JP4683730B2 - 窒化物半導体発光素子とこれを含む装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特に、その発光寿命、発光強度、および歩留りなどの改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体レーザ素子の出力と寿命を改善するために、ＧａＮ基板上に形成された複数の均一なストライプ状のＳｉＯ₂マスクのパターンとこのＳｉＯ₂マスクが形成されていない窓部とを覆うようにＧａＮ下地層が積層され、このＧａＮ下地層上に窒化物半導体レーザ素子を形成することは、Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 39（2000）pp. L647-650 において教示されている。
【０００３】
すなわち、ＳｉＯ₂マスクの上方領域においてＧａＮ下地層中の貫通転位が減少し、この貫通転位密度の少ない下地層領域を利用することによって、レーザ素子の出力と寿命を改善し得ることが述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 39（2000）pp. L647-650 に開示された窒化物半導体レーザ素子においても、依然として、さらにその出力や寿命を改善することが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、窒化物半導体発光素子の発光寿命や発光強度などをさらに改善することを主要な目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体基板の一主面上に形成されたマスクパターンを含むマスク基板を含み、マスクパターンはその上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜からなり、この成長抑制膜が形成されていない複数の窓部が存在し、互いに隣接する窓部間のマスク幅として少なくとも２以上の異なる幅が存在していて、マスクパターンはマスクＡ群とＢ群とを含み、マスクＡ群の両側にマスクＢ群が配置され、マスクＡ群におけるマスクＡ幅はマスクＢ群におけるマスクＢ幅より広く設定され、窓部およびマスクパターンを覆う窒化物半導体下地層と、この下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層とを含む発光層を含む発光素子構造をさらに含み、発光層内に実質的に電流が注入される領域である電流狭窄部はマスクＡの上方に形成されていることを特徴としている。
【０００７】
なお、電流狭窄部は、マスクＡの幅方向の中央線から２μｍ以上離れた位置に形成されていることが好ましい。また、電流狭窄部は、マスクＡと窓部Ａとにまたがる領域内の上方に含まれていることが好ましい。さらに、電流狭窄部は、マスクＡの領域内の上方に完全に含まれていることがさらに好ましい。
【０００８】
マスクＡ群の領域内の窓部Ａ幅は、マスクＢ群の領域内の窓部Ｂ幅よりも狭く設定されていることが好ましい。
【０００９】
マスクＡ幅は１０〜２０μｍの範囲内にあることが好ましく、窓部Ａ幅は２〜１０μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１０】
マスクＢ幅は２〜１０μｍの範囲内にあることが好ましく、窓部Ｂ幅は５〜４０μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００１１】
マスクＡはストライプ状に形成され、その長手方向は窒化物半導体基板の＜１−１００＞方向または＜１１−２０＞方向に平行であることが好ましい。
【００１２】
窒化物半導体下地層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．１５）またはＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．１８）を含むことが好ましい。また、量子井戸層は、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかを含むことが好ましい。
【００１３】
上述のような窒化物半導体発光素子は、光学装置および発光装置において好ましく利用され得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下において本発明による種々の実施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。
【００１５】
「窒化物半導体基板」とは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含む基板を意味する。ただし、この窒化物半導体基板に含まれる窒素元素の約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれか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、窒化物半導体基板は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくともいずれかの不純物が添加されてもよい。窒化物半導体基板がｎ型導電性を有するための不純物としては、これらの不純物のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。その不純物濃度は、５×１０¹⁷〜５×１０¹⁸／ｃｍ³の範囲内にあることが好ましい。
【００１６】
「成長抑制膜」とは、その上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長しにくい膜を意味する。たとえば、成長抑制膜は誘電体膜で形成することができ、より具体的にはＳｉＯ₂、ＳｉＮ_x、Ａｌ₂Ｏ₃、またはＴｉＯ₂で形成することができる。
【００１７】
「窓部」とは、成長抑制膜からなるマスクパターンによって被覆されることなく下地が露出されている部分を意味する。
【００１８】
「マスク基板」とは、窒化物半導体基板上に本発明による種々の異なる幅を有する成長抑制膜からなるマスクパターンが形成された基板を意味する（図６（ａ）参照）。
【００１９】
「窒化物半導体下地層」とは、マスク基板のマスクパターンおよび窓部を覆う窒化物半導体膜を意味し、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を含んでいる。ただし、窒化物半導体基板の場合と同様に、この窒化物半導体下地層に含まれる窒素元素の約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかで置換されてもよい。また、この下地層には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、およびＢｅの少なくともいずれかの不純物が添加されてもよい。窒化物半導体下地層がｎ型導電性を有するための不純物としては、これらの不純物のうちでも、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌが特に好ましい。
【００２０】
「膜付きマスク基板」とは、マスク基板上のマスクパターンと窓部とを覆う窒化物半導体下地層を含む改良基板を意味する（図６（ｂ）参照）。
【００２１】
「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る。もちろん、多重量子井戸構造の発光層は、交互に積層された複数の井戸層と複数の障壁層を含んでいる。
【００２２】
