JP2009302250A - 光半導体素子の製造方法および光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】二次元フォトニック結晶等の構造を安定して作製可能な光半導体素子の製造方法および光半導体素子を提供する。
【解決手段】面発光型の二次元フォトニック結晶レーザといった光半導体素子１Ａを製造する方法であって、ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１５上にＧａＮ層１７ａを成長させる工程と、このＧａＮ層の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部をＧａＮ層１７ａに形成する工程と、複数の凹部を覆って複数の空孔２１を形成するように、ＡｌＧａＮ層２３をＧａＮ層１７ａ上に形成する工程とを備え、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３以上であることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、光半導体素子の製造方法および光半導体素子に関するものである。

非特許文献１には、面発光型の半導体レーザ素子が記載されている。この面発光型半導体レーザ素子は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層との間に挟まれた多重量子井戸活性層を含み、またｎ型ＡｌＧａＮクラッド層と多重量子井戸活性層との間には、二次元フォトニック結晶層が設けられている。二次元フォトニック結晶層は、複数の凹部が形成されたＧａＮからなる層を別のＧａＮ層によって覆うことにより形成されている。また、この非特許文献１に記載された半導体レーザ素子と同様の構成を備えるものが、特許文献１に記載されている。
Hideki Matsubaraet al., "GaN Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser at Blue-VioletWavelengths", Science, Volume 319, pp445-447, January 2008 国際公開２００６／０６２０８４号公報

しかしながら、複数の凹部が形成されたＧａＮからなる層を別のＧａＮ層によって覆う場合、複数の凹部が埋め込まれてしまうといった現象により一次元回折格子または二次元フォトニック結晶構造を安定して作製することが困難となる。また、一次元回折格子または二次元フォトニック結晶層の表面に凹凸が生じ、その上に成長する多重量子井戸活性層等の結晶品質に影響を及ぼしてしまう。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、一次元回折格子または二次元フォトニック結晶等の構造を安定して作製可能な光半導体素子の製造方法および光半導体素子を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による光半導体素子の製造方法は、窒化ガリウム系半導体領域上に、Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層（０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ１＜１，０≦Ｘ＋Ｙ１＜１）を成長させる工程と、Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部をＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層に形成する工程と、複数の凹部を覆って複数の空孔を形成するように、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（Ｙ２＜１）をＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層上に形成する工程とを備え、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３以上であることを特徴とする。

また、本発明による光半導体素子は、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部を有し、窒化ガリウム系半導体領域上に設けられたＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層（０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ１＜１，０≦Ｘ＋Ｙ１＜１）と、複数の凹部を覆って複数の空孔を形成するようにＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層上に設けられたＡｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（Ｙ２＜１）とを備え、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３以上であることを特徴とする。

上記した光半導体素子の製造方法および光半導体素子においては、複数の凹部が形成されたＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層上にＡｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（Ｙ２＜１）を形成することにより、複数の凹部を覆って複数の空孔を形成している。このように、複数の凹部を覆う層がマイグレーションの小さいＡｌを含むことにより、当該結晶の成長時に凹部を除く領域での核形成が活発となり、選択比が増大する。そして、当該結晶が横方向にも成長することによって、凹部の形状を崩すことなくＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層上に平坦な層（すなわち上記したＡｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層）を形成できる。したがって、上記した光半導体素子の製造方法および光半導体素子によれば、複数の凹部が埋め込まれることを防いで複数の空孔を確実に形成し、一次元回折格子または二次元フォトニック結晶等の周期的な構造を安定して作製することができる。また、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層の表面は平坦となるので、その上に成長する多重量子井戸活性層等の結晶品質を良好にできる。

また、本発明者の研究により、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３より小さい場合、核形成が不十分であり上述した効果を十分に得ることが難しいことがわかった。したがって、上記した光半導体素子の製造方法および光半導体素子のようにＡｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）を０．０３以上とすることで、上述した効果を十分に得ることができる。

