(57)【要約】【課題】歩留まりを大きく向上することができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】基板と基板の表面上に積層された複数の窒化物半導体層からなる窒化物半導体積層構造体とを含み、基板の表面には、凹状に掘り込まれた掘り込み領域と掘り込まれていない非掘り込み領域とが形成されており、掘り込み領域は、底面と底面の端部から上方に伸びる側面とを有し、掘り込み領域の側面と非掘り込み領域の表面とが曲面を介して接続されている窒化物半導体発光素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面上に積層された複数の窒化物半導体層からなる窒化物半導体積層構造体と、を含み、
前記基板の表面には、凹状に掘り込まれた掘り込み領域と、掘り込まれていない非掘り込み領域と、が形成されており、
前記掘り込み領域は、底面と、前記底面の端部から上方に伸びる側面と、を有し、
前記掘り込み領域の側面と前記非掘り込み領域の表面とが曲面を介して接続されている、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記曲面の曲率半径が１μｍ以上７０μｍ以下であ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】
前記掘り込み領域の底面の幅が１μｍ以上１００μｍ以下であ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】
前記掘り込み領域の側面の高さが０．５μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子等の窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）およびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視域の波長の光が発振する窒化物半導体レーザ素子が試作されている。ここで、窒化物半導体レーザ素子の基板としてはＧａＮ基板が用いられることが多く、各研究機関において精力的に研究されている。
【０００３】
現在、窒化物半導体レーザ素子の歩留まりが低いため、製造コストを低下させるために窒化物半導体レーザ素子の歩留まりの向上が求められている。
【０００４】
そこで、たとえば、特許文献１には、凹状の掘り込み領域を含む加工基板の表面上に最初に成膜する窒化物半導体層にＧａＮを組成に含む化合物を用いることでクラックの発生を防止することができ、さらにはその後に成膜される窒化物半導体層の層厚の均一性が高く、表面が平坦になることが記載されている（たとえば、特許文献１の段落［０００６］および［０００７］等参照）。
【特許文献１】特開２００６−１５６９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されている加工基板を用い、その加工基板上に窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法等により成長させた窒化物半導体レーザ素子を作製した場合には、クラックの発生に対して抑制効果が得られたが、大きな歩留まりの向上は見られなかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、歩留まりを大きく向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板と基板の表面上に積層された複数の窒化物半導体層からなる窒化物半導体積層構造体とを含み、基板の表面には、凹状に掘り込まれた掘り込み領域と掘り込まれていない非掘り込み領域とが形成されており、掘り込み領域は、底面と底面の端部から上方に伸びる側面とを有し、掘り込み領域の側面と非掘り込み領域の表面とが曲面を介して接続されている窒化物半導体発光素子である。
【０００８】
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子においては、曲面の曲率半径が１μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、掘り込み領域の底面の幅が１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、掘り込み領域の側面の高さが０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、歩留まりを大きく向上することができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１３】
図１（ａ）に、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図を示す。また、図１（ｂ）に、図１（ａ）に示す窒化物半導体レーザ素子の模式的な上面図を示す。
【００１４】
ここで、基板１０のｎ型ＧａＮからなる表面上には、窒化物半導体層の複数が順次エピタキシャル成長することによって構成された窒化物半導体積層構造体１３が形成されており、窒化物半導体積層構造体１３の上面にはレーザ光の導波路となるリッジストライプ部１５が形成されている。また、リッジストライプ部１５の両側面を埋めるようにして電流狭窄を目的として絶縁層であるＳｉＯ2層１６が形成されており、リッジストライプ部１５の上面に接するようにしてｐ型オーミック電極１７が形成されている。また、基板１０の裏面上にはｎ型オーミック電極１８が形成されている。
