(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の窒化物半導体層からなる下地の表面に島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、前記凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層を形成する窒化物系半導体層の形成方法において、前記複数の凸部として前記下地上に複数の結晶成長阻止層を形成し、前記複数の結晶成長阻止層をマスクとして前記第１の窒化物系半導体層をエッチングすることにより前記下地の表面に前記凹凸パターンを形成することを特徴とする窒化物系半導体層の形成方法。
【請求項２】
前記複数の凸部および各凸部上の前記第２の窒化物系半導体層を除去し、除去された領域に第３の窒化物系半導体層を形成することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体層の形成方法。
【請求項３】
第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、前記凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層を形成し、前記複数の凸部および各凸部上の前記第２の窒化物系半導体層を除去し、除去された領域に第３の窒化物系半導体層を形成することを特徴とする窒化物系半導体層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる窒化物系半導体層の形成方法、窒化物系半導体、窒化物系半導体素子の製造方法および窒化物系半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色または紫色の光を発生する発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、ＧａＮ系半導体発光素子の実用化が進んできている。ＧａＮ系半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の絶縁性基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＮ系半導体発光素子では、ＧａＮおよびサファイア基板の格子定数の違いからサファイア基板上に成長したＧａＮの結晶中には、１０11〜１０12個／ｃｍ-2程度の格子欠陥が存在し、このような格子欠陥の中にはサファイア基板上に成長されるＧａＮ層を貫通する格子欠陥（以下、貫通転位と呼ぶ）が多数存在する。サファイア基板上のＧａＮ層からなる半導体発光素子では、この貫通転位が半導体発光素子内でのリーク電流や不純物拡散などの原因となり、素子特性および信頼性の劣化が生じる。貫通転位による素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法として、半導体層を横方向に成長させるラテラル成長法が提案されている。
【０００４】
図１７（ａ）は、後述する従来のラテラル成長法により形成されたＧａＮ層を示す平面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【０００５】
図１７に示す構造を得るために、まず、サファイア基板４１上にアンドープのＡｌＧａＮバッファ層４２およびアンドープのＧａＮ層４３を順に連続的に成長させる。ＧａＮ層４３には上下方向に延びる貫通転位が存在する。このＧａＮ層４３上に、ストライプ状のＳｉＯ2 膜４４を形成する。
【０００６】
次に、ストライプ状のＳｉＯ2 膜４４上およびＧａＮ層４３上にアンドープのＧａＮ層４６をＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy ）法により再成長させる。このとき、ＳｉＯ2 上には結晶が成長しないので、ＳｉＯ2 膜４４上には横方向の成長によりＧａＮ層４６が形成される。これにより、ＧａＮ層４６の欠陥密度は６×１０7 ｃｍ-2程度まで低減される。
【０００７】
上述のラテラル成長法では、ＳｉＯ2 膜４４間に露出したＧａＮ層４３からＳｉＯ2 膜４４上の中心部に向かって横方向に成長が進むため、ＳｉＯ2 膜４４上の中心部の領域４５に貫通転位が集中する。
【０００８】
図１８は従来のラテラル成長法の他の例を説明するための図である。図１８（ａ），（ｂ）はラテラル成長法によるＧａＮ層の形成を示す模式的工程断面図であり、図１８（ｃ）は図１８（ｂ）に示す構造の上面図である。
【０００９】
図１８（ａ）に示す構造を得るために、まずサファイア基板５０上に２〜４μｍのＧａＮ層５１を形成する。このＧａＮ層５１の上にストライプ状のＳｉＯ2 マスクを形成し、ドライエッチングによりＳｉＯ2 マスクの開口部のＧａＮをサファイア基板５０までエッチングする。さらにエッチングされずに残ったＧａＮ層５１上のＳｉＯ2 マスクを除去する。それにより、図１８（ａ）に示されているように、サファイア基板５０上にストライプ状のＧａＮ層５１が形成される。
