JP2004228122A

JP2004228122A - 発光素子及びその作製方法

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Publication number: JP2004228122A
Application number: JP2003010770A
Authority: JP
Inventors: Koji Tamamura; 好司玉村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】従来のフォトニック結晶の作製方法とは異なる方法により設けられた屈折率分布を備え、素子特性に優れている発光素子を提供する。
【解決手段】ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、サファイア基板ｃ面１２上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、エピタキシャル成長させた、ＧａＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮ光導波層２０、活性層２２、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、およびｐ型ＧａＮコンタクト層２８の積層構造を備える。コンタクト層及びクラッド層の上部層は、ストライプ状リッジ３０として形成されている。リッジ部より下層のクラッド層２６には、島状に結晶成長したｐ型ＡｌＧａＩｎＮ結晶３２が１次元的にランダムな配列で配置され、１次元の屈折率分布をクラッド層に形成している。クラッド層中に配置された、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶３２の１次元配置による１次元の周期的な屈折率分布をクラッド層中に設けることにより、レーザ光の強度分布つまりＮＦＰを制御することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光層を含む化合物半導体層の積層構造を備えた発光素子及びその作製方法に関し、更に詳細には、発光素子特性を制御できる屈折率分布を発光層近傍に有する発光素子、及びそのような発光素子を容易なやり方で作製できる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、光通信を始めとする光エレクトロニクスの分野で、規則正しい微細構造を備えた人工結晶であるフォトニック結晶が新しい光学材料として注目されている。フォトニック結晶は、屈折率の異なる、光の波長程度の大きさのユニットを、屈折率が１次元又は多次元周期的な分布を持つように配列してなる構造体であって、材料や構造を自由にデザインすることにより、従来の光学材料では得られない優れた光学特性を有する光デバイスを実現できる材料として期待されている。
例えば、近年、フォトニック結晶を利用した、レーザ素子、偏光分離素子、可視域用複屈折素子等が提案されている。
【０００３】
フォトニック結晶を構成要素とする素子を実用的に作製するには、フォトニック結晶を構成するサブマイクロオーダーの１次元又は多次元周期構造を再現性よく、かつ経済的に作製することが重要である。そこで、フォトニック結晶の構造、及び作製方法が種々研究され、報告されている。
例えば、フォトニック結晶の構造に関する研究事例として、柱状、球状、ドット状等のユニットを１次元、又は２次元に周期的に配列して形成された構造、多孔状、角材状、あるいは組み木状に３次元に周期的に積層して形成された構造等が報告されている。
また、フォトニック結晶の作製方法として、例えば高分子微粒子の自己組織化による方法、自己クローニング法、更には成長工程及びエッチング工程の高精度プロセスを繰り返す方法等のいくつかの作製方法が、提案され、試行されている。
【０００４】
例えば、Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ（２００１）Ｎｏ．７、１９７頁〜２０１頁には、自己クローニング法によるフォトニック結晶の作製方法が紹介されている。
これによれば、予め、基板表面に凹凸パターンを形成した後、適切な繰り返し数でスパッタ成膜とスパッタエッチングを組み合わせたプロセスにより、低屈折率膜及び高屈折率のペアからなる多層膜を積層する。基板上の積層構造が上方に多層で形成されて行くにつれて、積層構造の基板に垂直な多層膜の縦断面は、積層初期の矩形パターンから鋸歯状パターンに自動的に整形され、鋸歯パターンの凹凸パターンが基板面に平行な面で正確に周期的に繰り返される積層構造が形成される。
【０００５】
自己クローニング法によれば、射影効果による凹部の強調、スパッタエッチングの斜面形成、及びスパッタ成膜の際の再付着粒子の凹部への堆積の３つの現象のバランスの結果、鋸歯状パターンが周期的に繰り返された積層構造を作製することができるとしている。
例えば、低屈折率材料としてＳｉＯ_２膜を、高屈折率材料として水素化アモルファス・シリコン膜を自己クローニング法により積層させて、自己クローニング形２次元フォトニック結晶を形成することにより、偏光子あるいは反射型偏光分離素子として動作する光素子を作製できるとしている。
【０００６】
また、フォトニック結晶構造をレーザ構造に組込み、レーザ特性に優れた半導体レーザ素子を作製する研究も盛んに行われている。
