JP4104234B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【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）からなる半導体発光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発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、ＧａＮ系半導体発光素子の実用化が進んできている。ＧａＮ系半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の絶縁性基板上に各層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＮ系半導体発光素子では、格子不整合の生じる基板上に結晶成長を行うため、格子欠陥が生じる。例えば、ＧａＮとサファイア基板とでは格子定数が違うことから、サファイア基板上に成長したＧａＮ系半導体結晶に、通常、１０9 〜１０10個／ｃｍ2 程度の格子欠陥が存在する。このような格子欠陥は、サファイア基板の表面からＧａＮ系半導体層へ伝播する。この格子欠陥により、サファイア基板上のＧａＮ系半導体層からなる半導体発光素子では、素子特性および信頼性の劣化が生じるとともに、素子の寿命を短くしている。
【０００４】
格子欠陥による素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法として、半導体層を横方向に成長させるラテラル成長法が提案されている。図６（ａ）〜（ｄ）は従来のラテラル成長法を説明するための模式的工程断面図である。
【０００５】
図６（ａ）に示すように、サファイア基板１１上にアンドープのＡｌＧａＮバッファ層１２およびアンドープのＧａＮ層１３を順に連続的に成長させる。ＧａＮ層１３には上下方向に延びる格子欠陥１５が存在する。このＧａＮ層１３上に、ストライプ状のＳｉＯ2 膜１４を形成する。
【０００６】
次に、図６（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＯ2 膜１４間に露出したＧａＮ層１３上にアンドープのＧａＮ層１６を再成長させる。この場合、ＧａＮ層１６は図中の矢印Ｙの方向へ再成長し、これに伴い、格子欠陥１５もＹ方向へ延びる。
【０００７】
ＧａＮ層１６をさらに再成長させると、ＧａＮ層１６が図中の矢印Ｘの方向にも成長し、ＳｉＯ2 膜１４上にもＧａＮ層１６が形成される。このようにして、図６（ｃ）に示すように、ＳｉＯ2 膜１４上およびＳｉＯ2 膜１４間のＧａＮ１３上に、ＧａＮ層１６が形成される。
【０００８】
このようなラテラル成長法を用いると、ＳｉＯ2 膜１４上に、格子欠陥の少ない高品質なＧａＮ結晶を形成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＮ層１６の再成長において、矢印Ｙの方向へは成長しやすいが、矢印Ｘの方向へは成長しにくい。したがって、矢印Ｘの方向と矢印Ｙの方向とではＧａＮ層１６の成長速度に差が生じる。このため、ＧａＮ層１６の表面を図６（ｄ）に示すように平坦にするには、基板温度を調節することにより、所定の方向における成長速度を調整するとともに、ＧａＮ層１６の厚みｄ4 を１５μｍ以上と厚くする必要があった。それゆえ、ＧａＮ層１６の形成には時間が長くかかっていた。
【００１０】
また、サファイア基板１１とＧａＮ層１６とでは熱膨張係数が異なるため、サファイアのウエハを成長時の基板温度から常温に戻した場合、ウエハに反りが生じる。特に、厚みの大きなＧａＮ層１６が形成されたウエハにおいては、大きな反りが生じる。このため、ウエハに結晶成長後のプロセスを行いにくい。
【００１１】
一方、ＧａＮ系半導体発光素子においては、図６（ｄ）に示すＧａＮ層１６をダブルヘテロ構造の下地として用い、ＧａＮ層１６上に、さらに発光部を含むＧａＮ系半導体層を形成する。例えば、図７および図８は、図６（ｄ）に示すＧａＮ層１６上に構成される半導体レーザ素子の断面図である。なお、図７は、リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子であり、図８は、セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子である。このような構造により、図７および図８に示す半導体レーザ素子では、横モード制御が行われる。
【００１２】
図７に示す半導体レーザ素子の製造の際は、サファイア基板１１上にバッファ層１２およびアンドープのＧａＮ層１３を含む半導体層１００を成長させ、ＧａＮ層１３上の所定領域にＳｉＯ2 膜１４を形成する。次に、アンドープの再成長ＧａＮ層１６から、ｎ−ＧａＮ層１７、ｎ−クラッド層１８、発光層１９およびｐ−クラッド層２０を含む半導体層１１０を成長させる。続いて、エッチングにより、ｐ−クラッド層２０にリッジ部を形成した後、リッジ部の両側の平坦部上に電流ブロック層１２０を成長させる。さらに、リッジ部上および電流ブロック層１２０上にｐ−ＧａＮコンタクト層１３０を成長させる。その後、ｐ−コンタクト層１３０からｎ−ＧａＮ層１７までの一部領域をエッチングにより除去し、露出したｎ−ＧａＮ層１７上にｎ電極２５を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層コンタクト層１３０上にｐ電極を形成する。
【００１３】
このように、リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子の製造の際には、半導体層１００，１１０，電流ブロック層１２０およびｐ−ＧａＮコンタクト層１３０を形成するために４回の結晶成長が必要である。
【００１４】
図８に示す半導体レーザ素子の製造の際は、サファイア基板１１上にバッファ層１２およびアンドープのＧａＮ層１３を含む半導体層１００を成長させ、ＧａＮ層１３上の所定領域にＳｉＯ2 膜１４を形成する。次に、アンドープの再成長ＧａＮ層１６、ｎ−ＧａＮ層１７、ｎ−クラッド層１８、発光層１９、ｐ−クラッド層２０および電流ブロック層２１を含む半導体層１１１を成長させる。続いて、エッチングにより、電流ブロック層２１の所定領域を除去した後、ｐ−第３クラッド層２２およびｐ−コンタクト層２３を含む半導体層１２１をさらに成長させる。その後、ｐ−コンタクト層１３０からｎ−ＧａＮ層１７までの一部領域をエッチングにより除去し、露出したｎ−ＧａＮ層１７上にｎ電極２５を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層コンタクト層２３上にｐ電極２６を形成する。
【００１５】
このように、セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の製造の際には、半導体層１００，１１１，１２１を形成するために３回の結晶成長が必要である。
【００１６】
以上のように、図７および図８に示す半導体レーザ素子の製造の際には、４回および３回の結晶成長が必要となる。したがって、製造工程が多くなり、製造効率を低下させる。
【００１７】
本発明の目的は、製造効率が高くかつ格子欠陥の少ない高品質な半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【００１８】
【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発光素子は、基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも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上の所定領域に絶縁膜が形成され、第１の窒化物系半導体層上の前記絶縁膜を除く領域にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層が形成され、絶縁膜上に第２の窒化物系半導体層から横方向に延びかつ発光層を含むガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第３の窒化物系半導体層が形成されており、発光層は横方向の成長により絶縁膜上に延びた領域に発光部を有しているものである。
【００１９】
本発明に係る半導体発光素子において、発光層を含む第３の窒化物系半導体層は、第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により絶縁膜上に形成される。このような半導体層の横方向の成長においては、基板から上下方向の格子欠陥が伝播しないため、格子欠陥の少ない高品質な発光層を有する半導体発光素子が実現される。
【００２０】