【００１０】
次に、ストライプ状のＧａＮ層５１からＧａＮを再度成長する。このとき、ストライプ状のＧａＮ層５１の側面方向から成長するＧａＮの成長速度が、ＧａＮ層５１の上面から成長するＧａＮの成長速度を上回り、時間の経過に伴って側面方向から成長したＧａＮがつながって図１８（ｂ）に示すような鏡面平坦なＧａＮ層５３が形成される。図１８（ｂ）に示すようにＧａＮの成長の種になった図１８（ａ）のストライプ状のＧａＮ層５１上にはサファイア基板５０に達する貫通転位５２が形成される。貫通転位５２は図１８（ｃ）に示すようにＧａＮ層５１上の領域５５に分布する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなラテラル成長法を用いた窒化物系半導体層の形成方法では、ストライプ状に長く延びたＳｉＯ2 膜４４またはＧａＮ層５１に沿って線状に長く延びた領域４５，５５に貫通転位５２が多数発生する。
【００１２】
このようなＧａＮ層４６，５３上に半導体レーザ素子を形成する場合、共振器をストライプ状のＳｉＯ2 膜４４またはＧａＮ層５１に沿って形成しなければならず、ＧａＮ層４６，５３における半導体レーザ素子の配列の自由度が一方向に限られてしまう。
【００１３】
本発明の目的は、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して素子領域を配置することが可能な窒化物系半導体層の形成方法、窒化物系半導体素子の製造方法、窒化物系半導体および窒化物系半導体素子を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明に係る窒化物系半導体層の形成方法は、第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層を形成するものである。
【００１５】
本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【００１６】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【００１７】
複数の凸部として第１の窒化物系半導体層からなる下地上に複数の結晶成長阻止層を形成することにより下地の表面に凹凸パターンを形成してもよい。
【００１８】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第２の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【００１９】
複数の凸部として第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地上に複数の窒化物系半導体層を形成することにより下地の表面に凹凸パターンを形成してもよい。
【００２０】
この場合、各窒化物系半導体層上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【００２１】
複数の凸部として基板上に積層された第１の窒化物系半導体層からなる下地上に複数の結晶成長阻止層を形成し、複数の結晶成長阻止層をマスクとして第１の窒化物系半導体層をエッチングすることにより下地の表面に凹凸パターンを形成してもよい。
【００２２】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第２の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【００２３】
複数の凸部が円形または多角形であってもよい。この場合、円形または多角形の凸部上に六方晶系の第２の窒化物系半導体層がほぼ自然成長するので、第２の窒化物系半導体層の欠陥密度が低減される。
【００２４】
多角形は六角形であることが好ましい。この場合、六角形の凸部上に六方晶系の第２の窒化物系半導体層が自然成長するので、第２の窒化物系半導体層の欠陥密度がさらに低減される。
【００２５】
複数の凸部および各凸部上の第２の窒化物系半導体層を除去し、除去された領域に第３の窒化物系半導体層を形成してもよい。
【００２６】
この場合、各凸部上の貫通転位を有する各第２の窒化物系半導体層が取り除かれた後、残った第２の窒化物系半導体層間に第３の窒化物系半導体層が形成されるので、凹凸パターン上に形成された第２の窒化物系半導体層および第３の窒化物系半導体層の欠陥密度が十分に低減される。
【００２７】
第２の発明に係る窒化物系半導体は、第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンが形成され、凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層が形成されたものである。
【００２８】
本発明に係る窒化物系半導体においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【００２９】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【００３０】
