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JP2002151796A - 窒化物半導体発光素子とこれを含む装置 - Google Patents

窒化物半導体発光素子とこれを含む装置

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Publication number
JP2002151796A
JP2002151796A JP2000344847A JP2000344847A JP2002151796A JP 2002151796 A JP2002151796 A JP 2002151796A JP 2000344847 A JP2000344847 A JP 2000344847A JP 2000344847 A JP2000344847 A JP 2000344847A JP 2002151796 A JP2002151796 A JP 2002151796A
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JP
Japan
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nitride semiconductor
groove
layer
substrate
light emitting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2000344847A
Other languages
English (en)
Inventor
Yuzo Tsuda
有三 津田
Takayuki Yuasa
貴之 湯浅
Shigetoshi Ito
茂稔 伊藤
Mototaka Tanetani
元隆 種谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2000344847A priority Critical patent/JP2002151796A/ja
Priority to US09/952,845 priority patent/US6452216B1/en
Publication of JP2002151796A publication Critical patent/JP2002151796A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物半導体発光素子の発光寿命と発光強度
を改善する。 【解決手段】 窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体
基板の１主面に形成された溝と丘を含む加工基板１０１
と、この加工基板の溝と丘を覆う窒化物半導体下地層１
０２と、この窒化物半導体下地層上でｎ型層１０３〜１
０５とｐ型層１０７〜１１０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１
０６を含む窒化物半導体多層発光構造とを含み、溝の幅
が１１〜３０μｍの範囲内にあり、かつ丘の幅が１〜２
０μｍの範囲内にあることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は改善された発光寿命
を有する窒化物半導体発光素子とこれを含む装置に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】窒化物半導体発光素子の発光特性を改善
するために、サファイア基板上に積層されたＧａＮ層に
凸部を形成し、その凸部をＧａＮ下地層で平坦に被覆
し、さらにそのＧａＮ被覆層上に窒化ガリウム系半導体
レーザ素子を形成することが、特開２０００−１２４５
００号公報に開示されている。この公報においては、隣
接するそれらの凸部の間の距離が１〜１０μｍの範囲内
にあること、凸部上面の幅が１μｍ以上であること、そ
して凸部の高さが０．１〜２μｍの範囲内にあることが
好ましいとされている。また、その公報では、サファイ
ア基板がＧａＮ基板に置換えられてもよい旨が述べられ
ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
先行技術のようにサファイア基板がＧａＮ基板で置換え
られた窒化物半導体レーザ素子においても、その発振寿
命が十分でないという課題を含んでいる。そこで本発明
は、発振寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供するこ
とを主要な目的の１つとしている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、窒化物
半導体発光素子は、窒化物半導体基板の一主面に形成さ
れた溝と丘を含む加工基板と、この加工基板の溝と丘を
覆う窒化物半導体下地層と、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窒化物
半導体多層発光構造とを含み、溝の幅が１１〜３０μｍ
の範囲内にあり、丘の幅が１〜２０μｍの範囲内にある
ことを特徴としている。
【０００５】溝の幅は丘の幅より広いことが好ましく、
溝の深さは１〜１０μｍの範囲内にあることが好まし
い。
【０００６】溝の長手方向または丘の長手方向は基板の
結晶の＜１−１００＞方向にまたは＜１１−２０＞方向
に実質的に平行であることが好ましい。
【０００７】窒化物半導体下地層は、Ａｌを含むことが
好ましい。窒化物半導体下地層はまた、ＩｎxＧａ1-xＮ
（０．０１≦ｘ≦０．１８）を含むことが好ましい。
【０００８】量子井戸層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少な
くともいずれかを含むことが好ましい。
【０００９】上述のような窒化物半導体発光素子は、レ
ーザ素子またはダイオード素子のいずれかであり得る。
またそのような発光素子は種々の光学装置または半導体
発光素子において好ましく用いられ得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下において本発明による種々の
実施形態を説明するに際して、いくつかの用語の意味を
予め明らかにしておく。
【００１１】まず、「溝」とは、窒化物半導体基板の一
主面に形成されたストライプ状の凹部を意味し、「丘」
とは同様にストライプ状の凸部を意味する（たとえば図
２参照）。なお、溝と丘の断面形状は、必ずしも図２に
示されているような矩形状である必要はなく、凹凸の段
差を生じるものであればよい。また、本願の図面におい
て、長さ、幅、厚さ、深さなどは図面の簡略化と明瞭化
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。
【００１２】「窒化物半導体基板」とは、ＡｌxＧａyＩ
ｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ
＋ｚ＝１）を含む基板を意味する。ただし、この窒化物
半導体基板に含まれる窒素元素の約１０％以下がＡｓ、
Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかで置換されてもよ
