特開 2023-28508 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023028508

(43)【公開日】2023-03-03

(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20230224BHJP

   H01S 5/323 20060101ALI20230224BHJP

   H01S 5/22 20060101ALI20230224BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20230224BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20230224BHJP

【ＦＩ】

H01S5/343 610

H01S5/323 610

H01S5/22

H01L33/32

H01L21/205

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021134251

(22)【出願日】2021-08-19

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109380

【弁理士】

【氏名又は名称】小西 恵

(74)【代理人】

【識別番号】100109036

【弁理士】

【氏名又は名称】永岡 重幸

(72)【発明者】

【氏名】難波江 宏一

【テーマコード（参考）】

5F045

5F173

5F241

【Ｆターム（参考）】

5F045AA04

5F045AA05

5F045AB14

5F045AB17

5F045AB18

5F045AD14

5F045AD15

5F045AF04

5F045AF13

5F045BB12

5F045BB13

5F045CA12

5F045DA53

5F045DA55

5F045DA59

5F173AA04

5F173AA08

5F173AA16

5F173AA47

5F173AH22

5F173AH47

5F173AP05

5F173AP09

5F173AP23

5F173AP24

5F173AQ12

5F173AR82

5F173AR84

5F241CA04

5F241CA05

5F241CA22

5F241CA40

5F241CA65

5F241CA66

5F241CA75

5F241CB04

5F241CB05

(57)【要約】

【課題】クラックの増大を抑制しつつ、平坦部を有する窒化物半導体層を形成する。
【解決手段】一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、平坦面に凹部が形成された窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の前記凹部から前記平坦面にかけて形成され、前記平坦面上に平坦部を有する窒化物半導体層と、前記凹部に隣接する前記平坦面の端部上の前記窒化物半導体層に形成された突起部とを備え、前記突起部の位置における前記窒化物半導体層の厚さは、前記平坦部の位置における前記窒化物半導体層の厚さの１．０倍以上１．２倍以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

平坦面に凹部が形成された窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の前記凹部から前記平坦面にかけて形成され、前記平坦面上に平坦部を有する窒化物半導体層と、
前記凹部に隣接する前記平坦面の端部上の前記窒化物半導体層に形成された突起部とを備え、
前記突起部の位置における前記窒化物半導体層の厚さは、前記平坦部の位置における前記窒化物半導体層の厚さの１．０倍以上１．２倍以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

前記窒化物半導体層は、前記凹部の側面と底面の間の方向に窪んでいる窪みを備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

前記窒化物半導体基板は、面方位が（０００１）面であり、＜１－１００＞方向のオフ角の絶対値が０．１度以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

前記窒化物半導体基板は、＜１１－２０＞方向のオフ角の絶対値が０．４度以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項5】

前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層内に電流狭窄層が埋め込まれたインナーストライプ構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項6】

前記窒化物半導体層は、Ａｌ組成が８％以上の窒化物半導体からなる少なくとも一つのクラッド層を備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項7】

発光波長が３９０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項8】

前記凹部と前記平坦部との間に設けられ、前記平坦部より結晶欠陥の密度が大きな欠陥領域を備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項9】

前記窒化物半導体層は、
Ａｌ組成が８％以上の窒化物半導体からなるクラッド層と、
前記クラッド層内に位置し、Ａｌが含まれていない窒化物半導体からなる下地層を備え、
前記欠陥領域は、前記クラッド層と前記下地層との界面にかけて位置することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項10】

面方位が（０００１）面であり、＜１－１００＞方向のオフ角の絶対値が０．１度以下かつ＜１１－２０＞方向のオフ角の絶対値が０．４度以上である窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に形成された窒化物半導体層とを備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子。

【請求項11】

窒化物半導体基板の平坦面に凹部を形成する工程Ａと、
前記窒化物半導体基板の平坦面上に平坦部を有するとともに、前記凹部に隣接する前記平坦面の端部上に突起部を有する窒化物半導体層を、前記窒化物半導体基板の前記凹部から前記平坦面にかけて形成する工程Ｂと備え、
前記工程Ｂは、前記突起部の位置における前記窒化物半導体層の厚さが、前記平坦部の位置における前記窒化物半導体層の厚さの１．０倍以上１．２倍以下になるように、前記窒化物半導体層の成長温度が設定されることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化物半導体は、ワイドバンドギャップ材料であり、混晶組成を変化させることで紫外領域から可視領域の発光波長範囲をカバーできる材料として注目されている。

