JP5319431B2 - 窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、半導体装置 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、半導体装置に関し、特に、窒化物半導体基板を備えた窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、この窒化物半導体素子を搭載した半導体装置に関する。
ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびそれらの混晶に代表される窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体やＡｌＧａＩｎＰ系半導体に比べてバンドギャップＥｇが大きく、かつ直接遷移型の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に及ぶ波長領域における発光が可能な半導体レーザ素子や、紫外線から赤色までの広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオード素子などの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、プロジェクターやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。
また、近年、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、その発光波長を長波長化することにより、緑色領域で発光する半導体発光素子（緑色半導体レーザ）を実現しようとする試みが各研究機関で精力的に行われている。
窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、一般的に、基板として、六方晶系のＧａＮ基板（窒化物半導体基板）が用いられており、そのｃ面（（０００１）面）が成長主面とされている。そして、このｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層が積層されることによって窒化物半導体発光素子が形成されている。また、窒化物半導体基板を用いて窒化物半導体発光素子を形成する場合には、一般的に、Ｉｎを含む活性層が用いられ、そのＩｎ組成比を増加させることにより、発光波長の長波長化が図られる。
しかしながら、ＧａＮ基板のｃ面は、ｃ軸方向に極性を有する極性面であるため、ｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層を積層した場合、活性層内に自発分極が生じるという不都合がある。また、ｃ面上に活性層を含む窒化物半導体層を積層した場合、Ｉｎ組成比の増加に伴い、活性層の格子歪みが増大し、活性層に、ピエゾ分極による強い内部電場が誘起されるという不都合もある。そして、この内部電場により、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、再結合して発光する割合が低下する。このため、緑色領域の発光を実現するために、Ｉｎ組成比を増加させた場合には、発光波長の長波長化に伴い、発光効率が著しく低下するという問題が生じていた。
そこで、近年では、自発分極およびピエゾ分極の影響を回避するために、一般的なｃ面ではなく、無極性面であるｍ面（｛１−１００｝面）上に窒化物半導体層を積層した窒化物半導体発光素子が提案されている。このような窒化物半導体発光素子は、たとえば、特許文献１に開示されている。
上記特許文献１に開示された窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）は、無極性面であるｍ面を成長主面とするＧａＮ基板を備えており、その成長主面（ｍ面）上に活性層を含む窒化物半導体各層が積層されている。このｍ面は、ｃ面と直交する結晶面であるため、ｍ面上に、活性層を含む窒化物半導体各層を積層することによって、分極軸となるｃ軸が活性層の面内に含まれる。このため、自発分極やピエゾ分極の影響が回避され、発光効率の低下が抑制される。
上述のように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることによって、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下が抑制された窒化物半導体発光素子が得られる。
しかしながら、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子について、その発光効率（電流注入による発光：ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ））を測定したところ、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、発光効率が急激に低下してしまう現象が確認された。そこで、本願発明者らが、その原因を解明すべく、鋭意研究を重ねた結果、発光効率の低下の原因が、ＥＬ発光パターン（電流注入によって発光させたときの面内光分布）の輝点状化にあることを突き止めた。すなわち、活性層のＩｎ組成比の増加に伴い、窒化物半導体発光素子のＥＬ発光パターンが、輝点状発光することを見出した。
具体的には、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子（発光ダイオード素子）を作製し、電流注入を行うことによって窒化物半導体発光素子を発光させたところ、図２８に示すような、輝点状のＥＬ発光パターンが観察された。このような現象は、従来、どのような場合に起こるのか全く知られていない。そこで、原因を詳細に調べたところ、活性層のＩｎ組成比が高くなるにしたがい、ＥＬ発光パターンが輝点状に変化していくことが分かった。また、この輝点状のＥＬ発光パターンは、活性層のＩｎ組成比が増加すればするほど顕著になり、特に、緑色領域の近傍（活性層（井戸層）のＩｎ組成比が０．１５以上）から輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる傾向が認められた。そして、さらにＩｎ組成比を増加させると、発光する輝点の数（発光面積）が減少していく。このように、輝点状のＥＬ発光パターンとＩｎ組成比との間に強い相関性が認められ、ＥＬ発光パターンが輝点状化する現象が、活性層のＩｎ組成比を増加させたときに発光効率が低下する原因であることを見出した。
また、上記した輝点状のＥＬ発光パターンは、無極性面、特にｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子で顕著に現れる現象である。
このように、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子では、ｃ面を用いた窒化物半導体発光素子とは異なり、自発分極やピエゾ分極に起因する発光効率の低下は抑制されるものの、ＥＬ発光パターンの輝点状化に起因して、発光効率が低下するという問題があることを見出した。このようなＥＬ発光パターンの輝点状化は、ｍ面を用いた窒化物半導体発光素子において、発光波長の長波長化を図る際の妨げとなるため、非常に問題となる。特に、半導体レーザ素子においては、発光効率の低下はゲインの低下を引き起こすため、問題が大きい。
さらに、窒化物半導体基板のｍ面上に窒化物半導体層を成長させる場合、ｃ面上に窒化物半導体層を成長させる場合に比べて、窒化物半導体層の成長が不安定になり易い。このため、ｍ面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子（窒化物半導体素子）では、窒化物半導体層の表面モフォロジーが悪化し易いという問題点もある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、ＥＬ発光パターンを改善することにより、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を提供することである。
この発明のもう１つの目的は、良好な表面モフォロジーを有する窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を提供することである。
この発明のさらにもう１つの目的は、素子特性、信頼性および歩留まりを向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を提供することである。
本願発明者らが、上記の問題に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、ｍ面に対してオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することが可能であることを見出した。
すなわち、この発明の第１の局面による窒化物半導体素子は、成長主面を有する窒化物半導体基板と、この窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層とを備えている。そして、上記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなり、上記窒化物半導体層は、Ａｌを含むとともに、成長主面と接するように形成されている。
この第１の局面による窒化物半導体素子では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、窒化物半導体素子のＥＬ発光パターンを改善することができる。これにより、窒化物半導体素子の発光効率を向上させることができる。また、発光効率を向上させることによって、輝度の高い窒化物半導体素子を得ることができる。なお、上記のような輝点状発光の抑制効果が得られる理由として、一つには、窒化物半導体基板の成長主面がｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、成長主面上に窒化物半導体層を成長させる際に、原子のマイグレーションの方向が変化するためであると考えられる。
また、第１の局面では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子を形成した際に、ゲインを高めることができる。また、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
さらに、第１の局面では、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する成長主面上に、この成長主面と接するように、Ａｌを含む窒化物半導体層を形成することによって、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、窒化物半導体層の面内層厚分布を均一化することができるとともに、この窒化物半導体層上に積層される半導体層においても、面内層厚分布を均一化することができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性のバラツキを低減することができるので、製造歩留まりを向上させることができる。これにより、規格の範囲内の特性を有する素子を容易に得ることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、ａ軸方向のオフ角度の絶対値が、０．１度より大きい。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、窒化物半導体基板は、ＧａＮからなり、窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮからなる。このように構成すれば、容易に、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制しながら、表面モフォロジーを良好にすることができる。なお、上記窒化物半導体基板は、ＡｌＧａＮから構成されていてもよい。
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、窒化物半導体層上には、量子井戸構造を有する活性層が形成されており、この活性層は、１層の井戸層を有している。このように構成すれば、輝点状発光の抑制効果を得ることができ、かつ、駆動電圧を容易に低減することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。また、このように構成することによって、井戸層を３層以上含むように活性層を構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。これにより、輝度の高い窒化物半導体素子を容易に得ることができる。
