(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板の上部のバッファ層と、
該バッファ層の上部に配置され、格子間ボンドの極性が、完全結晶に比して反転した極性の格子面の領域を少なくとも一部に含むボンド極性反転層と、
該ボンド極性反転層の直上に設けられたＡｌxＧａ1-xＮ層と、
該ＡｌxＧａ1-xＮ層の上方に位置し、前記基板とは材料若しくは格子定数の異なる窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体領域と、
該半導体領域に電流を供給する電極
とを具備することを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
基板と、
該基板の上部のバッファ層と、
該バッファ層の上部に配置され、下側ボンド極性反転層、該下側ボンド極性反転層の直上に設けられた下側ＡｌxＧａ1-xＮ層、該下側ＡｌxＧａ1-xＮ層の直上に設けられた上側ボンド極性反転層、該上側ボンド極性反転層の直上に設けられた上側ＡｌxＧａ1-xＮ層を少なくとも含む、ボンド極性反転層とＡｌxＧａ1-xＮ層とのペアの繰り返しからなる多層構造と、
該多層構造の上方に位置し、前記基板とは材料若しくは格子定数の異なる窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体領域と、
該半導体領域に電流を供給する電極
とを具備し、前記ボンド極性反転層は、格子間ボンドの極性が完全結晶に比して反転した極性の格子面の領域を少なくとも一部に含むことを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
前記ボンド極性反転層は、ｐ型不純物元素を固溶度と同程度若しくは固溶度以上にドープした化合物半導体層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ボンド極性反転層の膜厚が２ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項５】
第１基板の上にバッファ層を成長する工程と、
該バッファ層上に、格子間ボンドの極性が、完全結晶に比して反転した極性の格子面の領域を少なくとも一部に含むボンド極性反転層を成長する工程と、
該ボンド極性反転層の直上にＡｌxＧａ1-xＮ層を成長する工程と、
該ＡｌxＧａ1-xＮ層の上部に、前記第１基板とは材料若しくは格子定数の異なる窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体領域を成長する工程
とを含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記半導体領域の最上面に、第２基板を積層する工程と、
該第２基板の積層後、前記ボンド極性反転層において剥離し、前記第１基板及び前記バッファ層を除去する工程
とを更に有することを特徴とする請求項５記載の半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヘテロ接合を有する半導体素子に係り、特に、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＢＮ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＳｉＣ等の広禁制帯幅を有する半導体材料を用いた半導体素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家庭電化製品，ＯＡ機器，通信機器，工業計測器など様々な分野で半導体レーザが用いられている。中でも多くの分野で用いられることになるであろうと予想される高密度光ディスクへの記録等への応用を目的とした、青色等の短波長半導体レーザの開発が注目されている。従来は、光ディスクへの記録には赤色半導体レーザが用いられていたが、赤色半導体レーザに比べ、青色等の短波長半導体レーザを用いることにより、記録密度が向上することが期待されている。このため、更なる高密度化にはＧａＮ，ＡｌxＧａ1-xＮ，ＩｎzＧａ1-zＮ，Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ等の窒化ガリウム系（以下において「ＧａＮ系」という。）化合物半導体をベースとした短波長半導体レーザの開発が重要になって来ている。ＧａＮ系化合物半導体レーザは、３００ｎｍよりも短い波長帯までが理論的に発振可能であるが、現在のところ、４００ｎｍ帯での発振動作が報告されている。信頼性に関しても、ＧａＮ系化合物半導体レーザは１万時間以上の信頼性が確認されている。
【０００３】
また、ＧａＮ系化合物半導体材料やＳｉＣ等の広禁制帯幅を有する半導体材料は高周波変調動作、高温動作，高電力動作するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ），高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ），電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの電子素子の試作が開始され、ＧａＮ系化合物半導体材料等において、その特性が良好であることが示されつつある。
【０００４】
しかしながら、この広禁制帯幅を有する半導体材料は、大口径のバルク結晶を得るのが困難であるのが実状である。このため、目的とする広禁制帯幅半導体材料とは異なる基板を用いてヘテロエピタキシャル成長が用いられている。この様なヘテロエピタキシャル成長を用いた半導体素子では、基板と成長した層とは格子定数が異なり、基板と成長層との界面に転位が発生する。この転位は、成長の方向に伝播し、結晶表面まで貫通し、いわゆる貫通転位となる。広禁制帯幅半導体材料を用いた半導体素子においては、貫通転位密度が非常に高いため、その貫通転位を通じて不純物の拡散によるｐｎ接合界面の平坦性の劣化や電流のリークが起こるので、半導体素子（デバイス）の特性や信頼性が低くなっている。
【０００５】
この転位密度を低減するために、広禁制帯幅半導体材料を用いた半導体素子の製造に際しては、ラテラル成長を用いたエピタキシャル成長が行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の広禁制帯幅半導体材料を用いた半導体素子の製造方法においては、一度基板上に成長した層を取り出し、加工してから再成長する必要がある。更に、転位を曲げるために、かなりの厚さのバッファ層を成長する必要も生じるので、製造工程が複雑となり、コストが高くなってしまっている。
【０００７】
また、それにより貫通転位密度は低減するが、基板と結晶の方位が大きく異なってしまうため、半導体素子を製造する過程において、劈開が困難で、歩留まりが低下する等の問題点が生じている。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、ヘテロ接合構造を有する半導体素子において、成長方向に貫通する貫通転位密度の低い、信頼性の高い半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
より具体的には、基板表面から成長表面に向かって伝播していく貫通転位密度を低減し、特性及び信頼性の高い広禁制帯幅半導体材料をベースとした半導体素子を歩留まり良く提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、基板、この基板の上部のバッファ層、このバッファ層の上部のボンド極性反転層、このボンド極性反転層の上方の半導体領域、この半導体領域に電流を供給する電極とを具備する半導体素子であることを要旨とする。ここで、「ボンド極性反転層」は、格子間ボンドの極性が、完全結晶の場合に比して反転した極性の格子面の領域を少なくとも一部に含む層である。半導体領域は、基板とは材料若しくは格子定数が異なるため、基板と半導体領域との間にヘテロ接合を構成する。ここで、「バッファ層」とは、ヘテロエピタキシャル成長において周知の、基板と半導体領域との間に設けられる緩衝層である。このバッファ層は、良質な半導体領域を得るための薄膜層であり、基板と半導体領域との間の応力緩和に用いられる中間層である。このため、一般的には、バッファ層は、半導体領域と格子定数が等しいか、極めて近い材料が選択される。したがって、バッファ層と基板との界面が主なるヘテロ接合界面になる。また、「完全結晶」とは、例えば、工業調査会発行、「半導体研究」第７巻、第１１巻、第１２巻等に記載されているように、転移等の格子の配列の乱れのない理想的な状態の結晶を意味する。
【００１１】
本発明の第１の特徴に係る半導体素子によれば、基板表面から半導体領域表面に伝播する貫通転位を、ボンド極性反転層が伝播阻止している。このため、半導体素子の動作部に発生する結晶欠陥が低減されており、電気的特性及び信頼性の優れた半導体素子を提供出来る。ボンド極性反転層は、例えば、ｐ型不純物元素を固溶度と同程度若しくは固溶度以上にドープした化合物半導体層とすることにより実現可能である。「固溶度と同程度」とは、ボンド極性反転層が生成される程度に高濃度にｐ型不純物元素が添加されていれば、固溶度よりも若干少ない不純物密度も許容する意である。ｐ型不純物元素として、Ｍｇを例に説明すれば、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）の測定で、固溶度と同程度の１×１０20ｃｍ-3程度以上、２×１０21ｃｍ-3程度以下が好ましい。更に好ましくは、Ｍｇを２×１０20〜５×１０20ｃｍ-3程度導入することが好ましい。このボンド極性反転層の膜厚が２ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましい。特に、半導体領域が、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体領域である場合は、ボンド極性反転層の直上に、更にＡｌxＧａ1-xＮ層を具備することが好ましい。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、（ａ）第１基板の上にバッファ層を成長する工程と、（ｂ）このバッファ層上に、本発明の第１の特徴で定義したボンド極性反転層を成長する工程と、（ｃ）ボンド極性反転層の上部に、第１基板とは材料若しくは格子定数の異なる半導体領域を成長する工程とを含む半導体素子の製造方法であることを要旨とする。
【００１３】
本発明に係わる半導体素子の製造方法によれば、第１基板表面から半導体領域の表面に、即ち、結晶成長の方向に伝播する貫通転位をボンド極性反転層中で伝播阻止することが出来る。このため、半導体素子の動作部に発生する結晶欠陥を容易に低減出来るため、半導体素子の電気的特性及び信頼性が優れたものとなる。
【００１４】
本発明の第２の特徴において、（ｄ）半導体領域の最上面に、第２基板を積層する工程と、（ｅ）この第２基板の積層後、ボンド極性反転層において剥離し、第１基板及びバッファ層を除去する工程とを更に有するようにしても良い。第２基板を積層する工程は、直接接合法で貼り合わせても良く、エピタキシャル成長で形成しても良い。「ボンド極性反転層において剥離」とは、ボンド極性反転層の内部において剥離、ボンド極性反転層とバッファ層との界面において剥離、或いは、ボンド極性反転層と半導体領域との界面において剥離のいずれでも構わない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１〜第５の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図７（ｊ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）は、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，ボンド極性反転層１０２，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４からなる構造を基礎としている。ボンド極性反転層１０２は、その下からの転位の伝播を阻止するための層で、固溶度と同程度若しくは固溶度以上の高濃度にマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたＧａＮ層１０２である。ボンド極性反転層１０２は、結晶格子を構成しているボンドの周期的な配列が、一部で反転している層であり、その厚さ２ｎｍ〜２００ｎｍ程度である。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は、ボンド極性反転層１０２の表面に生じる凹凸を平坦化させるための層である。このＡｌxＧａ1-xＮ層１０３の厚さは５０ｎｍで、Ａｌの組成ｘは１５％程度である。ボンド極性反転層１０２上のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３のＡｌの組成ｘは、必ずしも１５％である必要はなく、適宜ひずみによるクラック等が生じないようなＡｌの組成ｘに設定すれば良い。
