(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上または該基板上に設けられる第１のチッ化物系化合物半導体層上に設けられ、開口部を有するマスク層と、該マスク層上に前記開口部から横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層と、該第２のチッ化物系化合物半導体層上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体が積層される半導体積層部とからなり、前記マスク層の上面側で、前記開口部側より該開口部から離れた部分における前記マスク層の厚さが相対的に薄くされることにより、前記マスク層に凹部が形成されてなるチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
基板と、該基板上または該基板上に設けられる第１のチッ化物系化合物半導体層上に設けられ、開口部を有するマスク層と、該マスク層上に前記開口部から横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層と、該第２のチッ化物系化合物半導体層上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体が積層される半導体積層部とからなり、前記第２のチッ化物系化合物半導体層の底面側が平坦面に形成され、かつ、前記マスク層の上面側で、前記開口部側より該開口部から離れた部分における前記マスク層の厚さが相対的に薄くされることにより、前記第２のチッ化物系化合物半導体層の底面と前記マスク層との間にほぼ平行な空隙が形成されるように前記第２のチッ化物系化合物半導体層が成長されてなるチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記マスク層が、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4およびＷの少なくとも１種である請求項１または２記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１のチッ化物系化合物半導体層が、ノンドープのＧａＮである請求項１〜３のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記マスク層の前記開口部側に所定の幅を有する突起が形成されてなる請求項１〜４のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記マスク層の前記開口部側に突起が形成されることにより、凹部が形成されてなる請求項１〜４のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項７】
前記開口部の２つにより挟まれる前記マスク層の前記開口部側にマスク層の高い部分が幅を有するように形成されてなる請求項１〜６のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項８】
前記マスク層の、幅を有する高い部分の幅が２μｍである請求項７記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項９】
前記マスク層の、幅を有する高い部分が突起である請求項７または８記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記マスク層の、幅を有する高い部分が、前記２つの開口部で挟まれたマスク層の両端部に形成されてなる請求項７〜９のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記開口部の周辺に前記突起が形成されてなる請求項７〜１０のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１２】
前記凹部の深さが、横方向に成長する前記第２のチッ化物系化合物半導体層と前記マスク層との間に接触応力が働かない深さに形成されてなる請求項１〜１１のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第２のチッ化物系化合物半導体層がノンドープである請求項１〜１２のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１４】