【0003】

特許文献１には、表面に凹部と凸部を有する基板上に結晶成長した窒化物半導体多層膜構造が開示されている。同特許文献１では、凸部の上方において発光部を有するとともに、凹部の上方において結晶成長では完全に埋まらない窪みが表面に形成されている。また、基板は、サファイヤ基板等の窒化物半導体以外の基板上に窒化物半導体層が成長されてなり、窪みの幅は凹部の幅よりも狭い窒化物半導体発光素子が開示されている。

【0004】

特許文献２、３には、掘り込み領域内において、側面部と底面部の境界に窪みを形成するとともに、丘の両端部に突起部を形成することが開示されている。前記丘と前記掘り込み領域との間において、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子がマイグレーションなどで行き来することを抑制することにより、丘上において表面平坦性が良好な窒化物半導体成長層が形成できる窒化物半導体発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－３１１８３３号公報

【特許文献2】特開２００６－９３５４８号公報

【特許文献3】特開２０１０－２５１７７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、平坦部に接続する凹部の両端の突起部の高さが高すぎると、窒化物半導体の組成によっては、クラックが増大することがあった。

【0007】

そこで、本発明の目的は、クラックの増大を抑制しつつ、平坦部を有する窒化物半導体層を形成可能な窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、平坦面に凹部が形成された窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の前記凹部から前記平坦面にかけて形成され、前記平坦面上に平坦部を有する窒化物半導体層と、前記凹部に隣接する前記平坦面の端部上の前記窒化物半導体層に形成された突起部とを備え、前記突起部の位置における前記窒化物半導体層の厚さは、前記平坦部の位置における前記窒化物半導体層の厚さの１．０倍以上１．２倍以下である。

【0009】

これにより、窒化物半導体層の平坦部の平坦性を向上させるために、突起部を設けた場合においても、突起部の高さを低くすることができる。このため、発光波長が近紫外線領域に位置するように窒化物半導体層の組成を設定した場合においても、窒化物半導体層の平坦部の平坦性低下を抑制しつつ、クラックの増大を抑制することができる。

【0010】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記窒化物半導体層は、前記凹部の側面と底面の間の方向に窪んでいる窪みを備える。

【0011】

前記凹部の側面と底面の間の方向に窪んでいる窪みの周辺は欠陥や転移が集中生成されるポイントと成っていることを発明者は見出した。ここで、前記窪みが消失した状態、すなわち、前記側面上と前記底面上に十分な結晶成長が行われると、欠陥や転移が窒化物半導体層の平坦部の方向に成長する。しかし、本発明のように、窪みを備えていれば、窒化物半導体層に発生する転位および欠陥を突起部の近傍に集中させることができる。このため、窒化物半導体層の平坦部の方向に転位および欠陥が到達しにくくすることができ、窒化物半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。

【0012】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記窒化物半導体基板は、面方位が（０００１）面であり、＜１－１００＞方向のオフ角の絶対値が０．１度以下である。

【0013】

これにより、窒化物半導体層の成長温度を上昇させることなく、突起部の高さを低くすることができ、窒化物半導体層の成長時のコンタミネーションを抑制しつつ、クラックの増大を抑制することができる。

【0014】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記窒化物半導体基板は、＜１１－２０＞方向のオフ角の絶対値が０．４度以上である。

【0015】

これにより、窒化物半導体層の平坦部の平坦性を向上させることができ、製造歩留まり（単に歩留まりとも記載する：１枚のウェハから取り出せる発光素子の数に対して所望のレーザ光を放射する発光素子の数を百分率で表したもの）を向上させることができる。

【0016】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記窒化物半導体層は、前記窒化物半導体層内に電流狭窄層が埋め込まれたインナーストライプ構造を備える。

【0017】

これにより、窒化物半導体層内に形成される活性層を導波する導波光を横方向に閉じ込め可能としつつ、活性層に注入される電流を狭窄させることができる。このため、窒化物半導体発光素子の閾値電流を低下させつつ、窒化物半導体発光素子の発熱を抑制することができ、窒化物半導体発光素子の高出力化を図ることができる。

【0018】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記窒化物半導体層は、Ａｌ組成が８％以上の窒化物半導体からなる少なくとも一つのクラッド層を備える。