い（ただし、基板の六方晶形が維持されることが前
提）。また、窒化物半導体基板は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、
Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なく
ともいずれかの不純物が添加されてもよい。窒化物半導
体基板がｎ型導電性を有するための不純物としては、こ
れらの不純物のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に
好ましい。
【００１３】「窒化物半導体下地層」とは、加工基板を
被覆する窒化物半導体膜を意味し、ＡｌxＧａyＩｎzＮ
（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝
１）を含んでいる。ただし、窒化物半導体基板の場合と
同様に、この窒化物半導体下地層に含まれる窒素元素の
約１０％以下がＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいず
れかで置換されてもよく、また、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、
Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくとも
いずれか不純物が添加されてもよい。
【００１４】「加工基板」とは、窒化物半導体基板の一
主面に溝と丘が形成された基板を意味する。なお、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。
【００１５】「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る。
もちろん、多重量子井戸構造の発光層は、交互に積層さ
れた複数の井戸層と複数の障壁層を含んでいる。
【００１６】「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。そして、「被覆加工基板」とは、加工基板とそれを
被覆する窒化物半導体膜からなる下地層とを含む改良基
板を意味する（図３参照）。
【００１７】［実施形態１］本発明において用いられる
窒化物半導体の加工基板は、その一主面に形成された溝
と丘を含んでいる。そして、この加工基板の溝の幅Ｇは
１１〜３０μｍの範囲内になければならず、かつ丘の幅
Ｌは１〜２０μｍの範囲内になければならない。以後、
このような溝と丘の幅の限定的範囲を溝丘幅範囲Ａとい
う。すなわち、本発明においては、溝丘幅範囲Ａを有す
る窒化物加工基板を用いることによって窒化物半導体発
光素子の特性が改善され、たとえば窒化物半導体レーザ
素子の長寿命化と窒化物半導体発光ダイオード素子の発
光強度の向上を図ることができる。
【００１８】なお、この溝丘幅範囲Ａは、窒化物半導体
からなる加工基板のみにおいて効果がある。なぜなら
ば、窒化物半導体以外の基板（以後、異種基板と呼ぶ）
からなる加工基板上に成長させられた窒化物半導体下地
層は、窒化物半導体の加工基板上に成長させられたもの
に比べて強い応力歪みを受けているからである。すなわ
ち、溝丘幅範囲Ａを有する加工異種基板が作製されたと
しても、その加工異種基板に被覆された窒化物半導体下
地層中の結晶歪みは、窒化物半導体の加工基板を用いた
場合のようには緩和されない。
【００１９】（溝丘幅範囲Ａについて）まず、本発明者
らは、溝幅Ｇと丘幅Ｌがレーザ発振寿命に及ぼす影響に
ついて調べ、その結果が図５に示されている。図５にお
いては、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件
の下でレーザ発振寿命が調べられた。このグラフの横軸
は丘幅Ｌ（μｍ）を表わし、縦軸は溝幅Ｇ（μｍ）を表
わしている。また、黒丸印は１万時間以上のレーザ発振
寿命を表わし、同様に黒四角印は５０００時間以上で１
万時間未満の寿命、白丸印は１０００時間以上で５００
０時間未満の寿命、白四角印は５００時間以上で１００
０時間未満の寿命、そして罰印は５００時間未満の寿命
を表わしている。なお、図５で測定された窒化物半導体
レーザ素子の構造とその製法は、後述の実施形態６と同
様であった。
【００２０】図５からわかるように、窒化物半導体レー
ザ素子のレーザ発振寿命が５０００時間以上（黒丸印と
黒四角印）をほぼ満足させる溝幅Ｇと丘幅Ｌの値として
は、溝幅Ｇが約１１μｍ以上で３０μｍ以下でありかつ
丘幅Ｌが約１μｍ以上で２０μｍ以下（図５中の溝丘幅
範囲Ａ内）であった。厳密に言えば、溝幅Ｇが３０μｍ
よりも広くても、５０００時間以上のレーザ発振寿命を
有する窒化物半導体レーザ素子を作製することは可能で
あった。しかしながら、溝幅Ｇが３０μｍを超えれば、
その溝は窒化物半導体下地層で完全には埋没されにくく
なる。溝が窒化物半導体下地層で被覆されにくくなれ
ば、窒化物半導体レーザ素子が形成され得る領域が狭く
なってしまうので、ウェハ当りの窒化物半導体レーザ素
子チップの収得率の観点から好ましくない。
【００２１】また、加工基板に形成された溝と丘のそれ
ぞれの幅が溝丘幅範囲Ａ内にあってかつ図５中の直線Ａ
で仕切られた左上に属するとき、５０００時間以上（黒
丸印と黒四角印）のレーザ発振寿命を有する窒化物半導
体レーザ素子チップの収得率が高くなった。これは、丘
幅Ｌよりも溝幅Ｇを広くすることがレーザ発振寿命の改
善において肝要であることを意味している。
【００２２】さらに、加工基板に形成された溝と丘のそ
れぞれの幅が、溝丘幅範囲Ａ内にあってかつ丘幅Ｌが１
０μｍ以下であるとき、１万時間以上（黒丸印）のレー
ザ発振寿命を有する窒化物半導体レーザ素子チップの収
得率が非常に高くなった。
【００２３】さらにまた、本発明者らは、加工基板に形
成された溝と丘のそれぞれの幅が溝丘幅範囲Ａに属する
ことによって、レーザ素子チップ中のクラック発生率も
抑制し得ることを見出した。従来では、ＧａＮ基板上に
形成された窒化物半導体レーザ素子においては、ほとん
どクラックは発生しないと思われていた。しかしなが
ら、実際に窒化物半導体レーザ素子が形成された後の従
来のＧａＮ基板には多くのクラックが発生していた。こ
れは、窒化物半導体レーザ素子が種々の層の積層構造か
ら構成されてい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、Ｉ
ｎＧａＮ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るＧａＮ基板では、その基板
自体に残留歪みが潜在していることも影響していると考
えられる。
【００２４】しかし、本発明における加工基板と窒化物
半導体下地層から構成された被覆加工基板（図３参照）
上に窒化物半導体レーザ素子が形成された場合、クラッ
ク密度は０〜３本／ｃｍ2の範囲内であった。他方、従
来のＧａＮ基板上に窒化物半導体レーザ素子が形成され
た場合、クラック密度は約５〜８本／ｃｍ2の範囲内に
あった。
【００２５】このように、本発明によればレーザ発振寿
命が改善されたのみならずクラック密度も抑制されたこ
とから、おそらく窒化物半導体レーザ素子の長寿命化
