JP4146881B2

JP4146881B2 - 窒化物半導体発光素子およびエピウエハとその製造方法

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Publication number: JP4146881B2
Application number: JP2007071854A
Authority: JP
Inventors: 有三津田; 大介花岡; 貴之湯浅; 茂稔伊藤; 元隆種谷
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Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: JP2007150376A

Description

本発明は、主として発光寿命が長くてクラックの発生が軽減された窒化物半導体発光素子とその製法の改善に関するものである。

窒化物半導体発光素子の発光特性を改善するために、サファイア基板上に積層されたＧａＮ層に溝を形成して、再度その溝をＧａＮ膜で平坦に被覆し、その被覆層上に半導体レーザ素子を形成することが特許文献１において報告されている。

また、選択結晶成長技術を用いて、ストライプ状に形成されたＳｉＯ₂マスクの窓領域上に半導体レーザ素子を形成することが特許文献２において報告されている。
特開２０００−１２４５００特開平９−３６４７３

上記のような先行技術によって作製された窒化物半導体発光素子においても、その発光寿命が十分ではないという課題を含んでいる。そこで、本発明は、発光寿命の長い窒化物半導体発光素子を提供するとともに、その素子におけるクラックの発生を抑制することを主要な目的としている。

本発明は、表面に凹部と凸部を有する基板と、該基板上に結晶成長させられた窒化物半導体多層膜構造とを備え、前記基板は単一基板であり、前記窒化物半導体多層膜構造は、前記凸部の上方において発光部を有するとともに、前記凹部の上方において結晶成長により完全に埋まらない窪みが表面に形成され、前記窪みの幅は前記凹部の幅よりも狭いことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。

本発明による窒化物半導体発光素子は、前記窒化物半導体多層膜構造が、前記凸部の上方において、前記発光部に電流を注入させる構造を備えることが好ましい。

本発明は、表面に複数の凹部と凸部を有する基板と、前記基板上に結晶成長させられた窒化物半導体下地層と、該窒化物半導体下地層の表面において結晶成長により完全に埋まらない窪みと平坦化された部分とが形成されたエピウエハであって、前記基板は単一基板であり、前記窪みは前記凹部の上方に形成され、かつ、前記窪みの幅は前記凹部の幅よりも狭く、前記平坦化された部分の幅は前記凸部の幅よりも広いことを特徴とするエピウエハである。
本発明は、表面に複数の凹部と凸部を有する基板と、該基板上に結晶成長させられた窒化物半導体多層膜構造と、該窒化物半導体多層膜構造の表面において結晶成長により完全に埋まらない窪みと平坦化された部分とが形成されたエピウエハであって、前記基板は単一基板であり、前記窒化物半導体多層膜構造が窒化物半導体下地層と発光層とを有し、前記窪みは前記凹部の上方に形成され、かつ、前記窪みの幅は、前記凹部の幅よりも狭く、前記平坦化された部分の幅は前記凸部の幅よりも広いことを特徴とするエピウエハである。
本発明によるエピウエハは、前記窒化物半導体多層膜構造が、前記凸部の上方において発光部を有することが好ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は、前記発光部は、前記凸部の中央から幅方向に右または左側へ１μｍ以上離れた領域に形成されることが好ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は、前記基板が窒化物半導体からなることが好ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は、前記凹部の深さが１μｍ以上であって、かつ前記凹部の底部と前記基板の裏面との間の残し厚が１００μｍ以上であることが好ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は、前記凹部を複数備えるとともに、相対的に幅の広い前記凹部を有する窒化物半導体発光素子であって、前記相対的に幅の広い前記凹部の上方のみに窪みを有することが好ましい。

本発明による窒化物半導体発光素子は、前記凹部を複数備えるとともに、相対的に深さの深い前記凹部を有する窒化物半導体発光素子であって、前記相対的に深さの深い前記凹部の上方のみに窪みを有することが好ましい。

本発明は、基板の表面に凹部と凸部を形成する工程と、前記基板上に、前記凸部の上方において発光部を有し、かつ表面において完全に埋まらない窪みを有する窒化物半導体多層膜構造を結晶成長させる工程とを備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記基板は単一基板であり、前記窪みは、前記凹部の上方に結晶成長に伴って形成され、かつ、前記凹部の幅よりも狭いことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明は、基板の表面に凹部と凸部を形成する工程と、前記基板上に、前記凸部の上方において発光部を有し、かつ表面において完全に埋まらない窪みを有する窒化物半導体多層膜構造を結晶成長させる工程と、前記凸部の上方において前記発光部に電流を注入させる構造を形成する工程とを備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記基板は単一基板であり、前記窪みは、前記凹部の上方に結晶成長に伴って形成され、かつ、前記凹部の幅よりも狭いことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法である。

本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、発光寿命と発光強度を改善することができる。また、本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、クラック発生と電極剥がれとワイヤボンドの剥がれとを防止することができる。

以下において、本発明による種々の実施の形態を説明するに際して、いくつかの用語の意味を予め明らかにしておく。

まず、「溝」とはたとえば図２（ａ）と（ｂ）に示されているように加工基板表面でストライプ状に加工された凹部を意味し、「丘」とは同様にストライプ状に加工された凸部を意味する。溝と丘の断面形状は、必ずしも図２で示されているような矩形状である必要はなく、凹凸の段差を生じさせるものであればよい。また、図２に示された溝と丘は１方向に沿って加工されたストライプ配列であるが、溝または丘が互いに交差し合った桝目配列（図５参照）であってもよい。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。

「窒化物半導体基板」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる基板を意味する。ただし、窒化物半導体基板の窒素元素のうちで、その約１０％以下がＡｓ、Ｐ、またはＳｂの元素で置換されてもよい（ただし、基板の六方晶系が維持されることが前提）。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、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、または｛１−１０１｝面が好ましく用いられ得る。また、これらの結晶面方位から２°以内のオフ角度を有する基板主面であれば、その表面モホロジーが良好であり得る。

「異種基板」とは、窒化物半導体以外の基板を意味する。具体的な異種基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、またはＧａＡｓ基板などが用いられ得る。

「加工基板」とは、窒化物半導体基板表面上に、または異種基板上で成長した窒化物半導体層表面上に、溝と丘が形成された基板を意味する。溝の幅と丘の幅は、一定の周期を有していてもよいし、種々に異なる幅を有していてもよい。また、溝の深さに関しても、すべての溝が一定の深さを有していてもよいし、種々に異なる深さを有していてもよい。

「窒化物半導体下地層」とは、加工基板の凹凸表面上に成長させられる層であり、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなっている。ただし、この窒化物半導体下地層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの不純物群のうちの少なくとも１種がドーピングされてもよい。

「発光層」とは、１以上の量子井戸層またはそれと交互に積層された複数の障壁層をも含み、発光作用を生じさせ得る層を意味する。ただし、単一量子井戸構造の発光層は、１つの井戸層のみから構成されるか、または障壁層／井戸層／障壁層の積層から構成されている。

「発光素子構造」とは、発光層に加えてそれを挟むｎ型層とｐ型層をさらに含む構造を意味する。

「窒化物半導体多層膜構造」とは、窒化物半導体下地層と発光素子構造とを含むものを意味する。

「窪み」とは、加工基板の凹凸表面上に窒化物半導体下地層または窒化物半導体多層膜構造を成長被覆させたときに、その窒化物半導体下地層または窒化物半導体多層膜構造が平坦に埋められない部分（窪みが窒化物半導体下地層の表面にある一例の図３参照）を意味する。特に、本発明における窪みは、必ず窒化物半導体多層膜構造の表面に存在していなければならない。ただし、加工基板上に窒化物半導体多層膜構造を平坦に被覆させた後にエッチングなどで窪みを形成しても、本願の発明の効果は得られない。窪みが結晶成長後に加工で形成されたか否かは、窒化物半導体多層膜構造の断面を観察すれば明らかになる。なぜならば、結晶成長終了後に窪みを加工で形成したならば発光素子構造中の積層における横方向への連続性がその窪みによって断ち切られるが、結晶成長に伴って窪みが形成されたならば発光素子構造中の積層における横方向の連続性がその窪みによって断ち切られることはなく、その窪みの側壁面に沿って連続しているからである。

「窪み付き基板」とは、加工基板上に窒化物半導体下地層を被覆させ、その上の窪みを含む全体的基板を意味する（図３参照）。

「被覆膜厚」とは、加工基板上に窒化物半導体層を成長させたときの加工基板の溝底部から窪部を除いた窒化物半導体層の表面までの膜厚を意味する。

［実施形態１］本発明者らの検討の結果、本発明によって得られた窒化物半導体発光素子の長寿命化の効果は、その素子に含まれる窒化物半導体多層膜構造結晶中の歪の緩和に起因しているのではないかと考えられる。図２は本発明で用いられる加工基板の形態と各部位の名称を示し、図４（ａ）は本発明における結晶成長の形態を表わし、図４（ｂ）は従来の加工基板を窒化物半導体多層膜構造で完全かつ平坦に被覆する結晶成長の形態を表わし、そして図４（ｃ）は従来の結晶成長抑制膜を用いた選択結晶成長方法による結晶成長の形態を表わしている。本発明者らが本発明に至るに際して、まず従来の結晶成長形態について調べた。

（従来の結晶成長形態）図４（ｂ）においては、たとえば特開２０００−１２４５００に教示されているように、加工基板を窒化物半導体多層膜構造で完全かつ平坦に被覆する場合に、加工基板に形成された溝の側壁から水平方向（以後横方向成長と呼ぶ）に結晶成長が開始する。このような横方向成長が生じれば、下方の基板の結晶格子を反映した結晶が成長しにくく、下方からの結晶歪みが緩和される。しかしながら、両側の溝側壁から成長した結晶は、図４（ｂ）の溝中央でぶつかり合うので、その溝中央において結晶歪みが集中する。溝中央でぶつかり合った結晶はその後に通常の結晶成長方向（基板の主面に対して垂直方向）に成長が進み、そして、まだ被覆されていない丘を完全かつ平坦に埋没させるように、溝中央から丘中央に向かって先ほどと逆の横方向成長が促進される。前述の溝中央におけると同様な結晶のぶつかり合いが丘中央でも発生し、結果的に丘中央でも結晶のぶつかり合いによる結晶歪みの集中が生じる。そして、丘中央を埋没させながら、または丘中央が完全に埋没されれば、結晶成長は通常の結晶成長方向に変化して進む。

