JP4868888B2 - 光半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層を備えた光半導体素子の製造方法に関する。

従来、窒化物系半導体を発光層に用いた半導体レーザ素子やＬＥＤ素子等の発光素子、あるいは窒化物系半導体を受光層に用いた光センサといった光半導体素子が検討されている。これらの光半導体素子では、青色光や紫外光等の短波長領域における発光特性或いは受光特性を高めるために、発光層或いは受光層といった活性層に、Ｉｎを含む窒化物系半導体が用いられている。

ところで、このようにＩｎを含む窒化物系半導体は、Ｉｎを含まない窒化物系半導体に比べて分解温度がかなり低いことが知られている。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ及びその混晶は１０００℃程度の温度でも比較的安定である。一方、ＩｎＮの熱分解温度は約６００℃であり、このためＩｎを含む窒化物系半導体は、Ｉｎの組成比にもよるが、一般的に１０００℃を超える温度では結晶の劣化が生じてしまう。

そこで、このような課題を解決するために種々の検討がなされている。例えば特許文献１に記載された発光素子では、基板上にｎ型半導体層を成長させた後、基板温度を７８０℃まで下げて発光層となるＩｎＧａＮ層を成長させている。さらに同じ温度で保護層となるＧａＡｌＮ層を成長させた後、基板温度を１１００℃に上げてｐ型ＧａＮ層を成長させている。
特開平９−１１６１３０号公報

然し乍ら、特許文献１に記載された発光素子では保護層となるＧａＡｌＮ層が７８０℃という、良好な結晶性が得られる成長温度である１０００℃〜１２００℃の温度より低い成長温度で成長されている。このため、保護層となるＧａＡｌＮ層は結晶性の低下した層となってしまう。

また、ｐ型ＧａＮ層が１１００℃の成長温度で成長されているので、ＩｎＧａＮ層からのＩｎの分離がやはり生じてしまい、発光層となるＩｎＧａＮ層の特性が劣化する。

これらの結果、従来では発光効率の低下を防止することは困難であった。特にこの問題は、Ｉｎの含有量の大きい窒化物系半導体を活性層に用いた光半導体素子で顕著に現れていた。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、Ｉｎを含む窒化物系半導体を有する活性層を備え、特性の高い光半導体素子の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、成長方向側にＧａ極性面を有するＧａを含むｐ型窒化物系半導体層を成長させる工程と、前記ｐ型窒化物系半導体層の前記Ｇａ極性面側に、成長方向側にＧａ極性面を有するＩｎ及びＧａを含む窒化物系半導体からなる活性層を成長させる工程と、前記活性層のＧａ極性面側に、ｎ型酸化亜鉛系半導体層を成長させる工程と、を備え、前記ｐ型窒化物系半導体層を成長させる工程の成長温度は、前記活性層を成長させる工程の成長温度をよりも高く、前記ｎ型酸化亜鉛系半導体層を成長させる工程の成長温度は、前記活性層を成長させる工程の成長温度よりも低いことを特徴とする光半導体素子の製造方法である。

また、請求項２の発明は、前記ｎ型酸化亜鉛系半導体層を成長させる工程の成長温度は、７００〜８００℃であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子の製造方法である。

本発明による光半導体素子の製造方法では、Ｉｎを含む窒化物系半導体を有する活性層のＧａ極性面側に低温で成長させても高いキャリア濃度を実現することが可能なｎ型の酸化亜鉛系半導体層を成長させたので、ｎ型の酸化亜鉛系半導体層のキャリア濃度を高めつつ、活性層内のＩｎの分離を抑制することができる。これによって、活性層の劣化を抑制することができるので、特性を向上させることができる。

また、半導体層のＮ極性面側に活性層を成長させた場合、活性層の結晶性が低くなり、活性層によって光を発光させることができないといった問題が生じるが、本発明では、ｐ型半導体層のＧａ極性面側に活性層を成長させることによって、確実に活性層によって発光させることができる。

また、ｐ型の酸化亜鉛系半導体層に比べて、キャリア濃度を高くすることが可能なｎ型の酸化亜鉛系半導体層を成長させることによって、光半導体素子の直列抵抗を小さくすることができ、電極と高いオーミック接触を実現することができる。これにより、発熱を抑制することができるので、光半導体素子の劣化を抑制することができる。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の第１実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子（光半導体素子）の断面構造を示す図である。図２は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の発光層（活性層）の断面構造を示す図である。本実施形態に係る半導体レーザ素子は、活性層として、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる発光層を有している。

図１に示すように、半導体レーザ素子１は、基板２と、基板２の上面に形成されたｐ型クラッド層３と、ｐ型キャリアブロック層４と、発光層５と、ｎ型クラッド層６と、ｎ型コンタクト層７と、ｎ側オーミック電極８と、絶縁膜９と、ｎ側パッド電極１０と、基板２の下面に形成されたｐ側オーミック電極１１及びｐ側パッド電極１２とを備えている。

基板２は、約１００μｍの厚みを有すると共に、Ｍｇがドープされて約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型ＧａＮ基板からなる。基板２の上面は、（０００１）のＧａ極性面であり、このＧａ極性面上に、後述するｐ型クラッド層３〜ｎ側パッド電極１０が形成されている。