また、光半導体素子の製造方法および光半導体素子は、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．１５以下であることを特徴としてもよい。Ａｌ組成（Ｙ２）が０．１５より大きい場合、核形成が活発になり過ぎ、凹部がＡｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ結晶によって埋め込まれ易くなる。したがって、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）を０．１５以下とすることにより、複数の凹部が埋め込まれることをより効果的に防いで複数の空孔を更に確実に形成できる。

また、光半導体素子の製造方法および光半導体素子は、複数の空孔が二次元フォトニック結晶を構成することを特徴としてもよい。或いは、光半導体素子の製造方法および光半導体素子は、複数の空孔が一次元回折格子を構成することを特徴としてもよい。上記した光半導体素子の製造方法および光半導体素子によれば、二次元フォトニック結晶や一次元回折格子を構成する複数の空孔を安定して作製することができる。

本発明による光半導体素子の製造方法および光半導体素子によれば、一次元回折格子または二次元フォトニック結晶等の構造を安定して作製することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明による光半導体素子の製造方法および光半導体素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１〜図４は、本発明に係る光半導体素子の第１実施形態として、面発光型の半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。本実施形態では、半導体レーザのためのいくつかの窒化ガリウム系半導体層が、例えば有機金属気相成長法で形成される。

まず、図１（ａ）に示されるように、ｎ型のＧａＮ基板といった基板１１を成長炉にセットする。そして、基板１１に、半導体レーザのための工程を施していく。基板１１の主面１１ａのサーマルクリーニングを行った後に、ｎ型クラッド層１５を成長させる。ｎ型クラッド層１５は例えばＡｌＧａＮといった窒化ガリウム系半導体からなることができる。この窒化ガリウム系半導体領域（ｎ型クラッド層１５）上には、Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層（０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ１＜１，０≦Ｘ＋Ｙ１＜１）の一例としてＧａＮ層１７を成長させる。ＧａＮ層１７は、例えばｎ型ドーパントを含んでおり、ｎ型クラッド層１５よりも大きい屈折率を有する。なお、ＧａＮ層１７に代えて、ＩｎＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を成長させてもよい。ＧａＮ層１７を成長させた後に、室温近くの温度まで成長炉の温度を下げて、基板Ｗ１を成長炉から取り出す。

次いで、ＧａＮ層１７の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部をＧａＮ層１７に形成する工程を説明する。図１（ｂ）に示されるように、基板Ｗ１のＧａＮ層１７上に、複数の凹部を形成するためのレジストＲを均一に塗布する。このレジストＲは、例えば電子ビーム露光用のレジストである。そして、このレジストＲを露光することにより、図２（ａ）に示されるようにマスク１９を形成する。マスク１９は、複数の凹部のための開口の配列を有しており、これらの開口は、例えば三角格子、正方格子等の格子状に配列される。

マスク１９を用いて、複数の凹部をＧａＮ層１７に形成する。この形成は、エッチングといった加工により行われる。図２（ｂ）に示されるように、例えばドライエッチング装置においてマスク１９を用いてＧａＮ層１７をエッチングして、周期的屈折率分布のパターンが形成されたＧａＮ層１７ａを形成する。ＧａＮ層１７ａには、マスク１９の開口に対応して一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部１７ｂの配列が形成される。このエッチングの後にマスク１９を除去して、基板Ｗ２が提供される。基板Ｗ２は、パターン形成されたＧａＮ層１７ａを含む。

基板Ｗ２を成長炉にセットして、成長炉の温度を成長温度まで上昇させる。この後に、図３に示されるように、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（ただしＹ２＜１、以下の説明ではＡｌＧａＮ層と称する）２３をＧａＮ層１７ａ上に形成する。ＡｌＧａＮ層２３は、ＧａＮ層１７ａの複数の凹部１７ｂ（図２（ｂ）参照）を覆って複数の閉じた空孔２１を形成する。ＡｌＧａＮ層２３は、ＧａＮ層１７ａ上を基点として横方向成長が行われることで、ＧａＮ層１７ａの凹部を埋めることなく、凹部を覆うように成長することができる。このＡｌＧａＮ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）は、０．０３以上０．１５以下であることが好ましい。