「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。
【００２３】
［実施形態１］
本発明においては、窒化物半導体基板上に成長抑制膜からなるマスクとこのマスクによって被覆されていない窓部とを有するマスク基板を覆う窒化物半導体下地層上に窒化物半導体発光素子構造が形成され、１つの窒化物半導体素子内でマスク幅および／または窓部幅が適切に変えられることによって、発光寿命や発光強度などの改善された窒化物半導体発光素子を提供し、かつその発光素子に発生しやすいクラックを抑制することができる。
【００２４】
マスク幅と窓部幅が１つの窒化物半導体発光素子内で適切に変えられることによって本発明の効果が得られるのは、マスク基板を構成している基板が窒化物半導体である場合に限られる。なぜならば、窒化物半導体基板以外の基板（以後、異種基板と呼ぶ）を用いたマスク基板上に成長させられた窒化物半導体下地層は、窒化物半導体基板が用いられた場合に比べて強い応力歪みを受けるからである。この理由は、異種基板と窒化物半導体下地層との間の熱膨張係数差が窒化物半導体基板と窒化物半導体下地層との場合に比べて非常に大きいからである。したがって、窒化物半導体基板が異種基板で置換された場合には、本発明による適切な異なる幅を有するマスクおよび窓部が形成されたとしても、マスク基板を被覆する窒化物半導体膜（窒化物半導体下地層上に形成された発光素子構造をも含む）中の結晶歪みは、本発明の場合と同様には緩和され得ない。また、発光素子の歩留りを向上させるクラック抑制効果、しきい値電流密度の低減効果、およびしきい値電圧の低減効果なども、本発明の場合とは同様には得られない。
【００２５】
（異なるマスク幅について）
マスク幅が種々に変えられることの効果が、図１の模式的断面図を参照しつつ説明される。この図に示された窒化物半導体レーザ素子においては、窒化物半導体基板上に成長抑制膜からなるストライプ状の周期的な複数のマスクＡを含むマスクＡ群とこれに類似する複数のマスクＢを含むマスクＢ群とが形成され、これらのマスク群を覆うように窒化物半導体膜の下地層、ｎ型層、発光層、ｐ型層などが順次結晶成長させられた。マスクＢ群はマスクＡ群の両側に形成され、レーザ素子のリッジストライプ部はマスクＡの上方に形成された。なお、隣接するマスクＡの間の窓部の幅を窓部Ａ幅と呼び、同様に、隣接するマスクＢの間の窓部の幅を窓部Ｂ幅と呼ぶこととする。
【００２６】
図１では種々に異なるマスク幅の効果を検討するために、窓部Ａ幅と窓部Ｂ幅が同じ幅に設定された。ただし、マスクＢ幅は、マスクＡ幅よりも狭くされた。なお、図１の窒化物半導体レーザ素子は、後述の実施形態２の場合と同様にして作製され得る。
【００２７】
本発明者らの検討結果によれば、窒化物半導体レーザ素子のリッジストライプ部が１つのマスクＡの上方に形成されていてかつそのマスクＡ幅の中央線（図１中のマスクＡ中央線）がリッジストライプ部を通らないように形成された場合に、レーザ発振寿命が長くなる傾向にあった。さらに詳細に調べたところ、リッジストライプ部がマスクＡの上方に形成されていて、そのマスクＡ中央線から近い方のリッジストライプ部側端までの距離が約２μｍ以上になった場合に、顕著にレーザ発振寿命が延び始めた。特にリッジストライプ部がマスクＡの領域内の上方に完全に含まれている場合に発振寿命が最も長くなり、マスクＡと窓部Ａとにまたがる領域内の上方にリッジストライプ部が含まれている場合でも発振寿命が改善された。マスクＡと窓部Ａとにまたがる領域内の上方にリッジストライプ部が含まれている場合には、しきい値電流密度が数％程度減少する点において好ましい。レーザ発振寿命が延びた理由としては、マスク上方における窒化物半導体層の結晶歪みが窓部上方に比べて緩和されるためであると考えられる。
【００２８】
レーザ発振の長寿命化の観点からは、マスクＡ幅は１０μｍ以上で２０μｍ以下であることが好ましく、１３μｍ以上で２０μｍ以下であることがより好ましい。マスクＡ幅が１０μｍよりも小さくなれば、レーザ発振寿命がそれほど顕著に延びなくなり得る。マスクＡ幅が１３μｍ以上になれば、レーザ発振寿命が顕著に延び始める（たとえば、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件の下で、レーザ発振寿命は約１５０００時間以上）。他方、マスクＡ幅が２０μｍを超えれば、徐々にレーザ発振寿命が低下し始めた。この理由としては、もともとマスク幅が１０μｍ以上で２０μｍ以下の範囲内であればそのマスク上方における窒化物半導体層の結晶軸配向が基板の主面に垂直な方向から横方向に多少傾いていたことから、おそらく、マスク幅が２０μｍを超えればその結晶軸配向の傾きがレーザ発振において無視できなくなるほど大きくなるためではないかと考えられる。また、マスク幅が２０μｍを超えれば、マスク上方での横方向結晶成長が不十分になって、マスク中央の上方にボイドが形成されやすくなる。
【００２９】
上述のマスクＡ幅の検討結果に従い、１０〜２０μｍの範囲内のマスクＡ幅に設定されたマスクＡ群のみが窒化物半導体基板上に形成され、これを利用して窒化物半導体レーザ素子が作成された。しかしながら、このような窒化物半導体レーザ素子においては、その素子不良率が高かった。本発明者らが不良素子チップを詳細に調べたところ、リッジストライプ部を横切るようにしてクラックが多数発生していた。
【００３０】
従来では、ＧａＮ基板上に窒化物半導体レーザ素子が形成された場合、そのレーザ素子中にほとんどクラックは発生しないと思われていた。しかしながら、実際にＧａＮ基板上にマスクＡ群のみを形成し、これを覆うように形成された窒化物半導体下地層上に窒化物半導体レーザ素子が成長させられた場合には、そのレーザ素子には多くのクラックが発生していた。この理由としては、窒化物半導体レーザ素子が種々の異なる層の積層構造からなるからであると考えられる（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）。さらに、現在の技術で得られるＧａＮ基板ではその基板自体に残留歪みが潜在していることも影響していると考えられる。
【００３１】
そこで、本発明では、リッジストライプ部の下方付近に配置されるマスクＡ群の両側にマスクＢ群が配置される。ここで、マスクＢ群はマスクＡ群と同一の窒化物半導体レーザ素子チップ内に設けられ（図１参照）、マスクＢ幅はマスクＡ幅よりも狭く設定される。こうすることによって、レーザ発振の長寿命化を実現しつつ、リッジストライプ部を横切るクラックの発生を抑制することができる。
【００３２】
本発明におけるクラック抑制効果は、図２を参照して詳細に説明される。この図においては、窒化物半導体基板上にマスクＡ群とＢ群が形成され、これらのマスク群を覆うように窒化物半導体膜の下地層が結晶成長させられた膜付きマスク基板の上面図と側面図が示されている。ここで、マスクＢ群はマスクＡ群の両側に配置され、マスクＢ幅はマスクＡ幅よりも狭く設定されている。また、図２中に示されたマスクＢ１、マスクＢ２、およびマスクＢ３はマスクＢ群に属していて、説明の便宜上から番号によって識別されている。さらに、図２に示された領域Ａとは、マスクＡ群の上方に積層された窒化物半導体下地層の範囲を表わしている。
【００３３】
図２を参照して、窒化物半導体下地層の表面に発生したクラックａは、マスクＢ１の幅のほぼ中央上方（図２中の破線ａ）で進行が阻止された。クラックｂはマスクＢ１を横切ってマスクＢ２の近傍まで侵入していたが、マスクＢ２の幅のほぼ中央上方（図２中の破線ｂ）で進行を阻止された。同様に、クラックｃについても、マスクＢ３の幅のほぼ中央上方（図２中の破線ｃ）で進行が阻止された。以上のことから、図２中の領域Ａの外側から侵入してくるクラックの進行がマスクＢ群によって抑制され、結果的に領域Ａ内にリッジストライプ部が形成されれば、窒化物半導体レーザ素子の不良率が低減され得る。
