(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の、発光部に対応する領域に所定間隔で形成された複数のストライプ状絶縁膜と、
前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記基板上に形成された、窒化物系半導体からなるｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層と、
を有し、
前記ｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層は、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状に形成され、
前記発光層における凹状の部分が発光部となることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記複数のストライプ状絶縁膜は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第1の窒化物系半導体層上に形成されたことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ストライプ状絶縁膜を含んで前記基板上に形成された、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体層を有し、
前記第２の窒化物系半導体層は、前記複数のストライプ状絶縁膜上で凹となるように前記基板上に凹状に形成され、
前記ｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層は、前記第２の窒化物系半導体層上に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層上における発光部に対応する領域に所定間隔で複数のストライプ状絶縁膜を形成する工程と、
前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記第１の窒化物系半導体層上に、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状になるように窒化物系半導体からなるｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層を形成する工程と、を有し、
前記発光層における凹状の部分に発光部を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）もしくはＩｎＮ（窒化インジウム）またはこれらの混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）からなる化合物半導体層を有する半導体素子、半導体発光素子およびその製造方法ならびに窒化物系半導体層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色または紫色の光を発する発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、ＧａＮ系半導体発光素子の実用化が進んできている。ＧａＮ系半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板が存在しないため、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）等の絶縁性基板上に各層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
図１８は従来のＧａＮ系発光ダイオードの構造を示す断面図である。図１８の発光ダイオードは日経マイクロデバイス１９９４年２月号の第９２頁〜第９３頁に開示されている。
【０００４】
図１８において、サファイア基板６１上に、ＧａＮバッファ層６２、ｎ−ＧａＮ層６３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６４、ＩｎＧａＮ発光層６５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６６およびｐ−ＧａＮ層６７が順に形成されている。ｐ−ＧａＮ層６７からｎ−ＧａＮ層６３までの一部領域がエッチングにより除去されている。ｐ−ＧａＮ層６７の上面にｐ電極６８が形成され、ｎ−ＧａＮ層６３の露出した上面にｎ電極６９が形成されている。このような発光ダイオードの構造はラテラル構造と呼ばれている。
【０００５】
図１８の発光ダイオードは、ＩｎＧａＮ発光層６５をｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６４およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６６で挟んだダブルヘテロ構造のｐｎ接合を有し、青色の光を発生することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１８に示したような従来のＧａＮ系半導体発光素子では、ＧａＮおよびサファイア基板の格子定数の違いから、サファイア基板上に成長したＧａＮ系半導体結晶には、通常１０9個／ｃｍ2程度の格子欠陥が存在する。このような格子欠陥はサファイア基板の表面からＧａＮ系半導体層へと伝搬している。この格子欠陥のために、サファイア基板上のＧａＮ系半導体層からなる半導体発光素子では、素子特性および信頼性の劣化が生じる。
【０００７】
