JP3926271B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体から成る半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体は、大きなエネルギーバンドギャップと高い熱的安定性を有し、またその組成を調節することによってバンドギャップ幅を制御することも可能である。このことから、発光素子や高温デバイスをはじめとして、さまざまな半導体デバイスに応用開発が進められている。
【０００３】
発光素子としては、青から緑の光波長域で数ｃｄ級の光度を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が既に実用化されており、また、レーザダイオード（ＬＤ）としても、実用化に向けて開発が進められている段階にある。レーザダイオードについては、開発当初より、サファイア等の比較的入手しやすい絶縁性基板を使用することが試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしサファイア基板を使用した素子では、基板とエピタキシャル層との大きな格子不整合（サファイアＣ面とＧａＮ結晶で約１４％）から生じる格子歪や、エピタキシャル層中に導入される高密度の転位欠陥（１０8〜１０10ｃｍ-2）が素子寿命をはじめとする特性に悪影響を及ぼしてきた。また、半導体レーザ素子の基板としてサファイアを用いると、基板とエピタキシャル層の劈開方向が異なるため、共振器端面を形成する際に一般的な手法である劈開法を採用すると、良好な端面が得にくいといった問題もある。
【０００５】
これらの問題点を回避するため、サファイア以外、例えばＳｉＣ等を基板として使用する試みもある。しかし、基板の大きさや入手のし易さ、格子不整合等については本質的な改善には至っていない。
【０００６】
本発明者らは、基板とエピタキシャル層の格子不整合の解消や欠陥低減、良好な結晶性等の観点から、エピタキシャル層と同様ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮを基板として使用した素子の開発を行っている。
【０００７】
その結果、窒化物半導体レーザ素子の特性を大きく向上させることが可能になったが、ＧａＮ基板を用いても、常に良好な窒化物半導体レーザ素子が得られるとは限らず、動作電流が次第に増大したり、特性が急激に低下したりすることがあることも判明した。本発明者らがその原因について仔細に調査を行ったところ、ＧａＮ基板の製造にはいくつかの方法があり、それぞれの方法で製造される基板は構造的・品質的に異なるため、その影響が基板上の積層構造に現れて、窒化物半導体レーザ素子の特性を大きく左右していることが明らかになった。
【０００８】
本発明は、基板としてもＩＩＩ族窒化物半導体を備える窒化物半導体レーザ素子であって、素子の構造をそれぞれの基板に対して最適化することによって、動作特性に優れ、レーザ発振寿命の長いものを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、積層構造の上面に設けられた電極と、を備える。基板には、その基板の下面から上面に達する転位集中領域と、転位集中領域を除く部位である低転位領域と、低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによって、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達する高ルミネセンス領域と、が含まれる。積層構造は、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有し、電極は、基板の低転位領域の上方のみに位置する。
この半導体レーザ素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板を備え、基板には上下方向に貫通する転位集中領域が存在するが、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造に含まれるレーザ光導波領域は、転位集中領域の上方には位置せず、転位集中領域以外の部位である低転位領域の上方に位置する。したがって、基板の転位集中領域の影響が積層構造に及んで、積層構造内の転位集中領域の上方の部位に欠陥が生じたとしても、レーザ光導波領域は、その欠陥から外れることになり、良好な特性を有するものとなる。また、積層構造の上面に設けられた電極も、転位集中領域の上方ではなく低転位領域の上方に位置しているから、転位集中領域の上方の部位の欠陥が積層構造の上面に達して露出したとしても、その部位から外れることになる。このため、電流が基板の転位集中領域やその上に生じる可能性のある積層構造内の欠陥の部位を流れるのを防止することができ、動作電流の増大によるレーザ光導波領域の劣化が抑えられる。
なお、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、積層構造の上面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子であって、基板が周囲よりも蛍光発光強度が強い高ルミネセンス領域を有し、積層構造が基板の高ルミネセンス領域以外の領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有する構成ともいえる。
【００１０】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、基板の下面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子では、基板には、その基板の下面から上面に達する転位集中領域と、転位集中領域を除く部位である低転位領域と、低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによって、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達する高ルミネセンス領域と、が含まれており、積層構造が基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有し、電極が基板の低転位領域の下方のみに位置する構成とする。
この半導体レーザ素子の基板にも上下方向に貫通する転位集中領域が存在するが、レーザ光導波領域は、転位集中領域の上方ではなく低転位領域の上方に位置しているため、積層構造内の転位集中領域の上方の部位に欠陥が生じたとしても、その欠陥から外れることになって、良好な特性を有する。基板の下面には転位集中領域の下端が露出するが、基板の下面に設けられた電極は、転位集中領域の下方ではなく低転位領域の下方に位置しているから、転位集中領域が露出した部位から外れる。したがって、電流が転位集中領域を流れるのを防止することができ、動作電流の増大によるレーザ光導波領域の劣化が抑えられる。
なお、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、基板の下面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子であって、基板が周囲よりも蛍光発光強度が強い高ルミネセンス領域を有し、積層構造が基板の高ルミネセンス領域以外の領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有する構成ともいえる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子の基板部分の側面が転位集中領域に形成されている構成としてもよい。また、基板の転位集中領域は、上方から見て、積層構造のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状とするとよい。転位集中領域をこのような形状とすることで、レーザ光導波領域の形成が容易になる。また、電極の形成も容易になる。
【００１６】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の（１）〜（３）の領域を備えるＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板の上面に、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造を形成する工程と、
（１）基板の下面から上面に達する転位集中領域
（２）転位集中領域を除く部位である低転位領域
（３）低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによ
って、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達
する高ルミネセンス領域
積層構造の上面のうち、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を形成する工程と、
積層構造の上面に電極を形成する工程と、
を有し、
その電極を、基板の低転位領域の上方のみに形成することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の（１）〜（３）の領域を備えるＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板の上面に、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造を形成する工程と、
（１）基板の下面から上面に達する転位集中領域
（２）転位集中領域を除く部位である低転位領域
（３）低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによ
って、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達
する高ルミネセンス領域
積層構造の上面のうち、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を形成する工程と、
基板の下面に電極を形成する工程と、
を有し、
その電極を、基板の低転位領域の下方のみに形成することを特徴とする。
【００２２】
前記基板は、表面が畝状の凹凸形状を保ったまま結晶成長することにより形成されるとしてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先立ち、各実施形態の半導体レーザ素子で用いるＧａＮ基板について、図１４〜図１７を参照しながら、その作製方法を含めて説明する。なお、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。
【００２４】
図１４は作製中のＧａＮ基板の一部分を拡大して模式的に示す縦断面図であり、図１５はその全体を模式的に示す斜視図である。まず、適切なウェハ表面にストライプ状のマスクを周期的に施した支持基体２１を準備する。ここではウェハとして（１１１）面を表面とする２インチＧａＡｓウェハ、マスクとしてＳｉＯ2を使用した。次に、ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）により、ｎ型ＧａＮ層２２を、ファセット｛１１−２２｝面２３が成長中の表面に主として表出するように、［０００１］方向に成長させる。その結果、図１４に示すように、表面の断面は鋸歯状の凹凸形状となる。凸部の頂点付近には｛０００１｝面２５が表出した部分がストライプ状に現れた。
【００２５】
上記凹凸形状は図１４の奥行き方向に畝状に伸びており、凹凸のピッチは最初に支持基体２１に形成したＳｉＯ2マスクの配置形状により規定される。即ち、凹凸形状の凹部下方にはＳｉＯ2マスクが存在しており、凸部から垂線を支持基体２１に下ろすと、ＳｉＯ2マスクの開口部のほぼ中心位置を横切る線となる。ここでは、ＳｉＯ2マスクの形状を４００μｍピッチの周期構造としており、したがって、凹凸形状のピッチも同じく約４００μｍピッチとなっている。また、マスク開口部とｎ型ＧａＮ層２２の［１−１００］方向はほぼ平行になっている。
【００２６】
なお、この例では、ＳｉＯ2マスクをストライプ状としたため、ｎ型ＧａＮ層２２表面の凹凸形状も畝状になっているが、マスク形状は帯状に限られるものではなく、ドット形状とすることもできる。その場合のｎ型ＧａＮ層２２の表面形状は、マスクの上方に位置する部分が底となるすり鉢状の凹みが並んだものとなり、すり鉢の斜面部分にはファセット｛１１−２２｝面が表出することになる。ファセット｛１１−２２｝面が表出した状態で、結晶成長を持続させる手法（成長条件）については、本出願人が先に出願した特願平１１−２７３８８２号に詳細に開示している。なお、成長時に酸素をドーピングすることで、成長する結晶の導電型をｎ型とした。