このようにして、一次元または２次元で周期的に配列された複数の空孔２１が形成される。この複数の空孔２１は、その配列の態様によって、一次元回折格子か或いは二次元フォトニック結晶を構成する。

引き続き、いくつかの窒化ガリウム系半導体層の成長を行う。図３に示されるように、ＡｌＧａＮ層２３上に活性層２７を成長させる。この活性層２７は、複数の空孔２１と光学的に結合される。一実施例では、活性層２７は量子井戸構造２９を有するが、活性層２７の構造はこれに限定されるものではない。この量子井戸構造２９は、交互に配列された井戸層２９ａおよび障壁層２９ｂを含む。井戸層２９ａは例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、また障壁層２９ｂは、井戸層２９ａよりも大きなバンドギャップの材料、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。

次いで、活性層２７上に窒化ガリウム系半導体層３１が成長される。窒化ガリウム系半導体層３１は、例えばＧａＮ層であることができ、好ましくは、ドーパントによる光吸収を避けるためにアンドープ層からなる。

窒化ガリウム系半導体層３１上に、電子ブロック層３３、ｐ型クラッド層３５およびｐ型コンタクト層３７が順に成長される。電子ブロック層３３は、例えば窒化ガリウム系半導体層３１より大きなバンドギャップのＡｌＧａＮ層からなることができ、好ましくはｐ型ドーパントを含む。ｐ型クラッド層３５は、活性層２７に正孔を供給すると共に、光閉じ込めのために活性層２７の屈折率よりも小さな窒化ガリウム系半導体からなる。ｐ型クラッド層３５は、例えばＡｌＧａＮ層からなることができる。ｐ型コンタクト層３７は、良好な電気接触を提供するために、高濃度のドーパントを含むことが好ましい。ｐ型コンタクト層３７は、例えばｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層からなることができる。これらの成長により、基板Ｗ３が提供される。

この後、必要な場合には、基板１１の裏面の研削を行う。そして、図４に示されるように、ｐ型コンタクト層３７上にｐ電極４１ａを形成すると共に、基板１１の裏面１１ｂにｎ電極４１ｂを形成する。最後に、ｐ電極４１ａおよびｎ電極４１ｂが形成された基板Ｗ３をチップ状に分割する。こうして、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部を有するＧａＮ層１７ａと、複数の凹部を覆って複数の空孔２１を形成するようにＧａＮ層１７ａ上に設けられたＡｌＧａＮ層２３とを備える光半導体素子１Ａが完成する。

本実施形態に係る光半導体素子の製造方法においては、複数の凹部１７ｂが形成されたＧａＮ層１７ａ上にＡｌＧａＮ層２３を形成することにより、複数の凹部１７ｂを覆って複数の空孔２１を形成している。このように、複数の凹部１７ｂを覆う層がマイグレーションの小さいＡｌを含むことにより、当該結晶の成長時に凹部１７ｂを除く領域での核形成が活発となり、選択比が増大する。そして、当該結晶が横方向にも成長することによって、凹部１７ｂの形状を崩すことなくＧａＮ層１７ａ上に平坦な層（すなわちＡｌＧａＮ層２３）を形成できる。したがって、本実施形態による光半導体素子の製造方法、および光半導体素子１Ａによれば、複数の凹部１７ｂが埋め込まれることを防いで複数の空孔２１を確実に形成し、一次元回折格子または二次元フォトニック結晶等の周期的な構造を安定して作製することができる。また、ＡｌＧａＮ層２３の表面は平坦となるので、その上に成長する活性層２７等の結晶品質を良好にできる。

