(57)【要約】【課題】メタステーブル材料系と熱力学的に安定な高品質結晶を組み合わせて用いて、熱力学的に安定な材料系のみでは実現できない幅広い物性を示す化合物半導体基板を提供する。【解決手段】基板１１上に、それぞれ化合物半導体層によって形成される、第１導電型クラッド層１２、第１導電型光ガイド層１３、メタステーブル材料系結晶からなる発光層１４を有する活性層１６、第２導電型光ガイド層１７、および第２導電型クラッド層２１が順に積層され、活性層１６内の最も上側に位置する発光層１４の上面と第２導電型クラッド層１７の下面との間、または活性層１６内の最も下側に位置する発光層１４の下面と第１導電型クラッド層１２の上面との間の非発光領域２０に形成される上下の層を分割する接合面１８ａが、面内方向に連続しない量子ドット１９を介して接合された接合層１８を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、それぞれ化合物半導体によって形成される、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第２導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第１導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備える化合物半導体基板と、
前記第１導電型クラッド層に第１導電型のキャリアを供給し、第２導電型クラッド層に第２導電型のキャリアを供給する第１および第２の電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ドット状突起物は、前記発光層の厚さよりも厚く、前記発光層で発光される最大強度の光の波長の１／４以下の大きさの化合物半導体から構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記活性層と前記接合層との間に、前記ドット状突起物側からのキャリアを蓄積するキャリア蓄積層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記活性層を含む側の接合面には、少なくとも前記活性層の下面に至る深さを有する溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
基板上に、それぞれ化合物半導体層によって形成される、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、
前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第２導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第１導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備えることを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項６】
第１の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層を、前記化合物半導体が結晶成長する第１の温度で形成する第１の工程と、
前記第１導電型光ガイド層上に、それぞれ化合物半導体からなるメタステーブル材料系結晶からなる発光層を含む活性層、下部第２導電型光ガイド層、面内方向に連続しないドット状突起物を、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第１の温度よりも低い第２の温度で形成する第２の工程と、
第２の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第２導電型クラッド層、上部第２導電型光ガイド層を、前記第２の温度よりも高い第３の温度で形成する第３の工程と、
前記第１の基板上の前記下部第２導電型光ガイド層と、前記第２の基板上の前記上部第２導電型光ガイド層とを前記ドット状突起物を介して貼り合わせ、前記第１および第２の基板の基板面に圧力を与えて、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第１および第３の温度よりも低い第４の温度で熱処理する第４の工程と、
前記第２の基板を除去する第５の工程と、
を含むことを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタステーブル材料系を含む化合物半導体基板とその製造方法、特に、温度または歪によってメタステーブル材料系をヘテロ接合した化合物半導体基板とその製造方法に関するものである。また、その化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置にも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスに新しい材料系を適用して、従来にないまたは従来実現できなかった特性を実現する試みが進められている。たとえば、ＩｎＡｓ系量子ドットをＧａＡｓ基板上に形成してレーザの活性層に適用するようなことが試みられている。また、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成することや、ＧａＮ基板上に高Ｉｎ組成のＧａＩｎＮを形成して、緑色や赤色のレーザを実現することなども試みられている。これらの活性層を形成する材料は、基板と積層領域との格子不整が大きかったり、不混和領域の組成の材料であったりする熱力学的には不安定なメタステーブル材料系であり、加熱することでその特性が大きく変化してしまう。しかし、従来、実用に供されていた材料系とは物性が大きく異なるために、従来できなかった特性の光半導体デバイスや電子デバイスを実現できる可能性があり、このような構造の化合物半導体基板と、この化合物半導体基板を利用した半導体装置が求められている。
【０００３】
このようなメタステーブル材料系を利用した半導体デバイスを形成する場合に、二つの構成上の特性がある。その第１の特性は、ヘテロ接合を利用して半導体デバイスを構成する場合に、メタステーブル材料系の周辺の半導体の形成温度は高いことが望ましいことである。メタステーブル材料系は熱力学的には不混和の材料系を低温で均一に混ぜて形成するものであり、この温度域では材料結晶を構成する元素の結晶表面での移動度が抑制され、このような温度域で形成された結晶は結晶性が不完全となる。この結晶性が不完全なメタステーブル材料に隣接してまたは共存させて使用する材料系は同様の温度で形成されなければならず、結晶全体の特性が不完全になり、半導体デバイスとして十分な特性を得ることができない。
【０００４】
また、第２の特性は、結晶表面に格子不整の大きな材料系を形成するメタステーブル材料系の場合、形成段階では、結晶の上側は空間的に開放されているために材料の下側だけに歪を受けるが、結晶中に埋め込まれると３次元的に歪が加えられるようになるため、メタステーブル材料系の受ける歪量が、結晶形成段階よりも増大する点にある。さらに、メタステーブル材料系の形成温度と、メタステーブル材料系上に形成する材料（周辺材料）の形成温度が異なる場合、メタステーブル材料系と周辺材料の熱膨張係数の差に伴い、メタステーブル材料系が形成された段階よりも大きな歪を受ける場合もある。
【０００５】
ところで、従来、半導体装置の製造において、異種材料を接合するためにウェハの接合を行うことが多く行われている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１には、発光波長に対して不透明な第１の基板に発光層を含む半導体層を順に形成した後、発光波長に対して透明な第２の基板を貼り合わせ、第１の基板を所定の形状に除去した構造の発光ダイオードの製造方法が開示されている。これは、内部発光効率を低下させることなく外部出射効率を向上させ、十分な強度を有する発光ダイオードを得るために、発光波長に対して不透明な第１の基板に発光層を形成した後、発光波長に対して透明な第２の基板と貼り合わせるようにしたものである。しかし、この特許文献１は、メタステーブル材料の両側に高温でしか形成できない材料とのヘテロ接合を形成するというものではない。
【０００６】
【特許文献１】特許第３２３０６３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、熱力学的には不混和領域にあったり、格子不整が大きかったりする熱力学的にメタステーブル状態にある材料系の場合には、低温で形成した状態を何らかの方法で維持する必要があったり、格子不整の大きな材料を埋め込むうちに歪量の増大を抑える必要があったりする。このような結晶では、そのメタステーブル材料系を形成後に、さらに埋め込み領域の結晶を成長させたり、その際に埋め込み領域を形成するために必要な温度までプロセス温度を上げたりすると、スピノーダル分解を起こしたり、塑性変形による歪緩和を起こしたりして、結晶性の低下を招いてしまう。
【０００８】
このような問題を回避するために、メタステーブル材料系を形成した後は大きく温度を上げずに埋め込み層を形成し、埋め込み層形成後に短時間のアニールを行ったり、メタステーブル材料系からなる層（以下、メタステーブル層という）の形成後に積層する層として低温で形成できる材料を用いたり、メタステーブル層形成後の層の厚さを薄くして、メタステーブル層に加わる歪量を抑制したりしている。
【０００９】