【００２７】
表面に上記の凹凸形状を有する成長モードを保ったまま、さらにｎ型ＧａＮ層の結晶成長を続けることで、図１５に示すように、基体２１上に高さ３０ｍｍのインゴットを作製した。図１５において、インゴット上面の細かい線は、表面の畝の様子を模式的に表記したものである。
【００２８】
このインゴットを、スライサーにより切断加工して薄片とし、さらにその薄片を研磨して、表面が平坦な２インチ（約５ｃｍ）径、厚さ３５０μｍのウェハに加工して、ｎ型ＧａＮ基板１０とする。ウェハの表面は、後に行うエピタキシャル成長のために、鏡面に研磨する。この表面はほぼ（０００１）面としたが、表面上にエピタキシャル成長させる窒化物半導体層のモフォロジを比較すると、（０００１）面から任意の方向に０．２〜１°の範囲のオフ角度を有していることが望ましく、特に０．４〜０．８°の範囲でモフォロジが最良となる。図１６および図１７に、得られたｎ型ＧａＮ基板１０の一部分の縦断面図および上面図をそれぞれ示す。
【００２９】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の評価を行った。まず、基板表面を光学顕微鏡で詳細に観察したところ、研磨加工された表面は必ずしも平坦でなく、ｎ型ＧａＮ層２２の結晶成長時に凹部の最底部２４（図１４）が生じていた部分に対応するストライプ状の領域がやや窪んでいた。これは図１７では部位Ｘ２にあたる。
【００３０】
さらに、２５０℃の硫酸および燐酸の混酸によりｎ型ＧａＮ基板１０の表面を処理し、表出したエッチピットを観察したところ、前述の窪みに対応するストライプ状の領域に多数のエッチピットが観測され、ここは転位（欠陥）が極めて集中している領域であることが判明した。転位が集中した部分は機械的強度が他の部位よりも劣るため、研磨工程におけるダメージを受け易く、結果的に基板表面に窪みが生じたものと考えられる。
【００３１】
なお、転位が集中したストライプ状の領域の幅は約５〜４０μｍであり、この部分のエッチピット密度は１０5〜１０9個／ｃｍ2と極めて大きくなっていた。一方、このストライプ状の領域以外の部位のエッチピット密度は１０2〜１０5個／ｃｍ2と低く抑えられていた。この結果が示すように、図１４と図１６の部位Ｘ１は、周囲と比較して転位密度が大きくなっている部分であり、本明細書では「転位集中領域」と呼称する。図１７の部位Ｘ２は、この転位集中領域Ｘ１が表面に露出した部分である。
【００３２】
また、ｎ型ＧａＮ基板１０に紫外線を照射し、表面からの蛍光発光を顕微鏡を用いて観察した（蛍光顕微鏡観察）。観察の結果、転位集中領域Ｘ１に挟まれた領域の中央に、比較的はっきりとした境界を持ち、周囲とコントラストが異なるストライプ状の発光を示す部分が確認された。この発光部分は周囲よりも蛍光発光強度が強く、やや黄色がかって明るく観察された。この部分は、ｎ型ＧａＮ層２２の結晶成長時に｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分２５（図１４）に該当し、図１７の部位Ｙ２である。
【００３３】
この部分の幅はやや揺らぎを有するが、広いところで３０μｍの程度であった。幅が揺らぐ原因は、ｎ型ＧａＮ２２の結晶成長時に、凸部２５の成長が必ずしも均一に進行するのではないためと考えられる。また、蛍光発光が周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取込まれ具合が周囲と異なる等の理由が推測される。
【００３４】
なお、この異なる蛍光発光を示す部分は、インゴットの製作条件や、切り出されるウェハのインゴット内における位置関係（支持基体２１からの距離）によってはほとんど形成されないこともある。これらの事実から、本明細書では部位Ｙ２を「高ルミネセンス領域」と呼称する。この高ルミネセンス領域は、ｎ型ＧａＮ基板１０の断面を示す図１４、図１６では、部位Ｙ１に該当する。
【００３５】
以下に述べる各実施形態の半導体レーザ素子は、上記のように転位集中領域Ｘ１および高ルミネセンス領域Ｙ１を有するｎ型ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造を設けたものであり、特に、転位集中領域Ｘ１の存在を考慮したものである。なお、各実施形態ではＳｉＯ2マスクを４００μｍピッチの周期的なストライプ状として作製した基板を用いており、したがって、転位集中領域Ｘ１、高ルミネセンス領域Ｙ１のいずれも４００μｍピッチで存在する。
【００３６】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の半導体レーザ素子１の構造を図３の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図１および図２の縦断面図に模式的に示す。なお、各図においては、基板の転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１も表している。
【００３７】
半導体レーザ素子１は、次のようにして作製した。まず、上記のように製作したｎ型ＧａＮ基板１００上に、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、３μｍのｎ型ＧａＮ層１０２、４０ｎｍのｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３、１．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、４ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層から成る３重量子井戸活性層１０６（障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層）、２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０７、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、０．１μｍのｐ型ＧａＮ第１コンタクト層１１０、５０ｎｍのｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２コンタクト層１１１を順次結晶成長し、積層構造１０１を形成した（図１）。
【００３８】
このＩＩＩ族窒化物半導体積層構造１０１の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、積層構造１０１の内部に転位（欠陥）が集中した領域が存在する場合があることが判明した。この転位の集中した領域は、ｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置し、ｎ型ＧａＮ層１０２の下面からｐ型ＩｎＧａＮ第２コンタクト層１１１の上面に達していた。また、積層構造１０１の断面を蛍光顕微鏡観察したところ、周囲よりも蛍光発光強度が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域が存在する場合があることも判明した。この蛍光発光の強い領域は、基板１００の高ルミネセンス領域Ｙ１の上方に位置し、やはり、ｎ型ＧａＮ層１０２の下面からｐ型ＩｎＧａＮ第２コンタクト層１１１の上面に達していた。
【００３９】
積層構造１０１内部の転位の集中した領域と蛍光発光の強い領域は、基板１００の転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１にそれぞれ連なっており、転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の影響が及んで生じたものと考えられる。以下、積層構造１０１内部の転位の集中した領域を、基板１００のものと同様に「転位集中領域」と呼称して、Ｘ３で表し、積層構造１０１内部の蛍光発光の強い領域を、基板１００のものと同様に「高ルミネセンス領域」と呼称して、Ｙ３で表す。
【００４０】
転位集中領域Ｘ３が存在する場合に、その位置を考慮することなくレーザ光導波領域を設けると、レーザ光導波領域が転位集中領域Ｘ３を含んでしまうことになり、当然、その特性は良好にはならない。また、転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１には電流が流れやすく、露出した欠陥集中領域Ｘ３、Ｘ１に電極が触れると、動作電流の増大を招く。さらに、積層構造１０１上に設ける電極が露出した転位集中領域Ｘ３に接触すると、電極の材料である金属が転位集中領域Ｘ３を介して積層構造１０１内に拡散しやすくなり、積層構造１０１を成す各層の特性に変化をもたらす。ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を積層して作製した従来の半導体レーザ素子で、動作電流が次第に増大したり特性が急激に低下したりする現象が見られたのは、これらが原因となった可能性が高い。
【００４１】
そこで、本実施形態の半導体レーザ素子１では、以下に述べるように、レーザ光導波領域を転位集中領域Ｘ３から離れた位置に設け、また、電極も転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１から離れた位置に設けるようにしている。高ルミネセンス領域Ｙ３も、周囲とは特性が異なり、レーザ光導波領域を設けるのに適しているとはいえないから、レーザ光導波領域は高ルミネセンス領域Ｙ３からも離れた位置に設けるようにしている。
【００４２】
なお、積層構造１０１の内部に常に転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３が生じるとは限らない。後述するように、半導体レーザ素子をチップ単位に分割する際に、転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３をチップ内部に存在しないように切断することができるが、ここでは、転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３が生じたと仮定して、これらを図１〜図３に示している。
【００４３】
図１に示す積層構造１０１を形成した後、図２に示すように、基板１００の転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１との中央部の上方に、リッジ構造を周期的に形成した。このリッジ構造の下方の部位がレーザ光導波領域に相当することになる。リッジ構造は、ｐ型第２コンタクト層１１１の上面からｐ型クラッド層１０９の途中までをドライエッチングにより掘り下げ、エッチング除去された部分にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１２を再成長して埋め込むことにより形成した。以下、再成長させたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１２を埋め込み層という。なお、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ埋め込み層１１２はｎ型でもｉ型でもよい。
【００４４】
その後、リフトオフ技術あるいはエッチング技術を用いて、ｐ型電極１１３およびｎ型電極１１４を形成した。その際、図３に示すように、電極１１３、１１４は、基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方や下方から外れる位置に形成した。
【００４５】
こうして得られた半導体レーザ素子１では、レーザ光導波領域が、積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３と高ルミネセンス領域Ｙ３の中央に位置することになり、優れた特性を有することになる。また、積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３が埋め込み層１１２の上面に達して露出していたとしてもｐ型電極１１３がこれに接触することはなく、電極１１３と転位集中領域Ｘ３の間を流れる電流は生じないし、電極１１３の材料金属の積層構造１０１内への拡散も抑えられる。基板１００の下面には転位集中領域Ｘ１が露出するが、ｎ型電極１１４がこれに接触することもなく、電極１１４と転位集中領域Ｘ１の間を流れる電流も生じない。したがって、半導体レーザ素子１では、動作電流の増大やこれに起因するレーザ光導波領域の劣化が生じ難くなっており、安定した動作特性が得られ、レーザ発振寿命も長くなる。
【００４６】