【００３４】
この理由としては、レーザ発振の長寿命化の観点からマスク幅を自由に狭くできないマスクＡの代わりに、マスクＢ幅がマスクＡ幅よりも狭くされることによって、以下の効果が得られるためであると考えられる。第１に、マスクＢ幅がマスクＡ幅よりも狭くなることによって、マスクＢ上方における窒化物半導体層中の結晶軸配向は、マスクＡ上方におけるそれよりも傾きが小さくなることが考えられる。第２に、マスク幅が狭くなることによって、マスクの上方に発生しやすいボイドが小さくなることが考えられる。
【００３５】
他方、マスク上方の窒化物半導体層の結晶軸配向が悪くなるか、またはマスク上方に大きなボイドが発生すれば、そのマスクは新たなクラック発生源となり得る。
【００３６】
本発明者らの検討結果によれば、上述のクラック抑制効果は、マスクＢ幅が２μｍ以上で１０μｍ以下のときに最も効果的であった。ただしマスクＢ幅は、マスクＡ幅よりも狭くしなければ、クラック抑制の効果のためにマスクＢ群を設ける意味がない。
【００３７】
以上において異なるマスク幅の効果に関して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チップ（図８（ａ）参照）を例にして説明されたが、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子チップ（図８（ｂ）参照）においても異なるマスク幅の効果は同様である。電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子チップの場合、前述のリッジストライプ部は２つの電流阻止層に挟まれた部分に相当する（図８参照）。また、より一般的な表現をすれば、リッジストライプ部および２つの電流阻止層に挟まれた部分は、ｐ型層またはｎ型層を介して実質的に発光層中に電流が注入されて発光に寄与する電流狭窄部分に相当する。
【００３８】
なお、窒化物半導体基板上において、マスクＡ群とマスクＢ群の２種類のマスク群に限られず、望まれる場合には３種類以上のマスク群を含んでもよいことは言うまでもない。
【００３９】
（異なる窓部幅について）
窓部幅が種々に変えられたことの効果が、図３と図４の模式的断面図を参照しつつ説明される。図３に示された窒化物半導体レーザ素子チップにおいては、ｎ電極とｐ電極が窒化物半導体基板に関して同一面側に形成されている。その窒化物半導体基板上には、マスクＡ群とマスクＢ群が形成され、これらのマスク群を被覆するように窒化物半導体膜の下地層、ｎ型層、発光層、ｐ型層などが順次に結晶成長させられる。マスクＡ群は、リッジストライプ部の下方付近に配置され、マスクＢ群はそのマスクＡ群の両側に配置される。
【００４０】
なお、図３では種々に異なる窓部幅の効果を検討するために、マスクＡ幅とマスクＢ幅が１０〜２０μｍの範囲内で同じ幅に設定された。ただし、窓部Ｂ幅は、窓部Ａ幅よりも広くされた。なお、図３の窒化物半導体レーザ素子チップは、後述の実施形態２の場合と同様にして作製され得る。
【００４１】
本発明者らの検討結果によれば、リッジストライプ部の下方のマスクＡ群における窓部Ａ幅が狭ければ狭いほど、レーザ発振が長寿命化する傾向にあった。この理由としては、窓部幅の上方において結晶成長した窒化物半導体層は、マスク上方におけるそれよりも結晶歪みの緩和効果が小さいためであると考えられる。すなわち、窓部幅を狭くすることによって単位面積当りのマスク占有率が高くなり、これに伴って、結晶歪が緩和された窒化物半導体層領域を広くできるからであると考えられる。レーザ発振の長寿命化の観点からさらに詳細に調べたところ、窓部Ａ幅は２μｍ以上で１０μｍ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。すなわち、窓部Ａ幅が１０μｍ以下になればレーザ発振寿命が延び始め、さらに６μｍ以下になれば顕著に発振寿命が延び始めた（たとえば、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件の下で、レーザ発振寿命は約１５０００時間以上）。他方、窓部Ａ幅が２μｍよりも狭くなればマスクを被覆する窒化物半導体下地層を厚く成長させても、完全にマスクを平坦に被覆することが困難になり始める。
【００４２】
上述の窓部Ａ幅の検討結果に従い、２〜１０μｍの範囲内の窓部Ａ幅に設定されたマスクＡ群のみが窒化物半導体基板上に形成され、これを利用して窒化物半導体レーザ素子が作製された。しかしながら、このような窒化物半導体レーザ素子においては、そのしきい値電流密度が高かった。
【００４３】
そこで本発明では、リッジストライプ部の下方付近に配置されたマスクＡ群の両側にマスクＢ群が配置される。ここで、マスクＢ群はマスクＡ群と同一の窒化物半導体レーザ素子チップ内に設けられ（図３参照）、前述のように窓部Ｂ幅は窓部Ａ幅よりも広く設定される。
【００４４】
こうすることによって、レーザ発振の長寿命化を実現しつつ、かつレーザ素子のしきい値電流密度を下げ得ることが見出された。本発明者らの詳細な検討の結果では、窓部Ｂ幅は５μｍ以上で４０μｍ以下であることが好ましく、１１μｍ以上で３０μｍ以下であることがより好ましかった。ただし、窓部Ｂ幅が窓部Ａ幅よりも広い関係は維持されるべきである。窓部Ｂ幅が約５μｍ以上になればしきい値電流密度の低減効果が現われ始め、１１μｍ以上ではほぼ３％以上のしきい値電流密度の低減効果が得られ始めた。窓部Ｂ幅の上限値については、しきい値電流密度の観点からは特に制約はなく、広いほど好ましかった。しかしながら、窓部Ｂ幅が広くなりすぎれば、窒化物半導体レーザ素子の結晶歪みが低減されにくくなるので、結晶歪みの緩和の観点からは４０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましかった。
【００４５】
次に、窒化物半導体基板の裏面側にｎ電極が形成されかつｐ型層上にｐ電極が形成された窒化物半導体レーザ素子チップが、図４を参照して説明される。この窒化物半導体レーザ素子においては、窒化物半導体基板上にマスクＡ群とマスクＢ群が形成され、これらのマスク群を被覆するように窒化物半導体膜の下地層、ｎ型層、発光層、ｐ型層などが順次に結晶成長させられる。リッジストライプ部はマスクＡ群の上方に形成され、マスクＢ群はマスクＡ群の両側に配置されている。
【００４６】
なお、図４では種々に異なる窓部幅の効果を検討するために、マスクＡ幅とマスクＢ幅が１０〜２０μｍの範囲内で同じ幅に設定された。ただし、窓部Ｂ幅は、窓部Ａ幅よりも広くされた。図４の窒化物半導体レーザ素子は、後述の実施形態２の場合と同様に作製され得る。
【００４７】
前述と同様に、レーザ発振の長寿命化の観点からは、リッジストライプ部の下方に位置するマスクＡ群の窓部Ａ幅は２μｍ以上で１０μｍ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。
【００４８】
本発明者らの検討結果によれば、図４におけるように窓部Ａ幅よりも広い窓部Ｂ幅を有するマスクＢ群をマスクＡ群の両側に配置したところ、マスクＡ群のみを含む場合に比べて窒化物半導体レーザ素子におけるレーザ発振のしきい値電圧が約０．３〜１Ｖ程度低減することが見出された。
【００４９】
