(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体を含む第一の層と、
前記第一の層上に設けられ、開口部が形成された第二の層と、
前記第二の層上に設けられるとともに、前記第二の層に形成された前記開口部を埋め込み、III族窒化物半導体を含む第三の層とを有し、
前記第三の層と、前記第一の層との界面が前記開口部底部に位置し、
前記第二の層の前記開口部の幅寸法は、前記開口部上部側で最小となり、
前記第二の層は、III族窒化物半導体を含有する層であり、
前記開口部は、開口部底部側から開口部上部側に向かって幅寸法が小さくなる逆テーパ状であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載のIII族窒化物半導体素子において、
前記第二の層は、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）を含有する層であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項３】
請求項２に記載のIII族窒化物半導体素子において、
前記第二の層は、ＡｌＮを含有する層であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子において、
前記第二の層は、前記第一の層上に形成される下部層と、この下部層上に形成される上部層とを有し、
前記下部層は、ＩｎａＧａｂＡｌ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、０≦ａ＋ｂ＜１）からなる層であり、
前記上部層は、ＩｎｃＧａｄＡｌ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０＜ｃ＋ｄ≦１）からなる層であり、
前記上部層のＡｌ組成比は、ゼロあるいは、前記下部層のＡｌ組成比よりも小さいことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項５】
請求項４に記載のIII族窒化物半導体素子において、
前記上部層は、ＧａＮからなる層であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子において、
前記開口部の最小幅が２μｍ以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のIII族窒化物半導体素子において、
当該III族窒化物半導体素子は、半導体レーザであり、
前記第二の層は、電流狭窄層であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
【請求項８】
III族窒化物半導体層である第一の層上に第二の層を設ける工程と、
前記第二の層に開口部を形成する工程と、
前記第二の層の前記開口部を埋め込むとともに、前記第二の層上に設けられるIII族窒化物半導体層である第三の層を設ける工程と、
を含み、
第二の層に開口部を形成する前記工程では、前記開口部上部側で幅寸法が最小となるように前記開口部を形成し、
前記第二の層は、III族窒化物半導体を含有する層であり、
前記開口部は、開口部底部側から開口部上部側に向かって幅寸法が小さくなる逆テーパ状であることを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。特に１９９０年代半ば頃よりこのIII族窒化物半導体を用いた紫外から青、緑色の波長領域の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：  ＬＥＤ）の性能が急激に向上した結果、同材料を用いたＬＥＤの適用範囲は格段に広がり非常に大きな市場を形成している。また、次世代の高密度光ディスク用光源としても本材料は重要であり、発振波長４０５ｎｍの半導体レーザ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：  ＬＤ）の研究開発が精力的に進められ、一部実用化され始めている。
また、III族窒化物半導体は、禁制帯幅が大きいことに加えて、絶縁破壊電界が大きいと予想されること、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、高温動作、高速スイッチング動作、大電力動作などの点で、従来のＳｉやＧａＡｓを用いた素子を大幅に凌駕する高性能素子への応用が期待され、精力的な検討が行われている。【０００３】
このIII族窒化物半導体を用いて、上記の様な産業上非常に大きなインパクトを有する新機能、高性能を有する素子を作製するためには、欠陥の少ない良質な多層薄膜を精密に積層する技術に加えて、その多層薄膜を精密かつ微細に加工し所定の構造を作製する技術が極めて重要である。この点について、ＬＤを例に挙げて説明する。【０００４】
III族窒化物半導体ＬＤ構造としては、従来より図５に示す構造が主流であった。
図５に示す半導体素子１００は、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、ＧａＮ層１０２、ＡｌＧａＮ層からなるｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、多重量子井戸層１０５、キャップ層１０６、ｐ型ＧａＮガイド層１０７、ＡｌＧａＮ層からなるｐ型クラッド層１０８、ＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層１０９を積層したものである。
ｐ型クラッド層１０８はリッジ部１１１を有しており、このリッジ部１１１の側方は、絶縁膜１１０でカバーされている。この絶縁膜１１０は、リッジ部１１１の上面上に開口部を有しており、開口部にｐ型コンタクト層１０９、ｐ電極１１２が設けられる。
