JP2002280674A

JP2002280674A - 半導体発光装置及びその製造方法

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Publication number: JP2002280674A
Application number: JP2001078027A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Onomura; 正明小野村; Shinya Nunogami; 真也布上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2002-09-27
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP3790677B2

Abstract

(57)【要約】【課題】発振しきい値電流が低く、高出力化と発振波
長制御性の向上を図った、窒化物系半導体を用いた半導
体発光装置とその製造方法を提供する。【解決手段】ｎ型ＧａＮ基板１０に、ｎ型Ｇａ_xＩｎ_y
Ａｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）
系半導体からなるバッファ層１１が形成され、その表面
には、ストライプ状突起２３を形成することにより、基
板表面に略垂直な側面をもって段差１２が加工される。
このバッファ層１１の段差側面１２に基板に対して傾斜
した成長面をもってｎ型Ｇａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-zＮ
（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半導体からなる
下部クラッド層１４が形成され、更にその成長面に基板
に対して傾斜した成長面を有する、Ｇａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ
_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半導
体からなる活性層１５が形成される。この活性層１５を
覆うようにｐ型Ｇａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，
ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半導体からなる上部クラッ
ド層１６が形成される。

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、窒化物系半導体
材料を用いた発光装置、特にＧａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ₁ _-x-y-z
Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）を用いた発光装
置とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体照明や液晶プロジェクタ等の
光源のために可視半導体発光装置のニーズが高まってい
る。半導体発光装置はランプ光源と比べて、効率がよ
い、消費電力が少ない、長寿命である、明るい、光源交
換が不要である、コンパクトであるといった種々の利点
を有する。ＲＧＢ３式板液晶プロジェクタの場合、１０
００ｌｍ（ルーメン）を越える明るさを有する可視半導
体レーザを光源として備えたものが実現できれば、昼光
環境下でも１００インチ以上の大画面投影が可能にな
る。

【０００３】現在実用されているランプ光源液晶プロジ
ェクタの場合、ランプ光源の光束１０００ｌｍのうち、
投射される光利用効率は３％以下と低く、ランプの電力
効率も低い。このため、薄暗い部屋で空冷しながら用い
るといった用途に限られてしまう。光源として半導体発
光素子（ＬＥＤ）を用いる場合、発光効率はランプと同
程度であり、光分岐を行わないレンズ系を用いるといっ
た工夫により光利用効率はランプの２倍程度に改善さ
れ、光源寿命はランプの場合より飛躍的に改善される
が、それでも用途は限られる。

【０００４】これに対して、光源として半導体レーザを
用いることは、発光効率の向上、それに伴う光利用効率
の向上、更に消費電力の低減が図られるため、期待され
ている。しかし、色度図上で最も多彩な色を表現できる
赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）３原色波長（Ｒ：６３０
ｎｍ，Ｇ：５２０ｎｍ，Ｂ：４７０ｎｍ）の半導体レー
ザのうち、ＧとＢは、第２次高調波発生を利用するか、
又はＺｎＳｅ系材料を用いて実現されているが、これら
は実用には至っていない。

【０００５】また、量子井戸構造を有するＧａＮ系半導
体レーザは、Ｒ，Ｇ，Ｂいずれもレーザ発振可能である
ことが理論的にはわかっており、青紫色発光レーザも、
数千時間以上の室温連続発振が実現されている。しか
し、その発振波長は、４００〜４５０ｎｍであって、液
晶プロジェクタや光ディスクシステムの高密度記録用光
源としては、より短波長の青色発光が望まれている。ま
た人工的にのみ作られるＧａＮ基板は、転位等の結晶欠
陥が多く、これがＧａＮ系半導体レーザの高出力化や低
しきい値化を阻害している。更に、ＧａＮ基板の欠陥に
起因して、活性層等の多元系積層膜では組成の揺らぎが
大きく、これが発振波長制御性を低いものとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＮ系材料は、次世
代の液晶プロジェクタや光ディスクシステムの光源とし
て期待されているが、上述のようにＧａＮ基板の結晶欠
陥に起因して、高出力化や低しきい値化、発振波長制御
性等が制限されているのが実状である。