第３の窒化物系半導体層は第２の窒化物系半導体層の成長に伴って形成されることから、上記の半導体発光素子は、第１および第２の窒化物系半導体層を形成するための２回の結晶成長により作製される。また、第３の窒化物系半導体層は、発光に必要な厚さを有していればよく、厚さを薄くすることが可能となる。したがって、製造効率が高くなる。
【００２１】
第１の窒化物系半導体層に上面、底面および側面を有する段差部が形成され、段差部の上面に第１の電流阻止層が形成されるとともに、第１の電流阻止層上に第２の窒化物系半導体層が形成され、段差部の底面上に絶縁膜が形成されてもよい。
【００２２】
これにより、第１の電流阻止層と絶縁膜とにより十分な電流狭窄が行われる。したがって、半導体発光素子として、しきい値電流が低く、高性能かつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００２３】
第３の窒化物系半導体層上に第１の電極が形成され、第１の窒化物系半導体層に接触する第２の電極が形成されてもよい。
【００２４】
この場合、発光層を含む第３の窒化物系半導体層に電流経路が形成され、第３の窒化物系半導体層の発光層に発光部が形成される。第３の窒化物系半導体層は格子欠陥が少ないため、半導体発光素子の発光部が高品質となる。したがって、高性能かつ信頼性の高い半導体発光素子が実現される。
【００２５】
第２の窒化物系半導体層上に第２の電流阻止層が形成され、第３の窒化物系半導体層上および第２の電流阻止層上に第１の電極が形成されてもよい。
【００２６】
この場合、第２の窒化物系半導体層上の第２の電流阻止層および第１の窒化物系半導体層上の絶縁膜により電流狭窄が行われる。これにより、電流は発光層を含みかつ格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層内を選択的に流れる。
【００２７】
第２の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層を形成する工程と、第１の窒化物系半導体層上の所定領域に絶縁膜を形成する工程と、第１の窒化物系半導体層上の絶縁膜を除く領域にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層を形成するとともに、第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により第２の窒化物系半導体層から絶縁膜上に延びかつ発光層を含む第３の窒化物系半導体層を形成する工程とを備え、発光層は横方向の成長により絶縁膜上に延びた領域に発光部を有しているものである。
【００２８】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法においては、基板上に第１の窒化物系半導体層を形成し、この第１の窒化物系半導体層への所定領域に絶縁膜を形成するとともに、露出した第１の窒化物系半導体層の領域に第２の窒化物系半導体層を形成する。同時に、この第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により、発光層を含む第３の窒化物系半導体層を絶縁膜上に形成する。
【００２９】
上記の半導体発光素子の製造方法によれば、格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層を形成することが可能となる。したがって、格子欠陥の少ない高品質な発光層を有する半導体発光素子を製造することが可能となる。
【００３０】
また、第３の窒化物系半導体層を第２の窒化物系半導体層の横方向により形成するため、半導体発光素子は第１および第２の窒化物系半導体層を形成する２回の結晶成長で作製することが可能となる。さらに、第３の窒化物系半導体層は、発光に必要な厚さまで成長させればよく、厚く成長させる必要がない。したがって、製造に係る時間の短縮化が図られるとともに、製造効率が向上する。
【００３１】
第１の窒化物系半導体層に上面、底面および側面を有する段差部を形成する工程と、段差部の上面に第１の電流阻止層を形成する工程とをさらに備え、第１の電流阻止層上に第２の窒化物系半導体層を形成し、段差部の底面上に絶縁膜を形成してもよい。
【００３２】
これにより、第１の電流阻止層と絶縁膜により十分な電流狭窄を行うことが可能となる。したがって、半導体発光素子として、しきい値電流が低く、高性能かつ高信頼性の半導体レーザ素子が得られる。
【００３３】
第３の窒化物系半導体層上に第１の電極を形成するとともに第１の窒化物系半導体層に接触する第２の電極を形成する工程をさらに備えてもよい。
【００３４】
この場合、第３の窒化物系半導体層内に電流経路が形成される。これにより、格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層の発光層内に発光部を形成することが可能となるため、高品質で信頼性の高い半導体発光素子を作製することが可能となる。
【００３５】
また、第２の窒化物系半導体層上に第２の電流阻止層を形成する工程をさらに備え、第３の窒化物系半導体層上および第２の電流阻止層上に第１の電極を形成してもよい。
【００３６】
これにより、第２の窒化物系半導体層上の第２の電流阻止層と第１の窒化物系半導体層上の絶縁膜とにより電流狭窄を行うことが可能となる。これにより、発光層を含みかつ格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層に選択的に電流を流すことができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の断面図である。
【００３８】
図１に示すように、サファイア基板１上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００〜３００Åのバッファ層２、厚さ３μｍのアンドープのＧａＮ層３および厚さ５μｍのｎ−ＧａＮ層４が順に形成されている。ｎ−ＧａＮ層４には、上面、底面および側面からなる段差部４０が形成されている。
【００３９】
段差部４０の上面にはＺｎドープのＧａＮからなる厚さ１〜２μｍの電流ブロック層５が形成されている。また、段差部４０の底面上の一部領域には厚さ数１００ÅのＳｉＯ2 膜６が形成されている。
【００４０】
以下、バッファ層２、ＧａＮ層３およびｎ−ＧａＮ層４を第１のＧａＮ系半導体層２００と呼ぶ。この第１のＧａＮ系半導体層２００には、サファイア基板１の表面から上下方向に格子欠陥１５が延びている。
【００４１】
電流ブロック層５上には、厚さ数１００Åのｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７、ｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ−第１クラッド層８、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸発光層（以下、ＭＱＷ発光層と呼ぶ）９、ｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ−第２クラッド層１０および厚さ０．０５〜０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１１が順に形成されている。ｐ−コンタクト層１１の上には厚さ約５０００ÅのＳｉＯ2 膜１２が形成されている。
【００４２】
以下、ｎ−再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１を第２のＧａＮ系半導体層３００と呼ぶ。この第２のＧａＮ系半導体層３００には、第１のＧａＮ系半導体層２００から上下方向に格子欠陥１５が延びている。
【００４３】
ＭＱＷ発光層９は、図２のエネルギーバンド図に示すように、厚さ６０Åの６つのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ量子障壁層９１と厚さ３０Åの５つのＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ量子井戸層９２とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。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９３で挟まれている。
【００４４】
第２のＧａＮ系半導体層３００のｎ−再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１からＳｉＯ2 膜６上に、横方向に成長したｎ−再成長バッファ層７ａ、ｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａが順に延びている。
【００４５】
以下、ｎ−再成長バッファ層７ａ、ｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａを第３のＧａＮ系半導体層４００と呼ぶ。この第３のＧａＮ系半導体層４００は、第２のＧａＮ系半導体層３００の横方向の結晶成長により形成されるため、第３のＧａＮ系半導体層４００には上下方向の格子欠陥１５が存在しない。この第３のＧａＮ系半導体層４００のＭＱＷ発光層９ａに、発光部３０が形成される。
