１】
本発明では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層において、そのＡｌ組成比ｘはその層の成長方向に関して変化させられることが好ましい。たとえば図５に示されているように、まず基板３００上に、バッファ層３０１と窒化物半導体下地層３０２を成長させる。この窒化物半導体下地層３０２上において、ＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．５）からなる窒化物半導体層３０３は、その成長方向に関してＡｌ濃度が変化させられながら、成長させられ得る。このＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３に凹凸部（凹部の底はＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３内にある）を形成するとともに、それらの凹凸を埋め込むようにＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦０．３、凸部の頂面においてｙ＜ｘ）からなる窒化物半導体層３０４を成長させることによって、本発明による窒化物半導体層の形成方法の他の例が実行され得る。
【００１２】
ただし、窒化物半導体層３０３の成長に伴ってＡｌ組成比ｘが変化させられる工程において、凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘ１と凹部の底部におけるＡｌ組成比ｘ２がｘ１＞ｘ２の関係になるようにする。すなわち、凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘ１が本発明おけるＡｌ組成比ｘに対応し、凹部の底部におけるＡｌ組成比ｘ２が本発明におけるＡｌ組成比ｚに対応する。このことによって、凹部の上方の領域内においてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０４に発生するクラックの密度が、より一層低減され得る。これは、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３がその成長方向に関して変化するＡｌ濃度で形成されることによって、凹部の側壁のＡｌ組成比も変化するので、凹部の上方の領域内において歪が緩和されたのではないかと考えられる。
【００１３】
なお、図５に関する説明では、凹部の底はＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３内にあったが、凹部の底が窒化物半導体下地層３０２に到達していてもよい。また、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３の下面からその上面に向かってＡｌ濃度が変化し、最終的に窒化物半導体層３０３の上面におけるＡｌ組成比ｘが最も高くなればよく、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３がＡｌ組成比の異なる複数のサブ層からなっていてもよい。
【００１４】
本発明では、基板としてＧａＮ結晶を用いることが好ましい。このことによって、凹部の上方の領域においてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０４に発生するクラックの密度をより一層低減させることが可能である。そして、凹部の上方の領域内においてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０４に発生するクラックの密度は、凸部の上方の領域内に比べてはるかに小さくなり得る。
【００１５】
こうして得られたＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層上に、本発明による窒化物半導体発光素子構造を好ましく形成することができ、発光素子の歩留と発光効率を改善することができる。なお、窒化物半導体発光素子がレーザダイオードの場合、その電流狭窄部分は凹部の上方に形成される。このことによって、レーザダイオードの動作閾値の低減と動作寿命を向上させ得るとともに、レーザ素子の歩留まりを向上させることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１におけるレーザダイオード素子の模式的断面図を示している。このレーザダイオード素子は、Ｃ面（０００１）サファイア基板１００、ＧａＮバッファ層１０１、窒化物半導体下地層（ＧａＮ層）１０２、およびＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）１０３からなる段差基板１２０を含むとともに、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）１０４、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０５、ｎ型クラッド層１０６、ｎ型光ガイド層１０７、活性層１０８、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層１０９、ｐ型光ガイド層１１０、ｐ型クラッド層１１１、ｐ型コンタクト層１１２、ｎ電極１１３、ｐ電極１１４、およびＳｉＯ2誘電体膜１１５を含んでいる。
【００１８】
まず、図２を参照しつつ、段差基板１２０を作製する工程を説明する。すなわち、図２（ａ）において、基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１、窒化物半導体下地層１０２、およびＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を結晶成長させる。
【００１９】
本実施形態では、基板１００として、Ｃ面（０００１）の主面を有するサファイア基板を用いる。このサファイア基板１００をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、基板温度を５５０℃に上げた後に、Ｖ族元素用原料のＮＨ３（アンモニア）、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を供給しながら、基板１００上にＧａＮバッファ層１０１を３０ｎｍの厚さに成長させる。なお、基板１００として窒化ガリウム系の基板を用いるのであれば、ＧａＮバッファ層１０１は省略することも可能である。
【００２０】
次に、基板温度を１０５０℃まで上げ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏなどのｎ型不純物がドープされたまたはノンドープのＧａＮからなる窒化物半導体下地層１０２を３μｍの厚さに成長させる。続いて、基板温度を維持したまま、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）の供給を行い、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏなどのｎ型不純物がドープされたまたはノンドープのＡｌＧａＮからなるＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を２μｍの厚さに成長させる。