【０００７】この発明は、発振しきい値電流が低く、高
出力化と発振波長制御性の向上を図った、窒化物系半導
体を用いた半導体発光装置とその製造方法を提供するこ
とを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体発
光装置は、基板と、この基板上に形成されて、表面に略
垂直な側面をもって段差が形成された、窒化物系半導体
からなるバッファ層と、このバッファ層の前記段差の側
面に前記基板に対して傾斜した成長面をもってエピタキ
シャル成長された窒化物系半導体からなる活性層と、を
有することを特徴とする。

【０００９】この発明に係る半導体発光装置はまた、基
板と、この基板上に形成されて、表面に略垂直な側面を
もって段差が形成された第１導電型の第１のＧａ_xＩｎ_y
Ａｌ _zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）
系半導体からなるバッファ層と、このバッファ層の前記
段差の側面に前記基板に対して傾斜した成長面をもって
エピタキシャル成長された第１導電型の第２のＧａ_xＩ
ｎ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦
１）系半導体からなる下部クラッド層と、この下部クラ
ッド層の成長面にエピタキシャル成長されて前記基板に
対して傾斜した成長面を有する、第３のＧａ_xＩｎ_yＡｌ
_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半
導体からなる活性層と、この活性層を覆ってエピタキシ
ャル成長された第２導電型の第４のＧａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ
_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半導
体からなる上部クラッド層と、を有することを特徴とす
る。

【００１０】この発明による半導体発光装置の製造方法
は、基板上に、窒化物系半導体層からなるバッファ層を
エピタキシャル成長する工程と、前記バッファ層の表面
に略垂直な側面をもって段差を加工する工程と、前記バ
ッファ層の前記段差の側面に、前記基板の面に対して傾
斜した成長面をもって窒化物系半導体層からなる活性層
をエピタキシャル成長する工程と、を有することを特徴
とする。

【００１１】この発明によると、窒化物系半導体からな
る活性層は、基板上に形成された段差の略垂直の側面
に、基板に対して傾斜した成長面をもってエピタキシャ
ル成長される。これにより、転位の多いＧａＮ等の窒化
物系半導体を用いた場合でも、基板から活性層内に伝搬
する貫通転位等の結晶欠陥を効果的に回避することがで
きる。基板から多数の半導体層を格子不整合の条件で形
成した場合には大きな歪み応力が発生しやすいが、この
発明では活性層部分を段差の側面にエピタキシャル成長
させるため、活性層に入る歪みをも抑えることができ
る。以上のようにこの発明によると、基板からの活性層
に対する種々の影響を抑制できる結果、しきい値電流が
低く、高出力であり、且つ発振波長の制御性の高い、窒
化物系の半導体発光装置が得られる。

【００１２】この発明において、具体的に、バッファ層
の段差は、ストライブ上突起である。この突起は例え
ば、バッファ層をドライエッチングにより作られる。活
性層は、このストライブ状突起の側面に沿ってストライ
プ状に形成される。或いはまた、バッファ層の段差は、
柱状突起とすることもできる。この様な柱状突起もバッ
ファ層をドライエッチングして作られる。この場合活性
層は、その柱状突起を周回する形状をもって形成され
る。

【００１３】この発明による半導体発光装置は、例え
ば、基板上に形成された複数の活性層を含んで、これら
複数の活性層が並列駆動されるようにチップ化すること
ができる。或いはまた、基板上に形成された複数の活性
層を含んで、これら複数の活性層が直列に駆動されるよ
うにチップ化することもできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を説明する。［実施の形態１］図１（ａ）（ｂ）は、この発明の実施
の形態によるＧａＮ系半導体レーザの断面図とチップ平
面図を示している。ＧａＮ基板１０は、（０００１）ｃ
軸Ｇａ面を主面とする、ｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ：５×
１０¹⁸／ｃｍ³，８０μｍ）である。このＧａＮ基板１
０上にｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバッファ層１１がエピタ
キシャル成長されている。バッファ層１１の面には、異
方性ドライエッチングによりストライプ状突起２３を加
工して作られた段差を有する。段差側面１２は、基板面
に対して略垂直である。

