JP2008205231A - 窒化物系半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、十分なＣＯＤレベルを有した高出力光を安定して出射し得る窓構造を備えた窒化物系半導体発光素子及びその製造方法について提供することを目的とする。
【解決手段】 光出射端面上に積層されることで光出射端面をコーティングする窓層２７において、ｎ型ＧａＮ層を構成することによって、ＧａＮ内における窒素の空孔の生成を抑制して、酸素などの異種原子の拡散を抑制させる。これにより、酸素などの異種原子の拡散が窓層２７によって発生することにより低下するＣＯＤレベルを、向上させることができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子及びその製造方法に関するもので、特に、端面に窓層が形成された窒化物系半導体発光素子及びその製造方法に関する。

近年、デジタル技術の発展に伴い、大記憶容量を備えた記録媒体が求められ、記録媒体の一つである光ディスクにおいては、ＢＤ（Blueray Disc）やＨＤ−ＤＶＤ（High Definition DVD）などのように、更なる高密度化が要求されている。そして、現在では、ＢＤやＨＤ−ＤＶＤに対する規格化及びその記録再生装置の製品化が進められている。又、ＢＤやＨＤ−ＤＶＤなどの高密度化した光ディスクの記録再生装置においては、情報の読み出しや書き込みを行うための短波長光源技術として、窒化物系半導体発光素子が注目されている。これらの新規のディスクにおいて、更なる高密度化（二層ディスク対応）及び高速書込みを可能とするためには、窒化物系半導体発光素子として信頼性の高い高出力のものが必要となる。

又、この窒化物系半導体発光素子は、短波長光源からの発光の可視領域への波長変換が可能なことから、照明やバックライトなどの可視光の光源としても期待されている。このように、窒化物系半導体発光素子の用途を拡大するためにも、安定した動作が可能であり、出力の高い半導体レーザ素子の開発が盛んに行われている。

しかしながら、窒化物系半導体発光素子を高出力で駆動する場合、光を出射する光出射端面での光密度が非常に高くなることから、半導体結晶が溶融したり欠陥が増殖したりするＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage；光学損傷）が起こるという問題がある。このＣＯＤは、窒化物系半導体発光素子の光出射端面における光密度が所定量を超えることで発生するものである。そして、窒化物系半導体発光素子の光出射端面において、光の吸収による発熱が発生するため、発熱部分の半導体のバンドギャップが小さくなり、これにより、さらに光の吸収が増すという仕組みによって発生すると考えられている。

又、窒化物系半導体発光素子の光出射端面における光の吸収は、光出射端面を保護するコーティング膜や、吸着された酸素原子などにより深い準位が形成された光出射端面の表面／界面準位によって成される。このように、ＣＯＤは光出射端面側で問題となり、その光の吸収を抑制することで、ＣＯＤが生じる出力レベル（以下、「ＣＯＤレベル」と呼ぶ）を向上させることができる。

即ち、光出射端面に酸素等の深い準位がなく、しかも出射光のエネルギーよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体層を光出射端面上にコーティングすることで、その半導体層は出射する光に対して透明に近くなり、光出射端面での光吸収を防止することができる。この光吸収の防止によって光吸収による発熱を防ぎ、ＣＯＤを抑制することができるため、ＣＯＤが起こる出力であるＣＯＤレベルを上げることができる。又、窒化物系半導体発光素子側の材料に近い材料を用いて光出射端面をコーティングすることで、光出射端面の表面／界面順位を低減して、光の吸収を防ぐこともできる。

このように出射光のエネルギーよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体層を光出射端面に設けた半導体発光素子は「端面窓型半導体発光素子」と呼ばれ、高出力の半導体発光素子では必要な構造であり、赤外線レーザや赤色レーザを出射するＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体レーザ素子に用いられたものが既に提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。又、青色レーザを出射する窒化物系半導体レーザ素子においても、光出射端面にＡｌＧａＩｎＮを側面成長させる方法が提案されている（特許文献３参照）。
特公昭５５−２７４７４号公報 特開昭５２―７４２９２号公報 特開平７−２４９８３０号公報

しかしながら、特許文献３で提案された、出射側端面にＡｌＧａＩｎＮを側面成長させる方法は、出射側端面を形成する成長が側面成長であるため、平行性および平面度を高くして、反射損失を少なくするのが難しいという問題を有している。この反射損失だけの問題でなく、発光出射端面のコーティング膜と発光出射端面との界面に、酸素原子などの異種原子が侵入することについて防ぐことが困難である。そのため、青色半導体レーザなどの窒化物系半導体発光素子においては、十分な特性を安定して得られる窓構造は未だに見つかっていないのが実情であるとともに、バンドギャップの大きい材料を作製するだけとなる窓構造では、十分なＣＯＤレベルの向上に寄与しえないと考えられている。