は、窒化物半導体結晶中の結晶歪みの緩和効果によって
得られたのであろうと考えられる。また、丘幅に比べて
溝幅を広くすることによって窒化物半導体レーザ素子の
長寿命化の傾向が顕著であったことから、結晶歪みに対
する緩和効果は主に溝によって生じるものと考えられ
る。
【００２６】なお、本発明による上述のような長寿命化
とクラック密度の軽減の効果は、窒化物半導体レーザ素
子に限られるものではなく、窒化物半導体発光ダイオー
ド素子においても同様に得られることは言うまでもな
い。
【００２７】（溝深さについて）図６は、溝深さＨとレ
ーザ発振寿命（レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃
の条件下）との関係を表わしている。図６で測定された
窒化物半導体レーザ素子の構造と製法は後述の実施形態
６と同様であり、溝幅Ｇと丘幅Ｌはそれぞれ１８μｍと
７μｍであって、すなわち溝丘幅範囲Ａ内にあった。
【００２８】図６からわかるように、溝深さＨが約１μ
ｍ以上に増大するに従って、レーザ発振寿命が長くなり
始めた。さらに、溝深さＨが２μｍ以上になれば、レー
ザ発振寿命がさらに延びた後に概ね一定の飽和値に達し
た。レーザ発振寿命の改善に関する溝深さＨの上限値に
は特に制約がないが、溝深さＨが約１０μｍを超えれ
ば、その深さを有する溝が窒化物半導体下地層で被覆さ
れにくくなる。そして、溝が窒化物半導体下地層で被覆
されにくくなれば、窒化物半導体レーザ素子が作製され
得る領域が減少してしまうので、ウェハ当りの窒化物半
導体レーザ素子チップの収得率の観点から好ましくな
い。したがって、本発明においては、溝深さＨは１μｍ
以上で１０μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上
で１０μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００２９】なお、溝深さとレーザ発振寿命との関係
は、溝丘幅範囲Ａを満足している限り、図６と同様の傾
向を示した。また、本発明による上述のような溝深さＨ
と発光寿命との関係は、窒化物半導体レーザ素子に限ら
れるものではなく、窒化物半導体発光ダイオード素子に
おいても同様である。
【００３０】（発光部の形成位置について）本発明者ら
の詳細な検討の結果、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）が被覆加工基板のどの位
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。
【００３１】図７において、グラフの横軸は被覆加工基
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７
で測定された窒化物半導体レーザ素子の構造と製法は、
後述の実施形態６と同様であった。また、リッジストラ
イプ幅は２μｍであり、溝幅Ｇは１８μｍであり、丘幅
Ｌは８μｍであり、そして溝深さＨは２．５μｍであっ
た。
【００３２】図７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−３
μｍ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。
【００３３】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る。
【００３４】なお、丘の上方の領域に関しても、溝の上
方の領域の場合と同様の説明が適用され得る。そして、
窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部がｃ−ａ
距離として１０μｍよりも大きくて１４μｍよりも小さ
い領域に形成されれば、窒化物半導体レーザ素子のレー
ザ発振寿命が劇的に減少してしまった。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１０μｍが丘中央ｄからリッジストライプ端ｂま
での距離（以後、ｄ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されれば、
ｄ−ｂ距離は１μｍになる。同様にして、ｃ−ａ距離１
４μｍが丘中央ｄからリッジストライプ端ａまでの距離
（以後、ｄ−ａ距離）に換算されれば、ｄ−ａ距離は１
μｍ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丘中央ｄ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。
【００３５】このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域
（丘中央ｄから幅方向に左右１μｍ未満の範囲）を領域
ＩＶ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ＩＶ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、丘幅範囲内において、丘中央
ｄから幅方向に左右１μｍ以上の範囲を領域ＩＩと呼ぶ
ことにする。この領域ＩＩ上にリッジストライプ部が形
成された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、
前述の領域Ｉの場合に比べて短いものの、数千時間の十
分な期間であった。
【００３６】以上の結果が、図８の模式図にまとめられ
ており、前述の領域Ｉから領域ＩＶが本発明における被
覆加工基板の模式図中に示されている。すなわち、本発
明による被覆加工基板において、窒化物半導体レーザ素
子のリッジストライプ部は、少なくとも領域ＩＩＩと領
域ＩＶを避けた領域（すなわち領域ＩとＩＩ）に形成さ
れることが好ましく、領域Ｉが最も好ましくて、それに
次いで領域ＩＩが好ましい。
【００３７】以上の結果から、本発明による溝幅と丘幅
を有する加工基板に窒化物半導体膜の下地層を被覆させ
た場合（すなわち被覆加工基板において）、その加工基
板の溝の上方における窒化物半導体下地層領域は、丘の
上方における下地層領域に比べて結晶歪みの緩和効果が
大きいものと思われる。
【００３８】なお、本発明による溝丘幅範囲Ａ内に属す
る溝幅と丘幅を有する被覆加工基板上に形成された窒化
物半導体レーザ素子であれば、前述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得ることが可
能である。また、リッジストライプ部の幅が２μｍ以外
の場合であっても、図７に示された関係と同様の傾向が
得られる。
【００３９】また、前述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は、たとえば図１２（ａ）
の模式的断面図に示されるような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構造に限られるもので
はない。たとえば、図１２（ｂ）の模式的断面図に示さ
れるような電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素
