光半導体素子
【課題】小型化が可能であり容易に作製できる多波長の光半導体素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、主面１０ａが第１の面方位を有するＧａＮ基板１０と、主面１０ａの第１の領域上に成長しており、活性層２４を含むレーザ構造部２０と、主面１０ａの第１の領域とは異なる第２の領域に対し接合層４１を介して接合されており、表面４０ａが第１の面方位とは異なる第２の面方位を有するＧａＮ薄膜４０と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に成長しており、活性層３４を含むレーザ構造部３０とを備える。活性層２４，３４は、Ｉｎを含む井戸層をそれぞれ有し、これらの井戸層の発光波長は互いに異なる。
【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、主面１０ａが第１の面方位を有するＧａＮ基板１０と、主面１０ａの第１の領域上に成長しており、活性層２４を含むレーザ構造部２０と、主面１０ａの第１の領域とは異なる第２の領域に対し接合層４１を介して接合されており、表面４０ａが第１の面方位とは異なる第２の面方位を有するＧａＮ薄膜４０と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に成長しており、活性層３４を含むレーザ構造部３０とを備える。活性層２４，３４は、Ｉｎを含む井戸層をそれぞれ有し、これらの井戸層の発光波長は互いに異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の波長の光を出射する発光素子の開発が行われている。例えば、特許文献１には、６５０ｎｍ及び７８０ｎｍの二波長のレーザ光を出射する半導体レーザアレイが開示されている。この半導体レーザアレイは、ＧａＡｓ基板と、６５０ｎｍのレーザ光を出射するレーザ素子部と、７８０ｎｍの波長のレーザ光を出射するレーザ素子部とを備え、この二個のレーザ素子部は、ＧａＡｓ基板上に設けられている。
【０００３】
特許文献２には、発振波長が互いに異なる少なくとも三個のレーザダイオードが一枚のプレート上に設けられた構成を備える多波長レーザダイオードが開示されている。三個のレーザダイオードは、一枚のプレート上において、プレート表面に沿って並列に設けられている。そして、三個のレーザダイオードのうち一部はＧａＮ基板上において結晶成長されたものであり、残りはＧａＡｓ基板上において結晶成長されたものである。
【０００４】
特許文献３には、発振波長が互いに異なる少なくとも三個のレーザダイオードが一枚のプレート上に接合された構成を備える多波長レーザダイオードが開示されている。三個のレーザダイオードは、一枚のプレート上に積層されて設けられている。そして、三個のレーザダイオードのうち、一部はＧａＮ基板上において結晶成長されたものであり、残りはＧａＡｓ基板上において結晶成長されたものである。
【０００５】
特許文献４には、発振波長が互いに異なる三個のレーザダイオードが一枚のプレート上に接合された構成を備える多波長レーザが開示されている。三個のレーザダイオードは、ＧａＮ基板上において、ＧａＮ基板表面に沿って並列に設けられている。三個のレーザダイオードのうち、一部はＧａＮ基板上において結晶成長されたものであり、残りはＧａＡｓ基板上において結晶成長されたものである。
【０００６】
非特許文献１には、ＧａＮ基体に設けられた三つの異なるファセットと、それぞれのファセット上に結晶成長されたＬＥＤとを有する発光素子が開示されている。それぞれのＬＥＤは、ファセットが異なることによってＩｎの含有率も異なっており、このため、発光波長も異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−０１１４１７号公報
【特許文献２】特開２００６−１３５３０６号公報
【特許文献３】特開２００６−１３５３２３号公報
【特許文献４】特開２００８−２９４３２２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M.Funato et al., ‘Tailored emission color synthesis using microfacet quantum wellsconsisting of nitride semiconductors without phosphors’ Applied Physics Letters 88, 261920 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えばＧａＮなどのIII族窒化物は、広範囲の発光波長を実現できる材料である。一枚のIII族窒化物半導体基板上に、波長が互いに大きく異なる複数の発光部を作製することも可能である。しかしながら、特許文献２〜４に記載されているように一枚のプレート上に発光素子を接合するような構成では、デバイスの小型化が困難である。また、複数のレーザダイオード同士で一定のアライメント精度を得るためには、組み立てのコストが大きくなってしまう。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、小型化が可能であり容易に作製できる多波長の光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明による光半導体素子は、主面が第１の面方位を有するIII族窒化物半導体基板と、主面の第１の領域上に成長しており、第１の活性層を含む第１のIII族窒化物半導体積層部と、主面の第１の領域とは異なる第２の領域に対し接合層を介して接合されており、表面が第１の面方位とは異なる第２の面方位を有するIII族窒化物半導体薄膜と、III族窒化物半導体薄膜の表面上に成長しており、第２の活性層を含む第２のIII族窒化物半導体積層部とを備え、第１及び第２の活性層は、Ｉｎを含む第１及び第２の井戸層をそれぞれ有し、第１及び第２の井戸層の発光波長が互いに異なることを特徴とする。
【００１２】
この光半導体素子においては、第１のIII族窒化物半導体基板の主面の面方位と、III族窒化物半導体薄膜の表面の面方位とが互いに異なっている。そして、第１のIII族窒化物半導体積層部はIII族窒化物半導体基板上に成長しており、第２のIII族窒化物半導体積層部はIII族窒化物半導体薄膜上に成長している。このような場合、例えば第１及び第２の井戸層の成長条件が同じであっても、Ｉｎの取り込み度合いの違いにより、第１及び第２の井戸層の発光波長を互いに異ならせることができる。従って、この光半導体素子によれば、波長が異なる複数の発光部（第１及び第２のIII族窒化物半導体積層部）を容易に作製できる。また、第１及び第２のIII族窒化物半導体積層部が共通の基板（III族窒化物半導体基板）上に成長しているので、プレート上に発光素子を接合するような構成と比較して、小型化を可能にできる。
【００１３】
また、光半導体素子は、第１の井戸層のＩｎ組成と、第２の井戸層のＩｎ組成とが互いに異なることを特徴としてもよい。上述した光半導体素子によれば、第１のIII族窒化物半導体基板の主面の面方位と、III族窒化物半導体薄膜の表面の面方位とが互いに異なっているので、このようにＩｎ組成が互いに異なる第１及び第２の井戸層を容易に実現できる。そして、例えばこのような構成によって、第１及び第２の井戸層の発光波長を互いに異ならせることができる。
【００１４】
また、光半導体素子は、第１のIII族窒化物半導体積層部が、第１の活性層に沿って設けられた第１の光ガイド層を更に含み、第２のIII族窒化物半導体積層部が、第２の活性層に沿って設けられた第２の光ガイド層を更に含み、第１及び第２の光ガイド層がＩｎを含み、第１及び第２の光ガイド層のＩｎ組成が互いに異なることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、光半導体素子は、第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴としてもよい。
【００１６】
また、光半導体素子は、第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴としてもよい。
【００１７】
また、光半導体素子は、第１の井戸層の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれ、第２の井戸層の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴としてもよい。
【００１８】
また、光半導体素子は、第１のIII族窒化物半導体積層部が、レーザ発振のための光導波路構造を有しており、III族窒化物半導体基板の主面における法線ベクトルが、当該III族窒化物半導体のｃ軸に対して傾斜しており、III族窒化物半導体基板のｃ軸の傾斜方向が、第１のIII族窒化物半導体積層部の光導波路構造の長手方向と垂直であることを特徴としてもよい。このように、第１のIII族窒化物半導体積層部がレーザ素子構造を有する場合、III族窒化物半導体基板のｃ軸に対する主面の傾斜方向が光導波路に垂直であることによって、レーザ素子構造の共振端面を劈開面とすることができるので、良好なレーザ発振特性を得ることができる。
【００１９】
また、光半導体素子は、III族窒化物半導体基板の主面が、当該III族窒化物半導体の半極性面または無極性面を含むことを特徴としてもよい。これにより、第１の井戸層におけるＩｎの組成比を高め、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下といった緑色領域の発光波長を実現することができる。
【００２０】
また、光半導体素子は、III族窒化物半導体基板の主面における法線ベクトルと、III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、１０度以上８０度以下、又は１００度以上１７０度以下の範囲に含まれることが好ましい。或いは、光半導体素子は、III族窒化物半導体基板の主面における法線ベクトルと、III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、６３度以上８０度以下、又は１００度以上１１７度以下の範囲に含まれることが尚好ましい。
【００２１】
また、光半導体素子は、接合層が導電性を有する材料からなることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、小型化が可能であり容易に作製できる多波長の光半導体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明による光半導体素子の第１実施形態として、半導体レーザ素子の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のII−II線に沿った半導体レーザ素子の側断面図である。
【図３】図３は、半導体レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図７】図７は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図８】図８は、単一の半導体発光素子が緑色光及び青色光を発光することの利点を説明するためのグラフである。
【図９】図９は、基板主面の傾斜方向に対して偏向方向が平行である光成分と、基板主面の傾斜方向に対して偏向方向が垂直である光成分とを示す図である。
【図１０】図１０は、一変形例に係る半導体レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、変形例に係る半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図１２】図１２は、変形例に係る半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図１３】図１３は、第２実施形態の光半導体素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）の平面図である。
【図１４】図１４は、図１３のXIV−XIV線に沿った発光ダイオードの側断面図である。
【図１５】図１５は、発光ダイオードの製造方法を示すフローチャートである。
【図１６】図１６（ａ），（ｂ）は、発光ダイオードの製造工程を示す側断面図である。
【図１７】図１７（ａ），（ｂ）は、発光ダイオードの製造工程を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による光半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による光半導体素子の第１実施形態として、半導体レーザ素子１Ａの外観を示す斜視図である。また、図２は、図１のII−II線に沿った半導体レーザ素子１Ａの側断面図である。図１及び図２に示されるように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａは、III族窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０と、第１のIII族窒化物半導体積層部としてのレーザ構造部２０と、第２のIII族窒化物半導体積層部としてのレーザ構造部３０と、III族窒化物半導体薄膜としてのＧａＮ薄膜４０とを備える。
【００２６】
ＧａＮ基板１０は、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＮ単結晶からなる基板であり、主面１０ａ及び裏面１０ｂを有する。主面１０ａは、第１の面方位を有する。ここで、第１の面方位とは、例えば当該ＧａＮ結晶のｃ軸から所定の方向に所定の角度だけ傾斜した面方位である。換言すれば、ＧａＮ基板１０を構成するＧａＮ結晶のｃ軸は、主面１０ａに対して傾斜している。すなわち、主面１０ａは、半極性面または無極性面を含む。
【００２７】
ＧａＮ基板１０の主面１０ａの傾斜角は、主面１０ａの法線ベクトルとｃ軸との成す角度によって規定される。この角度は、１０度以上８０度以下の範囲にあることができ、或いは１００度以上１７０度以下の範囲にあることができる。ＧａＮ基板１０において、この角度範囲によればＧａＮ結晶の半極性の性質を提供できる。さらに、傾斜角は６３度以上８０度以下の範囲にあることが好ましく、或いは１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲によれば、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の発光のための井戸層（後述）に好適なＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を提供できる。一実施例では、主面１０ａの傾斜角は７５度であり、その傾斜方向はｍ軸方向である。
【００２８】
ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上の全面には、カソード電極５２が設けられている。カソード電極５２は、例えばＴｉ／Ａｌ膜からなり、ＧａＮ基板１０とオーミック接触を成している。
【００２９】
レーザ構造部２０は、レーザダイオードとしての構造を有しており、主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に結晶成長されて成る。第１の領域１０ｃの横幅（レーザ光の導波方向に垂直な方向の幅）は、例えば１ｍｍである。本実施形態のレーザ構造部２０は、主面１０ａ上において順に成長した、バッファ層２１、下部クラッド層２２、下部光ガイド層２３、活性層２４、上部光ガイド層２５、電子ブロック層２６、上部クラッド層２７、及びコンタクト層２８を含む。
