(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地の上面に接触するとともに、前記下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて複数のマスク層を形成する工程と、
前記マスク層間に露出された下地の上面上に、前記マスク層の上面よりも低い位置に、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層上および前記マスク層上に第２半導体層を成長させる工程と、
前記第２半導体層を成長させる工程に先立って、前記第１半導体層上に、前記第１半導体層とは組成の異なる層を少なくとも１つ含む第３半導体層を形成する工程とを備えた、半導体層の形成方法。
【請求項２】
前記第２半導体層を成長させる工程に先立って、前記第１半導体層上に、前記第３半導体層として、格子定数の異なる層が交互に積層された周期構造を有する超格子層を形成する工程をさらに備える、請求項１に記載の半導体層の形成方法。
【請求項３】
前記第１半導体層を形成する工程に先立って、前記マスク層間に露出された下地の上面上にバッファ層を形成する工程をさらに備え、
前記露出された下地の上面上の前記マスク層の近傍に位置する前記バッファ層の厚みは、前記露出された下地の上面上の中央部に位置する前記バッファ層の厚みよりも小さい、請求項１または２に記載の半導体層の形成方法。
【請求項４】
下地の上面に接触するとともに、前記下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて複数のマスク層を形成する工程と、
前記マスク層間に露出された下地の上面上に、前記マスク層の上面よりも低い位置に、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層上および前記マスク層上に第２半導体層を成長させる工程と、
前記第１半導体層を形成する工程に先立って、前記マスク層間に露出された下地の上面上にバッファ層を形成する工程とを備え、
前記バッファ層は、前記マスク層間に露出された下地の上面上の中央部に実質的に同じ厚みで形成するとともに、前記露出された下地の上面上の前記マスク層の近傍には形成しない半導体層の形成方法。
【請求項５】
下地の上面に接触するとともに、前記下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて複数のマスク層を形成する工程と、
前記マスク層間に露出された下地の上面上に、前記マスク層の上面よりも低い位置に、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層を形成する工程と、
前記第１半導体層上および前記マスク層上に第２半導体層を成長させる工程と、
前記第２半導体層を成長させる工程に先立って、前記第１半導体層上に、前記第１半導体層とは組成の異なる層を少なくとも１つ含む第３半導体層を形成する工程とを備え、
隣接する前記マスク層間の最短距離は、前記隣接するマスク層間に位置する前記下地の露出部の幅よりも小さい半導体層の形成方法。
【請求項６】
前記マスク層は、前記下地の露出部の上方に突出したオーバーハング部を有する、請求項５に記載の半導体層の形成方法。
【請求項７】
前記マスク層のオーバーハング部下に位置する前記バッファ層の厚みは、前記隣接するマスク層間の最短距離部下に位置する前記バッファ層の厚みよりも小さい、請求項６に記載の半導体層の形成方法。
【請求項８】
前記マスク層のオーバーハング部下に位置する前記バッファ層の厚みは、前記隣接するマスク層間の最短距離部から遠くなるにしたがって、実質的に同じ割合で小さくなる、請求項７に記載の半導体層の形成方法。
【請求項９】
前記バッファ層は、前記マスク層間に露出された下地の上面の中央部上に実質的に同じ厚みで形成するとともに、前記マスク層のオーバーハング部下に位置する前記下地の上面上には形成しない、請求項８に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１０】
前記マスク層の少なくとも一部は、逆台形形状を有する、請求項６〜９のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１１】
前記下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層は、前記マスク層の厚みよりも小さい厚みで形成する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１２】
前記第２半導体層を成長させる工程は、
前記台形状の第１半導体層をさらに成長させることによって、前記第１半導体層上および前記マスク層上に、実質的に平坦な上面を有する前記第２半導体層を形成する工程を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１３】
前記マスク層の上面近傍における前記第１半導体層の転位密度は、前記下地の上面近傍における前記第１半導体層の転位密度よりも小さい、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１４】
前記マスク層の上面近傍における前記第１半導体層の転位密度は、前記下地の上面近傍における前記第１半導体層の転位密度の１／２以下である、請求項１３に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１５】
前記第１半導体層および前記第２半導体層は、窒化物系半導体層を含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１６】
前記下地は、基板を含み、
前記マスク層は、前記基板の上面に接触するように形成されている、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１７】
前記基板は、３−５族半導体基板、４族半導体基板、サファイア基板、スピネル基板、ＳｉＣ基板および水晶基板からなるグループより選択される１つの基板を含む、請求項１６に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１８】
前記第２半導体層上に形成され、素子領域を有する半導体素子層をさらに備える、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の半導体層の形成方法。
【請求項１９】
下地の上面に接触するとともに、前記下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて形成された複数のマスク層と、
前記マスク層間に露出された下地の上面上に、前記マスク層の上面よりも低い位置に形成され、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層と、
前記第１半導体層の表面上に形成され、前記第１半導体層とは組成の異なる層を少なくとも１つ含む第３半導体層と、
前記第３半導体層上および前記マスク層上に形成された第２半導体層とを備えた、半導体素子。
【請求項２０】
前記第３半導体層は、格子定数の異なる層が交互に積層された周期構造を有する超格子層を含む、請求項１９に記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子および半導体層の形成方法に関し、特に、下地上に半導体層が形成される半導体素子および半導体層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下地上に下地とは異なる材料からなる窒化物系半導体をヘテロ成長させる技術が知られている。たとえば、窒化物系半導体の１つであるＧａＮの結晶成長では、格子整合する基板が少ないために、サファイア基板などの異種基板上にヘテロ成長を行っている。この場合、結晶欠陥の少ない結晶性の良好なＧａＮを成長させるために、従来、基板とＧａＮ層との間に、低温成長によるバッファ層を挿入する技術が知られている。
【０００３】
しかしながら、上記のような低温バッファ層を用いた場合であっても、低減できる欠陥の密度には限界があり、さらに転位を低減するのは困難である。そこで、従来、ＧａＮを成長する際に、選択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯＧ）法によって転位を低減した下地層を用いる技術が提案されている。この選択横方向成長については、たとえば、応用電子物性分科会誌第４巻（１９９８）の第５３頁〜第５８頁および第２１０頁〜第２１５頁などに開示されている。
【０００４】
図３４〜図３７は、従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体層の形成方法の一例を説明するための断面図である。次に、図３４〜図３７を参照して、従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体層の形成方法の一例について説明する。
【０００５】
まず、図３４に示すように、サファイア基板２０１上に低温バッファ層２０２を形成した後、その低温バッファ層２０２上に、下地となるＧａＮ層２０３を成長させる。
【０００６】
次に、図３５に示すように、ＧａＮ層２０３上の所定領域に、ＳｉＯ２などからなるストライプ状（細長状）のマスク層２０４を形成する。マスク層２０４を選択成長マスクとして、ＧａＮ層２０３を下地層として再成長を行うと、ＧａＮ層２０３の露出部には、まず、断面が三角形状のファセット構造を有するＧａＮ層２０５が形成される。
【０００７】
さらに、成長が進むと、ファセット構造のＧａＮ層２０５が、図３６に示すように、結合し、横方向成長が支配的になる。このため、ｃ軸方向（縦方向）に延びていた転位はファセット結合部で曲げられて上部には到達しない。ただし、ファセット結合部上には転位が残る。
【０００８】
さらに、成長が進むと、図３７に示すように、ファセット構造の各ＧａＮ層２０５が合体して連続膜となる。これにより、平坦な上面を有するＧａＮ層２０５が形成される。この平坦化されたＧａＮ層２０５の表面に到達する転位は、下地層に比べて大幅に減少されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図３４〜図３７に示した従来の窒化物系半導体層の形成方法では、選択横方向成長によってＧａＮ層２０５を形成する場合、転位はファセットが結合するマスク層２０４の上部に集中的に残る。このため、転位を少なくするためには、マスク層２０４の幅は小さい方が好ましい。しかし、転位を少なくするためにマスク層２０４の幅を小さくすると、下地となるＧａＮ層２０３の露出部分の幅が広くなるので、ＧａＮ層２０３の露出部分上に形成されるＧａＮからなるファセットも大きく（高く）なる。このため、その大きなファセットを結合して平坦化するためには、ＧａＮ層２０５を厚く形成する必要があった。このように、従来では、薄い膜厚で転位の少ないＧａＮ層２０５を得ることは困難であった。
【００１０】
また、従来では、基板上に直接マスク層を形成して選択横方向成長を用いてＧａＮ層を成長させる方法も提案されている。図３８は、その従来の提案された窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図３８を参照して、この従来の提案された方法では、サファイア基板２１１上に直接ＳｉＯ２からなるマスク層２１２を形成した後、その上にＧａＮからなる低温バッファ層２１３および高温成長のＧａＮ層２１４を形成することによって、１回の成長で転位を低減したＧａＮ層２１４を形成する。この従来の提案された方法では、サファイア基板２１１上に直接マスク層２１２を形成するので、下地層がない分、全体の膜厚は薄くなる。
【００１１】
しかし、図３８に示した従来の提案された方法では、図３４〜図３７に示した従来例と同様の問題が発生する。すなわち、サファイア基板２１１上に直接マスク層２１２を形成して選択横方向成長を行う場合においても、転位を少なくするためには、マスク層２１２の幅を小さくする必要がある。しかし、マスク層２１２の幅を小さくすると、サファイア基板２１１の露出面積が大きくなるので、その露出部分の低温バッファ層２１３上に形成されるＧａＮからなるファセットが大きく（高く）なる。このため、その大きなファセットを結合してＧａＮ層２１４を平坦化させるためには、ＧａＮ層２１４を約５μｍ以上の大きな厚みで形成する必要があった。その結果、図３８に示した従来の提案された方法においても、薄い膜厚で転位の少ないＧａＮ層２１４を得るのは困難であった。
【００１２】
また、従来では、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＢＧａＮ、ＢＡｌＧａＮ、ＢＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの混晶を厚く成長させる場合には、格子整合する基板を求めることはより困難である。たとえば、サファイア基板上にＩｎＧａＮを直接成長させる場合、格子定数の差が大きいために、ＩｎＧａＮ層を厚く成長させることは困難である。このため、従来では、図３９に示すように、まず、サファイア基板２２１上にバッファ層２２２を介してＧａＮ層２２３を成長させる。そして、ＧａＮ層２２３上に、マスク層２２４を形成した後、そのマスク層２２４を成長マスクとして、選択横方向成長させることによって、低転位のＧａＮ層２２５を形成する。そして、その低転位のＧａＮ層２２５上に、ＩｎＧａＮ層２２６を成長させていた。このように、選択横方向成長を用いて形成した低転位のＧａＮ層２２５上にＩｎＧａＮ層２２６を成長させることによって、低転位のＩｎＧａＮ層２２６をある程度厚く成長させることが可能となる。
