JPH08255932A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 しきい値電流の小さい半導体レーザを提供す
る。 【解決手段】 ＬｉＴａＯ₃基板２０１上にＡｌＮ層２
０２、ｎ−Ａｌ_zＧａ_{1- z}Ｎ層２０３、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ
第１光ガイド層２０４、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重量
子井戸活性層２０５、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ 第２光ガイド層
２０６、ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２０７を連続的
に形成する。エッチングによりリッジストライプ２０８
を形成し、ＳｉＯ₂絶縁膜２０９を堆積した後、電流注
入のためにＳｉＯ₂絶縁膜２０９に開口部２１０および
２１１を形成する。最後にアノード電極２１２およびカ
ソード電極２１３を形成する。このウルツ鉱型ＩｎＧａ
Ｎ／ＡｌＧａＮ量子井戸半導体レーザを構成する層構造
は組成、材料により成長温度が異なる場合が多いが、８
００〜１１００℃の範囲で作製される。したがって成長
終了後に室温に戻された結晶には基板との熱膨張係数差
によって歪が発生する。この歪により、半導体レーザの
しきい値電流が小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光情報処
理分野などに用いられる短波長の半導体発光素子及びそ
の製造方法に関するる。

【０００２】

【従来の技術】近年、多くの分野で短波長半導体発光素
子の需要が高まり、ＺｎＳｅ系、及びＧａＮ系材料を中
心として精力的に研究が進められている。ＺｎＳｅ系材
料では、発振波長５００ｎｍ前後の短波長半導体レーザ
の室温連続発振が達成され、実用化に向けての研究開発
が続けられている。一方、ＧａＮ系材料でも、最近、高
輝度な青色発光ダイオードが実現された。発光ダイオー
ドとしての信頼性も、他の半導体発光素子材料と比較し
ても遜色なく、半導体レーザへの応用も十分可能である
と思われる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＮ
系材料はその物性があまり明らかにされておらず、結晶
構造が六方晶系であるため、従来の立方晶系材料と同様
な素子構造で十分実用に耐えられる特性が得られるかど
うかはわからない。

【０００４】本発明は以上のような問題点を鑑みてなさ
れたものであり、六方晶化合物半導体の独特の電子帯構
造の特徴を用いて高性能な半導体発光素子を提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体レーザは、六方晶化合物半導体固
有の電子帯構造の歪特性を用いて、構成の単純な高性能
半導体レーザを実現するものである。具体的には、六方
晶化合物半導体のｃ面内に等方的でない（異方的な）歪
を加えることにより、しきい値電流の低い半導体発光素
子を実現するものである。

【０００６】我々は、六方晶化合物半導体のｃ面内に等
方的でない（異方的な）歪を加えた場合、価電子帯上端
付近のホールの有効質量が小さくなるということを見い
出した。この性質を利用して、ｃ軸方向に成長させた六
方晶化合物半導体から構成されている活性層のｃ面内に
等方的でない（異方的な）歪を入れることにより、しき
い値電流が低い半導体発光素子が実現できる。ここで等
方的とはｃ面内で静水圧的（等方的）にかかる歪をい
う。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明で利用している六
方晶化合物半導体の価電子帯の電子帯構造の歪特性につ
いて、図面を参照しながら説明する。

【０００８】図１は、歪が加わっていない場合のＡｌＧ
ａＮ／ＧａＮ量子井戸構造について、ＧａＮ量子井戸層
の価電子帯の電子帯構造を示している。この量子井戸構
造は、ＡｌＧａＮ障壁層と、ＧａＮ量子井戸層とからな
る。量子井戸層の厚みは約４ｎｍである。図１におい
て、曲線ａは重い正孔の第１準位のエネルギバンドを表
現し、曲線ｂは重い正孔の第２準位のエネルギバンドを
表現している。曲線ｃは軽い正孔の第１準位のエネルギ
バンドを表現し、曲線ｄは軽い正孔の第２準位のエネル
ギバンドを表現している。

【０００９】図１は、価電子帯上端付近（波数０の近
傍）におけるホールの有効質量は、Ｚｉｎｃｂｌｅｎｄ
ｅ型化合物半導体と比べてかなり大きいことを示してい
る。また、ＧａＮ量子井戸層にｃ軸方向の一軸性歪、あ
るいはｃ面内の等方的な（二軸性）歪が加わった場合、
価電子帯上端付近のホールの有効質量は無歪の場合とほ
とんど変わらない。ｃ軸方向の一軸性歪とは、六方晶化
合物半導体のｃ軸方向にのみ歪がある場合をいい、ｃ面
内の二軸性歪とは、互いに垂直な軸にそれぞれ等しい大
きさの歪がある場合であり、この場合も等方的な歪であ
る。

【００１０】ところで、六方晶化合物半導体のｃ面内に
等方的でない（異方的な）歪が加わった場合の変形ポテ
ンシャルをD５、ｃ面内の直交する２つの方向の歪をｅ
_xx、及びｅ_yy、ｃ面内のせん断歪をｅｘｙとすると、ｃ
面内に等方的でない（異方的な）歪が加わったことによ
る変形エネルギーはD５（ｅ_xx−ｅ_yy+２ｉｅ_xy）の形で
記述できる。

【００１１】図２は、ｃ面内に変形エネルギーが１０ｍ
ｅＶとなる等方的でない（異方的な）歪が加わった場合
のＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造におけるＧａＮ量子
井戸層の価電子帯の電子帯構造を示している。図２から
明らかなように、等方的でない歪を加えることにより、
波数の小さい領域における「価電子帯の曲率」が小さく
なっている。このため、価電子帯上端付近のホールの有
効質量は無歪の場合と比較してかなり小さくなっている
ことがわかる。これは価電子帯上端付近の状態密度が減
少していることを意味し、レーザ発振させるために必要
な注入電流密度が少なくてよいことに対応している。し
たがって、このように量子井戸層に等方的でない歪を加
えた活性層を用いた半導体レーザでは、発振しきい値電
流が小さくなることがわかる。

【００１２】また、図３は、ｃ面内に等方的でない（異
方的な）歪が加わった場合のしきい値電流密度の歪依存
性を示している。横軸は変形エネルギー、縦軸は無歪の
場合の値で規格化したしきい値電流密度を表わしてい
る。図にはしきい値利得を変化させた場合の結果をまと
めて示してある。図３から明らかなように、しきい値利
得の値がどのような場合でも等方的でない（異方的な）
歪を加えることにより、しきい値電流密度がかなり減少
している。

【００１３】また、図３では、ｃ面内のせん段歪を考慮
していないが、ｃ面内にせん段歪が加わった場合につい
ても同様な効果が見られる。

【００１４】以上図１〜図３で説明したように、六方晶
化合物半導体を活性層に用いた半導体発光素子におい
て、等方的でない歪を活性層に用いることでしきい値電
流の小さい素子が実現できることがわかる。

【００１５】以下、具体的に六方晶化合物半導体に等方
的でない歪を導入した素子、およびその製造方法につい
て述べていく。

【００１６】（実施例１）本発明の一実施例の半導体発
光素子の構造を示す。六方晶化合物半導体としては、Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体である、ＡｌＧａＩｎＮ系の材
料を用いている。歪は、ｃ面に平行方向導入している。
ＡｌＧａＩｎＮ発光素子層１００にウルツ鉱型を用いる
た場合、その（０００１）軸に垂直な方向（ｃ面内に平
行）に一軸性の歪みを加えるとバンド構造（価電子帯）
を変化させることが可能となる。その結果、発光素子の
特性が向上することは前述した。

【００１７】図４のように、サファイア基板１０１にス
トライプ状の溝１０２を形成するとその基板に熱膨張係
数の方向性が表れ、その後、ストライプ溝１０２が形成
されていない、他方の面に成長されたＡｌＧａＩｎＮ発
光層１００には図中のｘ方向に一軸性の歪みを加えるこ
とが可能となる。この発光層１００を活性層とすること
でしきい値電流の小さい半導体発光素子を実現できる。

【００１８】具体的な製造方法を図５に示す。はじめに
サファイア基板１０３の一主面にストライプ状のマスク
１０４を形成する。その後、マスク１０４を用い、熱硫
酸などのエッチング液を用いてストライプ状の溝１０５
を形成する。さらに、たとえばＡｌＮなどの材料をマス
ク１０４を用いて選択成長すると溝１０５の中だけにＡ
ｌＮ埋め込み層１０６が形成される。その結果、厚さ方
向に熱膨張係数の分布が生じ、続いてＡｌＧａＩｎＮ発
光層１０７の結晶成長を１０００℃以上の高温で行う場
合に基板に一軸性の歪みを生じることができる。結晶成
長には有機金属気相成長法が用いられるがＡｌＧａＩｎ
Ｎでは１１００℃程度がよいとされている。すると、温
度を室温に戻したときにＡｌＧａＩｎＮ発光層１０７に
一軸性の歪みが加わった状態とすることができる。

【００１９】ここで、ＡｌＮ埋め込み層１０６を形成す
ることによって熱膨張を増大させ、加熱機構からの熱の
伝達を良好にし、より大きな歪みを加えることが可能と
なる。また、加える歪みの絶対量は溝１０５の幅や深さ
で制御することができ、発光素子にとって最適な構造と
することが可能である。

【００２０】また、結晶に一軸性の歪みを加える方法と
してストライプ状の酸化膜の形成が考えられる。図６、
７にこの発明の一実施例の半導体発光素子の構造図を示
す。

【００２１】結晶成長を行う前にストライプ状の酸化膜
１０９をサファイア基板１０８の一主面に形成する。

【００２２】その後結晶成長を行うために１０００℃以
上に昇温するとサファイア基板１０８と酸化膜１０９の
熱膨張係数の違いによって図中Ｚの方向に湾曲させるこ
とができる（図７）。その状態で結晶成長を行い室温に
戻すことによってＺ方向に歪みの入った結晶を得ること
ができる。この場合、その歪み量はストライプの幅とピ
ッチで制御される。たとえば半導体レーザを作製する場
合、その幅は５ミクロン、ピッチは１０ミクロン程度が
適している。

【００２３】類似の方法としてあらかじめＡｌＧａＩｎ
Ｎ発光層を有機金属気相成長法により成長する方法があ
る。その後、ストライプ状の酸化膜１０９を形成するが
そのとき５００℃程度の高温で形成することにより同様
の湾曲を発生させ結晶中に一軸性の歪みを加えることが
できる。これはストライプ状の酸化膜１０９を形成後高
温で熱処理することによっても同様の効果を得ることが
できる。

