JP2010129581A - 窒化物系半導体レーザ素子及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなくコンタクト層と電極との間の接触抵抗を下げることができる窒化物系半導体レーザ素子の作製方法を提供する。
【解決手段】エッチングによりストライプ状の溝を形成したＧａＮ基板２上にＡｌＧａＮから成る層２ｄを形成し、最上位層にＩｎＧａＮから成るコンタクト層８を形成することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の作製方法。
【選択図】図１

Description

本発明は窒化物系半導体レーザ素子及びその作製方法に関するものであり、特に窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体を積層することによって作製されるレーザ素子及びその作製方法に関する。

ＩＩＩ族元素とＶ族元素とから成る所謂ＩＩＩ−Ｖ族半導体である窒化物系半導体（例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなど）は、そのバンド構造より、青や青紫の光を発する発光素子としての利用が期待され、既に発光ダイオードやレーザ素子などに利用されている。

また、これまでは良質な窒化物系半導体の基板が得られなかったため、サファイア基板などの異種基板を用いて窒化物系半導体レーザ素子などの作製が行われてきた。しかし、サファイア基板などの異種基板は窒化物系半導体との格子不整合が大きいため、異種基板上に積層される窒化物系半導体には転位などの結晶欠陥が多数存在し、結果として素子が低出力かつ短寿命となる問題があった。また、窒化物系半導体と異種基板との劈開方向が異なるため、ウエハの分割が困難となる問題も生じていた。

これらの問題に対して、近年になって良質な窒化ガリウム（ＧａＮ）基板が得られるようになり、これらの基板を利用することで、上述した問題が解決された窒化物系半導体レーザ素子が得られるようになった（特許文献１及び特許文献２参照）。

このような従来の窒化物系半導体レーザ素子のウエハの断面図を図１０に示す。ウエハは、ＧａＮ基板２の上に、順に、ｎ型ＡｌＧａＮから成る厚さ約１．５μｍのｎ型クラッド層３、多重量子井戸構造の活性層４、アンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約５０ｎｍの光ガイド層５、アンドープのＡｌＧａＮから成る厚さ約２０ｎｍのキャップ層６、ｐ型ＡｌＧａＮから成る厚さ４００ｎｍのｐ型クラッド層７、アンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約３ｎｍのコンタクト層８を積層構造で形成したものである。活性層４は、アンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約３．２ｎｍの井戸層４ａと、アンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約２０ｎｍの障壁層４ｂと、交互に複数積層することによって形成した多重量子井戸構造とする。この例では、井戸層４ａを三層、障壁層４ｂを四層積層した場合について示している。なお、図中の、９は厚さ約１ｎｍのＰｔ層と厚さ約１０ｎｍのＰｄ層とから成るｐ側オーミック電極、１０は電流流通部としてのリッジ部、１１はＳｉＯ₂から成る電流ブロック層、１２はＡｕから成る厚さ約３μｍのパッド電極、１３はｎ型電極である。
特開２００２−３３２８２号公報 特開２００１−１０２３０７号公報

上記のレーザ素子では、パッド電極１２とｎ型電極１３の間に電流を流した際に、コンタクト層８とｐ側オーミック電極９との間に接触抵抗があり、この接触抵抗はエネルギーを大きく消費する立ち上がり電圧に関係するため、省エネルギーの観点から接触抵抗をできるだけ下げることが望まれている。接触抵抗を小さくするための手段としては、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることが知られている。しかしながら、高インジウム組成では、コンタクト層の面内組成のバラツキが拡大したり、結晶性が悪化するなどの問題があり、安定した接触抵抗を得ることが難しい。このため、インジウム組成を高めずに接触抵抗を下げる方法が期待されている。

この点、ＩｎＧａＮコンタクト層に加わる、ＧａＮ基板の基板面に対して垂直な方向（以下、「高さ方向」と称する）の歪みは、インジウム組成を高くすることと同様に接触抵抗を低下させる効果があることが知られており、歪みが大きくなるほど低いインジウム組成で接触抵抗の小さなレーザ素子が得られる傾向が見られる。

