(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口部が形成された第１のマスク層と、
前記第１のマスク層を介して選択的に成長されると共に、前記第１のマスク層の各開口部に対向する位置に山形の突起を有する半導体よりなる第１の選択成長層と、
前記第１の選択成長層上に形成されると共に、前記第１のマスク層の開口部と異なる位置に複数の開口部を有する第２のマスク層と、
前記第２のマスク層を介して選択的に成長された半導体よりなる第２の選択成長層とを備え、
積層方向から見て前記第１のマスクの開口部が前記第２のマスクにより完全に覆われている
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層は誘電体よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層は二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素もしくは酸化アルミニウムよりなることを特徴とする請求項２記載の半導体素子。
【請求項４】
基板の上に前記第１のマスク層および前記第２のマスク層と前記第１の選択成長層および前記第２の選択成長層とを介して積層された半導体層を備えると共に、この半導体層は、ガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種のＩＩＩ族元素と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１の選択成長層および前記第２の選択成長層はガリウムと窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体よりなることを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項６】
前記基板はサファイアよりなることを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層は前記基板の上にバッファ層を介して形成されたことを特徴とする請求項６記載の半導体素子。
【請求項８】
前記基板は単結晶のガリウムナイトライドよりなることを特徴とする請求項４記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１のマスク層は前記基板の上に直接形成されたことを特徴とする請求項８記載の半導体素子。
【請求項１０】
基板上に、複数の開口部を有する第１のマスク層を形成する工程と、
前記第１のマスク層を介して半導体を選択的に成長させることにより、前記第１のマスク層の各開口部に対向する位置に山形の突起を有する第１の選択成長層を形成する工程と、
前記第１の選択成長層上に、前記第１のマスク層の開口部と異なる位置に複数の開口部を有すると共に前記第１のマスク層の開口部を完全に覆う第２のマスク層を形成する工程と、
前記第２のマスク層を介して選択的に成長させることにより、半導体よりなる第２の選択成長層を形成する工程と、
前記第２の選択成長層上に素子を構成する半導体層を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層を誘電体により形成することを特徴とする請求項１０記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層を二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素もしくは酸化アルミニウムにより形成することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１３】
半導体層を、ガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種のＩＩＩ族元素と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体により形成することを特徴とする請求項１０記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１の選択成長層および前記第２の選択成長層を、ガリウムと窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体により形成することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の選択成長層および前記第２の選択成長層を、気相成長法により成長させることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１６】
前記基板にはサファイアを用いることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記基板の上にバッファ層を介してマスク層を形成することを特徴とする請求項１６記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
前記基板には単結晶のガリウムナイトライドを用いることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
前記基板の上に前記第１のマスク層を直接形成することを特徴とする請求項１８記載の半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
基板の上に、半導体よりそれぞれなる第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型クラッド層が少なくとも順次積層された半導体発光素子であって、
前記基板と前記第１導電型クラッド層との間に、
複数の開口部が形成された第１のマスク層と、
前記第１のマスク層を介して選択的に成長されると共に、前記第１のマスク層の各開口部に対向する位置に山形の突起を有する半導体よりなる第１の選択成長層と、
前記第１の選択成長層上に形成されると共に、前記第１のマスク層の開口部と異なる位置に複数の開口部を有する第２のマスク層と、
前記第２のマスク層を介して選択的に成長された半導体よりなる第２の選択成長層とを備え、