格子欠陥による素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法として、横方向成長技術が提案されている。この横方向成長技術は、例えばProceedings of The Second International Conference on Nitride Semiconductors, October 27-31, 1997, Tokushima, Japan, pp.444-446 に報告されている。図１９は従来の横方向成長技術を説明するための模式的工程断面図である。
【０００８】
図１９（ａ）に示すように、サファイア基板８１上にＡｌＧａＮバッファ層８２を成長させ、ＡｌＧａＮバッファ層８２上にＧａＮ層８３を成長させる。ＧａＮ層８３には上下方向に延びる格子欠陥９１が存在する。このＧａＮ層８３上に、ストライプ状のＳｉＯ2膜９０を形成する。
【０００９】
次に、図１９（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＯ2膜９０間に露出したＧａＮ層８３上にＧａＮ層８４を再成長させる。この場合にも再成長したＧａＮ層８４に上下方向の格子欠陥９１が延びる。
【００１０】
図１９（ｃ）に示すように、ＧａＮ層８４をさらに成長させると、ＧａＮ層８４が横方向にも成長し、ＳｉＯ2膜９０上にもＧａＮ層８４が形成される。ＳｉＯ2膜９０上のＧａＮ層８４には格子欠陥が存在しない。
【００１１】
図１９（ｄ）に示すように、ＧａＮ層８４をさらに成長させると、ＳｉＯ2膜９０上およびＳｉＯ2膜９０間のＧａＮ層８３上にＧａＮ層８４が形成される。
【００１２】
このような横方向成長技術を用いると、ＳｉＯ2膜９０上に、格子欠陥の存在しない高品質なＧａＮ結晶を形成することができる。
【００１３】
しかしながら、ＳｉＯ2膜９０が存在しない領域では、下地のＧａＮ層８３からの格子欠陥９１が再成長したＧａＮ層８４の表面まで延びるため、ＧａＮ層８４の表面の格子欠陥はなくならない。したがって、半導体発光素子の作製時には、発光領域をＳｉＯ2膜上に限定する必要がある。そのため、発光領域の大きさを大きくすることができない。
【００１４】
また、高品質なＧａＮ層の面積を広げるためにＳｉＯ2膜の面積を広くすると、横方向に成長するＧａＮ層の表面を平坦にすることができなくなる。
【００１５】
図１８に示した従来のＧａＮ系発光ダイオードでは、サファイア基板６１が絶縁性基板であるため、ｎ電極６９をサファイア基板６１の裏面に設けることができず、ｎ電極６９をｎ−ＧａＮ層６３の露出した表面に設ける必要がある。そのため、ｎ電極を導電性基板の裏面に設ける場合に比べて、ｐ電極６８とｎ電極６９との間の電流経路が長くなり、動作電圧が高くなる。
【００１６】
さらに、ＧａＮ系半導体レーザ素子を作製する場合、ＧａＡｓ基板を用いた赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振器面を形成することが困難である。
【００１７】
図２０はサファイア基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。図２０において、実線の矢印はサファイア基板の結晶方位を示し、破線の矢印はＧａＮ系半導体層の結晶方位を示す。
【００１８】
図２０に示すように、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導体層のａ軸およびｂ軸はサファイア基板のａ軸およびｂ軸に対して３０度ずれている。
【００１９】
図２０はサファイア基板上に形成されたＧａＮ系半導体層からなる半導体レーザ素子の概略斜視図である。
【００２０】
図２１において、サファイア基板６１の（0 0 0 1）面上にＧａＮ系半導体層７０が形成されている。ストライプ状の電流注入領域７１は、ＧａＮ系半導体層７０の＜1 1 -2 0＞方向に平行となっている。この場合、ＧａＮ系半導体層７０の｛1 -1 0 0｝面はサファイア基板６１の｛1 -1 0 0｝面に対して３０度傾いている。サファイア基板６１およびＧａＮ系半導体層７０ともに｛1 -1 0 0｝面でへき開しやすい。
【００２１】
このように、サファイア基板６１とＧａＮ系半導体層７０とでへき開方向がずれているため、ＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する場合に、ＧａＡｓ基板上に形成される赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振器面を形成することが困難となる。この場合、エッチングにより共振器面を形成する必要が生じる。しかしながら、エッチングにより共振器面を形成した場合には、基板に対して垂直に端面を形成することが困難であるため、半導体レーザ素子の動作電流を低減することができない。
【００２２】
一方、ＧａＮ系半導体レーザ素子の横モードの制御方法に関して種々の報告および提案がされている。これらの横モードの制御方法のほとんどは、従来の赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子で採用されているリッジ導波構造およびセルフアライン構造の２種である。
【００２３】
しかし、ＧａＮ系半導体層は化学的に安定であるため、従来の赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子に用いられるＡｌＧａＡｓ系半導体層等のように、ウエットエッチングによりパターニングすることができず、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）、ＲＩＢＥ法（反応性イオンビームエッチング法）等のドライエッチングによりパターニングする必要がある。
【００２４】
そのため、ＧａＮ系半導体レーザ素子において、リッジ導波構造またはセルフアライン構造を作製するためのパターニングを容易にかつ再現性よく行うことができない。しかも、ドライエッチングの精度により素子特性が大きく変化する。
【００２５】
