JP2003133649A - 窒化物半導体レーザ素子及び窒化物半導体レーザ素子の製造方法及びこれを備えた半導体光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、内部の結晶欠陥が低減されるととも
に応力の緩和された窒化物半導体レーザ素子及びこの窒
化物半導体レーザー素子を備えた半導体光学装置を提供
することを目的とする。 【解決手段】結晶欠陥が高密度となる転位集中領域１１
と低転位領域１２とを交互にストライプ状に備えたｎ型
ＧａＮ基板１０の表面上に、まず、ＧａＮ結晶成長を抑
制する成長抑制膜１３を転位集中領域１１を被覆するよ
うに形成する。このように成長抑制膜１３が形成された
ｎ型ＧａＮ基板１０上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成
長させて窒化物半導体層を積層することで、結晶欠陥密
度の低い窒化物半導体レーザ素子を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体基板
上に窒化物半導体層が積層されることによって構成され
る窒化物半導体レーザ素子とその製造方法及びこの窒化
物半導体レーザ素子を用いた半導体光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ、Ｇａ、及びＩｎ等のIII族元素
と、V族元素であるＮとの化合物で構成される窒化物III
−V族半導体(以後、「ＧａＮ系半導体」と記す)は、そ
のバンド構造や化学的安定性から発光素子やパワーデバ
イスとして期待され、応用が試みられてきた。例えば、
サファイア基板（Ａｌ₂Ｏ₃）やＳｉＣ基板上にＧａＮ系
半導体を積層して青色レーザを発光する窒化物半導体レ
ーザ素子を作製する試みが盛んに行われている。

【０００３】しかしながら、サファイア基板、ＳｉＣ基
板上にＧａＮ結晶薄膜を成長させるとＧａＮと基板材料
との間の格子定数の違いから、転位などの多くの欠陥が
エピタキシャル層に導入される。よって、高密度の電流
を流す窒化物半導体レーザ素子の場合、欠陥が引き金に
なって格子構造が乱れ、欠陥が増殖するという恐れがあ
る。又、窒化物半導体レーザ素子がサファイア基板上に
構成される場合、寿命の点でも問題がある。それは、高
密度の転位が窒化物半導体レーザ素子の寿命を制限して
いると考えられる。

【０００４】これらの点より、ＧａＮ系半導体デバイス
に用いる基板は、ＧａＮ単結晶であることが理想的であ
る。よって、基板と基板に積層される各層との間におけ
る格子定数の違いがなくなる。又、ＧａＮは劈開性があ
るからウエハをチップに切り出す工程が容易になる。更
に、ＧａＮ結晶には導電性があり電極配置が単純化され
る。このような点で、基板にＧａＮ単結晶を用いること
が最適である。

【０００５】このようなＧａＮ単結晶によるＧａＮ基板
を用いた、紫外から可視領域で発振する窒化物半導体レ
ーザ素子が、ジャパニーズ＝ジャーナル＝オブ＝アプラ
イド＝フィジックス３９号Ｌ６４７〜Ｌ６５０頁（Ｊｐ
ｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２００
０）ｐｐ．Ｌ６４７−６５０）で報告されている。この
窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板上に周期的なス
トライプ状の開口部をもつＳｉＯ₂マスクパターンが形
成され、この上に、ストライプ状導波路（リッジストラ
イプ構造）を有する窒化物半導体の積層構造が形成され
ることにより、構成される。

【０００６】このＧａＮ基板の製造には、次の方法が用
いられている。周期２０μｍ毎にストライプ状の開口部
をもつＳｉＯ₂マスクパターンが形成された下地となる
種結晶上に、ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Va
por Deposition）により、１５μｍ厚のＧａＮ層を形成
し、表面が平坦なウェハーを得た。これは、ＥＬＯＧ
（Epitaxially Lateral Overgrown）と呼ばれる技術で
あり、ラテラル成長の利用により、欠陥を低減する手法
である。さらに、通常のＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Ph
ase Epitaxy）により２００μｍ厚のＧａＮ層を形成
し、下地を除去することでＧａＮ基板が製造された。得
られた半導体レーザの寿命特性は、６０℃において３０
ｍＷの出力条件で、推定寿命１５０００時間となった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
窒化物半導体レーザ素子では、ＧａＮ基板の製造方法
が、３回の結晶成長（ＨＶＰＥ成長、ＭＯＣＶＤ下地成
長、ＭＯＣＶＤレーザ構造成長）を必要としており、複
雑で、生産性に問題があった。また、寿命特性もまだ十
分でなく、さらに高温で高出力（例えば、７０℃ ６０
ｍＷ）の条件での寿命特性が十分でなかった。又、製造
時に歩留まりの低下につながる積層構造成長後の成長膜
表面に現れるクラックによる歩留まりの低下を生じる場
合がある。

【０００８】これらの問題は、窒化物半導体レーザ素子
内に存在する結晶欠陥（＝転位）が原因であり、この結
晶欠陥は、通常、ＧａＮ基板において、約５×１０⁷ｃ
ｍ^-2の結晶欠陥が基板表面に存在していることが確認さ
れている。本結晶欠陥を曲げるあるいは消滅させる等の
手段を用いれば、低欠陥密度の領域が得られることにな
り、課題となっている高出力の条件おける十分な素子寿
命の確保が可能になる。又、ＧａＮ基板内あるいはＧａ
Ｎ基板上に形成された結晶成長層の中に構造的にひずみ
を緩和する機構を有していればクラックの生じる確率が
低下し、クラックが原因となる歩留まりの低下が生じな
い。

【０００９】このような問題を鑑みて、本発明は、内部
の結晶欠陥が低減されるとともに応力の緩和された窒化
物半導体レーザ素子及びこの窒化物半導体レーザー素子
を備えた半導体光学装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体
基板と、該窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導
体層とから構成される窒化物半導体レーザ素子におい
て、前記窒化物半導体基板が、結晶欠陥の集中するスト
ライプ状の転位集中領域と、該転位集中領域を除く低転
位領域とを具備した基板であるとともに、前記窒化物半
導体基板の表面上の前記転位集中領域を被覆する位置
に、窒化物半導体結晶の成長を抑制する成長抑制膜を有
し、該成長抑制膜が設けられた前記窒化物半導体基板上
に前記窒化物半導体結晶を成長させることで、前記窒化
物半導体層が積層されることを特徴とする。

【００１１】このようにすることで、窒化物半導体層を
窒化物半導体基板の表面上に積層させる際に、転位集中
領域からの結晶欠陥である転位の伝播を成長抑制膜で抑
制し、窒化物半導体層に高密度な結晶欠陥が広がること
が防がれる。よって、窒化物半導体層内の結晶欠陥密度
を低くすることができる。

【００１２】このような窒化物半導体レーザ素子におい
て、前記成長抑制膜の形状が線状であり、前記転位集中
領域それぞれに対して簀の子状となるように複数本毎の
前記成長抑制膜が設けられるとともに、該複数本毎の成
長抑制膜によって前記各転位集中領域が覆われるように
しても構わない。このようにすることで、低転位領域か
ら成長する窒化物半導体結晶が結合し易くなり、板状の
成長抑制膜が設けられ、低転位領域からの窒化物半導体
結晶が結合していない状態で窒化物半導体層が積層され
る場合に比べて、劈開が容易である。

【００１３】このとき、前記各転位集中領域に対して設
けられた前記複数本毎の成長抑制膜が、その幅が１μｍ
以上１０μｍ以下で、且つ、隣の成長抑制膜との間隔が
１μｍ以上１０μｍ以下で平行に並んで位置するように
設けられ、該複数本毎の成長抑制膜の幅と間隔とを合わ
せた領域それぞれが、前記各転位集中領域を被覆するよ
うにする。

【００１４】又、前記窒化物半導体基板の伝導特性をｎ
型の伝導特性とするとともに、前記成長抑制膜を被覆す
るように、前記窒化物半導体基板の表面上にｎ型の伝導
特性を有するＧａＮ膜を形成することによって、表面が
平坦となるＧａＮ膜を形成することができるため、窒化
物半導体層への高密度の結晶欠陥の伝播を防ぐことがで
きる。又、窒化物半導体基板を抵抗の高いｎ型の導電性
の基板とすることで、窒化物半導体層がｎ型、ｐ型の順
序で積層されるため、結晶成長した窒化物半導体層の表
面の平坦性がより向上し、レーザを出力するための電流
の閾値を低減することができる。このとき、前記ｎ型の
伝導特性を有するＧａＮ膜の膜厚を、１μｍ以上２０μ
ｍ以下とする。