このような問題を鑑みて、本発明は、十分なＣＯＤレベルを有した高出力光を安定して出射し得る窓構造を備えた窒化物系半導体発光素子及びその製造方法について提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の窒化物系半導体発光素子は、基板と、該基板の表面に積層された複数の窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成される光閉じこめ領域となるストライプ状導波路と、前記窒化物半導体層が劈開されて形成される共振器端面の一方であるとともに前記光閉じこめ領域からの光を出射する光出射端面と、前記光出射端面と逆側の共振器端面であるとともに前記光閉じこめ領域からの光を反射させる光反射端面と、を備える窒化物系半導体発光素子において、前記光出射端面上に積層されることで前記光出射端面を覆うとともに、その一部にｎ型ＧａＮ層を有する窓層を備えることを特徴とする。

このような窒化物系半導体発光素子において、ＩＶ族元素のドーピングによって前記窓層の前記ｎ型ＧａＮ層が形成されるものとしても構わない。又、Ｓｉのドーピングによって前記窓層の前記ｎ型ＧａＮ層が形成されるものとしても構わない。

そして、前記窓層における前記ｎ型ＧａＮ層が、５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下のドーピング密度を備えるものとしても構わないし、前記窓層において、前記ｎ型ＧａＮ層と前記光出射端面との間に、前記窒化物半導体層のＧａＮ材料と格子整合性を有するＧａＮ材料により構成される層を備えるものとしても構わない。

前記窓層において、前記ｎ型ＧａＮ層と前記光出射端面との間に、絶縁性に近い電気特性を備えたＧａＮ材料による層を備えることで、前記窓層への電流リークを防ぐものとしても構わない。

これらの窒化物系半導体発光素子において、前記窓層が、３５０℃以上６００℃以下の温度雰囲気において形成されることが好ましい。更には、前記窓層が、４５０℃以上５５０℃以下の温度雰囲気において形成されることが好ましい。

又、前記光反射端面に積層されることで前記光出射端面を覆うコーティング層において、その一部にｎ型ＧａＮ層を有するものとしても構わない。

更に、前記ストライプ状導波路に電流を注入する電極を備え、当該電極が前記窓層と電気的に接触しない形にパターニングされているものとしても構わない。

本発明の窒化物系半導体発光素子の製造方法は、基板上にエピタキシャル成長させて窒化物半導体層を積層する第１工程と、該第１工程で構成された前記窒化物半導体層に光閉じこめ領域となるストライプ状導波路を形成する第２工程と、前記ストライプ状導波路を備えた前記窒化物半導体層を前記基板とともに劈開して共振器端面を形成する第３工程と、を備える窒化物系半導体発光素子の製造方法において、前記第３工程で形成された前記共振器端面の一方であるとともに前記光閉じこめ領域からの光を出射する光出射端面を積層して覆う窓層を形成する第４工程を備え、前記第４工程で形成される前記窓層の一部にｎ型ＧａＮ層が形成されることを特徴とする。

前記第４工程において、ドーピングするＩＶ族元素が供給されることで前記ｎ型ＧａＮ層を形成するものとしても構わない。又、前記第４工程において、ドーピングするＳｉが供給されることで前記ｎ型ＧａＮ層を形成するものとしても構わない。そして、前記ｎ型ＧａＮ層が、５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下のドーピング密度を備えるように形成される。

前記第４工程において、前記窓層を形成する前に、前記光出射端面をプラズマによりクリーニングされるものとしても構わない。尚、前記光出射端面が、不純物の少ない清浄な状態であれば、当該クリーニングの工程を除いて前記窓層が形成される。

前記第４工程において、３５０℃以上６００℃以下の温度雰囲気で前記窓層を形成することが好ましい。更に、前記第４工程において、４５０℃以上５５０℃以下の温度雰囲気で前記窓層を形成することが好ましい。

前記第４工程において、分子線エピタキシー法を用いることで前記窓層を形成するものとしても構わない。

又、前記第４工程を行う前に、前記ストライプ状導波路に電流を注入する電極をパターニングする第５工程を備え、前記第５工程において、前記電極が前記窓層と電気的に接触しない形にパターニングされるものとしても構わない。

本発明によると、光出射端面を覆う窓層にｎ型ＧａＮ層を設けることにより、窓層を構成するＧａＮ層のフェルミレベルを上げることで、窒素の空孔の生成を抑制することができる。これにより、窓層内における酸素などの異種原子の拡散を抑えることができ、ＣＯＤレベルを向上させて、高出力光を安定して出射することができる。そして、窓層を構成するＧａＮ層にＳｉなどのＩＶ族元素をドーピングしてｎ型ＧａＮ層を形成することで、上記の窓層内における酸素などの異種原子の拡散を抑制して、ＣＯＤレベルを向上させることができる。

（用語の意味）
まず、本明細書における各用語の意味を予め明らかにする。「窒化物半導体基板」は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から成る基板を意味する。但し、窒化物半導体基板の六方晶系が維持される条件下において、その窒素元素のうちの約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、又はＳｂの元素で置換されても構わない。又、この窒化物半導体基板が、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｂ、又はＢｅがドーピングされたｎ型窒化物半導体によるものでも構わないし、ノンドープの窒化物半導体によるものであっても構わない。更に、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、及びＣｌが特に好ましい。

