JP4318501B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ素子などの窒化物半導体発光素子に関するものである。

ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体材料により、紫外から可視領域で発振する半導体レーザ素子が試作されている。基板には、ＧａＮ基板が用いられることが多く、各研究機関において精力的に研究されている。現在、十分な寿命の半導体レーザ素子が得られておらず、更なる長寿命化が必要とされている。この半導体レーザ素子の寿命は、ＧａＮ基板に元々存在する欠陥（本明細書等において欠陥とは、結晶中の空孔、格子間原子、転位等を指す）密度に強く依存することが知られている。しかし、長寿命化に効果があると言われる欠陥密度の低い基板は得られにくく、盛んに研究されている。

例えば、特許文献１には、Ｃ面に対して傾斜しているＧａＮ基板の上面に窒化物半導体発光素子構造を作製することにより、ＧａＮ基板上の窒化物半導体層の格子欠陥が低減し、長寿命化を実現させる方法が記載されている。
特開２０００−２２３７４３号公報

しかしながら、特許文献１等の従来の窒化物半導体レーザ素子では、製造した基板の広い範囲（或いは全面）で高出力エージングにおける十分な素子寿命が得られないことが示唆されている。また、チップに分割したときの個々の特性ばらつきについては記載されていない。

このように、従来技術により結晶成長したレーザ構造を有する窒化物半導体基板を用いると、高出力エージングにおける十分な素子寿命が得られない場合やチップの特性にばらつきがあるため歩留りの低下に繋がる場合があった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、結晶欠陥の低減と歩留りの向上を実現した窒化物半導体発光素子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、窒化物半導体基板上に複数の窒化物半導体層が積層された窒化物半導体発光素子において、前記窒化物半導体基板は、結晶欠陥が集中するストライプ状の欠陥集中領域と該欠陥集中領域を除く欠陥密度の低い低欠陥領域とを有し、前記窒化物半導体基板の主面はC面から前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して垂直方向に０．２°以上２．０°以下のオフ角を有し、さらに、前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して平行方向に２°以下のオフ角を有し、前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して平行方向のオフ角が前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して垂直方向のオフ角より小さいことを特徴とする。

上記のように本明細書では、窒化物半導体基板において欠陥の位置を意図的に制御されることにより、欠陥が集中するストライプ状の領域を欠陥集中領域と呼び、欠陥の位置を欠陥集中領域に集中させることによって得られる欠陥密度の低い領域を低欠陥領域と呼ぶ。

また、欠陥集中領域のストライプに対して垂直方向のオフ角を有する基板上面に窒化物半導体層を作製することにより、窒化物半導体層上面において、欠陥集中領域の両側のどちらか一方の低欠陥領域上に凹状の発光ムラの少ない領域を得ることが出来る。本明細書では、この発光ムラの少ない領域を均一発光領域と呼ぶ。なお、欠陥集中領域に対して低欠陥領域の得られる方向は、欠陥集中領域のストライプに対して垂直方向のオフ角に依存している。

本明細書に記載された窒化物半導体基板は、窒化物半導体で構成されている基板であればよく、Ａｌ_aＧａ_bIn_cＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１，ａ＋ｂ＋ｃ＝１）基板に置き換えることが可能である。また、そのＡｌ_aＧａ_bＩｎ_cＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１，ａ＋ｂ＋ｃ＝１）基板の窒素元素の内、約１０％以下（ただし、六方晶系であること）が、Ａｓ，Ｐ，Ｓｂのいずれかの元素に置換されても構わない。本明細書ではこれらを全てＧａＮ基板と呼ぶ。

欠陥集中領域を有する窒化物半導体基板の上面がストライプ状の欠陥集中領域に対して垂直方向０．２°以上２．０°以下のオフ角を有していることによって、窒化物半導体基板上に作製する窒化物半導体層に均一発光領域が得られる。この均一発光領域の幅は一定とは限らず、オフ角の角度によって均一発光領域の幅と深さは変動し、オフ角が緩やかな場合は、幅は広くなり深さが浅くなる傾向があり、逆にオフ角が急な場合は幅が狭くなり深くなる傾向にある。また均一発光領域は欠陥集中領域の端より５０μｍ以上２００μｍ程度範囲で形成される。しかしながら、オフ角が０．２°以下の場合、均一発光領域が現れにくく、２．０°以上の場合では、均一発光領域の幅が狭くなるため望ましいとは言えない。

