JP2002314201A

JP2002314201A - 半導体発光素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP2002314201A
Application number: JP2001111291A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tomioka; 聡冨岡
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2002-10-25

Abstract

(57)【要約】【課題】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる複数の発
光部がモノリシック集積された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】サファイアからなる基板１の上にＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体からなる結晶部３Ａを設け、この結
晶部３Ａを基礎として離間部３Ｂに半導体層１０〜３０
を連続して横方向に成長させる。半導体層１０〜３０の
組を３セット成長させることにより、並列する発光部５
Ａ〜５Ｃが形成される。各半導体層１０〜３０は隣接す
る半導体層１０〜３０と結晶構造が異なる場合でも格子
整合させることが可能であり、発光部５Ａ〜５Ｃはそれ
ぞれ異なる組成で構成され、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青
（Ｂ）などの異なる発光波長を有している。こうして、
同一の基板１に、発光部５Ａ〜５Ｃがモノリシックに集
積される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体層からなる複数の発光部を備えた半導体発光素
子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ，ＡｌＧａＮ混晶あるいはＧａＩ
ｎＮ混晶などに代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体
は、そのバンドギャップエネルギーが室温で１．９ｅＶ
〜６．２ｅＶと広範にわたり、これに対応して紫外域か
ら可視全域に対する発光が得られることから、発光ダイ
オード（Light-Emitting Diode；ＬＥＤ）、半導体レー
ザ(Laser Diode；ＬＤ）および紫外線検出素子などの発
光素子の材料として注目されてきた。

【０００３】中でも、この材料系によって発光波長が４
００ｎｍ帯域にある青色発光素子がようやく実用段階に
入ったことから、光の３原色が揃うことになり、フルカ
ラー表示が可能となる。そのため、ディスプレイ等の応
用分野においては、青色発光素子、更には３原色が発光
可能な素子に対する開発要求は従来より強く、近年にな
って、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザでは室温で３００
時間の連続発振が達成されている（Jpn.J.Appl.Phys,35
L74(1996);Jpn.J.Appl.Phys,36L1059(1997))。

【０００４】これらの発光素子は、基板上に気相成長法
を用いて積層されたＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層により
発光部が構成されている。基板としては、その上に成長
させる半導体と格子整合するものが望ましいが、ＩＩＩ
−Ｖ族窒化物半導体の格子定数は他の化合物半導体と比
べてもかなり小さく、これに対して格子不整合率や熱膨
張係数差の小さな基板材料は極めて限定される。また、
ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物の基板も検討されては
いるが、格子欠陥が非常に多いために実用化に到ってい
ない。

【０００５】通常は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体はいず
れも六方晶系のウルツ鉱型結晶構造を安定型とすること
から、同じく六方晶であるサファイア（α−Ａｌ
₂Ｏ₃）や６Ｈ−ＳｉＣを基板として、その（０００
１）面上にエピタキシャル成長させることが多い。例え
ば、上述のＡｌＧａＩｎＮ系レーザでは、サファイア基
板の上にＧａＮ層をバッファとして成長させ、その上に
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物の半導体層を形成することにより発
光部が作製されている。また、その際に基板面を（００
０１）面に選ぶのは、基板とその上のエピタキシャル層
の結晶方位には相関があり、基板面の対称性がエピタキ
シャル層の結晶構造を決定づけるためである。ちなみ
に、六方晶結晶の（０００１）面は立方晶結晶の（１１
１）面と原子配列が等価であることが知られており、例
えば、立方晶であるＧａＡｓ基板の（１１１）面上に
（０００１）面を成長面とする六方晶系ＧａＮを成長さ
せることが可能である。

【０００６】こうしたサファイア基板の難点はＩＩＩ−
Ｖ族窒化物半導体との格子定数や熱膨張係数の差が大き
いことであり、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層には基板と
の歪みを緩和するために転位などの格子欠陥が多数発生
する。欠陥部分は、電子と正孔とが再結合しても発光し
ない非発光中心あるいは電流のリーク箇所となり得、素
子の特性を損なう要因となる。そこで、格子欠陥を低減
させるために、横方向成長により結晶層を形成する技術
が提案されている。その１つに、サファイア基板上に種
結晶としてＩＩＩ−Ｖ族窒化物からなる凸状の結晶部と
その間の離間部とを設け、結晶部を基礎として離間部に
結晶を成長させる方法がある。この方法では、成長条件
を選べば、結晶部上面から上方に成長する縦方向成長に
比べて、結晶部側面から離間部へと水平方向に成長する
横方向成長のほうが速度が速くなり、主に横方向成長し
た結晶層が得られる。

【０００７】このように、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層
を成長させるための基板は限られているばかりか課題を
抱えているが、とりわけ、青色系発光はＧａＮ系材料に
よって実現されるため、これら既存の基板を選ぶほかな
いのが現状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一方、赤色系の発光素
子は、同じＩＩＩ−Ｖ族化合物でも窒化物ではなくＡｌ
ＧａＩｎＰ系の半導体をＧａＡｓ基板上に積層させたも
のが一般的である。使用する基板が青色系の窒化物半導
体と異なるのは、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体が立方晶の閃
亜鉛鉱構造であり、六方晶系の窒化物半導体とは大きく
結晶構造が異なっているからである。よって、両者を同
一基板の上に成長させることは難しく、これらからなる
発光素子のモノリシック集積は困難であったために、３
原色を同時に発光させる場合には、発光素子単体を３つ
の波長毎に用意するか、個別に作製したチップを１つの
パッケージに配したハイブリッド集積素子を用いるのが
一般的であった。しかしながら、この方法では、いきお
い素子サイズが大きくなり、組立・調整工程が必要とな
る。組立精度を追求すると生産性が低下する等の問題が
生じ、特に、光ディスク用途のマルチビームレーザにお
いては発光点位置および角度精度に対する要求が厳し
く、十分な精度が得られない場合には複数の光学系を用
いねばならないこともあった。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる
複数の発光部がモノリシック集積された半導体発光素子
およびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体発光
素子は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、結晶部と
離間部とを有する種結晶部と、結晶部を基礎として前記
離間部に成長した半導体層からなり、半導体層の成長方
向に並列する複数の発光部とを備えている。