ＧａＮ基板上に窒化ガリウム半導体の層を積層していくとき、ＧａＮ基板上に形成される層はまずＧａＮ基板に格子整合する。よって、その上に形成される各層はＧａＮ基板に格子整合した層に格子整合することになる。つまり、ＧａＮ基板とほぼ等しい格子定数でエピタキシャル成長して結晶層を形成する。従って、最上位層のコンタクト層の格子定数もＧａＮ基板の格子定数にほぼ等しくなる。

本発明者らは、ＧａＮ基板表面にエッチングによって＜１−１００＞方向に延びるストライプ状の溝を形成すること（ストライプエッチング（ＳＴＥ）処理）によってその上に形成されるｎ型ＡｌＧａＮのｎ型クラッド層の横方向の格子定数が、ＳＴＥ処理をしない場合よりも小さくなることが分かった。そして、その上に積層される層はいずれも、格子定数の小さくなったそのｎ型クラッド層に格子整合してエピタキシャル成長するため、最上位層のＩｎＧａＮコンタクト層の格子定数もＳＴＥ処理をしない場合に比べて小さくなる。

図６は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮの格子定数の大小関係を、フリーの単結晶（ａ）の場合と、ＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層の順でエピタキシャル成長させたとき（ｂ）と、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層の順でエピタキシャル成長させたとき（ｃ）と、で比較して模式的に表す図である。ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮの単結晶は六方晶系であり、それぞれの｛０００１｝面内のａ軸方向（横方向）の格子定数（以下、格子定数ａという）は、図６（ａ）に示すように、ａ_InGaN＞ａ_GaN＞ａ_AlGaNの順となる。すなわち、フリーの単結晶では、ａ_InGaNは、ａ_GaNよりも大きい。

そして、図６（ｂ）に示すように、ＳＴＥ処理をしていないＧａＮ基板上にＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させ、その上にＩｎＧａＮをエピタキシャル成長させたときは、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ基板上に格子整合し、ＩｎＧａＮ層はこのＧａＮ基板上に格子整合したＡｌＧａＮ層の上に格子整合するので、図６（ｂ）に示すように、ａ_InGaNは、ａ_GaNにほぼ等しくなる。

これに対して、図６（ｃ）に示すように、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板上にＡｌＧａＮをエピタキシャル成長させ、その上にＩｎＧａＮをエピタキシャル成長させたときは、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ基板よりも小さな格子定数で形成され、ＩｎＧａＮ層はＡｌＧａＮ層の上に格子整合するので、図６（ｂ）に示すように、ａ_InGaNは、ａ_GaNよりも小さくなる。つまり、ＩｎＧａＮ層の横方向の原子間距離は、ＧａＮ基板をＳＴＥ処理していない場合よりも短くなる。

このように、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板上に積層されたＩｎＧａＮ層では、ＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板上に積層した場合よりも横方向の原子間距離が短くなる。このため、高さ方向の原子間距離が長くなり、歪みが大きくなる。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなくコンタクト層と電極との間の接触抵抗を下げることができる窒化物系半導体レーザ素子及びその作製方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、基板上に窒化物半導体の層を積層した窒化物系半導体レーザ素子の作製方法において、エッチングによりストライプ状の溝を形成したＧａＮから成る基板又は層の上にＡｌＧａＮから成る層を形成し、最上位層にＩｎＧａＮから成るコンタクト層を形成することを特徴とする。

この窒化物半導体レーザ素子の作製方法によると、最上位のＩｎＧａＮコンタクト層の格子定数は、ＧａＮから成る基板又は層をＳＴＥ処理をしていない場合に比べて小さくなる。つまり、ＩｎＧａＮコンタクト層の横方向の原子間距離は、ＧａＮから成る基板又は層をＳＴＥ処理していない場合よりも短くなる。この結果、ＩｎＧａＮコンタクト層の高さ方向の原子間距離が長くなり、歪みが大きくなる。従って、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなく、コンタクト層と電極との間の接触抵抗を下げることができる。

