JP2004072044A

JP2004072044A - ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法

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Publication number: JP2004072044A
Application number: JP2002233098A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Ueda; 上田　吉裕; Teruyoshi Takakura; 高倉　輝芳; Toshiyuki Kawakami; 川上　俊之; Masahiro Araki; 荒木　正浩; Takeshi Kamikawa; 神川　剛; Takayuki Yuasa; 湯浅　貴之
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】信頼性が高く歩留まりのよいＧａＮ系半導体発光素子を製造する方法を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、基板上において、０．４〜５μｍの範囲内の厚さを有するｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層、および０．０５〜１μｍの範囲内の厚さを有するｐ型ＧａＮ系半導体層をこの順に形成する工程を含み、ｎ型ＧａＮ系半導体層が１１００℃以上の基板温度で気相成長させられ、かつｐ型ＧａＮ系半導体層が１１００℃未満の基板温度で気相成長させられることを特徴としている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に複数のＧａＮ系半導体層を気相成長させることによってＧａＮ系半導体発光素子を製造する方法に関し、特に信頼性が改善されたＧａＮ系半導体発光素子を製造する方法に関する。
【０００２】
なお、本願明細書において、「ＧａＮ系半導体」とは、少なくともＧａとＮを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であって六方晶構造を有するものを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
ＩＩＩ族元素のＡｌ、Ｇａ、またはＩｎ等とＶ族元素のＮとの化合物を含むＧａＮ系半導体は、そのエネルギバンド構造や化学的安定性の観点から、発光素子やパワーデバイスへの応用が期待されて試みられてきた。特に次世代の光学情報記録装置用光源として、たとえば基板上に複数のＧａＮ系半導体層を積層して青色半導体発光素子を作製する試みが盛んに行われている。
【０００４】
従来の青緑色半導体発光素子の作製方法は、特開２０００−３４０８９２号公報、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．４０（２００１）ｐ．Ｌ９２５などに開示されている。これらの文献に開示されているＧａＮ系半導体レーザ素子が、図５の模式的な断面図において示されている。このＧａＮ系半導体レーザ素子７００では、複数のＧａＮ系半導体層がＧａＮ系基板上に形成され、光の閉じこめはリッジストライプ構造で実効屈折率差を生じさせることによって行われている。
【０００５】
従来では、図５のＧａＮ系半導体レーザ素子７００を作製するためには、ＧａＮ系基板７０１上において、基板温度１０５０℃にて、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ下部クラッド層７０４とＳｉドープｎ型ＧａＮ下部ガイド層７０５を順次気相成長させる。続いて、基板温度７８０℃にて、ＩｎＧａＮを利用した多重量子井戸活性層７０６を形成する。次に、基板温度を１０５０℃に戻し、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ蒸発防止層７０７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ上部ガイド層７０８、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ上部クラッド層７０９、そしてＭｇドープｐ型ＧａＮ上部コンタクト層７１０を順次気相成長で積層する。
【０００６】
半導体レーザ素子７００では、上部クラッド層７０９の上部と上部コンタクト層７１０とを含むリッジストライプ７１１が形成される。このリッジストライプ７１１によって活性層７０６に平行方向にステップ状の屈折率分布を作り付け、水平横モードの閉じ込めが行われる。また、リッジストライプ７１１の両側にはＳｉＯ_２絶縁膜７１２が形成され、この絶縁膜７１２はリッジストライプ７１１の頂面のみから電流注入させるための電流狭窄層として機能する。また、ｐ型用電極７１３がリッジストライプ７１１上に形成され、ｎ型用電極７１４が基板７０１の裏面上に形成されて電力の供給が行われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者らが約４００μｍ厚のＧａＮ系半導体基板を用いて従来の方法で図５のＧａＮ系半導体レーザ素子を作製したところ、そのレーザ素子の発振閾値が高いと共に、素子の寿命が短いことがわかった。またウェハ中で、比較的特性の優れたレーザ素子チップが得られる領域は狭く、素子の歩留まりにも問題が生じ得ることが分かった。
