JP2009065048A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

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】製造工程が簡単で、かつ、利得を向上できる半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】レーザユニット２は、非極性面であるｍ面を主面とする基板１上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて構成されている。レーザユニット２は、ｃ面に平行な一対の共振器端面６Ａ，６Ｂを備えた光共振器６と、一方の共振器端面６Ａに対向し、基板主面の法線に対して傾斜した反射用ファセット面７Ａを有する反射部７とを備えている。光共振器６からは基板主面に平行な方向にレーザ光３が出射される。このレーザ光３が、反射用ファセット面７Ａに向けて放射される。反射用ファセット面７Ａに形成された反射膜１０で反射された後の光は、基板主面と交差する方向へと導かれる。
【選択図】図２

Description

この発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子およびその製造方法に関する。III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体であり、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
半導体基板の主面から垂直に光を放射する半導体レーザは、面発光レーザと呼ばれる。一般的な面発光レーザは、半導体薄膜の上下に反射鏡を配置して共振器が構成され、共振器方向が半導体基板の主面の法線方向に平行となっている。
しかし、このような構成の面発光レーザでは、共振器長が短く、かつ、共振器長の制御も困難であり、光増幅が不充分であるという問題がある。
一方、非特許文献１に示されたレーザダイオードは、基板主面に平行な共振器（cavity）と、共振器から出射されるレーザ光を基板主面から離れる方向に反射する反射鏡とを備えている。この構成であれば、共振器長の制御が容易であるので、面発光レーザにおける前述の問題を解決できる。
非特許文献１に示されたレーザダイオードの製造工程は、ｃ面を主面とするＳｉＣ基板上にIII族窒化物半導体層からなるレーザダイオード構造を形成する工程と、ドライエッチングによって、共振器とすべき部分を取り囲むようにトレンチを形成する工程と、トレンチの壁面にＭｇをドープしたＧａＮ層を選択的に再成長させる工程とを含む。内側のトレンチ側壁に成長するＧａＮ層の表面は基板主面に垂直な（１１−２０）面となり、外側のトレンチ側壁に成長するＧａＮ層の表面は基板主面に対して５８度傾斜した（１１−２２）面となる。これにより、トレンチの内側には、一対の（１１−２０）面を共振器端面とする水平共振器が形成され、トレンチの外側には、その共振器端面に対向する（１１−２２）面からなる反射面が形成される。
Tetsuya Akasakaら、「An InGaN-based horizontal-cavity surface-emitting laser diode」、Applied Physics Letters, Volume 84, Number 20、American Institute of Physics、ｐ．４１０４−４１０６
非特許文献１の構成では、前述のとおり、ドライエッチングによってトレンチを形成し、さらに、トレンチの側壁にＭｇをドープしたＧａＮ層を選択再成長させる必要がある。したがって、製造工程が複雑である。しかも、共振器端面付近に形成されるＧａＮ層はレーザ構造を有しておらず、光増幅作用の無い領域であるので、共振器長に見合う利得が得られない。これを補うために共振器長を長くすると、レーザユニットの専有面積が大きくなる。そのため、たとえば、基板上に多数のレーザユニットを集積配置する場合に、基板表面上での集積密度が低くなる。
そこで、この発明の目的は、製造工程が簡単で、かつ、利得を向上できる半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなり、ｃ面に平行な一対の共振器端面を備えた光共振器（共振器方向は成長主面に平行。いわゆる水平共振器）と、非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなり、前記一対の共振器端面の一方に対向し、前記成長主面の法線に対して傾斜した反射用ファセット面を有する反射部とを含む、半導体発光素子である。
この構成によれば、光共振器からはIII族窒化物半導体の成長主面に平行な方向に光が出射され、この光が、反射用ファセット面に向けて放射される。反射用ファセット面は、成長主面の法線に対して傾斜しているので、反射部で反射された後の光は、前記成長主面と交差する方向へと導かれることになる。
