JP2015178448A - 単結晶基板の製造方法およびレーザ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体を用いたレーザ素子の製造に使用されるＧａＮ層からなる単結晶基板の製造方法の提供。【解決手段】チョクラルスキー法によるＳｃＡｌＭｇＯ4の単結晶体を形成する単結晶体形成工程Ｓ１０１と、ＳｃＡｌＭｇＯ4の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ4の単結晶からなる成長基板を形成する成長基板形成工程Ｓ１０２と、前記成長基板の上にＧａＮを結晶成長して単結晶のＧａＮからなるＧａＮ層を形成するＧａＮ成長工程と、前記ＧａＮ層が形成されている状態で前記成長基板を除去して前記ＧａＮ層からなる単結晶基板を形成する基板形成工程とを備える単結晶基板の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板、ＧａＮの単結晶基板およびＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を用いた窒化物半導体からなるレーザ素子を作製する単結晶基板の製造方法およびレーザ素子の製造方法に関する。

ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで、０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができる。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かし、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの、青色を初めとする発光素子の材料として用いられている。また、窒化物半導体のエネルギーギャップ範囲は、太陽光のスペクトル（波長）をほぼ網羅しており、発電効率の高い太陽電池を実現しうる材料として注目されている。さらに、窒化物半導体はその広エネルギーギャップ性を生かして、高周波・高出力トランジスタ用材料としても期待されている。

H. Tang et al. , "Study on growth and characterization of ScAlMgO4 substrate crystal",J. Alloys and Compounds, vol.471 ,L43-L46 ,2009. E. S. Hellman et al. , "ScAlMgO4: an Oxide Substrate for GaN Epitaxy",MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research,vol.1, Article 1, 1996. T. Katase et al. , "Large domain growth of GaN epitaxial films on lattice-matched buffer layer ScAlMgO4", Materials Science and Engineering B,vol.161,pp.66-70, 2009. E. S. Hellman et al. , "ScAlMgO4: An Oxide Substrate For GaN Epitaxy",Mat. Res. Soc. Symp. Proc. ,vol.395, p.51, 1996.

しかしながら、窒化物半導体による素子の発光効率や素子寿命は、ＧａＡｓやＩｎＰ系材料による発光素子に比較して、劣っているという問題がある。これは、ＧａＡｓやＩｎＰと異なり、窒化物半導体に格子整合し、また、エピタキシャル成長の環境に耐えられる基板が、現実的には存在しないことによる。

現在一般には、窒化物半導体素子は、サファイアを初めとする基板上に形成されている。しかしながら、サファイア（単結晶Ａｌ₂Ｏ₃）は、ＧａＮに対する格子不整１３．８％であり、この基板と窒化物半導体層との間の格子不整によって、窒化物半導体中に１０^8-9／ｃｍ³の高密度の結晶欠陥（貫通転位）が入り、素子の発光効率や素子寿命などを低下させている。また、窒化物半導体に格子整合する材料として、ＬｉＧａＯ₂，ＺｎＯなどがあるが、これらは、窒化物半導体のエピタキシャル成長における還元雰囲気に対する耐性がない。このため、しばしば窒化物半導体膜の剥離が生じる。

このように、従来では、結晶欠陥の少ない高品質な窒化物半導体を成長させるための、実用的な成長基板が無いため、高い発光効率や長い素子寿命などの特性を備えた状態で、窒化物半導体を用いた素子を、低コストで容易に製造することができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体を用いた特性のよい素子を、低コストで容易に製造できるようにすることを目的とする。

本発明に係る単結晶基板の製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成する基板形成工程とを備える。また、本発明に係る単結晶基板の製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を裂開容易面で裂開することで、裂開容易面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成する基板形成工程とを備える。なお、単結晶体形成工程では、チョクラルスキー法により酸化スカンジウム，酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムを原料としてＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成すればよい。

また、本発明に係る単結晶基板の製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板を形成する成長基板形成工程と、成長基板の上にＧａＮを結晶成長して単結晶のＧａＮからなるＧａＮ層を形成するＧａＮ成長工程と、ＧａＮ層が形成されている状態で成長基板を除去してＧａＮ層からなる単結晶基板を形成する基板形成工程とを備える。

