JP2002111131A

JP2002111131A - 半導体発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2002111131A
Application number: JP2000296190A
Authority: JP
Inventors: Motonobu Takeya; 元伸竹谷
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-12

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた
半導体発光素子の低消費電力化、長寿命化および信頼性
の向上を図る。【解決手段】サファイア基板などの基板１上に山形に
ｎ型クラッド層４を成長させ、その上に活性層６を含む
複数の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を山形に成
長させて発光素子構造を形成する。このとき、上層ほど
山の頂点の角度が大きくなるように成長条件を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体発光素子
およびその製造方法に関し、例えば、窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザに適用して好適
なものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ディスクの高密度化に必要であ
る青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体
レーザとして、ＡｌＧａＩｎＮなどの窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザの研究開発が盛
んに行われている。

【０００３】しかしながら、現状の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体を用いた半導体レーザは、発振電圧、閾
値電流とも高く、消費電力が高いため、発振電圧、閾値
電流を低減し、消費電力を低減することが望まれてい
る。ここで、発振電圧が高い原因としては、ｐ型層にド
ープされるｐ型不純物の活性化率が低く、抵抗率が高い
ことが挙げられる。

【０００４】閾値電流の低減には電流狭窄が有効である
が、電流狭窄を行うとｐ型層とｐ側電極との接触面積が
小さくなるため、接触抵抗が増大し、発振電圧を増大さ
せてしまう。ｐ型層とｐ側電極との接触面積を十分に大
きく保ったまま、実質的な閾値電流密度を低下させるこ
とができれば、閾値電流が低下し、発振電圧も低下させ
ることができる。また、その分、消費電力が低下するた
め、発熱量が減少し、半導体レーザの長寿命化に寄与す
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
で、ｐ型層とｐ側電極との接触面積を十分に大きく保っ
たまま実質的な閾値電流密度を低下させる有効な方策は
提案されておらず、したがって消費電力の低減を図るこ
とは困難であった。

【０００６】したがって、この発明が解決しようとする
課題は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半
導体発光素子の消費電力の低減を図ることである。この
発明が解決しようとする他の課題は、窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子の長寿命化お
よび信頼性の向上を図ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明の第１の発明は、活性層およびこの活性層
を挟む一対のクラッド層を含む発光素子構造を形成する
複数の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が基板上に
積層された半導体発光素子において、基板と活性層との
間にある少なくとも一層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層が山形に形成されていることを特徴とするもの
である。

【０００８】ここで、「山形」とは、頂点が尖った断面
形状を有することを意味するものとし、頂部が平坦な台
形状のものは除外されるものとする（以下同様）。「山
形」は「切妻状」と言い換えることもできる。

【０００９】基板と活性層との間にある少なくとも一層
の山形の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、基本
的にはどの層であってもよいが、最も典型的には、基板
と活性層との間にあるクラッド層が山形に形成される。
そして、この山形のクラッド層の上層の窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層も、山形に形成される。この場
合、これらの層の頂点の角度は互いに同一か、または、
上層ほど大きくなる。ここで、これらの層の頂点の角度
の制御は、これらの層の成長条件、例えば圧力、温度、
成長速度などの制御により行うことができる。この山形
のクラッド層は、例えば、その下地の窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層に形成された凸状のストライプ部、
基板上に形成された窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
からなるストライプ部、あるいは、基板上に形成された
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に形成された成
長マスクのストライプ状の開口部における窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層の上に三角柱状に形成される。
ストライプ部の幅は必要に応じて決定されるが、一般的
には１〜５μｍ、典型的には２〜４μｍである。山形層
を形成する下地の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
としては、例えばＡｌ _xＧａ_1-xＮ（ただし、０≦ｘ＜
１）層を用いることができる。ストライプ部は、典型的
には〈１１−２０〉方向または〈１−１００〉方向に延
在させる。山形のクラッド層は典型的にはｎ型クラッド
層である。典型的には、最上層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層はコンタクト層、特にｐ型コンタクト層
であり、その上に電極、特にｐ側電極が形成される。ま
た、山形のクラッド層の上層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層の頂点の角度が上層ほど大きくなる場合、
活性層と最上層のコンタクト層上に形成される電極との
間の距離は場所により異なり、山形の頂点上で距離が最
も短くなる。

【００１０】この発明の第２の発明は、活性層およびこ
の活性層を挟む一対のクラッド層を含む発光素子構造を
形成する複数の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が
基板上に積層され、基板と活性層との間の少なくとも一
層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成
されている半導体発光素子の製造方法であって、基板上
に下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長さ
せ、その上面に凸状のストライプ部を形成する工程と、
ストライプ部の上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
層を山形に成長させる工程とを有することを特徴とする
ものである。

