(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成され、III-Ｖ族窒化物からなる半導体層と、
前記半導体層に、該半導体層を露出する開口部を有するように形成され、前記半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層とを備え、
前記電流ブロック層における酸素の組成は、前記活性層に近づくにつれて減少していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記電流ブロック層の開口部の平面形状はストライプ状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体層は、共振器を構成するリッジ部を有し、前記電流ブロック層は、前記半導体層の側部にも形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電流ブロック層の開口部の平面形状はドット状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
基板の上に活性層を形成する第１の工程と、
前記活性層の上に、III-Ｖ族窒化物からなる半導体層を形成する第２の工程と、
前記半導体層の上にその一部をマスクするマスク膜を選択的に形成する第３の工程と、
前記マスク膜が形成された前記半導体層を酸化性雰囲気で酸化することにより、前記半導体層に、前記半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層を形成する第４の工程と、
前記マスク膜を除去する第５の工程とを備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記第３の工程と前記第４の工程との間に、
前記マスク膜を用いて、前記半導体層をリッジ状にパターニングする第６の工程をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の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、青色光から紫外光を出力可能なIII-Ｖ族窒化物半導体からなる半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一般式がＢxＡｌyＧａ1-x-y-zＩｎzＮ（但し、ｘ，ｙ，ｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である）で表わされるIII-Ｖ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子、すなわち発光ダイオード素子及び半導体レーザ素子が、青色から紫外に及ぶ波長領域を有する光源として盛んに開発されている。
【０００３】
以下、従来のIII-Ｖ族窒化物半導体からなる半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図１３に示すように、例えばサファイアからなる基板１０１の上に、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０３、ＧａＩｎＮからなる活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０５、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１０６が順次エピタキシャル成長により形成されている。
【０００５】
ｐ型コンタクト層１０６の上には、酸化シリコン又は窒化シリコンからなり、電流狭窄用の開口部１０７ａを有する電流ブロック層１０７が形成されており、ｐ型コンタクト層１０６における電流ブロック層１０７の開口部１０７ａからの露出部分上には、ｐ側電極１０８が形成されている。
【０００６】
また、電流狭窄構造を設ける他の方法として、レーザ素子構造の少なくともｐ型クラッド層１０５の両側部をエッチングにより除去して電流経路を狭窄する方法が知られている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−１６０６５８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の半導体発光素子は、電流ブロック層１０７を構成する酸化シリコン又は窒化シリコンは、化学的気相成長（Chemical Vapor Deposition)法等により、ｐ型コンタクト層１０６の上に堆積して形成している。酸化シリコン及び窒化シリコンは、III-Ｖ族窒化物半導体との密着性が低く、その上、細孔の密度、すなわちピンホール密度が高くなる等の問題がある。
【０００９】
また、クラッド層の両側部をエッチングにより除去して電流狭窄構造を形成する場合には、エッチング工程により形成されたリッジ領域（メサ領域）の上に電極を形成しなければならず、電極の面積がより小さくなるため、電流経路における直列抵抗成分を大きくしてしまうという問題がある。
【００１０】
さらに、半導体レーザ素子の場合には、誘電体からなる電流ブロック層１０７によって、活性層１０４で生成される再結合光は、III-Ｖ族窒化物半導体との屈折率差により該半導体の内部に閉じこめられる。この屈折率差は比較的に大きく、不連続（ステップ状）に変化するため、再結合光を例えば単一横モードで閉じ込めようとすると、電流ブロック層１０７の開口部１０７ａの開口幅（ストライプ幅）が小さくなり過ぎるので、レーザ構造を最適化することが困難となる。また、ストライプ幅が小さくなり過ぎると、前述したように直列抵抗成分が大きくなる。
【００１１】
