JPH10154851A - 窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な工程で良好なへき開面を形成すること
ができる窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造
方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 窒化物系化合物半導体のへき開面に沿っ
て応力集中を生ずるように、楔形のエッチング溝を形成
し、さらに、端部を基板から分離することにより、へき
開が基板に誘導されることなく、発光層が自然へき開に
より、良好なミラーを形成することができる。また、端
面の一部を基板から分離することにより基板からの歪み
を受けづらくして、歪みによる劣化を防止することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系化合物半導
体材料を用いた半導体光発光素子に関し、特に、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの窒化物系化合物半導
体からなる窒化物系化合物半導体発光素子およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、家庭電化製品、ＯＡ機器、通信機
器、工業計測器などさまざまな分野で半導体レーザが用
いられている。中でも多くの分野で用いられることにな
るであろうと予想される高密度光ディスク記録等への応
用を目的として短波長の半導体レーザの開発が注力され
ている。現在は赤色半導体レーザが用いられており、そ
れまでの赤外半導体レーザに比べ記録密度が向上した。
しかし、次世代の光ディスク記録等への応用には欠陥の
低減が困難で、動作電圧が高いなど材料的な問題が数多
く存在する。また、発振波長は短いものでも４６０ｎｍ
程度であり、システムから要求される４２０ｎｍ台での
発振は物性からいって困難である。

【０００３】一方、ＧａＮを含む窒化物系半導体レーザ
は、原理的には３５０ｎｍ以下までの短波長化が可能で
あり、４００ｎｍでの発振動作が報告されている。信頼
性に関しても、ＬＥＤにおいて１万時間以上の信頼性が
確認されている。このように窒化物半導体系は材料的に
次世代の光ディスク記録用光源として必要な条件を満た
す優れた特性を持つ材料である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、レーザ発振動
作には共振器が必要となる。通常の半導体レーザでは自
然へき開面を用いてミラーを形成し共振器を形成してい
る。これは立方晶型のせん亜鉛構造において、［０１
１］あるいは［０−１１］方向に結合エネルギーの小さ
な面、つまりへき開面が存在することを利用したもので
ある。窒化物半導体系においては、前述のような立方晶
型と六方晶型とが存在し、サファイヤ上に成長する六方
晶型結晶が現在のところ、最も良好な結晶が得られてい
るが、残念ながら、六方晶型には通常の半導体レーザ形
成時に用いる自然へき開面のモードは明確には存在しな
いため、サファイヤのへき開面に誘導され、その方向で
窒化物半導体も割れてしまうことにより共振器ミラー形
成が非常に困難で、素子製造プロセスの歩留まりが低い
という問題も生じていた。

【０００５】また、高出力での動作では共振器ミラーが
突然劣化するといった問題があり、また動作時の発熱に
より基板との間に歪みが生じ、転位が増殖して端面が劣
化するといった問題点も指摘されていた．また、光記録
用ディスクの光源として用いる場合には、レーザのスポ
ットを絞るために横モードを制御し、基本モードのみで
発振させることが必要である。これは記録時に用いる高
出力のレーザでも制御しなければならないが困難である
という問題があった。

【０００６】このように、従来の窒化物系半導体発光素
子では、共振器ミラー形成が非常に困難である、信頼性
に問題がある、横モード制御が困難である、といった数
々の問題点があった。

【０００７】本発明は係る問題点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、その目的は、簡単な工程で良好なへ
き開面を形成することができる窒化物系化合物半導体発
光素子およびその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、基板の
へき開性に影響を受けずに発光層のへき開をおこなって
共振器ミラーを形成し、端面の一部を基板から分離する
ことにより基板からの歪みを受けづらくし歪みによる劣
化を防止し、出射端面の一部の反射率を低くすること及
び端面の一部を共振器として成り立たないように反対の
面とが平行でない様にすることにより横モードを制御
し、光記録ディスク用光源としての性能を向上すること
にある。

【０００９】さらに具体的には、本発明の窒化物系化合
物半導体発光素子は基板上に形成された第１のコンタク
ト層と、この第１のコンタクト層上に積層形成された電
流狭窄層と、この電流狭窄層上に積層形成された窒素を
含む化合物からなる発光層と、この発光層上に積層形成
された第２のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層
および第２のコンタクト層に接触するように形成された
第１および第２の電極とを備え、前記電流狭窄層はその
側面が前記発光層の側面に対して内部に後退し、前記基
板と前記発光層の側面との間に凹部が形成されているこ
とを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明の窒化物系化合物半導体発光
素子は、前記電流狭窄層の側面により形成される凹部を
含む前記発光層の側面は絶縁物により被覆されている。

【００１１】あるいは、本発明の窒化物系化合物半導体
発光素子は、基板と、前記基板上に堆積された中間層
と、前記中間層の上に堆積された窒化物系化合物半導体
からなる第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の
上に堆積された窒化物系化合物半導体からなる活性層
と、前記活性層の上に堆積された窒化物系化合物半導体
からなる第２のクラッド層と、を少なくとも備えた窒化
物系化合物半導体発光素子であって、前記発光素子の光
出射側の側面において、前記中間層の側面が前記活性層
の側面よりも素子の内部に後退し、前記基板と前記活性
層の側面との間に凹部が形成されていることを特徴とす
るものして構成される。

【００１２】ここで、中間層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、
ＩｎＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、およびＩｎＧａＮのうちのい
ずれかを用いることが望ましい。

