(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板の｛０００１｝面にそのサファイア基板の＜１１−２０＞方向に平行な側面を有する段差部が形成され、前記サファイア基板の上面上ならびに前記段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層が形成され、形成時に前記段差部の側面上の前記窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面が共振器面を構成することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
基板上にホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層が形成され、前記第１の窒化物系半導体層の｛０００１｝面に当該第１の窒化物系半導体層の一部を除去してその第1の窒化物系半導体層の＜１−１００＞方向に平行な側面を有する段差部が形成され、前記第1の窒化物系半導体層の上面上ならびに前記段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層が形成され、形成時に前記段差部の側面上の前記第２の窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面が共振器面を構成することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記基板はサファイア基板であり、前記段差部の側面は前記サファイア基板の＜１１−２０＞方向に平行であることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板は炭化ケイ素基板であり、前記段差部の側面は前記炭化ケイ素基板の＜１−１００＞方向に平行であることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
サファイア基板の｛０００１｝面にそのサファイア基板の＜１１−２０＞方向に平行な側面を有する段差部を形成し、前記サファイア基板の上面上ならびに前記段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させ、成長時に前記段差部の側面上の前記窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面から共振器面を構成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
基板上にホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層を形成し、前記第１の窒化物系半導体層の｛０００１｝面に当該第１の窒化物系半導体層の一部を除去してその第１の窒化物系半導体層の＜１−１００＞方向に平行な側面を有する段差部を形成し、前記第１の窒化物系半導体層の上面上ならびに前記段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させ、成長時に前記段差部の側面上の前記第２の窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面から共振器面を構成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）もしくはＩｎＮ（窒化インジウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる化合物半導体層を有する半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色または紫色の光を発する半導体レーザ素子としてＧａＮ系半導体レーザ素子の実用化が進んでいる。ＧａＮ系半導体レーザ素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、一般的には、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
しかしながら、以下に示すように、サファイア基板とＧａＮ系半導体層とでへき開しやすい面方位が一致しない。図１０はサファイア基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。図１０において、実線の矢印はサファイア基板の結晶方位を示し、破線の矢印はＧａＮ系半導体層の結晶方位を示す。
【０００４】
図１０に示すように、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導体層のａ軸およびｂ軸はサファイア基板のａ軸およびｂ軸に対して３０度ずれている。
【０００５】
図１１はサファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導体層からなる半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【０００６】
図１１において、サファイア基板６１の（０００１）面上にＧａＮ系半導体層７０が形成されている。ストライプ状の電流注入領域７１は、ＧａＮ系半導体層７０の〈１０００〉方向に平行となっている。この場合、ＧａＮ系半導体層７０の｛１-1００｝面はサファイア基板６１の｛１-1００｝面に対して３０度傾いている。サファイア基板６１およびＧａＮ系半導体層７０ともに｛１-1００｝面でへき開しやすい。
【０００７】
このように、サファイア基板６１とＧａＮ系半導体７０とでへき開方向がずれているため、ＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する場合に、ＧａＡｓ基板上に形成される赤色光または赤外光を発生するＧａＡｓ系半導体層のようにへき開法により共振器面を形成することが困難となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、ＧａＮ系半導体レーザ素子の第１の製造方法として、ＧａＮ系半導体層とへき開方向が一致するＳｉＣ基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させる方法が提案されている。しかしながら、ＳｉＣ基板とＧａＮ系半導体層とで熱膨張係数が大きく異なるため、ＧａＮ系半導体層にクラックが発生しやすい。それにより、半導体レーザ素子の特性が劣化する。また、ＳｉＣ基板の価格が高いという問題もある。