【０００８】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、特性の優れたＧａＮ系発光素子を歩留まりよく製造し得る方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの様態によれば、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、基板上において、０．４〜５μｍの範囲内の厚さを有するｎ型ＧａＮ系半導体層、活性層、および０．０５〜１μｍの範囲内の厚さを有するｐ型ＧａＮ系半導体層をこの順に形成する工程を含み、ｎ型ＧａＮ系半導体層が１１００℃以上の基板温度で気相成長させられ、かつｐ型ＧａＮ系半導体層が１１００℃未満の基板温度で気相成長させられることを特徴としている。
【００１０】
本発明の他の様態によれば、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、基板上において、下部コンタクト層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、および上部コンタクト層を順次にＧａＮ系半導体で形成する工程を含み、下部コンタクト層と下部クラッド層との少なくとも一方が１１００℃以上の基板温度で気相成長させられ、かつ上部クラッド層と上部コンタクト層との少なくとも一方が１１００℃未満の基板温度で気相成長させられることを特徴としている。
【００１１】
なお、下部コンタクト層は、２μｍ以上で５μｍ以下の厚さを有していることが好ましい。また、活性層は、８００℃以下の基板温度の下で形成することが好ましい。基板の材料としては、ＧａＮ系半導体またはサファイアから選択し得る。活性層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好ましく、さらに燐またはヒ素を含んでいてもよい。
【００１２】
本発明のさらに他の様態によれば、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ系半導体基板上において、２．０〜５．０μｍの範囲内の厚さを有するｎ型下部コンタクト層、０．４〜４．０μｍの範囲内の厚さを有するｎ型下部クラッド層、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）活性層、および０．４〜１．０μｍの範囲内の厚さを有するｐ型上部クラッド層とを順次気相成長させる工程を含み、下部コンタクト層と下部クラッド層が上部クラッド層に比べて高い基板温度で成長させられ、かつ活性層が上部クラッド層に比べて低い基板温度で成長させられることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（問題の調査）
まず、本発明者らは、図５のＧａＮ系半導体発光素子を従来の方法で製造する場合においてどのような問題が生じているかを調査した。従来の方法で図５における蒸発防止層７０７までを気相成長させたウェハにおいて、その蒸発防止層側から蛍光顕微鏡で観察したところ、ウェハ面内で発光強度に不均一性（発光むら）が見られた。また、上部コンタクト層７１０まで成長させたウェハにおいて、その上部コンタクト層上に円形電極を形成して電流注入してエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）像を観察したところ、そのＥＬ発光強度が低いことが分かった。このことから、活性層７０６自身または活性層７０６下のＧａＮ系半導体層７０４と７０５の結晶性の向上をはかる必要があることが分かった。
【００１４】
以上のような調査に基づいて、本発明の実施形態について、以下において図面を参照しつつ説明する。なお、本願の各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を示している。
【００１５】
（実施形態１）
図１の断面図は、実施形態１におけるＧａＮ系半導体レーザ素子１００を模式的に図解している。このレーザ素子１００の作製に際しては、まず（０００１）主面を有する厚さ４００μｍのｎ型ＧａＮ基板１０１を洗浄し、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）装置内に搬入する。次に、キャリアガスとしてＨ_２を流しながらＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３、およびＳｉＨ_４を導入し、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第一主面上に約１１２５℃の基板温度の下でＳｉドープｎ型ＧａＮ下部コンタクト層１０３を厚さ４μｍに成長させる。