本発明者らの詳細な検討結果によれば、窓部Ｂ幅は前述と同様に５μｍ以上で４０μｍ以下であることが好ましく、１１μｍ以上で３０μｍ以下であることがさらに好ましかった。ただし、窓部Ｂ幅は窓部Ａ幅よりも広い関係は維持される。窓部Ｂ幅が約５μｍ以上になればしきい値電圧の低減効果が現われ始め、１１μｍ以上ではほぼ０．５Ｖ以上の低減効果が得られ始めた。窓部Ｂ幅の上限値については、しきい値電圧の観点からは特に制約はなく、広いほど好ましい。しかしながら、窓部Ｂ幅が広くなりすぎれば、窒化物半導体レーザ素子の結晶歪みが低減されにくくなるので、結晶歪みの緩和の観点からは４０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることがより好ましかった。
【００５０】
以上では、異なる窓部幅の効果に関して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チップ（図８（ａ）参照）を例にして説明されたが、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子チップ（図８（ｂ）参照）においても異なる窓部幅の効果は同様である。また、窒化物半導体基板上において、マスクＡ群とマスクＢ群の２種類のマスク群に限られず、望まれる場合には３種類以上のマスク群を含んでいてもよいことは言うまでもない。さらに、種々の異なる窓部幅の特徴が前述の種々に異なるマスク幅の特徴と組合されてもよいことも言うまでもない。
【００５１】
（ストライプ状マスク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上に形成されたストライプ状マスクの長手方向は、＜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。これらの特定結晶方向に関するマスクの長手方向は、｛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。
【００５２】
窒化物半導体基板の＜１−１００＞方向に沿ってマスクが形成されることの利点は、クラックの抑制効果が非常に大きいことである。この方向に沿って形成されたマスク上に窒化物半導体膜が被覆されれば、その窒化物半導体膜はマスク上で主に｛１１−２０｝ファセット面を形成しながらそのマスクを被覆した（図５（ａ）参照）。この｛１１−２０｝ファセット面は基板の主面に対して垂直であって、かつマスクはエピタキシャル成長を生じにくい成長抑制膜で形成されているので、図５（ａ）に示された窒化物半導体領域Ａと窒化物半導体領域Ｂは、互いの｛１１−２０｝ファセット面のみで接触してマスクを被覆した。したがって、図５（ａ）の窒化物半導体領域Ａで発生したクラックは、容易には窒化物半導体領域Ｂ内に伝播し得なかった。この＜１−１００＞方向の特徴が、マスクＢ群の特徴と組合せられることによって、より一層のクラック抑制効果が発揮され得る。
【００５３】
他方、窒化物半導体基板の＜１１−２０＞方向に沿ってマスクが形成されることの利点は、マスクが窒化物半導体膜で覆われるときにそのマスク上方領域における窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好になることである。この方向に沿って形成されたマスク上に窒化物半導体膜が被覆されれば、その窒化物半導体膜はマスク上で主に｛１−１０１｝ファセット面を形成しながらそのマスクを被覆した。この｛１−１０１｝ファセット面は非常に平坦で、このファセット面と結晶成長面とが接するエッジ部分も非常に急峻であった（図５（ｂ）参照）。このことが、マスク上方を被覆した窒化物半導体膜の表面モフォロジーが良好になり得る要因ではないかと考えられる。窒化物半導体膜からなる下地層の表面モフォロジーが良好であれば、たとえばマスクＡ群の上方に形成されたリッジストライプ部を有する窒化物半導体レーザ素子チップの素子不良率が低減され得る。
【００５４】
（窒化物半導体下地層について）
マスク基板を被覆する窒化物半導体膜からなる下地層は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの不純物群のうちで１種以上を含むことができる。この下地層がＧａＮ膜、ＡｌＧａＮ膜またはＩｎＧａＮ膜であれば、以下の効果が得られる。
【００５５】
窒化物半導体下地層がＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。すなわち、ＧａＮ膜は二元混晶であるので、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、マスクを完全かつ平坦に被覆するように適度な横方向成長を得ることができる。ここで、横方向成長とは、基板の主面に平行な方向の成長を意味する。この横方向成長が促進されれば、マスク上方を被覆する窒化物半導体膜中の結晶歪みが緩和され得る。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以下であることが好ましい。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フォロジーが良好になって、発光層の層厚が均一化され、発光素子特性が向上し得る。
【００５６】
窒化物半導体下地層がＡｌＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。すなわち、ＡｌＧａｎ膜がマスク基板を被覆する場合にはマスク上方にボイドが形成されにくく、クラックの発生率が低減された。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く、これはＡｌＧａＮ膜がマスクに付着しやすいことを意味する。このことが、マスク上でボイドを生じにくくさせていると考えられる。
【００５７】
さらに、ＡｌＧａＮ膜について調べたところ、Ａｌ_xＧａ_1-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かった。Ａｌ組成比ｘが０．０１よりも小さければボイドの発生を抑制することが難しくなり、Ａｌ組成比ｘが０．１５よりも大きくなれば前述の表面マイグレーション長が短くなりすぎて（横方向成長が不十分）、マスク上方の結晶歪みの緩和効果が得られにくくなる可能性がある。なお、ＡｌＧａＮ膜に限られず、この膜と同様の効果は、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以下であることが好ましい。このような濃度範囲でＡｌと同時に不純物が添加されていれば、窒化物半導体下地層の表面マイグレーション長が適度に短くなって好ましい。
【００５８】
窒化物半導体下地層がＩｎＧａＮ膜であることは、以下の点において好ましい。すなわち、ＩｎＧａＮ膜がマスク基板を被覆すれば、リッジストライプ部の形成位置によって、レーザ発振寿命が劇的に短くなることはなかった。ＩｎＧａＮ膜においては、Ｉｎが含まれているので、ＧａＮ膜やＡｌＧａＮ膜に比べて弾力性がある。したがって、ＩｎＧａＮ膜はマスクを覆って窒化物半導体基板からの結晶歪みを窒化物半導体膜全体に拡散させ、マスク上方の結晶歪みと窓部上方の結晶歪みとの間の差異を緩和させる働きを有すると考えられる。
【００５９】
さらにＩｎＧａＮ膜について調べたところ、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ膜のＩｎ組成比ｘは０．０１以上で０．１８以下であることが好ましく、０．０１以上で０．１以下であることがさらに好ましかった。Ｉｎ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り、Ｉｎ組成比ｘが０．１８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、この膜と同様の効果は、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／ｃｍ³以上で４×１０¹⁸／ｃｍ³以下であることが好ましい。このような濃度範囲でＩｎと同時に不純物が添加されていれば、窒化物半導体下地層の表面モフォ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。
