JP2003060298A

JP2003060298A - 半導体発光素子の製造方法と半導体発光素子

Info

Publication number: JP2003060298A
Application number: JP2001241388A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Sugimoto; 康宜杉本; Hiroyuki Kiyohisa; 裕之清久; Masanao Ochiai; 真尚落合
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】出射側端面の劣化を少なくして寿命を長くす
る。【解決手段】半導体発光素子の製造方法は、窒化ガリ
ウム系化合物半導体層からなる複数の層を積層している
発光素子の少なくとも活性層１０７を含む発光領域層１
１５を切断して、光の出射側端面を設けるように、へき
開面に延長して切断溝１７０を設ける溝加工工程と、溝
加工工程で設けた切断溝１７０の内部に、出射側端面か
ら出射される光の波長λ（ｎｍ）に対して、１２４０／
λよりも大きいバンドギャップ（Ｅｇ）を有する窒化物
半導体からなる単結晶層１８０を結晶成長させる成長工
程と、切断溝１７０に沿ってへき開して光導波層の出射
側端面をへき開端面１８１とする単結晶層１８０で被覆
するへき開工程とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を出射する出射
側端面の劣化をバンドギャップの大きい結晶で防止する
半導体発光素子の製造方法と半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザーダイオードは、レーザー光を出
射する出射側端面の劣化が、寿命を短くする原因のひと
つとなっている。端面劣化は、出射側端面を理想的な状
態にできないことが原因で発生する。たとえば、出射側
端面は、バンドギャップが小さくなって、光を吸収して
劣化させる。レーザーダイオードの発光領域層を構成す
る窒化ガリウム系化合物半導体層は、出射側端面を設け
るために切断すると、切断面である出射側端面の近傍で
バンドギャップが小さくなる。バンドギャップが小さく
なると光が吸収され、吸収された光が出射側端面を劣化
させる。

【０００３】出射側端面の劣化を改善する技術として、
「窓構造」と呼ばれる技術が開発されている。この窓構
造として、出射側端面にスパッタ等で保護膜を形成する
方法が開発されている。しかしながら、スパッタで設け
た保護膜は、出射側端面での吸収を効果的に防止できな
い。さらに、特開平７−２４９８３０号公報には、出射
側端面に保護膜を結晶成長させる方法が記載される。こ
の公報に記載される方法は、図１に示すように、発光領
域層２００を含む層に切断溝２１０を設け、この切断溝
２１０の側壁にＡｌＧａＩｎＮ系の結晶成長層２２０を
設けて出射側端面を被覆する。その後、切断溝２１０か
ら切断して半導体発光素子とする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１に
示す方法によっても、理想的な状態では出射側端面の劣
化を防止できない。それは、出射側端面の表面に、極め
て綺麗な理想平面の結晶膜を成長させるのが難しいから
である。

【０００５】本発明は、さらにこの欠点を解決すること
を目的に開発されたものである。本発明の重要な目的
は、出射側端面の劣化を少なくして寿命を長くできる半
導体発光素子の製造方法と半導体発光素子を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
の製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体層からなる
複数の層を積層している発光素子のへき開面に延長して
切断溝１７０を設ける溝加工工程と、溝加工工程で設け
た切断溝１７０の内部に単結晶層１８０を結晶成長させ
る成長工程と、切断溝１７０に沿ってへき開するへき開
工程とからなる。溝加工工程は、発光素子少なくとも活
性層１０７を含む発光領域層１１５を切断して、光の出
射側端面を設けるように切断溝１７０を設ける。成長工
程は、切断溝１７０の内部に、出射側端面から出射され
る光の波長λ（ｎｍ）に対して、１２４０／λよりも大
きいバンドギャップ（Ｅｇ）を有する窒化物半導体から
なる単結晶層１８０を結晶成長させる。へき開工程は、
切断溝１７０に単結晶層１８０を成長させた発光素子を
切断溝１７０に沿ってへき開して、光導波層の出射側端
面をへき開端面１８１とする単結晶層１８０で被覆す
る。

【０００７】活性層１０７は、ＩｎＧａＮ層を含む層と
し、単結晶層１８０は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮとする
ことができる。さらに、活性層１０７は、ＧａＮ層を含
む層とし、単結晶層１８０は、ＡｌＧａＮとすることも
できる。さらにまた、活性層１０７は、ＩｎＧａＮ層を
含む障壁層と井戸層を積層してなる多重量子井戸構造
（ＭＱＷ）とし、単結晶層１８０は、ＡｌＧａＮとする
こともできる。単結晶層１８０は、組成をＡｌ_ｚＧａ
_１−ｚＮとし、ｚの範囲を０≦ｚ≦１、好ましくは０≦
ｚ≦０．５とすることができる。

