JP4833930B2 - 窒化物半導体を加工してなる発光デバイスの処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば窒化物レーザダイオードまたは窒化物発光ダイオードといった窒化物光電子デバイス等の、窒化物半導体を加工してなる発光デバイスの光学特性を向上させるための方法に関する。本発明は特に、上記発光デバイスの発光特性を向上させるために、窒化物光電子デバイス上に少なくとも１つの窒化物半導体層を成長させる方法に関する。

例えば（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系等の窒化物半導体系を用いた光電子デバイスの製造方法は周知である。簡潔に述べると、「ウェハ」としての半導体層構造体は、適切な成長装置を用いて成長させることで得られる。成長したウェハの直径は、通常、５ｃｍである。ウェハを成長装置から回収した後、加工することで個々の光電子デバイスを製造することができる。ウェハを加工して個々のデバイスを製造する工程は、以下の一部または全部の工程を含んでいる：
より小さい面積（例えば個々のデバイスに対応した面積）に分割または「ダイシング」する工程；
発光のための出力面を構成するために劈開する工程；
エッチングする工程；
例えば層構造体を構成する層のうち、少なくとも１つの層内のドーパントを活性化するために、アニーリングする工程；
例えば電気的接続部等を堆積させる工程；
パターン形成する工程；
上記デバイスの一部の導電性を変化させるために、例えばドーパント種等を注入する工程；および
例えば絶縁酸化物層を構成するために、酸化する工程。

ウェハを個々のデバイスへに加工した後は、個々のデバイス上に半導体層をさらに成長させる場合が多い。例えば半導体レーザ装置の劈開面は、カタストロフィック光学損傷（「ＣＯＤ」）を受けやすい。これは、空気とレーザダイオードのファセットとの界面における発熱によって上記劈開面が局所的に発熱し、上記劈開面を構成するレーザダイオードの発光領域が劣化することによって引き起こされる。ＣＯＤの危険性を軽減するための方法としては、劈開面上に半導体層を過成長させることにより、空気と半導体との界面、およびこの界面において局所的に生じるあらゆる熱を、レーザダイオードの発光領域から移動させる技術が知られている。別の例としては、光電子デバイスの発光面上に半導体層を成長させて、デバイスの光学発光特性を変化させる方法が知られている。

特許文献１には、「ＡＭＭＯＮＯ」技術を用いて、レーザ装置のＡｌＧａＮ面上に半導体層を過成長させる方法が記載されている。ＡＭＭＯＮＯ技術では、高度に化学活性な超臨界アンモニアを用いた金属反応によってＡｌＧａＮを結晶化し、レーザ装置をオートクレーブ内に配置する。そしてオートクレーブ内におけるアンモニアの温度差および過飽和したアンモニアによって、レーザ面へのシーディングによる成長が誘発される。

特許文献２には、ＲＦ分子線エピタキシー（ＲＦ−ＭＢＥ）によって低温で堆積したＡｌＮ表面不動態層（surface passivation layer）を有するトランジスタデバイスを開示している。

特許文献３には、窒化物半導体レーザバー上にファセット（面）コーティングを施す方法を開示している。この方法は、レーザの劈開面をプラズマ処理して劈開面から水分および酸化物を除去し、そして再度プラズマ処理を用いて上記劈開面上に接着層およびファセットコーティング層を成長させる工程を含んでいる。

特許文献４には、レーザファセットのプラズマ処理方法が開示されている。

特許文献５には、は、レーザファセットにコーティング（例えば反射防止コーティング）を施すことに関する。ここでは、多数のレーザーの面が１つのウェハ内に構成され、これらの面が単一の工程によって全てコーティングされ、その後上記ウェハが劈開されることについて教示している。これにより、面を構成する工程およびコーティングを施す工程を制御環境で行なうことができる。
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しかし、上記従来の構成では、窒化物半導体層の厚さおよび組成を正確に制御できず、また、窒化物半導体層の成長に長時間を要するという問題を有している。

特許文献１の方法では、例えば、堆積速度が遅い（一般的には、１つの層を堆積させるために３日を要する）点、および堆積された過成長層の厚さまたは組成を十分正確に制御できない点等の多数の不都合点を有している。

特許文献２は、光電子デバイスまたは発光デバイスに関連する技術が開示されていないので、上記問題の解決に資するものではない。

特許文献３〜５にも、上記問題の解決に資する技術は開示されていない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化物半導体層の成長を正確に制御でき、かつ短時間で、窒化物半導体を加工してなる発光デバイスの発光特性を向上させる処理方法を提供することにある。

本発明に係る窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを処理する方法は、窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを真空装置内に配置する工程（ａ）と、上記真空装置に活性窒素を供給し、上記発光デバイス上に、少なくとも１つの窒化物半導体層を成長させる工程（ｂ）とを含み、上記工程（ｂ）では、分子線エピタキシーを用いて上記窒化物半導体層を成長させることを特徴としている。

分子線エピタキシーを用いて上記窒化物半導体層を成長させることによって、上記発光デバイスの光学特性が向上する。本明細書において、デバイスからの放射光に関する、デバイスの「光学特性」という用語には、波長、強度、極性、スペクトル幅、スペクトル形状、振動（周波数および幅）、モードパターン、および波形のうち少なくとも１つの性質が包含される。例えば、「光学特性」の向上とは発光特性を向上させることを意味する。上記窒化物半導体層のうち一つまたは各窒化物半導体層は、例えばＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘは０以上１以下、ｙは０以上１以下、ｘ＋ｙは１以下）であってもよい。

本発明によれば、例えばプラズマアシスト分子線エピタキシー等の分子線エピタキシー（以下、「ＭＢＥ」と表記する）を用いた成長法によって、発光窒化物半導体のデバイス上に、少なくとも一つの窒化物半導体層を成長させる。これにより、上記窒化物半導体層の厚さおよび組成を極めて正確に制御することができ、かつ短時間で行なうことができる。例えば、上述のＡＭＭＯＮＯ法に比べて、窒化物半導体層を遥かに短い時間内に成長させることができる。

また、本発明によれば、窒化物半導体層を過成長させることで、発光窒化物半導体を加工してなるデバイスの光学特性を向上させることができる。これにより、例えば記録型ブルーレイＤＶＤ等のデバイスの、新規かつ改良された光学特性および性能を得ることができる。

さらに、上記窒化物半導体層は、上記発光デバイスが損傷を受ける温度より低い温度で成長させることができる。例えば、金属電極を有する窒化物レーザダイオード構造体は、一般的に、金属‐半導体接触の劣化を引き起こすことなく、５００℃を大幅に超えた温度で加熱することはできない。従って、ＭＢＥを用いて窒化物半導体を加工してなる発光デバイス上に、窒化物半導体層を過成長させることに想到することは困難である。なぜなら、窒化物半導体層のＭＢＥ成長は、上質の材料を得るために、通常、５００℃を超える温度で実施されているからである。しかし本発明は、ＭＢＥを用いて、かつデバイスの損傷を防ぐために５００℃以下の温度で、上質な窒化物半導体層を過成長させることを可能にする。これは、ＭＢＥにより窒素種としての活性窒素を供給するため、窒素種を熱活性化させる必要がなくなる等の理由による。よって、原理上は、本発明の方法に従って上記窒化物半導体層を過成長させる間の成長温度は、３０℃という低さである。（なお、上記窒化物半導体層を過成長させる間に用いることのできる最高成長温度は、一般的に、処理される構造の性質によって決定される。従って、５００℃を超える成長温度を用いても、上記窒化物半導体層を成長させる対象の上記デバイスに損傷を与えることがないのであれば、５００℃を超える成長温度を用いることもできることについて留意されたい。）
本発明によれば、デバイスが損傷しない温度においてＭＢＥを行なって、上質な窒化物半導体層を過成長させることによって、ＭＢＥによる成長の利点の全てを実現することができる。これらの利点とは、例えば、ＭＢＥによる成長によって、窒化物半導体層の厚さおよび組成を正確に制御することができる点、従来のスパッタ堆積では二元合金のみしか堆積できない一方で、ＭＢＥでは三元または四元合金を堆積できる点、および、所望であれば成長した層をＭＢＥによってドーピングして、必要に応じて層を導電性または絶縁性のいずれかにすることができる点が挙げられる。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）は、上記窒化物半導体層を、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて成長させる工程を含んでいてもよい。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）は、上記窒化物半導体層を、上記発光デバイスの発光面上に成長させる工程を含んでいてもよい。

これによって上記窒化物半導体層が、発光デバイスのファセットの保護層として機能し、また、発光波長または発光波長帯を変化させて向上させることができる。

本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層は、上記発光デバイスの発光光子エネルギーより大きいバンドギャップを有していてもよい。

