JP3278108B2 - 窒化物半導体レーザ素の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡ
ｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）より
なるレーザ素子に関し、特にファーフィールドパターン
が良好な、しきい値の低下されたレーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明者等は、光導波効率を上げるため
に共振面間にリッジ構造を設け実効屈折率導波型のレー
ザ素子を提案している。窒化物半導体レーザ素子（以下
単に半導体レーザ素子とする場合がある。）は、活性層
の発光を半導体層内部で共振させるために共振面を有す
る。共振面は、エッチング（ドライエッチング、ウエッ
トエッチング等）や劈開等によって形成される。またリ
ッジ構造はエッチング等によって形成される。そして、
レーザ光は共振面から出射されるため、共振面が鏡のよ
うに平滑であるとレーザ光のファーフィールドパターン
が良好となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化物
半導体にエッチングによりリッジ構造及び共振面を形成
すると、図２の窒化物半導体の部分的な構造を示す斜視
図で示すように共振面に２本の筋が生じて平滑な面にな
らない。また、劈開により共振面を形成しようとする
と、窒化物半導体がサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）のような
劈開性をほとんど有しない基板上に形成されることが多
いため、基板を劈開して共振面とすることが難しい。基
板として用いられるサファイアはダイヤモンドと同じく
らいに硬い物質であるので、フルカットすると長時間を
要し、更に切断面にある窒化物半導体層に割れや欠け等
の欠陥が生じ易い傾向にある。

【０００４】この様に共振面に２本の筋が生じたり、半
導体が割れたりして共振面が十分平滑でないと、半導体
レーザから放出される光のファーフィールドパターンが
乱れ、良好な楕円形状等のレーザビームが得られない。
更にファーフィールドパターンが乱れると、レーザ光と
レンズとが結合し難くなり光源として使いにくい。また
エッチングにより共振面に２本の筋が生じると、光の帰
還率の低下により共振面での光損失が増加し、しきい値
が上昇する。レーザの連続発振を長時間に渡り可能とす
るためには、しきい値の低下が必要である。

【０００５】そこで、本発明の目的は、共振面が平滑
で、レーザ光のファーフィールドパターン形状の良好
な、更にしきい値の低下された窒化物半導体レーザ素子
の製造方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の目的は以
下の構成によって達成することができる。 （１） ｎ側コンタクト層を含むｎ型窒化物半導体層
と、活性層と、ｐ側コンタクト層を含むｐ型窒化物半導
体層とを備え、光導波機構がリッジ構造である窒化物半
導体レーザ素子の製造方法において、エッチングして共
振面を形成した後、更にレジスト膜を形成し露光する際
に生じるレジスト膜の残存物を共振面の保護膜として活
用しエッチングによりリッジ構造を形成してなることを
特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。

【０００７】更に本発明の目的は、以下好ましい態様に
より達成することができる。 （２） リッジ構造がｐ側の超格子層を含んだ上の層を
リッジとして形成されていることを特徴とする前記
（１）に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。

【０００８】つまり、本発明は、上記の如く共振面を形
成した後にリッジ構造を形成することによって、共振面
が平滑になり、これによりファーフィールドパターンが
正常になる。更に本発明は共振面が平滑となったので、
光の帰還率が向上し、しきい値の上昇が抑えられしきい
値を低下させることができる。

【０００９】本発明者等は、ファーフィールドパターン
を乱す共振面の荒れについて種々検討した結果、リッジ
構造を形成後に共振面を形成すると、図２のように共振
面に２本の筋が生じることを見いだした。通常、フォト
リソグラフィの性質上、窒化物半導体をエッチングする
場合、エッチング深さの小さい部分から行う。これは、
エッチング深さが大きい部分を形成した後エッチング深
さが小さい部分を形成しようとすると、レジスト膜の厚
みに差が生じ、露光して現像しても段差が大きい部分に
レジスト膜が残り、所望する形状にフォトリソすること
が困難となる。従って当業者の多くは、エッチングの深
さが小さい部分からフォトリソを行う。

【００１０】しかしながら、本発明者等は、フォトリソ
グラフィを行う際の上記のような常識に反し、エッチン
グ深さの大きい共振面を形成した後にエッチング深さの
小さいリッジ構造の形成を行うことによって平滑な共振
面を可能にした。そして、図１の窒化物半導体の部分的
な構造を示す斜視図のＡ部分のように、従来法ではエッ
チングされるべき箇所にわずかな段差が生じているが、
この段差によるレーザ素子への何らの悪影響もない。更
に、このように段差の生じる要因のレジスト膜の残存物
は、悪影響がないばかりか、リッジ構造をエッチングす
る際の共振面及びそれ以外の側面の不要な浸食を防止
し、共振面の不要な浸食による共振面の面角度の不具合
を防止することができる。即ち、本発明は、単に従来の
エッチングの順序を変更しただけではなく、エッチング
の順序を変更したことによって生じる不要の副産物とさ
れているレジスト膜の残存物を共振面の保護膜として活
用しリッジ構造を形成するものである。これによって、
共振面の面角度が基板に対しほぼ９０°、且つ共振面が
平滑で鏡面状を保つことができ、ファーフィールドパタ
ーンが非常に良好となると共にしきい値の低下を可能に
し、劈開性のほとんどない基板上に形成され且つリッジ
構造を有する窒化物半導体レーザ素子に特有の上記問題
点を解決するに至った。