ｐ型クラッド層３は、約４００ｎｍの厚みを有すると共に、Ｍｇがドープされて約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型ＧａＮ層からなる。ｐ型クラッド層３の上部には、Ａ方向の幅が約７．５μｍの凸部３ａが形成されている。

ｐ型キャリアブロック層４は、発光層５に注入されたキャリアが基板２側へと流出することを防ぐためのものである。ｐ型キャリアブロック層４は、ｐ型クラッド層３の凸部３ａの上面に形成され、約５ｎｍの厚みを有すると共に、Ｍｇがドープされて約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層からなる。

図２に示すように、発光層５は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有しており、４つの障壁層５ａ及び３つの井戸層５ｂが交互に積層されて構成されている。障壁層５ａ及び井戸層５ｂはＩｎを含む窒化物系半導体から構成されており、障壁層５ａは、約２０ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎｙＧａ１−ｙＮ層（０．１０≦ｙ≦０．１７）からなり、井戸層５ｂは、約３ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（０．２０≦ｘ≦０．３０、且つｙ＜ｘ）からなる。

ｎ型クラッド層６は、Ｇａがドープされて約２×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｎ型ＺｎＯ層からなる。図１に示すように、ｎ型クラッド層６は、平坦部６ａと凸部６ｂとを有する。ｎ型クラッド層６の平坦部６ａは、発光層５と同じ約７．５μｍの幅を有すると共に、約１００ｎｍの厚みを有する。ｎ型クラッド層６の凸部６ｂは、発光層５の幅よりも小さい約１．５μｍの幅を有すると共に、約３００ｎｍの厚みを有する。

ｎ型コンタクト層７は、ｎ型クラッド層６の凸部６ｂ上に形成されている。ｎ型コンタクト層７は、約１００ｎｍの厚みを有すると共に、Ｇａがドープされて約３×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｎ型ＺｎＯ層からなる。ここで、ｎ型クラッド層６の凸部６ｂ及びｎ型コンタクト層７によって電流通路領域である約４００ｎｍの厚みを有するリッジ部１３が構成されている。

ｎ側オーミック電極８は、約１０ｎｍの厚みを有するＡｌ層からなる。絶縁膜９は、ｎ側オーミック電極８の上面以外の領域を覆うように形成された約２５０ｎｍの厚みを有するＳｉＮ膜からなる。ｎ側パッド電極１０は、ｎ側オーミック電極８及び絶縁膜９を覆うように形成された約２０ｎｍの厚みを有するＰｔ層と約３００ｎｍの厚みを有するＡｕ層からなる。

ｐ側オーミック電極１１は、基板２の下面に形成された約５ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ層と、約１５０ｎｍの厚みを有するＡｕ層とからなる。ｐ側パッド電極１２は、ｐ側オーミック電極１１の下面に形成された約１００ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ層と、約３０００ｎｍの厚みを有するＡｕ層とからなる。

この半導体レーザ素子１では、ｎ側パッド電極１０〜ｎ型クラッド層６を介して発光層５に電子が注入されると共に、ｐ側パッド電極１２〜ｐ型キャリアブロック層４を介して正孔が発光層５に注入される。そして、注入された電子と正孔が発光層５の井戸層５ｂで結合して光を発光し、この光が共振されて紙面の垂直方向にレーザ光を出力する。

次に、上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造方法について図面を参照して説明する。図３〜図６は、半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。

まず、図３に示すように、基板２を約１０００℃〜約１１００℃の成長温度に保持した状態で、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＧａＮからなる基板２の（０００１）Ｇａ極性面にｐ型クラッド層３及びｐ型キャリアブロック層４とを順次成長させる。この後、窒素ガス雰囲気中で、基板２を約８００℃の温度でアニール処理する。次に、基板２を約８００℃の成長温度に保持した状態で、ｐ型キャリアブロック層４上に発光層５を形成する。尚、発光層５を構成する各層のＩｎ及びＧａの組成比は、供給するガス（トリメチルガリウム及びトリメチルインジウム等）の流量によって調整する。このように、窒化物系半導体からなる基板であるｐ型ＧａＮからなる基板２のＧａ極性面上に、窒化物系半導体からなるｐ型クラッド層３、ｐ型キャリアブロック層４および発光層５を成長させているので、各層３、４、５の基板２側の面がＮ極性面となり、成長方向側の面がＧａ極性面となる。

次に、ＭＢＥ法を用いて、基板２を約７８０℃の成長温度に保持した状態で、Ｚｎ及びＧａの分子線と酸素ガスとを供給することによって、発光層５のＧａ極性面上にｎ型ＺｎＯ層からなるｎ型クラッド層６とｎ型コンタクト層７とを順次成長させる。この後、真空蒸着法等を用いて、ｎ型コンタクト層７の上面にｎ側オーミック電極８及び約０．２５μｍの厚みを有するＳｉＯ２膜からなる絶縁膜１５を形成する。

次に、図４に示すように、リッジ部１３の幅である約１．５μｍの幅でｎ側オーミック電極８及び絶縁膜１５をパターニングすることにより、ｎ側オーミック電極８及び絶縁膜１５を形成する。この後、基板２を約２００℃の温度に保持した状態で、絶縁膜１５をマスクとして、Ｃｌ２系ガスによりｎ型コンタクト層７及びｎ型クラッド層６の一部をドライエッチングすることによって、リッジ部１３を形成する。