上記の構成によれば、上記窒化物半導体層が、発光面となるファセットの保護層として機能する。これにより、例えば、本発明に係る方法によって処理された発光デバイスを使用するときに、当該ファセットがカタストロフィック光学損傷（ＣＯＤ）を受ける危険性を低減する。

本発明に係る方法では、上記発光デバイスが光を放射したときに、上記窒化物半導体層は当該光によって励起されるものであってもよい。これにより、上記発光デバイスの発光波長または発光波長帯を改善することができる。

なお、「上記発光デバイスが光を放射したとき」とは、例えば、本発明に係る方法により処理された上記発光デバイスを実際に使用するとき（使用時）等、窒化物半導体層が形成された後の上記発光デバイスが光を放射したときを意味する。本発明に係る方法により処理された後の上記発光デバイスには、上記窒化物半導体層が形成される。そして、この窒化物半導体層が形成された後の上記発光デバイスが、光を放射したときに当該光によって当該窒化物半導体層が励起されるのである。

本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層はフォトルミネセンス種（photoluminescent species）を含んでもよい。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）は、複数の種類のフォトルミネセンス種を含む窒化物半導体層を成長させる工程を含んでいてもよい。

これらの構成により、後述の実施形態にも記載のように、本発明に係る方法により処理された後の発光デバイスによる、全ての光出力は、各フォトルミネセンス種によって再放射された光と、当該発光デバイスから放射され且つフォトルミネセンス種によって吸収されなかった当初の光出力とを含むこととなる。この光出力に応じてフォトルミネセンス種を選択することによって、所望する任意の出力発光スペクトル（具体的には、白色光出力）を得ることができる。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）は、フォトルミネセンス種を含む、複数の窒化物半導体層を成長させる工程を含んでいてもよい。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）は、上記発光デバイス上にナノ結晶を堆積させて、当該ナノ結晶上に上記窒化物半導体層を成長させる工程を含んでいてもよい。堆積したナノ結晶から、得られる出力発光スペクトルを推測することができる。換言すれば、堆積させたナノ結晶に応じた出力発光スペクトルを得ることができる。つまり、ナノ結晶の発光波長は、そのナノ結晶のサイズに依存している。従ってナノ結晶のサイズを変化させることによって、所望の出力発光スペクトルが得られる。

本発明に係る方法では、上記ナノ結晶は、少なくとも、第１のサイズを有する第１のナノ結晶と、当該第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する第２のナノ結晶とを含んでていもよい。

上記の構成によれば、上記第１および第２のナノ結晶は、サイズが異なるため、互いに異なる発光波長を有する。上記第１および第２のナノ結晶のサイズを選択することによって、所望する任意の発光スペクトルを得ることができる。

本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層は少なくとも１つの可飽和吸収層を含んでいてもよい。

上記の構成によれば、後の実施形態にも記載のように、自励パルス発振レーザ装置（self pulsating laser device）を得ることができる。

本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層は光キャビティを形成するものであってもよい。

上記の構成によれば、発光デバイスから発せられる光によって光キャビティが励起される、光学励起デバイスを得ることができる。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）は、複数の窒化物半導体層を堆積させる工程を含み、上記窒化物半導体層のうち少なくとも１つは、上記発光デバイスが光を放射したときに、当該光によって励起されるものであってもよい。

上記の構成によれば、後述する実施形態に記載のように、自励パルス発振レーザ装置を得ることができる。

本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層は、波長フィルタを構成するものであってもよい。

上記の構成によれば、上記波長フィルタは、非常に狭い周波数帯域の光のみを伝播させて、発光デバイスから放射された光を濾過する機能を有している。これにより、単一波長の光を出力することができる。

本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層は感光層を含んでいてもよい。また、本発明に係る方法では、上記窒化物半導体層は複数形成され、複数の上記窒化物半導体層はフォトダイオードを構成するものであってもよい。

上記感光性層またはフォトダイオードは、上記発光デバイスから出力された光をモニタまたは測定するために用いることができる。

本発明に係る方法では、上記発光デバイスは、リッジ導波管を備えており、上記工程（ｂ）は、当該発光デバイスの表面上に、上記窒化物半導体層を成長させる工程を含んでいてもよい。

上記の構成によれば、熱伝導率の高い１つまたは１つ以上の窒化物半導体層を発光デバイス上に成長させることによって、発光デバイスの熱抵抗を低減することができる。これによって、より高い光強度が得られると共に、より高精度にモード制御を行なうことができる。

本発明に係る方法では、上記工程（ｂ）では、上記窒化物半導体層とともに、電気的絶縁性を有する窒化物層を形成するものであってもよい。

上記の構成によれば、上記窒化物半導体層が、発光デバイスを通る電流路に影響を及ぼすことがない。

本発明に係る方法は、以上のように、窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを真空装置内に配置する工程（ａ）と、上記真空装置に活性窒素を供給し、上記発光デバイス上に、少なくとも１つの窒化物半導体層を成長させる工程（ｂ）とを含み、上記工程（ｂ）では、分子線エピタキシーを用いて上記窒化物半導体層を成長させる方法である。これにより、上記窒化物半導体層の厚さおよび組成を、極めて正確に制御することができ、かつ短時間で行なうことができる。

本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、添付した図面の説明は後にも記載する。

＜好ましい実施形態の詳細な説明＞
本発明では、プラズマアシスト成長法（例えばプラズマアシストＭＢＥ等）を用いて、窒化物半導体を加工してなる発光デバイス上に少なくとも一つの窒化物半導体層を堆積させて、当該発光デバイスの発光特性を向上させる。

〔実施形態１〕
まず、図１を用いて、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る方法の主なステップを段階的に示した図であり、（ａ）は窒化物半導体を加工してなる発光デバイス構造体１’の構成を模式的に示しており、（ｂ）はＭＢＥにより窒化物半導体層を成長させる様子を模式的に示しており、（ｃ）は発光デバイス構造体１’が本発明に係る方法によって処理された後の改良発光デバイス構造体１の構成を模式的に示している。

なお、本明細書において「窒化物半導体を加工してなる発光デバイス」とは、窒化物半導体を加工することで得られる発光デバイスを意味する。例えば、窒化物半導体発光素子を加工して得た窒化物レーザダイオードや窒化物発光ダイオード等の窒化物半導体光電子デバイスや、窒化物半導体発光素子の加工品等を意味する。

本発明では、まず第１に、何らかの方法で窒化物半導体を加工することで得られた発光デバイス構造体（窒化物半導体を加工してなる発光デバイス）１’を用意する。この発光デバイス構造体１’は、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシーなど、従来用いられている任意の半導体成長技術を用いて成長させたものであってよい。発光デバイスは、ダイシング、劈開、エッチング、アニーリング、堆積、パターン形成、注入及び酸化等の工程のうち、少なくとも１つの工程が施されることによって、上述の「成長したウェハ」がさらに加工された構造体として形成される。なお、発光デバイス構造体の具体的構成としては特に限定されず、光電子デバイス等を用いればよい。

図１（ａ）は、窒化物半導体を加工してなる発光デバイス構造体１’の構成を模式的に示している。

窒化物半導体を加工してなる発光デバイス構造体１’は、真空チャンバ（例えば、ＭＢＥ成長装置の成長チャンバ等）に導入される。このチャンバ内では、図１（ｂ）に示すように、ＭＢＥによって、少なくとも一つの窒化物半導体材料層が過成長する。なお、本発明に係る方法において窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを入れる真空装置は、本実施形態のように真空チャンバであることが好ましいが、装置内に当該発光デバイスを配置可能であり、ＭＢＥによる成長が可能な装置であれば限定されない。また、ＭＢＥとしては、特に限定されるものではないが、プラズマアシストＭＢＥが好ましい。

また、このとき、上記窒化物半導体層を過成長させるための窒素種を供給するために、活性窒素が用いられる。この活性窒素としては、特に限定されるものではないが、例えばプラズマ源セル（plasma source cell）によって生成されたものを用いてもよい。

上記窒化物半導体層が過成長する間の成長温度は、一般的には、発光デバイス構造体１’の構成に応じて定めればよい。例えば、通常、金属電極を有する窒化物レーザダイオード構造体上に窒化物半導体層を過成長させるときには、金属‐半導体接触の劣化を引き起こすことなく５００℃より大きい温度で加熱することはできないとされている。このため、成長温度は５００℃以下であることが好ましい。しかし原則的には、上記窒化物半導体層を過成長させている間の成長温度は、３０℃〜１１００℃の範囲内の任意の温度を採用し得る。