【００１５】又、前記成長抑制膜の膜厚を０．０５μｍ
以上１μｍ以下とすることで、成長抑制膜の効果を与え
るとともに、成長抑制膜による影響を防ぐ。又、前記成
長抑制膜を、シリコン化合物膜、又は、金属膜とする。
更に、このとき、前記成長抑制膜を、ＳｉＯ₂膜、Ｓｉ₃
Ｎ₄膜、チタン膜、又は、タングステン膜のいずれかと
する。

【００１６】上述した窒化物半導体レーザ素子におい
て、前記窒化物半導体層が量子井戸活性層を有するとと
もに、該活性層がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）により
構成される井戸層を含有するようにしても構わないし、
更に、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少なくともい
ずれかの元素が、前記活性層に含有されるようにしても
構わない。又、前記窒化物半導体基板がＧａＮ基板であ
ることが好ましい。

【００１７】又、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製
造方法は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板上
に積層された窒化物半導体層とから構成される窒化物半
導体レーザ素子の製造方法において、結晶欠陥の集中す
るストライプ状の転位集中領域と該転位集中領域を除く
低転位領域とを具備した前記窒化物半導体基板の表面上
において、前記転位集中領域を被覆する位置に、窒化物
半導体結晶の成長を抑制する成長抑制膜を形成した後、
該成長抑制膜が設けられた前記窒化物半導体基板上に前
記窒化物半導体結晶を成長させることで、前記窒化物半
導体層を積層することを特徴とする。

【００１８】このとき、前記成長抑制膜を前記窒化物半
導体基板の表面全域に設けた後、エッチングを行うこと
によって、前記転位集中領域のみが前記成長抑制膜で被
覆された状態とするようにしても構わない。又、前記窒
化物半導体基板の伝導特性がｎ型の伝導特性であるとと
もに、前記転位集中領域を前記成長抑制膜で被覆した
後、該成長抑制膜を被覆するように、前記窒化物半導体
基板の表面上にｎ型の伝導特性を有するＧａＮ膜を形成
し、形成された該ＧａＮ膜の表面上に前記窒化物半導体
結晶を成長させることで、前記窒化物半導体層を積層す
るようにしても構わない。

【００１９】本発明の半導体光学装置は、上述したよう
な窒化物半導体レーザ素子を光源とすることを特徴とす
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して、説明する。尚、本明細書における
窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）に積層された窒化物半
導体層とは、少なくともＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦
１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で構成
された層である。窒化物半導体層は、この窒化物半導体
層を構成している窒素元素の約１０％以下（但し、六方
晶系であること）が、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のう
ち少なくとも何れかの元素で置換されても構わない。

【００２１】又、窒化物半導体層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、
Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、及びＢｅの不純物群
のうち、少なくとも何れかの不純物が添加されても構わ
ない。その不純物の総添加量は５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５
×１０²⁰ｃｍ^-3以下が好ましい。前記窒化物半導体層が
ｎ型導電性を有するための不純物は、前記不純物群のう
ち、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅの何れかが特に好ましく、ｐ
型導電性を有するための不純物はＭｇ、Ｃｄ、Ｂｅの何
れかが特に好ましい。

【００２２】又、本明細書における活性層とは、井戸層
もしくは井戸層と障壁層から構成された層の総称を指す
ものとする。例えば、単一量子井戸構造の活性層は、１
つの井戸層のみから構成されるか、もしくは、障壁層／
井戸層／障壁層から構成される。また、多重量子井戸構
造の活性層は複数の井戸層と複数の障壁層から構成され
る。

【００２３】ＧａＮは六方晶系（hexagonal）であるか
ら軸方向や面方位を表すには４つの指数を使う表記方法
を採用する。ａ軸、ｂ軸は１２０度をなし、長さは等し
い（ａ＝ｂ）これらに直交するｃ軸は特異な軸でありａ
軸と等しくない（ｃ≠ａ）。ａ軸とｂ軸だけではａｂ面
の方向を表す際に対称性がなくなるのでもう一つの軸を
想定する。これを仮にｄ軸とする。尚、ａ、ｂ、ｄ軸
は、ａ、ｂ軸だけで充分に方位を指定できるが対称性を
損なわないようにもう一つ余分のｄ軸を導入したのであ
るからこれらは互いに独立でない。

【００２４】一つの平行面群を４つの指数（ｋｌｍｎ）
で表現したとすると、これは原点から数えて１枚目の面
がａ軸、ｂ軸、ｄ軸、ｃ軸を切る点の原点からの距離が
ａ／ｋ、ｂ／ｌ、ｄ／ｍ、ｃ／ｎであるということであ
る。これは他の晶系の場合と同じ定義である。ただし
ａ、ｂ、ｄ軸は平面内に含まれる冗長な座標であるか
ら、ｋ、ｌ、ｍは独立でなく、常にｋ＋ｌ＋ｍ＝０であ
る。ｃ軸に関しては立方晶等の場合と同じである。同等
な平行面がｃ軸単位長さにｎ枚あるときｃ方向の指数が
ｎとなる。だから４つの指数のうち前３つについては回
転対称性があるが、ｃ軸の指数は独立である。

【００２５】個々の面方位は（…）で表現する。集合的
な面方位は｛…｝によって表現する。集合的なというの
はある面方位をその晶系が許す全ての対称操作によって
到達できる全ての面方位の集合を意味する。結晶方位も
同じ指数によって表現する。結晶方位はそれに垂直な面
の指数と同じ指数をつかう。個別の方位は［…］であら
わす。集合方位は＜…＞で表現する。これらは結晶学の
常識であるが混乱を避けるため説明した。マイナスの指
数は数字の上に横線を引いて示すのが直観的に分かりや
すくて結晶学の決まりでもある。しかし数字の上に横線
を引く事ができないので、ここでは数字の前に−をつけ
て負数を示す。

【００２６】＜ＧａＮ基板の作製方法＞まず、窒化物半
導体レーザ素子を作製するために、その表面に窒化物半
導体層を形成するＧａＮ基板の作製方法について、図１
を参照して説明する。図１は、ｎ型ＧａＮ基板の製造過
程を示す図である。

【００２７】このｎ型ＧａＮ基板を製造する際の結晶成
長において、ファセット面からなる斜面を有して成長す
る。尚、ファセット面というのは成長方向に垂直な面
（成長面）以外の面をいう。このファセット面となる斜
面を維持して成長することで、転位を成長方向に対して
伝播させて所定の位置に集合させることができる。この
ファセット面の成長した領域は、結晶欠陥（＝転位）の
移動により低転位領域となる。又、ファセット面となる
斜面の下部には、明確な境界を持った高密度の欠陥領域
を有した成長が成される。そして、転位が、この高密度
の欠陥領域（後述する「転位集中領域」に相当する）の
境界或いはその内部に集合するため、この高密度の欠陥
領域内で消滅或いは蓄積する。

【００２８】このとき、この高密度の欠陥領域の形状に
よって、ファセット面の形状も異なる。高密度の欠陥領
域がドット状となる場合、ファセット面が高密度の欠陥
領域を取り巻くように形成され、ファセット面から成る
ピットが形成される。又、高密度の欠陥領域がストライ
プ状となる場合、この高密度の欠陥領域のストライプと
なる部分を底となるようにして、高密度の欠陥領域の両
側にファセット面の斜面を形成してＶ字型となる。

【００２９】この高密度の欠陥領域を形成するために
は、下地基板となる支持基体上に、高密度の欠陥領域を
形成する場所に、非晶質又は多結晶の層である転位形成
用の種を予め形成しておく必要がある。このように転位
形成用の種が表面上に形成された支持基体にＧａＮを成
長させることによって、この転位形成用の種の直上の領
域に、高密度の欠陥領域が形成される。そして、この高
密度の欠陥領域を有してＧａＮ層を成長させることによ
り、ファセット面を埋め込むこと無く、ファセット面を
維持して成長を進行させることができる。

【００３０】即ち、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰ
Ｅ）法により、支持基体２１上にｎ型ＧａＮ層２２を成
長させるとき、ファセット面｛１１−２２｝面２３が成
長中の表面に主として表出するように成長する。その結
果、図１（ａ）のように、表面の断面図形は鋸歯状の凹
凸形状となる。ただし、凸部の頂点付近には、わずか
に、｛０００１｝面２６が表出した部分がストライプ状
に生成される。

