(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地上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、ＳｉＣＮまたはＣＮｘのうちのいずれかの材料からなる複数のマスク層と、
前記マスク層間に露出された下地の上面上および前記マスク層上に形成された第１窒化物系半導体層とを備えた、窒化物系半導体素子。
【請求項２】
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するように形成されている、請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項３】
前記下地は、基板上に形成された第２窒化物系半導体層からなる下地層を含み、
前記マスク層は、前記第２窒化物系半導体層からなる下地層の上面上に形成されている、請求項１または２に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項４】
前記第１窒化物系半導体層上に形成され、素子領域を有する窒化物系半導体素子層をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項５】
下地上に、前記下地の一部を露出するように所定の間隔を隔てて、ＳｉＣＮまたはＣＮｘのうちのいずれかの材料からなる複数のマスク層を形成する工程と、
前記マスク層を用いて、前記マスク層間に露出された下地の上面上および前記マスク層上に、第１窒化物系半導体層を選択横方向成長させる工程とを備えた、窒化物系半導体の形成方法。
【請求項６】
前記下地は、基板を含み、
前記マスク層を形成する工程は、
前記マスク層を、前記基板の上面に接触するように形成する工程を含む、請求項５に記載の窒化物系半導体の形成方法。
【請求項７】
前記下地は、基板上に成長された第２窒化物系半導体層からなる下地層を含み、
前記マスク層を形成する工程は、
前記マスク層を、前記第２窒化物系半導体層からなる下地層上に形成する工程を含む、請求項５または６に記載の窒化物系半導体の形成方法。
【請求項８】
前記マスク層を形成する工程は、
前記下地上に、ＳｉＣＮからなる層を形成する工程と、
前記ＳｉＣＮからなる層の所定領域を酸化した後、前記酸化された領域をウエットエッチングすることによって、前記ＳｉＣＮからなるマスク層を形成する工程とを含む、請求項５〜７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
【請求項９】
前記第１窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層を成長させる工程をさらに備える、請求項５〜８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法に関し、より特定的には、マスク層を用いて形成した窒化物系半導体層を含む窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光ダイオード素子などの半導体発光素子やトランジスタなどの電子素子に用いられる半導体素子として、窒化物系化合物半導体を利用した半導体素子の開発が盛んに行われている。このような窒化物系半導体素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどからなる基板上に、ＧａＮからなる窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
この場合、サファイアなどの基板とＧａＮとでは、格子定数が異なるため、サファイアなどの基板上に成長させた窒化物系半導体層では、基板から上下方向に延びる貫通転位（格子欠陥）が存在している。このような窒化物系半導体層における転位は、半導体素子の素子特性の劣化および信頼性の低下を招く。
【０００４】
そこで、上記のような窒化物系半導体層における転位を低減する方法として、従来、選択横方向成長（ＥＬＯ：Ｅｐｉｔａｘｙｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）が提案されている。
【０００５】
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としては、たとえば、サファイア基板上に、基板温度を約５００℃〜約６００℃に保持した状態で、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなるバッファ層を形成する。そして、そのバッファ層上に、基板温度を約１０００℃に上昇させた状態で、還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、約１μｍ〜約２μｍの膜厚を有する第１ＧａＮ層を形成する。この第１ＧａＮ層の転位密度は、約１．０×１０9ｃｍ-2である。
【０００６】
次に、第１ＧａＮ層上に、ＳｉＯ2、ＳｉＮまたはタングステンからなるストライプ形状のマスク層を形成する。そして、そのマスク層をマスクとして、基板温度を約１０００℃に保持した状態で、還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、第１ＧａＮ層上およびマスク層上に、第２ＧａＮ層を選択横方向成長させる。これにより、転位が横方向に曲げられて、全体的に転位密度が約６．０×１０7ｃｍ-2程度に低減された第２ＧａＮ層が形成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の選択横方向成長を用いる窒化物系半導体の形成方法では、約１０００℃の温度で、還元雰囲気下で、マスク層を選択成長マスクとして、第２ＧａＮ層を成長させていた。この場合、約１０００℃以上の高温の還元雰囲気下において、ＳｉＯ2、ＳｉＮまたはタングステンからなるマスク層の表面が熱的に変質されるという不都合が生じる。たとえば、タングステン（Ｗ）からなるマスク層では、約１０００℃以上の高温の還元雰囲気下において、ＧａＮの原料であるＮＨ3ガスを導入すると、マスク層の表面が、不安定な窒化タングステン（ＷＮ）に変質してしまう。このため、マスク層の表面が荒れた状態になる。このように、第２ＧａＮ層の成長時に、マスク層の表面が変質すると、第２ＧａＮ層の結晶性が低下するという問題点があった。