しかし、メタステーブル層形成後に低温で埋め込み層を形成してアニールを行っても完全に結晶性を回復することはできず、特にアンイテンショナルに添加された不純物の量を抑制することはできないという問題点があった。また、メタステーブル層形成後に低温で形成できる材料のみを堆積してデバイスを構成した場合、デバイス構造を自由に設計することができず十分なデバイス特性を得ることができないという問題点もあった。さらに、メタステーブル層形成後に堆積する層の厚さを薄くした場合にもデバイス設計に制約が加わり、十分な特性を実現することは難しいという問題点もあった。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、メタステーブル材料系の形成後に、メタステーブル材料系の特性を大きく変化させずにメタステーブル材料系を挟んだ両側に高品質の結晶を自由に形成した構造を有する化合物半導体基板とその製造方法を提供することを目的とする。また、この化合物半導体基板を利用した半導体装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、基板上に、それぞれ化合物半導体によって形成される、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第２導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第１導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備える化合物半導体基板と、前記第１導電型クラッド層に第１導電型のキャリアを供給し、第２導電型クラッド層に第２導電型のキャリアを供給する第１および第２の電極と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、基板上に、それぞれ化合物半導体層によって形成される、第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層、メタステーブル材料系結晶からなる発光層を有する活性層、第２導電型光ガイド層、および第２導電型クラッド層が順に積層された構造を有し、前記活性層内の最も上側に位置する発光層の上面と前記第２導電型クラッド層の下面との間、または前記活性層内の最も下側に位置する発光層の下面と前記第１導電型クラッド層の上面との間の非発光領域に形成される上下の層を分割する接合面が、面内方向に連続しない化合物半導体からなるドット状突起物を介して接合された接合層を備えることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明は、第１の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第１導電型クラッド層、第１導電型光ガイド層を、前記化合物半導体が結晶成長する第１の温度で形成する第１の工程と、前記第１導電型光ガイド層上に、それぞれ化合物半導体からなるメタステーブル材料系結晶からなる発光層を含む活性層、下部第２導電型光ガイド層、面内方向に連続しないドット状突起物を、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第１の温度よりも低い第２の温度で形成する第２の工程と、第２の基板上に、それぞれ化合物半導体からなる第２導電型クラッド層、上部第２導電型光ガイド層を、前記第２の温度よりも高い第３の温度で形成する第３の工程と、前記第１の基板上の前記下部第２導電型光ガイド層と、前記第２の基板上の前記上部第２導電型光ガイド層とを前記ドット状突起物を介して貼り合わせ、前記第１および第２の基板の基板面に圧力を与えて、前記発光層がメタステーブルな状態を保つ範囲の、前記第１および第３の温度よりも低い第４の温度で熱処理する第４の工程と、前記第２の基板を除去する第５の工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、不混和組成の材料や格子不整が熱力学的な臨界歪量を超えたメタステーブル材料系と高温でないと良質な結晶の成長が難しい材料系とが共存する半導体ヘテロ接合を形成することができる。その結果、従来得られなかった材料系を組み合わせた高品質な結晶の化合物半導体基板およびその基板を利用した半導体装置を実現することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置および化合物半導体基板とその製造方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではなく、種々工夫して用いることが可能である。また、以下の実施の形態で用いられる化合物半導体基板と半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。さらに、この明細書における化合物半導体基板とは、基板と積層領域との格子不整が大きかったり、不混和領域の組成の材料であったりする熱力学的には不安定な材料であるメタステーブル材料系からなる活性層を含む化合物半導体層が複数積層された構造が基板上に形成されたものであればよく、基板としては、化合物半導体基板でもよいし、サファイアなどの化合物半導体基板以外の基板でもよい。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、Ｎ型のＧａＡｓ基板１１上に、Ｎ型のＡｌＧａＡｓ層からなる下部クラッド層１２、Ｎ型のＧａＡｓ層からなる下部光ガイド層１３、ＧａＡｓ基板１１と格子整合しないＧａＩｎＡｓ層からなる発光層１４の上下がＧａＡｓ層からなる障壁層１５で挟まれた構造を有する活性層１６、Ｐ型のＧａＡｓ層からなる上部光ガイド層１７、Ｐ型のＡｌＧａＡｓ層からなる上部クラッド層２１、Ｐ型のＧａＡｓ層からなるコンタクト層２２が積層された構成を有する。ここで、最上層の発光層１４と上部クラッド層２１との間の非発光領域２０（ここでは、上部光ガイド層１７に対応する）内には、接合面１８ａが形成され、接合面１８ａ間に形成されたＩｎＡｓの量子ドット（以下、ＩｎＡｓドットという）１９によって両者が接合された接合層１８が形成されることを特徴とする。この図１の例では、メタステーブル材料系を含む活性層１６上に形成された格子欠陥が発生しない程度の厚さの第１の上部光ガイド層１７−１と、図示しない別の基板上に形成された第２の上部光ガイド層１７−２とが、そのいずれかまたはそれぞれの上面に形成されたＩｎＡｓドット１９をバンプとして、面方位を合わせて接合された構成を有する。ここで、ＩｎＡｓドット１９は、特許請求の範囲におけるドット状突起物に対応している。
【００１７】
なお、接合面１８ａは、活性層１６中の最上層の発光層１４の上面から上部クラッド層２１の下面までの間の発光層１４よりもバンドギャップの大きな層からなる非発光領域２０に形成されていればよい。
【００１８】
この図１の例では、活性層上の第１の光ガイド層と第２の光ガイド層との間に形成されたＩｎＡｓドットが、貼り合わせ時に押し付けられて拡散するが、特にＩｎがＧａＡｓ膜内を非常によく拡散し、ＩｎＡｓドットを挟んだ全体の歪が緩和される。つまり、活性層１６の形成後、第１の上部光ガイド層１７−１上にＩｎＡｓドット１９を介して形成されたコンタクト層２２および上部クラッド層２１、第２の上部光ガイド層１７−２からの歪がＩｎＡｓドットによって緩和されて、接合層１８の下側の活性層１６に与える影響が抑制される。
【００１９】
図２は、このような化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。この図２の例では、端面発光型の半導体レーザの場合を例示している。この半導体装置は、図１の化合物半導体基板のコンタクト層２２と上部クラッド層２１の面内中央付近に、それらの幅が狭められた電流狭窄領域を有する構造となっている。つまり、上部クラッド層２１の面内中央付近が凸状の構造となっている。この凸状の電流狭窄領域が形成された上部クラッド層２１とコンタクト層２２の側面および上部クラッド層２１の上面にはＳｉＯ2膜からなるパッシベーション膜２４が形成され、このパッシベーション膜２４上に、コンタクト層２２の表面と同じ高さとなるようにポリマ埋め込み層２５が形成される。コンタクト層２２側の上面の全面にはＰ型電極２６が形成され、ＧａＡｓ基板１１の下面の全面にはＮ型電極２３が形成される。そして、劈開により基板面に垂直な方向の端面を形成して共振器構造を有する半導体レーザとして動作可能な半導体装置が得られる。
【００２０】
このような構造の半導体装置において、Ｐ型電極２６とＮ型電極２３との間に電流を流すと、電流狭窄領域を介して活性層１６に注入されたキャリアによって、活性層１６で発光する。この活性層１６で発光された光は、両端面間での共振によって増幅され、レーザ光として端面から出射される。
【００２１】
つぎに、このような化合物半導体基板および半導体装置の製造方法について説明する。図３−１〜図３−４は、本発明にかかる化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、Ｎ型の第１のＧａＡｓ基板１１上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により下部クラッド層１２（Ｎ型のＡｌＧａＡｓ層）、下部光ガイド層１３（Ｎ型のＧａＡｓ層）を形成する。このとき、下部クラッド層１２を構成するＡｌＧａＡｓ層は、６５０〜８００℃の高温で形成される。ついで、成長温度をたとえば５００〜６５０℃に下げて、発光層１４（ＧａＩｎＡｓ層）の上下を障壁層１５（ＧａＡｓ層）で挟むように活性層１６を形成する。なお、最下層の発光層１４の下側と、最上層の発光層１４の上側には、障壁層１５が形成されるが、この例では、その部分に障壁層１５と同一の材料からなる下部光ガイド層１３と上部光ガイド層１７がそれぞれ形成されるので、それらの位置には障壁層１５は形成されない。その後、活性層１６を形成した温度と同じかそれよりも低い温度で、第１の上部光ガイド層１７−１（ＧａＡｓ層）とＩｎＡｓドット１９を順次形成する（図３−１）。ＩｎＡｓドット１９は、歪量が大きくて連続した膜になれずに盛り上がってしまう特徴を利用して形成するものである。このＩｎＡｓドット１９は、発光層１４の厚さよりも厚く、発光層１４での発光強度の最も高い光の波長の１／４よりも基板面に対する垂直方向への高さの低い突状体構造であればよく、たとえば高さが１〜１０ｎｍで、直径が１０〜４０ｎｍの範囲であることが望ましいが、もっと小さくても可能である。
