JP3968959B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体（ＩｎｂＡｌｃＧａ１−ｂ−ｃＮ、０≦ｂ、０≦ｄ、ｂ＋ｄ＜１）を用いた素子に係り、特にレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いたレーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いたレーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
【０００３】
特に、レーザ素子構造に関しては、様々な研究がなされ、横モードの好適な制御を可能にする構造についても、種々の提案が成されている。その中でも、特に有望視されている構造として、リッジ導波路構造があり、世界に先駆けて出荷を開始した窒化物半導体レーザ素子でも、採用されている。
【特許文献１】
特開平１０−２６１６１４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６４９２６号公報
【特許文献３】
特開平１０−３２１９６２号公報
【特許文献４】
特開平１０−３３５７０１号公報
【特許文献５】
特開平９−２９８３４３号公報
【特許文献６】
特開平１０−０９３１９９号公報
【特許文献７】
特開平１０−２９４５２１号公報
【特許文献８】
特開平１０−３０３５０２号公報
【特許文献９】
特開平１０−３３５７４９号公報
【特許文献１０】
特開平１０−０８４１６５号公報
【特許文献１１】
特開平１０−３０８５６１号公報
【特許文献１２】
特開平１１−１０３１３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体レーザ素子において、上述した分野への応用の実現に向けての次なる課題としては、大量生産で安定した品質の素子を提供が必須項目となる。
【０００５】
しかしながら、現在知られているレーザ素子構造では、リッジ導波路の形成がその足かせとなっている。なぜなら、通常、リッジ導波路の形成には、素子構造となる窒化物半導体を成長させた後、上層からエッチングにより、その窒化物半導体の一部を除去して、導波路となる凸部を形成することになるが、この時のエッチング精度が、得られるレーザ素子の素子特性に大きく影響を及ぼすことにある。これは、リッジ導波路を形成する凸部の形状、特にその高さ及び幅でもって、横モードの制御性、得られるレーザ光のＦ．Ｆ．Ｐ．（ファー・フィールド・パターン）が決定されることにあり、エッチングによるリッジ導波路の形成では、その深さの制御性が、直接的に素子特性のばらつきを生み出す大きな要因となるからである。
【０００６】
従来、窒化物半導体のエッチングとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングを用いることが知られているが、これらのエッチング方法では、素子特性のばらつきを根本的に解決できるほどの精度で、エッチング深さを制御することが困難であった。
【０００７】
さらにまた、近年の素子設計において、超格子構造など、数原子層単位で制御された層が、素子構造中に多数設けられ、構成されていることも、上記エッチング精度による素子特性ばらつきの原因となっている。すなわち、素子構造の各層の形成において、それぞれの膜厚は、極めて高い精度で形成されており、それよりも大きく制御性に劣るエッチング深さでもって、素子を形成することでは、高度に設計された素子構造を損なうこととなり、素子特性向上のネックとなる。
【０００８】
例えば、窒化物半導体を用いた素子において、活性層の上に、リッジ導波路を設ける屈折率導波型の構造では、高出力タイプの窒化物半導体レーザ素子を実現するために、エッチングの深さ方向に対する精度としては、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差を１００分の１の精度で制御する必要がある。このことから、それには活性層直上の層において、例えばそれをｐ型クラッド層とるすと、ｐ型クラッド層がほんの一部だけ残るまで、０．０１μｍ以下の精度で深さ制御されたエッチングでもって、リッジを形成しなければならない。また、リッジ導波路の幅に関しては、それよりも低い精度ではあるが、０．１μｍの精度でエッチングを制御することが必要である。
【０００９】
以上説明したリッジストライプの形成は、例えば、図２に示すように、下部コンタクト層〜上部コンタクト層まで積層した後、その表面にストライプ状のマスク１０を設け（図２−ａ）、図２−ｂに示すように、図中の矢印（白抜き）に示す方向でエッチングして、高さＳｈ、幅Ｓｗのリッジストライプを形成して、ストライプ状の導波路を形成するものである。この時、ストライプ形状の精度は、図２−ｃ、２−ｄに示すように、ストライプの高さ（エッチング深さ）のズレｄＳｈ、ストライプ幅のズレｄＳｗが発生し、このことが、上述したようにレーザ素子の特性に大きく影響を及ぼし、またこれらストライプ形状の精度に劣ることは、素子特性のばらつきを生み出す原因となる。ここで、図２−ｃ、２−ｄは、図２−ｂにおける円で囲まれた領域を拡大して、説明しているものである。特に、エッチング深さにおける制御性（ｄＳｈ）において、活性層に達しない深さで、リッジストライプを設ける場合には、深刻な問題に発展する。これは、上述したように、エッチング深さの精度により、横モードの制御性が決定されることとなるため、この形成においてズレが大きいと、上述したように、所望の特性を有する素子に対する歩留まりが大幅に低下する。
【００１０】
従来の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、特に高出力での発振を実現するためには、大電流注入時における素子信頼性、及びより高い横モード制御性が必要となる。これは、大電流が注入されると、上述したリッジストライプ及び導波路において、電流密度が飛躍的に大きなものとなり、活性層などの導波層の面内に設けられた屈折率差が低減し、すなわち横方向の屈折率差が小さくなり、このことにより、空間的ホールバーニングが発生する。このため、導波路内の横モードが移動しやすくなり、電流―光出力特性において、キンクの発生を招くことになる。従って、高出力発振時においても十分な横モード制御性、また良好な導波路を形成するためには、上述したエッチング深さの精度が極めて重要なものとなる。
【００１１】
このようなことから、活性層などの導波層内に、実効的な屈折率差を設け、なおかつ、高出力発振時においても、良好な横モード制御性を確保することを考慮すると、活性層に達する直前の深さでリッジストライプを設けることが考えられるが、それでは、上述したストライプ形状精度の問題から得られるレーザ素子のほとんどが不良品となり、十分な特性で、且つ量産性に優れたレーザ素子とはならなかった。
【００１２】
また、窒化物半導体のエッチング方法として、ＲＩＥを用いると、エッチング露出面、及び露出された層が、損傷を受ける傾向にあり、素子特性、素子信頼性の低下を招くものとなる。エッチング方法には、ドライエッチングの他に、ウェットエッチングを用いる方法があるが、窒化物半導体を有効に制御できるウェットエッチング液は、未だ開発されていない。
【００１３】
また、ストライプ状の導波路をエッチングにより形成する方法として、Ａｌを含む窒化物半導体、Ｉｎを含む窒化物半導体、により、エッチングストッパ層を素子構造内に形成する試みもなされているが、結晶性を悪化させるため現実的ではない。これは、Ａｌを含む窒化物半導体として、具体的にはＡｌＮ、ＡｌＧａＮ（特にＡｌ混晶比０．５以上）、などが用いられるが、これらのＡｌを含む窒化物半導体は、気相成長では、結晶性良く成長させることが困難で、超格子多層膜構造を用いずに、単一の膜で厚膜に成長させると、クラックの発生、若しくは膜の割れをまねくこととなる。結果として素子構造中にそのような層を介在させることは困難であった。また、Ｉｎを含む窒化物半導体層をエッチングストッパ層、若しくは再成長層表面などとして、エッチング時に、大気にさらす若しくは、エッチングを受けると、それによる損傷が激しく、またＩｎそのものの蒸発・融解などが発生し、エッチング面もしくはその近傍にＩｎを含む窒化物半導体を設ける方法では、結晶性の悪化、素子劣化を回避することができなかった。
【００１４】
以上のように、窒化物半導体レーザ素子の高機能化、及び大量生産の実現には、エッチング工程におけるリッジ導波路形成時の精度が大きく影響するものであり、精度に優れたリッジ導波路の形成は、極めて重要な課題となっている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記事情に鑑み、量産性に優れた窒化物半導体素子、位置・形状の制御に優れたリッジ導波路を形成できるレーザ素子、及びその製造方法をを発明するに至ったものである。
【００１６】
すなわち本発明は、下記（I）〜（VI）の構成により本発明の目的を達成することができる。
（I）第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、前記積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、前記開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、前記第２の窒化物半導体層表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して前記第２の窒化物半導体層の一部を露出させ、前記開口部を覆う第３の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備し、前記エッチング工程が、第３の窒化物半導体層が第２の窒化物半導体層よりエッチング速度の大きなエッチングである窒化物半導体素子の製造方法。
（II）第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、前記開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、前記第２の窒化物半導体層を表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して前記第２の窒化物半導体層の一部を露出させ、前記開口部を覆う第２の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備し、前記第３の窒化物半導体層を成長させる工程において、前記第３の窒化物半導体層が、前記第１の窒化物半導体層から成長した領域と、第２の窒化物半導体層から成長した領域と、を有し、前記エッチング工程において、第３の窒化物半導体層が第２の窒化物半導体層よりエッチング速度の大きなエッチングであり、第２の窒化物半導体層から成長した領域が除去される窒化物半導体素子の製造方法。
（III）前記窒化物半導体素子が、ストライプ状の導波路領域を有し、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層と、その上に、ガイド層、クラッド層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記ガイド層が前記第１，２の窒化物半導体層を有し、前記エッチング工程によりリッジストライプが設けられる上記（I）又は（II）に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（IV）前記積層工程において、Ｉｎを含む第４の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成すると共に、第１の窒化物半導体層が実質的にＩｎを含まないことを特徴とする上記（I）乃至（III）のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（V）前記開口部を設ける工程の後、第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度で、ガスエッチングすることにより、前記開口部底面の一部を除去して前記第１の窒化物半導体層に凹部を形成して、該凹部表面及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体を成長させることを特徴とする上記（I）乃至（IV）のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（VI）前記第３の窒化物半導体層の成長工程において、第３の窒化物半導体層が、前記開口部から成長して前記開口部より幅広に成長した領域と、前記第２の窒化物半導体層から成長した領域を有する上記（I）乃至（V）のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
また、下記（１）〜（１２）の構成がある。
【００１７】
（１）第１の窒化物半導体層と、開口部を有し、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層を介して第３の窒化物半導体層と、が積層された積層体を少なくとも有すると共に、前記第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が、第３の窒化物半導体層よりも大きく、前記第２の窒化物半導体層表面の一部に第３の窒化物半導体層が接して設けられていること、を特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、第３の窒化物半導体の一部を、第２の窒化物半導体層表面、若しくはそれを介し、開口部を通して第１の窒化物半導体層上に設けることができる。このため、第１の窒化物半導体層上の一部に、第３の窒化物半導体を設けるような構造を有する素子において、第２の窒化物半導体層が介在することで第３の窒化物半導体層の一部を除去する際に、膜厚方向における高い精度での位置決めが成される。また、開口部を通して、第１の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層が接合されることで、開口部を選択的な電流注入領域とすることができ、電流狭窄層として機能させることができる。これは、Ａｌを含む窒化物半導体のＡｌ混晶比が大きくなると、半導体層のバルク抵抗が大きくなるばかりでなく、Ａｌ混晶比の低い窒化物半導体層との間のエネルギ障壁が大きくなるためである。
【００１８】
（２）前記第３の窒化物半導体層の一部が、エッチングにより除去されて、前記開口部のほぼ全面を覆うように第３の窒化物半導体層が設けられていることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、開口部が露出することなく、第３の窒化物半導体層の一部が除去されるため、上述の位置決め精度に優れた部分的な第３の窒化物半導体層を形成することができ、加えて、開口部の下方に位置する窒化物半導体に、第３の窒化物半導体層除去時のエッチングなどによる損傷を防ぐことができる。また、第１の窒化物半導体層の上には、第２の窒化物半導体層とその開口部を覆う第３の窒化物半導体層とが設けられているため、半導体加工時、エッチング工程などにおいて、第４の窒化物半導体層が大気にさらされることがないため、それによる損傷を防ぐことができる。ここで、大気にさらされるとは、エッチング装置とＭＯＶＰＥなどの反応装置との間でのウエハなどの移送において空気にさらされること、反応装置内において、活性な雰囲気、活性なフローガス、ソースガス等にさらされること、すなわち窒化物半導体層の成長時における汚染・損傷を指すものである。特に、窒化物半導体の成長時において、その反応装置（反応容器）内で、各種活性なガス、雰囲気にさらされることによる損傷が大きい。
【００１９】
（３）前記第２の窒化物半導体層が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される組成であり、膜厚が１０Å以上５００Å以下の範囲であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、膜厚が１０Å以上であることで、開口部を容易に形成することができ、５００Å以下であることにより、第２の窒化物半導体層の異常成長、またその表面に成長する第３の窒化物半導体層の異常成長を、回避することができる。この時、第２の窒化物半導体層の下層を、第３の窒化物半導体層除去時に、大気にさらされるのを防ぐには、第３の窒化物半導体層を緻密な膜とする必要があり、２００Å以上であることが好ましい。これに加えて、第２の窒化物半導体層により、それより下にある層（例えば、第１の窒化物半導体層）と、第２の窒化物半導体層表面との間で、リーク電流のない、十分な絶縁をとるには、２００Å以上とすると良い。これは、第２の窒化物半導体層上に、ボンディング用の電極を設ける場合に効果的に作用し、すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体と良好なオーミック接触する金属がほとんどないため、その接合位置でショットキー障壁を発生させ、絶縁性に優れた電極配置を可能ならしめる構造を適用でき、素子設計の自由度が向上する。このとき、第２の窒化物半導体層の上に、絶縁膜などを介して、電極を設けても良い。
【００２０】
（４）前記第２の窒化物半導体層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される組成であり、前記第３の窒化物半導体層がＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）で表される組成であり、Ａｌ混晶比の差（ｘ―ｙ）が、０．５以上であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、Ｉｎを含まないで、ＡｌＧａＮからなる第３の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層であることで、第３の窒化物半導体層の一部を除去する際における、エッチングによる損傷、大気にさらされることによる損傷に対して、耐性を有する層でもって、成されるため、第２の窒化物半導体層、及びその開口部を覆う第３の窒化物半導体層により、それよりも下に位置する層（第１の窒化物半導体層）を、様々組成でもって、形成することができる。これは、すなわち、第１、第２、第３の窒化物半導体層で構成される積層体が、様々な素子構造（層構成）を有する窒化物半導体素子において、多様な位置に配置することができ、多くの素子に用いることができる。また、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との混晶比の差が、０．５以上であることで、エッチングで第３の窒化物半導体層を除去するときに、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間で、十分なエッチング速度差が生じ、高い精度でのエッチング制御が可能となる。また、混晶比差０．５以上であることで、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層との接合部で、十分に大きなバンドギャップエネルギー差を設けることができ、第２の窒化物半導体表面の一部及び開口部を覆う第３の窒化物半導体層で、第２の窒化物半導体層が電流狭窄層として機能し、開口部を電流注入領域とすることができる。
【００２１】
（５）前記第１の窒化物半導体が、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、Ｉｎを含む窒化物半導体がエッチングによる損傷、表面が大気にさらされることによる損傷が、Ｉｎを含まない窒化物半導体に比べて極めて大きいことから、第２の窒化物半導体層の下にある第１の窒化物半導体層がＩｎを有していないことで、開口部形成時の損傷を最小限に抑えることができる。また、この第１の窒化物半導体層の上に、開口部を設ける第２の窒化物半導体層、その一部を除去する第３の窒化物半導体層が設けられていても、第１の窒化物半導体層よりも下に位置する層を、上述した損傷から防ぐことができ、キャップ層としての役割を有するものとなる。具体的には、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を好ましく用いることができる。
【００２２】
（６）前記開口部に露出された表面が、前記第１の窒化物半導体層表面であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、開口部から成長させる第３の窒化物半導体層の結晶性を制御できる。
【００２３】
（７）前記第１の窒化物半導体層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層の上に設けられていることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、Ｉｎを含む窒化物半導体であっても、その上に第１の窒化物半導体層を有することで、これが開口部形成時、第３の窒化物半導体層の再成長時、第３の窒化物半導体層の除去時において、Ｉｎが分解・蒸発すること等による損傷を回避できる。このことにより、Ｉｎを含む窒化物半導体を第４の窒化物半導体層として素子構造内に様々な位置に設けることができ、多様な素子への応用が可能である。例えば、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する発光素子、レーザ素子に用いることができる。
【００２４】
（８）前記第２の窒化物半導体層（ＡｌxＧａ1-xＮ）が、ＡｌＮ（ｘ＝０）であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、上述したＡｌ混晶比と、エッチング精度との関係において、最大限の効果をそうすることができるものとなる。これに加えて、第２の窒化物半導体層表面に設けられた第３の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層下に設けられた第１の窒化物半導体層、として用いることができる窒化物半導体の組成が多様なものとなり、様々な素子構造に応用可能なものとなる。これは、第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層若しくは第３の窒化物半導体層との間で、比較的大きなバンドギャップエネルギー差を設けることができるため、上述した電流狭窄層として機能させる場合、その効果が最大限のものとして得られ、また、絶縁性を確保する層とする場合においても、ＡｌＮであることでオーミックコンタクトが最も困難な窒化物半導体となるため、良好な絶縁性を素子構造内に設けることが可能となる。具体的には、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体としては、ＩｎαＡｌβＧａ1- α - βＮ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦α＋β≦１）で表される様々の組成の窒化物半導体を用いることができる。
【００２５】
（９）ストライプ状の導波路領域を有し、窒化物半導体を有する活性層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記積層体が、活性層の上に設けられていると共に、前記開口部が前記導波路領域にほぼ平行なストライプ形状であり、前記第２の窒化物半導体層が、前記開口部のストライプ幅よりも広い幅のストライプ形状であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子である。この構成により、導波路領域のストライプ方向と、開口部のストライプ方向がほぼ平行であることで、導波路内に選択的に電流を注入できるレーザ素子構造となる。また、一部が除去された第３の窒化物半導体層により、活性層内に実効的な屈折率差が設けられたリッジ構造のレーザ素子では、前記導波路領域が前記屈折率差により設けられることから、リッジストライプの形状、位置などにより、得られるレーザ素子の横モード制御性、閾値電流、素子寿命などが大きく影響されるが、本発明では、第２の窒化物半導体層の上にリッジストライプが設けられたことで、このような問題が解決される。これは、膜厚方向におけるリッジストライプの位置、すなわちリッジ形成時のエッチング深さ、により、上記素子特性が敏感に影響することから、従来のものは素子特性にばらつきの多いものとなっていたが、開口部有する第２の窒化物半導体層が介在して、第３の窒化物半導体層を含むリッジストライプが設けられることから、第２の窒化物半導体層の膜厚方向における位置でもって、リッジストライプの位置が決定されるものとなり、従来のような素子特性のばらつきの発生がなく、量産性に優れるレーザ素子となる。
【００２６】