電流狭窄はリッジ構造によってなされ、リッジ幅およびリッジ高さを調整することにより横モードの制御がなされる。このようなリッジ構造ＬＤでは、構造的に寄生容量が小さいため高周波特性の点で有利である。【０００５】
図５のリッジ構造は、リソグラフィーとエッチングを併用して作製される。III族窒化物半導体では溶液による化学エッチングが困難なため、エッチングにはハロゲン系ドライエッチングが用いられる。リッジ構造ＬＤの横モード特性はｐ電極１１２のストライプ幅、リッジ幅およびリッジ高さが主要なパラメータとなる。
ストライプ幅およびリッジ幅はリソグラフィーに依存するため、精度良く作製することができる。
一方で、リッジ高さは、エッチング量で決まり、エッチング時のプラズマ条件、エッチングガス流量、基板温度などの多くのパラメータに依存する。このため大面積にわたり歩留まり良く素子の作製を行うことが困難であった。またエッチング時に発生する荷電粒子により、活性層がダメージを受ける問題があった。【０００６】
リッジ構造のＬＤよりも効率のよい電流狭窄を実現する構造として、電流狭窄層が内部に埋め込まれた構造のインナーストライプ型のＬＤも提案されている。例えば、図６に示す構造が示されている（例えば、特許文献１参照）。図６に示す半導体素子２００は、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に、開口部１１４Ａを有する電流狭窄層１１４と、この電流狭窄層１１４上に形成されるとともに、電流狭窄層１１４の開口部１１４Ａを埋め込むｐ型クラッド層１０８とを有する。
電流狭窄層１１４は、ＡｌＮで構成されており、この電流狭窄層１１４によりキャリア注入効率の向上が図られる。
また、この電流狭窄層１１４は電流狭窄と横モード制御を兼ねた構造となっている。この構造では、横モード特性に影響する各層の厚さが成長膜厚で制御できるため、再現性、歩留まりの点でリッジ構造ＬＤに比べ有利な構造となる。【０００７】
ここで、図６に示す半導体素子２００を製造する際には、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に非結晶層である電流狭窄層１１４を形成する。そして、燐酸および硫酸を体積比１：１で混合した８０℃〜１２０℃のエッチング液よりウェットエッチングを行い、開口部１１４Ａを形成する。
このように電流狭窄層１１４を非結晶層とすることで、電流狭窄層１１４の下部の層にダメージを与えることなく、エッチングにより、開口部１１４Ａを形成することができる。
ここで、非結晶層とは、アモルファス層または一部微結晶化層を含むアモルファス層を意味する。
その後、電流狭窄層１１４を、ｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９を形成する際に、９００℃以上に昇温すると、電流狭窄層１１４は、下地であるｐ型ＧａＮガイド層１０７の結晶方位を引き継いで固相成長し結晶化する。この過程で電流狭窄層１１４には大量の転位が導入され格子緩和するため、結晶化してもクラックが発生しない。さらに結晶化した電流狭窄層１１４上へのｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９の成長においても、高密度の転位によりｐ型クラッド層１０８およびｐ型コンタクト層１０９の格子が緩和されるためクラックが発生することなく成長を行うことができる。【０００８】
【特許文献１】特開２００３−７８２１５号公報
【発明の開示】
【０００９】
上記ＡｌＮからなる電流狭窄層が内部に埋め込まれた構造のインナーストライプ型のIII族窒化物半導体素子の性能の向上や歩留りの向上には、欠陥の抑制が重要となる。
従来のインナーストライプ型のIII族窒化物半導体素子２００の電流狭窄層１１４の開口部１１４Ａ近傍（図６の点線で囲んだ部分）を拡大した概念図を図７に示す。電流狭窄層１１４の開口部１１４Ａの形状は、いわゆる順テーパ状である。
このような形状の開口部１１４Ａが形成されると、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９等を成長させる際、開口部近傍に多数の転位１１５が発生する。この転位１１５はｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９等に伝播し素子寿命を低下させる一因となる。
また開口部近傍に発生した多数の転位によって表面歪エネルギーが解放されることで、開口部近傍の結晶成長速度が増大するため、ｐ型クラッド層１０８のうち、開口部１１４Ａを埋める部分の厚みが増大することとなる。これにより、半導体素子２００の動作電圧が上昇する。
また、開口部１１４Ａを埋める部分のｐ型クラッド層１０８の厚みが厚くなり、ｐ型クラッド層１０８の厚みがばらつくことで光閉じ込め構造に設計とのずれが生じ、閾値や、キンクレベルなどの特性のばらつきの原因となる。
【００１０】
従来のIII族窒化物半導体素子２００の開口部近傍で多くの転位が発生する原因として、以下のことが考えられる。
従来のIII族窒化物半導体素子２００においては、開口部１１４Ａの形状が順テーパ形状となっているため、開口部１１４Ａを形成する電流狭窄層１１４の側壁にｐ型クラッド層１０８を構成するＡｌＧａＮが付着しやすく、開口部１１４Ａを形成する側壁に結晶核が形成されやすい。開口部１１４Ａを構成する側壁に形成された結晶核から成長した結晶中には、多くの転位が発生する。
そのため、従来のIII族窒化物半導体素子２００では、開口部近傍で多くの転位が発生していたものと考えられる。
【００１１】
本発明によれば、III族窒化物半導体を含む第一の層と、前記第一の層上に設けられ、開口部が形成された第二の層と、前記第二の層上に設けられるとともに、前記第二の層に形成された前記開口部を埋め込み、III族窒化物半導体を含む第三の層とを有し、前記第三の層と、前記第一の層との界面が前記開口部底部に位置し、前記第二の層の前記開口部の幅寸法は、前記開口部上部側で最小となることを特徴とするIII族窒化物半導体素子が提供される。