【００３１】ここで、ＨＶＰＥ法というのは、ホットウ
ォール型の反応炉の上流部にＧａボートを設け、加熱し
たＧａ融液にＨＣｌガスを吹き込むようにし、反応炉の
下流部にＧａＮ層２２を成長させるための基体２１を設
けて、ＮＨ₃を吹き込むようにしておく。そして、加熱
したＧａメタル（融液）にＨＣｌを吹きこんでＧａＣｌ
を合成し、下方へ送り、下方でＮＨ₃と反応させＧａＮ
を合成しＧａＮが基板に堆積するようにしたものであ
る。

【００３２】又、基体２１としては２インチ（１１１）
ＧａＡｓウェハを用いた。凹凸はピッチＰ＝４００μｍ
の周期構造であり、図面奥行き方向に畝状に伸びている
形状となっている。このＧａＡｓウェハは、ＧａＮを成
長させて、後述するｎ型ＧａＮ層２２のインゴットを作
製した後に除去する際に、容易に除去できるため、サフ
ァイアウェハなどに比べて適している。このように、凹
凸の位置を規定するためには、基体２１上にあらかじめ
上記凹部に対応した開口を持つＳｉＯ₂のマスク（開口
部が上述の「転位形成用の種」に相当する）を形成して
おき、ファセット面が表出する状態で、結晶成長を行え
ば良い。

【００３３】つまり、マスクの開口部は、ＧａＮ結晶の
［１−１００］方向に平行になるように、ピッチＰ＝４
００μｍでストライプ状配置されており、そのマスクの
形状は、連続したストライプ状としたり、あるいは個々
のドット状として列上に並ぶような配置にしても良い。
以降、本例では、間隔が４００μｍでストライプ状の形
状を形成することによりＧａＮ基板を作製した例ついて
記述するが、開口部の間隔は４００μｍに限る必要は無
い。望ましくはこの間隔は１００μｍ以上がよく、更に
望ましくは２００μｍ以上、６００μｍ以下がよい。

【００３４】ファセット面｛１１−２２｝面２３が表出
した状態で、結晶成長を持続させる手法（成長条件）に
付いては、本出願人が先に出願した特開２００１−１０
２３０７号広報に詳細に開示している。なお、成長時に
酸素をドーピングすることで、成長する結晶をｎ型とす
る。

【００３５】このように、ファセット面｛１１−２２｝
面２３が表出した状態で結晶成長を持続させ、さらにＧ
ａＮ結晶の形成を続けることで、図１（ｂ）のように、
基体２１上に高さ３０ｍｍのｎ型ＧａＮ層２２によるイ
ンゴットが作製される。このとき、その表面上に、種と
なるマスクの形状に応じたファセット面が形成される。
即ち、マスクがドット状のパターンとなる場合は、ファ
セット面からなるピットが規則正しく形成され、又、マ
スクがストライプ状のパターンとなる場合は、Ｖ字型の
ファセット面が形成される。

【００３６】このｎ型ＧａＮ層２２によるインゴット
を、スライサーによりスライス切断加工して薄片（ｎ型
ＧａＮ基板）を得る。更に、この薄片を研磨加工して、
図１（ｃ）の断面図及び図１（ｄ）の上面図で表される
ような、表面が平坦な２インチ径、厚さ３５０μｍのｎ
型ＧａＮ基板１０が得られる。その後、ｎ型ＧａＮ基板
１０の表面を研削、研磨を施すことによって、表面を平
坦化して、使用可能な状態とすることができる。即ち、
このｎ型ＧａＮ基板１０において、エピタキシャル成長
を行うための表面を鏡面研磨仕上げとする。

【００３７】尚、この表面は、ほぼ（０００１）面とし
たが、上にエピタキシャル成長される窒化物半導体層の
モフォロジーが平坦で良好になるためには、（０００
１）面から任意の方向に０．２〜１°の範囲で、オフ角
度を有していることが望ましく、特に表面の平坦性が最
小になるようにするためには、０．４〜０．８°の範囲
とすることが好ましい。

【００３８】このようにして構成されるｎ型ＧａＮ基板
１０の表面を顕微鏡で詳細に観察した。研磨加工された
表面は必ずしも平坦でなく、凹凸が生じている。即ち、
図１における結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領
域２４に対応する領域がやや窪んでいる。

【００３９】又、硫酸、燐酸の混酸を２５０℃に加熱し
た液にサンプルとなるｎ型ＧａＮ基板１０を浸しエッチ
ングを行って、ファセット面が集合するエッチピットが
表面にでるようにした。その結果、領域２４に対応する
領域に多数のエッチピットが現れるため、この領域に転
位が極めて集中していることが判明した。この上記した
領域２４は、転位が極めて集中しているために、研磨工
程で他の部分よりも侵食されやすく、窪みが生じて生成
されたものと考えられる。

【００４０】この窪みの生じた領域２４の幅は約１０〜
４０μｍであった。この領域２４以外の領域は、ＥＰＤ
（エッチピット密度）１０⁴〜１０⁵ｃｍ^-2台の低転位領
域となっており、又、領域２４のＥＰＤは、これよりも
３桁以上大きくなる。このように、窪みの生じる領域２
４は、周囲に比べて数桁も結晶欠陥密度（＝転位密度）
が大きくなっている部分で、上述の高密度の欠陥領域に
相当する領域であるため、本明細書では、以後「転位集
中領域」と呼称する。

【００４１】この転位集中領域２４は基板上の他の領域
と異なり、極性が反転している場合があった。即ち、ｎ
型ＧａＮ基板１０の表面位置において、転位集中領域２
４以外の面はＧａ（ガリウム）が露出する面方位であ
り、転位集中領域２４の面はＮ（窒素）が露出する面方
位である場合があった。又、この転位集中領域２４は、
このような状態を含めていくつかの状態がある。即ち、
例えば、多結晶からなる場合、単結晶であるが周囲の低
欠陥領域に対して微かに傾斜している場合、又、上述の
ような周囲の低欠陥領域に対して［０００１］方向のｃ
軸が反転している場合などがある。このような転位集中
領域２４は、明確な境界を有して、周囲の領域と区別さ
れる。

【００４２】また、サンプルとなるｎ型ＧａＮ基板１０
に対して紫外線（Ｈｇランプ３６５ｎｍ輝線を用いるこ
とができる）を照射して、表面からのルミネッセンスを
顕微鏡を用いて蛍光顕微鏡観察を行った。その結果、転
位集中領域２４に挟まれた低転位領域の中央に、比較的
はっきりと境界をもった、周囲とコントラストが異なる
ストライプ状の領域が観察される。この領域は、周囲よ
りも肉眼で観察される発光（ルミネッセンス）が強く、
やや黄色がかった発光が明るく観察される領域である。

【００４３】この観察された発光の明るい領域２５は、
結晶成長時に｛０００１｝面が表出しつつ成長していた
部分である。このように周囲と異なって観察されるの
は、ドーパントの取りこまれが周囲と異なるなどの理由
が考えられる。よって、以下、この領域２５を「高ルミ
ネッセンス領域」と呼称する。又、結晶成長時に、｛０
００１｝面が表出しつつ成長した部分は必ずしも同一の
幅をもって均一に進行するものではないために、高ルミ
ネッセンス領域２５の幅は、やや揺らぎを持っているも
のの、０μｍから３０μｍの程度であった。

【００４４】このようなｎ型ＧａＮ基板１０の形成のた
めの結晶成長方法は、ＨＶＰＥ法以外の気相成長によっ
てもよく、ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapo
r Phase Deposition）、ＭＯＶＰＥ法（Metalorganic C
hloride Vapor PhaseEpitaxy）、昇華法などを用いても
実施することができる

【００４５】又、ｎ型ＧａＮ基板１０の形成のための成
長に用いる基体２１としては、ＧａＡｓの他にも、軸廻
りに六回対称性あるいは三回対称性がある単結晶基板を
用いることができる。つまり結晶系としては六方晶系又
は立方晶系（Cubic symmetry）の単結晶である。立方晶
系の場合（１１１）面を使えば三回対称性がある。サフ
ァイア、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ＮｄＧａＯ₃、ＺｎＯ、Ｇａ
Ｎ、ＡｌＮ、ＺｒＢ₂などの六方晶系の単結晶を用いる
ことができる。Ｓｉ、スピネル、ＭｇＯ、ＧａＰなどの
立方晶系の（１１１）面基板を用いることもできる。こ
れらはＧａＮを（０００１）面で成長させるものであ
る。

