JP2006190980A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の目的は、窒化物半導体基板上に窒化物半導体発光素子構造を有する層を積層する際に生じる、層厚の不均一性、表面の平坦性欠如を、クラックを抑制しつつこれらを改善することである。
【解決手段】本発明にかかる窒化物半導体発光素子の製造方法においては、まず、ストライプ状の溝部１７が形成された窒化物半導体基板を用意する。溝部１７に、基板表面に対して５３．５度以上６３．４度以下の傾きを有する結晶面１６ができるように、溝部１７の側壁を含む窒化物半導体基板１０上に、窒化物半導体からなる下地層２１を形成する。下地層２１の上に、Ａｌを含む下部クラッド層と、活性層と、Ａｌを含む上部クラッド層からなる発光素子構造１１を形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものであり、より特定的には、クラックの発生を防ぎ、かつ高い歩留まりで窒化物半導体、窒化物半導体レーザ素子を得ることができるように改良された窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。本発明はまた、そのような方法によって得られた窒化物半導体発光素子に関する。
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作製されている。基板には、ＧａＮ基板が用いられることが多く、各研究機関において精力的に研究されている。現在、半導体レーザ素子の歩留まり（たとえば１ウエハーから何個良品が得られるかの割合）は、非常に低く、コストダウン等のためにも改善の必要性が高い。この歩留まりを落としている原因の一つとして、クラックの発生が挙げられる。
このクラックの発生を低減する技術として、図６に示すような加工基板を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６（Ａ）を参照して、加工基板６１（窒化物半導体基板）は、基板表面にストライプ状に加工された凹部である溝１７を含む。ストライプ状に加工された凸部である丘１８に窒化物半導体からなる発光素子が形成される。このような加工基板６１を用いることにより、半導体膜成長後の表面に窪みを含ませることができ、発光素子中のクラック発生を抑制できることが見出されている。
また、図６（Ｂ）に示されているように、異種基板６２（サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板またはＧａＡｓ基板など）と、異種基板６２の上にバッファ層６３（窒化物半導体層（低温または高温））を介して形成された窒化物半導体層６４とを備え、窒化物半導体層６４の表面にストライプ状に溝１７が形成された加工基板を用いても、クラックを低減できる事が見出されている。なお、ストライプ状に加工された凸部である丘１８に窒化物半導体からなる発光素子が形成される。
特開２００２−２４６６９８号
しかしながら、上述の加工基板を用い、その基板上に窒化物化合物半導体をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着）法等で成長させ、半導体レーザ素子を作製した場合、クラックの発生は防止されたものの、大きな歩留まりの向上は得られなかった。
歩留まりが大きく改善しなかった原因について、本発明者は鋭意研究を行い、解析した。その結果、図７に示されているように、溝部の側面（溝部１７と丘部１８とが互いに接する部分）から丘部１８にかけて積層された窒化物半導体層（図７の１３０付近の窒化物半導体層）は、うねりのような表面モフォロジー１４０を持つと共に、丘部１８の中央部に比べて非常に厚く成長することがわかった（以後、異常成長と呼ぶ）。しかも、このような異常成長によって生じる、異常成長部分１３０の大きさあるいはその厚みは、隣接する溝部１７ごとに異なることはもちろんのこと、同じ溝部１７であってもストライプに沿って異なっていた。このように異常成長部分１３０が溝部１７ごとに一様に形成されないと、溝部１７の渕付近にうねりのような表面モフォロジー１４０の形成が助長され、これが、丘部１８の中央近傍での窒化物半導体層の層厚の均一化と平坦性を損なわせることがわかった。このような現象が生じたのは、ドライエッチングあるいはウエットエッチングで窒化物半導体基板上に溝部１７を形成する際、その溝部１７の側面のエッジ部分が一様にならずに、まちまちな形状をとるためではないかと考えられる。
このように、窒化物化合物半導体上に窪み（溝部）を残すと、その窪みが原因で膜の平坦性が悪化する。この平坦性の悪化が、素子における各層厚のばらつきをもたらし、チップごとの特性が揺らいで、歩留まりが低下したものと考えられる。つまり、歩留まりの向上には、クラック発生の低減はもちろんのこと、クラック発生を低減しかつ、膜の平坦性を向上させる必要がある。