前記ストライプ状の溝をＧａＮから成る基板又は層のストライプコア領域の中心に形成すると、ＧａＮから成る基板又は層の結晶性の良いところを避けて溝を形成できるので、窒化物半導体レーザ素子の歩留まりの向上が図られる。この場合、ストライプコア領域の幅１０〜３０μｍを考慮して、ストライプ状の溝の溝深さは２．５〜３．５μｍ、溝幅は２０〜４０μｍの範囲が好適である。

また、上記目的を達成するため、本発明は、基板上に窒化物半導体の層を積層した窒化物系半導体レーザ素子において、ストライプ状の溝を形成したＧａＮから成る基板又は層と、該ＧａＮから成る基板又は層の上に形成されたＡｌＧａＮから成る層と、最上位層に形成されたＩｎＧａＮから成るコンタクト層とを有することを特徴とする。

この窒化物半導体レーザ素子の構造によると、最上位のＩｎＧａＮコンタクト層の格子定数は、ＧａＮから成る基板又は層をＳＴＥ処理をしていない場合に比べて小さくなる。つまり、ＩｎＧａＮコンタクト層の横方向の原子間距離は、ＧａＮから成る基板又は層をＳＴＥ処理していない場合よりも短くなる。この結果、ＩｎＧａＮコンタクト層の高さ方向の原子間距離が長くなり、歪みが大きくなる。従って、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなく、コンタクト層と電極との間の接触抵抗を下げることができる。

本発明によると、ＩｎＧａＮコンタクト層の高さ方向の原子間距離が長くなり、歪みが大きくなるため、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなく、コンタクト層と電極との間の接触抵抗を下げることができる。よって、立ち上がり電圧の小さい省エネルギーな窒化物半導体レーザ素子を実現できる。しかも、コンタクト層のインジウム組成が低いため、コンタクト層の面内組成のバラツキが抑制され、良好な結晶性を保つことができ、安定した接触抵抗を得ることができる。

以下、本発明における窒化物系半導体レーザ素子の作製方法について図１〜図５に基づき説明する。
＜＜窒化物系半導体レーザ素子の作製方法＞＞
＜ウエハ作製方法＞
最初に、作製されるウエハの一例について図１（ａ）、（ｂ）のウエハの模式図を用いて説明する。図１（ａ）はウエハの模式的な平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示した模式的な断面図である。なお、図１（ａ）、（ｂ）には基板の結晶方位をあわせて示しており、以下の図においても同様に基板の結晶方位をあわせて示すこととする。

本例のウエハ作製方法によると、ＧａＮ基板２上に種々の層を積層することによって図１（ａ）に示すような電流通路部（リッジ部１０）が基板の＜１−１００＞方向と略平行になるように複数整列した構成のウエハ１が作製される。ここで、パッド電極１２はリッジ部１０に沿った方向と、リッジ部１０と略垂直な方向とにそれぞれ整列している。また、パッド電極１２の１つ分が１つの素子構造を示しており、後述するようにウエハ１をパッド電極１２毎に分断することで複数のチップが得られる。

ＧａＮ基板２は、特許文献１や２の方法に開示されたように、基板の主面と平行な方向の成長を促進させることで転位を局所的に集中させる方法により製造される。このとき、図１（ｂ）に示すようにＧａＮ基板２は、成長面が衝突する領域であり転位が集中される領域（以下、ストライプコアとする）２ａと、転位が低減される他の領域２ｂと、が含まれる。このとき、ストライプコア領域２ａは、基板の＜１−１００＞方向と略平行な方向に延びており、＜１１−２０＞方向にほぼ等間隔で整列している。ストライプコア領域２ａは、幅１０〜３０μｍの範囲で生成する。

そして、ＧａＮ基板２のストライプコア領域２ａの中心に、エッチングによりストライプ状の溝２ｃを形成する。この処理をストライプエッチング（ＳＴＥ）処理という。なお、ストライプコア領域２ａの幅１０〜３０μｍを考慮して、ストライプ状の溝２ｃの溝深さは２．５〜３．５μｍ、溝幅は２０〜４０μｍの範囲で形成するのが好適である。