子の場合、前述のリッジストライプ部はそのレーザ素子
の電流狭窄される部分に相当するし、リッジストライプ
幅は電流狭窄される部分の幅に相当する。さらに一般的
な表現を用いれば、窒化物半導体レーザ素子のレーザ発
振に寄与する発光部分（実質的に電流が注入される発光
層部分）が、図８に示された領域Ｉおよび／またはＩＩ
の上方に存在していれば、本発明による効果が十分に得
られる。
【００４０】（溝の長手方向について）主面として｛０
００１｝Ｃ面を有する窒化物半導体基板に形成された溝
の長手方向は、＜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溝の長手
方向は、｛０００１｝Ｃ面内で±５度程度の開き角度を
有していても実質的な影響を生じなかった。
【００４１】窒化物半導体基板の＜１−１００＞方向に
沿って溝が形成されることの優位性は、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溝内に窒化物半導体膜が成長される
場合、その溝の側壁面には主に｛１１−２０｝面が成長
しながら、その溝が窒化物半導体膜で被覆される。この
｛１１−２０｝側壁面は基板の主面に対して垂直である
ので、溝はほぼ矩形形状の横断面を有しながら窒化物半
導体膜で被覆されていく。すなわち、溝の底面上には窒
化物半導体膜が成長しにくく、溝の側壁からその溝が被
覆されていく。そして、窒化物半導体膜は基板主面に平
行な方向に十分に成長（以後、横方向成長と呼ぶ）する
ので、結晶歪みとクラック発生に対する抑制効果が非常
に高くなるものと考えられる。また、溝の底面上に窒化
物半導体膜が成長しにくいということは、その溝が窒化
物半導体膜の横方向成長で被覆されつつも、溝の深さが
深い（加工基板に形成された溝深さに近い）ままで横方
向成長が促進されるので、結晶歪みの緩和とクラック抑
制効果を有する結晶領域が多くなって好ましい。
【００４２】さらに、前述のような特定の溝の長手方向
は、溝丘幅範囲Ａ内の溝幅と組合せることによって横方
向成長を増大させ、より効果的に結晶歪みの緩和とクラ
ック抑制効果を発揮させ得る。
【００４３】他方、窒化物半導体基板の＜１１−２０＞
方向に沿って溝が形成されることの優位性は、溝が窒化
物半導体膜で埋められたときに溝の上方領域における窒
化物半導体膜の表面モフォロジがよいことである。この
方向に沿って形成された溝内に窒化物半導体膜が成長す
る場合、溝の側壁面には主に｛１−１０１｝面が成長し
ながら、その溝が窒化物半導体膜で被覆される。この
｛１−１０１｝側壁面は非常に平坦で、この側壁面と丘
上面とが接するエッジ部も非常に急峻である。したがっ
て、＜１１−２０＞方向に沿って形成された溝は、図２
（ｂ）に示されているように上方から見れば、ほとんど
蛇行することなく窒化物半導体膜で被覆される。このよ
うに被覆された溝の上方の領域において、窒化物半導体
膜の表面モフォロジが非常に良好になる。窒化物半導体
膜からなる下地層の表面モフォロジが良好であれば、そ
の下地層上に形成した窒化物半導体発光素子の素子不良
が低減するので好ましい。
【００４４】前述の溝または丘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、前述の好ましいリッジストライプ部形成領
域（領域ＩとＩＩ）もストライプ状であれば、その発振
に寄与する部分をその好ましい領域ＩまたはＩＩ内に作
り込むことが容易になる。ただし、ストライプ状の溝ま
たは丘以外に、たとえば図４に示されているように、溝
が桝目状に形成されてもよい。
【００４５】図４（ａ）は、異なる２種類の溝方向が互
いに直交するように形成された場合における凹部と凸部
を有する加工基板の上面図を表わしている。図４（ｂ）
は、異なる２種類の溝方向が互いに６０度の角度をなす
ように形成された場合における凹部と凸部を有する加工
基板の上面図を表わしている。そして、図４（ｃ）は、
異なる３種類の溝方向が互いに６０度の角度をなすよう
に形成された場合における凹部と凸部を有する加工基板
の上面図を表わしている。
【００４６】（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膜からなる下地層としては、た
とえばＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、ＩｎＧａＮ膜などを用
いることができる。
【００４７】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、溝と丘
を完全かつ平坦に被覆するように適度な横方向成長を得
ることができる。
【００４８】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、溝内が窒化物半導体膜
で横方向に被覆されつつも、窒化物半導体膜が溝の底部
に堆積されにくいことを意味する。すなわち、ＡｌＧａ
Ｎ膜は溝の側壁から結晶成長が促進されて横方向成長が
顕著になり、より一層結晶歪みを緩和させ得る。Ａｌx
Ｇａ1-xＮ膜のＡｌの組成比ｘは０．０１以上で０．１
５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、溝が平坦に埋まりにくくなる可
能性がある。なお、ＡｌＧａＮ膜に限らず、この膜と同
様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。
【００４９】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
と比べて弾力性がある。したがって、ＩｎＧａＮ膜は加
工基板の溝に埋まって、窒化物半導体基板からの結晶歪
みを窒化物半導体膜全体に拡散させ、溝上方と丘上方の
歪みにおける差を緩和させる働きを有する。ＩｎxＧａ
1-xＮ膜のＩｎ組成比ｘは０．０１以上で０．１８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性力の効果が得
られにくくなる可能性がある。また、Ｉｎの組成比ｘが
０．１８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、この膜と同様の効果は、窒化物半導体下地層にＩ
ｎが含まれていれば得られる。
【００５０】（窒化物半導体下地層の膜厚について）加
工基板が窒化物半導体膜の下地層で完全に被覆されるた
めには、その窒化物半導体膜が十分に厚くなければなら
ない。他方、加工基板が窒化物半導体膜で完全に被覆さ
れないためには、その窒化物半導体膜が薄くなければな
らない。本発明の課題を解決するためには、加工基板は
完全には窒化物半導体膜で被覆されなくてもかまわな
い。しかしながら、発光素子チップの収得率の観点から
言えば、加工基板を完全に窒化物半導体下地層で被覆し
た方が好ましい。したがって、窒化物半導体膜の厚さ
は、およそ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
膜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、加
工基板における横方向成長よりも垂直方向（基板主面に
