JP2004327655A - 窒化物半導体レーザ素子、その製造方法および半導体光学装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化物半導体レーザ素子1は、転位集中領域102と広い低転位領域とを有し、その表面をc面に対して0.3〜0.7°の範囲で傾斜させた窒化物半導体基板101とその上に積層された窒化物半導体層104より成る。窒化物半導体層104は、転位集中領域102直上に凹部108を有し、その凹部を除いた領域で極めて平坦性良くクラックのない高品質な量子井戸活性層と、成長したままでなんら活性化処理施すことなくp型伝導を示す層およびストライプ状のレーザ光導波領域105を有する。レーザ光導波領域105は低転位領域105上に設けられる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体レーザ素子、その製造方法および窒化物半導体レーザ素子を光源として備える半導体光学装置に関し、特に、窒化物半導体を基板として用いる窒化物半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
GaN、AlN、InNおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発振する半導体レーザ素子が試作されている。非特許文献1で報告された半導体レーザ素子もこの一例であり、GaN基板上に周期的なストライプ状の開口部をもつSiO2マスクパターンを形成し、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を形成し、前記GaN層上に窒化物半導体レーザ素子を形成することが示されている。
【0003】
基板の製造には、次の方法を用いることが報告されている。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(周期20μm)を形成した下地GaN上に、MOCVD法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)により、15μm厚のGaN層を形成して、表面が平坦なウェハーを得る。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 Phase Epitaxy)により200μm厚のGaN層を形成し、下地を除去することでGaN基板を製造する。こうして得られた半導体レーザの寿命特性は、60℃において30mWで、推定寿命15000時間であった。
【0004】
【非特許文献1】
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(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.39(2000) pp.L647−650)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献1に記載の半導体レーザ素子では、基板の製造方法が、3回の結晶成長(下地成長、MOCVD成長、HVPE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、レーザ発振寿命もまだ十分でなく、さらに高温で高出力(例えば、70℃、60mW)の条件での寿命が十分でなかった。
【0006】
本発明は、上記の問題点に鑑み、レーザ発振寿命の一層優れた窒化物半導体レーザ素子、その簡便な製造方法およびそれを備えた半導体光学装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本明細書で説明する窒化物半導体基板とは、少なくともAlxGayInzN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)で構成された基板である。さらに、窒化物半導体基板は、その構成成分である窒素元素の約20%以下が、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で置換されても構わない。
【0008】
窒化物半導体基板として、最も好ましい材料は、二元結晶となるGaNである。二元結晶とすることで、組成が一定となり、基板として安定した特性が得られやすくなるとともに、エピタキシャル成長を行う際に、組成の変化が無くなる。また、GaNとすることで、良好な導電性が得られるようになる。GaNに次ぐ基板材料として、AlGaNが挙げられる。AlGaNのように、屈折率がGaNよりも小さい材料を基板として用いることで、紫外〜青色領域で発光するの半導体レーザを上記材料系で構成する場合、レーザ光の活性層への光閉じ込めが良好になる。
【0009】
また、窒化物半導体基板は、n型もしくはp型のドーパント等の不純物が添加されていても構わない。不純物としては、Cl,O,S,Se,Te,C,Si,Ge,Zn,Cd,MgおよびBe等を用いることができる。その不純物の総添加量は5×1016cm−3以上5×1020cm−3以下が好ましい。窒化物半導体基板にn型導電性を持たせるための不純物は、前記不純物群のうち、Si,Ge,O,Se,Clのいずれかが特に好ましい。
【0010】
本発明で説明する窒化物半導体基板に積層された窒化物半導体層とは、少なくともAlxGayInzN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦z≦1,x+y+z=1)で構成された層である。また、積層する窒化物半導体層は、その構成成分である窒素元素の約20%以下が、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で置換されても構わない。
【0011】
また、窒化物半導体層は、n型もしくはp型のドーパント等の不純物が添加されていても構わない。不純物としては、Cl,O,S,Se,Te,C,Si,Ge,Zn,Cd,MgおよびBe等を用いることができる。その不純物の総添加量は5×1016cm−3以上5×1020cm−3以下が好ましい。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,Teのいず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のいずれかが特に好ましい。
【0012】
本明細書で説明する活性層とは、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、あるいは、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。
【0013】
なお、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、本明細書では、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。
【0014】
上記目的を達成するために本発明は、窒化物半導体基板の上に複数の窒化物半導体層が積層され、前記窒化物半導体層が、単数または複数層の井戸層と障壁層から形成される量子井戸構造の活性層と、アクセプタードーピング層とを有し、前記窒化物半導体基板が、転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、転位集中領域及び低転位領域の直上に積層された窒化物半導体層は、転位集中領域直上に凹部を有することを特徴とするものである。
【0015】
この凹部により隣接する低転位領域間が分断され、本来であれば、素子構造中に含まれる混晶組成の違う層(例えば、クラッド層として用いられるAlGaN層とそれ以外の層)により生じる応力や歪みを効果的に低減させることが可能となる。それにより、低転位領域直上に積層した格子定数が相互に異なる複数の窒化物半導体層に生じる応力を効果的に低減させ、より高品質なエピタキシャル成長を可能とし、素子の発光特性と電気特性および寿命特性を向上させる。
【0016】
その際、特性を向上させた素子を歩留まり良く得るため、窒化物半導体基板表面の転位集中領域の面積を低転位領域の面積以下にすることが好ましい。
【0017】
転位集中領域直上に凹部を設けやすくするために、転位集中領域は、極性を反転させたc−面としてもよい。
【0018】
また、素子構造を積層する窒化物半導体基板の最表面をc面に対して絶対値が0.3°から0.7°の範囲で僅かに傾斜させることで、上記に加えてより好ましい効果が得られる。すなわち、基板に残留する欠陥が窒化物半導体層へ伝搬することを防止すると共に、素子表面の平坦性を改善し、より高品質なエピタキシャル成長を可能とする。それにより、窒化物半導体層中の貫通転位を低減し、発光に寄与しない電流経路を減少させ、活性層下地層の表面平坦性を向上させる。
【0019】
また、積層した窒化物半導体層中の欠陥が大幅に低減されることにより、熱処理等の活性化処理を必要とせず、成長したままの状態でアクセプタードーピング層がp型電導性を示す。
