(57)【要約】本発明の窒化物半導体の製造方法は、ｎ−ＧａＮ基板１０１を用意する工程（Ａ）と、基板１０１の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを基板１０１上に形成する工程（Ｂ）と、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）１０４を複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）１０６をＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１０４上に成長させ、隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶１０４をＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶１０６で連結して１つの窒化物半導体層１２０を形成する工程（Ｄ）とを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、
前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記窒化物半導体基板上に形成する工程（Ｂ）と、
第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、
前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）を前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶上に成長させ、隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶で連結して１つの窒化物半導体層を形成する工程（Ｄ）と、
を含む窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させるとともに、前記主面に平行な方向にも成長させ、それによって前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶のストライプ幅を前記ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きくする工程を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶が前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長するレートよりも高いレートで前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記工程（Ｂ）を行なう前において、前記窒化物半導体基板の主面上にバッファ層を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記窒化物半導体基板の主面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域は選択成長用マスクで覆われている、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記バッファ層の上面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域は選択成長用マスクで覆われている、請求項３に記載の製造方法。
【請求項７】
前記選択成長用マスクは、各ストライプ状リッジの側面を覆い、各ストライプ状リッジの上面を露出させている、請求項５または６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上になるように前記ｎ型不純物を前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶にドープしながら、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（Ｄ）は、前記第２の濃度が３×１０１８ｃｍ−３を下回るように前記ｎ型不純物を前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶にドープしながら、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶を成長させる工程を含む、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶にドープされたｎ型不純物はＳｉである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶にドープされたｎ型不純物は、Ｓｉおよび／またはＭｇである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記窒化物半導体基板はｎ型不純物を含有している請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物はＳｉおよび／または酸素である請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物は酸素であり、
前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶に含まれる前記ｎ型不純物はＳｉであり、前記第１の濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記工程（Ｃ）は、前記ストライプ状リッジに垂直かつ基板主面に平行な方向における前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長レートが前記ストライプ状リッジに関して非対称となるように前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１７】
窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、
窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状シード部を前記窒化物半導体基板上に形成する工程（Ｂ）と、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状シード部の上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、
を含み、
前記ストライプ状リッジの上面と前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶との界面を含む領域に酸素およびＳｉの両方をドープする、窒化物半導体の製造方法。
【請求項１８】
主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、
前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶と、
隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶と、
を備えた窒化物半導体。
【請求項１９】
請求項１７に記載の窒化物半導体を用意する工程と、
前記窒化物半導体上に半導体積層構造を形成する工程と、
を含む窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、
前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶と、
隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶と、
前記窒化物半導体層上に設けられた半導体積層構造と、
を備えた窒化物半導体素子。
【請求項２１】
前記第１の濃度でｎ型不純物を含有する各ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶のストライプ幅は、各ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きい請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】
前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶は、各ストライプ状リッジの側面には接触していない請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２３】
前記窒化物半導体基板において前記ストライプ状リッジが存在しない凹部領域と前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶との間にはギャップが設けられている、請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２４】
前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、
前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２５】
前記半導体積層構造は、
前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第２の窒化物半導体層と、
前記活性層の一部に電流を狭窄する電流狭窄部と、
前記電流狭窄部を介して前記活性層の一部に電流を供給する電極構造と、
を備える請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２６】
前記電流狭窄部は、前記窒化物半導体基板における複数のストライプ状リッジの間に存在する凹部の上に位置している、請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、半導体レーザ素子や発光ダイオードの窒化物半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  窒化ガリウムに代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料を用いて作製される青紫色半導体レーザ素子は、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。この青紫色半導体レーザ素子の高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野を開拓する。【０００３】  従来、サファイア基板を用いるＧａＮ系半導体レーザ素子が開発されてきたが、近年、ＧａＮ基板などの窒化物半導体基板を用いてＧａＮ系半導体レーザ素子を作製することが検討されている。例えば非特許文献１は、実用レベルにあるＧａＮ系半導体レーザ素子を開示している。以下、図２０を参照しながら、従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法を説明する。【０００４】  図２０に示すように、この半導体レーザ素子は、主面がＳｉＯ２マスク層１６０２で覆われたＧａＮ基板１６０１を用いて作製される。ＳｉＯ２マスク層１６０２には複数のストライプ状開口部１６０３が形成されている。ＧａＮ基板１６０１上には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた選択横方向成長（ＥＬＯ）により、ＧａＮ層１６０４が成長させられる。このＧａＮ層１６０４は、ＳｉＯ２マスク層１６０２の個々のストライプ状開口部１６０３を介して露出するＧａＮ基板１６０１の主面上にエピタキシャル成長するが、ＧａＮ層１６０４は基板主面に垂直な方向だけではなく水平横方向にも成長し、相互に接触して１つの層を形成する。【０００５】  ＧａＮ層１６０４上には、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＧａＮ結晶１６０５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６０６、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１６０７、Ｇａ１−ｘＩｎｘＮ／Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１６０８、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１６０９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１６１０、および、ｐＧａＮコンタクト層１６１１が積層されている。ＥＬＯ工程により形成されたＧａＮ層１６０４には、横方向に成長した個々のストライプ状ＧａＮが合体する部分において刃状転位が存在しており、その上に成長した半導体層中にもＧａＮ層１６０４から刃状転位が延びている。【０００６】  ｐ−ＧａＮコンタクト層１６１１上には、刃状転位が存在していない領域に１．５〜１０μｍ程度の幅を有するリッジストライプが形成される。その後、リッジストライプの両側がＳｉＯ２層１６１３によって埋め込まれる。【０００７】  その後、リッジストライプおよびＳｉＯ２層１６１３上に、例えばＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１６１２が形成される。なお、上記の積層体の一部はｎ−ＧａＮ結晶１６０５が露出するまでエッチングされ、このエッチングにより露出したｎ−ＧａＮ結晶１６０５の表面には、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１６１４が形成される。【０００８】  図２０に示す半導体レーザ素子では、ｎ電極１６１４を接地し、ｐ電極１６１２に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１６０８に向かってｐ電極１６１２側からホールが、またｎ電極１６１４側から電子が注入される。その結果、ＭＱＷ活性層１６０８内でキャリアの反転分布が発生するため、光学利得が生じ、波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を引��起こすことができる。発振波長は、ＭＱＷ活性層１６０８の材料であるＧａ１−ｘＩｎｘＮ／Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ薄膜の組成や膜厚によって変化する。【０００９】  非特許文献１に開示されている半導体レーザ素子では、水平方向の基本横モードでレーザ発振が生じるようにリッジストライプの幅および高さが調節されている。すなわち、基本横モードと高次モード（１次以上のモード）との間で光閉じ込め係数に差を設けることにより、基本横モードでの発振を可能としている。【００１０】  ＧａＮ基板は、例えば以下のようにして作製される。【００１１】  まず、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を成長させる。その後、ハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）などの方法により、ＧａＮ単層膜上にＧａＮの厚膜を堆積する。充分な厚さにＧａＮ膜を成長させた後、サファイア基板を剥離することにより、ＧａＮ基板を得ることができる。【００１２】  上記の方法で作製したＧａＮ基板には、刃状転位、らせん転位、混合転位などの転位が５×１０７ｃｍ−２程度の密度で存在するという問題がある。このような大きさの密度で転位が存在すると、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることは困難である。【００１３】  図２０に示すＧａＮ層１６０４の成長は、転位の少ないＧａＮ層を得るために行なわれている。ＧａＮ層１６０４のＥＬＯ工程を付加することにより、ＧａＮ結晶中の転位密度を７×１０５ｃｍ−２程度に低減できる。このようにして形成した転位の少ない領域の上部に、活性領域（電流注入領域）を形成することにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上させることが可能となる。【００１４】  なお、図２０に示す従来の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ電極１６１２およびｎ電極１６１４は、いずれもＧａＮ基板１６０１の同一面側に形成されている。このようなレーザ素子では、レーザ発振に必要な注入電流は、ＧａＮ基板１６０１を流れる必要が無い。このため、ＧａＮ層１６０４は導電性を有する必要はなく、また、ＧａＮ１６０４に対する不純物のドープも意図的には行なわれていない。【００１５】  特許文献２は、ＳｉＣなどの基板主面にストライプ状リッジを形成した後、各リッジの上面にＧａＮ結晶を選択成長させることを開示している。
【特許文献１】特開２００２−９００４号公報
【特許文献２】特表２００２−５１８８２６号公報