【００２４】同様の効果を金属のバイメタル効果を利用
することによって実現することが可能である。図８にこ
の発明の一実施例の半導体発光素子の構造図を示す。Ａ
ｌＧａＩｎＮ発光素子を作製する場合ＳｉＣ基板１１２
を用いることは有効である。あらかじめＡｌＧａＩｎＮ
発光層１１６を有機金属気相成長法により成長する。そ
の後、Ｎｉ層１１３上にストライプ状の第一のＡｕ層１
１４を形成することによってバイメタル効果で図中Ｚ方
向にＳｉＣ基板１１２を湾曲させることができる。その
結果ＡｌＧａＩｎＮ発光層１１６に一軸性の歪みを加え
ることができる。この場合Ｎｉ層１１３がＳｉＣ基板１
１２に対して電気的なオーミック特性を示すため半導体
発光素子を作製した場合の効果は大きい。

【００２５】さらに図９にこの発明の一実施例の半導体
発光素子の構造図を示す。これは結晶成長を行うときに
外部から応力を加えておく方法で、あらかじめ用意され
た曲率Ｒの面を有するトレイ１１９上にサファイア基板
１１７をとめ治具１１８を用いて固定する。その後、基
板１１７に発光層を成長し取り出すとサファイア基板１
１７は元の状態に戻ろうとし発光層に歪みが加わる。こ
の方法の特徴は加える歪みの量をトレイ１１９の曲率を
機械的に変化させることによって制御できることであ
る。

【００２６】（実施例２）図１０は第２の実施例を示す
ウルツ鉱型Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／Ａｌ_yＧａ_1-yＮ量子井戸半
導体レーザの素子断面図である。井戸層にＩｎ_xＧａ_1-x
Ｎ、障壁層にＡｌ _yＧａ_1-yＮを用いている。

【００２７】有機金属気相成長方法により（１１００）
ＬｉＴａＯ₃基板２０１上にＡｌＮバッファ層２０２、
ｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２０３、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ
第１光ガイド層２０４、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重
量子井戸活性層２０５（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子井戸
層、ＧａＮ量子井戸層の積層構造）、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ第
２光ガイド層２０６、ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２
０７を連続的に形成する。

【００２８】その後エッチングによりリッジストライプ
２０８を形成し、ＳｉＯ２絶縁膜２０９を堆積した後、
電流注入のためにＳｉＯ₂絶縁膜２０９に開口部２１０
および２１１を形成する。そして最後にアノード電極２
１２およびカソード電極２１３を形成する。

【００２９】このウルツ鉱型ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量
子井戸半導体レーザを構成する層構造は組成、材料によ
り成長温度が異なる場合が多いが、例えば有機金属気相
成長法を用いた場合ＡｌＮバッファ層２０２を除いて８
００〜１１００℃の範囲で作製される。したがって成長
終了後に室温に戻された結晶には基板との熱膨張係数差
によって歪が発生する。なお、成長時には多結晶状であ
るＡｌＮバッファ層２０２を種結晶としてそれ以降の結
晶が成長されるので、（１１００）ＬｉＴａＯ ₃基板２
０１とそれ以外の層との格子定数差が歪に反映されるこ
とはほとんどない。もちろんｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッ
ド層２０３からｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２０７ま
でのヘテロ構造において材料間で格子定数が異なる場合
もあり、この格子定数差が歪に反映されることはあり得
るが、ミスフィット転位等が発生しないように材料、膜
厚を選べばよい。しかし、前述の熱膨張係数差による歪
は回避できない。そこで本発明ではこの歪を積極的に利
用している。

【００３０】図１５に基板として用いたＬｉＴａＯ₃基
板２０１および、ウルツ鉱型ＧａＮ結晶との面内での熱
膨張係数を示す。本実施例では（１１００）ＬｉＴａＯ
３基板を用いているので面内では熱膨張係数に異方性が
あり、図１１に示すように（０００１）方向とこれと垂
直な（１１｀２０）方向とで表している。なお、ウルツ
鉱型ＧａＮ系材料は、基板の面方位に係わらず（０００
１）配向で結晶が成長するので各層とも（０００１）方
向に垂直に形成されいる。ウルツ鉱型ＧａＮ系材料の熱
膨張係数は（０００１）面で等方的であり、ＧａＮでは
５.６×１０^-6である。ＡｌＧａＩｎＮ混晶のいかなる
組成の材料でもこの付近の熱膨張係数を有する。一方Ｌ
ｉＴａＯ３基板は（０００１）方向では１.２×１０^-6
とＧａＮよりも小さい熱膨張係数を有しているが、（１
１｀２０）方向では逆に２.２×１０^-5とＧａＮよりも
はるかに大きい熱膨張係数を持つ。したがって図１０の
半導体レーザにおいて（１１００）ＬｉＴａＯ₃基板２
０１が、結晶成長により作製されたｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ
クラッド層２０３からｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２
０７までの結晶よりも十分に厚い場合、例えば成長温度
が室温よりも１０００℃と高いと仮定すると、室温に冷
却したときにｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２０３から
ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２０７までの結晶には、
（０００１）方向の歪をｅ_xx、（１１｀２０）方向の歪
をｅ_yyとするとｅ_xx＝−０.４４%、そしてｅ_yy＝１.６%
となる。このようにしてＩｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重量
子井戸活性層２０５面内に、非等方歪（等方的でない
歪）を作り込むことができるので価電子帯の状態密度を
大幅に低減でき、レーザのしきい値電流の低減が可能と
なる。

【００３１】ただし、ｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２
０３からｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層２０７までの結
晶成長層の全体の膜厚が厚い場合、上で述べた基板との
熱膨張係数差による歪、すなわちｅ_xxとｅ_yyに耐えられ
ず、転位欠陥を起こして歪が緩和してしまう場合も考え
られる。この場合には図１２に示すように（１１００）
から（０００１）方向にθ、（１１｀２０）方向にφ傾
けたＬｉＴａＯ₃基板を用いればよい。この傾きによっ
て結晶成長層のそれぞれの方向に入る歪は、 ｅ'_xx＝−０.４ｃｏｓθ ｅ'_yy＝１.６ｃｏｓφ となり、小さくできる。したがって適当にqおよびｆを
選ぶことによって転位欠陥の導入を防ぐことができる。
ｅ'_xx+ｅ'_yy＝０となるようにqおよびｆを選べば、特に
転位欠陥防止の効果が高い。

【００３２】なお、本実施例では基板としてＬｉＴａＯ
₃を用いたが、他の非線形光学結晶、例えばＬｉＮｂＯ₃
やＫＴｉＯＰＯ４、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＢ₆Ｏ₁₃等の材料は
ＬｉＴａＯ３と同様に熱膨張係数の異方性が大きく、成
長温度で安定なら使用可能である。

【００３３】（実施例３）図１３は第３の実施例を示す
ウルツ鉱型ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸半導体レー
ザの素子断面図である。結晶成長により（０００１）サ
ファイア基板３０１上にＡｌＮバッファ層３０２、ｎ−
ＡｌzＧａ１−zＮクラッド層３０３、ＡｌｙＧａ１−ｙ
Ｎ 第１光ガイド層３０４、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／Ｇａ
Ｎ多重量子井戸活性層３０５、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ 第２光
ガイド層３０６、ｐ−ＡｌzＧａ１−zＮ第１クラッド層
３０７、ｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層３０８を連続的
に形成する。その後一旦結晶成長装置から基板を取り出
し、エッチングによりｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層３
０８を幅２ｍｍのストライプ状に加工し、再び成長装置
に戻してからｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第２クラッド層３０９
を成長させる。そしてＳｉＯ２絶縁膜３１０を堆積した
後、電流注入のためにＳｉＯ２絶縁膜３１０に開口部３
１１および３１２を形成する。そして最後にアノード電
極３１３およびカソード電極３１４を形成する。

【００３４】ここでｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層３０
８のＡｌ組成比z'をｐ−Ａｌ_zＧ_{a1- z}Ｎ第１クラッド層
３０７およびｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第２クラッド層３０９
のＡｌ組成比zよりも大きく選ぶと格子定数がｐ−Ａｌ
_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層３０８の方が小さいために図１４
に示すように周囲の結晶に圧縮の歪を導入することがで
きる。

【００３５】このように局部的な歪が導入できるのはｐ
−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層３０８の幅が２ｍｍ程度と
小さいためで、この幅が十分大きくなるとｐ−Ａｌ_z'Ｇ
ａ_{1- z'}Ｎ歪導入層３０８自身に歪が入るだけで付近の結
晶へは歪を導入できなくなる。ｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪
導入層３０８はストライプ状に作製されているのでスト
ライプに垂直な面では周囲の結晶に歪を導入することが
できるが、ストライプに平行な面では歪は導入されな
い。その結果、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重量子井戸活
性層３０５面内においてもストライプに垂直な面内のみ
に歪を導入できるので、歪に異方性が生じ、ホールの状
態密度を低減できる。Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重量子
井戸活性層３０５への歪はｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入
層３０８との距離が近いほど大きくできるのでｐ−Ａｌ
_zＧａ_1-zＮ第１クラッド層３０７の膜厚を適当に設定す
ることで調整が可能である。

【００３６】なお、本実施例ではｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ
歪導入層３０８のＡｌ組成比z'をｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第
１クラッド層３０７およびｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第２クラ
ッド層３０９のＡｌ組成比zよりも大きく選んだが、逆
に小さく選んだ場合でも同様の異方性歪を作り込むこと
ができる。特にz'がzよりも小さい場合、ｐ−Ａｌ_z'Ｇ
ａ_1-z'Ｎ歪導入層３０８によって光導波構造も実現でき
る。ｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_{1- z'}Ｎ歪導入層３０８はその横のｐ
−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第２クラッド層３０９よりも屈折率が
大きいからである。このため非常に簡単に屈折率導波構
造が実現できる。

【００３７】（実施例４）図１６にこの発明の一実施例
の半導体レーザの製造方法を示す。

【００３８】有機金属気相成長法等の結晶成長方法を用
いて、例えば（０００１）面サファイア基板上に作製さ
れたＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ系（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、
０≦ｚ≦１）の半導体レーザ４０１のチップを図１６
（ａ）に示すように、まず、２００℃の高温でサブマウ
ント４０２上に配置する。サブマウント４０２の構造は
図１７に示すように、ＬｉＴａＯ₃ ４０３、ハンダ材
４０４から成る。ＬｉＴａＯ₃ ４０３は異方性結晶の
誘電体であり、半導体レーザ４０１は（０００１）面に
垂直な面、例えば、（１１２０）面や（１１００）面上
に実装する。

【００３９】ハンダ材４０４には例えばＰｂ−Ｓｎ等を
用いる。２００℃で溶融したハンダ材は、室温に下がっ
た際に固まり、半導体レーザ４０１がサブマウント４０
２上に固定される。ＬｉＴａＯ₃４０３のａ軸方向の熱
膨張係数は２２×１０^-6／Ｋで、ｃ軸方向のそれは１．
２×１０^-6／Ｋである。即ち、図１６（ａ）のｘ軸方向
とｙ軸方向の熱膨張の割合が大きく異なり、半導体レー
ザ４０１がサブマウント４０２に固定される時に、半導
体レーザ４０１に不均一な応力が加わることになる。半
導体レーザ４０１に加えられる一軸性の応力の量は上げ
る温度によって制御することができる。つまり、温度が
高い程より大きな応力を加えることが可能となる。