【0020】
転位集中領域と低転位領域を有する基板上に、素子構造を構成する複数の窒化物半導体層を積層する際、転位集中領域直上に積層する各層の総厚さを、低転位領域直上に比べて1/2以下とすることにより、互いに隣接し合う、高ルミネッセンス領域を含む低転位領域間を凹部で不連続に分断することができて、隣接する低転位領域直上の窒化物半導体層に印可される応力と、その結果として生じる歪みを大きく低減させることができる。
【0021】
そのため、素子構造中の活性層は歪みから開放され、Inの相分離や局所的な凝集といった、素子特性を悪化させる要因を除くことができる。また、歪みが大きい場合に素子中に発生するクラックも、隣接する低転位領域間を分断することで効果的に抑制することが可能で、生産における歩留りを向上させることができる。転位集中領域直上の窒化物半導体層は、高密度に集中した転位が基板から伝搬しているため、この部分への素子構造作製は好ましくない。しかし、窒化物半導体層が成長する段階で、転位集中領域直上の総厚さを薄くしておくことにより自動的に素子構造の作り込みが不可能となり、チップ分割の際、容易に選別可能で、生産における歩留りを向上させることができる。
【0022】
上記のように、転位集中領域直上の窒化物半導体層に凹部を形成し、隣接する低転位領域直上の領域を分断することで、素子特性と歩留りを同時に改善することが可能となるが、基板表面の面方位がc面である場合、成長した窒化物半導体層表面に六角錐状の凹凸を生じる場合がある。このように凹凸を生じた状態では、活性層の急峻性と面内均一性が悪化する可能性がある。
【0023】
そこで、基板表面にc面に対して絶対値で0.3°から0.7°の範囲で傾斜角を付けることで、平坦性を向上させることができる。そのメカニズムは、窒化物半導体層の成長初期において、c面に対して絶対値で0.3°から0.7°の範囲で傾斜した基板表面に存在するテラス状構造のキンクを基点に成長核を形成し、その成長核よりテラス方向に一様に横方向成長することで良好な2次元成長が実現され、最終的に製膜後の表面が平坦化されると考えられる。
【0024】
その際、2次元成長の有無に関らず基板に存在する転位は成長層中に伝搬するため、転位集中領域の影響を無くし、素子化工程での歩留りを向上させるために、前記のように転位集中領域直上の成長層の総厚さを薄くすることが有効となる。
【0025】
また、基板表面の傾斜角をc面に対して絶対値で0.3°から0.7°の範囲とすることにより、テラスは最適かつ均一となり、気相より基板表面に到達した原料種はマイグレーションと再蒸発を繰り返しつつ均一に成長核を形成し、一層ずつ面で積層される2次元成長モードとなる。その結果、貫通転位が減少し、効率的な電流注入が実現され、熱の発生を抑制しつつ平滑性が向上した表面を持つ素子が得られる。またInを含む発光層の結晶性向上と均一な組成が実現される。そのため、素子の発光特性が向上し、長寿命化が達成される。
【0026】
また、基板上に積層した窒化物半導体多層膜に含まれるアクセプタードーピング層中の欠陥が減少することにより、それら欠陥に囚われることのないアクセプター不純物は水素による不活性化を受け難く、熱処理等の活性化処理をすることなく、成長したままで、正孔濃度が1017cm−3以上のp型電導性を示す。それにより、活性層へ与える熱履歴を減少させることができて、活性層を劣化させることなく、素子特性を悪化させることなく素子化が可能となる。その際、基板表面のc面(<0001>方向)からの傾斜方向は特に限定はないが、<11−20>あるいは<1−100>方向が好ましい。
【0027】
基板表面を傾斜させることにより、積層される素子構造中への欠陥の伝搬が抑制される結果、各層表面の平坦性が改善され、それぞれの界面が急峻に形成されるようになる。この効果は、特に活性層の品質向上に寄与する。通常、量子井戸構造の活性層は、個々の井戸層および障壁層の厚さが数nm程度と薄いため、それぞれの層厚さの均一性に、下地層の表面状態が大きく影響する。活性層直下の層の表面平坦性が、例えば数nmであれば、井戸層あるいは障壁層の厚さと同程度であるため、量子井戸構造の元素組成あるいは厚さ等の場所により均一性が乱され、量子順位が不均一となり、発光特性に影響を与える。本発明により、基板表面をc面に対して、絶対値で0.3°から0.7°の範囲で傾斜させることで、素子を構成する各層を平坦に形成することができ、前記した問題点を改善することができる。
【0028】
活性層を構成する井戸層あるいは障壁層の平坦性を十分に向上させるために、基板から活性層までの間に積層する各層の総厚さを少なくとも1μm以上とすることによって、前記効果がより顕著となる。また、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を前記活性層に含有されるようにしても構わない。
【0029】
基板は、窒化物半導体でかつ、転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有することにより、通常基板に比べて低転位領域に存在する転位の密度を大幅に低減させることができて、前記効果がさらに顕著になる。
【0030】
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。
【0031】
【発明の実施の形態】
<実施の形態1>
以下に、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。図1は実施の形態1の半導体レーザ素子1を示す断面模式図である。同図は、本実施の形態の半導体レーザ素子1を光出射方向から見た図である。図1において、101は最表面をc面に対して絶対値で0.3°から0.7°の範囲で僅かに傾斜させたn型GaN基板である。基板101中には、転位集中領域102が存在し、転位集中領域102以外の部分は低転位領域となっている。また、低転位領域中には、さらに転位集中領域102に平行して高ルミネッセンス領域103が存在する。基板101上には、窒化物半導体層(エピタキシャル成長層)104が形成されている。窒化物半導体層104中には、レーザ光導波領域105が位置するとともに、転位集中領域102直上に凹部108が形成されている。また、窒化物半導体層104上面および基板101下面には、電極106、107がそれぞれ形成されている。
【0032】
以下に、本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法について解説しつつ、さらに詳しくその構造についても説明する。
【0033】
(GaN基板の作製方法)
まず、n型GaN基板101の結晶成長方法の概略を述べる。GaNの結晶は、ファセット面からなる斜面が表出するようにして、その斜面を維持しながら成長させる。つまり、斜面を成長方向に次第に移動させていく。これにより、斜面の途中に発生する転位が斜面の下端に伝搬して集合し、斜面の下端であった部位が転位集中領域、斜面の途中であった部位が低転位領域となる。
【0034】
転位集中領域にはいくつかの状態がある。例えば多結晶となることがある。また、周囲の低転位領域に対して僅かに傾斜した単結晶となることもある。さらに、周囲の低転位位領域の成長方向が[0001]方向であるのに対して、成長方向が逆に[000−1]方向となることもある。このため、転位集中領域と低転位領域の間には明確な境界が生じる。
【0035】
斜面を成長方向に移動させるため、ファセット面を最初にどのような形状で発生させるかにより、転位集中領域の形状を規定することができる。上下を逆にした(頂点が下で底面が上の)角錐の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその角錐の頂点の部位に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な直線状となってピットを形成する。また、断面がV字状である溝の側面のようなファセット面を最初に発生させておけば、転位はその溝の底(直線状の部位)に集まり、転位集中領域は成長方向に平行な面状となってストライプを形成する。
【0036】
最初に生じさせるファセット面の種としては、結晶成長を妨げるマスクを利用することができる。マスクを設けていない部位で結晶成長が始まって、マスクのない部位とある部位との境界にファセット面が生じ、水平方向への成長によってマスク上でファセット面が接し合い、その接点が転位集中領域の開始位置となる。
【0037】
ファセット面が接し合った後は、垂直方向(本来の成長方向)への結晶成長が安定して進み、ファセット面はそのまま成長方向に移動し、転位集中領域は成長方向に伸びていく。結晶成長を妨げるマスクをドット状とすれば、上下が逆の角錐の側面のようなファセット面を発生させることができ、マスクを直線状とすれば、断面がV字状の溝の側面のようなファセット面を発生させることができる。マスクとしては非結晶または多結晶の層を設ければよく、例えばSiO2の薄膜を基体表面に形成しておく。