【００１２】
ここで、開口部上部側とは、第一の層と反対側の部分のことであり、開口部底部と反対側の部分である。
また、「開口部の幅寸法が開口部上部側で最小となる」とは、III族窒化物半導体素子の各層と直交するいずれかの断面において、開口部の幅寸法が開口部上部側で最小となっていればよい。
また、開口部がストライプ状に延びる場合にはストライプの長手方向と直交する断面において、開口部の幅寸法が開口部上部側で最小となることが好ましい。
【００１３】
この発明によれば、第二の層の開口部の幅寸法は、開口部上部側で最小となっている。換言すると、開口部を構成する側壁のうち、開口部上部側の部分が他の部分に比べて、最も開口部内側に突出した構造となっている。そのため、開口部の側壁に第三の層を構成する原料が付着しにくくなり、開口部の側壁に第三の層の結晶核が形成されにくくなる。
これにより、開口部近傍での転位の発生を抑制することができる。
また、本発明では、開口部を構成する側壁のうち、開口部上部側の部分が最も開口部内側に突出した構造となっているので、この開口部上部側の部分により、開口部底部側から上方に向かう転位がブロックされることとなる。そのため、開口部近傍で発生する転位は、ループ状転位となる。これにより、開口部内側の開口部中心部近傍や、第三の層の上方部分への転位の伝播が抑制され、III族窒化物半導体素子の寿命の低下を防止することができる。
さらに、開口部近傍での転位が発生しにくくなるので、開口部近傍の第三の層の厚みが増大してしまうことも防止できる。
【００１４】
また、本発明によれば、III族窒化物半導体層である第一の層上に第二の層を設ける工程と、前記第二の層に開口部を形成する工程と、前記第二の層の前記開口部を埋め込むとともに、前記第二の層上に設けられるIII族窒化物半導体層である第三の層を設ける工程と、
を含み、第二の層に開口部を形成する前記工程では、前記開口部上部側で幅寸法が最小となるように前記開口部を形成することを特徴とするIII族窒化物半導体素子の製造方法も提供することができる。
【００１５】
本発明によれば、寿命の低下を防止することができ、開口部近傍での第三の層の厚みの増大を防止することができるIII族窒化物半導体素子およびIII族窒化物半導体素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるIII族窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図２】III族窒化物半導体素子の要部を示す図である。
【図３】実施例２にかかるIII族窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図４】本発明の変形例にかかるIII族窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図５】従来のIII族窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図６】従来のIII族窒化物半導体素子を示す断面図である。
【図７】図６に示すIII族窒化物半導体素子の要部を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１を参照して、本実施形態のIII族窒化物半導体素子について説明する。
III族窒化物半導体素子は、III族窒化物半導体光素子であり、半導体レーザ３００である。
まず、はじめにこの半導体レーザ３００の概要について説明する。
この半導体レーザ３００は、III族窒化物半導体層である第一の層（ｐ型ＧａＮガイド層１０７）と、第一の層上に設けられ、開口部３１４Ａが形成された第二の層（電流狭窄層３１４）と、第二の層上に設けられるとともに、第二の層に形成された開口部３１４Ａを埋め込むIII族窒化物半導体層である第三の層（ｐ型クラッド層１０８）とを有する。
第三の層と、第一の層との界面は、開口部３１４Ａ底部に存在する。
第二の層はIII族窒化物半導体層であり、開口部３１４Ａの幅寸法は、開口部３１４Ａ上部側で最小となっている。【００１９】
次に、半導体レーザ３００の構成について、詳細に説明する。
半導体レーザ３００は、半導体基板としてのｎ型ＧａＮ基板１０１と、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に設けられたＳｉドープｎ型ＧａＮ層１０２と、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２上に設けられたｎ型クラッド層１０３、ｎ型クラッド層１０３上に設けられたｎ型光閉じ込め層１０４と、ｎ型光閉じ込め層１０４上に設けられた活性層としての３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５と、３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５上に設けられたキャップ層１０６と、キャップ層１０６上に設けられたｐ型ＧａＮガイド層１０７と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に設けられた電流狭窄層３１４と、電流狭窄層３１４上に設けられたｐ型クラッド層１０８と、ｐ型クラッド層１０８上に設けられたｐ型コンタクト層１０９とを有する。【００２０】
ｎ型ＧａＮ基板１０１の表面側には、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２が積層されており、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面側には、ｎ電極１１３が設けられている。