【００４０】本実施例の半導体レーザ４０１はウルツ鉱
型の結晶を用いている。この結晶は（０００１）軸に垂
直な方向に一軸性の応力を加えることにより、価電子体
のバンド構造を変化させることができ、有効質量を低減
でき、状態密度を低下させることができて、結果とし
て、半導体レーザのしきい値電流や駆動電流を低減でき
て信頼性の高いレーザを得ることができる。

【００４１】このようにウルツ鉱型の半導体発光素子
と、方位によって熱膨張係数が大きく異なる異方性結晶
を組み合わせることによって、上記半導体発光素子の特
性を大きく向上させることが可能となる。

【００４２】本実施例では、半導体レーザ４０１は（０
００１）面に垂直な面、例えば、（１１２０）面や（１
１００）面上に実装するものとして説明したが、一軸性
の応力が加わるようなサブマウントであれば面方位を問
わない。

【００４３】（実施例５）図１８にこの発明の別の実施
例の半導体レーザの製造方法を示す。

【００４４】有機金属気相成長法等の結晶成長方法を用
いて、例えば（０００１）面サファイア基板上に作製さ
れたＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ系（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、
０≦ｚ≦１）の半導体レーザ５０１のチップを図１８
（ａ）に示すように、まず、１８０℃の高温でサブマウ
ント５０２上に配置する。サブマウント５０２の構造は
図１９に示すように、Ｆｅ−Ｎｉ合金５０３、Ｆｅ−Ｎ
ｉ−Ｍｎ合金５０４、Ｐｂ−Ｓｎハンダ５０５から成
る。Ｆｅ−Ｎｉ合金５０３はインバー（Ｉｎvａr）と呼
ばれ、温度が変化しても長さがほとんど変化しない材料
である。また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金５０４は温度の上
昇に伴って熱膨張が著しい材料である。Ｆｅ−Ｎｉ合金
５０３とＦｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金５０４をはり合わせるこ
とで、温度変化によって湾曲するようなサブマウントが
得られる。

【００４５】１８０℃で溶融したハンダ材は室温に下が
った際に固まり、半導体レーザ５０１がサブマウント５
０２上に固定される。半導体レーザ５０１がサブマウン
ト５０２に固定される時に、半導体レーザ５０１に一方
方向への応力が大きい不均一応力が加わることになる。
半導体レーザ５０１に加えられる一軸性の応力の量は上
げる温度によって制御することができる。

【００４６】本実施例の半導体レーザ５０１はウルツ鉱
型の結晶を用いている。この結晶は（０００１）軸に垂
直な方向に一軸性の応力を加えることにより、価電子体
のバンド構造を変化させることができ、有効質量を低減
でき、状態密度を低下させることができて、結果とし
て、半導体レーザのしきい値電流や駆動電流を低減でき
て信頼性の高いレーザを得ることができる。

【００４７】このようにウルツ鉱型の半導体発光素子
と、バイメタルとの組み合わせによって、上記半導体発
光素子の特性を大きく向上させることが可能となる。

【００４８】本実施例では、図１９の様なサブマウント
を用いて説明したが、一方向に湾曲するようなサブマウ
ントであれば本発明の効果は大きい。例えば、図２０に
示すような構造等でも構わない。すなわち、Ｆｅ−Ｎｉ
−Ｍｎ合金５０４の裏面に、温度変化に対して膨張しな
いＦｅ−Ｎｉ合金５０３をストライプ状に形成する。こ
の構造でも、（ｂ）に示すようにストライプと垂直方向
にサブマウントを湾曲させることができる。

【００４９】図２１にこの発明の別の実施例の半導体レ
ーザの製造方法を示す。有機金属気相成長法等の結晶成
長方法を用いて、例えば（１１２０）面サファイア基板
上に作製されたＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ系（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）の半導体レーザ５５１のチップ
を図２１に示すように、まず、サブマウント５５２上に
配置する。その後、加重用のコレット５５３を用いて上
面から半導体レーザ５５３に応力を加えながら紫外線硬
化樹脂５５４に紫外線を照射して半導体レーザ５５１を
サブマウント５５２に固定する。半導体レーザ５５１が
サブマウント５５２に固定される時に、半導体レーザ５
５１に上下方向に応力が加わる。

【００５０】本実施例の半導体レーザ５５１はウルツ鉱
型の結晶を用いている。この結晶は（０００１）軸に垂
直な方向に一軸性の応力を加えることにより、価電子体
のバンド構造を変化させて有効質量を低減でき、状態密
度を低下させることができて、結果として、半導体レー
ザのしきい値電流や駆動電流を低減できて信頼性の高い
レーザを得ることができる。

【００５１】本実施例では、図２１に示すように半導体
レーザに上面から応力を加えたが、側面から加えられる
ような構造でも良く、例えば図２２のような構造として
もよい。すなわち、サブマウント５５５に設けた凹部に
半導体レーザ５５１を設置する。半導体レーザの活性層
には六方晶化合物半導体を用い、その結晶はｃ軸方向に
成長している。

【００５２】サブマウント５５５の両サイドには、半導
体レーザ５５１の側面に加重用板バネ５５６を介して応
力をかけるための加重用ネジ５５７が設置されている。
レーザ５５１は凹部に紫外線効果樹脂５５４で固定さ
れ、加重用ネジ５５７を回転することで、レーザ５５１
の活性層のｃ面内に一軸歪を導入できるようになってい
る。この一軸歪により、しきい値電流の小さい半導体レ
ーザを実現できる。

【００５３】本実施例では（１１２０）基板上に成長し
た半導体レーザを用いて説明したが、一軸性の応力が
（０００１）面に垂直な方向に加わるような構造であれ
ば本発明の効果は大きい。

【００５４】本実施例では紫外線硬化樹脂を用いて説明
したが、半導体レーザとサブマウントを固定できるもの
であればよく、例えば熱硬化樹脂等でも構わない。

【００５５】（実施例６）図２３は本発明の一実施例の
ＡｌＧａＩｎＮ系半導体発光素子の製造工程を示すもの
である。

【００５６】結晶成長は減圧ＭＯＶＰＥ法であり、２回
のＭＯＶＰＥ成長により素子構造を形成した。まず、図
２３（ａ）に示すように、６Ｈ−ＳｉＣ基板６０１を脱
脂洗浄した後、ＭＯＶＰＥ法による第一の結晶成長を行
った。成長方法について詳細に説明する。ＭＯＶＰＥ装
置の反応室内に水素ガスを導入し、反応室内圧力を１／
１０気圧に設定した後、水素ガス中で基板６０１を１１
００℃まで昇温し、６Ｈ−ＳｉＣ基板６０１表面の清浄
化を行った。

【００５７】次いで、基板温度を６００℃まで降温した
後、６Ｈ−ＳｉＣ基板６０１面上にＶ族原料としてアン
モニアガスを導入し、１０秒後にＩＩＩ族原料としてト
リメチルアルミニウムを供給して膜厚５０ｎｍの非単結
晶ＡｌＮ層６０２を堆積した。その後、一旦トリメチル
アルミニウムの供給を停止し、基板温度を９００℃まで
昇温して、ＩＩＩ族原料としてトリメチルアルミニウム
を再度供給し膜厚５μｍの単結晶ＡｌＮ層６０３を堆積
した。

【００５８】次に、エッチング用マスクとしてＳｉＯ₂
を用い、図２３（ｂ）に示すように、幅３μｍ、間隔２
μｍの２本のストライプ溝を形成した。

【００５９】エッチング用マスクを除去した後、ＭＯＶ
ＰＥ法による第二の結晶成長を行った。ＭＯＶＰＥ装置
の反応室内に水素ガスを導入し、反応室内圧力を１／１
０気圧に設定した後、水素ガスとアンモニアガスの混合
雰囲気中で６Ｈ−ＳｉＣ基板６０１を１１００℃まで昇
温し、表面の清浄化を行った。次いで、基板温度を１０
３０℃に降温した後、ＩＩＩ族原料としてトリメチルア
ルミニウム、トリメチルインジウムとトリメチルガリウ
ムを供給し、図２３（ｃ）に示すように、膜厚３μｍの
Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層６０４、膜厚
２０ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ活性層６０５、膜厚２μｍの
Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層６０６をスト
ライプ溝内部を含め全表面に連続的に積層した。最後に
ｐ側電極６０７、ｎ側電極６０８を形成しレーザ構造を
完成した。

【００６０】以上の製造工程から、上記のダブルへテロ
構造の積層に際しては、２本のストライプ溝部６０９の
組成と２本のストライプ溝間の平坦部６１０において各
ＩＩＩ族元素の結晶内への取り込まれ効率が異なるた
め、組成変化が生じる。この場合、組成変化は、格子定
数の変化に対応し、両側から格子定数の異なる結晶によ
ってサンドイッチされた平坦部６１０においては、両側
の溝部６０９から横方向に応力が発生することとなる。
したがって、平坦部において、ストライプ方向とは垂直
方向のみ選択的に歪みを加えることができる。これは、
活性層の面内方向のほぼ一軸歪となり、価電子帯の状態
密度を小さくすることができる。また、２本のストライ
プ溝間の平坦部６１０においては活性層が湾曲するた
め、平坦部６１０を発光部とした低しきい値電流で横モ
ード安定な半導体レーザが実現できる。

【００６１】なお、発光部となる平坦部６１０にかかる
歪量は２本のストライプ溝間隔、深さやＳｉドープｎ型
ＡｌＧａＩｎＮクラッド層６０４の厚みを変化させるこ
とで容易に制御できる。

【００６２】（実施例７）図２４は本発明の一実施例の
製造方法によるＡｌＧａＩｎＮ系半導体発光素子の製造
工程を示すものである。実施例６との違いは、ストライ
プ溝部に代えて、凹部を設けていることである。この凹
部の傾斜部を利用することで、凹部の平坦部の活性層に
歪を加えることができる。

【００６３】結晶成長は減圧ＭＯＶＰＥ法であり、２回
のＭＯＶＰＥ成長により素子構造を形成た。まず、図２
４（ａ）に示すように、６Ｈ−ＳｉＣ基板６５１を脱脂
洗浄した後、ＭＯＶＰＥ法による第一の結晶成長を行っ
た。成長方法について詳細に説明する。ＭＯＶＰＥ装置
の反応室内に水素ガスを導入し、反応室内圧力を１／１
０気圧に設定した後、水素ガス中で基板６５１を１１０
０℃まで昇温し、６Ｈ−ＳｉＣ基板６５１表面の清浄化
を行った。次いで、基板温度を６００℃まで降温した
後、６Ｈ−ＳｉＣ基板６５１面上にＶ族原料としてアン
モニアガスを導入し、１０秒後にＩＩＩ族原料としてト
リメチルアルミニウムを供給して膜厚５０ｎｍの非単結
晶ＡｌＮ層６５２を堆積した。その後、一旦トリメチル
アルミニウムの供給を停止し、基板温度を９００℃まで
昇温して、ＩＩＩ族原料としてトリメチルアルミニウム
を再度供給し膜厚５μｍの単結晶ＡｌＮ層６５３を堆積
した。