【００１１】本発明による半導体発光素子の製造方法
は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、結晶部と離間
部とを有する種結晶部を成長させて形成する工程と、結
晶部を基礎として離間部の間に半導体層を成長させ、半
導体層の成長方向に並列する複数の発光部を形成する工
程とを含んでいる。

【００１２】本発明による半導体発光素子およびその製
造方法では、横方向成長させた半導体層からなる複数の
発光部が半導体層の成長方向に並列に形成され、また、
互いに隣接する半導体層同士は、結晶構造が異なる場合
でも格子整合することが可能であることから、同一基板
上に異なる結晶構造の半導体層で構成される複数の発光
部がモノリシックに集積される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１４】［第１の実施の形態］図１は本発明の第１
の実施の形態に係る半導体発光素子としての半導体レー
ザの構成を表している。この半導体レーザは、基板１の
上に複数の発光部５（５Ａ〜５Ｃ）がモノリシックに設
けられたものであり、これら発光部５は図の矢印Ｘで示
した方向に並列している。更に、各発光部５は、図中矢
印Ｘで示した方向に並列するｎ型半導体層１０，活性層
２０およびｐ型半導体層３０により構成されている。な
お、本明細書では、個々の発光部５Ａ〜発光部５Ｃにつ
いて説明するときは、発光部５Ａ〜発光部５Ｃの末尾の
符号Ａ〜Ｃをそれぞれの構成要素にも付して区別するこ
とにする。

【００１５】この基板１には、例えばサファイア基板が
用いられ、その（０００１）面上に結晶部３Ａと離間部
３Ｂとを有する種結晶部３が設けられている。結晶部３
Ａは、発光部５を構成する半導体層１０〜３０の成長の
基礎となるものであり、ここではバッファ層２を介して
図の矢印Ｙの方向に帯状に延び、矢印Ｘの方向（幅方
向）には、所定の間隔で周期的に設けられている。ま
た、離間部３Ｂは、隣り合う結晶部３Ａの間の領域であ
り、ここに半導体層１０〜３０が形成される。このよう
な結晶部３Ａは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成さ
れている。具体的には、バッファ層２は例えば厚みが３
０ｎｍの不純物を添加しないundope−ＧａＮからなり、
結晶部３Ａは例えば厚みが２μｍのundope−ＧａＮから
なる。

【００１６】図２は、発光部５のうちの１つについて、
その構成を表したものである。このように、発光部５で
は、活性層２０の両側面にそれぞれｎ型半導体層１０と
ｐ型半導体層３０が設けられている。ここでは、それぞ
れが１つの発光部５を構成する半導体層１０〜３０の組
が３組形成され、発光部５Ａ〜発光部５Ｃが設けられて
いる。これらの半導体層１０〜３０は、結晶部３Ａを基
礎としてその側面から成長して離間部３Ｂに形成され、
ｎ型半導体層１０は、例えばｎ側コンタクト層１０１，
ｎ型クラッド層１０２および第１のガイド層１０３から
なり、ｐ型半導体層３０は、例えば第２のガイド層３０
１，ｐ型クラッド層３０２およびｐ側コンタクト層３０
３からなる。

【００１７】各半導体層１０〜３０の組成や厚みは任意
であるが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成することが
好ましい。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、エネルギーバ
ンド構造が直接遷移型であるため発光が比較的容易であ
り、また、その広範なバンドギャップエネルギーにより
紫外から可視全域の波長で発光が可能であり、同一材料
系から発光色を選択することができるためである。な
お、ここでいうＩＩＩ−Ｖ族化合物とは、ガリウム（Ｇ
ａ），アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）あるいはイ
ンジウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族元素群のうちの少なくと
も１種と、窒素（Ｎ），砒素（Ａｓ）および燐（Ｐ）の
Ｖ族元素のうちの少なくとも１種とを含むものである。
本実施の形態では、半導体層１０〜３０はＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体のうちＧａＮ系半導体により構成される。
例えば、ｎ型半導体層１０では、ｎ側コンタクト層１０
１としてｎ型ＧａＮ、ｎ型クラッド層１０２としてｎ型
ＡｌＧａＮ混晶、そして、第１のガイド層１０３として
ｎ型ＧａＮが用いられている。

【００１８】活性層２０は、例えば不純物を添加しない
undope−ＧａＩｎＮ混晶により構成されるが、ここで
は、発光部５Ａ，発光部５Ｂおよび発光部５Ｃが青
（Ｂ），緑（Ｇ），赤（Ｒ）の３原色に発光するよう
に、活性層２０Ａ〜活性層２０Ｃには異なる組成が選択
されている。例えば、活性層２０ＡとしてＧａ_0.85Ｉｎ
_0.15Ｎ、活性層２０ＢとしてＧａ_0.78Ｉｎ_0.22Ｎ、更
に、活性層２０ＣとしてＧａ_0.40Ｉｎ_0.60Ｎが用いられ
る。