本発明では、結果として、図１（ｃ）の部材番号２で示すように、発光デバイス構造体１’上に、通常、少なくとも１つの窒化物半導体層２を堆積させることによって、発光特性が向上した改良発光デバイス構造体１が形成される。窒化物半導体層２によって、改良発光デバイス構造体１の発光特性は、当初の発光デバイス構造体１’の発光特性と比べて向上する。これについては後の実施形態でも説明する。

次に、個々の光電子デバイスの形成を完結させるために、必要に応じて、改良発光デバイス構造体１に、さらなる処理工程を施してもよい。本発明は、１つのみの過成長工程に限定されるものではなく、複数の処理および過成長工程を行うことができる。例えば、図１（ｃ）に示す、処理後の改良発光デバイス構造体１に対して、１つまたは１つ以上の処理工程を施した後に、１つまたは１つ以上の窒化物半導体層を過成長するための工程をさらに施してもよい。

〔実施形態２〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図２を用いて説明する。なお、図１と同様の構成を有する部材には、図１と同じ部材番号を付す。

図２は、本発明の一実施形態に係る方法によって得られる、改良発光デバイス構造体１の概略構造を示す断面図である。本実施形態では、窒化物を加工して得たレーザデバイスの発光面であるファセット６上に、少なくとも１つの窒化物半導体層２が成長する。こうして得られた改良発光デバイス構造体１は、窒化物半導体レーザ構造体３と、この窒化物半導体レーザ構造体３の上面および下面に配置された第１の電極４および第２の電極５を有している。

ＣＯＤは、空気と半導体レーザデバイスのファセットとの界面における発熱によって、当該ファセットの局所的な加熱されて、レーザダイオードのファセットの発光領域が劣化することによって、動作中の半導体レーザデバイスのファセット上で生じ得ることが知られている。これに対して、ＣＯＤが生じるリスクを軽減させるために、レーザのファセット上に、当該レーザダイオードより発せられるレーザの光子エネルギーより大きいバンドギャップを有する半導体層で形成されたウィンドウ領域を堆積させることが提案されている。例えば、特許文献６には、厚さが０．２ｎｍ〜３μｍのウィンドウ領域を堆積させて、空気と半導体との界面を移動させることで、当該界面で局所的に生じた熱を、レーザダイオードの発光領域から除く方法が開示されている。上記ウィンドウ領域の厚さは、ウィンドウ層の半導体材料とレーザ面の半導体材料との格子不整合に起因して形成される結晶欠陥を防ぐ厚さとなるように選択される。これと同様の構造物が、非特許文献１にも開示されている。この文献には、成長温度を８００℃として、ＡｌＧａＡｓ系で形成されたレーザデバイスの、複数のファセット上に、結晶品質に優れたＡｌＧａＡｓ層を成長させることが開示されている。欠陥形成を防ぐためには、（デバイス成長温度と同様の）高い堆積温度が必要である。しかし、成長温度を８００℃とすることで、レーザデバイスの加工品、特にレーザデバイス上に搭載された金属電極を損傷させる可能性がある。

これに対して、本発明に係る方法によれば、例えば約５００℃の温度にて、レーザを発するファセット６上に窒化物半導体層２を成長させることができる。このような温度では、レーザ構造体の加工品を損傷させる可能性は低い。成長温度を下げることは、ＭＢＥ成長を用いることによって可能となる。ＭＢＥ成長では、窒化物半導体層２を過成長させるための窒素種として活性窒素が供給される。これにより、窒素種を熱活性化させる必要がなくなる。

図２に示すデバイスを得るためには、ウェハとして成長させた適切な窒化物レーザダイオード構造体をリッジ導波管レーザバーに加工すればよい。リッジ導波管レーザへの加工方法はこれには、Kauerらによる、非特許文献２に記載されている。本発明に係る方法により、レーザバーの加工製品のファセット上に保護層を過成長させるためには、結晶の成長が可能なように上記レーザバーの劈開面を露出させて、ＭＢＥ反応装置の成長チャンバ内に当該レーザバーを挿入する。当該レーザバーは、約５００℃の成長温度まで加熱される。そして、厚さが約１００ｎｍのＡｌＧａＮ層を、ＭＢＥによってレーザの発光面であるファセット６上に堆積させる。ＭＢＥ成長に用いるための活性窒素をプラズマセルによって供給した後、従来公知のＭＢＥ源セル（例えばＫセル）によって、アルミニウムおよびガリウムを供給する。この成長工程の結果として、図２に示す、改良発光デバイス構造体１が得られる。これがレーザバーである。

本発明に係る方法によって処理されたレーザバー（改良発光デバイス構造体１）は、ＭＢＥ反応装置の成長チャンバから回収され、個々のレーザデバイスを製造するための処理工程がさらに施される。さらに施す処理工程としては、例えば、高反射型ミラー（例えば多層誘電体ブラッグミラー）を用いて、各レーザバーの反対側のファセット６’をコーティングする工程、およびレーザバーを個々のデバイスに劈開する工程等が挙げられる。

特許文献７は、ＩＩＩ−Ｖ半導体レーザの少なくとも１つのファセット上における天然窒化物層（native nitride layer）の形成について開示している。ここでは、レーザファセットに窒素イオンビームを放射する窒化物形成方法が用いられている。しかしこの方法は、レーザの活性領域を破損させる可能性があり、また薄い窒化物層のみしか形成することができない。

特許文献８には、ＩＩＩ−Ｖレーザダイオード上にファセット保護層を成長させる方法が開示されている。この方法は、ウェハを、成長チャンバ内においてin-situ劈開してファセットを形成した後に、ファセット保護層を過成長させる工程を含んでいる。しかしこのin-situでファセットを劈開する工程は、実施が困難である。本発明による方法は、汚染のないファセットを露出するためのin-situ劈開が不要である。なぜなら、窒化物面上で酸化物形成されることが少なく、またＭＢＥ成長処理において行われるプラズマ窒化物形成工程にて用いられるＭＢＥ成長処理が、十分にファセットから自然酸化物を除去するからである。例えば活性窒素の供給を、その他の成分を供給する前に開始して、自然酸化物層を面から除去して、その後に窒化物上層を成長させてもよい。しかし、通常、自然酸化物層は薄い層であるため、これは必ずしも必要ではない。

〔実施形態３〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図３を用いて説明する。なお、図３において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図３は、本発明の別の実施形態に係る方法の基本的な工程を示す図であり、（ａ）はエッチングの工程を示し、（ｂ）は再成長の工程を示し、（ｃ）は劈開の工程を示す。この方法もまた、窒化物レーザデバイスの発光面となるファセット上にファセット保護層を成長させることに関している。本実施の形態に係る方法は、窒化物レーザバー（窒化物半導体を加工してなる発光デバイス）７において実施される。窒化物レーザバー７は、窒化物半導体レーザ構造体３上に電極５が設けられるように加工されている。また窒化物レーザバー７は、エッチングによりチャネル８が設けられている。図３にはチャネル８を１つのみ示しているが、実際には複数のチャネル８が、適宜設定された間隔（例えば１ｍｍ）で隣接して形成されている。また、チャネル８は、基板９に達するように、形成されている。なお、基板９の上部に、成長した窒化物半導体レーザ構造体３が形成されている。チャネルは、通常幅２μｍである。

次に、本発明に係る方法では、図３（ａ）に示した窒化物レーザバー７に対して、窒化物半導体レーザ構造体３の構造を複製するように、窒化物半導体層の過成長（再成長ともいえる（図３（ｂ）では再成長と記載））が施される。これらの層は、チャネル８内で形成される。本実施形態では、窒化物半導体レーザ構造体３は、図３に示すように、下部クラッド領域３ａ、導光領域３ｂ、活性領域３ｄ（本実施形態では、量子井戸活性領域（ＱＷ活性領域））、導光領域３ｅ、および上部クラッド領域３ｃから形成されている。また、過成長により形成される窒化物層は、第１の層２ａと、第２の層２ｂと、第３の層２ｃとを備えている。第１の層２ａの組成および厚さは、窒化物半導体レーザ構造体３の下部クラッド領域３ａの組成および厚さと一致する。第２の層２ｂの組成は、窒化物半導体レーザ構造体３の導光領域３ｂおよび３ｅに通常一致する。また第２の層２ｂの厚さは、通常、導光領域３ｂ、活性領域３ｄおよび導光領域３ｅを組み合わせた厚さに等しい。第３の層２ｃの組成および厚さは、窒化物半導体レーザ構造体３の上部クラッド領域３ｃに、通常一致する。窒化物半導体レーザ構造体３にさらに別の層を形成する必要がある場合、レーザバー上に成長させる窒化物層は、当該別の層と、厚さ、組成、および位置が一致する更なる層を有していることが好ましい。なお、図３（ｂ）に示すレーザバーは、過成長により窒化物半導体の層２ａ〜２ｃを形成した後の状態のものである。