次に、ウエハ作製方法の一例について図２及び図３を用いて説明する。図２は図１と同様の断面を示した模式的な断面図であり、図３は活性層の模式的な断面図である。

図２（ａ）に示すように、上記のようにしてストライプ状の溝２ｃを形成した厚さ約１００μｍのｎ型ＧａＮ基板２の｛０００１｝面上に、ｎ型ＡｌＧａＮから成るｎ型クラッド層３を約１．５μｍ形成し、さらにこのｎ型クラッド層３の上に活性層４を形成する。このとき活性層４を、図３に示すようにアンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約３．２ｎｍの井戸層４ａと、アンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約２０ｎｍの障壁層４ｂと、を交互に複数層積層することによって形成した多重量子井戸構造とする。なお、図３の例においては、井戸層４ａを三層、障壁層４ｂを四層積層した場合について示している。

また、この多重量子井戸構造となる活性層４の上に、アンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約５０ｎｍの光ガイド層５を形成し、この光ガイド層５の上にアンドープのＡｌＧａＮから成る厚さ約２０ｎｍキャップ層６を形成する。なお、図２（ａ）は、このキャップ層６まで基板２上に積層した状態について示している。

そして、図２（ａ）に示すキャップ層６の上にｐ型ＡｌＧａＮから成る厚さ約４００ｎｍのｐ型クラッド層７を形成する。そして、このｐ型クラッド層７の上にアンドープのＩｎＧａＮから成る厚さ約３ｎｍのコンタクト層８を形成する。なお、ここではコンタクト層８は、アンドープのＩｎＧａＮ層としたが、必要に応じて不純部をドープしたＩｎＧａＮ層とすることも可能である。そして、このコンタクト層８の上に、厚さ約１ｎｍのＰｔ層と厚さ約１０ｎｍのＰｄ層とから成るｐ側オーミック電極９を形成し、このｐ側オーミック電極９の上に厚さ約２４０ｎｍのＳｉＯ₂層１４を形成する。このように各層を形成し、図２（ｂ）に示すような構造を得る。

次に、リッジ部１０を形成するために、図２（ｂ）に示す積層構造をエッチングする。このとき、幅約１．５μｍであるとともに基板の＜１−１００＞方向に延びたストライプ状のフォトレジスト（不図示）を、リッジ部１０を形成する予定の部分に形成する。そして、ＣＦ₄系のガスを用いてＲＩＥ法によるエッチングを行なう。すると、フォトレジストを形成した部分のＳｉＯ₂層１４及びオーミック電極９のみが残り、フォトレジストを形成していない部分のＳｉＯ₂層１４及びオーミック電極９は除去される。

また、ここでフォトレジストを除去し、Ｃｌ₂やＳｉＣｌ₄などの塩素系のガスを用いたＲＩＥ法によるエッチングを行なう。このとき、ＳｉＯ₂層１４をマスクとして、ＳｉＯ₂層１４が無い部分のコンタクト層８及びｐ型クラッド層７をエッチングする。そして、ｐ型クラッド層７が約８０ｎｍ残った状態となったときにエッチングを停止し、ＳｉＯ₂層１４を除去する。すると、図２（ｃ）に示すような、ｐ型クラッド層７の一部が突出し、そのｐ型クラッド層７の突出した部分の上にコンタクト層８、オーミック電極９が順に形成されたリッジ部１０を備える構造が得られる。

次に、図２（ｃ）に示した構造の上に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ₂層を形成し、フォトレジストをリッジ部１０以外の部分に形成されたＳｉＯ₂層の上に形成する。そして、ＣＦ₄系のガスを用いたＲＩＥ法によるエッチングを行ない、リッジ部１０上に形成されたＳｉＯ₂層を除去することでＳｉＯ₂層から成る電流ブロック層１１を形成する。すると、図２（ｄ）に示すような構造が得られ、この後、電流ブロック層１１で囲まれたリッジ部１０を覆うように、Ａｕから成る厚さ３μｍのパッド電極１２を一続きとなるリッジ部１０に複数形成する。

また、上述した積層構造が形成される基板２の面と反対側の面に、ｎ側電極１３を形成して図１（ａ）、（ｂ）に示すようなウエハ１を得る。また、図１（ｂ）では一例として、ｎ側電極１３をストライプコア２ａの領域上には形成せずに他の領域２ｂ上にのみ形成した場合について示している。そして、以上説明した作製方法によって、図１（ｂ）に示すようなウエハを得ることができる。