【０００９】
ＧａＮ系半導体レーザ素子の第２の製造方法として、サファイア基板上にＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させた後、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）法、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法等のドライエッチング法により共振器面を形成する方法がある。
【００１０】
図１２はドライエッチングにより共振器面を形成する従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００１１】
まず、図１２（ａ）に示すように、サファイア基板２１の（０００１）面上に、ＡｌＧａＮバッファ層２２、ｉ−ＧａＮ層２３、ｎ−ＧａＮ層２４、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層２５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２６、ＩｎＧａＮ発光層２７、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２８およびｐ−ＧａＮコンタクト層２９を順に成長させる。
【００１２】
その後、図１２（ｂ）に示すように、ＲＩＢＥ法、ＲＩＥ法等のドライエッチング法によりｐ−ＧａＮコンタクト層２９からｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２６よりも基板側までをエッチングし、サファイア基板２１に対してほぼ垂直なエッチング側面４０を形成する。このエッチング側面４０はサファイア基板２１の例えば〈１１-2０〉方向に平行である。このエッチング側面４０を共振器面として用いる。
【００１３】
しかしながら、図１２に示した製造方法においては、エッチング側面４０がサファイア基板２１の表面に対して０〜５°程度傾斜しやすい。エッチング側面４０がサファイア基板２１の表面に対して傾斜した場合、共振器内でレーザ発振する光が共振器面で下方に反射されることになる。その結果、半導体レーザ素子の外部損失が増大し、しきい値電流が増大する。また、エッチング条件のばらつきによりエッチング側面４０の傾斜角度にばらつきが生じる。その結果、歩留りが低下する。
【００１４】
本発明の目的は、基板の表面に対して垂直な共振器面を容易に形成することが可能でかつ歩留りが向上された窒化物系半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る半導体レーザ素子は、サファイア基板の｛０００１｝面にそのサファイア基板の＜１１−２０＞方向に平行な側面を有する段差部が形成され、サファイア基板の上面上ならびに段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層が形成され、形成時に段差部の側面上の窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面が共振器面を構成するものである。
【００１６】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、サファイア基板の上面上ならびに段差部の側面上に発光層を含む窒化物系半導体層が形成されている。サファイア基板の段差部の側面上に成長する窒化物系半導体層の表面の面方位は｛１１-2０｝面であり、窒化物系半導体層の｛１１-2０｝面はサファイア基板の｛０００１｝面に対して垂直に成長する。したがって、サファイア基板の段差部の側面上の窒化物系半導体層の表面によりサファイア基板の上面上の窒化物系半導体層の発光層に対して垂直な共振器面が形成される。その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低い窒化物系半導体レーザ素子が実現される。
【００１７】
また、窒化物系半導体層の成長中時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面として用いているので、サファイア基板の表面に対して垂直な共振器面を容易に形成することができるとともに、歩留りが向上する。
【００１８】
第２の発明に係る半導体レーザ素子は、基板上に、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層が形成され、第１の窒化物系半導体層の｛０００１｝面に当該第１の窒化物系半導体層の一部を除去してその第1の窒化物系半導体層の＜１−１００＞方向に平行な側面を有する段差部が形成され、第1の窒化物系半導体層の上面上ならびに段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層が形成され、形成時に段差部の側面上の第２の窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面が共振器面を構成するものである。
【００１９】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、基板上に形成された第１の窒化物系半導体層の上面上ならびに段差部の側面上に発光層を含む第２の窒化物系半導体層が形成されている。第１の窒化物系半導体層の段差部の側面上に成長する第２の窒化物系半導体層の表面の面方位は｛１１-2０｝面であり、第２の窒化物系半導体層の｛１１-2０｝面は第１の窒化物系半導体層の｛０００１｝面に対して垂直に成長する。したがって、第１の窒化物系半導体層の段差部の側面上に形成される第２の窒化物系半導体層の表面により第１の窒化物系半導体層の上面上の第２の窒化物系半導体層の発光層に対して垂直な共振器面が形成される。その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低い窒化物系半導体レーザ素子が実現される。
【００２０】
