JP3843245B2

JP3843245B2 - 半導体発光素子および半導体発光装置

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Publication number: JP3843245B2
Application number: JP2002186070A
Authority: JP
Inventors: 宣彦澤木; 茂稔伊藤; 典克小出
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2004031657A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法ならびに該半導体発光素子を有する半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体材料をはじめとする、六方晶系構造を有する半導体を用いて、ＬＥＤや半導体レーザ等の発光素子が実現されており、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）についても構造が提案されてきた。
【０００３】
たとえば特開平１０−１３５５７６号公報に開示された垂直共振器型面発光レーザは、活性層等のエピタキシャル層の積層面内に窒化物半導体の＜０００１＞方向を配置し、積層面に垂直な方向を＜１−１００＞方位とすることを特徴としている。
【０００４】
本従来例の半導体レーザでは、活性層の主面が（１−１００）面となり、従前の活性層の主面が（０００１）面となる半導体レーザと異なり、結晶学的に等方でないので、垂直方向に放射されるレーザ光が特定の方向に偏光する。これにより、従前の垂直共振器型面発光レーザの、レーザ光の偏光方向が定まり難いという問題点が解消されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例においては、基板として、たとえばＧａＮ（１−１００）面基板を用いてレーザを作製することにより、上記半導体レーザを実現できるとしているが、このような基板は広く市販はされていなかった。窒化物半導体は、＜０００１＞方向に結晶成長し易いという性質を有するため、窒化物半導体からなる（１−１００）面基板を安定して製造することは困難である。そのため、ＧａＮ（１−１００）面基板を安定して供給することができなかった。
【０００６】
他の基板を用いた場合には、窒化物半導体は、その主面が（０００１）面となるように結晶成長しやすく、上記結晶方位を有する半導体レーザを得ることは困難であった。したがって、上記従来技術の垂直共振器型半導体レーザを、実用レベルで実現することは不可能であった。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、窒化物系半導体を用い、偏光方向が制御された垂直共振器型半導体レーザ、効率の高い垂直共振器型半導体レーザ、レゾナントキャビティー型発光素子等の半導体発光素子および該半導体発光素子を有する半導体発光装置を実用レベルで実現することを目的とする。
【００１１】
上記のような基板を用いて化合物半導体層を形成することにより、化合物半導体層の主面の面方位を（１−１０１）とすることができる。したがって、該化合物半導体層上に形成される活性層の主面の面方位を、基板の主面に略一致した（１−１０１）とすることができ、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する半導体発光素子において偏光方向の制御性を向上することができる。また、上記の基板を用いることにより、（１−１０１）面を結晶成長時に安定して得ることができる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、１つの局面では、シリコンからなる基板と、この基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを備え、上記基板は、基板の主面より６２度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、化合物半導体層は斜面上に形成され、化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有するとともに、活性層は、基板の主面に略一致した面方位をもち、基板の一部を除去して出力光を取出し可能とする。
本発明の半導体発光素子は、他の局面では、シリコン基板と、シリコン基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを有し、化合物半導体層が、（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に３度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、シリコン基板は、（１１１）面を斜面として有する溝を備え、化合物半導体層は斜面上に形成されるとともに、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層と、活性層とクラッド層の積層方向の共振器とを有し、シリコン基板の一部を除去して出力光を取出し可能とする。
【００１４】