積層方向から見て前記第１のマスクの開口部が前記第２のマスクにより完全に覆われている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２１】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層は誘電体よりなることを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子。
【請求項２２】
前記第１のマスク層および前記第２のマスク層は二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素もしくは酸化アルミニウムよりなることを特徴とする請求項２１記載の半導体発光素子。
【請求項２３】
前記半導体層は、ガリウム（Ｇａ），アルミニウム（Ａｌ），ホウ素（Ｂ）およびインジウム（Ｉｎ）からなる群のうちの少なくとも１種のＩＩＩ族元素と窒素（Ｎ）とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体よりなることを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子。
【請求項２４】
前記第１の選択成長層および第２の選択成長層はガリウムと窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体よりなることを特徴とする請求項２３記載の半導体発光素子。
【請求項２５】
前記基板はサファイアよりなることを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子。
【請求項２６】
前記第１のマスク層は前記基板の上にバッファ層を介して形成されたことを特徴とする請求項２５記載の半導体発光素子。
【請求項２７】
前記基板は単結晶のガリウムナイトライドよりなることを特徴とする請求項２０記載の半導体発光素子。
【請求項２８】
前記第１のマスク層は前記基板の上に直接形成されたことを特徴とする請求項２７記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体などよりなる半導体素子およびその製造方法ならびに半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡｌＧａＩｎＮなどのＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体を用い、可視領域から紫外領域までの発光を得ることができる半導体レーザや発光ダイオード（light emitting diode；ＬＥＤ）などの半導体発光デバイスの開発が活発に行われている。その中でも特に、光記録の分野では、光ディスクなどの記録密度を向上させるために、短波長域の光が得られる半導体レーザの実用化が求められている。
【０００３】
最近では、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体レーザにおいて、サファイアよりなる基板の上にガリウムナイトライド（ＧａＮ）よりなるバッファ層を介してＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体よりなる層を有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；ＭＯＣＶＤ）法により成長させることにより、室温における３００時間の連続発振が達成されている（Jpn. J. Appl. Phys. 35 L74 (1996) ；同誌36 L1059 (1997) ）。しかし、使用による動作電圧の経過曲線を見てみると、通電の初期から緩やかな上昇が見られ、徐々に劣化が進行していることが分かる。この劣化の原因としては、基板の上に形成したＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体よりなる層が、１×１０8 〜１×１０9 個／ｃｍ2 程度の貫通転位（転位欠陥が伝ぱんされて結晶中を突きぬける転位）を有していることが考えられる。従って、１万時間以上の実用的寿命を実現するためにはこの貫通転位の密度を低減することが必要であり、種々の検討がなされている。
【０００４】
例えば、その一つには、サファイア基板の上にバッファ層を介してＧａＮ層を形成し、その上に１〜４μｍ幅の帯状の二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）よりなるマスク部を７μｍのピッチで形成したマスク層を積層すると共に、このマスク層の上にハライド気相成長法によりＧａＮ層を横方向に選択的に成長させ方法がある（Jpn. J. Appl. Phys. 36 L899 (1997)）。この方法によれば、マスク層の上に形成したＧａＮ層における貫通転位の密度を、１×１０7 個／ｃｍ2 程度にまで低減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、マスク層の上に形成させるＧａＮ層の表面に凹凸が生じやすく、平坦面となりにくい。これは、このＧａＮ層の成長が、まず、マスク層の開口部（すなわち各マスク部の間）で進行して山形の突起ができ、それからマスク部の上（すなわち横方向）に進むからである。よって、表面を平坦面とするには、このＧａＮ層の厚さを少なくとも１０μｍ以上と厚くする必要があった。従って、成長に長時間を要すると共に、サファイアよりなる基板との格子定数の不一致により欠陥や反りが発生するなど種々の問題があった。
【０００６】
また、この方法では、マスク部の上方においては横方向の選択成長により貫通転位が伝わることを抑制できるが、開口部においてはマスク層の下のＧａＮ層からの貫通転位をそのまま引き継ぐことになる。よって、マスク部の上の領域では貫通転位の密度が低減されるが、開口部の上の領域では貫通転位の密度が高くなり、全面的において密度を低減することができなかった。従って、従来の方法では、マスク部の上の領域に正確に発光領域を形成しなければならず、製造における自由度が小さいと共に、製造工程が煩雑となり、製造が困難であるという問題があった。
【０００７】