【００１７】
ボンド極性反転層１０２にドープするＭｇは、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）による測定で、例えば、１×１０20〜２×１０21ｃｍ-3程度好ましくは２×１０20〜５×１０20ｃｍ-3程度導入すれば良い。通常、ＧａＮは、格子の配列が理想的な状態、即ち、完全結晶であれば、図１（ａ）に示すようなウルツ鉱型格子を構成している。そして、低濃度の場合、不純物元素としてのＭｇはガリウム（Ｇａ）サイトに入り、ｐ型不純物元素（アクセプタ）として機能するが、固溶度と同程度に近づくに従い、Ｇａサイトと窒素（Ｎ）サイトの両方を置換するようになる。つまり、正常な（完全結晶状態の）ウルツ鉱型格子結晶では、Ｇａ面とＮ面とを接続する格子間ボンドが交互に周期的に配列されているが、高濃度にｐ型不純物元素（Ｍｇ）がドープされた状態では、図１（ｂ）に示すように、Ｎ−Ｇａ−Ｎ−Ｇａ−Ｇａ−Ｎの格子間ボンドの配列となり、Ｇａ−Ｇａの格子間ボンドが発生し、周期的配列が乱れる。この格子間ボンドの極性の反転した格子構造を少なくとも一部に有する層を、「ボンド極性反転層」と定義している。「少なくとも一部に有する」であるので、この格子間ボンドの極性の反転した格子構造は、或る特定の結晶面の全面に一様に発生している必要はなく、一部に形成されていても良い。ボンド極性反転層１０２は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により断面を観察すれば、ＭｇドープＧａＮ層１０２中の全域にわたって、高密度の点欠陥が観察されるので、格子間ボンドの極性の反転が起こっていることが確認出来る。ＧａＮのボンド極性反転は、Ｍｇ濃度の増大と共に起こり易いが、同じＭｇ濃度の時には、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で成長する際のソースガスの一つであるアンモニア（ＮＨ3）の供給量が増加するとボンド極性反転が起こり易い傾向がある。結晶中へのＭｇの過剰な取り込みと、Ｎの過剰供給がボンド極性反転を引き起こす一因となっていると推定出来る。
【００１８】
更に、本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）においては、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上には、下から順に、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１が積層された活性層リッジ構造が、局所的な凸部として構成されている。ＭＱＷ層１０７は、ドブロイ波長と同程度の厚さのＩｎp Ｇａ1-PＮ層（０．１＜ｐ＜０．２）を井戸層とし、ＩｎqＧａ1-qＮ層（０．０３＜ｑ＜０．０５）を障壁層とし、井戸層を挟むように障壁層を交互に配置した周期的構造を、５〜２０周期積層した構造を有する。ＭＱＷ層１０７は、半導体レーザの活性層となる。図７（ｊ）では、活性層リッジ構造は垂直な側壁で示されているが、一定のテーパ面からなるメサ構造でも構わない。活性層リッジ構造の両側の側壁には、側壁絶縁膜１４２が形成され、活性層リッジ構造を挟む溝部の底部には、ｎ側電極１２１が形成されている。ｎ側電極１２１の金属材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）２０ｎｍ、金（Ａｕ）４００ｎｍからなるＴｉ／Ａｕ複合膜を用いることが可能である。Ｔｉ／Ａｕ複合膜の他に、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）の単層、或いはこれらにＴｉやＡｕを含めた積層構造や、これらの金属からなる合金も可能である。活性層リッジ構造を構成している最上層に位置するｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の一部は、電流狭窄用の凹部に挟まれたコンタクト層リッジ構造が形成されている。コンタクト層リッジ構造の側壁部、及びコンタクト層リッジ構造を挟む電流狭窄用凹部の底部には、上部絶縁膜１４４が形成されている。そして、コンタクト層リッジ構造を構成しているｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の表面に、ニッケル（Ｎｉ）２０ｎｍ、Ａｕ４００ｎｍの多層構造の、ｐ側電極１２３がオーミック接触している。ｐ側電極１２３用の金属材料としては、Ｎｉ／Ａｕの積層構造の他に、パラジウム（Ｐｄ）、Ｔｉ、白金（Ｐｔ），Ｉｎの単層、或いはＮｉやＡｕを含めた積層構造、合金でも可能である。リッジ構造に垂直方向の劈開面（図示省略）が、レーザの共振器となる鏡面になっている。
【００１９】
本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）のＴＥＭ観察によれば、図２に示すように、ボンド極性反転層（ＭｇドープＧａＮ層）１０２より下にある転位Ｄ1，Ｄ2，・・・・・，Ｄ8は、ボンド極性反転層１０２下で伝播が阻止され、その上にまで伝播する貫通転位Ｄthの転位密度が減少していることが分かる。このため通常サファイア基板１００上のＧａＮ層１０４中には転位欠陥が５×１０8 ｃｍ-2 程度あるが、半導体レーザを構成しているＧａＮ層１０４中では、転位欠陥が１×１０6 ｃｍ-2程度に低減されている。
【００２０】
第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）は、閾値電流３５ｍＡで室温連続発振する。発振波長は、例えば４００ｎｍ，動作電圧は３．１Ｖである。遠視野像は単一モードで発振していることを示す単峰なものである。ボンド極性反転層１０２により、貫通転位密度が減少しているので、第１の実施の形態に係る半導体レーザの寿命は、従来の半導体レーザより格段に長い。同様に、信頼性も高く、例えば、温度７０℃における加速試験において、１０万時間相当の信頼性試験を行っても劣化は見られなかった。
【００２１】
なお、サファイア基板１００上にＧａＮバッファ層１０１を介してボンド極性反転層１０２を形成する際、その上にＡｌxＧａ1-xＮ層１０３を成長せず、直接、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を形成した場合は、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の最表面に六角形の形状をした凹凸が見られる。一方、図７（ｊ）に示すように、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，ボンド極性反転層１０２，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を連続的に堆積した構造では、ボンド極性反転層１０２のＭｇ濃度が等しいにもかかわらず、六角形の形状をした凹凸は見られず、非常にきれいな鏡面が得られる。ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は、ボンド極性反転層（高濃度ＭｇドープＧａＮ層）１０２の表面に生じる凹凸を平坦化していることが分かる。
【００２２】
ボンド極性反転層１０２が十分に薄ければ、ボンド極性反転層１０２の表面に凹凸が生じ難くなり、直上のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は省略可能である。しかしながら、ボンド極性反転層１０２は、転位の伝播を阻止する機能を有するので、或る一定の厚さは必要である。転位の伝播を阻止する機能のみに着目すれば、ボンド極性反転層１０２の厚さが厚ければ厚いほど、貫通転位Ｄthの転位密度を減少する。ボンド極性反転層１０２の厚さが厚くなれば、ボンド極性反転層１０２の表面の凹凸が次第に顕著になる。ボンド極性反転層１０２の直上にＡｌxＧａ1-xＮ層１０３があることにより、窒素面に極性が反転した極性をＧａ面の極性に回復（再反転）し、成長面内で極性をそろえることが出来る。したがって、転位の伝播を阻止し、結晶の質を向上させるために、ボンド極性反転層１０２の厚さをある程度厚くし、それによる凹凸をＡｌxＧａ1-xＮ層１０３で平坦化する構造が好ましい。但し、ボンド極性反転層１０２の厚さが２００ｎｍを越えると、直上にＡｌxＧａ1-xＮ層１０３を成長しても平坦性が回復しない。したがって、ボンド極性反転層の厚さには上限が存在し、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
また、ボンド極性反転層１０２とＡｌxＧａ1-xＮ層１０３との積層構造の方が、ボンド極性反転層１０２単独の場合に比して、転位密度の低減の効果は大きい。これは、ボンド極性反転層１０２中を伝播した転位が、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３との界面で更に成長面内で、界面に水平方向に移動する効果があるためと考えられる。
【００２４】
また、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３があるときにはＡｌxＧａ1-xＮ層１０３が無いときに比べて、ボンド極性反転層から上のｎ−ＧａＮコンタクト層１０４へのＭｇの拡散が抑制出来る。
【００２５】
次に、図１〜図７を用いて、第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体レーザの製造方法は、一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００２６】
（イ）先ず、サファイア基板１００上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層１０１，ＭｇドープＧａＮ層（ボンド極性反転層）１０２，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０，ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を、連続成長する。ＭＱＷ層１０７は、例えば、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層（井戸層）とＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層（障壁層）とを、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を挟むように、それぞれ交互に５〜２０層積層する（Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層の方が、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層より１層多くなる。）。例えば、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５の厚さは０．１μｍ，ＭＱＷ層１０７の厚さは０．２μｍ，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０の厚さは０．５μｍ，ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の厚さは０．１μｍとする。ＭＯＣＶＤ法は、例えば、高周波（ＲＦ）誘導加熱方式の常圧ＣＶＤ（ＡＰＣＶＤ）炉、若しくは減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）炉を使用すれば良い。ＬＰＣＶＤ法の場合は、ＬＰＣＶＤ炉の真空チャンバ内を、例えば、１０−２〜１０−５Ｐａまで排気し、その後、高周波誘導加熱によりサファイア基板１００を昇温し、所定の温度に維持すると共に、有機金属系反応ガスを導入する。有機金属系反応ガスとしては、例えば、８５０℃〜１０５０℃の基板温度においてＧａ（ＣＨ３）３ ガス、Ｉｎ（ＣＨ３）３ ガス、Ａl（ＣＨ３）３ガス等が使用可能で、これらの有機金属系反応ガスに、更にＮＨ３ガスを用いれば良い。更に、これらの原料ガスは、水素や窒素等からなるキャリアガスと共にＬＰＣＶＤ炉の真空チャンバに導入される。真空チャンバ内の成長圧力は、約１Ｐａである。この様にして、ＧａＮバッファ層１０１〜ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１までのＧａＮ系半導体層の連続成長が行われる。その際、反応ガスの夫々の成分比率を切り替えて、各層の成分比を調節する。ｎ型のドーパントは、適宜モノシラン（ＳｉＨ4 ）等、ｐ型のドーパントはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）等を用いる。
【００２７】