本発明の目的は、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子を提供することである。
【００２６】
本発明の他の目的は、エッチングを用いることなく高品質の光導波路の形成が可能な屈折率導波型の窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【００２７】
本発明のさらに他の目的は、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る半導体レーザ素子は、基板上の、発光部に対応する領域に所定間隔で形成された複数のストライプ状絶縁膜と、前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記基板上に形成された、窒化物系半導体からなるｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層と、を有し、前記ｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層は、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状に形成され、前記発光層における凹状の部分が発光部となることを特徴とする。
【００３６】
本願発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、ホウ素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導体層上における発光部に対応する領域に所定間隔で複数のストライプ状絶縁膜を形成する工程と、前記ストライプ状絶縁膜上を含んで前記第１の窒化物系半導体層上に、前記ストライプ状絶縁膜に対応する領域が凹状になるように窒化物系半導体からなるｎ型クラッド層、発光層およびｐ型クラッド層を形成する工程と、を有し、前記発光層における凹状の部分に発光部を形成することを特徴とする。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１〜図６は本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００４０】
まず、図１に示すように、サファイア基板１上に、ＡｌＧａＮバッファ層２を形成し、ＡｌＧａＮバッファ層２上にアンドープのＧａＮ層３を成長させる。ＧａＮ層３上に所定幅のＳｉＯ2膜４を形成した後、横方向成長技術を用いてＧａＮ層３上およびＳｉＯ2膜４上にｎ−ＧａＮ層５を成長させる。
【００４１】
次に、ｎ−ＧａＮ層５上に、厚さ０．１μｍのｎ−ＩｎPＧａ1-PＮ（Ｐ＝０．１）クラック防止層６、厚さ１．０μｍのｎ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．７）クラッド層７、後述する多重量子井戸発光層（以下、ＭＱＷ発光層と呼ぶ）８、厚さ０．１５μｍのｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．０７）クラッド層９、および厚さ０．２０μｍのｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ（Ｚ＝０．１２）電流ブロック層１０を順に形成する。
【００４２】
図７はＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド構造図である。図７に示すように、ＭＱＷ発光層８は、厚さ６０Åの６つのＩｎXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０．０３）量子障壁層８１と厚さ３０Åの５つのＩｎXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０．１０）量子井戸層８２とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を含む。その多重量子井戸構造の両面は厚さ０．１μｍのＧａＮ光ガイド層８３で挟まれている。
【００４３】
続いて、ｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０の中央部の幅Ｗ０のストライプ状の領域をエッチングにより除去する。この場合、ｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０間のストライプ状の領域が電流注入領域１９となる。電流注入領域１９の幅Ｗ０は例えば２μｍである。この電流注入領域１９は、ＧａＮの〈１１-2０〉方向に沿って形成する。
【００４４】
さらに、ｎ−ＡｌZＧａ1-Z Ｎ電流ブロック層１０上およびｐ−ＡｌYＧａ1-YＮクラッド層９上に厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．０７）クラッド層１１、および厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層１２を順に形成する。
【００４５】
なお、ｎ型ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ドーパントとしてはＭｇを用いる。また、各層の成長方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）またはＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）を用いる。
【００４６】
この場合、ＳｉＯ2膜４が存在しない領域では、ＧａＮ層３からｐ−ＧａＮコンタクト層１２まで格子欠陥が上下方向に延びている。ＳｉＯ2膜４上のｎ−ＧａＮ層５からｐ−ＧａＮコンタクト層１２には格子欠陥が存在しない。
【００４７】