【００１３】
図３９に示した従来の混晶からなる窒化物系半導体層の形成方法では、上記のように、転位の少ないＩｎＧａＮ層２２６を得るために、下地層として選択横方向成長を用いて低転位のＧａＮ層２２５を形成する必要がある。このため、図３９に示した従来例では、全体の厚みが大きくなり、その結果、全体として薄い膜厚で転位の少ないＩｎＧａＮ層２２６を得るのは困難であった。また、図３９に示した従来の混晶からなる窒化物系半導体層の形成方法では、選択横方向成長を用いて形成したＧａＮ層２２５を下地層として、さらにＩｎＧａＮ層２２６を成長させるので、工程が複雑になるという問題点もあった。
【００１４】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、薄い膜厚で低転位の半導体層を容易に成長させることが可能な半導体層の形成方法を提供することである。
【００１５】
この発明のもう１つの目的は、薄い膜厚で転位が少ない半導体層を形成することが可能な構造を有する半導体素子を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の局面による半導体層の形成方法は、下地の上面に接触するとともに、下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて複数のマスク層を形成する工程と、マスク層間に露出された下地の上面上に、マスク層の上面よりも低い位置に、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層を形成する工程と、第１半導体層上およびマスク層上に第２半導体層を成長させる工程とを備えている。
【００１７】
この第１の局面による半導体層の形成方法では、上記のように、マスク層間に露出された下地の上面上に、マスク層の上面よりも低い位置に、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層を形成することによって、その第１半導体層上に第２半導体層を成長させる際に、その台形状の第１半導体層の側面が徐々に横方向に成長する。これにより、第１半導体層および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から横方向成長が促進されるので、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられる。その結果、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができるので、下地上に低転位の半導体層を薄い膜厚で成長させることができる。
【００１８】
上記第１の局面による半導体層の形成方法において、好ましくは、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層は、マスク層の厚みよりも小さい厚みで形成する。このように構成すれば、台形状の第１半導体層の側面を、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から容易に横方向に成長させることができるので、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から容易に転位を横方向へ曲げることができる。
【００１９】
上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、第２半導体層を成長させる工程は、台形状の第１半導体層をさらに成長させることによって、第１半導体層上およびマスク層上に、実質的に平坦な上面を有する第２半導体層を形成する工程を含む。このように構成すれば、下地上に実質的に平坦な上面を有する低転位の第２半導体層を薄い膜厚で形成することができる。
【００２０】
上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、第２半導体層を成長させる工程に先立って、第１半導体層上に、第１半導体層とは組成の異なる層を少なくとも１つ含む第３半導体層を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、第３半導体層と第１半導体層との間に歪みを発生させることができる。この歪みによる界面応力によって、第１半導体層によって低減された転位をさらに低減することができる。この場合、第２半導体層を成長させる工程に先立って、第１半導体層上に、第３半導体層として、格子定数の異なる層が交互に積層された周期構造を有する超格子層を形成する工程をさらに備えるのが好ましい。このように構成すれば、周期構造を有する超格子層の格子不整合によってより大きな歪みが発生するので、その歪みによる大きな界面応力により、台形状の第１半導体層により横方向に曲げられた転位は、超格子層の延びる方向と平行な方向にさらに曲げられやすくなる。これにより、超格子層の延びる方向と平行な方向に曲げられた転位同士がぶつかることによる転位の結合・消滅が起こりやすくなるので、横方向の転位をさらに低減することができる。その結果、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階からより容易に転位を低減することができる。
【００２１】
上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、マスク層の上面近傍における第１半導体層の転位密度は、下地の上面近傍における第１半導体層の転位密度よりも小さい。このように構成すれば、マスク層の上面近傍ですでに転位密度が小さくなっているので、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から容易に転位を低減することができる。この場合、マスク層の上面近傍における第１半導体層の転位密度は、下地の上面近傍における第１半導体層の転位密度の１／２以下であるのが好ましい。
【００２２】
また、上記の半導体層の形成方法において、第１半導体層および第２半導体層は、窒化物系半導体層を含んでいてもよい。このように構成すれば、窒化物系半導体層の成長初期段階から横方向成長が促進されるので、下地上に低転位の窒化物系半導体層を薄い膜厚で成長させることができる。
【００２３】
また、上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、第１半導体層を形成する工程に先立って、マスク層間に露出された下地の上面上にバッファ層を形成する工程をさらに備え、露出された下地の上面上のマスク層の近傍に位置するバッファ層の厚みは、露出された下地の上面上の中央部に位置するバッファ層の厚みよりも小さい。このように構成すれば、バッファ層の厚みが大きい中央部では、第１半導体層の成長が速くなるとともに、バッファ層の厚みが小さいマスク層の近傍では、第１半導体層の成長が遅くなるので、第１半導体層が成長初期段階からより台形状に成長しやすくなる。その結果、第１半導体層の成長初期段階から横方向成長がより促進されるので、下地上に低転位の半導体層をより薄い膜厚で成長させることができる。
【００２４】
また、上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、第１半導体層を形成する工程に先立って、マスク層間に露出された下地の上面上にバッファ層を形成する工程をさらに備え、バッファ層は、マスク層間に露出された下地の上面上の中央部に実質的に同じ厚みで形成するとともに、露出された下地の上面上のマスク層の近傍には形成しない。このように構成すれば、バッファ層の厚みが大きい中央部では、第１半導体層の成長が速くなるとともに、バッファ層のないマスク層の近傍では、第１半導体層の成長が遅くなるので、第１半導体層が成長初期段階からより台形状に成長しやすくなる。その結果、第１半導体層の成長初期段階から横方向成長がより促進されるので、下地上に低転位の半導体層をより薄い膜厚で成長させることができる。
【００２５】
また、上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、隣接するマスク層間の最短距離は、隣接するマスク層間に位置する下地の露出部の幅よりも小さい。このように構成すれば、マスク層をマスクとして下地上に第１半導体層を形成する場合に、下地の露出部のうち上方にマスク層が形成されている部分では、原料が届きにくくなるので、第１半導体層は台形状に成長しやすくなる。これにより、容易に、台形状の第１半導体層を形成することができる。この場合、好ましくは、マスク層は、下地の露出部の上方に突出したオーバーハング部を有する。このように構成すれば、オーバハング部下に位置する下地の上面に第１半導体層の原料が届きにくくなるので、オーバハング部下に位置する下地の上面に第１半導体層が形成されにくくなる。これにより、容易に、オーバハング部下に位置する下地の上面に形成される部分の厚みが他の部分よりも小さい台形状の第１半導体層を形成することができる。
【００２６】
また、上記のオーバーハング部を有する構成において、マスク層のオーバーハング部下に位置するバッファ層の厚みは、隣接するマスク層間の最短距離部下に位置するバッファ層の厚みよりも小さくてもよい。さらに、この場合、好ましくは、マスク層のオーバーハング部下に位置するバッファ層の厚みは、隣接するマスク層間の最短距離部から遠くなるにしたがって、実質的に同じ割合で小さくなる。
【００２７】
また、上記のオーバーハング部を有する構成において、バッファ層は、マスク層間に露出された下地の上面の中央部上に実質的に同じ厚みで形成されるとともに、マスク層のオーバーハング部下に位置する下地の上面上には形成されていなくてもよい。
【００２８】
なお、上記のオーバーハング部を有する構成において、好ましくは、マスク層の少なくとも一部は、逆台形形状を有する。
【００２９】
また、上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、下地は、基板を含み、マスク層は、基板の上面に接触するように形成されている。このように構成すれば、下地上に直接薄い膜厚で低転位の半導体層を成長させることができる。この場合、基板は、好ましくは、３−５族半導体基板、４族半導体基板、サファイア基板、スピネル基板、ＳｉＣ基板および水晶基板からなるグループより選択される１つの基板を含む。このような基板を用いれば、容易に、基板上に直接半導体層を成長させることができる。
【００３０】
上記の半導体層の形成方法において、好ましくは、第２半導体層上に、素子領域を有する半導体素子層を成長させる工程をさらに備える。このように構成すれば、下地上に薄い膜厚で形成された低転位の半導体層上に、素子領域を有する半導体素子層を成長させることができるので、良好な素子特性を有する半導体素子層を容易に形成することができる。その結果、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体素子を得ることができる。
【００３１】
この発明の第２の局面による半導体素子は、下地の上面に接触するとともに、下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて形成された複数のマスク層と、マスク層間に露出された下地の上面上およびマスク層の上面上に形成された半導体層とを備え、マスク層の上面近傍における半導体層の転位密度は、下地の上面近傍における半導体層の転位密度よりも小さい。
【００３２】
上記第２の局面による半導体素子では、マスク層の上面近傍における半導体層の転位密度を、下地の上面近傍における半導体層の転位密度よりも小さくなるように構成することによって、マスク層の上面近傍ですでに半導体層の転位密度が小さくなっているので、成長初期段階から容易に半導体層の転位を低減することができる。この場合、マスク層の上面近傍における半導体層の転位密度は、下地の上面近傍における半導体層の転位密度の１／２以下であるのが好ましい。
【００３３】
この発明の第３の局面による半導体素子は、下地の上面に接触するとともに、下地の一部を露出するように、所定の間隔を隔てて形成された複数のマスク層と、マスク層間に露出された下地の上面上に、マスク層の上面よりも低い位置に形成され、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層と、第１半導体層の表面上に形成され、第１半導体層とは組成の異なる層を少なくとも１つ含む第３半導体層と、第３半導体層上およびマスク層上に形成された第２半導体層とを備えている。
【００３４】
上記第３の局面による半導体素子では、マスク層間に露出された下地の上面上に、マスク層の上面よりも低い位置に、下面よりも上面の幅が小さい台形状の第１半導体層を設けることによって、その第１半導体層上に第２半導体層を成長させる際に、その台形状の第１半導体層の側面が徐々に横方向に成長する。これにより、第１半導体層および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から横方向成長が促進されるので、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられる。その結果、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができるので、下地上に低転位の半導体層を薄い膜厚で成長させることができる。