【０００８】
また、約１０００℃以上の高温の還元雰囲気下において、マスク層の表面が熱的に変質されるため、第２ＧａＮ層の成長時に、変質したマスク層からＳｉ、ＮまたはＯなどのマスク層の構成材料が第２ＧａＮ層に拡散するという不都合が生じる。このため、従来では、第２ＧａＮ層の電気抵抗が上昇するので、良好な電気特性を有する窒化物系半導体素子を形成することは困難であるという問題点があった。
【０００９】
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、良好な結晶性および電気特性を有する窒化物系半導体層を含む窒化物系半導体素子を提供することである。
【００１０】
この発明のもう１つの目的は、良好な結晶性および電気特性を有する窒化物系半導体層を形成することが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体素子は、下地上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、ＳｉＣＮまたはＣＮｘのうちのいずれかの材料からなる複数のマスク層と、マスク層間に露出された下地の上面上および前記マスク層上に形成された第１窒化物系半導体層とを備えている。
【００１２】
この一の局面による窒化物系半導体素子では、上記のように、ＳｉＣＮまたはＣＮｘのうちのいずれかの材料からなる複数のマスク層を形成することによって、第１窒化物系半導体層の成長に用いられる高温の還元雰囲気下において、マスク層の表面が熱により変質するのを防止することができる。これにより、第１窒化物系半導体層の成長時に、マスク層の変質に起因して発生する第１窒化物系半導体層の結晶性の低下を防止することができるので、マスク層上に、結晶性の良好な第１窒化物系半導体層を形成することができる。また、マスク層の表面が熱により変質するのを防止することができるので、第１窒化物系半導体層の成長時に、変質したマスク層からマスク層の構成材料が第１窒化物系半導体層に拡散するという不都合も防止することができる。これにより、マスク層の構成材料の拡散に起因して第１窒化物系半導体層の電気抵抗が上昇するのを防止することができるので、良好な電気特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００１６】
また、上記の場合、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、基板上に直接第１窒化物系半導体層を成長させることができるので、全体の厚みを小さくすることができるとともに、窒化物系半導体層の成長回数を減少させることができる。
【００１７】
上記の場合、好ましくは、下地は、基板上に形成された第２窒化物系半導体層からなる下地層を含み、マスク層は、第２窒化物系半導体層からなる下地層の上面上に形成されている。このように構成すれば、マスク層をマスクとして、第２窒化物系半導体層からなる下地層の上面上に、第１窒化物系半導体層を選択横方向成長により形成することができるので、基板上に直接第１窒化物系半導体層を形成する場合に比べて、結晶欠陥をより低減することができる。
【００１８】
また、上記の場合、好ましくは、第１窒化物系半導体層上に形成され、素子領域を有する窒化物系半導体素子層をさらに備える。このように構成すれば、結晶性の良好な第１窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体層を形成することができるので、良好な素子特性を有する窒化物系半導体層を容易に形成することができる。その結果、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００１９】
この発明の他の局面による窒化物系半導体の形成方法は、下地上に、下地の一部を露出するように所定の間隔を隔てて、ＳｉＣＮまたはＣＮｘのうちのいずれかの材料からなる複数のマスク層を形成する工程と、マスク層を用いて、マスク層間に露出された下地の上面上およびマスク層上に、第１窒化物系半導体層を選択横方向成長させる工程とを備えている。
【００２０】
この他の局面による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、ＳｉＣＮまたはＣＮｘのうちのいずれかの材料からなる複数のマスク層を形成することによって、第１窒化物系半導体層の成長に用いられる高温の還元雰囲気下において、マスク層の表面が熱により変質するのを防止することができる、これにより、第１窒化物系半導体層の成長時に、マスク層の変質に起因して発生する第１窒化物系半導体層の結晶性の低下を防止することができるので、マスク層上に、結晶性の良好な第１窒化物系半導体層を形成することができる。また、マスク層の表面が熱により変質するのを防止することができるので、第１窒化物系半導体層の成長時に、変質したマスク層からマスク層の構成材料が第１窒化物系半導体層に拡散するという不都合も防止することができる。これにより、マスク層の構成材料の拡散に起因して第１窒化物系半導体層の電気抵抗が上昇するのを防止することができるので、良好な電気特性を有する窒化物系半導体層を形成することができる。
【００２３】
上記の場合、好ましくは、下地は、基板を含み、マスク層を形成する工程は、マスク層を、基板の上面に接触するように形成する工程を含む。このように構成すれば、基板上に直接第１窒化物系半導体層を成長させることができるので、全体の厚みを小さくすることができるとともに、窒化物系半導体層の成長回数を減少させることができる。
【００２４】
また、上記の場合、好ましくは、下地は、基板上に成長された第２窒化物系半導体層からなる下地層を含み、マスク層を形成する工程は、マスク層を、第２窒化物系半導体層からなる下地層上に形成する工程を含む。このように構成すれば、マスク層をマスクとして、第２窒化物系半導体層からなる下地層の上面上に、第１窒化物系半導体層を選択横方向成長により形成することができるので、基板上に直接第１窒化物系半導体層を形成する場合に比べて、結晶欠陥をより低減することができる。
