窒化ガリウム(GaN),窒化インジウム(InN),窒化アルミニウム(AlN)等の窒化ガリウム系化合物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップ(ワイドバンドギャップ)を持つため、青色光、青紫色光または紫色光の発光ダイオード(LED)や半導体レーザ(レーザダイオード:LD)等の発光素子、フォトディテクターや火炎センサー等の受光素子として利用されている。
また、電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)、MESFET(Metal-Semiconductor FET)、MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor FET)、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)等の電子素子において、窒化ガリウム系化合物半導体はGaAsに近いキャリア輸送特性を有し、ワイドバンドギャップを持ち、破壊電界が高いことから、高周波及び高出力トランジスタの材料として有望視されている。
特に、近年では、青色光発光素子、紫色光発光素子、紫外光発光素子等の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子からの発光を受け、光を発する蛍光体及び燐光体を設けた白色光の照明装置の製品開発が進んでいる。このような照明装置では、蛍光体及び燐光体の発光効率を向上させることと、発光素子の発光効率を向上させることが重要課題となっている。
発光素子の発光効率を向上させるためには内部量子効率を向上させることが重要であり、そのためには非発光再結合中心となる結晶欠陥を低減した窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる必要がある。
窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長には、窒化ガリウム系化合物半導体と格子整合性の高い良質な基板が実現していないため、サファイアや炭化珪素(SiC)等の異種材料(窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性が低い材料)の単結晶からなる基板を用いている。因みに、サファイア基板とGaNでは格子不整合が13.8%、熱膨張係数差が3.2×10-6/Kであり、6H−SiC基板とGaNでは格子不整合が3.4%、熱膨張係数差が1.7×10-6/Kである。
これらの窒化ガリウム系化合物半導体との格子不整合性が大きい基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長においては、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間に歪み緩衝層(バッファ層)を形成する技術が用いられている。具体的には、サファイアから成る基板上にGaN等の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる場合、低温(400〜800℃)でAlNもしくはGaNから成るバッファ層を成長させた後に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる方法が採られている。この場合、サファイアから成る基板上に低温堆積させたAlNもしくはGaNから成るバッファ層は、ほとんどアモルファス状態で堆積する。
その後、バッファ層は昇温過程において結晶化し、柱状組織を形成する。次に、柱状組織が形成されたAlNもしくはGaNから成るバッファ層の上に、窒化ガリウム系化合物半導体が隣接する柱状構造を埋め込むように成長し、平坦な表面を持つ窒化ガリウム系化合物半導体が成長する。
このような窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を用いて、n−GaNバッファ層、n−AlGaNガイド層、InGaN多重量子井戸構造からなる発光層、p−AlGaNガイド層、p−GaNクラッド層を順次積層し、発光素子である半導体レーザ素子を作製する。
この場合、前述の通り、窒化ガリウム系化合物半導体はサファイアから成る基板上に成長されることが多い。しかしながら、サファイアは劈開性がほとんどないため、サファイアから成る基板の劈開性を利用して、その劈開面を窒化ガリウム系化合物半導体のレーザ共振面とすることは難しい。
そこで、特許文献1に記載されているように、窒化ガリウム系化合物半導体に反応性イオンエッチング法等のドライエッチング法を施すことにより、レーザ共振面を形成する方法がある。しかしながら、ドライエッチング法によって形成されたレーザ共振面は、基板の成長面に対する垂直性が低く、良好なレーザ共振面とならないため、安定したレーザ発振ができない。また、レーザ共振面が反応性イオンによるダメージを受けて欠陥が発生し、レーザ共振面での光反射率が低下し、レーザ発振閾値が高くなる。更に、レーザ共振面で光が吸収されるため、発熱が生じ、半導体レーザ素子に劣化をもたらすという問題点がある。
また、特許文献1には、レーザ共振面に誘電体多層膜を形成する方法が記載されている。しかしながら、光の吸収が少ないTiO2,SiO2,ZrO2,HfO2等の酸化物膜は、成膜条件により、酸素のモル分量が化学量論的組成からずれる。このため、これらの酸化物膜の屈折率を制御するのは難しく、容易に高反射率の誘電体多層膜を形成することはできない。
そこで、特許文献2に記載されているように、サファイア基板をSi基板に貼り合わせ、貼り合わせたサファイア基板を研削、研磨して鏡面加工を行った後、サファイア基板の鏡面上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ、Si基板の劈開面を利用して、窒化ガリウム系化合物半導体の劈開面を得る方法がある。
この場合、立方晶系のSi基板の特定の結晶方位と、六方晶系のサファイア基板の特定の結晶方位を合わせて貼り合わせているため、結晶方位の位置合わせの精度が要求される。また、異種基板同士の貼り合わせは界面の化学反応を利用した熱融着であるため、貼り合わせ基板のサファイア基板の鏡面上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるときの熱処理の際に、貼り合わせた界面から両基板が剥離することがあり、窒化ガリウム系化合物半導体を良好に成長できないという問題点があった。