本実施形態１では、格子定数が基板とほぼ等しくて基板に比べて良好な結晶性を有するＧａＮ層を成長させることによって、その表面モフォロジを改善することが意図されている。続いて、さらにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を所定流量で導入し、同じ基板温度の下で厚さ０．９５μｍ　のｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ下部クラッド層１０４を形成する。この後、ＴＭＡの供給を停止し、同じ基板温度の下でＳｉドープｎ型ＧａＮ下部ガイド層１０５を厚さ０．１μｍに成長させる。なお、基板温度は、ウェハの表面をパイロメータで測定することによって制御し得る。
【００１６】
その後、ＴＭＧとＳｉＨ_４の供給を停止し、キャリアガスをＨ_２からＮ_２に代えて基板温度を約７２５℃まで下げた後に、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）とＴＭＧを導入し、Ｉｎ_ｖＧａ_１−ｖＮ（０≦ｖ≦１）障壁層を成長させる。続いて、ＴＭＩの供給を所定量にまで増加させ、Ｉｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０≦ｗ≦１）井戸層を成長させる。ＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との形成を繰り返して交互積層構造（障壁層／井戸層／・・・井戸層／障壁層）からなる多重量子井戸を含む活性層１０６を形成する。ＩｎＧａＮの混晶からなる障壁層と井戸層の組成比と厚さは、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲内になるように設計され、井戸層の数はたとえば３層とし得る。
【００１７】
活性層１０６の形成後、ＴＭＩとＴＭＧの供給を停止して、活性層より下のＧａＮ系半導体層１０３〜１０５の成長温度より低い約１０５０℃まで基板温度を高める。ここでキャリアガスをＮ_２からＨ_２に代えて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびｐ型ドーピング剤のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を導入し、たとえば厚さ１８ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ蒸発防止層１０７を形成する。次にＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を調整して、同じ基板温度でたとえば厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ上部ガイド層１０８を形成する。続いて、ＴＭＡを所定流量で導入してＴＭＧの流量を調整し、同じ基板温度でたとえば厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ上部クラッド層１０９を形成する。そして、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給量を調整し、同じ基板温度でたとえば厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ上部コンタクト層１１０を形成し、これによってエピタキシャル結晶成長を終了する。結晶成長終了後、ＴＭＧとＣｐ_２Ｍｇの供給を停止して基板温度を下げ、室温にてウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
【００１８】
得られたエピタキシャルウェハは、複数のレーザ素子チップに加工される。まず、ｐ型用電極部分の形成に際して、ＧａＮ基板１０１の＜１−１００＞方向に沿って幅２μｍのストライプ状のレジストを上部コンタクト層１１０上に形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってリッジストライプ部１１１を形成する。そして、電流狭窄のためのＳｉＯ_２誘電体膜１１２を蒸着によって形成する。次いで、レジストを剥離して上部コンタクト層１１０を露出させ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着してｐ型用電極１１３を形成する。この際、ウェハ上に形成された複数のリッジストライプ１１１を互いに電気的に分離できるようにｐ型用電極１１３を形成すれば、後において素子の検査を行う場合に便利である。
【００１９】
その後、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第二主面を研磨等で削ることにより、ウェハ厚さを１４０μｍにし、ウェハを分割しやすいようにする。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１の第二主面上にＴｉ／Ａｌの順序で蒸着してｎ型用電極１１４を形成する。ｎ型用電極まで形成されたウェハは、基板１０１の＜１１−２０＞方向に劈開してバー状に分割され、劈開面からなる共振器端面が形成される。この時、共振器長は、たとえば５００μｍに設定される。その後、各バーをリッジストライプと平行にダイシングして分割し、複数のレーザ素子チップを得る。