（１０）前記開口部の幅が、１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子である。この構成により、横モードの制御性に優れ、５〜３０ｍＷの出力域において、単一基本モードでの発振が可能となる。また、この時、開口部を覆う第３の窒化物半導体層の幅を上記範囲内にしたリッジストライプを設けることでも、同様に、横モードの制御性に優れるレーザ素子が得られる。
【００２７】
（１１）前記活性層が、前記第４の窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子である。この構成により、第１の窒化物半導体層が上に設けられることで、上述したキャップ層の働きを成し、エッチング、露出されることによる損傷から守られ、優れた活性層の形成が可能となる。
【００２８】
また、窒化物半導体素子の製造方法は、以下の（１２）〜（１４）の方法がある。
【００２９】
（１２）第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、第２の窒化物半導体層表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して、前記開口部を覆う第２の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。この方法により、第２の窒化物半導体層が、エッチングストップ層として機能し、さらには再成長のための表面として、第２の窒化物半導体層表面、及びその開口部を提供することができ、結晶性に優れ、量産性、エッチング精度に優れる製造が可能となる。このことは、第２の窒化物半導体層表面でエピタキシャル成長されることで、開口部からの成長と合わさって互いにその成長が促進されることで、比較的平坦な膜（第３の窒化物半導体層）が形成される。また、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が大きくなると、その表面の成長層の結晶性悪くなる傾向にあるが、第２の窒化物半導体層表面の第３の窒化物半導体層の一部は除去されて、開口部から成長させた第３の窒化物半導体層が残されるため、このような結晶性の悪化に対して柔軟に対応できる素子構造となる。このため、開口部底面となる窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）のＡｌの混晶比を、第２の窒化物半導体層よりも小さくすることで、開口部上部に成長する第３の窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。この時、好ましくは、第１の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とを同じ組成の窒化物半導体とすることで、良好な結晶成長がなされ、特に、ＧａＮとすることで、十分な結晶性を確保することができる。
【００３０】
（１３）前記エッチングが、第３の窒化物半導体層より第２の窒化物半導体層のエッチング速度の大きなエッチングであることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法．この方法により、エッチング速度が異なることにより、第２の窒化物半導体層をエッチングストップとして機能する。この時、Ａｌの混晶比により、エッチング速度の異なるエッチング方法としては、一般的に窒化物半導体のエッチングガスとして知られているものを用いることができ、ハロゲン系のガス、具体的にはＣｌ2、ＳｉＣｌ4を好ましく用いることができる。
【００３１】
（１４）前記積層工程において、Ｉｎを含む第４の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成すると共に、第１の窒化物半導体層がＩｎを含まないことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。この方法により、第１の窒化物半導体層が、第４の窒化物半導体層のキャップ層として機能し、第２の窒化物半導体層に開口部を形成するとき、第３の窒化物半導体層を再成長し、その一部を除去するときに、第４の窒化物半導体層中のＩｎが分解・蒸発などが起こらず、良好な結晶性を維持することができる。
【００３２】
（１５）前記開口部を設ける工程の後、第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度で、ガスエッチングすることにより、前記開口部底面の一部を除去して前記第１の窒化物半導体層に凹部を形成して、該凹部表面及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体を成長させることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。この方法により、第２の窒化物半導体層の開口部を形成するときに、損傷を受けた開口部底面を除去して、新たら再成長面として、第１の窒化物半導体層表面から、第３の窒化物半導体層を成長させることができるため、良好な結晶性の窒化物半導体が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体素子は、図１に示すように、第１の窒化物半導体層５、第２の窒化物半導体層６を積層して、第２の窒化物半導体層６に開口部１１を設けて、その開口部１１、第２の窒化物半導体層の上から、第３の窒化物半導体層７を成長させ、第２の窒化物半導体層６表面にある第３の窒化物半導体層の一部を除去するものである。このようにして得られる第１の窒化物半導体層、その上に開口部１１を有する第２の窒化物半導体層６、その開口部１１を覆うように、また第２の窒化物半導体層の一部を覆う第３の窒化物半導体層が設けられた構造を有する窒化物半導体素子である。
【００３４】
この時、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層として、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることができる。また、これら各層には、ｎ型不純物、ｐ型不純物を添加して、所望の導電型の窒化物半導体層とできる。この時、窒化物半導体に用いられるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎである。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。
【００３５】
［第１の窒化物半導体層］
本発明において、第１の窒化物半導体層としては、第２の窒化物半導体層の下に設けられ、図１に示すように第２の窒化物半導体層に接して設けられていても良く、第２の窒化物半導体層との間に別の層を設けても良い。また、第２の窒化物半導体層の開口部に、第１の窒化物半導体層表面を露出させる場合には、第３の窒化物半導体層、若しくはその間に介在する層の成長面となるため、それを考慮した組成とすることが好ましい。具体的には、開口部に露出された第１の窒化物半導体層表面から、第３の窒化物半導体層を成長させる場合には、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを同一の組成とすることで、第３の窒化物半導体層の良好な結晶成長が確保され好ましい。この時、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比は、第２の窒化物半導体層よりも小さくなる。ここで、第１の窒化物半導体層は、開口部形成時において、開口部底面が、第１の窒化物半導体層となるようにして、開口部からの成長を制御する層として、また開口部形成時においてそれより下の層と開口部を分離する層として設けることが好ましい。これは、すなわち開口部が第１の窒化物半導体層に達する深さで設けられることをさし、例えば第１の窒化物半導体層の成長層表面、若しくはそれよりも深く、第１の窒化物半導体層が残る深さでその一部を除去して、開口部として、図２に示すように、第１の窒化物半導体層に凹部を設ける形態となる。
【００３６】
また、第１の窒化物半導体層の組成としては、特に限定されるものではなく、様々な組成が適用できる。具体的には、上述した組成式で表される窒化物半導体であり、その中でも、第２の窒化物半導体層よりＡｌ混晶比の低いＡｌＧａＮ、若しくはＡｌを有さないＧａＮが好ましく用いられる。なぜなら、開口部から成長する窒化物半導体層は、開口部底面として第１の窒化物半導体層の表面となり、第１の窒化物半導体層によりそこから成長する層の結晶性が決定するため、異常成長の少ないＡｌ混晶比の低い層、具体的には第２の窒化物半導体層よりＡｌ混晶比の低いＡｌＧａＮ、さらにはＡｌを有していない窒化物半導体としてＧａＮを設けることが好ましい。
【００３７】
第１の窒化物半導体層を、第２の窒化物半導体層の開口部形成時の損傷から、それよりも下に位置する層（例えば第４の窒化物半導体層）を、回避させるキャップ層として機能させるには、Ｉｎを含んでいない窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を設けると良い。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体は、エッチングによる損傷が、他の組成の窒化物半導体に比べて極めて大きいことにある。なぜなら、図９にも示すように、Ｉｎを含む窒化物半導体は、エッチングによる損傷、エッチングで表面がさらされた状態で、その後に続く成長工程、絶縁膜形成工程における熱処理、等により、結晶中のＩｎが簡単に蒸発・融解して、その結晶が破壊されるためである。このため、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を設けることで、その層よりも下に、Ｉｎを含む窒化物半導体、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮなど、を設けることが可能となり、開口部形成時、若しくは第３の窒化物半導体層除去時における損傷から守ることが可能となる。この時、第１の窒化物半導体層としては、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦１）で表される組成の窒化物半導体を好ましく用いることができ、更に好ましくは、ＧａＮを用いることで、エッチングによる損傷、大気にさらされた状態に強いキャップ層として機能する。
【００３８】
更に、第１の窒化物半導体層には、上述したｎ型不純物、ｐ型不純物を添加して、所望の導電型の窒化物半導体層としてよいことは、いうまでもない。
［第２の窒化物半導体層］
本発明において、第２の窒化物半導体層としては、第１の窒化物半導体層の上に設けられ、開口部を有するものである。具体的には、図１に示すように、第１の窒化物半導体層の上に第２の窒化物半導体層を積層した後、第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部とするものである。この時、開口部は、第２の窒化物半導体層の下に隣接する層に達する深さで設けられ、第３の窒化物半導体層を、第２の窒化物半導体層、及び開口部の第２の窒化物半導体層とは異なる層から成長させる。
【００３９】
また、第２の窒化物半導体層としては、少なくともＡｌを有する窒化物半導体であり、具体的にはＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）を用いる。この時、Ａｌの混晶比としては、第２の窒化物半導体層表面に成長させる第３の窒化物半導体層との関係により導き出されるものである。
【００４０】
本発明における第２の窒化物半導体層の膜厚としては、少なくとも、２０Å以上とすることであり、好ましくは５０Å以上５００Å以下の範囲、最も好ましくは１００Å以上３００Å以下の範囲である。なぜなら、２０Å未満であると、上述した電流狭窄、絶縁性を有する層、及びエッチングストッパ層として全く機能しないためである。また、５０Å以上とすることで、電流狭窄、絶縁性を有する層として機能し、またエッチングストッパ層としては、Ａｌの混晶比により、第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比差を０．５以上とすることで、エッチングストッパ層として機能する。また、１００Å以上の膜厚であると、十分な絶縁性を有し、エッチングストッパ層としても十分に機能し、加えて第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比差を０．５以上であることで、ほぼ完全に第２の窒化物半導体層でもってエッチング深さを制御することが可能となる。これら第３の窒化物半導体層の上限としては、Ａｌ高混晶の窒化物半導体を厚膜で成長できるのであれば特に限定されるものではないが、好ましくは５００Å以下とすることで、異常成長、及びそれによるクラックの発生を抑制して、第２の窒化物半導体層を設けることができる。更に、３００Å以下であると、比較的高いＡｌ混晶比であっても、例えば第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比差０．５以上であっても、異常成長を抑えて第２の窒化物半導体層を設けることが可能となる。
【００４１】
ここで、第２の窒化物半導体層は、多層膜構造であっても良いが、好ましくは単一膜として設けることで、上述した絶縁性に富み、電流狭窄層、エッチングストッパ層として良好に機能する層となる。多層膜としては、例えば、従来Ａｌを含む窒化物半導体として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮなどを繰り返し積層して、超格子多層膜として形成する方法でもって、Ａｌを有する窒化物半導体の膜厚を確保する方法があるが、このような方法により設けられた窒化物半導体層では、第２の窒化物半導体層として適さない場合がある。これは、高いＡｌ混晶比の窒化物半導体と、それより低いＡｌ混晶比の窒化物半導体、若しくはＡｌを有さない窒化物半導体と、を繰り返し積層してなる多層膜では、多層膜の膜厚において、各層が占める割合を考慮して、擬似的に多層膜を単一膜としてとらえた場合に、十分なＡｌ混晶比の窒化物半導体層とならないことがあるためである。また、詳しい理由は不明であるが、このような多層膜を超格子層のような薄膜で積層したものであることにより、エッチング容易な層（Ａｌ高混晶の層）とエッチング困難な層（Ａｌ低混晶の層）とが、隣接、若しくは近接して繰り返し配置された構造となるため、エッチング困難な層に優先してエッチング容易な層がエッチングされることとなり、結果として多層膜層のエッチングによる露出面は、凹凸を呈したものとなる。従って、凹凸を呈した面では、例えば後述するように、その層をリッジストライプ形成時の表面とすると、レーザ素子のばらつきが改善されず、第２の窒化物半導体層を設ける効果が薄れることとなる。
【００４２】
このため、第２の窒化物半導体層を多層膜構造で設ける場合には、多層膜を構成する層のそれぞれが、少なくとも第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比より大きい、好ましくはＡｌ混晶比差が０．５以上となるようにすることで、上述した絶縁性に富み、電流狭窄層、エッチングストッパ層として良好に機能する層となる。また、多層膜を構成する層が、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比より小さい場合、若しくは十分な混晶比差（例えば０．５以上）がない場合には、（層のＡｌ混晶比）×（多層膜の膜厚に占める割合）でそれぞれの層の総和をとって、多層膜を擬似的に単一幕としてとらえた場合のＡｌ混晶比を、少なくとも第３の窒化物半導体層よりも大きくし、好ましくは、Ａｌ混晶比の差を０．５以上とすることである。例えば、多層膜がＡｌ混晶比がα、膜厚ａのＡ層と、Ａｌ混晶比がβ、膜厚ｂのＢ層と、をそれぞれｎA、ｎB回繰り返し積層した多層膜（膜厚Ｄ）では、Ａｌ混晶比は、α×ａ×ｎA／Ｔ＋β×ｂ×ｎB／Ｔ、の式で平均組成として得られる。
【００４３】
［開口部］
第２の窒化物半導体層に開口部を設ける方法としては、窒化物半導体のエッチング方法として知られているウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができ、第３の窒化物半導体層についても同様である。特に、ドライエッチングであると、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（ＲＩＢＥ）、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できる。
【００４４】
また、この開口部は、その底面が、少なくとも第１の窒化物半導体層表面よりも上に形成されるものであり、好ましくは上述したように、開口部底面が第１の窒化物半導体層の露出面となるようにして、開口部からの成長層の結晶性を制御する層として設けることである。このため、第１の窒化物半導体層の膜厚をある程度のものとすることで、開口部の形成が容易になる。これは、第１の窒化物半導体層を厚膜で設けることで、第２の窒化物半導体層の一部を第１の窒化物半導体層に達する深さで除去して、開口部を設けることが容易になるためである。この時、第１の窒化物半導体層の膜厚としては、少なくとも１００Å以上で設けると、開口部形成時に、第１の窒化物半導体層内で、深さ制御ができ、好ましくは３００Å以上で設けると再現性、量産性に富む制御が可能となる。
【００４５】
この開口部の形成は、第２の窒化物半導体層をそれよりも下の層に達する深さで、一部が除去されることにより設けられるため、第２の窒化物半導体層の膜厚を考慮する必要がある。具体的には、第２の窒化物半導体層が薄くなりすぎると、開口部形成時に第２の窒化物半導体層の一部を除去する際に、エッチング深さの制御が困難となるため、ある程度の膜厚として、１００Å以上の膜厚で設けることで、膜厚が薄いことによる除去の困難性を回避でき好ましい。
【００４６】
［第３の窒化物半導体層］
本発明における第３の窒化物半導体層は、開口部及び第２の窒化物半導体層表面から成長させ、第２の窒化物半導体層表面にある第２の窒化物半導体層の一部が除去される。この時、好ましくは、第２の窒化物半導体層表面にある第３の窒化物半導体層だけを除去して、開口部のほぼ全面を覆うように第２の窒化物半導体層を設けることである。こうすることで、図１０に示すように、第２の窒化物半導体層表面から成長したＡの領域のほとんどを除去することとなり、このことで、第２の窒化物半導体層として、Ａｌの混晶比の高い窒化物半導体を用いることができる。これは、従来、第２の窒化物半導体層のように、Ａｌ混晶比の高い窒化物半導体を成長させると、その上に成長する層には、異常成長や、クラックの発生が素子として、致命的な欠陥を有する積層構造となるが、本発明では、第２の窒化物半導体層表面から成長したＡの領域は、そのほとんどを除去することとなるため、素子構造において結晶性の良好なＢの領域を有効に利用できる素子構造となる。このため、第３の窒化物半導体層３は、開口部のほぼ全面と、第２の窒化物半導体層２表面の一部を覆うように設けることが好ましい。これは、開口部と第２の窒化物半導体層２との境目近傍（図１０に示す点線部と開口部との間）では、すなわち開口部よりも僅かに広い領域では、開口部からの成長が、第２の窒化物半導体層表面からの成長に比べて支配的なものとなるため、第２の窒化物半導体層２表面に僅かに覆う第３の窒化部半導体層を残しても、それほど結晶性に影響を及ぼすものとはならない。具体的には、開口部から０．３μｍ以下離れた領域において、その上に成長した窒化物半導体層の結晶性は、第２の窒化物半導体層よりも第１の窒化物半導体層の結晶性に多く依存したものとなり、０．１μｍ以下の範囲であればほぼ開口部から成長したものと変わらない結晶性の第３の窒化物半導体層となる。
【００４７】
また、第３の窒化物半導体層は、図１０に示すように、開口部から成長したＢの領域と、第３の窒化物半導体層表面から成長したＡの領域と、を有し、Ａの領域のほとんどを除去して、Ｂの領域を残すことで、結晶性の良好なＢの領域を素子構造として有効に利用することができる。従って、第３の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層表面から成長させたものである必要があり、また同時に開口部から成長させる必要がある。ここで、開口部から成長させた第２の窒化物半導体層としては、図１、４に示すように、第１の窒化物半導体層表面、若しくは開口部底面の露出面から成長させる形態の他、図３に示すように、開口部において、第１の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間に中間層２０を設ける形態でも良い。すなわち、開口部から成長させる第３の窒化物半導体層は、開口部底面の第１の窒化物半導体層表面から、若しくはその開口部底面から成長させた窒化物半導体の表面から成長させればよい。どちらの場合でも、一部を除去して残る第３の窒化物半導体層（Ｂの領域）は、そのほとんど若しくは全てが、第１の窒化物半導体層表面から成長させた層となり、第１の窒化物半導体層の組成でもって、結晶性を制御できる。また、これら中間層２０となる窒化物半導体としては、少なくともＡｌ混晶比が第２の窒化物半導体層よりも小さい窒化物半導体層とすることで、第２の窒化物半導体層とのバンドギャップエネルギー差から、開口部への電流狭窄が可能となり好ましく、又は、結晶性を考慮して第１の窒化物半導体層若しくは第３の窒化物半導体層と同じ組成の窒化物半導体とすることが好ましい。具体的には、所望のＡｌ混晶比のＡｌＧａＮ、若しくはＧａＮ、又は第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比との間にあるＡｌ混晶比の窒化物半導体、好ましくはＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦１）とすることで、好ましい結晶性の第３の窒化物半導体層が成長できる。具体的には、第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比がｚ、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比がｙで、ｚ≠ｙある場合に、中間層の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｕが、ｚ≦ｕ≦ｙ（ただしｚ＜ｙ）、（ｚ＞ｙの場合にはｙ≦ｕ≦ｚ）であることにより、第１の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との中間的な組成にある中間層とすることができ、Ａｌ混晶比差（｜ｚ−ｙ｜）が大きい場合に、良好な結晶成長をさせることができる。また前記の場合において、ｚ≠ｙある場合に、中間の混晶比とするには、（ｚ−ｙ）／２をｕとすることである。加えて、前記の場合において、ｚ＝ｕ、ｙ＝ｕであっても良い。
【００４８】
本発明ニおける第３の窒化物半導体層としては、第２の窒化物半導体のＡｌ混晶比より小さいＡｌを有する窒化物半導体、若しくはＡｌを有していない窒化物半導体とすることである。このことにより、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層との混晶比差を最大にでき、第３の窒化物半導体層の一部を除去する際に、確実に、第２の窒化物半導体層表面でのエッチングストップすることが可能となる。また、第３の窒化物半導体層から第１の窒化物半導体に電流を流す場合には、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層のバンドギャップ差から、開口部を電流注入領域とすることができ、例えば後述するリッジストライプのレーザ素子構造において、ストライプ状の導波路領域に的確に対応した電流注入領域を設けることが可能となる。具体的に、第３の窒化物半導体層としては、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比より小さい混晶比のＡｌＧａＮ、若しくはＧａＮを用いることができる。
【００４９】
［エッチング除去］