また、本発明に係る単結晶基板の製造方法は、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を裂開容易面で裂開することで、裂開容易面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板を形成する成長基板形成工程と、成長基板の上にＧａＮを結晶成長して単結晶のＧａＮからなるＧａＮ層を形成するＧａＮ成長工程と、ＧａＮ層が形成されている状態で成長基板を除去してＧａＮ層からなる単結晶基板を形成する基板形成工程とを備える。

本発明に係るレーザ素子の製造方法は、（０００１）面に垂直な面を主表面としたＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる基板の主表面に窒化物半導体の層を積層し、基板の（０００１）面に垂直な方向を導波方向とする導波路型のレーザ構造を形成するレーザ構造作製工程と、レーザ構造が作製された基板を（０００１）面で劈開してレーザ構造の端面を形成してレーザ構造の共振器を形成する共振器形成工程とを備える。

また、本発明に係るレーザ素子の製造方法は、（０００１）面を主表面としたＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる基板の主表面に窒化物半導体の層を積層し、基板の裂開容易面に垂直な方向を導波方向とする導波路型のレーザ構造を形成するレーザ構造作製工程と、レーザ構造が作製された基板を裂開容易面で裂開してレーザ構造の端面を形成してレーザ構造の共振器を形成する共振器形成工程とを備える。

なお、裂開容易面は、（１−１０−１）面である。

以上説明したように、本発明によれば、単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ₄の基板を用い、この劈開性および裂開性を利用するようにしたので、窒化物半導体を用いた特性のよい素子を、低コストで容易に製造できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における単結晶基板の製造方法を説明するフローチャートである。 図２は、本発明の実施の形態１における単結晶基板の製造方法で形成された単結晶基板の状態を示す写真である。 図３は、ＳｃＡｌＭｇＯ₄単結晶の構造を示す斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態２における単結晶基板の製造方法を説明するフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態２において形成したＧａＮ層の表面の光学顕微鏡写真である。 図６は、本発明の実施の形態２において形成したＧａＮ層の表面の光学顕微鏡写真である。 図７は、実施の形態２におけるＧａＮ層のＸ線回折（ＸＲＤ）測定結果を示す特性図である。 図８は、実施の形態２における成長基板上へ形成したＧａＮ層の室温で測定したフォトルミネッセンス特性を示す特性図である。 図９は、サファイア基板を除去した後のＧａＮ基板の状態を説明する説明図である。 図１０は、サファイア基板を用いて形成したＧａＮ基板における結晶の方位（ｃ軸）のばらつきの状態を説明する説明図である。 図１１は、本発明の実施の形態３におけるレーザ素子の製造方法で製造されるレーザ素子の構成を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態３におけるレーザ素子の製造方法で製造されるレーザ素子の構成を示す斜視図である。 図１３は、実施の形態３におけるレーザ構造３０２の導波路層と下部キャリア閉じ込め層を除いて作製したＬＥＤ構造のＩｎＧａＮ層におけるＰＬ特性を示す特性図である。 図１４は、サファイア基板を用いてＬＥＤ構造を形成した場合のＩｎＧａＮ層におけるＰＬ特性を示す特性図である。 図１５は、実施の形態３において導波路層と下部キャリア閉じ込め層を除いて実際に作製したＬＥＤ素子の整流特性を示す特性図である。 図１６は、実施の形態３において導波路層と下部キャリア閉じ込め層を除いて実際に作製したＬＥＤ素子の光出力−電流特性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１における単結晶基板の製造方法を説明するフローチャートである。

まず、第１工程Ｓ１０１で、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する（単結晶体形成工程）。次に、第２工程Ｓ１０２で、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成する（基板形成工程）。

例えば、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉を用い、ＳｃＡｌＭｇＯ₄を育成することで、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成すればよい。例えば、直径１００ｍｍのイリジウム製の坩堝に、出発原料として４Ｎ（９９．９９％）のＳｃ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯを、規定ｍｏｌ％に配合した原料３４００ｇを投入する。次に、原料を投入した坩堝を、高周波誘導加熱型チョクラルスキー炉の育成炉に投入し、この炉内を真空にした後に窒素を導入し、炉内が大気圧となった時点で坩堝の加熱を開始し、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の融点に達するまで１２時間かけて徐々に加熱して材料を溶融させる。