（ロ）ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を成長した後に、真空チャンバ（ＭＯＣＶＤ成長室）から取り出す。そして、フォトレジスト１３１をｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト１３１をパターニングする。パターニングされたフォトレジスト１３１をエッチングマスクとして用い、図３（ｂ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１、ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ＭＱＷ層１０７，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５を貫通し、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の表面を露出するストライプ状の溝部９１を周期的に形成する。このＲＩＥは、例えば、Ｃｌ２や、これにＢＣｌ３ を加えたエッチングガスなどを用いて行えば良い。その後、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト１３１を除去する。この結果、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上に、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなる活性層リッジ構造が、一組のストライプ状の溝部９１の間の凸部として形成される。或いは、連続エピタキシャル成長層の最上層のｐ−ＧａＮコンタクト層１１１上に、ＳｉＯ２膜を、ＣＶＤ法で堆積し、フォトリソグラフィ法及びＲＩＥにより、ＳｉＯ２膜をパターニングし、図３（ｂ）に示すフォトレジスト１３１の代わりに、ＳｉＯ２膜からなるエッチング用マスクを形成して、ＳｉＯ２膜マスクを用いたＲＩＥによって、ストライプ状の溝部９１を周期的に形成しても良い。
【００２８】
（ハ）次に、図４（ｄ）に示すように、第１絶縁膜１４１をＣＶＤ法により、全面に堆積する。ここでは、第１絶縁膜１４１として、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を使用可能である。そして、図５（ｅ）に示すように、低圧ＲＩＥ等の指向性ドライエッチングにより、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の表面側の一部／ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５／ｎ−ＧａＮガイド層１０６／ＭＱＷ層１０７／ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８／ｐ−ＧａＮガイド層１０９／ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０／ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなる活性層リッジ構造の上部及び溝部９１の底部の第１絶縁膜１４１を選択的に除去する。この結果、活性層リッジ構造の両側の側壁にのみ、第１絶縁膜１４１が残留する。残留した第１絶縁膜１４１は、側壁絶縁膜１４２となる。側壁絶縁膜１４２の形成後、新たなフォトレジスト１３２を活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト１３２を、図５（ｆ）に示すように、パターニングする。このフォトレジスト１３２をリフトオフマスクとして用いて、全面にｎ−ＧａＮコンタクト層１０４に対するｎ側電極１２１用の金属膜１２０としてチタン（Ｔｉ）を２０ｎｍ、金（Ａｕ）を４００ｎｍを、真空蒸着法等の指向性の良い堆積方法で、側壁絶縁膜１４２に付着しないようにして、図５（ｆ）に示すように堆積する。この後、フォトレジスト１３２を除去する（リフトオフする）ことにより、溝部９１の底部のみに、選択的にｎ側電極１２１がパターニングされる。
【００２９】
（ニ）ｎ側電極１２１の形成後、新たなフォトレジスト１３３を活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ法を用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上部が露出するように、フォトレジスト１３３の一部に開口部を形成し、新たなリフトオフマスクを形成する。そして、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１に対するｐ側電極１２３用の金属薄膜１２２として、ニッケル（Ｎｉ）を２０ｎｍ、Ａｕを４００ｎｍを図６（ｇ）に示すように、真空蒸着法やスパッタ法などを用いて堆積する。
【００３０】
（ホ）この後、フォトレジスト１３３を、除去（リフトオフ）すれば、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の頂部の一部のみに、図６（ｈ）に示すように、ｐ側電極１２３がパターニングされる。この後８００℃で５分間、若しくは７００℃で２０分間程度、窒素雰囲気中で熱処理を行うことでｎ側電極１２１、ｐ側電極１２３共に、良好なオーミック電極特性が得られる。更に、図６（ｈ）に示すように、ｐ側電極１２３をエッチングマスクとして用い、ＲＩＥを用い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の一部を、選択的に除去し、電流狭窄用の凹部９２を形成する。このＲＩＥは、Ｃｌ２や、Ｃｌ２とＢＣｌ３ との混合ガス等のエッチングガスなどを用いて行えば良い。この結果、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなるコンタクト層リッジ構造が、凹部９２の間の凸部として構成される。
【００３１】
（ヘ）コンタクト層リッジ構造の形成後、第２絶縁膜１４３を、図７（ｉ）に示すように、活性層リッジ構造を含む全面にＣＶＤ法で堆積する。そして、第２絶縁膜１４３の上に、新たなフォトレジスト（図示省略）をスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ法を用いて、ｐ側電極１２３及びｎ側電極１２１が露出するように、新たなフォトレジストの一部に開口部を形成し、エッチングマスクとする。このエッチングマスクにより、第２絶縁膜１４３を選択的に除去し、その後エッチングマスクを除去すれば、図７（ｊ）に示す構造が完成する。この後、リッジ構造に垂直方向の面で劈開する等により、ウエハーをカットし、個別の素子チップに分離する。最後に、所定のステム（Ｃｕヒートシンク）にマウント後、ｎ側電極１２１及びｐ側電極１２３にボンディングワイヤを接続して、パッケージングを行えば、第１の実施の形態に係る半導体レーザが完成する。
【００３２】
なお、本発明の第１の実施の形態は図７（ｊ）に示す構造に限られるものではない。例えば、図８に示す第１の実施の形態の変形例に係る半導体レーザは、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，下側ボンド極性反転層１０２ｂ，下側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ｂ，上側ボンド極性反転層１０２ａ，上側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ａ，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４からなる構造を構成し、この上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の表面側の一部／ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５／ｎ−ＧａＮガイド層１０６／ＭＱＷ層１０７／ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８／ｐ−ＧａＮガイド層１０９／ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０／ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなる活性層リッジ構造を構成している。上側ボンド極性反転層１０２ａ，下側ボンド極性反転層１０２ｂは、それぞれ、その下からの転位の伝播を阻止するための層で、固溶度と同程度若しくは固溶度以上の高濃度にマグネシウム（Ｍｇ）をドープした、厚さ２ｎｍ〜２００ｎｍ程度のＧａＮ層である。下側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ａ，上側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ｂは、それぞれ、ボンド極性反転層１０２ａ，１０２ｂの表面に生じる凹凸を平坦化させ、且つその下からの転位の伝播を阻止するための層である。ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ａ，１０３ｂの厚さは、それぞれ、５０ｎｍで、Ａｌの組成ｘは１５％程度である。図８に示すように、下側ボンド極性反転層１０２ｂ，下側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ｂ，上側ボンド極性反転層１０２ａ，上側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ａ，・・・・・とボンド極性反転層／ＡｌxＧａ1-xＮ層とのペアを繰り返した多層構造により、更に貫通転位を低減することも可能である。図８では、下側ボンド極性反転層１０２ｂ，下側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ｂ，上側ボンド極性反転層１０２ａ，上側ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３ａとボンド極性反転層／ＡｌxＧａ1-xＮ層とのペアが２回繰り返しているが、３回以上繰り返した多層構造により、更に貫通転位を低減することが可能であることは勿論である。
【００３３】
（第２の実施の形態）
図９に示す本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）は、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，超格子極性反転層２０２，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４からなる構造を構成し、この上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の表面側の一部／ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５／ｎ−ＧａＮガイド層１０６／ＭＱＷ層１０７／ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８／ｐ−ＧａＮガイド層１０９／ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０／ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなる活性層リッジ構造を構成している。ＭＱＷ層１０７は、第１の実施の形態で説明したように、例えば、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層（井戸層）とＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層（障壁層）とを、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を挟むように交互に積層した、半導体レーザの活性層となる層である。活性層リッジ構造の両側の側壁には、側壁絶縁膜１４２が形成され、活性層リッジ構造を挟む溝部の底部には、ｎ側電極１２１が形成されている。ｎ側電極１２１の金属材料としては、Ｔｉ／Ａｕ複合膜、Ａｌ、Ｉｎの単層、或いはこれらにＴｉやＡｕを含めた積層構造や、これらの金属からなる合金も可能である。活性層リッジ構造を構成している最上層に位置するｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の一部は、電流狭窄用の凹部に挟まれたコンタクト層リッジ構造が形成されている。コンタクト層リッジ構造の側壁部、及びコンタクト層リッジ構造を挟む電流狭窄用凹部の底部には、上部絶縁膜１４４が形成されている。そして、コンタクト層リッジ構造を構成しているｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の表面に、ｐ側電極１２３がオーミック接触している。ｐ側電極１２３用の金属材料としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｐｔ，Ｉｎの単層、或いはこれらの２種以上からなる積層構造や合金でも良い。リッジ構造に垂直方向の劈開面が、レーザの共振器となる鏡面になっている。
