JP5212829B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関し、特に、無極性窒化物半導体を基板として用いる窒化物半導体発光素子に関する。

ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびこれらの混晶等の窒化物半導体材料により作製される窒化物半導体発光素子は、紫外から可視領域までの発光が得ることができる。そのため、窒化物半導体発光素子は、次世代大容量光ディスク用光源等の幅広い利用用途が期待され、各機関で研究開発が進んでいる。

このような窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体基板上に有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて、ｎ型層とｐ型層と積層することにより窒化物半導体層を形成して作製される。

図８は、従来の窒化物半導体発光素子を光出射方向から見たときの模式的な断面図である。

従来の窒化物半導体発光素子は、図８に示されるように、０．１μｍの膜厚のｎ型ＧａＮ基板４０上に、２．２μｍの膜厚のＡｌ_0.050Ｇａ_0.950Ｎからなるｎ型第一クラッド層４１、０．１μｍの膜厚のｎ型ＧａＮガイド層４４、４ｎｍ／８ｎｍの膜厚のＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ−２ＱＷ活性層４５、２０ｎｍの膜厚のｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ蒸発防止層４６、０．０５μｍの膜厚のｐ型ＧａＮガイド層４７、０．５μｍの膜厚のｐ型Ａｌ_0.050Ｇａ_0.950Ｎクラッド層４８、および０．１μｍの膜厚のｐ型ＧａＮコンタクト層４９がｎ型ＧａＮ基板４０側からこの順にＭＯＣＶＤ等の成長方法により作製されていた。

しかしながら、このような方法により作製される窒化物半導体層は、クラックが発生しやすいため、窒化物半導体発光素子の製造の歩留まりが非常に低いという問題があった。

そこで、特許文献２では、窒化物半導体層のクラックの発生を抑制するために、窒化物半導体基板にストライプ状の掘り込み領域を形成した上で、窒化物半導体層を形成するという技術が開示されている。この技術によれば、たしかに窒化物半導体層のクラックの発生を抑制することができる。しかしながら、特許文献２で作製された窒化物半導体発光素子は、高波長の発光波長を得ることができないという問題があった。

特開２００８−６０３７５号公報 特開２００４−３５６４５４号公報

そこで、本発明者らは、特許文献２に示された窒化物半導体発光素子の発光波長を長波長にするために、基板として、ピエゾ電界による影響を受けることがない無極性窒化物半導体基板を用いることを検討した。

しかしながら、基板として無極性窒化物半導体基板を用いると、Ｉｎ_xＧａ_yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）からなる窒化物半導体層のＩｎ組成をｘ≧０．１５の割合で取り込もうとした場合に、その取り込まれ方が弱くなり、長波長の発光を得られない窒化物半導体素子となることがわかった。特に、ｍ面（｛１−１００｝面、または｛１−１０１｝面）の無極性窒化物半導体基板を用いて、窒化物半導体層を形成したときに長波長側の発光が得られにくかった。

しかも、クラック抑止を目的とする掘り込み領域が形成された無極性窒化物半導体基板に窒化物半導体層を形成した後に、Ｉｎを含む窒化物半導体層を成長させた場合、掘り込み領域の側壁の角度が１００°未満の急勾配であると、Ｉｎを含む窒化物半導体層に含まれるＩｎが掘り込み領域内に流れ込んでしまう。

このため、掘り込まれていない領域上のＩｎを含む窒化物半導体層にＩｎの損失が生じることとなり、窒化物半導体発光素子の発光波長を長波長化しにくいという問題があった。

なお、本明細書においては、結晶面や方位を示す指数が負の場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするべきであるが、表現手段に制約があるため、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。

また、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を形成した後に、その断面をＳＥＭで観察したところ、窒化物半導体層の表面の層厚分布があり、窒化物半導体層の表面モフォロジーが悪いことがわかった。このため、窒化物半導体発光素子の歩留まりが低下するという問題があった。

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであって、窒化物半導体発光素子の歩留まりが低下することなく、その発光波長を長波長化することを目的とする。