【0019】

これにより、発光波長を紫外線領域に設定することができる。

【0020】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、発光波長が３９０ｎｍ以下である。

【0021】

これにより、発光波長をより放射エネルギーの高い近紫外線領域に設定することができ、窒化物半導体発光素子の用途を拡大することができる。

【0022】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記凹部と前記平坦部との間に設けられ、前記平坦部より結晶欠陥の密度が大きな欠陥領域を備える。

【0023】

これにより、窒化物半導体層の平坦部に転位および欠陥が集中するのを抑制することができ、窒化物半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。

【0024】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、前記窒化物半導体層は、Ａｌ組成が８％以上の窒化物半導体からなるクラッド層と、前記クラッド層内に位置し、Ａｌが含まれていない窒化物半導体からなる下地層を備え、前記欠陥領域は、前記クラッド層と前記下地層との界面にかけて位置する。

【0025】

これにより、平坦部のクラッド層と下地層との界面の歪が緩和され、転位および欠陥を凹部の近傍に集中させることができる。結果として、窒化物半導体層の平坦部の転位および欠陥が形成されるのを抑制することができる。

【0026】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子によれば、面方位が（０００１）面であり、＜１－１００＞方向のオフ角の絶対値が０．１度以下かつ＜１１－２０＞方向のオフ角の絶対値が０．４度以上である窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に形成された窒化物半導体層とを備える。

【0027】

これにより、窒化物半導体層の平坦部の平坦性を向上させつつ、クラックの増大を抑制することができる。このため、窒化物半導体発光素子の製造歩留まりを向上させつつ、信頼性を向上させることができる。

【0028】

また、本発明の一態様に係る窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、窒化物半導体基板の平坦面に凹部を形成する工程Ａと、前記窒化物半導体基板の平坦面上に平坦部を有するとともに、前記凹部に隣接する前記平坦面の端部上に突起部を有する窒化物半導体層を、前記窒化物半導体基板の前記凹部から前記平坦面にかけて形成する工程Ｂとを備え、前記工程Ｂは、前記突起部の位置における前記窒化物半導体層の厚さが、前記平坦部の位置における前記窒化物半導体層の厚さの１．０倍以上１．２倍以下になるように、前記窒化物半導体層の成長温度が設定されている。

【0029】

これにより、発光波長が近紫外線領域に位置するように窒化物半導体層の組成を設定した場合においても、工程数の増大を抑制しつつ、窒化物半導体層の平坦部の平坦性の低下を抑制することが可能となるとともに、クラックの増大を抑制することができる。

【発明の効果】

【0030】

本発明の一態様においては、クラックの増大を抑制しつつ、平坦部を有する窒化物半導体層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】第１実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。

【図2】図１の窒化物半導体層の層構造の一例を示す断面図である。

【図3】図１の窒化物半導体層の成長温度を変化させたときの窒化物半導体層の形状を示す断面図である。

【図4A】図１の窒化物半導体層の平坦部の厚さに対する突起部の厚さとｎ型窒化物クラッド層の成長温度との関係を示す図である。

【図4B】図１の窒化物半導体層の平坦部の厚さに対する突起部の厚さとｎ型窒化物クラッド層の成長温度との関係を示す図である。

【図5A】図１の窒化物半導体層の平坦部の厚さに対する突起部の厚さとクラック発生確率との関係を示す図である。

【図5B】図１の窒化物半導体層の突起部の厚さと信頼度および歩留まりとの関係を示す図である。

【図6A】図１の窒化物半導体基板の＜１－１００＞方向のオフ角を変化させたときの窒化物半導体層の突起部の厚さとｎ型窒化物クラッド層の成長温度との関係を示す図である。

【図6B】図１の窒化物半導体基板の＜１－１００＞方向のオフ角と窒化物半導体層のクラック発生確率との関係を示す図である。

【図6C】図１の窒化物半導体基板の＜１１－２０＞方向のオフ角と歩留まりとの関係を示す図である。

【図7】図７（ａ）は、第２実施形態に係る半導体発光素子の窒化物半導体層の欠陥の集中位置を示す平面図、図７（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体発光素子の窒化物半導体層の欠陥の集中位置を示す断面図である。

【図8】第２実施形態に係る半導体発光素子の窒化物半導体層の成長温度を変化させたときの欠陥の状態を示す平面図である。

【図9】第３実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。

【図10】第４実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。

【図11】第５実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明を限定するものではなく、実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の構成に必須のものとは限らない。実施形態の構成は、本発明が適用される装置の仕様や各種条件（使用条件、使用環境等）によって適宜修正または変更され得る。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって確定され、以下の個別の実施形態によって限定されない。また、以下の説明に用いる図面は、各構成を分かり易くするため、実際の構造と縮尺および形状などを異ならせることがある。