本発明の窒化物半導体素子において、図４に示すように、第２の窒化物半導体層２の一部を除去して、開口部１９を設けた後（図４−ａ）、開口部１９の表面２１を（図４−ｂ）、開口部１９から成長させる窒化物半導体（第３の窒化物半導体層３、中間層２０）の成長温度よりも高い温度で、エッチングして、第２の窒化物半導体層の除去時に損傷を受けた領域２１などを除去して（図４−ｃ）、その後開口部１９から第３の窒化物半導体層を成長させること（図４−ｄ）も可能である。ここで、図４は、図４−ａは図１において第２の窒化物半導体層の一部を除去して、開口部を設けた状態（図１−ｂ）を示すものであり、図４−ｂ、−ｃ、−ｄは、図４−ａの円で囲まれた領域を拡大して示す模式断面図である。このことにより、第２の窒化物半導体層を一部除去して開口部を形成する際に、エッチングによる損傷を受けて結晶性の悪化した領域２１を取り除いて、第３の窒化物半導体層３を成長させることができ、第３の窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。具体的な形態としては、図４に示すように、開口部を設けた後、図４−ｂ中の矢印に示すようにエッチングガスを開口部底面に当てて、開口部形成時に損傷を受けた領域２１（若しくは、それよりも深い領域）を、除去して、第１の窒化物半導体層に凹部を設け、凹部表面は良好な結晶性が有することで、良好な結晶性の第３の窒化物半導体層３を成長させることができる。ここで、領域２１を除去するエッチングは、本願明細書中に記載のあるドライエッチングを用いることができる。また、そのエッチング時の温度としては、少なくとも第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度とすることであり、好ましくは７００℃以上１１００℃以下の範囲とすることである。
【００５０】
［第３の窒化物半導体層の除去方法（エッチング方法）］
本発明において、第３の窒化物半導体層の一部を除去するエッチング方法としては、上述したエッチング方法の内、ドライエッチングが好ましく用いられる。この時、エッチングガスとしては、窒化物半導体のエッチングガスとして知られているハロゲン系のガス（ハロゲンガス、ハロゲン化合物ガス）を用いることができ、その中でもＣｌ2、ＳｉＳｌ2が好ましく用いられ、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とで、エッチングレートに比較的大きな差が生じ、第２の窒化物半導体層で精度良くエッチングストップすることができる。これは、Ａｌの混晶比により、エッチングレートが異なるため、第２の窒化物半導体層でエッチング深さを制御でき、第２の窒化物半導体層でもって、エッチングストッパ層として機能させることができる。特に、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比ｘと、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比ｙとの差、
ｘ−ｙ
が０．５以上であると、エッチング深さ制御において、好ましいエッチングストッパ層となりうる。これは、窒化物半導体の組成が異なることにより、エッチングレートが異なるが、その中でも特にＡｌ混晶比に大きく依存してエッチングレートが変化することに着眼されたものであり、Ａｌ混晶比を大きくすることで、第２の窒化物半導体層をエッチングストッパ層として機能させるものであり、それと第３の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比の差が０．５以上であると十分なエッチングレート変化を生み出すことができるからである。これとは別に、第２の窒化物半導体層だけでエッチングレートを考慮すると、窒化物半導体のＡｌ混晶比とエッチングレート、膜厚方向におけるエッチング速度、との関係は、リニアな関係よりも指数関数的な関係に近い傾向にあるため、Ａｌ混晶比が０．５以上、好ましくは０．７以上とすることで、エッチングレートの急激な低下を生み出すことが可能となり、膜厚方向におけるエッチング深さ制御が好ましく成されることとなる。また、これらの性質は、第２の窒化物半導体層が多層膜である場合よりも、単一膜で形成されることである方が、顕著に現れる傾向にあるため、単一膜で第２の窒化物半導体層を設けることが好ましい。
【００５１】
［第４の窒化物半導体層］
本発明における第４の窒化物半導体層としては、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層の下に設けられる層であり、第２の窒化物半導体層の開口部形成時において、第１の窒化物半導体層を介していることにより、開口部から離間して設けられた層となり、エッチングによる損傷、大気にさらされることで大きく結晶性が劣化する傾向にある、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いることができる。具体的には、ＩｎＧａＮであり、その第４の窒化物半導体層を、活性層、発光層、若しくは量子井戸構造の井戸層、障壁層などとして用いることができる。
【００５２】
［発光素子］
本発明の窒化物半導体素子において、ＬＥＤ（発光素子）に用いる形態としては、図６に示すようになる。サファイアなどの基板２０１の上に、ＧａＮのバッファ層２０２、ＧａＮの下地層２０３、ＳｉドープＧａＮの第１のｎ型コンタクト層２０４ａ（第１の窒化物半導体層）、を積層して、ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層を２００Åの膜厚で形成し、図に示すように、幅２μｍで、ｎ電極２１２の形成層として第１のｎ型コンタクト層２０４ａ（第３の窒化物半導体層）を除く領域の外形に対応する第２の窒化物半導体層となるようにエッチングにより除去して、続いて、ＧａＮの第２のｎ型コンタクト層、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどからなるｎ型層２０５、２０６、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどからなる多重量子井戸構造の活性層２０７、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどからなるｐ型クラッド層２０８、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０９を積層する。続いて、図に示す第２の窒化物半導体層２１３で囲まれた領域にマスクを設けて、図に示すようにｎ電極２１２形成層を露出させ、ｐ型コンタクト層２０９の上に、ＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極２１０、Ａｕを含むボンディング用のｐ電極２１１を設け、ＴｉとＡｌを含むｎ電極を形成してＬＥＤを得る。このように、窒化物半導体層としてＬＥＤにも用いることができる。
【００５３】
［レーザ素子］
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層、さらには第４の窒化物半導体層とを有するものとなる。具体的には、図１に示すように、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層を活性層として有し、その上に、第１の窒化物半導体層を介して、開口部を有する第２の窒化物半導体層、その上に、一部が除去された第３の窒化物半導体層を有し、その第３の窒化物半導体層を有するリッジストライプが、第２の窒化物半導体層の上に設けられたレーザ素子である。
【００５４】
本発明のレーザ素子では、開口部を有する第２の窒化物半導体層を設けることで、優れた精度でリッジストライプを形成でき、また、リーク電流のないレーザ素子を得ることができる。
【００５５】
以下の図７〜９は、比較例１における、エッチング深さ（リッジストライプの高さ）と素子特性の関係を示すものである。
【００５６】
図７は、エッチング深さに対する、横モード安定性、を示す。図７から明らかなように、ｐ型クラッド層の膜厚０．１μｍよりも活性層方向に深くエッチングすることで、安定した単一横モード発振のレーザ素子が高い割合で得られる。また、エッチング深さが、ｐ型クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる厚さ以上であると、キンクの発生が急激に起こり、大幅に良品率が減少していることもわかる。ここで、図７の良品率とは、発振を確認した素子の内、５ｍＷで基本単一横モード発振が可能な素子の割合を示すものであり、この時の導波路領域のストライプ幅は１．８μｍであった。
【００５７】
図８は、光出力３０ｍＷでの駆動電流を示すもので、この時ストライプ状の導波路領域は幅１．８μｍである。図から明らかなように、ｐ型光ガイド層から深いところ（活性層側）では５０ｍＡで一定であるが、ｐ型光ガイド層から膜厚０．１μｍ付近のｐ型クラッド層まで緩やかに電流値が上昇し、ｐ型クラッド層の膜厚０．１μｍ超えるエッチング深さで急激に電流値が上昇している。更に、エッチング深さが、ｐ型クラッド層の膜厚が厚くなる方向にあるレーザ素子では、ｐ型クラッド層の膜厚０．２５μｍ以上では３０ｍＷの光出力が得られなくなる。
【００５８】
図９は、光出力３０ｍＷでのエッチング深さに対するレーザ寿命を示すもので、エッチングがｐ型光ガイド層とｐ型キャップ層との界面付近の深さで、レーザ寿命は大幅に低下し、活性層に達する深さでストライプ状の導波路領域が形成されると、素子寿命に多大に悪影響を及ぼすことを示している。この時、レーザ素子の素子構造は、実施例１と同じであり、素子寿命を考慮する場合において、ｐ型電子閉込め層に達しない深さでエッチングが行われる方がよい。また、この活性層よりも浅いｐ型光ガイド層、ｐ型クラッド層の膜厚０．１μｍ付近まで良好な寿命特性を示しており、更に好ましい領域として図に観るように、ｐ型光ガイド層とｐ型クラッド層との界面付近からｐ型クラッド層の膜厚が僅かな領域で良好な寿命特性を示す。すなわち、エッチングにより露出されるｐ型クラッド層の膜厚を０．１μｍ以下とし、更に好ましくは、ｐ型クラッド層が僅かに残るか、ほぼ除去される深さでエッチングされると、良好な寿命特性が得られることを示すものである。ｐ型クラッド層の膜厚が０．１μｍより厚くなる深さであると、寿命特性は急激に低下する。
【００５９】
以上、説明したように、窒化物半導体レーザ素子は、リッジ形成時のエッチング深さに極めて敏感なものであり、５〜３０ｍＷの光出力で、横モードが安定し、閾値電流、駆動電流が低く、且つ長い素子寿命のレーザ素子を得ようとすると、歩留まりが大きく低下し、量産性に乏しいものとなっていた。この原因の一つとしては、Ｉｎを含む窒化物半導体層が、エッチングによる損傷を受け、また、大気にさらされてその後に続く、絶縁膜、光反射膜、電極なとの形成工程で、Ｉｎが蒸発・融解することがあげられる。これは、ストライプが比較的狭い幅、例えば数μｍ〜数十μｍ、で形成されることで、ストライプ側面として、Ｉｎを含む窒化物半導体層（例えば、井戸層、障壁層）が露出されることで、ストライプの内部の導波路に深刻な損傷を受けることになるためである。
【００６０】
しかし、本発明では、リッジストライプとして、第２の窒化物半導体層の上に、リッジを設けることにより、従来のリッジ形状の精度に左右されない。すなわち、素子構造を積層時に、第２の窒化物半導体層を設けるため、素子構造中の任意の位置に設けることが可能となり、結果として、その第２の窒化物半導体層の直上にリッジを設けることが可能となり、従来のようなリッジの高さ（エッチング深さ）のばらつきの問題が解消されるものである。
【００６１】
本発明のレーザ素子では、第２の窒化物半導体層に設けられた開口部の真上に、リッジが設けられることとなるため、エッチングストッパ層として機能する第２の窒化物半導体層から成長した窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層の上に位置する窒化物半導体層を除去することができ、その層による結晶性の悪化を回避できる。
【００６２】
これは、上述したように、第２の窒化物半導体層をエッチングストッパ層として機能させるために、Ａｌの混晶比を大きくし、またその膜厚も厚膜での形成が必要となることに起因する。一般的に、Ａｌの混晶比が０．３以上であるような高混晶比の窒化物半導体を成長させると、厚膜で成長させることが困難となり、成長を続けるとクラックが多く発生し、それにより、それよりも下に位置する層を伴って亀裂がはいることとなる。また、このＡｌを含む窒化物半導体の上に、異なる組成の窒化物半導体を成長させると、成長層の結晶性を悪化させることとなる。本発明では、このようなＡｌを含む窒化物半導体層から成長させた領域をリッジ形成時に、そのほとんどを除去することができ、素子構造において、従来のように素子特性を悪化させる層とはならない。
【００６３】
具体的には、図１０に示すように、第２の窒化物半導体層の上に成長した図中Ａ領域において、結晶性の悪い第３の窒化物半導体層、さらにはその上に成長される層も、リッジ形成時にそのほとんどを除去することができるため、素子特性に影響を与えるものとはならない。すなわち、リッジとして残される図中Ｂの領域では、開口部から（第１の窒化物半導体層表面）から成長された層となり、結晶性の良好な層として得られる。ここで、第３の窒化物半導体層３としては、開口部のストライプ幅よりも広く且つ開口部のほぼ全面を覆うように設けることが好ましく、具体的には上述したように、開口部のストライプより０．３μｍ以下離れた位置まで第３の窒化物半導体層を設ける。
【００６４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、第４の窒化物半導体層を有することで、紫外域〜赤色系域までの波長で発振する活性層を設けることも、可能となる。すなわち、第４の窒化物半導体層を有する活性層とすることで、その上にある第１の窒化物半導体層により、開口部形成時、リッジ形成時においても、損傷を受けることがなく、良好な導波路を有するレーザ素子となる。これは、上述したように、第１の窒化物半導体層が、開口部形成時においては、キャップ層として機能し、第４の窒化物半導体層が損傷を受けることから回避させることができる。この時、第１の窒化物半導体層は、Ｉｎを有していない窒化物半導体層とすることが好ましい。また、第４の窒化物半導体層は、それ自身で活性層としても良く、活性層が量子井戸構造である場合には、その井戸層、障壁層の内の一層として、設けても良い。また、第１の窒化物半導体層としては、量子井戸構造の活性層において、障壁層として設けても良く、若しくは活性層の外側の光ガイド層として設けても良い。
【００６５】
本発明のレーザ素子において、上述した素子構造のほかに、実施例に示すように、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とを光ガイド層として、その上に、上部クラッド層を設けても良く、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とを上部クラッド層として、設けても良い。すなわち、本発明のレーザ素子において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層の積層体は、レーザ素子構造中の任意の位置に配置できる。
【００６６】
図７〜８に示すように、リッジストライプは、ｐ型クラッド層の膜厚が０．１μｍ以下となる位置までエッチングで掘り下げて形成されることで、横モード制御性、素子寿命、閾値電流（駆動電流）に優れたものとなるため、これを考慮して第２の窒化物半導体層を設けることが好ましい。すなわち、開口部を有する第２の窒化物半導体層を、そのような位置に設けることで、従来のようなエッチング深さ精度によるばらつきのないレーザ素子が得られる。具体的には、第２の窒化物半導体層を、活性層と光ガイド層との間、光ガイド層内、クラッド層と光ガイド層との間、クラッド層内であってクラッド層の膜厚が０．１μｍ以下となる位置よりも下側（活性層側）に設けることである。この時、第２の窒化物半導体層は、活性層に接して設けても良く、この場合、第１の窒化物半導体層を、量子井戸構造の活性層内における最上層の障壁層として、設けることができ、この時、第１の窒化物半導体層をＩｎを含まない窒化物半導体とすることで、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる他の層、例えば井戸層、などを、第２の窒化物半導体層から分離させることができる。このため、本発明のレーザ素子において、好ましくは、少なくとも第２の窒化物半導体層が活性層よりも上に設けることであり、詳しくは、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層と、その上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層、開口部を有する第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層とを積層した積層体を有することである。
【００６７】
本発明のレーザ素子では、図１に示すように、活性層を導電型の異なる上部クラッド層、下部クラッド層とで挟み込む構造で、各クラッド層と活性層との間に、光ガイド層を有した分離閉込め（ＳＣＨ）構造であっても良く、光ガイド層を除いた構造であっても良い。
【００６８】
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、第２の導電型層若しくは第１の導電型層として、ｐ型窒化物半導体（第１のｐ型窒化物半導体）を含むｐ型クラッド層を設けることが好ましい。このとき、ｐ型クラッド層が設けられた導電型層とは異なる導電型層に、ｎ型窒化物半導体を含むｎ型クラッド層を設けて、積層構造体に導波路を形成する。また、このｐ型クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。さらに、この層は、ｐ型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも１つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層はｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、膜厚としては、特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込めとして機能する。
【００６９】
また、本発明において、図１、実施例１などで示す構造のように、活性層とｐ型クラッド層との間に、後述する電子閉込め層、光ガイド層を設けても良い。この時、光ガイド層を設ける場合には、ｎ型クラッド層と活性層との間にも、光ガイド層を設けて、活性層を光ガイド層で挟み込む構造とすることが好ましい。ここで、活性層を挟み込むクラッド層の他に、活性層とクラッド層との間に光ガイド層、ｐ型電子閉込めを有することで、駆動電流を１００ｍＡから５０ｍＡへと低く抑えることができる。また、活性層とそれを挟むクラッド層と、ｐ型電子閉込め層とを有することで、ｐ型電子閉込め層と光ガイド層を有していない場合に比べて、１０〜２０ｍＡほど駆動電流を低減する効果がある。さらに、活性層とそれを挟む光ガイド層及びクラッド層を有する構成では、ｐ型電子閉込め層を有していないことにより閾値電流が５〜６倍に上昇する傾向が現れる。
【００７０】
また、本発明における窒化物半導体素子において、活性層としては、Ｉｎを含む窒化物半導体（第４の窒化物半導体）を少なくとも有することが好ましく、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などを用いることができる。発光素子、レーザ素子としては、活性層としてＭＱＷを有していることが好ましく、この時井戸層の数を２〜５とすることが好ましい。また、井戸層、障壁層の組成としては、それぞれ、井戸層：ＩｎsＧａ1-sＮ、障壁層：ＩｎtＧａ1-tＮ（ただし、０≦ｓ≦１，０≦ｔ≦１、ｓ＞ｔ）としたものが、好ましく用いることができ、井戸層のＩｎ混晶比を変化させることで、所望の発光は長の光を得ることができる。
【００７１】
以下、本発明におけるレーザ素子の各層について説明する。
【００７２】
（ｐ型電子閉込め層）
また、活性層とｐ型クラッド層との間、好ましくは活性層とｐ型光ガイド層との間に設けられるｐ型電子閉込め層としては、閾値電流の低下により容易な発振に寄与し、活性層へのキャリアの閉込めとしても機能する層であり、具体的にはＡｌＧａＮを用いる。特に、第２の導電型層に、ｐ型クラッド層、ｐ型電子閉込め層を設ける構成とすることで、このような効果が大きくなる傾向にある。このｐ型電子閉込め層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不純物をドープしたものとすることで上記機能を有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして機能する傾向にある。また、膜厚としては、５００Å以下で形成し、ＡｌxＧａ1-xＮの組成としては、ｘが０以上、好ましくは０．２以上とする事で上記効果が十分に期待できる。
【００７３】
（ｐ型光ガイド層）
本発明において、活性層を挟むガイド層をクラッド層より内側に設けて、光導波路を形成することで、窒化物半導体において優れた導波路を形成することができる。この時、導波路（活性層とそれを挟み込む両ガイド層）の膜厚としては、具体的には６０００Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑制し、好ましくは４５００Å以下とすることで、低く抑えられた発振閾値電流で、基本モード、長寿命での連続発振が可能となる。また、両ガイド層として具体的には、ほぼ同じ膜厚で、具体的には１００Å以上１μｍ以下の範囲であり、好ましくは５００Å以上２０００Å以下で形成するで良好な光導波路を設けることができる。更に、ガイド層としては、窒化物半導体からなり、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有していればよく、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。ｐ側光ガイド層として具体的には、発振波長が３７０〜４７０ｎｍではアンドープのＧａＮを用い、比較的長波長な領域（４５０μｍ以上）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることである。ｎ型ガイド層として具体的には、ｐ型ガイド層も同様に、活性層のエネルギーバンドギャップを考慮して、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用い、アンドープのＧａＮ、活性層に近づくに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に積層した多層膜で設けると好ましい導波路となる。また、ｎ型光ガイド層についても、同様な層を用いることができる。
【００７４】
（ｎ型クラッド層）
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、ｎ型クラッド層に用いる窒化物半導体としては、ｐ型クラッド層と同様に、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。また、このｎ型クラッド層は、キャリアの閉込め層、及び光閉込め層として作用し、多層膜構造とする場合には、前述のように、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させると良い。さらに、この層は、ｎ型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも１つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層はｎ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、膜厚としては、ｐ型クラッド層と同様に、特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込めとして機能する。
【００７５】
［第２の保護膜］
本発明のレーザ素子において、リッジストライプ側面、及びそれに連続する第２の窒化物半導体層表面に第２の保護膜を設ける形態をとることができる。第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ2以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば埋め込み層としてＳｉＯ2よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。またＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮはＳｉ酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外のもの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。さらにまた、第１の保護膜１６１をＳｉ酸化物とすると、Ｓｉ酸化物に対して、フッ酸による選択性を有しているため、図１１に示すようにストライプ導波路の側面、そのストライプが形成されている平面（第２の窒化物半導体層）、及び第１の保護膜１０の表面に連続して形成すると、リフトオフ法により、図１１に示すように、第１の保護膜１６１のみを除去すると、、平面に対して膜厚が均一な第２の保護膜１６２を形成することができる。ここで、第１の保護膜１６１としては、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であればどのような材料でも良い。例えばＳｉ酸化物（ＳｉＯ2を含む）、フォトレジスト等が用いられ、好ましくは、先に述べた第２の保護膜１６２との溶解度差を設けるために、第２の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Ｓｉ酸化物を好ましく用いる。