それゆえに、本発明は、クラックの発生を防止し、かつ平坦性の高い窒化物半導体化合物膜を作製することができるように改良された窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、高い歩留まりで半導体レーザ素子を得ることができるように改良された窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができるように改良された窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、そのような方法によって得られた窒化物半導体発光素子を提供することにある。
本発明にかかる窒化物半導体発光素子の製造方法においては、まずストライプ状の溝部が形成された窒化物半導体基板を用意する。上記溝部に、上記基板表面に対して５３．５度以上６３．４度以下の傾きを有する結晶面ができるように、上記溝部の側壁を含む上記窒化物半導体基板上に窒化物半導体からなる下地層を形成する。上記下地層の上に、Ａｌを含む下部クラッド層と、活性層と、Ａｌを含む上部クラッド層を順次形成する。
本発明によれば、上記溝部に、上記基板表面に対して５３．５度以上６３．４度以下の傾きを有する結晶面が形成され、さらにその結晶面が保持されつつ窒化物半導体からなる発光素子構造の層が基板上に形成されるため、溝部と溝部との間の丘部に積層された上記発光素子構造の層の均一性及び平坦性を向上させることができる。そして、上記丘部の領域に形成された上記発光素子構造の層の上方に、レーザ導波構造を作製することにより、窒化物半導体レーザ素子（チップ）毎の特性のバラツキが低減され、窒化物半導体レーザ素子の歩留りが向上する。
本発明の好ましい実施態様によれば、上記下地層のＡｌ組成比が上記下部クラッド層のＡｌ組成比よりも小さい。上記下地層のＡｌ組成比が５％以下であるとさらに好ましい。
下部クラッド層と同等もしくはそれ以上のＡｌ組成比を含む下地層を形成すると、上記溝部の形状がそのまま維持されるような形で下地層が形成される（上記結晶面が形成されない）からであり、また下地層をかなり厚く成長しないと、溝部の側面近傍に前述の結晶面が形成されないからである。このような傾向は下地層に含まれるＡｌ組成比が大きくなるにつれて顕著になることから、下地層に含まれるＡｌ組成比は５％以下であることが好適である。特に、Ａｌを含まないＧａＮからなる下地層を用いると、下地層の積層層厚を薄く且つ容易に上記結晶面を形成することができるため好ましい。
本発明は、上記結晶面が｛１１−２２｝面を含んでいることを特徴とする。
｛１１−２２｝面は安定であって且つ非常に平坦な面であるため、丘部の中央近傍での窒化物半導体層の層厚の均一化を実現することができ、さらに平坦性を損なわせる前述のうねりのような表面モフォロジーの形成を好ましく抑制することができる。
上記下地層を積層して上記結晶面が形成された後、引き続き上記下地層を積層し続けても、その結晶面は保持される。しかしながら、上記下地層の層厚が厚くなるにつれて、溝部内部が窒化物半導体（下地層）で覆われるとともに、溝部の側面近傍に形成されたその結晶面の面積も次第に小さくなり、ついには溝部が完全に埋まって上記結晶面も消滅してしまう。そのため、上記下地層の層厚は、溝部が完全に埋まらない（結晶面が消滅しない）程度の層厚に止める必要があり、好ましくは、上記下地層の層厚は、０．０１μｍ以上２μｍ以下である。
溝部の深さは０．５μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以上８μｍ以下である。溝の深さが０．５μｍ未満であるとき、下地層の成長を始めた後、結晶面が現れるものの、成長の過程で溝部が埋まってしまい、上記結晶面を維持できなくなるため、好ましくない。また溝が深くなるにつれ、表面平坦性が低下してくるため、溝深さＺは８μｍ以下がより好ましい。一方、溝部の深さＺが２０μｍを超えると、窒化物半導体レーザ素子の作製工程において、ウェーハの割れが発生するため好ましくない。このように溝部の深さを選ぶことによって、溝部が窒化物半導体で埋没されるのを防止でき、ひいては、結晶面が消滅してしまうことを防止することができる。
また、上記溝の幅は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。溝の幅が５μｍ未満になると、溝が窒化物半導体（下地層）で埋没され、結晶面が消滅してしまって、窒化物半導体層の平坦性と均一性の向上が望めなくなるためである。また、溝の幅が１００μｍを超えると、１枚のウェーハより得られる窒化物半導体発光素子（チップ）の取り数が少なくなるため好ましくない。