次に、図５に示すように、フォトリソグラフィー技術を用いて、レジスト膜１６を形成した後、レジスト膜１６をマスクとして、ドライエッチング技術を用いて、発光層５、ｐ型キャリアブロック層４及びｐ型クラッド層３の一部をエッチングすることにより、発光層５、ｐ型キャリアブロック層４及びｐ型クラッド層３の凸部３ａを形成する。

次に、ｎ側オーミック電極８、ｎ型コンタクト層７、ｎ型クラッド層６、発光層５、ｐ型キャリアブロック層４、ｐ型クラッド層３及び絶縁膜１５の露出している上面及び側面を覆うように、ＳｉＮからなる絶縁膜９を形成する。この後、レジスト膜（図示略）を形成した後、そのレジスト膜をマスクとして、ｎ側オーミック電極８の上面の絶縁膜９及び１５を除去することによって、図６に示すように、ｎ側オーミック電極８の上面を露出させる。

次に、フォトリソグラフィー技術を用いてレジスト膜（図示略）を形成した後、リフトオフ法を用いて、ｎ側パッド電極１０を形成する。その後、基板２の下面側にｐ側オーミック電極１１及びｐ側パッド電極１２を形成して、図１に示す、約４５０ｎｍ〜約５５０ｎｍのレーザ光を出力可能な半導体レーザ素子１が完成する。

上述したように、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１では、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層としての発光層５のＧａ極性面上に、酸化亜鉛系半導体であるＺｎＯからなる層である、ｎ型クラッド層６及びｎ型コンタクト層７を備えている。

このように、ＺｎＯからなるｎ型クラッド層６及びｎ型コンタクト層７が、発光層５のＧａ極性面上に設けられていることから、その成長順序は発光層５を成長した後に、ｎ型クラッド層６及びｎ型コンタクト層７を成長させることとなる。

そして、酸化亜鉛系半導体は、従来技術においてクラッド層やコンタクト層に用いられているＧａＮやＡｌＧａＮに比べ、低い成長温度で良好な結晶性を有する半導体層を成長させることができる。例えば、本実施形態で説明したＺｎＯは約７８０℃と、発光層５に用いているＩｎＧａＮ層の成長温度（約８００℃）と同程度の成長温度で良好な結晶性を有するＺｎＯ層を成長させることができる。

従って、本実施形態に係る半導体レーザ素子１では、良好な結晶性を有するｎ型クラッド層６及びｎ型コンタクト層７を備え、且つＩｎの分離が抑制されることにより良好な結晶性が維持された発光層５を備える半導体レーザ素子１が提供される。この結果、本実施形態によれば発光効率の向上した半導体レーザ素子１が提供される。

また、発光層を基板のＮ極性面側に成長させた場合には、発光層の結晶性が低く、発光
層が発光しないといった問題が生じるが、第１実施形態による半導体レーザ素子１では、発光層５を基板２のＧａ極性面側に成長させているので、確実に発光させることができる。

また、本実施形態では、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる発光層５のＧａ極性面上に、酸化亜鉛系半導体からなるｎ型クラッド層６及びｎ型コンタクト層７を備えている。このように本実施形態にあっては、高いキャリア濃度が得られにくいｐ型の酸化亜鉛系半導体層ではなく、高いキャリア濃度が得られやすいｎ型の酸化亜鉛系半導体層を、発光層５のＧａ極性面上に備えている。従って、本実施形態によれば、特性の向上した半導体レーザ素子１を提供することができる。

また、本実施形態ではＩｎを含む窒化物系半導体からなる発光層５のＮ極性面上に、ｐ型キャリアブロック層４、ｐ型クラッド層３といった、窒化物系半導体からなるｐ型の層を備えている。このようにｐ型の層を発光層５のＮ極性面上に設けたことから、ｐ型の層３、４成長後に発光層５が成長されることとなる。

窒化物系半導体からなるｐ型の層は、通常ＧａＮやＡｌＧａＮといった、最適な成長温度がＩｎＧａＮに比べ高い窒化物系半導体層から構成される。加えてｐ型の層は、ｎ型の層に比べ高いキャリア濃度を有する層を成長させにくく、高いキャリア濃度を有するｐ型の層を得るためには、層形成後のアニール処理或いは電子線照射といった後処理が通常行われる。

本実施形態にあっては、ｐ型の層が発光層５のＮ極性面上に設けられていることから、ｐ型の層をＧａＮやＡｌＧａＮを用いて発光層５の成長温度よりも高い成長温度で成長後、必要に応じて上記の後処理を行った後に発光層５を成長させることが可能となる。従って、本実施形態によれば良好な特性を有するｐ型の層を備えることにより、発光特性の向上した半導体レーザ素子１を提供することが可能となる。

以下、上述した第１実施形態による半導体レーザ素子１の発光効率の効果を証明するために行ったＰＬ（フォトルミネッセンス）実験の実験結果について図面を参照して説明する。

まず、第１実施形態による半導体レーザ素子１に対応するサンプルＡ〜Ｄと、比較するために作製した比較例のサンプルＡ’〜Ｄ’について説明する。サンプルＡ〜Ｄは、ｐ型ＧａＮ基板上に、基板を約１０００°の成長温度に保持した状態でｐ型ＧａＮ層を成長させた後、基板を約８００℃の成長温度に保持した状態で発光層を成長させ、最後に、基板を約７８０℃の成長温度に保持した状態でｎ型ＺｎＯ層を成長させた。また、サンプルＡ’〜Ｄ’は、サンプルＡ〜Ｄのｎ型ＺｎＯ層の代わりに、基板を約１０００℃の成長温度に保持した状態で、ｎ型ＧａＮ層を成長させた。尚、各発光層の構成は以下の表１に示すとおりである。