また、Au(金),Pt(白金),Ni(ニッケル),Ti(チタン),Al(アルミニウム)等の金属から成る電極を用いて窒化ガリウム系化合物半導体と電気接触をとる。しかしながら、これらの電極は窒化ガリウム系化合物半導体に対するコンタクト抵抗が高いため、電流注入時に電極部分での電圧降下が大きい。そのため、発光素子の動作電圧が高くなり、発光素子の発熱量が大きくなり、電極の金属反応が生じて電極劣化が起きる。
特開平8−191171号公報
特開平8−250802号公報
上述したように、窒化ガリウム系化合物半導体は、ほとんどの場合サファイアから成る基板のように劈開性が低い基板上に結晶成長されているため、基板の劈開面を利用してレーザ共振面を形成することは難しい。
また、ドライエッチング法によりレーザ共振面を形成すると、レーザ共振面の基板の成長面に対する垂直性が低く、安定したレーザ発振はできない。また、レーザ共振面は反応性イオンによるダメージを受けて欠陥が生じ、レーザ発振閾値が高くなり、発熱が生じ、半導体レーザ素子の劣化をもたらす。
また、レーザ共振面に誘電体多層膜を形成する方法においては、誘電体膜に光吸収が少ない酸化物膜を用いると、成膜条件により酸素のモル分量が化学量論的組成からずれるため、屈折率を制御するのが難しく、高反射率のレーザ共振面は容易に形成できない。
さらに、Si基板上にサファイア基板を熱融着によって貼り合わせた基板を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体を成長すると、成長時の熱処理によって貼り合わせた界面から両基板が剥離し、窒化ガリウム系化合物半導体を良好に成長することができない。
また、Au(金),Pt(白金),Ni(ニッケル),Ti(チタン),Al(アルミニウム)等の金属から成る電極を用いた場合、発光素子の発熱による金属反応が生じて、電極劣化が起きるという問題点がある。
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、成長面に対する垂直性が高く、反応性イオンによるダメージに起因する欠陥がなく、高い光反射率を有するレーザ共振面を備えた発光素子の製造方法を提供することにある。また、発光素子の発熱による電極の金属反応を防ぎ、電極劣化のない発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明の発光素子の製造方法は、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部を形成し、次に前記一主面及び前記導電層部の上に化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるInGaN単結晶層を形成することによって、前記一主面の前記導電層部間にGa極性の前記InGaN単結晶層を形成するとともに、前記複数の導電層部上にそれぞれN極性の前記InGaN単結晶層を形成し、次にGa極性の前記InGaN単結晶層上にGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成するとともにN極性の前記InGaN単結晶層上にN極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成し、次にGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る前記発光層上にGa極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するとともにN極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る前記発光層上にN極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、次にN極性の前記第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とN極性の前記発光層とN極性の前記InGaN単結晶層を選択的にエッチング除去することを特徴とする。
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、N極性の前記第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とN極性の前記発光層とN極性の前記InGaN単結晶層を選択的にエッチング除去するためのエッチャントがKOH溶液から成ることを特徴とする。
本発明の発光素子の製造方法によって製造された発光素子は、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部と、前記一主面の導電層部間に形成された、化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるGa極性のInGaN単結晶層と、InGaN単結晶層上に形成されたGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、発光層上に形成されたGa極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とを有していることから、以下の効果を奏する。
即ち、化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部は、結晶構造が窒化ガリウム系化合物半導体と同じ六方晶であり、導電性を有している。例えば、導電層部としてZrB2単結晶から成るものを用いた場合、その格子定数はa=3.170Åであり、六方晶系であるウルツァイト構造のGaNの格子定数a=3.189Åとの格子不整合が0.57%であり、熱膨張係数の差も2.7×10-6/Kである。その結果、窒化ガリウム系化合物半導体との整合性が極めて高い。
従って、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された二硼化物単結晶から成る複数の導電層部上に、高い整合性でもって窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層等をエピタキシャル成長することができるため、導電層部とその上下の窒化ガリウム系化合物半導体層との界面での電子の界面散乱が無い。電子の界面散乱が無いので、発光層に対する電子注入の効率が向上し、発光効率が高くなる。
また、ZrB2の仕事関数は約3.7eVであり、GaNの電子親和力は約3.4eVと非常に近い。このため、第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層と二硼化物単結晶から成る導電層部のコンタクト抵抗を低くすることができ、発光素子の動作電圧を下げることができ、発光素子の発熱を低減できる。