【００３４】
第１の実施の形態で説明した半導体レーザのボンド極性反転層１０２を超格子構造とした構造に相当する。即ち、超格子極性反転層２０２は、その下からの転位の伝播を阻止するための層で、固溶度と同程度若しくは固溶度以上の高濃度にＭｇをドープした５〜２０原子層のＧａＮ層と、５〜２０原子層のＡｌxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．１４）との周期構造から構成されている。例えば、５ｎｍの厚さのＭｇドープＧａＮ層と５ｎｍの厚さのＡｌxＧａ1-xＮ層のペアを、２０ペア周期的に積層して、超格子極性反転層２０２を構成することが出来る。ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌの組成ｘは１５％程度である。
【００３５】
なお、超格子極性反転層２０２は、５〜２０原子層のＧａＮ層と、高濃度にＭｇをドープした５〜２０原子層のＡｌxＧａ1-xＮ層との周期構造から構成しても良く、高濃度にＭｇをドープした５〜２０原子層のＧａＮ層と、高濃度にＭｇをドープした５〜２０原子層のＡｌxＧａ1-xＮ層との周期構造から構成しても良い。
【００３６】
第２の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の構造によれば、超格子極性反転層２０２より上の貫通転位密度は、第１の実施の形態のボンド極性反転層１０２より上の貫通転位密度に比べて更に低減し、１×１０5 ｃｍ-2であった。ＭｇドープＧａＮ層の厚さは、第１の実施の形態のボンド極性反転層１０２に比べ非常に薄いが、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３と周期的に積層し、超格子を構成することにより、転位密度低減の効果が高くなったと考えられる。第２の実施の形態に係る半導体レーザの素子寿命は測定出来ないくらい長い。
【００３７】
超格子極性反転層２０２を用いた場合には、転位密度低減の効果が高いだけでなく、更に、超格子を構成するＡｌxＧａ1-xＮ層がピエゾ分極により強い電極がかかり、超格子を構成するＧａＮの価電子帯が大きくベンディングする。このため、ホール密度が増大し、トンネル効果が起こり易くなる。したがって、第１の実施の形態で説明した半導体レーザの構造は、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３がトンネル電流を阻止する場合に有効な構造であったのに対し、第２の実施の形態に係る半導体レーザの構造は、トンネル電流が流れ易い構造である。したがって、トンネル電流が流れ易い効果を利用した半導体素子にも適用出来る。
【００３８】
超格子極性反転層２０２を形成する工程を除けば、第２の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法は、既に図１〜図７を用いて説明した第１の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法と基本的に同じであるので、重複した説明を省略する。
【００３９】
（第３の実施の形態）
図１６（ｎ）に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）は、多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２上に、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１が配置され、このｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上に、下からｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ＭＱＷ層１０７，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の順に積層された活性層リッジ構造を構成している。ＭＱＷ層１０７は、第１の実施の形態で説明したように、例えば、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層（井戸層）とＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層（障壁層）とを、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を挟むように交互に積層した、半導体レーザの活性層である。活性層リッジ構造を構成している最上層に位置するｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の一部は、電流狭窄用の凹部に挟まれたコンタクト層リッジ構造を構成している。コンタクト層リッジ構造の側壁部、及びコンタクト層リッジ構造を挟む電流狭窄用凹部の底部、更には、活性層リッジ構造の両側の側壁に、側壁絶縁膜１４６が形成されている。活性層リッジ構造を挟む溝部の底部には、ｐ側電極１２３がオーミック接触している。ｐ側電極１２３用の金属材料としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｐｔ，Ｉｎの単層、或いはこれらの２種以上からなる積層構造や合金でも良い。一方、活性層リッジ構造の最上層のｎ−ＧａＮコンタクト層１０４には、ｎ側電極１２１が形成されている。ｎ側電極１２１の金属材料としては、Ｔｉ，Ａｕ，Ａｌ，Ｉｎの単層、或いはこれらの２種以上からなる積層構造や合金が使用可能である。リッジ構造に垂直方向の劈開面が、レーザの共振器となる鏡面になっている。
【００４０】
第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）は、閾値電流１０ｍＡで発振し、動作電流１５ｍＡでは１０ｍＷの出力が得られた。高効率の発光はこの基板が欠陥の少ない良質のもののために、その上に作成した半導体レーザも欠陥が少ないと考えられる。またこの半導体レーザの寿命は３０ｍＷ出力時に１万時間は十分持ちこたえる加速試験結果が得られている。この高効率の発光は、貼り合わせたダイヤモンド基板が半導体レーザの熱を逃がす効果がサファイア基板に比べて格段に高いため、動作中の活性層の温度上昇を抑制出来るためと考えられる。
【００４１】
次に、図１０〜図１６を用いて、第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体レーザの製造方法は、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００４２】
（イ）先ず、図３（ａ）と同様に、サファイア基板（第１基板）１００上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層１０１，ＭｇドープＧａＮ層（ボンド極性反転層）１０２，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０，ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を、連続成長する。ｎ型のドーパントは、適宜モノシラン（ＳｉＨ4 ）等、ｐ型のドーパントはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）等を用いる。ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を成長した後に、ＭＯＣＶＤ成長室から取り出す。一方、図１０（ａ）に示すように、片面がミラー面（鏡面）の多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２を用意する。片面ミラー仕様の多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２は、市場で入手可能であるが、それぞれの片面を他の多結晶ダイヤモンド基板との共擦りをすることにより、片面ミラー面を得ても良い。
【００４３】
（ロ）次に、図１０（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の表面と多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２のミラー面を親水化後、貼り合わせて、直接接合する。親水化は、例えばＨ2 Ｏ2 −ＮＨ4 −Ｈ2 Ｏの混合水溶液に浸した後、脱イオン水でリンスすることにより行う。
【００４４】
（ハ）次に、図１０（ｂ）で貼り合わせて一体化した積層体を熱処理炉に投入する。例えば、熱処理炉の反応管に水素（Ｈ2 ）を導入し、５００℃〜９００℃、好ましくは８００℃〜８５０℃中で、積層体を熱処理する。ボンド極性反転層１０２は高密度の点欠陥を有するため結合が弱く、また点欠陥を通じて水素によるエッチングが速く進むため、容易に図１１（ｃ）に示すように、積層体は、ボンド極性反転層１０２の位置で分離する。更にＡｌxＧａ1-xＮ層１０３はボンド極性反転層１０２を構成している高不純物密度度のＧａＮ層に比べて、水素によるエッチングの速度が非常に遅いので、エッチングストップ層として機能する。このため、積層体の分離アニールにおいて、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３／ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４／ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５／ｎ−ＧａＮガイド層１０６／ＭＱＷ層１０７／ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８／ｐ−ＧａＮガイド層１０９／ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０／ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１がエッチングされてしまうことはない。
【００４５】
（ニ）次に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチングなどにより、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３を、図１１（ｄ）に示すように除去する。ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は５００ｎｍ程度と薄いため、ＥＣＲエッチングで、容易に再現良く除去出来る。
【００４６】
（ホ）そして、フォトレジスト１３４をｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト１３４をパターニングし、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上部の一部が露出するように、フォトレジスト１３４の一部に開口部を形成し、リフトオフマスクを形成する。そして、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４に対するｎ側電極１２５用の金属薄膜１２４を、図１２（ｅ）に示すように、真空蒸着法やスパッタ法などを用いて堆積する。この後、フォトレジスト１３４を、除去（リフトオフ）すれば、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の頂部の一部のみに、図１２（ｆ）に示すように、ｎ側電極１２５がパターニングされる。
【００４７】
（ヘ）更に、図１３（ｇ）に示すように、ｎ側電極１２５をエッチングマスクとして用い、ＲＩＥを用い、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の一部を、選択的に除去し、電流狭窄用の溝部９３を形成する。このＲＩＥは、Ｃｌ２や、Ｃｌ２とＢＣｌ３ との混合ガス等のエッチングガスなどを用いて行えば良い。この結果、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４からなるコンタクト層リッジ構造が、溝部９３の間の凸部として構成される。
【００４８】