したがって、図４（ｂ）に示された従来の結晶成長形態では、加工基板が完全に窒化物半導体多層膜構造で平坦に被覆されれば、溝中央と丘中央に結晶歪みが集中してしまう。しかも、溝中央と丘中央を除く他の領域においても、横方向成長によって下方からの結晶歪みが緩和されていても、溝中央と丘中央の結晶歪みの集中からの影響による残留歪みが生じてしまう。以上のような結晶歪みに起因して、半導体発光素子の発光寿命が短くなっていると考えられる。

他方、図４（ｃ）においては、たとえば特開平９−３６４７３に教示されているように、たとえばＳｉＯ₂マスクのような成長抑制膜を利用した選択結晶成長（横方向成長に相当する）をさせる場合に、本発明の結晶成長形態（図４（ａ）参照）に類似して、完全には窒化物半導体膜で被覆されない窪みを成長抑制膜上に形成することが可能である。しかしながら、成長抑制膜を用いた選択結晶成長は、以下で説明する本発明における加工基板を用いた結晶成長形態とは異なる。なぜならば、成長抑制膜を用いた場合、図４（ｃ）に示されているように、成長抑制膜で被覆されていないＧａＮ層の窓領域から窒化物半導体膜の結晶成長が始まる。この窓領域に成長する窒化物半導体膜は通常の結晶成長方向（基板主面に対して垂直方向）に沿って成長する。したがって、窓領域上方に成長した結晶（図４（ｃ）中でハッチングされた部分）は、下方のＧａＮ層およびサファイア基板からの結晶歪み（熱膨張係数差による歪みを含む）を受けてしまう。本発明者らによる詳細な検討の結果、結晶歪みが緩和されていた部分は、図４（ｃ）に示された結晶成長抑制膜上方領域だけであった。

しかしながら、結晶成長抑制膜上方領域に窒化物半導体発光素子を作製しても、後述の本発明による発光素子に比べて発光寿命が短かった。これは、おそらく窒化物半導体膜と成長抑制膜との熱膨張係数差による歪みを受けるとともに、成長抑制膜に含まれる不純物が窪み部分を介して発光素子構造内にドープされたためではないかと考えられる。

たとえば、成長抑制膜が温度変化によって体積膨張または収縮すれば、熱膨張係数差によって、基板の主面に対する垂直方向の歪みや成長抑制膜と窓上方領域の結晶が接する部分の歪みが成長抑制膜上方領域に伝播するものと考えられる。また、成長抑制膜の体積膨張または収縮は、成長抑制膜上方領域を隆起させたり、成長抑制膜上方領域と成長抑制膜との間に隙間を発生させ、その成長抑制膜上方領域が湾曲することがある。このような現象は、成長抑制膜上方領域に結晶歪みを与えるだけなく、結晶の配向性を低下させてしまう。さらには、成長抑制膜がＳｉＯ₂の場合、そのＳｉまたはＯが窪みを介して過剰に発光素子構造内にドープされるとも考えられる。これらの要因が重なって、成長抑制膜上方領域に半導体発光素子を作製してもレーザ発光寿命が短かったものと考えられる。

（本発明における結晶成長形態）図４（ａ）に示されている本発明における結晶成長形態でも、図４（ｂ）に示された従来例と同様に、加工基板に形成された溝の側壁から横方向成長が開始し、両側の溝側壁から成長した結晶が図４（ａ）の溝中央で合わさり、その後に通常の結晶成長方向に成長が進む。しかしながら、本発明における結晶成長形態では、丘の上方に窒化物半導体多層膜構造が完全に埋まらない窪みを有しているので、基板主面に平行な水平方向の結晶歪みをその窪みを介して緩和させることができる。すなわち、その窪みは、図４（ｂ）に示された従来の結晶成長形態では溝中央に集中する結晶歪みを軽減し、窒化物半導体多層膜構造全体の結晶歪みを緩和させることができる。また、本発明における結晶成長形態では、図４（ｃ）に示された成長抑制膜を用いていないので、結晶成長膜に起因する前述の熱膨張係数差や不純物のドーピングによる影響を受けることがない。

本発明における結晶成長形態では、丘中央のみならず溝中央にも窪みが形成されることがさらに好ましい（実施形態３参照）。このような結晶成長形態を利用することによって、結晶歪みの集中する部分がなくなるので、結晶歪みがほとんど緩和された窒化物半導体多層膜構造を形成することが可能になる。

（本発明における効果）上述のように、本発明においては、加工基板上に窒化物半導体多層膜構造を形成するに際してこの膜が完全に埋まらない窪みを形成することによって、その窒化物半導体多層膜構造の結晶歪みを緩和させることができる。

図２（ａ）に示された窒化物半導体基板（たとえばＧａＮ基板）を利用した本発明における加工基板上に窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、レーザ出力３０ｍＷで雰囲気温度６０℃の条件の下で、その窒化物半導体レーザ素子の発振寿命は約１８０００時間程度であった。これは、従来の窒化物半導体基板を用いた場合のレーザ発振寿命の約７００時間に比べてはるかに長いものである。

他方、図２（ｂ）に示された異種基板（たとえばサファイア基板）を利用した本発明における加工基板上に窒化物半導体レーザ素子を作製した場合、レーザ出力３０ｍＷで雰囲気温度６０℃の条件の下で、その窒化物半導体レーザ素子の発振寿命は約１０００時間程度であった。これは、従来の異種基板を利用した場合のレーザ発振寿命の約２００時間に比べて十分に長いものである。

また、本発明における加工基板を用いることによって、発光素子中のクラック発生を抑制し得ることも、本発明者らによって見出された。このことにより、発光素子の生産性において歩留まりが向上した。

たとえば、図２（ａ）に示された窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）を利用した本発明における加工基板上に窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は０〜３本／ｃｍ²であった。他方、従来のＧａＮ基板上に窒化物半導体からなる発光素子構造を形成した場合、ほとんどクラックは生じないものと思われていたが、実際に発光素子構造を成長させた後のエピウエハ面内には多くのクラックが発生していた。これは、発光素子構造が種々の層の積層構造から構成されていることによる歪に起因すると考えられる（たとえば、ＡｌＧａＮ層はＧａＮ層に比べて格子定数が小さく、ＩｎＧａＮ層はＧａＮ層に比べて格子定数が大きい）。また、現在の技術で得られるＧａＮ基板には、その基板自体に残留歪みが潜在しているものと考えられる。実際、従来のＧａＮ基板上に窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は約５〜８本／ｃｍ²であった。このことから、本発明における窒化物半導体の加工基板を利用することによってクラック密度を低減し得ることがわかった。

他方、図２（ｂ）に示された異種基板を利用した本発明における加工基板上に窒化物半導体レーザ素子を形成した場合、クラック密度は約３〜５本／ｃｍ²であった。これに対して、異種基板を利用した従来の加工基板上に窒化物半導体レーザ素子を作製した場合、クラック密度は約１０〜２０本／ｃｍ²であった。このことから、異種基板を含む加工基板の場合であっても、本発明における加工基板を利用することによってクラック密度を低減し得ることがわかった。

上述の窪みによるクラックの抑制効果は、窪みの深さが深いほど強く、窪みの密度が高いほど強かった。窪みを深くするためには、加工基板を形成する際に溝を深くするか、または溝幅を広くするか、または丘幅を広くすれば効果的である。他方、窪みの密度を高くするためには、加工基板を形成する際に溝幅を狭くするか、または丘幅を狭くすれば効果的である。これらの溝幅、溝深さ、および丘幅などの具体的な数値に関しては、後でさらに詳細に説明する。

さらに、本発明における窪みのクラック抑制効果は、以下の特徴を有することがわかった。チップ分割された１つの窒化物半導体発光素子内に、窪みが２つ以上含まれることによって、窪みが１つの素子と比較して、クラック発生率が約３０％程度軽減されていた。しかも、たとえば図１で示されるリッジストライプ構造を有する窒化物半導体発光素子（レーザ素子）のように、窪み１と窪み２との間にリッジストライプ部が設けられた場合、とりわけその発光素子の歩留まりが向上した。これについて詳細に調べた結果、リッジストライプの長手方向を横切るようなクラックが軽減していたことが判明した。これは、リッジストライプ部の両側に窪みを有することによって、クラックが窒化物半導体発光素子のリッジストライプ部に侵入することを防止し得たためであると考えられる。

また、本発明における窪みは、チップ分割された１つの窒化物半導体発光素子の電極において以下の効果を有することがわかった。１つの窒化物半導体発光素子内に本発明における窪みが２つ以上含まれることによって、窪みが１つの素子に比較して、電極剥がれによる素子不良率が約２０％程度軽減されていた。しかも、たとえば図１で示されるリッジストライプ構造を有する窒化物半導体発光素子（レーザ素子）のように、窪み１と窪み２との間にリッジストライプ部が設けられた場合、とりわけリッジストライプ部でのｐ電極１１２（パッド電極をも含む）の剥がれが防止され、その発光素子の歩留まりが向上した。このことから、２つ以上の窪みを含む領域上に電極が形成されることが好ましく、より好ましくは窪みと窪みとの間にリッジストライプ部が設けられて、これらの窪みを含む領域上に電極が形成されることが好ましいことがわかった。このリッジストライプ部での電極剥がれの防止効果は、誘電体膜の剥がれについても同様であった。たとえば、図１で示すところのＳｉＯ₂誘電体膜１１３についても同様である。ＳｉＯ₂誘電体膜１１３の代わりに、ＳｉＮxのような他の誘電体膜が用いられてもよい。

さらにまた、本発明における窪みは、チップ分割された１つの窒化物半導体素子のワイヤボンドにおいて以下の効果を有することがわかった。ワイヤボンドと窒化物半導体発光素子との間の接合領域に本発明における窪みが１つ以上含まれることによって、ワイヤボンド自体の剥がれまたはワイヤボンドを含む電極の剥がれが約２０％程度軽減されていた。このことから、ワイヤボンドと窒化物半導体発光素子との間の接合領域に本発明における窪みが１つ以上含まれることが好ましいことがわかった。

（加工基板について）本発明における加工基板は、窒化物半導体基板または異種基板を利用して構成される。特に、加工基板として窒化物半導体基板を用いる場合、以下の点において好ましい。すなわち、窒化物半導体基板は、その上に形成される窒化物半導体下地層との熱膨張係数差が小さいので、基板の反りが異種基板を利用した場合に比べてはるかに小さくなる。したがって、窒化物半導体基板に形成される溝と丘は、異種基板上の窒化物半導体層に形成されるそれらと比べて、精度よく形成され得る。また、後述の項目（発光部の形成位置について）においてさらに詳細に述べられるが、基板の反りが非常に小さいので、発光寿命の短命化のような素子不良の起きやすい領域（後述の領域ＩＩＩとＩＶ）を避けて発光素子構造を精度よく作製することができる。さらに、基板の反りが小さいこと自体が新たな歪みやクラックの発生を防止するように作用し、半導体レーザ素子の長寿命化の効果と他の特性不良を軽減する効果をも生じる。