【非特許文献１】ジャパン・ジャ−ナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．）、第３９巻、ｐ．Ｌ６４８（２０００年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】  前述したように、ストライプ状の開口部を有するマスク層が形成された基板上においてＧａＮ層の選択的な横方向成長を行なう従来の技術では、ＧａＮ層に含まれる欠陥に起因して窒化物半導体レーザ素子の製造歩留まりおよび信頼性が低いという問題があった。【００１７】  本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明による窒化物半導体の製造方法は、窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記窒化物半導体基板上に形成する工程（Ｂ）と、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）を前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶上に成長させ、隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶で連結して１つの窒化物半導体層を形成する工程（Ｄ）とを含む。【００１９】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させるとともに、前記主面に平行な方向にも成長させ、それによってＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶のストライプ幅を前記ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きくする工程を含む。【００２０】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶が前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長するレートよりも高いレートで前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させる工程を含む。【００２１】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）を行なう前において、前記窒化物半導体基板の主面上にバッファ層を成長させる工程を含む。【００２２】  好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の主面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域は選択成長用マスクで覆われている。【００２３】  好ましい実施形態において、前記バッファ層の上面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域は選択成長用マスクで覆われている。【００２４】  好ましい実施形態において、前記選択成長用マスクは、各ストライプ状リッジの側面を覆い、各ストライプ状リッジの上面を露出させている。【００２５】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む。【００２６】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上になるように前記ｎ型不純物を前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶にドープしながら、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を成長させる工程を含む。【００２７】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｄ）は、前記第２の濃度が３×１０１８ｃｍ−３を下回るように前記ｎ型不純物を前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶にドープしながら、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶を成長させる工程を含む。【００２８】  好ましい実施形態において、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶にドープされたｎ型不純物はＳｉである。【００２９】  好ましい実施形態において、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶にドープされたｎ型不純物は、Ｓｉおよび／またはＭｇである。【００３０】  好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板はｎ型不純物を含有している。【００３１】  好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物はＳｉおよび／または酸素である。【００３２】  好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物は酸素であり、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶に含まれる前記ｎ型不純物はＳｉであり、前記第１の濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である。【００３３】  好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の前記ストライプ状リッジに垂直かつ基板主面に平行な方向における成長レートが前記ストライプ状リッジに関して非対称となるように前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を成長させる工程を含む。【００３４】  本発明による他の窒化物半導体の製造方法は、窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状シード部を前記窒化物半導体基板上に形成する工程（Ｂ）と、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）とを含み、前記ストライプ状シード部の上面と前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶との界面を含む領域に酸素およびＳｉの両方をドープする。【００３５】  本発明の窒化物半導体は、主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶と、隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶とを備えている。【００３６】  本発明による窒化物半導体素子の製造方法は、前記窒化物半導体を用意する工程と、前記窒化物半導体上に半導体積層構造を形成する工程とを含む。【００３７】  本発明による窒化物半導体素子は、主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶と、隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶と、前記窒化物半導体層上に設けられた半導体積層構造とを備えている。【００３８】  好ましい実施形態において、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有する各ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶のストライプ幅は、各ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きい。【００３９】  好ましい実施形態において、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶は、各ストライプ状リッジの側面には接触していない。【００４０】  好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板において前記ストライプ状リッジが存在しない凹部領域と前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶との間にはギャップが設けられている。【００４１】  好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている。【００４２】  好ましい実施形態において、前記半導体積層構造は、前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第２の窒化物半導体層と、前記活性層の一部に電流を狭窄する電流狭窄部と、前記電流狭窄部を介して前記活性層の一部に電流を供給する電極構造とを備える。【００４３】  好ましい実施形態において、前記電流狭窄部は、前記窒化物半導体基板における複数のストライプ状リッジの間に存在する凹部の上に位置している。
【発明の効果】
【００４４】  本発明によれば、転位密度の少ない窒化物半導体を歩留まりよく作製することができ、基板裏面に電極を設けた窒化物半導体素子の動作電圧を低減し、かつ信頼性の向上や生産性の向上を図ることができる。【００４５】  また、本発明によれば、低抵抗化を図るために窒化物半導体層にｎ型不純物を高濃度にドープしてもクラックの発生を抑制することができ、窒化物半導体素子の動作電圧を低減し、かつ信頼性の向上や生産性の向上を図ることができる。その結果、信頼性の高い光ディスク用レーザ、レーザディスプレイ装置や医療用レーザを歩留まり良く作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明による窒化物半導体素子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図５】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図８】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図９】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１０】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１２】（ａ）から（ｄ）は、第１の実施形態における第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４および第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長を示す工程断面図である。
【図１３】リッジ上面のシード部１０５から成長するＧａＮ結晶の横方向成長レートに対する縦方向成長レートの比（以下、「縦／横比」と称する。）がＧａＮ中のＳｉ濃度によってどのように変化するかを示すグラフである。
【図１４】窒化物半導体層１２０の一部断面を拡大した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）と、転位密度の分布を示すグラフである。
【図１５】第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の有無により、レーザ素子の抵抗がどのように変化するかを示すグラフである。
【図１６】Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮ基板におけるクラック本数密度とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図１７】（ａ）から（ｄ）は、本発明による窒化物半導体の第２の実施形態の工程断面図である。
【図１８】ストライプ状リッジの上面に位置するシード部上にＧａＮ結晶を成長させる場合における縦／横比とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図１９】本発明による窒化物半導体素子の第３の実施形態を示す断面図である。
【図２０】従来の窒化物半導体素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】１０１  ｎ−ＧａＮ基板
１０２  マスク層
１０３  エアギャップ
１０４  第１のｎ−ＧａＮ結晶
１０５  シード部
１０６  第２のｎ−ＧａＮ結晶
１０７  ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層
１０８  ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１０９  ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１１０  ＭＱＷ活性層
１１１  ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１１２  ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１１３  ｐ−ＧａＮ層
１１４  ｐ電極
１１５  ＳｉＯ２マスク層
１１６  ｎ電極
１１７  配線電極
１１８  配線電極
１１９  ボイド
１２０  窒化物半導体層
３０１  レジストマスク
５０１  平坦化レジスト
１２０１  多結晶ＧａＮ
１２０２  合体部分
１４０１  第１のｎ−ＧａＮ結晶
１４０２  第２のｎ−ＧａＮ結晶
１４０３  合体部分
１６０１  ＧａＮ
１６０２  ＳｉＯ２マスク層
１６０３  開口部
１６０４  ＧａＮ層
１６０５  ｎ−ＧａＮ結晶
１６０６  ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１６０７  ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１６０８  ＭＱＷ活性層
１６０９  ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１６１０  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１６１１  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１６１２  ｐ電極
１６１３  ＳｉＯ２層
１６１４  ｎ電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】    以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。【００４９】  （実施形態１）
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面を示している。本実施形態の半導体レーザ素子は、主面に複数のストライプ状リッジが形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１と、ｎ−ＧａＮ基板１０１基板上に成長した半導体積層構造とを有している。ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面のうち、ストライプ状リッジの上面以外の部分はＳｉＮｘ（０＜ｘ＜４／３）から形成されたマスク層１０２で覆われている。各ストライプ状リッジの上面は、基板主面に平行な結晶面を有するシード部１０５として機能し、ストライプ状リッジの間には凹部が形成されている。この凹部は、半導体層などによっては埋め込まれず、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面と半導体積層構造の底面との間にはエアギャップ１０３が存在している。【００５０】  本実施形態では、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（ｘ＝０、ｙ＝１、ｚ＝０）が複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長している。以下、簡単のため、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（ｘ＝０、ｙ＝１、ｚ＝０）を第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と記載する。【００５１】  第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（ｘ’＝０、ｙ’＝１、ｚ’＝０）が第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に成長しており、隣接する２つの第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４はＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶によって連結されている。以下、簡単のため、Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（ｘ’＝０、ｙ’＝１、ｚ’＝０）を第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６と記載する。【００５２】  このように、本実施形態では、不純物濃度の異なる第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６から、１つの連続した窒化物半導体層１２０を形成している点に特徴を有している。【００５３】  本実施形態の半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮ基板１０１に近い側から、窒化物半導体層１２０、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０９、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２、ｐ−ＧａＮ層１１３を有している。ＭＱＷ活性層１１０は、厚さ３ｎｍのＧａ０．８Ｉｎ０．２Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層とを交互に積層することによって作製されている。【００５４】  ｐ−ＧａＮ層１１３には、電流および光閉じ込めのためリッジストライプが形成されており、リッジストライプの上面に位置する開口部を備えたＳｉＯ２マスク層１１５が半導体積層構造の上面を覆っている。ｐ−ＧａＮ層１１３のリッジストライプ上にはｐ電極１１４が形成され、配線電極１１７と接続されている。ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１６が形成されている。【００５５】  本実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ電極１１４とｎ電極１１６との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１１０に向かってｐ電極１１４から正孔が注入され、ｎ電極１１６からは電子が注入される。この結果、活性層１１０において利得が生じ、４０８ｎｍの波長でレーザ発振か生じる。【００５６】  次に、図２から図１６を参照して、図１の半導体レーザ素子を製造する方法の好ましい実施形態を説���する。【００５７】  まず、図２に示すｎ−ＧａＮ基板１０１を用意する。図２の紙面に平行な面は｛１−１００｝面である。ｎ−ＧａＮ基板１０１の上面（主面）は（０００１）面であり、主面の法線方向は＜０００１＞である。ｎ−ＧａＮ基板１０１における転位密度は５×１０５ｃｍ−２程度である。【００５８】  次に、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状にパターニングされたレジストマスク３０１を図３に示すようにｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に形成する。レジストマスク３０１は、リッジストライプのレイアウトを規定するパターンを有している。具体的には、レジスト膜３０１は、＜１−１００＞方向に延びるストライプパターンを規定している。【００５９】  次に、Ｃｌ２を用いたドライエッチングにより、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面のうち、レジストマスク３０１によって覆われていない部分をエッチングし、図３に示すようにｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に凹凸を形成する。