次に、図２に示すようにＳｉＯ2膜４が存在しない領域のｐ−ＧａＮコンタクト層１２からｎ−ＧａＮ層５までをＲＩＥ法、ＲＩＢＥ法等のドライエッチングにより除去する。それにより、ＧａＮ層３上に格子欠陥の存在しないＧａＮ系半導体層１８が残る。
【００４８】
さらに、ｐ型ドーパントを活性化するために、６００℃以上、例えば８００℃で３０分間のアニールを行った後、図３に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２上に厚さ５０００ÅのＮｉ、厚さ１００ÅのＰｔおよび厚さ１μｍのＡｕからなるｐ電極１３を形成する。
【００４９】
次に、図４に示すように、表裏の（００１）面にオーミック電極１５ａ，１５ｂが形成された厚み１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１４を用意する。このｎ−ＧａＡｓ基板１４のオーミック電極１５ａ上に、サファイア基板１上のＧａＮ系半導体層１８上に形成されたｐ電極１３の上面を熱圧着または融着により接合する。
【００５０】
熱圧着を用いる場合、ｐ電極１３の表面およびオーミック電極１５ａの表面は、蒸着直後の状態のＡｕで覆われていることが望ましい。また、融着を用いる場合には、ｎ−ＧａＡｓ基板１４上に厚さ３μｍ程度のＡｕ−Ｓｎ膜を形成することが望ましい。
【００５１】
ｐ電極１３とオーミック電極１５ａとの接合の際には、ｎ−ＧａＡｓ基板１４とＧａＮ系半導体層１８とが図８の関係を有するようにＧａＡｓ基板１４とＧａＮ系半導体層１８との結晶方位を合わせる。
【００５２】
図８において、ｎ−ＧａＡｓ基板１４の（００１）面上にＧａＮ系半導体層１８が形成される。ストライプ状の電流注入領域１９は、図４のｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０間の領域に対応し、電流注入領域１９に発光部２０が形成される。この電流注入領域１９は〈1 -1 0 0〉方向に沿って設けられる。この場合，ＧａＮ系半導体層１８の電流注入領域１９がｎ−ＧａＡｓ基板１４の〈１１０〉方向または〈１-1０〉方向と平行になるようにＧａＮ系半導体層１８をｎ−ＧａＡｓ基板１４上に接合する。
【００５３】
次に、図４のサファイア基板１およびｎ−ＧａＡｓ基板１４をフッ酸原液に浸漬することによりＳｉＯ2膜４を除去し、サファイア基板１およびその上の格子欠陥を有するＡｌＧａＮバッファ層２およびＧａＮ層３をリフトオフ法によりｎ−ＧａＡｓ基板１４上のＧａＮ系半導体層１８から取り外す。それにより、図５に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１４上に格子欠陥を有さないＧａＮ系半導体層１８が残る。この場合、ＳｉＯ2膜４のサイドエッチングが進行しやすくなるように、界面活性化入りのフッ酸原液を用いることが望ましい。
【００５４】
最後に、図６に示すように、ｎ−ＧａＮ層５上の中央部の領域を除いてＧａＮ系半導体層１８の上面および側面ならびにオーミック電極１５ａの表面に、短絡防止用のＳｉＯ2膜１６を形成した後、ｎ−ＧａＮ層５上およびＳｉＯ2膜１６上に厚さ１００ÅのＴｉおよび厚さ２０００ÅのＡｌからなるｎ電極１７を形成する。
【００５５】
その後、一対の共振器面をへき開法により形成する。この場合、図８に示すように、ＧａＮ系半導体層１８の｛１-1００｝面およびｎ−ＧａＡｓ基板１４の｛１１０｝面または｛１-1０｝面がへき開面となる。
【００５６】
本参考例の半導体レーザ素子においては、ＧａＮ系半導体層１８の裏面および表面にそれぞれｐ電極１３およびｎ電極１７が形成されるので、ｐ電極１３とｎ電極１７との間の電流経路が短くなる。また、ＧａＮ系半導体層１８にほとんど格子欠陥が存在しない。したがって、低電圧動作および低電流動作が可能となる。
【００５７】
また、ＧａＮ系半導体層１８のへき開方向とｎ−ＧａＡｓ基板１４のへき開方向とを一致させることができるので、共振器面をへき開法により容易に形成することができる。
【００５８】
なお、本参考例では、半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適用可能である。
【００５９】
図９および図１０は本発明の第２の参考例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【００６０】
図９（ａ）に示すサファイア基板２１の端面は（０００１）面（ｃ面）を有する。図９（ｂ）に示すように、サファイア基板２１の（０００１）面上に、ＡｌＧａＮバッファ層２２およびアンドープのＧａＮ層２３を順に成長させる。ＧａＮ層２３には上下方向に延びる格子欠陥３７が存在する。
【００６１】
次に、図９（ｃ）に示すように、Ｎｉからなるストライプ状マスク２９を用いてＧａＮ層２３をＲＩＥ法によりエッチングし、ＧａＮ層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成する。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Ｄはいずれも例えば５μｍとする。
【００６２】
ストライプ状マスク２９を除去した後、図９（ｄ）に示すように、ＧａＮ層２３上にＳｉＯ2膜３０を形成する。
【００６３】
次に、図１０（ｅ）に示すように、ＧａＮ層２３の凹凸パターンの側面に形成されたＳｉＯ2膜３０をエッチングにより除去する。
【００６４】
その後、図１０（ｆ）に示すように、ＧａＮ層２４の再成長を行う。このとき、凹凸パターンの側面のみに下地のＧａＮ層２３が露出しているので、ＧａＮ層２４の再成長の開始時には、ＧａＮ層２４は縦方向へ成長せず、横方向のみに成長する。ＳｉＯ2膜３０上で横方向に成長するＧａＮ層２４には下地のＧａＮ層２３の格子欠陥３７が伝搬しない。
【００６５】