（加工基板を被覆する窒化物半導体下地層の被覆膜厚について）本発明において、加工基板が窒化物半導体多層膜構造で被覆されない窪みを形成するためには、たとえば窒化物半導体下地層を薄く成長させればよい。ただし、溝上方領域にも窪みを形成する場合は別として、加工基板に形成された溝は平坦に埋没されなければ、その溝上方領域に発光素子を形成することが困難になる。したがって、窒化物半導体下地層の被覆膜厚は、約２μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましい。被覆膜厚が２μｍよりも薄くなれば、加工基板に形成された溝幅や溝深さにも依存するが、窒化物半導体下地層で溝を完全かつ平坦に埋没させることが困難になり始める。他方、被覆膜厚が２０μｍよりも厚くなれば、特に加工基板が異種基板を含む場合に、窪みによる結晶歪みの緩和効果とクラック抑制効果よりも、加工基板と窒化物半導体下地層（または窒化物半導体多層膜構造）との間の熱膨張係数差による応力歪みの方が強くなりすぎて、本発明による効果が十分に発揮されなくなる可能性が高くなる。

（溝幅について）窒化物半導体基板に形成する溝は、相対的に溝幅が狭ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、広ければ埋没されにくい。本発明者らの検討結果によれば、加工基板に形成される溝を窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆するための溝幅Ｇ１は、４μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上で２５μｍ以下であることがより好ましかった。他方、加工基板に形成される溝を窒化物半導体下地層で完全には被覆せずに窪みを形成するための溝幅Ｇ２は、７μｍ以上で７５μｍ以下であることが好ましいが、７μｍ以上で約１００μｍ以下であってもよかった。ただし、加工基板の溝上方に窪みが形成されるか否かは窒化物半導体下地層の被覆膜厚に強く依存するので、溝を完全かつ平坦に被覆する際や溝上方領域に窪みを形成する際には、溝幅Ｇ１やＧ２とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚を調整する必要がある。

溝幅Ｇ１の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成されない溝１の溝幅Ｇ１の下限値は、発光素子中の発光部の大きさに依存する。発光素子中の発光部の形成位置については、後述の項目（発光部の形成位置について）において図６を参照しつつさらに詳細に説明される。たとえば、窪み付き基板のうちで平坦に被覆された溝上方領域に窒化物半導体レーザ素子を形成する場合、レーザ発振寿命の観点から、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部下方の発光部が図７（ａ）中の領域Ｉに属することが好ましい。したがって、少なくとも溝幅Ｇ１の下限値は、リッジストライプ幅の２倍よりも広くする必要がある。リッジストライプ幅はおよそ１μｍ〜３μｍの幅で形成されるので、溝幅Ｇ１は図７（ａ）中の領域ＩＩＩの幅２μｍとストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた４μｍ以上でなければならないと見積もられる。

他方、溝幅Ｇ１に上限値が存在するのは、溝幅Ｇ１が２５μｍを超えれば、窒化物半導体下地層を被覆膜厚１０μｍ以下の積層でその溝幅Ｇ１を有する溝１を完全に埋没させることが困難になるからである。同様に、溝幅Ｇ１が３０μｍを超えれば、窒化物半導体下地層を被覆膜厚２０μｍ以上に積層してもその溝１を完全に埋没させることが困難になるからである。

溝幅Ｇ２の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成される溝２の溝幅Ｇ２の下限値についても、溝幅Ｇ１の下限値と同様に、発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、溝幅Ｇ２内に窪みが形成される溝２の上方領域に窒化物半導体レーザ素子を作製する場合、レーザ発振寿命の観点から、レーザ素子のリッジストライプ部の下方の発光部は、図７（ｂ）中の領域ＩＩに属することが好ましい。リッジストライプ幅はおおよそ１μｍ〜３μｍで、最小の窪み幅は１μｍで見積もることができるので、溝幅Ｇ２の下限値は窪みを含む領域ＩＶの幅＝窪み幅（１μｍ）＋２μｍ×２（図７（ｂ）参照）とストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた７μｍ以上が必要である。ただし、窪みが形成される溝の上方領域にリッジストライプ部が完全に含まれるようには窒化物半導体レーザ素子を形成しない場合はこの限りではなく、その場合の溝幅Ｇ２は窪み幅（１μｍ）以上であればよく、より好ましくは窪みを含む領域ＩＶの幅（５μｍ）以上であればよい。なお、領域ＩＶの意味は後で図６を参照しつつ説明される。

他方、溝の上方に窪みが形成される溝２の溝幅Ｇ２の上限値は、レーザ発振寿命の観点からは特に制約はない。しかしながら、あまりにＧ２を広くしすぎればウエハの単位面積当りの窪み密度が減少し、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果が低減してしまう。これに伴って、ウエハ当りの発光素子チップ収得率も減少してしまう。したがって、上記観点から、溝幅Ｇ２の上限値は１００μｍ以下、より好ましくは７５μｍ以下である。

以上では、溝幅のみを変更した加工基板について説明されたが、溝幅のみならず溝深さおよび／または丘幅をも変更して加工基板を形成してもよいことは言うまでもない。

（溝深さについて）窒化物半導体基板に形成する溝は、相対的にその深さが浅ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、深ければ埋没されにくい。そして、溝深さの調整による窪みの形成は、溝幅を調整して窪みを形成する場合に比べて、ウエハ当りの発光素子チップ収得率が減少しないので好ましい。

本発明者らの検討結果によれば、加工基板に形成される溝を窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆するための溝深さＨ１は、１μｍ以上で９μｍ以下であることが好ましく、２μｍ以上で６μｍ以下であることがより好ましかった。他方、加工基板の形成される溝を窒化物半導体下地層で完全には被覆せずに窪みを形成するための溝深さＨ２は、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましかった。溝深さＨ２の上限値に関しては特に制約はなく、図２（ａ）に示されているような残し厚ｈが１００μｍ以上であればよい。ただし、加工基板の溝上方に窪みが形成されるか否かは窒化物半導体下地層の被覆膜厚に強く依存するので、溝を完全かつ平坦に被覆する際や溝上方に窪みを形成する際は、溝深さＨ１やＨ２とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚を調整する必要がある。

溝深さＨ１の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成されない溝１の溝深さＨ１の下限値は、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。なぜならば、溝深さＨ１が１μｍよりも浅ければ、結晶成長形態における横方向成長よりも基板主面に対して垂直方向の成長が優先的になり、横方向成長による結晶歪みの低減効果が十分に発揮されなくなる可能性があるからである。そして、溝深さＨ１の下限値が２μｍ以上になれば、横方向成長による結晶歪みの低減効果が十分に発揮され得るからである。

他方、溝深さＨ１の上限値としては、９μｍ以下であることが好ましく、６μｍ以下であることがより好ましかった。なぜならば、溝深さＨ１が６μｍを超えれば窒化物半導体下地層を被覆膜厚１０μｍ以下の積層でその溝深さＨ１を有する溝１を完全に埋没させることが困難になり始めるからである。同様に、溝深さＨ１が９μｍを超えれば窒化物半導体下地層を被覆膜厚２０μｍ以上に積層してもその溝１を完全に埋没させることが困難になり始めるからである。

溝深さＨ２の下限値と上限値は以下の観点から見積もられた。溝の上方に窪みが形成される溝２の溝深さＨ２の下限値としては、溝深さＨ１と同じく１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがより好ましい。なぜならば、溝深さＨ１に関して述べたように、横方向成長による結晶歪みの低減効果が十分に得られていなければ、溝２の上方領域に形成した発光素子の特性（たとえばレーザ発振寿命）が低下する可能性があるからである。溝深さＨ２とＨ１との下限値が同じでありながら、窒化物半導体膜によって溝上方領域に窪みが形成されるかまたはそれが完全に埋没されるかは、その窒化物半導体下地層の被覆膜厚に依存する。他方、溝深さＨ２の上限値に関しては特に制約はなく、溝深さＨ２が深いほど窪みの形成が容易になる。ただし、あまりに溝２を深くしすぎれば加工基板が割れやすくなるので、溝の底部と基板の裏面との間の残し厚ｈが１００μｍ以上になるようにしなければならない（図２（ａ）参照）。

以上では溝深さのみを変更した加工基板について説明したが、溝深さのみならず溝幅および／または丘幅をも変更して加工基板を形成してもよいことは言うまでもない。

（丘幅について）加工基板に形成される丘は、相対的に丘幅が狭ければ窒化物半導体下地層で埋没されやすく、広ければ埋没されにくい。本発明者らの検討結果によれば、加工基板に形成される丘を窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆するための丘幅Ｌ１は、４μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上で２５μｍ以下であることがさらに好ましかった。他方、加工基板に形成される丘を窒化物半導体下地層で完全に被覆せずに窪みを形成するための丘幅Ｌ２は、７μｍ以上で７５μｍ以下であることが好ましく、７μｍ以上で１００μｍ以下であってもよかった。ただし、加工基板の丘上方に窪みが形成されるか否かは窒化物半導体下地層の被覆膜厚に強く依存するので、丘を完全かつ平坦に被覆する際や丘の上方領域に窪みを形成する際に、丘幅Ｌ１やＬ２とともに窒化物半導体下地層の被覆膜厚をも調整する必要がある。

丘幅Ｌ１の下限値と上限値は、以下の観点から見積もられた。丘の上方に窪みが形成されない丘１の丘幅Ｌ１の下限値は前述の溝幅Ｇ１の下限値と同様に発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、窪み付き基板のうちで丘上方で平坦に被覆された領域に窒化物半導体レーザ素子を形成する場合、レーザ発振寿命の観点から、そのレーザ素子のリッジストライプ部の下方の発光部が窪みの形成されていない領域Ｉ（図７（ｂ）参照）に属することが好ましい。リッジストライプ幅は約１μｍ〜３μｍの幅で形成され、丘上方で窪みの形成されない場合の領域ＩＩＩの幅は２μｍと見積もることができるので、丘幅Ｌ１の下限値はストライプ幅（１μｍ）×２と領域ＩＩＩの幅２μｍを加えた４μｍ以上であることが必要である。他方、丘幅Ｌ１の上限値に関しても前述の溝１の幅の上限値と同様に見積もることができる。