なお、マスク層の上にＧａＮ層を選択成長させる技術は、ハライド気相成長法以外でもＭＯＣＶＤ法による報告がある（J. Crtst. Growth 144 133 (1994) ）。しかし、これはマスク層の上の選択成長に焦点があてられた報告ではない。また、最近では、マスク層の上にＭＯＣＶＤ法により選択成長させる際の異方性を調べた報告もなされている。これによれば、サファイアよりなる基板の上にバッファ層を介してＧａＮ層を形成し、その上に、＜１１−２０＞方向に帯状のマスク部を複数形成したマスク層を介してＧａＮ層を形成する場合、ある条件において横方向の成長が助長され、開口部における山形の突起成長が抑制されてＣ面に近い比較的平坦な成長表面が得られることが報告されている（Appl. Phys. Lett. 71 1204 (1997)）。しかし、この報告は転位密度などへの言及はなされておらず、横方向への良好な結晶成長が可能であることを示したにすぎない。
【０００８】
なお、ここで、＜１１−２０＞というのは、本来外１に示したように数字の上にオーバーラインを引いて表すものであるが、ここでは便宜上、数字の前に“−”を付けて表す（以下、同様の表現を用いる場合は同様に表示する）。
【０００９】
【外１】
0003925753.tif 000002
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、貫通転位の密度を全面において低減することができると共に、膜厚を薄くすることができる半導体素子およびその製造方法ならびに半導体発光素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体素子は、複数の開口部が形成された第１のマスク層と、第１のマスク層を介して選択的に成長されると共に、第１のマスク層の各開口部に対向する位置に山形の突起を有する半導体よりなる第１の選択成長層と、第１の選択成長層上に形成されると共に、第１のマスク層の開口部と異なる位置に複数の開口部を有する第２のマスク層と、第２のマスク層を介して選択的に成長された半導体よりなる第２の選択成長層とを備え、積層方向から見て前記第１のマスクの開口部が前記第２のマスクにより完全に覆われているものである。
【００１２】
本発明による半導体素子の製造方法は、基板上に、複数の開口部を有する第１のマスク層を形成する工程と、第１のマスク層を介して半導体を選択的に成長させることにより、前記第１のマスク層の各開口部に対向する位置に山形の突起を有する第１の選択成長層を形成する工程と、第１の選択成長層上に、前記第１のマスク層の開口部と異なる位置に複数の開口部を有すると共に前記第１のマスク層の開口部を完全に覆う第２のマスク層を形成する工程と、第２のマスク層を介して選択的に成長させることにより、半導体よりなる第２の選択成長層を形成する工程と、第２の選択成長層上に素子を構成する半導体層を形成する工程とを含むものである。
【００１３】
本発明による半導体発光素子は、基板の上に、半導体よりそれぞれなる第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型クラッド層が少なくとも順次積層された半導体発光素子であって、基板と第１導電型クラッド層との間に、複数の開口部が形成された第１のマスク層と、第１のマスク層を介して選択的に成長されると共に、第１のマスク層の各開口部に対向する位置に山形の突起を有する半導体よりなる第１の選択成長層と、第１の選択成長層上に形成されると共に、第１のマスク層の開口部と異なる位置に複数の開口部を有する第２のマスク層と、第２のマスク層を介して選択的に成長された半導体よりなる第２の選択成長層とを備え、積層方向から見て第１のマスクの開口部が前記第２のマスクにより完全に覆われているものである。
【００１４】
本発明による半導体素子では、マスク層と選択成長層とをそれぞれ２層交互に備えているので、積層方向に貫通転位が伝わるのが遮断され、貫通転位の密度が低減される。
【００１５】
本発明による半導体素子の製造方法では、基板の上に、マスク層と選択成長層とがそれぞれ２層交互に積層され、これにより、積層方向に貫通転位が伝わるのが遮断される。そののち、その上に半導体層が積層される。
【００１６】
本発明による半導体発光素子では、第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層との間に電圧が印加されると、活性層に電流が注入され発光が起こる。ここでは、基板と第１導電型クラッド層との間に、マスク層と選択成長層とをそれぞれ２層交互に備えているので、積層方向に貫通転位が伝わるのが遮断され、第１導電型クラッド層や活性層や第２導電型クラッド層における貫通転位の密度が低減される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構成を表すものである。図２は図１に示した半導体発光素子の一部を拡大して表している。この半導体発光素子は、例えば、サファイアよりなる基板１のＣ面上に、積層方向における厚さ（以下、単に厚さという）３０ｎｍのＧａＮよりなるバッファ層２を介して、厚さ２μｍのＧａＮよりなる下地層３が積層されている。ここで、バッファ層２は低温で成長させた非晶質に近い結晶層よりなり、下地層３を成長させる際の核となるものである。下地層３は結晶よりなり、図２において細線で示したように積層方向に延びる貫通転位Ｍを１×１０8 〜１×１０9 個／ｃｍ2 程度有している。また、下地層３の表面はほぼ平坦となっている。
【００１９】
この下地層３の上には、複数の開口部４ｃがそれぞれ設けられた２層以上のマスク層（ここでは第１のマスク層４ａと第２のマスク層４ｂ）と、これら各マスク層４ａ，４ｂを介してそれぞれ選択的に成長された２層以上の選択成長層（ここでは第１の選択成長層５ａと第２の選択成長層５ｂ）とが、交互に積層されている。これは、各マスク層４ａ，４ｂの上において各選択成長層５ａ，５ｂをそれぞれ横方向（積層方向と垂直な方向）に選択的に成長させることにより、下地層３から積層方向に貫通転位Ｍが伝わるのを遮断するためである（図２参照）。これにより、最上層の選択成長層（ここでは第２の選択成長層５ｂ）における貫通転位Ｍの密度は下地層３に比べて低く、１×１０3 個／ｃｍ2 程度以下となっている。なお、以下、２層のマスク層（第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂ）が形成された場合について具体的に説明する。
【００２０】
