JP3806671B2 - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、BN(窒化ホウ素)、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)もしくはInN(窒化インジウム)またはこれらの混晶等のIII −V族窒化物系半導体(以下、窒化物系半導体と呼ぶ)からなる化合物半導体層を有する半導体素子、半導体発光素子およびその製造方法ならびに窒化物系半導体層の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、青色または紫色の光を発する発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、GaN系半導体発光素子の実用化が進んできている。GaN系半導体発光素子の製造の際には、GaNからなる基板が存在しないため、サファイア(Al2O3)等の絶縁性基板上に各層をエピタキシャル成長させている。
【0003】
図18は従来のGaN系発光ダイオードの構造を示す断面図である。図18の発光ダイオードは日経マイクロデバイス1994年2月号の第92頁〜第93頁に開示されている。
【0004】
図18において、サファイア基板61上に、GaNバッファ層62、n−GaN層63、n−AlGaNクラッド層64、InGaN発光層65、p−AlGaNクラッド層66およびp−GaN層67が順に形成されている。p−GaN層67からn−GaN層63までの一部領域がエッチングにより除去されている。p−GaN層67の上面にp電極68が形成され、n−GaN層63の露出した上面にn電極69が形成されている。このような発光ダイオードの構造はラテラル構造と呼ばれている。
【0005】
図18の発光ダイオードは、InGaN発光層65をn−AlGaNクラッド層64およびp−AlGaNクラッド層66で挟んだダブルヘテロ構造のpn接合を有し、青色の光を発生することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図18に示したような従来のGaN系半導体発光素子では、GaNおよびサファイア基板の格子定数の違いから、サファイア基板上に成長したGaN系半導体結晶には、通常109個/cm2程度の格子欠陥が存在する。このような格子欠陥はサファイア基板の表面からGaN系半導体層へと伝搬している。この格子欠陥のために、サファイア基板上のGaN系半導体層からなる半導体発光素子では、素子特性および信頼性の劣化が生じる。
【0007】
格子欠陥による素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法として、横方向成長技術が提案されている。この横方向成長技術は、例えばProceedings of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 27-31, 1997, Tokushima, Japan, pp.444-446 に報告されている。図19は従来の横方向成長技術を説明するための模式的工程断面図である。
【0008】
図19(a)に示すように、サファイア基板81上にAlGaNバッファ層82を成長させ、AlGaNバッファ層82上にGaN層83を成長させる。GaN層83には上下方向に延びる格子欠陥91が存在する。このGaN層83上に、ストライプ状のSiO2膜90を形成する。
【0009】
次に、図19(b)に示すように、ストライプ状のSiO2膜90間に露出したGaN層83上にGaN層84を再成長させる。この場合にも再成長したGaN層84に上下方向の格子欠陥91が延びる。
【0010】
図19(c)に示すように、GaN層84をさらに成長させると、GaN層84が横方向にも成長し、SiO2膜90上にもGaN層84が形成される。SiO2膜90上のGaN層84には格子欠陥が存在しない。
【0011】
図19(d)に示すように、GaN層84をさらに成長させると、SiO2膜90上およびSiO2膜90間のGaN層83上にGaN層84が形成される。
【0012】
このような横方向成長技術を用いると、SiO2膜90上に、格子欠陥の存在しない高品質なGaN結晶を形成することができる。
【0013】
しかしながら、SiO2膜90が存在しない領域では、下地のGaN層83からの格子欠陥91が再成長したGaN層84の表面まで延びるため、GaN層84の表面の格子欠陥はなくならない。したがって、半導体発光素子の作製時には、発光領域をSiO2膜上に限定する必要がある。そのため、発光領域の大きさを大きくすることができない。
【0014】
また、高品質なGaN層の面積を広げるためにSiO2膜の面積を広くすると、横方向に成長するGaN層の表面を平坦にすることができなくなる。
【0015】