複数の凸部は、第１の窒化物系半導体層からなる下地上に形成された複数の結晶成長阻止層であってもよい。
【００３１】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第２の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【００３２】
複数の凸部は、第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地上に形成された複数の窒化物系半導体層であってもよい。
【００３３】
この場合、各窒化物系半導体層上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【００３４】
複数の凸部は、第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地上に積層された複数の窒化物系半導体層および結晶成長阻止層であってもよい。
【００３５】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第２の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【００３６】
第３の発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層を形成し、第２の窒化物系半導体層上に、素子領域を含む第３の窒化物系半導体層を形成するものである。
【００３７】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【００３８】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に第３の窒化物系半導体層中の素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【００３９】
複数の凸部を複数方向に沿って２次元的に配列し、複数の凸部間の上部の素子領域において複数方向のうちいずれか一方向に沿って延びる発光領域を形成してもよい。
【００４０】
この場合、複数の凸部間の上部の第２の窒化物系半導体層の欠陥密度が低いので、複数方向において第２の窒化物系半導体層に低欠陥密度の領域が連続する。したがって、複数方向のうち任意の方向を選択し、選択した領域に沿って高品質の発光領域を形成することができる。
【００４１】
第４の発明に係る窒化物系半導体素子は、第１の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンが形成され、凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層が形成され、第２の窒化物系半導体層上に、素子領域を含む第３の窒化物系半導体層が形成されたものである。
【００４２】
本発明に係る窒化物系半導体素子においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第２の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【００４３】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に第３の窒化物系半導体層中の素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【００４４】
複数の凸部は複数方向に沿って２次元的に配列され、素子領域は、複数の凸部間の上部の素子領域において複数方向のうちいずれか一方向に沿って延びる発光領域を含んでもよい。
【００４５】
この場合、複数の凸部間の上部の第２の窒化物系半導体層の欠陥密度が低いので、複数方向において第２の窒化物系半導体層に低欠陥密度の領域が連続する。したがって、複数方向のうち任意の方向を選択し、選択した領域に沿って高品質の発光領域を形成することができる。
【００４６】
発光領域は共振器を構成してもよい。この場合、複数方向のうち任意の方向を選択して高品質の共振器を形成することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【００４８】
まず、図１（ａ）に示すように、サファイア基板１のＣ面上に、アンドープのＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ｎからなる厚さ２００Åのバッファ層２および厚さ約３μｍのアンドープのＧａＮ層３を順に成長させる。バッファ層２は基板温度６００℃で成長させ、ＧａＮ層３はＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により１０８０℃で成長させる。
【００４９】
次に、図１（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法（化学的気相成長法）によりＧａＮ層３上に約１μｍのＳｉＯ2 膜４を形成する。
