JP2005175056A - 窒化物半導体基板および窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
劈開性に優れた低転位の窒化物半導体基板、主レーザ光のＦＦＰにリップルの乗らない良好な単一モードとなる窒化物半導体レーザ素子を提供することである。
【解決手段】
第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体基板の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有する。
第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有し、少なくとも前記第１の領域又は第２の領域の上部に光導波路を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化物半導体素子を成長させるための基板、およびファーフィールドパターン（以下、ＦＦＰと示す。）が良好である窒化物半導体（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）よりなるレーザ素子に関する。

本出願人は、ＦＦＰが単一モードとなる窒化物半導体レーザ素子を提案している（特許文献１）。その技術としては、基板上に、井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造の活性層を有する窒化物半導体を積層した窒化物半導体レーザ素子において、前記窒化物半導体の一層であるｎ型コンタクト層と基板との間に活性層の井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さいアンドープのＩｎ_ｄＧａ_１−ｄＮ（０＜ｄ＜１）からなる光吸収層を有するものである。

活性層で発光した光の一部がｎ型クラッド層から漏れだし、基板よりも屈折率が大きいｎ型コンタクト層の中を導波することがある。その導波した光が、ｎ型コンタクト層の端面から放出される弱い光となり、本来レーザ光の出射端面である共振面から放出される主レーザ光に重なるために主レーザ光にノイズ（リップル）が乗り、光ファイバーやレンズへ結合する際に支障を来している。そこで、前記光吸収層によって主レーザ光以外のｎ型コンタクト層端面から放出される光を吸収し、ガウシアン形状とするものである。

例えば、基板上に部分的に形成されたＳｉＯ₂膜を介して選択成長された転位の少ない窒化物半導体層を成長させた窒化物半導体基板の上に、光吸収層としてＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎを０．２μｍの膜厚で成長させ、更にその上にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、活性層等を積層してなる窒化物半導体レーザ素子とするものである。このようなレーザ素子構造とすることで、導波路領域から放出される主レーザ光以外に光閉じ込め層として機能するｎ型クラッド層から基板側に漏れ出した光を光吸収層で吸収させている。そのため、光導波路から放出される主レーザ光のＦＦＰを良好なガウシアン形状とする。
特開２０００−１９６１９９号公報

窒化物半導体素子を成長させるための基板としては、窒化物半導体から成る基板であれば格子定数や熱膨張係数差を問題としないために好ましい。ここで、窒化物半導体素子とは、発光素子や受光素子、その他の電子デバイス等である。しかしながら、窒化物半導体から成る単体基板は未だに実用化されていない。その理由は、窒化物半導体素子の素子特性を向上させるには基板の表面に発生する転位を低減することが必要であり、またウェハー状の基板からチップ化するための劈開を再現性よく行うには基板の表面凹凸を緩和することが必要となるが、この両方の特性を満たす基板が存在しないからである。

また前記窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体から成る積層体に光吸収層を余分に追加する構造である。光吸収層はＩｎを含有する組成であるため、この上に積層させる他の層の組成によっては結晶性を低下させてしまう。

また、ｐ電極とｎ電極とをウェハーの同一面上に形成するには、チップサイズが大きくなるがｎ電極を窒化物半導体基板の裏面側に形成した対向電極構造のレーザ素子とすることができればチップサイズが小さくなり、ウェハー内でのチップの形成数が大幅に増加する。しかしながら、未だに基板の裏面側に良好なオーミック特性を示すｎ電極を形成する窒化物半導体レーザ素子は量産化されていない。

そこで、本発明の目的の１つは、劈開性に優れた低転位の窒化物半導体基板を提供することである。また本発明の他の目的の１つは、主レーザ光のＦＦＰにリップルの乗らない良好なガウシアン形状となる単一モードの窒化物半導体レーザ素子を提供することである。更には対向電極構造の窒化物半導体素子を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体基板の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有する構成とする。

上記構成とすることで、異なるｎ型不純物を含有している第１の領域及び／又は第２の領域において安定したｎ型半導体基板とすることができ、低転位であって、劈開性に優れた基板となる。その理由は第１の領域にドープするｎ型不純物が不均一になりやすい為、均一にドープすることが出来るｎ型不純物であって、且つ第１の領域とは異なるｎ型不純物を第２の領域に形成するためである。

ここで、前記窒化物半導体基板とは、窒化物半導体のみから形成された単体基板であることが好ましいが、窒化物半導体に異種基板を部分的に備えている基板であっても構わない。窒化物半導体にはＧａＮやＡｌＮ等がある。異種基板にはサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等がある。前記窒化物半導体基板における第１の主面と第２の主面とは対向面であることが好ましい。

また前記第１の主面は、Ｃ面、Ａ面又はＭ面であることが好ましい。この構成によって良好な劈開面を得られる。

前記第１の領域と第２の領域とは、交互にストライプ形成されていることが好ましい。この構成によって光吸収効率を向上させることができる。

前記第１の領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることが好ましい。この構成によって導波路からの漏れ光を吸収する効果を有する。

前記第２の領域に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることが好ましい。更に好ましくは、前記第２の領域には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有していることが好ましい。この構成によって導波路からの漏れ光を吸収する効果を有する。

本発明は、上記目的を達成するために第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有し、少なくとも前記第１の領域又は第２の領域の上部に光導波路を有する構成とする。

上記構成とすることで、異なるｎ型不純物を含有している第１の領域及び／又は第２の領域において窒化物半導体基板側に漏れた光の一部を吸収させることができる。その理由は異なるｎ型不純物を含有しているため、異なる不純物準位が存在し、導波路からの漏れ光を吸収しやすくなったからである。

また、前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第１の領域と第２の領域とは、交互にストライプ形成されていることを特徴とする。光導波路の下方にはｎ型不純物が含有されている第１の領域又は第２の領域を有する構成であって、更に該第１の領域と第２の領域が交互にストライプ形成されていることで、光導波路の直下のみならず、その近傍においても光吸収作用を有する構成となる。その理由は、異なる不純物準位が連続して存在することになり、光吸収効率がより高くなるからである。また、光導波路の方向と第１の領域及び第２の領域から構成されるストライプ方向とが平行であることが好ましい。これによって共振器長に関係なく均一に光閉じ込めができるからである。また前記ストライプ構造とすることで、光導波路となる共振器長やリッジ幅に関係なく、基板側に漏れ出した光を吸収してＦＦＰの乱れを防止することができる。具体的には、上記構成によって、光出力が１００ｍＷ以上であって、且つ単一モードの窒化物半導体レーザ素子を実現することができる。