さらに、丘幅Ｌ２の下限値と上限値は、以下のようにして見積もられた。丘の上に窪みが形成されない丘２の丘幅Ｌ２の下限値は、前述の溝幅Ｇ２の下限値と同様に、発光素子中の発光部の大きさに依存する。たとえば、窪みを含む丘幅Ｌ２の丘２の上方領域に窒化物半導体レーザ素子を形成する場合、レーザ発振寿命の観点から、そのレーザ素子のリッジストライプ部の下方の発光部が図７（ａ）中の領域ＩＩに属することが好ましい。リッジストライプ部は約１〜３μｍの幅で形成され、最小の窪み幅を１μｍで見積もることができるので、丘幅Ｌ２の下限値は窪みを含む領域ＩＶの幅＝窪み幅（１μｍ）＋２μｍ×２とストライプ幅（１μｍ）×２とを加えた７μｍ以上でなければならない。ただし、窪みが形成される丘２の上方領域にリッジストライプ部が完全に含まれるように窒化物半導体レーザ素子を形成しない場合はこの限りでなく、その場合の丘幅Ｌ２は窪み幅（１μｍ）以上であればよく、より好ましくは窪みを含む領域ＩＶの幅（５μｍ）以上であればよい。他方、丘の上方に窪みが形成される丘２の丘幅Ｌ２の上限値は、レーザ発振寿命の観点からは特に制約はない。しかしながら、前述の溝２の溝幅Ｇ２の上限値と同様の理由から、丘幅Ｌ２の上限値は１００μｍ以下、より好ましくは７５μｍ以下である。

以上では、丘幅のみを変更した加工基板について説明したが、丘幅のみならず溝幅および／または溝深さをも変えて加工基板を形成してもよいことは言うまでもない。

（溝の長手方向について）主面として｛０００１｝Ｃ面を有する窒化物半導体基板または異種基板上の窒化物半導体層に形成された溝の長手方向は、＜１−１００＞方向に平行であることが最も好ましく、＜１１−２０＞方向に平行であることが次に好ましかった。これらの特定方向に関する溝の長手方向は、｛０００１｝Ｃ面内で±５°程度の開き角度を有していても実質的な影響を生じなかった。

窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成されることの優位性は、窪みが埋まりにくくて結晶歪みとクラック発生の抑制効果が非常に高いことである。この方向に沿って形成された溝内に窒化物半導体下地層が成長する場合、窪みの側壁面としては主に｛１１−２０｝面が形成されやすい。この｛１１−２０｝側壁面は図８（ａ）に示されているように基板の主面に対して垂直であるので、窪みはほぼ矩形形状の横断面を有しやすくなる。窪みの横断面が矩形形状に近い場合、窒化物半導体を構成する原材料が窪みの奥まで供給されにくく、溝が窒化物半導体下地層で埋まりにくくなる。このことから、加工基板を窒化物半導体下地層で比較的厚く被覆したとしても、窪みが埋没される心配がない。また、窪みの断面が矩形形状であって埋まりにくいので、次に述べる｛１−１０１｝側壁面を有する窪みに比べて非常に深くなり（加工基板に形成された溝深さをほぼ維持する）、加工基板上に成長した窒化物半導体下地層の結晶歪みがその深い窪みによって緩和され、クラックの発生も効果的に抑制され得る。

他方、窒化物半導体結晶の＜１１−２０＞方向に沿って溝が形成されることの優位性は、窪みの形状が急峻でかつ窪みの位置の揺らぎが小さくなることである。この方向に沿って形成された溝内に窒化物半導体下地層が成長する場合、窪みの側壁面には主に｛１−１０１｝面が形成されやすい。この｛１−１０１｝側壁面は非常に平坦でかつエッジ部（図３参照）が急峻で蛇行しにくいので、＜１１−２０＞方向に沿った窪みもまっすぐになって蛇行しにくい。したがって、後述される発光寿命の長い発光素子を形成するための領域ＩとＩＩを広く取ることができ（発光素子収得率の向上）、レーザ素子の形成位置の狂いによる素子歩留まりの低下をも防止することができる。

前述の溝または丘はすべてストライプ状であったが、ストライプ状であることは以下の点において好ましい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子の発振に寄与する部分（リッジストライプ部の下方）はストライプ状であり、好ましいリッジストライプ部形成領域ＩとＩＩもストライプ状であれば、その発振に寄与する部分をその好ましい領域ＩまたはＩＩ内に作り込むことが容易になる。溝または丘が桝目状であることは、結晶歪みが基板面内で均等に緩和され得る点と、クラック発生の抑制効果が高い点において好ましい。たとえば図５に示されているように、溝が桝目状に形成されてもよい。

図５（ａ）は、異なる２種類の溝方向が互いに直交するように形成された場合における凹部と凸部を有する加工基板の上面図を表わしている。図５（ｂ）は、異なる２種類の溝方向が互いに６０度の角度をなすように形成された場合における凹部と凸部を有する加工基板の上面図を表わしている。そして、図５（ｃ）は、異なる３種類の溝方向が互いに６０度の角度をなすように形成された場合における凹部と凸部を有する加工基板の上面図を表わしている。

（窒化物半導体下地層について）加工基板を被覆する窒化物半導体膜からなる下地層としては、たとえばＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜、またはＩｎＧａＮ膜などを用いることができる。また、窒化物半導体下地層中に、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで少なくとも１種の不純物を添加することができる。

窒化物半導体下地層がＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。すなわち、ＧａＮ膜は２元混晶であるので、結晶成長の制御性が良好である。また、ＧａＮ膜の表面マイグレーション長はＡｌＧａＮ膜に比べて長く、ＩｎＧａＮ膜に比べて短いので、溝を埋めて平坦化したい部分は適度にＧａＮ膜で被覆され、窪みを形成したい部分はＧａＮ膜による被覆が適度に制限される。窒化物半導体下地層として利用されるＧａＮ膜の不純物濃度は、１×１０¹⁷／ｃｍ³以上で５×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。このような濃度範囲で不純物を添加すれば、窒化物半導体下地層の表面モホロジーが良好になって、結果的に発光層の層厚が均一化されて素子特性が向上し得る。

窒化物半導体下地層がＡｌＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。ＡｌＧａＮ膜においては、Ａｌが含まれているので、ＧａＮ膜やＩｎＧａＮ膜に比べて表面マイグレーション長が短い。表面マイグレーション長が短いということは、窪みの横断面形状が急峻な状態を維持し（たとえば、図３中のエッジ部がだれず）、窪みの底に窒化物半導体が流れ込みにくい（窪みが埋まりにくい）ことを意味する。また、溝の被覆の際においても、窒化物半導体が溝の底部に流れ込み難くて、溝の側壁からの結晶成長が促進されるので横方向成長が顕著になって、結晶歪みを一層緩和させることが可能となる。ＡｌxＧａ1-xＮ膜のＡｌ組成比ｘは０．０１以上で０．１５以下であることが好ましく、０．０１以上で０．０７以下であることがより好ましい。Ａｌの組成比ｘが０．０１よりも小さければ、前述の表面マイグレーション長が長くなってしまう可能性がある。他方、Ａｌの組成比ｘが０．１５よりも大きくなれば、表面マイグレーション長が短くなりすぎて、溝を埋めて平坦化させたい領域までが平坦に埋まりにくくなる可能性がある。なお、ＡｌＧａＮ膜に限らず、この膜と同等の効果は、窒化物半導体下地層にＡｌが含まれていれば得られる。また、窒化物半導体下地層として利用されるＡｌＧａＮ膜の不純物濃度は、３×１０¹⁷／ｃｍ³以上で５×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。このような濃度範囲でＡｌと同時に不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面マイグレーション長が短くなって好ましい。このことによって、結晶歪みを一層緩和させることが可能になる。

窒化物半導体下地層がＩｎＧａＮ膜であれば、以下の点において好ましい。ＩｎＧａＮ膜においては、Ｉｎが含まれているので、ＧａＮ膜やＡｌＧａＮ膜と比べて弾性的である。したがって、ＩｎＧａＮ膜は加工基板の溝に埋まって、基板からの結晶歪みを窒化物半導体多層膜構造全体に拡散させ、効果的に結晶の歪みを緩和させる働きを有する。ＩｎxＧａ1-xＮ膜のＩｎ組成比ｘは０．０１以上で０．１５以下であることが好ましく、０．０１以上で０．１以下であることがより好ましい。Ｉｎの組成比ｘが０．０１よりも小さければ、Ｉｎを含むことによる弾力性の効果が得られにくくなる可能性がある。また、Ｉｎの組成比ｘが０．１５よりも大きくなれば、ＩｎＧａＮ膜の結晶性が低下してしまう可能性がある。なお、ＩｎＧａＮ膜に限らず、この膜と同等の効果は、窒化物半導体下地層にＩｎが含まれていれば得られる。また、窒化物半導体下地層として利用されるＩｎＧａＮ膜の不純物濃度は、１×１０¹⁷／ｃｍ^３以上で４×１０¹⁸／ｃｍ³以下が好ましい。このような濃度範囲でＩｎと同時に不純物が添加されれば、窒化物半導体下地層の表面モホロジーが良好であって、かつ弾性力を保有し得るので好ましい。

（発光部の形成位置について）本発明者らによる詳細な検討の結果、窒化物半導体レーザ素子の発光部（リッジストライプ部の下方）が窪み付き基板のどの位置に形成されるかに依存して、レーザ発振寿命が変化することが見出された。ここで発光部とは、発光素子に電流が注入されて、発光層のうちで実質的に発光に寄与する部分である。たとえば、リッジストライプ構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、電流が狭窄注入されるリッジストライプ部の下方の発光層部分である。

図６において、グラフの横軸は窪み付き基板の溝中央ｃからその幅方向にリッジストライプ端ａまでの距離を表わし、縦軸はレーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件下でのレーザ発振寿命を表わしている。ここで、溝中央ｃからリッジストライプ端ａまでの距離（以後、ｃ−ａ距離と呼ぶ）は、溝中央ｃから幅方向に右側が正で左側が負で表示されている。なお、図６で測定された窒化物半導体レーザ素子の構造と製法は後述の実施形態８と同様であってＧａＮ加工基板が用いられ、リッジストライプ幅は２μｍであり、溝幅は１８μｍであり、丘幅は１５μｍであり、そして丘上方の窪み幅は３μｍであった。