図３に示す本実施形態では、上部クラッド領域３ｃおよび下部クラッド領域３ａは、実質、非ドープである。この場合、過成長により形成した第１の層２ａおよび第３の層２ｃもまた、実質的に非ドープであることが好ましい。過成長により形成した第２の層２ｂもまた、実質的に非ドープであってもよい。

チャネル８内で成長した層２ｂは、発光のための活性層を有していないため「不活性導波管（inactive waveguide）」または「受動導波管（passive waveguide）」を形成する。窒化物半導体レーザ構造体３の導光領域３ｂ、活性領域３ｄおよび導光領域３ｅは、層２ｂによって形成された不活性導波管に沿って又はこの不活性導波管の内部に、並べられている必要がある。これによって光が効果的に導かれる。

窒化物半導体の層２ａ〜２ｃを過成長させる工程中に、電極５上に堆積する物質はいずれも、任意の適切な技術（例えばウェットまたはドライエッチング、あるいは適切なリフトオフ技術）を用いて除去することができる。

次に、図３（ｃ）に示すように、過成長させた窒化物レーザバー７を、チャネル８を通して劈開して、個々のレーザデバイスのファセット６を構成する。

本実施の形態、つまり、図３（ａ）〜（ｃ）に示した方法は、レーザを発するファセット上に施されたコーティングが、レーザダイオード（窒化物半導体レーザ構造体３）の導光領域３ｂに平行に広がる層であって、導光領域として機能する層である層２ｂを含んでいるという利点を有している。これによって得られるレーザダイオードが放射するレーザビームのプロファイルが改善される。

本発明は、レーザダイオードが有する二つのファセットが共に１つの過成長工程においてコーティング可能であるため、過成長手順が簡素かつ迅速であるというさらなる利点を有している。

〔実施形態４〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図４〜６を用いて説明する。なお、図４において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図４は、本発明の別の実施形態に係る改良発光デバイス構造体１の概略構造を示す断面図である。この改良発光デバイス構造体１は、発光特性を向上させるために、本発明に係る方法に従って、少なくとも１つの窒化物半導体層が過成長により形成されている。図４に示す改良発光デバイス構造体１は、その最上面上に窒化物半導体層２が堆積している。しかし、本実施形態では、窒化物半導体層２を、発光デバイスの発光面上に成長させることによって実施してもよい。なお、本実施形態における窒化物半導体層２は、後述の図７に示す蛍光体層と同様に蛍光体層としても機能するので、図４においても「蛍光体層」と記載している。

本実施形態では、改良発光デバイス構造体１上に、過成長で形成された窒化物半導体層２は、改良発光デバイス構造体１の使用時（本実施の形態に係る方法で処理されることで、窒化物半導体層２が形成された後の発光デバイス構造体１’で光を放射するとき）に、発光デバイスが放射する光によって光学的に励起される層を、少なくとも１つ有している。これにより、上記改良発光デバイス構造体１によって放射された光のスペクトルを変化させることができる。例えば、改良発光デバイス構造体１を窒化物レーザデバイス（例えばレーザダイオード）、または青色光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成した場合、レーザダイオードまたはＬＥＤからの光によって励起された時に赤色光を生成する層を含む複数の層と、レーザダイオードまたはＬＥＤが放射した光によって励起された時にスペクトルの緑色領域の光を生成する１つの層と、レーザダイオードまたはＬＥＤからの光によって励起された時にスペクトルの青色領域の光を生成する１つの層とが過成長により形成される。これによって、レーザダイオードまたはＬＥＤは白色光を出力する。（過成長により形成されたこれらの層は、レーザダイオードまたはＬＥＤによって放射された全ての青色光を吸収するわけではない。レーザダイオードまたはＬＥＤからの当初出力された光であって、吸収されなかった光もまた、デバイスからの全体的な出力に関与している。）
使用時に、改良発光デバイス構造体１が放射した光によって光学的に励起される窒化物半導体層２を得るための簡便な一方法として、窒化物半導体層２内にフォトルミネセンス種を含ませる方法が挙げられる。このフォトルミネセンス種は、上記窒化物半導体層２に光が照射された時に、その光の一部を吸収して再放射する。フォトルミネセンス種としては、光の一部を吸収して再放射するものであれば限定されず、例えば希土類元素が挙げられる。また、フォトルミネセンス種は１種類でもよく複数種類でもよい。

窒化物レーザダイオードまたはＬＥＤからの青色光によって励起された時に、スペクトルの赤色領域の光を生成するための適切な物質は、フォトルミネセンス種としてユウロピウムを含有するＡｌＧａＩｎＮである。同様に、フォトルミネセンス種としてエルビウムを含有するＡｌＧａＩｎＮは、窒化物レーザダイオードまたはＬＥＤからの青色光によって励起された時に緑色光を生成する。フォトルミネセンス種としてのツリウムによってドープされたＡｌＧａＩｎＮの層は、窒化物レーザダイオードまたはＬＥＤからの青色光によって励起された時に、スペクトルの青色領域の光を放射する。

ここで、図５は、希土類元素のＥＬスペクトルおよびＰＬスペクトルを示す図であり、（ａ）は、様々な希土類元素によってＧａＮドープされた典型的なエレクトロルミネセンススペクトルを示しており、（ｂ）は２つの異なるサイズのＣｄＳｅナノ結晶のフォトルミネセンスおよびエレクトロルミネセンススペクトルを示している。図５（ａ）に示すように、窒化物レーザダイオードまたはＬＥＤからの青色光は、過成長により形成された窒化物半導体層内の希土類ドーパントの放射遷移を光励起する（この図はエレクトロルミネセンススペクトルを示しているが、対応するエレクトロルミネセンススペクトルも同様となる。）。なお、図５（ｂ）については後述する。

図４に示す改良発光デバイス構造体１は、窒化物半導体レーザ構造体３上に電極４および電極５が設けられるように加工された窒化物レーザダイオードまたはＬＥＤ上で、本発明による方法を実施することで得ればよい。個々のデバイスを形成するためのウェハのダイシングがまだ実施されていないため、ウェハ上には、多数のレーザーダイオードまたはＬＥＤに対応する電極が備えられている。しかし図４には、分かりやすくするために、１つのレーザダイオードまたはＬＥＤと対応する電極のみを示している。図４に示すように、部材番号２で示す窒化物半導体層は、レーザダイオードまたはＬＥＤの上面の一部に成長するか、あるいはデバイスの発光面上に成長する。本実施形態において成長させる窒化物半導体層は、レーザダイオードまたはＬＥＤからの光によって光学的に励起されると光を再放射する。

好ましい一実施形態では、過成長により形成された窒化物半導体層２の組成は、デバイスの使用時に白色光を出力するように選択される。しかし、本実施形態はこれに限定されるものではなく、過成長により形成された窒化物半導体層２の組成は、所望の任意のスペクトル特性が得られるように選択してもよい。

ここで、図６を用いて、白色光を出力する窒化物半導体層について説明する。図６は、発光デバイス内に封入された希土類元素またはナノ結晶の構造を示す概略図であり、（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、発光デバイス内に封入された希土類元素およびナノ結晶の構造の一例を示している。

図６（ａ）に示す１つの窒化物半導体層２の構造によれば、白色光の出力を得ることができる。本実施形態に係る窒化物半導体層（本実施形態では、ＡｌＧａＩｎＮ層）２は、３種類の希土類元素（フォトルミネセンス種）１０、１１および１２を含有している。希土類元素１０、１１および１２は、レーザダイオードまたはＬＥＤからの光によって励起されたときに、３つの異なる波長の光を再放射する。従って、レーザダイオードまたはＬＥＤからの光によって窒化物半導体層２が照射されたとき、出力光は、第１の希土類元素１０によって再放射された光と、第２の希土類元素１１によって再放射された光と、第３の希土類元素１２によって再放射された光と、レーザダイオードまたはＬＥＤからの最初に出力された光の一部であって、希土類元素１０〜１２によって吸収されることなく上記窒化物半導体層２を透過する光と、を含んでいる。