光共振器および反射部は、いずれも非極性面（ａ面またはｍ面）を成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。したがって、光共振器の一対の共振器端面をいずれもｃ面に平行とすることができる。そして、反射部の反射用ファセット面は、一方の共振器端面に対向配置された傾斜面となっている。
非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体は、たとえば、ｃ軸に垂直な帯状パターンのマスクを用いた選択成長によって結晶成長させることができる。このとき、マスクの＋ｃ軸側にはｃ面（−ｃ面）が現れ、そのマスクの−ｃ軸側には成長主面およびその法線のいずれに対しても傾斜したファセット面が現れる。そのため、この発明の半導体発光素子は、III族窒化物半導体の結晶成長を行うだけで、追加の再成長工程を行うことなく、一方の共振器端面となるファセット面と反射用ファセット面とを同時に形成することができる。すなわち、前述の先行技術とは異なり、トレンチ壁面への結晶再成長を行う必要がない。したがって、製造工程が簡単になる。
また、光共振器を形成するIII族窒化物半導体を成長させるだけで共振器端面が得られるので、共振器端面部分まで光増幅に寄与する構造の光共振器とすることができる。前述の先行技術では、トレンチ壁面に再成長させられた部分はレーザ構造を有しないので、この再成長部分では光増幅効果が得られない。これに対して、本願発明の構成では、結晶成長によって反射用ファセット面に対向する共振器端面が形成される結果、光共振器の端面部分にまでレーザ構造を作り込むことができる。そのため、共振器長の全体にわたって利得が得られるから、利得の向上された半導体発光素子を実現できる。
請求項２記載の発明は、基板をさらに含み、前記光共振器および反射部が、前記基板の主面から結晶成長させられたIII族窒化物半導体からなるものである、請求項１記載の半導体発光素子である。この構成によれば、基板上に前述のようなマスクを形成して非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体を選択成長させることで、光共振器および反射部を同時に作製することができる。
請求項３記載の発明は、前記基板が、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体基板である、請求項２記載の半導体発光素子である。この構成によれば、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体基板上に前述のようなマスクを形成してIII族窒化物半導体を選択成長させることにより、良好な結晶構造の光共振器および反射部を形成することができる。これにより、優れた特性の半導体発光素子を得ることができる。
前記III族窒化物半導体基板としては、たとえば、非極性面を主面とするＧａＮ基板を用いることができる。とくに、非極性面を主面とするＧａＮ単結晶基板を用いることにより、欠陥の極めて少ない良好な結晶性のIII族窒化物半導体をその主面上に成長させることができる。これにより、半導体発光素子の特性を一層向上することができる。
請求項４記載の発明は、前記光共振器および反射部が、前記基板の主面における選択エピタキシャル成長によって形成されたものである、請求項２または３記載の半導体発光素子である。この構成により、光共振器および反射部を選択エピタキシャル成長によって同時に形成できるので、製造工程が簡単になる。
請求項５記載の発明は、前記反射用ファセット面に形成された反射膜をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。この構成により、反射部における反射率を向上できるので、光取り出し効率を高めることができる。むろん、反射用ファセット面を、共振器からの光を反射する反射面として用いても差し支えないが、反射膜を用いて反射率を向上することによって、光取り出し効率を向上することができる。
反射膜としては、たとえばＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）が適用されてもよい。
請求項６記載の発明は、前記光共振器および反射部の対を含む発光単位が基板上にアレイ状に複数個配列されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。この構成では、発光単位が基板上にアレイ状に複数個配列されているので、たとえば、実質的な面発光が可能になる。