又、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｝、又は｛１−１０１｝面が好ましく用いられ得る。そして、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。この窒化物半導体基板上に窒化物半導体成長層として積層される窒化物半導体薄膜は、ＩＩＩ族元素として、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、及びＢのうち少なくとも１種類を含んでいても構わない。又、Ｖ族元素として、Ｎ、又は、ＮとＡｓ
及びＳｂのうち少なくとも１種類とを含んでいても構わない。

更に、「窓層」とは、出射端面となる劈開面に形成された半導体層のことを言い、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳＳｅ等により構成される。

「ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）装置」は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎといった固体材料と、Ｎ₂に代表される気体材料とを個別に制御して試料に供給でき、試料温度を２００℃以上に加熱できる。又、このＭＢＥ装置の成膜室の真空度は、成膜中及びクリーニング処理中においても、１０^-3Ｐａ以下に制御することができる。

このように各用語の意味を説明した上で、以下において、本発明における実施の形態について、図面を参照して説明する。

（半導体ウェハの作製）
まず、窒化物半導体基板であるｎ型ＧａＮ基板上に各窒化物半導体層を積層することに形成される半導体ウェハについて、図１〜図４を参照して説明する。

１．窒化物半導体層のエピタキシャル成長
まず、図１（ａ）の断面図に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第１主面上に、０．１〜１０μｍ（例えば４μｍ）のｎ型ＧａＮ下部コンタクト層１０２、０．５〜３．０μｍ（例えば１．０μｍ）のｎ型Ａｌ_y1Ｇａ_1-y1Ｎ（０＜ｙ１＜０．２）下部クラッド層１０３、０〜０．２μｍ（例えば０．１μｍ）のｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０４、Ｉｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ量子井戸層とＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ障壁層（ｘ１＞ｘ２）の交互積層構造からなる多重量子井戸層構造を有する活性層１０５、ｐ型Ａｌ_y3Ｇａ_1-y3Ｎ（０．０５＜ｙ３＜０．５）からなる蒸発防止層１０６、０〜０．２μｍ（例えば０．０１μｍ）のｐ型ＧａＮ上部ガイド層１０７、ｐ型Ａｌ_y4Ｇａ_1-y4Ｎ上部クラッド層１０８、及びｐ型ＧａＮ上部コンタクト層１０９が、順に積層される。

ｎ型ＧａＮ基板１０１上の各窒化物半導体層は、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相蒸着法）などの周知の技術を適宜用いて、窒化物半導体がエピタキシャル成長されることで、形成される。尚、窒化物半導体のエピタキシャル成長をさせる方法としては、ＭＯＣＶＤ法以外に、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法等、他の気相成長法がある。

このようにエピタキシャル成長させて各窒化物半導体層が構成されるとき、下部クラッド層１０３は、ｎ型ＧａＮとｎ型ＡｌＧａＮとの超格子構造や、何層かの組成の異なったＡｌＧａＮを組み合わせるなど、所望の光学特性に合うものを使用することで構成するものとしても構わない。又、下部ガイド層１０４及び上部ガイド層１０７については、設計上必要なければ、形成しなくても構わない。そして、下部ガイド層１０４については、ｎ型ＧａＮの他に、ｎ型のＩｎＧａＮやＡｌＧａＮを使用しても構わないし、上部ガイド層１０７については、ｐ型ＧａＮの他に、ｐ型のＩｎＧａＮやＡｌＧａＮを使用しても構わない。

又、活性層１０５は、上述したように、量子井戸層と量子障壁層とを交互に積層したＭＱＷ（Multiple Quantum Well；多重量子井戸）構造で構成され、又、量子障壁層が量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなるような組成とする。そして、窒化物系半導体発光素子の発振閾値を引き下げる目的から、活性層１０５を量子井戸数が２〜４となるＭＱＷ構造とすることが好ましいが、ＳＱＷ（Single Quantum Well；単一量子井戸）構造としても構わない。尚、この活性層１０５について、波長約４０５ｎｍの光を放射するように、量子井戸層及び障壁層それぞれの組成と、この量子井戸層及び障壁層による交互積層構造を設定することによって、青色レーザ光を出射する窒化物系半導体発光素子を形成することができる。

更に、蒸発防止層１０６は、活性層１０５を成長させた後、上部クラッド層１０８を成長させるまでの間に活性層１０５が劣化するのを防止する役割を果たせるものであれば、上述の組成のものや、ＡｓやＰ等の不純物が混入するものとしても構わない。上部クラッド層１０８も下部クラッド層１０３と同様、ｐ型ＧａＮとｐ型ＡｌＧａＮとの超格子構造や、何層かの組成の異なったＡｌＧａＮを組み合わせるなど、所望の光学特性に合うものを使用すれば良い。上部コンタクト層１０９は、ｐ型ＧａＮのみならず、ｐ型ＩｎＧａＮやＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＮＰ等を用いても良い。

２．リッジストライプの形成
上述のように、各窒化物半導体をｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上にエピタキシャル成長させて、図１（ａ）のような積層構造の窒化物半導体層を備えたウェハが得られると、このウェハの表面上全面に、図１（ｂ）に示すように、例えばＰｄやＮｉ等を主成分とする第１のｐ電極１１２ａを真空蒸着等により形成する。即ち、図１（ａ）における一番上の層である上部コンタクト層１０９の表面上全面にｐ電極１１２ａが形成される。