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２は、例えば、Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３であり、厚さは、１μｍである。
ｎ型クラッド層１０３は、例えば、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎから構成される層であり、例えば、Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍである。
ｎ型光閉じ込め層１０４は、例えば、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなるものであり、例えば、Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍである。
さらに、３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５は、例えば、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（たとえば、厚さ３ｎｍ）井戸層とアンドープＧａＮ（たとえば、厚さ１０ｎｍ）バリア層とを含んで構成される。
キャップ層１０６は、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるものである。
ｐ型ＧａＮガイド層１０７は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるものであり、例えば、Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍである。【００２１】
電流狭窄層３１４は、III族窒化物半導体層であり、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる層である。例えば、電流狭窄層３１４は、ＡｌＮ層である。本実施形態では、電流狭窄層３１４は単層構成である。
この電流狭窄層３１４には、ストライプ状の開口部３１４Ａが形成されている。
開口部３１４Ａの長手方向と直交する断面において、開口部３１４Ａの幅寸法は、開口部３１４Ａ上部側で最小となっている。
本実施形態では、開口部３１４Ａの長手方向と直交する断面において、開口部３１４Ａの幅寸法は開口部３１４Ａ底部側から、開口部３１４Ａ上部側に向かって単調減少している。
換言すると、開口部３１４Ａの形状は、開口部３１４Ａ底部側から、開口部３１４Ａ上部側に向かって幅寸法が小さくなる逆テーパ状である。
また、開口部３１４Ａを形成する電流狭窄層３１４の側壁の上端部部分は、側壁の他の部分よりも開口部３１４Ａ内側に張り出している。すなわち、電流狭窄層３１４の側壁の上端部部分は、庇状に開口部３１４Ａ内側に張り出しているといえる。
ここで、開口部３１４Ａの長手方向と直交する断面において、開口部３１４Ａの上端部の幅寸法（開口部３１４Ａの最小幅）は、２μｍ以下である。【００２２】
ｐ型クラッド層１０８は、例えば、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９
ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなる層である。このｐ型クラッド層１０８は、電流狭窄層３１４上に設けられるとともに、開口部３１４Ａを埋め込んでいる。ｐ型クラッド層１０８と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７との界面は、開口部３１４Ａの底部にあり、ｐ型クラッド層１０８と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７との界面と、電流狭窄層３１４のｐ型ＧａＮガイド層１０７側の表面とは、略同一平面上にある。
また、ｐ型クラッド層１０８の上面（ｐ型コンタクト層１０９側の面）は略平坦である。【００２３】
ｐ型コンタクト層１０９は、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（例えば、Ｍｇ濃度２×１０２０ｃｍ−３以下、厚さ０．０２μｍ）からなる層である。
このｐ型コンタクト層１０９上には、ｐ電極１１２が設けられている。【００２４】
次に、このような半導体レーザ３００の製造方法について、説明する。
まず、はじめにｎ型ＧａＮ基板１０１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５、キャップ層１０６、ｐ型ＧａＮガイド層１０７を、たとえば、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法）により積層する。
次に、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に、電流狭窄層３１４を積層する。
電流狭窄層３１４は、低温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングにより開口部３１４Ａを設け、その後、非結晶層形成温度よりも高い温度でｐ型クラッド層１０８よりも上部の層を形成することにより、非結晶層を結晶層に変換するという工程により形成される。
電流狭窄層３１４となるＡｌＮは、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法）により６００℃以下の低温で堆積される。これはＭＯＶＰＥ法によりｐ型ＧａＮガイド層１０７上に高温で単結晶ＡｌＮ層を作製すると、堆積時にＡｌＮ層にクラックが発生するためである。６００℃以下の低温で非結晶のＡｌＮを約０．１μｍ堆積する。次に、リン酸含有エッチング液を用いた選択エッチングによりストライプ状の開口部３１４Ａを形成する。この際、開口部３１４Ａの長手方向と直交する断面において、開口部３１４Ａの上端部の幅寸法が最小幅寸法になるように、エッチングを行う。これは、エッチング液の選択、さらには、ＡｌＮの成膜温度、エッチング液温度、エッチング時間を厳密に制御することにより、好適な条件でエッチングを行うことで実現される。