【００１５】
図２に、図１（ａ）に示す窒化物半導体積層構造体１３の断面を模式的に示す。ここで、窒化物半導体積層構造体１３は、厚さ３．５μｍのｎ型ＧａＮ層２０上に、厚さ２．３μｍのｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１、厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層２２、厚さ０．１μｍのｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層２３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層２４、厚さ４ｎｍのＩｎＧａＮ層と厚さ８ｎｍのＧａＮ層とが交互に３周期積層された多重量子井戸構造の活性層２５、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ蒸発防止層２６、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮガイド層２７、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層２８および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２９がこの順序に積層されて構成されている。
【００１６】
また、図１（ａ）に示すように、基板１０中には、欠陥集中領域１１が形成されており、欠陥集中領域１１以外の領域が低欠陥領域１２となっている。そして、基板１０には欠陥集中領域１１を含む箇所に凹状に掘り込まれた掘り込み領域１４が形成されている。なお、掘り込み領域１４は、底面１４ａとその底面１４ａの両端部からそれぞれ上方に伸びる２つの側面１４ｂから構成されている。
【００１７】
また、基板１０の表面においては、掘り込み領域１４に隣り合う位置に、曲面１９を有する曲面領域３４が形成されており、曲面領域３４に隣り合う位置に掘り込みが行なわれていない非掘り込み領域４４が位置している。
【００１８】
本発明者が特許文献１の発明において歩留まりが向上しない原因を調査した結果、特許文献１の発明においては、加工基板の表面に形成された凹状の掘り込み領域の側面と掘り込まれていない非掘り込み領域の表面とがほぼ９０°の角度を為して直接に接続されているため、掘り込み領域上に窒化物半導体層を成長させた場合には、掘り込み領域の端部では盛り上がる成長をして表面が平坦ではない窒化物半導体層が形成される。そのため、窒化物半導体層の厚さに不均一性が生じ、窒化物半導体層の表面の平坦性が悪化することがわかった。
【００１９】
そこで、本発明者が鋭意検討した結果、たとえば図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、掘り込み領域１４の側面１４ｂと非掘り込み領域４４の表面４４ａとを曲面１９で接続することによって、歩留まりが大きく向上することを見いだし、本発明を完成するに至ったものである。
【００２０】
本発明のように、掘り込み領域１４の側面１４ｂと非掘り込み領域４４の表面４４ａとの接続部を角を有する形状ではなく、曲面１９とすることによって、基板１０の成長表面に対して局所的に不均一な窒化物半導体層の成長が発生することを抑制することができる。曲面１９上においては、窒化物半導体層の成長が均一となり、曲面１９上に成長した窒化物半導体層の表面の平坦性が向上し、ウエハ面内の特性の均一化が図られて、歩留まりを向上することができる。
【００２１】
なお、掘り込み領域１４は、たとえばＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）によって、基板１０の表面を掘り込むことによって形成することができる。
【００２２】
また、リッジストライプ部１５の中心と、掘り込み領域１４のリッジストライプ部１５側の端部との間の距離Ｄはここでは約１３０μｍとされるが、本発明においては特に限定されるものではない。
【００２３】
また、本発明においては、曲面１９の曲率半径が１μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。曲面１９の曲率半径が１μｍ以上７０μｍ以下、特に２μｍ以上１０μｍ以下である場合には、曲面１９上に成長する窒化物半導体層の表面の平坦性が向上する傾向が大きくなる。
【００２４】
また、本発明においては、掘り込み領域１４の底面１４ａの幅ｄが１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましい。掘り込み領域１４の底面１４ａの幅ｄが１μｍ以上１００μｍ以下、特に３μｍ以上２０μｍ以下である場合には、基板１０上に成長した窒化物半導体層の厚さの面内均一性が向上する傾向が大きくなる。
【００２５】
また、本発明においては、掘り込み領域１４の側面１４ｂの高さｈが０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。掘り込み領域１４の側面１４ｂの高さｈが０．５μｍ以上５０μｍ以下、特に５μｍ以上１０μｍ以下である場合には、基板１０上に成長した窒化物半導体層のクラック発生率が減少する傾向が大きくなる。
