JP2008263228A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部分的成長抑制構造を利用して、基板と格子定数または熱膨張係数が異なる連続膜半導体層を形成した上に、さらに半導体発光素子を形成する場合の発光効率の低下および信頼性の悪化を防止する。
【解決手段】サファイア基板と、サファイア基板上に形成された成長抑制構造と、サファイア基板および成長抑制構造上に形成されたＧａＮ連続膜半導体層と、ＧａＮ連続膜半導体層上に形成された光を発生させる活性層とを有する半導体発光素子であって、成長抑制構造がサファイア基板に形成された溝構造または凹凸構造のいずれかからなり、かつ、ＧａＮ連続膜半導体層の表面が平坦であることを特徴とする半導体発光素子に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関し、特に、基板上に基板とは格子定数または熱膨張係数の異なる半導体材料にて形成された信頼性の高い半導体発光素子に関する。

半導体発光素子を構成する結晶材料とは格子定数が３％以上異なる基板上へ形成する場合や、熱膨張係数が１０％以上異なる基板上へ半導体結晶を成長する場合には、まず基板の上に半導体発光素子を構成する材料と格子定数や熱膨張係数がほぼ等しい（格子定数、熱膨張係数とも１％以内）結晶材料を厚く成長させ連続膜半導体層を形成した上に半導体発光素子を形成する試みがなされている。連続膜半導体層の上に積層した半導体層は結晶欠陥が低減することが報告されている。このような発光素子の代表例として、図８に、サファイア基板８００上に、ＧａＮ層を厚く結晶成長させて連続膜半導体層を形成し、その上に青色発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成した従来技術による例を示す。

この従来例のＬＥＤの作製方法を説明する。サファイア基板８００上に、まずハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）によりＧａＮ層８０１を５μｍ厚に厚く成長させる。次に、ＧａＮ層８０１表面にＳｉＯ₂からなる選択成長マスク８０２を格子状（２００μｍピッチの２０μｍ幅のＳｉＯ₂ストライプが互いに直交する形）に形成する。以上までに作製された工程断面図を図８（ａ）に示す。

次に、このサファイア基板８００上にＨＶＰＥ法によりｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３を３００μｍ厚成長させる。この時、ＨＶＰＥ工程により成長されたｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３は、サファイア基板８００が露出した部分から成長が始まるが、その厚さが増すに伴い、ＳｉＯ₂からなる選択成長用マスク８０２上へ張り出すように左右へも成長し、最終的には２０μｍ幅のＳｉＯ₂からなる選択成長マスク８０２上を覆った。このようにして、表面が平坦なｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３が形成された。

次に、このサファイア基板８００上にｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３が形成されたウェハーに、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりｎ−ＧａＮクラッド層８０４、ＩｎＧａＮ活性層８０５、ｐ−ＧａＮコンタクト層８０６が形成された。以上までに作製された工程断面図を図８（ｂ）に示す。

次に、図９の（ａ）従来例のＬＥＤの上面構造図と（ｂ）従来例ＬＥＤのＡ−Ａ’断面図に示すように、３００μｍ角の発光領域８１０を残し、その回りを取り囲むように通常のフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用いてｐ−ＧａＮコンタクト層８０６、ＩｎＧａＮ活性層８０５、ｎ−ＧａＮクラッド層８０４を貫通するように除去し、ｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３を露出させた。最後に、ｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３の表面にｎ型電極８０７を、３００μｍ角のｐ−ＧａＮコンタクト層８０６の表面に光透過性を有するｐ型電極８０８をそれぞれ形成した。このようにして、作製したウェハーから、発光領域８１０の周辺でスクライブし、個々のＬＥＤを切り出し素子とした。このようにして作製する従来例のＬＥＤが報告されている。

しかしながら、このようにして作製したＬＥＤの特性を当該発明者が試験した結果、２０ｍＡの電流を注入した場合の発光効率（電子の光子への変換効率）が個々の素子により０．３％から１０％と大きく異なり、所望の５％以上の発光効率が得られる歩留まりが２％と非常に低いことや、８０℃の条件下での約１００時間の初期信頼性試験にて全ての素子の発光効率が試験開始時の約３０％以下に激減することが新たに判明した。

