JP4623799B2

JP4623799B2 - 半導体発光素子の製法および半導体レーザ

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Publication number: JP4623799B2
Application number: JP2000190320A
Authority: JP
Inventors: 哲弘田辺
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: JP2002009399A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチッ化物系化合物半導体（III 族元素とチッ素などとの化合物半導体）を用い、高い記憶密度を有する光ディスクメモリや、レーザビームプリンタの高精細化に必要な青色領域で発光可能な半導体レーザおよび発光ダイオードなども含めた半導体発光素子の製法に関する。さらに詳しくは、横方向成長を用いてチッ化物系化合物半導体層の貫通転位密度を下げながら、ウェハでの反りを防止することができる半導体発光素子の製法、および発光層での転位密度をできるだけ少なくし、発振特性を改良し得る半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の青色領域で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）は、サファイア基板上にIII 族チッ化物化合物半導体が有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapour Deposition 以下、ＭＯＣＶＤという）により順次積層されることにより実現されている。
【０００３】
たとえば青色領域でＣＷ発振する半導体レーザは、図８に示されるように、サファイア基板２１上にIII 族チッ化物化合物半導体がＭＯＣＶＤ法により順次積層されるもので、ＧａＮ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮからなるコンタクト層２３、Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるｎ形クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガイド層２５、ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸構造からなる活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガイド層２７、ｐ形Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるｐ形クラッド層２８、ｐ形ＧａＮからなるｐ形コンタクト層２９が順次積層され、積層された半導体層の一部が図８に示されるようにドライエッチングなどによりエッチングされてｎ形コンタクト層２３を露出させ、その表面にｎ側電極３１、前述のｐ形コンタクト層２９上にｐ側電極３０がそれぞれ形成されることにより構成されている。そして、ｐ側電極３０のストライプに沿った部分が発光部として利用されている。
【０００４】
しかし、チッ化物系化合物を成長するサファイア基板は、チッ化物系化合物半導体との格子定数や熱膨張係数が大幅に異なり、成長するチッ化物系化合物半導体層の貫通転位（Threading Dislocation；ＴＤ）密度は、１×１０⁸〜１×１０¹⁰ｃｍ^-2程度となり、赤色系のＧａＡｓ基板上に成長される化合物半導体層の１×１０²ｃｍ^-2程度と比べて大幅に転位密度が大きくなっている。半導体レーザでは、とくに転位密度が大きいと、しきい電流値などが増大して、発光ダイオード（ＬＥＤ）より転位密度の小さいことが要望される。しかし、サファイアの他に工業的に適した基板も見つかっていない。
【０００５】
一方、ＴＤ低減の手法として、たとえば笹岡らによる「ハイドライドＶＰＥ、ＭＯＶＰＥによるＧａＮＥＬＯ成長」（日本結晶成長学会誌、第２５巻第８号、１９９８年、９９〜１０５頁）に示されるように、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）を利用した結晶成長が注目されている。この方法は、たとえば半導体層上に開口窓を有するＳｉＯ₂マスクを設け、その開口窓から露出する半導体層をシードとして、ＳｉＯ₂マスク上を横方向に成長させることにより、チッ化物系化合物では、縦方向よりも横方向への成長が行われやすいことを利用して、ＴＤをなくするものである。
【０００６】