請求項７記載の発明は、基板の主面に平行な共振器方向を有する光共振器と、この光共振器が生成するレーザ光を前記基板の主面と非平行な方向（より具体的には基板主面から離れる方向）に反射する反射部とを前記基板上に有する半導体レーザの製造方法であって、前記光共振器および反射部の形成領域に対応する開口を有する所定パターンのマスクを前記基板上に形成するマスク形成工程と、前記マスクの開口から露出する基板主面からの選択エピタキシャル成長によって、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体を成長させることにより、前記光共振器の一方の共振器端面となるｃ面に平行なファセット面を有する第１III族窒化物半導体結晶と、前記一方の共振器端面に対向し、前記基板主面の法線に対して傾斜した反射用ファセット面を有する前記反射部のための第２III族窒化物半導体結晶とを同時に形成する結晶成長工程とを含む、半導体発光素子の製造方法である。
この製造方法によって、請求項１または２に記載した構成の半導体発光素子を作製することができる。すなわち、マスクの開口からの選択エピタキシャル成長によって、光共振器および反射部を同時に形成でき、事後の再成長を要することなく、一方の共振器端面およびこれに対向する反射用ファセット面を同時に形成できる。
前記製造方法は、前記光共振器の前記一方の共振器端面から所定の共振器長だけ離れた位置で前記第１III族窒化物半導体結晶を分断することにより、前記光共振器の他方の共振器端面を形成する工程をさらに含んでいてもよい。これにより、反射用ファセット面とは反対側の共振器端面を形成できる。第１III族窒化物半導体結晶の分断は、エッチング（たとえばドライエッチング）によって行ってもよいし、結晶の劈開によって行ってもよい。
請求項８記載の発明は、前記マスク形成工程が、前記基板の主面に複数本の直線状マスクをストライプ状に形成する工程を含み、前記結晶成長工程が、隣接する各対の直線状マスクの間に、一方の直線状マスク側にｃ面に平行なファセット面を有し、他方の直線状マスク側に前記基板主面の法線に対して傾斜したファセット面を有するマスク間III族窒化物半導体結晶を成長させ、これにより、各直線状マスクを挟んで前記光共振器の前記一方の共振器端面となるファセット面と前記反射部の反射用ファセット面とを対向させる工程を含み、前記方法が、隣接する各対の直線状マスクの間で、前記一方の共振器端面から所定の共振器長だけ離れた位置で前記マスク間III族窒化物半導体結晶を分断することにより、前記光共振器の他方の共振器端面を形成する工程をさらに含む、請求項７記載の半導体発光素子の製造方法である。
この方法により、一対の直線状マスクの間には、或る発光単位の光共振器となる部分（第１III族窒化物半導体結晶）と他の発光単位の反射部となる部分（第２III族窒化物半導体結晶）とが一体化されたマスク間III族窒化物半導体結晶が成長する。これを分断することによって、前記２つの部分に分割されるとともに、光共振器の共振器端面が形成されることになる。
前記III族窒化物半導体層の分断は、劈開によって行ってもよいし、エッチング（たとえばドライエッチング）によって行ってもよい。共振器とこれに対応する反射部とからなる発光単位を、直線状マスクと交差する方向に沿って基板上に複数個配列する場合には、前記III族窒化物半導体結晶の分断は、エッチング（とくにドライエッチング）によって行うことが好ましい。
前記製造方法は、前記マスク間III族窒化物半導体結晶を、前記直線状マスクに沿って間隔を開けて、分断する工程をさらに含んでいてもよい。これにより、直線状マスクに沿う方向に間隔を開けてIII族窒化物半導体結晶を分断することで、複数個の発光単位を得ることができる。
III族窒化物半導体結晶の分断は、劈開によって行ってもよいし、エッチング（たとえばドライエッチング）によって行ってもよい。直線状マスクに沿う方向に沿って複数個の発光単位を基板上に配列する場合には、III族窒化物半導体結晶の分断はエッチングによって行うことが好ましい。
前記製造方法は、前記反射部の前記ファセット面に反射膜を形成する工程をさらに含んでいてもよい。これにより、反射部の反射率を高めることができるので、光取り出し効率を向上することができる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構成を説明するための図解的な拡大平面図である。この半導体発光素子は、基板１上に複数のレーザユニット２（発光単位）をアレイ状に配列して構成されている。すなわち、複数のレーザユニット２は、互いに直交する行方向Ｘおよび列方向Ｙに沿って行列配列されている。個々のレーザユニット２は、基板１の主面と交差する方向に向けてレーザ光３を放射する。これにより、見かけ上、面発光が可能なレーザ光源が構成されている。
図２は、レーザユニット２の詳細な構成を説明するための図解的な断面図である。この例では、基板１は、導電性基板である。具体的には、非極性面であるｍ面を主面としたＧａＮ基板（より好ましくは単結晶ＧａＮ基板）からなる。この基板１上に、図２の紙面と交差する方向に延びる帯状のマスク５が形成されている。マスク５は、たとえばＳｉＯ2膜からなる。このマスク５の一方側に、基板１の表面からの選択エピタキシャル成長によって形成されたIII族窒化物半導体結晶からなる光共振器(cavity)６が配置されている。マスク５の他方側には、光共振器６に対向するように反射部７が配置されている。反射部７も基板１表面からの選択エピタキシャル成長によって形成されたIII族窒化物半導体結晶からなる。