これらの従来素子の不良について、当該発明者が詳細な検討を行った結果、下記のような事実が判明した。
（１）選択成長マスク８０２の存在する選択成長マスク直上領域８１１に位置するＩｎＧａＮ活性層８０５部分での発光が非常に小さい。また、この発光効率の低下はチップの発光領域８１０の周辺領域より発光領域８１０の中央領域に選択成長マスク直上領域８１１が位置する場合に特に顕著になることも分かった。これにより、選択成長マスク直上領域８１１が発光領域８１０のどの部分に位置しているかにより、大きく発光効率が変化する。
（２）上記の信頼性不良の素子においても、１００時間の信頼性試験走行後では、選択成長マスク直上領域８１１（幅２０μｍ）のＩｎＧａＮ活性層８０５はその近傍の両側約３０μｍを含め、合計８０μｍの領域で発光がほとんど認められない。

さらに従来例素子の結晶解析を行った結果、選択成長マスク直上領域８１１に位置するＩｎＧａＮ活性層８０５には、厚さ３００μｍのｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３を貫通して結晶転移が集中して導入されていることが明確になった。図１０にＩｎＧａＮ活性層８０５における結晶転移の密度を、選択成長マスク８０２端からの距離をパラメータとして測定した結果を示す。幅２０μｍの選択成長マスク直上領域８１１のＩｎＧａＮ活性層８０５には密度１０¹²ｃｍ^-2の結晶転移が集中しており、さらに選択成長マスク８０２の端から１０μｍ離れた位置でも１０¹¹ｃｍ^-2の転移が観測された。選択成長マスク８０２の端から離れるにつれて結晶転移は減少し、３０μｍ以上離れた場所のＩｎＧａＮ活性層８０５では結晶転移は１０⁷〜１０⁸ｃｍ^-2にまで減少した。このような傾向は、上記のように作製されたウェハーのいずれの部分でも観測された。

また、同様な方法により半導体レーザを上述のようなｎ型ＧａＮ連続膜半導体層８０３上に、発光領域に選択成長マスク直上領域８１１が含まれ、発振閾値電流が７００ｍＡと大きく、かつ素子寿命も室温において１秒程度と非常に短かった。

上記のように、従来技術においては、下記のような問題点が明らかになった。
（１）選択成長法を用いて作製した連続膜半導体層上の発光素子において、選択成長マスク直上領域８１１において発光効率の低下が見られるため、発光領域に選択成長マスク直上領域が含まれるチップでは劇的に発光効率が低下する。
（２）ＧａＮ連続膜の上に形成した半導体レーザ素子の寿命が短く、半導体レーザ素子は得られなかった。

このため、基板上に、基板と異なる格子定数や熱膨張係数を有する連続膜半導体層を成長させ、その上に形成する半導体発光素子に、格子定数差や熱膨張係数差から引き起こされる発光効率の低下や信頼性不良を防止することは不可能であった。

従って、部分的成長抑制構造を利用して、基板と格子定数または熱膨張係数が異なる連続膜半導体層を形成した上に、さらに半導体発光素子を形成する場合における発光効率の低下および信頼性の悪化を防止することを目的とする。

本発明は、成長抑制構造上への結晶成長により得られる成長抑制構造直上領域を含む連続膜半導体層と、光を発生させる活性層とを有する半導体発光素子であって、該活性層の内、電流注入により光を発生する発光領域が前記成長抑制構造直上領域以外の領域に形成されていることにより構成されている。

本発明は、前記発光領域は成長抑制構造直上領域から３０μｍ以上離れた位置に形成されていることにより構成される。さらに本発明は前記発光領域と前記成長抑制構造直上領域との間の領域では、前記活性層が除去されていることが好ましい。