【００２０】
以上のプロセスの結果、図１に示すＧａＮ系半導体レーザ素子１００が得られる。ＧａＮ系半導体レーザ素子１００では、リッジストライプ１１１に対応する部分とその両側の部分との実効屈折率差により水平方向の光場がリッジストライプ１１１に対応する部分に閉じ込められ、いわゆる実屈折率導波路が実現される。ＧａＮ系半導体レーザ素子１００では、発振波長約４００ｎｍの比較的安定した水平横モード発振が得られる。本素子では、従来の製造プロセスを経たものと比較して、レーザの閾値に関して１０％程度もの低減効果が見られる。また、レーザ素子の歩留まりは、従来の製造方法と比較して１．５〜２．０倍程度まで高めることが可能となる。
【００２１】
ＧａＮ系半導体レーザ素子１００の作製方法の特徴的な点は、活性層１０６以前に形成されるＧａＮ系層のうちで下部コンタクト層１０３と下部クラッド層１０４は成長温度が１１２５℃程度と高く、活性層１０６以後に形成されるＧａＮ系層のうちで上部クラッド層１０９と上部コンタクト層１１０は成長温度が１０５０℃程度と比較的低く設定されていることである。これは、活性層１０６を成長する前の下地となる各ＧａＮ系層を高温で成長することで結晶性を向上させ、活性層の品質を向上させると共に、活性層成長後は、この活性層に対して熱によるダメージが与えられることを防止するためである。
【００２２】
この効果を確認するために、上部コンタクト層１１０まで成長されたウェハに円形電極を取り付けて電流注入し、裏面側からＥＬ発光を観察したところ、活性層１０６からの発光強度が強くなっていることが確認された。また、蒸発防止層１０７まで成長されたウェハを蛍光顕微鏡にて観察したところ、活性層からの発光むらが消え、均一に発光していることが確認された。さらに、蒸発防止層１０７まで成長されたウェハを使用して活性層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行ったところ、１０７５℃程度の比較的低い温度で下地を成長させた場合に比べてＰＬ強度が２倍程度強くなることが確認された。また、Ｘ線によりロッキングカーブを計測したところ、活性層からのＸ線スペクトルにおけるサテライト・ピークの半値幅が１０７５℃程度の比較的低い温度で下地を成長させた場合に比べて半分になっていた。このことは、下地層を１１２５℃程度と高い温度で成長させたことにより活性層の平坦性が向上し、活性層における歪、組成、結晶軸等のバラツキが顕著に減少していることを示している。すなわち、レーザ素子の各ＧａＮ系層を成長させた後において、それぞれの層の品質が格段に向上させられている。また、これに伴ってＥＬ発光強度も増大したことから、各ＧａＮ系層の品質の向上がレーザ特性の向上に寄与していると考えられる。
【００２３】
（実施形態２）
図２の断面図は、図１と類似しているが、実施形態２によるＧａＮ系半導体レーザ素子２００を模式的に図解している。
【００２４】
本実施形態２は実施形態１と類似しているが、基板としてサファイア基板２０１が用いられている点で異なっている。これに伴って、図２のレーザ素子の製造プロセスは、図１の場合に比べて一部変更される。まず、サファイア基板２０１上にバッファ層１０２を成長させる必要がある。サファイア基板２０１を約１１００℃で高温クリーニングした後、たとえば基板温度６００℃の下でＨ_２キャリアガス、ＴＭＧ、およびＮＨ_３を導入して、たとえば厚さ０．０３μｍのバッファ層１０２を形成する。この後の各ＧａＮ系層１０３〜１１０の形成は、実施形態１の場合と同様である。
【００２５】
他の変更点としては、ｐ型用電極１１３の形成に続いて、ｎ型用電極１１４の形成のために、メサを形成して下部コンタクト層１０３の一部を露出させる必要がある。すなわち、フォト工程によりｐ型用電極１１３やリッジストライプ１１１を保護できる幅でレジストを塗布し、ＲＩＥ等のドライエッチング法でｎ型ＧａＮ層１０３の一部を露出させる。下部コンタクト層１０３の露出部上に、ｎ型用電極１１４を形成する。この後、実施形態１と同様にチップ分割して、図２のレーザ素子が得られる。
【００２６】
サファイア基板上に形成されるレーザ素子では、下部コンタクト層１０３や下部クラッド層１０４を高温成長させた効果がＧａＮ系基板を用いる場合に比べて弱いが、レーザ素子中の各ＧａＮ系層の品質改善自体は観察される。したがって、実施形態１と同様に、本実施形態２においてもレーザ素子の特性改善と歩留まり向上に効果がある。
【００２７】
（実施形態３）
図３は図１と類似しているが、実施形態３によるＧａＮ系半導体レーザ素子３００を模式的に図解している。
【００２８】