例えば、特開２００１−２５７４２５号公報は、３次元フォトニック結晶構造の前駆体と、光閉じ込め部を含むストライプを形成した基板とを貼り合わせて、３次元フォトニック結晶構造体の中央部に光閉じ込め部を形成することにより、低閾値電流特性を備えた半導体レーザ素子、及びその半導体レーザ素子を製造する方法を開示している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２５７４２５号公報（第１頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のフォトニック結晶の作製方法は、主として、結晶成長による層生成と、ドライエッチングやスパッタエッチングなどによる層の一定領域の除去との組み合わせによってフォトニック結晶を作製しているものの、果して、これらのフォトニック結晶の作製方法が実用的かどうかは、今後の研究に委ねられている。
【０００９】
また、前掲公報では、半導体レーザ素子の作製方法として、光閉じ込め部を含むレーザストライプを形成したレーザ発光層、並びに、それぞれ、３次元フォトニック結晶構造の前駆体である上部構造体及び下部構造体を別々の工程で作製し、次いでレーザ発光層を上部構造体及び下部構造体でいわゆるサンドイッチ状に挟む手法を採用しているので、半導体レーザ素子の作製工程が、極めて複雑である。
即ち、フォトニック結晶構造をレーザ構造に組み込み、レーザ特性に優れた半導体レーザ素子を実現する研究は、現在、開始されたばかりの状況であって、実用化は今後の課題である。
【００１０】
フォトニック結晶を実用的に作製するためには、作製プロセスが、簡便なプロセスであって、制御性、安定性、再現性等のプロセス特性に優れ、しかも経済的であることが必要である。
そこで、本発明の目的は、従来のフォトニック結晶の作製方法とは異なる方法により設けられた屈折率分布を備え、素子特性に優れている発光素子を提供すること、及びそのような発光素子を簡便なプロセスで、しかも制御性、安定性、再現性等のプロセス特性に優れたプロセスで経済的に作製する方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述のような発光素子及びその作製方法を開発するに当たって、プロセスを簡便にするために、従来の成膜工程とエッチング工程とを交互に繰り返すフォトニック結晶の作製手法に代えて、化合物半導体結晶の島状成長を主とする新規な方法で屈折率分布を化合物半導体層に設けることを着想し、実験により着想が有効であることを確認し、本発明を発明するに到った。
【００１２】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、発光層を含む化合物半導体層の積層構造を備えた発光素子において、
島状成長した結晶（以下、島状成長結晶と言う）の分布からなる結晶分布を化合物半導体層本体中に有する化合物半導体層（以下、島状結晶分布型化合物半導体層と言う）が、少なくとも一層発光層上に設けられ、
島状結晶分布型化合物半導体層に分布する島状成長結晶は、化合物半導体層本体とは異なる光学的又は電気的物性を有してランダムな配列で化合物半導体本体中に配置され、屈折率分布を発光層近傍に生じさせていることを特徴としている。
【００１３】
本発明では、屈折率分布とは、隣接する領域の屈折率が相互に異なり、これにより生じた屈折率の分布を言う。なお、屈折率分布は、発光層に平行な１次元方向、又は２次元方向でも、発光層に平行な２次元方向及び発光層に直交する方向の３次元方向でも良い。
つまり、発光層に平行な２次元方向のランダムな配列で化合物半導体層本体内に島状成長結晶を分布させた、１層の島状結晶分布型化合物半導体層が、発光層上に設けられ、これにより、駆動電流の流れを乱して、発光層に平行な１次元又は２次元方向の屈折率分布を発光層近傍に生じさせている。
また、発光層に平行な２次元方向のランダムな配列で化合物半導体層本体内に島状成長結晶を分布させた、複数層の島状結晶分布型化合物半導体層が、発光層上に設けられ、これにより、島状成長結晶が発光層に平行な２次元方向及び発光層に直交する方向の３次元分布で配置され、発光層に対して３次元方向の屈折率分布を発光層近傍に生じさせている。
【００１４】
本発明の好適な実施態様では、ストライプ状リッジが積層構造の上部に形成され、
島状成長結晶を化合物半導体層本体中にランダムな配列で分布させた島状結晶分布型化合物半導体層がリッジ下及びリッジ脇に設けられ、
島状成長結晶のランダムな分布によって、リッジからの距離に応じて屈折率が変わる屈折率分布をリッジ脇及びリッジ下の発光層近傍に生じさせている。
【００１５】
本発明は、発光層を含む化合物半導体層の積層構造を備える、半導体レーザ素子及び発光ダイオード等の発光素子に適用でき、発光素子を構成する基板の種類、化合物半導体層の組成、膜厚に制約はない。
島状成長結晶は、ランダムな配列でもよく、また規則的、周期的な配列でも良い。
【００１６】
本発明に係る発光素子の作製方法は、発光層を含む化合物半導体層の積層構造を備えた発光素子の作製方法であって、
発光層を含む化合物半導体層の積層構造を基板上に形成する工程と、
島状成長した結晶（以下、島状成長結晶と言う）の分布からなる結晶分布を化合物半導体層本体に有する化合物半導体層（以下、島状結晶分布型化合物半導体層と言う）を少なくとも一層発光層上に形成する工程と、
島状結晶分布型化合物半導体層上に化合物半導体層を成長させて、発光素子を構成する積層構造の形成を完結する工程と、
島状結晶分布型化合物半導体層上の化合物半導体層をエッチングして、ストライプ状リッジを島状結晶分布型化合物半導体層上に形成する工程と
を備え、発光層に対して平行な２次元方向、又は発光層に対して平行な２次元方向及び発光層に対して直交する方向の３次元方向にランダムな配列でリッジからの距離に応じて島状成長結晶を分布させることにより、リッジ脇及びリッジ下の発光層近傍に屈折率分布を生じさせていることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
