(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第一の窒化物半導体層を形成し、前記第一の窒化物半導体層の上に開口部を有するマスク材を形成する第一の工程と、
前記開口部の直下の前記第一の窒化物半導体層および前記基板の前記マスク材側の一部をエッチングにより除去する第二の工程と、
前記マスク材を除去し、第二の窒化物半導体層を前記第二の工程のエッチングの深さより少ない膜層だけ結晶成長法により形成することにより、前記基板上に残った前記第一の窒化物半導体層上面および側面と、前記エッチング除去された基板表面とで分離して形成する第三の工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体成長方法。
【請求項２】
前記第二の窒化物半導体層のバンドギャップが、発光されるレーザ光の光子エネルギーよりも大きい材料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成長方法。
【請求項３】
前記基板として（０００１）を主方位とする炭化珪素基板を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体成長方法。
【請求項４】
前記基板として（１１１）を主方位とするシリコン基板を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体成長方法。
【請求項５】
前記基板がｎ型のＳｉＣ（０００１）であり、前記結晶成長法が有機金属気相成長法であり、前記第一の窒化物半導体層がｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（０≦ｘ≦１）とノンドープのＡｌＮと、ｎ型のＧａＮの３層構造であり、
前記マスク材の形状が六角形で、その一辺が基板の［１−１００］方向であり、前記第一の窒化物半導体層と前記基板の一部とをエッチングする手段としてＥＣＲドライエッチング装置を用い、前記第二の窒化物半導体層がｎ型のＧａＮ、ｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）、第一のｐ型のＧａＮ、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）、および第二のｐ型のＧａＮの６層構造であり、前記第二の窒化物半導体層の表面に形成する金属電極薄膜がＮｉ／Ａｕであり、前記基板の表面に形成する金属電極薄膜がＴｉ／Ａｕであり、これを前記基板の裏面上に形成することを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体成長方法。
【請求項６】
前記基板がｎ型のＳｉ（１１１）であり、前記結晶成長法が有機金属気相成長法であり、前記第一の窒化物半導体層がｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（０≦ｘ≦１）とノンドープのＡｌＮと、ｎ型のＧａＮの３層構造であり、前記マスク材の形状が六角形で、その一辺が基板の［１−１０］方向であり、前記第一の窒化物半導体層と前記基板の一部とをエッチングする手段として、ＥＣＲドライエッチング装置を用い、前記第二の窒化物半導体層がｎ型のＧａＮ，ｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）、第一のｐ型のＧａＮ、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）、および第二のｐ型のＧａＮの６層構造であり、前記第二の窒化物半導体層の表面に形成する金属電極薄膜がＮｉ／Ａｕであり、前記基板の表面に形成する金属電極薄膜がＴｉ／Ａｕであり、これを前記基板の裏面上に形成することを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体成長方法。
【請求項７】
請求項３または４に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、前記素子がファブリ・ペロー型の半導体レーザであることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、前記素子が、半導体の多角柱構造体の側面を反射鏡として用いるリングキャビティ型の半導体レーザであることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、空気がｎ側のクラッド層であり、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）がｐ側のクラッド層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項３〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、ノンドープのＡｌＮが電流狭窄層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体成長方法および窒化物半導体発光素子に係る。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短波長系の半導体レーザの材料として非常に注目され、盛んに研究開発が行われている窒化物半導体について、簡単に記述する。窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素であるＢ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎのうち少なくとも一つと、窒素との化合物であり、ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＢＡｌＮ，ＡｌＩｎＧａＮ、あるいは、ＢＡｌＩｎＧａＮ等の種類がある。これらの窒化物半導体は、琥珀色、緑色、青色から近紫外領域の短波長帯の発光材料として、近年、盛んに研究および技術開発が行われている。特に、窒化物半導体を用いた半導体レーザ（以後、「窒化物半導体レーザ」と呼ぶ。）は、波長４００ｎｍ前後の紫色での室温連続発振が、研究レベルで達成されている［文献１：Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｍ．Ｓｅｎｏｈ，Ｓ．Ｎａｇａｈａｍａ，Ｎ．Ｉｗａｓａ，Ｔ．Ｙａｍａｄａ，．Ｔ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，ａｎｄ  Ｋ．Ｃｈｏｃｈｏ  ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７０，８６８（１９９７）．文献２：Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｍ．Ｓｅｎｏｈ，Ｓ．Ｎａｇａｈａｍａ，Ｎ．Ｉｗａｓａ，Ｔ．Ｙａｍａｄａ，．Ｔ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，Ｈ．Ｋｉｙｏｋｕ，Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋｏｚａｋｉ，Ｈ．Ｕｍｅｍｏｔｏ，．Ｍ．Ｓａｎｏ，ａｎｄ  Ｋ．Ｃｈｏｃｈｏ  ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７３，８３２（１９９８）．文献３：Ｎ．Ｎａｇａｎｕｍａ，Ｔ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｔ．Ｔｏｊｏ，Ｋ．Ｙａｎａｓｈｉｍａ，Ｓ．Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ，ａｎｄ  Ｍ．Ｉｋｅｄａ：第５９回応用物理学会学術講演会講演予稿集，Ｎｏ．１，ｐ．３２８．］。