【0033】

図１は、第１実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。
図１において、半導体レーザＬＡは、窒化物半導体基板１１および窒化物半導体層ＭＬを備える。なお、窒化物半導体は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という組成を持つことができる。窒化物半導体基板１１は、面方位が（０００１）面であり、＜１－１００＞方向のオフ角の絶対値は０．１度以下とすることができる。また、窒化物半導体基板１１は、＜１１－２０＞方向のオフ角の絶対値を０．４度以上とすることができる。なお、本明細書では、面方位の表記において、負の成分を持つ方向を示す数字の上にバーを付す代わりに、その数字の前に－を付す。

【0034】

窒化物半導体基板１１の平坦面ＭＨには凹部ＵＢが形成されている。凹部ＵＢは、例えば、窒化物半導体基板１１上に形成された溝である。凹部ＵＢは、窒化物半導体層ＭＬを導波する光の導波方向に沿って形成することができる。このとき、光の導波方向は、［１－１００］方向に設定することができる。また、光の導波方向に対する横方向は［１１－２０］方向、光の導波方向に対する縦方向は［０００１］方向に設定することができる。

【0035】

窒化物半導体層ＭＬは、窒化物半導体基板１１の凹部ＵＢから平坦面ＭＨにかけて形成される。窒化物半導体層ＭＬは、キャリアの再結合に基づいて光を発生させる発光層を備える。発光層の発光波長は近紫外線領域に設定することができる。このとき、発光波長が３９０ｎｍ以下となるように発光層の組成を設定することができる。また、窒化物半導体層ＭＬは、Ａｌ組成が８％以上の窒化物半導体からなる少なくとも一つのクラッド層を備えることができる。

【0036】

窒化物半導体層ＭＬは、平坦部ＰＨおよび突起部ＰＢを備える。平坦部ＰＨは、窒化物半導体基板１１の平坦面ＭＨ上に位置する。突起部ＰＢは、凹部ＵＢに隣接する平坦面ＭＨの端部上に位置する。このとき、突起部ＰＢの位置における窒化物半導体層ＭＬの厚さＴＰは、平坦部ＰＨの位置における窒化物半導体層ＭＬの厚さＴＨの１．０倍以上１．２倍以下とすることができる。

【0037】

また、窒化物半導体層ＭＬは、凹部ＵＢ内に窪みＫＭを有する。窪みＫＭは、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪んでいる。窪みＫＭの形状は、例えば、楔形である。

【0038】

窒化物半導体層ＭＬは、発光層を導波する光を横方向および縦方向に閉じ込めるリッジＲＧを備える。リッジＲＧは、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨに位置する。リッジＲＧは、窒化物半導体層ＭＬの端面間に渡って凹部ＵＢに平行に形成することができる。このとき、半導体レーザＬＡは、リッジストライプ型レーザを構成している。

【0039】

窒化物半導体層ＭＬ上には、絶縁層２３を介して電極２４が形成されている。このとき、リッジＲＧのトップ面は絶縁層２３から露出され、電極２４に接続される。窒化物半導体基板１１の裏面には電極２２が形成される。電極２２は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造とすることができる。電極２４は、例えば、Ｐｄ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層構造とすることができる。絶縁層２３、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜とすることができる。

【0040】

図２は、図１の窒化物半導体層の層構造の一例を示す断面図である。
図２において、図１の窒化物半導体層ＭＬは、窒化物半導体基板１１上に積層された活性層およびクラッド層を含む窒化物半導体積層構造を有することができる。

【0041】

例えば、窒化物半導体基板１１は、ＧａＮ基板を用いることができる。窒化物半導体層ＭＬは、ｎ型ＧａＮバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３、ＩｎＧａＮ下地層１４、ｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５、ｎ型ガイド層１６、活性層１７、ｐ型ガイド層１８、ｐ型キャリアブロック層１９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１の積層構造で構成することができる。活性層１７は、例えば、障壁層間に井戸層が挟まれた量子井戸層を用いることができる。ここで、発光波長を近紫外線領域に設定するために、ｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成を８％以上に設定している。

【0042】

窒化物半導体基板１１上への窒化物半導体層ＭＬの形成には、エピタキシャル成長を用いることができる。エピタキシャル成長は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）であってもよいし、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）であってもよいし、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）であってもよい。