しかし、ＥＬＯ成長する場合、図７に示されるように、第１のＧａＮ層４２上のマスク層４３に一定間隔で設けられる両側の開口部４４から順次横方向に第２のＧａＮ層４５が成長し、マスク層４３の中央部で合致するように成長するが、その合致部分では転位密度が大きくなり、とくに４角形状の４つの開口部からの成長層が接合する中心部における転位密度は非常に大きくなる。また、開口部４４上の成長層も第１のＧａＮ層の貫通転位密度が縦方向にそのまま続き転位密度が大きい。そのため、マスク層４３はできるだけ幅広に形成されることが全体の転位密度を小さくする上で好ましいが、マスク層の幅が広くなると、それに応じてエピタキシャル成長する半導体層を厚くしなければ均一な半導体層にならないと共に、別の要因により転位密度が大きくなるなどの問題が生じる。
【０００７】
ところが、半導体レーザは、たとえば前述の図８に示されるように、発光部はストライプ状の一部領域のみで、その部分の半導体層の転位密度を小さくすれば、結晶欠陥に基づくしきい電流値の増大、ならびにＬＤの通電特性の劣化などを抑制できることが想定される。この場合、図６に示されるように、一方向に直線状の開口部４３とマスク層４４を交互に形成することが効率的であるが、前述のようにマスク幅の両端部および中心部は転位密度が大きくなり、マスク幅の半分のうち、その両端部を除いた部分を、たとえばＬＤのストライプ幅の発光領域に使用することが好ましい。そのため、ＬＤのストライプ幅を４μｍ程度としても、マスク幅Ｍが少なくとも１０〜１５μｍ以上は必要で、この場合、マスク上に成長するＧａＮ層はマスク幅より厚く、すなわち１５〜２０μｍ程度以上は成長する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、半導体レーザの発光部のみでも結晶欠陥の少ないデバイスにしようとすると、デバイスの発光部を形成するストライプ方向に沿ってマスクの開口部を設ける必要があり、図６に示されるように、一方向のみにマスクの開口部が形成される。一方、マスク幅が狭くてその上に成長するＧａＮ層が５μｍ程度の薄い積層構造では問題ないが、マスク幅が１０μｍ以上になり、その上に積層する半導体層の厚さが１５μｍ以上になると、その半導体層と基板との熱膨張係数の差に基づき、ウェハの反りが顕著になってくる。ウェハの反りが発生すると、ウェハプロセス中にウェハ内で均一な処理が行えず、ストライプ幅を均一にできないこと、ウェハをラッピングする際に割れが生じやすいこと、反りに起因してデバイスに応力が働き特性変動を来しやすいこと、などの問題が生じる。
【０００９】
一方、基板の厚さを従来の３３０μｍ程度から７００μｍ程度に厚くすれば、ウェハプロセス中の問題はなくなるが、チップ化する前の最終的な基板研削が大変であると共に、基板研削をすれば、反りが生じ前述の問題が発生する。また、特開平１１−１８６１７８号公報には、基板との熱膨張係数の差に基づくウェハの反りを防止するため、前述のＥＬＯ成長を利用し、基板の全面に半導体層をエピタキシャル成長しないで、成長領域を島状に形成することにより（非成長領域に大きなマスクを設けることにより成長しなくなる）、ウェハの反りを防止する方法が開示されている。しかし、この方法では、実施例から見てもウェハの半分以上は非成長領域で、非常に無駄が多くなるという問題がある。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、ＥＬＯ成長によりマスク上に半導体層を選択成長する場合に、マスク幅を広くすることによりウェハ全体としての貫通転位密度を小さくしながら、その上に成長する半導体層が厚くなっても、ウェハの反りをデバイス特性やウェハのハンドリングに支障がない程度に小さくし得る半導体発光素子の製法を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、半導体レーザのように発光領域をストライプ状部分などに限定できる場合に、少なくともそのストライプ状の発光領域部分における活性層の転位密度を小さくし、しきい電流値を下げ、高出力を得られるようにしながら、ウェハの反りを防止し得る構造の半導体レーザを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、マスク層上にチッ化物系化合物半導体層を横方向に選択成長する（ＥＬＯ成長する）場合に、マスク幅を大きくして、その上に成長するチッ化物系化合物半導体層も厚くすることにより発生するウェハの反りの影響をなくするため、鋭意検討を重ねた結果、マスク層の開口部が一方向のみに連続して形成されていると、反りの方向は開口部の方向に関連して一定方向に反り、逆に開口部の大部分を散在させたり、一方向のみに連続した開口部にしなければ、マスク幅を広くすることにより成長層を厚くしたり、長い直線状の開口部を形成する場合でも、反りを大幅に減らすことができることを見出した。
【００１３】