【００１１】この発明の第３の発明は、活性層およびこ
の活性層を挟む一対のクラッド層を含む発光素子構造を
形成する複数の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が
基板上に積層され、基板と活性層との間の少なくとも一
層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成
されている半導体発光素子の製造方法であって、基板上
に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるストライ
プ部を形成する工程と、ストライプ部の上に山形に窒化
物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを
有することを特徴とするものである。

【００１２】この発明の第４の発明は、活性層およびこ
の活性層を挟む一対のクラッド層を含む発光素子構造を
形成する複数の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が
基板上に積層され、基板と活性層との間の少なくとも一
層の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成
されている半導体発光素子の製造方法であって、基板上
に下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させ
る工程と、下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上
にストライプ状の開口部を有する成長マスクを形成する
工程と、成長マスクを用いて選択成長を行うことにより
ストライプ状の開口部における下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体層上に山形に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層を成長させる工程とを有することを特徴とす
るものである。

【００１３】この発明の第２、第３および第４の発明に
おいて、典型的には、ストライプ部あるいはストライプ
状の開口部を互いに平行に複数形成する。このストライ
プ部の幅は必要に応じて決定されるが、一般的には１〜
５μｍ、典型的には２〜４μｍである。また、ストライ
プ部あるいはストライプ状の開口部の間隔も必要に応じ
て決定されるが、典型的には２〜５００μｍである。こ
の間隔が十分に大きいとストライプ部あるいはストライ
プ状の開口部に形成される山形層は互いに分離して形成
されるが、この間隔が十分に狭いとストライプ部あるい
はストライプ状の開口部に形成される山形層は互いに連
続して形成される。ストライプ部は基板の端から端まで
延在して形成するのが一般的であるが、例えば個々の素
子サイズに応じた長さに分断して形成してもよく、具体
的には半導体レーザの場合にはその共振器長に対応した
長さ、例えば０．１〜１ｍｍとしてもよい。後者の場合
には、ストライプ部あるいはストライプ状の開口部に形
成される山形層も、これらのストライプ部あるいはスト
ライプ状の開口部と同じ長さに形成される。山形層を形
成する下地の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とし
ては、例えばＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ただし、０≦ｘ＜１）
層を用いることができる。ストライプ部は、典型的には
〈１１−２０〉方向または〈１−１００〉方向に延在さ
せる。

【００１４】この発明において、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体は、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢおよびＴｌから
なる群より選ばれた少なくとも一種類のＩＩＩ族元素
と、少なくともＮを含み、場合によってさらにＡｓまた
はＰを含むＶ族元素とからなる。この窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧ
ａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＩｎＮな
どである。また、基板としては、例えば、サファイア基
板、特にｃ面サファイア基板のほか、ＳｉＣ基板、Ｓｉ
基板、スピネル基板、ＧａＮ基板などの窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体基板などを用いることができる。半
導体発光素子は、典型的には半導体レーザであるが、発
光ダイオードであってもよい。

【００１５】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、基板と活性層との間にある少なくとも一層の窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成されている
ことにより、少なくとも活性層を含む上層の窒化物系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体層も山形となる。このように発
光素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体層が山形であると、素子動作時にｐ側電極とｎ側電極
との間に電圧を印加した場合に発生する電界は山の頂点
近傍に集中する傾向があるため、そこに電流が集中して
流れる。特に、山の頂点の角度が上層ほど大きくなる場
合には、発光素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層は山形の頂点で最も厚さが小さく、頂点
から離れるにしたがって厚さが小さくなるため、山の頂
点付近を通る経路が最も抵抗が低く、この経路に電流が
集中して流れる。これらの効果により、山の頂点に近づ
くほど電流密度が増大し、活性層に流れる電流密度が増
大する。すなわち、従来のような電流狭窄構造を作り込
まないでも、電流狭窄効果を得ることができる。このた
め、コンタクト層、特にｐ型層とそのコンタクト層上に
形成される電極、特にｐ側電極との接触面積を十分に大
きく保ったまま、実質的な閾値電流密度を低下させるこ
とができる。

【００１６】また、ストライプ部あるいはストライプ状
の開口部に山形に成長する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層の頂点が形成されると、頂点の上方に転位が伝
播しづらくなる。そのため、その上層の窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層の転位密度が小さくなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。

【００１８】図１はこの発明の第１の実施形態によるＧ
ａＮ系半導体レーザを示す。このＧａＮ系半導体レーザ
は、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）
構造を有するものである。

【００１９】図１に示すように、この第１の実施形態に
よるＧａＮ系半導体レーザにおいては、例えば厚さが４
００μｍのｃ面サファイア基板１上に、アンドープのＧ
ａＮバッファ層２を介して、ｎ型ＧａＮ層３が積層され
ている。このｎ型ＧａＮ層３の上面には、〈１１−２
０〉方向に延在し、長方形の断面形状を有するストライ
プ部３ａが設けられている。このストライプ部３ａおよ
びその両側の部分のｎ型ＧａＮ層３上にｎ型ＡｌＧａＮ
クラッド層４が積層されている。ここで、ストライプ部
３ａ上のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４は三角形の断面形
状の山形の形状を有し、〈１１−２０〉方向に延在する
三角柱状に形成されている。この三角柱状のｎ型ＡｌＧ
ａＮクラッド層４の両斜面は、基板面に対して例えば６
１．８〜６２°の角度をなす。