半導体レーザ素子１の作製においては、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４の位置の基準として、積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３そのものではなく、基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１を採用している。積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３は基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の上方に位置するから、このようにしても、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４を所望の位置に設定することができる。また、基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の位置は、基板１００の作製時に設けたＳｉＯ2マスクの位置から特定することができる。
【００４７】
積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３の位置を顕微鏡観察等により確認しておき、これを基準として直接レーザ光導波領域や電極１１３、１１４の位置を定めてもよいが、基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の位置を基準とする方が効率がよい。転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３が発生していないときは、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４の位置を上記のように設定することに特に意味はないが、それらが発生していた場合のために、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４を常に基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の上方や下方から外れる位置に設定するのがよい。
【００４８】
電極１１３、１１４の形成にエッチング技術を用いる場合には、一旦埋め込み層１１２の上面あるいはｎ型ＧａＮ基板１０の下面の全体にｐ型電極あるいはｎ型電極を成膜し、その後所定の部分をエッチング除去する。このため、一度は転位集中領域Ｘ３、Ｘ１を電極金属が覆うことになる。しかし、前述の転位集中領域Ｘ３を介した電極金属の半導体層への拡散現象は、主として素子構造完成後の通電時点で発生するので、電極形成プロセス中に転位集中領域Ｘ３が一度覆われることは、素子特性上問題を引き起こすことはない。
【００４９】
また、図３から分かるように、半導体レーザ素子１は、素子構造として重要なリッジ構造周辺の外側に転位集中領域Ｘ３を追い出したような構成になっている。このため、半導体レーザ素子をチップ単位に分割する場合には、この転位集中領域Ｘ３を境界として切断すればよい。転位集中領域Ｘ３は機械的強度が周囲より劣るため、硬度の高いＩＩＩ族窒化物半導体であっても容易に分割することができる。分割された端面に露出した転位集中領域Ｘ３の部分は、ウェットエッチングや研磨などにより除去すれば、チップのエッジ部分を介して流れるリーク電流も抑止でき、素子特性向上に効果が高い。または、リッジ構造と転位集中領域Ｘ３の間の部分で分割し、転位集中領域Ｘ３そのものをチップ内部から追い出してしまえば、転位集中領域Ｘ３を介して流れるリーク電流を、未然に防止することができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の半導体レーザ素子２の構造を図５の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図４の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子２は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、埋め込み層１１２の上面うちｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位と、基板１００の下面のうち転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位とに誘電体膜１１５を設けたものである。ｎ型ＧａＮ基板１００と積層構造１０１の構成や作製方法は第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略する。
【００５１】
誘電体膜１１５は、図２のようにリッジ構造を形成した後、フォトリソグラフィプロセスおよびリフトオフプロセスにより、ＳｉＯ2を用いて形成した（図４）。誘電体膜１１５の幅は５０μｍ、膜厚は２５０ｎｍである。積層構造１０１の内部に発生する転位集中領域Ｘ３の幅は、基板１００内の転位集中領域Ｘ１の幅に略等しく、５〜４０μｍであり、埋め込み層１１２上面の誘電体膜１１５は転位集中領域Ｘ３が露出していてもその全体を覆い、基板１００下面の誘電体膜１１５も露出した転位集中領域Ｘ１全体を覆う。
【００５２】
誘電体膜１１５の形成後、誘電体膜１１５、リッジ構造のｐ型第２コンタクト層１１１および埋め込み層１１２の上面全体にｐ型電極１１６を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面全体にｎ型電極１１７を形成した（図５）。
【００５３】
電極１１６、１１７は、誘電体膜１１５によって、転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１から隔てられており、電極１１６と転位集中領域Ｘ３の間や電極１１７と転位集中領域Ｘ１の間を流れる電流はなく、また、電極１１６の材料金属が転位集中領域Ｘ３を介して積層構造１０１の内部に拡散することもない。したがって、半導体レーザ素子２も、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。
【００５４】
なお、誘電体膜１１５の材料としては、ＳｉＯ2の他に、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等、あるいはこれらの混合物を用いることもできる。
【００５５】
また、誘電体膜１１５の厚さは、１ｎｍ〜１μｍの範囲、より好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であればよい。膜厚が１ｎｍより小さいと電流遮断や金属拡散防止の効果が不十分になったり、電圧が印加されたときに絶縁破壊が生じたりすることがあるので好ましくない。また、膜厚を１μｍより大きくすると、誘電体膜内の応力が大きくなって、膜にひび割れが生じたり、あるいは膜剥れが生じやすくなるのでやはり好ましくない。
【００５６】
誘電体膜１１５の幅に関しては、転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１の露出部分を完全に覆いうるようにすればよく、このためには下限はあるものの、特に上限はない。ただし、誘電体膜１１５の幅を過度に大きくすると、レーザ光導波領域に導くべき電流の妨げとなる可能性が生じ、これを避けるためにレーザ光導波領域を設ける位置が制約を受ける。したがって、誘電体膜１１５の幅は５〜３００μｍとするのが好ましい。
【００５７】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態の半導体レーザ素子３の構造を図８の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図６および図７の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子３は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、積層構造１０１の内部のうちｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位に誘電体膜１１８を設けたものである。積層構造１０１の他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５８】
誘電体膜１１８はリッジ構造を形成する途中で形成した。すなわち、前述のように、ｐ型第２コンタクト層１１１上面からｐ型クラッド層１０９の途中までをドライエッチングにより掘り下げ、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１０９を露出させた段階で（図６）、基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位にＳｉＯ2膜１１８を成膜し、その後リッジ構造周辺にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ埋め込み層１１２を再成長させて埋め込んだ（図７）。
【００５９】
誘電体膜１１８およびリッジ構造の形成後、リッジ構造のｐ型第２コンタクト層１１１と埋め込み層１１２の上面全体にｐ型電極１１６を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面のうち転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位以外にｎ型電極１１４を形成した（図８）。
【００６０】
誘電体膜１１８を設けたことにより、ＡｌＧａＮ埋め込み層１１２のエピタキシャル成長に転位集中領域Ｘ３の影響が及ばなくなり、埋め込み層１１２には転位集中領域は発生しない。このため、レーザ光導波領域以外を流れるリーク電流は低減され、電極１１６の材料金属の積層構造１０１内への拡散も抑えられる。したがって、半導体レーザ素子３も、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。
【００６１】
なお、ここでは誘電体膜１１８をリッジ構造のエッチング底面に形成したが、他の界面に設けても構わない。例えば、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１０３とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４の界面に設けることもできる。ただし、本実施形態のように誘電体膜１１８をリッジ構造底面に形成する方が、半導体層の再成長回数を１回で済ませることができて半導体レーザ素子の結晶性が向上するという点と、電極の材料金属の拡散がレーザ光導波領域に及び難いという点の双方で好ましい。誘電体層１１８の材料、厚さおよび幅については、第２の実施形態で説明したことがそのまま当てはまる。
【００６２】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態の半導体レーザ素子４の構造を図１０の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図９の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子４は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、ｎ型ＧａＮ基板１００の上面のうち転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位に、ＳｉＯ2の誘電体膜１１９を設けたものである。誘電体膜１１９は積層構造１０１を形成する前に基板１００上に設けておく（図９）。積層構造１０１の作製工程および構成は第１の実施形態と同様である。
【００６３】
基板１００上に誘電体膜１１９を設けたことにより、ｎ型ＧａＮ層１０２のうち誘電体膜１１９の上方および周辺の部分のモフォロジが多少低下するが、基板１００の転位集中領域Ｘ１がＧａＮ層１０２およびその上方の各層のエピタキシャル成長に影響しなくなって、積層構造１０１内に転位集中領域は発生しない。このため、ｐ型電極１１６を積層構造１０１の上面全体に設けたりｎ型電極１１７を基板１００の下面全体に設けたりしても、リーク電流は生じず、ｐ型電極１１６の材料金属の積層構造１０１内への拡散も防止される。したがって、半導体レーザ素子４も、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。なお、誘電体層１１９の材料、厚さおよび幅については、第２の実施形態で説明したことがそのまま当てはまる。
【００６４】
＜第５の実施形態＞