発光素子の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る発光素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の発光素子、即ちＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、サファイア基板ｃ面１２上に、有機金属化学的気相成長（ＭＯＣＶＤ法：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、順次、エピタキシャル成長させた、ＧａＮバッファ層１４、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮ光導波層２０、活性層２２、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、およびｐ型ＧａＮコンタクト層２８の積層構造を備えている。
【００１８】
ｐ型ＧａＮコンタクト層２８、及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の上部層は、ストライプ状リッジ３０として形成され、リッジ３０脇にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下部層が露出している。
リッジ３０より下層のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６には、島状に結晶成長した、例えば（Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２）_０．７５Ｉｎ_０．２５Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＩｎＮ結晶３２が活性層２２に平行な面で１次元的にランダムな配列で分布している島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層が形成されている。
本実施形態例では、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ結晶３２を１次元的にランダムに配置したことにより、１次元の屈折率分布がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の活性層２２近傍に形成されている。
【００１９】
ＡｌＧａＩｎＮ結晶は、Ｉｎ組成が大きくなるほど、下地層に対しての吸着エネルギーよりも分子自身の束縛エネルギーの方が小さくなる。そのため、成長温度、成長速度、雰囲気ガス種、Ｖ族とＩＩＩ族のガス供給量比などの成長条件にも依存するが、Ｉｎ組成が例えば０．２５以上では、ＡｌＧａＩｎＮが、下地層上に島状成長（Ｉｓｌａｎｄ成長あるいは３次元成長）して島状成長結晶若しくはドット状結晶になったり、または、Ｉｎ−Ｉｎのクラスター状結晶若しくはドロップレットライクメタルになる。
これにより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６とは物性の異なる島状成長結晶が、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６に形成される。
【００２０】
ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ結晶３２を配置した中間部を含むｐ型クラッド層２６の下部層、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、活性層２２、ｎ型ＧａＮ光導波層２０、及びｎ型コンタクト層１６の上部層は、リッジ３０に平行に延びるメサとして形成され、メサ脇にｎ型コンタクト層１６の下部層が露出している。
露出したｎ型コンタクト層１６の下部層上にｎ型電極３４が、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８上にｐ型電極３６が、それぞれ、形成されている。
【００２１】
本実施形態例の各化合物半導体層の膜厚を一例として挙げれば、ＧａＮバッファ層１４の膜厚は膜厚５０ｎｍ、ｎ型コンタクト層１６の膜厚は３μｍ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８の膜厚は０．５μｍ、ｎ型ＧａＮ光導波層２０の膜厚は０．１μｍ、ｐ型ＧａＮ光導波層２４の膜厚は０．１μｍ、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の膜厚は０．５μｍ、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２８の膜厚は０．５μｍである。
また、活性層２２は、Ｇａ_１−ＸＩｎ_ＸＮ井戸層（ｘ＝０．１５）とＧａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ障壁層（ｙ＝０．２２）とから構成されている。
【００２２】
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子１０では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６中に配置された、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶３２の１次元配置による生じる１次元の屈折率分布をｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の活性層２４近傍に設けたことにより、レーザ光の強度分布つまりＮＦＰ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ）を制御することができる。