上記サンプルＡ〜Ｄ及びサンプルＡ’〜Ｄ’についてＰＬ実験を行った結果を図７に示す。図７において、横軸が各サンプルのピーク波長を示し、縦軸がピーク波長の発光強度
を示している。ピーク波長は発光層中のＩｎ組成比が多い程、長波長側にシフトする。

図７に示すように、第１実施形態によるサンプルＡ〜Ｄの発光強度が、比較例によるサンプルＡ’〜Ｄ’の発光強度よりも高くなっていることがわかる。特に、Ｉｎの組成比が高いサンプルにおいて、発光強度の差が大きくなっていることがわかる。

これは第１実施形態の半導体レーザ素子１に対応するサンプルＡ〜Ｄでは、ＩｎＧａＮ層を有する発光層を成長させた後、発光層の成長温度よりも低温（約７８０℃）でｎ型ＺｎＯ層を成長させたので、発光層内のＩｎの分離を抑制でき、この結果、良好な発光効率を得ることができたものと考えられる。

一方、比較例のサンプルＡ’〜Ｄ’では、ＩｎＧａＮ層を有する発光層を成長させた後、発光層の成長温度よりも高温（約１０００℃）でｎ型ＧａＮ層を成長させたので、発光層内の多くのＩｎが分離し、発光層が劣化したために、発光効率が低下したものと考えられる。

このことは、発光層内のＩｎの組成比が大きく、Ｉｎの分離が生じやすいサンプルでより発光効率の差が顕著に現れたことからもわかる。

（第２実施形態）
次に、第１実施形態とは異なり、支持基板に半導体積層構造を貼りかえた第２実施形態に係る半導体レーザ素子について図面を参照して説明する。本実施形態に係る半導体レーザ素子も、活性層として、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる発光層を有している。

図８は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。図９は、図８のＸ−Ｘ線に沿った断面構造を示す図である。

図８及び図９に示すように、半導体レーザ素子２１は、支持基板２２と、半田層２３と、半田層２３上に設けられた、ｎ側パッド電極２４と、ｎ側オーミック電極２５と、ｎ型コンタクト層２６と、ｎ型クラッド層２７と、発光層２８と、ｐ型キャリアブロック層２９と、ｐ型クラッド層３０と、ｐ型コンタクト層３１と、ｐ側オーミック電極３２と、絶縁膜３３と、ｐ側パッド電極３４とを備えている。尚、支持基板２２の下面には、ｎ側電極（図示略）が形成されている。

支持基板２２は、約３００μｍの厚みを有し、導電性のＣｕ−Ｗ基板からなる。半田層２３は、約３μｍの厚みを有する導電性のＡｕＳｎ層からなる。

ｎ側パッド電極２４は、半田層２３上に設けられた約３μｍの厚みを有するＡｕ層と、約２０ｎｍの厚みを有するＰｔ層からなる。ｎ側オーミック電極２５は、約１０ｎｍの厚みを有するＡｌ層からなる。

ｎ型コンタクト層２６は、約３μｍの厚みを有すると共に、約５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｎ型ＺｎＳｅ０．１Ｏ０．９からなる。ここで、半導体レーザ素子２１は、素子分離するために、図９に示すように、共振面側のｎ側パッド電極２４、ｎ側オーミック電極２５及びｎ型コンタクト層２６の一部がエッチングされて、ｎ型クラッド層２７よりも上の層の幅よりもｎ側パッド電極２４、ｎ側オーミック電極２５及びｎ型コンタクト層２６の一部の幅が小さくなるように空隙部３７が形成されている。ｎ型クラッド層２７は、約４００ｎｍの厚みを有すると共に、約２×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｎ型ＺｎＯからなる。

発光層２８は、約４．５μｍのＢ方向の幅を有すると共に、ｎ型クラッド層２７上の一部に形成されている。この発光層２８は、第１実施形態の発光層５と同様に構成されている。

ｐ型キャリアブロック層２９は、Ｍｇがドープされて、約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる。ｐ型クラッド層３０は、約８０ｎｍの厚みを有する平坦部３０ａと、約１．５μｍの幅及び約４００ｎｍの厚みを有する凸部３０ｂからなる。ｐ型クラッド層３０は、Ｍｇがドープされて、約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型ＧａＮ層からなる。

ｐ型コンタクト層３１は、ｐ型クラッド層３０の凸部３０ｂの上面に形成されている。ｐ型コンタクト層３１は、約５００ｎｍの厚みを有すると共に、Ｍｇがドープされて、約５×１０１７ｃｍ−３のキャリア濃度を有するｐ型ＧａＮ層からなる。ｐ型クラッド層３０の凸部３０ｂとｐ型コンタクト層３１によって電流通路となるリッジ部３６が構成されている。リッジ部３６は、約１．５μｍの幅と約９００ｎｍの厚みを有する。ｐ側オーミック電極３２は、ｐ型コンタクト層３１上に設けられた約５ｎｍの厚みを有するＰｔ層と、約１００ｎｍの厚みを有するＰｄ層と、約１５０ｎｍの厚みを有するＡｕ層とかなる。