【００６４】次に、エッチング用マスクとしてＳｉＯ₂
を用い、図２４（ｂ）に示すように、幅３μｍストライ
プ溝を形成した。

【００６５】エッチング用マスクを除去した後、ＭＯＶ
ＰＥ法による第二の結晶成長を行った。ＭＯＶＰＥ装置
の反応室内に水素ガスを導入し、反応室内圧力を１／１
０気圧に設定した後、水素ガスとアンモニアガスの混合
雰囲気中で６Ｈ−ＳｉＣ基板６５１を１１００℃まで昇
温し、表面の清浄化を行った。次いで、基板温度を１０
３０℃に降温した後、ＩＩＩ族原料としてトリメチルア
ルミニウム、トリメチルインジウムとトリメチルガリウ
ムを供給し、図２４（ｃ）に示すように、膜厚３μｍの
Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層６５４、膜厚
２０ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ活性層６５５、膜厚２μｍの
Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層６５６をスト
ライプ溝内部を含め全表面に連続的に積層した。最後に
ｐ側電極６５７、ｎ側電極６５８を形成しレーザ構造を
完成した。

【００６６】以上の製造工程から、上記のダブルへテロ
構造の積層に際しては、ストライプ溝側面部６５９の組
成とストライプ溝平坦部６６０において各ＩＩＩ族元素
の結晶内への取り込まれ効率が異なるため、組成変化が
生じる。この場合、組成変化は、格子定数の変化に対応
し、両側から格子定数の異なる結晶によってサンドイッ
チされた平坦部６６０においては横方向に応力が発生す
ることとなる。したがって、平坦部６６０において、矢
印で示すようにストライプ方向とは垂直方向のみ選択的
に歪みを加えることができる。よって、平坦部６６０の
活性層の面内方向に一軸歪を加えることができるので、
平坦部６６０を発光部とした低しきい値電流で横モード
安定な半導体レーザが実現できる。なお、発光部となる
平坦部６６０にかかる歪量はストライプ溝幅、深さやＳ
ｉドープｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層６５４の厚みを
変化させることで容易に制御できる。

【００６７】（実施例８）図２５（ａ）に示すように
（０００１）サファイア基板８０１上に有機金属気相成
長（ＭＯＶＰE）法によりＧａＮ結晶層８０２及び８０
３を堆積する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、アンモニア（ＮH３）を用い、原料のキャリアガ
スには水素ガスを用いる。成長圧力は１００Ｔｏｒｒで
ある。気相成長の際に反応室に設けた覗き窓からエキシ
マレーザ等の光線を基板の一部に選択的に照射する。成
長温度は通常単結晶が得られる温度よりも低い温度であ
る５００℃で行う。これは選択的に格子定数の異なるＧ
ａＮ結晶層を２次元的に配列するためである。

【００６８】図２６に気相成長中のレーザ照射強度によ
ってＧａＮ結晶の格子定数が変わることを見いだしたデ
ータを示す。これは成長温度が十分低いと多結晶的なＧ
ａＮ結晶ができ見かけ上の格子定数が大きくなるためと
考えられる。このことから強い強度のレーザ光線を照射
すると照射した部分の成長温度が選択的に上昇して単結
晶化されるものと考えられる。図２５（ａ）に示すよう
にエキシマレーザを１０ｋＷの強度で（０００１）サフ
ァイア基板８０１上に選択的に照射して有機金属気相成
長を行うと、レーザ光を照射した領域では格子定数が本
来の単結晶の値であるＧａＮ結晶層８０２が堆積されレ
ーザ光を照射していない領域では格子定数が大きい多結
晶的なＧａＮ結晶層８０３が堆積される。その結果、図
２５（ｂ）に示すようにＧａＮ結晶層８０２とＧａＮ結
晶層８０３の境界領域では境界線に沿った方向には歪が
生じ、境界線に垂直な方向では歪の無い２次元的に異方
性のある歪状態が作製できる。これを例えば窒化ガリウ
ム系半導体レーザの活性層に用いれば著しい特性改善が
期待される。なお、成長温度は多結晶が得られる７００
℃以下なら同様の効果が得られるので本発明においては
５００℃に限定するものではない。

【００６９】（実施例９）さらに、図２７に示すように
ＧａＮ結晶層８０２とＧａＮ結晶層８０３上にレーザ光
線を照射せずに１０００℃で有機金属気相成長法により
ＧａＮ結晶層を堆積する。このような成長を行うと多結
晶的なＧａＮ結晶層８０３上のＧａＮ結晶層８０５の格
子定数は大きく単結晶のＧａＮ結晶層８０２上のＧａＮ
結晶層８０４の格子定数は小さくすることができる。こ
の場合の成長温度は前記ＧａＮ結晶層８０２とＧａＮ結
晶層８０３を堆積した温度よりも高いことが重要で、格
子定数の大きい多結晶的なＧａＮ結晶層８０３をバッフ
ァ層としてより単結晶に近い結晶性の良いＧａＮ単結晶
層８０５を堆積できる。したがって図２５に示したよう
なレーザ光線を照射するだけの製造方法よりも高品質な
ＧａＮ単結晶層を作製できる。

【００７０】（実施例１０）また、このとき図２５で示
したＧａＮ結晶層８０２とＧａＮ結晶層８０３の膜厚を
変化させることにより、サファイア基板からの格子不整
合の情報を制御できるので、ＧａＮ結晶層８０２とＧａ
Ｎ結晶層８０３の膜厚を変化させてＧａＮ結晶層８０５
の格子定数を変化させることができ歪量を制御すること
が可能である。このような製造方法で作製した２次元的
な歪をもったＧａＮ単結晶層を例えば窒化ガリウム系半
導体レーザの活性層に用いれば著しい特性改善が期待さ
れる。

【００７１】なお、本実施例ではＧａＮ単結晶の成長方
法を示したがＡｌＮ、ＩｎＮ及びこれらの混晶において
も同様の効果が得られることは明らかである。また、基
板はサファイア基板に限らずＳｉＣ、ＺｎＯ等の基板に
おいても同様の効果が得られる。

【００７２】（実施例１１）本発明の第１１の実施例に
ついて説明する。図２８は実施例における製造工程断面
図である。サファイア基板１１０１を有機金属気相成長
装置の反応管にセットし、前記サファイア基板１１０１
を１０００℃まで加熱し、前記反応管に水素、アンモニ
ア、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウムを供
給することによりＡｌＧａＮクラッド層１１０２を５μ
ｍ、水素、アンモニア、トリメチルアルミニウム、トリ
メチルインジウム、トリメチルガリウムを供給すること
によりｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層１１０３を５μ
ｍ、水素、アンモニア、トリメチルインジウム、トリメ
チルガリウムを供給することによりＩｎＧａＮ活性層１
１０４を０．０１μｍ、水素、アンモニア、トリメチル
アルミニウム、トリメチルインジウム、トリメチルガリ
ウム、ジエチルジンクを供給することによりｐ型ＡｌＧ
ａＩｎＮクラッド層１１０５を２μｍ、それぞれ有機金
属成長法により成長し、ダブルヘテロ構造を形成する。

【００７３】このとき前記ＡｌＩｎＧａＮクラッド層１
１０３、１１０５および前記ＩｎＧａＮ活性層１１０４
は前記ＡｌＧａＮクラッド層１１０２に比べ格子定数が
大きいため、圧縮歪が入った状態となる。

【００７４】続いて前記サファイア基板１１０１、前記
ＡｌＧａＮクラッド層１１０２、前記ＡｌＩｎＧａＮク
ラッド層１１０３、１１０５、および前記ＩｎＧａＮ活
性層１１０４の側面に絶縁膜１１０６を熱ＣＶＤにより
堆積し、（ａ）のような構造を形成する。

【００７５】続いてフォトリソグラフィおよび四フッ化
炭素による反応性イオンエッチングによって前記ＡｌＧ
ａＮクラッド層１１０２の側面が露出するように、前記
絶縁膜をエッチングし、（ｂ）のような構造を形成す
る。

【００７６】続いて塩素による反応性イオンビームエッ
チングによって、側面より前記ＡｌＧａＮクラッド層１
１０２を５μｍエッチングし、（ｃ）のような構造を形
成する。ＡｌＧａＩｎＮ１１０３、ＩｎＧａＮ１１０
４、ＡｌＧａＩｎＮ１１０５はＡｌＧａＮクラッド層１
１０２と比べてＩｎを含んでいる分、格子定数が大きい
ので、ＡｌＧａＮクラッド層１１０２がエッチングされ
てなくなっている部分は、ストレスがフリーとなってい
るので、本来の格子定数となるため、横方向に伸びたよ
うに図示している。下部にＡｌＧａＮ１１０２がある部
分は、本来の格子定数よりも小さくなり、圧縮歪が導入
されている。

【００７７】図２９に絶縁膜を除去した後の断面構造図
と、上から見た平面図を示す。１１０７、１１０８は、
上面から見た場合のＩｎＧａＮ活性層１１０４を構成す
る結晶の格子定数を表した模式図である。１１０７に示
す領域においてはＩｎＧａＮ活性層１１０４は、この活
性層より格子定数の小さいＡｌＧａＮクラッド層１１０
２上に堆積されているため、ＩｎＧａＮ活性層１１０４
は成長方向に垂直な全方向より応力を受け、２次元的に
圧縮歪となっている。ただし圧縮歪を受けている分、成
長方向に伸びている。

【００７８】一方、１１０８に示す領域においては下部
にＡｌＧａＮクラッド層１１０２が存在しないため、成
長方向に垂直な方向の内、図２９の右への方向に対して
は応力を受けないためストレスフリーとなる。したがっ
て、選択的な方向に圧縮歪を加えることができる。

【００７９】このように、活性層１１０４において、Ａ
ｌＧａＮ層１１０２が下部にある部分と、除去されてな
い部分との境界部（１１０７と１１０８との境界）で、
矢印に示す方向に歪が発生することになり、この歪が面
内方向での一軸歪となり、価電子帯の状態密度を小さく
することができる。１１０７の部分では、活性層１１０
４は面内方向に圧縮歪を等方的に受けているので、この
歪は、しきい値電流の低減には寄与しない。しかし、１
１０７と１１０８との境界部では、等方的でない歪が生
じるため、しきい値電流の低減に大きく寄与することに
なる。

【００８０】また図２８（ｄ）のようにＡｌＧａＮクラ
ッド層１１０２の代わりに、ＩｎＧａＮクラッド層を、
ＩｎＧａＮ活性層１１０４の代わりにＡｌＧａＩｎＮ活
性層を用いることにより、同様の方法でＡｌＧａＩｎＮ
活性層における、下部にＩｎＧａＮクラッド層がある部
分とない部分との境界部に選択的に引っ張り歪を加える
ことも可能である。