図６（ｂ）に示す窒化物半導体層２は、図６（ａ）に示したものは別の構造である。ここでは、レーザダイオードまたはＬＥＤ上に、３つの別々の窒化物半導体層である層２ａ、２ｂおよび２ｃが堆積されている。第１の層２ａは、レーザダイオードまたはＬＥＤが放射した光によって励起された時に第１の波長の光を放射する希土類元素１２を１種類含有している。第２の層２ｂは、第２の波長の光を放射する第２の希土類元素１１を１種類含有している。第３の層２ｃは、第３の波長の光を放射する第３の希土類元素１０を１種類含有している。このような構造によっても白色光を出力することができる。本実施形態においても、層２ａ、２ｂおよび２ｃは、ＡｌＧａＩｎＮ層とすればよい。

さらに、別の実施形態において、レーザダイオードまたはＬＥＤからの光によって励起された時に光を再放射するナノ結晶は、レーザダイオードまたはＬＥＤの表面上に堆積させてもよい。これらのナノ結晶は、本発明に係る方法によって、窒化物半導体層（例えばＡｌＧａＩｎＮ層）と共に過成長する。この実施形態では、これらナノ結晶の発光波長は、当該ナノ結晶のサイズによって決定される。従って、白色光を放射する発光デバイスを得る場合、３つの異なるサイズのナノ結晶を供給すればよい。図５（ｂ）に、２つの異なるサイズのＣｄＳｅナノ結晶のフォトルミネセンスおよびエレクトロルミネセンススペクトルを示す。図５（ｂ）に「ａ」および「ｂ」によって示す曲線は、それぞれ、３．４ｎｍナノ結晶および２．５ｎｍナノ結晶に関連している。実線の曲線はフォトルミネセンススペクトルを示し、破線の曲線はエレクトロルミネセンススペクトルを示している。

本実施形態では、ナノ結晶は、図６（ｃ）に示すように、サイズが互いに異なるナノ結晶１３ａ、１３ｂおよび１３ｃを含有した混合層として堆積させてもよい。次に、このナノ結晶の混合層上は、窒化物半導体層２（例えばＡｌＧａＩｎＮ層）で覆われる。上記ナノ結晶の混合層は、ＬＥＤまたはレーザダイオードの上面上に直接設けてもよい。あるいは上記ナノ結晶の混合層は、ＬＥＤまたはレーザダイオードの上面上に成長された窒化物半導体層（例えばＡｌＧａＩｎＮ層）上に設けてもよい。

また、ナノ結晶は、１つの公称寸法のナノ結晶をそれぞれ含有する２つまたは２つ以上の別々の層として設ける構成にしてもよい。図６（ｄ）に示す実施形態は、このような構成を有している。図６（ｄ）では、ナノ結晶は、第１のサイズを有するナノ結晶１３ａの第１の層、第２のサイズを有するナノ結晶１３ｂの第２の層、および第３のサイズを有するナノ結晶１３ｃの第３の層として設けられる。ナノ結晶の各層は、窒化物半導体層（例えばＡｌＧａＩｎＮの層である層２ａおよび２ｂ）によって隔てられている。各層２ａおよび２ｂは、本発明による一方法により処理された、窒化物レーザダイオードまたはＬＥＤ上に成長する。必要であれば、ナノ結晶の最上層上に、さらに別の窒化物半導体層を設けてもよい。

上述のナノ結晶として、窒化物ナノ結晶（例えばＩｎＧａＮナノ結晶）を用いる実施形態では、ナノ結晶層を、本発明に係る方法、すなわち真空チャンバ内において活性化窒素を用いて成長させる方法によって堆積させればよい。非窒化物ナノ結晶（例えばＣｄＳｅナノ結晶）を用いる実施形態では、これらは別々の処理工程で堆積させればよい。

このように白色光を出力する本発明の実施形態により形成された発光デバイスは、例えば家庭および企業用の白色光、またはモバイル機器およびプロジェクタ用のバックライトを提供するデバイスとして用いることができる。これらは、消費するエネルギー量が少なく電流式の「熱フィラメント」またはガス放電光源を提供することができる。さらにこれらのデバイスは、従来のＬＥＤより寿命を長く、かつより小型にできる可能性もある。

例えば特許文献９および特許文献１０には、主光源から放射された光を、より低い光子エネルギーの光へ変換するために、コロイド量子ドットまたはナノ結晶を用いることが記載されているこれらの文献には、量子ドットまたはナノ結晶をホストマトリックス内に配置して、主光源からの光を光子エネルギーのより低い光へと変換することが開示されている。特許文献１０では、ナノ結晶のサイズを変えて発光波長を制御するのではなく、ナノ結晶に金属イオンを添加して発光波長を制御している。

〔実施形態５〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図７を用いて説明する。なお、図７において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図７は、本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの概略断面図であり、（ａ）は、チャネル１４が窒化物半導体レーザ構造体３上の最上層２４内に構成されている形態を示し、（ｂ）は、チャネル１４が発光デバイスの最上層２４を貫いて上部クラッド領域３ｃまで伸び形成されている形態を示す。本実施形態では、本発明に係る方法によって、窒化物半導体を加工してなる発光デバイス上に蛍光体層を過成長させる。本実施形態では、発光デバイスから発せられた光によって励起されることで光を再放射する少なくとも１つの窒化物半導体層（通常、部材番号２で示す）が、本発明に係る方法によって処理される発光デバイス上に成長する。この発光デバイスは、例えば、空洞共振器型ＬＥＤ（ＲＣＬＥＤ）または面発光型垂直共振器レーザ（ＶＣＳＥＬ）であってもよい。単一波長の光を再放射する層を用いる場合、単一色の光源を得ることができる。しかし、異なる再発光波長を有する複数の窒化物半導体層２を形成することによって、多色光源あるいは白色光源までも得ることもできる。

本実施形態では、レーザデバイスまたはＬＥＤ上の基板９上に、窒化物半導体レーザ構造体３を成長させている。図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、窒化物半導体レーザ構造体３は、下部クラッド領域３ａ、導光領域３ｂ、および上部クラッド領域３ｃからなる構造を有している。上記下部クラッド領域３ａおよび上部クラッド領域３ｃは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を形成するために積み重ねらた層によって形成されている。しかし本発明は、このような層構造に限定されるものではない。

上記レーザデバイスまたはＬＥＤは、特に、当該レーザダイオードまたはＬＥＤの上部発光面領域内にチャネル１４が形成されるように処理されている。図７（ａ）に示す形態では、チャネル１４は、窒化物半導体レーザ構造体３の最上層２４内に構成されている。一方、図７（ｂ）に示す形態では、デバイスの最上層２４を貫いて上部クラッド領域３ｃまで伸びるチャネル１４が形成されている。次に、例えば１種類以上の希土類元素が添加された、少なくとも１つの窒化物半導体層２を、本発明に係る方法によってチャネル１４内に過成長させて、レーザデバイスまたはＬＥＤの発光特性を向上させる。白色光を放射するデバイスを所望する場合、上記窒化物半導体層は、例えば上述の図６（ａ）または（ｂ）のいずれかに示されているように構成してもよい。また、上記窒化物半導体層は、例えば図６（ｃ）または（ｄ）に示されているような、ナノ結晶を含んでいてもよい。

過成長させて上記窒化物半導体層は、図７（ａ）に示すように、最上層２４の上に突出してもよい。または、過成長させた上記窒化物半導体層の上面は、図７（ｂ）に示すように、最上層２４の上面と高さが同じであってもよく、ほぼ同じ高さであってもよい。

白色発光ＲＣＬＥＤまたは白色発光ＶＣＳＥＬは、抽出効率が高く、上面から発光し、光の薄型の導波管（例えば４００μｍ未満）へ効率的な連結に役立つ微細な発光領域を持つという利点を有している。光を薄型導波管に効率的に連結できる点は、発光デバイスを液晶ディスプレイ用のバックライトとして用いる場合に特に有用である。本実施形態は、さらなる利点を有している。つまり、従来技術では、空洞共振器型ＬＥＤアレイを提供する試みでは、指向性白色発光ＬＥＤが用いられている。この試みでは、各々のライトが異なる色の光を放射し、上記アレイから全体的に出力することによって、観測者には白色が見える。このようなアレイは、特許文献１１に開示されている。しかし、図７（ａ）または図７（ｂ）に示す実施形態に係る発光デバイスでは、ＲＣＬＥＤまたはＶＣＳＥＬが単一波長の光を放射する。この単一波長の光が、過成長により形成した蛍光体層を光学的に励起するので、白色発光（あるいは、所望するその他任意の発光スペクトル）を得ることができる点で有利である。さらに、このような発光デバイスは、簡易かつ容易に製造することができる。