光共振器６は、マスク５側に−ｃ面（０００−１）からなる一方の共振器端面６Ａを有し、マスク５とは反対側に＋ｃ面（０００１）からなる他方の共振器端面６Ｂを有していて、その共振器方向はｃ軸に平行であり、したがって、基板１の主面に平行である。一対の共振器端面６Ａ，６Ｂは、互いに平行であり、いずれも基板１の主面に垂直である。光共振器６の頂面６Ｃには、ｐ型電極(p-electrode)８が形成されている。ｎ型電極(n-electrode)９は、基板１の裏面（光共振器６等とは反対側の主面）に形成されている。光共振器６は、基板１の主面の法線方向に積層された複数のIII族窒化物半導体層からなるIII族窒化物半導体積層構造を含むレーザ構造Laser structure)を有している。このレーザ構造の詳細は後述するが、図２では図示を省略する。
反射部７は、マスク５を挟んで一方の共振器端面６Ａに対向する反射用ファセット面７Ａを備えており、前記共振器方向に沿う縦断面（基板１の主面に対して垂直な断面）が台形形状を有している。反射用ファセット面７Ａは、この実施形態では、（１−１０１）面からなり、基板１の主面に対して２８度の角度をなす平坦面である。この反射用ファセット面７Ａの表面に、たとえばＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）からなる反射膜１０が形成されている。この反射膜１０は、反射用ファセット面７Ａの基板１側端部付近から反射部７の頂面７Ｂに至る領域に渡って形成されている。反射用ファセット面７Ａに形成された反射膜１０は、共振器端面６Ａに対向し、基板１の主面に対して２８度の角度をなす反射面１０Ａを形成することになる。したがって、共振器端面６Ａからｃ軸方向に出射したレーザ光(Laser beam)３は、反射面１０Ａにおいて１２４度だけ屈曲され、基板１の主面と交差する方向（基板１の主面から離れる方向）に進行する。すなわち、レーザ光３は、基板１の主面に対して１２４度の角度をなす方向に進む。
このような構成により、ｐ型電極８とｎ型電極９との間に通電することにより、光共振器６でレーザ発振を生じさせることができる。これにより、共振器端面６Ａからｃ軸方向に沿ってレーザ光３が出射され、反射膜１０に入射する。
図３は、光共振器６の詳細な構造例を説明するための図解的な斜視図である。光共振器６は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造１１（III族窒化物半導体層）からなるファブリペロー型のものである。
III族窒化物半導体積層構造１１は、発光層２０と、ｎ型半導体層２１と、ｐ型半導体層２２とを備えている。ｎ型半導体層２１は発光層２０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層２２は発光層２０に対してｐ型電極８側に配置されている。こうして、発光層２０が、ｎ型半導体層２１およびｐ型半導体層２２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層２０には、ｎ型半導体層２１から電子が注入され、ｐ型半導体層２２から正孔が注入される。これらが発光層２０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
ｎ型半導体層２１は、基板１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層２３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡＩＧａＮクラッド層２４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＧａＮガイド層２５（たとえば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層２２は、発光層２０の上に、順にｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層２６（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＮガイド層２７（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層２９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。
ｎ型ＧａＮコンタクト層２３およびｐ型ＧａＮコンタクト層２９は、それぞれ基板１およびｐ型電極８とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層２３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０18ｃｍ-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０19ｃｍ-3）することによってｐ型半導体層とされている。
