JP3679720B2 - 窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法 - Google Patents

窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法に関し、より特定的には、選択横方向成長を用いて形成した窒化物系半導体層を含む窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光ダイオード素子および半導体レーザ素子などの半導体発光素子やトランジスタなどの電子素子に用いられる半導体素子として、III族窒化物系半導体を利用した窒化物系半導体素子の開発が盛んに行われている。このような窒化物系半導体素子の製造の際には、サファイアなどからなる基板上に、窒化物系半導体層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
この場合、サファイアなどの基板と窒化物系半導体層とでは、格子定数が異なるため、サファイアなどの基板上に成長させた窒化物系半導体層では、基板から上下方向に延びる転位（格子欠陥）が存在している。このような窒化物系半導体層における転位は、半導体素子の素子特性の劣化および信頼性の低下を招く。
【０００４】
そこで、上記のような窒化物系半導体層における転位を低減する方法として、従来、選択横方向成長が提案されている。この選択横方向成長については、たとえば、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ−ＩＷＮ２０００−，Ｎａｇｏｙａ，Ｊａｐａｎ，２０００，ｐ．７９などに開示されている。
【０００５】
図２９〜図３３は、従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。次に、図２９〜図３３を参照して、従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【０００６】
まず、図２９に示すように、サファイアまたはＳｉＣなどからなる基板１０１上に、下地となるＧａＮ層１０２を形成する。次に、ＧａＮ層１０２上の所定領域に、マスク層１０３を形成する。
【０００７】
次に、マスク層１０３をマスクとして、マスク層１０３が形成されていない領域下の部分のＧａＮ層１０２をエッチングにより除去するとともに、基板１０１を基板１０１の底面に達しない範囲の厚み分だけエッチングする。これにより、図３０に示すように、基板１０１を凹凸形状に形成するとともに、基板１０１の凸部の上面のほぼ全面に接触するようにパターニングされたＧａＮ層１０２を形成する。
【０００８】
次に、図３１に示すように、ＧａＮ層１０２の露出した側面を種結晶として、アンドープＧａＮ層１０４の再成長を行う。初期段階では、アンドープＧａＮ層１０４は、横方向に成長する。図３１に示す状態からさらに成長が進むと、図３２に示すように、アンドープＧａＮ層１０４は、上方に成長するとともに、マスク層１０３上を横方向に成長する。このとき、アンドープＧａＮ層１０４と、基板１０１の凹部の底面との間には、空洞部１０５が形成されている。そして、マスク層１０３上を横方向成長したアンドープＧａＮ層１０４が合体して、連続的なアンドープＧａＮ層１０４が形成される。これにより、図３３に示すように、表面が平坦化されたアンドープＧａＮ層１０４が形成される。
【０００９】
上記のように、従来の窒化物系半導体の形成方法では、ＧａＮ層１０２の露出した側面を種結晶として、アンドープＧａＮ層１０４を選択横方向成長によって形成することにより、ＧａＮ層１０２の格子欠陥は、アンドープＧａＮ層１０４の表面付近には伝搬されない。これにより、転位密度の低減されたアンドープＧａＮ層１０４が得られる。このような転位密度が低減されたアンドープＧａＮ層１０４上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層（図示せず）を形成すれば、良好な結晶性を有する窒化物系半導体素子を形成することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の選択横方向成長を用いる窒化物系半導体の形成方法では、マスク層１０３が形成されていない領域下の部分のＧａＮ層１０２を、エッチングにより除去した後、さらに、基板１０１をエッチングすることにより、基板１０１に凹凸形状を形成していた。このため、従来では、エッチングされにくい窒化物系半導体層であるＧａＮ層１０２をその厚み全体にわたってエッチングするとともに、基板１０１の表面もエッチングする必要があった。それによって、基板１０１に凹凸形状を形成する際のエッチング時間が長くなるという不都合が生じる。その結果、窒化物系半導体の量産性が低下するという問題点があった。
【００１１】
また、上記した従来の選択横方向成長を用いる窒化物系半導体の形成方法では、基板１０１上に、下地となるＧａＮ層１０２を成長させた後に、ＧａＮ層１０２を選択横方向成長させることによって、アンドープＧａＮ層１０４を形成していた。このため、従来では、ＧａＮ層１０２およびアンドープＧａＮ層１０４の２回の結晶成長工程が必要であった。従来では、この点でも、窒化物系半導体の量産性が低下するという問題点があった。
【００１２】
この発明の１つの目的は、量産性に優れ、かつ、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を提供することである。
【００１３】
この発明のもう１つの目的は、量産性に優れ、かつ、低転位密度の窒化物系半導体層を得ることが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明の第１の局面による窒化物系半導体素子は、凹凸形状の表面を有する基板と、基板の凹凸形状の凸部上のみに接触するように形成されたマスク層と、基板の凹部上およびマスク層上に形成された第１窒化物系半導体層と、第１窒化物系半導体層上に形成され、素子領域を有する窒化物系半導体素子層とを備えている。
【００１５】