【００１９】ｐ型半導体層３０においては、例えば、第
２のガイド層３０１はマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型
不純物を添加したｐ型ＧａＮ、ｐ型クラッド層３０２は
マグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物を添加したｐ型
ＡｌＧａＮ混晶、ｐ側コンタクト層３０３はｐ型ＧａＮ
によって構成されている。

【００２０】なお、隣り合う発光部５では、その境界面
を対称面として伝導型が対称となる順序で半導体層１０
〜３０が設けられている。この場合には、ｐ型半導体層
３０Ａとｐ型半導体層３０Ｂ、ｎ型半導体層１０Ｂとｎ
型半導体層１０Ｃが隣接している。

【００２１】更に、発光部５の上部には、帯状に展延し
たｐ側電極４２，４４およびｎ側電極４１，４３が設け
られている。ｐ側電極４２は、発光部５Ａのｐ側コンタ
クト層３０３Ａと、これに隣接する発光部５Ｂのｐ側コ
ンタクト層３０３Ｂとの境界に設けられて双方と電気的
に接続されており、ｐ側電極４４は、発光部５Ｃのｐ側
コンタクト層３０３Ｃと電気的に接続されている。これ
らｐ側電極４２，４４は、例えば、ｐ側コンタクト層３
０３の側よりパラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），金
（Ａｕ）が順次積層された構造を有している。なお、ｐ
側電極４２，４４の材料としては、その他にも例えば、
ニッケル（Ｎｉ），タングステン（Ｗ），チタン（Ｔ
ｉ）などが挙げられ、以上に挙げた材料のうちから少な
くとも２つを組み合わせて用いることも可能である。

【００２２】一方、ｎ側電極４１は、発光部５Ａのｎ側
コンタクト層１０１Ａと電気的に接続されており、ｎ側
電極４３は、発光部５Ｂのｎ側コンタクト層１０１Ｂ
と、これに隣接する発光部５Ｃのｎ側コンタクト層１０
１Ｃとの境界に設けられて双方と電気的に接続されてい
る。ｎ側電極４１，４３は、例えば、ｎ側コンタクト層
１０１の側から順にチタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａ
ｌ）および金（Ａｕ）が積層された構造を有している。

【００２３】次に、このような半導体レーザの製造方法
を、図１，図２および図３〜図７を参照しながら説明す
る。

【００２４】まず、図３に示したように、複数の半導体
レーザ形成領域を有するサファイアよりなる基板１を用
意し、その（０００１）面一面に、ＭＯＣＶＤ（Metal
Organic Chemical Vapor Deposition)法によって、Ｇａ
Ｎからなるバッファ層２を厚さ３０ｎｍに形成し、更に
その上にＩＩＩ−Ｖ族化合物の結晶を成長させて厚さ２
μｍの結晶層用成長層３ａ（図示せず）を形成する。次
いで、結晶層用成長層３ａの上に、例えば、ＣＶＤ法に
よりマスク層４を形成する。

【００２５】マスク層４は誘電体層からなり、具体的に
は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）層，窒化ケイ素（Ｓｉ₃
Ｎ₄）層および酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）層のい
ずれか１層または２層以上を積層して形成される。ここ
では、二酸化ケイ素（ＳｉＯ ₂）からなる第１のマスク
層４ａと窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる第２のマス
ク層４ｂが順に積層されている。なお、マスク層４は、
その他にもモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等
の高融点金属で構成することができ、その場合には、長
周期律表におけるＩＶａ族，Ｖａ族およびＶＩａ族から
選ばれる１種類からなる金属層または２種類以上からな
る合金層を含んで形成するとよい。

【００２６】そののち、マスク層４を部分的に除去し、
例えば帯状に延長される所定形状を形成する。具体的に
は、まずマスク層４の上にストライプ状のフォトレジス
ト膜を成膜し、フォトリソグラフィによりフォトレジス
ト膜のパターン形成を行い、更に、このパターンをマス
クとして例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの
エッチングを行い、マスク層４を部分的に除去してパタ
ーンを転写した後に、フォトレジスト膜を除去する。

【００２７】次に、マスク層４をマスクとして、例えば
塩素ガス（Ｃｌ₂）をエッチングガスとしたＲＩＥなど
のドライエッチングを基板１の表面まで行い、結晶層用
成長層３ａを部分的に除去する。これにより、結晶層用
成長層３ａから、所定の間隔で結晶部３Ａと離間部３Ｂ
とが交互に並べられた種結晶部３が形成される。

【００２８】次に、例えばＭＯＣＶＤ法を用い、種結晶
部３の結晶部３Ａを基礎として離間部３Ｂに半導体層１
０〜３０の組を繰り返し成長させ、３組の発光部５Ａ〜
発光部５Ｃのレーザ構造を形成する。このとき、各半導
体層１０〜３０の結晶成長は、結晶部３Ａの離間部３Ｂ
に面する側壁面から横方向（側面にほぼ垂直な方向）に
選択的に行なわれ、各層が結晶部３Ａの幅方向に並列に
形成される。なお、その際には、例えば、基板１の温度
は７００〜１０００℃とし、アルミニウムの原料として
はトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、ガリ
ウムの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃
Ｇａ）、インジウムの原料としてはトリメチルインジウ
ム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）および窒素の原料としてはアン
モニアをそれぞれ用いる。また、ｎ型不純物としてケイ
素を添加する場合には、ケイ素の原料としてモノシラン
（ＳｉＨ₄）を用い、ｐ型不純物としてマグネシウムを
添加する場合には、マグネシウムの原料としてビス＝メ
チルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ₃Ｃ₅
Ｈ₄）₂Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマ
グネシウム（（Ｃ₅Ｈ₅）₂Ｍｇ）をそれぞれ用いる。