ストライプ状の欠陥集中領域と平行方向のオフ角は、ジャスト（０°）でもよいが、２°以下である方が望ましい。なぜなら、ＧａＮ基板上面が欠陥集中領域のストライプに対して平行方向のオフ角を有していることにより、窒化物半導体基板上に作製する窒化物半導体層表面の均一発光領域の幅をぼぼ一定にすることができる。
また、欠陥集中領域のストライプの方向に対して平行方向のオフ角が欠陥集中領域のストライプの方向に対して垂直方向のオフ角より小さいことが望ましい。
なぜなら、垂直方向のオフ角が急な場合、均一発光領域は狭くなる傾向にあり、さらに平行方向のオフ角が垂直方向のオフ角より大きいと、均一発光領域の得られる範囲がより狭くなってしまうからである。

また本発明は上記の窒化物半導体発光素子において、前記欠陥集中領域のストライプは＜１−１００＞方向に形成されていることを特徴とする。
また本発明は上記の窒化物半導体発光素子において、リッジストライプ部を前記欠陥集中領域から少なくとも４０μｍ以上離れた位置に形成することを特徴とする。
これは、均一発光領域表面でも欠陥集中領域付近では、エピウェハー表面が凸状になっているため、欠陥集中領域よりも少なくとも４０μｍ以上離した位置でリッジストライプ部を形成することが望ましい。
ここで、欠陥集中領域より３０μｍ程度の範囲は、窒化物半導体層の上面が凸状になっており、また、幅が一定でないため、リッジストライプ部を作製するのが困難であるため、この領域は避ける必要がある。
また本発明は上記の窒化物半導体発光素子において、前記リッジストライプ部が＜１−１００＞方向に形成されることを特徴とする。

本明細書で説明する活性層とは、井戸層もしくは井戸層と障壁層から構成された層の総称を指すものとする。例えば、単一量子井戸構造の活性層は、１つの井戸層のみから構成されるか、あるいは、障壁層／井戸層／障壁層から構成される。また、多重量子井戸構造の活性層は複数の井戸層と複数の障壁層から構成される。

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。

本発明によれば、ストライプ状の欠陥集中領域を有し、所定のオフ角を有するＧａＮ基板上に窒化物半導体レーザ素子構造を成長することにより均一発光領域が得られ、この領域上にリッジストライプ部又は電流狭窄部分を形成することによって、結晶欠陥を低減して動作寿命が改善された信頼性の高い窒化物半導体発光素子を高い歩留りで提供することができる。

通常、窒化物半導体よりなる基板の中には、約５×１０⁷ｃｍ²の結晶欠陥が基板表面に存在している。この結晶欠陥を曲げるあるいは消滅させる等の手段を用いれば、低欠陥領域が得られることになり、高出力エージングにおける十分な素子寿命の確保が可能になる。また、基板上あるいは基板上に形成された結晶成長層の結晶性が良く、面内分布が均一であれば、発光効率が向上し特性のばらつきが少なくなり、歩留りの向上に繋がる。

図１は実施例１のリッジストライプ部３９を作製後のウェハーの上面図であり、図２は実施例１のＧａＮ基板の断面図、図３は実施例１のレーザダイオード素子の断面図である。

ＧａＮ基板中には、〈１−１００〉方向にストライプ状に欠陥集中領域が存在し、これら以外の領域は低欠陥領域とファセット面｛０００１｝面が表出した部分とが存在している。また、ＧａＮ基板の上面はＣ面に対してオフ角を有しており、欠陥集中領域のストライプに対して垂直方向（ａ１方向）に０．７°、平行方向（〈１−１００〉方向）に０．３°のオフ角を有している。

（ＧａＮ基板の作製方法）
ｎ型ＧａＮ基板１０の製造方法について図４を参照して説明する。図４（ａ）は、ｎ型ＧａＮ層３２を積層した支持基体３１の要部断面図である。ＨＶＰＥ法（Hydride Vapor Phase Epitaxy）により、支持基体３１上にｎ型ＧａＮ層３２を、ファセット面｛１１−２２｝面３３が成長中の表面に主として表出するように成長させる。その結果、表面の断面図形は鋸歯状の凹凸形状となる。ただし、凸部の頂点付近には、わずかに、ファセット面｛０００１｝面３４が表出した部分がストライプ状に見られる。

ＨＶＰＥ法とは、ホットウォール型の反応炉の上流部にＧａボートを設け、加熱したＧａ融液にＨＣｌガスを吹き込むようにし、反応炉の下流部に基板を設け、ＮＨ₃を吹き込むようにしておき、加熱したＧａメタル（融液）にＨＣｌを吹きこんでＧａＣｌを合成し、下方へ送り、下方でＮＨ₃と反応させてＧａＮを合成し、ＧａＮが基板に堆積するようにしたものである。