【００１３】また、前記発光素子は、前記活性層の対向
する側面の一部分を光反射面とした共振器によりレーザ
光を放出するものとして構成され、前記発光素子の光出
射側の側面は、さらに、前記レーザ光の強度が最も強く
出射される部分を含む前記窒化物系化合物半導体のへき
開面と、前記へき開面の両側に配置され、前記レーザ光
の波長における反射率が前記へき開面の前記レーザ光の
波長における反射率よりも相対的に小さい面とを有する
ことを特徴として構成することができる。

【００１４】さらに、前記発光素子の光出射側の側面
は、前記レーザ光の強度が最も強く出射される部分を含
む前記窒化物系化合物半導体のへき開面と、前記へき開
面の両側に配置され前記へき開面に対して傾斜を有する
傾斜面とを有することを特徴として構成することができ
る。

【００１５】また、本発明の窒化物系化合物半導体発光
素子の製造方法は、基板上に第１のコンタクト層を形成
する工程と、この第１のコンタクト層上に電流狭窄層を
積層形成する工程と、この電流狭窄層上に窒素を含む化
合物からなる発光層を積層形成する工程と、この発光層
上に第２のコンタクト層を積層形成する工程と、前記第
１のコンタクト層および第２のコンタクト層にそれぞれ
接触する第１および第２の電極を形成する工程と、前記
第１のコンタクト層から前記第２のコンタクト層に至る
積層体をマスクを用いてエッチングしてメサ型の積層体
を形成する工程と、このメサ型の積層体が形成された前
記基板をダイシングにより素子単位に分離する工程と、
この分離された素子を台座に設置した後、エッチング液
に浸して前記電流狭窄層をその側面周囲から選択エッチ
ングし、前記メサ型の積層体側面に凹部を形成する工程
と、この凹部が形成された積層体に外力を印加してへき
開する工程と、を備えたことを特徴として構成される。

【００１６】あるいは、基板上に中間層を堆積する工程
と、前記中間層の上に、窒化物系化合物半導体からなる
第１のクラッド層と、窒化物系化合物半導体からなる活
性層と、窒化物系化合物半導体からなる第２のクラッド
層を堆積する工程と、前記第２のクラッド層の上にエッ
チングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスク
を介して、前記中間層の側面が露出するまで、前記基板
に対して略垂直方向にエッチングする第１のエッチング
工程と、前記第１のエッチング工程により露出した前記
中間層の側面を選択的にエッチングすることにより凹部
を形成する第２のエッチング工程と、前記凹部の上に突
出した前記活性層を含む半導体層部分をへき開により除
去して半導体レーザの端面を形成する工程と、を備えた
ことを特徴として構成される。

【００１７】ここで、前記エッチングマスクは、前記活
性層を構成する前記窒化物系化合物半導体のへき開が容
易になるように、前記窒化物系化合物半導体のへき開面
に沿って応力を集中させるための少なくともひとつの楔
形状を有することを特徴として構成することが望まし
い。

【００１８】また、前記中間層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａ
Ｎ、ＺｎＯ、およびＩｎＧａＮのうちのいずれかからな
ることを特徴として構成することが望ましい。

【００１９】さらに、前記第１のエッチング工程は、ド
ライエッチング法により行われるものとして構成される
ことが望ましい。

【００２０】また、前記第２のエッチング工程は、エッ
チング溶液を用いたウェットエッチング法により行われ
るものとして構成されることが望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明によれば、へき開が基板に
誘導されることなく、発光層が自然へき開により、良好
なミラーを形成することができる。また、端面の一部を
基板から分離することにより基板からの歪みを受けづら
くして、歪みによる劣化を防止することができる。さら
に、本発明によれば、レーザ光出射端面の一部の反射率
を低くし、あるいは端面の一部を共振器として成り立た
ないように反対の面と平行でない様に構成することによ
り横モードを制御し、光記録ディスク用光源として良好
な発光素子を提供することができる。

【００２２】以下、本発明の実施の形態について、実施
例を参照しつつ説明する。図１は、本発明の第１の実施
例に係わる青色半導体レーザ装置の概略構成を説明する
ためのものである。サファイヤ基板１０上に、ｎ−Ｇａ
Ｎバッファ層１１（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、２μｍ）、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２（Ｓｉド
ープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、４μｍ）、ｎ−ＡｌＮ電
流狭窄層１３（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、１
μｍ）、ｎ−ＧａＮクラッド層１４（Ｓｉドープ、５×
ｌ０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性層
１５（アンドーブ、２ｎｍ）、ｐ−ＧａＮクラッド層１
６（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、Ｇ
ａＮコンタクト層１７（Ｍｇドープ、１〜３×１０¹⁸ｃ
ｍ‐³、０．１μｍ）を、ＭＯＣＶＤ法によって順次積
層形成し、この上に所定領域を覆うマスクを形成して、
それ以外の部分をｎ型コンタクト層１２に達するまでエ
ッチングを行ってメサ型の積層体を形成する。次に、こ
の積層体の最上層であるＧａＮコンタクト層１７上にｐ
側電極１８を、また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２上に
ｎ側電極１９をそれぞれ設ける。

