(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体の基板表面または窒化物半導体以外の基礎基板上に成長した窒化物半導体基板層表面上に窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜がストライプ状パターンに形成されたマスク基板と、
前記マスク基板の上面と前記成長抑制膜を覆うように成長させられた窒化物半導体下地層と、
前記窒化物半導体下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造とを含み、
前記発光素子構造の表面は前記成長抑制膜の上方に結晶成長に伴って形成された窪みを含み、
前記発光素子構造に含まれる発光部は前記窪みの側端部から前記成長抑制膜の幅方向に２μｍ以上離れた領域に形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記発光素子構造は前記窪みを複数含み、前記発光部は前記複数の窪みの間に形成されてい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。
【請求項３】
前記発光部は前記成長抑制膜の幅内の領域の上方に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ストライプ状成長抑制膜の長手方向が前記マスク基板に含まれる窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向に実質的に平行であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記成長抑制膜とその上方の前記窪みとの間に空隙が存在していることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記成長抑制膜の幅が７〜１００μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記成長抑制膜の厚さが０．０５〜１０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記成長抑制膜はＳｉＯ2、ＳｉＯ、ＳｉＮx、およびＳｉＯＮxの少なくともいずれかの誘電体またはＷ、Ｍｏの少なくともいずれかの金属を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記窒化物半導体下地層はＡｌとＩｎの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記窒化物半導体下地層はＧａＮであって、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種類以上を含み、かつその添加量が１×１０17／ｃｍ3以上で５×１０18／ｃｍ3以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記窒化物半導体下地層はＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）であって、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種類以上を含み、かつその添加量が３×１０17／ｃｍ3以上で５×１０18／ｃｍ3以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記窒化物半導体下地層はＩｎxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）であって、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種類以上を含み、かつその添加量が１×１０17／ｃｍ3以上で４×１０18／ｃｍ3以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記窪みを２つ以上含む領域上に電極が形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記窪みを２つ以上含む領域上に誘電体膜が形成されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１５】
ワイヤボンドと前記窒化物半導体素子との間の接合領域に前記窪みが１つ以上含まれていることを特徴とする請求項１から１４のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１６】
前記量子井戸層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂのうちの少なくとも１種の元素を含んでいることを特徴とする請求項１から１５のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれかの項に記載された窒化物半導体発光素子を含むことを特徴とする光学装置または半導体発光装置。
【請求項１８】
窒化物半導体の基板表面または窒化物半導体以外の基礎基板上に成長した窒化物半導体基板層表面上に窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜をストライプ状パターンに形成してマスク基板とし、
前記マスク基板の上面と前記成長抑制膜を覆うように窒化物半導体下地層を成長させ、
前記窒化物半導体下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造を成長させ、この際に前記発光素子構造を成長させた後のその表面においても前記成長抑制膜の上方において平坦化されていない窪みが形成されており、
前記窪みの側端部から前記成長抑制膜の幅方向に２μｍ以上離れた領域において前記発光素子構造に含まれる発光部を形成することを特徴とする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、主として高出力動作寿命が長くてクラックの発生も軽減された窒化物半導体発光素子とその製法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サファイア基礎基板上に積層されたＧａＮ基板層上にストライプ状に形成されたＳｉＯ2マスクを成長抑制膜として、選択成長技術を用いて窒化物半導体下地層を成長させ、そのＳｉＯ2マスクの上方の領域に半導体レーザ素子を形成してレーザ発振寿命を改善することがJournal of Electronic Materials, Vol.27, No.4, 1998において報告されている。
【０００３】
また、ＧａＮ基板上にストライプ状に形成されたＳｉＯ2マスクを成長抑制膜として、選択成長技術を用いて窒化物半導体下地層を成長させ、そのＳｉＯ2マスクの上方の領域に半導体レーザ素子を形成することによって、その高出力時の発振寿命を改善することがJapanese Journal of Applied Physics, vol.39(2000) Pt.2, No.7A, L647において報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような先行技術によって作製された窒化物半導体発光素子においても、その高出力動作寿命のさらなる改善と生産歩留まりの改善が望まれている。そこで、本発明は、窒化物半導体発光素子の高出力動作寿命をさらに改善するとともに、その素子におけるクラックの発生を抑制して生産歩留まりをも改善することを主要な目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による窒化物半導体発光素子においては、窒化物半導体の基板表面または窒化物半導体以外の基礎基板上に成長した窒化物半導体基板層表面上に窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜がストライプ状パターンに形成されたマスク基板と、このマスク基板の上面と成長抑制膜を覆うように成長させられた窒化物半導体下地層と、この下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造とを含み、この発光素子構造の表面は成長抑制膜の上方に結晶成長に伴って形成された窪みを含み、発光素子構造に含まれる発光部は窪みの側端部から成長抑制膜の幅方向に２μｍ以上離れた領域に形成されていることを特徴としている。
【０００６】
なお、ストライプ状成長抑制膜の長手方向は、マスク基板に含まれる窒化物半導体結晶の＜１−１００＞または＜１１−２０＞の方向に実質的に平行であることが好ましい。
【０００７】
その成長抑制膜とその上方の窪みとの間に空隙が形成される場合もある。
【０００８】
成長抑制膜の幅は７〜１００μｍの範囲内にあることが好ましく、その厚さは０．０５〜１０μｍの範囲内にあることが好ましい。
【０００９】
成長抑制膜は、ＳｉＯ2、ＳｉＯ、ＳｉＮxおよびＳｉＯＮxの少なくともいずれかの誘電体膜を含むか、またはＷもしくはＭｏの金属を含んで形成され得る。
【００１０】
窒化物半導体下地層は、ＡｌとＩｎの少なくとも一方を含んでいることが好ましい。
【００１１】
窒化物半導体下地層はＧａＮであって、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種以上を含み、かつその添加量が１×１０17／ｃｍ3以上で５×１０18／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００１２】
窒化物半導体下地層はＡｌxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）であってもよく、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種を含み、かつその添加量が３×１０17／ｃｍ3以上で５×１０18／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００１３】
窒化物半導体下地層はＩｎxＧａ1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．１５）であってもよく、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種を含み、かつその添加量が１×１０17／ｃｍ3以上で４×１０18／ｃｍ3以下であることが好ましい。
【００１４】
窪みを２つ以上含む領域上に電極が形成されることが好ましい。同様に、窪みを２つ以上含む領域上に誘電体膜が形成されることが好ましい。ワイヤボンドと窒化物半導体発光素子との間の接合領域は、窪みを１つ以上含むことが好ましい。
【００１５】
量子井戸層は、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂのうちで１種以上の元素を含んでいることが好ましい。
【００１６】
窒化物半導体発光素子は、レーザ素子と発光ダイオード素子のいずれかであり得る。このような窒化物半導体発光素子は種々の光学装置または半導体発光装置の構成要素になり得る。
【００１７】
他方、本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法においては、窒化物半導体の基板表面または窒化物半導体以外の基礎基板上に成長した窒化物半導体基板層表面上に窒化物半導体の成長を抑制する成長抑制膜をストライプ状パターンに形成してマスク基板とし、このマスク基板の上面と成長抑制膜を覆うように窒化物半導体下地層を成長させ、この窒化物半導体下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層を含む発光層を含む発光素子構造を成長させ、この際に発光素子構造を成長させた後においてもその表面に成長抑制膜の上方において平坦化されていない窪みが形成されるており、その窪みの側端部から成長抑制膜の幅方向に２μｍ以上離れた領域において発光素子構造に含まれる発光部を形成することを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明による種々の実施の形態について図面を参照しつつ説明するに際して、いくつかの用語の意味を予め明らかにしておく。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
【００１９】
まず、「窒化物半導体基板」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる基板を意味する。ただし、窒化物半導体基板の窒素元素のうちで、その約１０％以下がＡｓ、Ｐ、またはＳｂ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）。また、窒化物半導体基板中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。窒化物半導体基板の主面方位としては、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、または｛１−１０１｝面が好ましく用いられ得る。また、これらの結晶面方位から２°以内のオフ角度を有する基板主面であれば、その表面モホロジーが良好であり得る。
【００２０】
「基礎基板」とは、窒化物半導体以外の基板を意味する。具体的な基礎基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、またはＧａＡｓ基板などが用いられ得る。
【００２１】
「成長抑制膜」とは、たとえば図１（ａ）に示されているように基板表面上にストライプ状に形成された膜であって、その膜上では窒化物半導体が成長しにくい膜を意味する。すなわち、成長抑制膜上では窒化物半導体の成長速度が遅いかまたは直接的には成長しないことを意味する。成長抑制膜の材質としては、Ｓｉの酸化物や窒化物もしくはそれらの化合物、たとえばＳｉＯ2、ＳｉＯ、ＳｉＮx、ＳｉＯＮx、またはＷやＭｏなどの金属を用いることができる。また、図１に示されている成長抑制膜は一方向に沿ったストライプ配列であるが、これらのストライプが互いに交差し合った桝目配列（図２参照）であってもよい。
【００２２】
「窒化物半導体基板層」とは、窒化物半導体基板ではないサファイア基板等の基礎基板を窒化物半導体発光素子作製のための基板として用いた場合の、マスク基板または加工基板を作製するための基礎基板上に成長した窒化物半導体による層であり、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ１≦；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなっている。ただし、この窒化物半導体基板層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの不純物群のうち少なくとも１種類がドーピングされていてもよい。
【００２３】
「マスク基板」とは、窒化物半導体基板表面上に、または基礎基板上で成長した窒化物半導体基板層表面上に、成長抑制膜が部分的に形成された基板を意味する。成長抑制膜の幅および成長抑制膜が形成されていない部分の幅は一定の周期を有していてもよいし、種々の異なる幅を有していてもよい。また、成長抑制膜の厚さに関しても、常に一定の厚さを有していてもよいし、種々の異なる厚さを有していてもよい。
【００２４】