【００４６】
第１のＧａＮ系半導体層２００のｎ−ＧａＮ層４上の所定領域に厚さ５００ÅのＴｉおよび厚さ５０００ÅのＡｌからなるｎ電極２５が形成されている。また、第２のＧａＮ系半導体層３００のＳｉＯ2 膜１２上および第３のＧａＮ系半導体層４００のｐ−コンタクト層１１ａ上に、厚さ５０００ÅのＮｉからなるｐ電極２６が形成されている。
【００４７】
なお、ｎ型ドーパントとしてはＳｉが用いられており、ｐ型ドーパントとしてはＭｇが用いられている。また、電流ブロック層５のドーパントとしてはＺｎが用いられており、これにより電流ブロック層５が高抵抗となる。
【００４８】
この半導体レーザ素子においては、ＳｉＯ2 膜６とＳｉＯ2 膜１２とにより電流狭窄が行われるとともに、ＳｉＯ2 膜６と電流ブロック層５とにより電流狭窄が行われる。したがって、電流はｐ電極２６から第３の半導体層４００および段差部４０の側面を順に経て、第１の半導体層２００内をｎ電極２５に向かって流れる。このようにして十分な電流狭窄が行われるため、しきい値電流が低くなる。
【００４９】
なお、段差部４０の高さｄ3 により、電流の狭窄幅を制御し、発光部３０の幅を制御することができる。このような段差部４０の高さｄ3 は１μｍ程度であることが好ましい。
【００５０】
また、発光部３０を含む第３のＧａＮ系半導体層４００が、格子欠陥１５の少ない高品質な層であるため、高性能で信頼性が高くかつ寿命が長くなるとともに、しきい値電流がさらに低くなる。
【００５１】
第３のＧａＮ系半導体層４００におけるＭＱＷ発光層９ａは、横方向（層界面に平行なる方向）においてＳｉＯ2 膜６とｐ−第２クラッド層１０とに挟まれた構造となる。この場合、ＳｉＯ2 膜６の屈折率およびｐ−第２クラッド層１０の屈折率はＭＱＷ発光層９ａの屈折率よりも低い。これにより、ＭＱＷ発光層９ａの横方向において屈折率に差が生じ、横方向の光の閉じ込めが行われる。したがって、半導体レーザ素子の横モード制御が行われる。
【００５２】
第３のＧａＮ系半導体層４００におけるｎ−第１クラッド層８ａの厚みｄ1 およびｐ−第２クラッド層１０ａの厚みｄ2 は、発光に必要な厚みがあればよく、結晶成長における時間を短縮する点から０．７〜１μｍであることが好ましい。
【００５３】
第２のＧａＮ系半導体層３００におけるｎ−第１クラッド層８およびｐ−第２クラッド層１０を構成するＡｌ0.07Ｇａ0.93ＮのＡｌ組成０．０７は、通常のクラッド層を構成するＡｌ0.15Ｇａ0.85ＮのＡｌ組成０．１５よりも低い。このようにＡｌ組成が低くなるように、ｎ−第１クラッド層８およびｐ−第２クラッド層１０を減圧下で形成することが好ましい。
【００５４】
次に、図１に示す半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
図３は、図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００５５】
図３（ａ）に示すように、常圧下でＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、サファイア基板１のｃ面上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎバッファ層２を基板温度５５０〜６５０℃で成長させる。さらに、基板温度１０００〜１１００℃で、アンドープのＧａＮ層３、ｎ−ＧａＮ層４およびＺｎドープのＧａＮ電流ブロック層５を順に成長させる。
【００５６】
次に、電流ブロック層５およびｎ−ＧａＮ層４の所定領域をエッチングにより除去し、ｎ−ＧａＮ層４を露出させる。このようにして、図３（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４に、上面、底面および側面からなる段差部４０を形成する。さらに、段差部４０の底面部に、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）またはＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）等により、ＳｉＯ2 膜６を形成する。
【００５７】
以上のようにして、第１のＧａＮ系半導体層２００を形成する。なお、エッチングに際しては、電流ブロック層５からＳｉＯ2 膜６の表面までの段差部４０の高さｄ3 が１μｍ程度となるようにエッチングの深さを設定することが好ましい。
【００５８】
続いて、減圧下（数１０Ｔｏｒｒ）でＭＯＣＶＤ法により、図３（ｃ）に示すように、電流ブロック層５上にｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１を成長させる。この場合、成長時の基板温度を９５０〜１０５０℃とする。このようにして、第２のＧａＮ系半導体層３００を形成する。
【００５９】
第２のＧａＮ系半導体層３００の、各層７〜１１が図中の矢印Ｙの方向に成長するに伴い、格子欠陥１５も矢印Ｙの方向に延びる。したがって、第２のＧａＮ系半導体層３００には格子欠陥１５が存在する。
【００６０】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層７〜１１は矢印Ｙの方向へ成長するとともに、図中の矢印Ｘの方向、すなわち横方向へも成長する。なお、本実施例においては基板温度９５０〜１０５０℃で各層７〜１１を成長させるため、横方向の成長が速い。このような横方向の成長により、ｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７ａ、ｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａをＳｉＯ2 膜６上に順に成長させる。このようにして、第３のＧａＮ系半導体層４００を形成する。なお、第２のＧａＮ系半導体層３００の各層７〜１１の横方向の成長においては格子欠陥１５が伝播しないため、横方向の成長により形成された第３のＧａＮ系半導体層４００には格子欠陥１５が少ない。
【００６１】
なお、通常、ＳｉＯ2 膜上には半導体はエピタキシャル成長しないが、Ａｌを多く含む半導体は、Ａｌ組成の低い半導体に比べると常圧でＳｉＯ2 膜上に僅かながら成長しやすい。本実施例では、第２および第３の半導体層３００，４００において、Ａｌ組成を低くしたｎ−第１クラッド層８，８ａおよびｐ−第２クラッド層１０，１０ａを減圧下で成長させることにより、ＳｉＯ2 膜６上において、横方向の成長による第３のＧａＮ系半導体層４００以外の半導体層が成長するのを防ぐことができる。
【００６２】
最後に、図３（ｄ）に示すように、第２のＧａＮ系半導体層３００のｐ−コンタクト層１１上にＳｉＯ2 膜１２を形成し、このＳｉＯ2 膜１２上および第３のＧａＮ系半導体層４００のｐ−コンタクト層１１ａ上にｐ電極２６を形成する。また、ＳｉＯ2 膜６の所定領域を除去し、露出したｎ−ＧａＮ層４上にｎ電極２５を形成する。
【００６３】
以上のような半導体レーザ素子の製造方法によれば、格子欠陥１５が少なく高品質な発光部３０を形成することが可能となる。また、この半導体レーザ素子を製造する際に必要となる結晶成長は、第１のＧａＮ系半導体層２００の結晶成長と、第２のＧａＮ系半導体層３００のの結晶成長の計２回である。したがって、半導体レーザ素子の製造効率が向上する。
【００６４】
さらに、この半導体レーザ素子においては、従来のラテラル成長法による半導体レーザ素子の製造方法のように再成長層（本実施例では第３のＧａＮ系半導体層４００）の厚さを厚くする必要がない。したがって、結晶成長にかかる時間の短縮が図られるとともに、サファイア基板とＧａＮ系半導体層との熱膨張係数の違いによるサファイア基板の反りを防止することができる。
【００６５】
なお、本実施例においては、絶縁膜としてＳｉＯ2 膜６，１２を用いたが、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＮ等の他の絶縁膜を用いてもよい。また、サファイア基板以外に、ＳｉＣ基板、スピネル基板等を用いてもよい。また、ＳｉＯ2 膜６，１２の代わりに高抵抗の半導体層を用いてもよい。
【００６６】
さらに、上記実施例の半導体レーザ素子は、Ｉｎ、ＡｌまたはＧａを含む窒化物系半導体層により構成されるが、これ以外に、さらにＢを含む窒化物系半導体層を含んでもよい。
【００６７】
図４は本発明の他の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の断面図である。
【００６８】
図４に示す半導体レーザ素子は、以下の点を除いて、図１に示す半導体レーザ素子と同様の構造を有する。
【００６９】