【００２２】
一方、Ｐ型の第２のＧａＡｓ基板２７上に、後の工程で第２のＧａＡｓ基板２７をエッチングして除去するためのＧａＡｓ層からなるダミー層２８、後の工程で第２のＧａＡｓ基板２７をエッチングする際にエッチングストップとして機能するＡｌＧａＡｓ層からなるエッチングストップ層２９、Ｐ型のＧａＡｓ層からなるコンタクト層２２、Ｐ型のＡｌＧａＡｓ層からなる上部クラッド層２１、およびＰ型のＧａＡｓ層からなる第２の上部光ガイド層１７−２を順にＭＯＣＶＤ法によって形成する（図３−２）。ここで、上部クラッド層２１を構成するＰ型のＡｌＧａＡｓ層は、メタステーブル材料系を有する活性層１６が形成された第１のＧａＡｓ基板１１とは別の第２のＧａＡｓ基板２７上に形成されるので、高品質な結晶が得られる活性層１６の形成温度よりも高温で形成することができる。また、ダミー層２８とエッチングストップ層２９は必要に応じて省略可能である。
【００２３】
ついで、第１のＧａＡｓ基板１１上のＩｎＡｓドット１９と第２のＧａＡｓ基板２７の第２の上部光ガイド層１７−２とを向かい合わせ、それぞれの基板上の第１の上部光ガイド層１７−１の面方位と第２の上部光ガイド層１７−２の面方位とを一致させて、両者を接触させる。その後、両基板間に基板面に垂直な方向に、たとえば錘４１などで加重を加えるように、圧縮応力を加えた状態で、第２のＧａＡｓ基板２７上の上部クラッド層２１の形成温度よりも低温で、またはその形成時間よりも短時間でアニールして、第１のＧａＡｓ基板１１と第２のＧａＡｓ基板２７とを接合する（図３−３）。
【００２４】
ついで、エッチングにより第２のＧａＡｓ基板２７側から、第２のＧａＡｓ基板２７とダミー層２８を除去し、さらにエッチングストップ層２９の一部を除去する（図３−４）。引き続いて、エッチングストップ層２９を選択エッチングにより除去して、コンタクト層２２を表面に露出させることで、図１に示される化合物半導体基板が得られる。
【００２５】
なお、上記の工程において、特に上部および下部クラッド層１２，２１を構成するＡｌＧａＡｓ層の形成に関して、不純物の低減には活性な水素を供給することが望ましいことから、Ｖ族であるＡｓの原料（ＡｓＨ3：アルシン）の供給量を、ＩＩＩ族であるＧａの原料（たとえば、トリメチルガリウム、以下、ＴＭＧという）よりもできるだけ多く供給することが望ましい。また、このような条件で高品質な結晶を成長するという観点からＧａＡｓのコングルーエント温度である５５０℃以上で成長すると、供給されたＡｓ原料が基板に堆積しても再蒸発してしまうので、Ａｓ原料の供給を多くすることができるので望ましく、さらに、金属Ａｌの融点である６２５℃を上回る温度で成長すると、ＡｌＡｓなどの析出物の混入を防ぐ点からより望ましい。一方、発光層１４を構成するメタステーブル材料系である高歪のＧａＩｎＡｓ層に関しては、結晶表面での原子の過剰な動きを抑制するために、過剰なＶ族原料ガスの供給を抑制できるコングルーエント温度の５５０℃以下で実施することが望ましい。
【００２６】
つぎに、このような化合物半導体基板を用いた半導体装置の製造方法について説明する。図４−１〜図４−３は、本発明にかかる半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。まず、図１に示される化合物半導体基板のコンタクト層２２上にＳｉＯ2膜を形成し、通常のリソグラフィ法により電流狭窄領域のみにＳｉＯ2膜が残るように、ＳｉＯ2膜のストライプのマスク３０を形成する（図４−１）。
【００２７】
ついで、このストライプのマスク３０を用いて、コンタクト層２２と上部クラッド層２１の一部をエッチングしてメサ構造を形成する（図４−２）。その後、ＳｉＯ2膜を堆積してパッシベーション膜２４を形成し、図４−２の工程で除去された段差部分にポリマを埋め込みんでポリマ埋め込み層２５を形成する（図４−３）。ついで、通常のリソグラフィ法によってメサ構造上を覆っている所定の位置のＳｉＯ2膜（２４，３０）を除去して下層のコンタクト層２２を露出させる。その後、露出されたコンタクト層２２の上面にコンタクトメタル層を蒸着してＰ型電極２６を形成する。また、第１のＧａＡｓ基板１１を、エッチングや研磨によって薄膜化（所定の厚さに）した後に、第１のＧａＡｓ基板１１の下面にＮ型電極２３を蒸着する。最後に、基板面に垂直な所定の方向に劈開して、素子の共振器構造を形成することで図２に示されるような半導体装置が得られる。
【００２８】
このような方法で化合物半導体基板を形成すると、メタステーブルな状態の高歪のＧａＩｎＡｓ層（発光層１４）を形成した後には、その層上に高温で成長させる必要がある他の半導体層を厚く形成することがないので、第１のＧａＡｓ基板１１を長時間高温の環境にさらすことがない。このため、発光層１４を構成するＧａＩｎＡｓ層の歪量が障壁層１５（第１の上部光ガイド層１７−１）を構成するＧａＡｓ層に対して熱平衡的には臨界歪量を越えていても、温度を上げることにより生じる転位の成長を抑制することができる。一方、第１のＧａＡｓ基板１１上の下部クラッド層１２と第２のＧａＡｓ基板２７上の上部クラッド層２１を構成するＡｌＧａＡｓ層も、メタステーブルな状態のＧａＩｎＡｓ層（発光層１４）を有する第１のＧａＡｓ基板１１に対する格子不整の問題を考えずに最適な温度での成長が可能となる。このため、きわめて高品質な結晶の成長が可能となる。その結果、高品質なＡｌＧａＡｓ層の間に（下部クラッド層１２と上部クラッド層２１との間に）転位密度の低い高品質なＧａＩｎＡｓ結晶（発光層１４）が形成されたヘテロ接合構造を有する化合物半導体基板の形成が可能となる。
【００２９】
またこのような化合物半導体基板を用いることで、高品質な半導体レーザなどの半導体装置の実現が可能となる。たとえば、本第１の実施の形態の上述した半導体レーザにおいては、結晶中への転位の導入が抑制されるので、しきい値電流密度を低減することができるとともに、最大光出力の増大、温度依存性の抑制、素子寿命の向上を可能とする。
【００３０】
上述したように、ＩｎＡｓドット１９を第１の上部光ガイド層１７−１（ＧａＡｓ層）上に形成するとＩｎＡｓドット１９の下部および周辺部分でＧａＡｓ層との相互拡散が起こるために、ＩｎＡｓドット１９の中心軸付近でＩｎ組成が高く、外周部分ではＧａＡｓ組成が高い構造の接合層１８が形成される。このため、ＩｎＡｓドット１９は自然にＧａＡｓ層で埋め込んだ電流狭窄構造となる。またＩｎＡｓドット１９の上下から第１と第２のＧａＡｓ基板１１，２７のそれぞれに形成された第１と第２の上部光ガイド層１７−１，１７−２間を接合した場合には、ＩｎＡｓドット１９の中央先端のＩｎ組成の高い領域が第２の上部光ガイド層１７−２のＧａＡｓ層と接触されて圧迫されるので、ＩｎがＧａＡｓ層（第２の上部光ガイド層１７−２）中に拡散を起こし易い状態となる。このため通常よりも活発に上下の基板の原子の相互拡散が起こり、良質な接合が可能となる。
【００３１】
なお、上述した製造工程における図３−２では、第２のＧａＡｓ基板２７上の上面は第２の上部光ガイド層１７−２を構成するＧａＡｓ層であったが、第１のＧａＡｓ基板１１の場合と同様に第２の上部光ガイド層１７−２の表面上にＩｎＡｓドットを形成してもよい。この場合には、第１と第２のＧａＡｓ基板１１，２７の両側から相互にＩｎＡｓドット１９が接着剤として働くのでより接着効果を高くすることができる。また、ＩｎＡｓドット１９を、第２のＧａＡｓ基板２７の第２の上部光ガイド層１７−２の表面にのみ形成してもよい。
【００３２】
図５は、本発明にかかる化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。この図５に示される半導体装置は、図１において、接合層１８と活性層１６の最も上部の発光層１４との間の第１の上部光ガイド層１７−１にキャリアの蓄積を行うＡｌＧａＡｓ層からなるキャリア蓄積層３１を導入した構造を有する。このような構造によれば、接合面での欠陥の影響を抑制し、接合面と離れた領域でキャリアの蓄積を行うことができるので、半導体装置の特性を向上させることが可能となる。なお、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。なお、このようなキャリア蓄積層３１は、メタステーブル材料系を含む活性層１６が形成された後、第１の上部光ガイド層１７−１上に５００〜６５０℃の温度で形成される。
【００３３】
また、図１と図２では活性層１６の内部の発光領域と接合面１８ａ（接合層１８）の間にはＧａＡｓ層（第１の上部光ガイド層１７−１）のみが形成されていたが、接合層１８の上下両側に不純物を添加して導電性を高めることによって、接合領域でのキャリア濃度を高め、欠陥の影響を低減することもできる。また、ＩｎＡｓドット形成時にドット内部に不純物添加を行うことも有効である。
【００３４】
図６は、本発明にかかる化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。上述した例では、第１のＧａＡｓ基板１１上に発光層１４を含む活性層１６が形成されており、接合層１８は活性層１６の上部に形成されていたが、図６に示されるように、図示しない第２のＧａＡｓ基板側に発光層１４を有する活性層１６を形成してもよい。つまり、接合層１８を、活性層１６の最下層の発光層１４と下部クラッド層１２との間の、発光層１４よりもバンドギャップの大きい半導体層によって構成される非発光領域２０（この図６の例では、第１と第２の下部光ガイド層１３−１，１３−２間）中に形成してもよい。なお、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。
【００３５】
上述した説明では、メタステーブル材料系からなる活性層１６として、ＧａＩｎＡｓ層からなる発光層１４の上下をＧａＡｓ層からなる障壁層１５で挟んだ構造のものを例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、メタステーブル材料系を有する活性層１６に対して広く本第１の実施の形態を適用することができる。