（ト）更に、新たなフォトレジスト１３５をコンタクト層リッジ構造を含む全面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト１３５をパターニングしエッチングマスクを形成する。このエッチングマスク１３５を用い、図１３（ｈ）に示すように、ＲＩＥを用い、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０を貫通し、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の表面を露出するストライプ状の溝部９４を周期的に形成する。このＲＩＥは、例えば、Ｃｌ２や、若しくはＣｌ２／ＢＣｌ３ 混合ガスなどを用いて行えば良い。その後、フォトレジスト１３５を除去する。この結果、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上に、下からｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ＭＱＷ層１０７，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の順に積層された活性層リッジ構造が、一組のストライプ状の溝部９４の間の凸部として形成される。或いは、連続エピタキシャル成長層の最上層のｎ−ＧａＮコンタクト層１０４上に、ＳｉＯ２膜を、ＣＶＤ法で堆積し、フォトリソグラフィ法及びＲＩＥにより、ＳｉＯ２膜をパターニングし、図１３（ｈ）に示すフォトレジスト１３５の代わりに、ＳｉＯ２膜からなるエッチング用マスクを形成して、ＳｉＯ２膜マスクを用いたＲＩＥによって、ストライプ状の溝部９４を周期的に形成しても良い。
【００４９】
（チ）次に、図１４（ｄ）に示すように、第１絶縁膜１４５をＣＶＤ法により、全面に堆積する。ここでは、第１絶縁膜１４５として、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を使用可能である。そして、新たなフォトレジスト１３６を活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト１３６を、図１４（ｊ）に示すように、パターニングする。そして、フォトレジスト１３６をマスクとして、ＲＩＥ等の指向性ドライエッチングを行い、溝部９４の底部の第１絶縁膜１４５を選択的に除去する。この結果、活性層リッジ構造の上部及び両側の側壁には第１絶縁膜１４５が残留する。残留した第１絶縁膜１４５は、側壁絶縁膜１４６となる。側壁絶縁膜１４６の形成後、このフォトレジスト１３６をリフトオフマスクとして用いて、全面にｐ−ＧａＮコンタクト層１１１に対するｐ側電極１２７用の金属膜１２６を、真空蒸着法等の指向性の良い堆積方法で、側壁絶縁膜１４６に付着しないようにして、図１５（ｋ）に示すように堆積する。この後、フォトレジスト１３６を除去する（リフトオフする）ことにより、図１５（ｌ）に示すように溝部９４の底部のみに、選択的にｐ側電極１２７がパターニングされる。この後８００℃で５分間、若しくは７００℃で２０分間程度、窒素雰囲気中で熱処理を行うことでｐ側電極１２７、ｎ側電極１２５共に、良好なオーミック電極特性が得られる。
【００５０】
（リ）ｐ側電極１２７の形成後、新たなフォトレジスト１３７を活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ法を用いて、図１６（ｍ）に示すようにｎ側電極１２５の上部に開口部を有するエッチングマスク１３７を構成する。そして、フォトレジスト１３７からなるエッチングマスクを用いて、側壁絶縁膜１４６の一部を選択的に除去し、ｎ側電極１２５の上部を露出させる。この後、リッジ構造に垂直方向の面で劈開する等により、ウエハーをカットし、個別の素子チップに分離する。最後に、所定のステム（Ｃｕヒートシンク）にマウント後、ｐ側電極１２７及びｎ側電極１２５にボンディングワイヤを接続して、パッケージングを行えば、第３の実施の形態に係る半導体レーザが完成する。
【００５１】
第３の実施の形態に係る半導体レーザとして、多結晶ダイヤモンド基板を用いた場合で説明したが、単結晶ダイヤモンド基板を用いることも可能である。またｐ型のダイヤモンド基板を用いることにより、ｐ型のダイヤモンド基板の裏面にｐ側電極を形成出来る。この場合は、ｐ側電極１２７形成のための溝部９４のパターニングのプロセスが不要となり、工程の簡略化が出来る。
【００５２】
更に、ダイヤモンド基板の代わりに導電性の高いＳｉ基板やＧａＡｓ基板を用いても良い。この場合は熱を逃がす効果は低減するが、劈開等による素子分離が容易になることと、導電性が高いため、基板の裏面にｐ側電極を形成した構造においては、動作電圧の低減が可能となる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図１８（ｅ）に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）は、多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４が配置され、このｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上に、下からＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１が積層された活性層リッジ構造を構成している。ＭＱＷ層１０７は、第１の実施の形態で説明したように、例えば、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層（井戸層）とＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層（障壁層）とを、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層を挟むように交互に積層した、半導体レーザの活性層である。活性層リッジ構造を構成している最上層に位置するｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の一部は、電流狭窄用の凹部に挟まれたコンタクト層リッジ構造を構成している。コンタクト層リッジ構造の側壁部、及びコンタクト層リッジ構造を挟む電流狭窄用凹部の底部、更には、活性層リッジ構造の両側の側壁に、側壁絶縁膜１４７が形成されている。活性層リッジ構造を挟む溝部の底部には、ｎ側電極１２１がｎ−ＧａＮコンタクト層１０４にオーミック接触している。ｎ側電極１２１用の金属材料としては、Ｔｉ，Ａｕ，Ａｌ，Ｉｎの単層、或いはこれらの２種以上からなる積層構造や合金が使用可能である。一方、活性層リッジ構造の最上層のｐ−ＧａＮコンタクト層１１１には、ｐ側電極１２３が形成されている。ｐ側電極１２３用の金属材料としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｐｔ，Ｉｎの単層、或いはこれらの２種以上からなる積層構造や合金でも良い。リッジ構造に垂直方向の劈開面が、レーザの共振器となる鏡面になっている。
【００５４】
第４の実施の形態に係る半導体レーザの特性を評価したところ、閾値電流５ｍＡで発振し、動作電流７ｍＡでは１０ｍＷの出力が得られた。またこの半導体レーザの寿命は３０ｍＷ出力時に５万時間は十分持ちこたえる加速試験結果が得られた。この優れた素子特性は、以下の半導体レーザの製造方法で説明するように、第２基板を貼り合わせて剥離した後に発光部を成長しているため、第３の実施の形態に係る半導体レーザよりも更に発光部のダメージを減らすことが出来るためと考えられる。
【００５５】
次に、図１７及び図１８を用いて、第４の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体レーザの製造方法は、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００５６】
（イ）先ず、図３（ａ）と同様に、サファイア基板（第１基板）１００上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮバッファ層１０１，ＭｇドープＧａＮ層（ボンド極性反転層）１０２，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を、連続成長する。ｎ型のドーパントは、適宜モノシラン（ＳｉＨ4 ）等、ｐ型のドーパントはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）等を用いる。ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を成長した後に、ＭＯＣＶＤ成長室から取り出す。一方、図１７（ａ）に示すように、片面がミラー面（鏡面）の多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２を用意する。
【００５７】
（ロ）次に、図１７（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の表面と多結晶ダイヤモンド基板（第２基板）３１２のミラー面を親水化後、貼り合わせて、直接接合する。親水化は、例えばＨ2 Ｏ2 −ＮＨ4 −Ｈ2 Ｏの混合水溶液に浸した後、脱イオン水でリンスすることにより行う。
【００５８】
（ハ）次に、図１７（ｂ）で貼り合わせて一体化した積層体を熱処理炉に投入する。例えば、熱処理炉の反応管に水素（Ｈ2 ）を導入し、５００℃〜９００℃、好ましくは８００℃〜８５０℃中で、積層体を熱処理する。ボンド極性反転層１０２は高密度の点欠陥を有するため結合が弱く、また点欠陥を通じて水素によるエッチングが速く進むため、容易に図１７（ｃ）に示すように、積層体は、ボンド極性反転層１０２の位置で分離する。図１７（ｃ）では、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３の上に、薄いボンド極性反転層１０２が残った状態を、誇張して示している。ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３はボンド極性反転層１０２を構成している高不純物密度度のＧａＮ層に比べて、水素によるエッチングの速度が非常に遅いので、ボンド極性反転層１０２が消失しても、エッチングストップ層として機能する。このため、積層体の分離アニールでボンド極性反転層１０２が消失しても、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３及びｎ−ＧａＮコンタクト層１０４がエッチングされてしまうことはない。
【００５９】
（ニ）次に、図１７（ｃ）に示す状態の積層構造を再びＭＯＣＶＤ成長室内に入れ、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を連続成長する。このとき、ボンド極性反転層１０２は、ウエハーを昇温中にキャリアガスとして用いている水素によりエッチングされてしまうので、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３が、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５の成長開始時に表面に出ている。
【００６０】
（ホ）そして、図１２（ｅ）と同様に、フォトレジストをｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジストをパターニングし、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の上部の一部が露出するように、フォトレジストの一部に開口部を形成し、リフトオフマスクを形成する。そして、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１に対するｐ側電極１２３用の金属薄膜１２４を、図１２（ｅ）と同様に、真空蒸着法やスパッタ法などを用いて堆積する。この後、フォトレジストを、除去（リフトオフ）すれば、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の頂部の一部のみに、ｐ側電極１２３がパターニングされる。更に、図１３（ｇ）と同様に、ｐ側電極１２３をエッチングマスクとして用い、ＲＩＥを用い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の一部を、選択的に除去し、電流狭窄用の溝部を形成する。このＲＩＥは、Ｃｌ２や、Ｃｌ２／ＢＣｌ３ 混合ガス等のエッチングガスなどを用いて行えば良い。この結果、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなるコンタクト層リッジ構造が、溝部の間の凸部として構成される。
【００６１】