凸部は、＜１−１００＞方向に延びるストライプ状リッジであり、その幅（ストライプ幅）は例えば約３μｍである。ストライプ状リッジに挟まれた領域における凹部の幅は例えば約１５μｍである。リッジ高さ（凹部の深さ）は、エッチング時間などによって調整され、例えば０．２〜５μｍ程度に設定される。ストライプ状リッジの幅（ストライプ幅）は１〜１０μｍの範囲に設定されることが好ましく、ストライプ状リッジに挟まれた領域における凹部の幅は１〜５０μｍの範囲に設定されることが好ましい。【００６０】  図４に示すように、レジストマスク３０１を除去した後、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮｘからなる選択成長用マスク層（厚さ：５〜１０００ｎｍ）１０２をｎ−ＧａＮ基板１０１に堆積する。本実施形態では、マスク層１０２を窒化シリコン（ＳｉＮｘ）から形成しているが、マスク層１０２は、ＧａＮの成長が生じにくい材料であれば、他の材料から形成してもよい。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化ガリウム（ＧａＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、窒化チタン（ＴｉＮ）などの材料からマスク層１０２を好適に形成することができる。【００６１】  次に、図５に示すようにマスク層１０２上に平坦化レジスト５０１を堆積した後、図６に示すようにリッジの上面（頂上部）が露出するまでレジスト５０１のエッチバックを行なう。このエッチバックは、例えばＯ２プラズマを用いたドライエッチングによって行なうことができる。本実施形態では、平坦化レジスト５０１によってストライプ状リッジを覆った後、エッチバックを行なっているが、平坦化レジスト以外の材料でストライプ状リッジを覆ってもよい。【００６２】  次に、リッジの上面が露出した状態でＳＦ６を用いたドライエッチングを行なうことにより、図７に示すように、マスク層１０２のうちリッジ上面に位置する部分を除去し、リッジ頂上部におけるＧａＮ面（シード部１０５として機能する結晶面）を露出させる。その後、図８に示すように、有機溶剤等を用いてレジスト５０１を除去する。この結果、マスク層１０２は、ス���ライプ状リッジの側面の略全体を覆い、リッジの上面を露出させるストライプ状の開口部を有することになる。【００６３】  この後、５００〜１１００℃程度で熱処理（サーマルクリーニング）を行なう。この熱処理は、例えば７５０℃で１分以上、望ましくは５分以上行なう。この熱処理を行なっている間、窒素原子（Ｎ）を含むガス（Ｎ２、ＮＨ３、ヒドラジンなど）をチャンバー内に流すことが好ましい。熱処理後、ＭＯＶＰＥ法により、例えば１０５０℃でｎ−ＧａＮをシード部１０５上に選択的に成長させ、図９に示す第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を形成する。その後、図１０に示すように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させる。この成長を続けることにより、図１１に示すように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６から構成される１層の窒化物半導体層１２０を形成することができる。本実施形態では、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長温度は、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の成長温度に等しく設定している。ただし、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長温度は、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の成長温度より高くても良い。【００６４】  以下、図１２（ａ）から（ｄ）を参照して、上記の窒化物半導体層１２０の成長について詳細を説明する。【００６５】  まず、図１２（ａ）を参照する。図１２（ａ）は、図８に相当する断面図である。図１２（ａ）に示すリッジまたは凹部が形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１上に、ＭＯＶＰＥ法によって第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させると、ＳｉＮｘからなるマスク層１０２で覆われた領域にはＧａＮのエピタキシャル成長は生じず、マスク層１０２の開口部を介して露出したｎ−ＧａＮ基板１０１のシード部１０５に選択的なエピタキシャル成長が進行する。シード部１０５は、基板主面と同一の（０００１）面であり、各々が約３μｍ程度の幅を有するストライプ形状を有している。なお、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４は、基板主面に垂直な方向に成長するとともに、基板主面に平行な方向にも成長するため、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４のストライプ幅は、ストライプ状リッジのストライプ幅に比べて、例えば０．２〜７μｍ程度は大きくなる。【００６６】  このようにして第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させるとき、図１２（ｂ）に示すように多結晶ＧａＮ１２０１が凹部のマスク層１０２上に析出する場合がある。特に、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を形成する前に行なう熱処理（サーマルクリーニング）により、凹部のマスク層１０２上にＧａやＧａＮのドロップレットが付着すると、それを起点としてＧａＮがマスク層１０２上にも成長しやすくなる。しかし、析出する多結晶ＧａＮ１２０１はリッジの高さに比べて小さいため、リッジ頂上のシード部１０５から成長するＧａＮ結晶１０４の結晶性に悪影響を与えることはない。【００６７】  本実施形態では、ストライプ状リッジの上面がシード部１０５として機能し、リッジの側面はシード部としては機能しない。すなわち、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４は、ストライプ状リッジの側面上には成長しない。ストライプ状リッジの側面には、エッチングによる損傷（結晶欠陥）が存在しているため、仮にストライプ状リッジ��側面上にも第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させると、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の結晶品質が低下する。これに対して、本実施形態では、ストライプ状リッジの上面に選択的に第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させるが、その側面には成長させないため、欠陥の少ない第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を得ることができる。【００６８】  図１２（ｃ）に示すように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させることにより、図１２（ｄ）に示すように、隣接する第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に成長した第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６が合体して１層の窒化物半導体層１２０が形成される。第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６が合体した位置には合体部分１２０２が形成される。【００６９】  こうして形成された窒化物半導体層１２０は、マスク層１０２上に析出した多結晶ＧａＮ１２０１とは衝突しないため、多結晶ＧａＮ１２０１によって結晶性が低下することはない。その結果、最終的に得られる素子特性のばらつきも低減でき、素子の製造歩留まりを向上させることができる。【００７０】  図１に示す半導体レーザ素子の発光部は、図１２（ｄ）に示すリッジ形成位置の上方に配置されることが好ましい。合体部分１２０２には、転位などの欠陥が多く、その上に成長した半導体層の下層の欠陥が悪影響を与えるからである。【００７１】  なお、図２０に示す従来の半導体レーザ素子では、ＧａＮ層１６０４を成長させるとき、横方向に成長したＧａＮ層１６０４とＳｉＯ２マスク層１６０２とが接触するため、ＧａＮ層１６０４とＳｉＯ２マスク層１６０２との界面には熱膨張係数差に起因する応力が生じる。このような応力により、ＧａＮ結晶の結晶軸が傾き、チルトが生じるため、最終的に得られる結晶の平坦性が低下するという問題があった。しかし、本実施形態では、リッジ頂上のシート部１０５からＧａＮ結晶を横方向に成長させるため、マスク層１０２とＧａＮとの界面は形成されず、熱膨張係数差に起因する応力の問題が解決される。【００７２】  本実施形態では、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の厚さを約３μｍに設定し、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が７×１０１８ｃｍ−３となるようにＳｉをドープしている。また、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６にもｎ型不純物としてＳｉをドープし、Ｓｉ濃度が約３×１０１８ｃｍ−３となるようにしている。【００７３】  本発明では、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度が第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のＳｉの濃度よりも高くなるようにドーピングを行なう。第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度は３×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましく、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６におけるＳｉ濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４との間で不純物濃度を変化させることによる効果を得るには、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６におけるＳｉ濃度を、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度の９０％以下の値に調節することが好ましく、８０％以下の値に調節することが更に好ましい。【００７４】  このように、不純物濃度の異なる２種類のＧａＮ層を成長させる理由を以下において詳しく説明する。【００７５】  まず、図１３を参照する。図１３は、リッジ上面のシード部１０５から成長するＧａＮ結晶の横方向成長レートに対する縦方向成長レートの比（以下、「縦／横比」と称する。）がＧａＮ中のＳｉ濃度によってどのように変化するかを示すグラフを示している。グラフの縦軸は縦／横比であり、横軸は成長させるＧａＮにドープされるＳｉの濃度である。【００７６】  図１３からわかるように、縦／横比はＳｉ濃度が増加に従って増大する。Ｓｉ濃度が約３×１０１８ｃｍ−３よりも小さい場合、縦／横比は１よりも小さいが、Ｓｉ濃度が約３×１０１８ｃｍ−３以上になると、縦／横比は１以上に増加する。このように縦／横比が１に等しくなる臨界的なＳｉ濃度は、例えばＭＯＶＰＥ結晶成長時の成長温度や圧力などによっても変動し得るが、Ｓｉ濃度の変化に対する縦／横比の変化の挙動（傾向）は、実質的に等しい。すなわち、Ｓｉ濃度が高くなる程、シード部１０５上に成長するＧａＮは縦方向に大きくなりやすい（厚くなりやすい）。【００７７】  このように、ＧａＮ結晶を縦および横方向に成長させる工程において、ＧａＮ結晶にドープする不純物濃度を調節することにより、成長レートの縦／横比を制御することができる。本発明の好ましい実施形態では、この現象を利用し、ｎ−ＧａＮ結晶の成長の初期段階においては、縦／横比を相対的に大きくして第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を縦方向に厚く形成する。その後、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させるときは、縦／横比を相対的に小さくして横方向成長への成長を促進させる。このようにすることにより、従来のＥＬＯ工程による場合に比べて、より厚い窒化物半導体層１２０を形成することができる。この窒化物半導体層１２０が薄いと、結晶成長時における熱応力などの影響により、窒化物半導体層１２０に含まれる個々の横方向成長部が傾斜（チルト）するため、合体部１２０２に新たな転位が発生しやすい。これに対し、窒化物半導体層１２０を厚く形成すると、個々の横方向成長部のチルトが小さくなるため、品質に優れた合体部を得ることができる。【００７８】  図１４は、窒化物半導体層１２０の一部断面を拡大した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）と、転位密度の分布とを示している。ＳＥＭからわかるように、合体部１２０２には、エアギャップ１０３につながった小さなボイド１１９が形成されている。また、グラフからわかるように、シード部１０５から横方向に成長した部分（ウィング部）の転位密度は、ｎ−ＧａＮ基板１０１における転位密度（５×１０５ｃｍ−２程度）よりも低減され、また、合体部１２０２における刃状転位の生成も抑制されている。【００７９】  なお、基板主面にはマスク層１０２が存在するため、レーザ発振に必要な電流の径路は、シード部１０５の狭いストライプ領域に制限されるが、本実施形態では、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度を高めることにより、電気抵抗を大きく低減できる。図１５は、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の有無により、レーザ素子の抵抗がどのように変化するかを示すグラフである。グラフの縦軸が電圧、横軸が電流である。図１５からわかるように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を設けることにより、相対的に低い電圧で同じ大きさの電流を流すことができ、半導体レーザ素���の動作電圧を格段に低減できる。【００８０】  第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に不純物濃度が比較的低い第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させる代わりに、不純物濃度の比較的高いｎ−ＧａＮ結晶１０４のみを成長させ、それによって窒化物半導体層１２０のすべてを構成しようとすると、ｎ−ＧａＮ結晶中１０４の格子歪みが大きくなるため、その上に半導体多層構造を形成した場合、クラックが形成されやすくなるという問題がある。【００８１】  図１６は、Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮ基板におけるクラック本数密度とＳｉ濃度との関係を示している。このグラフからわかるように、ｎ−ＧａＮ基板の場合、Ｓｉ濃度の増大に伴ってクラック本数が増加している。この現象は、ＧａＮ基板に限られず、ＧａＮ結晶に広く生じるものであるため、窒化物半導体層１２０の全体におけるＳｉ濃度を高くすると、窒化物半導体層１２０にクラックが発生しやすくなる。しかし、本実施形態のように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４のＳｉ濃度は高く設定する場合、その厚さが３μｍ程度に大きくなっても、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のＳｉ濃度を低く設定することにより、クラックの発生を回避できることがわかった。【００８２】  なお、本発明者の実験によれば、Ｓｉよりも原子半径の小さい酸素がドープされたｎ−ＧａＮ基板を用いると、選択横方向成長によって形成する窒化物半導体層１２０のＳｉ濃度をより高い値に設定しても、クラックの発生を抑制できることがわかった。したがって、酸素をドープしたｎ−ＧａＮ基板を用いることにより、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度を更に高めることができる。その結果、電気抵抗をより低くすることができ、半導体レーザ素子の動作電圧がさらに低下させることが可能になる。【００８３】  図１２（ｄ）に示す領域Ａ（シード部１０５と第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と界面およびその近傍の領域）の抵抗を更に低減するには、この領域Ａに対して酸素およびＳｉを積極的にドープすることが好ましい。このような不純物のドーピングは、熱処理などによって行なうことができる。【００８４】  特に領域Ａの酸素およびＳｉの濃度を局所的に高めることができれば、ＧａＮ層全体の歪みを抑制できるため、クラックが発生しにくくなる。酸素およびＳｉの両方がドープされる領域は、領域Ａのうち、シード部１０５および第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４のいずれかに一方に含まれる部分であってもよい。このような不純物ドープの効果は、ＧａＮ基板の主面にリッジを形成しない場合でも、基板の裏面に電極を形成するときには有効である。【００８５】  以上の方法で窒化物半導体層１２０を形成し、図１１に示す構造を得た後、図１に示すように、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０９、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ−Ａ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２、ｐ−ＧａＮ層１１３を順次堆積する。その後、ｐ−ＧａＮ層１１３とｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２をリッジストライプ状に加工し、リッジの両脇を絶縁膜１１３で覆う。その後、ｐ−ＧａＮ層１１３のリッジストライプ上にはｐ電極１１４を形成し、配線電��１１７を形成する。ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１６を形成する。【００８６】  本実施形態によれば、ＧａＮ基板よりも転位密度が低減された窒化物半導体層１２０をＧａＮ基板上に形成できるため、特性に優れた半導体レーザ素子を製造することが可能になる。【００８７】  （実施形態２）