図18に示した従来のGaN系発光ダイオードでは、サファイア基板61が絶縁性基板であるため、n電極69をサファイア基板61の裏面に設けることができず、n電極69をn−GaN層63の露出した表面に設ける必要がある。そのため、n電極を導電性基板の裏面に設ける場合に比べて、p電極68とn電極69との間の電流経路が長くなり、動作電圧が高くなる。
【0016】
さらに、GaN系半導体レーザ素子を作製する場合、GaAs基板を用いた赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振器面を形成することが困難である。
【0017】
図20はサファイア基板およびGaN系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。図20において、実線の矢印はサファイア基板の結晶方位を示し、破線の矢印はGaN系半導体層の結晶方位を示す。
【0018】
図20に示すように、サファイア基板上に形成されたGaN系半導体層のa軸およびb軸はサファイア基板のa軸およびb軸に対して30度ずれている。
【0019】
図20はサファイア基板上に形成されたGaN系半導体層からなる半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【0020】
図21において、サファイア基板61の(0 0 0 1)面上にGaN系半導体層70が形成されている。ストライプ状の電流注入領域71は、GaN系半導体層70の<1 1 -2 0>方向に平行となっている。この場合、GaN系半導体層70の{1 -1 0 0}面はサファイア基板61の{1 -1 0 0}面に対して30度傾いている。サファイア基板61およびGaN系半導体層70ともに{1 -1 0 0}面でへき開しやすい。
【0021】
このように、サファイア基板61とGaN系半導体層70とでへき開方向がずれているため、GaN系半導体レーザ素子を製造する場合に、GaAs基板上に形成される赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振器面を形成することが困難となる。この場合、エッチングにより共振器面を形成する必要が生じる。しかしながら、エッチングにより共振器面を形成した場合には、基板に対して垂直に端面を形成することが困難であるため、半導体レーザ素子の動作電流を低減することができない。
【0022】
一方、GaN系半導体レーザ素子の横モードの制御方法に関して種々の報告および提案がされている。これらの横モードの制御方法のほとんどは、従来の赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子で採用されているリッジ導波構造およびセルフアライン構造の2種である。
【0023】
しかし、GaN系半導体層は化学的に安定であるため、従来の赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子に用いられるAlGaAs系半導体層等のように、ウエットエッチングによりパターニングすることができず、RIE法(反応性イオンエッチング法)、RIBE法(反応性イオンビームエッチング法)等のドライエッチングによりパターニングする必要がある。
【0024】
そのため、GaN系半導体レーザ素子において、リッジ導波構造またはセルフアライン構造を作製するためのパターニングを容易にかつ再現性よく行うことができない。しかも、ドライエッチングの精度により素子特性が大きく変化する。
【0025】
本発明の目的は、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子を提供することである。
【0026】
本発明の他の目的は、エッチングを用いることなく高品質の光導波路の形成が可能な屈折率導波型の窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【0027】
本発明のさらに他の目的は、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供することである。
【0031】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る半導体レーザ素子は、基板上の、発光部に対応する領域に所定間隔で形成された複数のストライプ状絶縁膜と、前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記基板上に形成された、窒化物系半導体からなるn型クラッド層、発光層およびp型クラッド層と、を有し、前記n型クラッド層、発光層およびp型クラッド層は、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状に形成され、前記発光層における凹状の部分が発光部となることを特徴とする。
【0036】