【００３５】
また、第３の局面による半導体素子では、台形状の第１半導体層上に、第１半導体層とは組成の異なる層を少なくとも１つ含む第３半導体層を設けることによって、第３半導体層と第１半導体層との間に歪みを発生させることができる。この歪みによる界面応力によって、第１半導体層によって低減された転位をさらに低減することができる。この場合、第３半導体層は、格子定数の異なる層が交互に積層された周期構造を有する超格子層を含むのが好ましい。このように構成すれば、周期構造を有する超格子層の格子不整合によってより大きな歪みが発生するので、その歪みによる大きな界面応力により、台形状の第１半導体層により横方向に曲げられた転位は、超格子層の延びる方向と平行な方向にさらに曲げられやすくなる。これにより、超格子層の延びる方向と平行な方向に曲げられた転位同士がぶつかることによる転位の結合・消滅が起こりやすくなるので、横方向の転位をさらに低減することができる。その結果、第１および第２半導体層を含む半導体層の成長初期段階からより容易に転位を低減することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明する前に、まず、本発明の半導体層の形成方法の概念について説明する。図１〜図５は、本発明の半導体層の形成方法の概念を説明するための断面図である。
【００３７】
まず、本発明では、図１に示すように、下地基板または基板上に形成された下地層からなる下地１上に、オーバーハング部２ａを有する逆台形形状のマスク層２を形成する。このマスク層２では、隣接するマスク層２間の最短距離が、隣接するマスク層２間に位置する下地１の露出部の幅よりも小さい。このようなマスク層２を選択成長マスクとして、下地１上に半導体層３ａを選択横方向成長させる。
【００３８】
この場合、下地１の露出部のうち、オーバーハング部２ａ下に位置する領域と、オーバーハング部２ａ下に位置しない領域とで、原料供給量に差ができる。すなわち、オーバーハング部２ａの下に位置しない下地１の露出部中央では、原料供給量が多いために、半導体層３ａの厚みがほぼ均一に形成される。一方、オーバーハング部２ａの下では原料が到達しにくくなるので、中央部から離れるにしたがって、半導体層３ａの厚みが薄くなる。これにより、図２に示すような台形状の半導体層３ａが形成される。
【００３９】
図２に示した状態から、さらに成長させると、台形状の半導体層３ａの側面は、図３に示すように、徐々に横方向に成長するため、通常よりも薄い膜厚で成長初期の段階から横方向成長が促進される。これにより、横方向成長に伴って、半導体層３ａの転位が横方向へ曲げられる。その結果、半導体層３ａの成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。この場合、図３の状態における半導体層３ａの上面近傍では、半導体層３ａの下面近傍に比べて、１／２以下に転位が低減されている。なお、図２および図３に示す状態の半導体層３ａが、本発明の「第１半導体層」の一例である。
【００４０】
図３に示す状態からさらに成長させると、図４に示す状態を経て、図５に示すように、台形状の半導体層３ａが合体して連続膜となる。これにより、平坦な上面を有する半導体層３が形成される。なお、図５に示した状態の半導体層３が、本発明の「第２半導体層」の一例である。
【００４１】
このように、本発明では、成長初期の早い段階で横方向成長が支配的になるので、下地１上に低転位の半導体層３を薄い膜厚で成長させることができる。
【００４２】
次に、上記した本発明の概念を具体化した実施形態について説明する。
【００４３】
（第１実施形態）
図６は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図７は、図６に示した第１実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【００４４】
まず、図６を参照して、第１実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第１実施形態では、まず、下地としてのサファイア基板１１の上面上に直接、ＳｉＮからなるマスク層１２を形成する。このマスク層１２は、オーバーハング部１２ａを有する逆メサ形状（逆台形形状）に形成する。このマスク層１２では、隣接するマスク層１２間の最短距離が、隣接するマスク層１２間に位置するサファイア基板１１の露出部の幅よりも小さい。
【００４５】
このようなマスク層１２の形成方法としては、まず、サファイア基板１１上の全面にＳｉＮ層（図示せず）を形成した後、そのＳｉＮ層上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、ＳｉＮ層をウェットエッチングすることによって、容易にオーバーハング部１２ａを有する逆台形形状のマスク層１２を形成することができる。なお、このマスク層１２は、約７μｍの周期を有するストライプ状（細長状）で、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みで形成する。また、マスク層１２の開口部は、たとえば、サファイアの［１１−２０］方向またはサファイアの［１−１００］方向に形成するのが好ましい。
【００４６】
この後、サファイア基板１１上に、約５００℃〜約７００℃の温度条件下で、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層１３を成長させる。なお、この低温バッファ層１３は、本発明の「バッファ層」の一例である。そして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層１２を選択成長マスクとして、低温バッファ層１３上に、アンドープＧａＮ層１４を形成する。このアンドープＧａＮ層１４は、約９５０℃〜約１２００℃の温度条件下で、約２μｍの厚みを有するように形成する。なお、このアンドープＧａＮ層１４は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００４７】
ここで、低温バッファ層１３を成長させる際に、マスク層１２がオーバーハング部１２ａを有するので、オーバーハング部１２ａ下には原料が届きにくくなる。このため、オーバーハング部１２ａ下のバッファ層１３の厚みは薄くなる。これにより、オーバーハング部１２ａ下の膜厚の薄い低温バッファ層１３上にはアンドープＧａＮ層１４が成長しにくくなるとともに、オーバーハング部１２ａ下には、アンドープＧａＮ層１４の原料も届きにくいので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のアンドープＧａＮ層１４が形成されやすくなる。これにより、その台形状のアンドープＧａＮ層１４の側面が徐々に横方向に成長するので、アンドープＧａＮ層１４の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、アンドープＧａＮ層１４の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、アンドープＧａＮ層１４の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、サファイア基板１１上に、低転位のアンドープＧａＮ層１４を薄い膜厚でヘテロ成長させることができる。
【００４８】
次に、図７を参照して、第１実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００４９】
第１実施形態の半導体レーザ素子では、図６に示したアンドープＧａＮ層１４上に、図７に示すように、約４μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなる第１導電型コンタクト層１０５が形成されている。第１導電型コンタクト層１０５上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなる第１導電型クラッド層１０６が形成されている。第１導電型クラッド層１０６上には、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層１０７が形成されている。ＭＱＷ発光層１０７上には、約０．４５μｍの厚みを有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２導電型クラッド層１０８が形成されている。その第２導電型クラッド層１０８上には、約０．１５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層１０９が形成されている。また、第１導電型コンタクト層１０５の露出された上面上には、ｎ型の第１導電型電極１１０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１０９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１１１が形成されている。
【００５０】
なお、第１導電型コンタクト層１０５、第１導電型クラッド層１０６、ＭＱＷ発光層１０７、第２導電型クラッド層１０８および第２導電型コンタクト層１０９は、本発明の「半導体素子層」の一例である。
【００５１】
上記した第１実施形態の半導体レーザ素子では、図６に示した形成方法を用いて形成された薄い厚みで転位が低減されたアンドープＧａＮ層１４上に、各層１０５〜１０９を形成するので、各層１０５〜１０９において、良好な結晶性を実現することができる。したがって、第１実施形態では、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５２】
（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図９は、図８に示した第２実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【００５３】
まず、図８を参照して、この第２実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第２実施形態では、下地としてのｎ型ＳｉＣ基板２１の表面上に、マスク層２２を形成する。このマスク層２２は、ＳｉＮ層２２ａと、ＳｉＯ２層２２ｂと、ＳｉＮ層２２ｃとからなる３層構造を有するとともに、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有する。また、マスク層２２は、中間層のＳｉＯ２膜２２ｂが両側方に突出した形状（オーバーハング形状）を有する。このマスク層２２では、隣接するマスク層２２（ＳｉＯ２層２２ｂ）間の最短距離が、隣接するマスク層２２間に位置するｎ型ＳｉＣ基板２１の露出部の幅よりも小さい。
【００５４】
このようなマスク層２２の形成方法としては、ｎ型ＳｉＣ基板２１上に、ＳｉＮ層２２ａ、ＳｉＯ２層２２ｂおよびＳｉＮ層２２ｃを順次形成した後、ＳｉＮ層２２ｃ上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、フッ酸系のエッチング液を用いてウェットエッチングすることによって、ＳｉＯ２層２２ｂとＳｉＮ層２２ａおよび２２ｃとのエッチングレートの差を利用して、図８に示したようなオーバーハング形状を有するマスク層２２を形成する。
【００５５】
その後、ｎ型ＳｉＣ基板２１上に、約５００℃〜約７００℃の温度条件下で、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層２３を形成する。なお、この低温バッファ層２３は、本発明の「バッファ層」の一例である。そして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層２２を選択成長マスクとして、低温バッファ層２３上に、ｎ型ＧａＮ層２４を成長させる。このｎ型ＧａＮ層２４は、約９５０℃〜約１２００℃の温度条件下で約２μｍの厚みで形成する。なお、このｎ型ＧａＮ層２４は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００５６】
この低温バッファ層２３を成長させる際に、マスク層２２がオーバーハング形状を有するので、そのオーバーハング部下には原料が届きにくくなる。このため、オーバーハング部の下の低温バッファ層２３の厚みは薄くなる。これにより、オーバーハング部の下の薄い厚みの低温バッファ層２３上には、ｎ型ＧａＮ層２４が成長しにくくなるとともに、オーバーハング部１２ａ下には、ｎ型ＧａＮ層２４の原料も届きにくいので、図２に示した概念図のように、成長初期の段階からｎ型ＧａＮ層２４は台形状に形成されやすくなる。これにより、その台形状のｎ型ＧａＮ層２４の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＧａＮ層２４の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ｎ型ＧａＮ層２４の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ｎ型ＧａＮ層２４の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、ｎ型ＳｉＣ基板２１上に、薄い膜厚で転位の低減されたｎ型ＧａＮ層２４をヘテロ成長させることができる。
【００５７】