「溝」とはたとえば図４に示されているように基板表面でストライプ状に加工された凹部を意味し、「丘」とは同様にストライプ状に加工された凸部を意味する。溝と丘の断面形状は、必ずしも図４で示されているような矩形状である必要はなく、凹凸の段差を生じさせるものであればよい。また、図４に示された溝と丘は一方向に沿って加工されたストライプ配列であるが、成長抑制膜の場合（図２）と同様に溝または丘が互いに交差し合った桝目配列であってもよい。
【００２５】
「加工基板」とは、窒化物半導体基板表面上に、または基礎基板上で成長した窒化物半導体基板層表面上に、溝と丘が形成された基板を意味する。溝の幅と丘の幅は、一定の周期を有していてもよいし、種々に異なる幅を有していてもよい。また、溝の深さに関しても、すべての溝が一定の深さを有していてもよいし、種々に異なる深さを有していてもよい。
【００２６】
「窒化物半導体下地層」とは、マスク基板上または加工基板の凹凸表面上に成長させられる層であり、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなっている。ただし、この窒化物半導体下地層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの不純物群のうちの少なくとも１種がドーピングされてもよい。
【００２７】
「窪み付き基板」とは、マスク基板上または加工基板上に窒化物半導体下地層を被覆させ、その上の窪みを含む全体的基板を意味する（図３および図５参照）。
【００２８】
「被覆膜厚」とは、マスク基板上で成長抑制膜が形成されていない領域上の窒化物半導体下地層の膜厚、または加工基板上に窒化物半導体下地層を成長させたときの加工基板の溝底部から窪部を除いた窒化物半導体下地層の表面までの膜厚を意味する。
【００２９】
「発光層」とは、１以上の量子井戸層またはそれと交互に積層された複数の障壁層をも含み、発光作用を生じさせ得る層を意味する。ただし、単一量子井戸構造の発光層は、１つの井戸層のみから構成されるか、または障壁層／井戸層／障壁層の積層から構成されている。
【００３０】
「発光素子構造」とは、発光層に加えてそれを挟むｎ型層とｐ型層をさらに含む構造を意味する。
【００３１】
「窒化物半導体多層膜構造」とは、窒化物半導体下地層と発光素子構造とを含むものを意味する。
【００３２】
「窪み」とは、マスク基板上または加工基板の凹凸表面上に窒化物半導体下地層または窒化物半導体多層膜構造を成長被覆させたときに、その窒化物半導体下地層または窒化物半導体多層膜構造が平坦に埋められない部分（窪みが窒化物半導体下地層の表面にある例の図３および図５参照）を意味する。特に、本発明における窪みは、必ず窒化物半導体多層膜構造の表面に存在していなければならない。ただし、マスク基板上または加工基板上に窒化物半導体多層膜構造を平坦に被覆させた後にエッチングなどで窪みを形成しても、本願の発明の効果は得られない。窪みが結晶成長後に加工で形成されたか否かは、窒化物半導体多層膜構造の断面を観察すれば明らかになる。なぜならば、結晶成長終了後に窪みを加工で形成したならば発光素子構造中の積層における横方向への連続性がその窪みによって断ち切られるが、結晶成長に伴って窪みが形成されたならば発光素子構造中の積層における横方向の連続性がその窪みによって断ち切られることはなく、その窪みの側壁面に沿って連続しているからである。
【００３３】
［実施形態１］
まず、本発明者らは、従来技術に従って窒化物半導体レーザ素子を作製した場合と本発明に従って窒化物半導体レーザ素子を作製した場合とによる素子特性の違いを調べた。
【００３４】
本発明によるケースＡとして、図１（ａ）に示された窒化物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）上に成長抑制膜を形成したマスク基板上において、完全に平坦に埋まらないで窪みが形成される窒化物半導体多層膜構造を成長させて窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件のもとでそのレーザ素子の発振寿命は約１８０００時間程度であった。
【００３５】
また、本発明による他のケースＢとして、図１（ｂ）に示された基礎基板（たとえばサファイア基板）上方に成長抑制膜を形成したマスク基板上において、完全に平坦に埋まらないで窪みが形成される窒化物半導体多層膜構造を成長させて窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件のもとでそのレーザ素子の発振寿命は約５０００時間程度であった。
【００３６】
次に、従来技術によるケースＣとして、図１（ａ）に示された窒化物半導体基板上に成長抑制膜を形成したマスク基板上において、表面が完全に平坦に埋まって窪みが形成されない窒化物半導体多層膜構造を成長させて窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件のもとでそのレーザ素子の発振寿命は約１５００時間程度であった。
【００３７】
さらに、従来技術による他のケースＤとして、図１（ｂ）に示された基礎基板上方に成長抑制膜を形成したマスク基板上において、表面が完全に平坦に埋まって窪みが形成されない窒化物半導体多層膜構造を成長させて窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件のもとでそのレーザ素子の発振寿命は約５００時間程度であった。
【００３８】
これらの調査結果が、図１０のグラフにプロットされている。この詳細は、後の実施形態で述べられるが、ケースＡとケースＢの場合に（特にケースＡの場合に）発振寿命の非常に長い窒化物半導体レーザ素子が得られることがわかる。この結果は、各ケースにおける窒化物半導体膜内に存在する結晶格子歪みの大きさや分布の違いによって生じていると推測される。
【００３９】
ケースＡとケースＢでは、表面に窪みを生じる状態で発光素子が形成されている。他方、ケースＣとケースＤでは、表面に窪みを生じることのない従来技術によってレーザ素子が作製されている。表面に窪みが生じない場合、成長抑制膜上でその両側から窒化物半導体多層膜構造の横方向成長が進んで最終的に成長抑制膜の中央付近上方で合体すれば、その合体部に大きな結晶格子歪みを生じることになる。
【００４０】
図１（ａ）のマスク基板を用いて窒化物半導体多層膜構造を成長させたケースＣの場合の結晶成長形態が図６（ｃ）に示されている。この場合、まず、成長抑制膜で被覆されていないＧａＮ基板の窓領域から窒化物半導体多層膜構造の結晶成長が始まる。この窓領域に成長する窒化物半導体多層膜構造は、通常の結晶成長方向（基板の主面に対して垂直方向）に沿って成長する。窒化物半導体多層膜構造が成長抑制膜より厚く成長すれば、成長抑制膜上では基板主面に平行な水平方向への成長（横方向成長）が進むようになり、成長抑制膜上にも窒化物半導体多層膜構造が形成されるようになる。そして、成長抑制膜の両側から中央付近まで横方向成長してきた窒化物半導体多層膜構造が互いに合体して、成長抑制膜の全面が覆われることになる。このとき、この膜の合体によって結晶格子ひずみを生じることになる。他方、ケースＡにおける窒化物半導体多層膜構造の結晶成長形態が図６（ａ）に示されているが、この場合には窒化物半導体多層膜構造の表面部分が横方向成長による合体を窪みを形成することにより、完全には生じていないので、合体による結晶格子歪みを軽減することが可能になっている。このような相違がレーザ素子の発振寿命に影響を与え、ケースＣに比べてケースＡの方が発振寿命が長く、またケースＤに比べてケースＢの方が発振寿命が長くなっているものと考えられる。
【００４１】
また、ケースＡとケースＢでは、ともに窒化物半導体多層膜構造表面に窪みが存在するが、レーザ発振寿命はケースＡの方が長くなる。ケースＡでは、窒化物半導体基板を用いている。したがって、基板とその上に積層している窒化物半導体多層膜構造との間には基礎基板を用いた場合に比べて熱膨張係数に大きな違いがないが、その積層した窒化物半導体多層膜構造特に発光素子構造においてはレーザ素子構造に含まれるいろいろな混晶組成の窒化物半導体層が存在し、それらの層の間での熱膨張係数差の問題が存在する。この熱膨張係数差により生じる結晶格子歪みが発振寿命に影響を与えているものと考えられる。他方、ケースＢではケースＡで述べた結晶格子歪みの要因に加えて基礎基板としてサファイア基板を用いているので、サファイアと窒化物半導体との間の熱膨張係数差が大きく、窒化物半導体多層膜構造内にはそれによる大きな結晶歪み成分も存在する。この場合の結晶成長形態が図６（ｂ）に示されているが、完全には横方向成長を合体させないように窪みを生成し、横方向成長の合体による結晶格子歪みを軽減しても、基礎基板を用いることによる結晶格子歪みが大きく、窒化物半導体基板を用いた場合ほどには結晶格子歪みを軽減することができない。その結果、ケースＡの方がケースＢに比べてレーザ発振寿命が長くなったものと考えられる。
【００４２】
なお、ケースＡとケースＢにおいては、表面に窪みが形成されることによって結晶格子歪みが緩和される効果が得られているが、さらに、成長抑制膜とその上方の窪みとの間に空隙が形成されるように窒化物半導体多層膜構造を成長させれば、その空隙部分でも結晶格子歪みを緩和させる効果が得られるのでより好ましい。ただし、この場合にも、窒化物半導体多層膜構造は少なくとも一部分では連続的に膜成長していることが必要である。
【００４３】
以上のように、各種類の基板を用いた場合において、窒化物半導体多層膜構造内部の結晶格子歪みの分布や大きさに差が現われ、その結果として半導体レーザ素子の寿命に違いが現われたものと推測される。
【００４４】
ところで、以上に述べた格子歪みの緩和の効果は、加工基板を用いた場合でも期待することができる。図７（ａ）と（ｂ）には、加工基板上に窒化物半導体多層膜構造が成長する際の結晶成長形態が示されている。窒化物半導体多層膜構造の成長は、加工基板に形成された溝の側壁から横方向に開始し、両側の溝側壁から成長した結晶が溝中央で合体し、その後は通常の結晶成長方向に進む。しかし、図７（ａ）の結晶成長形態では、丘の上方に窒化物半導体多層膜構造が完全には平坦に埋まらない窪みを生じるので、基板主面に平行な水平方向の結晶歪みが窪みを介して緩和され得る。すなわち、窪みは図７（ａ）で示された結晶成長形態の溝中央に集中された結晶歪みを軽減し、窒化物半導体多層膜構造全体の結晶歪みを緩和させることができる。ただし、窒化物半導体多層膜構造の成長をさらに進めれば、図７（ｂ）に示されているように、すべての窪みが平坦に埋まってしまい、溝内で横方向成長が合体した部分で生じる結晶内応力を緩和できないことになってしまう。
【００４５】
加工基板を用いる場合の結晶成長形態においてさらに好ましくは、図１４に示されているように、丘中央のみならず溝中央にも窪みが形成されることである。このような結晶成長形態を利用することによって、結晶歪みが集中する部分がなくなるので、結晶歪みが顕著に緩和された窒化物半導体多層膜構造を形成することが可能になる。
【００４６】
なお、加工基板を用いる場合には成長抑制膜を使用しないので、マスク基板における成長抑制膜による熱膨張係数差の影響や不純物の影響を受けないという利点もある。
【００４７】
また、本発明による結晶成長形態を利用することによって、窒化物半導体多層膜構造中のクラックの発生も抑制し得ることが本発明者らによって見出された。このことにより、窒化物半導体レーザ素子の生産歩留まりが向上する。
【００４８】
たとえば、ケースＡの場合として図６（ａ）に示された窒化物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）を用いて表面に窪みがある構造を含む窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は０〜３本／ｃｍ2であった。他方、ケースＣとして図６（ｃ）に示された従来のＧａＮ基板上で表面に窪みが存在しない形態の窒化物半導体発光素子を形成した場合、従来ではほとんどクラックが発生しないと思われていたが、実際に発光素子を成長させた後のエピウエハ面内には多くのクラックが発生していた。これは、発光素子が種々の積層構造から構成されるためであると考えられる（たとえば、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ層に比べて格子定数が小さく、ＩｎＧａＮ層はＧａＮ層に比べて格子定数が大きい）。さらに、現在の技術で得られているＧａＮ基板では、その基板自体に残留歪みが潜在しているものと考えられる。したがって、従来のＧａＮ基板上に窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は約５〜８本／ｃｍ2であった。このことから、本発明による結晶成長形態を利用することによってクラック密度を低減し得ることがわかった。
【００４９】
他方、ケースＢの場合として図６（ｂ）に示された異種基板（たとえばサファイア基板）を用いて表面に窪みがある形態で窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は約３〜５本／ｃｍ2であった。しかし、ケースＤの場合として、図６（ｄ）に示されたサファイア基板を用いて表面に窪みが存在しない形態で窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は約７〜１０本／ｃｍ2であった。
【００５０】
以上のことから、表面に窪みを生じる形態で窒化物半導体レーザ素子を形成する場合に、クラックの発生を抑制し得ることがわかった。このような窪みによるクラック発生の抑制効果は、窪みが深ければ深いほど大きく、窪みの分布密度が高ければ高いほど大きかった。なお、窪みの深さや密度を変えるためには、マスク基板を用いる場合には成長抑制膜の構造を変え、加工基板を用いる場合には溝と丘の構造を変えることによってその制御が可能である。
【００５１】
さらに、本発明における窪みによるクラック抑制効果は、以下の特徴を有することがわかった。チップ分割された１つの窒化物半導体発光素子内に窪みが２つ以上含まれることによって、窪みが１つの素子と比較して、クラック発生率が約３０％程度軽減されていた。しかも、たとえば図１９に示されたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体発光素子（レーザ素子）のように、窪み１と窪み２との間にリッジストライプ部が設けられた場合、とりわけその発光素子の歩留まりが向上した。これについて詳細に調べた結果、リッジストライプの長手方向を横切るようなクラックが軽減していたことが判明した。これは、リッジストライプ部の両側に窪みを有することによって、クラックが窒化物半導体発光素子のリッジストライプ部に侵入することを防止し得たためであると考えられる。
【００５２】
また、本発明における窪みは、チップ分割された１つの窒化物半導体発光素子の電極において以下の効果を有することがわかった。１つの窒化物半導体発光素子内に本発明における窪みが２つ以上含まれることによって、窪みが１つの素子に比較して、電極剥がれによる素子不良率が約２０％程度軽減されていた。しかも、たとえば図１９に示されたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体発光素子（レーザ素子）のように、窪み１と窪み２との間にリッジストライプ部が設けられた場合、とりわけリッジストライプ部でのｐ電極１１２（パッド電極をも含む）の剥がれが防止され、その発光素子の歩留まりが向上した。このことから、２つ以上の窪みを含む領域上に電極が形成されることが好ましく、より好ましくは窪みと窪みとの間にリッジストライプ部が設けられて、これらの窪みを含む領域上に電極が形成されることが好ましいことがわかった。このリッジストライプ部での電極剥がれの防止効果は、誘電体膜の剥がれについても同様であった。たとえば、図１９に示すところのＳｉＯ2誘電体膜１１３についても同様である。なお、ＳｉＯ2誘電体膜１１３の代わりに、ＳｉＮxのような他の誘電体膜が用いられてもよい。