前記基板または前記第１のチッ化物系化合物半導体層が、ＧａＮ層である請求項１〜１３のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子において、前記半導体積層部が半導体レーザを構成するように積層されると共に、前記開口部により挟まれるマスク層がストライプ状に設けられ、該マスク層のストライプ方向に沿って前記凹部または空隙が一定幅で形成され、該一定幅の半分の幅内上における前記半導体積層部にストライプ状の電流注入領域が形成されるように前記半導体積層部が形成されてなる半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチッ化物系化合物半導体（III 族元素とチッ素などとの化合物半導体）を用い、高い記憶密度を有する光ディスクメモリや、レーザビームプリンタの高精細化に必要な青色領域で発光可能な半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光層での転位密度をできるだけ少なくし、発振出力の大きい半導体レーザなどの半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の青色領域でＣＷ発振する半導体レーザは、たとえば図６に示されるように、サファイア基板２１上にIII 族チッ化物化合物半導体（チッ化物系化合物半導体）が有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapour Deposition  以下、ＭＯＣＶＤという）により順次積層されるもので、ＧａＮ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮからなるコンタクト層２３、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｎ形クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガイド層２５、ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸構造からなる活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガイド層２７、ｐ形Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎからなるｐ形クラッド層２８、ｐ形ＧａＮからなるｐ形コンタクト層２９が順次積層され、積層された半導体層の一部が図６に示されるようにドライエッチングなどによりエッチングされてｎ形コンタクト層２３を露出させ、その表面にｎ側電極３１、前述のｐ形コンタクト層２９上にｐ側電極３０がそれぞれ形成されることにより構成されている。
【０００３】
一方、チッ化物系化合物が成長されるサファイア基板は、チッ化物系化合物半導体との格子定数が大幅に異なり、両者間の格子整合が採れず、成長するチッ化物系化合物半導体の転位密度が１×１０8ｃｍ-2以上となり、赤色系のＧａＡｓ基板上に成長する化合物半導体層の１×１０2ｃｍ-2程度と比べて大幅に転位密度が大きくなっている。ＬＥＤ（発光ダイオード）では、この程度の転位密度があっても実用化されているが、半導体レーザダイオード（ＬＤ）の場合には、低しきい値化、長寿命化のためには、少なくと１×１０7ｃｍ-3程度以下の転位密度にすることが要望されている。しかし、サファイアの他に工業的に適した基板も見つかっていない。
【０００４】
このチッ化物系化合物半導体層の転位密度を少なくする方法として、たとえばアキラ  ウスイらによる「低転位密度の厚いＧａＮエピタキシャル成長（Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density）」（ジャパニーズ  ジャーナル  オブ  アプライド  フィジックス（Jpn.J.Apply.Phys. ）３６巻（１９９７年）、８９９〜９０２頁）に示され、図７に部分的な断面説明図が示されるように、サファイア基板４１上の第１のＧａＮ層４２上に、ＳｉＯ2マスク４３が開口部４４を有するように設けられ、その開口部４４を介して横方向への選択成長により、第２のＧａＮ層４５を成長する方法が開示されている。チッ化物系化合物では、縦方向よりも横方向への成長が行われやすいため、直径が２インチのサファイアウェハに成長して、転位密度が６×１０7ｃｍ-2より小さくなり、クラックもなく、ミラーフェースのＧａＮ層が得られることが紹介されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、チッ化物系化合物半導体のエピタキシャル成長層は、転位密度が非常に大きく、発光効率の低下にもつながり、信頼性も低下する。一方、前述のＳｉＯ2マスクを用いることによる選択成長では転位密度が小さくなる。しかし、図７に示されるように、一定間隔で設けられる両側の開口部４４から順次横方向に成長し、マスク４３の中央部で合致するように成長するが、マスク４３上に成長する第２のＧａＮ層４５は、中央部側にいくにしたがって、マスク４３より浮き上がり、結晶軸が曲がりながら成長し、底面および表面側が平坦な第２のＧａＮ層４５とはならない。そのため、図７に示されるように、マスクの中央部側では、第２のＧａＮ層４５が浮き上がった状態で両方から合流することによる空孔４６が形成され、デバイス化するのに好ましくない。この傾向は、マスク幅Ｍが大きくなると一層顕著になる。