【００３０】
バッファ層２１は、主面１０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。バッファ層２１の厚さは、例えば５００ｎｍである。下部クラッド層２２は、バッファ層２１上に設けられており、例えばｎ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。下部クラッド層２２の厚さは、例えば１．５μｍである。下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５は、本実施形態における第１の光ガイド層である。下部光ガイド層２３は、下部クラッド層２２上において活性層２４に沿って設けられており、上部光ガイド層２５は、下部光ガイド層２３上において活性層２４に沿って設けられている。下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５は、例えばアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなり、これらの好適な厚さは例えば２００ｎｍである。電子ブロック層２６は、上部光ガイド層２５上に設けられており、例えばｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる。電子ブロック層２６の厚さは、例えば２０ｎｍである。上部クラッド層２７は、電子ブロック層２６上に設けられており、例えばｐ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。上部クラッド層２７の厚さは、例えば４００ｎｍである。コンタクト層２８は、上部クラッド層２７上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。コンタクト層２８の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００３１】
活性層２４は、本実施形態における第１の活性層である。活性層２４は、下部光ガイド層２３と上部光ガイド層２５との間に設けられている。活性層２４は、量子井戸構造を有することができ、この量子井戸構造は、交互に配列された井戸層（第１の井戸層）及び障壁層を必要に応じて含むことができる。井戸層はＩｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＩｎＧａＮ等からなることができ、障壁層は井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。一実施例では、井戸層（ＩｎＧａＮ）の厚さは例えば３ｎｍであり、障壁層（ＧａＮ）の厚さは例えば１５ｎｍである。活性層２４の発光波長は、井戸層のバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。活性層２４は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生するようなＩｎ組成とされることができ、この場合、井戸層の組成は例えばＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎである。
【００３２】
上部光ガイド層２５、電子ブロック層２６、上部クラッド層２７、及びコンタクト層２８は、光導波方向を長手方向とするリッジ状に成形されている。このリッジ形状の直下には、レーザ発振のための光導波路構造が形成される。この光導波路構造の長手方向は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの法線ベクトルに対するＧａＮ基板１０のｃ軸の傾斜方向と交差している（好ましくは、垂直である）ことが好ましい。これにより、光導波路の共振端面を、傾斜角度によらず劈開面とすることができるので、良好なレーザ発振特性が得られるからである。
【００３３】
リッジ状の各半導体層２５〜２８の側面は絶縁膜２９によって覆われており、コンタクト層２８上には、絶縁膜２９の開口を通じてアノード電極５１が設けられている。アノード電極５１は、光導波方向に沿ったストライプ状の平面形状を有している。アノード電極５１は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、コンタクト層２８とオーミック接触を成している。
【００３４】
ＧａＮ薄膜４０は、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＮ単結晶からなる薄膜である。ＧａＮ薄膜４０の厚さは、例えば０．５μｍである。ＧａＮ薄膜４０は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上において、第１の領域１０ｃとは異なる第２の領域１０ｄに対して接合層４１を介して接合されている。第２の領域１０ｄの横幅（レーザ光の導波方向に垂直な方向の幅）は、例えば１ｍｍである。なお、本実施形態では、第１の領域１０ｃ及び第２の領域１０ｄは、光導波方向と交差する方向に並んで設定されている。このようなＧａＮ薄膜４０は、例えば次のような方法によって作製される。すなわち、ＧａＮ基板１０の主面１０ａにおいて接合層４１を第２の領域１０ｄ上に選択的に配置し、イオン注入等によって表面が剥離し易くされたＧａＮ結晶の表面にこの接合層４１を介してＧａＮ基板１０の主面１０ａを接合し、その後、ＧａＮ結晶の表面を剥離させる。
【００３５】
また、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ（ここで、ＧａＮ薄膜４０の表面とは、接合層４１に接合している面とは反対側の面をいう）は、第２の面方位を有する。ここで、第２の面方位とは、ＧａＮ基板１０の第１の面方位とは異なる面方位であり、例えばＧａＮ薄膜４０のｃ軸から僅かに傾斜した面方位である。すなわち、表面４０ａは、実質的にＣ面、またはＣ面に対して僅かにオフ角（例えばａ軸方向に２度）を有する面を含む。
【００３６】
レーザ構造部３０は、レーザダイオードとしての構造を有しており、ＧａＮ薄膜４０上に結晶成長されて成る。本実施形態のレーザ構造部３０は、表面４０ａ上において順に成長した、バッファ層３１、下部クラッド層３２、下部光ガイド層３３、活性層３４、上部光ガイド層３５、電子ブロック層３６、上部クラッド層３７、及びコンタクト層３８を含む。
【００３７】
バッファ層３１は、表面４０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。バッファ層３１の厚さは、例えば５００ｎｍである。下部クラッド層３２は、バッファ層３１上に設けられており、例えばｎ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。下部クラッド層３２の厚さは、例えば１．５μｍである。下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５は、本実施形態における第２の光ガイド層である。下部光ガイド層３３は、下部クラッド層３２上において活性層３４に沿って設けられており、上部光ガイド層３５は、下部光ガイド層３３上において活性層３４に沿って設けられている。下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５は、例えばアンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなり、これらの好適な厚さは例えば２００ｎｍである。このように、レーザ構造部３０の下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５のＩｎ組成（０．０２）は、前述したレーザ構造部２０の下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５のＩｎ組成（０．０３）と異なっている。これは、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａとで面方向が相違することに起因する。
【００３８】
電子ブロック層３６は、上部光ガイド層３５上に設けられており、例えばｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる。電子ブロック層３６の厚さは、例えば２０ｎｍである。上部クラッド層３７は、電子ブロック層３６上に設けられており、例えばｐ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。上部クラッド層３７の厚さは、例えば４００ｎｍである。コンタクト層３８は、上部クラッド層３７上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。コンタクト層３８の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００３９】
活性層３４は、本実施形態における第２の活性層である。活性層３４は、下部光ガイド層３３と上部光ガイド層３５との間に設けられている。活性層３４の構造は、前述した活性層２４の構造と同様であるが、次の点のみ異なる。すなわち、活性層３４の井戸層（第２の井戸層）のＩｎ組成は、活性層２４の井戸層のＩｎ組成と異なっており、例えば活性層３４の井戸層の組成はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎである。このような井戸層のＩｎ組成の相違は、光ガイド層と同様、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａとで面方向が相違することに起因する。そして、本実施形態では、このような井戸層のＩｎ組成の相違によって、活性層２４の井戸層における発光波長と、活性層３４の井戸層における発光波長とが互いに異なる。上述したように、活性層２４の井戸層は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生する。これに対し、活性層３４の井戸層は、波長４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する青色光を発生する。
【００４０】
上部光ガイド層３５、電子ブロック層３６、上部クラッド層３７、及びコンタクト層３８は、光導波方向を長手方向とするリッジ状に成形されている。このリッジ形状の直下には、レーザ発振のための光導波路構造が形成される。リッジ状の各半導体層３５〜３８の側面は絶縁膜３９によって覆われており、コンタクト層３８上には、絶縁膜３９の開口を通じてアノード電極５３が設けられている。アノード電極５３は、光導波方向に沿ったストライプ状の平面形状を有している。アノード電極５３は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、コンタクト層３８とオーミック接触を成している。
【００４１】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａは、例えば以下のような製造方法によって好適に製造される。図３は、半導体レーザ素子１Ａの製造方法を示すフローチャートである。また、図４〜図７は、半導体レーザ素子１Ａの製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子１Ａの光導波方向に垂直な切断面を示している。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０と、ＧａＮ薄膜４０のためのＧａＮ単結晶インゴット６０とを準備する。ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａは、前述した第２の面方位を有する。そして、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上と、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａ上とに、接合層４１を形成する（接合層形成工程Ｓ１）。接合層４１の材料としては、導電性を有し且つ接合強度に優れた材料、例えばＡＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳＴＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＧＺＯ、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＳｂＯ３、ＴｉＮ等が好適である。
【００４３】
次に、図４（ｂ）に示されるように、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａに対して、接合層４１を介して水素イオンＨ＋を注入する（イオン注入工程Ｓ２）。このとき、ＧａＮ単結晶インゴット６０の内部におけるドーズ量のピークが、主面６０ａから所定の深さ、すなわちＧａＮ薄膜４０に望まれる厚さとほぼ等しい深さに位置するように、水素イオンＨ＋を注入するとよい。この工程により、後の工程におけるＧａＮ薄膜４０の剥離が容易になる。
【００４４】
続いて、図５（ａ）に示されるように、接合層４１のうちＧａＮ基板１０の第１の領域１０ｃ上に位置する部分に傷を付けて凹凸を生じさせることにより、不接合領域４１ａを形成する（不接合領域形成工程Ｓ３）。なお、この工程では、当該部分に傷を付ける方法の他、当該部分をエッチング等によって除去することによって不接合領域４１ａを形成してもよい。傷を付ける方法は、スクライバ等の一般的な加工手段によって容易に行うことができる利点がある。また、エッチング等による方法は、不接合領域４１ａの深さや幅の制御が容易であり、また、汎用されているエッチング装置を用いて行うことができるという利点がある。図５（ａ）ではＧａＮ基板１０上に設けられた接合層４１に対してのみ不接合領域４１ａを形成しているが、これと同様の不接合領域を、ＧａＮ単結晶インゴット６０上に設けられた接合層４１に対して形成してもよい。
【００４５】
続いて、図５（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａとを対向させ、ＧａＮ基板１０上の接合層４１と、ＧａＮ単結晶インゴット６０上の接合層４１とを互いに接合する（接合工程Ｓ４）。この工程では、例えば各接合層４１の表面にプラズマやイオンを照射することにより各接合層４１の表面を活性化させ、その活性化された表面同士を接合するとよい。或いは、各接合層４１の表面同士を接触させた状態で、ＧａＮ基板１０及びＧａＮ単結晶インゴット６０の温度を７００度ないし１０００度に昇温してもよい。或いは、各接合層４１の表面に金属膜を形成し、これらの金属膜同士を接触させた状態で昇温することにより、これらの金属膜同士を合金化させてもよい。この接合工程によって、不接合領域４１ａを除くＧａＮ基板１０上の接合層４１とＧａＮ単結晶インゴット６０上の接合層４１とが、互いに強く接合する。
【００４６】
続いて、図６（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０をＧａＮ単結晶インゴット６０から分離させる（分離工程Ｓ５）。このとき、不接合領域４１ａを除く接合層４１によって、ＧａＮ単結晶インゴット６０の表層の一部、すなわちＧａＮ薄膜４０がＧａＮ基板１０に付随してＧａＮ単結晶インゴット６０から剥離する。このとき、ＧａＮ薄膜４０の厚さは、先のイオン注入工程において注入された水素イオンのドーズ量がピークとなる深さとほぼ等しくなる。