（ヘ）更に、新たなフォトレジストをコンタクト層リッジ構造を含む全面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジストをパターニングしエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを用い、図１３（ｈ）と同様に、ＲＩＥを用い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１、ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ＭＱＷ層１０７，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３を貫通し、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の表面を露出するストライプ状の溝部を周期的に形成する。このＲＩＥは、例えば、Ｃｌ２や、若しくはＣｌ２／ＢＣｌ３ 混合ガスなどを用いて行えば良い。その後、フォトレジストを除去する。この結果、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上に、下からＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１からなる活性層リッジ構造が、一組のストライプ状の溝部の間の凸部として形成される。或いは、連続エピタキシャル成長層の最上層のｐ−ＧａＮコンタクト層１１１上に、ＳｉＯ２膜を、ＣＶＤ法で堆積し、フォトリソグラフィ法及びＲＩＥにより、ＳｉＯ２膜をパターニングし、ＳｉＯ２膜マスクを用いたＲＩＥによって、ストライプ状の溝部を周期的に形成しても良い。
【００６２】
（ト）次に、図１４（ｄ）と同様に、第１絶縁膜をＣＶＤ法により、全面に堆積する。ここでは、第１絶縁膜として、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）を使用可能である。そして、新たなフォトレジストを活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジストを、図１４（ｊ）と同様に、パターニングする。そして、フォトレジストをマスクとして、ＲＩＥ等の指向性ドライエッチングを行い、溝部の底部の第１絶縁膜を選択的に除去する。この結果、活性層リッジ構造の上部及び両側の側壁には第１絶縁膜が残留する。残留した第１絶縁膜は、側壁絶縁膜１４７となる。側壁絶縁膜１４７の形成後、このフォトレジストをリフトオフマスクとして用いて、全面にｎ−ＧａＮコンタクト層１０４に対するｎ側電極１２１用の金属膜を、真空蒸着法等の指向性の良い堆積方法で、側壁絶縁膜１４７に付着しないようにして、図１５（ｋ）と同様に堆積する。この後、フォトレジストを除去する（リフトオフする）ことにより、図１８（ｅ）に示すように、溝部の底部のみに、選択的にｎ側電極１２１がパターニングされる。この後８００℃で５分間、若しくは７００℃で２０分間程度、窒素雰囲気中で熱処理を行うことでｎ側電極１２１、ｐ側電極１２３共に、良好なオーミック電極特性が得られる。ｎ側電極１２１の形成後、新たなフォトレジストを活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布する。そして、フォトリソグラフィ法を用いて、ｐ側電極１２３の上部に開口部を有するエッチングマスクを構成する。そして、フォトレジストからなるエッチングマスクを用いて、側壁絶縁膜１４７の一部を選択的に除去し、ｐ側電極１２３の上部を露出させる。この後、リッジ構造に垂直方向の面で劈開する等により、ウエハーをカットし、個別の素子チップに分離する。最後に、所定のステム（Ｃｕヒートシンク）にマウント後、ｎ側電極１２１及びｐ側電極１２３にボンディングワイヤを接続して、パッケージングを行えば、第４の実施の形態に係る半導体レーザが完成する。
【００６３】
更に、ここではｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を成長した後に、ダイヤモンド基板（第２基板）３１２と貼り合わせ、サファイア基板（第１基板）１００の剥離を行ったが、これに限るものではない。例えば、貼り合わせ（直接接合）の代わりに、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を成長した後にＭＯＣＶＤ成長室から取り出し、ハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法などにより第２基板となるｎ−ＧａＮ層を１００μｍ程度成長しても良い。しかる後にサファイア基板（第１基板）１００の剥離を行い、図１７（ｃ）において、ダイヤモンド基板（第２基板）３１２の代わりにｎ−ＧａＮ基板（第２基板）を有する構造が得られる。このｎ−ＧａＮ基板（第２基板）の上に、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ボンド極性反転層１０２の堆積された積層構造の上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮガイド層１０６，ＭＱＷ層１０７，ｐ−ＧａＡｌＮ層１０８，ｐ−ＧａＮガイド層１０９，ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層１１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を連続成長しても良い。この場合には、ｎ側電極１２１をｎ−ＧａＮ基板（第２基板）の裏面に形成出来るので、ｎ側電極１２１とｐ側電極１２３が発光部を挟んで反対側の表面に形成出来る。このため、ｎ側電極１２１配置用の溝部形成工程が省略され、素子作成の工程が簡略化され、更に半導体レーザのシリーズ抵抗が低減出来る。
【００６４】
（第５の実施の形態）
半導体レーザの出力を高めるために、ＩｎxＧａ1-xＡｓ等の比較的長波長の半導体レーザでは、半導体レーザのカスケード接続が試みられている。例えば、ＩｎＰを基板としたＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＡｌxＩｎ1-xＡｓカスケードレーザは、図２１（ａ）に示すように、３層の厚さ３ｎｍのＩｎxＧａ1-xＡｓ層６０２ａと４層の厚さ８ｎｍのＡｌxＩｎ1-xＡｓ層６０１ａとを交互に積層した第１のＭＱＷを有する左側半導体レーザと、３層の厚さ３ｎｍのＩｎxＧａ1-xＡｓ層６０２ｂと４層の厚さ８ｎｍのＡｌxＩｎ1-xＡｓ層６０１ｂとを交互に積層した第２のＭＱＷを有する右側半導体レーザとが積層されている。左側半導体レーザはｎ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層（ｙ＞ｘ）６０５ａとｐ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０４ａに挟まれている。右側半導体レーザはｎ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０５ｂとｐ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０４ｂに挟まれている。図２１（ａ）は零バイアス時のバンドダイアグラムであるが、ｎ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０５ａ、ｐ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０４ａ，ｎ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０５ｂ，及びｐ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０４ｂは高濃度にドーピングされ縮退（ガス化）していることが分かる。図２１（ｂ）は順方向バイアス時のバンドダイアグラムであるが、ｐ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０４ａとｎ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０５ｂとの間がトンネル接合を構成し、ｐ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０４ａからｎ型のＡｌyＩｎ1-yＡｓ層６０５ｂへトンネル電流が流れることが示されている。この様に、カスケードレーザ動作を実現するためには、前段（左側）の半導体レーザを構成するｐｎ接合ダイオードと、後段（右側）の半導体レーザを構成するｐｎ接合ダイオードとをトンネル接合で接続する必要がある。
【００６５】
これまでＩｎxＧａ1-xＰやＩｎxＧａ1-xＡｓ等の比較的長波長の半導体レーザでは、不純物ドーピングが容易であるので、バンドの縮退が生じる程度まで、高不純物密度にドープしたｐ型半導体領域及びｎ型半導体領域を形成し、これによりトンネル接合を形成することが可能であった。しかし、ＧａＮ系化合物半導体においては、このような高不純物密度の半導体領域、特に高不純物密度のｐ型半導体領域を実現することは困難である。高不純物密度半導体領域が実現出来ない場合、トンネリングが生じなくなり、カスケード接続に必要な導電性を持たなくなる。本発明の第５の実施の形態においては、バンドの縮退が生じる程度まで高不純物密度にドープした半導体領域を用いないで、カスケードレーザ動作を実現するための構造を説明する。
【００６６】
即ち、本発明の第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、原子層レベルの薄いＧａ−Ｇａ結合を用いることにより、カスケード接続を実現している。図１（ｂ）に示すように、ボンド極性反転部においてはＧａ−Ｇａ結合が生じているが、Ｇａ−Ｇａ結合を有することにより、金属的な伝導特性が得られるので、この特性を積極的に利用するのである。この結果、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザにおいては、バンドの縮退が生じる程度まで高不純物密度にドープした半導体領域は必要ではない。このため、ＧａＮ系化合物半導体に限らず、広禁制帯幅（バンドギャップ）が大きく、高不純物密度の不純物の活性化が難しい広禁制帯幅半導体材料に適応が可能である。例えばＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＳｉＣやダイヤモンドなどの広禁制帯幅半導体材料にも適用可能である。
【００６７】
具体的には、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、第１〜第４の実施の形態で説明した比較的厚いボンド極性反転層１０２を有する基体をベースとし、更に原子層レベルの薄いＧａ−Ｇａ結合により、５個の半導体レーザをカスケード接続した面発光型半導体レーザである。
【００６８】
図１９（ａ）に示すように、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，ボンド極性反転層４０１，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４からなる構造を基礎としている。ボンド極性反転層４０１は、第１の実施の形態で説明したように、その下からの転位の伝播を阻止するための層である。第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザにおいては、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）により、原子層を制御し、Ｇａ−Ｇａ結合を構成した層である。ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は、ボンド極性反転層４０１の表面に生じる凹凸を平坦化させるための層である。更に、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザにおいては、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上には、下から順に、ｎ側ブラッグ反射膜４０７，ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０２，カスケードＭＱＷ４０３，第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０４，ｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂ，第２のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０６，ｐ側ブラッグ反射膜４０７及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１が積層された活性層リッジ構造が、局所的な凸部として構成されている。ｎ側ブラッグ反射膜４０７は、厚さ４６ｎｍのＡｌxＧａ1-xＮ層と厚さ４２ｎｍのＧａＮ層とを交互に積層した層で、全積層数３０ペアである。ＡｌxＧａ1-xＮ層及びＧａＮ層は、共にＳｉを不純物密度５×１０18ｃｍ-3程度にドープした層である。ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０２は、Ｓｉを不純物密度３×１０19ｃｍ-3程度にドープした厚さ０．１μｍの層である。
【００６９】