【０００８】切断溝１７０は、幅（Ｗ）を１〜２０μｍ
とすることができる。切断溝１７０の深さ（ｄ）に対す
る幅（Ｗ）の比率Ｗ／ｄは、１〜１００、好ましくは、
５〜３０とすることができる。切断溝１７０に沿ってへ
き開される出射側端面の単結晶層１８０は、膜厚を１ｎ
ｍ〜１０μｍとすることができる。溝加工工程におい
て、切断溝１７０は、発光領域層１１５をエッチングし
て設けることができる。切断溝１７０は、発光領域層１
１５をドライエッチングして設けることができる。

【０００９】本発明の半導体発光素子は、窒化ガリウム
系化合物半導体層からなる複数の層を積層している発光
素子の出射側端面を、光の波長λ（ｎｍ）に対して、１
２４０／λよりも大きいバンドギャップ（Ｅｇ）を有す
る窒化ガリウム系化合物半導体からなる単結晶層１８０
で被覆している。この半導体発光素子は、光の出射側端
面を、単結晶層１８０のへき開端面１８１としている。

【００１０】出射側端面を被覆する単結晶層１８０は、
その厚さを１〜２０μｍとすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明
の技術思想を具体化するための半導体発光素子とその製
造方法を例示するものであって、本発明は半導体発光素
子とその製造方法を下記のものに特定しない。

【００１２】さらに、この明細書は、特許請求の範囲を
理解し易いように、実施例に示される部材に対応する番
号を、「特許請求の範囲の欄」、および「課題を解決す
るための手段の欄」に示される部材に付記している。た
だ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に
特定するものでは決してない。

【００１３】以下、図２に示す窒化ガリウム系化合物半
導体層を積層しているレーザーダイオードの構造につい
て説明する。この図に示す基板１０１は、ＧａＮを用い
ることが好ましい。ただ、窒化物半導体と異なる異種基
板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、
Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、ス
ピネル（ＭｇＡ１_２Ｏ_４のような絶縁性基板）、ＳｉＣ
（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡ
ｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板
等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知
られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いるこ
とができる。好ましい異種基板としては、サファイア、
スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアング
ルしていてもよい。この場合、ステップ状にオフアング
ルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層を結
晶性よく成長できる。さらに、異種基板を用いる場合に
は、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物
半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法によ
り除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を
形成してもよい。また、素子構造形成後に、異種基板を
除去する方法でも良い。

【００１４】基板を異種基板とする場合に、バッファ層
（低温成長層）、窒化物半導体（好ましくはＧａＮ）か
らなる下地層を介して、素子構造を形成すると、窒化物
半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基板上に
設ける下地層（成長基板）として、その他に、ＥＬＯＧ
（Epitaxially Laterally Overgrowth）成長させた窒化
物半導体を用いると、結晶性が良好な成長基板が得られ
る。ＥＬＯＧ成長層の具体例は以下の通りである。 (1) 異種基板上に、窒化物半導体層を成長させる。 (2) その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を
設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を
成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設ける。 (3) 非マスク領域から窒化物半導体を成長させる。以上の方法で、膜厚方向への成長に加えて、横方向へも
成長させる。横方向の成長は、マスク領域にも窒化物半
導体を成長させて、成膜された層ができる。その他の形
態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口
部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされ
て、成膜される層でもよい。

【００１５】基板１０１上には、バッファ層１０２を介
して、ｎ型窒化物半導体層１１４であるｎ型コンタクト
層１０３、クラック防止層１０４、ｎ型クラッド層１０
５、及びｎ型光ガイド層１０６が形成される。ｎ型クラ
ッド層１０５を除く他の層は、素子によっては省略する
こともできる。ｎ型窒化物半導体層１１４は、少なくと
も活性層１０７と接する部分において活性層１０７より
も広いバンドギャップを有する。このことを実現するた
めに、活性層と接する層は、好ましくはＡｌを含む組成
とする。また、各層は、ｎ型不純物をドープしながら成
長させてｎ型としても良いし、アンドープで成長させて
ｎ型としても良い。