図４の半導体レーザ素子は、サファイア基板１上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなるバッファ層２、アンドープのＧａＮ層３およびｎ−ＧａＮ層４が順に形成されてなる第１のＧａＮ系半導体層２１０を有する。
【００７０】
第１のＧａＮ系半導体層２１０のｎ−ＧａＮ層４の所定領域上に、図１の半導体レーザ素子１００と同様の構成を有する第２のＧａＮ系半導体層３００が形成されている。ｎ−ＧａＮ層４上の第２のＧａＮ系半導体層３００のｎ−再成長バッファ層７に隣接する領域に、ＳｉＯ2 膜６が形成されている。
【００７１】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層８〜１１の横方向の成長により、ＳｉＯ2 膜６上にｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａから構成される第３のＧａＮ系半導体層４１０が形成されている。
【００７２】
また、ｎ−ＧａＮ層４の厚みは均一であり、４〜５μｍである。したがって図４の半導体レーザ素子には、図１の半導体レーザ素子のような段差部４０が存在しない。図４の半導体レーザ素子においては、第１のＧａＮ系半導体層２１０のｎ−ＧａＮ層４上に形成されたＳｉＯ2 膜６および第２のＧａＮ系半導体層３００のｐ−コンタクト層１１上に形成されたＳｉＯ2 膜１２により電流狭窄が行われる。
【００７３】
上記のような半導体レーザ素子において、発光部３０を含む第３のＧａＮ系半導体層４００の各層８ａ〜１１ａは格子欠陥１５が少なく高品質であるため、しきい値電流が低くなるとともに、高性能で信頼性が高くかつ寿命が長くなる。
【００７４】
さらに、図４の半導体レーザ素子では、図１の半導体レーザ素子と同様、横方向における屈折率の違いにより光の閉じ込めが行われるため、横モード制御を行うことが可能となる。
【００７５】
次に、図４の半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
図５は、図４の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００７６】
図５（ａ）に示すように、常圧下でＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板１のｃ面上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎバッファ層２を基板温度５５０〜６５０℃で成長させる。さらに、基板温度１０００〜１１００℃で、アンドープのＧａＮ層３およびｎ−ＧａＮ層４を順に成長させる。
【００７７】
次に、図５（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４上の所定領域にＳｉＯ2 膜６を形成する。なお、ＳｉＯ2 膜６の形成方法については、図３において前述したとおりである。
【００７８】
以上のようにして、第１のＧａＮ系半導体層２１０を形成する。
続いて、図５（ｃ）に示すように、露出したｎ−ＧａＮ層４上に、減圧下、基板温度９５０〜１０５０℃で、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１を成長させる。このようにして第２のＧａＮ系半導体層３００を形成する。
【００７９】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層７〜１１が図中の矢印Ｙの方向に成長するに伴い、格子欠陥１５も矢印Ｙの方向に延びる。したがって、第２のＧａＮ系半導体層３００には格子欠陥１５が存在する。
【００８０】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層８〜１１は矢印Ｙの方向に成長するとともに、図中の矢印Ｘの方向、すなわち横方向へも成長する。このような横方向の成長により、ＳｉＯ2 膜６上にｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａが形成される。このようにして、第３のＧａＮ系半導体層４１０が形成される。なお、第２のＧａＮ系半導体層３００の各層８〜１１の横方向の成長においては格子欠陥１５が伝播しないため、第３のＧａＮ系半導体層４１０には格子欠陥１５が少ない。
【００８１】
最後に、図５（ｄ）に示すように、第２のＧａＮ系半導体層３００のｐ−コンタクト層１１上にＳｉＯ2 膜１２を形成した後、このＳｉＯ2 膜１２上および第３のＧａＮ系半導体層４１０のｐ−コンタクト層１１上にｐ電極２６を形成する。また、ＳｉＯ2 膜６の所定領域を除去し、露出したｎ−ＧａＮ層４上にｎ電極２５を形成する。
【００８２】
以上のような半導体レーザ素子の製造方法によれば、格子欠陥１５が少なく高品質な発光部３０を形成することが可能となる。また、この半導体レーザ素子を製造する際に必要となる結晶成長は、第１のＧａＮ系半導体層２１０の結晶成長と、第２のＧａＮ系半導体層の結晶成長の計２回である。したがって、半導体レーザ素子の製造効率が向上する。
【００８３】
さらに、この半導体レーザ素子においては、従来のラテラル成長法による半導体レーザ素子の製造方法のように再成長層（本実施例では第３のＧａＮ系半導体層４００）を厚くする必要がないため、結晶成長にかかる時間の短縮が図られるとともに、サファイア基板とＧａＮ系半導体層との熱膨張係数の違いによるサファイア基板の反りを防止することができる。
【００８４】
なお、上記２つの実施例においては、本発明に係る半導体発光素子およびその製造方法を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、発光ダイオード等の他の窒化物系半導体発光素子においても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【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】図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図５】図４の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図６】従来のラテラル成長法を用いたＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的断面図である。
【図７】リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図８】セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１ サファイア基板
２，１２ ＡｌＧａＮバッファ層
３，１３ ＧａＮ層
４，１６ ｎ−ＧａＮ層
５ 電流ブロック層
６，１２，１４ ＳｉＯ2 膜
７，７ａ，７ｂ ｎ−ＧａＮ再成長バッファ層
８，８ａ，８ｂ ｎ−第１クラッド層
９ ＭＱＷ発光層
１０ ｐ−第２クラッド層
１１ ｐ−コンタクト層
１５ 格子欠陥
３０ 発光部
【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）からなる半導体発光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発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、ＧａＮ系半導体発光素子の実用化が進んできている。ＧａＮ系半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の絶縁性基板上に各層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＮ系半導体発光素子では、格子不整合の生じる基板上に結晶成長を行うため、格子欠陥が生じる。例えば、ＧａＮとサファイア基板とでは格子定数が違うことから、サファイア基板上に成長したＧａＮ系半導体結晶に、通常、１０9 〜１０10個／ｃｍ2 程度の格子欠陥が存在する。このような格子欠陥は、サファイア基板の表面からＧａＮ系半導体層へ伝播する。この格子欠陥により、サファイア基板上のＧａＮ系半導体層からなる半導体発光素子では、素子特性および信頼性の劣化が生じるとともに、素子の寿命を短くしている。
【０００４】
格子欠陥による素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法として、半導体層を横方向に成長させるラテラル成長法が提案されている。図６（ａ）〜（ｄ）は従来のラテラル成長法を説明するための模式的工程断面図である。
【０００５】
図６（ａ）に示すように、サファイア基板１１上にアンドープのＡｌＧａＮバッファ層１２およびアンドープのＧａＮ層１３を順に連続的に成長させる。ＧａＮ層１３には上下方向に延びる格子欠陥１５が存在する。このＧａＮ層１３上に、ストライプ状のＳｉＯ2 膜１４を形成する。
【０００６】