本願発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも1つを含む第1の窒化物系半導体層上における発光部に対応する領域に所定間隔で複数のストライプ状絶縁膜を形成する工程と、前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記第1の窒化物系半導体層上に、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状になるように窒化物系半導体からなるn型クラッド層、発光層およびp型クラッド層を形成する工程と、を有し、前記発光層における凹状の部分に発光部を形成することを特徴とする。
【0039】
【発明の実施の形態】
図1〜図6は本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【0040】
まず、図1に示すように、サファイア基板1上に、AlGaNバッファ層2を形成し、AlGaNバッファ層2上にアンドープのGaN層3を成長させる。GaN層3上に所定幅のSiO2膜4を形成した後、横方向成長技術を用いてGaN層3上およびSiO2膜4上にn−GaN層5を成長させる。
【0041】
次に、n−GaN層5上に、厚さ0.1μmのn−InPGa1-PN(P=0.1)クラック防止層6、厚さ1.0μmのn−AlYGa1-YN(Y=0.7)クラッド層7、後述する多重量子井戸発光層(以下、MQW発光層と呼ぶ)8、厚さ0.15μmのp−AlYGa1-YN(Y=0.07)クラッド層9、および厚さ0.20μmのn−AlZGa1-ZN(Z=0.12)電流ブロック層10を順に形成する。
【0042】
図7はMQW発光層8のエネルギーバンド構造図である。図7に示すように、MQW発光層8は、厚さ60Åの6つのInXGa1-XN(X=0.03)量子障壁層81と厚さ30Åの5つのInXGa1-XN(X=0.10)量子井戸層82とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を含む。その多重量子井戸構造の両面は厚さ0.1μmのGaN光ガイド層83で挟まれている。
【0043】
続いて、n−AlZGa1-ZN電流ブロック層10の中央部の幅W0のストライプ状の領域をエッチングにより除去する。この場合、n−AlZGa1-ZN電流ブロック層10間のストライプ状の領域が電流注入領域19となる。電流注入領域19の幅W0は例えば2μmである。この電流注入領域19は、GaNの〈11-20〉方向に沿って形成する。
【0044】
さらに、n−AlZGa1-Z N電流ブロック層10上およびp−AlYGa1-YNクラッド層9上に厚さ0.4μmのp−AlYGa1-YN(Y=0.07)クラッド層11、および厚さ0.1μmのp−GaNコンタクト層12を順に形成する。
【0045】
なお、n型ドーパントとしてはSiを用い、p型ドーパントとしてはMgを用いる。また、各層の成長方法としては、例えば、MOCVD法(有機金属化学的気相成長法)またはHVPE法(ハイドライド気相成長法)を用いる。
【0046】
この場合、SiO2膜4が存在しない領域では、GaN層3からp−GaNコンタクト層12まで格子欠陥が上下方向に延びている。SiO2膜4上のn−GaN層5からp−GaNコンタクト層12には格子欠陥が存在しない。
【0047】
次に、図2に示すようにSiO2膜4が存在しない領域のp−GaNコンタクト層12からn−GaN層5までをRIE法、RIBE法等のドライエッチングにより除去する。それにより、GaN層3上に格子欠陥の存在しないGaN系半導体層18が残る。
【0048】
さらに、p型ドーパントを活性化するために、600℃以上、例えば800℃で30分間のアニールを行った後、図3に示すように、p−GaNコンタクト層12上に厚さ5000ÅのNi、厚さ100ÅのPtおよび厚さ1μmのAuからなるp電極13を形成する。
【0049】
次に、図4に示すように、表裏の(001)面にオーミック電極15a,15bが形成された厚み100μmのn−GaAs基板14を用意する。このn−GaAs基板14のオーミック電極15a上に、サファイア基板1上のGaN系半導体層18上に形成されたp電極13の上面を熱圧着または融着により接合する。
【0050】
熱圧着を用いる場合、p電極13の表面およびオーミック電極15aの表面は、蒸着直後の状態のAuで覆われていることが望ましい。また、融着を用いる場合には、n−GaAs基板14上に厚さ3μm程度のAu−Sn膜を形成することが望ましい。
【0051】
p電極13とオーミック電極15aとの接合の際には、n−GaAs基板14とGaN系半導体層18とが図8の関係を有するようにGaAs基板14とGaN系半導体層18との結晶方位を合わせる。
【0052】
図8において、n−GaAs基板14の(001)面上にGaN系半導体層18が形成される。ストライプ状の電流注入領域19は、図4のn−AlZGa1-ZN電流ブロック層10間の領域に対応し、電流注入領域19に発光部20が形成される。この電流注入領域19は〈1 -1 0 0〉方向に沿って設けられる。この場合,GaN系半導体層18の電流注入領域19がn−GaAs基板14の〈110〉方向または〈1-10〉方向と平行になるようにGaN系半導体層18をn−GaAs基板14上に接合する。