【００５３】
さらにまた、本発明における窪みは、チップ分割された１つの窒化物半導体素子のワイヤボンドにおいて以下の効果を有することがわかった。ワイヤボンドと窒化物半導体発光素子との間の接合領域に本発明における窪みが１つ以上含まれることによって、ワイヤボンド自体の剥がれまたはワイヤボンドを含む電極の剥がれが約２０％程度軽減されていた。このことから、ワイヤボンドと窒化物半導体発光素子との間の接合領域に本発明における窪みが１つ以上含まれることが好ましいことがわかった。
【００５４】
（マスク基板について）
本発明におけるマスク基板は、窒化物半導体基板を利用する場合にはその窒化物半導体基板とパターニングされた成長抑制膜から構成され、基礎基板を利用する場合にはその基礎基板とその上の窒化物半導体基板層とその上のパターニングされた成長抑制膜から構成される。ただし、窒化物半導体基板は、その上に形成される窒化物半導体膜との熱膨張係数差が小さいので、基板の反りが基礎基板を利用した場合に比べてはるかに小さくなる。したがって、窒化物半導体基板に形成される成長抑制膜、ひいては窪みの位置は基礎基板上の窒化物半導体基板層上に形成されるそれらに比べて精度よく形成され得る。また、基板の反りが非常に小さいので、後述の「（発光部の形成位置について）」において詳細に述べられるが、素子不良（たとえばレーザ発振寿命の短命化）の起きやすい領域を避けて発光素子構造を精度よく作製することができる。さらに、基板の反りが小さいこと自体が新たな歪みやクラックの発生を防止するように作用し、半導体レーザ素子の長寿命化の効果と他の素子特性不良を軽減する効果をも生じる。したがって、基礎基板を利用する場合に比べて、窒化物半導体基板を利用する方が好ましい。
【００５５】
（マスク基板を被覆する窒化物半導体下地層の膜厚について）
本発明において、マスク基板上に窒化物半導体多層膜構造で平坦には被覆されない窪みを形成するためには、マスク基板を被覆する窒化物半導体下地層を薄く成長させればよい。ただし、マスク基板の成長抑制膜領域の上方で下地層には窪みが形成されるが、半導体レーザ素子を形成するために下地層の平坦な部分も必要である。したがって、窒化物半導体下地層の被覆膜厚は、２μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましい。その被覆膜厚が２μｍよりも薄くなれば、マスク基板の成長抑制膜の幅や厚さにも依存するが、成長抑制膜の上方に半導体レーザ素子の発光部を作製できるほどに平坦な下地層領域を得ることが困難になり始める。他方、被覆膜厚が２０μｍよりも厚くなれば、窪みによる結晶歪みの緩和効果とクラック抑制効果よりもマスク基板と窒化物半導体下地層（または窒化物半導体多層膜構造）との間の熱膨張係数差による応力歪みの方が強くなりすぎて、本発明による効果が十分に発揮されなくなる可能性が高くなる。
【００５６】
（マスク幅について）
マスク基板の成長抑制膜は、相対的にそのマスク幅が狭ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、広ければ埋没されにくい。本発明者らの検討結果によれば、マスク基板の成長抑制膜の上方を窒化物半導体下地層で完全に被覆せずに窪みを生じさせるためのマスク幅Ｍ１は７μｍ以上で７５μｍ以下であることが好ましく、７μｍ以上で１００μｍ以下であってもよい。ただし、適切なマスク幅Ｍ１はマスク基板を被覆する窒化物半導体下地層または窒化物半導体多層膜構造の被覆膜厚に依存するので、成長抑制膜上方に窪みを生成させる際には、マスク幅Ｍ１とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚をも調整する必要がある。
【００５７】
マスク幅Ｍ１の下限値と上限値は以下の観点から見積もられた。成長抑制膜のマスク幅Ｍ１の下限値については、発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、窪みを生じさせるマスク幅Ｍ１の成長抑制膜上方に窒化物半導体レーザ素子を作製する場合、レーザ発振寿命の観点から、そのレーザ素子のリッジストライプ部下方の発光部が図８中の領域Ｉに属することが好ましい。リッジストライプ幅は１〜３μｍの範囲内で形成されかつ最小の窪み幅は１μｍに見積もることができるので、マスク幅Ｍ１の下限値は窪みを含む領域ＩＩの幅＝窪み幅（１μｍ）＋２μｍ×２（図８参照）とストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた７μｍ以上でなければならない。
【００５８】
他方、マスク幅Ｍ１の上限値には特に制約はないが、あまりにＭ１を広くし過ぎればウエハの単位面積当たりの窪みの密度が減少し、結晶歪の緩和効果やクラックの抑制効果が低減してしまう。また、ウエハ当たりのチップ収得率も減少してしまう。したがって、マスク幅Ｍ１の上限値としては、１００μｍ以下であることが望まれる。
【００５９】
以上ではマスク幅のみを変更したマスク基板について説明されたが、マスク幅のみならず以下に述べるマスク厚さおよび／またはスペース幅をも変更してマスク基板を形成してもよいことは言うまでもない。このことは、他の実施形態におけるマスク基板についても同様である。
【００６０】
なお、上述の窪み幅については、次のように規定される。窪みの形状は窒化物半導体下地層の成長条件や成長抑制膜の整列方向によって変化することがあり、その幅も一定でないことがある。その場合には、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプの幅方向に平行に最も幅の広い部分にて窪み幅を規定するものとする。
【００６１】
（マスク厚さについて）
窒化物半導体基板上に形成するマスクは、相対的にその厚さが薄ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、厚ければ埋没されにくい。本発明者らの検討結果によれば、マスク基板の成長抑制膜を窒化物半導体下地層で完全に被覆せずに窪みを生成するためのマスク厚さＴ１は、０．０５μｍ以上であることが好ましく、０．０１μｍ以上であることがより好ましかった。この理由は、マスク厚さＴ１が０．０５μｍよりも薄ければ成長抑制膜が窒化物半導体下地層の成長前の昇温時に劣化して窒化物半導体基板が露出してしまう可能性があることと、マスク厚さの制御が困難になることによる。そして、マスク厚さＴ１の下限値が０．１μｍ以上になれば、そのような問題が殆どなくなる。
【００６２】
マスク厚さＴ１の上限値に関しては、あまりに成長抑制膜を厚くし過ぎれば成長抑制膜と窒化物半導体下地層との熱膨張係数差でマスク基板が割れやすくなってしまうので、マスク厚さＴ１は１０μｍ以下であることが望ましい。また、適切なマスク厚さＴ１はマスク基板を被覆する窒化物半導体下地層または窒化物半導体多層膜構造の被覆膜厚に依存するので、成長抑制膜上方に窪みを形成する際には、マスク厚さＴ１とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚を調整する必要がある。
【００６３】
（スペース幅について）
マスク基板で成長抑制膜が形成されていないスペース部分では、そのスペース幅は２μｍ以上で３０μｍ以下であることが望ましい。なぜならば、スペース幅が狭すぎれば窒化物半導体下地層の成長初期で基板主面に垂直な方向に成長する結晶部分の結晶性が悪くなり、その後に横方向に成長する結晶部分に悪影響を及ぼすので好ましくないからである。また、スペース幅が広すぎればレーザ素子を作製できる下地層領域が少なくなり、ウエハあたりのレーザチップ収得率が下がるので好ましくない。
【００６４】
（成長抑制膜の長手方向について）
主面として｛０００１｝Ｃ面を有する窒化物半導体基板または基礎基板上の窒化物半導体基板層に形成されたストライプ状成長抑制膜の長手方向は、その窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向に平行であることが最も好ましく、＜１１−２０＞方向に平行であることが次に好ましかった。これらの特定方向に関する成長抑制膜の長手方向は、｛０００１｝Ｃ面内で±５°程度の開き角度を有していても実質的な影響を生じなかった。
【００６５】
窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向に沿って成長抑制膜が形成されることの優位性は、窪みが埋まりにくくて結晶歪みとクラック発生の抑制効果が非常に高いことである。この方向に沿って形成された成長抑制膜上に窒化物半導体下地層が成長する場合、窪みの側壁面としては主に｛１１−２０｝面が形成されやすい。この｛１１−２０｝側壁面は図９（ａ）に示されているように基板の主面に対して垂直であるので、窪みはほぼ矩形形状の横断面を有しやすくなる。窪みの横断面が矩形形状に近い場合、窒化物半導体を構成する原材料が窪みの奥まで供給されにくく、成長抑制膜が窒化物半導体下地層で埋没されにくくなる。このことから、マスク基板を窒化物半導体下地層で比較的厚く被覆したとしても、窪みが埋没される心配がない。また、マスク基板上に成長した窒化物半導体下地層の結晶歪みがその深い窪みによって緩和され、クラックの発生も効果的に抑制され得る。
【００６６】
他方、窒化物半導体結晶の＜１１−２０＞方向に沿ってストライプ状成長抑制膜が形成されることの優位性は、窪みの形状が急峻でかつ窪みの位置の揺らぎが小さくなることである。この方向に沿って形成された成長抑制膜上に窒化物半導体下地層が成長する場合、窪みの側壁面には主に｛１−１０１｝面が形成されやすい。この｛１−１０１｝側壁面は非常に平坦でかつエッジ部（図５参照）が急峻で蛇行しにくいので、＜１１−２０＞方向に沿った窪みもまっすぐになって蛇行しにくい。したがって、後述される動作寿命の長い発光素子を形成するための領域Ｉを広く取ることができ（発光素子収得率の向上）、発光素子の形成位置の狂いによる素子歩留まりの低下をも防止することができる。
【００６７】
前述の成長抑制膜はすべてストライプ状であったが、ストライプ状であることは以下の点において好ましい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子の発振に寄与する部分（リッジストライプ部の下方）はストライプ状であり、後述の好ましいリッジストライプ部形成領域Ｉもストライプ状であるので、その発振に寄与する部分をその好ましい領域Ｉ内に作り込むことが容易になる。しかし、たとえば図２に示されているように、成長抑制膜が桝目状に形成されてもよい。
【００６８】
図２（ａ）は、異なる２種類の方向のストライプ状成長抑制膜が互いに直交するように形成された場合におけるマスク基板の上面図を表わしている。図２（ｂ）は、異なる２種類のストライプ方向が互いに６０度の角度をなすように形成された場合におけるマスク基板の上面図を表わしている。そして、図２（ｃ）は、異なる３種類のマスク方向が互いに６０度の角度をなすように形成された場合におけるマスク基板の上面図を表わしている。
【００６９】
（マスク基板を被覆する窒化物半導体下地層について）
マスク基板を被覆する窒化物半導体膜からなる下地層としては、たとえばＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、またはＩｎＧａＮ膜などを用いることができる。また、窒化物半導体下地層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種の不純物を添加することができる。
【００７０】
窒化物半導体下地層がＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。すなわち、ＧａＮ膜は２元混晶であるので、結晶成長の制御性が良好である。また、ＧａＮ膜の表面マイグレーション長はＡｌＧａＮ膜に比べて長く、ＩｎＧａＮ膜に比べて短いので、成長抑制膜を埋めて平坦化したい部分は適度にＧａＮ膜で被覆され、窪みを形成したい部分はＧａＮ膜による被覆が適度に制限される。窒化物半導体下地層として利用されるＧａＮ膜中の不純物濃度は、１×１０17／ｃｍ3以上で５×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。このような濃度範囲で不純物を添加すれば、窒化物半導体下地層の表面モホロジーが良好になって、結果的に発光層の層厚が均一化されて素子特性が向上し得る。
【００７１】
窒化物半導体下地層がＡｌＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。ＡｌＧａＮ膜においては、Ａｌが含まれているので、ＧａＮ膜やＩｎＧａＮ膜に比べて表面マイグレーション長が短い。表面マイグレーション長が短いということは、窪みの横断面形状が急峻な状態を維持し（たとえば、図５中のエッジ部がだれず）、窪みの底に窒化物半導体が流れ込みにくい（窪みが埋まりにくい）ことを意味する。また、成長抑制膜の被覆の際においても、窒化物半導体が溝の底部に流れ込み難くて、溝の側壁からの結晶成長が促進されるので横方向成長が顕著になって、結晶歪みを一層緩和させることが可能となる。ＡｌxＧａ1-xＮ膜のＡｌ組成比ｘは０．０１以上で０．１５以下であることが好ましく、０．０１以上で０．０７以下であることがより好ましい。Ａｌの組成比ｘが０．０１よりも小さければ、前述の表面マイグレーション長が長くなってしまう可能性がある。他方、Ａｌの組成比ｘが０．１５よりも大きくなれば、表面マイグレーション長が短くなりすぎて、下地層の結晶性自体が良好ではなくなるおそれがある。なお、ＡｌＧａＮ膜に限らず、この膜と同等の効果は、窒化物半導体下地層にＡｌが含まれていれば得られる。また、窒化物半導体下地層として利用されるＡｌＧａＮ膜中の不純物濃度は、３×１０17／ｃｍ3以上で５×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。このような濃度範囲でＡｌと同時に不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面マイグレーション長が短くなって好ましい。このことによって、結晶歪みを一層緩和させることが可能になる。
【００７２】
窒化物半導体下地層がＩｎＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。ＩｎＧａＮ膜においては、Ｉｎが含まれているので、ＧａＮ膜やＡｌＧａＮ膜と比べて弾性的である。したがって、ＩｎＧａＮ膜はマスク基板の成長抑制膜上を被覆して、基板からの結晶歪みを窒化物半導体多層膜構造全体に拡散させ、効果的に結晶の歪みを緩和させる働きを有する。ＩｎxＧａ1-xＮ膜のＩｎ組成比ｘは０．０１以上で０．１５以下であることが好ましく、０．０１以上で０．１以下であることがより好ましい。Ｉｎの組成比ｘが０．０１よりも小さければ、Ｉｎを含むことによる弾力性の効果が得られにくくなる可能性がある。また、Ｉｎの組成比ｘが０．１５よりも大きくなれば、ＩｎＧａＮ膜の結晶性が低下してしまう可能性がある。なお、ＩｎＧａＮ膜に限らず、この膜と同等の効果は、窒化物半導体下地層にＩｎが含まれていれば得られる。また、窒化物半導体下地層として利用されるＩｎＧａＮ膜中の不純物濃度は、１×１０17／ｃｍ3以上で４×１０18／ｃｍ3以下が好ましい。このような濃度範囲でＩｎと同時に不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面モホロジーが良好になって、かつ弾性力を保有し得るので好ましい。
【００７３】