【００１５】段差の底面（溝部）には、ＳｉＯ₂スペー
サ１３が形成されている。そして、段差の側面１２を結
晶成長の種として、横方向に、ｎ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ
クラッド層（Ｓｉドープ：５×１０¹⁸／ｃｍ³）１４及
び活性層１５が順次エピタキシャル成長され、更に活性
層１５を覆うようにｐ型Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラッド層
（Ｍｇドープ：５×１０¹⁸／ｃｍ³）１６がエピタキシ
ャル成長されている。活性層１５は、具体的に、ｎ型Ｇ
ａＮ光導波層（Ｓｉドープ：１×１０¹⁸／ｃｍ ³，０．
１μｍ）、Ｉｎ_0.11Ｇａ_0.89Ｎ井戸層（３ｎｍ，３層）
／Ｉｎ_0.02Ｇａ₀ _.98Ｎ障壁層（６ｎｍ）による多重量子
井戸層及び、ｐ型ＧａＮ光導波層（Ｍｇドープ：１×１
０¹⁸／ｃｍ³，０．１μｍ）の積層構造として構成され
る、ＳＣＨ−ＭＱＷ（Separate Confinement Heterostr
ucture Multi-Quantum Well）活性領域であり、横方向
の幅が２μｍである。

【００１６】クラッド層１４は、成長条件を適切に選択
して、ほぼ段差の側面１２のみに選択的にエピタキシャ
ル成長させることによって、基板１０の面に対して６０
°程度の成長面をもって形成される。図では、突起２３
の上面にもクラッド層１４が形成されているが、これは
実際には、段差側面１２から横方向に成長したものが突
起２３上にも張り出したものである。そして、クラッド
層１４の成長面にその傾斜を維持して活性層１５が選択
的にエピタキシャル成長される。従って、活性層１５
は、基板１０の面に対してθ＝６０°程度の傾斜した面
をもって形成されることになる。クラッド層１４の上面
に僅かに活性層成分のＩｎＧａＮ層が成長したとして
も、横方向にＳＣＨ−ＭＱＷ層の膜厚制御を最適化する
ことで、活性層としては機能しない。

【００１７】ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１６の上には、
ｐ型ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ：５×１０¹⁸／ｃ
ｍ³，０．１μｍ）１７がエピタキシャル形成されてい
る。このｐ型コンタクト層１６の上に、Ｐｔ／Ａｕから
なるｐ側電極１８が形成され、基板１０の裏面はＴｉ／
Ｐｔ／Ａｕからなるｎ型電極１９が形成されている。ｐ
型電極１８は、ＡｕＳｎ半田層２０を介して、ＡｌＮサ
ブマウントチップ２１に接続される。

【００１８】この実施の形態の半導体レーザの製造工程
を具体的に、図２Ａ〜図２Ｄを参照して説明する。ま
ず、図２Ａに示すように、鏡面のＧａＮ基板１０の表面
に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ＡｌＧ
ａＮバッファ層１１を形成する。ここで、ＡｌＧａＮバ
ッファ層１１のＡｌ組成比は、０から、この上に形成さ
れるＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成比の間であればよ
く、この間でＡｌ組成比が連続的に変化する状態として
もよいし、或いはこのＡｌＧａＮバッファ層１１のＡｌ
組成比は膜厚方向に一定として、その下地に別途更にＡ
ｌ組成比が変化するバッファ層を介在させるようにして
もよい。

【００１９】ＡｌＧａＮバッファ層１１上に、図示しな
いＳｉＯ₂マスクやレジストマスクを形成して、ＡｌＧ
ａＮバッファ層１１を異方性ドライエッチングでエッチ
ングすることにより、図２Ａに示すように所定間隔のス
トライプ状突起２３を形成する。このストライプ状突起
２３の段差側面１２は略垂直面となり、これを次の結晶
成長の面とするために、溝底部にはＳｉＯ₂或いはＳｉ
Ｎ等のスペーサ１３を埋め込む。但し、必ずしもストラ
イプ状突起２３である必要はなく、段差１２を得るため
には溝加工でもよい。溝の深さがある程度以上深い場合
には、スペーサ１３の埋め込みは省略することができ
る。またスペーサ１３として、レーザ発振の縦モード制
御のための回折格子を形成してもよい。