次に、図６（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＯ2 膜１４間に露出したＧａＮ層１３上にアンドープのＧａＮ層１６を再成長させる。この場合、ＧａＮ層１６は図中の矢印Ｙの方向へ再成長し、これに伴い、格子欠陥１５もＹ方向へ延びる。
【０００７】
ＧａＮ層１６をさらに再成長させると、ＧａＮ層１６が図中の矢印Ｘの方向にも成長し、ＳｉＯ2 膜１４上にもＧａＮ層１６が形成される。このようにして、図６（ｃ）に示すように、ＳｉＯ2 膜１４上およびＳｉＯ2 膜１４間のＧａＮ１３上に、ＧａＮ層１６が形成される。
【０００８】
このようなラテラル成長法を用いると、ＳｉＯ2 膜１４上に、格子欠陥の少ない高品質なＧａＮ結晶を形成することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＮ層１６の再成長において、矢印Ｙの方向へは成長しやすいが、矢印Ｘの方向へは成長しにくい。したがって、矢印Ｘの方向と矢印Ｙの方向とではＧａＮ層１６の成長速度に差が生じる。このため、ＧａＮ層１６の表面を図６（ｄ）に示すように平坦にするには、基板温度を調節することにより、所定の方向における成長速度を調整するとともに、ＧａＮ層１６の厚みｄ4 を１５μｍ以上と厚くする必要があった。それゆえ、ＧａＮ層１６の形成には時間が長くかかっていた。
【００１０】
また、サファイア基板１１とＧａＮ層１６とでは熱膨張係数が異なるため、サファイアのウエハを成長時の基板温度から常温に戻した場合、ウエハに反りが生じる。特に、厚みの大きなＧａＮ層１６が形成されたウエハにおいては、大きな反りが生じる。このため、ウエハに結晶成長後のプロセスを行いにくい。
【００１１】
一方、ＧａＮ系半導体発光素子においては、図６（ｄ）に示すＧａＮ層１６をダブルヘテロ構造の下地として用い、ＧａＮ層１６上に、さらに発光部を含むＧａＮ系半導体層を形成する。例えば、図７および図８は、図６（ｄ）に示すＧａＮ層１６上に構成される半導体レーザ素子の断面図である。なお、図７は、リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子であり、図８は、セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子である。このような構造により、図７および図８に示す半導体レーザ素子では、横モード制御が行われる。
【００１２】
図７に示す半導体レーザ素子の製造の際は、サファイア基板１１上にバッファ層１２およびアンドープのＧａＮ層１３を含む半導体層１００を成長させ、ＧａＮ層１３上の所定領域にＳｉＯ2 膜１４を形成する。次に、アンドープの再成長ＧａＮ層１６から、ｎ−ＧａＮ層１７、ｎ−クラッド層１８、発光層１９およびｐ−クラッド層２０を含む半導体層１１０を成長させる。続いて、エッチングにより、ｐ−クラッド層２０にリッジ部を形成した後、リッジ部の両側の平坦部上に電流ブロック層１２０を成長させる。さらに、リッジ部上および電流ブロック層１２０上にｐ−ＧａＮコンタクト層１３０を成長させる。その後、ｐ−コンタクト層１３０からｎ−ＧａＮ層１７までの一部領域をエッチングにより除去し、露出したｎ−ＧａＮ層１７上にｎ電極２５を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層コンタクト層１３０上にｐ電極を形成する。
【００１３】
このように、リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子の製造の際には、半導体層１００，１１０，電流ブロック層１２０およびｐ−ＧａＮコンタクト層１３０を形成するために４回の結晶成長が必要である。
【００１４】
図８に示す半導体レーザ素子の製造の際は、サファイア基板１１上にバッファ層１２およびアンドープのＧａＮ層１３を含む半導体層１００を成長させ、ＧａＮ層１３上の所定領域にＳｉＯ2 膜１４を形成する。次に、アンドープの再成長ＧａＮ層１６、ｎ−ＧａＮ層１７、ｎ−クラッド層１８、発光層１９、ｐ−クラッド層２０および電流ブロック層２１を含む半導体層１１１を成長させる。続いて、エッチングにより、電流ブロック層２１の所定領域を除去した後、ｐ−第３クラッド層２２およびｐ−コンタクト層２３を含む半導体層１２１をさらに成長させる。その後、ｐ−コンタクト層１３０からｎ−ＧａＮ層１７までの一部領域をエッチングにより除去し、露出したｎ−ＧａＮ層１７上にｎ電極２５を形成する。また、ｐ−ＧａＮ層コンタクト層２３上にｐ電極２６を形成する。
【００１５】
このように、セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の製造の際には、半導体層１００，１１１，１２１を形成するために３回の結晶成長が必要である。
【００１６】
以上のように、図７および図８に示す半導体レーザ素子の製造の際には、４回および３回の結晶成長が必要となる。したがって、製造工程が多くなり、製造効率を低下させる。
【００１７】
本発明の目的は、製造効率が高くかつ格子欠陥の少ない高品質な半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【００１８】
【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発光素子は、基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも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上の所定領域に絶縁膜が形成され、第１の窒化物系半導体層上の前記絶縁膜を除く領域にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層が形成され、絶縁膜上に第２の窒化物系半導体層から横方向に延びかつ発光層を含むガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第３の窒化物系半導体層が形成されており、発光層は横方向の成長により絶縁膜上に延びた領域に発光部を有しているものである。
【００１９】
本発明に係る半導体発光素子において、発光層を含む第３の窒化物系半導体層は、第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により絶縁膜上に形成される。このような半導体層の横方向の成長においては、基板から上下方向の格子欠陥が伝播しないため、格子欠陥の少ない高品質な発光層を有する半導体発光素子が実現される。
【００２０】
第３の窒化物系半導体層は第２の窒化物系半導体層の成長に伴って形成されることから、上記の半導体発光素子は、第１および第２の窒化物系半導体層を形成するための２回の結晶成長により作製される。また、第３の窒化物系半導体層は、発光に必要な厚さを有していればよく、厚さを薄くすることが可能となる。したがって、製造効率が高くなる。
【００２１】
第１の窒化物系半導体層に上面、底面および側面を有する段差部が形成され、段差部の上面に第１の電流阻止層が形成されるとともに、第１の電流阻止層上に第２の窒化物系半導体層が形成され、段差部の底面上に絶縁膜が形成されてもよい。
【００２２】
これにより、第１の電流阻止層と絶縁膜とにより十分な電流狭窄が行われる。したがって、半導体発光素子として、しきい値電流が低く、高性能かつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００２３】
第３の窒化物系半導体層上に第１の電極が形成され、第１の窒化物系半導体層に接触する第２の電極が形成されてもよい。
【００２４】
この場合、発光層を含む第３の窒化物系半導体層に電流経路が形成され、第３の窒化物系半導体層の発光層に発光部が形成される。第３の窒化物系半導体層は格子欠陥が少ないため、半導体発光素子の発光部が高品質となる。したがって、高性能かつ信頼性の高い半導体発光素子が実現される。
【００２５】
第２の窒化物系半導体層上に第２の電流阻止層が形成され、第３の窒化物系半導体層上および第２の電流阻止層上に第１の電極が形成されてもよい。
【００２６】
この場合、第２の窒化物系半導体層上の第２の電流阻止層および第１の窒化物系半導体層上の絶縁膜により電流狭窄が行われる。これにより、電流は発光層を含みかつ格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層内を選択的に流れる。
【００２７】
第２の発明に係る半導体発光素子の製造方法は、基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層を形成する工程と、第１の窒化物系半導体層上の所定領域に絶縁膜を形成する工程と、第１の窒化物系半導体層上の絶縁膜を除く領域にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層を形成するとともに、第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により第２の窒化物系半導体層から絶縁膜上に延びかつ発光層を含む第３の窒化物系半導体層を形成する工程とを備え、発光層は横方向の成長により絶縁膜上に延びた領域に発光部を有しているものである。