【００１１】更に本発明は、上記の如く半導体レーザか
ら出射される光のファーフィールドパターンが良好とな
ったので、楕円形状のレーザビームを得ることが可能と
なる。更にファーフィールドパターンが良好であるとレ
ーザ光とレンズとが結合し易くなり光源として使い易く
なる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の窒化物半導体レーザ素子
の製造方法は、少なくとも共振面を形成後にリッジ構造
が形成されているものである。そしてこのように形成さ
れた本発明の窒化物半導体レーザ素子は、平滑な共振面
を有することができる。本発明にかかる共振面は、共振
面の面上の凹凸が２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下、
より好ましくは０．５μｍ以下である。つまり図３の図
２の斜視図を上から見た模式的平面図のｄの値が凹凸の
値を示す。このような本発明における共振面は、例えば
図１で示すように、従来問題となっていたリッジ構造を
有する場合にリッジ構造のストライプ幅の両脇に生じて
いた２本の筋が発生していない。このことは図２で示し
た従来の共振面と比較すれば一目瞭然である。

【００１３】また、本発明の製造方法によって形成され
た窒化物半導体レーザ素子は、図１に示されるように、
ｎ型の窒化物半導体層の端部（図１のＡ部分）にわずか
な段差が生じる。この段差は、エッチング深さが大きい
共振面を形成後に、エッチング深さの小さいリッジ構造
を形成するために生じる。つまり、レジストを塗布し窒
化物半導体層に薄膜を形成し露光する際、エッチングに
よる段差が大きいとレジスト薄膜の厚みにむらが生じ均
一に露光できないため図１のような段差が生じる。しか
しながら、このように段差が生じても、レーザから出射
される光のファーフィールドパターン、しきい値等には
ほとんど悪影響を与えない。従って、この段差は、本発
明のレーザ素子に特有の構造であり、且つ本発明の製造
方法によって生じる特定の構造といえる。

【００１４】共振面は、窒化物半導体をエッチングして
活性層のエッチング端面に形成される。共振面は、活性
層の端面に形成するレーザ光を共振させるための面を指
す。

【００１５】リッジ構造は、活性層の上部のｐ側層（ｐ
型不純物を含有するｐ側の窒化物半導体層）を一定のス
トライプ幅を有してエッチングしてリッジ構造とされ
る。以下、本発明においてリッジ構造を有する部分をリ
ッジ部と言う場合がある。本発明において、ストライプ
状のリッジ構造の形状は特に限定されるものではない
が、例えば本発明者等が先に提案した特願平８−６７６
３２号明細書等に記載のリッジ構造の形状を挙げること
ができる。またリッジ構造は活性層上のｐ側窒化物半導
体層に形成されていることが好ましい。

【００１６】リッジ構造の形状の好ましい一実施態様と
して、例えば、図４に示す様にｐ側コンタクト層２０、
ｐ側クラッド層１９をエッチングしてリッジ形状を図の
様に形成する。このようにｐ側の超格子層を含んだ上の
層をリッジ構造とすることが好ましい。超格子層を含ん
でリッジを形成するとしきい値を低下させることができ
好ましい。超格子層とは、組成の異なる極めて薄い層が
積層されたものであって、各層の厚さが十分薄いため
に、格子不整に伴う欠陥が発生することなく積層された
層のことをいい、量子井戸構造を含む広い概念である。
また、この超格子層は、内部に欠陥は有しないが、通
常、格子不整に伴う歪みを有するので歪み超格子とも呼
ばれる。

【００１７】本発明において、共振面及びリッジ構造
は、エッチングにより形成される。窒化物半導体をエッ
チングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッ
チング等の方法があり、共振面となるような平滑な面を
形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。
ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢ
Ｅ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、イオ
ンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチン
グガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッ
チングして共振面を形成することができる。例えば、本
出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載
の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いること
ができる。本発明は、上記のようなエッチング方法を用
い共振面を形成した後、リッジ構造を形成するものであ
る。

【００１８】本発明において、窒化物半導体の構成は特
に限定されず、いずれの層構成及び形状を有していても
よい。以下に本発明に用いることのできる好ましい窒化
物半導体素子の構成要素を記載する。

【００１９】図４は、本発明に係る一実施形態の窒化物
半導体素子の構造を示す模式的な断面図（レーザ光の共
振方向に垂直な断面）であり、該窒化物半導体素子は、
例えば、Ｃ面を主面とするサファイア等の基板１０上
に、ｎ型窒化物半導体層領域（ｎ側コンタクト層１２、
クラッド防止層１３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガ
イド層１５からなる。）とｐ型窒化物半導体領域（キャ
ップ層１７、ｐ側光ガイド層１８、ｐ側クラッド層１９
及びｐ側コンタクト層２０からなる。）とによって挟設
された窒化物半導体からなる活性層１６を備えた窒化物
半導体レーザダイオード素子である。