次に、図９を参照して、図８に示した第２実施形態の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。この第２実施形態による半導体レーザ素子では、図８に示したｎ型ＧａＮ層２４上に、図９に示すように、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる第１導電型層１１５が形成されている。第１導電型層１１５上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなる第１導電型クラッド層１１６が形成されている。第１導電型クラッド層１１６上には、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層１１７が形成されている。ＭＱＷ発光層１１７上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２導電型クラッド層１１８が形成されている。その第２導電型クラッド層１１８上には、約０．１５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層１１９が形成されている。また、ｎ型ＳｉＣ基板２１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。
【００５８】
なお、第１導電型層１１５、第１導電型クラッド層１１６、ＭＱＷ発光層１１７、第２導電型クラッド層１１８および第２導電型コンタクト層１１９は、本発明の「半導体素子層」の一例である。
【００５９】
第２実施形態による半導体レーザ素子では、薄い厚みで転位が低減されたｎ型ＧａＮ層２４を形成した後、そのｎ型ＧａＮ層２４上に、各層１１５〜１１９を形成するので、各層１１５〜１１９において良好な結晶性を実現することができる。これにより、この第２実施形態では、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６０】
なお、上記第２実施形態では、中間層であるＳｉＯ２層２２ｂと、下層のＳｉＮ層２２ａおよび上層のＳｉＮ層２２ｃとのエッチングレートの差を利用して、図８に示したようなオーバーハング形状を有するマスク層２２を形成したが、中間層よりも上層および下層がエッチングされやすい材料であれば、他の組み合わせも可能である。たとえば、上層または下層をタングステンなどの金属で構成し、中間層をＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＴｉＮなどで構成してもよい。
【００６１】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。また、図１１は、図１０に示した窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【００６２】
まず、図１０を参照して、第３実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第３実施形態では、まず、下地としてのサファイア基板３１上に、直接オーバーハング部を有するマスク層３２を形成する。このマスク層３２は、プラズマＣＶＤ法を用いてＲＦパワー１５０Ｗで形成された下層のＳｉＮ層３２ａと、プラズマＣＶＤ法でＲＦパワー２５０Ｗで形成された上層のＳｉＮ層３２ｂとからなる２層構造を有するとともに、約５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みを有する。この場合、上記のように形成された上層のＳｉＮ層３２ｂは、下層のＳｉＮ層３２ａよりもエッチングされにくくなる。
【００６３】
マスク層３２の具体的な形成方法としては、まず、サファイア基板３１上の全面に、下層のＳｉＮ層３２ａと上層のＳｉＮ層３２ｂとを上記した条件で順次形成した後、上層のＳｉＮ層３２ｂ上の所定領域に、レジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、バッファードフッ酸を用いて、上層のＳｉＮ層３２ｂおよび下層のＳｉＮ層３２ａをウェットエッチングすることによって、図１０に示したようなオーバーハング形状を有する２層構造のマスク層３２を形成する。このマスク層３２では、隣接するマスク層３２（ＳｉＮ層３２ｂ）間の最短距離が、隣接するマスク層３２間に位置するサファイア基板３１の露出部の幅よりも小さい。
【００６４】
この後、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層３２を選択成長マスクとして、サファイア基板３１上に、直接、高温成長のアンドープＧａＮ層３３を選択横方向成長させる。この第３実施形態においても、マスク層３２が、オーバーハング形状を有しているので、そのオーバーハング部下には、原料が届きにくくなる。これにより、オーバーハング部下には、厚みの小さいアンドープＧａＮ層３３が形成されるとともに、サファイア基板３１の露出部中央では、均一な厚みのアンドープＧａＮ層３３が形成されるので、図２の概念図と同様、成長初期の段階から台形状のアンドープＧａＮ層３３が形成される。このため、その台形状のアンドープＧａＮ層３３の側面が徐々に横方向に成長するので、アンドープＧａＮ層３３の成長初期段階から横方向成長が促進される。
【００６５】
これにより、アンドープＧａＮ層３３の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、アンドープＧａＮ層３３の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、サファイア基板３１上に、薄い膜厚で低転位のアンドープＧａＮ層３３をヘテロ成長させることができる。なお、このアンドープＧａＮ層３３は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００６６】
次に、図１１を参照して、第３実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子について説明する。この半導体レーザ素子では、図１０に示したアンドープＧａＮ層３３上に、図１１に示すように、第１導電型コンタクト層１０５、第１導電型クラッド層１０６、ＭＱＷ発光層１０７、第２導電型クラッド層１０８、第２導電型コンタクト層１０９、ｎ型の第１導電型電極１１０およびｐ型の第２導電型電極１１１が形成されている。なお、各層１０５〜１０９の組成および膜厚は、図７に示した第１実施形態の半導体レーザ素子と同様である。
【００６７】
第３実施形態では、このように薄い膜厚で形成された低転位のアンドープＧａＮ層３３上に、各層１０５〜１０９を形成することによって、各層１０５〜１０９において、良好な結晶性を実現することができる。その結果、第３実施形態では、第１実施形態と同様、厚みが薄く、かつ、良好な特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６８】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図１３は、図１２に示した第４実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【００６９】
まず、図１２を参照して、第４実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第４実施形態では、下地としてのｎ型ＳｉＣ基板４１上に、タングステン（Ｗ）からなるオーバーハング部４２ａを有する逆メサ形状（逆台形形状）のマスク層４２を形成する。このマスク層４２は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みで、約５μｍの周期のストライプ状に形成する。このマスク層４２では、隣接するマスク層４２間の最短距離が、隣接するマスク層４２間に位置するｎ型ＳｉＣ基板４１の露出部の幅よりも小さい。
【００７０】
このＷからなるオーバーハング部４２ａを有するマスク層４２の形成方法としては、まず、ｎ型ＳｉＣ基板４１上の全面にＷ層（図示せず）を形成した後、そのＷ層上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、Ｗ層をエッチングする際、オーバーエッチングとなるようにエッチング条件を調整する。これにより、Ｗからなるオーバーハング部４２ａを有するマスク層４２が形成される。
【００７１】
この後、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層４２を選択成長マスクとして、ｎ型ＳｉＣ基板４１上に、ｎ型のＡｌＷＢＸＧａＹＩｎＺＴｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＮ層４３を選択成長させる。ＡｌＷＢＸＧａＹＩｎＺＴｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＮの組成は、Ｙ＝Ｚ＝０を除く組成で、かつ、ＡｌＷＢＸＧａＹＩｎＺＴｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＮの格子定数は、ＧａＮの格子定数より大きい。本実施形態では、たとえば、ｎ型ＩｎＧａＮ層４３を選択成長させる。このｎ型ＩｎＧａＮ層４３は、約６５０℃〜約９００℃の温度条件下で約２μｍの厚みで形成する。
【００７２】
なお、ｎ型ＳｉＣ基板４１上に、直接ｎ型ＩｎＧａＮ層４３を成長させると、マスク層４２のオーバーハング部４２ａ下には、原料が届きにくくなる。これにより、オーバーハング部４２ａ下には、厚みの小さいｎ型ＩｎＧａＮ層４３が形成されるとともに、ｎ型ＳｉＣ基板４１の露出部中央では、均一な厚みのｎ型ＩｎＧａＮ層４３が形成されるので、図２の概念図と同様、成長初期の段階から台形状のｎ型ＩｎＧａＮ層４３が形成される。このため、その台形状のｎ型ＩｎＧａＮ層４３の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＩｎＧａＮ層４３の成長初期段階から横方向成長が促進される。これにより、図３９に示した従来例のように下地層としてＧａＮ層を設けなくても、ｎ型ＳｉＣ基板４１上に、低転位のｎ型ＩｎＧａＮ層４３を厚く成長させることができる。この場合、下地層としてのＧａＮ層を設ける必要がない分、図３９に示した従来例に比べて、全体の厚みを薄くすることができる。なお、このｎ型ＩｎＧａＮ層４３は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００７３】
次に、図１３を参照して、第４実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造を説明する。この第４実施形態の半導体レーザ素子では、図１２に示したｎ型ＩｎＧａＮ層４３上に、ｎ型ＩｎＧａＮ層からなる第１導電型層１１５、ｎ型ＧａＮ層からなる第１導電型クラッド層１１６、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ発光層１１７、ｐ型ＧａＮ層からなる第２導電型クラッド層１１８、および、ｐ型ＩｎＧａＮ層からなる第２導電型コンタクト層１１９が形成されている。また、ｎ型ＳｉＣ基板４１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。なお、上記した各層１１５〜１１９の膜厚は、図９に示した第２実施形態の半導体レーザと同様である。
【００７４】
第４実施形態による半導体レーザ素子では、図１２に示した形成方法を用いて形成された低転位のｎ型ＩｎＧａＮ層４３上に、各層１１５〜１１９を形成するので、各層１１５〜１１９において良好な結晶性を実現することができる。また、図１２に示した窒化物系半導体層の形成方法では、全体の厚みが薄く形成されるので、その上に各層１１５〜１１９を形成した場合、半導体レーザ素子の厚みが薄くなる。これにより、この第４実施形態では、第２実施形態と同様、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７５】
また、第４実施形態による半導体レーザ素子では、図１２に示した形成方法を用いて形成された低転位のｎ型ＩｎＧａＮ層４３上に、ＭＱＷ発光層１１７を形成するので、ＭＱＷ発光層１１７の格子定数を大きくするためにＭＱＷ発光層１１７のＩｎ組成を高くしても、良好な結晶性を実現することができる。したがって、従来の窒化物系半導体レーザより、緑色などの長波長の半導体レーザを実現することができる。
【００７６】
（第５実施形態）
図１４は、本発明の第５実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図１５は、図１４に示した窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。まず、図１４を参照して、第５実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。
【００７７】
まず、この第５実施形態では、下地としてのｎ型ＧａＡｓ（１１１）Ａ基板５１の表面上に、ＳｉＮからなるマスク層５２を約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みで、５μｍの周期で形成する。そして、このマスク層５２をマスクとして、ｎ型ＧａＡｓ基板５１をエッチングする。この際、オーバーエッチングを行うことによって、ｎ型ＧａＡｓ基板５１に、逆メサ形状の凸部５１ａを形成する。なお、このｎ型ＧａＡｓ基板５１のエッチングは、Ｈ２ＳＯ４＋Ｈ２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ（４：１：１）またはＨ３ＰＯ４＋Ｈ２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ（３：１：１）を用いて行う。