本発明による半導体発光素子の製法は、ウェハ状基板表面に直接、または該基板上に設けられる層上に、その上にはチッ化物系化合物半導体層が直接には成長しないマスク層を形成し、該マスク層にチッ化物系化合物半導体層を成長するシードを露出するための開口部を、前記マスク層をパターニングすることにより、前記ウェハ状基板の全面で単一方向に連続するもののみにならないように形成し、該パターニングされたマスク層の前記開口部側端部を残して前記パターニングされたマスク層の表面をエッチングすることにより凹部を形成し、前記開口部から前記マスク層の凹部上に横方向に選択成長することによりチッ化物系化合物半導体層を前記ウェハ状基板上の全面に設け、該チッ化物系化合物半導体層上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体からなる半導体積層部を形成し、前記ウェハ状基板をチップ化することを特徴とする。
【００１４】
ここにチッ化物系化合物半導体とは、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのIII 族元素とＮまたはＮと他のＶ族元素との化合物からなる半導体を意味する。したがって、ＧａＮの他、ＡｌとＧａとの組成比が変えられるＡｌＧａＮ系化合物や、ＩｎとＧａの組成比が変えられるＩｎＧａＮ系化合物など、III族元素の混晶比やＶ族元素の混晶比が適宜変化されるＮを含む化合物半導体を意味する。また、マスク層とは、たとえばＳｉＯ₂のように、チッ化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長しようとしても、直接にはその表面にエピタキシャル成長をすることができない材料からなる層を意味する。
【００１５】
この方法によれば、マスク層の開口部が一方向のみに連続して形成されないため、基板と成長する半導体層との熱膨張係数差に基づく応力が、一方向のみに働かないで、四方に均等にかかり、一方向での極端な反りが発生しなくなる。その結果、ウェハ工程における処理の不均一さやウェハの割れなどを防止することができ、非常に品質が向上する。
【００１６】
前記開口部の大部分を、平面形状が４角形または６角形になるように形成することにより、４角形であれば、横方向の結晶成長の速度がＡ面に垂直な方向とＭ面に垂直な方向とで異なっていても、その成長方向の長さを調整しやすいし、６角形であれば、ＧａＮ系化合物が六方晶系であるため、各方向への成長速度が同じになるようにすることができ、横方向への成長を均一にすることができる。ここに開口部の大部分とは、たとえばＬＤのストライプ状発光部の近傍など、一部には直線状の開口部が設けられ得ることを意味する。
【００１７】
本発明による半導体レーザは、基板と、該基板上に直接、または基板上に積層される層の上に設けられ、開口部によりパターニングされ、該開口部側端部を残して表面に凹部が形成されるマスク層と、該マスク層の凹部上に前記開口部から横方向に選択成長されるチッ化物系化合物半導体層と、該チッ化物系化合物半導体層上にストライプ状発光部を有する発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体層が積層される半導体積層部とからなり、前記マスク層は、前記ストライプ状発光部の下側に開口部を横切らず、チップ全長に亘って延びると共に、前記ストライプ状発光部の下側以外の部分には前記開口部が散在して形成されている。
【００１８】
この構造にすることにより、半導体レーザのストライプ状の発光部は、結晶欠陥の非常に少ない部分のみで形成されながら、一方向のみにマスク層の開口部が形成されていないため、ウェハの反りは非常に小さく抑えられ、歩留りも向上すると共に、しきい電流値の小さい高特性の半導体レーザが得られる。
【００１９】
具体的には、前記マスク層の開口部が前記ストライプ状発光部に隣接する部分では該ストライプ状発光部に沿って直線状に形成され、該ストライプ状発光部以外の部分ではマトリクス状またはランダムに形成されたり、前記マスク層が、直線状の開口部を有するパターンと、該パターンを６０°回転させたパターンと、１２０°回転させたパターンとを重ね合せて形成される３回対称の形状に形成されることにより、一方向のみに連続した開口部を有しないで、ストライプ状発光部には、開口部が横切らないで、ストライプ状発光部の全体に亘って転位密度の小さい半導体層を有する半導体レーザが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子の製法および半導体レーザについて説明をする。本発明による半導体発光素子の製法は、ウェハ状基板上にＥＬＯ成長によりチッ化物系化合物半導体層を選択成長し、その上に発光層形成部を構成するように半導体層を積層する場合に、横方向への選択成長をするためのマスクを、図１にその一実施形態のマスクパターンの例が示されるように、ウェハ状基板の全面でシードを露出する開口部が、単一方向に連続するもののみにならないで、大部分の開口部がｎ（ｎは２以上の整数）回対称になる（１８０°回転する間にｎ回対称構造になること）ように形成することを特徴とする。このようなマスクを用いて、その開口部からマスク層上に横方向に選択成長することによりチッ化物系化合物半導体層をウェハ状基板上の全面に設け、その上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体層を積層することにより半導体積層部を形成し、ウェハ状基板をブレークしてチップ化することにより半導体発光素子を製造する。