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８は、発光層２０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18ｃｍ-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０19ｃｍ-3）することによってｐ型半導体層とされている。
ｎ型ＧａＮガイド層２５およびｐ型ＧａＮガイド層２７は、発光層２０にキャリヤ（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリヤ閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層２０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＧａＮガイド層２５は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18ｃｍ-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＧａＮガイド層２７は、ＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18ｃｍ-3）ことによってｐ型半導体とされている。
ｐ型ＡＩＧａＮ電子ブロック層２６は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18ｃｍ-3）して形成されたｐ型半導体であり、発光層２０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
発光層２０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層２０は、具体的には、ＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層２０が構成されている。
発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、たとえば、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。とくに、この実施形態では、III族窒化物半導体積層構造１１は、非極性面であるｍ面が成長主面となっているため、ｃ面を成長主面とする場合に問題となる分極電荷の影響を受けない。そのため、発光層２０のＩｎ組成を増やしても発光が可能であり、ｃ面を主面とした窒化物半導体レーザでは実現できない長波長域（たとえば、４７０ｎｍ以上の緑色領域）での発光も実現可能である。
ｐ型半導体層２２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ３０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層２９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８およびｐ型ＧａＮガイド層２７の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状のリッジストライプ３０が形成されている。このリッジストライプ３０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。したがって、共振器方向はｃ軸方向に平行である。
III族窒化物半導体積層構造１１は、リッジストライプ３０の長手方向両端に、共振器端面６Ａ，６Ｂ（図２を併せて参照）を有している。これらの共振器端面６Ａ，６Ｂは、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直（すなわちｃ面）である。こうして、ｎ型ＧａＮガイド層２５、発光層２０およびｐ型ＧａＮガイド層２７によって、ファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層２０で発生した光は、共振器端面６Ａ，６Ｂの間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面６Ａからレーザ光として取り出される。
ｎ型電極９およびｐ型電極８は、たとえばＡ１金属からなり、それぞれｐ型コンタクト層２９および基板１にオーミック接触されている。ｐ型電極８がリッジストライプ３０の頂面のｐ型ＧａＮコンタクト層２９だけに接触するように、ｎ型ＧａＮガイド層２７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２８の露出面を覆う絶縁層３１が設けられている。これにより、リッジストライプ３０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。光共振器６では、この電流が集中するリッジストライプ３０の直下の部分が、光を伝送するための導波路３５（光導波路）となっている。