【００７６】
［電極配置］
本発明において、第２の窒化物半導体層について別の効果としては、高いＡｌ混晶比の窒化物半導体からなるため、第３の窒化物半導体層除去後の第２の窒化物半導体層表面と、下層の第１の窒化物半導体層との間で、優れた絶縁性を設けることができ、様々な素子構造に利用することができる点がある。これは、Ａｌ混晶比の高い窒化物半導体、例えばＡｌＧａＮ、では、その自身の広いバンドギャップエネルギにより、第２の窒化物半導体層表面に金属薄膜などを設けても、ほとんどのものがオーミック接触しないことにある。このことにより、例えば実施例１、図５、に示すように、第２の窒化物半導体層の上に、電極１２０、若しくは取り出し電極１２２を、配置してボンディング面としても、第２の窒化物半導体層からリーク電流が発生することなく、開口部に電流を集中させることができる。図５では、第２の保護膜１６２が設けられ、リッジストライプ側面において良好な屈折率差、絶縁性を確保しているが、ストライプが設けられた表面、図では第２の窒化物半導体層１１１表面において、その絶縁性は必ずしも十分なものではない。特に、３０ｍＷの高出力、大電流下での駆動において、その傾向は顕著なものとなる。これは、第２の保護膜のように、リッジストライプの埋込層は、屈折率差を設けることが考慮されるため、必ずしも厚膜で形成することが良いものとはならない、すなわち屈折率差と絶縁性とが排他的な関係に陥る場合があり、この場合には、屈折率差を確保した後、絶縁性を必要とする領域（図では第２の窒化物半導体層の上方）に改めて、別の絶縁膜が必要となる。また、絶縁膜を厚く形成すると、膜質の低下を招くこともあり、これも絶縁性において、悪影響となる。
【００７７】
これに加えて、リッジストライプの最上面は、ボンディング面としては、微少な面積、小さいストライプ幅であるため、ボンディング面を別に用意しなければならないことも、この問題を悪化させている一因となっている。本発明では、第２の窒化物半導体層がＡｌを高い混晶比であることで、第２の窒化物半導体層表面もしくはその上方において、大きな面積で、絶縁性に優れたボンディング面を確保することができる。特に、大電流、高出力駆動時において、極めて有利なものとなる。
【００７８】
【実施例】
【００７９】
［実施例１］
図５に示すレーザ素子について説明する。
【００８０】
ここで、本実施例では、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここで、異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００８１】
（バッファ層１０２） ２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１０１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。
【００８２】
（下地層１０３） バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層（成長基板）として作用する。下地層として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。
【００８３】
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造となる各層を積層する。
【００８４】
（ｎ型コンタクト層１０４）
次に得られた窒化物半導体基板（下地層）１０４上にＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４．５μｍの膜厚で成長させる。（クラック防止層１０５） 次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００８５】
（ｎ型クラッド層１０６） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００８６】
（ｎ型光ガイド層１０７） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
（活性層１０８：第４の窒化物半導体層） 次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０８を成長させる。この時、Ｉｎを含む窒化物半導体として障壁層、井戸層の少なくとも１層、若しくはＩｎを含む層の全てが、第４の窒化物半導体層となる。
【００８７】
（ｐ型電子閉込層１０９） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０９を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、レーザ素子として特に設けられていなくても良いが、電子閉込めとして機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。
【００８８】
（第１のｐ型光ガイド層１１１：第１の窒化物半導体層） 温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第１のｐ型光ガイド層１１０を１０００Åの膜厚で、成長させる。この第２のｐ型光ガイド層１１０は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込層１１０からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。この時、本発明において第１のｐ型光ガイド層１１０は、第１の窒化物半導体層１となる。
【００８９】
（第２の窒化物半導体層１１１）
次に、第３の窒化物半導体層として、ＡｌＮを１００Åの膜厚で成長させる。
【００９０】
ＭＯＶＰＥ反応装置からウエハを取り出し、ＣＶＤ装置に移送し、図１に示すように、フォトリソグラフィー技術により、所望の形状のＳｉＯ2よりなるマスク１０を設ける（図１−ａ）。続いて、ウエハをＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置に移送し、ＳｉＣｌ4ガスにより、第１の窒化物半導体層（第１のｐ型光ガイド層１１１）表面が露出する深さでエッチングして、第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部１１を設ける（図１−ｂ）。この時、開口部１１は、幅１．８μｍでストライプ状に設ける。
【００９１】
（第２のｐ型光ガイド層１１２：第３の窒化物半導体層） 次に、ウエハをＭＯＶＰＥ反応装置に移送し、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２のｐ型光ガイド層１１２を５００Åの膜厚で、第２の窒化物半導体層１１１、及びその開口部の上に、成長させる。この第２のｐ型光ガイド層１１２は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込層１０９からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。またこの層は成長時にＭｇのガス源をフローして、意図的にＭｇをドープしても良い。この時、第２のｐ型光ガイド層１１２は、図１に示す第３の窒化物半導体層として、開口部１１における第１の窒化物半導体層（第１のｐ型光ガイド層１１０）表面、及び第２の窒化物半導体層１１１の表面から、第３の窒化物半導体層を成長させる。
【００９２】
（ｐ型クラッド層１１３） 続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１１３を成長させる。ｐ側クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１１２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１１３を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【００９３】
（ｐ型コンタクト層１１４） 最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１１２の上に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１１３を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１３は電極を形成する層であるので、１×１０17／cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０17／cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００９４】
以上、レーザ素子構造となる各層を積層した後、ｐ型コンタクト層１１３（図１のコンタクト層８）表面に、図１−ｄに示すように、ＳｉＯ2よりなる第１の保護膜１６１を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、第２の窒化物半導体層６を露出させ、図５に示すように、リッジストライプが形成される。この時、第３の窒化物半導体層（第２のｐ型光ガイド層１１２）のストライプ幅は、第２の窒化物半導体層表面において、約２μｍで、開口部のほぼ全面を覆って、一部が第２の窒化物半導体層表面を覆って形成される。
【００９５】
続いて、図１１に示すように、リッジ形成時のＳｉＯ2からなるストライプ状の第１の保護膜１６１上から、ストライプの側面、第２の窒化物半導体層１１１の表面を覆うように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第２の保護膜１６２を形成し、ＳｉＯ2よりなるマスクをリフトオフして、ｐ型コンタクト層表面を露出させる。図５に示すように、ストライプの側面及び、第２の窒化物半導体層１１１表面に、連続した第２の保護膜１６２が形成される。続いて、ｎ型コンタクト層１０４が露出する深さで、エッチングして、電極形成面を露出させる。
【００９６】
次に、その露出したｐ型コンタクト層１１４の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図５に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成する。既に露出させたｎ側コンタクト層１０４の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１を形成する。これらの電極は、リッジストライプの方向に平行なストライプとして形成される。
【００９７】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０８の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）で、両ガイド層も形成されている。
【００９８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、さらに基板が露出するまでエッチングして、共振器面を設ける。この時、共振器長は、６５０μｍである。共振器面を形成した後、この共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器面の形成方法として、エッチングにより基板を露出した後、ＧａＮの劈開面である（1 1- 0
0）Ｍ面で、ウエハをバー状に分割して、共振器面を作製しても良い。
【００９９】
室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、またＦ．Ｆ．Ｐにおいて、良好なビームが得られ、そのアスペクト比は、多くのチップが１．５と、光ディスクシステムの光源として、十分に満足するビーム特性である。また、５〜３０ｍＷでの光出力域において、横モードの移動がなく、光ディスクシステムの読込、書込光源となるレーザ素子である。加えて、リッジストライプが、第２の窒化物半導体層上に、確実設けられることで、従来に比べて、素子のばらつき、特に横モードの制御性に関してキンクの発生が少なく、またレーザ発振しないウエハ当たりのチップ数も大幅に減少し、歩留まりが向上し、特に３０ｍＷ出力での歩留まりにおいては飛躍的な向上を示す。
【０１００】
［実施例２］
第２の窒化物半導体層をＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎとするほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１と同様に、横モードの制御性、Ｆ．Ｆ．Ｐ．などのビーム特性に優れたものとなるが、実施例１に比べて、素子特性のばらつきが多くなる傾向にある。これは、リッジストライプ形成時のエッチングにおいて、実施例１に比べて、その精度が下がったためと考えられ、また、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が減少したことにより、電流狭窄層としての機能も低下傾向にあると考えられる。特に、大電流、例えば３０ｍＷ、での駆動において、素子ばらつきが多くなる傾向にある。
【０１０１】
更に、第２の窒化物半導体層をＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎとすると、上述の素子ばらつきの傾向が、大きくなる。
【０１０２】
［実施例３］
第１のｐ型光ガイド層１１０を１５００Åの膜厚で形成し、第２のｐ型光ガイド層を設けずに、ｐ型クラッド層を第３の窒化物半導体層とすることを除いて、実施例１と同様にして、第２の窒化物半導体層の上に、リッジストライプが設けられたレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、閾値電流、駆動電流が上昇する傾向にあり、また横モードの制御性も、僅かながら劣る傾向が観られる。
【０１０３】
更に、第２の窒化物半導体層をＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎとすると、実施例２で観られるような、素子ばらつき、横モードの制御性に関して、実施例２よりもその傾向が強くなる。
【０１０４】
［実施例４］
ｐ型電子閉込め層１０９を第１の窒化物半導体層とし、第１のｐ型光ガイド層１１０を形成せずに、第２のｐ型光ガイド層１１２の膜厚を１５００Åとする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、第１の窒化物半導体層が、ｐ型電子閉込め層で１００Åの膜厚と、比較的薄膜であることが影響し、第２の窒化物半導体層１１１に開口部を設ける際に、活性層（第４の窒化物半導体層）が損傷を受けるものがあり、実施例１に比べて、素子寿命において、特性のばらつきが発生する傾向にある。しかし、３０ｍＷ出力で素子寿命が１０００時間を超える良品率は、比較例１に比べて、十分な大きな割合で得られる傾向にある。
【０１０５】
［実施例５］
実施例１において、開口部を設けた後、８５０℃で、ＳｉＣｌ4ガスを用いて、エッチングして、図に示すように、第１のｐ型光ガイド層を約１００Åの深さで、凹部を設け、その第１のｐ型光ガイド層の凹部及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体層として第２のｐ型光ガイド層を８２０℃で成長させるほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて閾値電流が低下する傾向が観られ、そのほかのレーザ素子特性については、実施例１と同様に優れたものとなる。
【０１０６】
［実施例６］
第２の窒化物半導体層を５００Åの膜厚で形成するほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。この時、第２の窒化部宇半導体層表面及び、その上に成長した第３の窒化物半導体層（ｐ型光ガイド層）に異常成長が僅かながら観られ、クラックの発生が観られたチップも出てくるようになる。しかし、本発明では、第２の窒化物半導体層表面に成長した第３の窒化物半導体層は、そのほとんどが、エッチングにより除去されるため、このような異常成長においても、レーザ素子の特性に悪影響を与えるものではない。また、第２の窒化物半導体層表面に僅かに残された第３の窒化物半導体層も、開口部近傍であるため、開口部から成長してきたものが、支配的な領域であり、第２の窒化物半導体層の異常成長による影響を受けるものとはならない。また、リッジストライプ形成後に残されたｐ型光ガイド層は、第２の窒化物半導体層の膜厚が５００Åであり、第１の光ガイド層の膜厚も５００Åであるため、第１の光ガイド層表面は、第２の窒化物半導体層表面よりも僅かに、上方に位置するものとなる。
【０１０７】
更に、第２の窒化物半導体層を、１０００Åの膜厚で形成すると、上述の異常成長が、ウエハ面内の多くの部分で観察されるようになり、また、第２の窒化物半導体層に深刻なクラックが発生するものも観られ、レーザ素子の形成においてこのような素子がほとんどとなる。
【０１０８】
［比較例１］
第２のｐ型光ガイド層、第２の窒化物半導体層を設けずに、下地層、ｎ型コンタクト層〜ｐ型コンタクト層まで積層したのち、ｐ型コンタクト層側からエッチングするほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。このとき、リッジストライプは、ｐ型光ガイド層とｐ型クラッド層とのほぼ界面までエッチングし、また第１のｐ型光ガイド層は、１５００Åの膜厚で形成する。得られるレーザ素子は、実施例１に比して、素子のばらつきが多く、レーザ発振しないもの、横モードの制御性に劣るもの、素子寿命に劣るものがウエハに占める割合が多くなり、またそれらの特性が良好なチップは僅かであり、良品のチップにおいても、素子ばらつきの大きいものとなる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子では、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層を有することで、様々な素子において、その素子特性の向上、量産性の向上、を実現することができる。また、これらの窒化物半導体層は、その組成が比較的様々な構成で設けることが可能となり、またそれを設けることによる結晶性の悪化を効果的に回避できることから、素子構造において様々な位置に設けることが可能となり、特に第２の窒化物半導体層のように、エッチングストッパ層として機能する層を任意の位置に配することができる。従って、上述した各窒化物半導体層に拘束されない比較的自由度の高い素子設計が可能となる。
【０１１０】
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子では、従来問題となっていたリッジストライプの形状精度を完全に解決し、なおかつ、前記各窒化物半導体層を有することにより素子特性の向上も図ることが可能となる。加えて、５〜３０ｍＷの高く、広い出力域において、従来は、リッジストライプにより作りつけた屈折率差による導波路の問題から量産性に乏しい素子構造、すなわち素子ばらつきの多いレーザ素子であったが、本発明では素子ばらつきをなくし、量産性に優れ、なおかつ、さらなる素子特性の向上、素子設計自由度の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図２】従来のレーザ素子に係るリッジストライプの形成を説明する断面図。
【図３】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図４】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図５】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図６】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図７】本発明の１実施形態について横モードの制御性とエッチング深さとの関係を示す図。
【図８】本発明の１実施形態について駆動電流とエッチング深さとの関係を示す図。
【図９】本発明の１実施形態について素子寿命とエッチング深さとの関係を示す図。
【図１０】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図１１】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【符号の簡単な説明】
１・・・第１の窒化物半導体層
２・・・第２の窒化物半導体層
３・・・第３の窒化物半導体層
４・・・第４の窒化物半導体層
１０・・・マスク（第１の保護膜１６１）
１１・・・下部コンタクト層
１２・・・下部クラッド層
１３・・・下部光ガイド層
１４・・・活性層
１５・・・上部光ガイド層
１６・・・第２の窒化物半導体層
１７・・・上部クラッド層
１８・・・上部コンタクト層
１９・・・開口部
２０・・・中間層
１０１・・・異種基板
１０２・・・バッファ層
１０３・・・下地層
１０４・・・ｎ型コンタクト層
１０５・・・クラック防止層
１０６・・・ｎ型クラッド層
１０７・・・ｎ型光ガイド層
１０８・・・活性層
１０９・・・ｐ側キャップ層
１１０・・・第１のｐ型光ガイド層
１１１・・・第２の窒化物半導体層
１１２・・・第２のｐ型光ガイド層
１１３・・・ｐ型クラッド層
１１４・・・ｐ型コンタクト層
１２１・・・ｎオーミック電極
１２３・・・ｎパッド電極
１２０・・・ｐオーミック電極
１２２・・・ｐパッド電極
１６２・・・第２の保護膜
１６４・・・絶縁膜
【産業上の利用分野】
本発明は、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体（ＩｎｂＡｌｃＧａ１−ｂ−ｃＮ、０≦ｂ、０≦ｄ、ｂ＋ｄ＜１）を用いた素子に係り、特にレーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、窒化物半導体を用いた半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の光ディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。このため、窒化物半導体を用いたレーザ素子は、研究が盛んになされている。また、窒化物半導体を用いたレーザ素子は、紫外域から赤色に至るまで、幅広く可視光域での発振が可能と考えられ、その応用範囲は、上記光ディスクシステムの光源にとどまらず、レーザプリンタ、光ネットワークなどの光源など、多岐にわたるものと期待されている。
【０００３】
特に、レーザ素子構造に関しては、様々な研究がなされ、横モードの好適な制御を可能にする構造についても、種々の提案が成されている。その中でも、特に有望視されている構造として、リッジ導波路構造があり、世界に先駆けて出荷を開始した窒化物半導体レーザ素子でも、採用されている。
【特許文献１】
特開平１０−２６１６１４号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６４９２６号公報
【特許文献３】
特開平１０−３２１９６２号公報
【特許文献４】
特開平１０−３３５７０１号公報
【特許文献５】
特開平９−２９８３４３号公報
【特許文献６】
特開平１０−０９３１９９号公報
【特許文献７】
特開平１０−２９４５２１号公報
【特許文献８】
特開平１０−３０３５０２号公報
【特許文献９】
特開平１０−３３５７４９号公報
【特許文献１０】
特開平１０−０８４１６５号公報
【特許文献１１】
特開平１０−３０８５６１号公報
【特許文献１２】
特開平１１−１０３１３３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体レーザ素子において、上述した分野への応用の実現に向けての次なる課題としては、大量生産で安定した品質の素子を提供が必須項目となる。
【０００５】