上記クラッド層または活性層の主面の面方位は、好ましくは、（１−１０１）である。また、化合物半導体層の＜０００１＞方向は、好ましくは、上記斜面に略垂直である。上記溝は、好ましくは、活性層を構成する窒化物半導体の［１１−２０］方向に沿って延伸する。上記半導体発光素子は、好ましくは、半導体レーザ素子であり、該半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、上記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光する。また、上記基板の表面の、斜面以外の少なくとも一部に、窒化物半導体の成長が抑制される膜が形成されることが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体発光装置は、上述の半導体発光素子と、該半導体発光素子からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備える。
【００２０】
なお、本明細書において、窒化物半導体とは、主にＩＩＩ族元素とＮ元素より構成された化合物半導体であって、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）の他、そのＩＩＩ族元素の一部（２０％程度以下）をＢ，Ｔｌ等の他の元素で置換した結晶や、そのＮ元素の一部（１０％程度以下）をＡｓ，Ｐ，Ｓｂ等の他の元素で置換した結晶を含む。
【００２１】
また、本明細書において、特定の面・方向を示す際、数学的に厳密に規定されたその面・方向のみが、本発明の適用範囲と解すべきではない。それらの面・方向から、若干ずれていたとしても、本発明の効果が失われるものではなく、具体的には、３度程度以内ずれていても、本発明の適用範囲内と解すべきである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下に実施の形態を示しつつ説明する。
【００２３】
＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態における窒化物半導体膜（化合物半導体層）の(１−１０１)ファセット面７０を形成するための概念図であり、図２は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。
【００２４】
本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、［０−１−１］方向へ７．３°オフした（００１）シリコン基板１上に形成される。該シリコン基板１は、その主面から６２度の角度の斜面を(１１１)ファセット面６１として有するストライプ状の溝を有しており、そのファセット面６１から下記の説明のように順次平坦化されて積層されていくｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１０、ｎ−ＧａＮ層１０２を有している。なお、ファセット面６１から任意の方向に３度以内傾いた面を斜面としてもよい。
【００２５】
ｎ−ＧａＮ層１０２の上面は、ほぼ基板主面と平行であり、（１−１０１）面となっている。その上に、図２に示すように、順次、ｎ−ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ多層反射膜１０３、ｎ−ＡｌＧａＮスペーサ層１０４、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（０＜ｗ＜１）井戸層とＩｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ＜ｗ）障壁層との交互多層構造からなる多重量子井戸活性層１０５（発振波長４００ｎｍ）、ＡｌＧａＮキャップ層１０６、ｐ−ＡｌＧａＮスペーサ層１０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の各窒化物半導体層が形成されている。活性層（多重量子井戸活性層１０５）と、クラッド層の役割を果たすスペーサ層とを含む各窒化物半導体層の主面の面方位は（１−１０１）であり、シリコン基板１の主面の面方位と略一致している。
【００２６】
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の上面には、金属電極１１０がメッシュ状に形成されており、金属電極１１０を含めて上面を覆うように、誘電体多層反射膜１１１が形成されている。また、上面から、ｎ−ＧａＮ層１０２が露出するように各層がエッチングされており、ｎ−ＧａＮ層１０２上には、金属電極１０９を設けている。こうして、活性層とその両側に、活性層にキャリアを閉じ込めるためのクラッド層の役割を果たすスペーサ層が設けられ、さらにその外側に反射鏡が設けられている、垂直共振器構造が構成されている。
【００２７】
本実施の形態では、垂直共振器の光出力部の形状を、直径がｄ＝５０μｍの円形とし、これは光出力のための開口部で規定される。垂直共振器の側面には、絶縁保護膜１１２を設ける。また、図示されないが、金属電極１１０に電気的に接続したパッドを、外部との電気的な接続のためのワイヤーを形成するためのものとして適宜設けた。反射鏡間の距離、すなわち、多層反射膜１０３と誘電体多層反射膜１１１との間の距離は、３λであり、その中心に活性層が位置する。
【００２８】