【0053】
次に、図4のサファイア基板1およびn−GaAs基板14をフッ酸原液に浸漬することによりSiO2膜4を除去し、サファイア基板1およびその上の格子欠陥を有するAlGaNバッファ層2およびGaN層3をリフトオフ法によりn−GaAs基板14上のGaN系半導体層18から取り外す。それにより、図5に示すように、n−GaAs基板14上に格子欠陥を有さないGaN系半導体層18が残る。この場合、SiO2膜4のサイドエッチングが進行しやすくなるように、界面活性化入りのフッ酸原液を用いることが望ましい。
【0054】
最後に、図6に示すように、n−GaN層5上の中央部の領域を除いてGaN系半導体層18の上面および側面ならびにオーミック電極15aの表面に、短絡防止用のSiO2膜16を形成した後、n−GaN層5上およびSiO2膜16上に厚さ100ÅのTiおよび厚さ2000ÅのAlからなるn電極17を形成する。
【0055】
その後、一対の共振器面をへき開法により形成する。この場合、図8に示すように、GaN系半導体層18の{1-100}面およびn−GaAs基板14の{110}面または{1-10}面がへき開面となる。
【0056】
本参考例の半導体レーザ素子においては、GaN系半導体層18の裏面および表面にそれぞれp電極13およびn電極17が形成されるので、p電極13とn電極17との間の電流経路が短くなる。また、GaN系半導体層18にほとんど格子欠陥が存在しない。したがって、低電圧動作および低電流動作が可能となる。
【0057】
また、GaN系半導体層18のへき開方向とn−GaAs基板14のへき開方向とを一致させることができるので、共振器面をへき開法により容易に形成することができる。
【0058】
なお、本参考例では、半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適用可能である。
【0059】
図9および図10は本発明の第2の参考例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【0060】
図9(a)に示すサファイア基板21の端面は(0001)面(c面)を有する。図9(b)に示すように、サファイア基板21の(0001)面上に、AlGaNバッファ層22およびアンドープのGaN層23を順に成長させる。GaN層23には上下方向に延びる格子欠陥37が存在する。
【0061】
次に、図9(c)に示すように、Niからなるストライプ状マスク29を用いてGaN層23をRIE法によりエッチングし、GaN層23の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成する。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Dはいずれも例えば5μmとする。
【0062】
ストライプ状マスク29を除去した後、図9(d)に示すように、GaN層23上にSiO2膜30を形成する。
【0063】
次に、図10(e)に示すように、GaN層23の凹凸パターンの側面に形成されたSiO2膜30をエッチングにより除去する。
【0064】
その後、図10(f)に示すように、GaN層24の再成長を行う。このとき、凹凸パターンの側面のみに下地のGaN層23が露出しているので、GaN層24の再成長の開始時には、GaN層24は縦方向へ成長せず、横方向のみに成長する。SiO2膜30上で横方向に成長するGaN層24には下地のGaN層23の格子欠陥37が伝搬しない。
【0065】
そして、図10(g)に示すように、GaN層24の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの下段のSiO2膜30がGaN層24により埋め込まれ、GaN層24が縦方向へ成長する。
【0066】
その後、図10(h)に示すように、GaN層24が凹凸パターンの上段のSiO2膜30上において横方向へ成長するとともに縦方向にも成長し、GaN層24の表面が平坦化される。それにより、凹凸パターンのSiO2膜30上に格子欠陥が存在しない高品質のGaN層24が形成される。
【0067】
再成長させるGaN層24の表面を平坦にするためには、GaN層24がある程度の厚みを有することが必要である。GaN層24の表面を平坦にするために必要な厚みは、下地のGaN層23の凹凸パターンの幅、GaN層24の成長時の基板温度等の成長条件によって異なる。例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそれぞれ5μm程度の場合、GaN層24の厚みは10〜20μm程度必要となる。
【0068】
GaNは〈1-100〉方向に成長しやすいので、図10(f),(g),(h)の工程でGaN層24の横方向への成長が生じやすくするために、図9(c)の工程でNiからなるストライプ状マスク29をGaN層23の〈1-100〉方向と垂直な〈11-20〉方向に沿って形成することが望ましい。