この発明の他の局面に従う窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体基板を備える。上記窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体からなる下地層が設けられている。上記下地層の上に順に、Ａｌを含む下部クラッド層と、活性層と、Ａｌを含む上部クラッド層が設けられている。
窒化物半導体からなる下地層を窒化物半導体基板の上に設けることにより、上述のように、溝部と溝部との間の丘部に積層された上記発光素子構造の層の均一性及び平坦性を向上させることができる。そして、上記丘部の領域に形成された上記発光素子構造の層の上方に、レーザ導波構造を作製することにより、窒化物半導体レーザ素子（チップ）毎の特性のバラツキが低減され、窒化物半導体レーザ素子の歩留りが向上する。
上記下地層のＡｌ組成比は、上記下部クラッド層のＡｌ組成比よりも小さいのが好ましい。より好ましくは、上記下地層のＡｌ組成比は５％以下である。より好ましくは、上記下地層はＧａＮである。
上記下地層の層厚は、０．０１μｍ以上２μｍ以下であるのが好ましい。
本発明を用いることによって、表面平坦性が良好で、クラックが抑制された窒化物半導体成長層を窒化物半導体基板上に作成することができる。このことによって、信頼性の高い窒化物半導体発光素子を高い歩留まりで得ることが出来る。
表面平坦性が良好で、クラックが抑制された窒化物半導体成長層を窒化物半導体基板の上に作製するという目的を、ストライプ状の溝部が形成された窒化物半導体基板を用意し、該溝部に基板表面に対して５３．５度以上６３．４度以下の傾きを有する結晶面ができるように、上記溝部の側壁を含む上記窒化物半導体基板上に窒化物半導体からなる下地層を形成することによって実現した。
まず、本明細書において、いくつかの用語の意味を予め明らかにしておく。
まず、「窒化物半導体基板」とは、窒化物半導体で構成されている基板であればよく、ＡｌaＧａbＩｎcＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１，ａ＋ｂ＋ｃ＝１）基板であってもよい。また、当該ＡｌaＧａbＩｎcＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１，ａ＋ｂ＋ｃ＝１）基板の窒素元素の内、約１０％以下（但し、六方晶系であること）が、Ａｓ，Ｐ，Ｓｂのいずれかの元素に置換されても構わない。
また、窒化物半導体基板中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされてもよい。ｎ型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。窒化物半導体基板の主面方位としては、図１（Ａ）を参照して、Ｃ面｛０００１｝が最も好ましい。また、Ｃ面から２°以内のオフ角度（Ｃ面からの基板表面の傾き）を有する基板主面であれば、その表面モフォロジは良好であり得る。さらにオフ角度が、作製される溝と平行方向を有していれば、溝側面の形状が安定し、表面モフォロジはより良好であり得る。なお、図１（Ｂ）に、六方晶における座標系を示す。本発明で好ましく用いられる窒化物半導体基板は、例えば、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＡｌＧａＮ基板である。
本明細書に記載の「溝部」あるいは「溝」とは、窒化物半導体基板の上面（成長面）に形成されたストライプ状の凹部を意味する。また、「丘部」あるいは「丘」とは、溝と溝との間に形成されたストライプ状の凸部を意味する。尚、溝と丘の断面形状は、必ずしも矩形である必要はなく、例えば、順テーパや逆テーパといった形状であっても構わない。
本明細書に記載の「溝部の側面」とは、溝を掘ることによって溝部と丘部が互いに共有する側面を意味する。
本明細書に記載の「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意味するものとする。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。
尚、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。例えば、｛１１−２２｝面、＜１−１００＞方向の如きである。
以下この発明の実施の形態を図面を用いて説明する。まず、本発明の特徴である下地層を形成するための好ましい条件について説明し、次にこの下地層を含む基板の上に形成された窒化物発光素子について説明する。
１） 下地層の形成について
図２は、下地層を形成する前の窒化物半導体基板の上面図である。面方位も併せて表示する。図２を参照して、窒化物半導体基板１０（例えばｎ型ＧａＮ基板）の表面にストライプ状の溝部１７が形成されている。図３（溝部付近の窒化物半導体基板の断面図）を参照して、溝部１７の側壁を含む窒化物半導体基板１０の上に、窒化物半導体からなる下地層２１が積層されている。この下地層２１を積層することによって、溝部１７の側面近傍に、窒化物半導体基板１０の表面に対して、５３．５度以上６３．５度以下の傾きを有する結晶面１６が形成される。