本発明の窒化物半導体発光素子は、無極性窒化物半導体基板の上に、窒化物半導体層が形成された窒化物半導体発光素子であって、無極性窒化物半導体基板には、掘り込み領域と掘り込まれていない領域とが形成されており、掘り込まれていない領域上に形成された窒化物半導体層の表面と、掘り込み領域の側壁上に形成された窒化物半導体層とのなす角度は、１１０°以上１２０°以下であることを特徴とする。

また、掘り込まれていない領域の無極性窒化物半導体基板の表面と、掘り込み領域の無極性窒化物半導体基板の側壁とのなす角度は、１００°以上１２０°以下であることが好ましい。

また、掘り込み領域の掘り込み深さは、３μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましい。

また、掘り込み領域の開口幅は、３．５μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。
また、窒化物半導体層上に、Ｉｎを含む窒化物半導体層を形成することが好ましい。

また、Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ組成は、１５％以上４５％以下であることが好ましい。

また、窒化物半導体層の層厚は、０．５μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
また、掘り込み領域の側壁上に形成された窒化物半導体層の表面は、掘り込まれていない領域上に形成された窒化物半導体層の表面と等価な結晶面であることが好ましい。

また、上記の等価な結晶面は、無極性面であることが好ましい。
また、窒化物半導体基板の掘り込まれていない領域上の窒化物半導体層に、光導波路構造が形成されることが好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子は、上記の各構成を有することにより、窒化物半導体層にクラックが発生することを抑制し、かつ表面モフォロジーが悪化しにくくすることができ、長波長の発光が得られるという効果を有する。

実施の形態１の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。 掘り込み領域が形成された無極性窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、無電極窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層、およびＩｎを含む窒化物半導体層を形成する各工程を示す図である。 （ａ）〜（ｅ）は、無極性窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成する工程を示す図である。 （ａ）は、実施の形態１および実施例１の窒化物半導体発光素子を光出射方向から見たときの模式的な断面図であり、（ｂ）は、実施の形態１および実施例１の窒化物半導体発光素子を上面から見た図である。 実施例１の窒化物半導体発光素子を光出射方向から見たときの模式的な断面図である。 実施例１の窒化物半導体発光素子に対して電力注入したときの発光スペクトルを示す図である。 従来の窒化物半導体発光素子を光出射方向から見たときの模式的な断面図である。

以下において、本発明による実施の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。なお、図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わすものではない。

本発明において、「無極性窒化物半導体基板」とは、窒化物半導体基板の主面方位として、Ａ面｛１１−２０｝、Ｍ面（｛１−１００｝面、または｛１−１０１｝面）、｛１１−２２｝面、およびこれらの結晶面方位から５°以内のオフ角度を有する窒化物半導体基板のことを意味する。このような無極性窒化物半導体基板を用いることにより、ピエゾ電界による影響がなく、窒化物半導体発光素子の発光を長波長側にすることができる。

ここで、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）からなるものであり、当該窒化物半導体基板中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされたものであってもよい。また、窒化物半導体基板をｎ型窒化物半導体基板にするという観点から、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌをドーピングすることがより好ましい。

また、窒化物半導体基板が六方晶系を維持できる範囲内であれば、窒化物半導体基板の窒素元素の約１０％以下をＡｓ、Ｐ、またはＳｂの元素で置換したものであってもよい。

本発明において、「掘り込み領域」とは、無極性窒化物半導体基板の表面に凹部が加工された領域のことをいう。そして、無極性窒化物半導体基板上の掘り込み領域以外の部分のことを「掘り込まれていない領域」と称する。