支持基体３１としては２インチ（１１１）ＧａＡｓウェハーを用いた。凹凸はピッチＰ＝４００μｍの周期構造であり、図面奥行き方向に畝状に伸びている形状となっている。このように、凹凸の位置を規定するためには、基板上にあらかじめ上記凹部に対応した開口をもつＳｉＯ₂のマスクを形成しておき、ファセットが表出する状態で、結晶成長を行えばよい。つまりマスクの開口部は、ＧａＮ結晶の〈１−１００〉方向に平行となるように、ピッチＰ＝４００μｍでストライプ状に配置されており、その開口形状は、連続したストライプ状としたり、又はこのドット状の開口が列に並ぶような配置にしてもよい。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、特開２００１−１０２３０７号公報に詳細に開示されている。なお、成長時にＯをドーピングすることで、成長する結晶をｎ型とした。

このような成長状態を保ったまま、さらにＧａＮ結晶の形成を続けることで、支持基体３１上に高さ３０ｍｍのインゴットを作製した。図４（ｂ）は、インゴットを示した図である。

このインゴットを、スライサーによりスライス切断加工して薄片（ｎ型ＧａＮ基板）を得る。薄片を研磨加工して、表面が平坦な２インチ径、厚さ３５０μｍのｎ型ＧａＮ基板１０を得る。エピタキシャル成長を行うための表面は鏡面研磨仕上げとした。なお、図２に示すように、ＧａＮ基板の上面は欠陥集中領域３５のストライプに対して垂直方向に０．７°、平行方向に０．３°のオフ角を有するように作製する。

ここで、上記の垂直方向のオフ角は０．２°以上２°以下であることが望ましく、平行方向のオフ角は２°以下であることが望ましい。なお、平行方向のオフ角はジャスト（０°）でもよいが、オフ角を有している方が均一発光領域３６の幅が一定となるためより望ましい。また、平行方向のオフ角は垂直方向のオフ角と同等かそれ以下であることが望ましい。

図４（ｃ）は、こうして得られたｎ型ＧａＮ基板１０の要部断面図であり、図４（ｄ）は、ｎ型ＧａＮ基板１０の要部上面図である。このｎ型ＧａＮ基板１０の評価を次のように行った。

ｎ型ＧａＮ基板１０の表面を顕微鏡で詳細に観察すると、研磨加工された表面は必ずしも平坦でなく、上記結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域に対応する領域がやや窪んでいた。さらに、硫酸、燐酸の混酸を２５０℃に加熱した液にサンプルを浸しエッチングをおこないエッチピットが表面にでるようにすると、上記結晶成長時に凹部の最底部が生じていた領域に対応する領域で、多数のエッチピットが現れ、この領域は結晶欠陥（＝転位）が極めて集中している領域（欠陥集中領域３５）であることが判明した。つまり、上記窪みがこの領域に対応している。このように窪みの部分は、転位が極めて集中しているために、研磨工程で他の部分よりも侵食されやすく、生じてしまったものと考えられる。なお、欠陥集中領域の幅は約１０〜５０μｍである。それ以外の領域は、ＥＰＤ（エッチピット密度）１０²〜１０⁵台の低欠陥領域３７となっていた。欠陥集中領域３５のＥＰＤは、これよりも３桁以上大きいように観察された。

また、サンプルに紫外線（Ｈｇランプ３６５ｎｍ輝線を用いることができる）を照射して、表面からのルミネッセンスを顕微鏡で観察した（蛍光顕微鏡観察）。その結果、欠陥集中領域３５に挟まれた低欠陥領域３７のほぼ中央に、比較的はっきりと境界をもった、周囲とコントラストが異なるストライプ状の領域３８が観察された。この領域は、周囲よりも肉眼で観察される発光（ルミネッセンス）が強く、やや黄色がかった発光が明るく観察される領域である。この領域３８は、上記結晶成長時にファセット面｛０００１｝面が表出しつつ成長していた部分である。このように周囲と異なって観察されるのは、ドーパントの取りこまれが周囲と異なるなどの理由が考えられる。上述の事実から、本明細書では、この領域を「高ルミネッセンス領域」と呼称する。結晶成長時に、ファセット面｛０００１｝面が表出しつつ成長した部分で必ずしも同一幅を持って均一に進行するものではないために高ルミネッセンス領域３８の幅は、やや揺らぎを持っているものの、０〜３０μｍ程度であった。なお、図１、図３では高ルミネッセンス領域３８を省略している。