【００７８】
この後、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の露出された表面上に、約５００℃〜約７００℃の温度条件下で約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層５３を形成する。なお、逆メサ形状の凸部（オーバーハング部）５１ａ下の部分では、原料が供給されにくいため、低温バッファ層５３の厚みが小さくなる。
【００７９】
次に、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層５２を選択成長マスクとして、低温バッファ層５３上に、ｎ型ＧａＮ層５４を選択横方向成長させる。この場合、マスク層５２下の凸部５１ａは逆メサ形状を有しているので、マスク層５２の両端部は、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の露出部の上方に突出したオーバーハング形状を有する構造になる。すなわち、このマスク層５２では、隣接するマスク層５２間の最短距離Ｗ１が、隣接するマスク層５２間に位置するｎ型ＧａＡｓ基板５１の露出部の幅Ｗ２よりも小さい。
【００８０】
ここで、上記したオーバーハング部５１ａ下の膜厚の薄い低温バッファ層５３上には、ｎ型ＧａＮ層５４が成長しにくくなるとともに、オーバーハング部５１ａ下には、ｎ型ＧａＮ層５４の原料も届きにくいので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のｎ型ＧａＮ層５４が形成されやすくなる。これにより、その台形状のｎ型ＧａＮ層５４の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＧａＮ層５４の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ｎ型ＧａＮ層５４の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ｎ型ＧａＮ層５４の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、ｎ型ＧａＡｓ基板５１上に、ｎ型ＧａＮ層５４を薄い膜厚でヘテロ成長させることができる。なお、このｎ型ＧａＮ層５４は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００８１】
次に、図１５を参照して、図１４に示した第５実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子について説明する。この第５実施形態の半導体レーザ素子では、図１４に示したｎ型ＧａＮ層５４上に、第１導電型層１１５、第１導電型クラッド層１１６、ＭＱＷ発光層１１７、第２導電型クラッド層１１８および第２導電型コンタクト層１１９が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。なお、上記した各層１１５〜１１９の組成および膜厚は、図９に示した第２実施形態の半導体レーザと同様である。
【００８２】
第５実施形態による半導体レーザ素子では、図１４に示した形成方法を用いて形成された厚みの薄い低転位のｎ型ＧａＮ層５４上に、各層１１５〜１１９を形成するので、各層１１５〜１１９において良好な結晶性を実現することができる。これにより、この第５実施形態では、第２および第４実施形態と同様、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８３】
（第６実施形態）
図１６は、本発明の第６実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図１７は、図１６に示した第６実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【００８４】
図１６を参照して、まず、第６実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第６実施形態では、下地としてのｎ型Ｓｉ（１１１）基板６１の表面に、タングステン（Ｗ）層を約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの膜厚で形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いてパターンニングすることによって、約１０μｍ周期のストライプ状のＷからなるマスク層６２を形成する。そして、マスク層６２をマスクとして、ＨＦ：ＨＮＯ３：ＣＨ３ＣＯＯＨ（１：５：１）を用いて、ｎ型Ｓｉ基板６１をエッチングすることによって、図１６に示されるような、マスク層６２の両端部下に位置するｎ型Ｓｉ基板６１の領域がえぐられた形状を形成する。つまり、マスク層６２の両端部は、ｎ型Ｓｉ基板６１の露出部の端部の上方に突出したオーバーハング形状となる。このマスク層６２では、隣接するマスク層６２間の最短距離Ｗ１が、隣接するマスク層６２間に位置するｎ型Ｓｉ基板６１の露出部の幅Ｗ２よりも小さい。
【００８５】
このマスク層６２を選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、ｎ型Ｓｉ基板６１の露出された表面上に、約１１００℃の温度条件下で約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮからなるバッファ層６３を形成する。この後、露出されたｎ型Ｓｉ基板６１上およびバッファ層６３上に、ｎ型ＧａＮ層６４を選択横方向成長させる。
【００８６】
この場合、マスク層６２の両端部のオーバーハング部下に位置するｎ型Ｓｉ基板６１の表面では、原料が届きにくくなる。このため、オーバーハング部下では、厚みの小さいｎ型ＧａＮ層６４が形成されるとともに、ｎ型Ｓｉ基板６１の露出部中央では均一な厚みのｎ型ＧａＮ層６４が形成されるので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のｎ型ＧａＮ層６４が形成される。これにより、その台形状のｎ型ＧａＮ層６４の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＧａＮ層６４の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ｎ型ＧａＮ層６４の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ｎ型ＧａＮ層６４の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、ｎ型Ｓｉ基板６１上に、薄い膜厚で低転位のｎ型ＧａＮ層６４をヘテロ成長させることができる。なお、このｎ型ＧａＮ層６４は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００８７】
次に、図１７を参照して、図１６に示した第６実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造について説明する。この第６実施形態による半導体レーザ素子では、図１６に示したｎ型ＧａＮ層６４上に、第１導電型層１１５、第１導電型クラッド層１１６、ＭＱＷ発光層１１７、第２導電型クラッド層１１８および第２導電型コンタクト層１１９が形成されている。また、ｎ型Ｓｉ基板６１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。なお、上記した各層１１５〜１１９の組成および膜厚は、図９に示した第２実施形態の半導体レーザと同様である。
【００８８】
第６実施形態による半導体レーザ素子では、図１６に示した形成方法を用いて形成された厚みの薄い低転位のｎ型ＧａＮ層６４上に、各層１１５〜１１９を形成するので、各層１１５〜１１９において良好な結晶性を実現することができる。これにより、この第６実施形態では、第２、第４および第５実施形態と同様、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８９】
なお、上記した第１〜第６実施形態においては、基板として、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板を用いたが、これらの基板に加えて、スピネル基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、水晶基板などを用いてもよく、これらの窒化物系半導体以外の基板を用いる場合に、特に転位減少の効果が大きい。
【００９０】
（第７実施形態）
図１８は、本発明の第７実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図１９は、図１８に示した第７実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【００９１】
まず、図１８を参照して、第７実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第７実施形態では、下地としてのｎ型ＧａＮ基板７１上に、オーバーハング部７２ａを有する逆メサ形状のＳｉＮからなるマスク層７２を形成する。このＳｉＮからなるマスク層７２は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの膜厚を有するとともに、約１０μｍの周期でストライプ状に形成する。このマスク層７２の形成方法としては、まず、ｎ型ＧａＮ基板７１上の全面にＳｉＮ層（図示せず）を形成した後、そのＳｉＮ層上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、ＳｉＮ層をエッチングする際に、オーバーエッチングする。これにより、オーバーハング部７２ａを有する逆メサ形状のマスク層７２が形成される。このマスク層７２では、隣接するマスク層７２間の最短距離が、隣接するマスク層７２間に位置するｎ型ＧａＮ基板７１の露出部の幅よりも小さい。
【００９２】
この後、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層７２を選択成長マスクとして、ｎ型ＧａＮ基板７１上に、ｎ型のＡｌＷＢＸＧａＹＩｎＺＴｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＮ層７３を選択横方向成長させる。ここで、ＡｌＷＢＸＧａＹＩｎＺＴｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＮの組成は、Ｘ＝Ｙ＝０を除く組成で、かつ、ＡｌＷＢＸＧａＹＩｎＺＴｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＮの格子定数は、ＧａＮの格子定数より小さい。たとえば、ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（０＜Ｗ≦１）またはＢＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）などである。本実施形態では、たとえば、Ｂ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７３を約８５０℃〜約１４００℃の温度条件下で約２μｍの厚みを有するように形成する。
【００９３】
この場合、マスク層７２のオーバーハング部７２ａ下には、原料が届きにくい。このため、オーバーハング部７２ａ下には、厚みの小さいｎ型ＢＧａＮ層７３が形成されるとともに、ｎ型ＧａＮ基板７１の露出部中央では、均一な厚みのｎ型ＢＧａＮ層７３が形成されるので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のｎ型ＢＧａＮ層７３が形成される。これにより、その台形状のｎ型ＢＧａＮ層７３の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＢＧａＮ層７３の成長初期段階から横方向成長が促進される。その結果、下地のＧａＮ層がない状態でも、ｎ型ＧａＮ基板７１上に、低転位のｎ型ＢＧａＮ層７３を厚く形成することができる。この場合、下地層としてのＧａＮ層を設ける必要がない分、図３９に示した従来例に比べて、全体の厚みを薄くすることができる。なお、このｎ型ＢＧａＮ層７３は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００９４】
次に、図１９を参照して、第７実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子について説明する。この半導体レーザ素子では、図１８に示したｎ型ＢＧａＮ層７３上に、ｎ型ＢＧａＮ層からなる第１導電型層１１５、ｎ型ＢＧａＮ層からなる第１導電型クラッド層１１６、ＡｌＧａＮからなるＭＱＷ発光層１１７、ｐ型ＢＧａＮ層からなる第２導電型クラッド層１１８、および、ｐ型ＧａＮ層からなる第２導電型コンタクト層１１９が形成されている。また、ｎ型ＧａＮ基板７１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。なお、上記した各層１１５〜１１９の膜厚は、図９に示した第２実施形態の半導体レーザと同様である。