この第１の局面による窒化物系半導体素子では、上記のように、凹凸形状の表面を有する基板と、基板の凹凸形状の凸部上のみに接触するように形成されたマスク層とを設けることによって、マスク層をマスクとして、基板の凹部上およびマスク層上に容易に低転位密度の第１窒化物系半導体層を形成することができる。そして、その低転位密度の第１窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層を成長させれば、容易に良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。また、基板の表面を凹凸形状に形成することによって、凹凸形状を形成するために基板の表面のみをエッチングするだけでよい。これにより、凹凸形状を形成するためのエッチング時間を減少させることができる。さらに、この第１の局面では、基板上の１回の成長で第１窒化物系半導体層を形成することができる。その結果、量産性に優れた窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００１６】
上記第１の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、基板は、サファイア基板、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板および水晶基板からなるグループより選択される１つの基板を含む。また、上記の場合、基板の凹部と第１窒化物系半導体層との界面に形成されたバッファ層をさらに備えるのが好ましい。このように構成すれば、バッファ層上により低転位密度の第１窒化物系半導体層を形成することができる。
【００１７】
この発明の第２の局面による窒化物系半導体の形成方法は、基板の表面に凹凸形状を形成する工程と、基板の凹凸形状の凸部上のみに接触するように、マスク層を形成する工程と、マスク層をマスクとして、基板の凹部上およびマスク層上に第１窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えている。
【００１８】
この第２の局面による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、基板の表面に凹凸形状を形成するとともに、基板の凹凸形状の凸部上のみに接触するようにマスク層を形成することによって、マスク層をマスクとして、第１窒化物系半導体層を成長させれば、基板の凹部上およびマスク層上に容易に低転位密度の第１窒化物系半導体層を形成することができる。また、基板の表面に凹凸形状を形成することによって、凹凸形状を形成するために基板の表面のみをエッチングするだけでよい。これにより、凹凸形状を形成するためのエッチング時間を減少させることができる。さらに、この第３の局面では、基板上の１回の成長で第１窒化物系半導体層を形成することができる。その結果、量産性に優れた窒化物系半導体の製造方法を得ることができる。
【００１９】
上記第２の局面による窒化物系半導体の形成方法において、好ましくは、第１窒化物系半導体層を成長させる工程に先立って、基板の凹部上にバッファ層を形成する工程をさらに備える。このように構成すれば、バッファ層上により低転位密度の第１窒化物系半導体層を形成することができる。
【００２０】
【発明の実施形態】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
（第１実施形態）
図１〜図６は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１〜図６を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００２２】
まず、図１に示すように、サファイア（０００１）面基板１（以下、「サファイア基板１」という）上に、約０．５μｍの膜厚を有するストライプ状のＳｉＯ2からなるマスク層２を形成する。マスク層２のストライプパターンは、マスク層２の幅が約５μｍで、隣接するマスク層２間の間隔（マスク開口部の幅）が約２μｍとなるように、約７μｍの周期で形成する。また、ストライプ状のマスク層２は、サファイア基板１の［１−１００］方向と平行な方向に形成する。なお、サファイア基板１が、本発明の「基板」の一例である。
【００２３】
このマスク層２をマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法などを用いて、サファイア基板１の表面を約１μｍの厚み分だけエッチングする。これにより、図２に示すように、サファイア基板１の表面に凹凸形状を形成する。凹凸の形状はエッチング条件により異なり、凹部の上部の幅より凹部の底部の幅の方が広くなることもあれば、狭くなることもある。以下では、サファイア基板１のエッチングされた凹部の側面が、サファイア基板１の表面に対してほぼ垂直な形状になる場合を示す。また、サファイア基板１の凹凸形状は、約１μｍの高さと約２μｍのテラス幅（サファイア基板１の凹部の底面の幅）とを有するとともに、サファイア基板１の［１−１００］方向と平行な方向に形成される。
【００２４】
次に、図３に示すように、ＭＯＶＰＥ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長法）などの結晶成長法を用いて、サファイア基板１の凹部の底面のほぼ全面と接触するように、約１５ｎｍの膜厚を有するＧａＮからなる低温バッファ層３を成長させる。この場合、ＳｉＯ2からなるマスク層２上には、低温バッファ層３は形成されにくい。あるいは、この場合、凹部の底面だけでなく、凹部の側面に低温バッファ層３が形成されていてもよい。また、凹部の底部の全面に低温バッファ層３が形成されている必要はなく、凹部の底部の一部に低温バッファ層３が形成されていてもよい。なお、この低温バッファ層３が、本発明の「バッファ層」の一例である。
【００２５】
次に、ＧａＮからなる低温バッファ層３に、アンドープＧａＮ層４を成長させる。この場合、低温バッファ層３およびアンドープＧａＮ層４の成長は、連続的に行われる。初期段階では、アンドープＧａＮ層４は、低温バッファ層３上に、縦方向（上方向）に成長する。加えて、凹部の側面に低温バッファ層３が形成されている場合には、側面の低温バッファ層３から横方向にアンドープＧａＮ層４が成長する。さらに、アンドープＧａＮ層４の成長を続けると、図４に示すように、側面にファセットを有するアンドープＧａＮ層４が、凹部の上部に形成される。なお、このアンドープＧａＮ層４が、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００２６】