【００２０】次いで、図２Ｂに示すように、ＭＯＣＶＤ
法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４をエピタキシ
ャル成長し、続いてＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１５をエピタ
キシャル成長する。このとき、ＡｌＧａＮクラッド層１
４は、ストライブ状突起２３の段差側面１２を結晶成長
の種として、主として斜め方向に成長するように、垂直
方向の成長を抑制する。そのためには、キャリアガスで
ある水素と窒素の混合比、アンモニアガスの分圧、成長
温度を最適化することが必要になる。

【００２１】例えば、キャリアガスのうち窒素ガスの比
を高めると、横方向成長速度が増加し、しかもその成長
主面は基板１０の面に対して垂直に近くなる。アンモニ
ア分圧を増やすと、成長膜中に基板１０からの垂直方向
の貫通転位が無秩序方向に動きやすくなり、成長時間と
共に転位密度が低減し、更に点欠陥等の結晶欠陥も形成
されにくくなる。成長温度を上げると、成長主面は、基
板１０の面に対して垂直になりやすい。

【００２２】これらを考慮して具体的にこの実施の形態
では、キャリアガスの混合比を水素：窒素＝２：１と
し、アンモニア分圧を３６０Ｔｏｒｒ（１／２気圧）と
し、成長温度１０５０℃で、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１４及びＳＣＨ−ＭＱＷ活性層１５をエピタキシャル成
長させた。これにより、クラッド層１４及び活性層１５
は、基板１０に対して約６０°の傾斜をもって形成され
た。クラッド層１４は、突起２３の両側に成長したもの
が突起２上で連結された状態になる。活性層１５のＩｎ
ＧａＮ量子井戸層については、成長温度を８００℃と
し、窒素ガスだけの雰囲気で成長させた。斜面をもって
形成される活性層１５のストライプ幅は、約２．１μｍ
である。

【００２３】この後、図２Ｃに示すように、活性層１５
及びクラッド層１４を覆うように、ｐ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層１６をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長さ
せる。このクラッド層１６は、ストライプ状突起２３の
間を埋めて、ストライプ状突起２３の両側の成長層が結
合して、やがて表面がほぼ平坦になるまで成長させる。
但し、多少のＶ溝が残ってもよい。その後更に、図２Ｄ
に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１７をエピタキ
シャル成長させて、表面をほぼ完全に平坦化する。

【００２４】この後は、図１に示すように、ＧａＮコン
タクト層１７上にｐ側電極１８及び半田層２０を形成す
る。ＧａＮ基板１０は、裏面を研磨して厚みを８０μｍ
程度に調整した後、ｎ側電極１９を形成する。次いで、
共振器長０．５ｍｍになるように、図２の断面と並行す
る劈開面をもってウェハを劈開する。そして、図１
（ｂ）に示すチップの光出射端面Ａ，Ｂには、ＥＣＲ−
ＣＶＤ（電子サイクロトロン共鳴ＣＶＤ）法或いはスパ
ッタ法により、高反射膜をコートする。具体的に高反射
膜は、レーザ発振波長の１／４波長厚のＴｉＯ２／Ｓｉ
Ｏ２膜とする。更に、図２の面に直交する方向に切断し
て、それぞれに一つずつ活性層１５を含むようにチップ
化した後、半田層２０の面とＡｌＮマウントチップ２１
とを３２０℃で熱圧着する。