ｎ型半導体を形成するためのドーパントとしては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅが好ましく、ｐ型半導体を形成するためのドーパントとしては、Ｂｅ，Ｃｄ，Ｍｇが好ましい。Ｂｅ，Ｃｄ，Ｍｇと同時に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅのいずれかを添加することも、低抵抗、ドーパント拡散の少ないｐ型層を得るために好ましい。
【００２９】
次に、本実施の形態の半導体発光素子（半導体レーザ素子）の作製方法について図４ないし図７を参照しつつ説明する。
【００３０】
まず、［０−１−１］方向へ７．３°オフした（００１）シリコン基板（ウエハ）１を洗浄し、その上に、スパッタリングもしくはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)の技術を用い、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるマスク５２を１００ｎｍ堆積させる。その後、図４の通り、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク５２をストライプ状に除去する。このときストライプの方向は、Ｓｉ［０１−１］方向に沿っている。
【００３１】
さらにそのシリコン基板１を、ＫＯＨ等のアルカリのエッチャントもしくはバッファードフッ酸などの酸エッチャントによってエッチングし、図５に示すとおりＳｉ（１１１）ファセット面６１をもつ溝を形成する。この溝は、Ｓｉ［０１−１］方向（窒化物系半導体の＜１１−２０＞方向）に延伸したストライプ状の溝である。図１に示す通り、（１１１）ファセット面６１は、シリコン基板１の主面６０を上記所定の面方位としたのでこれに対して６２度の関係を有しているものであった。この面は、上記エッチングにより得られる平坦なファセット面であり、適宜エッチャント温度、エッチング速度を調整することで容易に得ることができる。
【００３２】
このとき、溝の形状自体は、Ｖ字もしくは底の領域が平坦になっている変形のＶ字等の形状であり、もう一方の斜面は、（１−１−１）ファセット面となる。シリコン基板１がオフ基板であるために、Ｖ字の形状は左右対称でなく、（１１１）斜面は主面６０に対して約６２°傾斜した面であるが、（１−１−１）斜面は同約４７°傾斜した面である。このシリコン基板１をスパッタリング装置内で傾けた状態で設置することで（１１１）ファセット面６１には膜がつかないようにしながら製膜を行い、（１−１−１）ファセット面を覆うようにシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなるマスク５２を施し、図６の状態とする。これを、窒化物半導体膜あるいは窒化物半導体基板作成用の基板とする。
【００３３】
そして、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いて、以下の成長条件で窒化物半導体膜を成長する。上記プロセスを行ったシリコン基板１のファセット面６１上に、図１に示すｎ−ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０、ｎ−ＧａＮ層１０２（化合物半導体層）を結晶成長することで、図７（ａ）〜（ｂ）のような成長過程を経て、上面に平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０をもったＧａＮ結晶膜を作製することが可能となる。
【００３４】
ここで、ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０はバッファ層としての役割を果たす、膜厚数１００ｎｍ程度以下の薄い膜である。図７（ａ）に示すように、結晶成長は露出する（１１１）ファセット面６１上から開始する。成長する窒化物半導体は、斜面に対して＜０００１＞方向が垂直となるように配向する。成長した結晶の上面には、基板主面にほぼ平行にＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０が現れ、そのため図７（ｂ）に示すように、成長途中の段階では窒化物半導体は、ストライプ方向に伸びた三角柱のような形状の結晶となる。なお、図１は、図７（ｂ）の状態における断面図を用いて結晶方位等を示した図である。
【００３５】
結晶成長が進むにしたがって図７（ｃ）に示すように窒化物半導体からなる三角柱状結晶の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶同士が接触するようになる。さらに成長を続けると、分離していた各三角柱状結晶は合体し、図７（ｄ）に示すように、表面に平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット面７２をもったＧａＮ結晶からなる連続膜が得られることになる。
【００３６】
成長初期に用いる中間層としては、ＡｌＩｎＮ中間層、ＡｌＧａＮ中間層、ＡｌＮ中間層を用いても同様の結果が得られた。なお、中間層として、Ａｌを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、Ｓｉ基板の表面荒れを防止することができ、また、Ｉｎを含む組成の窒化物系半導体結晶で構成すれば、上記ｎ型不純物を添加することで、低抵抗の膜を形成することができる。