【００２３】
また、ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶若しくはドット状結晶は、本実施形態例では、ｐ型の導電型化合物半導体であるが、これに限らず、一般的なＡｌＧａＩｎＮ層と同等の高抵抗性物質、或いは逆にメタル相当の高伝導性の物質でもよい。また、ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶あるいはドット状結晶は、Ｉｎ−Ｉｎのクラスター状結晶若しくはドロップレットライクメタルでもよい。
ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶若しくはドット状結晶、又はＩｎ−Ｉｎのクラスター状結晶若しくはドロップレットライクメタルは、駆動電流の流れる領域で、あたかもパチンコの釘あるいは如雨露や漏斗の役割を果して、駆動電流を制御する。
また、屈折率分布は、活性層に対してアンチガイディングになりモード制御に一定の役割をすることも本実施形態例の効果に含まれる。
【００２４】
発光素子の作製方法の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る発光素子の作製方法を上述のＧａＮ系半導体レーザ素子１０の作製に適用した実施形態の一例である。図２（ａ）と（ｂ）及び図３（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する際の工程毎の基板断面図である。
図２（ａ）に示すように、基板、例えばサファイア基板ｃ面１２上に、例えば有機金属化学的気相成長（ＭＯＣＶＤ法：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって５５０℃程度の低温の成長温度でＧａＮバッファ層１４をエピタキシャル成長させる。
続いて、ＧａＮバッファ層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によって１０００℃程度の成長温度で、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、及びｎ型ＧａＮ光導波層２０を順次エピタキシャル成長させる。
次いで、活性層２２を８００℃程度の成長温度でエピタキシャル成長させ、続いて、１０００℃程度の成長温度で、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下層部をエピタキシャル成長させる。
【００２５】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下層部をエピタキシャル成長させた後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の成長を中止し、例えば８００℃程度の成長温度で、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ結晶３２を島状成長させる。
前述のように、ＡｌＧａＩｎＮ結晶はＩｎ組成が大きくなるほど、下地層に対しての吸着エネルギーよりも分子自身の束縛エネルギーの方が小さくなる。その結果、ＡｌＧａＩｎＮはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６上に島状成長（Ｉｓｌａｎｄ成長あるいは３次元成長）してドット状結晶になる。または、Ｉｎ−Ｉｎのクラスター状結晶若しくはドロップレットライクメタルが生成される。
続いて、再び、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させる。これにより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６中にＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶をランダムな１次元配列で配置させた島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成することができる。
次いで、島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層上にｐ型ＧａＮコンタクト層２８をエピタキシャル成長させて、ＧａＮ系半導体レーザ素子の積層構造を形成する。
【００２６】
次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８上に、通常のレジスト塗布工程によってレジスト膜を形成する。次いで、通常のリソグラフィー技術を適用して、露光工程、現像工程、ベーキング工程等を実施し、レジスト膜をパターニングしてストライプ状のレジストパターンを有するレジストマスク３８を形成する。
続いて、レジストマスク３８をエッチングマスクに用いてウエットエッチング法又はドライエッチング法によりｐ型ＧａＮコンタクト層２８の露出領域をエッチングし、次いでＡｌＧａＩｎＮ結晶３２上のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の上層部を選択的に除去して、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８に連続するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の上部層を有するリッジ３０を作製する。
【００２７】