しかしながら、現在知られているレーザ素子構造では、リッジ導波路の形成がその足かせとなっている。なぜなら、通常、リッジ導波路の形成には、素子構造となる窒化物半導体を成長させた後、上層からエッチングにより、その窒化物半導体の一部を除去して、導波路となる凸部を形成することになるが、この時のエッチング精度が、得られるレーザ素子の素子特性に大きく影響を及ぼすことにある。これは、リッジ導波路を形成する凸部の形状、特にその高さ及び幅でもって、横モードの制御性、得られるレーザ光のＦ．Ｆ．Ｐ．（ファー・フィールド・パターン）が決定されることにあり、エッチングによるリッジ導波路の形成では、その深さの制御性が、直接的に素子特性のばらつきを生み出す大きな要因となるからである。
【０００６】
従来、窒化物半導体のエッチングとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングを用いることが知られているが、これらのエッチング方法では、素子特性のばらつきを根本的に解決できるほどの精度で、エッチング深さを制御することが困難であった。
【０００７】
さらにまた、近年の素子設計において、超格子構造など、数原子層単位で制御された層が、素子構造中に多数設けられ、構成されていることも、上記エッチング精度による素子特性ばらつきの原因となっている。すなわち、素子構造の各層の形成において、それぞれの膜厚は、極めて高い精度で形成されており、それよりも大きく制御性に劣るエッチング深さでもって、素子を形成することでは、高度に設計された素子構造を損なうこととなり、素子特性向上のネックとなる。
【０００８】
例えば、窒化物半導体を用いた素子において、活性層の上に、リッジ導波路を設ける屈折率導波型の構造では、高出力タイプの窒化物半導体レーザ素子を実現するために、エッチングの深さ方向に対する精度としては、リッジ直下の活性層部とその他の活性層部との実効屈折率差を１００分の１の精度で制御する必要がある。このことから、それには活性層直上の層において、例えばそれをｐ型クラッド層とるすと、ｐ型クラッド層がほんの一部だけ残るまで、０．０１μｍ以下の精度で深さ制御されたエッチングでもって、リッジを形成しなければならない。また、リッジ導波路の幅に関しては、それよりも低い精度ではあるが、０．１μｍの精度でエッチングを制御することが必要である。
【０００９】
以上説明したリッジストライプの形成は、例えば、図２に示すように、下部コンタクト層〜上部コンタクト層まで積層した後、その表面にストライプ状のマスク１０を設け（図２−ａ）、図２−ｂに示すように、図中の矢印（白抜き）に示す方向でエッチングして、高さＳｈ、幅Ｓｗのリッジストライプを形成して、ストライプ状の導波路を形成するものである。この時、ストライプ形状の精度は、図２−ｃ、２−ｄに示すように、ストライプの高さ（エッチング深さ）のズレｄＳｈ、ストライプ幅のズレｄＳｗが発生し、このことが、上述したようにレーザ素子の特性に大きく影響を及ぼし、またこれらストライプ形状の精度に劣ることは、素子特性のばらつきを生み出す原因となる。ここで、図２−ｃ、２−ｄは、図２−ｂにおける円で囲まれた領域を拡大して、説明しているものである。特に、エッチング深さにおける制御性（ｄＳｈ）において、活性層に達しない深さで、リッジストライプを設ける場合には、深刻な問題に発展する。これは、上述したように、エッチング深さの精度により、横モードの制御性が決定されることとなるため、この形成においてズレが大きいと、上述したように、所望の特性を有する素子に対する歩留まりが大幅に低下する。
【００１０】
従来の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、特に高出力での発振を実現するためには、大電流注入時における素子信頼性、及びより高い横モード制御性が必要となる。これは、大電流が注入されると、上述したリッジストライプ及び導波路において、電流密度が飛躍的に大きなものとなり、活性層などの導波層の面内に設けられた屈折率差が低減し、すなわち横方向の屈折率差が小さくなり、このことにより、空間的ホールバーニングが発生する。このため、導波路内の横モードが移動しやすくなり、電流―光出力特性において、キンクの発生を招くことになる。従って、高出力発振時においても十分な横モード制御性、また良好な導波路を形成するためには、上述したエッチング深さの精度が極めて重要なものとなる。
【００１１】
このようなことから、活性層などの導波層内に、実効的な屈折率差を設け、なおかつ、高出力発振時においても、良好な横モード制御性を確保することを考慮すると、活性層に達する直前の深さでリッジストライプを設けることが考えられるが、それでは、上述したストライプ形状精度の問題から得られるレーザ素子のほとんどが不良品となり、十分な特性で、且つ量産性に優れたレーザ素子とはならなかった。
【００１２】
また、窒化物半導体のエッチング方法として、ＲＩＥを用いると、エッチング露出面、及び露出された層が、損傷を受ける傾向にあり、素子特性、素子信頼性の低下を招くものとなる。エッチング方法には、ドライエッチングの他に、ウェットエッチングを用いる方法があるが、窒化物半導体を有効に制御できるウェットエッチング液は、未だ開発されていない。
【００１３】
また、ストライプ状の導波路をエッチングにより形成する方法として、Ａｌを含む窒化物半導体、Ｉｎを含む窒化物半導体、により、エッチングストッパ層を素子構造内に形成する試みもなされているが、結晶性を悪化させるため現実的ではない。これは、Ａｌを含む窒化物半導体として、具体的にはＡｌＮ、ＡｌＧａＮ（特にＡｌ混晶比０．５以上）、などが用いられるが、これらのＡｌを含む窒化物半導体は、気相成長では、結晶性良く成長させることが困難で、超格子多層膜構造を用いずに、単一の膜で厚膜に成長させると、クラックの発生、若しくは膜の割れをまねくこととなる。結果として素子構造中にそのような層を介在させることは困難であった。また、Ｉｎを含む窒化物半導体層をエッチングストッパ層、若しくは再成長層表面などとして、エッチング時に、大気にさらす若しくは、エッチングを受けると、それによる損傷が激しく、またＩｎそのものの蒸発・融解などが発生し、エッチング面もしくはその近傍にＩｎを含む窒化物半導体を設ける方法では、結晶性の悪化、素子劣化を回避することができなかった。
【００１４】
以上のように、窒化物半導体レーザ素子の高機能化、及び大量生産の実現には、エッチング工程におけるリッジ導波路形成時の精度が大きく影響するものであり、精度に優れたリッジ導波路の形成は、極めて重要な課題となっている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記事情に鑑み、量産性に優れた窒化物半導体素子、位置・形状の制御に優れたリッジ導波路を形成できるレーザ素子、及びその製造方法をを発明するに至ったものである。
【００１６】
すなわち本発明は、下記（I）〜（VI）の構成により本発明の目的を達成することができる。
（I）第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、前記積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、前記開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、前記第２の窒化物半導体層表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して前記第２の窒化物半導体層の一部を露出させ、前記開口部を覆う第３の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備し、前記エッチング工程が、第３の窒化物半導体層が第２の窒化物半導体層よりエッチング速度の大きなエッチングである窒化物半導体素子の製造方法。
（II）第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、前記開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、前記第２の窒化物半導体層を表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して前記第２の窒化物半導体層の一部を露出させ、前記開口部を覆う第２の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備し、前記第３の窒化物半導体層を成長させる工程において、前記第３の窒化物半導体層が、前記第１の窒化物半導体層から成長した領域と、第２の窒化物半導体層から成長した領域と、を有し、前記エッチング工程において、第３の窒化物半導体層が第２の窒化物半導体層よりエッチング速度の大きなエッチングであり、第２の窒化物半導体層から成長した領域が除去される窒化物半導体素子の製造方法。
（III）前記窒化物半導体素子が、ストライプ状の導波路領域を有し、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層と、その上に、ガイド層、クラッド層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記ガイド層が前記第１，２の窒化物半導体層を有し、前記エッチング工程によりリッジストライプが設けられる上記（I）又は（II）に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（IV）前記積層工程において、Ｉｎを含む第４の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成すると共に、第１の窒化物半導体層が実質的にＩｎを含まないことを特徴とする上記（I）乃至（III）のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（V）前記開口部を設ける工程の後、第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度で、ガスエッチングすることにより、前記開口部底面の一部を除去して前記第１の窒化物半導体層に凹部を形成して、該凹部表面及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体を成長させることを特徴とする上記（I）乃至（IV）のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（VI）前記第３の窒化物半導体層の成長工程において、第３の窒化物半導体層が、前記開口部から成長して前記開口部より幅広に成長した領域と、前記第２の窒化物半導体層から成長した領域を有する上記（I）乃至（V）のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
また、下記（１）〜（１２）の構成がある。
【００１７】
（１）第１の窒化物半導体層と、開口部を有し、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層と、該第２の窒化物半導体層を介して第３の窒化物半導体層と、が積層された積層体を少なくとも有すると共に、前記第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が、第３の窒化物半導体層よりも大きく、前記第２の窒化物半導体層表面の一部に第３の窒化物半導体層が接して設けられていること、を特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、第３の窒化物半導体の一部を、第２の窒化物半導体層表面、若しくはそれを介し、開口部を通して第１の窒化物半導体層上に設けることができる。このため、第１の窒化物半導体層上の一部に、第３の窒化物半導体を設けるような構造を有する素子において、第２の窒化物半導体層が介在することで第３の窒化物半導体層の一部を除去する際に、膜厚方向における高い精度での位置決めが成される。また、開口部を通して、第１の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層が接合されることで、開口部を選択的な電流注入領域とすることができ、電流狭窄層として機能させることができる。これは、Ａｌを含む窒化物半導体のＡｌ混晶比が大きくなると、半導体層のバルク抵抗が大きくなるばかりでなく、Ａｌ混晶比の低い窒化物半導体層との間のエネルギ障壁が大きくなるためである。
【００１８】
（２）前記第３の窒化物半導体層の一部が、エッチングにより除去されて、前記開口部のほぼ全面を覆うように第３の窒化物半導体層が設けられていることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、開口部が露出することなく、第３の窒化物半導体層の一部が除去されるため、上述の位置決め精度に優れた部分的な第３の窒化物半導体層を形成することができ、加えて、開口部の下方に位置する窒化物半導体に、第３の窒化物半導体層除去時のエッチングなどによる損傷を防ぐことができる。また、第１の窒化物半導体層の上には、第２の窒化物半導体層とその開口部を覆う第３の窒化物半導体層とが設けられているため、半導体加工時、エッチング工程などにおいて、第４の窒化物半導体層が大気にさらされることがないため、それによる損傷を防ぐことができる。ここで、大気にさらされるとは、エッチング装置とＭＯＶＰＥなどの反応装置との間でのウエハなどの移送において空気にさらされること、反応装置内において、活性な雰囲気、活性なフローガス、ソースガス等にさらされること、すなわち窒化物半導体層の成長時における汚染・損傷を指すものである。特に、窒化物半導体の成長時において、その反応装置（反応容器）内で、各種活性なガス、雰囲気にさらされることによる損傷が大きい。
【００１９】
（３）前記第２の窒化物半導体層が、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される組成であり、膜厚が１０Å以上５００Å以下の範囲であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、膜厚が１０Å以上であることで、開口部を容易に形成することができ、５００Å以下であることにより、第２の窒化物半導体層の異常成長、またその表面に成長する第３の窒化物半導体層の異常成長を、回避することができる。この時、第２の窒化物半導体層の下層を、第３の窒化物半導体層除去時に、大気にさらされるのを防ぐには、第３の窒化物半導体層を緻密な膜とする必要があり、２００Å以上であることが好ましい。これに加えて、第２の窒化物半導体層により、それより下にある層（例えば、第１の窒化物半導体層）と、第２の窒化物半導体層表面との間で、リーク電流のない、十分な絶縁をとるには、２００Å以上とすると良い。これは、第２の窒化物半導体層上に、ボンディング用の電極を設ける場合に効果的に作用し、すなわち、Ａｌを含む窒化物半導体と良好なオーミック接触する金属がほとんどないため、その接合位置でショットキー障壁を発生させ、絶縁性に優れた電極配置を可能ならしめる構造を適用でき、素子設計の自由度が向上する。このとき、第２の窒化物半導体層の上に、絶縁膜などを介して、電極を設けても良い。
【００２０】
（４）前記第２の窒化物半導体層がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）で表される組成であり、前記第３の窒化物半導体層がＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ＜１）で表される組成であり、Ａｌ混晶比の差（ｘ―ｙ）が、０．５以上であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、Ｉｎを含まないで、ＡｌＧａＮからなる第３の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層であることで、第３の窒化物半導体層の一部を除去する際における、エッチングによる損傷、大気にさらされることによる損傷に対して、耐性を有する層でもって、成されるため、第２の窒化物半導体層、及びその開口部を覆う第３の窒化物半導体層により、それよりも下に位置する層（第１の窒化物半導体層）を、様々組成でもって、形成することができる。これは、すなわち、第１、第２、第３の窒化物半導体層で構成される積層体が、様々な素子構造（層構成）を有する窒化物半導体素子において、多様な位置に配置することができ、多くの素子に用いることができる。また、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との混晶比の差が、０．５以上であることで、エッチングで第３の窒化物半導体層を除去するときに、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間で、十分なエッチング速度差が生じ、高い精度でのエッチング制御が可能となる。また、混晶比差０．５以上であることで、第２の窒化物半導体層と、第３の窒化物半導体層との接合部で、十分に大きなバンドギャップエネルギー差を設けることができ、第２の窒化物半導体表面の一部及び開口部を覆う第３の窒化物半導体層で、第２の窒化物半導体層が電流狭窄層として機能し、開口部を電流注入領域とすることができる。
【００２１】
（５）前記第１の窒化物半導体が、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、Ｉｎを含む窒化物半導体がエッチングによる損傷、表面が大気にさらされることによる損傷が、Ｉｎを含まない窒化物半導体に比べて極めて大きいことから、第２の窒化物半導体層の下にある第１の窒化物半導体層がＩｎを有していないことで、開口部形成時の損傷を最小限に抑えることができる。また、この第１の窒化物半導体層の上に、開口部を設ける第２の窒化物半導体層、その一部を除去する第３の窒化物半導体層が設けられていても、第１の窒化物半導体層よりも下に位置する層を、上述した損傷から防ぐことができ、キャップ層としての役割を有するものとなる。具体的には、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）を好ましく用いることができる。
【００２２】
（６）前記開口部に露出された表面が、前記第１の窒化物半導体層表面であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、開口部から成長させる第３の窒化物半導体層の結晶性を制御できる。
【００２３】
（７）前記第１の窒化物半導体層が、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層の上に設けられていることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、Ｉｎを含む窒化物半導体であっても、その上に第１の窒化物半導体層を有することで、これが開口部形成時、第３の窒化物半導体層の再成長時、第３の窒化物半導体層の除去時において、Ｉｎが分解・蒸発すること等による損傷を回避できる。このことにより、Ｉｎを含む窒化物半導体を第４の窒化物半導体層として素子構造内に様々な位置に設けることができ、多様な素子への応用が可能である。例えば、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する発光素子、レーザ素子に用いることができる。
【００２４】
（８）前記第２の窒化物半導体層（ＡｌxＧａ1-xＮ）が、ＡｌＮ（ｘ＝０）であることを特徴とする窒化物半導体素子である。この構成により、上述したＡｌ混晶比と、エッチング精度との関係において、最大限の効果をそうすることができるものとなる。これに加えて、第２の窒化物半導体層表面に設けられた第３の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層下に設けられた第１の窒化物半導体層、として用いることができる窒化物半導体の組成が多様なものとなり、様々な素子構造に応用可能なものとなる。これは、第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層若しくは第３の窒化物半導体層との間で、比較的大きなバンドギャップエネルギー差を設けることができるため、上述した電流狭窄層として機能させる場合、その効果が最大限のものとして得られ、また、絶縁性を確保する層とする場合においても、ＡｌＮであることでオーミックコンタクトが最も困難な窒化物半導体となるため、良好な絶縁性を素子構造内に設けることが可能となる。具体的には、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層に用いられる窒化物半導体としては、ＩｎαＡｌβＧａ1- α - βＮ（０≦α≦１、０≦β≦１、０≦α＋β≦１）で表される様々の組成の窒化物半導体を用いることができる。
【００２５】
（９）ストライプ状の導波路領域を有し、窒化物半導体を有する活性層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、前記積層体が、活性層の上に設けられていると共に、前記開口部が前記導波路領域にほぼ平行なストライプ形状であり、前記第２の窒化物半導体層が、前記開口部のストライプ幅よりも広い幅のストライプ形状であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子である。この構成により、導波路領域のストライプ方向と、開口部のストライプ方向がほぼ平行であることで、導波路内に選択的に電流を注入できるレーザ素子構造となる。また、一部が除去された第３の窒化物半導体層により、活性層内に実効的な屈折率差が設けられたリッジ構造のレーザ素子では、前記導波路領域が前記屈折率差により設けられることから、リッジストライプの形状、位置などにより、得られるレーザ素子の横モード制御性、閾値電流、素子寿命などが大きく影響されるが、本発明では、第２の窒化物半導体層の上にリッジストライプが設けられたことで、このような問題が解決される。これは、膜厚方向におけるリッジストライプの位置、すなわちリッジ形成時のエッチング深さ、により、上記素子特性が敏感に影響することから、従来のものは素子特性にばらつきの多いものとなっていたが、開口部有する第２の窒化物半導体層が介在して、第３の窒化物半導体層を含むリッジストライプが設けられることから、第２の窒化物半導体層の膜厚方向における位置でもって、リッジストライプの位置が決定されるものとなり、従来のような素子特性のばらつきの発生がなく、量産性に優れるレーザ素子となる。
【００２６】
（１０）前記開口部の幅が、１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子である。この構成により、横モードの制御性に優れ、５〜３０ｍＷの出力域において、単一基本モードでの発振が可能となる。また、この時、開口部を覆う第３の窒化物半導体層の幅を上記範囲内にしたリッジストライプを設けることでも、同様に、横モードの制御性に優れるレーザ素子が得られる。
【００２７】
（１１）前記活性層が、前記第４の窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子である。この構成により、第１の窒化物半導体層が上に設けられることで、上述したキャップ層の働きを成し、エッチング、露出されることによる損傷から守られ、優れた活性層の形成が可能となる。
【００２８】
また、窒化物半導体素子の製造方法は、以下の（１２）〜（１４）の方法がある。
【００２９】
（１２）第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、第２の窒化物半導体層表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して、前記開口部を覆う第２の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。この方法により、第２の窒化物半導体層が、エッチングストップ層として機能し、さらには再成長のための表面として、第２の窒化物半導体層表面、及びその開口部を提供することができ、結晶性に優れ、量産性、エッチング精度に優れる製造が可能となる。このことは、第２の窒化物半導体層表面でエピタキシャル成長されることで、開口部からの成長と合わさって互いにその成長が促進されることで、比較的平坦な膜（第３の窒化物半導体層）が形成される。また、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が大きくなると、その表面の成長層の結晶性悪くなる傾向にあるが、第２の窒化物半導体層表面の第３の窒化物半導体層の一部は除去されて、開口部から成長させた第３の窒化物半導体層が残されるため、このような結晶性の悪化に対して柔軟に対応できる素子構造となる。このため、開口部底面となる窒化物半導体層（第１の窒化物半導体層）のＡｌの混晶比を、第２の窒化物半導体層よりも小さくすることで、開口部上部に成長する第３の窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。この時、好ましくは、第１の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とを同じ組成の窒化物半導体とすることで、良好な結晶成長がなされ、特に、ＧａＮとすることで、十分な結晶性を確保することができる。