具体的には、リン酸含有エッチング液としては、低粘度のものを使用する。例えば、３０℃の粘度が１５ｃＰ（センチポアズ）（０．０１５Ｐａ・ｓ）以下、より好ましくは、１０ｃＰ（０．０１Ｐａ・ｓ）以下、さらには、５ｃＰ（０．００５Ｐａ・ｓ）以下、のリン酸含有エッチング液を使用する。
また、リン酸含有エッチング液の温度は、６０℃以下が好ましく、さらには、５０℃以下であることが好ましい。
なお、このリン酸含有エッチング液は、リン酸以外の強酸を含まないことが好ましい。【００２５】
その後、電流狭窄層３１４上に、ｐ型クラッド層１０８をＡｌＮ層の堆積温度よりも高い温度で積層し、さらに、ｐ型コンタクト層１０９を積層する。なお、ｐ型クラッド層１０８は、開口部３１４Ａを埋め込むように積層される。その後、ｐ電極１１２を設ける。
また、ｎ型ＧａＮ基板１０１裏面にｎ電極１１３を設ける。
これにより、半導体レーザ３００を得ることができる。【００２６】
このような半導体レーザ３００では、電流狭窄層３１４の開口部３１４Ａの幅寸法は、開口部３１４Ａ上部側で最小となっており、開口部３１４Ａを構成する電流狭窄層３１４の側壁の上部が開口部３１４Ａ内側に突出した構造となっている。
そのため、ｐ型クラッド層１０８を積層する際に、開口部３１４Ａを形成する側壁にｐ型クラッド層１０８を構成する原料が付着しにくくなり、開口部３１４Ａの側壁にｐ型クラッド層１０８の結晶核が形成されにくくなる。
これにより、開口部３１４Ａ近傍での転位の発生を抑制することができる。【００２７】
本実施形態では、開口部３１４Ａを構成する電流狭窄層３１４の側壁の上部が開口部３１４Ａ内側に突出した構造となっているので、この開口部３１４Ａを構成する側壁の上部により、上方に向かう転位がブロックされることとなる。そのため、図２に示すように、開口部３１４Ａ近傍で発生する転位１１５は、ループ状転位となる。これにより、開口部３１４Ａ内側の中心部近傍や、ｐ型クラッド層１０８のｐ型コンタクト層１０９側近傍部分への伝播が抑制される。これにより、半導体レーザ３００の寿命の低下を防止することができる。
なお、図２は、図１の点線で囲まれた部分を拡大したものである。
さらに、開口部３１４Ａ近傍での転位が発生しにくくなるので、開口部３１４Ａ近傍のｐ型クラッド層１０８の厚みが設計値よりも増大してしまうことも防止できる。
これにより、半導体レーザ３００の動作電圧の上昇を防止することができる。
さらに、ｐ型クラッド層１０８の開口部３１４Ａ近傍の厚みの増大を防止できるので、光閉じ込め構造の設計とのずれを防止することができ、閾値や、キンクレベルなどの特性のばらつきを抑制することができる。【００２８】
さらに、本実施形態では、電流狭窄層３１４をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる層、具体的には、ＡｌＮ層としている。
電流狭窄層３１４に接する下部の層は、ｐ型ＧａＮガイド層１０７であり、電流狭窄層３１４に接する上部の層は、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層１０８である。電流狭窄層３１４を、電流狭窄層３１４上の直上の層、電流狭窄層３１４の直下の層と同様のIII族窒化物半導体層とすることで、電流狭窄層３１４が不純物となって拡散することがなく、また、熱処理による結晶化も比較的容易に行なうことができる。【００２９】
また、本実施形態では、電流狭窄層３１４をＡｌＮ層としている。電流狭窄層３１４を２元化合物とすることで、多元混晶と比べて、結晶化した際に平坦な表面が得られやすい。また、ＡｌＮは、III族窒化物半導体中で最も大きなバンドギャップと、最も小さな屈折率とを有するため、高い絶縁性能と、充分な光閉じ込め性能を有する電流狭窄層を実現することができる。【００３０】
さらに、開口部３１４Ａの最小幅を２μｍ以下としているので、開口部３１４Ａが容易に埋め込まれ、より厚みのばらつきが少なく表面が平坦なｐ型クラッド層１０８が得られやすい。【００３１】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、電流狭窄層３１４を単層構成としたが、これに限らず、図３に示すように、電流狭窄層４１４をｐ型ＧａＮガイド層１０７上に形成される下部層４１６と、この下部層４１６上に形成される上部層４１７とを備えるものとしてもよい。
例えば、下部層４１６をＩｎａＧａｂＡｌ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、０≦ａ＋ｂ＜１）からなる層とし、上部層４１７を、ＩｎｃＧａｄＡｌ１−ｃ−ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０＜ｃ＋ｄ≦１）からなる層とする。
そして、上部層４１７のＡｌ組成比をゼロあるいは、下部層４１６のＡｌ組成比よりも小さくする。
この場合には、上部層４１７において、反応性に富むＡｌ原子濃度が少なくなるため上部層４１７表面に酸化物などの変性層が形成されにくくなる。
そのため、電流狭窄層４１４にウェットエッチング等により、開口部４１４Ａを形成する際に、電流狭窄層４１４と、ＳｉＯ２などの誘電体マスクとの密着性が改善する。
これにより、開口部４１４Ａの幅の制御性が向上する。
ここで、上部層４１７は、ＧａＮからなる層であることが好ましい。
ＧａＮからなる上部層４１７が形成されている場合には、前記誘電体マスクとの密着性がさらに改善することに加えて、二元化合物であるために多元混晶とくらべて結晶化したときに平坦な表面が得られやすい。
また、下部層４１６をＡｌＮ層とすることが好ましい。
