JP2008016584A - Semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子およびその製造方法に関し、特に、能動領域を有する半導体素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having an active region and a manufacturing method thereof.
従来、能動領域を有する半導体素子が知られている。このような半導体素子は、たとえば、平坦な表面を有するn型GaNからなる窒化物系半導体基板上に、n型AlGaNからなるn型クラッド層(n型窒化物系半導体層)、発光層およびp型窒化物系半導体層などの窒化物系半導体層が形成されて、窒化物系半導体レーザ素子などの窒化物系半導体発光素子を構成している。しかしながら、AlGaNの格子定数がGaNの格子定数に比べて小さいので、従来の窒化物系半導体発光素子では、平坦な表面を有する窒化物系半導体基板上にn型AlGaNからなるn型クラッド層を成長させた場合、n型AlGaNからなるn型クラッド層に歪みが生じてクラックが発生しやすくなる。このため、n型クラッド層上に積層される発光層およびp型窒化物系半導体層などの窒化物系半導体層にもクラックが発生しやすくなるので、発生するクラックに起因して、リーク電流が増大するとともに、光の導波が妨げられやすくなる。その結果、窒化物系半導体発光素子の特性が低下する場合があるという不都合がある。 Conventionally, a semiconductor device having an active region is known. Such a semiconductor element includes, for example, an n-type cladding layer (n-type nitride-based semiconductor layer) made of n-type AlGaN, a light emitting layer, and a p-type layer on a nitride-based semiconductor substrate made of n-type GaN having a flat surface. A nitride semiconductor layer such as a nitride semiconductor layer is formed to form a nitride semiconductor light emitting device such as a nitride semiconductor laser device. However, since the lattice constant of AlGaN is smaller than the lattice constant of GaN, in the conventional nitride semiconductor light emitting device, an n-type cladding layer made of n-type AlGaN is grown on a nitride semiconductor substrate having a flat surface. In this case, the n-type cladding layer made of n-type AlGaN is distorted and cracks are likely to occur. For this reason, since it becomes easy to generate | occur | produce a crack also in nitride type semiconductor layers, such as a light emitting layer laminated | stacked on an n-type clad layer, and a p-type nitride type semiconductor layer, a leak electric current originates in the generated crack. As the number increases, the waveguide of light tends to be hindered. As a result, there is a disadvantage that the characteristics of the nitride-based semiconductor light-emitting device may be deteriorated.
そこで、従来、窒化物系半導体層にクラックが発生するのを抑制することが可能な窒化物系半導体素子が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。上記特許文献1には、(0001)面を有するn型GaNからなる窒化物系半導体基板の表面に[1−100]方向に延びる溝が形成されるとともに、窒化物系半導体基板の(0001)面の表面上に能動領域を含むAlGaNなどからなる窒化物系半導体層が形成された窒化物系半導体素子が開示されている。この窒化物系半導体素子では、窒化物系半導体基板の(0001)面の表面に[1−100]方向に延びる溝を形成することによって、窒化物系半導体基板の表面上に形成される窒化物系半導体層の歪を、窒化物系半導体基板の[1−100]方向に延びる溝により吸収することができるので、窒化物系半導体基板の表面上に形成される窒化物系半導体層にクラックが発生するのを抑制することが可能である。 Thus, conventionally, a nitride-based semiconductor element that can suppress the occurrence of cracks in the nitride-based semiconductor layer has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In Patent Document 1, a groove extending in the [1-100] direction is formed on the surface of a nitride semiconductor substrate made of n-type GaN having a (0001) plane, and (0001) of the nitride semiconductor substrate is formed. There is disclosed a nitride semiconductor device in which a nitride semiconductor layer made of AlGaN or the like including an active region is formed on the surface of a surface. In this nitride semiconductor device, the nitride formed on the surface of the nitride semiconductor substrate is formed by forming a groove extending in the [1-100] direction on the surface of the (0001) plane of the nitride semiconductor substrate. Since the strain of the nitride-based semiconductor layer can be absorbed by the groove extending in the [1-100] direction of the nitride-based semiconductor substrate, cracks are formed in the nitride-based semiconductor layer formed on the surface of the nitride-based semiconductor substrate. It is possible to suppress the occurrence.
しかしながら、上記特許文献1の構造では、窒化物系半導体基板の溝部に成長される窒化物系半導体層に転位が発生しやすいとともに、その溝部で発生した転位は、窒化物系半導体基板の表面である(0001)面内に伝播しやすいので、窒化物系半導体層に設けられる発光領域としてのリッジ部(能動領域)の転位密度が大きくなるという不都合がある。その結果、素子特性が低下するという問題点がある。 However, in the structure of Patent Document 1, dislocations are likely to occur in the nitride semiconductor layer grown in the groove portion of the nitride semiconductor substrate, and the dislocations generated in the groove portion are generated on the surface of the nitride semiconductor substrate. Since it easily propagates in a certain (0001) plane, there is a disadvantage that the dislocation density of the ridge portion (active region) as the light emitting region provided in the nitride-based semiconductor layer is increased. As a result, there is a problem that element characteristics are deteriorated.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、半導体層にクラックが発生するのを抑制しながら、能動領域の転位の増加に起因する素子特性の低下を抑制することが可能な半導体素子およびその製造方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and one object of the present invention is due to an increase in dislocations in the active region while suppressing the occurrence of cracks in the semiconductor layer. It is an object to provide a semiconductor element capable of suppressing deterioration of element characteristics and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するために、この発明の第1の局面による半導体素子は、ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体基板、六方晶構造のα−SiC基板および菱面体構造のα−SiC基板のうちのいずれかからなるとともに、HおよびKの少なくともいずれか一方が0ではない整数とした場合に、実質的に(H、K、−H−K、0)面を有する表面を含む半導体基板と、半導体基板の表面上に形成されるとともに、ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体からなる半導体層とを備え、半導体基板は、半導体層が縦方向成長することが可能な第1領域と、第1領域を挟み込むように配置され、第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びるとともに、半導体層が横方向成長することが可能な第2領域とをさらに含み、半導体層は、半導体基板の第1領域の中央部より[0001]方向側の領域上に形成される能動領域を含む。 To achieve the above object, a semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a nitride semiconductor substrate having a wurtzite structure, an α-SiC substrate having a hexagonal structure, and an α-SiC substrate having a rhombohedral structure. And a semiconductor substrate substantially including a surface having a (H, K, -H-K, 0) plane when at least one of H and K is an integer that is not 0, A semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate and made of a nitride-based semiconductor having a wurtzite structure, the semiconductor substrate including a first region in which the semiconductor layer can grow in a vertical direction; A second region which is arranged so as to sandwich the region, and a boundary region with the first region extends substantially in the [K, -H, HK, 0] direction, and the semiconductor layer can grow laterally And further including a semiconductor layer Includes an active region formed on a region on the [0001] direction side from the central portion of the first region of the semiconductor substrate.
この第1の局面による半導体素子では、上記のように、(H、K、−H−K、0)面を有する表面を含む半導体基板に、半導体層が縦方向成長することが可能な第1領域と、第1領域を挟み込むように配置され、第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びるとともに、半導体層が横方向成長することが可能な第2領域とを設けることによって、半導体基板の表面が(H、K、−H−K、0)面の場合、必ず、半導体層の[0001]方向は、[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域と直交する方向に配置されるので、半導体基板の表面上に形成される半導体層のc軸方向([0001]方向)の大きい歪を、[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域により吸収することができる。なお、半導体の表面の(H、K、−H−K、0)面が(11−20)面や(1−100)面の場合、第2領域の延びる方向の[K、−H、H−K、0]方向は、それぞれ[1−100]方向や[−1−120]方向となる。これにより、半導体基板の表面上に形成される半導体層にクラックが発生するのを抑制することができる。また、実質的に(H、K、−H−K、0)面を有する表面を含む半導体基板に、半導体層が縦方向成長することが可能な第1領域と、第1領域を挟み込むように配置され、第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びるとともに、半導体層が横方向成長することが可能な第2領域とを設けることによって、半導体基板の表面が(H、K、−H−K、0)面の場合、必ず、半導体基板の表面上に形成される半導体層の転位の伝播しやすい(0001)面は、半導体基板の表面の(H、K、−H−K、0)面と垂直で、かつ、第1領域および第2領域の境界領域の延びる方向の[K、−H、H−K、0]方向と平行に配置されるので、半導体層の第2領域上に形成される部分に発生した転位は、半導体基板の表面と垂直な方向と、第1領域および第2領域の境界領域の延びる方向とに沿って伝播しやすくなるとともに、第2領域から第1領域に向かう方向である[0001]方向および[000−1]方向には伝播しにくくなる。なお、半導体の表面の(H、K、−H−K、0)面が(11−20)面や(1−100)面の場合、第1領域および第2領域の境界領域の延びる方向の[K、−H、H−K、0]方向は、それぞれ[1−100]方向や[−1−120]方向となる。これにより、半導体層の第2領域上の部分に発生した転位が、[0001]方向または[000−1]方向に伝播して半導体層の第1領域の能動領域にまで伝播するのを抑制することができるので、半導体層の第1領域の能動領域の転位密度が大きくなるのを抑制することができる。その結果、能動領域の転位の増加に起因する素子特性の低下を抑制することができる。また、半導体基板の第1領域の中央部より[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に、能動領域を設けることによって、第2領域上で半導体層が横方向成長する際に、[000−1]方向側の第2領域上の半導体層の転位密度が、[0001]方向側の第2領域上の半導体層の転位密度に比べて大きくなることに起因して、[000−1]方向側の第2領域上の半導体層の転位がわずかながら第1領域上の半導体層に伝播した場合にも、能動領域は、半導体基板の第1領域の中央部よりも[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に設けられているので、半導体層の能動領域の転位密度が大きくなるのをより抑制することができる。これにより、半導体層の能動領域の転位の増加に起因する素子特性の低下をより抑制することができる。 In the semiconductor element according to the first aspect, as described above, the semiconductor layer can be grown in the vertical direction on the semiconductor substrate including the surface having the (H, K, -HK, 0) plane. The boundary region between the region and the first region extends substantially in the [K, -H, HK, 0] direction, and the semiconductor layer grows laterally. When the surface of the semiconductor substrate is a (H, K, -H-K, 0) plane by providing the possible second region, the [0001] direction of the semiconductor layer is always [K, -H, H Since it is arranged in a direction orthogonal to the second region extending in the −K, 0] direction, a large strain in the c-axis direction ([0001] direction) of the semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate is It can be absorbed by the second region extending in the -H, HK, 0] direction. When the (H, K, -H-K, 0) plane of the semiconductor surface is a (11-20) plane or a (1-100) plane, [K, -H, H in the extending direction of the second region is used. The −K, 0] direction is a [1-100] direction or a [−1-120] direction, respectively. Thereby, it can suppress that a crack generate | occur | produces in the semiconductor layer formed on the surface of a semiconductor substrate. In addition, a first region in which a semiconductor layer can grow in a vertical direction and a first region are sandwiched between a semiconductor substrate including a surface having a substantially (H, K, -H-K, 0) plane. By providing a second region that is disposed and a boundary region with the first region substantially extends in the [K, -H, HK, 0] direction, and the semiconductor layer can grow laterally. When the surface of the semiconductor substrate is an (H, K, -H-K, 0) plane, the (0001) plane on which the dislocations of the semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate easily propagate is always It is perpendicular to the (H, K, -HK, 0) plane of the surface and parallel to the [K, -H, HK, 0] direction in the direction in which the boundary region between the first region and the second region extends. Therefore, the dislocation generated in the portion formed on the second region of the semiconductor layer is perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. Direction and the direction in which the boundary region between the first region and the second region extends, and in the [0001] direction and the [000-1] direction, which are directions from the second region toward the first region. Is difficult to propagate. When the (H, K, -H-K, 0) plane of the semiconductor surface is a (11-20) plane or a (1-100) plane, the boundary region between the first region and the second region extends in the extending direction. The [K, -H, HK, 0] directions are the [1-100] direction and the [-1-120] direction, respectively. This suppresses dislocations generated in the portion on the second region of the semiconductor layer from propagating in the [0001] direction or [000-1] direction to the active region of the first region of the semiconductor layer. Therefore, it is possible to suppress an increase in the dislocation density in the active region of the first region of the semiconductor layer. As a result, it is possible to suppress deterioration in device characteristics due to an increase in dislocations in the active region. In addition, by providing an active region in a portion of the semiconductor layer on the [0001] direction side of the central portion of the first region of the semiconductor substrate, when the semiconductor layer grows in the lateral direction on the second region, [000-1] The dislocation density of the semiconductor layer on the second region on the direction side is larger than the dislocation density of the semiconductor layer on the second region on the [0001] direction side. ] Even when the dislocation of the semiconductor layer on the second region on the direction side is slightly propagated to the semiconductor layer on the first region, the active region is on the [0001] direction side of the central portion of the first region of the semiconductor substrate. Therefore, the dislocation density of the active region of the semiconductor layer can be further suppressed from increasing. As a result, it is possible to further suppress deterioration in element characteristics due to an increase in dislocations in the active region of the semiconductor layer.