【００１６】ｎ型窒化物半導体層１１４の上には、活性
層１０７が形成されている。活性層１０７は、活性層１
０７の両端をいずれも障壁層とする多重量子井戸構造で
ある。多重量子井戸構造は、井戸層と障壁層を適当な回
数だけ交互に繰り返し積層している。井戸層の組成はＩ
ｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ_１＜１）であり、障壁層
の組成はＩｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０≦ｘ_２＜１、ｘ_１
＞ｘ_２）である。井戸層は、アンドープで形成されてお
り、全ての障壁層は、Ｓｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物を好ま
しくは１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度でド
ープしている。

【００１７】多重量子井戸構造の最終障壁層は、アンド
ープで形成され、次に成長させるｐ型電子閉じ込め層１
０８からの拡散によって、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１
０^１ ^６〜１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で含んでいる。な
お、最終障壁層は、Ｍｇ等のｐ型不純物を１×１０^１９
ｃｍ^−３以下の濃度でドープしながら成長させても良
い。さらに最終障壁層は、他の障壁層よりも厚く形成さ
れる。次にｐ型電子閉じ込め層１０８を成長させるとき
のガスエッチングによる分解の影響を抑制するためであ
る。最終障壁層の好適な厚みは、ｐ型電子閉じ込め層１
０８の成長条件によって適宜変化し、例えば、他の障壁
層の好ましくは１．１〜１０倍、より好ましくは１．１
〜５倍の厚みに成長させる。これにより、最終障壁層
は、Ｉｎを含む活性層の分解を防止する保護膜としての
役割を果たす。

【００１８】最終障壁層の上には、ｐ型窒化物半導体層
１１３として、ｐ型電子閉じ込め層１０８、ｐ型光ガイ
ド層１０９、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層
１１１が形成される。ｐ型クラッド層１１０を除く他の
層は、素子によっては省略することもできる。ｐ型窒化
物半導体層１１３は、少なくとも活性層１０７と接する
部分において活性層１０７よりも広いバンドギャップを
有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成で
あることが好ましい。また、各層は、ｐ型不純物をドー
プしながら成長させてｐ型としても良いし、隣接する他
の層からｐ型不純物を拡散させてｐ型としても良い。

【００１９】ｐ型電子閉じ込め層１０８は、ｐ型クラッ
ド層１１０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導
体であり、好ましくは、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０．１＜
ｙ＜０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不
純物を、好ましくは５×１０ ^１７〜１×１０^１９ｃｍ
^−３の高濃度でドープしている。これにより、ｐ型電子
閉じ込め層１０８は、電子を活性層中に有効に閉じ込め
て、レーザの閾値を低下させる。また、ｐ型電子閉じ込
め層１０８は、３〜２０ｎｍ程度の薄膜で成長させれば
良く、薄膜であればｐ型光ガイド層１０９やｐ型光クラ
ッド層１１０よりも低温で成長させることができる。し
たがって、ｐ型電子閉じ込め層１０８を形成することに
より、ｐ型光ガイド層１０９等を活性層１０７の上に直
接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層１０７の分
解を抑制することができる。

【００２０】また、ｐ型電子閉じ込め層１０８は、アン
ドープで成長させた多重量子井戸構造の最終障壁層にｐ
型不純物を拡散によって供給する役割を果たす。このこ
とにより、ｐ型電子閉じ込め層１０８と最終障壁層は互
いに協働して、活性層１０７を分解から保護すると共
に、活性層１０７へのホール注入効率を高める役割を果
たす。すなわち、多重量子井戸構造の最終障壁層とし
て、アンドープＩｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ層（０≦ｘ_２＜
１）を他の障壁層よりも厚く形成し、その上にＭｇ等の
ｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ
Ｎ（０．１＜ｙ＜０．５）から成る薄膜を低温で成長さ
せることにより、Ｉｎを含む活性層１０７が分解から保
護されると共に、ｐ型Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ層からアンド
ープＩｎ_ｘ２Ｇａ1-_ｘ２Ｎ層にＭｇ等のｐ型不純物が拡
散して活性層へのホール注入効率を向上することができ
る。

【００２１】ｐ型窒化物半導体層１１３のうち、ｐ型光
ガイド層１０９の途中までリッジストライプが形成さ
れ、さらに、保護膜１６２、ｐ型電極１２０、ｎ型電極
１２１、ｐパット電極１２２、及びｎパット電極１２３
が形成されて半導体レーザが構成されている。