また、本発明者の研究により、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３より小さい場合、核形成が不十分であり上述した効果を十分に得ることが難しいことがわかった。図５は、（ａ）Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）が０の場合、および（ｂ）Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３の場合のそれぞれにおける、ＡｌＧａＮ層２３の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真である。図５（ａ）に示すように、ＡｌＧａＮ層２３のＡｌ組成が０である場合、空孔２１が形成された領域Ａでの核形成が不十分であることにより、該領域Ａにおいて結晶成長が阻害された結果、領域Ａの境界付近で段差が形成されている。これに対し、図５（ｂ）に示すように、ＡｌＧａＮ層２３のＡｌ組成を０．０３とした場合、空孔２１が形成された領域Ａにおいても十分な核形成が起きることにより、空孔２１が形成された領域Ａの内外にかかわらずＡｌＧａＮ層２３の表面が平坦となっていることがわかる。この比較から明らかなように、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）を０．０３以上とすることで、上述した本実施形態による効果を十分に得ることができる。

また、前述したように、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）は０．１５以下であることが好ましい。Ａｌ組成（Ｙ２）が０．１５より大きい場合、核形成が活発になり過ぎ、凹部１７ｂがＡｌＧａＮ結晶によって埋め込まれ易くなる。したがって、Ａｌ組成（Ｙ２）を０．１５以下とすることにより、複数の凹部１７ｂが埋め込まれることをより効果的に防いで複数の空孔２１を更に確実に形成できる。

（実施例１）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色二次元フォトニック結晶レーザを作製した。原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ_３）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

（０００１）面ｎ型窒化ガリウム基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ_３とＨ_２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、以下の順に成膜を行った。まず、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、摂氏１１００度の基板温度で厚さ２μｍのｎ型Ａｌ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎ結晶を成長した。次に基板温度を摂氏１１００度に維持したままＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、二次元フォトニック結晶のための厚さ１００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ結晶を成長した。

基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおりフォトニック結晶のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、レジスト膜の３００［μｍ］角のエリア内に、フォトニック結晶のための正方格子パターン（半径８５［ｎｍ］、ピッチ１８６［ｎｍ］）を描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ_２によりｎ型ＧａＮ層を部分的に除去して転写し、パターンに対応した凹部の配列を有するＧａＮ層を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。

上記エピタキシャルウェハをサセプタ上に配置した後に、基板温度を成長温度（摂氏１１００度）に上昇させた。炉内圧力を大気圧として、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、２００［ｎｍ］のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層を成長して、ＧａＮ層の凹部に対応した空孔の配列を形成した。そして、成長炉の温度を下げ、３周期の量子井戸構造を有する活性層を形成した。具体的には、摂氏８８０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ１５［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層を成長し、その上に、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ３［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ井戸層を成長した。この工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸活性層を形成した。

続いて、成長炉の温度を上げ、摂氏１１００度の成長温度においてＴＭＧおよびＮＨ_３を供給し、厚さ１００［ｎｍ］のアンドープＧａＮ層を成長した。その上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電子ブロック層を成長した。また、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、厚さ６００［ｎｍ］のｐ型Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎクラッド層を成長した。また、ＴＭＧ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、厚さ５０［ｎｍ］のｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。これらの成長の後に、エピタキシャルウェハを成長炉から取り出して、Ｎｉ／Ａｕからなる１００［μｍ］角のアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成した。また、ＧａＮ基板を厚さ１００［μｍ］まで研削した後に、基板の裏面にＴｉ／Ａｕからなるカソード電極を形成した。

以上の工程を経たのち、３００［μｍ］角のフォトニック結晶パターンを含むように１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００［ｎｓｅｃ］）を印加したとき、電流密度２０［ｋＡ／ｃｍ^２］で明確な閾値をもって光出力が増大し、フォトニック結晶レーザとしての発振を確認した。図６は、このときの供給電流と光出力との関係を示す。また、共通のエピタキシャルウェハから複数のチップを作製し、上記と同様に通電まで行ったところ、全体の８割以上のチップにおいて、３０［ｋＡ／ｃｍ^２］以下の閾値電流密度で光出力が急激に増大し、フォトニック結晶レーザとしての発振を確認した。