上記構成において、好ましくは、半導体層の半導体基板の第2領域上に形成される部分は、実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる段差形状に形成されている。 In the above configuration, preferably, a portion of the semiconductor layer formed on the second region of the semiconductor substrate is formed in a step shape substantially extending in the [K, -H, HK, 0] direction.
この場合、好ましくは、半導体基板の[0001]方向側の第2領域、および、[000−1]方向側の第2領域は、それぞれ、実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる第1凹部および第2凹部を含む。ここで、第1凹部は、第1側面を含み、第2凹部は、第2側面を含んでいてもよい。上記構成において、第1凹部は、(0001)面を有する第1側面を含み、第2凹部は、(000−1)面を有する第2側面を含んでいてもよい。 In this case, the second region on the [0001] direction side and the second region on the [000-1] direction side of the semiconductor substrate are preferably substantially [K, -H, HK, 0, respectively]. A first recess and a second recess extending in the direction. Here, the first concave portion may include a first side surface, and the second concave portion may include a second side surface. In the above configuration, the first recess may include a first side surface having a (0001) plane, and the second recess may include a second side surface having a (000-1) plane.
上記構成において、好ましくは、半導体層の能動領域は、実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる発光領域を含む。 In the above configuration, the active region of the semiconductor layer preferably includes a light emitting region extending substantially in the [K, -H, HK, 0] direction.
この発明の第2の局面による半導体素子の製造方法は、ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体基板、六方晶構造のα−SiC基板および菱面体構造のα−SiC基板のうちのいずれかからなるとともに、HおよびKの少なくともいずれか一方が0ではない整数とした場合に、実質的に(H、K、−H−K、0)面を有する表面を含む半導体基板を準備する工程と、半導体基板の第1領域上に、縦方向成長により、半導体層を形成するとともに、第1領域を挟み込むように配置され、第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域上に、横方向成長により、半導体層を形成することによって、半導体基板の第1領域および第2領域上に、ウルツ鉱構造を有する半導体層を形成する工程と、半導体基板の第1領域の中央部より[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に、能動領域を形成する工程とを備えている。 A method for manufacturing a semiconductor device according to a second aspect of the present invention includes any one of a nitride semiconductor substrate having a wurtzite structure, an α-SiC substrate having a hexagonal structure, and an α-SiC substrate having a rhombohedral structure. And a step of preparing a semiconductor substrate substantially including a surface having a (H, K, -HK, 0) plane when at least one of H and K is an integer other than 0, and a semiconductor A semiconductor layer is formed on the first region of the substrate by vertical growth, and is disposed so as to sandwich the first region. A boundary region with the first region is substantially [K, -H, HK]. , 0] direction, forming a semiconductor layer having a wurtzite structure on the first region and the second region of the semiconductor substrate by forming the semiconductor layer by lateral growth on the second region. , The first region of the semiconductor substrate Forming an active region in a portion of the semiconductor layer on a region on the [0001] direction side of the central portion of the semiconductor layer.
この第2の局面による半導体素子の製造方法では、上記のように、(H、K、−H−K、0)面を有する表面を含む半導体基板の第1領域上に、縦方向成長により、半導体層を形成するとともに、第1領域を挟み込むように配置され、第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域上に、横方向成長により、半導体層を形成することによって、半導体基板の表面が(H、K、−H−K、0)面の場合、必ず、半導体層の[0001]方向は、[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域と垂直に配置されるので、半導体基板の表面上に形成される半導体層のc軸方向([0001]方向)の大きい歪を、[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域により吸収することができる。なお、半導体の表面の(H、K、−H−K、0)面が(11−20)面や(1−100)面の場合、第2領域の延びる方向の[K、−H、H−K、0]方向は、それぞれ[1−100]方向や[−1−120]方向となる。これにより、半導体基板の表面上に形成される半導体層にクラックが発生するのを抑制することができる。また、実質的に(H、K、−H−K、0)面を有する表面を含む半導体基板の第1領域上に、縦方向成長により、半導体層を形成するとともに、第1領域を挟み込むように配置され、第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域上に、横方向成長により、半導体層を形成することによって、半導体基板の表面が(H、K、−H−K、0)面の場合、必ず、半導体基板の表面上に形成される半導体層の転位の伝播しやすい(0001)面は、半導体基板の表面の(H、K、−H−K、0)面と垂直で、かつ、第1領域および第2領域の境界領域の延びる方向の[K、−H、H−K、0]方向と平行に配置されるので、半導体層の第2領域上に形成される部分に発生した転位は、半導体基板の表面と垂直な方向と、第1領域および第2領域の境界領域の延びる方向とに沿って伝播しやすくなるとともに、第2領域から第1領域に向かう方向である[0001]方向および[000−1]方向には伝播しにくくなる。なお、半導体の表面の(H、K、−H−K、0)面が(11−20)面や(1−100)面の場合、第1領域および第2領域の境界領域の延びる方向の[K、−H、H−K、0]方向は、それぞれ[1−100]方向や[−1−120]方向となる。これにより、半導体層の第2領域上の部分に発生した転位が、[0001]方向または[000−1]方向に伝播して半導体層の第1領域の能動領域にまで伝播するのを抑制することができるので、半導体層の第1領域の能動領域の転位密度が大きくなるのを抑制することができる。その結果、能動領域の転位の増加に起因する素子特性の低下を抑制することができる。また、半導体基板の第1領域の中央部より[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に、能動領域を形成することによって、第2領域上で半導体層が横方向成長する際に、[000−1]方向側の第2領域上の半導体層の転位密度が、[0001]方向側の第2領域上の半導体層の転位密度に比べて大きくなることに起因して、[000−1]方向側の第2領域上の半導体層の転位がわずかながら第1領域上の半導体層に伝播した場合にも、能動領域は、半導体基板の第1領域の中央部よりも[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に設けられているので、半導体層の能動領域の転位密度が大きくなるのをより抑制することができる。これにより、半導体層の能動領域の転位の増加に起因する素子特性の低下をより抑制することができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the second aspect, as described above, by vertical growth on the first region of the semiconductor substrate including the surface having the (H, K, -HK, 0) plane, A semiconductor layer is formed and arranged so as to sandwich the first region, and a boundary region with the first region is laterally extended on the second region substantially extending in the [K, -H, HK, 0] direction. When the surface of the semiconductor substrate is (H, K, -H-K, 0) plane by forming the semiconductor layer by direction growth, the [0001] direction of the semiconductor layer is always [K, -H, Since it is arranged perpendicular to the second region extending in the HK, 0] direction, a large strain in the c-axis direction ([0001] direction) of the semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate is caused by [K, − It can be absorbed by the second region extending in the H, HK, 0] direction. When the (H, K, -H-K, 0) plane of the semiconductor surface is a (11-20) plane or a (1-100) plane, [K, -H, H in the extending direction of the second region is used. The −K, 0] direction is a [1-100] direction or a [−1-120] direction, respectively. Thereby, it can suppress that a crack generate | occur | produces in the semiconductor layer formed on the surface of a semiconductor substrate. In addition, a semiconductor layer is formed by vertical growth on the first region of the semiconductor substrate including a surface having a substantially (H, K, -H-K, 0) plane, and the first region is sandwiched therebetween. The semiconductor layer is formed by lateral growth on the second region, which is disposed in the first region and extends substantially in the [K, -H, HK, 0] direction. When the surface of the substrate is an (H, K, -H-K, 0) plane, the (0001) plane on which the dislocation of the semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate is likely to propagate is always the surface of the semiconductor substrate. Arranged in parallel to the [K, -H, HK, 0] direction perpendicular to the (H, K, -HK, 0) plane and extending in the boundary region between the first region and the second region Therefore, the dislocation generated in the portion formed on the second region of the semiconductor layer is the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. And the direction in which the boundary region between the first region and the second region extends, and in the [0001] direction and the [000-1] direction, which are directions from the second region toward the first region, It becomes difficult to propagate. When the (H, K, -H-K, 0) plane of the semiconductor surface is a (11-20) plane or a (1-100) plane, the boundary region between the first region and the second region extends in the extending direction. The [K, -H, HK, 0] directions are the [1-100] direction and the [-1-120] direction, respectively. This suppresses dislocations generated in the portion on the second region of the semiconductor layer from propagating in the [0001] direction or [000-1] direction to the active region of the first region of the semiconductor layer. Therefore, it is possible to suppress an increase in the dislocation density in the active region of the first region of the semiconductor layer. As a result, it is possible to suppress deterioration in device characteristics due to an increase in dislocations in the active region. In addition, by forming an active region in a portion of the semiconductor layer on the region on the [0001] direction side from the central portion of the first region of the semiconductor substrate, when the semiconductor layer grows laterally on the second region, The dislocation density of the semiconductor layer on the second region on the [000-1] direction side is larger than the dislocation density of the semiconductor layer on the second region on the [0001] direction side. 1] Even when the dislocation of the semiconductor layer on the second region on the direction side is slightly propagated to the semiconductor layer on the first region, the active region is in the [0001] direction relative to the central portion of the first region of the semiconductor substrate. Since it is provided in the portion of the semiconductor layer on the side region, it is possible to further suppress an increase in the dislocation density in the active region of the semiconductor layer. As a result, it is possible to further suppress deterioration in element characteristics due to an increase in dislocations in the active region of the semiconductor layer.
図1は、本発明の概念を説明するための断面図である。まず、図1を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する前に本発明の概念について説明する。ここでは、本発明を半導体素子の一例である半導体レーザ素子に適用する場合について説明する。なお、本発明は、半導体レーザ素子に限定されるものではなく、後述するように、トランジスタなどの電子デバイスにも適用可能である。 FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the concept of the present invention. First, the concept of the present invention will be described with reference to FIG. 1 before describing specific embodiments of the present invention. Here, a case where the present invention is applied to a semiconductor laser element which is an example of a semiconductor element will be described. The present invention is not limited to a semiconductor laser element, and can be applied to an electronic device such as a transistor as will be described later.
本発明を半導体レーザ素子に適用する場合、半導体レーザ素子には、図1に示すように、半導体基板1と、半導体層3と、活性層6と、半導体層9と、一方電極12と、他方電極15とが設けられる。半導体層9の[0001]側には、リッジ部(能動領域、発光領域)11が形成されている。
When the present invention is applied to a semiconductor laser device, as shown in FIG. 1, the semiconductor laser device includes a semiconductor substrate 1, a semiconductor layer 3, an active layer 6, a
半導体基板1は、ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体基板、六方晶構造のα−SiC基板および菱面体構造のα−SiC基板のうちのいずれかからなる。ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体基板は、GaN、AlN、InN、BN、TlN、または、これらの混晶からなる。また、六方晶構造または菱面体構造のα−SiC基板として、4H−SiC基板または6H−SiC基板などを用いることができる。半導体基板1は、n型の導電性を有するものでもよいし、p型の導電性を有するものでもよい。なお、半導体基板1が導電性を有しない場合は、半導体層3の一部を露出させて半導体層3に他方電極を形成してもよい。 The semiconductor substrate 1 is made of any one of a nitride semiconductor substrate having a wurtzite structure, an α-SiC substrate having a hexagonal structure, and an α-SiC substrate having a rhombohedral structure. A nitride-based semiconductor substrate having a wurtzite structure is composed of GaN, AlN, InN, BN, TlN, or a mixed crystal thereof. As the α-SiC substrate having a hexagonal structure or rhombohedral structure, a 4H—SiC substrate, a 6H—SiC substrate, or the like can be used. The semiconductor substrate 1 may have n-type conductivity, or may have p-type conductivity. When the semiconductor substrate 1 does not have conductivity, the other electrode may be formed on the semiconductor layer 3 by exposing a part of the semiconductor layer 3.
