窒化物半導体発光素子およびその製造方法
【課題】 長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層と、を含み、窒化物半導体基板の表面は、複数の溝が形成されている溝領域と溝領域以外の平坦領域とを有しており、平坦領域の上方に発光層中の発光領域が位置している窒化物半導体発光素子である。
【解決手段】 窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層と、を含み、窒化物半導体基板の表面は、複数の溝が形成されている溝領域と溝領域以外の平坦領域とを有しており、平坦領域の上方に発光層中の発光領域が位置している窒化物半導体発光素子である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮまたはこれらの混晶などからなる窒化物半導体材料を用いて、紫外から可視領域の光を発光する窒化物半導体レーザ素子や発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子の研究および開発が盛んに行なわれている。
【０００３】
このような窒化物半導体発光素子に用いられる基板としては、従来、サファイア基板が多く用いられてきた。しかしながら、窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体結晶には特に高品質のものが求められることから、近年、窒化物半導体発光素子に用いられる基板として窒化物半導体結晶と格子定数差のより小さいＧａＮ基板を用いることが検討されている。
【０００４】
たとえば、非特許文献１には、ＧａＮ基板を用いた窒化物半導体レーザ素子が開示されている。この窒化物半導体レーザ素子は以下のようにして製造される。まず、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板上に２．０μｍの厚みの下地ＧａＮ層を成長させる。次に、この下地ＧａＮ層上に０．１μｍの厚みの周期的なストライプ状の開口部を有するＳｉＯ2からなるマスクパターンを形成する。そして、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、２０μｍの厚みのＧａＮ層を形成することによりウエハが得られる。これは、ＥＬＯＧ（Epitaxially Lateral Over-Grown）と呼ばれる技術であり、ＧａＮ結晶のラテラル成長の利用により、成長したＧａＮ層中の欠陥を低減する手法である。
【０００５】
そして、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法を用いて２００μｍの厚みのＧａＮ層を形成した後、サファイア基板などが除去されて約１５０μｍの厚みのＧａＮ基板が得られ、ＧａＮ基板の表面が平坦に研磨される。このＧａＮ基板の欠陥密度は１０6ｃｍ-2以下であって、かなり低いことが知られている。続いて、ＭＯＣＶＤ法により、この平坦に研磨されたＧａＮ基板の表面上に窒化物半導体層が順次積層され、窒化物半導体レーザ素子が製造される。
【非特許文献１】Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, 1998, pp.832-834
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の非特許文献１に記載されているような方法を始めとして、低い欠陥密度を有するＧａＮ基板を得る技術は開発されてきている。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法などによりこのようなＧａＮ基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子を製造する技術を実用化するには問題が存在する。それは、ＭＯＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長させた窒化物半導体層にクラックが多数（たとえば、１ｍｍ幅に数本以上）発生するという問題である。
【０００７】
たとえば、このようなクラックが多数発生している窒化物半導体層を用いた窒化物半導体レーザ素子においては、レーザ光が発振しなかったり、たとえレーザ光が発振しても窒化物半導体レーザ素子の寿命が極めて短いという問題があった。このようなクラックの発生は、Ａｌを含む窒化物半導体結晶を用いた窒化物半導体レーザ素子において特に顕著であり、窒化物半導体レーザ素子には通常Ａｌを含む窒化物半導体層を用いるので、クラックの発生を防止することは非常に重要であった。
【０００８】
そこで、クラックの発生を防止させる方法として、ＧａＮなどの窒化物半導体基板の表面に１本のストライプ状の溝を周期的に形成し、この溝が形成された窒化物半導体基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法が考えられる。しかしながら、この方法ではクラックの発生を抑制することができるものの、窒化物半導体基板の表面上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層に層厚のばらつきが発生するという問題があった。
【０００９】
図８は、この状況を図解するための模式的な平面図である。ここでは、１つの窒化物半導体レーザ素子について１本の溝４０２が形成されるように構成されたＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、複数の異なる組成を有する窒化物半導体層（たとえば全層厚５μｍ）をエピタキシャル成長させたウエハ４０１が示されている。そして、溝４０２の近傍の領域４０３には窒化物半導体レーザ素子のストライプ状の光導波路４０４が形成されている。ここで、隣り合う溝４０２同士の間の間隔Ｐは１００μｍ以上１０００μｍ以下である。
【００１０】
このウエハ４０１の表面を光学顕微鏡で観察してみると、図８に示すような波線状のモフォロジー４０５が観察される。これは、溝４０２の近傍の領域４０３における窒化物半導体結晶の状態が溝４０２の影響を受けているためと考えられる。このようなモフォロジー４０５が観察される箇所に相当する箇所に光導波路４０４が設置された窒化物半導体レーザ素子においては、光導波路４０４に沿った層厚のばらつきにより、発振するレーザ光の輝度、発振効率、波長または発振閾値電流などの特性にばらつきが生じるだけでなく、窒化物半導体レーザ素子ごとの特性にもばらつきが生じてしまうため、信頼性が良好でないという問題があった。
【００１１】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層と、を含み、窒化物半導体基板の表面は、複数の溝が形成されている溝領域と溝領域以外の平坦領域とを有しており、平坦領域の上方に発光層中の発光領域が位置している窒化物半導体発光素子である。
【００１３】
本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、発光領域が窒化物半導体基板の表面における溝領域と平坦領域との境界から平坦領域側に２０μｍ以上離れた領域の上方に位置していることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は窒化物半導体レーザ素子であって、発光領域が光導波路であり得る。
【００１８】
また、本発明は、上記の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、複数の溝が形成されている溝領域と溝領域以外の平坦領域とを有する窒化物半導体基板の表面上にｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層を形成する工程と、窒化物半導体基板の表面における平坦領域の上方に発光層中の発光領域を位置させる工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１９】
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、窒化物半導体基板の表面上における溝領域が形成される周期が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、平坦領域の幅が２００μｍ以上９００μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合には、その指数の絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書ではそのような表記はできないので、その指数の絶対値の前に「−」を付して負の指数を表わすものとする。また、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２６】
（窒化物半導体基板）
