JP2005317842A - Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the method of manufacturing a reliable nitride semiconductor device at an excellent yield ratio. <P>SOLUTION: The method of manufacturing a nitride semiconductor comprises steps of: (A) preparing an n-GaN substrate 101 having a polished principal plane and containing a first impurity whose average density in the principal plane is equal to or more than 1×10<SP>17</SP>cm<SP>-3</SP>; (B) growing n-GaN crystal 106 on the principal plane of the n-GaN substrate 101; and (C) selectively growing Al<SB>x</SB>Ga<SB>y</SB>In<SB>z</SB>N crystal (0≤x, y, z≤1:x+y+z=1) to each of a plurality of striped regions on the top surface of the n-GaN crystal 106. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体レーザ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。   The present invention relates to a nitride semiconductor device for a semiconductor laser or a light emitting diode and a method for manufacturing the same.

窒化ガリウムに代表されるIII−V族窒化物半導体材料を用いて作製される青紫色半導体レーザは、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。   A blue-violet semiconductor laser manufactured using a group III-V nitride semiconductor material typified by gallium nitride is a key device for realizing ultra-high density recording by an optical disk device, and is currently reaching a practical level. is there. The high output of this blue-violet semiconductor laser not only enables high-speed writing of optical discs, but also opens up new technical fields such as application to laser displays.

従来、サファイア基板を用いるGaN系半導体レーザ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系半導体レーザを開示している。以下、図23を参照しながら、従来のGaN系半導体レーザの製造方法を説明する。   Conventionally, a GaN-based semiconductor laser using a sapphire substrate has been developed. In recent years, it has been studied to manufacture a GaN-based semiconductor laser using a nitride semiconductor substrate such as a GaN substrate. For example, Non-Patent Document 1 discloses a GaN-based semiconductor laser at a practical level. Hereinafter, a conventional method for manufacturing a GaN-based semiconductor laser will be described with reference to FIG.

図23に示すように、この半導体レーザは、主面がSiO2マスク3602で覆われたアンドープGaN基板3601を用いて作製される。SiO2マスク3602には複数のストライプ状開口部3603が形成されている。アンドープGaN基板3601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3604が成長させられる。このGaN層3604は、SiO2マスク3602の個々のストライプ状開口部3603を介して露出するGaN基板3601の主面上にエピタキシャル成長するが、GaN層3604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。 As shown in FIG. 23, this semiconductor laser is manufactured using an undoped GaN substrate 3601 whose main surface is covered with a SiO 2 mask 3602. A plurality of stripe-shaped openings 3603 are formed in the SiO 2 mask 3602. A GaN layer 3604 is grown on the undoped GaN substrate 3601 by selective lateral growth (ELO) using metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The GaN layer 3604 is epitaxially grown on the main surface of the GaN substrate 3601 exposed through the individual stripe-shaped openings 3603 of the SiO 2 mask 3602, but the GaN layer 3604 is not only in the direction perpendicular to the main surface of the substrate but also in the horizontal direction. It also grows laterally and contacts each other to form a layer.

GaN層3604上には、MOVPE法により、n−GaN結晶3605、n−AlGaNクラッド層3606、n−GaN光ガイド層3607、Ga1-xInxN/Ga1-yInyN(0<y<x<1)から成る多重量子井戸(MQW)活性層3608、p−GaN光ガイド層3609、p−AlGaNクラッド層3610、および、p−GaNコンタクト層3611が積層されている。選択横方向成長(ELO)により形成されたGaN層3604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3604から刃状転位が延びている。 On the GaN layer 3604, by the MOVPE method, n-GaN crystal 3605, n-AlGaN cladding layer 3606, n-GaN optical guide layer 3607, Ga 1-x In x N / Ga 1-y In y N (0 < A multi-quantum well (MQW) active layer 3608 made of y <x <1), a p-GaN light guide layer 3609, a p-AlGaN cladding layer 3610, and a p-GaN contact layer 3611 are stacked. In the GaN layer 3604 formed by selective lateral growth (ELO), edge dislocations exist in the portion where the individual stripe-like GaN grown in the lateral direction are combined, and in the semiconductor layer grown thereon, Also, edge dislocations extend from the GaN layer 3604.

p−GaNコンタクト層3611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3613によって埋め込まれる。 On the p-GaN contact layer 3611, a ridge stripe having a width of about 1.5 to 10 μm is formed in a region where no edge dislocation exists. Thereafter, both sides of the ridge stripe are filled with the SiO 2 layer 3613.

その後、リッジストライプおよびSiO2層3613上に、例えばNi/Auからなるp電極3612が形成される。なお、上記の積層体の一部はn−GaN結晶3605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3605の表面には、例えばTi/Alからなるn電極3614が形成される。 Thereafter, a p-electrode 3612 made of, for example, Ni / Au is formed on the ridge stripe and the SiO 2 layer 3613. A part of the stacked body is etched until the n-GaN crystal 3605 is exposed, and an n-electrode 3614 made of, for example, Ti / Al is formed on the surface of the n-GaN crystal 3605 exposed by this etching. .

図23に示す半導体レーザでは、n電極3614を接地し、p電極3612に電圧を印加すると、MQW活性層3608に向かってp電極3612側からホ−ルが、またn電極3614側から電子が注入される。その結果、MQW活性層3608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3608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。 In the semiconductor laser shown in FIG. 23, when the n-electrode 3614 is grounded and a voltage is applied to the p-electrode 3612, holes are injected from the p-electrode 3612 side and electrons are injected from the n-electrode 3614 side toward the MQW active layer 3608. Is done. As a result, a carrier inversion distribution is generated in the MQW active layer 3608, so that an optical gain is generated, and laser oscillation in a wavelength band of 400 nm can be caused. The oscillation wavelength varies depending on the composition and thickness of the Ga 1 -x In x N / Ga 1 -y In y N thin film that is the material of the MQW active layer 3608.

非特許文献1に開示されている半導体レーザでは、水平方向の基本横モ−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−ドと高次モ−ド(1次以上のモ−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−ドでの発振を可能としている。   In the semiconductor laser disclosed in Non-Patent Document 1, the width and height of the ridge stripe are adjusted so that laser oscillation occurs in the horizontal basic transverse mode. That is, by providing a difference in the optical confinement factor between the basic lateral mode and the higher order mode (first-order or higher mode), oscillation in the basic lateral mode is possible.

アンドープGaN基板3601は、例えば以下のようにして作製される。   The undoped GaN substrate 3601 is manufactured as follows, for example.

まず、MOCVD法により、サファイア基板上に比較的薄いGaN層を成長させる。その後、ハイドライドVPE(H−VPE)などの方法により、GaN層上にGaNの厚膜を成長させる。このとき、GaN厚膜に不純物を意図的にはドープしていない。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。   First, a relatively thin GaN layer is grown on a sapphire substrate by MOCVD. Thereafter, a thick GaN film is grown on the GaN layer by a method such as hydride VPE (H-VPE). At this time, the GaN thick film is not intentionally doped with impurities. After growing the GaN film to a sufficient thickness, the sapphire substrate is peeled off to obtain a GaN substrate.

上記の方法で作製したGaN基板には、刃状転位、らせん転位、および混合転位などの転位が107cm-2のオーダー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を得ることは困難である。 The GaN substrate produced by the above method has a problem that dislocations such as edge dislocations, screw dislocations, and mixed dislocations exist at a density of the order of 10 7 cm −2 . If dislocations exist with such a large density, it is difficult to obtain a highly reliable semiconductor laser.

図23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、半導体レーザの信頼性を向上させることが可能となる。 The growth of the GaN layer 1604 shown in FIG. 23 is performed in order to obtain a GaN layer with few dislocations. By adding the ELO process of the GaN layer 1604, the dislocation density in GaN can be reduced to about 7 × 10 5 cm −2 . By forming the active region (current injection region) above the region with few dislocations formed in this way, it becomes possible to improve the reliability of the semiconductor laser.

さらに、H−VPEで育成したGaN基板の表面に、残る歪みの影響を低減し、表面モフォロジーを改善するために、特許文献1は、図24に示すように、H−VPEで作製したGaN基板3601上に、MOVPEにより、AlGaNからなる緩和層3701を堆積し、その上に前述のn−GaN層3605を形成することを記載している。GaN基板3601としては、不純物が意図的に添加されないアンドープ状態にあることが望ましいが、不純物濃度が1×1018cm-3程度になるようにSiをドープしてもよいことが記載されている。 Further, in order to reduce the influence of the remaining strain on the surface of the GaN substrate grown by H-VPE and improve the surface morphology, Patent Document 1 discloses a GaN substrate manufactured by H-VPE as shown in FIG. It describes that a relaxation layer 3701 made of AlGaN is deposited on 3601 by MOVPE, and the above-described n-GaN layer 3605 is formed thereon. Although it is desirable that the GaN substrate 3601 is in an undoped state where impurities are not intentionally added, it is described that Si may be doped so that the impurity concentration is about 1 × 10 18 cm −3 . .

一方、特許文献2が記載している方法では、基板上にH−VPEを持いてファセットを形成し維持しながらGaNを成長させる一種の選択成長において、種結晶となる基板上に規則的なパターンを形成することにより、ピットの発生位置を制御しようと試みている。   On the other hand, in the method described in Patent Document 2, in a kind of selective growth in which GaN is grown while forming and maintaining a facet by holding H-VPE on the substrate, a regular pattern is formed on the substrate to be a seed crystal. It is attempted to control the pit generation position by forming the.

また、特許文献3は、n型伝導を得るために酸素(O)をドープしたGaN基板を開示している。特許文献3に記載されている基板の製造方法によると、結晶面内の不純物の取り込まれ方に分布が生じる場合がある。それは、C面ほかR面などのファセットを形成しながら成長させるため、面方位により不純物の取り込まれ方が異なることに起因する。
ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(Jpn. J. Appl. Phys.)、第39巻、p.L648 (2000年) 特開2001−196700号公報 特開2003−165799号公報 特開2000−044400号公報
Patent Document 3 discloses a GaN substrate doped with oxygen (O) to obtain n-type conduction. According to the method for manufacturing a substrate described in Patent Document 3, there is a case where a distribution occurs in how impurities are taken in the crystal plane. This is because the growth is performed while forming facets such as the C-plane and the R-plane, so that the way in which impurities are incorporated differs depending on the plane orientation.
Japan Journal of Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.), Vol. 39, p. L648 (2000) JP 2001-196700 A JP 2003-165799 A JP 2000-044400 A

非特許文献1や特許文献1に記載されている窒化物半導体素子は、レーザ素子の信頼性改善の可能性を有しているが、以下に説明するように、解決すべき新たな問題の存在が本願発明者らの実験により明らかとなった。この問題は、窒化物半導体基板(GaN基板)に不純物がドープされている場合に顕著であることもわかった。すなわち、GaN基板に酸素やシリコン等の不純物がドープされている場合、そのようなGaN基板上に窒化物半導体結晶の選択横方向成長(ラテラル成長)を行うと、以下に示す問題が生じることがわかった。   Although the nitride semiconductor device described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 has a possibility of improving the reliability of the laser device, there is a new problem to be solved as described below. Has been clarified by experiments of the present inventors. It has also been found that this problem is significant when impurities are doped in the nitride semiconductor substrate (GaN substrate). That is, when the GaN substrate is doped with impurities such as oxygen and silicon, the following problems may occur when selective lateral growth (lateral growth) of a nitride semiconductor crystal is performed on such a GaN substrate. all right.

(1)横方向成長により形成した窒化物半導体層の成長表面に大きな凹凸が形成され、平坦性が悪化すること、および
(2)上記窒化物半導体層のうち横方向に成長した部分が相互に合体した箇所(合体部)に位置ずれが発生すること。
(1) large unevenness is formed on the growth surface of the nitride semiconductor layer formed by lateral growth, and flatness is deteriorated; and (2) portions of the nitride semiconductor layer grown in the lateral direction are mutually connected. Misalignment occurs at the merged part (merged part).

平坦性の悪化は、例えば半導体レーザを作製した場合、ストライプ状の導波路に(共振器方向の)うねりが生じるため、レーザ特性(とりわけしきい値電流や動作電流)にばらつきが生じ、歩留まりの低下を招いてしまう。また、横方向成長部の合体部には、刃状転位が生じやすく、その合体部の位置にばらつき(位置ずれ)が生じると、半導体レーザのストライプ位置に転位が入ってしまい、信頼性を低下させる場合がある。   For example, when a semiconductor laser is manufactured, the flatness is deteriorated, because a swell (in the direction of the resonator) is generated in a striped waveguide, resulting in variations in laser characteristics (especially threshold current and operating current), resulting in a decrease in yield. It will cause a decline. In addition, edge dislocations are likely to occur in the merged portion of the laterally grown portion, and if the position of the merged portion varies (displacement), the dislocation enters the stripe position of the semiconductor laser, reducing reliability. There is a case to let you.