また、第２の窒化物系半導体層の成長時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面として用いているので、基板の表面に対して垂直な共振器面を容易に形成することができるとともに、歩留りが向上する。
【００２１】
特に、基板はサファイア基板であり、段差部の側面はサファイア基板の〈１１-2０〉に平行であってもよい。また、基板は炭化ケイ素基板であり、段差部の側面は炭化ケイ素基板の〈１-1００〉方向に平行であってもよい。
【００２６】
第３の発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、サファイア基板の｛０００１｝面にそのサファイア基板の＜１１−２０＞方向に平行な側面を有する段差部を形成し、サファイア基板の上面上ならびに段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させ、成長時に段差部の側面上の窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面から共振器面を構成するものである。
【００２７】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法においては、サファイア基板の上面上ならびに段差部の側面上に発光層を含む窒化物系半導体層が形成される。サファイア基板の段差部の側面上に成長する窒化物系半導体層の表面の面方位は｛１１-2０｝面であり、窒化物系半導体層の｛１１-2０｝面はサファイア基板の｛０００１｝面に対して垂直に成長する。したがって、サファイア基板の段差部の側面上の窒化物系半導体層の表面によりサファイア基板の上面上の窒化物系半導体層の発光層に対して垂直な共振器面を形成することができる。
【００２８】
このように、窒化物系半導体層のエピタキシャル成長時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面として用いることができるので、サファイア基板の表面上に対して垂直な共振器面を容易に形成することができる。その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低い窒素物系半導体レーザ素子を容易に製造することができるとともに、歩留りが向上する。
【００２９】
第４の発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、基板上にホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層を形成し、第１の窒化物系半導体層の｛０００１｝面に当該第１の窒化物系半導体層の一部を除去してその第１の窒化物系半導体層の＜１−１００＞方向に平行な側面を有する段差部を形成し、第１の窒化物系半導体層の上面上ならびに段差部の側面上に、発光層を含みかつホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させ、成長時に段差部の側面上の第２の窒化物系半導体層の表面に形成される｛１１−２０｝面から共振器面を構成するものである。
【００３０】
本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法においては、基板上に形成された第１の窒化物系半導体層の上面上ならびに段差部の側面上に発光層を含む第２の窒化物系半導体層が形成される。第１の窒化物系半導体層の段差部の側面上に成長する第２の窒化物系半導体層の表面の面方位は｛１１-2０｝面であり、第２の窒化物系半導体層の｛１１-2０｝面は第１の窒化物系半導体層の｛０００１｝面に対して垂直に成長する。したがって、第１の窒化物系半導体層の段差部の側面上に形成される第２の窒化物系半導体層の表面により第１の窒化物系半導体層の上面上の第２の窒化物系半導体層の発光層に対して垂直な共振器面を形成することができる。
【００３１】
このように、第２の窒化物系半導体層のエピタキシャル成長時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面として用いることができるので、基板の表面に対して垂直な共振器面を容易に形成することができる。その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低い窒化物系半導体レーザ素子を容易に製造することができるとともに、歩留りが向上する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。なお、図１は半導体レーザ素子の共振器面に垂直な方向に沿った断面を示す。また、図２は多重量子井戸発光層のエネルギーバンド構造図である。さらに、図３は本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の共振器面に平行な方向に沿った模式的断面図である。図中、２重丸は紙面に垂直な方向を示す。図３の半導体レーザ素子は、酸化膜ストライプ構造を有する。
【００３６】
まず、図１（ａ）に示すように、サファイア基板１の（０００１）面上に、ＲＩＥ法、ＲＩＢＥ法等のドライエッチング法により段差部１００を形成する。段差部１００の側面１０１および底面１０２はサファイア基板１の〈１１-2０〉方向に平行とする。このエッチングにおいては、段差部１００の側面１０１が必ずしもサファイア基板１の（０００１）面に対して完全に垂直である必要はない。ただし、側面１０１の傾斜が大きい場合には、後の工程でＧａＮ系半導体層の｛１１-2０｝面が形成されるまでにある程度の厚みのＧａＮ系半導体層を成長させる必要があるので、側面１０１の傾斜をできるだけ小さく抑えることが望ましい。
【００３７】
次に、図１（ｂ）に示すように、サファイア基板１の上面上ならびに段差部１００の側面１０１上および底面１０２上に、厚さ３００ÅのアンドープのＡｌＧａＮバッファ層２、厚さ２μｍのｉ−ＧａＮ層３、厚さ３μｍのｎ−ＧａＮ層４、厚さ０．１μｍのｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラック防止層５、厚さ０．７μｍのｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６、後述する多重量子井戸発光層（以下、ＭＱＷ発光層と呼ぶ）７、厚さ０．７μｍのｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８、および厚さ０．２μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層９を順にエピタキシャル成長させる。以下、ＡｌＧａＮバッファ層２からｐ−ＧａＮコンタクト層９までをＧａＮ系半導体層１５と呼ぶ。