本発明に用いられる窒化物半導体基板の材質は、窒素を含む半導体結晶であれば特に限定はされず、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮなどが用いられる。また、本発明に用いられる窒化物半導体基板としては、サファイア基板や窒化物半導体基板上に窒化物半導体層が形成された多層の基板を用いてもよく、この多層の基板からサファイア基板や窒化物半導体基板などの下地が除去された後のフリースタンディングの窒化物半導体基板を用いてもよい。
【００２７】
（溝領域、平坦領域）
図１の模式的平面図に、本発明に用いられる窒化物半導体基板の一例を示す。この窒化物半導体基板の表面には、１つの窒化物半導体発光素子について形成される複数の溝が１つの溝群ａを構成して、複数の溝群ａが周期的に形成されている。この１つの溝群ａの両端にある溝の最も外側の端同士の間の窒化物半導体基板の表面の領域を溝領域といい、それ以外の領域を平坦領域という。なお、図１において、溝領域は参照符号１０６で示される領域であり、平坦領域は参照符号１０５で示される領域である。
【００２８】
このように従来の図８に示すような１本の溝を周期的に形成するのではなく、図１に示すように複数の溝からなる溝群を周期的に形成することによって、窒化物半導体基板の表面上に成長する窒化物半導体層に生じるクラックを低減できるだけでなく、平坦領域の上方に成長する窒化物半導体層の層厚のばらつきも低減することができる。
【００２９】
また、平坦領域の上方に発光領域を容易に位置させる観点からは、溝領域１０６の幅Ｄ１は、平坦領域１０５の幅Ｄ２の１／２以下であることが好ましく、１／３であることがより好ましい。また、歩留まり良く窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造する観点からは、平坦領域１０５の幅Ｄ２は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
（溝）
図２の模式的拡大断面図に、窒化物半導体基板の表面に形成された１つの溝群の一例を示す。溝群を構成する溝の形状は特に限定されないが、ストライプ状であることが好ましい。溝がストライプ状に形成されている場合には、格子定数差および熱膨張係数差に起因する応力を伴う窒化物半導体層の成長の会合を窒化物半導体基板の表面上の広い範囲にわたって抑制することができるため、窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方に成長する窒化物半導体層の平坦性をより向上させることができる傾向にある。
【００３１】
また、１つの溝群中における隣り合う溝と溝との間の間隔ｆ１、ｆ２は１μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。一般的に、溝の形成による窒化物半導体層の平坦性を向上させる効果は溝からの距離に依存するが、溝の間隔ｆ１、ｆ２を１μｍ以上１００μｍ未満とすることで平坦領域を広範囲にすることができる。これにより、発光領域の位置を規定することが容易になるため、窒化物半導体発光素子の製造歩留まりを向上させることができる。なお、隣り合う溝同士の間隔ｆ１、ｆ２は同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００３２】
また、それぞれの溝の幅ｄは３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。溝の幅ｄが３μｍ未満である場合には窒化物半導体層の成長の初期に溝が埋まってしまって窒化物半導体層の平坦性を向上させることができない傾向にあり、溝の幅が２０μｍよりも広い場合には窒化物半導体基板の表面の平坦領域が狭くなって平坦領域の上方に発光領域を位置させることが困難になるため、窒化物半導体発光素子の製造歩留まりが低下する傾向にある。
【００３３】
また、それぞれの溝の深さｈは２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。溝の深さが２μｍ未満である場合には窒化物半導体層の成長の初期に溝が埋まってしまう傾向にあり、溝の深さｈが２μｍ以上である場合にはクラックを有効に防止することができる傾向にある。他方、溝が深すぎる場合には、溝を形成するのが困難となり、窒化物半導体基板の機械的強度も低下してしまうので、溝の深さｈは１０μｍ以下とすることが好ましい。なお、それぞれの溝の幅ｄおよび深さｈは同一であってもよく、溝ごとに異なっていてもよい。
【００３４】
また、窒化物半導体基板の表面上に形成される１つの溝群を構成する溝の本数は２本以上４本以下とすることが好ましい。溝の本数が２本未満である場合、すなわち１本である場合には平坦領域における窒化物半導体層の層厚のばらつきが大きくなる傾向にある。これは、窒化物半導体層の形成時に、１本の溝を挟んで隣接する第１の平坦領域と第２の平坦領域との間でマイグレーションによって原子が往来するため、溝を越えてくる原子によってこれらの平坦領域における窒化物半導体層の層厚が影響されることによるものである。ここで、溝はエッチングなどにより形成されているので、溝の形成プロセス上の変動により、溝は場所によって表面状態が異なる。そして、原子のマイグレーションは溝の表面状態に非常に敏感であるため、溝を越えてくる原子の存在確率は平坦領域内においてばらついてしまう。これにより、溝の本数が１本である場合には窒化物半導体層の層厚のばらつきが大きくなってしまうものと考えられる。しかしながら、２本以上の溝からなる溝群を形成することによって窒化物半導体層の形成時に溝を越えてくる原子が大幅に減少するため、平坦領域における窒化物半導体層の層厚のばらつきを低減することができる。他方、１つの溝群を構成する溝の本数を４本よりも多くしても平坦領域における窒化物半導体層の層厚のばらつきを低減する効果が４本の場合と変わらないため、１つの溝群を構成する溝の本数は２本以上４本以下とすることが好ましい。
【００３５】
（窒化物半導体層）
上記のように複数の溝からなる溝群が周期的に形成されている窒化物半導体基板の表面上には窒化物半導体層が形成される。ここで、窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含んでおり、窒化物半導体層の材質としては窒素を含む半導体結晶であれば特に限定されず、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮなどが用いられる。また、窒化物半導体層の形成方法も特に限定されず、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシー）法などが用いられる。
【００３６】
本発明に用いられるｎ型窒化物半導体層は上記の窒化物半導体層にｎ型不純物がドープされた層のことであり、ｐ型窒化物半導体層は上記の窒化物半導体層にｐ型不純物がドープされた層のことである。
【００３７】
また、本発明に用いられる発光層は、１以上の量子井戸層またはそれと交互に積層された１以上の障壁層とを含んでおり、発光作用を生じさせる層のことである。発光層としては、たとえばＳＱＷ（Single Quantum Well；単一量子井戸）構造またはＭＱＷ（Multi Quantum Well；多重量子井戸）構造の発光層が用いられる。ＳＱＷ構造の発光層は１つの井戸層を含み、ＭＱＷ構造の発光層は複数の井戸層を含んでいる。
【００３８】
（発光領域）
本発明における発光領域は、ｎ型窒化物半導体層またはｐ型窒化物半導体層を介して実質的に電流が注入される発光層中の領域のことである。ここで、本発明における発光領域の位置は窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方の領域であるが、発光領域のすべてが窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方の領域に含まれている必要がある。
【００３９】
本発明における発光層中における発光領域の位置は、たとえばリッジストライプ部を有する窒化物半導体レーザ素子の場合には、図３の模式的断面図に示すように、リッジストライプ部Ｒｓの下方の発光層中の領域に規定され、発光領域の幅はリッジストライプ部Ｒｓの幅ｋと同一になる。また、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合には、図４の模式的断面図に示すように、２つの電流阻止層の間の下方の発光層中の領域に規定され、発光領域の幅は２つの電流阻止層の間の幅ｍと同一になる。
【００４０】
本発明における発光領域は、上記の窒化物半導体基板の表面における溝領域と平坦領域との境界から平坦領域側に２０μｍ以上離れた領域の上方に位置していることが好ましく、その境界から平坦領域側に１００μｍ以上離れた領域の上方に位置していることがより好ましい。この場合には、発光領域が溝の形成による窒化物半導体層の層厚のばらつきによる影響をさらに受けにくくなり、より窒化物半導体発光素子の特性が安定する傾向にある。