【００８１】なお選択エッチングを前述の絶縁膜のパタ
ーニングおよび反応性イオンビームエッチング等のドラ
イエッチングを用いる代わりに、電気分解による選択性
エッチングを用いることも可能である。この際被エッチ
ング層は電気分解によるエッチングが多の層にくらべよ
り促進させるため、高濃度の不純物を添加し、電解液中
にて電極を接触して電圧を印加することによりエッチン
グの促進が可能となる。また被エッチング層とデバイス
構造を形成する層の間には電気的な干渉を防ぐために１
μｍ程度以上の絶縁層を積層する必要がある。

【００８２】（実施例１２）次に本発明の第１２の実施
例について説明する。図３０は実施例における製造工程
の模式図である。サファイア基板１２０１を有機金属気
相成長装置の反応管にセットし、サファイア基板１２０
１を１０００℃まで加熱し、反応管に水素、アンモニア
およびトリメチルガリウムを供給することにより基板上
にＧａＮ結晶の成長核１２０２を形成する。この際、成
長核の形成密度を小さくするため、反応管内の圧力は１
０Ｔｏｒｒと低圧にしておく。

【００８３】引き続いて、圧力を５Ｔｏｒｒとさらに低
圧にしてアンモニアおよびトリメチルガリウムを供給す
ることによりＧａＮ１２０３の成長を行う。この際、圧
力が非常に小さいため基板上に新たな結晶の成長核は形
成されず、また基板に垂直に積層されることもなく、結
晶側壁に最も単結晶が析出しやすい条件となる。したが
ってＧａＮ結晶１２０３は結晶核１２０２を中心として
基板に平行に螺旋状に成長が行われ、螺旋状薄膜とな
る。

【００８４】図３１はこのときのＧａＮ結晶１２０３の
単位胞１２０４の状態を表した模式図である。動径方向
に関しては応力を受けないが、円周方向においては外周
へ向かうほど引張応力を受ける。したがって転位に至ら
ない限り、ＧａＮ結晶１２０３は引張歪を円周方向にの
みもつ非対称歪結晶（等方的でない歪）となる。

【００８５】続いて、反応管内の圧力を８０Ｔｏｒｒま
で上げ、基板に垂直な方向への積層が可能な条件にし、
ＧａＮ螺旋状薄膜１２０３上に水素、アンモニア、トリ
メチルアルミニウム、トリメチルガリウムを供給するこ
とによりｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２０５を５μｍ、
水素、アンモニア、トリメチルインジウム、トリメチル
ガリウムを供給することによりＩｎＧａＮ活性層１２０
６を０．０１μｍ、水素、アンモニア、トリメチルアル
ミニウム、トリメチルガリウム、ジエチルジンクを供給
することによりｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１２０７を２
μｍ成長し、ダブルヘテロ構造を形成する。

【００８６】本方法によれば、エッチングや選択再成長
などの工程を用いず、成長時に圧力を変化させるのみで
容易に非対称歪結晶を形成することが可能である。した
がって、この方法で製造した半導体レーザは、しきい値
電流の小さいものとなる。

【００８７】（実施例１３）図３４は本発明の一実施例
で用いられる成長装置の断面概略図である。図中１０１
１は石英製の反応管で、この反応管１１内にはガス導入
口１０１２から原料ガスが導入される。反応管１０１１
内にはカーボン製のサセプタ１０１３が配置されてお
り、試料基板１０１４はこのサセプタ上面に設置され
る。サセプタはエピタキシャル層の組成および膜圧の面
内均一性を得るために、回転機構を備えている。反応管
の周囲に配置された高周波コイル１０１５によってサセ
プタは誘導加熱される。サセプタ内に配置された熱伝対
１０１６によて基板加熱温度のモニタおよび制御ができ
るようになっている。ガス排気口１０１７は真空ポンプ
１０１８に接続されており、反応管内の圧力調節および
ガスの排気ができるようになっている。

【００８８】次に、上記の装置を用いた結晶成長方法に
ついて図３４、図３５を用いて説明する。まず、有機溶
剤、塩酸系の薬品処理および純水洗浄により表面を清浄
化した面方位（０００１）のα−Ａｌ₂Ｏ₃（サファイ
ア）基板１０３１を上記サセプタ１０１３上に設置し、
基板ホルダー１０２１によって固定する。ガス導入口１
０１２から精製装置を通した高純度の水素ガスを導入
し、反応管１０１１内の大気を置換する。数分間水素ガ
スを導入した後に真空ポンプ１０１８を作動させ管内の
圧力を１０Ｔｏｒｒに保つ。圧力が安定したところで高
周波コイル１０１５によってサセプタを誘導加熱し、試
料基板１０１４の温度が１２００℃に達してから約１０
分間保持し基板表面の清浄化を行う。

【００８９】次いで基板温度を４００℃に降温してから
原料ガスであるＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮ
Ｈ₃（アンモニア）をガス導入口１０１２から導入しア
モルファス状のＧａＮ膜１０３５を膜圧０.１μｍにな
るまで堆積させる。このとき、基板温度が通常の成長条
件に比べて低いためＮＨ₃の分解効率が低いことを考慮
して、ＮＨ３とＴＭＧの流量比は１００００：１とし
た。このとき成長温度が上記温度よりも高いと、３次元
成長すなわち６角柱状の島状成長がおこり、均一なアモ
ルファス状のＧａＮ膜が得られなかった。

【００９０】ＧａＮ膜１０３５の堆積後は基板温度が下
がってから、一旦試料基板を反応管１０１１から取り出
し、フォトリソグラフィー工程により図３５（ｂ）に示
すように、サファイア基板のＲ面に直交する方向にスト
ライプ状にアモルファス状のＧａＮ堆積膜１０３５を残
した。ここでＲ面は図３５のサファイア基板３１の断面
となっている面であり、ストライプは紙面に垂直方向、
つまりＲ面に直交する方向に伸びている。ストライプの
幅および間隔はそれぞれ５μｍおよび５０μｍとなって
いる。

【００９１】充分な純水洗浄の後、再び試料基板を反応
管１０１１内に戻し、今度は水素ガスの代わりにＮＨ₃
ガスを流しながら、上述の要領で試料基板１０１４の温
度が１１００℃になるまで加熱し、試料基板表面の清浄
化を行う。

【００９２】次いで、ＴＭＧおよびＮＨ₃をガス導入口
１０１２から導入し通常の２段階成長法でＧａＮ膜をエ
ピタキシャル成長させる。すなわち、基板温度を６００
℃まで下げ、ます、０.０５μｍの膜厚まではＧａＮ膜
１０３３が３次元成長、すなわち６角柱状の島状成長が
促進されるようにし、その後、基板温度を１０５０℃に
上げて続けて、ＧａＮ膜１０３４を膜厚が５.０μｍと
なるまでエピタキシャル成長を行った。このときＮＨ３
とＴＭＧの流量比は３００：１とした。エピタキシャル
成長したＧａＮ膜１０３４は、下部にアモルファス状の
ＧａＮ膜１０３５が存在するところは、アモルファスラ
イクの結晶となる。アモルファスの上にはアモルファス
しか積もらないからである。ここではその膜をアモルフ
ァス状のＧａＮ膜１０３６とよぶ。

【００９３】また、このアモルファス状のＧａＮ膜１０
３６にはさまれた領域を素子形成領域１０４１としてい
る。それは、この領域は後述するように転位密度がすく
なく、また結晶中の歪が等方的でない（異方性をもつ）
ようになっている。つまり、ストライプに平行な方向に
は、基板１０３１とＧａＮ膜１０３４との格子定数の差
に起因する歪が残り、垂直な方向には歪が緩和されてい
るからである。

【００９４】このように、等方的でない歪を有するＧａ
Ｎ膜の素子形成領域１０４１に例えば半導体レーザを形
成したとすると、その歪の状態からしきい値電流の小さ
いものをつくることができる。

【００９５】つぎに本発明者等が上記実施例方法により
得たＧａＮエピタキシャル層の結晶品質について述べ
る。図３６は比較のため、従来の二段階成長法により、
面方位（０００１）のα−Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）基板
１０３１上に成長した厚さ５μｍのＧａＮエピタキシャ
ル層１０３３、１０３４の断面の透過電子顕微鏡像から
得られた転位の分布を示している。

【００９６】基板１０３１との界面１０３７から格子不
整合による歪みが原因で一様に発生した転位１０３２は
エピタキシャル成長方向に蛇行しながらエピタキシャル
層表面に延びている。図中、途中から見えている、ある
いは途中で消えている転位は、断面に垂直な方向に転位
が延びているために透過電子顕微鏡の視野から外れてい
るためで、転位が消滅しているわけではない。透過電子
顕微鏡像から転位密度を見積もると、１０⁹／ｃｍ²以上
の転位が一様に発生しており、エピタキシャル層に加わ
る格子歪みも面内で等方的である。

【００９７】一方、本実施例によるところのＧａＮエピ
タキシャル層を図３７を使って説明する。断面の透過電
子顕微鏡像から得られた転位の分布も模式的に図３７に
示している。厚さ３μｍまでにかなりの転位がストライ
プ状に形成されたアモルファス状のＧａＮ膜１０３５の
上の結晶欠陥の集中した部分に達していることがわかっ
た。すなわち、ストライプの直行方向１０３９では歪み
が緩和されるのに対して、平行な方向１０４０では歪み
が結晶内に内在されやすい。従って、格子不整合による
歪みがストライプに平行な方向１０４０に偏ったエピタ
キシャル層が得られる。

【００９８】さらに別の効果として、ストライプとスト
ライプとにはさまれた素子形成領域１０４１の転位密度
は１０⁵／ｃｍ²以下と図３６の従来例に比べきわめて結
晶性の優れたＧａＮ膜が得られていることがわかった。
また歪についてもストライプに平行方向と垂直方向と
で、異なることがわかった。つまり、素子形成領域１０
４１は、等方的でない歪を有していることがわかった。

【００９９】本実施例では、アモルファス状のＧａＮ膜
１０３５のストライプを基板上に形成した場合について
説明したが、ＳｉＯ₂膜、ＳｉＮ膜などの酸化膜層、窒
化膜層を用いても同様の効果が得られる。

【０１００】図３８はこのＳｉＯ₂膜を用いた場合の例
であり、厚さ０.１μｍのＳｉＯ₂膜１０３８でストライ
プを形成した基板上に、この実施例と同様の方法で、Ｇ
ａＮ膜１０３３、１０３４の選択成長を行った。この場
合も同様に格子不整合による歪みがストライプに平行な
方向に偏ったエピタキシャル層が得られた。さらにＧａ
Ｎ膜は、ＳｉＯ₂膜の上には成長しないので（選択成
長）、この方法によるＧａＮ膜は島状（アイランド状）
に形成されることになる。この島状のＧａＮ膜１０３４
の歪の状態も、ストライプに平行な方向では歪が残り、
ストライプに垂直な方向では歪が緩和されるのでＧａＮ
膜歪は小さくなり、等方的でない歪の状態が実現でき
る。