第５の実施形態の半導体レーザ素子５の構造を図１２の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図１１の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子５は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、リッジ構造の周囲を埋め込む材料としてＡｌＧａＮではなく誘電体を用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９上に誘電体層１２２を設けたものである。
【００６５】
誘電体層１２２の形成後（図１１）、リッジ構造のｐ型第２コンタクト層１１１と誘電体層１２２の上面全体にｐ型電極１１６を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面のうち転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位以外にｎ型電極１１４を形成した（図１２）。
【００６６】
本実施形態の半導体レーザ素子５では、積層構造１０１の内部に転位集中領域Ｘ３が発生しても、転位集中領域Ｘ３は誘電体層１２２で遮断されてｐ型電極１１６には達しない。したがって、半導体レーザ素子１〜４と同様に、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。
【００６７】
＜比較例＞
図２に示した第１の実施形態の半導体レーザ素子１の作製途中の層構成を用いて、比較例の半導体レーザ素子９を作製した。この半導体レーザ素子９の構造を図１３の縦断面図に模式的に示す。ｐ型電極２１２は、積層構造１０１の上面のうち、基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位から高ルミネセンス領域Ｙ１の上方に位置する部位にわたる広い範囲に設けられており、ｎ型電極２１３も、基板１００の下面のうち、転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位から高ルミネセンス領域Ｙ１の下方に位置する部位にわたる広い範囲に設けられている。
【００６８】
各実施形態の半導体レーザ素子１〜５および比較例の半導体レーザ素子９それぞれの多くのサンプルについて発光試験を行ったところ、半導体レーザ素子９では、６０℃、３０ｍＷという条件下で、１００時間以内に動作電流が増大する現象がいくつかのサンプルに現れ、レーザ発振寿命が１０００時間を超えたサンプルは半数程度にとどまった。これに対し、各実施形態の半導体レーザ素子１〜５では、同じ条件下で、動作電流の増大は１０００時間以上現れず、ほとんどのサンプルが３０００時間以上のレーザ発振寿命を示した。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体基板に転位集中領域が存在することがＩＩＩ族窒化物半導体素子の特性を大きく左右し、各実施形態の構成がＩＩＩ族窒化物半導体素子の特性向上に有用であることが確認された。
【００６９】
なお、上記第１〜第５の実施形態の構成は、実施形態ごとに示したものに限らず、自由に組み合わせることが可能である。一例をあげれば、コンタクト層に誘電体膜を設けずにｐ型電極をパターニングする第１の実施形態の構成と、基板の下面に誘電体膜を設けてｎ型電極を全面に形成する第２の実施形態の構成とを、組み合わせることができる。
【００７０】
また、第１〜第５の実施形態においては、リッジ構造の位置つまりレーザ光導波領域の位置を、転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１の中央の上方に設定しているが、どちらかに寄っていても構わない。実質的にリッジ構造の部分に、転位集中領域Ｘ３と高ルミネセンス領域Ｙ３のどちらも含まれていなければよい。さらに、積層構造側の電流注入部としてはリッジ構造に限らず、電極ストライプ型であってもＢＨ型であってもよい。
【００７１】
また、第１の実施形態では電極１１３、１１４の位置、第２〜第５の実施形態では誘電体層１１５、１１８、１１９、１２２の存在および位置が重要なのであって、他の層の構造や組成は自由に設定することができる。例えば、各実施形態ではｐ型コンタクト層を第１コンタクト層と第２コンタクト層の２層構造としているが、コンタクト層を１層としてもよい。電極についても、ＩＩＩ族窒化物半導体に適合するオーミック電極となるものであれば、どのような材料を用いても構わない。例えば、ｐ型電極としては、Ａｕ／Ｐｄ（Ｐｄが半導体側）、Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｍｏ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｍｏ／Ｎｉ／Ｐｄ等を、ｎ型電極としては、Ａｌ／Ｈｆ、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｌ／Ｈｆ／Ｔｉ、Ａｌ／Ｚｒ等を採用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子では、レーザ光導波領域が良好な特性を有する上、基板に転位集中領域が存在することに起因する動作電流の増大と電極の材料金属の拡散による劣化を抑えることができるため、動作特性が安定し、レーザ発振寿命も長くなる。
【００７３】
積層構造の上面に設ける電極や基板の下面に設ける電極を基板の低転位領域の上方や下方のみに位置させるようにすると、電極を形成する工程までは動作電流の増大や材料金属の拡散の防止について特別な配慮は必要でなく、積層構造の作製が容易である。積層構造の上面のうち転位集中領域の上方に位置する部位および基板の下面のうち転位集中領域の下方に位置する部位に電流遮断層を備えるようにしても、電流遮断層を形成する工程までは動作電流の増大や材料金属の拡散の防止についての配慮が必要でなく、積層構造の作製が容易である。また、積層構造の内部のうち基板の転位集中領域の上方に位置する部位に電流遮断層を備えるようにすると、電極の形成に際して動作電流の増大と材料金属の拡散の防止について考慮する必要がなく、電極の形状に制約がなくなる。
【００７４】
基板の転位集中領域を、上方から見て、積層構造のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状とすると、レーザ光導波領域の形成を含めた積層構造の作製が容易になり、電極や電流遮断層の形成も容易になる。
【００７５】
電流遮断層の厚さを１ｎｍ以上かつ１μｍ以下とすると、動作電流の増大を確実に防止することができる上、ひび割れや剥がれ等の機械的欠陥が生じるおそれも少ない。
【００７６】
転位集中領域をレーザ光導波領域と略平行なストライプ状とする場合、電流遮断層の幅を５μｍ以上かつ３００μｍ以下とすると、動作電流の増大を確実に防止することができる上、電流遮断層がレーザ光導波領域に導くべき電流の妨げになるのを容易に避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図２】 第１の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図３】 第１の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図４】 第２の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図５】 第２の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図６】 第３の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図７】 第３の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図８】 第３の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図９】 第４の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図１０】 第４の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図１１】 第５の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図１２】 第５の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図１３】 比較例の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図１４】 作製中のＧａＮ基板の一部分を拡大して模式的に示す縦断面図。
【図１５】 作製中のＧａＮ基板の全体を模式的に示す斜視図。
【図１６】 ＧａＮ基板の一部分の縦断面図。
【図１７】 ＧａＮ基板の一部分の上面図。
【符号の説明】
１、２、３、４、５ 半導体レーザ素子
１０ ｎ型ＧａＮ基板
２１ 支持基体
２２ ｎ型ＧａＮ層
２３ ｛１１−２２｝ファセット面
２４ 凹部の最底部
２５ ｛０００１｝面
１００ ｎ型ＧａＮ基板
１０１ ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造
１０２ ｎ型ＧａＮ層
１０３ ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層
１０４ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
１０５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０６ Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ／Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ３重量子井戸活性層
１０７ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
１０８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
１１０ ｐ型ＧａＮ第１コンタクト層
１１１ ｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２コンタクト層
１１２ Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ埋め込み層
１１３、１１６ ｐ型電極
１１４、１１７ ｎ型電極
１１５、１１８、１１９ ＳｉＯ2膜
１２２ ＳｉＯ2層
Ｘ１ 基板の転位集中領域
Ｘ２ 基板の転位集中領域露出部
Ｙ１ 基板の高ルミネセンス領域
Ｙ２ 基板の高ルミネセンス領域露出部
Ｘ３ 積層構造の転位集中領域
Ｙ３ 積層構造の高ルミネセンス領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体から成る半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体は、大きなエネルギーバンドギャップと高い熱的安定性を有し、またその組成を調節することによってバンドギャップ幅を制御することも可能である。このことから、発光素子や高温デバイスをはじめとして、さまざまな半導体デバイスに応用開発が進められている。
【０００３】
発光素子としては、青から緑の光波長域で数ｃｄ級の光度を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）が既に実用化されており、また、レーザダイオード（ＬＤ）としても、実用化に向けて開発が進められている段階にある。レーザダイオードについては、開発当初より、サファイア等の比較的入手しやすい絶縁性基板を使用することが試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしサファイア基板を使用した素子では、基板とエピタキシャル層との大きな格子不整合（サファイアＣ面とＧａＮ結晶で約１４％）から生じる格子歪や、エピタキシャル層中に導入される高密度の転位欠陥（１０8〜１０10ｃｍ-2）が素子寿命をはじめとする特性に悪影響を及ぼしてきた。また、半導体レーザ素子の基板としてサファイアを用いると、基板とエピタキシャル層の劈開方向が異なるため、共振器端面を形成する際に一般的な手法である劈開法を採用すると、良好な端面が得にくいといった問題もある。
【０００５】
これらの問題点を回避するため、サファイア以外、例えばＳｉＣ等を基板として使用する試みもある。しかし、基板の大きさや入手のし易さ、格子不整合等については本質的な改善には至っていない。
【０００６】
本発明者らは、基板とエピタキシャル層の格子不整合の解消や欠陥低減、良好な結晶性等の観点から、エピタキシャル層と同様ＩＩＩ族窒化物半導体であるＧａＮを基板として使用した素子の開発を行っている。
【０００７】