【００４６】更に、ｎ型ＧａＮ基板１０の形成のための
マスクの設け方も２種類ある。一つは基体２１の上に直
接にマスクを形成する手法である。この場合エピ層に先
立ち窓の内部の基板露出面にＧａＮバッファ層を堆積す
る等の工夫が必要になる。もう一つは基体２１の上に予
め薄くＧａＮ層を形成しておいて、その上にマスクを形
成する手法である。後者の方が成長がスムーズに進行
し、より好ましい場合が多い。

【００４７】＜第１の実施形態＞上述のようにして形成
され、転位集中領域及び高ルミネッセンス領域を有する
ｎ型ＧａＮ基板を用いて製作される窒化物半導体レーザ
素子の第１の実施形態について、図面を参照して以下に
説明する。図２は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の
構成を示す断面図である。尚、図２において、高ルミネ
ッセンス領域は省略している。

【００４８】１．成長抑制膜の形成 まず、このｎ型ＧａＮ基板１０の表面上に、図２のよう
な成長抑制膜１３が形成される。この成長抑制膜１３
は、ｎ型ＧａＮ基板１０表面において、転移集中領域１
１（図２の転移集中領域２４に相当する）を被覆するよ
うに形成される。この成長抑制膜１３は、ｎ型ＧａＮ基
板１０に窒化物半導体層を積層して窒化物半導体レーザ
装置を構成する際、ｎ型ＧａＮ基板１０上の成長膜内に
転位が引き継がれるのを防ぐ役割を行う。よって、成長
抑制膜１３については、この成長抑制膜１３から通常の
窒化物半導体のエピタキシャル成長が困難となる材料が
用いられる。本実施形態では、成長抑制膜１３の材料と
して、ＳｉＯ₂（酸化シリコン）を用いた。

【００４９】ｎ型ＧａＮ基板１０を電子ビーム蒸着装置
内に設置し、内部の圧力が所定の真空度に達した後、Ｓ
ｉＯ₂を０．２μｍの厚さになるように制御して、Ｓｉ
Ｏ₂膜をｎ型ＧａＮ基板１０の表面に形成する。その
後、蒸着したＳｉＯ₂膜を簡便なフォトリソグラフィを
用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０表面の転位集中領域１１の
みを被覆するようにエッチングを行うことによって、成
長抑制膜１３を形成する。転位集中領域１１の幅は４０
μｍ以下であるため、被覆する成長抑制膜１３の幅を５
０μｍとした。このようにすることで、低転位領域１２
からＧａＮ結晶が成長を行う。

【００５０】尚、本実施形態では成長抑制膜１３として
ＳｉＯ₂を用いたが、同様にＳｉ₃Ｎ ₄等のシリコン化合
物や、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）などの金属
を用いても構わない。又、被覆する成長抑制膜１３の膜
厚を０．２μｍとしたが、０．０５μｍ〜１μｍ程度で
あれば十分効果が得られる。又、被覆する成長抑制膜１
３の幅を５０μｍとしたが、転位集中領域１１を被覆
し、低転位領域１２に通常の窒化物半導体のエピタキシ
ャル成長が行われるための幅を有していれば更に広くて
も構わない。

【００５１】２．窒化物半導体層のエピタキシャル成長 ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０に、Ｖ族
原料のＮＨ₃とIII族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウ
ム）又はＴＥＧａ（トリエチルガリウム）と、ドーパン
ト原料としてのＳｉＨ₄を使用し、水素あるいは窒素を
原料キャリアガスとして用い、基板温度１０５０℃で、
膜厚３μｍのｎ型ＧａＮ層１０１を形成する。ついで、
８００℃の基板温度で、上記原料にＩＩＩ族原料として
のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を加え、ｎ型Ｉｎ
_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０２を４０ｎｍ形成す
る。

【００５２】次に、基板温度が１０５０℃に昇温し、Ｔ
ＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（ト
リエチルアルミニウム）のIII族原料を用い、１．２μ
ｍ厚のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０３を形成す
る。前記ｎ型不純物としてＳｉが５×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１
×１０¹⁹ｃｍ^-3になるようにドーパント原料を調整し
た。続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０４（Ｓｉ不純物濃
度１×１０¹⁶〜１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3）を０．１μｍの膜厚
になるように形成する。

【００５３】その後、基板温度を７５０℃まで降温し、
３周期の、膜厚４ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層と膜厚
８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層から構成された活性
層（多重量子井戸構造）１０５を、障壁層／井戸層／障
壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で形成す
る。その際、障壁層の形成時のみ、又は、障壁層及び井
戸層の両方の形成時に、ＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度は１
×１０¹⁶〜１×１０^{1 8}ｃｍ^-3）を導入するようにする。
又、障壁層と井戸層それぞれの形成を切り換える際に、
１秒以上１８０秒以内の成長中断が実施されると、各層
の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。

【００５４】このような活性層１０５にＡｓが添加され
る場合はＡｓＨ₃（アルシン）又はＴＢＡｓ（ターシャ
リブチルアルシン）又はＴＭＡｓ（トリメチルアルシ
ン）を、活性層１０５にＰが添加される場合はＰＨ
₃（ホスフィン）又はＴＢＰ（ターシャリブチルホスフ
ィン）又はＴＭＰ（トリメチルホスフィン）を、活性層
１０５にＳｂが添加される場合はＴＭＳｂ（トリメチル
アンチモン）又はＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）
を、それぞれ添加すると良い。また、活性層１０５が形
成される際、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にＮ₂Ｈ₄（ヒド
ラジン）又はＣ₂Ｎ₂Ｈ₈（ジメチルヒドラジン）等のヒ
ドラジン原料、あるいはエチルアジドなどのアジド原料
を用いても構わない。

【００５５】活性層１０５に複数層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ量
子井戸を有する場合、及び活性層１０５にＡｓ又はＰ添
加して量子井戸活性層とする場合、量子井戸中に貫通転
位があると、Ｉｎが転位部分に偏析することが知られて
いる。従って、上記Ｉｎ_xＧａ_1-xＮを主構成元素とする
量子井戸を活性層に用いる場合には、転位（結晶欠陥）
を可能な限り少なくすることが良好なレーザ特性を得る
ためには必要である。

【００５６】次に、基板温度を再び１０５０℃まで昇温
して、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブ
ロック層１０６、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１
０７、０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１
０８と０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１０９を順
次形成する。この際、ｐ型不純物として原料にＥｔＣＰ
₂Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウ
ム）を用い、Ｍｇが１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜２×１０²⁰ｃｍ
^-3になるように調整する。Ｍｇ原料としてはシクロペン
タジエニルマグネシウム、ビスメチルシクロペンタジエ
ニルマグネシウムなど、他のシクロペンタ系のＭｇ原料
を用いても構わない。

【００５７】又、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０９のｐ型
不純物濃度は、ｐ電極１５の方向に向かって、ｐ型不純
物濃度を多くする方が好ましい。このことによりｐ電極
１５を形成する際のコンタクト抵抗が低減する。又、ｐ
型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残
留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素を
混入しても構わない。

【００５８】このようにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０９を形成した後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内を
全て窒素キャリアガスとＮＨ₃に変え、基板温度を６０
℃／分の割合で降下させる。基板温度が８００℃に達し
た時点で、ＮＨ₃の供給量を停止し、５分間、基板温度
を８００℃で維持させて待機してから、基板温度を室温
まで降下させる。この待機温度は６５０℃から９００℃
の間が好ましく、待機時間は、３分以上１０分以下が好
ましい。又、基板温度を降下させる際の到達速度は、３
０℃／分以上が好ましい。

【００５９】このようにして作製された窒化物半導体層
がラマン測定によって評価された結果、前記手法によ
り、ＭＯＣＶＤ装置からのウェハー取りだした後のｐ型
化アニールが実行されなくても、Ｍｇが活性化している
ため、成長後すでにｐ型化の特性が示される。又、ｐ電
極１５の形成によるコンタクト抵抗も低減する。更に、
従来のｐ型化アニールが組み合わせて行われると、Ｍｇ
の活性化率がより向上して好ましい。

【００６０】尚、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止
層１０２は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であっても構わ
ないし、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１０２自体がな
くても構わない。しかしながら、ｎ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層１０３とｎ型ＧａＮ基板１０との格子不整合が大き
くなる場合は、このｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１０
２を挿入した方がクラックを防止するため好ましい。ま
た、クラックを防止するために、ｎ型の不純物として、
Ｓｉの代わりにＧｅを用いても構わない。

【００６１】又、活性層１０５は、障壁層で始まり障壁
層で終わる構成であったが、井戸層で始まり井戸層で終
わる構成であってもよい。又、井戸層の層数は、前述の
３層に限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低
く、室温連続発振が可能である。このとき、特に２層以
上６層以下とした場合、閾値電流密度が低く好ましい。
更に、この活性層１０５に、Ａｌが含有されても構わな
い。