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、窒化物半導体層上には、量子井戸構造を有する活性層が形成されており、活性層は、２層の井戸層を有するように構成されていてもよい。このように構成した場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができ、かつ、駆動電圧を容易に低減することができる。また、このように構成することによって、井戸層を３層以上含むように活性層を構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、窒化物半導体層上には、量子井戸構造を有する活性層が形成されており、活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、井戸層のＩｎ組成比が、０．１５以上０．４５以下であるのが好ましい。第１の局面による窒化物半導体素子では、このように、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である井戸層のＩｎ組成比が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができるので、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、井戸層のＩｎ組成比を０．４５以下にすることによって、井戸層のＩｎ組成比が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層に転位が多数入るという不都合が生じるのを抑制することもできる。
上記活性層を備えた構成において、活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有する。このように構成すれば、障壁層の平坦性を向上させることができるので、平坦性の高い障壁層上に井戸層を形成することによって、井戸層におけるＩｎ組成の面内分布が不均一になるのを抑制することができる。また、活性層（井戸層）の結晶性を向上させることもできる。これにより、発光効率をより向上させることができる。
この場合、上記障壁層は、ＡｌＧａＮから構成されているのが好ましい。
上記第１の局面による窒化物半導体素子において、窒化物半導体基板の成長主面は、ａ軸方向に加えて、ｃ軸方向にもオフ角度を有していてもよい。この場合、ａ軸方向のオフ角度が、ｃ軸方向のオフ角度より大きくなるように構成されているのが好ましい。このように構成すれば、ＥＬ発光パターンの輝点状化をより効果的に抑制することができる。
この発明の第２の局面による窒化物半導体素子は、成長主面を有する窒化物半導体基板と、窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に形成された活性層とを備えている。そして、上記成長主面は、無極性面からなり、上記活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有している。
この第２の局面による窒化物半導体素子では、上記のように、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することによって、障壁層の平坦性を向上させることができるので、発光効率および信頼性を向上させることができる。
上記第２の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、上記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向にオフ角度を有する面からなる。このように構成すれば、上記第１の局面による窒化物半導体素子と同様、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。
上記第２の局面による窒化物半導体素子において、好ましくは、窒化物半導体層は、Ａｌを含むとともに、成長主面と接するように形成されている。このように構成すれば、窒化物半導体層の平坦性を向上させることができるので、このような平坦性の高い窒化物半導体層上に上記活性層を形成することによって、発光効率をより向上させることができる。
この発明の第３の局面による窒化物半導体素子の製造方法は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面からなる成長主面を含む窒化物半導体基板を準備する工程と、窒化物半導体基板の成長主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長主面と接するように形成する工程とを備えている。なお、上記窒化物半導体層の導電型は、ｎ型でもよいし、ｐ型でもよい。また、上記窒化物半導体層は、アンドープであってもよい。
この第３の局面による窒化物半導体素子の製造方法では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制された窒化物半導体素子を得ることができる。すなわち、このように構成することによって、ＥＬ発光パターンが改善された窒化物半導体素子を得ることができる。これにより、発光効率が向上された輝度の高い窒化物半導体素子を得ることができる。
また、第３の局面では、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する成長主面上に、この成長主面と接するように、Ａｌを含む窒化物半導体層を形成することによって、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、窒化物半導体層の面内層厚分布を均一化することができるので、平坦性の高い窒化物半導体層を形成することができる。したがって、この窒化物半導体層上に積層される半導体各層においても、面内層厚分布を均一化することができるので、半導体各層の平坦性を向上させることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性のバラツキを低減することができるので、規格の範囲内の特性を有する素子を増加させることができる。これにより、製造歩留まりを向上させることができる。なお、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
さらに、第３の局面では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、窒化物半導体素子の駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子を形成した際に、ゲインを高めることができる。また、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるとともに、平坦性の高い窒化物半導体各層を形成することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まりよく得ることができる。
上記第３の局面による窒化物半導体素子の製造方法において、窒化物半導体基板の成長主面上に、上記窒化物半導体層（Ａｌを含む窒化物半導体層）を含むｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を順次積層する行程を備えているのが好ましい。この場合、ｐ型半導体層は、７００℃以上であって、１１００℃より低い成長温度で形成するのが好ましい。このように、ｐ型半導体層を１０００℃以上の高温で形成した場合でも、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することにより、活性層（井戸層）の黒色化を抑制することができる。このため、ｐ型半導体層を１０００℃以上の高温で形成することができるので、ｐ型半導体層を高温で形成することによって、駆動電圧の低減効果を効果的に得ることができる。また、ｐ型半導体層を、７００℃以上の成長温度で形成することによって、７００℃より低い成長温度で形成されることに起因して、ｐ型半導体層が高抵抗化するという不都合が生じるのを抑制することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。なお、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面を有する窒化物半導体基板を用いることによって、９００℃より低い成長温度でｐ型半導体層を形成した場合でも、ｐ型伝導を得ることができる。
また、この場合、ｎ型半導体層は、９００℃以上であって、１３００℃より低い成長温度で形成するのが好ましい。このように、窒化物半導体層を含むｎ型半導体層を、９００℃以上の高温で形成することにより、ｎ型半導体層の層表面を平坦化することができる。このため、平坦化されたｎ型半導体層上に活性層およびｐ型半導体層を形成することにより、活性層およびｐ型半導体層における結晶性の低下を抑制することができる。これにより、高品質な結晶を形成することができる。また、窒化物半導体層を含むｎ型半導体層を、１３００℃より低い成長温度で形成することによって、１３００℃以上の成長温度で形成されることに起因して、昇温時に窒化物半導体基板の表面が再蒸発し、表面荒れが引き起こされるという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子を容易に歩留まりよく得ることができる。
さらに、この場合、活性層は、６００℃以上８００℃以下の成長温度で形成するのが好ましい。このように、活性層を、８００℃以下の成長温度で形成することによって、８００℃より高い成長温度（たとえば、８３０℃以上）で活性層が形成されることに起因して、熱ダメージによって活性層が黒色化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、活性層を６００℃以上の成長温度で形成することによって、６００℃より低い成長温度で形成されることに起因して、原子の拡散長が短くなり結晶性が悪化するという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体素子をより容易に歩留まりよく得ることができる。
この発明の第４の局面による半導体装置は、上記第１または第２の局面による窒化物体素子を備えた半導体装置である。
以上のように、本発明によれば、ＥＬ発光パターンを改善することにより、発光効率を向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を容易に得ることができる。
また、本発明によれば、良好な表面モフォロジーを有する窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を容易に得ることができる。
さらに、本発明によれば、素子特性、信頼性および歩留まりを向上させることが可能な窒化物半導体素子及びその製造方法、並びに、その窒化物半導体素子を備えた半導体装置を容易に得ることができる。
本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本願発明者らが種々検討を行うことによって得た知見について説明する。
上述したように、本願発明者らは、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、窒化物半導体基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することが可能であることを見出した。
一方、本願発明者らが、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いて、その成長主面上に、ＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したところ、面内の層厚分布が非常に悪化することが分かった。このときの層厚分布は、ａ軸方向にオフ角度を有さないｍ面ＧａＮ基板上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成した場合の層厚分布と比べても、非常に悪いものであった。このように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する成長主面上に１μｍ程度の厚みでＧａＮ層を形成した場合に、面内で大きな層厚分布を引き起こすという現象は、非常に特異な現象であると考えられる。
図２４は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。なお、図２４は、成長主面上にＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。図２４に示すように、半導体層の層表面には、ａ軸方向と平行方向に、非常に強い波状の凹凸が見られる。また、図２４の窒化物半導体層には、２００ｎｍ〜４００ｎｍ程度の層厚の分布があり、このような層厚分布の均一性が損なわれた半導体層では、素子を形成することは非常に困難となる。