なお、比較例として、ＧａＮ層の凹部を覆う厚さ２００［ｎｍ］のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層に替えて、厚さ２００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ層を成長して、二次元フォトニック結晶レーザ素子を形成した。そして、このレーザ素子に室温でパルス電流（繰り返し周波数１［ｋＨｚ］、パルス幅５００ナノ秒）を印加すると、電流密度２０［ｋＡ／ｃｍ^２］程度で明確な閾値をもって光出力が増大したのは、共通のエピタキシャルウェハから取り出された複数のチップのうち一部のみであった。また、共通のエピタキシャルウェハから複数のチップを作製し、上記と同様に通電まで行ったところ、３０［ｋＡ／ｃｍ^２］以下の閾値電流密度で光出力が急激に増大し、またフォトニック結晶レーザに特有の遠視野像が観察されたのは、全体の１割以下のチップにおいてのみであった。以上の結果から、フォトニック結晶を構成する空孔となる凹部をｎ型ＧａＮ層によって覆った場合には、好適な発振特性を有するフォトニック結晶レーザを極めて低い歩留まりでしか作製できないことが明らかとなった。

（実施例２）
次の方法により、空孔の形状を観察するためのエピタキシャルウェハを作製した。すなわち、空孔が形成されたＧａＮ層の上層（厚さ２００［ｎｍ］のＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層）を成長させる工程までは上記実施例１と同様の方法により各半導体層を形成した。その後、フォトニック結晶パターンが形成された領域を通るようにエピタキシャルウェハを劈開し、その断面をＳＥＭにより観察したところ、円柱状の空孔が確実に形成されており、空孔が形成されたＧａＮ層の上層（厚さ２００［ｎｍ］のＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層）が平坦に成長されていることが確認された。

なお、比較例として、次の方法により、空孔の形状を観察するための別のエピタキシャルウェハを作製した。すなわち、上記実施例２の方法において、ＧａＮ層の凹部を覆う厚さ２００［ｎｍ］のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層に替えて、厚さ２００［ｎｍ］のｎ型ＧａＮ層を成長して、エピタキシャルウェハを作製した。その後、フォトニック結晶パターンが形成された領域を通るようにエピタキシャルウェハを劈開し、その断面をＳＥＭにより観察したところ、設計どおり直径８５［ｎｍ］、深さ１００［ｎｍ］の円柱状の空孔が形成されていたものの、フォトニック結晶パターンが形成された領域の一部において、空孔が形成されたＧａＮ層の上層以上の各層が平坦に至っておらず、また当該領域全体における各層の膜厚が領域外の各層の膜厚と比較して薄くなっており、結晶成長に影響が及んでいることが明らかとなった。

（第２の実施の形態）
図７〜図１０は、本発明に係る光半導体素子の第２実施形態として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。本実施形態では、発光ダイオードのためのいくつかの窒化ガリウム系半導体層が、例えば有機金属気相成長法で形成される。

まず、図７（ａ）に示されるように、ｎ型のＧａＮ基板といった基板５１を成長炉にセットする。そして、基板５１に、発光ダイオードのための工程を施していく。基板５１の主面５１ａのサーマルクリーニングを行った後、この窒化ガリウム系半導体領域（基板５１）の主面５１ａ上に、Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層（０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ１＜１，０≦Ｘ＋Ｙ１＜１）の一例としてｎ型クラッド層５５を成長させる。ｎ型クラッド層５５は例えばＧａＮからなる。なお、ｎ型クラッド層５５は、ＧａＮに代えて、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮから成ることもできる。ｎ型クラッド層５５を成長させた後に、室温近くの温度まで成長炉の温度を下げて、基板Ｗ１１を成長炉から取り出す。