【００５０】
図１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、ＳｉＯ2 からなる複数の六角形のパターン５を形成する。このパターン５の対角線の長さＷ1 は１５μｍであり、隣接するパターン５のピッチＷ2 は２０μｍである。
【００５１】
続いて、図１（ｄ）に示すように、六角形のパターン５の間に露出したＧａＮ層３上にアンドープの再成長ＧａＮ層６を基板温度１０８０℃で再成長させる。
【００５２】
その後、再成長ＧａＮ層６上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【００５３】
図２および図３は六角形のパターン５の２次元配列の例を示す平面図である。図２の例では、複数の六角形のパターン５は直交するα方向およびβ方向に沿って２次元的に配列されている。すなわち、パターン５が最小のピッチＷ2 で並ぶのは、α方向とβ方向の２方向である。図２においては、α方向と六角形のパターン５の対角線のうちの１つとが平行になる。
【００５４】
一方、図３の例では、複数の六角形のパターン５は、互いに６０°の角度をなすφ方向、γ方向およびθ方向に沿って２次元的に配置されている。すなわち、パターン５が最小のピッチＷ2 で並ぶのは、φ方向、γ方向およびθ方向である。この場合、φ方向、γ方向およびθ方向と六角形のパターン５の対角線のいずれかとが平行になる。
【００５５】
図２のようにパターン５を配置する場合には、パターン５の配列のα方向とＧａＮ層３の〈１１-2０〉方向とを一致させる。また、このように配置された場合、パターン５の六角形の二辺はＧａＮ層３の〈１０-1０〉方向に垂直になる。この場合に、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をα方向およびβ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、共振器長の方向をα方向に配置すれば、｛１１-2０｝面でへき開することができ、β方向に配置すれば、｛１０-1０｝面でへき開することができる。
【００５６】
図３のようにパターン５を配置する場合においては、パターン５の配列のφ方向とＧａＮ層３の〈１１-2０〉方向とを一致させる。この場合、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をφ方向、γ方向およびθ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、共振器長の方向をφ方向、γ方向またはθ方向に配置すれば｛１１-2０｝でへき開することができる。
【００５７】
また、上記のように配置することにより、再成長ＧａＮ層６の面方位と六角形のパターン５の側面の方位とが一致するので、ＧａＮの自然成長と同じように結晶の歪みが生じにくく、欠陥密度が１０×１０7 ｃｍ-2以下と低くなる。
【００５８】
図４（ａ）は図１のＧａＮ系半導体層の形成方向における貫通転位の分布を示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ１−Ａ１線断面図である。
【００５９】
本実施例の再成長ＧａＮ層６においては、図４に示すようにパターン５の中心上の領域に貫通転位７が集中する。そのため、貫通転位７の少ない領域が広がるとともに、貫通転位７の分布が連続的にならず離散的になる。図２または図３に示したように、パターン５を島状に点在して配置すれば、再成長ＧａＮ層６において貫通転位７の集中領域を点在させることができる。それにより、貫通転位７が集中する領域を避けつつ２００μｍ以上の細長い共振器の発光領域を複数の方向からいずれかの方向を選択して配置することができる。
【００６０】
図１のＳｉＯ2 からなる六角形のパターン５の代わりにＳｉＯ2 からなる円形のパターンを形成してもよい。
【００６１】
図５および図６は、円形のパターンの２次元配列の例を示す平面図である。図５の例では複数の円形のパターン５Ａが、図２に示したパターン５の２次元配列と同様に、直交するα方向およびβ方向に沿って２次元的に配置されている。図５のパターン５Ａの直径Ｗ5 は例えば１５μｍであり、ピッチＷ6 は２０μｍである。パターン５Ａを図５のように２次元的に配置する場合には、円形のパターン５Ａの配列のα方向とＧａＮ層３の〈１１-2０〉方向とを一致させる。または、パターン５Ａの配列のα方向とＧａＮ層３の〈１０-1０〉方向とを一致させる。
【００６２】
この場合に、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をα方向およびβ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、α方向とＧａＮ層３の〈１１-2０〉方向とを一致させて共振器長の方向をα方向に配置すれば、｛１１-2０｝面でへき開でき、β方向に配置すれば｛１０-1０｝面でへき開でき、β方向とＧａＮ層３の〈１０-1０〉方向とを一致させて共振器長の方向をα方向に配置すれば、｛１１-2０｝面でへき開でき、β方向に配置すれば｛１０-1０｝面でへき開できる。