【０００６】
この平坦性を損なわないようにするには、たとえば前述の文献に紹介されている例でも、ＳｉＯ2マスクの幅Ｍは１〜４μｍ幅で、その周期（Ｍ＋Ｗ）が７μｍ程度と記載されているように、マスク幅Ｍが３μｍ以上になると空孔４６が発生しやすくなる。しかも幅Ｍが大きくなるにしたがって、空孔の高さも大きくなり、それにより表面の平坦性が低下してデバイス特性も低下する。また、空孔４６ができないで、平坦性が得られるぎりぎりの状態のところでも、その中央部の合致する部分では、転位密度が大きくなる。さらに、開口部４４に成長する第２のＧａＮ層４５も第１のＧａＮ層４２の転位密度が大きいため、そのまま転位密度の大きい領域となる。そのため、転位密度の小さい連続した部分は、マスク幅の半分の範囲で、しかもその半分の両端部を除外したところしかなく、幅で１μｍ程度しか得られない。
【０００７】
ところが、ストライプ状の半導体レーザにする場合で、ストライプ状の発光領域だけを転位密度の小さい半導体層で構成しようとしても、ストライプ幅の４〜５μｍとアライメントマージンとを考慮し、マスク幅の半分以下しか使用できないことを考えると、マスク幅Ｍは１０〜１５μｍ以上必要となる。そのため、このような幅広のマスクを使用して、平坦性のよいチッ化物系化合物半導体層を成長しなければ、実際のデバイスに応用することができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこのよな状況に鑑みなされたもので、ＳｉＯ2などのマスク上に選択成長をさせることにより、転位密度を小さくしながら、広い範囲に亘って平坦性が得られるチッ化物系化合物半導体層を積層し、発光効率の優れたチッ化物系化合物半導体発光素子を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、半導体レーザのように発光領域をストライプ状部分などに限定できる場合に、少なくともそのストライプ状の発光領域部分における活性層の転位密度を小さくし、しきい電流値を下げ、高出力を得ることができる半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、マスク層上にチッ化物系化合物半導体層を横方向に選択成長する場合に、マスクの中央部に行くにしたがって、成長する半導体層の結晶軸が上方に曲って成長し、中央部近傍で空孔が形成され、マスク幅が広くなればなるほどその空孔部分が大きくなり、平坦な半導体層を成長することができないという問題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、マスクの中央部側に成長するにしたがって、成長する半導体層の結晶軸が上方に曲がる原因が、半導体層とマスク層との接触部に働く接触応力に起因することを見出した。そして、この接触部を離して、接触応力が働かないようにすることにより、結晶軸の曲がりが発生しないで、転位密度が小さく、かつ、平坦な半導体層が成長されることを見出した。
【００１１】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上または該基板上に設けられる第１のチッ化物系化合物半導体層上に設けられ、開口部を有するマスク層と、該マスク層上に前記開口部から横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層と、該第２のチッ化物系化合物半導体層上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体が積層される半導体積層部とからなり、前記マスク層の上面側で、前記開口部側より該開口部から離れた部分における前記マスク層の厚さが相対的に薄くされることにより、前記マスク層に凹部が形成されていたり、前記第２のチッ化物系化合物半導体層の底面と前記マスク層との間にほぼ平行な空隙が形成されるように前記第２のチッ化物系化合物半導体層が成長されていたりしている。
【００１２】
ここにチッ化物系化合物半導体とは、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのIII 族元素とＮまたはＮと他のＶ族元素との化合物からなる半導体を意味する。したがって、ＧａＮの他、ＡｌとＧａとの組成比が変えられるＡｌＧａＮ系化合物や、ＩｎとＧａの組成比が変えられるＩｎＧａＮ系化合物など、III族元素の混晶比やＶ族元素の混晶比が適宜変化されるＮを含む化合物半導体を意味する。また、マスク層とは、たとえばＳｉＯ2のように、チッ化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長しようとしても、直接にはその表面にエピタキシャル成長をすることができない材料からなる層を意味する。