次いで、ｎ型クラッド層５５の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部をｎ型クラッド層５５に形成する工程を説明する。図７（ｂ）に示されるように、基板Ｗ１１のｎ型クラッド層５５上に、複数の凹部を形成するためのレジストＲを均一に塗布する。このレジストＲは、例えば電子ビーム露光用のレジストである。そして、このレジストＲを露光することにより、図８（ａ）に示されるようにマスク５９を形成する。マスク５９は、複数の凹部のための開口の配列を有しており、これらの開口は、例えば三角格子、正方格子等の格子状に配列される。

マスク５９を用いて、複数の凹部をｎ型クラッド層５５に形成する。この形成は、エッチングといった加工により行われる。図８（ｂ）に示されるように、例えばドライエッチング装置においてマスク５９を用いてｎ型クラッド層５５を所定深さまでエッチングして、周期的屈折率分布のパターンが形成されたＧａＮ層５７ａを形成する。ＧａＮ層５７ａには、マスク５９の開口に対応して一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部５７ｂの配列が形成される。このエッチングの後にマスク５９を除去して、基板Ｗ１２が提供される。基板Ｗ１２は、パターン形成されたＧａＮ層５７ａを含む。

基板Ｗ１２を成長炉にセットして、成長炉の温度を成長温度まで上昇させる。この後に、図９に示されるように、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（Ｙ２＜１）６３をＧａＮ層５７ａ上に形成する。ＡｌＧａＮ層６３は、ＧａＮ層５７ａの複数の凹部５７ｂ（図８（ｂ）参照）を覆って複数の閉じた空孔６１を形成する。ＡｌＧａＮ層６３は、ＧａＮ層５７ａ上を基点として横方向成長が行われることで、ＧａＮ層５７ａの凹部を埋めることなく、凹部を覆うように成長することができる。このＡｌＧａＮ層６３のＡｌ組成（Ｙ２）は、０．０３以上０．１５以下であることが好ましい。

このようにして、一次元または二次元で周期的に配列された複数の空孔６１が形成される。この複数の空孔６１は、その配列の態様によって、一次元回折格子か或いは二次元フォトニック結晶を構成する。

引き続き、いくつかの窒化ガリウム系半導体層の成長を行う。図９に示されるように、ＡｌＧａＮ層６３上に活性層６７を成長させる。この活性層６７は、複数の空孔６１と光学的に結合される。一実施例では、活性層６７は量子井戸構造６９を有するが、活性層６７の構造はこれに限定されるものではない。この量子井戸構造６９は、交互に配列された井戸層６９ａおよび障壁層６９ｂを含む。井戸層６９ａは例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができ、また障壁層６９ｂは、井戸層６９ａよりも大きなバンドギャップの材料、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。

次いで、活性層６７上に、電子ブロック層７３およびｐ型コンタクト層７７が順に成長される。電子ブロック層７３は、例えばＡｌＧａＮ層からなることができ、好ましくはｐ型ドーパントを含む。ｐ型コンタクト層７７は、良好な電気接触を提供するために、高濃度のドーパントを含むことが好ましい。ｐ型コンタクト層７７は、例えばｐ型ＧａＮ層またはｐ型ＡｌＧａＮ層からなることができる。これらの成長により、基板Ｗ１３が提供される。

この後、図１０に示されるように、ｐ型コンタクト層７７上にｐ電極８１ａを形成すると共に、基板５１の裏面５１ｂにｎ電極８１ｂを形成する。最後に、ｐ電極８１ａおよびｎ電極８１ｂが形成された基板Ｗ１３をチップ状に分割する。こうして、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部を有するＧａＮ層５７ａと、複数の凹部を覆って複数の空孔６１を形成するようにＧａＮ層５７ａ上に設けられたＡｌＧａＮ層６３とを備える光半導体素子１Ｂが完成する。