その結果、窒化物半導体レーザ素子の特性を大きく向上させることが可能になったが、ＧａＮ基板を用いても、常に良好な窒化物半導体レーザ素子が得られるとは限らず、動作電流が次第に増大したり、特性が急激に低下したりすることがあることも判明した。本発明者らがその原因について仔細に調査を行ったところ、ＧａＮ基板の製造にはいくつかの方法があり、それぞれの方法で製造される基板は構造的・品質的に異なるため、その影響が基板上の積層構造に現れて、窒化物半導体レーザ素子の特性を大きく左右していることが明らかになった。
【０００８】
本発明は、基板としてもＩＩＩ族窒化物半導体を備える窒化物半導体レーザ素子であって、素子の構造をそれぞれの基板に対して最適化することによって、動作特性に優れ、レーザ発振寿命の長いものを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、積層構造の上面に設けられた電極と、を備える。基板には、その基板の下面から上面に達する転位集中領域と、転位集中領域を除く部位である低転位領域と、低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによって、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達する高ルミネセンス領域と、が含まれる。積層構造は、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有し、電極は、基板の低転位領域の上方のみに位置する。
この半導体レーザ素子は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板を備え、基板には上下方向に貫通する転位集中領域が存在するが、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造に含まれるレーザ光導波領域は、転位集中領域の上方には位置せず、転位集中領域以外の部位である低転位領域の上方に位置する。したがって、基板の転位集中領域の影響が積層構造に及んで、積層構造内の転位集中領域の上方の部位に欠陥が生じたとしても、レーザ光導波領域は、その欠陥から外れることになり、良好な特性を有するものとなる。また、積層構造の上面に設けられた電極も、転位集中領域の上方ではなく低転位領域の上方に位置しているから、転位集中領域の上方の部位の欠陥が積層構造の上面に達して露出したとしても、その部位から外れることになる。このため、電流が基板の転位集中領域やその上に生じる可能性のある積層構造内の欠陥の部位を流れるのを防止することができ、動作電流の増大によるレーザ光導波領域の劣化が抑えられる。
なお、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、積層構造の上面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子であって、基板が周囲よりも蛍光発光強度が強い高ルミネセンス領域を有し、積層構造が基板の高ルミネセンス領域以外の領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有する構成ともいえる。
【００１０】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、基板の下面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子では、基板には、その基板の下面から上面に達する転位集中領域と、転位集中領域を除く部位である低転位領域と、低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによって、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達する高ルミネセンス領域と、が含まれており、積層構造が基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有し、電極が基板の低転位領域の下方のみに位置する構成とする。
この半導体レーザ素子の基板にも上下方向に貫通する転位集中領域が存在するが、レーザ光導波領域は、転位集中領域の上方ではなく低転位領域の上方に位置しているため、積層構造内の転位集中領域の上方の部位に欠陥が生じたとしても、その欠陥から外れることになって、良好な特性を有する。基板の下面には転位集中領域の下端が露出するが、基板の下面に設けられた電極は、転位集中領域の下方ではなく低転位領域の下方に位置しているから、転位集中領域が露出した部位から外れる。したがって、電流が転位集中領域を流れるのを防止することができ、動作電流の増大によるレーザ光導波領域の劣化が抑えられる。
なお、本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、基板の下面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子であって、基板が周囲よりも蛍光発光強度が強い高ルミネセンス領域を有し、積層構造が基板の高ルミネセンス領域以外の領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有する構成ともいえる。
【００１３】
また、半導体レーザ素子の基板部分の側面が転位集中領域に形成されている構成としてもよい。また、基板の転位集中領域は、上方から見て、積層構造のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状とするとよい。転位集中領域をこのような形状とすることで、レーザ光導波領域の形成が容易になる。また、電極の形成も容易になる。
【００１６】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の（１）〜（３）の領域を備えるＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板の上面に、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造を形成する工程と、
（１）基板の下面から上面に達する転位集中領域
（２）転位集中領域を除く部位である低転位領域
（３）低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによ
って、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達
する高ルミネセンス領域
積層構造の上面のうち、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を形成する工程と、
積層構造の上面に電極を形成する工程と、
を有し、
その電極を、基板の低転位領域の上方のみに形成することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、以下の（１）〜（３）の領域を備えるＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板の上面に、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造を形成する工程と、
（１）基板の下面から上面に達する転位集中領域
（２）転位集中領域を除く部位である低転位領域
（３）低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによ
って、その周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達
する高ルミネセンス領域
積層構造の上面のうち、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を形成する工程と、
基板の下面に電極を形成する工程と、
を有し、
その電極を、基板の低転位領域の下方のみに形成することを特徴とする。
【００２２】
前記基板は、表面が畝状の凹凸形状を保ったまま結晶成長することにより形成されるとしてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先立ち、各実施形態の半導体レーザ素子で用いるＧａＮ基板について、図１４〜図１７を参照しながら、その作製方法を含めて説明する。なお、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。
【００２４】
図１４は作製中のＧａＮ基板の一部分を拡大して模式的に示す縦断面図であり、図１５はその全体を模式的に示す斜視図である。まず、適切なウェハ表面にストライプ状のマスクを周期的に施した支持基体２１を準備する。ここではウェハとして（１１１）面を表面とする２インチＧａＡｓウェハ、マスクとしてＳｉＯ2を使用した。次に、ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）により、ｎ型ＧａＮ層２２を、ファセット｛１１−２２｝面２３が成長中の表面に主として表出するように、［０００１］方向に成長させる。その結果、図１４に示すように、表面の断面は鋸歯状の凹凸形状となる。凸部の頂点付近には｛０００１｝面２５が表出した部分がストライプ状に現れた。
【００２５】
上記凹凸形状は図１４の奥行き方向に畝状に伸びており、凹凸のピッチは最初に支持基体２１に形成したＳｉＯ2マスクの配置形状により規定される。即ち、凹凸形状の凹部下方にはＳｉＯ2マスクが存在しており、凸部から垂線を支持基体２１に下ろすと、ＳｉＯ2マスクの開口部のほぼ中心位置を横切る線となる。ここでは、ＳｉＯ2マスクの形状を４００μｍピッチの周期構造としており、したがって、凹凸形状のピッチも同じく約４００μｍピッチとなっている。また、マスク開口部とｎ型ＧａＮ層２２の［１−１００］方向はほぼ平行になっている。
【００２６】
なお、この例では、ＳｉＯ2マスクをストライプ状としたため、ｎ型ＧａＮ層２２表面の凹凸形状も畝状になっているが、マスク形状は帯状に限られるものではなく、ドット形状とすることもできる。その場合のｎ型ＧａＮ層２２の表面形状は、マスクの上方に位置する部分が底となるすり鉢状の凹みが並んだものとなり、すり鉢の斜面部分にはファセット｛１１−２２｝面が表出することになる。ファセット｛１１−２２｝面が表出した状態で、結晶成長を持続させる手法（成長条件）については、本出願人が先に出願した特願平１１−２７３８８２号に詳細に開示している。なお、成長時に酸素をドーピングすることで、成長する結晶の導電型をｎ型とした。
【００２７】
表面に上記の凹凸形状を有する成長モードを保ったまま、さらにｎ型ＧａＮ層の結晶成長を続けることで、図１５に示すように、基体２１上に高さ３０ｍｍのインゴットを作製した。図１５において、インゴット上面の細かい線は、表面の畝の様子を模式的に表記したものである。
【００２８】
このインゴットを、スライサーにより切断加工して薄片とし、さらにその薄片を研磨して、表面が平坦な２インチ（約５ｃｍ）径、厚さ３５０μｍのウェハに加工して、ｎ型ＧａＮ基板１０とする。ウェハの表面は、後に行うエピタキシャル成長のために、鏡面に研磨する。この表面はほぼ（０００１）面としたが、表面上にエピタキシャル成長させる窒化物半導体層のモフォロジを比較すると、（０００１）面から任意の方向に０．２〜１°の範囲のオフ角度を有していることが望ましく、特に０．４〜０．８°の範囲でモフォロジが最良となる。図１６および図１７に、得られたｎ型ＧａＮ基板１０の一部分の縦断面図および上面図をそれぞれ示す。
【００２９】
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の評価を行った。まず、基板表面を光学顕微鏡で詳細に観察したところ、研磨加工された表面は必ずしも平坦でなく、ｎ型ＧａＮ層２２の結晶成長時に凹部の最底部２４（図１４）が生じていた部分に対応するストライプ状の領域がやや窪んでいた。これは図１７では部位Ｘ２にあたる。
【００３０】
さらに、２５０℃の硫酸および燐酸の混酸によりｎ型ＧａＮ基板１０の表面を処理し、表出したエッチピットを観察したところ、前述の窪みに対応するストライプ状の領域に多数のエッチピットが観測され、ここは転位（欠陥）が極めて集中している領域であることが判明した。転位が集中した部分は機械的強度が他の部位よりも劣るため、研磨工程におけるダメージを受け易く、結果的に基板表面に窪みが生じたものと考えられる。
【００３１】
なお、転位が集中したストライプ状の領域の幅は約５〜４０μｍであり、この部分のエッチピット密度は１０5〜１０9個／ｃｍ2と極めて大きくなっていた。一方、このストライプ状の領域以外の部位のエッチピット密度は１０2〜１０5個／ｃｍ2と低く抑えられていた。この結果が示すように、図１４と図１６の部位Ｘ１は、周囲と比較して転位密度が大きくなっている部分であり、本明細書では「転位集中領域」と呼称する。図１７の部位Ｘ２は、この転位集中領域Ｘ１が表面に露出した部分である。