なお、以上説明したウエハ作製方法において、各窒化物系半導体層の形成に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いても構わないし、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、その他の方法を用いても構わない。また、電極の形成に、スパッタリングや蒸着などの形成方法を用いることとしても構わなく、蒸着として、電子ビーム蒸着を用いても構わないし、抵抗加熱蒸着を用いても構わない。また、ＳｉＯ₂層の形成に、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタ法などの方法を用いても構わない。

また、図１（ｂ）に示すウエハの一例においては、リッジ部１０が基板２の隣接するストライプコア２ａの間に２本備えられる構成としているが、この部分に１つのリッジ部を備える構成としても構わないし、反対に多数のリッジ部１０を備える構成としても構わない。

このような構成にすることによって、転位密度の高いストライプコア２ａの直上の領域を避けてリッジ部１０が形成される。そのため、このストライプコア２ａの直上の領域にリッジ部１０を形成した場合と比較して、基板からリッジ部に伝播する転位を低減させることが可能となり、素子寿命を長くすることができる。

また、基板２の作製方法によっては、基板２の隣接するストライプコア２ａの間の略中央の部分に抵抗率が大きい領域が存在する場合がある。そのため、このような基板２を使用する場合は、リッジ部１０を、ストライプコア２ａの略中央の部分を避けて形成することとしても構わない。

また、図１（ａ）では簡単のためにウエハ１を四角形のものとして表しているが、結晶方位を特定するためのオリエンテーションフラット面や切り欠き部を含む略円形の基板上に積層構造を形成し、ウエハを作製するものであっても構わない。

また、このウエハの作製方法の例においては、基板２の｛０００１｝面上に積層構造を形成することとしているが、｛１１−２０｝面や｛１−１００｝面上に積層構造を形成することしても構わない。また、このように積層構造を形成する基板２の面を変更する場合は、リッジ部１０を形成する方向や劈開方向を適宜変更することとする。また、上述したウエハ作製方法は一例であり、他のどのような作製方法を用いてウエハを作製しても構わない。例えば、パッド電極１２や基板２上に形成する積層構造の形状が図１（ａ）、（ｂ）に示す形状と異なることとしても構わない。

また、このウエハの作製方法の例においては、ストライプ状の溝を形成したＧａＮ基板上にＡｌＧａＮから成る層を形成することとしているが、ＧａＮ基板以外の基板を使用したウエハであっても、基板上に積層される窒化物半導体の層の１つにＧａＮから成る層を形成し、そのＧａＮから成る層に同様のストライプ状の溝を形成し、その上にＡｌＧａＮから成る層を形成することとしても構わない。
＜＜ウエハの結晶構造解析＞＞
上記のようにしてＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板上に窒化物半導体層を積層後、劈開、分断によって得られたウエハ１の結晶構造を調べた逆格子マッピングを図７（ｂ）に示す。比較のため、ＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板を用いた以外は、上記と同様に方法で作成されたウエハの逆格子マッピングも図７（ａ）に示している。測定は、図８に示すように、ウエハ１に対してストライプコア領域２ａが延びる＜１−１００＞方向に垂直な方向から｛０００１｝面に対して、＜１１−２０＞となす角ωが１０．９°でＸ線を入射し、Ｘ線入射方向に対し１００°の位置に回折するＸ線を観測したものである。

逆格子空間は、実空間をフーリエ変換したものであり、図７の縦軸ｙと横軸ｘが格子定数そのものを表すわけではないが、逆格子空間では実空間での周期性を確認することができる。例えば、逆格子空間でのピーク位置により格子定数を判断することが可能となる。

ウエハ１は、基板２がＧａＮから成り、ｎ型クラッド層３、キャップ層６及びｐ型クラッド層７がＡｌＧａＮから成り、活性層４、光ガイド層５及びコンタクト層８がＩｎＧａＮから成る。よって、このウエハ１の逆格子マッピングには、ＧａＮとＡｌＧａＮとＩｎＧａＮのピーク強度の等高線が現われる。中央の島ＡはＧａＮの等高線ピークであり、ＧａＮの等高線ピークＡの若干上に見える等高線ピークＢがＡｌＧａＮの等高線ピークであり、ＧａＮの等高線ピークＡに連なって下に延びる等高線ＣがＩｎＧａＮの等高線である。