本実施形態に係る光半導体素子の製造方法においては、第１実施形態と同様に、複数の凹部５７ｂが形成されたＧａＮ層５７ａ上にＡｌＧａＮ層６３を形成することにより、複数の凹部５７ｂを覆って複数の空孔６１を形成している。これにより、複数の凹部５７ｂが埋め込まれることを防いで複数の空孔６１を確実に形成し、一次元回折格子または二次元フォトニック結晶等の周期的な構造を安定して作製することができる。また、ＡｌＧａＮ層６３の表面は平坦となるので、その上に成長する活性層６７等の結晶品質を良好にできる。また、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層６３のＡｌ組成（Ｙ２）を０．０３以上とすることで、このような効果を十分に得ることができる。

また、第１実施形態と同様に、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層６３のＡｌ組成（Ｙ２）は０．１５以下であることが好ましい。これにより、複数の凹部５７ｂが埋め込まれることをより効果的に防いで複数の空孔６１を更に確実に形成できる。

（実施例３）
有機金属気相成長法を用いて、青紫色二次元フォトニック結晶ＬＥＤを作製した。原料として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４、Ｃｐ_２Ｍｇを用いた。

（０００１）面ｎ型窒化ガリウム基板をサセプタ上に配置した後に、成長炉にＮＨ_３とＨ_２を供給して炉内の圧力３０［ｋＰａ］において、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間のサーマルクリーニングを行った。炉内圧力を大気圧にした後に、ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、摂氏１１００度の基板温度で厚さ２μｍのｎ型ＧａＮ結晶を成長した。

基板温度を降温した後に、成長炉からエピタキシャルウェハを取り出し、以下のとおりフォトニック結晶のためのマスクを形成した。電子ビーム露光用フォトレジストをウェハ上に塗布し、スピンコータを用いて均一なレジスト膜を形成した。電子ビーム露光装置を用いて、レジスト膜の３００［μｍ］角のエリア内に、フォトニック結晶のための正方格子パターン（半径８５［ｎｍ］、ピッチ１８６［ｎｍ］）を描画した。このレジスト膜の現像を行ってマスクを形成した後に、反応性イオンエッチング装置にエピタキシャルウェハを配置した。レジストマスクを用いてエッチングガスＣｌ_２によりｎ型ＧａＮ層を深さ１００［ｎｍ］までエッチングして転写し、パターンに対応した凹部の配列を有するＧａＮ層を形成した。この後に、結晶成長のためにエピタキシャルウェハからレジストマスクを除去した。

上記エピタキシャルウェハをサセプタ上に配置した後に、基板温度を成長温度（摂氏１１００度）に上昇させた。炉内圧力を大気圧として、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４を供給し、２００［ｎｍ］のｎ型Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層を成長して、ＧａＮ層の凹部に対応した空孔の配列を形成した。そして、成長炉の温度を下げ、３周期の量子井戸構造を有する活性層を形成した。具体的には、摂氏８８０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ１５［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層を成長し、その上に、摂氏８００度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ_３を供給し、厚さ３［ｎｍ］のアンドープＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ井戸層を成長した。この工程を繰り返すことにより、３周期の多重量子井戸活性層を形成した。

続いて、成長炉の温度を上げ、摂氏１１００度の成長温度においてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電子ブロック層を成長した。また、ＴＭＧ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇを供給し、厚さ５０［ｎｍ］のｐ型ＧａＮコンタクト層を成長した。これらの成長の後に、エピタキシャルウェハを成長炉から取り出して、Ｎｉ／Ａｕからなるアノード電極をｐ型ＧａＮ層上に形成した。また、ＧａＮ基板の裏面の全面にＴｉ／Ａｕからなるカソード電極を形成した。

以上の工程を経たのち、３００［μｍ］角のフォトニック結晶パターンを含むように１［ｍｍ］角のチップを切り出した。そして、このチップをステムに搭載し、Ａｕからなるワイヤを用いてボンディングを行い、このチップを通電可能とした。この青紫色二次元フォトニック結晶ＬＥＤに電流を供給したところ、活性層からの光の出射方向は、フォトニック結晶により制御されて、全方位に等方的なものではなくフォトニック結晶の構造を反映した方向となることが確認された。