【００３６】
たとえば、図１に示される化合物半導体基板や図２に示される半導体装置において、発光層１４としてＧａＩｎＮＡｓ層を用いてもよい。ＧａＩｎＮＡｓはＧａＩｎＡｓよりも不混和性が高いために、ＧａＩｎＮＡｓ層形成後に６５０℃程度またはそれ以上の温度で長時間処理すると発光波長が短波長にシフトするとともに、組成が不均一になってしまう。そのため、ＧａＩｎＮＡｓ層形成後の高温での熱処理は、半導体装置としての特性を急激に劣化させる原因となる。
【００３７】
しかし、上述した方法で化合物半導体基板と半導体装置を製造することで、メタステーブルなＧａＩｎＮＡｓ層を高温にさらすことが不要となる。その結果、ＧａＩｎＮＡｓ層の均一性を維持できるようになるので、半導体装置としての特性を大幅に向上することができる。
【００３８】
また、図１に示される化合物半導体基板や図２に示される半導体装置において、発光層１４としてＩｎＡｓドット結晶を用いてもよい。ＩｎＡｓドットは局所的な歪量が大きいために、ＩｎＡｓドットの形成後に５６０℃程度またはそれ以上の温度で長時間処理すると発光波長が短波長にシフトするとともに、構造が不均一になってしまう。そのため、ＩｎＡｓドット形成後の高温での熱処理は、半導体装置としての特性を急激に劣化させる原因となる。
【００３９】
しかし、上述した方法で化合物半導体基板と半導体装置を製造することで、メタステーブルなＩｎＡｓドット層を高温にさらすことが不要となる。その結果、ＩｎＡｓドット層の均一性を維持できるようになるので、半導体装置としての特性を大幅に向上することができる。
【００４０】
この第１の実施の形態によれば、第１の基板上にメタステーブル材料系を形成した後、メタステーブル材料系上に形成すべき材料のうち、メタステーブル材料系を高温環境下に置く材料やメタステーブル材料系に歪を過剰に与える材料を、他の第２の基板上に形成し、両者を量子ドット（ドット状突起物）によって面方位を合わせた後に接合するようにしたので、メタステーブル材料系が高温環境下にさらされてスピノーダル分解を起こしたり、メタステーブル材料系に過剰な歪が加えられることによって、塑性変形による歪緩和を起こしたりして、結晶性の低下を招くことを防ぐという効果を有する。また、低融点の量子ドットをバンプとして用いることで、メタステーブル材料系の形成温度付近の温度で量子ドットを構成する材料が他の基板中によく拡散して、２つの基板を接合することができ、メタステーブル材料系のスピノーダル分解や歪緩和の発生を抑えることができる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、Ｎ型のＧａＡｓ基板５１上に、下部半導体多層膜反射鏡層５２、下部クラッド層５３、下部光ガイド層５４、発光層５６とこの発光層５６の上下を挟むように設けられる障壁層５５からなる活性層５７、上部光ガイド層５８、上部クラッド層６１、ＡｌＧａＡｓ層６２、上部半導体多層膜反射鏡層６３、コンタクト層６４が順に積層された構成を有する。ここで、活性層５７の上側に形成される上部光ガイド層５８内には、ＩｎＡｓなどの量子ドット５９を介した接合層６０が形成される。つまり、メタステーブル材料系を含む活性層５７上に形成された格子欠陥が発生しない程度の厚さの第１の上部光ガイド層５８−１と、第２の上部光ガイド層５８−２とが、いずれかまたはそれぞれの上面に形成された量子ドット５９をバンプとして、面方位を合わせて接合された構成を有する。ここで、量子ドット５９は、特許請求の範囲におけるドット状突起物に対応する。
【００４２】
なお、この第２の実施の形態でも、接合層６０は、活性層５７中の最上層の発光層５６の上面から上部クラッド層６１の下面までの間の発光層１４よりもバンドギャップの大きな層からなる非発光領域２０’に形成されていればよい。
【００４３】
図８は、このような化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。この図８の例では、面発光型の半導体レーザの場合を例示している。この半導体装置は、図７の化合物半導体基板のコンタクト層６４から下部クラッド層５３までと下部半導体多層膜反射鏡層５２の一部が除去され、所定の平面形状を有するメサ型の構造を有している。メサ型に形成されたＡｌＧａＡｓ層６２の面内中央付近の領域に電流狭窄領域６２ｓが設けられ、この電流狭窄領域６２ｓの外周部分に酸化アルミニウム層６２ｘが設けられた電流狭窄構造が形成される。ここで、下部半導体多層膜反射鏡層５２と上部半導体多層膜反射鏡層６３によって基板面に対して垂直方向に光共振器が形成されている。
【００４４】
コンタクト層６４の電流狭窄領域６２ｓに対応する領域には、コンタクト層６４が除去され、上部半導体多層膜反射鏡層６３が露出したコンタクト層開口部６４ａが設けられる。コンタクト層６４およびコンタクト層開口部６４ａはパッシベーション膜６５により覆われており、パッシベーション膜６５内には、電流狭窄領域６２ｓの周囲を囲むようにコンタクト層６４が露出した開口６５ａが設けられ、この開口６５ａを埋め込むようにたとえば金属からなる上面側電極６６が設けられる。これによって、上面側電極６６とコンタクト層６４とが電気的に接続される。上面側電極６６によって囲まれる領域を、ここでは電極開口部６６ａという。また、第１のＧａＡｓ基板５１の下面側には基板側電極６７が設けられている。
【００４５】
このように構成された面発光型半導体素子において、上面側電極６６と基板側電極６７との間に電流を流すと、活性層５７に近接して配置された電流狭窄領域６２ｓを介して、活性層５７にキャリアが注入される。注入されたキャリアによって活性層５７で発光された光は、下部半導体多層膜反射鏡層５２と上部半導体多層膜反射鏡層６３からなる光共振器によって共振され、コンタクト層開口部６４ａと電極開口部６６ａが重なる領域からレーザ光が外部に放射される。
【００４６】
ここで、図７に示される化合物半導体基板と図８に示される半導体装置の製造方法について説明する。化合物半導体基板は、第１の実施の形態の場合と同様に製造される。すなわち、第１のＧａＡｓ基板５１上にＭＯＣＶＤ法などにより下部半導体多層膜反射鏡層５２、下部クラッド層５３、下部光ガイド層５４、活性層５７、第１の上部光ガイド層５８−１を形成し、さらに第１の上部光ガイド層５８−１の上面にＩｎＡｓなどの量子ドット５９を形成する。一方、図示しない第２のＧａＡｓ基板上にも、ＭＯＣＶＤ法などによって、ＡｌＧａＡｓ層からなる図示しないダミー層、コンタクト層６４、上部半導体多層膜反射鏡層６３、ＡｌＧａＡｓ層６２、上部クラッド層６１、第２の上部光ガイド層５８−２を形成する。ついで、上部半導体多層膜反射鏡層６３の一部を構成するＡｌＧａＡｓ層６２の外周部分を酸化して、酸化アルミニウム層６２ｘを形成する。これにより、ＡｌＧａＡｓ層６２の面内中央付近には、酸化されていない電流狭窄領域６２ｓが形成される。ついで、２つの基板上の第１の上部光ガイド層５８−１と上部光ガイド層５８−２とを、量子ドット５９を介して対向させ、両者の面方位を合わせて上下から加圧し、加熱して接合する。そして、第２のＧａＡｓ基板とＡｌＧａＡｓ層（ダミー層）を除去してコンタクト層６４を露出させることで図７に示される化合物半導体基板が得られる。
【００４７】
図９−１〜図９−４は、半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である。上記のようにして製造された図７に示される化合物半導体基板の上面にＳｉＯ2膜７１を堆積して、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、コンタクト層開口部６４ａを形成する位置のＳｉＯ2膜を除去する。そして、このＳｉＯ2膜７１をマスクとして、コンタクト層６４をエッチングして、その中央部分にコンタクト層開口部６４ａを形成して、上部半導体多層膜反射鏡層６３を露出させる（図９−１）。ついで、再度ＳｉＯ2膜（図示せず）を堆積し、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、コンタクト層開口部６４ａの形成領域を含む所定の領域を残すように、コンタクト層６４から下部クラッド層５３までと下部半導体多層膜反射鏡層５２の一部を除去して、所定の平面形状を有するメサ構造を形成する（図９−２）。その後、メサ構造中のＡｌＧａＡｓ層６２を外周から酸化して、ＡｌＧａＡｓ層６２の外周部内のＡｌを酸化させた酸化アルミニウム層６２ｘを形成する。このとき、コンタクト層開口部６４ａとほぼ対応するＡｌＧａＡｓ層６２の中央部分の領域が酸化されないような条件で、ＡｌＧａＡｓ層６２の外周部分を酸化させる。これによって、ＡｌＧａＡｓ層６２の中央部分には、電流狭窄領域６２ｓが形成される（図９−３）。
【００４８】
ついで、メサ構造を形成した化合物半導体基板上にパッシベーション膜６５を形成した後に、フォトリソグラフィとエッチングを用いて、コンタクト層開口部６４ａより外側の領域の電極を形成する位置に対応する部分でコンタクト層６４を露出させ、コンタクト層開口部６４ａ内の電流狭窄領域６２ｓに対応する部分で上部半導体多層膜反射鏡層６３を露出させるようにパッシベーション膜６５の一部を除去する。その後、レジストを用いたリフトオフ法を用いて、開口６５ａでコンタクト層６４と接触し、電極開口部６６ａが開口した状態の上面側電極６６を形成する（図９−４）。そして第１のＧａＡｓ基板５１を適切な厚さまで薄くした後に、第１のＧａＡｓ基板５１の下面に基板側電極６７を形成することによって、図８に示される半導体装置が得られる。
【００４９】
従来は、高歪な活性層５７を低温で形成すると活性層５７の表面に凹凸が生じてしまい、その上に成長させる結晶が不均一な歪を受けるために、活性層５７の近傍での平坦な結晶成長が難しいという問題があった。しかし、本第２の実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層が積層してなる高反射率層の半導体多層膜反射鏡層５２，６３をそれぞれ別の基板（ＧａＡｓ基板）上に直接形成することができるので、半導体多層膜反射鏡層５２，６３に凹凸が形成されることがない。また、そのいずれかのＧａＡｓ基板上に活性層５７を形成した後、両者を量子ドット５９で接合するようにしたので、上記した問題点を回避して、高品質の化合物半導体基板とこの化合物半導体基板を用いた半導体装置を得ることができる。