次に、図１７（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。【００８８】  本実施形態と前述の実施形態１との主たる相違点は、ｎ−ＧａＮ基板１０１の面方位および窒化物半導体層１２０の形成工程にある。このため、以下においては、この相違点のみを詳細に説明する。【００８９】  まず、前述の実施形態について説明した工程と同様の工程により、図１７（ａ）に示すｎ−ＧａＮ基板１０１を用意する。ただし、本実施形態で用いるＧａＮ基板１０１の主面法線方向は＜０００１＞ではなく、＜１１−２０＞である。このＧａＮ基板１０１の主面には、＜０−１００＞に平行なストライプ状リッジが形成されている。【００９０】  次に、図１７（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１をＧａＮ基板１０１のシード部１０５上に成長させる。このとき、ＭＯＶＰＥによる結晶成長時の温度やＶ／ＩＩＩ比などの成長条件を調整することにより、図１７（ｂ）に示すように、シード部１０５に対して第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１を左右非対称に成長させることができる。この後、実施形態１について説明した方法と同様の方法により、図１７（ｃ）に示すように第２のｎ−ＧａＮ結晶１４０２を第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１上に成長させる。【００９１】  このようにして第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１の中心をシード部１０５の中心からシフトさせると、図１７（ｄ）に示すように第２のｎ−ＧａＮ結晶１４０２の合体部１４０３の位置が、隣接する２つのリッジ間に存在する凹部の中心からシフトすることになる。【００９２】  シード部１０５の近傍および合体部１４０３の近傍には転位が比較的多いため、シード部１０５と合体部１４０３とが等しい間隔で交互に配列する場合、転位が比較的少ない領域は面内で略均等に分布することになる。【００９３】  しかし、本実施形態のように合体部１４０３を一定方向にシフトさせ、合体部１４０３の左側に位置するシード部１０５へ近づけると、合体部１４０３の右側に位置するシード部１０５と合体部１４０３との間隔は拡大する。この間隔が拡大した領域では、転位が比較的少ない。言い換えると、転位の多い領域を狭い領域内に偏らせることにより、転位の少ない領域の幅を広げることができる。このようにして転位の少ない領域の幅を広げることができると、この転位の少ない領域上方にレーザ素子の電流注入領域を配置すること（位置合わせ）が容易になる。【００９４】  上記の実施形態１および実施形態２では、いずれも、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を形成するとき、ｎ型不純物であるＳｉのみをドープしているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を形成するとき、ｎ型不純物であるＳｉとともに、例えばＭｇなどのｐ型不純物を同時にドープしてもよい。【００９５】  以下、図１８を参照しながら、このようなドーピングの効果を説明する。図１８は、ストライプ状リッジの上面に位置するシード部上にＧａＮ結晶を成長させる場合における成長レートの縦／横比とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。このグラフは、ｎ型不純物（Ｓｉ）に加えて、ｐ型不純物であるＭｇを同時にドープした場合におけるデータを示している。図１８のグラフ��図１３のグラフと比較して明らかなように、Ｍｇ濃度が５×１０１７ｃｍ−３の場合の縦／横比は、Ｍｇを添加しない場合の縦／横比に比べて小さい。実験によれば、ＭｇおよびＳｉの同時添加により、ＧａＮ結晶の横方向成長レートが約３倍以上に促進されることがわかった。このような性質を利用するため、本実施形態では、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させるとき、ＭｇおよびＳｉを同時にドープする。こうすることにより、より短い時間で第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を相互に合体させることが可能になる。【００９６】  なお、ＧａＮの成長時に、ＳｉまたはＭｇをＧａＮ中にドープすれば、ＧａＮ基板の主面に垂直な方向（縦方向）の成長レートと、主面に平行な方向（横方向）の成長レートに差異が生じることは、ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．３、８（１９９８年）に記載されている。この文献は、アイランド状に配列された多数の開口部を有する窒化シリコンマスクをサファイア基板上に形成した後、選択成長法により、アイランド状のＧａＮ結晶を形成することを開示している。【００９７】  このようなドーピングを行なうことにより、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のうち第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上面に縦方向に成長する部分を薄くすることができる。第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上部における第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さは、図１に示すように、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８の底面と第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上面との距離に相当する。このため、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のｐ型不純物濃度は第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるｐ型不純物濃度よりも低く、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の電気抵抗は第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の電気抵抗よりも高い。このため、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上面に縦方向に成長する第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さは、できる限り薄い方が好ましい。【００９８】  本実施形態によれば、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の縦方向における成長レートよりも横方向における成長レートを格段に高めることができるため、相対的に抵抗の高い第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を薄くでき、レーザ素子の抵抗を低減することができる。このため、半導体レーザ素子の動作電圧を低下させ、ひいては素子の信頼性を向上させることができる。【００９９】  なお、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６にｐ型不純物およびｎ型不純物に両方をドープすると、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の抵抗が増大する可能性がある。このため、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長する際、Ｓｉのみをドープする層と、Ｍｇのみをドープする層とを数ｎｍ程度の周期で交互に積層し、超格子構造を形成してもよい。このような超格子構造を形成すれば、異なる導電型の不純物をドープしても抵抗を下げることができる。【０１００】  （実施形態３）
以下、図１９を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。【０１０１】  本実施形態が実施形態１と大きく異なる点は、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させた後、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８を形成する前に、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６上にｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１０７を形成している点と、ｐ電極およびｎ電極をＧａＮ基板の同一面側に配置している点にある。他の点では、実施形態１の構成と同様の構成を有しているため、各実施形態に共通する構成要素については、詳細な説明を繰り返さないこととする。【０１０２】  本実施形態では、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１０７上に、ｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０９、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２、ｐ−ＧａＮ層１１３を積層した後、この積層体の一部をｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８が露出するまでエッチングする。そして、このエッチングにより露出したｎ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８の表面に、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１１６およびを配線電極１１８形成する。【０１０３】  本実施形態によれば、前述の実施形態と同様に転位密度の低減された結晶が得られるため、半導体レーザ素子の信頼性が向上する。また本実施形態では電流がｎ−ＧａＮ基板１０１を縦方向に流れないため、ｎ−ＧａＮ基板１０１や第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の電気導電性を考慮する必要がなくなる。このため、不純物が意図的にドープされていないアンドープのＧａＮ基板を用いてもよく、また、優れた結晶性を得るという観点から、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６にドープする不純物の種類や濃度、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さなどを決定すればよいので、設計の自由度が向上する。【０１０４】  上記各実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて窒化物半導体を成長させているが、本発明における結晶成長方法は、これに限定されず、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ法）や分子線エピタキシ−法（ＭＢＥ法）等の他の半導体層成長方法を用いてもよい。【０１０５】  また、ストライプ状リッジを基板の主面に直接的に形成する代わりに、基板の主面に比較的低い温度で窒化物半導体からなるバッファ層を堆積し、そのバッファ層にストライプ状リッジを形成しても良い。【０１０６】  上記各実施形態では、ＥＬＯ工程によって窒化物半導体層１２０を形成するとき、不純物濃度を２段階で切り替えることにより、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と第２の−ＧａＮ結晶１０６を形成しているが、そのとき、窒化物半導体層１２０を組成比の異なる結晶の組み合わせによって形成しても良い。また、不純物濃度を２段階で切り替える代わりに、３段階以上の多段階で変化させても良いし、また連続的に変化させても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】  本発明によれば、信頼性の高い短波長光源を必要とする光記録装置、光ディスプレイ（レーザディスプレイ）装置などに好適に用いられる半導体レーザ素子が提供される。このような半導体レーザ素子は、レーザ加工や医用用装置に応用することも可能である。【０１０８】  また、本発明は、短波長光を発する半導体素子の製造に限定されず、低欠陥の結晶にチャネル領域を形成することが求められるトランジスタなどの半導体素子にも広く適用される。
【図１】
2005106977.tif 000002
【図２】
2005106977.tif 000003
【図３】
2005106977.tif 000004
【図４】
2005106977.tif 000005
【図５】
2005106977.tif 000006
【図６】
2005106977.tif 000007
【図７】
2005106977.tif 000008
【図８】
2005106977.tif 000009
【図９】
2005106977.tif 000010
【図１０】
2005106977.tif 000011
【図１１】
2005106977.tif 000012
【図１２】
2005106977.tif 000013
【図１３】
2005106977.tif 000014
【図１４】
2005106977.tif 000015
【図１５】
2005106977.tif 000016
【図１６】
2005106977.tif 000017
【図１７】
2005106977.tif 000018
【図１８】
2005106977.tif 000019
【図１９】
2005106977.tif 000020
【図２０】
2005106977.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成18年2月24日(2006.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】  窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、
前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記窒化物半導体基板上に形成した後、前記窒化物半導体基板の主面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域、および各ストライプ状リッジの側面を選択成長用マスクで覆い、各ストライプ状リッジの上面を露出させる工程（Ｂ）と、
第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、
前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）を前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶上に成長させ、隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶で連結して１つの窒化物半導体層を形成する工程（Ｄ）と、
を含む窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】  前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記室化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させるとともに、前記主面に平行な方向にも成長させ、それによって前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶のストライプ幅を前記ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きくする工程を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】  前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶が前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長するレートよりも高いレートで前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】  前記工程（Ａ）は、主面上にバッファ層を有する前記窒化物半導体基板を用意する工程である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】（削除）
【請求項６】（削除）
【請求項７】（削除）
【請求項８】  前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】  前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度が３×１０１８ｃｍ−３以上になるように前記ｎ型不純物を前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶にドープしながら、前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】  前記工程（Ｄ）は、前記第２の濃度が３×１０１８ｃｍ−３を下回るように前記ｎ型不純物を前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶にドープしながら、前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶を成長させる工程を含む、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】  前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶にドープされたｎ型不純物はＳｉである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１２】  前記Ａｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶にドープされたｎ型不純物は、Ｓｉである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】  前記窒化物半導体基板はｎ型不純物を含有している請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】  前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物はＳｉおよび／または酸素である請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】  前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物は酸素であり、