このような構成によって、ｎ型電極９およびｐ型電極８を電源に接続し、ｎ型半導体層２１およびｐ型半導体層２２から電子および正孔を発光層２０に注入することによって、この発光層２０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面６Ａ，６Ｂの間をガイド層２５，２７に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、主として、共振器端面６Ａからレーザ出力が外部に取り出されることになる。
図４Ａ〜４Ｇは、前記半導体発光素子の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。まず、図４Ａに示すように、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板からなる基板１の一主面に、マスク５の材料膜としてのＳｉＯ2膜１５が形成される。このＳｉＯ2膜１５は、たとえば、ＳＯＧ（スピン・オン・ガラス）により形成されてもよい。
次に、図４Ｂに示すように、フォトリソグラフィーによって、ＳｉＯ2膜１５がストライプ状にパターニングされ、これにより、複数本の帯状マスク５がストライプ状に形成される。すなわち、各マスク５は、ｃ面に沿って延びる（すなわち、ａ軸方向に平行な）帯状パターンに形成される。隣接するマスク５間の領域は、基板１の主面を露出させる帯状の開口１９となる。
次いで、図４Ｃに示すように、マスク５を選択成長のためのマスクとした選択エピタキシャル成長によって、III族窒化物半導体積層構造１１を構成する結晶１６（マスク間III族窒化物半導体結晶）が成長させられる。結晶１６は、隣接するマスク５間の帯状開口１９の領域において成長する。その結果、結晶１６は、マスク５と同じ方向に沿って延びるストライプパターンをなすように複数本形成される。各結晶１６は、ｃ面に沿って、すなわち、ａ軸方向に沿って延びた長尺形状を有している。そして、各結晶１６の−ｃ軸側の側面は、基板１の主面に対して垂直な−ｃ面（０００−１）となり、共振器端面６Ａとして用いられることになる。一方、各結晶１６の＋ｃ軸側の側面は、基板１の主面に対して２８度の角度をなして傾斜した（１−１０１）面となり、反射用ファセット面７Ａとして用いられることになる。すなわち、各マスク５の両側に形成される一対の結晶１６に注目すると、マスク５に対して＋ｃ軸側の結晶１６は、マスク５側に−ｃ面からなる共振器端面６Ａを提供する。一方、マスク５に対して−ｃ軸側の結晶１６は、マスク５側に（１−１０１）面からなる反射用ファセット面７Ａを提供する。こうして、共振器端面６Ａと反射用ファセット面７Ａとがマスク５を挟んで対向する構造を得ることができる。
次に、図４Ｄに示すように、結晶１６の光共振器６に対応する領域にリッジストライプ３０（図３参照）が形成され、さらに、ｐ型電極８が形成される。リッジストライプ３０は、たとえば、ドライエッチングによって形成される。
次いで、図４Ｅに示すように、フォトリソグラフィーによって、反射用ファセット面７Ａ上に反射膜１０が形成される。
そして、次に、図４Ｆに示すように、基板１の裏面（光共振器６および反射部７とは反対側の主面）の全域に、ｎ型電極９が形成される。
次いで、図４Ｇに示すように、結晶１６を分断するためのエッチングが行われる。具体的には、図５に示すように、個々のレーザユニット２に対応する複数の矩形マスク部１７ａを有するパターンのエッチングマスク１７（図４Ｇでは二点鎖線で示す。）が形成される。このエッチングマスク１７の矩形マスク部１７ａは、レーザユニット２の配置に対応して行列状に配置され、それらの間には、格子状開口１８が形成されることになる。この格子状開口１８は、互いに平行な複数本のａ軸直線状開口部１８ａと、互いに平行な複数本のｃ軸直線状開口部１８ｃとを重ね合わせた形状を有する。ａ軸直線状開口部１８ａは、各結晶１６の頂面１６Ａ上に、当該結晶１６の長手方向（ａ軸方向）に沿って形成されている。ｃ軸直線状開口部１８ｃは、結晶１６の長手方向と直交する方向（ｃ軸方向）に沿って複数本の結晶１６に渡って形成されている。
エッチングマスク１７をマスクとしたドライエッチングによって、複数のレーザユニット２ごとに、結晶１６が分割されることになる。より詳細に説明すると、ａ軸直線状開口部１８ａに沿って結晶１６がエッチングされることにより、各結晶１６は、光共振器６を形成する第１部分と、反射部７を形成する第２部分とに分割される。これにより、光共振器６の共振器端面６Ｂが形成されることになる。一方、ｃ軸直線状開口部１８ｃに沿って結晶１６がエッチングされることにより、各結晶１６はａ軸方向に沿って配列された複数の部分に分割されることになる。エッチングの深さは、ｎ型ＡＩＧａＮクラッド層２４（図３参照）よりも深く基板１に向かって掘り込まれていればよい。