次に、レジストマスク３８を使ってＣＶＤ成膜法により、図３（ｃ）に示すように、リッジ３０の両脇に露出しているｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の平坦面上にＳｉＯ_２膜を成膜し、次いでパターニングして、メサ形成用のエッチングマスク３９をｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の露出面上に形成する。
【００２８】
次いで、図３（ｄ）に示すように、エッチングマスク３９を使って、以下、従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の作製方法と同様にして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下部層、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、活性層２２、ｎ型ＧａＮ光導波層２０、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、及びｎ型ＧａＮコンタクト層１６の上部層をエッチングして、リッジ３０と同じ方向に延在するメサ構造を形成する。
更に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６の露出領域にｎ側電極３４をｐ型ＧａＮコンタクト層２８上にｐ側電極３６を形成する。
以上の工程を経ることにより、屈折率分布を有するＧａＮ系半導体レーザ素子１０を従来の作製方法に比べて簡単に作製することができる。
【００２９】
発光素子の実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る発光素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の別の例であって、図４は本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。図４から図６中、図１から図３の部位と同じものには、同じ符号を付している。
本変形例のＧａＮ系半導体レーザ素子４０は、図４に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６中にｐ型ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶４２を３次元的配列で分布させた島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４を有することを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００３０】
本実施形態例では、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶４２の３次元配列構造は、実施形態例１の島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を３層積層することにより構成されている。
これにより、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶４２の３次元の周期的配置により、３次元屈折率分布がｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の活性層２２近傍に形成される。
【００３１】
本実施形態例では、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の活性層２２近傍に３次元屈折率分布を有するので、１次元屈折率分布を有する実施形態例１のＧａＮ系半導体レーザ素子１０に比べて、駆動電流の制御が一層容易になる。
これにより、レーザ光の強度分布、つまりＮＦＰ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ）を一層容易に制御することができ、キンクの生じるストライプ幅を変えることができる。更には、自然放出光強度を変えることができる。
【００３２】
発光素子の作製方法の実施形態例２
本実施形態例は、本発明方法に係る発光素子の作製方法を上述の実施形態例２のＧａＮ系半導体レーザ素子の作製に適用した実施形態の別の例であって、図５（ａ）と（ｂ）及び図６（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、本実施形態例の方法に従ってＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する際の工程毎の基板断面図である。
実施形態例１と同様に、先ず、図５（ａ）に示すように、サファイア基板ｃ面１２上にＭＯＣＶＤ法によって５５０℃程度の低温の成長温度でＧａＮバッファ層１４をエピタキシャル成長させる。
続いて、ＧａＮバッファ層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によって１０００℃程度の成長温度で、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、及びｎ型ＧａＮ光導波層２０を順次エピタキシャル成長させる。
次いで、活性層２２を８００℃程度の成長温度でエピタキシャル成長させ、続いて、１０００℃程度の成長温度で、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下層部をエピタキシャル成長させる。
【００３３】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下層部をエピタキシャル成長させた後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の成長を中止し、８００℃程度の成長温度で、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ結晶４２を島状成長させる。