【００３７】
このように本発明では、シリコン基板１を用いた場合、窒化物半導体膜は該基板に対してｃ軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板のオフ角の関係が６２°からなるシリコン基板１を用いることで、平坦な窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面７０，７２を有する結晶膜を生産性良く製造することができる。
【００３８】
続いて、ｎ−ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ多層反射膜１０３からｐ−ＧａＮコンタクト層１０８までの各窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）により、順次積層形成する。その後、円柱状に、ｎ−ＧａＮ層が露出するまでエッチングを行い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０８の上面にメッシュ状の金属電極１１０を設ける。金属電極１１０としては、Ｐｄ／Ａｇ／Ａｕ，Ａｇ／Ｐｄ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等を用いてもよく、発光領域中に均一に電流が注入でき、かつ、光取出しが可能なように、線幅２μｍ程度、個々の開口部２μｍ角程度のサイズのメッシュ状とした。
【００３９】
その後、ｎ−ＧａＮ層の円柱状の発光領域の周囲には、金属電極１０９を設ける。また、発光領域の上面には、誘電体多層膜１１１を設ける。これには、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の交互多層膜や、Ｔa₂Ｏ₅とＳｉＯ₂の交互多層膜等が好ましく用いられ、レーザ発振動作のためには、反射率を８０％程度以上とする。なお、ＬＥＤ動作（レゾナントキャビティ型ＬＥＤ）のためには、反射率は５０％以上程度でよい。
【００４０】
ここで用いたシリコン基板１は（００１）面から７．３°［０−１−１］方向に傾けた、すなわち（００１）面から［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した主面６０を持つものであり、これより活性層は（１−１０１）を面方位としてもち、また、これがシリコン基板１の主面６０とほぼ同じ面方位を持つ。シリコン基板１が、上記主面６０から任意の方向に３度以内の範囲で傾いている面を主面として有する場合も、（１−１０１）面に近い面方位を有する極めて平坦な窒化物半導体界面が得られる。
【００４１】
そして、作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流３００ｍＡで、光出力０．５Ｗが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体＜１１−２０＞方向であった。クラッド層の成長温度等を変化させ、活性層に与える歪の状態によっては、＜１１−２０＞に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定していた。
【００４２】
これらの結果は、上記所定の面方位を持つ活性層を有することで、極めて平坦性の高く、その層厚のゆらぎが少ない量子井戸構造が得られたこと、また、ＧａＮ膜のｃ軸が活性層面から傾くことで、活性層内の井戸および障壁層界面にピエゾ効果によって生じる電界が減少するため、電子正孔対のキャリア再結合確率が上がって発光効率が改善すること、さらには、活性層の主面が結晶学的に等方的でないために、レーザ発振光が一方向に偏光しており、そのため、発光効率が高いこと、さらには、結晶成長方向が結晶初期から途中で（１−１０１）方向に変化することから、基板界面付近から延びる貫通転位が活性層に達しなくなり、非発光再結合が減少したこと等の複合的効果によるものと考えられる。
【００４３】
また、このように活性層の主面が等方的でない面である（１−１０１）面とするために、基板上に所定の溝状の構造をあらかじめ形成しておくだけの、簡便な方法で実現することができた。さらに、本発明においては、有効にクラックの発生を抑制することができた。これは、ＡｌＧａＮクラッド層の結晶成長が［１−１０１］方向に進むこと、また、基板主面から相当に傾斜した斜面上から窒化物半導体の成長を開始し、成長方向が途中より（１−１０１）方向に変化する効果によるものと考えられる。
【００４４】
通常シリコン基板１上に本実施の形態と同様のレーザ層構造を作成すると、数百本／ｍｍものクラックが発生するが、本発明によりクラックの発生はほぼ皆無となった。サファイア基板上に本実施の形態と同様のレーザ構造を作成した場合と比べてもクラックが発生しにくく、クラックの抑制効果は顕著である。
【００４５】
以上より、半導体レーザ素子において閾値が低減し、また、クラック・欠陥が抑制され、素子寿命も向上した。なお、ここに記載された効果は、他の実施の形態に記載した発光素子においても同様に見られるものである。
【００４６】