【００２５】
また、上記の場合、好ましくは、マスク層を形成する工程は、下地上に、ＳｉＣＮからなる層を形成する工程と、ＳｉＣＮからなる層の所定領域を酸化した後、酸化された領域をウエットエッチングすることによって、ＳｉＣＮからなるマスク層を形成する工程とを含む。このように構成すれば、容易に、下地上にＳｉＣＮからなるマスク層を形成することができる。
【００２６】
また、上記の場合、好ましくは、第１窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系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、結晶性の良好な第１窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体層を形成することができるので、良好な素子特性を有する窒化物系半導体層を容易に形成することができる。その結果、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を形成することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１〜図５を参照して、以下に、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００２９】
まず、図１に示すように、基板温度を約５００℃〜約６００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気下で、サファイア基板１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる低温バッファ層２を形成する。そして、基板温度を約１０００℃に上昇させて、ＮＨ3を含む還元雰囲気下で、低温バッファ層２上に、約１μｍ〜約２μｍの膜厚を有する下地層としての第１ＧａＮ層３を形成する。なお、サファイア基板１は、本発明の「基板」の一例であり、第１ＧａＮ層３は、本発明の「第２窒化物系半導体層（下地）」の一例である。
【００３０】
次に、図２に示すように、第１ＧａＮ層３上に、ＰＬＤ法（Ｐｕｌｓｅｄ−ｌａｓｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、ＳｉＣＮ膜４ａを約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みで形成する。この場合、ＳｉＣＮ膜４ａの形成条件は、Ｎの原料ガス：Ｎ2、ＳｉおよびＣの原料：ＳｉＣ、基板温度：常温、および、成長圧力：６．７×１０-5Ｐａである。
【００３１】
その後、図３に示すように、ＳｉＣＮ膜４ａ上の所定領域に、ストライプ形状にパターニングされたＮｉからなるエッチングマスクとしてのマスク層５を形成する。次に、このマスク層５をマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）法などのドライエッチングにより、ＳｉＣＮ膜４ａを第１ＧａＮ層３の上面が露出されるまでエッチングする。これにより、図４に示されるような、ストライプ形状のＳｉＣＮからなる選択成長マスクとしてのマスク層４が形成される。その後、マスク層４上のマスク層５を除去する。なお、ＳｉＣＮからなるマスク層４は、後の工程で第２ＧａＮ層６を成長させる際の高温（約１０００℃以上）の還元雰囲気下において変質されない材料であればよく、ＳｉＣＮの非晶質膜、多結晶膜または単結晶膜のいずれでもよい。
【００３２】
次に、図５に示すように、基板温度を約１０００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、第１ＧａＮ層３上に、ＳｉＣＮからなるマスク層４をマスクとして、選択横方向成長により第２ＧａＮ層６を形成する。これにより、転位が低減された第２ＧａＮ層６が形成される。なお、第２ＧａＮ層６は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００３３】
第１実施形態では、上記のように、ＳｉＣＮからなるマスク層４を形成することによって、第２ＧａＮ層６の成長に用いられる高温（約１０００℃）のＮＨ3を含む還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下において、マスク層４の表面が熱により変質するのを防止することができる。これにより、第２ＧａＮ層６の成長時に、マスク層４の変質に起因して発生する第２ＧａＮ層６の結晶性の低下を防止することができるので、マスク層４上に、結晶性の良好な第２ＧａＮ層６を形成することができる。
【００３４】
また、ＳｉＣＮからなるマスク層４の表面が熱により変質するのを防止することができるので、第２ＧａＮ層６の成長時に、変質したマスク層４からマスク層４の構成材料が第２ＧａＮ層６に拡散するという不都合も防止することができる。これにより、マスク層４の構成材料の拡散に起因して第２ＧａＮ層６の電気抵抗が上昇するのを防止することができるので、良好な電気特性を有する第２ＧａＮ層６を形成することができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、上記のように、サファイア基板１上に、低温バッファ層２を介して形成された下地層としての第１ＧａＮ層３の上面上に、マスク層４を形成することによって、そのマスク層４をマスクとして、転位がある程度低減された第１ＧａＮ層３の上面上に、第２ＧａＮ層６を選択横方向成長により形成することができる。これにより、サファイア基板１上に直接第２ＧａＮ層６を形成する場合に比べて、結晶欠陥をより低減することができる。
【００３６】
図６は、上記した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。次に、図６を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００３７】