【００４１】
（実施の形態）
図５の模式的断面図に、本発明の窒化物半導体レーザ素子が複数含まれているウエハの一部の一例を示す。ここで、ｎ型ＧａＮ基板１０１には、ストライプ状の第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとが近接して互いに平行に形成されている。このような第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとが形成されている溝領域１０６がｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に所定の間隔をあけて周期的に形成されている。
【００４２】
また、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にはエピタキシャル成長したｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体層１０３が形成されている。そして、図５には、窒化物半導体レーザ素子から発振されるレーザ光の光導波路である発光領域１０４の位置が示されている。
【００４３】
なお、図５においては、説明の便宜上、第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとからなる１つの溝群と１つの発光領域しか記載されていないが、実際には溝群と発光領域とは図５に示す位置関係で１つのウエハにそれぞれ複数形成されている。
【００４４】
ここで、図５に示すように、窒化物半導体レーザ素子の光導波路である発光領域１０４は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の溝領域１０６以外の領域である平坦領域１０５の上方に位置している。溝領域１０６および溝領域１０６の上方においては様々な方向から窒化物半導体層１０３の成長が進むため層厚にばらつきが生じる。したがって、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の溝領域１０６の上方に発光領域１０４を位置させた場合には、この層厚のばらつきにより発光領域１０４が影響を受けるため窒化物半導体レーザ素子の特性にもばらつきが生じる。一方、窒化物半導体層１０３の成長の際に生じる格子定数差や熱膨張係数差に起因する応力は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の溝領域１０６および溝領域１０６の上方の領域において吸収されるため、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の平坦領域１０５の上方の領域における層厚のばらつきが非常に少ない。したがって、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の平坦領域１０５の上方に発光領域１０４を位置させた場合には、層厚のばらつきによる影響が少ないため、窒化物半導体レーザ素子の特性が安定する。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂが形成されていることによって、エピタキシャル成長した窒化物半導体層１０３のクラックの発生を抑制することができるため、窒化物半導体レーザ素子の寿命を向上させることができる。したがって、本発明においては、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体レーザ素子が歩留まり良く得られるのである。
【００４５】
図５に示すウエハは、たとえば以下のようにして作製される。まず、表面が平坦なｎ型ＧａＮ基板が用意される。ここで、ｎ型ＧａＮ基板は、たとえば非特許文献１に記載の方法などを利用した従来から公知の方法によって作製される。ここで、表面が平坦なｎ型ＧａＮ基板としてはその表面全体がほぼ均一な欠陥密度を有しているものを用いることが好ましい。次に、このｎ型ＧａＮ基板の表面全体にたとえばＳｉＯ2膜を厚さ１μｍでスパッタリング法などを用いて蒸着させる。その後、一般的なフォトリソグラフィ工程によって、ｎ型ＧａＮ基板の表面の[１−１００]方向にストライプ状の２本の開口部が周期的に形成されたレジストを形成する。ここで、レジストのそれぞれの開口部の幅は５μｍであり、それぞれの開口部の間の間隔は８０μｍである。また、これらの２本の開口部は３００〜４００μｍの周期でレジストに配置されており、これらの開口部は互いに平行となっている。
【００４６】
そして、ＩＣＰ（Induction Coupling Plasma）エッチングまたはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）エッチングなどにより、ＳｉＯ2膜の全部およびｎ型ＧａＮ基板の一部が除去されて、ｎ型ＧａＮ基板の表面に深さ５μｍの第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとからなる溝群が形成される。ここでは、第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂは、ｎ型ＧａＮ基板の表面の[１−１００]方向に形成されているが、たとえば[１１−２０]方向に形成されてもよく、特に第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂの形成方向については限定されない。
【００４７】
その後、このｎ型ＧａＮ基板上に残っているレジストおよびＳｉＯ2膜を除去することによって、図５に示すｎ型ＧａＮ基板１０１が得られる。そして、第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂが形成されたｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させ、さらに発光領域１０４の位置を上記のように規定することによって、図５に示すウエハが形成される。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１および窒化物半導体層１０３の一部に電極が形成された後、このウエハを分割することによって、本発明の窒化物半導体レーザ素子を複数得ることができる。
【００４８】
図６に、上記のようにして得られた本発明の窒化物半導体レーザ素子のより詳細な構造を示す模式的な断面図を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上に層厚１．０μｍのｎ型ＧａＮ層２０３、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２０４、層厚０．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層２０５、層厚０．１μｍのｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層２０６、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層２０７、層厚８ｎｍのＧａＮ層とこのＧａＮ層上に形成された層厚４ｎｍのＩｎＧａＮ層とからなる層が３層積層されてなるＭＱＷ構造の発光層２０８、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２クラッド層２０９、層厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮガイド層２１０、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１１および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２１２が順次形成された構造を有している。
【００４９】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１２上にはｐ電極２１４が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極２１５が形成されている。また、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１１およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１２の一部がエッチングにより除去されてリッジストライプ部Ｒｓが形成されており、そのリッジストライプ部Ｒｓの幅から発光層２０８中における発光領域１０４の位置が規定される。なお、リッジストライプ部Ｒｓの形成に必要なエッチング量は１μｍ程度以下であり、またリッジストライプ部Ｒｓの幅は、単一横モードのレーザ光を発振させるためには０．５〜３μｍ程度にすることができ、多モードのレーザ光を発振させるためには２〜２００μｍ程度とすることができる。ここで、窒化物半導体レーザ素子の特性を安定させる観点からは、図６に示す平坦領域１０５の幅が２００μｍ以上９００μｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