絶縁膜３３は、約２５０ｎｍの厚みを有するＳｉＮ層からなり、ｎ型クラッド層２７、発光層２８、ｐ型キャリアブロック層２９、ｐ型クラッド層３０及びｐ型コンタクト層３１の露出した面と、ｐ側オーミック電極３２の側面とを覆うように形成されている。

ｐ側パッド電極３４は、約１２５μｍの幅を有し、約１００ｎｍの厚みを有するＴｉ層と、約１００ｎｍ厚みを有するＰｄ層と、約３０００ｎｍの厚みを有するＡｕ層とがｐ側オーミック電極３２及び絶縁膜３３側から順次設けられている。

次に、上記第２実施形態の製造方法について図面を参照して説明する。

図１０〜図１２は、第２実施形態による半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。尚、図１０及び図１１は、図９と同じ方向から見た図を上下を逆にした図であり、図１２は、図８と同じ方向から見た図である。

まず、図１０に示すように、サファイア基板４１を約６００℃の成長温度に保持した状態で、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシ）法を用いて、サファイア基板４１の（０００１）面上に約２０ｎｍのＧａＮ層からなるバッファ層４２を形成する。次に、サファイア基板４１を約１０５０℃の成長温度に保持した状態で、約２μｍの厚みを有するＧａＮ層４３を形成する。ここで、サファイア基板４１の（０００１）面上にバッファ層４２及びＧａＮ層４３を形成することにより、バッファ層４２及びＧａＮ層４３の成長方向側の面は、（０００１）Ｇａ極性面に構成される。

次に、ＧａＮ層４３上にＳｉＯ２層からなるマスク層４４を形成した後、リソグラフィー技術によって、約２μｍの直径を有する開口部４４ａを約１０μｍの間隔の周期的で三角格子状にパターニングする。尚、これらバッファ層４２、ＧａＮ層４３及びマスク層４４によって選択成長下地層４５が構成される。

次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、サファイア基板４１を約１１００℃の成長温度に保持した状態で、マスク層４４上にｐ型コンタクト層３１を成長させる。その後、第１実施形態と同様の製造工程によって、ｐ型クラッド層３０、ｐ型キャリアブロック層２９、発光層２８、ｎ型クラッド層２７、ｎ型コンタクト層２６、ｎ側オーミック電極２５、ｎ側パッド電極２４を形成する。

ここで、ＧａＮ層４３の成長方向側の面は前述の通り（０００１）Ｇａ極性面に構成されている。このため、ＧａＮ層４３の成長方向側の面上に成長される窒化物系半導体からなる層である、ｐ型コンタクト層３１、ｐ型クラッド層３０、ｐ型キャリアブロック層２９及び発光層２８の成長方向側の面もＧａ極性面に構成される。従って、本実施形態においても酸化亜鉛系半導体からなる層であるｎ型クラッド層２７及びｎ型コンタクト層２６が、発光層２８のＧａ極性面上に成長されている。

次に、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いて、ｎ側パッド電極２４、ｎ側オーミック電極２５及びｎ型コンタクト層２６の一部を除去することによって、凹部４６を形成する。

次に、図１１に示すように、支持基板２２の支持面側に半田層２３を形成し、この半田層２３を介してｎ側パッド電極２４を貼り合わせる。ここで、上述したように凹部４６が形成されているので、ｎ側パッド電極２４と半田層２３とを貼り合わせた後に、半田層２３とｎ型コンタクト層２６との間に空隙部３７が形成される。この後、ドライエッチング技術を用いて、選択成長下地層４５をエッチングすることによって、サファイア基板４１を除去する。

次に、支持基板２２を約８００℃に保持した状態で、窒素雰囲気中でアニールすることにより、ｐ型キャリアブロック層２９、ｐ型クラッド層３０及びｐ型コンタクト層３１内のアクセプタを活性化して、所定の正孔濃度に設定する。

次に、真空蒸着法を用いて、ｐ型コンタクト層３１上に、ｐ側オーミック電極３２及び約０．２５μｍの厚みを有する絶縁膜４７を順次形成する。ここで、上述したようにｐ型コンタクト層３１は、ＧａＮ層４３のＧａ極性面上に形成されているので、ｐ型コンタクト層３１のＧａＮ層４３側の面は、反応性の高い（０００−１）Ｎ極性面に構成されている。従って、ｐ型コンタクト層３１のＮ極性面に形成されるｐ側オーミック電極３２は、ｐ型コンタクト層３１との界面で合金化をより進めることができるので、良好なオーミック特性を得ることができる。

次に、図１２に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、ｐ側オーミック電極３２及び絶縁膜４７をＢ方向の幅が約１．５μｍになるようにパターニングする。その後、支持基板２２を約２００℃に保持した状態で、絶縁膜４７をマスクとして、Ｃｌ２系ガスを用いたドライエッチングを行うことにより、ｐ型コンタクト層３１及びｐ型クラッド層３０の一部を除去することによって、リッジ部３６を形成する。この後、フォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を用いて、発光層２８、ｐ型キャリアブロック層２９及びｐ型クラッド層３０の一部を除去することによってパターニングする。