本発明による光半導体素子の製造方法および光半導体素子は、上記した実施形態及び変形例に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では複数の凹部の例として一次元回折格子および二次元フォトニック結晶を例示したが、本発明における複数の凹部はこれらに限られず、他の様々な微細構造に適用できる。また、上記実施形態ではｎ型ＧａＮ基板を用いて光半導体素子を製造する方法を例示したが、本発明に係る光半導体素子に用いられる基板は、III−Ｖ族化合物基板のほか、サファイア基板等であってもよい。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、面発光型の半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、面発光型の半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図３は、面発光型の半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図４は、面発光型の半導体レーザを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図５は、（ａ）Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）が０の場合、および（ｂ）Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層２３のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３の場合のそれぞれにおける、ＡｌＧａＮ層２３の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による写真である。 図６は、第１実施例により作製された青紫色二次元フォトニック結晶レーザ素子に室温でパルス電流を印加したときの供給電流と光出力との関係を示すグラフである。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図９は、発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。 図１０は、発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す側断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…光半導体素子、１１，５１…基板、１１ａ，５１ａ…主面、１１ｂ，５１ｂ…裏面、１５，５５…ｎ型クラッド層、１７，１７ａ，５７ａ…ＧａＮ層、１７ｂ，５７ｂ…凹部、１９，５９…マスク、２１，６１…空孔、２３，６３…ＡｌＧａＮ層、２７，６７…活性層、２９，６９…量子井戸構造、２９ａ，６９ａ…井戸層、２９ｂ，６９ｂ…障壁層、３１…窒化ガリウム系半導体層、３３，７３…電子ブロック層、３５…ｐ型クラッド層、３７，７７…ｐ型コンタクト層、４１ａ，４１ｂ，８１ａ，８１ｂ…電極、Ｒ…レジスト、Ｗ１〜Ｗ３，Ｗ１１〜Ｗ１３…基板。

Claims (8)

1. 窒化ガリウム系半導体領域上に、Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層（０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ１＜１，０≦Ｘ＋Ｙ１＜１）を成長させる工程と、
   前記Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層の一部を除去することにより、一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部を前記Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層に形成する工程と、
   前記複数の凹部を覆って複数の空孔を形成するように、Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（Ｙ２＜１）を前記Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層上に形成する工程と
   を備え、
   前記Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３以上であることを特徴とする、光半導体素子の製造方法。
2. 前記Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．１５以下であることを特徴とする、請求項１に記載の光半導体素子の製造方法。
3. 前記複数の空孔が二次元フォトニック結晶を構成することを特徴とする、請求項１または２に記載の光半導体素子の製造方法。
4. 前記複数の空孔が一次元回折格子を構成することを特徴とする、請求項１または２に記載の光半導体素子の製造方法。
5. 一次元又は二次元で周期的に配列された複数の凹部を有し、窒化ガリウム系半導体領域上に設けられたＩｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層（０≦Ｘ＜１，０≦Ｙ１＜１，０≦Ｘ＋Ｙ１＜１）と、
   前記複数の凹部を覆って複数の空孔を形成するように前記Ｉｎ_ＸＡｌ_Ｙ１Ｇａ_{１−Ｘ−Ｙ１}Ｎ層上に設けられたＡｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層（Ｙ２＜１）と
   を備え、
   前記Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．０３以上であることを特徴とする、光半導体素子。
6. 前記Ａｌ_Ｙ２Ｇａ_１−Ｙ２Ｎ層のＡｌ組成（Ｙ２）が０．１５以下であることを特徴とする、請求項５に記載の光半導体素子。
7. 前記複数の空孔が二次元フォトニック結晶を構成することを特徴とする、請求項５または６に記載の光半導体素子。
8. 前記複数の空孔が一次元回折格子を構成することを特徴とする、請求項５または６に記載の光半導体素子。