【０００３】
窒化物半導体レーザは、波長４００ｎｍ前後の紫色での室温連続発振が研究レべルで達成されている。現在までに研究されている窒化物半導体レーザは、分離閉じこめへテロ構造（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＳＣＨ）をとっている。ＳＣＨ構造の窒化物半導体レーザでは、活性層としてＩｎＧａＮの多重井戸層（ｍｕｌｔｉ−ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ，ＭＱＷ）が用いられ、光ガイド層としてＧａＮが用いられ、クラッド層としてＡｌＧａＮがそれぞれ用いられる。ＡｌＧａＮは、ＧａＮよりもバンドギャップが広く、かつ、屈折率が小さいので、クラッド層として適している材料である。
【０００４】
ところが、従来のＳＣＨ構造の窒化物半導体レーザに用いられているＡｌＧａＮは、選択成長が難しいという問題があった。すなわち、ＡｌＧａＮの選択成長が行われる１０００℃前後の温度においては、酸化シリコン等のマスク材とＡｌ原料との反応性が非常に強く、マスク開口部内のみならず、マスク材の上にまでＡｌＧａＮが堆積してしまうという問題があった［文献４：Ｔ．Ａｋａｓａｋａ，Ｙ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｓ．Ａｎｄｏ，Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，ａｎｄ  Ｍ．Ｋｕｍａｇａｉ：Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ  １８９／１９０（１９９８）７２．  文献５：Ｙ．Ｋａｔｏ，Ｓ．Ｋｉｔａｍｕｒａ，Ｋ．Ｈｉｒａｍａｔｓｕ，Ｎ．Ｓａｗａｋｉ：Ｊ．ＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ１４４  （１９９４）１３３．］。
【０００５】
ところで、窒化物半導体レーザのレーザミラーは、ドライエッチング［文献１、文献３］や劈開［文献２］を用いて作製されている。サファイア上に堆積した窒化物半導体の場合、窒化物半導体とサファイアとの間で劈開面がずれているため、そのままでは平坦な劈開面が得られ難い。一方、ドライエッチングでは、レーザミラー表面のプロセスダメージや、基板に対する垂直性が問題となる。
【０００６】
一方、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）による選択成長法を用いると、成長基板面に対して完全に垂直で、原子レべルで平坦なファセット面［文献６：安藤精後，小林直樹，安藤弘明：応用物理６５，７２８（１９９６）．］を持つ窒化物半導体の六角柱構造体［文献７：Ｔ，Ａｋａｓａｋａ，Ｙ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｓ．Ａｎｄｏ，ａｎｄ  Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１（１９９７）２１９６．］を形成できる。この六角柱構造を応用したレーザ（以下「六角柱ファセットレーザ」と呼ぶ。）のレーザ光の光路は内接する六角形になり、全反射の条件でレーザ光は反射を繰り返す。通常のファブリ・ペロー型のレーザでは、レーザ光は反射鏡にほぼ垂直に入射し、反射率は０．２〜０．３程度と低い。六角柱ファセットレーザのレーザミラーは、特別な端面反射コーテイングを用いなくても、原理的に高反射率（反射率〜１）を有するという優れた特徴を有する。そのため、レーザ発振の閾値を低くできると期待される。さらに、六角柱ファセットレーザの場合、成長基板上のマスクパターンの設計のみによりプロセスダメージを生じることなく、１回の成長で、一つの基板上に複数個のファセットレーザを形成することも可能である。
【０００７】
従来までに作製が試みられた、ＳＣＨ構造を有する窒化物半導体六角柱ファセットレーザの例を図１７に示す。このような構造は、以下のような手順で作製される。
【０００８】
まず、基板として、主表面が（０００１）面であるサファイア基板１０１上にＭＯＣＶＤを用いて、ｎ型のＧａＮエピタキシャル層１０２を成長し、このｎ型のＧａＮ１０２の表面上にフォトリソグラフィー法および湿式エッチング法により二酸化シリコン薄膜からなり六角形の微小な開口部を有するマスク１０３を形成する。
【０００９】
さらに、ＭＯＣＶＤの選択成長を用いて、ｎ側のクラッド層となる１０４のｎ型のＡｌＧａＮ、ｎ側の光ガイド層となる１０５のｎ型のＧａＮ、活性層となる１０６のＩｎＧａＮＭＱＷ、ｐ側の光ガイド層となる１０７のｐ型のＧａＮ、および、ｐ側のクラッド層となる１０８のｐ型のＡｌＧａＮを成長する。以上により、ＳＣＨ構造を有する窒化物半導体六角柱ファセットレーザが酸化シリコンマスク六角形の微小な開口部に形成される。
【００１０】
ところが、ｎ型のＡｌＧａＮ１０４、およびｐ型のＡｌＧａＮ１０８を成長する過程で、酸化シリコンマスク１０３とＡｌ原料との反応性が非常に強く、酸化シリコンマスク１０３上にも多結晶ＡｌＧａＮ１０９が形成されてしまう。このため、六角柱構造の側面は、原子レべルで平坦な垂直ファセット面にならず、多結晶ＡｌＧａＮ１０９が電流注入の際の電流リークの原因に成るなどの問題が生じた。その結果、レーザの性能が著しく低下してしまうという問題が従来は存在した。
【００１１】
一方、先に述べたファブリ・ペロー型の半導体レーザの反射鏡は、劈開［文献８：Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ：Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＪＯＨＮ  ＷＬＬＥＹ＆ＳＯＮＳ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８１）２ｎｄ  ｅｄ．，ｐ．７０４．］、ドライエッチング［文献８］、あるいは、選択成長による垂直ファセット形成［文献９：Ｓ．Ａｎｄｏ，Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，ａｎｄ  Ｈ．Ａｎｄｏ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３２，Ｌ１２９３  （１９９３）．］により加工形成されている。また、半導体の多角柱構造体の側面を反射鏡として用いるリングキャビティ型半導体レーザの反射鏡は、選択成長による垂直ファセット形成［文献：４］により加工形成されている。
【００１２】
劈開は、基板と半導体層の低指数結晶面を選び、その劈開性を利用して加工形成される。劈開によって作製された反射鏡は、原子層レベルの平滑性と、基板の主方位に対する完全な垂直性と、一対の反射鏡の完全な平行性とを有するという非常に優れた反射面である。ところが、基板と半導体層の組み合わせによっては、これらの劈開面が必ずしも一致せず、上記のような優れた反射面が得られない場合がある。後述する窒化物半導体とサファイア基板の組み合わせがその一例である。さらに、劈開の手法では、半導体レーザを小型化したり、集積化することは困難である。また、反射鏡の表面に、活性層がむき出しになるため、レーザ駆動を続けていくうちに、端面劣化が起こりやすい。
【００１３】