上記の(1)および(2)に示すような現象は、基板の面内に不純物分布がある窒化物半導体基板に顕著に見られた。特に、不純物濃度が1×1018cm-3以上の基板において問題が生じた。 The phenomenon as shown in the above (1) and (2) was remarkably observed in the nitride semiconductor substrate having the impurity distribution in the plane of the substrate. In particular, problems occur with substrates having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more.

さらに、研磨による平坦化加工等を施した窒化物半導体基板において同様の課題が明らかとなった。研磨処理によって表面にダメージが発生し、不純物の偏析が生じやすくなるためであると考えられる。   Further, the same problem has been clarified in the nitride semiconductor substrate subjected to planarization by polishing or the like. This is considered to be because the surface is damaged by the polishing treatment, and segregation of impurities is likely to occur.

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く作製する方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object of the present invention is to provide a method of manufacturing a highly reliable nitride semiconductor device with high yield.

本発明の窒化物半導体の製造方法は、研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が1×1017cm-3以上である第1不純物を含有する窒化物半導体基板を用意する工程(A)と、AluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程(B)と、前記AluGavInwN結晶層の上面における複数のストライプ状領域の各々に対して選択的にAlxGayInzN結晶(0≦x、y、z≦1:x+y+z=1)を成長させる工程(C)とを含む。 The method for producing a nitride semiconductor according to the present invention provides a nitride semiconductor substrate having a polished main surface and containing a first impurity having an average concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more on the main surface. A step (A), a step (B) of growing an Al u Ga v In w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) on the main surface of the nitride semiconductor substrate, An Al x Ga y In z N crystal (0 ≦ x, y, z ≦ 1: x + y + z = 1) is selectively grown on each of the plurality of stripe regions on the upper surface of the Al u Ga v In w N crystal layer. Step (C).

好ましい実施形態において、前記第1不純物濃度は酸素である。   In a preferred embodiment, the first impurity concentration is oxygen.

好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の前記主面における前記不純物の濃度の最大値をnmax、最小値をnminとするとき、nmax/nminは10以上である。 In a preferred embodiment, n max / n min is 10 or more when a maximum value of the impurity concentration on the main surface of the nitride semiconductor substrate is n max and a minimum value is n min .

好ましい実施形態において、前記AluGavInwN結晶層は、前記窒化物半導体基板に含まれる第1不純物とは異なる第2不純物を含有している。 In a preferred embodiment, the Al u Ga v In w N crystal layer contains a second impurity different from the first impurity contained in the nitride semiconductor substrate.

好ましい実施形態において、前記AlxGayInzN結晶の成長温度における前記第1不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第2不純物の蒸気圧よりも高い。 In a preferred embodiment, the vapor pressure of the first impurity at the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal is higher than the vapor pressure of the second impurity at the growth temperature.

好ましい実施形態において、前記第1不純物は酸素であり、前記第2不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレンおよび硫黄からなる群から選択された少なくとも1種である。   In a preferred embodiment, the first impurity is oxygen, and the second impurity is at least one selected from the group consisting of silicon, germanium, selenium, and sulfur.

好ましい実施形態において、前記AluGavInwN結晶層における前記第2不純物の平均濃度は前記窒化物半導体基板の主面における前記第1不純物の平均濃度よりも低い。 In a preferred embodiment, the average concentration of the second impurity in the Al u Ga v In w N crystal layer is lower than the average concentration of the first impurity in the main surface of the nitride semiconductor substrate.

好ましい実施形態において、前記第1不純物は、酸素、シリコン、ゲルマニウム、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも1種である。   In a preferred embodiment, the first impurity is at least one selected from the group consisting of oxygen, silicon, germanium, selenium, and sulfur.

好ましい実施形態において、前記AluGavInwN結晶層の成長温度よりも前記AlxGayInzN結晶層の成長温度が高い。 In a preferred embodiment, the Al u Ga v In w N growth temperature of the well than the growth temperature of the crystal layer Al x Ga y In z N crystal layer is high.

好ましい実施形態において、前記工程(A)は、前記主面に対して傾斜した複数のファセットを上面に形成するように窒化物半導体を成長させる工程(a1)と、前記窒化物半導体の上面を研磨して平坦化することにより前記主面を形成する工程(a2)とを含む。   In a preferred embodiment, the step (A) includes a step (a1) of growing a nitride semiconductor so as to form a plurality of facets inclined with respect to the main surface on the upper surface, and polishing the upper surface of the nitride semiconductor. And a step (a2) of forming the main surface by flattening.

好ましい実施形態において、前記工程(a1)は、前記複数のファセットの配列周期に応じた濃度分布を有するように不純物を前記窒化物半導体にドープする工程を含む。   In a preferred embodiment, the step (a1) includes a step of doping the nitride semiconductor with an impurity so as to have a concentration distribution according to an arrangement period of the plurality of facets.

好ましい実施形態において、前記工程(a1)は、ハイドライドVPE法によって前記窒化物半導体を成長させる工程を含み、前記工程(B)は、MOVPE法によって前記AluGavInwN結晶層を成長させる工程を含む。 In a preferred embodiment, the step (a1) includes a step of growing the nitride semiconductor by a hydride VPE method, and the step (B) grows the Al u Ga v In w N crystal layer by a MOVPE method. Process.

好ましい実施形態において、前記AluGavInwN結晶は、アンドープ半導体層である。 In a preferred embodiment, the Al u Ga v In w N crystal is an undoped semiconductor layer.

好ましい実施形態において、前記AluGavInwN結晶層における前記第2不純物の平均濃度は、1x1019cm-3以下である。 In a preferred embodiment, the average concentration of the second impurity in the Al u Ga v In w N crystal layer is 1 × 10 19 cm −3 or less.

好ましい実施形態において、前記工程(C)の前に、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AluGavInwN結晶層に形成する工程を含み、前記工程(C)は、前記AlxGayInzN結晶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を含む。 In a preferred embodiment, before the step (C), a step of forming a plurality of striped ridges having an upper surface parallel to the main surface of the nitride semiconductor substrate in the Al u Ga v In w N crystal layer is included. The step (C) includes a step of selectively growing the Al x Ga y In z N crystal on the upper surfaces of the plurality of striped ridges.

好ましい実施形態において、前記工程(C)を行なう前において、前記AluGavInwN結晶層または前記窒化物半導体基板のうち、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を選択成長用マスクで覆う。 In a preferred embodiment, before performing the step (C), a region in which the plurality of stripe-shaped ridges are not formed in the Al u Ga v In w N crystal layer or the nitride semiconductor substrate is used for selective growth. Cover with a mask.

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。   In a preferred embodiment, in the step (B), the width of the upper surface of the stripe ridge is set in the range of 1 μm to 400 μm, and the arrangement pitch of the stripe ridge is set in the range of 2 μm to 500 μm. Process.

本発明による他の窒化物半導体素子の製造方法は、研磨された主面を有する窒化物半導体基板を用意する工程(A)と、AluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程(B)と、前記AluGavInwN結晶層の上面における複数のストライプ状領域の各々に対して選択的に第1窒化物半導体層を成長させる工程(C)と、前記第1窒化物半導体層の上部に前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第2窒化物半導体からなる活性層、および、前記活性層よりもバンドギャップが大きい第3窒化物半導体を含む積層体を成長する工程(D)と、前記活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造を前記積層体の上に形成する工程(E)とを含む。 Another method of manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention includes a step (A) of preparing a nitride semiconductor substrate having a polished main surface, and an Al u Ga v In w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) on the main surface of the nitride semiconductor substrate (B), and for each of the plurality of stripe regions on the upper surface of the Al u Ga v In w N crystal layer A step (C) of selectively growing a first nitride semiconductor layer, and an active layer made of a second nitride semiconductor having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor layer above the first nitride semiconductor layer; And (D) growing a multilayer body including a third nitride semiconductor having a band gap larger than that of the active layer, and a current confinement structure for selectively injecting carriers into the active layer. Step (E).

好ましい実施形態において、前記工程(C)の前に、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AluGavInwN結晶層に形成する工程を含み、前記工程(C)は、前記第1窒化物半導体層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を含む。 In a preferred embodiment, before the step (C), a step of forming a plurality of striped ridges having an upper surface parallel to the main surface of the nitride semiconductor substrate in the Al u Ga v In w N crystal layer is included. The step (C) includes a step of selectively growing the first nitride semiconductor layer on the upper surfaces of the plurality of striped ridges.

好ましい実施形態において、前記工程(C)を行なう前において、前記AluGavInwN結晶層または窒化物半導体基板のうち、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を選択成長用マスクで覆う。 In a preferred embodiment, before performing the step (C), a region in which the plurality of stripe-shaped ridges are not formed in the Al u Ga v In w N crystal layer or the nitride semiconductor substrate is selectively grown. Cover with.

好ましい実施形態において、前記工程(C)を行なう前において、前記AluGavInwN結晶層または窒化物半導体基板のうち、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う。 In a preferred embodiment, before performing the step (C), the Al u Ga v In w N crystal layer or the nitride semiconductor substrate in which the plurality of stripe ridges are not formed and each stripe ridge Cover the side with a selective growth mask.

好ましい実施形態において、キャリアが注入する領域は、前記隣接する2つのストライプ状リッジの間の上部に形成される。   In a preferred embodiment, the region into which carriers are injected is formed in the upper part between the two adjacent stripe ridges.

本発明の窒化物半導体は、研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が1×1017cm-3以上である第1不純物を含有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に成長したAluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)と、前記AluGavInwN結晶層の上面に形成された複数のストライプ状領域の各々に対して選択的に成長したAlxGayInzN結晶(0≦x、y、z≦1:x+y+z=1)とを含む。 The nitride semiconductor of the present invention includes a nitride semiconductor substrate having a polished main surface and containing a first impurity having an average concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more on the main surface, and the nitride semiconductor Al u grown on the main surface of the substrate Ga v in w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) and, formed on the upper surface of the Al u Ga v in w N crystal layer Al x Ga y In z N crystal (0 ≦ x, y, z ≦ 1: x + y + z = 1) selectively grown for each of the plurality of stripe regions.

好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の前記主面における前記第1不純物の濃度の最大値をnmax、最小値をnminとするとき、nmax/nminは10以上である。 In a preferred embodiment, n max / n min is 10 or more when the maximum value of the first impurity concentration on the main surface of the nitride semiconductor substrate is n max and the minimum value is n min .

好ましい実施形態において、前記AlxGayInzN結晶の成長温度における前記第1不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第2不純物の蒸気圧よりも高い。 In a preferred embodiment, the vapor pressure of the first impurity at the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal is higher than the vapor pressure of the second impurity at the growth temperature.

好ましい実施形態において、前記AluGavInwN結晶層における前記第2不純物の平均濃度は前記窒化物半導体基板の主面における前記第1不純物の平均濃度よりも低い。 In a preferred embodiment, the average concentration of the second impurity in the Al u Ga v In w N crystal layer is lower than the average concentration of the first impurity in the main surface of the nitride semiconductor substrate.

本発明の窒化物半導体素子は、前記いずれかの窒化物半導体と、前記窒化物半導体上に設けられ、活性層を含む半導体積層構造と、前記活性層の一部の領域にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造とを備えている。   The nitride semiconductor device according to the present invention is a nitride semiconductor device including any one of the nitride semiconductors, a semiconductor stacked structure including an active layer provided on the nitride semiconductor, and carriers selectively in a partial region of the active layer. And a current confinement structure to be injected.

本発明によれば、窒化物半導体基板の選択された領域上に窒化物半導体結晶を横方向成長(ラテラル成長)によって形成する場合において、窒化物半導体基板に含まれる不純物の影響に起因して生じやすい結晶成長層における平坦性の低下を抑制できる。また、刃状転位の発生も抑えることができるため、転位密度の少ない窒化物半導体を歩留まりよく製造することができる。   According to the present invention, when a nitride semiconductor crystal is formed on a selected region of a nitride semiconductor substrate by lateral growth (lateral growth), it is caused by the influence of impurities contained in the nitride semiconductor substrate. It is possible to suppress a decrease in flatness in an easy crystal growth layer. In addition, since generation of edge dislocations can be suppressed, a nitride semiconductor with a low dislocation density can be manufactured with a high yield.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(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素子(半導体レーザ)の断面を示している。
(Embodiment 1)
First, refer to FIG. FIG. 1 shows a cross section of a nitride semiconductor device (semiconductor laser) according to this embodiment.