【0038】
結晶成長後、その表面を最表面がc面に対して絶対値で0.3°から0.7°の範囲で僅かに傾斜させるように研磨して鏡面化することで、高品質な窒化物半導体層を積層しうる基板が得られる。
【0039】
本実施の形態では、ストライプ状もしくは、ドット状に配置された転位集中領域を有する基板について説明する。すなわち、V字状にファセット面を生じさせて、転位集中領域がストライプ状となるようにするか、あるいは、ドットを取り巻く形状のファセット面を短い周期で多数生じさせて、転位集中領域が巨視的にストライプ状となるようにする。または、ドットを取り巻く形状のファセット面を長い周期で入れ子状に多数生じさせて、転位集中領域が離散的なドット状となるようにする。
【0040】
次に、n型GaN基板101の具体的な製造方法を、図2を参照して説明する。支持基体201上に、HVPE法により、n型GaN層202を、ファセット面{11−22}面203が成長中の表面に主として表出するように成長させる。その結果、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206が表出した部分がストライプ状に見られた。図2(a)は、この状態を説明した断面図(一部のみ表示)である。
【0041】
ここで、HVPE法とは、ホットウォール型の反応炉の上流部にボートを設けて加熱したGa融液にHClガスを吹き込んでGaClを生成して下方へ送り、反応炉の下流部に基体を設けてNH3を吹き込んで、下方で双方を反応させ、GaNを基体に堆積させる手法である。
【0042】
支持基体201としては2インチ(111)GaAsウェハーを用いた。基体201の材料に特に制約はなく、一般的なサファイアを用いることも可能であるが、後に基体と、堆積させたGaNの分離を容易にするため、GaAs等を材料として用いて無駄を抑えるのが好ましい。
【0043】
上記凹凸はピッチP=400μmの周期構造であり、図面奥行き方向に畝状に延びる形状である。このように、凹凸の位置を規定するためには、基体201上にあらかじめ上記凹部に対応させるように、SiO2等でマスクを形成しておき、これを種としてファセットが表出する状態で、結晶成長を行えば良い。つまりマスクは、GaN結晶の[1−100]方向に平行になるように、ピッチP=400μmでストライプ状に配置されており、その形状は、連続したストライプ状、あるいは略一定間隔で直線上に位置する多数のドット状である。
【0044】
ファセット{11−22}面が表出した状態で、結晶成長を持続させる手法(成長条件)については、本出願人が先に出願した特願平11−273882号に詳細に開示している。なお、成長時にOをドーピングすることで、成長する結晶をn型とした。
【0045】
このような成長モードを保ったまま、さらにGaN結晶の形成を続けることで、基体201上に高さ30mmのインゴットを作製した。図2(b)は、インゴットを模式的に示した図である。
【0046】
このインゴットを、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)を得た。薄片を研磨し、表面が平坦な2インチ(約5cm)径、厚さ350μmのn型GaN基板101を得た。エピタキシャル成長を行うための表面は鏡面研磨仕上げとした。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104への基板からの欠陥の伝搬を効果的に防止し、表面モフォロジが良好なエピタキシャル成長を実現するにするために、(0001)面から任意の方向に絶対値で0.2〜1°の範囲の比較的小さい傾斜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、傾斜角を絶対値で0.3〜0.7°の範囲とすることが好ましかった。
【0047】
図2(c)は、こうして得られたn型GaN基板101の断面図(一部のみ表示)であり、図2(d)および図2(e)は、上面図(一部のみ表示)である。ここで、図2(d)は転位集中領域204および高ルミネッセンス領域205がストライプ状に配置された基板表面の模式図を示し、図2(e)は転位集中領域204が点状もしくは円形で、低転位領域が12角形状に形成され、各々の低転位領域が接した隙間に高ルミネッセンス領域205が配置された基板表面の模式図である。転位集中領域204、低転位領域および高ルミネッセンス領域205の基板面内での配置は、図2(d)および(e)に示した例の他に、例えば、転位集中領域を破線状に配置した形状でも良い。成長初期のマスクパターンを選択することにより、それぞれの領域を基板で調整することができる。
【0048】
こうして得られたGaN基板101の評価を次のように行った。まず、n型GaN基板101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、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域(図2(a)において符号204で示した部分)に対応する領域がやや窪んでいた。
【0049】
さらに、硫酸、燐酸の混酸を250℃に加熱した液にサンプルを浸してエッチングを行い、エッチピットが表面に出るようにした。その結果、結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域(図2(a)において符号204で示した部分)に対応する領域で、多数のエッチピットが現れ、この領域は転位(あるいは結晶欠陥)が極めて集中している領域(転位集中領域)であることが判明した。つまり、上記窪みは、この領域に対応していた。
【0050】
このように窪みの部分は、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、そのため生じてしまったものと考えられる。転位集中領域の幅は約10〜40μmであった。それ以外の領域は、EPD(エッチピット密度)が104〜105cm−2台の低転位領域となっていた。転位集中領域のEPDは、これよりも3桁以上大きく観察された。このように、符号102で表される領域は、周囲に比べて数桁も転位密度が大きくなっている部分であるため、本明細書では、「転位集中領域」と呼称した。
【0051】
また、サンプルに紫外線(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観察した(蛍光顕微鏡観察)。その結果、転位集中領域102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持った、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た。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、やや黄色がかって明るく観察される領域である。
【0052】
この領域は、結晶成長時にファセット面{0001}面が表出しつつ成長していた部分203であり、図1および図2(d)にそれぞれ符号103および205で表される領域である。このように周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取り込まれ具合が周囲と異なるなどの理由が考えられる。上述の事実から、本明細書では、この領域を「高ルミネッセンス領域」と呼称した。結晶成長時に、ファセット面{0001}面が表出しつつ成長していた部分203が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205の幅は、やや揺らぎを持っているものの、広いところで、30μmの程度であった。
【0053】
なお、このような高ルミネッセンス領域は、上記インゴットを作成するときの条件や、インゴットにおける位置(支持基体からの距離)によっては、ほとんど形成されないこともある。しかしながら、転位集中領域204に挟まれた部分のほぼ中央の領域は、上記凹凸の頂点付近の領域に対応している部分であり、これを、本明細書では、「低転位領域中央領域」とも呼称する。本明細書において、高ルミネッセンス領域として説明する部分は、低転位領域中央領域に置き換えて考えることができる。
【0054】
なお、上記GaN基板101の形成のための結晶成長は、HVPE法以外の気相成長によってもよく、MOCVD法(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)、MOC法(Metalorganic Chloride Vapor Phase Epitaxy)、昇華法などを用いても実施することができる。
【0055】