【００２２】以上の窒化物半導体を積層している半導体
発光素子は、レーザー光の出射側端面を設けるために、
図３の拡大断面図に示すように、発光領域層１１５を切
断して切断溝１７０を設ける。発光領域層１１５は、出
射側端面からレーザー光を出射する層である。以上の半
導体発光素子は、活性層１０７の出射側端面からレーザ
ー光を出射する。ただ、レーザー光は、活性層１０７の
みでなく、ｎ型光ガイド層１０６とｐ型の光ガイド層１
０９の間からも出射される。したがって、切断溝１７０
は、ｐ型コンタクト層１１１からｎ型光ガイド層１０６
までの発光領域層１１５を切断して設けられる。好まし
くは、切断溝１７０は、ｐ型コンタクト層１１１からｎ
型クラッド層１０５の途中まで設けられる。切断溝１７
０は、図４に示すように、窒化物半導体からなる単結晶
層１８０を内部に結晶成長させて、出射側端面に単結晶
層１８０を設ける。単結晶層１８０は、出射側端面から
出射される光の波長λ（ｎｍ）に対して、１２４０／λ
よりも大きいバンドギャップ（Ｅｇ）を有する窒化ガリ
ウム系化合物半導体である。出射側端面から出射される
レーザー光の波長λは、活性層１０７のバンドギャップ
をＥｇとすれば、λ＝１２４０／Ｅｇとなる。単結晶層
１８０のバンドギャップを１２４０／λとすれば、活性
層１０７の発光波長を特定する層のバンドギャップと同
じになる。単結晶層１８０は、レーザー光の波長を特定
する層よりもバンドギャップを大きくして、レーザー光
の吸収を少なくする。窒化ガリウム系化合物半導体は、
切断して出射側端面を設けると、出射側端面のバンドギ
ャップが小さくなって光を吸収するようになる。この弊
害を防止するために、バンドギャップの大きい窒化物半
導体を単結晶層１８０として成長させ、出射側端面を設
けるためにこれを切断してバンドギャップが小さくなっ
ても、レーザー光を吸収しないようにしている。切断溝
１７０に成長された単結晶層１８０は、図５に示すよう
に、切断溝１７０に沿ってへき開される。したがって、
出射側端面を被覆する単結晶層１８０は、レーザー光を
出射する面をへき開端面１８１とする。窒化ガリウム系
化合物半導体は、へき開性があるので、へき開端面１８
１は極めて綺麗な平滑面となる。

【００２３】単結晶層１８０は、へき開するとバンドギ
ャップが小さくなるので、活性層１０７よりもバンドギ
ャップを大きくする。このことを実現するために、活性
層をＩｎＧａＮ層を含む層とする発光素子は、単結晶層
をＧａＮまたはＡｌＧａＮとする。活性層をＧａＮ層を
含む層とする発光素子は、単結晶層をＡｌＧａＮとす
る。さらに、活性層を、ＩｎＧａＮ層を含む障壁層と井
戸層を積層してなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とする
発光素子は、単結晶層をＡｌＧａＮとする。ＡｌＧａＮ
である単結晶層の組成は、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮの組成式
において、ｚの範囲を０≦ｚ≦１とする。この単結晶層
１８０は、ＡｌＮでもよいが、好ましくは、少なくとも
Ｇａを含む層（すなわち０≦ｚ＜１）とすることで、良
好なエピタキシャル成長による層が得られる。組成式に
おいて、ｚを大きくすると、単結晶層のバンドギャップ
は大きくなる。このため、単結晶層がへき開端面１８１
でレーザー光を吸収するのをより少なくできる。しかし
ながら、ＡｌＧａＮは、ｚを大きくしてＡｌの含有量を
多くすると、綺麗な結晶で成長させるのが難しくなる。
このため、ｚの範囲は、最も好ましくは０≦ｚ≦０．５
とする。

【００２４】切断溝１７０の幅（Ｗ）は、１〜２０μ
ｍ、最適には約１０μｍとする。切断溝１７０の幅が広
すぎると、切断溝１７０を完全に満たすように単結晶層
１８０を成長させるのに時間がかかり、狭すぎると、切
断溝１７０に沿ってへき開するときに、単結晶層１８０
を所定の膜厚に制御するのが難しくなるからである。切
断溝１７０は、深さ（ｄ）に対する幅（Ｗ）比率である
Ｗ／ｄを、たとえば１〜１００、好ましくは５〜３０と
する。この比率が小さいと幅が狭くなって、単結晶層１
８０を正確な膜厚としてへき開するのが難しくなる。ま
た、この比率が大きいと切断溝１７０の幅が広くなっ
て、単結晶層１８０を結晶成長させる時間が長くなる。