さらに、図示はしていないが、従来の半導体レーザ素子は、共振器にリッジ構造を用いる場合が多い。リッジ構造の場合には、再結合光の閉じ込め効率は、リッジ構造の内部における第１屈折率と、リッジ構造の外部における第２屈折率との差によって決定される。より詳細には、第１屈折率とは、活性層を構成する半導体層とクラッド層を構成する半導体層との各屈折率及び各半導体層の厚さにより決定される第１実効屈折率であり、第２屈折率とは、活性層を構成する半導体層と、クラッド層を構成する半導体層と、リッジ構造の側部を構成する、例えば酸化シリコン層又は窒化シリコン層との各屈折率及び各層の厚さにより決定される第２実効屈折率である。従来のリッジ構造は、第１屈折率と第２屈折率との差がステップ状に変化し且つその差が極めて大きい。この状態で再結合光が共振器に閉じ込められると、閉じ込め効率が大き過ぎることにより、高出力時にレーザ光の発光点位置が移動したり、そのスポット形状が変化しやすい。このため、例えば光ディスク装置のように精密な発光点位置及びスポット形状の制御が必要な機器に対しては、レーザ構造の最適設計が極めて困難となる。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題を解決し、III-Ｖ族窒化物半導体からなる半導体発光素子に設ける電流ブロック層の密着性を向上し且つピンホール密度を小さくできるようにすることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る半導体発光素子は、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、III-Ｖ族窒化物からなる半導体層と、半導体層に、該半導体層を露出する開口部を有するように形成され、半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層とを備えている。
【００１４】
本発明の半導体発光素子によると、電流ブロック層にIII-Ｖ族窒化物からなる半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換されてなる誘電体を用いているため、電流ブロック層は半導体層と一体化されて形成されている。このため、電流ブロック層は半導体層との間の密着性に関する問題が生じなくなり、さらには、ピンホール密度が格段に低減する。
【００１５】
本発明の半導体発光素子において、電流ブロック層における酸素の組成が、活性層に近づくにつれて減少していることが好ましい。
【００１６】
このようにすると、半導体層の内部から外部に向けて、半導体層における酸素の組成が増大するため、半導体層と電流ブロック層との屈折率差が連続的に変化する。その結果、例えばレーザ素子の場合に、単一横モードの閉じ込めを行なうための電流ブロック層における開口部の開口幅を大きくすることができるので、レーザ構造を最適化することが容易となる。
【００１７】
本発明の半導体発光素子において、電流ブロック層の開口部の平面形状がストライプ状であることが好ましい。
【００１８】
この場合に、半導体層が共振器を構成するリッジ部を有し、電流ブロック層が半導体層の側部にも形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の半導体発光素子において、電流ブロック層の開口部の平面形状がドット状であることが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、基板の上に活性層を形成する第１の工程と、活性層の上に、III-Ｖ族窒化物からなる半導体層を形成する第２の工程と、半導体層の上にその一部をマスクするマスク膜を選択的に形成する第３の工程と、マスク膜が形成された半導体層を酸化性雰囲気で酸化することにより、半導体層に、半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層を形成する第４の工程と、マスク膜を除去する第５の工程とを備えている。
【００２１】
本発明の半導体発光素子の製造方法によると、活性層の上にIII-Ｖ族窒化物からなる半導体層を形成し、その上にマスク膜を選択的に形成する。その後、形成したマスク膜を用いて半導体層を酸化することにより、半導体層に該半導体層を構成する窒素原子の一部が酸素原子に置換された誘電体からなる電流ブロック層を形成するため、電流ブロック層の半導体層との間の密着性に関する問題が生じなくなる。その上、半導体層を構成する窒素原子の一部が、窒素よりも原子半径が大きい酸素原子に置換することにより、半導体層の体積が膨張するため、電流ブロック層のピンホール密度を格段に低減することができる。
【００２２】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、第３の工程と第４の工程との間に、マスク膜を用いて、半導体層をリッジ状にパターニングする第６の工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００２５】
図１に示す半導体レーザ素子は、バンドギャップが比較的に大きい窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）をクラッド層とし、該クラッド層よりもバンドギャップが小さい窒化ガリウム（ＧａＮ）若しくは窒化ガリウムインジウム（ＧａＩｎＮ）又はこれらを組み合わせてなる量子井戸層等を挟んでなるダブルヘテロ構造を有している。ここでは、単一量子井戸分離光閉じ込め構造（Single Quantum Well Separate Confinement Heterostructure，SQW-SCHという)を用いる場合を説明する。
【００２６】
図１に示すように、サファイア（単結晶Ａｌ2Ｏ3）からなる基板１０の上に、厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層１１と、厚さが約１μｍのｎ型のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型クラッド層１２と、厚さが約０．１μｍのｎ型のＧａＮからなるｎ型光ガイド層１３と、厚さが約５ｎｍのアンドープのＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎからなる単一量子井戸型活性層１４と、厚さが約０．１μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型光ガイド層１５と、厚さが約１μｍのｐ型のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型クラッド層１６と、厚さが約０．５μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７とが結晶成長により順次形成されている。