本実施形態の半導体レーザは、AluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)を主面上に有するn−GaN基板101を用いて作製されており、AluGavInwN結晶層には複数のストライプ状リッジが形成されている。本実施形態では、n−GaN基板101上に形成するAluGavInwN結晶層の一例として、u=0、v=1、w=0の組成を有する結晶の層を用いるため、以下、AluGavInwN結晶層をGaNバッファ層120と称することし、特にn型不純物がドープされているGaNバッファ層120は、n−GaNバッファ層120と称する。GaNバッファ層120は、基板101に含まれる不純物の影響が選択横方向成長によって形成するAlxGayInzN結晶(0≦x、y、z≦1:x+y+z=1)に悪影響を及ぼさないように機能する。本実施形態では、AlxGayInzN結晶として、n−GaN結晶106をGaNバッファ層120の選択された領域に成長させている。 The semiconductor laser of this embodiment is manufactured using an n-GaN substrate 101 having an Al u Ga v In w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) on the main surface. A plurality of striped ridges are formed in the Al u Ga v In w N crystal layer. In this embodiment, as an example of the Al u Ga v In w N crystal layer formed on the n-GaN substrate 101, a crystal layer having a composition of u = 0, v = 1, and w = 0 is used. The Al u Ga v In w N crystal layer is referred to as a GaN buffer layer 120, and in particular, the GaN buffer layer 120 doped with an n-type impurity is referred to as an n-GaN buffer layer 120. In the GaN buffer layer 120, the influence of impurities contained in the substrate 101 does not adversely affect the Al x Ga y In z N crystal (0 ≦ x, y, z ≦ 1: x + y + z = 1) formed by selective lateral growth. To function. In the present embodiment, an n-GaN crystal 106 is grown as a Al x Ga y In z N crystal in a selected region of the GaN buffer layer 120.

図1に示す半導体レーザでは、n−GaNバッファ層120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<3/4)から形成されたマスク層102で覆われている。   In the semiconductor laser shown in FIG. 1, the main surface of the n-GaN buffer layer 120 other than the upper surface of the striped ridge is covered with a mask layer 102 made of SiNx (0 <x <3/4). Yes.

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、隣接する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、半導体などによっては埋め込まれておらず、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。   The upper surface of each stripe ridge functions as a seed portion 105 having a crystal plane parallel to the main surface of the substrate, and a recess is formed between adjacent stripe ridges. The recess is not filled with a semiconductor or the like, and an air gap 103 exists between the main surface of the n-GaN substrate 101 and the bottom surface of the semiconductor multilayer structure.

本実施形態では、リッジ上に形成された半導体積層構造が、基板に近い側から、n−GaN結晶106、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子クラッド層107、n−GaN光ガイド層108、多重量子井戸(MQW)活性層109、p−GaN光ガイド層110、p−Al0.1Ga0.9N/GaNクラッド層111、p−GaN層112を有している。MQW活性層109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る。 In the present embodiment, the semiconductor multilayer structure formed on the ridge has an n-GaN crystal 106, an n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice cladding layer 107, and an n-GaN light guide layer 108 from the side close to the substrate. A multi-quantum well (MQW) active layer 109, a p-GaN light guide layer 110, a p-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN cladding layer 111, and a p-GaN layer 112. The MQW active layer 109 is fabricated by alternately stacking a Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of 3 nm and a GaN barrier layer having a thickness of 6 nm.

p−GaN層112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Ta25などからなる絶縁層114が半導体積層構造の上面を覆っている。このような構成により、MQW活性層109のうちの特定の領域にキャリアを注入することが可能になる。p−GaN層112のリッジストライプ上にはp電極113が形成され、配線電極116と接続されている。n−GaN基板101の裏面にはn電極115が形成されている。 A ridge stripe is formed in the p-GaN layer 112 for current and light confinement, and an insulating layer 114 made of Ta 2 O 5 or the like having an opening located on the upper surface of the ridge stripe is formed on the upper surface of the semiconductor stacked structure. Covering. With such a configuration, carriers can be injected into a specific region of the MQW active layer 109. A p-electrode 113 is formed on the ridge stripe of the p-GaN layer 112 and connected to the wiring electrode 116. An n-electrode 115 is formed on the back surface of the n-GaN substrate 101.

本実施形態の半導体レーザでは、p電極113とn電極115との間に電圧を印加すると、MQW活性層109に向かってp電極113から正孔が注入され、n電極115からは電子が注入される。この結果、活性層109のキャリア注入領域において利得が生じ、408nmの波長でレーザ発振が生じる。   In the semiconductor laser of this embodiment, when a voltage is applied between the p electrode 113 and the n electrode 115, holes are injected from the p electrode 113 toward the MQW active layer 109, and electrons are injected from the n electrode 115. The As a result, a gain occurs in the carrier injection region of the active layer 109, and laser oscillation occurs at a wavelength of 408 nm.

次に、図2から図17を参照して、図1の半導体レーザを製造する方法の好ましい実施形態を説明する。   Next, a preferred embodiment of a method for manufacturing the semiconductor laser of FIG. 1 will be described with reference to FIGS.

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。   First, an n-GaN substrate 101 shown in FIG. 2 is prepared. A plane parallel to the paper surface of FIG. 2 is a {1-100} plane. The upper surface (main surface) of the n-GaN substrate 101 is the (0001) plane, and the normal direction of the main surface is <0001>.

n−GaN基板101としては、種々の方法で作製された基板を用いることができるが、本実施形態では、ハイドライドVPE(H−VPE)により、主面に対して傾斜した複数のファセットを上面に形成するようにGaN層を成長させる工程(a1)と、GaN層の上面を研磨して平坦化することにより、前記主面を形成する工程(a2)を行なうことによって作製されたGaN基板を用いる。このような方法で作製したGaN基板にn型不純物をドープするには、例えば工程(a1)の段階で、n型不純物を含むガスを成長面に供給する方法を採用することができる。本実施形態で使用するn−GaN基板101には、n型ドーパントとして機能する酸素が含まれており、基板主面における平均酸素濃度は1×1017cm-3以上である。上記の方法で作製したGaN基板には、比較的高い濃度の酸素がドープされやすく、また、その不純物濃度が基板主面の位置に応じて変動しやすい傾向がある。より具体的に述べれば、基板主面における不純物濃度は、結晶成長中に形成されるファセットの配列周期に応じた周期で変動する。これは、結晶成長中にGaN層に取り込まれる酸素の量が、ファセットに対する位置に応じて異なることに起因して生じると考えられる。 As the n-GaN substrate 101, substrates manufactured by various methods can be used. In this embodiment, a plurality of facets inclined with respect to the main surface are formed on the upper surface by hydride VPE (H-VPE). A GaN substrate manufactured by performing the step (a1) of growing a GaN layer to form and the step (a2) of forming the main surface by polishing and planarizing the upper surface of the GaN layer is used. . In order to dope an n-type impurity into the GaN substrate manufactured by such a method, for example, a method of supplying a gas containing an n-type impurity to the growth surface in the step (a1) can be employed. The n-GaN substrate 101 used in this embodiment contains oxygen that functions as an n-type dopant, and the average oxygen concentration in the main surface of the substrate is 1 × 10 17 cm −3 or more. The GaN substrate produced by the above method tends to be doped with a relatively high concentration of oxygen, and the impurity concentration tends to vary depending on the position of the main surface of the substrate. More specifically, the impurity concentration in the main surface of the substrate fluctuates at a period corresponding to the arrangement period of facets formed during crystal growth. This is considered to be caused by the fact that the amount of oxygen taken into the GaN layer during crystal growth differs depending on the position relative to the facet.

上記のGaN基板101の主面は、その平坦性を向上させるために研磨されている。GaN基板の研磨は、メカニカル・ポリッシュ(機械研磨)により行なわれるため、GaN基板101の主面には加工歪みが残りやすく、また歪みの大きさに面内分布が生じやすい。更に、メカニカル・ポリッシュの結果、基板表面にはスクラッチ傷が残っている場合がある。   The main surface of the GaN substrate 101 is polished to improve its flatness. Since the polishing of the GaN substrate is performed by mechanical polishing (mechanical polishing), processing strain tends to remain on the main surface of the GaN substrate 101, and in-plane distribution tends to occur in the magnitude of the strain. Furthermore, scratches may remain on the substrate surface as a result of mechanical polishing.

次に、上記のスクラッチ傷を回復する目的で、500〜1100℃程度の熱処理を行なう。この熱処理は、例えば750℃で1分以上、望ましくは5分以上(例えば10分)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)を基板表面に供給することが好ましい。このような熱処理により、GaN基板101の表面近傍に存在する加工歪みやスクラッチ傷を低減することができる。 Next, heat treatment is performed at about 500 to 1100 ° C. for the purpose of recovering the scratch. This heat treatment is performed, for example, at 750 ° C. for 1 minute or longer, desirably 5 minutes or longer (for example, 10 minutes). During this heat treatment, a gas containing nitrogen atoms (N) (N 2 , NH 3 , hydrazine, etc.) is preferably supplied to the substrate surface. Such heat treatment can reduce processing strain and scratches existing near the surface of the GaN substrate 101.

なお、熱処理前における基板表面のスクラッチ傷をAFMで評価すると、その深さは数十μm程度であり、RMS値(50μm角エリアでの値)は1.6nmであったが、上述の熱処理を行うことにより、GaN基板101の表面におけるスクラッチ傷が消失し、RMS値が0.6nmまで改善できた。ただし、このような熱処理を長時間行なうと、基板主面の平坦性が却って大きくなるという問題がある。   When scratch scratches on the substrate surface before heat treatment were evaluated by AFM, the depth was about several tens of μm and the RMS value (value in a 50 μm square area) was 1.6 nm. As a result, scratch scratches on the surface of the GaN substrate 101 disappeared, and the RMS value was improved to 0.6 nm. However, when such heat treatment is performed for a long time, there is a problem that the flatness of the main surface of the substrate increases.

上記熱処理の後、MOVPE法により、図3に示すn−GaNバッファ層120を成長させる。このn−GaNバッファ層120の成長は、例えば1060℃で行なわれる。n−GaNバッファ層120の厚さは、例えば10nm以上1100nm以下の範囲に設定される。なお、成長温度の好ましい範囲は、500〜1100℃である。   After the heat treatment, an n-GaN buffer layer 120 shown in FIG. 3 is grown by MOVPE. The growth of the n-GaN buffer layer 120 is performed at 1060 ° C., for example. The thickness of the n-GaN buffer layer 120 is set, for example, in the range of 10 nm to 1100 nm. In addition, the preferable range of growth temperature is 500-1100 degreeC.

その後、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401を図4に示すようにn−GaN基板101の主面に形成する。レジストマスクの401は、ストライプ状リッジ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。   Thereafter, a resist mask 401 patterned in a stripe shape by a photolithography technique is formed on the main surface of the n-GaN substrate 101 as shown in FIG. The resist mask 401 has a pattern that defines the layout of the striped ridge. Specifically, the resist film 301 defines a stripe pattern extending in the <1-100> direction.

次に、Cl2を用いたドライエッチングにより、n−GaNバッファ層120のうち、レジストマスク401で覆われていない部分をエッチングし、図4に示すようにn−GaNバッファ層120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、その幅は約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約12μm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1μm程度に設定される。ストライプ状リッジの幅は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。リッジ高さ(凹部の深さ)は、0.2〜5μmの範囲に設定されることが好ましい。 Next, by dry etching using Cl 2 , a portion of the n-GaN buffer layer 120 that is not covered with the resist mask 401 is etched to form irregularities in the n-GaN buffer layer 120 as shown in FIG. To do. The convex portion is a striped ridge extending in the <1-100> direction, and its width is about 3 μm. The width of the recess in the region sandwiched between the stripe ridges is about 12 μm. The height of the ridge (depth of the recess) is adjusted by the etching time or the like, and is set to about 1 μm, for example. The width of the stripe ridge is preferably set in the range of 1 to 10 μm, and the width of the recess in the region sandwiched between the stripe ridges is preferably set in the range of 1 to 50 μm. The height of the ridge (depth of the recess) is preferably set in the range of 0.2 to 5 μm.