【００２５】切断溝１７０に単結晶層１８０を結晶成長
させた後、図５に示すように、半導体発光素子の全体を
切断溝１７０に沿ってへき開すると、単結晶層１８０は
２層に分割されるようにへき開される。へき開された単
結晶層１８０は、レーザー光を出射する端面をへき開端
面１８１とする。この状態で発光領域層１１５の出射側
端面を被覆する単結晶層１８０の膜厚は、たとえば１ｎ
ｍ〜１０μｍ、好ましくは約５μｍとする。

【００２６】切断溝１７０は、イオンエッチング等のド
ライエッチングで設けられる。ただ、切断溝１７０は、
イオンエッチング以外のドライエッチング、さらにはド
ライエッチング以外のエッチングで設けることができ
る。また、エッチング以外の方法で設けることもでき
る。ドライエッチングは、好ましくは、半導体発光素子
の表面に保護膜を設け、切断溝を設ける部分を開口して
いるマスクを使用して切断溝を設ける。マスクを使用し
ないで、切断溝を設ける部分に保護膜を設けないでエッ
チングして切断溝を設けることもできる。

【００２７】［実施例１］以下、実施例として、図２に
示すようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレー
ザ素子について説明する。

【００２８】（基板１０１）基板として、異種基板に成
長させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１
００μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０
μｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板
の詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、
Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶ
ＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、ト
リメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を
用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２０ｎｍの膜厚で成
長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを
１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、
下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マ
スク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧ
ａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（Ｅ
ＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚
膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去
して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時の
マスクは、ＳｉＯ_２からなり、マスク幅１５μｍ、開口
部（窓部）幅５μｍとする。

【００２９】（バッファ層１０２）窒化物半導体基板の
上に、バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、Ｔ
ＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアル
ミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_０．０５Ｇａ
_０．９５Ｎよりなるバッファ層１０２を４μｍの膜厚で
成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層
と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッフ
ァ層として機能する。次に、窒化物半導体からなる下地
層の上に、素子構造となる各層を積層する。

【００３０】（ｎ型コンタクト層１０３）次に得られた
バッファ層１０２上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、
不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉ
ドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０． _９５Ｎよりなるｎ型コ
ンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。

【００３１】（クラック防止層１０４）次に、ＴＭＧ、
ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、
温度を８００℃にしてＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎより
なるクラック防止層１０４を０．１５μｍの膜厚で成長
させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。

【００３２】（ｎ型クラッド層１０５）次に、温度を１
０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ
よりなるＡ層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いて、
ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓ
ｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ
層を２．５ｎｍの膜厚で成長させる。そして、この操作
をそれぞれ２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総
膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッ
ド層１０５を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａ
ＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範
囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差
を設けることができる。

【００３３】（ｎ型光ガイド層１０６）次に、同様の温
度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンド
ープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５
μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープし
てもよい。

【００３４】（活性層１０７）次に、温度を８００℃に
して、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｔ
ＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ
_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４ｎ
ｍの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ
_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を５．５ｎｍ
の膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）
／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）の順に積層する。最後に障壁
層として、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウ
ム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ
_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを成長させる。活性層１０７
は、総膜厚約５０ｎｍの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）と
なる。

【００３５】（ｐ型電子閉込め層１０８）次に、同様の
温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用
い、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニ
ルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３
ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ型電子閉
込層１０８を１０ｎｍの膜厚で成長させる。この層は、
特に設けられていなくても良いが、設けることで電子閉
込めとして機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。

【００３６】（ｐ型光ガイド層１０９）次に、温度を１
０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用
い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層１０９
を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド
層１０９は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子
閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３
となりｐ型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇ
をドープしても良い。

【００３７】（ｐ型クラッド層１１０）続いて、１０５
０℃でアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる
層を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止
め、Ｃｐ_２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層
を２．５ｎｍの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返し
て総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド
層１１０を成長させる。ｐ型クラッド層１１０は、少な
くとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いに
バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積
層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の
層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶
性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープし
ても良い。クラッド層１１０は、Ａｌを含む窒化物半導
体層、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を
含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましく
はＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。
ｐ側クラッド層１１０を超格子構造とすることによっ
て、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができる
ので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバ
ンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下
させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたこ
とにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子に
しないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低
くなる。