【００９５】
第７実施形態による半導体レーザ素子では、低転位のｎ型ＢＧａＮ層７３上に、各層１１５〜１１９を形成するので、各層１１５〜１１９において良好な結晶性を実現することができる。また、図１９の形成方法では、全体の厚みが薄く形成されるので、その上に各層１１５〜１１９を形成した場合、半導体レーザ素子の厚みが薄くなる。これにより、この第７実施形態においても、第２、第４、第５および第６実施形態と同様、厚みが薄く、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００９６】
また、第７実施形態による半導体レーザ素子では、厚く形成された低転位のｎ型ＢＧａＮ層７３上に、ＭＱＷ発光層１１７を形成するので、ＭＱＷ発光層１１７の格子定数を小さくするためにＭＱＷ発光層１１７のＡｌ組成を高くしても良好な結晶性を実現することができる。したがって、従来の窒化物系半導体レーザより、短波長の半導体レーザを実現することができる。
【００９７】
上記第７実施形態では、窒化物系半導体層としてｎ型ＢＧａＮ層７３を形成する例を示したが、本実施形態においては、窒化物系半導体層として形成する材料は、ｎ型ＢＧａＮ層７３に限られるものではない。たとえば、ＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＮなどの窒化物系半導体層の混晶やＢ、Ｉｎ、Ｔｌのうちの少なくとも１つを含む窒化物系半導体層の混晶などの形成が可能である。
【００９８】
また、上記第７実施形態では、基板として、ｎ型ＧａＮ基板７１を用いたが、ｎ型ＧａＮ基板７１に代えて、サファイア基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、スピネル基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、水晶基板などを用いてもよい。
【００９９】
（第８実施形態）
図２０は、本発明の第８実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図２１は、図２０に示した第８実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【０１００】
まず、図２０を参照して、第８実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第８実施形態では、サファイア基板８１上に、約５００℃〜約７００℃の温度条件下で、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層８２を形成する。その低温バッファ層８２上に、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、下地となるＧａＮ層８３を約２μｍの厚みで形成する。そのＧａＮ層８３上に、オーバーハング部８４ａを有する逆メサ形状のＳｉＮからなるマスク層８４を形成する。このマスク層８４では、隣接するマスク層８４間の最短距離が、隣接するマスク層８４間に位置するＧａＮ層８３の露出部の幅よりも小さい。
【０１０１】
そして、そのようなマスク層８４をマスクとして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、ＧａＮ層８３上に、Ａｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＢＷＧａＸＩｎＹＴｌＺＮ層８５を選択横方向成長させる。Ａｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＢＷＧａＸＩｎＹＴｌＺＮの組成は、Ｙ＝Ｚ＝０を除く組成で、かつ、Ａｌ１−Ｗ−Ｘ−Ｙ−ＺＢＷＧａＸＩｎＹＴｌＺＮの格子定数は、ＧａＮの格子定数より大きい。たとえば、Ｇａ１−ＹＩｎＹＮ（０＜Ｙ≦１）またはＧａ１−ＺＴｌＺＮ（０＜Ｚ≦１）などである。本実施形態では、たとえば、ＡｌＧａＩｎＮ層８５を選択横方向成長させる。このＡｌＧａＩｎＮ層８５は、約６００℃〜約１２００℃の温度条件下で、約１μｍの厚みを有するように形成する。
【０１０２】
この場合、マスク層８４のオーバーハング部８４ａ下には、原料が届きにくい。このため、オーバーハング部８４ａ下には、厚みの小さいＡｌＧａＩｎＮ層８５が形成されるとともに、ＧａＮ層８３の露出部中央では、均一な厚みのＡｌＧａＩｎＮ層８５が形成されるので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のＡｌＧａＩｎＮ層８５が形成される。これにより、その台形状のＡｌＧａＩｎＮ層８５の側面が徐々に横方向に成長するので、ＡｌＧａＩｎＮ層８５の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ＡｌＧａＩｎＮ層８５の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ＡｌＧａＩｎＮ層８５の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、薄い厚みで低転位のＡｌＧａＩｎＮ層８５を形成することができる。なお、このＡｌＧａＩｎＮ層８５は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【０１０３】
次に、図２１を参照して、図２０に示した窒化物系半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造について説明する。この第８実施形態による半導体レーザ素子では、図２０に示したＡｌＧａＩｎＮ層８５上に、図２１に示すように、第１導電型コンタクト層１０５、第１導電型クラッド層１０６、ＭＱＷ発光層１０７、第２導電型クラッド層１０８、第２導電型コンタクト層１０９、ｎ型の第１導電型電極１１０およびｐ型の第２導電型電極１１１が形成されている。なお、各層１０５〜１０９の組成および膜厚は、図７に示した第１実施形態の半導体レーザ素子と同様である。
【０１０４】
第８実施形態では、このように薄い膜厚で形成された低転位のＡｌＩｎＧａＮ層８５上に、各層１０５〜１０９を形成することによって、各層１０５〜１０９において、良好な結晶性を実現することができる。その結果、第８実施形態では、厚みが薄く、かつ、良好な特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１０５】
（第９実施形態）
図２２は、本発明の第９実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図２３は、図２２に示した第９実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【０１０６】
まず、図２２を参照して、第９実施形態の窒化物系半導体層の形成方法について説明する。この第９実施形態では、サファイア基板９１上に、ＡｌＧａＮの低温バッファ層９２を形成した後、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、下地となるＧａＮ層９３を約２μｍの厚みで形成する。そのＧａＮ層９３上に、オーバーハング部９４ａを有する逆メサ形状のＳｉＮからなるマスク層９４を形成する。このマスク層９４では、隣接するマスク層９４間の最短距離が、隣接するマスク層９４間に位置するＧａＮ層９３の露出部の幅よりも小さい。
【０１０７】
そして、そのようなマスク層９４をマスクとして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、ＧａＮ層９３上にＧａＮ層９５を選択横方向成長させる。本実施形態では、ＧａＮ層９５は約１１５０℃の温度条件下で約１μｍの厚みを有するように形成する。
【０１０８】
この場合、マスク層９４のオーバーハング部９４ａ下には、原料が届きにくい。このため、オーバーハング部９４ａ下には、厚みの小さいＧａＮ層９５が形成されるとともに、ＧａＮ層９３の露出部中央では、均一な厚みのＧａＮ層９５が形成されるので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のＧａＮ層９５が形成される。これにより、その台形状のＧａＮ層９５の側面が徐々に横方向に成長するので、ＧａＮ層９５の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ＧａＮ層９５の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ＧａＮ層９５の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、薄い膜厚で転位の低減されたＧａＮ層９５を成長させることができる。なお、このＧａＮ層９５は、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【０１０９】
次に、図２３を参照して、図２２に示した窒化物系半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造について説明する。この第９実施形態による半導体レーザ素子では、図２２に示したＧａＮ層９５上に、図２３に示すように、第１導電型コンタクト層１０５、第１導電型クラッド層１０６、ＭＱＷ発光層１０７、第２導電型クラッド層１０８、第２導導電型コンタクト層１０９、ｎ型の第１導電型電極１１０およびｐ型の第２導電型電極１１１が形成されている。なお、各層１０５〜１０９の組成および膜厚は、図７に示した第１実施形態の半導体レーザ素子と同様である。
【０１１０】
第９実施形態では、このように薄い膜厚で形成された低転位のＧａＮ層９５上に、各層１０５〜１０９を形成することによって、各層１０５〜１０９において、良好な結晶性を実現することができる。その結果、第９実施形態では、厚みが薄く、かつ、良好な特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１１１】
（第１０実施形態）
図２４は、本発明の第１０実施形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図２５は、図２４に示した第１０実施形態の半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【０１１２】
まず、図２４を参照して、第１０実施形態の半導体層の形成方法について説明する。この第１０実施形態では、下地としてのｎ型Ｓｉ（１１１）基板１３１上に、タングステン（Ｗ）からなるオーバーハング部１３２ａを有する逆メサ形状（逆台形形状）のマスク層１３２を形成する。このマスク層１３２は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みで、約５μｍの周期のストライプ状に形成する。このマスク層１３２では、隣接するマスク層１３２間の最短距離が、隣接するマスク層１３２間に位置するｎ型Ｓｉ基板１３１の露出部の幅よりも小さい。
【０１１３】
このＷからなるオーバーハング部１３２ａを有するマスク層１３２の形成方法としては、まず、ｎ型Ｓｉ基板１３１上の全面にＷ層（図示せず）を形成した後、そのＷ層上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、Ｗ層をエッチングする際、オーバーエッチングとなるようにエッチング条件を調整する。これにより、Ｗからなるオーバーハング部１３２ａを有するマスク層１３２が形成される。
【０１１４】
この後、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法を用いて、マスク層１３２を選択成長マスクとして、ｎ型Ｓｉ基板１３１上に、ｎ型ＧａＡｓ層１３３を選択成長させる。なお、ｎ型ＧａＡｓ層１３３は、（１１１）Ｂ面を成長表面として成長している。このＧａＡｓ層１３３は、たとえば、約６００℃の温度条件下で約２μｍの厚みで形成する。
【０１１５】
また、この第１０実施形態においても、マスク層１３２のオーバーハング部１３２ａ下には、原料が届きにくくなる。このため、マスク層１３２のオーバーハング部１３２ａ下には、厚みの小さいｎ型ＧａＡｓ層１３３が形成されるとともに、ｎ型Ｓｉ基板１３１の露出部中央では、均一な厚みのｎ型ＧａＡｓ層１３３が形成されるので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のｎ型ＧａＡｓ層１３３を形成することができる。これにより、その台形状のｎ型ＧａＡｓ層１３３の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＧａＡｓ層１３３の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ｎ型ＧａＡｓ層１３３の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ｎ型ＧａＡｓ層１３３の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、ｎ型Ｓｉ基板１３１上に直接ｎ型ＧａＡｓ層１３３を成長させる場合に、ｎ型Ｓｉ基板１３１上に、低転位のｎ型ＧａＡｓ層１３３を厚く成長させることができる。この場合、下地層を設ける必要がない分、全体を厚みを薄くすることができる。
【０１１６】