前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶に含まれる前記ｎ型不純物はＳｉであり、前記第１の濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下である、請求項１２に記載の製造方法。
【請求項１６】  前記工程（Ｃ）は、前記ストライプ状リッジに垂直かつ基板主面に平行な方向における前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の成長レートが前記ストライプ状リッジに関して非対称となるように前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１７】（削除）
【請求項１８】  主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、
前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶と、
隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶と、
を備え、
前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、
前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている窒化物半導体。
【請求項１９】（削除）
【請求項２０】  主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、
前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶と、
隣接する２つのＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶（０≦ｘ’、ｙ’、ｚ’≦１：ｘ’＋ｙ’＋ｚ’＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌｘ’Ｇａｙ’Ｉｎｚ’Ｎ結晶と、
前記窒化物半導体層上に設けられた半導体積層構造と、
を備え、
前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、
前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている窒化物半導体素子。
【請求項２１】  前記第１の濃度でｎ型不純物を含有する各ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶のストライプ幅は、各ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きい請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２２】  前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶は、各ストライプ状リッジの側面には接触していない請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２３】  前記窒化物半導体基板において前記ストライプ状リッジが存在しない凹部領域と前記ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶との間にはギャップが設けられている、請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２４】（削除）
【請求項２５】  前記半導体積層構造は、
前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第２の窒化物半導体層と、
前記活性層の一部に電流を狭窄する電流狭窄部と、
前記電流狭窄部を介して前記活性層の一部に電流を供給する電極構造と、
を備える請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２６】  前記電流狭窄部は、前記窒化物半導体基板における複数のストライプ状リッジの間に存在する凹部の上に位置している、請求項２０に記載の窒化物半導体素子。
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月31日(2006.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、
前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記窒化物半導体基板上に形成した後、前記窒化物半導体基板の主面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域、および各ストライプ状リッジの側面を選択成長用マスクで覆い、各ストライプ状リッジの上面を露出させる工程（Ｂ）と、
第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、
前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（０≦ｘ'、ｙ'、ｚ'≦１：ｘ'＋ｙ'＋ｚ'＝１）を前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶上に成長させ、隣接する２つのＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶で連結して１つの窒化物半導体層を形成する工程（Ｄ）と、
を含む窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させるとともに、前記主面に平行な方向にも成長させ、それによって前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶のストライプ幅を前記ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きくする工程を含む請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶が前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長するレートよりも高いレートで前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
前記工程（Ａ）は、主面上にバッファ層を有する前記窒化物半導体基板を用意する工程である、請求項１に記載の製造方法。
【請求項５】
前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度が３×１０18ｃｍ-3以上になるように前記ｎ型不純物を前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶にドープしながら、前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
前記工程（Ｄ）は、前記第２の濃度が３×１０18ｃｍ-3を下回るように前記ｎ型不純物を前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶にドープしながら、前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶を成長させる工程を含む、請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶にドープされたｎ型不純物はＳｉである請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶にドープされたｎ型不純物は、Ｓｉである請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記窒化物半導体基板はｎ型不純物を含有している請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物はＳｉおよび／または酸素である請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物は酸素であり、
前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶に含まれる前記ｎ型不純物はＳｉであり、前記第１の濃度は１×１０19ｃｍ-3以下である、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記工程（Ｃ）は、前記ストライプ状リッジに垂直かつ基板主面に平行な方向における前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶の成長レートが前記ストライプ状リッジに関して非対称となるように前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を成長させる工程を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、
前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶と、
隣接する２つのＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（０≦ｘ'、ｙ'、ｚ'≦１：ｘ'＋ｙ'＋ｚ'＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶と、
を備え、
前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、
前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている窒化物半導体。
【請求項１５】
主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、
前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶と、
隣接する２つのＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（０≦ｘ'、ｙ'、ｚ'≦１：ｘ'＋ｙ'＋ｚ'＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶と、
前記窒化物半導体層上に設けられた半導体積層構造と、
を備え、
前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、
前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている窒化物半導体素子。
【請求項１６】
前記第１の濃度でｎ型不純物を含有する各ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶のストライプ幅は、各ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きい請求項１５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１７】
前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶は、各ストライプ状リッジの側面には接触していない請求項１５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１８】
前記窒化物半導体基板において前記ストライプ状リッジが存在しない凹部領域と前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶との間にはギャップが設けられている、請求項１５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１９】
前記半導体積層構造は、
前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第２の窒化物半導体層と、
前記活性層の一部に電流を狭窄する電流狭窄部と、
前記電流狭窄部を介して前記活性層の一部に電流を供給する電極構造と、
を備える請求項１５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項２０】
前記電流狭窄部は、前記窒化物半導体基板における複数のストライプ状リッジの間に存在する凹部の上に位置している、請求項１５に記載の窒化物半導体素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子や発光ダイオードの窒化物半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウムに代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料を用いて作製される青紫色半導体レーザ素子は、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。この青紫色半導体レーザ素子の高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野を開拓する。
【０００３】
従来、サファイア基板を用いるＧａＮ系半導体レーザ素子が開発されてきたが、近年、ＧａＮ基板などの窒化物半導体基板を用いてＧａＮ系半導体レーザ素子を作製することが検討されている。例えば非特許文献１は、実用レベルにあるＧａＮ系半導体レーザ素子を開示している。以下、図２０を参照しながら、従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
【０００４】
図２０に示すように、この半導体レーザ素子は、主面がＳｉＯ2マスク層１６０２で覆われたＧａＮ基板１６０１を用いて作製される。ＳｉＯ2マスク層１６０２には複数のストライプ状開口部１６０３が形成されている。ＧａＮ基板１６０１上には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた選択横方向成長（ＥＬＯ）により、ＧａＮ層１６０４が成長させられる。このＧａＮ層１６０４は、ＳｉＯ2マスク層１６０２の個々のストライプ状開口部１６０３を介して露出するＧａＮ基板１６０１の主面上にエピタキシャル成長するが、ＧａＮ層１６０４は基板主面に垂直な方向だけではなく水平横方向にも成長し、相互に接触して１つの層を形成する。
【０００５】
ＧａＮ層１６０４上には、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＧａＮ結晶１６０５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１６０６、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１６０７、Ｇａ1-xＩｎxＮ／Ｇａ1-yＩｎyＮ （０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１６０８、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１６０９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１６１０、および、ｐＧａＮコンタクト層１６１１が積層されている。ＥＬＯ工程により形成されたＧａＮ層１６０４には、横方向に成長した個々のストライプ状ＧａＮが合体する部分において刃状転位が存在しており、その上に成長した半導体層中にもＧａＮ層１６０４から刃状転位が延びている。
【０００６】
ｐ−ＧａＮコンタクト層１６１１上には、刃状転位が存在していない領域に１．５〜１０μｍ程度の幅を有するリッジストライプが形成される。その後、リッジストライプの両側がＳｉＯ2層１６１３によって埋め込まれる。
【０００７】
その後、リッジストライプおよびＳｉＯ2層１６１３上に、例えばＮｉ／Ａｕからなるｐ電極１６１２が形成される。なお、上記の積層体の一部はｎ−ＧａＮ結晶１６０５が露出するまでエッチングされ、このエッチングにより露出したｎ−ＧａＮ結晶１６０５の表面には、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１６１４が形成される。
【０００８】
図２０に示す半導体レーザ素子では、ｎ電極１６１４を接地し、ｐ電極１６１２に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１６０８に向かってｐ電極１６１２側からホールが、またｎ電極１６１４側から電子が注入される。その結果、ＭＱＷ活性層１６０８内でキャリアの反転分布が発生するため、光学利得が生じ、波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を引き起こすことができる。発振波長は、ＭＱＷ活性層１６０８の材料であるＧａ1-xＩｎxＮ／Ｇａ1-yＩｎyＮ薄膜の組成や膜厚によって変化する。
【０００９】
非特許文献１に開示されている半導体レーザ素子では、水平方向の基本横モードでレーザ発振が生じるようにリッジストライプの幅および高さが調節されている。すなわち、基本横モードと高次モード（１次以上のモード）との間で光閉じ込め係数に差を設けることにより、基本横モードでの発振を可能としている。
【００１０】
ＧａＮ基板は、例えば以下のようにして作製される。
【００１１】
まず、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板上にＧａＮの単層膜を成長させる。その後、ハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）などの方法により、ＧａＮ単層膜上にＧａＮの厚膜を堆積する。充分な厚さにＧａＮ膜を成長させた後、サファイア基板を剥離することにより、ＧａＮ基板を得ることができる。
【００１２】
上記の方法で作製したＧａＮ基板には、刃状転位、らせん転位、混合転位などの転位が５×１０7ｃｍ-2程度の密度で存在するという問題がある。このような大きさの密度で転位が存在すると、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることは困難である。
【００１３】