以下、本発明の窒化物半導体発光素子を実施の形態によって説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、図１に示されるように、無極性窒化物半導体基板５０の上に、窒化物半導体層５１が形成された窒化物半導体発光素子であって、無極性窒化物半導体基板５０には、掘り込み領域Ｂと掘り込まれていない領域Ａが形成されており、掘り込まれていない領域Ａ上に形成された窒化物半導体層５１の表面５１ａと、掘り込み領域Ｂ上に形成された窒化物半導体層５１の側壁５１ｂとのなす角度θが、１１０°以上１２０°以下であることを特徴とする（角度θが１１０°以上１２０°以下を満たすときの掘り込み領域Ｄの窒化物半導体層５１の側壁のことを「無極性面」とも称する）。

このように掘り込み領域Ｂ上に形成される窒化物半導体層５１の側壁５１ｂを無極性面とすることにより、掘り込まれていない領域Ａ上に形成される窒化物半導体層５１（図1の領域Ｃ）と、掘り込み領域上に形成される窒化物半導体層５１との成長レートを等しくすることができ、もって無極性窒化物半導体基板５０の掘り込み領域が窒化物半導体層５１により埋められるのを防止することができる。これにより掘り込まれていない領域Ａ上に形成される窒化物半導体層５１（図１の領域Ｃ）のクラックの発生を抑制しつつ、その表面モフォロジーを良好に保つことができる。

ところで、後の工程で窒化物半導体層５１上にＩｎを含む窒化物半導体層５２を形成するが、上記のように窒化物半導体層５１の掘り込み部の側壁を無極性面にすることにより、掘り込まれていない領域Ａ上のＩｎを含む窒化物半導体層５２（図１の領域Ｅ）から掘り込み領域のＩｎを含む窒化物半導体層５２（図１の領域Ｆ）へとＩｎが流れ込むことを抑制することができ、これにより掘り込まれていない領域Ａ上のＩｎを含む窒化物半導体層５２（図１の領域Ｅ）のＩｎ組成を高めることができる。

＜掘り込み領域＞
図２は、掘り込み領域が形成された無極性窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。

本実施の形態において、無極性窒化物半導体基板５０に形成される掘り込み領域は、図２に示されるような凹凸の段差を生じさせるものであればその形状は特に限定されず、矩形状、△形状、または台形状のいずれの形状であってもよい。また、１枚の無極性窒化物半導体基板５０上に形成される掘り込み領域がそれぞれ、異なる形状のものであってもよい。

また、図２においては、掘り込み領域と掘り込まれていない領域とが一方向に沿ってストライプ状に形成されたものを示しているが、このような形態のみに限られるものではなく、掘り込み領域および掘り込まれていない領域が互いに交差するように桝目に配列してもよい。

また、１枚の無極性窒化物半導体基板上に形成される掘り込み領域は、必ずしも一定の周期である必要はなく、異なる周期で形成されていてもよい。

＜掘り込み領域の形状＞
掘り込み領域の「掘り込み深さ」は、図２のｆに示されるように、無極性窒化物半導体基板５０の掘り込まれていない領域の表面から掘り込み領域の底面部までの距離のことを意味する。当該掘り込み深さは３μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましく、３μｍ以上７μｍ以下であることがより好ましい。

掘り込み領域の掘り込み深さが３μｍ未満であると、無極性窒化物半導体基板５０に形成した掘り込み領域の角度φが１２０°未満である場合に、掘り込み領域の側壁に形成される窒化物半導体層が無極性面となる前に掘り込み領域が埋まる虞があり、また１５μｍを超えると、掘り込み領域を形成するときの無極性窒化物半導体基板５０のエッチング時間が長時間となるため好ましくない。

掘り込み領域の「開口幅」は、図２のｇに示されるように、掘り込み領域の始点から終点までの長さのことを意味し、当該開口幅は、３．５μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、３．５μｍ以上２０μｍ以下がより好ましい。掘り込み領域の開口幅が３．５μｍ未満であると、掘り込み深さを３μｍとしたときに、角度φが最大１２０°となるように掘り込み領域を形成することができなくなる。一方、掘り込み領域の開口幅が５０μｍを超えると、窒化物半導体発光素子として使用できる領域が狭くなるため材料効率が悪くなる。なお、掘り込み領域の掘り込み深さおよび開口幅は、必ずしも一定でなくてもよく、それぞれ異なっていてもよい。