次に、（０００１）方位に切り出したＳｃＡｌＭｇＯ₄単結晶を種結晶として用い、この種結晶を坩堝内の融液近くまで降下させる。種結晶を一定の回転速度で回転させながら徐々に降下させ、種結晶の先端を融液に接触させて温度を徐々に降下させながら、引き上げ速度０．５ｍｍ／ｈの速度で種結晶を上昇させ（０００１軸方向に引き上げ）、結晶成長を行う。

上述したチョクラルスキー法による育成の結果、図２に示すように、直径５０ｍｍ、直胴部の長さ５０ｍｍの単結晶体（boule；ブール）が得られた。この単結晶体を観察したところ、チョクラルスキー法で成長した結晶中にしばしば含まれる微小な気泡は観測されなかった。なお、図２の紙面奥には、劈開により作製したＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板が示されている。さらに、単結晶体より形成したＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板の内部を、偏光により観察したところ、サブグレインの発生も認められなかった。

ここで、ＳｃＡｌＭｇＯ₄単結晶について説明する。ＳｃＡｌＭｇＯ₄単結晶は、図３に示すように、岩塩型構造（１１１）面的なＳｃＯ₂層と、六方晶（０００１）面的なＡｌＭｇＯ₂層とが交互に積層した構造となっている。六方晶（０００１）面的な２層は、ウルツ鉱型構造に比較して平面的になっており、層の面内に比較して上下層間の結合は、０.０３ｎｍほど長く、結合の力が弱い。このため、ＳｃＡｌＭｇＯ₄単結晶は、（０００１）面で劈開することができる。この劈開面は、グラファイトや六方晶ＢＮと同様となる。ｈ−ＢＮ（０００１）、ＧａＮ（１００）、ＧａＡｓ（１１０）などの劈開面と同様に、ＳｃＡｌＭｇＯ₄単結晶（０００１）面は、カチオンとアニオンを上下層とも同数含むため、静電引力が働くことなく、容易に劈開できる。

実施の形態１によれば、劈開によりＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成しているので、従来からある単結晶基板作製においてコストのかかる工程であるワイヤソーなどを用いて単結晶体を切断し、この切断面を研磨するなどの工程を必要としない。このように、実施の形態１によれば、コストの上昇を招くことなく、非常に容易にＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を得ることができる。

また、ＳｃＡｌＭｇＯ₄は、ＧａＮとの格子定数のミスマッチ｛（ＧａＮの格子定数−ＳｃＡｌＭｇＯ₄の格子定数）／ＧａＮの格子定数｝が−１．９％と小さい。また、ＳｃＡｌＭｇＯ₄は、ＧａＮとの熱膨張係数のミスマッチ｛（ＧａＮの熱膨張係数−ＳｃＡｌＭｇＯ₄の熱膨張係数）／ＧａＮの熱膨張係数｝が、−１０．９％程度である。従って、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を用いて窒化物半導体を結晶成長することで、窒化物半導体中に対する結晶欠陥の生成が抑制されるようになり、形成される素子の発光効率や素子寿命などの低下が抑制できるようになる。

一般に窒化物半導体用基板として用いられてきたＺｎＯやＬｉＧａＯ₂等の酸化物は、窒化物半導体成長雰囲気であるアンモニアや水素等の還元雰囲気に弱い。これに対して発明者らは、ＳｃＡｌＭｇＯ₄が、窒化物半導体の成長雰囲気である還元雰囲気に対しても、十分に耐性があることを確認した。従って、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を用いることで、結晶欠陥などのない窒化物半導体の素子を、容易に形成することができる。このように、実施の形態１によれば、窒化物半導体を用いた特性のよい素子を、低コストで容易に製造できるようになる。