なお、開口部４１４Ａの形状は、前記実施形態の開口部３１４Ａの形状と同じであり、上部側で最小幅寸法となる。この最小幅寸法は、２μｍ以下であることが好ましい。【００３２】
さらに、前記実施形態では、開口部３１４Ａの形状が逆テーパ状であり、開口部底部から上部に向かって幅寸法が単調減少するとしたが、開口部３１４Ａの形状はこれに限られるものではない。
例えば、図４に示すように、開口部底部から上部に向かって幅寸法が一度広がった後、幅寸法が開口部上部側で最小となるような形状の開口部３１４Ｂを形成してもよい。
開口部３１４Ｂのような形状であっても、開口部３１４Ｂを構成する電流狭窄層３１４の側壁の上端部が開口部３１４Ｂ内側に突出した構造となっているので、ｐ型クラッド層１０８を積層する際に、開口部３１４Ｂを形成する側壁にｐ型クラッド層１０８を構成する原料が付着しにくくなり、開口部３１４Ｂを形成する側壁にｐ型クラッド層１０８の結晶核が形成されにくくなる。
また、電流狭窄層３１４の側壁の上端部が開口部３１４Ｂ内側に突出した構造となっているので、この開口部３１４Ｂを構成する側壁の上部により、上方に向かう転位がブロックされることとなる。そのため、開口部３１４Ｂ近傍で発生する転位は、ループ状転位となる。
（実施例）【００３３】
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
前記実施形態と同様のIII族窒化物半導体素子（半導体レーザ）を作製した。
基板にはｎ型キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。
素子構造の作製には３００ｈＰａの減圧ＭＯＶＰＥ装置を用いた。
キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてそれぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｎ型ドーパントにシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパントにビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。【００３４】
はじめに、活性層、ｎ型クラッド層、ｎ型およびｐ型クラッド層、電流狭窄層の各層の成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。
ｎ型ＧａＮ基板１０１を減圧ＭＯＶＰＥ装置に投入後、ＮＨ３を供給しながらｎ型ＧａＮ基板１０１を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。
Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１μｍ）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）からなるｎ型クラッド層１０３、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（Ｓｉ濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１０４、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（厚さ３ｎｍ）井戸層およびアンドープＧａＮ（厚さ１０ｎｍ）バリア層からなる３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層１０６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型ＧａＮガイド層１０７を順次堆積した。【００３５】
ＧａＮ成長は基板温度１０８０℃、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行い、ＡｌＧａＮ成長は、基板温度１０８０℃、ＴＭＡ供給量３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ供給量５８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて行った。
ＩｎＧａＮＭＱＷ成長は、基板温度８５０℃、ＴＭＧ供給量８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎとした。なお、ＴＭＩｎ供給量は井戸層で４８μｍｏｌ／ｍｉｎとした。【００３６】
これら各層を堆積後、基板温度を４００℃程度まで降温し、非結晶ＡｌＮ層（後に結晶化して電流狭窄層３１４となる）の堆積を行った。非結晶ＡｌＮ層堆積時のＴＭＡおよびＮＨ３供給量はそれぞれ３６μｍｏｌ／ｍｉｎ、０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎであり、堆積膜厚は０．１μｍであった。【００３７】
次に、非結晶ＡｌＮ層にストライプ状の開口部３１４Ａを形成した。
以下この工程を「ストライプ形成工程」という。
具体的には、非結晶ＡｌＮ層上にＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅１．５μｍのストライプパターンをレジスト上に形成した。次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ２をエッチングした。その後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。
非結晶ＡｌＮ層はバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはなかった。
次に、ＳｉＯ２をマスクとして非結晶ＡｌＮ層のエッチングを行った。
エッチング液にはリン酸含有溶液（リン酸以外の強酸を含まず、粘度１０ｃＰ（０．０１Ｐａ・ｓ）以下）を用いた。
