JPWO2005124950A1 - Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内部に電流狭窄層を備えるIII族窒化物半導体光素子において、上部電極の密着性を向上するとともに、素子抵抗を低減する上で有効な構造を提供する。例えば、インナー・ストライプ型III族窒化物半導体レーザにおいて、ｎ型ＧａＮ基板１０２上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型クラッド層１０４、ｎ型光閉じ込め層１０５、３つの井戸層を有する多重量子井戸層１０６、キャップ層１０７、ｐ型ＧａＮガイド層１０８が積層される。そして、この上に、低温成長ＡｌＮ電流狭窄層１０９、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層１１０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１１が積層される。電流狭窄層１０９上部のコンタクト層１１１の上面には、二乗平均粗さが１５０ｎｍ程度の凹凸が形成されており、この上に、ｐ型電極１１２を設ける。ｐ型クラッド層１１０、コンタクト層１１１を、９８０℃程度の成長温度で形成し、その成長過程で前記の凹凸が形成される。

Description

本発明は、電流狭窄層を備える半導体光素子に関する。

窒化ガリウムに代表されるIII族窒化物半導体は、高効率の青紫色発光が得られることから、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）やレーザー・ダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ、ＬＤ）材料として注目を浴びてきた。なかでもＬＤは大容量光ディスク装置の光源として期待され、近年では書き込み用光源として高出力ＬＤの開発が精力的に進められている。光ディスクへの応用では、レーザー・ビームをスポット状に絞り込むためにビーム形状を整える必要がある。このため横モードの制御が重要となる。また高出力化を図るためには、キャリアの注入効率を高めることがポイントとなる。さらに、光ディスクの転送速度高速化にともない高周波特性が重要となっており、素子抵抗の低減とともに素子の寄生容量をできるだけ小さくする必要がある。

これらを実現する窒化物ＬＤ構造として、リッジ型構造のＬＤが広く利用されている。リッジ型構造のＬＤは、ＬＤ構造の上部にドライエッチングにより形成されたリッジを備える。リッジ上部はストライプ状開口部を有する絶縁膜でカバーされ、開口部にｐ型電極が設けられる。電流狭窄はストライプ状電極でなされ、リッジ幅およびリッジ高さを調整することにより横モードの制御がなされる。

一方、リッジ型ＬＤよりも効率のよい電流狭窄を実現する構造として、埋め込み構造型のＬＤが提案されている。図２は、特許文献１：特開平１１−２６１１６０号公報に記載された埋め込み構造型（インナー・ストライプ型）のＬＤの構造を示す図である。この半導体レーザでは、ｎ型第１クラッド層３０４とｐ型第２クラッド層３０７とで挟まれた活性層３０５を有する窒化物系化合物半導体レーザ素子３００において、活性層３０５の上に、非晶質又は多結晶の窒化物系化合物半導体層からなる高抵抗層を成長させ、ウェット・エッチングでストライプ状開口部３２０を形成して電流狭窄層３０８とする。或いはストライプ状部分を除いて第２クラッド層に荷電粒子を照射し、キャリア・トラップを高密度に形成して高抵抗な電流狭窄層３０８とする。電流狭窄層３０８によりキャリア注入効率の向上が図られる。

しかしながら、リッジ型、埋め込み構造型のいずれの型式においても、上部電極の密着性を充分に得ることが困難であるという課題があった。

特開２００３−３４７２３８号公報には、リッジ型ＬＤにおける電極密着性を改善する技術が記載されている。図３は、特開２００３−３４７２３８号公報に記載の半導体レーザを示す図である。この半導体レーザでは、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８に微小な凹凸を形成し、ｐ側電極３６の密着性を改善している。凹凸の形成は、以下のようにして行う。

図３において、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させた後、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８を成長させる際に、先ず、基板温度約１，０００℃で所定膜厚のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を成長させる。ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の成長を終了した時点で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＭｅＣｐ_２Ｍｇ、及びＮＨ_３ガスを成膜チャンバに供給し続けながら、基板温度を１分間ないし２分間かけて１，０００℃から７００℃に降温し、７００℃で５秒間から６０秒間維持する。次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＭｅＣｐ_２Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ３ガスだけを供給しながら室温に下げて、積層構造の形成を終了する。こうすることにより、形成したｐ型ＧａＮコンタクト層２８の最表面に、深さの典型値が１〜２ｎｍである溝状凹部が表面全域に数十〜数百ｎｍ間隔で不規則な網目状に広がった構造が形成される。