【００５０】
また、上部および下部半導体多層膜反射鏡層５２，６３の形成時において高温での結晶成長が可能である。そのため、上部および下部半導体多層膜反射鏡層５２，６３中の低屈折率層に用いるＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層の形成時において、温度が上がるほどＡｌの酸素の取り込み効率が低下するので、結晶中に酸素と結合するＡｌが減る。また、高温での結晶成長では、原料ガスに含まれるメチル基のＣがＰ型のドーパントとしてＡｓのサイトを置き換えることを防ぐ。その結果、高純度のＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ層の結晶成長が可能であり、キャリア濃度の制御を容易に行うことができる。以上により、上部および下部半導体多層膜反射鏡層５２，６３での光の吸収の発生または反射率の低下が起こり難くなり、素子の特性を向上することができる。
【００５１】
この第２の実施の形態によれば、面発光型半導体素子のように発光層を挟んだ上下方向に半導体多層膜反射鏡層が形成されるような構造の化合物半導体基板や半導体装置も、高品質で製造することができるという効果を有する。
【００５２】
（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、サファイア基板１０１上に、低温ＧａＮ層１０２、高温ＧａＮ層１０３、Ｎ型のＧａＩｎＮからなるＮ型コンタクト層１０４、Ｎ型のＧａＮ層１０５、Ｎ型のＡｌＧａＮ層からなる下部クラッド層１０６、Ｎ型のＧａＮ層からなる下部光ガイド層１０７、ＧａＩｎＮ層からなる発光層１０８の上下をＧａＮ層からなる障壁層１０９で挟んだ活性層（量子井戸層）１１０、ＧａＮ層からなる第１の上部光ガイド層１１１、ＡｌＧａＮ層からなるホールブロック層（キャリアブロック層）１１２、Ｐ型のＧａＮ層からなる第２の上部光ガイド層１１３、ＩｎＮの量子ドット（以下、ＩｎＮドットという）１１４からなる接合層１１５、Ｐ型のＧａＮ層からなる第３の上部光ガイド層１１６、Ｐ型のＡｌＧａＮ層からなる上部クラッド層１１７、Ｐ型のＧａＮ層からなるＰ型コンタクト層１１８が順に積層された構造を有する。ＩｎＮドット１１４は、特許請求の範囲におけるドット状突起物に対応する。
【００５３】
ここで、接合層１１５は、活性層１１０を構成する最上層の発光層１０８の上面と上部クラッド層１１７の下面との間の発光層１０８よりもバンドギャップの大きい半導体層からなる非発光領域１３０内に形成されることを特徴とする。この図１０の例では、メタステーブルな活性層１１０を有する第１のサファイア基板１０１上に形成された第２の上部光ガイド層１１３と、図示しない第２のサファイア基板に形成された第３の上部光ガイド層１１６とが、いずれかまたはそれぞれの上面に形成されたＩｎＮドット１１４をバンプとして、面方位を合わせて接合されて接合層１１５が形成される。
【００５４】
図１１は、このような化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。この図１１の例では、端面発光型の半導体レーザの場合を例示している。この半導体装置は、図１０の化合物半導体基板の所定の位置のＰ型コンタクト層１１８からＮ型のＧａＮ層１０５までを除去したリッジ状構造を有している。このリッジ状構造によって、電流狭窄構造が形成されている。リッジ状構造が形成された化合物半導体基板上の全面および側面には、ＳｉＯ2膜からなるパッシベーション膜１１９が形成される。このパッシベーション膜１１９のＰ型コンタクト層１１８上の所定の位置には、Ｐ型コンタクト層１１８が露出するように開口が設けられ、パッシベーション膜１１９のＮ型コンタクト層１０４上の所定の位置には、Ｎ型コンタクト層１０４が露出するように開口が設けられる。そして、それぞれの開口には、Ｐ型コンタクト層１１８とＮ型コンタクト層１０４に接触するようにそれぞれＰ型電極１２０とＮ型電極１２１が形成される。これにより、端面を用いた共振器構造を有するレーザ発振可能な半導体装置が得られる。
【００５５】
このような半導体基板についての製造方法についても、上述した第１と第２の実施の形態と基本的に同じである。つまり、第１のサファイア基板１０１上に、低温ＧａＮ層１０２、高温ＧａＮ層１０３、Ｎ型コンタクト層１０４、Ｎ型のＧａＮ層１０５、下部クラッド層１０６、下部光ガイド層１０７、ＧａＩｎＮ層とＧａＮ層による活性層１１０を順に形成し、この活性層１１０のメタステーブルな状態を壊さない条件でその上面に、第１の上部光ガイド層１１１、ホールブロック層１１２、第２の上部光ガイド層１１３を形成し、さらにその上にＩｎＮドット１１４を形成する。一方、図示しない第２のサファイア基板上には、低温ＧａＮバッファ層、高温ＧａＮバッファ層、Ｐ型コンタクト層１１８、Ｐ型の上部クラッド層１１７、第３の上部光ガイド層１１６を順に形成する。そして、第１のサファイア基板１０１上の第２の上部光ガイド層１１３と第２のサファイア基板の第３の上部光ガイド層１１６とを結晶方位を合わせて対向させて、ＩｎＮドット１１４をバンプとして貼り合わせる。その後、両基板間に圧力をかけて、メタステーブル材料系の状態を壊さない条件の温度で熱処理して、両基板間を接合し、図１０に示される化合物半導体基板が得られる。また、このような化合物半導体基板を用いた半導体装置の製造方法についても、第１と第２の実施の形態で説明した工程と基本的に同様な処理が行われるため、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
ＧａＩｎＮ系の材料はＧａＩｎＡｓ系の材料よりも不混和性が高く、ＧａＩｎＮ層の結晶成長中に容易に相分離を起こしてしまうために、低温での成長が不可欠である。そこで、本第３の実施の形態では、第１のサファイア基板１０１上に発光層１０８であるＧａＩｎＮ層を成長させた後には、このＧａＩｎＮ層の上面に薄くかつプロセス温度がＧａＩｎＮ層と同程度の層のみを成長させ、ＧａＩｎＮ層上に配置されるべき厚い結晶（層）の成長は第２のサファイア基板で行うようにしている。これにより、結晶性の高いＧａＩｎＮ層を有する化合物半導体基板を得ることが可能となる。
【００５７】
また、第１と第２の実施の形態で示したＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの系と異なり、ＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整が大きく、ＧａＮまたはＡｌＧａＮと最適な成長温度の差が大きい。そのため、ＧａＮ層上に高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を成長することが難しい。しかし、この第３の実施の形態では、各基板上には片側のクラッド層（ＡｌＧａＮ層）１０６，１１７のみを成長するようにしているので、従来の製造方法の場合と比べて同じ格子不整であれば蓄積されるエネルギを半分とすることができる。その結果、クラッド層を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くすることができ（屈折率を小さくすることができ）、活性層への光の閉じ込めを大きくとることができるので、レーザ素子において低閾値化をはかることができるという効果を有する。また、クラッド層１０６，１１７での吸収係数を低減できるので、ＬＥＤ（Light-Emitting Diode）を作製した場合の光の取り出し効率を高くとることができる。
【００５８】
この第３の実施の形態によれば、格子不整の大きな材料系を上下に積層した構造を有する化合物半導体基板でも容易に得ることができるという効果を有する。
【００５９】
（第４の実施の形態）
図１２は、本発明の第４の実施の形態にかかる化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。この化合物半導体基板は、第１の実施の形態の図１において、第１の上部光ガイド層１７−１と活性層１６と下部光ガイド層１３の一部が、基板面に垂直な方向に形成された溝４２によって分離されていることを特徴とする。なお、その他の構成は第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６０】
このような化合物半導体基板は、第１のＧａＡｓ基板１１上に下部クラッド層１２、下部光ガイド層１３、活性層１６および第１の上部光ガイド層１７−１を形成したのち、たとえばエッチングによって、所定の位置の第１の上部光ガイド層１７−１と活性層１６と下部光ガイド層１３の一部を除去して溝４２を形成する。ついで、第１の上部光ガイド層１７−１上にＩｎＡｓドット１９を形成する。その後は、第１の実施の形態で説明した手順で、第１の基板と第２の基板を貼り合わせ、所定の処理を行って化合物半導体基板を得る。
【００６１】
なお、ここでは、第１の実施の形態の場合で活性層と第１の上部光ガイド層に基板面に垂直な溝４２を形成する場合を示したが、第２と第３の実施の形態に対しても同様に活性層とその上部の光ガイド層に基板面に垂直な溝を形成することができる。また、溝の形成位置や溝の深さは任意である。
【００６２】
この第４の実施の形態によれば、第１の上部光ガイド層１７−１と活性層１６と下部光ガイド層１３の一部に基板面に垂直な方向に形成された溝を設けることで、第１と第２の基板を貼り合わせる場合に、基板が反っている場合でも他方の基板にそれほど強い力を与えずに押し付けることができるとともに、活性層１６に歪を加えることもできるという効果を有する。
【００６３】