ドライエッチングでは、半導体の表面の一部をマスク材で覆い、真空槽に入れ、プラズマ等で活性化したエッチングガスにさらし、マスク開口部分に露出した半導体を除去し、その加工端面を反射鏡とする。この方法には、半導体レーザを小型化したり、集積化することが容易であるという利点がある。ところが、半導体の種類が、後述する窒化物半導体のように硬度があり、化学的に安定である場合は、特に、反射鏡が平滑性に乏しかったり、反射鏡表画に結晶欠陥が発生したり、基板の主表面に対する反射鏡の垂直性が悪くなりやすい傾向がある。また、ドライエッチングの場合も、反射鏡の表面に活性層がむき出しになるため、レーザ駆動を続けていくうちに、端面劣化が起こりやすい。
【００１４】
選択成長による垂直ファセット形成では、半導体を成長させる基板の表面の一部をマスク材で覆い、ＭＯＣＶＤによる選択成長法を用いることにより、ミクロンサイズの半導体の多角柱構造体を基板上に形成する。これらの半導体の多角柱構造体の側面ファセットは、成長基板面に対して完全に垂直で、原子レベルで平坦であるため、高性能な反射鏡として機能する。これらの多角柱構造体の底面の形状を正六角形や、正三角形とすることにより、リングレーザとすることができる［文献６］。さらに、この方法には、半導体レーザを小型化したり、集積化することが容易であるという利点がある。加えて、反射鏡の表面に活性層が露出することがないため、端面劣化も起こりにくい。ところが、ＭＯＣＶＤで選択成長を行う際、半導体の種類によっては、マスク材の上にも成長が起こり、成長基板面に対して完全に垂直で、原子レベルで平坦な側面ファセットが得られない場合がある。特に、後で詳細に記述する窒化物半導体の場合、レーザのクラッド層として用いられる窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の選択成長が難しいという問題［文献４］がある。
【００１５】
以上、記述したとおり、特に、窒化物半導体を用いた半導体レーザの場合は、従来の反射鏡の製造法である、劈開、ドライエッチング、あるいは、選択成長による垂直ファセット形成のいずれの場合も、高性能な反射鏡を製造するのが困難であったことをここに強調しておく。つまり、先に述べたように、窒化物半導体レーザの反射鏡は、ドライエッチング［文献１，３］や劈開［文献２］を用いて作製されている。一般に広く基板として用いられているサファイアの上に堆積した窒化物半導体の場合、窒化物半導体とサファイアとの間で劈開面がずれているため、そのままでは平坦な劈開面が得られ難い。
【００１６】
一方、窒化物半導体は一般に、硬度があり、化学的にも安定であるため、ドライエッチングを行うためにはエッチングガスのイオン種等に大きな運動エネルギーを付加しなければならず、反射鏡が平滑性に芝しかったり、反射鏡表面に結晶欠陥が発生したり、基板の主表面に対する反射鏡の垂直性が悪くなりやすい傾向がある。さらに、選択成長による垂直ファセット形成の場合でも、窒化物半導体レーザに用いられているＡｌＧａＮは、選択成長が難しいという問題があった。すなわち、ＡｌＧａＮの選択成長が行われる１０００℃前後の温度においては、酸化シリコン等のマスク材とＡｌ原料との反応性が非常に強く、マスク開口部内のみならず、マスク材の上にまでＡｌＧａＮが堆積してしまうという問題があった［文献４］。
【００１７】
以上のように、窒化物半導体を用いた短波長系の半導体レーザの場合、従来の技術である、劈開、ドライエッチング、あるいは、選択成長による垂直ファセット形成のいずれの場合でも、高性能な反射鏡を加工形成するのが難しいという問題が存在した。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、多結晶ＡｌＧａＮの形成を避けることにより、高性能な窒化物半導体六角柱ファセットレーザを製造することができる窒化物半導体成長方法を提供することを目的とする。
【００１９】
本発明は、平坦な垂直ファセット面を有し、電流注入の際の電流リークなどがない高性能な窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００２０】
さらに、本発明は、反射鏡の表面における導波光の散乱損失、注入キャリアの表面再結合損失、および、端面劣化が少ない窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、基板上に第一の窒化物半導体層を形成し、前記第一の窒化物半導体層の上に開口部を有するマスク材を形成する第一の工程と、前記開口部の直下の前記第一の窒化物半導体層および前記基板の前記マスク材側の一部をエッチングにより除去する第二の工程と、前記マスク材を除去し、第二の窒化物半導体層を前記第二の工程のエッチングの深さより少ない膜層だけ結晶成長法により形成することにより、前記基板上に残った前記第一の窒化物半導体層上面および側面と、前記エッチング除去された基板表面とで分離して形成する第三の工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体成長方法である。
【００２３】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の窒化物半導体成長方法において、前記第二の窒化物半導体層のバンドギャップが、発光されるレーザ光の光子エネルギーよりも大きい材料であることを特徴とする。
【００２４】
請求項３に記載の本発明は、請求項１または２に記載の窒化物半導体成長方法において、前記基板として（０００１）を主方位とする炭化珪素基板を用いることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に記載の本発明は、請求項１または２に記載の窒化物半導体成長方法において、前記基板として（１１１）を主方位とするシリコン基板を用いることを特徴とする。
【００２６】
請求項５に記載の本発明は、請求項３に記載の窒化物半導体成長方法において、前記基板がｎ型のＳｉＣ（０００１）であり、前記結晶成長法が有機金属気相成長法であり、前記第一の窒化物半導体層がｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（０≦ｘ≦１）とノンドープのＡｌＮと、ｎ型のＧａＮの３層構造であり、前記マスク材の形状が六角形で、その一辺が基板の［１−１００］方向であり、前記第一の窒化物半導体層と前記基板の一部とをエッチングする手段としてＥＣＲドライエッチング装置を用い、前記第二の窒化物半導体層がｎ型のＧａＮ、ｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）、第一のｐ型のＧａＮ、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）、および第二のｐ型のＧａＮの６層構造であり、前記第二の窒化物半導体層の表面に形成する金属電極薄膜がＮｉ／Ａｕであり、前記基板の表面に形成する金属電極薄膜がＴｉ／Ａｕであり、これを前記基板の裏面上に形成することを特徴とする。
【００２７】
請求項６に記載の本発明は、請求項４に記載の窒化物半導体成長方法において、前記基板がｎ型のＳｉ（１１１）であり、前記結晶成長法が有機金属気相成長法であり、前記第一の窒化物半導体層がｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（０≦ｘ≦１）とノンドープのＡｌＮと、ｎ型のＧａＮの３層構造であり、前記マスク材の形状が六角形で、その一辺が基板の［１−１０］方向であり、前記第一の窒化物半導体層と前記基板の一部とをエッチングする手段として、ＥＣＲドライエッチング装置を用い、前記第二の窒化物半導体層がｎ型のＧａＮ，ｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）、第一のｐ型のＧａＮ、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）、および第二のｐ型のＧａＮの６層構造であり、前記第二の窒化物半導体層の表面に形成する金属電極薄膜がＮｉ／Ａｕであり、前記基板の表面に形成する金属電極薄膜がＴｉ／Ａｕであり、これを前記基板の裏面上に形成することを特徴とする。