（発光部の形成位置について）
本発明者らによる詳細な検討の結果、窒化物半導体レーザ素子の発光部（リッジストライプ部の下方）が窪み付き基板のどの位置に形成されるかに依存して、レーザ発振寿命が変化することが見出された。ここで発光部とは、発光素子に電流が注入されて、発光層のうちで実質的に発光に寄与する部分である。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流が狭窄注入されるリッジストライプ部の下方の発光層部分である。
【００７４】
図１０において、グラフの横軸は窪み付き基板のマスク中央ｃからその幅方向にリッジストライプ端ａまでの距離を表わし、縦軸はレーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件下でのレーザ発振寿命を表わしている。ここで、マスク中央ｃからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｃ−ａ距離と呼ぶ）は、マスク中央ｃから幅方向に右側が正で左側が負で表示されている。なお、図１０で測定されたケースＡの窒化物半導体レーザ素子においてはＧａＮ基板によるマスク基板が用いられ、リッジストライプ幅は２μｍであり、マスク幅は１８μｍであり、スペース幅は１５μｍであり、そしてマスク厚さは０．２μｍであった。
【００７５】
図１０のケースＡからわかるように、リッジストライプ部が成長抑制膜上方に形成された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、リッジストライプ部がスペース部上方に形成されたものよりも長くなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、成長抑制膜上方の領域内であっても、ｃ−ａ距離が−５μｍよりも大きくて３μｍよりも小さい領域にリッジストライプ部が形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少することがわかった。ここで、リッジストライプ部の幅が２μｍであることを考慮して、ｃ−ａ距離−５μｍがマスク中央ｃからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｃ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されれば、ｃ−ｂ距離は−３μｍになる。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の少なくとも一部がマスク中央ｃから幅方向に左右３μｍ未満の範囲内に含まれるように形成されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。
【００７６】
これは、次のように理解できる。このケースの場合、窪み端ｄ、ｅはマスク中央ｃから左右に１μｍ離れた位置に存在することになる。よって、窪み端から窪みの外側方向に２μｍ未満の範囲内にリッジストライプ部の少なくとも一部が含まれるように形成されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少することになる。
【００７７】
このようなレーザ発振寿命が劇的に減少する領域（窪み端ｄ、ｅから窪みの外側方向に左右２μｍ未満の範囲）を領域ＩＩと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、マスク幅範囲内で領域ＩＩを除く範囲に、その全体（ａ−ｂ幅）が含まれるように形成されることが好ましい。ここで、マスク幅範囲内において、窪み端ｄ、ｅから窪みの外側方向に左右２μｍ以上離れた範囲を領域Ｉと呼ぶことにする。この領域Ｉは、スペース部上方の領域ＩＩＩに比べても、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を形成することが可能な領域であり、窪み付き基板のうちで最も好ましい領域である。
【００７８】
図８では、上述の領域ＩからＩＩＩが窪み付き基板の模式的な断面図において示されている。すなわち、窪み付き基板上に作製される窒化物半導体レーザ素子の発光部は成長抑制膜上方の領域Ｉ内に形成することが望ましい。なお、マスク幅、スペース幅、およびリッジストライプ幅を種々に変化させても、図１０と同様の傾向を示した。また、マスク基板をＧａＮ基板を含むものから基礎基板を含むものに代えても、レーザ発振寿命はＧａＮ基板を含む場合に比べて短くなるものの、図１０と同様の傾向を示した。したがって、これらの場合においても、窪み付き基板上に形成すべき発光素子の発光部形成領域は図８に示す関係にあると考えられる。
【００７９】
さらに、図１０における窒化物半導体レーザ素子はリッジストライプ構造を有するものであったが、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子であっても図１０と同様の関係を示した（電流阻止構造の場合では、図１０におけるリッジストライプ幅は電流狭窄される幅に相当する）。すなわち、窒化物半導体レーザ素子において、発光層に電流が狭窄注入され、レーザ発振に寄与する部分の下方に図８に示された領域Ｉが存在していればよい。
【００８０】
しかしながら、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、上述されたリッジストライプ構造を有する素子と比較して、レーザ発振寿命は約２０〜３０％程度低かった。また、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を有する素子と比べて、クラック発生による歩留まりの低下が大きかった。これらの原因については定かではないが、おそらく、電流阻止層に電流狭窄部分が作製される工程とその電流狭窄部が作製された電流阻止層上に再び窒化物半導体を結晶成長させる工程に問題があるのではないかと考えられる。たとえば、電流阻止層に電流狭窄部が作製される工程ではレジスト材などのマスク材料が用いられるが、これらのマスク材料が本発明に係る窒化物半導体発光素子の窪み内に付着していて、そのまま再成長させられることによって発光素子特性に悪影響をもたらしたのではないかと考えられる。また、たとえば、電流狭窄部が作製された電流阻止層上に再び窒化物半導体を結晶成長させる工程では、電流阻止層に電流狭窄部を作製するために発光素子構造の作製途中に一旦結晶成長装置から取出し（常温）、再び結晶成長装置に装填して残りの発光素子構造を結晶成長（約１０００℃）させる。このように発光素子構造の途中で急激な温度差のある熱履歴を与えれば、本発明に係る窒化物半導体発光素子が窪みを有していても、その窪みによって発光素子構造内の結晶歪みは十分には緩和されず、クラックが発生するものと考えられる。
【００８１】
なお、レーザ素子と同様に、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子においても、電流注入されて発光に寄与する部分の下方に図８に示した領域Ｉが存在していれば本発明による効果を十分に得ることができる。
【００８２】
次に、本発明において加工基板を用いる場合について説明する。
（加工基板について）
本発明において用いられ得る加工基板としては、窒化物半導体基板を加工する場合と、基礎基板上に窒化物半導体基板層を成長させてその基板層を加工する場合がある。ただし、マスク基板の説明において述べたのと同様の理由から、基礎基板を利用するよりも窒化物半導体基板を用いる方が好ましい。
【００８３】
（加工基板を被覆する窒化物半導体下地層の被覆膜厚について）
本発明において、加工基板が窒化物半導体多層膜構造で平坦化されない窪みを形成するためには、たとえば窒化物半導体下地層を薄く成長させればよい。ただし、溝上方領域にも窪みを形成する場合は別として、加工基板に形成された溝はレーザ素子を形成し得る程度に平坦に埋没されなければ、その溝上方領域に発光素子を形成することが困難になる。したがって、窒化物半導体下地層の被覆膜厚は、約２μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましい。被覆膜厚が２μｍよりも薄くなれば、加工基板に形成された溝幅や溝深さにも依存するが、窒化物半導体下地層で溝を完全かつ平坦に埋没させることが困難になり始める。他方、被覆膜厚が２０μｍよりも厚くなれば、特に加工基板が基礎基板を含む場合に、窪みによる結晶歪みの緩和効果とクラック抑制効果よりも、加工基板と窒化物半導体下地層（または窒化物半導体多層膜構造）との間の熱膨張係数差による応力歪みの方が強くなりすぎて、本発明による効果が十分に発揮されなくなる可能性が高くなる。
【００８４】
（溝幅について）
窒化物半導体基板に形成する溝は、相対的に溝幅が狭ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、広ければ埋没されにくい。このことは、マスク基板におけるマスク幅との関係と同様である。本発明者らの検討結果によれば、加工基板に形成される溝を窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆するための溝幅Ｇ１は、４μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上で２５μｍ以下であることがより好ましかった。他方、加工基板に形成される溝を窒化物半導体下地層で完全には被覆せずに窪みを形成するための溝幅Ｇ２は、７μｍ以上で７５μｍ以下であることが好ましいが、７μｍ以上で約１００μｍ以下であってもよかった。ただし、加工基板の溝上方に窪みが形成されるか否かは窒化物半導体下地層の被覆膜厚に強く依存するので、溝を完全かつ平坦に被覆する際や溝上方領域に窪みを形成する際には、溝幅Ｇ１やＧ２とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚を調整する必要がある。
【００８５】
溝幅Ｇ１の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成されない溝１の溝幅Ｇ１の下限値は、発光素子中の発光部の大きさに依存する。発光素子中の発光部の形成位置については、後述の項目「（発光部の形成位置について）」において図１２を参照しつつさらに詳細に説明される。たとえば、窪み付き基板のうちで平坦に被覆された溝上方領域に窒化物半導体レーザ素子を形成する場合、レーザ発振寿命の観点から、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部下方の発光部が図１１（ａ）中の領域Ｉに属することが好ましい。したがって、少なくとも溝幅Ｇ１の下限値は、リッジストライプ幅の２倍よりも広くする必要がある。リッジストライプ幅はおよそ１μｍ〜３μｍの幅で形成されるので、溝幅Ｇ１は図１１（ａ）中の領域ＩＩＩの幅２μｍとストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた４μｍ以上でなければならないと見積もられる。
【００８６】
他方、溝幅Ｇ１に上限値が存在するのは、溝幅Ｇ１が２５μｍを超えれば、窒化物半導体下地層を被覆膜厚１０μｍ以下の積層でその溝幅Ｇ１を有する溝１を完全に埋没させることが困難になるからである。同様に、溝幅Ｇ１が３０μｍを超えれば、窒化物半導体下地層を被覆膜厚２０μｍ以上に積層してもその溝１を完全に埋没させることが困難になるからである。
【００８７】
溝幅Ｇ２の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成される溝２の溝幅Ｇ２の下限値についても、溝幅Ｇ１の下限値と同様に、発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、溝幅Ｇ２内に窪みが形成される溝２の上方領域に窒化物半導体レーザ素子を作製する場合、レーザ発振寿命の観点から、レーザ素子のリッジストライプ部の下方の発光部は、図１１（ｂ）中の領域ＩＩに属することが好ましい。リッジストライプ幅はおおよそ１μｍ〜３μｍで、最小の窪み幅は１μｍで見積もることができるので、溝幅Ｇ２の下限値は窪みを含む領域ＩＶの幅＝窪み幅（１μｍ）＋２μｍ×２（図１１（ｂ）参照）とストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた７μｍ以上が必要である。
【００８８】
他方、溝の上方に窪みが形成される溝２の溝幅Ｇ２の上限値は、レーザ発振寿命の観点からは特に制約はない。しかしながら、あまりにＧ２を広くしすぎればウエハの単位面積当りの窪み密度が減少し、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果が低減してしまう。これに伴って、ウエハ当りの発光素子チップ収得率も減少してしまう。したがって、上記観点から、溝幅Ｇ２の上限値は１００μｍ以下、より好ましくは７５μｍ以下である。
【００８９】
以上では、溝幅のみを変更した加工基板について説明されたが、溝幅のみならず溝深さおよび／または丘幅をも変更して加工基板を形成してもよいことは言うまでもない。このことは、他の実施形態における加工基板についても同様である。
【００９０】
（溝深さについて）
窒化物半導体基板に形成する溝は、相対的にその深さが浅ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、深ければ埋没されにくい。このことは、マスク基板におけるマスク厚さとの関係と同様である。なお、溝深さの調整による窪みの形成は、溝幅を調整して窪みを形成する場合に比べて、ウエハ当りの発光素子チップ収得率が減少しないので好ましい。
【００９１】
本発明者らの検討結果によれば、加工基板に形成される溝を窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆するための溝深さＨ１は、１μｍ以上で９μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上で６μｍ以下であることがより好ましかった。他方、加工基板の形成される溝を窒化物半導体下地層で完全には被覆せずに窪みを形成するための溝深さＨ２は、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましかった。溝深さＨ２の上限値に関しては特に制約はなく、図４に示されているような残し厚ｈが１００μｍ以上であればよい。ただし、加工基板の溝上方に窪みが形成されるか否かは窒化物半導体下地層の被覆膜厚に依存するので、溝を完全かつ平坦に被覆する際や溝上方に窪みを形成する際は、溝深さＨ１やＨ２とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚を調整する必要がある。
【００９２】
溝深さＨ１の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成されない溝１の溝深さＨ１の下限値は、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。なぜならば、溝深さＨ１が１μｍよりも浅ければ、結晶成長形態における横方向成長よりも基板主面に対して垂直方向の成長が優先的になり、横方向成長による結晶歪みの低減効果が十分に発揮されなくなる可能性があるからである。そして、溝深さＨ１の下限値が２μｍ以上になれば、横方向成長による結晶歪みの低減効果が十分に発揮され得るからである。
【００９３】