対して垂直方向）の成長の方が次第に顕著になり、結晶
歪みの緩和効果とクラック抑制効果が十分に発揮されな
くなる可能性がある。
【００５１】（加工基板の検証方法について）被覆加工
基板上に成長した発光素子構造を含む窒化物半導体発光
素子において、本発明による溝幅と丘幅を有する加工基
板がその被覆加工基板に含まれているかどうかの確認
は、その発光素子構造の一部またはすべてを研磨機等の
装置を用いて研削し、カソードルミネッセンス（ＣＬ）
装置でその素子を観測すればよい。本発明者らのＣＬ測
定結果によれば、窒化物半導体基板に溝が形成されてい
れば（加工基板が用いられていれば）、明暗のストライ
プ状の模様として観測された。その明暗のストライプ模
様は、加工基板に形成された溝と丘に対応していて、そ
のストライプ模様の幅を測定することによって、加工基
板に形成された溝幅と丘幅を測定することができた。こ
こで、本発明者らによる詳細な検討結果によれば、観測
されたストライプ模様の「明」は溝に対応し、「暗」は
丘に対応していた。
【００５２】なお、発光素子構造の一部またはすべてを
研磨機等の装置を用いて削除する代わりに、窒化物半導
体発光素子の基板側から研磨機等の装置を用いてその基
板の一部を研削してもよい。そして、その素子の研削し
た側の面を表にしてＣＬ装置で観測すれば、前述と同様
の観測結果を得ることができる。
【００５３】［実施形態２］実施形態２としては、本発
明における被覆加工基板の作製方法が図３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。
【００５４】図３の模式的な断面図は加工基板上に窒化
物半導体膜の下地層が被覆された被覆加工基板を示して
おり、この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の誘電体膜を蒸着し
た。そして、この誘電体膜上に通常のレジスト材を塗布
し、リソグラフィ技術を用いてストライプ状のマスクパ
ターンが形成された。このマスクパターンに沿って、ド
ライエッチング法によって誘電体膜を貫通してｎ型Ｇａ
Ｎ基板に溝が形成された。その後、レジストと誘電体膜
が除去され、加工基板が作製された。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１７μｍ、溝深さ３μｍ、および丘幅８
μｍを有していた。なお、同じく主面方位が（０００
１）面であるｎ型ＧａＮ基板上に４５０〜６００℃程度
の比較的低温で低温ＧａＮバッファ層が形成され、続い
てこの低温ＧａＮバッファ層上にｎ型ＧａＮ層を形成し
てから前述の手法を用いて加工基板が作製されてもよ
い。
【００５５】作製された加工基板は、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ＧａＮ膜からなる下地層が積層
された。このＧａＮ下地層の形成においては、ＭＯＣＶ
Ｄ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（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１×１０
18／ｃｍ3）が添加された。図３に示されているよう
に、このような成長条件の下で、溝上方および丘上方は
ＧａＮ膜の下地層によって平坦に被覆された。
【００５６】なお、窒化物半導体基板に溝と丘を形成す
る方法としては、前述の誘電体膜を介さずに直接窒化物
半導体基板の表面に通常のレジスト材料を塗布して、そ
の後は前述と同様に作製してもよい。ただし、本発明者
らの実験によれば、誘電体膜を介した方が、溝形成時の
基板へのダメージ（特に丘の表面）が少なくて好ましか
った。
【００５７】本実施形態において、低温ＧａＮバッファ
層は、低温ＡｌxＧａ1-xＮバッファ層（０≦ｘ≦１）で
あってもよく、また、その低温バッファ層が省略されて
もよい。しかしながら、現在供給されているＧａＮ基板
は表面モフォロジが十分には好ましくないので、低温Ａ
ｌxＧａ1-xＮバッファ層を挿入する方が、表面モフォロ
ジの改善の観点から好ましい。ここで、低温バッファ層
とは、前述のように約４５０〜６００℃の成長温度で形
成されたバッファ層を意味する。このように比較的低い
成長温度範囲で形成されたバッファ層は、多結晶または
非晶質である。
【００５８】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、ウエッ
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、フォーカスイオンビーム加工などが用いら
れ得る。
【００５９】本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板の＜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。
【００６０】本実施形態では、主面として（０００１）
面を有するＧａＮ基板が用いられたが、その他の面方位
やその他の窒化物半導体基板が用いられてもよい。窒化
物半導体基板の面方位に関しては、Ｃ面｛０００１｝、
Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−
１００｝、および｛１−１０１｝面などが好ましく用い
られ得る。また、これらの面方位から２度以内のオフ角
度の主面を有する基板であれば、その表面モフォロジが
良好である。
【００６１】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。
【００６２】［実施形態３］実施形態３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２
と同様である。
【００６３】図９の模式的な断面図は本実施形態におけ
る被覆加工基板を示しており、溝幅Ｇ１は１５μｍ、溝
深さＨ１は２．５μｍ、そして丘幅はＬ１＝５μｍとＬ
２＝１０μｍ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ＡｌＧａＮ膜が積層されて、本実
施形態３の被覆加工基板が作製された。
【００６４】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。
【００６５】［実施形態４］実施形態４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２
と同様である。
【００６６】図１０の模式的な断面図は本実施形態にお
ける被覆加工基板を示しており、丘幅Ｌ１は５μｍ、溝
深さＨ１は１μｍ、そして溝幅はＧ１＝１１μｍとＧ２
＝２０μｍの数値を有していた。このような加工基板上
に被覆膜厚３．５μｍのＩｎＧａＮ膜が積層されて、本
実施形態４の被覆加工基板が作製された。
【００６７】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。また、本実施
形態４は、実施形態３と組合されてもよい。
【００６８】［実施形態５］実施形態５では、加工基板
に形成された溝深さが一定の値ではなく、種々の異なる
値にされたこと以外は、前述の実施の形態１および２と