図5に示すように、レジストマスク401を除去した後、ECRスパッタ法を用いて、SiNxからなる選択成長用マスク層(厚さ:5〜1000nm)102をn−GaNバッファ層120上に堆積する。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(Al23)、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(Nb25)、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。マスク層102は、複数のストライプ状リッジが形成されていない領域を覆っており、各ストライプ状リッジの側面を覆うことが好ましい。 As shown in FIG. 5, after removing the resist mask 401, a selective growth mask layer (thickness: 5 to 1000 nm) 102 made of SiN x is deposited on the n-GaN buffer layer 120 using ECR sputtering. To do. In this embodiment, the mask layer 102 is formed from silicon nitride (SiN x ), but the mask layer 102 may be formed from other materials as long as GaN does not easily grow. For example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride oxide (AlNO), titanium oxide (TiO 2 ), gallium oxide (GaO x ), zirconium oxide (ZrO) 2 ), the mask layer 102 can be suitably formed from a material such as niobium oxide (Nb 2 O 5 ) or titanium nitride (TiN). The mask layer 102 covers a region where a plurality of stripe ridges are not formed, and preferably covers the side surfaces of each stripe ridge.

次に、図6に示すようにマスク層102上に平坦化レジスト601を堆積した後、図7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601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。 Next, after depositing a planarizing resist 601 on the mask layer 102 as shown in FIG. 6, the resist 601 is etched back until the upper surface (top) of the ridge is exposed as shown in FIG. This etch back can be performed by dry etching using, for example, O 2 plasma. In this embodiment, the striped ridge is covered with the planarizing resist 501 and then etched back. However, the striped ridge may be covered with a material other than the planarizing resist.

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8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9に示すように、有機溶剤等を用いてレジスト601を除去する。 Next, dry etching using SF 6 is performed with the top surface of the ridge exposed, thereby removing the portion of the mask layer 102 located on the top surface of the ridge as shown in FIG. The face (crystal face that functions as the seed portion 105) is exposed. Thereafter, as shown in FIG. 9, the resist 601 is removed using an organic solvent or the like.

このあと、MOVPE法により、例えば1060℃でn−GaNをシード部105上に選択的に成長させ、図10に示すn−GaN結晶106を形成する。   Thereafter, n-GaN is selectively grown on the seed portion 105 by MOVPE, for example, at 1060 ° C. to form the n-GaN crystal 106 shown in FIG.

n−GaN結晶106へドープする不純物は、例えば、シリコン(Si)、セレン(Se)、ゲルマニウム(Ge)、硫黄(S)などである。また、最終的にn型の導電性が確保できるのであれば、相対的に低い濃度でマグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)などのp型不純物を、n型不純物とともに、n−GaN結晶106にドープしてもよい。本実施形態では、n−GaN結晶106の厚さを約3μmに設定し、n型不純物濃度が7×1018cm-3となるようにSiをドープしている。 Impurities doped into the n-GaN crystal 106 are, for example, silicon (Si), selenium (Se), germanium (Ge), sulfur (S), and the like. If n-type conductivity can be secured in the end, p-type impurities such as magnesium (Mg) and zinc (Zn) at a relatively low concentration are added to the n-GaN crystal 106 together with the n-type impurities. You may dope. In this embodiment, the thickness of the n-GaN crystal 106 is set to about 3 μm, and Si is doped so that the n-type impurity concentration is 7 × 10 18 cm −3 .

n−GaN結晶106の成長は、図11に示すように前述の凹部が形成されている領域の上方で合体し、1つの連続したGaN層を形成するまで行う。   The growth of the n-GaN crystal 106 is carried out until the above-described region where the recess is formed is united to form one continuous GaN layer as shown in FIG.

次に、図12に示すように、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子クラッド層107(トータル膜厚1.5μm)、n−GaN光ガイド層108(膜厚0.1μm)、多重量子井戸(MQW)活性層109、p−GaN光ガイド層110(膜厚0.1μm)、p−Al0.1Ga0.9N/GaNクラッド層111(トータル膜厚0.6μm)、p−GaN層112(膜厚0.5μm)を順次堆積する。 Next, as shown in FIG. 12, the n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice clad layer 107 (total film thickness 1.5 μm), the n-GaN light guide layer 108 (film thickness 0.1 μm), multiple quantum Well (MQW) active layer 109, p-GaN light guide layer 110 (film thickness 0.1 μm), p-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN cladding layer 111 (total film thickness 0.6 μm), p-GaN layer 112 ( A film thickness of 0.5 μm is sequentially deposited.

その後、図1に示すように、p−GaN層112とp−Al0.1Ga0.9N/GaNクラッド層111を幅1.7μm程度のリッジストライプ状に加工し、リッジストライプの両脇を絶縁114で覆って電流(キャリア)注入領域を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 1, the p-GaN layer 112 and the p-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN cladding layer 111 are processed into a ridge stripe shape having a width of about 1.7 μm, and both sides of the ridge stripe are insulated by 114. A current (carrier) injection region is formed so as to cover it.

電流注入領域は、エアギャップ103の上部の転位の少ない領域に形成されることが好ましい。電流注入領域は、合体部に形成されるボイド104の真上の位置から外れた位置に形成することが好ましい。   The current injection region is preferably formed in a region with little dislocation above the air gap 103. The current injection region is preferably formed at a position deviating from a position directly above the void 104 formed in the merged portion.

p−GaN層112表面にはp電極113(Pd/Au)を形成し、p電極113と絶縁層114の上には配線電極116(Ti/Au)を形成する。また、n−GaN基板101の裏面側にはn電極115(Mo/Pt/Au)を形成する。このようにして、図1に示す本実施形態の半導体レーザを得ることができる。   A p-electrode 113 (Pd / Au) is formed on the surface of the p-GaN layer 112, and a wiring electrode 116 (Ti / Au) is formed on the p-electrode 113 and the insulating layer 114. An n electrode 115 (Mo / Pt / Au) is formed on the back side of the n-GaN substrate 101. In this way, the semiconductor laser of this embodiment shown in FIG. 1 can be obtained.

本実施形態では、転位密度は5×106cm-2程度のn−GaN基板101を用いているが、横方向成長(ラテラル成長)により形成したn−GaN結晶106にける転位密度を基板における転位密度よりも1桁以上低減することができる。また、GaN結晶106のチルト(この場合は、C軸<0001>の傾き)も小さく、合体部における刃状転位の新たな発生を防止できる。 In this embodiment, the n-GaN substrate 101 having a dislocation density of about 5 × 10 6 cm −2 is used. However, the dislocation density in the n-GaN crystal 106 formed by lateral growth (lateral growth) is determined in the substrate. It can be reduced by an order of magnitude or more than the dislocation density. Further, the tilt of the GaN crystal 106 (in this case, the tilt of the C-axis <0001>) is small, and new generation of edge dislocations in the merged portion can be prevented.

以下、図13(a)から(d)を参照して、n−GaN結晶106の成長について詳細を説明する。   Hereinafter, the growth of the n-GaN crystal 106 will be described in detail with reference to FIGS.

まず、図13(a)を参照する。図13(a)は、図9に相当する断面図である。図13(a)に示すリッジまたは凹部が形成されたn−GaN基板101のn−GaNバッファ層120上に、MOVPE法によってn−GaN結晶106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バッファ層120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。シード部105の幅とエアギャップ103の幅(つまり凹部の幅)は、1:3以上、好ましくは1:4以上にすることが好ましい。   First, refer to FIG. FIG. 13A is a cross-sectional view corresponding to FIG. When the n-GaN crystal 106 is grown by the MOVPE method on the n-GaN buffer layer 120 of the n-GaN substrate 101 in which the ridge or the recess shown in FIG. 13A is formed, it is covered with the mask layer 102 made of SiNx. In this region, no epitaxial growth of GaN occurs, and selective epitaxial growth proceeds to the seed portion 105 of the n-GaN buffer layer 120 exposed through the opening of the mask layer 102. The seed part 105 has the same (0001) plane as the main surface of the substrate, and has a stripe shape each having a width of about 3 μm. The width of the seed portion 105 and the width of the air gap 103 (that is, the width of the concave portion) is 1: 3 or more, preferably 1: 4 or more.

このようにしてn−GaN結晶106を成長させるとき、図13(b)に示すように多結晶GaN1301が凹部のマスク層102上に析出する場合がある。特にn−GaN結晶106を形成する前に熱処理(サーマルクリーニング)を行なう場合、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GaN1301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n−GaN結晶106の結晶性に悪影響を与えることはない。   When the n-GaN crystal 106 is grown in this way, polycrystalline GaN 1301 may be deposited on the mask layer 102 in the recess as shown in FIG. In particular, when heat treatment (thermal cleaning) is performed before the n-GaN crystal 106 is formed, if Ga or GaN droplets are deposited on the mask layer 102 in the recess, GaN grows on the mask layer 102 as a starting point. It becomes easy to do. However, since the deposited polycrystalline GaN 1301 is smaller than the height of the ridge, it does not adversely affect the crystallinity of the n-GaN crystal 106 grown from the seed portion 105 on the top of the ridge.

図13(c)に示すように、n−GaN結晶106を縦および横方向に成長させることにより、図13(d)に示すように、隣接する2つのリッジ上に成長したn−GaN結晶106が合体して1層の窒化物半導体層が形成される。n−GaN結晶106が合体した位置には合体部分1302が形成される。なお、図13(c)に示す「a」は、n−GaN結晶106の縦方向のサイズ(厚さ)を示し、「b」は、n−GaN結晶106のうち横方向に成長した領域のサイズ(幅)を示している。   As shown in FIG. 13C, by growing the n-GaN crystal 106 in the vertical and horizontal directions, as shown in FIG. 13D, the n-GaN crystal 106 grown on two adjacent ridges. Are combined to form a single nitride semiconductor layer. A merged portion 1302 is formed at the position where the n-GaN crystal 106 is merged. Note that “a” illustrated in FIG. 13C indicates the vertical size (thickness) of the n-GaN crystal 106, and “b” indicates the region of the n-GaN crystal 106 grown in the lateral direction. The size (width) is shown.

こうして形成されたn−GaN結晶106からなる窒化物半導体層は、マスク層102上に析出した多結晶GaN1301とは衝突しないため、多結晶GaN1301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。   The nitride semiconductor layer formed of the n-GaN crystal 106 formed in this manner does not collide with the polycrystalline GaN 1301 deposited on the mask layer 102, so that the crystallinity is not lowered by the polycrystalline GaN 1301. As a result, variations in element characteristics finally obtained can be reduced, and the manufacturing yield of elements can be improved.

合体部分1202には、ボイド104が形成され、転位などの欠陥が多いため、その真上に成長した半導体層に悪影響を与える。このため、図1に示す半導体レーザ素子の発光部(電流注入領域)は、図13(d)に示す合体部分1302の真上からはシフトした位置に配置されることが好ましい。   Since the void 104 is formed in the merged portion 1202 and there are many defects such as dislocations, it adversely affects the semiconductor layer grown immediately above. Therefore, the light emitting portion (current injection region) of the semiconductor laser element shown in FIG. 1 is preferably arranged at a position shifted from directly above the merged portion 1302 shown in FIG.

本実施形態で特に重要な点は、n−GaN基板101上にGaNバッファ層120を形成していることにある。以下、図14から図16を参照しながら、GaNバッファ層120の働きを説明する。   A particularly important point in this embodiment is that the GaN buffer layer 120 is formed on the n-GaN substrate 101. Hereinafter, the function of the GaN buffer layer 120 will be described with reference to FIGS.

GaN基板101の導電型をn型にするため、本実施形態で使用するGaN基板101には、n型の不純物がドープされているが、この不純物の蒸気圧が比較的高く、n−GaN基板101から脱離しやすい場合がある。このような場合において、n−GaN基板101にストライプ状リッジを形成し、その上にGaN結晶106の選択的な横方向成長を行なおうとすると、GaN結晶106のc軸方向における成長速度がA軸(<11−20>方向)における成長速度に比べて増大することがある。本発明者の検討によると、このような現象は、GaN結晶106の成長を行なう高温(1000℃程度)において、n−GaN基板101の表面から不純物が離脱し、それによってGaN結晶106の成長が影響を受けるために生じると考えられる。   In order to make the conductivity type of the GaN substrate 101 n-type, the GaN substrate 101 used in the present embodiment is doped with an n-type impurity, but the vapor pressure of this impurity is relatively high, and the n-GaN substrate. 101 may be easily detached. In such a case, when a striped ridge is formed on the n-GaN substrate 101 and selective lateral growth of the GaN crystal 106 is performed thereon, the growth rate of the GaN crystal 106 in the c-axis direction is A. May increase compared to the growth rate in the axis (<11-20> direction). According to the study by the present inventor, such a phenomenon is caused by the separation of impurities from the surface of the n-GaN substrate 101 at a high temperature (about 1000 ° C.) at which the GaN crystal 106 is grown, thereby causing the growth of the GaN crystal 106. It is thought to be caused by being affected.