【0069】
また、図10(h)の工程で再成長するGaN層24の表面が平坦になりやすくするために、図9(c)の工程で用いるNiからなるストライプ状マスク29のマスク幅およびストライプ状マスク29の窓幅(Niが存在しない領域の幅)はそれぞれ10μm以下と小さいことが好ましく、1〜5μmとすることがより好ましい。
【0070】
さらに、下地のGaN層23の凹凸パターンの凸部の断面形状は、順メサ形状(台形状)とするよりも垂直な側面を有する矩形状または逆メサ形状(逆台形状)とすることが好ましい。
【0071】
図11に示すように、GaN層23の凹凸パターンの断面形状を逆メサ形状にし、ステップカバレッジの悪い電子ビーム蒸着等の堆積方法でSiO2膜30をGaN層23上に形成することにより、凹凸パターンの側面へSiO2膜が堆積することを防止できる。それにより、凹凸パターンの側面のSiO2膜をエッチングにより除去する工程を省略することができる。
【0072】
図12(a),(b)は下地のGaN層23の表面に逆メサ形状の凹凸パターンを形成する方法を示す模式的断面図である。
【0073】
まず、図12(a)に示すように、GaN層23上にNiからなるストライプ状マスク29を形成した後、ドライエッチング時に、サファイア基板21を傾けてエッチング装置に装着する。この状態で、GaN層23をRIE法等のドライエッチングによりエッチングする。
【0074】
次に、図12(b)に示すように、サファイア基板21を逆方向に傾ける。この状態で、GaN層23をRIE法等のドライエッチングによりエッチングする。このようにして、GaN層23の表面に逆メサ形状の凹凸パターンを形成することができる。
【0075】
本参考例のGaN系半導体層の製造方法によれば、GaNと格子定数の異なるサファイア基板21を用いても、サファイア基板21の全面において格子欠陥が存在しない高品質のGaN層24を成長させることが可能となる。
【0076】
したがって、GaN層24上にGaN系半導体層からなる発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子を作製した場合、発光効率および信頼性の向上を図ることが可能となる。
【0077】
図13は図9および図10の方法により形成されたGaN層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
【0078】
図13において、図9および図10の方法により形成されたGaN層24上に、n−GaN層25、n−InGaNクラック防止層26、n−AlGaNクラッド層27、MQW発光層28およびp−AlGaNクラッド層29が順に形成されている。p−AlGaNクラッド層29上のストライプ状の領域を除いてn−AlGaN電流ブロック層31が形成されている。p−AlGaNクラッド層29上およびn−AlGaN電流ブロック層31上に、p−AlGaNクラッド層32およびp−GaNコンタクト層33が順に形成されている。p−GaNコンタクト層33からn−GaN層25までの一部領域がエッチングにより除去されている。p−GaNコンタクト層33上にp電極34が形成され、n−GaN層25の露出した表面にn電極35が形成されている。
【0079】
図13の半導体レーザ素子においては、n−GaN層25からp−GaNコンタクト層33までのGaN系半導体層36が格子欠陥のないGaN層24上に形成されているので、GaN系半導体層36にほとんど格子欠陥が存在しない。したがって、低電流および低電圧動作が可能な半導体レーザ素子が得られる。
【0080】
なお、本実施例では、本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法を半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法は、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適用可能である。
【0081】
尚、図9及び図10の例では、図9(c)に示したように、GaN層23の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成する際に、凹部の底面にGaN層23が残るようにGaN層23をエッチングしているが、GaN層23の表面に凹凸パターンを形成する際に、図14および図15に示すように凹部の底面にサファイア基板21が露出するまでGaN層23をエッチングしてもよい。
【0082】
図14(a),(b)に示すように、図19(a),(b)と同様にして、サファイア基板21の(0 0 0 1)面上に、AlGaNバッファ層22およびアンドープのGaN層23を順に成長させる。なお、GaN層23の厚さは例えば0.5μm〜5μm程度である。この場合にも、GaN層23には上下方向に延びる格子欠陥37が存在する。