これまで、一般的には、基板と同じ組成の半導体層を、基板表面（成長主面）に接するように形成することで、層表面の平坦性および半導体層の結晶性を向上させ、その上に素子を形成することが行われている。たとえば、基板がＧａＮ基板であれば、まず、ＧａＮ層が基板上に形成される。これにより、基板の組成と、基板表面（成長主面）に形成される半導体層（ＧａＮ層）の組成とが同じになるために、格子定数差や熱膨張係数差などがなく、歪みの発生が抑制される。そして、このようにすることによって、平坦性が高く、結晶性の良い半導体層を形成できることが知られている。
しかしながら、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板に関しては、上記構成を適用することによって、かえって、表面モフォロジーが悪化することが今回初めて分かった。
そこで、本願発明者らが鋭意検討を行った結果、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板の場合には、Ａｌを含む窒化物半導体層を成長主面と接するように形成することにより、層表面の平坦性を著しく向上させることが可能であることを見出した。Ａｌを含む窒化物半導体層としては、たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層などである。また、Ａｌを含む窒化物半導体層以外に、ＩｎＧａＮ層やＩｎＮ層でも、同様の効果が得られることが分かった。
図２５は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＡｌＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真である。なお、図２５は、成長主面上にＡｌＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。ＡｌＧａＮ層の組成は、Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎである。図２５に示すように、ＡｌＧａＮ層始まりの表面モフォロジーは非常に良好であり、図２４に示したＧａＮ層始まりに比べて、層表面の平坦性が著しく向上していることが分かる。基板表面（成長主面）に接する半導体層をＡｌＧａＮ層とすることで、その成長モードが変わり、平坦性と結晶性とが向上するものと考えられる。
また、本願発明者らは、基板上に積層される層構造の中に、できるだけＧａＮ層を含まないようにすることで、表面モフォロジーをさらに良好にすることが可能であることも見出した。なお、発光素子を形成する場合には、光閉じ込めなどを行うために、光ガイド層としてＧａＮ層を用いることも可能である。また、コンタクト層などにＧａＮ層を用いることも可能である。
上記のように、基板表面（成長主面）に接する半導体層を、Ａｌを含まないＧａＮ層に代えて、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）にすることで、表面モフォロジーが顕著に向上する。このような現象は、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板を用いた場合の特徴的な現象であり、これまで全く報告がなく、今回の検討で初めて得られた知見である。
参考のために、ｍ面に対してｃ軸方向に＋０．５度のオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＡｌＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真を図２６に示す。また、ｍ面に対してｃ軸方向に＋０．５度のオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板を用いて、その成長主面上にＧａＮ層を１μｍ程度の厚みで形成したときの表面モフォロジーを、光学顕微鏡を用いて観察した顕微鏡写真を図２７に示す。なお、図２６は、成長主面上にＡｌＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示しており、図２７は、成長主面上にＧａＮ層始まりで窒化物半導体各層を積層した状態の表面モフォロジーを示している。図２６および図２７に示すように、いずれも、表面モフォロジーは悪く、両者で大きな変化は見られない。通常は、このように、ＧａＮ層を形成した場合（ＧａＮ層始まりの場合）と、ＡｌＧａＮ層を形成した場合（ＡｌＧａＮ層始まりの場合）とで、その表面モフォロジーに大きな差はない。このため、上記した現象は、非常に特異な現象であることが分かった。
また、本願発明者らがさらに検討を行った結果、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板上に、成長主面と接するようにＧａＮ層を形成した場合でも、ＧａＮ層の厚みが比較的小さい場合には、表面モフォロジーの悪化が抑制されることも見出した。この場合のＧａＮ層の厚みは、０．７μｍ以下であるのが好ましく、０．５μｍ以下であればより好ましい。また、ＧａＮ層の厚みが０．３μｍ以下であれば、さらに好ましい。なお、このような薄膜のＧａＮ層を形成した後であれば、モフォロジーの大きな悪化は起こらないため、その後、ＡｌＧａＮ層を形成するなどして、基板上に複数のＧａＮ層を形成することは可能である。
また、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板上に、ＧａＮ層を形成する場合には、基板表面からＩｎを含む窒化物半導体層である井戸層（井戸層が複数形成されている場合には、最も基板側の井戸層）までの間に形成されるＧａＮ層のトータル層厚が０．７μｍ以下であるのが好ましく、０．５μｍ以下であればより好ましい。また、ＧａＮ層のトータル層厚が０．３μｍ以下であれば、さらに好ましい。なお、この場合においても、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）が基板の成長主面と接するように形成されているのが好ましい。活性層を形成する時点で表面モフォロジーが悪化していると、井戸層に含まれるInが悪化した表面モフォロジーの影響を受けて、面内で組成分布が大きくなるためである。組成の面内分布が起こると、Inの取り込みが大きい部分は、メタリック化したり、結晶性が著しく低下したりして、発光強度の低下を引き起こすため好ましくない。このためにも、上記条件が好ましい。
基板上に積層される層構造に、ＧａＮ層を含まず、これらの層構造を、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮなどのＧａＮとは異なる組成の半導体層で構成することでも、特性の優れた発光素子または電子デバイスの形成が可能となる。
さらに、本願発明者らは、上記検討によって、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ）から構成することにより、発光効率を向上させることが可能となることも見出した。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、窒化物半導体素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した場合について説明する。また、以下の実施形態において、「窒化物半導体」とは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる半導体を意味する。
まず、図１〜図６を参照して、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の構造について説明する。
一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００を構成する窒化物半導体は、図１に示すように、六方晶系の結晶構造を有している。この結晶構造において、六角柱とみなせる六方晶のｃ軸［０００１］を法線とする面（六角柱の上面）をｃ面（０００１）と呼び、六角柱の側壁面の各々をｍ面｛１−１００｝と呼ぶ。窒化物半導体では、ｃ軸方向に対称面が存在しないため、分極方向がｃ軸方向に沿っている。このため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示す。すなわち、＋ｃ面（（０００１）面）と−ｃ面（（０００−１）面）とは等価な面ではなく、化学的な性質も異なる。一方、ｍ面は、ｃ面に対して直角な結晶面であるため、ｍ面の法線は、分極方向に対して直交している。このため、ｍ面は、極性のない無極性面である。なお、上述のように、六角柱の側壁面の各々がｍ面となるため、ｍ面は、６種類の面方位（（１−１００）、（１０−１０）、（０１−１０）、（−１１００）、（−１０１０）、（０−１１０））で示されるが、これらの面方位は、結晶幾何学的に等価な面方位であるため、これらを総称して｛１−１００｝と示す。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２および図３に示すように、窒化物半導体基板としてのＧａＮ基板１０を備えている。このＧａＮ基板１０の成長主面１０ａは、ｍ面に対してオフ角度を有する面からなる。具体的には、窒化物半導体レーザ素子１００のＧａＮ基板１０は、ｍ面に対して、ａ軸方向（［１１−２０］方向）にオフ角度を有している。なお、上記ＧａＮ基板１０は、ａ軸方向のオフ角度に加えて、ｃ軸方向（［０００１］方向）にもオフ角度を有していてもよい。
ここで、図４を参照して、ＧａＮ基板１０のオフ角度についてより詳細に説明する。まず、ｍ面に対して、ａ軸［１１−２０］方向およびｃ軸［０００１］方向の２つの結晶軸方向を定義する。これらａ軸およびｃ軸は、互いに垂直な関係となっているとともに、ｍ軸に対しても互いに垂直な関係となっている。また、ＧａＮ基板１０の結晶軸ベクトルが基板表面（成長主面１０ａ）の法線ベクトルと一致する場合（全ての方向に対してオフ角度が０になった場合）に、ａ軸方向、ｃ軸方向、ｍ軸方向と平行となる方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とする。次に、Ｙ方向の法線を持つ第１面、および、Ｘ方向の法線を持つ第２面を考える。そして、結晶軸ベクトルを第１面および第２面に投影したときに現れる結晶軸ベクトルを、それぞれ、第１投影ベクトルおよび第２投影ベクトルとする。このときの第１投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θａがａ軸方向のオフ角度であり、第２投影ベクトルと法線ベクトルとのなす角θｃがｃ軸方向のオフ角度である。なお、ａ軸方向のオフ角度は、＋方向と−方向とで、結晶的にみて同じ表面状態になるため、＋方向と−方向とで同じ特性を有する。このため、絶対値で記載することができる。一方、ｃ軸方向は、＋方向と−方向とで、Ｇａ極性面が強くなる場合と、Ｎ極性面が強くなる場合とがあり、方向により特性が異なるため、＋方向と−方向とを区別して記載する。
このように、本実施形態によるＧａＮ基板１０は、その成長主面１０ａが、ｍ面｛１−１００｝に対してａ軸方向に傾斜した面となっている。
また、上記ＧａＮ基板１０は、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度の絶対値が、それぞれ、０．１度より大きい角度に調整されている。ただし、ａ軸方向のオフ角度が大きくなるに従い、活性層（井戸層などのＩｎＧａＮ層）に取り込まれるＩｎの量が減少する傾向があるため、原料効率などの点から、ａ軸方向のオフ角度の絶対値は、１０度以下であるのが好ましい。なお、ａ軸方向のオフ角度が１０度以上の角度であっても、成膜は可能である。また、ｃ軸方向にもオフ角度を有している場合には、ｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度に調整されているのが好ましい。ｃ軸方向のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度より小さい角度に調整されているのが好ましい。
また、上記の場合において、ａ軸方向のオフ角度は、１度より大きく、かつ、１０度以下の角度に調整されているのが好ましい。ａ軸方向のオフ角度が、このような範囲となるように調整されていれば、駆動電圧の低減効果が大きくなることに加えて、表面モフォロジーの改善効果も得られるためより好ましい。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、上記したＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、複数の窒化物半導体層が積層されることによって形成されている。