そして、フォトリソグラフィ工程を利用して、図１（ｂ）に示すように、蒸着させて形成したｐ電極１１２ａの表面上に、幅１〜３μｍ（例えば１．５μｍ）のストライプ状レジスト１１４を形成する。続いて、イオンエッチングやウェットエッチングを行うことで、図２（ａ）に示すように、ストライプ状レジスト１１４の下部以外の領域におけるｐ電極１１２ａを除去する。尚、このｐ電極１１２ａについては、後に形成するパッド電極１１２ｂと同時に作製するものとしても構わない。この場合、図１（ａ）のような積層構造の窒化物半導体層を備えたウェハ表面に対して、直接、レジスト１１４を形成し、以下に説明する次の工程を行うものとすれば良い。

そして、更に、ＳｉＣｌ₄やＣｌ₂ガスなどによるＲＩＥ等のドライエッチングにより、レジスト１１４が形成されていない領域に対して、上部コンタクト層１０９と上部クラッド層１０８の少なくとも深さ方向の一部までを除去して、図２（ａ）に示すリッジストライプ１１０を形成する。このとき、蒸発防止層１０６の上面から上部クラッド層１０８に向かって層厚方向に０．０５μｍ〜０．２μｍの位置で、エッチングを停止することが好ましい。このエッチングにより、図２（ａ）に示すように、レジスト１１４の下部領域における上部コンタクト層１０９と上部クラッド層１０８が他の領域よりも突出し、この突出した上部コンタクト層１０９と上部クラッド層１０８によるリッジストライプ１１０が形成される。

尚、エッチング停止位置を蒸発防止層１０６の上面から上部クラッド層１０８に向かって層厚方向に０．０５μｍ以上の位置とするのは、蒸発防止層１０６の上面から上部クラッド層１０８に向かって０．０５μｍよりも小さくなる位置までエッチングした場合、窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値は低下するが、そのキンクレベルが低下して高出力動作に不適なものとなるためである。逆に、蒸発防止層１０６の上面から上部クラッド層１０８に向かって０．２μｍ位置よりも大きくなる位置までしかエッチングしない場合は、窒化物系半導体レーザ素子の発振閾値が非常に増加する上、出射するレーザのファーフィールドパターン（ＦＦＰ）等の光学特性を制御することが難しくなるため、好ましくない。

このように、リッジストライプ１１０が形成されると、図２（ａ）のようにリッジストライプ１１０が周期毎に形成されたウェハに対して、図２（ｂ）に示すように、その表面全面に０．１μｍ〜０．５μｍ（例えば０．３μｍ）のＳｉＯ₂からなる埋込層１１１を成膜することで、形成されたリッジストライプ１１０を埋め込む。このとき、ＳｉＯ₂により形成される埋込層１１１上に後述するパッド電極１１２ｂとの密着性を向上させる層を１層若しくは複数層形成しても構わない。このパッド電極１１２ｂとの密着性を向上させる層は、ＴｉＯ₂やＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の酸化物、ＴｉＮやＴａＮ、ＷＮ等の窒化物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ等の金属を使用することで生成される。

続いて、リッジストライプ１１０上に形成されたレジスト１１４を溶剤により溶解させた後に、超音波洗浄等を組み合わせて行ってリフトオフすることで、レジスト１１４と共に、レジスト１１４の上面に形成された埋込層１１１を除去する。この処理が施されることにより、図２（ｃ）に示すように、リッジストライプ１１０の形成されない領域に埋込層１１１を形成させた状態で、リッジストライプ１１０上面となるｐ電極１１２ａの表面を露出させる。尚、ｐ電極１１２ａが形成されない場合は、レジスト１１４が溶解されることで、リッジストライプ１１０の上面となる上部コンタクト層１０９の表面が露出することとなる。

３．パッド電極の形成
上述のように、エッチングを施すとともに埋込層１１１が形成されることで、図２（ｃ）のような埋込層１１１によって埋め込まれたリッジストライプ１１０を備えたウェハが得られると、フォトリソグラフィ工程によりレジストで、ｐ電極となるパッド電極１１２ｂのパターニングが行われる。このとき、図３に示すように、リッジストライプ１１０を中心にしてリッジストライプ１１０を十分に覆うような形状の開口部１２０ａがマトリクス状に形成されたレジスト１２０がパターニングされる。即ち、レジスト１２０における開口部１２０ａが、リッジストライプ１１０の延びる方向に対して断続的に形成される。

そして、レジスト１２０が形成されたウェハの表面上に、Ｍｏ／ＡｕやＷ／Ａｕ等をこの順に真空蒸着等により成膜し、リッジストライプ１１０の表面上に形成されたｐ電極１１２ａの大部分が接触するようにｐ電極となるパッド電極１１２ｂを形成する。尚、リッジストライプ１１０の形成前にｐ電極１１２ａを作製しなかった場合には、このパッド電極１１２ｂを形成する工程において、外部から電力を供給するためのｐ電極としてＮｉ／ＡｕやＰｄ／Ｍｏ／Ａｕ等を成膜すれば良い。