そして、図１０（ｇ）に示すように、ＧａＮ層２４の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの下段のＳｉＯ2膜３０がＧａＮ層２４により埋め込まれ、ＧａＮ層２４が縦方向へ成長する。
【００６６】
その後、図１０（ｈ）に示すように、ＧａＮ層２４が凹凸パターンの上段のＳｉＯ2膜３０上において横方向へ成長するとともに縦方向にも成長し、ＧａＮ層２４の表面が平坦化される。それにより、凹凸パターンのＳｉＯ2膜３０上に格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２４が形成される。
【００６７】
再成長させるＧａＮ層２４の表面を平坦にするためには、ＧａＮ層２４がある程度の厚みを有することが必要である。ＧａＮ層２４の表面を平坦にするために必要な厚みは、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの幅、ＧａＮ層２４の成長時の基板温度等の成長条件によって異なる。例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそれぞれ５μｍ程度の場合、ＧａＮ層２４の厚みは１０〜２０μｍ程度必要となる。
【００６８】
ＧａＮは〈１-1００〉方向に成長しやすいので、図１０（ｆ），（ｇ），（ｈ）の工程でＧａＮ層２４の横方向への成長が生じやすくするために、図９（ｃ）の工程でＮｉからなるストライプ状マスク２９をＧａＮ層２３の〈１-1００〉方向と垂直な〈１１-2０〉方向に沿って形成することが望ましい。
【００６９】
また、図１０（ｈ）の工程で再成長するＧａＮ層２４の表面が平坦になりやすくするために、図９（ｃ）の工程で用いるＮｉからなるストライプ状マスク２９のマスク幅およびストライプ状マスク２９の窓幅（Ｎｉが存在しない領域の幅）はそれぞれ１０μｍ以下と小さいことが好ましく、１〜５μｍとすることがより好ましい。
【００７０】
さらに、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの凸部の断面形状は、順メサ形状（台形状）とするよりも垂直な側面を有する矩形状または逆メサ形状（逆台形状）とすることが好ましい。
【００７１】
図１１に示すように、ＧａＮ層２３の凹凸パターンの断面形状を逆メサ形状にし、ステップカバレッジの悪い電子ビーム蒸着等の堆積方法でＳｉＯ2膜３０をＧａＮ層２３上に形成することにより、凹凸パターンの側面へＳｉＯ2膜が堆積することを防止できる。それにより、凹凸パターンの側面のＳｉＯ2膜をエッチングにより除去する工程を省略することができる。
【００７２】
図１２（ａ），（ｂ）は下地のＧａＮ層２３の表面に逆メサ形状の凹凸パターンを形成する方法を示す模式的断面図である。
【００７３】
まず、図１２（ａ）に示すように、ＧａＮ層２３上にＮｉからなるストライプ状マスク２９を形成した後、ドライエッチング時に、サファイア基板２１を傾けてエッチング装置に装着する。この状態で、ＧａＮ層２３をＲＩＥ法等のドライエッチングによりエッチングする。
【００７４】
次に、図１２（ｂ）に示すように、サファイア基板２１を逆方向に傾ける。この状態で、ＧａＮ層２３をＲＩＥ法等のドライエッチングによりエッチングする。このようにして、ＧａＮ層２３の表面に逆メサ形状の凹凸パターンを形成することができる。
【００７５】
本参考例のＧａＮ系半導体層の製造方法によれば、ＧａＮと格子定数の異なるサファイア基板２１を用いても、サファイア基板２１の全面において格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２４を成長させることが可能となる。
【００７６】
したがって、ＧａＮ層２４上にＧａＮ系半導体層からなる発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子を作製した場合、発光効率および信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００７７】
図１３は図９および図１０の方法により形成されたＧａＮ層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
【００７８】
図１３において、図９および図１０の方法により形成されたＧａＮ層２４上に、ｎ−ＧａＮ層２５、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層２６、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２７、ＭＱＷ発光層２８およびｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２９が順に形成されている。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２９上のストライプ状の領域を除いてｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層３１が形成されている。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２９上およびｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層３１上に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３２およびｐ−ＧａＮコンタクト層３３が順に形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層３３からｎ−ＧａＮ層２５までの一部領域がエッチングにより除去されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層３３上にｐ電極３４が形成され、ｎ−ＧａＮ層２５の露出した表面にｎ電極３５が形成されている。