【0083】
次に、GaN層23の全面にSiO2膜を形成し、SiO2膜上にフォトレジストからなるストライプ状マスクを形成し、図14(c)に示すように、フッ酸を用いてSiO2膜をエッチングすることにより、ストライプ状のSiO2膜30を形成する。
【0084】
その後、図14(d)に示すように、SiO2膜30をマスクとして用い、塩素ガスを用いたRIE法により、GaN層23およびAlGaNバッファ層22をサファイア基板21が露出するまでエッチングし、GaN層23の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成する。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Dはいずれも例えば5μmとする。
【0085】
その後、図15(e)に示すように、GaN層24の再成長を行う。このとき、凹凸パターンの側面のみに下地のGaN層23が露出しているので、GaN層24の再成長の開始時には、GaN層24は縦方向には成長せず、横方向のみに成長する。サファイア基板21上で横方向に成長するGaN層24には格子欠陥が存在しない。
【0086】
図15(f)に示すように、GaN層24の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの凹部がGaN層24により埋め込まれ、GaN層24が縦方向に成長する。
【0087】
その後、図15(g)に示すように、GaN層24が凹凸パターンの凸部の上面のSiO2膜30において横方向に成長するとともに縦方向にも成長し、GaN層24の表面が平坦化される。それにより、凹凸パターンのSiO2膜30上およびサファイア基板21上に格子欠陥が存在しない高品質のGaN層24が形成される。
【0088】
図9および図10の例と同様に、再成長させるGaN層24の表面を平坦にするためには、GaN層24がある程度の厚みを有することが必要である。GaN層24の表面を平坦にするために必要な厚みは、下地のGaN層23の凹凸パターンの幅、GaN層24の成長時の基板温度等の成長条件によって異なる。例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそれぞれ5μmの場合、GaN層24の厚みは10〜20μm程度必要となる。
【0089】
また、GaNは<1 -1 0 0>方向に成長しやすいので、図15(e),(f),(g)の工程でGaN層24の横方向への成長が生じやすくするために、図14(c)の工程でストライプ状のSiO2膜30をGaN層23の<1 -1 0 0>方向と垂直な<1 1 -2 0>方向に沿って形成することが望ましい。
【0090】
さらに、図15(g)の工程で再成長するGaN層24の表面が平坦になりやすくなるために、図14(c)の工程で形成するストライプ状のSiO2膜30の幅およびストライプ状のSiO2膜の窓幅(SiO2膜が存在しない領域の幅)はそれぞれ10μm以下と小さいことが好ましく、1〜5μm以下とすることがより好ましい。
【0091】
また、GaN層23の凹凸パターンの凸部の断面形状は、図9および図10の例と同様に、順メサ形状とするよりも垂直な側面を有する矩形状または逆メサ形状とすることが好ましい。
【0092】
尚、図14及び図15の例では、絶縁性基板としてサファイア基板21を用いているが、サファイア基板21の代わりにスピネル基板等の他の絶縁性基板を用いることも出来る。
【0093】
図16および図17は本発明の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【0094】
まず、図16(a)に示すように、サファイア基板41の(0001)面上に、厚さ30ÅのAlGaNバッファ層42、厚さ2μmのアンドープのGaN層43および厚さ3μmのSiドープのn−GaN層44aを順に成長させる。
【0095】
次に、図16(b)に示すように、n−GaN層44a上に厚さ約1000ÅのSiO2膜を形成した後、エッチングにより発光部を除く領域のSiO2膜を除去するとともに発光部に対応する領域のSiO2膜をストライプ状にパターニングし、複数本のストライプ状SiO2膜45を形成する。この場合、次の工程でGaNが横方向に成長しやすいようにストライプ状SiO2膜45をn−GaN層44aの〈1-120〉方向に沿って形成する。
【0096】
各ストライプ状SiO2膜45の幅は0.5μm程度であり、ストライプ状SiO2膜45のピッチは1μm程度である。基本横モード発振を実現するためには、発光部の幅W1を2〜5μm程度とすることが好ましく、ストライプ状SiO2膜45の本数は3〜5本程度必要となる。
【0097】
その後、図16(c)に示すように、n−GaN層44a上に、厚さ5μmのSiドープのn−GaN層44b、厚さ0.1μmのSiドープのn−InGaNクラック防止層46および厚さ1μmのSiドープのn−AlGaNクラッド層47を順に成長させる。さらに、n−AlGaNクラッド層47上に、図7に示した構造を有するMQW発光層48、厚さ1μmのMgドープのp−AlGaNクラッド層49および厚さ0.1μmのMgドープのp−GaNコンタクト層50を順に成長させる。