一方、本発明は、基板上に成長抑制構造を形成する第１工程と、前記基板および前記成長抑制構造の両方を連続して覆うように前記基板と格子定数または熱膨張係数が異なる連続膜半導体層を形成する第２工程と、前記連続膜半導体層の上に光を発生させる活性層を含む多層構造体を形成する第３工程と、前記成長抑制構造部の直上領域を除いて前記活性層における発光領域を規定するための構造を形成する第４工程と、を有することにより構成される。さらに本発明は、半導体発光素子をウェハーから複数個の半導体発光素子に分割する工程を有する半導体発光素子の製造方法であって、前記第４工程後、前記成長抑制構造直上の前記活性層が半導体発光素子に含まれないように半導体発光素子をウェハーから分割する第５工程とを含むことにより構成されることが好ましい。さらに本発明は、前記第５工程において、前記成長抑制構造直上の端から３０μｍ以内の領域に残存する前記活性層が、半導体発光素子に含まれないように半導体発光素子を分割することが好ましい。

本発明を適用することにより、基板とは格子定数や熱膨張係数が異なる連続膜半導体層上に半導体発光素子を作製した場合、発光効率の低下を防止し、歩留まり良く発光効率の高い発光ダイオードや半導体レーザを実現できた。また、本発明により、これらの発光素子において実用上十分な信頼性を確保することが可能となった。

以下に本発明を実施した例を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明を実施した半導体レーザ素子の一例を示す。本半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２、ｎ−ＧａＮバッファ層１０３、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４、多重量子井戸活性層１０５、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７から構成されており、リッジ導波路としてレーザの発光領域を規定するためのメサストライプ１１０、さらには、電流注入用のｐ型電極１１１、ｎ型電極１１２から構成されている。

次に、図２を用いて本実施例素子の作製工程を説明する。まず、サファイア基板１００の上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮバッファ層１０１を１μｍ厚成長させる。次に、ＧａＮバッファ層１０１の表面上に通常のスパッタ法によりＳｉＯ₂膜を０．４μｍ厚形成させた後、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術により幅１０μｍでピッチ１５０μｍの周期的ＳｉＯ₂からなる選択成長マスク１５０と幅１０μｍでピッチ５００μｍの周期的ＳｉＯ₂からなる選択成長マスク１５１とが互いに直交する形状に形成した。以上までに作製された半導体レーザ素子の工程断面図を図２（ａ）に示す。

続いて、このウェハー上にＨＶＰＥ法により、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２を１５０μｍ厚成長させた。基板温度は１０２０℃として３５分の成長により１５０μｍ厚の成長が完了した。この成長時、選択成長マスク１５０、１５１が成長抑制構造として働くため、従来例にて説明のように、成長初期にはＧａＮバッファ膜１０１が露出した領域でのみ成長は起こり、次第に、選択成長マスク１５０、１５１上に横方向に成長が進み、最終的に１５０μｍ厚の成長が終了した段階では、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２は連続膜を呈しており、その表面はスムースになった。

次に、引き続きＭＯＣＶＤ法により、このｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２の上に、ｎ−ＧａＮバッファ層１０３を０．５μｍ厚、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４を０．２μｍ厚、４ｎｍ厚のＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ井戸層２層と３ｎｍ厚のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア層３層からなる多重量子井戸活性層１０５、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０６を０．２μｍ厚、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７を０．７μｍ厚成長させた。以上までに作製された半導体レーザ素子の工程断面図を図２（ｂ）に示す。

続いて、幅２μｍ、高さ０．７μｍのメサストライプ１１０を選択成長マスク１５０の直上領域１５２以外の領域に選択成長マスク１５０とほぼ平行に形成した。この時、メサストライプ１１０が素子の上方から観察して隣り合う選択成長マスク１５０のほぼ中央に位置するようにした。このメサストライプ１１０の形成には通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を適用した。この後、メサストライプ１１０を上面にストライプ状のｐ型電極１１１を形成した後、ウェハー裏面を研磨することによりウェハー厚さを約１２０μｍとし（すなわち、サファイア基板１００、ＧａＮバッファ層１０１、選択成長マスク１５０、１５１を完全に除去し、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２がウェハー裏面に露出するようにし）、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２の露出した裏面の全面にｎ型電極１１２を形成した。以上までに作製された半導体レーザ素子の工程断面図を図２（ｃ）に示す。