〔実施形態６〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図８を用いて説明する。なお、図８において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図８は、本発明の別の実施形態によって得られるデバイスの概略構造を示す図である。本実施形態では、窒化物半導体を加工してなる発光デバイス（例えば、窒化物半導体を加工してなる発光デバイス構造体１’）のファセット６上に、複数の窒化物半導体層の層２ａ〜２ｅが成長する。本実施形態において成長した窒化物半導体層の層２ａ〜２ｅは、レーザ発光領域１５を含む、光学的に励起されるレーザ構造体を構成している。図８に示すように、レーザ発光領域１５は、過成長した複数の窒化物半導体層の内の１つの層２ｃによって構成された領域である。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザ発光領域は複数の窒化物半導体層によって形成されていてもよい。窒化物半導体層の層２ａ〜２ｅは、発光デバイス構造体１’のファセットコーティングを構成している。発光デバイス構造体１’のファセットは、発光デバイス構造体１’及び層２ａの界面と、発光デバイス構造体１’の左側のファセットとである。また、層２ａ〜２ｅによって形成され、光学的に励起されるデバイスのファセットは、発光デバイス構造体１’及び層２ａの界面と、層２ｅの右側のファセットである。

発光デバイス構造体１’によって放射された光は吸収され、層２ａ〜２ｅのレーザ発光領域１５を光学的に励起する。レーザ発光領域１５は、レーザ発光を生じるように光キャビティ１６内に配置されている。レーザ発光領域１５は、所望の波長の発光を得るために、例えば希土類元素がドープされたＡｌＧａＩｎＮ層であってもよい。例えば、ＡｌＧａＩｎＮのレーザ発光領域１５内において、希土類ドーパントとしてエルビウムが用いられた場合、スペクトルの緑色波長領域の光を放射するレーザが得られる。さらに別の例として、発光デバイス構造体１’としてレーザダイオードを用い、当該レーザダイオードが青色波長領域のスペクトルの光を放射し、エルビウムがドープされたＡｌＧａＩｎＮの発光領域が一つのファセット上に設けられ、ユウロピウムがドープされたＡｌＧａＩｎＮの発光領域が別のファセット上に設けられている場合、赤色、緑色、および青色領域のスペクトルの発光成分を持つ出力スペクトルを有するレーザが得られる。（発光スペクトルの青色部分は、層２ａ〜２ｅによって吸収されずに上記デバイスからの全体的な光学出力に関与する、発光デバイス構造体１’からの光によって生じる。）
図８に示す構造体内では、窒化物半導体層の層２ａおよび２ｅによる第１のレーザおよび最後のレーザがクラッド層を形成する。レーザ発光領域１５を取り囲む層２ｂおよび２ｄは、光キャビティ１６を構成する導光領域として機能する。レーザ発光領域１５が適切にドープされたＡｌＧａＩｎＮの層である場合、当該ＡｌＧａＩｎＮはその他の層２ａ、２ｂ、２ｄ、および２ｅに対してもまた好適な物質となる。なお、吸収を防ぐために、従来のレーザダイオードと同様に、クラッド領域である層２ａ、２ｅおよび導光領域である層２ｂ、２ｄのバンドギャップは、発せられた光の光子エネルギーより大きくする必要がある。

本実施形態は、レーザ発光領域１５として、ドープされたＡｌＩｎＧａＮ層を用いることに限定されるものではない。レーザ発光領域１５として、単一のＩｎＧａＮ層を用いてもよく、又は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＩｎＮ層が互いに交互した多層構造を用いてもよい。緑色領域のスペクトルの光を発するレーザデバイスを得るための、典型的な、過成長により形成される層構造としては、ＡｌＧａＮ（クラッド領域として機能する層２ａ）−ＧａＮ（導波領域として機能する層２ｂ）−ＩｎＧａＮ（発光層として機能する層２ｃ）−ＧａＮ（導波領域として機能する層２ｄ）−ＡｌＧａＮ（クラッド領域として機能する層２ｅ）という構造が挙げられる。上記ＧａＮ層は導波層として機能し、これらＧａＮ層の厚さは、ＩｎＧａＮ層によって放射されたレーザ光のための光キャビティを生成するように選択される。このとき当該ＩｎＧａＮ層は、ドーピングされていないことが好ましい。

ＡｌＧａＩｎＮ発光層を用いた場合と同様に、青色レーザダイオードの１つのファセット上に赤色発光層を備え、隣接する１つのファセット上に緑色発光層を備えることによって、ＩｎＧａＮ発光領域にスペクトルの赤色、緑色および青色領域を形成することができる。

本実施形態は、ナノ粒子を含むレーザ発光領域１５を用いてもよい。この場合、まず、クラッドおよびキャビティ領域の半分の部分を、本発明に係る方法に従って成長させる。次に、ナノ粒子を上記キャビティに堆積させる。これらナノ粒子は、例えばＣｄＳｅナノ粒子である。最後に、上記キャビティおよびクラッド領域の残りの半分の部分を、本発明に係る方法によって成長させればよい。

ＧａＮや他の物質に対する希土類元素のドーピングに関する情報は、非特許文献３に記載されている。

〔実施形態７〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図９を用いて説明する。なお、図９において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図９は、本発明の別の実施形態に係る方法によって得られる発光デバイスの構造を示す図であり、（ａ）は本発明の別の実施形態に係る方法によって得られる発光デバイスの構造を示し、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す。本実施形態では、例えばドライエッチング技術を用いてリッジ導波管構造体１７を構成することによって、従来の埋め込みヘテロ構造レーザデバイスを形成するために加工された、発光デバイス構造体１’を用いている。

本実施形態では、本発明に係る方法によって、リッジ導波管構造体１７上に絶縁（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層が成長して、リッジ導波管構造体１７が埋め込まれる。過成長により形成された（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ材料は、熱伝導率が高い。このため、本発明に係る方法によって処理された発光デバイス構造体１’（例えばレーザダイオード）の熱抵抗は、誘電体材料によってリッジをコーティングする従来公知の構造より大幅に低減されている。従って本発明の本実施形態によって、より高い光強度を有し、かつ、よりよいモード制御が可能なレーザダイオード等の発光デバイスが得られる。

また、本実施形態に係る方法は、通常、ウェハのｐ型最上面を金属化してｐ型の電極５を形成し、さらに上記レーザ構造をエッチングしてリッジ導波管構造体１７を構成するように加工されたレーザダイオード等のレーザデバイス上で実施してもよい。加工された上記ウェハは、ＭＢＥ反応装置の成長チャンバ内に、金属化された上記リッジ面が原材料に曝露されるように挿入される。成長温度は約５００℃まで上げられ、レーザダイオードのウェハの上面上に、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層である窒化物半導体層２（例えばＡｌＧａＮ層）が堆積する。このとき、（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層である窒化物半導体層２は、その厚さがリッジ導波管構造体１７の高さと等しいか、あるいはこれより高くなるように、堆積する。また、ＭＢＥ成長に用いる活性窒素をプラズマセルによって供給し、アルミニウムおよびガリウムを、従来公知のＭＢＥソースセル（source cell）によって供給すればよい。次に、過成長を行なった後の構造体をＭＢＥ成長チャンバから回収して、リッジ導波管構造体１７上の電極５が露出するまで、過成長させた光（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎ層である窒化物半導体層２をエッチバックすることで、図９（ａ）に示す構造体を得ることができる。

このようにして得られたレーザダイオードに、さらなる処理工程を施して、個々のレーザデバイスを形成することも可能である。例えば、当該レーザダイオードの基板を薄化してもよく、上面に別の金属層を堆積させて上部電極を形成してもよく、底面に電極を形成してもよく、レーザダイオードの代わりにウェハを製造した場合は、当該ウェハを劈開して個々のデバイスを形成してもよい。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の実施形態に変更を加えたものである。変更を加えたこの実施形態では、過成長により形成した窒化物半導体層２は、その上面の高さが金属の層として形成されている電極５の上面の高さと同じになるまでエッチバックされる。次に、金属の層である電極５’が、最初の電極５上、および過成長により形成された窒化物半導体層２の上面上の少なくとも一部に堆積する。

特許文献１２に開示されている、周知のデバイスを図１０に示す。図１０は、従来技術による埋め込みヘテロ接合レーザ装置の概略構成を示す断面図である。図１０に示すように、このデバイスは、電流制限層（current confinement layer）として機能する、エッチングされたＡｌＩｎ層１８を有している。ＡｌＮ電流遮断層上には、ＭＯＣＶＤによってＧａＮ層１９が設けられている。このＧａＮ層１９は具体的にはＡｌＧａＮクラッド層で構成されている。ＧａＮ層１９は、導電するようにｐ型ドープされている。同様のデバイスが、非特許文献４にも開示されている。この文献には、エッチングされたＳｉＯ_２を過成長させた層を有する、レーザダイオードが記載されている。ここでもまた、過成長させた導電性のｐ型層が必要である。