第１実施形態の窒化物系半導体レーザ素子の構造としては、図５に示した第１実施形態の第２ＧａＮ層６上に、図６に示すように、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層７、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層８および発光層９が形成されている。発光層９上には、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０が凸部を有するように形成されている。ｐ型クラッド層１０の凸部の上面上のほぼ全面と接触するように、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１１の上面上には、ｐ側電極１２が形成されている。また、ｐ型クラッド層１０からｎ型コンタクト層７までの一部領域が除去されている。そのｎ型コンタクト層７の露出した表面には、ｎ側電極１３が形成されている。
【００３８】
なお、ｎ型コンタクト層７、ｎ型クラッド層８、発光層９、ｐ型クラッド層１０およびｐ型コンタクト層１１は、本発明の「素子領域を有する窒化物系半導体素子層」の一例である。
【００３９】
上記した第１実施形態の窒化物系半導体レーザ素子では、図１〜図５に示した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、良好な結晶性および電気特性を有する第２ＧａＮ層６を下地層として、その上に各層７〜１１を形成することによって、各層７〜１１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、第１実施形態では、良好な素子特性を有する窒化物系半導体レーザ素子を得ることができる。
【００４０】
（第２実施形態）
図７および図８は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第２実施形態では、選択成長マスクとしてのマスク層をウェットエッチングにより形成した例を示している。なお、第２実施形態におけるマスク層４の形成プロセス以外の窒化物系半導体の形成方法は、図１、図２および図５に示した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法と同様である。図７および図８を参照して、以下に、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００４１】
まず、第１実施形態の形成方法と同様の形成方法を用いて、図７に示すように、サファイア基板１上に、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる低温バッファ層２、第１ＧａＮ層３およびＳｉＣＮ膜４ａを形成する。
【００４２】
次に、図７に示すように、ＳｉＣＮ膜４ａ上の所定領域に、ストライプ形状にパターニングされたレジスト１５を形成する。そして、このレジスト１５をマスクとして、ＳｉＣＮ膜４ａを、熱酸化装置などを用いて酸化する。この酸化部分４ｂをフッ酸などを用いてウェットエッチングにより除去する。これにより、図８に示されるような、ストライプ形状のＳｉＣＮからなるマスク層４が形成される。その後、マスク層４上のレジスト１５を除去する。
【００４３】
これ以降の工程は、図５を用いて説明した第１実施形態の形成方法と同様である。すなわち、基板温度を約１０００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、第１ＧａＮ層３上に、ＳｉＣＮからなるマスク層４をマスクとして、選択横方向成長により第２ＧａＮ層６（図５参照）を形成する。
【００４４】
第２実施形態では、上記のような製造プロセスを用いることによって、ＳｉＣＮからなるストライプ形状のマスク層４を容易に形成することができる。なお、第２実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００４５】
（第３実施形態）
図９〜図１３は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図９〜図１３を参照して、以下に、第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００４６】
まず、図９に示すように、基板温度を約５００℃〜約６００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気下で、サファイア基板２１上に、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる低温バッファ層２２を形成する。そして、基板温度を約１０００℃に上昇させて、ＮＨ3を含む還元雰囲気下で、低温バッファ層２２上に、約１μｍ〜約２μｍの膜厚を有する下地層としての第１ＧａＮ層２３を形成する。なお、サファイア基板２１は、本発明の「基板」の一例であり、第１ＧａＮ層２３は、本発明の「第２窒化物系半導体層（下地）」の一例である。
【００４７】
次に、図１０に示すように、第１ＧａＮ層２３上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣ膜２４ａを約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みで形成する。この場合、ＳｉＣ膜２４ａの形成条件は、原料ガス：ＳｉＨ4，ＣＨ4、基板温度：６００℃、および、成長圧力：４．０Ｐａである。
【００４８】
その後、図１１に示すように、ＳｉＣ膜２４ａ上の所定領域に、ストライプ形状にパターニングされたＮｉからなるエッチングマスクとしてのマスク層２５を形成する。次に、このマスク層２５をマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、ＳｉＣ膜２４ａを第１ＧａＮ層２３の上面が露出されるまでエッチングする。これにより、図１２に示されるような、ストライプ形状のＳｉＣからなる選択成長マスクとしてのマスク層２４が形成される。その後、マスク層２４上のマスク層２５を除去する。なお、ＳｉＣからなるマスク層２４は、後の工程で第２ＧａＮ層２６を成長させる際の高温（約１０００℃以上）の還元雰囲気下において変質されない材料であればよく、ＳｉＣの非晶質膜、多結晶膜または単結晶膜のいずれでもよい。