【００３２】
また、ｎ型ＧａＮ基板１０に紫外線を照射し、表面からの蛍光発光を顕微鏡を用いて観察した（蛍光顕微鏡観察）。観察の結果、転位集中領域Ｘ１に挟まれた領域の中央に、比較的はっきりとした境界を持ち、周囲とコントラストが異なるストライプ状の発光を示す部分が確認された。この発光部分は周囲よりも蛍光発光強度が強く、やや黄色がかって明るく観察された。この部分は、ｎ型ＧａＮ層２２の結晶成長時に｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分２５（図１４）に該当し、図１７の部位Ｙ２である。
【００３３】
この部分の幅はやや揺らぎを有するが、広いところで３０μｍの程度であった。幅が揺らぐ原因は、ｎ型ＧａＮ２２の結晶成長時に、凸部２５の成長が必ずしも均一に進行するのではないためと考えられる。また、蛍光発光が周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取込まれ具合が周囲と異なる等の理由が推測される。
【００３４】
なお、この異なる蛍光発光を示す部分は、インゴットの製作条件や、切り出されるウェハのインゴット内における位置関係（支持基体２１からの距離）によってはほとんど形成されないこともある。これらの事実から、本明細書では部位Ｙ２を「高ルミネセンス領域」と呼称する。この高ルミネセンス領域は、ｎ型ＧａＮ基板１０の断面を示す図１４、図１６では、部位Ｙ１に該当する。
【００３５】
以下に述べる各実施形態の半導体レーザ素子は、上記のように転位集中領域Ｘ１および高ルミネセンス領域Ｙ１を有するｎ型ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体の積層構造を設けたものであり、特に、転位集中領域Ｘ１の存在を考慮したものである。なお、各実施形態ではＳｉＯ2マスクを４００μｍピッチの周期的なストライプ状として作製した基板を用いており、したがって、転位集中領域Ｘ１、高ルミネセンス領域Ｙ１のいずれも４００μｍピッチで存在する。
【００３６】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態の半導体レーザ素子１の構造を図３の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図１および図２の縦断面図に模式的に示す。なお、各図においては、基板の転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１も表している。
【００３７】
半導体レーザ素子１は、次のようにして作製した。まず、上記のように製作したｎ型ＧａＮ基板１００上に、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、３μｍのｎ型ＧａＮ層１０２、４０ｎｍのｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層１０３、１．２μｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、４ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と８ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ障壁層から成る３重量子井戸活性層１０６（障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層）、２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層１０７、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、０．５μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、０．１μｍのｐ型ＧａＮ第１コンタクト層１１０、５０ｎｍのｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２コンタクト層１１１を順次結晶成長し、積層構造１０１を形成した（図１）。
【００３８】
このＩＩＩ族窒化物半導体積層構造１０１の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、積層構造１０１の内部に転位（欠陥）が集中した領域が存在する場合があることが判明した。この転位の集中した領域は、ｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置し、ｎ型ＧａＮ層１０２の下面からｐ型ＩｎＧａＮ第２コンタクト層１１１の上面に達していた。また、積層構造１０１の断面を蛍光顕微鏡観察したところ、周囲よりも蛍光発光強度が強く、やや黄色がかって明るく観察される領域が存在する場合があることも判明した。この蛍光発光の強い領域は、基板１００の高ルミネセンス領域Ｙ１の上方に位置し、やはり、ｎ型ＧａＮ層１０２の下面からｐ型ＩｎＧａＮ第２コンタクト層１１１の上面に達していた。
【００３９】
積層構造１０１内部の転位の集中した領域と蛍光発光の強い領域は、基板１００の転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１にそれぞれ連なっており、転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の影響が及んで生じたものと考えられる。以下、積層構造１０１内部の転位の集中した領域を、基板１００のものと同様に「転位集中領域」と呼称して、Ｘ３で表し、積層構造１０１内部の蛍光発光の強い領域を、基板１００のものと同様に「高ルミネセンス領域」と呼称して、Ｙ３で表す。
【００４０】
転位集中領域Ｘ３が存在する場合に、その位置を考慮することなくレーザ光導波領域を設けると、レーザ光導波領域が転位集中領域Ｘ３を含んでしまうことになり、当然、その特性は良好にはならない。また、転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１には電流が流れやすく、露出した欠陥集中領域Ｘ３、Ｘ１に電極が触れると、動作電流の増大を招く。さらに、積層構造１０１上に設ける電極が露出した転位集中領域Ｘ３に接触すると、電極の材料である金属が転位集中領域Ｘ３を介して積層構造１０１内に拡散しやすくなり、積層構造１０１を成す各層の特性に変化をもたらす。ＧａＮ基板上にＩＩＩ族窒化物半導体を積層して作製した従来の半導体レーザ素子で、動作電流が次第に増大したり特性が急激に低下したりする現象が見られたのは、これらが原因となった可能性が高い。
【００４１】
そこで、本実施形態の半導体レーザ素子１では、以下に述べるように、レーザ光導波領域を転位集中領域Ｘ３から離れた位置に設け、また、電極も転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１から離れた位置に設けるようにしている。高ルミネセンス領域Ｙ３も、周囲とは特性が異なり、レーザ光導波領域を設けるのに適しているとはいえないから、レーザ光導波領域は高ルミネセンス領域Ｙ３からも離れた位置に設けるようにしている。
【００４２】
なお、積層構造１０１の内部に常に転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３が生じるとは限らない。後述するように、半導体レーザ素子をチップ単位に分割する際に、転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３をチップ内部に存在しないように切断することができるが、ここでは、転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３が生じたと仮定して、これらを図１〜図３に示している。
【００４３】
図１に示す積層構造１０１を形成した後、図２に示すように、基板１００の転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１との中央部の上方に、リッジ構造を周期的に形成した。このリッジ構造の下方の部位がレーザ光導波領域に相当することになる。リッジ構造は、ｐ型第２コンタクト層１１１の上面からｐ型クラッド層１０９の途中までをドライエッチングにより掘り下げ、エッチング除去された部分にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１２を再成長して埋め込むことにより形成した。以下、再成長させたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１１２を埋め込み層という。なお、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ埋め込み層１１２はｎ型でもｉ型でもよい。
【００４４】
その後、リフトオフ技術あるいはエッチング技術を用いて、ｐ型電極１１３およびｎ型電極１１４を形成した。その際、図３に示すように、電極１１３、１１４は、基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方や下方から外れる位置に形成した。
【００４５】
こうして得られた半導体レーザ素子１では、レーザ光導波領域が、積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３と高ルミネセンス領域Ｙ３の中央に位置することになり、優れた特性を有することになる。また、積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３が埋め込み層１１２の上面に達して露出していたとしてもｐ型電極１１３がこれに接触することはなく、電極１１３と転位集中領域Ｘ３の間を流れる電流は生じないし、電極１１３の材料金属の積層構造１０１内への拡散も抑えられる。基板１００の下面には転位集中領域Ｘ１が露出するが、ｎ型電極１１４がこれに接触することもなく、電極１１４と転位集中領域Ｘ１の間を流れる電流も生じない。したがって、半導体レーザ素子１では、動作電流の増大やこれに起因するレーザ光導波領域の劣化が生じ難くなっており、安定した動作特性が得られ、レーザ発振寿命も長くなる。
【００４６】
半導体レーザ素子１の作製においては、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４の位置の基準として、積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３そのものではなく、基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１を採用している。積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３は基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の上方に位置するから、このようにしても、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４を所望の位置に設定することができる。また、基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の位置は、基板１００の作製時に設けたＳｉＯ2マスクの位置から特定することができる。
【００４７】
積層構造１０１の転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３の位置を顕微鏡観察等により確認しておき、これを基準として直接レーザ光導波領域や電極１１３、１１４の位置を定めてもよいが、基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の位置を基準とする方が効率がよい。転位集中領域Ｘ３や高ルミネセンス領域Ｙ３が発生していないときは、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４の位置を上記のように設定することに特に意味はないが、それらが発生していた場合のために、レーザ光導波領域や電極１１３、１１４を常に基板１００の転位集中領域Ｘ１や高ルミネセンス領域Ｙ１の上方や下方から外れる位置に設定するのがよい。
【００４８】