前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第１の領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることを特徴とする。第１の領域に含有されているｎ型不純物が酸素であることによって波長が３６５ｎｍ以下の紫外領域から６５０ｎｍ以上の赤色に至る領域の光を吸収することになり好ましい。

前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第２の領域に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることが好ましい。この構成によって紫外から黄色に至る領域の光を吸収する効果を有する。更に好ましくは、前記第２の領域には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有していることである。これにより赤色までの領域の光を吸収することができる。

前記窒化物半導体レーザ素子において、前記第２の領域のストライプ幅は、１〜１００μｍであることが好ましい。これによって、第２の領域内に光導波路を形成することができる。また、窒化物半導体基板の第２の主面側に電極を形成する領域を確保することができる。

前記光導波路は、前記第１の領域及び第２の領域の上部にあることを特徴とする。この構成によって導波路からの漏れ光を効率よく吸収する効果を有する。

前記窒化物半導体レーザ素子において、窒化物半導体基板の第２の面には電極を有することを特徴とする。前記窒化物半導体基板には少なくとも２以上のｎ型不純物が含有されているため、該基板は導電性を示す。そのため、第２の主面に電極を形成することができ、この構成によって対向電極構造をした窒化物半導体レーザ素子を提供することができる。

前記電極はＴｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗから選ばれる少なくとも１つを含有することを特徴とする。前記第２の主面に形成する電極の材料にこれらの材料を選択することによって『窒化物半導体基板と該電極とのオーミック特性が得られる。また、窒化物半導体基板と電極との密着性も良くチップ化等の工程で電極が剥がれることを抑制する』効果を有する。

ここで、前記窒化物半導体基板における第２の主面には、（０００−１）面、及びＣ面を備えていることが好ましい。この構成によって基板に掛かる応力を緩和することができる。

また本発明は、上記目的を達成するために、第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には凹凸部を有し、該凹部を埋め込み層で被覆しており、前記凹部領域の埋め込み層と凸部領域とは異なるｎ型不純物を含有しており、且つ且つ前記凹部領域又は凸部領域の上部に光導波路を有することを特徴とする。この構成によって光吸収の効率を高めることができる。

前記窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部領域の埋め込み層は凸部領域よりもｎ型不純物の濃度が高いことを特徴とする。この構成によって基板のバルク抵抗を低くする効果を有する。

前記窒化物半導体レーザ素子において、前記凹部領域である埋め込み層と凸部領域とは、交互にストライプ形成されていることを特徴とする。この構成によって光吸収の効率をさらに高める効果を有する。

前記窒化物半導体レーザ素子において、前記凸部領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることを特徴とする。この構成によって紫外から赤色に至る領域の光を吸収する効果を有する。

前記凹部領域である埋め込み層のストライプ幅は、１〜１００μｍであることを特徴とする。この構成によって光吸収の効率を調整することができる。

前記凹部領域である埋め込み層の深さは、０．２〜１００μｍであることを特徴とする。この構成によって光吸収の効率を高めることができる。

前記凹部領域である埋め込み層に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることが好ましい。更に好ましくは、前記凹部領域である埋め込み層には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有していることである。

また前記第１の主面は、Ｃ面、Ａ面又はＭ面であることが劈開性に優れるため好ましい。更に好ましくは、前記第１の主面は、少なくとも（０００−１）面を有する。

前記光導波路は、前記第１の領域及び第２の領域の上部にあることを特徴とする。この構成によって、導波路からの漏れ光を効率よく吸収する効果を有する。

前記窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板の第２の主面に電極を有する構造とすることが好ましい。これによって、大電流の投入が可能となる。また前記電極はＴｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｗから選ばれる少なくとも１つを含有することでオーミック特性をよくすることができる。

前記窒化物半導体基板における第２の主面には、（０００−１）面、及びＣ面である（０００１）面を備えていることを特徴とする。

前記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には低転位領域を有する。該低転位領域は、少なくとも光導波路の直下に形成されていることが好ましい。これによって、窒化物半導体レーザの信頼性を向上させることができる。

また本発明は、上記目的を達成するために、第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には、光吸収作用を有する第１の領域と、前記第１の領域よりも転位が少ない第２の領域とを有し、少なくとも前記第１の領域又は第２の領域の上部に光導波路を有することを特徴とする。上記構成とすることで、リップルを抑制することでＦＦＰの形状を良好にすることができる。その理由は導波路からの漏れ光を効率よく吸収するからである。

本発明の窒化物半導体基板によれば、該基板上に成長させる窒化物半導体素子の結晶性を良好にすることができる。更には窒化物半導体基板の劈開性を向上させることで窒化物半導体素子を成長させた後のチップ化を再現性よく実現することができる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子によれば、レーザ光のＦＦＰがリップルの発生を抑制した良好な単一モードが実現することができる。また、縦方向のモードホップも抑制することができる。単一モードのレーザ光が得られることで、レーザ光を理想的なガウシアン形状に近づけられ、レーザビームやレンズ設計が容易となる。

更に本発明では良好なオーミック特性を示す対向電極構造をした窒化物半導体素子を提供することができる。窒化物半導体レーザ素子であれば、接触抵抗を低減した対向電極構造の窒化物半導体レーザ素子であって、接触抵抗率は１．０Ｅ^−３Ωｃｍ^２以下となる。

前記窒化物半導体基板の第１の領域は転位密度が１×１０^６／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^５／ｃｍ^２以下である。この低転位領域の上部にリッジを形成し光導波路を有することで寿命特性を向上させることができる。

［第１の実施形態］
本発明の窒化物半導体基板は、第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板において、前記窒化物半導体基板の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有するものである。このような第１の領域及び第２の領域を有する前記基板の表面をウェットエッチング、ドライエッチング、又はＣＭＰ処理をすることで、第１の主面を鏡面にすることや、第１の主面に任意の凹凸部を形成することができる。

前記窒化物半導体基板とは、ＩＩＩ族元素であるＢ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ等と窒素との化合物であって、例えばＧａＮ、ＡｌＮである。その他には３元や４元の混晶化合物があり、ＡｌＧａＮやＩｎＡｌＧａＮ等である。更に、窒化物半導体基板にはｎ型不純物以外にはｐ型不純物をドープしたものを含む。本実施形態では窒化物半導体基板としてＧａＮを一例に示すが本発明はこれに限定されない。