【００６２】又、活性層１０５は、井戸層と障壁層の両
層にＳｉが所要量添加された構成とされたが、不純物が
添加されない構成としても構わない。しかしながら、Ｓ
ｉのような不純物が活性層１０５に添加される方が発光
強度が強くなる。このように添加される不純物として
は、Ｓｉ以外にＯ、Ｃ、Ｇｅ、ＺｎおよびＭｇの不純物
群のうち、少なくとも何れかの不純物としても構わな
い。又、この不純物群の添加量の総和は、約１×１０¹⁷
〜８×１０¹⁸ｃｍ^-3程度が好ましい。更に、不純物が添
加される層は、井戸層と障壁層の両層に限らず片方の層
のみにとしても構わない。

【００６３】又、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロッ
ク層１０６は、その組成を別のものとしても構わない。
例えば、Ｉｎを添加すれば、より低温成長でｐ型化する
ので、基板温度を低温として成長させることができ、結
晶成長時に活性層１０５にダメージを与えることが減少
する。尚、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０６自
体がなくても構わないが、このｐ型ＡｌＧａＮキャリア
ブロック層１０６を設けた方が閾値電流密度が低くな
る。これは、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０６
が活性層１０５にキャリアを閉じ込める働きがあるから
である。

【００６４】又、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１
０６のＡｌ組成比を高くすることによって、キャリアの
閉じ込めが強くなって好ましい。このとき、キャリアの
閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さくすれ
ば、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層１０６内のキャ
リア移動度が大きくなり電気抵抗が低くなるため、更に
好ましい。

【００６５】又、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３とｐ
型ＡｌＧａＮクラッド層１０８として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎ結晶が用いられたが、Ａｌの組成比が０．１以外とな
るＡｌＧａＮ３元結晶であっても構わない。Ａｌの混晶
比が高くなると活性層１０５とのエネルギーギャップ差
及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光を活性層１０
５に効率良く閉じ込めることができるため、レーザ発振
閾値電流密度の低減させるができる。又、キャリアおよ
び光の閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さ
くすれば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０３及びｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層１０８それぞれでのキャリア移動度
が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができ
る。

【００６６】このとき、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０
３の厚みを、０．７μｍ〜１．５μｍとすることで、垂
直横モードの単峰化と光り閉じ込め効率が増し、レーザ
の光学特性の向上とレーザ閾値電流密度の低減を図るこ
とができる。又、ｎ型クラッド層１０３及びｐ型クラッ
ド層１０８を、ＡｌＧａＮ３元混晶としたが、ＡｌＩｎ
ＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ等の４元混晶と
しても良い。更に、ｐ型クラッド層１０８は、電気抵抗
を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層か
らなる超格子構造、又は、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型Ｉｎ
ＧａＮ層からなる超格子構造で構成しても構わない。

【００６７】又、ｎ型ＧａＮ基板１０上に窒化物半導体
層を積層する際に、ＭＯＣＶＤ装置による結晶成長方法
が用いられるものとしたが、分子線エピタキシー法（Ｍ
ＢＥ）、又は、上述したＨＶＰＥ法が用いられても構わ
ない。

【００６８】続いて、上述のようにして窒化物半導体層
の各層がｎ型ＧａＮ基板１０上に形成されたエピウェハ
をＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、窒化物半導体レー
ザ素子チップに加工するための後述する各プロセス工程
がなされる。ここで、図２のように、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎクラッド層１０８は凸型のリッジストライプ部と
なっているが、これは後述するプロセス工程により加工
された形状である。

【００６９】このようにして、窒化物半導体レーザ素子
を作製し終えたエピウェハの表面は、成長抑制膜１３直
上以外は平坦となる。又、成長抑制膜１３直上におい
て、窒化物半導体層はエピタキシャル成長せず凹状の状
態となる。このようにして得られた窒化物半導体層にお
いて、エピタキシャル成長が成された成長抑制膜１３直
上以外の部分（以下、「エピタキシャル成長部分」と呼
ぶ）にはクラックが全く観察されることは無かった。

【００７０】これは、成長抑制膜１３直上に生成される
凹部が応力を緩和しているため、エピタキシャル成長部
分が、リッジストライプ部に対して垂直方向（図２の左
右方向）に残留応力が低減されることによるものと考え
られる。又、ＧａＮ基板１０の表面まで伝搬している転
位が成長抑制膜１３により、ＧａＮ基板１０の上部に位
置するエピタキシャル成長部分への拡散を防止している
ため、窒化物半導体層の中は基板の低欠陥領域内の転位
密度を超えることなく通常のＧａＮ基板１０を使用した
ものよりも転位密度が低くなる。

【００７１】又、転位集中領域１１ではＧａＮ基板１０
の表面の極性が窒素面に反転する場合がある旨記述した
が、成長抑制膜１３を転位集中領域１１上に形成して窒
化物半導体層を成長させることで、窒素面がＧａＮ基板
１０の表面に共存することにより通常のＧａ面上の成長
が阻害されることがなくなる。よって、窒化物半導体レ
ーザ素子の特性としては転位集中領域１１の極性が反転
していない場合と同様に、結晶欠陥の低減と、応力の緩
和による効果が確認できる。

【００７２】３．素子化プロセス ｎ型ＧａＮ基板１０に対して水平方向に光を閉じ込める
ためのリッジストライプ部が、窒化物半導体層の平坦な
部分の表面に形成された。但し、高ルミネッセンス領域
２５（図１）を有するｎ型ＧａＮ基板１０を使用する場
合には、リッジストライプ部が高ルミネッセンス領域２
５の直上となる位置に形成されないようにすることが望
ましい。これは、高ルミネッセンス領域２５が他の領域
と比べて、ドーパントの含有量または活性化度が小さ
く、抵抗率が高くなっているために、窒化物半導体レー
ザ素子に注入される駆動電流及び素子電圧が上昇するの
で、高ルミネッセンス領域２５に駆動電流が流れること
が好ましくないためである。

【００７３】リッジストライプ部は、エピウェハの表面
より、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８の途中までをス
トライプ状の部分を残してエッチングすることにより、
作製される。ここで、ストライプ幅は１〜３μｍ、好ま
しくは１．３〜２μｍとし、又、エッチング底面のｐ型
ＧａＮガイド層１０７からの距離は、０〜０．１μｍと
した。その後、リッジストライプ部以外の部分に絶縁膜
１１０を形成する。ここで、絶縁膜１１０としてはＡｌ
ＧａＮを用いた。エッチングされずに残ったｐ型ＧａＮ
コンタクト層１０９は露出しているので、このｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１０９及び絶縁膜１１０の表面上に、ｐ
電極１５がＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着されて形成さ
れた。

【００７４】ここで、絶縁膜１１０としては上記以外に
珪素、チタン、ジルコニア、タンタル、アルミニウム等
の酸化物もしくは窒化物を用いても構わない。又、ｐ電
極１５の材料として、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、
又は、Ｎｉ／Ａｕの何れかが用いられても構わない。

【００７５】更に、このようにｐ電極１５が形成された
エピウェハの裏面側（基板側）を研磨することにより、
エピウェハの厚みを８０〜２００μｍに調整し、後にエ
ピウェハの分割を行いやすいようにする。

【００７６】そして、ｎ電極１６が、ｎ型ＧａＮ基板１
０の裏側にＨｆ／Ａｌの順序で形成される。このｎ電極
１６の材料として、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａ
ｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ、
Ｈｆ／Ｍｏ／Ａｕの他、これらのうちからＨｆをＴｉ，
Ｚｒに置き換えた電極材料等が用いられても構わない。

【００７７】最後に、このｎ電極１６が設けられたエピ
ウエハは、リッジストライプ方向に対して垂直方向に劈
開されることで、共振器長６００μｍのファブリ・ペロ
ー共振器が作製される。尚、共振器長は３００μｍから
１０００μｍが好ましい。この工程により、エピウェハ
は個々の窒化物半導体レーザ素子が横に連なったバー状
の形態となった。ストライプ方向が＜１−１００＞方向
に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端
面は、窒化物半導体結晶の｛１−１００｝面である。劈
開は、エピウェハ全面にスクライバーによる罫書き傷が
つけられてから劈開されるのではなく、エピウェハの一
部、例えば、エピウェハの両端にのみスクライバーによ
る罫書き傷がつけられて、これを起点に劈開される。