【０１０１】また、本実施例は、面方位（０００１）の
α−Ａｌ₂Ｏ₃（サファイア）基板上へのＧａＮエピタキ
シャル成長について述べたが、本発明はこの実施例方法
に限定されるものではなく、その他あらゆる格子不整合
系のエピタキシャル成長において実施でき、同様の効果
を得られるものである。

【０１０２】この実施例では、ＧａＮ膜１０３５のスト
ライプは複数形成しているが、少なくとも１つあれば、
素子形成領域のＧａＮ膜の歪は等方的でないものが実現
できる。とくにストライプの近くはかならず等方的でな
い歪が存在するからである。

【０１０３】また、基板上にＧａＮ膜を成長するには２
段成長方法を用いているが、ＧａＮ膜１０３３を成長せ
ずに、ＧａＮ膜１０３４を基板上に直接成長してもよ
い。

【０１０４】以上より、本発明による方法が格子不整合
系のエピタキシャル成長において、格子不整合により発
生する格子歪みを特定の方位に集中させることを特徴と
するエピタキシャルを得るのに十分有効であることが、
実証された。

【０１０５】（実施例１４）本発明の一実施例である半
導体発光装置を図面とともに説明する。この実施例の特
徴は、形状記憶合金を用いて、半導体発光素子の側面に
物理的に応力を印加し、活性層に歪を導入するところで
ある。

【０１０６】図３２に示すように、凹部１４０３を有
し、Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ系合金からなる形状記憶合金１４
０４を用意する。この凹部１４０３の幅は、４８０μｍ
であり、半導体発光素子の幅よりも僅かに小さくなって
いる。この凹部１４０３の表面は、半導体発光素子が設
置されるために、薄く絶縁化処理がなされ、発光素子が
短絡しないようになっている。

【０１０７】まず、この凹部１４０３を機械的に広げ
る。そして、後述する半導体発光素子１４０２をこの凹
部に設置して加熱室に入れる。この加熱室で、８０℃ま
で温度を上昇させると、形状記憶合金も加熱され、もと
の形状に戻ることになる。もとの凹部にもどることで、
半導体発光素子１４０２には、ストライプ方向と垂直な
ｘ方向に応力が印加され、その結果、活性層のｃ面内
で、一軸方向（ストライプ方向に垂直方向、つまりｘ方
向）に歪を導入することができ、この発光素子のしきい
値電流を小さくすることができる。

【０１０８】形状記憶合金の凹部１４０３の開口の大き
さは、あらかじめ一定の大きさに決まっているので、発
光素子にかかる応力もその開口部の大きさによって決定
される。また発光素子を実装するために凹部を広げて
も、加熱するだけでもとの状態にもどるので、実装も容
易である。この半導体発光素子を実装したものを半導体
発光装置１４０１としている。

【０１０９】次に、この半導体発光素子について説明す
る。この発光素子は有機金属気相成長法を用いた以下の
方法により製造される。

【０１１０】まず、よく洗浄した（０００１）サファイ
ア基板（ｃ面）を反応容器内のサセプタにセットし、反
応容器内を水素雰囲気にしたのち、基板の温度を１０８
０℃にまで上昇させ、基板のクリーニングをおこなう。

【０１１１】続いて、温度を５０５℃まで下げ、原料ガ
スとして、アンモニア４リットル／分、トリメチルガリ
ウムを３０×１０^-6モル／分、キャリアガスとして水素
を２リットル／分、流しながら基板上にＧａＮバッファ
−層を成長させる。

【０１１２】その後、トリメチルガリウムを止めて、温
度を１０８０℃まで上昇させ、トリメチルガリウム５０
×１０^-6モル／分、シランガスを２×１０^-9モル／分を
流し、シリコンドープｎ型ＧａＮ層を成長させる。

【０１１３】ｎ型ＧａＮ層の成長後、原料ガスを止め、
基板温度を８００℃にして、キャリアガスを水素から窒
素に替え、窒素を２リットル／分、原料ガスとしては、
トリメチルガリウムを２×１０^-6モル／分、トリメチル
インジウムを１×１０^-5モル／分、ジエチルカドミウム
を２×１０^-6モル／分、アンモニアを４リットル／分を
流しなまがら、カドミウムドープＩｎ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ層
を成長させる。

【０１１４】カドミウムドープＩｎ_0.14Ｇａ_0.86N層を
成長後、原料ガスを止め、温度を１０８０℃まで上昇さ
せ、トリメチルガリウムを５０×１０^-6、シクロペンタ
ジエニルマグネシウムを３．６×１０^-6モル／分、アン
モニアを４リットル／分を流し、ｐ型ＧａＮ層を成長さ
せる。

【０１１５】以上のようにして得られた半導体発光素子
のｐ型ＧａＮ層、およびｎ型ＩｎＧａＮ層の一部をエッ
チングにより取り除き、ｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｐ型
ＧａＮ層、およびｎ型ＧａＮ層にｐ型、ｎ型オーミック
電極を設けた。本実施例は、この半導体発光素子を用い
て実装している。次の実施例もこの半導体発光素子を用
いて実装したものである。

【０１１６】（実施例１５）この実施例は、半導体発光
素子に機械的に応力をかけた半導体発光装置である。実
施例１４で示した半導体発光素子に対して側面から応力
をかける方法である。

【０１１７】図３３に示すように、この半導体発光素子
は（０００１）面（ｃ面）上に六方晶化合物半導体であ
るＡｌＧａＩｎＮ系結晶を成長させているので、ｃ面内
に一軸方向（（ａ）のｙ方向）の歪を導入すべく半導体
発光素子の側面から応力を印加している。

【０１１８】応力印加容器１５０３内に半導体発光素子
１５０２をセットし、その側面から応力を徐々に印加し
ていく。応力の大きさは、ハンドル１５０４を回すこと
により調節可能になっている。

【０１１９】図３３（ａ）では、半導体発光素子１５０
２の基板に（０００１）面のサファイア基板を用いた
が、例えばＲ面を基板に用いて、この基板上にＡｌＧａ
ＩｎＮ系の結晶を成長させた半導体発光素子を用いれ
ば、図３３（ｂ）のように、基板に対して垂直方向（ｙ
方向）から応力を印加することができる。これは、ｃ軸
方向に歪を導入しても、価電子帯の状態密度を小さくす
ることはできないが、ｃ面内で等方的でない歪を導入す
れば価電子帯の状態密度を飛躍的に小さくできることに
よる。基板にＲ面を用いれば、ｃ軸は図３３（ｂ）に示
した方向を向いているので、基板に垂直（ｙ方向）に応
力を印加してもｃ面内に等方的でない歪を導入できるの
である。もちろん先ほど（ａ）で説明したように、Ｒ面
上に成長した半導体発光素子の側面から応力をかけるこ
とでも、ｃ面内で等方的でない歪を導入することができ
る。

【０１２０】この実施例の方法によれば、半導体発光素
子のｃ面内に等方的でない歪を機械的に導入できるの
で、価電子帯の状態密度を小さくでき、レーザ発振する
ためのしきい値電流を飛躍的に下げることができる。

【０１２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、六方晶化
合物半導体のｃ面内に等方的でない（異方的な）歪を加
えた場合、価電子帯上端付近のホールの有効質量が小さ
くなるということにもとづき、ｃ軸方向に成長させた六
方晶化合物半導体から構成されている活性層のｃ面内に
等方的でない（異方的な）歪を入れることにより、しき
い値電流が低い半導体発光素子を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸におけるＧａＮ層
の価電子帯の電子帯構造を示す図