上記ＧａＮ基板１０形成時の結晶成長方法は、ＨＶＰＥ法以外の気相成長を用いてもよく、ＭＯＣＶＤ法（Metalorganic Chemical Vapor Phase Deposition）、ＭＯＶＰＥ法（Metalorganic Chloride Vapor Phase Epitaxy）、昇華法などを用いることができる。

上記ＧａＮ基板の形成のための成長に用いる支持基体３１としては、ＧａＡｓの他にも、軸廻りに六回対称性あるいは三回対称性がある単結晶基板を用いることができる。つまり結晶系としては六方晶系（hexagonal symmetry）であるか立方晶系（cubic symmetry）である単結晶である。立方晶系の場合（１１１）面を使えば三回対称性がある。サファイア、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂、ＮｄＧａＯ₃、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｒＢ₂などの六方晶系の単結晶を用いることができる。Ｓｉ、スピネル、ＭｇＯ、ＧａＰなどの立方晶系の（１１１）面基板を用いることもできる。これらはＧａＮをＣ面で成長させるものである。

上記ＧａＮ基板１０形成時のマスクは２種類の選択肢がある。一つは基板上に直接にマスクを形成する手法である。この場合エピタキシャル成長層に先立ち窓の内部の基板露出面にＧａＮバッファ層を堆積する等の工夫が必要になる。もう一つは基板上に予め薄くＧａＮ層を形成しておいて、その上にマスクを形成する手法である。後者の方が成長がスムーズに進行し、より好ましい場合が多い。
（窒化物半導体層のエピタキシャル成長）
次に、ｎ型ＧａＮ基板１０上に窒化物半導体層等を積層して半導体レーザ素子を作製する方法について、図３を参照して解説する。

まず、ＭＯＣＶＤ装置を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０に、Ｖ族原料のＮＨ₃とIII族原料
のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）またはＴＥＧａ（トリエチルガリウム）と、ドーパント原料としてのＳｉＨ₄を使用し、水素あるいは窒素を原料キャリアガスとして用い、基板温度１０５０℃で、膜厚３μｍのｎ型ＧａＮ層１１を形成した。次に、８００℃の基板温度で、上記原料にIII族原料としてのＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を加え、ｎ型Ｉ
ｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１２を４０ｎｍ形成した。次に、基板温度を１０５０℃に昇温させ、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）のIII族原料を用い、１．２μｍ厚のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１３を形成
した。上記ｎ型不純物としてＳｉが５×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０¹⁹／ｃｍ³になるようにドーパント原料を調整した。続いてｎ型ＧａＮ光ガイド層１４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁶〜１×１０¹⁸／ｃｍ³）を０．１μｍの厚さになるように形成した。

その後、基板温度を７５０℃に降温させ、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層から構成された活性層（多重量子井戸構造）１５を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で形成した。その際、障壁層もしくは障壁層と井戸層の両方にＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度は１×１０¹⁶〜１×１０¹⁸／ｃｍ³）を導入した。障壁層と井戸層、または井戸層と障壁層との間に、１秒以上１８０秒以内の成長中断が実施されると、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少して好ましい。活性層にＡｓが添加される場合はＡｓＨ₃（アルシン）またはＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）あるいはＴＭＡｓ（トリメチルアルシン）を、活性層にＰが添加される場合はＰＨ₃（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリブチルホスフィン）あるいはＴＭＰ（トリメチルホスフィン）を、活性層にＳｂが添加される場合は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）をそれぞれ添加するとよい。また、活性層が形成される際、Ｎ原料として、ＮＨ₃以外にジメチルヒドラジン等のヒドラジン原料、あるいはエチルアジドなどのアジド原料を用いても構わない。

複数層のＩｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸を活性層とする場合、或いは該活性層にＡｓ又はＰ添加して量子井戸活性層とする場合、量子井戸中に貫通転位があるとＩｎが転位部分に偏析することが知られている。従って、上記Ｉｎ_xＧａ_1-xＮを主構成元素とする量子井戸を活性層に用いる場合には、転位（結晶欠陥）を可能な限り少なくすることが良好なレーザ特性を得るためには必要である。