電極１１３、１１４の形成にエッチング技術を用いる場合には、一旦埋め込み層１１２の上面あるいはｎ型ＧａＮ基板１０の下面の全体にｐ型電極あるいはｎ型電極を成膜し、その後所定の部分をエッチング除去する。このため、一度は転位集中領域Ｘ３、Ｘ１を電極金属が覆うことになる。しかし、前述の転位集中領域Ｘ３を介した電極金属の半導体層への拡散現象は、主として素子構造完成後の通電時点で発生するので、電極形成プロセス中に転位集中領域Ｘ３が一度覆われることは、素子特性上問題を引き起こすことはない。
【００４９】
また、図３から分かるように、半導体レーザ素子１は、素子構造として重要なリッジ構造周辺の外側に転位集中領域Ｘ３を追い出したような構成になっている。このため、半導体レーザ素子をチップ単位に分割する場合には、この転位集中領域Ｘ３を境界として切断すればよい。転位集中領域Ｘ３は機械的強度が周囲より劣るため、硬度の高いＩＩＩ族窒化物半導体であっても容易に分割することができる。分割された端面に露出した転位集中領域Ｘ３の部分は、ウェットエッチングや研磨などにより除去すれば、チップのエッジ部分を介して流れるリーク電流も抑止でき、素子特性向上に効果が高い。または、リッジ構造と転位集中領域Ｘ３の間の部分で分割し、転位集中領域Ｘ３そのものをチップ内部から追い出してしまえば、転位集中領域Ｘ３を介して流れるリーク電流を、未然に防止することができる。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の半導体レーザ素子２の構造を図５の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図４の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子２は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、埋め込み層１１２の上面うちｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位と、基板１００の下面のうち転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位とに誘電体膜１１５を設けたものである。ｎ型ＧａＮ基板１００と積層構造１０１の構成や作製方法は第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略する。
【００５１】
誘電体膜１１５は、図２のようにリッジ構造を形成した後、フォトリソグラフィプロセスおよびリフトオフプロセスにより、ＳｉＯ2を用いて形成した（図４）。誘電体膜１１５の幅は５０μｍ、膜厚は２５０ｎｍである。積層構造１０１の内部に発生する転位集中領域Ｘ３の幅は、基板１００内の転位集中領域Ｘ１の幅に略等しく、５〜４０μｍであり、埋め込み層１１２上面の誘電体膜１１５は転位集中領域Ｘ３が露出していてもその全体を覆い、基板１００下面の誘電体膜１１５も露出した転位集中領域Ｘ１全体を覆う。
【００５２】
誘電体膜１１５の形成後、誘電体膜１１５、リッジ構造のｐ型第２コンタクト層１１１および埋め込み層１１２の上面全体にｐ型電極１１６を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面全体にｎ型電極１１７を形成した（図５）。
【００５３】
電極１１６、１１７は、誘電体膜１１５によって、転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１から隔てられており、電極１１６と転位集中領域Ｘ３の間や電極１１７と転位集中領域Ｘ１の間を流れる電流はなく、また、電極１１６の材料金属が転位集中領域Ｘ３を介して積層構造１０１の内部に拡散することもない。したがって、半導体レーザ素子２も、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。
【００５４】
なお、誘電体膜１１５の材料としては、ＳｉＯ2の他に、ＳｉＮ、ＳｉＯ、ＺｎＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、ＨｆＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｂｉ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、ＡｌＦ3、ＢａＦ2、ＣｅＦ2、ＣａＦ2、ＭｇＦ2、ＮｄＦ3、ＰｂＦ2、ＳｒＦ2、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ等、あるいはこれらの混合物を用いることもできる。
【００５５】
また、誘電体膜１１５の厚さは、１ｎｍ〜１μｍの範囲、より好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であればよい。膜厚が１ｎｍより小さいと電流遮断や金属拡散防止の効果が不十分になったり、電圧が印加されたときに絶縁破壊が生じたりすることがあるので好ましくない。また、膜厚を１μｍより大きくすると、誘電体膜内の応力が大きくなって、膜にひび割れが生じたり、あるいは膜剥れが生じやすくなるのでやはり好ましくない。
【００５６】
誘電体膜１１５の幅に関しては、転位集中領域Ｘ３や転位集中領域Ｘ１の露出部分を完全に覆いうるようにすればよく、このためには下限はあるものの、特に上限はない。ただし、誘電体膜１１５の幅を過度に大きくすると、レーザ光導波領域に導くべき電流の妨げとなる可能性が生じ、これを避けるためにレーザ光導波領域を設ける位置が制約を受ける。したがって、誘電体膜１１５の幅は５〜３００μｍとするのが好ましい。
【００５７】
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態の半導体レーザ素子３の構造を図８の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図６および図７の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子３は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、積層構造１０１の内部のうちｎ型ＧａＮ基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位に誘電体膜１１８を設けたものである。積層構造１０１の他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００５８】
誘電体膜１１８はリッジ構造を形成する途中で形成した。すなわち、前述のように、ｐ型第２コンタクト層１１１上面からｐ型クラッド層１０９の途中までをドライエッチングにより掘り下げ、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層１０９を露出させた段階で（図６）、基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位にＳｉＯ2膜１１８を成膜し、その後リッジ構造周辺にＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ埋め込み層１１２を再成長させて埋め込んだ（図７）。
【００５９】
誘電体膜１１８およびリッジ構造の形成後、リッジ構造のｐ型第２コンタクト層１１１と埋め込み層１１２の上面全体にｐ型電極１１６を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面のうち転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位以外にｎ型電極１１４を形成した（図８）。
【００６０】
誘電体膜１１８を設けたことにより、ＡｌＧａＮ埋め込み層１１２のエピタキシャル成長に転位集中領域Ｘ３の影響が及ばなくなり、埋め込み層１１２には転位集中領域は発生しない。このため、レーザ光導波領域以外を流れるリーク電流は低減され、電極１１６の材料金属の積層構造１０１内への拡散も抑えられる。したがって、半導体レーザ素子３も、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。
【００６１】
なお、ここでは誘電体膜１１８をリッジ構造のエッチング底面に形成したが、他の界面に設けても構わない。例えば、ｎ型ＩｎＧａＮクラック防止層１０３とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４の界面に設けることもできる。ただし、本実施形態のように誘電体膜１１８をリッジ構造底面に形成する方が、半導体層の再成長回数を１回で済ませることができて半導体レーザ素子の結晶性が向上するという点と、電極の材料金属の拡散がレーザ光導波領域に及び難いという点の双方で好ましい。誘電体層１１８の材料、厚さおよび幅については、第２の実施形態で説明したことがそのまま当てはまる。
【００６２】
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態の半導体レーザ素子４の構造を図１０の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図９の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子４は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、ｎ型ＧａＮ基板１００の上面のうち転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位に、ＳｉＯ2の誘電体膜１１９を設けたものである。誘電体膜１１９は積層構造１０１を形成する前に基板１００上に設けておく（図９）。積層構造１０１の作製工程および構成は第１の実施形態と同様である。
【００６３】
基板１００上に誘電体膜１１９を設けたことにより、ｎ型ＧａＮ層１０２のうち誘電体膜１１９の上方および周辺の部分のモフォロジが多少低下するが、基板１００の転位集中領域Ｘ１がＧａＮ層１０２およびその上方の各層のエピタキシャル成長に影響しなくなって、積層構造１０１内に転位集中領域は発生しない。このため、ｐ型電極１１６を積層構造１０１の上面全体に設けたりｎ型電極１１７を基板１００の下面全体に設けたりしても、リーク電流は生じず、ｐ型電極１１６の材料金属の積層構造１０１内への拡散も防止される。したがって、半導体レーザ素子４も、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。なお、誘電体層１１９の材料、厚さおよび幅については、第２の実施形態で説明したことがそのまま当てはまる。
【００６４】
＜第５の実施形態＞
第５の実施形態の半導体レーザ素子５の構造を図１２の縦断面図に模式的に示し、その作製工程の途中における層構造を図１１の縦断面図に模式的に示す。本実施形態の半導体レーザ素子５は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１を修飾して、リッジ構造の周囲を埋め込む材料としてＡｌＧａＮではなく誘電体を用い、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０９上に誘電体層１２２を設けたものである。
【００６５】
誘電体層１２２の形成後（図１１）、リッジ構造のｐ型第２コンタクト層１１１と誘電体層１２２の上面全体にｐ型電極１１６を形成し、ｎ型ＧａＮ基板１００の下面のうち転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位以外にｎ型電極１１４を形成した（図１２）。
【００６６】
本実施形態の半導体レーザ素子５では、積層構造１０１の内部に転位集中領域Ｘ３が発生しても、転位集中領域Ｘ３は誘電体層１２２で遮断されてｐ型電極１１６には達しない。したがって、半導体レーザ素子１〜４と同様に、安定した動作特性を示し、レーザ発振寿命の長い素子となる。
【００６７】
＜比較例＞
図２に示した第１の実施形態の半導体レーザ素子１の作製途中の層構成を用いて、比較例の半導体レーザ素子９を作製した。この半導体レーザ素子９の構造を図１３の縦断面図に模式的に示す。ｐ型電極２１２は、積層構造１０１の上面のうち、基板１００の転位集中領域Ｘ１の上方に位置する部位から高ルミネセンス領域Ｙ１の上方に位置する部位にわたる広い範囲に設けられており、ｎ型電極２１３も、基板１００の下面のうち、転位集中領域Ｘ１の下方に位置する部位から高ルミネセンス領域Ｙ１の下方に位置する部位にわたる広い範囲に設けられている。
【００６８】