続いて、レジスト１２０を溶剤により溶解させた後に、超音波洗浄等を行ってリフトオフすることで、レジスト１２０と共にレジスト１２０の上面に形成された金属膜を除去して、レジスト１２０における開口部１２０ａと同一の形状のパッド電極１１２ｂを形成する。尚、このレジスト１２０における開口部１２０ａのパターンは、ワイヤボンド領域等を考慮して所望の形状とすることができる。

このパターニングによるパッド電極１１２ｂの形成は、窒化物系半導体発光素子としてウェハを分割して分割面（劈開面）を形成するときや、この分割面によって形成される光出射端面へのコーティングを行うときに、リークや電極はがれなどの信頼性低下の危険性があるためである。従って、パターニングは分割予定領域１１５を避けるように行なう。尚、このパッド電極１１２ｂのパターニングは、エッチングにより行なうことも可能である。このとき、ｐ電極材料となる金属膜を、図２（ｃ）に示すような構造のウェハ全面に蒸着し、フォトリソグラフィによりパッド電極１１２ｂとして残したい部分をレジストで保護してから、例えば王水系のエッチング液でパターニングすることで、パッド電極１１２ｂを形成することができる。

尚、上述のリークなどの危険性が第１のｐ電極１１２ａによる所が大きい場合は、第１のｐ電極１１２ａについてもパターニングによって形成することによって、信頼性低下を防ぐことができる。このときのパターニングの方法としては、第１のｐ電極１１２ａの作製前にフォトリソグラフィを行い、リフトオフにより分割予定領域の金属を除去するものとしても構わないし、第１のｐ電極１１２ａの作製直後に、フォトリソグラフィとエッチングとを行うことにより分割予定領域１１５部分の金属を除去するものとしても構わないし、第二のｐ電極１１２ｂの作製前後にフォトリソグラフィを用いて分割予定領域１１５部分の金属を除去するものとしても構わない。

このようにして、ウェハの表面に分割予定領域１１５部分を除いて第２のｐ電極１１２ｂが形成されると、このウェハの裏面（ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面）を研磨又は研削することで、このウェハの厚みを６０〜１５０μｍ（例えば、１００μｍ）程度とする。そして、図４に示すように、この研磨又は研削されたウェハの裏面（研磨又は研削された面）に対して、Ｈｆ／ＡｌやＴｉ／Ａｌをこの順に真空蒸着などで成膜して、ｎ電極１１３ａを形成する。又、このｎ電極１１３ａは、そのオーミック特性を保証するための熱処理が施される。更に、ｎ電極１１３ａを覆うように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属膜を蒸着させることで、窒化物系半導体発光素子をマウントする際にマウントを容易に行うためのパッド電極１１３ｂを形成する。

（ミラー面の作製）
このようにしてｎ電極１１３ａ及びパッド電極１１３ｂそれぞれがウェハの裏面に形成されると、リッジストライプ１１０にほぼ垂直な方向に劈開し、ウェハを共振器長となる幅２５０〜１２００μｍ（例えば６５０μｍ）の複数のバーとし、この劈開した面により共振器端面（光出射端面を含む）を形成する。ウェハの厚みが薄くなっているため、劈開は容易に行うことが出来る。このバーを形成する劈開を行うために、一般的に、スクライブ／ブレーク法やレーザスクライブによる活断等が用いられる。このように劈開が成されることによって、図５に示すように、劈開面を共振器端面として備えるとともに複数の窒化物半導体素子が並んだ素子バー１５０が複数本形成される。

（窓構造の作製）
このように分割されて得られた素子バー１５０の共振器端面のうちの光出射端面に対して、端面窓構造（窓層）を形成する。この端面窓構造の形成のために、図５のような素子バー１５０を、図６に示すＭＢＥ装置６０に導入する。まず、この素子バー１５０が導入されて、端面窓構造（窓層）の形成を行うためのＭＢＥ装置について、以下に簡単に説明する。

ＭＢＥ装置６０は、Ｈ₂やＮ₂といった気体導入用のガスセル（Ｈ₂セル６２、Ｎ₂セル６３）とＡｌ、Ｇａ、Ｉｎといった固体用の固体材料用セル（Ｓｉセル６１、Ｇａセル６４）が複数設けられている。そして、ガスセル６２，６３として、ＲＦ（Radio Frequency；高周波）プラズマセルや熱クラッキングセルを用い、固体材料用セル６１，６４として、コニカルセルやＳＵＭＯセルを用いるものとするが、バルブドクラッカセルを用いるものとしても構わない。

又、ガスセル６２，６３はバルブにより材料の供給を制御しており、その流量はバリアブルバルブにより制御されるものとするが、マスフローコントローラ等により制御を行うものであっても構わない。更に、固体材料セル６１，６４それぞれは、Ｓｉ、ＧａをＭＢＥ装置６０内に供給するものであり、導入口に設けられたシャッタ６１ａ，６４ａによって供給の開始及び停止が行われる。