次に、ｎ型クラッド層２７、発光層２８、ｐ型キャリアブロック層２９、ｐ型クラッド層３０、ｐ型コンタクト層３１及びｐ側オーミック電極３２の露出した面を覆うようにＳｉＮからなる絶縁膜３３を形成する。その後、ｐ側オーミック電極３２上の絶縁膜３３及び４７を除去する。その後、フォトリソグラフィー技術及びリフトオフ法を用いて、絶縁膜３３及びｐ側オーミック電極３２の露出した面にｐ側パッド電極３４を形成する。最後に、半導体層を超音波による劈開を行った後、支持基板２２をダイシングすることにより素子分割を行って、図８及び図９に示す半導体レーザ素子２１が完成する。

第２実施形態に係る半導体レーザ素子２１においても、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層としての発光層２８のＧａ極性面上に、酸化亜鉛系半導体であるＺｎＯ、Ｚｎ
ＳｅＯからなる層である、ｎ型クラッド層２７及びｎ型コンタクト層２６を備えている。従って、本実施形態の半導体レーザ素子２１も、第１実施形態と同様の効果を奏し、発光特性の向上した半導体レーザ素子２１を提供することができる。

以下、上述した第２実施形態による半導体レーザ素子２１の発光効率に関する効果を証明するために行ったＰＬ（フォトルミネッセンス）実験の結果について図面を参照して説明する。

まず、第２実施形態による半導体レーザ素子２１に対応するサンプルＥ〜Ｈと、比較するために作製した比較例のサンプルＥ’〜Ｈ’について説明する。サンプルＥ〜Ｈは、サファイア基板上に、基板を約１０００°の成長温度に保持した状態でｐ型ＧａＮ層を成長させた後、基板を約８００℃の成長温度に保持した状態で発光層を成長させ、最後に、基板を約７８０℃の成長温度に保持した状態でｎ型ＺｎＯ層を成長させた。その後、支持基板に貼りかえると共に、サファイア基板を除去した。また、サンプルＥ’〜Ｈ’は、サンプルＥ〜Ｈのｎ型ＺｎＯ層の代わりに、サファイア基板を約１０００℃の成長温度に保持した状態で、ｎ型ＧａＮ層を成長させた。尚、各発光層の構成は以下の表２に示すとおりである。

上記サンプルＥ〜Ｈ及びサンプルＥ’〜Ｈ’についてＰＬ実験を行った結果を図１３に示す。図１３において、横軸が各サンプルのピーク波長を示し、縦軸がピーク波長の発光強度を示している。ピーク波長は、発光層中のＩｎ組成比が多い程、長波長側にシフトする。

図１３に示すように、第２実施形態によるサンプルＥ〜Ｈの発光強度が、比較例によるサンプルＥ’〜Ｈ’の発光強度よりも高くなっていることがわかる。特に、Ｉｎの組成比が低いサンプルＢ及びＢ’に比べて、Ｉｎの組成比が高いサンプルＦ〜Ｈ及びＦ’〜Ｈ’の方が、発光強度の差が大きくなっていることがわかる。

これは第２実施形態によるサンプルＥ〜Ｈでは、ＩｎＧａＮ層を有する発光層を成長させた後、発光層の成長温度よりも低温（約７８０℃）でｎ型ＺｎＯ層からなるｎ型ＺｎＯ層を成長させたので、発光層内のＩｎの分離を抑制でき、この結果、発光層の劣化を抑制することができたので、良好な発光効率を得ることができたものと考えられる。

一方、サンプルＥ’〜Ｈ’では、ＩｎＧａＮ層を有する発光層を成長させた後、発光層の成長温度よりも高温（約１０００℃）でｎ型ＧａＮ層からなるｎ型ＺｎＯ層を成長させたので、発光層内の多くのＩｎが分離し、発光層が劣化したために、発光効率が低下したものと考えられる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る光半導体素子について説明する。本実施形態においても、光半導体素子として、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層としての発光層を有する半導体レーザ素子について説明する。

図１４は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。図１５は、第３実施形態による半導体レーザ素子のリッジ部を形成する製造工程を説明するための図である。尚、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付けて説明を省略する。

図１４に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、第１実施形態の半導体レーザ素子１と異なり、発光層５とｐ型キャリアブロック層４との間、及び発光層５とｎ型クラッド層６Ａとの間に形成された光ガイド層５１、５２を有している。各光ガイド層５１、５２は、約１００ｎｍの厚みを有するアンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなる。また、光ガイド層５２は、発光層５の全面に形成されている。

さらに、本実施形態にあっては第１実施形態と異なり、平坦部がなくリッジ部１３のみに形成されたｎ型クラッド層６Ａを有している。即ち、ｎ型クラッド層６Ａは、Ａ方向の幅が、光ガイド層５２と接する面においても光ガイド層５２の幅より小さくなるように形成されており、光ガイド層５２の上面の一部がリッジ部１３以外の領域でｎ型クラッド層６Ａから露出するように構成されている。

本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、以下のようにして製造することができる。

まず、約１０００℃〜約１１００℃の成長温度で、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＧａＮからなる基板２の（０００１）Ｇａ極性面上に、ｐ型クラッド層３及びｐ型キャリアブロック層４を順次成長させる。この後、窒素ガス雰囲気中で、基板２を約８００℃の温度でアニール処理する。次に、基板２を約８００℃の成長温度に保持した状態で、光ガイド層５１、発光層５及び光ガイド層５２を成長させる。