【００７８】このようにして得られたバー状のファブリ
・ペロー共振器において、その帰還手法として、上述の
ように劈開されて得られた共振器端面による帰還手法以
外に、一般に知られている回析格子が共振器内に設けら
れたＤＦＢ（Distributed Feedback）、回析格子が共振
器の外に設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflec
tor）が用いられても構わない。エピウェハが劈開され
て、バー状のファブリ・ペロー共振器の共振器端面が形
成された後、この端面に７０％の反射率を有するＳｉＯ
₂とＴｉＯ₂の誘電体膜が交互に蒸着され、誘電体多層反
射膜が形成される。この誘電体多層反射膜として、Ｓｉ
Ｏ₂／Ａｌ₂Ｏ₃が誘電多層反射膜として用いられても構
わない。

【００７９】このようにして得られるバー状のファブリ
・ペロー共振器は、ｎ型ＧａＮ基板１０上に積層される
窒化物半導体層の膜厚又は成長条件（成長時の基板温度
や反応炉内の圧力など）が異なることによって、その構
成が異なる。例えば、窒化物半導体層の膜厚が薄い場合
は、図３のように、窒化物半導体層４０２が成長抑制膜
１３の直上で結合が行われず、成長抑制膜１３の直上の
領域４０３が離れた状態となる。このとき、成長抑制膜
１３間の領域に構成される部分が１つの窒化物半導体レ
ーザ素子４０１を構成する。

【００８０】又、窒化物半導体層の膜厚を図３の場合よ
りも厚くしたとき、図４又は図５のようになる。即ち、
図４では、窒化物半導体層５０２が成長抑制膜１３の直
上で結合されるが、成長抑制膜１３の直上の領域５０３
において、窒化物半導体層５０２の表面上まで達したク
ラックが存在する。又、この領域５０３において、図４
のように、成長抑制膜１３表面上に空洞５０４を有する
場合もある。このとき、成長抑制膜１３間の領域に構成
される部分が窒化物半導体レーザ素子５０１を構成す
る。

【００８１】又、図５では、窒化物半導体層６０２が成
長抑制膜１３の直上で完全に結合された状態となる。よ
って、図４と異なり、成長抑制膜１３の直上の領域６０
３において、窒化物半導体層６０２の表面上まで達した
クラックが存在が確認されない。又、この領域６０３に
おいて、図５のように、成長抑制膜１３表面上に空洞６
０４を有する場合もある。このとき、成長抑制膜１３間
の領域に構成される部分が窒化物半導体レーザ素子６０
１を構成する。

【００８２】更に、この後、上述のバー状のファブリ・
ペロー共振器を分割することで、図２のような構成の窒
化物半導体レーザ素子を得る。このとき、窒化物半導体
レーザ素子の中央にレーザ光導波領域１４（リッジスト
ライプ部の直下に位置する）を配置し、窒化物半導体レ
ーザ素子の横幅Ｗ＝４００μｍとなるように分割する。
もともと、ｎ型ＧａＮ基板１０にはピッチＰ＝４００μ
ｍで転位集中領域２４（図１）が配置されている。尚、
バー状のファブリ・ペロー共振器を分割して、窒化物半
導体レーザ素子を得る際、窒化物半導体レーザ素子の横
幅Ｗが、転位集中領域２４のピッチＰの整数倍又は整数
倍分の１の幅に分割すると都合が良い。

【００８３】このようにして図２に示される窒化物半導
体レーザ素子チップが作製されることで、結晶欠陥であ
る転位を意図的に制御したｎ型ＧａＮ基板１０を用い、
転位集中領域１１を成長抑制膜１３により被覆し、低転
位かつ低応力の領域に窒化物半導体レーザ素子の電流狭
窄部分となるレーザ光導波領域１４が作製される。よっ
て、レーザ出力６０ｍＷ、雰囲気温度７０℃の条件の
下、レーザ発振寿命５０００時間以上が達成された。

【００８４】尚、本実施形態において、成長抑制膜１３
の膜厚を０．２μｍとしたが、これに限るものではな
い。成長抑制膜１３の膜厚を０．０１μｍから２μｍま
で変化させて、窒化物半導体レーザ素子を構成したと
き、成長抑制膜１３の膜厚が０．０５μｍより薄い場
合、窒化物半導体層積層前の昇温により損傷を受け、成
長抑制膜１３としての効果が得られない。

【００８５】又、成長抑制膜１３の膜厚が、０．１μｍ
よりも厚い場合、ｎ型ＧａＮ基板１０と成長抑制膜１３
の熱膨張係数差により、窒化物半導体層積層前の昇温が
原因となって、成長抑制膜１３自体が損傷を受けること
がある。このとき、成長抑制膜１３自体が損傷を受けな
くても、成長抑制膜１３以外のＧａＮ基板１０の表面上
に直接成長する窒化物半導体層が、成長抑制膜１３とＧ
ａＮ基板１０との間にできる段差の影響による原料拡散
の阻害により段差近傍で異常成長が生じる。このような
異常成長が生じることを、「エッジ効果」と称する。こ
のエッジ効果のため、プロセス工程において支障が生じ
たり、レーザの発振波長が変動したり、又は、発振する
閾値が高くなることがある。

【００８６】よって、成長抑制膜１３の膜厚を０．０５
μｍ以上、１μｍ以下の条件で作製することによって、
成長抑制膜１３を作製した効果が得られ、このような成
長抑制膜１３を有する窒化物半導体レーザ素子におい
て、高出力エージングにおける良好な素子寿命が得られ
る。

【００８７】＜第２の実施形態＞上述のようにして形成
され、転位集中領域及び高ルミネッセンス領域を有する
ｎ型ＧａＮ基板を用いて製作される窒化物半導体レーザ
素子の第２の実施形態について、図面を参照して以下に
説明する。尚、窒化物半導体層のエピタキシャル成長及
び素子化プロセスについては、第１の実施形態と同様と
なるため、その詳細な説明は第１の実施形態を参照する
ものとして、省略する。

【００８８】本実施形態では、第１の実施形態と異な
り、転位集中領域２４（図１）を被覆するように、ｎ型
ＧａＮ基板１０の表面上に形成される簀の子状となるよ
うに、成長抑制膜が形成される。即ち、第１の実施形態
と同様、まず、ｎ型ＧａＮ基板１０を電子ビーム蒸着装
置内に設置し、内部の圧力が所定の真空度に達した後、
ＳｉＯ₂を０．２μｍの厚さになるように制御して、Ｓ
ｉＯ₂膜をｎ型ＧａＮ基板１０の表面に形成する。その
後、蒸着したＳｉＯ₂膜を簡便なフォトリソグラフィを
用いて、図６（ａ）のように、その間隔が５μｍで且つ
幅が１０μｍとなる成長抑制膜３０１を、３つ毎にｎ型
ＧａＮ基板１０上の転位集中領域１１を被覆するように
形成する。

【００８９】このように、図６（ａ）に示すように、Ｇ
ａＮ基板１０の転位集中領域１１に、上述の方法で膜厚
０．２μｍの成長抑制膜３０１が形成されると、ＭＯＣ
ＶＤ装置を用い、常圧、基板温度１０００℃でｎ型のＧ
ａＮ膜を成長させる。よって、図６（ｂ）に示すよう
に、成長抑制膜３０１間のの５μｍの窓部からＧａＮ結
晶３０２が［０００１］方向に成長する。このとき、Ｇ
ａＮ結晶３０２の断面形状が完全な凸状の三角になった
状態となる。そして、ＭＯＣＶＤ装置反応炉の圧力を７
０Ｔｏｒｒに下げ、基板温度１０８０℃で再びＧａＮ結
晶３０２を成長させる。

【００９０】このとき、図６（ｂ）において、ｎ型Ｇａ
Ｎ結晶３０４は成長抑制膜３０１に被覆されていない部
分からの成長部分であり、このｎ型ＧａＮ膜３０４中に
はｎ型ＧａＮ基板１０内の転位集中領域１１以外の領域
の転位密度と同程度の転位密度しか存在しない。又、Ｇ
ａＮ結晶３０２の中には、［０００１］方向の成長軸に
対して平行方向に転位３０３が引き継がれて存在する。
しかしながら、［０００１］方向の成長軸に対して垂直
となる横方向への成長が始まると、この転位３０３は
［０００１］方向に対して垂直な方向に曲がる。このと
き、ファセット面である（１１−２２）面及び（−１−
１２２）が最先端となって成長する。