カスケードＭＱＷ４０３は、図１９（ａ）及び図２０に示すように、厚さ３ｎｍのＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄ，５０２ｅと、厚さ８ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ，５０１ｅとを交互に積層している。更に、５層ごとに、厚さ８ｎｍのｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ａとｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｂとの間；ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｂとｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｃとの間；ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｃとｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｄとの間；ｐ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｄとｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ｅとの間に、Ｇａ−Ｇａ結合を有する金属Ｇａ原子層５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄが入る。即ち、金属Ｇａ原子層５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄを、それぞれ挟んで、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５０１ａ，５０１ｂ；５０１ｂ，５０１ｃ；５０１ｃ，５０１ｄ；５０１ｄ，５０１ｅとで、それぞれｐ型／金属／ｎ型の構造となっており、５段のｐｎ接合ダイオードが、４つの金属Ｇａ原子層５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄでそれぞれ接続されたカスケード構造になっている。それぞれのｐｎ接合ダイオードには、２つの井戸が有るので、２井戸×５段で、全井戸数は１０となる。
【００７０】
第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０４は、Ｍｇを不純物密度５×１０18ｃｍ-3程度にドープした，厚さ０．１μｍの層である。ｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂは、Ｓｉを不純物密度３〜５×１０18ｃｍ-3程度にドープした，厚さ０．１μｍの層である。第２のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０６は、Ｍｇを不純物密度５×１０18ｃｍ-3，厚さ０．２μｍの層である。ｐ側ブラッグ反射膜４０７は、厚さ４６ｎｍのＡｌxＧａ1-xＮ層と厚さ４２ｎｍのＧａＮ層とを交互に積層した層であり、全積層数３０ペアである。ＡｌxＧａ1-xＮ層及びＧａＮ層は、Ｍｇを不純物密度５×１０18ｃｍ-3程度にドープした層である。
【００７１】
図１９（ａ）では、活性層リッジ構造は垂直な側壁で示されているが、一定のテーパ面からなるメサ構造でも構わない。活性層リッジ構造を挟む溝部の底部には、ｎ側電極１２１が形成されている。ｎ側電極１２１の金属材料としては、第１〜第４の実施の形態で説明したＴｉ／Ａｕ複合膜等を用いることが可能である。そして、活性層リッジ構造の最上層を構成しているｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の表面に、面発光の出力を取り出す開口部を有するｐ側電極１２３がオーミック接触している。面発光の出力を取り出す開口部は、一組のｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂの間の電流通路の直上に配置する。ｐ側電極１２３用の金属材料としては、第１〜第４の実施の形態で説明したＮｉ／Ａｕの積層構造等が使用可能である。
【００７２】
第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザを動作させたところ、閾値電流１ｍＡで室温連続発振する。発振波長は４００ｎｍ、動作電圧は２０Ｖであった。遠視野像は単一モードで発振していることを示す単峰なものであった。動作電圧は高いものの閾値電流が小さく消費電力，発熱量は小さい。また、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの信頼性については、温度を７０℃にしての加速試験において１０万時間相当の信頼性試験を行っても劣化は見られなかった。
【００７３】
このカスケード接続面発光型半導体レーザを、更に５個直列に接続し、且つ整流型接続にすることにより商用電流電源での動作が可能である。また、カスケード接続面発光型半導体レーザの代わりに、カスケード接続型発光ダイオード（ＬＥＤ）とし、このカスケード接続型ＬＥＤを５個直列に接続し、且つ整流型接続にすることにより照明装置として用いることが可能である。カスケード接続型ＬＥＤは、従来、商用電源で動作していた電球，蛍光灯などの代替として用いることが出来、寿命が長く効率的である。しかも点灯が早い，有害物質を含まないなど多くの利点がある。
【００７４】
次に、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザの製造方法を説明する。なお、以下に述べる半導体レーザの製造方法は、これ以外の種々の製造方法により、実現可能であることは勿論である。
【００７５】
（イ）先ず、サファイア基板１００上に、ＭＢＥ法により、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，ボンド極性反転層４０１，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３，ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ｎ側ブラッグ反射膜４０７，ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０２，カスケードＭＱＷ４０３，第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０４及び電流狭窄層形成用ｎ−ＧａＮ層４０５を、連続成長する。このＭＢＥ法による結晶成長に際しては、窒素（Ｎ2）ガスをＲＦ（高周波）によりラジカルとしたものを窒素ソースとして用いる。また、ＧａソースはＧａ単体、ＡｌソースはＡｌ単体、ＩｎソースはＩｎ単体、ＳｉソースはＳｉ単体、ＭｇソースはＭｇ単体を用いる。ＭＢＥ法による結晶成長に先立ち、先ず、サファイア基板１００を成長装置に導入し、窒素ラジカルにさらし、基板のクリーニングを行う。次に窒素ソース，Ｇａソースのシャッターを開け、ＧａＮバッファ層１０１を成長し、次に窒素ソースのシャッターを閉じ、Ｇａソースのみを供給して、Ｇａ−Ｇａ結合を有するボンド極性反転層４０１を堆積する。その後、窒素ソースのシャッターを再び開け、更にＡｌソースのシャッターの開け、ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３を成長する。そして、Ａｌソースのシャッターを閉じ、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４を成長する。その後、Ｇａソース，Ａｌソースのシャッターの開閉を行って、ｎ側ブラッグ反射膜４０７を形成する。ここで、ＡｌxＧａ1-xＮのＡｌの組成ｘが３０％の層を形成するときのＧａの蒸気圧は８×１０-6Ｐａ、Ａｌの蒸気圧は８×１０-6Ｐａとする。窒素の分圧は５×１０-3Ｐａ、Ｓｉの蒸気圧は２×１０-7Ｐａ、基板温度は９００℃とすれば良い。以上の結晶成長時において、層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。更に使用するソースが共通であるため切り替えが少なく、ソース切り替え時間が要らず効率的であり、ソース切り替えに伴う再蒸発などがない。同様にして、次にｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０２，カスケードＭＱＷ４０３，第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０４を順次、連続的に成長する。かかる結晶成長時においても、それぞれの層は成長時間で膜厚がコントロールでき再現性が良い。ソース切り替えも効率的であり、ソース切り替えに伴う蒸発などもない。同様にして、次に、電流狭窄層形成用ｎ−ＧａＮ層４０５を成長する。
【００７６】
（ロ）ここまで成長したところで成長室より取り出し、フォトレジストを電流狭窄層形成用ｎ−ＧａＮ層４０５上にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジストをパターニングする。パターニングされたフォトレジストをエッチングマスクとして用い、ＲＩＥ法により、電流狭窄層形成用ｎ−ＧａＮ層４０５をパターニングし、一組のｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂを得る。一組のｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂの間が、通電部分となる。
【００７７】
（ハ）その後、再びＭＢＥ成長室にサファイア基板１００を収納し、窒素ソース、Ｉｎソース、Ｇａソース，Ａｌソースのシャッターの開閉を行って、第２のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０６，ｐ側ブラッグ反射膜４０７及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を成長する。
【００７８】
（ニ）ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１を成長した後に、ＭＢＥ成長室から取り出す。そして、最上層のｐ−ＧａＮコンタクト層１１１上に、ＳｉＯ２膜を、ＣＶＤ法で堆積し、フォトリソグラフィ法及びＲＩＥにより、ＳｉＯ２膜をパターニングし、図３（ｂ）に示すフォトレジスト１３１の代わりに、ＳｉＯ２膜からなるエッチング用マスクを形成する。そして、このＳｉＯ２膜マスクをエッチングマスクとして用い、図３（ｂ）と同様に、ＲＩＥを用い、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１、ｐ側ブラッグ反射膜４０７，第２のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０６，ｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂ，第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０４，カスケードＭＱＷ４０３，ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０２及びｎ側ブラッグ反射膜４０７を貫通し、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の表面を露出するストライプ状の溝部を周期的に形成する。その後、フォトレジストを除去する。この結果、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４の上に、下から順に、ｎ側ブラッグ反射膜４０７，ｎ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０２，カスケードＭＱＷ４０３，第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０４，ｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂ，第２のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層４０６，ｐ側ブラッグ反射膜４０７及びｐ−ＧａＮコンタクト層１１１が積層された活性層リッジ構造が、一組のストライプ状の溝部の間の凸部として形成される。
【００７９】