【００２０】ここで、本実施形態の窒化物半導体素子
は、ｎ型窒化物半導体層領域におけるｎ側クラッド層１
４を超格子層で形成し、かつｐ型窒化物半導体領域にお
けるｐ側クラッド層１９を超格子層で形成することによ
り、ＬＤ素子である窒化物半導体素子のしきい値電圧を
低く設定している。

【００２１】この実施形態の窒化物半導体素子において
は、まず、基板１０上にバッファ層１１と第２のバッフ
ァ層１１２を介してｎ側コンタクト層１２が形成され、
さらにｎ側コンタクト層１２上に、クラック防止層１
３、ｎ側クラッド層１４及びｎ側光ガイド層１５が積層
されて、ｎ型窒化物半導体層領域が形成される。なお、
クラック防止層１３の両側に露出されたｎ側コンタクト
層１２の表面にはそれぞれ、ｎ側コンタクト層１２とオ
ーミック接触するｎ側電極２３が形成され、該ｎ側電極
２３上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｎ側パ
ッド電極が形成される。そして、ｎ側光ガイド層１５上
に窒化物半導体からなる活性層１６が形成され、さらに
該活性層１６上に、キャップ層１７、ｐ側光ガイド層１
８、ｐ側クラッド層１９及びｐ側コンタクト層２０が積
層されてｐ側窒化物半導体層領域が形成される。さら
に、ｐ側コンタクト層２０上に該ｐ側コンタクト層２０
とオーミック接触するｐ側電極２１が形成され、該ｐ側
電極２１上には、例えば、ワイヤーボンディング用のｐ
側パッド電極が形成される。なお、ｐ側コンタクト層２
０とｐ側クラッド層１９の上部とによって、共振方向に
長く伸びた峰状のリッジ部が構成された該リッジ部を形
成することによって、活性層１６において、光を幅方向
（共振方向に直交する方向）に閉じ込め、リッジ部（ス
トライプ状の電極）に垂直な方向で劈開された劈開面を
用いて、リッジ部の長手方向に共振する共振器を作製し
てレーザ発振させる。

【００２２】（基板１０） 基板１０にはＣ面を主面とするサファイアの他、Ｒ面、
Ａ面を主面とするサファイア、その他、スピネル（Ｍｇ
Ａ１_２Ｏ_４）のような絶縁性の基板の他、ＳｉＣ（６
Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、
ＧａＮ等の半導体基板を用いることができる。

【００２３】（バッファ層１１） バッファ層１１は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ等が９００℃以下の温度で成長させて、
膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームに形
成される。このバッファ層１１は、基板と窒化物半導体
との格子定数不正を緩和するために形成されるが、窒化
物半導体の成長方法、基板の種類等によってはバッファ
層１１を省略することも可能である。

【００２４】（第２のバッファ層１１２） 第２のバッファ層１１２は、前記バッファ層１１の上
に、前記バッファ層よりも高温で成長させた単結晶の窒
化物半導体よりなる層であり、バッファ層１１よりも厚
膜を有する。この第２のバッファ層１１２は次に成長さ
せるｎ側コンタクト層１２よりもｎ型不純物濃度が少な
い層とするか、若しくはｎ型不純物をドープしない窒化
物半導体層、好ましくはＧａＮ層とすると、第２のバッ
ファ層１１２の結晶性が良くなる。最も好ましくはｎ型
不純物をアンドープのＧａＮとすると最も結晶性が良い
窒化物半導体が得られる。従来のように負電極を形成す
るｎ側コンタクト層を数μｍ以上の膜厚で、高キャリア
濃度の単一の窒化物半導体層で構成しようとすると、ｎ
型不純物濃度の大きい層を成長させる必要がある。不純
物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にあ
る。このため結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒
化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継
ぐことになって結晶性の向上が望めない。そこで、ｎ側
コンタクト層１２層を成長させる前に、不純物濃度が小
さい、結晶性の良い第２のバッファ層１１２を成長させ
ることにより、キャリア濃度が大きく結晶性の良いｎ側
コンタクト層１２を成長させることができる。この第２
のバッファ層１１２の膜厚は、０．１μｍ以上、さらに
好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以
上、２０μｍ以下に調整することが望ましい。第２のバ
ッファ層１１２が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度
の大きいｎ型コンタクト層１２を厚く成長させなければ
ならず、ｎ側コンタクト層１２の結晶性の向上があまり
望めない傾向にある。また２０μｍよりも厚いと、第２
のバッファ層１１２自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾
向にある。また第２のバッファ層１１２を厚く成長させ
る利点として、放熱性の向上が挙げられる。つまりレー
ザ素子を作製した場合に、第２のバッファ層１１２で熱
が広がりやすくレーザ素子の寿命が向上する。さらにレ
ーザ光の漏れ光が第２のバッファ層１１２内で広がっ
て、楕円形に近いレーザ光が得やすくなる。なお、第２
のバッファ層１１２は、基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ
等の導電性基板を使用した場合には省略してもよい。