【００２８】
請求項７に記載の本発明は、請求項３または４に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、前記素子がファブリ・ペロー型の半導体レーザであることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【００２９】
請求項８に記載の本発明は、請求項３〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、前記素子が、半導体の多角柱構造体の側面を反射鏡として用いるリングキャビティ型の半導体レーザであることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【００３０】
請求項９に記載の本発明は、請求項３〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、空気がｎ側のクラッド層であり、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）がｐ側のクラッド層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【００３１】
請求項１０に記載の本発明は、請求項３〜６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長方法で製造された窒化物半導体発光素子であって、ノンドープのＡｌＮが電流狭窄層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
【００３２】
本発明によれば、半導体レーザの反射鏡の平滑度と基板の主方位に対する垂直性とを改善し、その反射鏡の表面に存在する結晶欠陥の密度を減少させ、さらに、活性層を保護することが可能となる。これらの効果として、まず、反射鏡の平滑度と基板の主方位に対する垂直性を改善することにより、当該の半導体レーザの反射損失や、散乱損失を減少することができ、その結果、レーザ発振の閾値を低くすることができる。また、反射鏡の表面に存在する結晶欠陥の密皮を減少させることにより、反射鏡表面でのレーザ駆動時の注入キャリアの表面再結合を抑えることができ、その結果、レーザ発振閾値の低下や、光出力の増大が見込める。さらに、半導体薄膜層の形成により、活性層を保護することにより、空気中の酸素、注入キャリア、および、レーザ光の共存による端面劣化を抑えることも可能となる。
【００３３】
また、本発明では、上記第二の半導体薄膜層のバンドギャップが、上記半導体レーザの発するレーザ光の光子エネルギーよりも大きい材料を選ぶことにより、この半導体薄膜層によるレーザ光の吸収損失を避けることを特徴とする半導体レーザを提供する。
【００３４】
本発明による半導体レーザの製造方法は、一対の反射鏡を有するファブリペロー型の半導体レーザや、半導体の多角柱構造体の側面を反射鏡として用いるリングキャビティ型の半導体レーザに対して、広く適用できるものである。
【００３５】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族、カルコパイライト半導体等の化合物半導体を用いた半導体レーザに対して広く適応可能のものであるが、基板として（０００１）面を主方位とする炭化珪素（ＳｉＣ）基板や、あるいは、（ｌｌｌ）面を主方位とするシリコン基板を用い、かつ、第一の半導体薄膜層および第二の半導体薄膜層として窒化物半導体を用いた半導体レーザに対して、本発明の効果が特に大きい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３７】
本発明ではまず、図１の基板１上に第一の窒化物半導体層２，３，４を結晶成長法により形成する。ここで本発明では、基板１として、ｎ型の導電性があり、窒化物半導体の垂直な｛１１−２０｝ファセットを形成することが可能なｎ型のＳｉＣ（０００１）、または、ｎ型のＳｉ（１１１）を用いることが好ましい。また、本発明では、結晶成長法として、高品質な窒化物半導体層を製造することが可能な有機金属気相成長法を用いることが好ましい。さらに、本発明では第一の窒化物半導体層が、ｎ型の導電性があり、かつ、ＳｉＣ（０００１）やＳｉ（１１１）基板に対して塗れ性が良いため平坦な薄膜形成が可能なｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（０≦ｘ≦１）２と、六角柱ファセットレーザにおいて電流狭窄層として働くノンドープのＡｌＮ３と、キャップ層として働くｎ型のＧａＮ４の３層構造であることがこのましい。この工程により、図１に示したような構造が製造される。
【００３８】
次に、上記の第一の窒化物半導体２，３，４の表面上に、フォトレジスト等のマスク材５を全面に塗布する。さらに、リソグラフィーにより、上記マスク材５に開口部を形成する。ここで本発明では、開口部形成により残ったマスク材の形状が六角形であることが好ましい。また、本発明では、基板１がｎ型のＳｉＣ（０００１）である場合、六角形の一辺が基板１の［１−１００］方向に平行であることが好ましい。あるいは、本発明では、基板１がｎ型のＳｉ（１１１）である場合、六角形の一辺が基板１の［１−１０］方向に平行であることが好ましい。この工程までで図２に示したような構造が製造される。
【００３９】
次に、エッチングにより、上記マスク開口部の直下に存在する第一の窒化物半導体層２，３，４の全部と、同じくマスク開口部の直下に存在する基板１の一部とを除去する。ここで本発明では、エッチングの手段としてＥＣＲドライエッチング装置を用いることが好ましい。この工程までで、図３に示したような構造が製造される。ここで、エッチングにより露出した第一の窒化物半導体層２，３，４の側面は、必ずしも基板１に対して垂直である必要はなく、また、多少荒れていてもかまわない。
【００４０】
次に、アセトンなどの溶媒に上記構造物を浸漬し、マスク材５を全て除去する。この工程までで、図４に示したような構造が製造される。
【００４１】
次に、結晶成長により、基板１上に残った第一の窒化物半導体層２，３，４の上面および側面に第二の窒化物半導体層を結晶成長法により形成する。ここで、本発明では、第二の窒化物半導体層がｎ型のＧａＮ、ｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）第一のｐ型のＧａＮ，ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）、および、第二のｐ型のＧａＮの６層構造であることが好ましい。
【００４２】
まず、第二の窒化物半導体層のうちｎ型ＧａＮをＭＯＣＶＤにより形成する。ＧａＮはＳｉＣ基板１に対して塗れ性が悪いので、ＳｉＣ基板１表面に成長することはない。また横方向成長により横に張り出す。そのため、ｎ型ＧａＮは図５に示すように傘のように横に張り出す。なお、この傘の影になる部分は原料が拡散しにくいのでＡｌＧａＮといえども成長しない。
【００４３】