次に、劈開によりレーザ共振器を構成するミラー面を形成した。この劈開工程は以下のようにして実施した。まず、ウェハー裏面（すなわちｎ−ＧａＮ連続膜層１０３側）の隅近傍の２箇所にけがき傷を入れ、このけがき傷の位置において、選択成長マスク１５１を形成した方向と平行方向に劈開してレーザ共振器ミラーを形成した。この時、２箇所のけがき傷は互いに隣接する選択成長マスク１５１のエッジ部分から５０μｍ離れた位置に形成し、選択成長マスク１５１の直上領域１５３がレーザ素子に含まれないようにした。従って、レーザ共振器長は４００μｍであった。最後に、選択成長マスク１５０の直上領域１５２の部分をスクライブし、個々のレーザチップに分割した。以上の工程を経て図１に示すレーザ素子が完成する。

以上のようにして作製したレーザ素子は、閾値電流２５ｍＡでレーザ発振が実現できた。また、本レーザ素子を５０℃雰囲気、３ｍＷ出力の条件下において信頼性試験を実施した結果、初期の５０時間以内に故障に至るレーザ素子を除いて、ほとんどの素子において１０００時間以上の寿命が確認でき、メディアン寿命（試験した半分の素子が故障する時間）は１５００時間であった。この信頼性は当該素子を光ディスク用光源として利用する場合にでも十分な特性である。この信頼性の改善は、本レーザ素子では、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層１０２を成長させるために形成した成長抑制構造である選択成長マスク１５０、１５１上において結晶欠陥が集中する直上領域１５２、１５３がレーザ素子の発光領域（この場合は活性層１０５に電流が選択的に注入されるメサストライプ１１０が形成されている部分）に含まれないように、選択成長マスク１５０、１５１の形状と、選択成長マスク１５０に対するメサストライプ１１０の相対位置、および選択成長マスク１５１に対するレーザ共振器ミラーの劈開のための相対位置を設定したことによるものと理解できる。

上記の発明を実施したレーザ素子では、メサストライプ１１０を隣接する選択成長マスク１５０の直上領域１５２同士の中央となるように（すなわち、選択成長マスク１５０の端から７０μｍ離れた部分に）形成されている。上記の実施例素子と同様の構造で、メサストライプ１１０の直上領域１５２（すなわち選択成長マスク１５０）端からの距離を０μｍ（すなわち直上領域１５２内にメサストライプ１１０を形成した場合）、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、７０μｍと変化させたレーザ素子を作製し、上記と同様の信頼性試験を実施した。この時、素子分離ためのスクライブ位置はいずれの素子においても隣接するメサストライプ１１０の中心付近とし、スクライブ位置のメサストライプ１１０との相対距離を一定とした。その結果を図３に示す。横軸は直上領域１５２の中心からメサストライプ１１０までの距離、縦軸はメディアン寿命を示している。この結果から、実用上必要とされる１０００時間以上のメディアン寿命を確保するためにはメサストライプ１１０を直上領域１５２から３０μｍ以上離れた位置に形成することが必要であることが分かった。

（実施の形態２）
次に、本発明を発光ダイオードに適用した場合について述べる。図４に第２の実施形態素子の構造図を示す。ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１、ｎ−ＧａＮバッファ層４０２、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ歪み緩和層４０３、Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ単一量子井戸活性層４０４、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層４０５、ｐ−ＧａＮコンタクト層４０６、およびｎ型電極４０７、ｐ型電極４０８から構成されている。また本実施例の素子ではメサ４１０により発光領域が規定されている。

次に、本発光素子の作製方法について説明する。まず、サファイア基板４００表面にダイシングにより幅４０μｍ、深さ５０μｍの溝構造４５０を４００μｍピッチで格子状に形成する。以上までに作製された半導体素子の工程断面図を図５（ａ）に示す。

次にＨＶＰＥ法により、厚さ３００μｍのｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１を成長させる。この時、サファイア基板４００に形成した溝構造４５０があるため成長初期においてｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１は平坦な面としての成長ができないが、成長層厚を増すに従って徐々に左右の壁からの成長により溝構造４５０を埋まり、表面の溝は平坦に埋め込まれることとなった。すなわち、実効的に溝４５０での成長が遅いのと同様の効果を実現でき、３００μｍの成長終了時にはｎ−ＧａＮ連続膜層４０１は、連続した表面が平坦な単一の層にすることができた。