【００２９】まず、図４に示したように、結晶部３Ａを
基礎として、ｎ型半導体層１０Ａ，活性層２０Ａそして
ｐ型半導体層３０Ａを順に、離間部３Ｂに成長させる。
すなわち、ｎ側コンタクト層１０１Ａ，ｎ型クラッド層
１０２Ａ，第１のガイド層１０３Ａ、活性層２０Ａ，第
２のガイド層３０１Ａ，ｐ型クラッド層３０２Ａおよび
ｐ側コンタクト層３０３Ａを連続して成長させる。その
際には、活性層２０ＡをＧａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎにより形成
する。これにより、発光部５Ａのレーザ構造が形成され
る。

【００３０】次に、図５に示したように、ｐ型半導体層
３０Ｂ，活性層２０Ｂそしてｎ型半導体層１０Ｂを成長
させ、発光部５Ｂのレーザ構造を形成する。ここでは、
この工程は先の発光部５Ａの形成工程と連続して行なわ
れ、発光部５Ａのｐ側コンタクト層３０３Ａに引き続い
て発光部５Ｂのｐ側コンタクト層３０３Ｂを成長させ、
更に、ｐ型クラッド層３０２Ｂ，第２のガイド層３０１
Ｂ，活性層２０Ｂ，第１のガイド層１０３Ｂ，ｎ型クラ
ッド層１０２Ｂおよびｎ側コンタクト層１０１Ｂをこの
順に成長させる。その際には、活性層２０ＢをＧａ_0.78
Ｉｎ_0.22Ｎにより形成する。これにより、発光部５Ｂ
は、発光部５Ａとその境界面を対称面として伝導型が対
称に並ぶ半導体層１０Ｂ〜３０Ｂにより構成される。

【００３１】更に、図６に示したように、発光部５Ａと
同様の方法で半導体層１０Ｃ〜３０Ｃを成長させ、発光
部５Ｃのレーザ構造を形成する。この工程は、発光部５
Ｂの形成工程と連続して行なわれ、発光部５Ｂのｎ側コ
ンタクト層１０１Ｂに引き続いて発光部５Ｃのｎ側コン
タクト層１０１Ｃを成長させる。更に発光部５Ａの半導
体層１０Ａ〜３０Ａと同様の順序で半導体層１０Ｃ〜３
０Ｃを成長させるが、その際、活性層２０ＣをＧａ_0.40
Ｉｎ_0.60Ｎにより形成する。これにより、発光部５Ｃ
は、発光部５Ｂとその境界面を対称面として伝導型が対
称に並ぶ半導体層１０Ｃ〜３０Ｃにより構成される。こ
のようにして、基板１の上に複数の発光部５Ａ〜発光部
５Ｃをモノリシック集積することができる。

【００３２】その後は図７に示したように、各半導体層
１０〜３０のうち上面方向に成長した部分をエッチング
により除去して発光部５の上面を平坦化すると共に、マ
スク層４を除去し、更に、帯状のｐ側電極４２，４４お
よびｎ側電極４１，４３を、例えば真空蒸着法を用いて
図１に示した所定の位置に形成する。ここでは、ｎ側電
極４１は、結晶部３Ａおよびｎ側コンタクト層１０１Ａ
の上部に設けられる。ｐ側電極４２は、ｐ側コンタクト
層３０３Ａおよびｐ側コンタクト層３０３Ｂに跨ってそ
の上部に設けられ、ｎ側電極４３は、ｎ側コンタクト層
１０１Ｂおよびｎ側コンタクト層１０１Ｃに跨ってその
上部に設けられる。ｐ側電極４４は、ｐ側コンタクト層
３０３Ｃの上部に設けられる。なお、ｐ側電極４２，４
４は、例えば、ｐ側コンタクト層３０３の側よりパラジ
ウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），金（Ａｕ）を順次蒸着し
て形成する。一方、ｎ側電極４１，４３は、例えば、ｎ
側コンタクト層１０１の側から順にチタン（Ｔｉ），ア
ルミニウム（Ａｌ）および金（Ａｕ）を順次蒸着して形
成する。

【００３３】そののち、基板１を図１の矢印で示した方
向と垂直に所定の幅で劈開し、その劈開面に図示しない
反射鏡膜を付設して共振器端面を形成する。

【００３４】この半導体レーザでは、電極４１〜４４の
いずれか２極間に所定の電圧が印加されると、その間に
存在する発光部５の活性層２０に電流が注入され、その
活性層２０の材料固有のバンドギャップエネルギーに応
じた波長の発光が生じる。ここでは、活性層２０Ａ〜活
性層２０Ｃはそれぞれ異なる組成のＧａＩｎＮ混晶によ
り構成されており、それぞれ、青（Ｂ），緑（Ｇ），赤
（Ｒ）の３原色に発光する。更に、どの発光部５Ａ〜発
光部５Ｃが発光するかは、電極４１〜４４の相互間の電
位差によって決まる。よって、目的の発光部５にのみ所
定の電圧を与え、しきい電流以上の電流を適切に注入す
るため、例えば、電極４１〜４４のいずれも接地しない
ものとして、発光部５Ａ，発光部５Ｂおよび発光部５Ｃ
はそれぞれ個別に設けられたドライバで駆動され、その
発光を制御される。これにより、３原色をそれぞれ独立
して発光させることが可能となる。