【００２７】
ここで、ｎ型バッファ層１１は、基板１０を構成するサファイアと、基板１０上にエピタキシャル成長する各半導体層１２〜１７との格子不整合を緩和すると共に、ｎ側電極２０のコンタクト層として機能する。
【００２８】
ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１６は、ｎ側電極２０及びｐ側電極１９からそれぞれ注入されるキャリアを閉じ込めると共に、該キャリアの再結合光を閉じ込める。また、ｎ型光ガイド層１３及びｐ型光ガイド層１５は、再結合光の閉じ込め効率を向上するように設けられている。
【００２９】
第１の実施形態の特徴として、ｐ型クラッド層１６の上部に互いに間隔をおくと共に、ｐ型コンタクト層１７の両側部には、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層１８が形成されている。該電流ブロック層１８は、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７が、メサ状で且つ平面ストライプ状のリッジ構造となるように形成されている。ここで、メサ幅は上部が約２μｍで、下部が約３μｍである。
【００３０】
ｐ型コンタクト層１７の上には、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層体からなり、ｐ型コンタクト層１７とオーミック接触するｐ側電極１９が形成されている。また、ｎ型バッファ層１１が露出された領域の上には、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層体からなり、ｎ型バッファ層１１とオーミック接触するｎ側電極２０が形成されている。
【００３１】
このように、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子は、リッジ構造の両端面を劈開されたミラー面とする共振器を有する、いわゆる端面発光型レーザである。なお、共振器のストライプ方向は、図１における半導体層の断面に対して垂直な方向（手前から後方）である。
【００３２】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図２において、図１に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、例えば有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＶＰＥ）法により、サファイアからなる基板１０の上に、ｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、ｎ型光ガイド層１３、単一量子井戸型活性層１４（以下、活性層１４と呼ぶ。）、ｐ型光ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６、及びｐ型コンタクト層１７を順次成長してエピタキシャル層を形成する。ここでは、ｎ型ドーパントにシリコン（Ｓｉ）を用い、ｐ型ドーパントにマグネシウムを用いる。
【００３５】
次に、図２（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層１７の上に、厚さが約５００ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト層１７の上に共振器形成領域を覆うように、幅が約３μｍのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜に対してテトラフルオロカーボン（ＣＦ4 ）をエッチングガスとするドライエッチングを行なうことにより、ポリシリコン膜から酸化防止膜９０を形成する。続いて、形成した酸化防止膜９０をマスクとして、温度が約９００℃で圧力が約１ａｔｍの酸素雰囲気中にエピタキシャル層を２４時間程度さらすことにより、ｐ型クラッド層１６の上部及びｐ型コンタクト１７における酸化防止膜９０の両側方部分を酸化する。これにより、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された電流ブロック層１８が、ｐ型クラッド層１６の上部及びｐ型コンタクト１７における酸化防止膜９０の両側方部分に形成される。
【００３６】
第１の実施形態の特徴として、電流ブロック層１８における酸素の濃度分布は、該電流ブロック層１８の表面から内部に向けて徐々に低下するプロファイルを有している。
【００３７】
次に、図２（ｃ）に示すように、エピタキシャル層をフッ化水素酸（ＨＦ）とフッ化アンモニウム(ＮＨ4Ｆ）との混合溶液であるバッファードフッ酸に浸して酸化防止膜９０を除去し、さらに、残存した酸化防止膜９０はテトラフルオロカーボンを用いたドライエッチングにより除去する。このとき、形成された電流ブロック層１８はバッファードフッ酸によってはエッチングされない。その後、リソグラフィ法により、エピタキシャル層における共振器形成領域を含む部分をマスクするレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、エピタキシャル層に対して塩素（Ｃｌ2 ）を用いたドライエッチングを行なって、ｎ型バッファ層１１を露出する。
【００３８】
次に、図２（ｄ）に示すように、例えば蒸着法により、ｐ型コンタクト層１７の上に、ニッケル、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｐ側電極１９を選択的に形成する。続いて、ｎ型バッファ層１１の露出部分の上に、チタン、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｎ側電極２０を選択的に形成する。ここで、ｐ側電極１９とｎ側電極２０との形成順序は問われない。