【００２８】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法においては、基板上に第１の窒化物系半導体層を形成し、この第１の窒化物系半導体層への所定領域に絶縁膜を形成するとともに、露出した第１の窒化物系半導体層の領域に第２の窒化物系半導体層を形成する。同時に、この第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により、発光層を含む第３の窒化物系半導体層を絶縁膜上に形成する。
【００２９】
上記の半導体発光素子の製造方法によれば、格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層を形成することが可能となる。したがって、格子欠陥の少ない高品質な発光層を有する半導体発光素子を製造することが可能となる。
【００３０】
また、第３の窒化物系半導体層を第２の窒化物系半導体層の横方向により形成するため、半導体発光素子は第１および第２の窒化物系半導体層を形成する２回の結晶成長で作製することが可能となる。さらに、第３の窒化物系半導体層は、発光に必要な厚さまで成長させればよく、厚く成長させる必要がない。したがって、製造に係る時間の短縮化が図られるとともに、製造効率が向上する。
【００３１】
第１の窒化物系半導体層に上面、底面および側面を有する段差部を形成する工程と、段差部の上面に第１の電流阻止層を形成する工程とをさらに備え、第１の電流阻止層上に第２の窒化物系半導体層を形成し、段差部の底面上に絶縁膜を形成してもよい。
【００３２】
これにより、第１の電流阻止層と絶縁膜により十分な電流狭窄を行うことが可能となる。したがって、半導体発光素子として、しきい値電流が低く、高性能かつ高信頼性の半導体レーザ素子が得られる。
【００３３】
第３の窒化物系半導体層上に第１の電極を形成するとともに第１の窒化物系半導体層に接触する第２の電極を形成する工程をさらに備えてもよい。
【００３４】
この場合、第３の窒化物系半導体層内に電流経路が形成される。これにより、格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層の発光層内に発光部を形成することが可能となるため、高品質で信頼性の高い半導体発光素子を作製することが可能となる。
【００３５】
また、第２の窒化物系半導体層上に第２の電流阻止層を形成する工程をさらに備え、第３の窒化物系半導体層上および第２の電流阻止層上に第１の電極を形成してもよい。
【００３６】
これにより、第２の窒化物系半導体層上の第２の電流阻止層と第１の窒化物系半導体層上の絶縁膜とにより電流狭窄を行うことが可能となる。これにより、発光層を含みかつ格子欠陥の少ない第３の窒化物系半導体層に選択的に電流を流すことができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の断面図である。
【００３８】
図１に示すように、サファイア基板１上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００〜３００Åのバッファ層２、厚さ３μｍのアンドープのＧａＮ層３および厚さ５μｍのｎ−ＧａＮ層４が順に形成されている。ｎ−ＧａＮ層４には、上面、底面および側面からなる段差部４０が形成されている。
【００３９】
段差部４０の上面にはＺｎドープのＧａＮからなる厚さ１〜２μｍの電流ブロック層５が形成されている。また、段差部４０の底面上の一部領域には厚さ数１００ÅのＳｉＯ2 膜６が形成されている。
【００４０】
以下、バッファ層２、ＧａＮ層３およびｎ−ＧａＮ層４を第１のＧａＮ系半導体層２００と呼ぶ。この第１のＧａＮ系半導体層２００には、サファイア基板１の表面から上下方向に格子欠陥１５が延びている。
【００４１】
電流ブロック層５上には、厚さ数１００Åのｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７、ｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ−第１クラッド層８、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸発光層（以下、ＭＱＷ発光層と呼ぶ）９、ｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ−第２クラッド層１０および厚さ０．０５〜０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１１が順に形成されている。ｐ−コンタクト層１１の上には厚さ約５０００ÅのＳｉＯ2 膜１２が形成されている。
【００４２】
以下、ｎ−再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１を第２のＧａＮ系半導体層３００と呼ぶ。この第２のＧａＮ系半導体層３００には、第１のＧａＮ系半導体層２００から上下方向に格子欠陥１５が延びている。
【００４３】
ＭＱＷ発光層９は、図２のエネルギーバンド図に示すように、厚さ６０Åの６つのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ量子障壁層９１と厚さ３０Åの５つのＩｎ0.18Ｇａ0.82Ｎ量子井戸層９２とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。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９３で挟まれている。
【００４４】
第２のＧａＮ系半導体層３００のｎ−再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１からＳｉＯ2 膜６上に、横方向に成長したｎ−再成長バッファ層７ａ、ｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａが順に延びている。
【００４５】
以下、ｎ−再成長バッファ層７ａ、ｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａを第３のＧａＮ系半導体層４００と呼ぶ。この第３のＧａＮ系半導体層４００は、第２のＧａＮ系半導体層３００の横方向の結晶成長により形成されるため、第３のＧａＮ系半導体層４００には上下方向の格子欠陥１５が存在しない。この第３のＧａＮ系半導体層４００のＭＱＷ発光層９ａに、発光部３０が形成される。
【００４６】
第１のＧａＮ系半導体層２００のｎ−ＧａＮ層４上の所定領域に厚さ５００ÅのＴｉおよび厚さ５０００ÅのＡｌからなるｎ電極２５が形成されている。また、第２のＧａＮ系半導体層３００のＳｉＯ2 膜１２上および第３のＧａＮ系半導体層４００のｐ−コンタクト層１１ａ上に、厚さ５０００ÅのＮｉからなるｐ電極２６が形成されている。
【００４７】
なお、ｎ型ドーパントとしてはＳｉが用いられており、ｐ型ドーパントとしてはＭｇが用いられている。また、電流ブロック層５のドーパントとしてはＺｎが用いられており、これにより電流ブロック層５が高抵抗となる。
【００４８】
この半導体レーザ素子においては、ＳｉＯ2 膜６とＳｉＯ2 膜１２とにより電流狭窄が行われるとともに、ＳｉＯ2 膜６と電流ブロック層５とにより電流狭窄が行われる。したがって、電流はｐ電極２６から第３の半導体層４００および段差部４０の側面を順に経て、第１の半導体層２００内をｎ電極２５に向かって流れる。このようにして十分な電流狭窄が行われるため、しきい値電流が低くなる。
【００４９】
なお、段差部４０の高さｄ3 により、電流の狭窄幅を制御し、発光部３０の幅を制御することができる。このような段差部４０の高さｄ3 は１μｍ程度であることが好ましい。
【００５０】
また、発光部３０を含む第３のＧａＮ系半導体層４００が、格子欠陥１５の少ない高品質な層であるため、高性能で信頼性が高くかつ寿命が長くなるとともに、しきい値電流がさらに低くなる。
【００５１】
第３のＧａＮ系半導体層４００におけるＭＱＷ発光層９ａは、横方向（層界面に平行なる方向）においてＳｉＯ2 膜６とｐ−第２クラッド層１０とに挟まれた構造となる。この場合、ＳｉＯ2 膜６の屈折率およびｐ−第２クラッド層１０の屈折率はＭＱＷ発光層９ａの屈折率よりも低い。これにより、ＭＱＷ発光層９ａの横方向において屈折率に差が生じ、横方向の光の閉じ込めが行われる。したがって、半導体レーザ素子の横モード制御が行われる。
【００５２】