【００４９】
次に、図１３に示すように、基板温度を約１０００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、第１ＧａＮ層２３上に、ＳｉＣからなるマスク層２４をマスクとして、選択横方向成長により第２ＧａＮ層２６を形成する。これにより、転位が低減された第２ＧａＮ層２６が形成される。なお、第２ＧａＮ層２６は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００５０】
第３実施形態では、上記のように、ＳｉＣからなるマスク層２４を形成することによって、第２ＧａＮ層２６の成長に用いられる高温（約１０００℃）の還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下において、マスク層２４の表面が熱により変質するのを防止することができる。これにより、第２ＧａＮ層２６の成長時に、マスク層２４の変質に起因して発生する第２ＧａＮ層２６の結晶性の低下を防止することができるので、マスク層２４上に、結晶性の良好な第２ＧａＮ層２６を形成することができる。
【００５１】
また、ＳｉＣからなるマスク層２４の表面が熱により変質するのを防止することができるので、第２ＧａＮ層２６の成長時に、変質したマスク層２４からマスク層２４の構成材料が第２ＧａＮ層２６に拡散するという不都合も防止することができる。これにより、マスク層２４の構成材料の拡散に起因して第２ＧａＮ層２６の電気抵抗が上昇するのを防止することができるので、良好な電気特性を有する第２ＧａＮ層２６を形成することができる。
【００５２】
また、第３実施形態では、上記のように、サファイア基板２１上に、低温バッファ層２２を介して形成された下地層としての第１ＧａＮ層２３の上面上に、マスク層２４を形成することによって、そのマスク層２４をマスクとして、転位がある程度低減された第１ＧａＮ層２３の上面上に、第２ＧａＮ層２６を選択横方向成長により形成することができる。これにより、サファイア基板２１上に直接第２ＧａＮ層２６を形成する場合に比べて、結晶欠陥をより低減することができる。
【００５３】
図１４は、上記した第３実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。次に、図１４を参照して、第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００５４】
第３実施形態の窒化物系半導体レーザ素子の構造としては、図１３に示した第３実施形態の第２ＧａＮ層２６上に、図１４に示すように、ｎ型コンタクト層７、ｎ型クラッド層８および発光層９が形成されている。発光層９上には、ｐ型クラッド層１０が凸部を有するように形成されている。ｐ型クラッド層１０の凸部の上面上のほぼ全面と接触するように、ｐ型コンタクト層１１が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１１の上面上には、ｐ側電極１２が形成されている。また、ｐ型クラッド層１０からｎ型コンタクト層７までの一部領域が除去されている。そのｎ型コンタクト層７の露出した表面には、ｎ側電極１３が形成されている。なお、第３実施形態の各層７〜１１の組成は、図６に示した第１実施形態の各層７〜１１の組成と同様である。
【００５５】
上記した第３実施形態の窒化物系半導体レーザ素子では、図９〜図１３に示した第３実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、良好な結晶性および電気特性を有する第２ＧａＮ層２６を下地層として、その上に各層７〜１１を形成することによって、各層７〜１１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、第３実施形態では、良好な素子特性を有する窒化物系半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５６】
（第４実施形態）
図１５〜図１８は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１５〜図１８を参照して、以下に、第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００５７】
まず、図１５に示すように、サファイア基板３１上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ダイヤモンド膜３２ａを約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みで形成する。この場合、ダイヤモンド膜３２ａの形成条件は、原料ガス：ＣＨ4、基板温度：５００℃、および、成長圧力：６．７Ｐａである。そして、ダイヤモンド膜３２ａ上に、ストライプ形状にパターニングされたＮｉからなるエッチングマスクとしてのマスク層３３を形成する。なお、サファイア基板３１は、本発明の「基板（下地）」の一例である。
【００５８】
その後、図１６に示すように、このマスク層３３をマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、ダイヤモンド膜３２ａをサファイア基板３１の上面が露出されるまでエッチングする。これにより、図１６に示されるような、ストライプ形状のダイヤモンドからなる選択成長マスクとしてのマスク層３２が形成される。その後、マスク層３２上のマスク層３３を除去する。なお、ダイヤモンドからなるマスク層３２は、後の工程でＧａＮ層３５を成長させる際の高温（約１０００℃以上）の還元雰囲気下において変質されない材料であればよく、ダイヤモンドの非晶質膜、多結晶膜または単結晶膜のいずれでもよい。
【００５９】