なお、上述では、劈開により基板を形成するようにしたが、これに限るものではなく、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を裂開容易面で裂開することで、裂開容易面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成するようにしてもよい。裂開容易面は、（１−１０−１）面である。このように、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の裂開容易面（１−１０−１）面を表面とする基板を作製する場合にも、切断・研磨工程が容易となる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２における単結晶基板の製造方法を説明するフローチャートである。

まず、第１工程Ｓ２０１で、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する（単結晶体形成工程）。次に、第２工程Ｓ２０２で、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板を形成する（成長基板形成工程）。成長基板の形成は、前述した実施の形態１におけるＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板の形成と同様である。従って、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を裂開容易面で裂開することで、裂開容易面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を成長基板としてもよい。

次に、第３工程Ｓ２０３で、上述したように形成した成長基板の上に、ＧａＮを結晶成長して単結晶のＧａＮからなるＧａＮ層を形成する（ＧａＮ成長工程）。次に、第４工程Ｓ２０４で、ＧａＮ層が形成されている状態で成長基板を除去し、ＧａＮ層からなる単結晶基板を形成する（基板形成工程）。

ここで、成長基板の上へのＧａＮ層の形成（成長）について説明する。まず、成長基板の表面を水素クリーニングする。例えば、水素雰囲気で、１１７５℃で８分間、成長基板を加熱すればよい。

次に、水素クリーニングした成長基板の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、ＧａＮからなるバッファ層を形成する。このとき、成長温度は６００℃程度とし、また、バッファ層の層厚は２０ｎｍ程度とする。ここで、バッファ層は、アモルファスもしくは多結晶の状態で形成することが重要である。このバッファ層を１０５０℃程度でアニールした後、単結晶ＧａＮを厚さ１．５μｍ成長する。

上述した成長基板上へのＧａＮ層の形成では、まず、図５に示すように、水素クリーニングの温度により、形成されるＧａＮ層の表面状態が変化することが判明した。図５は、形成したＧａＮ層の表面の光学顕微鏡写真である。図５の（ａ）は、水素クリーニング温度を６００℃として形成したＧａＮ層の表面状態を示し、図５の（ｂ）は、水素クリーニング温度を１１７５℃として形成したＧａＮ層の表面の状態を示す。なお、いずれにおいても、バッファ層の成長温度は６００℃であり、ＧａＮ層の成長温度は１２０５℃である。図５の（ａ）と図５の（ｂ）との比較から明らかなように、水素クリーニング温度が高い方が、より平坦にＧａＮ層が形成されている。なお、図５の（ａ）示す状態では、表面がＮ極性となっており、図５の（ｂ）示す状態では、表面がＧａ極性となっていることが判明している。

次に、上述した厚さ１．５μｍの単結晶ＧａＮの上に、ＧａＣｌ₃ガスとアンモニアガスをソースガスとしたハイドライド気相成長法により、ＧａＮ層を成長する。このときの成長速度は１６０μｍ／ｈであり、成長した層厚は１６ｍｍである。

次に、成長基板の除去についてより詳細に説明する。例えば、緩衝弗酸などを用いて成長基板を選択的にエッチング除去すればよい。また、前述したように、成長基板は、基板平面に平行な面で容易に劈開できるので、劈開により多くの部分の成長基板を除去し、この後、残っている部分を、上述したエッチングや、よく知られた研磨法などにより除去するようにしてもよい。基板表面に裂開容易面を使用している場合にも同様に、裂開して基板を取り除くことができる。なお、除去した部分は、溶解して再度ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体の形成に用いればよい。

また、バッファ層の上に、チタン層を形成しておき、この上にハイドライド気相成長法により、ＧａＮ層を成長させることで、ハイドライド気相成長法で成長したＧａＮ層を、ＧａＮ基板として容易に分離することができるようになる。この方法では、極薄く形成する条件でチタンを堆積することで、上記チタン層を複数の島部分から構成することが重要である。この状態でハイドライド気相成長法によりＧａＮ層を成長すると、窒素を含むソースガスの存在によりチタンが窒化して窒化チタンとなり、この領域では、バッファ層とＧａＮ層とが接触していない状態となる。この結果、ＧａＮ層を形成した後、バッファ層との間でＧａＮ層（成長基板）を容易に分離することが可能となる。