【００２０】ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４上に、ｎ型Ｇ
ａＮ光導波層５、例えばＧａ_1-xＩｎ_xＮ／Ｇａ_1-yＩ
ｎ_yＮ多重量子井戸構造の活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮキ
ャップ層７、ｐ型ＧａＮ光導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０が順次積
層されている。これらのｎ型ＧａＮ光導波層５、活性層
６、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層７、ｐ型ＧａＮ光導波層
８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９およびｐ型ＧａＮコン
タクト層１０は、いずれも、ストライプ部３ａ上の山形
のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４の頂点の上方に頂点を有
する山形の形状を有する。この場合、これらの山形のｎ
型ＧａＮ光導波層５、活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮキャッ
プ層７、ｐ型ＧａＮ光導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０の頂点の角度
（頂角）は、上層ほど大きくなっており、したがってこ
れらの層はその頂点に向かって徐々に薄くなり、頂点の
部分で最も薄くなっている。

【００２１】ＧａＮバッファ層２は厚さが例えば４０ｎ
ｍである。ストライプ部３ａ以外の部分のｎ型ＧａＮ層
３は厚さが例えば５．０μｍであり、ｎ型不純物として
例えばシリコン（Ｓｉ）が例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3程度
ドープされている。このｎ型ＧａＮ層３に形成されたス
トライプ部３ａの幅は例えば３μｍ、高さは例えば１μ
ｍである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４は厚さが例えば
１．５μｍ、Ａｌ組成が例えば０．０８であり、ｎ型不
純物として例えばＳｉがドープされている。ｎ型ＧａＮ
光導波層５は厚さが例えば０．１μｍであり、ｎ型不純
物として例えばＳｉがドープされている。Ｇａ_1-xＩｎ
_xＮ／Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ多重量子井戸構造の活性層６
は、例えば、障壁層であるＧａ_1-xＩｎ_xＮ層は厚さが
０．００７μｍ、Ｉｎ組成ｘは０．０２でｎ型不純物と
して例えばＳｉがドープされ、井戸層であるＧａ_1-yＩ
ｎ_yＮ層は厚さが０．００３５μｍ、Ｉｎ組成ｙは０．
１０でアンドープであり、井戸数は３である。

【００２２】ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層７は厚さが例え
ば０．０２μｍ、Ａｌ組成が例えば０．１５であり、ｐ
型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープさ
れている。このｐ型ＡｌＧａＮキャップ層７は、ｐ型Ｇ
ａＮ光導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９およびｐ
型ＧａＮコンタクト層１０の成長時に活性層６からＩｎ
が拡散して劣化するのを防止するため、および、活性層
６からのキャリアのオーバーフローを防止するためのも
のである。ｐ型ＧａＮ光導波層８は厚さが例えば０．１
μｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされ
ている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９はＡｌ組成が互い
に異なる上下２層からなり、下層は例えば厚さが０．０
５μｍ、Ａｌ組成が例えば０．０８、上層は例えば厚さ
が０．４μｍ、Ａｌ組成が例えば０．０６であり、いず
れもｐ型不純物として例えばＭｇがドープされている。
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０は厚さが例えば０．１μｍ
であり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされてい
る。

【００２３】ｐ型ＧａＮコンタクト層１０上にｐ側電極
１１が設けられている。このｐ側電極１１は、例えばＰ
ｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層したＰｄ／Ｐｔ／
Ａｕ構造を有し、これらのＰｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜
の厚さは例えばそれぞれ１０ｎｍ、１００ｎｍおよび３
００ｎｍである。ここで、Ｐｄ膜に代えて、例えばＮｉ
膜を用いてもよい。一方、レーザ共振器を構成するメサ
部に隣接する部分のｎ型ＧａＮ層３上にｎ側電極１２が
設けられている。このｎ側電極１２は、例えばＴｉ膜、
Ｐｔ膜およびＡｕ膜を順次積層したＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ構
造を有し、これらのＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜は例え
ばそれぞれ１０ｎｍ、５０ｎｍおよび１００ｎｍであ
る。

【００２４】次に、上述のように構成されたこの第１の
実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの製造方法につい
て説明する。