更に、ZrB2の融点は約3400℃であり、Au(金),Pt(白金),Ni(ニッケル),Ti(チタン),Al(アルミニウム)等の金属から成る従来の電極に比べて高い融点を有する。このため、二硼化物単結晶から成る導電層部を電極として使用した場合、発光素子の発熱による電極の金属反応を抑制し、電極劣化のない発光素子を得ることができる。
また、本発明の発光素子の製造方法によって製造された発光素子は好ましくは、発光層の側面がレーザ共振面とされていることから、以下の効果を奏する。
即ち、二硼化物単結晶から成る導電層部上には、高い整合性でもって窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長することができる。二硼化物単結晶自体は、窒化ガリウム系化合物半導体に対して無極性である。しかかしながら、例えばZrB2単結晶から成る導電層部上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた場合、エネルギー的に安定なN極性の窒化ガリウム系化合物半導体層が成長する。
また、二硼化物単結晶から成る導電層部上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層が、化学式AlyGa1−yN(ただし、0<y≦1)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層である場合、その上のGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体層と導電層部との間の結合力や歪み応力に変調が加わることにより、AlyGa1−yNで表される窒化ガリウム系化合物半導体層はGa極性を呈する。一方、導電層部上に化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を成長した場合、その窒化ガリウム系化合物半導体層はN極性を呈する。
このようにして、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層上にはGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体層が形成され、導電層部上にはN極性の窒化ガリウム系化合物半導体層が形成される。その後、Ga極性及びN極性の窒化ガリウム系化合物半導体層のそれぞれの上に、順次発光層、第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することにより、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子と、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に成長できる。そして、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の部分を選択的に除去することにより、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子が得られる。Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の発光層の側面は結晶面から形成されており、発光層の側面は成長面に対する垂直性も高く、高い光反射率を有するレーザ共振面となる。従って、発振効率の高い半導体レーザとして用いることのできる発光素子を得ることができる。
本発明の発光素子の製造方法は、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部を形成し、次に前記一主面及び導電層部の上に化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるInGaN単結晶層を形成することによって、前記一主面の導電層部間にGa極性のInGaN単結晶層を形成するとともに、複数の導電層部上にそれぞれN極性のInGaN単結晶層を形成し、次にGa極性のInGaN単結晶層上にGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成するとともにN極性のInGaN単結晶層上にN極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成し、次にGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層上にGa極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するとともにN極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層上にN極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、次にN極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とN極性の発光層とN極性のInGaN単結晶層を選択的にエッチング除去することにより、以下の効果を奏する。
即ち、一つのGa極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子と、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に形成して、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に除去することによって、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を残すとともに、残った発光素子の発光層の側面を、成長面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面とすることができる。
また、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層と導電層部の界面での電子の界面散乱が無いため、それらの間のコンタクト抵抗を低くすることができ、発光素子の動作電圧を低くして発光素子の発熱を低減できる。また、導電層部を電極として用いた場合、発光素子の発熱による金属反応を抑制した電極を形成することができる。
従って、発振効率の高い半導体レーザとして使用可能な発光素子を製造することができる。