ＳｉＯ２マスクでカバーされていない領域の非結晶ＡｌＮ層は、５０℃程度に保持したエッチング液中での８．５分間のエッチングにより除去された。
これにより、開口部３１４Ａの長手方向と直交する断面において、開口部３１４Ａの幅寸法は、開口部上部側で最小となった。
また、開口部３１４Ａの形状は、開口部３１４Ａ底部側から開口部３１４Ａ上部側に向かって幅寸法が小さくなる逆テーパ状となった。【００３８】
ここで、開口部上部側で開口部３１４Ａの幅寸法が最小となるようにするためには、エッチング液の選定を行い、エッチング液の温度、エッチング時間を厳密に制御し、好適な条件下でエッチングを行うことが重要である。
なお、ここでは、非結晶ＡｌＮ層のエッチングマスクとしてＳｉＯ２を用いたが、エッチング液に侵されない材料であればＳｉＮｘやレジストを含む有機物を用いてもよい。【００３９】
その後、さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いたＳｉＯ２を除去した。
このようにして形成された開口部３１４Ａを埋め込むようにｐ型クラッド層１０８を積層した。以下この工程を「ｐクラッド再成長工程」という。
ＭＯＶＰＥ装置に開口部３１４Ａが形成された試料を投入後、ＮＨ３供給量０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎにて成長温度である１１００℃まで昇温した。１１００℃に達した後、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（Ｍｇ濃度１×１０１９ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１０８を堆積し、基板温度を１０８０℃に下げてからＭｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度１×１０２０ｃｍ−３、厚さ０．０２μｍ）からなるｐ型コンタクト層１０９を堆積した。ＡｌＧａＮ、ＧａＮの堆積条件はドーパントの違いを除き、先に述べた活性層成長工程と同様とした。【００４０】
ｐクラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行なったところ、表面にクラックやピットなどの欠陥は見られず、ＡｌＮ層（電流狭窄層３１４）が結晶化し、ｐ型クラッド層１０８により、平坦に埋め込まれることが確認できた。
ただしこの結晶化ＡｌＮ層（電流狭窄層３１４）上に再成長した領域を詳細に観察したところ、若干のうねりのようなモフォロジーが観察された。
試料の開口部３１４Ａ近傍を断面透過電子顕微鏡観察した結果、結晶化ＡｌＮ層（電流狭窄層３１４）には５×１０１０〜１×１０１２ｃｍ−２の高密度の転位が存在することがわかった。また、結晶化ＡｌＮ層（電流狭窄層３１４）上のｐ型クラッド層１０８にも同程度の密度で基板に対し垂直に伝播する貫通転位が存在することがわかった。
さらに、貫通転位は結晶化ＡｌＮ層（電流狭窄層３１４）から発生し結晶化ＡｌＮ層（電流狭窄層３１４）の下方には伝播しないこと、また結晶化ＡｌＮ（電流狭窄層３１４）の開口部３１４Ａの側壁部分で発生している転位は全てループ状であり側壁近傍で終端し、側壁から開口部３１４Ａの内側中心部分や電流狭窄層３１４よりも上方への転位の伝播はないことがわかった。
さらに、開口部３１４Ａ上のｐ型クラッド層１０８には再成長界面から導入される転位はなく、ｐ型クラッド層１０８の上面で極めて平坦であることがわかった。【００４１】
以上のようにして得られたｎ型ＧａＮ基板１０１、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５、キャップ層１０６、ｐ型ＧａＮガイド層１０７、電流狭窄層３１４、ｐ型クラッド層１０８、ｐ型コンタクト層１０９を有する構造体に対し、ｐ電極１１２およびｎ電極１１３を真空蒸着法により形成した。この工程を「電極形成工程」という。
電極形成工程後の試料を開口部３１４Ａの長手方向に直交する方向に劈開し半導体素子３００とした。素子長は５００μｍとした。【００４２】
前記半導体素子３００をヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、平均で電流密度２．８ｋＡ／ｃｍ２、電圧４．１Ｖでレーザ発振した。また、１２０ｍＷ出力時の平均寿命は１００００時間以上であった。【００４３】
（実施例２）
本実施例では、図３に示す半導体レーザ４００を製造した。
この半導体レーザ４００は、電流狭窄層４１４が２層構造となっている点が実施例１の半導体レーザ３００と異なっている。
他の点は実施例１の半導体レーザ３００と同様である。
まず、実施例１と同様に、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型クラッド層１０３、ｎ型光閉じ込め層１０４、３周期多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０５、キャップ層１０６、ｐ型ＧａＮガイド層１０７を堆積した。
次に、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に、非結晶ＡｌＮ（後に結晶化し電流狭窄層４１４の下部層４１６となる）を堆積した。
非結晶ＡｌＮ層の成長条件は、実施例１と同じである。
さらに、続けて非結晶ＡｌＮと同じ成長温度で非結晶ＧａＮ（後に結晶化し電流狭窄層４１４の上部層４１７となる）を堆積した。
非結晶ＧａＮ堆積時のＴＭＧおよびＮＨ３供給量はそれぞれ１２μｍｏｌ／ｍｉｎ、０．３６ｍｏｌ／ｍｉｎ、堆積膜厚は０．０１μｍとした。【００４４】
次に、実施例１と同様の「ストライプ形成工程」により、非結晶ＡｌＮ層および非結晶ＧａＮ層に、ストライプ状の開口部４１４Ａを形成した。