【００２３】その後、基板１０を構成するウェーハ裏面
からダイシングにより素子単位に切りとり分離する。分
離された素子は、図示しないが、それぞれエッチング液
が染み込む程度の間隔を置いて台座に設置してリン酸、
弗素を含むエッチング液に浸し、ＡｌＮ層１３を側面よ
り選択的にエッチングする。すなわち、ＡｌＮ層１３は
Ａｌが含まれているため、積層体Ｍを構成する他の層に
対して選択的にオーバーエッチングされる。この結果、
ＡｌＮ層１３はその側面が他の層の側面に比べて素子内
部に後退し、積層体Ｍの周囲に溝状の凹部が形成され
る。この構造は、いわゆる、電流狭窄構造であり、電極
１８、１９による電流注入の際に、このＡｌＮ層１３に
より電流が狭窄され、活性層１５に注入される電流密度
を増すことができる。次にこのようにしてエッチングし
た各素子を水洗いし、図２に示されるように、積層体Ｍ
の共振器面となる側面付近の端部Ｍ１、Ｍ２に表面より
カＦを加える。これにより、積層体Ｍは基板１０のへき
開方位に関係なく、溝状の凹部に沿って容易にへき開さ
れ、形成されたへき開面も良好であった。これはサファ
イヤ基板１０のへき開面に誘導されることなく、発光層
であるＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性層１５、その両側のｎ−Ｇ
ａＮクラッド層１４、ｐ−ＧａＮクラッド層１６および
ＧａＮコンタクト層１７等のＧａＮ層の明確な自然へき
開によるものと考えられる。

【００２４】この実施例のレーザは、しきい値３０ｍＡ
で室温連続発振した。発振波長は４１７ｎｍ、動作電圧
は８Ｖであった。また、発振しきい値は図３に示される
ように、電流狭窄構造を用いない従来の素子（Ｐ）の１
００ｍＡに比べこの実施例（Ｑ）の場合は３０ｍＡと低
くなった。また、良好なへき開面であるため劣化などが
抑えられ、発光のパターンも良好であった。これにより
発光効率が従来のものに比べ２倍以上良くなった。

【００２５】なお、ＡｌＮ電流狭窄層１３はＺｎＯに置
き換えてもよく、エッチング液も硫酸を含むものやアン
モニアを含むアルカリ性のものでもよい。ＺｎＯを用い
た場合さらに結晶性が良い結晶ができるばかりでなく、
エッチングがされやすく、工程が容易になり歩留まりが
向上した。

【００２６】また、結晶成長はＭＢＥ法でも良い。

【００２７】図４は本発明の第２の実施例に係わる青色
半導体レーザ装置の概略構成を示す図である。

【００２８】サファイヤ基板２０上に、ＡｌＮバッファ
層２１（３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）、ｎ−Ｇ
ａＮコンタクト層２２（Ｓｉドープ、１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3、４μｍ）、Ｚｎ０層２３（１μｍ）、ｎ−Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッド層２４（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷
ｃｍ^-3、０．３μｍ）、ＧａＮ光閉じ込め層２５（Ｓｉ
ドープ、０．１μｍ）、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性層２６
（Ｓｉドープ、３ｎｍ）、ＧａＮ光閉じ込め層２７（Ｓ
ｉドープ、０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッ
ド層２８（Ｍｇドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μ
ｍ）、ＧａＮコンタクト層２９（Ｍｇドープ、１〜３×
１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）をＭＢＥ法によって順次積
層形成し、この上に所定領域を覆うマスクを形成して、
それ以外の部分をｎ型コンタクト層２２に達するまでエ
ッチングを行ってメサ型の積層体Ｍ’を形成する。次
に、この積層体Ｍ’の最上層であるＧａＮコンタクト層
２９上にｐ側電極３０を、また、ｎ−ＧａＮコンタクト
層２２上にｎ側電極３１をそれぞれ設ける。

【００２９】その後、基板２０を構成するウェーハ裏面
からダイシングにより素子単位に切りとり分離する。分
離された素子のそれぞれを、図示しないが、台座にマウ
ントし、ｎ型、ｐ型ともにＡｕワイヤー３３、３４によ
り台座の端子に配線を行う。次いで、これらの台座にマ
ウントされた素子をエッチング液に浸し、Ｚｎ０層２３
を側面より選択的にエッチングする。これによりＺｎ０
層２３はオーバーエッチングされ、その側面が他の層の
側面に比べメサ型の積層体Ｍ’内部に後退し、積層体
Ｍ’の周囲に溝状の凹部を形成する。その後、台座にマ
ウントされた素子を水洗いし、図５に示すように、各素
子のメサ型の積層体Ｍ’部分を中心に液状のシラノール
化合物３２を適量塗布し、加熱によりキュアし積層体
Ｍ’の周囲に図５に示すような、ＳｉＯ₂膜３２を形成
する。その後、台座にマウントされた素子を液体中に浸
積して超音波をかけると、図５に示す共振器面となる端
面部分Ｍ１’、Ｍ２’が図６に示すようにへき開され
る。この操作によりＺｎＯ層２３により電流狭窄構造が
形成でき、その側面を絶縁物であるＳｉＯ₂が覆ってい
るために表面を伝わって流れるリーク電流が阻止でき
た。

【００３０】この実施例のレーザ素子は、図７の曲線Ｑ
で示されるように、しきい値１０ｍＡで８０℃まで連続
発振した。発振波長は３８３ｎｍ、基本横モード発振
し、図８に示すように、５０００時間までの安定動作も
確認した。このレーザ素子の動作電圧は４Ｖであった。
この素子構造ではＺｎ０層２３がエッチングの際に共振
器ミラーの隣接面がエッチングされ、電流狭窄構造とな
っているため、図７に示したように、しきい値電流の低
下がみられ、また、表面をリーク電流が流れない為に発
光効率も向上した。さらに、共振器ミラー面近傍に電流
が流れないので共振器ミラーの損傷が生じないためと発
光層の歪が緩和されているために信頼性が向上した（図
８）。また、ＡｌＮバッファ層２１の厚さを２０μｍと
厚くしたところヒートシンクとしての働きが加わり、温
度特性が向上し１００℃まで連続発振した。また、ｎ−
Ａ１_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッド層２４を０．１μｍと薄くし
たところ、クラッド層２４とＳｉＯ₂層３２との間の屈
折率差により高出力においても横モードが制御が維持さ
れた。