次に、分子線エピタキシアル法（ＭＢＥ法）により、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１上にｎ−ＧａＮバッファ層４０２を０．４μｍ厚、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ歪み緩和層４０３を０．０５μｍ厚、Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４を４ｎｍ厚、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ蒸発防止層４０５を０．１μｍ厚、ｐ−ＧａＮコンタクト層４０６を０．４μｍ厚成長させた。以上までに作製された発光素子の工程断面図を図５（ｂ）に示す。

さらに、通常のフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いてＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４を含む３００μｍ角メサ４１０を周期的に残し、その間の領域を１００μｍ幅でエッチングし、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１をエッチング底面に露出させた。すなわち、エッチングを行った領域は４００μｍピッチの格子状の形状となり、これにより、溝構造４５０の上にＭＢＥ成長された欠陥を多く含む溝構造４５０の直上領域４５１とその周辺に含まれるＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４を完全に除去した。本実施の形態では溝構造４５０が成長抑制構造となる。以上までに作製された発光素子の工程断面図を図５（ｃ）に示す。

次に、ウェハーの裏面を研磨し、サファイア基板４００を完全に除去しｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１をウェハー裏面に露出させた後、このｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１にｎ型電極４０７を、メサ４１０の表面に光透過性のｐ型電極４０８を形成した。最後に、溝構造４５０の直上領域４５１でスクライブすることにより、個々の発光ダイオードチップとした。以上までに作製された発光素子の工程断面図を図４に示す。

このようにして作製された発光ダイオードの電子の光子への変換効率を測定したところ、実用上問題がないとみなすことが出来る変換効率５％以上の素子の歩留まりが８５％と高かった。さらに、本実施例素子を従来例素子と同様の条件にて信頼性試験を実施したところ、１０００時間経過後においても、試験開始時の９５〜１０３％の発光強度を得ることができ、実用上問題のない信頼性が確保された。

本実施形態の発光素子における発光領域は、Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４が残存しているメサ４１０部に相当する。ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層４０１成長時に成長抑制構造として利用した溝構造４５０の直上領域４５１を除いた領域にメサ４１０が形成されているため、作製された全ての発光素子において発光領域には溝構造４５０の直上領域４５１は含まれていない。また、エッチングによりＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４が除去された幅は１００μｍであり、メサ４１０部の発光領域は幅４０μｍの溝構造４５０の端から３０μｍ離れたところに形成されていることとなる。上記のように発光効率の高い素子を歩留まり良く得ることができ、かつ問題のない信頼性を実現できるのは、ＨＶＰＥ法およびＭＯＣＶＤ法による結晶成長工程により溝構造４５０の直上領域４５１に集中的に導入された結晶欠陥の影響が、Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４での発光に悪影響を与えず、比較的結晶欠陥の少ない部分に制御性良く発光領域を配置することが可能となったためと考えられる。

なお、上記の実施形態の発光素子において、発光素子作製工程および構造はほぼ同等とし、溝構造４５０のピッチのみを上記の例の４００μｍから５００μｍおよび３００μｍに変化させた場合の発光素子を試作した。この場合においてもメサ４１０の大きさや作製ピッチはそれぞれ３００μｍ、４００μｍと上記の実施形態素子のままとした。これらの発光素子の発光特性を測定したところ、溝４５０のピッチを３００μｍと小さくした素子では、５％以上の発光効率が得られる歩留まりは１６％と激減した。一方、５００μｍと広げた発光素子では３８％であった。これは、溝構造４５０のピッチが、個々の発光ダイオードを形成するメサ４１０の作製ピッチと同一であることが重要であることを示している。従って、同一面積のウェハーからより多くの発光素子を作製するためには、全ての発光素子において溝構造の直上領域４５１が発光領域に含有されないようにすべきである。この意味に置いて、溝構造４５０のピッチをメサ４１０作製ピッチの整数倍にしても良いことは言うまでもない。

