JP2004262757A - 窒化物半導体、半導体素子およびこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に広い低欠陥領域を有する半導体素子、横方向成長技術を用いた層形成工程において簡便に表面欠陥を低減することができる半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 基板１００の上に種結晶層２０１を成長させた後、この種結晶層２０１上に成長抑止層２１６を形成する。種結晶層２０１の開口より表出する部分が種結晶部２１５となる。種結晶部２１５を基礎としてＧａＮ：Ｓｉを成長させ、第２の種結晶部２１７ａを形成する。成長温度は１０００℃以下とする。次に、第２の種結晶部２１７ａを基礎として高温成長部２１７ｂを成長させる。成長温度は１０５０℃以上であり、主として横方向に結晶成長が進行して連続した１つの層が形成される。第２の種結晶部２１７ａの直上には殆ど転位や結晶欠陥が存在せず、窒化物半導体層２１７は表面の低欠陥領域が広くなる。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、例えば半導体レーザ素子などの製造に用いられる窒化物半導体と、これを用いた半導体素子、およびこれらの製造方法に関する。

近年では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、その様々な特徴によって素子材料として注目されている。特に、この材料系は直接遷移型であると共に禁制帯幅が１．９ｅＶ〜６．２ｅＶにも及ぶことから、この系のみで可視領域から紫外域までの広い範囲で発光させることができ、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子の材料として開発が盛んに進められてきている。更に、禁制帯幅が大きいことに加え、飽和電子速度や絶縁破壊電界が高いことが期待できるために、高温動作、高速スイッチング動作、大電流動作などの点において従来のＳｉ系あるいはＧａＡｓ系材料では原理的に動作不能な領域で動作するデバイスとしての応用も研究されている。

こうしたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のうち、ＧａＮ，ＡｌＧａＮあるいはＧａＩｎＮなどの窒化ガリウム系半導体は、素子への応用が進んでいる材料系であり、そうした半導体素子は、従来より、結晶基板あるいは結晶膜の表面に窒化ガリウム系半導体膜を積層して製造されている。この結晶基板（あるいは結晶膜）は、窒化ガリウム系化合物のバルク結晶であることが望ましいが、この種のバルク結晶は製造が困難であるため、実際にはサファイア（α−Ａｌ₂ Ｏ₃ ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の基板の上に窒化ガリウム系化合物をエピタキシャル成長させる場合が殆どである。

ところが、サファイア等の基板材料と窒化ガリウム系化合物とでは格子不整や熱膨張係数の差が大きく、その歪みを緩和するために窒化ガリウム系化合物の層中に転位などの格子欠陥が発生していた。格子欠陥部分は、電子と正孔が再結合しても発光しない非発光再結合の中心あるいは電流のリーク箇所となり、半導体素子の特性を損なう原因となる。

そこで、窒化ガリウム系化合物から欠陥を取り除くための結晶成長方法が検討されており、成長の基礎となる種結晶に対して横方向、すなわち形成される層面に対して水平方向に成長する結晶には種結晶に由来する転位が少ないことを利用した成長技術が、現在、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系結晶に対して適用され始めている。
特開平１０−３１２９７１号公報

例えば、特許文献１によれば、サファイア基板上にＧａＮ層を形成し、その表面にＳｉＯ₂ （二酸化ケイ素）からなる成長抑止層を形成し、この成長抑止層を介して表出するＧａＮ面を基礎としてＧａＮの結晶を成長させる方法が採られている。この方法によれば、転位の成長が成長抑止層によって阻まれ、結晶を貫通してその表面にまで達する転位（いわゆる貫通転位）の数が減少する。しかしながら、成長抑止層の開口部分では、そこを通過して結晶を貫通する転位が存在し、窒化ガリウム系半導体層の開口部分の上にあたる領域で局所的に転位や欠陥が多くなる。

また、その他のタイプの手法としては、例えば、ＧａＮ層からパターン形成によって多数の種結晶部を形成し、この種結晶部を基礎として横方向に結晶成長を行い、横方向に成長した結晶同士を種結晶部の間で会合させる方法がある。しかしながら、この方法においても、種結晶部の上面には転位が伝播するために、種結晶部の真上にあたる領域は局所的に転位や欠陥が多い領域となる。従って、これらの方法を用いたとしても、基板上の窒化ガリウム系半導体の表面欠陥を十分低減することができないという問題があった。

更に、これらの方法における横方向成長は、完全な選択成長ではなく、横方向に成長すると同時に上方向にも成長してしまう。そのため、充分に横方向に成長させる間にどんどん厚みが増し、形成した窒化ガリウム系半導体層に反りが発生することがあった。そこで、本発明と同一の発明者らは、先に、層厚を薄くするために横方向成長を支配的に進行させるべく、従来よりも高温で窒化ガリウム系半導体を成長させることを試みている。成長温度が高いほど成長方向の指向性は強まり、横方向成長が促進されるが、今度は、層表面にヒロックと呼ばれる欠陥が発生することがあった。ヒロックは、直径７０μｍ〜１００μｍ、高さ０．７μｍ程度のクレータ様の突出物であり、主に種結晶部（もしくは成長抑止層の開口部）の直上に生じる傾向があることが実験により判明している。ヒロックの上に成長させる半導体層には欠陥が生じ、作製した半導体素子の特性を損ねる虞がある。半導体レーザの場合では、ヒロック上にレーザストライプを形成することによって、レーザ静特性の低下や、レーザの寿命が短くなるなど信頼性の低下が問題となる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、表面に広い低欠陥領域を有する窒化物半導体、および、これを用いた半導体素子を提供することにある。

本発明の第２の目的は、横方向成長技術を用いた層形成工程において簡便に表面欠陥を低減することができる窒化物半導体の製造方法、および、これを用いて製造される半導体素子の製造方法を提供することにある。

本発明による窒化物半導体の製造方法および半導体素子の製造方法は、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の工程を備えたものである。
（Ａ）表面に平坦面を有する基板上にＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部を形成した後、前記第１の種結晶部の表面に複数の開口部を有する成長抑止層を形成する工程
（Ｂ）ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を、前記第１の種結晶部を基礎とし前記成長抑止層の開口部を介して、第１の成長条件により所望の厚みになるまで成長させることにより、互いに離間した複数の第２の種結晶部を形成する第１の成長工程
（Ｃ）複数の第２の種結晶部それぞれを基礎として、前記第１の条件とは異なる第２の条件で、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を前記基板の表面に平行な方向の成長が支配的になるように成長させて半導体層を形成すると共に、前記第１の種結晶部から第２の種結晶部に伝播した転位の伝播方向を変化させて前記半導体層の表面における転位密度を低減させる第２の成長工程

本発明による窒化物半導体および半導体素子は、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の要素を備えたものである。
（Ａ）ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部
（Ｂ）第１の種結晶部の表面に形成された複数の開口部を有する成長抑止層
（Ｃ）ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記第１の種結晶部から前記成長抑止層の開口部を介して成長した層厚み方向の断面が三角形状または台形状であり、かつ互いに離間した複数の第２の種結晶部
（Ｄ）ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記複数の第２の種結晶部を基礎として主として前記第２の種結晶部の両側面から成長し、前記複数の第２の種結晶部間を埋め込むと共に、前記第２の種結晶部とほぼ同じ厚みを有する半導体層
（Ｅ）結晶中の転位が第２の種結晶部と半導体層との界面で屈曲していること

本発明による窒化物半導体および半導体素子の製造方法では、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体は、種結晶部を基礎として成長条件のうちの少なくとも１つが２段階以上に変化する条件下で成長し、種結晶部より上方では転位の伝播する方向が変化すると共にヒロックが低減した半導体層が形成される。

本発明による窒化物半導体および半導体素子では、層厚み方向の断面が三角形状または台形状である第２の種結晶部と、第２の種結晶部を基礎として成長した半導体層とを備えるようにしたので、結晶中の転位は第２の種結晶部と半導体層との界面で屈曲し、半導体層の表面まで貫通する転位が少なくなっている。

本発明の窒化物半導体によれば、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部と、第１の種結晶部の表面に形成された複数の開口部を有する成長抑止層と、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記第１の種結晶部から前記成長抑止層の開口部を介して成長した層厚み方向の断面が三角形状または台形状であり、かつ互いに離間した複数の第２の種結晶部と、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、複数の第２の種結晶部を基礎として主として第２の種結晶部の両側面から成長し、複数の第２の種結晶部間を埋め込むと共に、第２の種結晶部とほぼ同じ厚みを有する半導体層とを備え、結晶中の転位が第２の種結晶部と半導体層との界面で屈曲するようにしたので、半導体層の表面の低欠陥領域を拡大すること、および、ヒロックを減少させることが可能となる。従って、この窒化物半導体を用いて形成される半導体素子は、半導体層の内部の欠陥が低減し、信頼性、安定性を向上させることができる。