【００３１】次に、図９ないし図１１は本発明の第３の
実施例を示す図で、図９および図１１は平面図、図１０
は側面図である。

【００３２】サファイヤ基板４０上に、ＡｌＮバッファ
層４１（３〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．０１μｍ）、ｎ−
ＧａＮコンタクト層４２（Ｓｉドープ、１×１０¹⁹ｃｍ
^-3、２μｍ）、ｎ−Ｚｎ０層４３（１μｍ）、ｎ−Ｇａ
Ｎ層４４（Ｓｉドープ、１×１０¹⁹ｃｍ^-3、１μｍ）、
ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッド層４５（Ｓｉドープ、５
×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、ＧａＮ光閉じ込め層４
６（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ活性
層４７（Ｓｉドープ、３ｎｍ）、ＧａＮ光閉じ込め層４
８（Ｓｉドープ、０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ
クラッド層４９（Ｍｇドープ、５×ｌ０¹⁷ｃｍ^-3、０．
３μｍ）、ＧａＮコンタクト層５０（Ｍｇドープ、１〜
３×ｌ０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）をＭＢＥ法によって順
次成長形成する。この後これらの成長層が積層された基
板４０を成長室より取り出し、ｐ−ＧａＮコンタクト層
５０上にＳｉＯ₂絶縁膜５１を形成し、その一部をｐ−
ＧａＮコンタクト層５０に到達するようにストライプ状
（図９の破線で示される部分）にエッチングし、その上
からＮｉを５０ｎｍ蒸着する。その後、図１１に示すよ
うな形状のマスクをＴｉにより形成し、ドライエッチン
グによりｎ−ＧａＮコンタクト層４２に到達する迄エッ
チングを行う。次にｎ型電極５３となる部分以外にマス
クを形成し、その後Ｔｉを蒸着しｐ型電極５２が形成で
きる。その後マスクは除去する。次に全体をそれ以外の
部分をｎ型コンタクト層４２に達するまでエッチングを
行い、ｎ型電極５３を形成する。そしてｐ型電極５２に
はｐ側リード線５４が、また、ｎ型電極５３にはｎ側リ
ード線５５がそれぞれ接続される。

【００３３】この時点での形状の概略図を図１１に示
す。同図は単一の発光素子領域の上面図であるが、ｐ側
リード線５４が接続されるｐ型電極５２領域とこれに連
結されるレーザ素子本体部５５とｎ型電極５３領域から
構成されている。図１１と図９の完成上面図と比較する
と、レーザ素子本体部５５の共振器面となるへき開面５
６が形成されていないことがわかる。その後、前述の実
施例の場合と同様に、基板４０全体をエッチング液に浸
し、Ｚｎ０層４３を側面より選択的にエッチングする。
これによりＺｎ０層４３はオーバーエッチングされ、そ
の側面がメサ型の積層体Ｍ”部分の全体の側面に対して
後退し、積層体Ｍ”部分の周囲に溝状の凹部５６が形成
される。図１０においてはＺｎ０層４３の内部にもエッ
チング除去された透孔５７が形成されるが、これは図１
０あるいは図１１のレーザ素子本体部５５とｐ側リード
線５４が接続されるｐ型電極５２領域との接続部両側の
溝５９部におけるオーバーエッチングにより、透孔５７
が形成される。

【００３４】エッチング終了後、水洗いを行い基板４０
を構成するウェーハ裏面からダイシングにより素子単位
に切りとり、分離する。次いで、分離されたそれぞれの
素子を図示しない台座にマウントし、ｎ型電極５３、ｐ
型電極５４ともにＡｕワイヤーリード線５４、５５によ
り台座の端子に配線を行う。この後図示しないが液体中
で超音波をかけると、図１１に示す共振器面となるメサ
型の積層体Ｍ”の端面部分Ｍ１”、Ｍ２”がへき開さ
れ、図１０に示すような完成された素子が得られる。次
に、図９に示すように、レーザ素子のメサ型の積層体
Ｍ”部分を中心に液状のシラノール化合物５８を適量塗
布し、加熱によりキュアしシアノール化合物を酸化し
て、図１０に示すように、メサ型の積層体Ｍ”の側面部
分を覆うＳｉ０₂膜５８を形成する。

【００３５】このようにして完成されたレーザ素子は、
図１０に示されるように、Ｚｎ０層４３により電流狭窄
構造が形成でき、その側面を絶縁物であるＳｉＯ₂膜５
８が覆っているために表面を伝わって流れるリーク電流
が阻止できた。そして最も重要なことは、これらの製造
過程によりレーザ素子本体部５５の共振器長である、メ
サ型の積層体Ｍ”の端面Ｍ１”、Ｍ２”間の長さやこの
間に延長されるストライプ状のＺｎ０層４３の幅を小さ
くできることである。これによりしきい値電流、動作電
力が低減できる。共振器長が１００μｍ、ストライプ幅
が５μｍの場合にしきい値電流が１ｍＡとなった。これ
により素子の信頼性も向上した。本実施例のレーザ素子
では、しきい値３ｍＡで８０℃まで連続発振した。発振
波長は３９０ｎｍ、基本横モード発振し、５０００時間
までの安定動作も確認した。また、動作電圧は３．８Ｖ
であった。