そして、図４に示す状態からさらにアンドープＧａＮ層４の成長が進むと、アンドープＧａＮ層４は、図５に示すように、マスク層２上を横方向に成長する。そして、マスク層２上を横方向成長したアンドープＧａＮ層４が合体して、連続的なアンドープＧａＮ層４が形成される。これにより、図６に示すように、表面が平坦化された約５μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮ層４が形成される。
【００２７】
第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、サファイア基板１の凹部からアンドープＧａＮ層４を成長させることによって、凹部の側面の低温バッファ層３から横方向に成長する際や、マスク層２上を横方向に成長する際に、アンドープＧａＮ層４の転位は、アンドープＧａＮ層４の（０００１）面内方向に折れ曲がる。これにより、表面付近の転位が低減された低転位のアンドープＧａＮ層４を形成することができる。
【００２８】
また、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、サファイア基板１の表面に凹凸形状を形成することによって、マスク層２をマスクとして、サファイア基板１の表面のみをエッチングするだけでよい。これにより、図３０に示した従来の凹凸形状を形成するためのプロセスに比べて、サファイア基板１に凹凸形状を形成するためのエッチング時間を減少させることができる。その結果、量産性に優れた窒化物系半導体の形成方法を得ることができる。
【００２９】
また、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、サファイア基板１の凹部に形成されたＧａＮからなる低温バッファ層３の成長と、アンドープＧａＮ層４の選択成長とは、連続的に行われる。これにより、１回の成長工程で、低転位のアンドープＧａＮ層４を形成することができる。この点でも、量産性に優れた窒化物系半導体の形成方法を得ることができる。
【００３０】
また、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、サファイア基板１上に設けた低温バッファ層３上に、アンドープＧａＮ層４を成長させることによって、サファイア基板１上に直接アンドープＧａＮ層４を成長させる場合に比べて、より低転位のアンドープＧａＮ層４を成長させることができる。
【００３１】
図７は、上記した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。次に、図７を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００３２】
第１実施形態の半導体レーザ素子の構造としては、図６に示した第１実施形態のアンドープＧａＮ層４上に、図７に示すように、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層５が形成されている。ｎ型コンタクト層５上には、約０．１μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなるクラック防止層６、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型第２クラッド層７、約５０ｎｍ（約０．０５μｍ）の膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型第１クラッド層８、および、ＧａＩｎＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層９が順次形成されている。このＭＱＷ発光層９は、約４ｎｍの厚みを有する５つのアンドープＧａＮ障壁層と、約４ｎｍの厚みを有する４つの圧縮歪みのアンドープＧａＩｎＮ井戸層とが交互に積層された構造を有する。
【００３３】
ＭＱＷ発光層９上には、約４０ｎｍ（約０．０４μｍ）の膜厚を有するｐ型ＧａＮからなるｐ型第１クラッド層１０が形成されている。ｐ型第１クラッド層１０上には、約０．４５μｍの高さを有するメサ形状（台形状）のｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型第２クラッド層１１が形成されている。また、ｐ型第１クラッド層１０上の、ｐ型第２クラッド層１１が形成されている領域以外の領域と、メサ形状のｐ型第２クラッド層１１の側面とを覆うとともに、ｐ型第２クラッド層１１の上面を露出させるように、約０．２μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる電流阻止層１２が形成されている。電流阻止層１２上には、露出されたｐ型第２クラッド層１１の上面と接触するように、約３μｍ〜約５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１３が形成されている。
【００３４】
また、ｐ型コンタクト層１３からｎ型コンタクト層５までの一部領域が除去されている。そのｎ型コンタクト層５の露出した表面の一部と、クラック防止層６、ｎ型第２クラッド層７、ｎ型第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ型第１クラッド層１０、電流阻止層１２およびｐ型コンタクト層１３の露出した側面とを覆うように、ＳｉＯ2またはＳｉＮなどの絶縁膜からなる保護膜１４が形成されている。
【００３５】
また、ｐ型コンタクト層１３の上面上には、ｐ型電極１５が形成されるとともに、一部領域が除去されて露出されたｎ型コンタクト層５の表面には、ｎ型電極１６が形成されている。
【００３６】
なお、ｎ型コンタクト層５、クラック防止層６、ｎ型第２クラッド層７、ｎ型第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ型第１クラッド層１０、ｐ型第２クラッド層１１、電流阻止層１２およびｐ型コンタクト層１３は、本発明の「素子領域を有する窒化物系半導体素子層」の一例である。
【００３７】
第１実施形態の半導体レーザ素子では、上記のように、図１〜図６に示した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、量産性に優れ、かつ、低転位のアンドープＧａＮ層４を下地として、その上に各層５〜１３を形成することによって、各層５〜１３において良好な結晶性を実現することができる。その結果、第１実施形態では、量産性に優れ、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