【００２１】
ただし、本実施形態におけるＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の形成においては、窒化物半導体下地層１０２に接する面から成長方向に向かってＡｌ組成比が増加するように、ＡｌＧａＮ層１０３の成長開始時から成長終了時にかけてＴＭＡｌの流量を増加させることによって、そのＡｌ組成比を変化させる。具体的には、窒化物半導体層１０３中のＡｌ組成比ｘは、その成長開始領域（ＧａＮ下地層１０２との界面領域）における０．０５から成長終了表面における０．２まで変化させられる。
【００２２】
Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。なぜならば、この層厚が１μｍ未満の場合、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４で凹凸を埋め込んだとしても、凹部の上方の領域においてクラックの発生を十分に抑制することができないからである。これは、凸部側面におけるＡｌ組成比の変化による歪の緩和効果を十分に得ることが出来ないからであると考えられる。他方、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の厚さが１０μｍを超えれば、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の全体にクラックが発生しやすくなり、凹凸を埋め込んだ平坦な表面を得ることも困難になる。すなわち、厚くてクラックの発生したＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０３に凹凸を形成すれば凸部側面にクラックの断面が現れ、その凸部側面からＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の成長を開始させれば、その成長終了表面がクラックの悪影響を受けた面になってしまうので好ましくない。
【００２３】
図２（ｂ）においては、図２（ａ）のエピタキシャルウエハの表面に周期的なストライプ状の溝（凹部）を形成することによって得られた段差基板１２０が断面図で示されている。すなわち、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の成長後にそのエピタキシャルウエハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、その上にＥＢ（電子ビーム）蒸着装置でＳｉＯ2膜（図示せず）を蒸着して、フォトリソグラフィ技術でそのＳｉＯ2膜をストライプ状のマスクパターンに加工する。このストライプ形状はＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の＜１−１００＞方向に平行に形成され、その方向に対して直交する＜１１−２０＞方向のストライプ幅が５μｍでストライプ間隔が１０μｍの周期的ストライプ状パターンが形成される。
【００２４】
なお、このストライプ状パターンにおけるストライプ幅は３μｍ以上１５μｍ以下で、ストライプ間隔は５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内で形成するのが好ましく、ストライプ幅よりもストライプ間隔が広いほうが好ましい。これらのストライプ幅およびストライプ間隔の範囲外では、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の横方向成長を行う際に凹凸が埋まりにくくなって平坦な成長終了表面が得られにくくなる。また、ＳｉＯ2保護膜の形成はＥＢ蒸着法に限られず、スパッタ法、ＣＶＤ法等によって形成されてもよい。保護膜としては、ＳｉＮx、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等を用いることもできる。
【００２５】
ストライプ状マスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ＳｉＯ2マスクの形成されていない部分を深さ３μｍまでエッチングして溝を形成する。本実施形態では、溝の深さがＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を貫通し、窒化物半導体下地層１０２の厚さが０．５μｍ以上残っていればよい。また、溝がＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を貫通していなくても、その表面から少なくとも１μｍ以上の深さを有していればよい。ただし、Ａｌ組成比は、凸部の頂部に比べて凹部の底部において小さくなければならない。凹凸の具体的形状には特に制約はなく、凸部の頂上が基板と平行な面であってもよいし、他の異なる面であってもよい。また、溝の側面は基板１００の主面に垂直な面であってもよいし、他の傾斜を有する面であってもよい。たとえば、凸部の垂直断面形状としては、矩形型のほかに、台形型や逆台形型等の種々の形状を有していてもよい。
【００２６】
エッチングの方法としてはドライエッチングやウェットエッチング等のいずれを用いてもよいが、溝内に平坦な面を形成するにはドライエッチングが好ましい。ドライエッチングとしては、本実施形態で用いた反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）の他に、たとえば収束イオンビームエッチング法やＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）エッチング法なども利用し得る。
【００２７】
続いて、図１に示された発光素子構造部を作製する工程を説明する。まず、図２（ｂ）の段差基板１２０をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、基板温度を１０５０℃まで上げ、Ｖ族元素用原料のＮＨ3、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ、および不純物としてのＳｉＨ4（シラン）の供給を行い、Ｓｉが濃度１×１０18／ｃｍ3でドープされたＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）１０４を５μｍの厚さに成長させる。なお、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４は、その上にｎ型電極が形成されるので、ｎ型不純物が添加されている必要があるのである。
【００２８】
Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４は、凸部の側面から横方向に成長し始め、やがて溝の両側面からの成長先端部が互いに突き当ってその溝が埋め込まれる。この成長をさらに継続すれば、図２（ｃ）に示されているように、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を全体的に覆いかつ平坦な成長終了表面を有するｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０４を形成することができる。本実施形態では溝の深さが３μｍであるので、この溝を埋め込んでさらに平坦な成長終了表面を得るために、厚さ５μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０４を成長させる。一般に、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の成長終了表面を平坦化するためには、少なくとも溝の深さよりも１μｍ以上大きなの厚さに成長させる必要があり、それ以下の厚さでは凹凸を埋め込むことができなくて平坦な成長終了表面が得られにくい。他方、ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０４の厚さが溝の深さよりも１０μｍ大きくなれば、そのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０４にクラックが生じやすくなる。
【００２９】
結局、ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０４の厚さは溝の深さよりも２μｍから５μｍ程度大きいことが好ましい。なぜならば、２μｍから５μｍだけ大きな厚さ範囲内において、より平坦なｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層１０４を積層することができるからである。また、本実施形態ではＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４としてｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎを用いたが、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｙ≦０．３）を用いてもよい。ただし、窒化物半導体層１０４のＡｌ組成比ｙは、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３のうちでそのＡｌ組成比ｘが最も高い領域（凸部の頂部）に比べて小さいことが必要である。また、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４中のＳｉ不純物添加濃度は１×１０18／ｃｍ3以上であればよい。
【００３０】
続いて、基板温度を７００℃〜８００℃の範囲内まで下げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を供給し、厚さ４０ｎｍのｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０５（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を成長させる。次に、再び基板温度を１０５０℃まで上げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌを供給して厚さ０．８μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０６（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を成長させ、さらにｎ型ＧａＮ光ガイド層１０７（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）を０．１μｍの厚さに成長させる。その後、基板温度を８００℃に下げ、厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層を含む３周期の多重量子井戸構造からなる活性層１０８を成長させる。その際、井戸層と障壁層ともに、ＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が添加される。
【００３１】
次に、基板温度を１０５０℃まで上げ、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層１０９、厚さ１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１１０、厚さ０．５μｍのｐ型0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１１、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１２を順次成長させる。ｐ型不純物としては、Ｍｇ（ＥｔＣｐ2Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が５×１０19／ｃｍ3〜２×１０20／ｃｍ3の濃度範囲内で添加される。
【００３２】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の成長後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内全体の雰囲気を窒素キャリアガスとＮＨ3に変えて、６０℃／分の降温速度で基板温度を降下させる。基板温度が８００℃に達した時点で、ＮＨ3の供給を停止し、５分間その基板温度を保持した後に、室温まで基板温度を降下させる。そのような基板の保持温度は６５０℃から９００℃の範囲内であることが好ましく、温度保持時間は３分以上１０分以下であることが好ましい。また、そのような保持時間経過後の基板の冷却速度は、３０℃／分以上であることが好ましい。
【００３３】
このようにして得られた成長膜をラマン測定によって評価したところ、従来の窒化物半導体層で利用されているｐ型化アニールを行わなくても、成長直後にすでにｐ型導電性の特性を示していた。また、ｐ電極形成によるコンタクト抵抗も低減していた。さらに、この得られたエピタキシャルウエハを光学顕微鏡で観察したところ、段差基板１２０の凹部上方の領域内においてクラックは確認されず、凸部上方では微細なクラックが集中して発生している領域が確認された。
【００３４】
次に、ＭＯＣＶＤ装置から取り出したエピタキシャルウエハをレーザダイオード素子にするためのプロセスについて説明する。まず、反応性イオンエッチング装置を用いてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）１０４の一部を露出させ、その露出部分上にＴｉ／Ａｌの順序で成膜してｎ電極１１３を形成する。ｎ電極の材料としては、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ／Ａｌ等を用いてもよい。ｐ電極形成領域においては、サファイア基板の＜１―１００＞方向に沿ったリッジストライプをエッチングによって形成し、ＳｉＯ2誘電体膜１１５を蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１の頂面を露出させ、そしてＰｄ／Ａｕの順序で蒸着膜を形成する。
【００３５】