【００３６】次に、本発明の第４の実施例について説明
する。

【００３７】図１２は、本発明の第４の実施例に係わる
青色半導体レーザ装置の断面構造を表す模式図である。
同図において、６０はサファイヤ基板、６１はｎ−Ａｌ
Ｎバッファ層（Ｓｉドープ、キャリア濃度：３〜５×１
０¹⁸ｃｍ^-3、層厚：１００ｎｍ）であり、６２はｎ−Ｇ
ａＮコンタクト層（Ｓｉドープ、３〜５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、４μｍ）、６３はｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッド
層（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、６
４はＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ活性層（アンドープ、３ｎｍ）、
６５はｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッド層（Ｍｇドープ、
５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、６６はｐ−ＧａＮコ
ンタクト層（Ｍｇドープ、１〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．
１μｍ）、６７はｐ側電極、６８はｎ側電極である。同
図において６１〜６６で示した各半導体層の結晶成長
は、ＭＯＣＶＤ法によって行った。

【００３８】本実施例においても、同図に示した積層構
造体を結晶成長した後に、素子化工程を行った。

【００３９】図１３は、本実施例において用いるエッチ
ングマスクの形状を表す模式図である。すなわち、前述
した結晶成長工程の後に、まず、図１３のような形状の
マスクをコンタクト層６６の上に形成し、マスクされて
いない部分を基板６０に達するまでエッチングする。こ
のエッチングは、半導体層６１〜６６の各層の組成など
に依存する選択性を有さずに基板に対して垂直にエッチ
ングできるエッチング法であることが望ましく、具体的
にはドライエッチング法を用いることが望ましい。さら
に具体的には、例えば、エッチングガスとしてＣＦ₄、
ＳＦ₆、ＢＣｌ₃、Ｃｌ₂のうちのいずれかひとつが含ま
れる混合または単一ガスを用いて、ＥＣＲ（エレクトロ
ンサイクロトロン共鳴）エッチング装置を用いて、反応
性イオンビームエッチングを行うことができる。

【００４０】また、窒化ガリウム結晶の上にマスクを形
成するに際しては、後述するように、同図のＡ−Ａ線が
窒化ガリウム系化合物半導体のへき開面と平行になるよ
うに形成する。ここで、窒化ガリウム系化合物半導体の
へき開面は、具体的には、（１−１００）、（１０−１
０）、（０１−１０）、（−１１００）、（−１０１
０）、あるいは（０−１１０）のうちのいずれかの面で
ある。これらの面は、サファイアのへき開面とははずれ
ており、本発明の方法によりサファイアとは別な面で窒
化ガリウム系化合物半導体のへき開が可能となる。

【００４１】図１４は、このエッチング後の形状を表す
概略斜視図である。同図に示したように、半導体層６１
〜６６は、深さ方向に対して楔形状に切り込まれた形状
にエッチングされた側面を有する。次に、半導体層の側
面に露出しているＡｌＮ層６１を選択的にエッチングす
る。このエッチング法としては、例えば、リン酸系、王
水、あるいはＳＨ（硫酸：過酸化水素水：水＝５：１：
１）などのエッチング溶液を用いたウェットエッチング
法を用いることができる。すなわち、ＡｌＮ層６１はア
ルミニウムを含むために、これらのエッチング溶液に対
して、選択的にエッチングされる。また、エッチング溶
液の温度を上げることによりエッチング速度が上昇し、
より早いプロセスが可能となる。

【００４２】図１５（ａ）および（ｂ）は、このエッチ
ング工程後の半導体層の形状を表す説明図である。すな
わち同図（ａ）は、その概略斜視図であり、同図（ｂ）
は、（ａ）に示した矢印方向からみた概略正面図であ
る。これらの図に示したように、このエッチング工程に
おいては、楔形状の溝により両側から切り込まれた半導
体層の端部Ｅの下部のＡｌＮ層６１がエッチング除去さ
れるまで、エッチングを行う。このようにＡｌＮ層６１
をエッチング除去することによって、端部Ｅは基板６０
から切り離されて宙に浮いた状態となり、後に説明する
へき開を容易に行うことができるようになる。

【００４３】次に、ｐ電極となる部分をマスキングし、
ｎ−ＧａＮ層６２が露出するまでエッチングする。さら
に電極材料を堆積して、ｎ側電極６８を形成する。この
後、溶液中に浸しこの溶液に超音波を伝えることによ
り、端面部分がへき開され鏡面状の端面が形成される。

【００４４】図１６は、端面部分がへき開される様子を
表す模式図である。本発明によれば、前述したように、
窒化ガリウム系半導体の自然へき開面に沿って、図１３
に示したマスクの楔形の向きを合わせ、エッチングす
る。従って、窒化ガリウム系半導体のへき開面に沿って
応力を集中させ、容易にへき開を起こさせることができ
る。また、本発明によれば、このへき開分離される端部
Ｅは、下層のＡｌＮ層６１をエッチング除去することに
よって基板６０から切り離されて宙に浮いているので、
基板６０のへき開面方位とは無関係に、窒化ガリウム系
半導体をへき開することができる。

【００４５】この後さらに基板６０をダイシングして、
基板６０ごと各素子を切りとる。

【００４６】図１７は、完成した半導体発光素子の概略
斜視図である。完成した素子の端面Ｓにおいては、アル
ミニウムを含む層が周りより窪んで凹状の形状となって
いる部分がある。このくぼみは、アルミニウムの含有量
が多いほど大きい。このため基板６０の上のＡｌＮ層６
１だけではなく、クラッド層６３および６５もエッチン
グされて側面が窪んで凹部が形成されている。しかし、
レーザ光の出射端面付近ＳＬは、ＡｌＮ層のエッチング
時には露出しておらず、超音波をかけてへき開した後に
露出するので、このエッチングによる凹みは生ずること
なく、レーザの発振動作に影響はない。