図６に示す構成の窒化物半導体レーザ素子においては、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に形成された窒化物半導体層にはクラックが全く発生しておらず、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に複数の溝（第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂ）を形成した効果が確認された。また、発光領域１０４と最近接する第二溝１０２ｂから１００μｍ離れた位置におけるｐ型層（ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２クラッド層２０９、ｐ型ＧａＮガイド層２１０、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１１およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１２）の総層厚（設定：０．６７μｍ）を第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂのストライプの方向に沿ってＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いた観察により数十点測定し、その標準偏差を求めたところ０．００８μｍと非常にばらつきが少なかった。
【００５１】
一方、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に形成された溝の本数が１本であること以外は図６と同様の構成を有する窒化物半導体レーザ素子についても上記と同様にしてｐ型層の層厚を測定し、その標準偏差を求めたところ０．０３μｍ程度となり、本発明の場合と比べて層厚のばらつきが大きいことが確認された。このように層厚のばらつきは、窒化物半導体レーザ素子の特性のばらつきに直結するだけでなく、発光領域である導波路を進行するレーザ光の散乱を引き起こし、レーザ光のロスが生じるので好ましくない。しかし、本発明のように溝が複数形成された窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方に発光領域を位置させた場合には、窒化物半導体層にクラックが発生するのを抑制することができるだけでなく、素子の特性も安定化させることができる。
【００５２】
また、本発明においては、図７の模式的断面図に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上に３本の溝（第一溝１０２ａ、第二溝１０２ｂおよび第三溝１０２ｃ）からなる溝群を形成してもよい。ここで、第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとの間の間隔と、第二溝１０２ｂと第三溝１０２ｃとの間の間隔と、は同一であってもよく異なっていてもよい。また、これらの３本の溝の幅および深さも同一であってもよく、異なっていてもよい。たとえば、中央の第二溝１０２ｂの幅を広く、外側の第一溝１０２ａおよび第三溝１０２ｃの幅を狭くすることができる。
【００５３】
なお、上記においては、窒化物半導体レーザ素子の場合について説明したが、発光ダイオードのような発光素子においても発光領域の位置を窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方のみに制限することで本発明の効果が得られる。また、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor；電界効果型トランジスタ）やＨＢＴ（Hetero-junction Bipolar Transistor；ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）などの電子デバイスの能動領域を上記の発光領域と同様の位置に設置することによって本発明の効果が得られる。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、複数の溝が形成された窒化物半導体基板の表面の溝領域以外の平坦領域の上方に発光領域を位置させているので、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子を提供することができる。また、このような構成の窒化物半導体発光素子はその製造歩留まりが良好である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に用いられる窒化物半導体基板の一例の模式的な平面図である。
【図２】本発明に用いられる窒化物半導体基板の表面に形成された１つの溝群の一例の模式的な拡大断面図である。
【図３】本発明における発光領域の位置を規定する方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図４】本発明における発光領域の位置を規定する方法の他の一例を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明の窒化物半導体レーザ素子が複数含まれているウエハの一部の一例の模式的な断面図である。
【図６】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体レーザ素子が複数含まれているウエハの一部の他の一例の模式的な断面図である。
【図８】従来において、エピタキシャル成長した窒化物半導体層に層厚のばらつきが生じている状況を図解するための模式的な平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ａ 第一溝、１０２ｂ 第二溝、１０３ 窒化物半導体層、１０４ 発光領域、１０５ 平坦領域、１０６ 溝領域、２０３ ｎ型ＧａＮ層、２０４ ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層、２０５ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層、２０６ ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層、２０７ ｎ型ＧａＮガイド層、２０８ 発光層、２０９ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２クラッド層、２１０ ｐ型ＧａＮガイド層、２１１ ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層、２１２ ｐ型ＧａＮコンタクト層、２１３ 絶縁層、２１４ ｐ電極、２１５ ｎ電極、４０１ ウエハ、４０２ 溝、４０３ 領域、４０４ 光導波路、４０５ モフォロジー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮまたはこれらの混晶などからなる窒化物半導体材料を用いて、紫外から可視領域の光を発光する窒化物半導体レーザ素子や発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子の研究および開発が盛んに行なわれている。
【０００３】
このような窒化物半導体発光素子に用いられる基板としては、従来、サファイア基板が多く用いられてきた。しかしながら、窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体結晶には特に高品質のものが求められることから、近年、窒化物半導体発光素子に用いられる基板として窒化物半導体結晶と格子定数差のより小さいＧａＮ基板を用いることが検討されている。
【０００４】
たとえば、非特許文献１には、ＧａＮ基板を用いた窒化物半導体レーザ素子が開示されている。この窒化物半導体レーザ素子は以下のようにして製造される。まず、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、サファイア基板上に２．０μｍの厚みの下地ＧａＮ層を成長させる。次に、この下地ＧａＮ層上に０．１μｍの厚みの周期的なストライプ状の開口部を有するＳｉＯ2からなるマスクパターンを形成する。そして、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、２０μｍの厚みのＧａＮ層を形成することによりウエハが得られる。これは、ＥＬＯＧ（Epitaxially Lateral Over-Grown）と呼ばれる技術であり、ＧａＮ結晶のラテラル成長の利用により、成長したＧａＮ層中の欠陥を低減する手法である。
【０００５】