図２０に示すＧａＮ層１６０４の成長は、転位の少ないＧａＮ層を得るために行なわれている。ＧａＮ層１６０４のＥＬＯ工程を付加することにより、ＧａＮ結晶中の転位密度を７×１０5ｃｍ-2程度に低減できる。このようにして形成した転位の少ない領域の上部に、活性領域（電流注入領域）を形成することにより、半導体レーザ素子の信頼性を向上させることが可能となる。
【００１４】
なお、図２０に示す従来の窒化物半導体レーザ素子では、ｐ電極１６１２およびｎ電極１６１４は、いずれもＧａＮ基板１６０１の同一面側に形成されている。このようなレーザ素子では、レーザ発振に必要な注入電流は、ＧａＮ基板１６０１を流れる必要が無い。このため、ＧａＮ層１６０４は導電性を有する必要はなく、また、ＧａＮ１６０４に対する不純物のドープも意図的には行なわれていない。
【００１５】
特許文献２は、ＳｉＣなどの基板主面にストライプ状リッジを形成した後、各リッジの上面にＧａＮ結晶を選択成長させることを開示している。
【特許文献１】特開２００２−９００４号公報
【特許文献２】特表２００２−５１８８２６号公報
【非特許文献１】ジャパン・ジャ−ナル・オブ・アプライド・フィジクス（Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．）、第３９巻、ｐ．Ｌ６４８（２０００年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
前述したように、ストライプ状の開口部を有するマスク層が形成された基板上においてＧａＮ層の選択的な横方向成長を行なう従来の技術では、ＧａＮ層に含まれる欠陥に起因して窒化物半導体レーザ素子の製造歩留まりおよび信頼性が低いという問題があった。
【００１７】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明による窒化物半導体の製造方法は、窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記窒化物半導体基板上に形成する工程（Ｂ）と、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）と、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（０≦ｘ'、ｙ'、ｚ'≦１：ｘ'＋ｙ'＋ｚ'＝１）を前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶上に成長させ、隣接する２つのＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶で連結して１つの窒化物半導体層を形成する工程（Ｄ）とを含む。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させるとともに、前記主面に平行な方向にも成長させ、それによってＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶のストライプ幅を前記ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きくする工程を含む。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶が前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長するレートよりも高いレートで前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を前記窒化物半導体基板の主面に垂直な方向に成長させる工程を含む。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）を行なう前において、前記窒化物半導体基板の主面上にバッファ層を成長させる工程を含む。
【００２２】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の主面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域は選択成長用マスクで覆われている。
【００２３】
好ましい実施形態において、前記バッファ層の上面のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域は選択成長用マスクで覆われている。
【００２４】
好ましい実施形態において、前記選択成長用マスクは、各ストライプ状リッジの側面を覆い、各ストライプ状リッジの上面を露出させている。
【００２５】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む。
【００２６】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記第１の濃度が３×１０18ｃｍ-3以上になるように前記ｎ型不純物を前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶にドープしながら、前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を成長させる工程を含む。
【００２７】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｄ）は、前記第２の濃度が３×１０18ｃｍ-3を下回るように前記ｎ型不純物を前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶にドープしながら、前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶を成長させる工程を含む。
【００２８】
好ましい実施形態において、前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶にドープされたｎ型不純物はＳｉである。
【００２９】
好ましい実施形態において、前記Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶にドープされたｎ型不純物は、Ｓｉおよび／またはＭｇである。
【００３０】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板はｎ型不純物を含有している。
【００３１】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物はＳｉおよび／または酸素である。
【００３２】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板に含まれるｎ型不純物は酸素であり、前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶に含まれる前記ｎ型不純物はＳｉであり、前記第１の濃度は１×１０19ｃｍ-3以下である。
【００３３】
好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）は、前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶の前記ストライプ状リッジに垂直かつ基板主面に平行な方向における成長レートが前記ストライプ状リッジに関して非対称となるように前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を成長させる工程を含む。
【００３４】
本発明による他の窒化物半導体の製造方法は、窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状シード部を前記窒化物半導体基板上に形成する工程（Ｂ）と、Ｓｉを含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程（Ｃ）とを含み、前記ストライプ状シード部の上面と前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶との界面を含む領域に酸素およびＳｉの両方をドープする。
【００３５】
本発明の窒化物半導体は、主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶と、隣接する２つのＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（０≦ｘ'、ｙ'、ｚ'≦１：ｘ'＋ｙ'＋ｚ'＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶とを備えている。
【００３６】
本発明による窒化物半導体素子の製造方法は、前記窒化物半導体を用意する工程と、前記窒化物半導体上に半導体積層構造を形成する工程とを含む。
【００３７】
本発明による窒化物半導体素子は、主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを備えた窒化物半導体基板と、前記複数のストライプ状リッジの上面に設けられ、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶と、隣接する２つのＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶を連結して１つの窒化物半導体層を形成するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（０≦ｘ'、ｙ'、ｚ'≦１：ｘ'＋ｙ'＋ｚ'＝１）であって、前記第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶と、前記窒化物半導体層上に設けられた半導体積層構造とを備えている。
【００３８】
好ましい実施形態において、前記第１の濃度でｎ型不純物を含有する各ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶のストライプ幅は、各ストライプ状リッジのストライプ幅よりも大きい。
【００３９】
好ましい実施形態において、前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶は、各ストライプ状リッジの側面には接触していない。
【００４０】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板において前記ストライプ状リッジが存在しない凹部領域と前記ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶との間にはギャップが設けられている。
【００４１】
好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の主面は、マスク層によって覆われており、前記マスク層は、前記ストライプ状リッジの上面を露出させる開口部を有し、かつ、前記ストライプ状リッジの側面を覆っている。
【００４２】
好ましい実施形態において、前記半導体積層構造は、前記窒化物半導体層のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有する活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する第２の窒化物半導体層と、前記活性層の一部に電流を狭窄する電流狭窄部と、前記電流狭窄部を介して前記活性層の一部に電流を供給する電極構造とを備える。
【００４３】
好ましい実施形態において、前記電流狭窄部は、前記窒化物半導体基板における複数のストライプ状リッジの間に存在する凹部の上に位置している。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、転位密度の少ない窒化物半導体を歩留まりよく作製することができ、基板裏面に電極を設けた窒化物半導体素子の動作電圧を低減し、かつ信頼性の向上や生産性の向上を図ることができる。
【００４５】
また、本発明によれば、低抵抗化を図るために窒化物半導体層にｎ型不純物を高濃度にドープしてもクラックの発生を抑制することができ、窒化物半導体素子の動作電圧を低減し、かつ信頼性の向上や生産性の向上を図ることができる。その結果、信頼性の高い光ディスク用レーザ、レーザディスプレイ装置や医療用レーザを歩留まり良く作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００４７】
（実施形態１）
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の断面を示している。本実施形態の半導体レーザ素子は、主面に複数のストライプ状リッジが形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１と、ｎ−ＧａＮ基板１０１基板上に成長した半導体積層構造とを有している。ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面のうち、ストライプ状リッジの上面以外の部分はＳｉＮｘ（０＜ｘ＜４／３）から形成されたマスク層１０２で覆われている。各ストライプ状リッジの上面は、基板主面に平行な結晶面を有するシード部１０５として機能し、ストライプ状リッジの間には凹部が形成されている。この凹部は、半導体層などによっては埋め込まれず、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面と半導体積層構造の底面との間にはエアギャップ１０３が存在している。
【００４８】
本実施形態では、第１の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶（ｘ＝０、ｙ＝１、ｚ＝０）が複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長している。以下、簡単のため、ＡｌxＧａyＩｎzＮ結晶（ｘ＝０、ｙ＝１、ｚ＝０）を第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と記載する。
【００４９】
第１の濃度よりも低い第２の濃度でｎ型不純物を含有するＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（ｘ'＝０、ｙ'＝１、ｚ'＝０）が第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に成長しており、隣接する２つの第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４はＡｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶によって連結されている。以下、簡単のため、Ａｌx'Ｇａy'Ｉｎz'Ｎ結晶（ｘ'＝０、ｙ'＝１、ｚ'＝０）を第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６と記載する。
【００５０】
このように、本実施形態では、不純物濃度の異なる第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６から、１つの連続した窒化物半導体層１２０を形成している点に特徴を有している。
【００５１】
本実施形態の半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮ基板１０１に近い側から、窒化物半導体層１２０、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０９、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２、ｐ−ＧａＮ層１１３を有している。ＭＱＷ活性層１１０は、厚さ３ｎｍのＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層とを交互に積層することによって作製されている。
【００５２】
ｐ−ＧａＮ層１１３には、電流および光閉じ込めのためリッジストライプが形成されており、リッジストライプの上面に位置する開口部を備えたＳｉＯ2マスク層１１５が半導体積層構造の上面を覆っている。ｐ−ＧａＮ層１１３のリッジストライプ上にはｐ電極１１４が形成され、配線電極１１７と接続されている。ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１６が形成されている。
【００５３】
本実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ電極１１４とｎ電極１１６との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１１０に向かってｐ電極１１４から正孔が注入され、ｎ電極１１６からは電子が注入される。この結果、活性層１１０において利得が生じ、４０８ｎｍの波長でレーザ発振か生じる。
【００５４】
次に、図２から図１６を参照して、図１の半導体レーザ素子を製造する方法の好ましい実施形態を説明する。
【００５５】
まず、図２に示すｎ−ＧａＮ基板１０１を用意する。図２の紙面に平行な面は｛１−１００｝面である。ｎ−ＧａＮ基板１０１の上面（主面）は（０００１）面であり、主面の法線方向は＜０００１＞である。ｎ−ＧａＮ基板１０１における転位密度は５×１０5ｃｍ-2程度である。
【００５６】
次に、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状にパターニングされたレジストマスク３０１を図３に示すようにｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に形成する。レジストマスク３０１は、リッジストライプのレイアウトを規定するパターンを有している。具体的には、レジスト膜３０１は、＜１−１００＞方向に延びるストライプパターンを規定している。
【００５７】
次に、Ｃｌ2を用いたドライエッチングにより、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面のうち、レジストマスク３０１によって覆われていない部分をエッチングし、図３に示すようにｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に凹凸を形成する。凸部は、＜１−１００＞方向に延びるストライプ状リッジであり、その幅（ストライプ幅）は例えば約３μｍである。ストライプ状リッジに挟まれた領域における凹部の幅は例えば約１５μｍである。リッジ高さ（凹部の深さ）は、エッチング時間などによって調整され、例えば０．２〜５μｍ程度に設定される。ストライプ状リッジの幅（ストライプ幅）は１〜１０μｍの範囲に設定されることが好ましく、ストライプ状リッジに挟まれた領域における凹部の幅は１〜５０μｍの範囲に設定されることが好ましい。
【００５８】