【００３９】
その後、図示はしていないが、基板１０を共振器長が約５００μｍとなるように劈開し、共振器の出射端面には、反射率が約１０％となるように低反射コーティングを施し、反射端面には反射率が約８０％となるように高反射コーティングを施す。
【００４０】
第１の実施形態に係る製造方法によると、電流ブロック層１８を、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子の一部を酸素原子で置換した誘電体により形成する。このため、従来のような酸化シリコン又は窒化シリコンからなる別体の電流ブロック層とは異なり、電流ブロック層１８のｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７に対する密着性が格段に向上する。その上、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）又は窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）を用いないため、電流ブロック層１８に発生するピンホールの密度も大幅に低減する。
【００４１】
また、電流ブロック層１８の酸素含有量（酸素組成）は、活性層１４に近づくにつれて徐々に減少しており、電流ブロック層１８の屈折率を連続的に変化させることができ、例えば単一横モード閉じ込めを実現するためのストライプ幅（メサ幅）を広くできる等の、レーザ構造を容易に最適化を図ることができる。
【００４２】
また、第１の実施形態に係る製造方法によると、電流ブロック層１８に、光閉じ込め機能と電流狭窄機能とを自己整合的に持たせることができる。
【００４３】
電流ブロック層１８は、以下に示す２つの機能を有している。
【００４４】
第１は電流狭窄機能である。誘電体層は絶縁性を有するため電流をほとんど流さない。このため、半導体レーザ素子に注入された電流はメサ部（リッジ部）を流れるので、活性層１４の発光部分にのみ流れこむ。その結果、無効電流が少なくなり、レーザ発振のしきい値電流の値を小さくすることができる。
【００４５】
第２は光の閉じ込めである。ｐ型クラッド層１６と電流ブロック層１８には屈折率差が存在する。この屈折率差によって、半導体レーザ素子内の再結合光はメサ部に閉じ込められるため、活性層１４における誘導放出と効率的に結合することができる。
【００４６】
ところで、前述したように、従来の電流ブロック層は、窒化シリコン又は酸化シリコンにより形成されていため、エピタキシャル層との屈折率差が０．５〜１程度と大きく且つ不連続に変化する。このため、半導体レーザ素子の横モード制御に用いるにはエピタキシャル層との屈折率差が大き過ぎ、例えば、わずかなメサ形状のばらつきにより遠視野像が高次横モードとなってしまうので、光装置の光源としての利用が困難となる。
【００４７】
これに対し、第１の実施形態に係る電流ブロック層（誘電体層）１８は、エピタキシャル層の表面から酸素を熱拡散させ、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子を酸素原子に置き換えることにより形成されている。このようにして形成された電流ブロック層１８は、ｐ型クラッド層１６と電流ブロック層１８との間の屈折率差が小さく且つ緩やかに変化するため、半導体レーザ素子の横モード制御が容易となる。
【００４８】
本願発明者らは、電流ブロック層１８に含まれる酸素の組成を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）法により測定し、酸素の組成が２次曲線的に変化することを確認している。具体的には、電流ブロック層１８の表面の酸素濃度は、約１×１０20ｃｍ-3であり、表面から深さが約１μｍの領域の酸素濃度は、約１×１０18ｃｍ-3である。このように、電流ブロック層１８の酸素の組成が２次曲線的に変化することにより、その屈折率もメサ部の約２．１から電流ブロック層１８の表面近傍の約１．６と、その差は約０．５と小さく、且つ外側に向かって２次曲線的に緩やかに減少することを確認している。これにより、再結合光のメサ部への閉じ込めが緩やかとなるため、安定した横モード発振が可能となる。
【００４９】
図３は第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の注入電流と光出力との関係を示している。発振波長は４１０ｎｍで、しきい値電流は４０ｍＡ、しきい値電圧は４．２Ｖである。また、最大光出力は６０ｍＷである。このように、ｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層１８によって、電流閉じ込め効率及び光閉じ込め効率が向上するため、しきい値電流値の低減と高出力動作とを実現している。
【００５０】
また、図４に示すように、出力が２０ｍＷの場合における遠視野像の半値幅は、接合面（基板面）に対して平行な方向が８°であり、接合面に対して垂直な方向が２５°である。
【００５１】
図５は第１の実施形態に係る電流ブロック層１８を有する半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力依存性を示している。図６は比較用であって、従来例に係る窒化シリコンからなる電流ブロック層を有する半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力特性を示している。光出力は共に２０ｍＷと５０ｍＷとの場合を示す。
【００５２】
従来例に係るレーザ素子の場合は、メサ部と電流ブロック層との界面における屈折率差が約０．９であり、さらに、屈折率自体が界面において不連続に変化している。従って、接合面に対して垂直な方向で基本横モード発振を得るように、メサ部下部と活性層との距離を離すことにより実効的な屈折率差を小さくしている。しかしながら、このような構造では、活性層の近傍で注入電流が広がってしまい、しきい値電流の値が上昇するだけでなく、再結合光の閉じ込めが不安定となるので、図６に示すように光出力値を５０ｍＷに増大すると、相対強度のピークが２つとなって、いわゆる双峰性の遠視野像を示すようになる。