第３のＧａＮ系半導体層４００におけるｎ−第１クラッド層８ａの厚みｄ1 およびｐ−第２クラッド層１０ａの厚みｄ2 は、発光に必要な厚みがあればよく、結晶成長における時間を短縮する点から０．７〜１μｍであることが好ましい。
【００５３】
第２のＧａＮ系半導体層３００におけるｎ−第１クラッド層８およびｐ−第２クラッド層１０を構成するＡｌ0.07Ｇａ0.93ＮのＡｌ組成０．０７は、通常のクラッド層を構成するＡｌ0.15Ｇａ0.85ＮのＡｌ組成０．１５よりも低い。このようにＡｌ組成が低くなるように、ｎ−第１クラッド層８およびｐ−第２クラッド層１０を減圧下で形成することが好ましい。
【００５４】
次に、図１に示す半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
図３は、図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００５５】
図３（ａ）に示すように、常圧下でＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により、サファイア基板１のｃ面上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎバッファ層２を基板温度５５０〜６５０℃で成長させる。さらに、基板温度１０００〜１１００℃で、アンドープのＧａＮ層３、ｎ−ＧａＮ層４およびＺｎドープのＧａＮ電流ブロック層５を順に成長させる。
【００５６】
次に、電流ブロック層５およびｎ−ＧａＮ層４の所定領域をエッチングにより除去し、ｎ−ＧａＮ層４を露出させる。このようにして、図３（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４に、上面、底面および側面からなる段差部４０を形成する。さらに、段差部４０の底面部に、ＣＶＤ法（化学的気相成長法）またはＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）等により、ＳｉＯ2 膜６を形成する。
【００５７】
以上のようにして、第１のＧａＮ系半導体層２００を形成する。なお、エッチングに際しては、電流ブロック層５からＳｉＯ2 膜６の表面までの段差部４０の高さｄ3 が１μｍ程度となるようにエッチングの深さを設定することが好ましい。
【００５８】
続いて、減圧下（数１０Ｔｏｒｒ）でＭＯＣＶＤ法により、図３（ｃ）に示すように、電流ブロック層５上にｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１を成長させる。この場合、成長時の基板温度を９５０〜１０５０℃とする。このようにして、第２のＧａＮ系半導体層３００を形成する。
【００５９】
第２のＧａＮ系半導体層３００の、各層７〜１１が図中の矢印Ｙの方向に成長するに伴い、格子欠陥１５も矢印Ｙの方向に延びる。したがって、第２のＧａＮ系半導体層３００には格子欠陥１５が存在する。
【００６０】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層７〜１１は矢印Ｙの方向へ成長するとともに、図中の矢印Ｘの方向、すなわち横方向へも成長する。なお、本実施例においては基板温度９５０〜１０５０℃で各層７〜１１を成長させるため、横方向の成長が速い。このような横方向の成長により、ｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７ａ、ｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａをＳｉＯ2 膜６上に順に成長させる。このようにして、第３のＧａＮ系半導体層４００を形成する。なお、第２のＧａＮ系半導体層３００の各層７〜１１の横方向の成長においては格子欠陥１５が伝播しないため、横方向の成長により形成された第３のＧａＮ系半導体層４００には格子欠陥１５が少ない。
【００６１】
なお、通常、ＳｉＯ2 膜上には半導体はエピタキシャル成長しないが、Ａｌを多く含む半導体は、Ａｌ組成の低い半導体に比べると常圧でＳｉＯ2 膜上に僅かながら成長しやすい。本実施例では、第２および第３の半導体層３００，４００において、Ａｌ組成を低くしたｎ−第１クラッド層８，８ａおよびｐ−第２クラッド層１０，１０ａを減圧下で成長させることにより、ＳｉＯ2 膜６上において、横方向の成長による第３のＧａＮ系半導体層４００以外の半導体層が成長するのを防ぐことができる。
【００６２】
最後に、図３（ｄ）に示すように、第２のＧａＮ系半導体層３００のｐ−コンタクト層１１上にＳｉＯ2 膜１２を形成し、このＳｉＯ2 膜１２上および第３のＧａＮ系半導体層４００のｐ−コンタクト層１１ａ上にｐ電極２６を形成する。また、ＳｉＯ2 膜６の所定領域を除去し、露出したｎ−ＧａＮ層４上にｎ電極２５を形成する。
【００６３】
以上のような半導体レーザ素子の製造方法によれば、格子欠陥１５が少なく高品質な発光部３０を形成することが可能となる。また、この半導体レーザ素子を製造する際に必要となる結晶成長は、第１のＧａＮ系半導体層２００の結晶成長と、第２のＧａＮ系半導体層３００のの結晶成長の計２回である。したがって、半導体レーザ素子の製造効率が向上する。
【００６４】
さらに、この半導体レーザ素子においては、従来のラテラル成長法による半導体レーザ素子の製造方法のように再成長層（本実施例では第３のＧａＮ系半導体層４００）の厚さを厚くする必要がない。したがって、結晶成長にかかる時間の短縮が図られるとともに、サファイア基板とＧａＮ系半導体層との熱膨張係数の違いによるサファイア基板の反りを防止することができる。
【００６５】
なお、本実施例においては、絶縁膜としてＳｉＯ2 膜６，１２を用いたが、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＮ等の他の絶縁膜を用いてもよい。また、サファイア基板以外に、ＳｉＣ基板、スピネル基板等を用いてもよい。また、ＳｉＯ2 膜６，１２の代わりに高抵抗の半導体層を用いてもよい。
【００６６】
さらに、上記実施例の半導体レーザ素子は、Ｉｎ、ＡｌまたはＧａを含む窒化物系半導体層により構成されるが、これ以外に、さらにＢを含む窒化物系半導体層を含んでもよい。
【００６７】
図４は本発明の他の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の断面図である。
【００６８】
図４に示す半導体レーザ素子は、以下の点を除いて、図１に示す半導体レーザ素子と同様の構造を有する。
【００６９】
図４の半導体レーザ素子は、サファイア基板１上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなるバッファ層２、アンドープのＧａＮ層３およびｎ−ＧａＮ層４が順に形成されてなる第１のＧａＮ系半導体層２１０を有する。
【００７０】
第１のＧａＮ系半導体層２１０のｎ−ＧａＮ層４の所定領域上に、図１の半導体レーザ素子１００と同様の構成を有する第２のＧａＮ系半導体層３００が形成されている。ｎ−ＧａＮ層４上の第２のＧａＮ系半導体層３００のｎ−再成長バッファ層７に隣接する領域に、ＳｉＯ2 膜６が形成されている。
【００７１】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層８〜１１の横方向の成長により、ＳｉＯ2 膜６上にｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａから構成される第３のＧａＮ系半導体層４１０が形成されている。
【００７２】
また、ｎ−ＧａＮ層４の厚みは均一であり、４〜５μｍである。したがって図４の半導体レーザ素子には、図１の半導体レーザ素子のような段差部４０が存在しない。図４の半導体レーザ素子においては、第１のＧａＮ系半導体層２１０のｎ−ＧａＮ層４上に形成されたＳｉＯ2 膜６および第２のＧａＮ系半導体層３００のｐ−コンタクト層１１上に形成されたＳｉＯ2 膜１２により電流狭窄が行われる。
【００７３】
上記のような半導体レーザ素子において、発光部３０を含む第３のＧａＮ系半導体層４００の各層８ａ〜１１ａは格子欠陥１５が少なく高品質であるため、しきい値電流が低くなるとともに、高性能で信頼性が高くかつ寿命が長くなる。
【００７４】
さらに、図４の半導体レーザ素子では、図１の半導体レーザ素子と同様、横方向における屈折率の違いにより光の閉じ込めが行われるため、横モード制御を行うことが可能となる。
【００７５】
次に、図４の半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
図５は、図４の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【００７６】