そして、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法を用いて２００μｍの厚みのＧａＮ層を形成した後、サファイア基板などが除去されて約１５０μｍの厚みのＧａＮ基板が得られ、ＧａＮ基板の表面が平坦に研磨される。このＧａＮ基板の欠陥密度は１０6ｃｍ-2以下であって、かなり低いことが知られている。続いて、ＭＯＣＶＤ法により、この平坦に研磨されたＧａＮ基板の表面上に窒化物半導体層が順次積層され、窒化物半導体レーザ素子が製造される。
【非特許文献１】Applied Physics Letters, Vol.73, No.6, 1998, pp.832-834
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の非特許文献１に記載されているような方法を始めとして、低い欠陥密度を有するＧａＮ基板を得る技術は開発されてきている。しかしながら、ＭＯＣＶＤ法などによりこのようなＧａＮ基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させて窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子を製造する技術を実用化するには問題が存在する。それは、ＭＯＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長させた窒化物半導体層にクラックが多数（たとえば、１ｍｍ幅に数本以上）発生するという問題である。
【０００７】
たとえば、このようなクラックが多数発生している窒化物半導体層を用いた窒化物半導体レーザ素子においては、レーザ光が発振しなかったり、たとえレーザ光が発振しても窒化物半導体レーザ素子の寿命が極めて短いという問題があった。このようなクラックの発生は、Ａｌを含む窒化物半導体結晶を用いた窒化物半導体レーザ素子において特に顕著であり、窒化物半導体レーザ素子には通常Ａｌを含む窒化物半導体層を用いるので、クラックの発生を防止することは非常に重要であった。
【０００８】
そこで、クラックの発生を防止させる方法として、ＧａＮなどの窒化物半導体基板の表面に１本のストライプ状の溝を周期的に形成し、この溝が形成された窒化物半導体基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法が考えられる。しかしながら、この方法ではクラックの発生を抑制することができるものの、窒化物半導体基板の表面上にエピタキシャル成長した窒化物半導体層に層厚のばらつきが発生するという問題があった。
【０００９】
図８は、この状況を図解するための模式的な平面図である。ここでは、１つの窒化物半導体レーザ素子について１本の溝４０２が形成されるように構成されたＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、複数の異なる組成を有する窒化物半導体層（たとえば全層厚５μｍ）をエピタキシャル成長させたウエハ４０１が示されている。そして、溝４０２の近傍の領域４０３には窒化物半導体レーザ素子のストライプ状の光導波路４０４が形成されている。ここで、隣り合う溝４０２同士の間の間隔Ｐは１００μｍ以上１０００μｍ以下である。
【００１０】
このウエハ４０１の表面を光学顕微鏡で観察してみると、図８に示すような波線状のモフォロジー４０５が観察される。これは、溝４０２の近傍の領域４０３における窒化物半導体結晶の状態が溝４０２の影響を受けているためと考えられる。このようなモフォロジー４０５が観察される箇所に相当する箇所に光導波路４０４が設置された窒化物半導体レーザ素子においては、光導波路４０４に沿った層厚のばらつきにより、発振するレーザ光の輝度、発振効率、波長または発振閾値電流などの特性にばらつきが生じるだけでなく、窒化物半導体レーザ素子ごとの特性にもばらつきが生じてしまうため、信頼性が良好でないという問題があった。
【００１１】
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層と、を含み、窒化物半導体基板の表面は、複数の溝が形成されている溝領域と溝領域以外の平坦領域とを有しており、平坦領域の上方に発光層中の発光領域が位置している窒化物半導体発光素子である。
【００１３】
本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の窒化物半導体発光素子においては、発光領域が窒化物半導体基板の表面における溝領域と平坦領域との境界から平坦領域側に２０μｍ以上離れた領域の上方に位置していることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の窒化物半導体発光素子は窒化物半導体レーザ素子であって、発光領域が光導波路であり得る。
【００１８】
また、本発明は、上記の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、複数の溝が形成されている溝領域と溝領域以外の平坦領域とを有する窒化物半導体基板の表面上にｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層を形成する工程と、窒化物半導体基板の表面における平坦領域の上方に発光層中の発光領域を位置させる工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１９】
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、窒化物半導体基板の表面上における溝領域が形成される周期が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、平坦領域の幅が２００μｍ以上９００μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合には、その指数の絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書ではそのような表記はできないので、その指数の絶対値の前に「−」を付して負の指数を表わすものとする。また、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００２６】
（窒化物半導体基板）
本発明に用いられる窒化物半導体基板の材質は、窒素を含む半導体結晶であれば特に限定はされず、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮなどが用いられる。また、本発明に用いられる窒化物半導体基板としては、サファイア基板や窒化物半導体基板上に窒化物半導体層が形成された多層の基板を用いてもよく、この多層の基板からサファイア基板や窒化物半導体基板などの下地が除去された後のフリースタンディングの窒化物半導体基板を用いてもよい。
【００２７】
（溝領域、平坦領域）
図１の模式的平面図に、本発明に用いられる窒化物半導体基板の一例を示す。この窒化物半導体基板の表面には、１つの窒化物半導体発光素子について形成される複数の溝が１つの溝群ａを構成して、複数の溝群ａが周期的に形成されている。この１つの溝群ａの両端にある溝の最も外側の端同士の間の窒化物半導体基板の表面の領域を溝領域といい、それ以外の領域を平坦領域という。なお、図１において、溝領域は参照符号１０６で示される領域であり、平坦領域は参照符号１０５で示される領域である。
【００２８】
このように従来の図８に示すような１本の溝を周期的に形成するのではなく、図１に示すように複数の溝からなる溝群を周期的に形成することによって、窒化物半導体基板の表面上に成長する窒化物半導体層に生じるクラックを低減できるだけでなく、平坦領域の上方に成長する窒化物半導体層の層厚のばらつきも低減することができる。
【００２９】
また、平坦領域の上方に発光領域を容易に位置させる観点からは、溝領域１０６の幅Ｄ１は、平坦領域１０５の幅Ｄ２の１／２以下であることが好ましく、１／３であることがより好ましい。また、歩留まり良く窒化物半導体発光素子を歩留まり良く製造する観点からは、平坦領域１０５の幅Ｄ２は、１００μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
（溝）
図２の模式的拡大断面図に、窒化物半導体基板の表面に形成された１つの溝群の一例を示す。溝群を構成する溝の形状は特に限定されないが、ストライプ状であることが好ましい。溝がストライプ状に形成されている場合には、格子定数差および熱膨張係数差に起因する応力を伴う窒化物半導体層の成長の会合を窒化物半導体基板の表面上の広い範囲にわたって抑制することができるため、窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方に成長する窒化物半導体層の平坦性をより向上させることができる傾向にある。
【００３１】