同様である。
【００６９】図１１の模式的な断面図は本実施形態にお
ける被覆加工基板を示しており、溝幅Ｇ１は１８μｍ、
丘幅は７μｍ、そして溝深さはＨ１＝１．５μｍとＨ２
＝５μｍ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膜が積層されて、本実施形態５
の被覆加工基板が作製された。
【００７０】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。また、本
実施形態５は、前述の実施形態３または４と組合されて
もよい。
【００７１】［実施形態６］実施形態６においては、実
施形態１〜５におけるいずれかの被覆加工基板上に窒化
物半導体レーザ素子が作製された。
【００７２】（結晶成長）図１は被覆加工基板上に成長
された窒化物半導体レーザ素子を表わしている。図１に
示された窒化物半導体レーザは、加工基板（ｎ型ＧａＮ
基板）１０１とｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ膜１０２からな
る被覆加工基板１００、ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ 0.93Ｎクラッ
ク防止層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０
４、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Ｇａ
Ｎ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１１
１、ｐ電極１１２およびＳｉＯ 2誘電体膜１１３を含ん
でいる。
【００７３】このような窒化物半導体レーザの作製にお
いて、まず、実施形態１〜５のいずれかによる被覆加工
基板１００が形成された。ただし、本実施形態６では、
溝方向はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って形成
された。
【００７４】次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、その被覆
加工基板１００上において、Ｖ族元素用原料のＮＨ
3（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）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Ｉｎ0.07Ｇａ0.93
Ｎ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０．８μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０
４（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。
【００７５】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、Ｓ
ｉ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。
【００７６】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、Ｎ
Ｈ3以外にＮ2Ｈ4（ジメチルヒドラジン）が用いられて
もよい。
【００７７】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／ｃｍ3〜２×１
０20／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。
【００７８】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、６
０℃／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１
０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。
【００７９】なお、本実施形態による結晶成長工程にお
いては、加工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、加工基板から被覆加工基
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。
【００８０】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。
【００８１】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。
【００８２】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。
【００８３】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。
【００８４】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、Ａｌ 0.1Ｇａ0.9Ｎ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。
【００８５】ＡｌＧａＮクラッド層の厚みは０．７μｍ
〜１．０μｍ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。
【００８６】クラッド層はＡｌＧａＮ３元混晶に限られ
ず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、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。
【００８７】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（ＭＢ
Ｅ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが用い
られてもよい。
【００８８】（チップ化工程）前述の結晶成長で形成さ
れたエピウエハ（被覆基板上に多層の窒化物半導体層が
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
化物半導体レーザ層が形成されたエピウエハの表面は平
坦であり、加工基板に形成された溝と丘は窒化物半導体
下地層と発光素子構造層で完全に埋没されていた。
【００８９】加工基板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１参照）。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。
【００９０】ｐ電極部分は加工基板１０１の溝方向に沿
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１参照）が形成された。加工基板の
溝が桝目状の場合は、それらの溝の長手方向として窒化
物半導体基板の＜１−１００＞方向と＜１１−２０＞方
向を選択すればよい。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／Ｍ