【００４７】
続いて、図６（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上の各構造物にエッチングを施す（エッチング工程Ｓ６）。この工程では、例えばＣＦ４ガスを用いたドライエッチングを行うとよい。この工程によって、ＧａＮ基板１０上における接合層４１の不接合領域４１ａが除去され、且つ、露出したＧａＮ基板１０の主面１０ａが平滑化され、後の結晶成長のための良好な主面１０ａが得られる。また、これと同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａが平滑化され、後の結晶成長のために良好な表面４０ａが得られる。
【００４８】
続いて、図７に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に、レーザ構造部２０の各半導体層（バッファ層２１、下部クラッド層２２、下部光ガイド層２３、活性層２４、上部光ガイド層２５、電子ブロック層２６、上部クラッド層２７、及びコンタクト層２８）を成長させ、同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に、レーザ構造部３０の各半導体層（バッファ層３１、下部クラッド層３２、下部光ガイド層３３、活性層３４、上部光ガイド層３５、電子ブロック層３６、上部クラッド層３７、及びコンタクト層３８）を成長させる（半導体層成長工程Ｓ７）。これらの半導体層の成長は、ＧａＮ基板１０上において同時に且つ同一の成長条件下で行われる。例えば、活性層２４及び３４それぞれの井戸層は、共通の成長条件に設定された成長炉内において、供給された共通の材料を取り込むことによって同時に成長する。バッファ層２１及び３１、下部クラッド層２２及び３２、下部光ガイド層２３及び３３、上部光ガイド層２５及び３５、電子ブロック層２６及び３６、上部クラッド層２７及び３７、並びにコンタクト層２８及び３８の各ペアについても同様である。
【００４９】
以上の工程を経たのち、エッチングによりリッジ形状を形成し、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２（図２を参照）を形成し、コンタクト層２８及び３８それぞれの上にアノード電極５１及び５３それぞれを形成する。そして、光導波方向と垂直な方向に沿ってＧａＮ基板１０を棒状に劈開することにより共振端面を形成したのち、一つの第１の領域１０ｃ、及び一つの第２の領域１０ｄからなる領域毎に、この棒状部材を切断する。こうして、図１及び図２に示された半導体レーザ素子１Ａを得ることができる。
【００５０】
本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによって得られる効果について説明する。前述したように、この半導体レーザ素子１Ａにおいては、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの法線ベクトルが、ＧａＮ結晶のｃ軸に対して大きく傾斜している。一方、ＧａＮ薄膜４０のＣ面に対する表面４０ａのオフ角は２度程度と小さく、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａは実質的にＧａＮ結晶のＣ面としての性質を有する。このように、本実施形態では、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっている。
【００５１】
そして、レーザ構造部２０はＧａＮ基板１０の主面１０ａ上に成長しており、レーザ構造部３０はＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に成長している。このような場合、例えばレーザ構造部２０の活性層２４の井戸層の成長条件と、レーザ構造部３０の活性層３４の井戸層の成長条件とが互いに同じであっても、例えばＩｎの取り込み度合いの違い等により、これらの井戸層の発光波長を互いに異ならせることができる。従って、この半導体レーザ素子１Ａによれば、出力波長が異なるレーザ構造部２０及び３０を、一枚のＧａＮ基板１０上に容易に作製できる。また、レーザ構造部２０及び３０がＧａＮ基板１０上に成長しているので、プレート上に発光素子を接合するような構成と比較して、小型化を可能にできる。
【００５２】
また、本実施形態のように、活性層２４の井戸層のＩｎ組成と、活性層３４の井戸層のＩｎ組成とは、互いに異なることが好ましい。本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっているので、このようにＩｎ組成が互いに異なる井戸層を容易に実現できる。そして、例えばこのような構成によって、活性層２４の井戸層の発光波長と、活性層３４の井戸層の発光波長とを互いに異ならせることができる。
【００５３】
また、本実施形態においては、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっているので、下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５のＩｎ組成と、下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５のＩｎ組成とを互いに異ならせることが容易にできる。
【００５４】
また、本実施形態のように、活性層２４の井戸層の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲（緑色領域）に含まれ、活性層３４の井戸層の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲（青色領域）に含まれることが好ましい。ここで、図８は、単一の半導体発光素子が緑色光及び青色光を発光することの利点を説明するためのグラフである。図８（ａ）は、従来の半導体発光素子において、青色光と、この青色光の一部によって励起された蛍光体から放出される黄色光との混合光のスペクトルの例を示している。図中のλＢは青色光のピーク波長を示し、λＹは黄色光のピーク波長を示す。また、図８（ｂ）は、青色光、緑色光、及び青色光の一部によって励起された蛍光体から放出される黄色光の混合光のスペクトルの例を示している。図中のλＧは緑色光のピーク波長を示す。図８（ａ）のようなスペクトルの光を物体に照らすと、その物体は青白く見えてしまう。一方、図８（ｂ）のようなスペクトルの光を物体に照らすと、その物体はより自然な色合いに見える。すなわち、単一の半導体発光素子が緑色光及び青色光を発光することによって、演色性を高めることができる。
【００５５】
また、本実施形態のように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａは、当該ＧａＮ結晶の半極性面または無極性面を含むことが好ましい。これにより、活性層２４の井戸層におけるＩｎの組成比を高め、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下といった緑色領域の発光波長を実現することができる。
【００５６】
また、本実施形態のように、接合層４１が導電性を有する材料からなることが好ましい。これにより、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２を有する半導体レーザ素子１Ａを好適に実現することができる。但し、接合層４１は、絶縁性を有していてもよい。この場合、例えばレーザ構造部３０の一部を下部クラッド層３２に達するまでエッチングし、露出した下部クラッド層３２上にカソード電極を形成するとよい。絶縁性の接合層４１のための材料としては、例えば、半導体層を成長させる際の高温やアンモニア雰囲気に耐性を有するＳｉＯ２が好適である。
【００５７】
なお、本実施形態では、前述したように、ストライプ状のアノード電極５１によって形成される、レーザ構造部２０の光導波路構造の長手方向が、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの法線ベクトルに対するＧａＮ基板１０のｃ軸の傾斜方向に対して垂直とされている。これにより、レーザ構造部２０の光導波路の共振端面を、ｃ軸の傾斜角度によらず劈開面（Ａ面）とすることができるからである。しかしながら、光導波路構造の長手方向とｃ軸の傾斜方向との関係は、必要に応じて変更されてもよい。例えば、レーザ構造部２０の光導波路構造の長手方向は、ｃ軸の傾斜方向に沿っている（好ましくは平行である）ことも有効である。これにより、緑色レーザ光の共振端面として有利な面（例えば｛−１０１７｝面）を、レーザ構造部２０の共振端面とすることができるからである。すなわち、本実施形態のように、主面１０ａがｍ軸方向に傾斜したＧａＮ基板１０上にレーザ構造部２０を作製した場合、レーザ光は正の偏向度を有する。従って、図９に示されるように、主面１０ａの傾斜方向に対して偏向方向が平行である光成分Ｌ１よりも、主面１０ａの傾斜方向に対して偏向方向が垂直である光成分Ｌ２の方が強度が大きくなる。そして、レーザ発振にはＴＥモードが寄与することから、偏向方向が垂直となる方向と、このＴＥモードとが相互に一致するように光導波路構造の長手方向を設定することにより、レーザ発振効率を更に高めることができる。そして、このような光導波路構造は、その長手方向がｃ軸の傾斜方向に沿うことによって好適に実現される。なお、この場合、ＧａＮ基板１０を十分に厚くすることにより、レーザ構造部２０の共振端面におけるすべり面欠陥を低減することが可能である。
【００５８】
また、例えば、ＧａＮ基板１０の主面１０ａがＣ面を含む（或いは、Ｃ面に対して僅かなオフ角を有する）ような場合には、レーザ構造部３０の光導波路構造の長手方向が、ｃ軸の傾斜方向に沿っている（好ましくは平行である）ことが好ましい。これにより、緑色レーザ光の共振端面として有利な面（例えば｛−１０１７｝面）を、レーザ構造部３０の共振端面とすることができる。また、ＧａＮ基板１０の主面１０ａがＣ面を含むことから、ＧａＮ基板１０を例えばＭ面といった劈開面に沿って劈開する際に、レーザ構造部３０の共振端面も、この劈開に従って好適な割断面となり、良好な共振端面を得ることができる。
【００５９】
（変形例）
上記第１実施形態の変形例として、半導体レーザ素子１Ａの他の製造方法について説明する。図１０は、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ａの製造方法を示すフローチャートである。また、図１１及び図１２は、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ａの製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子１Ａの光導波方向に垂直な切断面を示している。
【００６０】
まず、第１実施形態と同様に、ＧａＮ基板１０と、ＧａＮ薄膜４０のためのＧａＮ単結晶インゴット６０とを準備し、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上と、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａ上とに、接合層４１を形成する（接合層形成工程Ｓ１１、図４（ａ）を参照）。次に、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａに対して、接合層４１を介して水素イオンを注入する（イオン注入工程Ｓ１２、図４（ｂ）を参照）。
【００６１】
続いて、図１１（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａとを対向させ、ＧａＮ基板１０上の接合層４１と、ＧａＮ単結晶インゴット６０上の接合層４１とを互いに接合する（接合工程Ｓ１３）。なお、この接合工程においては、接合層４１同士を接合させるために、第１実施形態と同様の種々の方法を用いることができる。
【００６２】
続いて、図１１（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０をＧａＮ単結晶インゴット６０から分離させる（分離工程Ｓ１４）。このとき、接合層４１によって、ＧａＮ単結晶インゴット６０の表層の一部、すなわちＧａＮ薄膜４０がＧａＮ基板１０に付随してＧａＮ単結晶インゴット６０から剥離する。このとき、ＧａＮ薄膜４０の厚さは、先のイオン注入工程において注入された水素イオンのドーズ量がピークとなる深さとほぼ等しくなる。
【００６３】
続いて、図１２に示されるように、ＧａＮ薄膜４０のうちＧａＮ基板１０の第１の領域１０ｃ上に位置する部分を除去する（除去工程Ｓ１５）。この工程では、ＧａＮ薄膜４０の当該部分を、例えばＣｌ２を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によって除去するとよい。
【００６４】
続いて、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上の各構造物にエッチングを施す（エッチング工程Ｓ１６、図６（ｂ）を参照）。この工程では、例えばＣＦ４ガスを用いたドライエッチングを行うとよい。この工程によって、接合層４１のうち第１の領域１０ｃ上に位置する部分が除去され、且つ、露出したＧａＮ基板１０の主面１０ａが平滑化され、後の結晶成長のための良好な主面１０ａが得られる。また、これと同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａが平滑化され、後の結晶成長のために良好な表面４０ａが得られる。
【００６５】
こののち、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に、レーザ構造部２０の各半導体層を成長させ、同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に、レーザ構造部３０の各半導体層を成長させる（半導体層成長工程Ｓ１７、図７を参照）。そして、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２（図２を参照）を形成し、コンタクト層２８及び３８それぞれの上にアノード電極５１及び５３それぞれを形成する。そして、光導波方向と垂直な方向に沿ってＧａＮ基板１０を棒状に劈開することにより共振端面を形成したのち、一つの第１の領域１０ｃ、及び一つの第２の領域１０ｄからなる領域毎に、この棒状部材を切断する。こうして、半導体レーザ素子１Ａを得ることができる。
【００６６】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明による光半導体素子の第２実施形態について説明する。図１３は、本実施形態の光半導体素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ｂの平面図である。また、図１４は、図１３のXIV−XIV線に沿った発光ダイオード１Ｂの側断面図である。図１３及び図１４に示されるように、本実施形態の発光ダイオード１Ｂは、III族窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０と、第１のIII族窒化物半導体積層部としてのＬＥＤ構造部８０と、第２のIII族窒化物半導体積層部としてのＬＥＤ構造部９０と、III族窒化物半導体薄膜としてのＧａＮ薄膜４０とを備える。なお、ＧａＮ基板１０の構成については、既述した第１実施形態と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００６７】