ここで、本実施形態では、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａと接する半導体層が、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成されている。具体的には、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００では、図２および図３に示すように、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、この成長主面１０ａと接するように、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２が形成されている。なお、下部クラッド層１２は、本発明の「窒化物半導体層」の一例である。また、上記ＧａＮ基板１０は、ｎ型に構成されている。
また、下部クラッド層１２上には、約０．１μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.005Ｇａ0.995Ｎからなる下部ガイド層１３が形成されている。下部ガイド層１３上には、活性層１４が形成されている。
上記活性層１４は、図５に示すように、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎからなる２つの井戸層１４ａと、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎからなる３つの障壁層１４ｂとが交互に積層された量子井戸（ＤＱＷ；Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有している。具体的には、活性層１４は、下部ガイド層１３側から、第１障壁層１４１ｂ、第１井戸層１４１ａ、第２障壁層１４２ｂ、第２井戸層１４２ａおよび第３障壁層１４３ｂが順次積層されることによって形成されている。なお、２つの井戸層１４ａ（第１井戸層１４１ａ、第２井戸層１４２ａ）は、それぞれ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みに形成されている。また、第１障壁層１４１ｂは、約３０ｎｍの厚みに形成されており、第２障壁層１４２ｂは、約１６ｎｍの厚みに形成されており、第３障壁層１４３ｂは、約６０ｎｍの厚みに形成されている。すなわち、３つの障壁層１４ｂは、それぞれ、異なる厚みに形成されている。
また、本実施形態では、井戸層１４ａ（活性層１４）のＩｎ組成比ｘ１が、０．１５以上０．４５以下（たとえば、０．２〜０．２５）に構成されている。また、上記障壁層１４ｂは、ＡｌＧａＮから構成されており、そのＡｌ組成比ｘ２が、たとえば、０＜ｘ２≦０．０８とされている。このように、ＡｌＧａＮからなる障壁層１４ｂのＡｌ組成比ｘ２を０．０８以下にすれば、光閉じ込めを効率よく行うことが可能となる。また、上記障壁層１４ｂをＡｌＧａＮから構成することにより、発光効率を向上させることが可能となる。
なお、上記障壁層１４ｂをＡｌＧａＮから構成した場合に発光効率が向上する理由としては、以下のように考えられる。すなわち、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面とする窒化物半導体基板では、上述したように、その成長主面上にＧａＮ層を形成すると表面モフォロジーが悪化する傾向が見られる一方、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層など）を形成すると、表面モフォロジーが良化する。このため、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体から構成することによって、障壁層の平坦性が向上し、高い平坦性を有する障壁層上に井戸層を形成することで、井戸層の結晶性が向上するなどのためであると考えられる。
また、上記活性層１４上には、図２および図３に示すように、４０ｎｍ以下（たとえば、約１２ｎｍ）の厚みを有するｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５が形成されている。このキャリアブロック層１５は、そのＡｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下（たとえば、約０．１５）となるように構成されている。また、キャリアブロック層１５上には、凸部と、凸部以外の平坦部とを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる上部ガイド層１６が形成されている。この上部ガイド層１６は、クラッド層よりもＡｌ組成比が小さくなるように構成されている。また、上部ガイド層１６の凸部上には、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる上部クラッド層１７が形成されている。上部クラッド層１７上には、約０．１μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるコンタクト層１８が形成されている。そして、コンタクト層１８と上部クラッド層１７と上部ガイド層１６の凸部とによって、約１μｍ〜約３μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するストライプ状（細長状）のリッジ部１９が構成されている。このリッジ部１９は、図６に示すように、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に延びるように形成されている。なお、ｐ型半導体層（キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８）には、ｐ型不純物としてＭｇがドープされている。
また、図５に示すように、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａ（最もキャリアブロック層１５側の井戸層１４ａ（１４２ａ））との間の距離ｈは、キャリアの井戸層１４ａへの注入効率を向上させるために、約６０ｎｍに設定されている。キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈは、８０ｎｍ以下に設定されているのが好ましく、３０ｎｍ以下に設定されていればより好ましい。なお、一実施形態では、上記距離ｈは、第３障壁層１４３ｂの厚みと同じである。
このように、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、ＧａＮ基板１０上に積層される窒化物半導体各層に、ＧａＮ層を含まないように構成されている。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００では、図２および図３に示すように、リッジ部１９の両脇に、電流狭窄を行うための絶縁層２０が形成されている。具体的には、上部ガイド層１６上、上部クラッド層１７の側面上およびコンタクト層１８の側面上に、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ2からなる絶縁層２０が形成されている。
絶縁層２０およびコンタクト層１８の上面上には、コンタクト層１８の一部を覆うように、ｐ側電極２１が形成されている。このｐ側電極２１は、コンタクト層１８を覆っている部分において、コンタクト層１８と直接接触している。また、ｐ側電極２１は、絶縁層２０（コンタクト層１８）側から約１５ｎｍの厚みを有するＰｄ層（図示せず）、約１５ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる。
また、ＧａＮ基板１０の裏面上には、ＧａＮ基板１０の裏面側から順に、約５ｎｍの厚みを有するＨｆ層（図示せず）および約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるｎ側電極２２が形成されている。また、ｎ側電極２２上には、ｎ側電極２２側から順に、約３６ｎｍの厚みを有するＭｏ層（図示せず）、約１８ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなるメタライズ層２３が形成されている。
一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図３および図６に示すように、レーザ光が出射される光出射面３０ａと、光出射面３０ａと対向する光反射面３０ｂとを含む一対の共振器面３０を有している。また、光出射面３０ａには、たとえば、反射率５％〜８０％の出射側コーティング膜（図示せず）が形成されている。一方、光反射面３０ｂには、たとえば、反射率９５％の反射側コーティング膜（図示せず）が形成されている。なお、出射側コーティング膜の反射率は、発振出力により所望の値に調整されている。また、出射側コーティング膜は、たとえば、半導体の出射端面から順に、アルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x(０≦ｘ≦１)：膜厚３０ｎｍ／Ａｌ2Ｏ3（膜厚：２１５nm）で構成されており、反射側コーティング膜は、たとえば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの多層膜から構成されている。上記以外の材料として、たとえば、ＳｉＮ、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＭｇＦ2などの誘電体膜を用いてもよい。また、光出射面側の膜構成として、ＡｌＯxＮ1-x(０≦ｘ≦１)：膜厚１２ｎｍ／シリコンの窒化膜であるＳｉＮ（膜厚：１００nm）を用いても良い。
上記のように、ｍ面の窒化物半導体基板の劈開端面（本実施形態ではｃ面）、もしくは気相エッチング、液相エッチングによりエッチングされたエッチング端面に、アルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）を形成することで、半導体、出射側コーティング膜の界面での非発光再結合の割合を大幅に低減でき、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）レベルを格段に向上させることができる。さらにアルミニウムの酸窒化膜または窒化膜であるＡｌＯxＮ1-x（０≦ｘ≦１）は、窒化物半導体と同じ六方晶の結晶であると、より好ましい。さらには、窒化物半導体と結晶軸が揃った状態で結晶化していると、非発光再結合の割合がさらに低減し、ＣＯＤレベルがさらに向上するため、より好ましい。また、光出射面側の反射率を大きくするために、上記コーティング膜の上にシリコンの酸化膜、アルミニウムの酸化膜、チタニウムの酸化膜、タンタルの酸化膜、ジルコニウムの酸化膜、シリコン窒化膜、などを積層した積層膜を形成してもよい。
また、一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図６に示すように、共振器面３０と直交する方向（Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向））に、約３００μｍ〜約１８００μｍ（たとえば、約６００μｍ）の長さＬ（チップ長Ｌ（共振器長Ｌ））を有するとともに、共振器面３０に沿った方向（Ｘ方向（略ａ軸［１１−２０］方向）に、約１５０μｍ〜約６００μｍの幅Ｗ（チップ幅Ｗ）を有している。
本実施形態では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａとすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、ＥＬ発光パターンを改善することができる。これにより、窒化物半導体レーザ素子の発光効率を向上させることができる。また、発光効率を向上させることによって、輝度の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。なお、上記のような輝点状発光の抑制効果が得られる理由として、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａがｍ面に対してａ軸方向のオフ角度を持つことで、成長主面１０ａ上に活性層１４（井戸層１４ａ）を成長させる際に、Ｉｎ原子のマイグレーションの方向が変化し、Ｉｎ組成比の高い（Ｉｎ供給量が多い）条件でもＩｎの凝集が抑制されたためであると考えられる。また、活性層１４上に形成されるｐ型半導体層の成長モードも変化するため、ｐ型不純物であるＭｇの活性化率も向上し、ｐ型半導体層が低抵抗化ことも理由の一つと考えられる。なお、ｐ型半導体層が低抵抗化することにより、電流を均一に注入し易くなるので、これによりＥＬ発光パターンが均一化する。