第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂは、例えば、厚さが１００〜２００ｎｍであり、二酸化ケイ素や窒化ケイ素（Ｓ3 Ｎ4 ）や酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）などの誘電体によりそれぞれ構成されている。第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂは、また、例えば＜１１−２０＞方向（図１においては図面に対して垂直な方向）に延長された複数の帯状のマスク部４ｄをそれぞれ有している（すなわち、各マスク部４ｄの間に＜１１−２０＞方向に延長された複数の帯状の開口部４ｃをそれぞれ有している）。第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂにおけるマスク部４ｄの幅（マスク幅）Ｌ１は例えば１．５〜４μｍであり、ピッチ幅Ｌ２は例えば３〜６μｍである。なお、マスク幅Ｌ１およびピッチ幅Ｌ２は図２において矢印で示したとおりである。また、第１のマスク層４ａと第２のマスク層４ｂのマスク幅Ｌ１とピッチ幅Ｌ２はそれぞれ同一となっている。
【００２１】
但し、第１のマスク層４ａと第２のマスク層４ｂは開口部４ｃの形成位置が異なっており、第１のマスク層４ａの開口部４ｃは積層方向から見て第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄにより完全に覆われるようになっている。これは、第１のマスク層４ａの開口部４ｃを介して下地層３から引き続く貫通転位Ｍを、第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄにより遮断するためである（図２参照）。従って、第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂにおけるマスク幅Ｌ１は開口部４ｃの幅（開口幅）Ｌ３よりも広い方が好ましい。貫通転位Ｍを有効に遮断するためである。なお、開口幅Ｌ３は図２において矢印で示したとおりである。
【００２２】
第１の選択成長層５ａおよび第１の選択成長層５ｂは、例えば、ＧａＮによりそれぞれ構成されており、それらを合わせた厚さが１０ｎｍ以下（例えば７〜８μｍ程度）と比較的薄くなっている。これは、開口部４ｃの形成位置が異なる第１のマスク層４ａと第２のマスク層４ｂとを積層することにより、選択成長により生ずる第１の選択成長層５ａの窪みの部分を第２の選択成長層５ｂにより優先的に成長させることができるので、厚く積層しなくても表面を平坦化することができるからである。
【００２３】
なお、第１の選択成長層５の厚さはできるだけ薄い方が好ましく、横方向の選択成長により第１のマスク層４ａのマスク部４ｄが完全に覆われていれば十分である。すなわち、表面が平坦でなく、開口部４ｃの上方に位置する領域が突起し、マスク部４ｄの上方に位置する領域が窪んでいる状態でもよい。厚さが厚くなると、成長に時間を要すると共に、サファイアよりなる基板１との格子不整合による欠陥の発生や反りなどの問題が発生するからである。また、第２の選択成長層５ｂの厚さは、表面が平坦となるのに十分な厚さであることが好ましい。その上に良好な半導体層を成長させることができるようにするためである。
【００２４】
第２の選択成長層５ｂの上には、半導体層としてｎ側コンタクト層６，第１導電型クラッド層としてのｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，劣化防止層１０，第２のガイド層１１，第２導電型クラッド層としてのｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３が順次積層されている。
【００２５】
ｎ側コンタクト層６は、例えば、厚さが２μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。ｎ型クラッド層７は、例えば、厚さが０．５μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。第１のガイド層８は、例えば、厚さが０．１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。活性層９は、例えば、井戸の厚さが３ｎｍでありバリア層の厚さが４ｎｍの多重量子井戸構造を有するＧａＩｎＮ混晶により構成されている。
【００２６】
劣化防止層１０は、例えば、厚さが２０ｎｍのＡｌＧａＮにより構成されている。第２のガイド層１１は、例えば、厚さが０．１ｎｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ型クラッド層１２は、例えば、厚さが０．５ｎｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。ｐ側コンタクト層１３は、例えば、厚さが０．５ｎｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮ混晶により構成されている。
【００２７】
ｐ側コンタクト層１３の上には、二酸化ケイ素などの絶縁材料よりなる絶縁層１４と共に、この絶縁層１４に設けられた開口１４ａを介してｐ側電極１５が形成されている。ｐ側電極１５は、ｐ側コンタクト層１３の側からニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）が順次積層された構成となっている。なお、このｐ側電極１５は、電流狭窄をするために細い帯状（図１においては図面に対して垂直方向に延長された帯状）に形成されている。また、ｎ側コンタクト層６の上には、ｎ側コンタクト層６の側からチタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ）および金（Ａｕ）が順次積層されたｎ側電極１６が設けられている。
【００２８】
この半導体発光素子は、また、図示はしないが、ｐ側電極１５の長さ方向（すなわち共振器長方向）と垂直な一対の側面に、反射鏡層がそれぞれ設けられている。
【００２９】
このような構成を有する半導体発光素子は、次のようにして製造することができる。図３はその一製造方法における工程の一部を表すものである。
【００３０】
この製造方法では、まず、基板１を用意し、例えばＭＯＣＶＤ法により、Ｃ面上にＧａＮよりなるバッファ層２を形成する。その際、例えば、基板１の温度は５２０℃とし、原料ガスにはトリメチルガリウムガス（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）とアンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。次いで、バッファ層２の上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、同様にしてＧａＮよりなる下地層３を形成する。但し、基板１の温度は１０２０℃とする。なお、この下地層３には図３（ａ）において細線で示したように高濃度の貫通転位Ｍが存在している。