また、無極性窒化物半導体基板上に掘り込み領域を形成する間隔は、窒化物半導体層の一部に異常個所があった場合に、その掘り込み領域の凹によりその異常個所が波及するのを抑制するという観点から、５μｍ以上４００μｍ以下が好ましい。

掘り込み領域を形成する間隔が５μｍ未満となると、リッジストライプを形成できなくなる虞があり、４００μｍを超えると、窒化物半導体層の一部に異常個所があったときに、その部分を起点とした表面モフォロジーの悪化の影響が窒化物半導体ウエハの全面に波及するため好ましくない。

ここで、掘り込み領域を含む無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層、およびＩｎを含む窒化物半導体層を形成するときの各層の形成について図３を参照して説明する。

図３（ａ）〜（ｄ）は、掘り込み領域を有する無電極窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層、およびＩｎを含む窒化物半導体層を形成する各工程を示す図である。

図３（ａ）は、ｍ面｛１−１００｝無極性窒化物半導体基板５０である。この無極性窒化物半導体基板５０に対し、＜０００１＞方向に幅５μｍ、深さ３μｍ、周期２００μｍの掘り込み領域３０をストライプ状に形成する。ここで、図３（ｂ）に示されるように、無極性窒化物半導体基板５０の表面と掘り込み領域３０の側壁とのなす角度がφとなるように掘り込み領域３０を形成する。

次に、図３（ｃ）に示されるように、上記の掘り込み領域３０が形成された無極性窒化物半導体基板５０に対し、その温度を１１００℃にした上で、ＭＯＣＶＤ装置を用いて窒化物半導体層５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを同時に形成する。

ここで、掘り込まれていない領域上に形成された窒化物半導体層５１Ａの表面と、掘り込み領域３０の側壁上に形成された窒化物半導体層５１Ｂとのなす角度θが１２０°未満のとき、掘り込み領域の側壁上の窒化物半導体層５１Ｂの成長速度は、掘り込まれていない領域上の窒化物半導体層５１Ａ、および掘り込み領域底部上の窒化物半導体層５１Ｃの成長速度よりも速い。このためθが次第に広がり、角度θがおおよそ１２０°（具体的には１１０°以上１２０°以下）まで広がったときに、掘り込み領域の側壁上の窒化物半導体層５１Ｂに無極性面が形成される。

そして、このように掘り込み領域の側壁上に無極性面が形成されるようになると、掘り込まれていない領域上の窒化物半導体層５１Ａの表面と、掘り込み領域の側壁上の窒化物半導体層５１Ｂの表面とは結晶的に等価な面となる。これにより掘り込まれていない領域上の窒化物半導体層５１Ａの成長速度と、掘り込み領域の側壁の窒化物半導体層５１Ｂの成長速度とが同じになる。これにより掘り込み領域が埋まりにくくなり、掘り込まれていない領域上の窒化物半導体層５１Ａの表面モフォロジーが悪化することを抑制することができる。

掘り込み領域の側壁上の窒化物半導体層５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃを無極性面にするためには、窒化物半導体層５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃの層厚を０．５μｍ以上３μｍ以下にすることが好ましい。窒化物半導体層５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃの層厚が０．５μｍよりも薄いと無極性面が現れない可能性があり、３μｍを超えると掘り込み領域が埋まる可能性がある。

そして、上記の窒化物半導体層を形成した後に、図３（ｄ）に示されるように、Ｉｎを含む窒化物半導体層５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを形成する。

本実施の形態において、Ｉｎを含む窒化物半導体層５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは、窒化物半導体層５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ上に形成されるものであり、その組成式は、Ｉｎ_xＧａ_yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）で表される。