次に、図１７に示すように、マスク層３２間に露出されたサファイア基板３１の上面上に、基板温度を約５００℃〜約６００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気下で、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる低温バッファ層３４を形成する。
【００６０】
その後、図１８に示すように、基板温度を約１０００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、低温バッファ層３４上に、ダイヤモンドからなるマスク層３２をマスクとして、選択横方向成長によりＧａＮ層３５を形成する。これにより、転位が低減されたＧａＮ層３５が形成される。なお、ＧａＮ層３５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００６１】
第４実施形態では、上記のように、ダイヤモンドからなるマスク層３２を形成することによって、ＧａＮ層３５の成長に用いられる高温（約１０００℃）の還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下において、マスク層３２の表面が熱により変質するのを防止することができる。これにより、ＧａＮ層３５の成長時に、マスク層３２の変質に起因して発生するＧａＮ層３５の結晶性の低下を防止することができるので、マスク層３２上に、結晶性の良好なＧａＮ層３５を形成することができる。
【００６２】
また、ダイヤモンドからなるマスク層３２の表面が熱により変質するのを防止することができるので、ＧａＮ層３５の成長時に、変質したマスク層３２からマスク層３２の構成材料がＧａＮ層３５に拡散するという不都合も防止することができる。これにより、マスク層３２の構成材料の拡散に起因してＧａＮ層３５の電気抵抗が上昇するのを防止することができるので、良好な電気特性を有するＧａＮ層３５を形成することができる。
【００６３】
また、第４実施形態では、上記のように、サファイア基板３１の上面に接触するようにマスク層３２を形成することによって、下地となるＧａＮ層を成長させることなく、サファイア基板３１上にＧａＮ層３５を成長させることができる。これにより、全体の厚みを小さくすることができるとともに、窒化物系半導体層の成長回数を減少させることができる。
【００６４】
図１９は、上記した第４実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。次に、図１９を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００６５】
第４実施形態の窒化物系半導体レーザ素子の構造としては、図１８に示した第４実施形態のＧａＮ層３５上に、図１９に示すように、ｎ型コンタクト層７、ｎ型クラッド層８および発光層９が形成されている。発光層９上には、ｐ型クラッド層１０が凸部を有するように形成されている。ｐ型クラッド層１０の凸部の上面上のほぼ全面と接触するように、ｐ型コンタクト層１１が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１１の上面上には、ｐ側電極１２が形成されている。また、ｐ型クラッド層１０からｎ型コンタクト層７までの一部領域が除去されている。そのｎ型コンタクト層７の露出した表面には、ｎ側電極１３が形成されている。なお、第４実施形態の各層７〜１１の組成は、図６に示した第１実施形態の各層７〜１１の組成と同様である。
【００６６】
上記した第４実施形態の窒化物系半導体レーザ素子では、図１５〜図１８に示した第４実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、良好な結晶性および電気特性を有するＧａＮ層３５を下地層として、その上に各層７〜１１を形成することによって、各層７〜１１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、第４実施形態では、良好な素子特性を有する窒化物系半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６７】
（第５実施形態）
図２０〜図２３は、本発明の第５実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図２０〜図２３を参照して、第５実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００６８】
まず、図２０に示すように、サファイア基板４１上に、ＰＬＤ法を用いて、ＣＮ膜４２ａを約２００ｎｍ〜約３００ｎｍの厚みで形成する。この場合、ＣＮ膜４２ａの形成条件は、Ｎの原料ガス：Ｎ2、Ｃの原料：グラファイト、基板温度：常温、および、成長圧力：６．７×１０-5Ｐａである。そして、ＣＮ膜４２ａ上に、ストライプ形状にパターニングされたＮｉからなるエッチングマスクとしてのマスク層４３を形成する。なお、サファイア基板４１は、本発明の「基板（下地）」の一例である。
【００６９】
その後、図２１に示すように、このマスク層４３をマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチングにより、ＣＮ膜４２ａをサファイア基板４１の上面が露出されるまでエッチングする。これにより、図２１に示されるような、ストライプ形状のＣＮからなる選択成長マスクとしてのマスク層４２が形成される。その後、マスク層４２上のマスク層４３を除去する。なお、ＣＮからなるマスク層４２は、後の工程でＧａＮ層４５を成長させる際の高温（約１０００℃以上）の還元雰囲気下において変質されない材料であればよく、ＣＮの非晶質膜、多結晶膜または単結晶膜のいずれでもよい。
【００７０】
次に、図２２に示すように、マスク層４２間に露出されたサファイア基板４１の上面上に、基板温度を約５００℃〜約６００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気下で、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる低温バッファ層４４を形成する。