【００２１】
図１に示される例は、直線上に開口部が設けられたパターンと、それを６０°および１２０°それぞれ回転してできるパターンを３枚重ねることにより形成されたパターンの例で、３回対称の例が示されている。その結果、開口部は、図１（ｂ）に拡大図が示されるように、６角形状で散在し、６０°ごとに並んで形成され、一方向のみに連続する開口部にはなっていない。
【００２２】
前述のように、本発明者は、ＥＬＯ成長により、たとえば１０μｍ以上程度の厚いチッ化物半導体層をサファイア基板上に成長すると、ウェハが反り、特性変動やハンドリング時の破損などが起こりやすいため、厚い半導体層を成長してもウェハが反らないようにするため鋭意検討を重ねた結果、マスクに設けるシードとするための開口部の方向と関係があることを見出した。
【００２３】
すなわち、ＥＬＯ成長により成長した半導体層でも、その開口部では、下層の貫通転移をそのまま引き継ぐため、依然として貫通転移が存在し、また、マスクの中央部でも、両方向からの成長の接合部になり転位密度が大きくなることが知られており、半導体レーザのようにチップ全体で発光させる必要がなく、ストライプ状部分のみで発光させるような場合、そのストライプ状の発光部には、前述の開口部や接合部の転位密度の大きい部分が含まれないようにすることが好ましい。このような観点から、図６に示されるように、ウェハに対して一方向にのみ開口部４４が形成されると、３３０μｍ厚のサファイア基板からなる２インチのウェハで、２４μｍ厚のＧａＮ層をＥＬＯ成長すると、図６に示される上部と中心（Ｔ−Ｃ）および下部と中心（Ｂ−Ｃ）の反りはそれぞれ３００μｍあるのに対して、左側と中心（Ｌ−Ｃ）および右側と中心（Ｒ−Ｃ）はそれぞれ４０μｍであり、開口部の方向と非常に反りが密接に関係することを見出した。
【００２４】
なお、４μｍのＥＬＯ成長をしたものでは、いずれ方向でも、反りは４０μｍ程度であり、成長厚さが２４μｍでも基板厚さを７００μｍにすると、前述の方向での反りがそれぞれ５０μｍと２０μｍであったが、最終のチップ化の前に基板を薄くする３００μｍ程度への薄膜化により前述と同様の反りが発生した。一方、図１に示されるパターンのマスクを用いて２４μｍ厚のＧａＮ半導体層をＥＬＯ成長した結果、前述の（Ｔ−Ｃ、Ｂ−Ｃ）方向、（Ｌ−Ｃ、Ｒ−Ｃ）方向共に６０μｍであった。すなわち、図１に示されるパターンの開口部を有するマスク層を用いると、若干反りが増えるが、従来の一方向のみに開口部が設けられる構造と比較すると、格段に反りを抑制できたことが分る。
【００２５】
図１（ａ）に示されるパターンは、前述のように、直線状の１０〜２０μｍ幅Ｑの開口部と２０〜３０μｍ幅Ｐのパターンが周期的に形成されたもの（図では、ＰがＱより小さく表しているが、開口部を明示するためで、実際にはＰがＱの１〜３倍程度ある）と、６０度回転したパターンと、１２０°回転したパターンとをそれぞれ重ね合わせて形成された形状のもので、その開口部３ａは、図１（ｂ）に示されるように、６角形になる（必ずしも正６角形になる必要はない）この開口部３ａからマスク３上に横方向に成長するチッ化物系化合物半導体は、六方晶系であるため、６角形の開口部からはどの方向にも一定の割合で成長するように形成できる。その結果、複数の開口部から横方向に成長する半導体層の接合部は点になり、接合部での転位密度の増大も殆ど生じない。そのため、図１（ａ）に、Ｓで示されるように、マスク幅Ｐの中心部を避けた半分の領域にストライプ状発光部を形成することにより、開口部３ａを横切らないで、転位密度の小さいストライプ状発光部を形成することができる。
【００２６】
このような転位密度の非常に小さい部分にストライプ状の発光部を形成した半導体レーザチップ（ＬＤ）の断面説明図が図２に示されている。すなわち、本発明による半導体レーザは、基板１上に直接、または基板上に積層される第１のチッ化物系化合物半導体層２が設けられ、その上に開口部３ａを有するマスク層３が設けられ、そのマスク層３上に前記開口部３ａから横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層４、さらに、ストライプ状発光部を有する発光層を形成するように積層されるチッ化物系化合物半導体層からなる半導体積層部１５が設けられている。そして、マスク層３は、ストライプ状発光部の下側に開口部を横切らず、チップ全長に亘って延びると共に、ストライプ状発光部の下側以外の部分には開口部３ａが散在して形成されている。なお、図２では、マスク層３が発光層形成部の下側のみにしか示されていないが、実際にはその横側にも形成されている（図では、ストライプ部が拡大して示されている）。