【００２５】このＧａＮ系半導体レーザを製造するに
は、まず、図２に示すように、あらかじめサーマルクリ
ーニングなどにより表面を清浄化したｃ面サファイア基
板１上にＭＯＣＶＤ法により例えば４９０℃程度の温度
および例えば１．６気圧（１２１６Ｔｏｒｒ）の圧力で
アンドープのＧａＮバッファ層２を成長させた後、基板
温度を所定の成長温度、例えば１０５０℃に上昇させ
て、ＭＯＣＶＤ法により例えば１．６気圧（１２１６Ｔ
ｏｒｒ）の圧力で、ＧａＮバッファ層２上にｎ型ＧａＮ
層３をエピタキシャル成長させる。なお、図２は図１と
縮尺が異なり、特に横方向の縮尺を図１に対して大幅に
縮小して描いたものである。

【００２６】次に、ｎ型ＧａＮ層３をエピタキシャル成
長させたｃ面サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置から取
り出した後、ｎ型ＧａＮ層３の上部をエッチングにより
パターニングして、〈１１−２０〉方向に延在する幅が
例えば３μｍのストライプ部３ａを〈１−１００〉方向
に例えば３００μｍの間隔で形成する。このエッチング
は、例えば１μｍの深さまで行う。ｎ型ＧａＮ層３の上
部のパターニングは、具体的には例えば次のような手順
で行うことができる。すなわち、ｎ型ＧａＮ層３の全面
に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法など
により例えば厚さが０．４μｍのＳｉＯ₂膜（図示せ
ず）を形成した後、このＳｉＯ₂膜上にリソグラフィー
により所定形状のレジストパターン（図示せず）を形成
し、このレジストパターンをマスクとして、例えばフッ
酸系のエッチング液を用いたウエットエッチング、また
は、ＣＦ₄やＣＨＦ₃などのフッ素を含むエッチングガ
スを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により
ＳｉＯ₂膜をエッチングすることによりＳｉＯ₂膜から
なるパターンの一次元アレイを形成する。次に、このＳ
ｉＯ₂膜からなるパターンをマスクとして例えばＲＩＥ
法またはウエットエッチング法によりｎ型ＧａＮ層３の
上部のエッチングを行う。エッチングにＲＩＥ法を用い
る場合、このＲＩＥのエッチングガスとしては例えばＣ
Ｆ₄などのフッ素系ガスまたは塩素系ガスを用いる。こ
の後、ＳｉＯ₂膜をエッチング除去する。

【００２７】次に、上述のようにしてストライプ部３ａ
を形成したｎ型ＧａＮ層３上に、ＭＯＣＶＤ法により、
例えば９９０℃の温度および例えば１．０気圧（７６０
Ｔｏｒｒ）の圧力で、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４をエ
ピタキシャル成長させる。この成長条件では、このｎ型
ＡｌＧａＮクラッド層４は、ｎ型ＧａＮ層３のストライ
プ部３ａ上では三角柱状に成長し、ストライプ部３ａの
外側の部分ではこれに連なってほぼ平坦に成長する。こ
の様子を図３に図１と同じ縮尺で示す。

【００２８】次に、図１に示すように、上述のようにし
て山形に成長したｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４上に、ｎ
型ＧａＮ光導波層５、活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮキャッ
プ層７、ｐ型ＧａＮ光導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０をＭＯＣＶＤ
法により順次エピタキシャル成長させる。これらのｎ型
ＧａＮ光導波層５、活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ
層７、ｐ型ＧａＮ光導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド
層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０は、ストライプ
部３ａの頂点の上方に頂点を有する山形に成長する。

【００２９】ここで、これらの層の成長温度は、ｎ型Ｇ
ａＮ光導波層５は例えば９９０℃、活性層６およびｐ型
ＡｌＧａＮキャップ層７は例えば７８０℃、ｐ型ＧａＮ
光導波層８は例えば８６０℃、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド
層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０は例えば９９０
℃とする。また、これらの層の成長圧力は、ｎ型ＧａＮ
光導波層５、活性層６およびｐ型ＡｌＧａＮキャップ層
７は１．０気圧（７６０Ｔｏｒｒ）、ｐ型ＧａＮ光導波
層８は０．６６気圧（５００Ｔｏｒｒ）、ｐ型ＡｌＧａ
Ｎクラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０は
０．２６気圧（２００Ｔｏｒｒ）とする。ここで、上層
ほど成長圧力を低くし、逆に成長温度は高くしているこ
とにより、上層ほど成長面上で原料分子がマイグレーシ
ョンしやすくなり、したがって上層ほど山形の頂点の角
度が大きくなる。

【００３０】また、以上のＧａＮ系半導体層の成長原料
は、例えば、ＩＩＩ族元素であるＧａの原料としてはト
リメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ、ＴＭＧ）を、Ｉ
ＩＩ族元素であるＡｌの原料としてはトリメチルアルミ
ニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ、ＴＭＡ）を、ＩＩＩ族元素
であるＩｎの原料としてはトリメチルインジウム（（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｉｎ、ＴＭＩ）を、Ｖ族元素であるＮの原料と
してはアンモニア（ＮＨ₃）を用いる。また、キャリア
ガスとしては、例えば、水素（Ｈ₂）と窒素（Ｎ₂）と
の混合ガスを用いる。ドーパントについては、ｎ型ドー
パントとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）を、ｐ型
ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジ
エニルマグネシウム（（ＣＨ₃Ｃ₅Ｈ₄）₂Ｍｇ）ある
いはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ₅
Ｈ₅）₂Ｍｇ）を用いる。