【００２５】この実施の形態の半導体レーザは、順バイ
アスとなる電圧を印加したとき、ｐ側電極１８から流れ
込む電流は、活性層１５を横方向に流れ、更に突起２３
部分を下向きに流れてｎ側電極１９に入る。活性層１５
の外側にも、上下クラッド層１６，１４が直接接触して
ｐｎ接合が形成されているが、その障壁はｐ型クラッド
層１６と活性層１５の間の障壁より高く、従って活性層
１５を横切る電流が支配的となることで、レーザ発振が
可能になる。具体的に、動作電圧４．２Ｖで、しきい値
電流３０ｍＡ、発振波長４０３ｎｍでの室温連続発振が
認められた。８０℃、５０Ｗ駆動による素子寿命は、５
０００時間以上であった。また、ファー・フィールド・
パターン（ＦＦＰ）は水平角８°、垂直角２２°で単峰
ピークを持ち、光ディスク応用に適したビーム特性が得
られた。

【００２６】この実施の形態のレーザでは、活性層は、
基板面に垂直に成長したものではなく、ストライプ状突
起の側面に横方向に成長させている。従って基板からの
貫通転位の影響を受けず、転位密度の低い活性層とな
り、これにより漏洩電流が低いものとなる。また、活性
層１５の中心のＭＱＷ層は、平坦なＧａ面を持つＧａＮ
光導波層の表面に形成されるために、低しきい値電流で
の発振が可能になっている。更に、ｎ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層１４は、ストライプ状突起２３の側面に形成され
るため、ＧａＮ基板１０の格子定数に影響されず、フリ
ースタンディングである本来の格子定数に近い層とな
り、歪みや転位が少なく、クラック等も生じにくい。こ
のため、このｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４をある程度
厚くすることで、光閉じ込め効果を十分なものとするこ
とができ、これが発振しきい値低減につながっている。

【００２７】なお、動作電流の低減のために、クラッド
層にＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子構造を採用することも
有効である。活性層で発生した熱は、熱伝導率の高いＡ
ｌＮサブマウントチップの使用によって、放熱が容易に
なっている。通常のレーザでは、活性層が基板に平行な
薄い層として形成されるため、ＦＦＰは基板に垂直方向
に長い楕円形となるが、この実施の形態の場合前述のよ
うに、通常のレーザのＦＦＰに対して６０°程度傾斜し
たＦＦＰが得られる。光ディスク応用等においては、こ
のＦＦＰを円形に集光させるので問題はないが、システ
ム上、基板面に垂直な楕円のＦＦＰが必要な場合には、
回折格子等を用いて出力ビームを回転させればよい。

【００２８】［実施の形態２］図３は、別の実施の形態
による窒化物系半導体レーザの断面を、図１（ａ）に対
応させて示している。この実施の形態では、先の実施の
形態のＧａＮ基板１０に代わって、サファイア基板３１
を用いている。このサファイア基板３１上にｎ型ＧａＮ
コンタクト層３２を介して、この上に先の実施の形態と
同様にｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１１を形成している。
このＡｌＧａＮバッファ層１１上の素子構成は、先の実
施の形態と同じである。但し、サファイア基板３１が絶
縁体であるため、ｎ側電極１９は、ｎ型ＧａＮコンタク
ト層３２が露出するまで孔開けエッチングを行って、そ
の表面に形成している。

【００２９】この実施の形態によっても先の実施の形態
とほぼ同様のレーザ特性が得られる。サファイア基板の
放熱性はＧａＮ基板のそれより劣るため、動作電流が僅
かに上昇し、高温環境下では特性に影響が出る可能性が
ある。また、レーザ共振器形成のための劈開工程やチッ
プ化工程で歩留まりが低下するおそれがあるが、基本的
に絶縁性基板でも実施可能であることが確認された。

【００３０】［実施の形態３］図４（ａ）（ｂ）は、別
の実施の形態による窒化物系半導体レーザを、図１
（ａ）（ｂ）に対応させて示したチップ断面図とチップ
平面図である。この実施の形態が図１の実施の形態と異
なる点は、突起２３をストライブ状ではなく、略垂直の
側面１２を持つ六角柱状としている点である。これも異
方性ドライエッチングにより形成される。この柱状突起
２３の各側面１２に成長させる活性層１５は、先の実施
の形態と同様に基板面に対して傾斜するため、全体とし
て六角錘の錘面を持つ周回形状となる。従って、活性層
で発生する光は周回することでキャリアを励起して、レ
ーザ発振を起こす。但し、特定の方向にのみ光ビームを
出射するようにして、発振しきい値を低くするために
は、特定のコーナーを光出射端とするような工夫が必要
である。突起２３を六角柱ではなく、円柱としてもよ
い。円柱状突起としても、結晶成長速度の面方位依存性
により、活性層１５は角錘状になる。