その後、従来の方法と同様にして、ストライプ状リッジ３０及びメサ３２を形成し、リッジ３０の両側面及びｐ型ＡｌＧａＩｎＮクラッド層２６の残り層上にＳｉＯ_２膜３４を成膜する。続いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８上にｐ側電極３６を、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６上にｎ側電極３８を設ける。これにより、動作電圧が低く、ｐ側電極３６の金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層との密着性及び固着性が向上してｐ側電極３６が剥がれ難いＧａＮ系半導体レーザ素子を製造することができるとされている。

特開平１１−１６８５２号公報には、電極下地に凹凸を設けることにより電極密着性を向上させる技術が記載されている。同文献の半導体レーザを図４に示す。図示したように、これはリッジ型半導体レーザ（ＬＤ）であり、インナー・ストライプ型ではない。図中、１は基板、２はバッファ層、３はアンドープＧａＮ層、４はＡｌＧａＮ層、５はＭｇドープｐ型ＧａＮ層、６はｐ電極を示す。ｐ型ＧａＮ層５を形成した後、表面にＡｕを蒸着し、この上にフォトリソグラフィによってフォトレジストのパターンを形成する。次いで露出したＡｕ部分をエッチングして除去し、必要部分だけｐ型ＧａＮの露出し他はＡｕで覆われた構造を作製する。このＡｕマスクのついた試料をリン酸二水素アンモニウム（ＮＨ_４Ｈ_２ＰＯ_４）の溶融塩で湿式エッチングすることにより、六角柱型のエッチピットが多数形成される。この上にｐ電極６を形成し、図示した構造が得られる。

しかしながら、特開２００３−３４７２３８号公報、特開平１１−１６８５２号公報に記載された技術では、電極密着性を充分に改善することは困難であった。また、素子抵抗を充分に低減することが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、内部に電流狭窄層を備えるIII族窒化物半導体光素子において、上部電極の密着性を向上するとともに素子抵抗を低減することを目的とする。

本発明によれば、III族窒化物半導体からなる半導体層と、前記半導体層上に設けられ所定の開口部を有する電流狭窄層と、前記半導体層および前記開口部の上部に設けられ、凹凸表面を有するコンタクト層と、前記コンタクト層の前記凹凸表面に設けられた電極と、を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体光素子、特には、
III族窒化物半導体からなる半導体層と、前記半導体層上に設けられ所定の開口部を有する電流狭窄層と、前記半導体層上に設けらている前記電流狭窄層および前記開口部の上部に設けられ、前記電流狭窄層の上部に形成される部分は凹凸表面を有するコンタクト層と、前記凹凸表面部分を有する前記コンタクト層の上面に設けられた電極と、を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体光素子が提供される。

本発明によれば、コンタクト層の凹凸面に電極が設けられている。このため、優れた電極密着性が得られるとともに、素子抵抗を効果的に低減させることができる。なお、III族窒化物半導体とは、III族元素と窒素とを構成元素として有する半導体をいう。代表例としては、一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される半導体（以下、ＧａＮ系半導体という）が挙げられる。

本発明において、前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部において、前記凹凸表面に沿って水平方向に延在する形状を有する構成とすることができる。この構成によれば、コンタクト層が、電流狭窄層の上部において、凹凸表面に沿った断面形状を有するため、凹凸表面に沿ってコンタクト層内に電流が流れる。このため、広い範囲の電極から注入された電流を開口部に集めることができ、低い素子抵抗で、良好なＩ−Ｖ特性を有する素子を実現することができる。

本発明において、前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部の領域から前記開口部の上部の領域にわたって連続的に形成されている構成とすることができる。この構成によれば、コンタクト層内に電流が流れることにより、開口部の上部に設けられた電極部分のみならず、電流狭窄層の上部の電極部分からも電流を集めることができ、低い素子抵抗で、良好なＩ−Ｖ特性を有する素子を実現することができる。

本発明において、前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部において凹凸表面を有し、前記開口部の上部において平坦表面を有する構成とすることができる。この構成によれば、コンタクト層の凹凸面に電極が設けられた構造となっているため、優れた電極密着性が得られるとともに、素子抵抗を効果的に低減させることができる。その一方、開口部の設けられた通電領域ではコンタクト層表面が平坦であるため、積層方向へ好適に通電することができる。すなわち、レーザ発振に直接的に寄与する結晶には、この凹凸は悪影響を及ぼさない。

本発明において、コンタクト層は、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）により構成することができる。また、電流狭窄層は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）により構成することができる。