【００２７】
基板１は、たとえば高温にも耐え得るサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）基板が用いられるが、サファイアに限定されず、Ｓｉ、Ｇｅなどの他の半導体基板などを用いることができる。どの材料が用いられても、ＧａＮとは格子定数が合わず、格子整合を採ることができないが、マスク層を介して横方向の選択成長をすることにより、マスク層上に転位密度の小さい半導体層を成長することができる。
【００２８】
第１のチッ化物系化合物半導体層２は、たとえば４μｍ程度の厚さで、ノンドープのＧａＮを、ＭＯＣＶＤ法などの通常のエピタキシャル成長法により形成されたもので、後述する第２のチッ化物系化合物半導体層４を選択成長する際のシードとするものである。しかし、この第１のチッ化物系化合物半導体層は設けられなくても、Ｓｉなどの半導体基板またはサファイア基板をシードとしてチッ化物系化合物半導体層を成長することができれば省略してもよい。
【００２９】
マスク層３は、たとえばＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｗなどの、その上には直接半導体層をエピタキシャル成長することができない材料が、スパッタリングなどにより、２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。このマスク層３は、基板１表面または第１のＧａＮ層２上に直接第２の半導体層が成長しないようにするもので、マスクの機能を有する程度に形成されれば、薄いほど段差が生じにくく好ましい。このマスク層３は、ウェハ状態の第１のチッ化物系化合物半導体層２上に全面に設けられた後に、前述の図１に示されるようなパターンにパターニングされて開口部３ａが形成されると共に、さらに図２に示される例では、残されたマスク層３の表面側に開口部から２μｍ程度の幅を残して凹部３ｂが形成されている。図２に示される半導体レーザを製造する場合、ストライプに沿った方向のマスク層３の幅Ｍは１０〜１５μｍ程度に形成されている。このマスク幅Ｍは、前述のようにストライプ状に発光させるＬＤでも最低限必要とされる幅で、さらに大きくすることもできる。
【００３０】
マスク層３の表面に形成される凹部３ｂは、開口部３ａが形成された後に、再度レジスト膜でマスクを形成し、ＨＦ系水溶液によりエッチングすることにより、マスク層３の厚さの半分程度、すなわち１００ｎｍ程度の深さに形成されている。したがって、マスク層３の両端部から２μｍ程度の幅をそれぞれ残して、それより内部側の表面には凹部３ｂが形成されている。この２μｍ程度設けるのは、製造条件でのバラツキによっても、凹部が開口部側に露出しないようにするためである。この凹部３ｂは、横方向に成長する第２の半導体層４との間に接触応力が働かないようにし、横方向に真っ直ぐ成長するようにするものである。
【００３１】
第２のチッ化物系化合物半導体層４は、たとえばノンドープのＧａＮ層で２０μｍ程度の厚さに形成される。この半導体層４は、前述のマスク層３の開口部３ａから露出する第１のＧａＮ層２をシードとして成長し始め、マスク層３の表面に達すると、横方向に選択成長する。すなわち、ＧａＮ層は、縦方向の成長よりも横方向への成長の方が早くしかも結晶性よく成長するため、マスク層３に凹部３ｂが設けられていても、下側には殆ど成長せず、マスク層３との間に空隙３ｃを形成しながら横方向に成長し、上方にも僅かに成長して、最終的にはマスク層３の中央部あたりで３方向の開口部から横方向に成長してきた半導体層が合致する。そしてマスク層３の表面が完全に埋まった後は上方に成長し、マスク層３上にも完全に第２のＧａＮ層（半導体層）４が成長する。この第２のＧａＮ層４は、マスク層３上の両端部（開口部３ａに接する部分）および中央部の合致する部分を除いた部分の結晶性がよく、転位密度も小さくなる。
【００３２】