次いで、図５の状態から第二の窒化物半導体層のｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸７、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）８、第一のｐ型のＧａＮ９，ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）１０、および、第二のｐ型のＧａＮ１１を成長させる。ＩｎＧａＮはＳｉＣ基板に対して塗れ性が悪いのでやはりＳｉＣ基板１表面に成長することはない。ただし、ＳｉＣ上に成長したＡｌＧａＮの上には容易に成長する。一方、ＡｌＧａＮはＳｉＣ基板に対して塗れ性がよいのでＳｉＣ基板表面に成長する。ただし、なんらかの方法でＳｉＣ基板上に到達する原料の濃度を下げると成長しない。その結果、図６に示すようの構造に成長する。
【００４４】
最終的には図６に示す状態となるが、最後まで傘の影になる部分には何も成長しない。しかし、そこ以外のＳｉＣ基板１表面上には一旦８のｐ型ＡｌＧａＮが成長することによって、９から１１までの膜がすべて成長する。ここで、ＳｉＣ基板を掘り込んでおいたことが意味を持つ。すなわち、第二の半導体層のうち８から１１までの層の膜厚以上に掘り込んでおくことによって傘状の六角柱レーザとＳｉＣ基板１上の８から１１までの膜とが接触することを防ぐことができる。その結果、ＡｌＧａＮを用いても垂直で平坦なファセットを維持した六角柱レーザが製造できる。
【００４５】
図６に示したような構造において、ｎ型のＧａＮ６、ｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸７、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）８、第一のｐ型のＧａＮ９，ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）１０、および、第二のｐ型のＧａＮ１１はそれぞれ、六角柱ファセットレーザにおいて、ｎ側の光ガイド層、活性層、電子ブロック層、ｐ側の光ガイド層、ｐ側のクラッド層およびｐ側の電極コンタクト層として機能する。また、図６中でｎ型のＧａＮと基板との間に存在する空気が、ｎ側のクラッド層として機能する。１１の第二のｐ型ＧａＮの側面は六枚の等価な｛１１−２０｝ファセットである。これらのファセット面は基板に対して完全に垂直であり原子スケールで平坦であるため、六角柱ファセットレーザの高性能なレーザミラーとして機能する。
【００４６】
結局、本発明においては、前述した通り、第二の半導体層の結晶成長の過程で、基板１に対して塗れ性の悪い、ｎ型のＧａＮ６およびｎ型のＩｎＧａＮ多重量子井戸７は、露出した基板１上に成長しない。一方、基板１に対して塗れ性の良いｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）８、第一のｐ型のＧａＮ９，ｐ型のＡｌｚＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）１０、および第二のｐ型のＧａＮ１１は露出した基板１上に成長する。このとき、上記のＥＣＲドライエッチングの工程でマスク開口部直下の基板を十分に深く掘ることにより、図６中の六角柱ファセットレーザと、露出した基板上に成長したｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（０≦ｙ≦１）、Ｐ型のＧａＮ、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（０≦ｚ≦１）および、第二のｐ型のＧａＮ層が接触するのを避けることができる。
【００４７】
最後に、第二の窒化物半導体層の表面（上面のみ）、および、基板１の表面上に金属電極薄膜１２を形成する。本発明では、第二の窒化物半導体層の表面１１に形成する金属電極薄膜１２が第二のｐ型のＧａＮ１１に対してオーミック性のＮｉ／Ａｕ１２であることが好ましい。また、本発明では、基板１の裏面に形成する金属電極薄膜がｎ型の基板に対してオーミック性のＴｉ／Ａｕ１３であり、これを基板１の裏面上に形成することが好ましい。ここまでの工程で、図７に示したような六角柱ファセットレーザが形成される。このように、本発明によれば、多結晶のＡｌＧａＮの析出を避けることができるため、高性能なＳＣＨ構造の窒化物半導体六角柱レーザを製造することができる。
【００４８】
また、本発明により製造された六角柱ファセットレーザは、ｎ側のクラッド層として空気を用いるため、活性層の光閉じこめ率を大きくすることができるという特徴を有する。
【００４９】
さらに、本発明により製造された六角柱ファセットレーザは、図８に示したようにノンドープのＡｌＮ層が電流狭窄層として機能する。そのため、内接六角形のレーザ光路近傍の利得領域の活性層に対して、効率的に電流を注入する利得導波型のレーザとなっている。
【００５０】
さらに、本発明により製造された六角柱ファセットレーザは、利得領域の活性層が貫通転位の少ない横方向成長部分に存在する。そのため、レーザの閾値や消費電力が従来の六角柱ファセットレーザと比べて低いという特徴を有する。
【００５１】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を記述する。
【００５２】
［実施例１］
図９は、本実施例において用いる半導体薄膜作製装置の基本構成を示す構成図である。同図において３１は反応槽、３２は基板支持台、３３は基板を加熱するためのヒーター、３４は主表面の方位が（０００１）のＳｉＣ基板（以下、「ＳｉＣ（０００１）基板」と呼ぶ。）、そして３５は成長させる半導体薄膜の原料となるガスを供給する供給管である。
【００５３】
まず、反応槽３１内の基板支持台３２上にＳｉＣ（０００１）基板３４を設置し、窒素および水素を供給管３５を通して数ｓ１ｍ流しながら圧力を約３００Ｔｏｒｒに保ち、基板３４を１１００℃程度に加熱する。この状態を約１０分継続し、ＳｉＣ（０００１）基板３４の表面を熱的にクリーニングする。次に、基板の温度を約１０００℃まで低下させて、供給管３５より、アンモニアガス、シランガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、および、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を導入し５００ｎｍ厚のｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（ｘ＝０．１）を形成する。次に、シランガスとＴＭＧの供給のみを止めて、ノンドープのＡｌＮを４０ｎｍ堆積する。最後に、ＴＭＡの供給を止め、さらに、再びシランガスとＴＭＧを導入して、ｎ型のＧａＮを２０ｎｍ堆積する。以上の操作により、ＳｉＣ（０００１）基板上にｎ型のＡｌxＧａl-xＮ（ｘ＝０．１）と、ノンドープのＡｌＮと、ｎ型のＧａＮとの３層構造の第一の窒化物半導体層が形成される（図１参照）。
【００５４】
第一の窒化物半導体層の表面に、スピンコートにより、約４００ｎｍのフォトレジスト薄膜を形成する。次にフォトリソグラフィー法を用いて、このフォトレジスト薄膜を複数の六角形パターンとし、選択成長用下地基板の表面を一部露出させる（図２参照）。六角形の各辺が、ＳｉＣ（０００１）基板の［１−１００］方向に平行であることが重要である。また、六角形の一辺の長さは、１０から５００ミクロンの間で設定することができる。
【００５５】
これをＥＣＲプラズマエッチング装置に挿入し、アルゴンガスと、塩素ガスとを供給しながら、マイクロ波により、ＥＣＲ条件のプラズマを生成してドライエッチングを行う。この工程により、六角形のフォトレジストがなくて露出した第一の窒化物半導体の全部と、その下に存在するＳｉＣ（０００１）基板の１，０００ｎｍの深さまでが削り取られる（図３参照）。これを、アセトンに浸漬してフォトレジストを全て除去する（図４参照）。