【００７９】
図１３の半導体レーザ素子においては、ｎ−ＧａＮ層２５からｐ−ＧａＮコンタクト層３３までのＧａＮ系半導体層３６が格子欠陥のないＧａＮ層２４上に形成されているので、ＧａＮ系半導体層３６にほとんど格子欠陥が存在しない。したがって、低電流および低電圧動作が可能な半導体レーザ素子が得られる。
【００８０】
なお、本実施例では、本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法を半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法は、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適用可能である。
【００８１】
尚、図９及び図１０の例では、図９（ｃ）に示したように、ＧａＮ層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成する際に、凹部の底面にＧａＮ層２３が残るようにＧａＮ層２３をエッチングしているが、ＧａＮ層２３の表面に凹凸パターンを形成する際に、図１４および図１５に示すように凹部の底面にサファイア基板２１が露出するまでＧａＮ層２３をエッチングしてもよい。
【００８２】
図１４（ａ），（ｂ）に示すように、図１９（ａ），（ｂ）と同様にして、サファイア基板２１の（0 0 0 1）面上に、ＡｌＧａＮバッファ層２２およびアンドープのＧａＮ層２３を順に成長させる。なお、ＧａＮ層２３の厚さは例えば０．５μｍ〜５μｍ程度である。この場合にも、ＧａＮ層２３には上下方向に延びる格子欠陥３７が存在する。
【００８３】
次に、ＧａＮ層２３の全面にＳｉＯ2膜を形成し、ＳｉＯ2膜上にフォトレジストからなるストライプ状マスクを形成し、図１４（ｃ）に示すように、フッ酸を用いてＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、ストライプ状のＳｉＯ2膜３０を形成する。
【００８４】
その後、図１４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜３０をマスクとして用い、塩素ガスを用いたＲＩＥ法により、ＧａＮ層２３およびＡｌＧａＮバッファ層２２をサファイア基板２１が露出するまでエッチングし、ＧａＮ層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成する。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Ｄはいずれも例えば５μｍとする。
【００８５】
その後、図１５（ｅ）に示すように、ＧａＮ層２４の再成長を行う。このとき、凹凸パターンの側面のみに下地のＧａＮ層２３が露出しているので、ＧａＮ層２４の再成長の開始時には、ＧａＮ層２４は縦方向には成長せず、横方向のみに成長する。サファイア基板２１上で横方向に成長するＧａＮ層２４には格子欠陥が存在しない。
【００８６】
図１５（ｆ）に示すように、ＧａＮ層２４の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの凹部がＧａＮ層２４により埋め込まれ、ＧａＮ層２４が縦方向に成長する。
【００８７】
その後、図１５（ｇ）に示すように、ＧａＮ層２４が凹凸パターンの凸部の上面のＳｉＯ2膜３０において横方向に成長するとともに縦方向にも成長し、ＧａＮ層２４の表面が平坦化される。それにより、凹凸パターンのＳｉＯ2膜３０上およびサファイア基板２１上に格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２４が形成される。
【００８８】
図９および図１０の例と同様に、再成長させるＧａＮ層２４の表面を平坦にするためには、ＧａＮ層２４がある程度の厚みを有することが必要である。ＧａＮ層２４の表面を平坦にするために必要な厚みは、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの幅、ＧａＮ層２４の成長時の基板温度等の成長条件によって異なる。例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそれぞれ５μｍの場合、ＧａＮ層２４の厚みは１０〜２０μｍ程度必要となる。
【００８９】
また、ＧａＮは＜1 -1 0 0＞方向に成長しやすいので、図１５（ｅ），（ｆ），（ｇ）の工程でＧａＮ層２４の横方向への成長が生じやすくするために、図１４（ｃ）の工程でストライプ状のＳｉＯ2膜３０をＧａＮ層２３の＜1 -1 0 0＞方向と垂直な＜1 1 -2 0＞方向に沿って形成することが望ましい。
【００９０】
さらに、図１５（ｇ）の工程で再成長するＧａＮ層２４の表面が平坦になりやすくなるために、図１４（ｃ）の工程で形成するストライプ状のＳｉＯ2膜３０の幅およびストライプ状のＳｉＯ2膜の窓幅（ＳｉＯ2膜が存在しない領域の幅）はそれぞれ１０μｍ以下と小さいことが好ましく、１〜５μｍ以下とすることがより好ましい。
【００９１】
また、ＧａＮ層２３の凹凸パターンの凸部の断面形状は、図９および図１０の例と同様に、順メサ形状とするよりも垂直な側面を有する矩形状または逆メサ形状とすることが好ましい。
【００９２】
尚、図１４及び図１５の例では、絶縁性基板としてサファイア基板２１を用いているが、サファイア基板２１の代わりにスピネル基板等の他の絶縁性基板を用いることも出来る。
【００９３】
図１６および図１７は本発明の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００９４】