【００３５】こうした３原色の発光が可能な半導体レー
ザは、例えばカラーレーザプリンタまたはカラーレーザ
コピー等に応用される。これらのプリンタ機器では、Ｃ
ＣＤスキャナもしくは外部から入力されるデジタルデー
タをもとに半導体レーザ光を集光・走査して感光ドラム
に潜像を描き、露光した感光ドラムに各色のトナーを付
着させ、一旦、転写ベルトに移したトナーを用紙に転写
させる。従来、レーザ光による走査は、３個の半導体レ
ーザかハイブリッド型半導体レーザにより行われていた
が、このモノリシック型の半導体レーザを光源に用いる
ことにより、各発光部間の相対位置精度を向上させるこ
とができる。また、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に対して感光する
材料を用いた場合には、一回の露光でカラープリントを
行うことが可能となる。

【００３６】このように本実施の形態では、結晶部３Ａ
を基礎として離間部３Ｂに成長した半導体層１０〜３０
からなり、その成長方向に並列する複数の発光部５（５
Ａ〜５Ｃ）を備えるようにしたので、１つの基板上に発
光部をモノリシック集積することができ、ハイブリッド
型レーザよりも小型化することが可能となる。また、そ
れぞれの発光部５Ａ〜発光部５Ｃの相対位置の精度も向
上し、組立・調整工程が不要なことから、歩留まりと生
産性を共に向上させることができる。よって、光プリン
タ類の光源に用いれば、機器の性能が向上する。

【００３７】更に、各発光部５は、半導体層１０〜３０
を結晶部３Ａを基礎として横方向に繰り返し連続成長さ
せて形成するようにしたので、複数の発光部を備えた半
導体レーザを簡便な方法で製造することができる。

【００３８】（変形例）図８は上記第１の実施の形態の
変形例に係る半導体レーザの断面構造を表している。先
の実施の形態では、電極４１〜４４を発光部５の上面の
みに形成したが、本変形例では、電極５１〜５４が隣り
合う発光部５の間に埋め込まれている。このような電極
５１〜５４の形成は、例えば、Ｃｌ₂やＳｉＣｌ₄等の
塩素系ガスを用いたドライエッチングなどにより発光部
５Ａ〜発光部５Ｃの間をその境界で分離し、所定の幅の
空隙を設け、この部分に電極材料を埋め込むことで行わ
れる。このような形状の電極５１〜５４を設けることに
より、発光層２０への電流注入分布を均一に改善するこ
とができる。

【００３９】（応用例）図９は第１の実施の形態の応用
例に係るレーザの概観構成を表している。この半導体レ
ーザでは、変形例で説明した電極５１〜５４を用いる
他、発光部５の下面（基板１側の面）と上面とを共振器
端面として、例えば、レーザ光を発光部５の上面から射
出するようになっている。この場合では、第１の実施の
形態の半導体レーザの共振器方向における発光部５の長
さが短くて済むので、より小型のレーザとすることがで
きる。また、本応用例において、基板１をサファイア基
板とすれば、サファイアは可視領域における光の吸収が
ないので、基板１の裏側から光を取り出すことができ
る。

【００４０】［第２の実施の形態］図１０は本発明の第
２の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表してい
る。この半導体レーザは、発光部５Ｃの代わりに発光部
５Ｄが設けられていることを除けば、第１の実施の形態
の半導体レーザと同様の構成となっている。よって、同
一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

【００４１】発光部５Ｄは、半導体層１０Ｄ〜３０Ｄに
より構成されており、これら半導体層１０Ｄ〜３０Ｄ
は、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物であるＡｌＧａＩｎＰ系
半導体からなる。すなわち、ｎ型半導体層１０Ｄおよび
ｐ型半導体層３０Ｄでは、ｎ側コンタクト層１０１Ｄ，
ｐ側コンタクト層３０１ＤとしてＧａＡｓが用いられ、
ｎ型クラッド層１０２Ｄ，ｐ型クラッド層３０２Ｄとし
て（Ａｌ_0.7Ｇａ）_0.5ＩｎＰ混晶が用いられ、更に第
１のガイド層１０３Ｄ，第２のガイド層３０３Ｄとして
（Ａｌ_0.5Ｇａ）_0.5ＩｎＰが用いられており、それぞ
れの導電型に応じて、例えば、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型
不純物もしくはケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物が添加
されている。

【００４２】また、活性層２０Ｄとしては、ＧａＩｎＰ
が用いられ、発光色を赤色とする場合にはその組成を例
えばＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐとすればよい。