次に、基板温度を再び１０５０℃まで昇温させ、厚み２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１６、０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１７、０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１８と０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１９を順次形成した。上記ｐ型不純物として原料にＥｔＣＰ₂Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇが１×１０¹⁸／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³になるように調整した。Ｍｇ原料としてはシクロペンタジエニルマグネシウム、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウムなど、他のシクロペンタ系のＭｇ原料を用いても構わない。ｐ型ＧａＮコンタクト層１９のｐ型不純物濃度は、ｐ電極２１の方向に向かって、ｐ型不純物濃度を多くした方が好ましい。このことによりｐ電極形成によ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構わない。

このようにして、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９を形成した後、ＭＯＣＶＤ装置のリアクター内を全て窒素キャリアガスとＮＨ₃に変え、６０℃／分で降下させた。基板温度が８００℃に達した時点で、ＮＨ₃の供給量を停止し、５分間、前記基板温度で待機してから、室温まで降下させた。上記基板の保持温度は６５０℃から９００℃の間が好ましく、待機時間は、３分以上１０分以下が好ましい。また、降下温度の到達速度は、３０℃／分以上が好ましい。このようにして作製された成長膜をラマン測定によって評価した結果、上記手法により、ＭＯＣＶＤ装置からウェハーを取りだし後のｐ型化アニールが実行されなくても、成長後既にｐ型化の特性が示されていた（Ｍｇが活性化していた）。また、ｐ電極形成によるコンタクト抵抗も低減する。更に従来のｐ型化アニールが組み合わせられれば、Ｍｇの活性化率がより向上して好ましい。

上記のＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１２は、Ｉｎ組成比が０．０７以外であっても構わないし、ＩｎＧａＮクラック防止層自体がなくても構わない。また、クラックを防止するために、ｎ型の不純物として、Ｓｉに変えてＧｅを用いることもできる。

上記の活性層１５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、井戸層の層数は、上述の３層に限らず、１０層以下であれば閾値電流密度が低く、室温連続発振が可能であった。特に２層以上６層以下のとき閾値電流密度が低く好ましい。更に活性層にＡｌを含有しても構わない。

また上記の活性層１５は、井戸層と障壁層の両層にＳｉを所要量添加したが、不純物は添加しなくても構わない。しかしながら、Ｓｉのような不純物を活性層に添加した方が発光強度は強かった。このような不純物としては、Ｓｉ以外にＯ、Ｃ、Ｇｅ、ＺｎおよびＭｇの不純物群のうち、少なくとも何れかの不純物を添加しても構わない。また、この不純物群の添加量の総和は、約１×１０¹⁷〜８×１０¹⁸／ｃｍ³程度が好ましい。更に、不純物を添加する層は、井戸層と障壁層の両層に限らず一方の層のみに添加してもよい。

上記のｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１６は、他の組成であっても構わない。例えば、Ｉｎを添加したＡｌＧａＮとすれば、より低温成長でｐ型化するので、より低温成長でき、結晶成長時に活性層に与えるダメージが減少して好ましい。なお、キャリアブロック層自体がなくても構わないが、設けることにより閾値電流密度が低くなる。これは、キャリアブロック層が活性層にキャリアを閉じ込める働きがあるからである。またキャリアブロック層のＡｌ組成比は、高くすることによってキャリアの閉じ込めが強くなって好ましい。また、キャリアの閉じ込めが保持される程度まで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り電気抵抗が低くなって好ましい。

上記のｐ型クラッド層１８とｎ型クラッド層１３としては、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ結晶を用いたが、Ａｌの組成比が０．１以外のＡｌＧａＮ三元混晶であっても構わない。Ａｌの混晶比が高くなると活性層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光を該活性層に効率良く閉じ込めることができ、レーザ発振閾値電流密度の低減を図ることができる。また、キャリアおよび光の閉じ込めが保持される程度までＡｌ組成比を小さくすれば、クラッド層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。

上記のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１３の厚みは、０．７μｍ〜１．５μｍが好ましい。このことにより、垂直横モードの単峰化と光り閉じ込め効率が増し、レーザの光学特性の向上とレーザ閾値電流密度の低減を図ることができる。

上記のｐ型クラッド層１８とｎ型クラッド層１３は、ＡｌＧａＮ三元混晶であったが、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ等の四元混晶であってもよい。更に、ｐ型クラッド層１８は、電気抵抗を低減するために、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層からなる超格子構造、またはｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＩｎＧａＮ層からなる超格子構造で構成しても構わない。

上記の結晶成長方法はＭＯＣＶＤ装置による方法を用いたが、他に分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いても構わない。