【００６３】
一方、図６の例では、複数の円形のパターン５Ａが、互いに６０°の角度をなすφ方向、γ方向およびθ方向に沿って２次元的に配置されている。図６のパターン５Ａの直径Ｗ5 は例えば１５μｍであり、ピッチＷ6 は２０μｍである。パターン５Ａを図５のように２次元的に配列する場合には、円形のパターン５Ａの配列をφ方向とＧａＮ層３の〈１１-2０〉方向とを一致させる。または、パターン５Ａの配列のφ方向とＧａＮ層３の〈１０-1０〉方向とを一致させる。この場合、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をφ方向、γ方向およびθ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、φ方向、γ方向またはθ方向とＧａＮ層３の〈１１-2０〉方向とを一致させて共振器長の方向をφ方向、γ方向またはθ方向に配置すれば、｛１１-2０｝面でへき開できる。また、φ方向、γ方向またはθ方向とＧａＮ層３の〈１０-1０〉方向とを一致させて共振器長の方向をφ方向、γ方向またはθ方向に配置すれば、｛１０-1０｝面でへき開できる。
【００６４】
図７（ａ）は図６のようにパターン５Ａを２次元配列した場合の貫通転位の分布を示す平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ２−Ａ２線断面図である。図７に示すようにパターン５Ａの中心上の再成長ＧａＮ層６に貫通転位７が集中するので、貫通転位７の少ない領域が拡大する。
【００６５】
図８は本発明の第２の実施例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。まず、図８（ａ）に示す工程は、前述の図１（ａ）の工程と同様にして厚さ２００Åのバッファ層２および厚さ約３μｍのＧａＮ層３を順に形成する。
【００６６】
次に、図８（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）によりＧａＮ層３上に約１μｍのＳｉＯ2 膜４を形成する。
【００６７】
図８（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、ＳｉＯ2 からなる複数の円形のパターン５Ａを形成する。複数の円形のパターン５Ａは図５または図６のように配置する。
【００６８】
複数の円形パターン５Ａをマスクとしてプラズマエッチング法等により露出しているＧａＮ層３をエッチングする。それにより、図８（ｄ）に示すように、島状に点在する複数のＧａＮ層８Ａを形成する。
【００６９】
次に、図８（ｅ）に示すように、フッ酸などでＳｉＯ2 膜からなるパターン５Ａを除去する。
【００７０】
次に、ラテラル成長法を用いて、基板温度１０８０℃でＭＯＣＶＤ法もしくはＨＶＰＥ法により図８（ｆ）に示すように再成長ＧａＮ層９を約２０μｍ再成長させる。それにより、再成長ＧａＮ層９が鏡面平坦に形成される。
【００７１】
その後、再成長ＧａＮ層９上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【００７２】
図９（ａ）は図８のＧａＮ系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ３−Ａ３線断面図である。
【００７３】
本実施例の再成長ＧａＮ層９においては、図９に示すように再成長ＧａＮ層９の成長の前に形成されていた円形のＧａＮ層８Ａ上の再成長ＧａＮ層９に貫通転位１０が延びている。そのため、貫通転位１０の分布が連続的にならず離散的になる。図５または図６に示したようにパターン５Ａを島状に点在して配置すれば、再成長ＧａＮ層９においても、貫通転位１０の多い領域を点在させることができる。それにより、貫通転位１０の多い領域を避けつつ、２００μｍ以上の細長い共振器の発光領域を複数の方向からいずれかの方向を選択して配置することができる。
【００７４】
なお、図８のＳｉＯ2 からなる円形のパターン５Ａの代わりに図２または図３に示すＳｉＯ2 からなる六角形のパターン５を形成してもよい。この場合、貫通転位の分布は図１０に示すようになる。図１０（ａ）は図８のＧａＮ系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ４−Ａ４線断面図である。
【００７５】
また、上記第２の実施例では、図８（ｄ）に示すようにバッファ層２を残すようにエッチングしたが、図８（ｄ）の工程において、パターン５Ａをマスクとしてサファイア基板１に達するまでエッチングしてもよい。
【００７６】
図１１は本発明の第３の実施例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【００７７】
まず、図１１（ａ）に示す工程では、前述の図１（ａ）の工程と同様にして２００Åのバッファ層２および厚さ約２μｍのＧａＮ層３を順に形成する。