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、N極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とN極性の発光層とN極性のInGaN単結晶層を選択的にエッチング除去するためのエッチャントがKOH溶液から成ることにより、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の部分を容易に除去することができる。また、残ったGa極性の発光素子の発光層の側面を、成長面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面として形成することができる。
なお、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶はc軸に沿ってGaとNの配列が非対称な構造を持つ、Ga極性とN極性の2種類の極性がある。これらは、結晶構造に差異は無いが、結晶の向きが異なる。具体的には、Ga極性ではGa原子の4個の結合手のうち3個が基板側に向き、1個が表面側に向いている。従って、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体は、表面に現れる1つのN原子は、飛来する3つのGa原子と結合するため、成長中に飛来するGa原子に対してN原子の結合手が3本あることとなり、その結果結合力が強くなるとともに成長速度が速くなる。
N極性の窒化ガリウム系化合物半導体はGa極性と逆であり、N原子の4個のボンドのうち3個が基板側に向き、1個が表面側に向いている。従って、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体は、表面に現れる1つのN原子は、飛来する1つのGa原子と結合するため、成長中に飛来するGa原子に対してN原子の結合手が1本あることとなり、その結果結合力が弱くなるとともに成長速度が遅くなる。
これらの特性の違いは表面モフォロジーにあらわれ、Ga極性では平坦性の表面になっているのに対して、N極性では六角形状のファセット面を呈した表面になっている。また、窒化ガリウム系化合物半導体の成長における成長速度も、Ga極性の成長に対してN極性の成長速度は遅い。以上のことから、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体層は発光素子や電子デバイスへの応用には不適であり、結晶性が高品質の窒化ガリウム系化合物半導体層の実現には、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する必要がある。
また、本発明の発光素子の製造方法は、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を、一つのGa極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に、一括的に多数個形成できるものである。
以下、本発明の発光素子の製造方法について、実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説
明する。
本発明の発光素子の製造方法によって製造された発光素子は、図1に示すように、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11の一主面に形成された、化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部12と、前記一主面の導電層部12間に形成された、化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるGa極性のInGaN単結晶層13aと、InGaN単結晶層13a上に形成されたGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層14aと、発光層14a上に形成されたGa極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15aとを有している構成である。
最下層であるGa極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11は、例えば基板10上に形成される。その基板10の材料としては、サファイア,炭化珪素(SiC),二硼化物単結晶等がある。窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ZrB2単結晶から成る基板10を使用することが好ましい。また、ZrB2単結晶から成る基板10において、Zrの一部がMg,Al,Hf等に置換されているものであってもよい。また、ZrB2単結晶から成る基板10において、その結晶性及び格子定数が大きく変化しない程度に、不純物としてMg,Al,Hf等を含んでいても構わない。
Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11は、例えばAl0.24Ga0.76N層等である。Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11の厚みは1〜2μm程度である。また、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11は、100〜300μm程度の厚いものであれば、それ自体を発光素子製造用の基板として用いることができる。
化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部12は、厚みが20〜500nm程度であることがよい。20nm未満では、結晶性の良い二硼化物単結晶層が成長できず、500nmを超えると、その上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性に変化は見られないため、これ以上の膜厚は必要ない。また、導電層部12の大きさ(平面視における大きさ)は、四角形のものであれば400μm×300μm程度である。
導電層部12間の間隔は、150〜300μm程度がよい。150μm未満では、発光素子に第1導電型の電極を形成したときに、電極同士の間隔が狭くなり、発光素子をワイヤーボンディング実装、フリップチップ実装等するためのボンディングパッドとして電極を使用しづらくなり、発光素子の実装が難しくなる。300μmを超えると、一枚の基板から取れる発光素子数が少なくなりコストの点で適さないものとなる。