本発明において、凹凸表面の二乗平均粗さ（Root Mean Square Roughness）がコンタクト層の厚みよりも大きい構成とすることができる。また、凹凸表面の二乗平均粗さは、好ましくは１０ｎｍ以上、より好ましくは１００ｎｍ以上とする。上限は特にないが、１μｍ以下とすることで充分である。このような凹凸とすることにより、優れた電極密着性が得られる。

凹凸表面は、結晶面により構成してもよい。このようにすれば、結晶面を介して電極とのコンタクトがとられるため、低い素子抵抗を安定的に実現することができる。結晶面としては、コンタクト層をＧａＮあるいはＡｌＧａＮで構成する場合、該コンタクト層表面が、（０００１）面である際、（１−１０１）面とすることができる。また、凹凸表面を、エッチングにより形成した面ではなく結晶成長面とすれば、エッチングによるコンタクト層等の損傷を避けることができるとともに、コンタクト層が水平方向に延在して形成され、電極からの集電効果が向上し素子抵抗を充分に低減することができる。

凹凸表面は、六角錐状のピットを含む構成としてもよい。こうすることにより、六角錐状のピットが形成されるため、優れた電極密着性および良好な素子抵抗が得られる。

本発明において、電流狭窄層とコンタクト層との間に超格子構造のクラッド層を備え、この超格子構造を構成する薄層が、前記凹凸表面に沿って水平方向に延在する形状を有する構成としてもよい。こうすることにより、電極からの集電効率が顕著に向上し、低い素子抵抗が実現される。
本発明の素子は、種々の素子に適用することができる。たとえば、前記半導体層の下に活性層を備える構造としてもよい。これにより、発光ダイオード、半導体レーザ等に好適に適用される。

さらに本発明によれば、基板の上部に、III族窒化物半導体からなる半導体層を形成する工程と、前記半導体層上に、所定の開口部を有する電流狭窄層を形成する工程と、前記半導体層および前記開口部の上部に、１，０００℃以下の成長温度でIII族窒化物半導体を成長させ、凹凸表面を有するコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層の前記凹凸表面に電極を形成する工程と、を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体光素子の製造方法が提供される。

この製造方法によれば、電極密着性に優れ、素子抵抗が効果的に低減された半導体レーザを安定的に製造することができる。

本発明によれば、コンタクト層の凹凸面に電極が設けられている。このため、優れた電極密着性が得られるとともに、素子抵抗を効果的に低減させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るインナー・ストライプ型半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 図２は、従来のインナー・ストライプ型半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 図３は、従来のリッジ型半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 図４は、従来の半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 図５は、エッチングにより凹凸表面を形成した半導体レーザの構造を模式的に示す断面図である。 図６は、本発明の実施形態に係るインナー・ストライプ型半導体レーザにおける、コンタクト層表面に形成されている凹凸の様子を模式的に説明する図である。 図７は、本発明の実施形態に係るインナー・ストライプ型半導体レーザにおける、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層の構造を模式的に示す断面図である。 図８は、エッチングにより凹凸表面を形成する際に利用される、最適温度で形成されるＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層の構造を模式的に示す断面図である。 図中に示される符号は、下記の意味を有する。

１０ ＧａＮ半導体レーザ素子
１２ サファイア基板
１４ ＧａＮ−ＥＬＯ構造層
１６ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１８ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
２０ ｎ型ＧａＮガイド層
２２ ＧａＩｎＮ多重井戸（ＭＱＷ）構造の活性層
２４ ｐ型ＧａＮガイド層
２６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ ストライプ状リッジ
３２ メサ
３４ ＳｉＯ_２膜
３６ ｐ側電極
３８ ｎ側電極
１０１ ｎ型電極
１０２ ｎ型ＧａＮ基板
１０３ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層
１０４ Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０５ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ光閉込層
１０６ ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層
１０７ Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮキャップ層
１０８ Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光閉込層
１０９ ＡｌＮ電流狭窄層
１１０ Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
１１１ Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層
１１２ ｐ型電極
４０１ 半導体表面
４０２ 六角錘状の穴
５０１ Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

［実施例１］
本実施例に係るインナー・ストライプ型半導体レーザについて、図１を参照して説明する。この半導体レーザは、ｎ型ＧａＮ基板１０２上にＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０３（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０５、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ（Ｓｉ濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ４ｎｍ）バリア層からなる３つの井戸層を持つ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層１０７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型ＧａＮガイド層１０８が積層した構造を有する。そしてこの上に、ＡｌＮ電流狭窄層１０９、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１１０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０．０２μｍ）からなるコンタクト層１１１が積層している。コンタクト層１１１の上面には、二乗平均粗さが１５０ｎｍ程度の凹凸が形成されている。