また、本発明の半導体素子によれば、第１の種結晶部と電流狭窄部との間隔と電流狭窄部と会合部との間隔との和を４μｍ以上とすると共に、電流狭窄部の幅を１μｍ以上３μｍ以下とすることにより、電流狭窄部が低欠陥領域に入り、閾値電圧および閾値電流が小さくなり、キンクレベルが大きくなる。従って、半導体素子の信頼性、安定性を更に向上させることができる。

更に、本発明の半導体素子によれば、第１の種結晶部と電流狭窄部との間隔と電流狭窄部と会合部との間隔との和を５μｍ以上とすると共に、電流狭窄部の幅を１．３μｍ以上２．５μｍ以下とすることにより、電流狭窄部が低欠陥領域に入り、閾値電圧および閾値電流が更に小さくなり、キンクレベルが更に大きくなる。従って、半導体素子の信頼性、安定性を更に向上させることができる。

また、本発明の窒化物半導体の製造方法および半導体素子の製造方法によれば、表面に平坦面を有する基板上にＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部を形成した後、前記第１の種結晶部の表面に複数の開口部を有する成長抑止層を形成する工程と、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を、前記第１の種結晶部を基礎とし前記成長抑止層の開口部を介して、第１の成長条件により所望の厚みになるまで成長させることにより、互いに離間した複数の第２の種結晶部を形成する第１の成長工程と、複数の第２の種結晶部それぞれを基礎として、第１の条件とは異なる第２の条件で、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を前記基板の表面に平行な方向の成長が支配的になるように成長させて半導体層を形成する第２の成長工程とを含むようにしたので、第１の種結晶部近傍と、第２の種結晶部間のそれぞれにおいて異なる条件で結晶が成長し、第１の結晶部から伝播した転位が第２の種結晶部と半導体層との界面で屈曲する。よって、半導体層の表面に広い低欠陥領域を形成すること、および、ヒロックの発生を防止することが可能となり、この窒化物半導体を用いて形成される半導体素子の信頼性、安定性を向上させることができる。また、層の厚みが制御されて半導体層を薄く形成することが可能となり、この窒化物半導体を用いて形成される半導体素子の反りを解消することができる。

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。

［第１の実施の形態］
図１〜図５は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体の製造方法を順に説明するためのものである。本実施の形態では、これらの図をもとに、まず窒化物半導体の製造方法から説明することとする。ここでいう窒化物半導体とは、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ）とを含んだ窒化ガリウム系化合物のことであり、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ（窒化アルミニウム・ガリウム）混晶，あるいはＡｌＧａＩｎＮ（窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム）混晶などが挙げられる。これらは、必要に応じてＳｉ（シリコン），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｏ（酸素），Ｓｅ（セレン）などのＩＶ族およびＶＩ族元素からなるｎ型不純物、または、Ｍｇ（マグネシウム），Ｚｎ（亜鉛），Ｃ（炭素）などのＩＩ族およびＩＶ族元素からなるｐ型不純物を含有している。

まず、図１（Ａ）に示したように、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ （サファイア）からなる基板１００を用意する。基板１００としては、その他にもＳｉ（ケイ素）、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）、ＭｇＡｌ₂ Ｏ₄ （マグネシウム・アルミニウム複合酸化物）、ＬｉＧａＯ₂ （リチウム・ガリウム複合酸化物）およびＧａＮ等を用いることができる。この基板１００の上（例えば（０００１）面）に、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮなどからなるバッファ層１００ａを形成する。次に、バッファ層１００ａの上にＧａＮ：Ｓｉを成長させ、例えば厚さ２μｍの種結晶層１０１を形成し、更にその上に、例えば厚さ０．９μｍのＳｉＯ₂ （二酸化ケイ素）膜１０２、厚さ１．３μｍのフォトレジスト膜１０３を順次形成する。なお、ＳｉＯ₂ 膜１０２は、Ｓｉ_X Ｎ_Y （窒化珪素，ｘ，ｙは任意の値）により形成してもよく、あるいはＳｉＯ₂ およびＳｉ_X Ｎ_Y の積層膜として形成してもよい。

ところで、本実施の形態においては、窒化物半導体の結晶層の成長は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属化学気相蒸着）法を用いて行う。その際には、例えば、Ｇａ（ガリウム）の原料ガスとしては（ＣＨ₃ ）₃ Ｇａ（トリメチルガリウム，ＴＭＧ）、アルミニウムの原料ガスとしては（ＣＨ₃ ）₃ Ａｌ（トリメチルアルミニウム）、インジウムの原料ガスとしては（ＣＨ₃ ）₃ Ｉｎ（トリメチルインジウム）、窒素の原料ガスとしてはアンモニアをそれぞれ用いる。また、Ｓｉ（ケイ素）の原料ガスとしてはモノシランを用い、Ｍｇ（マグネシウム）の原料ガスとしては（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ Ｍｇ（ビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。

次に、フォトレジスト膜１０３をフォトリソグラフィー技術を用いてストライプ状にパターニングする。このパターンは、例えば下記に示した方向に展延する幅２μｍ、周期１３．５μｍ程のサイズに形成される。
＜１−１００＞

次に、図１（Ｂ）に示したように、フォトレジスト膜１０３をマスクとしてＳｉＯ₂ 膜１０２にエッチングを施し、ＳｉＯ₂ 膜１０２を部分的に除去してマスクパターン１０４を形成する。なお、マスクパターン１０４の形成後、フォトレジスト膜１０３は酸素アッシング、アセトンによる処理などにより除去される。

次に、図１（Ｃ）に示したように、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）などのドライエッチングを行い、種結晶層１０１およびバッファ層１００ａのマスクパターン１０４に覆われていない部分を除去することにより、互いに離間したストライプ状の種結晶部１０５が形成される。

続いて、同じくマスクパターン１０４を用いてドライエッチングを行い、基板１００の表面も僅かに、例えば２００ｎｍ程度除去することにより、図１（Ｄ）に示したような溝部１０６を形成する。溝部１０６が形成されていない場合には、後述の種結晶部１０５からの横方向成長時に成長層が基板１００の表面に接触し、応力歪みによる欠陥が層内に発生する虞があるためである。次いで、例えばフッ化水素水を用いて、ＳｉＯ₂ からなるマスクパターン１０４を除去する。

次に、種結晶部１０５を基礎としてＧａＮ：Ｓｉを成長させることにより、窒化物半導体層１０７を形成する。その際には、成長条件を２回以上変えて結晶を成長させるが、本実施の形態では、図２に示したように成長温度を２段階に分けて行う。

まず第１段階では、成長温度を１０４０℃以下、例えば１０３０℃とする。なお、成長温度は、使用するサセプタやヒータ線の種類、熱電対の相対位置によって変化するために一概に規定されるものではなく、本明細書においても測定系の違いによる誤差を許容するものとする。但し、こうした種結晶を基礎として横方向成長を行う際の一般的な成長温度は１０６０℃前後であり、ここではほぼ１０４０℃以下の比較的低温であることが望ましい条件である。このとき、ＧａＮ：Ｓｉの結晶は、種結晶部１０５の上面および側面から上方向および横方向に対して比較的低速で等方的に成長する。なお、本明細書における横方向とは、窒化物半導体層１０７自身の層面にほぼ平行な方向を指している。

これにより、図３（Ａ）に示したように、層厚み方向の断面形状が台形型の低温成長部１０７ａが形成される。低温成長部１０７ａの種結晶部１０５からの高さＨおよび幅Ｗは特に制限されないが、後述するように高さＨは窒化物半導体層１０７の表面欠陥密度に関係しており、例えば０．５μｍ以上の所定値に高さＨが達するまで成長させることが好ましい。成長温度１０３０℃の場合には、成長速度の（上方向：横方向）のレート比がほぼ１：２となり、例えば１０分後には低温成長部１０７ａの断面は高さＨが０．５μｍ，幅Ｗが１．０μｍの台形型となる。なお、その斜辺は、横方向成長の成長面にあたり、この面が下記に示した結晶面からなるファセット(facet) となっている。
｛１１−２２｝