その後、クラックの発生しにくい領域である凹部上方の中心部から２μｍずらした位置に２μｍ幅のリッジストライプ状ｐ電極１１４を形成する。すなわち、リッジストライプ部または電流狭窄部が、凹部の上方領域内に形成されることが好ましく、それによってレーザダイオードの動作閾値の低減と動作寿命の向上を図り得るとともに、歩留りを向上させることもできる。また、凹部の中心部は凹部の両側面から開始した窒化物半導体結晶の成長先端部が互いに突き当たる領域であるので、そのような凹部の中心部から少なくとも２μｍ以上ずらした位置にリッジストライプ部または電流狭窄部を形成することは、さらなる閾値の低減と素子特性の向上が望めるのでより好ましい。
【００３６】
レーザ共振器の帰還手法としては、ファブリ・ペロー共振以外に、一般に知られているＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）やＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）などを利用してもよい。本実施形態においては、ファブリ・ペロー共振器のミラー端面を形成した後に、そのミラー端面上にＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘電体膜を交互に蒸着して、７０％の反射率を有する誘電体多層反射膜（図示せず）を形成する。なお、誘電体多層反射膜としては、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3の繰り返し多層膜を用いてもよい。
【００３７】
ところで、反応性イオンエッチングを用いてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）１０４の一部を露出させたのは、絶縁性であるサファイア基板１００が使用されたからである。したがって、例えばｎ型のＧａＮ基板やＳｉＣ基板のように電導性を有する基板を使用する場合には、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層）１０４を露出させる必要はなく、その導電性基板の裏面上に直接にｎ電極を形成してもよい。ただし、その場合には、ＧａＮバッファ層１０１、窒化物半導体下地層１０２、およびＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３にｎ型の不純物が添加されていることが必要である。
【００３８】
次に、得られたレーザダイオードチップをパッケージに実装する方法について述べる。上述のような発光層を用いたレーザダイオードの特性を活かして高密度記録用光ディスクに適した青紫色（４１０ｎｍ波長）の高出力（５０ｍＷ）レーザ素子として用いる場合、サファイア基板は熱伝導率が低いので、放熱対策に注意を払わなければならない。たとえば、Ｉｎはんだ材を用いて、ジャンクション・ダウンでレーザチップをパッケージ本体に接続することが好ましい。なお、レーザチップを直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付けるのではなくて、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮなどのサブマウントを介して接続させてもよい。
【００３９】
以上のように、本実施形態で作製したレーザダイオード素子では、凹部の上方においてクラックの発生していない領域内にリッジストライプを形成することにより、閾値電流と駆動電圧を低下させることができる。
【００４０】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２におけるレーザダイオード素子の模式的断面図を示している。このレーザダイオード素子は、ｎ型ＧａＮ基板２００とＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）２０１とからなる段差基板２２０、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ層）２０２、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.97Ｎクラック防止層２０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０５、活性層２０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層２０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１０、ｎ電極２１１、ｐ電極２１２、およびＳｉＯ2誘電体膜２１３を含んでいる。
【００４１】
図３のレーザ素子の製造に関し、まず図４を参照しつつ、段差基板２２０を作製する工程を説明する。ここで、本実施形態において用いられるｎ型ＧａＮ基板２００は導電性を有するので、その基板２００の裏面にｎ電極を作製することが可能である。なお、基板２００をｎ型導電性にするためにはｎ型不純物を添加している必要があり、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3以上添加していることが好ましい。
【００４２】
ｎ型ＧａＮ基板２００はＭＯＣＶＤ装置内にセットされ、基板温度を１０５０℃まで上げて、Ｖ族元素用原料のＮＨ3、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａとＴＭＡｌ、およびｎ型不純物としてのＳｉＨ4（シラン）の供給を行い、ｎ型ＡｌＧａＮ（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）からなるＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層２０１を３μｍの厚さに成長させる（図４（ａ）参照）。このとき、実施形態１の場合と同様に、ｎ型ＧａＮ基板２００に接する面からＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層２０１が成長する方向に向かって、そのＡｌ組成比ｘが変化させられる。具体的には、窒化物半導体層２０１のＡｌ組成比ｘは、ｎ型ＧａＮ基板２００との界面における０．０１から、成長終了表面における０．０５まで変化させられる。なお、Ａｌの添加方法は、実施形態１の場合と同様である。
【００４３】
ｎ型ＧａＮ基板２００上に接してＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層（ｎ型ＡｌＧａＮ）２０１を成長させるのは、それらが同種の窒化物半導体であるので、バッファ層を挿入して格子定数差を緩和させるということが必要ないからである。また、基板２００は実施形態１における窒化物半導体下地層１０２と同じ材料からなっているので、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層２０１の下にｎ型ＧａＮ下地層１０２を設ける必要がないからである。
【００４４】
次に、図４（ａ）のエピタキシャルウエハは、図４（ｂ）に示されているような段差基板２２０に加工される。本実施形態２においては凸部のストライプ幅が１０μｍでストライプ間隔が２０μｍにされるが、その段差基板の加工方法は実施形態１の場合と同様である。
【００４５】