前記窒化物半導体基板は、前記第１の領域と第２の領域とは、交互にストライプ形成されていることで、窒化物半導体基板の内部に発生する応力を緩和させる作用がはたらくため、該基板上に応力緩和層を形成することなく窒化物半導体素子を膜厚５μｍ以上で積層することが可能となる。そのため、該基板の用途を薄膜で積層される窒化物半導体素子の成長用基板に限定する必要はなくなり、発光素子や受光素子、またはＨＥＭＴやＦＥＴ等の電子デバイス等を積層することができる。ここで、上記ストライプは、破線状に形成されているものを含む。例えば、前記第１の領域及び第２の領域において、少なくとも部分的に破線状を形成したものである。

第１の領域はストライプ幅を１μｍ以上５００μｍ以下とする。前記第１の領域のストライプ幅は、好ましくは２００μｍ以上５００μｍ以下であり、より好ましくは３００μｍ以上４００μｍ以下である。また第２の領域のストライプ幅は１μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上４０μｍ以下とする。これは窒化物半導体基板のサイズによって限定されるものではない。また窒化物半導体基板の外周形状は特に限定されず、ウェハー状であっても、矩形状等であってもよい。
更に好ましくは、前記第１の領域及び第２の領域が上記に示す範囲内の幅でストライプを交互に形成されており、且つストライプ幅の比（第１の領域／第２の領域）を３以上とする。更に好ましくは前記ストライプ幅の比を３以上１００以下とすることで光吸収の効率を高めることができる。

前記窒化物半導体基板は、前記第１の領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることによって、紫外から赤色に至る領域の光を吸収することができる。

前記窒化物半導体基板において、第２の領域に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることが好ましい。更に好ましくは、前記第２の領域には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有していることである。

ここで、前記窒化物半導体基板の第１の領域に含有される酸素の不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３である。また第２の領域に含有されるｎ型不純物の不純物濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３以上、好ましくは５×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^１９ｃｍ^−３以下である。

前記窒化物半導体素子を成長させるための窒化物半導体基板の膜厚は５０μｍ以上１ｍｍ以下とするが、好ましくは５０μｍ以上５００μｍ以下とする。この範囲であれば、窒化物半導体素子を形成した後の劈開が再現性よくすることができる。また窒化物半導体基板の膜厚が５０μｍ未満であればデバイス工程でのハンドリングが困難となる。

前記窒化物半導体基板は、第１の主面に極性が異なる結晶成長面を有するものであってもよい。例えば、第１の主面は（０００１）面であって、その他には（０００−１）面を有する。また前記第１の主面に対向した面である第２の主面には第１の主面と極性が反転した結晶成長面を有する。
前記第２の主面には少なくとも２以上の異なる結晶成長面を有し、具体的には（０００−１）面や（１１−２０）面、（１０−１５）面、（１０−１４）面、（１１−２４）面等を有することが好ましい。このような窒化物半導体基板であれば、第１の領域内には該第１の領域内で発生した応力や歪みからのみ影響を受けるのであって、隣接する第２の領域内で発生した応力や歪みからの影響を受けることはない。そのため、該基板上に成長させた窒化物半導体素子は、素子内にかかる応力を抑制しており、劈開時におけるダメージに耐えることが可能である。

前記窒化物半導体基板は、２軸結晶法による（０００２）回折Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（Full Width at Half Maximum）が２分以下、好ましくは１分以下である。貫通転位等が少ない低欠陥である窒化物半導体基板であれば、該基板上に成長させる窒化物半導体層の活性層又は発光層にはクラック等を抑制して成長させることができる。そのため高出力レーザ素子や高輝度ＬＥＤ等を実現できるからである。

前記窒化物半導体基板は、例えばハライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法）により形成される。まず、サファイアやＳｉＣ、ＧａＡｓ等の異種基板上に窒化物半導体から成るバッファ層を成長する。このとき、バッファ層の成長温度は９００℃以下とする。次に前記基板上に窒化物半導体を１００μｍ以上に厚膜成長する。ここで窒化物半導体の成長面は第１の主面である。その後、前記異種基板を研磨、電磁波照射（エキシマレーザー照射等）、又はＣＭＰ等により除去する。異種基板を除去することで露出した窒化物半導体基板の露出面側を第２の主面となる。以上より窒化物半導体基板１０１を得ることができる。

前記窒化物半導体基板の第１の主面に第１の領域及び第２の領域を形成するには、前記窒化物半導体にｎ型不純物をドープしながら成長させる。これによって、ｎ型不純物を含有する領域として第１の領域を形成することができる。

次に第２の領域を形成する。該第２の領域は、異種基板を除去する前に形成してもよく、異種基板を除去した後に形成してもよい。第２の領域を形成する方法は、前記第１の主面において第１の領域以外の表面に、第１の領域とは異なるｎ型不純物をイオン注入することで形成することができる。その他の第２の領域の形成方法としては、前記窒化物半導体基板の表面に凹部を形成し、その後、該凹部を第１の領域とは異なるｎ型不純物をドープしながら再成長させることで形成される。以上より異なるｎ型不純物を含有した第１の領域と第２の領域とを有する窒化物半導体基板を形成することができる。

前記第２の領域を凹部形成した後、埋め込み層を再成長により形成する方法であれば、前記窒化物半導体基板は、凸部にはｎ型不純物を含有しており、且つ凹部を再成長させた埋め込み層には凸部に含有されているｎ型不純物とは異なるｎ型不純物が含有されている基板となる。ここで、凹部に埋め込み層を再成長させることで形成した第２の領域のストライプ幅は１μｍ以上１００μｍ以下である。また、凹部領域である埋め込み層の深さは０．２μｍ以上１００μｍ以下である。

第１の領域と第２の領域とを交互にストライプ形成する場合には、窒化物半導体の成長時にｎ型不純物をドープした第１の領域を形成する。次に、第２の領域を形成するための領域をエッチングによりストライプ状に凹部形成する。ここで、ストライプ状に凹凸が形成されており、凸部にはｎ型不純物がドープされた第１の領域が形成される。前記凹部領域を第１の領域とは異なるｎ型不純物をドープしながら窒化物半導体を再成長させることで第１の領域と第２の領域とが交互にストライプ形成された窒化物半導体基板となる。

前記窒化物半導体基板には、第１の領域ａ、第２の領域ｂの他に第３の領域ｃを有するものであってもよい（図７）。ここで、第３の領域とは転位の集中領域であるか、又は他の領域とは違う結晶成長面を有する領域である。第２の領域を埋め込み層で形成するには、断面形状が垂直溝（i）、三角溝（ii）、テーパー溝（iii）、Ｕ字溝（iv）、台形溝（v）等で形成することが好ましい。これらの断面形状で溝を形成することで第２の領域の転位を低減することができる。また、第２の領域となる基板表面のｎ型不純物濃度をより均一にすることができる。