【００７１】
その後、図２３に示すように、基板温度を約１０００℃に保持した状態で、ＮＨ3を含む還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下で、低温バッファ層４４上に、ＣＮからなるマスク層４２をマスクとして、選択横方向成長によりＧａＮ層４５を形成する。これにより、転位が低減されたＧａＮ層４５が形成される。なお、ＧａＮ層４５は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００７２】
第５実施形態では、上記のように、ＣＮからなるマスク層４２を形成することによって、ＧａＮ層４５の成長に用いられる高温（約１０００℃）の還元雰囲気（Ｈ2雰囲気）下において、マスク層４２の表面が熱により変質するのを防止することができる。これにより、ＧａＮ層４５の成長時に、マスク層４２の変質に起因して発生するＧａＮ層４５の結晶性の低下を防止することができるので、マスク層４２上に、結晶性の良好なＧａＮ層４５を形成することができる。
【００７３】
また、ＣＮからなるマスク層４２の表面が熱により変質するのを防止することができるので、ＧａＮ層４５の成長時に、変質したマスク層４２からマスク層４２の構成材料がＧａＮ層４５に拡散するという不都合も防止することができる。これにより、マスク層４２の構成材料の拡散に起因してＧａＮ層４５の電気抵抗が上昇するのを防止することができるので、良好な電気特性を有するＧａＮ層４５を形成することができる。
【００７４】
また、第５実施形態では、上記のように、サファイア基板４１の上面に接触するようにマスク層４２を形成することによって、下地となるＧａＮ層を成長させることなく、サファイア基板４１上にＧａＮ層４５を成長させることができる。これにより、全体の厚みを小さくすることができるとともに、窒化物系半導体層の成長回数を減少させることができる。
【００７５】
図２４は、上記した第５実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。次に、図２４を参照して、第５実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００７６】
第５実施形態の窒化物系半導体レーザ素子の構造としては、図２３に示した第５実施形態のＧａＮ層４５上に、図２４に示すように、ｎ型コンタクト層７、ｎ型クラッド層８および発光層９が形成されている。発光層９上には、ｐ型クラッド層１０が凸部を有するように形成されている。ｐ型クラッド層１０の凸部の上面上のほぼ全面と接触するように、ｐ型コンタクト層１１が形成されている。また、ｐ型コンタクト層１１の上面上には、ｐ側電極１２が形成されている。また、ｐ型クラッド層１０からｎ型コンタクト層７までの一部領域が除去されている。そのｎ型コンタクト層７の露出した表面には、ｎ側電極１３が形成されている。なお、第５実施形態の各層７〜１１の組成は、図６に示した第１実施形態の各層７〜１１の組成と同様である。
【００７７】
上記した第５実施形態の窒化物系半導体レーザ素子では、図２０〜図２３に示した第５実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、良好な結晶性および電気特性を有するＧａＮ層４５を下地層として、その上に各層７〜１１を形成することによって、各層７〜１１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、第５実施形態では、良好な素子特性を有する窒化物系半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７８】
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。
【００７９】
たとえば、上記第１〜第５実施形態では、高温の還元雰囲気下で変質されにくい材料からなるマスク層の例として、ＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＣＮまたはダイヤモンドからなるマスク層を用いたが、本発明はこれに限らず、上記以外の高温の還元雰囲気下で変質されにくい材料を用いてもよい。
【００８０】
また、上記第１〜第５実施形態では、導電性を有しないサファイア基板を用いるとともに、サファイア基板の上面側にｐ側電極１２およびｎ側電極１３を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、サファイア基板の代わりに導電性を有する基板を用いてもよい。
【００８１】
図２５には、第１実施形態の変形例による窒化物系半導体レーザ素子の断面図が示されている。この場合、図６に示した第１実施形態では、サファイア基板１を用いているのに対して、図２５に示した第１実施形態の変形例では、導電性を有するｎ型ＳｉＣ基板５１を用いている。このｎ型ＳｉＣ基板５１上には、第１実施形態の低温バッファ層２、第１ＧａＮ層３、マスク層４および第２ＧａＮ層６と同様の組成および膜厚を有するように、低温バッファ層５２、第１ＧａＮ層５３、ＳｉＣＮからなるマスク層５４および第２ＧａＮ層５５が形成されている。
【００８２】
また、第２ＧａＮ層５５上には、ｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなるクラック防止層５６、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型第２クラッド層５７、ｎ型ＧａＮからなるｎ型第１クラッド層５８、発光層５９およびｐ型ＧａＮからなるｐ型第１クラッド層６０が順次形成されている。ｐ型第１クラッド層６０上には、メサ形状（台形状）のｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型第２クラッド層６１が形成されている。また、ｐ型第１クラッド層６０上の上面と、メサ形状のｐ型第２クラッド層６１の側面とを覆うとともに、ｐ型第２クラッド層６１の上面を露出させるように、ｎ型ＡｌＧａＮからなる電流阻止層６２が形成されている。電流阻止層６２上には、露出されたｐ型第２クラッド層６１の上面と接触するように、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層６３が形成されている。