図14(a)は、n−GaN基板101にドープされた不純物がGaN結晶106の成長時に離脱しやすい場合のGaN結晶106を示している。一方、図14(b)は、このような不純物の脱離が生じにくい場合におけるGaN結晶106を示している。このようにn−GaN基板101に含まれる不純物による影響の程度が変化すると、図13(c)に示すサイズaおよびbが変動してしまうことになる。   FIG. 14A shows the GaN crystal 106 in the case where the impurity doped in the n-GaN substrate 101 is likely to be detached during the growth of the GaN crystal 106. On the other hand, FIG. 14B shows the GaN crystal 106 in the case where such desorption of impurities hardly occurs. Thus, when the degree of the influence of the impurities contained in the n-GaN substrate 101 changes, the sizes a and b shown in FIG. 13C will fluctuate.

次に、n−GaN基板101の面内方向に不純物濃度が大きくばらついた場合の問題を説明する。   Next, a problem when the impurity concentration varies greatly in the in-plane direction of the n-GaN substrate 101 will be described.

一般に、製造上の理由から、GaN基板101に含まれる不純物の濃度は基板面内方向において大きく変動する場合がある。具体的には、GaN基板101の主面における位置によっては不純物濃度が2桁異なることがある。すなわち、基板主面における不純物濃度の最大値をnmax、最小値をnminとするとき、nmax/nminは100以上になる場合がある。 In general, for manufacturing reasons, the concentration of impurities contained in the GaN substrate 101 may vary greatly in the in-plane direction of the substrate. Specifically, depending on the position on the main surface of the GaN substrate 101, the impurity concentration may differ by two digits. That is, n max / n min may be 100 or more, where n max is the maximum impurity concentration and n min is the minimum value of the main surface of the substrate.

n−GaN基板101における不純物濃度が面内でこのように大きく異なると、その上部においてGaN系結晶の選択的な横方向成長を行なう場合、下地の不純物濃度に応じて成長レートの異方性が変化する現象が観察される。その結果、これらのn−GaN結晶106からなる層の表面に大きな凹凸が形成され平坦性が悪化してしまうことになる。また、横方向成長部分の大きさ(サイズb)にバラツキが生じると、GaN結晶106が相互に合体した部分(合体部1302)において位置ずれが発生するという問題も生じる。   If the impurity concentration in the n-GaN substrate 101 greatly varies in the plane, when the selective lateral growth of the GaN-based crystal is performed on the n-GaN substrate 101, the growth rate anisotropy depends on the underlying impurity concentration. A changing phenomenon is observed. As a result, large irregularities are formed on the surface of the layer made of these n-GaN crystals 106, and the flatness is deteriorated. In addition, when the size of the laterally grown portion (size b) varies, there is a problem that misalignment occurs in the portion where the GaN crystals 106 are merged with each other (merged portion 1302).

図15(a)から(c)は、ストライプ状開口部を有するマスク102が形成されたn−GaN基板101の主面上に成長したGaN結晶の形状が、n−GaN基板101の不純物濃度に応じてどのように変化するのか模式的に示す斜視図である。   15A to 15C, the shape of the GaN crystal grown on the main surface of the n-GaN substrate 101 on which the mask 102 having the stripe-shaped opening is formed corresponds to the impurity concentration of the n-GaN substrate 101. It is a perspective view showing typically how it changes according to it.

n−GaN基板101の不純物濃度が高い場所では、キャリアの移動度が相対的に小さくなるため、熱伝導率が低下する。その結果、図15(a)に示すように、n−GaN基板101の表面における実効的な温度が低下する。これは、熱伝導率の低い領域では、基板裏面から供給される熱が基板主面に伝導しにくくなるためである。したがって、n−GaN基板101の不純物濃度が面内方向に分布を有していると、基板主面の温度も面内で分布を示すことになる。その結果、GaN基板上に成長するGaN結晶の形状が図15(a)から(c)に示すように変化することになる。   In a place where the impurity concentration of the n-GaN substrate 101 is high, the carrier mobility is relatively small, so that the thermal conductivity is lowered. As a result, as shown in FIG. 15A, the effective temperature on the surface of the n-GaN substrate 101 decreases. This is because heat supplied from the back surface of the substrate is difficult to conduct to the main surface of the substrate in a region having low thermal conductivity. Therefore, when the impurity concentration of the n-GaN substrate 101 has a distribution in the in-plane direction, the temperature of the main surface of the substrate also shows the distribution in the plane. As a result, the shape of the GaN crystal grown on the GaN substrate changes as shown in FIGS.

図15(a)に示すように、下地の不純物濃度加が高い位置では、下地温度が相対的に低くなるため、GaN結晶のC軸方向の成長速度は増加し、A軸(<11−20>方向)の成長速度が低下する。また、(11−22)面などの高次の面が発生しやすくなる。これに対し、下地の不純物濃度が低い位置では、下地温度が相対的に高くなるため、図15(c)に示すように、C軸方向の成長速度が抑えられ、A軸(<11−20>方向)の成長速度が増大する。したがって、GaN基板101に不純物濃度の分布があると、GaN結晶の表面に凹凸が生じ、表面モフォロジーや平坦性が悪化する。   As shown in FIG. 15A, at a position where the impurity concentration of the base is high, the base temperature is relatively low, so the growth rate of the GaN crystal in the C-axis direction increases, and the A-axis (<11-20). > Direction) growth rate decreases. In addition, higher-order surfaces such as the (11-22) surface are likely to occur. On the other hand, since the substrate temperature is relatively high at a position where the impurity concentration of the substrate is low, the growth rate in the C-axis direction is suppressed and the A-axis (<11-20) as shown in FIG. > Direction) growth rate increases. Therefore, if there is an impurity concentration distribution in the GaN substrate 101, irregularities occur on the surface of the GaN crystal, and the surface morphology and flatness deteriorate.

図16(a)は、このような合体部に隙間が形成された状態を示す光学顕微鏡写真である。n−GaN結晶106の横方向成長が遅い部分(図13(c)のサイズbが相対的に小さい部分)では、図16(a)に示すように、幅数μm程度の隙間が形成されている。   FIG. 16A is an optical micrograph showing a state in which a gap is formed in such a combined portion. In a portion where the lateral growth of the n-GaN crystal 106 is slow (a portion where the size b in FIG. 13C is relatively small), a gap having a width of about several μm is formed as shown in FIG. Yes.

図17(a)は、n−GaNバッファ層120を介することなく直接n−GaN基板101上に成長したn−GaN結晶106の断面を示す電子顕微鏡(SEM)写真であり、図17(b)は、そのn−GaN結晶106の上面を示すSEM写真である。   FIG. 17A is an electron microscope (SEM) photograph showing a cross section of the n-GaN crystal 106 grown directly on the n-GaN substrate 101 without passing through the n-GaN buffer layer 120, and FIG. These are SEM photographs showing the upper surface of the n-GaN crystal 106.

図17(a)および(b)に示すn−GaN結晶106は、場所によって厚さおよび幅がばらついているため、平坦性が悪化している。このようなn−GaN結晶106上に更に半導体積を積層してゆくと、最終的に得られる半導体レーザのストライプ状導波路にうねりが生じる。このようなうねりが存在すると、レーザ素子の特性(例えばしきい値電流や動作電流)にばらつきが生じ、素子の製造歩留まりが低下してしまう。   Since the thickness and width of the n-GaN crystal 106 shown in FIGS. 17A and 17B vary depending on the location, the flatness is deteriorated. When a semiconductor product is further laminated on such an n-GaN crystal 106, undulation occurs in the stripe waveguide of the finally obtained semiconductor laser. When such waviness exists, the characteristics (for example, threshold current and operating current) of the laser element vary, and the manufacturing yield of the element decreases.

また、n−GaN結晶106における横方向成長部の合体部には、刃状転位が生じやすいが、その合体部の位置がずれることにより、活性領域として機能するリッジストライプに転位が入ってしまい、信頼性を低下やスクリーニング歩留まりの低下といった問題も生じる。   In addition, edge dislocations are likely to occur in the merged portion of the laterally grown portion in the n-GaN crystal 106, but dislocation enters the ridge stripe functioning as the active region due to the displacement of the merged portion. Problems such as reduced reliability and reduced screening yield also occur.

このような現象は、GaN結晶106の成長温度(約1000〜1100℃)において高い蒸気圧を示すような不純物がn−GaN基板中に含まれているときに生じやすいと考えられる。c軸方向の成長速度は、GaN基板にドープされている不純物の種類によっても異なるが、どのような不純物であっても、平坦性の悪化や合体部のずれといった問題を引き起こす可能性がある。本発明者の実験によると、GaN基板101が不純物として、酸素、シリコン、セレン、ゲルマニウム、および硫黄からなる群から選択された元素を含むとき、GaN結晶106の成長に特に影響が及びやすい。これらの不純物の中でも、特に酸素はガスとなって基板表面から脱離しやすいため、高温で行なうGaN結晶106の選択成長に影響を与えやすい。   Such a phenomenon is likely to occur when an impurity that exhibits a high vapor pressure at the growth temperature (about 1000 to 1100 ° C.) of the GaN crystal 106 is contained in the n-GaN substrate. The growth rate in the c-axis direction varies depending on the type of impurities doped in the GaN substrate, but any impurity may cause problems such as deterioration of flatness and deviation of the merged portion. According to the experiments by the present inventors, when the GaN substrate 101 contains an element selected from the group consisting of oxygen, silicon, selenium, germanium, and sulfur as an impurity, the growth of the GaN crystal 106 is particularly easily affected. Among these impurities, oxygen is particularly a gas and is easily desorbed from the substrate surface, so that it tends to affect the selective growth of the GaN crystal 106 performed at a high temperature.

本実施形態では、n−GaN基板101上にGaNバッファ層120を形成することにより、n−GaN基板101がGaN結晶106の横方向成長時に与える悪影響を抑制している。そのため、不純物濃度が面内で大きく変動するn−GaN基板を用いても、n−GaN基板における不純物濃度のばらつきの影響を受けずにすむ。   In this embodiment, by forming the GaN buffer layer 120 on the n-GaN substrate 101, the adverse effect of the n-GaN substrate 101 on the lateral growth of the GaN crystal 106 is suppressed. For this reason, even if an n-GaN substrate whose impurity concentration varies greatly in the plane is used, it is not affected by variations in impurity concentration in the n-GaN substrate.

図18(a)は、本実施形態におけるn−GaN結晶106の上面を示す光学顕微鏡写真であり、図18(b)は、その断面を模式的に示す図であり、図18(c)は、n−GaN結晶106の断面を示す光学顕微鏡写真である。図18(a)から(c)に示されるように、本実施形態では、GaN結晶106からなる層は良好な平坦性を持ち、かつ転位密度の少ないものであった。カソードルミネッセンス(CL)により、転位密度を評価したところ、ストライプ状リッジの頂部に位置するシード部105の真上では5×106cm-2程度の密度で転位が存在しているが、横方向成長させた部分(ウイング部)での転位密度は2×105cm-2に低減できていた。 FIG. 18A is an optical micrograph showing the upper surface of the n-GaN crystal 106 in the present embodiment, FIG. 18B is a diagram schematically showing the cross section, and FIG. 2 is an optical micrograph showing a cross section of an n-GaN crystal 106. As shown in FIGS. 18A to 18C, in this embodiment, the layer made of the GaN crystal 106 has good flatness and a low dislocation density. When dislocation density was evaluated by cathodoluminescence (CL), dislocations exist at a density of about 5 × 10 6 cm −2 just above the seed portion 105 located at the top of the striped ridge. The dislocation density in the grown part (wing part) could be reduced to 2 × 10 5 cm −2 .