ＳＴＥ処理をしていないＧａＮ基板２を有するウエハでは、ＧａＮ基板２上に形成されるｎ型ＡｌＧａＮから成るｎ型クラッド層３は、横方向の格子定数がＧａＮ基板２に揃うように格子整合して形成される。このことは、図７（ａ）の逆格子マッピングを横軸について見たとき、ＡｌＧａＮの等高線ピークＢがＧａＮの等高線ピークＡに揃っている様子で見て取れる。そして、このｎ型クラッド層３上に格子整合される形で窒化物半導体の層４〜８が積層構造で形成されていくので、最上位のＩｎＧａＮコンタクト層８の横方向の格子定数は、ＧａＮの格子定数に揃うことになる。このことは、図７（ａ）の逆格子マッピングを横軸について見たとき、ＩｎＧａＮの等高線ＣがＧａＮの等高線ピークＡに揃っている様子で見て取れる。

他方、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板２を有するウエハでは、ＧａＮ基板２上に形成されるｎ型ＡｌＧａＮから成るｎ型クラッド層３は、ＳＴＥ処理をしていないＧａＮ基板２を用いた場合よりも横方向の格子定数が小さくなる。このことは、図７（ｂ）の逆格子マッピングを横軸について見たとき、ＡｌＧａＮの等高線ピークＢがＧａＮの等高線ピークＡよりも右にずれている様子で見て取れる。そして、このｎ型クラッド層３上に格子整合される形で窒化物半導体の層４〜８が積層構造で形成されていくので、最上位のＩｎＧａＮコンタクト層８の横方向の格子定数は、ＡｌＧａＮの格子定数に揃うことになる。つまり、ＩｎＧａＮコンタクト層８の横方向の原子間距離は、ＧａＮ基板２をＳＴＥ処理していない場合よりも短くなる。このことは、図７（ｂ）の逆格子マッピングを横軸について見たとき、ＩｎＧａＮの等高線Ｃが、ＧａＮの等高線ピークＡより右にずれるとともに、ＡｌＧａＮの等高線ピークＢに揃っている（破線Ｄに揃っている）様子で見て取れる。

以上より、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板上に積層されたＩｎＧａＮ層では、ＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板上に積層した場合よりも横方向の原子間距離が短くなるため、高さ方向の原子間距離が長くなり、歪みが大きくなることが予想される。このことは、スポンジを横方向に圧縮したときの変形で容易に理解できる。

上述したように、ＩｎＧａＮコンタクト層８に加わる高さ方向の歪みが大きくなれば、コンタクト層８とｐ側オーミック電極９との間の接触抵抗が低下する効果があることが知られている。よって、本発明によって作成した窒化物半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなく、コンタクト層と電極との間の接触抵抗を下げることができる。よって、立ち上がり電圧の小さい省エネルギーな窒化物半導体レーザ素子を実現できる。しかも、コンタクト層のインジウム組成が低いため、コンタクト層の面内組成のバラツキが抑制され、良好な結晶性を保つことができ、安定した接触抵抗を得ることができる。

＜ウエハの分断＞
次に、得られたウエハ１を劈開及び分割してチップを得るとともに、このチップを用いた窒化物系半導体レーザ素子の作製方法の一例について図４及び図５を用いて説明する。図４は、バー及びチップを示した模式的な平面図であり、バー及びチップの図１（ａ）と同様の平面について示したものである。また、図５は、窒化物系半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。なお、以下では上述したウエハ作製方法の一例によって得られたウエハを用いる場合について説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、基板２の＜１１−２０＞方向に沿ってウエハ１を劈開してバー１５を得る。このとき得られるバー１５は、劈開することによって得られる２つの端面（｛１−１００｝面）が共振器端面となり、素子構造が＜１１−２０＞方向に一列に整列する構成となる。