導電層部12間に形成された、化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるGa極性のInGaN単結晶層は、例えばIn0.01Ga0.99N単結晶層等である。Ga極性のInGaN単結晶層の厚みは15〜20nm程度であることがよい。15nm未満では、安定したGa極性のInGaN単結晶が成長せず、20nmを超えると、InGaN単結晶層の結晶性が低下する。
InGaN単結晶層上に形成されたGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層は、例えばInGaN層、GaN層を交互に積層した多重量子井戸構造からなる。発光層の厚みは20〜100nm程度がよい。20nm未満では、量子準位がきっちり形成された量子井戸が作製できず、100nmを超えると、発光素子の抵抗値の増大を引き起こす。
発光層上に形成されたGa極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層は、例えばAlGaN層、GaN層等である。Ga極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の厚みは50nm〜200nm程度がよい。50nm未満では、発光層から電子のオーバーフローがあり、発光効率が低下し易くなり、200nmを超えると、発光素子の抵抗値の増大を引き起こす。
本発明の発光素子の製造方法によって製造された発光素子は、発光層の側面がレーザ共振面とされていることがよい。レーザ共振面は、成長面に対して高い垂直性を有する面となっている。また、レーザ共振面の光反射率は96%以上であることがよく、96%未満では、レーザ発振の閾値が高くなり、スロープ効率が低下する。
このような、成長面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面は、例えば、一つのGa極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11の一主面上に、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子と、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に形成して、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を、KOH溶液によって選択的にエッチング除去することにより形成することができる。
また、N極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を除去した後、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を個々に分離して、1チップずつ使用してもよい。
本発明の発光素子の製造方法の各製造工程における発光素子の断面図を図2に示す。
発光素子を構成する窒化ガリウム系化合物半導体層の成長方法としては、分子線エピタキシー(MBE)法,有機金属エピタキシー(MOVPE)法等を用いるとよい。
本発明の発光素子の製造方法は、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11の一主面上に化学式XB2(ただし、XはZr,Ti及びHfから選択される1種以上の元素である。)で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部12を形成し、次に前記一主面及び導電層部12の上に化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるInGaN単結晶層13を形成することによって、前記一主面の導電層部12間にGa極性のInGaN単結晶層13aを形成するとともに、複数の導電層部12上にそれぞれN極性のInGaN単結晶層13bを形成し、次にGa極性のInGaN単結晶層13a上にGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層14aを形成するとともにN極性のInGaN単結晶層13b上にN極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層14bを形成し、次にGa極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層14a上にGa極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15aを形成するとともにN極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層14b上にN極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15bを形成し、次にN極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15bとN極性の発光層14bとN極性のInGaN単結晶層13bを選択的にエッチング除去することによって、Ga極性の発光層14aの側面をレーザ共振面とする構成である。
図2(a)に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体の成長用の基板10の主面上に、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11を成長する。Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11は、例えば3族元素であるGa,Al,Inのうちの少なくとも1種とN元素から成るが、基板10がZrB2単結晶から成る場合には、基板10との格子整合性から、Al0.24Ga0.76N層が好適である。また、本実施の形態では、第1導電型とはn型であり、窒化ガリウム系化合物半導体をn型とするには、元素周期律表において4族元素であるシリコン(Si)等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
次に、図2(b)に示すように、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11上に、化学式XB2で表される二硼化物単結晶から成る導電層22をエピタキシャル成長する。導電層22は、例えばZrB2単結晶,TiB2単結晶,HfB2単結晶,MgB2単結晶等からなるが、Ga極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ZrB2単結晶からなるものが好ましい。