第２のＧａＮ層４上の半導体積層部１５は、通常の半導体レーザを構成する半導体積層部になっている。すなわち、たとえばＳｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたｎ形ＧａＮからなるｎ形コンタクト層５が０.５μｍ程度、たとえばＳｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたｎ形Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎからなるｎ形クラッド層６が０.４μｍ程度、たとえばＳｉが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたｎ形ＧａＮからなる第１のｎ形ガイド層７が０.２μｍ程度、たとえばＳｉがドープされたＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなる第２のｎ形ガイド層８を５０ｎｍ程度、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるウェル層を５ｎｍ程度、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなるバリア層を５ｎｍ程度づつ交互にウェル層を５層積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層９を５０ｎｍ、たとえばＭｇがドープされたＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるｐ形キャップ層１０を２０ｎｍ程度、たとえばＭｇが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたＧａＮからなるｐ形ガイド層１１を０.１μｍ程度、たとえばＭｇが２×１０¹⁷ｃｍ^-3程度にドープされたＡｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎからなるｐ形クラッド層１２を０.４μｍ程度、たとえばＭｇが３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたＧａＮからなるｐ形コンタクト層１３を０.１μｍ程度、それぞれ順次積層することにより形成されている。
【００３３】
半導体積層部１５の構造や各層の材料は、この例に限定されるものではなく、活性層９も量子井戸構造でないバルク構造のものでもよく、所望の発光波長により定まる材料の活性層９が、それよりバンドギャップの大きい材料からなるクラッド層６、１２により挟持される構成に形成される。また、図２に示される例のように半導体レーザを構成する場合、活性層９の屈折率がクラッド層６、１２の屈折率より大きい材料により形成される。そうすることにより、活性層９に光を閉じ込めることができるが、活性層９が薄く充分に光を閉じ込めることができないときは、図２に示される例のように、クラッド層６、１２と活性層９との間の屈折率を有する光ガイド層７、８、１１が設けられる。しかし、活性層９で充分に光を閉じ込められれば光ガイド層７、８、１１を設ける必要はない。
【００３４】
半導体積層部１５の最上層のｐ形コンタクト層１３は、メサエッチングが施されると共に、半導体積層部１５の一部がエッチングされてｎ形コンタクト層５を露出させ、その表面の全面にＳｉＯ₂が成膜されて保護膜１４が形成されている。そして、保護膜１４のコンタクト孔を介してｐ形コンタクト層１３のメサ部上にＮｉ-Ａｕからなるｐ側電極１６、およびｎ形コンタクト層と接続してＴｉ-Ａｌからなるｎ側電極１７がそれぞれ形成されている。そして、共振器長（紙面に垂直方向の長さ）が５００μｍ程度になるように劈開され、図２に示されるＬＤチップが形成されている。
【００３５】
この積層構造で、ｐ形コンタクト層１３のストライプ状のメサ型にされた部分が電流注入領域となり（コンタクト層１３がメサ形にされなくてもｐ側電極がストライプ状に形成されておればストライプ状の電流注入領域が形成される）、その下層に、マスク層３に設けられるストライプ状凹部３ｂの幅の半分以下が位置するように、マスク層３およびｐ側電極１６が位置合せして形成されている。
【００３６】
つぎに、この半導体レーザの製法について説明をする。たとえばＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長装置を用いて、基板温度を１１００℃程度にしてＨ₂雰囲気でサーマルクリーニングをする。その後、Ｇａの原料ガスとしてのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｎの原料ガスとしてのアンモニア（ＮＨ₃）を導入し、ノンドープの第１のＧａＮ層２を、４μｍ程度成長する。ついで、成長装置から基板を採りだし、たとえばスパッタリング装置を用いて、ＳｉＯ₂膜を２００ｎｍ程度成膜する。その後、ＳｉＯ₂膜上にレジスト膜を設け、パターニングし、ＨＦ水溶液を用いてＳｉＯ₂膜をエッチングすることにより、図１に示されるように開口部３ａを形成し、３回対称のマスク層３を形成する。さらに、表面全面にレジスト膜を設けてパターニングし、再度ＨＦ水溶液によりエッチングすることにより、凹部３ｂをストライプ状に（紙面に垂直方向）形成する。
【００３７】