続いて、上記の窒化物半導体層の各層がｎ型ＧａＮ基板１０上に形成されたエピウェハーをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、窒化物半導体レーザ素子チップに加工するためのプロセス工程に移る。ここで、図３ではｐ型クラッド層１８は凸型をしているが、これは後述するプロセス工程により加工された形状を示している。実施例１では、窒化物半導体レーザ素子を作製し終えたエピウェハーの表面は、欠陥集中領域３５に挟まれた低欠陥領域３７とファセット面｛０００１｝３４が表出しつつ成長していた部分３８とからなる領域で、欠陥集中領域３５よりａ１方向（図３では、右方向に該当）に向かってほぼ１２０μｍ幅の均一発光領域３６が得られた。この均一発光領域３６の層厚はその他の低欠陥領域３７より２００Å程度薄くなっていた。この均一発光領域３６が得られる理由は明確ではないが、ストライプ状の欠陥集中領域３５を有し、欠陥集中領域３５のストライプに対して垂直方向のオフ角を有することにより得ることができる。さらに欠陥集中領域３５に対して平行方向のオフ角を適度に有していることにより、均一発光領域３６の幅をほぼ一定にすることが出来る。

図５は、Ｃ面に対してオフ角を有するＧａＮ基板１０の要部断面図であり、欠陥集中領域３５のストライプに対して垂直方向のＧａＮ基板１０の上面とＣ軸方向との関係を示している。欠陥集中領域３５のストライプに対して垂直方向は２方向存在するが、Ｃ軸と垂直方向のＧａＮ基板上面との角度が鋭角αとなる方向がａ１方向である。図５では、ａ１方向は紙面右方向に記載されている。

均一発光領域３６は、欠陥集中領域３５よりａ１方向側に得ることができる。また、均一発光領域３６の形状はオフ角の方向に依存する。それは、ａ１方向のオフ角の程度によって均一発光領域３６の得られる方向と幅および深さに影響し、平行方向のオフ角によって均一発光領域３６の幅に影響しているためである。

欠陥集中領域３５に対して垂直方向（ａ１方向）のオフ角が大きくなると均一発光領域３６は狭く深くなり、傾斜が緩やかだと均一発光領域３６は広く浅くなる傾向にある。次に、欠陥集中領域３５に対して平行方向のオフ角は均一発光領域３６の幅をほぼ一定にする。しかしながら、平行方向の傾斜が大きくなると均一発光領域３６の幅が狭くなる傾向にあり、またこの平行方向のオフ角がジャストもしくはジャストに近い場合、均一発光領域３６の幅が一定とはならず、この幅は５０μｍから２５０μｍ程度と大きくばらつきやすくなる。これらのことから、垂直方向のオフ角および平行方向のオフ角共に大きくすると均一発光領域が十分に得られなくなるため、ストライプ状の欠陥集中領域３５に対して垂直方向のオフ角が０．２°以上２°以下であり、平行方向のオフ角が２°以下であることが望ましい。また、均一発光領域３６上にリッジストライプ部３９もしくは電流狭窄部分を作製するために十分な幅をほぼ均一に得るためには、平行方向のオフ角は垂直方向のオフ角より緩やかであることが望ましい。

また、欠陥集中領域３５の端より３０μｍ程度の領域では、欠陥集中領域３５の形状の歪みや付近の歪みが残っているため、均一発光領域３６よりも凸状になっている。また、欠陥集中領域３５直上に窒化物半導体はエピタキシャル成長しにくいためその部分は凹状になっている。このようにして得られた窒化物半導体レーザ素子をＧａＮ基板と同様に蛍光顕微鏡を用いて観察を行った。その結果、高ルミネッセンス領域と欠陥集中領域３５のモフォロジが悪い領域を除いて均一発光領域３６は全面に渡ってほぼ均一に発光していた。

（素子化プロセス）
基板に対して水平方向に光を閉じ込めるためのリッジストライプ部が、上記エピウェハーの均一発光領域３６上に欠陥集中領域３５より７０μｍ離れた位置に形成された。但し、上記の高ルミネッセンス領域を有する基板を使用する場合には、この領域を除いた位置に形成することが望ましい。これは、高ルミネッセンス領域が他の領域よりも、ドーパントの含有量または活性化度が小さく、抵抗率が高くなっているために、レーザ素子に注入される電流に分布が生じるためである。また、均一発光領域３６表面でも欠陥集中領域３５付近では、エピウェハー表面が凸状になっているため、欠陥集中領域３５よりも少なくとも４０μｍ以上離した位置でリッジストライプ部３９を形成することが望ましい。