そして、得られたバー１５の共振器端面に、例えばＳｉＯ₂やＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃から成るコーティングを施しても構わない。また、いずれか一方の端面に形成するコーティングを１０層程度の多数の層から成るものとして反射率を高くするとともに、いずれか一方の端面に形成するコーティングを１層程度の少数の層から成るものとして反射率を低くしても構わない。

また、図４（ｂ）に示すように、得られたバー１５を＜１−１００＞方向に沿って分割することでチップ１６得る。このとき、１つのチップ１６には１つの素子構造が含まれることとなり、このチップ１６を用いて、図５に示すような窒化物系半導体レーザ素子２０が作製される。

なお、ウエハ１からバー１５への劈開及びバー１５からチップ１６への分割において、それぞれの劈開方向及び分割方向に沿った溝をウエハ１またはバー１５に形成するとともに、この溝に沿って劈開及び分割を行なうこととしても構わない。また、この溝は実線状であっても破線状であっても構わない。また、ウエハ１やバー１５においてパッド電極１２や電流ブロック層１１が形成される方の面に溝を形成することとしても構わないし、ｎ側電極１３が形成される方の面に溝を形成しても構わない。

＜チップのマウント＞
図５に示すように、窒化物系半導体レーザ素子２０は、チップ１６がはんだによって接続及び固定（マウント）されるサブマウント２３と、サブマウント２３と接続するヒートシンク２２と、ヒートシンク２２がある面に接続するステム２１と、ステム２１のヒートシンク２２が接続するある面とある面の反対側の面とを貫通するとともにステム２１と絶縁されるピン２４ａ、２４ｂと、一方のピン２４ａとチップ１６のパッド電極１２とを電気的に接続するワイヤ２５ａと、他方のピン２４ｂとサブマウント２３とを電気的に接続するワイヤ２６ｂと、を備えている。

また、窒化物系半導体レーザ素子２０の構成をわかりやすく表示するため図示していないが、ステム２１のヒートシンク２２が接続するある面に接続するとともに、チップ１６と、サブマウント２３と、ヒートシンク２２と、ピン２４ａ、２４ｂのある面から突出する部分と、ワイヤ２５ａ、２５ｂと、を封止するキャップを備える。

そして、この２本のピン２４ａ、２４ｂを介してチップ１６に電流が供給されることで発振し、チップ１６からレーザ光が出射される。このとき、キャップには出射されるレーザ光に対して透明な物質から成る窓が備えられており、この窓を透過してレーザ光が出射される。

なお、図５に示す窒化物系半導体レーザ素子２０の構成は一例であり、ヒートシンク２２や、サブマウント２３、ピン２４ａ、２４ｂ、ワイヤ２５ａ、２５ｂなどの構成について、他の構成であっても構わない。
＜＜チップの立ち上がり電圧測定＞＞
上記のようにして窒化物半導体レーザ素子２０を量産し、立ち上がり電圧を測定してロット平均値ヒストグラムを作成したものが、図９である。比較のため、ＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板を用いた以外は、上記と同様に方法で作成された窒化物半導体レーザ素子の結果も示している。立ち上がり電圧（Ｖｆ＠１ｍＡ）とは、チップ１６に１ｍＡの電流を供給するために必要な起動電圧のことをいい、コンタクト層８とｐ 側オーミック電極９との間の接触抵抗にほぼ比例する特性である。つまり、立ち上がり電圧が大きくなるほど、接触抵抗が大きい。図９において、縦軸は占有率（％）を表し、横軸（単位なし）は立ち上がり電圧を表すが軸に付された数値は最頻値を１００とした相対値であり、絶対値（Ｖｆ＠１ｍＡ）に比例する値である。

図９に示すように、ＳＴＥ処理をしていないＧａＮ基板２を有するチップでは、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板２を有するチップよりも立ち上がり電圧のロット平均値が最頻値よりも大きい方に広がって分布している。つまり、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板２を有するチップの方が、ＳＴＥ処理をしていないＧａＮ基板２を有するチップよりも、コンタクト層８とｐ側オーミック電極９の間の接触抵抗が小さくなることが裏付けられる。