続く第２段階では、成長温度を１０７０℃以上、かつ、第１段階の成長温度よりも高温に設定する。ここでは、例えば１０７０℃に昇温して結晶成長を行う。ＧａＮ：Ｓｉ結晶の成長は全般に第１段階よりも速い速度で進行するが、種結晶部１０５の上方向よりも横方向の方が成長速度が速いため主に横方向に成長する。ここでは、成長速度の（上方向：横方向）のレート比がほぼ１：１０である。これによって、高温成長部１０７ｂが形成される。従って、図３（Ｂ）に示したように、高温成長部１０７ｂでは、高さＨは第１段階から特に増加せず、幅Ｗが急速に増大する。更に成長を続けると、種結晶部１０５の間に対応する領域のほぼ中央で高温成長部１０７ｂ同士が会合し、連続した１つの層が形成される。表面が平坦となるまで結晶を成長させれば、図４に示した窒化物半導体層１０７が完成する。

図５（Ａ）は、窒化物半導体層１０７に結晶部１０５から転位が伝播する様子を表している。本実施の形態の窒化物半導体層１０７においては、種結晶部１０５の直上の領域Ａは主に低温成長部１０７ａからなり、ここでは図示しないが、その表面にヒロックはほとんど発生しない。また、この領域における貫通転位は、種結晶部１０５の上面を拡大するようにして成長した窒化物半導体層１０７の上面に分散する結果、その密度は低減する。一方、低温成長部１０７ａの形成の際に横方向成長のファセットに到達した貫通転位は、結晶の成長に従ってそのまま横方向に曲げられる。従って、領域Ａに種結晶部１０５から伝播する転位は極めて少ないものとなる。

種結晶部１０５の間に成長する横方向成長領域Ｂは、主に高温成長部１０７ｂからなる。領域Ｂでは、会合による貫通転位が会合部Ｍ１に発生するものの、種結晶部１０５からの転位は横方向に伝播しにくく、転位密度は非常に低くなる。よって、窒化物半導体層１０７は、その表面に会合部Ｍ１を除けば欠陥が多い部分がほとんど生じないので、表面の低欠陥領域が広くなる。なお、高温成長部１０７ｂは速やかに成長するため、領域Ｂの間隔を例えば１６μｍ程度まで拡げ、低欠陥領域を拡大することが可能である。比較のため、従来のように成長温度を一定として種結晶部４０５より横方向成長させた結晶層４０７を図５（Ｂ）に示す。横方向成長領域Ｄの転位密度は、図５（Ａ）の横方向成長領域Ｂと同程度である。しかし、種結晶部４０５の真上の領域Ｃは、種結晶部４０５から貫通転位が伝播して種結晶部４０５と同程度に転位密度が高い領域となる。

また、この場合の窒化物半導体層１０７は、第２段階の成長ではほとんど上方に成長しないために、高さＨがおよそ３μｍと薄いものとなる。これに対して、結晶層４０７は上と横の両方向に一貫して同じ比率で成長させるために、窒化物半導体層１０７よりも層厚が大きくなる。これが結晶層４０７の反りの原因であり、言い換えると、窒化物半導体層１０７の場合には層厚が薄いために反りが防止される。

次に、このような窒化物半導体層１０７の具体例を、実施例によって示す。

上記実施の形態と同様にして種結晶部１０５を形成し、図２のヒートカーブに従って成長温度を調節しながらＧａＮを成長させて窒化物半導体層１０７を形成した。その際に、第１段階の温度を１０３０℃〜１０７０℃の範囲で変化させ、第２段階の温度は１０７０℃一定とし、形成された窒化物半導体層１０７のヒロック密度を見積もった。

図６に第１段階の成長温度に対するヒロック密度を示す。このように、ヒロックの発生状況は第１段階の成長温度に相関があり、ヒロックが殆ど発生しない低温領域（ヒロック密度の相対比が０）と、ヒロックが多く発生した高温領域（ヒロック密度の相対比が１）が存在する。２つの状態間はドラスティックな変移ではなく、ヒロック密度が図のような変化をする領域によって緩やかに遷移しており、本実施例の場合には、その遷移領域の中心はおよそ１０４０℃であった。従って、第１段階の成長温度は１０４０℃以下が好ましいことがわかる。

更に、上記実施の形態と同様に、図２に示したヒートカーブに従って第１段階を１０３０℃、第２段階を１０７０℃に設定し、ＧａＮからなる窒化物半導体層１０７を形成した。その際に、第１段階の成長時間（図２の期間ｔ）を０，３，５，１０，２０（単位；分）に変化させ、それぞれの場合に形成された窒化物半導体層１０７の表面観察を行ない、そのヒロック密度を見積もった。

図７に、第１段階の成長時間に対するヒロックの相対密度値の関係を示す。この温度条件では、第１段階における所要時間については１０分が臨界値となっており、このときに時間に比例して減少するヒロック相対密度が０となる。これ以上時間を費やして低温成長部１０７ａを成長させても、ヒロック相対密度は依然として０である。なお、第１段階で１０分間成長させた低温成長部１０７ａの形状は、図３（Ａ）における高さＨが０．５μｍ、幅Ｗが１．０μｍである。従って、上記の条件下では、高さＨが少なくとも０．５μｍ以上の低温成長部１０７ａを形成することが窒化物半導体層１０７にヒロックを発生させない条件と考えられる。

図８は、このようにして２段階成長させた窒化物半導体層１０７の表面写真であり、図９は、比較例として従来の方法で形成した窒化物半導体層の表面写真である。図９では夥しいヒロックが発生していることがわかるが、これに対して、図８にはヒロックは見られなかった。なお、図８の窒化物半導体層１０７では、表面に転位が見られない無転位領域は種結晶部１０５の上部にまで拡がり（図５（Ａ）参照）、その幅が１３．５μｍもあった。これに対し、図９の窒化物半導体層では、無転位領域は種結晶部の間に部分的に存在しており、その幅は９μｍであった。

従って、本実施例より、窒化物半導体層１０７はその表面の低欠陥領域が従来に比べ広いものであること、および、均質で平坦な表面となることがわかる。また、第１段階の成長温度が１０４０℃以下とすると、そのような窒化物半導体層１０７を効果的に得ることができることがわかる。

このように本実施の形態では、窒化物半導体層１０７の成長過程を成長温度によって２段階に分け、低温で成長させる第１段階において種結晶部１０５の上方の領域をほとんど形成するようにしたので、その表面におけるヒロックの発生を防止することができると共に、層の厚みがこれ以上増加しないために薄く形成することができる。また、第１段階で形成される低温成長部１０７ａが層厚み方向の断面形状が台形型であるようにしたので、種結晶部１０５の上方の欠陥密度を低減することができる。その後に、第２段階において第１段階よりも高温で横方向成長を選択的に行うようにしたので、成長温度が高くとも欠陥が発生する虞がなく、またより速く高温成長部１０７ｂを形成することができる。

また、本実施の形態では、成長温度を変化させることによって２段階に成長方向を変化させるようにしたので、種結晶部１０５近傍と種結晶部１０５間のそれぞれの領域において適切な条件で結晶が成長する。よって、窒化物半導体層１０７の表面には、会合部Ｍ１を除けばほとんど欠陥が存在せず、広い低欠陥領域を形成することができる。同時に、窒化物半導体層１０７を低欠陥でありながら薄く形成することができ、反りの発生を防止することができる。

従って、このようにして製造される窒化物半導体層１０７は、ヒロックがほとんどない表面に広い低欠陥領域を有しており、厚みが薄いという特徴を併せ持つことができる。

〔変形例〕
この変形例は、第１の実施の形態において種結晶部１０５の形状とその形成工程が異なったものであり、窒化物半導体層１１７が形成される。以下、その製造方法を具体的に説明する。

図１０（Ａ）〜（Ｄ）はこの場合の窒化物半導体層１１７の製造方法を工程順に表している。まず、図１０（Ａ）に示したように、上記第１の実施の形態と同様にして基板１００の上に例えばＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮなどからなるバッファ層１００ａ，ＧａＮ：Ｓｉからなる種結晶層１０１を順に成長させる。

次に、図１０（Ｂ）に示したように、ＳｉＯ₂ （酸化ケイ素）からなる成長抑止層１１６を種結晶層１０１の表面に成長させる。この成長抑止層１１６は、例えばスパッタ法により成膜され、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチングにより開口を有する所望の形状、例えば所定の幅と周期を持つストライプ状に形成される。このとき、種結晶層１０１の開口より表出する部分が、種結晶部１１５となる。