ここで、半導体基板1は、{11−20}面および{1−100}面などの(H、K、−H−K、0)面を有する基板である。なお、HおよびKは、少なくともいずれか一方が0ではない整数である。また、本発明において、半導体基板1は、実質的に(H、K、−H−K、0)面を有していればよく、数度だけオフ(傾斜)された(H、K、−H−K、0)面を有していてもよい。また、半導体基板1は、[K、−H、H−K、0]方向に延びる第1領域および第2領域を有している。 Here, the semiconductor substrate 1 is a substrate having (H, K, -HK, 0) planes such as {11-20} plane and {1-100} plane. H and K are integers at least one of which is not 0. In the present invention, the semiconductor substrate 1 only needs to have a substantially (H, K, -HK, 0) plane, and is turned off (tilted) by several degrees (H, K,- It may have an HK, 0) plane. Further, the semiconductor substrate 1 has a first region and a second region extending in the [K, -H, HK, 0] direction.
また、半導体層3、活性層6および半導体層9は、GaN、AlN、InN、BN、TlNなどの窒化物系半導体、または、これらの混晶からなっていてもよい。また、半導体基板1が導電性を有する場合、半導体層3は、半導体基板1と同じ導電性を有してもよい。また、半導体層9は、半導体層3と異なる導電性を有する。
The semiconductor layer 3, the active layer 6, and the
また、活性層6は、単層、単一量子井戸構造または多重量子井戸(MQW)構造からなる。なお、活性層6を、量子井戸構造に形成する場合、井戸層の材料として特にGaInNを用いることができる。 The active layer 6 has a single layer, a single quantum well structure, or a multiple quantum well (MQW) structure. In addition, when forming the active layer 6 in a quantum well structure, GaInN can be used especially as a material of a well layer.
また、半導体層3は、活性層6よりもバンドギャップの大きいクラッド層などからなる。半導体層3と活性層6との間に、半導体層3および活性層6の間のバンドギャップを有する光ガイド層を設けてもよい。また、半導体基板1と半導体層3との間に、バッファ層を設けてもよい。また、半導体層9は、活性層6よりもバンドギャップの大きいクラッド層などからなる。半導体層9と活性層6との間に、半導体層9および活性層6の間のバンドギャップを有する光ガイド層を設けてもよい。また、活性層6とは反対側の半導体層9上に、コンタクト層を設けてもよい。この場合、コンタクト層は、半導体層9よりもバンドギャップが小さいことが好ましい。
The semiconductor layer 3 is made of a clad layer having a band gap larger than that of the active layer 6. A light guide layer having a band gap between the semiconductor layer 3 and the active layer 6 may be provided between the semiconductor layer 3 and the active layer 6. Further, a buffer layer may be provided between the semiconductor substrate 1 and the semiconductor layer 3. The
また、半導体層3および9をクラッド層により形成する場合には、クラッド層からなる半導体層3および9の材料として、特にAlGaNを用いることができる。この場合、半導体基板1として、たとえば、GaN基板を用いると、半導体基板1上に形成する半導体層3は、半導体基板1よりも格子定数が小さいので、半導体基板1上に形成する半導体層3にクラックが発生する場合がある。このとき、半導体基板1に溝を形成したり、半導体基板1上にマスクを形成することにより、半導体基板1上に形成する半導体層3にクラックが発生するのを抑制する効果が大きくなる。この場合、本発明のように、リッジ部11を、半導体層9の[0001]側に形成することによって、能動領域(リッジ部11)の転位密度を低減することができる。
Further, when the semiconductor layers 3 and 9 are formed of a clad layer, AlGaN can be used as the material for the semiconductor layers 3 and 9 made of the clad layer. In this case, for example, when a GaN substrate is used as the semiconductor substrate 1, the semiconductor layer 3 formed on the semiconductor substrate 1 has a lattice constant smaller than that of the semiconductor substrate 1. Cracks may occur. At this time, by forming a groove in the semiconductor substrate 1 or forming a mask on the semiconductor substrate 1, the effect of suppressing the occurrence of cracks in the semiconductor layer 3 formed on the semiconductor substrate 1 is increased. In this case, the dislocation density of the active region (ridge portion 11) can be reduced by forming the
具体的には、[0001]方向は、半導体基板1の主面が(H、K、−H−K、0)面であるときには、必ず半導体基板1の主面の面内方向にあり、(0001)面と半導体基板1の主面とは垂直になる。また、第1領域および第2領域の延びる方向である[K、−H、H−K、0]方向は、半導体基板1の主面が(H、K、−H−K、0)面であるときには、必ず半導体基板1の主面の面内方向にある。さらに、[K、−H、H−K、0]方向と[0001]方向とは直交しており、[K、−H、H−K、0]方向は、必ず(0001)面の面内方向にある。なお、(11−20)面を有する半導体基板1を用いた場合、第1領域および第2領域の延びる方向を[1−100]方向に選択すればよく、(1−100)面を有する半導体基板1を用いた場合、第1領域および第2領域の延びる方向を[−1−120]方向に選択すればよい。 Specifically, the [0001] direction is always in the in-plane direction of the main surface of the semiconductor substrate 1 when the main surface of the semiconductor substrate 1 is the (H, K, -H-K, 0) plane, The (0001) plane and the main surface of the semiconductor substrate 1 are perpendicular to each other. The [K, -H, HK, 0] direction, which is the direction in which the first region and the second region extend, is the (H, K, -HK, 0) plane of the main surface of the semiconductor substrate 1. In some cases, it is always in the in-plane direction of the main surface of the semiconductor substrate 1. Furthermore, the [K, -H, HK, 0] direction and the [0001] direction are orthogonal to each other, and the [K, -H, HK, 0] direction is always in the (0001) plane. In the direction. When the semiconductor substrate 1 having the (11-20) plane is used, the extending direction of the first region and the second region may be selected in the [1-100] direction, and the semiconductor having the (1-100) plane. When the substrate 1 is used, the extending direction of the first region and the second region may be selected in the [-1-120] direction.
また、(H、K、−H−K、0)面を有する半導体基板1上に窒化物系半導体層を形成すると、半導体層中の転位は、(0001)面内で伝播しやすい。このとき、第1領域および第2領域の延びる方向を上記のように選択すると、第2領域で発生した転位が第1領域内へ伝播しにくいので、第1領域の転位密度が大きくなるのを抑制することができる。 Further, when a nitride-based semiconductor layer is formed on the semiconductor substrate 1 having a (H, K, -H-K, 0) plane, dislocations in the semiconductor layer easily propagate in the (0001) plane. At this time, if the extending direction of the first region and the second region is selected as described above, the dislocations generated in the second region are difficult to propagate into the first region, so that the dislocation density in the first region is increased. Can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図2は、本発明の第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図3は、図2に示したGaN系半導体レーザ素子のn型GaN基板の構造を示した平面図である。図4は、図2に示したGaN系半導体レーザ素子の活性層の構造を示した断面図である。まず、図2〜図4を参照して、第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の構造について説明する。なお、第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の発振波長は、約410nmである。
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the GaN-based semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a plan view showing the structure of the n-type GaN substrate of the GaN-based semiconductor laser device shown in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the active layer of the GaN-based semiconductor laser device shown in FIG. First, the structure of the GaN-based semiconductor laser device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. The oscillation wavelength of the GaN semiconductor laser device according to the first embodiment is about 410 nm.
第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子では、図2に示すように、約100μmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のキャリア濃度を有するSiがドープされたウルツ鉱構造のn型GaN基板21を用いる。このn型GaN基板21は、[000−1]方向に約0.3°オフ(傾斜)された実質的に(11−20)面を有する表面を含んでいる。なお、n型GaN基板21は、本発明の「半導体基板」の一例である。
In the GaN-based semiconductor laser device according to the first embodiment, as shown in FIG. 2, an n-type wurtzite structure having a thickness of about 100 μm and doped with Si having a carrier concentration of about 5 × 10 18 cm −3. A
ここで、第1実施形態では、n型GaN基板21は、図3に示すように、n型GaN基板21上に形成される半導体層が縦方向成長することが可能な平面領域Aと、実質的に[1−100]方向に延びる境界領域に沿って平面領域Aを挟み込むように配置され、n型GaN基板21上に形成される半導体層が横方向成長することが可能な平面領域Bとを有している。なお、平面領域Aは、本発明の「第1領域」の一例であり、平面領域Bは、本発明の「第2領域」の一例である。この平面領域Bは、平面領域Aに対して[0001]方向側に配置される一方凹部21aと、[000−1]方向側に配置される他方凹部21bとからなる。また、一方凹部21aおよび他方凹部21bは、図2に示すように、共に約0.5μmの深さを有するとともに、約20μmの幅を有する段差形状に形成されている。また、一方凹部21aは、実質的に(0001)Ga面を有する一方側面21cを含んでいるとともに、他方凹部21bは、実質的に(000−1)N面を有する他方側面21dを含んでいる。また、n型GaN基板21の平面領域Aの表面には、実質的に[0001]方向([000−1]方向)に約360μmの幅を有する平坦部21eが形成されている。なお、一方凹部21aは、本発明の「第1凹部」の一例であり、他方凹部21bは、本発明の「第2凹部」の一例である。また、一方側面21cは、本発明の「第1側面」の一例であり、他方側面21dは、本発明の「第2側面」の一例である。
Here, in the first embodiment, as shown in FIG. 3, the n-
また、n型GaN基板21上には、約100nmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量を有するSiがドープされたn型GaNからなるウルツ鉱構造のn型層22が形成されている。このn型層22の平面領域B(図3参照)上に形成された部分は、[1−100]方向に延びる段差形状に形成されている。なお、n型層22は、本発明の「半導体層」の一例である。
On the n-
n型層22上には、約400nmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量および約5×1018cm−3のキャリア濃度を有するSiがドープされたn型Al0.07Ga0.93Nからなるウルツ鉱構造のn型クラッド層23が形成されている。このn型クラッド層23の平面領域B(図3参照)上に形成された部分は、[1−100]方向に延びる段差形状に形成されている。なお、n型クラッド層23は、本発明の「半導体層」の一例である。
on the n-
n型クラッド層23の平面領域A上の所定領域には、約5nmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量および約5×1018cm−3のキャリア濃度を有するSiがドープされたn型Al0.16Ga0.84Nからなるウルツ鉱構造のn型キャリアブロック層24が形成されている。n型キャリアブロック層24上には、約100nmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量および約5×1018cm−3のキャリア濃度を有するSiがドープされたn型GaNからなるウルツ鉱構造のn型光ガイド層25が形成されている。なお、n型キャリアブロック層24およびn型光ガイド層25は、本発明の「半導体層」の一例である。