まず、図１６（ａ）に示すように、サファイア基板４１の（０００１）面上に、厚さ３０ÅのＡｌＧａＮバッファ層４２、厚さ２μｍのアンドープのＧａＮ層４３および厚さ３μｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層４４ａを順に成長させる。
【００９５】
次に、図１６（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４４ａ上に厚さ約１０００ÅのＳｉＯ2膜を形成した後、エッチングにより発光部を除く領域のＳｉＯ2膜を除去するとともに発光部に対応する領域のＳｉＯ2膜をストライプ状にパターニングし、複数本のストライプ状ＳｉＯ2膜４５を形成する。この場合、次の工程でＧａＮが横方向に成長しやすいようにストライプ状ＳｉＯ2膜４５をｎ−ＧａＮ層４４ａの〈１-1２０〉方向に沿って形成する。
【００９６】
各ストライプ状ＳｉＯ2膜４５の幅は０．５μｍ程度であり、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５のピッチは１μｍ程度である。基本横モード発振を実現するためには、発光部の幅Ｗ１を２〜５μｍ程度とすることが好ましく、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５の本数は３〜５本程度必要となる。
【００９７】
その後、図１６（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４４ａ上に、厚さ５μｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層４４ｂ、厚さ０．１μｍのＳｉドープのｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層４６および厚さ１μｍのＳｉドープのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４７を順に成長させる。さらに、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４７上に、図７に示した構造を有するＭＱＷ発光層４８、厚さ１μｍのＭｇドープのｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４９および厚さ０．１μｍのＭｇドープのｐ−ＧａＮコンタクト層５０を順に成長させる。
【００９８】
この場合、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域では、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５間で下地のｎ−ＧａＮ層４４ａから縦方向にＧａＮが成長した後、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５上で横方向にＧａＮが成長する。一方、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領域では、下地のｎ−ＧａＮ層４４ａから縦方向にＧａＮが成長する。それにより、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域とストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領域とでは、実質的にＧａＮの成長速度に差が生じる。すなわち、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域では、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領域と比べてＧａＮの成長速度が実質的に遅くなる。この成長速度の差は、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が完全にＧａＮで埋め込まれて横方向の成長が完了するまで続く。
【００９９】
その結果、ｎ−ＧａＮ層４４ｂの表面が凹状に形成され、さらにｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層４６、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４７、ＭＱＷ発光層４８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層４９およびｐ−ＧａＮコンタクト層５０が凹状に形成される。ＭＱＷ発光層４８の凹状の部分が素子の能動領域である発光部となる。また、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域上のＧａＮ系半導体層５６にはほとんど結晶欠陥が存在しない。
【０１００】
その後、図１７（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層５０からｎ−ＧａＮ層４４ｂまでの一部領域をエッチングにより除去し、ｎ−ＧａＮ層４４ａを露出させる。
【０１０１】
さらに、図１７（ｅ）に示すように、発光部の上部の領域およびｎ−ＧａＮ層４４ａの電極形成領域を除いて、電流狭窄を行うためおよびｐｎ接合の露出部を保護するためにｐ−ＧａＮコンタクト層５０の上面および側面ならびにｎ−ＧａＮ層４４ａの上面にＳｉＯ2膜５１を形成する。
【０１０２】
最後に、図１７（ｆ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層５０の露出した表面にｐ電極５２を形成し、ｎ−ＧａＮ層４４ａの露出した表面にｎ電極５３を形成する。
【０１０３】
発光部に無駄なく電流が注入されるように、電流注入領域となるＳｉＯ2膜５１の窓の幅Ｗ２は、発光部の幅Ｗ１と同じか発光部の幅Ｗ１よりもやや狭くすることが好ましい。