【００６０】
（窒化物半導体下地層の膜厚について）
マスク基板が窒化物半導体膜の下地層で完全に被覆されるためには、その被覆膜厚は約２μｍ以上で３０μｍ以下であることが好ましい。ここで、被覆膜厚とは、平坦な窒化物半導体基板上に直接窒化物半導体膜を成長させたときの膜厚に対応する厚さを意味する。被覆膜厚が２μｍよりも薄くなれば、マスク基板に形成されたマスク幅や窓部幅にも依存するが、窒化物半導体膜でマスク基板を完全かつ平坦に被覆することが困難になり得る。他方、被覆膜厚が３０μｍよりも厚くなれば、マスク基板上の横方向成長よりも垂直方向（基板の主面に対して垂直方向）の成長の方が次第に顕著になり、結晶歪みの緩和効果が十分に発揮されにくくなる。
【００６１】
［実施形態２］
実施形態２では、膜付きマスク基板上に形成された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チップの作製方法が説明される。なお、本実施形態において特には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。
【００６２】
（膜付きマスク基板の形成方法）
図６の模式的断面図において、ＧａＮ基板１０１上に形成されたマスクを含むマスク基板（図６（ａ））と、このマスク基板上にｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０２が被覆された膜付きマスク基板（図６（ｂ））が表わされている。このようなマスク基板は、以下のようにして形成され得る。
【００６３】
まず、主面方位が（０００１）面であるＧａＮ基板１０１の表面に、ＳｉＯ₂からなる成長抑制膜が、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）またはスパッタリング法によって０．１μｍの厚さに形成された。その後、リソグラフィ技術を用いて、ＧａＮ基板１０１の＜１−１００＞方向に沿って、ストライプ状のマスクが形成された。これらのストライプ状のマスクは、マスクＡとマスクＢの２種類を含んでいる。マスクＡ群は、１３μｍのマスクＡ幅と７μｍの窓部Ａ幅で形成された。マスクＢ群は、５μｍのマスクＢ幅と１５μｍの窓部Ｂ幅で形成された。このようにして、本実施形態におけるマスク基板が完成させられた（図６（ａ））。
【００６４】
このマスク基板は、十分に有機洗浄されてからＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）装置内に搬送された。そして、マスク基板上には、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃（アンモニア）およびＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）とＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）が供給され、さらにこれらの原料に不純物としてＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が添加されて、１０５０℃の結晶成長温度の条件の下で厚さ６μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０２が積層された。このようにして、本実施形態における膜付きマスク基板１００が完成させられた（図６（ｂ））。
【００６５】
なお、成長抑制膜としては、ＳｉＯ₂以外に、ＳｉＮ_x、Ａｌ₂Ｏ₃、またはＴｉＯ₂などで形成されてもよい。また、ストライプ状のマスクの長手方向は、ＧａＮ基板１０１の＜１−１００＞方向の代わりに、＜１１−２０＞方向に沿って形成されてもよい。さらに、本実施形態では窒化物半導体基板として（０００１）主面を有するＧａＮ基板１０１が用いられたが、他の面方位および他の窒化物半導体基板が用いられてもよい。その基板の主面方位に関しては、Ｃ面｛０００１｝、Ａ面｛１１−２０｝、Ｒ面｛１−１０２｝、Ｍ面｛１−１００｝、または｛１−１０１｝面などを好ましく用いることができる。また、これらの面方位から２度以内のオフ角度の主面を有する基板であれば、その表面モフォロジーが良好である。他の窒化物半導体基板としては、窒化物半導体レーザの場合には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ことが好ましく、たとえばＡｌＧａＮ基板が好ましく用いられ得る。
【００６６】
（結晶成長）
図７は膜付きマスク基板上に成長させられた窒化物半導体レーザ素子のチップを表わしている。この窒化物半導体レーザ素子は、ＧａＮ基板１０１上のマスクＡとＢおよびｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ下地層１０２を含む膜付きマスク基板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、ＳｉＯ₂誘電体膜１１３、およびｎ型電極パッド１１４を含んでいる。
【００６７】
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、ＭＯＣＶＤ装置内で膜付きマスク基板１００上において、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃とＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａ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またはＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）が用いられて、厚さ０．８μｍ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。
【００６８】
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。
【００６９】
発光層１０６にＡｓが添加される場合にはＡｓＨ₃（アルシン）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（ホスフィン）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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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密度が低くなって好ましかった。
【００７４】
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。
【００７５】
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密度が低くなった。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。
【００７６】