【００５３】
これに対し、図５に示す第１の実施形態に係るレーザ素子の場合は、出力値が２０ｍＷ及び５０ｍＷのいずれの場合でも、相対強度のピークは１つであり、単峰性の遠視野像を示すことが分かる。
【００５４】
図７は第１の実施形態に係る半導体レーザ素子に対する高温高湿寿命試験の結果を示す。寿命試験の各条件は、出力を３０ｍＷとし、温度を６０℃とし、湿度を８５％としている。図７において、横軸は動作時間を表わし、縦軸は動作開始直後の動作電流を１として規格化して表わしている。また、曲線群Ａは本発明の場合を示し、曲線群Ｂは従来例の場合を示している。図７に示すように、従来例の場合は、窒化シリコンからなる電流ブロック層のメサ部との密着性が弱いため、電流ブロック層に膜剥がれが進行する。その結果、屈折率分布が変化して高次横モード発振となるため、レーザ光は活性層内の誘導放出との結合が弱まり、しきい値電流の値が増加して急激な劣化が発生する。
【００５５】
これに対し、本発明の場合は、従来例のように、電流ブロック層にメサ部と別体の誘電体を用いる代わりに、メサ部を構成するｐ型クラッド層１６及びｐ型コンタクト層１７の一部を酸化して形成しており、メサ部との密着性が極めて強いため、膜剥がれはほとんど生じることがなく、長期間にわたって安定した動作を行なうことができる。
【００５６】
なお、半導体発光素子として半導体レーザ素子の場合を説明したが、発光ダイオード素子であっても半導体レーザ素子と同様に、電流狭窄機能及び光閉じ込め機能の観点から本発明の電流ブロック層を適用することができる。
【００５７】
また、半導体レーザ素子として端面発光型レーザ素子を例に挙げたが、本発明は面発光型レーザ素子にも適用可能である。
【００５８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図８は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００６０】
第１の実施形態においては、エピタキシャル層を成長する基板１０に絶縁性のサファイアを用いたが、第２の実施形態においては、図８に示すように、基板３０として、導電性を有し且つIII 族窒化物半導体と格子定数が近い、ｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）、ｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又はｎ型のシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いている。
【００６１】
図８に示すように、例えばｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板３０の上には、厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層３１と、厚さが約１μｍのｎ型のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型クラッド層３２と、厚さが約０．１μｍのｎ型のＧａＮからなるｎ型光ガイド層３３と、厚さが約５ｎｍのアンドープのＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎからなる単一量子井戸型活性層３４と、厚さが約０．１μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型光ガイド層３５と、厚さが約１μｍのｐ型のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型クラッド層３６と、厚さが約０．５μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層３７とが結晶成長により順次形成されている。
【００６２】
第２の実施形態においても、ｐ型クラッド層３６の上部に互いに間隔をおくと共に、ｐ型コンタクト層３７の両側部に、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層３８が形成されている。該電流ブロック層３８は、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７が、メサ状で且つ平面ストライプ状のリッジ構造となるように形成されている。ここで、メサ幅は上部が約２μｍで、下部が約３μｍである。
【００６３】
ｐ型コンタクト層３７の上には、ニッケル、白金及び金の積層体からなり、ｐ型コンタクト層３７とオーミック接触するｐ側電極３９が形成されている。また、基板３０におけるｎ型バッファ層３１の反対側の面上には、チタン、白金及び金の積層体からなるｎ側電極４０が形成されている。
【００６４】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００６５】
図９（ａ）〜図９（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図９において、図８に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００６６】
まず、図９（ａ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法により、窒化ガリウムからなる基板３０の上に、ｎ型バッファ層３１、ｎ型クラッド層３２、ｎ型光ガイド層３３、単一量子井戸型活性層３４（以下、活性層３４と呼ぶ。）、ｐ型光ガイド層３５、ｐ型クラッド層３６、及びｐ型コンタクト層３７を順次成長してエピタキシャル層を形成する。
【００６７】