【００３８】
なお、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用いて、Ｐ型ドーパントとしてはＭｇを用いる。また、各層の成長方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）またはＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）を用いる。
【００３９】
図２に示すように、ＭＱＷ発光層７は、厚さ６０Åの６つのＡｌX Ｇａ1-X Ｎ（Ｘ＝０．０３）量子障壁層８１と厚さ３０Åの５つのＡｌX Ｇａ1-X Ｎ（Ｘ＝０．１３）量子井戸層８２とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を含む。その多重量子井戸構造の両面は厚さ０．１μｍのＧａＮ光ガイド層８３で挟まれている。
【００４０】
なお、図１（ａ）の工程において、段差部１００の高さＨは、図１（ｂ）の工程で形成されるｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６からｎ−ＧａＮコンタクト層９までの厚さｈ以上に設定する。これにより、段差部１００の底面１０２上に形成されるｐ−ＧａＮコンタクト層９の上面の位置がサファイア基板１の上面上に形成されるｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の下面の位置よりも低くなる。
【００４１】
以上の工程により、ＧａＮ系半導体層１５の結晶成長中に段差部１００の側面１０１上にＧａＮ系半導体層１５の｛１１-2０｝面が形成される。このＧａＮ系半導体層１５の｛１１-2０｝面は、サファイア基板１の（０００１）面に対して完全に垂直に成長する。
【００４２】
次に、図３に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６までの一部領域をエッチングにより除去し、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６を露出させる。
【００４３】
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層９上の電極形成領域およびｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の電極形成領域を除いて、電流狭窄を行うためおよびｐｎ接合の露出部を保護するために、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の上面、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６までの側面ならびにｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の上面にＳｉＯ2 膜等からなる絶縁膜１０を形成する。
【００４４】
最後に、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の露出した電極形成領域上にｐ電極１１を形成し、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の露出した電極形成領域上にｎ電極１２を形成する。
【００４５】
本実施例の半導体レーザ素子の製造方法においては、上記のように、ＧａＮ系半導体層１５の結晶成長中に、サファイア基板１の段差部１００の側面１０１上に、サファイア基板１の（０００１）面に対して完全に垂直な｛１１-2０｝面が形成される。したがって、段差部１００の側面１０１上のＧａＮ系半導体層１５の｛１１-2０｝面を共振器面２００として用いることが可能となる。
【００４６】
このように、ＧａＮ系半導体層１５の結晶成長時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面２００として用いることができるので、結晶成長後のエッチングやへき開等の複雑な工程を用いることなく、サファイア基板１の（０００１）面に対して垂直な共振器面２００を容易に形成することができる。
【００４７】
その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低減されたＧａＮ系半導体レーザ素子を容易に得ることができるとともに、歩留りが向上する。
【００４８】
図４はサファイア基板およびその上に形成されるＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。
【００４９】
図４に示すように、サファイア基板およびＧａＮ系半導体層はともに六方晶系である。サファイア基板とＧａＮ系半導体層とでは、結晶方位が３０°ずれている。［１１-2０］方向、［-2１１０］方向、［-1２-1０］方向、［-1-1２０］方向、［２-1-1０］方向および［１-2１０］方向が等価な面方位であり、一般表記〈１１-2０〉で表される。また、［１０-1０］方向、［０１-1０］方向、［-1１００］方向、［-1０１０］方向、［０-1１０］方向および［１-1００］方向が等価な面方位であり、一般表記〈１-1００〉で表される。なお、サファイア基板およびＧａＮ系半導体層ともに｛１-1００｝面でへき開しやすい。
【００５０】
図５（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。なお、図５は半導体レーザ素子の共振器面に垂直な方向に沿った断面を示す。
【００５１】