ここで、図３を用いて本発明に係る結晶面１６の角度の定義を行う。窒化物半導体基板１０の表面に対して５３．５度以上６３．５度以下の傾きを有する結晶面１６とは、窒化物半導体基板１０の法線方向１００（あるいは丘部付近での窒化物半導体からなる発光素子構造の層２１の法線方向１０１）と結晶面の法線方向１１０との間の角度１２０が５３．５度以上６３．５度以下となる結晶面を意味する。このような結晶面１６は非常に安定で、溝部１７の側面近傍に一度形成されると、その他の結晶面へと移行しにくくなる。これは、溝部１７の側面近傍の形状（溝部の渕の形状）が、窒化物半導体基板１０に形成された溝部１７の全領域に渡ってほぼ一様になる（溝部１７の渕が上記結晶面１６で占有される）ことを意味する。
溝部１７の側面近傍の形状が一様になると、後述するように、うねりのような表面モフォロジーが抑制され、丘部の中央近傍での窒化物半導体層の層厚（後述する図４中の窒化物半導体からなる発光素子構造の層１１）の均一化と平坦性が達成されると考えられる。
ストライプ状の溝部１７が形成された窒化物半導体基板１０に形成される窒化物半導体からなる下地層２１のＡｌ組成比は、下部クラッド層のＡｌ組成比よりも小さいことが好ましい。下部クラッド層は発光層からの光を閉じ込めるため、一般にＡｌ組成比を高くする必要がある。ここで、下部クラッド層あるいは上部クラッド層とは具体的には、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮであり、これらのＡｌ組成比は０．０４以上０．１５以下が好ましい。このような下部クラッド層と同等もしくはそれ以上のＡｌ組成比を含む下地層２１を形成すると、溝部１７（ドライエッチング法またはウエットエッチング法によって窒化物半導体基板１０上に形成される）の形状がそのまま維持されるような形で下地層２１が形成される（上記結晶面が形成されない）からであり、あるいは下地層２１をかなり厚く成長しないと、溝部１７の側面近傍に前述の結晶面１６が形成されないからである。このような傾向は下地層２１に含まれるＡｌ組成比が大きくなるにつれて顕著になることから、下地層２１に含まれるＡｌ組成比は５％以下であることが好適である。特に、Ａｌを含まないＧａＮからなる下地層２１を用いると、下地層２１の積層層厚を薄く且つ容易に上記結晶面を形成することができるため好ましい。
結晶面１６は特に｛１１−２２｝面を含む面であることが好ましい。｛１１−２２｝面は安定であって且つ非常に平坦な面であるため、丘部の中央近傍での窒化物半導体層の層厚の均一化を実現することができ、さらに平坦性を損なわせる前述のうねりのような表面モフォロジー１４０（図７参照）の形成を好ましく抑制することができる。
下地層２１を積層して上記結晶面１６が形成された後、引き続き下地層を積層し続けてもその結晶面は保持される。しかしながら、下地層２１の層厚が厚くなるにつれて、溝部内部が窒化物半導体（下地層）で覆われるとともに、溝部１７の側面近傍に形成されたその結晶面の面積も次第に小さくなり、ついには溝部１７が完全に埋まって上記結晶面も消滅してしまう。そのため、下地層２１の層厚は溝部１７が完全に埋まらない（結晶面が消滅しない）程度の層厚に止める必要があり、好ましくは、下地層２１の層厚は０．０１μｍ以上２μｍ以下である。
溝部１７の深さＺは０．５μｍ以上２０μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以上８μｍ以下である。溝１７の深さＺが０．５μｍ未満であるとき、下地層２１の成長を始めた後、結晶面１６が現れるものの、成長の過程で溝部１７が埋まってしまい、上記結晶面１６を維持できなくなるため好ましくない。また溝が深くなるにつれ、表面平坦性が低下してくるため、溝深さＺは８μｍ以下がより好ましい。一方、溝部１７の深さＺが２０μｍを超えると、窒化物半導体レーザ素子の作製工程において、ウェーハの割れが発生するため好ましくない。溝部１７の深さＺを上述のように選ぶことによって、溝部１７が窒化物半導体（後述する図４の、参照番号２１と１１で示す部分）で埋没されるのを防止し、ひいては結晶面が消滅してしまうことを防止することができる。
また、溝部１７の幅は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。溝部１７の幅が５μｍ未満になると、溝部が窒化物半導体（下地層）で埋没され、結晶面が消滅してしまって、窒化物半導体層の平坦性と均一性の向上が望めなくなるためである。また、溝部の幅が１００μｍを超えると、１枚のウェーハより得られる窒化物半導体発光素子（チップ）の取り数が少なくなるため好ましくない。
２）窒化物発光素子の形成