次に、図９（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト層３７の上に、厚さが約５００ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト層３７の上に共振器形成領域を覆うように、幅が約３μｍのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜に対してテトラフルオロカーボンをエッチングガスとするドライエッチングを行なうことにより、ポリシリコン膜から酸化防止膜９０を形成する。
【００６８】
次に、図９（ｃ）に示すように、酸化防止膜９０をマスクとして、温度が約９００℃で圧力が約１ａｔｍの酸素雰囲気中にエピタキシャル層を２４時間程度さらすことにより、ｐ型クラッド層３６の上部及びｐ型コンタクト３７における酸化防止膜９０の両側方部分を酸化する。これにより、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された電流ブロック層３８が、ｐ型クラッド層３６の上部及びｐ型コンタクト３７における酸化防止膜９０の両側方部分に形成される。ここでも、電流ブロック層３８における酸素の濃度分布は、該電流ブロック層３８の表面から内部に向けて徐々に低下するプロファイルを有している。
【００６９】
次に、図９（ｄ）に示すように、エピタキシャル層をバッファードフッ酸に浸して酸化防止膜９０を除去し、さらに、残存した酸化防止膜９０はテトラフルオロカーボンを用いたドライエッチングにより除去する。このとき、形成された電流ブロック層３８はバッファードフッ酸によってはエッチングされない。
【００７０】
次に、図９（ｅ）に示すように、例えば蒸着法によりｐ型コンタクト層３７を覆うように、ニッケル、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｐ側電極３９を選択的に形成する。続いて、基板３０におけるｎ型バッファ層３１の反対側の面上に、チタン、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｎ側電極４０を選択的に形成する。ここでも、ｐ側電極３９とｎ側電極４０との形成順序は問われない。
【００７１】
その後、図示はしていないが、基板３０を共振器長が約５００μｍとなるように劈開し、共振器の出射端面には、反射率が約１０％となるように低反射コーティングを施し、反射端面には反射率が約８０％となるように高反射コーティングを施す。
【００７２】
このように、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子及びその製造方法によると、第１の実施形態と同様に、電流ブロック層３８は、ｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３７を構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換した誘電体により形成されるため、該電流ブロック層３８のｐ型クラッド層３６及びｐ型コンタクト層３９に対する密着性が格段に向上する。
【００７３】
また、電流ブロック層３８の酸素含有量（酸素組成）は、活性層３４に近づくにつれて徐々に減少しており、電流ブロック層３８の屈折率差を連続的に変化させることができるので、レーザ構造を容易に最適化することができる。
【００７４】
その上、基板３０におけるｎ型バッファ層３１の反対側の面上にｎ側電極４０をｐ側電極３９と対向するように設けるため、第１の実施形態のように、エピタキシャル層に対してｎ型バッファ層３１を露出するエッチング工程が不要となるので、第１の実施形態と比べて、歩留まりがさらに向上する。
【００７５】
なお、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子は、端面発光型レーザ素子に限らず、面発光型レーザ素子にも適用可能である。
【００７６】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図１０は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構成を示している。
【００７８】
第３の実施形態においては、第２の実施形態に示した半導体レーザ素子におけるメサ構造を光の閉じ込め率がさらに向上する構成とする。
【００７９】
図１０に示すように、例えばｎ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板５０の上には、厚さが約２μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層５１と、厚さが約１μｍのｎ型のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｎ型クラッド層５２と、厚さが約０．１μｍのｎ型のＧａＮからなるｎ型光ガイド層５３と、厚さが約５ｎｍのアンドープのＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎからなる単一量子井戸型活性層５４と、厚さが約０．１μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型光ガイド層５５と、厚さが約１μｍのｐ型のＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型クラッド層５６と、厚さが約０．５μｍのｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層５７とが結晶成長により順次形成されている。ここで、基板５０は、窒化ガリウムに限らず、ｎ型のＡｌＧａＮ又はＳｉＣであっても良い。
【００８０】
第３の実施形態の特徴として、ｐ型コンタクト層５７からｎ型クラッド層５２の上部には、それらの両側部が約２μｍの幅となるようにエッチングされてメサ部（リッジ部）が形成され、該メサ部の両側部には、ｐ型コンタクト層５７からｎ型クラッド層５２をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体からなる電流ブロック層５８が形成されている。