また、本実施形態では、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することによって、ＥＬ発光パターンを均一化することができるので、駆動電圧を低減することもできる。なお、輝点状発光を抑制することによって、均一発光のＥＬ発光パターンを得ることができるので、窒化物半導体レーザ素子の形成において、ゲインを高めることができる。
また、本実施形態では、上記のように構成することによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制することができるので、発光効率を向上させることができ、これによって、素子特性および信頼性を向上させることができる。すなわち、素子特定の優れた、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。
さらに、本実施形態では、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する成長主面１０ａ上に、この成長主面１０ａと接するように、ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層１２を形成することによって、表面モフォロジーを大きく改善し、層表面の平坦性を向上させることができる。これにより、ＧａＮ基板１０上に形成される窒化物半導体各層の面内層厚分布を均一化することができる。また、表面モフォロジーを改善にすることによって、素子特性（たとえば、Ｉ−Ｌ特性、Ｉ−Ｖ特性、ファーフィールドパターン、波長など）のバラツキを低減することができるので、製造歩留まりを向上させることができる。これにより、規格の範囲内の特性を有する素子を容易に得ることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
また、本実施形態では、ａ軸方向のオフ角度の絶対値を０．１度より大きくすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を容易に抑制することができる。
なお、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａが、ｍ面に対してｃ軸方向にもオフ角度を有する場合には、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。すなわち、このように構成することによって、ｃ軸方向のオフ角度が大きくなり過ぎることに起因して、輝点状発光の抑制効果が低減されるという不都合が生じるのを抑制することができる。これにより、容易に、発光効率を向上させることができる。
また、本実施形態では、活性層１４の障壁層１４ｂをＡｌＧａＮから構成することによって、障壁層１４ｂの平坦性を向上させることができるので、平坦性の高い障壁層１４ｂ上に井戸層１４ａを形成することによって、井戸層１４ａの結晶性を向上させることができるとともに、井戸層におけるＩｎの層分離などを抑制することができる。これにより、発光効率をより向上させることができる。
また、本実施形態では、窒化物半導体レーザ素子１００の活性層１４を、ＤＱＷ構造に構成することによって、駆動電圧を容易に低減することができる。このため、これによっても、素子特性および信頼性を向上させることができる。なお、活性層１４をＤＱＷ構造に構成した場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状発光を抑制することができる。また、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いた場合において、ＧａＮ基板１０上に形成される活性層１４をＤＱＷ構造に構成することにより、活性層１４を多重量子井戸（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造に構成した場合に比べて、発光効率を向上させることができる。これにより、輝度の高い窒化物半導体レーザ素子を容易に得ることができる。
また、本実施形態では、キャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙを０．０８以上０．３５以下に構成することによって、キャリア（電子）に対して十分に高いエネルギー障壁を形成することができるので、活性層１４に注入されたキャリアがｐ型半導体層へ流入するのをより効果的に防ぐことができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。また、キャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙを０．３５以下とすることによって、Ａｌ組成比ｙが大きくなり過ぎることに起因するキャリアブロック層１５の高抵抗化を抑制することができる。なお、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が大きな領域（ｘ１≧０．１５）では、活性層１４上に形成されるキャリアブロック層１５のＡｌ組成比ｙが０．０８以上になると、キャリアブロック層１５を良好に成長させることが非常に難しくなる。それは、井戸層１４ａのＩｎ濃度が増大するにしたがい、活性層１４の表面の平坦性が悪化し、Ａｌ組成比ｙの高い層を結晶性よく成膜するのが困難になるためである。しかしながら、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いれば、活性層１４（井戸層１４ａ）のＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上０．４５以下の場合でも、その活性層１４上に、Ａｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下であるキャリアブロック層１５を結晶性よく形成することができる。これにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制して、ＥＬ発光パターンを均一化することができる。
また、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いることによって、輝点状のＥＬ発光パターンが顕著に現れる条件である井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上の場合でも、ＥＬ発光パターンの輝点状化を効果的に抑制することができる。このため、活性層１４の井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１を０．１５以上とすることによって、輝点状発光の抑制効果を顕著に得ることができる。また、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１を０．４５以下とすることによって、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．４５より大きくなることに起因して、格子不整合などの歪みにより活性層１４に転位が多数入るという不都合が生じるのを抑制することができる。
また、本実施形態では、井戸層１４ａの下側（ＧａＮ基板１０側）に形成される障壁層１４ｂを、ＡｌＧａＮから構成するとともに、そのＡｌ組成比ｘ２を０＜ｘ２≦０．０８とすることで、障壁層１４ｂの平坦性向上などの効果を得ることができる。これにより、井戸層１４ａの発光効率を向上させることができるので、素子特性および信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。
なお、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを２００ｎｍ以上とすれば、キャリアブロック層１５から活性層１４までキャリアが拡散していくときに電流が広がるため、輝点状発光が若干抑制される。その一方、ｍ面に対してオフ角度が設けられた成長主面１０ａを有する上記ＧａＮ基板１０を用いれば、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、２００ｎｍ以上としなくても、輝点状発光を効果的に抑制することができる。たとえば、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、１２０ｎｍよりも短くした場合でも、輝点状発光を効果的に抑制することができる。キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈは、短い方がキャリアの井戸層１４ａへの注入効率が向上するため好ましい。このため、キャリアブロック層１５と井戸層１４ａとの間の距離ｈを、１２０ｎｍより短くすることにより、キャリアの井戸層１４ａへの注入効率を向上させることができる。
図７〜図１９は、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。次に、図２、図３および図５〜図１９を参照して、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
まず、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を準備する。このＧａＮ基板１０は、たとえば、ｃ面（０００１）を主面とするＧａＮバルク結晶から切り出した基板を種基板とし、この種基板上にＧａＮ結晶を成長させることによって作製される。具体的には、図７に示すように、下地基板３００上にＳｉＯ2からなる保護膜（図示せず）を部分的に形成した後、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのエピタキシャル成長法を用いて、下地基板３００上に保護膜の上からＧａＮバルク結晶を成長させる。これにより、保護膜が形成されていない部分から成長が開始し、保護膜上部でＧａＮ結晶の横方向の成長が生じる。そして、横方向に成長したＧａＮ結晶同士が保護膜上で接合して成長を続け、下地基板３００上にＧａＮ結晶層４００ａが形成される。このＧａＮ結晶層４００ａは、下地基板３００を除去した後にも自立して取り扱いが可能なように、十分に厚く形成する。次に、形成されたＧａＮ結晶層４００ａから、たとえば、エッチングなどによって、下地基板３００を除去する。これにより、図８に示すように、ｃ面（０００１）を主面とするＧａＮバルク結晶４００が得られる。なお、下地基板３００としては、たとえば、ＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板などを用いることが可能である。また、ＧａＮバルク結晶４００の厚みＳは、たとえば、約３ｍｍとすることができる。
次に、得られたＧａＮバルク結晶４００の両主面である（０００１）面および（０００−１）面を、研削および研磨加工することにより、両主面の平均粗さＲａを５ｎｍとする。この平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定する算術平均粗さＲａであり、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって測定することができる。
次に、ＧａＮバルク結晶４００を、［１−１００］方向と垂直な複数の面でスライスすることにより、ｍ面｛１−１００｝を主面とする複数のＧａＮ結晶基板４１０を厚みＴ（たとえば、１ｍｍ）（幅Ｓ：３ｍｍ）で切り出す。そして、切り出したＧａＮ結晶基板４１０の研削および研磨加工が施されていない４面を研削および研磨加工することにより、これら４面の平均粗さＲａを５ｎｍとする。その後、図９および図１０に示すように、複数のＧａＮ結晶基板４１０において、その主面が互いに平行となるようにするとともに、それらＧａＮ結晶基板４１０の［０００１］方向が同一となるようして、互いに隣接させて配置する。
続いて、図１１に示すように、互いに隣接させて配置した複数のＧａＮ結晶基板４１０を種基板として、これらＧａＮ結晶基板４１０のｍ面｛１−１００｝上に、ＨＶＰＥ法などのエピタキシャル成長法を用いて、ＧａＮ結晶を成長させる。これにより、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板１が得られる。次に、得られたＧａＮ基板１の主面を化学的機械的研磨処理によって研磨することにより、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度を独立して制御し、ｍ面に対するａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度を所望のオフ角度とする。このオフ角度は、Ｘ線回折法により測定することができる。これにより、ｍ面に対してａ軸方向およびｃ軸方向の各方向にオフ角度を有する面を成長主面とするＧａＮ基板１０が得られる。