窒化物発光素子の一例として窒化物半導体レーザ素子について説明する。図４は本実施形態における窒化物半導体レーザ素子が設けられたバーの一部の概略断面図である。本実施形態では、窒化物半導体基板１０として、Ｃ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板が用いられる。ｎ型ＧａＮ基板（窒化物半導体基板１０）に、〈１−１００〉方向と平行な方向に溝部１７、丘部１８が形成されている。溝部と丘部の断面形状は矩形とする。図５は図４の丘部付近の概略断面図であり、窒化物半導体からなる発光素子構造の層１１の構成を示している。図４における窒化物半導体からなる発光素子構造の層１１は、図５中の参照番号２２〜３０で示す窒化物半導体層に該当する。
次に、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明する。まず、図３および図４を参照して、ストライプ状の溝部１７を有するｎ型ＧａＮ基板１０を作製する。詳しく説明すると、ｎ型ＧａＮ基板１０の上面に、ＳｉＯ2又はＳｉＮx等を蒸着する（図示せず）。尚、本実施形態ではＳｉＯ2を用いるが、これに限定されるものではなく、他の誘電体膜等でも構わない。次に、このＳｉＯ2膜上に、レジスト材を塗布し通常のリソグラフィ技術を用いて、ストライプ形状のレジストマスクパターンを〈１−１００〉方向に形成する（図示せず）。次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術等を用い、ＳｉＯ2およびｎ型ＧａＮ基板１０の上面をエッチングすることで、溝部１７を形成する。その後、ＨＦ（フッ酸）などのエッチャントを用いて、ＳｉＯ2を除去することにより、〈１−１００〉方向に平行なストライプ状の溝部１７が形成されたｎ型ＧａＮ基板１０が作製される。本実施の形態では、溝部１７の幅を５μｍ、丘部１８の幅を３９５μｍ、溝部１７の深さＺを５μｍとした。
尚、本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０の上面をエッチングして溝部１７を形成するのに、ＲＩＥ技術を用いたが、この方法に限定されるものではなく、ウエットエッチング技術等を用いても構わない。また、溝部１７（あるいは丘部１８）の断面形状は矩形であっても構わないし、溝部１７の開口部の幅が底面部の幅より広い順テーパ形状や、逆に、溝部１７の開口部の幅が底面部より狭い逆テーパ形状などであっても構わない。
次に上記１）で述べた条件に従う処理をして、基板１０の上に下地層（例えば、ｎ型ＧａＮ下地層）２１を形成する。下地層２１が形成された基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法などを用い、窒化物半導体レーザ素子を作製する。
図５に示すように、窒化物半導体素レーザ素子は、ｎ型ＧａＮ基板１０、層厚０．２μｍの窒化物半導体からなる下地層２１、ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層（１．５μｍ）２２、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層（０．２μｍ）２３、ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層（０．１μｍ）２４、ｎ型ＧａＮガイド層（０．１μｍ）２５、層厚８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層が４層および層厚４ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層が３層から成る多重量子井戸構造活性層２６、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層２７、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２８、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２９、層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０を含んでいる。
ここで、本実施の形態における下部クラッド層とはｎ型クラッド層であり、具体的には図５の、参照番号２２から２４で示すクラッド層である。また、本実施の形態における上部クラッド層とはｐ型クラッド層であり、具体的には図５中の参照番号２９で示すクラッド層である。
次に、図４に示されているように、窒化物半導体からなる発光素子構造の層１１の表面に、電流狭窄部としてリッジストライプ部１２と、リッジストライプ部１２を挟むように設置されて電流狭窄を目的とした絶縁膜１３（例えばＳｉＯ2）が形成される。