（ホ）次に、活性層リッジ構造の頂部のＳｉＯ２膜をリフトオフマスクとして用いて、全面にｎ−ＧａＮコンタクト層１０４に対するｎ側電極１２１用の金属膜を堆積する。この後、活性層リッジ構造の頂部のＳｉＯ２膜を除去する（リフトオフする）ことにより、溝部の底部のみに、選択的にｎ側電極１２１がパターニングされる。更に、新たなフォトレジストを活性層リッジ構造を含む全面にスピン塗布し、フォトリソグラフィ法を用いてフォトレジストを、一組のｎ−ＧａＮ電流狭窄層４０５ａ，４０５ｂの間の電流通路の直上に開口部を有するように、パターニングする。このフォトレジストをリフトオフマスクとして用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１に対するｐ側電極１２３用の金属薄膜を、堆積する。この後、フォトレジストを、除去（リフトオフ）すれば、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１１の頂部に、面発光の出力を取り出す開口部を有するｐ側電極１２３がパターニングされる。この後、ウエハーをカットし、個別の素子チップに分離する。最後に、所定のステム（Ｃｕヒートシンク）にマウント後、ｎ側電極１２１及びｐ側電極１２３にボンディングワイヤを接続して、パッケージングを行えば、第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザが完成する。
【００８０】
また第５の実施の形態に係る面発光型半導体レーザは成長方法としてＭＢＥ法を用いて意図的にＧａ−Ｇａ結合からなるＧａ原子層を形成した。第１〜第４の実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ法を用いた場合であり、Ｇａ金属層を作成する代わりに、Ｍｇを過剰に添加した層を１ｎｍ程度の薄さで不純物密度１×１０20ｃｍ-3で作成すると、その部分で結晶成長の格子間ボンドの極性が反転しＧａ−Ｇａ結合が生じる。結果的には、ＭＢＥ法で原子レベルで制御して、Ｇａ−Ｇａ結合を形成した場合と類似のバンド構造が、固溶度程度にＭｇを過剰に添加しても実現出来る。なお、ＳＩＭＳ分析により得られるＭｇの不純物密度は１×１０20ｃｍ-3であるが、キャリアとして電気的に有効に働いているホール密度は１×１０18ｃｍ-3であり、トンネル効果を期待出来る高不純物密度のホール密度ではない。即ち、縮退したｐｎ接合のトンネル効果ではなく、ｐ型／金属Ｇａ原子層／ｎ型の構造と同様な効果で、カスケード接続を可能にする。
【００８１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１〜第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００８２】
例えば、既に述べた第１〜第５の実施の形態の説明において、ＧａＮ系化合物半導体を用いた半導体素子について説明してきたが、ＧａＮ系化合物半導体以外にＡｌＮ，ＢＮ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＯ，ＳｉＣ等の広禁制帯幅半導体材料についても、同様に適用できることは勿論である。
【００８３】
更に、第１〜第５の実施の形態の説明において、基板（第１基板）はサファイア基板１００を用いたが、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板等を用いても良い。これらの基板において、基板に導電性を持たせることも可能であり、この場合は、基板裏面に電極を設けことが出来る。
【００８４】
第１〜第５の実施の形態の説明において、半導体レーザについて説明したが、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の発光素子でも良く、発光素子に限らず、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、ＭＥＳＦＥＴ，ＭＩＳＦＥＴ等の電子素子を形成しても良い。例えば、以下のようにしてＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮ等のヘテロ接合を有するＨＥＭＴを製造可能である。
【００８５】
（イ）先ず、サファイア基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１，ボンド極性反転層１０２，ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３（ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３までは図３（ａ）と同様である。），ｎ−ＧａＮチャネル層、ｎ−−ＡｌxＧａ1-xＮスペーサ層、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ電子供給層、ｎ−ＧａＮショットキーコンタクト層、ｎ＋−ＩｎxＧａ1-xＮオーミックコンタクト層をＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法等により連続的に順次エピタキシャル成長する。ｎ−ＧａＮチャネル層は故意には不純物が添加されていない、いわゆる「アンドーブ層」である。ＡｌxＧａ1-xＮ電子供給層から電子が供給されて、ｎ−ＧａＮチャネル層に２次元電子ガスが形成される。
【００８６】
（ロ）このエピタキシャル成長層の活性領域予定領域以外の部分をＲＩＥによりＧａＮバッファ層１０１が露出するまでエッチングして素子分離溝を形成し、この素子分離溝内を素子分離絶縁膜で埋め込んで素子分離領域を形成する。素子分離領域で周囲を囲まれた範囲が活性領域になる。なお、素子分離領域はプロトン照射により、エピタキシャル成長層の一部を選択的に高抵抗領域にして、形成しても良い。この後、フォトレジスト膜をスピン・コーティングし、所定のマスクを用いて露光・現像することにより、ｎ＋−ＩｎxＧａ1-xＮオーミックコンタクト層の上部の所定の部分のみに開口部を有するパタ−ンを形成する。そして、このフォトレジスト膜を下地に、Ｔｉ／Ａｌ等のメタル材料を蒸着する。その後、このフォトレジスト膜を剥離する。即ち、いわゆるリフトオフ法により、ソース領域予定領域にソース電極を、ドレイン領域予定領域にドレイン電極を形成する。
【００８７】
（ハ）続いて、ゲート領域予定領域に開口を持つフォトレジスト・パターンを形成し、このフォトレジスト・パターンを用いてゲート領域のｎ＋−ＩｎxＧａ1-xＮオーミックコンタクト層をエッチングし、ｎ−ＧａＮショットキーコンタクト層を露出させる。そして、フォトレジスト膜をスピン・コーティングし、所定のマスクを用いて露光・現像することにより、露出したｎ−ＧａＮショットキーコンタクト層の上部の所定の部分のみに細線状の開口部を有するパタ−ンを形成する。そして、このフォトレジスト膜を下地に、Ｐｔ／Ａｕ又はＡｌ等のゲート電極材料を蒸着する。その後、このフォトレジスト膜を剥離するリフトオフ加工をしてゲート電極を形成する。
【００８８】
また、第１〜第４の実施の形態の説明においてボンド極性反転層１０２をＭｇドープＧａＮ層としたが、ＭｇドープＡｌxＧａ1-xＮ層１０３でも良い。
【００８９】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、電気的特性及び信頼性に優れた半導体素子及びその製造方法が提供出来る。
【００９１】
特に、半導体発光素子においては、電気的特性に加え発光効率等の光学的特性が優れ、且つ動作寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボンド極性反転層を説明するための模式図である。
【図２】本発明のボンド極性反転層が貫通転位伝播を阻止することを説明する模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その１）。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その２）。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その３）。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その４）。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その５）。
【図８】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体レーザの概略構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の概略構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その１）。
【図１１】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その２）。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その３）。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その４）。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その５）。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その６）。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その７）。
【図１７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その１）。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る半導体素子（半導体レーザ）の製造方法を示す工程断面図である（その２）。
【図１９】本発明の第５の実施の形態に係る面発光青色半導体レーザの概略構成を示す断面図である。
【図２０】本発明の第５の実施の形態に係る面発光青色半導体レーザのカスケード接続を説明するバンドダイアグラムである。
【図２１】従来のカスケードレーザのバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
９１ ，９３，９４  溝部
９２  凹部
１００  サファイア基板
１０１  ＧａＮバッファ層
１０２  ボンド極性反転層
１０２ｂ  下側  ボンド極性反転層
１０２ａ  上側  ボンド極性反転層
１０３  ＡｌxＧａ1-xＮ層
１０３ｂ  下側  ＡｌxＧａ1-xＮ層
１０３ａ  上側  ＡｌxＧａ1-xＮ層
１０４  ｎ−ＧａＮコンタクト層
１０５  ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層
１０６  ｎ−ＧａＮガイド層
１０７  ＭＱＷ層
１０８  ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮ層１０３
１０９  ｐ−ＧａＮガイド層
１１０  ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮクラッド層
１１１  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１２０，１２２，１２４，１２６，  金属膜
１２１，１２５  ｎ側電極
１２３，１２７  ｐ側電極
１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６，１３７  フォトレジスト
１４１，１４５  第１絶縁膜
１４２，１４６  側壁絶縁膜
１４３  第２絶縁膜
１４４  上部絶縁膜
２０２  超格子極性反転層
３１２  多結晶ダイヤモンド（第２基板）
４０７  ｎ側ブラッグ反射膜
４０２  Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
４０３  カスケードＭＱＷ
４０４  第１のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
４０５ａ，４０５ｂ  ｎ−ＧａＮ電流狭窄層
４０６  第２のｐ−Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ位相整合層
４０７  ｐ側ブラッグ反射膜
５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ，５０１ｅ  Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層
５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄ，５０２ｅ  Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ層
５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄ  金属Ｇａ原子層
【図１】
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【図２】
0003699917.tif 000003
【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】
0003699917.tif 000008
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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