The predetermined region on the plane area A of the n-
n型光ガイド層25上には、ウルツ鉱構造の活性層26が形成されている。なお、活性層26は、本発明の「半導体層」の一例である。この活性層26は、図4に示すように、約20nmの厚みを有するアンドープIn0.02Ga0.98Nからなる4層の障壁層26gと、約3nmの厚みを有するアンドープIn0.15Ga0.85Nからなる3層の井戸層26hとが交互に積層されたMQW構造を有する。
On the n-type
また、活性層26上には、図2に示すように、約100nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型GaNからなるウルツ鉱構造のp型光ガイド層27が形成されている。p型光ガイド層27上には、約20nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型Al0.16Ga0.84Nからなるウルツ鉱構造のp型キャップ層28が形成されている。なお、p型光ガイド層27およびp型キャップ層28は、本発明の「半導体層」の一例である。
On the
p型キャップ層28上には、凸部と、凸部以外の平坦部21eとを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型Al0.07Ga0.93Nからなるウルツ鉱構造のp型クラッド層29が形成されている。なお、p型クラッド層29は、本発明の「半導体層」の一例である。このp型クラッド層29の[0001]方向側および[000−1]方向側の平坦部21eの厚みは、それぞれ、約10nmである。また、p型クラッド層29の平坦部21eから凸部の上面までの高さは、約320nmである。また、p型クラッド層29の凸部は、平面的に見てストライプ状(細長状)に形成されているとともに、凸部の下部が、約1.75μmの幅を有するように形成されている。p型クラッド層29の凸部上には、約80nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型In0.02Ga0.98Nからなるウルツ鉱構造のp型コンタクト層30が形成されている。なお、p型コンタクト層30は、本発明の「半導体層」の一例である。このp型コンタクト層30とp型クラッド層29の凸部とによって、リッジ部31が構成されている。なお、リッジ部31は、本発明の「能動領域」および「発光領域」の一例である。
On the p-
ここで、n型層22およびn型クラッド層23の[0001]方向側の平面領域B上の部分は、(0001)Ga面(一方側面21c)から[0001]方向に横方向成長した部分22cおよび23cと、一方凹部21aの底面から縦方向成長した部分22aおよび23aとからなっている。また、n型層22およびn型クラッド層23の[000−1]方向側の平面領域B上の部分は、(000−1)N面(他方側面21d)から[000−1]方向に横方向成長した部分22dおよび23dと、他方凹部21bの底面から縦方向成長した部分22bおよび23bとからなっている。ここで、部分22cおよび23cの転位密度は、部分22dおよび23dの転位密度よりも小さい。これは、(0001)面から[0001]方向に横方向成長した層の転位密度は、(000−1)面から[000−1]方向に横方向成長した層の転位密度よりも小さくなるためである。また、平面領域A(平坦部21e)上のn型層22からp型コンタクト層30の部分22cおよび23cに近い[0001]方向側の部分22e、23e、24e、25e、26e、27e、28e、29eおよび30e(22e〜30e)の転位密度は、部分22dおよび23dに近い[000−1]方向側の部分22f、23f、24f、25f、26f、27f、28fおよび29f(22f〜29f)の転位密度よりも小さい。これは、部分22f〜29fには、部分22dおよび23dの転位が[000±1]方向にわずかながら伝播する場合があるためである。
Here, the portion on the planar region B on the [0001] direction side of the n-
第1実施形態では、リッジ部31は、n型GaN基板21の一方側面21cから中央部側に距離D1(約50μm)を隔てるとともに、n型GaN基板21の他方側面21dから中央部側に距離D2(約310μm)を隔てた位置に形成されている。すなわち、第1実施形態では、リッジ部31は、n型GaN基板21の平面領域A(平坦部21e)の中央部より[0001]方向側の領域上に形成されている。また、リッジ部31は、[1−100]方向(図3参照)に延びるストライプ状(細長状)に形成されている。また、リッジ部31を構成するp型コンタクト層30上には、下層から上層に向かって、約5nmの厚みを有するPt層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約150nmの厚みを有するAu層とからなるp側オーミック電極32が形成されている。
In the first embodiment, the
また、p側オーミック電極32の上面以外の領域上には、約250nmの厚みを有するSiO2膜(絶縁膜)からなる電流狭窄層33が形成されている。電流狭窄層33上の所定領域には、p型オーミック電極32の上面に接触するように、下層から上層に向かって、約100nmの厚みを有するTi層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約3μmの厚みを有するAu層とからなるp側パッド電極34が形成されている。
A
また、n型GaN基板21の裏面上には、n側電極35が形成されている。このn側電極35は、n型GaN基板21の裏面側から順に、約10nmの厚みを有するAl層と、約20nmの厚みを有するPt層と、約300nmの厚みを有するAu層とからなる。
An n-
また、リッジ部31の[1−100]方向および[−1100]方向(図3参照)の端部には、それぞれ、(1−100)面および(−1100)面の劈開面からなる図示しない共振器面が形成されている。そして、レーザ光の出射面側の共振器面上には、約5%の反射率を有する図示しない誘電体多層膜が形成されているとともに、レーザ光の出射面とは反対側の共振器面上には、約95%の反射率を有する図示しない誘電体多層膜が形成されている。
Further, the end portions of the
また、AlNのa軸の格子定数は、GaNのa軸の格子定数の約98%であり、AlNのc軸の格子定数は、GaNのc軸の格子定数の約96%である。このため、AlGaNとGaNとの格子定数差により発生する歪は、[1−100]方向よりもc軸方向([0001]方向)の方が大きいので、c軸方向にクラックが発生しやすい。第1実施形態では、上記のように、n型GaN基板21に、平面領域Aと、平面領域Aを挟み込むように配置され、平面領域Aとの境界領域が実質的に[1−100]方向に延びる平面領域B(一方凹部21aおよび他方凹部21b)とを設けることによって、半導体層の[0001]方向は、[1−100]方向に延びる平面領域B(一方凹部21aおよび他方凹部21b)と直交する方向に配置されるので、n型GaN基板21の表面上に形成される半導体層のc軸方向([0001]方向)の大きい歪を、[1−100]方向に延びる平面領域B(一方凹部21aおよび他方凹部21b)により吸収することができる。これにより、n型GaN基板21の表面上に形成される半導体層にクラックが発生するのを抑制することができる。
The lattice constant of the a-axis of AlN is about 98% of the lattice constant of the a-axis of GaN, and the lattice constant of the c-axis of AlN is about 96% of the lattice constant of the GaN c-axis. For this reason, since the strain generated by the difference in lattice constant between AlGaN and GaN is larger in the c-axis direction ([0001] direction) than in the [1-100] direction, cracks are likely to occur in the c-axis direction. In the first embodiment, as described above, the n-
また、第1実施形態では、実質的に(11−20)面を有する表面を含むn型GaN基板21に、平面領域Aと、平面領域Aを挟み込むように配置され、平面領域Aとの境界領域が実質的に[1−100]方向に延びる平面領域B(一方凹部21aおよび他方凹部21b)とを設けることによって、n型GaN基板21の表面上に形成される半導体層の(0001)Ga面は、n型GaN基板21の表面の(11−20)面と垂直で、かつ、平面領域Aおよび平面領域Bの境界領域の延びる方向([1−100]方向)と平行に配置されるので、半導体層の平面領域B上に形成される部分に発生した転位は、n型GaN基板21の表面と垂直な方向([11−20]方向)と、平面領域Aおよび平面領域Bの境界領域の延びる方向([1−100]方向)とに沿って伝播しやすくなるとともに、平面領域Bから平面領域Aに向かう方向である[0001]方向および[000−1]方向には伝播しにくくなる。これにより、半導体層の平面領域B上の部分に発生した転位が、[0001]方向または[000−1]方向に伝播して半導体層の平面領域Aのリッジ部31にまで伝播するのを抑制することができるので、半導体層の平面領域Aのリッジ部31の転位密度が大きくなるのを抑制することができる。その結果、リッジ部31の転位の増加に起因する素子特性の低下を抑制することができる。
Moreover, in 1st Embodiment, it arrange | positions so that the plane area | region A and the plane area A may be pinched | interposed into the n-type GaN board |
また、第1実施形態では、n型GaN基板21の平面領域Aの中央部より[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に、リッジ部31を設けることによって、平面領域B上で半導体層が横方向成長する際に、[000−1]方向側の平面領域B上の半導体層の転位密度が、[0001]方向側の平面領域B上の半導体層の転位密度に比べて大きくなることに起因して、[000−1]方向側の平面領域B上の半導体層の転位がわずかながら平面領域A上の半導体層に伝播した場合にも、リッジ部31は、n型GaN基板21の平面領域Aの中央部よりも[0001]方向側の領域上の半導体層の部分に設けられているので、半導体層のリッジ部31の転位密度が大きくなるのをより抑制することができる。これにより、半導体層のリッジ部31の転位の増加に起因する素子特性の低下をより抑制することができる。
Further, in the first embodiment, the semiconductor layer is formed on the planar region B by providing the
図5〜図8は、図2に示した第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図2〜図8を参照して、第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。 5 to 8 are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the GaN-based semiconductor laser device according to the first embodiment shown in FIG. A manufacturing process for the GaN-based semiconductor laser device according to the first embodiment is now described with reference to FIGS.
まず、図3および図5に示すように、[000−1]方向に約0.3°オフ(傾斜)されたウルツ鉱構造のn型GaN基板21に、[1−100]方向(図3参照)に延びる約0.5μmの深さを有するとともに、約40μmの幅を有する溝21fを約400μm周期で形成する。具体的には、n型GaN基板21上に、約250nmの厚みを有するSiO2膜(図示せず)を形成する。そして、そのSiO2膜の所定領域を除去して、Cl系ガスによるドライエッチング技術を用いて、SiO2膜をマスクとして、n型GaN基板21をエッチングすることによって、溝21fを形成する。
First, as shown in FIGS. 3 and 5, an n-
その後、図5に示すように、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法を用いて、約1100℃の温度で、n型GaN基板21上に、n型層22、n型クラッド層23、n型キャリアブロック層24を成長させる。
Thereafter, as shown in FIG. 5, the n-
この後、MOVPE法を用いて、約800℃の温度で、n型キャリアブロック層24上に、n型光ガイド層25、活性層26、p型光ガイド層27およびp型キャップ層28を成長させる。具体的には、n型キャリアブロック層24上に、約100nmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量および約5×1018cm−3のキャリア濃度を有するSiがドープされたn型GaNからなるウルツ鉱構造のn型光ガイド層25を成長させる。次に、n型光ガイド層25上に、ウルツ鉱構造の活性層26を成長させる。このとき、図4に示したように、n型光ガイド層25(図5参照)上に、約20nmの厚みを有するアンドープIn0.02Ga0.98Nからなる4層の障壁層26gと、約3nmの厚みを有するアンドープIn0.15Ga0.85Nからなる3層の井戸層26hとを交互に成長させる。これにより、MQW構造を有する活性層26が形成される。次に、図5に示すように、活性層26上に、約100nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型GaNからなるウルツ鉱構造のp型光ガイド層27を成長させる。この後、p型光ガイド層27上に、約20nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型Al0.16Ga0.84Nからなるウルツ鉱構造のp型キャップ層28を成長させる。
Thereafter, the n-type
続いて、MOVPE法を用いて、約1100℃の温度で、p型キャップ層28上に、約330nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型Al0.07Ga0.93Nからなるウルツ鉱構造のp型クラッド層29を成長させる。この後、MOVPE法を用いて、約800℃の温度で、p型クラッド層29上に、約10nmの厚みを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型In0.02Ga0.98Nからなるウルツ鉱構造のp型コンタクト層30を成長させる。
Subsequently, using the MOVPE method, the p-
ここで、平面領域A上のn型層22からp型コンタクト層30の部分22e〜30eおよび22f〜30fは、縦方向成長により形成される。また、平面領域B(平坦部21aおよび21b)上のn型層22からp型コンタクト層30の部分22a、23a、24a、25a、26a、27a、28a、29a、30a(22a〜30a)、および、22b、23b、24b、25b、26b、27b、28b、29b、30b(22b〜30b)は、縦方向成長により形成される。平面領域B上のn型層22からp型コンタクト層30の部分22c、23c、24c、25c、26c、27c、28c、29cおよび30c(22c〜30c)は、(0001)Ga面(一方側面21c)から[0001]方向に横方向成長することにより形成される。平面領域B上のn型層22からp型コンタクト層30の部分22d、23d、24d、25d、26d、27d、28d、29dおよび30d(22d〜30d)は、(000−1)N面(他方側面21d)から[000−1]方向に横方向成長することにより形成される。このとき、部分22c〜30cの転位密度は、部分22d〜30dの転位密度よりも小さい。また、ウルツ鉱構造の窒化物系半導体では、結晶成長の際に、転位は[000±1]方向より(0001)面内で伝播しやすい。したがって、溝21fの延びる方向と成長表面の法線方向とが(0001)面内にあることから、部分22d〜30dの転位は、その上方の部分に伝播しやすい。しかしながら、部分22e〜30eおよび22f〜30fには、わずかながら部分22d〜30dの転位が[000±1]方向に伝播するために、部分22e〜30eおよび22f〜30fの各層内の転位密度は、部分22d〜30dに近い側から部分22c〜30cに近い側へ移るにつれて、徐々に小さくなるように変化する。すなわち、部分22d〜30dに近い部分22f〜30fは、部分22e〜30eよりも転位密度が大きくなる。
Here, the
この後、窒素ガス雰囲気中で、約850℃の温度条件下でアニール処理する。 Thereafter, annealing is performed under a temperature condition of about 850 ° C. in a nitrogen gas atmosphere.