【００３１】［実施の形態４］図５は、別の実施の形態
による窒化物系半導体レーザの断面を示している。この
実施の形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０上に形成された複
数の活性層１５を含んで１チップ化することにより、高
出力用のレーザアレイを構成している。各層の構成及び
製造工程は、実施の形態１と同様である。但し、ストラ
イプ状突起２３の上部に成長するｐ型半導体層は除去し
て、空隙５１としている。これは、ストライプ状突起２
３の上部には、基板１０からの貫通転位が多く入り、ｐ
ｎ接合で通電劣化を起こすことを防止するためである。
空隙５１には、ＳｉＯ２，ＳｉＮ等の絶縁体を埋め込ん
でもよい。

【００３２】それぞれ一つずつの活性層１５を持つ複数
のレーザ素子ユニットに対して、ｎ側電極１９は共通に
形成される。また各ｐ側電極１８も半田層２０を介して
共通にサブマウント２１に接続されている。従って、複
数のレーザ素子ユニットが並列駆動されて、高出力が得
られる。

【００３３】具体的に、１００個程度の活性層をもって
レーザアレイを構成して、最大出力２０Ｗ以上は得られ
る。但しこの場合、各素子領域の層厚や組成比の揺らぎ
により、発振波長は３９６ｎｍ〜４１０ｎｍという範囲
の広いマルチモード発振となる。この様なアレイ化によ
り、放熱性が問題になるが、これについては、サブマウ
ント２１として、ＡｌＮに代わってペルチェ強制冷却器
を用いれば、解決できる。

【００３４】［実施の形態５］図６は、別の実施の形態
による窒化物系半導体レーザの断面を示している。この
実施の形態でも、ｎ型ＧａＮ基板１０上に形成された複
数の活性層１５を含んで１チップ化しているが、複数の
活性層１５は、直列駆動されるようにしている。即ち、
先の各実施の形態と同様にｎ型クラッド層１４、活性層
１５及びｐ型クラッド層１６を形成するが、ｐ型クラッ
ド層１６は、ｎ型クラッド層１４及び突起２３が露出す
るまでエッチングして、これらとの間で直接ｐｎ接合が
形成されないようにする。そして、アレイ配列されたレ
ーザ素子ユニットの左右両端部のｐ型クラッド層１６の
側面にそれぞれコンタクト層６２，６４を介して電極６
３，６５を形成している。

【００３５】レーザ素子アレイの上部には、高抵抗のＡ
ｌＮ多結晶層６１を形成し、このＡｌＮ多結晶層６１
を、半田層２０を介してＡｌＮサブマウント２１に接続
している。これにより、アレイ配列されたレーザ素子ユ
ニットは、電極６３，６５間に、ｐｎ接合が交互に逆に
なる状態で直列接続されたことになる。レーザ素子アレ
イの上に高抵抗のＡｌＮ多結晶層６１を介在させること
により、半田金属を用いてもサブマウント２１から素子
部への通電は防止される。またＡｌＮ多結晶層６１は、
放熱性に優れており、発熱を効果的に逃がすことができ
るだけでなく、熱膨張係数が窒化物系半導体と近いた
め、半田やサブマウントとの接触により歪み応力を緩和
する働きをする。

【００３６】この実施の形態の場合、電極６３，６５間
に直流動作電圧を印加したときは、アレイ配列されたレ
ーザ素子のうち、順バイアスとなる半分が発振し、残り
は大きな逆バイアスがかかってトンネリング電流が流
れ、隣接する素子間を直列に接続することになる。交流
電圧を印加した場合には、正の半波と負の半波でそれぞ
れ順バイアスになる素子が交互に発振することになる。