ＬＥＤ構造部８０は、発光ダイオードとしての構造を有しており、主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に結晶成長されて成る。本実施形態のＬＥＤ構造部８０は、主面１０ａ上において順に成長した、下部クラッド層８１、活性層８２、及び上部クラッド層８３を含む。下部クラッド層８１は、主面１０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。下部クラッド層８１の厚さは、例えば１．５μｍである。上部クラッド層８３は、下部クラッド層８１上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。上部クラッド層８３の厚さは、例えば４００ｎｍである。
【００６８】
活性層８２は、本実施形態における第１の活性層である。活性層８２は、下部クラッド層８１と上部クラッド層８３との間に設けられている。活性層８２は、量子井戸構造を有することができ、この量子井戸構造は、交互に配列された井戸層（第１の井戸層）及び障壁層を必要に応じて含むことができる。井戸層はＩｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＩｎＧａＮ等からなることができ、障壁層は井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。一実施例では、井戸層（ＩｎＧａＮ）の厚さは例えば３ｎｍであり、障壁層（ＧａＮ）の厚さは例えば１５ｎｍである。活性層８２の発光波長は、井戸層のバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。活性層８２は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生するようなＩｎ組成とされることができ、この場合、井戸層の組成は例えばＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎである。
【００６９】
上部クラッド層８３上には、アノード電極１１１及び電極パッド１１２が設けられている。アノード電極１１１は、上部クラッド層８３上の全面に形成されている。アノード電極１１１は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、上部クラッド層８３とオーミック接触を成している。
【００７０】
本実施形態のＧａＮ薄膜４０は、第１実施形態とは異なり、アンドープＧａＮ単結晶からなる。ＧａＮ薄膜４０は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上において、第１の領域１０ｃとは異なる第２の領域１０ｄに対して接合層４１を介して接合されている。このようなＧａＮ薄膜４０は、第１実施形態と同様の方法によって好適に作製される。また、ＧａＮ薄膜４０は、第１実施形態と同じ面方位の表面４０ａを有する。
【００７１】
ＬＥＤ構造部９０は、発光ダイオードとしての構造を有しており、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に結晶成長されて成る。本実施形態のＬＥＤ構造部９０は、主面１０ａ上において順に成長した、下部クラッド層９１、活性層９２、及び上部クラッド層９３を含む。下部クラッド層９１は、表面４０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。下部クラッド層９１の厚さは、例えば１．５μｍである。上部クラッド層９３は、下部クラッド層９１上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。上部クラッド層９３の厚さは、例えば４００ｎｍである。
【００７２】
活性層９２は、本実施形態における第２の活性層である。活性層９２は、下部クラッド層９１と上部クラッド層９３との間に設けられている。活性層９２の構造は、前述した活性層８２の構造と同様であるが、次の点のみ異なる。すなわち、活性層９２の井戸層（第２の井戸層）のＩｎ組成は、活性層２４の井戸層のＩｎ組成と異なっており、例えば活性層９２の井戸層の組成はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎである。このような井戸層のＩｎ組成の相違は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａとで面方向が相違することに起因する。そして、本実施形態では、このような井戸層のＩｎ組成の相違によって、活性層８２の井戸層における発光波長と、活性層９２の井戸層における発光波長とが互いに異なる。上述したように、活性層８２の井戸層は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生する。これに対し、活性層９２の井戸層は、波長４９０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する青色光を発生する。
【００７３】
上部クラッド層９３上には、アノード電極１１３及び電極パッド１１４が設けられている。アノード電極１１３は、上部クラッド層９３上の全面にわたって形成されている。アノード電極１１３は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、上部クラッド層９３とオーミック接触を成している。
【００７４】
また、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上の一部の領域上に成長した活性層９２及び上部クラッド層９３はエッチングにより除去されており、この領域上では下部クラッド層９１が露出している。そして、下部クラッド層９１の該露出部分上には、カソード電極１１５が設けられている。カソード電極１１５は、例えばＴｉ／Ａｌ膜からなり、下部クラッド層９１とオーミック接触を成している。
【００７５】
以上の構成を備える発光ダイオード１Ｂは、例えば以下のような製造方法によって好適に製造される。図１５は、発光ダイオード１Ｂの製造方法を示すフローチャートである。また、図１６及び図１７は、発光ダイオード１Ｂの製造工程を示す側断面図である。
【００７６】
まず、第１実施形態と同様にして、接合層形成工程Ｓ１、イオン注入工程Ｓ２、不接合領域形成工程Ｓ３、接合工程Ｓ４、分離工程Ｓ５、及びエッチング工程Ｓ６を実施する（図４〜図６を参照）。なお、本実施形態の接合層４１は、絶縁性の材料（ＳｉＯ２等）を用いて形成するとよい。その後、図１６（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に、ＬＥＤ構造部８０の各半導体層（具体的には、図１４に示された下部クラッド層８１、活性層８２、上部クラッド層８３）を成長させ、同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に、ＬＥＤ構造部９０の各半導体層（具体的には、図１４に示された下部クラッド層９１、活性層９２、上部クラッド層９３）を成長させる（半導体層成長工程Ｓ２１）。これらの半導体層の成長は、ＧａＮ基板１０上において同時に且つ同一の成長条件下で行われる。例えば、活性層８２及び９２それぞれの井戸層は、共通の成長条件に設定された成長炉内において、供給された共通の材料を取り込むことによって同時に成長する。下部クラッド層８１及び９１、上部クラッド層８３及び９３の各ペアについても同様である。
【００７７】
以上の工程を経たのち、発光ダイオード１Ｂの各電極を形成する（電極形成工程Ｓ２２）。すなわち、図１６（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２を形成し、上部クラッド層８３及び９３それぞれの上にアノード電極１１１及び１１３それぞれを形成する。そして、図１７（ａ）に示されるように、ＬＥＤ構造部９０の一部を下部クラッド層９１に達するまでエッチングし、その露出した下部クラッド層９１の表面上に、カソード電極１１５を形成する（図１７（ｂ））。最後に、アノード電極１１１及び１１３それぞれの上に電極パッド１１２及び１１４それぞれを形成することにより、図１３及び図１４に示された発光ダイオード１Ｂを得ることができる。
【００７８】
本実施形態の発光ダイオード１Ｂによれば、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様に、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっているので、ＬＥＤ構造部８０の活性層８２の井戸層の発光波長と、ＬＥＤ構造部９０の活性層９２の井戸層の発光波長とを互いに異ならせることができる。従って、この発光ダイオード１Ｂによれば、発光波長が異なるＬＥＤ構造部８０及び９０を、一枚のＧａＮ基板１０上に容易に作製できる。また、ＬＥＤ構造部８０及び９０がＧａＮ基板１０上に成長しているので、プレート上に発光素子を接合するような構成と比較して、小型化を可能にできる。
【００７９】
なお、本実施形態では、ＧａＮ基板１０のｃ軸に対して主面１０ａがｍ軸方向に傾斜しており、且つ、ＧａＮ薄膜４０のｃ軸に対して表面４０ａがａ軸方向に傾斜していることが好ましい。好適な実施例では、ＧａＮ基板１０のｃ軸に対して主面１０ａがｍ軸方向に７５度傾斜しており、ＧａＮ薄膜４０のｃ軸に対して表面４０ａがａ軸方向に１８度傾斜しているとよい。ｃ軸に対する主面１０ａ及び表面４０ａの傾斜方向がこれらのように設定されることによって、ＬＥＤ構造部８０及び９０それぞれから出射される光の偏光方向が揃うので、液晶ディスプレイ等の用途に好適な発光ダイオードを実現できる。なお、ｃ軸に対する主面１０ａ及び表面４０ａの傾斜方向は、上記以外にも必要に応じて任意に設定できる。
【００８０】
（実施例）
ここで、上述した接合層形成工程Ｓ１及びイオン注入工程Ｓ２に関する実施例について説明する。本実施例では、まず、ＧａＮ薄膜４０の母材として、ＨＶＰＥ法により成長させた直径２インチ（５．０８ｃｍ）、厚さ５００μｍのＧａＮ単結晶インゴット６０を準備した。このＧａＮ単結晶インゴット６０は、一方の主面が（０００１）面（すなわちＧａ原子表面）であり、他方の主面が（０００−１）面（すなわちＮ原子表面）であり、両主面が鏡面加工されたものである。
【００８１】
次に、ＧａＮ単結晶インゴット６０のＮ原子表面に、プラズマＣＶＤ法により、接合層としての厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２層を堆積させた。このＳｉＯ２層の堆積におけるプラズマＣＶＤの条件は、高周波（ＲＦ）電力が５０Ｗ、ＳｉＨ4ガス（Ａｒガスにより８体積パーセントに希釈されたもの）の流量が５０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）、Ｎ2Ｏガス流量が４６０ｓｃｃｍ、チャンバ圧力が８０Ｐａ、ステージ温度が２５０℃であった。
【００８２】
そして、ＧａＮ単結晶インゴット６０のＮ原子表面に、ＳｉＯ２層を介して水素イオンを注入した。水素イオンの注入条件は、加速電圧が５０ｋｅＶ、ドーズ量が７×１０17ｃｍ-2であった。水素イオンが注入されたＧａＮ単結晶インゴット６０では、そのＮ原子表面から深さ約２００ｎｍの面にドーズ量のピークが観測された。なお、このドーズ量の測定は、上述したＧａＮ単結晶インゴット６０と共にイオン注入を行った別のＧａＮ単結晶インゴットについて、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析を、そのイオン注入側の面から深さ方向に対して実施することにより行った。
【００８３】
本発明による光半導体素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態では、III族窒化物半導体基板およびIII族窒化物半導体薄膜としてＧａＮ基板およびＧａＮ薄膜を例示しているが、本発明は、他のIII族窒化物半導体からなる基板および薄膜にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１Ａ…半導体レーザ素子、１Ｂ…発光ダイオード、１０…ＧａＮ基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１０ｃ…第１の領域、１０ｄ…第２の領域、２０，３０…レーザ構造部、２１，３１…バッファ層、２２，３２…下部クラッド層、２３，３３…下部光ガイド層、２４，３４…活性層、２５，３５…上部光ガイド層、２６，３６…電子ブロック層、２７，３７…上部クラッド層、２８，３８…コンタクト層、２９，３９…絶縁膜、４０…ＧａＮ薄膜、４０ａ…表面、４１…接合層、４１ａ…不接合領域、５１，５３…アノード電極、５２…カソード電極、６０…単結晶インゴット、８０，９０…ＬＥＤ構造部、８１，９１…下部クラッド層、８２，９２…活性層、８３，９３…上部クラッド層、１１１，１１３…アノード電極、１１２，１１４…電極パッド、１１５…カソード電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の波長の光を出射する発光素子の開発が行われている。例えば、特許文献１には、６５０ｎｍ及び７８０ｎｍの二波長のレーザ光を出射する半導体レーザアレイが開示されている。この半導体レーザアレイは、ＧａＡｓ基板と、６５０ｎｍのレーザ光を出射するレーザ素子部と、７８０ｎｍの波長のレーザ光を出射するレーザ素子部とを備え、この二個のレーザ素子部は、ＧａＡｓ基板上に設けられている。
【０００３】
特許文献２には、発振波長が互いに異なる少なくとも三個のレーザダイオードが一枚のプレート上に設けられた構成を備える多波長レーザダイオードが開示されている。三個のレーザダイオードは、一枚のプレート上において、プレート表面に沿って並列に設けられている。そして、三個のレーザダイオードのうち一部はＧａＮ基板上において結晶成長されたものであり、残りはＧａＡｓ基板上において結晶成長されたものである。
【０００４】
特許文献３には、発振波長が互いに異なる少なくとも三個のレーザダイオードが一枚のプレート上に接合された構成を備える多波長レーザダイオードが開示されている。三個のレーザダイオードは、一枚のプレート上に積層されて設けられている。そして、三個のレーザダイオードのうち、一部はＧａＮ基板上において結晶成長されたものであり、残りはＧａＡｓ基板上において結晶成長されたものである。
【０００５】
特許文献４には、発振波長が互いに異なる三個のレーザダイオードが一枚のプレート上に接合された構成を備える多波長レーザが開示されている。三個のレーザダイオードは、ＧａＮ基板上において、ＧａＮ基板表面に沿って並列に設けられている。三個のレーザダイオードのうち、一部はＧａＮ基板上において結晶成長されたものであり、残りはＧａＡｓ基板上において結晶成長されたものである。
【０００６】
非特許文献１には、ＧａＮ基体に設けられた三つの異なるファセットと、それぞれのファセット上に結晶成長されたＬＥＤとを有する発光素子が開示されている。それぞれのＬＥＤは、ファセットが異なることによってＩｎの含有率も異なっており、このため、発光波長も異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−０１１４１７号公報
【特許文献２】特開２００６−１３５３０６号公報
【特許文献３】特開２００６−１３５３２３号公報