次に、電子ビーム蒸着法を用いて、p型コンタクト層30上に、p側オーミック電極32(図6参照)を形成する。このp側オーミック電極32を形成する際には、下層から上層に向かって、約5nmの厚みを有するPt層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約150nmの厚みを有するAu層とを順次積層する。この後、プラズマCVD法を用いて、p側オーミック電極32上に、約250nmの厚みを有するSiO2膜36(図6参照)を形成する。そして、図6に示すように、p側オーミック電極32およびSiO2膜36をパターニングすることによって、p側オーミック電極32およびSiO2膜36を、[1−100]方向(図3参照)に延びるストライプ状(細長状)に形成する。
Next, the p-side ohmic electrode 32 (see FIG. 6) is formed on the p-
次に、図7に示すように、Cl2系ガスによるドライエッチング技術を用いて、SiO2膜36をマスクとして、p型コンタクト層30の上面からp型クラッド層29の途中の深さ(p型クラッド層29の上面から約320nmの深さ)までをエッチングする。このエッチング工程の際には、基板温度を約200℃に保持する。これにより、p型コンタクト層30とp型クラッド層29の凸部とによって構成されるとともに、下部において約1.75μmの幅を有する細長状のリッジ部31が形成される。このとき、リッジ部31は、n型GaN基板21の一方側面21cから中央部側に距離D1(約50μm)を隔てるとともに、n型GaN基板21の他方側面21dから中央部側に距離D2(約310μm)を隔てた位置に形成される。
Next, as shown in FIG. 7, using a dry etching technique using Cl 2 gas, the SiO 2 film 36 is used as a mask, and the depth (p Etching is performed from the upper surface of the
次に、フォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、p型クラッド層29の平坦部21eの所定領域上に、SiO2膜36、p側オーミック電極32およびリッジ部31を覆うように、レジスト37を形成する。この後、エッチング技術を用いて、レジスト37をマスクとして、p型クラッド層29の平坦部21eの上面からn型キャリアブロック層24までをエッチングする。これにより、p型クラッド層29、p型キャップ層28、p型光ガイド層27、活性層26、n型光ガイド層25およびn型キャリアブロック層24の所定領域が除去される。この後、SiO2膜36を除去する。
Next, using photolithography and etching techniques, a resist 37 is formed on the predetermined region of the
次に、図8に示すように、プラズマCVD法を用いて、リッジ部31の側面を含む全面を覆うように、約250nmの厚みを有するSiO2膜からなる電流狭窄層33を形成する。この後、p側オーミック電極32の上面上に位置する電流狭窄層33をエッチングする。
Next, as shown in FIG. 8, a
次に、真空蒸着法を用いて、電流狭窄層33上の所定領域に、p側オーミック電極32の上面に接触するように、p側パッド電極34(図2参照)を形成する。このp側パッド電極34を形成する際には、下層から上層に向かって、約100nmの厚みを有するTi層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約3μmの厚みを有するAu層とを順次積層する。この後、n型GaN基板21の厚みが約100μmになるまで、n型GaN基板21の裏面側を研磨する。そして、真空蒸着法を用いて、n型GaN基板21の裏面上に、n側電極35を形成する。このn側電極35を形成する際には、n型GaN基板21の裏面側から順に、約10nmの厚みを有するAl層と、約20nmの厚みを有するPt層と、約300nmの厚みを有するAu層とを順次積層する。
Next, a p-side pad electrode 34 (see FIG. 2) is formed in a predetermined region on the
次に、GaN系半導体レーザ素子のレーザ光の出射面側の共振器面上に、約5%の反射率を有する誘電体多層膜(図示せず)を形成するとともに、反射面側の共振器面上に、約95%の反射率を有する誘電体多層膜(図示せず)を形成する。 Next, a dielectric multilayer film (not shown) having a reflectivity of about 5% is formed on the resonator surface on the laser beam emitting surface side of the GaN-based semiconductor laser element, and the resonator on the reflecting surface side is formed. A dielectric multilayer film (not shown) having a reflectivity of about 95% is formed on the surface.
その後、約40μmの幅を有する溝21fの中央部で分離することによって、図2に示した第1実施形態によるGaN系半導体レーザ素子が形成される。
Thereafter, the GaN-based semiconductor laser device according to the first embodiment shown in FIG. 2 is formed by separating at the center of the
次に、上記第1実施形態の効果を確認するために行った実験について説明する。この確認実験では、上記第1実施形態の製造プロセスを用いて実際に作製した実施例1による半導体レーザ素子の転位密度を平面透過型電子顕微鏡(TEM)像により測定した。平面TEM像観察用の試料は、収束イオンビームを用いて作製した。また、比較例として、比較例1および2による半導体レーザ素子を作製した。比較例1では、上記第1実施形態と異なり、n型GaN基板の他方凹部(平面領域B)、および、リッジ部を、共に[0001]方向に延びるように形成した。この場合、一方凹部の一方側面は、実質的に(1−100)面を有するとともに、他方凹部の他方側面は、実質的に(−1100)面を有する。また、比較例2による半導体レーザ素子は、リッジ部をn型GaN基板21の平坦部の実質的に中央部の真上の位置に形成したこと以外は、上記第1実施形態の半導体レーザ素子と同様に作製した。
Next, an experiment conducted for confirming the effect of the first embodiment will be described. In this confirmation experiment, the dislocation density of the semiconductor laser device according to Example 1 actually manufactured using the manufacturing process of the first embodiment was measured with a plane transmission electron microscope (TEM) image. A sample for observing a planar TEM image was produced using a focused ion beam. Further, as comparative examples, semiconductor laser elements according to comparative examples 1 and 2 were manufactured. In Comparative Example 1, unlike the first embodiment, the other concave portion (planar region B) and the ridge portion of the n-type GaN substrate are both formed to extend in the [0001] direction. In this case, one side surface of the one concave portion has a substantially (1-100) plane, and the other side surface of the other concave portion has a substantially (-1100) plane. The semiconductor laser device according to Comparative Example 2 is the same as the semiconductor laser device of the first embodiment except that the ridge portion is formed at a position substantially directly above the center portion of the flat portion of the n-
実施例1による半導体レーザ素子は、比較例1および2による半導体レーザ素子に比べて、リッジ部31の結晶性が向上することが判明した。具体的には、実施例1による半導体レーザ素子では、部分22cおよび23cに転位がほとんど観察されなかった。また、部分22dおよび23dに、109cm−2のオーダの貫通欠陥や105cm−1のオーダの積層欠陥が観察された。また、リッジ部31は、転位がほとんど観察されず、転位密度は、約1×106cm−2以下であった。その一方、比較例1による半導体レーザ素子では、リッジ部の転位密度は、約5×107cm−2であり、比較例2による半導体レーザ素子では、リッジ部の転位密度は、約1×107cm−2であった。これは、以下の理由によるものと考えられる。すなわち、比較例1による半導体レーザ素子のリッジ部の転位密度が増加したのは、比較例1では、n型GaN基板の他方凹部21b(平面領域B)、および、リッジ部が[0001]方向に延びるように形成されているので、平面領域B上の各層の部分の転位が、(0001)面内において、平面領域A上に形成される各層の部分に伝播しやすくなったためであると考えられる。また、比較例2による半導体レーザ素子のリッジ部の転位密度が増加したのは、n型クラッド層23上に形成される半導体層の[000−1]方向側の部分は、[0001]方向側の部分よりも転位密度が大きいので、リッジ部がn型GaN基板の平坦部の実質的に中央部の真上の位置に形成された比較例2では、リッジ部が[0001]側に形成された実施例1に比べて、リッジ部が半導体層の転位密度が大きい側により近いためであると考えられる。
It has been found that the semiconductor laser element according to Example 1 has improved crystallinity of the
(第2実施形態)
図9は、本発明の第2実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図10は、図9の100−100線に沿った断面図である。図11は、図9に示したGaN系半導体レーザ素子のn型GaN基板の構造を示した平面図である。図9〜図11を参照して、この第2実施形態では、上記第1実施形態と異なり、実質的に(1−100)面を有する表面を含むn型GaN基板を用いる場合について説明する。なお、第2実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の発振波長は、約520nmである。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a GaN-based semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line 100-100 in FIG. FIG. 11 is a plan view showing the structure of the n-type GaN substrate of the GaN-based semiconductor laser device shown in FIG. With reference to FIGS. 9 to 11, in the second embodiment, a case will be described in which an n-type GaN substrate including a surface having a substantially (1-100) plane is used, unlike the first embodiment. The oscillation wavelength of the GaN semiconductor laser device according to the second embodiment is about 520 nm.
この第2実施形態によるGaN系半導体レーザ素子では、図9に示すように、ウルツ鉱構造のn型GaN基板41は、[000−1]方向に約0.5°オフ(傾斜)された実質的に(1−100)面を有する表面を含んでいる。なお、n型GaN基板41は、本発明の「半導体基板」の一例である。
In the GaN-based semiconductor laser device according to the second embodiment, as shown in FIG. 9, the n-
ここで、第2実施形態では、n型GaN基板41は、図11に示すように、n型GaN基板41上に形成される半導体層が縦方向成長することが可能な平面領域Cと、実質的に[11−20]方向に延びる境界領域に沿って平面領域Cを挟み込むように配置され、n型GaN基板41上に形成される半導体層が横方向成長することが可能な平面領域Dとを有している。なお、平面領域Cは、本発明の「第1領域」の一例であり、平面領域Dは、本発明の「第2領域」の一例である。この平面領域Dは、[0001]方向側に配置される一方凹部41aと、[000−1]方向側に配置される他方凹部41bとからなる。また、一方凹部41aおよび他方凹部41bは、図9に示すように、共に約0.5μmの深さを有するとともに、約20μmの幅を有する段差形状に形成されている。また、一方凹部41aは、実質的に(0001)Ga面を有する一方側面41cを含んでいるとともに、他方凹部41bは、実質的に(000−1)N面を有する他方側面41dを含んでいる。また、n型GaN基板41の平面領域Cの表面には、実質的に[0001]方向([000−1]方向)に約360μmの幅を有する平坦部41eが形成されている。なお、一方凹部41aは、本発明の「第1凹部」の一例であり、他方凹部41bは、本発明の「第2凹部」の一例である。また、一方側面41cは、本発明の「第1側面」の一例であり、他方側面41dは、本発明の「第2側面」の一例である。
Here, in the second embodiment, as shown in FIG. 11, the n-
また、n型GaN基板41上には、上記第1実施形態のn型層22、n型クラッド層23、n型キャリアブロック層24およびn型光ガイド層25と同様の構造を有するn型層42、n型クラッド層43、n型キャリアブロック層44およびn型光ガイド層45が形成されている。このn型層42およびn型クラッド層43の平面領域D(図11参照)上の部分は、[11−20]方向に延びる段差形状に形成されている。なお、n型層42、n型クラッド層43、n型キャリアブロック層44およびn型光ガイド層45は、本発明の「半導体層」の一例である。
On the n-
また、n型光ガイド層45上には、ウルツ鉱構造の活性層46が形成されている。なお、活性層46は、本発明の「半導体層」の一例である。この活性層46は、約20nmの厚みを有するアンドープIn0.17Ga0.83Nからなる4層の障壁層(図示せず)と、約3nmの厚みを有するアンドープIn0.3Ga0.7Nからなる3層の井戸層(図示せず)とが交互に積層されたMQW構造を有する。
An
また、活性層46上には、上記第1実施形態のp型光ガイド層27、p型キャップ層28、p型クラッド層29、p型コンタクト層30およびp側オーミック電極32と同様の構造を有するp型光ガイド層47、p型キャップ層48、p型クラッド層49、p型コンタクト層50およびp側オーミック電極52が形成されている。なお、p型光ガイド層47、p型キャップ層48、p型クラッド層49およびp型コンタクト層50は、本発明の「半導体層」の一例である。また、p型コンタクト層50とp型クラッド層49の凸部とによって、リッジ部51が構成されている。なお、リッジ部51は、本発明の「能動領域」および「発光領域」の一例である。
On the
ここで、平面領域C(平坦部41e)上のn型層42からp型コンタクト層50の部分42e、43e、44e、45e、46e、47e、48e、49e、50e(42e〜50e)、および、42f、43f、44f、45f、46f、47f、48f、49f(42f〜49f)は、縦方向成長により形成されている。また、n型層42およびn型クラッド層43の[0001]方向側の平面領域D上の部分は、(0001)Ga面(一方側面41c)から[0001]方向に横方向成長した部分42cおよび43cと、一方凹部41aの底面から縦方向成長した部分42aおよび43aとからなっている。また、n型層42およびn型クラッド層43の[000−1]方向側の平面領域D上の部分は、(000−1)N面(他方側面41d)から[000−1]方向に横方向成長した部分42dおよび43dと、他方凹部41bの底面から縦方向成長した部分42bおよび43bとからなっている。ここで、部分42cおよび43cの転位密度は、部分42dおよび43dの転位密度よりも小さい。これは、(0001)面から[0001]方向に横方向成長した層の転位密度は、(000−1)面から[000−1]方向に横方向成長した層の転位密度よりも小さくなるためである。また、平面領域C上のn型層42からp型コンタクト層50の部分42cおよび43cに近い[0001]方向側の部分42e〜50eの転位密度は、[000−1]方向側の部分42f〜49fの転位密度よりも小さい。これは、部分42f〜50fには、部分42dおよび43dの転位が[000±1]方向にわずかながら伝播する場合があるためである。
Here, from the n-
第2実施形態では、リッジ部51は、n型GaN基板41の一方側面41cから中央部側に距離D3(約30μm)を隔てるとともに、n型GaN基板41の他方側面41dから中央部側に距離D4(約330μm)を隔てた位置に形成されている。すなわち、第2実施形態においても、上記第1実施形態と同様、リッジ部51は、n型GaN基板41の平面領域C(平坦部41e)の中央部より[0001]方向側の領域上に形成されている。また、リッジ部51は、上記第1実施形態とは異なり、[11−20]方向(図10参照)に延びるストライプ状(細長状)に形成されている。
In the second embodiment, the
また、p側オーミック電極52の上面以外の領域上には、上記第1実施形態の電流狭窄層33と同様の構造を有する電流狭窄層53が形成されている。また、電流狭窄層53上の所定領域には、p側オーミック電極52に接触するように、上記第1実施形態のp側パッド電極34と同様の構造を有するp側パッド電極54が形成されている。
A
また、n型GaN基板41の裏面上には、上記第1実施形態のn側電極35と同様の構造を有するn側電極55が形成されている。
Further, an n-
また、第2実施形態では、図10に示すように、半導体層の[11−20]方向([−1−120]方向)の長さは、n型半導体基板41の[11−20]方向([−1−120]方向)の長さよりも小さくなるように形成されている。そして、半導体層の[11−20]方向および[−1−120]方向の端部には、それぞれ、(11−20)面および(−1−120)面からなる共振器面が形成されている。そして、レーザ光の出射面側の共振器面上には、活性層46側から約70nmのAl2O3と、約10nmのAlNからなる約5%の反射率を有する誘電体多層膜56aが形成されているとともに、レーザ光の出射面とは反対側の共振器面上には、活性層46側から約10nmのAlNと、λ/4の厚みを各々有するAl2O3およびTiO2の5周期の多層膜とからなる約95%の反射率を有する誘電体多層膜56bが形成されている。
In the second embodiment, as shown in FIG. 10, the length of the semiconductor layer in the [11-20] direction ([−1-120] direction) is the [11-20] direction of the n-
なお、第2実施形態のその他の構造は、上記第1実施形態と同様である。 The remaining structure of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
また、第2実施形態の効果は、上記第1実施形態と同様である。 The effect of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
次に、図9〜図11を参照して、第2実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。 A manufacturing process for the GaN-based semiconductor laser device according to the second embodiment is now described with reference to FIGS.