次に、図２５を参照して、第１０実施形態の半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造を説明する。この第１０実施形態の半導体レーザ素子では、図２４に示したｎ型ＧａＡｓ層１３３上に、ｎ型ＧａＡｓからなる第１導電型層１１５ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型クラッド層１１６ａ、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとからなるＭＱＷ発光層１１７ａ、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる第２導電型クラッド層１１８ａおよびｐ型ＧａＡｓからなる第２導電型コンタクト層１１９ａが形成されている。また、ｎ型Ｓｉ基板１３１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９ａの上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。
【０１１７】
なお、第１導電型層１１５ａ、第１導電型クラッド層１１６ａ、ＭＱＷ発光層１１７ａ、第２導電型クラッド層１１８ａおよび第２導電型コンタクト層１１９ａは、本発明の「半導体素子層」の一例である。
【０１１８】
この第１０実施形態による半導体レーザ素子では、図２４に示した形成方法を用いて形成された低転位のｎ型ＧａＡｓ層１３３上に、各層１１５ａ〜１１９ａを形成するので、各層１１５ａ〜１１９ａにおいて良好な結晶性を実現することができる。
【０１１９】
（第１１実施形態）
図２６は、本発明の第１１実施形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図２７は、図２６に示した第１１実施形態の半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【０１２０】
まず、図２６を参照して、第１１実施形態の半導体層の形成方法について説明する。この第１１実施形態では、下地としてのｎ型Ｓｉ（１１１）基板１４１上に、ｎ型ＧａＡｓ層１４３を成長させる。このｎ型ＧａＡｓ層１４３は、（１１１）Ａ面を成長表面として成長している。このｎ型ＧａＡｓ層１４３の（１１１）Ａ面上に、タングステン（Ｗ）からなるオーバーハング部１４２ａを有する逆メサ形状（逆台形形状）のマスク層１４２を形成する。このマスク層１４２は、約１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚みで、約５μｍの周期のストライプ状に形成する。このマスク層１４２では、隣接するマスク層１４２間の最短距離が隣接するマスク層１４２間に位置するｎ型ＧａＡｓ層１４３の露出部の幅よりも小さい。
【０１２１】
このＷからなるオーバーハング部１４２ａを有するマスク層１４２の形成方法としては、まず、ｎ型ＧａＡｓ層１４３上の全面にＷ層（図示せず）を形成した後、そのＷ層上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、Ｗ層をエッチングする際、オーバーエッチングとなるようにエッチング条件を調整する。これにより、Ｗからなるオーバーハング部１４２ａを有するマスク層１４２が形成される。
【０１２２】
この後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、マスク層１４２を選択成長マスクとして、ｎ型ＧａＡｓ層１４３上に、ｎ型ＧａＡｓ層１４４を選択成長させる。なお、このｎ型ＧａＡｓ層１４４は、（１１１）Ａ面を成長表面として成長している。このｎ型ＧａＡｓ層１４４は、約６００℃の温度条件下で、約２μｍの厚みで形成する。
【０１２３】
この第１１実施形態においても、マスク層１４２のオーバーハング部１４２ａ下には、原料が届きにくくなる。このため、オーバーハング部１４２ａ下には、厚みの小さいｎ型ＧａＡｓ層１４４が形成されるとともに、下地としてのｎ型ＧａＡｓ層１４３の露出部中央では、均一な厚みのｎ型ＧａＡｓ層１４４が形成されるので、図２に示した概念図と同様、成長初期の段階から台形状のｎ型ＧａＡｓ層１４４が形成される。これにより、その台形状のｎ型ＧａＡｓ層１４４の側面が徐々に横方向に成長するので、ｎ型ＧａＡｓ層１４４の成長初期段階から横方向成長が促進される。このため、ｎ型ＧａＡｓ層１４４の成長初期段階から転位が横方向へ曲げられるので、ｎ型ＧａＡｓ層１４４の成長初期段階から縦方向に伝播する転位を低減することができる。その結果、ｎ型ＧａＡｓ層１４３上に、低転位のｎ型ＧａＡｓ層１４４を成長させることができる。
【０１２４】
次に、図２７を参照して、第１１実施形態の半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造を説明する。この第１１実施形態の半導体レーザ素子では、図２６に示したｎ型ＧａＡｓ層１４４上に、ｎ型ＧａＡｓからなる第１導電型層１１５ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型クラッド層１１６ａ、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとからなるＭＱＷ発光層１２７ａ、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる第２導電型クラッド層１１８ａおよびｐ型ＧａＡｓからなる第２導電型コンタクト層１１９ａが形成されている。また、ｎ型Ｓｉ基板１４１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、ｐ型の第２導電型コンタクト層１１９ａの上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。
【０１２５】
第１１実施形態による半導体レーザ素子では、図２６に示した形成方法を用いて形成された低転位のｎ型ＧａＡｓ層１４４上に、各層１１５ａ〜１１９ａおよび１２７ａを形成するので、各層１１５ａ〜１１９ａおよび１２７ａにおいて良好な結晶性を実現することができる。
【０１２６】
（第１２実施形態）
図２８は、本発明の第１２実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図２９は、図２８に示した窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。この第１２実施形態では、超格子層を用いる例について説明する。
【０１２７】
まず、この第１２実施形態では、下地としてのサファイア基板１５１の上面上に、直接、ＳｉＮからなるマスク層１５２を形成する。このマスク層１５２は、オーバーハング部１５２ａを有する逆メサ形状（逆台形形状）に形成する。このマスク層１５２では、隣接するマスク層１５２間の最短距離が、隣接するマスク層１５２間に位置するサファイア基板１５１の露出部の幅よりも小さい。
【０１２８】
このようなマスク層１５２の形成方法としては、まず、サファイア基板１５１上の全面にＳｉＮ層（図示せず）を形成した後、そのＳｉＮ層上の所定領域にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、ＳｉＮ層をウェットエッチングすることによって、容易にオーバーハング部１５２ａを有する逆台形形状のマスク層１５２を形成することができる。なお、このマスク層１５２は、約７μｍの周期を有するストライプ状（細長状）で、約１μｍの厚みで形成する。また、マスク層１５２の開口部は、たとえば、サファイアの［１１−２０］方向またはサファイアの［１−１００］方向に形成するのが好ましい。
【０１２９】
この後、サファイア基板１５１上に、約５００℃〜約７００℃の温度条件下で、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの厚みを有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層１５３を成長させる。そして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法を用いて、マスク層１５２を選択成長マスクとして、低温バッファ層１５３上に、アンドープＧａＮ層１５４を形成する。このアンドープＧａＮ層１５４は、約９５０℃〜約１２００℃の温度条件下で、約０．５μｍの厚みを有するように形成する。
【０１３０】
ここで、低温バッファ層１５３を成長させる際に、マスク層１５２がオーバーハング部１５２ａを有するので、オーバーハング部１５２ａ下には原料が届きにくくなる。このため、オーバーハング部１５２ａ下のバッファ層の厚みは薄くなる。これにより、オーバーハング部１５２ａ下の膜厚の薄い低温バッファ層１５３上には、アンドープＧａＮ層１５４が成長しにくくなるとともに、オーバーハング部１５２ａ下には、アンドープＧａＮ層１５４の原料も届きにくいので、図２に示した概念図と同様、台形状のアンドープＧａＮ層１５４が形成されやすくなる。なお、この台形状のアンドープＧａＮ層１５４は、本発明の「第１半導体層」の一例である。
【０１３１】
その後、台形状のアンドープＧａＮ層１５４の表面上に、ＧａＮと組成の異なる層からなる超格子層１５５を約０．１μｍの厚みで形成する。ここで、超格子層とは、格子定数の異なる層が交互に積層された周期構造を有する層をいう。この超格子層１５５の例としては、約１０ｎｍの厚みを有するＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）と約１０ｎｍの厚みを有するＧａＮとの周期構造を有する超格子層や、約１０ｎｍの厚みを有するＧａ１−ＸＩｎＸＮ（０＜Ｘ≦１）と約１０ｎｍの厚みを有するＧａＮの周期構造を有する超格子層などが考えられる。なお、超格子層１５５は、本発明の「第３半導体層」の一例である。
【０１３２】
上記のような超格子層１５５を形成した後、その超格子層１５５上に、アンドープＧａＮ層１５６を、約１．５μｍの厚みを有するように形成して表面を平坦化する。なお、アンドープＧａＮ層１５６は、本発明の「第２半導体層」の一例である。
【０１３３】
この第１２実施形態では、台形状に形成されたアンドープＧａＮ層１５４上に、超格子層１５５を形成した後、再びアンドープＧａＮ層１５６を形成することによって、台形状のアンドープＧａＮ層１５４により横方向に曲げられた転位は、超格子層１５５の格子不整合によって発生した界面応力により、超格子層１５５の延びる方向と平行な方向にさらに曲げられやすくなる。これにより、超格子層１５５の延びる方向と平行な方向に曲げられた転位同士がぶつかることによる転位の結合・消滅が起こりやすくなるので、横方向の転位をさらに低減することができる。その結果、成長初期段階からより容易に転位を低減することができる。
【０１３４】
次に、図２９を参照して、図２８に示した第１２実施形態の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。この第１２実施形態による半導体レーザ素子では、図２８に示したアンドープＧａＮ層１５６上に、図２９に示すように、第１導電型コンタクト層１０５、第１導電型クラッド層１０６、ＭＱＷ発光層１０７、第２導電型クラッド層１０８、第２導電型コンタクト層１０９、ｎ型の第１導電型電極１１０およびｐ型の第２導電型電極１１１が形成されている。なお、各層１０５〜１０９の組成および膜厚は、図７に示した第１実施形態の半導体レーザ素子と同様である。
【０１３５】
第１２実施形態では、このように薄い膜厚で形成されたより低転位のアンドープＧａＮ層１５６上に、各層１０５〜１０９を形成することによって、各層１０５〜１０９において、より良好な結晶性を実現することができる。その結果、第１２実施形態では、厚みが薄く、かつ、より良好な特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１３６】
（第１参考形態）
図３０〜図３２は、本発明の第１参考形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。図３３は、図３０〜図３２に示した第１参考形態の半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【０１３７】
まず、図３０〜図３２を参照して、第１参考形態の半導体層の形成方法について説明する。この第１参考形態では、下地としてのｎ型Ｓｉ（１１１）基板１６１上に、まず、ｎ型ＧａＡｓ層１６３ａを全面に成長させる。なお、ｎ型ＧａＡｓ層１６３ａは、（１１１）Ｂ面を成長表面として成長している。フォトリソグラフィ技術を用いてｎ型ＧａＡｓ層１６３ａ上の表面に周期的なエッチングマスクを形成する。そして、そのエッチングマスクを用いてｎ型ＧａＡｓ層１６３ａを、Ｈ3ＰＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2０＝８：１：１のエッチング液を用いてウェットエッチングすることによって、図３１に示すような台形状のｎ型ＧａＡｓ層１６３ａを形成する。
【０１３８】
その後、ＳｉＯ２からなるマスク層１６２をｎ型Ｓｉ基板１６１の露出部上の所定領域に形成する。このマスク層１６２は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚みで、約５μｍの周期のストライプ状に形成する。なお、台形状のＧａＡｓ層１６３ａは、マスク層１６２よりも薄くなるように形成する。
【０１３９】
