JP3696003B2 - 窒化物系半導体層の形成方法 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、BN(窒化ホウ素)、GaN(窒化ガリウム)、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)もしくはTlN(窒化タリウム)またはこれらの混晶等のIII −V族窒化物系半導体(以下、窒化物系半導体と呼ぶ)からなる窒化物系半導体層の形成方法、窒化物系半導体、窒化物系半導体素子の製造方法および窒化物系半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、青色または紫色の光を発生する発光ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子として、GaN系半導体発光素子の実用化が進んできている。GaN系半導体発光素子の製造の際には、GaNからなる基板が存在しないため、サファイア(Al2 O3 )等の絶縁性基板上にGaN層をエピタキシャル成長させている。
【0003】
しかしながら、GaN系半導体発光素子では、GaNおよびサファイア基板の格子定数の違いからサファイア基板上に成長したGaNの結晶中には、1011〜1012個/cm-2程度の格子欠陥が存在し、このような格子欠陥の中にはサファイア基板上に成長されるGaN層を貫通する格子欠陥(以下、貫通転位と呼ぶ)が多数存在する。サファイア基板上のGaN層からなる半導体発光素子では、この貫通転位が半導体発光素子内でのリーク電流や不純物拡散などの原因となり、素子特性および信頼性の劣化が生じる。貫通転位による素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法として、半導体層を横方向に成長させるラテラル成長法が提案されている。
【0004】
図17(a)は、後述する従来のラテラル成長法により形成されたGaN層を示す平面図であり、図17(b)は図17(a)のA−A線断面図である。
【0005】
図17に示す構造を得るために、まず、サファイア基板41上にアンドープのAlGaNバッファ層42およびアンドープのGaN層43を順に連続的に成長させる。GaN層43には上下方向に延びる貫通転位が存在する。このGaN層43上に、ストライプ状のSiO2 膜44を形成する。
【0006】
次に、ストライプ状のSiO2 膜44上およびGaN層43上にアンドープのGaN層46をHVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy )法により再成長させる。このとき、SiO2 上には結晶が成長しないので、SiO2 膜44上には横方向の成長によりGaN層46が形成される。これにより、GaN層46の欠陥密度は6×107 cm-2程度まで低減される。
【0007】
上述のラテラル成長法では、SiO2 膜44間に露出したGaN層43からSiO2 膜44上の中心部に向かって横方向に成長が進むため、SiO2 膜44上の中心部の領域45に貫通転位が集中する。
【0008】
図18は従来のラテラル成長法の他の例を説明するための図である。図18(a),(b)はラテラル成長法によるGaN層の形成を示す模式的工程断面図であり、図18(c)は図18(b)に示す構造の上面図である。
【0009】
図18(a)に示す構造を得るために、まずサファイア基板50上に2〜4μmのGaN層51を形成する。このGaN層51の上にストライプ状のSiO2 マスクを形成し、ドライエッチングによりSiO2 マスクの開口部のGaNをサファイア基板50までエッチングする。さらにエッチングされずに残ったGaN層51上のSiO2 マスクを除去する。それにより、図18(a)に示されているように、サファイア基板50上にストライプ状のGaN層51が形成される。
【0010】
次に、ストライプ状のGaN層51からGaNを再度成長する。このとき、ストライプ状のGaN層51の側面方向から成長するGaNの成長速度が、GaN層51の上面から成長するGaNの成長速度を上回り、時間の経過に伴って側面方向から成長したGaNがつながって図18(b)に示すような鏡面平坦なGaN層53が形成される。図18(b)に示すようにGaNの成長の種になった図18(a)のストライプ状のGaN層51上にはサファイア基板50に達する貫通転位52が形成される。貫通転位52は図18(c)に示すようにGaN層51上の領域55に分布する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなラテラル成長法を用いた窒化物系半導体層の形成方法では、ストライプ状に長く延びたSiO2 膜44またはGaN層51に沿って線状に長く延びた領域45,55に貫通転位52が多数発生する。
【0012】
このようなGaN層46,53上に半導体レーザ素子を形成する場合、共振器をストライプ状のSiO2 膜44またはGaN層51に沿って形成しなければならず、GaN層46,53における半導体レーザ素子の配列の自由度が一方向に限られてしまう。
【0013】
本発明の目的は、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して素子領域を配置することが可能な窒化物系半導体層の形成方法、窒化物系半導体素子の製造方法、窒化物系半導体および窒化物系半導体素子を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第1の発明に係る窒化物系半導体層の形成方法は、第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層を形成するものである。
【0015】
本発明に係る窒化物系半導体層の形成方法においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【0016】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【0017】
複数の凸部として第1の窒化物系半導体層からなる下地上に複数の結晶成長阻止層を形成することにより下地の表面に凹凸パターンを形成してもよい。
【0018】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第2の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【0019】