【0043】

ここで、窒化物半導体層ＭＬのクラックの増大を抑制するために、窒化物半導体基板１１の平坦面ＭＨに凹部ＵＢを設けた場合において、発光波長が近紫外線領域に位置するように窒化物半導体層ＭＬの組成を設定したものとする。この場合、凹部ＵＢの脇の突起部ＰＢの高さが高いと、窒化物半導体層ＭＬのクラックの増大を抑えられなくなる。このとき、突起部ＰＢの位置における窒化物半導体層ＭＬの厚さＴＰを、平坦部ＰＨの位置における窒化物半導体層ＭＬの厚さＴＨの１．０倍以上１．２倍以下とすることにより、発光波長が近紫外線領域に位置するように窒化物半導体層ＭＬの組成を設定した場合においても、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨの平坦性の低下を抑制しつつ、クラックの増大を抑制することができる。

【0044】

ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を高くすることにより、突起部ＰＢの高さを低くすることができる。このため、発光波長が近紫外線領域に位置するように窒化物半導体層ＭＬの組成を設定した場合においても、工程数の増大を抑制しつつ、窒化物半導体層ＭＬの平坦部の平坦性ＰＨの低下を抑制することが可能となるとともに、クラックの増大を抑制することができる。

【0045】

さらに、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪みＫＭを設けることにより、窒化物半導体層ＭＬに発生する転位および欠陥を突起部ＰＢの近傍に集中させることができる。このため、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨの方向に転位および欠陥が到達しにくくすることができ、半導体レーザＬＡの信頼性を向上させることができる。

【0046】

図３は、図１の窒化物半導体層の成長温度を変化させたときの窒化物半導体層の形状を示す断面図である。なお、図３（ａ）から図３（ｃ）は、図２のｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を１１５０℃、１１００℃および１０５０℃にそれぞれ設定した場合を示す。

【0047】

図２に示したｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を１１５０℃に設定した場合、図３（ａ）のように窒化物半導体基板１１上に窒化物半導体層ＭＬ１が形成された。このとき、窒化物半導体層ＭＬ１の突起部ＰＢ１の位置における窒化物半導体層ＭＬ１の厚さＴＰは２．９μｍ、平坦部の位置における窒化物半導体層ＭＬ１の厚さは２．７２μｍであった。また、平坦面ＭＨの位置における凹部ＵＢの側面ＫＳ上に形成される窒化物半導体層ＭＬ１の厚さＴＳは２．７４μｍであった。

【0048】

同様に図２に示したｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を１１００℃に設定した場合、図３（ｂ）のように窒化物半導体基板１１上に窒化物半導体層ＭＬ２が形成された。このとき、窒化物半導体層ＭＬ２の突起部ＰＢ２の位置における窒化物半導体層ＭＬ２の厚さＴＰは３．３μｍ、平坦部の位置における窒化物半導体層ＭＬ２の厚さは２．７３μｍであった。また、平坦面ＭＨの位置における凹部ＵＢの側面ＫＳ上の窒化物半導体層ＭＬ２の厚さＴＳは１．３μｍであった。また、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪みＫＭ２が形成された。

【0049】

更には、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を１０５０℃に設定した場合、図３（ｃ）のように窒化物半導体基板１１上に窒化物半導体層ＭＬ３が形成された。このとき、窒化物半導体層ＭＬ３の突起部ＰＢ３の位置における窒化物半導体層ＭＬ３の厚さＴＰは３．５μｍ、平坦部の位置における窒化物半導体層ＭＬ３の厚さは２．６８μｍであった。また、平坦面ＭＨの位置における凹部ＵＢの側面ＫＳ上の窒化物半導体層ＭＬ３の厚さＴＳは０．８２μｍであった。また、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪みＫＭ３が形成された。窪みＫＭ３は図３（ｂ）に示した窪みＫＭ２よりも大きく窪んだ形状となっている。

【0050】

図４Ａおよび図４Ｂは、図１の窒化物半導体層の突起部の厚さとｎ型窒化物クラッド層の成長温度（Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}）との関係を示す図である。
図４Ａおよび図４Ｂにおいて、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}を上げることで突起部ＰＢの高さを低くすることができた。例えば、図３（ａ）～図３（ｃ）の例では、成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}を１１００℃以上にすることで、突起部ＰＢの全層厚と平坦部ＰＨの全層厚の比を１．２倍以下にすることができた。