GaN基板101の形成のための成長に用いる基体301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であるか立方晶系である結晶が挙げられる。立方晶系の場合(111)面を使えば三回対称性がある。SiC、石英、NdGaO3、ZnO、GaN、AlNなどの六方晶系の結晶を用いることができる。また、厳密には菱面体構造であるものの、六方晶に極めて近いサファイアも同様に用いることができる。さらに、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c面で成長させるものである。
【0056】
GaN基板101の形成のためのマスクの設け方にも2種類の選択肢がある。一つは基体の上に直接にマスクを形成する手法である。この場合、エピタキシャル成長に先立ち、マスク開口部の基体露出面にGaNバッファ層を堆積する等の工夫を行ったほうがよい。もう一つは基体の上に予め比較的薄く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。
【0057】
また、ここでは基板101としてGaNを用いた例を説明したが、「課題を解決するための手段」の欄に記載した材料で構成される窒化物半導体に置換してもよい。
【0058】
「従来の技術」の欄に示した窒化物半導体基板の製造方法では、基板結晶の成長を進行させるに従って、横方向成長技術(ELOG技術)を用いることで、転位を低減しているが、転位(欠陥)が生じる位置は特に制御されず、結晶成長が進むに従って、転位は面内に一様に分布するようになる。一方、本発明で用いる窒化物半導体基板では、転位集中領域の位置が、基板結晶の成長を通じて、所定の位置(ピッチが数100μmオーダである)に制御される。従来技術のGaN基板と、本発明で用いる窒化物半導体基板には、このような違いがある。
【0059】
そのため、同程度の転位密度の基板を得ようとする場合、本実施の形態で説明する基板結晶の製造方法の方が、結晶成長回数が少なくてすみ、生産性が良好になる。
【0060】
(窒化物半導体層のエピタキシャル成長)
次に、n型GaN基板101上に窒化物半導体層104等を形成して半導体レーザ素子1を作製する方法について、図3および図4を参照して解説する。図3は、図1の半導体レーザ素子1を、窒化物半導体層104の層構造を詳細に示した模式図であり、基板101中の上記構造については記載を省略した。また、図4はGaNのc面基板および、c面に対して表面に絶対値で0.3〜0.7°の範囲で傾斜角を付けたGaN基板に窒化物半導体層を成長させた場合の成長の様子を模式的に示す図である。
【0061】
MOCVD装置を用いて、V族原料のNH3とIII族原料のTMGa(トリメチルガリウム)またはTEGa(トリエチルガリウム)に、ドーパント原料としてのSiH4を加え、n型GaN基板101に、基板温度1050℃で、膜厚3μmのn型GaN層301を形成した。基板101は、上記の(GaN基板の作製方法)で示した、転位集中領域がストライプ状に配された形状でも良いし、転位集中領域がドット状で入れ子状に配列した形状でも差し支えない。また、転位集中領域がドット状の場合でも、必ずしも入れ子状配列になっている必要はなく、基板101内で、転位集中領域と低転位領域が明瞭に区別できる状態で存在し、窒化物半導体層を成長させるべき面を垂直に見たとき、転位集中領域の面積が低転位領域より小さければ、各々がどのような配置であっても、問題なく基板として使用することができる。
【0062】
n型GaN層301に次いで、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In0.07Ga0.93Nクラック防止層302を40nm成長させた。次に、基板温度を1050℃に上げ、TMAl(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族原料も用いて、1.2μm厚のn型Al0.1Ga0.9Nクラッド層303を成長させた。n型不純物としてSiを5×1017〜1×1019cm−3添加した。続いて、n型GaN光ガイド層304(Si不純物濃度1016〜1018cm−3)を0.1μm成長させた。ここまでに成長する各層の総厚さは、少なくとも1μm以上でなければ、活性層の均一性と品質を向上させるに必要な活性層直下層(本実施の形態においてはn型GaN光ガイド層)の十分な平坦化が実現できないことがわかっている。さらに好ましくは、3μm以上の厚さに積層すればよい。
【0063】
その後、基板温度を750℃に下げ、3周期で厚さ4nmのIn0.1Ga0.9N井戸層と厚さ8nmのIn0.01Ga0.99N障壁層から成る活性層(多重量子井戸構造)305を、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で成長させた。その際、障壁層または障壁層と井戸層の両方にSiH4(Si不純物濃度は1016〜1018cm−3)を添加した。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、1秒以上180秒以内の成長中断を実施すると、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。
【0064】
活性層にAsを添加する場合はAsH3(アルシン)またはTBAs(ターシャリブチルアルシン)を、活性層にPを添加する場合はPH3(ホスフィン)またはTBP(ターシャリブチルホスフィン)を、活性層にSbを添加する場合はTMSb(トリメチルアンチモン)またはTESb(トリエチルアンチモン)を、それぞれ原料に用いると良い。また、活性層を形成する際、N原料として、NH3以外にN2H4(ヒドラジン)、C2N2H8(ジメチルヒドラジン)あるいはNを含む有機原料を用いても構わない。
【0065】
次に、基板温度を再び1050℃まで上昇させて、厚さ20nmのp型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層306、0.1μmのp型GaN光ガイド層307、0.5μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層308、および0.1μmのp型GaNコンタクト層309を順次成長させた。p型不純物として原料にEtCP2Mg(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を1018〜2×1020cm−3で添加した。p型GaNコンタクト層310のp型不純物濃度は、p電極311の方向に向かって高くなるようにした方が好ましい。これによりp電極形成によるコンタクト抵抗が低減する。また、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させてもよい。
【0066】
このようにして、p型GaNコンタクト層309を成長させた後、MOCVD装置のリアクター内を全て窒素キャリアガスとNH3に替えて、60℃/分で温度を降下させた。基板温度が800℃になった時点で、NH3の供給を停止し、5分間その基板温度で待機してから、室温まで降下した。ここでの基板の保持温度は650℃から900℃の間が好ましく、待機時間は、3分以上10分以下が好ましかった。また、温度の降下速度は、30℃/分以上が好ましい。
【0067】
ここで、c面基板およびc面に対して絶対値で0.3〜0.7°の範囲で表面に傾斜角を付けた基板での窒化物半導体層が成長する様子について図4を参照して説明する。なお、図4は説明の便宜上、誇張した表現となっている。図4(a)に示すように、基板表面の傾斜がなく、基板内部に転位集中領域402と高ルミネッセンス領域403が存在するc面基板401上に窒化物半導体層404を成長させた場合、成長層404の表面に凹凸を生じる場合がある。これは、転位集中領域402以外の部分で十分に2次元成長していないことを意味する。その凹凸は例えば六角錐状の突起であり、荒れた表面となる。
【0068】
また、表面が窒素原子で終端されている転位集中領域402直上では結晶成長が遅くなるため、他の部分に比べて成長層の総厚さが薄くなり、転位集中領域402直上に凹部405を形成するように結晶成長が起こる。2次元成長が十分でない場合、基板内に存在する転位集中領域402は、成長層404の厚さが増加するに従い、その領域を拡大しつつ成長層中に伝搬して斜め方向の転位集中領域406を形成する。その詳細な機構は不明であるが、本来、垂直に伝搬すべき転位が、不完全な2次元成長のため斜め方向に伝搬することにより、転位集中領域が拡大するものと考えられる。
【0069】
一方、図4(b)に示すように、基板内部に転位集中領域402と高ルミネッセンス領域403が存在し、表面に傾斜角を付けた基板407の表面は、ミクロに見ると、テラス状のキンク408が等間隔に整列した状態になっている。このような基板407をMOCVD装置にセットして窒化物半導体層を成長する場合、成長の初期段階においては、基板表面に整然と存在するキンク408が結晶成長の主たる開始点となり、例えばGa等のIII族原料種がマイグレーションと吸着を繰り返しつつ、窒化物半導体層409がキンク部分を基点に横方向へ成長を始める。このような成長の状態を2次元成長と呼ぶ。
【0070】