【００３０】
（１３）前記エッチングが、第３の窒化物半導体層より第２の窒化物半導体層のエッチング速度の大きなエッチングであることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法．この方法により、エッチング速度が異なることにより、第２の窒化物半導体層をエッチングストップとして機能する。この時、Ａｌの混晶比により、エッチング速度の異なるエッチング方法としては、一般的に窒化物半導体のエッチングガスとして知られているものを用いることができ、ハロゲン系のガス、具体的にはＣｌ2、ＳｉＣｌ4を好ましく用いることができる。
【００３１】
（１４）前記積層工程において、Ｉｎを含む第４の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成すると共に、第１の窒化物半導体層がＩｎを含まないことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。この方法により、第１の窒化物半導体層が、第４の窒化物半導体層のキャップ層として機能し、第２の窒化物半導体層に開口部を形成するとき、第３の窒化物半導体層を再成長し、その一部を除去するときに、第４の窒化物半導体層中のＩｎが分解・蒸発などが起こらず、良好な結晶性を維持することができる。
【００３２】
（１５）前記開口部を設ける工程の後、第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度で、ガスエッチングすることにより、前記開口部底面の一部を除去して前記第１の窒化物半導体層に凹部を形成して、該凹部表面及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体を成長させることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。この方法により、第２の窒化物半導体層の開口部を形成するときに、損傷を受けた開口部底面を除去して、新たら再成長面として、第１の窒化物半導体層表面から、第３の窒化物半導体層を成長させることができるため、良好な結晶性の窒化物半導体が得られる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体素子は、図１に示すように、第１の窒化物半導体層５、第２の窒化物半導体層６を積層して、第２の窒化物半導体層６に開口部１１を設けて、その開口部１１、第２の窒化物半導体層の上から、第３の窒化物半導体層７を成長させ、第２の窒化物半導体層６表面にある第３の窒化物半導体層の一部を除去するものである。このようにして得られる第１の窒化物半導体層、その上に開口部１１を有する第２の窒化物半導体層６、その開口部１１を覆うように、また第２の窒化物半導体層の一部を覆う第３の窒化物半導体層が設けられた構造を有する窒化物半導体素子である。
【００３４】
この時、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層、第４の窒化物半導体層として、具体的には、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される窒化物半導体を用いることができる。また、これら各層には、ｎ型不純物、ｐ型不純物を添加して、所望の導電型の窒化物半導体層とできる。この時、窒化物半導体に用いられるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等が挙げられ、好ましくはＳｉ、Ｓｎである。また、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｃａなどが挙げられ、好ましくはＭｇが用いられる。
【００３５】
［第１の窒化物半導体層］
本発明において、第１の窒化物半導体層としては、第２の窒化物半導体層の下に設けられ、図１に示すように第２の窒化物半導体層に接して設けられていても良く、第２の窒化物半導体層との間に別の層を設けても良い。また、第２の窒化物半導体層の開口部に、第１の窒化物半導体層表面を露出させる場合には、第３の窒化物半導体層、若しくはその間に介在する層の成長面となるため、それを考慮した組成とすることが好ましい。具体的には、開口部に露出された第１の窒化物半導体層表面から、第３の窒化物半導体層を成長させる場合には、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とを同一の組成とすることで、第３の窒化物半導体層の良好な結晶成長が確保され好ましい。この時、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比は、第２の窒化物半導体層よりも小さくなる。ここで、第１の窒化物半導体層は、開口部形成時において、開口部底面が、第１の窒化物半導体層となるようにして、開口部からの成長を制御する層として、また開口部形成時においてそれより下の層と開口部を分離する層として設けることが好ましい。これは、すなわち開口部が第１の窒化物半導体層に達する深さで設けられることをさし、例えば第１の窒化物半導体層の成長層表面、若しくはそれよりも深く、第１の窒化物半導体層が残る深さでその一部を除去して、開口部として、図２に示すように、第１の窒化物半導体層に凹部を設ける形態となる。
【００３６】
また、第１の窒化物半導体層の組成としては、特に限定されるものではなく、様々な組成が適用できる。具体的には、上述した組成式で表される窒化物半導体であり、その中でも、第２の窒化物半導体層よりＡｌ混晶比の低いＡｌＧａＮ、若しくはＡｌを有さないＧａＮが好ましく用いられる。なぜなら、開口部から成長する窒化物半導体層は、開口部底面として第１の窒化物半導体層の表面となり、第１の窒化物半導体層によりそこから成長する層の結晶性が決定するため、異常成長の少ないＡｌ混晶比の低い層、具体的には第２の窒化物半導体層よりＡｌ混晶比の低いＡｌＧａＮ、さらにはＡｌを有していない窒化物半導体としてＧａＮを設けることが好ましい。
【００３７】
第１の窒化物半導体層を、第２の窒化物半導体層の開口部形成時の損傷から、それよりも下に位置する層（例えば第４の窒化物半導体層）を、回避させるキャップ層として機能させるには、Ｉｎを含んでいない窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を設けると良い。これは、Ｉｎを含む窒化物半導体は、エッチングによる損傷が、他の組成の窒化物半導体に比べて極めて大きいことにある。なぜなら、図９にも示すように、Ｉｎを含む窒化物半導体は、エッチングによる損傷、エッチングで表面がさらされた状態で、その後に続く成長工程、絶縁膜形成工程における熱処理、等により、結晶中のＩｎが簡単に蒸発・融解して、その結晶が破壊されるためである。このため、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層を設けることで、その層よりも下に、Ｉｎを含む窒化物半導体、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮなど、を設けることが可能となり、開口部形成時、若しくは第３の窒化物半導体層除去時における損傷から守ることが可能となる。この時、第１の窒化物半導体層としては、ＡｌaＧａ1-aＮ（０≦ａ≦１）で表される組成の窒化物半導体を好ましく用いることができ、更に好ましくは、ＧａＮを用いることで、エッチングによる損傷、大気にさらされた状態に強いキャップ層として機能する。
【００３８】
更に、第１の窒化物半導体層には、上述したｎ型不純物、ｐ型不純物を添加して、所望の導電型の窒化物半導体層としてよいことは、いうまでもない。
［第２の窒化物半導体層］
本発明において、第２の窒化物半導体層としては、第１の窒化物半導体層の上に設けられ、開口部を有するものである。具体的には、図１に示すように、第１の窒化物半導体層の上に第２の窒化物半導体層を積層した後、第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部とするものである。この時、開口部は、第２の窒化物半導体層の下に隣接する層に達する深さで設けられ、第３の窒化物半導体層を、第２の窒化物半導体層、及び開口部の第２の窒化物半導体層とは異なる層から成長させる。
【００３９】
また、第２の窒化物半導体層としては、少なくともＡｌを有する窒化物半導体であり、具体的にはＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）を用いる。この時、Ａｌの混晶比としては、第２の窒化物半導体層表面に成長させる第３の窒化物半導体層との関係により導き出されるものである。
【００４０】
本発明における第２の窒化物半導体層の膜厚としては、少なくとも、２０Å以上とすることであり、好ましくは５０Å以上５００Å以下の範囲、最も好ましくは１００Å以上３００Å以下の範囲である。なぜなら、２０Å未満であると、上述した電流狭窄、絶縁性を有する層、及びエッチングストッパ層として全く機能しないためである。また、５０Å以上とすることで、電流狭窄、絶縁性を有する層として機能し、またエッチングストッパ層としては、Ａｌの混晶比により、第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比差を０．５以上とすることで、エッチングストッパ層として機能する。また、１００Å以上の膜厚であると、十分な絶縁性を有し、エッチングストッパ層としても十分に機能し、加えて第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比差を０．５以上であることで、ほぼ完全に第２の窒化物半導体層でもってエッチング深さを制御することが可能となる。これら第３の窒化物半導体層の上限としては、Ａｌ高混晶の窒化物半導体を厚膜で成長できるのであれば特に限定されるものではないが、好ましくは５００Å以下とすることで、異常成長、及びそれによるクラックの発生を抑制して、第２の窒化物半導体層を設けることができる。更に、３００Å以下であると、比較的高いＡｌ混晶比であっても、例えば第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比差０．５以上であっても、異常成長を抑えて第２の窒化物半導体層を設けることが可能となる。
【００４１】
ここで、第２の窒化物半導体層は、多層膜構造であっても良いが、好ましくは単一膜として設けることで、上述した絶縁性に富み、電流狭窄層、エッチングストッパ層として良好に機能する層となる。多層膜としては、例えば、従来Ａｌを含む窒化物半導体として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮなどを繰り返し積層して、超格子多層膜として形成する方法でもって、Ａｌを有する窒化物半導体の膜厚を確保する方法があるが、このような方法により設けられた窒化物半導体層では、第２の窒化物半導体層として適さない場合がある。これは、高いＡｌ混晶比の窒化物半導体と、それより低いＡｌ混晶比の窒化物半導体、若しくはＡｌを有さない窒化物半導体と、を繰り返し積層してなる多層膜では、多層膜の膜厚において、各層が占める割合を考慮して、擬似的に多層膜を単一膜としてとらえた場合に、十分なＡｌ混晶比の窒化物半導体層とならないことがあるためである。また、詳しい理由は不明であるが、このような多層膜を超格子層のような薄膜で積層したものであることにより、エッチング容易な層（Ａｌ高混晶の層）とエッチング困難な層（Ａｌ低混晶の層）とが、隣接、若しくは近接して繰り返し配置された構造となるため、エッチング困難な層に優先してエッチング容易な層がエッチングされることとなり、結果として多層膜層のエッチングによる露出面は、凹凸を呈したものとなる。従って、凹凸を呈した面では、例えば後述するように、その層をリッジストライプ形成時の表面とすると、レーザ素子のばらつきが改善されず、第２の窒化物半導体層を設ける効果が薄れることとなる。
【００４２】
このため、第２の窒化物半導体層を多層膜構造で設ける場合には、多層膜を構成する層のそれぞれが、少なくとも第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比より大きい、好ましくはＡｌ混晶比差が０．５以上となるようにすることで、上述した絶縁性に富み、電流狭窄層、エッチングストッパ層として良好に機能する層となる。また、多層膜を構成する層が、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比より小さい場合、若しくは十分な混晶比差（例えば０．５以上）がない場合には、（層のＡｌ混晶比）×（多層膜の膜厚に占める割合）でそれぞれの層の総和をとって、多層膜を擬似的に単一幕としてとらえた場合のＡｌ混晶比を、少なくとも第３の窒化物半導体層よりも大きくし、好ましくは、Ａｌ混晶比の差を０．５以上とすることである。例えば、多層膜がＡｌ混晶比がα、膜厚ａのＡ層と、Ａｌ混晶比がβ、膜厚ｂのＢ層と、をそれぞれｎA、ｎB回繰り返し積層した多層膜（膜厚Ｄ）では、Ａｌ混晶比は、α×ａ×ｎA／Ｔ＋β×ｂ×ｎB／Ｔ、の式で平均組成として得られる。
【００４３】
［開口部］
第２の窒化物半導体層に開口部を設ける方法としては、窒化物半導体のエッチング方法として知られているウェットエッチング、ドライエッチングを用いることができ、第３の窒化物半導体層についても同様である。特に、ドライエッチングであると、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（ＲＩＢＥ）、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できる。
【００４４】
また、この開口部は、その底面が、少なくとも第１の窒化物半導体層表面よりも上に形成されるものであり、好ましくは上述したように、開口部底面が第１の窒化物半導体層の露出面となるようにして、開口部からの成長層の結晶性を制御する層として設けることである。このため、第１の窒化物半導体層の膜厚をある程度のものとすることで、開口部の形成が容易になる。これは、第１の窒化物半導体層を厚膜で設けることで、第２の窒化物半導体層の一部を第１の窒化物半導体層に達する深さで除去して、開口部を設けることが容易になるためである。この時、第１の窒化物半導体層の膜厚としては、少なくとも１００Å以上で設けると、開口部形成時に、第１の窒化物半導体層内で、深さ制御ができ、好ましくは３００Å以上で設けると再現性、量産性に富む制御が可能となる。
【００４５】
この開口部の形成は、第２の窒化物半導体層をそれよりも下の層に達する深さで、一部が除去されることにより設けられるため、第２の窒化物半導体層の膜厚を考慮する必要がある。具体的には、第２の窒化物半導体層が薄くなりすぎると、開口部形成時に第２の窒化物半導体層の一部を除去する際に、エッチング深さの制御が困難となるため、ある程度の膜厚として、１００Å以上の膜厚で設けることで、膜厚が薄いことによる除去の困難性を回避でき好ましい。
【００４６】
［第３の窒化物半導体層］
本発明における第３の窒化物半導体層は、開口部及び第２の窒化物半導体層表面から成長させ、第２の窒化物半導体層表面にある第２の窒化物半導体層の一部が除去される。この時、好ましくは、第２の窒化物半導体層表面にある第３の窒化物半導体層だけを除去して、開口部のほぼ全面を覆うように第２の窒化物半導体層を設けることである。こうすることで、図１０に示すように、第２の窒化物半導体層表面から成長したＡの領域のほとんどを除去することとなり、このことで、第２の窒化物半導体層として、Ａｌの混晶比の高い窒化物半導体を用いることができる。これは、従来、第２の窒化物半導体層のように、Ａｌ混晶比の高い窒化物半導体を成長させると、その上に成長する層には、異常成長や、クラックの発生が素子として、致命的な欠陥を有する積層構造となるが、本発明では、第２の窒化物半導体層表面から成長したＡの領域は、そのほとんどを除去することとなるため、素子構造において結晶性の良好なＢの領域を有効に利用できる素子構造となる。このため、第３の窒化物半導体層３は、開口部のほぼ全面と、第２の窒化物半導体層２表面の一部を覆うように設けることが好ましい。これは、開口部と第２の窒化物半導体層２との境目近傍（図１０に示す点線部と開口部との間）では、すなわち開口部よりも僅かに広い領域では、開口部からの成長が、第２の窒化物半導体層表面からの成長に比べて支配的なものとなるため、第２の窒化物半導体層２表面に僅かに覆う第３の窒化部半導体層を残しても、それほど結晶性に影響を及ぼすものとはならない。具体的には、開口部から０．３μｍ以下離れた領域において、その上に成長した窒化物半導体層の結晶性は、第２の窒化物半導体層よりも第１の窒化物半導体層の結晶性に多く依存したものとなり、０．１μｍ以下の範囲であればほぼ開口部から成長したものと変わらない結晶性の第３の窒化物半導体層となる。
【００４７】
また、第３の窒化物半導体層は、図１０に示すように、開口部から成長したＢの領域と、第３の窒化物半導体層表面から成長したＡの領域と、を有し、Ａの領域のほとんどを除去して、Ｂの領域を残すことで、結晶性の良好なＢの領域を素子構造として有効に利用することができる。従って、第３の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層表面から成長させたものである必要があり、また同時に開口部から成長させる必要がある。ここで、開口部から成長させた第２の窒化物半導体層としては、図１、４に示すように、第１の窒化物半導体層表面、若しくは開口部底面の露出面から成長させる形態の他、図３に示すように、開口部において、第１の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との間に中間層２０を設ける形態でも良い。すなわち、開口部から成長させる第３の窒化物半導体層は、開口部底面の第１の窒化物半導体層表面から、若しくはその開口部底面から成長させた窒化物半導体の表面から成長させればよい。どちらの場合でも、一部を除去して残る第３の窒化物半導体層（Ｂの領域）は、そのほとんど若しくは全てが、第１の窒化物半導体層表面から成長させた層となり、第１の窒化物半導体層の組成でもって、結晶性を制御できる。また、これら中間層２０となる窒化物半導体としては、少なくともＡｌ混晶比が第２の窒化物半導体層よりも小さい窒化物半導体層とすることで、第２の窒化物半導体層とのバンドギャップエネルギー差から、開口部への電流狭窄が可能となり好ましく、又は、結晶性を考慮して第１の窒化物半導体層若しくは第３の窒化物半導体層と同じ組成の窒化物半導体とすることが好ましい。具体的には、所望のＡｌ混晶比のＡｌＧａＮ、若しくはＧａＮ、又は第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比との間にあるＡｌ混晶比の窒化物半導体、好ましくはＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ≦１）とすることで、好ましい結晶性の第３の窒化物半導体層が成長できる。具体的には、第１の窒化物半導体層のＡｌ混晶比がｚ、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比がｙで、ｚ≠ｙある場合に、中間層の窒化物半導体のＡｌ混晶比ｕが、ｚ≦ｕ≦ｙ（ただしｚ＜ｙ）、（ｚ＞ｙの場合にはｙ≦ｕ≦ｚ）であることにより、第１の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層との中間的な組成にある中間層とすることができ、Ａｌ混晶比差（｜ｚ−ｙ｜）が大きい場合に、良好な結晶成長をさせることができる。また前記の場合において、ｚ≠ｙある場合に、中間の混晶比とするには、（ｚ−ｙ）／２をｕとすることである。加えて、前記の場合において、ｚ＝ｕ、ｙ＝ｕであっても良い。
【００４８】
本発明ニおける第３の窒化物半導体層としては、第２の窒化物半導体のＡｌ混晶比より小さいＡｌを有する窒化物半導体、若しくはＡｌを有していない窒化物半導体とすることである。このことにより、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層との混晶比差を最大にでき、第３の窒化物半導体層の一部を除去する際に、確実に、第２の窒化物半導体層表面でのエッチングストップすることが可能となる。また、第３の窒化物半導体層から第１の窒化物半導体に電流を流す場合には、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層のバンドギャップ差から、開口部を電流注入領域とすることができ、例えば後述するリッジストライプのレーザ素子構造において、ストライプ状の導波路領域に的確に対応した電流注入領域を設けることが可能となる。具体的に、第３の窒化物半導体層としては、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比より小さい混晶比のＡｌＧａＮ、若しくはＧａＮを用いることができる。
【００４９】
［エッチング除去］
本発明の窒化物半導体素子において、図４に示すように、第２の窒化物半導体層２の一部を除去して、開口部１９を設けた後（図４−ａ）、開口部１９の表面２１を（図４−ｂ）、開口部１９から成長させる窒化物半導体（第３の窒化物半導体層３、中間層２０）の成長温度よりも高い温度で、エッチングして、第２の窒化物半導体層の除去時に損傷を受けた領域２１などを除去して（図４−ｃ）、その後開口部１９から第３の窒化物半導体層を成長させること（図４−ｄ）も可能である。ここで、図４は、図４−ａは図１において第２の窒化物半導体層の一部を除去して、開口部を設けた状態（図１−ｂ）を示すものであり、図４−ｂ、−ｃ、−ｄは、図４−ａの円で囲まれた領域を拡大して示す模式断面図である。このことにより、第２の窒化物半導体層を一部除去して開口部を形成する際に、エッチングによる損傷を受けて結晶性の悪化した領域２１を取り除いて、第３の窒化物半導体層３を成長させることができ、第３の窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。具体的な形態としては、図４に示すように、開口部を設けた後、図４−ｂ中の矢印に示すようにエッチングガスを開口部底面に当てて、開口部形成時に損傷を受けた領域２１（若しくは、それよりも深い領域）を、除去して、第１の窒化物半導体層に凹部を設け、凹部表面は良好な結晶性が有することで、良好な結晶性の第３の窒化物半導体層３を成長させることができる。ここで、領域２１を除去するエッチングは、本願明細書中に記載のあるドライエッチングを用いることができる。また、そのエッチング時の温度としては、少なくとも第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度とすることであり、好ましくは７００℃以上１１００℃以下の範囲とすることである。
【００５０】
［第３の窒化物半導体層の除去方法（エッチング方法）］
本発明において、第３の窒化物半導体層の一部を除去するエッチング方法としては、上述したエッチング方法の内、ドライエッチングが好ましく用いられる。この時、エッチングガスとしては、窒化物半導体のエッチングガスとして知られているハロゲン系のガス（ハロゲンガス、ハロゲン化合物ガス）を用いることができ、その中でもＣｌ2、ＳｉＳｌ2が好ましく用いられ、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とで、エッチングレートに比較的大きな差が生じ、第２の窒化物半導体層で精度良くエッチングストップすることができる。これは、Ａｌの混晶比により、エッチングレートが異なるため、第２の窒化物半導体層でエッチング深さを制御でき、第２の窒化物半導体層でもって、エッチングストッパ層として機能させることができる。特に、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比ｘと、第３の窒化物半導体層のＡｌ混晶比ｙとの差、
ｘ−ｙ
が０．５以上であると、エッチング深さ制御において、好ましいエッチングストッパ層となりうる。これは、窒化物半導体の組成が異なることにより、エッチングレートが異なるが、その中でも特にＡｌ混晶比に大きく依存してエッチングレートが変化することに着眼されたものであり、Ａｌ混晶比を大きくすることで、第２の窒化物半導体層をエッチングストッパ層として機能させるものであり、それと第３の窒化物半導体層とのＡｌ混晶比の差が０．５以上であると十分なエッチングレート変化を生み出すことができるからである。これとは別に、第２の窒化物半導体層だけでエッチングレートを考慮すると、窒化物半導体のＡｌ混晶比とエッチングレート、膜厚方向におけるエッチング速度、との関係は、リニアな関係よりも指数関数的な関係に近い傾向にあるため、Ａｌ混晶比が０．５以上、好ましくは０．７以上とすることで、エッチングレートの急激な低下を生み出すことが可能となり、膜厚方向におけるエッチング深さ制御が好ましく成されることとなる。また、これらの性質は、第２の窒化物半導体層が多層膜である場合よりも、単一膜で形成されることである方が、顕著に現れる傾向にあるため、単一膜で第２の窒化物半導体層を設けることが好ましい。