まず、図9および図11に示すように、[000−1]方向に約0.5°オフ(傾斜)されたウルツ鉱構造のn型GaN基板41に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、[11−20]方向に延びる約0.5μmの深さを有するとともに、約40μmの幅を有する溝を約400μm周期で形成する。
First, as shown in FIGS. 9 and 11, the manufacturing process of the first embodiment is applied to an n-
その後、図9に示すように、n型GaN基板41上に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、n型層42、n型クラッド層43、n型キャリアブロック層44およびn型光ガイド層45を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 9, the n-
次に、n型光ガイド層45上に、ウルツ鉱構造の活性層46を成長させる。このとき、n型光ガイド層45(図13参照)上に、約20nmの厚みを有するアンドープIn0.17Ga0.83Nからなる4層の障壁層(図示せず)と、約3nmの厚みを有するアンドープIn0.3Ga0.7Nからなる3層の井戸層(図示せず)とを交互に成長させる。これにより、MQW構造を有する活性層46が形成される。
Next, an
その後、活性層46上に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、活性層46、p型光ガイド層47、p型キャップ層48、p型クラッド層49、p型コンタクト層50、p側オーミック電極52、電流狭窄層53およびp側パッド電極54を形成する。このとき、下部において約1.75μmの幅を有する細長状のリッジ部51は、n型GaN基板41の一方側面41cから中央部側に距離D3(約30μm)を隔てるとともに、n型GaN基板41の他方側面41dから中央部側に距離D4(約330μm)を隔てた位置に形成される。
Thereafter, the
そして、n型GaN基板41の裏面上に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、n側電極55を形成する。
Then, the n-
次に、図10に示すように、反応性イオンビームエッチング技術を用いて、[11−20]方向および[−1−120]方向の端部をそれぞれエッチングすることにより、(11−20)面および(−1−120)面からなる共振器面を形成する。その後、N2の電子サイクロトロン共鳴プラズマを共振器面に照射し、共振器面を清浄化する。そして、GaN系半導体レーザ素子のレーザ光の出射面側の共振器面上に、約5%の反射率を有する誘電体多層膜56aを形成するとともに、反射面側の共振器面上に、約95%の反射率を有する誘電体多層膜56bを形成する。
Next, as shown in FIG. 10, by using the reactive ion beam etching technique, the end portions in the [11-20] direction and the [-1-120] direction are respectively etched, thereby (11-20) plane. And a resonator plane composed of (-1-120) planes. After that, the resonator surface is irradiated with N 2 electron cyclotron resonance plasma to clean the resonator surface. Then, a
その後、約40μmの幅を有する溝の中央部で分離することによって、図9に示した第2実施形態によるGaN系半導体レーザ素子が形成される。 Thereafter, the GaN-based semiconductor laser device according to the second embodiment shown in FIG. 9 is formed by separating at the center of the groove having a width of about 40 μm.
なお、第2実施形態のその他の製造プロセスは、上記第1実施形態の製造プロセスと同様である。 The other manufacturing processes of the second embodiment are the same as the manufacturing processes of the first embodiment.
次に、上記第2実施形態の効果を確認するために行った実験について説明する。この確認実験では、上記第2実施形態の製造プロセスを用いて実際に作製した実施例2による半導体レーザ素子の転位密度を平面TEM像により測定した。 Next, an experiment conducted for confirming the effect of the second embodiment will be described. In this confirmation experiment, the dislocation density of the semiconductor laser device according to Example 2 actually manufactured using the manufacturing process of the second embodiment was measured by a planar TEM image.
実施例2による半導体レーザ素子は、上記第1実施形態の実施例1による半導体レーザ素子と同様、リッジ部51の結晶性が向上することが判明した。具体的には、実施例2による半導体レーザ素子では、部分42cおよび43cに転位がほとんど観察されなかった。また、部分42dおよび43dは、109cm−2のオーダの貫通欠陥や105cm−1のオーダの積層欠陥が観察された。また、リッジ部51は、転位がほとんど観察されなかった。
The semiconductor laser device according to Example 2 was found to improve the crystallinity of the
(第3実施形態)
図12は、本発明の第3実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図13は、図12に示したGaN系半導体レーザ素子のn型SiC基板の構造を示した平面図である。図12および図13を参照して、この第3実施形態では、上記第1実施形態と異なり、n型4H−SiC基板(n型SiC基板61)を用いる場合について説明する。なお、第3実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の発振波長は、約340nmである。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a sectional view showing the structure of a GaN-based semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 13 is a plan view showing the structure of the n-type SiC substrate of the GaN-based semiconductor laser device shown in FIG. With reference to FIGS. 12 and 13, in the third embodiment, a case where an n-type 4H—SiC substrate (n-type SiC substrate 61) is used will be described, unlike the first embodiment. The oscillation wavelength of the GaN-based semiconductor laser device according to the third embodiment is about 340 nm.
この第3実施形態によるGaN系半導体レーザ素子では、図12に示すように、n型SiC基板61は、[000−1]方向に約0.5°オフ(傾斜)された実質的に(11−20)面を有する表面を含んでいる。なお、n型SiC基板61は、本発明の「半導体基板」の一例である。
In the GaN semiconductor laser device according to the third embodiment, as shown in FIG. 12, the n-
ここで、第3実施形態では、n型SiC基板61は、図13に示すように、n型SiC基板61上に形成される半導体層が縦方向成長することが可能な平面領域Eと、実質的に[1−100]方向に延びる境界領域に沿って平面領域Eを挟み込むように配置され、n型SiC基板61上に形成される半導体層が横方向成長することが可能な平面領域Fとを有している。なお、平面領域Eは、本発明の「第1領域」の一例であり、平面領域Fは、本発明の「第2領域」の一例である。この平面領域Fは、[0001]方向側に配置される一方凹部61aと、[000−1]方向側に配置される他方凹部61bとからなる。また、一方凹部61aおよび他方凹部61bは、図12に示すように、共に約0.5μmの深さを有するとともに、約20μmの幅を有する段差形状に形成されている。また、一方凹部61aは、実質的に(0001)Si面を有する一方側面61cを含んでいるとともに、他方凹部61bは、実質的に(000−1)C面を有する他方側面61dを含んでいる。また、n型SiC基板61の平面領域Eの表面には、実質的に[0001]方向([000−1]方向)に約360μmの幅を有する平坦部61eが形成されている。なお、一方凹部61aは、本発明の「第1凹部」の一例であり、他方凹部61bは、本発明の「第2凹部」の一例である。また、一方側面61cは、本発明の「第1側面」の一例であり、他方側面61dは、本発明の「第2側面」の一例である。
Here, in the third embodiment, as shown in FIG. 13, the n-
また、第3実施形態では、n型SiC基板61上には、約400nmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量および約5×1018cm−3のキャリア濃度を有するSiがドープされたn型Al0.12Ga0.88Nからなるウルツ鉱構造のn型クラッド層63が形成されている。このn型クラッド層63の平面領域F(図13参照)上の部分は、[1−100]方向に延びる段差形状に形成されている。なお、n型クラッド層63は、本発明の「半導体層」の一例である。また、n型クラッド層63は、n型クラッド層63の[0001]方向および[11−20]方向と、n型SiC基板61の[0001]方向および[11−20]方向とがそれぞれ平行になるように形成されている。なお、n型クラッド層63上に形成される半導体層(後述する活性層66およびp型クラッド層69)についても同様、半導体層は、半導体層の[0001]方向および[11−20]方向と、n型SiC基板61の[0001]方向および[11−20]方向とがそれぞれ平行になるように形成されている。
In the third embodiment, on the n-
また、第3実施形態では、n型クラッド層63上には、ウルツ鉱構造の活性層66が形成されている。なお、活性層66は、本発明の「半導体層」の一例である。この活性層66は、約20nmの厚みを有するアンドープIn0.05Ga0.95Nからなる4層の障壁層(図示せず)と、約3nmの厚みを有するアンドープGaNからなる3層の井戸層(図示せず)とが交互に積層されたMQW構造を有する。
In the third embodiment, an
また、活性層66上には、凸部と、凸部以外の平坦部61eとを有するとともに、約4×1019cm−3のドーピング量および約5×1017cm−3のキャリア濃度を有するMgがドープされたp型Al0.12Ga0.88Nからなるウルツ鉱構造のp型クラッド層69が形成されている。なお、p型クラッド層69は、本発明の「半導体層」の一例である。このp型クラッド層69の[0001]方向側および[000−1]方向側の平坦部61eの厚みは、それぞれ、約80nmである。また、p型クラッド層69の平坦部61eから凸部の上面までの高さは、約320nmである。また、p型クラッド層69の凸部は、平面的に見てストライプ状(細長状)に形成されているとともに、凸部の下部が、約1.75μmの幅を有するように形成されている。
In addition, the
ここで、平面領域E(平坦部61e)上のn型クラッド層63からp型クラッド層69の部分63e、66e、69e、63f、66fおよび69fは、縦方向成長により形成されている。また、n型クラッド層63の[0001]方向側の平面領域F上の部分は、(0001)Si面(一方側面61c)から[0001]方向に横方向成長した部分63cと、一方凹部61aの底面から縦方向成長した部分63aとからなっている。また、n型クラッド層63の[000−1]方向側の平面領域F上の部分は、(000−1)C面(他方側面61d)から[000−1]方向に横方向成長した部分63dと、他方凹部61bの底面から縦方向成長した部分63bとからなっている。ここで、部分63cの転位密度は、部分63dの転位密度よりも小さい。これは、(0001)面から[0001]方向に横方向成長した層の転位密度は、(000−1)面から[000−1]方向に横方向成長した層の転位密度よりも小さくなるためである。また、n型クラッド層63からp型クラッド層69の部分63cに近い[0001]方向側の部分63e、66eおよび69eの転位密度は、[000−1]方向側の部分63f、66fおよび69fの転位密度よりも小さい。これは、部分63f、66fおよび69fには、部分63dの転位が[000±1]方向にわずかながら伝播する場合があるためである。
Here, the
また、第3実施形態では、p型クラッド層69の凸部によって、リッジ部71が構成されている。なお、リッジ部71は、本発明の「能動領域」および「発光領域」の一例である。
Further, in the third embodiment, the
第3実施形態では、リッジ部71は、n型SiC基板61の一方側面61cから中央部側に距離D5(約70μm)を隔てるとともに、n型SiC基板61の他方側面61dから中央部側に距離D6(約290μm)を隔てた位置に形成されている。すなわち、第3実施形態では、リッジ部71は、n型SiC基板61の平面領域E(平坦部61e)の中央部より[0001]方向側の領域上に形成されている。また、リッジ部71は、[1−100]方向に延びるストライプ状(細長状)に形成されている。
In the third embodiment, the
また、第3実施形態では、p型クラッド層69は、p型コンタクト層としての機能も有する。また、p型クラッド層69の凸部上には、上記第1実施形態のp側オーミック電極32と同様の構造を有するp側オーミック電極72が形成されている。
In the third embodiment, the p-
また、p側オーミック電極72の上面以外の領域上には、上記第1実施形態の電流狭窄層33と同様の構造を有する電流狭窄層73が形成されている。また、電流狭窄層73上の所定領域には、p側オーミック電極72に接触するように、上記第1実施形態のp側パッド電極34と同様の構造を有するp側パッド電極74が形成されている。
A
また、n型SiC基板61の裏面上には、上記第1実施形態のn側電極35と同様の構造を有するn側電極75が形成されている。
An n-
なお、第3実施形態のその他の構造は、上記第1実施形態と同様である。 The remaining structure of the third embodiment is similar to that of the aforementioned first embodiment.