【特許文献４】特開２００８−２９４３２２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M.Funato et al., ‘Tailored emission color synthesis using microfacet quantum wellsconsisting of nitride semiconductors without phosphors’ Applied Physics Letters 88, 261920 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えばＧａＮなどのIII族窒化物は、広範囲の発光波長を実現できる材料である。一枚のIII族窒化物半導体基板上に、波長が互いに大きく異なる複数の発光部を作製することも可能である。しかしながら、特許文献２〜４に記載されているように一枚のプレート上に発光素子を接合するような構成では、デバイスの小型化が困難である。また、複数のレーザダイオード同士で一定のアライメント精度を得るためには、組み立てのコストが大きくなってしまう。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、小型化が可能であり容易に作製できる多波長の光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明による光半導体素子は、主面が第１の面方位を有するIII族窒化物半導体基板と、主面の第１の領域上に成長しており、第１の活性層を含む第１のIII族窒化物半導体積層部と、主面の第１の領域とは異なる第２の領域に対し接合層を介して接合されており、表面が第１の面方位とは異なる第２の面方位を有するIII族窒化物半導体薄膜と、III族窒化物半導体薄膜の表面上に成長しており、第２の活性層を含む第２のIII族窒化物半導体積層部とを備え、第１及び第２の活性層は、Ｉｎを含む第１及び第２の井戸層をそれぞれ有し、第１及び第２の井戸層の発光波長が互いに異なることを特徴とする。
【００１２】
この光半導体素子においては、第１のIII族窒化物半導体基板の主面の面方位と、III族窒化物半導体薄膜の表面の面方位とが互いに異なっている。そして、第１のIII族窒化物半導体積層部はIII族窒化物半導体基板上に成長しており、第２のIII族窒化物半導体積層部はIII族窒化物半導体薄膜上に成長している。このような場合、例えば第１及び第２の井戸層の成長条件が同じであっても、Ｉｎの取り込み度合いの違いにより、第１及び第２の井戸層の発光波長を互いに異ならせることができる。従って、この光半導体素子によれば、波長が異なる複数の発光部（第１及び第２のIII族窒化物半導体積層部）を容易に作製できる。また、第１及び第２のIII族窒化物半導体積層部が共通の基板（III族窒化物半導体基板）上に成長しているので、プレート上に発光素子を接合するような構成と比較して、小型化を可能にできる。
【００１３】
また、光半導体素子は、第１の井戸層のＩｎ組成と、第２の井戸層のＩｎ組成とが互いに異なることを特徴としてもよい。上述した光半導体素子によれば、第１のIII族窒化物半導体基板の主面の面方位と、III族窒化物半導体薄膜の表面の面方位とが互いに異なっているので、このようにＩｎ組成が互いに異なる第１及び第２の井戸層を容易に実現できる。そして、例えばこのような構成によって、第１及び第２の井戸層の発光波長を互いに異ならせることができる。
【００１４】
また、光半導体素子は、第１のIII族窒化物半導体積層部が、第１の活性層に沿って設けられた第１の光ガイド層を更に含み、第２のIII族窒化物半導体積層部が、第２の活性層に沿って設けられた第２の光ガイド層を更に含み、第１及び第２の光ガイド層がＩｎを含み、第１及び第２の光ガイド層のＩｎ組成が互いに異なることを特徴としてもよい。
【００１５】
また、光半導体素子は、第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴としてもよい。
【００１６】
また、光半導体素子は、第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴としてもよい。
【００１７】
また、光半導体素子は、第１の井戸層の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれ、第２の井戸層の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴としてもよい。
【００１８】
また、光半導体素子は、第１のIII族窒化物半導体積層部が、レーザ発振のための光導波路構造を有しており、III族窒化物半導体基板の主面における法線ベクトルが、当該III族窒化物半導体のｃ軸に対して傾斜しており、III族窒化物半導体基板のｃ軸の傾斜方向が、第１のIII族窒化物半導体積層部の光導波路構造の長手方向と垂直であることを特徴としてもよい。このように、第１のIII族窒化物半導体積層部がレーザ素子構造を有する場合、III族窒化物半導体基板のｃ軸に対する主面の傾斜方向が光導波路に垂直であることによって、レーザ素子構造の共振端面を劈開面とすることができるので、良好なレーザ発振特性を得ることができる。
【００１９】
また、光半導体素子は、III族窒化物半導体基板の主面が、当該III族窒化物半導体の半極性面または無極性面を含むことを特徴としてもよい。これにより、第１の井戸層におけるＩｎの組成比を高め、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下といった緑色領域の発光波長を実現することができる。
【００２０】
また、光半導体素子は、III族窒化物半導体基板の主面における法線ベクトルと、III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、１０度以上８０度以下、又は１００度以上１７０度以下の範囲に含まれることが好ましい。或いは、光半導体素子は、III族窒化物半導体基板の主面における法線ベクトルと、III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、６３度以上８０度以下、又は１００度以上１１７度以下の範囲に含まれることが尚好ましい。
【００２１】
また、光半導体素子は、接合層が導電性を有する材料からなることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、小型化が可能であり容易に作製できる多波長の光半導体素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明による光半導体素子の第１実施形態として、半導体レーザ素子の外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のII−II線に沿った半導体レーザ素子の側断面図である。
【図３】図３は、半導体レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図７】図７は、半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図８】図８は、単一の半導体発光素子が緑色光及び青色光を発光することの利点を説明するためのグラフである。
【図９】図９は、基板主面の傾斜方向に対して偏向方向が平行である光成分と、基板主面の傾斜方向に対して偏向方向が垂直である光成分とを示す図である。
【図１０】図１０は、一変形例に係る半導体レーザ素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、変形例に係る半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図１２】図１２は、変形例に係る半導体レーザ素子の製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子の光導波方向に垂直な切断面を示している。
【図１３】図１３は、第２実施形態の光半導体素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）の平面図である。
【図１４】図１４は、図１３のXIV−XIV線に沿った発光ダイオードの側断面図である。
【図１５】図１５は、発光ダイオードの製造方法を示すフローチャートである。
【図１６】図１６（ａ），（ｂ）は、発光ダイオードの製造工程を示す側断面図である。
【図１７】図１７（ａ），（ｂ）は、発光ダイオードの製造工程を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照しながら本発明による光半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明による光半導体素子の第１実施形態として、半導体レーザ素子１Ａの外観を示す斜視図である。また、図２は、図１のII−II線に沿った半導体レーザ素子１Ａの側断面図である。図１及び図２に示されるように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａは、III族窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０と、第１のIII族窒化物半導体積層部としてのレーザ構造部２０と、第２のIII族窒化物半導体積層部としてのレーザ構造部３０と、III族窒化物半導体薄膜としてのＧａＮ薄膜４０とを備える。
【００２６】
ＧａＮ基板１０は、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＮ単結晶からなる基板であり、主面１０ａ及び裏面１０ｂを有する。主面１０ａは、第１の面方位を有する。ここで、第１の面方位とは、例えば当該ＧａＮ結晶のｃ軸から所定の方向に所定の角度だけ傾斜した面方位である。換言すれば、ＧａＮ基板１０を構成するＧａＮ結晶のｃ軸は、主面１０ａに対して傾斜している。すなわち、主面１０ａは、半極性面または無極性面を含む。
【００２７】
ＧａＮ基板１０の主面１０ａの傾斜角は、主面１０ａの法線ベクトルとｃ軸との成す角度によって規定される。この角度は、１０度以上８０度以下の範囲にあることができ、或いは１００度以上１７０度以下の範囲にあることができる。ＧａＮ基板１０において、この角度範囲によればＧａＮ結晶の半極性の性質を提供できる。さらに、傾斜角は６３度以上８０度以下の範囲にあることが好ましく、或いは１００度以上１１７度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲によれば、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の発光のための井戸層（後述）に好適なＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を提供できる。一実施例では、主面１０ａの傾斜角は７５度であり、その傾斜方向はｍ軸方向である。
【００２８】
ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上の全面には、カソード電極５２が設けられている。カソード電極５２は、例えばＴｉ／Ａｌ膜からなり、ＧａＮ基板１０とオーミック接触を成している。
【００２９】
レーザ構造部２０は、レーザダイオードとしての構造を有しており、主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に結晶成長されて成る。第１の領域１０ｃの横幅（レーザ光の導波方向に垂直な方向の幅）は、例えば１ｍｍである。本実施形態のレーザ構造部２０は、主面１０ａ上において順に成長した、バッファ層２１、下部クラッド層２２、下部光ガイド層２３、活性層２４、上部光ガイド層２５、電子ブロック層２６、上部クラッド層２７、及びコンタクト層２８を含む。
【００３０】
バッファ層２１は、主面１０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。バッファ層２１の厚さは、例えば５００ｎｍである。下部クラッド層２２は、バッファ層２１上に設けられており、例えばｎ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。下部クラッド層２２の厚さは、例えば１．５μｍである。下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５は、本実施形態における第１の光ガイド層である。下部光ガイド層２３は、下部クラッド層２２上において活性層２４に沿って設けられており、上部光ガイド層２５は、下部光ガイド層２３上において活性層２４に沿って設けられている。下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５は、例えばアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなり、これらの好適な厚さは例えば２００ｎｍである。電子ブロック層２６は、上部光ガイド層２５上に設けられており、例えばｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる。電子ブロック層２６の厚さは、例えば２０ｎｍである。上部クラッド層２７は、電子ブロック層２６上に設けられており、例えばｐ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。上部クラッド層２７の厚さは、例えば４００ｎｍである。コンタクト層２８は、上部クラッド層２７上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。コンタクト層２８の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００３１】
活性層２４は、本実施形態における第１の活性層である。活性層２４は、下部光ガイド層２３と上部光ガイド層２５との間に設けられている。活性層２４は、量子井戸構造を有することができ、この量子井戸構造は、交互に配列された井戸層（第１の井戸層）及び障壁層を必要に応じて含むことができる。井戸層はＩｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＩｎＧａＮ等からなることができ、障壁層は井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。一実施例では、井戸層（ＩｎＧａＮ）の厚さは例えば３ｎｍであり、障壁層（ＧａＮ）の厚さは例えば１５ｎｍである。活性層２４の発光波長は、井戸層のバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。活性層２４は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生するようなＩｎ組成とされることができ、この場合、井戸層の組成は例えばＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎである。
【００３２】
上部光ガイド層２５、電子ブロック層２６、上部クラッド層２７、及びコンタクト層２８は、光導波方向を長手方向とするリッジ状に成形されている。このリッジ形状の直下には、レーザ発振のための光導波路構造が形成される。この光導波路構造の長手方向は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの法線ベクトルに対するＧａＮ基板１０のｃ軸の傾斜方向と交差している（好ましくは、垂直である）ことが好ましい。これにより、光導波路の共振端面を、傾斜角度によらず劈開面とすることができるので、良好なレーザ発振特性が得られるからである。