リッジストライプ部３９は、ウェハーより、ｐ型クラッド層１８の途中までをストライプ状の部分を残してエッチングすることにより作製され、ストライプ幅は１〜３μｍ、好ましくは１．３〜２μｍである。ｐ型ガイド層１７からエッチング底面までの距離は、０．１〜０．４μｍとした。その後、リッジストライプ部３９以外の部分に絶縁膜２０を形成した。ここでは、絶縁膜２０としてはＡｌＧａＮを用いた。エッチングされずに残ったｐ型ＧａＮコンタクト層１９は露出しているので、この部分および絶縁膜２０上にＰｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着してｐ電極２１を形成した。

ここで、絶縁膜２０としては上記以外に珪素、チタン、ジルコニア、タンタル、アルミニウム等の酸化物もしくは窒化物を用いることもでき、ｐ電極材料としては上記以外にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、又はＮｉ／Ａｕ等を用いることができる。

更に、エピウェハー裏面側（基板側）を研磨することにより、ウェハーの厚みを８０〜２００μｍに調整し、後工程でウェハーの分割を行い易いようにした。

ｎ電極２２は、基板の裏側にＨｆ／Ａｌの順序で形成した。ｎ電極材料としては他に、Ｈｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｈｆ／Ｍｏ／Ａｕの他、これらの中からＨｆをＴｉ，Ｚｒに置き換えた電極材料等を用いても構わない。

最後に、上記のエピウェハーをリッジストライプ方向に対して垂直方向に劈開し、共振器長５００μｍのファブリ・ペロー共振器を作製する。共振器長は３００μｍから１０００μｍが好ましい。この工程により、ウェハーは個々のレーザ素子が横に連なったバー状の形態となる。リッジストライプの方向が〈１−１００〉方向に沿って形成された窒化物半導体レーザ素子の共振器端面は、窒化物半導体結晶の｛１−１００｝面である。劈開は、ウェハー全面にスクライバーによる罫書き傷がつけられてから劈開されるのではなく、ウェハーの一部、例えば、ウェハーの両端にのみスクライバーによる罫書き傷がつけられて、これを起点に劈開される。なお、上記のレーザ共振器の帰還手法以外に、一般に知られているＤＦＢ（Distributed Feedback）、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）を用いても構わない。

ファブリ・ペロー共振器の共振器端面が形成された後、該端面に７０％の反射率を有するＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成する。他に誘電体材料としては、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃を用いても構わない。更にこの後、バーを個々のレーザ素子に分割することで、図３に示す半導体レーザ素子を得る。均一発光領域上にレーザ光導波領域（リッジストライプ）を配置し、レーザ素子の横幅（バーを分割した際の個々のレーザの幅）をＷ＝４００μｍとした。元々のｎ型ＧａＮ基板１０にはピッチＰ＝４００μｍで欠陥集中領域３５が配置されている。また、欠陥集中領域３５はレーザチップには必要ないため、この領域を含まないように分割してもよい。この場合、劈開位置は劈開面がレーザ光導波領域（リッジストライプ）より１０μｍ以上離れていることが好ましく、さらに欠陥集中領域３５付近の凸状の領域を含まないように劈開するとより好ましい。以上のようにして図３に示す窒化物半導体レーザ素子チップが作製される。

（半導体レーザ素子の特性）
上記の窒化物半導体レーザ素子の特性を測定した結果、レーザ出力６０ｍＷ、雰囲気温度７０℃の条件の下、レーザ発振寿命５０００時間以上が達成された。

図６は実施例２のＧａＮ基板の断面図であり、図７は実施例２のリッジストライプ部３９を作製後のウェハーの上面図、図８は実施例２のレーザダイオード素子の断面図である。なお、図６においてａ１方向は左方向に該当する。

実施例２では、〈１−１００〉方向にピッチＰ＝５００μｍの欠陥集中領域を有するＧａＮ基板の上面がＣ面であり、欠陥集中領域のストライプに対して垂直方向（ａ１方向）に１．１°、平行方向（〈１-１００〉方向）に０．５°のオフ角を有する以外の構成は実施例１と同様である。

ＧａＮ基板１０’上に実施例１と同様に、１０５０℃でｎ型ＧａＮ層１１を３μｍ、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１２を１μｍ、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１３を０．１μｍの厚さで順次積層し、続いて、７５０℃で５周期の厚さ４ｎｍのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層と厚さ８ｎｍのＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ障壁層から構成された活性層（多重量子井戸構造）１５を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層の順序で形成する。次に、基板温度を再び１０５０℃まで昇温させ、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎキャリアブロック層１６を２０μｍ、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１９を０．１μｍ、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１８を０．５をμｍ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９を０．１μｍの厚さで順次形成する。このように成長した窒化物半導体レーザ素子の上面には、図７のように欠陥集中領域３５よりａ１方向側に幅８０μｍの均一発光領域３６が得られた。