図８〜図１３は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第２実施形態では、第１実施形態の絶縁性のサァイア基板１の代わりに、導電性を有するｎ型のＳｉ（１１１）面基板２１（以下、「Ｓｉ基板２１」という）を用いている。図８〜図１３を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００３９】
まず、この第２実施形態では、図８に示すように、ｎ型のＳｉ基板２１上に、約０．５μｍの膜厚を有するストライプ状のＳｉＯ2からなるマスク層２２を形成する。マスク層２２のストライプパターンは、マスク層２２の幅が約５μｍで、隣接するマスク層２２間の間隔（マスク開口部の幅）が約２μｍとなるように、約７μｍの周期で形成する。また、ストライプ状のマスク層２２は、Ｓｉ基板２１の［１−１０］方向と平行な方向に形成する。なお、Ｓｉ基板２１が、本発明の「基板」の一例である。
【００４０】
このマスク層２２をマスクとして、ウェットエッチング法などを用いて、Ｓｉ基板２１の表面を約１μｍの厚み分だけエッチングする。これにより、図９に示すように、Ｓｉ基板２１の表面に凹凸形状を形成する。凹凸の形状はエッチング条件により異なり、凹部の上部の幅より凹部の底部の幅の方が広くなることもあれば、狭くなることもある。以下では、Ｓｉ基板２１のエッチングにより形成された凸部がメサ形状（台形状）になる場合を示す。また、Ｓｉ基板２１の凹凸形状は、約１μｍの高さを有するとともに、Ｓｉ基板２１の［１−１０］方向と平行な方向に形成される。
【００４１】
次に、図１０に示すように、ＭＯＶＰＥ法などの結晶成長法を用いて、Ｓｉ基板２１の凹部の底面のほぼ全面と接触するように、約１５ｎｍの膜厚を有するＳｉドープＡｌＧａＮからなるバッファ層２３を成長させる。この場合、ＳｉＯ2からなるマスク層２２上には、バッファ層２３は形成されにくい。あるいは、この場合、凹部の底面だけでなく、凹部の側面にバッファ層２３が形成されていてもよい。また、凹部の底部の全面にバッファ層２３が形成されている必要はなく、凹部の底部の一部にバッファ層２３が形成されていてもよい。
【００４２】
次に、ＳｉドープＡｌＧａＮからなるバッファ層２３に、ＳｉドープＧａＮ層２４を成長させる。この場合、バッファ層２３およびＳｉドープＧａＮ層２４の成長は、連続的に行われる。初期段階では、ＳｉドープＧａＮ層２４は、バッファ層２３上を縦方向（上方向）に成長する。加えて、凹部の側面にバッファ層２３が形成されている場合には、側面のバッファ層２３から横方向にＳｉドープＧａＮ層２４が成長する。さらに、ＳｉドープＧａＮ層２４の成長を続けると、図１１に示すように、側面にファセットを有するＳｉドープＧａＮ層２４が、凹部の上部に形成される。なお、このＳｉドープＧａＮ層２４が、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００４３】
そして、図１１に示す状態からさらにＳｉドープＧａＮ層２４の成長が進むと、ＳｉドープＧａＮ層２４は、図１２に示すように、マスク層２２上を横方向に成長する。そして、マスク層２２上を横方向成長したＳｉドープＧａＮ層２４が合体して、連続的なＳｉドープＧａＮ層２４が形成される。これにより、図１３に示すように、表面が平坦化された約５μｍの膜厚を有するＳｉドープＧａＮ層２４が形成される。
【００４４】
第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、Ｓｉ基板２１の凹部からＳｉドープＧａＮ層２４を成長させることによって、凹部の側面のバッファ層２３から横方向に成長する際や、マスク層２２上を横方向に成長する際に、ＳｉドープＧａＮ層２４の転位は、ＳｉドープＧａＮ層２４の（０００１）面内方向に折れ曲がる。これにより、表面付近の転位が低減された低転位のＳｉドープＧａＮ層２４を形成することができる。
【００４５】
また、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、第１実施形態と同様、Ｓｉ基板２１の表面に凹凸形状を形成することによって、マスク層２２をマスクとして、Ｓｉ基板２１の表面のみをエッチングするだけでよい。これにより、図３０に示した従来の凹凸形状を形成するためのプロセスに比べて、Ｓｉ基板２１に凹凸形状を形成するためのエッチング時間を減少させることができる。その結果、量産性に優れた窒化物系半導体の形成方法を得ることができる。
【００４６】
また、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、第１実施形態と同様、Ｓｉ基板２１に形成されたＳｉドープＡｌＧａＮからなるバッファ層２３の成長と、ＳｉドープＧａＮ層２４の選択成長とは、連続的に行われる。これにより、１回の成長工程で、低転位のＳｉドープＧａＮ層２４を形成することができる。この点でも、量産性に優れた窒化物系半導体の形成方法を得ることができる。
【００４７】
また、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法では、Ｓｉ基板２１上に設けたバッファ層２３上に、ＳｉドープＧａＮ層２４を成長させることによって、Ｓｉ基板２１上に直接ＳｉドープＧａＮ層２４を成長させる場合に比べて、より低転位のＳｉドープＧａＮ層２４を成長させることができる。
【００４８】
図１４は、上記した第２実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。次に、図１４を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００４９】
第２実施形態の半導体レーザ素子の構造としては、図１３に示した第２実施形態のＳｉドープＧａＮ層２４上に、図１４に示すように、約０．１μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなるクラック防止層２５、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型第２クラッド層２６、約５０ｎｍ（約０．０５）μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型第１クラッド層２７、および、ＧａＩｎＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層２８が順次形成されている。このＭＱＷ発光層２８は、約４ｎｍの厚みを有する５つのアンドープＧａＮ障壁層と、約４ｎｍの厚みを有する４つの圧縮歪みのアンドープＧａＩｎＮ井戸層とが交互に積層された構造を有する。