また、ZrB2単結晶から成る導電層22において、Zrの一部がMg,Al,Hf等に置換されているものであってもよい。また、ZrB2単結晶から成る導電層22において、その結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に不純物としてMg,Al,Hf等を含んでいても構わない。導電層22を成長するための原料は、化学式Zr(BH4)4,Hf(BH4)4,Mg(BH4)2で表されるメタル・ボロヒドレード原料が供給効率の点から好ましい。
図2(c)に示すように、導電層22上にフォトリソグラフィー技術を用いてパターンを形成し、HNO3とHFの混合液からなるエッチング液を用いて、導電層22を部分的にエッチングし、二硼化物単結晶から成る複数の導電層部12を形成する。
次に、図2(d)に示すように、複数の導電層部12に、化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるN極性のInGaN単結晶層13bを、前記一主面の導電層部12間に化学式InxGa1−xN(ただし、0≦x<1)で表されるGa極性のInGaN単結晶層13aを成長する。InGaN単結晶13a,13bは、その禁制帯幅を次に成長する発光層14a,14bの禁制帯幅よりも大きくすることにより、発光層14a,14bに電子と正孔とを閉じ込めて、これらの電子と正孔を効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。
次に、図2(e)に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなるGa極性及びN極性の発光層14a,14b、Ga極性及びN極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15a,15bを順次成長する。発光層14a,14bは、InGaN単結晶層13a,13bと、第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層14a,14bの禁制帯幅に対して、禁制帯幅を小さくする元素であるInを含有させてもよい。また、発光層14a,14bは、所望の発光波長となるように、Alをより多く含有させるとともに、Al,In及びGaの組成比を適当に設定することができる。また、発光層14a,14bは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層から成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造(MQW:Multiple Quantum Well)であってもよい。
本実施の形態において第2導電型はp型であり、窒化ガリウム系化合物半導体をp型とするには、元素周期律表において2族の元素であるマグネシウム(Mg)等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
発光層14a,14b、第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15a,15bは、N極性のInGaN単結晶層13b上には、N極性の発光層14b、N極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15bが成長する。Ga極性のInGaN単結晶層13a上には、Ga極性の発光層14a、Ga極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15aが成長し、一つの基板10及び一つのGa極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層11上に、Ga極性の発光素子とN極性の発光素子を選択的に形成することができる。
次に、エッチング法によって、N極性の第2導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層15b、N極性の発光層14b及びN極性のInGaN単結晶層13bを、選択的に除去する。このとき、エッチャント(エッチング液)としてKOH溶液を用いることが好ましい。KOH溶液を用いることにより、Ga極性の窒化ガリウム系化合物半導体層を侵食することなく、容易にエッチング除去することができる。その結果、残ったGa極性の発光素子において、発光層14aの側面が、成主面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面となる。
そして、一つの基板10上に形成された複数の発光素子を、ダイシング法等によって個々に切断することにより、一個々に独立した発光素子を複数個製造することができる。
また、一つの基板10上に複数の発光素子が形成された構成、または切断された個々の発光素子が導電層部12を備えた構成として、発光素子を使用する場合、導電層部12を電極として用いることが好ましい。この場合、二硼化物単結晶から成る導電層部12は、Au(金),Pt(白金),Ni(ニッケル),Ti(チタン),Al(アルミニウム)等の金属から成る従来の電極に比べて高い融点を有するため、発光素子の発熱による電極の金属反応を抑制し、電極劣化のない発光素子を得ることができる。
本発明の発光素子の製造方法によって製造した発光素子は、CD,DVD等の光記録媒体の光ピックアップ用の光源としての半導体レーザに適用できるものであり、波長350〜400nm程度の紫外光〜近紫外光や紫光を用いることにより、高記録密度で長時間の記録・再生が可能な光記録媒体を製造、使用することができる。このような光ピックアップは、周知の構成のものでよく、例えば、本発明の発光素子の製造方法によって製造した発光素子と、発光素子から発光した光の光軸上に設置されたビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ,プリズム,反射鏡,回折格子,スリット,集光レンズ等とを組み合わせることにより、容易に構成することができる。
また、本発明の発光素子の製造方法によって製造した発光素子は照明装置に利用できるものであり、その照明装置は、本発明の発光素子の製造方法によって製造した発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、本発明の発光素子の製造方法によって製造した発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。