続いて、再び、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させる。これにより、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６中にＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶をランダムな配列で配置させた１次元島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成することができる。これを３回繰り返して、ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶の３次元分布構造を有する島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４を積層する。これにより、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶４２の３次元配列構造を形成することができる。
次いで、島状結晶分布型ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させ、続いてｐ型ＧａＮコンタクト層２８をエピタキシャル成長させて、ＧａＮ系半導体レーザ素子の積層構造の形成を完結する。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８上に、通常のレジスト塗布工程によってレジスト膜を形成する。次いで、通常のリソグラフィー技術を適用して、露光工程、現像工程、ベーキング工程等を実施し、レジスト膜をパターニングしてストライプ状のレジストパターンを有するレジストマスク３８を形成する。
続いて、レジストマスク３８をエッチングマスクに用いてウエットエッチング法又はドライエッチング法によりｐ型ＧａＮコンタクト層２８の露出領域をエッチングし、次いでＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶４２上のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の上層部を選択的に除去して、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８に連続するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の上部層を有するリッジ３０を作製する。
【００３５】
次に、レジストマスク３８を使ってＣＶＤ成膜法により、図６（ｃ）に示すように、リッジ３０の両側に露出しているｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の平坦面上にＳｉＯ_２膜を成膜し、パターニングして、メサ形成用のエッチングマスク３９をｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６上に形成する。
【００３６】
次いで、図６（ｄ）に示すように、エッチングマスク３９を使って、以下、従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の作製方法と同様にして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６の下部層、ｐ型ＧａＮ光導波層２４、活性層２２、ｎ型ＧａＮ光導波層２０、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、及びｎ型ＧａＮコンタクト層１６の上部層をエッチングして、リッジ３０と同じ方向に延在するメサ構造を形成する。
更に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６の露出領域にｎ側電極３４をｐ型ＧａＮコンタクト層上にｐ側電極３６を形成する。
以上の工程を経ることにより、屈折率分布を有するＧａＮ系半導体レーザ素子４０を従来の作製方法に比べて簡単に作製することができる。
【００３７】
以上、本発明を実施形態例により具体的に説明したが、本発明は、実施形態例１及び２に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づく各種変形が可能である。例えば、上述の各実施形態例において記載した数値、構造、材料、プロセス等は一例であって、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、材料、プロセスなどは用いてもよい。
実施形態例１及び２の半導体レーザ素子１０、４０はＧａＮ系半導体レーザ素子であるが、ＧａＡｓ系やＩｎＰ系の半導体レーザ素子でも良い。また、発光ダイオードでも良い。
【００３８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、化合物半導体層とは異なる光学的又は電気的物性を有する島状成長結晶が、発光層上の少なくとも一層の化合物半導体層にランダムな配列で配置されていることにより、屈折率分布を発光層近傍に生じさせることができる。
これにより、素子特性に優れた発光素子、例えば駆動電流の制御が可能で、発光波長を変化させることができ、レーザ光の強度分布つまりＮＦＰ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ）を制御することができる半導体レーザ素子を実現することができる。更には、キンクの生じるストライプ幅を変えることができ、自然放出光強度を変えることができる半導体レーザ素子を実現することができる。