以下、この半導体レーザの作製方法について説明する。

素子構造の作製には、３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）装置を用いた。キャリアガスには、水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。また、ｎ型ドーパントにはシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型ドーパントにはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

はじめに、ｎ型ＧａＮ基板１０２を用意する。ｎ型ＧａＮ基板１０２としては、ＦＩＥＬＯ法（Ａ．Ｕｓｕｉ他、Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ３６， Ｌ８９９ （１９９７））により作製した厚さ１００μｍのｎ型ＧａＮ（０００１）基板を用いた。

このＧａＮ基板の上に、活性層、ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層、電流狭窄のための低温ＡｌＮ成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。

ｎ型ＧａＮ基板１０２を成長装置に投入後、ＮＨ_３を供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始する。Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなるｎ型クラッド層１０４、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型光閉じ込め層１０５、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層とＳｉドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎバリア層からなる、３つの井戸層を有する多重量子井戸層１０６、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなるキャップ層１０７、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型光閉じ込め層１０８を順次堆積する。

ＧａＮ成長は、基板温度１，０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎで行い、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１，０８０℃、ＴＭＡ供給量３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行っている。ＩｎＧａＮ ＭＱＷ成長においては、基板温度８００℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとし、ＴＭＩｎ供給量は、井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎ、バリア層で３μｍｏｌ／ｍｉｎとしている。

これらの構造を堆積後、引き続いて、基板温度を所定の温度まで降温し、低温成長ＡｌＮ層（後に電流狭窄層１０９となる）の堆積を行っている。低温成長ＡｌＮ層の堆積温度は、２００℃以上６００℃以下が望ましい。ここでは、堆積温度（基板温度）は、３００℃とした。ＴＭＡおよびＮＨ_３供給量は、それぞれ３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとし、堆積膜厚は０．１μｍとしている。

次に、低温成長ＡｌＮ層にストライプ開口部を形成する。以下、この工程を「ストライプ形成工程」という。ＡｌＮ層上にＳｉＯ_２を１００ｎｍ堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィにより幅２μｍのストライプ・パターンをレジスト上に形成する。次に、バッファード・フッ酸により、レジストをマスクとして、ＳｉＯ_２をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行う。ＡｌＮ層は、バッファード・フッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはない。次に、ＳｉＯ_２をマスクとして低温成長ＡｌＮ層のエッチングを行う。エッチング液には、リン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いている。ＳｉＯ_２マスクでカバーされていない領域のＡｌＮ層は、８０℃に保持した上記溶液中１０分間のエッチングにより除去され、ストライプ状開口部が得られる。さらに、バッファード・フッ酸でマスクとして用いたＳｉＯ_２を除去し、ＡｌＮ層に２μｍ幅のストライプ状開口部を有する構造を得ている。

低温成長ＡｌＮ層のエッチング液は、８０℃以上に加熱された硝酸などでも可能であるが、制御性の点から５０℃以上２００℃以下、望ましくは８０℃〜１２０℃に加熱されたリン酸を含む溶液が好適である。これらの溶液により、低温成長ＡｌＮ層は、１〜３０ｎｍ／ｍｉｎ．程度のエッチング速度でエッチングされる。一方、結晶状のＧａＮ、ＡｌＧａＮはエッチングされない。これにより低温成長ＡｌＮ層のみが、高い選択性でエッチングされる。また、アモルファスＡｌＮでは、単結晶ＡｌＮで見られるようなエッチング速度の面方位依存性がないため、等方的なエッチングが実現される。これにより、ＬＤストライプ形成時のサイド・エッチングを抑制することが可能となる。また、上記実施形態ではＡｌＮ層のエッチングマスクとしてＳｉＯ_２を用いたが、エッチング液に侵されない材料であれば、ＳｉＮｘやレジストを含む有機物を用いてもよい。