【００９１】このようにして、図６（ｂ）のように凸状
にＧａＮ結晶３０２が成長した部分から、横方向の成長
が促進し、図６（ｃ）に示すように、成長抑制膜３０１
上の中央部分で相合して更に上向きに成長する。又、低
転位であるｎ型ＧａＮ膜３０４が横方向に成長すること
によって、このようにＧａＮ結晶３０２が成長して生成
されたＧａＮエピタキシャル膜を被覆するｎ型ＧａＮ膜
３０５が形成される。このｎ型ＧａＮ膜３０５で被覆さ
れたＧａＮエピタキシャル層は、横方向成長により曲げ
られた転位３０６を有する。又、横方向成長によりＧａ
Ｎ結晶３０２及びｎ型ＧａＮ膜３０４がつながった接合
部分３０７には、少量の転位が集中する。

【００９２】これについては、日本学術振興会短波長光
デバイス第１６２委員会第２２回、光電相互返還第１２
５委員会第１７１回合同研究会資料（平成１２年１２月
１５〜１６日）２５〜３２頁に記載されている。このよ
うにして、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面上にＧａＮ結晶を
成長させた場合、合計約８μｍの膜厚まで成長したＧａ
Ｎ膜３０５の表面は完全に平坦になった。ｎ型ＧａＮ膜
３０５を成長させた後、第１の実施形態と同様の方法で
窒化物半導体レーザ素子を構成する層構造を順次結晶成
長させた。よって、窒化物半導体層３０８がｎ型ＧａＮ
膜３０５上に形成される。

【００９３】その後、エッチングをおこなうことで、リ
ッジストライプ部３０９が形成されレーザ素子が作製さ
れる。窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ３０
９を形成する位置は、転位集中領域１１直上の領域以外
の低転位領域１２の上部でも構わないし、成長抑制膜３
０３の直上でもかまわない。このようにすることで、本
実施形態においても、結晶欠陥の低減の効果と、ひずみ
の緩和の効果により、第１の実施形態と同様の特性を有
する窒化物半導体レーザ素子を得ることができた。

【００９４】尚、本実施形態では、成長抑制膜３０１の
幅を１０μｍで且つ間隔を５μｍとしたが、成長抑制膜
３０１の幅が、選択成長及び横方向成長が可能な幅及び
間隔であれば、窒化物半導体レーザ素子の特性において
の優位性は認められた。但し、成長抑制膜３０１の幅は
１μｍ以上１０μｍ以下であり、且つ、隣の成長抑制膜
３０１との間隔が１μｍ以上１０μｍ以下であるとき
が、最も望ましい特性の窒化物半導体レーザ素子を得る
ことができる。又、成長抑制膜３０１を覆うように形成
されるＧａＮ膜３０５の膜厚を８μｍとしたが、その膜
厚を１〜２０μｍとすることによって、積層する窒化物
半導体層に対して成長抑制膜３０１の影響を低減させる
ことができる。

【００９５】更に、成長抑制膜３０１の材料として、Ｓ
ｉＯ₂を用いたが、第１の実施形態と同様に、Ｓｉ₃Ｎ₄
等のシリコン化合物や、タングステン（Ｗ）、チタン
（Ｔｉ）などの金属を用いても構わない。又、被覆する
成長抑制膜３０１の膜厚を０．２μｍとしたが、０．０
５μｍ〜１μｍ程度としても構わない。又、簀の子状の
成長抑制膜３０１は、その幅と間隔との総和となる幅
が、転位集中領域１１を覆うように構成される。

【００９６】尚、第１及び第２の実施形態ではリッジス
トライプ構造の窒化物半導体レーザ素子について記述し
たが、その限りではない。又、ｎ型ＧａＮ基板の裏面と
ｎ型ＧａＮ基板の表面に成長して作製した窒化物半導体
膜の表面との両面に電極を形成した例について記述した
が、ｐ型及びｎ型の両電極をｎ型ＧａＮ基板の表面側に
設けるようにしても構わない。

【００９７】（活性層にＡｓ、ＰおよびＳｂの元素群を
含有させた場合）第１又は第２の実施形態のようにして
作製された図２のような構成の半導体レーザ素子は、活
性層１０５をＩｎＧａＮ井戸層とＩｎＧａＮ障壁層が積
層された構成とされている。このような活性層１０５に
対して、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少なくとも
何れかの元素を含有させるようにしても構わない。

【００９８】このとき、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群の
うち少なくとも何れかの元素が、窒化物半導体レーザ素
子を構成している活性層１０５のうち少なくとも井戸層
に含有されるようにする。このとき、この井戸層に含有
された上記Ａｓ、Ｐ及びＳｂの元素群の総和の組成比を
Ｘとするとともに井戸層のＮ元素の組成比をＹとする
と、ＸをＹよりも小さくするとともに、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）
を０．３以下とする。又、Ｘ／（Ｘ＋Ｙ）については、
０．２以下とする方が好ましい。

【００９９】又、前記元素群の総和の下限値は、１×１
０¹⁸ｃｍ^-3以上である。上述の元素群の総和の組成比Ｘ
が０．２よりも高くなると、井戸層内において、前記元
素の組成比の異なる濃度分離が次第に生じ始める。更
に、前記元素群の総和の組成比Ｘが０．３よりも高くな
ると、上述の濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在す
る結晶系分離に移行し始めて井戸層の結晶性が低下し始
める。一方、上述の元素群の総和の添加量が１×１０¹⁸
ｃｍ^-3よりも小さくなると、井戸層に上述の元素を含有
したことによる効果が得られにくくなる。

【０１００】このように、Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群
の元素を活性層１０５に含有させることで、井戸層の電
子とホールの有効質量が小さくなるとともに、又、井戸
層の電子とホールの移動度が大きくなる。よって、窒化
物半導体レーザ素子の場合、前者により少ない電流注入
量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られると
いう効果が得られ、又、後者により活性層で電子とホー
ルが発光再結合によって消滅しても新たに電子・ホール
が拡散して高速に注入されるという効果が得られる。

【０１０１】これらの効果は、量子井戸内に結晶欠陥が
存在しない場合に特に顕著に現れることがわかってい
る。即ち、活性層１０５にＡｓ、ＰおよびＳｂの元素群
のうち何れも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レー
ザ素子と比べて、これらの元素群のうちの何れかの元素
を含有させることで、閾値電流密度が低く、自励発振特
性の優れた（雑音特性に優れた）窒化物半導体レーザ装
置を作製することが可能である。

【０１０２】＜半導体光学装置への適用例＞上述した本
発明における窒化物半導体レーザ素子を光ピックアップ
システム等の半導体光学装置に適用した場合について、
図面を参照して以下に説明する。図７は、本例における
半導体光学装置の内部構成を示すブロック図である。
尚、本例では、窒化物半導体レーザ素子を光ディスク装
置に利用するものとして説明する。

【０１０３】図７に示す光ディスク装置は、光ディスク
７０１を円周方向に回転させるためのスピンドルモータ
７０２と、光ディスク７０１にレーザ光を照射して情報
を読み出す光ピックアップ７０３と、装置全体を制御す
る制御回路７０４とを有する。尚、光ピックアップ７０
３は、制御回路７０４によって駆動される不図示のアク
チュエータによって、光ディスク７０１の径方向に移動
する。

【０１０４】このような光ディスク装置において、光ピ
ックアップ７０３は、レーザ光を出力する窒化物半導体
レーザ素子を有するレーザ装置７０５と、レーザ装置７
０５からのレーザ光を透過するとともに追従鏡７０８か
らのレーザ光を光検出器７０７へ導出するビームスプリ
ッタ７０６と、ビームスプリッタ７０６からのレーザ光
を検出して検出信号を制御回路７０４に与える光検出器
７０７と、レーザ装置７０５からのレーザ光を光ディス
ク７０１へ導くとともに光ディスク７０１を反射したレ
ーザ光をビームスプリッタ７０６に導く追従鏡７０８
と、追従鏡７０８からのレーザ光を光ディスク７０１上
で集光させる対物レンズ７０９とから構成される。

【０１０５】このとき、レーザ装置７０５に設けられる
本発明による窒化物半導体レーザ素子（３３０〜５５０
ｎｍの発振波長）は、上述したように、高出力（３０ｍ
Ｗ）、高温雰囲気中（６０℃）で安定して動作し、尚且
つレーザ発振寿命が長寿命である。よって、発振波長が
短いほど、より高密度に記録再生が可能となるため、信
頼性の高い高密度記録再生用光ディスク装置に最適であ
る。