上記のように掘り込み領域の側壁の窒化物半導体層５１Ｂを無極性面とした上で、Ｉｎを含む窒化物半導体層５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃを形成することにより、掘り込まれていない領域上に形成したＩｎを含む窒化物半導体層５２ＡのＩｎが、掘り込み領域の側壁に形成されたＩｎを含む窒化物半導体層５２Ｂに流れ込む量が減り、結果として掘り込まれていない領域上に形成されるＩｎを含む窒化物半導体層５２ＡのＩｎ組成を高くすることができる。

このように掘り込まれていない領域から掘り込み領域へとＩｎの流れ込みを抑制することにより、掘り込まれていない領域上のＩｎを含む窒化物半導体のＩｎ組成ｘを０．１５以上０．４５以下にすることが好ましい。このようにＩｎ組成ｘを調整することにより、窒化物半導体発光素子の発光波長を長波長側にすることができる。ただし、Ｉｎ組成ｘが０．４５を超えるとＩｎの凝集により窒化物半導体層が黒色化してしまうため好ましくない。

＜掘り込み領域の側壁の傾斜角＞
図３（ｂ）において、無極性窒化物半導体基板の掘り込まれていない表面と掘り込み領域の側壁とのなす角度φは１００°以上１２０°以下であることが好ましく、この範囲の中でも１２０°に近づくことがより好ましく、さらに好ましくは１２０°である。

このように無極性窒化物半導体基板５０の掘り込まれていない表面と掘り込み領域の側壁とのなす角度φを調整することにより、掘り込み領域の側壁の窒化物半導体層が無極性面（θ＝１２０°）を形成する時間を短くすることができ、その結果掘り込み領域を埋まりにくくすることができる。

無極性窒化物半導体基板５０の掘り込まれていない表面と掘り込み領域の側壁とのなす角度φが１００°未満であると、掘り込み領域の側壁が急勾配であるために、その上に形成される窒化物半導体層５１に無極性面が現れにくくなる。一方、φが１２０°を超えると、掘り込み領域の側壁が滑らか過ぎるため窒化物半導体層により埋まりやすくなる。なお、無極性窒化物半導体基板５０の掘り込まれていない表面と掘り込み領域の側壁とのなす角度φを調整する手法については、後述の図４（ｄ）とともに説明する。

＜掘り込み領域の形成方法＞
図４（ａ）〜（ｅ）は、無極性窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成する工程を示す図である。

まず、図４（ａ）に示されるように、無極性窒化物半導体基板５０の全面に対し、スパッタ法（Electron Beem蒸着法またはプラズマＣＶＤ法等でもよい）により、ＳｉＯ₂膜６０を成膜する。

次に、図４（ｂ）に示されるように、一般的なフォトリソ工程を用いることにより、［０００１］方向に幅５μｍ、周期４００μｍのストライプのウィンドウを有するレジスト６１を形成する。このレジスト６１に形成されるストライプの周期は、その後に形成される窒化物半導体発光素子の幅で決められる。窒化物半導体発光素子の幅をたとえば２００μｍにしたい場合は、ストライプ方向と垂直な方向の間隔を２００μｍにすればよい。

次に、図４（ｃ）に示されるように、上記で形成したレジスト６１をマスクとしてＳｉＯ₂膜６０をエッチングにより除去して、無極性窒化物半導体基板５０を露出させる。

次に、図４（ｄ）に示されるように、レジスト６１およびＳｉＯ₂膜６０をマスクとして誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）エッチング法、または反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法により、無極性窒化物半導体基板５０をエッチングする。

ここで、無極性窒化物半導体基板５０の掘り込まれていない表面と掘り込み領域の側壁とのなす角度φを調整する方法としては、ＳｉＯ₂膜６０をエッチングするときにＳｉＯ₂膜６０の形状に斜度を付けることにより行なってもよいし、無極性窒化物半導体基板５０のエッチングマスクにＳｉＯ₂膜ではなく直接レジスト６１を形成して無極性窒化物半導体基板５０にテーパーをつけることにより行なってもよい。