【００２５】（ｎ側コンタクト層１２） ｎ側コンタクト層１２は負電極を形成するコンタクト層
として作用する層であり、０．２μｍ以上、４μｍ以下
に調整することが望ましい。０．２μｍよりも薄いと、
後で負電極を形成する際にこの層を露出させるようにエ
ッチングレートを制御するのが難しく、一方、４μｍ以
上にすると不純物の影響で結晶性が悪くなる傾向にあ
る。このｎ側コンタクト層１２の窒化物半導体にドープ
するｎ型不純物の範囲は１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１
０^２１／ｃｍ^３の範囲、さらに好ましくは、１×１０
^１８／ｃｍ^３〜１×１０^１９／ｃｍ^３に調整することが
望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３よりも小さいとｎ電極
の材料と好ましいオーミックが得られにくくなるので、
レーザ素子ではしきい値電流、電圧の低下が望めず、１
×１０^２１／ｃｍ^３よりも大きいと、素子自体のリーク
電流が多くなったり、また結晶性も悪くなるため、素子
の寿命が短くなる傾向にある。なおｎ側コンタクト層１
２においては、ｎ電極２３とのオーミック接触抵抗を小
さくするために、該ｎ側コンタクト層１２のキャリア濃
度を上げる不純物の濃度を、ｎ側クラッド層１４よりも
大きくすることが望ましい。なお、ｎ側コンタクト層１
２は基板にＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等の導電性基板を使
用し基板裏面側に負電極を設ける場合にはコンタクト層
としてではなくバッファ層として作用する。

【００２６】また、第２のバッファ層１１２、及びｎ側
コンタクト層１２の内の少なくとも一方の層を、超格子
層とすることもできる。超格子層とすると、この層の結
晶性が飛躍的に良くなり、しきい値電流が低下する。好
ましくは第２のバッファ層１１２よりも膜厚が薄いｎ側
コンタクト層１２の方を超格子層とする。ｎ側コンタク
ト層１２を互いにバンドギャップエネルギーが異なる第
１の層と第２の層とが積層されてなる超格子構造とした
場合においては、好ましくはバンドギャップエネルギー
の小さな層を露出させてｎ電極２３を形成することによ
り、ｎ電極２３との接触抵抗が低くできしきい値を低下
させることができる。なおｎ型窒化物半導体と好ましい
オーミックが得られるｎ電極２３の材料としてはＡｌ、
Ｔｉ、Ｗ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合
金が挙げられる。

【００２７】また、ｎ側コンタクト層１２を不純物濃度
が異なる超格子層とすることにより、横方向の抵抗値を
低くでき、ＬＤ素子のしきい値電圧、電流を低くするこ
とができる。これは、バンドギャップエネルギーの大き
な層の方に、多くｎ型不純物をドープした超格子層をｎ
層側のコンタクト層として形成した場合について、以下
のようなＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ−Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ−Ｍ
ｏｂｉｌｉｔｙ−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に類似した作
用が出現した効果が推察される。ｎ型不純物がドープさ
れたバンドギャップの大きい第１の層（第２の層）と、
バンドギャップが小さいアンドープ｛（ｕｎｄｏｐ
ｅ）；以下、不純物がドープされてない状態をアンドー
プという｝の第２の層（第１の層）とを積層した超格子
層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層と
のヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大き
な層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな
層側の厚さ（１００オングストローム）前後の界面に電
子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガス
がバンドギャップエネルギーの小さな層側にできるの
で、電子が走行するときに不純物による散乱を受けない
ため、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低
下すると推察される。

【００２８】（クラック防止層１３） クラック防止層１３は、例えば、Ｓｉを５×１０^１８／
cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなり、例え
ば、５００オングストロームの膜厚を有する。このクラ
ック防止層１３はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ま
しくはＩｎＧａＮを成長させて形成することにより、そ
の上に形成されるＡｌを含む窒化物半導体層中にクラッ
クが入るのを防止することができる。なお、このクラッ
ク防止層１３は１００オングストローム以上、０．５μ
ｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オン
グストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止と
して作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体
が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層１３
は、ｎ型コンタクト層１２を超格子とする場合、または
次に成長させるｎ型クラッド層１４を超格子層とする場
合には省略してもよい。

【００２９】 （ｎ型超格子からなるｎ側クラッド層１４） ｎ側クラッド層は、例えばＳｉを５×１０^１８／cm^３ド
ープしたｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなり、２０オ
ングストロームの膜厚を有する第１の層、及びアンドー
プのＧａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有
する第２の層とが交互に積層された超格子層よりなり、
全体で例えば０．５μｍの膜厚を有する。このｎ型クラ
ッド層１４はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層と
して作用し、超格子層とした場合にはいずれか一方の層
をＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成
長させることが望ましく、１００オングストローム以
上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストロ
ーム以上、１μｍ以下で成長させることにより良好なキ
ャリア閉じ込め層が成長できる。このｎ型クラッド層１
４は単一の窒化物半導体で成長させることもできるが、
超格子層とすることがクラックのない結晶性のよいキャ
リア閉じ込め層が形成できる。