リッジストライプ部１２は、通常、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、発光素子構造の層１１の最表面（ｐ型ＧａＮコンタクト層３０）より、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２９の途中までストライプ形状を残してエッチングを実施することで形成される。尚、ストライプの幅は１〜３μｍ、好ましくは１．３〜２μｍである。また、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２８とｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２９の界面からエッチング底面までの距離は、０．１〜０．４μｍとする。また、絶縁膜１３はＳｉＯ2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又は窒化物を用いることができる。
次に、エッチングされずに残ったストライプ形状のｐ型ＧａＮコンタクト層３０の露出部分と絶縁膜１３上にＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序でｐ電極１４が形成される。ｐ電極１４には上記以外に、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ等を用いることができる。
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面側から、研磨もしくはエッチングすることにより、ウェハの厚みを８０〜２００μｍ程度まで薄くする。
その後、ｎ電極１５としてｎ型ＧａＮ基板１０の裏面側に、ｎ型ＧａＮ基板１０に近い側から、Ｈｆ／Ａｌを形成する。尚、ｎ電極１５に用いる材料は、これに限定されるものではなく、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｈｆ／Ｍｏ／Ａｕ、などを用いることもできる。また、これらの材料で、ＨｆをＴｉ、またはＺｒに置き換えた電極材料を用いても構わない。
また、ｎ電極１５は図４のように、窒化物半導体レーザ素子ごとに、ｎ電極１５を形成しても構わないし、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面（あるいはウェーハの裏面）の全面にｎ電極１５を形成しても構わない。
このようにしてリッジストライプ部１２、ｐ電極１４及びｎ電極１５が形成された後、リッジストライプ部１２が形成された〈１−１００〉方向（図４参照）に対して垂直方向にウェーハが劈開され、共振器端面を形成する。本実施の形態では、共振器長６００μｍの導波型ファブリ・ペロー共振器が作製された。尚、共振器長は、６００μｍに限定されるものではなく、３００μｍから１０００μｍの範囲であれば良い。
上述のように、ウェーハを劈開し共振器端面を形成する工程によって、バー形状にする。バーには、図４に示されるような窒化物半導体レーザ構造が、多数、横に連なって形成されている。形成された共振器端面は、窒化物半導体結晶の｛１−１００｝面に相当する。劈開は、ウェーハの裏面全面にダイヤモンドカッタによって罫書き線がつけられ、ウェーハに適宜力を加えられ、実施される。また、ウェーハの一部、例えばウェーハのエッジ部分にのみにダイヤモンドカッタによって罫書きが入れられ、これを起点に劈開しても構わないし、エッチングによって形成しても構わない。
リッジストライプ部１２の作製される位置は、丘部１８の表面で平坦な領域であれば、特に限定されず、丘部の端から２０μｍ以上離れた位置であればより好ましい。本実施の形態では、丘部１８の中央にリッジストライプ部１２が作製された。
このように、導波型ファブリ・ペロー共振器の前後に二つの共振器端面を形成した後、当該共振器端面の両面に、反射率７０％のＳｉＯ2及びＴｉＯ2から成る誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成する。なお、形成された二つの共振器端面のうち、一つはレーザ出射面とし、例えば、当該共振器端面に形成される誘電体多層反射膜の反射率を５％とする。また、他方の共振器端面はレーザ反射面とし、例えば、当該共振器端面に形成される誘電体多層反射膜の反射率を９５％とする。尚、反射率については、これらに限定されるものではない。また、誘電体膜材料としては、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2に限定されるものではなく、例えば、ＳｉＯ2／Ａｌ2Ｏ3などを用いても構わない。
次に、窒化物半導体レーザ素子が、多数、横に連なって形成されているバーを、リッジストライプ部１２に平行な方向に沿って分割することで、個々の窒化物半導体レーザ素子（チップ）を得る。このとき、ウェーハの裏面側を上にして、ステージ上に、得られたバーを置き、光学顕微鏡を用いて、キズ入れ位置をアライメントし、バーの裏面にダイヤモンドカッタで罫書き線を入れる。そして、バーに適宜力を加え、罫書き線に沿ってバーを分割することで、窒化物半導体レーザ素子（チップ）を作製する。本方法はスクライビング法と言われるものである。