【００３１】
続いて、下地層３の上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法により、基板１の温度を４５０℃として、ＳｉＯ2 よりなる第１のマスク層４ａを形成する。そののち、その上に、図示しないレジスト膜を塗布してフォトリソグラフィにより複数の平行な帯状のマスクパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングを行い第１のマスク層４ａを選択的に除去して、＜１１−２０＞方向に延長された帯状の複数のマスク部４ｄと複数の開口部４ｃとをそれぞれ形成する。
【００３２】
第１のマスク層４ａを形成したのち、アセトン（ＣＨ3 ＣＯＣＨ3 ）とメタノール（ＣＨ3 ＯＨ）により洗浄を行い、更に、希釈した塩酸（ＨＣｌ）または希釈したフッ酸（ＨＦ）に１０秒程度浸したのち、純水により洗浄を行う。
【００３３】
そののち、第１のマスク層４ａの上に、例えばハライド気相成長法により、ＧａＮよりなる第１の選択成長層５ａを横方向に選択的に成長させる。ここで、ハライド気相成長法とは、ハロゲンが輸送もしくは反応に寄与する気相成長法を言う（なお、ハライド気相成長法はハイドライド気相成長法とも言う）。その際、例えば、基板１の温度は１０００℃とし、原料にはアンモニアと金属ガリウムと塩酸とを用いる。具体的には、例えば、２リットル／分の流量でアンモニアガスを流しながら、基板１を１０００℃まで加熱したのち、金属ガリウム上に塩酸ガスを流し、塩化ガリウム（ＧａＣｌ）ガスを供給する。ＧａＣｌガスの供給条件は、成長速度が２０μｍ／時程度となるようにする。
【００３４】
これにより例えば９分間成長を行うと、図３（ａ）に示したように、第１のマスク層４ａの開口部４ｃの上方において｛１−１０１｝面に囲まれた山形に突起した第１の選択成長層５ａが形成される。ここで、第１の選択成長層５ａのうち第１のマスク層４ａの開口部４ｃの上方に位置する領域では、下地層３からの貫通転位ＭがＣ軸方向（すなわち積層方向）に沿って引き継がれるので、下地層３と同様に貫通転位Ｍが発生する。一方、第１の選択成長層５ａのうちマスク部４ｄの上方に位置する領域では、横方向に成長が起こるので、下地層３からの貫通転位Ｍは伝わらず、貫通転位Ｍは発生しない。なお、第１の選択成長層５ａの成長時間は、第１の選択成長層５ａが横方向に選択的に成長してマスク部４ｄの上を完全に覆い更に少し成長する程度の時間とすることが好ましい。
【００３５】
第１の選択成長層５ａを形成したのち、図３（ｂ）に示したように、その上に、第１のマスク層４ａと同様にして第２のマスク層４ｂを形成すると共に、複数のマスク部４ｄと複数の開口部４ｃとをそれぞれ形成する。但し、第２のマスク層４ｂにおいては、開口部４ｃを第１のマスク層４ａと異なった位置に形成し、第１のマスク層４ａの開口部４ｃを積層方向から見て第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄで完全に覆うようにする。すなわち、第１のマスク層４ａの開口部４ｃの上に第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄが位置し、第１のマスク層４ａのマスク部４ｄの上に第２のマスク層４ｂの開口部４ｃが位置するようにする。これにより、第２のマスク層４ｂの開口部４ｃが第１の選択成長層５ａの窪みに対応して形成される。
【００３６】
第２のマスク層４ｂを形成したのち、アセトンとメタノールにより洗浄を行い、更に、希釈した塩酸または希釈したフッ酸に１０秒程度浸したのち、純水により洗浄を行う。
【００３７】
そののち、第２のマスク層４ｂの上に、第１の選択成長層５ａと同様にして、第２の選択成長層５ｂを横方向に選択的に成長させる。これにより例えば１６分間成長を行うと、図３（ｃ）に示したように、第２のマスク層４ｂの開口部４ｃの上方において第１の選択成長層５ａの窪みを埋めるように優先的に成長が起こり、表面がほぼ平坦な第２の選択成長層５ｂが形成される。すなわち、第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂを厚く成長させなくても、表面が平坦となる。
【００３８】
ここで、第２の選択成長層５ｂのうち第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄの上方に位置する領域では、横方向に成長が起こるので、第１のマスク層４ａの開口部４ｃを介して下地層３から引き継がれた第１の選択成長層５ａの貫通転位Ｍは遮断され、貫通転位Ｍは発生しない。また、第２の選択成長層５ｂのうち第２のマスク層４ｂの開口部４ｂの上方に位置する領域でも、その下の第１の選択成長層５ａの領域に貫通転位Ｍが存在していないので、貫通転位Ｍは発生しない。すなわち、第２の選択成長層５ａでは全面において貫通転位Ｍが発生しない。
【００３９】
なお、第２の選択成長層５ｂの成長時間は、表面が平坦になるように十分な時間とすることが好ましい。ちなみに、ここで示した条件により第１の選択成長層５ａおよび第１の選択成長層５ｂをそれぞれ成長させる場合には、２層合わせて約８μｍ程度の厚さで表面がほぼ平坦となる。
【００４０】
このようにして第２の選択成長層５ｂを形成したのち、その上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、各半導体層、すなわちｎ側コンタクト層６，ｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，第２の活性層１０，ｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３をそれぞれ成長させる。その際、例えば、基板１の温度は８００〜１０００℃とし、アルミニウムの原料ガスとしてはトリメチルアルミニウムガス（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ），ガリウムの原料ガスとしてはトリメチルガリウムガス，窒素の原料ガスとしてはアンモニアガス，ケイ素の原料ガスとしてはモノシランガス（ＳｉＨ4 ），マグネシウムの原料ガスとしてはビス＝メチルシクロペンタジェニルマグネシウムガス（ＭｅＣｐ2 Ｍｇ）やビス＝シクロペンタジェニルマグネシウムガス（Ｃｐ2 Ｍｇ）をそれぞれ用いる。なお、これらの各半導体層には、第２の選択成長層５ｂに貫通転位Ｍが存在していないので、貫通転位Ｍは発生しない。