また、１つの溝群中における隣り合う溝と溝との間の間隔ｆ１、ｆ２は１μｍ以上１００μｍ未満であることが好ましい。一般的に、溝の形成による窒化物半導体層の平坦性を向上させる効果は溝からの距離に依存するが、溝の間隔ｆ１、ｆ２を１μｍ以上１００μｍ未満とすることで平坦領域を広範囲にすることができる。これにより、発光領域の位置を規定することが容易になるため、窒化物半導体発光素子の製造歩留まりを向上させることができる。なお、隣り合う溝同士の間隔ｆ１、ｆ２は同一であってもよく、異なっていてもよい。
【００３２】
また、それぞれの溝の幅ｄは３μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。溝の幅ｄが３μｍ未満である場合には窒化物半導体層の成長の初期に溝が埋まってしまって窒化物半導体層の平坦性を向上させることができない傾向にあり、溝の幅が２０μｍよりも広い場合には窒化物半導体基板の表面の平坦領域が狭くなって平坦領域の上方に発光領域を位置させることが困難になるため、窒化物半導体発光素子の製造歩留まりが低下する傾向にある。
【００３３】
また、それぞれの溝の深さｈは２μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。溝の深さが２μｍ未満である場合には窒化物半導体層の成長の初期に溝が埋まってしまう傾向にあり、溝の深さｈが２μｍ以上である場合にはクラックを有効に防止することができる傾向にある。他方、溝が深すぎる場合には、溝を形成するのが困難となり、窒化物半導体基板の機械的強度も低下してしまうので、溝の深さｈは１０μｍ以下とすることが好ましい。なお、それぞれの溝の幅ｄおよび深さｈは同一であってもよく、溝ごとに異なっていてもよい。
【００３４】
また、窒化物半導体基板の表面上に形成される１つの溝群を構成する溝の本数は２本以上４本以下とすることが好ましい。溝の本数が２本未満である場合、すなわち１本である場合には平坦領域における窒化物半導体層の層厚のばらつきが大きくなる傾向にある。これは、窒化物半導体層の形成時に、１本の溝を挟んで隣接する第１の平坦領域と第２の平坦領域との間でマイグレーションによって原子が往来するため、溝を越えてくる原子によってこれらの平坦領域における窒化物半導体層の層厚が影響されることによるものである。ここで、溝はエッチングなどにより形成されているので、溝の形成プロセス上の変動により、溝は場所によって表面状態が異なる。そして、原子のマイグレーションは溝の表面状態に非常に敏感であるため、溝を越えてくる原子の存在確率は平坦領域内においてばらついてしまう。これにより、溝の本数が１本である場合には窒化物半導体層の層厚のばらつきが大きくなってしまうものと考えられる。しかしながら、２本以上の溝からなる溝群を形成することによって窒化物半導体層の形成時に溝を越えてくる原子が大幅に減少するため、平坦領域における窒化物半導体層の層厚のばらつきを低減することができる。他方、１つの溝群を構成する溝の本数を４本よりも多くしても平坦領域における窒化物半導体層の層厚のばらつきを低減する効果が４本の場合と変わらないため、１つの溝群を構成する溝の本数は２本以上４本以下とすることが好ましい。
【００３５】
（窒化物半導体層）
上記のように複数の溝からなる溝群が周期的に形成されている窒化物半導体基板の表面上には窒化物半導体層が形成される。ここで、窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含んでおり、窒化物半導体層の材質としては窒素を含む半導体結晶であれば特に限定されず、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮなどが用いられる。また、窒化物半導体層の形成方法も特に限定されず、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシー）法などが用いられる。
【００３６】
本発明に用いられるｎ型窒化物半導体層は上記の窒化物半導体層にｎ型不純物がドープされた層のことであり、ｐ型窒化物半導体層は上記の窒化物半導体層にｐ型不純物がドープされた層のことである。
【００３７】
また、本発明に用いられる発光層は、１以上の量子井戸層またはそれと交互に積層された１以上の障壁層とを含んでおり、発光作用を生じさせる層のことである。発光層としては、たとえばＳＱＷ（Single Quantum Well；単一量子井戸）構造またはＭＱＷ（Multi Quantum Well；多重量子井戸）構造の発光層が用いられる。ＳＱＷ構造の発光層は１つの井戸層を含み、ＭＱＷ構造の発光層は複数の井戸層を含んでいる。
【００３８】
（発光領域）
本発明における発光領域は、ｎ型窒化物半導体層またはｐ型窒化物半導体層を介して実質的に電流が注入される発光層中の領域のことである。ここで、本発明における発光領域の位置は窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方の領域であるが、発光領域のすべてが窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方の領域に含まれている必要がある。
【００３９】
本発明における発光層中における発光領域の位置は、たとえばリッジストライプ部を有する窒化物半導体レーザ素子の場合には、図３の模式的断面図に示すように、リッジストライプ部Ｒｓの下方の発光層中の領域に規定され、発光領域の幅はリッジストライプ部Ｒｓの幅ｋと同一になる。また、電流狭窄層を有する窒化物半導体レーザ素子の場合には、図４の模式的断面図に示すように、２つの電流阻止層の間の下方の発光層中の領域に規定され、発光領域の幅は２つの電流阻止層の間の幅ｍと同一になる。
【００４０】
本発明における発光領域は、上記の窒化物半導体基板の表面における溝領域と平坦領域との境界から平坦領域側に２０μｍ以上離れた領域の上方に位置していることが好ましく、その境界から平坦領域側に１００μｍ以上離れた領域の上方に位置していることがより好ましい。この場合には、発光領域が溝の形成による窒化物半導体層の層厚のばらつきによる影響をさらに受けにくくなり、より窒化物半導体発光素子の特性が安定する傾向にある。
【００４１】
（実施の形態）
図５の模式的断面図に、本発明の窒化物半導体レーザ素子が複数含まれているウエハの一部の一例を示す。ここで、ｎ型ＧａＮ基板１０１には、ストライプ状の第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとが近接して互いに平行に形成されている。このような第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとが形成されている溝領域１０６がｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に所定の間隔をあけて周期的に形成されている。
【００４２】
また、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にはエピタキシャル成長したｎ型窒化物半導体層、発光層およびｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体層１０３が形成されている。そして、図５には、窒化物半導体レーザ素子から発振されるレーザ光の光導波路である発光領域１０４の位置が示されている。
【００４３】
なお、図５においては、説明の便宜上、第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとからなる１つの溝群と１つの発光領域しか記載されていないが、実際には溝群と発光領域とは図５に示す位置関係で１つのウエハにそれぞれ複数形成されている。
【００４４】
ここで、図５に示すように、窒化物半導体レーザ素子の光導波路である発光領域１０４は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の溝領域１０６以外の領域である平坦領域１０５の上方に位置している。溝領域１０６および溝領域１０６の上方においては様々な方向から窒化物半導体層１０３の成長が進むため層厚にばらつきが生じる。したがって、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の溝領域１０６の上方に発光領域１０４を位置させた場合には、この層厚のばらつきにより発光領域１０４が影響を受けるため窒化物半導体レーザ素子の特性にもばらつきが生じる。一方、窒化物半導体層１０３の成長の際に生じる格子定数差や熱膨張係数差に起因する応力は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の溝領域１０６および溝領域１０６の上方の領域において吸収されるため、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の平坦領域１０５の上方の領域における層厚のばらつきが非常に少ない。したがって、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面の平坦領域１０５の上方に発光領域１０４を位置させた場合には、層厚のばらつきによる影響が少ないため、窒化物半導体レーザ素子の特性が安定する。また、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂが形成されていることによって、エピタキシャル成長した窒化物半導体層１０３のクラックの発生を抑制することができるため、窒化物半導体レーザ素子の寿命を向上させることができる。したがって、本発明においては、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体レーザ素子が歩留まり良く得られるのである。