ここで、異種基板を除去した面は前記窒化物半導体基板の第２の主面とする。該除去面は窒化物半導体の（０００−１）面等である。次に、異種基板の除去工程で発生するダメージ層の除去や、（０００−１）面以外の傾斜面を形成すること、又表面の面粗さを調整することは、研磨やドライエッチング、ウェットエッチング、その他にはケミカルメカニカルポリッシュ（以下、ＣＭＰという。）によって行う。前記窒化物半導体基板の２軸結晶法による（０００２）回折Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が３分以内、さらに望ましくは２分以内の窒化物半導体とすれば、異種基板を除去する工程においても、窒化物半導体にダメージを与えにくく、５０μｍ以上の窒化物半導体を良好な結晶性を保ったまま基板として得ることができる。

［第２の実施形態］
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にリッジ形状のストライプ及び光導波路を構成する共振面とを備えた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の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有し、少なくとも前記第１の領域又は第２の領域の上部に光導波路を有するものである。

前記第１の領域と第２の領域を形成することで、基板側である下方に漏れる光を可視光領域の広範囲で吸収することができる。これらの領域上部に光導波路を有することで横方向に漏れる光を効率よく吸収することができる。活性層を含む光導波路から放出される主レーザ光の波長に依存しない。また、光導波路から漏れた光を吸収する機能を持たせた光吸収層を前記窒化物半導体基板上に積層する必要はなく、窒化物半導体層の全体膜厚も薄膜にすることができる。

前記窒化物半導体基板の第１の主面において、第１の領域に含有されているｎ型不純物は、酸素である。また第１の領域と第２の領域とは、交互にストライプ形成されていることが好ましい。第１の領域はストライプ幅を１μｍ以上５００μｍ以下とする。前記第１の領域のストライプ幅は１００μｍ以上、好ましくは２００μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上である。また第２の領域のストライプ幅は１μｍ以上４０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上３０μｍ以下とする。これは窒化物半導体基板のサイズによって限定されるものではない。また窒化物半導体基板の外周形状は特に限定されず、ウェハー状であっても、矩形状等であってもよい。
更には、前記窒化物半導体基板において第１の領域と第２の領域が前記範囲のストライプ幅で交互に形成されており、且つストライプ幅の比（第１の領域／第２の領域）を３以上とする。更に好ましくは前記ストライプ幅の比を５以上１００以下とする。これにより窒化物半導体レーザ素子の共振面を劈開で形成する場合であっても、劈開を容易に且つ再現性よく行うことができ、また共振面をクラックの発生を抑制した鏡面とすることができる。

前記窒化物半導体レーザ素子を成長させるための窒化物半導体基板の膜厚は５０μｍ以上５００μｍ以下とし、好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下とする。この範囲であれば、窒化物半導体レーザ素子を形成した後の劈開が再現性よくすることができる。また窒化物半導体基板の膜厚が５０μｍ未満であればデバイス工程でのハンドリングが困難となる。

前記窒化物半導体基板は、第１の主面には極性が異なる結晶成長面を２以上有するものであってもよい。例えば、第１の主面は（０００１）面であって、その他には（０００−１）面を有する。また前記第１の主面に対向した面である第２の主面には第１の主面と極性が反転した結晶成長面を有する。このような基板の表面をウェットエッチング、ドライエッチング、又はＣＭＰ処理をすることで、第１の主面上に任意の凹凸部を形成することができる。
上記に示すような部分的に結晶成長面を異なる面としている窒化物半導体基板であれば、該基板に発生する応力や歪みを解消するため好ましい。具体的には前記窒化物半導体基板内には第１の主面と第２の主面とを有し、該第１の主面を（０００１）面とし、また第２の主面を（０００１）面と異なる結晶成長面とする。第２の主面は（０００−１）面や（１１−２０）面、（１０−１５）面、（１０−１４）面、（１１−２４）面等である。また第２の主面には少なくとも２以上の異なる結晶成長面を有し、第１の領域を（０００−１）面とすれば、第２の領域は（０００１）面等になる。
このような窒化物半導体基板であれば、第１の領域内には該第１の領域内で発生した応力や歪みからのみ影響を受けるのであって、隣接する第２の領域内で発生した応力や歪みからの影響を受けることはない。そのため、第１の領域の上部にリッジ形状のストライプを有する窒化物半導体レーザ素子は、リッジ内にかかる応力を抑制しており、劈開時におけるダメージに耐えることが可能である。

前記第１の領域と第２の領域とは交互にストライプ形成されていれば、窒化物半導体基板内に応力を緩和させる作用がはたらく。これは、該ストライプを破線状で形成したものであっても同様である。そのため、該基板上に応力緩和層を形成することなく窒化物半導体素子を膜厚５μｍ以上で積層することが可能となる。第１の領域は幅１００μｍ以上であって、第２の領域は幅１μｍ以上とする。第１の領域は少なくとも（０００１）面を有し、第２の領域は（０００−１）面であることが応力緩和には好ましい。ここで、第１の領域は（０００１）面の他に（１１−２０）面等を有するものであってよい。

また、凹部溝を窒化物半導体基板の裏面に有することで、該凹部溝によってＦＦＰのリップルを抑制する効果を有します。そのためレーザ光のビーム形状が改善され、光ディスクや光ピックアップ等の用途を実現することができる。更には、前記基板の裏面に形成したｎ電極の剥がれ防止効果がある。

また、上記窒化物半導体とは、ＩＩＩ族元素であるＢ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ等と窒素との化合物であるＧａＮ、ＡｌＮ、その他に３元や４元の混晶化合物である。更に、ｎ型不純物やｐ型不純物をドープしたものを含む。該窒化物半導体の結晶構造としてＧａＮを一例に示す。前記窒化物半導体基板の表面にオフ角を形成したり、エッチング等で研削することで該表面に新たに露出した面を形成してもよい。前記オフ角が０．０２°以上９０°以下であることが好ましい。

リッジ形状のストライプを有する窒化物半導体レーザ素子の特性は、窒化物半導体の結晶性に依存する。特にリッジ部分は窒化物半導体の結晶性が顕著に影響する。例えば、窒化物半導体の劈開時にリッジ部分に割れ筋等が存在すれば、連続発振時に該割れ筋からの劣化が急速に進み、長時間の連続発振が可能なレーザ素子を実現することは困難である。本発明は、各領域内でのみ応力を有しているため、劈開時には、劈開方向と異なる方向に窒化物半導体結晶が割れることを抑制することができる。また第２の主面内に凹部溝を形成することで、該第２の主面にｎ電極を形成することが容易になる。また凹部溝を形成することで、共振面に端面保護膜やミラーを形成することが容易になる。