【００４７】なお、楔型の形状を持つマスクでエッチン
グを行う工程は、ｎ側電極形成のためにエッチングして
ｎ側コンタクト層を露出させる工程の後でもよい。

【００４８】その他の工程も本実施例とは異なる順序で
実施することができる。但し、その場合には適宜マスク
形状を変える必要がある。また、図１３に例示したマス
クは、ひとつの素子が他の素子から分離して独立した形
状を有するが、本発明はこれに限定されず、例えば、ウ
ェーハ上で隣接する各素子を接してならべたような形状
のマスクを用いることもできる。

【００４９】本発明者の試作の結果、本実施例による発
光素子を評価用治具に固定し、動作させたところしきい
値１５０ｍＡにおいて室温連続発振した。発振波長は４
２２ｎｍで、動作電圧は４Ｖであった。また、素子の寿
命は、通常のドライエッチングにより端面を形成した素
子や、基板あるいは成長表面に傷をつけてそれに沿って
割る方法により端面を形成した素子と比べて、１０倍以
上長く、極めて長寿命を有することが分かった。

【００５０】さらに、レーザ光の発光パターンをみる
と、光強度が最大の部分が１ヶ所のみであり、光記録デ
ィスクの読み取りや書き込み用として最適なものであっ
た。これは、本実施例による発光素子が、基本横モード
により発振していることを反映している。その理由とし
て、端面に反射率が低い部分が存在し、これにより外側
の高次モードがカットされ、基本モードのみで発振して
いることが確認された。

【００５１】つまり、本実施例においては、図１３に例
示したようなマスクを用いて楔形にエッチングするの
で、レーザの端面において、図１７に示したように、へ
き開面ＳＬの左右の面ＳＳ、ＳＳは、傾斜しており、共
振器として作用しうるような平行面となってないため
に、この付近では高出力でも高次モードで発振は起こら
ない事が分かった。

【００５２】一方、本発明においては、マスクの形状を
変更して、レーザの端面が平面状となるように構成する
こともできる。

【００５３】図１８は、このようなマスクを例示する模
式図である。すなわち、発光素子の端面側が平面となる
ような楔形状Ｃを採用することもできる。このようなマ
スクを用いて前述と同様の工程により形成した発光素子
の端面においても、へき開面とその左右の面とでは、光
の反射率が異なるようにすることができる。その理由
は、楔形にエッチングした後に形成されるエッチング面
は鏡面にはならずに、微細な凹凸を有する「荒れた」面
とすることができるからである。このような「荒れた」
エッチング面は、ドライエッチング法などにおいて、エ
ッチング条件を適宜調節することによって容易に得るこ
とができる。

【００５４】すなわち、図１８に示したようなエッチン
グマスクを用いた場合には、発光素子の端面は、略平面
状とすることができ、しかも、レーザ光の出射部分は、
へき開面による鏡面が形成されているのに対して、その
左右には、反射率の低いエッチングされた面が存在する
ように形成することができる。この場合にも、へき開面
の左右の面は、共振器として作用しうるような面となっ
てないために、この付近では高出力でも高次モードで発
振は起こらず、基本横モードを維持することができる。

【００５５】一方、本実施例においても、ＡｌＮバッフ
ァ層６１は、ＺｎＯに置き換えてもよく、ＺｎＯを用い
た場合には、その上に成長する各層はさらに結晶性が良
い結晶となり、それにより発光素子の特性を向上させる
ことができるという効果が得られる。この場合には、凹
みを形成するためのエッチング液としては王水、あるい
は塩酸系のエッチング溶液を用いることができる。

【００５６】また、ＡｌＮバッファ層６１の代わりに、
ＩｎＧａＮ層を用いても良い。この場合には、その上に
成長する結晶層の歪み量が調節され、ＡｌＧａＮ層のア
ルミニウム組成を高くした場合でも結晶にクラックが入
ることがなくなるという効果が得られる。また、ＩｎＧ
ａＮ層は光の吸収層として働き、モードの制御とともに
自励発振を起こし、高周波駆動が容易になるという利点
もある。この場合のエッチング液としては、臭素系、あ
るいは塩酸系のエッチング溶液を用いることができる。

【００５７】また、本実施例においては、結晶の成長方
法としてＭＯＣＶＤ法を用いたが、その他に、ＭＢＥ
法、化学ビーム・エピタキシャル（ＣＢＥ）法、有機金
属分子線エピタキシャル（ＭＯＭＢＥ）法、あるいはハ
イドライドＣＶＤ法などを用いることもできる。

【００５８】また、図１３に示したようなエッチングマ
スクの形状としては、楔型の部分がレーザ光の出射端面
に対して角度α＝０〜４５°の間で発振可能であり、α
＝０°の場合が電流値に対する出力が大きかったが、α
＝１０°付近がもっとも横モード制御が保持できた。角
度αがさらに大きくなると横モード制御は保持できるが
出力が低下する傾向がみられる。