【００４５】
図５に示すウエハは、たとえば以下のようにして作製される。まず、表面が平坦なｎ型ＧａＮ基板が用意される。ここで、ｎ型ＧａＮ基板は、たとえば非特許文献１に記載の方法などを利用した従来から公知の方法によって作製される。ここで、表面が平坦なｎ型ＧａＮ基板としてはその表面全体がほぼ均一な欠陥密度を有しているものを用いることが好ましい。次に、このｎ型ＧａＮ基板の表面全体にたとえばＳｉＯ2膜を厚さ１μｍでスパッタリング法などを用いて蒸着させる。その後、一般的なフォトリソグラフィ工程によって、ｎ型ＧａＮ基板の表面の[１−１００]方向にストライプ状の２本の開口部が周期的に形成されたレジストを形成する。ここで、レジストのそれぞれの開口部の幅は５μｍであり、それぞれの開口部の間の間隔は８０μｍである。また、これらの２本の開口部は３００〜４００μｍの周期でレジストに配置されており、これらの開口部は互いに平行となっている。
【００４６】
そして、ＩＣＰ（Induction Coupling Plasma）エッチングまたはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）エッチングなどにより、ＳｉＯ2膜の全部およびｎ型ＧａＮ基板の一部が除去されて、ｎ型ＧａＮ基板の表面に深さ５μｍの第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとからなる溝群が形成される。ここでは、第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂは、ｎ型ＧａＮ基板の表面の[１−１００]方向に形成されているが、たとえば[１１−２０]方向に形成されてもよく、特に第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂの形成方向については限定されない。
【００４７】
その後、このｎ型ＧａＮ基板上に残っているレジストおよびＳｉＯ2膜を除去することによって、図５に示すｎ型ＧａＮ基板１０１が得られる。そして、第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂが形成されたｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上にＭＯＣＶＤ法などを用いて窒化物半導体層１０３をエピタキシャル成長させ、さらに発光領域１０４の位置を上記のように規定することによって、図５に示すウエハが形成される。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１および窒化物半導体層１０３の一部に電極が形成された後、このウエハを分割することによって、本発明の窒化物半導体レーザ素子を複数得ることができる。
【００４８】
図６に、上記のようにして得られた本発明の窒化物半導体レーザ素子のより詳細な構造を示す模式的な断面図を示す。この窒化物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上に層厚１．０μｍのｎ型ＧａＮ層２０３、層厚１．５μｍのｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２０４、層厚０．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層２０５、層厚０．１μｍのｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層２０６、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層２０７、層厚８ｎｍのＧａＮ層とこのＧａＮ層上に形成された層厚４ｎｍのＩｎＧａＮ層とからなる層が３層積層されてなるＭＱＷ構造の発光層２０８、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２クラッド層２０９、層厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮガイド層２１０、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１１および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層２１２が順次形成された構造を有している。
【００４９】
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１２上にはｐ電極２１４が形成されており、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極２１５が形成されている。また、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１１およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１２の一部がエッチングにより除去されてリッジストライプ部Ｒｓが形成されており、そのリッジストライプ部Ｒｓの幅から発光層２０８中における発光領域１０４の位置が規定される。なお、リッジストライプ部Ｒｓの形成に必要なエッチング量は１μｍ程度以下であり、またリッジストライプ部Ｒｓの幅は、単一横モードのレーザ光を発振させるためには０．５〜３μｍ程度にすることができ、多モードのレーザ光を発振させるためには２〜２００μｍ程度とすることができる。ここで、窒化物半導体レーザ素子の特性を安定させる観点からは、図６に示す平坦領域１０５の幅が２００μｍ以上９００μｍ以下であることが好ましい。
【００５０】
図６に示す構成の窒化物半導体レーザ素子においては、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に形成された窒化物半導体層にはクラックが全く発生しておらず、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に複数の溝（第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂ）を形成した効果が確認された。また、発光領域１０４と最近接する第二溝１０２ｂから１００μｍ離れた位置におけるｐ型層（ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２クラッド層２０９、ｐ型ＧａＮガイド層２１０、ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層２１１およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１２）の総層厚（設定：０．６７μｍ）を第一溝１０２ａおよび第二溝１０２ｂのストライプの方向に沿ってＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いた観察により数十点測定し、その標準偏差を求めたところ０．００８μｍと非常にばらつきが少なかった。
【００５１】
一方、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面に形成された溝の本数が１本であること以外は図６と同様の構成を有する窒化物半導体レーザ素子についても上記と同様にしてｐ型層の層厚を測定し、その標準偏差を求めたところ０．０３μｍ程度となり、本発明の場合と比べて層厚のばらつきが大きいことが確認された。このように層厚のばらつきは、窒化物半導体レーザ素子の特性のばらつきに直結するだけでなく、発光領域である導波路を進行するレーザ光の散乱を引き起こし、レーザ光のロスが生じるので好ましくない。しかし、本発明のように溝が複数形成された窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方に発光領域を位置させた場合には、窒化物半導体層にクラックが発生するのを抑制することができるだけでなく、素子の特性も安定化させることができる。
【００５２】