また、第3実施形態の効果は、上記第1実施形態と同様である。 The effects of the third embodiment are the same as those of the first embodiment.
次に、図12および図13を参照して、第3実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。 A manufacturing process for the GaN-based semiconductor laser device according to the third embodiment is now described with reference to FIGS.
まず、図12に示すように、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、[000−1]方向に約0.5°オフ(傾斜)されたウルツ鉱構造のn型SiC基板61に、[1−100]方向(図13参照)に延びる約0.5μmの深さを有するとともに、約40μmの幅を有する溝を約400μm周期で形成する。
First, as shown in FIG. 12, using a manufacturing process similar to the manufacturing process of the first embodiment, an n-type wurtzite structure that is turned off (tilted) by about 0.5 ° in the [000-1] direction. On the
その後、n型SiC基板61上に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、n型クラッド層63、活性層66およびp型クラッド層69を形成する。
Thereafter, the n-
この後、窒素ガス雰囲気中で、約900℃の温度条件下でアニール処理する。 Thereafter, annealing is performed under a temperature condition of about 900 ° C. in a nitrogen gas atmosphere.
次に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、p型クラッド層69上に、p側オーミック電極72、電流狭窄層73およびp側パッド電極74を形成する。このとき、第3実施形態では、p型クラッド層69の凸部からなるリッジ部71は、n型SiC基板61の一方側面61cから中央部側に距離D5(約70μm)を隔てるとともに、n型SiC基板61の他方側面61dから中央部側に距離D6(約290μm)を隔てた位置に形成される。
Next, the p-
その後、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、n型SiC基板61の裏面上に、n側電極75を形成する。
Thereafter, the n-
次に、約40μmの幅を有する溝の中央部で分離することによって、図12に示した第3実施形態によるGaN系半導体レーザ素子が形成される。 Next, the GaN-based semiconductor laser device according to the third embodiment shown in FIG. 12 is formed by separating at the center of the groove having a width of about 40 μm.
なお、第3実施形態のその他の製造プロセスは、上記第1実施形態の製造プロセスと同様である。 The other manufacturing processes of the third embodiment are the same as the manufacturing processes of the first embodiment.
次に、上記第3実施形態の効果を確認するために行った実験について説明する。この確認実験では、上記第3実施形態の製造プロセスを用いて実際に作製した実施例3による半導体レーザ素子の転位密度を平面TEM像により測定した。 Next, an experiment conducted for confirming the effect of the third embodiment will be described. In this confirmation experiment, the dislocation density of the semiconductor laser device according to Example 3 actually manufactured using the manufacturing process of the third embodiment was measured by a planar TEM image.
実施例3による半導体レーザ素子は、上記第1実施形態の実施例1による半導体レーザ素子と同様、リッジ部71の結晶性が向上することが判明した。具体的には、実施例3による半導体レーザ素子では、部分63cに転位がほとんど観察されなかった。また、部分63dは、109cm−2のオーダの貫通欠陥や105cm−1のオーダの積層欠陥が観察された。また、リッジ部71は、転位がほとんど観察されなかった。
The semiconductor laser device according to Example 3 was found to improve the crystallinity of the
(第4実施形態)
図14は、本発明の第4実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図15は、図14に示したGaN系半導体レーザ素子のn型GaN基板の構造を示した平面図である。図14および図15を参照して、この第4実施形態では、上記第1実施形態の構造において、n型GaN基板に一方凹部および他方凹部を設ける代わりに、n型GaN基板上にマスク部を設けた場合について説明する。なお、第4実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の発振波長は、約410nmである。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a sectional view showing the structure of a GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 15 is a plan view showing the structure of the n-type GaN substrate of the GaN-based semiconductor laser device shown in FIG. Referring to FIGS. 14 and 15, in the fourth embodiment, in the structure of the first embodiment, instead of providing one recess and the other recess in the n-type GaN substrate, a mask portion is provided on the n-type GaN substrate. The case where it is provided will be described. The oscillation wavelength of the GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment is about 410 nm.
この第4実施形態によるGaN系半導体レーザ素子では、図14に示すように、ウルツ鉱構造のn型GaN基板81は、[0001]方向に約0.3°オフ(傾斜)された実質的に(11−20)面を有する表面を含んでいる。なお、n型GaN基板81は、本発明の「半導体基板」の一例である。
In the GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 14, the n-
ここで、第4実施形態では、n型GaN基板81は、図15に示すように、n型GaN基板81上に形成される半導体層が縦方向成長することが可能な平面領域Gと、実質的に[1−100]方向に延びる境界領域に沿って平面領域Gを挟み込むように配置され、n型GaN基板81上に形成される半導体層が横方向成長することが可能な平面領域Hとを有している。なお、平面領域Gは、本発明の「第1領域」の一例であり、平面領域Hは、本発明の「第2領域」の一例である。この平面領域H(図15参照)上には、図14に示すように、[0001]方向側に配置される一方マスク部96aと、[000−1]方向側に配置される他方マスク部96bとが形成されている。この一方マスク部96aおよび他方マスク部96bは、それぞれ、約0.5μmの厚みを有するとともに、約5μmの幅を有するSiO2膜からなる。また、他方マスク部96bは、一方マスク部96aから約190μmの距離を隔てて配置されている。なお、平面領域Gには、n型GaN基板81の表面81aが露出されている。
Here, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 15, the n-
また、n型GaN基板81上には、約3μmの厚みを有するとともに、約5×1018cm−3のドーピング量を有するSiがドープされたn型GaNからなるウルツ鉱構造のn型層82が形成されている。なお、n型層82は、本発明の「半導体層」の一例である。
On the n-
ここで、n型層82の平面領域G(n型GaN基板81の表面81a)上に形成された部分82cおよび82dは、縦方向成長により形成されている。また、n型層82の[0001]方向側の平面領域H(一方マスク部96a)上の部分82aは、[0001]方向に横方向成長することにより形成されており、n型層82の[000−1]方向側の平面領域H(他方マスク部96b)上の部分82bは、[000−1]方向に横方向成長することにより形成されている。ここで、部分82aの転位密度は、部分82bの転位密度よりも小さい。これは、[0001]方向に横方向成長した層の転位密度は、[000−1]方向に横方向成長した層の転位密度よりも小さくなるためである。
Here, the
また、n型層82上には、上記第1実施形態のn型クラッド層23、n型キャリアブロック層24、n型光ガイド層25、活性層26、p型光ガイド層27、p型キャップ層28、p型クラッド層29、p型コンタクト層30、p側オーミック電極32、電流狭窄層33およびp側パッド電極34と同様の組成および積層構造を有するn型クラッド層83、n型キャリアブロック層84、n型光ガイド層85、活性層86、p型光ガイド層87、p型キャップ層88、p型クラッド層89、p型コンタクト層90、p側オーミック電極92、電流狭窄層93およびp側パッド電極94が形成されている。また、p型コンタクト層90とp型クラッド層89の凸部とによって、リッジ部91が構成されている。なお、n型クラッド層83、n型キャリアブロック層84、n型光ガイド層85、活性層86、p型光ガイド層87、p型キャップ層88、p型クラッド層89およびp型コンタクト層90は、本発明の「半導体層」の一例であり、リッジ部91は、本発明の「能動領域」および「発光領域」の一例である。
Further, on the n-
ここで、ウルツ鉱構造の窒化物系半導体の結晶成長の際に、転位は[000±1]方向より(0001)面内で伝播しやすい。したがって、マスク部96の延びる方向と成長表面の法線方向とが(0001)面内にあることから、部分82bの転位は、その上方の部分に伝播しやすいので、部分82aの上部のn型クラッド層83の部分83aの転位密度は、部分82bの上部のn型クラッド層83の部分83bの転位密度より小さい。また、部分82aおよび83aに近いn型クラッド層83からp型コンタクト層90の[0001]方向側の部分83c、84c、85c、86c、87c、88c、89cおよび90c(83c〜90c)の転位密度は、[000−1]方向側の部分83d、84d、85d、86d、87d、88dおよび89d(83d〜89d)の転位密度より小さい。これは、部分83d〜89dには、部分82bおよび83の転位が[000±1]方向にわずかながら伝播する場合があるためである。
Here, during crystal growth of a nitride-based semiconductor having a wurtzite structure, dislocations tend to propagate in the (0001) plane from the [000 ± 1] direction. Accordingly, since the extending direction of the
また、n型GaN基板81の裏面上には、上記第1実施形態のn側電極35と同様の組成および構造を有するn側電極95が形成されている。
An n-
なお、第4実施形態のその他の構造は、上記第1実施形態と同様である。 The remaining structure of the fourth embodiment is similar to that of the aforementioned first embodiment.
また、第4実施形態の効果は、上記第1実施形態と同様である。 The effect of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment.
図16〜図18は、図14に示した第4実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図14〜図18を参照して、第4実施形態によるGaN系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。 16 to 18 are cross-sectional views for explaining a manufacturing process of the GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment shown in FIG. A manufacturing process for the GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment is now described with reference to FIGS.