以上により得られるストライプ開口部を有する試料に対し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層の埋め込み再成長を行っている。以下この工程を「ｐクラッド再成長工程」という。ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ_３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて成長温度である９８０℃まで昇温する。９８０℃に達した後、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１１０およびＭｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０^２０ｃｍ^−３、厚さ０．０２μｍ）からなるコンタクト層１１１を成長させる。ここで、ｐ型クラッド層１１０およびｐ型コンタクト層１１１の成長においては、ＮＨ_３流量を最適値の１０ ｓｌｍより大きく下げ、１ ｓｌｍとしている。なお、前記ＮＨ_３流量：１ ｓｌｍの条件を選択することにより、Ｖ／III比＝４，５００程度となっている。ｐ型クラッド層１１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１１の成長温度は、９００〜１，０００℃の範囲で選択することがよく、ＮＨ_３流量は、０．５〜３ ｓｌｍ以下の範囲（対応するＶ／III比は、２，３００〜１４，０００の範囲）で選択することが好ましい。これらの条件は、電流狭窄層や、コンタクト層、クラッド層の材料や膜厚に応じて適切な値をすることが重要である。

以上により、ｐ型コンタクト層、ＡｌＮ電流狭窄層、ｐ型およびｎ型クラッド層、ｐ型およびｎ型ガイド層、活性層を備えたＬＤウエハが得られる。このＬＤウエハに対し、ｐ型およびｎ型電極を形成する。この工程を「電極工程」という。ｎ型ＧａＮ基板裏面に、Ｔｉ ５ｎｍ、Ａｌ ２０ｎｍをこの順で真空蒸着し、次に、ｐ型コンタクト層上にＮｉ １０ｎｍ、Ａｕ １０ｎｍをこの順で真空蒸着している。上記試料をＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｅａｌｉｎｇ）装置に投入し、６００℃、３０秒間のアロイングを行って、オーミック・コンタクトを形成している。基板裏面側のＴｉＡｌおよび表面側のＮｉＡｕ上にＡｕを５００ｎｍ真空蒸着し、ｎ型電極１０１およびｐ型電極１１２とする。電極形成後の試料をストライプに垂直な方向に劈開し、ＬＤチップとしている。典型的な素子長は５００μｍである。

以上のようにして作製される半導体レーザについて、以下の評価を行っている。

（ｉ）ｐ型コンタクト層１１１の形態観察
ｐ型コンタクト層１１１を形成した時点で、その表面を走査型電子顕微鏡により観察した。ｐ型コンタクト層１１１の表面は、ストライプ状開口部１１３の直上においてはクラックやピットなどの欠陥は見られなかった。一方、ＡｌＮ電流狭窄層１０９によるマスク領域上では、図６に示すように、表面に六角錘のピットが生じ凹凸が形成されていた。六角錘の側面は、（Ａｌ）ＧａＮの（１−１０１）面およびこれと等価な面である場合が多かった。凹凸表面の表面粗さをＡＭＦ（原子間力顕微鏡）により測定したところ、二乗平均粗さで１５０ｎｍ程度であり、コンタクト層１１１の厚みを超える表面粗さとなっていた。

また、得られたＬＤ構造の断面を観察したところ、以下のことが確認された。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１は、電流狭窄層１０９の上部において、凹凸表面に沿って水平方向に延在する形状を有し、電流狭窄層１０９の上部の領域から前記開口部１１３の上部の領域にわたって連続的に形成されていた（図１のコンタクト層１１１）。

（ii）半導体レーザの素子性能
上記レーザ素子に電流注入をしたところ、レーザ出力３０ｍＷの動作電圧は、４．８Ｖと非常に良好な電気特性が得られた。このように良好な電気特性が得られたのは、ｐ型電極１１２とｐ型ＧａＮコンタクト層１１１との接触（オーミック・コンタクト）が十分に確保されていることに因っていると考えられる。

対照実験として、実施例１の半導体レーザを、ドライエッチングを用いて試作した。実施例１における電流狭窄層１０９までは、実施形態１と同様にして形成した。その後、ｐ型クラッド層１１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１１を、１，０８０℃の成長温度で形成した。つづいて、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１の表面に所定の形状にパターニングされたマスクを設け、このマスクを用いてｐ型ＧａＮコンタクト層１１１を選択的にエッチングし、凹凸面を形成した。

ｐ型コンタクト層１１１を形成した時点で、その表面を走査型電子顕微鏡により観察した。ｐ型コンタクト層１１１の表面全面に凹凸が形成されていた。また、得られたＬＤ構造の断面を観察したところ、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１は、図５に示すように、凹部のところで分断された形状となっていた。

本例によって得られたレーザ素子に電流注入をしたところ、レーザ出力３０ｍＷの動作電圧は、５．５Ｖであった。

以下、本実施例による半導体レーザおよびその製造方法の効果について詳述する。

第一に、本実施例では、ＡｌＮ電流狭窄層１０９を低温成長により形成しているため、クラッド層やコンタクト層の膜質を良好にするとともに、電極の実質的な有効面積を広く取ることができ、素子抵抗を大幅に低減できる。