【0098】
この場合、ストライプ状SiO2膜45が存在する領域では、ストライプ状SiO2膜45間で下地のn−GaN層44aから縦方向にGaNが成長した後、ストライプ状SiO2膜45上で横方向にGaNが成長する。一方、ストライプ状SiO2膜45が存在しない領域では、下地のn−GaN層44aから縦方向にGaNが成長する。それにより、ストライプ状SiO2膜45が存在する領域とストライプ状SiO2膜45が存在しない領域とでは、実質的にGaNの成長速度に差が生じる。すなわち、ストライプ状SiO2膜45が存在する領域では、ストライプ状SiO2膜45が存在しない領域と比べてGaNの成長速度が実質的に遅くなる。この成長速度の差は、ストライプ状SiO2膜45が完全にGaNで埋め込まれて横方向の成長が完了するまで続く。
【0099】
その結果、n−GaN層44bの表面が凹状に形成され、さらにn−InGaNクラック防止層46、n−AlGaNクラッド層47、MQW発光層48、p−AlGaNクラッド層49およびp−GaNコンタクト層50が凹状に形成される。MQW発光層48の凹状の部分が素子の能動領域である発光部となる。また、ストライプ状SiO2膜45が存在する領域上のGaN系半導体層56にはほとんど結晶欠陥が存在しない。
【0100】
その後、図17(d)に示すように、p−GaNコンタクト層50からn−GaN層44bまでの一部領域をエッチングにより除去し、n−GaN層44aを露出させる。
【0101】
さらに、図17(e)に示すように、発光部の上部の領域およびn−GaN層44aの電極形成領域を除いて、電流狭窄を行うためおよびpn接合の露出部を保護するためにp−GaNコンタクト層50の上面および側面ならびにn−GaN層44aの上面にSiO2膜51を形成する。
【0102】
最後に、図17(f)に示すように、p−GaNコンタクト層50の露出した表面にp電極52を形成し、n−GaN層44aの露出した表面にn電極53を形成する。
【0103】
発光部に無駄なく電流が注入されるように、電流注入領域となるSiO2膜51の窓の幅W2は、発光部の幅W1と同じか発光部の幅W1よりもやや狭くすることが好ましい。
【0104】
本実施例の半導体レーザ素子の製造方法によれば、ストライプ状SiO2膜45が存在する領域上のGaN系半導体層56の結晶性が向上するとともに、GaNの横方向の成長中に生じる成長速度の差により発光部におけるMQW発光層8が凹状に形成される。
【0105】
それにより、サファイア基板41の垂直方向のみならず水平方向にも屈折率差が現れる。その結果、エッチング工程を行うことなく2回の結晶成長で屈折率導波構造を容易に作製することができる。したがって、素子特性のばらつきがなく、かつ再現性の高い屈折率導波型の半導体レーザ素子が実現される。
【0106】
なお、本実施例では、本発明を半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本発明は、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適用可能である。
【0107】
上記実施例では、サファイア基板41を用いた半導体レーザ素子について説明したが、サファイア基板41の代わりにSiC基板、スピネル(MgAl2O4)基板等の他の基板を用いることもできる。
【0108】
なお、上記第1、第2の参考例および実施例では、横方向成長技術を行うための絶縁膜としてSiO2膜4,30,45を用いているが、SiO2膜の代わりにAl2O3膜、TiO2膜等の他の絶縁膜を用いてもよい。
【0109】
【発明の効果】
本発明によれば、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子を提供し得る。
【0110】
また、本発明によれば、エッチングを用いることなく高品質の光導波路の形成が可能な屈折率導波型の窒化物系半導体発光素子を提供し得る。
【0111】
また、本発明によれば、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図2】本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図3】本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図4】本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図5】本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図6】本発明の第1の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図7】図1〜図6の半導体レーザ素子におけるMQW発光層のエネルギーバンド構造図である。