図６からわかるように、リッジストライプ部が溝の上方に形成された窒化物半導体レーザ素子のレーザ発振寿命は、リッジストライプ部が丘の上方に形成されたものよりも長くなる傾向を示した。さらに詳細に調べたところ、溝上方の領域内であっても、ｃ−ａ距離が−３μｍよりも大きくて１μｍよりも小さい領域にリッジストライプ部が形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少することがわかった。ここで、リッジストライプ部の幅が２μｍであることを考慮して、ｃ−ａ距離−３μｍが溝中央ｃからリッジストライプ端ｂまでの距離（以後、ｃ−ｂ距離と呼ぶ）に換算されれば、ｃ−ｂ距離は−１μｍになる。すなわち、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の少なくとも一部が溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ未満の範囲内に含まれるように形成されたとき、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかった。

このようなレーザ発振寿命が劇的に減少する領域（溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ未満の範囲）を領域ＩＩＩと呼ぶことにする。したがって、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部は、領域ＩＩＩを除く範囲に、その全体（ａ−ｂ幅）が含まれるように形成されることが好ましい。ここで、溝幅範囲内において、溝中央ｃから幅方向に左右１μｍ以上の範囲を領域Ｉと呼ぶことにする。この領域Ｉは、以下で述べる領域ＩＩに比べても、レーザ発振寿命の長い窒化物半導体レーザ素子を形成することが可能な領域であり、窪み付き基板のうちで最も好ましい領域である。

他方、丘の上方の領域においても溝上方領域に類似して、ｃ−ａ距離が１１μｍよりも大きくて２０μｍよりも小さい領域に窒化物半導体レーザ素子の発光部を形成すれば、そのレーザ発振寿命が劇的に減少することがわかる。ここで、ｃ−ａ距離１１μｍの状態を窪み端ｄからリッジストライプ端ｂまでの距離で表示すれば２μｍであり、同様にｃ−ａ距離２０μｍの状態を窪み端ｅからリッジストライプ端ａまでの距離で表示すれば２μｍになる。すなわち、窪み端からその両外側へ２μｍまでの範囲内にリッジストライプ部の下方の発光部の少なくとも一部が含まれると、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうことがわかる。このレーザ発振寿命が劇的に減少する領域をＩＶと呼ぶことにする。したがって、丘の上方の領域内では、領域ＩＶを除く窪み端ｄからその幅方向の左側に２μｍ以上または窪み端ｅから右側へ２μｍ以上離れた範囲にリッジストライプ部全体（ａ−ｂ）が含まれるように作製されることが好ましい。ここで、丘の上方の領域において、窪み端ｄから幅方向に左側へ２μｍ以上で窪み端ｅから右側へ２μｍ以上の範囲の領域を領域ＩＩと呼ぶことにする。この領域ＩＩでは、上述の領域Ｉに比べてレーザ発振寿命が短くなるものの、数千時間の寿命を有する窒化物半導体レーザ素子を形成することができる。

図７では、上述の領域ＩからＩＶが窪み付き基板の模式的な断面図において示されている。すなわち、窪み付き基板に作製される窒化物半導体レーザ素子の発光部は、少なくとも領域ＩＩＩとＩＶを避けた位置に形成されることが好ましく、そのうちでも領域Ｉが最も好ましくて、領域ＩＩがこれに次いで好ましかった（図６参照）。

図７（ａ）においては丘の上方の領域内のみに窪みが形成された場合が示されているが、たとえば後述される実施形態５〜７におけるように丘の上方領域が窒化物半導体下地層で完全かつ平坦に被覆される場合の領域Ｉの範囲は、図７（ｂ）に示されているように丘の上方領域内であってかつ丘中央から幅方向に右または左側へ１μｍ以上離れた領域であった。なぜならば、丘中央から左右に１μｍの範囲（丘上方に窪みを形成しない場合の領域ＩＩＩ）内に発光部が含まれるように形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうからである。

同様に、図７（ａ）では溝の上方に窪みが形成されていなかったが、たとえば後述される実施形態３、６、および７におけるように溝上方にも窪みが形成される場合の領域ＩＩの範囲は、溝上方の領域内であってかつ窪みの両端から幅方向に両外側へ２μｍ以上離れた領域であった（図７（ｂ）参照）。なぜならば、窪みの両端から左右に２μｍまでの範囲（溝上方に窪みを有する場合の領域ＩＶ）内に発光部が含まれるように形成されれば、レーザ発振寿命が劇的に減少してしまうからである。

なお、溝幅、丘幅、およびリッジストライプ幅を種々に変化させても、図６と同様の傾向を示した。また、加工基板をＧａＮ基板から異種基板を含むものに変えても、レーザ発振寿命はＧａＮ基板の場合に比べて短くなるものの、図６と同様の傾向を示した。したがって、これらの場合においても、窪み付き基板上に形成すべき発光素子の発光部形成領域は図７に示す関係にあるものと考えられる。同様に、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子についても、電流注入される発光部の下方に図７に示された領域ＩまたはＩＩのいずれかが存在していれば、本発明による効果を得ることが可能である。

また、図６における窒化物半導体レーザ素子はリッジストライプ構造を有するものであったが、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子であっても図６と同様の傾向を得ることも可能である（電流阻止構造の場合では、図６におけるリッジストライプ部は電流狭窄される部分に該当し、リッジストライプ幅は電流狭窄される幅に相当する）。すなわち、窒化物半導体レーザ素子において、発光層に電流が狭窄注入され、レーザ発振に寄与する発光部分の下方に図７に示された領域ＩまたはＩＩのいずれかが存在していればよい。

しかしながら、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子の場合、上述されたリッジストライプ構造を有する素子と比較して、レーザ発振寿命は約２０〜３０％程度低かった。また、電流阻止構造を有する窒化物半導体レーザ素子は、リッジストライプ構造を有する素子と比較して、クラックの発生による歩留まりの低下が大きかった。これらの原因については定かではないが、恐らく、電流阻止層に電流狭窄部分が作製される工程と、その電流狭窄部が作製された電流阻止層上に再び窒化物半導体層を結晶成長させる工程に問題があるのではないかと考えられる。たとえば、電流阻止層に電流狭窄部分が作製される工程は、レジスト材などのマスク材料が用いられるが、これらのマスク材料が本発明に係る窒化物半導体発光素子の窪み内に付着していて、そのまま再成長させることによって発光素子特性に悪影響をもたらしたのではないかと考えられる。また、たとえば、電流狭窄部分が作製された電流阻止層上に再び窒化物半導体を結晶成長させる工程は、電流阻止層に電流狭窄部分を作製するために発光素子構造の作製途中に一度は結晶成長装置から取出し（常温）、再び結晶成長装置に装填して残りの発光素子構造を結晶成長（約１０００℃）させる。このように発光素子構造の作製の途中で急激な温度差のある熱履歴を与えれば、本発明に係る窒化物半導体発光素子の窪みを有していても、その窪みによって発光素子構造内の結晶歪みが十分に緩和されなくてクラックが発生するものと考えられる。

［実施形態２］実施形態２としては、本発明における窪み付き基板の作製方法が図３と図８を参照して説明される。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１の場合と同様である。図３は窪み付き基板の各部位の名称を示し、図８（ａ）は窪みの横断面形状が矩形形状の場合の窪み付き基板を表わし、そして図８（ｂ）は窪みの横断面形状が逆台形形状（さらに結晶成長が進めばＶ字形形状になる）の場合の窪み付き基板を表わしている。

図８における加工基板は以下のようにして作製され得る。まず、主面方位が（０００１）面であるｎ型ＧａＮ基板の表面に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮxなどの誘電体膜を蒸着した。そして、通常のリソグラフィ技術を用いてその誘電体膜にレジスト材を塗布し、そのレジスト材がストライプ状のマスクパターンに形成された。このマスクパターンに沿って、ドライエッチング法を用いて誘電体膜とＧａＮ基板の表面の一部をエッチングして溝が形成された。その後、レジスト材と誘電体膜を除去した。こうして形成された溝と丘は、ｎ型ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿っており、溝幅１８μｍ、溝深さ３μｍ、および丘幅７μｍを有していた。なお、同じく主面方位が（０００１）面であるサファイア基板上に５００〜６００℃程度の比較的低温で低温ＧａＮバッファ層が形成され、続いてこの低温ＧａＮバッファ層上にｎ型ＧａＮ層を形成してから前述と同様の手法を用いて加工基板が作製されてもよい（図２（ｂ）参照）。

作製された加工基板は、十分に有機洗浄されてからＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置内に搬入され、被覆膜厚６μｍのｎ型ＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層された。このｎ型ＧａＮ下地層の形成においては、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされた加工基板上にＶ族元素用原料のＮＨ₃（アンモニア）とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）が供給され、１０５０℃の結晶成長温度において、それらの原料にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加された。

図８（ａ）は、上述の方法で作製された窪み付き基板の模式的断面図を表わしている。この図からわかるように、上述の成長条件では丘の上方領域のみに窪みが形成され、溝はｎ型ＧａＮ下地層によって平坦に埋没された。また、その窪みは、丘幅の中央位置と窪み幅の中央位置とがほぼ一致するように形成された。さらに、ＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成された場合における窪みの横断面形状は、ほぼ矩形形状に近かった。

このようにして作製された窪み付き基板上に、本発明に係る窒化物半導体発光素子が形成される。

上述の本実施形態における溝形成方法以外に、窒化物半導体基板の表面に直接に通常のレジスト材料を塗布して加工基板が作製されてもよい。しかしながら、上述のように、誘電体膜を介して溝を形成した方が、溝の形状が急峻で好ましかった。

なお、図２（ｂ）に示されているように異種基板（たとえば、サファイア基板）を含む加工基板を利用する場合、低温ＧａＮバッファ層は、低温ＡｌＮバッファ層であってもよい。ここで、低温バッファ層とは、前述のように約５００〜６００℃の成長温度で形成されたバッファ層を意味する。このような比較的低い成長温度範囲で形成されたバッファ層は、非晶質または多結晶であった。ただし、異種基板としてＳｉＣまたはＳｉを用いる場合には、少なくともＡｌを含む高温窒化物半導体バッファ層（成長温度が比較的高い７００〜１０００℃）を用いなければ、そのバッファ層上に成長させる窒化物半導体層の結晶性が低下してしまうので好ましくない。

また、本実施形態においては、低温ＧａＮバッファ層上に成長させられるｎ型ＧａＮ層（窒化物半導体下地層）は、これに限られず、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層であってもよく、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅなどがドーピングされてもよい。

本実施形態では、ドライエッチング法による溝形成方法が例示されたが、その他の溝形成方法が用いられてもよいことは言うまでもない。たとえば、ウェットエッチング法、スクライビング法、ワイヤソー加工、放電加工、スパッタリング加工、レーザ加工、サンドブラスト加工、またはフォーカスイオンビーム加工などが用いられ得る。

本実施形態では、ＧａＮ結晶の＜１−１００＞方向に沿って溝が形成されたが、＜１１−２０＞方向に沿って溝が形成されてもよい。ＧａＮ結晶の＜１１−２０＞方向に沿って溝を形成した場合、図８（ｂ）で示されているように、窪みの横断面形状は逆台形状に近かった。ただし、窪みの底部が埋まってくれば、その断面形状はＶ字形に近くなる。

本実施形態では、主面として（０００１）面を有するＧａＮ基板やサファイアの異種基板が利用されたが、その他の面方位やその他の異種基板が利用されてもよい。また、本実施形態で述べられた加工基板に形成される溝幅、丘幅、および溝深さの数値、ならびに窒化物半導体下地層の被覆膜厚の数値としては、前述の実施形態１で述べた数値範囲条件を満足していれば、他の数値が採用されてもよい。このことは、他の実施形態においても同様である。

［実施形態３］実施形態３においては、丘上方のみならず溝上方にも窪みを有する窪み付き基板の作製方法が、図９を参照して説明される。なお、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１および２と同様である。

すなわち、図９における加工基板と窒化物半導体下地層（本実施形態ではＧａＮ下地層）は、実施形態２と同様にして作製される。ただし、ＧａＮ下地層の被覆膜厚は比較的薄くされ、３μｍであった。

この窪み付き基板は丘上方のみならず溝上方にも窪みを有しているので、先の項目（本発明における結晶成長形態）において説明されたように、横方向成長によって生じた結晶のぶつかり合いによる結晶歪みの集中部分がなく、結晶歪みがほとんど緩和されたＧａＮ下地層で被覆され得る。

このようにして作製された窪み付き基板上に、本発明に係る窒化物半導体発光素子が作製される。

なお、本実施形態３における窪み付き基板は、主に、加工基板を被覆するＧａＮ下地層の被覆膜厚を薄く調整することによって容易に得ることができる。

［実施形態４］実施形態４においては、加工基板に形成された丘幅が一定の値ではなくて種々の異なる値にされたこと以外は、前述の実施形態１および２と同様である。

図１０の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を表わしており、溝幅Ｇ１は１２μｍ、溝深さＨ１は３μｍ、そして丘幅のみがＬ１＝８μｍとＬ２＝１４μｍの２通りの数値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚５μｍのＩｎＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層されて、本実施形態４の窪み付き基板が作製された。

図１０からわかるように、加工基板に形成される丘幅を種々に変えることによって、相対的に幅の広い丘２の上方に形成される窪み２は、狭い丘１の上方に形成される窪み１に比べて大きくなりやすい。そして、相対的に大きな窪みは、小さな窪みに比べて結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果が大きい。本実施形態のように、大きさが異なる窪みを含む窪み付き基板は、以下に点において好ましい。

すなわち、窪み付き基板のうちで相対的に小さな窪みは、大きな窪みに比べて結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果は小さいものの、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域（図７における領域ＩとＩＩ）を広くすることができる（発光素子チップの収得率が高くなる）ので好ましい。他方、窪み付き基板のうちで相対的に大きな窪みは、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域が狭くなるものの、小さな窪みで抑制できなかった残留結晶歪みやクラックの発生を防止することができる（このことによって発光素子チップの歩留まりが高くなる）ので好ましい。すなわち、本実施形態の窪み付き基板は、生産性と歩留まりの観点から好ましいことがわかる。

なお、本実施形態では２種類の異なる丘幅を有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる丘幅を有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。

［実施形態５］実施形態５においては、加工基板に形成された丘幅が一定の値ではなくて種々の異なる値にされることによって、上述の実施形態４に示された窪み１（図１０参照）が完全かつ平坦に窒化物半導体膜で被覆されたこと以外は、その実施形態４と同様である。また、本実施形態において特に言及されていない事項に関しては、前述の実施形態１および２の場合と同様である。

図１１の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を示しており、溝幅Ｇ１は１６μｍ、溝深さＨ１は２μｍ、そして丘幅のみがＬ１＝４μｍとＬ２＝２４μｍの２通りの数値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚４μｍのＡｌＧａＮ膜が積層され、本実施形態５の窪み付き基板が作製された。

図１１からわかるように、加工基板に形成される丘幅を種々に変えることによって、相対的に幅の広い丘２の上方には窪み２が形成され、相対的に幅の狭い丘１の上方は完全かつ平坦にＡｌＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層で埋没される。このような本実施形態における窪み付き基板は、以下の点において好ましい。

すなわち、窪み付き基板のうちで丘１の上方には窪みが形成されないので、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果は小さいものの、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域が実施形態４に比べて広くなり得る（発光素子チップの収得率が高くなる）。他方、窪み付き基板のうちで丘２の上方に形成された窪み２は結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果を有している（発光素子チップの歩留まりが高くなる）。したがって、加工基板に形成される丘のうちで一部の丘の上方には窪みが形成されなくて他の丘の上方には窪みが形成された窪み付き基板は、生産性の観点から実施形態４に比べて好ましい。

なお、本実施形態においても２種類の異なる丘幅を有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる丘幅を有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。

［実施形態６］実施形態６においては、加工基板に形成された溝深さが一定の値ではなくて種々の異なる値にされたこと以外は、前述の実施形態１および２と同様である。

図１２の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を示しており、溝幅Ｇ１は１８μｍ、丘幅Ｌ１は５μｍ、そして溝深さのみがＨ１＝２．５μｍとＨ２＝１０μｍの２通りの数値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚６μｍのＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層されて、本実施形態６の窪み付き基板が作製された。

図１２からわかるように、加工基板に形成される溝深さを種々に変えることによって、相対的に深い溝２の上方のみに窪み２が形成される。本実施形態における窪み付き基板は、以下の点において好ましい。

すなわち、窪み付き基板のうちで溝２以外の上方には窪みが形成されないので、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果は少ないものの、レーザ発振寿命の長い発光素子を形成することが可能な領域を広くすることができる（発光素子チップの収得率が高くなる）。他方、窪み付き基板のうちで溝２の上方に形成された窪み２は、結晶歪みの緩和効果やクラックの抑制効果を有する。したがって、加工基板に形成された溝のうちで一部の溝の上方には窪みが形成されかつ他の溝の上には窪みが形成されない窪み付き基板は、発光素子チップの生産性の観点から好ましい。

なお、本実施形態では２種類の異なる溝深さを有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる溝深さを有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。また、本実施形態が前述の実施形態３〜５の少なくともいずれかと組合わされてもよいことも言うまでもない。

［実施形態７］実施形態７においては、加工基板に形成された溝幅が一定の値ではなくて種々の異なる値にされたこと以外は、前述の実施形態１および２の場合と同様である。

図１３の模式的な断面図は本実施形態における窪み付き基板を表わしており、丘幅Ｌ１は５μｍ、溝深さＨ１は４μｍ、そして溝幅のみがＧ１＝１２μｍとＧ２＝２４μｍの２通りの値を有していた。このような加工基板上に被覆膜厚６μｍのＧａＮ膜からなる窒化物半導体下地層が積層されて、本実施形態７の窪み付き基板が作製された。

そして、このようにして作製された窪み付き基板上に、本発明に係る窒化物半導体発光素子が形成される。

図１３からわかるように、加工基板に形成される溝幅を種々に変えることによって、相対的に幅の広い溝２の上方のみに窪み２が形成される。本実施形態における窪み付き基板は、上述の実施形態６と同様の効果を有する。

なお、本実施形態では２種類の異なる溝幅を有する加工基板が例示されたが、２種以上の異なる溝幅を有する加工基板が用いられてもよいことは言うまでもない。また、本実施形態は、前述の実施形態３〜６の少なくともいずれかと組合せてよいことも言うまでもない。

［実施形態８］実施形態８においては、実施形態１〜７におけるいずれかの窪み付き基板上に窒化物半導体レーザ素子が作製された。

（結晶成長）図１は窪み付き基板上に成長された窒化物半導体レーザのウエハがチップ分割された後の窒化物半導体レーザ素子を表わしている。図１に示された窒化物半導体レーザ素子は、加工基板（ｎ型ＧａＮ基板）１０１とｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ下地層１０２からなる窪み付き基板１００、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、発光層１０６、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、ｎ電極１１１、ｐ電極１１２およびＳｉＯ₂誘電体膜１１３を含んでいる。

このような窒化物半導体レーザ素子の作製において、まず、実施形態１〜７のいずれかによる窪み付き基板１００が形成された。ただし、本実施形態８では、溝方向はＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿って形成された。

次に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、その窪み付き基板１００上において、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃（アンモニア）とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）と不純物としてのＳｉＨ₄（シラン）が加えられ、８００℃の結晶成長温度でｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３が厚さ４０ｎｍに成長させられた。次に、基板温度が１０５０℃に上げられ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）が用いられて、厚さ０．９μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が成長させられ、続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が厚さ０．１μｍに成長させられた。

その後、基板温度が８００℃に下げられ、厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層と厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層とが交互に積層された発光層（多重量子井戸構造）１０６が形成された。この実施形態では、発光層１０６は障壁層で開始して障壁層で終了する多重量子井戸構造を有し、３層（３周期）の量子井戸層を含んでいた。また、障壁層と井戸層の両方に、Ｓｉ不純物が１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で添加された。なお、障壁層と井戸層との間または井戸層と障壁層との間に、１秒以上で１８０秒以内の結晶成長中断期間が挿入されてもよい。こうすることによって、各層の平坦性が向上し、発光スペクトルの半値幅が減少するので好ましい。

発光層１０６にＡｓが添加される場合にはＡｓＨ₃またはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）を用い、Ｐが添加される場合にはＰＨ₃またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）を用い、そしてＳｂが添加される場合にはＴＭＳｂ（トリメチルアンチモン）またはＴＥＳｂ（トリエチルアンチモン）を用いればよい。また、発光層が形成される際に、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にＮ₂Ｈ₄（ジメチルヒドラジン）が用いられてもよい。