チップ分割工程は、上記のスクライビング法以外に、例えば、ワイヤーソーもしくは薄板ブレードを用いてキズ入れ、もしくは切断を行うダイシング法、エキシマレーザ等のレーザ光の照射加熱とその後の急冷により照射部に生じさせたクラックをスクライブラインとするレーザスクライブ法、高エネルギー密度のレーザ光を照射し、蒸発させることで溝入れ加工を行うレーザアブレーション法等を用いても構わない。
上述したチップ分割工程により、図４に示されるような、丘部１８上に形成された窒化物半導体レーザ素子が個々のチップに分割される。分割された個々の窒化物半導体レーザ素子の横幅は４００μｍとする。本実施の形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０に、４００μｍ周期で溝部１７と丘部１８が形成され、図４のように溝部１７の中央付近で、分割ライン４１に沿って劈開された。尚、本実施の形態では、溝部１７で分割が行われたが、溝部１７を含まないように丘部１８上のみで分割を行い、溝部１７を含まない窒化物半導体レーザ素子としても構わない。尚、分割ライン４１の位置は、これらに限定されるものではないが、リッジストライプ部１２から少なくとも２０μｍ以上離れた位置であることが好ましい。
上述のような方法で作製された本実施の形態のウェーハを〈１１−２０〉方向に壁開し、ウェーハの断面をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）で観察を行ったところ、基板上に形成された溝部１７は、下地層２１や発光素子構造の層１１により完全に埋め込まれずに窪みとなっていた。この窪みには、溝部の側面近傍に形成された結晶面が存在し、その結晶面は[１１−２２]面であった。また、上述したように溝１７と丘１８の形成されたn型ＧａＮ基板１０上に、下地層２１を積層して結晶面１６を形成した後、窒化物半導体からなる発光素子構造の層１１が積層されると、丘部中央近傍での表面の平坦性が良好で、窒化物半導体からなる発光素子構造の層１１の層厚が均一に成長していた。
上記ウェーハ（窒化物半導体レーザ素子）内におけるクラックを測定したところ、面積１ｃｍ2当たりの中のクラック数は、溝深さＺが０．５μｍ以上８μｍ以下では０〜１本であった。溝深さＺが０．５μｍ未満の場合、Ｚが小さくなるほどクラックの本数は増える傾向が見られた。これは、成長過程ですぐに溝が埋まって結晶面を維持できなくなるためである。また、溝深さＺが８μｍより大きくなっても、クラック数は０〜１本と変わらないが、表面平坦性が低下してくる。ちなみに、従来技術による窒化物半導体レーザ素子では、面積１ｃｍ2当たりの中に３〜６本のクラックが発生し、表面の平坦性も好ましくなく、発光素子構造の層１１の層厚が不均一であった。このように本発明を用いることによって、クラックが抑制され、且つ、発光素子構造の層１１の表面平坦性と層厚の均一化が図れ、歩留りを向上させることができた。
本実施の形態では、下地層としてｎ型ＧａＮ下地層が用いられたが、上記１）で述べたようなＡｌ組成比を有するＡｌＧａＮの下地層であっても構わない。ｎ型のドーパントとしてはＳｉが好ましく用いられ、Ｓｉ濃度は、５×１０17ｃｍ3以上８×１０18ｃｍ3以下が好ましい。
本実施形態における多重量子井戸構造活性層２６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構わない。また、井戸層の層数は、上述した３層に限定されるものではなく、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ので構わない。特に、井戸層の層数は、２層以上６層以下のとき閾値電流密度が低くなるため好ましい。また、多重量子井戸構造活性層２６にＡｌを含有させても構わない。
本実施の形態では、ファブリ・ペロー共振器を備えるものとしたが、この方式に限定されるものではなく、グレーティングを電流注入領域の内側に設けた分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザ、またはグレーティングを電流注入領域の外側に設けた分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）レーザ等、他の帰還方式を用いた窒化物半導体レーザでも構わない。
今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明を用いることによって、窒化物半導体発光素子のクラックの低減と、表面平坦性の向上および層厚の均一化が図れ、窒化物半導体発光素子の歩留りを向上させることができる。本発明に係る窒化物半導体発光素子とは、例えば、窒化物半導体レーザダイオード、窒化物半導体発光ダイオードなどである。また、例えば、光ディスク装置の光ピックアップに搭載される青色半導体レーザにも好適である。