【００３０】（ｎ側光ガイド層１５） ｎ側光ガイド層１５は、アンドープＧａＮからなり、
０．１μｍの膜厚を有する。このｎ側光ガイド層６は、
活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ
を成長させて形成することが望ましく、通常１００オン
グストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オング
ストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望まし
い。なお、この光ガイド層１５も超格子層にすることが
できる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超
格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層
の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大
きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２
の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよい
し、またアンドープでも良い。

【００３１】（活性層１６） 活性層１６は、例えば、Ｓｉを８×１０^１８／cm^３でド
ープしたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなり、２５オング
ストロームの膜厚を有する井戸層と、Ｓｉを８×１０
^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎより
なり、５０オングストロームの膜厚を有する障壁層とを
交互に積層することにより、所定の膜厚を有する多重量
子井戸構造（ＭＱＷ）で構成する。活性層１６において
は、井戸層、障壁層両方に不純物をドープしても良く、
いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をド
ープすると閾値が低下する傾向にある。また、このよう
に活性層１６を多重量子井戸構造とする場合には必ずバ
ンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層より
もバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層す
るため、超格子層とは区別される。井戸層の厚さは、１
００オングストローム以下、好ましくは７０オングスト
ローム以下、最も好ましくは、５０オングストローム以
下にする。障壁層の厚さは１５０オングストローム以
下、好ましくは１００オングストローム以下、最も好ま
しくは７０オングストローム以下にする。

【００３２】（ｐ側キャップ層１７） ｐ側キャップ層１７は、活性層１６よりもバンドギャッ
プエネルギーが大きい、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／
cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなり、
例えば、２００オングストロームの膜厚を有する。本実
施形態では、このように、キャップ層１７を用いること
が好ましいが、このキャップ層は、薄い膜厚に形成され
るので、本発明では、ｎ型不純物をドープしてキャリア
が補償されたｉ型としてもよい。ｐ側キャップ層１７の
膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オング
ストローム以下、最も好ましくは３００オングストロー
ム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させ
ると、ｐ側キャップ層１７中にクラックが入りやすくな
り、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからで
ある。また、ｐ側キャップ層１７の膜厚が、０．１μｍ
より大きいと、キャリアがこのエネルギーバリアとなる
ｐ型キャップ層１７をトンネル効果により通過できなく
なるからであり、該トンネル効果によるキャリアの通過
を考慮すると、上述のように５００オングストローム以
下、さらには３００オングストローム以下に設定するこ
とが好ましい

【００３３】また、ｐ側キャップ層１７には、ＬＤ素子
を発振しやすくするために、Ａｌの組成比が大きいＡｌ
ＧａＮを用いて形成することが好ましく、該ＡｌＧａＮ
を薄く形成する程、ＬＤ素子は発振しやすくなる。例え
ば、Y値が０．２以上のＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮであれば５
００オングストローム以下に調整することが望ましい。
ｐ型キャップ層１７の膜厚の下限は特に限定しないが、
１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ま
しい。

【００３４】（ｐ側光ガイド層１８） ｐ側光ガイド層１８は、バンドギャップエネルギーがｐ
側キャップ層１７よりも小さい、例えば、アンドープＧ
ａＮよりなり、０．１μｍの膜厚を有する。このｐ側光
ガイド層１８は、活性層１６の光ガイド層として作用
し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで
成長させて形成することが望ましい。また、この層はｐ
型クラッド層１９を成長させる際のバッファ層としても
作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ま
しくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長さ
せることにより、好ましい光ガイド層として作用する。
このｐ側光ガイド層はＭｇ等のｐ型不純物をドープして
ｐ型の導電型としても良い。なお、このｐ側光ガイド層
を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合に
は第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物
をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。

【００３５】（ｐ側クラッド層１９＝超格子層） ｐ側クラッド層１９は、例えば、Ｍｇを１×１０^２０／
cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなり、
例えば、２０オングストロームの膜厚を有する第１の層
と、例えばＭｇを１×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ｇ
ａＮよりなり、２０オングストロームの膜厚を有する第
２の層とが交互に積層された超格子層からなる。このｐ
側クラッド層１９は、ｎ側クラッド層１４と同じくキャ
リア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低
下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層
１９の膜厚も特に限定しないが、１００オングストロー
ム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングス
トローム以上、１μｍ以下で形成することが望ましい。