なお、上記ＧａＮ基板１０の作製において、オフ角度が大きい基板を作製する場合には、ＧａＮバルク結晶４００から複数のＧａＮ結晶基板４１０を切り出す際に、ＧａＮ結晶基板４１０の主面がｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有するように、［１−１００］方向に対して所定の切り出し角度で切り出してもよい。このようにすれば、ＧａＮ結晶基板４１０の主面がｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有する面となるため、その主面上に形成されるＧａＮ基板１（１０）の主面（成長主面）もｍ面｛１−１００｝面に対して所望のオフ角度を有する面となる。
また、ＧａＮバルク結晶４００（図８参照）から切り出したＧａＮ結晶基板４１０の主面を化学的機械的研磨処理によって研磨することにより、このＧａＮ結晶基板４１０を、ＧａＮ基板１０として用いることもできる。この場合、ＧａＮ結晶基板４１０の幅Ｓは、３ｍｍ以上とすることもできる。
ここで、本実施形態では、上記ＧａＮ基板１０におけるａ軸方向のオフ角度を、０．１度より大きい角度となるように調整する。なお、ｃ軸方向にもオフ角度を設ける場合には、ｃ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度に調整するのが好ましい。また、ｃ軸方向のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角度より小さい角度に調整するのが好ましい。
続いて、図１２に示すように、得られたＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層１２〜１８を成長させる。具体的には、ＧａＮ基板１０の成長主面１０ａ上に、約２．２μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２、約０．１μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.005Ｇａ0.995Ｎからなる下部ガイド層１３、および活性層１４を順次成長させる。なお、活性層１４を成長させる際には、図５に示したように、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎからなる２つの井戸層１４ａと、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎからなる３つの障壁層１４ｂとを交互に成長させる。具体的には、下部ガイド層１３上に、下層から上層に向かって、約３０ｎｍの厚みを有する第１障壁層１４１ｂ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みを有する第１井戸層１４１ａ、約１６ｎｍの厚みを有する第２障壁層１４２ｂ、約３ｎｍ〜約４ｎｍの厚みを有する第２井戸層１４２ａおよび約６０ｎｍの厚みを有する第３障壁層１４３ｂを順次成長させる。これにより、下部ガイド層１３上に、２つの井戸層１４ａと３つの障壁層１４ｂとからなるＤＱＷ構造を有する活性層１４が形成される。このとき、井戸層１４ａは、そのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上０．４５以下（たとえば、０．２〜０．２５）となるように構成する。一方、障壁層１４ｂは、そのＡｌ組成比ｘ２が、たとえば、０＜ｘ２≦０．０８となるように構成する。
次に、図１２に示すように、活性層１４上に、ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮからなるキャリアブロック層１５、約０．０５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる上部ガイド層１６、約０．５μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる上部クラッド層１７および約０．１μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるコンタクト層１８を順次成長させる。この際、キャリアブロック層１５は、その厚みが４０ｎｍ以下（たとえば、約１２ｎｍ）となるように形成するのが好ましい。また、キャリアブロック層１５は、そのＡｌ組成比ｙが０．０８以上０．３５以下（たとえば、約０．１５）となるように構成する。なお、ｎ型半導体層（下部クラッド層１２および下部ガイド層１３）には、ｎ型不純物として、たとえば、Ｓｉをドープし、ｐ型半導体層（キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８）には、ｐ型不純物として、Ｍｇをドープする。
また、本実施形態では、ｎ型半導体層は、９００℃以上であって、１３００℃より低い成長温度（たとえば、１０７５℃）で形成する。また、活性層１４の井戸層１４ａは、６００℃以上８００℃以下の成長温度（たとえば、７００℃）で形成する。井戸層１４ａに接する障壁層１４ｂは、井戸層１４ａと同じ成長温度（たとえば、７００℃）で形成する。さらに、ｐ型半導体層は、７００℃以上であって、９００℃より低い成長温度（たとえば、８８０℃）で形成する。なお、ｎ型半導体層の成長温度は、９００℃以上１３００未満が好ましく、１０００℃以上１３００未満であればより好ましい。また、活性層１４の井戸層１４ａの成長温度は、６００℃以上８３０℃以下が好ましく、井戸層１４ａのＩｎ組成比ｘ１が０．１５以上の場合には、６００℃以上７７０℃以下が好ましい。６３０℃以上７４０℃以下であればより好ましい。また、活性層１４の障壁層１４ｂの成長温度は、井戸層１４ａと同じ温度か、井戸層１４ａより高い温度が好ましい。さらに、ｐ型半導体層の成長温度は、７００℃以上９００℃未満が好ましく、７００℃以上８８０℃以下であればより好ましい。もちろん、９００℃以上の温度でｐ型半導体層を形成してもｐ型伝導が得られるため、ｐ型半導体層を９００℃以上の温度で形成してもよい。
なお、これらの窒化物半導体の成長原料としては、たとえば、Ｇａの原料としてトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ：ＴＭＧａ）を、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ：ＴＭＡｌ）を、Ｉｎの原料としてトリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ：ＴＭＩｎ）を、Ｎの原料としてＮＨ3を用いることができる。また、キャリアガスとしては、たとえば、Ｈ2を用いることができる。ドーパントについては、ｎ型ドーパント（ｎ型不純物）としては、たとえば、モノシラン（ＳｉＨ4）を用いることができ、ｐ型ドーパント（ｐ型不純物）としては、たとえば、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ2Ｍｇ）を用いることができる。
次に、図１３に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、コンタクト層１８上に、約１μｍ〜約１０μｍ（たとえば約１．５μｍ）の幅を有するとともに、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に平行に延びるストライプ状（細長状）のレジスト４５０を形成する。そして、図１４に示すように、ＳｉＣｌ4、Ｃｌ2などの塩素系ガスや、ＡｒガスなどによるＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いて、レジスト４５０をマスクとして上部ガイド層１６の途中の深さまでエッチングを行う。これにより、上部ガイド層１６の凸部と上部クラッド層１７とコンタクト層１８とによって構成されるとともに、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に互いに平行に延びるストライプ状（細長状）のリッジ部１９（図３および図６参照）が形成される。
続いて、図１５に示すように、リッジ部１９上にレジスト４５０を残した状態で、スパッタ法などにより、約０．１μｍ〜約０．３μｍ（たとえば約０．１５μｍ）の厚みを有するＳｉＯ2からなる絶縁層２０を形成し、リッジ部１９を埋め込む。そして、リフトオフによりレジスト４５０を除去することによって、リッジ部１９の上部のコンタクト層１８を露出させる。これにより、リッジ部１９の両脇に、図１６に示すような絶縁層２０が形成される。
次に、図１７に示すように、真空蒸着法などを用いて、基板側（絶縁層２０側）から、約１５μｍの厚みを有するＰｄ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、絶縁層２０（コンタクト層１８）上に、多層構造からなるｐ側電極２１を形成する。
次に、基板を分割し易くするために、ＧａＮ基板１０の裏面を研削または研磨することにより、ＧａＮ基板１０を１００μｍ程度の厚みまで薄くする。その後、図２に示したように、ＧａＮ基板１０の裏面上に、真空蒸着法などを用いて、ＧａＮ基板１０の裏面側から約５ｎｍの厚みを有するＨｆ層（図示せず）および約１５０ｎｍの厚みを有するＡｌ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるｎ側電極２２を形成する。そして、ｎ側電極２２上に、ｎ側電極２２側から約３６ｎｍの厚みを有するＭｏ層（図示せず）、約１８ｎｍの厚みを有するＰｔ層（図示せず）および約２００ｎｍの厚みを有するＡｕ層（図示せず）を順次形成することにより、多層構造からなるメタライズ層２３を形成する。なお、ｎ側電極２２の形成前に、ｎ側の電気特性の調整などの目的でドライエッチングやウェットエッチングを行ってもよい。
続いて、図１８に示すように、スクライブ／ブレーク法やレーザスクライブなどの手法を用いて、基板をバー状に分割する。これにより、その端面を共振器面３０とするバー状の素子が得られる。次に、蒸着法やスパッタ法などの手法を用いて、バー状の素子の端面（共振器面３０）にコーティングを施す。具体的には、光出射面となる片側の端面に、たとえば、アルミニウムの酸窒化膜などからなる出射側コーティング膜（図示せず）を形成する。また、光反射面となるその反対側の端面に、たとえば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2などの多層膜からなる反射側コーティング膜（図示せず）を形成する。
最後に、Ｙ方向（略ｃ軸［０００１］方向）に沿った分割予定線Ｐに沿ってバー状の素子を分割することにより、図１９に示すように、個々の窒化物半導体レーザ素子に個片化する。このようにして、本発明の一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００が製造される。
このようにして製造された一実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００は、図２０に示すように、サブマウント１１０を介してステム１２０上にマウントされ、ワイヤ１３０によってリードピンと電気的に接続される。そして、キャップ１３５がステム１２０上に溶接されることにより、キャンパッケージ型の半導体レーザ装置（半導体装置）１５０に組み立てられる。
本実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の製造方法では、上記のように、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する成長主面１０ａ上に、この成長主面１０ａと接するように、ｎ型Ａｌ0.06Ｇａ0.94Ｎからなる下部クラッド層１２を形成することによって、良好な表面モフォロジーを得ることができる。これにより、窒化物半導体各層の面内層厚分布を均一化することができるので、窒化物半導体各層の平坦性を向上させることができる。また、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性のバラツキを低減することができるので、規格の範囲内の特性を有する素子を増加させることができる。これにより、製造歩留まりを向上させることができる。なお、表面モフォロジーを良好にすることによって、素子特性および信頼性をさらに向上させることもできる。
また、本実施形態では、ｎ型半導体層を、９００℃以上の高温で形成することによって、ｎ型半導体層の層表面を平坦化することができる。このため、平坦化されたｎ型半導体層上に活性層１４およびｐ型半導体層を形成することにより、活性層１４およびｐ型半導体層における結晶性の低下を抑制することができる。そのため、これによっても、高品質な結晶を形成することができる。また、ｎ型半導体層を、１３００℃より低い成長温度で形成することによって、１３００℃以上の成長温度で形成されることに起因して、昇温時にＧａＮ基板１０の表面が再蒸発し、表面荒れが引き起こされるという不都合が生じるのを抑制することができる。したがって、このように構成することにより、素子特性の優れた、信頼性の高い窒化物半導体レーザ素子１００を容易に製造することができる。