ここで、上述した成長基板上へのＧａＮ層の形成では、図６に示すように、ＧａＮ層の成長温度によっても、表面状態が変化することが判明した。図６は、形成したＧａＮ層の表面の光学顕微鏡写真である。図６の（ａ）は、ＧａＮ層の成長温度を１２０５℃として形成したＧａＮ層の表面状態を示し、図６の（ｂ）は、ＧａＮ層の成長温度を１２１５℃として形成したＧａＮ層の表面状態を示し、図６の（ｃ）は、ＧａＮ層の成長温度を１２２５℃として形成したＧａＮ層の表面状態を示している。いずれにおいても、水素クリーニング温度は、１１７５℃であり、バッファ層の成長温度は６００℃である。これらの比較から分かるように、ＧａＮ層の成長温度には、最適な条件が存在する。本例では、ＧａＮの成長温度は、１２１５℃が最適値である。この最適な条件においては、原子間力顕微鏡による観察の結果、ＧａＮ層表面の粗さＲａは、０．４６３ｎｍであった。

次に、上述の成長基板上へ形成したＧａＮ層のＸ線回折（ＸＲＤ）測定結果について説明する。図７の（ａ）に示すように、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板の（００００９）面と、ＧａＮ（０００２）面が検出された。この結果、上述したＧａＮ層は、ｃ軸配向していることが分かる。まず、図７の（ｂ）に、ＧａＮのｃ軸の軸揺らぎを示すＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を示す。図７の（ｂ）に示すように、単峰性のスペクトルを示しており、半値全幅は４８８秒である。このことから、ＧａＮのｃ軸が綺麗に配向していることがわかる。

次に、図７の（ｃ）に、ＧａＮの（１０−１１）面のＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＣ）を示す。半値全幅は４１０秒である。図７の（ｂ）および（ｃ）に示す結果より、螺旋転位密度が、サファイア基板を成長基板としたＧａＮ基板に比較し、同等またはそれ以上であることが分かる。上述した結果は、初期的な実験段階でのデータであり、成長条件を最適化することで、以前からあるヘテロ成長ＧａＮの特性を遙かに凌ぐ可能性を示している。

次に、上述の成長基板上へ形成したＧａＮ層の、室温で測定したフォトルミネッセンス特性を図８に示す。励起光源は、波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザである。図８中の５７０ｎｍ近傍の鋭いピークは、測定光学系のノイズである。図８に示すように、波長３６２ｎｍ近傍に強い発光が観測され、これは、ＧａＮのバンド端発光である。さらに、波長３６２ｎｍより長波長側に小さなピークと幾つかの肩を観測できる。これらは、バンド端発光のフォノンレプリカである。以上のことから、高品質のＧａＮが成長されていることが分かる。

従来では、サファイア基板を成長基板としてＧａＮ層を形成し（ヘテロ成長）、サファイア基板を除去してＧａＮ基板を形成していた。このＧａＮ基板の製造方法では、次に示す問題が確認されている。

第１に、サファイア基板とＧａＮとの格子不整合のため、サファイア基板を除去した後のＧａＮ基板は、図９に示すように反った状態となる。このように反るため、より厚いＧａＮ基板を形成しようとすると、割れることもある。従って、サファイア基板を用いた場合、形成可能なＧａＮ基板の板厚は、１０ｍｍ程度が限界である。また、サファイア基板を用いて形成したＧａＮ基板においては、図１０の模式的な断面図に点線で示すように、結晶の方位（ｃ軸）がばらついた状態となる。

上述したサファイア基板を用いたヘテロ成長によるＧａＮ基板の形成に比較し、実施の形態２によれば、格子不整合が非常に小さく、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板を除去することで、ＧａＮ基板が反ることなどが発生しない。また、実施の形態２によれば、形成されるＧａＮ基板（ＧａＮ層）においては、結晶の方向がばらつくことがない。このように、実施の形態２によれば、高品質なＧａＮ基板が得られるため、このＧａＮ基板を用い窒化物半導体を結晶成長することで、窒化物半導体中に対する結晶欠陥の生成が抑制されるようになり、形成される素子の発光効率や素子寿命などの低下が抑制できるようになる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について、図１１，図１２を用いて説明する。図１１は、本発明の実施の形態３におけるレーザ素子の製造方法で製造されるレーザ素子の構成を示す共振器の長手方向に垂直な断面図である。また、図１２は、本発明の実施の形態３におけるレーザ素子の製造方法で製造されるレーザ素子の構成を示す斜視図である。