【００４１】
各半導体層をそれぞれ形成したのち、ｐ側コンタクト層１３の上に、例えばＣＶＤ法により、ＳｉＯ2 よりなる絶縁層１４を形成する。次いで、絶縁層１４の上に、図示しないレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィによってｐ側電極１５の形成位置に対応したマスクパターンを形成する。そののち、これをマスクとしてエッチングを行い、絶縁層１４を選択的に除去してｐ側電極１５の形成位置に対応した開口１４ａを形成する。
【００４２】
続いて、全面（すなわち絶縁層１４が選択的に除去されたｐ側コンタクト層１３の上および図示しないレジスト膜の上）に、例えば、ニッケルおよび金を順次蒸着し、図示しないレジスト膜をこのレジスト膜の上に蒸着されたニッケルおよび金と共に除去して（リフトオフ）、ｐ側電極１５を形成する。
【００４３】
ｐ側電極１５を形成したのち、ｎ側電極１６の形成位置に対応して、絶縁層１４，ｐ側コンタクト層１３，ｐ型クラッド層１２，第２のガイド層１１，劣化防止層１０，活性層９，第１のガイド層８およびｎ型クラッド層７を順次選択的に除去する。そののち、ｎ側コンタクト層６の上にチタン，アルミニウムおよび金を選択的に順次蒸着してｎ側電極１６を形成する。
【００４４】
ｎ側電極１６を形成したのち、基板１をｐ側電極１５の長さ方向（共振器長方向）と垂直に所定の幅で劈開し、その劈開面に反射鏡層を形成する。これにより、図１に示した半導体発光素子が形成される。
【００４５】
また、この半導体発光素子は、次のようにしても製造することができる。図４はその他の製造方法における工程の一部を表すものである。
【００４６】
この製造方法では、まず、基板１を用意し、先の製造方法と同様にして、バッファ層２と下地層３を形成する。次いで、下地層３の上に、先の製造方法と同様にして、第１のマスク層４ａを形成したのち、複数のマスク部４ｄと複数の開口部４ｃとをそれぞれ形成し、洗浄する。
【００４７】
続いて、第１のマスク層４ａの上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮよりなる第１の選択成長層５ａを横方向に選択的に成長させる。その際、例えば、基板１の温度は１０５０℃とし、原料ガスにはアンモニアガスとトリメチルガリウムガスを用いる。具体的には、例えば、１０リットル／分と多めの流量でアンモニアガスを流しながら、成長速度が４μｍ／時程度となるようにトリメチルガリウムガスを供給し、常圧下において反応させる。
【００４８】
これにより例えば４５分間成長を行うと、図４（ａ）に示したように、第１のマスク層４ａの開口部４ｃの上方に位置する領域が若干膨らんだほぼ平坦な第１の選択成長層５ａが形成される。ここで、第１の選択成長層５ａのうち第１のマスク層４ａの開口部４ｃの上方に位置する領域では、先の製造方法と同様に、下地層３からの貫通転位Ｍが引き継がれ貫通転位Ｍが発生する。一方、第１の選択成長層５ａのうちマスク部４ｄの上方に位置する領域では、先の製造方法と同様に、横方向への成長により下地層３からの貫通転位Ｍは遮断され、貫通転位Ｍは発生しない。
【００４９】
第１の選択成長層５ａを形成したのち、図４（ｂ）に示したように、その上に、先の製造方法と同様にして、第２のマスク層４ｂを形成すると共に、複数のマスク部４ｄと複数の開口部４ｃとをそれぞれ形成し、洗浄する。
【００５０】
そののち、第２のマスク層４ｂの上に、第１の選択成長層５ａと同様にして、第２の選択成長層５ｂを横方向に選択的に成長させる。これにより例えば１時間成長を行うと、図４（ｃ）に示したように、表面がほぼ平坦な第２の選択成長層５ｂが形成される。ここで、第２の選択成長層５ｂのうち第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄの上方に位置する領域では、先の製造方法と同様に、第１のマスク層４ａの開口部４ｃを介して下地層３から引き継がれた第１の選択成長層５ａの貫通転位Ｍは遮断され、貫通転位Ｍは発生しない。また、第２の選択成長層５ｂのうち開口部４ｂの上方に位置する領域でも、先の製造方法と同様に、その下の第１の選択成長層５の領域に貫通転位Ｍが存在していないので、貫通転位Ｍは発生しない。すなわち、第２の選択成長層５ｂでは全面において貫通転位Ｍが発生しない。ちなみに、ここで示した条件により第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂをそれぞれ成長させる場合には、２層合わせて約７μｍ程度の厚さで表面がほぼ平坦となる。
【００５１】
このようにして第２の選択成長層５ｂを形成したのち、先の製造方法と同様にして、各半導体層、すなわちｎ側コンタクト層６，ｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，第２の活性層１０，ｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３をそれぞれ成長させる。そののち、先の製造方法と同様にして、絶縁層１４，ｐ側電極１５およびｎ側電極１６を形成し、所定の幅で劈開して反射鏡層を形成する。これにより、図１に示した半導体発光素子が形成される。
【００５２】
このようにして製造した半導体発光素子は、次のように作用する。
【００５３】
この半導体発光素子では、ｎ側電極１６とｐ側電極１５との間に所定の電圧が印加されると、活性層９に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。ここでは、基板１と半導体層（ｎ側コンタクト層６，ｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，劣化防止層１０，第２のガイド層１１，ｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３）との間に、第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂと第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂを交互に備えているので、これらにより積層方向に貫通転位Ｍが伝わるのが遮断され、半導体層における貫通転位Ｍの密度が低くなっている。よって、電圧の印加による劣化が起こりにくく、使用による動作電圧の上昇が抑えられ、素子の寿命が長くなる。