ｏ／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。
【００９１】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方向にへき開され、共振器長５０
０μｍ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チップの分割は、加工基板１０
０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からへき開されるのではな
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。
【００９２】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
ブラグ反射）なども用いられ得る。
【００９３】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。
【００９４】なお、ｎ電極１１１は加工基板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、その露出領域へｎ電極が形成されても
よい。
【００９５】（パッケージ実装）得られた半導体レーザ
素子チップは、パッケージに実装される。高出力（３０
ｍＷ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
好ましい。なお、高出力窒化物半導体レーザ素子は、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、Ｂ
Ｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、ＳｉＣ，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。
【００９６】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の加工基板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。
【００９７】本実施形態においては、被覆加工基板上に
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１５５００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。
【００９８】［実施形態７］実施形態７においては、実
施形態１〜５におけるいずれかの被覆加工基板上に窒化
物半導体発光ダイオード素子が形成された。この際に、
窒化物半導体発光ダイオード素子層は、従来と同様の方
法で形成された。
【００９９】本実施形態による窒化物半導体発光ダイオ
ード素子においては、その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発光波長が短
波長（４４０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以
上）の窒化物半導体発光ダイオード素子は、実施形態１
〜５における被覆加工基板上に形成されることによっ
て、従来に比較して約１．６倍以上の発光強度を有する
ことができた。
【０１００】［実施形態８］実施形態８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６および７と同様であった。より具体的には、Ａ
ｓ、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
あって、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。
【０１０１】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のある領域ごとに置換元素の
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。
【０１０２】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。また、一般にしきい値電流密度が低くなれ
ばレーザ発振寿命が長くなる傾向にあるので、本実施形
態では、レーザ発振寿命がより一層長い窒化物半導体レ
ーザ素子が得られる。
【０１０３】他方、本実施形態が窒化物半導体発光ダイ
オードに適用された場合、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発光ダイオード素
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７の窒化物半導体ダイオードに関す
る効果と相乗され、より一層の発光強度の向上と、それ
に加えて色むらの低減をも生じ得る。特に、窒化物半導
体を原材料とする発光波長が短波長（４４０ｎｍ以下）
または長波長（６００ｎｍ以上）の窒化物半導体ダイオ
ード素子の場合、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
窒化物半導体発光ダイオード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。
【０１０４】［実施形態９］実施形態９においては、実
施形態６または８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６または８による青紫色
（３８０〜４２０ｎｍの発振波長）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、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（発振波長が短いほど、より
高密度の記録再生が可能である）。
【０１０５】図１３において、実施形態６または８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。
【０１０６】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。
【０１０７】［実施形態１０］実施形態１０において
は、実施形態７または８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７または８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、表示装置（半導体発光装置の一例）
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。
【０１０８】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（３８０〜４４０ｎｍ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。
【０１０９】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。