段差基板２２０上には、図４（ｃ）に示されているように、６μｍの厚さを有するＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ層）２０２が実施形態１の場合と同様にして形成される。そして、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層２０２上には、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層２０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０４、ｎ型光ガイド層２０５、活性層２０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層２０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０９、およびｐ型コンタクト層２１０を実施形態１の場合と同様に順次積層する。
【００４６】
こうして得られたエピタキシャルウエハを光学顕微鏡で観察したところ、そのウエハは全体的に均一で平坦な表面を有し、段差基板２２０の凹部上方の領域にはクラックが確認されず、凸部上方の領域では微細なクラックの発生が確認された。
【００４７】
次に、エピタキシャル成長の完了したウエハをレーザダイオード素子にするためのプロセスについて説明する。本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板２００を用いているので、その基板の裏面上にｎ電極２１１を形成し得る。すなわち、本実施形態２では、実施形態１の場合ようにＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ層）２０２を露出させる必要が無く、基板２００の裏面にｎ電極２１１を形成できるので、レーザダイオードチップのサイズを小さくすることができる。本実施形態２において具体的に言及されていること以外は、実施形態１の場合と同様である。
【００４８】
以上のように、本実施形態で得られるレーザダイオード素子は、まず導電性のｎ型ＧａＮ基板２００を用いたことにより、チップサイズを小型化できるので歩留りを向上させ得る。また、ｎ型ＧａＮ基板２００とその上に積層する複数の窒化物半導体層とは同種の材質であって熱膨張係数がほぼ一致するので、異種基板を用いていた実施形態１に比べてクラックの発生を低減させることができる。さらに、実施形態２のレーザダイオード素子においても、閾値電流の低減と動作寿命の改善が得られることは実施形態１の場合と同様である。
【００４９】
（実施形態３）
図５は、実施形態３における段差基板３２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０４で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。すなわち、図５においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板３００上に、ＧａＮバッファ層３０１、窒化物半導体下地層３０２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３、およびＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層）３０４が順次積層されている。
【００５０】
本実施形態３の段差基板３２０において、Ｃ面（０００１）サファイア基板３００、ＧａＮバッファ層３０１、および窒化物半導体下地層３０２は、実施形態１の場合と同様である。ただし、本実施形態では凹部がＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３を貫通していないので、窒化物半導体下地層３０２を省略することもできる。
【００５１】
Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３は１０μｍの厚さに成長させられ、そのＡｌ組成比ｘは、窒化物半導体下地層３０２に接する面における０．１から成長終了表面における０．５まで変化させられる。続いて、エッチングを行い、高低さ６μｍの凹凸を形成する。本実施形態におけるようにＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３に対して溝を貫通させない場合は、その溝の深さが少なくとも１μｍ以上あればよい。次に、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０４として、厚さ３μｍのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎを成長させる。なお、本実施形態３において具体的に言及されていない事項については、実施形態１または２の場合と同様である。
【００５２】
（実施形態４）
図６は、実施形態４における段差基板４２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層４０３で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。図６においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板４００上に、ＧａＮバッファ層４０１、窒化物半導体下地層４０２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層４０３、およびＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層４０４が順次積層されている。
【００５３】
本実施形態では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層４０３は１μｍの厚さに成長させられ、そのＡｌ組成比ｘは、窒化物半導体下地層４０２に接する面における０．０３から成長終了表面における０．３まで変化させられる。
【００５４】
次に、凸部の形状が台形型となるように凹凸を形成する。続いて、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層４０４として、厚さ４μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層を成長させる。なお、本実施形態４において具体的に言及されていない事項については、実施形態１または２の場合と同様である。
【００５５】
（実施形態５）
図７は、実施形態５における段差基板５２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層５０４で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。図７においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板５００上に、ＧａＮバッファ層５０１、窒化物半導体下地層層５０２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層５０３、およびＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層５０４が順次積層されている。