【００２６】
以下、図１（ａ）に示す窒化物半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する。まず、線状の欠陥集中領域１１を有する基板１０の作製方法について説明する。ｎ型ＧａＮ板上にＭＯＣＶＤ法によりたとえば厚さ２．５μｍのｎ型下地ＧａＮ層を成長させ、その上に周期的なストライプ状の開口部を有するＳｉＯ2マスクパターン（周期２０μｍ）を形成し、再びＭＯＣＶＤ法により、たとえば厚さ１５μｍのｎ型ＧａＮ層を積層して、基板１０が形成される。
【００２７】
ここで、ＳｉＯ2マスク上にはｎ型ＧａＮが成長しないため、ストライプ状の開口部からｎ型ＧａＮの成長が始まる。そして、ｎ型ＧａＮがＳｉＯ2マスクよりも厚くなると、ＳｉＯ2マスク上にこの開口部からｎ型ＧａＮが横方向に成長する。
【００２８】
そして、ＳｉＯ2マスクの中心部でＳｉＯ2マスクの左右から各々成長してきたｎ型ＧａＮが会合し、会合した部分は高い欠陥密度を有する欠陥集中領域１１となる。ＳｉＯ2マスクが線状に形成されるため、欠陥集中領域１１も線状に形成される。ここで、欠陥集中領域１１の幅は約４０μｍであり、欠陥集中領域１１同士の間隔は約４００μｍである。
【００２９】
なお、上記においては、ＥＬＯＧ(Epitaxial Lateral Over Growth)法を用いた基板１０の作製方法を示したが、本発明においては、他の作製方法を用いることもできる。
【００３０】
すなわち、本発明においては、凹状の掘り込み領域１４が設けられ、欠陥集中領域１１と低欠陥領域１２とが形成された基板１０の表面上に窒化物半導体層が成長するものであればよく、基板１０としては、上記で説明したもの以外にも、たとえば、ＧａＮ、ＳｉＣ、サファイア、ＧａＡｓ、Ｓｉ、スピネルまたはＺｎＯ等の基板であってもよい。
【００３１】
次に、この基板１０の表面の全面にＳｉＯ2等からなるマスクをたとえば４００ｎｍの厚さにＥＢ（Electron Beam）蒸着等により形成し、その後、一般的なフォトリソグラフィ工程により、［１−１００］方向にストライプ状のレジストを形成し、隣接するレジスト間にたとえば幅６０μｍのストライプ状の開口部を形成する。ここで、開口部は、欠陥集中領域を含むようにして形成される。なお、この開口部の下方の領域が図１（ａ）に示す掘り込み領域４４に相当する領域となり、レジストの下方の領域が非掘り込み領域４４および曲面領域３４に相当する領域となる。
【００３２】
なお、結晶面および方向を表わす場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、本明細書および図面においては、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。
【００３３】
その後、バイアスパワーが制御可能なＩＣＰを用いて、ＳｉＯ2等からなるマスクおよび基板１０をドライエッチング（第１回目のドライエッチング）する。ここで、第１回目のドライエッチングの条件として、たとえば、ガスの圧力を１〜２ｍＴｏｒｒ、バイアス電圧を２００〜３００Ｖにすると、ＳｉＯ2等からなるマスクと基板１０との境界（界面）に達し、垂直性の高い側面１４ｂを有する掘り込み領域４４が形成される。ここでは、基板１０のエッチング深さは３μｍとされるが、特にこれに限定されるものではない。その後、フッ化水素（ＨＦ）等のエッチャントによりＳｉＯ2等からなるマスクを除去する。
【００３４】
そして、再度、基板１０の表面の全面にＳｉＯ2等からなるマスクをたとえば４００ｎｍの厚さにＥＢ蒸着し、一般的なフォトリソグラフィ工程により、［１−１００］方向にストライプ状のレジストを形成し、隣接するレジスト間に、第１回目のドライエッチング時の開口部の幅よりも少し広めのたとえば幅６１μｍのストライプ状の開口部を形成する。ここで、開口部は、第１回目のドライエッチング時の開口部をすべて含むようにして形成される。なお、第１回目のドライエッチング時の開口部とは異なり、この開口部の下方の領域が図１（ａ）に示す掘り込み領域４４および曲面領域３４に相当する領域となり、レジストの下方の領域が非掘り込み領域４４に相当する領域となる。
【００３５】
その後、第１回目のドライエッチングと同様に、バイアスパワーが制御可能なＩＣＰを用いて、ＳｉＯ2等からなるマスクおよび基板１０をドライエッチング（第２回目のドライエッチング）する。
【００３６】
ここで、第２回目のドライエッチング中に、ＳｉＯ2等からなるマスクと基板１０との境界（界面）に達し、異方性が出にくい条件として、たとえば、ガスの圧力を１０〜２０ｍＴｏｒｒ、バイアス電圧を１００Ｖ以下にした場合には、曲面１９が形成される。その後、第１回目のドライエッチング後と同様に、ＨＦ等のエッチャントによりＳｉＯ2等からなるマスクを除去する。
【００３７】
これにより、図１（ａ）に示す基板１０が得られる。そして、この基板１０の表面上に複数の窒化物半導体層を積層して窒化物半導体積層構造体１３を形成し、リッジストライプ部１５、ＳｉＯ2層１６、ｐ型オーミック電極１７およびｎ型オーミック電極１８を順次形成する。その後、ｎ型オーミック電極１８の形成後のウエハを分割することによって、図１（ａ）に示すチップ状の窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【００３８】