【図２】ｃ面内に等方的でない歪が加わった場合のＡｌ
ＧａＮ／ＧａＮ量子井戸におけるＧａＮ層の価電子帯の
電子帯構造を示す図

【図３】ｃ面内に等方的でない（異方的な）歪が加わっ
た場合のしきい値電流密度の歪依存性を示す図

【図４】本発明の一実施例の半導体発光素子の構造図

【図５】本発明の一実施例の半導体発光素子の製造工程
断面図

【図６】本発明の一実施例の半導体発光素子の構造図

【図７】本発明の一実施例の半導体発光素子の形状を示
す図

【図８】本発明の一実施例の半導体発光素子の構造図

【図９】本発明の一実施例の半導体発光素子の製造方法
を示す一工程図

【図１０】第２の実施例を示すウルツ鉱型ＩｎＧａＮ／
ＡｌＧａＮ量子井戸半導体レーザの素子断面図

【図１１】ＬｉＴａＯ₃基板上の直行する２つの結晶方
位を示す図

【図１２】ＬｉＴａＯ₃基板が（１１００）面から（０
００１）方向、あるいは（１１２０）方向へ傾斜した状
態を示す図

【図１３】第３の実施例を示すウルツ鉱型ＩｎＧａＮ／
ＡｌＧａＮ量子井戸半導体レーザの素子断面図

【図１４】ｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層の周囲に局部
的に導入される歪を示す図

【図１５】ＬｉＴａＯ₃とＧａＮとの熱膨張係数の比較
図

【図１６】本発明の実施例の半導体レーザの作製方法を
示す構成斜視図

【図１７】本発明の一実施例のサブマウントの構造図

【図１８】本発明の別の実施例の半導体レーザの作製方
法を示す構成図

【図１９】本発明の半導体レーザを実装するサブマウン
トの断面図

【図２０】本発明の半導体レーザを実装する別のサブマ
ウントの図

【図２１】本発明の別の実施例の半導体レーザの作製方
法を示す構成断面図

【図２２】本発明の一実施例の半導体レーザの作製方法
を示す構成断面図

【図２３】本発明の一実施例の製造方法によるＡｌＧａ
ＩｎＮ系半導体発光素子の製造工程図

【図２４】本発明の一実施例の製造方法によるＡｌＧａ
ＩｎＮ系半導体発光素子の製造工程図

【図２５】選択的にレーザ照射を行う気相成長の工程
図、および選択的にレーザ照射を行う気相成長法によっ
て作製したＧａＮ結晶の格子定数の関係を示す図

【図２６】レーザ照射強度とＧａＮ格子定数の関係を示
す図

【図２７】選択的にレーザ照射を行う気相成長の工程図

【図２８】本発明の実施例１１における半導体装置の製
造工程の模式断面図

【図２９】本発明の実施例１１における半導体装置の模
式断面図および活性層の結晶構造の模式図

【図３０】本発明の実施例１２における半導体装置の製
造工程の模式図

【図３１】本発明の実施例１２におけるＧａＮ螺旋状薄
膜の単位胞の模式図

【図３２】本発明の実施例１４における半導体発光装置
の構成斜視図

【図３３】本発明の実施例１５における半導体発光装置
の構成断面図

【図３４】本発明の実施例１３における成長装置の構造
断面図

【図３５】本発明の実施例１３における結晶成長の工程
断面図

【図３６】本発明の実施例１３との比較における２段成
長後の構造断面図

【図３７】本発明の実施例１３における結晶成長後の構
造斜視図

【図３８】本発明の実施例１３のＳｉＯ₂膜を用いた場
合の構造断面図

【符号の説明】

１００ ＡｌＧａＩｎＮ発光層 １０１ サファイア基板 １０２ ストライプ状の溝 １０３ サファイア基板 １０４ マスク １０５ 溝 １０６ ＡｌＮ埋込み層 １０７ ＡｌＧａＩｎＮ発光層 １０８ サファイア基板 １０９ 酸化膜 １１０ サファイア基板 １１１ 酸化膜 １１２ ＳｉＣ基板 １１３ Ｎｉ層 １１４ 第一のＡｕ層 １１５ 第二のＡｕ層 １１６ ＡｌＧａＩｎＮ発光素子層 １１７ サファイア基板 １１８ とめ治具 １１９ トレイ ２０１ ＬｉＴａＯ₃基板 ２０２ ＡｌＮバッファ層 ２０３ ｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層 ２０４ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ 第１光ガイド層 ２０５ Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層 ２０６ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ 第２光ガイド層 ２０７ ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層 ２０８ リッジストライプ ２０９ ＳｉＯ₂絶縁膜 ２１０ ＳｉＯ₂絶縁膜の開口部 ２１１ ＳｉＯ₂絶縁膜の開口部 ２１２ アノード電極 ２１３ カソード電極 ３０１ （０００１）サファイア基板 ３０２ ＡｌＮバッファ層 ３０３ ｎ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮクラッド層 ３０４ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ 第１光ガイド層 ３０５ Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ／ＧａＮ多重量子井戸活性層 ３０６ Ａｌ_yＧａ_1-yＮ 第２光ガイド層 ３０７ ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第１クラッド層 ３０８ ｐ−Ａｌ_z'Ｇａ_1-z'Ｎ歪導入層 ３０９ ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-zＮ第２クラッド層 ３１０ ＳｉＯ₂絶縁膜 ３１１ 開口部 ３１２ 開口部 ３１３ アノード電極 ３１４ カソード電極 ４０１ 半導体レーザ ４０２ サブマウント ４０３ ＬｉＴａＯ₃ ４０４ ハンダ材 ５０１ 半導体レーザ ５０２ サブマウント ５０３ Ｆｅ−Ｎｉ合金 ５０４ Ｆｅ−Ｎｉ−Ｍｎ合金 ５０５ Ｐｂ−Ｓｎハンダ材 ５５１ 半導体レーザ ５５２ サブマウント ５５３ 加重用コレット ５５４ 紫外線硬化樹脂 ５５５ サブマウント ５５６ 加重用板板バネ ５５７ 加重用ネジ ６０１ ６Ｈ−ＳｉＣ基板 ６０２ ＡｌＮ層 ６０３ ＡｌＮ層 ６０４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層 ６０５ ＡｌＧａＩｎＮ活性層 ６０６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層 ６０７ ｐ側電極 ６０８ ｎ側電極 ６５１ ６Ｈ−ＳｉＣ基板 ６５２ ＡｌＮ層 ６５３ ＡｌＮ層 ６５４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層 ６５５ ＡｌＧａＩｎＮ活性層 ６５６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層 ６５７ ｐ側電極 ６５８ ｎ側電極 ８０１ サファイア基板 ８０２ ＧａＮ結晶層 ８０３ ＧａＮ結晶層 ８０４ ＧａＮ結晶層 ８０５ ＧａＮ結晶層 １０１１ 反応管 １０１２ ガス導入管 １０１３ サセプタ １０１４ 試料基板 １０１５ 高周波コイル １０１６ 熱伝対 １０１７ ガス導入口 １０１８ 真空ポンプ １０３１ サファイア基板 １０３２ 転位 １０３３ ＧａＮエピタキシャル層 １０３４ ＧａＮエピタキシャル層 １０３５ アモルファス状のＧａＮ膜 １０３６ アモルファス状のＧａＮ膜 １０３７ 界面 １０３８ ＳｉＯ２膜 １０３９ ストライプと直行方向 １０４０ ストライプと平行方向 １０４１ 素子形成領域 １１０１ サファイア基板 １１０２ ＡｌＧａＮクラッド層 １１０３ ｎ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層 １１０４ ＩｎＧａＮ活性層 １１０５ ｐ型ＡｌＩｎＧａＮクラッド層 １１０６ 絶縁膜 １１０７ 活性層の格子定数の模式図 １１０８ 活性層の格子定数の模式図 １２０１ サファイア基板 １２０２ ＧａＮ結晶の成長核 １２０３ ＧａＮ螺旋状薄膜層 １２０４ ＧａＮ螺旋状薄膜層の単位胞 １２０５ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 １２０６ ＩｎＧａＮ活性層 １２０７ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 １４０１ 半導体発光装置 １４０２ 半導体発光素子 １４０３ 凹部 １４０４ 形状記憶合金 １５０１ 半導体発光装置 １５０２ 半導体発光素子 １５０３ 応力印加容器 １５０４ ハンドル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大仲 清司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 高森 晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 萬濃 正也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 木戸口 勲 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 足立 秀人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 石橋 明彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 福久 敏哉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 熊渕 康仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (59)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｃ軸方向に成長させた活性層を有し、 前記活性層が六方晶化合物半導体であり、 かつ、前記活性層のｃ面内に、等方的でない歪が入って
   いる半導体発光素子。
2. 【請求項２】六方晶化合物半導体である活性層をｃ軸方
   向に成長させる工程を有し、前記活性層は前記ｃ面内に
   等方的でない歪が入るよう成長されている半導体発光素
   子の製造方法。
3. 【請求項３】前記六方晶化合物半導体がウルツ型構造で
   ある請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 【請求項４】前記六方晶化合物半導体が４H型構造であ
   る請求項１に記載の半導体発光素子。
5. 【請求項５】前記六方晶化合物半導体が６H型構造であ
   る請求項１に記載の半導体発光素子。
6. 【請求項６】前記等方的でない歪が１軸性歪である請求
   項１に記載の半導体発光素子。
7. 【請求項７】前記等方的でない歪がせん断歪である請求
   項１に記載の半導体発光素子。
8. 【請求項８】半導体基板と、 該半導体基板の一主面に形成されたストライプ状の溝
   と、 該半導体基板の他の主面に形成された半導体発光素子層
   とを、有する半導体発光素子。
9. 【請求項９】前記半導体基板はサファイアから形成され
   ており、 前記半導体発光素子層がウルツ鉱型のＡｌ_xＧａ_yＩｎ_z
   Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）から
   形成されている請求項８記載の半導体発光素子。
10. 【請求項１０】前記ストライプ状の溝中に前記半導体基
    板とは熱膨張係数の異なる材料が埋め込まれている請求
    項８記載の半導体発光素子。
11. 【請求項１１】前記半導体基板がサファイアから形成さ
    れており、前記熱膨張係数の異なる材料がＡｌ_xＧａ_yＩ
    ｎ_zＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）
    から形成されている請求項１０記載の半導体発光素子。
12. 【請求項１２】半導体基板の一主面にストライプ状の溝
    を形成する工程と、 前記半導体基板の他の主面に発光素子構造を成長する工
    程と、を包含する半導体発光素子の製造方法。
13. 【請求項１３】半導体基板の一主面にストライプ状のマ
    スクを形成する工程と、 該マスクを用い、選択的にエッチングを行う工程と、 該マスクを用い該半導体基板の材料と熱膨張係数の異な
    る材料を選択的に堆積する工程と、 該半導体基板の他の主面に発光素子構造を成長する工程
    と、を包含する半導体発光素子の製造方法。
14. 【請求項１４】半導体基板と、 該半導体基板の一主面に形成されたストライプ状部材で
    あって、該半導体基板とは熱膨張係数の異なる材料から
    形成された部材と、 該半導体基板の他の主面に形成された半導体発光素子層
    と、を備えた半導体発光素子。
15. 【請求項１５】半導体基板の一主面に、該半導体基板と
    は熱膨張係数の異なる材料からなるストライプ状部材を
    形成する工程と、 該半導体基板の他の主面上に発光素子構造を成長する工
    程と、を包含する半導体発光素子の製造方法。
16. 【請求項１６】半導体基板の一方の面に発光素子構造を
    成長する工程と、 ３００℃以上の温度にて、該該半導体基板とは熱膨張係
    数の異なる材料からなるストライプ状部材を該半導体基
    板の他方の面に形成する工程と、 を包含する半導体発光素子の製造方法。
17. 【請求項１７】半導体基板の一主面に発光素子構造を成