このレーザ素子は、単結晶のＳｃＡｌＭｇＯ₄からなる基板３０１、基板３０１の上に形成された導波路型のレーザ構造３０２を備える。レーザ構造３０２は、ｎ型のＧａＮからなる第１電極接続層３０３と、第１電極接続層３０３の上に形成されたｎ型のＧａＡｌＮからなる下部導波路層３０４と、下部導波路層３０４の上に形成されたｎ型のＧａＮからなる下部キャリア閉じ込め層３０５とを備える。

また、レーザ構造３０２は、下部キャリア閉じ込め層３０５の上に形成された多重量子井戸構造の活性層３０６と、活性層３０６の上に形成されたｐ型のＧａＡｌＮからなる上部キャリア閉じ込め層３０７と、上部キャリア閉じ込め層３０７の上に形成されたｐ型のＧａＮからなる上部導波路層３０８と、上部導波路層３０８の上に形成されたｐ型のＧａＮからなる第２電極接続層３０９を備える。活性層３０６は、例えば、層厚３．２ｎｍのＩｎＧａＮの層と、層厚４．５ｎｍのＧａＮの層とが交互に５組積層されている。なお、上部導波路層３０８および第２電極接続層３０９は、一層のｐ型ＧａＮ層として成長されており、この一部がエッチングされて、第２電極接続層３０９を形成している。この結果、本素子構造は、リッジ導波路型構造となっている。

また、第１電極接続層３０３に接続する第１電極３１１、および第２電極接続層３０９に接続する第２電極３１２を備える。第１電極３１１は、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉから構成されて第１電極接続層３０３にオーミック接続し、第２電極３１２は、Ａｕ／Ｐｔ／Ｐｄから構成されて第２電極接続層３０９にオーミック接続している。

また、第１電極接続層３０３の一部，下部導波路層３０４，下部キャリア閉じ込め層３０５，活性層３０６，上部キャリア閉じ込め層３０７，上部導波路層３０８は、導波方向に延在する所定の幅のストライプ状に加工されている。図１１においては、紙面の奥から手前の方向が、導波方向である。また、レーザ構造３０２には、図１２の斜視図に示すように、端面３２１，端面３２２が形成され、これらにより共振器構造が構成されている。

例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各窒化物半導体の層をエピタキシャル成長させ、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、レーザ構造３０２が形成できる。この場合においても、基板３０１の表面を水素クリーニングし、アモルファスもしくは多結晶の状態のバッファ層を形成した後、上述した各層を成長するとよい。また、よく知られたリフトオフ法により、各電極を形成すればよい。

実施の形態３においては、端面３２１，端面３２２を、劈開または裂開により形成するところに大きな特徴がある。例えば、レーザ構造３０２を形成した後、基板３０１を研磨などにより板厚６０〜８０μｍ程度にまで薄層化した後、所望の箇所で劈開もしくは裂開することで、鏡面とした端面３２１，端面３２２が、コストをかけることなく容易に形成できる。

例えば、基板３０１を、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶から構成し、（０００１）面に垂直な面を主表面とすれば、基板３０１の表面方向において、レーザ構造３０２の導波方向は（０００１）面に垂直な方向とすればよい。この構成とすることで、レーザ構造３０２が作製された基板３０１を（０００１）面で劈開することで、レーザ構造３０２の端面３２１，３２２を形成して、これらによりレーザ構造３０２の共振器を構成することができる。

例えば、単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ₄の（−１２−１ ０）面を、基板３０１の主表面とすれば、（０００１）面により劈開が可能となる。また、この面の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長すると、窒化物半導体はａ軸方向に成長し、形成される窒化物半導体層の表面はａ面［（−１２−１０）面］となる。また、この面においては、ＧａＮとの格子不整合を面内ｃ軸方向３.２％、面内ｍ軸方向−１.８％と非常に小さくすることができる。