【００３３】
リッジ状の各半導体層２５〜２８の側面は絶縁膜２９によって覆われており、コンタクト層２８上には、絶縁膜２９の開口を通じてアノード電極５１が設けられている。アノード電極５１は、光導波方向に沿ったストライプ状の平面形状を有している。アノード電極５１は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、コンタクト層２８とオーミック接触を成している。
【００３４】
ＧａＮ薄膜４０は、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＮ単結晶からなる薄膜である。ＧａＮ薄膜４０の厚さは、例えば０．５μｍである。ＧａＮ薄膜４０は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上において、第１の領域１０ｃとは異なる第２の領域１０ｄに対して接合層４１を介して接合されている。第２の領域１０ｄの横幅（レーザ光の導波方向に垂直な方向の幅）は、例えば１ｍｍである。なお、本実施形態では、第１の領域１０ｃ及び第２の領域１０ｄは、光導波方向と交差する方向に並んで設定されている。このようなＧａＮ薄膜４０は、例えば次のような方法によって作製される。すなわち、ＧａＮ基板１０の主面１０ａにおいて接合層４１を第２の領域１０ｄ上に選択的に配置し、イオン注入等によって表面が剥離し易くされたＧａＮ結晶の表面にこの接合層４１を介してＧａＮ基板１０の主面１０ａを接合し、その後、ＧａＮ結晶の表面を剥離させる。
【００３５】
また、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ（ここで、ＧａＮ薄膜４０の表面とは、接合層４１に接合している面とは反対側の面をいう）は、第２の面方位を有する。ここで、第２の面方位とは、ＧａＮ基板１０の第１の面方位とは異なる面方位であり、例えばＧａＮ薄膜４０のｃ軸から僅かに傾斜した面方位である。すなわち、表面４０ａは、実質的にＣ面、またはＣ面に対して僅かにオフ角（例えばａ軸方向に２度）を有する面を含む。
【００３６】
レーザ構造部３０は、レーザダイオードとしての構造を有しており、ＧａＮ薄膜４０上に結晶成長されて成る。本実施形態のレーザ構造部３０は、表面４０ａ上において順に成長した、バッファ層３１、下部クラッド層３２、下部光ガイド層３３、活性層３４、上部光ガイド層３５、電子ブロック層３６、上部クラッド層３７、及びコンタクト層３８を含む。
【００３７】
バッファ層３１は、表面４０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。バッファ層３１の厚さは、例えば５００ｎｍである。下部クラッド層３２は、バッファ層３１上に設けられており、例えばｎ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。下部クラッド層３２の厚さは、例えば１．５μｍである。下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５は、本実施形態における第２の光ガイド層である。下部光ガイド層３３は、下部クラッド層３２上において活性層３４に沿って設けられており、上部光ガイド層３５は、下部光ガイド層３３上において活性層３４に沿って設けられている。下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５は、例えばアンドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなり、これらの好適な厚さは例えば２００ｎｍである。このように、レーザ構造部３０の下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５のＩｎ組成（０．０２）は、前述したレーザ構造部２０の下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５のＩｎ組成（０．０３）と異なっている。これは、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａとで面方向が相違することに起因する。
【００３８】
電子ブロック層３６は、上部光ガイド層３５上に設けられており、例えばｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなる。電子ブロック層３６の厚さは、例えば２０ｎｍである。上部クラッド層３７は、電子ブロック層３６上に設けられており、例えばｐ型Ｉｎ0.02Ａｌ0.09Ｇａ0.89Ｎからなる。上部クラッド層３７の厚さは、例えば４００ｎｍである。コンタクト層３８は、上部クラッド層３７上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。コンタクト層３８の厚さは、例えば５０ｎｍである。
【００３９】
活性層３４は、本実施形態における第２の活性層である。活性層３４は、下部光ガイド層３３と上部光ガイド層３５との間に設けられている。活性層３４の構造は、前述した活性層２４の構造と同様であるが、次の点のみ異なる。すなわち、活性層３４の井戸層（第２の井戸層）のＩｎ組成は、活性層２４の井戸層のＩｎ組成と異なっており、例えば活性層３４の井戸層の組成はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎである。このような井戸層のＩｎ組成の相違は、光ガイド層と同様、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａとで面方向が相違することに起因する。そして、本実施形態では、このような井戸層のＩｎ組成の相違によって、活性層２４の井戸層における発光波長と、活性層３４の井戸層における発光波長とが互いに異なる。上述したように、活性層２４の井戸層は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生する。これに対し、活性層３４の井戸層は、波長４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する青色光を発生する。
【００４０】
上部光ガイド層３５、電子ブロック層３６、上部クラッド層３７、及びコンタクト層３８は、光導波方向を長手方向とするリッジ状に成形されている。このリッジ形状の直下には、レーザ発振のための光導波路構造が形成される。リッジ状の各半導体層３５〜３８の側面は絶縁膜３９によって覆われており、コンタクト層３８上には、絶縁膜３９の開口を通じてアノード電極５３が設けられている。アノード電極５３は、光導波方向に沿ったストライプ状の平面形状を有している。アノード電極５３は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、コンタクト層３８とオーミック接触を成している。
【００４１】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａは、例えば以下のような製造方法によって好適に製造される。図３は、半導体レーザ素子１Ａの製造方法を示すフローチャートである。また、図４〜図７は、半導体レーザ素子１Ａの製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子１Ａの光導波方向に垂直な切断面を示している。
【００４２】
まず、図４（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０と、ＧａＮ薄膜４０のためのＧａＮ単結晶インゴット６０とを準備する。ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａは、前述した第２の面方位を有する。そして、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上と、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａ上とに、接合層４１を形成する（接合層形成工程Ｓ１）。接合層４１の材料としては、導電性を有し且つ接合強度に優れた材料、例えばＡＴＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＳＴＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＧＺＯ、ＳｎＯ２、ＩｎＯ３、ＳｂＯ３、ＴｉＮ等が好適である。
【００４３】
次に、図４（ｂ）に示されるように、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａに対して、接合層４１を介して水素イオンＨ＋を注入する（イオン注入工程Ｓ２）。このとき、ＧａＮ単結晶インゴット６０の内部におけるドーズ量のピークが、主面６０ａから所定の深さ、すなわちＧａＮ薄膜４０に望まれる厚さとほぼ等しい深さに位置するように、水素イオンＨ＋を注入するとよい。この工程により、後の工程におけるＧａＮ薄膜４０の剥離が容易になる。
【００４４】
続いて、図５（ａ）に示されるように、接合層４１のうちＧａＮ基板１０の第１の領域１０ｃ上に位置する部分に傷を付けて凹凸を生じさせることにより、不接合領域４１ａを形成する（不接合領域形成工程Ｓ３）。なお、この工程では、当該部分に傷を付ける方法の他、当該部分をエッチング等によって除去することによって不接合領域４１ａを形成してもよい。傷を付ける方法は、スクライバ等の一般的な加工手段によって容易に行うことができる利点がある。また、エッチング等による方法は、不接合領域４１ａの深さや幅の制御が容易であり、また、汎用されているエッチング装置を用いて行うことができるという利点がある。図５（ａ）ではＧａＮ基板１０上に設けられた接合層４１に対してのみ不接合領域４１ａを形成しているが、これと同様の不接合領域を、ＧａＮ単結晶インゴット６０上に設けられた接合層４１に対して形成してもよい。
【００４５】
続いて、図５（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａとを対向させ、ＧａＮ基板１０上の接合層４１と、ＧａＮ単結晶インゴット６０上の接合層４１とを互いに接合する（接合工程Ｓ４）。この工程では、例えば各接合層４１の表面にプラズマやイオンを照射することにより各接合層４１の表面を活性化させ、その活性化された表面同士を接合するとよい。或いは、各接合層４１の表面同士を接触させた状態で、ＧａＮ基板１０及びＧａＮ単結晶インゴット６０の温度を７００度ないし１０００度に昇温してもよい。或いは、各接合層４１の表面に金属膜を形成し、これらの金属膜同士を接触させた状態で昇温することにより、これらの金属膜同士を合金化させてもよい。この接合工程によって、不接合領域４１ａを除くＧａＮ基板１０上の接合層４１とＧａＮ単結晶インゴット６０上の接合層４１とが、互いに強く接合する。
【００４６】
続いて、図６（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０をＧａＮ単結晶インゴット６０から分離させる（分離工程Ｓ５）。このとき、不接合領域４１ａを除く接合層４１によって、ＧａＮ単結晶インゴット６０の表層の一部、すなわちＧａＮ薄膜４０がＧａＮ基板１０に付随してＧａＮ単結晶インゴット６０から剥離する。このとき、ＧａＮ薄膜４０の厚さは、先のイオン注入工程において注入された水素イオンのドーズ量がピークとなる深さとほぼ等しくなる。
【００４７】
続いて、図６（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上の各構造物にエッチングを施す（エッチング工程Ｓ６）。この工程では、例えばＣＦ４ガスを用いたドライエッチングを行うとよい。この工程によって、ＧａＮ基板１０上における接合層４１の不接合領域４１ａが除去され、且つ、露出したＧａＮ基板１０の主面１０ａが平滑化され、後の結晶成長のための良好な主面１０ａが得られる。また、これと同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａが平滑化され、後の結晶成長のために良好な表面４０ａが得られる。
【００４８】
続いて、図７に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に、レーザ構造部２０の各半導体層（バッファ層２１、下部クラッド層２２、下部光ガイド層２３、活性層２４、上部光ガイド層２５、電子ブロック層２６、上部クラッド層２７、及びコンタクト層２８）を成長させ、同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に、レーザ構造部３０の各半導体層（バッファ層３１、下部クラッド層３２、下部光ガイド層３３、活性層３４、上部光ガイド層３５、電子ブロック層３６、上部クラッド層３７、及びコンタクト層３８）を成長させる（半導体層成長工程Ｓ７）。これらの半導体層の成長は、ＧａＮ基板１０上において同時に且つ同一の成長条件下で行われる。例えば、活性層２４及び３４それぞれの井戸層は、共通の成長条件に設定された成長炉内において、供給された共通の材料を取り込むことによって同時に成長する。バッファ層２１及び３１、下部クラッド層２２及び３２、下部光ガイド層２３及び３３、上部光ガイド層２５及び３５、電子ブロック層２６及び３６、上部クラッド層２７及び３７、並びにコンタクト層２８及び３８の各ペアについても同様である。
【００４９】
以上の工程を経たのち、エッチングによりリッジ形状を形成し、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２（図２を参照）を形成し、コンタクト層２８及び３８それぞれの上にアノード電極５１及び５３それぞれを形成する。そして、光導波方向と垂直な方向に沿ってＧａＮ基板１０を棒状に劈開することにより共振端面を形成したのち、一つの第１の領域１０ｃ、及び一つの第２の領域１０ｄからなる領域毎に、この棒状部材を切断する。こうして、図１及び図２に示された半導体レーザ素子１Ａを得ることができる。
【００５０】
本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによって得られる効果について説明する。前述したように、この半導体レーザ素子１Ａにおいては、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの法線ベクトルが、ＧａＮ結晶のｃ軸に対して大きく傾斜している。一方、ＧａＮ薄膜４０のＣ面に対する表面４０ａのオフ角は２度程度と小さく、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａは実質的にＧａＮ結晶のＣ面としての性質を有する。このように、本実施形態では、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっている。
【００５１】
そして、レーザ構造部２０はＧａＮ基板１０の主面１０ａ上に成長しており、レーザ構造部３０はＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に成長している。このような場合、例えばレーザ構造部２０の活性層２４の井戸層の成長条件と、レーザ構造部３０の活性層３４の井戸層の成長条件とが互いに同じであっても、例えばＩｎの取り込み度合いの違い等により、これらの井戸層の発光波長を互いに異ならせることができる。従って、この半導体レーザ素子１Ａによれば、出力波長が異なるレーザ構造部２０及び３０を、一枚のＧａＮ基板１０上に容易に作製できる。また、レーザ構造部２０及び３０がＧａＮ基板１０上に成長しているので、プレート上に発光素子を接合するような構成と比較して、小型化を可能にできる。