前記窒化物半導体基板の第２の主面には電極が形成されていることが好ましい。該電極は、少なくともＴｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｍｏ、Ｖ、Ｈｆから成る群より選ばれる少なくとも１つを有する。また該電極はｎ電極であることが好ましい。該電極は、多層構造であって窒化物半導体と接する第１の層はＴｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｈｆから成る群より選ばれる少なくとも１つである。対向電極構造の窒化物半導体素子においては、窒化物半導体内では縦方向にのみ電流が流れるため、大電流を投入することが可能となるが、窒化物半導体と電極との界面での劣化やオーミック特性等が新たな課題となる。そこで、本発明では、電極を多層構造として窒化物半導体の（０００１）面や（０００−１）面、又はそれ以外の面とのオーミック特性等に優れた電極として前記Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｈｆ等を用いる。また前記電極における多層構造の最上層はＰｔまたはＡｕであることで電極からの放熱性を向上させることが可能となり好ましい。

窒化物半導体レーザ素子のウェハー状態からチップ化までの各工程を以下に説明するが、本発明は以下に限定させるわけではない。

（第１の工程）
実施形態１で形成された第１の領域ａと第２の領域ｂとを有する前記窒化物半導体基板１０１上に窒化物半導体層２００を成長させる。窒化物半導体層はＩｎを含有する活性層を有する分離光閉じ込め型（ＳＣＨ）構造を形成する。活性層よりバンドギャップの大きい光ガイド層で活性層の両サイドを挟んで光導波路を構成している。

前記窒化物半導体層２００の一実施形態としては、下地層２０１としてノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｎ側コンタクト層２０２としてｎ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｎ側クラッド層２０３としてｎ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｎ側光ガイド層２０４としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）をｎ側層として成長する。前記活性層２０５としては、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される。Ａｌ含有量を高くすることで紫外域の発光が可能となる。また長波長側の発光も可能であり３６０ｎｍ〜５８０ｎｍまでが発光可能となる。また、活性層２０５を量子井戸構造で形成すると発光効率が向上する。単一量子井戸構造または多重量子井戸構造である。発光層となる井戸層にはＩｎを含むが、障壁層はＩｎを含まなくてもよい。ここで、井戸層の組成はＩｎの混晶が０＜ｘ≦０．５である。井戸層の膜厚としては、３０〜２００オングストロームであり、障壁層の膜厚としては、５０〜３００オングストロームである。次に、ｐ側電子閉じ込め層２０６としてｐ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｐ側光ガイド層２０７としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｐ側クラッド層２０８としてｐ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｐ側コンタクト層２０９としてｐ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成るｐ側層を形成することで窒化物半導体層としている。前記ｎ側コンタクト層２０２、前記ｐ側電子閉じ込め層２０７は省略可能である。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記活性層の両側に光ガイド層を形成したＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造とすることが好ましい。更に、その両側にｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層を形成する。クラッド層には屈折率の低い窒化物半導体層を設けて光閉じ込めをする。クラッド層はキャリア閉じ込め効果もある。また、電極とのオーミック接触を得るためにｎ型コンタクト層とｐ型コンタクト層を有する構造とする。

前記活性層の多重量子井戸構造は、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、また井戸層から始まり井戸層で終わってもよい。好ましくは障壁層から始まり、井戸層と障壁層とのペアを２〜８回繰り返してなるもの、好ましくは井戸層と障壁層とのペアを２〜３回繰り返してなるものがしきい値を低くし寿命特性を向上させるのに好ましい。

ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層は組成比が異なる２層からなる超格子構造であっても構わない。ｎ型及びｐ型クラッド層の総膜厚としては、０．４〜１０μｍであり、この範囲であると順方向電圧（Ｖｆ）を低減するために好ましい。また前記クラッド層の全体のＡｌの平均組成は、０．０２〜０．１である。この値は、クラックの発生を抑制し且つレーザ導波路との屈折率差を得るのに好ましい。

ｎ型不純物のドープ量は、１×１０^１７／ｃｍ³〜５×１０^１９／ｃｍ³である。ｎ型不純物がこの範囲でドープされていると抵抗率を低くでき且つ結晶性を損なわない。またｐ型不純物のドープ量は、１×１０¹⁹／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³である。ｐ型不純物がこの範囲でドープされていると結晶性を損なわない。

前記下地層は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦０．５）であることが好ましい。これにより、窒化物半導体層の表面上に発生する転位（貫通転位等）やピットを低減させることができる。前記ｎ側コンタクト層２０２は単一層構造、または多層積層構造である。多層で成長させるには、超格子構造としては第１の層であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と第２の層であるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）との積層構造とする。また、第２の層はアンドープであってもよい。前記窒化物半導体基板１０１はｎ型不純物ドープした基板であるので、前記ｎ側コンタクト層は省略可能である。

前記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄ等が挙げられ、またｐ型不純物としてはＭｇの他にＢｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられる。不純物の濃度は５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下の範囲でドープされることが好ましい。不純物の濃度は１×１０²¹／ｃｍ³よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に出力が低下する傾向がある。これは変調ドープの場合も同様である。前記窒化物半導体層は有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、やハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の気相成長法を用いて成長させる。

（第２の工程）
次に、ｎ側コンタクト層２０２を露出させ、該露出部にｎ電極２１０を形成する。光導波路領域を構成するためにストライプ状のリッジ導波路を形成する。該リッジ導波路は第１の領域ａ又は第２の領域ｂ上に形成される。本実施形態では、リッジ導波路を第２の領域ｂ上に形成する（図１）。前記窒化物半導体層２００の最上層であるｐ側コンタクト層の表面に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）を用いてエッチングすることでリッジが形成される。リッジのストライプ幅は１．０μｍ〜５０．０μｍとする。シングルモードのレーザ光とする場合のリッジのストライプ幅は１．０μｍ〜２．０μｍとするのが好ましい。また、本発明では電流は縦方向に流すため、大電流を投入することが可能となる。そこでリッジ幅を１０μｍ以上とすることができるので、１５０ｍＷ以上の出力が可能となる。リッジストライプの高さ（エッチングの深さ）は、ｐ側光ガイド層を露出する範囲であればよい。大電流を流すことでリッジ以下では電流が急激に横方向に広がる。そのため、リッジを形成するためのエッチング深さはｐ側光ガイド層２０８まであるのが好ましい。