横方向への成長が進行し、次のキンクに達すると、基板表面は全て窒化物半導体成長層409で被われ、新たな層が2次元成長を開始し、その繰り返しによって、時間とともに、図4(c)に示すように厚さ方向への成長が進行する。基板表面の微小な傾斜によるキンク408を基点として整然と2次元成長が進行するため、ある程度の厚さに成長した窒化物半導体成長層409表面は、例えば、各々数nmの厚さである井戸層と障壁層を繰り返し積層する多重量子井戸活性層を品質良く作製するに十分な平坦性を得る。転位集中領域402は表面が窒素原子で終端されているため、成長速度が遅く、転位集中領域402直上は、成長が進んだ後でも凹部410として残る。
【0071】
基板表面をc面に対して0.3〜0.7°の範囲で傾斜させることにより、基板内に存在する転位集中領域402は、窒化物半導体成長層409に対して垂直に伝搬し、窒化物半導体成長層409中へ転位を拡散させることがない。以上のことから、基板表面をc面に対して0.3〜0.7°の範囲で傾斜させることにより、窒化物半導体成長層409表面の平坦性向上と、基板内の転位集中領域402を拡大させることなく、窒化物半導体層のエピタキシャル成長が可能となる。
【0072】
このようにして作製した成長膜をラマン測定によって評価した結果、MOCVD装置からのウェハー取り出し後のp型化アニールを実行しなくても、成長後すでにp型化の特性(Mgの活性化)が示されていた。また、p電極形成によるコンタクト抵抗も低下する。上記手法に加えて従来のp型化アニールを組み合わせると、Mgの活性化率がより向上して好ましかった。
【0073】
また、基板表面が窒素原子で終端された転位集中領域402直上の成長速度が遅く、凹部410を形成しているため、隣り合う転位集中領域のピッチで窒化物半導体成長層409が分断された結果、素子中の残留応力が低減されており、従来の素子構造に比べてクラック密度が低減し、歩留りが向上した。そのため、In0.07Ga0.93Nクラック防止層302は、In組成比が0.07以外であっても構わないし、InGaNクラック防止層302自体がなくても構わない。
【0074】
活性層305は、障壁層で始まり障壁層で終わる構成であるが、井戸層で始まり井戸層で終わる構成であってもよい。また、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った。特に2層以上6層以下のとき閾値電流密度が低く好ましかった。さらに上記で説明した活性層に、Alを含有するようにしてもよい。
【0075】
また、ここでは活性層305を成す井戸層と障壁層の両層にSiを所要量添加したが、不純物を添加しなくても構わない。しかしながら、Siのような不純物を活性層に添加した方が発光強度は強かった。このような不純物としては、Si以外に、O、C、Ge、ZnおよびMgのうちのいずれか、またはこれらの2種類以上を組み合わせて用いることができる。また、不純物の添加量の総和は、約1017〜8×1018cm−3程度が好ましかった。さらに、不純物を添加する層は井戸層と障壁層の両層に限らず、片方の層のみに不純物を添加しても良い。
【0076】
p型Al0.3Ga0.7Nキャリアブロック層306は、この組成以外であっても構わない。Inを添加したAlGaNとすれば、より低温での成長でp型化するので、結晶成長時に活性層305が受けるダメージを低減することができて、好ましい。なお、キャリアブロック層306自体が無くても構わないが、これを設けた方が閾値電流密度は低かった。これは、キャリアブロック層306が活性層305にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。キャリアブロック層306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。また、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、キャリアブロック層内のキャリア移動度が大きくなり電気抵抗が低くなって好ましい。
【0077】
またここでは、p型クラッド層308とn型クラッド層303として、Al0.1Ga0.9N結晶を用いたが、Alの組成比が0.1以外の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305とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に効率良く閉じ込められ、レーザ発振閾値電流密度を低減することができる。また、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、クラッド層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。この点を考慮してp型クラッド層308のAl組成比を0.06〜0.09程度にすることも、好ましい。
【0078】
なお、n型AlGaNクラッド層303の厚さは、0.7μm〜1.5μmが好ましい。これにより、垂直横モードの単峰化と光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が図れる。
【0079】
また、クラッド層303、308は、上記ではAlGaNの3元混晶としたが、AlInGaN、AlGaNP、AlGaNAs等の4元混晶であっても良い。さらに、p型クラッド層308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、p型AlGaN層とp型AlGaN層からなる超格子構造、またはp型AlGaN層とp型InGaN層からなる超格子構造を有していても良い。
【0080】
ここでは、MOCVD装置による結晶成長方法を説明したが、分子線エピタキシー法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)を用いても構わない。
【0081】
続いて、窒化物半導体層104の各層がn型GaN基板101上に形成されたエピウェハーを、MOCVD装置から取り出して、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するプロセス工程を説明する。
【0082】
(素子化プロセス)
レーザ光導波領域105であるリッジストライプ部を、n型GaN基板101に対して、図1を用いて説明した所望の位置に形成する。これは、エピウェハー表面側より、p型クラッド層308の途中または下端までを、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行う。ここで、ストライプ幅は1〜3μm、好ましくは1.3〜2μmとし、また、エッチング底面のp型ガイド層307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310を形成した。ここで、絶縁膜310としてはAlGaN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309は露出しているので、この部分および絶縁膜310上に、p電極311をPd/Mo/Auの順序で蒸着して形成した。
【0083】
絶縁膜310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ることもでき、また、p電極311の材料の組み合わせとして他に、Pd/Pt/Au、Pd/Au、またはNi/Auのいずれかを用いても構わない。
【0084】
さらに、エピウェハー裏面側(基板側)を研磨することにより、ウェハーの厚さを80〜200μmに調整し、後にウェハーの分割を行いやすいようにした。n電極312は、基板の裏側にHf/Alの順序で形成した。n電極312の材料の組み合わせとして他に、Hf/Al/Mo/Au、Hf/Al/Pt/Au、Hf/Al/W/Au、Hf/Au、Hf/Mo/Auや、これらのうちのHfをTi、Zrに置き換えたものを用いても構わない。
【0085】
最後に、エピウェハーを、リッジストライプ方向に対して垂直方向に劈開し、共振器長600μmのファブリ・ペロー共振器を作製した。共振器長は250μmから1000μmが好ましい。この工程により、ウェハーは個々の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。劈開はウェハー全面にスクライバーにより罫書き傷をつけて行うのではなく、ウェハーの一部、例えば、ウェハーの両端にのみ、あるいは、チップ両端に対応する部分にのみスクライバーによって罫書き傷をつけ、これを起点に劈開した。なお、端面で帰還させる手法以外に、内部に回折格子を設けて帰還させるDFB(Distributed Feedback)、外部に回折格子を設けて帰還させるDBR(Distributed Bragg Reflector)を用いても構わない。
【0086】