（実施の形態３）
次に、成長抑制構造自体をレーザ素子に残存させた実施形態について説明する。図６に本実施形態の素子構造図を示す。本実施形態の素子構造はｎ−ＳｉＣ基板６００と、ＧａＮバッファ層６０１、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層６０２、ｎ−ＧａＮバッファ層６０３、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６０４、３ｎｍ厚のＩｎ_0.1Ｇａ_0.85Ａｌ_0.05Ｎバリア層３層と３ｎｍ厚のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層２層からなる多重量子井戸活性層６０５、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層６０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層６０７、からなる半導体層構造と、ｐ型電極６１１、ｎ型電極６１２、さらには、導波路と電流通路を規定するメサストライプ６１０、共振器ミラーとなるエッチドミラー６１３を有している。

以下に、本実施形態のレーザ素子の作製方法について説明する。（工程図は図２と類似しているのでここでは省略する。）まず、ｎ−ＳｉＣ基板６００上に、ＳｉＮ_xからなる幅１０μｍで周期が１００μｍの選択成長マスク６５０と、幅が１０μｍで周期が４００μｍの選択成長マスク６５１とが互いに直交するように形成した。このウェハー上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮバッファ層６０１を３０ｎｍ厚、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層６０２を１００μｍ厚、ｎ−ＧａＮバッファ層６０３を０．１μｍ、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６０４を０．３μｍ厚、多重量子井戸活性層６０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６０６を０．３μｍ厚、ｐ−ＧａＮコンタクト層６０７を１．０μｍ厚連続的に結晶成長させる。この時、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層６０２の成長においては、厚さが３０μｍ以下の状態では選択成長マスク６５０、６５１上では未成長部分が残存しており、結晶は連続した膜を呈していなかったが、さらに成長を続けて厚さが１００μｍに達した段階では、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層６０２表面は実施形態１と同様に平坦で連続した単膜を呈しており、その上に連続的に形成された積層構造に含まれる各層６０３〜６０７もまた平坦な層として成長された。

次に、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を利用し、高さ０．８μｍ、幅２μｍのメサストライプ６１０を選択成長マスク６５１と平行に形成した。このメサストライプ６１０はレーザ導波路を活性層６０５に形成するばかりでなく、活性層６０５に注入される電流の通路もメサストライプ６１０直下近傍部分に規定し、効率よく電子をレーザ光に変換する働きをする。本工程において、メサストライプ６１０は、両側の選択成長マスク６５１の直上領域６５３の中央、すなわち選択成長マスク６５１の端とメサストライプ６１０の端の間隔が３９μｍとなるように形成した。

次に、通常のエッチドミラー形成のためのフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を利用し、レーザ共振器ミラーとなるエッチドミラー６１３を形成した。この時、エッチドミラー６１３が選択成長マスク６５０に平行であり、かつ選択成長マスク６５０の直上領域６５２の活性層６０５をエッチングより除去するように、選択成長マスク６５０の直上領域６５２を中心として全幅１００μｍの領域にエッチングを施し、ｎ−ＧａＮ連続膜半導体層６０２がエッチング底面に露出するまでエッチングを行った。この工程によりレーザ共振器となるべき一組の共振器ミラーが形成され、本実施形態のレーザ素子における共振器長は３００μｍとした。すなわち、選択成長マスク６５０の周期と同じ４００μｍ周期でエッチドミラー形成のためのエッチングを実施したことになる。

最後に、メサストライプ６１０上面にｐ型電極６１１を、ｎ−ＳｉＣ基板６００裏面全面にｎ型電極６１２を形成した後、選択成長マスク６５０、６５１の直上領域６５２、６５３の部分でスクライブすることにより個々のレーザ素子に分割した。

本実施形態のレーザ素子を実施形態２の６０℃雰囲気下、５ｍＷ光出力の条件下での信頼性試験を実施したところ、初期２４時間の異常劣化を示した素子を除いて、全て１０００時間以上の寿命を有することが確認できた。この場合のメディアン寿命は約１６００時間であった。このように、信頼性の高いレーザが実現できたのは、選択成長マスク６５０の直上領域６５２が発光領域であるメサストライプ６１０に全く含まれず、レーザ素子の劣化を引き起こす結晶欠陥が少ない領域のみの活性層６０５が発光に寄与している効果と推察される。