なお、本実施形態では、n−GaNバッファ層120にストライプ状リッジを形成するためのエッチングを行なうとき、リッジ間に存在する凹部(溝)は、n−GaN基板101には達していない。しかし、本発明は、このような場合に限定されず、図19に示すように、GaN基板101に達してもよい。図19に示す例では、GaN基板101の表面は、SiNxからなるマスク102によって被覆されているため、GaN基板101からの不純物の離脱が抑制されている。 In the present embodiment, when etching is performed to form a striped ridge in the n-GaN buffer layer 120, the recess (groove) existing between the ridges does not reach the n-GaN substrate 101. However, the present invention is not limited to such a case, and may reach the GaN substrate 101 as shown in FIG. In the example shown in FIG. 19, the surface of the GaN substrate 101 is covered with the mask 102 made of SiN x , so that the detachment of impurities from the GaN substrate 101 is suppressed.

また、本実施形態におけるGaNバッファ層120にはn型の不純物をドープしているが、GaNバッファ層120には不純物をドープしなくてもよい場合がある。図1に示す半導体レーザでは、縦方向(基板厚さ方向)にキャリアが流れるが、そのような場合は、GaNバッファ層120の厚さを電子の拡散長よりも薄く設定しておけば、GaNバッファ層120がアンドープ状態でも問題はない。   Further, although the GaN buffer layer 120 in this embodiment is doped with n-type impurities, the GaN buffer layer 120 may not be doped with impurities. In the semiconductor laser shown in FIG. 1, carriers flow in the vertical direction (substrate thickness direction). In such a case, if the thickness of the GaN buffer layer 120 is set to be smaller than the electron diffusion length, the GaN There is no problem even if the buffer layer 120 is in an undoped state.

本実施形態では、前述したように、n−GaNバッファ層120にストライプ状リッジを形成した後、図13(a)から(d)に示すようにしてn−GaN層106を成長させるため、n−GaN基板101に含まれる不純物の影響がn−GaN層106の成長に悪影響を与えることを抑制できる。このよなう効果を得るためには、n−GaN層106にドープする不純物の種類や濃度に留意することが好ましい。   In the present embodiment, as described above, after the stripe ridge is formed in the n-GaN buffer layer 120, the n-GaN layer 106 is grown as shown in FIGS. It is possible to suppress the influence of impurities contained in the GaN substrate 101 from adversely affecting the growth of the n-GaN layer 106. In order to obtain such an effect, it is preferable to pay attention to the type and concentration of impurities doped in the n-GaN layer 106.

本発明者の検討により、以下の知見が得られた。   The following knowledge was acquired by examination of this inventor.

すなわち、n−GaNバッファ層120には、n−GaN基板101に含まれる不純物の蒸気圧(n−GaNバッファ層120上に形成するAlxGayInzN結晶の成長温度における蒸気圧)よりも低い蒸気圧を示す不純物をドープすることが好ましい。このようにすることにより、AlxGayInzN結晶を成長するとき、下地からの不純物による悪影響(横方向成長時の平坦性の悪化など)を効果的に抑制することができる。 That is, in the n-GaN buffer layer 120, the vapor pressure of impurities contained in the n-GaN substrate 101 (vapor pressure at the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal formed on the n-GaN buffer layer 120). It is preferable to dope impurities that exhibit a low vapor pressure. By doing so, when growing an Al x Ga y In z N crystal, it is possible to effectively suppress adverse effects due to impurities from the base (deterioration of flatness during lateral growth, etc.).

不純物の蒸気圧は、不純物元素の単体からなる材料の沸点が低いほど高い傾向がある。沸点は、GaNにドープされ得る不純物のうち、酸素、硫黄、セレン、シリコン、およびゲルマニウムの沸点は、酸素<硫黄<セレン<シリコン<ゲルマニウムの順序で高い。このため、酸素、硫黄、セレン、シリコン、およびゲルマニウムの蒸気圧は、酸素>硫黄>セレン>シリコン>ゲルマニウムの順序で低くなる。   The vapor pressure of impurities tends to be higher as the boiling point of a material composed of a single impurity element is lower. Among the impurities that can be doped in GaN, the boiling points of oxygen, sulfur, selenium, silicon, and germanium are higher in the order of oxygen <sulfur <selenium <silicon <germanium. For this reason, the vapor pressure of oxygen, sulfur, selenium, silicon, and germanium decreases in the order of oxygen> sulfur> selenium> silicon> germanium.

このため、n−GaN基板101に含まれる不純物が酸素であれば、n−GaNバッファ層120には、シリコン、ゲルマニウム、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも1種の不純物をドープすることが好ましい。これらの不純物は単独で添加されていてもよいが、2種類以上添加されてもよい。   Therefore, if the impurity contained in the n-GaN substrate 101 is oxygen, the n-GaN buffer layer 120 is doped with at least one impurity selected from the group consisting of silicon, germanium, selenium, and sulfur. It is preferable. These impurities may be added alone, or two or more of them may be added.

GaN基板101に含まれる不純物の濃度が1×1016cm-3以上、特に1×1017cm-3以上であるとき、GaN層の成長に与える影響が大きくなる。このため、GaN基板101に含まれる不純物の濃度が1×1016cm-3以上のとき、n−GaN結晶106を設けることの効果が大きくなる。 When the concentration of impurities contained in the GaN substrate 101 is 1 × 10 16 cm −3 or more, particularly 1 × 10 17 cm −3 or more, the influence on the growth of the GaN layer becomes large. For this reason, when the concentration of impurities contained in the GaN substrate 101 is 1 × 10 16 cm −3 or more, the effect of providing the n-GaN crystal 106 is increased.

なお、n−GaN基板101やn−GaN結晶106に含まれる不純物の濃度は、基板の厚さ方向に一様である必要はない。また、n−GaN型106の一部に、電子の拡散長いよりも薄い不純物無添加(アンドープ)層領域が存在してもよい。   Note that the concentration of impurities contained in the n-GaN substrate 101 and the n-GaN crystal 106 need not be uniform in the thickness direction of the substrate. Further, an impurity-free (undoped) layer region that is thinner than the electron diffusion length may exist in a part of the n-GaN type 106.

次に、n−GaNバッファ層120における不純物濃度をどのような範囲に設定することが好ましいかを説明する。   Next, the range in which the impurity concentration in the n-GaN buffer layer 120 is preferably set will be described.

本発明者の検討によると、n−GaNバッファ層120にドープする不純物の濃度(N1)は、n−GaN基板101に含まれる不純物の濃度(N2)よりも低く設定すること(N2>N1)が好ましいことがわかった。このようにすることにより、AlxGayInzN結晶を成長するとき、下地からの不純物による悪影響(横方向成長時の平坦性の悪化など)を効果的に抑制することができる。本発明者の実験によると、n−GaNバッファ層120へドープする不純物の濃度は1×1019cm-3以下であることが好ましく、5×1018cm-3以下であることが更に好ましく、2×1018cm-3以下であることが最も好ましい。 According to the study by the present inventors, the concentration (N1) of the impurity doped into the n-GaN buffer layer 120 is set lower than the concentration (N2) of the impurity contained in the n-GaN substrate 101 (N2> N1). Was found to be preferable. By doing so, when growing an Al x Ga y In z N crystal, it is possible to effectively suppress adverse effects due to impurities from the base (deterioration of flatness during lateral growth, etc.). According to the experiments by the present inventors, the concentration of the impurity doped into the n-GaN buffer layer 120 is preferably 1 × 10 19 cm −3 or less, more preferably 5 × 10 18 cm −3 or less, Most preferably, it is 2 × 10 18 cm −3 or less.

なお、本実施形態では、窒化物半導体の成長をMOVPE(MOCVD)法によって行なっているが、本発明は、このような成長法に限定されず、分子線エピタキシー(MBE)法など、不純物濃度の制御性に優れている方法を用いても良い。   In this embodiment, the nitride semiconductor is grown by the MOVPE (MOCVD) method. However, the present invention is not limited to such a growth method, and the impurity concentration such as the molecular beam epitaxy (MBE) method can be used. A method having excellent controllability may be used.

また、窒化物半導体基板で記載される基板の作製方法も、前述したハイドライドVPE(H−VPE)を用いて行なうものに限定されず、高圧溶融法、液層成長法、またはフラックス法など成長速度の高い他の結晶成長方法を用いて作製したものであっても良い。ただし、本発明は、以上の説明から明らかなように、面内方向で不純物濃度が大きく変化しやすい基板を用いる場合に特に顕著な効果をもたらすものである。   In addition, a method for manufacturing a substrate described using a nitride semiconductor substrate is not limited to the above-described method using hydride VPE (H-VPE), and a growth rate such as a high-pressure melting method, a liquid layer growth method, or a flux method is used. It may be produced by using another crystal growth method having a high value. However, as is apparent from the above description, the present invention provides a particularly remarkable effect when using a substrate whose impurity concentration is likely to change greatly in the in-plane direction.

(実施形態2)
次に、図10を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第2の実施形態(半導体レーザ)を説明する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment (semiconductor laser) of a nitride semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態が前述の実施形態と異なる点は、電極の配置構成の違いにある。前述の実施形態では、n電極115がn−GaN基板101の裏面に形成されているが、本実施形態におけるn電極1904は、n−GaN基板101の主面に設けた半導体積層構造の上に形成されている。   The difference between this embodiment and the previous embodiment is the difference in the arrangement of the electrodes. In the above-described embodiment, the n-electrode 115 is formed on the back surface of the n-GaN substrate 101. However, the n-electrode 1904 in this embodiment is formed on the semiconductor stacked structure provided on the main surface of the n-GaN substrate 101. Is formed.

図20に示す半導体レーザ素子は、主面にGaNバッファ層120が形成されたn−GaN基板101と、その主面側に形成された半導体積層構造とを備えている。この半導体積層構造は、n−GaN基板101に近い側から、GaN結晶106、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子コンタクト層1903、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子クラッド層107、n−GaN光ガイド層108、多重量子井戸(MQW)活性層109、p−GaN光ガイド層110、p−Al0.1Ga0.9N/GaNクラッド層111、p−GaN層112を有している。MQW活性層109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る。 The semiconductor laser device shown in FIG. 20 includes an n-GaN substrate 101 having a GaN buffer layer 120 formed on the main surface, and a semiconductor multilayer structure formed on the main surface side. This semiconductor multilayer structure includes a GaN crystal 106, an n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice contact layer 1903, an n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice cladding layer 107, from the side close to the n-GaN substrate 101, An n-GaN light guide layer 108, a multiple quantum well (MQW) active layer 109, a p-GaN light guide layer 110, a p-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN cladding layer 111, and a p-GaN layer 112 are provided. The MQW active layer 109 is fabricated by alternately stacking a Ga 0.8 In 0.2 N well layer having a thickness of 3 nm and a GaN barrier layer having a thickness of 6 nm.

p−GaN層112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絶縁層114が半導体積層構造の上面を覆っている。半導体積層構造の一部は、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子コンタクト層1903が露出するまでエッチングされており、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子コンタクト層1903の上にn電極1904および配線電極1905が形成されている。 A ridge stripe is formed in the p-GaN layer 112 for current and light confinement, and an insulating layer 114 having an opening located on the upper surface of the ridge stripe covers the upper surface of the semiconductor multilayer structure. A part of the semiconductor stacked structure is etched until the n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice contact layer 1903 is exposed, and an n-electrode is formed on the n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice contact layer 1903. 1904 and a wiring electrode 1905 are formed.

本実施形態の半導体レーザでは、p電極113とn電極1904との間に電圧を印加すると、MQW活性層109に向かってp電極113から正孔が注入され、n電極1904からは電子が注入される。n電極1904からn−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子コンタクト層1903に注入された電子は、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子コンタクト層1903を横方向に流れてから、n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子クラッド層107およびn−GaN光ガイド層108を経て活性層109、に注入される。この結果、活性層109のキャリア注入領域で利得が生じ、408nmの波長でレーザ発振が生じる。 In the semiconductor laser of this embodiment, when a voltage is applied between the p electrode 113 and the n electrode 1904, holes are injected from the p electrode 113 toward the MQW active layer 109, and electrons are injected from the n electrode 1904. The Electrons injected from the n-electrode 1904 into the n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice contact layer 1903 flow through the n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice contact layer 1903 in the lateral direction, and then the n-Al It is injected into the active layer 109 via the 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice cladding layer 107 and the n-GaN light guide layer 108. As a result, a gain occurs in the carrier injection region of the active layer 109, and laser oscillation occurs at a wavelength of 408 nm.

本実施形態では、GaN基板101を電流は流れないため、GaN基板101に不純物をドープしておく必要性はない。また、同様の理由により、GaNバッファ層120およびGaN層106に対しても、不純物をドープしておく必要は無い。ただし、GaN基板101、GaNバッファ層120、およびGaN層106のいずれについても、n型不純物あるいはp型不純物がドープされていてもよい。   In this embodiment, since no current flows through the GaN substrate 101, it is not necessary to dope the GaN substrate 101 with impurities. For the same reason, it is not necessary to dope impurities into the GaN buffer layer 120 and the GaN layer 106. However, any of the GaN substrate 101, the GaN buffer layer 120, and the GaN layer 106 may be doped with an n-type impurity or a p-type impurity.