他方、溝深さＨ１の上限値としては、９μｍ以下であることが好ましく、６μｍ以下であることがより好ましかった。なぜならば、溝深さＨ１が６μｍを超えれば窒化物半導体下地層を被覆膜厚１０μｍ以下の積層でその溝深さＨ１を有する溝１を完全に埋没させることが困難になり始めるからである。同様に、溝深さＨ１が９μｍを超えれば窒化物半導体下地層を被覆膜厚２０μｍ以上に積層してもその溝１を完全に埋没させることが困難になり始めるからである。
【００９４】
溝深さＨ２の下限値と上限値は以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成される溝２の溝深さＨ２の下限値としては、溝深さＨ１と同じく１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。なぜならば、溝深さＨ１に関して述べたように、横方向成長による結晶歪みの低減効果が十分に得られていなければ、溝２の上方領域に形成した発光素子の特性（たとえばレーザ発振寿命）が低下する可能性があるからである。溝深さＨ２とＨ１との下限値が同じでありながら、窒化物半導体膜によって溝上方領域に窪みが形成されるかまたはそれが完全に埋没されるかは、その窒化物半導体下地層の被覆膜厚に依存する。他方、溝深さＨ２の上限値に関しては特に制約はなく、溝深さＨ２が深いほど窪みの形成が容易になる。ただし、あまりに溝２を深くしすぎれば加工基板が割れやすくなるので、溝の底部と基板の裏面との間の残し厚ｈが１００μｍ以上になるようにしなければならない（図４参照）。
【００９５】
以上では溝深さのみを変更した加工基板について説明したが、溝深さのみならず溝幅および／または丘幅をも変更して加工基板を形成してもよいことは言うまでもない。
【００９６】
（丘幅について）
加工基板に形成される丘は、相対的に丘幅が狭ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、広ければ埋没されにくい。本発明者らの検討結果によれば、加工基板に形成される丘を窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆するための丘幅Ｌ１は、４μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上で２５μｍ以下であることがさらに好ましかった。他方、加工基板に形成される丘を窒化物半導体下地層で完全に被覆せずに窪みを形成するための丘幅Ｌ２は、７μｍ以上で７５μｍ以下であることが好ましく、７μｍ以上で１００μｍ以下であってもよかった。ただし、加工基板の丘上方に窪みが形成されるか否かは窒化物半導体下地層の被覆膜厚に強く依存するので、丘を完全かつ平坦に被覆する際や丘の上方領域に窪みを形成する際に、丘幅Ｌ１やＬ２とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚をも調整する必要がある。
【００９７】
丘幅Ｌ１の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。丘の上方に窪みが形成されない丘１の丘幅Ｌ１の下限値は前述の溝幅Ｇ１の下限値と同様に発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、窪み付き基板のうちで丘上方で平坦に被覆された領域に窒化物半導体レーザ素子を形成する場合、レーザ発振寿命の観点から、そのレーザ素子のリッジストライプ部の下方の発光部が窪みの形成されていない領域Ｉ（図１１（ｂ）参照）に属することが好ましい。リッジストライプ幅は約１μｍ〜３μｍの幅で形成され、丘上方で窪みの形成されない場合の領域ＩＩＩの幅は２μｍと見積もることができるので、丘幅Ｌ１の下限値はストライプ幅（１μｍ）×２と領域ＩＩＩの幅２μｍを加えた４μｍ以上であることが必要である。他方、丘幅Ｌ１の上限値に関しても前述の溝１の幅の上限値と同様に見積もることができる。
【００９８】
さらに、丘幅Ｌ２の下限値と上限値は、以下のようにして見積もられた。丘の上に窪みが形成されない丘２の丘幅Ｌ２の下限値は、前述の溝幅Ｇ２の下限値と同様に、発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、窪みを含む丘幅Ｌ２の丘２の上方領域に窒化物半導体レーザ素子を形成する場合、レーザ発振寿命の観点から、そのレーザ素子のリッジストライプ部の下方の発光部が図１１（ａ）中の領域ＩＩに属することが好ましい。リッジストライプ部は約１〜３μｍの幅で形成され、最小の窪み幅を１μｍで見積もることができるので、丘幅Ｌ２の下限値は窪みを含む領域ＩＶの幅＝窪み幅（１μｍ）＋２μｍ×２とストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた７μｍ以上でなければならない。
【００９９】
他方、丘の上方に窪みが形成される丘２の丘幅Ｌ２の上限値は、レーザ発振寿命の観点からは特に制約はない。しかしながら、前述の溝２の溝幅Ｇ２の上限値と同様の理由から、丘幅Ｌ２の上限値は１００μｍ以下、より好ましくは７５μｍ以下である。
【０１００】
（溝の長手方向について）
加工基板における溝の長手方向については、マスク基板におけるストライプ状成長抑制膜の長手方向についての説明内容と基本的に同様の内容になる。
【０１０１】
（加工基板を被覆する窒化物半導体下地層について）
加工基板を被覆する窒化物半導体下地層として、ＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、またはＩｎＧａＮ膜などを用いることができる。このような下地層に関する内容も、マスク基板を用いる場合の説明内容と基本的に同様の内容になる。
【０１０２】
（発光部の形成位置について）
本発明者らによる詳細な検討の結果、窒化物半導体レーザ素子の発光部（リッジストライプ部の下方）が窪み付き基板のどの位置に形成されるかに依存して、レーザ発振寿命が変化することが見出された。ここで発光部とは、発光素子に電流が注入されて、発光層のうちで実質的に発光に寄与する部分である。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流が狭窄注入されるリッジストライプ部の下方の発光層部分である。
【０１０３】
図１２において、グラフの横軸は窪み付き基板の溝中央ｃからその幅方向にリッジストライプ端ａまでの距離を表わし、縦軸はレーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件下でのレーザ発振寿命を表わしている。ここで、溝中央ｃからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｃ−ａ距離と呼ぶ）は、溝中央ｃから幅方向に右側が正で左側が負で表示されている。なお、図１２で測定された窒化物半導体レーザ素子においてはＧａＮ基板による加工基板が用いられ、リッジストライプ幅は２μｍであり、溝幅は１８μｍであり、丘幅は１５μｍであり、そして丘上方の窪み幅は３μｍであった。
【０１０４】
図１２からわかるように、リッジストライプ部が溝の上方に形成された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、リッジストライプ部が丘の上方に形成されたものよりも長くなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、溝上方の領域内であっても、ｃ−ａ距離が−３μｍよりも大きくて１μｍよりも小さい領域にリッジストライプ部が形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少することがわかった。ここで、リッジストライプ部の幅が２μｍであることを考慮して、ｃ−ａ距離−３μｍが溝中央ｃからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｃ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されれば、ｃ−ｂ距離は−１μｍになる。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の少なくとも一部が溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ未満の範囲内に含まれるように形成されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。
【０１０５】
このようなレーザ発振寿命が劇的に減少する領域（溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ未満の範囲）を領域ＩＩＩと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、領域ＩＩＩを除く範囲に、その全体（ａ−ｂ幅）が含まれるように形成されることが好ましい。ここで、溝幅範囲内において、溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ以上の範囲を領域Ｉと呼ぶことにする。この領域Ｉは、以下で述べる領域ＩＩに比べても、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を形成することが可能な領域であり、窪み付き基板のうちで最も好ましい領域である。
【０１０６】
他方、丘の上方の領域においても溝上方領域に類似して、ｃ−ａ距離が１１μｍよりも大きくて２０μｍよりも小さい領域に窒化物半導体レーザ素子の発光部を形成すれば、そのレーザ発振寿命が劇的に減少することがわかる。ここで、ｃ−ａ距離１１μｍの状態を窪み端ｄからリッジストライプ端ｂまでの距離で表示すれば２μｍであり、同様にｃ−ａ距離２０μｍの状態を窪み端ｅからリッジストライプ端ａまでの距離で表示すれば２μｍになる。すなわち、窪み端からその両外側へ２μｍまでの範囲内にリッジストライプ部の下方の発光部の少なくとも一部が含まれると、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかる。このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域をＩＶと呼ぶことにする。したがって、丘の上方の領域内では、領域ＩＶを除く窪み端ｄからその幅方向の左側に２μｍ以上または窪み端ｅから右側へ２μｍ以上離れた範囲にリッジストライプ部全体（ａ−ｂ）が含まれるように作製されることが好ましい。ここで、丘の上方の領域において、窪み端ｄから幅方向に左側へ２μｍ以上で窪み端ｅから右側へ２μｍ以上の範囲の領域を領域ＩＩと呼びすることにする。この領域ＩＩでは、上述の領域Ｉに比べてレーザ発振寿命が短くなるものの、数千時間の寿命を有する窒化物半導体レーザ素子を形成することができる。
【０１０７】
図１１では、上述の領域ＩからＩＶが窪み付き基板の模式的な断面図において示されている。すなわち、窪み付き基板に作製される窒化物半導体レーザ素子の発光部は、少なくとも領域ＩＩＩとＩＶを避けた位置に形成されることが好ましく、そのうちでも領域Ｉが最も好ましくて、領域ＩＩがこれに次いで好ましかった（図１２参照）。
【０１０８】
図１１（ａ）においては丘の上方の領域内のみに窪みが形成された場合が示されているが、たとえば後述される実施形態６〜８におけるように丘の上方領域が窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆される場合の領域Ｉの範囲は、図１１（ｂ）に示されているように丘の上方領域内であってかつ丘中央から幅方向に右または左側へ１μｍ以上離れた領域であった。なぜならば、丘中央から左右に１μｍの範囲（丘上方に窪みを形成しない場合の領域ＩＩＩ）内に発光部が含まれるように形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうからである。
【０１０９】
同様に、図１１（ａ）では溝の上方に窪みが形成されていなかったが、たとえば後述される実施形態４、７、および８におけるように溝上方にも窪みが形成される場合の領域ＩＩの範囲は、溝上方の領域内であってかつ窪みの両端から幅方向に両外側へ２μｍ以上離れた領域であった（図１１（ｂ）参照）。なぜならば、窪みの両端から左右に２μｍまでの範囲（溝上方に窪みを有する場合の領域ＩＶ）内に発光部が含まれるように形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうからである。
【０１１０】
なお、溝幅、丘幅、およびリッジストライプ幅を種々に変化させても、図１２と同様の傾向を示した。また、加工基板をＧａＮ基板から基礎基板を含むものに変えても、レーザ発振寿命はＧａＮ基板の場合に比べて短くなるものの、図６と同様の傾向を示した。したがって、これらの場合においても、窪み付き基板上に形成すべき発光素子の発光部形成領域は図７に示す関係にあるものと考えられる。同様に、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子についても、電流注入される発光部の下方に図１１に示された領域ＩまたはＩＩのいずれかが存在していれば、本発明による効果を得ることが可能である。
【０１１１】
また、図１２における窒化物半導体レーザ素子はリッジストライプ構造を有するものであったが、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子であっても図１２と同様の傾向を得ることも可能である（電流阻止構造の場合では、図１２におけるリッジストライプ部は電流狭窄される部分に該当し、リッジストライプ幅は電流狭窄される幅に相当する）。すなわち、窒化物半導体レーザ素子において、発光層に電流が狭窄注入され、レーザ発振に寄与する発光部分の下方に図１１に示された領域ＩまたはＩＩのいずれかが存在していればよい。
【０１１２】
しかしながら、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、上述されたリッジストライプ構造を有する素子と比較して、レーザ発振寿命は約２０〜３０％程度低かった。また、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を有する素子と比較して、クラックの発生による歩留まりの低下が大きかった。これらの原因については、マスク基板を用いた場合と同様な理由が考えられる。
【０１１３】
［実施形態２］
実施形態２としては、マスク基板を利用した窪み付き基板の作製方法が図３と図９を参照して説明される。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１の場合と同様である。図３は窪み付き基板の各部位の名称を示し、図９（ａ）は窪みの横断面形状が矩形形状の場合の窪み付き基板を表わし、そして図９（ｂ）は窪みの横断面形状が逆台形形状（さらに結晶成長が進めばＶ字形形状になる）の場合の窪み付き基板を表わしている。
【０１１４】
図９におけるマスク基板は以下のようにして作製され得る。まず、主面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮ基板の表面に、通常のリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ2からなる成長抑制膜がストライプ状マスクパターンに形成された。こうして形成されたストライプ状成長抑制膜は、ｎ型ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って周期的に配列され、マスク幅１８μｍ、マスク厚さ０．２μｍ、およびスペース幅７μｍを有していた。
【０１１５】