ファブリ・ペロー共振器の共振器端面を形成した後、この端面に約80%の反射率を有するSiO2とTiO2の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成した。誘電体多層反射膜は他の誘電体材料で形成しても構わない。さらにこの後、バーを個々のレーザ素子に分割することで、図1の半導体レーザ素子1を得た。レーザチップの中央にレーザ光導波領域105(リッジストライプ)を配置し、レーザ素子1の横幅Wは400μmとした。
【0087】
素子構造作製のために用いたn型GaN基板101にはピッチP=400μmで転位集中領域102が配置され、各低転位領域の中央部に高ルミネッセンス領域103が配置され、また、レーザ光導波領域105と高ルミネッセンス領域103との距離d=80μm、レーザ光導波領域105と転位集中領域102との距離t=120μmとして、各領域を配置したため、各半導体レーザ素子(チップ)には、1本の転位集中領域と、1本の高ルミネッセンス領域が含まれる。つまり、本実施の形態では、W=Pであり、2(t+d)=Pである。
【0088】
以上のようにして図1および図3に示す窒化物半導体レーザ素子1のチップを作製した。
【0089】
(半導体レーザ素子の特性)
得られた窒化物半導体レーザ素子1では、最適位置に電流狭窄部分が存在することによって、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。なお、本発明者らが前述の従来技術によって半導体レーザを作製し、同一条件で試験を行ったところ、その寿命は1000時間程度であった。
【0090】
<実施の形態2>
本実施の形態2の半導体レーザ素子は実施の形態1の半導体レーザ素子1と同様であるが、素子構造を積層する際に用いるn型GaN基板表面の傾斜角を0〜2°の間で変化させたものであり、その作製方法については実施の形態1に準ずる。基板101は、上記の(GaN基板の作製方法)で示した、転位集中領域がストライプ状に配された形状でも良いし、転位集中領域がドット状で入れ子状に配列した形状でも差し支えない。また、転位集中領域がドット状の場合でも、必ずしも入れ子状配列になっている必要はなく、基板内で、転位集中領域と低転位領域が明瞭に区別できる状態で存在し、窒化物半導体層を成長させるべき面を垂直に見たとき、転位集中領域の面積が低転位領域より小さければ、各々がどのような配置になっていようとも、問題なく基板として使用することができる。
【0091】
図5は、c面からの傾斜方向を<11−20>および<1−100>として、傾斜角度を0〜2°の間で変えた場合の素子構造積層後のエピウェハー表面の平均荒さを示すものである。傾斜の方向によらず、角度が0〜0.3°未満の領域では、六角錐状の突起がウェハー表面に発生しており、その径は200〜400μm程度であった。この突起に対応して、触針型段差計による走査幅2mmでの平均表面荒さは20〜50nmと、活性層を構成する井戸層あるいは障壁層個々の厚さに比べて10倍以上大きく、活性層の発光特性および素子寿命の悪化を予想させるものであった。
【0092】
また、傾斜角が0.7°を超えると、エピウェハー表面に現れる突起の形状が低角側の六角錐から深い溝を有する筋状に変化し、溝と溝および筋と筋の間隔は50〜100μm程度であった。溝が深いため、平均表面荒さは50nmを超え、非常に荒れた状態に移行した。対照的に傾斜角度が0.3〜0.7°の領域では、エピウェハー表面の突起が消滅し、平坦性が非常に向上した。平均表面荒さは10nm程度と井戸層あるいは障壁層と比べても十分小さく、ウェハー面内で均一に量子井戸活性層が作製できていることが伺える。
【0093】
図6は図5に示すのと同じ素子を使って通電し、LEDモードでの発光半値幅を傾斜角に対してプロットしたものである。表面モフォロジおよび、平均表面荒さに対応して方向によらず傾斜角度0.3〜0.7°の範囲で半値幅の狭い発光が得られた。このことは、傾斜角を0.3〜0.7°に規定することによって、成長層の表面平坦性と量子井戸活性層の各界面が急峻にかつ均一に形成されたこと意味し、その効果によって活性層中のIn凝集が解消され半値幅が狭く鋭い発光が得られたと考えられる。
【0094】
図7は、同じ素子を使い、電極形成前に燐酸および硫酸の混合液中で250℃にて20分間エッチングを施し、転位集中領域から200μmの範囲内で表面に現れたエッチピット密度(EPD)を傾斜角に対してプロットしたものである。一般に、窒化物半導体をエッチングすることで現れるピットはその大きさで大小2種類に分類することができて、大ピットは刃状転位に、小ピットは螺旋転位や刃状転位など全ての転位にそれぞれ対応すると言われている。本実施の形態においては、全ての転位に対応する小ピットをカウントして評価した。表面平坦性および発光特性の向上に対応し、方向によらず傾斜角0.3〜0.7°の範囲でEPDが104cm−2のオーダーに低下していることがわかる。表面に傾斜を付けない基板で同様の測定を実施した所、同じく転位集中領域から200μmの範囲内でEPDは107cm−2のオーダーで存在し、基板表面に傾斜角を付けないことで転位集中領域から成長層内へと転位が拡散していることがわかった。
【0095】
通常、半導体レーザ素子の面積を考慮すると、EPDが104cm−3以下であれば、1素子中に含まれる転位は1個以下となるため、基板表面に傾斜を付けることにより、素子寿命の向上が期待できる。
【0096】
本実施の形態で示した傾斜角0.3〜0.7°の範囲において作製した素子は、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時間以上が達成できた。また、表面が窒素原子で終端された転位集中領域直上の成長速度が遅く、凹部となっているため、隣り合う転位集中領域のピッチで成長層が分断された結果、素子中の残留応力が低減されており、従来の素子構造に比べてクラック密度が低減し、歩留りが向上した。
【0097】
<実施の形態3>
実施の形態3は、実施の形態1で述べた、表面に0.3〜0.7°の範囲で傾斜角度を付けたGaN基板を使い、n型層のみを厚さを変えて成長させた時のEPDおよび平均表面荒さの変化を調べて、傾斜付き基板に成長する場合に、成長層表面が量子井戸活性層を品質良く作製可能な程度まで平坦化されるに必要な層厚さを見るものである。
【0098】
結晶成長について、図8を参照して説明する。実施の形態1に記載したと同様のGaN基板801を用いる。基板801は、上記の(GaN基板の作製方法)で示した、転位集中領域がストライプ状に配された形状でも良いし、転位集中領域がドット状で入れ子状に配列した形状でも差し支えない。また、転位集中領域がドット状の場合でも、必ずしも入れ子状配列になっている必要はなく、基板内で、転位集中領域と低転位領域が明瞭に区別できる状態で存在し、窒化物半導体層を成長させるべき面を垂直に見たとき、転位集中領域の面積が低転位領域より小さければ、各々がどのような配置になっていようとも、問題なく基板として使用することができる。
【0099】
GaN基板801中には、実施の形態1で説明したように、転位集中領域802と、転位集中領域802以外の低転位領域および、低転位領域中に、転位集中領域802に平行して高ルミネッセンス領域803が存在する。GaN基板801上に、MOCVD装置を用いて、V族原料のNH3とIII族原料のTMGa(トリメチルガリウム)またはTEGa(トリエチルガリウム)に、基板温度1050℃で、GaN層804を形成した。その際、1000℃程度の高温で成長する前に、500〜700℃程度の比較的低い温度でいわゆる低温バッファ層を成長し、昇温して1000℃程度の高温でGaN層804を成長しても差し支えない。
【0100】
同様の手順でGaN層804の厚さを0.5〜4μmの間で変化させた試料を数種類作製し、まず段差計により平均表面荒さを測定した。図9に示すように、GaN層804の厚さが1μm未満では、10nm以上の荒さを示しており、例えば、GaN層に続いて量子井戸活性層を成長させる場合には、GaN層の厚さが少なくとも1μm以上でなければ表面平坦性が十分でなく、従って、発光特性が改善されないことが予想される。
【0101】
平坦化されるまでのGaN層の厚さが1μm以上必要となる理由は定かでないが、転位集中領域は、その表面が窒素原子で終端されているため、ガリウムで終端されたその他の部分に比べて原料種の安定性が低く、ガリウムで終端された領域へと原料種を吐き出す効果を生じており、GaN層が薄い間は転位集中領域から吐き出された原料種によって、基板表面で濃度分布を生じ、成長層が薄い状態では、相対的に表面の凹凸を生じやすくなっているのではないかと考えている。
【0102】
GaNのみならず、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で現される任意の組成の窒化物半導体を成長させる場合においても、平均表面荒さおよびEPDを十分に低減させるに必要な成長層の厚さは上記のGaNと同様に少なくとも1μm以上必要であった。
【0103】