こうして、個々の矩形マスク部１７ａに対応して個々のレーザユニット２を構成する光共振器６および反射部７の対が得られ、その結果、基板１上にアレイ状に配列された複数のレーザユニット２が形成されることになる。
以上のように、この実施形態によれば、ｍ面を主面とした基板１上での選択エピタキシャル成長によって、光共振器６および反射部７のための結晶成長を同時に行うことができる。そして、この結晶成長の際に、光共振器６の一方の共振器端面６Ａと反射部７の反射用ファセット面７Ａとが同時に形成される。そのため、共振器端面や反射面を形成するために、事後的な結晶再成長を要することがないので、製造工程を簡単にすることができる。しかも、レーザ構造形成のための結晶成長の際に共振器端面６Ａが形成されるので、光共振器６は、そのｃ軸方向長さがそのまま共振器長Ｌ（図２参照）となる。すなわち、共振器端面６Ａ，６Ｂ間の全域において誘導放出による増幅作用を得ることができるので、高いゲインを得ることができる。むろん、共振器方向が基板１の主面に平行な水平共振器となっているので、共振器長Ｌの制御も容易である。
また、光共振器６は、ｍ面を成長主面としたIII族窒化物半導体結晶からなるので、ｃ面を成長主面とする場合に生じる分極の影響を受けない。そのため、分極の影響なしに、発光層２０やガイド層２５，２７のＩｎ組成を増やしたり、ガイド層２５，２７の層厚を厚くして光閉じ込め効率の向上を図ったりすることができる。極性面であるｃ面を結晶成長の主面とする場合には、量子井戸層（Ｉｎを含むもの）での自発圧電分極により、キャリヤが分離し、発光効率が悪くなる。とくに、Ｉｎ組成を増やして長波長化（たとえば緑色波長領域）を図ろうとすると、自発圧電分極が顕著になる。また、たとえば、ｐ型ガイド層２５およびｎ型ガイド層２７の合計で１０００Å程度の厚さとなるが、ｃ面を結晶成長の主面としていると、分極の影響により、ビルトイン電圧が高くなる。これに対して、この実施形態では、ｍ面を成長主面としたIII族窒化物半導体結晶でレーザ構造を形成しているので、自発圧電分極によるキャリヤの分離を抑制でき、発光効率を向上できる。その結果、レーザ発振を生じさせるために必要な閾値電圧を抑制することができ、かつ、スロープ効率を向上できる。さらに、自発圧電分極によるキャリヤの分離を抑制できることにより、発光波長の電流依存性が抑制されるので、安定した発振波長を実現することができる。さらにまた、Ｉｎ組成を増やすことによる長波長化を図ることが可能となり、緑色発光領域（波長４７０ｎｍ以上）で発光する面発光レーザ光源を提供できる。
図６は、ｍ面を主面とする単結晶ＧａＮ基板上にＳｉＯ2からなる帯状マスクを形成し、この帯状マスクの両側にＧａＮ結晶を成長させた実験結果を示す断面電子顕微鏡写真である。この写真から、帯状マスクの＋ｃ軸側に−ｃ面が形成され、帯状マスクの−ｃ軸側に（１−１０１）面が形成されている様子が分かる。
ｍ面を主面とする単結晶ＧａＮ基板上でIII族窒化物半導体のエピタキシャル成長を行うと、実質的に転位のないIII族窒化物半導体結晶が得られる。したがって、特性の優れたデバイスを形成することができる。
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、基板１上に複数のレーザユニット２がアレイ状に配列される構成について説明したが、むろん、レーザユニット２を個別素子として用いることもできる。この場合には、結晶１６は、劈開によって基板１とともに分割すればよい。これにより、劈開によって形成された良好な共振器端面６Ｂを得ることができる。
また、前述の実施形態では、ｍ面を主面とする基板１を用いているが、非極性面の他の例であるａ面を主面とする基板（たとえば、ＧａＮ基板）を用いても、同様の半導体発光素子を作製することができる。
また、前述の実施形態では、反射用ファセット面７Ａに反射膜１０を形成して反射効率を高めているが、反射膜１０を省き、反射用ファセット面７Ａでレーザ光３を反射する構成としてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構成を説明するための図解的な拡大平面図である。 レーザユニットの詳細な構成を説明するための図解的な断面図である。 共振器の詳細な構造例を説明するための図解的な斜視図である。 前記半導体発光素子の製造方法を示す図解的な断面図である。 図４Ａの次の工程を示す図解的な断面図である。 図４Ｂの次の工程を示す図解的な断面図である。 図４Ｃの次の工程を示す図解的な断面図である。 図４Ｄの次の工程を示す図解的な断面図である。 図４Ｅの次の工程を示す図解的な断面図である。 図４Ｆの次の工程を示す図解的な断面図である。 III族窒化物半導体結晶を分断するためのエッチングマスクのパターンを説明するための図解的な平面図である。 ｍ面を主面とする単結晶ＧａＮ基板上にＳｉＯ2からなる帯状マスクを形成し、この帯状マスクの両側にＧａＮ結晶を成長させた実験結果を示す断面電子顕微鏡写真である。