【００５９】次に、本発明の第５の実施例について説明
する。

【００６０】図１９は、本発明の第５の実施例に係わる
青色半導体レーザ装置の断面構造を表す模式図である。
すなわち、同図に示したレーザ装置は、サファイヤ基板
２０の上にＧａＮバッファ層８１（３〜５×１０¹⁶ｃｍ
^-3）、ｎ−ＧａＮコンタクト層８２（Ｓｉドープ、１×
１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｎ−ＺｎＯ層８３（Ｃｌドープ、１×
１０¹⁹ｃｍ^-3、１μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッ
ド層８４（Ｓｉドープ、５×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．３μ
ｍ）、ＧａＮ光閉じ込め層８５（アンドープ、０．１μ
ｍ）、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ／ＧａＮ３ＭＱＷ活性層８６
（アンドープ、井戸層２ｎｍ、障壁層４ｎｍ）、ＧａＮ
光開じ込め層８７（アンドープ、０．１μｍ）、ｐ−Ａ
ｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎクラッド層８８（Ｍｇドープ、５×１０
¹⁷ｃｍ^-3、０．３μｍ）、ＧａＮコンタクト層８９（Ｍ
ｇドープ、１〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１μｍ）が順次
成長された積層構造を有する。また、９１はｐ側電極、
９２はｎ側電極である。

【００６１】結晶成長は、ＭＢＥ法によって行った。こ
の後ｐ型電極となる部分に図１３のようなマスクを形成
し、それ以外の部分をｎ型コンタクト層８２に達するま
でエッチングを行い、ｎ型電極９２を形成する。次に、
エッチング液に浸し、ＺｎＯ層８３を側面からエッチン
グする。エッチング液としては王水、あるいは塩酸系の
エッチング溶液を用いることができる。これにより、Ｚ
ｎＯ層８３はエッチングされ、ＺｎＯ層８３の側面が他
の層の側面に比べて素子内部に後退して凹んだ構造が作
成される。さらに、エッチング後の水洗い時に、強い水
流で洗浄することにより、楔型の切れ込みより先端側が
へき開されて除去される。あるいは、水中で超音波を印
加することによりへき開しても良い。このような楔型の
切れ込みを入れない場合には、意図した端面が形成でき
ず、歩留まりが低下した。

【００６２】図２０は、前述したへき開の前の形状を表
す概略要部斜視図である。

【００６３】本発明者の試作の結果、本実施例の発光素
子は、しきい値１００ｍＡで８０℃まで連続発振した。
また、発振波長は４１８ｎｍで、基本横モード発振し、
５０００時間までの安定動作も確認することができた。
また、素子の動作電圧は４Ｖであった。

【００６４】ここで、本実施例においては、図２０に示
したように、ＺｎＯ層８３がエッチングによって素子側
面よりも後退している。すなわち、電流が狭窄され、レ
ーザ共振器の端面となる鏡面の近傍に電流が流れない、
いわゆる窓構造となっている。その結果として、本実施
例によれば、共振器面の近傍への電流注入に起因する光
学的損傷（ＣＯＤ：ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ ｏｐｔ
ｉｃａｌ ｄａｍａｇｅ）が抑制され、発光素子の信頼
性が向上するという効果も得ることができる。なお、本
実施例においても、結晶成長法はＭＢＥ法に限定され
ず、その他にＭＯＣＶＤ法、化学ビーム・エピタキシャ
ル（ＣＢＥ）法、有機金属分子線エピタキシャル（ＭＯ
ＭＢＥ）法、あるいはハイドライドＣＶＤ法などを用い
ることもできる。

【００６５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。

【００６６】まず、本発明によれば、高電流注入密度、
高発光効率、良好なミラーを形成でき、素子構造も簡略
化することができる半導体レーザ装置を提供することが
できる。

【００６７】また、本発明によれば、発光層の歪が緩和
されるため信頼性が向上し、端面への電流注入が減少す
るので端面での光学的突発劣化が起こりにくくなり高出
力で信頼性の優れた素子を得ることができる。

【００６８】また上記した構造は再現良く簡単なプロセ
スで製造することができるものであり、その有用性は絶
大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す発光素子の断面図
である。

【図２】図１に示す発光素子の製造方法を示す斜視図で
ある。

【図３】図１に示した発光素子の注入電流と発光強度の
関係を、従来の発光素子と比較して示すグラフである。

【図４】本発明の第２の実施例を示す発光素子の断面図
である。

【図５】図４に示す発光素子の製造方法を示す発光素子
の斜視図である。

【図６】図４に示す発光素子の製造方法を示す発光素子
の斜視図である。

【図７】図４に示した発光素子の注入電流と発光強度の
関係を、従来の発光素子と比較して示すグラフである。

【図８】図４に示した発光素子の動作時間と動作電流の
関係を、従来の発光素子と比較して示すグラフである。

【図９】本発明の第３の実施例を示す発光素子の上面図
である。

【図１０】図９に示す発光素子の断面図である。

【図１１】図９に示す発光素子の製造方法を示す概略図
である。

【図１２】本発明の第４の実施例に係わる青色半導体レ
ーザ装置の断面構造を表す模式図である。

【図１３】第４実施例において用いるエッチングマスク
の形状を表す模式図である。

【図１４】エッチング後の形状を表す概略斜視図であ
る。

【図１５】（ａ）および（ｂ）は、このエッチング工程
後の半導体層の形状を表す説明図である。すなわち同図
（ａ）は、その概略斜視図であり、同図（ｂ）は、
（ａ）に示した矢印方向からみた概略正面図である。