【0051】

図５Ａは、図１の窒化物半導体層の突起部の厚さとクラック発生確率との関係を示し、図５Ｂは、図１の窒化物半導体層の突起部の厚さと信頼性および歩留まりとの関係を示す。窒化物半導体基板１１の＜１－１００＞方向のオフ角θ_ｍ ^{＜１－１００＞}は、０．３２°とした。なお、クラック発生確率は、８００μｍ×４００μｍのレーザ素子中にクラックが一本以上存在する確率である。

【0052】

図５Ａおよび図５Ｂにおいて、突起部ＰＢの全層厚と平坦部ＰＨの全層厚の比を１．２倍以下にすることで、窒化物半導体層ＭＬに発生するクラックを低減できる。これにより、半導体レーザＬＡの製造歩留まりを向上させつつ、信頼性を向上させることができる。このとき、半導体レーザＬＡの平均故障寿命（ＭＴＴＦ）を１万時間以上に改善できた。更には、歩留まりが上がった。

【0053】

なお、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を上げる方法以外にも、窒化物半導体基板１１の＜１－１００＞方向のオフ角θ_ｍ ^{＜１－１００＞}を小さくすることでも突起部ＰＢの高さを低くできる。また、窒化物半導体基板１１の＜１１－２０＞方向のオフ角θ^{＜１１－２０＞}の絶対値を０．４°以上とすることで、窒化物半導体基板１１の平坦部ＰＨの平坦性が改善され歩留まりを向上させることができる。

【0054】

図６Ａは、図１の窒化物半導体基板の＜１－１００＞方向のオフ角（θ_ｍ ^{＜１－１００＞}）を変化させたときの窒化物半導体層の突起部の厚さについて、ｎ型窒化物クラッド層の成長温度（Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}）との関係を示す図である。
図６Ａにおいて、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}を１０５０℃とすると、窒化物半導体基板１１の＜１－１００＞方向のオフ角θ_ｍ ^{＜１－１００＞}が０．１より大きいオフ角であり、例えば０．３２°の窒化物半導体基板１１を使用した場合は、突起部ＰＢの全層厚が平坦部ＰＨの全層厚よりも１．３倍程厚くなる（突起部厚／平坦部厚＝１．３）。一方、窒化物半導体基板１１の＜１－１００＞方向のオフ角θ_ｍ ^{＜１－１００＞}の絶対値が０．１°以下の窒化物半導体基板１１を使用すると、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}が１０５０℃のままでも、突起部厚／平坦部厚が１．２以下となった。

【0055】

図６Ｂは、図１の窒化物半導体基板の＜１－１００＞方向のオフ角（ｄｅｇ）と窒化物半導体層のクラック発生確率（％）との関係を示す図である。
図６Ｂにおいて、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}を１０５０℃とした。この場合においても、窒化物半導体基板１１の＜１－１００＞方向のオフ角θ_ｍ ^{＜１－１００＞}の絶対値が０．１°以下であればクラックの発生を抑制できることが判る。

【0056】

図６Ｃは、図１の窒化物半導体基板の＜１１－２０＞方向のオフ角と歩留まりとの関係を示す図である。
図６Ｃにおいて、窒化物半導体基板１１の＜１１－２０＞方向のオフ角θ^{＜１１－２０＞}の絶対値が０．４°よりも小さい場合、特に基板温度が低いと、ウェハ表面の平坦性が悪化する。その結果、半導体レーザＬＡの発散角およびキンクレベルなどの変動幅が大きくなり歩留まりが低下する。
一方、窒化物半導体基板１１の＜１１－２０＞方向のオフ角θ^{＜１１－２０＞}の絶対値が０．４°以上の場合、基板温度が低くても、ウェハの平坦性が維持され、発散角およびキンクレベルの変動幅も安定し歩留まりが改善する。

【0057】

以上説明したように、面方位が（０００１）面であり、＜１－１００＞方向のオフ角の絶対値が０．１度以下かつ＜１１－２０＞方向のオフ角の絶対値が０．４度以上である窒化物半導体基板１１を用いることにより、基板温度が低い場合においても、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨの平坦性を向上させつつ、クラックの増大を抑制することができる。このとき、基板温度を高くする必要がなくなり、図３（ａ）に示すように、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪んでいる窪みＫＭが消失するのを防止することができる。このため、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨの方向に転位および欠陥が到達しにくくすることができ、半導体レーザＬＡの信頼性を向上させることができる。