【００５１】
［第４の窒化物半導体層］
本発明における第４の窒化物半導体層としては、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層の下に設けられる層であり、第２の窒化物半導体層の開口部形成時において、第１の窒化物半導体層を介していることにより、開口部から離間して設けられた層となり、エッチングによる損傷、大気にさらされることで大きく結晶性が劣化する傾向にある、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いることができる。具体的には、ＩｎＧａＮであり、その第４の窒化物半導体層を、活性層、発光層、若しくは量子井戸構造の井戸層、障壁層などとして用いることができる。
【００５２】
［発光素子］
本発明の窒化物半導体素子において、ＬＥＤ（発光素子）に用いる形態としては、図６に示すようになる。サファイアなどの基板２０１の上に、ＧａＮのバッファ層２０２、ＧａＮの下地層２０３、ＳｉドープＧａＮの第１のｎ型コンタクト層２０４ａ（第１の窒化物半導体層）、を積層して、ＡｌＧａＮからなる第２の窒化物半導体層を２００Åの膜厚で形成し、図に示すように、幅２μｍで、ｎ電極２１２の形成層として第１のｎ型コンタクト層２０４ａ（第３の窒化物半導体層）を除く領域の外形に対応する第２の窒化物半導体層となるようにエッチングにより除去して、続いて、ＧａＮの第２のｎ型コンタクト層、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどからなるｎ型層２０５、２０６、ＩｎＧａＮ、ＧａＮなどからなる多重量子井戸構造の活性層２０７、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどからなるｐ型クラッド層２０８、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０９を積層する。続いて、図に示す第２の窒化物半導体層２１３で囲まれた領域にマスクを設けて、図に示すようにｎ電極２１２形成層を露出させ、ｐ型コンタクト層２０９の上に、ＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極２１０、Ａｕを含むボンディング用のｐ電極２１１を設け、ＴｉとＡｌを含むｎ電極を形成してＬＥＤを得る。このように、窒化物半導体層としてＬＥＤにも用いることができる。
【００５３】
［レーザ素子］
本発明の窒化物半導体レーザ素子は、前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層、さらには第４の窒化物半導体層とを有するものとなる。具体的には、図１に示すように、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層を活性層として有し、その上に、第１の窒化物半導体層を介して、開口部を有する第２の窒化物半導体層、その上に、一部が除去された第３の窒化物半導体層を有し、その第３の窒化物半導体層を有するリッジストライプが、第２の窒化物半導体層の上に設けられたレーザ素子である。
【００５４】
本発明のレーザ素子では、開口部を有する第２の窒化物半導体層を設けることで、優れた精度でリッジストライプを形成でき、また、リーク電流のないレーザ素子を得ることができる。
【００５５】
以下の図７〜９は、比較例１における、エッチング深さ（リッジストライプの高さ）と素子特性の関係を示すものである。
【００５６】
図７は、エッチング深さに対する、横モード安定性、を示す。図７から明らかなように、ｐ型クラッド層の膜厚０．１μｍよりも活性層方向に深くエッチングすることで、安定した単一横モード発振のレーザ素子が高い割合で得られる。また、エッチング深さが、ｐ型クラッド層の膜厚が０．１μｍとなる厚さ以上であると、キンクの発生が急激に起こり、大幅に良品率が減少していることもわかる。ここで、図７の良品率とは、発振を確認した素子の内、５ｍＷで基本単一横モード発振が可能な素子の割合を示すものであり、この時の導波路領域のストライプ幅は１．８μｍであった。
【００５７】
図８は、光出力３０ｍＷでの駆動電流を示すもので、この時ストライプ状の導波路領域は幅１．８μｍである。図から明らかなように、ｐ型光ガイド層から深いところ（活性層側）では５０ｍＡで一定であるが、ｐ型光ガイド層から膜厚０．１μｍ付近のｐ型クラッド層まで緩やかに電流値が上昇し、ｐ型クラッド層の膜厚０．１μｍ超えるエッチング深さで急激に電流値が上昇している。更に、エッチング深さが、ｐ型クラッド層の膜厚が厚くなる方向にあるレーザ素子では、ｐ型クラッド層の膜厚０．２５μｍ以上では３０ｍＷの光出力が得られなくなる。
【００５８】
図９は、光出力３０ｍＷでのエッチング深さに対するレーザ寿命を示すもので、エッチングがｐ型光ガイド層とｐ型キャップ層との界面付近の深さで、レーザ寿命は大幅に低下し、活性層に達する深さでストライプ状の導波路領域が形成されると、素子寿命に多大に悪影響を及ぼすことを示している。この時、レーザ素子の素子構造は、実施例１と同じであり、素子寿命を考慮する場合において、ｐ型電子閉込め層に達しない深さでエッチングが行われる方がよい。また、この活性層よりも浅いｐ型光ガイド層、ｐ型クラッド層の膜厚０．１μｍ付近まで良好な寿命特性を示しており、更に好ましい領域として図に観るように、ｐ型光ガイド層とｐ型クラッド層との界面付近からｐ型クラッド層の膜厚が僅かな領域で良好な寿命特性を示す。すなわち、エッチングにより露出されるｐ型クラッド層の膜厚を０．１μｍ以下とし、更に好ましくは、ｐ型クラッド層が僅かに残るか、ほぼ除去される深さでエッチングされると、良好な寿命特性が得られることを示すものである。ｐ型クラッド層の膜厚が０．１μｍより厚くなる深さであると、寿命特性は急激に低下する。
【００５９】
以上、説明したように、窒化物半導体レーザ素子は、リッジ形成時のエッチング深さに極めて敏感なものであり、５〜３０ｍＷの光出力で、横モードが安定し、閾値電流、駆動電流が低く、且つ長い素子寿命のレーザ素子を得ようとすると、歩留まりが大きく低下し、量産性に乏しいものとなっていた。この原因の一つとしては、Ｉｎを含む窒化物半導体層が、エッチングによる損傷を受け、また、大気にさらされてその後に続く、絶縁膜、光反射膜、電極なとの形成工程で、Ｉｎが蒸発・融解することがあげられる。これは、ストライプが比較的狭い幅、例えば数μｍ〜数十μｍ、で形成されることで、ストライプ側面として、Ｉｎを含む窒化物半導体層（例えば、井戸層、障壁層）が露出されることで、ストライプの内部の導波路に深刻な損傷を受けることになるためである。
【００６０】
しかし、本発明では、リッジストライプとして、第２の窒化物半導体層の上に、リッジを設けることにより、従来のリッジ形状の精度に左右されない。すなわち、素子構造を積層時に、第２の窒化物半導体層を設けるため、素子構造中の任意の位置に設けることが可能となり、結果として、その第２の窒化物半導体層の直上にリッジを設けることが可能となり、従来のようなリッジの高さ（エッチング深さ）のばらつきの問題が解消されるものである。
【００６１】
本発明のレーザ素子では、第２の窒化物半導体層に設けられた開口部の真上に、リッジが設けられることとなるため、エッチングストッパ層として機能する第２の窒化物半導体層から成長した窒化物半導体層、及び第２の窒化物半導体層の上に位置する窒化物半導体層を除去することができ、その層による結晶性の悪化を回避できる。
【００６２】
これは、上述したように、第２の窒化物半導体層をエッチングストッパ層として機能させるために、Ａｌの混晶比を大きくし、またその膜厚も厚膜での形成が必要となることに起因する。一般的に、Ａｌの混晶比が０．３以上であるような高混晶比の窒化物半導体を成長させると、厚膜で成長させることが困難となり、成長を続けるとクラックが多く発生し、それにより、それよりも下に位置する層を伴って亀裂がはいることとなる。また、このＡｌを含む窒化物半導体の上に、異なる組成の窒化物半導体を成長させると、成長層の結晶性を悪化させることとなる。本発明では、このようなＡｌを含む窒化物半導体層から成長させた領域をリッジ形成時に、そのほとんどを除去することができ、素子構造において、従来のように素子特性を悪化させる層とはならない。
【００６３】
具体的には、図１０に示すように、第２の窒化物半導体層の上に成長した図中Ａ領域において、結晶性の悪い第３の窒化物半導体層、さらにはその上に成長される層も、リッジ形成時にそのほとんどを除去することができるため、素子特性に影響を与えるものとはならない。すなわち、リッジとして残される図中Ｂの領域では、開口部から（第１の窒化物半導体層表面）から成長された層となり、結晶性の良好な層として得られる。ここで、第３の窒化物半導体層３としては、開口部のストライプ幅よりも広く且つ開口部のほぼ全面を覆うように設けることが好ましく、具体的には上述したように、開口部のストライプより０．３μｍ以下離れた位置まで第３の窒化物半導体層を設ける。
【００６４】
本発明の窒化物半導体レーザ素子において、第４の窒化物半導体層を有することで、紫外域〜赤色系域までの波長で発振する活性層を設けることも、可能となる。すなわち、第４の窒化物半導体層を有する活性層とすることで、その上にある第１の窒化物半導体層により、開口部形成時、リッジ形成時においても、損傷を受けることがなく、良好な導波路を有するレーザ素子となる。これは、上述したように、第１の窒化物半導体層が、開口部形成時においては、キャップ層として機能し、第４の窒化物半導体層が損傷を受けることから回避させることができる。この時、第１の窒化物半導体層は、Ｉｎを有していない窒化物半導体層とすることが好ましい。また、第４の窒化物半導体層は、それ自身で活性層としても良く、活性層が量子井戸構造である場合には、その井戸層、障壁層の内の一層として、設けても良い。また、第１の窒化物半導体層としては、量子井戸構造の活性層において、障壁層として設けても良く、若しくは活性層の外側の光ガイド層として設けても良い。
【００６５】
本発明のレーザ素子において、上述した素子構造のほかに、実施例に示すように、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とを光ガイド層として、その上に、上部クラッド層を設けても良く、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層とを上部クラッド層として、設けても良い。すなわち、本発明のレーザ素子において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層の積層体は、レーザ素子構造中の任意の位置に配置できる。
【００６６】
図７〜８に示すように、リッジストライプは、ｐ型クラッド層の膜厚が０．１μｍ以下となる位置までエッチングで掘り下げて形成されることで、横モード制御性、素子寿命、閾値電流（駆動電流）に優れたものとなるため、これを考慮して第２の窒化物半導体層を設けることが好ましい。すなわち、開口部を有する第２の窒化物半導体層を、そのような位置に設けることで、従来のようなエッチング深さ精度によるばらつきのないレーザ素子が得られる。具体的には、第２の窒化物半導体層を、活性層と光ガイド層との間、光ガイド層内、クラッド層と光ガイド層との間、クラッド層内であってクラッド層の膜厚が０．１μｍ以下となる位置よりも下側（活性層側）に設けることである。この時、第２の窒化物半導体層は、活性層に接して設けても良く、この場合、第１の窒化物半導体層を、量子井戸構造の活性層内における最上層の障壁層として、設けることができ、この時、第１の窒化物半導体層をＩｎを含まない窒化物半導体とすることで、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる他の層、例えば井戸層、などを、第２の窒化物半導体層から分離させることができる。このため、本発明のレーザ素子において、好ましくは、少なくとも第２の窒化物半導体層が活性層よりも上に設けることであり、詳しくは、Ｉｎを含む窒化物半導体からなる第４の窒化物半導体層と、その上に、Ｉｎを含まない窒化物半導体からなる第１の窒化物半導体層、開口部を有する第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層とを積層した積層体を有することである。
【００６７】
本発明のレーザ素子では、図１に示すように、活性層を導電型の異なる上部クラッド層、下部クラッド層とで挟み込む構造で、各クラッド層と活性層との間に、光ガイド層を有した分離閉込め（ＳＣＨ）構造であっても良く、光ガイド層を除いた構造であっても良い。
【００６８】
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、第２の導電型層若しくは第１の導電型層として、ｐ型窒化物半導体（第１のｐ型窒化物半導体）を含むｐ型クラッド層を設けることが好ましい。このとき、ｐ型クラッド層が設けられた導電型層とは異なる導電型層に、ｎ型窒化物半導体を含むｎ型クラッド層を設けて、積層構造体に導波路を形成する。また、このｐ型クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。さらに、この層は、ｐ型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも１つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層はｐ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、膜厚としては、特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込めとして機能する。
【００６９】
また、本発明において、図１、実施例１などで示す構造のように、活性層とｐ型クラッド層との間に、後述する電子閉込め層、光ガイド層を設けても良い。この時、光ガイド層を設ける場合には、ｎ型クラッド層と活性層との間にも、光ガイド層を設けて、活性層を光ガイド層で挟み込む構造とすることが好ましい。ここで、活性層を挟み込むクラッド層の他に、活性層とクラッド層との間に光ガイド層、ｐ型電子閉込めを有することで、駆動電流を１００ｍＡから５０ｍＡへと低く抑えることができる。また、活性層とそれを挟むクラッド層と、ｐ型電子閉込め層とを有することで、ｐ型電子閉込め層と光ガイド層を有していない場合に比べて、１０〜２０ｍＡほど駆動電流を低減する効果がある。さらに、活性層とそれを挟む光ガイド層及びクラッド層を有する構成では、ｐ型電子閉込め層を有していないことにより閾値電流が５〜６倍に上昇する傾向が現れる。
【００７０】
また、本発明における窒化物半導体素子において、活性層としては、Ｉｎを含む窒化物半導体（第４の窒化物半導体）を少なくとも有することが好ましく、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）などを用いることができる。発光素子、レーザ素子としては、活性層としてＭＱＷを有していることが好ましく、この時井戸層の数を２〜５とすることが好ましい。また、井戸層、障壁層の組成としては、それぞれ、井戸層：ＩｎsＧａ1-sＮ、障壁層：ＩｎtＧａ1-tＮ（ただし、０≦ｓ≦１，０≦ｔ≦１、ｓ＞ｔ）としたものが、好ましく用いることができ、井戸層のＩｎ混晶比を変化させることで、所望の発光は長の光を得ることができる。
【００７１】
以下、本発明におけるレーザ素子の各層について説明する。
【００７２】
（ｐ型電子閉込め層）
また、活性層とｐ型クラッド層との間、好ましくは活性層とｐ型光ガイド層との間に設けられるｐ型電子閉込め層としては、閾値電流の低下により容易な発振に寄与し、活性層へのキャリアの閉込めとしても機能する層であり、具体的にはＡｌＧａＮを用いる。特に、第２の導電型層に、ｐ型クラッド層、ｐ型電子閉込め層を設ける構成とすることで、このような効果が大きくなる傾向にある。このｐ型電子閉込め層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不純物をドープしたものとすることで上記機能を有し得るが、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして機能する傾向にある。また、膜厚としては、５００Å以下で形成し、ＡｌxＧａ1-xＮの組成としては、ｘが０以上、好ましくは０．２以上とする事で上記効果が十分に期待できる。
【００７３】
（ｐ型光ガイド層）
本発明において、活性層を挟むガイド層をクラッド層より内側に設けて、光導波路を形成することで、窒化物半導体において優れた導波路を形成することができる。この時、導波路（活性層とそれを挟み込む両ガイド層）の膜厚としては、具体的には６０００Å以下とし、発振閾値電流の急激な増大を抑制し、好ましくは４５００Å以下とすることで、低く抑えられた発振閾値電流で、基本モード、長寿命での連続発振が可能となる。また、両ガイド層として具体的には、ほぼ同じ膜厚で、具体的には１００Å以上１μｍ以下の範囲であり、好ましくは５００Å以上２０００Å以下で形成するで良好な光導波路を設けることができる。更に、ガイド層としては、窒化物半導体からなり、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップを有していればよく、単一の膜、多層膜のどちらでも良い。ｐ側光ガイド層として具体的には、発振波長が３７０〜４７０ｎｍではアンドープのＧａＮを用い、比較的長波長な領域（４５０μｍ以上）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多層膜構造を用いることである。ｎ型ガイド層として具体的には、ｐ型ガイド層も同様に、活性層のエネルギーバンドギャップを考慮して、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用い、アンドープのＧａＮ、活性層に近づくに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮとＧａＮとを交互に積層した多層膜で設けると好ましい導波路となる。また、ｎ型光ガイド層についても、同様な層を用いることができる。
【００７４】
（ｎ型クラッド層）
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、ｎ型クラッド層に用いる窒化物半導体としては、ｐ型クラッド層と同様に、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Ａｌを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、ＡｌＧａＮとＧａＮとを交互に積層した超格子構造であっても良い。また、このｎ型クラッド層は、キャリアの閉込め層、及び光閉込め層として作用し、多層膜構造とする場合には、前述のように、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを成長させると良い。さらに、この層は、ｎ型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも１つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の４３０〜５５０ｎｍのレーザ素子では、このクラッド層はｎ型不純物をドープしたＧａＮが好ましい。また、膜厚としては、ｐ型クラッド層と同様に、特に限定されるものではないが、１００Å以上２μｍ以下で形成すること、好ましくは５００Å以上１μｍ以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込めとして機能する。
【００７５】
［第２の保護膜］
本発明のレーザ素子において、リッジストライプ側面、及びそれに連続する第２の窒化物半導体層表面に第２の保護膜を設ける形態をとることができる。第２の保護膜の材料としてはＳｉＯ2以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でもＺｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解する性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層にすれば埋め込み層としてＳｉＯ2よりもかなり信頼性が高くなる傾向にある。またＰＶＤ、ＣＶＤのような気相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、本発明で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮはＳｉ酸化物よりも絶縁性に対して信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ以外のもの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層として非常に都合がよい。さらにまた、第１の保護膜１６１をＳｉ酸化物とすると、Ｓｉ酸化物に対して、フッ酸による選択性を有しているため、図１１に示すようにストライプ導波路の側面、そのストライプが形成されている平面（第２の窒化物半導体層）、及び第１の保護膜１０の表面に連続して形成すると、リフトオフ法により、図１１に示すように、第１の保護膜１６１のみを除去すると、、平面に対して膜厚が均一な第２の保護膜１６２を形成することができる。ここで、第１の保護膜１６１としては、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体のエッチング速度と差がある材料であればどのような材料でも良い。例えばＳｉ酸化物（ＳｉＯ2を含む）、フォトレジスト等が用いられ、好ましくは、先に述べた第２の保護膜１６２との溶解度差を設けるために、第２の保護膜よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのためフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Ｓｉ酸化物を好ましく用いる。
【００７６】
［電極配置］
本発明において、第２の窒化物半導体層について別の効果としては、高いＡｌ混晶比の窒化物半導体からなるため、第３の窒化物半導体層除去後の第２の窒化物半導体層表面と、下層の第１の窒化物半導体層との間で、優れた絶縁性を設けることができ、様々な素子構造に利用することができる点がある。これは、Ａｌ混晶比の高い窒化物半導体、例えばＡｌＧａＮ、では、その自身の広いバンドギャップエネルギにより、第２の窒化物半導体層表面に金属薄膜などを設けても、ほとんどのものがオーミック接触しないことにある。このことにより、例えば実施例１、図５、に示すように、第２の窒化物半導体層の上に、電極１２０、若しくは取り出し電極１２２を、配置してボンディング面としても、第２の窒化物半導体層からリーク電流が発生することなく、開口部に電流を集中させることができる。図５では、第２の保護膜１６２が設けられ、リッジストライプ側面において良好な屈折率差、絶縁性を確保しているが、ストライプが設けられた表面、図では第２の窒化物半導体層１１１表面において、その絶縁性は必ずしも十分なものではない。特に、３０ｍＷの高出力、大電流下での駆動において、その傾向は顕著なものとなる。これは、第２の保護膜のように、リッジストライプの埋込層は、屈折率差を設けることが考慮されるため、必ずしも厚膜で形成することが良いものとはならない、すなわち屈折率差と絶縁性とが排他的な関係に陥る場合があり、この場合には、屈折率差を確保した後、絶縁性を必要とする領域（図では第２の窒化物半導体層の上方）に改めて、別の絶縁膜が必要となる。また、絶縁膜を厚く形成すると、膜質の低下を招くこともあり、これも絶縁性において、悪影響となる。
【００７７】
これに加えて、リッジストライプの最上面は、ボンディング面としては、微少な面積、小さいストライプ幅であるため、ボンディング面を別に用意しなければならないことも、この問題を悪化させている一因となっている。本発明では、第２の窒化物半導体層がＡｌを高い混晶比であることで、第２の窒化物半導体層表面もしくはその上方において、大きな面積で、絶縁性に優れたボンディング面を確保することができる。特に、大電流、高出力駆動時において、極めて有利なものとなる。