また、単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ₄の（０１−１０）面を、基板３０１の主表面としても、（０００１）面により劈開が可能となる。また、この面の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長すると、窒化物半導体はｍ軸方向に成長し、形成される窒化物半導体層の表面はｍ面［（０１−１０）面］となる。また、この面においては、ＧａＮとの格子不整合を、面内ｃ軸方向３.２％、面内ａ軸方向−１.８％と非常に小さくすることができる。

また、基板３０１を、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶から構成し、（０００１）面を主表面とすれば、基板３０１の表面方向において、レーザ構造３０２の導波方向は、基板３０１の裂開面に垂直な方向とすればよい。この構成とすることで、レーザ構造３０２が作製された基板３０１を、裂開容易面で裂開することでレーザ構造３０２の端面３２１，３２２が形成できる。このようにして形成した端面３２１，３２２により、レーザ構造３０２の共振器を構成することができる。例えば、単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ₄の（１−１０−１）面が、裂開容易面となる。この面は、ダングリングボンドの面密度が小さく、向かい合う面に同数のカチオンとアニオンが現れるため、裂開しやすい面（裂開容易面）と考えることができる。なお、単結晶ＳｃＡｌＭｇＯ₄の（０００１）面を、基板３０１の主表面とした場合、形成される窒化物半導体の表面は、ｃ面となる。

次に、レーザ構造３０２における導波路層と下部キャリア閉じ込め層を除いて実際に作製したＬＥＤ構造における活性層３０６のＩｎＧａＮ層における、室温（２５℃程度）でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）の測定結果について図１３，図１４を用いて説明する。図１３は、実施の形態３におけるレーザ構造３０２の導波路層と下部キャリア閉じ込め層を除いて作製したＬＥＤ構造のＩｎＧａＮ層におけるＰＬ特性を示し、図１４は、サファイア基板を用いて同様のＬＥＤ構造を形成した場合のＩｎＧａＮ層におけるＰＬ特性を示している。なお、励起光の波長は、ＩｎＧａＮ層の吸収波長に適合するように、４０５ｎｍとしている。

図１３に示すように、単結晶のＳｃＡｌＭｇＯ₄からなる基板３０１を用いた実施の形態１３では、ピークが単峰となっている。これは、ＩｎＧａＮ層と基板３０１との間の格子定数が近く、組成引き込み効果が働き、ＩｎＧａＮの組成が均一になっていると考えられる。これに対し、図１４に示す結果では、ピークが分離しているが、これは膜厚による干渉フリンジである。

なお、導波路層と下部キャリア閉じ込め層を除いて実際に作製したＬＥＤ素子においても、図１５に示すように、整流特性が存在することが確認されている。また、実際に作製した上記のＬＥＤ素子では、図１６に示すような、光出力−電流特性が得られている。

上述したように、実施の形態３によれば、単結晶のＳｃＡｌＭｇＯ₄からなる基板を用いて窒化物半導体によるレーザを形成したので、共振器構造などが、コストをかけることなく容易に形成できるようになる。

一般に、窒化物半導体の成長基板としてサファイア基板が用いられている。この場合、レーザを構成するための共振器とする鏡面（端面）の形成では、サファイアには劈開性などが無いため、ドライエッチングなどの加工技術により形成されている。このため、上述した劈開により形成される端面には、平坦度の点で劣るものとなる。

また、基板の上に形成した複数のレーザ素子を、各々に切り出すときも、サファイアには劈開性などが無いため、ダイヤモンドディスクを装備したダイサーなどを用いたダイシングにより切断することになる。また、サファイアは硬いため、サファイア基板を板厚１００μｍ以下に薄くしてから上述したような切断を実施することになる。このサファイアの薄板化においても、材料が硬いために、大きなコストがかかる。このため、サファイア基板を用いた場合、共振器の形成に大きなコストがかかるようになる。