【００５４】
このように本実施の形態に係る半導体発光素子によれば、第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂと第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂを交互に備えるようにしたので、第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂの厚さを薄くすることができると共に、全面において貫通転位Ｍの密度を低減することができる。よって、サファイアよりなる基板１との格子不整合による欠陥や反りの発生を防止することができ、素子の品質を保持することができると共に、使用による動作電圧の上昇を抑えることができ、素子の寿命を延長させることができる。
【００５５】
また、この半導体発光素子によれば、第１のマスク層４ａの開口部４ｃを積層方向において第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄで完全に覆うようにしたので、下地層３から貫通転位Ｍが伝わることを有効に遮断することができる。
【００５６】
更に、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂと第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂを交互に積層したのち、各半導体層（ｎ側コンタクト層６，ｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，第２の活性層１０，ｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３）をそれぞれ積層するようにしたので、第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂの厚さを薄くすることができると共に、全面において貫通転位Ｍの密度を低減することができる。よって、成長時間を短縮することができ、製造効率を向上させることができると共に、発光領域の形成位置が限定されることなく、製造における自由度が大きくなり、容易に本発明の半導体発光素子を製造することができる。
【００５７】
加えて、第２の選択成長層５ｂをその上に積層する半導体層と同一の方法（本実施の形態ではＭＯＣＶＤ法）により形成すれば、それらを連続して成長させることができ、不純物の混入を防止することができると共に、製造工程を簡素化することができる。
【００５８】
（第２の実施の形態）
図５は本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子を表すものである。この第２の実施の形態は、基板１がｎ型不純物として例えばケイ素を添加したｎ型の単結晶ＧａＮにより構成されると共に、ｎ側電極１６が基板１の裏面に形成され、かつ基板１の上に直接第１のマスク層４ａが形成され、更に第２の選択成長層５ｂとｎ型クラッド層７との間に下地層２１を備えたことを除き、第１の実施の形態と同一の構成を有している。よって、ここでは、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５９】
すなわち、この半導体発光素子は、基板１を導電性の材料で構成し、ｎ側電極１６を基板１の裏面に形成するようにしたものである。また、基板１をその上に形成する半導体層と同様のＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体で構成し、基板１の上に直接第１のマスク層４ａおよび第１の選択成長層５ａを積層できるようになっている。なお、選択成長層５は、第１の実施の形態とは異なり導電性が必要なので、ｎ型不純物として例えばケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。また、下地層２１は、例えば、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
【００６０】
このような構成を有する半導体発光素子は、第１の実施の形態と同様にして製造することができると共に、第１の実施の形態と同様に作用し、第１の実施の形態と同一の効果を有する。
【００６１】
以上、各実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記各実施の形態においては、バッファ層２，下地層３，２１，選択成長層５，ｎ側コンタクト層６，ｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，劣化防止層１０，第２のガイド層１１，ｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３をそれぞれ構成する半導体について具体的な例を挙げて説明したが、本発明は、他の適宜な半導体により各層をそれぞれ構成する場合にも適用することができる。但し、本発明は、適宜なＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体（すなわち、ガリウム，アルミニウム，ホウ素およびインジウムからなる群より選ばれた少なくとも１種のＩＩＩ族元素と、窒素とを含むＩＩＩ族ナイトライド化合物半導体）により各層をそれぞれ構成する場合において、特に有効である。
【００６２】
また、上記各実施の形態においては、２層のマスク層（第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂ）を備えた場合について具体的に説明したが、３以上のマスク層を備える場合にも同様に構成することができ、同様にして製造することができる。但しその場合、上記各実施の形態においては、第１のマスク層４ａの開口部４ｃを積層方向から見て第２のマスク層４ｂのマスク部４ｄにより完全に覆うようにしたが、複数のマスク層のマスク部により完全に覆うようにしてもよい。すなわち、少なくとも１層のマスク層は、他の少なくとも１層のマスク層と開口部の形成位置が異なっており、開口部が積層方向から見て他の少なくとも１層のマスク層のマスク部により完全に覆われるようになっていればよい。
【００６３】