各実施形態の半導体レーザ素子１〜５および比較例の半導体レーザ素子９それぞれの多くのサンプルについて発光試験を行ったところ、半導体レーザ素子９では、６０℃、３０ｍＷという条件下で、１００時間以内に動作電流が増大する現象がいくつかのサンプルに現れ、レーザ発振寿命が１０００時間を超えたサンプルは半数程度にとどまった。これに対し、各実施形態の半導体レーザ素子１〜５では、同じ条件下で、動作電流の増大は１０００時間以上現れず、ほとんどのサンプルが３０００時間以上のレーザ発振寿命を示した。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体基板に転位集中領域が存在することがＩＩＩ族窒化物半導体素子の特性を大きく左右し、各実施形態の構成がＩＩＩ族窒化物半導体素子の特性向上に有用であることが確認された。
【００６９】
なお、上記第１〜第５の実施形態の構成は、実施形態ごとに示したものに限らず、自由に組み合わせることが可能である。一例をあげれば、コンタクト層に誘電体膜を設けずにｐ型電極をパターニングする第１の実施形態の構成と、基板の下面に誘電体膜を設けてｎ型電極を全面に形成する第２の実施形態の構成とを、組み合わせることができる。
【００７０】
また、第１〜第５の実施形態においては、リッジ構造の位置つまりレーザ光導波領域の位置を、転位集中領域Ｘ１と高ルミネセンス領域Ｙ１の中央の上方に設定しているが、どちらかに寄っていても構わない。実質的にリッジ構造の部分に、転位集中領域Ｘ３と高ルミネセンス領域Ｙ３のどちらも含まれていなければよい。さらに、積層構造側の電流注入部としてはリッジ構造に限らず、電極ストライプ型であってもＢＨ型であってもよい。
【００７１】
また、第１の実施形態では電極１１３、１１４の位置、第２〜第５の実施形態では誘電体層１１５、１１８、１１９、１２２の存在および位置が重要なのであって、他の層の構造や組成は自由に設定することができる。例えば、各実施形態ではｐ型コンタクト層を第１コンタクト層と第２コンタクト層の２層構造としているが、コンタクト層を１層としてもよい。電極についても、ＩＩＩ族窒化物半導体に適合するオーミック電極となるものであれば、どのような材料を用いても構わない。例えば、ｐ型電極としては、Ａｕ／Ｐｄ（Ｐｄが半導体側）、Ａｕ／Ｍｏ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｐｔ／Ｍｏ／Ｐｄ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｍｏ／Ｎｉ／Ｐｄ等を、ｎ型電極としては、Ａｌ／Ｈｆ、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｌ／Ｈｆ／Ｔｉ、Ａｌ／Ｚｒ等を採用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子では、レーザ光導波領域が良好な特性を有する上、基板に転位集中領域が存在することに起因する動作電流の増大と電極の材料金属の拡散による劣化を抑えることができるため、動作特性が安定し、レーザ発振寿命も長くなる。
【００７３】
積層構造の上面に設ける電極や基板の下面に設ける電極を基板の低転位領域の上方や下方のみに位置させるようにすると、電極を形成する工程までは動作電流の増大や材料金属の拡散の防止について特別な配慮は必要でなく、積層構造の作製が容易である。積層構造の上面のうち転位集中領域の上方に位置する部位および基板の下面のうち転位集中領域の下方に位置する部位に電流遮断層を備えるようにしても、電流遮断層を形成する工程までは動作電流の増大や材料金属の拡散の防止についての配慮が必要でなく、積層構造の作製が容易である。また、積層構造の内部のうち基板の転位集中領域の上方に位置する部位に電流遮断層を備えるようにすると、電極の形成に際して動作電流の増大と材料金属の拡散の防止について考慮する必要がなく、電極の形状に制約がなくなる。
【００７４】
基板の転位集中領域を、上方から見て、積層構造のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状とすると、レーザ光導波領域の形成を含めた積層構造の作製が容易になり、電極や電流遮断層の形成も容易になる。
【００７５】
電流遮断層の厚さを１ｎｍ以上かつ１μｍ以下とすると、動作電流の増大を確実に防止することができる上、ひび割れや剥がれ等の機械的欠陥が生じるおそれも少ない。
【００７６】
転位集中領域をレーザ光導波領域と略平行なストライプ状とする場合、電流遮断層の幅を５μｍ以上かつ３００μｍ以下とすると、動作電流の増大を確実に防止することができる上、電流遮断層がレーザ光導波領域に導くべき電流の妨げになるのを容易に避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図２】 第１の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図３】 第１の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図４】 第２の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図５】 第２の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図６】 第３の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図７】 第３の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図８】 第３の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図９】 第４の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図１０】 第４の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図１１】 第５の実施形態の半導体レーザ素子の作製工程の途中における層構造を模式的に示す縦断面図。
【図１２】 第５の実施形態の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図１３】 比較例の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す縦断面図。
【図１４】 作製中のＧａＮ基板の一部分を拡大して模式的に示す縦断面図。
【図１５】 作製中のＧａＮ基板の全体を模式的に示す斜視図。
【図１６】 ＧａＮ基板の一部分の縦断面図。
【図１７】 ＧａＮ基板の一部分の上面図。
【符号の説明】
１、２、３、４、５ 半導体レーザ素子
１０ ｎ型ＧａＮ基板
２１ 支持基体
２２ ｎ型ＧａＮ層
２３ ｛１１−２２｝ファセット面
２４ 凹部の最底部
２５ ｛０００１｝面
１００ ｎ型ＧａＮ基板
１０１ ＩＩＩ族窒化物半導体積層構造
１０２ ｎ型ＧａＮ層
１０３ ｎ型Ｉｎ0.07Ｇａ0.93Ｎクラック防止層
１０４ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
１０５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０６ Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ／Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ３重量子井戸活性層
１０７ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎキャリアブロック層
１０８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１０９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
１１０ ｐ型ＧａＮ第１コンタクト層
１１１ ｐ型Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ第２コンタクト層
１１２ Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ埋め込み層
１１３、１１６ ｐ型電極
１１４、１１７ ｎ型電極
１１５、１１８、１１９ ＳｉＯ2膜
１２２ ＳｉＯ2層
Ｘ１ 基板の転位集中領域
Ｘ２ 基板の転位集中領域露出部
Ｙ１ 基板の高ルミネセンス領域
Ｙ２ 基板の高ルミネセンス領域露出部
Ｘ３ 積層構造の転位集中領域
Ｙ３ 積層構造の高ルミネセンス領域
Claims (6)
- ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、積層構造の上面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子であって、
基板には、
その基板の下面から上面に達する転位集中領域と、
転位集中領域を除く部位である低転位領域と、
低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによって、前記周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達する高ルミネセンス領域と、
が含まれ、
積層構造が基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有し、
前記電極が基板の低転位領域の上方のみに位置することを特徴とする半導体レーザ素子。 - ＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板と、基板の上面に設けられたＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造と、積層構造の下面に設けられた電極と、を備える半導体レーザ素子であって、
基板には、
その基板の下面から上面に達する転位集中領域と、
転位集中領域を除く部位である低転位領域と、
低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによって、前記周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達する高ルミネセンス領域と、
が含まれ、
積層構造が基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を有し、
前記電極が基板の低転位領域の下方のみに位置することを特徴とする半導体レーザ素子。 - 基板の転位集中領域が、上方から見て、積層構造のレーザ光導波領域と略平行なストライプ状であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
- 以下の（１）〜（３）の領域を備えるＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板の上面に、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造を形成する工程と、
（１）基板の下面から上面に達する転位集中領域
（２）転位集中領域を除く部位である低転位領域
（３）低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによ
って、前記周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達
する高ルミネセンス領域
積層構造の上面のうち、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を形成する工程と、
積層構造の上面に電極を形成する工程と、
を有し、
該電極を、基板の低転位領域の上方のみに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。 - 以下の（１）〜（３）の領域を備えるＩＩＩ族窒化物半導体より成る基板の上面に、ＩＩＩ族窒化物半導体より成る積層構造を形成する工程と、
（１）基板の下面から上面に達する転位集中領域
（２）転位集中領域を除く部位である低転位領域
（３）低転位領域の中央に形成され、周囲と異なるドーパントの取り込みによ
って、前記周囲よりも強い蛍光発光強度でかつ基板の下面から上面に達
する高ルミネセンス領域
積層構造の上面のうち、基板の転位集中領域と高ルミネセンス領域との間の低転位領域の上方のみに位置するストライプ状のレーザ光導波領域を形成する工程と、
基板の下面に電極を形成する工程と、
を有し、
該電極を、基板の低転位領域の下方のみに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。 - 前記基板は、表面が畝状の凹凸形状を保ったまま結晶成長することにより形成されることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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