また、従来技術のような、活性層の主面を（１−１００）面とした場合と比較しても、（１−１０１）面を主面とする積層方向の共振器を有する、本発明の半導体発光素子は、（１−１０１）面が結晶成長時に安定面として形成される面であることから、活性層の平坦性が得られやすい。また、閾値電流密度が小さく、欠陥が少ないために、寿命特性にも優れている利点がある。特に、垂直共振器型の発光素子においては、反射鏡として多層反射膜を形成する必要があり、本発明のように、各半導体層において平坦な表面が得られる（１−１０１）面を主面として成長する技術は、このような多層反射膜の平坦性にも直結し、所望の反射率を得ることが容易になる。
【００４７】
本実施の形態をはじめとして、以下の実施の形態において、成長初期に用いる中間層としては、ＡｌＧａＩｎＮ中間層の他に、ＡｌＩｎＮ中間層、ＡｌＧａＮ中間層を用いてもよく、ＡｌＮを用いてもよい。中間層の組成を選定するにあたっては、成長初期時のシリコン基板１の荒れを抑制するためにはＧａ組成を小さくすることがよく、また、シリコン基板１を通じて電流を流す場合に、界面の抵抗を減少させる目的には、Ａｌ組成を小さくし、また、Ｓｉ等のｎ型不純物を１０¹⁷ｃｍ^-3以上の高ドープすることが望ましい。
【００４８】
また、ｎ側の金属電極を、シリコン基板１に設け、窒化物半導体からシリコン基板１を通じて電流を流す構成とすることもでき、この場合、窒化物半導体とシリコン基板１との界面で、電圧降下が生じやすい問題があるが、ｎ型窒化物半導体とシリコン基板１とを短絡する電極を設けて電圧降下を低減することも有効であり、これは、成長抑制膜と兼用することもできる。
【００４９】
またさらに、本実施の形態の半導体素子において、シリコン基板に設けられた溝の間隔は、半導体素子のサイズと同一のオーダーであり、本実施の形態を説明する図２において、素子当たり２本の溝が形成されているが、本発明の適用はこのような場合に限られるわけではなく、さらに疎に溝を設けてもよく、逆に、素子内に数十本から数百本程度になるように密に溝を設けることも有効である。溝の間隔は、１μｍ〜１０００μｍであってもよく、溝の斜面である６２度の傾斜面の深さは、０．１μｍ〜１００μｍであってもよい。
【００５０】
＜実施の形態２＞
実施の形態１においては、（００１）面より７．３度傾けたシリコン基板１上に直接発光素子構造の作製を行なったが、このシリコン基板１をＧａＮ基板作製のための下地基板として用い、連続膜からなるＧａＮ基板を作製したのちに半導体レーザ素子を形成することも可能である。
【００５１】
実施の形態１の製造工程において説明した、図７（ｄ）の状態のウェハをＨＶＰＥ（ハイドライドＶＰＥ）装置内に導入する。Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃を、それぞれ５（l/min.）流しながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、基板上にＧａＣｌを１００(cm³/min.)導入してＧａＮの厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。本実施の形態ではＳｉをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ₄）を２００(nmol/min.)供給（Ｓｉ不純物濃度約3.8x10¹⁸cm^-3）してＳｉドープＧａＮ膜を成長する。
【００５２】
上記方法で、８時間の成長を行ない、膜厚の合計が約３５０μmの厚さのＧａＮを上記シリコン基板１上に成長する。成長後、研磨ないしはエッチングによりシリコン基板１を除去し、（１−１０１）ファセット面７０を有する極めて平坦なＧａＮ基板を得る。こうして、本実施の形態によれば、ファセット（１−１０１）面７０を表面に有する窒化物半導体（ＧａＮ）基板を得ることができる。
【００５３】
このｎ−ＧａＮ基板（膜厚１００μｍ）上に、順次、実施の形態1の垂直共振器型面発光レーザ構造を実施の形態1と同様の手法で形成することで、本実施の形態の半導体レーザ素子（ウエハー）を得る。ただし、ｎ−ＧａＮ基板の裏面に、ｎ側の金属電極を形成する。得られた半導体レーザ素子は、ステム，リードフレーム等の基台の上に金属電極を下にして設置し、外部からの電力供給を行い動作させる。
【００５４】
上記のごとく、シリコン基板１を出発基板として、（１−１０１）ファセット面７０を有する極めて平坦なＧａＮ基板を作製し、その後、半導体レーザ素子を作製したので、発振閾値の低い半導体発光素子が得られた。
【００５５】
作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、駆動電流０．６Ａで、光出力１Ｗのレーザ出力が得られた。実施の形態１と比較して、熱伝導に優れるＧａＮを基板としたので、より高電流域まで光出力が飽和しにくくなった。
【００５６】
＜実施の形態３＞
実施の形態１では、Ｓｉ（１１１）面が、エッチャントを用いたエッチング方法（湿式エッチング）により容易に形成される性質を利用し、シリコン主面から約６２度傾斜した溝斜面を得ていた。こうして得られた斜面は、いわゆる結晶ファセットであり、加工精度が安定しているだけでなく、平坦性にも優れており、窒化物半導体を成長させる下地として非常に優れている。
【００５７】
しかしながら、本発明の適用範囲はこれだけに限られるものではない。本願発明者の数々の実験より、（００１）面より７．３度傾けた面をシリコン基板１の主面として用いるだけでなく、他の面を主面として用いた場合においても、シリコン基板１の主面上に実施の形態１と同様に部分的にマスク５２を施し、エッチングの温度、速度を変えることで、主面に対して６２度からなる傾斜面を有する溝を形成することが可能となった。