作製されたマスク基板は、十分に有機洗浄されてからＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置内に搬入され、被覆膜厚６μｍのｎ型ＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層された。このｎ型ＧａＮ下地層の形成においては、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされたマスク基板上にＶ族元素用原料のＮＨ3（アンモニア）とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）が供給され、１０５０℃の結晶成長温度において、それらの原料にＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が添加された。
【０１１６】
図９（ａ）は、上述の方法で作製された窪み付き基板の模式的断面図を表わしている。この図からわかるように、上述の成長条件では成長抑制膜の上方領域に窪みが形成された。また、その窪みは、成長抑制膜のマスク中央位置と窪み幅の中央位置とがほぼ一致するように形成された。さらに、ＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に沿って成長抑制膜が形成された場合における窪みの横断面形状は、ほぼ矩形形状に近かった。
【０１１７】
このようにして作製された窪み付き基板上に、本発明に係る窒化物半導体発光素子が形成される。このことは、他の実施形態においても同様である。
【０１１８】
なお、本実施形態においては窒化物半導体膜の下地層の表面に窪みが存在しているが、さらに、成長抑制膜とその窪みとの間に空隙を生じるようにその下地層を成長させれば、その空隙部分でも結晶格子歪を緩和させる効果が得られるのでより好ましい。
【０１１９】
また、マスク基板上に成長させられるｎ型ＧａＮ層（窒化物半導体下地層）は、これに限られず、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層であってもよく、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅなどがドーピングされてもよい。
【０１２０】
本実施形態では、ＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に沿ってストライプ状成長抑制膜が形成されたが、＜１１−２０＞方向に沿って形成されてもよい。ＧａＮ結晶の＜１１−２０＞方向に沿ってストライプ状マスクを形成した場合、図９（ｂ）で示されているように、窪みの横断面形状は逆台形状に近かった。ただし、窪みの底部が埋まってくれば、その断面形状はＶ字形に近くなる。
【０１２１】
本実施形態では、主面として（０００１）面を有するＧａＮ基板が利用されたが、その他の面方位やその他の窒化物半導体基板が利用されてもよい。また、本実施形態で述べられたマスク基板に形成されるマスク幅、スペース幅、およびマスク厚さの数値、ならびに窒化物半導体下地層の被覆膜厚の数値としては、前述の実施形態１で述べた数値範囲条件を満足していれば、他の数値が採用されてもよい。このことは、他の実施形態においても同様である。
【０１２２】
［実施形態３］
実施形態３としては、加工基板を利用した窪み付き基板の作製方法が図５と図１３を参照して説明される。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１の場合と同様である。図５は窪み付き基板の各部位の名称を示し、図１３（ａ）は窪みの横断面形状が矩形形状の場合の窪み付き基板を表わし、そして図１３（ｂ）は窪みの横断面形状が逆台形形状（さらに結晶成長が進めばＶ字形形状になる）の場合の窪み付き基板を表わしている。
【０１２３】
図１３における加工基板は以下のようにして作製され得る。まず、主面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮ基板の表面に、ＳｉＯ2またはＳｉＮxなどの誘電体膜を蒸着した。そして、通常のリソグラフィ技術を用いてその誘電体膜にレジスト材を塗布し、そのレジスト材がストライプ状のマスクパターンに形成された。このマスクパターンに沿って、ドライエッチング法を用いて誘電体膜とＧａＮ基板の表面の一部をエッチングして溝が形成された。その後、レジスト材と誘電体膜を除去した。こうして形成された溝と丘は、ｎ型ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿っており、溝幅１８μｍ、溝深さ３μｍ、および丘幅７μｍを有していた。
【０１２４】
作製された加工基板は、実施形態２の場合と同様に、十分に有機洗浄されてからＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置内に搬入され、被覆膜厚６μｍのｎ型ＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層された。このｎ型ＧａＮ下地層の形成においては、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされた加工基板上にＶ族元素用原料のＮＨ3とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａまたはＴＥＧａが供給され、１０５０℃の結晶成長温度において、それらの原料にＳｉＨ4（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が添加された。
【０１２５】
図１３（ａ）は、上述の方法で作製された窪み付き基板の模式的断面図を表わしている。この図からわかるように、上述の成長条件では丘の上方領域のみに窪みが形成され、溝はｎ型ＧａＮ下地層によって平坦に埋没された。また、その窪みは、丘幅の中央位置と窪み幅の中央位置とがほぼ一致するように形成された。さらに、ＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成された場合における窪みの横断面形状は、ほぼ矩形形状に近かった。
【０１２６】
上述の本実施形態における溝形成方法以外に、窒化物半導体基板の表面に直接に通常のレジスト材料を塗布して加工基板が作製されてもよい。しかしながら、上述のように、誘電体膜を介して溝を形成した方が、溝の形状が急峻で好ましかった。
【０１２７】
なお、本実施形態においては、低温ＧａＮバッファ層上に成長させられるｎ型ＧａＮ層（窒化物半導体下地層）は、これに限られず、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層であってもよく、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅなどがドーピングされてもよい。
【０１２８】
本実施形態では、ドライエッチング法による溝形成方法が例示されたが、その他の溝形成方法が用いられてもよいことは言うまでもない。たとえば、ウェットエッチング法、スクライビング法、ワイヤソー加工、放電加工、スパッタリング加工、レーザ加工、サンドブラスト加工、またはフォーカスイオンビーム加工などが用いられ得る。
【０１２９】
本実施形態では、ＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成されたが、＜１１−２０＞方向に沿って溝が形成されてもよい。ＧａＮ結晶の＜１１−２０＞方向に沿って溝を形成した場合、図１３（ｂ）で示されているように、窪みの横断面形状は逆台形状に近かった。ただし、窪みの底部が埋まってくれば、その断面形状はＶ字形に近くなる。
【０１３０】
本実施形態では、主面として（０００１）面を有するＧａＮ基板が利用されたが、その他の面方位やその他の窒化物半導体が利用されてもよい。また、本実施形態で述べられた加工基板に形成される溝幅、丘幅、および溝深さの数値、ならびに窒化物半導体下地層の被覆膜厚の数値としては、前述の実施形態１で述べた数値範囲条件を満足していれば、他の数値が採用されてもよい。このことは、他の実施形態においても同様である。
【０１３１】
［実施形態４］
実施形態４においては、丘上方のみならず溝上方にも窪みを有する窪み付き基板の作製方法が、図１４を参照して説明される。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１および３と同様である。
【０１３２】
すなわち、図１４における加工基板と窒化物半導体下地層（本実施形態ではＧａＮ下地層）は、実施形態３と同様にして作製される。ただし、ＧａＮ下地層の被覆膜厚は比較的薄くされ、３μｍであった。
【０１３３】
この窪み付き基板は丘上方のみならず溝上方にも窪みを有しているので、横方向成長によって生じた結晶のぶつかり合いによる結晶歪みの集中部分がなく、結晶歪みがほとんど緩和されたＧａＮ下地層で被覆され得る。
【０１３４】
なお、本実施形態４における窪み付き基板は、主に、加工基板を被覆するＧａＮ下地層の被覆膜厚を薄く調整することによって容易に得ることができる。
【０１３５】
［実施形態５］
実施形態５においては、加工基板に形成された丘幅が一定の値ではなくて種々の異なる値にされたこと以外は、前述の実施形態１および３と同様である。
【０１３６】
図１５の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を表わしており、溝幅Ｇ１は１２μｍ、溝深さＨ１は３μｍ、そして丘幅のみがＬ１＝８μｍとＬ２＝１４μｍの２通りの数値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚５μｍのＩｎＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層されて、本実施形態５の窪み付き基板が作製された。
【０１３７】
図１５からわかるように、加工基板に形成される丘幅を種々に変えることによって、相対的に幅の広い丘２の上方に形成される窪み２は、狭い丘１の上方に形成される窪み１に比べて大きくなりやすい。そして、相対的に大きな窪みは、小さな窪みに比べて結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果が大きい。本実施形態のように、大きさが異なる窪みを含む窪み付き基板は、以下に点において好ましい。
【０１３８】
すなわち、窪み付き基板のうちで相対的に小さな窪みは、大きな窪みに比べて結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果は小さいものの、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域（図１１における領域ＩとＩＩ）を広くすることができる（発光素子チップの収得率が高くなる）ので好ましい。他方、窪み付き基板のうちで相対的に大きな窪みは、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域が狭くなるものの、小さな窪みで抑制できなかった残留結晶歪みやクラックの発生を防止することができる（このことによって発光素子チップの歩留まりが高くなる）ので好ましい。すなわち、本実施形態の窪み付き基板は、生産性と歩留まりの観点から好ましいことがわかる。
【０１３９】
なお、本実施形態では２種類の異なる丘幅を有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる丘幅を有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。
【０１４０】
［実施形態６］
実施形態６においては、加工基板に形成された丘幅が一定の値ではなくて種々の異なる値にされることによって、上述の実施形態５に示された窪み１（図１６参照）が完全かつ平坦に窒化物半導体膜で被覆されたこと以外は、その実施形態５と同様である。また、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１および３の場合と同様である。
【０１４１】
図１６の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を示しており、溝幅Ｇ１は１６μｍ、溝深さＨ１は２μｍ、そして丘幅のみがＬ１＝４μｍとＬ２＝２４μｍの２通りの数値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚４μｍのＡｌＧａＮ膜が積層され、本実施形態６の窪み付き基板が作製された。
【０１４２】
図１６からわかるように、加工基板に形成される丘幅を種々に変えることによって、相対的に幅の広い丘２の上方には窪み２が形成され、相対的に幅の狭い丘１の上方は完全かつ平坦にＡｌＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層で埋没される。このような本実施形態における窪み付き基板は、以下の点において好ましい。
【０１４３】
すなわち、窪み付き基板のうちで丘１の上方には窪みが形成されないので、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果は小さいものの、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域が実施形態４に比べて広くなり得る（発光素子チップの収得率が高くなる）。他方、窪み付き基板のうちで丘２の上方に形成された窪み２は結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果を有している（発光素子チップの歩留まりが高くなる）。したがって、加工基板に形成される丘のうちで一部の丘の上方には窪みが形成されなくて他の丘の上方には窪みが形成された窪み付き基板は、生産性の観点から実施形態５に比べて好ましい。
【０１４４】
なお、本実施形態においても２種類の異なる丘幅を有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる丘幅を有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。
【０１４５】
［実施形態７］
実施形態７においては、加工基板に形成された溝深さが一定の値ではなくて種々の異なる値にされたこと以外は、前述の実施形態１および３と同様である。
【０１４６】
図１７の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を示しており、溝幅Ｇ１は１８μｍ、丘幅Ｌ１は５μｍ、そして溝深さのみがＨ１＝２．５μｍとＨ２＝１０μｍの２通りの数値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚６μｍのＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層されて、本実施形態６の窪み付き基板が作製された。
【０１４７】
図１７からわかるように、加工基板に形成される溝深さを種々に変えることによって、相対的に深い溝２の上方のみに窪み２が形成される。本実施形態における窪み付き基板は、以下の点において好ましい。
【０１４８】
すなわち、窪み付き基板のうちで溝２以外の上方には窪みが形成されないので、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果は少ないものの、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域を広くすることができる（発光素子チップの収得率が高くなる）。他方、窪み付き基板のうちで溝２の上方に形成された窪み２は、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果を有する。したがって、加工基板に形成された溝のうちで一部の溝の上方には窪みが形成されかつ他の溝の上には窪みが形成されない窪み付き基板は、発光素子チップの生産性の観点から好ましい。