【００５０】
ＭＱＷ発光層２８上には、約４０ｎｍ（約０．０４μｍ）の膜厚を有するｐ型ＧａＮからなるｐ型第１クラッド層２９が形成されている。ｐ型第１クラッド層２９上には、約０．４５μｍの高さを有するメサ形状（台形状）のｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型第２クラッド層３０が形成されている。また、ｐ型第１クラッド層２９上の、ｐ型第２クラッド層３０が形成されている領域以外の領域と、メサ形状のｐ型第２クラッド層３０の側面とを覆うとともに、ｐ型第２クラッド層３０の上面を露出させるように、約０．２μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる電流阻止層３１が形成されている。電流阻止層３１上には、露出されたｐ型第２クラッド層３０の上面と接触するように、約３μｍ〜約５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層３２が形成されている。
【００５１】
また、ｐ型第２クラッド層３０のメサ形状を反映したｐ型コンタクト層３２の凸部上には、ｐ型電極３３が形成されている。また、この第２実施形態では、第１実施形態のサファイア基板１と異なり、Ｓｉ基板２１が導電性を有するので、Ｓｉ基板２１の裏面に、ｎ型電極３４が形成されている。
【００５２】
なお、クラック防止層２５、ｎ型第２クラッド層２６、ｎ型第１クラッド層２７、ＭＱＷ発光層２８、ｐ型第１クラッド層２９、ｐ型第２クラッド層３０、電流阻止層３１およびｐ型コンタクト層３２は、本発明の「素子領域を有する窒化物系半導体素子層」の一例である。
【００５３】
第２実施形態の半導体レーザ素子では、上記のように、図８〜図１３に示した第２実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、量産性に優れ、かつ、低転位のＳｉドープＧａＮ層２４を下地として、その上に各層２５〜３２を形成することによって、各層２５〜３２において良好な結晶性を実現することができる。その結果、量産性に優れ、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５４】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、基板として、サファイア基板１およびＳｉ基板２１を用いたが、本発明はこれに限らず、スピネル基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板または水晶基板を用いてもよい。
【００５５】
尚、基板として、ＧａＮ基板を用いてた場合、必ずしも低温バッファ層３を形成する必要はなく、あるいはバッファ層２３を形成する必要はない。
【００５６】
（第１参考形態）
図１５〜図２０は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第３実施形態では、サファイア（０００１）面基板４１（以下、「サファイア基板４１」という）上に形成した凹凸形状を有する下地層４３を用いて選択横方向成長を行う例を示している。以下、図１５〜図２０を参照して、第３実施形態による窒化物系半導体の形成方法について詳細に説明する。
【００５７】
まず、この第１参考形態では、図１５に示すように、ＭＯＶＰＥ法などの結晶成長法を用いて、サファイア基板４１上に、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮからなる低温バッファ層４２、および、約２μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる下地層４３を形成する。なお、サファイア基板４１が、本発明の「基板」の一例である。また、この低温バッファ層４２が、本発明の「バッファ層」の一例である。
【００５８】
下地層４３上には、約０．５μｍの膜厚を有するストライプ状のＳｉＯ2からなるマスク層４４を形成する。マスク層４４のストライプパターンは、マスク層４４の幅が約５μｍで、隣接するマスク層４４間の間隔（マスク開口部の幅）が約１μｍとなるように、約６μｍの周期で形成する。また、ストライプ状のマスク層４４は、ＧａＮからなる下地層４３の［１１−２０］方向と平行な方向に形成する。
【００５９】
このマスク層４４をマスクとして、ＲＩＥ法などを用いて、下地層４３の表面を約１μｍの厚み分だけエッチングする。これにより、図１６に示すように、下地層４３の表面に凹凸形状を形成する。凹凸の形状はエッチング条件により異なり、凹部の上部の幅より凹部の底部の幅の方が広くなることもあれば、狭くなることもある。以下では、下地層４３のエッチングにより形成された凸部がメサ形状（台形状）になる場合を示す。また、下地層４３の凹凸形状は、約１μｍの高さを有するとともに、アンドープＧａＮからなる下地層４３の［１１−２０］方向と平行な方向に形成される。
【００６０】
次に、図１７に示すように、アンドープＧａＮからなる下地層４３の露出された凹部の底面および側面を種結晶として、アンドープＧａＮ層４５を再成長させる。初期段階では、アンドープＧａＮ層４５は、図１７および図１８に示すように、下地層４３の凹部の底面から縦方向（上方向）に成長するとともに、下地層４３の側面から横方向にも成長する。なお、このアンドープＧａＮ層４５が、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００６１】
そして、図１８に示す状態からさらにアンドープＧａＮ層４５の成長が進むと、アンドープＧａＮ層４５は、図１９に示すように、マスク層４４上を横方向に成長する。そして、マスク層４４上を横方向成長したアンドープＧａＮ層４５が合体して、連続的なアンドープＧａＮ層４５が形成される。これにより、図２０に示すように、表面が平坦化された約５μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮ層４５が形成される。
【００６２】