【００４３】ところで、上記ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の
結晶構造は閃亜鉛鉱型となる。一方、発光部５Ａ，発光
部５Ｂを構成するＧａＮ系半導体は六方晶となるから、
通常はＧａＮ系半導体の結晶面上にＡｌＧａＩｎＰ系半
導体を成長させることは極めて難しい。しかしながら、
六方晶系の結晶層と閃亜鉛鉱型構造の結晶層との間に互
いにほぼ一致する面方位（ほぼ平行な結晶面）が存在す
れば、その結晶面においてはこれら２種の結晶層の一方
を他方に対して格子整合するように成長させることがで
きる。今回、本発明の発明者は、六方晶系の結晶層の外
５または外６に示した結晶面に、閃亜鉛鉱型構造の｛１
１０｝面が成長することを新たに見出した。なお、外５
または外６に示した結晶面は、以後の明細書において簡
便のために｛１１−２０｝および｛１−１００｝と表す
ものとする。

【００４４】

【外５】

【外６】

【００４５】本実施の形態では、発光部５Ｂのｎ側コン
タクト層１０１Ｂの｛１１−２０｝面または｛１−１０
０｝面と、発光部５Ｄのｎ側コンタクト層１０１Ｄの
｛１１０｝面とは、面方位がほぼ一致している。

【００４６】このような半導体レーザの製造方法は、第
１の実施の形態と同様に行うことができる。但し、この
場合には、発光部５Ｂのｎ側コンタクト層１０１Ｂを
｛１１−２０｝面または｛１−１００｝面を成長面とし
て成長させ、その側面を｛１１−２０｝面または｛１−
１００｝面とする。次いで、この側面から発光部５Ｄの
ｎ側コンタクト層１０１Ｄを成長させると、その成長面
が｛１１０｝面となる。その後、ｎ型クラッド層１０２
Ｄ，第１のガイド層１０３Ｄ、活性層２０Ｄ，第２のガ
イド層３０１Ｄ，ｐ型クラッド層３０２Ｄおよびｐ側コ
ンタクト層３０３Ｄを連続して成長させる。これによ
り、発光部５Ｄのレーザ構造が形成される。

【００４７】なお、その際には、例えば、基板１の温度
は６００℃〜８００℃とし、アルミニウムの原料として
はトリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、ガリ
ウムの原料としてはトリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃
Ｇａ）、インジウムの原料としてはトリメチルインジウ
ム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）、リンの原料としてはホスフィ
ン（ＰＨ₃）および砒素の原料としてはアルシン（Ａｓ
Ｈ₃）をそれぞれ用いる。また、不純物添加の場合に
は、ｎ型不純物であるケイ素の原料としてモノシラン
（ＳｉＨ₄）を用い、ｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）の
原料としてジメチルジンク（（ＣＨ₃）₃Ｚｍ）をそれ
ぞれ用いる。

【００４８】これにより、互いに異なる結晶構造を有す
る発光部５Ａ，発光部５Ｂと発光部５Ｄとがモノリシッ
クに設けられる。なお、本実施の形態では、ｎ側コンタ
クト層１０１Ｂとｎ側コンタクト層１０１Ｄには、それ
ぞれの材質に応じたｎ側電極４３ａ，ｎ側電極４３ｂを
個別に設けるようにし、ｎ側電極４３が共有されないほ
うが好ましい。また、共振器端面に付設する反射膜につ
いても、発光部５Ａ，発光部５Ｂと発光部５Ｄとではそ
れぞれの発光波長に応じたものを設けるほうが好まし
い。

【００４９】このように、本実施の形態では、六方晶系
である発光部５Ｂのｎ側コンタクト層１０１Ｂを｛１１
−２０｝面または｛１−１００｝面を成長面として成長
させ、この面から閃亜鉛鉱型構造である発光部５Ｄのｎ
側コンタクト層１０１Ｄを｛１１０｝面を成長面として
成長させるようにしたので、同一基板上に、互いに異な
る結晶構造を有する発光部５Ａ，発光部５Ｂおよび発光
部５Ｄをモノリシックに設けることができる。

【００５０】また、本実施の形態では、発光部５Ｄを閃
亜鉛鉱型構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる
半導体層１０Ｄ〜３０Ｄにより構成し、隣接する六方晶
系の発光部５Ｂに格子整合させるようにしたが、これに
対して、例えば活性層２０にＩｎＧａＮを用いて赤色発
光させる場合には、そのＩｎ組成比を高く設定しなけれ
ばならず、活性層２０に格子不整による歪みが発生す
る。従って、発光部５Ｄを設けることにより赤色系の発
光が容易に実現できる。なお、その他の効果は、第１の
実施の形態の効果と同様であり、本実施の形態の半導体
レーザについても、第１の実施の形態の変形例および応
用例と同様の変形や応用が可能である。

【００５１】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々変形可能である。例えば、上記の実施の形態で
は、基板１としてサファイア基板を用いるようにした
が、これ以外にも例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ），マグ
ネシウム・アルミニウム複合酸化物（ＭｇＡｌ
₂Ｏ₄），リチウム・ガリウム複合酸化物（ＬｉＧａＯ
₂），ケイ素（Ｓｉ）および砒化ガリウム（ＧａＡｓ）
などの材料からなる基板を用いてもよい。但し、ＧａＡ
ｓ基板の上にＩＩＩ−Ｖ族窒化物からなる半導体層を成
長させる場合には、結晶成長温度がＧａＡｓが７００℃
程度であるのに対しＩＩＩ−Ｖ族窒化物が１０００℃程
度であるから、基板の熱による結晶性劣化を防ぐために
酸化ケイ素（ＳｉＯ ₂）や窒化ケイ素（ＳｉＮ）等の保
護膜（キャップ層）をその表面に設けることが好まし
い。