本実施形態３は実施形態１に類似しているが、基板としてｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ基板３０１が用いられている点で異なっている。基板３０１がｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ下部クラッド層１０４と同様の格子定数をもっていることにより、下部クラッド層１０４にクラックが入って素子歩留まりが低下する危険性を小さくすることができる。
【００２９】
実施形態１に比べて本実施形態３に特徴的な他の点は、下部クラッド層１０４が下部コンタクト層１０３を兼ねている点である。基板３０１がＡｌを含んでいるので、格子定数の異なるｎ型ＧａＮ層を個別に下部コンタクト層１０３として成長させる必要がなくなり、製造工程の減少によりコストが低下し得る。またこれに伴って、数μｍもの厚さのＧａＮ下部コンタクト層とＡｌＧａＮ下部クラッド層との格子定数の違いによる歪を回避でき、レーザ素子の特性バラツキをより低下させる効果が期待できる。
【００３０】
本実施形態３では、活性層１０６の形成前に成長されるＧａＮ系層のほとんどがＡｌを含んだ層であり、高温成長で結晶性を改善する効果が高まりやすい。したがって、本実施形態３で得られるＧａＮ系レーザ素子３００の特性は、実施形態１で述べたものと同等以上となることが期待できる。
【００３１】
（実施形態４）
実施形態４のレーザ素子の断面構造としては、図１を流用参照することができる。本実施形態４が実施形態１と異なっている点は、上部クラッド層１０９としてＭｇドープｐ型Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ａｌ_０．１５Ｎ層が用いられていることである。下部コンタクト層１０３や下部クラッド層１０４の品質を高温成長により向上させ、Ｉｎを含む上部クラッド層１０９はそれより低い温度で成長させることで、その上部クラッド層１０９の品質をも向上させることができる。そのような化合物の上部クラッド層１０９を使用すれば、その格子定数を活性層１０６や他のＧａＮ系層と同様にすることができるので、ウエハ面内のばらついた歪やクラック発生などによる素子歩留まり低下を防止することが可能となる。なお、ｐ型Ｉｎ_０．０３Ｇａ_０．８２Ａｌ_０．１５Ｎ上部クラッド層１０９の組成比としてはこれに限られるものではなく、光閉じ込めが行える組成範囲内であればよい。
【００３２】
本実施形態４によるＧａＮ系半導体レーザ素子の製法においても、実施形態１の場合と同等の効果が期待できる。
【００３３】
（実施形態５）
実施形態５によるレーザ素子の断面構造としても、図１を流用参照することができる。本実施形態５も実施形態１に類似しているが、ＧａＮ系半導体レーザ素子の活性層１０６中のＮがＰで一部置換されている点で異なっている。このような活性層１０６を形成するためには、その活性層の成長時にＰＨ_３をも導入すればよい。このようにＰを添加したＧａＮ系化合物半導体層では品質の低下が起こりやすく、活性層より下のＧａＮ系層をできる限り品質よく成長させることが不可欠である。また、同様の理由から、活性層１０６より上のＧａＮ系層についても、活性層の品質が低下するのを防止するために、成長温度を下げる必要がある。すなわち、Ｐを含む活性層１０６を使用する場合、本発明の製造方法の効果がより顕著に得られることが期待できる。また、同様の理由から、Ｐの代わりにＡｓを使用した場合でも、本発明の製造方法の効果は同様であると考えられる。
【００３４】
本実施形態５によるＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法でも、実施形態１の場合と同等の効果が期待される。
【００３５】
（実施形態６）
図４の断面図は、実施形態６によるＧａＮ系発光素子６００を模式的に図解している。
【００３６】
本実施形態６に特徴的な一つ目の点は、実施形態１における下部コンタクト層１０３、下部クラッド層１０４、および下部ガイド層１０５の代わりにＳｉドープｎ型ＧａＮ下部電流注入層２０２が形成され、実施形態１における上部ガイド層１０８、上部クラッド層１０９、および上部コンタクト層１１０の代わりにＭｇドープｐ型ＧａＮ上部電流注入層２０４が形成されて、ＬＥＤ（発光ダイオード）構造が構成されることである。下部電流注入層２０２と上部電流注入層２０４の厚みは、それぞれ０．４〜５μｍ（たとえば３μｍ）と０．０５〜１μｍ（たとえば０．１μｍ）に設定すればよい。
【００３７】
本実施形態６に特徴的な二つ目の点は、活性層１０６が、波長約４６０ｎｍで発光し得るように組成が制御されることである。また、活性層１０６中の井戸層として、たとえば５層が形成される。ＬＥＤ構造の場合、井戸層の数は１〜６層の範囲から選択すればよい。
【００３８】
本実施形態６に特徴的な三つ目の点は、ＬＥＤにおいてはＬＤ（レーザダイオード）の場合のように光閉じ込めの必要性と電流を狭窄する必要性とがないので、リッジストライプ１１１や誘電体膜１１２が形成されないことである。したがって、上部電流注入層２０４上に直接にｐ型用電極１１３を形成すればよい。この時、ウエハ上において各ＬＥＤ素子のｐ型用電極１１３が互いに分離されるように形成すれば、後のチップテスト等の際に便利である。
【００３９】