このように、掘り込み領域１４の側面１４ｂと非掘り込み領域４４の表面４４ａとを曲面１９で接続した基板１０の表面上に窒化物半導体層を成長した場合には、曲面１９上に均一に窒化物半導体層が成長して窒化物半導体積層構造体１３が形成される。
【００３９】
そのため、リッジストライプ部１５が形成される領域に欠陥集中領域１１が侵入することなく、平坦な領域が確保される。そして、この平坦な領域にリッジストライプ部１５を形成することにより、ウエハ面内における素子特性のばらつきを抑えることができるとともに、歩留まりを向上することができる。
【００４０】
以上のようにして得られた図１（ａ）に示す構成の窒化物半導体レーザ素子を温度６０℃で光出力が３０ｍＷで一定になるように駆動電流値を制御して駆動（ＡＰＣ駆動）させることにより、寿命試験を行なった。
【００４１】
ここで言う寿命とは、寿命試験の開始時点のＩo（光出力が３０ｍＷ時の駆動電流値）が寿命試験によって１．５倍になった時点の時間を言う。各窒化物半導体レーザ素子の発光波長は４０５±５ｎｍであった。また、上記のようにして作製した各ウェハから無作為に５０個の窒化物半導体レーザ素子を取り出し、窒化物半導体レーザ素子の寿命が３０００時間を越えた数の割合を歩留まりとして評価した。
【００４２】
その結果、図１（ａ）に示す構成の窒化物半導体レーザ素子の歩留まりは９０％を超えるものであった。
【００４３】
一方、特許文献１のように、掘り込み領域１４の側面１４ｂと非掘り込み領域４４の表面４４ａとが９０°の角度を為す基板を用いたこと以外は上記と同様にして作製した窒化物半導体レーザ素子の歩留まりは６０％以下であった。
【００４４】
このように、窒化物半導体積層構造体１３の表面平坦性（掘り込み領域１４以外の箇所）の改善が、ウェハ面内の各窒化物半導体層の厚さ、組成の均一化を可能にし、歩留まりの向上に繋がると言える。
【００４５】
なお、本発明において、窒化物半導体積層構造体１３の構成および窒化物半導体積層構造体１３を構成する各窒化物半導体層の材質は上記のものに限定されないことは言うまでもない。窒化物半導体積層構造体１３を構成する各窒化物半導体層の材質としては、たとえば、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成式で表わされるアルミニウム、インジウムおよびガリウムからなる群から選択された少なくとも１種の３族元素と５族元素である窒素との化合物からなる結晶層を用いることができる。なお、窒化物半導体積層構造体１３を構成する各窒化物半導体層には、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントが適宜ドープされてもよい。
【００４６】
また、本発明においては、活性層２５の材質および構成も上記のものには限定されず、活性層２５は、多重量子井戸構造ではなく、単一量子井戸構造を有していてもよい。
【００４７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明においては、基板の表面における凹状の掘り込み領域と非堀り込み領域とを曲面で接続することにより、曲面上に成長する窒化物半導体層のエッジグロース（非掘り込み領域の端部の成長速度が上がり、窒化物半導体層の厚さが厚くなる）を抑制することにより、掘り込み領域の端部近傍の窒化物半導体層の表面平坦性が向上し、ウェハ面内における窒化物半導体層の均一化が図られて、窒化物半導体発光素子の歩留まりを向上することができる。
【００４９】
このように歩留まりが向上した窒化物半導体発光素子としては、窒化物半導体レーザ素子だけでなく、窒化物半導体レーザ素子以外の窒化物半導体発光ダイオード素子等の発光素子にも適用可能であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】（ａ）は本発明に係る窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す窒化物半導体レーザ素子の模式的な上面図である。
【図２】図１（ａ）に示す窒化物半導体積層構造体の断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  基板、１１  欠陥集中領域、１２  低欠陥領域、１３  窒化物半導体積層構造体、１４  掘り込み領域、１４ａ  底面、１４ｂ  側面、１５  リッジストライプ部、１６  ＳｉＯ2層、１７  ｐ型オーミック電極、１８  ｎ型オーミック電極、１９  曲面、２０  ｎ型ＧａＮ層、２１  ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層、２２  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層、２３  ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層、２４  ｎ型ＧａＮガイド層、２５  活性層、２６  ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ蒸発防止層、２７  ｐ型ＧａＮガイド層、２８  ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎクラッド層、２９  ｐ型ＧａＮコンタクト層、３４  曲面領域、４４  非掘り込み領域、４４ａ  表面。
【図１】
2009016561.tif 000003
【図２】
2009016561.tif 000004