複数の凸部として第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地上に複数の窒化物系半導体層を形成することにより下地の表面に凹凸パターンを形成してもよい。
【0020】
この場合、各窒化物系半導体層上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【0021】
複数の凸部として基板上に積層された第1の窒化物系半導体層からなる下地上に複数の結晶成長阻止層を形成し、複数の結晶成長阻止層をマスクとして第1の窒化物系半導体層をエッチングすることにより下地の表面に凹凸パターンを形成してもよい。
【0022】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第2の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【0023】
複数の凸部が円形または多角形であってもよい。この場合、円形または多角形の凸部上に六方晶系の第2の窒化物系半導体層がほぼ自然成長するので、第2の窒化物系半導体層の欠陥密度が低減される。
【0024】
多角形は六角形であることが好ましい。この場合、六角形の凸部上に六方晶系の第2の窒化物系半導体層が自然成長するので、第2の窒化物系半導体層の欠陥密度がさらに低減される。
【0025】
複数の凸部および各凸部上の第2の窒化物系半導体層を除去し、除去された領域に第3の窒化物系半導体層を形成してもよい。
【0026】
この場合、各凸部上の貫通転位を有する各第2の窒化物系半導体層が取り除かれた後、残った第2の窒化物系半導体層間に第3の窒化物系半導体層が形成されるので、凹凸パターン上に形成された第2の窒化物系半導体層および第3の窒化物系半導体層の欠陥密度が十分に低減される。
【0027】
第2の発明に係る窒化物系半導体は、第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンが形成され、凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層が形成されたものである。
【0028】
本発明に係る窒化物系半導体においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【0029】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【0030】
複数の凸部は、第1の窒化物系半導体層からなる下地上に形成された複数の結晶成長阻止層であってもよい。
【0031】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第2の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【0032】
複数の凸部は、第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地上に形成された複数の窒化物系半導体層であってもよい。
【0033】
この場合、各窒化物系半導体層上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の存在しない連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【0034】
複数の凸部は、第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地上に積層された複数の窒化物系半導体層および結晶成長阻止層であってもよい。
【0035】
この場合、各結晶成長阻止層上に成長した各第2の窒化物系半導体層の中心部に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が離散的に配置される。したがって、貫通転位の連続する任意の方向を選択して素子領域を配置することができる。
【0036】
第3の発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層を形成し、第2の窒化物系半導体層上に、素子領域を含む第3の窒化物系半導体層を形成するものである。
【0037】
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【0038】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に第3の窒化物系半導体層中の素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【0039】
複数の凸部を複数方向に沿って2次元的に配列し、複数の凸部間の上部の素子領域において複数方向のうちいずれか一方向に沿って延びる発光領域を形成してもよい。
【0040】
この場合、複数の凸部間の上部の第2の窒化物系半導体層の欠陥密度が低いので、複数方向において第2の窒化物系半導体層に低欠陥密度の領域が連続する。したがって、複数方向のうち任意の方向を選択し、選択した領域に沿って高品質の発光領域を形成することができる。
【0041】
第4の発明に係る窒化物系半導体素子は、第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンが形成され、凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層が形成され、第2の窒化物系半導体層上に、素子領域を含む第3の窒化物系半導体層が形成されたものである。
【0042】
本発明に係る窒化物系半導体素子においては、島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層が横方向成長および縦方向成長により形成される。この場合、島状に点在する複数の凸部上に貫通転位が集中する。それにより、貫通転位が集中する部分が連続せずに離散的に配置される。
【0043】
したがって、凸部間の領域のうち連続する任意の領域を選択し、選択した領域の上部に第3の窒化物系半導体層中の素子領域を形成することができる。その結果、複数の結晶方位の中から適切な方位を選択して高品質な素子領域を形成することが可能となる。