【0058】

図７（ａ）は、第２実施形態に係る半導体発光素子の窒化物半導体層の欠陥の集中位置を示す平面図、図７（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体発光素子の窒化物半導体層の欠陥の集中位置を示す断面図である。
図１の半導体レーザＬＡは、リッジＲＧの片側にのみ凹部ＵＢが配置されている。これに対して、図７（ａ）の半導体レーザＬＢは、リッジＲＧの両側に凹部ＵＢが配置されている。半導体レーザＬＢのそれ以外の点は、図１の半導体レーザＬＡと同様に構成することができる。

【0059】

ここで、窒化物半導体層ＭＬは、欠陥領域ＫＣを備える。欠陥領域ＫＣは、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨより欠陥ＫＤの密度が大きい。欠陥領域ＫＣは、窒化物半導体層ＭＬの凹部ＵＢと平坦部ＰＨとの間に設けられる。このとき、窒化物半導体層ＭＬの平面内では、欠陥ＫＤは、凹部ＵＢの側面ＫＳの近傍に集中する。また、窒化物半導体層ＭＬの膜厚方向では、欠陥ＫＤは、図７（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ下地層１４とｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の界面にかけて集中する。ＩｎＧａＮ下地層１４は、窒化物半導体基板１１との格子不整合に起因するｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の歪を緩和することができる。

【0060】

ここで、窒化物半導体層ＭＬに欠陥領域ＫＣを設けることにより、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨに転位および欠陥の形成を抑制することができ、半導体レーザＬＢの信頼性を向上させることができる。また、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３とｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５との間にＩｎＧａＮ下地層１４を設けることにより、平坦領域ＰＨでの積層方向における歪を緩和できる。これにより、転位および欠陥を凹部ＵＢの近傍に集中させることができ、窒化物半導体層ＭＬの平坦部ＰＨに転位および欠陥の形成を抑制することができる。

【0061】

図８は、第２実施形態に係る半導体発光素子の窒化物半導体層の成長温度を変化させたときの欠陥の状態を示す平面図である。なお、図８（ａ）から図８（ｃ）は、図２のｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度を１１５０℃、１１００℃および１０５０℃にそれぞれ設定した場合を示す。すなわち、図８（ａ）は１１５０℃、図８（ｂ）は１１００℃、図８（ｃ）は１０５０℃とした場合の状態を示している。

【0062】

図８（ａ）から図８（ｃ）において、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}が高くなると、窒化物半導体層ＭＬに発生する欠陥ＫＤが増大する。ここで、図８（ａ）は、図３（ａ）に示すように、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪みＫＭが形成されずに、凹部ＵＢの側面ＫＳから底面ＫＢにかけて窒化物半導体層ＭＬの横方向の厚さが厚くなるように傾斜している場合である。この場合、図８（ａ）に示すように、凹部ＵＢの脇の突起部ＰＢで発生した欠陥ＫＤが平坦部ＰＨの電流注入領域にまで延伸し、半導体レーザＬＡの動作中に欠陥ＫＤが発光層にまで到達し、半導体レーザＬＡの急速な劣化を引き起こす危険がある。

【0063】

ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ第１クラッド層１３およびｎ型ＡｌＧａＮ第２クラッド層１５の成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}を低くすると、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、凹部ＵＢの側面ＫＳと底面ＫＢの間の方向に窪みＫＭが形成され、成長温度Ｔ_ｇ ^{ｎ－ｃｌａｄ}が低くなるに従って、窪みＫＭの深さが深くなる。その結果、窒化物半導体層ＭＬに発生する欠陥ＫＤを減少させることができる。このとき、凹部ＵＢの脇の突起部ＰＢで発生した欠陥ＫＤは、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、凹部ＵＢの脇の突起部ＰＢに局所的に集中し、平坦部ＰＨの電流注入領域ではほとんど存在しない。また、凹部ＵＢの脇に欠陥ＫＤが集中することで、レーザ素子全体の応力が緩和され、レーザ素子の動作中に欠陥ＫＤが増殖しにくくなり、半導体レーザＬＡの信頼性を向上させることができる。