次に、基板が再び１０５０℃まで昇温されて、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９、および厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が順次に成長させられた。ｐ型不純物としては、Ｍｇ（ＥｔＣＰ₂Ｍｇ：ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が５×１０¹⁹／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加された。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０のｐ型不純物濃度は、ｐ電極１１２との界面に近づくに従って増大させることが好ましい。こうすることによって、ｐ電極との界面におけるコンタクト抵抗が低減する。また、ｐ型不純物であるＭｇの活性化を妨げているｐ型層中の残留水素を除去するために、ｐ型層成長中に微量の酸素が混入されてもよい。

このようにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０が成長させられた後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内の全ガスが窒素キャリアガスとＮＨ₃に変えられ、６０℃／分の冷却速度で基板温度が冷却された。基板温度が８００℃に冷却された時点でＮＨ₃の供給が停止され、５分間だけその基板温度に保持されてから室温まで冷却された。この基板の保持温度は６５０℃から９００℃の間にあることが好ましく、保持時間は３分以上で１０分以下であることが好ましかった。また、室温までの冷却速度は、３０℃／分以上であることが好ましい。こうして形成された結晶成長膜がラマン測定によって評価された結果、従来のｐ型化アニールが行なわれていなくても、その成長膜は既にｐ型化の特性を示していた（すなわち、Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ電極１１２を形成したときのコンタクト抵抗も低減していた。これに加えて従来のｐ型化アニールが組合わされれば、Ｍｇの活性化率がさらに向上して好ましかった。

なお、本実施形態による結晶成長工程においては、加工基板から窒化物半導体レーザ素子まで連続して結晶成長させてもよいし、加工基板から窪み付き基板までの成長工程が予め行なわれた後に窒化物半導体レーザ素子を成長させるための再成長が行なわれてもよい。

本実施形態におけるＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０３は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であってもよいし、ＩｎＧａＮクラック防止層が省略されてもよい。しかしながら、クラッド層とＧａＮ基板との格子不整合が大きくなる場合には、ＩｎＧａＮクラック防止層が挿入される方が好ましい。

本実施形態の発光層１０６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よい。また、発光層中の井戸層数は、前述の３層に限られず、１０層以下であればしきい値電流値が低くなって室温連続発振が可能であった。特に、井戸層数が２以上で６以下のときにしきい値電流値が低くなって好ましかった。

本実施形態の発光層１０６においては、井戸層と障壁層の両方にＳｉが１×１０¹⁸／ｃｍ³の濃度で添加されたが、Ｓｉが添加されなくてもよい。しかしながら、Ｓｉが発光層に添加された方が、発光強度が強くなった。発光層に添加される不純物としては、Ｓｉに限られず、Ｏ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、およびＭｇの少なくともいずれかが添加されてもよい。また、不純物の総添加量としては、約１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³程度が好ましかった。さらに、不純物が添加される層は井戸層と障壁層の両方であることに限られず、これらの片方の層のみに不純物が添加されてもよい。

本実施形態のｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７は、Ａｌ組成比が０．２以外であってもよいし、このキャリアブロック層が省略されてもよい。しかしながら、キャリアブロック層を設けたほうがしきい値電流値が低くなった。これは、キャリアブロック層１０７が発光層１０６内にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。キャリアブロック層のＡｌ組成比を高くすることは、これによってキャリアの閉じ込めが強くなるので好ましい。逆に、キャリアの閉じ込めが保持される範囲内でＡｌ組成比を小さくすれば、キャリアブロック層内のキャリア移動度が大きくなって電気抵抗が低くなるので好ましい。

本実施形態では、ｐ型クラッド層１０９とｎ型クラッド層１０４として、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶が用いられたが、そのＡｌ組成比は０．１以外であってもよい。そのＡｌの混晶比が高くなれば発光層１０６とのエネルギギャップ差と屈折率差が大きくなり、キャリアや光が発光層内に効率よく閉じ込められ、レーザ発振しきい値電流値の低減が可能になる。逆に、キャリアや光の閉じ込めが保持される範囲内でＡｌ組成比を小さくすれば、クラッド層内でのキャリア移動度が大きくなり、素子の動作電圧を低くすることができる。

ＡｌＧａＮクラッド層の厚みは０．７μｍ〜１．５μｍの範囲内にあることが好ましく、このことによって垂直横モードの単峰化と光閉じ込め効率が増大し、レーザの光学特性の向上とレーザしきい値電流値の低減が可能になる。

クラッド層はＡｌＧａＮ３元混晶に限られず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、またはＡｌＧａＮＡｓなどの４元混晶であってもよい。また、ｐ型クラッド層は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層を含む超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層を含む超格子構造を有していてもよい。

本実施形態ではＭＯＣＶＤ装置による結晶成長法が例示されたが、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、またはハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが用いられてもよい。

（チップ化工程）前述の結晶成長で形成されたエピウエハ（加工基板上に窒化物半導体多層膜構造がエピタキシャル成長させられたウエハ）がＭＯＣＶＤ装置から取出され、レーザ素子に加工される。ここで、窒化物半導体多層膜構造が形成されたエピウエハの表面には窪みが存在し、完全かつ平坦には埋没されていなかった。

加工基板１０１はｎ型導電性の窒化物半導体であるので、その裏面側上にＨｆ／Ａｌの順の積層でｎ電極１１１が形成された（図１参照）。ｎ電極としては、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｕなどの積層も用いられ得る。ｎ電極にＨｆが用いられれば、そのコンタクト抵抗が下がるので好ましい。

ｐ電極部分は加工基板１０１の溝方向に沿ってストライプ状にエッチングされ、これによってリッジストライプ部（図１参照）が形成された。加工基板の溝が桝目状の場合は、それらの溝の長手方向として窒化物半導体の＜１−１００＞方向と＜１１−２０＞方向のいずれかを選択すればよい。リッジストライプ部はストライプ幅Ｗ＝２．０μｍを有し、前述の領域Ｉに含まれるように形成された（図１参照）。その後、ＳｉＯ₂誘電体膜１１３が蒸着され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の上面がこの誘電体膜から露出されて、その上にｐ電極１１２がＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの積層として蒸着されて形成された。ｐ電極としては、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕなどの積層が用いられてもよい。また、ｐ電極１１２とワイヤボンドとの間にＡｕからなるパッド電極を介してもよい。

最後に、エピウエハはリッジストライプの長手方向に対して垂直な面でへき開され、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器が作製された。共振器長は、一般に３００μｍから１０００μｍの範囲内であることが好ましい。溝が＜１−１００＞方向に沿って形成された共振器長のミラー端面は、窒化物半導体結晶のＭ面｛１−１００｝が端面になる。ミラー端面を形成するためのへき開とレーザ素子の分割は、加工基板１０１の裏面側からスクライバを用いて行なわれた。ただし、へき開はウエハの裏面全体を横断してスクライバによる罫書き傷がつけられて行なわれるのではなく、ウエハの一部、たとえばウエハの両端のみにスクライバによる罫書き傷がつけられてへき開された。これにより、素子端面の急峻性やスクライブによる削りかすがエピ表面に付着しないので、素子歩留まりが向上する。チップ分割された窒化物半導体発光素子（レーザ素子）の表面には、窒化物半導体発光素子のリッジストライプ部を挟んで窪みが２つ以上存在していた。また、ｐ電極１１２は２つ以上の窪みを含む領域上に、ワイヤボンドは１つ以上の窪みを含む領域上に形成された。

なお、レーザ共振器の帰還手法としては、一般に知られているＤＦＢ（分布帰還）、ＤＢＲ（分布ブラグ反射）なども用いられ得る。

ファブリ・ペロー共振器のミラー端面が形成された後には、そのミラー端面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交互に蒸着し、７０％の反射率を有する誘電体多層反射膜が形成された。この誘電体多層反射膜としては、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃などの多層膜を用いることもできる。

なお、ｎ電極１１１は加工基板１０１の裏面上に形成されたが、ドライエッチング法を用いてエピウエハの表側からｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０２の一部を露出させて、その露出領域上にｎ電極が形成されてもよい。

（パッケージ実装）得られた半導体レーザ素子は、パッケージに実装される。高出力（３０ｍＷ以上）の窒化物半導体レーザ素子を用いる場合、放熱対策に注意を払わなければならない。高出力窒化物半導体レーザ素子はＩｎはんだ材を用いて半導体接合を上または下のいずれかにしてパッケージ本体に接続することができるが、半導体接合を下側にして接続するほうが放熱の観点から好ましい。なお、高出力窒化物半導体レーザ素子は、通常は直接パッケージ本体やヒートシンク部に取付けられ得るが、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍｏ、ＣｕＷ、ＢＮ、Ｆｅ、ＳｉＣ、Ｃｕ、またはＡｕなどのサブマウントを介して接続されてもよい。

以上のようにして、本実施形態による窒化物半導体レーザ素子が作製された。なお、本実施形態ではＧａＮの加工基板１０１が用いられたが、他の窒化物半導体の加工基板が用いられてもよい。たとえば、窒化物半導体レーザの場合、垂直横モードの単峰化のためにはクラッド層よりも屈折率の低い層がそのクラッド層の外側に接している必要があり、ＡｌＧａＮ基板が好ましく用いられ得る。

本実施形態においては、窪み付き基板上に窒化物半導体レーザ素子が形成されることによって、結晶歪みが緩和されるとともにクラック発生が抑制され、雰囲気温度６０℃の条件の下で３０ｍＷのレーザ出力で約１８０００時間のレーザ発振寿命が得られるとともに、クラックの抑制効果による素子歩留まりの向上が達成された。

［実施形態９］実施形態９においては、実施形態１〜７におけるいずれかの窪み付き基板上に窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）素子が形成された。この際に、窒化物半導体ＬＥＤ素子層は、従来と同様の方法で形成された。

本実施形態による窒化物半導体ＬＥＤ素子においては、その色むらが低減するとともに発光強度が従来に比べて向上した。特に、窒化物半導体を原材料とする白色窒化物半導体ＬＥＤ素子や琥珀色窒化物半導体ＬＥＤ素子のように、発光波長が短波長（４５０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以上）のＬＥＤ素子は、実施形態１〜７における窪み付き基板上に形成されることによって、従来に比較して約２倍以上の発光強度を有することができた。

［実施形態１０］実施形態１０においては、Ｎの一部と置換すべきＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素を発光層に含ませたこと以外は、実施形態８および９と同様であった。より具体的には、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素が、窒化物半導体発光素子の発光層中で少なくとも井戸層のＮの一部に置換して含められた。このとき、井戸層に含まれたＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の組成比をｘとしてＮの組成比をｙとするときに、ｘはｙよりも小さくかつｘ／（ｘ＋ｙ）は０．３（３０％）以下でなければならず、好ましくは０．２（２０％）以下である。また、Ａｓ、Ｐ、および／またはＳｂの総和の好ましい濃度の下限値は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であった。