【図１６】端面部分がへき開される様子を表す模式図で
ある。

【図１７】第４実施例にかかる完成した半導体発光素子
の概略斜視図である。

【図１８】マスクを例示する模式図である。

【図１９】本発明の第５の実施例に係わる青色半導体レ
ーザ装置の断面構造を表す模式図である。

【図２０】第５実施例に係る発光素子のへき開の前の形
状を表す概略要部斜視図である。

【符号の説明】

１０、６０、８０ サファイヤ基板 １１ ｎ−ＧａＮバッファ層 １２、６２、８２ ｎ−ＧａＮコンタクト層 １３ ｎ−ＡｌＮ電流狭窄層 １４、６３、８５ ｎ−ＧａＮクラッド層 １５、６４、８６ ＩｎＧａＮ活性層 １６、６５、８７ ｐ−ＧａＮクラッド層 １７、６６、８９ ＧａＮコンタクト層 １８、６７、９１ ｐ側電極 １９、６８、９２ ｎ側電複 ２０ サファイヤ基板 ２１ ＡｌＮバッファ層 ２２ ｎ−ＧａＮコンタクト層 ２３ Ｚｎ０層 ２４ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２５ ＧａＮ光閉じ込め層 ２６ ＩｎＧａＮ活性層 ２７ ＧａＮ光閉じ込め層 ２８ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２９ ＧａＮコンタクト層 ３０ ｐ側電極 ３１ ｎ側電極 ３２ Ｓｉ０₂絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 波多腰 玄 一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内 (72)発明者 藤 本 英 俊 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式会 社東芝研究開発センター内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、基板上に形成された第１のコンタ
   クト層と、この第１のコンタクト層上に積層形成された
   電流狭窄層と、この電流狭窄層上に積層形成された窒素
   を含む化合物からなる発光層と、この発光層上に積層形
   成された第２のコンタクト層と、前記第１のコンタクト
   層および第２のコンタクト層に接触するように形成され
   た第１および第２の電極とを備え、前記基板と前記発光
   層の側面との間に凹部が形成されていることを特徴とす
   る窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 【請求項２】基板と、前記基板上に堆積された中間層
   と、前記中間層の上に堆積された窒化物系化合物半導体
   からなる第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の
   上に堆積された窒化物系化合物半導体からなる活性層
   と、前記活性層の上に堆積された窒化物系化合物半導体
   からなる第２のクラッド層と、を少なくとも備えた窒化
   物系化合物半導体発光素子であって、 前記発光素子の光出射側の側面において、前記中間層の
   側面が前記活性層の側面よりも素子の内部に後退し、前
   記基板と前記活性層の側面との間に凹部が形成されてい
   ることを特徴とする窒化物系化合物半導体発光素子。
3. 【請求項３】前記中間層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
   ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、およびＩｎＧａＮからなる群から
   選択された材料からなることを特徴とする請求項２記載
   の窒化物系化合物半導体発光素子。
4. 【請求項４】前記発光素子は、前記活性層の対向する側
   面の一部分を光反射面とした共振器によりレーザ光を放
   出するものとして構成され、 前記発光素子の光出射側の側面は、前記レーザ光の強度
   が最も強く出射される部分を含む前記窒化物系化合物半
   導体のへき開面と、前記へき開面の両側に配置され、前
   記レーザ光の波長における反射率が前記へき開面の前記
   レーザ光の波長における反射率よりも相対的に小さい面
   とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
   つに記載の窒化物系化合物半導体発光素子。
5. 【請求項５】前記発光素子は、前記活性層の対向する側
   面の一部分を光反射面とした共振器によりレーザ光を放
   出するものとして構成され、 前記発光素子の光出射側の側面は、前記レーザ光の強度
   が最も強く出射される部分を含む前記窒化物系化合物半
   導体のへき開面と、前記へき開面の両側に配置され前記
   へき開面に対して傾斜を有する傾斜面とを有することを
   特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の窒化物
   系化合物半導体発光素子。
6. 【請求項６】基板上に第１のコンタクト層を形成する工
   程と、この第１のコンタクト層上に電流狭窄層を積層形
   成する工程と、この電流狭窄層上に窒素を含む化合物か
   らなる発光層を積層形成する工程と、この発光層上に第
   ２のコンタクト層を積層形成する工程と、前記第１のコ
   ンタクト層および第２のコンタクト層にそれぞれ接触す
   る第１および第２の電極を形成する工程と、前記第１の
   コンタクト層から前記第２のコンタクト層に至る積層体
   をマスクを用いてエッチングしてメサ型の積層体を形成
   する工程と、このメサ型の積層体が形成された前記基板
   をダイシングにより素子単位に分離する工程と、この分
   離された素子を台座に設置した後、エッチング液に浸し
   て前記電流狭窄層をその側面周囲から選択エッチング
   し、前記メサ型の積層体側面に凹部を形成する工程と、
   この凹部が形成された積層体に外力を印加してへき開す
   る工程と、を備えたことを特徴とする窒化物系化合物半
   導体発光素子の製造方法。
7. 【請求項７】基板上に中間層を堆積する工程と、 前記中間層の上に、窒化物系化合物半導体からなる第１
   のクラッド層と、窒化物系化合物半導体からなる活性層
   と、窒化物系化合物半導体からなる第２のクラッド層を
   堆積する工程と、 前記第２のクラッド層の上にエッチングマスクを形成す
   る工程と、 前記エッチングマスクを介して、前記基板に対して略垂
   直方向に前記中間層の側面が露出するまでエッチングす
   る第１のエッチング工程と、 前記第１のエッチング工程により露出した前記中間層の
   前記側面を選択的にエッチングすることにより凹部を形
   成する第２のエッチング工程と、 前記凹部の上に突出した前記活性層を含む半導体層部分
   をへき開により除去して半導体レーザの端面を形成する
   工程と、を備えたことを特徴とする窒化物系化合物半導
   体発光素子の製造方法。
8. 【請求項８】前記エッチングマスクは、前記活性層を構
   成する前記窒化物系化合物半導体のへき開が容易になる
   ように、前記窒化物系化合物半導体のへき開面に沿って
   応力を集中させるための少なくともひとつの楔形状を有
   することを特徴とする請求項７記載の製造方法。