【００５６】
これを再び反応槽３１に挿入して基板支持台３２に設置し、窒素および水素を供給管３５を通して数ｓ１ｍ流して圧力を約３００Ｔｏｒｒに保つ。次に、温度を約１０５０℃まで上げて、反応槽３１内に供給管３５を通してアンモニアガス、ＴＭＧ、および、シランを導入する。六角柱状の第一の窒化物半導体層の上面と側面とにのみ選択的にｎ型のＧａＮがエピタキシャル成長する。ＳｉＣ（０００１）基板上には、塗れ性が悪く、核形成が起こりにくいためｎ型のＧａＮは析出しない。この結果、ＳｉＣより成る支柱の上に、六角柱構造体が形成される。この六角柱構造体の側面は、六つの等価な｛１１−２０｝面であり、基板に対して完全に垂直である。また、アンモニアガスとＩＩＩ族原料（この場合、ＴＭＧ）との比であるＶ／ＩＩＩ比を調整することにより、ｎ型のＧａＮの、（０００１）面上の成長速度と｛１１−２０｝面上の成長速度との比を１：５程度にすることができる。その結果、六角柱状の第一の窒化物半導体層の上面に１００ｎｍ、側面に５００ｎｍ厚のｎ型のＧａＮが成長する。
【００５７】
引き続いて、水素ガス、ＴＭＧ、および、シランの供給を止めた後、基板温度を８３０℃まで下げる。この状態では、反応槽内には窒素とアンモニアのみ供給されている。温度が安定した後、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、および、シランを導入して、活性層であるＩｎＧａＮＭＱＷを堆積する。この時、ＭＱＷのバリア層の堆積時にはＴＭＩの流量を比較的少なくして、Ｉｎ組成のより小さいＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎを形成し井戸層の堆積時にはＴＭＩの流量を比較的大きくして、Ｉｎ組成のより大きいＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎを形成する。ＭＱＷの層数は、２から５層程度が適当である。ＩｎＧａＮ  ＭＱＷの厚さは、２０から４５ｎｍである。ここでＶ／ＩＩＩ比を調整することにより、ＩｎＧａＮＭＱＷの（０００１）面上の成長速度と｛１１−２０｝面上の成長速度を同程度にすることができる。その結果、ＩｎＧａＮＭＱＷは、上記の六角柱構造体の、（０００１）面からなる上面と、六つの等価な｛１１−２０｝面からなる側面とを、同じ厚さで覆うように成長する。また、ＳｉＣ（０００１）上には、塗れ性が悪く、核形成が起こりにくいため、ＩｎＧａＮＭＱＷは成長しない。
【００５８】
さらに、ＴＭＩ、および、シランの供給のみを止めて、ＴＭＡ、および、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を供給して、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）を成長する。このとき、Ｖ／ＩＩＩ比を調整することにより、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）の（０００１）面上の成長速度と｛１１−２０｝面上の成長速度を同程度にすることができる。その結果、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）は、上記の六角柱構造体の、（０００１）面からなる上面と、六つの等価な｛１１−２０｝面からなる側面上に、それぞれ２０ｎｍ厚で覆うように成長する。また、ｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）は、ＳｉＣ（０００１）対して、塗れ性が比較的良く、核形成が起こりやすい。このため、ＳｉＣ（０００１）基板上にも、２０ｎｍの厚さでｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）が成長する。ただし、原料の気相拡散量が小さいため、六角柱構造体の底部やＳｉＣの支柱への成長はない。さらに、ＳｉＣの支柱の高さは１，０００ｎｍあるため、六角柱構造体と、ＳｉＣ（０００１）基板上に成長したｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）が接触することはない。
【００５９】
さらに、ＴＥＧ、ＴＭＡ、および、Ｃｐ2Ｍｇの供給のみを止めて、基板温度を１０５０℃に上げる。温度が１０５０℃で安定したら、水素ガス、ＴＭＧ、および、Ｃｐ2Ｍｇを再び導入することにより、ｐ型のＧａＮを形成する。このときも、適当なＶ／ＩＩＩ比とを選ぶことにより、ｐ型のＧａＮの（０００１）面上の成長速度と｛１１−２０｝面上の成長速度を同程度にすることができる。その結果、ｐ型のＧａＮは、上記までに成長された六角柱構造体の、（０００１）面からなる上面と、六つの等価な｛１１−２０｝面からなる側面上に、それぞれ１００ｎｍ厚で覆うように成長する。このとき、ＳｉＣ（０００１）基板上のｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）の表面上にも、１００ｎｍの厚さでｐ型のＧａＮが成長する。ただし、原料の気相拡散量が小さいため、六角柱構造体の底部やＳｉＣの支柱への成長はない。さらに、ＳｉＣの支柱の高さは１，０００ｎｍあるため、六角柱構造体と、ＳｉＣ（０００１）基板上に成長したｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）とＰ型のＧａＮとが接触することはない。
【００６０】
引き続き、ＴＭＡを再び導入することにより、ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（ｚ＝０．１）を上記までに成長された六角柱構造体の、（０００１）面からなる上面と六つの等価な｛１１−２０｝面からなる側面上に、それぞれ５００ｎｍ厚で覆うように成長する。このとき、ＳｉＣ（０００１）基板上のｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）／ｐ型のＧａＮ２層膜の表面上にも、５００ｎｍの厚さでｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（ｚ＝０．１）が成長する。ただし、原料の気相拡散量が小さいため、六角柱構造体の底部やＳｉＣの支柱への成長はない。さらに、ＳｉＣの支柱の高さは１，０００ｎｍあるため、六角柱構造体と、ＳｉＣ（０００１）基板上に成長したｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）／ｐ型のＧａＮ／ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（ｚ＝０．１）３層膜とが接触することはない。
【００６１】
引き続き、ＴＭＡの供給を切ることにより、ｐ型のＧａＮを、上記までに成長された六角柱構造体の、（０００１）面からなる上面と、六つの等価な｛１１−２０｝面からなる側面上に、それぞれ２０ｎｍ厚で覆うように成長する。このとき、ＳｉＣ（０００１）基板上のｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）／Ｐ型のＧａＮ／ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（ｚ＝０．１）３層膜の表面上にも、２０ｎｍの厚さでｐ型のＧａＮが成長する。ただし、原料の気相拡散量が小さいため、六角柱構造体の底部やＳｉＣの支柱への成長はない。さらに、ＳｉＣの支柱の高さは１，０００ｎｍあるため、六角柱構造体と、ＳｉＣ（０００１）基板上に成長したｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）／ｐ型のＧａＮ／ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（ｚ＝０．１）／ｐ型のＧａＮ４層膜とが接触することはない。以上の工程により、図６に示したような六角柱ファセットレーザが形成される。