【００１３】
この構造にすることにより、横方向に選択成長する第２のチッ化物系化合物半導体層の下層となるマスク層に凹部が設けられ、または第２のチッ化物系化合物半導体層とマスク層との間に空隙が形成されるように成長されているため、成長する第２のチッ化ガリウム系化合物半導体層はマスク層から応力を受けることがなくなる。その結果、第２のチッ化ガリウム系化合物半導体層は、横方向に成長するにしたがってその結晶軸が上方に押し曲げられることがなくなり、広い幅に亘って、まっすぐ横方向に成長して、平坦性が優れ、かつ、転位密度の小さい第２のチッ化物系化合物半導体層が得られる。そして、その上に積層されるチッ化物系化合物の半導体積層部も、転位密度の小さい半導体層上に成長するため、転位密度が小さく、平坦性の優れた半導体積層部が形成される。
【００１４】
本発明による半導体レーザは、請求項１〜１４のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子において、前記半導体積層部が半導体レーザを構成するように積層されると共に、前記開口部により挟まれるマスク層がストライプ状に設けられ、該マスク層のストライプ方向に沿って前記凹部またはほぼ平行な空隙が一定幅で形成され、該一定幅の半分の幅内上における前記半導体積層部にストライプ状の電流注入領域が形成されるように前記半導体積層部が形成されている。このような構成にすることにより、広い範囲に亘って、転位密度の小さい半導体層が形成されなくても、ストライプ状の発光領域に必要な領域の半導体積層部は転位密度の小さい層のみで、しかも平坦性よく形成され、しきい電流値が小さく、高出力で信頼性の優れた半導体レーザが得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１にその一実施形態である半導体レーザの断面説明図が示されるように、基板１上に第１のチッ化物系化合物半導体層２が設けられ、その上に開口部３ａを有するマスク層３が設けられ、そのマスク層３上に前記開口部３ａから横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層４、さらに、発光層を形成するように積層されるチッ化物系化合物からなる半導体積層部１５が設けられている。そして、マスク層３の上面側に凹部３ｂが形成されている。他の構成としては、たとえばマスク層３上面側の凹部３ｂにより、第２のチッ化物系化合物半導体層４の底面側が平坦面に形成され、かつ、第２のチッ化物系化合物半導体層４の底面とマスク層３との間にほぼ平行な空隙３ｃが形成されるように第２のチッ化物系化合物半導体層４が成長されてもよい。
【００１６】
基板１は、たとえば高温にも耐え得るサファイア（Ａｌ2Ｏ3単結晶）基板が用いられるが、サファイアに限定されず、Ｓｉ、Ｇｅなどの他の半導体基板などを用いることができる。どの材料が用いられても、ＧａＮとは格子定数が合わず、格子整合を採ることができないが、マスク層を介して横方向の選択成長をすることにより、マスク層上に転位密度の小さい半導体層を成長することができる。
【００１７】
第１のチッ化物系化合物半導体層２は、たとえば４μｍ程度の厚さで、ノンドープのＧａＮを、ＭＯＣＶＤ法などの通常のエピタキシャル成長法により形成されたもので、後述する第２のチッ化物系化合物半導体層４を選択成長する際のシードとするものである。
【００１８】
マスク層３は、たとえばＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｗなどの、その上には直接半導体層をエピタキシャル成長することができない材料が、スパッタリングなどにより、２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。この厚さは、第１のＧａＮ層２上に直接第２の半導体層が成長しないようにマスクとするもので、マスクの機能を有する程度に形成されれば、薄いほど段差が生じにくく好ましい。このマスク層３は、ウェハの状態の一部断面説明図が図２に示されるように、ウェハ状態では第１のチッ化物系化合物半導体層２上に全面に設けられた後に、パターニングされて開口部３ａ（この例では、図面に垂直方向にストライプ状に延びている）が形成され、さらに残ったマスク層３の表面側に凹部３ｂが、その開口部３ａに沿って形成されている。図１に示される半導体レーザを製造する場合、この開口部３ａの幅Ｗは、１０〜２０μｍ程度で、マスク層３の幅Ｍは２０μｍ程度に形成されている。本発明によれば、このマスク幅の２０μｍ程度を、さらに大きくしても平坦な第２の半導体層４を成長することができる。図１では、ストライプ部およびその下のマスク層３部分が誇張して示されているため、マスク層３が１個しか示されていないが、実際には前述のＭとＷの繰り返しで、１チップに多数個のマスク層３が設けられている。
【００１９】