最後に、図４（ｅ）に示されるように、ＨＦ等をエッチャントに用いてリフトオフ法によりＳｉＯ₂膜６０とレジスト６１とを除去する。

以上の工程を行なうことにより、無極性窒化物半導体基板５０に掘り込み領域を作製することができる。なお、本実施の形態において、エッチング法は、気相エッチングを用いてもよいし、液相のエッチャントを用いてエッチングを行なってもよい。

また、上記の掘り込み領域の形成は、無極性窒化物半導体基板上に、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ等の窒化物半導体層を成長した後に行なってもよい。

＜窒化物半導体発光素子の作製方法＞
図５において（ａ）は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子を光出射方向から見たときの模式的な断面図であり、（ｂ）は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子を上面から見た図である。

まず、図５（ａ）に示されるように、ｍ面｛１−１００｝の無極性窒化物半導体基板は、掘り込み領域３０が形成されている（以下において、掘り込み領域３０が形成された無極性窒化物半導体基板のことを単に「加工基板５０ａ」とも称する）。

この加工基板５０ａの上面にＭＯＣＶＤ法を用いて窒化物半導体薄膜６６を成長させた後に、レーザ光導波路構造であるレーザストライプ６２、電流狭窄を目的としたＳｉＯ₂薄膜６３、ｐ型電極６４をこの順に形成する。他方、加工基板５０ａの下面には、ｎ型電極６５を形成する。このようにして窒化物半導体ウエハを作製する。このようにして得られた窒化物半導体ウエハのキャビティ長が３００μｍから１８００μｍの範囲の長さとなるようにバー状に分割し、当該バー状に分割された窒化物半導体ウエハをチップ分割することにより、本実施の形態の窒化物半導体発光素子を得ることができる。

上記のようにレーザ光導波路構造とすることにより、窒化物半導体発光素子に発生するクラックの発生と表面モフォロジーの悪化とを抑制することができ、これにより共振器方向に窒化物半導体薄膜の層厚が均一なものとなり、高い利得が得られる。すなわち、このようなレーザ光導波路構造とすることにより、窒化物半導体薄膜とレーザストライプと界面の低しきい値化を実現することができるとともに、Ｉｎが掘り込み領域内に流れ込みにくくなり、長波長の発光を得ることができる。

（実施例１）
図５（ａ）は本発明における実施例１の窒化物半導体発光素子を光出射方向から見た断面模式図であり、図５（ｂ）は実施例１の窒化物半導体発光素子を上面側から見た模式図である。

実施例１では、図５に示される窒化物半導体発光素子を作製した。
＜掘り込み領域の形成＞
まず、厚み０．１μｍのｍ面｛１−１００｝のｎ型ＧａＮからなる無極性窒化物半導体基板５０の表面に掘り込み領域を形成した。すなわち、図４（ａ）に示されるようにｎ型ＧａＮからなる無極性窒化物半導体基板５０の全面に膜厚１μｍのＳｉＯ₂膜６０をスパッタ法で成膜した。そして、図４（ｂ）に示されるようにフォトリソ工程により、[０００１]方向に幅５μｍ、周期２００μｍのストライプのウィンドウをレジスト６１に形成した。

次に、図４（ｃ）に示されるように、レジスト６１をマスクとしてＲＩＥ法によりＳｉＯ₂膜６０をエッチングした。そして、図４（ｄ）に示されるように、レジスト６１とＳｉＯ₂膜６０をマスクとしてＩＣＰ法によりＧａＮ基板をエッチングし、５μｍの深さの掘り込み領域を形成した（図４（ｄ）の深さｄがエッチング深さとなる）。

その後、図４（ｅ）に示されるように、ＨＦによるリフトオフ法によりＳｉＯ₂膜６０およびレジスト６１を除去し、掘り込み領域が形成された無極性窒化物半導体基板（すなわち図５の加工基板５０ａ）を作製した。