【００５２】
また、本実施形態のように、活性層２４の井戸層のＩｎ組成と、活性層３４の井戸層のＩｎ組成とは、互いに異なることが好ましい。本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっているので、このようにＩｎ組成が互いに異なる井戸層を容易に実現できる。そして、例えばこのような構成によって、活性層２４の井戸層の発光波長と、活性層３４の井戸層の発光波長とを互いに異ならせることができる。
【００５３】
また、本実施形態においては、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっているので、下部光ガイド層２３及び上部光ガイド層２５のＩｎ組成と、下部光ガイド層３３及び上部光ガイド層３５のＩｎ組成とを互いに異ならせることが容易にできる。
【００５４】
また、本実施形態のように、活性層２４の井戸層の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲（緑色領域）に含まれ、活性層３４の井戸層の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲（青色領域）に含まれることが好ましい。ここで、図８は、単一の半導体発光素子が緑色光及び青色光を発光することの利点を説明するためのグラフである。図８（ａ）は、従来の半導体発光素子において、青色光と、この青色光の一部によって励起された蛍光体から放出される黄色光との混合光のスペクトルの例を示している。図中のλＢは青色光のピーク波長を示し、λＹは黄色光のピーク波長を示す。また、図８（ｂ）は、青色光、緑色光、及び青色光の一部によって励起された蛍光体から放出される黄色光の混合光のスペクトルの例を示している。図中のλＧは緑色光のピーク波長を示す。図８（ａ）のようなスペクトルの光を物体に照らすと、その物体は青白く見えてしまう。一方、図８（ｂ）のようなスペクトルの光を物体に照らすと、その物体はより自然な色合いに見える。すなわち、単一の半導体発光素子が緑色光及び青色光を発光することによって、演色性を高めることができる。
【００５５】
また、本実施形態のように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａは、当該ＧａＮ結晶の半極性面または無極性面を含むことが好ましい。これにより、活性層２４の井戸層におけるＩｎの組成比を高め、５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下といった緑色領域の発光波長を実現することができる。
【００５６】
また、本実施形態のように、接合層４１が導電性を有する材料からなることが好ましい。これにより、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２を有する半導体レーザ素子１Ａを好適に実現することができる。但し、接合層４１は、絶縁性を有していてもよい。この場合、例えばレーザ構造部３０の一部を下部クラッド層３２に達するまでエッチングし、露出した下部クラッド層３２上にカソード電極を形成するとよい。絶縁性の接合層４１のための材料としては、例えば、半導体層を成長させる際の高温やアンモニア雰囲気に耐性を有するＳｉＯ２が好適である。
【００５７】
なお、本実施形態では、前述したように、ストライプ状のアノード電極５１によって形成される、レーザ構造部２０の光導波路構造の長手方向が、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの法線ベクトルに対するＧａＮ基板１０のｃ軸の傾斜方向に対して垂直とされている。これにより、レーザ構造部２０の光導波路の共振端面を、ｃ軸の傾斜角度によらず劈開面（Ａ面）とすることができるからである。しかしながら、光導波路構造の長手方向とｃ軸の傾斜方向との関係は、必要に応じて変更されてもよい。例えば、レーザ構造部２０の光導波路構造の長手方向は、ｃ軸の傾斜方向に沿っている（好ましくは平行である）ことも有効である。これにより、緑色レーザ光の共振端面として有利な面（例えば｛−１０１７｝面）を、レーザ構造部２０の共振端面とすることができるからである。すなわち、本実施形態のように、主面１０ａがｍ軸方向に傾斜したＧａＮ基板１０上にレーザ構造部２０を作製した場合、レーザ光は正の偏向度を有する。従って、図９に示されるように、主面１０ａの傾斜方向に対して偏向方向が平行である光成分Ｌ１よりも、主面１０ａの傾斜方向に対して偏向方向が垂直である光成分Ｌ２の方が強度が大きくなる。そして、レーザ発振にはＴＥモードが寄与することから、偏向方向が垂直となる方向と、このＴＥモードとが相互に一致するように光導波路構造の長手方向を設定することにより、レーザ発振効率を更に高めることができる。そして、このような光導波路構造は、その長手方向がｃ軸の傾斜方向に沿うことによって好適に実現される。なお、この場合、ＧａＮ基板１０を十分に厚くすることにより、レーザ構造部２０の共振端面におけるすべり面欠陥を低減することが可能である。
【００５８】
また、例えば、ＧａＮ基板１０の主面１０ａがＣ面を含む（或いは、Ｃ面に対して僅かなオフ角を有する）ような場合には、レーザ構造部３０の光導波路構造の長手方向が、ｃ軸の傾斜方向に沿っている（好ましくは平行である）ことが好ましい。これにより、緑色レーザ光の共振端面として有利な面（例えば｛−１０１７｝面）を、レーザ構造部３０の共振端面とすることができる。また、ＧａＮ基板１０の主面１０ａがＣ面を含むことから、ＧａＮ基板１０を例えばＭ面といった劈開面に沿って劈開する際に、レーザ構造部３０の共振端面も、この劈開に従って好適な割断面となり、良好な共振端面を得ることができる。
【００５９】
（変形例）
上記第１実施形態の変形例として、半導体レーザ素子１Ａの他の製造方法について説明する。図１０は、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ａの製造方法を示すフローチャートである。また、図１１及び図１２は、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ａの製造工程を示す断面図であり、半導体レーザ素子１Ａの光導波方向に垂直な切断面を示している。
【００６０】
まず、第１実施形態と同様に、ＧａＮ基板１０と、ＧａＮ薄膜４０のためのＧａＮ単結晶インゴット６０とを準備し、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上と、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａ上とに、接合層４１を形成する（接合層形成工程Ｓ１１、図４（ａ）を参照）。次に、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａに対して、接合層４１を介して水素イオンを注入する（イオン注入工程Ｓ１２、図４（ｂ）を参照）。
【００６１】
続いて、図１１（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ単結晶インゴット６０の主面６０ａとを対向させ、ＧａＮ基板１０上の接合層４１と、ＧａＮ単結晶インゴット６０上の接合層４１とを互いに接合する（接合工程Ｓ１３）。なお、この接合工程においては、接合層４１同士を接合させるために、第１実施形態と同様の種々の方法を用いることができる。
【００６２】
続いて、図１１（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０をＧａＮ単結晶インゴット６０から分離させる（分離工程Ｓ１４）。このとき、接合層４１によって、ＧａＮ単結晶インゴット６０の表層の一部、すなわちＧａＮ薄膜４０がＧａＮ基板１０に付随してＧａＮ単結晶インゴット６０から剥離する。このとき、ＧａＮ薄膜４０の厚さは、先のイオン注入工程において注入された水素イオンのドーズ量がピークとなる深さとほぼ等しくなる。
【００６３】
続いて、図１２に示されるように、ＧａＮ薄膜４０のうちＧａＮ基板１０の第１の領域１０ｃ上に位置する部分を除去する（除去工程Ｓ１５）。この工程では、ＧａＮ薄膜４０の当該部分を、例えばＣｌ２を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等によって除去するとよい。
【００６４】
続いて、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上の各構造物にエッチングを施す（エッチング工程Ｓ１６、図６（ｂ）を参照）。この工程では、例えばＣＦ４ガスを用いたドライエッチングを行うとよい。この工程によって、接合層４１のうち第１の領域１０ｃ上に位置する部分が除去され、且つ、露出したＧａＮ基板１０の主面１０ａが平滑化され、後の結晶成長のための良好な主面１０ａが得られる。また、これと同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａが平滑化され、後の結晶成長のために良好な表面４０ａが得られる。
【００６５】
こののち、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に、レーザ構造部２０の各半導体層を成長させ、同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に、レーザ構造部３０の各半導体層を成長させる（半導体層成長工程Ｓ１７、図７を参照）。そして、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２（図２を参照）を形成し、コンタクト層２８及び３８それぞれの上にアノード電極５１及び５３それぞれを形成する。そして、光導波方向と垂直な方向に沿ってＧａＮ基板１０を棒状に劈開することにより共振端面を形成したのち、一つの第１の領域１０ｃ、及び一つの第２の領域１０ｄからなる領域毎に、この棒状部材を切断する。こうして、半導体レーザ素子１Ａを得ることができる。
【００６６】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明による光半導体素子の第２実施形態について説明する。図１３は、本実施形態の光半導体素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）１Ｂの平面図である。また、図１４は、図１３のXIV−XIV線に沿った発光ダイオード１Ｂの側断面図である。図１３及び図１４に示されるように、本実施形態の発光ダイオード１Ｂは、III族窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０と、第１のIII族窒化物半導体積層部としてのＬＥＤ構造部８０と、第２のIII族窒化物半導体積層部としてのＬＥＤ構造部９０と、III族窒化物半導体薄膜としてのＧａＮ薄膜４０とを備える。なお、ＧａＮ基板１０の構成については、既述した第１実施形態と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００６７】
ＬＥＤ構造部８０は、発光ダイオードとしての構造を有しており、主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に結晶成長されて成る。本実施形態のＬＥＤ構造部８０は、主面１０ａ上において順に成長した、下部クラッド層８１、活性層８２、及び上部クラッド層８３を含む。下部クラッド層８１は、主面１０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。下部クラッド層８１の厚さは、例えば１．５μｍである。上部クラッド層８３は、下部クラッド層８１上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。上部クラッド層８３の厚さは、例えば４００ｎｍである。
【００６８】
活性層８２は、本実施形態における第１の活性層である。活性層８２は、下部クラッド層８１と上部クラッド層８３との間に設けられている。活性層８２は、量子井戸構造を有することができ、この量子井戸構造は、交互に配列された井戸層（第１の井戸層）及び障壁層を必要に応じて含むことができる。井戸層はＩｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体、例えばＩｎＧａＮ等からなることができ、障壁層は井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きいＩｎＧａＮ又はＧａＮ等からなることができる。一実施例では、井戸層（ＩｎＧａＮ）の厚さは例えば３ｎｍであり、障壁層（ＧａＮ）の厚さは例えば１５ｎｍである。活性層８２の発光波長は、井戸層のバンドギャップやＩｎ組成、その厚さ等によって制御される。活性層８２は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生するようなＩｎ組成とされることができ、この場合、井戸層の組成は例えばＩｎ0.3Ｇａ0.7Ｎである。
【００６９】
上部クラッド層８３上には、アノード電極１１１及び電極パッド１１２が設けられている。アノード電極１１１は、上部クラッド層８３上の全面に形成されている。アノード電極１１１は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、上部クラッド層８３とオーミック接触を成している。
【００７０】
本実施形態のＧａＮ薄膜４０は、第１実施形態とは異なり、アンドープＧａＮ単結晶からなる。ＧａＮ薄膜４０は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａ上において、第１の領域１０ｃとは異なる第２の領域１０ｄに対して接合層４１を介して接合されている。このようなＧａＮ薄膜４０は、第１実施形態と同様の方法によって好適に作製される。また、ＧａＮ薄膜４０は、第１実施形態と同じ面方位の表面４０ａを有する。
【００７１】
ＬＥＤ構造部９０は、発光ダイオードとしての構造を有しており、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に結晶成長されて成る。本実施形態のＬＥＤ構造部９０は、主面１０ａ上において順に成長した、下部クラッド層９１、活性層９２、及び上部クラッド層９３を含む。下部クラッド層９１は、表面４０ａと接しており、例えばｎ型ＧａＮからなる。下部クラッド層９１の厚さは、例えば１．５μｍである。上部クラッド層９３は、下部クラッド層９１上に設けられており、例えばｐ型ＧａＮからなる。上部クラッド層９３の厚さは、例えば４００ｎｍである。
【００７２】
活性層９２は、本実施形態における第２の活性層である。活性層９２は、下部クラッド層９１と上部クラッド層９３との間に設けられている。活性層９２の構造は、前述した活性層８２の構造と同様であるが、次の点のみ異なる。すなわち、活性層９２の井戸層（第２の井戸層）のＩｎ組成は、活性層２４の井戸層のＩｎ組成と異なっており、例えば活性層９２の井戸層の組成はＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎである。このような井戸層のＩｎ組成の相違は、ＧａＮ基板１０の主面１０ａと、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａとで面方向が相違することに起因する。そして、本実施形態では、このような井戸層のＩｎ組成の相違によって、活性層８２の井戸層における発光波長と、活性層９２の井戸層における発光波長とが互いに異なる。上述したように、活性層８２の井戸層は、波長５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する緑色光を発生する。これに対し、活性層９２の井戸層は、波長４９０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する青色光を発生する。