【００３１】次に、ＧａＮ系半導体層を成長させたｃ面
サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。次
に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の全面に例えばＣＶＤ
法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚
さが０．４μｍのＳｉＯ₂膜（図示せず）を形成した
後、このＳｉＯ₂膜上にリソグラフィーにより所定形状
のレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジス
トパターンをマスクとして、例えばフッ酸系のエッチン
グ液を用いたウエットエッチング、または、ＣＦ ₄やＣ
ＨＦ₃などのフッ素を含むエッチングガスを用いた反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりＳｉＯ₂膜をエ
ッチングし、所定幅のストライプ形状とする。次に、こ
のストライプ形状のＳｉＯ₂膜をマスクとして例えばＲ
ＩＥ法によりｎ型ＧａＮ層３が露出するまでエッチング
を行うことにより、図１に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ
クラッド層４、ｎ型ＧａＮ光導波層５、活性層６、ｐ型
ＡｌＧａＮキャップ層７、ｐ型ＧａＮ光導波層８、ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト層
１０をメサ形状にパターニングする。この後、エッチン
グマスクとして用いたＳｉＯ₂膜をエッチング除去す
る。

【００３２】次に、基板表面にリソグラフィーにより所
定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、真空
蒸着法などにより基板全面にＴｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ
膜を順次形成した後、レジストパターンをその上のＴｉ
膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフトオ
フ）。これによって、図１に示すように、メサ部に隣接
する部分のｎ型ＧａＮ層３上にｎ側電極１２が形成され
る。次に、ｎ側電極１２をｎ型ＧａＮ層３にオーミック
接触させるためのアロイ処理を行う。

【００３３】次に、基板表面にリソグラフィーにより所
定形状のレジストパターン（図示せず）を形成し、真空
蒸着法などにより基板全面に例えばＰｄ膜、Ｐｔ膜およ
びＡｕ膜を順次形成した後、レジストパターンをその上
のＰｄ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜とともに除去する（リフ
トオフ）。これによって、図１に示すように、ｐ側電極
１１がｐ型ＧａＮコンタクト層１０上に形成される。次
に、ｐ側電極１１をオーミック接触させるためのアロイ
処理を行う。

【００３４】次に、上述のようにしてレーザ構造が形成
されたｃ面サファイア基板１を裏面側から例えば厚さ１
００μｍ程度までラッピングした後、このレーザ構造が
形成されたｃ面サファイア基板１を劈開などにより〈１
１−２０〉方向に延在するバー状に加工して両共振器端
面を形成する。次に、このバーの両共振器端面に誘電体
多層膜を形成して端面コーティングを施す。この後、劈
開などによりバーをチップ化する。以上により、図１に
示すように、目的とするＳＣＨ構造のＧａＮ系半導体レ
ーザが製造される。

【００３５】この第１の実施形態によれば、次のような
種々の利点を得ることができる。すなわち、この第１の
実施形態においては、山形のｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４上に積層されたｎ型ＧａＮ光導波層５、活性層６、ｐ
型ＡｌＧａＮキャップ層７、ｐ型ＧａＮ光導波層８、ｐ
型ＡｌＧａＮクラッド層９およびｐ型ＧａＮコンタクト
層１０は山形の頂点の角度が上層ほど大きくなってお
り、それらの厚さは山形の頂点に向かって徐々に薄くな
り、それらの頂点の部分で最も薄くなっている。このた
め、ｐ側電極１１と活性層６との最短距離は山形の頂点
を通る経路となり、したがってｐ側電極１１とｎ側電極
１２との間の抵抗値は山形の頂点を通る経路で最も低く
なり、動作時に流れる電流はその付近に集中する。さら
に、ｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に電圧を印加し
たときに発生する電界は山形の頂点付近に集中すること
から、これによっても動作時に流れる電流は山形の頂点
を通る経路付近に集中する。この様子を図５に示す。こ
のため、低電流でレーザ発振に必要な電流密度を容易に
得ることができる。すなわち、従来のような電流狭窄構
造を作り込まないでも、したがってｐ型ＧａＮコンタク
ト層１０とｐ側電極１１との接触面積を十分に大きく保
ったまま、閾値電流密度の大幅な低減を図ることができ
る。

【００３６】また、このＧａＮ系半導体レーザにおいて
は、山形の頂点近傍の活性層６の上下左右がより低屈折
率のｎ型ＧａＮ光導波層５、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４、ｐ型ＧａＮ光導波層７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層６により囲まれた構造となっているので、光の閉じ
込め効率が増大し、それによって閾値電流密度がより低
減される。