【００６２】
次に、上記の六角柱ファセットレーザを成長したＳｉＣ（０００１）基板を冷却後、反応槽より取り出し、電子ビーム真空蒸着器内に設置し、ＮｉとＡｕをそれぞれ４０ｎｍと１００ｎｍの厚さで、六角柱ファセットレーザの上面に形成する。このとき、ＳｉＣ（０００１）基板上に成長したｐ型のＡｌyＧａl-yＮ（ｙ＝０．２）／Ｐ型のＧａＮ／ｐ型のＡｌzＧａl-zＮ（ｚ＝０．１）／ｐ型のＧａＮ４層膜の表面上にもＮｉ／Ａｕが形成されるが、六角柱ファセットレーザと接触しないので問題はない。
【００６３】
最後に、これを、電子ビーム真空蒸着器内に設置し、ＳｉＣ（０００１）基板の裏面にＴｉおよびＡｕをそれぞれ２０ｎｍと１００ｎｍの厚さで、全面に蒸着する。以上の工程により、図７に示したような、電流注入型の窒化物半導体六角柱ファセットレーザが製造された。
【００６４】
この発明によって得られた、窒化物半導体六角柱ファセットレーザでは、多結晶のＡｌＧａＮが側面に接触するような従来の問題点が解決されている。そのため、従来のＳＣＨ構造の窒化物半導体六角柱ファセットレーザと比較して、リーク電流が少なく、低い発振閾値や消費電力が得られた。
【００６５】
なお、基板としてＳｉ（１１１）用いた場合でも、上記の工程を用いて、同様の高性能なＳＣＨ構造の窒化物半導体六角柱ファセットレーザを製造することができる。さらに、本発明は、窒化物半導体だけではなく、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体およびカルコパイライト半導体等の半導体を用いたファセットレーザにも応用可能である。
【００６６】
［実施例２］
実施例２では、基板として（０００１）面を主方位とするｎ型の炭化珪素（ＳｉＣ）を用い、ＭＯＣＶＤにより、第一の半導体薄膜層として窒化物半導体の多層薄膜を形成した。この状態の試料の断面構造を図１０に示した。この第一の半導体薄膜層である窒化物半導体の多層薄膜は、ＳＣＨのレーザ積層構造に対応する。すなわち、（０００１）面を主方位とするｎ型のＳｉＣ基板４１上に、Ｓｉがドープされた０．５ミクロン厚のｎ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４２と、Ｓｉがドープされた０．１ミクロン厚のｎ型のＧａＮ光ガイド層４３と、５ｎｍ厚のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と１０ｎｍ厚のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸活性層４４と、Ｍｇがドープされた２０ｎｍ厚のｐ型のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ電子ブロック層４５と、Ｍｇがドープされた０．１ミクロン厚のｐ型のＧａＮ光ガイド層４６と、Ｍｇがドープされた０．４ミクロン厚のｐ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層４７と、Ｍｇがドープされた０．２ミクロン厚のｐ型のＧａＮコンタクト層４８からなる。
【００６７】
次に、この窒化物半導体の多層薄膜の表面、すなわち、Ｍｇがドープされた０．２ミクロン厚のｐ型のＧａＮコンタクト層４８の表面に、フォトレジストよりなるマスク材を塗布し、ファトリソグラフィーにより、図１１に示したように、長方形の形状をしたフォトレジストよりなるマスク材４９を形成する。長方形の寸法は、短辺が２から１０ミクロン程度、また、長辺が３００から８００ミクロン程度の範囲で設定できる。さらに、長方形の短辺が、（０００１）面を主方位とするＳｉＣ基板４１の〔１−１００〕方向に平行であるようにした。
【００６８】
これを、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｒｏｔｒｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）ドライエッチング装置に挿入し、エッチングガスとして塩素ガスを用い、ドライエッチングを行った。この時、長方形のフォトレジストよりなるマスク材４９に覆われた部分以外の窒化物半導体多層膜４２から４８までの全部と、（０００１）面を主方位とするｎ型のＳｉＣ基板４１の一部とがエッチングされ、除去される。
【００６９】
これを、ＥＣＲドライエッチング装置より取り出し、アセトンに浸して、フォトレジストよりなるマスク材４９を除去した。この段階の試料の模式図を図１２に示した。マスク材４９により保護された部分の窒化物半導体多層膜４２から４８までが、歪んだ四角柱状に加工形成されている。図１３に示すように、図１２の波線部分Ａの断面を観察したところ、加工端面の平滑度が悪く、平均荒さが１０ｎｍから１００ｎｍ程もあった。また、加工端面の基板の主方位に対する角度は、完全に垂直ではなく、７０から８０度であった。このようなドライエッチングによる加工端面を、そのまま半導体レーザの反射鏡として用いても、十分な性能が望めないのはいうまでもない。
【００７０】
この状態の試料を、再び、ＭＯＣＶＤ装置に挿入し、図１４に示すように、第二の半導体薄膜層としてＭｇがドープされたｐ型のＧａＮ再成長層５０を成長した。この再成長層５０は、四角柱状の窒化物半導体多層膜の上面に、０．２ミクロンの厚さで成長し、また、ドライエッチングにより加工形成された端面の表面に、１ミクロンの厚さで横方向成長した。このとき、図１５に示したように、横方向成長の過程で、表面エネルギー的に安定な、｛１１−２０｝ファセット（５）がマスク材４９の短辺に沿った加工端面上に形成され、また、｛１−１０１｝ファセットが長辺に沿った加工端面上に形成された。なお、ドライエッチングにより、露出した（０００１）面を主方位とするｎ型のＳｉＣ基板４１の表面には、塗れ性が悪いため、ＧａＮ再成長層５０は成長しなかった。
【００７１】
上記のＭｇがドープされたｐ型のＧａＮ再成長層５０の｛１１−２０｝ファセットは、ＳｉＣ基板の主方位（０００１）面に対して、結晶学的に完全に垂直な面、すなわち、垂直ファセットであり、図１５に示した２枚の｛１１−２０｝ファセットどうしもまた、結晶学的に完全に平行である。さらに、これらの｛１１−２０｝ファセットの表面荒さは、０．３ｎｍ程度と、極めて平滑であった。したがって、これらの２枚の｛１１−２０｝ファセットは、ファブリペロー型の半導体レーザの反射鏡として非常に適したものである。
【００７２】
また、上記のＭｇがドープされたｐ型のＧａＮ再成長層５０を成長することにより、ドライエッチングによる加工端面に生成された結晶欠陥の密度を低減することができた。さらに、ドライエッチングにより加工端面上に露出した多重量子井戸活性層４４が、上記のＭｇがドープされたｐ型のＧａＮ再成長層５０により保護され、空気に触れることがなくなり、端面劣化が抑えられた。また、多重量子井戸活性層４４の発するレーザ光の光子エネルギーは３．１電子ボルトであり、一方、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ再成長層５０のバンドギャップは３．４電子ボルトである。したがって、ｐ型のＧａＮ再成長層５０による吸収損失はない。