【００５６】
本実施形態では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層５０３は２μｍの厚さに成長させられ、そのＡｌ組成比ｘは、窒化物半導体下地層５０２に接する面における０．０１から成長終了表面における０．１まで変化させられる。
【００５７】
また、凸部の形が逆台形型となるように凹凸を形成する。続いて、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層５０４として、５μｍのｎ型ＧａＮ層を成長させる。なお、本実施形態５において具体的に言及されていない事項については、実施形態１または２の場合と同様である。
【００５８】
（実施形態６）
図８は、実施形態６における段差基板６２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層６０４で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。図８においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板６００上に、ＧａＮバッファ層６０１、窒化物半導体下地層６０２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層６０３、およびＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層６０４が順次積層される。
【００５９】
本実施形態では、窒化物半導体下地層６０２が厚さ３μｍのＧａＮ層で形成され、続いてＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層６０３が厚さ２μｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ層で形成される。次に、エッチングによって、高低さ２μｍの凹凸を形成し、窒化物半導体下地層６０２の上面が凹部の底面となるようにする。なお、本実施形態５において具体的に言及されていない事項については、実施形態１または２の場合と同様である。
【００６０】
（実施形態７）
実施形態７においては、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層としてＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＮサブ層を５つ積層する。本実施形態では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層に含まれるＡｌＧａＮサブ層のＡｌ組成比が、下のサブ層から上のサブ層に向かって、それぞれ０．０１、０．０２、０．０５、０．１、および０．２に設定され、各サブ層の厚さが０．６μｍに設定される。
【００６１】
ただし、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層中の下から上までのサブ層におけるＡｌ組成比の増加幅は特に限定されず、均等に増加してもよいし、徐々にＡｌ組成比の増加幅が大きくなってもよいし、逆に増加幅が小さくなってもよい。また、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層に含まれる各ＡｌＧａＮサブ層の厚さも特に限定されず、それぞれの厚さが均等であってもよいし、下のサブ層から上のサブ層まで徐々に厚さを増大させてもよいし、その逆に厚さを減少させてもよい。なお、本実施形態７において具体的に言及されていない事項については、実施形態１、２、または３の場合と同様である。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、基板上に成長させられる窒化物半導体層においてクラックの発生を低減させた領域を形成することができ、さらにその領域上方に発光素子の電流狭窄部分を形成することによって、動作電流が低減されかつ動作寿命が改善された信頼性の高い窒化物半導体発光素子を高い歩留まりで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１における窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図２】  図１のレーザ素子の製造に利用され得る窒化物半導体層の形成方法を示す模式的断面図である。
【図３】  実施形態２における窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図４】  図３のレーザ素子の製造に利用され得る窒化物半導体層の形成方法を示す模式的断面図である。
【図５】  実施形態３における段差基板を埋め込んだ状態を示す模式的断面図である。
【図６】  実施形態４における段差基板を埋め込んだ状態を示す模式的断面図である。
【図７】  実施形態５における段差基板を埋め込んだ状態を示す模式的断面図である。
【図８】  実施形態６における段差基板を埋め込んだ状態を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１００、３００、４００、５００、６００  Ｃ面（０００１）サファイア基板、１０１、３０１、４０１、５０１、６０１  ＧａＮバッファ層、１０２、３０２、４０２、５０２、６０２  窒化物半導体下地層、１０３、２０１、３０３、４０３、５０３、６０３  Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層、１０４、２０２、３０４、４０４、５０４、６０４  Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層、１０５、２０３  ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層、１０６、２０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０７、２０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０８、２０６活性層、１０９、２０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ遮蔽層、１１０、２０８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１１１、２０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１２、２１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１３、２１１  ｎ電極、１１４、２１２  ｐ電極、１１５、２１３  ＳｉＯ2誘電体膜、１２０、２２０、３２０、４２０、５２０  段差基板、２００  ＧａＮ基板。
【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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