まず、図５（ａ）に示すように、サファイア基板１の（０００１）面上に、厚さ３００ÅのＡｌＧａＮバッファ層２および厚さ２μｍのｉ−ＧａＮ層３をエピタキシャル成長させる。次に、ｉ−ＧａＮ層３に、ＲＩＥ法、ＲＩＢＥ法等のドライエッチング法により段差部３００を形成する。段差部３００の側面３０１および底面３０２はサファイア基板１の〈１１-2０〉方向に平行とする。この場合、段差部３００の側面３０１および底面３０２はｉ−ＧａＮ層３の〈１０-1０〉方向と平行になる。このエッチングにおいては、段差部３００の側面３０１は必ずしもサファイア基板１の（０００１）面に対して完全に垂直である必要はない。ただし、側面３０１の傾斜が大きい場合には、後の工程でＧａＮ系半導体層の｛１１-2０｝面が形成されるまでにある程度の厚みのＧａＮ系半導体層を成長させる必要があるので、側面３０１の傾斜をできるだけ抑えることが望ましい。
【００５２】
以下、ＡｌＧａＮバッファ層２およびｉ−ＧａＮ層３を第１のＧａＮ系半導体層１６と呼ぶ。
【００５３】
次に、図５（ｂ）に示すように、ｉ−ＧａＮ層３の上面上ならびに段差部３００の側面３０１上および底面３０２上に、ｎ−ＧａＮ層４、ｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラック防止層５、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６、ＭＱＷ発光層７、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８およびｐ−ＧａＮコンタクト層９を順にエピタキシャル成長させる。ＭＱＷ発光層７の構成は、図２に示した構成と同様である。各層３〜９の厚さは、図１の各層３〜９の厚さと同様である。以下、ｎ−ＧａＮ層４からｐ−ＧａＮコンタクト層９までを第２のＧａＮ系半導体層１７と呼ぶ。
【００５４】
以上の工程により、第２のＧａＮ系半導体層１７の結晶成長中に段差部３００の側面３０１上に第２のＧａＮ系半導体層１７の｛１１-2０｝面が形成される。この第２のＧａＮ系半導体層１７の｛１１-2０｝面は、サファイア基板１の（０００１）面および第１のＧａＮ系半導体層１６の（０００１）面に対して完全に垂直に成長する。
【００５５】
次に、図３に示したように、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６までの一部領域をエッチングにより除去し、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６を露出させる。
【００５６】
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層９上の電極形成領域およびｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の電極形成領域を除いて、電流狭窄を行うためおよびｐｎ接合の露出部を保護するために、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の上面、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６までの側面ならびにｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の上面にＳｉＯ2 膜等からなる絶縁膜１０を形成する。
【００５７】
最後に、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の露出した電極形成領域上にｐ電極１１を形成し、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の露出した電極形成領域上にｎ電極１２を形成する。
【００５８】
本実施例の半導体レーザ素子の製造方法においては、上記のように、第２のＧａＮ系半導体層１７の結晶成長中に、第１のＧａＮ系半導体層１６の段差部３００の側面３０１上に、サファイア基板１の（０００１）面および第１のＧａＮ系半導体層１６の（０００１）面に対して完全に垂直な｛１１-2０｝面が形成される。したがって、段差部３００の側面３０１上の第２のＧａＮ系半導体層１７の｛１１-2０｝面を共振器面２００として用いることが可能となる。
【００５９】
このように、第２のＧａＮ系半導体層１７の結晶成長時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面２００として用いることができるので、結晶成長後のエッチングやへき開等の複雑な工程を用いることなく、サファイア基板１の（０００１）面および第１のＧａＮ系半導体層１６の（０００１）面に対して垂直な共振器面２００を容易に形成することができる。
【００６０】
その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低減された半導体レーザ素子を容易に得ることができるとともに、歩留りが向上する。
【００６１】
なお、図５の実施例では、基板としてサファイア基板１を用いているが、サファイア基板１の代わりに、ＳｉＣ基板等の他の基板を用いてもよい。ＳｉＣ基板を用いる場合、段差部３００の側面３０１および底面３０２はＳｉＣ基板の〈１-1００〉方向に平行とする。
【００６２】
図６（ａ），（ｂ）は本発明の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。なお、図６は半導体レーザ素子の共振器面に垂直な方向に沿った断面を示す。
【００６３】
まず、図６（ａ）に示すように、サファイア基板１の（０００１）面上に、厚さ３００ÅのアンドープのＡｌＧａＮバッファ層２および厚さ２μｍのｉ−ＧａＮ層をエピタキシャル成長させる。次に、ＥＢ法（電子ビーム蒸着法）またはＣＶＤ法（化学気相成長法）によりｉ−ＧａＮ層３上にＳｉＯ2 膜を形成し、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、ｉ−ＧａＮ層３上の素子形成領域の両端部側にＳｉＯ2 膜３０を形成する。
【００６４】
各ＳｉＯ2 膜３０の素子形成領域側の一辺３２は、サファイア基板１の〈１１-2０〉方向に平行とする。ＳｉＯ2 膜３０の幅Ｄは、ダイシング等を容易にするために２０μｍ以上とすることが好ましい。また、ＳｉＯ2 膜３０の厚みは０．１〜３μｍとすることが好ましい。以下、ＡｌＧａＮバッファ層２およびｉ−ＧａＮ層３を第１のＧａＮ系半導体層３６と呼ぶ。
【００６５】