まず、図18に示すように、[0001]方向に約0.3°オフ(傾斜)されたウルツ鉱構造のn型GaN基板81に、[1−100]方向に延びる約0.5μmの厚みを有するとともに、約10μmの幅を有するマスク部96を約200μm周期で形成する。
First, as shown in FIG. 18, a thickness of about 0.5 μm extending in the [1-100] direction is formed on the n-
その後、MOVPE法を用いて、約1100℃の温度で、n型GaN基板81上に、n型層82を成長させる。このとき、第4実施形態では、まず、n型GaN基板81上のマスク部96が形成されていない表面81a(平面領域G(図15参照)上の部分)に、n型層82の部分82cおよび82dが縦方向成長する。その後、図16および図17に示すように、マスク部96上において、n型層82の部分82aが[0001]方向に横方向成長するとともに、マスク部96上において、n型層82の部分82bが[000−1]方向に横方向成長する。ここで、n型層82の部分82aは、部分82bよりも転位密度が小さくなる。
Thereafter, an n-
その後、図18に示すように、n型層82上に、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、n型クラッド層83、n型キャリアブロック層84、n型光ガイド層85、活性層86、p型光ガイド層87、p型キャップ層88、p型クラッド層89、p型コンタクト層90、p側オーミック電極92、電流狭窄層93およびp側パッド電極94を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 18, the n-
ここで、部分82bの転位は、その上方の部分83b、84b、85b、86b、87b、88b、89bおよび90b(83b〜90b)に伝播しやすい。しかしながら、部分83d、84d、85d、86d、87d、88d、89dおよび90d(83d〜90d)には部分82b〜90bから[000±1]方向にわずかながら転位が伝播する場合があるので、部分83d〜90dは、部分83c〜90cよりも転位密度が大きくなる。
Here, the dislocation of the
その後、上記第1実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、n型GaN基板81の裏面上に、n側電極95を形成する。
Thereafter, the n-
次に、約10μmの幅を有するマスク部96の中央部で分離することによって、第4実施形態によるGaN系半導体レーザ素子が形成される。
Next, the GaN-based semiconductor laser device according to the fourth embodiment is formed by separating at the central portion of the
なお、第4実施形態のその他の製造プロセスは、上記第1実施形態の製造プロセスと同様である。 The other manufacturing processes of the fourth embodiment are the same as the manufacturing processes of the first embodiment.
次に、上記第4実施形態の効果を確認するために行った実験について説明する。この確認実験では、上記第4実施形態の製造プロセスを用いて実際に作製した実施例4による半導体レーザ素子の転位密度を平面TEM像により測定した。 Next, an experiment conducted for confirming the effect of the fourth embodiment will be described. In this confirmation experiment, the dislocation density of the semiconductor laser device according to Example 4 actually manufactured using the manufacturing process of the fourth embodiment was measured by a planar TEM image.
実施例4による半導体レーザ素子は、上記第1実施形態の実施例1による半導体レーザ素子と同様、リッジ部91の結晶性が向上することが判明した。具体的には、実施例4による半導体レーザ素子では、部分83aに転位がほとんど観察されなかった。また、部分83bは、109cm−2のオーダの貫通欠陥や105cm−1のオーダの積層欠陥が観察された。また、リッジ部91は、転位がほとんど観察されなかった。
The semiconductor laser device according to Example 4 was found to improve the crystallinity of the
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiments and examples disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments and examples but by the scope of claims for patent, and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
たとえば、上記第1〜第4実施形態では、半導体レーザ素子に本発明を適用する例を示したが、本発明はこれに限らず、スーパー・ルミネッセント・ダイオードなどの発光素子や、ヘテロバイポーラトランジスタなどの電子デバイスにも適用可能である。本発明をヘテロバイポーラトランジスタに適用する場合、図19に示した本発明の変形例のように、GaN(11−20)面基板101、n型GaN層102、n型GaNコレクタ層103、p型GaNベース層104、n型Al0.25Ga0.75Nエミッタ層105、n型GaNエミッタコンタクト層106、Ti電極107、Ni電極108およびTi電極109を設けてもよい。また、n型GaN層102、n型GaNコレクタ層103、p型GaNベース層104、n型Al0.25Ga0.75Nエミッタ層105およびn型GaNエミッタコンタクト層106の厚みを、たとえば、約1μm、約200nm、約150nm、約200nmおよび約20nmの厚みにそれぞれ形成してもよい。この場合、n型Al0.25Ga0.75Nエミッタ層105およびn型GaNエミッタコンタクト層106により、リッジ部(能動領域)111を形成してもよい。
For example, in the first to fourth embodiments, an example in which the present invention is applied to a semiconductor laser element has been described. However, the present invention is not limited to this, and a light emitting element such as a super luminescent diode, a heterobipolar transistor, or the like. It can also be applied to other electronic devices. When the present invention is applied to a heterobipolar transistor, a GaN (11-20)
また、上記第1〜第4実施形態では、誘電体(SiO2膜)からなる電流狭窄層を形成したが、本発明はこれに限らず、半導体からなる電流狭窄層を形成してもよい。 In the first to fourth embodiments, the current confinement layer made of a dielectric (SiO 2 film) is formed. However, the present invention is not limited to this, and a current confinement layer made of a semiconductor may be formed.
また、上記第1〜第4実施形態では、半導体基板の表面を、実質的に(11−20)面または(1−100)面を有するように形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、半導体層の表面を、(11−20)面および(1−100)面以外の(H、K、−H−K、0)面を有するように形成してもよいし、(H、K、−H−K、0)面から数度程度オフ(傾斜)した面方位を有するように形成してもよい。この場合、[K、−H、H−K、0]方向に延びるように第2領域(凹部またはマスク)を形成すればよい。 In the first to fourth embodiments, the example in which the surface of the semiconductor substrate is formed so as to have a substantially (11-20) plane or (1-100) plane is shown. However, the surface of the semiconductor layer may be formed to have (H, K, -HK, 0) planes other than the (11-20) plane and the (1-100) plane, You may form so that it may have a plane orientation off (inclination) about several degrees from the H, K, -HK, 0) plane. In this case, the second region (recess or mask) may be formed so as to extend in the [K, -H, HK, 0] direction.
また、上記第1〜第4実施形態では、半導体基板としてGaN基板あるいは4H−SiC基板を用いたが、本発明はこれに限らず、他のウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体基板や、六方晶構造のα−SiC基板や、菱面体構造のα−SiC基板を用いてもよい。たとえば、AlN基板や、6H−SiCなどのα−SiC基板を用いてもよい。この場合、導電性の基板を用いることが好ましく、特にn型基板を用いることが好ましい。 In the first to fourth embodiments, the GaN substrate or the 4H—SiC substrate is used as the semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to this, and other nitride-based semiconductor substrates having a wurtzite structure, An α-SiC substrate having a crystal structure or an α-SiC substrate having a rhombohedral structure may be used. For example, an AlN substrate or an α-SiC substrate such as 6H—SiC may be used. In this case, it is preferable to use a conductive substrate, and it is particularly preferable to use an n-type substrate.
また、上記第1〜第4実施形態では、半導体基板の裏面にn側電極を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、p側電極を形成後に、p側電極側をCu−Wなどからなる支持基板に接合し、その後、半導体基板を除去して、露出したn型層の裏面にn側電極を形成してもよい。 In the first to fourth embodiments, the example in which the n-side electrode is formed on the back surface of the semiconductor substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and after the p-side electrode is formed, the p-side electrode side is Cu. It may be bonded to a support substrate made of -W or the like, and then the semiconductor substrate may be removed to form an n-side electrode on the exposed back surface of the n-type layer.
また、上記第4実施形態では、GaN基板上にマスクを形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、GaN基板以外の基板上にマスクを形成する場合にも本発明は適用可能である。 In the fourth embodiment, an example in which a mask is formed on a GaN substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied when a mask is formed on a substrate other than a GaN substrate. It is.
1 半導体基板
3 半導体層
6 活性層(半導体層)
9 半導体層
11 リッジ部(能動領域、発光領域)
21、41、81 n型GaN基板(半導体基板)
21a、41a、61a 一方凹部(第1凹部)
21b、41b、61b 他方凹部(第2凹部)
21c、41c、61c 一方側面(第1側面)
21d、41d、61d 他方側面(第2側面)
22、42、82 n型層(半導体層)
23、43、63、83 n型クラッド層(半導体層)
24、44、84 n型キャリアブロック層(半導体層)
25、45、85 n型光ガイド層(半導体層)
26、46、66、86 活性層(半導体層)
27、47、87 p型光ガイド層(半導体層)
28、48、88 p型キャップ層(半導体層)
29、49、69、89 p型クラッド層(半導体層)
30、50、90 p型コンタクト層(半導体層)
31、51、71、91 リッジ部(能動領域、発光領域)
61 n型SiC基板
101 GaN(11−20)面基板(半導体基板)
102 n型GaN層(半導体層)
103 n型コレクタ層(半導体層)
104 p型GaNベース層(半導体層)
105 n型Al0.25Ga0.75Nエミッタ層(半導体層、能動領域)
106 n型GaNエミッタコンタクト層(半導体層、能動領域)
A、C、E、G 平面領域(第1領域)
B、D、F、H 平面領域(第2領域)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 3 Semiconductor layer 6 Active layer (semiconductor layer)
21, 41, 81 n-type GaN substrate (semiconductor substrate)
21a, 41a, 61a One recess (first recess)
21b, 41b, 61b The other recess (second recess)
21c, 41c, 61c One side surface (first side surface)
21d, 41d, 61d The other side surface (second side surface)
22, 42, 82 n-type layer (semiconductor layer)
23, 43, 63, 83 n-type cladding layer (semiconductor layer)
24, 44, 84 n-type carrier block layer (semiconductor layer)
25, 45, 85 n-type light guide layer (semiconductor layer)
26, 46, 66, 86 Active layer (semiconductor layer)
27, 47, 87 p-type light guide layer (semiconductor layer)
28, 48, 88 p-type cap layer (semiconductor layer)
29, 49, 69, 89 p-type cladding layer (semiconductor layer)
30, 50, 90 p-type contact layer (semiconductor layer)
31, 51, 71, 91 Ridge portion (active region, light emitting region)
61 n-
102 n-type GaN layer (semiconductor layer)
103 n-type collector layer (semiconductor layer)
104 p-type GaN base layer (semiconductor layer)
105 n-type Al 0.25 Ga 0.75 N emitter layer (semiconductor layer, active region)
106 n-type GaN emitter contact layer (semiconductor layer, active region)
A, C, E, G plane area (first area)
B, D, F, H Plane area (second area)
Claims (5)
前記半導体基板の表面上に形成されるとともに、ウルツ鉱構造を有する窒化物系半導体からなる半導体層とを備え、
前記半導体基板は、
前記半導体層が縦方向成長することが可能な第1領域と、
前記第1領域を挟み込むように配置され、前記第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びるとともに、前記半導体層が横方向成長することが可能な第2領域とをさらに含み、
前記半導体層は、前記半導体基板の前記第1領域の中央部より[0001]方向側の領域上に形成される能動領域を含む、半導体素子。 An integer comprising a nitride-based semiconductor substrate having a wurtzite structure, an α-SiC substrate having a hexagonal structure, or an α-SiC substrate having a rhombohedral structure, and at least one of H and K is not 0 A semiconductor substrate substantially including a surface having a (H, K, -H-K, 0) plane;
A semiconductor layer formed on the surface of the semiconductor substrate and made of a nitride-based semiconductor having a wurtzite structure;
The semiconductor substrate is
A first region in which the semiconductor layer can grow in a vertical direction;
The first region is disposed so as to sandwich the first region, a boundary region with the first region extends substantially in a [K, -H, HK, 0] direction, and the semiconductor layer grows in a lateral direction. A possible second region,
The semiconductor layer includes a semiconductor region including an active region formed on a region on a [0001] direction side from a central portion of the first region of the semiconductor substrate.
前記半導体基板の第1領域上に、縦方向成長により、半導体層を形成するとともに、前記第1領域を挟み込むように配置され、前記第1領域との境界領域が実質的に[K、−H、H−K、0]方向に延びる第2領域上に、横方向成長により、前記半導体層を形成することによって、前記半導体基板の前記第1領域および前記第2領域上に、ウルツ鉱構造を有する前記半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第1領域の中央部より[0001]方向側の領域上の前記半導体層の部分に、能動領域を形成する工程とを備えた、半導体素子の製造方法。 An integer comprising a nitride-based semiconductor substrate having a wurtzite structure, an α-SiC substrate having a hexagonal structure, or an α-SiC substrate having a rhombohedral structure, and at least one of H and K is not 0 A step of preparing a semiconductor substrate substantially including a surface having a (H, K, -H-K, 0) plane;
A semiconductor layer is formed on the first region of the semiconductor substrate by vertical growth and is disposed so as to sandwich the first region. A boundary region with the first region is substantially [K, −H , HK, 0] direction, a wurtzite structure is formed on the first region and the second region of the semiconductor substrate by forming the semiconductor layer by lateral growth on the second region. Forming the semiconductor layer comprising:
And a step of forming an active region in a portion of the semiconductor layer on a region on the [0001] direction side of the central portion of the first region of the semiconductor substrate.
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