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密度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。
【００７７】
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密度の低減が可能になる。
【００７８】
クラッド層はＡｌＧａＮ３元混晶に限られず、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、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。
【００７９】
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）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などが用いられてもよい。
【００８０】
（チップ化工程）
前述の結晶成長で形成されたエピウエハ（膜付きマスク基板上に多層の窒化物半導体層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、レーザ素子チップに加工される。ここで、窒化物半導体レーザ素子層が形成されたエピウエハの表面は平坦であり、マスク基板に含まれるマスクと窓部は窒化物半導体下地層と発光素子構造層で完全に覆われていた。
【００８１】
ｎ電極１１１は、ドライエッチング法を利用してエピウエハの表側からｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０２を露出させてから、Ｈｆ／Ａｌの順序の積層で形成された。このｎ電極１１１上にはｎ電極パッド１１４としてＡｕが蒸着された。ｎ電極材料としては、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨｆ／Ａｕなどの積層が用いられてもよい。ｎ電極にＨｆが用いられれば、そのｎ電極のコンタクト抵抗が下がるので好ましい。マスク基板は、窒化物半導体で形成されているので、その裏面側上にｎ電極が形成されてもよい。ただし、その場合には窒化物半導体基板がｎ型の導電性を有するように不純物がドープされる必要がある。
【００８２】
ｐ電極部分は、マスクの長手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７参照）が形成された。このリッジストライプ部は、マスクＡの上方においてマスクＡ幅の中央（図７のマスクＡ中央線）からそのマスク幅方向に２μｍ離れた位置に１．７μｍの幅で形成された。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。
【００８３】
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方向にへき開され、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。ストライプ状マスクの長手方向が＜１−１００＞方向に沿って形成された共振器のミラー端面は、窒化物半導体結晶のＭ面｛１−１００｝になる。ミラー端面を形成するためのへき開とレーザチップの分割は、膜付きマスク基板１００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からへき開されるのではなく、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。
【００８４】
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（分布ブラッグ反射）なども用いられ得る。
【００８５】
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。
【００８６】
上述の方法で実際に作製された窒化物半導体レーザ素子チップの断面観察を行なったところ、図７に示されているように、マスクＡとマスクＢが同じレーザ素子チップ内に形成されていた。本発明に従って膜付きマスク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、レーザ出力３０ｍＷと雰囲気温度６０℃の条件の下で、約１５０００時間のレーザ発振寿命が達成された。また、クラックの発生率も低減され、かつ歩留りが向上し、さらにしきい値電流密度が３％程度減少した。
【００８７】
なお、本実施形態２では、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について説明されたが、電流阻止層を有する窒化物半導体レーザ素子であっても同様の効果を得ることができる（図８（ｂ）参照）。また、本実施形態で述べられたマスク基板に形成されるマスクＡ幅、窓部Ａ幅、マスクＢ幅、および窓部Ｂ幅は、前述の実施形態１で述べられた条件を満足する範囲内であれば他の数値で形成されてもよい。このことは、以下の実施形態のいずれにおいても同様である。
【００８８】
［実施形態３］
実施形態３においては、窒化物半導体基礎基板とこの上に積層された窒化物半導体層上にマスクが形成されたこと以外は、実施形態１および２と同様である。本実施形態における膜付きマスク基板の形成方法では、まず主面方位が（０００１）面のＧａＮ基礎基板がＭＯＣＶＤ装置内に装填された。そのＧａＮ基礎基板上にＮＨ₃とＴＭＧａが供給されて、比較的低い５５０℃の成長温度の下で低温ＧａＮバッファ層が形成された。そして、成長温度が１０５０℃まで昇温され、その低温ＧａＮバッファ層上にＮＨ₃、ＴＭＧａ、およびＳｉＨ₄が供給されて、ｎ型ＧａＮ層が形成された。このｎ型ＧａＮ層が形成された窒化物半導体基板がＭＯＣＶＤ装置から取出された。
【００８９】
続いて、ＭＯＣＶＤ装置から取出された基板のｎ型ＧａＮ層の表面上にＳｉＮ_xからなる成長抑制膜がスパッタリング法で０．１５μｍの厚さに堆積された。その後、リソグラフィ技術を用いて、ＧａＮ基板の＜１−１００＞方向に沿ってＳｉＮ_xからなるストライプ状のマスクＡとＢが形成された。マスクＡ幅は１０μｍであって窓部Ａ幅は２μｍであり、マスクＢ幅は３μｍであって窓部Ｂ幅は１５μｍであった。こうして、本実施形態におけるマスク基板が形成された。
【００９０】
このマスク基板は十分に有機洗浄され、再びＭＯＣＶＤ装置内に搬入された。そして、マスク基板上に、Ｖ族元素原料のＮＨ₃、ＩＩＩ族元素原料のＴＭＧ、および不純物としてのＳｉＮ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）が供給され、１０５０℃の成長温度の下で厚さ５μｍのＧａＮ下地層が積層された。こうして、本実施形態における膜付きマスク基板が作製された。
【００９１】
なお、本実施形態で説明された低温ＧａＮバッファ層は低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層であればよく、また、この低温バッファ層自体が省略されてもよい。しかしながら、現在供給されているＧａＮ基板はその表面モフォロジーが十分には好ましくないので、低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層が挿入された方が、表面モフォロジーが改善されるので好ましい。なお、低温バッファ層とは、比較的低い約４５０〜６００℃の成長温度で形成されるバッファ層を意味し、この成長温度範囲で形成された低温バッファ層は多結晶または非晶質である。
【００９２】
［実施形態４］