以下に、実施例を挙げて本発明についてより詳細に説明する。
【実施例１】
【００６４】
この実施例１では、第１の実施の形態で説明した図１の化合物半導体基板と図２の半導体装置の具体例について説明する。この実施例１の図１で使用される化合物半導体基板は、Ｎ-型の第１のＧａＡｓ基板１１上に、Ｓｉを添加した厚さ１．３μｍのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層からなる下部クラッド層１２、厚さ０．１５μｍのＧａＡｓ層からなる下部光ガイド層１３、厚さ７ｎｍのＧａ0.6Ｉｎ0.4Ａｓ層よりなる１層の発光層（量子井戸層）１４、厚さ９０ｎｍのＧａＡｓ層からなる第１の上部光ガイド層１７−１、Ｚｎを添加したＩｎＡｓドット１９により形成した接合層１８、厚さ５ｎｍのＧａＡｓ層からなる第２の上部光ガイド層１７−２、厚さ１．３μｍのＰ型のＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層からなる上部クラッド層２１、厚さ０．３μｍの高濃度のＣを添加したＧａＡｓ層からなるコンタクト層２２が積層された構造を有する。ただし、この実施例１では、活性層１６は、１層のＧａＩｎＡｓ層（発光層１４）からなる場合を示している。
【００６５】
また、このような化合物半導体基板から図２に示されるような半導体装置が製造されるが、ここでは、パッシベーション膜２４としてＳｉＯ2膜が用いられる。この半導体装置の詳細な構造は、第１の実施の形態で説明したので省略する。このような半導体装置は、端面発光型の半導体レーザ素子として用いられる。
【００６６】
このような構造の化合物半導体基板（半導体装置）においては、ＧａＩｎＡｓ層（活性層１６）を形成後、ＧａＡｓ層（第１の上部光ガイド層１７−１）が形成され、このＧａＡｓ層上にはＩｎＡｓドット１９により構成した接合層１８が形成されている。このため、このＩｎＡｓドット１９よりなる接合層１８において、その接合層１８上に形成されたＧａＡｓ層（第２の上部光ガイド層１７−２）、ＡｌＧａＡｓ層（上部クラッド層２１）およびＧａＡｓ層（コンタクト層２２）の積層体が活性層に与える歪の影響が抑制される。特に、ＡｌＧａＡｓ層（上部クラッド層２１）を成長する場合に基板の温度を５６０℃以上に上げる必要があるのに対して、２つの基板に形成された半導体層同士の接合を行う場合には、メタステーブルなＧａＩｎＡｓ層（活性層１６）を有する第１のＧａＡｓ基板１１にＡｌＧａＡｓ層（上部クラッド層２１）を成長するのではなく、第２のＧａＡｓ基板上に成長させればよい。その結果、第１のＧａＡｓ基板１１上のＧａＩｎＡｓ層（活性層１６）は成長後にプロセス温度を超えるような温度環境下に置かれることがない。
【００６７】
このような製造方法によって、本実施例１のＧａＩｎＡｓ量子井戸層では、従来行われていたＧａＩｎＡｓ量子井戸層を挟んだ上下両側の面に厚いクラッド層を積層した場合と比べ、ＧａＡｓ層との間の格子不整の影響を小さくすることができる。たとえば、通常の（従来の方法で製造した）ＧａＩｎＡｓ層では、そのＩｎ組成が熱力学的臨界組成の０．４を大きく越えることはないが、本実施例１を用いてＧａＩｎＡｓ層（活性層１６）の形成を４４０℃の低温で行うと、Ｉｎ組成が０．４６でも高品質なＧａＩｎＡｓ層の結晶成長が可能となる。
【００６８】
つぎに、このような化合物半導体基板と半導体装置の製造方法について説明する。なお、化合物半導体基板と半導体装置の製造手順は、第１の実施の形態の図３−１〜図４−３に示したので、ここでは、詳細な説明は省略し、概略のみ述べる。
【００６９】
まず、Ｓｉ添加のＮ-型の第１のＧａＡｓ基板１１上にトリエチルガリウム（以下、ＴＥＧという）とトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡという）とアルシン（ＡｓＨ3）を原料として、ＭＯＣＶＤ法により、６８０℃の温度で、ＡｌＧａＡｓ層（下部クラッド層１２）を成長させ、引き続いて同じ温度で、ＴＥＧとアルシンを原料として、ＧａＡｓ層（下部光ガイド層１３）を成長させる。ここで、ＡｌＧａＡｓ層の成長には、シラン（ＳｉＨ3）を原料としてＳｉを添加してＮ-型の導電型とする。ついで、成長温度を４４０℃に下げて、ＴＭＧとトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩという）とアルシンを原料として、ＧａＩｎＡｓ層（活性層１６）を成長させる。続けて、同じ温度で、ＴＭＧとアルシンを原料として、ＧａＡｓ層（第１の上部光ガイド層１７−１）を成長させ、さらに、ＴＭＩとアルシンを原料としてＩｎＡｓドット１９を形成する。
【００７０】
一方、第２のＧａＡｓ基板２７上には、６８０℃の温度で、ＴＥＧとアルシンを原料としてＧａＡｓ層（ダミー層２８）を成長させる。続けて、同じ温度で、ＴＥＧとＴＭＡとアルシンを原料としてＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層（エッチングストップ層２９）を成長させ、また、ＴＥＧとアルシンを原料としてＧａＡｓ層（コンタクト層２２）を成長させる。さらに続けて、ＴＥＧとＴＭＡとアルシンを原料としてＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層（上部クラッド層２１）を成長させ、さらにまたＴＥＧとアルシンを原料としてＧａＡｓ層（第２の上部光ガイド層１７−２）を成長させる。ここで、ＡｌＧａＡｓ層（上部クラッド層２１）の形成時において、原料のＴＭＡからのオートドーピングによって、２×１０18ｃｍ-3の濃度のＣのドーピングが行われる。
【００７１】
その後、第１のＧａＡｓ基板１１上のＧａＡｓ層（第１の上部光ガイド層１７−１）と第２のＧａＡｓ基板２７のＧａＡｓ層（第２の上部光ガイド層１７−２）とを対向させて結晶方位を合わせた後、第１のＧａＡｓ基板１１上のＩｎＡｓドット１９をバンプとして接触させる。そして、４００ｇ／ｃｍ2の加重を加えた状態で、第２のＧａＡｓ基板２７上のＡｌＧａＡｓ層（上部クラッド層２１）の形成温度よりも低温である５００℃で５分間アニールして第１のＧａＡｓ基板１１と第２のＧａＡｓ基板２７のＧａＡｓ層同士を、ＩｎＡｓドット１９を介して接合する。ついで、第１のＧａＡｓ基板１１の下面にＳｉＯ2膜を積層して被覆した状態で、硫酸過酸化水素系のウェットエッチングによって、第２のＧａＡｓ基板２７の残り厚さが５０μｍとなるまで第２のＧａＡｓ基板２７を除去し、引き続いて、ドライエッチングでＡｌが観察されるまで第２のＧａＡｓ基板２７とダミー層２８のエッチングを行う。その後、塩酸系またはバッファードフッ化水素アンモニア系溶液を用いて、第２のＧａＡｓ基板２７上に形成されたＡｌＧａＡｓ層（エッチングストップ層２９）を除去することでＧａＡｓ層（コンタクト層２２）を露出させる。このようにすることで、図１に示した半導体基板を得ることができる。
【００７２】
なお、ＡｌＧａＡｓ層（下部クラッド層１２、上部クラッド層２１）の形成に関しては、第１の実施の形態で説明したように不純物のＣおよび酸素の濃度低減を実現するためには、活性な水素を供給することが望ましいため、本実施例１では、Ｖ族とＩＩＩ族の原料供給比を１００以上としている。また、本実施例１では、ＧａＡｓのコングルーエント温度の５５０℃よりも高く、金属Ａｌの融点である６２５℃を上回る６８０℃で結晶成長を行って、高品質な結晶成長を実現している。このような条件を選択すると、Ａｌ組成が０．４を超える高Ａｌ組成ＡｌＧａＡｓについてもＣと酸素の混入を抑制することができる。
【００７３】
一方、メタステーブル材料系である高歪のＧａＩｎＡｓに関しては、第１の実施の形態で説明したように、ＧａＡｓのコングルーエント温度の５５０℃以下の４４０〜５２０℃で結晶成長を実施することが望ましく、上記した例では４４０℃で結晶成長を行っている。
【００７４】
上記のようにして得られた化合物半導体基板のコンタクト層２２上にＳｉＯ2膜を形成した後に、通常のリソグラフィ法により幅５μｍのストライプ上のＳｉＯ2膜のマスク３０を形成し、このマスク３０を用いて、ＧａＡｓ層（コンタクト層２２）とＰ型のＡｌＧａＡｓ層（上部クラッド層２１）の途中までエッチングを行ってメサ構造を形成する。その後、第１の実施の形態で説明したように、ＳｉＯ2膜からなるパッシベーション膜２４を形成し、ポリマによってエッチングによって形成された段差を埋め込んでポリマ埋め込み層２５を形成し、メサ構造上のパッシベーション膜２４を除去して露出させたコンタクト層２２上にコンタクトメタル層を蒸着してＰ型電極２６を形成し、薄膜化した第１のＧａＡｓ基板１１の下面にコンタクトメタル層を蒸着してＮ型電極２３を形成する。最後に、メサ構造の延在方向に垂直な方向で化合物半導体基板を劈開して素子の共振器構造を形成することで図２に示した半導体装置が得られる。
【００７５】
このような化合物半導体基板を用いることで、高品質な半導体装置の実現が可能となる。たとえば、本実施例１の半導体レーザ素子においては、多重量子井戸層を構成する結晶中への転位の導入が抑制される。その結果、しきい値電流密度を低減することができ、発振可能な波長域が、１．２〜１．２５μｍを超える波長まで実現可能となることが確認された。
【００７６】
上述した実施例１では活性層１６の内部の発光領域と接合層１８の間にはＧａＡｓ層（第１の上部光ガイド層１７−１）のみが形成されていたが、図５に示されるように、量子井戸層（活性層１６）上のＧａＡｓ層（第１の上部光ガイド層１７−１）に、量子井戸層の上面から７ｎｍの位置に、厚さ３ｎｍのＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層からなるキャリア蓄積層３１を導入してもよい。このように、キャリアの蓄積を接合層１８とはなれた領域で行うと、接合層１８での欠陥の影響を抑制することができるので半導体装置の特性向上が可能となる。
【００７７】