図５（ａ）に示すように、常圧下でＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板１のｃ面上にアンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎバッファ層２を基板温度５５０〜６５０℃で成長させる。さらに、基板温度１０００〜１１００℃で、アンドープのＧａＮ層３およびｎ−ＧａＮ層４を順に成長させる。
【００７７】
次に、図５（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４上の所定領域にＳｉＯ2 膜６を形成する。なお、ＳｉＯ2 膜６の形成方法については、図３において前述したとおりである。
【００７８】
以上のようにして、第１のＧａＮ系半導体層２１０を形成する。
続いて、図５（ｃ）に示すように、露出したｎ−ＧａＮ層４上に、減圧下、基板温度９５０〜１０５０℃で、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＮ再成長バッファ層７、ｎ−第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ−第２クラッド層１０およびｐ−コンタクト層１１を成長させる。このようにして第２のＧａＮ系半導体層３００を形成する。
【００７９】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層７〜１１が図中の矢印Ｙの方向に成長するに伴い、格子欠陥１５も矢印Ｙの方向に延びる。したがって、第２のＧａＮ系半導体層３００には格子欠陥１５が存在する。
【００８０】
第２のＧａＮ系半導体層３００の各層８〜１１は矢印Ｙの方向に成長するとともに、図中の矢印Ｘの方向、すなわち横方向へも成長する。このような横方向の成長により、ＳｉＯ2 膜６上にｎ−第１クラッド層８ａ、ＭＱＷ発光層９ａ、ｐ−第２クラッド層１０ａおよびｐ−コンタクト層１１ａが形成される。このようにして、第３のＧａＮ系半導体層４１０が形成される。なお、第２のＧａＮ系半導体層３００の各層８〜１１の横方向の成長においては格子欠陥１５が伝播しないため、第３のＧａＮ系半導体層４１０には格子欠陥１５が少ない。
【００８１】
最後に、図５（ｄ）に示すように、第２のＧａＮ系半導体層３００のｐ−コンタクト層１１上にＳｉＯ2 膜１２を形成した後、このＳｉＯ2 膜１２上および第３のＧａＮ系半導体層４１０のｐ−コンタクト層１１上にｐ電極２６を形成する。また、ＳｉＯ2 膜６の所定領域を除去し、露出したｎ−ＧａＮ層４上にｎ電極２５を形成する。
【００８２】
以上のような半導体レーザ素子の製造方法によれば、格子欠陥１５が少なく高品質な発光部３０を形成することが可能となる。また、この半導体レーザ素子を製造する際に必要となる結晶成長は、第１のＧａＮ系半導体層２１０の結晶成長と、第２のＧａＮ系半導体層の結晶成長の計２回である。したがって、半導体レーザ素子の製造効率が向上する。
【００８３】
さらに、この半導体レーザ素子においては、従来のラテラル成長法による半導体レーザ素子の製造方法のように再成長層（本実施例では第３のＧａＮ系半導体層４００）を厚くする必要がないため、結晶成長にかかる時間の短縮が図られるとともに、サファイア基板とＧａＮ系半導体層との熱膨張係数の違いによるサファイア基板の反りを防止することができる。
【００８４】
なお、上記２つの実施例においては、本発明に係る半導体発光素子およびその製造方法を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、発光ダイオード等の他の窒化物系半導体発光素子においても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【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】図１の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の他の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図５】図４の半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図である。
【図６】従来のラテラル成長法を用いたＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的断面図である。
【図７】リッジ導波型構造を有する半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図８】セルフアライン構造を有する半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１１ サファイア基板
２，１２ ＡｌＧａＮバッファ層
３，１３ ＧａＮ層
４，１６ ｎ−ＧａＮ層
５ 電流ブロック層
６，１２，１４ ＳｉＯ2 膜
７，７ａ，７ｂ ｎ−ＧａＮ再成長バッファ層
８，８ａ，８ｂ ｎ−第１クラッド層
９ ＭＱＷ発光層
１０ ｐ−第２クラッド層
１１ ｐ−コンタクト層
１５ 格子欠陥
３０ 発光部
Claims (8)
- 基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも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上の所定領域に絶縁膜が形成され、前記第１の窒化物系半導体層上の前記絶縁膜を除く領域にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層が形成され、前記絶縁膜上に前記第２の窒化物系半導体層から横方向に延びかつ発光層を含むガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第３の窒化物系半導体層が形成されており、前記発光層は前記横方向の成長により前記絶縁膜上に延びた領域に発光部を有していることを特徴とする半導体発光素子。
- 前記第１の窒化物系半導体層に上面、底面および側面を有する段差部が形成され、前記段差部の前記上面に第１の電流阻止層が形成されるとともに、前記第１の電流阻止層上に前記第２の窒化物系半導体層が形成され、前記段差部の底面上に前記絶縁膜が形成されたことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
- 前記第３の窒化物系半導体層上に第１の電極が形成され、前記第１の窒化物系半導体層に接触する第２の電極が形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
- 前記第２の窒化物系半導体層上に第２の電流阻止層が形成され、前記第３の窒化物系半導体層上および前記第１の電流阻止層上に前記第１の電極が形成されたことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
- 基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物系半導体層上の所定領域に絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の窒化物系半導体層上の前記絶縁膜を除く領域にガリウム、アルミニウム、インジウムおよびホウ素の少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層を形成するとともに、前記第２の窒化物系半導体層の横方向の成長により前記第２の窒化物系半導体層から前記絶縁膜上に延びかつ発光層を含む第３の窒化物系半導体層を形成する工程とを備え、
前記発光層は前記横方向の成長により前記絶縁膜上に延びた領域に発光部を有していることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第１の窒化物系半導体層に上面、底面および側面を有する段差部を形成する工程と、
前記段差部の前記上面に第１の電流阻止層を形成する工程とをさらに備え、
前記第１の電流阻止層上に前記第２の窒化物系半導体層を形成し、前記段差部の前記底面上に前記絶縁膜を形成することを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第３の窒化物系半導体層上に第１の電極を形成するとともに、前記第１の窒化物系半導体層に接触する第２の電極を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項５または６記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第２の窒化物系半導体層上に第２の電流阻止層を形成する工程をさらに備え、
前記第３の窒化物系半導体層上および前記第２の電流阻止層上に前記第１の電極を形成することを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
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