リッジを形成するエッチング手段としては、ウエットエッチングやドライエッチング等が用いられる。例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）のようなドライエッチングを用いることができ、この場合、窒化物半導体をエッチングするには他のIII−Ｖ族化合物半導体で用いられているＣｌ₂やＣＣｌ₄、ＳｉＣｌ₄のような塩素系のガスが用いられる。

次に、ストライプ状のリッジ導波路を形成した後、埋め込み膜２２０をリッジの両サイドに形成する。前記埋め込み膜の材料はＳｉＯ_２、その他にＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ等の酸化物である。その後、リッジ最表面であるｐ側コンタクト層及び埋め込み膜の上にｐ電極２３０を形成する。ｐ電極は例えばＮｉ／Ａｕである。以上より、窒化物半導体基板の第１の主面上にｐ電極とｎ電極が形成された窒化物半導体レーザ素子の構造となる。

また、上記のような幅の狭いストライプを形成した後、側面に保護膜２４０を形成する。その後、ｐ電極２３０の上にｐパッド電極２５０を形成する。またｎ電極２１０の上にｎパッド電極２６０を形成する。ｐパッド電極及びｎパッド電極には、保護膜２４０との密着性の良好な材料を用いる。これによって劈開時に生じるｐパッド電極やｐ電極の剥離を防止することができる。前記保護膜はＳｉＯ_２が好ましい。また前記パッド電極はＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ等の金属からなる積層体とすることが好ましい。

（第３の工程）
その後、ストライプ状の電極に垂直な方向であって、窒化物半導体基板のＭ面（１１−００）で第２の主面側からスクライブによりバー状に分割する。

ここで、第１の領域ａと第２の領域ｂとが交互にストライプ状に形成された窒化物半導体基板においては、ストライプ状に延びた第２の領域に対して垂直方向に第２の主面側からバー状に分割する。ウェハーをバー状に分割する方法は、ブレードブレイク、ローラーブレイク、又はプレスブレイクによって第２の主面側からバー状に分割する。

窒化物半導体レーザ素子をチップ化した後の形状は矩形状であって、該矩形状の共振面の幅は５００μｍ以下、好ましくは４００μｍ以下とする。前記レーザ素子を矩形状にチップ化した後にも窒化物半導体基板には第１の領域と第２の領域とを有する。これによりＦＦＰのリップルを抑制することができる。

また、窒化物半導体基板の第２の主面側に予め凹部溝を劈開補助溝として形成すれば、容易にバー状に劈開することができる。

ここで劈開により形成された共振面に反射ミラーを形成することもできる。反射ミラーはＳｉＯ_２やＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５等から成る誘電体多層膜である。前記劈開によって形成された共振面であれば、反射ミラーを再現性よく形成することができる。

更にバー状となった窒化物半導体基板を電極のストライプ方向に平行に分割して窒化物半導体レーザ素子をチップ化する。以上より、得られる窒化物半導体レーザ素子はＦＦＰのリップルを抑制した長寿命等の特性を有する。

［第３の実施形態］
本実施形態ではｐ電極とｎ電極とが対向電極構造となる窒化物半導体レーザ素子を形成する。
前記第２の実施形態と同様に窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を積層した後、ストライプ状のリッジ導波路を形成する（図２）。その後、埋め込み膜をリッジの両サイドに形成する。前記埋め込み膜の材料はＳｉＯ_２、その他にＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ等の酸化物である。その後、リッジ最表面であるｐ側コンタクト層及び埋め込み膜の上にｐ電極を形成する。ｐ電極は例えばＮｉ／Ａｕ／Ｐｔ、Ｎｉ／Ａｕ等である。また、上記のような幅の狭いストライプを形成した後、側面に保護膜を形成する。その後、ｐ電極２３０の上にｐパッド電極を形成する。

次に、前記窒化物半導体基板１０１の第２の主面にｎ電極をＣＶＤやスパッタ、蒸着等で形成する。ｎ電極の膜厚としては１００００Å以下、好ましくは６０００Å以下とする。ｎ電極を多層構造とする場合には、具体的には第１の層をＶ、又はＴｉ、Ｍｏ、Ｗ等とする。ここで第１の層の膜厚は５００Å以下とする。また第１の層をＷとすれば３００Å以下とすることが良好なオーミック特性を得ることができ好ましい。第１の層をＶとすれば耐熱性が向上するため好ましい。ここで、Ｖの膜厚は５０Å以上３００Å以下、好ましくは７０Å以上２００Åとすることで良好なオーミック特性を得ることができる。

前記ｎ電極がＴｉ／Ａｌであれば膜厚は１００００Å以下であって、例えば膜厚は１００Å／５０００Åとなる。またｎ電極としては窒化物半導体基板の第２の主面側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの順に積層すれば膜厚は６０Å／１０００Å／３０００Åである。その他のｎ電極としては窒化物半導体基板の第２の主面側からＴｉ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕとすれば、例えばＴｉ（６０Å）／Ｍｏ（５００Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（２１００Å）となる。ｎ電極がＴｉ／Ｈｆ／Ｐｔ／Ａｕであれば、例えばＴｉ（６０Å）／Ｈｆ（６０Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（３０００Å）となり、Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕであれば、Ｔｉ（６０Å）／Ｍｏ（５００Å）／Ｔｉ（５００Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（２１００Å）の順に積層することができる。またはＷ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ等であれば上記特性を示す。その他のｎ電極としては、窒化物半導体基板の第２の主面側からＨｆ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｗ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ等がある。またｎ電極を形成した後、３００℃以上でアニールしてもよい。

前記ｎ電極は、矩形状に形成される。ｎ電極は前記第２の主面側に、後工程である窒化物半導体基板をバー化するためのスクライブ工程においてスクライブラインとなる領域を除く範囲にパターン形成される。更にメタライズ電極（省略可能）もｎ電極と同様のパターン形状でｎ電極上に形成されると、スクライブし易くなり劈開性が向上する。メタライズ電極としてはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｎ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｉ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｇｅ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｉ、Ａｕ／Ｇｅ等を用いることができる。

また、前記窒化物半導体基板の第２の主面には段差を形成してもよい。これにより（０００−１）面以外の傾斜面を露出することができる。例えば（０００−１）面以外の面を意味する面指数等は一面に指定されず、（１０−１５）、（１０−１４）、（１１−２４）面等である。（０００−１）面以外の傾斜面は、ｎ極性を示す面における表面積の０.５％以上であることが好ましい。より好ましくは１％以上２０％以下である。前記０.５％未満であれば、接触抵抗が高くなりオーミック特性を示さない。