従来技術においては、１，０００℃以上の高温で堆積したＡｌＮ層を選択的にエッチング除去してＡｌＮ電流狭窄層１０９を形成していたが、高温成長ＡｌＮ層のエッチングは一般に困難であり、また、ＡｌＮ層成長時や、その後のＡｌＮ層上への半導体層の成長時において層中にクラックが発生する等、課題を有していた。本実施例では、ＡｌＮを６００℃以下の低温で成長させているため、アモルファス状のＡｌＮが得られる。このため、成長時のクラックを抑制するとともにＧａＮ単結晶もしくはＡｌＧａＮ単結晶との良好な選択エッチングが可能となる。

また、前述の特開２００３−３４７２３８号公報では、電流ブロック層としてＳｉＯ_２などの全くの非晶質を用いているため、その上に析出した多結晶は、全く下地の結晶情報を引き継いでおらず、秩序がなく導電性のないものとなっている。それに対し、本実施例に係る半導体レーザでは、電流狭窄層１０９形成に際し、まず、６００℃以下の低温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングにより開口部を設け、その後、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１１０上部の層を形成することにより、非結晶層を結晶層に変換するという工程を採用している。このため、電流狭窄層１０９用の低温成長ＡｌＮ層形成時には、一旦は非晶質ライクなものが堆積したとしても、その後の昇温過程において、結晶化が進行する。このため、電流狭窄層１０９の上のＭｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０やＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１がｐ型導電性を示す。したがって、電極の実質的な有効面積を広く取ることができる。

第二に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１の表面に適度な凹凸が形成されるため、電極密着性が顕著に向上するとともに、素子抵抗を安定的に低減することができる。凹凸構造により電極密着性を改善する試みは、従来技術の項で述べたようにこれまでも検討された例があった。しかしながら、インナー・ストライプ型の半導体レーザにおいて、コンタクト層表面に凹凸形状を付与する検討がなされた例はない。また、特開２００３−３４７２３８号公報に記載されているものは、凹凸が０．２５ｎｍ以上と原子レベルの大きさの凹凸であり、充分な密着性を得ることは困難であった。また、湿式エッチングによりピットを形成する方法（特開平１１−１６８５２号公報）では、素子抵抗が上昇する傾向があり、改善の余地を有していた。この点、本実施例では、電流狭窄層１０９の形成およびその上部の層の形成において、新規なプロセスを採用することにより、電極密着性および素子抵抗を改善するのに有効な凹凸構造を実現している。すなわち、本実施例では、電流狭窄層１０９の材料として、低温成長ＡｌＮを用いている。また、ｐ型クラッド層１１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１１を形成する際、基板温度を最適値より低い９８０℃とするとともに、ＮＨ_３流量を最適値の１０ ｓｌｍより大きく下げ、１ ｓｌｍ（対応するＶ／III比は、４，５００程度）とした。本実施例では、上記のような新規なプロセスを組み合わせて採用することにより、上記したようにｐ型ＧａＮコンタクト層１１１表面に適度な凹凸が形成され、電極密着性が顕著に向上するとともに素子抵抗を安定的に低減することができる。

また、上記プロセスの採用により、ＡｌＮ電流狭窄層１０９の上方では、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１の表面に凹凸が生じた状態で結晶成長が進行する一方、ＡｌＮ電流狭窄層１０９の開口部１１３上では表面は平坦なままで結晶成長が進行する。このため、ｐ型電極１１２とｐ型ＧａＮコンタクト層１１１との間の界面が、通電領域においては平坦であり電流狭窄領域においては凹凸面となる構造が得られる。電流狭窄領域における凹凸面によって電極密着性が向上する一方、開口部１１３を経由する通電領域においては平坦な界面となるため良好なキャリア注入効率が安定的に実現される。

開口部１１３を経由する通電領域においては平坦であり、電流狭窄領域においては凹凸面となる構造が得られる理由は、以下のように推察される。電流狭窄層１０９用の低温成長ＡｌＮ層の表面には、汚染物質や酸化物などが多量に存在するために、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０の再成長初期には、電流狭窄層１０９用の低温成長ＡｌＮ層上では十分な核形成がなされない。さらに、基板温度が比較的低い場合には、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０成長時にあまり顕著な横方向成長が生じないために、再成長開始後に、二次元的な成長に移行することができず、最後まで三次元成長が残ったものと考えられる。一方、ＡｌＮ電流狭窄層１０９の開口部１１３上では、表面が清浄であるために基板温度が低温でも再成長初期から平坦な二次元成長が実現されたと思われる。