引き続き、欠陥集中領域３５の端から６０μｍ離れた位置で且つ均一発光領域３６上にリッジストライプ部３９を作製し、欠陥集中領域３５を含まないようにレーザ素子の横幅をＷ＝４００μｍとし、共振器長（６００μｍ）に分割された。分割する場合、劈開面がリッジストライプ部より１０μｍ以上離れていることが好ましく、さらに欠陥集中領域３５付近の凸状の領域もチップに含まない方がより好ましい。実施例２では、欠陥集中領域３５よりａ１方向に４０μｍの位置と４４０μｍの位置で分割を行い、横幅Ｗ＝４００μｍのチップを作製した。

図９は実施例３のＧａＮ基板の断面図であり、図１０は実施例３のリッジストライプ部３９を作製後のウェハーの上面図である。

実施例３では、欠陥集中領域のストライプに対して垂直方向（ａ１方向）のオフ角が０．２°、平行方向のオフ角がジャスト（０°）であること以外の構成は実施例１と同様である。

欠陥集中領域３５のストライプに対して、欠陥集中領域３５よりａ１方向に約８０〜２００μｍ幅の揺らぎをもった均一発光領域３６が得られた。均一発光領域３６の幅に揺らぎが現れるのは、平行方向のオフ角がジャストもしくはジャストに近い場合である。均一発光領域３６上に欠陥集中領域３５の端より６０μｍの位置にリッジストライプを作製する。

実施例４では、欠陥集中領域３５のストライプに対して垂直方向（ａ１方向）のオフ角が２°、平行方向（〈１−１００〉方向）のオフ角が２°であること以外の構成は実施例１と同様である。

〈１−１００〉方向の欠陥集中領域３５のストライプに対して、欠陥集中領域３５の端より垂直方向（ａ１方向）に向かって約５０μｍ幅の均一発光領域３６が得られた。欠陥集中領域３５の端より４０μｍの均一発光領域３６上にリッジストライプ部３９を作製する。

なお、実施例２〜４においても実施例１と同様の素子特性が得られた。

本発明の窒化物半導体発光素子はレーザダイオードとして用いることができ、青色レーザを発振するＤＶＤ等の光ディスク装置の光ピックアップに好適に利用することができる。

実施例１のリッジストライプ部を作製後のウェハーの上面図である。 実施例１のＧａＮ基板の断面図である。 実施例１のレーザダイオード素子の断面図である。 （ａ）ｎ型ＧａＮ層を積層した支持基体の要部断面図である。（ｂ）インゴットを示した図である。（ｃ）ｎ型ＧａＮ基板の要部断面図である。（ｄ）ｎ型ＧａＮ基板の要部上面図である。 Ｃ面に対してオフ角を有するＧａＮ基板の要部断面図である。 実施例２のＧａＮ基板の断面図である。 実施例２のリッジストライプ部を作製後のウェハーの上面図である。 実施例２のレーザダイオード素子の断面図である。 実施例３のＧａＮ基板の断面図である。 実施例３のリッジストライプ部を作製後のウェハーの上面図である。

符号の説明

１０ ｎ型ＧａＮ基板
３５ 欠陥集中領域
３６ 均一発光領域
３７ 低欠陥領域
３９ リッジストライプ部

Claims (4)

1. 窒化物半導体基板上に複数の窒化物半導体層が積層された窒化物半導体発光素子において、
   前記窒化物半導体基板は、結晶欠陥が集中するストライプ状の欠陥集中領域と該欠陥集中領域を除く欠陥密度の低い低欠陥領域とを有し、
   前記窒化物半導体基板の主面はC面から前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して垂直方向に０．２°以上２．０°以下のオフ角を有し、
   さらに、前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して平行方向に２°以下のオフ角を有し、
   前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して平行方向のオフ角が前記欠陥集中領域のストライプの方向に対して垂直方向のオフ角より小さいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記欠陥集中領域のストライプは＜１−１００＞方向に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体発光素子。
3. リッジストライプ部を前記欠陥集中領域から少なくとも４０μｍ以上離れた位置に形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記リッジストライプ部が＜１−１００＞方向に形成されることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。

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