【００５８】
そこで、その面を用い検討を行なった場合、同様の結果が得られた。つまり、実施の形態１と同じように、ＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０が、シリコン基板１の主面とほぼ平行になるような結晶成長が可能であり、このような成長を続ける結果、平坦なＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０を表面にもつ連続した結晶膜が得られた。
【００５９】
ＧａＮは配向性の強い結晶であり通常の方法では、主面に垂直にｃ軸配向し、よって得られる結晶はＣ面を主面とするものしか得られずＣ面とは異なる面を有する結晶を得ることは困難であったが、本発明により、ＧａＮ（１−１０１）ファセット面７０を表面にもつ結晶が容易に得られるようになった。
【００６０】
たとえば(２−１−１)面から［１００］方向に８．６°オフしたシリコン基板１上に、［０１−１］方向に延伸したストライプ状溝を作成することで（２１１）ファセット面を主面から６２°傾斜した斜面として形成することができ、これによっても上記同様な表面が平坦なＧａＮ結晶膜が得られた。これは窒化物半導体結晶が、この（２１１）ファセット面に対しても垂直軸をｃ軸として、成長が行われ、この場合にも（２１１）面から６２°の角度の関係を有するシリコンオフ基板１を用いることで、平坦なＧａＮ基板が得られるものと考えられる。
【００６１】
このように本発明では、シリコン基板１を用いた場合、窒化物半導体膜は基板に対してｃ軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセット面と基板主面のオフ角の関係が６２°である基板を用いることで、平坦な窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面７０を有する結晶膜を得ることができる。
【００６２】
この結晶膜を成長させて得られた連続膜からなる窒化物半導体膜上に、実施の形態１や２と同様にして半導体発光素子を形成することでシリコン基板１上への高輝度、高効率の半導体発光素子の作製が可能となる。
【００６３】
こうして得られた半導体発光素子は、その発光層（活性層）が（１−１０１）ファセット面を主面として有している。これは、従来、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ（１１１）基板を用いて形成されていた素子が（０００１）面を主面としていたのと異なっている。
【００６４】
ウルツ鉱構造結晶である窒化物半導体の（０００１）面を主面としていた薄膜は、その主面に平行な方向では、バンド構造的に等価であるが、本発明のように（１−１０１）ファセット面を主面とした薄膜は、その主面に平行な方向もバンド構造的に等価ではない。よって、本実施の形態に限らず、本発明を応用した発光素子は、発光層（活性層）に平行な方向のバンドの縮退が解けており、よって、発光効率が高く、また、半導体レーザ素子に応用した場合に格段の低閾値、高効率を実現することができる。
【００６５】
さらには、基板はシリコンだけに限られるものではない。たとえば、ＧａＡｓ等の他の立方晶基板を用い、面方位の関係を実施の形態１等の場合と同様としても同様に半導体レーザ素子を構成できる。ただし、シリコン基板１は、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対して比較的安定であり、結晶成長時に成長面を平坦なままに保ちやすく、本発明の効果が安定して得られやすい利点がある。また、立方晶に限らず、任意の材料を基板として用い、溝の形状を本明細書で規定するとおりに加工してもよい。ただし、実施の形態１等で説明したシリコン基板１に溝を形成する手法では、いわゆるファセット面を斜面として用いているので、平坦性、窒化物半導体を成長する際の成長雰囲気に対する安定性が優れており、本発明の効果が安定して得られ易い利点がある。
【００６６】
＜実施の形態４＞
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態１の半導体レーザの共振器領域の直径ｄを３μｍにし、多層反射膜１０３の反射率を９９％、誘電体多層反射膜１１１の反射率を９５％程度にしたものである。その結果、発振閾値０．５ｍＡと、超低閾値の短波長半導体レーザを実現でき、また、光出力５ｍＷで、１０００時間の動作試験を実施したところ、偏光方向の変動が無く、発振が極めて安定していることが判明した。このように、超低閾値かつ偏光方向が安定した半導体レーザが実現でき、光ディスクシステムの光源として最適である。
【００６７】
なお、本実施の形態の思想を、実施の形態２または実施の形態３の思想と組み合わせることも可能であり、それぞれに適用しても同様の結果が得られた。
【００６８】
＜実施の形態５＞
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態１の半導体レーザのメッシュ状の金属電極１１０を平坦なＩＴＯ膜に変更し、その上に、反射鏡となる誘電体多層膜１１１を設ける。それ以外の構成は、実施の形態１と同様である。
【００６９】