【００３７】そして、上述のように閾値電流密度が大幅
に低減されることから、閾値電流の大幅な低減を図るこ
とができ、これによって消費電力の大幅な低減を図るこ
とができる。

【００３８】また、消費電力の低減により発熱量も減少
するため、寿命が長くなる。さらにまた、ｎ型ＧａＮ層
３のストライプ部３ａ上に山形にｎ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層４が成長し、頂点が形成されると、ｃ面サファイア
基板１との界面などから発生し、上層に伝播する転位は
その頂点より上に成長しにくくなることから（図７参
照）、その上に成長させるＧａＮ系半導体層、とりわけ
活性層６を低転位密度とすることができ、したがって上
述の消費電力の低減による発熱量の減少と相まって、Ｇ
ａＮ系半導体レーザの長寿命化および信頼性の向上を図
ることができる。

【００３９】また、このＧａＮ系半導体レーザにおいて
は、山形の頂点付近の活性層６に集中して電流が流れる
ため、活性層６の実質的な幅が極めて狭いことから、遠
視野像（ＦＦＰ）はほぼ円形に近い良好な形となる。

【００４０】次に、この発明の第２の実施形態によるＧ
ａＮ系半導体レーザについて説明する。

【００４１】この第２の実施形態によるＧａＮ系半導体
レーザにおいては、レーザ構造を形成する窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層の成長に用いる下地基板とし
て、図７に示すようなものを用いる。すなわち、図７に
示すように、ｃ面サファイア基板１上にＧａＮバッファ
層２を介してｎ型ＧａＮ層３を成長させ、このｎ型Ｇａ
Ｎ層３をエッチングによりパターニングして〈１１−２
０〉方向に延在するストライプ形状とする。この場合、
ｎ型ＧａＮ層３の厚さ、したがってストライプ部の高さ
は例えば１μｍ、ストライプ部の幅は例えば３μｍ、ス
トライプ部の〈１−１００〉方向の間隔は例えば３μｍ
とする。このようにしてｎ型ＧａＮ層３からなるストラ
イプ部が形成された基板上に、第１の実施形態と同様に
してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４を山形に成長させる。
この場合、ストライプ部の間隔が狭いため、このｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層４は基板面内で連続に成長する。

【００４２】このようにして製造された下地基板上に、
第１の実施形態と同様にして、ｎ型ＧａＮ光導波層５、
活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層７、ｐ型ＧａＮ光
導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９およびｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１０を順次山形に成長させてレーザ構造
を形成する。この場合、各ストライプ部に一個のレーザ
構造が形成され、レーザ構造が例えば６μｍピッチで配
列したレーザアレイが形成される。この後、第１の実施
形態と同様にして、ｎ側電極１２およびｐ側電極１１の
形成などの必要な工程を実行し、目的とするＧａＮ系半
導体レーザを製造する。

【００４３】この第２の実施形態によれば、図１に示す
ようなレーザ構造が互いに近接して配置された集積型Ｇ
ａＮ系半導体レーザを実現することができる。この集積
型ＧａＮ系半導体レーザは例えば高出力用途に好適なも
のである。

【００４４】次に、この発明の第３の実施形態によるＧ
ａＮ系半導体レーザについて説明する。

【００４５】この第３の実施形態によるＧａＮ系半導体
レーザにおいては、レーザ構造を形成する窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体層の成長に用いる下地基板とし
て、図８に示すようなものを用いる。すなわち、図８に
示すように、ｃ面サファイア基板１上にＧａＮバッファ
層２を介してｎ型ＧａＮ層３を成長させる。次に、この
ｎ型ＧａＮ層３上に例えばＳｉＯ₂膜やＳｉＮ_x膜など
を形成した後、これをエッチングによりパターニングし
て〈１１−２０〉方向に延在するストライプ形状の開口
部１３ａを有する成長マスク１３を形成する。

【００４６】次に、この成長マスク１３を用いて、ＥＬ
ＯＧ（Epitaxial Lateral Overgrowth) 技術により常圧
以上の成長圧力を用いて、成長マスク１３の開口部１３
ａにおけるｎ型ＧａＮ層３上に山形にｎ型ＡｌＧａＮク
ラッド層４を選択成長させる。

【００４７】このようにして製造された下地基板上に、
第１の実施形態と同様にして、ｎ型ＧａＮ光導波層５、
活性層６、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層７、ｐ型ＧａＮ光
導波層８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９およびｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１０を順次山形に成長させてレーザ構造
を形成する。この場合、各ストライプ部に一個のレーザ
構造が形成される。この後、第１の実施形態と同様にし
て、ｎ側電極１２およびｐ側電極１１の形成などの必要
な工程を実行し、目的とするＧａＮ系半導体レーザを製
造する。