この後、ＭＯＣＶＤ法を用いて、マスク層１６２を選択成長マスクとして、台形状のｎ型ＧａＡｓ層１６３上およびマスク層１６２上に、ｎ型ＧａＡｓ層１６３を選択成長させる。本参考形態では、ｎ型ＧａＡｓ層１６３を、たとえば、約６００℃の温度条件下で約２μｍの厚みで形成する。これにより、図３２に示されるような上面が平坦なｎ型ＧａＡｓ層１６３が形成される。
【０１４０】
なお、この第１参考形態においても台形状のＧａＡｓ層１６３ａを形成することによって、その台形状のＧａＡｓ層１６３ａの側面が成長初期段階から横方向に徐々に成長するので、成長初期段階から横方向成長が促進される。これにより、縦方向の転位が成長初期段階から横方向に曲げられやすくなるので、薄い厚みで転位が低減されたｎ型ＧａＡｓ層１６３を形成することができる。
【０１４１】
次に、図３３を参照して、第１参考形態の半導体層の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子の構造を説明する。この第１参考形態の半導体レーザ素子では、図３２に示したｎ型ＧａＡｓ層１６３上に、ｎ型ＧａＡｓからなる第１導電型層１１５ａ、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型クラッド層１１６ａ、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとからなるＭＱＷ発光層１１７ａ、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる第２導電型クラッド層１１８ａおよびｐ型ＧａＡｓからなる第２導電型コンタクト層１１９ａが形成されている。また、ｎ型Ｓｉ基板１６１の裏面には、ｎ型の第１導電型電極１２０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層１１９ａの上面上には、ｐ型の第２導電型電極１２１が形成されている。
【０１４２】
第１参考形態による半導体レーザ素子では、図３０〜図３２に示した形成方法を用いて形成された低転位のｎ型ＧａＡｓ層１６３上に、各層１１５ａ〜１１９ａを形成するので、各層１１５ａ〜１１９ａにおいて良好な結晶性を実現することができる。
【０１４３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０１４４】
たとえば、上記実施形態では、種々のオーバーハング形状を有するマスク層を示したが、本発明はこれに限らず、隣接するマスク層間の距離が隣接するマスク層間に位置する下地の露出部の幅よりも小さくなるような形状であれば、上記した実施形態以外の構造であってもよい。
【０１４５】
また、上記第１〜第１２実施形態及び第１参考形態では、ストライプ状のマスク層を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、六角形のマスク層、三角形のマスク層、六角形の開口部を形成したマスク層、三角形の開口部を形成したマスク層などであってもよい。
【０１４６】
また、上記第１〜第１２実施形態及び第１参考形態におけるマスク層の材料は、上記実施形態に限定されるものではなく、他の材料を用いてもよい。たとえば、ＳｉＯx、ＴｉＯx、ＺｒＯxまたは高融点金属などが考えられる。
【０１４７】
また、上記第１〜第１２実施形態及び第１参考形態では、半導体レーザ素子を作製する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池などの他の半導体素子を作製する場合にも適用可能である。
【０１４８】
また、上記第１０、第１１実施形態および第１参考形態では、ｎ型ＧａＡｓ層（砒化物系半導体層）を成長させる場合を示したが、本発明はこれに限らず、第１０、第１１実施形態および第１参考形態の形成方法は、ＧａＡｓ層以外の他の材料（２−６族半導体、３−５族半導体（５族として窒素と窒素以外の材料からなる系を含む）、４−４族半導体、４族半導体など）からなる半導体層を成長させる場合にも適用可能である。
【０１４９】
また、上記第１２実施形態では、ＧａＮと組成の異なる層として、超格子層を形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、約０．１μｍのＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）や、約０．１μｍの厚みを有するＧａ１−ＸＩｎＸＮ（０＜Ｘ≦１）などの超格子層以外の層を形成するようにしてもよい。これらの超格子層以外の層は、ＧａＮと格子定数および弾性係数が異なるので、これらの層とＧａＮ層との間に、歪みを発生させることができる。この歪みによる界面応力によって、転位を低減することができる。ただし、歪みを発せさせる効果は、単一の層からなる上記の層よりも周期構造を有する超格子層の方が大きいので、転位低減効果は超格子層の方が大きい。
【０１５０】
また、上記第１２実施形態では、アンドープＧａＮ層（窒化物系半導体層）を成長させる場合を示したが、本発明はこれに限らず、第１２実施形態の超格子層を用いる形成方法は、窒化物系半導体以外の他の材料（２−６族半導体、３−５族半導体（５族として窒素と窒素以外の材料からなる系を含む）、４−４族半導体、４族半導体など）、４−４族半導体、４族半導体など）からなる半導体層を成長させる場合にも適用可能である。たとえば、Ｓｉ基板上に、窒化物系半導体以外の３−５族半導体（ＧａＡｓ系半導体）を形成する場合に、組成の異なる層として、窒化物系半導体以外の３−５族半導体（ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ）およびそれらの超格子を形成するようにしてもよい。
【０１５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、下地上に、低転位の半導体層を薄い膜厚で成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体層の形成方法の概念を説明するための断面図である。
【図２】本発明の半導体層の形成方法の概念を説明するための断面図である。
【図３】本発明の半導体層の形成方法の概念を説明するための断面図である。
【図４】本発明の半導体層の形成方法の概念を説明するための断面図である。
【図５】本発明の半導体層の形成方法の概念を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図７】図６に示した第１実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図９】図８に示した第２実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断
面図である。
【図１１】図１０に示した第３実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図１３】図１２に示した第４実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１４】本発明の第５実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図１５】図１４に示した第５実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１６】本発明の第６実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図１７】図１６に示した第６実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の断面図である。
【図１８】本発明の第７実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図１９】図１８に示した第７実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図２０】本発明の第８実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図２１】図２０に示した第８実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した
半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図２２】本発明の第９実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】図２２に示した第９実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図２４】本発明の第１０実施形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図２５】図２４に示した第１０実施形態の半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図２６】本発明の第１１実施形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図２７】図２６に示した第１１実施形態の半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図２８】本発明の第１２実施形態による窒化物系半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図２９】図２８に示した第１２実施形態の窒化物系半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図３０】本発明の第１参考形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図３１】本発明の第１参考形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図３２】本発明の第１参考形態による半導体層の形成方法を説明するための断面図である。
【図３３】第１参考形態の半導体層の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図３４】従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体層の形成方法の一例を説明するための断面図である。
【図３５】従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体層の形成方法の一例を説明するための断面図である。
【図３６】従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体層の形成方法の一例を説明するための断面図である。
【図３７】従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体層の形成方法の一例を説明するための断面図である。
【図３８】従来の選択横方向成長を用いて基板上に直接窒化物系半導体層を形成する方法を説明するための断面図である。
【図３９】従来の混晶からなる窒化物系半導体層を形成する方法を説明するための断面図である。
【図１】
0003574093.tif 000002
【図２】
0003574093.tif 000003
【図３】
0003574093.tif 000004
【図４】
0003574093.tif 000005
【図５】
0003574093.tif 000006
【図６】
0003574093.tif 000007
【図７】
0003574093.tif 000008
【図８】
0003574093.tif 000009
【図９】
0003574093.tif 000010
【図１０】
0003574093.tif 000011
【図１１】
0003574093.tif 000012
【図１２】
0003574093.tif 000013
【図１３】
0003574093.tif 000014
【図１４】
0003574093.tif 000015
【図１５】
0003574093.tif 000016
【図１６】
0003574093.tif 000017
【図１７】
0003574093.tif 000018
【図１８】
0003574093.tif 000019
【図１９】
0003574093.tif 000020
【図２０】
0003574093.tif 000021
【図２１】
0003574093.tif 000022
【図２２】
0003574093.tif 000023
【図２３】
0003574093.tif 000024
【図２４】
0003574093.tif 000025
【図２５】
0003574093.tif 000026
【図２６】
0003574093.tif 000027
【図２７】
0003574093.tif 000028
【図２８】
0003574093.tif 000029
【図２９】
0003574093.tif 000030
【図３０】
0003574093.tif 000031
【図３１】
0003574093.tif 000032
【図３２】
0003574093.tif 000033
【図３３】
0003574093.tif 000034
【図３４】
0003574093.tif 000035
【図３５】
0003574093.tif 000036
【図３６】
0003574093.tif 000037
【図３７】
0003574093.tif 000038
【図３８】
0003574093.tif 000039
【図３９】
0003574093.tif 000040