次に、図６（ｂ）に示すように、ｉ−ＧａＮ層３上に、厚さ５μｍ〜１０μｍ程度のｎ−ＧａＮ層４、厚さ０．１μｍのｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラック防止層５、厚さ０．７μｍのｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６、ＭＱＷ発光層７、厚さ０．７μｍのｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８、厚さ０．０５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層９を順にエピタキシャル成長させる。この場合、ＳｉＯ2 膜３０上にはほとんど結晶成長が行われず、Ａｌを含む厚さの薄い多結晶層３１が形成される。ＭＱＷ発光層７の構成は、図２に示した構成と同様である。以下、ｎ−ＧａＮ層４からｐ−ＧａＮコンタクト層９までを第２のＧａＮ系半導体層３７と呼ぶ。
【００６６】
なお、半導体レーザ素子においてはＭＱＷ発光層７、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６およびｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８が実質的に発光に寄与するため、ＳｉＯ2 膜３０上の多結晶層３１の上端がｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の下端に達しないようにｎ−ＧａＮ層４からｐ−ＧａＮコンタクト層９までの厚さを設定する。
【００６７】
以上の工程により、第２のＧａＮ系半導体層３７の結晶成長中に各ＳｉＯ2 膜３０の一辺３２に沿って第２のＧａＮ系半導体層３７の｛１１-2０｝面からなる端面が形成される。この第２のＧａＮ系半導体層３７の｛１１-2０｝面は、サファイア基板１の（０００１）面および第１のＧａＮ系半導体層３６の（０００１）面に対して完全に垂直に成長する。
【００６８】
次に、図３に示したように、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６までの一部領域をエッチングにより除去し、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６を露出させる。
【００６９】
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層９上の電極形成領域およびｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の電極形成領域を除いて、電流狭窄を行うためおよびｐｎ接合の露出部を保護するために、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の上面、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６までの側面ならびにｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の上面にＳｉＯ2 膜等からなる絶縁膜１０を形成する。
【００７０】
最後に、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の露出した電極形成領域上にｐ電極１１を形成し、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の露出した電極形成領域上にｎ電極１２を形成する。
【００７１】
本参考例の半導体レーザ素子の製造方法においては、上記のように、第２のＧａＮ系半導体層３７の結晶成長中に、各ＳｉＯ２膜３０の一辺３２に沿った第２のＧａＮ系半導体層３７の両端面にサファイア基板１の（０００１）面および第１のＧａＮ系半導体層３６の（０００１）面に対して完全に垂直な｛１１−２０｝面が形成される。したがって、第２のＧａＮ系半導体層３７の｛１１−２０｝面を共振器面２００として用いることが可能となる。
【００７２】
このように、第２のＧａＮ系半導体層３７の結晶成長時に自然に形成される｛１１-2０｝面を共振器面２００として用いることができるので、結晶成長後のエッチングやへき開等の複雑な工程を用いることなく、サファイア基板１の（０００１）面および第１のＧａＮ系半導体層３６の（０００１）面に対して垂直な共振器面２００を容易に形成することができる。
【００７３】
その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低減された半導体レーザ素子を容易に得ることができるとともに、歩留りが向上する。
【００７４】
なお、実際の製造時には、サファイアのウエハ上に複数の半導体レーザ素子を作製した後、個々の半導体レーザ素子をダイシング等により分離する。そのため、本実施例では、サファイアのウエハ上の複数の素子形成領域間に幅２ＤのＳｉＯ2 膜を形成し、複数の半導体レーザ素子を作製した後、ＳｉＯ2 膜の中心線でウエハを分離する。それにより、図６（ｂ）および図３に示した半導体レーザ素子が得られる。
【００７５】
なお、図６の参考例では、基板としてサファイア基板１を用いているが、サファイア基板１の代わりに、ＳｉＣ基板等の他の基板を用いてもよい。ＳｉＣ基板を用いる場合には、各ＳｉＯ２膜３０の素子形成領域一辺３２はＳｉＣ基板の＜１−１００＞方向に平行とする。
【００７６】
また、図６のＳｉＯ2 膜３０の代わりに、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＮ等の他の絶縁膜を用いてもよい。
【００７７】
上記第１および第２の実施例では、本発明を図３に示した酸化膜ストライプ構造を有する半導体レーザ素子に適用した場合について説明したが、本発明は、セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子、リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子等他の半導体レーザ素子にも適用することができる。
【００７８】
図７および図８はセルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。なお、図７および図８は半導体レーザ素子の共振器面に平行な方向に沿った断面を示す。