【００３６】（ｐ側コンタクト層２０） ｐ側コンタクト層２０は、ｐ側クラッド層１９の上に、
例えば、Ｍｇを２×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ｇａ
Ｎよりなり、例えば、１５０オングストロームの膜厚を
有する。このｐ側コンタクト層２０はｐ型のＩｎ_ＸＡｌ
_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成
することができ、好ましくは、上述のようにＭｇをドー
プしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオー
ミック接触が得られる。さらにｐ側コンタクト層の膜厚
を５００オングストローム以下、さらに好ましくは３０
０オングストローム以下、最も好ましくは２００オング
ストローム以下に調整することが望ましい。なぜなら、
上述したように抵抗率が数Ω・ｃｍ以上もあるｐ型窒化
物半導体層の膜厚を５００オングストローム以下に調整
することにより、さらに抵抗率を低下させることができ
るため、しきい値での電流、電圧が低下する。またｐ型
層から除去される水素の量を多くすることができ、さら
に抵抗率を低下させることができる。

【００３７】なお、本発明では、ｐ側コンタクト層２０
も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合に
は、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と
第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・
というように積層していき、最後にバンドギャップエネ
ルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極
２１と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極２１
の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙
げることができる。

【００３８】次に、図４に示すようにｐ電極２１と、ｎ
電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ_２よりなる絶縁膜２５が形成され、この絶縁膜２５に
形成された開口部を介してｐ電極２１と電気的に接続さ
れたｐパッド電極２２、及びｎ電極２３と接続されたｎ
パッド電極２４が形成される。このｐパッド電極２２は
実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイ
ヤーボンディング、ダイボンディングできるようにし、
一方ｎパッド電極２４はｎ電極２３の剥がれを防止す
る。

【００３９】以上の窒化物半導体素子は、第１の層、及
び第２の層を弾性歪み限界以下の膜厚にして積層された
超格子層である、結晶性のよいｐ型クラッド層１９を備
えている。これによって、本実施形態の窒化物半導体素
子は、ｐ側クラッド層１９の抵抗値を、超格子構造を有
しないｐ側クラッド層に比較して１桁以上低くすること
ができるので、しきい値電圧、電流を低くすることがで
きる。

【００４０】また、本実施形態の窒化物半導体素子では
ｐ型Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮを含むｐ側クラッド層１９に接
して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体
をｐ側コンタクト層２０として、その膜厚を５００オン
グストローム以下と薄く形成することにより、実質的に
ｐ側コンタクト層２０のキャリア濃度が高くなりｐ電極
と好ましいオーミックが得られて、素子のしきい値電
流、電圧を低くすることができる。さらに、ｎ側コンタ
クト層を成長させる前に、第２のバッファ層１１２を備
えているので、第２のバッファ層１１２の上に成長させ
る窒化物半導体層の結晶性が良くなり、長寿命の素子を
実現できる。好ましくは、第２のバッファ層１１２の上
に成長させるｎ側コンタクト層を超格子とすると、横方
向の抵抗値が低くなり、しきい値電圧・しきい値電流の
低い素子が実現できる。

【００４１】なお、本実施形態のＬＤ素子ではＩｎＧａ
Ｎのような、少なくともインジウムを含む窒化物半導体
を活性層１６に備える場合には、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ
と、Ａｌ_ＹＧａ_１−ＹＮとが交互に積層された超格子層
を、活性層１６を挟設する層（ｎ側クラッド層１４及び
ｐ側クラッド層１９）として用いることが好ましい。こ
れによって、活性層１６と該超格子層とのバンドギャッ
プエネルギー差、屈折率差を大きくできるため、該超格
子層をレーザ素子を実現する際に非常に優れた光閉じ込
め層として動作させることができる。さらにＩｎＧａＮ
は結晶の性質が他のＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化
物半導体に比べて柔らかいので、ＩｎＧａＮを活性層と
すると、積層した各窒化物層全体にクラックが入りにく
くなる。これによって、ＬＤ素子の寿命を長くすること
ができる。

【００４２】本実施形態のように量子井戸構造を有する
活性層１６を有するダブルヘテロ構造の半導体素子の場
合、その活性層１６に接して、活性層１６よりもバンド
ギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下の窒化
物半導体よりなるｐ側キャップ層１７、好ましくはＡｌ
を含む窒化物半導体よりなるｐ側キャップ層１７を設
け、そのｐ側キャップ層１７よりも活性層から離れた位
置に、ｐ側キャップ層１７よりもバンドギャップエネル
ギーが小さいｐ側光ガイド層１８を設け、そのｐ側光ガ
イド層１８よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイ
ド層１８よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体、
好ましくはＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子構造を
有するｐ側クラッド層１９を設けることは非常に好まし
い。しかもｐ側キャップ層１７のバンドギャップエネル
ギーを大きくしてあるため、ｎ層から注入された電子
が、このｐ側キャップ層１７で阻止されて閉じ込めら
れ、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子
のリーク電流が少なくなる。

【００４３】以上の本実施形態の窒化物半導体素子で
は、レーザ素子の構造として好ましい構造を示したが、
本実施形態ではｎ型の超格子層は活性層１６から下のｎ
型窒化物半導体層領域（ｎ型層側）に少なくとも１層有
していれば良く、またｐ型の超格子層も活性層１６から
上のｐ型窒化物半導体層領域（ｐ型層側）に少なくとも
１層有していれば良く、素子構成は特に規定するもので
はない。但し、前記超格子層はｐ層側に形成する場合は
キャリア閉じ込め層としてのｐ側クラッド層１９に形成
し、ｎ層側に形成する場合はｎ電極２３が接した電流注
入層としてのｎコンタクト層１２、またはキャリア閉じ
込めとしてのｎ側クラッド層１４として形成することが
素子のＶｆ、しきい値を低下させる上で最も好ましい傾
向にある。