また、図２に示されるように、活性層１６と隣接してＩｎＡｓドット１９からなる接合層１８があり、キャリア蓄積層３１がない場合に、発光する活性層１６と発光しないＩｎＡｓドット１９にはほぼ均等にキャリアの注入が行われる。しかし、図５に示されるように、キャリア蓄積層３１を形成すると、ＩｎＡｓドット１９に注入されるキャリアはキャリア蓄積層３１に蓄積される。その結果、本実施例１の場合は、発光層１４が一層であることから、レーザ発振させた場合の量子効率を２倍程度に向上でき、閾値電流は半分程度となる。また、接合領域での欠陥の影響を低減するためには、ＩｎＡｓドット１９の形成時にＩｎＡｓドット内部にＺｎを１×１０18ｃｍ-3の濃度で添加してもよい。
【実施例２】
【００７８】
この実施例２では、第１の実施の形態の図１に示される化合物半導体基板と図２に示される半導体装置において、活性層１６として不混和性が高いＧａＩｎＡｓよりも高いＧａＩｎＮＡｓであるＧａ0.57Ｉｎ0.43Ｎ0.005Ａｓ0.995結晶を用いたものである。このような場合でも、ＧａＩｎＮＡｓ層成長後にその温度を上げないでも済むことから、均一なＧａＩｎＮＡｓの成長を実現することがでる。また、高Ｉｎ組成の結晶を用いることができ、同じ発光波長１．３１μｍの量子井戸を実現する場合でも、通常のＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.01Ａｓ0.99よりもＩｎ組成が０．０６％程度多くＮ組成が０．００５％程度低いことから、発光効率が高くなる。このような発光効率の高くなった半導体装置を半導体レーザ素子とした場合では、閾値電流密度を４０％程度まで低減することができる。このようにすることで、ＧａＩｎＮＡｓ層を高温にさらすことが不要となり、その均一性を維持できるようになるので、半導体装置としての特性を大幅に向上させることができる。
【実施例３】
【００７９】
この実施例３では、第１の実施の形態の図１に示される化合物半導体基板と図２に示される半導体装置において、活性層１６としてＩｎＡｓドット結晶をＴＭＩとＴＢＡｓ（Tertiarybutylarsine）を用い形成し、その層をＧａＩｎＡｓ層で埋め込むように構成したものである。このような構造の化合物半導体基板を用いることによって、１．３μｍ帯で高効率で発光する発光素子を実現することができる。
【００８０】
ＩｎＡｓドットは局所的な歪量が大きいために、膜形成後は、形成温度である５００℃以下の温度に保つ必要がある。本実施例３では、そのようなＩｎＡｓドットを有する化合物半導体基板（半導体装置）でも、形成されたＩｎＡｓドット層を高温にさらすことが不要となり、その均一性を維持できるようになる。その結果、半導体装置としての特性を大幅に向上させることができる。
【実施例４】
【００８１】
この実施例４では、第２の実施の形態の図７に示される化合物半導体基板と図８に示される面発光型半導体装置の具体例について説明する。この実施例４で使用される化合物半導体基板は、ＧａＡｓ基板５１上にＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＧａＡｓ層を交互に繰り返してそれぞれ３５層積層した下部半導体多層膜反射鏡層５２、厚さ０．０８μｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる下部クラッド層５３、厚さ０．０５μｍのＧａＡｓ層からなる下部光ガイド層５４、厚さ６ｎｍのＧａ0.54Ｉｎ0.46Ａｓ層からなる発光層５６と厚さ１５ｎｍのＧａＡｓ層からなる障壁層５５を交互に積層させることによって３層の発光層５６を形成した活性層５７、厚さ０．１μｍのＧａＡｓ層からなる第１の上部光ガイド層５８−１、ＩｎＡｓドット５９からなる接合層６０、厚さ０．０５μｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる上部クラッド層６１、Ａｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層６２、Ａｌ0.92Ｇａ0.08Ａｓ層とＧａＡｓ層が交互に２８層積層してなる上部半導体多層膜反射鏡層６３、ＧａＡｓ層からなるコンタクト層６４が順に積層されてなる構造を有する。
【００８２】
また、このような化合物半導体基板から図８に示されるような半導体装置が製造されるが、この半導体装置の詳細な構造は、第２の実施の形態で説明したものと同一であるので、その説明を省略する。ただし、ＡｌＧａＡｓ層６２の外周部分に酸化した酸化アルミニウム層６２ｘを形成し、その中央部分に直径７．５μｍのＡｌ0.98Ｇａ0.02Ａｓ層がそのまま残された領域からなる電流狭窄領域６２ｓを有する構造となっている。このような半導体装置は、面発光型半導体レーザとして用いられる。
【００８３】
このような化合物半導体基板とこの化合物半導体基板を用いた半導体装置の製造方法は、第２の実施の形態で説明した手順と同じ手順であるので、その詳細な説明を省略する。ただし、第１のＧａＡｓ基板５１上に形成される半導体層において、下部半導体多層膜反射鏡層５２、下部クラッド層５３および下部光ガイド層５４は、それぞれ成長温度７００℃で形成され、活性層５７および第１の上部光ガイド層５８−１は、それぞれ成長温度４９０℃で形成され、ＩｎＡｓドット５９は成長温度５００℃で形成される。また、接合層６０よりも上位に位置する半導体層において、図示しない第２のＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓ層（ダミー層）、コンタクト層６４、上部半導体多層膜反射鏡層６３、ＡｌＧａＡｓ層６２、上部クラッド層６１は、それぞれ成長温度７００℃で形成される。さらに、第１のＧａＡｓ基板５１の第１の上部光ガイド層５８−１と第２のＧａＡｓ基板の上部クラッド層６１の面方位を合わせて、ＩｎＡｓドット５９を介して貼り合わせ、５００ｇ／ｃｍ2の圧力で加圧して、窒素雰囲気中で５００℃で加熱する。
【実施例５】
【００８４】
この実施例５では、第３の実施の形態の図１０に示される化合物半導体基板と図１１に示される半導体装置の具体例について説明する。この実施例５で使用される化合物半導体基板は、サファイア基板１０１上に、厚さ３５ｎｍの低温ＧａＮ層１０２、厚さ１．８μｍの高温ＧａＮ層１０３、厚さ０．０５μｍのＳｉ添加のＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ層からなるＮ型コンタクト層１０４、厚さ０．１μｍのＳｉ添加のＮ型のＧａＮ層１０５−１、厚さ２μｍのＳｉ添加のＮ型のＧａＮ層１０５−２、厚さ０．３μｍのＳｉ添加のＮ型Ａｌ0.22Ｇａ0.78Ｎ層からなる下部クラッド層１０６、厚さ０．０５μｍのＧａＮ層からなる下部光ガイド層１０７、厚さ３．５ｎｍのＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層の発光層（量子井戸層）１０８と厚さ７ｎｍのＧａＮ層の障壁層１０９を組み合わせて量子井戸層を３回積層した活性層１１０、厚さ５０ｎｍのＧａＮ層からなる第１の上部光ガイド層１１１、厚さ３ｎｍのＭｇ添加のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層からなるホールブロック層１１２、厚さ１０ｎｍのＧａＮ層からなる第２の上部光ガイド層１１３、ＩｎＮドット１１４からなる接合層１１５、厚さ１０ｎｍのＰ型のＧａＮ層からなる第３の上部光ガイド層１１６、厚さ０．３μｍのＰ型のＡｌ0.22Ｇａ0.78Ｎ層からなる上部クラッド層１１７、Ｐ型のＧａＮ層からなるＰ型コンタクト層１１８が順に積層されてなる構造を有する。なお、この実施例５では、Ｎ型のＧａＮ層１０５が、形成温度の異なる２層のＮ型のＧａＮ層１０５−１，１０５−２からなる場合を示している。
【００８５】
このような化合物半導体基板の製造方法の概略について説明する。まず、第１のサファイア基板１０１上に、ＴＭＧとＮＨ3を原料として、ＭＯＣＶＤ法により、４５０℃の温度で低温ＧａＮ層１０２を成長させ、引き続いて成長温度を１０５０℃に上げて高温ＧａＮ１０３層を形成する。ついで、８５０℃の温度で、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩおよびアルシンを用いてＳｉ添加のＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎ層（Ｎ型コンタクト層１０４）を成長させ、Ｓｉ添加のＮ型のＧａＮ層１０５−１を成長させる。さらに、その上には、再度成長温度を１０５０℃に上げて、Ｓｉ添加のＮ型のＧａＮ層１０５−２を成長させ、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧおよびアルシンを用いてＳｉ添加のｎ型Ａｌ0.22Ｇａ0.78Ｎ層（下部クラッド層１０６）を成長させ、さらにＧａＮ層（下部光ガイド層１０７）を成長させる。ついで、７８０℃の温度でＧａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層（発光層１０８）の上下をＧａＮ層（障壁層１０９）が挟むようにした３層の量子井戸層を有する活性層１１０、ＧａＮ層（第１の上部光ガイド層１１１）、ＭｇをドープしたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層（ホールブロック層１１２）、ＧａＮ層（第２の上部光ガイド層１１３）を成長させる。さらに、４００℃の温度でＩｎＮドット１１４を形成する。
【００８６】
一方、図示しない第２のサファイア基板上には、低温ＧａＮバッファ層、高温ＧａＮバッファ層、ＧａＮ層（Ｐ型コンタクト層１１８）、Ａｌ0.22Ｇａ0.78Ｎ層（上部クラッド層１１７）、ＧａＮ層（第３の上部光ガイド層１１６）が順次１，０５０℃の温度で形成される。また、基板間の接着に関しては上下から１ｋｇ／ｃｍ2の圧力を加えて、ＮＨ3を含む窒素雰囲気中で５００℃まで加熱して行う。この接着後、第２のサファイア基板、低温ＧａＮバッファ層、高温ＧａＮバッファ層はエッチングなどにより除去され、図１０に示されるような化合物半導体基板が得られる。