このようなＭＢＥ装置６０は、その内部を真空にした状態で素子バー１５０を常温から３００℃まで加熱した後、原子状水素ガンからの水素をガスセル６２より導入することで、素子バー１５０を水素雰囲気中に曝す。このとき、ＭＢＥ装置６０内は、３００℃に加熱した際の真空度が１０^-6Ｐａであり、水素にさらした際の真空度が１０^-4Ｐａである。これは、発生させたプラズマにより素子バー１５０の共振器端面の不純物を物理的に取り除く処置（クリーニング）であるが、共振器端面が清浄であれば省略することも出来る。

次に、ガスセル６３によって窒素ガスを窒素源としてプラズマ化した窒素を導入した後、ガスセル６２からの水素の供給を停止して、素子バー１５０の共振器端面の一つである光出射端面を窒素雰囲気中に曝す。このようにして、窒素に曝しながら素子バー１５０を４００℃に加熱する。そして、固体材料用セル６１，６４のシャッタ６１ａ，６４ａを開けることによりＳｉ及びＧａを素子バー１５０の劈開によって形成された端面に供給して、ＳｉがドーピングされたＧａＮ（ｎ型ＧａＮ層）からなる図７のような窓層２７を形成する。尚、図７は、窒化物系半導体発光素子１０の外観斜視図である。このとき、第２のｐ電極１１２ｂと窓層２７がお互いに接触しないように作製することが好ましい。即ち、図７では、少なくともｐ電極１１２ｂを含むｐ電極１１２の幅が、リッジストライプ１１０の共振器長よりも短く、ｐ電極１１２の端面には窓層２７が形成されないように構成される。

このようにして、素子バー１５０の光出射端面をコーティングして窓層２７を構成する際のｎ型ＧａＮ層の膜厚を、０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下とすることが好ましい。これは、窓層２７を構成するｎ型ＧａＮ層の膜圧を０．０１μｍよりも薄い場合、光出射端面２７に膜圧の等しい安定した膜によって窓層２７を構成することが困難となるためである。又、窓層２７を構成するｎ型ＧａＮ層の膜圧が厚くなるに従って、例えば、窓層２７を構成するｎ型ＧａＮ層の表面粗度が悪化することより、その反射率が場所によって変化するという問題が発生するため、膜圧を０．２０μｍ以下程度に抑えることが望ましい。

１．窓層の効果について
ここで、窓層２７には、活性層１０５を構成するＩｎＧａＮよりもバンドギャップの大きいＧａＮが使用されているため、レーザ光の発振波長付近における窓層２７による吸収を小さくすることができる。一方、酸素等の異種原子の拡散には、窓層２７を構成するＧａＮ層中の原子空孔が大きな役割を果たすことが考えられる上、このＧａＮ層は窒素が抜けやすいことから、窒素の抜けが酸素の拡散を助長している可能性も考えられる。

しかしながら、原子空孔の形成エネルギーはＧａＮのフェルミレベルにより決定されるという計算結果が公開されている（例えば、Journal of Applied Physics 97, 061301(2005)など参照）。この公開されている計算結果より、窓層２７を構成するＧａＮ層のフェルミレベルを上げてｎ側に振っていけば、ＧａＮ内における窒素の空孔の生成が抑えられ、窓層２７内における酸素等の異種原子の拡散も抑えられることが導かれる。よって、ＳｉなどＩＶ族元素のドーピングを行うことによって、窓層２７を構成するＧａＮ層をｎ型に振ることで、窓層２７内における異種原子の拡散が抑制されるため、ＣＯＤレベルが向上されることとなる。

このように窓層２７を形成する際における、ｎ型ＧａＮ層へのＳｉのドーピング量は、５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下となるように調整する。これは、Ｓｉのドーピング量を５×１０¹⁶／ｃｍ³より少なくとした場合、ノンドープのＧａＮ層とほぼ同等の弱いｎ型となるため、Ｓｉのドーピングによる効果が得られない。逆に、Ｓｉのドーピング量が増えるに従って、窓層２７を構成するｎ型ＧａＮ層の電気抵抗が小さくなることより、活性層１０５を流れる電流がリークする可能性が大きくなるため、Ｓｉのドーピング量を１×１０¹⁸／ｃｍ³以下に抑えることが好ましい。

２．ＭＢＥ装置内での加熱温度について
又、ＭＢＥ装置６０内に接地される素子バー１５０に対する加熱温度は、好ましくは３５０℃以上６００℃以下の範囲、更に好ましくは４５０℃以上５５０℃以下の範囲とする。これは、素子バー１５０には、電極等が既に作製されているため、６００℃より高い温度で加熱すると電圧上昇や発振閾値上昇など、素子特性が劇的に悪化する恐れがあるためである。一方、３５０℃未満の温度では、ＭＢＥ法による結晶質のＧａＮ膜を作製すること自体が困難となるという問題がある。