本実施形態６に特徴的な四つ目の点は、光を取り出すためにメサが形成されていることである。メサの形成は実施形態２の場合と同様に行えばよく、ｎ型用電極１１４は部分的に露出された下部クラッド層１０４上に形成すればよい。
【００４０】
図４のような構造においても、活性層１０６の品質を向上させるために、その活性層より下のＧａＮ系層２０２を高温で成長させ、その結果として活性層１０６の品質向上を図ることができるのは実施形態１の場合と同様である。このことは、活性層１０６より上のＧａＮ系層１０７、２０９を成長させる場合についても同様である。
【００４１】
本実施形態６によるＧａＮ系発光素子でも、実施形態１の場合と同等の効果が期待できる。
【００４２】
以上のように本発明における種々の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。たとえば、本明細書では半導体レーザ素子のストライプ状導波路構造をリッジストライプ構造として説明したが、電極ストライプ構造、セルフ・アラインド・ストラクチャ（ＳＡＳ）構造を始めとして、チャネルド・サブストレイト・プレイナ（ＣＳＰ）構造など、他の構造としても本発明の本質にかかわるものではなく、上述と同様の効果が得られる。
【００４３】
また、各実施形態で述べた製造方法、素子に使用される各層の材質や構成等は、本願明細書において以下のよう変更されてもよい。
【００４４】
まず、活性層が成長される前の各ＧａＮ系層の成長温度Ｔ１は１１００℃≦Ｔ１≦１２００℃の範囲にあれば好ましく、活性層が成長された以後の各ＧａＮ系層の成長温度Ｔ２は１０００℃≦Ｔ２＜１１００℃の範囲にあれば好ましい。Ｔ１が１１００℃未満の温度であれば、蛍光顕微鏡像において活性層からと思われる発光むらが見られる場合があり、逆にＴ１が１２００℃より高い温度であれば、活性層成長温度との差が大きくなりすぎて活性層のＥＬ発光強度が下がることがある。またＴ２が１０００℃より低い温度であれば、その温度で成長させられるＧａＮ系層自身の結晶性が悪くなり過ぎることがあり、逆にＴ２が１１００℃以上であれば、活性層に熱によるダメージが入る可能性が高い。なお、活性層の前に成長される各層の成長温度および活性層の後に成長される各層の成長温度は、それぞれ上記の範囲内で変更可能である。特に、もっとも厚い下部コンタクト層１０３ができるだけ高温で成長されれば、最も効果的である。また、活性層の成長温度は、活性層中に取り込まれるＩｎの濃度を制御する必要性から、８００℃以下とすることが好ましい。
【００４５】
下部クラッド層１０４、下部ガイド層１０５、蒸発防止層１０７、上部ガイド層１０８、および上部クラッド層１０９のそれぞれの組成と厚さは、レーザ発振が可能な範囲内で自由に設計可能である。具体的には、下部クラッド層１０４が厚さ０．４〜４μｍの範囲内で、上部クラッド層１０９が厚さ０．４〜１μｍの範囲内で設計し得る。下部クラッド層１０４と上部クラッド層１０９が光閉じ込めの役割を果たすためには、それぞれの厚さが約０．４μｍ程度は必要である。他方、クラッド層がＡｌを含む材料であれば抵抗率が大きくなる傾向にあり、特にｐ型クラッド層の場合にそれが顕著である。したがって、レーザ素子の動作電圧を考慮すれば、下部クラッド層１０４は４μｍ程度以下で、上部クラッド層は１μｍ程度以下に厚さを抑えることが望ましい。なお、下部クラッド層１０４または上部クラッド層１０９の少なくとも一方は、組成の異なるＧａＮ系半導体の多層膜として同様の機能を有するように形成してもよい。
【００４６】
次に、下部コンタクト層１０３は、表面モフォロジを改善するなどの機能を発揮し、後に積層される各ＧａＮ系層の結晶性を向上させる上で最も大事な層の一つである。このような機能を有するようにするためには、下部コンタクト層１０３の厚みが、望ましくは２μｍ以上とされる。一方、この層を厚くする場合、プロセス時間の増大により生産性が低下するので、その厚みは５μｍ程度以下とすることが好ましい。
【００４７】
誘電体膜１１２として、酸化物、窒化物、金属間化合物、ドーピングされていない半導体、絶縁体、または抵抗率の大きい物質を用いてもよい。また、ｐ型用電極１１３の材料としてはＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕ等でもよく、ｎ型用電極１１４の材料としてはＨｆ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｕ等でもよい。
【００４８】
さらに、チップ分割のためにウエハの厚みを調整する場合、その厚みが５０〜１６０μｍの範囲内に納まっていれば、ハンドリングの容易性を失うことなく分割し得る。レーザ共振器長も５００μｍに限定されるものではなく、適宜に変更可能である。ＧａＮ系半導体発光素子に含まれるＧａＮ系層の数は、望まれる場合にはさらに増やしたり減らしたりしてもよい。
【００４９】