【００４４】以上のように構成された実施形態２の窒化
物半導体素子では、各層が形成された後、水素を含まな
い雰囲気、例えば、窒素雰囲気中で、４００℃以上、例
えば７００℃でアニーリングを行うことが好ましく、こ
れによって、ｐ型窒化物半導体層領域の各層をさらに低
抵抗化することができるので、これによって、さらにし
きい値電圧を低くすることができる。

【００４５】また、実施形態の窒化物半導体素子では、
ｐ側コンタクト層１２の表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電
極２１がストライプ状に形成され、このｐ電極２１に対
して左右対称にｎ側コンタクト層を露出させて、そのｎ
側コンタクト層表面のほぼ全面にｎ電極２３を設けてい
る。このように、絶縁性基板を用いた場合ｐ電極２１の
両側に左右対称にｎ電極２３を設ける構造は、しきい値
電圧を低くする上で非常に有利である。

【００４６】なお、本実施形態では、リッジ部（ストラ
イプ状の電極）に垂直な方向で劈開した劈開面（共振器
面）にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を形成
してもよい。

【００４７】このように、本実施形態において、超格子
層は、活性層を挟設するｎ型領域又はｐ型領域に形成さ
れるキャリア閉じ込め層としてのクラッド層、活性層の
光ガイド層、若しくは電極が接して形成される電流注入
層として用いられるため、超格子層を構成する窒化物半
導体の平均バンドギャップエネルギーが活性層よりも大
きくなるように調整することが望ましい。

【００４８】

【実施例】以下、実施例において本発明を更に詳細に説
明する。 ［実施例１］ 本発明に係る実施例１は図４に示す窒化物半導体素子
（ＬＤ素子）の作成例であり、以下の手順で作製され
る。まず、サファイア（Ｃ面）よりなる基板１０を反応
容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水
素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇さ
せ、基板のクリーニングを行う。続いて、温度を５１０
℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニ
ア（ＮＨ_３）とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用
い、基板１０上にＧａＮよりなるバッファ層１１を約２
００オングストロームの膜厚で成長させる。

【００４９】バッファ層１１成長後、ＴＭＧのみ止め
て、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃にな
ったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用
い、キャリア濃度１×１０^１８／cm^３アンドープＧａＮ
よりなる第２のバッファ層１１２を５μｍの膜厚で成長
させる。第２のバッファ層１１２はＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ
_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成で
き、その組成は特に問うものではないが、好ましくはア
ンドープでＡｌ（Ｙ値）が０．１以下のＡｌ_ＹＧａ
_１−ＹＮ、最も好ましくはアンドープのＧａＮとする。
続いて、１０５０℃でＴＭＧ、アンモニア、不純物ガス
にシランガス（ＳｉＨ_４）を用い、Ｓｉを１×１０^１９
／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層
１２を１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト
層１２は超格子で形成するとさらに好ましい。

【００５０】次に、温度を８００℃にして、原料ガスに
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニ
ア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０
^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりなる
クラック防止層１３を５００オングストロームの膜厚で
成長させる。

【００５１】そして、温度を１０５０℃にして、ＴＭＡ
（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニア、シ
ランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／cm^３ドープした
ｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１の層を２０オ
ングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡ、シ
ランを止め、アンドープＧａＮよりなる第２の層を２０
オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操
作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超
格子層よりなるｎ側クラッド層１４を成長させる。

【００５２】続いて、１０５０℃でアンドープＧａＮよ
りなるｎ側光ガイド層１５を０．１μｍの膜厚で成長さ
せる。次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガス
を用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を
８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０^１８／cm^３で
ドープしたＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる井戸層を２
５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩの
モル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０
^１８／cm^３ドープしたＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎより
なる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させ
る。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した
総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（Ｍ
ＱＷ）の活性層１６を成長させる。

【００５３】次に、温度を１０５０℃に上げ、原料ガス
にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスにＣｐ_２Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性
層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｍｇを１
×１０^２０／cm^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７
Ｎよりなるｐ側キャップ層１７を３００オングストロー
ムの膜厚で成長させる。続いて、１０５０℃で、バンド
ギャップエネルギーがｐ側キャップ層１７よりも小さ
い、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１８を
０．１μｍの膜厚で成長させる。

【００５４】続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃ
ｐ_２Ｍｇを用い、１０５０℃でＭｇを１×１０^２０／cm
^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第１
の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて
ＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０^２０／cm^３ドープし
たｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストローム
の膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００
回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側
クラッド層１９を形成する。最後に、１０５０℃で、ｐ
側クラッド層１９の上に、Ｍｇを２×１０^２０／cm^３ド
ープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２０を１
５０オングストロームの膜厚で成長させる。