マスク層３の表面に形成される凹部３ｂは、その形成時の断面説明図が図３に示されるように、開口部３ａが形成された後に、再度レジスト膜１８が全面に設けられ、パターニングによりレジスト膜１８に１６μｍ程度の幅Ｎの開口部１８ａを形成した後に、ＨＦ系水溶液によりエッチングすることにより、マスク層３の厚さｔの半分程度、すなわち１００ｎｍ程度の深さｄに形成されている。したがって、マスク層３の両端部から２μｍ程度の幅Ｐをそれぞれ残して、それより内部側の表面には凹部３ｂが形成されている。
【００２０】
この両端に残す幅Ｐは、マスクアライメントの精度を考慮して２μｍ程度設けられているが、開口部３ａから連続して凹部３ｂ内に成長しないようにするためのもので、横方向への成長位置がマスク層３の大部分の表面より高い位置で始まり、大部分の表面と横方向に成長する第２の半導体層４との間に空隙が形成されればよい。そのため、凹部３ｂの形成でなくても、開口部３ａ側に突起が形成される構造でも、第２の半導体層４との間にほぼ平行な空隙が形成される構造になっておればよい。また、凹部３ｂの深さ（両端部に突起が設けられる場合はその高さ）は、横方向に成長する第２の半導体層４との間に接触応力が働かない程度に段差が形成されておればよい。そのため、第２の半導体層４が僅かに底面側にも成長し、殆どマスク層３の大部分の表面と接するぎりぎりの位置関係で、空隙が形成されない程度の深さの凹部３ｂに形成されてもよいが、製造条件のバラツキを考慮すれば、前述の１００ｎｍ程度が好ましい。
【００２１】
第２のチッ化物系化合物半導体層４は、たとえばノンドープのＧａＮ層で２０μｍ程度の厚さに形成される。この半導体層４は、前述のマスク層３の開口部３ａから露出する第１のＧａＮ層２をシードとして成長し始め、マスク層３の表面に達すると、横方向に選択成長する。すなわち、ＧａＮ層は、縦方向の成長よりも横方向への成長の方が早くしかも結晶性よく成長するため、マスク層３に凹部３ｂが設けられていても、下側には殆ど成長せず、マスク層３との間に空隙３ｃを形成しながら横方向に成長しながら上方にも僅かに成長し、最終的にはマスク層３の中央部あたりで両方の開口部から横方向に成長してきた半導体層が合致する。そしてマスク層３の表面が完全に埋まった後は上方に成長し、マスク層３上にも完全に第２のＧａＮ層（半導体層）４が成長する。この第２のＧａＮ層４は、マスク層３上の両端部（開口部３ａに接する部分）および中央部の合致する部分を除いた部分の結晶性がよく、転位密度も１桁ほど小さくなる。
【００２２】
第２のＧａＮ層４上の半導体積層部１５は、通常の半導体レーザを構成する半導体積層部になっている。すなわち、たとえばＳｉが５×１０18ｃｍ-3程度にドープされたｎ形ＧａＮからなるｎ形コンタクト層５が０.５μｍ程度、たとえばＳｉが５×１０18ｃｍ-3程度にドープされたｎ形Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｎ形クラッド層６が０.４μｍ程度、たとえばＳｉが１×１０18ｃｍ-3程度にドープされたｎ形ＧａＮからなる第１のｎ形ガイド層７が０.２μｍ程度、たとえばＳｉがドープされたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなる第２のｎ形ガイド層８を５０ｎｍ程度、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるウェル層を５ｎｍ程度、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎからなるバリア層を５ｎｍ程度づつ交互にウェル層を５層積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層９を５０ｎｍ、たとえばＭｇがドープされたＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ形キャップ層１０を２０ｎｍ程度、たとえばＭｇが１×１０18ｃｍ-3程度にドープされたＧａＮからなるｐ形ガイド層１１を０.１μｍ程度、たとえばＭｇが２×１０17ｃｍ-3程度にドープされたＡｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐ形クラッド層１２を０.４μｍ程度、たとえばＭｇが３×１０18ｃｍ-3程度にドープされたＧａＮからなるｐ形コンタクト層１３を０.１μｍ程度、それぞれ順次積層することにより形成されている。
【００２３】
半導体積層部１５の構造や各層の材料は、この例に限定されるものではなく、活性層９も量子井戸構造でないバルク構造のものでもよく、所望の発光波長により定まる材料の活性層９が、それよりバンドギャップの大きい材料からなるクラッド層６、１２により挟持される構成に形成される。また、図１に示される例のように半導体レーザを構成する場合、活性層９の屈折率がクラッド層６、１２より大きい材料により形成される。そうすることにより、活性層９に光を閉じ込めることができるが、活性層９が薄く充分に光を閉じ込めることができないときは、図１に示される例のように、クラッド層６、１２と活性層９との間の屈折率を有する光ガイド層７、８、１１が設けられる。しかし、活性層９で充分に光を閉じ込められれば光ガイド層７、８、１１を設ける必要はない。