【００７８】
次に、図１１（ｂ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層３上に約１μｍのＳｉＯ2 膜４を形成する。
【００７９】
図１１（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、ＳｉＯ2 膜からなる複数の円形のパターン５Ａを形成する。複数の円形パターン５Ａは図５または図６のように配置する。
【００８０】
複数の円形パターン５Ａをマスクとしてプラズマエッチング法等により露出しているＧａＮ層３をエッチングする。それにより、図１１（ｄ）に示すように、島状に点在する複数のＧａＮ層８Ａを形成する。
【００８１】
次に、ラテラル成長法を用い、基板温度１０８０℃でＭＯＣＶＤ法もしくはＨＶＰＥ法により図１１（ｅ）に示すように再成長ＧａＮ層９Ａを約２０μｍ再成長させる。それにより、再成長ＧａＮ層９Ａが鏡面平坦に形成される。
【００８２】
その後、再成長ＧａＮ層９Ａ上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【００８３】
図１１のように形成された再成長ＧａＮ層９Ａにおいても図８の再成長ＧａＮ層９と同様に半導体レーザ素子に適用することができる。
【００８４】
図１２（ａ）は図１１のＧａＮ系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ５−Ａ５線断面図である。
【００８５】
本実施例の再成長ＧａＮ層９Ａにおいては、図１２に示すように再成長ＧａＮ層９Ａの成長の前に形成されていた円形のパターン５Ａの中心部の領域に貫通転位１１が延びている。そのため、貫通転位１１の少ない領域が広がるとともに、貫通転位１１の分布が連続的にならず離散的になる。パターン５Ａを島状に点在して配置すれば、貫通転位１１の集中する領域を避けつつ、２００μｍ以上の細長い共振器の発光領域を複数の方向からいずれかの方向を選択して配置することができる。
【００８６】
なお、図１１のＳｉＯ2 からなる円形のパターン５Ａの代わりに図２または図３に示すＳｉＯ2 からなる六角形のパターン５を形成してもよい。この場合、貫通転位の分布は図１３に示すようになる。図１３（ａ）は図１１のＧａＮ系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ６−Ａ６線断面図である。
【００８７】
なお、上記第３の実施例では、図１１（ｄ）に示すようにバッファ層２を残すようにエッチングしたが、図１１（ｄ）の工程において、パターン５Ａをマスクとしてサファイア基板１に達するまでエッチングしてもよい。
【００８８】
図１４は本発明の第４の実施例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【００８９】
まず、第２の実施例の製造工程により、図８（ｆ）に示すようにサファイア基板１上にバッファ層２が形成され、バッファ層２の上に再成長ＧａＮ層９が形成された構造、すなわち図１４（ａ）に示す構造が得られる。
【００９０】
次に、再成長ＧａＮ層９上に約１μｍのＳｉＯ2 膜をプラズマＣＶＤ法等により形成する。そして、図１４（ｂ）に示すように、元々ＧａＮ層８Ａが形成されていた領域を除く領域上にあるＳｉＯ2 膜を除去してＳｉＯ2 からなるパターン１２を形成する。
【００９１】
次に、図１４（ｂ）のパターン１２をマスクとしてエッチングを行い貫通転位１０が形成されている領域を除去する。それにより、図１４（ｃ）に示すように、バッファ層２上には貫通転位１０が含まれていないＧａＮ層１３が形成される。
【００９２】
次に、ラテラル成長法を用い、基板温度１０８０℃でＭＯＣＶＤ法もしくはＨＶＰＥ法により図１４（ｄ）に示すように再成長ＧａＮ層１４を約２０μｍ再成長させる。それにより、再成長ＧａＮ層１４が鏡面平坦に形成される。
【００９３】
その後、再成長ＧａＮ層１４上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【００９４】
なお、エッチングにより除去する領域は図１５に示すようにＧａＮ層８Ａが形成されていた領域と一部重ねてもよい。
【００９５】
また、上記第４の実施例では、図１４（ｃ）に示すようにバッファ層２を残すようにエッチングしたが、図１４（ｃ）の工程においては、サファイア基板１に達するまでエッチングしてもよい。
【００９６】
本実施例のＧａＮ層１４には、貫通転位１０が極めて少なくなるため、例えば半導体レーザ装置の共振器を配置する位置は貫通転位１０の分布に束縛されなくなる。
【００９７】
図１６は本発明の第５の実施例によるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００９８】
図１６のＧａＮ系半導体レーザ素子の素子領域は、図１１の製造工程によって形成されたＧａＮ系半導体層上に形成されている。図１６に示すように、サファイア基板１上に、厚さ２００ÅのアンドープのＧａ0.5 Ａｌ0.5 Ｎからなる低温バッファ層２、厚さ３μｍのアンドープのＧａＮ層８Ａ、厚さ１．０μｍのＳｉＯ2 からなるパターン５Ａが順に形成されている。