【００５５】反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに
窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化す
る。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出
し、図４に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側
コンタクト層２０からｎ側コンタクト層１２の一部から
なるストライプを形成するためにｎ側コンタクト層１２
の表面を露出させ、これと同時に共振面を形成する。ｐ
側コンタクト層２０にマスクを形成し、図４に示すよう
に、ＲＩＥ装置によりストライプの形状をする最上層の
ｐ側コンタクト層２０とｐ側クラッド層１９の一部をエ
ッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形
状とする。

【００５６】次にｐ側コンタクト層２０のストライプリ
ッジ最表面のほぼ全面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２１
を形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２３をス
トライプ状のｎ側コンタクト層１２のほぼ全面に形成す
る。

【００５７】次に、図４に示すようにｐ電極２１と、ｎ
電極２３との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ_２よりなる絶縁膜２５を形成し、この絶縁膜２５を介
してｐ電極２１と電気的に接続したｐパッド電極２２、
及びｎパッド電極２４を形成する。以上のようにして、
ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送
し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成
していない側のサファイア基板１をラッピングし、基板
の厚さを５０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい
研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とす
る。

【００５８】基板研磨後、研磨面側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開する。
共振器面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を
形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して
レーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基
板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに
設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、
室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、しき
い値電流密度２．９ｋＡ／cm^２、しきい値電圧４．４Ｖ
で、ファーフィールドパターンではレーザ光のスッポト
が１つであった。

【００５９】［実施例２］ 実施例１において、第２のバッファ層１１２を成長させ
ず、さらにｎ側コンタクト層１２をＳｉを１×１０^１９
／cm^３ドープしたｎ型ＧａＮ単一で５μｍ成長させ、ｎ
側クラッド層１４をＳｉを１×１０^１９／cm^３ドープし
たｎ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ成長さ
せ、ｐ側クラッド層１９をＭｇを１×１０^２０／m^３ド
ープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ単一で０．４μｍ
成長させ、さらにｐ側コンタクト層２０をＭｇを２×１
０^２０／cm^３ドープした単一のｐ型ＧａＮを０．２μｍ
成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得
た。実施例１と同様にレーザ発振させたところ、室温に
おいて、しきい値電流密度３．１ｋＡ／cm^２、しきい値
電圧４．６Ｖで、ファーフィールドパターンではレーザ
の楕円形状の光のスッポトが１つであった。

【００６０】［比較例１］ 実施例１において、リッジ構造を形成後、共振面を形成
する他は同様にして行った。その結果、ファーフィール
ドパターンではレーザ光が横方向に３つに***してい
た。また、共振面にリッジ構造のストライプ幅の２本の
筋が生じたため、実施例１に比べてしきい値の上昇が見
られた。

【００６１】［比較例２］ 実施例２において、リッジ構造を形成後、共振面を形成
する他は同様にして行った。その結果、ファーフィール
ドパターンではレーザ光が横方向に３つに***してい
た。また、共振面にリッジ構造のストライプ幅の２本の
筋が生じたため、実施例２に比べてしきい値の上昇が見
られた。

【発明の効果】本発明は、共振面が平滑であり、レーザ
光のファーフィールドパターン形状が良好で、更にしき
い値の低下された窒化物半導体レーザ素子の製造方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る共振面を形成後にリッジを形成し
たときの窒化物半導体のエッチング面の結晶構造を示す
窒化物半導体の部分的な構造を示す斜視図である。

【図２】従来のリッジを形成後に共振面を形成したとき
の窒化物半導体のエッチング面の結晶構造を示す窒化物
半導体の部分的な構造を示す斜視図である。

【図３】図２を上から見たときの模式的平面図である。

【図４】本発明の一実施態様である窒化物半導体素子の
模式的断面図である。

【符号の説明】

１０・・・・基板 １１・・・・バッファ層 １１２・・・・第２のバッファ層 １２・・・・ｎ側コンタクト層 １３・・・・クラック防止層 １４・・・・ｎ側クラッド層（超格子層） １５・・・・ｎ側光ガイド層 １６・・・・活性層 １７・・・・キャップ層 １８・・・・ｐ側光ガイド層 １９・・・・ｐ側クラッド層（超格子層） ２０・・・・ｐ側コンタクト層 ２１・・・・ｐ電極 ２２・・・・ｐパッド電極 ２３・・・・ｎ電極 ２４・・・・ｎパッド電極 ２５・・・・絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 H01L 21/302 H01L 21/461 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ側コンタクト層を含むｎ型窒化物半導
   体層と、活性層と、ｐ側コンタクト層を含むｐ型窒化物
   半導体層とを備え、光導波機構がリッジ構造である窒化
   物半導体レーザ素子の製造方法において、 エッチングして共振面を形成した後、更にレジスト膜を
   形成し露光する際に生じるレジスト膜の残存物を共振面
   の保護膜としエッチングによりリッジ構造を形成してな
   ることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方
   法。