【００８１】
ｐ型コンタクト層５７の上には、ニッケル、白金及び金の積層体からなり、ｐ型コンタクト層５７とオーミック接触するｐ側電極５９が形成されている。また、基板５０におけるｎ型バッファ層５１の反対側の面上には、チタン、白金及び金の積層体からなるｎ側電極６０が形成されている。
【００８２】
ここで、ｐ側電極５９は、ｐ型コンタクト層５７の上面にのみ形成されているが、電流ブロック層５８の上部を覆うように設けることも可能である。
【００８３】
以下、前記のように構成された半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
図１１（ａ）〜図１１（ｅ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の工程順の断面構成を示している。ここで、図１１において、図１０に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付す。
【００８５】
まず、図１１（ａ）に示すように、例えばＭＯＶＰＥ法により、窒化ガリウムからなる基板５０の上に、ｎ型バッファ層５１、ｎ型クラッド層５２、ｎ型光ガイド層５３、単一量子井戸型活性層５４（以下、活性層５４と呼ぶ。）、ｐ型光ガイド層５５、ｐ型クラッド層５６、及びｐ型コンタクト下部層５７ａを順次成長してエピタキシャル層を形成する。ここでは、ｐ型コンタクト下部層５７ａは、後工程で再成長するため、その厚さを０．３μｍ程度に留めておく。
【００８６】
次に、図１１（ｂ）に示すように、例えばＣＶＤ法により、ｐ型コンタクト下部層５７ａの上に、厚さが約５００ｎｍのポリシリコン膜を堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ｐ型コンタクト下部層５７ａの上に共振器形成領域を覆うように、幅が約３μｍのストライプ状のレジストパターン（図示せず）を形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、ポリシリコン膜に対してテトラフルオロカーボンをエッチングガスとするドライエッチングを行なうことにより、ポリシリコン膜から酸化防止膜９０を形成する。続いて、レジストパターン及び酸化防止膜９０をマスクとして、エピタキシャル層に対してｎ型クラッド層５２を露出するまで、塩素（Ｃｌ2 ）を用いたドライエッチングを行なって、メサ部を形成する。
【００８７】
次に、図１１（ｃ）に示すように、酸化防止膜９０をマスクとして、温度が約９００℃で圧力が約１ａｔｍの酸素雰囲気中にエピタキシャル層を２４時間程度さらすことにより、ｎ型クラッド層５２の上部、ｎ型光ガイド層５３、活性層５４、ｐ型光ガイド層５５、ｐ型クラッド層５６及びｐ型コンタクト下部層５７ａにおけるメサ部の両側方部分を酸化する。これにより、ｎ型クラッド層５２の上部からｐ型コンタクト下部層５７ａをそれぞれ構成する窒素原子の一部を酸素原子で置換した電流ブロック層５８が、ｎ型クラッド層５２の上部からｐ型コンタクト下部層５７ａにわたる両側方部分に形成される。
【００８８】
次に、図１１（ｄ）に示すように、エピタキシャル層をバッファードフッ酸に浸して酸化防止膜９０を除去し、さらに、残存した酸化防止膜９０はテトラフルオロカーボンを用いたドライエッチングにより除去する。このとき、形成された電流ブロック層５８はバッファードフッ酸によってはエッチングされない。続いて、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型コンタクト下部層５７ａを再成長して、厚さが０．５μｍ程度のｐ型コンタクト層５７を形成する。このとき、ｐ型コンタクト層５７は、電流ブロック層５８の上端面を覆うように成長する。
【００８９】
次に、図１１（ｅ）に示すように、例えば蒸着法によりｐ型コンタクト層５７を覆うように、ニッケル、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｐ側電極５９を選択的に形成する。続いて、基板５０におけるｎ型バッファ層５１の反対側の面上に、チタン、白金及び金を順次堆積して、これらの積層体からなるｎ側電極６０を選択的に形成する。ここでも、ｐ側電極５９とｎ側電極６０との形成順序は問われない。
【００９０】
その後、図示はしていないが、基板５０を共振器長が約５００μｍとなるように劈開し、共振器の出射端面には、反射率が約１０％となるように低反射コーティングを施し、反射端面には反射率が約８０％となるように高反射コーティングを施す。
【００９１】
このように、第３の実施形態に係る半導体レーザ素子及びその製造方法によると、第１及び第２の実施形態と同様に、電流ブロック層５８は、ｎ型クラッド層５２からｐ型コンタクト層５７をそれぞれ構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換した誘電体により形成されるため、該電流ブロック層５８のメサ部に対する密着性が格段に向上する。
【００９２】
また、電流ブロック層５８の酸素含有量（酸素組成）は、活性層５４に近づくにつれて徐々に減少しており、電流ブロック層５８の屈折率差を連続的に変化させることができるので、レーザ構造を容易に最適化することができる。
【００９３】
その上、基板５０におけるｎ型バッファ層５１の反対側の面上にｎ側電極６０をｐ側電極５９と対向するように設けるため、直列抵抗成分が減少する。
【００９４】
また、ｐ側電極５９を電流ブロック層５８の上側に設けることができるため、電極形成時の位置合わせ工程を不要にできる。
【００９５】
なお、第１及び第２の実施の形態と同様に、本発明は端面発光型レーザ素子に限らず、面発光型レーザ素子にも適用可能である。
【００９６】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００９７】
図１２は本発明の第４の実施形態に係る青色発光ダイオード素子アレイを模式的に示している。
【００９８】