本実施の形態の半導体レーザ素子を作製し、該半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流３００ｍＡで、光出力０．６Ｗが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体＜１１−２０＞方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、＜１１−２０＞に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態１と同様の効果が得られた。
【００７０】
なお、本実施の形態の場合も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【００７１】
＜実施の形態６＞
本実施の形態は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態１の半導体レーザの誘電体多層膜１１１および金属電極１１０をＰｄ薄膜（膜厚２〜１０ｎｍ）に変更し、電極および反射鏡としての役割を同時に持たせる。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。
【００７２】
本実施の形態の場合、反射率が５０％以下しか得られないために、光の共振器への閉じ込め効果は弱く、電流を注入したときに、レゾナントキャビティ型ＬＥＤとして動作した。そして、作製したＬＥＤ素子の特性を測定したところ、動作電流３００ｍＡで、光出力０．３Ｗが得られた。また、その偏光方向は、多くの場合、活性層等を構成する窒化物系半導体＜１１−２０＞方向であり、活性層に与える歪の状態によっては、＜１１−２０＞に垂直な方向であった。いずれの場合においても、活性層が面内で結晶学的に異方性を持つため、その偏光方向が安定であった他、実施の形態１と同様の効果が得られた。
【００７３】
なお、本実施の形態も、他の実施の形態に記載の技術と組み合わせることが可能であり、それぞれに適用しても、同様の結果が得られた。
【００７４】
＜実施の形態７＞
図３は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。本実施の形態の半導体レーザ素子が実施の形態１と異なるのは、シリコン基板１の一部を除去して、出力光を基板側から取出すようにし、実施の形態１の金属電極１１０および誘電体多層反射膜１１１に代えてＡｇからなる金属電極３１０を用いた点である。それ以外の構成は実施の形態１と同様である。
【００７５】
本実施の形態の構成とすることにより、反射率を約９０％とすることができる。また、共振器領域の下部のシリコン基板１は除去され、マスク５２あるいはｎ−ＧａＮ層１０２に達する穴３２０が形成されている。このような穴３２０の形成は、シリコンのみを選択的にエッチングすることにより可能であり、フッ酸・硝酸・酢酸の混合液などの選択エッチング液を用いれば、エッチング底面に表面が鏡面のｎ−ＧａＮ層１０２が表出するので好ましい。
【００７６】
多層反射膜１０３は、反射率８０％程度以上に設定した。本実施の形態の半導体発光素子は、金属電極３１０側をヒートシンクに固着して実装できるため、極めて放熱性が高くなる。したがって、高電流注入時の発熱が抑制されるため、極めて高い動作電流が実現できる。作製した半導体レーザ素子の特性を測定したところ、動作電流１Ａで、光出力１．５Ｗが得られた。
【００７７】
＜実施の形態８＞
本実施の形態は、実施の形態７の変形例であり、Ａｇからなる金属電極３１０を透明な電極となるＩＴＯ薄膜と、その上に形成された誘電体多層膜に代えたものである。それ以外の構成は実施の形態７と同様である。
【００７８】
上記構成により、上面の反射鏡を反射率９８％以上にすることが可能になり、実施の形態７の半導体レーザ素子と比較して、さらに発振閾値を低減することができる。
【００７９】
＜実施の形態９＞
図８は、本実施の形態の半導体発光装置を示す図である。図８に示すように、半導体発光装置は、金属パッケージ８０１と、半導体発光素子８０２と、キャップガラス８０３と、波長変換材料８０４とを備える。
【００８０】
半導体発光素子（半導体レーザ、ＬＥＤ）８０２は実施の形態１ないし８に記載のものであり、これが金属パッケージ８０１にマウントされている。パッケージにはキャップガラス８０３が設けられており、ここから半導体発光素子８０２からの出力が外部に取出される。キャップガラス８０３の外側には、蛍光体等の波長変換材料（波長変換物質）８０４が形成されている。
【００８１】
本実施の形態において、半導体発光素子８０２は、金属性のパッケージにマウントされているため放熱性がよく、１００ｍＡ以上の大電流で発光素子が駆動された場合でも、光出力の飽和を抑制することができる。
【００８２】
波長変換材料８０４は、半導体発光素子８０２からの出射光を吸収し、出射光とは異なる波長の光を発光する。該波長変換材料８０４は、発光素子と間隔をあけて形成されているので、半導体発光素子８０２の発熱による劣化や、発光素子の光取出し部分のような、高光密度領域での材料の劣化が抑制されるようになっている。
【００８３】
本実施の形態においては、上記実施の形態の発光素子を用いたために、きわめて発光効率の高い、波長変換材料を用いる発光装置を実現できるので、例えば、白色光を発する照明や、屋外用ランプ光源として最適である。
【００８４】