【００４８】この第３の実施形態によれば、第１の実施
形態と同様な利点を得ることができる。

【００４９】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。

【００５０】例えば、上述の第１、第２および第３の実
施形態において挙げた数値、構造、基板、原料、プロセ
スなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これら
と異なる数値、構造、基板、原料、プロセスなどを用い
てもよい。

【００５１】また、上述の第１、第２および第３の実施
形態においては、ストライプの延びる方向をｃ面サファ
イア基板１の〈１１−２０〉方向にしているが、このス
トライプの延びる方向は〈１−１００〉方向にしてもよ
い。

【００５２】また、上述の第１の実施形態においては、
ｐ側電極１１およびｎ側電極１２をリフトオフ法により
形成しているが、これらのｐ側電極１１およびｎ側電極
１２は、電極膜の形成およびその後のエッチングによる
パターニングにより形成してもよい。

【００５３】また、上述の第１、第２および第３の実施
形態においては、ストライプの延びる方向をｃ面サファ
イア基板１の〈１１−２０〉方向にしているが、このス
トライプの延びる方向は〈１−１００〉方向にしてもよ
い。

【００５４】また、上述の第１、第２および第３の実施
形態においては、基板としてｃ面サファイア基板を用い
ているが、必要に応じて、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓ
ｉ基板、スピネル基板などを用いてもよい。

【００５５】さらに、上述の第１、第２および第３の実
施形態においては、この発明をＳＣＨ構造のＧａＮ系半
導体レーザに適用した場合について説明したが、この発
明は、例えば、ＤＨ（Double Heterostructure）構造の
ＧａＮ系半導体レーザに適用してもよい。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、基板と活性層との間にある少なくとも一層の窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成されている
ことにより、少なくとも活性層を含む上層の窒化物系Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形の形状となるため、動
作電流はこの山形の頂点を通る経路付近に集中して流れ
ることから、コンタクト層とその上に形成される電極と
の接触面積を十分に大きく保ったまま動作電流密度の低
減を図ることができ、動作電流の低減を図ることができ
る。このため、消費電力の低減を図ることができる。ま
た、発光素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層を成長させる際に、山形の頂点上は転位が入
りにくいため、頂点上の活性層などの転位密度が減少
し、半導体発光素子の信頼性および寿命の向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザを示す断面図である。

【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。

【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。

【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザの製造方法を説明するための断面図である。

【図５】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザにおいて発振時にレーザ構造に流れる電流の経
路を示す断面図である。

【図６】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザの製造工程において窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層の成長時に転位が伝播する様子を示す断面図
である。

【図７】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザを説明するための断面図である。

【図８】この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系半導
体レーザを説明するための断面図である。