【0064】

図９は、第３実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。
図９において、半導体レーザＬＣは、図１の半導体レーザＬＡの窒化物半導体層ＭＬの代わりに窒化物半導体層ＭＬ´を備える。窒化物半導体層ＭＬ´は、図１のリッジＲＧの代わりに電流注入層２５を備える。電流注入層２５は、窒化物半導体層ＭＬ´の平坦部ＰＨに位置する。電流注入層２５は、図２のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１の積層構造で構成することができる。電流注入層２５は、窒化物半導体層ＭＬ´の端面間に渡って凹部ＵＢに平行に形成することができる。電流注入層２５には、図２の活性層１７に注入される電流を狭窄する電流狭窄層２６を備える。電流狭窄層２６は、例えば、ＡｌＮからなる高抵抗層を用いることができる。電流狭窄層２６には、電流注入層２５を介して活性層１７に電流を注入可能とする開口部２７が形成されている。窒化物半導体層ＭＬ´のそれ以外の点は、図１の窒化物半導体層ＭＬと同様に構成することができる。このとき、半導体レーザＬＣは、インナーストライプ型レーザを構成することができる。

【0065】

窒化物半導体層ＭＬ´上には、絶縁層２８を介して電極２９が形成されている。このとき、電流注入層２５のトップ面は絶縁層２８から露出され、電極２９に接続される。

【0066】

ここで、突起部ＰＢの位置における窒化物半導体層ＭＬ´の厚さＴＰを、平坦部ＰＨの位置における窒化物半導体層ＭＬ´の厚さＴＨの１．０倍以上１．２倍以下としている。この構成により、発光波長が近紫外線領域に位置するように窒化物半導体層ＭＬ´の組成を設定した場合においても、窒化物半導体層ＭＬ´の平坦部ＰＨの平坦性の低下を抑制しつつ、クラックの増大を抑制することができる。
さらに、電流注入層２５に電流狭窄層２６を設けることにより、活性層１７を導波する導波光を横方向に閉じ込め可能としつつ、活性層１７に注入される電流を狭窄させることができる。このため、半導体レーザＬＣの閾値電流を低下させつつ、半導体レーザＬＣの発熱を抑制することができ、半導体レーザＬＣの高出力化を図ることができる。

【0067】

なお、この半導体レーザＬＣにおいても、図７の欠陥領域ＫＣを窒化物半導体層ＭＬ´の凹部ＵＢと平坦部ＰＨとの間に設けてもよい。

【0068】

図１０は、第４実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。
図１の半導体レーザＬＡは、凹部ＵＢの両側の側面ＫＳを含む。これに対して、図１０の半導体レーザＬＤは、凹部ＵＢの片側の側面ＫＳのみを含む。半導体レーザＬＤのそれ以外の点は、図１の半導体レーザＬＡと同様に構成することができる。ここで、凹部ＵＢの片側の側面ＫＳのみを含むように半導体レーザＬＤを構成することにより、図７（ａ）の半導体レーザＬＢの欠陥領域ＫＣをリッジＲＧの片側に残しつつ、半導体レーザＬＤの小型化を図ることができる。

【0069】

図１１は、第５実施形態に係る半導体発光素子の構成を光導波方向に対して垂直方向に切断して示す断面図である。
図１０の半導体レーザＬＤは、片側の側面ＫＳのみを含む凹部ＵＢがリッジＲＧの片側にのみ配置されている。これに対して、図１１の半導体レーザＬＥは、片側の側面ＫＳのみを含む凹部ＵＢがリッジＲＧの両側に配置されている。半導体レーザＬＥのそれ以外の点は、図１０の半導体レーザＬＤと同様に構成することができる。ここで、片側の側面ＫＳのみを含む凹部ＵＢをリッジＲＧの両側に配置することにより、図７（ａ）の半導体レーザＬＢの欠陥領域ＫＣをリッジＲＧの両側に残した状態で、半導体レーザＬＥをウェハから切り出すことができる。この場合、凹部ＵＢがレーザ素子の分割部分となり、分割幅に当たる部分に形成されていた欠陥が素子に残らず全体として欠陥が少なくなる。

【0070】

なお、図１０、図１１では、図１のリッジストライプ型レーザに適用される場合を示したが、図１０、図１１のそれぞれの構成を図９のインナーストライプ型レーザに適用してもよい。

【0071】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0072】

ＬＡ 半導体レーザ
１１ 窒化物半導体基板
ＭＬ 窒化物半導体層
ＭＨ 平坦面
ＵＢ 凹部
ＫＢ 平坦部
ＰＢ 突起部
ＫＭ 窪み
ＲＧ リッジ
２３ 絶縁層
２２、２４ 電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】