第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、アンドープＧａＮからなる下地層４３の凹部の底面および側面を種結晶として、アンドープＧａＮ層４５を成長させることによって、側面の下地層４３から横方向に成長する際や、マスク層４４上を横方向に成長する際に、アンドープＧａＮ層４５の転位は、アンドープＧａＮ層４５の（０００１）面内方向に折れ曲がる。これにより、表面付近の転位が低減された低転位のアンドープＧａＮ層４５を形成することができる。
【００６３】
また、第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、下地層４３の表面に凹凸形状を形成することによって、下地層４３の表面のみをエッチングするだけでよい。これにより、図３０に示した従来の凹凸形状を形成するためのプロセスに比べて、下地層４３に凹凸形状を形成するためのエッチング時間を減少させることができる。その結果、第１および第２実施形態と同様、量産性に優れた窒化物系半導体の形成方法を得ることができる。
【００６４】
また、第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、サファイア基板４１上に、低温バッファ層４２を形成した後、アンドープＧａＮからなる下地層４３を成長させるので、容易の低転位の下地層４３を形成することができる。
【００６５】
図２１は、上記した第１参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。次に、図２１を参照して、第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００６６】
第１参考形態の半導体レーザ素子の構造としては、図２０に示したアンドープＧａＮ層４５上に、第１実施形態と同様、ｎ型コンタクト層５、クラック防止層６、ｎ型第２クラッド層７、ｎ型第１クラッド層８、ＭＱＷ発光層９、ｐ型第１クラッド層１０、ｐ型第２クラッド層１１、電流阻止層１２、ｐ型コンタクト層１３および保護膜１４が形成されている。なお、各層５〜１３および保護膜１４の組成および膜厚は、第１実施形態と同様である。
【００６７】
また、ｐ型コンタクト層１３の上面上には、ｐ型電極１５が形成されるとともに、一部領域が除去されて露出されたｎ型コンタクト層５の表面には、ｎ型電極１６が形成されている。
【００６８】
第１参考形態の半導体レーザ素子では、上記のように、図１５〜図２０に示した第１参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された量産性に優れ、かつ、低転位のアンドープＧａＮ層４５を下地として、その上に各層５〜１３を形成することによって、各層５〜１３において良好な結晶性を実現することができる。その結果、量産性に優れ、かつ、良好な素子特性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６９】
（第２参考形態）
図２２〜図２７は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第２参考形態では、第１参考形態の絶縁性のサファイア基板４１の代わりに、導電性を有するｎ型のＳｉＣ（０００１）面基板５１（以下、「ＳｉＣ基板５１」という）を用いている。図２２〜図２７を参照して、第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００７０】
まず、この第２参考形態では、図２２に示すように、ＭＯＶＰＥ法などの結晶成長法を用いて、ｎ型のＳｉＣ基板５１上に、約１５ｎｍの膜厚を有するＳｉドープＡｌＧａＮからなるバッファ層５２、および、約２μｍの膜厚を有するＳｉドープＧａＮからなる下地層５３を形成する。なお、ＳｉＣ基板５１が、本発明の「基板」の一例である。
【００７１】
下地層５３上には、約０．５μｍの膜厚を有するストライプ状のＳｉＯ2からなるマスク層５４を形成する。マスク層５４のストライプパターンは、マスク層５４の幅が約５μｍで、隣接するマスク層５４間の間隔（マスク開口部の幅）が約１μｍとなるように、約６μｍの周期で形成する。また、ストライプ状のマスク層５４は、ＳｉドープＧａＮからなる下地層５３の［１１−２０］方向と平行な方向に形成する。
【００７２】
このマスク層５４をマスクとして、ＲＩＥ法などを用いて、下地層５３の表面を約１μｍの厚み分だけエッチングする。これにより、図２３に示すように、下地層５３の表面に凹凸形状を形成する。凹凸の形状はエッチング条件により異なり、凹部の上部の幅より凹部の底部の幅の方が広くなることもあれば、狭くなることもある。以下では、下地層５３のエッチング条件により形成された凸部がメサ形状（台形状）になる場合を示す。また、下地層５３の凹凸形状は、約１μｍの高さを有するとともに、ＳｉドープＧａＮからなる下地層５３の［１１−２０］方向と平行な方向に形成される。
【００７３】
次に、図２４に示すように、ＳｉドープＧａＮからなる下地層５３の露出された凹部の底面および側面を種結晶として、ＳｉドープＧａＮ層５５を再成長させる。初期段階では、ＳｉドープＧａＮ層５５は、図２４および図２５に示すように、下地層５３の凹部の底面から縦方向（上方向）に成長するとともに、下地層５３の側面からも横方向に成長する。なお、このＳｉドープＧａＮ層５５が、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００７４】
そして、図２５に示す状態からさらにＳｉドープＧａＮ層５５の成長が進むと、ＳｉドープＧａＮ層５５は、図２６に示すように、マスク層５４上を横方向に成長する。そして、マスク層５４上を横方向成長したＳｉドープＧａＮ層５５が合体して、連続的なＳｉドープＧａＮ層５５が形成される。これにより、図２７に示すように、表面が平坦化された約５μｍの膜厚を有するＳｉドープＧａＮ層５５が形成される。
【００７５】
第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、ＳｉドープＧａＮからなる下地層５３の凹部の底面および側面を種結晶として、ＳｉドープＧａＮ層５５を成長させることによって、側面の下地層５３から横方向に成長する際や、マスク層５４上を横方向に成長する際に、ＳｉドープＧａＮ層５５の転位は、ＳｉドープＧａＮ層５５の（０００１）面内方向に折れ曲がる。これにより、表面付近の転位が低減された低転位のＳｉドープＧａＮ層５５を形成することができる。
【００７６】