図４に示すように、レジストマスク３０１を除去した後、プラズマＣＶＤ法により、ＳｉＮxからなる選択成長用マスク層（厚さ：５〜１０００ｎｍ）１０２をｎ−ＧａＮ基板１０１に堆積する。本実施形態では、マスク層１０２を窒化シリコン（ＳｉＮx）から形成しているが、マスク層１０２は、ＧａＮの成長が生じにくい材料であれば、他の材料から形成してもよい。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ガリウム（ＧａＯx）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）、窒化チタン（ＴｉＮ）などの材料からマスク層１０２を好適に形成することができる。
【００５９】
次に、図５に示すようにマスク層１０２上に平坦化レジスト５０１を堆積した後、図６に示すようにリッジの上面（頂上部）が露出するまでレジスト５０１のエッチバックを行なう。このエッチバックは、例えばＯ2プラズマを用いたドライエッチングによって行なうことができる。本実施形態では、平坦化レジスト５０１によってストライプ状リッジを覆った後、エッチバックを行なっているが、平坦化レジスト以外の材料でストライプ状リッジを覆ってもよい。
【００６０】
次に、リッジの上面が露出した状態でＳＦ6を用いたドライエッチングを行なうことにより、図７に示すように、マスク層１０２のうちリッジ上面に位置する部分を除去し、リッジ頂上部におけるＧａＮ面（シード部１０５として機能する結晶面）を露出させる。その後、図８に示すように、有機溶剤等を用いてレジスト５０１を除去する。この結果、マスク層１０２は、ストライプ状リッジの側面の略全体を覆い、リッジの上面を露出させるストライプ状の開口部を有することになる。
【００６１】
この後、５００〜１１００℃程度で熱処理（サーマルクリーニング）を行なう。この熱処理は、例えば７５０℃で１分以上、望ましくは５分以上行なう。この熱処理を行なっている間、窒素原子（Ｎ）を含むガス（Ｎ2、ＮＨ3、ヒドラジンなど）をチャンバー内に流すことが好ましい。熱処理後、ＭＯＶＰＥ法により、例えば１０５０℃でｎ−ＧａＮをシード部１０５上に選択的に成長させ、図９に示す第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を形成する。その後、図１０に示すように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させる。この成長を続けることにより、図１１に示すように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６から構成される１層の窒化物半導体層１２０を形成することができる。本実施形態では、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長温度は、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の成長温度に等しく設定している。ただし、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長温度は、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の成長温度より高くても良い。
【００６２】
以下、図１２（ａ）から（ｄ）を参照して、上記の窒化物半導体層１２０の成長について詳細を説明する。
【００６３】
まず、図１２（ａ）を参照する。図１２（ａ）は、図８に相当する断面図である。図１２（ａ）に示すリッジまたは凹部が形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１上に、ＭＯＶＰＥ法によって第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させると、ＳｉＮｘからなるマスク層１０２で覆われた領域にはＧａＮのエピタキシャル成長は生じず、マスク層１０２の開口部を介して露出したｎ−ＧａＮ基板１０１のシード部１０５に選択的なエピタキシャル成長が進行する。シード部１０５は、基板主面と同一の（０００１）面であり、各々が約３μｍ程度の幅を有するストライプ形状を有している。なお、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４は、基板主面に垂直な方向に成長するとともに、基板主面に平行な方向にも成長するため、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４のストライプ幅は、ストライプ状リッジのストライプ幅に比べて、例えば０．２〜７μｍ程度は大きくなる。
【００６４】
このようにして第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させるとき、図１２（ｂ）に示すように多結晶ＧａＮ１２０１が凹部のマスク層１０２上に析出する場合がある。特に、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を形成する前に行なう熱処理（サーマルクリーニング）により、凹部のマスク層１０２上にＧａやＧａＮのドロップレットが付着すると、それを起点としてＧａＮがマスク層１０２上にも成長しやすくなる。しかし、析出する多結晶ＧａＮ１２０１はリッジの高さに比べて小さいため、リッジ頂上のシード部１０５から成長するＧａＮ結晶１０４の結晶性に悪影響を与えることはない。
【００６５】
本実施形態では、ストライプ状リッジの上面がシード部１０５として機能し、リッジの側面はシード部としては機能しない。すなわち、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４は、ストライプ状リッジの側面上には成長しない。ストライプ状リッジの側面には、エッチングによる損傷（結晶欠陥）が存在しているため、仮にストライプ状リッジの側面上にも第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させると、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の結晶品質が低下する。これに対して、本実施形態では、ストライプ状リッジの上面に選択的に第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を成長させるが、その側面には成長させないため、欠陥の少ない第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を得ることができる。
【００６６】
図１２（ｃ）に示すように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させることにより、図１２（ｄ）に示すように、隣接する第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に成長した第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６が合体して１層の窒化物半導体層１２０が形成される。第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６が合体した位置には合体部分１２０２が形成される。
【００６７】
こうして形成された窒化物半導体層１２０は、マスク層１０２上に析出した多結晶ＧａＮ１２０１とは衝突しないため、多結晶ＧａＮ１２０１によって結晶性が低下することはない。その結果、最終的に得られる素子特性のばらつきも低減でき、素子の製造歩留まりを向上させることができる。
【００６８】
図１に示す半導体レーザ素子の発光部は、図１２（ｄ）に示すリッジ形成位置の上方に配置されることが好ましい。合体部分１２０２には、転位などの欠陥が多く、その上に成長した半導体層の下層の欠陥が悪影響を与えるからである。
【００６９】
なお、図２０に示す従来の半導体レーザ素子では、ＧａＮ層１６０４を成長させるとき、横方向に成長したＧａＮ層１６０４とＳｉＯ2マスク層１６０２とが接触するため、ＧａＮ層１６０４とＳｉＯ2マスク層１６０２との界面には熱膨張係数差に起因する応力が生じる。このような応力により、ＧａＮ結晶の結晶軸が傾き、チルトが生じるため、最終的に得られる結晶の平坦性が低下するという問題があった。しかし、本実施形態では、リッジ頂上のシート部１０５からＧａＮ結晶を横方向に成長させるため、マスク層１０２とＧａＮとの界面は形成されず、熱膨張係数差に起因する応力の問題が解決される。
【００７０】
本実施形態では、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の厚さを約３μｍに設定し、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が７×１０18ｃｍ-3となるようにＳｉをドープしている。また、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６にもｎ型不純物としてＳｉをドープし、Ｓｉ濃度が約３×１０18ｃｍ-3となるようにしている。
【００７１】
本発明では、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度が第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のＳｉの濃度よりも高くなるようにドーピングを行なう。第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度は３×１０18ｃｍ-3以上であることが好ましく、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６におけるＳｉ濃度は３×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４との間で不純物濃度を変化させることによる効果を得るには、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６におけるＳｉ濃度を、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度の９０％以下の値に調節することが好ましく、８０％以下の値に調節することが更に好ましい。
【００７２】
このように、不純物濃度の異なる２種類のＧａＮ層を成長させる理由を以下において詳しく説明する。
【００７３】
まず、図１３を参照する。図１３は、リッジ上面のシード部１０５から成長するＧａＮ結晶の横方向成長レートに対する縦方向成長レートの比（以下、「縦／横比」と称する。）がＧａＮ中のＳｉ濃度によってどのように変化するかを示すグラフを示している。グラフの縦軸は縦/横比であり、横軸は成長させるＧａＮにドープされるＳｉの濃度である。
【００７４】
図１３からわかるように、縦／横比はＳｉ濃度が増加に従って増大する。Ｓｉ濃度が約３×１０18ｃｍ-3よりも小さい場合、縦／横比は１よりも小さいが、Ｓｉ濃度が約３×１０18ｃｍ-3以上になると、縦／横比は１以上に増加する。このように縦／横比が１に等しくなる臨界的なＳｉ濃度は、例えばＭＯＶＰＥ結晶成長時の成長温度や圧力などによっても変動し得るが、Ｓｉ濃度の変化に対する縦／横比の変化の挙動（傾向）は、実質的に等しい。すなわち、Ｓｉ濃度が高くなる程、シード部１０５上に成長するＧａＮは縦方向に大きくなりやすい（厚くなりやすい）。
【００７５】
このように、ＧａＮ結晶を縦および横方向に成長させる工程において、ＧａＮ結晶にドープする不純物濃度を調節することにより、成長レートの縦／横比を制御することができる。本発明の好ましい実施形態では、この現象を利用し、ｎ−ＧａＮ結晶の成長の初期段階においては、縦/横比を相対的に大きくして第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を縦方向に厚く形成する。その後、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させるときは、縦／横比を相対的に小さくして横方向成長への成長を促進させる。このようにすることにより、従来のＥＬＯ工程による場合に比べて、より厚い窒化物半導体層１２０を形成することができる。この窒化物半導体層１２０が薄いと、結晶成長時における熱応力などの影響により、窒化物半導体層１２０に含まれる個々の横方向成長部が傾斜（チルト）するため、合体部１２０２に新たな転位が発生しやすい。これに対し、窒化物半導体層１２０を厚く形成すると、個々の横方向成長部のチルトが小さくなるため、品質に優れた合体部を得ることができる。
【００７６】
図１４は、窒化物半導体層１２０の一部断面を拡大した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）と、転位密度の分布とを示している。ＳＥＭからわかるように、合体部１２０２には、エアギャップ１０３につながった小さなボイド１１９が形成されている。また、グラフからわかるように、シード部１０５から横方向に成長した部分（ウィング部）の転位密度は、ｎ−ＧａＮ基板１０１における転位密度（５×１０5ｃｍ-2程度）よりも低減され、また、合体部１２０２における刃状転位の生成も抑制されている。
【００７７】
なお、基板主面にはマスク層１０２が存在するため、レーザ発振に必要な電流の径路は、シード部１０５の狭いストライプ領域に制限されるが、本実施形態では、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度を高めることにより、電気抵抗を大きく低減できる。図１５は、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の有無により、レーザ素子の抵抗がどのように変化するかを示すグラフである。グラフの縦軸が電圧、横軸が電流である。図１５からわかるように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４を設けることにより、相対的に低い電圧で同じ大きさの電流を流すことができ、半導体レーザ素子の動作電圧を格段に低減できる。
【００７８】
第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４上に不純物濃度が比較的低い第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させる代わりに、不純物濃度の比較的高いｎ−ＧａＮ結晶１０４のみを成長させ、それによって窒化物半導体層１２０のすべてを構成しようとすると、ｎ−ＧａＮ結晶中１０４の格子歪みが大きくなるため、その上に半導体多層構造を形成した場合、クラックが形成されやすくなるという問題がある。
【００７９】
図１６は、Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮ基板におけるクラック本数密度とＳｉ濃度との関係を示している。このグラフからわかるように、ｎ−ＧａＮ基板の場合、Ｓｉ濃度の増大に伴ってクラック本数が増加している。この現象は、ＧａＮ基板に限られず、ＧａＮ結晶に広く生じるものであるため、窒化物半導体層１２０の全体におけるＳｉ濃度を高くすると、窒化物半導体層１２０にクラックが発生しやすくなる。しかし、本実施形態のように、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４のＳｉ濃度は高く設定する場合、その厚さが３μｍ程度に大きくなっても、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のＳｉ濃度を低く設定することにより、クラックの発生を回避できることがわかった。
【００８０】
なお、本発明者の実験によれば、Ｓｉよりも原子半径の小さい酸素がドープされたｎ−ＧａＮ基板を用いると、選択横方向成長によって形成する窒化物半導体層１２０のＳｉ濃度をより高い値に設定しても、クラックの発生を抑制できることがわかった。したがって、酸素をドープしたｎ−ＧａＮ基板を用いることにより、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるＳｉ濃度を更に高めることができる。その結果、電気抵抗をより低くすることができ、半導体レーザ素子の動作電圧がさらに低下させることが可能になる。
【００８１】
図１２（ｄ）に示す領域Ａ（シード部１０５と第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と界面およびその近傍の領域）の抵抗を更に低減するには、この領域Ａに対して酸素およびＳｉを積極的にドープすることが好ましい。このような不純物のドーピングは、熱処理などによって行なうことができる。
【００８２】
特に領域Ａの酸素およびＳｉの濃度を局所的に高めることができれば、ＧａＮ層全体の歪みを抑制できるため、クラックが発生しにくくなる。酸素およびＳｉの両方がドープされる領域は、領域Ａのうち、シード部１０５および第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４のいずれかに一方に含まれる部分であってもよい。このような不純物ドープの効果は、ＧａＮ基板の主面にリッジを形成しない場合でも、基板の裏面に電極を形成するときには有効である。
【００８３】
以上の方法で窒化物半導体層１２０を形成し、図１１に示す構造を得た後、図１に示すように、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０９、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２、ｐ−ＧａＮ層１１３を順次堆積する。その後、ｐ−ＧａＮ層１１３とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２をリッジストライプ状に加工し、リッジの両脇を絶縁膜１１３で覆う。その後、ｐ−ＧａＮ層１１３のリッジストライプ上にはｐ電極１１４を形成し、配線電極１１７を形成する。ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１６を形成する。
【００８４】
本実施形態によれば、ＧａＮ基板よりも転位密度が低減された窒化物半導体層１２０をＧａＮ基板上に形成できるため、特性に優れた半導体レーザ素子を製造することが可能になる。
【００８５】
（実施形態２）
次に、図１７（ａ）から（ｄ）を参照しながら、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００８６】
本実施形態と前述の実施形態１との主たる相違点は、ｎ−ＧａＮ基板１０１の面方位および窒化物半導体層１２０の形成工程にある。このため、以下においては、この相違点のみを詳細に説明する。
【００８７】
まず、前述の実施形態について説明した工程と同様の工程により、図１７（ａ）に示すｎ−ＧａＮ基板１０１を用意する。ただし、本実施形態で用いるＧａＮ基板１０１の主面法線方向は＜０００１＞ではなく、＜１１−２０＞である。このＧａＮ基板１０１の主面には、＜０−１００＞に平行なストライプ状リッジが形成されている。
【００８８】