【００７９】
図１（ａ）、図５（ａ）または図６（ａ）の工程の後、図７（ａ）に示すように、ｉ−ＧａＮ層３上に、ｎ−ＧａＮ層４、ｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラック防止層５、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６、ＭＱＷ発光層７、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層８ａおよびｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８を順にエピタキシャル成長させる。
【００８０】
ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層８ａの厚みは約０．１〜０．４μｍ程度とする。また、ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８の厚みは０．５μｍ程度とする。ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８のＡｌ組成はｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層８ａのＡｌ組成よりも大きくする。本例では、ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８のＡｌ組成は０．２０とする。
【００８１】
なお、各層２〜６の厚さは、第１または第２の実施例と同様であり、ＭＱＷ発光層７の構成は図２に示した構成と同様である。
【００８２】
次に、図７（ｂ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８上の幅２μｍ程度のストライプ状の領域を除いてｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８上にＮｉマスク（図示せず）を形成し、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）またはＲＩＢＥ法（反応性イオンビームエッチング法）によりｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８をエッチングする。それにより、ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８にストライプ状の開口部が形成され、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層８ａの幅２μｍ程度のストライプ状の領域が露出する。
【００８３】
続いて、Ｎｉマスクを除去した後、図７（ｃ）に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層１８上およびｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層８ａのストライプ状の領域上に、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層８ｂおよびｐ−ＧａＮコンタクト層９を順にエピタキシャル成長させる。ここで、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第１クラッド層８ａとｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２クラッド層８ｂとの合計の厚さをｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６の厚さと同程度（例えば０．７μｍ以上）にする。ｐ−ＧａＮコンタクト層９の厚さは、第１、第２または第３の実施例と同様である。
【００８４】
次に、図８（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層９上の所定領域にＮｉマスク（図示せず）を形成した後、ｐ−ＧａＮコンタクト層９からｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラック防止層５までの一部領域をＲＩＥ法またはＲＩＢＥ法によりエッチングして除去し、ｎ−ＧａＮ層４を露出させる。
【００８５】
上記のエッチングの後、Ｎｉマスクを除去し、図８（ｅ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層９上にｐ電極１１を形成し、ｎ−ＧａＮ層４の露出した表面にｎ電極１２を形成する。
【００８６】
第１または第２の実施例の製造方法を図７および図８のセルフアライン構造の半導体レーザ素子に適用した場合にも、結晶成長後のエッチングやへき開等の複雑な工程を用いることなく、サファイア基板１の（０００１）面に対して垂直な共振器面を容易に形成することができる。
【００８７】
その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低減された半導体レーザ素子を容易に得ることができるとともに、歩留りが向上する。
【００８８】
図９はリッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子の共振器面に平行な方向に沿った模式的断面図である。
【００８９】
図９の半導体レーザ素子の製造時には、図１（ａ）、図５（ａ）または図６（ａ）の工程の後、ｉ−ＧａＮ層３上に、ｎ−ＧａＮ層２、ｎ−Ｉｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎクラック防止層５、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層６、ＭＱＷ発光層７、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８およびｐ−ＧａＮコンタクト層９を順にエピタキシャル成長させる。
【００９０】
なお、各層２〜９の厚さは第１、第２または第３の実施例と同様であり、ＭＱＷ発光層７の構成は図２に示した構成と同様である。
【００９１】