次に、種結晶部１１５を基礎としてＧａＮ：Ｓｉを成長させて窒化物半導体層１１７を形成する。この場合も、成長条件を２回以上変えて結晶を成長させるが、ここでは上記実施の形態と同様に成長温度を２段階に分けて行う。

まず第１段階では、成長温度を１０４０℃以下、例えば１０３０℃とする。このとき、ＧａＮ：Ｓｉの結晶は、種結晶部１１５の上面および側面から上方向および横方向に対して比較的低速で等方的に成長し、図１０（Ｃ）に示したように層厚み方向の断面形状が台形型である低温成長部１１７ａが形成される。低温成長部１１７ａの種結晶部１１５からの高さＨおよび幅Ｗは特に制限されないが、高さＨは窒化物半導体層１１７の表面欠陥密度に関係しており、例えば０．５μｍ以上の所定値に高さＨが達するまで成長させることが好ましい。なお、その斜辺は横方向成長の成長面にあたり、この面が｛１１−２２｝結晶面からなるファセットとなっている。

第２段階では、成長温度を１０７０℃以上、かつ、第１段階の成長温度よりも高温に設定する。ここでは、例えば１０７０℃に昇温して結晶成長を行い、高温成長部１１７ｂを形成する。これにより、ＧａＮ：Ｓｉ結晶の成長は全般に第１段階よりも速い速度で進行するが、種結晶部１１５の上方向よりも横方向の方が成長速度が速いため主に横方向に成長する。従って、高温成長部１１７ｂでは、高さＨは第１段階から特に増加せず、幅Ｗが急速に増大する。更に成長を続けると、種結晶部１１５の間に対応する領域のほぼ中央で結晶同士が会合し、連続した１つの層が形成される。表面が平坦となるまで結晶を成長させれば、図１０（Ｄ）に示したような窒化物半導体層１１７が完成する。

このときの窒化物半導体層１１７の内部における転位の伝播状態は、第１の実施の形態における窒化物半導体層１０７と同様のものとなる。よって、横方向成長によって形成される領域のみならず、種結晶部１１５の上部領域の転位も極めて少なくなり、窒化物半導体層１１７の表面の低欠陥領域が広がる。また、種結晶部１１５の上部領域は主に低温成長部１１７ａからなるために、窒化物半導体層１１７の表面にヒロックはほとんど発生しない。なお、この変形例においても成長温度を段階的に変化させて窒化物半導体層１１７を形成するようにしたが、例えば成長圧力などの他の成長条件を段階的に変えるようにしてもよい。

このように、本変形例においても窒化物半導体層１１７の成長過程を成長温度によって２段階に分けるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第２の実施の形態］
図１１は第２の実施の形態に係る窒化物半導体の製造工程を順に表しており、図１２は製造工程に対応する結晶の成長過程において転位が伝播する様子を表している。本実施の形態では種結晶部１０５から窒化物半導体層２０７を形成するが、その際、結晶成長をその成長温度によって２つの段階に分けて行う。なお、種結晶部１０５の形成までの工程は第１の実施の形態と同様なので（図１（Ａ）〜（Ｄ）参照）、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

予め、第１の実施の形態と同様にして、基板１００およびバッファ層１００ａの上に種結晶部１０５を形成する。種結晶部１０５は、例えば、互いに離間したストライプ形状であり、その展延方向を＜１１−００＞方向とする。まず、図１１（Ａ）に示したように、この種結晶部１０５を基礎としてＧａＮ：Ｓｉを成長させ、第２の種結晶部２０７ａを形成する。このときの成長温度は１０００℃以下、例えば９７０℃とする。これにより、｛１１−２２｝面からなるファセットが現れ、第２の種結晶部２０７ａは、ファセットに囲まれて層厚み方向の断面形状が三角形となる。なお、図１２（Ａ）に示したように、第２の種結晶部２０７ａには種結晶部１０５からの貫通転位がその上部に垂直に伸びている。

次に、図１１（Ｂ），（Ｃ）に示したように、第２の種結晶部２０７ａを基礎として高温成長部２０７ｂを成長させる。このときの成長温度は１０５０℃以上であり、層面に垂直な縦方向と共に横方向にも結晶成長が進行する。その成長過程においては、図１１（Ｂ）のように、横方向に対し下記に示した結晶面からなるファセットが出現し、高温成長部２０７ｂの断面は四角形となる。
｛１１−２０｝

また、結晶内部では、図１２（Ｂ）に示したように、転位が｛１１−２２｝ファセットにおいて屈曲され、第２の種結晶部２０７ａの直上にくる２つの｛１１−２２｝ファセットの交線を境に両脇に分かれてゆくように高温成長部２０７ｂに伝播する。これにより、第２の種結晶部２０７ａの直上には殆ど転位や結晶欠陥が存在しなくなる。

更に成長させると、高温成長部２０７ｂは、種結晶部１０５の間に対応する領域のほぼ中央で主に横方向成長した領域同士によって会合し、連続した１つの層が形成される。表面が平坦となるまで結晶を成長させれば、図１１（Ｃ）に示したような窒化物半導体層２０７が完成する。このとき、図１２（Ｃ）に示したように、先に高温成長部２０７ｂに伝播した転位は、結晶の成長と共に横方向に屈曲されてゆき、会合部Ｍ３以外の領域では殆ど表面まで到達しない。これにより、窒化物半導体層２０７は表面の低欠陥領域が広くなる。

このようにして製造される窒化物半導体層２０７には、三角形の断面形状を有する種結晶部２０７が種結晶部１０５を覆うように設けられている。その層内の転位は第２の種結晶部２０７ａと高温成長部２０７ｂとの境界で屈曲し、窒化物半導体層２０７は表出する転位が少ないものとなる。

なお、本実施の形態でも成長温度を段階的に変化させるようにしたが、成長圧力を変えることによっても窒化物半導体層２０７と同様な窒化物半導体層を得ることができる。具体的には、第２の種結晶部２０７ａの形成工程では、成長圧力を例えば６７ｋＰａ（５００ｔｏｒｒ）以上の高圧とし、以後の高温成長部２０７ｂの成長工程では、成長圧力を例えば４０ｋＰａ（３００ｔｏｒｒ）以下の低圧とすると、上述した温度変化と同様の効果が得られるので好ましい。なお、温度と圧力の双方を同時に変化させてもよいし、これらと同様の作用を結晶成長に及ぼすその他の成長条件（雰囲気ガス種など）について同様に取り扱うようにすることもまた可能である。

本実施の形態では、窒化物半導体層２０７の成長過程を成長温度によって２段階に分け、低温（または高圧）の条件下で成長させる第１段階において、第２の種結晶部２０７ａを層厚み方向の断面が三角形となる形状に形成するようにしたので、その上の領域では、第２段階の成長において第２の種結晶部２０７ａから転位が伝播せず、窒化物半導体層２０７の表面に広い低欠陥領域を容易に形成することができる。

また、窒化物半導体層２０７は、層厚み方向の断面が三角形状である第２の種結晶部２０７ａを成長の基礎とするようにしたので、会合部Ｍ３を除けば転位はその表面には殆ど伝播せず、広い低欠陥領域を有することができる。

〔変形例〕
この変形例は、第２の実施の形態において種結晶部１０５の形状とその形成工程が異なったものであり、窒化物半導体層２１７が形成される。以下、その製造方法を具体的に説明する。

図１３（Ａ）〜（Ｄ）はこの場合の窒化物半導体２１７の製造方法を工程順に表している。まず、図１３（Ａ）に示したように、上記第２の実施の形態と同様にして基板１００の上に例えばＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮなどからなるバッファ層１００ａ，ＧａＮ：Ｓｉからなる種結晶層２０１を順に成長させる。

次に、図１３（Ｂ）に示したように、ＳｉＯ₂ （酸化ケイ素）からなる成長抑止層２１６を種結晶層２０１の表面に形成する。この成長抑止層２１６は、例えばスパッタ法により成膜され、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチングにより開口を有する所望の形状、例えば所定の幅と周期を持つストライプ状に形成される。このとき、種結晶層２０１の開口より表出する部分が種結晶部２１５となる。種結晶部２１５は、例えば、互いに離間したストライプ形状であり、その展延方向を＜１１−００＞方向とする。