【００７３】
上部クラッド層９３上には、アノード電極１１３及び電極パッド１１４が設けられている。アノード電極１１３は、上部クラッド層９３上の全面にわたって形成されている。アノード電極１１３は、例えばＮｉ／Ａｕ膜からなり、上部クラッド層９３とオーミック接触を成している。
【００７４】
また、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上の一部の領域上に成長した活性層９２及び上部クラッド層９３はエッチングにより除去されており、この領域上では下部クラッド層９１が露出している。そして、下部クラッド層９１の該露出部分上には、カソード電極１１５が設けられている。カソード電極１１５は、例えばＴｉ／Ａｌ膜からなり、下部クラッド層９１とオーミック接触を成している。
【００７５】
以上の構成を備える発光ダイオード１Ｂは、例えば以下のような製造方法によって好適に製造される。図１５は、発光ダイオード１Ｂの製造方法を示すフローチャートである。また、図１６及び図１７は、発光ダイオード１Ｂの製造工程を示す側断面図である。
【００７６】
まず、第１実施形態と同様にして、接合層形成工程Ｓ１、イオン注入工程Ｓ２、不接合領域形成工程Ｓ３、接合工程Ｓ４、分離工程Ｓ５、及びエッチング工程Ｓ６を実施する（図４〜図６を参照）。なお、本実施形態の接合層４１は、絶縁性の材料（ＳｉＯ２等）を用いて形成するとよい。その後、図１６（ａ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの第１の領域１０ｃ上に、ＬＥＤ構造部８０の各半導体層（具体的には、図１４に示された下部クラッド層８１、活性層８２、上部クラッド層８３）を成長させ、同時に、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａ上に、ＬＥＤ構造部９０の各半導体層（具体的には、図１４に示された下部クラッド層９１、活性層９２、上部クラッド層９３）を成長させる（半導体層成長工程Ｓ２１）。これらの半導体層の成長は、ＧａＮ基板１０上において同時に且つ同一の成長条件下で行われる。例えば、活性層８２及び９２それぞれの井戸層は、共通の成長条件に設定された成長炉内において、供給された共通の材料を取り込むことによって同時に成長する。下部クラッド層８１及び９１、上部クラッド層８３及び９３の各ペアについても同様である。
【００７７】
以上の工程を経たのち、発光ダイオード１Ｂの各電極を形成する（電極形成工程Ｓ２２）。すなわち、図１６（ｂ）に示されるように、ＧａＮ基板１０の裏面１０ｂ上にカソード電極５２を形成し、上部クラッド層８３及び９３それぞれの上にアノード電極１１１及び１１３それぞれを形成する。そして、図１７（ａ）に示されるように、ＬＥＤ構造部９０の一部を下部クラッド層９１に達するまでエッチングし、その露出した下部クラッド層９１の表面上に、カソード電極１１５を形成する（図１７（ｂ））。最後に、アノード電極１１１及び１１３それぞれの上に電極パッド１１２及び１１４それぞれを形成することにより、図１３及び図１４に示された発光ダイオード１Ｂを得ることができる。
【００７８】
本実施形態の発光ダイオード１Ｂによれば、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様に、ＧａＮ基板１０の主面１０ａの面方位と、ＧａＮ薄膜４０の表面４０ａの面方位とが互いに大きく異なっているので、ＬＥＤ構造部８０の活性層８２の井戸層の発光波長と、ＬＥＤ構造部９０の活性層９２の井戸層の発光波長とを互いに異ならせることができる。従って、この発光ダイオード１Ｂによれば、発光波長が異なるＬＥＤ構造部８０及び９０を、一枚のＧａＮ基板１０上に容易に作製できる。また、ＬＥＤ構造部８０及び９０がＧａＮ基板１０上に成長しているので、プレート上に発光素子を接合するような構成と比較して、小型化を可能にできる。
【００７９】
なお、本実施形態では、ＧａＮ基板１０のｃ軸に対して主面１０ａがｍ軸方向に傾斜しており、且つ、ＧａＮ薄膜４０のｃ軸に対して表面４０ａがａ軸方向に傾斜していることが好ましい。好適な実施例では、ＧａＮ基板１０のｃ軸に対して主面１０ａがｍ軸方向に７５度傾斜しており、ＧａＮ薄膜４０のｃ軸に対して表面４０ａがａ軸方向に１８度傾斜しているとよい。ｃ軸に対する主面１０ａ及び表面４０ａの傾斜方向がこれらのように設定されることによって、ＬＥＤ構造部８０及び９０それぞれから出射される光の偏光方向が揃うので、液晶ディスプレイ等の用途に好適な発光ダイオードを実現できる。なお、ｃ軸に対する主面１０ａ及び表面４０ａの傾斜方向は、上記以外にも必要に応じて任意に設定できる。
【００８０】
（実施例）
ここで、上述した接合層形成工程Ｓ１及びイオン注入工程Ｓ２に関する実施例について説明する。本実施例では、まず、ＧａＮ薄膜４０の母材として、ＨＶＰＥ法により成長させた直径２インチ（５．０８ｃｍ）、厚さ５００μｍのＧａＮ単結晶インゴット６０を準備した。このＧａＮ単結晶インゴット６０は、一方の主面が（０００１）面（すなわちＧａ原子表面）であり、他方の主面が（０００−１）面（すなわちＮ原子表面）であり、両主面が鏡面加工されたものである。
【００８１】
次に、ＧａＮ単結晶インゴット６０のＮ原子表面に、プラズマＣＶＤ法により、接合層としての厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２層を堆積させた。このＳｉＯ２層の堆積におけるプラズマＣＶＤの条件は、高周波（ＲＦ）電力が５０Ｗ、ＳｉＨ4ガス（Ａｒガスにより８体積パーセントに希釈されたもの）の流量が５０ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）、Ｎ2Ｏガス流量が４６０ｓｃｃｍ、チャンバ圧力が８０Ｐａ、ステージ温度が２５０℃であった。
【００８２】
そして、ＧａＮ単結晶インゴット６０のＮ原子表面に、ＳｉＯ２層を介して水素イオンを注入した。水素イオンの注入条件は、加速電圧が５０ｋｅＶ、ドーズ量が７×１０17ｃｍ-2であった。水素イオンが注入されたＧａＮ単結晶インゴット６０では、そのＮ原子表面から深さ約２００ｎｍの面にドーズ量のピークが観測された。なお、このドーズ量の測定は、上述したＧａＮ単結晶インゴット６０と共にイオン注入を行った別のＧａＮ単結晶インゴットについて、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による分析を、そのイオン注入側の面から深さ方向に対して実施することにより行った。
【００８３】
本発明による光半導体素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態では、III族窒化物半導体基板およびIII族窒化物半導体薄膜としてＧａＮ基板およびＧａＮ薄膜を例示しているが、本発明は、他のIII族窒化物半導体からなる基板および薄膜にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１Ａ…半導体レーザ素子、１Ｂ…発光ダイオード、１０…ＧａＮ基板、１０ａ…主面、１０ｂ…裏面、１０ｃ…第１の領域、１０ｄ…第２の領域、２０，３０…レーザ構造部、２１，３１…バッファ層、２２，３２…下部クラッド層、２３，３３…下部光ガイド層、２４，３４…活性層、２５，３５…上部光ガイド層、２６，３６…電子ブロック層、２７，３７…上部クラッド層、２８，３８…コンタクト層、２９，３９…絶縁膜、４０…ＧａＮ薄膜、４０ａ…表面、４１…接合層、４１ａ…不接合領域、５１，５３…アノード電極、５２…カソード電極、６０…単結晶インゴット、８０，９０…ＬＥＤ構造部、８１，９１…下部クラッド層、８２，９２…活性層、８３，９３…上部クラッド層、１１１，１１３…アノード電極、１１２，１１４…電極パッド、１１５…カソード電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面が第１の面方位を有するIII族窒化物半導体基板と、
前記主面の第１の領域上に成長しており、第１の活性層を含む第１のIII族窒化物半導体積層部と、
前記主面の前記第１の領域とは異なる第２の領域に対し接合層を介して接合されており、表面が前記第１の面方位とは異なる第２の面方位を有するIII族窒化物半導体薄膜と、
前記III族窒化物半導体薄膜の前記表面上に成長しており、第２の活性層を含む第２のIII族窒化物半導体積層部と、
を備え、
前記第１及び第２の活性層は、Ｉｎを含む第１及び第２の井戸層をそれぞれ有し、
前記第１及び第２の井戸層の発光波長が互いに異なる
ことを特徴とする、光半導体素子。
【請求項２】
前記第１の井戸層のＩｎ組成と、前記第２の井戸層のＩｎ組成とが互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
第１のIII族窒化物半導体積層部が、前記第１の活性層に沿って設けられた第１の光ガイド層を更に含み、
第２のIII族窒化物半導体積層部が、前記第２の活性層に沿って設けられた第２の光ガイド層を更に含み、
前記第１及び第２の光ガイド層がＩｎを含み、
前記第１及び第２の光ガイド層のＩｎ組成が互いに異なる
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１の井戸層の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれ、前記第２の井戸層の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第１のIII族窒化物半導体積層部が、レーザ発振のための光導波路構造を有しており、
前記III族窒化物半導体基板の前記主面における法線ベクトルが、当該III族窒化物半導体のｃ軸に対して傾斜しており、前記III族窒化物半導体基板のｃ軸の傾斜方向が、前記第１のIII族窒化物半導体積層部の前記光導波路構造の長手方向と垂直である
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体基板の前記主面が、当該III族窒化物半導体の半極性面または無極性面を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記III族窒化物半導体基板の前記主面における法線ベクトルと、前記III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、１０度以上８０度以下、又は１００度以上１７０度以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項８に記載の光半導体素子。
【請求項１０】
前記III族窒化物半導体基板の前記主面における法線ベクトルと、前記III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、６３度以上８０度以下、又は１００度以上１１７度以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項９に記載の光半導体素子。
【請求項１１】
前記接合層が導電性を有する材料からなることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項１】
主面が第１の面方位を有するIII族窒化物半導体基板と、
前記主面の第１の領域上に成長しており、第１の活性層を含む第１のIII族窒化物半導体積層部と、
前記主面の前記第１の領域とは異なる第２の領域に対し接合層を介して接合されており、表面が前記第１の面方位とは異なる第２の面方位を有するIII族窒化物半導体薄膜と、
前記III族窒化物半導体薄膜の前記表面上に成長しており、第２の活性層を含む第２のIII族窒化物半導体積層部と、
を備え、
前記第１及び第２の活性層は、Ｉｎを含む第１及び第２の井戸層をそれぞれ有し、
前記第１及び第２の井戸層の発光波長が互いに異なる
ことを特徴とする、光半導体素子。
【請求項２】
前記第１の井戸層のＩｎ組成と、前記第２の井戸層のＩｎ組成とが互いに異なることを特徴とする、請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
第１のIII族窒化物半導体積層部が、前記第１の活性層に沿って設けられた第１の光ガイド層を更に含み、
第２のIII族窒化物半導体積層部が、前記第２の活性層に沿って設けられた第２の光ガイド層を更に含み、
前記第１及び第２の光ガイド層がＩｎを含み、
前記第１及び第２の光ガイド層のＩｎ組成が互いに異なる
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の井戸層のうち一方の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項６】
前記第１の井戸層の発光波長が５００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に含まれ、前記第２の井戸層の発光波長が４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記第１のIII族窒化物半導体積層部が、レーザ発振のための光導波路構造を有しており、
前記III族窒化物半導体基板の前記主面における法線ベクトルが、当該III族窒化物半導体のｃ軸に対して傾斜しており、前記III族窒化物半導体基板のｃ軸の傾斜方向が、前記第１のIII族窒化物半導体積層部の前記光導波路構造の長手方向と垂直である
ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体基板の前記主面が、当該III族窒化物半導体の半極性面または無極性面を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【請求項９】
前記III族窒化物半導体基板の前記主面における法線ベクトルと、前記III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、１０度以上８０度以下、又は１００度以上１７０度以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項８に記載の光半導体素子。
【請求項１０】
前記III族窒化物半導体基板の前記主面における法線ベクトルと、前記III族窒化物半導体基板のｃ軸との成す傾斜角が、６３度以上８０度以下、又は１００度以上１１７度以下の範囲に含まれることを特徴とする、請求項９に記載の光半導体素子。
【請求項１１】
前記接合層が導電性を有する材料からなることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−２０９３５２（Ｐ２０１２−２０９３５２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２５４０（Ｐ２０１１−７２５４０）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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