この理由は、置換元素の組成比ｘが２０％よりも高くなれば井戸層内において置換元素の組成比の異なる濃度分離が生じ始め、さらに組成比ｘが３０％よりも高くなれば濃度分離から六方晶系と立方晶系が混在する結晶系分離に移行し始めて、井戸層の結晶性が低下する可能性が高くなるからである。他方、置換元素の総和の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³よりも小さくなれば、井戸層中に置換元素を含有させたことによる効果が得られ難くなるからである。

本実施形態による効果としては、井戸層にＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかの置換元素を含ませることによって、井戸層中の電子とホールの有効質量が小さくなりかつ移動度が大きくなる。半導体レーザ素子の場合、小さな有効質量は小さい電流注入量でレーザ発振のためのキャリア反転分布が得られることを意味し、大きな移動度は発光層中で電子とホールが発光再結合によって消滅しても新たな電子とホールが拡散によって高速で注入され得ることを意味する。すなわち、発光層にＡｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれをも含有しないＩｎＧａＮ系窒化物半導体レーザ素子に比べて、本実施形態では、しきい値電流密度が低くかつ自励発振特性の優れた（雑音特性に優れた）半導体レーザを得ることが可能である。

他方、本実施形態が窒化物半導体ＬＥＤに適用された場合、井戸層にＡｓ、Ｐ、および／またはＳｂの置換元素を含ませることによって、従来のＩｎＧａＮ井戸層を含む窒化物半導体ＬＥＤ素子と比較して、井戸層中のＩｎ組成比が低減され得る。これは、Ｉｎの濃度分離による結晶性の低下が抑制され得ることを意味する。したがって、置換元素の添加による効果は、実施形態８の窒化物半導体ＬＥＤに関する効果と相乗され、より一層の発光強度の向上と色むらの低減を生じる。特に、窒化物半導体を原材料とする白色窒化物半導体ＬＥＤ素子や琥珀色窒化物半導体ＬＥＤ素子のように、発光波長が短波長（４５０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以上）の窒化物半導体ＬＥＤ素子の場合、Ｉｎ組成比が低いか全く含有されることなく井戸層が形成され得るので、従来のＩｎＧａＮ系窒化物半導体ＬＥＤ素子と比較して色むらが小さく、強い発光強度が得られる。

［実施形態１１］実施形態１１においては、実施形態８または１０の窒化物半導体レーザ素子が光学装置において適用された。実施形態８または１０による青紫色（３８０〜４２０ｎｍの波長）の窒化物半導体レーザ素子は、種々の光学装置において好ましく利用することができ、たとえば光ピックアップ装置に利用すれば以下の点において好ましい。すなわち、そのような窒化物半導体レーザ素子は、高温雰囲気中（６０℃）において高出力（３０ｍＷ）で安定して動作し、素子不良が少なくかつレーザ発振寿命が長いことから、信頼性の高い高密度記録再生用光ディスク装置に最適である（光波長が短いほど、より高密度の記録再生が可能である）。

図１４において、実施形態８または１０による窒化物半導体レーザ素子が光学装置に利用された一例として、たとえばＤＶＤ装置のように光ピックアップを含む光ディスク装置が模式的なブロック図で示されている。この光学情報記録再生装置において、窒化物半導体レーザ素子を含む光源１から射出されたレーザ光３は入力情報に応じて光変調器４で変調され、走査ミラー５およびレンズ６を介してディスク７上に記録される。ディスク７は、モータ８によって回転させられる。再生時にはディスク７上のビット配列によって光学的に変調された反射レーザ光がビームスプリッタ９を介して検出器１０で検出され、これによって再生信号が得られる。これらの各要素の動作は、制御回路１１によって制御される。レーザ素子１の出力については、通常は記録時に３０ｍＷであり、再生時には５ｍＷ程度である。

本発明によるレーザ素子は上述のような光ディスク記録再生装置に利用され得るのみならず、レーザプリンタ、バーコードリーダ、光の３原色（青色、緑色、赤色）レーザによるプロジェクタなどにも利用し得る。

［実施形態１２］実施形態１２においては、実施形態９または１０による窒化物半導体発光ダイオード素子が半導体発光装置において利用された。すなわち、実施形態９または１０による窒化物半導体発光ダイオード素子は、少なくとも光の３原色（赤色、緑色、青色）の１つとして、たとえば表示装置のような（半導体発光装置）において利用可能である。そのような窒化物半導体発光ダイオード素子を利用することによって、色むらが少なくかつ発光強度の高い表示装置が作製され得る。

また、そのような光の３原色を生じ得る窒化物半導体発光ダイオード素子は、白色光源装置においても利用され得る。他方、発光波長が紫外領域から紫色領域（３８０〜４２０ｎｍ程度）にある本発明による窒化物半導体発光ダイオード素子は、蛍光塗料を塗布することによって白色光源素子としても利用し得る。

このような白色光源を用いることによって、従来の液晶ディスプレイに用いられてきたハロゲン光源に代わって、低消費電力で高輝度のバックライトの実現が可能になる。これは、携帯ノートパソコンや携帯電話におけるマン・マシンインターフェイスの液晶ディスプレイ用バックライトとしても利用することができ、小型で高鮮明な液晶ディスプレイを提供することができる。

本発明における窪み付き基板上に形成された窒化物半導体レーザ素子の一例を示す模式的な断面図である。（ａ）は本発明において用いられ得る窒化物半導体の加工基板の一例を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は異種基板を含む加工基板を示している。本発明において用いられ得る窪み付き基板の一例を示す模式的な断面図である。（ａ）は本発明における加工基板上の結晶成長形態を表わし、（ｂ）は加工基板が完全かつ平坦に窒化物半導体多層膜構造で被覆される場合の結晶成長形態を表わし、そして（ｃ）は結晶成長抑制膜を利用した選択成長における結晶成長形態を表わしている。本発明において用いられ得る加工基板に形成された溝（凹部）と丘（凸部）の形態を示しており、（ａ）は２種類の方向を有する溝が互いに直交する場合を示し、（ｂ）は２種類の方向を有する溝が互いに６０°の角度で交差する場合を示し、そして（ｃ）は３種類の方向を有する溝が互いに６０°の角度で交差する場合を示している。本発明において用いられ得る窪み付き基板上に形成された窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部の形成位置とレーザ発振寿命との関係を示す図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板上に形成される発光素子構造における発光部の好ましい形成領域を示す模式的な断面図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。本発明において用いられ得る窪み付き基板の他の例を示す模式的な断面図である。本発明による窒化物半導体レーザ素子を利用した光ピックアップ装置を含む光学装置の一例を示す模式的なブロック図である。

符号の説明

１００窪み付き基板、１０１加工基板、１０２ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ下地層、１０３ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、１０４ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０６発光層、１０７ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層、１０８ｐ型ＧａＮガイド層、１０９ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１０ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１ｎ電極、１１２ｐ電極、１１３ＳｉＯ₂誘電体膜。

Claims

表面に凹部と凸部を有する基板と、
該基板上に結晶成長させられた窒化物半導体多層膜構造とを備え、
前記基板は単一基板であり、
前記窒化物半導体多層膜構造は、前記凸部の上方において発光部を有するとともに、前記凹部の上方において結晶成長により完全に埋まらない窪みが表面に形成され、前記窪みの幅は前記凹部の幅よりも狭いことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
前記窒化物半導体多層膜構造は、前記凸部の上方において、前記発光部に電流を注入させる構造を備えることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
表面に複数の凹部と凸部を有する基板と、
該基板上に結晶成長させられた窒化物半導体下地層と、
該窒化物半導体下地層の表面において結晶成長により完全に埋まらない窪みと平坦化された部分とが形成されたエピウエハであって、
前記基板は単一基板であり、
前記窪みは前記凹部の上方に形成され、かつ、前記窪みの幅は前記凹部の幅よりも狭く、前記平坦化された部分の幅は前記凸部の幅よりも広いことを特徴とするエピウエハ。
表面に複数の凹部と凸部を有する基板と、
該基板上に結晶成長させられた窒化物半導体多層膜構造と、
該窒化物半導体多層膜構造の表面において結晶成長により完全に埋まらない窪みと平坦化された部分とが形成されたエピウエハであって、
前記基板は単一基板であり、
前記窒化物半導体多層膜構造が窒化物半導体下地層と発光層とを有し、
前記窪みは前記凹部の上方に形成され、かつ、前記窪みの幅は、前記凹部の幅よりも狭く、
前記平坦化された部分の幅は前記凸部の幅よりも広いことを特徴とするエピウエハ。
前記窒化物半導体多層膜構造は、前記凸部の上方において発光部を有することを特徴とする、請求項４記載のエピウエハ。
前記発光部は、前記凸部の中央から幅方向に右または左側へ１μｍ以上離れた領域に形成されたことを特徴とする、請求項１または２の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記基板が窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記凹部の深さは１μｍ以上であって、かつ前記凹部の底部と前記基板の裏面との間の残し厚が１００μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記凹部を複数備えるとともに、相対的に幅の広い前記凹部を有する窒化物半導体発光素子であって、前記相対的に幅の広い前記凹部の上方のみに窪みを有することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
前記凹部を複数備えるとともに、相対的に深さの深い前記凹部を有する窒化物半導体発光素子であって、前記相対的に深さの深い前記凹部の上方のみに窪みを有することを特徴とする請求項１または２の何れかに記載の窒化物半導体発光素子。
基板の表面に凹部と凸部を形成する工程と、
前記基板上に、前記凸部の上方において発光部を有し、かつ表面において完全に埋まらない窪みを有する窒化物半導体多層膜構造を結晶成長させる工程とを備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記基板は単一基板であり、
前記窪みは、前記凹部の上方に結晶成長に伴って形成され、かつ、前記凹部の幅よりも狭いことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
基板の表面に凹部と凸部を形成する工程と、
前記基板上に、前記凸部の上方において発光部を有し、かつ表面において完全に埋まらない窪みを有する窒化物半導体多層膜構造を結晶成長させる工程と、
前記凸部の上方において前記発光部に電流を注入させる構造を形成する工程とを備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記基板は単一基板であり、
前記窪みは、前記凹部の上方に結晶成長に伴って形成され、かつ、前記凹部の幅よりも狭いことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。