そして、３５０℃以上となる温度範囲では、温度が高いほどＭＢＥ成長されたＧａＮの結晶性が高くなり、結晶性をよくするという点からみた場合、４５０℃以上の温度とすることが好ましい。又、素子バー１５０に作製された電極等の特性からみると、その実用的な温度は５５０℃が上限である。そのため、ＭＢＥ装置６０内で４５０℃以上５５０℃以上の範囲による温度で素子バー１５０を加熱するとともにＧａＮによるコーティング膜を形成することで、窓層２７を構成することが更に好ましい。

（反射膜の作製）
このようにして、素子バー１５０の光出射端面に窓層２７を形成すると、窓層２７がコーティングされた素子バー１５０をＭＢＥ装置６０より取り出し、窓層２７が設けられていない側の共振器端面に反射率９５％のＨＲ（High Reflection）コーティング膜２９を形成する。尚、このＨＲコーティング膜２９の材料として、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂の多層膜を用いるものとするが、例えば、ＳｉＮ、ＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｇＦ₂等の誘電体を単層又は複数層用いて構成しても構わない。この反射膜であるＨＲコーティング膜２９においても、窓層２７と第２のｐ電極１１２ｂとの関係と同様、ｐ電極１１２ｂと接触しないように作製される。即ち、図７では、少なくともｐ電極１１２ｂを含むｐ電極１１２の幅が、リッジストライプ１１０の共振器長よりも短く、ｐ電極１１２の端面にはＨＲコーティング膜２９が形成されないように構成される。

（素子分割）
更に、このようにして共振器端面のそれぞれに窓層２７とＨＲコーティング膜２９とが形成された素子バー１５０を、一定の間隔毎にチップ分割することで、図７の外観斜視図で示すような形状の窒化物系半導体発光素子１０が得られる。このとき、例えば、リッジストライプ１１０が窒化物系半導体発光素子１０の中央位置となるように分割するなどのように、リッジストライプ１１０に影響を与えない位置を分割位置として分割を行う。このようにして得られた窒化物系半導体発光素子１０は、青色レーザ素子として構成し、レーザパッケージ内に密閉封止実装することで、窒化物系半導体レーザ装置を作製することができる。

尚、本実施形態において、ＭＢＥ法によりＳｉがドーピングされたｎ型ＧａＮ層（ＳｉドープＧａＮ層）のみを光出射端面にコーティングすることで、窓構造（窓層２７）を作製するものとしたが、光出射端面とＳｉドープのｎ型ＧａＮ層との間に絶縁性に近い電気特性を備えたＧａＮ層を設けるなどした多層構造によって窓構造を作成しても構わない。この絶縁性に近い電気特性を備えたＧａＮ層を間に設けた多層構造とすることで、ＳｉドープＧａＮ層と光出射端面との間の絶縁性を確保することができ、窓構造への電流リークを防ぐことができる。

又、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層が窓構造の外側からの異種原子の拡散を防止することができるため、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層の内側となる光出射端面に直接接する層については、活性層１０５を含む窒化物半導体層を形成するＧａＮ材料との格子整合性を重視したＡｌＧａＩｎＮ等の４元系のＧａＮ材料やＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮ等の３元系のＧａＮ材料により作製するものとしても構わない。更に、光出射端面の反対側となるＨＲコーティング膜２９がコーティングされる共振器端面においても、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層を設けるものとしても構わない。

又、本実施形態において、エアリッジ型のストライプ状導波路を持つ窒化物系半導体発光素子を例に挙げて説明したが、エアリッジ型以外にもＢＨ型やＲｉＳ型等のストライプ状導波路を持つレーザに本発明を適用することも可能である。更に、窒化物系半導体発光素子を構成するために用いる基板は、上述のｎ型ＧａＮ基板に限らず、サファイア基板や、ノンドープのＧａＮ基板又はＡｌＧａＮ基板などとしても構わない。

更に、本実施形態における窒化物系半導体発光素子は、高出力の窒化物系半導体レーザ素子として構成することができるため、高密度化した光ディスクの記録再生装置の光ピックアップにおけるレーザ光出射用の半導体レーザ装置として使用することが可能である。又、このような半導体レーザ装置以外の他の目的で使用される半導体レーザ装置に対しても使用することが可能である。

即ち、例えば、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）等の光学特性の制御に係る制約は弱いものの、出力が数Ｗと大変な高出力である、照明用のブロードエリア半導体レーザ装置に使用することができる。そして、このブロードエリア半導体レーザ装置に使用した場合においても、出力が数Ｗと大変な高出力であるため端面にかかる負担も大きいが、上述のようにＣＯＤレベルを向上させた構成とされるため、大きな信頼性向上が得られる。このブロードエリア半導体レーザ装置においては、本実施形態の窒化物系半導体発光素子のリッジストライプの形成において、そのリッジストライプ幅を５μｍ以上１００μｍ以下とすることで実現することができる。

本発明の窒化物系半導体発光素子は、窒化物系半導体レーザ装置、例えば、単体の半導体レーザ装置、ホログラム素子を備えたホログラムレーザ装置、照明用の励起光用レーザ装置、駆動もしくは信号検出等の処理のためのＩＣチップと一体化してパッケージされたオプトエレクトロニクスＩＣ装置、導波路あるいは微小光学素子と一体化してパッケージされた複合光学装置などに適用可能である。又、本発明は、これらの装置を備えた光記録システム、光ディスクシステムや、紫外から緑色領域の光源システムなどに適用可能である。