また、第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、下地層５３の表面に凹凸形状を形成することによって、下地層５３の表面のみをエッチングするだけでよい。これにより、図３０に示した従来の凹凸形状を形成するためのプロセスに比べて、下地層５３に凹凸形状を形成するためのエッチング時間を減少させることができる。その結果、第１、第２実施形態及び第１参考形態と同様、量産性に優れた窒化物系半導体の形成方法を得ることができる。
【００７７】
また、第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法では、ＳｉＣ基板５１上に、バッファ層５２を形成した後、ＳｉドープＧａＮからなる下地層５３を成長させるので、容易の低転位の下地層５３を形成することができる。
【００７８】
図２８は、上記した第２参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。次に、図２８を参照して、第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子の構造について説明する。
【００７９】
第２参考形態の半導体レーザ素子の構造としては、図２７に示したＳｉドープＧａＮ層５５上に、第２実施形態と同様、クラック防止層２５、ｎ型第２クラッド層２６、ｎ型第１クラッド層２７、ＭＱＷ発光層２８、ｐ型第１クラッド層２９、ｐ型第２クラッド層３０、電流阻止層３１およびｐ型コンタクト層３２が形成されている。なお、各層２５〜３２の組成および膜厚は、第２実施形態と同様である。
【００８０】
また、ｐ型第２クラッド層３０のメサ形状を反映したｐ型コンタクト層３２の凸部上には、ｐ型電極３３が形成されている。また、ＳｉＣ基板５１が導電性を有するので、ＳｉＣ基板５１の裏面に、ｎ型電極３４が形成されている。
【００８１】
第２参考形態の半導体レーザ素子では、上記のように、図２２〜図２７に示した第２参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、量産性に優れ、かつ、低転位のＳｉドープＧａＮ層５５を下地として、その上に各層２５〜３２を形成することによって、各層２５〜３２において良好な結晶性を実現することができる。その結果、量産性に優れ、かつ、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００８２】
たとえば、上記第１および第２参考形態では、基板として、サファイア基板４１およびＳｉＣ基板５１を用いたが、これに限らず、スピネル基板、ＧａＮ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板および水晶基板などを用いてもよい。
【００８３】
なお、今回開示された実施形態及び参考形態は、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。
【００８４】
また、上記第１、第２実施形態では、サファイア基板１、Ｓｉ基板２１に、エッチングにより凹凸形状を形成する際に、凹部の高さを約１μｍに形成したが、本発明はこれに限らず、サファイア基板１、Ｓｉ基板２１の底面に達しない範囲で、凹部の高さを数ｎｍ〜数μｍの範囲で形成するのが好ましい。
【００８５】
また、上記第１、第２実施形態では、ストライプ状のマスク層を、サファイア基板１の ［１−１００］方向、Ｓｉ基板２１の［１−１０］方向に平行に形成したが、本発明はこれに限らず、上記した方向と異なる方向にストライプ状のマスク層を形成してもよい。
【００８６】
また、上記第１、第２実施形態では、サファイア基板１、Ｓｉ基板２１の表面の凹凸形状を、サファイア基板１の［１−１００］方向、Ｓｉ基板２１の［１−１０］方向に平行に形成したが、本発明はこれに限らず、上記した方向と異なる方向に凹凸形状を形成してもよい。
【００８７】
また、上記第１、第２実施形態では、マスク層およびマスク層の開口部を、ストライプ状に形成したが、本発明はこれに限らず、マスク層を、円形、六角形または三角形などの形状で形成してもよく、また、マスク層の開口部を、円形、六角形または三角形などの形状で形成してもよい。マスク層およびマスク層の開口部を、六角形または三角形に形成する場合、六角形または三角形の各辺の方向は、どの結晶方位と一致するように形成してもよい。
【００８８】
また、上記第１、第２実施形態では、サファイア基板１、Ｓｉ基板２１の表面の凹部および凸部をストライプ状に形成したが、本発明はこれに限らず、サファイア基板１、Ｓｉ基板２１の表面の凹部の形状を、円形、六角形または三角形などの形状で形成してもよく、また、凸部の形状を、円形、六角形または三角形などの形状で形成してもよい。凹部または凸部の形状を、六角形または三角形に形成する場合、六角形または三角形の各辺の方向は、どの結晶方位と一致するように形成してもよい。
【００８９】
また、上記第１、第２実施形態では、窒化物系半導体を用いて半導体レーザ素子を作製したが、本発明はこれに限らず、発光ダイオード素子またはトランジスタなどの窒化物系半導体を用いる他の素子にも適用可能である。
【００９０】
また、上記第１、第２実施形態において、窒化物系半導体の結晶構造は、ウルツ鉱型構造であってもよいし、閃亜鉛鉱型構造であってもよい。
【００９１】
また、上記第１、第２実施形態では、窒化物系半導体各層の結晶成長を、ＭＯＶＰＥ法を用いて行ったが、本発明はこれに限らず、ＨＶＰＥ法、または、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ3、ＳｉＨ4およびＣｐ2Ｍｇなどを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
【００９２】
また、第１、第２実施形態において、サファイア基板１、Ｓｉ基板２１に形成された凹凸形状の凹部の底面の幅を、数百ｎｍ〜数十μｍの範囲で形成するのが好ましい。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、量産性に優れ、かつ、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を提供することができる。また、量産性に優れ、かつ、低転位密度の窒化物系半導体層を得ることが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図４】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図５】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図６】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図７】 本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。