【００７８】
【実施例】
【００７９】
［実施例１］
図５に示すレーザ素子について説明する。
【００８０】
ここで、本実施例では、基板として窒化物半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板などの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここで、異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長させるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００８１】
（バッファ層１０２） ２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１０１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。
【００８２】
（下地層１０３） バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、素子構造を形成する各層の成長において下地層（成長基板）として作用する。下地層として、その他に、ELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られる。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストライプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされて、成膜される層でもよい。
【００８３】
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造となる各層を積層する。
【００８４】
（ｎ型コンタクト層１０４）
次に得られた窒化物半導体基板（下地層）１０４上にＴＭＧ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を４．５μｍの膜厚で成長させる。（クラック防止層１０５） 次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００８５】
（ｎ型クラッド層１０６） 次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚８０００Åの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層１０６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
【００８６】
（ｎ型光ガイド層１０７） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０７を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
（活性層１０８：第４の窒化物半導体層） 次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を１００Åの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる井戸層を５０Åの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５５０Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０８を成長させる。この時、Ｉｎを含む窒化物半導体として障壁層、井戸層の少なくとも１層、若しくはＩｎを含む層の全てが、第４の窒化物半導体層となる。
【００８７】
（ｐ型電子閉込層１０９） 次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ型電子閉込層１０９を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、レーザ素子として特に設けられていなくても良いが、電子閉込めとして機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。
【００８８】
（第１のｐ型光ガイド層１１１：第１の窒化物半導体層） 温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第１のｐ型光ガイド層１１０を１０００Åの膜厚で、成長させる。この第２のｐ型光ガイド層１１０は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込層１１０からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。この時、本発明において第１のｐ型光ガイド層１１０は、第１の窒化物半導体層１となる。
【００８９】
（第２の窒化物半導体層１１１）
次に、第３の窒化物半導体層として、ＡｌＮを１００Åの膜厚で成長させる。
【００９０】
ＭＯＶＰＥ反応装置からウエハを取り出し、ＣＶＤ装置に移送し、図１に示すように、フォトリソグラフィー技術により、所望の形状のＳｉＯ2よりなるマスク１０を設ける（図１−ａ）。続いて、ウエハをＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置に移送し、ＳｉＣｌ4ガスにより、第１の窒化物半導体層（第１のｐ型光ガイド層１１１）表面が露出する深さでエッチングして、第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部１１を設ける（図１−ｂ）。この時、開口部１１は、幅１．８μｍでストライプ状に設ける。
【００９１】
（第２のｐ型光ガイド層１１２：第３の窒化物半導体層） 次に、ウエハをＭＯＶＰＥ反応装置に移送し、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２のｐ型光ガイド層１１２を５００Åの膜厚で、第２の窒化物半導体層１１１、及びその開口部の上に、成長させる。この第２のｐ型光ガイド層１１２は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込層１０９からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。またこの層は成長時にＭｇのガス源をフローして、意図的にＭｇをドープしても良い。この時、第２のｐ型光ガイド層１１２は、図１に示す第３の窒化物半導体層として、開口部１１における第１の窒化物半導体層（第１のｐ型光ガイド層１１０）表面、及び第２の窒化物半導体層１１１の表面から、第３の窒化物半導体層を成長させる。
【００９２】
（ｐ型クラッド層１１３） 続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ2Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、総膜厚０．５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１１３を成長させる。ｐ側クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良い。クラッド層１１２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌXＧａ1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層１１３を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショートの発生も低くなる。
【００９３】
（ｐ型コンタクト層１１４） 最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１１２の上に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１１３を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１３は電極を形成する層であるので、１×１０17／cm3以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０17／cm3よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００９４】
以上、レーザ素子構造となる各層を積層した後、ｐ型コンタクト層１１３（図１のコンタクト層８）表面に、図１−ｄに示すように、ＳｉＯ2よりなる第１の保護膜１６１を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、第２の窒化物半導体層６を露出させ、図５に示すように、リッジストライプが形成される。この時、第３の窒化物半導体層（第２のｐ型光ガイド層１１２）のストライプ幅は、第２の窒化物半導体層表面において、約２μｍで、開口部のほぼ全面を覆って、一部が第２の窒化物半導体層表面を覆って形成される。
【００９５】
続いて、図１１に示すように、リッジ形成時のＳｉＯ2からなるストライプ状の第１の保護膜１６１上から、ストライプの側面、第２の窒化物半導体層１１１の表面を覆うように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第２の保護膜１６２を形成し、ＳｉＯ2よりなるマスクをリフトオフして、ｐ型コンタクト層表面を露出させる。図５に示すように、ストライプの側面及び、第２の窒化物半導体層１１１表面に、連続した第２の保護膜１６２が形成される。続いて、ｎ型コンタクト層１０４が露出する深さで、エッチングして、電極形成面を露出させる。
【００９６】
次に、その露出したｐ型コンタクト層１１４の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。但しｐ電極１２０は１００μｍのストライプ幅として、図５に示すように、第２の保護膜１６２の上に渡って形成する。既に露出させたｎ側コンタクト層１０４の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１を形成する。これらの電極は、リッジストライプの方向に平行なストライプとして形成される。
【００９７】
次に、ｎ電極を形成するためにエッチングして露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設けるため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜１６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１２２，１２３をそれぞれ設けた。この時、活性層１０８の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）で、両ガイド層も形成されている。
【００９８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、さらに基板が露出するまでエッチングして、共振器面を設ける。この時、共振器長は、６５０μｍである。共振器面を形成した後、この共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器面の形成方法として、エッチングにより基板を露出した後、ＧａＮの劈開面である（1 1- 0
0）Ｍ面で、ウエハをバー状に分割して、共振器面を作製しても良い。
【００９９】
室温においてしきい値２．０ｋＡ／ｃｍ2、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、またＦ．Ｆ．Ｐにおいて、良好なビームが得られ、そのアスペクト比は、多くのチップが１．５と、光ディスクシステムの光源として、十分に満足するビーム特性である。また、５〜３０ｍＷでの光出力域において、横モードの移動がなく、光ディスクシステムの読込、書込光源となるレーザ素子である。加えて、リッジストライプが、第２の窒化物半導体層上に、確実設けられることで、従来に比べて、素子のばらつき、特に横モードの制御性に関してキンクの発生が少なく、またレーザ発振しないウエハ当たりのチップ数も大幅に減少し、歩留まりが向上し、特に３０ｍＷ出力での歩留まりにおいては飛躍的な向上を示す。
【０１００】
［実施例２］
第２の窒化物半導体層をＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎとするほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１と同様に、横モードの制御性、Ｆ．Ｆ．Ｐ．などのビーム特性に優れたものとなるが、実施例１に比べて、素子特性のばらつきが多くなる傾向にある。これは、リッジストライプ形成時のエッチングにおいて、実施例１に比べて、その精度が下がったためと考えられ、また、第２の窒化物半導体層のＡｌ混晶比が減少したことにより、電流狭窄層としての機能も低下傾向にあると考えられる。特に、大電流、例えば３０ｍＷ、での駆動において、素子ばらつきが多くなる傾向にある。
【０１０１】
更に、第２の窒化物半導体層をＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎとすると、上述の素子ばらつきの傾向が、大きくなる。
【０１０２】
［実施例３］
第１のｐ型光ガイド層１１０を１５００Åの膜厚で形成し、第２のｐ型光ガイド層を設けずに、ｐ型クラッド層を第３の窒化物半導体層とすることを除いて、実施例１と同様にして、第２の窒化物半導体層の上に、リッジストライプが設けられたレーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、閾値電流、駆動電流が上昇する傾向にあり、また横モードの制御性も、僅かながら劣る傾向が観られる。
【０１０３】
更に、第２の窒化物半導体層をＡｌ0.6Ｇａ0.4Ｎとすると、実施例２で観られるような、素子ばらつき、横モードの制御性に関して、実施例２よりもその傾向が強くなる。
【０１０４】
［実施例４］
ｐ型電子閉込め層１０９を第１の窒化物半導体層とし、第１のｐ型光ガイド層１１０を形成せずに、第２のｐ型光ガイド層１１２の膜厚を１５００Åとする他は、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、第１の窒化物半導体層が、ｐ型電子閉込め層で１００Åの膜厚と、比較的薄膜であることが影響し、第２の窒化物半導体層１１１に開口部を設ける際に、活性層（第４の窒化物半導体層）が損傷を受けるものがあり、実施例１に比べて、素子寿命において、特性のばらつきが発生する傾向にある。しかし、３０ｍＷ出力で素子寿命が１０００時間を超える良品率は、比較例１に比べて、十分な大きな割合で得られる傾向にある。
【０１０５】
［実施例５］
実施例１において、開口部を設けた後、８５０℃で、ＳｉＣｌ4ガスを用いて、エッチングして、図に示すように、第１のｐ型光ガイド層を約１００Åの深さで、凹部を設け、その第１のｐ型光ガイド層の凹部及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体層として第２のｐ型光ガイド層を８２０℃で成長させるほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて閾値電流が低下する傾向が観られ、そのほかのレーザ素子特性については、実施例１と同様に優れたものとなる。
【０１０６】
［実施例６］
第２の窒化物半導体層を５００Åの膜厚で形成するほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。この時、第２の窒化部宇半導体層表面及び、その上に成長した第３の窒化物半導体層（ｐ型光ガイド層）に異常成長が僅かながら観られ、クラックの発生が観られたチップも出てくるようになる。しかし、本発明では、第２の窒化物半導体層表面に成長した第３の窒化物半導体層は、そのほとんどが、エッチングにより除去されるため、このような異常成長においても、レーザ素子の特性に悪影響を与えるものではない。また、第２の窒化物半導体層表面に僅かに残された第３の窒化物半導体層も、開口部近傍であるため、開口部から成長してきたものが、支配的な領域であり、第２の窒化物半導体層の異常成長による影響を受けるものとはならない。また、リッジストライプ形成後に残されたｐ型光ガイド層は、第２の窒化物半導体層の膜厚が５００Åであり、第１の光ガイド層の膜厚も５００Åであるため、第１の光ガイド層表面は、第２の窒化物半導体層表面よりも僅かに、上方に位置するものとなる。
【０１０７】
更に、第２の窒化物半導体層を、１０００Åの膜厚で形成すると、上述の異常成長が、ウエハ面内の多くの部分で観察されるようになり、また、第２の窒化物半導体層に深刻なクラックが発生するものも観られ、レーザ素子の形成においてこのような素子がほとんどとなる。
【０１０８】
［比較例１］
第２のｐ型光ガイド層、第２の窒化物半導体層を設けずに、下地層、ｎ型コンタクト層〜ｐ型コンタクト層まで積層したのち、ｐ型コンタクト層側からエッチングするほかは、実施例１と同様にして、レーザ素子を得る。このとき、リッジストライプは、ｐ型光ガイド層とｐ型クラッド層とのほぼ界面までエッチングし、また第１のｐ型光ガイド層は、１５００Åの膜厚で形成する。得られるレーザ素子は、実施例１に比して、素子のばらつきが多く、レーザ発振しないもの、横モードの制御性に劣るもの、素子寿命に劣るものがウエハに占める割合が多くなり、またそれらの特性が良好なチップは僅かであり、良品のチップにおいても、素子ばらつきの大きいものとなる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子では、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層を有することで、様々な素子において、その素子特性の向上、量産性の向上、を実現することができる。また、これらの窒化物半導体層は、その組成が比較的様々な構成で設けることが可能となり、またそれを設けることによる結晶性の悪化を効果的に回避できることから、素子構造において様々な位置に設けることが可能となり、特に第２の窒化物半導体層のように、エッチングストッパ層として機能する層を任意の位置に配することができる。従って、上述した各窒化物半導体層に拘束されない比較的自由度の高い素子設計が可能となる。
【０１１０】
また、本発明の窒化物半導体レーザ素子では、従来問題となっていたリッジストライプの形状精度を完全に解決し、なおかつ、前記各窒化物半導体層を有することにより素子特性の向上も図ることが可能となる。加えて、５〜３０ｍＷの高く、広い出力域において、従来は、リッジストライプにより作りつけた屈折率差による導波路の問題から量産性に乏しい素子構造、すなわち素子ばらつきの多いレーザ素子であったが、本発明では素子ばらつきをなくし、量産性に優れ、なおかつ、さらなる素子特性の向上、素子設計自由度の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図２】従来のレーザ素子に係るリッジストライプの形成を説明する断面図。
【図３】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図４】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図５】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図６】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図７】本発明の１実施形態について横モードの制御性とエッチング深さとの関係を示す図。
【図８】本発明の１実施形態について駆動電流とエッチング深さとの関係を示す図。
【図９】本発明の１実施形態について素子寿命とエッチング深さとの関係を示す図。
【図１０】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【図１１】本発明の１実施形態を説明する断面図。
【符号の簡単な説明】
１・・・第１の窒化物半導体層
２・・・第２の窒化物半導体層
３・・・第３の窒化物半導体層
４・・・第４の窒化物半導体層
１０・・・マスク（第１の保護膜１６１）
１１・・・下部コンタクト層
１２・・・下部クラッド層
１３・・・下部光ガイド層
１４・・・活性層
１５・・・上部光ガイド層
１６・・・第２の窒化物半導体層
１７・・・上部クラッド層
１８・・・上部コンタクト層
１９・・・開口部
２０・・・中間層
１０１・・・異種基板
１０２・・・バッファ層
１０３・・・下地層
１０４・・・ｎ型コンタクト層
１０５・・・クラック防止層
１０６・・・ｎ型クラッド層
１０７・・・ｎ型光ガイド層
１０８・・・活性層
１０９・・・ｐ側キャップ層
１１０・・・第１のｐ型光ガイド層
１１１・・・第２の窒化物半導体層
１１２・・・第２のｐ型光ガイド層
１１３・・・ｐ型クラッド層
１１４・・・ｐ型コンタクト層
１２１・・・ｎオーミック電極
１２３・・・ｎパッド電極
１２０・・・ｐオーミック電極
１２２・・・ｐパッド電極
１６２・・・第２の保護膜
１６４・・・絶縁膜
Claims (6)
- 第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、
前記積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、
前記開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、
前記第２の窒化物半導体層表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して前記第２の窒化物半導体層の一部を露出させ、前記開口部を覆う第３の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備し、
前記エッチング工程が、第３の窒化物半導体層が第２の窒化物半導体層よりエッチング速度の大きなエッチングである窒化物半導体素子の製造方法。 - 第１の窒化物半導体層の上に、Ａｌを含む第２の窒化物半導体層を成長させる積層工程と、
前記積層工程の後、該第２の窒化物半導体層の一部を除去して開口部を設ける工程と、
前記開口部を設けた後、Ａｌ混晶比が第１の窒化物半導体層よりも小さい第３の窒化物半導体層を、前記開口部及び第２の窒化物半導体層から成長させる工程と、
前記第２の窒化物半導体層表面上の第３の窒化物半導体層の一部をエッチングにより除去して前記第２の窒化物半導体層の一部を露出させ、前記開口部を覆う第３の窒化物半導体層を形成するエッチング工程と、を具備し、
前記第３の窒化物半導体層を成長させる工程において、前記第３の窒化物半導体層が、前記第１の窒化物半導体層から成長した領域と、第２の窒化物半導体層から成長した領域と、を有し、
前記エッチング工程において、第３の窒化物半導体層が第２の窒化物半導体層よりエッチング速度の大きなエッチングであり、第２の窒化物半導体層から成長した領域が除去される窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記窒化物半導体素子が、ストライプ状の導波路領域を有し、Ｉｎを含む窒化物半導体を有する活性層と、その上に、ガイド層、クラッド層が設けられた窒化物半導体レーザ素子であって、
前記ガイド層が前記第１，２の窒化物半導体層を有し、前記エッチング工程によりリッジストライプが設けられる請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。 - 前記積層工程において、Ｉｎを含む第４の窒化物半導体層の上に、前記第１の窒化物半導体層を形成すると共に、第１の窒化物半導体層が実質的にＩｎを含まないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記開口部を設ける工程の後、第３の窒化物半導体層の成長温度よりも高い温度で、ガスエッチングすることにより、前記開口部底面の一部を除去して前記第１の窒化物半導体層に凹部を形成して、該凹部表面及び第２の窒化物半導体層表面から第３の窒化物半導体を成長させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記第３の窒化物半導体層の成長工程において、第３の窒化物半導体層が、前記開口部から成長して前記開口部より幅広に成長した領域と、前記第２の窒化物半導体層から成長した領域を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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