符号の説明
１ 基板
２ レーザユニット
３ レーザ光
５ マスク
６ 光共振器
６Ａ 共振器端面
６Ｂ 共振器端面
６Ｃ 頂面
７ 反射部
７Ａ 反射用ファセット面
７Ｂ 頂面
８ ｐ型電極
９ ｎ型電極
１０ 反射膜
１０Ａ 反射面
１１ III族窒化物半導体積層構造
１５ ＳｉＯ2膜
１６ 結晶（マスク間III族窒化物半導体結晶）
１６Ａ 頂面
１７ エッチングマスク
１７ａ 矩形マスク部
１８ 格子状開口
１８ａ ａ軸直線状開口部
１８ｃ ｃ軸直線状開口部
１９ 開口
２０ 発光層
２１ ｎ型半導体層
２２ ｐ型半導体層
２３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２４ ｎ型ＡＩＧａＮクラッド層
２５ ｎ型ＧａＮガイド層
２６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
２７ ｐ型ＧａＮガイド層
２８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ リッジストライプ
３１ 絶縁層
３５ 導波路
Ｌ 共振器長

Claims (8)

  1. 非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなり、ｃ面に平行な一対の共振器端面を備えた光共振器と、
    非極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体からなり、前記一対の共振器端面の一方に対向し、前記成長主面の法線に対して傾斜した反射用ファセット面を有する反射部とを含む、半導体発光素子。
  2. 基板をさらに含み、
    前記光共振器および反射部が、前記基板の主面から結晶成長させられたIII族窒化物半導体からなるものである、請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記基板が、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体基板である、請求項２記載の半導体発光素子。
  4. 前記光共振器および反射部が、前記基板の主面における選択エピタキシャル成長によって形成されたものである、請求項２または３記載の半導体発光素子。
  5. 前記反射用ファセット面に形成された反射膜をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  6. 前記光共振器および反射部の対を含む発光単位が基板上にアレイ状に複数個配列されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
  7. 基板の主面に平行な共振器方向を有する光共振器と、この光共振器が生成するレーザ光を前記基板の主面と非平行な方向に反射する反射部とを前記基板上に有する半導体レーザの製造方法であって、
    前記光共振器および反射部の形成領域に対応する開口を有する所定パターンのマスクを前記基板上に形成するマスク形成工程と、
    前記マスクの開口から露出する基板主面からの選択エピタキシャル成長によって、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体を成長させることにより、前記光共振器の一方の共振器端面となるｃ面に平行なファセット面を有する第１III族窒化物半導体結晶と、前記一方の共振器端面に対向し、前記基板主面の法線に対して傾斜した反射用ファセット面を有する前記反射部のための第２III族窒化物半導体結晶とを同時に形成する結晶成長工程とを含む、半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記マスク形成工程が、前記基板の主面に複数の直線状マスクをストライプ状に形成する工程を含み、
    前記結晶成長工程が、隣接する各対の直線状マスクの間に、一方の直線状マスク側にｃ面に平行なファセット面を有し、他方の直線状マスク側に前記基板主面の法線に対して傾斜したファセット面を有するマスク間III族窒化物半導体結晶を成長させ、これにより、各直線状マスクを挟んで前記光共振器の前記一方の共振器端面となるファセット面と前記反射部の反射用ファセット面とを対向させる工程を含み、
    前記方法が、隣接する各対の直線状マスクの間で、前記一方の共振器端面から所定の共振器長だけ離れた位置で前記マスク間III族窒化物半導体結晶を分断することにより、前記光共振器の他方の共振器端面を形成する工程をさらに含む、請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
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