【００２４】
半導体積層部１５の最上層のｐ形コンタクト層１３は、メサエッチングが施されると共に、半導体積層部１５の一部がエッチングされてｎ形コンタクト層５を露出させ、その表面の全面にＳｉＯ2が成膜されて保護膜１４が形成されている。そして、保護膜１４のコンタクト孔を介してｐ形コンタクト層１３のメサ部上にＮｉ-Ａｕからなるｐ側電極１６、およびｎ形コンタクト層と接続してＴｉ-Ａｌからなるｎ側電極１７がそれぞれ形成されている。そして、共振器長（紙面に垂直方向の長さ）が５００μｍ程度になるように劈開され、図１に示されるレーザ（ＬＤ）チップが形成されている。
【００２５】
この積層構造で、ｐ形コンタクト層１３のストライプ状のメサ型にされた部分が電流注入領域となり（コンタクト層１３がメサ型にされなくてもｐ側電極がストライプ状に形成されておればストライプ状の電流注入領域が形成される）、その下層に、マスク層３に設けられるストライプ状凹部３ｂの幅の半分以下が位置するように、マスク層３およびｐ側電極１６が位置合せして形成されている。
【００２６】
本発明によれば、マスク層の上に横方向の選択成長によりチッ化物化合物半導体層を成長する場合に、マスク層の表面に凹部が形成されているため、半導体層を選択成長することにより、マスク層上に半導体層が成長しても、成長は横方向に進み、マスク層との間に空隙が形成されており、成長の際にマスク層と半導体層との間の接触応力は働かない。そのため、成長する半導体層の結晶軸が応力により曲げられることはなく、長い幅に亘って平坦な半導体層が成長する。（空隙が形成されていなくても、凹部が形成されることにより、選択成長する半導体層とマスク層との間に殆ど接触応力が働かない状態になっている。）また、横方向の成長であるため、転位密度は小さく５×１０6ｃｍ-2程度と１桁以上小さく、結晶性および平坦性の非常に優れた半導体層が広い範囲に亘って形成される。
【００２７】
図１に示される例のように、マスク層に設けられる凹部がストライプ状に設けられると共に、その半分の幅内にストライプ状の電流注入領域が形成されるようにその上の半導体積層部が形成されることにより、非常に結晶性がよく平坦性の優れた部分のみの半導体積層部で発光させることができ、広い範囲の全面に亘って結晶性よく、平坦性の優れた半導体層を成長することができなくても、しきい電流値が小さく、発振出力の大きな半導体レーザを得ることができる。すなわち、図１に示される構造の転位密度としきい電流値との関係が、図５に示されるように、本発明によれば、転位密度が２×１０8ｃｍ-2から５×１０6ｃｍ-2に下がり、しきい電流値も１０ｋＡｃｍ-2から５ｋＡｃｍ-2に低下した。
【００２８】
すなわち、マスクを用いた横方向への選択成長でも、マスクの開口部ではシードとなる第１の半導体層の結晶性が悪く、転位密度が大きいため、その上に成長する半導体層も転位密度が大きく、結晶性はよくない。また、マスク層の幅が広いと、マスク層の中央部にいくにしたがって、平坦性を維持することが難しく、また、両方の開口部から成長して合流する部分では、結晶性も低下するため、広い面積の全面で結晶性もよく、平坦性の優れた半導体層を得ることはできない。しかし、前述の構成にすることにより、半導体レーザの発光させるストライプ状の共振器部分については、結晶性および平坦性の優れた半導体層上に成長することができるため、その共振器部分の半導体積層部も結晶性よく成長し、しきい電流値の小さい半導体レーザが得られる。
【００２９】
つぎに、この半導体レーザの製法について説明をする。たとえばＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長装置を用いて、基板温度を１１００℃程度にしてＨ2雰囲気でサーマルクリーニングをする。その後、Ｇａの原料ガスとしてのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｎの原料ガスとしてのアンモニア（ＮＨ3）を導入し、ノンドープの第１のＧａＮ層２を、４μｍ程度成長する。ついで、成長装置から基板を採りだし、たとえばスパッタリング装置を用いて、ＳｉＯ2膜を２００ｎｍ程度成膜する。その後、ＳｉＯ2膜上にレジスト膜を設け、パターニングし、ＨＦ水溶液を用いてＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、ストライプ状に開口部を形成し、ストライプ状のマスク層３を形成する。さらに、図３に示されるように、表面全面にレジスト膜１８を設けてパターニングすることにより、凹部３ｂを形成する部分を開口する。そして、再度ＨＦ水溶液によりエッチングすることにより、図３に示される凹部３ｂをストライプ状に（紙面に垂直方向）形成する。