【００３８】（ｐ型コンタクト層１１１）最後に、１０
５０℃で、ｐ型クラッド層１１０の上に、Ｍｇを１×１
０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コン
タクト層１１１を１５ｎｍの膜厚で成長させる。ｐ型コ
ンタクト層１１１は、ｐ型のＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ
_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で構成す
ることができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとす
れば、ｐ電極１２０と最も好ましいオーミック接触が得
られる。コンタクト層１１１は電極を形成する層である
ので、１×１０^１７／ｃｍ^３以上の高キャリア濃度とす
ることが望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３よりも低い
と、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾
向にある。さらに、ｐ型コンタクト層１１１の組成をＧ
ａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られ
やすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハ
を窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型
層をさらに低抵抗化する。

【００３９】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
た各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、
以下の「溝加工工程」と「成長工程」で、発光領域層の
出射側端面に単結晶層を設ける。

【００４０】［溝加工工程］図３に示すように、最上層
のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜１
９０をＰＶＤ装置で形成して、保護膜１９０の上にマス
クをかけ、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用
いＳｉＣｌ_４ガスによりエッチングして、幅（Ｗ）を１
０μｍとする切断溝１７０を設ける。マスクは、エッチ
ングする領域を開口している。切断溝１７０の深さ
（ｄ）は、ｐ型コンタクト層１１１からｎ型クラッド層
１０５の一部をエッチングするようにして、約１μｍと
する。このように窒化物半導体を深くエッチングするに
は、保護膜１９０としてＳｉＯ_２が最適である。

【００４１】［成長工程］再びウェハを反応容器に移し
て、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニ
アを用い、図４に示すように、Ａｌ_０．０５Ｇａ
_０．９５Ｎよりなる単結晶層１８０を切断溝１７０の内
部に成長させる。単結晶層１８０は、切断溝１７０の全
体に成長される。

【００４２】その後、ウエハを反応容器から取り出し、
最上層のｐ型コンタクト層１１１の表面にＳｉＯ_２より
なる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）を用いＳｉＣｌ_４ガスによりエッチングし、ｎ電極
を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面を露出させ
る。

【００４３】次に、上述したストライプ状の導波路領域
として、リッジストライプを形成する。まず、最上層の
ｐ型コンタクト層（上部コンタクト層）のほぼ全面に、
ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ_２）
よりなる第１の保護膜を０．５μｍの膜厚で形成した
後、第１の保護膜の上に所定の形状のマスクをかけ、Ｒ
ＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ_４ガ
スを用い、フォトリソグラフィー技術によりストライプ
幅１．６μｍの第１の保護膜とする。この時、リッジス
トライプの高さ（エッチング深さ）は、ｐ型コンタクト
層１１１、およびｐ型クラッド層１０９、ｐ型光ガイド
層１１０の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層１０
９の膜厚が０．１μｍとなる深さまでエッチングして、
形成する。

【００４４】次に、リッジストライプ形成後、第１の保
護膜の上から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりな
る第２の保護膜１６２を、第１の保護膜の上と、エッチ
ングにより露出されたｐ型光ガイド層１０９の上に０．
５μｍの膜厚で連続して形成する。

【００４５】第２の保護膜１６２形成後、ウエハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ_２以外の材料を第
２の保護膜１６２として形成した場合、第２の保護膜成
膜後に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化
物半導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理するこ
とにより、第２の保護膜１６２が第１の保護膜の溶解材
料（フッ酸）に対して溶解しにくくなるため、この工程
を加えることがさらに望ましい。

【００４６】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜をリフトオフ法により除去する。このことにより、
ｐ型コンタクト層１１１の上に設けられていた第１の保
護膜が除去されて、ｐ型コンタクト層１１１が露出され
る。以上のようにして、図２に示すように、リッジスト
ライプの側面、及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド
層１０９の露出面）に第２の保護膜１６２が形成され
る。

【００４７】このように、ｐ型コンタクト層１１１の上
に設けられた第１の保護膜が、除去された後、図２に示
すように、その露出したｐ型コンタクト層１１１の表面
にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。ただし
ｐ電極１２０は、１００μｍのストライプ幅として、図
２に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成
する。第２の保護膜１６２形成後、既に露出させたｎ型
コンタクト層１０３の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるスト
ライプ状のｎ電極１２１をストライプと平行な方向で形
成する。

【００４８】次に、ｐ電極１２０とｎ電極１２１に、取
り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ
_２よりなる誘電体膜１６４を設けた後、ｐ電極１２０の
上にＲｈＯ−Ｐｔ−Ａｕ（３００ｎｍ−１５０ｎｍ−６
５０ｎｍ）よりなる取り出し（パット）電極１２２を、
ｎ電極１２１の上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１００ｎｍ−１
００ｎｍ−８００ｎｍ）よりなる取り出し（パット）電
極１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０７の幅
は、２００μｍ（共振器方向に垂直な方向の幅）であ
る。