次に、図１７（ｂ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法により、第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１をＧａＮ基板１０１のシード部１０５上に成長させる。このとき、ＭＯＶＰＥによる結晶成長時の温度やＶ／ＩＩＩ比などの成長条件を調整することにより、図１７（ｂ）に示すように、シード部１０５に対して第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１を左右非対称に成長させることができる。この後、実施形態１について説明した方法と同様の方法により、図１７（ｃ）に示すように第２のｎ−ＧａＮ結晶１４０２を第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１上に成長させる。
【００８９】
このようにして第１のｎ−ＧａＮ結晶１４０１の中心をシード部１０５の中心からシフトさせると、図１７（ｄ）に示すように第２のｎ−ＧａＮ結晶１４０２の合体部１４０３の位置が、隣接する２つのリッジ間に存在する凹部の中心からシフトすることになる。
【００９０】
シード部１０５の近傍および合体部１４０３の近傍には転位が比較的多いため、シード部１０５と合体部１４０３とが等しい間隔で交互に配列する場合、転位が比較的少ない領域は面内で略均等に分布することになる。
【００９１】
しかし、本実施形態のように合体部１４０３を一定方向にシフトさせ、合体部１４０３の左側に位置するシード部１０５へ近づけると、合体部１４０３の右側に位置するシード部１０５と合体部１４０３との間隔は拡大する。この間隔が拡大した領域では、転位が比較的少ない。言い換えると、転位の多い領域を狭い領域内に偏らせることにより、転位の少ない領域の幅を広げることができる。このようにして転位の少ない領域の幅を広げることができると、この転位の少ない領域上方にレーザ素子の電流注入領域を配置すること（位置合わせ）が容易になる。
【００９２】
上記の実施形態１および実施形態２では、いずれも、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を形成するとき、ｎ型不純物であるＳｉのみをドープしているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を形成するとき、ｎ型不純物であるＳｉとともに、例えばＭｇなどのｐ型不純物を同時にドープしてもよい。
【００９３】
以下、図１８を参照しながら、このようなドーピングの効果を説明する。図１８は、ストライプ状リッジの上面に位置するシード部上にＧａＮ結晶を成長させる場合における成長レートの縦／横比とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。このグラフは、ｎ型不純物（Ｓｉ）に加えて、ｐ型不純物であるＭｇを同時にドープした場合におけるデータを示している。図１８のグラフと図１３のグラフと比較して明らかなように、Ｍｇ濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合の縦／横比は、Ｍｇを添加しない場合の縦／横比に比べて小さい。実験によれば、ＭｇおよびＳｉの同時添加により、ＧａＮ結晶の横方向成長レートが約３倍以上に促進されることがわかった。このような性質を利用するため、本実施形態では、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させるとき、ＭｇおよびＳｉを同時にドープする。こうすることにより、より短い時間で第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を相互に合体させることが可能になる。
【００９４】
なお、ＧａＮの成長時に、ＳｉまたはＭｇをＧａＮ中にドープすれば、ＧａＮ基板の主面に垂直な方向（縦方向）の成長レートと、主面に平行な方向（横方向）の成長レートに差異が生じることは、ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ． Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ． Ｒｅｓ． ３、 ８（１９９８年）に記載されている。この文献は、アイランド状に配列された多数の開口部を有する窒化シリコンマスクをサファイア基板上に形成した後、選択成長法により、アイランド状のＧａＮ結晶を形成することを開示している。
【００９５】
このようなドーピングを行なうことにより、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のうち第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上面に縦方向に成長する部分を薄くすることができる。第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上部における第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さは、図１に示すように、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８の底面と第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上面との距離に相当する。このため、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６のｐ型不純物濃度は第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４におけるｐ型不純物濃度よりも低く、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の電気抵抗は第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の電気抵抗よりも高い。このため、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の上面に縦方向に成長する第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さは、できる限り薄い方が好ましい。
【００９６】
本実施形態によれば、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の縦方向における成長レートよりも横方向における成長レートを格段に高めることができるため、相対的に抵抗の高い第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を薄くでき、レーザ素子の抵抗を低減することができる。このため、半導体レーザ素子の動作電圧を低下させ、ひいては素子の信頼性を向上させることができる。
【００９７】
なお、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６にｐ型不純物およびｎ型不純物に両方をドープすると、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の抵抗が増大する可能性がある。このため、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長する際、Ｓｉのみをドープする層と、Ｍｇのみをドープする層とを数ｎｍ程度の周期で交互に積層し、超格子構造を形成してもよい。このような超格子構造を形成すれば、異なる導電型の不純物をドープしても抵抗を下げることができる。
【００９８】
（実施形態３）
以下、図１９を参照しながら、本発明の第３の実施形態を説明する。
【００９９】
本実施形態が実施形態１と大きく異なる点は、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させた後、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８を形成する前に、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６上にｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１０７を形成している点と、ｐ電極およびｎ電極をＧａＮ基板の同一面側に配置している点にある。他の点では、実施形態１の構成と同様の構成を有しているため、各実施形態に共通する構成要素については、詳細な説明を繰り返さないこととする。
【０１００】
本実施形態では、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１０７上に、ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０９、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１１０、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１１、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１２、ｐ−ＧａＮ層１１３を積層した後、この積層体の一部をｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８が露出するまでエッチングする。そして、このエッチングにより露出したｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０８の表面に、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１１６およびを配線電極１１８形成する。
【０１０１】
本実施形態によれば、前述の実施形態と同様に転位密度の低減された結晶が得られるため、半導体レーザ素子の信頼性が向上する。また本実施形態では電流がｎ−ＧａＮ基板１０１を縦方向に流れないため、ｎ−ＧａＮ基板１０１や第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の電気導電性を考慮する必要がなくなる。このため、不純物が意図的にドープされていないアンドープのＧａＮ基板を用いてもよく、また、優れた結晶性を得るという観点から、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６にドープする不純物の種類や濃度、第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さなどを決定すればよいので、設計の自由度が向上する。
【０１０２】
上記各実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて窒化物半導体を成長させているが、本発明における結晶成長方法は、これに限定されず、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ法）や分子線エピタキシ−法（ＭＢＥ法）等の他の半導体層成長方法を用いてもよい。
【０１０３】
また、ストライプ状リッジを基板の主面に直接的に形成する代わりに、基板の主面に比較的低い温度で窒化物半導体からなるバッファ層を堆積し、そのバッファ層にストライプ状リッジを形成しても良い。
【０１０４】
上記各実施形態では、ＥＬＯ工程によって窒化物半導体層１２０を形成するとき、不純物濃度を２段階で切り替えることにより、第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４と第２の−ＧａＮ結晶１０６を形成しているが、そのとき、窒化物半導体層１２０を組成比の異なる結晶の組み合わせによって形成しても良い。また、不純物濃度を２段階で切り替える代わりに、３段階以上の多段階で変化させても良いし、また連続的に変化させても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明によれば、信頼性の高い短波長光源を必要とする光記録装置、光ディスプレイ（レーザディスプレイ）装置などに好適に用いられる半導体レーザ素子が提供される。このような半導体レーザ素子は、レーザ加工や医用用装置に応用することも可能である。
【０１０６】
また、本発明は、短波長光を発する半導体素子の製造に限定されず、低欠陥の結晶にチャネル領域を形成することが求められるトランジスタなどの半導体素子にも広く適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明による窒化物半導体素子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図３】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図５】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図６】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図８】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図９】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１０】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１１】前記窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図１２】（ａ）から（ｄ）は、第１の実施形態における第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４および第２のｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長を示す工程断面図である。
【図１３】リッジ上面のシード部１０５から成長するＧａＮ結晶の横方向成長レートに対する縦方向成長レートの比（以下、「縦／横比」と称する。）がＧａＮ中のＳｉ濃度によってどのように変化するかを示すグラフである。
【図１４】窒化物半導体層１２０の一部断面を拡大した電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）と、転位密度の分布を示すグラフである。
【図１５】第１のｎ−ＧａＮ結晶１０４の有無により、レーザ素子の抵抗がどのように変化するかを示すグラフである。
【図１６】Ｓｉをドープしたｎ−ＧａＮ基板におけるクラック本数密度とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図１７】（ａ）から（ｄ）は、本発明による窒化物半導体の第２の実施形態の工程断面図である。
【図１８】ストライプ状リッジの上面に位置するシード部上にＧａＮ結晶を成長させる場合における縦／横比とＳｉ濃度との関係を示すグラフである。
【図１９】本発明による窒化物半導体素子の第３の実施形態を示す断面図である。
【図２０】従来の窒化物半導体素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１  ｎ−ＧａＮ基板
１０２  マスク層
１０３  エアギャップ
１０４  第１のｎ−ＧａＮ結晶
１０５  シード部
１０６  第２のｎ−ＧａＮ結晶
１０７  ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層
１０８  ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１０９  ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１１０  ＭＱＷ活性層
１１１  ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１１２  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１１３  ｐ−ＧａＮ層
１１４  ｐ電極
１１５  ＳｉＯ2マスク層
１１６  ｎ電極
１１７  配線電極
１１８  配線電極
１１９  ボイド
１２０  窒化物半導体層
３０１  レジストマスク
５０１  平坦化レジスト
１２０１  多結晶ＧａＮ
１２０２  合体部分
１４０１  第１のｎ−ＧａＮ結晶
１４０２  第２のｎ−ＧａＮ結晶
１４０３  合体部分
１６０１  ＧａＮ
１６０２  ＳｉＯ2マスク層
１６０３  開口部
１６０４  ＧａＮ層
１６０５  ｎ−ＧａＮ結晶
１６０６  ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１６０７  ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１６０８  ＭＱＷ活性層
１６０９  ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１６１０  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１６１１  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１６１２  ｐ電極
１６１３  ＳｉＯ2層
１６１４  ｎ電極
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005106977.tif 000022
【図２】
2005106977.tif 000023
【図３】
2005106977.tif 000024
【図４】
2005106977.tif 000025
【図５】
2005106977.tif 000026
【図６】
2005106977.tif 000027
【図７】
2005106977.tif 000028
【図８】
2005106977.tif 000029
【図９】
2005106977.tif 000030
【図１０】
2005106977.tif 000031
【図１１】
2005106977.tif 000032
【図１２】
2005106977.tif 000033
【図１３】
2005106977.tif 000034
【図１４】
2005106977.tif 000035
【図１５】
2005106977.tif 000036
【図１６】
2005106977.tif 000037
【図１７】
2005106977.tif 000038
【図１８】
2005106977.tif 000039
【図１９】
2005106977.tif 000040
【図２０】
2005106977.tif 000041
【国際調査報告】
2005106977.tif 000042
2005106977.tif 000043
2005106977.tif 000044
2005106977.tif 000045