    長する工程と、 ストライプ状に該半導体基板とは熱膨張係数の異なる材
    料からなるストライプ状部材を該半導体基板の他方の面
    に形成する工程と、 該半導体基板を５００℃以上の温度で熱処理する工程
    と、を包含する半導体発光素子の製造方法。
18. 【請求項１８】半導体基板と、 該半導体基板の一主面に形成された第一の金属と、 該第一の金属上に形成されたストライプ状の第二の金属
    と、 該半導体基板上に形成された発光素子構造と、を備えた
    半導体発光素子。
19. 【請求項１９】前記第一及び第二の金属の上に形成され
    た第三の金属を更に備えている請求項１７に記載の半導
    体発光素子。
20. 【請求項２０】前記半導体基板がＳｉＣから形成されて
    おり、前記第一の金属がＮｉから形成されている請求項
    １８に記載の半導体発光素子。
21. 【請求項２１】半導体基板の一主面に発光素子構造を成
    長する工程と、 該半導体基板の他の主面に第一の金属を堆積する工程
    と、 該第一の金属上にストライプ状の第二の金属を堆積する
    工程と、を包含する半導体発光素子の製造方法。
22. 【請求項２２】表面の形状が円柱表面の曲面の一部であ
    る物体上に半導体基板を密着させる工程と、 該半導体基板上に発光素子構造を成長する工程と、を包
    含する半導体発光素子の製造方法。
23. 【請求項２３】主面を有する基板と、 該基板上に形成されたウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ系化合
    物半導体とを備えており、 該基板は、その熱膨張係数が該主面内で異方性を持つ材
    料から形成されている半導体発光素子。
24. 【請求項２４】前記基板が、非線形光学結晶から形成さ
    れている請求項２３に記載の半導体発光素子。
25. 【請求項２５】前記基板は、ＬｉＴａＯ₃（１１００）
    面基板である請求項２３に記載の半導体発光素子。
26. 【請求項２６】前記基板は、ＬｉＴａＯ₃（１１２０）
    面基板である請求項２３に記載の半導体発光素子。
27. 【請求項２７】主面を有する基板と、該基板上に形成さ
    れたウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体とを備え
    ており、 該基板は、該主面内の第１の方向の熱膨張係数が前記ウ
    ルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体の熱膨張係数よ
    りも大きく、該第１の方向に直行する第２の方向の熱膨
    張係数が、該ウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体
    の熱包丁係数よりも小さい材料から形成されている半導
    体発光素子。
28. 【請求項２８】基板は、ＬｉＴａＯ₃の（１１００） 面
    から（０００１）方向に傾斜した方位の基板である請求
    項２７に記載の半導体発光素子。
29. 【請求項２９】基板は、ＬｉＴａＯ₃の（１１２０） 面
    から（０００１）方向に傾斜した方位の基板である請求
    項２７に記載の半導体発光素子。
30. 【請求項３０】成長温度から室温に冷却したときに発生
    する熱歪が基板面内のある方向と、それと直行する方向
    との合計が零となるウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ系化合物
    半導体から形成された半導体発光素子。
31. 【請求項３１】基板は、ＬｉＴａＯ₃の（１１００） 面
    から（０００１）方向に傾斜した方位の基板である請求
    項３０に記載の半導体発光素子。
32. 【請求項３２】基板は、ＬｉＴａＯ₃の（１１２０） 面
    から（０００１）方向に傾斜した方位の基板である請求
    項３０に記載の半導体発光素子。
33. 【請求項３３】ウルツ鉱型化合物半導体から形成された
    活性層と、 該活性層を挟む一対のキャリア閉じ込め層と、 該一対のキャリア閉じ込め層の格子定数と異なる格子定
    数を持つストライプ状の歪導入層と、を備えた半導体発
    光素子。
34. 【請求項３４】ウルツ鉱型ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導
    体から成る請求項３３に記載の半導体発光素子。
35. 【請求項３５】ダブルヘテロ構造を有する半導体発光素
    子を異方性結晶上に配置する工程と、 １００℃以上で該半導体発光素子を該異方性結晶上に固
    定する工程と、を包含する半導体発光素子の製造方法。
36. 【請求項３６】異方性結晶が強誘電体から形成されてい
    るる請求項３５に記載の半導体発光素子の製造方法。
37. 【請求項３７】前記異方性結晶が六方晶から形成されて
    おり、前記半導体発光素子を（０００１）面に垂直な面
    上に装荷する請求項３５に記載の半導体発光素子の製造
    方法。
38. 【請求項３８】前記半導体発光素子の材料はウルツ鉱型
    のＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
    １、０≦ｚ≦１）であり、前記異方性結晶がＬｉＴａＯ
    ₃またはＬｉＮｂＯ₃から形成されている請求項３５に記
    載の半導体発光素子の製造方法。
39. 【請求項３９】ダブルヘテロ構造を有する半導体発光素
    子をバイメタル上に配置する工程と、 １００℃以上で該半導体発光素子を該バイメタル上に固
    定すること工程と、を包含する半導体発光素子の製造方
    法。
40. 【請求項４０】半導体発光素子の材料がウルツ鉱型のＡ
    ｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０
    ≦ｚ≦１）であり、バイメタルがＦｅ−Ｎｉ合金とＭｎ
    −Ｃｕ−Ｎｉ合金、またはＦｅ−Ｎｉ合金とＦｅ−Ｎｉ
    −Ｍｎ合金から構成される請求項３９に記載の半導体発
    光素子の製造方法。
41. 【請求項４１】ダブルヘテロ構造を有する半導体発光素
    子をサブマウント上に配置する工程と、 該半導体発光素子に上面、または側面から応力を加える
    工程と、 該半導体発光素子と該サブマウントとを固定する工程と
    を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
42. 【請求項４２】半導体発光素子とサブマウントの固定に
    樹脂を硬化させる工程を有することを特徴とする請求項
    ４１に記載の半導体発光素子の製造方法。萬濃
43. 【請求項４３】段差を施した基板上にＡｌＧａＩｎＮ系
    ダブルへテロ構造を形成してなる半導体発光素子の製造
    方法であって、 ＡｌＧａＩｎＮ薄膜上に少なくとも２つのストライプ溝
    を設けることによりメサ構造を形成する工程と、 前記２つのストライプ溝を含め全表面にＡｌＧａＩｎＮ
    系ダブルへテロ構造を含む多層薄膜を形成し、かつ前記
    メサ構造の平坦面上と傾斜面上のＡｌＧａＩｎＮ混晶組
    成を異なるものとする工程と、を含むことを特徴とする
    ＡｌＧａＩｎＮ系半導体発光素子の製造方法。
44. 【請求項４４】段差を施した基板上にＡｌＧａＩｎＮ系
    ダブルへテロ構造を形成してなる半導体発光素子の製造
    方法であって、 ＡｌＧａＩｎＮ薄膜上にストライプ溝を設けることによ
    り凹溝構造を形成する工程と、 前記ストライプ溝を含め全表面にＡｌＧａＩｎＮ系ダブ
    ルへテロ構造を含む多層薄膜を形成し、かつ前記凹溝構
    造の平坦面上と傾斜面上のＡｌＧａＩｎＮ混晶組成を異
    なるものとする工程と、を含むことを特徴とするＡｌＧ
    ａＩｎＮ系半導体発光素子の製造方法。
45. 【請求項４５】基板上に、窒化物化合物半導体に選択的
    にレーザ光線を照射しながら気相成長させ、照射部と非
    照射部との格子定数を異ならせる工程を有することを特
    徴とする窒化物系化合物半導体の製造方法。
46. 【請求項４６】選択的にレーザ光線を照射しながら窒化
    物系化合物半導体を気相させ、照射部と非照射部との格
    子定数を異ならせる工程と、 前記成長温度よりも高い温度で窒化物系化合物半導体を
    気相成長する工程と、を含むことを特徴とする窒化物系
    化合物半導体の製造方法。
47. 【請求項４７】基板と、 前記基板上に積層し、前記基板に平行な面の面積が前記
    基板より小さい第一クラッド層と、 前記第一クラッド層上に積層し、前記基板に平行な面の
    面積が前記第一クラッド層より大きく、前記第一クラッ
    ド層と格子定数の異なる結晶により構成される第二クラ
    ッド層と、 前記第二クラッド層上に積層した活性層と、 前記活性層上に積層した第三クラッド層と、を有する、
    半導体発光素子。
48. 【請求項４８】基板上に第一クラッド層を積層する工程
    と、 前記第一クラッド層上に第二クラッド層を積層する工程
    と、 前記第二クラッド層上に活性層を積層する工程と、 前記活性層上に第三クラッド層を積層する工程と、 前記第一クラッド層が、前記基板、前記第二クラッド
    層、前記活性層、および前記第三クラッド層より高い速
    度でエッチングされる条件下でエッチングを行う工程
    と、を有することを特徴とした半導体発光素子の製造方
    法。
49. 【請求項４９】基板上に第一クラッド層を積層する工程
    と、 前記第一クラッド層上に第二クラッド層を積層する工程
    と、 前記第二クラッド層上に活性層を積層する工程と、 前記活性層上に第三クラッド層を積層する工程と、 前記基板、前記第一クラッド層、前記第二クラッド層、
    前記活性層、および前記第三クラッド層の積層方向に垂
    直な面に絶縁膜を積層する工程と、 前記絶縁膜の一部を除去し、前記第一クラッド層側面が
    露出する領域を設ける工程と、 前記第一クラッド層が前記絶縁膜より高い速度でエッチ
    ングされる条件でエッチングを行う工程と、を有する半
    導体発光素子の製造方法。
50. 【請求項５０】基板上に第一伝導型半導体を積層する工
    程と、 前記第一伝導型半導体上に前記第一伝導型半導体と格子
    定数の異なる絶縁型半導体を積層する工程と、 前記絶縁型半導体上に、ダブルへテロ構造の半導体層を
    積層する工程と、 前記基板および前記第一伝導型半導体および前記絶縁型
    半導体を電解液に浸漬し、前記第一伝導型半導体または
    前記絶縁型半導体に正電極および負電極を付着して、前
    記電極間に電圧を印加し、前記第一伝導型半導体をエッ
    チングする工程と、を有する半導体発光素子の製造方
    法。
51. 【請求項５１】基板と、前記基板上に析出した半導体の
    成長核と、 前記成長核を中心として前記基板面に平行に螺旋状に成
    長した薄膜層と、 前記薄膜層上に積層した第一クラッド層と、 前記第一クラッド層上に積層した活性層と、 前記活性層上に積層した第二クラッド層と、を有する半
    導体発光素子。
52. 【請求項５２】基板上に、気相成長法により第一の圧力
    条件で半導体の成長核を形成する工程と、 第二の圧力条件で前記成長核を中心として前記基板面に
    平行に螺旋状に薄膜を形成する工程と、 第三の圧力条件で第一クラッド層を成長する工程と、 第三の圧力条件で前記第一クラッド層上に活性層を積層
    する工程と、 第三の圧力条件で前記活性層上に第二クラッド層を積層
    する工程と、を有する半導体発光素子の製造方法。
53. 【請求項５３】凹部を有する基体と、前記凹部に設置し
    た半導体発光素子とを有し、 前記半導体発光素子の活性層は、六方晶化合物半導体か
    らなり、 前記活性層のｃ面内には、前記基体からの応力により等
    方的でない歪が導入されている、半導体発光装置。
54. 【請求項５４】半導体発光素子と、 前記半導体発光素子の活性層に応力を印加するための応
    力印加部とを有し、 前記半導体発光素子の活性層は、六方晶化合物半導体か
    らなり、 前記活性層のｃ面内には、前記応力印加部により等方的
    でない歪が導入されている、半導体発光装置。
55. 【請求項５５】基板上に格子不整合系の結晶をエピタキ
    シャル成長する方法において、前記基板結晶とエピタキ
    シャル成長層との格子不整合により、前記エピタキシャ
    ル成長層に発生する格子歪みを、前記エピタキシャル成
    長層の特定の方位に集中させ、前記エピタキシャル成長
    層に等方的でない歪を生じさせる、エピタキシャル成長
    方法。
56. 【請求項５６】基板表面上の特定の部分に、前記基板上
    に成長するエピタキシャル成長層と同じ組成のアモルフ
    ァス層をあらかじめ積層する、請求項５５に記載のエピ
    タキシャル成長方法。
57. 【請求項５７】前記エピタキシャル成長層と、前記アモ
    ルファス層とが異なった組成である、請求項５６に記載
    のエピタキシャル成長方法。
58. 【請求項５８】アモルファス層の代わりに、ＳｉＯ₂膜
    またはＳｉＮ_x膜を用いる、請求項５６または５７に記
    載のエピタキシャル成長方法。
59. 【請求項５９】基板表面上の特定の部分が、ストライプ
    形状で基板の特定方位に沿っている、請求項５５に記載
    のエピタキシャル成長方法。