【０１０４】
本実施例の半導体レーザ素子の製造方法によれば、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域上のＧａＮ系半導体層５６の結晶性が向上するとともに、ＧａＮの横方向の成長中に生じる成長速度の差により発光部におけるＭＱＷ発光層８が凹状に形成される。
【０１０５】
それにより、サファイア基板４１の垂直方向のみならず水平方向にも屈折率差が現れる。その結果、エッチング工程を行うことなく２回の結晶成長で屈折率導波構造を容易に作製することができる。したがって、素子特性のばらつきがなく、かつ再現性の高い屈折率導波型の半導体レーザ素子が実現される。
【０１０６】
なお、本実施例では、本発明を半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本発明は、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適用可能である。
【０１０７】
上記実施例では、サファイア基板４１を用いた半導体レーザ素子について説明したが、サファイア基板４１の代わりにＳｉＣ基板、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板等の他の基板を用いることもできる。
【０１０８】
なお、上記第１、第２の参考例および実施例では、横方向成長技術を行うための絶縁膜としてＳｉＯ2膜４，３０，４５を用いているが、ＳｉＯ2膜の代わりにＡｌ2Ｏ3膜、ＴｉＯ2膜等の他の絶縁膜を用いてもよい。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明によれば、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子を提供し得る。
【０１１０】
また、本発明によれば、エッチングを用いることなく高品質の光導波路の形成が可能な屈折率導波型の窒化物系半導体発光素子を提供し得る。
【０１１１】
また、本発明によれば、エッチングを用いることなく高品質の素子の能動領域を作製可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図３】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図５】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図７】図１〜図６の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ発光層のエネルギーバンド構造図である。
【図８】図１〜図６の半導体レーザ素子におけるサファイア基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す斜視図である。
【図９】本発明の第２の参考例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図１０】本発明の第２の参考例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図１１】ＧａＮ層の表面に形成された逆メサ形状の凹凸パターンを示す模式的断面図である。
【図１２】ＧａＮ層の表面に逆メサ形状の凹凸パターンを形成する方法を示す模式的断面図である。
【図１３】図９および図１０の方法により形成されたＧａＮ層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す模式的断面図である。
【図１４】ＧａＮ系半導体層の形成方法の他の例を示す模式的工程断面図である。
【図１５】ＧａＮ系半導体層の形成方法の他の例を示す模式的工程断面図である。
【図１６】本発明の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１７】本発明の実施例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１８】従来のＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面図である。
【図１９】従来の横方向成長技術を用いたＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図２０】サファイア基板およびその上に形成されたＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。
【図２１】サファイア基板およびその上に形成されたＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，２１，４１  サファイア基板
２，２２，４２  ＡｌＧａＮバッファ層
３，２３，２４，４３  ＧａＮ層
４，１６，３０，４５，５１  ＳｉＯ2膜
５，２５，４４ａ，４４ｂ  ｎ−ＧａＮ層
７  ｎ−ＡｌY Ｇａ1-Y Ｎクラッド層
８，２８，４８  ＭＱＷ発光層
９，１１  ｐ−ＡｌY Ｇａ1-Y Ｎクラッド層
１２，３３，５０  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１４  ｎ−ＧａＡｓ基板
２７，４７  ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
２９，３２，４９  ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
【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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