【００９９】
パターン５Ａは図５または図６に示したように円形の平面形状をしておりかつ配置されている。パターン５Ａの対角線の長さＷ5 が１５μｍであり、ピッチＷ6 が２０μｍである。
【０１００】
島状に点在するＧａＮ層８ＡおよびＧａＮ層８Ａの上に形成されたパターン５Ａの間にあるバッファ層２上およびパターン５Ａ上に厚さ２０μｍのアンドープの再成長ＧａＮ層９Ａが形成されている。
【０１０１】
再成長ＧａＮ層９Ａの上に、厚さ４．５μｍのｎ−ＧａＮ層２０および厚さ０．２５μｍのｎ−クラック防止層２１が順に形成されている。ｎ−クラック防止層２０は、厚さ６０ÅのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎおよび厚さ６０Åのｎ−ＧａＮ層が２１対交互に積層されてなる。ｎ−クラック防止層２１上には、厚さ１．０μｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ−クラッド層２２および厚さ０．１μｍのＧａＮからなるｎ−光ガイド層２３が順に形成されている。ｎ−光ガイド層２３上には、ＩｎＧａＮからなるｎ−多重量子井戸活性層（以下、ＭＱＷ活性層と呼ぶ）２４が形成されている。ｎ−ＭＱＷ活性層２４は、厚さ１００ÅのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層と厚さ５０Åの３つのＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎからなる量子井戸層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。
【０１０２】
ｎ−ＭＱＷ活性層２４上には、厚さ２００ÅのＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎからなるｐ−キャリアブロック層２５、厚さ０．１μｍのＧａＮからなるｐ−光ガイド層２６が形成されている。ｐ−光ガイド層２６上には、ストライプ状開口部を有する厚さ約０．５μｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２７が形成されている。ストライプ状開口部内のｐ−光ガイド層２６上に厚さ０．５μｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ−クラッド層２８が形成されている。ｐ−クラッド層２８は幅３μｍのリッジ部を構成しており、パターン５Ａの上の領域を避けて形成される。ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２７上とｐ−クラッド層２８上に厚さ０．０５μｍのＧａＮからなるｐ−コンタクト層２９が形成されている。
【０１０３】
ｐ−コンタクト層２９からｎ−ＧａＮ層２０までの一部領域がエッチングにより除去され、ｎ−ＧａＮ層２０が露出している。ｐ−コンタクト層２９上にｐ電極３０が形成され、ｎ−ＧａＮ層２０の露出した上面にｎ電極３１が形成されている。
【０１０４】
図１６の半導体レーザ素子は、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）により形成される。表１に図１６の半導体レーザ素子の各層２，５Ａ，８Ａ，９Ａ，２０〜２９の組成、膜厚および成長温度を示す。
【０１０５】
【表１】
0003696003.tif 000002
【０１０６】
ｎ型ドーパントとしてはＳｉが用いられ、ｐ型ドーパントとしてはＭｇが用いられる。表１に示すように、バッファ層２の成長温度は６００℃であり、ＧａＮ層８Ａ、再成長ＧａＮ層９Ａ、ｎ−クラック防止層２１、ｎ−クラッド層２２、ｎ−光ガイド層２３、ｐ−光ガイド層２６、ｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２７、ｐ−クラッド層２８およびｐ−コンタクト層２９の成長温度は１０８０℃である。また、ｎ−ＭＱＷ活性層２４およびｐ−キャリアブロック層２５の成長温度は８００℃である。
【０１０７】
バッファ層２の成長時には、原料ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ3 を用いる。ＧａＮ層８Ａおよび再成長ＧａＮ層９Ａの成長時には、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3 を用いる。ｎ−ＧａＮ層２０およびｎ−光ガイド層２３の成長時には、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3 を用いてドーパントガスとしてＳｉＨ4 を用いる。ｎ−クラック防止層２１、ｎ−クラッド層２２およびｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層２７の成長時には、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡおよびＮＨ3 を用い、ドーパントガスとしてＳｉＨ4 を用いる。