ところで、実施形態の１においてはレーザ素子の劈開位置は選択成長マスク１５０の直上領域１５２外の部分に限られていた。これは、選択成長マスク１５０の直上領域１５２で劈開した場合に、レーザの発光領域となるメサストライプ１１０内の破壊し易い劈開面近傍に結晶欠陥が多く含まれる選択成長マスクの直上領域１５２が包含され、素子を動作させた時に瞬時に劣化することを避けるためである。しかし、実施形態１におけるように選択成長マスク１５０の直上領域１５２の近傍にて選択成長マスク１５０の直上領域１５２に平行に劈開をした場合、部分的に劈開面に段差が生じ、結果として一部の素子にてメサストライプ１１０に選択成長マスク１５０の直上領域１５２が含まれてしまう場合があった。これは、選択成長マスク１５０の直上領域１５２に結晶欠陥が多く含まれており、結晶として弱く、より割れやすいことが原因と考えられる。すなわち、選択成長マスク１５０の直上領域１５２で結晶が劈開しやい性質を持ち合わせているのに関わらず、実施形態１ではその近傍を劈開していたためである。この現象は、劈開により素子を分割する場合のみならず、スクライブにより素子を分割する場合にも同様の現象が観測され、選択マスク１５１の直上領域１５３でスクライブすした場合に比べて、選択マスク１５１の直上領域１５３近傍で選択マスク１５１の直上領域１５３と平行に制御性良くスクライブした場合の歩留まりは低かった。

一方、本実施形態素子では、素子を分割する際の４面全てのスクライブによる素子分割位置を選択成長マスク６５０、６５１の直上領域６５２、６５３に限定できるため、素子分割時に所定の位置にてスクライブが起こり、メサストライプ６１０に選択マスクの直上領域６５２が含まれたり、所定の形状（上方から観察して図６に示すように直方形）から素子の形状がずれることは無かった。これにより、素子をマウントする際の素子形状認識においても、エラーを低下させることができ、素子マウント歩留まりも改善することができた。この点も、本実施形態素子における大きなメリットであった。

（実施の形態４）
次に、成長抑制構造の直上領域の活性層が素子に残存している場合の本発明の実施形態を発光ダイオードの例を用いて説明する。図７に、本実施形態の発光素子の上面より観察した構造図を示す。ＧａＮ連続膜層の形成方法や半導体積層構造は実施形態２の場合と同じとした（本実施形態例の説明では共通する各層の標記は実施例２と同一とする）。実施形態２と異なるのは、Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４を含むメサ７１０の形状が図７のような形状を有しており、かつそのサイズを３９０μｍ角と大きくした点である。このため、本実施形態の発光素子では、ｎ−ＧａＮ連続膜層４０１成長時の成長抑制構造たる溝構造４５０の直上領域７５１に位置するＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４がメサ７１０内に含まれた形となっている。

しかし、本実施形態の発光素子では、ｐ型電極７１１を３００μｍ角として、メサ７１０の中央領域に配置した。すなわち、溝構造４５０の直上領域７５１および直上領域７５１の端から３０μｍの領域においてはｐ型電極が形成されないようにした。一方、ｎ型電極７１２はＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４が除去された発光素子の一角に図７のように形成した。

このような構成とすることにより、ｐ型コンタクト層４０６、ｐ型電極７１１から注入される電流はｐ−ＧａＮコンタクト層４０６が、比較的抵抗率の高いｐ−ＧａＮからなっており、かつ０．４μｍとその膜厚が薄いために、ｐ型コンタクト層４０６中ではほとんど電流が横方向に拡散せず、ｐ型電極７１１の直下のＩｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層４０４にのみ電流を注入することができる。

当該実施形態の発光素子の特性を評価した結果、５％以上の電子−光子変換効率を有するチップは、検査した内の７９％に達し、従来技術により構成された発光素子より格段の改善が認められた。また、これらの発光素子の信頼性試験（条件は実施形態２と同様）を行ったところ、１０００時間経過後の発光輝度は試験当初の発光輝度に対して８５〜９９％の範囲となり、全ての発光素子が実用上問題ないことが確認された。