＜窒化物半導体層の形成＞
次に上記で得られた加工基板５０ａ上に、層厚２．２μｍのｎ型Ａｌ_0.050Ｇａ_0.950Ｎ第一クラッド層、層厚０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層、層厚４ｎｍのＩｎＧａＮと層厚８ｎｍのＩｎＧａＮからなるＩｎＧａＮ−２ＱＷ活性層、層厚２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ蒸発防止層、層厚０．０５μｍのｐ型ＧａＮガイド層、層厚０．５μｍのｐ型Ａｌ_0.050Ｇａ_0.950Ｎクラッド層、および層厚０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層がｎ型ＧａＮ基板側からこの順にＭＯＣＶＤで成長させて、掘り込み領域を有する窒化物半導体ウエハを得た。

＜窒化物半導体発光素子の作製＞
上記で得られた窒化物半導体ウエハを窒化物半導体発光素子に加工するプロセスは、一般的な方法を用いるためここでは詳細には説明しないが概略は以下の通りである。

まず、図５（ａ）に示されるように、窒化物半導体薄膜６６上にレーザ光導波路構造のレーザストライプ６２を形成し、電流狭窄構造であるリッジ構造のＳｉＯ₂薄膜６３を作製した。さらに、窒化物半導体薄膜６６上にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ＝１５ｎｍ／１５ｎｍ／２００ｎｍからなるｐ型電極６４の作製した。

そして、加工基板５０ａの裏面（窒化物半導体薄膜が成長されていない面）を研削研磨した後に、無極性窒化物半導体基板の裏面にＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ＝５ｎｍ／１５０ｎｍ／３６ｎｍ／１８ｎｍ／２００ｎｍからなるｎ型電極６５を作製し、窒化物半導体ウエハを得た。

そして、上記で得られた窒化物半導体ウエハのキャビティ長が６００μｍとなるようにバー状に分割を行ない、このバーをチップ分割して窒化物半導体発光素子を得た。

＜掘り込み領域のＳＥＭ写真＞
図６は、実施例１で作製された無極性窒化物半導体発光素子の掘り込み領域周辺部をＳＥＭで観察したときの断面写真である。

図６において、掘り込まれていない領域の無極性窒化物半導体基板５０の表面（図６中の５０ａ）と、掘り込み領域の無極性窒化物半導体基板５０ｂの側壁とのなす角度φは、１２０°より小さい。一方、当該無極性窒化物半導体基板５０上に形成された窒化物半導体層５１において、掘り込まれていない領域上に形成された窒化物半導体層５１ａの表面と、掘り込み領域の側壁上に形成された窒化物半導体層５１ｂの表面とのなす角度θは、おおよそ１２０°であり、掘り込み領域が埋まることなく、掘り込み領域の側壁上に形成された窒化物半導体層５１の表面は無極性面が形成されていることがわかる。

そして、当該窒化物半導体層５１上にさらにＩｎＧａＮ/ＩｎＧａＮ―２ＱＷ活性層、ｐ型クラッド層、およびｐ型コンタクト層からなるＩｎを含む窒化物半導体層５２を形成したときの表面５２ａと、掘り込み領域の側壁上に形成したＩｎを含む窒化物半導体層５２の側壁５２ｂとのなす角度をθ’とすると、その角度はおおよそ１２０°に保たれていることがわかる。

このように掘り込み領域の内部で成長した窒化物半導体層５１の側壁を無極性面とすることにより、その後にＩｎを含む窒化物半導体層５２を形成しても掘り込み領域が埋まらないことが明らかとなった。

このように掘り込み領域が埋まることなく、窒化物半導体ウエハを形成することにより、掘り込み領域の側壁上に形成される窒化物半導体層の表面と、掘り込まれていない領域上に形成される窒化物半導体層の表面とが等価な面となり、窒化物半導体ウエハの表面モフォロジー（掘り込まれていない領域上の窒化物半導体層の表面の平坦性）を改善できることがわかった。しかも、掘り込み領域が埋まらないことにより、掘り込み領域を形成する当初の目的であるクラック抑制の効果も得ることができる。

また、掘り込み領域を形成することにより、４００μｍ間隔で[１１−２０]方向の成長が分断されるため、窒化物半導体ウエハの一部に異常個所があって、それが原因となり層厚変動が起こっても、掘り込み領域上の凹により分断されるためその異常個所による影響が拡散しないと考えられる。