【図8】図1〜図6の半導体レーザ素子におけるサファイア基板およびGaN系半導体層の結晶方位の関係を示す斜視図である。
【図9】本発明の第2の参考例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図10】本発明の第2の参考例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図11】GaN層の表面に形成された逆メサ形状の凹凸パターンを示す模式的断面図である。
【図12】GaN層の表面に逆メサ形状の凹凸パターンを形成する方法を示す模式的断面図である。
【図13】図9および図10の方法により形成されたGaN層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
【図14】GaN系半導体層の形成方法の他の例を示す模式的工程断面図である。
【図15】GaN系半導体層の形成方法の他の例を示す模式的工程断面図である。
【図16】本発明の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図17】本発明の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図18】従来のGaN系発光ダイオードの模式的断面図である。
【図19】従来の横方向成長技術を用いたGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図20】サファイア基板およびその上に形成されたGaN系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。
【図21】サファイア基板およびその上に形成されたGaN系半導体層の結晶方位の関係を示す斜視図である。
【符号の説明】
1,21,41 サファイア基板
2,22,42 AlGaNバッファ層
3,23,24,43 GaN層
4,16,30,45,51 SiO2膜
5,25,44a,44b n−GaN層
7 n−AlY Ga1-Y Nクラッド層
8,28,48 MQW発光層
9,11 p−AlY Ga1-Y Nクラッド層
12,33,50 p−GaNコンタクト層
14 n−GaAs基板
27,47 n−AlGaNクラッド層
29,32,49 p−AlGaNクラッド層
Claims (4)
- 基板上の、発光部に対応する領域に所定間隔で形成された複数のストライプ状絶縁膜と、
前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記基板上に形成された、窒化物系半導体からなるn型クラッド層、発光層およびp型クラッド層と、
を有し、
前記n型クラッド層、発光層およびp型クラッド層は、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状に形成され、
前記発光層における凹状の部分が発光部となることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記複数のストライプ状絶縁膜は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも1つを含む第1の窒化物系半導体層上に形成されたことを特徴とする請求項2記載の半導体レーザ素子。
- 前記ストライプ状絶縁膜を含んで前記基板上に形成された、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも1つを含む第2の窒化物系半導体層を有し、
前記第2の窒化物系半導体層は、前記複数のストライプ状絶縁膜上で凹となるように前記基板上に凹状に形成され、
前記n型クラッド層、発光層およびp型クラッド層は、前記第2の窒化物系半導体層上に形成されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体レーザ素子。 - ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも1つを含む第1の窒化物系半導体層上における発光部に対応する領域に所定間隔で複数のストライプ状絶縁膜を形成する工程と、
前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記第1の窒化物系半導体層上に、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状になるように窒化物系半導体からなるn型クラッド層、発光層およびp型クラッド層を形成する工程と、を有し、
前記発光層における凹状の部分に発光部を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
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