は、本発明の窒化物系半導体発光素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図である。 は、本発明の窒化物系半導体発光素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図である。 は、本発明の窒化物系半導体発光素子の製造工程を説明するためのウェハ上面図である。 は、本発明の窒化物系半導体発光素子の製造工程を説明するためのウェハ断面図である。 は、図４に示すウェハを分割した後の素子バーの構成を示す断面図である。 は、図５に示す素子バーが配置されたＭＢＥ装置の概略構成図である。 は、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の外観斜視図である。

符号の説明

１０ 窒化物系半導体発光素子
２７ 窓層
２９ ＨＲコーティング膜
１０１ ｎ型ＧａＮ基板
１０２ 下部コンタクト層
１０３ 下部クラッド層
１０４ 下部ガイド層
１０５ 活性層
１０６ 蒸発防止層
１０７ 上部ガイド層
１０８ 上部クラッド層
１０９ 上部コンタクト層
１１０ リッジストライプ
１１１ 埋込層
１１２ａ ｐ電極
１１２ｂ パッド電極
１１３ａ ｎ電極
１１３ｂ パッド電極
１５０ 素子バー

Claims (20)

1. 基板と、該基板の表面に積層された複数の窒化物半導体層と、該窒化物半導体層に形成される光閉じこめ領域となるストライプ状導波路と、前記窒化物半導体層が劈開されて形成される共振器端面の一方であるとともに前記光閉じこめ領域からの光を出射する光出射端面と、前記光出射端面と逆側の共振器端面であるとともに前記光閉じこめ領域からの光を反射させる光反射端面と、を備える窒化物系半導体発光素子において、
   前記光出射端面上に積層されることで前記光出射端面を覆うとともに、その一部にｎ型ＧａＮ層を有する窓層を備えることを特徴とする窒化物系半導体発光素子。
2. 前記窓層の前記ｎ型ＧａＮ層が、ＩＶ族元素のドーピングによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記窓層の前記ｎ型ＧａＮ層が、Ｓｉのドーピングによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記窓層における前記ｎ型ＧａＮ層が、５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下のドーピング密度を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記窓層における前記ｎ型ＧａＮ層の膜厚を０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記窓層において、前記ｎ型ＧａＮ層と前記光出射端面との間に、前記窒化物半導体層のＧａＮ材料と格子整合性を有するＧａＮ材料により構成される層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記窓層において、前記ｎ型ＧａＮ層と前記光出射端面との間に、絶縁性に近い電気特性を備えたＧａＮ材料による層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
8. 前記窓層が、３５０℃以上６００℃以下の温度雰囲気において形成されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
9. 前記窓層が、４５０℃以上５５０℃以下の温度雰囲気において形成されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
10. 前記光反射端面に積層されることで前記光出射端面を覆うコーティング層において、その一部にｎ型ＧａＮ層を有することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
11. 前記ストライプ状導波路に電流を注入する電極を備え、
    当該電極が前記窓層と電気的に接触しない形にパターニングされていることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
12. 基板上にエピタキシャル成長させて窒化物半導体層を積層する第１工程と、該第１工程で構成された前記窒化物半導体層に光閉じこめ領域となるストライプ状導波路を形成する第２工程と、前記ストライプ状導波路を備えた前記窒化物半導体層を前記基板とともに劈開して共振器端面を形成する第３工程と、を備える窒化物系半導体発光素子の製造方法において、
    前記第３工程で形成された前記共振器端面の一方であるとともに前記光閉じこめ領域からの光を出射する光出射端面を積層して覆う窓層を形成する第４工程を備え、
    前記第４工程で形成される前記窓層の一部にｎ型ＧａＮ層が形成されることを特徴とする窒化物系半導体発光素子の製造方法。
13. 前記第４工程において、前記ｎ型ＧａＮ層を形成する際、ドーピングするＩＶ族元素が供給されることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
14. 前記第４工程において、前記ｎ型ＧａＮ層を形成する際、ドーピングするＳｉが供給されることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
15. 前記窓層における前記ｎ型ＧａＮ層が、５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０¹⁸／ｃｍ³以下のドーピング密度を備えることを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
16. 前記第４工程において、前記窓層を形成する前に、前記光出射端面をプラズマによりクリーニングすることを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
17. 前記第４工程において、３５０℃以上６００℃以下の温度雰囲気で前記窓層を形成することを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
18. 前記第４工程において、４５０℃以上５５０℃以下の温度雰囲気で前記窓層を形成することを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
19. 前記第４工程において、分子線エピタキシー法を用いることで前記窓層を形成することを特徴とする請求項１２〜請求項１８のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
20. 前記第４工程を行う前に、前記ストライプ状導波路に電流を注入する電極をパターニングする第５工程を備え、
    前記第５工程において、前記電極が前記窓層と電気的に接触しない形にパターニングされることを特徴とする請求項１２〜請求項１９のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。

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