【００３７】［実施の形態６］実施の形態４で説明した
ような、複数の活性層を含んで並列駆動するタイプのＧ
ａＮ系半導体レーザは、高出力が得られるだけでなく、
各活性層の組成の揺らぎにより発振波長範囲が１０ｎｍ
を越えたマルチモードとなるため、特に投射型液晶プロ
ジェクタ等に適用した場合に有効である。

【００３８】図７は、その様な実施の形態の投射型液晶
プロジェクタを示している。Ｒ，Ｇ，ＢのＧａＮ系半導
体レーザ７２ａ，７２ｂ，７２ｃの出力ビームは、それ
ぞれ、シリンドリカルレンズ（又は回折格子）７３ａ，
７３ｂ，７３ｃにより円形ビームに変換され、コリメー
トレンズ系７４ａ，７４ｂ，７４ｃによりコリメートさ
れて、Ｒ，Ｇ，Ｂ用の液晶板７１ａ，７１ｂ，７１ｃに
照射される。液晶板７１ａ，７１ｂ，７１ｃの透過光
は、ビームスプリッタ７５に入って合成されて、プロジ
ェクションレンズ７６により拡大投射される。

【００３９】具体的に、半導体レーザ７２ａ，７２ｂ，
７２ｃは、実施の形態４における活性層のＩｎＧａＮ量
子井戸層のＩｎ組成を選択することによってそれぞれ、
中心波長６３０ｎｍ，５２０ｎｍ，４７０ｎｍの３原色
レーザアレイとして構成する。この３波長レーザを用い
ることにより、演色される色度座標上での三角形は人間
が感じる色の殆どを再生できるが、特に前述のように発
振波長範囲が１０ｎｍ程度の範囲のマルチモードとなる
ことで、再現できる色範囲はより拡大される。

【００４０】具体的に、Ｒ，Ｇ，Ｂ半導体レーザ７２
ａ，７２ｂ，７２ｃをそれぞれ１００個の活性層を含ん
で最大光出力２０Ｗを越えるものとすれば、白昼で１０
０インチ以上の投影に十分に耐えうる。光束１０００ｌ
ｍを得るための光出力は、比視感度を考慮しても、赤色
で５．５Ｗ、緑色で２．０Ｗ、青色で１６．１Ｗである
からである。このとき、Ｒ，Ｇ，Ｂ半導体レーザ７２
ａ，７２ｂ，７２ｃの消費電力はそれぞれ、１５Ｗ，８
Ｗ，９１Ｗとなる。これは、ランプ光源を用いた従来の
室内用液晶プロジェクタの約２００Ｗに比べると、６０
％程度の消費電力低減になる。しかも、半導体レーザは
供給電流量を切り換えることにより光出力を切り換える
ことができるので、輝度調整も容易である。

【００４１】この発明は上記実施の形態に限られない。
例えば上記実施の形態では、異方性ドライエッチングに
よりバッファ層に段差を形成したが、他の方法を用いる
こともできる。例えば、基板やバッファ層等の下地上に
マスクパターン（例えばＳｉＯ₂，ＳｉＮ等）を形成
し、このマスク開口に露呈する下地表面に、Ｇａ_xＩｎ_y
Ａｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）
層を選択的に成長させることによっても同様に段差を形
成することができる。また、基板としては、ＧａＮやサ
ファイアの他、ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＳｉＣ，ダイアモンド
等の単結晶基板、或いはＡｌＮ等のセラミック基板を用
い得る。また半導体レーザに限らず、ＬＥＤにも同様に
この発明を適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、活
性層は、基板上に形成された段差の略垂直の側面に、基
板に対して傾斜した成長面をもってエピタキシャル成長
され、基板からの貫通転位等の影響を受けないため、し
きい値電流が低く、高出力であり、且つ発振波長の制御
性の高い、窒化物系の半導体発光装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態による半導体レーザの構
造を示す断面図と平面図である。