これに対し、実施の形態３によれば、劈開や裂開により各チップに分割することができるため、コストをかけることなく、分割が実施できるようになる。

また、形成される各窒化物半導体の層においては、基板との格子定数の差が小さいので、結晶品質のよい結晶層が形成できるようになり、発光効率や素子寿命などの劣化を招くことがない。このように、実施の形態３においても、窒化物半導体を用いた特性のよい素子を、低コストで容易に製造できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、活性層を多重量子井戸構造としたが、これに限るものではなく、バルクの活性層としてもよい。また、上述では、素子を構成する材料として、主にＧａＮ，ＩｎＧａＮを用いるようにしたが、これに限るものではなく、他の窒化物半導体を用いるようにしてもよいことは、言うまでもない。

３０１…基板、３０２…レーザ構造、３０３…第１電極接続層、３０４…下部導波路層、３０５…下部キャリア閉じ込め層、３０６…活性層、３０７…上部キャリア閉じ込め層、３０８…上部導波路層、３０９…第２電極接続層、３１１…第１電極、３１２…第２電極。

Claims (10)

1. ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、
   ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成する基板形成工程と
   を備えることを特徴とする単結晶基板の製造方法。
2. ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、
   ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を裂開容易面で裂開することで、裂開容易面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶基板を形成する基板形成工程と
   を備えることを特徴とする単結晶基板の製造方法。
3. 請求項２記載の単結晶基板の製造方法において、
   前記裂開容易面は、（１−１０−１）面のいずれかであることを特徴とするレーザ素子の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の単結晶基板の製造方法において、
   前記単結晶体形成工程では、チョクラルスキー法により酸化スカンジウム，酸化アルミニウム，および酸化マグネシウムを原料としてＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成することを特徴とする単結晶基板の製造方法。
5. ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、
   ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を（０００１）面で劈開することで、（０００１）面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板を形成する成長基板形成工程と、
   前記成長基板の上にＧａＮを結晶成長して単結晶のＧａＮからなるＧａＮ層を形成するＧａＮ成長工程と、
   前記ＧａＮ層が形成されている状態で前記成長基板を除去して前記ＧａＮ層からなる単結晶基板を形成する基板形成工程と
   を備えることを特徴とする単結晶基板の製造方法。
6. ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を形成する単結晶体形成工程と、
   ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶体を裂開容易面で裂開することで、裂開容易面からなる互いに平行な２面を有する板状とした、ＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる成長基板を形成する成長基板形成工程と、
   前記成長基板の上にＧａＮを結晶成長して単結晶のＧａＮからなるＧａＮ層を形成するＧａＮ成長工程と、
   前記ＧａＮ層が形成されている状態で前記成長基板を除去して前記ＧａＮ層からなる単結晶基板を形成する基板形成工程と
   を備えることを特徴とする単結晶基板の製造方法。
7. 請求項６記載の単結晶基板の製造方法において、
   前記裂開容易面は、（１−１０−１）面のいずれかであることを特徴とするレーザ素子の製造方法。
8. （０００１）面に垂直な面を主表面としたＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる基板の主表面に窒化物半導体の層を積層し、前記基板の（０００１）面に垂直な方向を導波方向とするのレーザ構造を形成するレーザ構造作製工程と、
   前記レーザ構造が作製された前記基板を（０００１）面で劈開して前記レーザ構造の端面を形成して前記レーザ構造の共振器を形成する共振器形成工程と
   を備えることを特徴とするレーザ素子の製造方法。
9. （０００１）面を主表面としたＳｃＡｌＭｇＯ₄の単結晶からなる基板の主表面に窒化物半導体の層を積層し、前記基板の裂開容易面に垂直な方向を導波方向とする導波路型のレーザ構造を形成するレーザ構造作製工程と、
   前記レーザ構造が作製された前記基板を裂開容易面で裂開して前記レーザ構造の端面を形成して前記レーザ構造の共振器を形成する共振器形成工程と
   を備えることを特徴とするレーザ素子の製造方法。
10. 請求項９記載のレーザ素子の製造方法において、
    前記裂開容易面は、（１−１０−１）面のいずれかであることを特徴とするレーザ素子の製造方法。