また、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)の任意の組成を有する多層膜を積層する場合でも、それら多層膜の総厚さが少なくとも1μm以上であるとき、平均表面荒さおよびEPDの低減効果が見られた。また、前記全ての場合において、n型あるいはp型ドーパントを添加して成長した場合でも、高品質な多重量子井戸活性層を作製するに必要な平坦性とEPD低減が得られる成長層総厚さは少なくとも1μm以上であった。
【0104】
<実施の形態4>
実施の形態4では、実施の形態1と同様のGaN基板を用いて、p型窒化物半導体層を成長し、そのp型キャリア濃度を測定し、なんら後処理をすることなく成長したままの状態でp型化することを示す。
【0105】
実施の形態3と同様の手順によりGaN層を3μmの厚さに成長し、成長装置から取り出した直後にホール測定を行い、p型キャリアの濃度を評価した。その結果、p型キャリア濃度は5×1017cm−3と、成長したままの状態でp型化していることがわかった。同じ試料に通常の熱処理を施すことにより、さらにキャリア濃度が増加し7×1017cm−3を示した。成長したままの状態でp型化する機構の詳細は不明であるが、転位が減少したことにより、結晶中に取り込まれたMgは、水素と結合せず、従って不活性化し難い状態になっていると考えられる。
【0106】
GaNのみならず、AlxGayInzN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)の任意の組成の窒化物半導体を成長させた場合でも、GaNと同様に成長したままの状態でp型を示した。また、基板101は、上記の(GaN基板の作製方法)で示した、転位集中領域がストライプ状に配された形状でも良いし、転位集中領域がドット状で入れ子状に配列した形状でも差し支えない。また、転位集中領域がドット状の場合でも、必ずしも入れ子状配列になっている必要はなく、基板内で、転位集中領域と低転位領域が明瞭に区別できる状態で存在し、窒化物半導体層を成長させるべき面を垂直に見たとき、転位集中領域の面積が低転位領域より小さければ、各々がどのような配置になっていようとも、問題なく基板として使用することができる。
【0107】
<実施の形態5>
実施の形態5は、実施の形態1で述べたリッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子1を、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子2に替えたものである。電流阻止層を有する本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子2について、図10を参照して説明する。
【0108】
本実施の形態の半導体レーザ素子2は、n型GaN基板1001、その上に順次形成されたn型GaN層1002、n型In0.07Ga0.93Nクラック防止層1003、n型Al0.1Ga0.9Nクラッド層1004、n型GaN光ガイド層1005、活性層1006、p型Al0.2Ga0.8Nキャリアブロック層1007、p型GaN光ガイド層1008、p型Al0.1Ga0.9N第1クラッド層1009a、電流阻止層1010、p型Al0.1Ga0.9N第2クラッド層1009b、p型InGaNコンタクト層1011、p電極1012、およびn電極1013から構成される。
【0109】
電流阻止層1010は、p型電極1012から注入された電流が、図10に示した電流阻止層間幅のみを通過できるように電流を阻止する層であれば良い。例えば、電流阻止層1010として、n型Al0.25Ga0.75N層を用いても良い。電流阻止層1110のAl組成比は0.25に限らず、その他の値でも構わない。本実施の形態では、電流阻止層1010の開口部がレーザ光導波領域1014に対応しており、実施の形態1で述べた効果が得られる。
【0110】
また、基板1001は、上記の(GaN基板の作製方法)で示した、転位集中領域がストライプ状に配された形状でも良いし、転位集中領域がドット状で入れ子状に配列した形状でも差し支えない。また、転位集中領域がドット状の場合でも、必ずしも入れ子状配列になっている必要はなく、基板内で、転位集中領域と低転位領域が明瞭に区別できる状態で存在し、窒化物半導体層を成長させるべき面を垂直に見たとき、転位集中領域の面積が低転位領域より小さければ、各々がどのような配置になっていようとも、問題なく基板として使用することができる。
【0111】
<実施の形態6>
実施の形態6は、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を窒化物半導体レーザ素子1または2の活性層に含有するようにしたものである。他の構成は既に述べたとおりである。
【0112】
本実施の形態では、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を、窒化物半導体発光レーザ素子1、2を構成している活性層305、1006のうち少なくとも井戸層に含有させる。ここで、井戸層に含有させる上記元素群の総和の組成比をXとし、井戸層のN元素の組成比をYとするとき、XはYよりも小さく、X/(X+Y)は0.3(30%)以下であり、好ましくは0.2(20%)以下である。また、上記元素群の総和の下限値は、1×1018cm−3以上である。
【0113】
組成比Xが20%よりも高くなると、井戸層内の領域ごとに各元素の組成比が異なる濃度分離が次第に生じ始める。さらに、組成比Xが30%よりも高くなると、今度は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、上記元素群の総和の添加量が1×1018cm−3よりも小さくなると、井戸層に上記元素を含有したことによる効果が得られにくくなる。
【0114】
本実施の形態による効果は、井戸層にAs、PまたはSbを含有させることによって、井戸層の電子とホールの有効質量が小さく、また、井戸層の電子とホールの移動度が大きくなる点にある。半導体レーザ素子の場合、前者は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ことを意味し、後者は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、ホールが拡散により高速に注入されることを意味する。即ち、現在報告されているような活性層にAs、P、Sbのいずれの元素をも含有しないInGaN系窒化物半導体レーザ素子と比べて、本実施の形態の窒化物半導体レーザ素子は、閾値電流密度が低く、雑音特性にも優れたものとなる。
【0115】
また、基板1001は、上記の(GaN基板の作製方法)で示した、転位集中領域がストライプ状に配された形状でも良いし、転位集中領域がドット状で入れ子状に配列した形状でも差し支えない。また、転位集中領域がドット状の場合でも、必ずしも入れ子状配列になっている必要はなく、基板内で、転位集中領域と低転位領域が明瞭に区別できる状態で存在し、窒化物半導体層を成長させるべき面を垂直に見たとき、転位集中領域の面積が低転位領域より小さければ、各々がどのような配置になっていようとも、問題なく基板として使用することができる。
【0116】
<実施の形態7>
実施の形態7は、基板上に各窒化物半導体層を形成する際に、選択成長技術を用いるものであり、他は上述の実施の形態のいずれかと同様である。
【0117】
選択成長技術は、成長を抑制する材料(例えばSiO2等の酸化物や、SiN、AlNなどの窒化物)からなり開口部を有するマスクを、基板上にあらかじめ設けておき、基板上に各窒化物半導体層を形成する際、その成長初期に、横方向への成長が進行するように制御する技術である。これにより、各窒化物半導体層の成長に伴って生じうるクラックが有効に防止される。マスクは、転位集中領域102上、高ルミネッセンス領域103上に対応して設けることができ、また、これらの領域に関わらず設けることもできる。少なくともレーザ光導波領域105の直下にマスクを設けることが、レーザ光導波領域105に発生しうるクラックを効果的に防止できる点から望ましい。
【0118】
上述の各実施の形態1〜7においては、基板としてGaNを用いる例を説明したが、「課題を解決するための手段」の欄に記載したような材料で構成される窒化物半導体基板に置換することもできる。また、窒化物半導体基板上に成長させる各窒化物半導体層の材料についても、「課題を解決するための手段」の欄に記載したような窒化物半導体材料に置換することができる。
【0119】
<実施の形態8>
実施の形態8は、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に適用したものである。
【0120】
本発明の窒化物半導体レーザ素子(330〜550nmの発振波長)は、半導体光学装置、例えば光ピックアップ装置に利用すると、以下の点において好ましい。各窒化物半導体レーザ素子は、高出力(30mW)であり、高温雰囲気中(60℃)でも安定して動作し、しかもレーザ発振寿命が長いことから、高い信頼性が要求される高密度記録再生用光ディスク装置に最適である(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)。