＜Ｉｎを含む窒化物半導体層の発光ピーク＞
本実施例により作製された窒化物半導体発光素子の掘り込み領域と掘り込まれていない領域とに対して同時に電流注入することによりその自然放出光の発光スペクトルを測定した。

図７は、実施例１の窒化物半導体発光素子に対して電力注入したときの発光スペクトルを示す図である。実施例１の窒化物半導体発光素子は、図７に示されるように、長波長側のピーク３５と短波長側のピーク３６との２つのピークに分離している。

このように発光スペクトルのピークが分離している理由は、掘り込まれていない領域上に形成されたＩｎを含む窒化物半導体層のＩｎ組成が、掘り込み領域上に形成されたＩｎを含む窒化物半導体層のＩｎの組成よりも高いためである。

よって、図７において、長波長側のピーク３５は、掘り込まれていない領域上に形成されたＩｎを含む窒化物半導体層からの発光であり、短波長側のピーク３６は、掘り込み領域上に形成されたＩｎを含む窒化物半導体層からの発光であることが発光パターンからわかる。

以上の結果により、特定の斜度の掘り込み領域を有する無極性窒化物半導体基板に対し、窒化物半導体層、Ｉｎを含む窒化物半導体層の順に形成することにより、Ｉｎを含む窒化物半導体層が掘り込み領域内に流れ込むことを抑制することができ、もって窒化物半導体発光素子の発光を長波長にできることが明らかとなった。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

３０ 掘りこみ領域、３５ 長波長側のピーク、３６ 短波長側のピーク、４０ ｎ型ＧａＮ基板、４１ ｎ型第一クラッド層、４４ ｎ型ＧａＮガイド層、４５ ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ−２ＱＷ活性層、４６ ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ蒸発防止層、４７ ｐ型ＧａＮガイド層、４８ ｐ型Ａｌ_0.050Ｇａ_0.950Ｎクラッド層、４９ ｐ型ＧａＮコンタクト層、５０ 無極性窒化物半導体基板、５０ａ 加工基板、５１，５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ 窒化物半導体層、５２，５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ Ｉｎを含む窒化物半導体層、６０ ＳｉＯ₂膜、６１ レジスト、６２ レーザストライプ、６３ ＳｉＯ₂薄膜、６４ ｐ型電極、６５ ｎ型電極、６６ 窒化物半導体薄膜。

Claims (9)

1. 無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層が形成され、前記窒化物半導体層上にＩｎを含む窒化物半導体層が形成された窒化物半導体発光素子であって、
   前記無極性窒化物半導体基板には、掘り込み領域と掘り込まれていない領域とが形成されており、
   前記掘り込まれていない領域上に形成された前記窒化物半導体層の表面と、前記掘り込み領域の側壁上に形成された前記窒化物半導体層とのなす角度は、１１０°以上１２０°以下である、窒化物半導体発光素子。
2. 前記掘り込まれていない領域の無極性窒化物半導体基板の表面と、前記掘り込み領域の無極性窒化物半導体基板の側壁とのなす角度は、１００°以上１２０°以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記掘り込み領域の掘り込み深さは、３μｍ以上１５μｍ以下である、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記掘り込み領域の開口幅は、３．５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記Ｉｎを含む窒化物半導体層のＩｎ組成は、１５％以上４５％以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
6. 前記窒化物半導体層の層厚は、０．５μｍ以上３μｍ以下である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
7. 前記掘り込み領域の側壁上に形成された前記窒化物半導体層の表面は、前記掘り込まれていない領域上に形成された前記窒化物半導体層の表面と等価な結晶面である、請求項１〜６のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
8. 前記等価な結晶面は、無極性面である、請求項７に記載の窒化物半導体発光素子。
9. 前記窒化物半導体基板の掘り込まれていない領域上の窒化物半導体薄膜に、光導波路構造が形成される、請求項１〜８のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。