【図８】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図９】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１０】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１１】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１２】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１３】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１４】 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。
【図１５】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１６】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１７】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１８】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１９】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２０】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２１】 本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。
【図２２】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２４】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２５】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２６】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２７】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２８】 本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した半導体レーザ素子を示した斜視図である。
【図２９】 従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３０】 従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３１】 従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３２】 従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３３】 従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１、４１ サファイア基板（基板）
３、４２ 低温バッファ層（バッファ層）
２、２２、４４、５４ マスク層
４、４５ アンドープＧａＮ層（第１窒化物系半導体層）
５ ｎ型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
６、２５ クラック防止層（窒化物系半導体素子層）
７、２６ ｎ型第２クラッド層（窒化物系半導体素子層）
８、２７ ｎ型第１クラッド層（窒化物系半導体素子層）
９、２８ ＭＱＷ発光層（窒化物系半導体素子層）
１０、２９ ｐ型第１クラッド層（窒化物系半導体素子層）
１１、３０ ｐ型第２クラッド層（窒化物系半導体素子層）
１２、３１ 電流阻止層（窒化物系半導体素子層）
１３、３２ ｐ型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
２１ Ｓｉ基板（基板）
２３、５２ バッファ層
２４、５５ ＳｉドープＧａＮ層（第１窒化物系半導体層）
４３、５３ 下地層
５１ ＳｉＣ基板（基板）

Claims (3)

  1. 凹凸形状の表面を有し、サファイア基板、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板および水晶基板からなるグループより選択される１つの基板と、
    前記基板の凹凸形状の凸部上のみに接触するように形成されたマスク層と、
    前記基板の凹部上および前記マスク層上に形成された第１窒化物系半導体層と、
    前記基板の凹部と前記第１窒化物系半導体層との界面に形成されたバッファ層と、
    前記第１窒化物系半導体層上に形成され、素子領域を有する窒化物系半導体素子層と、を備えた、窒化物系半導体素子。
  2. サファイア基板、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板および水晶基板からなるグループより選択される１つの基板の表面に凹凸形状を形成する工程と、
    前記基板の凹凸形状の凸部上のみに接触するように、マスク層を形成する工程と、
    前記基板の凹部上にバッファ層を形成する工程と、
    前記マスク層をマスクとして、前記バッファ層上および前記マスク層上に第１窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えた、窒化物系半導体の形成方法。
  3. 前記第１窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層を成長させる工程をさらに備える、請求項２に記載の窒化物系半導体の形成方法。
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