【００３０】
その後、再度ＭＯＣＶＤ装置などの成長装置に入れて、原料ガスとして、前述のガスのほかにＡｌのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｎ形ドーパントとして、ＳｉＨ4、ｐ形ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要なガスをキャリアガスの水素と共に導入して、第２のＧａＮ層４および半導体積層部１５の各半導体層をそれぞれ前述の厚さで成長する。この場合、第１のｎ形ガイド層７までは、基板温度を１０５０℃程度で成長し、第２のｎ形ガイド層８および活性層９は基板温度を７７０℃程度にして成長し、その後の各層は再度基板温度を１０５０℃程度にして成長する。
【００３１】
各半導体層の成長が終了したら、基板を成長装置から取出して、表面にレジストマスクを設け、リアクティブ  イオン  ビーム  エッチング（ＲＩＢＥ）装置で、図４（ａ）に示されるように、４００μｍ周期の一部の２００μｍ幅で、半導体積層部１５の一部をエッチングし、ｎ形コンタクト層５の一部を露出させる。さらにレジストマスクを除去して再度レジストマスクを設け、同装置によりｐ形コンタクト層１３を４μｍ程度の幅に残るようにメサエッチングをする。その後、たとえばプラズマＣＶＤのような成膜装置を用いて、ＳｉＯ2のような保護膜１４を２００ｎｍ程度の厚さで全面に成膜し、電極の形成部をＨＦ系エッチャントによりエッチングしてコンタクト孔を形成する。
【００３２】
ついで、ｐ側電極１６として、Ｎｉを１００ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍそれぞれ真空蒸着装置により成膜し、さらにｎ側電極１７として、Ｔｉを１００ｎｍ、Ａｌを２００ｎｍそれぞれ成膜して電極１６、１７を形成し、基板１の裏面を研削して６０μｍ程度に薄くした後、共振器長が５００μｍ程度になるように劈開することにより、ＬＤチップが形成される。
【００３３】
前述の例では、ｐ形コンタクト層１３をメサ型のストライプ形状にしただけのストライプ構造の半導体レーザであったが、半導体層をエッチングしないで電極だけをストライプ状に形成してもよく、また、活性層の近くまでメサ型にしてもよく、さらには、プロトンなどを打ち込んだプロトン打込み型にすることもできる。さらに、電流制限層を埋め込む屈折率導波型構造にすることもできる。また、前述の例は、半導体レーザの例であったが、発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合でも、本願発明によれば、広い範囲に亘って結晶性の優れた半導体層が得られ、一部に転位密度の大きい部分が合っても、その部分の全発光部に対する割合が小さいため、発光効率が向上する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、マスク層の幅が広くなっても、その上に横方向に選択成長する半導体層の結晶軸が曲がることがなく、横方向への選択成長による低い転位密度を維持しながら、半導体層の平坦性を保持することができるため、広範囲に亘って結晶性および平坦性の優れたチッ化物系化合物半導体層が得られ、青色系の半導体発光素子などのチッ化物系化合物発光デバイスに実用化することができる。とくに、チッ化物系化合物半導体を用いた青色系の半導体レーザに応用することにより、しきい電流値の小さい半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザの一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１のマスク層部分のウェハ状態における断面説明図である。
【図３】図１のマスク層に凹部を形成する際の説明図である。
【図４】半導体を積層した後、積層部をエッチングするパターン例の説明図である。
【図５】本発明による半導体レーザによるしきい値電流の変化の状態を転位密度に対して示した図である。
【図６】従来の青色系半導体レーザの一例を示す断面説明図である。
【図７】従来のマスク層を用いて横方向に選択成長する場合のマスク層と開口部との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２    第１のＧａＮ層
３    マスク層
３ａ  開口部
３ｂ  凹部
３ｃ  空隙
４    第２のＧａＮ層
９    活性層
１５    半導体積層部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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