【０１４９】
なお、本実施形態では２種類の異なる溝深さを有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる溝深さを有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。また、本実施形態が前述の実施形態４〜６の少なくともいずれかと組合わされてもよいことも言うまでもない。
【０１５０】
［実施形態８］
実施形態８においては、加工基板に形成された溝幅が一定の値ではなくて種々の異なる値にされたこと以外は、前述の実施形態１および３の場合と同様である。
【０１５１】
図１８の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を表わしており、丘幅Ｌ１は５μｍ、溝深さＨ１は４μｍ、そして溝幅のみがＧ１＝１２μｍとＧ２＝２４μｍの２通りの値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚６μｍのＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層されて、本実施形態８の窪み付き基板が作製された。
【０１５２】
図１８からわかるように、加工基板に形成される溝幅を種々に変えることによって、相対的に幅の広い溝２の上方のみに窪み２が形成される。本実施形態における窪み付き基板は、上述の実施形態７と同様の効果を有する。
【０１５３】
なお、本実施形態では２種類の異なる溝幅を有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる溝幅を有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。また、本実施形態は、前述の実施形態４〜７の少なくともいずれかと組合せてよいことも言うまでもない。
【０１５４】
［実施形態９］
実施形態９においては、実施形態１または２における窪み付き基板上に窒化物半導体レーザ素子が作製された。
【０１５５】
（結晶成長）
図１９は窪み付き基板上に成長された窒化物半導体レーザのウエハがチップ分割された後の窒化物半導体レーザ素子を表わしている。図１９に示された窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１００、ＳｉＯ2成長抑制膜１０１、ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下地層１０２、窪み付き基板２００、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２およびＳｉＯ2誘電体膜１１３を含んでいる。
【０１５６】
このような窒化物半導体レーザ素子の作製において、まず、実施形態１または２による窪み付き基板２００が形成された。ただし、本実施形態９では、ストライプ状成長抑制膜１０１の長手方向はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って形成された。
【０１５７】
次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、その窪み付き基板１００上において、Ｖ族元素用原料のＮＨ3とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａまたはＴＥＧａに、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）と不純物としてのＳｉＨ4（シラン）が加えられ、８００℃の結晶成長温度でｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３が厚さ４０ｎｍに成長させられた。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）が用いられて、厚さ０．９μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が成長させられ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃度１×１０18／ｃｍ3）が厚さ０．１μｍに成長させられた。
【０１５８】
その後、基板温度が８００℃に下げられ、厚さ８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層と厚さ４ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層とが交互に積層された発光層（多重量子井戸構造）１０６が形成された。この実施形態では、発光層１０６は障壁層で開始して障壁層で終了する多重量子井戸構造を有し、３層（３周期）の量子井戸層を含んでいた。また、障壁層と井戸層の両方に、Ｓｉ不純物が１×１０18／ｃｍ3の濃度で添加された。なお、障壁層と井戸層との間または井戸層と障壁層との間に、１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断期間が挿入されてもよい。こうすることによって、各層の平坦性が向上し、発光スペクトルの半値幅が減少するので好ましい。
【０１５９】
発光層１０６にＡｓが添加される場合にはＡｓＨ3またはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を用い、Ｐが添加される場合にはＰＨ3またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）を用い、そしてＳｂが添加される場合にはＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）を用いればよい。また、発光層が形成される際に、Ｎ原料として、ＮＨ3以外にＮ2Ｈ4（ジメチルヒドラジン）が用いられてもよい。
【０１６０】
次に、基板が再び１０５０℃まで昇温されて、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が順次に成長させられた。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の濃度で添加された。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０のｐ型不純物濃度は、ｐ電極１１２との界面に近づくに従って増大させることが好ましい。こうすることによって、ｐ電極との界面におけるコンタクト抵抗が低減する。また、ｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素が混入されてもよい。
【０１６１】
このようにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が成長させられた後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内の全ガスが窒素キャリアガスとＮＨ3に変えられ、６０℃／分の冷却速度で基板温度が冷却された。基板温度が８００℃に冷却された時点でＮＨ3の供給が停止され、５分間だけその基板温度に保持されてから室温まで冷却された。この基板の保持温度は６５０℃から９００℃の間にあることが好ましく、保持時間は３分以上で１０分以下であることが好ましかった。また、室温までの冷却速度は、３０℃／分以上であることが好ましい。こうして形成された結晶成長膜がラマン測定によって評価された結果、従来のｐ型化アニールが行なわれていなくても、その成長膜は既にｐ型化の特性を示していた（すなわち、Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ電極１１２を形成したときのコンタクト抵抗も低減していた。これに加えて従来のｐ型化アニールが組合わされれば、Ｍｇの活性化率がさらに向上して好ましかった。
【０１６２】
なお、本実施形態による結晶成長工程においては、マスク基板から窒化物半導体レーザ素子まで連続して結晶成長させてもよいし、マスク基板から窪み付き基板までの成長工程が予め行なわれた後に窒化物半導体レーザ素子を成長させるための再成長が行なわれてもよい。
【０１６３】
本実施形態におけるＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であってもよいし、ＩｎＧａＮクラック防止層が省略されてもよい。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合には、ＩｎＧａＮクラック防止層が挿入される方が好ましい。
【０１６４】
本実施形態の発光層１０６は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、発光層中の井戸層数は、前述の３層に限られず、１０層以下であればしきい値電流値が低くなって室温連続発振が可能であった。特に、井戸層数が２以上で６以下のときにしきい値電流値が低くなって好ましかった。
【０１６５】
本実施形態の発光層１０６においては、井戸層と障壁層の両方にＳｉが１×１０18／ｃｍ3の濃度で添加されたが、Ｓｉが添加されなくてもよい。しかしながら、Ｓｉが発光層に添加された方が、発光強度が強くなった。発光層に添加される不純物としては、Ｓｉに限られず、Ｏ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、およびＭｇの少なくともいずれかが添加されてもよい。また、不純物の総添加量としては、約１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層は井戸層と障壁層の両方であることに限られず、これらの片方の層のみに不純物が添加されてもよい。
【０１６６】
本実施形態のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７は、Ａｌ組成比が０．２以外であってもよいし、このキャリアブロック層が省略されてもよい。しかしながら、キャリアブロック層を設けたほうがしきい値電流値が低くなった。これは、キャリアブロック層１０７が発光層１０６内にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。キャリアブロック層のＡｌ組成比を高くすることは、これによってキャリアの閉じ込めが強くなるので好ましい。逆に、キャリアの閉じ込めが保持される範囲内でＡｌ組成比を小さくすれば、キャリアブロック層内のキャリア移動度が大きくなって電気抵抗が低くなるので好ましい。
【０１６７】
本実施形態では、ｐ型クラッド層１０９とｎ型クラッド層１０４として、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ結晶が用いられたが、そのＡｌ組成比は０．１以外であってもよい。そのＡｌの混晶比が高くなれば発光層１０６とのエネルギギャップ差と屈折率差が大きくなり、キャリアや光が発光層内に効率よく閉じ込められ、レーザ発振しきい値電流値の低減が可能になる。逆に、キャリアや光の閉じ込めが保持される範囲内でＡｌ組成比を小さくすれば、クラッド層内でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができる。
【０１６８】
ＡｌＧａＮクラッド層の厚みは０．７μｍ〜１．５μｍの範囲内にあることが好ましく、このことによって垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効率が増大し、レーザの光学特性の向上とレーザしきい値電流値の低減が可能になる。
【０１６９】
クラッド層はＡｌＧａＮ３元混晶に限られず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、またはＡｌＧａＮＡｓなどの４元混晶であってもよい。また、ｐ型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を含む超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層を含む超格子構造を有していてもよい。
【０１７０】
本実施形態ではＭＯＣＶＤ装置による結晶成長法が例示されたが、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが用いられてもよい。
【０１７１】
（チップ化工程）
前述の結晶成長で形成されたエピウエハ（マスク基板上に窒化物半導体多層膜構造がエピタキシャル成長させられたウエハ）がＭＯＣＶＤ装置から取出され、レーザ素子に加工される。ここで、窒化物半導体多層膜構造が形成されたエピウエハの表面には窪みが存在し、完全かつ平坦には埋没されていなかった。
【０１７２】
マスク基板１００はｎ型導電性の窒化物半導体であるので、その裏面側上にＨｆ／Ａｌの順の積層でｎ電極１１１が形成された（図１９参照）。ｎ電極としては、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｕなどの積層も用いられ得る。ｎ電極にＨｆが用いられれば、そのコンタクト抵抗が下がるので好ましい。
【０１７３】
ｐ電極部分はマスク基板１００の成長抑制膜の長手方向に沿ってストライプ状にエッチングされ、これによってリッジストライプ部（図１９参照）が形成された。マスク基板の成長抑制膜が桝目状の場合は、それらのマスクの長手方向として窒化物半導体の＜１−１００＞方向と＜１１−２０＞方向のいずれかを選択すればよい。リッジストライプ部はストライプ幅Ｗ＝２．０μｍを有し、前述の領域Ｉ（図８参照）に含まれるように形成された。その後、ＳｉＯ2誘電体膜１１３が蒸着され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の上面がこの誘電体膜から露出されて、その上にｐ電極１１２がＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの積層として蒸着されて形成された。ｐ電極としては、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕなどの積層が用いられてもよい。また、ｐ電極１１２とワイヤボンドとの間にＡｕからなるパッド電極を介してもよい。
【０１７４】
最後に、エピウエハはリッジストライプの長手方向に対して垂直な面でへき開され、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器が作製された。共振器長は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内であることが好ましい。溝が＜１−１００＞方向に沿って形成された共振器長のミラー端面は、窒化物半導体結晶のＭ面｛１−１００｝が端面になる。ミラー端面を形成するためのへき開とレーザ素子の分割は、マスク基板１００の裏面側からスクライバを用いて行なわれた。ただし、へき開はウエハの裏面全体を横断してスクライバによる罫書き傷がつけられて行なわれるのではなく、ウエハの一部、たとえばウエハの両端のみにスクライバによる罫書き傷がつけられてへき開された。これにより、素子端面の急峻性やスクライブによる削りかすがエピ表面に付着しないので、素子歩留まりが向上する。チップ分割された窒化物半導体発光素子（レーザ素子）の表面には、窒化物半導体発光素子のリッジストライプ部を挟んで窪みが２つ以上存在していた。また、ｐ電極１１２は２つ以上の窪みを含む領域上に、ワイヤボンドは１つ以上の窪みを含む領域上に形成された。