以上、実施形態の発光素子においては、ＧａＮ連続膜半導体層を用いて窒化ガリウム系の発光素子を作製した例を説明したが、本発明は以下のような場合にも適用できることはいうまでもない。
（１）基板材料や連続膜半導体層の材料、および発光素子を構成する材料が異なる場合（例えば、基板がＳｉ、連続膜半導体層がＧａＡｓ、の場合や基板がＳｉ、ＧａＡｓで連続膜層がＧａＮである場合、等）。
（２）成長抑制構造である選択成長マスクの材料が異なる場合（ＳｉＮ_x、ＳｉＯ_x、ＡｌＯ_x、等）や、構造自体が選択成長マスクや溝構造以外の場合（例えば、サファイア基板上に形成したリッジストライプやその他の凹凸構造、等）。
（３）連続膜半導体層を形成後、発光層形成前に基板を完全に除去するように工程の順番を変更した場合。

本発明の実施の形態１の半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の実施の形態１の半導体レーザ素子の作製工程図である。 成長マスクの直上領域からメサストライプまでの距離に対するメディアン寿命を示す図である。 本発明の実施の形態２の半導体発光素子の断面図である。 本発明の実施の形態２の半導体発光素子の作製工程図である。 本発明の実施の形態３の半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の実施の形態４の半導体発光素子の上面図である。 従来の半導体発光素子の作製工程図である。 従来の半導体発光素子の構造を示す図である。 成長抑制構造からの距離に対する結晶転移の面密度を示す図である。

符号の説明

１００ サファイア基板、１０１，６０１ ＧａＮバッファ層、１０２，６０２，４０１ ｎ−ＧａＮ連続膜層、１０３，６０３，４０２ ｎ−ＧａＮバッファ層、１０４，６０４ ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５，６０５ 多重量子井戸活性層、１０６，６０６，４０５ ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０７，６０７，４０６ ｐ−ＧａＮコンタクト層、１１０，６１０ メサストライプ、１１１，６１１，４０８，７１１ ｐ型電極、１１２，６１２，４０７，７１２ ｎ型電極、１５０，１５１，６５０，６５１ 選択成長マスク、１５２，１５３，６５２，６５３ 直上領域、４００ サファイア基板、４０３ Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ歪み緩和層、４０４ Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ単一量子井戸活性層、４１０ メサ、４５０ 溝構造、４５１，７５１ 直上領域、６００ ＳｉＣ基板、７１０ メサ。

Claims (3)

1. サファイア基板と、前記サファイア基板上に形成された成長抑制構造と、前記サファイア基板および前記成長抑制構造上に形成されたＧａＮ連続膜半導体層と、前記ＧａＮ連続膜半導体層上に形成された光を発生させる活性層とを有する半導体発光素子であって、
   前記成長抑制構造が前記サファイア基板に形成された溝構造または凹凸構造のいずれかからなり、
   かつ、前記ＧａＮ連続膜半導体層の表面が平坦であることを特徴とする半導体発光素子。
2. サファイア基板上に溝構造または凹凸構造からなる成長抑制構造を形成する第１工程と、
   前記サファイア基板および前記成長抑制構造の両方を連続して覆うようにＧａＮ連続膜半導体層を形成する第２工程と、
   前記ＧａＮ連続膜半導体層の上に光を発生させる活性層を含む多層構造体を形成する第３工程とを有し、
   前記ＧａＮ連続膜半導体層の表面が平坦になるように第２工程が実施されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
3. 基板と、前記基板上に形成された成長抑制構造と、前記基板および前記成長抑制構造上に形成されたＧａＮ連続膜半導体層と、前記ＧａＮ連続膜半導体層と、前記ＧａＮ連続膜半導体層上に形成された光を発生させる活性層とを有する半導体レーザ素子であって、
   前記活性層の内、電流注入により光を発生する発光領域が前記成長抑制構造直上領域以外の領域に形成されており、
   前記発光領域は成長抑制構造直上領域から３０μｍ以上離れた位置に形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。

Images