この結果を上記の図７の結果と合わせて考察すれば、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板２を有するチップでは、ＩｎＧａＮコンタクト層８に加わる高さ方向の歪みが大きくなると、コンタクト層８とｐ側オーミック電極９との間の接触抵抗が小さくなるという知見が得られる。よって、本発明によって作成した窒化物半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＮコンタクト層のインジウム組成を高くすることなく、コンタクト層８とｐ側オーミック電極９との間の接触抵抗を下げることができる。よって、立ち上がり電圧の小さい省エネルギーな窒化物半導体レーザ素子を実現できる。しかも、コンタクト層８のインジウム組成が低いため、コンタクト層８の面内組成のバラツキが抑制され、良好な結晶性を保つことができ、安定した接触抵抗を得ることができる。

本発明は、窒化物系半導体レーザ素子の作製方法に関するものであり、特に、窒化物系半導体基板上に窒化物系半導体を積層することによって作製される半導体レーザ素子の作製方法に適用すると好適である。

は、本発明の実施形態のウエハの一例を示す模式的な平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 は、上記ウエハの作製方法の一例を示す模式的な断面図である。 は、上記ウエハの活性層について示した模式的な断面図である。 は、上記ウエハから得られるバー及びチップの一例を示した模式的な平面図である。 は、上記チップを加工して得られる窒化物系半導体レーザ素子の一例を示す模式的な斜視図である。 は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮの格子定数の大小関係を、フリーの単結晶（ａ）の場合と、ＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層の順でエピタキシャル成長させたとき（ｂ）と、ＳＴＥ処理をしたＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層の順でエピタキシャル成長させたとき（ｃ）と、で比較して模式的に表す図である。 は、ＳＴＥ処理しないＧａＮ基板を有するウエハ（ａ）とＳＴＥ処理をしないＧａＮ基板を有するウェハ（ｂ）の結晶構造を解析した逆格子マッピングを表す図である。 は、上記逆格子マッピング測定時のＸ線照射条件を示すウエハの平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 は、上記窒化物半導体レーザ素子の立ち上がり電圧のロット平均値ヒストグラである。 は、従来のウエハの一例を示す模式的な平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。

符号の説明

１ ウエハ
２ 基板
２ａ ストライプコア
２ｂ 他の領域
２ｃ ストライプ状の溝
３ ｎ型クラッド層
４ 活性層
４ａ 井戸層
４ｂ 障壁層
５ 光ガイド層
６ キャップ層
７ ｐ型クラッド層
８ コンタクト層
９ ｐ側オーミック電極
１０ リッジ部
１１ 電流ブロック層
１２ パッド電極
１３ ｎ側電極
１４ ＳｉＯ₂層
１５ バー
１６ チップ

Claims (6)

1. 基板上に窒化物半導体の層を積層した窒化物系半導体レーザ素子の作製方法において、 エッチングによりストライプ状の溝を形成したＧａＮから成る基板又は層の上にＡｌＧａＮから成る層を形成し、最上位層にＩｎＧａＮから成るコンタクト層を形成することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の作製方法。
2. 前記ストライプ状の溝が、前記ＧａＮから成る基板又は層のストライプコア領域の中心に形成された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の作製方法。
3. 前記ストライプコア領域の幅は１０〜３０μｍであり、前記ストライプ状の溝の溝深さは２．５〜３．５μｍ、溝幅は２０〜４０μｍ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レーザ素子の作製方法。
4. 基板上に窒化物半導体の層を積層した窒化物系半導体レーザ素子において、
   ストライプ状の溝を形成したＧａＮから成る基板又は層と、
   該ＧａＮから成る基板又は層の上に形成されたＡｌＧａＮから成る層と、
   最上位層に形成されたＩｎＧａＮから成るコンタクト層と、
   を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
5. 前記ストライプ状の溝が、前記ＧａＮから成る基板又は層のストライプコア領域の中心に形成された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。
6. 前記ストライプコア領域の幅は１０〜３０μｍであり、前記ストライプ状の溝の溝深さは２．５〜３．５μｍ、溝幅は２０〜４０μｍであることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体レーザ素子。

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