図１２に示すように、ｎ型の導電性を有する窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）からなる基板７０の上には、第２の実施形態と同等の構成を持つダブルヘテロ構造からなるエピタキシャル層７１が形成されている。
【００９９】
エピタキシャル層７１の上面には、行列状に配置された４つのドット状の開口部７２ａからそれぞれｐ型コンタクト層７１ａを露出するように電流ブロック層７２が形成されている。
【０１００】
第４の実施形態の特徴として、電流ブロック層７２は、少なくともｐ型コンタクト層７１ａを構成する窒素原子の一部が酸素原子で置換された誘電体により形成されている。
【０１０１】
電流ブロック層７２の上には、各開口部７２ａから露出するｐ型コンタクト層７１ａとオーミック接触し、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）のように再結合光を透過して、エピタキシャル層の上方に出力光を取り出すことができる透明電極７３が形成されている。また、基板７０におけるエピタキシャル層７１の反対側の面上には、チタン、白金及び金の積層体からなるｎ側電極７４が形成されている。
【０１０２】
ここで、各ダイオード素子同士の電気的な素子分離は電流ブロック層７２によりなされている。
【０１０３】
第４の実施形態によると、電流ブロック層７２はエピタキシャル層７１と比べて屈折率が小さいため、再結合光をエピタキシャル層７１の内部に光学的に閉じ込めることができる。
【０１０４】
なお、透明電極７３の上に発光波長を透過する多層の誘電体膜を設けてもよい。この場合、エピタキシャル層７１におけるダブルヘテロ構造の下層に、発光波長に対して反射性を有する周期構造を設けることによりレーザ発振させる、いわゆる面発光レーザ構造としてもよい。
【０１０５】
第４の実施形態によると、第１の実施形態と同様に、、III-Ｖ族窒化物半導体における窒素原子の一部を酸素原子で置換した電流ブロック層７２を有しているため、従来の窒化シリコン用いた電流ブロック層と比較して、素子分離領域の信頼性が極めて高くなる。
【０１０６】
従って、第４の実施形態に係る青色発光ダイオード素子アレイは、屋外の厳しい環境下で使用される際にも高い信頼性を得ることができる。
【０１０７】
なお、第１〜第４の各実施形態において、III-Ｖ族窒化物半導体の窒素原子の一部を酸素原子で置き換えてなる電流ブロック層は、蛍光材を励起して得られる白色光源、又は光集積素子等に適用しても同様な効果を得ることができる。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明の半導体発光素子及びその製造方法によると、電流ブロック層が半導体層と一体に形成されているため、電流ブロック層は半導体層との間の密着性に関する問題がなくなり、さらには、ピンホール密度が格段に低減する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子における注入電流と光出力との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子における遠視野像を示すグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力依存性を示すグラフである。
【図６】従来の半導体レーザ素子の接合面に対して平行な方向における遠視野像の光出力依存性を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子との高温高湿寿命試験の結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る青色発光ダイオード素子アレイを示す斜視図である。
【図１３】従来の半導体レーザ素子を示す構成断面図である。
【符号の説明】
１０      基板
１１      ｎ型バッファ層
１２      ｎ型クラッド層
１３      ｎ型光ガイド層
１４      単一量子井戸型活性層
１５      ｐ型光ガイド層
１６      ｐ型クラッド層
１７      ｐ型コンタクト層
１８      電流ブロック層
１９      ｐ側電極
２０      ｎ側電極
３０      基板
３１      ｎ型バッファ層
３２      ｎ型クラッド層
３３      ｎ型光ガイド層
３４      単一量子井戸型活性層
３５      ｐ型光ガイド層
３６      ｐ型クラッド層
３７      ｐ型コンタクト層
３８      電流ブロック層
３９      ｐ側電極
４０      ｎ側電極
５０      基板
５１      ｎ型バッファ層
５２      ｎ型クラッド層
５３      ｎ型光ガイド層
５４      単一量子井戸型活性層
５５      ｐ型光ガイド層
５６      ｐ型クラッド層
５７      ｐ型コンタクト層
５７ａ    ｐ型コンタクト下部層
５８      電流ブロック層
５９      ｐ側電極
６０      ｎ側電極
７０      基板
７１      エピタキシャル層
７１ａ    ｐ型コンタクト層
７２      電流ブロック層
７２ａ    開口部
９０      酸化防止膜
【図１】
0003786907.tif 000002
【図２】
0003786907.tif 000003
【図３】
0003786907.tif 000004
【図４】
0003786907.tif 000005
【図５】
0003786907.tif 000006
【図６】
0003786907.tif 000007
【図７】
0003786907.tif 000008
【図８】
0003786907.tif 000009
【図９】
0003786907.tif 000010
【図１０】
0003786907.tif 000011
【図１１】
0003786907.tif 000012
【図１２】
0003786907.tif 000013
【図１３】
0003786907.tif 000014