【００３９】
本発明の作製方法によれば、発光層上の化合物半導体層中に化合物半導体層とは異なる光学的又は電気的物性を有する島状成長結晶又はドロップレットメタルをランダムな配列で形成することにより、駆動電流の流れを乱して、屈折率分布を生成させる半導体レーザ素子を作製することができる。
本発明方法によれば、制御性、安定性、及び再現性に優れた屈折率分布を簡便なプロセスで形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１のＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例１の方法に従ってＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図３】図３（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図２（ｂ）に続いて実施形態例１の方法に従ってＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図４】実施形態例２のＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）と（ｂ）は、それぞれ、実施形態例２の方法に従ってＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する際の工程毎の基板断面図である。
【図６】図６（ｃ）と（ｄ）は、それぞれ、図５（ｂ）に続いて実施形態例２の方法に従ってＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する際の工程毎の基板断面図である。
【符号の説明】
１０……実施形態例１のＧａＮ系半導体レーザ素子、１２……サファイア基板ｃ面、１４……ＧａＮバッファ層、１６……ｎ型ＧａＮコンタクト層、１８……ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０……ｎ型ＧａＮ光導波層、２２……活性層、２４……ｐ型ＧａＮ光導波層、２６（４４）……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２８……ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０……リッジ、３２……ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶（又はＩｎ−Ｉｎメタル）、３４……ｎ型電極、３６……ｐ型電極、３８……マスク、４０……実施形態例２のＧａＮ系半導体レーザ素子、４２……ＡｌＧａＩｎＮ島状成長結晶（又はＩｎ−Ｉｎメタル）。

Claims

発光層を含む化合物半導体層の積層構造を備えた発光素子において、
島状成長した結晶（以下、島状成長結晶と言う）の分布からなる結晶分布を化合物半導体層本体中に有する化合物半導体層（以下、島状結晶分布型化合物半導体層と言う）が、少なくとも一層発光層上に設けられ、
島状結晶分布型化合物半導体層に分布する島状成長結晶は、化合物半導体層本体とは異なる光学的又は電気的物性を有してランダムな配列で化合物半導体本体中に配置され、屈折率分布を発光層近傍に生じさせていることを特徴とする発光素子。
発光層に平行な２次元方向のランダムな配列で化合物半導体層本体内に島状成長結晶を分布させた、１層の島状結晶分布型化合物半導体層が、発光層上に設けられ、これにより、発光層に平行な２次元方向の屈折率分布を発光層近傍に生じさせていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
発光層に平行な２次元方向のランダムな配列で化合物半導体層本体内に島状成長結晶を分布させた、複数層の島状結晶分布型化合物半導体層が、発光層上に設けられ、これにより、島状成長結晶が発光層に平行な２次元方向及び発光層に直交する方向の３次元分布で配置され、発光層に対して３次元方向の屈折率分布を発光層近傍に生じさせていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
ストライプ状リッジが積層構造の上部に形成され、
島状成長結晶を化合物半導体層本体中にランダムな配列で分布させた島状結晶分布型化合物半導体層がリッジ下及びリッジ脇に設けられ、
島状成長結晶のランダムな分布によって、リッジからの距離に応じて屈折率が変わる屈折率分布をリッジ脇及びリッジ下の発光層近傍に生じさせていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
発光層を含む化合物半導体層の積層構造を備えた発光素子の作製方法であって、
発光層を含む化合物半導体層の積層構造を基板上に形成する工程と、
島状成長した結晶（以下、島状成長結晶と言う）の分布からなる結晶分布を化合物半導体層本体に有する化合物半導体層（以下、島状結晶分布型化合物半導体層と言う）を少なくとも一層発光層上に形成する工程と、
島状結晶分布型化合物半導体層上に化合物半導体層を成長させて、発光素子を構成する積層構造の形成を完結する工程と、
島状結晶分布型化合物半導体層上の化合物半導体層をエッチングして、ストライプ状リッジを島状結晶分布型化合物半導体層上に形成する工程と
を備え、発光層に対して平行な２次元方向、又は発光層に対して平行な２次元方向及び発光層に対して直交する方向の３次元方向にランダムな配列でリッジからの距離に応じて島状成長結晶を分布させることにより、リッジ脇及びリッジ下の発光層近傍に屈折率分布を生じさせていることを特徴とする発光素子の作製方法。