【符号の説明】

１・・・ｃ面サファイア基板、３・・・ｎ型ＧａＮ層、
４・・・ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、５・・・ｎ型Ｇａ
Ｎ光導波層、６・・・活性層、７・・・ｐ型ＡｌＧａＮ
キャップ層、８・・・ｐ型ＧａＮ光導波層、９・・・ｐ
型ＡｌＧａＮクラッド層、１０・・・ｐ型ＧａＮコンタ
クト層、１１・・・ｐ側電極、１２・・・ｎ側電極、１
３・・・成長マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AC08 AC09 AC12 AD11 AD12 AD13 AD14 AE25 AE29 AE30 AF02 AF03 AF04 AF09 AF13 BB16 CA10 CA12 DA53 DB02 DB04 5F073 AA03 AA45 AA74 CA07 CB05 CB07 DA05 DA22 DA25 DA35 EA23 EA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層およびこの活性層を挟む一対のク
ラッド層を含む発光素子構造を形成する複数の窒化物系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が基板上に積層された半導
体発光素子において、上記基板と上記活性層との間にある少なくとも一層の上
記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成さ
れていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】上記基板と上記活性層との間にある上記
クラッド層が山形に形成されていることを特徴とする請
求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】上記基板と上記活性層との間にある上記
クラッド層の上層の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層が山形に形成されており、それらの頂点の角度が
互いに同一か、または、上層ほど大きくなっていること
を特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】上記基板と上記活性層との間にある上記
山形のクラッド層はその下地の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層に形成された凸状のストライプ部の上に形
成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体発
光素子。
【請求項５】上記山形のクラッド層は三角柱状に形成
されていることを特徴とする請求項４記載の半導体発光
素子。
【請求項６】上記ストライプ部の幅は１〜５μｍであ
ることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項７】上記ストライプ部の幅は２〜４μｍであ
ることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項８】上記下地の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ただし、０≦ｘ＜１）層
であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素
子。
【請求項９】上記基板と上記活性層との間にある上記
クラッド層はｎ型クラッド層であることを特徴とする請
求項２記載の半導体発光素子。
【請求項１０】上記ストライプ部は〈１１−２０〉方
向に延在することを特徴とする請求項４記載の半導体発
光素子。
【請求項１１】上記ストライプ部は〈１−１００〉方
向に延在することを特徴とする請求項４記載の半導体発
光素子。
【請求項１２】最上層の上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層はコンタクト層であり、その上に電極が形
成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体発
光素子。
【請求項１３】上記コンタクト層はｐ型コンタクト層
であり、上記電極はｐ側電極であることを特徴とする請
求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】上記活性層と上記電極との間の距離が
場所により異なっていることを特徴とする請求項１２記
載の半導体発光素子。
【請求項１５】上記活性層と上記電極との間の距離が
山形の頂点上で最も短くなっていることを特徴とする請
求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１６】活性層およびこの活性層を挟む一対の
クラッド層を含む発光素子構造を形成する複数の窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が基板上に積層され、上記基板と上記活性層との間の少なくとも一層の上記窒
化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成されて
いる半導体発光素子の製造方法であって、上記基板上に下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
を成長させ、その上面に凸状のストライプ部を形成する
工程と、上記ストライプ部の上に山形に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層を成長させる工程とを有することを特徴と
する半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】上記ストライプ部を互いに平行に複数
形成することを特徴とする請求項１６記載の半導体発光
素子の製造方法。
【請求項１８】上記ストライプ部の幅は１〜５μｍで
あることを特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子
の製造方法。
【請求項１９】上記ストライプ部の幅は２〜４μｍで
あることを特徴とする請求項１６記載の半導体発光素子
の製造方法。
【請求項２０】上記ストライプ部の間隔は２〜５００
μｍであることを特徴とする請求項１７記載の半導体発
光素子の製造方法。
【請求項２１】上記ストライプ部は〈１１−２０〉方
向に延在することを特徴とする請求項１６記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項２２】上記ストライプ部は〈１−１００〉方
向に延在することを特徴とする請求項１６記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項２３】上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ただし、０≦ｘ＜１）層
であることを特徴とする請求項１６記載の半導体発光素
子の製造方法。
【請求項２４】活性層およびこの活性層を挟む一対の
クラッド層を含む発光素子構造を形成する複数の窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が基板上に積層され、上記基板と上記活性層との間の少なくとも一層の上記窒
化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成されて
いる半導体発光素子の製造方法であって、上記基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からな
るストライプ部を形成する工程と、上記ストライプ部の上に山形に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層を成長させる工程とを有することを特徴と
する半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】上記ストライプ部を互いに平行に複数
形成することを特徴とする請求項２４記載の半導体発光
素子の製造方法。
【請求項２６】上記ストライプ部の幅は１〜５μｍで
あることを特徴とする請求項２４記載の半導体発光素子
の製造方法。
【請求項２７】上記ストライプ部の幅は２〜４μｍで
あることを特徴とする請求項２４記載の半導体発光素子
の製造方法。
【請求項２８】上記ストライプ部の間隔は２〜５００
μｍであることを特徴とする請求項２５記載の半導体発
光素子の製造方法。
【請求項２９】上記ストライプ部の長さは０．１〜１
ｍｍであることを特徴とする請求項２４記載の半導体発
光素子の製造方法。
【請求項３０】上記ストライプ部は〈１１−２０〉方
向に延在することを特徴とする請求項２４記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項３１】上記ストライプ部は〈１−１００〉方
向に延在することを特徴とする請求項２４記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項３２】上記ストライプ部を構成する窒化物系
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ただ
し、０≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項２４記
載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３３】活性層およびこの活性層を挟む一対の
クラッド層を含む発光素子構造を形成する複数の窒化物
系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が基板上に積層され、上記基板と上記活性層との間の少なくとも一層の上記窒
化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が山形に形成されて
いる半導体発光素子の製造方法であって、上記基板上に下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
を成長させる工程と、上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上にスト
ライプ状の開口部を有する成長マスクを形成する工程
と、上記成長マスクを用いて選択成長を行うことにより上記
ストライプ状の開口部における上記下地窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体層上に山形に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層を成長させる工程とを有することを特徴
とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項３４】上記ストライプ部を互いに平行に複数
形成することを特徴とする請求項３３記載の半導体発光
素子の製造方法。
【請求項３５】上記ストライプ状の開口部の幅は１〜
５μｍであることを特徴とする請求項３３記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項３６】上記ストライプ状の開口部の幅は２〜
４μｍであることを特徴とする請求項３３記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項３７】上記ストライプ状の開口部の間隔は２
〜５００μｍであることを特徴とする請求項３３記載の
半導体発光素子の製造方法。
【請求項３８】上記ストライプ状の開口部の長さは
０．１〜１ｍｍであることを特徴とする請求項３３記載
の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３９】上記ストライプ状の開口部は〈１１−
２０〉方向に延在することを特徴とする請求項３３記載
の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４０】上記ストライプ状の開口部は〈１−１
００〉方向に延在することを特徴とする請求項３３記載
の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４１】上記下地窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ただし、０≦ｘ＜１）層
であることを特徴とする請求項３３記載の半導体発光素
子の製造方法。