【図２Ａ】同実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。

【図２Ｂ】同実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。

【図２Ｃ】同実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。

【図２Ｄ】同実施の形態の製造工程を示す断面図であ
る。

【図３】他の実施の形態による半導体レーザの断面図で
ある。

【図４】他の実施の形態による半導体レーザの断面図と
平面図である。

【図５】他の実施の形態による半導体レーザの断面図で
ある。

【図６】他の実施の形態による半導体レーザの断面図で
ある。

【図７】この発明による半導体レーザを適用した投射型
液晶プロジェクタの構成を示す図である。

【符号の説明】

１０…ｎ型ＧａＮ基板、１１…ｎ型ＧａＮバッファ層、
１２…段差側面、１３…スペーサ、１４…ｎ型ＡｌＧａ
Ｎクラッド層、１５…活性層、１６…ｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層、１７…ｐ型ＧａＮコンタクト層、１８…ｐ側
電極、１９…ｎ側電極、２０…半田層、２１…ＡｌＮサ
ブマウント、２３…突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H088 EA14 HA24 HA28 MA06 2H091 FA26X FA26Z FA41Z FA46Z LA16 MA07 5F045 AA04 AB19 AC12 AC15 AC18 AD12 AF04 AF09 BB16 CA09 CA12 DA51 DA52 DA53 DA55 5F073 AA21 AA46 AA74 AA83 AB04 BA06 BA09 CB02 CB07 CB19 CB22 DA05 DA24 DA32 EA19 EA28 FA15 FA22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、この基板上に形成されて、表面に略垂直な側面をもって
段差が形成された、窒化物系半導体からなるバッファ層
と、このバッファ層の前記段差の側面に前記基板に対して傾
斜した成長面をもってエピタキシャル成長された窒化物
系半導体からなる活性層と、を有することを特徴とする
半導体発光装置。
【請求項２】基板と、この基板上に形成されて、表面に略垂直な側面をもって
段差が形成された第１導電型の第１のＧａ_xＩｎ_yＡｌ_z
Ｂ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半
導体からなるバッファ層と、このバッファ層の前記段差の側面に前記基板に対して傾
斜した成長面をもってエピタキシャル成長された第１導
電型の第２のＧａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，
ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半導体からなる下部クラッ
ド層と、この下部クラッド層の成長面にエピタキシャル成長され
て前記基板に対して傾斜した成長面を有する、第３のＧ
ａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ、ｘ＋ｙ＋
ｚ≦１）系半導体からなる活性層と、この活性層を覆ってエピタキシャル成長された第２導電
型の第４のＧａ_xＩｎ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-zＮ（０≦ｘ，ｙ，
ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）系半導体からなる上部クラッド層
と、を有することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】前記バッファ層の段差は、ストライプ状
突起であり、前記活性層は、前記ストライブ状突起の側面に沿ってス
トライプ状に形成されていることを特徴とする請求項１
又は２記載の半導体発光装置。
【請求項４】前記バッファ層の段差は、柱状突起であ
り、前記活性層は、前記柱状突起を周回する形状をもって形
成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の半
導体発光装置。
【請求項５】前記基板上に形成された複数の活性層を
含んで、これら複数の活性層が並列駆動されるようにチ
ップ化されていることを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項６】前記基板上に形成された複数の活性層を
含んで、これら複数の活性層が直列に駆動されるように
チップ化されていることを特徴とする請求項１乃至３の
いずれかに記載の半導体発光装置。
【請求項７】前記活性層は量子井戸構造であることを
特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体発
光装置。
【請求項８】基板上に、窒化物系半導体層からなるバ
ッファ層をエピタキシャル成長する工程と、前記バッファ層の表面に略垂直の側面をもって段差を加
工する工程と、前記バッファ層の前記段差の側面に、前記基板の面に対
して傾斜した成長面をもって窒化物系半導体からなる活
性層をエピタキシャル成長する工程と、を有することを
特徴とする半導体発光装置の製造方法。
【請求項９】請求項１乃至７のいずれかに記載の半導
体発光装置と光学系を組み合わせて構成された投射型表
示装置。