特許文献１３には、リッジ導波管構造体が埋め込み層で覆われた窒化物レーザダイオードについて記載されている。しかし、この米国特許では、最高で９００℃という過成長温度を用いる。これにより、処理されるレーザダイオードが劣化する可能性がある。

〔実施形態８〕
本発明は、別の実施形態において、窒化物レーザダイオードの発光ファセット上に、少なくとも一つの窒化物半導体層を成長させることで、上述の図２に示すような形態のデバイスを得ることができる。ただし、ここでは、発光ファセット上に成長させた上記窒化物半導体層は、レーザダイオード等の改良発光デバイス構造体１によって放射される光を吸収する層を、少なくとも１つ有する場合について説明する。過成長により形成され、吸収層として機能する窒化物半導体層は、飽和状態となるまでレーザからの光を吸収する。そして、飽和状態になると、レーザ光は当該窒化物半導体層を透過する。この吸収層である窒化物半導体層内のキャリアの寿命が、レーザダイオード内のキャリアの寿命より短い場合、当該窒化物半導体層は当該レーザダイオードからの光を再び吸収し始める。従って、過成長により形成した窒化物半導体層は可飽和吸収体として機能し、得られるデバイスは自励パルス発振レーザデバイスとして機能する。

また、この実施形態において、上述した可飽和吸収体として機能する窒化物半導体層（可飽和吸収層）は、例えばＩｎＧａＮ層であってもよく、あるいは複数の可飽和吸収層を備えたＩｎＧａＮ／ＧａＮ多層構造であってもよい。所望であれば、この可飽和吸収層上にブラッグミラー構造体を成長させて、自励パルス発振効果を高める光キャビティを形成することもできる。ブラッグミラーは、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ多層構造から形成することができる。

周知であるように、自励パルス発振レーザダイオードは光ピックアップシステム内のノイズを低減することができるものであるため、高価なフィードバック回路は不要である。よって、本発明によれば、自励パルス発振レーザーレーザーダイオードの簡便な製造方法を提供することもできる。

〔実施形態９〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図１１を用いて説明する。なお、図１１において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図１１は、本発明に係る方法によって得られる発光デバイスの概略構成を示す断面図である。図１１に示す発光デバイスは、窒化物半導体を加工した端面発光型の発光デバイス構造体１’を有している。本実施形態における発光デバイス構造体１’はレーザを発するデバイスである。この発光デバイス構造体１’は、その１つのファセット６上に、少なくとも１つの窒化物半導体層２を有している。

窒化物半導体層２は光キャビティを形成している。当該光キャビティは、非常に狭い周波数帯の光のみを伝播させるものであり、発光デバイス構造体１’から放射された光のフィルターとして機能する。よって、図１１に示すデバイスは、例えば光データストレージシステムとして用いる、単一波長のレーザによる操作を可能とする。

上記光キャビティを形成する窒化物半導体層２は、図１１に示すように、単一の層で形成してもよく（すなわち、単一層のエピタキシャルキャビティ）、あるいは複数の層で形成してもよい（すなわち、多層のエピタキシャルキャビティ）。この場合窒化物半導体層の材料として一般的なものは、単一層または多層であって所望の出力波長の複数倍の光学層厚であるキャビティ層を有する、ＧａＮである。

本実施形態では、上述のように、窒化物半導体を加工した端面発光型の発光デバイス構造体１’に対して、本発明に係る方法を施す。光キャビティを形成している窒化物半導体層２は、本発明に係る方法に従って、発光デバイス構造体１’のファセット６上に設けられる。これらの層は、真空チャンバ内において、成長プロセスのための窒素を供給しながら、窒素プラズマを用いることで成長させる。

レーザを発するファセット６の反対側のファセット６’上に、例えばブラッグミラーなどの反射構造体を設けてもよい。本実施形態では反射構造体として層１６を設けている。この場合、反射構造体を形成する層１６は、本発明に係る方法によって堆積させることが好ましい。

光キャビティを形成する窒化物半導体層２が堆積する前に、発光デバイス構造体１’の面上に「中間層２ｚ」を堆積させてもよい。これにより、組成が均一な物質（例えばＡｌＧａＮ）の面上にキャビティを堆積させるようにすれば、光キャビティ領域を良質にすることができる。

レーザからの出力波長または光モードを濾過するためのキャビティを備えたレーザ構造体は、例えば特許文献１４および特許文献１５に開示されている。これらの従来技術によるデバイスは、キャビティ用に誘電体層を用いる。しかしこれらの誘電体層は、熱伝導率、およびレーザデバイスの材料との熱的不整合に乏しいという問題点を有している。

〔実施形態１０〕
次に、本発明に係る別の実施形態について図１２を用いて説明する。なお、図１２において、これまでに説明した図と同様の構成を有する部材には当該図と同じ部材番号を付す。

図１２は、本発明の別の実施形態によって得られる発光デバイスの概略構成を示す断面図である。図１２に示す発光デバイスは、一つの発光面であるファセット上にフォトダイオードを形成したものである。本実施形態では、窒化物半導体を加工してなる発光デバイス構造体１’の発光面であるファセット６上に、例えば窒化物レーザダイオードなどの、複数の窒化物半導体層（通常は部材番号２で示す）が成長する。図１２に示すデバイスでは、上記ファセット上に成長させた窒化物半導体層２が、例えばフォトダイオードなどの感光デバイスを構成している。図１２に示す実施形態では、得られた改良発光デバイス構造体１のファセット６上に、４つの層２ａ〜２ｄが堆積している。これらの層は、それぞれ、順に、絶縁層、ｎ型ドープ層、光伝導層、ｐ型ドープ層として機能する。つまり、層２ａは、これまでの実施形態では、窒化物半導体層であったが、本実施形態では電気的絶縁性を有する窒化物層である。このように、本発明では、電気的絶縁性を有する窒化物層を形成してもよい。

また、層２ａ〜２ｄは、例えば（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ層であってよく、層２ｃは、改良発光デバイス構造体１の発光波長と適合するように選択することもできる。多くの実施形態において、層２ｃとして、ＩｎＧａＮ光伝導層が好ましい。ＩｎＧａＮ光伝導層は、原理的に、１８００ｎｍ未満の任意の発光波長に用いることができる（これは、層２ｃに対してＩｎＮを用いることとも一致する）。

層２ｃの両側の層には、第１の電極１８ａおよび第２の電極１８ｂが設けられている。図１２に示す実施形態では、第１の電極１８ａは層２ｄ上に備えられており、第２の電極１８ｂは層２ｄ上に備えられている。これによって、光伝導領域でもある層２ｃ内において発生する電流を、測定またはモニタすることができる。

図１２に示すデバイスを使用するとき、本実施形態に係る発光デバイス構造体１’が動作している場合には、レーザからの光は、層２ｃを透過して電流を生成する。層２ｃ内において生成される電流の大きさは、発光デバイス構造体１’からの光出力強度に依存している。従って、本実施形態によれば、レーザの性能をモニタすることができ、さらにレーザ動作のあらゆる異常を発見して、レーザの故障の可能性を警告することができる。所望であれば、フォトダイオードからの出力電流と発光デバイス構造体１’用の駆動電流との間にフィードバックループを備えて、レーザへの駆動電流を変化させて、レーザからの光出力の強度を一定に維持することもできる。従って、過成長により形成した層は、フィードバック回路の必須素子として、レーザの光出力安定性を向上させる。

レーザデバイスに別々のモニタフォトダイオードを備えること自体は知られている。これは、特許文献１６に開示されている。しかしこれらの従来技術では、フォトダイオードはレーザダイオードと一体化されていない。一方、本実施形態では、発光デバイス構造体１’とフォトダイオードとを１つの部品内に形成することによって、その部品の外形寸法を小さくすることができる。さらに、フォトダイオードの光伝導領域である層２ｃが、レーザデバイスからの出力光の方向と垂直な面内にあるため、光伝導層でもある層２ｃ内に発生する光電流の大きさが最大になる。

層２ａ〜２ｄは、本発明に係る方法によって堆積させることができる。この方法では、発光デバイス構造体１’を真空チャンバ内に導入し、そしてプラズマアシスト成長法を用いて層２ａ〜２ｄを堆積させる。

また、本実施形態は、図１２に示す特定のフォトダイオード構造に限定されるものではない。例えば、層２ｄと層２ｂとの間に別の電気的絶縁性を有する層を設けた、ｐ−ｉ−ｎ−ｉフォトダイオード構造を代わりに用いてもよい。