非結晶ＧａＮ上にＳｉＯ２を１００ｎｍ堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅１．５μｍのストライプパターンをレジスト上に形成した。次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてＳｉＯ２をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。
非結晶ＧａＮおよび非結晶ＡｌＮともにバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはなかった。
次にＳｉＯ２をマスクとして非結晶ＧａＮおよび非結晶ＡｌＮのエッチングを行った。エッチング液としては、リン酸と硫酸を体積比１：１の割合で混合した溶液を用いた。ＳｉＯ２マスクでカバーされていない領域の非結晶ＧａＮ層および非結晶ＡｌＮ層は、９０℃に保持した前記溶液中での８．５分間のエッチングにより除去された。
その後、さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いたＳｉＯ２を除去した。【００４５】
開口部４１４Ａの長手方向と直交する断面において、開口部４１４Ａの幅寸法は、開口部４１４Ａ上部側で最小となった。
また、開口部４１４Ａの形状は、開口部４１４Ａ底部側から開口部４１４Ａ上部側に向かって幅寸法が単調減少した逆テーパ状となった。
開口部４１４Ａの最小幅寸法は、１．５μｍであった。【００４６】
本実施例では、開口部４１４Ａを形成する際のエッチング時間、エッチング液温度、エッチング時間を変化させても、開口部４１４Ａは、その幅寸法が開口部４１４Ａ上部側で最小となる形状となった。実施例１の場合に比べて広いプロセス条件下で、所望の形状の開口部４１４Ａを形成することができた。
これは非結晶ＡｌＮにくらべて非結晶ＧａＮの表面の方が酸化物などの変性層を形成しにくく、ＳｉＯ２のエッチングマスクとの密着度が良好なものとなる。
これにより、開口部４１４Ａをエッチングにより形成する際に、非結晶ＡｌＮ、非結晶ＧａＮがサイドエッチングされにくくなり、幅寸法が開口部４１４Ａ上部側で最小となる形状の開口部４１４Ａを得ることができると考えられる。【００４７】
その後、実施例１と同様の「ｐクラッド再成長工程」を行い、さらに、実施例１と同様、ｐ型コンタクト層１０９を堆積した。【００４８】
ｐクラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行なったところ、実施例１の場合と同様に、表面にクラックやピットなどの欠陥は見られず、ＡｌＮ層（下部層４１６）およびＧａＮ層（上部層４１７）ともに結晶化し平坦に埋め込まれることが確認できた。
また、上部層４１７上に再成長した領域を詳細に観察したところ、実施例１の場合と同様に若干うねりのようなモフォロジーが観察された。
さらに、開口部４１４Ａ近傍を断面透過電子顕微鏡観察した結果、転位密度や転位の形態も実施例１の場合とほぼ同じであり、電流狭窄層４１４には５×１０１０〜１×１０１２ｃｍ−２の高密度の転位が存在することがわかった。
また、電流狭窄層４１４上のｐ型クラッド層１０８にも電流狭窄層４１４と同程度の密度で基板に対し垂直に伝播する貫通転位が存在することが確認できた。
さらに電流狭窄層４１４から発生した貫通転位は、電流狭窄層４１４の下方には伝播していないことがわかった。
また、電流狭窄層４１４の開口部４１４Ａの側壁部分で発生している転位は全てループ状であり、側壁近傍で終端し、側壁から開口部４１４Ａの内側中心部分や電流狭窄層４１４よりも上方への転位の伝播はないことがわかった。
さらに、開口部４１４Ａ上のｐ型クラッド層１０８には再成長界面から導入される転位はなく、ｐ型クラッド層１０８の上面で極めて平坦であることがわかった。【００４９】
次に、実施例１と同じく、「電極形成工程」を行い、電極形成工程後の試料を開口部４１４Ａの長手方向に直交する方向に劈開し半導体素子４００とした。素子長は５００μｍとした。
この半導体素子４００の特性は、閾電流密度、動作電圧、出力光の放射角ともに実施例１と同等であったが、半導体素子４００全体での特性のばらつきが実施例１の場合に比べてさらに約半減した。
これは、ＧａＮ層（上部層４１７）の導入により「ストライプ形成工程」でのプロセストレランスが向上し、開口部４１４Ａでのｐ型クラッド層１０８の再成長層厚や開口部４１４Ａの幅のばらつきのウエハ面内分布が改善したためと考えられる。【００５０】
（比較例）
図６に示した従来の構造の半導体レーザ２００を製造した。
開口部１１４Ａの形状は順テーパ形状である点以外は、実施例１と同様の構造である。
半導体レーザ２００の製造工程において、電流狭窄層１１４を形成する際には、非結晶ＡｌＮ層を形成し、燐酸および硫酸（体積比１：１、３０℃での粘度が約２４ｃＰ（０．０２４Ｐａ・ｓ））を含んだエッチング液より、８０℃でウェットエッチングを行い、開口部１１４Ａを形成した。他の点は、実施例１と同様である。
このような半導体レーザ２００では電流狭窄層１１４の開口部１１４Ａを形成する側壁部分で多数の転位が発生しており、転位は、開口部１１４Ａ内側の中心部分や電流狭窄層１１４上面よりも上方に伝播して広がっていた。
また、電流狭窄層１１４上のｐ型クラッド層１０８の上面のうち、開口部１１４Ａの上方に位置する部分は、盛り上がり、ｐ型クラッド層１０８の上面は平坦ではなかった。
このような半導体レーザ２００は、素子特性のばらつきが大きく、平均の閾電流密度は３．５ＫＡ／ｃｍ２、平均の閾値電圧４．９Ｖ、１２０ｍＷ出力時の平均寿命は２０００時間程度であった。
比較例の半導体レーザ２００では、実施例１，２の半導体レーザに比べ、素子特性のばらつきが、倍以上大きく、信頼性も大きく劣っていた。
【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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