また、本発明においては、図７の模式的断面図に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面上に３本の溝（第一溝１０２ａ、第二溝１０２ｂおよび第三溝１０２ｃ）からなる溝群を形成してもよい。ここで、第一溝１０２ａと第二溝１０２ｂとの間の間隔と、第二溝１０２ｂと第三溝１０２ｃとの間の間隔と、は同一であってもよく異なっていてもよい。また、これらの３本の溝の幅および深さも同一であってもよく、異なっていてもよい。たとえば、中央の第二溝１０２ｂの幅を広く、外側の第一溝１０２ａおよび第三溝１０２ｃの幅を狭くすることができる。
【００５３】
なお、上記においては、窒化物半導体レーザ素子の場合について説明したが、発光ダイオードのような発光素子においても発光領域の位置を窒化物半導体基板の表面の平坦領域の上方のみに制限することで本発明の効果が得られる。また、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor；電界効果型トランジスタ）やＨＢＴ（Hetero-junction Bipolar Transistor；ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）などの電子デバイスの能動領域を上記の発光領域と同様の位置に設置することによって本発明の効果が得られる。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明によれば、複数の溝が形成された窒化物半導体基板の表面の溝領域以外の平坦領域の上方に発光領域を位置させているので、長寿命であって信頼性に優れた窒化物半導体発光素子を提供することができる。また、このような構成の窒化物半導体発光素子はその製造歩留まりが良好である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に用いられる窒化物半導体基板の一例の模式的な平面図である。
【図２】本発明に用いられる窒化物半導体基板の表面に形成された１つの溝群の一例の模式的な拡大断面図である。
【図３】本発明における発光領域の位置を規定する方法の一例を図解する模式的な断面図である。
【図４】本発明における発光領域の位置を規定する方法の他の一例を図解する模式的な断面図である。
【図５】本発明の窒化物半導体レーザ素子が複数含まれているウエハの一部の一例の模式的な断面図である。
【図６】本発明の窒化物半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図である。
【図７】本発明の窒化物半導体レーザ素子が複数含まれているウエハの一部の他の一例の模式的な断面図である。
【図８】従来において、エピタキシャル成長した窒化物半導体層に層厚のばらつきが生じている状況を図解するための模式的な平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１ ｎ型ＧａＮ基板、１０２ａ 第一溝、１０２ｂ 第二溝、１０３ 窒化物半導体層、１０４ 発光領域、１０５ 平坦領域、１０６ 溝領域、２０３ ｎ型ＧａＮ層、２０４ ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層、２０５ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層、２０６ ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層、２０７ ｎ型ＧａＮガイド層、２０８ 発光層、２０９ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ第２クラッド層、２１０ ｐ型ＧａＮガイド層、２１１ ｐ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層、２１２ ｐ型ＧａＮコンタクト層、２１３ 絶縁層、２１４ ｐ電極、２１５ ｎ電極、４０１ ウエハ、４０２ 溝、４０３ 領域、４０４ 光導波路、４０５ モフォロジー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層と、を含み、前記窒化物半導体基板の表面は、複数の溝が形成されている溝領域と前記溝領域以外の平坦領域とを有しており、前記平坦領域の上方に前記発光層中の発光領域が位置していることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光領域が前記窒化物半導体基板の表面における前記溝領域と前記平坦領域との境界から前記平坦領域側に２０μｍ以上離れた領域の上方に位置していることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体発光素子は窒化物半導体レーザ素子であって、前記発光領域が光導波路であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、複数の溝が形成されている溝領域と前記溝領域以外の平坦領域とを有する窒化物半導体基板の表面上にｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体基板の表面における前記平坦領域の上方に前記発光層中の発光領域を位置させる工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることを特徴とする、請求項７から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化物半導体基板の表面上における前記溝領域が形成される周期が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする、請求項７から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記平坦領域の幅が２００μｍ以上９００μｍ以下であることを特徴とする、請求項７から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層と、を含み、前記窒化物半導体基板の表面は、複数の溝が形成されている溝領域と前記溝領域以外の平坦領域とを有しており、前記平坦領域の上方に前記発光層中の発光領域が位置していることを特徴とする、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光領域が前記窒化物半導体基板の表面における前記溝領域と前記平坦領域との境界から前記平坦領域側に２０μｍ以上離れた領域の上方に位置していることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体発光素子は窒化物半導体レーザ素子であって、前記発光領域が光導波路であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、複数の溝が形成されている溝領域と前記溝領域以外の平坦領域とを有する窒化物半導体基板の表面上にｎ型窒化物半導体層と発光層とｐ型窒化物半導体層とを含む窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体基板の表面における前記平坦領域の上方に前記発光層中の発光領域を位置させる工程と、を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記複数の溝を構成するそれぞれの溝が互いに平行に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記複数の溝が、平行する２本以上４本以下の溝から構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記複数の溝を構成する隣り合う溝同士の間の間隔が１μｍ以上１００μｍ未満であることを特徴とする、請求項７から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化物半導体基板の表面上における前記溝領域が形成される周期が１００μｍ以上１０００μｍ以下であることを特徴とする、請求項７から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記平坦領域の幅が２００μｍ以上９００μｍ以下であることを特徴とする、請求項７から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−６６５８３（Ｐ２００６−６６５８３Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４６４６７（Ｐ２００４−２４６４６７）
【出願日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２６日（２００４．８．２６）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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