【００５２】また、基板１として窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）を始めとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物よりなる基板もま
た用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物基板は、例
えば、サファイアなどよりなる成長用基体の上に成長さ
せた後、成長用基体から分離することにより製造され
る。このＩＩＩ−Ｖ族窒化物基板を用いるようにすれ
ば、サファイア基板とＩＩＩ−Ｖ族窒化物成長層との格
子不整による問題を解決出来るだけでなく、サファイア
基板に比して熱伝導性に優れるため素子駆動時の熱放散
の点で有利である。なお、上記実施の形態のように、Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物からなる半導体を成長させ発光部とす
る素子に対してＩＩＩ−Ｖ族窒化物基板を使用するよう
な場合には、基板面から垂直な方向への成長を防止する
ために酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）や窒化ケイ素（ＳｉＮ）
等の絶縁膜を表面に設けるようにするとよい。

【００５３】また、上記実施の形態では、半導体層１０
〜３０は結晶部３Ａより離間部３Ｂにあたる基板１の上
に成長するようにしたので、横方向成長が真横ではなく
若干基板１側に進行して基板１に接触する可能性があ
る。これにより成長層の結晶性が低下する場合には、離
間部３Ｂに表出している基板１の表面に凹部を設けるよ
うにするとよい。凹部の形成は、例えば、塩素ガスを用
いたＲＩＥにより結晶層用成長層３ａをエッチングして
結晶部３Ａを形成する際に、基板１までオーバーエッチ
することにより行うことができる。なお、凹部の深さ
は、確実に基板との接触を避けるために１００ｎｍ以上
とすることが好ましい。

【００５４】更に、上記実施の形態では、結晶部３Ａを
はじめ、発光部５Ａ〜発光部５Ｃのコンタクト層，ガイ
ド層をＧａＮにより形成し、クラッド層をＡｌＧａＮ混
晶により形成し、活性層をＩｎＧａＮ混晶により形成す
ると共に、発光部５Ｄについては、クラッド層，ガイド
層をＧａＡｓにより形成し、クラッド層をＡｌＧａＩｎ
Ｐ混晶により形成し、活性層をＧａＩｎＰ混晶により形
成するようにしたが、これらの各層をその他のＩＩＩ−
Ｖ族化合物により形成してもよいことは勿論であり、更
に、その他の材料系を用いて発光部を設ける場合にも本
発明は適用可能である。例えば、上記実施の形態では、
発光部５Ｂにより緑色発光を行うようにしたが、これ
を、ＺｎＣｄＳｅ，ＺｎＳｅ等のＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体により構成される発光部に代えてもよい。

【００５５】更に、上記各実施の形態では、ＭＯＣＶＤ
法によりＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を形成する場合につ
いて説明したが、半導体層の成長方法は任意であり、そ
の他にも、例えばＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分
子線エピタキシー）法やＭＯＶＰＥ（Metal Organic Va
por Phase Epitaxy;有機金属気相成長）法、ＨＶＰＥ
（ハイドライド気相成長）法などの気相成長法により形
成することができる。

【００５６】また、上記実施の形態では、発光部５を、
ｎ側コンタクト層１０１，ｎ型クラッド層１０２および
第１のガイド層１０３からなるｎ型半導体層１０と、活
性層２０と、第２のガイド層３０１，ｐ型クラッド層３
０２およびｐ側コンタクト層３０３からなるｐ型半導体
層３０を順次横方向に並列に成長させ形成したが、本発
明は、他の構造を有する半導体レーザについても同様に
適用することができる。例えば、ガイド層１０３，３０
１を備えていなくてもよく、基板１と結晶部３Ａとの間
にバッファ層２を備えていなくともよい。また、図１の
ような構成として、電極４１〜４４の間に絶縁膜を設け
るようにしてもよい。

【００５７】更にまた、上記実施の形態では、３つの発
光部５が赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３原色を発光
する半導体レーザについて説明したが、これに限らず２
つ以上の発光部を備えたレーザであればよく、これ以外
の発光色で発光する発光部を備えるようにしてもよい。

【００５８】加えて、上記各実施の形態では、半導体発
光素子として半導体レーザを具体例に挙げて説明した
が、本発明は、発光ダイオードなどの他の半導体発光素
子についても適用することができる。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項９のいずれか１項に記載の半導体発光素子によれば、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、結晶部と離間部と
を有する種結晶部と、結晶部を基礎として離間部に成長
した半導体層からなり、半導体層の成長方向に並列する
複数の発光部とを備えるようにしたので、各半導体層は
隣接する半導体層と結晶構造が異なる場合でも格子整合
させることが可能であり、同一基板上に組成や結晶構造
が異なる半導体層で構成される発光部をモノリシックに
集積することができる。よって、各発光部間の相対位置
精度が高い半導体発光素子とすることができると共に、
複数の波長で発光可能な半導体発光素子を小型化するこ
とができる。

【００６０】また、請求項１０ないし請求項２２のいず
れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法によれば、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、結晶部と離間部と
を有する種結晶部を成長させて形成する工程と、結晶部
を基礎として離間部の間に半導体層を成長させ、半導体
層の成長方向に並列する複数の発光部を形成する工程と
を含むようにしたので、簡易な方法で、同一基板上に組
成や結晶構造が異なる半導体層で構成される発光部をモ
ノリシックに集積することができる。従って、複数の波
長で発光可能な半導体発光素子を、生産性高く、歩留ま
り良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ
の構成を表す図である。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】図１の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】図３に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図５】図４に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図６】図５に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図７】図６に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図８】本発明の変形例に係る半導体レーザの構成を表
す図である。