その後、再度ＭＯＣＶＤ装置などの成長装置に入れて、原料ガスとして、前述のガスのほかにＡｌのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｎ形ドーパントとして、ＳｉＨ₄、ｐ形ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要なガスをキャリアガスの水素と共に導入して、第２のチッ化物化合物半導体層４および半導体積層部１５の各半導体層をそれぞれ前述の厚さで成長する。この場合、第１のｎ形ガイド層７までは、基板温度を１０５０℃程度で成長し、第２のｎ形ガイド層８および活性層９は基板温度を７７０℃程度にして成長し、その後の各層は再度基板温度を１０５０℃程度にして成長する。
【００３８】
各半導体層の成長が終了したら、基板を成長装置から取出して、表面にレジストマスクを設け、リアクティブイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置で、図３（ａ）に示されるように、４００μｍ周期の一部の２００μｍ幅で、半導体積層部１５の一部をエッチングし、ｎ形コンタクト層５の一部を露出させる。さらにレジストマスクを除去して再度レジストマスクを設け、同装置により図３（ｂ）に示されるように、ｐ形コンタクト層１３を４μｍ程度の幅に残るようにメサエッチングをする。その後、たとえばプラズマＣＶＤのような成膜装置を用いて、ＳｉＯ₂のような保護膜１４を２００ｎｍ程度の厚さで全面に成膜し、電極の形成部をＨＦ系エッチャントによりエッチングしてコンタクト孔を形成する。
【００３９】
ついで、ｐ側電極１６として、Ｎｉを１００ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍそれぞれ真空蒸着装置により成膜し、さらにｎ側電極１７として、Ｔｉを１００ｎｍ、Ａｌを２００ｎｍそれぞれ成膜して電極１６、１７を形成し、基板１の裏面を研削して６０μｍ程度に薄くした後、共振器長が５００μｍ程度になるように劈開することにより、ＬＤチップが形成される。
【００４０】
本発明によれば、一方向のみに連続した開口部を形成しないでウェハの反りをなくしながら、開口部を横切ることなく直線状に転位密度の小さいチッ化物化合物半導体層部分を成長し、かつ、その転位密度の小さい部分にストライプ状の発光部を有するように半導体積層部を形成しているので、半導体レーザの発光させるストライプ状の共振器部分については、結晶性および平坦性の優れた半導体層上に成長することができ、その共振器部分の半導体積層部も結晶性よく成長し、しきい電流値の小さい高特性な半導体レーザが得られる。しかも、ウェハの全面を使用することができ、基板の半分以上を無駄にするというようなこともない。また、マスク層の表面に凹部が形成されることにより、成長の際にマスク層と半導体層との間の接触応力が働かず、成長する半導体層の結晶軸が応力により曲げられることはなく、長い幅に亘って平坦な半導体層が成長する。
【００４１】
また、前述の例では、ｐ形コンタクト層１３をメサ型のストライプ形状にしただけのストライプ構造の半導体レーザであったが、半導体層をエッチングしないで電極だけをストライプ状に形成してもよく、また、活性層の近くまでメサ型にしてもよく、さらには、プロトンなどを打ち込んだプロトン打込み型にすることもできる。さらに、電流制限層を埋め込む屈折率導波型構造にすることもできる。
【００４２】
図４および５に、ＬＤのストライプ状発光部に転位密度の大きい部分を横切らないで、全域に亘って転位密度の小さい発光領域を形成しながら、ウェハの反りを抑制するマスクパターンの別の例が示されている。すなわち、図４はストライプ状発光部Ｓを形成する部分は直線状開口部３ｄで挟んだ直線状のマスク層３で、他の部分はマスク層３が格子状に形成され、４角形の開口部３ａがマトリクス状に形成されている。その結果、ウェハにおいても、ストライプ状発光部Ｓでは直線状の開口部がウェハを貫通するが、他の部分では開口部３ａが縦横両方向に同じような間隔で設けられているので、一方向のみに反りが発生することはなく、ウェハでの反りを抑制することができる。なお、図４では、４角形の開口部３ａの間隔（マスク幅）が縦横同じ間隔に書かれているが、成長速度の差に応じてその間隔を調整することができる。また、ストライプ状発光部Ｓの隣にもう１本の直線状マスク部分が形成されているが、これは発光部近傍の横方向へのレートを大きくするためのもので、ストライプ状発光部Ｓの１本だけでもよい。
【００４３】