次に、図１３（Ｃ）に示したように、種結晶部２１５を基礎としてＧａＮ：Ｓｉを成長させ、第２の種結晶部２１７ａを形成する。このときの成長温度は１０００℃以下、例えば９７０℃とする。これにより、｛１１−２０｝面からなるファセットが現れ、第２の種結晶部２１７ａは、ファセットに囲まれて層厚み方向の断面が三角形となるように形成される。このとき、第２の種結晶部２１７ａには種結晶部２１５からの貫通転位がその上部に垂直に伸びている。

次に、第２の種結晶部２１７ａを基礎として高温成長部２１７ｂを成長させる。このときの成長温度は１０５０℃以上であり、層面に垂直な縦方向と共に横方向にも結晶成長が進行する。更に成長させると、高温成長部２１７ｂは、種結晶部２１５の間に対応する領域のほぼ中央で主に横方向成長した領域同士によって会合し、連続した１つの層が形成される。表面が平坦となるまで結晶を成長させれば、図１３（Ｄ）に示したような窒化物半導体層２１７が完成する。その成長過程における転位の伝播状態は、第２の実施の形態における窒化物半導体層２０７と同様のものとなる。これにより、第２の種結晶部２１７ａの直上には殆ど転位や結晶欠陥が存在せず、窒化物半導体層２１７は表面の低欠陥領域が広くなる。

なお、この変形例においても成長温度を段階的に変化させて窒化物半導体層２１７を形成するようにしたが、上記第２の実施の形態で説明したように、例えば成長圧力などの他の成長条件を段階的に変えるようにしてもよい。

このように、本変形例においても窒化物半導体層２１７の成長過程を成長温度によって２段階に分けるようにしたので、上記第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

以上のようにして窒化物半導体層２０７〜２１７を成長させた後、その上に半導体層を成長させて半導体素子を製造することができる。そのような半導体素子の一例として、次に、半導体レーザとその製造方法について説明する。

［第３の実施の形態］
図１４は第３の実施の形態に係る半導体レーザの断面構成を表している。この半導体レーザでは、第１の実施の形態に係る窒化物半導体層１０７の上に半導体層３００（３０８〜３１５）が形成されている。

半導体層３００は、窒化物半導体からなり、例えば窒化物半導体層１０７の側から順にｎ側コンタクト層３０８，ｎ型クラッド層３０９，ｎ型ガイド層３１０，活性層３１１，結晶劣化防止層３１２、ｐ型ガイド層３１３，ｐ型クラッド層３１４およびｐ側コンタクト層３１５が積層されて構成される。そのうち、ｎ側コンタクト層３０８は、例えば、厚さ１．５μｍであり、ＧａＮ：Ｓｉにより構成され、ｎ型クラッド層３０９は、例えば、厚さ１．０μｍのｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎにより構成され、ｎ型ガイド層３１０は、例えば、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮから構成されている。ところで、レーザのｎ側コンタクト層は通常、層内に流れる電流の向きから充分な厚みを必要とする。本実施の形態では、ｎ側コンタクト層３０８のみならず同じｎ型ＧａＮである窒化物半導体層１０７もまた実質的なｎ側コンタクト層として機能するようになっている。

活性層３１１は、例えば、厚さが３０ｎｍであり、Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ／Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ多層膜からなる多重量子井戸構造となっている。この活性層３１１は、電流が注入される電流注入領域を有しており、電流注入領域は発光領域として機能する。

結晶劣化防止層３１２は、例えば、厚さが５ｎｍ〜２０ｎｍであり、ｎ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎから構成されている。ｐ型ガイド層３１３は、例えば、厚さ０．１μｍであり、ｐ型ＧａＮから構成されている。ｐ型クラッド層３１４は、例えば、厚さ０．８μｍであり、ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮから構成されている。ｐ側コンタクト層３１５は、例えば、厚さ０．５μｍであり、ｐ型ＧａＮから構成されている。

これらｐ側コンタクト層３１５からｎ側コンタクト層３０８の一部までは、帯状（図１４においては紙面に対し垂直方向に延長されている）の凸部として成形され所定の領域に設けられている。これが所謂レーザストライプである。ｎ側コンタクト層３０８が表出した領域は、後述するｎ側電極３１８を設けるための領域となっている。

また、ここでは、ｐ側コンタクト層３１５、およびｐ型クラッド層３１４の一部は、レーザストライプと同じ方向に展延する細い帯状の凸部に加工され、電流狭窄部を構成している。この電流狭窄部は、活性層３１１において局所的に電流が注入されるように、電流注入領域を制限するためのものである。よって、電流注入領域は電流狭窄部と対応した位置に設けられることとなる。そこで、素子特性の劣化を防止させるため、電流注入領域の基となる電流狭窄部を半導体層の低欠陥領域に設けることが好ましい。この場合、低欠陥領域は会合部Ｍ１の間の領域となるが、種結晶部１０５の上部に欠陥が発生することがあれば、そのときには低欠陥領域を種結晶部１０５と会合部Ｍ１との間の領域とすればよい。

半導体層３００の上には、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）よりなる絶縁層３１７が設けられている。この絶縁層３１７には、電流狭窄部に対応する部分およびｎ側コンタクト層３０８に対応する部分の一部において開口が設けられており、これらの上に、それぞれｐ側電極３１６，ｎ側電極３１８が形成されている。ｐ側電極３１６は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、ＰｔおよびＡｕが順次積層された構造をしており、ｐ側コンタクト層３１５と導通している。ｎ側電極３１８は、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）およびＡｕ（金）が順次積層された構造をしており、ｎ側コンタクト層３０８と導通している。

また、このレーザでは、レーザストライプの延長方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、共振器端面には図示しない一対の反射鏡膜が付設されている。これらの反射鏡膜は、反射率が異なるように設計されている。これにより、活性層３１１において発生した光は反射鏡間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からレーザビームとして出射するようになっている。

この半導体レーザは、例えば次のようにして製造することができる。

まず、第１の実施の形態の方法により形成された窒化物半導体層１０７の平坦な表面に、例えばＭＯＣＶＤ法などを用いて半導体層３００（３０８〜３１５）を成長させる。すなわち、ＧａＮ：Ｓｉからなる厚さ１．５μｍのｎ側コンタクト層３０８、ｎ型Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎからなる厚さ１．０μｍのｎ型クラッド層３０９、続いて、ｎ型ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのガイド層３１０を成長させる。その上に、Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ／Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎ多層膜により多重量子井戸構造の活性層３１１を形成する。更にその上に、ｎ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎからなる結晶劣化防止層３１２、ｐ型ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのガイド層３１３、ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮからなる厚さ０．５μｍのｐ型クラッド層３１４、ｐ型ＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ側コンタクト層３１５を成長させる。ここでは、半導体層３００は、ヒロックなどの欠陥や転位が少ない窒化物半導体層１０７の平坦面上に成長するために、各層における結晶基板由来の転位や欠陥が低減する。また、窒化物半導体層１０７は薄いために、その内部応力が増大し難く、反りの発生が抑制される。

次に、ｐ側コンタクト層３１５およびｐ型クラッド層３１４を例えばドライエッチング法により細い帯状にパターンニングし、電流狭窄部を形成する。前述したように、電流狭窄部は、特に会合部Ｍ１（図５（Ａ））の間の低欠陥領域に対応するように、その上部に形成されることが好ましい。電流狭窄部の位置に応じて決まる発光領域の位置を活性層３１１の低欠陥部分に合わせることによって、素子特性の劣化を防止することができるからである。更に、発光領域をより確実に低転位密度の領域に設けるためには、この電流狭窄部が種結晶部１０５と会合部Ｍ１との間の領域に対応して形成されることが好ましい。半導体層３００では、欠陥は会合部Ｍ１付近に集中して発生しており、会合部Ｍ１間は実質的に広い低欠陥領域となっている。従って、会合部Ｍ１からのマージンを大きくとる必要がなく、比較的容易に電流狭窄部の位置合わせを行なうことができる。もしくは、電流注入領域の形成位置を強く制限する必要がないので、精度からくる作製プロセス上の困難を回避することができる。