【０１７５】
なお、レーザ共振器の帰還手法としては、一般に知られているＤＦＢ（分布帰還）、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射）なども用いられ得る。
【０１７６】
ファブリ・ペロー共振器のミラー端面が形成された後には、そのミラー端面にＳｉＯ2とＴｉＯ2の誘電体膜を交互に蒸着し、７０％の反射率を有する誘電体多層反射膜が形成された。この誘電体多層反射膜としては、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3などの多層膜を用いることもできる。
【０１７７】
なお、ｎ電極１１１はマスク基板１００の裏面上に形成されたが、ドライエッチング法を用いてエピウエハの表側からｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ膜１０２の一部を露出させて、その露出領域上にｎ電極が形成されてもよい。
【０１７８】
（パッケージ実装）
得られた半導体レーザ素子は、パッケージに実装される。高出力（３０ｍＷ以上）の窒化物半導体レーザ素子を用いる場合、放熱対策に注意を払わなければならない。高出力窒化物半導体レーザ素子はＩｎはんだやＰｂＳｎ系はんだ、ＡｕＳｎ系はんだ等のはんだ材を用いて半導体接合を上または下のいずれかにしてパッケージ本体に接続することができるが、半導体接合を下側にして接続するほうが放熱の観点から好ましい。なお、高出力窒化物半導体レーザ素子は、通常は直接パッケージ本体やヒートシンク部に取付けられ得るが、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｆｅ、ＳｉＣ、Ｃｕ、またはＡｕなどのサブマウントを介して接続されてもよい。
【０１７９】
以上のようにして、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子が作製された。なお、本実施形態ではＧａＮのマスク基板１００が用いられたが、他の窒化物半導体の加工基板が用いられてもよい。たとえば、窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層がそのクラッド層の外側に接している必要があり、ＡｌＧａＮ基板が好ましく用いられ得る。
【０１８０】
本実施形態においては、窪み付き基板上に窒化物半導体レーザ素子が形成されることによって、結晶歪みが緩和されるとともにクラック発生が抑制され、雰囲気温度６０℃の条件の下で３０ｍＷのレーザ出力で約１８０００時間のレーザ発振寿命が得られるとともに、クラックの抑制効果による素子歩留まりの向上が達成された。
【０１８１】
［実施形態１０］
実施形態１０においては、実施形態１〜８におけるいずれかの窪み付き基板上に窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）素子が形成された。この際に、窒化物半導体ＬＥＤ素子層は、従来と同様の方法で形成された。
【０１８２】
本実施形態による窒化物半導体ＬＥＤ素子においては、その色むらが低減するとともに発光強度が従来に比べて向上した。特に、窒化物半導体を原材料とする白色窒化物半導体ＬＥＤ素子や琥珀色窒化物半導体ＬＥＤ素子のように、発光波長が短波長（４５０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以上）のＬＥＤ素子は、実施形態１〜８における窪み付き基板上に形成されることによって、従来に比較して約２倍以上の発光強度を有することができた。
【０１８３】
［実施形態１１］
実施形態１１においては、Ｎの一部と置換すべきＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素を発光層に含ませたこと以外は、実施形態９および１０と同様であった。より具体的には、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素が、窒化物半導体発光素子の発光層中で少なくとも井戸層のＮの一部に置換して含められた。このとき、井戸層に含まれたＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の組成比をｘとしてＮの組成比をｙとするときに、ｘはｙよりも小さくかつｘ／（ｘ＋ｙ）は０．３（３０％）以下でなければならず、好ましくは０．２（２０％）以下である。また、Ａｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の好ましい濃度の下限値は、１×１０18／ｃｍ3以上であった。
【０１８４】
この理由は、置換元素の組成比ｘが２０％よりも高くなれば井戸層内において置換元素の組成比の異なる濃度分離が生じ始め、さらに組成比ｘが３０％よりも高くなれば濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し始めて、井戸層の結晶性が低下する可能性が高くなるからである。他方、置換元素の総和の濃度が１×１０18／ｃｍ3よりも小さくなれば、井戸層中に置換元素を含有させたことによる効果が得られ難くなるからである。
【０１８５】
本実施形態による効果としては、井戸層にＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素を含ませることによって、井戸層中の電子とホールの有効質量が小さくなりかつ移動度が大きくなる。半導体レーザ素子の場合、小さな有効質量は小さい電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、大きな移動度は発光層中で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たな電子とホールが拡散によって高速で注入され得ることを意味する。すなわち、発光層にＡｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子に比べて、本実施形態では、しきい値電流密度が低くかつ自励発振特性の優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザを得ることが可能である。
【０１８６】
他方、本実施形態が窒化物半導体ＬＥＤに適用された場合、井戸層にＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの置換元素を含ませることによって、従来のＩｎＧａＮ井戸層を含む窒化物半導体ＬＥＤ素子と比較して、井戸層中のＩｎ組成比が低減され得る。これは、Ｉｎの濃度分離による結晶性の低下が抑制され得ることを意味する。したがって、置換元素の添加による効果は、実施形態８の窒化物半導体ＬＥＤに関する効果と相乗され、より一層の発光強度の向上と色むらの低減を生じる。特に、窒化物半導体を原材料とする白色窒化物半導体ＬＥＤ素子や琥珀色窒化物半導体ＬＥＤ素子のように、発光波長が短波長（４５０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以上）の窒化物半導体ＬＥＤ素子の場合、Ｉｎ組成比が低いか全く含有されることなく井戸層が形成され得るので、従来のＩｎＧａＮ系窒化物半導体ＬＥＤ素子と比較して色むらが小さく、強い発光強度が得られる。
【０１８７】
［実施形態１２］
実施形態１２においては、実施形態９または１１の窒化物半導体レーザ素子が光学装置において適用された。実施形態９または１１による青紫色（３８０〜４２０ｎｍの波長）の窒化物半導体レーザ素子は、種々の光学装置において好ましく利用することができ、たとえば光ピックアップ装置に利用すれば以下の点において好ましい。すなわち、そのような窒化物半導体レーザ素子は、高温雰囲気中（６０℃）において高出力（３０ｍＷ）で安定して動作し、素子不良が少なくかつレーザ発振寿命が長いことから、信頼性の高い高密度記録再生用光ディスク装置に最適である（光波長が短いほど、より高密度の記録再生が可能である）。
【０１８８】
図２０において、実施形態９または１１による窒化物半導体レーザ素子が光学装置に利用された一例として、たとえばＤＶＤ装置のように光ピックアップを含む光ディスク装置が模式的なブロック図で示されている。この光学情報記録再生装置において、窒化物半導体レーザ素子を含む光源１から射出されたレーザ光３は入力情報に応じて光変調器４で変調され、走査ミラー５およびレンズ６を介してディスク７上に記録される。ディスク７は、モータ８によって回転させられる。再生時にはディスク７上のビット配列によって光学的に変調された反射レーザ光がビームスプリッタ９を介して検出器１０で検出され、これによって再生信号が得られる。これらの各要素の動作は、制御回路１１によって制御される。レーザ素子１の出力については、通常は記録時に３０ｍＷであり、再生時には５ｍＷ程度である。
【０１８９】
本発明によるレーザ素子は上述のような光ディスク記録再生装置に利用され得るのみならず、レーザプリンタ、バーコードリーダ、光の３原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクタなどにも利用し得る。
【０１９０】
［実施形態１３］
実施形態１３においては、実施形態１０または１１による窒化物半導体発光ダイオード素子が半導体発光装置において利用された。すなわち、実施形態１０または１１による窒化物半導体発光ダイオード素子は、少なくとも光の３原色（赤色、緑色、青色）の１つとして、たとえば表示装置のような（半導体発光装置）において利用可能である。そのような窒化物半導体発光ダイオード素子を利用することによって、色むらが少なくかつ発光強度の高い表示装置が作製され得る。
【０１９１】
また、そのような光の３原色を生じ得る窒化物半導体発光ダイオード素子は、白色光源装置においても利用され得る。他方、発光波長が紫外領域から紫色領域（３８０〜４２０ｎｍ程度）にある本発明による窒化物半導体発光ダイオード素子は、蛍光塗料を塗布することによって白色光源素子としても利用し得る。
【０１９２】
このような白色光源を用いることによって、従来の液晶ディスプレイに用いられてきたハロゲン光源に代わって、低消費電力で高輝度のバックライトの実現が可能になる。これは、携帯ノートパソコンや携帯電話におけるマン・マシンインターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトとしても利用することができ、小型で高鮮明な液晶ディスプレイを提供することができる。
【０１９３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、発光寿命と発光強度を改善することができる。また、本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、クラック発生と電極剥がれとワイヤボンドの剥がれとを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明において用いられ得る窒化物半導体基板を含むマスク基板の一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は基礎基板を含むマスク基板を示している。
【図２】  本発明において用いられ得るマスク基板に含まれる成長抑制の形態を示しており、（ａ）は２種類の方向を有するストライプ状成長抑制膜が互いに直交する場合を示し、（ｂ）は２種類の方向を有するストライプ状成長抑制膜が互いに６０°の角度で交差する場合を示し、そして（ｃ）は３種類の方向を有するストライプ状成長抑制膜が互いに６０°の角度で交差する場合を示している。
【図３】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の一例を示す模式的な断面図である。
【図４】  本発明において用いられ得る加工基板の一例を示す模式的な断面図である。
【図５】  本発明において加工基板を利用した場合の窪み付き基板を示す模式的な断面図である。
【図６】  マスク基板上における窒化物半導体膜の結晶成長形態を表わす模式的な断面図である。
【図７】  加工基板上における窒化物半導体膜の結晶成長形態を表わす模式的な断面図である。
【図８】  本発明においてマスク基板を含む窪み付き基板上において発光素子構造を形成するために好ましい領域を示す模式的な断面図である。
【図９】  本発明において用いられ得るマスク基板を含む窪み付き基板の例を示す模式的な断面図である。
【図１０】  本発明において用いられ得るマスク基板を含む窪み付き基板上に形成された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係を示す図である。
【図１１】  本発明において用いられ得る加工基板を含む窪み付き基板上に形成される発光素子構造における発光部の好ましい領域を示す模式的な断面図である。
【図１２】  本発明において用いられ得る加工基板を含む窪み付き基板上に形成された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係を示す図である。
【図１３】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１４】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１５】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１６】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１７】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１８】  本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１９】  本発明における窪み付き基板上に形成された窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２０】  本発明による窒化物半導体レーザ素子を利用した光ピックアップ装置を含む光学装置の一例を示す模式的なブロック図である。
【符号の説明】
２００  窪み付き基板、１００  ｎ型ＧａＮ基板、１０１  成長抑制膜、１０２  ｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ下地層、１０３  ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層、１０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０６  発光層、１０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、１０８  ｐ型ＧａＮガイド層、１０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１０ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１  ｎ電極、１１２  ｐ電極、１１３  ＳｉＯ2誘電体膜。
【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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