まず（０００−１）面にＲＩＥ等のドライエッチングで凹凸段差を形成する。ここで、段差とは界面段差が０．１μｍ以上であって、段差形状はテーパー形状や逆テーパー形状である。また、前記段差の平面形状のパターンはストライプ状、格子状、島状、円状や多角形状、矩形状、くし形状、メッシュ形状から選ばれる凸部及び／又は凹部を有する。例えば、円状の凸部を形成すれば、該円状凸部の直径幅は５μｍ以上とする。また、凹部溝部の幅は少なくとも３μｍ以上の領域を有すると電極の剥がれ等がなくなり好ましい。（０００−１）面以外の傾斜面を露出するには、オフ角を０．２〜９０°の範囲で形成してもよい。前記窒化物半導体基板の第２の主面はｎ電極を形成する面であるため、（０００−１）面、及び（０００−１）面以外の面を有することでオーミック特性を向上させることができる。ここで得られる窒化物半導体レーザ素子は、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子とする事ができる。

前記窒化物半導体レーザ素子はｎ電極を形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向であって、窒化物半導体基板のＭ面（１１−００）で第２の主面側からスクライブによりバー状に分割する。スクライブ方法には、ブレードブレイク、ローラーブレイク、又はプレスブレイク等がある。前記ｎ電極は、窒化物半導体基板の第２の主面に部分的、又は全面に形成されていればよく、前記第１の主面における第１の領域及び第２の領域の下に形成されていても構わない。

窒化物半導体レーザ素子をチップ化した後の形状は矩形状であって、該矩形状の共振面の幅は５００μｍ以下、好ましくは４００μｍ以下とする。

ここで共振面に反射ミラーを形成することもできる。更にバー状のウェハーを電極のストライプ方向に平行に分割して窒化物半導体レーザ素子をチップ化する。この窒化物半導体レーザ素子のストライプ状のリッジ導波路は第１の領域ａ上に形成する場合（図２）と、第２の領域ｂ上に形成する場合（図３）がある。窒化物半導体基板の第１の領域上にストライプ状のリッジ導波路を有する場合には、複数のリッジ導波路を有する窒化物半導体レーザ素子やワイドリッジ導波路を有する窒化物半導体レーザ素子に用いることが好ましい。第１の領域は５０μｍ以上の広範囲において不純物濃度が均一だからである。一方、窒化物半導体基板の第２の領域上にストライプ状のリッジ導波路を有する場合には、レーザ光のＦＦＰをよりガウシアン形状とすることができる。

［第４の実施形態］
本実施形態では窒化物半導体層のリッジ側をヒートシンクへの実装面とする（図４）。その他の構成は実施形態３と同様とする。ｐパッド電極の上に、ワイヤーではなく、外部電極等と接続させるためのメタライズ層（バンプ）を形成したフェイスダウン構造とする。ここで、ｐパッド電極をメタライズ層と併用してもよい。メタライズ層（図示されていない）としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｚｎ等の材料から成る。前記窒化物半導体基板を用いることでフェイスダウン構造の窒化物半導体素子を再現性よく提供することができる。また本実施形態の構造であれば、放熱性がよく信頼性が向上する。

［その他の実施形態］
上記に示した実施形態の他の窒化物半導体レーザ素子の構造としては、ｐ側コンタクト上にのみｐ電極を形成したものがある（図５）。この構造であれば、埋め込み層とｐ電極が密着していないため、埋め込み層とｐ電極との界面で電極が剥がれることがなくなる。

また、ストライプ状のリッジ導波路をした窒化物半導体レーザ素子とは構造が異なる窒化物半導体レーザ素子としては、電流狭窄層を有するレーザ素子がある（図６）。該電流狭窄層とは、選択的に電流を流す機能を有する層である。具体的な組成としてはＡｌＮである。電流狭窄層は活性層とｐ側コンタクト層との間にあればよく、好ましくはｐガイド層に形成されている。電流狭窄層同士の間隔は０．５μｍ〜３μｍである。電流狭窄層の膜厚は１００Å〜１μｍである。

また、本発明の実施はＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。

［実施例］
以下の本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子の実施例を示す。しかし本発明はこれに限定されない。
［実施例１］

サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の異種基板を用いて、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２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる下地層を４μｍの膜厚で成長させる。この下地層は保護膜を部分的に表面に形成して、次に窒化物半導体基板の選択成長を行うための下地層として作用する。

下地層の成長後、ウェハーを反応容器から取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０〜３００μｍ、ストライプ間隔（窓部）５〜３００μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成する。

（窒化物半導体基板１０１）
保護膜を形成した後、ウェハーをＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）装置に移送し、原料にＧａメタル、ＨＣｌガス、及びアンモニアを用い、ｎ型不純物として酸素をドーピングしながらＧａＮよりなる窒化物半導体を４００μｍの膜厚で成長させる。このようにＨＶＰＥ法で保護膜の上に窒化物半導体を成長させながら１００μｍ以上のＧａＮ厚膜を成長させると結晶欠陥は二桁以上少なくなる。ここで、異種基板等を研磨、ＣＭＰ又はレーザ照射等により剥離したＧａＮ（４００μｍ）を窒化物半導体基板とする。

ここで該基板には低転位であって、酸素がドープされている第１の領域が存在する。次に第１の主面上にストライプ幅が１００μｍ以下であるストライプ溝を形成する。該ストライプ溝をＭＯＣＶＤ法によってＳｉをドープしたＧａＮによって埋め込み層を成長する。該埋め込み層は第２の領域となる。以上より第１の主面は（０００１）面であって、第１の領域ａのストライプ幅を１００μｍ以上とする。第１の領域ａと第２の領域ｂとはストライプ状に交互に形成されている。光導波路は該第１の領域の上部に形成する。

（ｎ側コンタクト層２０２）
次に、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物半導体基板１の上に、１０５０℃でＳｉを３×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５を４μｍの膜厚で成長させる。なお、このｎ側コンタクト層は窒化物半導体基板にｎ型の不純物がドーピングされていれば省略可能である。

（クラック防止層）
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（図示されていない）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。

（ｎ側クラッド層２０３）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互積層して超格子層を構成し、総膜厚２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層を成長させる。なお、このｎ側クラッド層は単層でも超格子層と単層をあわせた構造でもよい。

（ｎ側光ガイド層２０４）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層を０．１７μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層にｎ型不純物をドープしても良い。