（Ａ）は、六方晶におけるＣ面を示す図であり、図１（Ｂ）は六方晶における座標系を示す図である。 下地層を形成する前の窒化物半導体基板の上面図である。 下地層を形成した窒化物半導体基板の断面図である。 本実施形態における窒化物半導体レーザ素子が設けられたバーの一部の概略断面図である。 図４の丘部付近の概略断面図である。 従来の加工基板の断面図である。 従来の加工基板を用いた場合の問題点を示す図である。
符号の説明
１０ 窒化物半導体基板
１１ 窒化物半導体からなる発光素子構造の層
１２ リッジストライプ部
１３ 絶縁膜
１４ ｐ電極
１５ ｎ電極
１６ 結晶面
１７ 溝部（溝）
１８ 丘部（丘）
２１ 窒化物半導体からなる下地層
２２ ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第１クラッド層
２３ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ第２クラッド層
２４ ｎ型Ａｌ0.062Ｇａ0.938Ｎ第３クラッド層
２５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２６ 多重量子井戸構造活性層
２７ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
２８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
３０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１ 分割ライン
１００ 窒化物半導体基板の法線方向
１０１ 下地層の法線方向
１１０ 結晶面の法線方向
１２０ 窒化物半導体基板もしくは下地層と結晶面との間の角度
１３０ 異常成長の部分
１４０ うねりのような表面モフォロジーを表す。

Claims (13)

  1. ストライプ状の溝部が形成された窒化物半導体基板を用意する工程と、
    前記溝部に、前記基板表面に対して５３．５度以上６３．４度以下の傾きを有する結晶面ができるように、前記溝部の側壁を含む前記窒化物半導体基板上に、窒化物半導体からなる下地層を形成する工程と、
    前記下地層の上に、Ａｌを含む下部クラッド層と、活性層と、Ａｌを含む上部クラッド層を順次形成する工程とを具備することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
  2. 前記下地層のＡｌ組成比は、前記下部クラッド層のＡｌ組成比よりも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発光素子の製造方法。
  3. 前記下地層のＡｌ組成比は５％以下であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  4. 前記下地層はＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記結晶面が｛１１−２２｝面を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記下地層の層厚は、０．０１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記溝部の深さは、０．５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記溝部の幅が５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  9. 窒化物半導体基板と、
    前記窒化物半導体基板の上に設けられ、窒化物半導体からなる下地層と、
    前記下地層の上に順に設けられた、Ａｌを含む下部クラッド層と、活性層と、Ａｌを含む上部クラッド層とを備えた窒化物半導体発光素子。
  10. 前記下地層のＡｌ組成比は、前記下部クラッド層のＡｌ組成比よりも小さいことを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。
  11. 前記下地層のＡｌ組成比は５％以下であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。
  12. 前記下地層はＧａＮであることを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体発光素子。
  13. 前記下地層の層厚は、０．０１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体発光素子。

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