【０１０８】
ｎ−ＭＱＷ活性層２４の成長時には、原料ガスとしてＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＮＨ3 を用い、ドーパントガスとしてＳｉＨ4 を用いる。ｐ−キャリアブロック層２５およびｐ−クラッド層２８の成長時には、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡおよびＮＨ3 を用い、ドーパントガスとしてＣｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。ｐ−光ガイド層２６およびｐ−コンタクト層２９の成長時には、原料ガスとしてＴＭＧおよびＮＨ3 を用い、ドーパントガスとしてＣｐ2 Ｍｇを用いる。
【０１０９】
ｎ−ＭＱＷ活性層２４の屈折率は、ｎ−クラッド層２２およびｐ−クラッド層２８の屈折率よりも高く、ｎ−光ガイド層２３およびｐ−光ガイド層２６の屈折率は、ｎ−ＭＱＷ活性層２４の屈折率よりも低くかつｎ−クラッド層２２およびｐ−クラッド層２８の屈折率よりも高い。
【０１１０】
ｐ−クラッド層２８はパターン５Ａの上の領域を避けて形成されるので、半導体レーザ素子の発光領域を貫通転位の少ない領域に形成でき、半導体レーザ素子内でのリーク電流や不純物拡散などを抑制することができ、半導体レーザ素子の特性が向上する。ｐ−クラッド層２８の長手方向は、図５においてはα方向およびβ方向、図６においてはφ方向、γ方向およびθ方向のいずれかに沿って形成することができる。また、円形のパターン５Ａに代えて六角形のパターンを用いてもよく、その場合には、図２および図３のように六角形のパターン５を配置する。図２の例では、ｐ−クラッド層２８の長手方向のα方向またはβ方向のいずれかに沿って形成でき、図３の例ではφ方向、γ方向またはθ方向のいずれかに沿って形成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２】六角形のパターンのマトリクス配列の一例を示す平面図である。
【図３】六角形のパターンのマトリクス配列の他の例を示す平面図である。
【図４】再成長されたＧａＮ層の貫通転位を説明するための図である。
【図５】円形のパターンのマトリクス配列の一例を示す平面図である。
【図６】円形のパターンのマトリクス配列の他の例を示す平面図である。
【図７】円形のパターン上に再成長されたＧａＮ層の貫通転位を示す概念図である。
【図８】本発明の第２の実施例によるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図９】円形のＧａＮ層上に再成長されたＧａＮ層の貫通転位を示す概念図である。
【図１０】六角形のＧａＮ層上に再成長されたＧａＮ層の貫通転位を示す概念図である。
【図１１】本発明の第３の実施例によるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図１２】円形のＧａＮ層上の円形のマスク中に再成長されたＧａＮ層の貫通転位を示す概念図である。
【図１３】六角形のＧａＮ層およびパターンの上に再成長されたＧａＮ層の貫通転位を示す概念図である。
【図１４】本発明の第４の実施例によるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図１５】図１４の製造工程におけるエッチング領域を説明するための平面図である。
【図１６】本発明の第５の実施例によるＧａＮ系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図１７】従来のラテラル成長法により形成されたＧａＮ層の貫通転位を説明するための概念図である。
【図１８】従来の他のラテラル成長法により形成されたＧａＮ層の貫通転位を説明するための概念図である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  バッファ層
３，８，８Ａ  ＧａＮ層
５  六角形のパターン
５Ａ  円形のパターン
６，９，９Ａ，１４  再成長ＧａＮ層
【図１】
0003696003.tif 000003
【図２】
0003696003.tif 000004
【図３】
0003696003.tif 000005
【図４】
0003696003.tif 000006
【図５】
0003696003.tif 000007
【図６】
0003696003.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003696003.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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