第三に、本実施例の構成によれば、広い範囲の電極から注入された電流を開口部に集めることができ、低抵抗で良好なＩ−Ｖ特性を有する素子を実現することができる。本実施例では、図１に示すように、低抵抗のｐ型ＧａＮコンタクト層１１１が、凹凸表面に沿って水平方向に延在し、電流狭窄層の上部の領域から前記開口部の上部の領域にわたって連続的に形成される。このため、広い範囲の電極から電流を集めることができ、上記のような効果が得られる。

［実施例２］
本発明によるインナー・ストライプ型半導体レーザの他の例について図７を参照して説明する。本実施例では、実施例１におけるＭｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０に代え、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層５０１を採用した。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１表面の凹凸の様子は実施例１と同様に六角錘状である（図７）。

本実施例では、超格子クラッド層およびその上のコンタクト層が凹凸構造を有する。かかる構成をとることにより、本実施例の半導体レーザは、超格子クラッド本来の機能を損なうことなく、ｐ型電極の密着性を改善するとともに素子抵抗を低減することができる。

本実施例に係るレーザ素子に電流注入をしたところ、レーザ出力３０ｍＷの動作電圧は、４．５Ｖと非常に良好な電気特性が得られた。このように良好な電気特性が得られたのは、ｐ型電極１１２とｐ型ＧａＮコンタクト層１１１との接触（オーミック・コンタクト）が十分に確保されていることによると考えられる。

対照実験として、実施例２の半導体レーザと同様の構造を有するインナー・ストライプ型半導体レーザを、ドライエッチングを用いて試作した。

本例の半導体レーザの構造について図８を参照して説明する。本例では、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０３からＭｇドープｐ型ＧａＮ光閉込層１０８まで（ただし、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層１０６を除く）と、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子クラッド層５０１およびＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１とは、本ＭＯＶＰＥ装置の（Ａｌ）ＧａＮ形成最適温度１，０８０℃で形成されている。したがって、結晶成長が終了した段階では、表面は平坦である。その後、ドライエッチングを施すことにより、表面に凹凸を形成した。このようにドライエッチで表面に凹凸を形成した場合の特徴は、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０とＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１１１との界面など、層構造の内部は平坦に形成されていることである（図８）。この構造においては、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１および超格子クラッド層５０１の一部が、凹部のところで分断された形態となっている。

得られた半導体レーザのレーザ出力３０ｍＷの動作電圧は、５．８Ｖと高い値であった。ドライエッチングで表面に凹凸を形成した場合には、充分に低い素子抵抗が得られなかった理由は、以下のように推察される。

凹凸をドライエッチングで形成した場合は、ドライエッチングの際に、エッチング粒子に曝された面の損傷が激しく、ｐ型電極との間のコンタクト抵抗が高くなり、素子抵抗が非常に高くなる。また、ｐ型電極の有効面積が狭く、Ｉ−Ｖ特性が低下する。こうした問題は、超格子クラッド層を採用した場合、特に顕著となる。超格子クラッド層を採用する場合、凹部のところで分断が生じてなければ、図７に示すように、広い範囲の電極から注入された電流を集めることができるようになるからである。

実施例２のように、成長により表面に凹凸を形成した場合、超格子構造を構成する薄層は、当初非結晶質である電流狭窄層上面に形成される凹凸表面の形状に沿って水平方向に延在する形状を有する。すなわち、超格子構造を構成する薄層間の界面が、電流狭窄層の上面に形成される凹凸形状に沿うように積層される。上記薄層は、層内横方向の抵抗率が低いため、図７で示すように、レーザ・ストライプ近傍の広い範囲の電極から注入された電流が、レーザ・ストライプ（開口部）に集まり、結果として、低い抵抗、良好なＩ−Ｖ特性が実現される。

一方、図８のようにドライエッチングにより表面に凹凸を形成する場合、（Ａｌ）ＧａＮ形成最適温度で形成される超格子構造を構成する薄層は、電流狭窄層上面においても、基板水平面に沿って積層される。すなわち、超格子構造を構成する薄層間の界面が、基板水平面と平行に形成される。このため、ドライエッチングにより形成される凹凸部では、各薄層が分断された構造となり、ドライエッチングにより損傷を受けていない狭い範囲から注入された範囲からしか電流を集めることができず、超格子クラッド層によるＩ−Ｖ改善効果を充分に得ることが困難となる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