前述の例は、１個のチップのパターンをウェハ内に同じ形状で繰返す例（図４では１個のチップ分のパターンだけが示されていた）であったが、図５は、各チップのパターン間に連続性を遮断するパターンの形成された例である。すなわち、１個のチップでは、ストライプ状発光部Ｓと平行に開口部が設けられる構造であるが、チップとして使用する領域Ｊと隣接するチップとして使用しない領域Ｋとで、そのマスク部分３と開口部３ｅとが逆になるようなパターンになっている。そして、ウェハからチップ化の際には、図の破線Ｈで劈開することにより、領域ＪよりＬＤチップを製造し、領域Ｋは廃棄するものである。このパターンにしても、開口部が直線状には連続しないため、ウェハの反りは抑制できた。なお、領域Ｋは廃棄する部分で短いほど好ましいが、領域Ｊの長さより半分程度に短くしても、ウェハの反りには影響しなかった。また、ＬＥＤの場合は、劈開する必要がないため、領域Ｋでも使用することができ、全然無駄は発生しない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、マスク層の開口部を一方向のみに連続する開口部で形成していないため、マスク幅が広くなってその上に成長する半導体層の成長厚さを厚くする必要が生じても、ウェハの反りが生じない。その結果、ウェハプロセスでのハンドリングや、デバイスの特性に何ら悪影響を及ぼすことなく、品質の優れた半導体発光素子を安価に得ることができる。
【００４５】
さらに、本発明の半導体レーザによれば、ストライプ状の発光部には、転位密度の大きい部分が全然存在せずストライプ状発光部の全体に亘り、結晶欠陥の少ない半導体層部を有しながら、少なくともストライプ状発光部近傍以外には直線状の開口部が存在せず、厚いチッ化物系化合物半導体層を成長してもウェハの状態で反りが問題になることはない。しかも、基板を有効に利用することができ、製造コストの低減を図ることもできる。その結果、しきい電流値の小さい高特性の半導体レーザが安価に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の製法に用いるマスクパターンの例を示す図である。
【図２】本発明による半導体レーザの一実施形態の断面説明図である。
【図３】半導体を積層した後、積層部をエッチングするパターン例の説明図である。
【図４】本発明による半導体レーザに適したマスクパターンの他の例である。
【図５】本発明による半導体レーザに適したマスクパターンのさらに他の例である。
【図６】ＬＤのストライプ状発光部の全体に転位密度の小さい半導体層を成長するのに好ましいパターンの例と、その場合の反りの状況を説明する図である。
【図７】ＥＬＯ成長により半導体層を成長する場合の問題を説明する図である。
【図８】従来の青色系半導体レーザの一例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
３マスク層
３ａ開口部
４第２のチッ化物系化合物半導体層
９活性層
１５半導体積層部

Claims

ウェハ状基板表面に直接、または該基板上に設けられる層上に、その上にはチッ化物系化合物半導体層が直接には成長しないマスク層を形成し、該マスク層にチッ化物系化合物半導体層を成長するシードを露出するための開口部を、前記マスク層をパターニングすることにより、前記ウェハ状基板の全面で単一方向に連続するもののみにならないように形成し、該パターニングされたマスク層の前記開口部側端部を残して前記パターニングされたマスク層の表面をエッチングすることにより凹部を形成し、前記開口部から前記マスク層の凹部上に横方向に選択成長することによりチッ化物系化合物半導体層を前記ウェハ状基板上の全面に設け、該チッ化物系化合物半導体層上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体からなる半導体積層部を形成し、前記ウェハ状基板をチップ化することを特徴とする半導体発光素子の製法。
前記開口部の大部分を、平面形状が４角形または６角形になるように形成する請求項１記載の半導体発光素子の製法。
基板と、該基板上に直接、または基板上に積層される層の上に設けられ、開口部によりパターニングされ、該開口部側端部を残して表面に凹部が形成されるマスク層と、該マスク層の凹部上に前記開口部から横方向に選択成長されるチッ化物系化合物半導体層と、該チッ化物系化合物半導体層上にストライプ状発光部を有する発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体層が積層される半導体積層部とからなり、前記マスク層は、前記ストライプ状発光部の下側に開口部を横切らず、チップ全長に亘って延びると共に、前記ストライプ状発光部の下側以外の部分には前記開口部が散在して形成されてなる半導体レーザ。
前記マスク層の開口部が前記ストライプ状発光部に隣接する部分では該ストライプ状発光部に沿って直線状に形成され、該ストライプ状発光部以外の部分ではマトリクス状またはランダムに形成されてなる請求項３記載の半導体レーザ。
前記マスク層が、直線状の開口部を有するパターンと、該パターンを６０°回転させたパターンと、１２０°回転させたパターンとを重ね合せて形成される３回対称の形状に形成されてなる請求項３記載の半導体レーザ。