【００８３】
また、ｐ型第２クラッド層６１のメサ形状を反映したｐ型コンタクト層６３の凸部上には、ｐ側電極６４が形成されている。また、導電性を有するｎ型ＳｉＣ基板５１の裏面に、ｎ側電極６５が形成されている。
【００８４】
上記の変形例のように、第１実施形態のサファイア基板１の代わりにｎ型ＳｉＣ基板５１などの導電性を有する基板を用いても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第２〜第５実施形態において、サファイア基板の代わりに導電性を有する基板を用いてもよい。
【００８５】
また、上記第３実施形態では、ＳｉＣからなるマスク層２４をＲＩＥ法などのドライエッチングにより形成したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＣからなるマスク層２４を酸化した後、その酸化部分をウェットエッチングすることによって形成してもよい。なお、この場合のマスク層２４のウェットエッチングの条件は、第２実施形態のＳｉＣＮからなるマスク層４のウェットエッチングの条件と同様である。
【００８６】
また、上記第１〜第３実施形態では、サファイア基板上に形成された第１ＧａＮ層からなる下地層の上面上に、ＳｉＣまたはＳｉＣＮからなるマスク層を形成したが、本発明はこれに限らず、第１〜第３実施形態において、ＳｉＣまたはＳｉＣＮからなるマスク層の代わりに、ダイヤモンドまたはＣＮからなるマスク層を形成してもよい。
【００８７】
また、上記第４および第５実施形態では、サファイア基板の上面に接触するように、ダイヤモンドまたはＣＮからなるマスク層を形成したが、本発明はこれに限らず、第４および第５実施形態において、ダイヤモンドまたはＣＮからなるマスク層の代わりに、ＳｉＣまたはＳｉＣＮからなるマスク層を形成してもよい。
【００８８】
また、第５実施形態では、ＣＮからなるマスク層４２を用いたが、本発明はこれに限らず、ＣＮ以外のＣＮxからなるマスク層を用いても同様の効果を得ることができる。
【００８９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、良好な結晶性および電気特性を有する窒化物系半導体層を形成することが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することができる。また、良好な結晶性および電気特性を有する窒化物系半導体層を含む窒化物系半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図６】図１〜図５に示した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１４】図９〜図１３に示した第３実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図１５】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１７】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１９】図１５〜図１８に示した第４実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系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５実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２１】本発明の第５実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の第５実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】本発明の第５実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２４】図２０〜図２３に示した第５実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図２５】本発明の変形例による窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
【符号の説明】
１、２１  サファイア基板（基板）
３、２３、５３  第１ＧａＮ層（第２窒化物系半導体層、下地）
４、２４、３２、４２、５４  マスク層
６、２６、５５  第２ＧａＮ層（第１窒化物系半導体層）
７  ｎ型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
８  ｎ型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
９、５９  発光層（窒化物系半導体素子層）
１０  ｐ型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
１１  ｐ型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
３１、４１  サファイア基板（基板、下地）
３５、４５  ＧａＮ層（第１窒化物系半導体層）
５１  ｎ型ＳｉＣ基板（基板）
５６  クラック防止層（窒化物系半導体素子層）
５７  ｎ型第２クラッド層（窒化物系半導体素子層）
５８  ｎ型第１クラッド層（窒化物系半導体素子層）
６０  ｐ型第１クラッド層（窒化物系半導体素子層）
６１  ｐ型第２クラッド層（窒化物系半導体素子層）
６２  電流阻止層（窒化物系半導体素子層）
６３  ｐ型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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