更に、上記各実施の形態においては、第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂに帯状の開口部４ｃとマスク部４ｄをそれぞれ設けるようにしたが、開口部４ｃおよびマスク部４ｄの形状はどのようなものでもよく、少なくとも１層のマスク層の開口部が積層方向から見て他の少なくとも１層のマスク層のマスク部により完全に覆われればよい。
【００６４】
加えて、上記各実施の形態においては、第１のマスク層４ａおよび第２のマスク層４ｂを誘電体により構成するようにしたが、第１の選択成長層５ａおよび第１の選択成長層５ｂが積層方向に成長することを阻止できるものであればその他の材料により構成するようにしても良い。
【００６５】
更にまた、上記第１の実施の形態においては、第１のマスク層４ａおよび第１の選択成長層５ａを下地層３の上にそれぞれ形成するようにしたが、バッファ層２の上にそれぞれ形成するようにしてもよい。
【００６６】
加えてまた、上記各実施の形態においては、活性層９を第１のガイド層８と第２のガイド層２２とで挟み、更にそれをｎ型クラッド層７とｐ型クラッド層１２とで挟んだ半導体発光素子について説明したが、本発明は、活性層をガイド層を挿入せずにクラッド層で挟んだものなど種々の構造を有する半導体発光素子に対して適用することができる。
【００６７】
更にまた、上記各実施の形態においては、半導体発光素子として半導体レーザを具体的に挙げて説明したが、本発明は、ＬＥＤなどのその他の半導体発光素子についても適用することができる。また、上記各実施の形態においては、半導体発光素子についてのみ説明したが、本発明は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor ；電界効果トランジスタ）などのその他の半導体素子についても適用することができる。
【００６８】
加えてまた、上記各実施の形態においては、第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂをＭＯＣＶＤ法やハライド気相成長法により成長させる場合について説明したが、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）法などの他の気相成長法により成長させるせるようにしてもよい。また、上記各実施の形態においては、バッファ層２，下地層３，２１，ｎ側コンタクト層６，ｎ型クラッド層７，第１のガイド層８，活性層９，劣化防止層１０，第２のガイド層１１，ｐ型クラッド層１２およびｐ側コンタクト層１３をＭＯＣＶＤ法によりそれぞれ形成する場合について説明したが、ＭＢＥ法やハライド法などの他の気相成長法により形成するようにしてもよい。
【００６９】
更にまた、上記各実施の形態においては、第１の選択成長層５ａおよび第２の選択成長層５ｂを成長させる際の条件について具体的な例を挙げて説明したが、その他種々の条件により成長させるようにしてもよい。例えば、ハライド気相成長法により成長させる場合にも、上記第１の実施の形態とは異なった条件とすることにより、上記第２の実施の形態において示したように表面が比較的平坦な第２の選択成長層５ｂを成長させることができる。なお、このように比較的平坦な表面を有する第２の選択成長層５ｂを成長させれば、その上にマスク層４ａ，４ｂを容易に形成することができるので好ましい。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１乃至９のいずれか１に記載の半導体素子によれば、マスク層と選択成長層とをそれぞれ２層交互に備えると共に、第１の選択成長層を山形の突起を有する形状としたので、選択成長層の厚さを薄くすることができると共に、全面において貫通転位の密度を低減することができる。よって、例えばサファイアよりなる基板との格子不整合による欠陥や反りの発生を防止することができ、素子の品質を保持することができると共に、貫通転位の減少による素子の品質向上も図ることができるという効果を奏する。
【００７１】
また、請求項１０乃至１９のいずれか１に記載の半導体素子の製造方法によれば、マスク層と選択成長層とをそれぞれ２層交互に積層すると共に、第１の選択成長層を山形の突起を有する形状としたので、選択成長層の厚さを薄くすることができると共に、全面において貫通転位の密度を低減することができる。よって、成長時間を短縮することができ、製造効率を向上させることができると共に、製造における自由度が大きくなり、容易に本発明の半導体素子を製造することができるという効果を奏する。
【００７２】
更に、請求項２０乃至２８のいずれか１に記載の半導体発光素子によれば、本発明の半導体素子と同一の構成を備えるようにしたので、本発明の半導体素子と同様に、選択成長層の厚さを薄くすることができると共に、全面において貫通転位の密度を低減することができる。よって、例えばサファイアよりなる基板との格子不整合による欠陥や反りの発生を防止することができ、素子の品質を保持することができると共に、使用による動作電圧の上昇を抑えることができ、素子の寿命を延長させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子の一部を拡大して表す断面図である。
【図３】図１に示した半導体発光素子の製造工程を表す断面図である。
【図４】図１に示した半導体発光素子の他の製造工程を表す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…バッファ層、３，２１…下地層、４ａ…第１のマスク層、４ｂ…第２のマスク層、４ｃ…開口部、４ｄ…マスク部、５ａ…第１の選択成長層、５ｂ…第２の選択成長層、６…ｎ側コンタクト層、７…ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）、８…第１のガイド層、９…活性層、１０…劣化防止層、１１…第２のガイド層、１２…ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）、１３…ｐ側コンタクト層、１４…絶縁層、１５…ｐ側電極、１６…ｎ側電極、Ｍ…貫通転位、Ｌ１…マスク幅、Ｌ２…ピッチ幅、Ｌ３…開口幅
【図１】
0003925753.tif 000003
【図２】
0003925753.tif 000004
【図３】
0003925753.tif 000005
【図４】
0003925753.tif 000006
【図５】
0003925753.tif 000007