【００７３】
この状態の試料に対して、図１６に示すように、Ｍｇがドープされたｐ型のＧａＮ再成長層５０の上面の上に、Ｐｄ／Ａｕよりなる、ストライプ状のｐ型オーミックコンタクト金属電極５１を形成し、（０００１）面を主方位とするｎ型のＳｉＣ基板の裏面に、Ｔｉ／Ａｕよりなる、ｎ型オーミックコンタクト金属電極５２を形成した。これは、２枚のｐ型のＧａＮ再成長層５０の｛１１−２０｝ファセットを反射鏡とする、ファブリペロー型で、ＳＣＨ構造の、リッジストライプ型の窒化物半導体を用いた半導体レーザとなっている。
【００７４】
上記の半導体レーザを電流注入により、室温でパルス発振させたところ、従来のドライエッチングで加工形成した反射鏡を用いた類似の構造のレーザよりも、発振閾値が低く、光出力も大きかった。さらに、長時間にわたるレーザ発振に伴う端面劣化の程度も、より小さく、長寿命のデバイスとなった。
【００７５】
なお、フォトレジストよりなるマスク材４９の形状を、正三角形、あるいは、正六角形とすることにより、それぞれ、三角柱、あるいは、六角柱のリングレーザを、上記と同様の工程で製造することができた。この場合も、ドライエッチングで加工形成した反射鏡を用いた類似の構造のレーザよりも、発振閾値が低く、光出力も大きかった。さらに、長時間にわたるレーザ発振に伴う端面劣化の程度も、より小さく、長寿命のデバイスとなった。
【００７６】
【発明の効果】
以上、記述したとおり、本発明によれば、多結晶のＡｌＧａＮ生成を避け得るため、リーク電流が少なく、低い発振閾値や消費電力を有する高性能なＳＣＨ構造の窒化物半導体ファセットレーザを製造できる。
【００７７】
本発明によれば、ドライエッチングより加工形成した端面の表面上に、第二の半導体薄膜層を形成することにより、反射鏡の平滑度と基板の主方位に対する垂直性とを改善し、その反射鏡の表面に存在する結晶欠陥の密度を減少させ、さらに、活性層を保護することが可能となる。その結果、半導体レーザの発振閾値を低下し、光出力を増大し、動作寿命を伸展することができる。
【００７８】
本発明により製造された六角柱ファセットレーザは、ｎ側のクラッド層として空気を用いるため、活性層の光開じこめ率を大きくすることができる。
【００７９】
本発明により製造された六角柱ファセットレーザは、ノンドープのＡｌＮ層が電流狭窄層として機能する。そのため、内接六角形のレーザ光路近傍の利得領域の活性層に対して、効率的に電流を注入する利得導波型のレーザとなっている。
【００８０】
本発明により製造された六角柱ファセットレーザは、利得領域の活性層が貫通転位の少ない横方向成長部分に存在する。そのため、レーザの閾値や消費電力が、従来の六角柱ファセットレーザと比べて低いという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であり、第一の半導体層形成状態を示す。
【図２】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であち、マスク形成状態を示す。
【図３】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であり、第一の半導体層及び基板の一部をエッチングした状態をしめす。
【図４】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であり、マスクを除去した状態をしめす。
【図５】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であり、第二の半導体層の第１層目を形成した状態を示す。
【図６】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であり、第二の半導体層を形成した状態を示す。
【図７】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図であり、電極層を形成した状態を示す。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図である。
【図９】実施例１に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図である。
【図１０】実施例２に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図である。
【図１１】実施例２に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図である。
【図１２】実施例２に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図である。
【図１３】図１２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
【図１４】実施例２に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図である。
【図１５】図１４のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
【図１６】実施例２に係る窒化物半導体発光素子作製手順を示す工程図である。
【図１７】従来例に係り、ＳＣＨ構造を有する窒化物半導体六角柱ファセットレーザの構造図である。
【符号の説明】
１  基板  ｎ型ＳｉＣ（０００１）またはｎ型Ｓｉ（１１１）
２  ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）
３  ノンド−プＡｌＮ
４  ｎ型ＧａＮ
５  マスク材
６  ｎ型ＧａＮ
７  ＩｎＧａＮＭＱＷ
８  ｐ型ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜１）
９  第一のｐ型ＧａＮ
１０  ｐ型ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜ｚ＜１）
１１  第二のｐ型ＧａＮ
１２  Ｎｉ／Ａｕ
１３  Ｔｉ／Ａｕ
３１  反応槽
３２  基板支持台
３３  ヒ−タ−
３４  ＳｉＣ（０００１）基板
３５  原料供給管
４１  ｎ型のＳｉＣ基板
４２  ｎ型のＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
４３  ｎ型のＧａＮ光ガイド層
４４  多重量子井戸活性層
４５  Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ電子ブロック層
４６  ｐ型のＧａＮ光ガイド層
４７  ｐ型のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層
４８  ｐ型のＧａＮコンタクト層
４９  マスク材
５０  再成長層
５１  ｐ型オーミックコンタクト金属電極
５２  ｎ型オーミックコンタクト金属電極
１０１  サファイア基板
１０２  ｎ型  ＧａＮ
１０３  酸化シリコンマスク
１０４  ｎ型ＡｌＧａＮ
１０５  ｎ型ＧａＮ
１０６  ＩｎＧａＮＭＱＷ
１０７  ｐ型ＧａＮ
１０８  ｐ型ＡｌＧａＮ
１０９  多結晶ＡｌＧａＮ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【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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