以上のように、この発明の実施の形態について説明を行ったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層とクラッド層の積層方向に共振器を有する、いわゆる垂直共振器型半導体発光素子において活性層の主面の面方位を（１−１０１）としたので、偏光方向制御に優れた発光素子を提供することが可能となる。また、（１−１０１）面は所定の基板を用いることにより安定して得られるので、半導体発光素子を実用レベルで実現することができる。そればかりでなく、本発明の半導体発光素子は、発光効率、発振閾値低減等の特性にも優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子における結晶方位を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１の窒化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態７の窒化物半導体発光素子（半導体レーザ素子）を示す断面図である。
【図４】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第１工程を示す図である。
【図５】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第２工程を示す図である。
【図６】本発明の窒化物半導体発光素子の製造工程の第３工程を示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の窒化物半導体膜の成長過程を示す図である。
【図８】本発明の半導体発光装置を示す図である。
【符号の説明】
１シリコン基板、１０ｎ―ＡｌＧａＩｎＮ中間層、５２マスク、６０主面（シリコンの（００１）面）、６１（１１１）ファセット面、７０，７２（１−１０１）ファセット面、１０２ｎ−ＧａＮ層、１０３，１１１多層反射膜、１０４，１０７スペーサ層、１０５量子井戸活性層、１０６ＡｌＧａＮキャップ層、１０８コンタクト層、１０９，１１０，３１０金属電極、３２０穴、８０１金属パッケージ、８０２半導体発光素子、８０３キャップガラス、８０４波長変換材料。

Claims

シリコンからなる基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを備えた半導体発光素子であって、
前記基板は、前記基板の主面より６２度傾斜した面、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を有し、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成され、前記化合物半導体層上に、窒化物半導体を含む活性層と、該活性層を挟むクラッド層とを有し、前記活性層と前記クラッド層の積層方向に共振器を有するとともに、前記活性層は、前記基板の主面に略一致した面方位をもち、前記基板の一部を除去して出力光を取出し可能としたことを特徴とする半導体発光素子。
シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された窒化物半導体で構成される化合物半導体層とを有する半導体発光素子であって、
前記化合物半導体層が、（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に３度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、前記シリコン基板は、（１１１）面を斜面として有する溝を備え、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成されるとともに、窒化物半導体を含んで構成される活性層と該活性層を挟むクラッド層と、前記活性層と前記クラッド層の積層方向の共振器とを有し、前記シリコン基板の一部を除去して出力光を取出し可能としたことを特徴とする半導体発光素子。
前記クラッド層または前記活性層の主面の面方位が、（１−１０１）であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
前記化合物半導体層の＜０００１＞方向は、前記斜面に略垂直であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記溝は、前記活性層を構成する窒化物半導体の［１１−２０］方向に沿って延伸することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記半導体発光素子は、半導体レーザ素子であり、
前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光は、前記溝に平行もしくは垂直な方向に偏光していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の半導体発光素子。
前記基板の表面の、前記斜面以外の少なくとも一部に、窒化物半導体の成長が抑制される膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体発光素子。
請求項１ないし７のいずれかに記載の半導体発光素子と、
該半導体発光素子からの出射光を吸収し、前記出射光とは異なる波長の光を発光する波長変換物質とを備えることを特徴とする半導体発光装置。