（活性層２０５）
次に、温度を８００℃にして、ＳｉドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを２回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚３８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。

（ｐ側キャップ層２０６）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層１１よりもバンドギャップエネルギーが大きい、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層を３００オングストロームの膜厚で成長させる。該ｐ側キャップ層は省略可能である。

（ｐ側光ガイド層２０７）
続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１０よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層を０．１４μｍの膜厚で成長させる。

（ｐ側クラッド層２０８）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止め、アンドープＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層を成長させる。

（ｐ側コンタクト層２０９）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層の上に、Ｍｇを１×１０20^２０／cm3³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。

以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェハーを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ₂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ＳｉＣｌ₄ガスによりエッチングする。以上よりリッジ形状のストライプを形成する。ここで、ストライプ状のリッジ導波路は前記第１の領域ａの上部に形成する。次に、リッジ形状のストライプをＺｒＯ_２から成る埋め込み層２２０で保護する。

次に、ｐ側コンタクト層及び埋め込み層の上の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２３０を形成する。ｐ電極を形成した後、Ｓｉ酸化膜（ＳｉＯ₂）からなる保護膜２４０をｐ電極の上に０．５μｍの膜厚で、スパッタリング成膜により形成する。

次に、保護膜で覆われていない露出しているｐ電極２０上に連続して、Ｔｉ（１０００オングストローム）／Ａｕ（８０００オングストローム）で形成し、ｐパッド電極２５０を形成する。

ｐパッド電極を形成した後、窒化物半導体基板の第２の主面にはＶ／Ｐｔ／Ａｕよりなるｎ電極２１０を形成する。

以上のようにして、ｎ電極とｐ電極及びｐパッド電極とを形成したウェハー状の窒化物半導体基板の第２の主面側に凹部溝を形成する。該凹部溝は深さを１０μｍとする。また共振面と平行方向に５０μｍ、垂直方向に１５μｍの幅とする。次に、前記凹部溝を劈開補助線として窒化物半導体基板のｎ電極の形成面側からバー状に劈開し、劈開面（１１−００面、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）を共振面とする。
次に共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーをチップ化することで窒化物半導体レーザ素子（図２）とする。なお共振器長は３００〜１０００μｍとする。ここで窒化物半導体レーザ素子の共振面側の左右の角には凹部溝を有する。該凹部溝は深さを１０μｍであって、共振面と平行方向に３０μｍ、垂直方向に１０μｍの幅である。

このレーザ素子をヒートシンクに設置し、ｐ電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、閾値電流密度２．９ｋＡ／cm²において室温で良好な連続発振を示す。更に、共振面を劈開により形成しても、劈開傷がなく、光出力がＣＷ１２０ｍＷ、動作温度が７０℃の状態で寿命が１万時間と、特に寿命特性の良いレーザ素子を再現性良く製造することができる（図８）。

［実施例２］
実施例１において、窒化物半導体基板１０１を作製する際にＨＶＰＥ装置において原料にシランガスを加え、ケイ素（Ｓｉ）又は酸素（Ｏ）を１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなる窒化物半導体基板を５００μｍの膜厚で成長させる。なおＳｉ濃度は１×１０¹⁷／cm³〜５×１０¹⁹／cm³の範囲とすることが望ましい。窒化物半導体基板の成長後、実施例１と同様にしてサファイア基板、バッファ層等をレーザ照射又は研磨により除去し、窒化物半導体基板１０１とする。その他は同様の条件で窒化物半導体レーザ素子を形成することで効率良く実施例１と同等の特性を有するレーザ素子が得られる。

本発明の窒化物半導体基板は、レーザ素子や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子、又は太陽電池や光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ等の電子デバイスに利用することができる。また本発明の窒化物半導体レーザ素子は、全てのデバイス、例えば、光ディスク、光通信システム、又は印刷機、測定器等に利用することができる。

本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である 本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体基板の模式的断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の寿命試験の測定結果である。

符号の説明

１０１・・・窒化物半導体基板
２０１・・・下地層
２１０・・・ｎ電極
２２０・・・埋め込み層
２３０・・・ｐ電極
２５０・・・ｐパッド電極
２６０・・・ｎパッド電極

Claims (23)

1. 第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板において、
   前記窒化物半導体基板の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有することを特徴とする窒化物半導体基板。
2. 前記第１の領域と第２の領域とは、交互にストライプ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
3. 前記第１の領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体基板。
4. 前記第２の領域に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
5. 前記第２の領域には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有していることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体基板。
6. 第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には、ｎ型不純物を含有している第１の領域と、前記第１の領域とは異なるｎ型不純物を含有している第２の領域とを有し、少なくとも前記第１の領域又は第２の領域の上部に光導波路を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
7. 前記第１の領域と第２の領域とは、交互にストライプ形成されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
8. 前記第１の領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることを特徴とする請求項６又は７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
9. 前記第２の領域に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
10. 前記第２の領域には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有してい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. 前記光導波路は、前記第１の領域及び第２の領域の上部にあることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
12. 前記窒化物半導体基板における第２の主面には電極を有することを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体レーザ素子。
13. 第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には凹凸部を有し、該凹部を埋め込み層で被覆しており、前記凹部領域の埋め込み層と凸部領域とは異なるｎ型不純物を含有しており、且つ前記凹部領域又は凸部領域の上部に光導波路を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
14. 前記凹部領域の埋め込み層は凸部領域よりもｎ型不純物の濃度が高いことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
15. 前記凹部領域である埋め込み層と凸部領域とは、交互にストライプ形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
16. 前記凸部領域に含有されているｎ型不純物は、酸素であることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
17. 前記凹部領域である埋め込み層のストライプ幅は、１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
18. 前記凹部領域である埋め込み層の深さは、０．２μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
19. 前記凹部領域である埋め込み層に含有されているｎ型不純物は、ケイ素、又は亜鉛であることを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ素子。
20. 前記凹部領域である埋め込み層には前記ｎ型不純物の他に、酸素を含有していることを特徴とする請求項１９に記載の窒化物半導体レーザ素子。
21. 前記光導波路は、前記第１の領域及び第２の領域の上部にあることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
22. 前記窒化物半導体基板における第２の主面には電極を有することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体レーザ素子。
23. 第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の第１の主面上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層にストライプ状のリッジ導波路とを備えた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の第１の主面には、光吸収作用を有する第１の領域と、前記第１の領域よりも転位が少ない第２の領域とを有し、少なくとも前記第１の領域又は第２の領域の上部に光導波路を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
    
    

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