続いて、ｐ型クラッド層３１４〜ｎ側コンタクト層３０８の所定部分をフォトリソグラフィ法などにより除去してｎ側コンタクト層３０８を表出させ、ｎ側電極３１８の形成領域を設ける。続いて、ｎ側コンタクト層３０８からｐ側コンタクト層３１５までの表出部分全体を絶縁膜３１７で覆うと共に、ｎ側コンタクト層３０８上にｎ側電極３１８を形成し、ｐ側コンタクト層３１５上にｐ側電極３１６を形成する。ここで、ｎ側電極３１８は、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｐｔ（白金）およびＡｕ（金）を順次蒸着して形成する。また、ｐ側電極３１６は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、ＰｔおよびＡｕを順次蒸着して形成する。このようにして、図１４に示した半導体レーザが得られる。

この半導体レーザでは、ｐ側電極３１６とｎ側電極３１８との間に所定の電圧が印加されると、活性層３１１に電流が注入され、電子−正孔再結合によって発光が起きる。この光は、図示しない反射鏡膜によって反射されてレーザ発振し、ビームとなって外部に射出される。ここでは、半導体層３００が窒化物半導体層１０７の上に成長したものであるので、半導体層３００の欠陥密度は低くなっている。特に、会合部Ｍ１間に活性層３１１の電流注入領域が設けられれば、電流注入領域の欠陥密度は低くなる。よって、素子の劣化が起こりにくく、寿命が長くなる。

このように本実施の形態によれば、表面に広い低欠陥領域を有する窒化物半導体層１０７の上に半導体層３００を成長させるようにしたので、半導体層３００の欠陥を低減し、その結晶性を向上させることができる。よって、電圧の印加による劣化が起こりにくく、半導体レーザの寿命を延長させることができる。また、貫通転位などに起因する非発光再結合の確率を低くすることができ、発光効率を向上させることができる。

また、会合部Ｍ１間に活性層３１１の電流注入領域を設けるようにすれば、発光効率をより向上させることができる。更に、会合部Ｍ１間は、通常の電流注入領域の幅に比べて充分に大きいため、電流注入領域の設計マージンを拡げることができ、このような半導体レーザを容易に製造することが可能となる。

更に、半導体層３００を薄く形成された窒化物半導体層１０７の上に成長させるようにしたので、窒化物半導体層１０７に生ずる応力が軽減し、素子の反りを防止することができる。

［第４の実施の形態］
図１５は第４の実施の形態に係る半導体レーザの断面構成を表している。この半導体レーザは、種結晶部１０５, １０５間で電流狭窄部３１４Ａが設けられる位置が更に特定されることを除き、第３の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは同一構成要素には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる部分を詳述する。

電流狭窄部３１４Ａは、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ との和が４μｍ以上で、かつ、電流狭窄部３１４Ａの幅Ｌ₂ が１μｍ以上３μｍ以下である、という条件を満たすように設けられる。あるいは、電流狭窄部３１４Ａは、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ との和が５μｍ以上で、かつ、電流狭窄部３１４Ａの幅Ｌ₂ が１．３μｍ以上２．５μｍ以下である、という条件を満たすように設けられる。ここで、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ とが等しくなっている。また、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ とが略等しくなっていてもよい。なぜならば、電流狭窄部３１４Ａが半導体層の低欠陥領域に対応するように設けられればよいので、間隔Ｌ₁ と間隔Ｌ₃ とが完全に一致しなくてもよいからである。

このような構成を有する半導体レーザは、次のようにして製造することができる。

まず、第３の実施の形態と同様に、第１の実施の形態の方法により形成された窒化物半導体層１０７の平坦な表面に、例えばＭＯＣＶＤ法などを用いて半導体層３００（３０８〜３１５）を成長させる。

次に、ｐ側コンタクト層３１５およびｐ型クラッド層３１４を例えばドライエッチング法により細い帯状にパターンニングし、電流狭窄部３１４Ａを形成する。このとき、発光領域をより確実に低転位密度の領域に設けるためには、この電流狭窄部３１４Ａが種結晶部１０５と会合部Ｍ１との間の領域に対応して形成されることが好ましい。

具体的には、種結晶部１０５と会合部Ｍ１との間の領域で、上方に電流狭窄部３１４Ａが設けられる部分以外、すなわち、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間の領域の間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間の領域の間隔Ｌ₃ との和（Ｌ₁ ＋Ｌ₃ ）を４μｍ以上とする（Ｌ₂ ≦Ｌ／２―４）。なぜならば、間隔Ｌ₁ と間隔Ｌ₃ との和を４μｍより小さくすると、電流狭窄部３１４Ａが欠陥領域に入る危険性が高くなるからである。なお、種結晶部１０５, １０５の間の間隔をＬ（μｍ）とする。

また、電流狭窄部３１４Ａの幅Ｌ₂ を１μｍ以上３μｍ以下とする（１≦Ｌ₂ ≦３）。なぜならば、電流狭窄部３１４Ａの幅Ｌ₂ について、１μｍより小さくすると、電流狭窄部３１４Ａは欠陥領域に入らないものの、半導体レーザの閾値電圧Ｖ_OPが上昇してしまうからである。一方、幅Ｌ₂ を３μｍより大きくすると閾値電圧Ｖ_OPは低下するものの、閾値電流Ｉ_OPが上昇し、キンクレベルが低下し、しかも、電球狭窄部３１４Ａが欠陥領域に入る危険性が高くなってしまうからである。なお、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ とを等しくする。また、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ と電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ とを略等しくしてもよい。なぜならば、電流狭窄部３１４Ａを半導体層の低欠陥領域に対応するように設けるようにすればよいので、間隔Ｌ₁ と間隔Ｌ₃ とを完全に等しくしなくてもよいからである。

ここでは、会合部Ｍ１に対して、紙面に向かって左側の種結晶部１０５と会合部Ｍ１との間の領域に対応して電流狭窄部３１４Ａを設けるようにしたが、会合部Ｍ１を中心とした低欠陥領域の対称性から、右側の種結晶部１０５と会合部Ｍ１との間の領域に電流狭窄部３１４Ａを設けるようにしてもよいのはいうまでもない。

以上から、図１６（Ａ）に示したように、半導体層の低欠陥領域内で、種結晶部１０５，１０５の間隔Ｌ、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ 、電流狭窄部３１４Ａの幅Ｌ₂ 、および電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ の関係が、Ｌ₂ ≦Ｌ／２―４、および、１≦Ｌ₂ ≦３を満たすように、電流狭窄部３１４Ａを設けると、電流狭窄部３１４Ａが低欠陥領域に入り、キンクレベルが大きくなると共に、閾値電圧Ｖ_OPおよび閾値電流Ｉ_OPが小さくなる。

ここで、図１７（Ａ）に示したように、Ｌ＝１３の場合、Ｌ₂ ≦２．５および１≦Ｌ₂ ≦３を満たす、すなわち１≦Ｌ₂ ≦２．５を満たすようにすると、電流狭窄部３１４Ａが低欠陥領域に入ることが確認された。また、図１７（Ｂ）に示したように、Ｌ＝１８の場合、Ｌ₂ ≦５および１≦Ｌ₂ ≦３を満たす、すなわち１≦Ｌ₂ ≦３を満たすようにすると、電流狭窄部３１４Ａが低欠陥領域に入ることが確認された。

また、半導体層の低欠陥領域内で、種結晶部１０５，１０５の間隔Ｌ、種結晶部１０５と電流狭窄部３１４Ａとの間隔Ｌ₁ 、電流狭窄部３１４Ａの幅Ｌ₂ 、および電流狭窄部３１４Ａと会合部Ｍ１との間隔Ｌ₃ の関係が、図１６（Ｂ）に示したように、Ｌ₂ ≦Ｌ／２―５、および、１．３≦Ｌ₂ ≦２．５を満たすように電流狭窄部３１４Ａを設けるとより好適である。というのは、これらの関係式を満たすようにすると、電流狭窄部３１４Ａがより低欠陥領域に入る可能性が更に高くなるからである。

ここで、図１８（Ａ）に示したように、Ｌ＝１３の場合、Ｌ₂ ≦１．５および１．３≦Ｌ₂ ≦３を満たす、すなわち１．３≦Ｌ₂ ≦１．５を満たすようにすると、電流狭窄部３１４Ａがより低欠陥領域に入ることが確認された。また、図１８（Ｂ）に示したように、Ｌ＝１８の場合、Ｌ₂ ≦４および１. ３≦Ｌ₂ ≦２．５を満たす、すなわち１．３≦Ｌ₂ ≦２．５を満たすようにすると、電流狭窄部３１４Ａがより低欠陥領域に入ることが確認された。