本実施形態に係る方法により処理されたデバイスであって、レーザダイオードまたはＬＥＤの発光面上に、少なくとも１つの蛍光体層を過成長により形成したデバイスは、図４に示す発光デバイスに類似したものとなる。これらの蛍光体層はナノ結晶を含んでおり、この場合、当該ナノ結晶は電気的に励起されて光を生成する。このような形態を持つデバイスは、例えば、非特許文献５の論文によって知られている。図１３は、当該論文に開示されているデバイスの構成を示す図である。図１３に示すデバイスでは、ナノ結晶１３は、ｐ型のＧａＮ層１９とｎ型のＧａＮ層２０との界面で、ＧａＮ ｐ−ｎ接合内に封入されている。ナノ結晶１３は、ｎ型およびｐ型ＧａＮ層上に備えられた電極２１および２２によって電気的に励起され、光２３を放射する。

Muellerによる上記従来技術では、ナノ結晶１３を５００℃または５００℃未満の低温において過成長させるために、低温原子線エピタキシー処理が用いられる。しかし、Muellerのこの成長技術は、ｎドープされたＧａＮに限定される。

本発明に係る方法によれば、図１３に示されているデバイスと類似したデバイスについては、まず従来の任意の成長技術（例えばＭＢＥまたはＭＯＣＶＤ）を用いて、適切な基板上にｐ型窒化物層（例えばｐ型ＧａＮ層）を堆積させることによって、成長させることが可能である。次にこのデバイスは、ｐ型層上にナノ結晶１３を堆積するように処理されることで、発光デバイスが形成される。これらのナノ結晶は有機溶液から堆積してよい。例えば、ナノ結晶を含む溶液をデバイス表面に加えればよい。

本発明に係る方法によれば、上記ナノ結晶上にｎ型層を過成長させる。つまり、本発明に係る処理に用いる発光デバイス構造体を真空チャンバ内に入れて、プラズマアシスト成長プロセスにより、図１３に示すｎ型のＧａＮ層２０に相当する層を成長させる。これによって、ＧａＮだけでなく、様々な材料系を用いてデバイスを形成することができる。

この実施形態では、ナノ結晶は、ＣｄＳｅナノ結晶またはＩｎＧａＮナノ結晶であってよい。これらのナノ結晶は、図１３に示されている構造と類似したｐ−ｎ構造内に存在していてもよく、あるいはｐ型層とｐ型層との間に絶縁層が備えられた、ｐ−ｉ−ｎ構造内に存在していてもよい。

本発明に係る方法は、窒化物半導体素子を加工してなる発光デバイスの発光特性を向上させることができるので、家庭や白色光、またはモバイル機器およびプロジェクタ用のバックライト等、様々な光学機器の製造等に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る方法の主なステップを段階的に示した図であり、（ａ）は窒化物半導体を加工してなる発光デバイス構造体の構成を模式的に示しており、（ｂ）はＭＢＥにより窒化物半導体層を成長させる様子を模式的に示しており、（ｃ）は処理された発光デバイス構造体の構成を模式的に示している。 本発明の別の実施形態に係る方法によって得られる、窒化物半導体発光デバイス構造体の概略構造を示す断面図である。 本発明の別の実施形態に係る方法の基本的な工程を示す図であり、（ａ）はエッチングの工程を示し、（ｂ）は再成長の工程を示し、（ｃ）は劈開の工程を示す。 本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの概略構造を示す断面図である。 希土類元素のＥＬスペクトルおよびＰＬスペクトルを示す図であり、（ａ）は、様々な希土類元素によってＧａＮドープされた典型的なエレクトロルミネセンススペクトルを示しており、（ｂ）は２つの異なるサイズのＣｄＳｅナノ結晶のフォトルミネセンスおよびエレクトロルミネセンススペクトルを示している。 発光デバイス内に封入された希土類元素またはナノ結晶の構造を示す概略図であり、（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、発光デバイス内に封入された希土類元素およびナノ結晶の構造の一例を示している。 本発明の別の実施形態に係る発光デバイスの概略断面図であり、（ａ）は、チャネルが半導体層構造体上の最上層内に構成されている形態を示し、（ｂ）は、チャネルが発光デバイスの最上層を貫いて上部クラッド領域まで伸び形成されている形態を示す。 本発明の別の実施形態によって得られるデバイスの概略構造を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る方法によって得られる発光デバイスの構造を示す図であり、（ａ）は本発明の別の実施形態に係る方法によって得られる発光デバイスの構造を示し、（ｂ）は（ａ）の変形例を示す。 従来技術による埋め込みヘテロ接合レーザ装置の概略構成を示す断面図である。 本発明別の別の実施形態に係る方法によって得られる発光デバイスの概略構成を示す断面図である。 本発明の別の実施形態によって得られるデバイスの概略構成を示す断面図である。 従来例に係るデバイスの構成を示す図である。

符号の説明

１ 改良発光デバイス構造体
１’ 発光デバイス構造体（窒化物半導体を加工してなる発光デバイス）
２ 窒化物半導体層
２ａ、２ｂ、２ｃ 層（窒化物半導体層）
３ 窒化物半導体レーザ構造体
３ａ 下部クラッド領域
３ｂ 導光領域
３ｃ 上部クラッド領域
３ｄ 活性領域
３ｅ 導光領域
７ 窒化物レーザバー（窒化物半導体を加工してなる発光デバイス）
１０、１１、１２ 希土類元素（フォトルミネセンス種）
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ ナノ結晶
１５ レーザ発光領域
１６ 光キャビティ
１７ リッジ導波管構造体（リッジ導波管）

Claims (15)

1. 窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを真空装置内に配置する工程（ａ）と、
   上記真空装置に活性窒素を供給し、上記発光デバイス上に、少なくとも１つの窒化物半導体単結晶を成長させる工程（ｂ）とを含み、
   上記工程（ｂ）では、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて上記窒化物半導体単結晶を成長させ、
   上記工程（ｂ）が、上記窒化物半導体単結晶を、上記発光デバイスの発光面上、ファセット上又は上面上に成長させる工程を含み、
   上記発光デバイスが光を放射したときに、上記窒化物半導体単結晶が、当該光によって励起されるものであり、
   上記工程（ｂ）は３０℃以上、５００℃以下で行なうことを特徴とする窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを処理する方法。
2. 窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを真空装置内に配置する工程（ａ）と、
   上記真空装置に活性窒素を供給し、上記発光デバイス上に、少なくとも１つの窒化物半導体単結晶を成長させる工程（ｂ）とを含み、
   上記工程（ｂ）では、プラズマアシスト分子線エピタキシーを用いて上記窒化物半導体単結晶を成長させ、
   上記工程（ｂ）が、上記窒化物半導体単結晶を、上記発光デバイスの発光面上、ファセット上又は上面上に成長させる工程を含み、
   上記窒化物半導体単結晶が、上記発光デバイスの発光光子エネルギーより大きいバンドギャップを有するものであり、
   上記工程（ｂ）は３０℃以上、５００℃以下で行なうことを特徴とする窒化物半導体を加工してなる発光デバイスを処理する方法。
3. 上記窒化物半導体単結晶がフォトルミネセンス種を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 上記工程（ｂ）が、複数の種類のフォトルミネセンス種を含む窒化物半導体単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 上記工程（ｂ）が、フォトルミネセンス種を含む、複数の窒化物半導体単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 上記フォトルミネセンス種がナノ結晶であり、上記工程（ｂ）が、上記発光デバイス上に上記ナノ結晶を堆積させて、当該ナノ結晶上に上記窒化物半導体単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 上記ナノ結晶が、少なくとも、第１のサイズを有する第１のナノ結晶と、当該第１のサイズとは異なる第２のサイズを有する第２のナノ結晶とを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 上記窒化物半導体単結晶が、少なくとも１つの可飽和吸収層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 上記窒化物半導体単結晶が、光キャビティを形成するものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 上記工程（ｂ）が、複数の窒化物半導体単結晶を堆積させる工程を含み、
    上記窒化物半導体単結晶のうち少なくとも１つは、上記発光デバイスが光を放射したときに、当該光によって励起されるものであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 上記窒化物半導体単結晶が波長フィルタを構成するものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 上記窒化物半導体単結晶が感光層を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 上記窒化物半導体単結晶は複数形成され、複数の上記窒化物半導体単結晶がフォトダイオードを構成するものであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 上記発光デバイスがリッジ導波管を備えており、
    上記工程（ｂ）が、当該発光デバイスの表面上に、上記窒化物半導体単結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
15. 上記発光デバイスがリッジ導波管を備えており、上記工程（ｂ）では、当該発光デバイスの表面上に、電気的絶縁性を有する窒化物層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。

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