このように基板２のＧａ極性面上に、窒化物系半導体からなる層であるｐ型クラッド層３、ｐ型キャリアブロック層４、光ガイド層５１、発光層５、光ガイド層５２を成長させるので、各層３、４、５１、５、５２の基板２側の面がＮ極性面となり、成長方向側の面がＧａ極性面となる。

次に、基板２を約７８０℃の成長温度に保持した状態で、ＭＢＥ法を用いて光ガイド層５２のＧａ極性面上に、酸化亜鉛系半導体からなる層である、ｎ型ＺｎＯからなるｎ型クラッド層６Ａとｎ型コンタクト層７とを順次成長させる。さらに、蒸着法を用いてｎ型コンタクト層７上にｎ側オーミック電極８を形成する。

次いで、ウェットエッチングによってｎ型コンタクト層７及びｎ型クラッド層６Ａの所定領域を光ガイド層５２の上面が露出するまで除去し、リッジ部１３を形成する。具体的には、図１５に示すように、ｎ側オーミック電極８及びマスクとしての絶縁膜５０をパターニングした後、絶縁膜５０をマスクとして塩酸系のエッチング溶液を用いてウェットエッチングを行った。ここで、光ガイド層５２を構成する窒化物系半導体に比べ、ｎ型コンタクト層７及びｎ型クラッド層６Ａを構成する酸化亜鉛系半導体は、エッチング溶液に対して容易にエッチングされやすいという特性を有している。このため、ウェットエッチングによりリッジ部１３を形成する際に光ガイド層５２がエッチングの進行を抑制するエッチングストッパー層として作用するので、発光層５はほとんどエッチングされない。

上述したように、本実施形態による半導体レーザ素子１Ａでは、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１と異なり、ｎ型クラッド層６Ａがリッジ部１３にのみ形成されている。このためリッジ部１３以外の領域では、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１が発光層５の上にｎ型クラッド層６の平坦部６ａと絶縁膜９との積層構造を有することとなるのに対し、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは発光層５の上に光ガイド層５２と絶縁膜９との積層構造を有することになる。

ここで、第１実施形態にあっては上記ｎ型クラッド層６の平坦部６ａをエッチングによって形成するので、エッチングによって作製された上記平坦部６ａはその厚みに面内方向でバラツキが生じやすい。このため第１実施形態に係る半導体レーザ素子１では、リッジ部１３以外の領域において、発光層５とｎ型クラッド層６の平坦部６ａと絶縁膜９との屈折率によって定まる発光層５中の実効屈折率が面内方向で不均一になりやすく、このためレーザ光の水平方向の広がり角度がバラツキ易くなるおそれがある。

一方、本実施形態にあってはリッジ部１３以外の領域に存在する発光層５と光ガイド層５２と絶縁膜９の厚みのバラツキは成長時の膜厚のバラツキに依存するだけであり、その程度はエッチングによって生じるバラツキに比べ極めて小さい。従って、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、リッジ部１３以外の領域における発光層５中の実効屈折率の面内方向のバラツキを第１実施形態に係るものよりも小さくすることができるので、レーザ光の水平方向の広がり角度のバラツキを抑制することができる。

また、発光層５とｎ型クラッド層６Ａとの間に、ｎ型クラッド層６Ａを構成するｎ型ＺｎＯ層よりもウェットエッチングに対して安定な窒化物系半導体層としてのＩｎＧａＮ層からなる光ガイド層５２を発光層５の全面を覆うように設けている。このため絶縁膜５０に覆われていないｎ型クラッド層６Ａを全てエッチングすることができるので、第１実施形態の半導体レーザ素子１のようにｎ型クラッド層６の平坦部６ａを所望の膜厚に形成するために必要なエッチングの制御を要しない。従って、ｎ型クラッド層６Ａのエッチング工程を簡単化することができる。

次に、第３実施形態による半導体レーザ素子１Ａから出力されるレーザ光の水平方向の広がり角度のばらつきを抑制することができる効果を証明するために行った実験について説明する。

この実験では比較例として、ｎ型クラッド層６の平坦部６ａの膜厚が約１００ｎｍの第１実施形態の半導体レーザ素子１を用いた。尚、比較例の第１実施形態の半導体レーザ素子１のｎ型クラッド層６は、ドライエッチングによってパターニングすることによって平坦部６ａを形成した。

次に、図１６及び図１７を参照して実験結果について説明する。図１６は、第３実施形態による半導体レーザ素子の実験結果を示すものである。図１７は、第１実施形態による半導体レーザ素子の実験結果を示すものである。図１６及び図１７において、縦軸はサンプルの個数を示し、横軸は半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の水平方向の広がり角度を示している。

図１６に示すように、第３実施形態による半導体レーザ素子１Ａは、レーザ光の水平方向の広がり角度が約７．５°〜約１０．５°の間となり、特に、約８．５°〜約９．５°の間に広がり角度が集中した。

一方、図１７に示すように、第１実施形態による半導体レーザ素子１では、レーザ光の広がり角度が約５．５°〜約１０．５°の間となり、第３実施形態の広がり角度のばらつきに比べてばらつきが広くなった。更に、その間の角度でも広がり角度が特定の角度に集中することは無く、広がり角度のばらつきが顕著である。