また、本実施形態では、活性層１４の井戸層１４ａを、６００℃以上の成長温度で形成することによって、６００℃より低い成長温度で形成することに起因して、原子の拡散長が短くなり結晶性が悪化するという不都合が生じるのを抑制することもできる。また、活性層１４の井戸層１４ａを、８００℃以下の成長温度で形成することによって、８００℃より高い成長温度（たとえば、８３０℃以上）で活性層１４の井戸層１４ａが形成されることに起因して、熱ダメージによって活性層１４が黒色化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。なお、井戸層１４ａに接する障壁層１４ｂの成長温度は、井戸層１４ａと同じ温度か、井戸層１４ａより高い温度が好ましい。
また、本実施形態では、ｐ型半導体層を、７００℃以上の成長温度で形成することによって、ｐ型半導体層の成長温度が低すぎることに起因して、ｐ型半導体層が高抵抗化されるという不都合が生じるのを抑制することができる。また、ｐ型半導体層を、９００℃より低い成長温度で形成することによって、活性層１４の熱ダメージを低減することができる。なお、障壁層をＡｌＧａＮから構成することによって、ｐ型半導体層を形成する際に発生する熱ダメージに対して活性層が強くなる。すなわち、ｐ型半導体層を１０００℃以上の成長温度で形成した場合でも、熱ダメージによる活性層の黒色化を抑制することができる。
次に、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子１００の効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、まず、確認用素子として、図２１に示すような発光ダイオード素子２００を作製し、ＥＬ発光パターンの観察を行った。なお、ＥＬ発光パターンの観察に発光ダイオード素子を用いたのは、窒化物半導体レーザ素子では、リッジ部の形成によって電流注入される領域が狭められているため、ＥＬ発光パターンの観察が困難になるからである。
この確認用素子（発光ダイオード素子２００）は、上記実施形態と同様のＧａＮ基板１０上に、同様の窒化物半導体層を形成することによって作製した。窒化物半導体層の形成は、上記実施形態と同様の方法を用いて行った。具体的には、図２１に示すように、ｍ面に対してオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いて、その成長主面１０ａ上に、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、キャリアブロック層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７およびコンタクト層１８を順次形成した。次に、コンタクト層１８上に、ｐ側電極２２１を形成した。このｐ側電極２２１は、ＥＬ発光パターンを確認するために透明電極とした。また、ＧａＮ基板１０の裏面上には、ｎ側電極２２およびメタライズ層２３を形成した。確認用素子におけるＧａＮ基板１０のオフ角度は、ａ軸方向のオフ角が１．７度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．１度であった。また、確認用素子における井戸層のＩｎ組成比は、０．２５であり、障壁層のＡｌ組成比は、２％であった。このようにして作製した確認用素子（発光ダイオード素子２００）に電流注入を行うことによって、確認用素子（発光ダイオード素子２００）を発光させ、面内光分布を観察した。図２２に、確認用素子において観察されたＥＬ発光パターンの顕微鏡写真を示す。
また、ｍ面を成長主面とするＧａＮ基板（ほぼｍ面ジャスト基板：ａ軸方向のオフ角度が０度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．０５度）を用いた発光ダイオード素子を比較用素子として作製した。この比較用素子は、上記確認用素子と同一方法で作製した。Ｉｎガス流量は、確認用素子と同一としたが、比較用素子における井戸層のＩｎ組成比は、０．２であった。また、比較用素子の障壁層はＩｎ ０．０２ Ｇａ ０．９８ Ｎとした。そして、確認用素子と同様に、面内光分布の観察を行った。比較用素子は、ＧａＮ基板にｍ面ジャスト基板を用いている点、井戸層のＩｎ組成比が０．２である点および障壁層をＩｎＧａＮから構成した点を除き、確認用素子（発光ダイオード素子２００）と同様の構成とした。なお、図２８に示したＥＬ発光パターンが、比較用素子において観察されたＥＬ発光パターン（顕微鏡写真）である。
図２８に示したように、比較用素子では、ＥＬ発光パターンが輝点状化しているのに対し、図２２に示すように、確認用素子では、井戸層のＩｎ組成比が高いにもかかわらず、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制され、均一発光のＥＬ発光パターンとなっているのがわかる。これより、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を成長主面１０ａとするＧａＮ基板１０を用いることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化が抑制されることが確認された。また、確認用素子および比較用素子の発光効率を測定したところ、確認用素子の発光効率は、比較用素子の発光効率に対して１．５倍に増加していることが確認された。なお、確認用素子の発光波長は、５３０ｎｍであり、比較用素子の発光波長は、５００ｎｍであった。このことより、オフ角度を制御した確認用素子では、ｍ面ジャスト基板を用いた比較用素子に比べて、Ｉｎの取り込みに関しても効率がよいことが確認された。以上より、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることにより、緑色の波長領域において、輝点状発光の抑制効果が得られ、発光効率が増加することが確認された。さらに、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することにより、５３０ｎｍと非常に長波長の発光波長領域においても、均一で発光強度の高い素子が得られることが確認された。また、活性層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することにより得られる効果である、長波長領域での発光強度の増加は、ｍ面、もしくはａ面などの成長主面を持つ無極性基板を用いた場合に好ましく得られることが確認された。この場合、Ａｌを含む窒化物半導体層を平坦性よく、結晶性よく成膜することができる、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する基板を用いることにより、ＥＬ発光パターンの均一性まで非常に良好になるため、より好ましいことが分かった。
続いて、ａ軸方向のオフ角度およびｃ軸方向のオフ角度が異なる複数のＧａＮ基板を用いて、図２１に示した発光ダイオード素子２００と同様の素子を複数作製し、ＥＬ発光パターンの観察等の実験を行った。
その結果、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を設けることによって、ＥＬ発光パターンの輝点状化の抑制効果が得られることが明らかとなった。また、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以下の範囲では、輝点状発光の抑制効果が小さく、ａ軸方向のオフ角度が０．１度以上になると、ＥＬ発光パターンの輝点状化の抑制効果が顕著に現れることが判明した。これより、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板の成長主面とすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化を抑制可能であることが確認された。また、ａ軸方向のオフ角度をｃ軸方向のオフ角度より大きくすることにより、ＥＬ発光パターンの輝点状化がより効果的に抑制されることが確認された。
実施例による窒化物半導体レーザ素子として、ｍ面｛１−１００｝に対するａ軸方向のオフ角度が１．７度、ｃ軸方向のオフ角度が＋０．１度であるＧａＮ基板を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様の窒化物半導体レーザ素子を作製した。この実施例のその他の構成は、上記実施形態と同様である。なお、オフ角度を有さないＧａＮ基板（ｍ面ジャスト基板）を用いて、上記実施形態による窒化物半導体レーザ素子と同様に作製した窒化物半導体レーザ素子を比較例とした。比較例による窒化物半導体レーザ素子のその他の構成は、実施例と同様である。
実施例および比較例について、閾値電流を測定したところ、比較例による窒化物半導体レーザ素子では閾値電流の値が１００ｍＡ程度であったのに対し、実施例による窒化物半導体レーザ素子では閾値電流の値が６０ｍＡであり、実施例による窒化物半導体レーザ素子では、比較例に比べて、閾値電流が非常に小さくなることが確認された。これは、輝点状発光が抑制されて、面内で均一に発光することでゲインが大きくなったためとも考えられる。さらに、駆動電圧に関しても、実施例による窒化物半導体レーザ素子では、比較例に比べて、５０ｍＡ電流注入時の駆動電圧が、０．４Ｖ程度小さくなることが確認された。このような結果が得られた理由として、ｍ面に対してａ軸方向にオフ角度を有する面を、ＧａＮ基板の成長主面とすることによって、ｐ型半導体層におけるＭｇの取り込まれが変化し、活性化率が向上したためとも考えられる。また、実施例による窒化物半導体レーザ素子の発光波長は、５０５ｎｍであった。このように、５００ｎｍ以上の長波長の発振においても、比較的低い閾値電流密度で発振できたのは、ａ軸方向にオフ角度を有する窒化物半導体基板上に、Ａｌを含む窒化物半導体層を形成することで、表面モフォロジーが改善し、膜の平坦性が改善されたためであると考えられる。
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
たとえば、上記実施形態では、窒化物半導体素子の一例である窒化物半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体発光ダイオード素子に本発明を適用してもよい。また、窒化物半導体レーザ素子や窒化物半導体発光ダイオード素子などの窒化物半導体発光素子以外の半導体素子に本発明を適用してもよい。たとえば、パワートランジスタやＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの電子デバイスに本発明を適用してもよい。
また、上記実施形態では、ａ軸方向のオフ角度を０．１度より大きい角度に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ａ軸方向のオフ角度は０．１度以下の角度であってもよい。ただし、輝点状発光の抑制効果や表面モフォロジーなどを考慮すると、ａ軸方向のオフ角度は、±０．１度より大きい角度であることが好ましい。
また、上記実施形態では、活性層の量子井戸構造を、ＤＱＷ構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＤＱＷ構造以外の量子井戸構造に活性層を構成してもよい。たとえば、活性層の量子井戸構造を、ＳＱＷ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造に構成してもよい。具体的には、たとえば、図２３に示すように、下部ガイド層１３上に、ＩｎＧａＮからなる１つの井戸層５４ａと、Ａｌ0.005Ｇａ0.995Ｎからなる２つの障壁層５４ｂとが交互に積層されたＳＱＷ構造を有する活性層５４を形成することができる。なお、井戸層５４ａの厚みは、約３ｎｍ〜約４ｎｍ、障壁層５４ｂの厚みは、約７０ｎｍに構成することができる。また、上記実施形態の構成において、活性層をＳＱＷ構造に構成することにより、活性層をＤＱＷ構造に構成した場合に比べて、駆動電圧を低減することが可能となる。具体的には、ＳＱＷ構造の活性層では、ＤＱＷ構造の活性層に比べて、５０ｍＡ電流注入時の駆動電圧が０．１Ｖ〜０．２５Ｖ程度低減する。これは、ＤＱＷ構造の場合、二つの井戸層に挟まれた障壁層のキャリアが空乏化するために、障壁層で大きな電界がかかってしまうために引き起こされているのではないかと考えられる。また、上記活性層は、ＳＱＷ構造以外に、ＭＱＷ構造に構成してもよい。活性層をＳＱＷ構造またはＭＱＷ構造にした場合でも、輝点状発光の抑制効果を得ることができる。