たとえば、上記実施例では、電流狭窄層１０９の材料としてＡｌＮを用いたが、電流をブロックすることができれば他の物質でも構わない。特に、一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．４、ｘ＋ｙ≦０．４）で表される層は、上下の層（例えば、ｐ型ＧａＮガイド層１０８やＭｇドープｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層１１０）と結晶構造や格子定数が近く、相性が良いので好ましい。

また、上記実施例１、２では、コンタクト層１１１として、ＧａＮを用いたが、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）により構成してもよい。なお、コンタクト層１１１として、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）を用いる際、Ａｌの組成（１−ａ−ｂ）は、０≦（１−ａ−ｂ）≦０．４の範囲に選択することが望ましい。通常、ｐ型コンタクト層１１１は、ｐ型クラッド層１１０と比較して、そのＡｌの組成を低く選択し、同時に、禁制帯幅Ｅｇも、より小さくすることが好ましい。

加えて、上記実施例１、２のように、コンタクト層１１１として、ｐ型ドープのコンタクト層を持ち、ｐ型電極をその上に形成する素子構造において、本発明の効果がより顕著に発揮される。その際、電流狭窄層１０９に設ける開口部１１３への電流集中は、ｐ型電極１１２から、ｐ型コンタクト層１１１、ｐ型クラッド層１１０を介して、開口部１１３に達する間に電流の集中が進む。従って、ｐ型電極１１２とｐ型コンタクト層１１１との界面では、単位面積当たりの電流密度は低減する。一方、ｐ型クラッド層１１０、ｐ型コンタクト層１１１の厚さ、ドーピング濃度は、前記電流の集中過程に応じて、適宜選択することができる。

上記実施例１、２では、端面発光型の窒化ガリウム半導体レーザの適用例について説明したが、レーザではない発光素子や、さらには発光素子ではない半導体光素子、たとえば受光素子等においても、本発明は支障なく実施することができる。また、本発明は、面発光レーザに適用することもできる。この場合、上記凹凸表面にリング状の上部電極を設け、開口部を発光窓とする。この場合、凹凸を有する部分で電極とのコンタクトがとられる一方、開口部上部の平坦面から光が出射される構造となり、発光効率および電極密着性に優れる半導体レーザが得られる。

Claims (14)

1. III族窒化物半導体からなる半導体層と、
   前記半導体層上に設けられ、所定の開口部を有する電流狭窄層と、
   前記半導体層上に設けられている前記電流狭窄層および前記開口部の上部に設けられ、前記電流狭窄層の上部となる領域に形成される部分は凹凸表面を有するコンタクト層と、
   前記凹凸表面部分を有する前記コンタクト層の上面に設けられた電極と、
   を備える
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
2. 請求項１に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部となる領域に形成される前記凹凸表面部分が該凹凸に沿って水平方向に延在している形状を有する
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
3. 請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部の領域から前記開口部の上部の領域にわたって連続的に形成されている
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄層の上部の領域において凹凸表面を有し、前記開口部の上部の領域において平坦表面を有する
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記凹凸表面の二乗平均粗さが前記コンタクト層の厚みよりも大きい
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記凹凸表面の二乗平均粗さが１０ｎｍ以上である
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記凹凸表面は、結晶面により構成されている
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記凹凸表面は、六角錐状のピットを含む
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
   前記電流狭窄層と前記コンタクト層との間に、超格子構造のクラッド層を備え、
   前記超格子構造を構成する薄層は、前記凹凸表面に沿って水平方向に延在する形状を有する
   ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
    前記コンタクト層は、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）により構成される
    ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
    前記電流狭窄層は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦０．４、０≦ｙ≦０．４、ｘ＋ｙ≦０．４）により構成される
    ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
    前記電流狭窄層は、ＡｌＮにより構成される
    ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体光素子において、
    前記半導体層の下に活性層を備える
    ことを特徴とするIII族窒化物半導体光素子。
14. 基板の上部にIII族窒化物半導体からなる半導体層を形成する工程と、
    前記半導体層上に、所定の開口部を有する電流狭窄層を形成する工程と、
    前記半導体層上に形成される前記電流狭窄層および前記開口部の上部に、１０００℃以下の成長温度でIII族窒化物半導体を成長させ、前記電流狭窄層の上部の領域に形成される部分は凹凸表面を有するコンタクト層を形成する工程と、
    前記凹凸表面を有するコンタクト層上に電極を形成する工程と、
    を備えることを特徴とするIII族窒化物半導体光素子の製造方法。