図20に示す半導体レーザでは、横方向に流れる電流の抵抗成分を低くするため、n電極1904と接触するコンタクト層1903をn−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子から形成している。 In the semiconductor laser shown in FIG. 20, the contact layer 1903 that contacts the n-electrode 1904 is formed of an n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice in order to reduce the resistance component of the current flowing in the lateral direction.

横方向に流れる電流の抵抗成分を低くするためには、GaN層106にn型不純物をドープし、かつ、その厚さを大きくすることが好ましい。例えば、GaN層106の厚さは、例えば1000〜50000nm程度に設定されることが好ましい。   In order to reduce the resistance component of the current flowing in the lateral direction, it is preferable that the GaN layer 106 is doped with n-type impurities and the thickness thereof is increased. For example, the thickness of the GaN layer 106 is preferably set to about 1000 to 50000 nm, for example.

本実施形態では、マスク層102がストライプ状リッジの間に位置する凹部の底面のみならず、ストライプ状リッジの側面をも被覆しているが、エアギャップ103を適切に形成できるならぱ、ストライプ状リッジの側面を覆う必要はない。ただし、n−GaN結晶106やGaN基板101に含まれる不純物の脱離を防止するためには、マスク層102を形成することが好ましい。   In this embodiment, the mask layer 102 covers not only the bottom surfaces of the recesses located between the stripe ridges but also the side surfaces of the stripe ridges. However, if the air gap 103 can be appropriately formed, the stripe shape There is no need to cover the sides of the ridge. However, in order to prevent detachment of impurities contained in the n-GaN crystal 106 and the GaN substrate 101, the mask layer 102 is preferably formed.

(実施形態3)
上記の実施形態1および2では、選択的な横方向成長によってGaN結晶106を成長させるとき、下地にストライプ状のリッジを形成するため、GaNバッファ層120を凹状に加工しているが、本発明は、このような場合に限定されない。
(Embodiment 3)
In the first and second embodiments described above, when the GaN crystal 106 is grown by selective lateral growth, the GaN buffer layer 120 is processed into a concave shape in order to form a striped ridge on the underlayer. Is not limited to such a case.

以下、図21を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第3の実施形態(半導体レーザ)を説明する。   Hereinafter, a third embodiment (semiconductor laser) of a nitride semiconductor device according to the present invention will be described with reference to FIG.

本実施形態が前述の実施形態2と異なる点は、本実施形態では、ストライプ状のリッジをGaNバッファ層120に形成していない点にある。   The present embodiment is different from the above-described second embodiment in that a stripe-shaped ridge is not formed in the GaN buffer layer 120 in the present embodiment.

本実施形態では、図21に示すように、上面が平坦なGaNバッファ層120上にSiNxからなるマスク層102を形成している。このマスク層102には、ストライプ状の開口部2103が設けられている。このストライプ状開口部2103の位置は、図20におけるストライプ状リッジの頂部の位置に対応している。   In this embodiment, as shown in FIG. 21, a mask layer 102 made of SiNx is formed on a GaN buffer layer 120 having a flat upper surface. The mask layer 102 is provided with striped openings 2103. The position of the stripe-shaped opening 2103 corresponds to the position of the top of the stripe-shaped ridge in FIG.

図21に示すように、GaN結晶106の合体部に刃状転位が生じる場合がある。このよう刃状転位は、GaN結晶106とマスク層102との間に生じる歪みの影響でGaN結晶106のC軸が傾く(チルトが発生する)ことによって生じる。GaN結晶106のチルトが生じると、合体部において、格子のずれが生じるためである。刃状転位の多い合体部を避けるため、レーザの活性領域(ストライプ状の電流注入領域)は、開口部2103と合体部との中央部の真上に配置することが好ましい。   As shown in FIG. 21, edge dislocations may occur in the merged portion of the GaN crystal 106. Such edge dislocations are generated when the C axis of the GaN crystal 106 is tilted (tilt is generated) due to the influence of strain generated between the GaN crystal 106 and the mask layer 102. This is because when the tilt of the GaN crystal 106 occurs, a lattice shift occurs in the merged portion. In order to avoid a merged portion with many edge dislocations, the active region of the laser (stripe-shaped current injection region) is preferably disposed immediately above the center between the opening 2103 and the merged portion.

(実施形態4)
本発明は、半導体レーザ以外の窒化物半導体素子、例えば、図22に示す発光ダイオード(LED)にも適用される。本発明によれば、GaN基板に含まれる不純物の影響を抑制することにより、発光波長の不均一性を改善できるため、良好な特性の発光素子を得ることができる。
(Embodiment 4)
The present invention is also applied to a nitride semiconductor device other than a semiconductor laser, for example, a light emitting diode (LED) shown in FIG. According to the present invention, since the nonuniformity of the emission wavelength can be improved by suppressing the influence of impurities contained in the GaN substrate, a light-emitting element with good characteristics can be obtained.

上記の各実施形態では、GaN基板101上に形成する結晶バッファ層120は、GaNから形成された層であったが、この層は、AluGavInwN(u+v+w=1)で示される窒化物半導体の混晶から形成されていても良い。Inを含有するAluGavInwN結晶(例えばGa0.9In0.1N)から結晶バッファ層120を形成した場合、その上に成長させるAlxGayInzN結晶の成長温度よりも低い温度でAluGavInwN結晶の層を成長させる必要がある。この成長温度は600℃以上1000℃以下の範囲にあることが好ましく、700℃以上900℃以下の範囲内にあることが更に好ましい。 In each of the above embodiments, the crystal buffer layer 120 formed on the GaN substrate 101 is a layer formed of GaN. This layer is represented by Al u Ga v In w N (u + v + w = 1). It may be formed from a mixed crystal of a nitride semiconductor. When the crystal buffer layer 120 is formed from an Al u Ga v In w N crystal (for example, Ga 0.9 In 0.1 N) containing In, a temperature lower than the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal grown on the crystal buffer layer 120 It is necessary to grow an Al u Ga v In w N crystal layer. This growth temperature is preferably in the range of 600 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower, and more preferably in the range of 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.

また、結晶バッファ層120は単層構造を有しているものに限られず、例えばAlu1Gav1Inw1N(u1+v1+w1=1)層とAlu2Gav2Inw2N(u2+v2+w2=1)層を交互に積層した構造を有していてもよい。具体的には、AlGaN層とGaN層とを交互に積層した超格子構造を有していてもよい。このような積層構造を有している結晶バッファ層120にSiなどの不純物をドープする場合、いずれか一方の構成層に不純物をドープしてもよい。 Further, the crystal buffer layer 120 is not limited to the one having a single layer structure. For example, Al u1 Ga v1 In w1 N (u1 + v1 + w1 = 1) layers and Al u2 Ga v2 In w2 N (u2 + v2 + w2 = 1) layers are alternately arranged. It may have a laminated structure. Specifically, it may have a superlattice structure in which AlGaN layers and GaN layers are alternately stacked. When the crystal buffer layer 120 having such a stacked structure is doped with impurities such as Si, one of the constituent layers may be doped with impurities.

本発明によって作製される窒化物半導体素子は、信頼性の高いGaN系半導体レーザ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)装置等の光源として有用であり、また、レーザ加工や医用等へ応用され得る。さらに、トランジスタなどの活性領域を本発明による窒化物半導体の低欠陥領域に形成すれば、信頼性の高いGaN系電子デバイス(パワーデバイスなど)を実現することもできる。   The nitride semiconductor device produced by the present invention is useful as a light source for an optical recording device, an optical display (laser display) device, and the like that require a highly reliable GaN-based semiconductor laser, and laser processing, medical use, and the like. It can be applied to. Furthermore, if an active region such as a transistor is formed in the low defect region of the nitride semiconductor according to the present invention, a highly reliable GaN-based electronic device (such as a power device) can be realized.

本発明による窒化物半導体素子の第1の実施形態(半導体レーザ)の断面図である。It is sectional drawing of 1st Embodiment (semiconductor laser) of the nitride semiconductor element by this invention. 図1の半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the semiconductor laser of FIG. 1. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing method of the said semiconductor laser. (a)から(d)は、n−GaN結晶106の成長を示す工程断面図である。(A) to (d) are process cross-sectional views showing the growth of the n-GaN crystal 106. (a)は、n−GaN基板101のうち、不純物の離脱が多い領域上に成長したn−GaN結晶106の斜視図であり、(b)は、n−GaN基板101のうち、不純物の離脱が少ない領域上に成長したn−GaN結晶106の斜視図である。(A) is a perspective view of the n-GaN crystal 106 grown on a region of the n-GaN substrate 101 where many impurities are detached, and (b) is an impurity separation of the n-GaN substrate 101. FIG. 6 is a perspective view of an n-GaN crystal 106 grown on a region with a small amount of. (a)から(c)は、n−GaN基板101のうち、不純物濃度の高低によりn−GaN結晶106の形状が変化することを示す斜視図である。(A) to (c) are perspective views showing that the shape of the n-GaN crystal 106 changes depending on the impurity concentration in the n-GaN substrate 101. (a)は、n−GaNバッファ層120を介することなく直接n−GaN基板上に成長したn−GaN結晶106を示す光学顕微鏡写真であり、(b)は、n−GaNバッファ層120のストライプ状リッジに成長したn−GaN結晶106を示す光学顕微鏡写真である。(A) is an optical micrograph showing the n-GaN crystal 106 grown directly on the n-GaN substrate without passing through the n-GaN buffer layer 120, and (b) is a stripe of the n-GaN buffer layer 120. 5 is an optical micrograph showing an n-GaN crystal 106 grown on a ridge. (a)は、n−GaNバッファ層120を介することなく直接n−GaN基板101上に成長したn−GaN結晶106の断面を示す電子顕微鏡(SEM)写真であり、(b)は、そのn−GaN結晶106の上面を示すSEM写真である。(A) is the electron microscope (SEM) photograph which shows the cross section of the n-GaN crystal 106 grown directly on the n-GaN substrate 101 without passing through the n-GaN buffer layer 120, and (b) shows the n 3 is an SEM photograph showing the upper surface of a GaN crystal 106. (a)は、本発明の第1の実施形態におけるn−GaN結晶106の上面を示す光学顕微鏡写真であり、(b)は、その断面を模式的に示す図であり、(c)は、n−GaN結晶106の断面を示す光学顕微鏡写真である。(A) is an optical microscope photograph which shows the upper surface of the n-GaN crystal 106 in the 1st Embodiment of this invention, (b) is the figure which shows the cross section typically, (c), 2 is an optical micrograph showing a cross section of an n-GaN crystal 106. 本発明の第1の実施形態において、ストライプ状リッジをn−GaNバッファ層120の厚さよりも深く形成した半導体レーザを示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser in which a stripe ridge is formed deeper than the thickness of an n-GaN buffer layer 120 in the first embodiment of the present invention. FIG. 本発明による窒化物半導体素子の第2の実施形態(半導体レーザ)の断面図である。It is sectional drawing of 2nd Embodiment (semiconductor laser) of the nitride semiconductor element by this invention. 本発明による窒化物半導体素子の第3の実施形態(半導体レーザ)の断面図である。It is sectional drawing of 3rd Embodiment (semiconductor laser) of the nitride semiconductor element by this invention. 本発明によるLEDの断面図である。1 is a cross-sectional view of an LED according to the present invention. 窒化物半導体素子(半導体レーザ)の従来例示す断面図である。It is sectional drawing which shows the prior art example of the nitride semiconductor element (semiconductor laser). 窒化物半導体素子(半導体レーザ)の他の従来例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other conventional example of the nitride semiconductor element (semiconductor laser).