【０１０６】このような構成の光ディスク装置におい
て、情報の記録時は、レーザ装置７０５から出力される
レーザ光が、制御回路７０４からの入力情報に応じて変
調され、ビームスプリッタ７０６を透過した後に追従鏡
７０８で反射され、対物レンズ７０９を通して光ディス
ク７０３上に照射されることで、光ディスク７０３に情
報が記録される。又は、光ディスク７０３の記録面に与
える磁界が制御回路７０４からの入力情報に応じて変調
され、情報がディスク上に記録される。

【０１０７】又、情報の再生時は、光ディスク７０１上
のピット配列によって光学的に変化を受けたレーザ光が
対物レンズ７０９を通して追従鏡７０８で反射された
後、ビームスプリッタ７０６を通して光検出器７０７で
検出されることによって、再生信号が得られる。これら
の動作は制御回路７０４によって制御される。半導体レ
ーザ素子から出力されるレーザ光のパワーについては、
例えば、記録時は３０ｍＷで、再生時は５ｍＷ程度であ
る。

【０１０８】本発明に係る窒化物半導体レーザ素子は、
このような光ピックアップシステムを有する光ディスク
装置の他に、例えば、レーザプリンタ、バーコードリー
ダ、光の三原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロ
ジェクタ等にも利用可能である。

【０１０９】

【発明の効果】本発明によると、窒化物半導体基板内に
結晶欠陥の集中した転位集中領域が設けられることか
ら、窒化物半導体基板内で生じる熱歪み及び格子定数差
が原因となる歪みの影響を低減することができる。又、
窒化物半導体基板の表面上において、転位集中領域を被
覆するように成長抑制膜が形成されるため、窒化物半導
体基板表面上に窒化物半導体層が積層されたとき、窒化
物半導体層に窒化物半導体基板の高密度な結晶欠陥が伝
播されることを抑制することができる。よって、窒化物
半導体層の結晶欠陥密度を低くすることができる。以上
のことから、窒化物半導体レーザ素子を高出力で動作さ
せたときに、その素子寿命を十分に長くすることができ
るとともに、歩留まりの向上を図ることができる。又、
窒化物半導体層と窒化物半導体基板との間にＧａＮ膜を
設けることによって、窒化物半導体レーザー素子内にあ
るクラックの低減と歪みの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ｎ型ＧａＮ基板の製造過程を示す図。

【図２】窒化物半導体レーザ素子の内部構成を示す断面
図。

【図３】ｎ型ＧａＮ基板上に窒化物半導体層が積層され
た様子を示す断面図。

【図４】ｎ型ＧａＮ基板上に窒化物半導体層が積層され
た様子を示す断面図。

【図５】ｎ型ＧａＮ基板上に窒化物半導体層が積層され
た様子を示す断面図。

【図６】第２の実施形態におけるＧａＮ結晶の成長過程
を示す図。

【図７】本発明の窒化物半導体レーザー素子を有する半
導体光学装置の内部構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１０ ｎ型ＧａＮ基板 １１ 転位集中領域 １２ 低転位領域 １３ 成長抑制膜 １４ レーザ光導波領域 １５ ｐ型電極 １６ ｎ型電極 ２１ 支持基体 ２２ ｎ型ＧａＮ層 ２３ ファセット面 ２４ 転位集中領域 ２５ 高ルミネッセンス領域 ２６ ｛０００１｝面 １０１ ｎ型ＧａＮ層 １０２ クラック防止層 １０３ ｎ型クラッド層 １０４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層 １０５ 活性層 １０６ キャリアブロック層 １０７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層 １０８ ｐ型クラッド層 １０９ ｐ型コンタクト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 吉裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 伊藤 茂稔 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 種谷 元隆 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 谷 善平 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 元木 健作 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 AA13 AA17 AA18 BA38 BB02 BB12 BB14 CA04 FA10 JA01 LA14 5F045 AA04 AA14 AB14 AB17 AB32 AB33 AC01 AC08 AC09 AC12 AC13 AD11 AD12 AD14 AF04 AF12 AF20 BB12 CA12 DA51 DA53 DA55 DQ08 HA12 5F073 AA13 AA74 AA83 CA07 CB02 CB18 CB19 CB22 DA05 DA07 DA32 DA33

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基
   板上に積層された窒化物半導体層とから構成される窒化
   物半導体レーザ素子において、 前記窒化物半導体基板が、結晶欠陥の集中するストライ
   プ状の転位集中領域と、該転位集中領域を除く低転位領
   域とを具備した基板であるとともに、 前記窒化物半導体基板の表面上の前記転位集中領域を被
   覆する位置に、窒化物半導体結晶の成長を抑制する成長
   抑制膜を有し、 該成長抑制膜が設けられた前記窒化物半導体基板上に前
   記窒化物半導体結晶を成長させることで、前記窒化物半
   導体層が積層されることを特徴とする窒化物半導体レー
   ザ素子。
2. 【請求項２】 前記成長抑制膜の形状が線状であり、 前記転位集中領域それぞれに対して簀の子状となるよう
   に複数本毎の前記成長抑制膜が設けられるとともに、該
   複数本毎の成長抑制膜によって前記各転位集中領域が覆
   われることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体
   レーザ素子。
3. 【請求項３】 前記各転位集中領域に対して設けられた
   前記複数本毎の成長抑制膜が、その幅が１μｍ以上１０
   μｍ以下で、且つ、隣の成長抑制膜との間隔が１μｍ以
   上１０μｍ以下で平行に並んで位置するように設けら
   れ、 該複数本毎の成長抑制膜の幅と間隔とを合わせた領域そ
   れぞれが、前記各転位集中領域を被覆することを特徴と
   する請求項２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記窒化物半導体基板の伝導特性がｎ型
   の伝導特性であるとともに、 前記成長抑制膜を被覆するように、前記窒化物半導体基
   板の表面上にｎ型の伝導特性を有するＧａＮ膜を形成す
   ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれれかに
   記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 前記ｎ型の伝導特性を有するＧａＮ膜の
   膜厚が、１μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とす
   る請求項４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
6. 【請求項６】 前記成長抑制膜の膜厚が０．０５μｍ以
   上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜請求項
   ５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
7. 【請求項７】 前記成長抑制膜が、シリコン化合物膜、
   又は、金属膜であることを特徴とする請求項１〜請求項
   ６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 【請求項８】 前記成長抑制膜が、ＳｉＯ₂膜、Ｓｉ₃Ｎ
   ₄膜、チタン膜、又は、タングステン膜のいずれかであ
   ることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体レー
   ザ素子。
9. 【請求項９】 前記窒化物半導体層が量子井戸活性層を
   有するとともに、該活性層がＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜
   １）により構成される井戸層を含有することを特徴とす
   る請求項１〜請求項８のいずれかに記載の窒化物半導体
   レーザ素子。
10. 【請求項１０】 Ａｓ、ＰおよびＳｂの元素群のうち少
    なくともいずれかの元素が、前記活性層に含有されるこ
    とを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体レーザ素
    子。
11. 【請求項１１】 前記窒化物半導体基板がＧａＮ基板で
    あることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか
    に記載の窒化物半導体レーザ素子。
12. 【請求項１２】 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体
    基板上に積層された窒化物半導体層とから構成される窒
    化物半導体レーザ素子の製造方法において、 結晶欠陥の集中するストライプ状の転位集中領域と該転
    位集中領域を除く低転位領域とを具備した前記窒化物半
    導体基板の表面上において、前記転位集中領域を被覆す
    る位置に、窒化物半導体結晶の成長を抑制する成長抑制
    膜を形成した後、 該成長抑制膜が設けられた前記窒化物半導体基板上に前
    記窒化物半導体結晶を成長させることで、前記窒化物半
    導体層を積層することを特徴とする窒化物半導体レーザ
    素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記成長抑制膜を前記窒化物半導体基
    板の表面全域に設けた後、エッチングを行うことによっ
    て、前記転位集中領域のみが前記成長抑制膜で被覆され
    た状態とすることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子
    の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記窒化物半導体基板の伝導特性がｎ
    型の伝導特性であるとともに、 前記転位集中領域を前記成長抑制膜で被覆した後、該成
    長抑制膜を被覆するように、前記窒化物半導体基板の表
    面上にｎ型の伝導特性を有するＧａＮ膜を形成し、 形成された該ＧａＮ膜の表面上に前記窒化物半導体結晶
    を成長させることで、前記窒化物半導体層を積層するこ
    とを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の窒化
    物半導体レーザ素子の製造方法。
15. 【請求項１５】 請求項１〜請求項１１のいずれかに記
    載の窒化物半導体レーザ素子を光源とすることを特徴と
    する半導体光学装置。