【００８７】
その後、このようにして形成された化合物半導体基板を用いて電流狭窄領域を形成するためにリッジ状構造をエッチングによって形成した後、ＳｉＯ2膜からなるパッシベーション膜１１９、Ｐ型電極１２０、Ｎ型電極１２１を形成する。そして、基板の切断、研磨、ＨＲ（High Reflection）コートの工程により端面を形成して共振器構造を作製して端面発光型の半導体レーザが形成される。
【００８８】
ＧａＩｎＮ系の材料はＧａＩｎＡｓ系よりも不混和性が高いために、ＧａＩｎＮ成長中に容易に相分離を起こしてしまい、８００℃以下の低温での成長が不可欠である。また、成長温度が１，０００℃以上であるＧａＮまたはＡｌＧａＮとは、最適な成長温度の差が大きい。このため、本実施例５では、ＧａＩｎＮ層（発光層１０８）の成長後に薄いＧａＮ層（第１と第２の上部光ガイド層１１１，１１３）／ＡｌＧａＮ層（ホールブロック層１１２）のみを成長し、他の厚い結晶の成長は別の第２の基板上に成長し、後に量子ドット１１４を介して両者を接合させるようにした。
【００８９】
また、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの系と異なりＧａＮとＡｌＧａＮとの格子不整が大きいために、従来の製造方法では、ＧａＮ層１０５，１１８上に高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層（下部クラッド層１０６、上部クラッド層１１７）を成長することが難しい。しかし、本実施例５によれば、各基板上には片側のクラッド層のみを成長させればよいので、従来の方法に対して同じ格子不整であれば蓄積されるエネルギは半分となる。このため、ＡｌＧａＮ層（クラッド層１０６，１１７）のＡｌ組成を０．２２まで高くすることができ、クラッド層１０６，１１７の屈折率の低下によって活性層１１０への光の閉じ込めを４０％程度大きくとることができる。光が閉じ込められる体積が小さくなると光密度が上昇するので、それに応じてレーザの閾値を４０％程度低減することができる。
【００９０】
なお、実施例１から実施例５として半導体レーザに本発明を適用した場合を示したが、本発明は半導体レーザに限られるものではなく、発光ダイオードなどの他の光発光素子にも適用可能である。また発光波長として１．３μｍの素子を挙げたが、様々な組成を選ぶことができる。たとえば、１．４〜１．７μｍの（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドットやＧａＩｎＮＡｓの量子井戸または量子ドットの発光層を選ぶことができる。また、０．９８〜１．２μｍ帯の量子井戸や量子ドットを発光層に選ぶことができる。さらに、ＧａＮ系として４００ｎｍで発光する素子を挙げたが、この波長域に限られるものではなく、ＧａＩｎＮ層の組成をコントロールすることで、紫外領域から赤色領域までの発光素子を実現することが可能となる。この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の半導体素子やそのための基板に適用可能である。
【００９１】
また、材料系としてもＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系やＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮの半導体多層膜に限られるものではなく、ＧａＡｌＩｎＰ／ＧａＩｎ（Ａｌ）Ｐ系材料、Ｉｎ（Ａｌ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料、ＩｎＰ／ＡｌＩｎＡｓ系材料、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系材料、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系材料を用いた半導体多層膜を用いた光半導体素子、またはこれらの材料にＮやＳｂなどを添加した半導体の組み合わせ、ＧａＳｂとＩｎＡｓもしくはＧａＳｂとＧａＡｌＳｂの組み合わせまたはこれらの材料をベースとして、各種ＩＩＩ族元素あるいはＶ族元素を加えた光半導体素子に対して本発明の適用が可能である。
【００９２】
また、本願発明の製造方法に係わる結晶成長方法に関しては、ＭＯＣＶＤ法において各金属元素の原料として、メチル系、エチル系など種々の原料を用いることができるのはもちろん、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＣＢＥ（Chemical Beam Epitaxy）法、ＭＯＭＢＥ（Metal-Organic Molecular Beam Epitaxy）法など本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の結晶成長の技術を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
以上のように、本発明にかかる半導体基板は、形成温度以上の高温や過剰な歪を受けることを嫌うメタステーブル系の材料を含む半導体膜の多層構造を有する半導体装置を製造する場合に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】図１の化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図３−１】本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図３−２】本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図３−３】本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図３−４】本発明による化合物半導体基板の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その４）。
【図４−１】本発明による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図４−２】本発明による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図４−３】本発明による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図５】本発明による化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。
【図６】本発明による化合物半導体基板を用いた半導体装置の構造の他の例を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図８】図７の化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図９−１】半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図９−２】半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図９−３】半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その３）。
【図９−４】半導体装置の製造方法の一例を模式的に示す断面図である（その４）。
【図１０】本発明の第３の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１０の化合物半導体基板を用いて製造した半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態による化合物半導体基板の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１１，５１  Ｎ型のＧａＡｓ基板
１２，５３，１０６  下部クラッド層
１３，１３−１，１３−２，１０７  下部光ガイド層
１４，５６，１０８  発光層
１５，５５，１０９  障壁層
１６，５７，１１０  活性層
１７，１７−１，１７−２，５８，１１１，１１３，１１６  上部光ガイド層
１８，６０，１１５  接合層
１８ａ  接合面
１９，５９  量子ドット（ＩｎＡｓドット）
２０  非発光領域
２１，６１，１１７  上部クラッド層
２２，６４  コンタクト層
２３  Ｎ型電極
２４  パッシベーション膜
２５  ポリマ埋め込み層
２６  Ｐ型電極
３１  キャリアブロック層
５２  下部半導体多層膜反射鏡層
６２  ＡｌＧａＡｓ層
６３  上部半導体多層膜反射鏡層
１０１  サファイア基板
１０２  低温ＧａＮ層
１０３  高温ＧａＮ層
１０４  Ｎ型コンタクト層
１０５  Ｎ型のＧａＮ層
１１２  ホールブロック層
１１４  量子ドット（ＩｎＮドット）
１１８  Ｐ型コンタクト層
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図４−３】
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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９−１】
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【図９−２】
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【図９−３】
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【図９−４】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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