実施形態４は、マスク基板上のマスクが一方向のストライプ形状ではなく、種々の異なる方向のストライプ状マスクを含むマスクパターンで形成されたこと以外では、実施形態１から３と同様である。すなわち、本実施形態では、種々の異なるマスクパターンを有するマスク基板が図９の模式的平面図を参照して説明される。
【００９３】
図９（ａ）のマスク基板は、実施形態１などで述べられたマスクＡ群の両側に、２種類の異なる方向のストライプ状マスクが互いに直交したマスクパターンを含んでいる。このようなマスク基板を用いることによって、クラックの抑制効果が向上し、発光素子チップの歩留まりが向上し得る。
【００９４】
図９（ｂ）のマスク基板は、実施形態１などで述べられたマスクＡ群の両側に、２種類の異なる方向のストライプ状マスクが互いに６０°の角度で交わったマスクパターンを含んでいる。特に、｛０００１｝主面を有する窒化物半導体基板が用いられた場合、この２種類の異なる方向は結晶学的に等価（たとえば、横方向成長の形態が等価）な特性を示すので好ましい。図９（ｂ）のようなマスク基板を用いることによっても、クラックの抑制効果が向上し、発光素子チップの歩留まりが向上し得る。
【００９５】
図９（ｃ）のマスク基板は、実施形態１などで述べられたマスクＡ群の両側に、３種類の異なる方向のストライプ状マスクが互いに６０°の角度で交わったマスクパターンを含んでいる。特に、｛０００１｝主面を有する窒化物半導体基板が用いられる場合、これら３種類の異なる方向も結晶学的に等価な特性を示すので好ましい。図９（ｃ）のようなマスク基板を用いることによっても、クラックの抑制効果が向上し、発光素子チップの歩留まりが向上し得る。
【００９６】
［実施形態５］
実施形態５においては、膜付きマスク基板上に窒化物半導体発光ダイオード素子層が形成された。この際に、その発光ダイオード素子層は従来と同様の方法で形成された。ただし、窒化物半導体発光ダイオード素子中の発光層のうちで電流が注入されて実際の発光に寄与する電流狭窄部分がマスクＡ群の上方領域に含まれるように形成され、そのマスクＡ群の両側にマスクＢ群が配置されていた。
【００９７】
本発明を窒化物半導体発光ダイオード素子に適用することによって、その発光強度が向上した。特に、窒化物半導体を原材料とする白色窒化物半導体ダイオード素子や琥珀色窒化物半導体発光ダイオード素子のように、発光波長が短波長（４２０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以上）の発光ダイオード素子は、本発明による膜付きマスク基板上に形成されることによって、従来に比較して約１．５倍以上の発光強度を得ることができた。また、従来の窒化物半導体発光ダイオード素子チップでは、電流が注入されて実際に発光に寄与する発光層の電流狭窄部分にクラックが発生しやすく、それらのクラック部分は、非発光のラインとして観察され、発光強度の低下と素子不良をもたらしていた。しかし、本発明によって、窒化物発光ダイオードの発光強度の向上とともにクラックの発生が抑制され、素子不良率が低減した。
【００９８】
［実施形態６］
実施形態６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１と２および５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％）以下であって、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。
【００９９】
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のある領域ごとに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。
【０１００】
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。
【０１０１】
ところが、窒化物半導体レーザ素子チップ中にクラックが発生すれば、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂなどの元素がクラックを通して発光層中から抜け出したり他層へ拡散しやすくなるので、それらの元素を発光層中に含ませたことによる利点が得られにくかった。
【０１０２】
本発明ではレーザ発振の長寿命化を実現しつつクラックの発生率をも低減させることができるので、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂなどの元素が窒化物半導体発光レーザ素子の発光層中の少なくとも井戸層内に含まれることによって、それらの元素による上述の利点を得ることが可能である。
【０１０３】
他方、本実施形態が窒化物半導体発光ダイオード素子に適用された場合、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発光ダイオード素子と比較して、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。特に、窒化物半導体を原材料とする発光波長が短波長（４４０ｎｍ以下）または長波長（６００ｎｍ以上）の窒化物半導体発光ダイオード素子の場合、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系窒化物半導体発光ダイオード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。また、これらの窒化物半導体発光ダイオード素子チップにおける利点は、上述の窒化物半導体レーザ素子チップの場合と同様に、本発明によるクラックの抑制効果によって発揮され得るものである。
【０１０４】
［実施形態７］
実施形態７においては、上述の実施形態による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。上述の実施形態における青紫色（３８０〜４２０ｎｍの発振波長）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、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（発振波長が短いほど、より高密度の記録再生が可能である）。
【０１０５】
図１０において、上述の実施形態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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
［実施形態８］
実施形態８においては、実施形態５または６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５または６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、表示装置（半導体発光装置の一例）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。
【０１０８】
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（３８０〜４４０ｎｍ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装置としても利用し得る。
【０１０９】
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。
【０１１０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、窒化物半導体発光素子において、発光寿命や発光強度などを改善するとともにクラックの発生防止をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの一例を示す模式的な断面図である。