また、上記実施形態では、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ基板以外の窒化物半導体基板を用いてもよい。たとえば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、および、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる窒化物半導体基板を用いてもよい。また、基板上に結晶成長される窒化物半導体各層については、その厚みや組成等は、所望の特性に合うものに適宜組み合わせたり、変更したりすることが可能である。たとえば、半導体層を追加または削除したり、半導体層の順序を一部入れ替えたりしてもよい。また、導電型を一部の半導体層について変更してもよい。すなわち、窒化物半導体レーザ素子としての基本特性が得られる限り自由に変更可能である。
また、上記実施形態では、井戸層のＩｎ組成比を、０．２〜０．２５に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、井戸層のＩｎ組成比は、０．１５以上０．４５以下の範囲内で適宜変更することができる。また、井戸層のＩｎ組成比は、０．１５より小さい値にしてもよい。また、井戸層には、５％以内であればＡｌが含まれていてもよい。
また、上記実施形態において、障壁層のＡｌ組成比ｘ２は、０＜ｘ２≦０．０８の範囲内で適宜変更することができる。なお、障壁層をＡｌＧａＮから構成することによって、井戸層のＩｎ組成比を増加したときに活性層に発生する、ｃ軸方向に対して平行方向に入る転位（ＥＬ発光パターンを見るとダークラインのように見える）を抑制することができる。
また、上記実施形態では、キャリアブロック層と井戸層との間の距離を第３障壁層の厚みと同じにしたが、キャリアブロック層と井戸層（最もキャリアブロック層側の井戸層）との間に組成の異なる複数の窒化物半導体層を形成してもよい。また、キャリアブロック層と井戸層（最もキャリアブロック層側の井戸層）の間の一部にＭｇなどのｐ型不純物をドーピングし、ｐ型化することも好ましい。なお、上記実施形態では、ノンドープとしている。
また、上記実施形態では、キャリアブロック層を４０ｎｍ以下の厚みに形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、キャリアブロック層の厚みは４０ｎｍより大きくてもよい。また、キャリアブロック層に、３％程度のＩｎが含まれていても、本発明の効果は得られる。また、キャリアブロック層のＡｌ組成比は、駆動電圧低減の目的から、上部クラッド層のＡｌ組成比より高いことが好ましい。
また、上記実施形態では、ｎ型半導体層のｎ型不純物としてＳｉを用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、ｎ型不純物として、Ｓｉ以外に、たとえば、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｇまたはＢｅを用いてもよい。なお、ｎ型不純物としては、Ｓｉ、ＯおよびＣｌが特に好ましい。
また、上記実施形態では、絶縁層をＳｉＯ2から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＯ2以外の絶縁性材料から構成してもよい。たとえば、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3やＺｒＯ2などから絶縁層を構成してもよい。
また、上記実施形態では、ＭＯＣＶＤ法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させた例を示したが、本発明はこれに限らず、ＭＯＣＶＤ法以外のエピタキシャル成長法を用いて、窒化物半導体各層を結晶成長させてもよい。ＭＯＣＶＤ法以外の方法としては、たとえば、ＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、および、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などが考えられる。
また、上記実施形態では、ＧａＮ基板上に積層される窒化物半導体各層に、ＧａＮ層が含まれないように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、窒化物半導体各層の一部にＧａＮ層が含まれた構成にしてもよい。たとえば、光ガイド層やコンタクト層などにＧａＮ層を用いてもよい。
また、上記実施形態では、ＧａＮ基板上に、ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層を最初に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、下部クラッド層を形成する前に、Ａｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）を形成してもよい。すなわち、ＧａＮ基板上に、成長主面と接するようにＡｌを含む窒化物半導体層（たとえば、ＡｌＧａＮ層）を形成した後、その層上に下部クラッド層を形成してもよい。
なお、ＧａＮ基板と接して形成されるＡｌＧａＮ層は、ｎ型の導電型であってもよいし、ｐ型の導電型であってもよい。また、アンドープであってもよい。
また、上記実施形態では、ＧａＮ基板上に、ＧａＮ基板の成長主面と接する半導体層をＡｌＧａＮ層とした例を示したが、本発明はこれに限らず、ＧａＮ基板の成長主面と接する半導体層は、ＡｌＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＩｎＧａＮ層、または、ＩｎＮ層などであってもよい。
また、上記実施形態では、３層の障壁層の全てをＡｌＧａＮ層とした例を示したが、本発明はこれに限らず、３層の障壁層の一部の層を、ＡｌＧａＮ層としてもよい。複数の障壁層のうち、井戸層と接する少なくとも１層がＡｌを含む窒化物半導体層から構成されていれば、発光効率向上の効果は得られる。なお、活性層の井戸層の層数が異なると障壁層の層数も異なるが、この場合でも、少なくとも１層の障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層から構成することで、上記効果が得られる。上記実施形態を例にすると、たとえば、井戸層を形成する前の下地の平坦性を向上させるためには、井戸層を形成する前の下地層である第１障壁層と第２障壁層とをＡｌを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。また、ＡｌＧａＮ層は、ＩｎＧａＮ層の蒸発防止層としての役割も果たすため、蒸発防止の観点から、井戸層上に形成される第２障壁層と第３障壁層とをＡｌを含む窒化物半導体層とすることもできる。さらに、第２障壁層を、第１井戸層と接する側と、第２井戸層と接する側との２層構造として、第２障壁層の第１井戸層と接する側を下部第２障壁層、第２障壁層の第２井戸層と接する側と上部第２障壁層としてもよい。下地の平坦性を向上させるためには、上部第２障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。一方、蒸発防止の観点から、下部第２障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層とするのが好ましい。また、全ての障壁層を、Ａｌを含む窒化物半導体層としてもよい。
また、上記実施形態では、複数の障壁層を異なる厚みに形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の障壁層を同じ厚みに形成してもよい。
また、上記実施形態では、ＧａＮ基板上に、ＡｌＧａＮからなる下部クラッド層を成長主面と接するように形成した状態で、活性層の障壁層をＡｌＧａＮから構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、成長主面と接する半導体層がＡｌＧａＮ層以外の層であっても、障壁層をＡｌＧａＮから構成することで、発光効率向上の効果を得ることができる。なお、成長主面と接する半導体層がＧａＮ層の場合には、比較的厚みの小さいＧａＮ層が形成されているのが好ましい。
１０ ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）
１０ａ 成長主面
１２ 下部クラッド層（窒化物半導体層、ｎ型半導体層）
１３ 下部ガイド層（ｎ型半導体層）
１４ 活性層
１４ａ 井戸層
１４ｂ 障壁層
１５ キャリアブロック層（ｐ型半導体層）
１６ 上部ガイド層（ｐ型半導体層）
１７ 上部クラッド層（ｐ型半導体層）
１８ コンタクト層（ｐ型半導体層）
１９ リッジ部
２０ 絶縁層
２１ ｐ側電極
２２ ｎ側電極
２３ メタライズ層
３０ 共振器面
３０ａ 光出射面
３０ｂ 光反射面
１００ 窒化物半導体レーザ素子（窒化物半導体素子）
１１０ サブマウント
１２０ ステム
１３０ ワイヤ
１３５ キャップ
１５０ 半導体レーザ装置（半導体装置）
１０ａ 成長主面
１２ 下部クラッド層（窒化物半導体層、ｎ型半導体層）
１３ 下部ガイド層（ｎ型半導体層）
１４ 活性層
１４ａ 井戸層
１４ｂ 障壁層
１５ キャリアブロック層（ｐ型半導体層）
１６ 上部ガイド層（ｐ型半導体層）
１７ 上部クラッド層（ｐ型半導体層）
１８ コンタクト層（ｐ型半導体層）
１９ リッジ部
２０ 絶縁層
２１ ｐ側電極
２２ ｎ側電極
２３ メタライズ層
３０ 共振器面
３０ａ 光出射面
３０ｂ 光反射面
１００ 窒化物半導体レーザ素子（窒化物半導体素子）
１１０ サブマウント
１２０ ステム
１３０ ワイヤ
１３５ キャップ
１５０ 半導体レーザ装置（半導体装置）
Claims (11)
- 成長主面を有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の成長主面上に形成された窒化物半導体層とを備え、
前記成長主面は、ｍ面に対して、ａ軸方向及びｃ軸方向にオフ角度を有する面からなり、
前記ａ軸方向のオフ角度が、前記ｃ軸方向のオフ角度より大きいとともに、
前記ａ軸方向のオフ角度の絶対値は１度よりも大きく１０度以下であり、
前記窒化物半導体層は、Ａｌを含むとともに、前記成長主面と接するように形成されていることを特徴とする、窒化物半導体素子。 - 前記ｃ軸方向のオフ角度の絶対値が、０．１度より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 前記窒化物半導体基板は、ＧａＮからなり、
前記窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。 - 前記窒化物半導体層上には、量子井戸構造を有する活性層が形成されており、
前記活性層は、１層の井戸層を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記窒化物半導体層上には、量子井戸構造を有する活性層が形成されており、
前記活性層は、２層の井戸層を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記窒化物半導体層上には、量子井戸構造を有する活性層が形成されており、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる井戸層を有し、
前記井戸層のＩｎ組成比が、０．１５以上０．４５以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。 - 前記活性層は、Ａｌを含む窒化物半導体からなる障壁層を有することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
- 前記障壁層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする、請求項７に記載の窒化物半導体素子。
- ｍ面に対してａ軸方向及びｃ軸方向にオフ角度を有し、前記ａ軸方向のオフ角度が前記ｃ軸方向のオフ角度より大きい面からなる成長主面を含む窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記窒化物半導体基板の成長主面上に、エピタキシャル成長法を用いて、Ａｌを含む窒化物半導体層を前記成長主面と接するように形成する工程とを備え、
前記ａ軸方向のオフ角度の絶対値は１度よりも大きく１０度以下であることを特徴とする、窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記ｃ軸方向のオフ角度の絶対値が、０．１度より大きいことを特徴とする、請求項９に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子を備えることを特徴とする、半導体装置。
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