続いて、ｐ型クラッド層３１４〜ｎ側コンタクト層３０８の所定部分をフォトリソグラフィ法などにより除去してｎ側コンタクト層３０８を表出させ、ｎ側電極３１８の形成領域を設ける。続いて、ｎ側コンタクト層３０８からｐ側コンタクト層３１５までの表出部分全体を絶縁膜３１７で覆うと共に、ｎ側コンタクト層３０８上にｎ側電極３１８を形成し、ｐ側コンタクト層３１５上にｐ側電極３１６を形成する。このようにして、図１５に示した半導体レーザが得られる。

このように本実施の形態によれば、Ｌ₂ ≦Ｌ／２―４、および、１≦Ｌ₂ ≦３を満たすように、電流狭窄部３１４Ａを設けるようにしたので、電流狭窄部３１４Ａが低欠陥領域に入り、閾値電圧Ｖ_OPおよび閾値電流Ｉ_OPが小さくなり、キンクレベルが大きくなる。

更に、Ｌ₂ ≦Ｌ／２―５、および、１．３≦Ｌ₂ ≦２．５を満たすように、電流狭窄部３１４Ａを設けるようにしたので、電流狭窄部３１４Ａがより低欠陥領域に入り、閾値電圧Ｖ_OPおよび閾値電流Ｉ_OPが更に小さくなり、キンクレベルが更に大きくなる。

以上実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、第３の実施の形態では、第１の実施の形態の方法で形成した窒化物半導体層１０７を用いて半導体レーザを製造するようにしたが、本発明のその他の窒化物半導体を用いてもよく、その場合にも第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。例えば、図１９は、第１の実施の形態の変形例に従って窒化物半導体層１１７を形成し、その上に半導体層３００を形成して製造した半導体レーザの断面構成を表したものである。この場合も、電流狭窄部が、会合部Ｍ１間に対応するように設けられている。また、第２の実施の形態およびその変形例における窒化物半導体層２０７，２１７を用いるようにすれば、種結晶部の上の領域の欠陥をより効果的に減少させることができ、半導体層３００の結晶性が向上すると共に電流狭窄部を設ける領域のマージンをより大きく取ることが可能となる。

また、例えば、第４の実施の形態では、第１の実施の形態の方法で形成した窒化物半導体層１０７を用いて半導体レーザを製造するようにしたが、本発明のその他の窒化物半導体を用いてもよく、その場合にも第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。例えば、図２０は、第１の実施の形態の変形例に従って窒化物半導体層１１７を形成し、その上に半導体層３００を形成して製造した半導体レーザの断面構成を表したものである。この場合も、Ｌ₂ ≦Ｌ／２―４および１≦Ｌ₂ ≦３を満たすように電流狭窄部３１４Ａを設けるようにすると、電流狭窄部３１４Ａが低欠陥領域に入り、閾値電圧Ｖ_OPおよび閾値電流Ｉ_OPが小さくなり、キンクレベルが大きくなる。更に、Ｌ₂ ≦Ｌ／２―５および１．３≦Ｌ₂ ≦２．５を満たすように、電流狭窄部３１４Ａを設けるようにすると、電流狭窄部３１４Ａが低欠陥領域に入り、閾値電圧Ｖ_OPおよび閾値電流Ｉ_OPが更に小さくなり、キンクレベルが更に大きくなる。

更に、上記実施の形態では、サファイア等からなる基板１００を用いる場合について説明したが、本発明は、他の材質の基板を用いる場合についても同様に適用することができる。特に、ＧａＮ基板を用いる場合には、基板裏面にｎ側電極を設けるようにすると、基板表面を加工してｎ側電極を設ける必要がなく、ｎ側コンタクト層を設けずに済むので、製造工程を簡略化すると同時にレーザを小型化することができる。その場合に、図２１に示したように、ＧａＮ基板１００の一面に種結晶部１００ｃを直接形成してもよく、種結晶部１００ｃから成長させた窒化物半導体層１０７の上に半導体層３００を形成してレーザを製造することができる。

また更に、本発明は、上記実施の形態のようにしてサファイア基板などの上に作製した窒化物半導体層１０７〜２１７を基板から分離し、その上にレーザ等の半導体素子を製造する場合にも同様に適用できる。

更に、上記実施の形態では、基板の表面を｛０００１｝面としたが、他の結晶面としてもよい。同様に、上記実施の形態において種結晶部を＜１−１００＞方向に延長させて形成するようにしたが、他の方向に延長させて形成するようにしてもよい。また、第２の種結晶部の斜面は、必ずしも｛１１−２２｝面あるいは｛１１−２０｝面である必要はない。なお、種結晶部の形状はストライプ状に限定されるものではなく、例えば格子状あるいは島状などでもよい。

また、上記実施の形態では、半導体素子として半導体レーザを挙げ、その構成について具体的に例示して説明したが、本発明は、他の構造を有する半導体レーザについても同様に適用することができる。例えば、ｎ型ガイド層１１０およびｐ型ガイド層１１３、あるいは劣化防止層１１２を備えていなくともよい。更に、上記実施の形態では、利得導波型と屈折率導波型とを組み合わせたリッジ導波型の半導体レーザを例に挙げて説明したが、利得導波型の半導体レーザおよび屈折率導波型の半導体レーザについても同様に適用することができる。

また、上記実施の形態では、半導体素子として半導体レーザを具体例に挙げて説明したが、本発明は、発光ダイオードあるいは電界効果トランジスタなどの他の半導体素子についても適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体の成長温度の調整方法を説明するための図である。 図１の工程に続く工程毎の断面図である。 図３の工程に続く工程の断面図である。 転位密度の発生状況を、２段階の温度条件下で作製した場合（Ａ）と一定の温度下で作製した場合（Ｂ）とを比較して説明するための図である。 本発明の実施例における第１段階の成長温度に対するヒロック密度を表す図である。 実施例における第１段階の成長時間に対するヒロック相対密度を表す図である。 実施例における窒化物半導体層の顕微鏡写真である。 比較例における窒化物半導体層の顕微鏡写真である。 第１の実施の形態の変形例に係る窒化物半導体の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。 転位密度の発生状況を、窒化物半導体の製造工程に対応させて説明するための図である。 第２の実施の形態の変形例に係る窒化物半導体の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。 種結晶部間において電流狭窄部を設ける位置を説明するための図である。 種結晶部間において電流狭窄部を設ける位置を説明するための図である。 種結晶部間において電流狭窄部を設ける位置を説明するための図である。 本発明のその他の半導体レーザ素子の断面図である。 本発明のその他の半導体レーザ素子の断面図である。 本発明のその他の半導体レーザ素子の断面図である。

符号の説明

１００…基板、１００ａ…バッファ層、１００ｃ，１０１，２０１…種結晶層、１０２…ＳｉＯ₂ 膜、１０３…フォトレジスト膜、１０４…マスクパターン、１０５，１１５，２１５…種結晶部、１０６…溝部、２０７ａ，２１７ａ…第２の種結晶部、１０７ａ，１１７ａ…低温成長部、１０７ｂ，１１７ｂ，２０７ｂ，２２７ｂ…高温成長部、１０７，１１７，２０７，２１７…窒化物半導体層、３００…半導体層、３０８…ｎ側コンタクト層、３０９…ｎ型クラッド層、３１０…ｎ型ガイド層、３１１…活性層、３１２…結晶劣化防止層、３１３…ｐ型ガイド層、３１４…ｐ型クラッド層、３１５…ｐ側コンタクト層、３１６…ｐ側電極、３１７…絶縁膜、３１８…ｎ側電極、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３…会合部

Claims (41)

1. ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部と、
   前記第１の種結晶部の表面に形成された複数の開口部を有する成長抑止層と、
   ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記第１の種結晶部から前記成長抑止層の開口部を介して成長した層厚み方向の断面が三角形状または台形状であり、かつ互いに離間した複数の第２の種結晶部と、
   ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記複数の第２の種結晶部を基礎として主として前記第２の種結晶部の両側面から成長し、前記複数の第２の種結晶部間を埋め込むと共に、前記第２の種結晶部とほぼ同じ厚みを有する半導体層と
   を備え、結晶中の転位が前記第２の種結晶部と前記半導体層との界面で屈曲している
   ことを特徴とする窒化物半導体。
2. 前記第１の種結晶部はストライプ状に下記に示した結晶軸の方向に展延することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体。
   ＜１−１００＞
3. 前記第２の種結晶部はストライプ状に展延する２つの斜面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体。
4. 前記第２の種結晶部の２つの斜面はファセットであることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体。
5. 前記第２の種結晶部は、層厚み方向の断面形状が（前記第１の種結晶部から上底までの高さＨ）：（下底の前記第１の種結晶部から外縁までの幅Ｗ）の比を１：２とする台形状であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体。
6. 前記ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体は窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体。
7. ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部と、
   前記第１の種結晶部の表面に形成された複数の開口部を有する成長抑止層と、
   ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記第１の種結晶部から前記成長抑止層の開口部を介して成長した層厚み方向の断面が三角形状または台形状である複数の第２の種結晶部と、
   ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなり、前記複数の第２の種結晶部を基礎として主として前記第２の種結晶部の両側面から成長し、前記複数の第２の種結晶部間を埋め込むと共に、前記第２の種結晶部とほぼ同じ厚みを有する半導体層と
   を備え、結晶中の転位が第２の種結晶部と半導体層との界面で屈曲している
   ことを特徴とする半導体素子。
8. 前記半導体層は、前記第２の種結晶部を基礎として、前記半導体層の層厚み方向とは異なる方向に成長することにより形成された複数の会合部と、
   前記複数の会合部の上方に形成されると共に、前記電流注入領域を有する活性層と、
   前記活性層の電流注入領域を制限し、前記会合部の間の領域に対応して設けられた電流狭窄部と
   を備えたことを特徴とする請求項７に記載の半導体素子。
9. 前記電流狭窄部は、前記第１の種結晶部と前記会合部との間の領域に対応して設けらている
   ことを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
10. 前記第１の種結晶部と前記電流狭窄部との間隔と前記電流狭窄部と前記会合部との間隔との和が、４μｍ以上である
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
11. 前記電流狭窄部の幅が、１μｍ以上３μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子。
12. 前記第１の種結晶部と前記電流狭窄部との間隔と前記電流狭窄部と前記会合部との間隔との和が、５μｍ以上である
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
13. 前記電流狭窄部の幅が、１. ３μｍ以上２．５μｍ以下である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子。
14. 前記第１の種結晶部と前記電流狭窄部との間隔と前記電流狭窄部と前記会合部との間隔とが等しい
    ことを特徴とする請求項９に記載の半導体素子。
15. 表面に平坦面を有する基板上にＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部を形成した後、前記第１の種結晶部の表面に複数の開口部を有する成長抑止層を形成する工程と、
    ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を、前記第１の種結晶部を基礎とし前記成長抑止層の開口部を介して、第１の成長条件により所望の厚みになるまで成長させることにより、互いに離間した複数の第２の種結晶部を形成する第１の成長工程と、
    前記複数の第２の種結晶部それぞれを基礎として、前記第１の条件とは異なる第２の条件で、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を前記基板の表面に平行な方向の成長が支配的になるように成長させて半導体層を形成すると共に、前記第１の種結晶部から第２の種結晶部に伝播した転位の伝播方向を変化させて前記半導体層の表面における転位密度を低減させる第２の成長工程と
    を含むことを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
16. 前記第１の成長工程と第２の成長工程は、成長温度または成長圧力の少なくとも一方を変化させて行う
    ことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体の製造方法。
17. 前記第１の成長工程は、第１の温度または第１の圧力の下で行い、前記第２の成長工程は、第１の温度より高温の第２の温度または第１の圧力より低圧の第２の圧力の下で行う
    ことを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体の製造方法。
18. 前記第１の成長工程において、前記第２の種結晶部をその厚みが０．５μｍ以上となるように成長させる
    ことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体の製造方法。
19. 前記第２の種結晶部を前記半導体層の層厚み方向の断面が台形状となるように形成することを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体の製造方法。
20. 前記第１の成長工程は、前記第２の種結晶部を１０４０℃以下の温度で成長させる
    ことを特徴とする請求項１９に記載の窒化物半導体の製造方法。
21. 前記第２の成長工程は、前記半導体層を１０７０℃以上の温度で成長させる
    ことを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体の製造方法。
22. 前記第１の成長工程は、前記半導体層を（層厚み方向：層面に平行方向）のレート比が１：２となる速度で成長させる
    ことを特徴とする請求項１９に記載の窒化物半導体の製造方法。
23. 前記第２の成長工程は、前記半導体層を（層厚み方向：層面に平行方向）のレート比が１：１０となる速度で成長させる
    ことを特徴とする請求項２２に記載の窒化物半導体の製造方法。
24. 前記第２の種結晶部を前記半導体層の層厚み方向の断面が三角形となるように形成する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体の製造方法。
25. 前記第２の種結晶部をファセットにより形成する
    ことを特徴とする請求項２４に記載の窒化物半導体の製造方法。
26. 前記第１の成長工程は、前記半導体層を１０００℃以下の温度で成長させる
    ことを特徴とする請求項２４記載の窒化物半導体の製造方法。
27. 前記第１の成長工程は、前記半導体層を６７ｋＰａ以上の圧力で成長させる
    ことを特徴とする請求項２４に記載の窒化物半導体の製造方法。
28. 前記第２の成長工程は、前記半導体層を１０５０℃以上の温度で成長させる
    ことを特徴とする請求項２４に記載の窒化物半導体の製造方法。
29. 前記第２の成長工程は、前記半導体層を４０ｋＰａ以下の圧力で成長させる
    ことを特徴とする請求項２４に記載の窒化物半導体の製造方法。
30. 前記第２の成長工程の後に、前記半導体層を前記第２の成長工程よりも低温で成長させる
    ことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体の製造方法。
31. 前記第１の種結晶部を下記に示した方向に展延するストライプ状に形成する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体の製造方法。
    ＜１−１００＞
32. 前記ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体は窒化ガリウム系化合物半導体である
    ことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体の製造方法。
33. 表面に平坦面を有する基板上にＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体よりなる層状の第１の種結晶部を形成した後、前記第１の種結晶部の表面に複数の開口部を有する成長抑止層を形成する工程と、
    ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を、前記第１の種結晶部を基礎とし前記成長抑止層の開口部を介して、第１の成長条件により所望の厚みになるまで成長させることにより、互いに離間した複数の第２の種結晶部を形成する第１の成長工程と、
    前記複数の第２の種結晶部それぞれを基礎として、前記第１の条件とは異なる第２の条件で、ＩＩＩ−Ｖ族系窒化物半導体を前記基板の表面に平行な方向の成長が支配的になるように成長させて半導体層を形成すると共に、前記第１の種結晶部から第２の種結晶部に伝播した転位の伝播方向を変化させて前記半導体層の表面における転位密度を低減させる第２の成長工程と
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
34. 前記第１の成長工程では、第１の温度または第１の圧力の下で第２の種結晶部を形成し、前記第２の成長工程では、第１の温度より高温の第２の温度または第１の圧力より低圧の第２の圧力の下で前記第２の種結晶部を形成する
    ことを特徴とする請求項３３に記載の半導体素子の製造方法。
35. 前記第２の成長工程は、
    前記第２の種結晶部を基礎として、層厚み方向と異なる方向に成長させることにより複数の会合部を形成する工程と、
    前記複数の会合部の上方に、電流注入領域を有する活性層を形成する工程と、
    前記会合部の間の領域に対応して、前記活性層の電流注入領域を制限するための電流狭窄部を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項３４に記載の半導体素子の製造方法。
36. 前記電流狭窄部を前記種結晶部と前記会合部との間の領域に対応させて形成する
    ことを特徴とする請求項３５に記載の半導体素子の製造方法。
37. 前記種結晶部と前記電流狭窄部との間隔と前記電流狭窄部と前記会合部との間隔との和を４μｍ以上とする
    ことを特徴とする請求項３６に記載の半導体素子の製造方法。
38. 前記電流狭窄部の幅を、１μｍ以上３μｍ以下にする
    ことを特徴とする請求項３６に記載の半導体素子の製造方法。
39. 前記種結晶部と前記電流狭窄部との間隔と前記電流狭窄部と前記会合部との間隔との和を５μｍ以上とする
    ことを特徴とする請求項３８に記載の半導体素子の製造方法。
40. 前記電流狭窄部の幅を、１. ３μｍ以上２．５μｍ以下とする
    ことを特徴とする請求項３９に記載の半導体素子の製造方法。
41. 前記種結晶部と前記電流狭窄部との間隔と前記電流狭窄部と前記会合部との間隔とを等しくする
    ことを特徴とする請求項３６に記載の半導体素子の製造方法。
    

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