以上のように、第３実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａも、第１および第２実施形態に係る半導体レーザ素子１、２１と同様に、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層としての発光層５のＧａ極性面上に酸化亜鉛系半導体からなる層としてのｎ型クラッド層６
Ａ及びｎ型コンタクト層７を有している。従って、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａも第１及び第２実施形態に係る半導体レーザ素子１、２１と同様に、発光特性の向上した半導体レーザ素子１Ａを提供することができる。

さらに、第１実施形態の半導体レーザ素子１に比べ、第３実施形態の半導体レーザ素子１Ａでは、ｎ型クラッド層６Ａを発光層５までエッチングすることによって、ｎ型クラッド層６の平坦部６ａのばらつきに起因するレーザ光の水平方向の広がり角度のばらつきを抑制することができることがわかる。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上述の第１実施形態では、基板２上に成長させたままの半導体レーザ素子１として使用する例を示したが、第１実施形態と同様にｐ型ＧａＮからなる基板２上に半導体層を成長させた後、第２実施形態の半導体レーザ素子２１のように支持基板に貼りかえてもよい。

また、上述の実施形態では、ｎ型クラッド層６、２７及びｎ型コンタクト層７、２６をｎ型ＺｎＯ層及びｎ型ＺｎＳｅＯ層によって構成したが、他のｎ型ＺｎＯ系半導体層によって構成してもよい。例えば、ｎ型ＭｇＺｎＯ層、ｎ型ＢｅＭｇＺｎＯ層、ｎ型ＺｎＯＳ層、ｎ型ＺｎＳｅＯ層、ｎ型ＺｎＣｄＯ層等を適用することができる。

また、上述の各実施形態では半導体レーザ素子について説明したが、本発明は半導体レーザ素子に限らず、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層としての発光層を有する発光ダイオード、或いはＩｎを含む窒化物系半導体からなる活性層としての受光層を有する受光素子等の、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層を有する光半導体素子に適用することができる。

また、上述の各実施形態では、ｎ型クラッド層６、２７及びｎ型コンタクト層７、２６を構成するｎ型ＺｎＯ層を約７８０℃の成長温度で成長させたが、成長温度は約７００℃〜約８００℃でも可能であり、特に限定するものではない。

また、上述した半導体レーザ素子の各層を構成する材料及び厚みなどは適宜変更可能である。尚、ｐ型クラッド層及びｐ型キャリアブロック層は、バンドギャップを大きくするためにＩｎを含まないｐ型半導体層が好ましい。

また、上述した半導体レーザ素子１では、発光層５とｎ型クラッド層６が直接接続されるように構成したが、発光層５とｎ型クラッド層６との間に別の層を形成してもよい。例えば、製造工程において、ＭＯＶＰＥ装置で発光層５とを形成した後、ＭＢＥ装置に移動させる際に発光層５を保護する層等を形成してもよい。

また、上述した第３実施形態による半導体レーザ素子１Ａでは、ＩｎＧａＮ層による光ガイド層５２をエッチングストッパー層として適用したが、ＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層等をエッチングストッパー層として光ガイド層５２の代わりに形成してもよく、又は、光ガイド層５２とｎ型クラッド層６との間に別に形成してもよい。

本発明の第１実施形態に係るレーザ発振可能な半導体レーザ素子（光半導体素子）の断面構造を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の発光層の断面構造を示す図である。 第１実施形態による半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子を比較例のＰＬ実験の結果を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。 図８のＸ−Ｘ線に沿った断面構造を示す図である。 第２実施形態による半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 第２実施形態による半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 第２実施形態による半導体レーザ素子の各製造工程を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子を比較例のＰＬ実験の結果を示すグラフである。 第３実施形態に係る半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。 第３実施形態による半導体レーザ素子のリッジ部を形成する製造工程を説明するための図である。 第３実施形態による半導体レーザ素子の広がり角度の実験結果を示すものである。 比較例による半導体レーザ素子の広がり角度の実験結果を示すものである。

１、１Ａ 半導体レーザ素子
２ 基板
３ａ 凸部
３ ｐ型クラッド層
４ ｐ型キャリアブロック層
５ 発光層
６、６Ａ ｎ型クラッド層
６ａ 平坦部
６ｂ 凸部
７ ｎ型コンタクト層
１３ リッジ部
２１ 半導体レーザ素子
２６ ｎ型コンタクト層
２７ ｎ型クラッド層
２８ 発光層
２９ ｐ型キャリアブロック層
３０ ｐ型クラッド層
３１ ｐ型コンタクト層

Claims (2)

1. 成長方向側にＧａ極性面を有するＧａを含むｐ型窒化物系半導体層を成長させる工程と、
   前記ｐ型窒化物系半導体層の前記Ｇａ極性面側に、成長方向側にＧａ極性面を有するＩｎ及びＧａを含む窒化物系半導体からなる活性層を成長させる工程と、
   前記活性層のＧａ極性面側に、ｎ型酸化亜鉛系半導体層を成長させる工程と、を備え、
   前記ｐ型窒化物系半導体層を成長させる工程の成長温度は、前記活性層を成長させる工程の成長温度をよりも高く、前記ｎ型酸化亜鉛系半導体層を成長させる工程の成長温度は、前記活性層を成長させる工程の成長温度よりも低いことを特徴とする光半導体素子の製造方法。
2. 前記ｎ型酸化亜鉛系半導体層を成長させる工程の成長温度は、７００〜８００℃であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子の製造方法。
   

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