【0121】
図11に、本発明の窒化物半導体レーザ素子を半導体光学装置に利用した一例として、光ディスク装置(光ピックアップを有する装置、例えば、DVD装置など)の概略構成を示す。光ディスク装置1101は、光ピックアップ1102、制御回路1103、ディスクDを回転させるモータ1104、および光ピックアップ1102を移動させるモータ1105を備えている。光ピックアップ1102には、半導体レーザ素子1106、ビームスプリッタ1107、ミラー1108、対物レンズ1109、および光検出器1110が含まれている。半導体レーザ素子1106は、上述のいずれかの実施の形態の窒化物半導体レーザ素子1、2である。
【0122】
情報の記録に際し、半導体レーザ素子1106が発するレーザ光Lは、制御回路1103によって入力情報に応じて変調され、ビームスプリッタ1107、ミラー1108および対物レンズ1109を経てディスクDの記録面上に収束して、情報をディスクDに記録する。また、半導体レーザ素子1106が無変調のレーザ光Lを発している間に、ディスクDの記録面のうちレーザ光Lが収束する部位の磁界を入力情報に応じて変調することによっても、情報を記録することができる。情報の再生に際しては、ディスクD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Lが、対物レンズ1109、ミラー1108、ビームスプリッタ1107を経て光検出器1110に入射し、光検出器1110によって再生信号とされる。半導体レーザ素子1106が出力するレーザ光Lのパワーは、例えば、記録時には30mW、再生時には5mW程度である。
【0123】
本発明の半導体レーザ素子は、光ピックアップ装置を有するこのような光ディスク装置の他に、例えば、レーザプリンター、バーコードリーダー、光の三原色(青色、緑色、赤色)レーザによるプロジェクター等にも利用可能であり、高出力で高寿命の光源として適している。
【0124】
【発明の効果】
本発明によると、転位集中領域直上に凹部を有する構造のため素子中の応力が緩和され、クラックが低減する。従って、半導体レーザ素子の発光特性と電気特性および寿命特性が向上する。
【0125】
また本発明によると、広い低転位領域と転位集中領域とが存在する窒化物半導体基板の表面をc面に対して0.3〜0.7°傾斜させたので、半導体レーザ素子中への基板の転位の影響が抑えられ、成長層が平坦化されることによりレーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1の半導体レーザ素子を示す断面模式図である。
【図2】(a)製造過程の窒化物半導体基板の断面図である。
(b)インゴットを模式的に示した斜視図である。
(c)窒化物半導体基板の断面図である。
(d)窒化物半導体基板の上面図である。
(e)窒化物半導体基板の上面図である。
【図3】実施の形態1の半導体レーザ素子の層構成を示す断面模式図である。
【図4】(a)表面に傾斜のない基板上における窒化物半導体成長層の様子を示す断面模式図である。
(b)表面に傾斜角を付けた基板上における窒化物半導体成長層の成長初期の様子を示す断面模式図である。
(c)表面に傾斜角を付けた基板上における窒化物半導体成長層の成長完了時の様子を示す断面模式図である。
【図5】実施の形態2の窒化物半導体レーザ素子における基板表面のc面からの傾斜角と平均表面荒さの関係を示す図である。
【図6】実施の形態2の窒化物半導体レーザ素子における基板表面のc面からの傾斜角とLEDモードでの発光半値幅の関係を示す図である。
【図7】実施の形態2の窒化物半導体レーザ素子における基板表面のc面からの傾斜角と、転位集中領域から200μm幅内のEPDの関係を示す図である。
【図8】実施の形態3の基板と窒化物半導体成長層を示す断面模式図である。
【図9】実施の形態3の窒化物半導体成長層厚さと平均表面荒さの関係を示す図である。
【図10】実施の形態5の半導体レーザ素子の層構成を示す断面模式図である。
【図11】実施の形態8の半導体光学装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 窒化物半導体レーザ素子
101 n型GaN基板(窒化物半導体基板)
102 転位集中領域
104 窒化物半導体層
108、405、410 凹部
305 活性層
Claims (15)
- 窒化物半導体基板と、その上に積層された複数の窒化物半導体層とからなる窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体層が、単数または複数層の井戸層と障壁層から形成される量子井戸構造の活性層と、アクセプタードーピング層とを有し、
前記窒化物半導体基板が、転位集中領域と、転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有し、
転位集中領域及び低転位領域の直上に積層された窒化物半導体層は、転位集中領域直上に凹部を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体の表面から見て、表面に露出した転位集中領域と低転位領域の形状によらず、転位集中領域の面積が低転位領域の面積より小さい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。
- 前記窒化物半導体基板が、六方晶であって、
転位集中領域および低転位領域が、それぞれc−面およびc面であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の窒化物半導体レーザ素子。 - 前記窒化物半導体基板の最表面が、c面に対して0.3°から0.7°の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体基板の表面方位のc面からの傾斜方向が<11−20>方向または<1−100>方向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。
- 前記アクセプタードーピング層が成長したままの状態でp型導電性を示すことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記アクセプタードーピング層の正孔濃度が1017cm−3以上であることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記量子井戸構造の活性層の下面の平均表面荒さが該活性層厚より小さいことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 前記窒化物半導体基板から前記窒化物半導体層の前記活性層の直下層までの総膜厚が1μm以上であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 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1〜5の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
- 請求項1〜10の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子を光源として備えることを特徴とする半導体光学装置。
- 転位集中領域と転位集中領域を除いた領域である低転位領域とを有する窒化物半導体基板上に、単数または複数層の井戸層と障壁層から形成される量子井戸構造の活性層とアクセプタードーピング層とを備えた複数の窒化物半導体層を形成する工程を含む窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
転位集中領域及び低転位領域の直上に積層された窒化物半導体層は、転位集中領域直上に凹部を有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。 - 前記窒化物半導体基板の最表面が、c面に対して0.3°から0.7°の範囲で傾斜していることを特徴とする請求項12に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記アクセプタードーピング層が成長したままの状態でp型導電性を示すことを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記アクセプタードーピング層の正孔濃度が1017cm−3以上であることを特徴とする請求項12〜14の何れかに記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
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