【０１１０】
【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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の被覆加工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２】 （ａ）は本発明において用いられ得る窒化物
半導体加工基板の一例を示す模式的な断面図であり、
（ｂ）はその上面図を示している。
【図３】 本発明において用いられ得る被覆加工基板の
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に形成
された溝（凹部）と丘（凸部）の形態を示し、（ａ）は
２種類の方向を有する溝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溝が互いに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
有する溝が互いに６０°の角度で交差する場合を示して
いる。
【図５】 本発明において用いられる加工基板において
必要とされる溝丘幅範囲Ａを示すグラフである。
【図６】 本発明において用いられる加工基板における
溝深さとその加工基板を用いて得られるレーザ素子の発
振寿命との関係を示すグラフである。
【図７】 本発明において用いられ得る被覆加工基板上
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８】 本発明において用いられ得る被覆加工基板上
に形成される発光素子構造の好ましい形成領域を示す模
式的な断面図である。
【図９】 本発明において用いられ得る被覆加工基板の
他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被覆加工基板
の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１１】 本発明において用いられ得る被覆加工基板
の他の例を示す模式的な断面図である。
【図１２】 （ａ）は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一例を示す模式的な断面図であ
り、（ｂ）は電流阻止層構造を有する窒化物半導体レー
ザ素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図１３】 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】
１００ 被覆加工基板、１０１ 加工基板、１０２ ｎ
型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ膜、１０３ ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ
0.93Ｎ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、１０７ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック
層、１０８ ｐ型ＧａＮガイド層、１０９ ｐ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１０ ｐ型ＧａＮコンタク
ト層、１１１ ｎ電極、１１２ ｐ電極、１１３ Ｓｉ
Ｏ2誘電体膜。
フロントページの続き (72)発明者 伊藤 茂稔 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 種谷 元隆 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA40 AA44 CA04 CA05 CA34 CA40 CA57 CA74 5F073 AA13 AA74 BA06 CA07 CB02 CB13 DA05 DA24 EA05 EA15 EA28

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 窒化物半導体基板の一主面上に形成され
    た溝と丘を含む加工基板と、 前記加工基板の溝と丘を覆う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窒化物半導体多層発光構造とを含
    み、 前記溝の幅が１１〜３０μｍの範囲内にあり、 前記丘の幅が１〜２０μｍの範囲内にあることを特徴と
    する窒化物半導体発光素子。
  2. 【請求項２】 前記溝の幅は前記丘の幅より広いことを
    特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 【請求項３】 前記の溝の深さは１〜１０μｍの範囲内
    に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。
  4. 【請求項４】 前記溝の長手方向または前記丘の長手方
    向は前記基板の結晶の＜１−１００＞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。
  5. 【請求項５】 前記溝の長手方向または前記丘の長手方
    向は前記基板の結晶の＜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。
  6. 【請求項６】 前記窒化物半導体下地層はＡｌを含むこ
    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。
  7. 【請求項７】 前記窒化物半導体下地層はＩｎxＧａ1-x
    Ｎ（０．０１≦ｘ≦０．１８）を含むことを特徴とする
    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。
  8. 【請求項８】 前記量子井戸層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂ
    の少なくともいずれか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。
  9. 【請求項９】 前記窒化物半導体発光素子はレーザ素子
    またはダイオード素子のいずれか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。
  10. 【請求項１０】 請求項１から９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。
  11. 【請求項１１】 請求項１から９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半
    導体発光装置。
JP2000344847A 2000-11-13 2000-11-13 窒化物半導体発光素子とこれを含む装置 Withdrawn JP2002151796A (ja)

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