符号の説明Explanation of symbols

101 n−GaN基板
102 マスク層
103 エアギャップ
104 ボイド
105 シード部
106 n−GaN層
107 n−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子クラッド層
108 n−GaN光ガイド層
109 MQW活性層
110 p−GaN光ガイド層
111 p−Al0.1Ga0.9N/GaN超格子クラッド層
112 p−GaN層
113 p電極
114 絶縁層
115 n電極
116 配線電極
120 n−GaN層
401 レジストマスク
601 平坦化レジスト
1301 多結晶GaN
1302 合体部分
1801 Al0.02Ga0.97N層
2103 開口部
3601 アンドープGaN基板
3602 SiO2
3603 開口部
3604 GaN層
3605 n−GaN層
3606 n−AlGaNクラッド層
3607 n−GaN光ガイド層
3608 MQW活性層
3609 p−GaN光ガイド層
3610 p−AlGaNクラッド層
3611 p−GaNコンタクト層
3612 p電極
3613 SiO2
3614 n電極
3614 緩和層
101 n-GaN substrate 102 mask layer 103 air gap 104 void 105 seed part 106 n-GaN layer 107 n-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice clad layer 108 n-GaN light guide layer 109 MQW active layer 110 p-GaN Optical guide layer 111 p-Al 0.1 Ga 0.9 N / GaN superlattice cladding layer 112 p-GaN layer 113 p electrode 114 insulating layer 115 n electrode 116 wiring electrode 120 n-GaN layer 401 resist mask 601 planarizing resist 1301 polycrystalline GaN
1302 Combined portion 1801 Al 0.02 Ga 0.97 N layer 2103 Opening 3601 Undoped GaN substrate 3602 SiO 2
3603 Opening 3604 GaN layer 3605 n-GaN layer 3606 n-AlGaN cladding layer 3607 n-GaN light guide layer 3608 MQW active layer 3609 p-GaN light guide layer 3610 p-AlGaN cladding layer 3611 p-GaN contact layer 3612 p-electrode 3613 SiO 2
3614 n-electrode 3614 relaxation layer

Claims (27)

研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が1×1017cm-3以上である第1不純物を含有する窒化物半導体基板を用意する工程(A)と、
AluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程(B)と、
前記AluGavInwN結晶層の上面における複数のストライプ状領域の各々に対して選択的にAlxGayInzN結晶(0≦x、y、z≦1:x+y+z=1)を成長させる工程(C)と、
を含む窒化物半導体の製造方法。
A step (A) of preparing a nitride semiconductor substrate having a polished main surface and containing a first impurity having an average concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more in the main surface;
A step (B) of growing an Al u Ga v In w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) on the main surface of the nitride semiconductor substrate;
An Al x Ga y In z N crystal (0 ≦ x, y, z ≦ 1: x + y + z = 1) is selectively applied to each of the plurality of stripe regions on the upper surface of the Al u Ga v In w N crystal layer. Growing (C);
A method for producing a nitride semiconductor comprising:
前記第1不純物濃度は酸素である請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the first impurity concentration is oxygen. 前記窒化物半導体基板の前記主面における前記不純物の濃度の最大値をnmax、最小値をnminとするとき、nmax/nminは10以上である請求項1または2に記載の製造方法。 3. The manufacturing method according to claim 1, wherein n max / n min is 10 or more when a maximum value of the impurity concentration on the main surface of the nitride semiconductor substrate is n max and a minimum value is n min. . 前記AluGavInwN結晶層は、前記窒化物半導体基板に含まれる第1不純物とは異なる第2不純物を含有している請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。 4. The manufacturing method according to claim 1, wherein the Al u Ga v In w N crystal layer contains a second impurity different from the first impurity contained in the nitride semiconductor substrate. 5. 前記AlxGayInzN結晶の成長温度における前記第1不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第2不純物の蒸気圧よりも高い請求項4に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 4, wherein the vapor pressure of the first impurity at the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal is higher than the vapor pressure of the second impurity at the growth temperature. 前記第1不純物は酸素であり、前記第2不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも1種である請求項5に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 5, wherein the first impurity is oxygen, and the second impurity is at least one selected from the group consisting of silicon, germanium, selenium, and sulfur. 前記AluGavInwN結晶層における前記第2不純物の平均濃度は、前記窒化物半導体基板の主面における前記第1不純物の平均濃度よりも低い請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。 4. The average concentration of the second impurity in the Al u Ga v In w N crystal layer is lower than the average concentration of the first impurity in the main surface of the nitride semiconductor substrate. 5. Production method. 前記第1不純物は、酸素、シリコン、ゲルマニウム、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも1種である請求項7に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 7, wherein the first impurity is at least one selected from the group consisting of oxygen, silicon, germanium, selenium, and sulfur. 前記AluGavInwN結晶層の成長温度よりも前記AlxGayInzN結晶層の成長温度が高い請求項7に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 7, wherein the growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal layer is higher than the growth temperature of the Al u Ga v In w N crystal layer. 前記工程(A)は、
前記主面に対して傾斜した複数のファセットを上面に形成するように窒化物半導体を成長させる工程(a1)と、
前記窒化物半導体の上面を研磨して平坦化することにより、前記主面を形成する工程(a2)と
を含む、請求項1から9のいずれかに記載の製造方法。
The step (A)
A step (a1) of growing a nitride semiconductor so as to form a plurality of facets inclined on the main surface on the upper surface;
The manufacturing method according to claim 1, further comprising: a step (a2) of forming the main surface by polishing and flattening an upper surface of the nitride semiconductor.
前記工程(a1)は、前記複数のファセットの配列周期に応じた濃度分布を有するように不純物を前記窒化物半導体にドープする工程を含む請求項10に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 10, wherein the step (a1) includes a step of doping the nitride semiconductor with an impurity so as to have a concentration distribution according to an arrangement period of the plurality of facets. 前記工程(a1)は、ハイドライドVPE法によって前記窒化物半導体を成長させる工程を含み、
前記工程(B)は、MOVPE法によって前記AluGavInwN結晶層を成長させる工程を含む請求項1から11のいずれかに記載の方法。
The step (a1) includes a step of growing the nitride semiconductor by a hydride VPE method,
The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the step (B) includes a step of growing the Al u Ga v In w N crystal layer by a MOVPE method.
前記AluGavInwN結晶はアンドープ半導体層である請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein the Al u Ga v In w N crystal is an undoped semiconductor layer. 前記AluGavInwN結晶層における前記第2不純物の平均濃度は、1x1019cm-3以下である請求項1から12のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 1, wherein an average concentration of the second impurity in the Al u Ga v In w N crystal layer is 1 × 10 19 cm −3 or less. 前記工程(C)の前に、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AluGavInwN結晶層に形成する工程を含み、
前記工程(C)は、前記AlxGayInzN結晶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を含む、請求項1から14のいずれかに記載の製造方法。
Forming a plurality of stripe-shaped ridges having an upper surface parallel to a main surface of the nitride semiconductor substrate in the Al u Ga v In w N crystal layer before the step (C);
The manufacturing method according to claim 1, wherein the step (C) includes a step of selectively growing the Al x Ga y In z N crystal on the upper surfaces of the plurality of striped ridges.
前記工程(C)を行なう前において、前記AluGavInwN結晶層または前記窒化物半導体基板のうち、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を選択成長用マスクで覆う、請求項15に記載の製造方法。 Before performing the step (C), the Al u Ga v In w N crystal layer or the nitride semiconductor substrate is covered with a selective growth mask in a region where the plurality of striped ridges are not formed. Item 16. The production method according to Item 15. 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15または16に記載の製造方法。   The step (B) includes a step of setting a width of an upper surface of the stripe ridge within a range of 1 μm to 400 μm, and an arrangement pitch of the stripe ridges within a range of 2 μm to 500 μm. Item 15. The manufacturing method according to Item 15 or 16. 研磨された主面を有する窒化物半導体基板を用意する工程(A)と、
AluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程(B)と、
前記AluGavInwN結晶層の上面における複数のストライプ状領域の各々に対して選択的に第1窒化物半導体層を成長させる工程(C)と、
前記第1窒化物半導体層の上部に前記第1窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第2窒化物半導体からなる活性層、および、前記活性層よりもバンドギャップが大きい第3窒化物半導体を含む積層体を成長する工程(D)と、
前記活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造を前記積層体の上に形成する工程(E)と
を含む窒化物半導体素子の製造方法。
Preparing a nitride semiconductor substrate having a polished main surface (A);
A step (B) of growing an Al u Ga v In w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) on the main surface of the nitride semiconductor substrate;
A step (C) of selectively growing a first nitride semiconductor layer on each of a plurality of stripe-shaped regions on the upper surface of the Al u Ga v In w N crystal layer;
An active layer made of a second nitride semiconductor having a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor layer and a third nitride semiconductor having a band gap larger than that of the active layer are formed on the first nitride semiconductor layer. A step (D) of growing a laminate including:
And a step (E) of forming a current confinement structure for selectively injecting carriers into the active layer on the stacked body.
前記工程(C)の前に、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AluGavInwN結晶層に形成する工程を含み、
前記工程(C)は、前記第1窒化物半導体層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を含む請求項18に記載の製造方法。
Forming a plurality of stripe-shaped ridges having an upper surface parallel to a main surface of the nitride semiconductor substrate in the Al u Ga v In w N crystal layer before the step (C);
The manufacturing method according to claim 18, wherein the step (C) includes a step of selectively growing the first nitride semiconductor layer on the upper surfaces of the plurality of striped ridges.
前記工程(C)を行なう前において、前記AluGavInwN結晶層または窒化物半導体基板のうち、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を選択成長用マスクで覆う、請求項18または19に記載の製造方法。 The area where the plurality of stripe-shaped ridges are not formed in the Al u Ga v In w N crystal layer or the nitride semiconductor substrate is covered with a selective growth mask before performing the step (C). The production method according to 18 or 19. 前記工程(C)を行なう前において、前記AluGavInwN結晶層または窒化物半導体基板のうち、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う、請求項18または19に記載の製造方法。 Before performing the step (C), the Al u Ga v In w N crystal layer or the nitride semiconductor substrate is selectively grown in the region where the plurality of stripe-shaped ridges are not formed and the side surfaces of the stripe-shaped ridges. The manufacturing method according to claim 18 or 19, which is covered with a mask for use. キャリアが注入する領域は、前記隣接する2つのストライプ状リッジの間の上部に形成される請求項18から20のいずれかに記載の製造方法。 21. The manufacturing method according to claim 18, wherein the carrier injection region is formed in an upper portion between the two adjacent stripe-shaped ridges. 研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が1×1017cm-3以上である第1不純物を含有する窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板の主面上に成長したAluGavInwN結晶層(0≦u、v、w≦1:u+v+w=1)と、
前記AluGavInwN結晶層の上面に形成された複数のストライプ状領域の各々に対して選択的に成長したAlxGayInzN結晶(0≦x、y、z≦1:x+y+z=1)と、
を含む窒化物半導体。
A nitride semiconductor substrate having a polished main surface and containing a first impurity having an average concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more in the main surface;
An Al u Ga v In w N crystal layer (0 ≦ u, v, w ≦ 1: u + v + w = 1) grown on the main surface of the nitride semiconductor substrate;
Al x Ga y In z N crystal (0 ≦ x, y, z ≦ 1: selectively grown on each of the plurality of stripe-shaped regions formed on the upper surface of the Al u Ga v In w N crystal layer. x + y + z = 1),
A nitride semiconductor.
前記窒化物半導体基板の前記主面における前記第1不純物の濃度の最大値をnmax、最小値をnminとするとき、nmax/nminは10以上である請求項1に記載の窒化物半導体。 The nitride semiconductor substrate maximum value n max of the concentration of the first impurity in the major surface of, when the minimum value n min, n max / n min nitride according to claim 1 is 10 or more semiconductor. 前記AlxGayInzN結晶の成長温度における前記第1不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第2不純物の蒸気圧よりも高い請求項23または24に記載の窒化物半導体。 25. The nitride semiconductor according to claim 23, wherein a vapor pressure of the first impurity at a growth temperature of the Al x Ga y In z N crystal is higher than a vapor pressure of the second impurity at the growth temperature. 前記AluGavInwN結晶層における前記第2不純物の平均濃度は、前記窒化物半導体基板の主面における前記第1不純物の平均濃度よりも低い請求項23または24に記載の窒化物半導体。 The nitride semiconductor according to claim 23 or 24, wherein an average concentration of the second impurity in the Al u Ga v In w N crystal layer is lower than an average concentration of the first impurity in a main surface of the nitride semiconductor substrate. . 請求項23から26のいずれかに記載の窒化物半導体と、
前記窒化物半導体上に設けられ、活性層を含む半導体積層構造と、
前記活性層の一部の領域にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造と、
を備えた窒化物半導体素子。
A nitride semiconductor according to any of claims 23 to 26;
A semiconductor multilayer structure including an active layer provided on the nitride semiconductor;
A current confinement structure for selectively injecting carriers into a partial region of the active layer;
A nitride semiconductor device comprising:
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