次に、ｐ−ＧａＮコンタクト層９上のストライプ状の領域にストライプ状のＮｉマスク（図示せず）を形成し、ＲＩＥ法またはＲＩＢＥ法により、ｐ−ＧａＮコンタクト層９およびｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８をエッチングする。それにより、リッジ部が形成される。
【００９２】
続いて、上記のＮｉマスクを除去した後、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８上の所定領域を除いてｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８およびｐ−ＧａＮコンタクト層９上にＮｉマスク（図示せず）を形成し、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８からｎ−ＧａＮ層４までの一部領域をＲＩＥ法またはＲＩＢＥ法によりエッチングして除去し、ｎ−ＧａＮ層４を露出させる。
【００９３】
上記のエッチング後、Ｎｉマスクを除去し、ｐ−ＧａＮコンタクト層９の上面およびｎ−ＧａＮ層４の電極形成領域を除いて、リッジ部の両側面、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８の平坦部の上面、ｎ−ＧａＮ層４の上面、およびｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層８からｎ−ＧａＮ層４までの側面に、ＥＢ法またはＣＶＤ法によりＳｉＯ2 膜１９を形成する。
【００９４】
その後、ｐ−ＧａＮコンタクト９上にｐ電極１１を形成し、ｎ−ＧａＮ層４の露出した表面にｎ電極１２を形成する。
【００９５】
第１または第２の実施例の製造方法を図９のリッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子に適用した場合にも、結晶成長後のエッチングやへき開等の複雑な工程を用いることなく、サファイア基板１の（０００１）面に対して垂直な共振器面を容易に形成することができる。
【００９６】
その結果、スロープ効率が高く、しきい値電流が低減された半導体レーザ素子を容易に得ることができるとともに、歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２】  図１の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド構造図である。
【図３】  本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子の共振器面に平行な方向に沿った模式的断面図である。
【図４】  サファイア基板およびその上に形成されるＧａＮ系半導体層の面方位の関係を示す図である。
【図５】  本発明の第２の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】  本発明の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図７】  セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図８】  セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図９】  リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子の共振器面に平行な方向に沿った模式的断面図である。
【図１０】  サファイア基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。
【図１１】  サファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導体層からなる従来の半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【図１２】  従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  ＡｌＧａＮバッファ層
３  ｉ−ＧａＮ層
４  ｎ−ＧａＮ層
５  ｎ−Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラック防止層
６  ｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層
７  ＭＱＷ発光層
８  ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎクラッド層
８ａ  ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ第１クラッド層
８ｂ  ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ第２クラッド層
９  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１５  窒化物系半導体層
１６，３６  第１の窒化物系半導体層
１７，３７  第２の窒化物系半導体層
１８  ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層
１９，３０  ＳｉＯ２膜
１００，３００  段差部
１０１，３０１  側面
１０２，３０２  底面
２００  共振器面
【図１】
0003796060.tif 000002
【図２】
0003796060.tif 000003
【図３】
0003796060.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003796060.tif 000006
【図６】
0003796060.tif 000007
【図７】
0003796060.tif 000008
【図８】
0003796060.tif 000009
【図９】
0003796060.tif 000010
【図１０】
0003796060.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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