【００４９】［へき開工程］以上のようにして、ｐ電極
１２０とｎ電極１２１とを形成した後、図５に示すよう
に、ストライプ状の電極に垂直な方向で、切断溝１７０
に沿って、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（1 1-
0 0）など）でバー状に分割し、光導波層の出射側端面
を単結晶層１８０のへき開端面１８１とする。切断溝１
７０は、好ましくはその中央からへき開する。切断溝１
７０の幅は１０μｍであるから、中央からへき開された
単結晶層１８０の膜厚は約５μｍとなる。へき開後、共
振器面の反射面側にＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）
プラズマ成膜装置によりＺｒＯ _２、続けて（ＳｉＯ_２／
ＺｒＯ_２）_ｍ（ｍ＝６）よりなる誘電体多層膜を成長さ
せる。さらに、バー状のウエハを分割してレーザ素子を
得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。

【００５０】室温において、しきい値２．８ｋＡ／ｃｍ
^２、５〜３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの
連続発振のレーザ素子が得られる。得られるレーザ素子
の素子寿命は、６０℃、５ｍＷの連続発振において、６
０００〜７０００時間となる。これは、室温において１
０万時間に相当する。

【００５１】［実施例２］実施例１において、切断溝１
７０の幅を５μｍとする以外は同様にして得られるレー
ザ素子は、実施例１に比べると出射側端面を被覆する単
結晶層１８０の膜厚が約半分になる。この半導体発光素
子は、実施例１と同等の寿命となる。

【００５２】［実施例３］実施例１において、切断溝１
７０の幅を１５μｍとする以外は同様にして得られるレ
ーザ素子は、実施例１に比べると出射側端面を被覆する
単結晶層１８０の膜厚が約５０％厚くなる。この半導体
発光素子も、実施例１と同等の寿命となる。

【００５３】［実施例４］実施例１において、単結晶層
１８０をＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとする以外は同様にし
て得られるレーザ素子は、実施例１に比べると出射側端
面を被覆する単結晶層１８０のバンドギャップが大きく
なる。この半導体発光素子は、実施例１と同等の寿命と
なる。

【００５４】［実施例５］実施例１において、単結晶層
１８０をＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎとする以外は同様にし
て得られるレーザ素子は、実施例１に比べると出射側端
面を被覆する単結晶層１８０のバンドギャップが大きく
なる。この半導体発光素子も、実施例１と同等の寿命と
なる。

【００５５】［実施例６］実施例１において、単結晶層
１８０をＧａＮとする以外は同様にして得られるレーザ
素子は、実施例１に比べると出射側端面を被覆する単結
晶層１８０のバンドギャップが小さくなるが、この半導
体発光素子も、実施例１とほぼ同等の寿命となる。

【００５６】

【発明の効果】本発明の半導体発光素子は、出射側端面
の劣化を少なくしてライフ特性（素子寿命）に優れる特
長がある。とくに、本発明の半導体発光素子は、出射側
端面をバンドギャップの大きな単結晶層で被覆すること
に加えて、この単結晶層のへき開端面から光を出射す
る。窒化ガリウム系化合物半導体のへき開性を利用し
て、設けられる単結晶層のへき開端面は、理想に近い平
滑面となり、出射側端面から出射される光の吸収を極め
て少なくでき、端面劣化を有効に防止して、半導体発光
素子の寿命を長くする。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半導体発光素子の製造方法の一工程を示
す断面図