また、上述の実施形態ではＧａＮ系半導体発光素子の基板としてｎ型ＧａＮ、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．８Ｎ、およびサファイアの基板を用いているが、これ以外にもＩｎを加えたりＡｌの組成比を変化させたＧａＮ系基板を用いてもよい。あるいは、これらの基礎基板上にＧａＮ系半導体層が成長させられた基板、またはそのＧａＮ系半導体層を成長させた後に基礎基板を除去したＧａＮ系半導体層のみの基板を用いてもよい。さらに、上述の各実施形態において、発光素子構造を形成する各半導体層の導電型を逆にしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
上述のように、この発明によれば、活性層を成長させる以前の下部コンタクト層や下部クラッド層を高温で成長させることでそれぞれの層の品質向上をはかることができる。また、品質の向上した層の上に活性層を成長させた以後の上部クラッド層や上部コンタクト層を比較的低温で成長させることにより、活性層自身の品質向上をはかることが可能となる。このことから、レーザ素子の信頼性の向上と歩留まりの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１によるＧａＮ系半導体レーザ素子の層構造を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態２によるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態３によるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態６によるＧａＮ系半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。
【図５】従来技術に基づくＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、７００　ＧａＮ系半導体レーザ素子、６００　ＧａＮ系発光ダイオード素子、１０１、７０１　ｎ型ＧａＮ基板、２０１　サファイア基板、３０１　Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ基板、１０２　バッファ層、１０３、７０３下部コンタクト層、１０４、７０４　下部クラッド層、１０５、７０５　下部ガイド層、１０６、７０６　活性層、１０７、７０７　蒸発防止層、１０８、７０８　上部ガイド層、１０９、７０９　上部クラッド層、１１０、７１０　上部コンタクト層、１１１、７１１　リッジストライプ、１１２、７１２　誘電体膜、１１３、７１３　ｐ型用電極、１１４、７１４　ｎ型用電極。

Claims

基板上において、０．４〜５μｍの範囲内の厚さを有するｎ型ＧａＮ系半導体層と、活性層と、０．０５〜１μｍの範囲内の厚さを有するｐ型ＧａＮ系半導体層とをこの順に形成する工程を含み、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層が１１００℃以上の基板温度で気相成長させられ、かつ前記ｐ型ＧａＮ系半導体層が１１００℃未満の基板温度で気相成長させられることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
基板上において、下部コンタクト層、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、および上部コンタクト層を順次にＧａＮ系半導体で形成する工程を含み、前記下部コンタクト層と前記下部クラッド層との少なくとも一方が１１００℃以上の基板温度で気相成長させられ、かつ前記上部クラッド層と前記上部コンタクト層との少なくとも一方が１１００℃未満の基板温度で気相成長させられることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
前記下部コンタクト層は２μｍ以上で５μｍ以下の範囲内の厚さを有することを特徴とする請求項２に記載のＧａＮ系発光素子の製造方法。
前記活性層は８００℃以下の基板温度で形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
前記基板はＧａＮ系半導体とサファイアとのいずれかからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
前記活性層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
前記活性層は燐またはヒ素を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
ＧａＮ系半導体基板上において、２．０〜５．０μｍの範囲内の厚さを有するｎ型下部コンタクト層、０．４〜４．０μｍの範囲内の厚さを有するｎ型下部クラッド層、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）活性層、および０．４〜１．０μｍの範囲内の厚さを有するｐ型上部クラッド層とを順次気相成長させる工程を含み、前記下部コンタクト層と前記下部クラッド層が前記上部クラッド層に比べて高い基板温度で成長させられ、かつ前記活性層が前記上部クラッド層に比べて低い基板温度で成長させられることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。