【図２】 本発明において用いられ得る膜付きマスク基板の上面と側面を表わす模式図である。
【図３】 本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの他の例を示す模式的な断面図である。
【図４】 本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの他の例を示す模式的な断面図である。
【図５】 マスク基板上における窒化物半導体膜の成長を示す模式的な断面図である。
【図６】 （ａ）は本発明において用いられるマスク基板を示す模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）のマスク基板から形成された膜付きマスク基板を示す模式的な断面図である。
【図７】 本発明による窒化物半導体レーザ素子チップの他の例を示す模式的な断面図である。
【図８】 （ａ）は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チップを示す模式的な断面図であり、（ｂ）は電流阻止層を含む窒化物半導体レーザ素子チップを示す模式的な断面図である。
【図９】 本発明において用いられ得るマスク基板の上面図であり、（ａ）においてはマスクＡ群の両側に２種の方向で互いに直交するストライプを含むマスクパターンが設けられており、（ｂ）においてはマスクＡ群の両側に互いに６０°の角度で交差するストライプ状マスクを含むマスクパターンが設けられており、そして（ｃ）においてはマスクＡ群の両側に互いに６０°で交差する３種類の方向のマスクを含むマスクパターンが配置されている。
【図１０】 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 膜付き基板、１０１ ＧａＮ基板、１０２ ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜、１０３ ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、１０４ ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ ｎ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、１０８ ｐ型ＧａＮガイド層、１０９ ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１０ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１ ｎ電極、１１２ ｐ電極、１１３ ＳｉＯ₂誘電体膜、１１４ ｎ電極パッド。

Claims (18)

1. 窒化物半導体基板の一主面上に形成されたマスクパターンを含むマスク基板を含み、
   前記マスクパターンはその上に窒化物半導体層がエピタキシャル成長しにくい成長抑制膜からなり、前記成長抑制膜が形成されていない複数の窓部が存在し、
   互いに隣接する前記窓部間のマスク幅として少なくとも２以上の異なる幅が存在していて、前記マスクパターンはマスクＡ群とＢ群とを含み、
   前記マスクＡ群の両側に前記マスクＢ群が配置され、前記マスクＡ群におけるマスクＡ幅は前記マスクＢ群におけるマスクＢ幅より広く設定されており、
   前記窓部および前記マスクパターンを覆う窒化物半導体下地層と、
   前記下地層上でｎ型層とｐ型層との間において量子井戸層または量子井戸層とこれに接する障壁層とを含む発光層を含む発光素子構造をさらに含み、
   前記発光層内に実質的に電流が注入される領域である電流狭窄部は前記マスクＡの上方に形成されていることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記電流狭窄部はマスクＡの幅方向の中央線から２μｍ以上離れた位置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. 前記電流狭窄部はマスクＡの領域内の上方に完全に含まれていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 電流狭窄部はマスクＡと窓部Ａにまたがる領域の上方に含まれていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記マスクＡ群の領域内の窓部Ａ幅は前記マスクＢ群の領域内の窓部Ｂ幅よりも狭く設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記マスクＡ幅は１０〜２０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記窓部Ａ幅は２〜１０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記マスクＢ幅は２〜１０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から７のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記窓部Ｂ幅は５〜４０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１から８のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
10. 前記マスクＡはストライプ状に形成され、その長手方向は前記窒化物半導体基板の＜１−１００＞方向に平行であることを特徴とする請求項１から９のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
11. 前記マスクＡはストライプ状に形成され、その長手方向は前記窒化物半導体基板の＜１１−２０＞方向に平行であることを特徴とする請求項１から９のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
12. 前記マスクＢ群は複数の異なる方向に平行なマスクＢを含み、それらのマスクＢは桝目状のパターンを形成していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
13. 前記窒化物半導体下地層はＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．１５）を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
14. 前記窒化物半導体下地層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０．１≦ｘ≦０．１８）を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
15. 前記量子井戸層はＡｓ、Ｐ、およびＳｂの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
16. 前記成長抑制膜は誘電体膜であることを特徴とする請求項１から１５のいずれかの項に記載の窒化物半導体発光素子。
17. 請求項１から１６のいずれかの項に記載された窒化物半導体発光素子を含むことを特徴とする光学装置。
18. 請求項１から１６のいずれかの項に記載された窒化物半導体発光素子を含む発光装置。

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