【図９】本発明の応用例に係る半導体レーザの構成を表
す図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レー
ザの構成を表す図である。

【符号の説明】

１…基板、２…バッファ層、３…種結晶部、３Ａ…結晶
部、３Ｂ…離間部、４…マスク層、５…発光部、１０…
ｎ型半導体層、２０…活性層、３０…ｐ型半導体層、１
０１…ｎ側コンタクト層、１０２…ｎ型クラッド層、１
０３…第１のガイド層、３０１…第２のガイド層、３０
２…ｐ型クラッド層、３０３…ｐ側コンタクト層、４
１，４３…ｎ側電極、４２，４４…ｐ側電極、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA12 CA34 CA65 CB29 5F073 AA45 AB06 BA07 CA07 CA14 CB05 CB06 CB14 DA05 DA32 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、結
晶部と離間部とを有する種結晶部と、前記結晶部を基礎として前記離間部に成長した半導体層
からなり、前記半導体層の成長方向に並列する複数の発
光部とを備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記半導体層の少なくとも一部は、隣接
する半導体層との界面で格子整合していることを特徴と
する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記半導体層は、六方晶系の結晶層と閃
亜鉛鉱型構造の結晶層とを含むことを特徴とする請求項
１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記六方晶系の結晶層と前記閃亜鉛型構
造の結晶層は、外１または外２に示す結晶面と｛１１
０｝面とで接していることを特徴とする請求項３に記載
の半導体発光素子。【外１】【外２】
【請求項５】前記半導体層は、ガリウム（Ｇａ），ア
ルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）およびインジウム
（Ｉｎ）のＩＩＩ族元素のうち少なくとも一種と、窒素
（Ｎ），砒素（Ａｓ）および燐（Ｐ）のＶ族元素のうち
少なくとも一種とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であ
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記種結晶部はＧａＮ（窒化ガリウム）
よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光
素子。
【請求項７】前記半導体層はｐ型半導体層，活性層お
よびｎ型半導体層を含み、隣接する前記発光部同士の境
界面を対称面として伝導型が対称に設けられていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】隣り合う前記発光部の境界に電極が設け
られていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発
光素子。
【請求項９】前記複数の発光部は互いに異なる発光波
長を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導
体発光素子。
【請求項１０】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、
結晶部と離間部とを有する種結晶部を成長させて形成す
る工程と、前記結晶部を基礎として前記離間部の間に半導体層を成
長させ、前記半導体層の成長方向に並列する複数の発光
部を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体発光
素子の製造方法。
【請求項１１】前記半導体層として六方晶系の結晶層
および閃亜鉛型構造の結晶層を成長させ、これらを界面
で格子整合させることを特徴とする請求項１０に記載の
半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】前記半導体層として六方晶系の結晶層
を外３または外４に示した結晶面を成長面として成長さ
せることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素
子の製造方法。【外３】【外４】
【請求項１３】前記半導体層として閃亜鉛鉱型構造の
結晶層を｛１１０｝結晶面を成長面として成長させるこ
とを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子の製
造方法。
【請求項１４】前記半導体層を、ガリウム（Ｇａ），
アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）およびインジウム
（Ｉｎ）のＩＩＩ族元素のうち少なくとも一種と、窒素
（Ｎ），砒素（Ａｓ）および燐（Ｐ）のＶ族元素のうち
少なくとも一種とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によ
り形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体
発光素子の製造方法。
【請求項１５】前記半導体層はｐ型半導体層，活性層
およびｎ型半導体層を含み、これらを、互いに隣り合う
前記発光部の境界面を対称面として伝導型が対称となる
順序で成長させることを特徴とする請求項１０に記載の
半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】隣り合う前記発光部同士の境界に電極
を設けることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発
光素子の製造方法。
【請求項１７】前記発光部を互いに組成が異なる前記
半導体層を含むようにして形成することを特徴とする請
求項１０に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】前記種結晶部を形成する工程は、基板上に結晶を成長させてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層
を形成する工程と、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の表面にマスクパター
ンを形成する工程と、前記マスクパターンを介して前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体層を部分的に除去して前記結晶部および離間部を形
成する工程とを含むことを特徴とする請求項１０に記載
の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】前記マスクパターンを誘電体により形
成することを特徴とする請求項１８に記載の半導体発光
素子の製造方法。
【請求項２０】前記マスクパターンを二酸化ケイ素
層，窒化ケイ素層および酸化アルミニウム層のいずれか
１層または２層以上を積層して形成することを特徴とす
る請求項１８に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】前記マスクパターンを長周期律表にお
けるＩＶａ族，Ｖａ族およびＶＩａ族から選ばれる１種
類からなる金属層または２種類以上からなる合金層を含
んで形成することを特徴とする請求項１８に記載の半導
体発光素子の製造方法。
【請求項２２】サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃），炭化
ケイ素（ＳｉＣ），マグネシウム・アルミニウム複合酸
化物（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄），リチウム・ガリウム複合酸化
物（ＬｉＧａＯ₂），ケイ素（Ｓｉ），砒化ガリウム
（ＧａＡｓ）および窒化ガリウム（ＧａＮ）のいずれか
よりなる基板を用いることを特徴とする請求項１８に記
載の半導体発光素子の製造方法。