【図２】本発明の一実施形態の半導体発光素子を示す模
式断面図

【図３】本発明の半導体発光素子の製造方法における溝
加工工程を示す拡大断面図

【図４】本発明の半導体発光素子の製造方法における成
長工程を示す拡大断面図

【図５】本発明の半導体発光素子の製造方法におけるへ
き開工程を示す拡大断面図

【符号の説明】

１０１・・・基板（ＧａＮ基板）１０２・・・バッファ層１０３・・・ｎ型コンタクト層１０４・・・クラック防止層１０５・・・ｎ型クラッド層１０６・・・ｎ型光ガイド層１０７・・・活性層１０８・・・ｐ型電子閉込め層１０９・・・ｐ型光ガイド層１１０・・・ｐ型クラッド層１１１・・・ｐ型コンタクト層１１３・・・ｐ型窒化物半導体層１１４・・・ｎ型窒化物半導体層１１５・・・発光領域層１２０・・・ｐ電極１２１・・・ｎ電極１２２・・・取り出し電極１２３・・・取り出し電極１６２・・・保護膜１６４・・・誘電体膜１７０・・・切断溝１８０・・・単結晶層１８１・・・へき開端面１９０・・・保護膜２００・・・発光領域層２１０・・・切断溝２２０・・・結晶成長層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者落合真尚徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化学工業株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA74 AA83 AA87 CA07 CB05 CB07 CB14 CB19 CB22 DA05 DA07 DA32 DA33 EA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ガリウム系化合物半導体層からなる
複数の層を積層している発光素子の少なくとも活性層(1
07)を含む発光領域層(115)を切断して、光の出射側端面
を設けるように、へき開面に延長して切断溝(170)を設
ける溝加工工程と、溝加工工程で設けた切断溝(170)の
内部に、出射側端面から出射される光の波長λ（ｎｍ）
に対して、１２４０／λよりも大きいバンドギャップ
（Ｅｇ）を有する窒化物半導体からなる単結晶層(180)
を結晶成長させる成長工程と、切断溝(170)に沿ってへ
き開して光導波層の出射側端面をへき開端面(181)とす
る単結晶層(180)で被覆するへき開工程とからなる半導
体発光素子の製造方法。
【請求項２】活性層(107)をＩｎＧａＮ層を含む層と
し、単結晶層(180)をＧａＮまたはＡｌＧａＮとする請
求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】活性層(107)をＧａＮ層を含む層とし、
単結晶層(180)をＡｌＧａＮとする請求項１に記載の半
導体発光素子の製造方法。
【請求項４】活性層(107)を、ＩｎＧａＮ層を含む障
壁層と井戸層を積層してなる多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）とし、単結晶層(180)をＡｌＧａＮとする請求項１
に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】単結晶層(180)の組成をＡｌ_ｚＧａ
_１−ｚＮとし、ｚの範囲を０≦ｚ≦１とする請求項２な
いし４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】単結晶層(180)の組成をＡｌ_ｚＧａ
_１−ｚＮとし、ｚの範囲を０≦ｚ≦０．５とする請求項
２ないし４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方
法。
【請求項７】切断溝(170)の幅（Ｗ）を１〜２０μｍ
とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】切断溝(170)の深さ（ｄ）に対する幅
（Ｗ）の比率Ｗ／ｄを１〜１００とする請求項１に記載
の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】切断溝(170)の深さ（ｄ）に対する幅
（Ｗ）の比率Ｗ／ｄを５〜３０とする請求項８に記載の
半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】へき開工程で切断溝(170)に沿ってへ
き開された出射側端面の単結晶層(180)の膜厚を１ｎｍ
〜１０μｍとする請求項１に記載の半導体発光素子の製
造方法。
【請求項１１】溝加工工程において、発光領域層(11
5)をエッチングして切断溝(170)を設ける請求項１に記
載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】発光領域層(115)をドライエッチング
して切断溝(170)を設ける請求項１１に記載の半導体発
光素子の製造方法。
【請求項１３】窒化ガリウム系化合物半導体層からな
る複数の層を積層している発光素子の出射側端面に、光
の波長λ（ｎｍ）に対して、１２４０／λよりも大きい
バンドギャップ（Ｅｇ）を有する窒化ガリウム系化合物
半導体からなる単結晶層(180)で被覆してなる半導体発
光素子であって、光の出射側端面を、単結晶層(180)の
へき開端面(181)としてなる半導体発光素子。
【請求項１４】活性層(107)がＩｎＧａＮ層を含み、
単結晶層(180)がＧａＮまたはＡｌＧａＮである請求項
１３に記載の半導体発光素子。
【請求項１５】活性層(107)がＧａＮ層を含み、単結
晶層(180)をＡｌＧａＮとする請求項１３に記載の半導
体発光素子。
【請求項１６】活性層(107)が、ＩｎＧａＮ層を含む
障壁層と井戸層を積層してなる多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）で、単結晶層(180)をＡｌＧａＮとする請求項１３
に記載の半導体発光素子。
【請求項１７】単結晶層(180)の組成をＡｌ_ｚＧａ
_１−ｚＮとし、ｚの範囲を０≦ｚ≦１とする請求項１４
ないし１６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１８】単結晶層(180)の組成をＡｌ_ｚＧａ
_１−ｚＮとし、ｚの範囲を０≦ｚ≦０．５とする請求項
１４ないし１６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１９】出射側端面を被覆する単結晶層(180)
の厚さが１〜２０μｍである請求項１３に記載の半導体
発光素子。