【0044】
複数の凸部は複数方向に沿って2次元的に配列され、素子領域は、複数の凸部間の上部の素子領域において複数方向のうちいずれか一方向に沿って延びる発光領域を含んでもよい。
【0045】
この場合、複数の凸部間の上部の第2の窒化物系半導体層の欠陥密度が低いので、複数方向において第2の窒化物系半導体層に低欠陥密度の領域が連続する。したがって、複数方向のうち任意の方向を選択し、選択した領域に沿って高品質の発光領域を形成することができる。
【0046】
発光領域は共振器を構成してもよい。この場合、複数方向のうち任意の方向を選択して高品質の共振器を形成することができる。
【0047】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【0048】
まず、図1(a)に示すように、サファイア基板1のC面上に、アンドープのAl0.5 Ga0.5 Nからなる厚さ200Åのバッファ層2および厚さ約3μmのアンドープのGaN層3を順に成長させる。バッファ層2は基板温度600℃で成長させ、GaN層3はMOCVD法(有機金属化学的気相成長法)により1080℃で成長させる。
【0049】
次に、図1(b)に示すように、プラズマCVD法(化学的気相成長法)によりGaN層3上に約1μmのSiO2 膜4を形成する。
【0050】
図1(c)に示すように、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、SiO2 からなる複数の六角形のパターン5を形成する。このパターン5の対角線の長さW1 は15μmであり、隣接するパターン5のピッチW2 は20μmである。
【0051】
続いて、図1(d)に示すように、六角形のパターン5の間に露出したGaN層3上にアンドープの再成長GaN層6を基板温度1080℃で再成長させる。
【0052】
その後、再成長GaN層6上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【0053】
図2および図3は六角形のパターン5の2次元配列の例を示す平面図である。図2の例では、複数の六角形のパターン5は直交するα方向およびβ方向に沿って2次元的に配列されている。すなわち、パターン5が最小のピッチW2 で並ぶのは、α方向とβ方向の2方向である。図2においては、α方向と六角形のパターン5の対角線のうちの1つとが平行になる。
【0054】
一方、図3の例では、複数の六角形のパターン5は、互いに60°の角度をなすφ方向、γ方向およびθ方向に沿って2次元的に配置されている。すなわち、パターン5が最小のピッチW2 で並ぶのは、φ方向、γ方向およびθ方向である。この場合、φ方向、γ方向およびθ方向と六角形のパターン5の対角線のいずれかとが平行になる。
【0055】
図2のようにパターン5を配置する場合には、パターン5の配列のα方向とGaN層3の〈11-20〉方向とを一致させる。また、このように配置された場合、パターン5の六角形の二辺はGaN層3の〈10-10〉方向に垂直になる。この場合に、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をα方向およびβ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、共振器長の方向をα方向に配置すれば、{11-20}面でへき開することができ、β方向に配置すれば、{10-10}面でへき開することができる。
【0056】
図3のようにパターン5を配置する場合においては、パターン5の配列のφ方向とGaN層3の〈11-20〉方向とを一致させる。この場合、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をφ方向、γ方向およびθ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、共振器長の方向をφ方向、γ方向またはθ方向に配置すれば{11-20}でへき開することができる。
【0057】
また、上記のように配置することにより、再成長GaN層6の面方位と六角形のパターン5の側面の方位とが一致するので、GaNの自然成長と同じように結晶の歪みが生じにくく、欠陥密度が10×107 cm-2以下と低くなる。
【0058】
図4(a)は図1のGaN系半導体層の形成方向における貫通転位の分布を示す平面図であり、図4(b)は図4(a)のA1−A1線断面図である。
【0059】
本実施例の再成長GaN層6においては、図4に示すようにパターン5の中心上の領域に貫通転位7が集中する。そのため、貫通転位7の少ない領域が広がるとともに、貫通転位7の分布が連続的にならず離散的になる。図2または図3に示したように、パターン5を島状に点在して配置すれば、再成長GaN層6において貫通転位7の集中領域を点在させることができる。それにより、貫通転位7が集中する領域を避けつつ200μm以上の細長い共振器の発光領域を複数の方向からいずれかの方向を選択して配置することができる。
【0060】
図1のSiO2 からなる六角形のパターン5の代わりにSiO2 からなる円形のパターンを形成してもよい。
【0061】
図5および図6は、円形のパターンの2次元配列の例を示す平面図である。図5の例では複数の円形のパターン5Aが、図2に示したパターン5の2次元配列と同様に、直交するα方向およびβ方向に沿って2次元的に配置されている。図5のパターン5Aの直径W5 は例えば15μmであり、ピッチW6 は20μmである。パターン5Aを図5のように2次元的に配置する場合には、円形のパターン5Aの配列のα方向とGaN層3の〈11-20〉方向とを一致させる。または、パターン5Aの配列のα方向とGaN層3の〈10-10〉方向とを一致させる。
【0062】
この場合に、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をα方向およびβ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、α方向とGaN層3の〈11-20〉方向とを一致させて共振器長の方向をα方向に配置すれば、{11-20}面でへき開でき、β方向に配置すれば{10-10}面でへき開でき、β方向とGaN層3の〈10-10〉方向とを一致させて共振器長の方向をα方向に配置すれば、{11-20}面でへき開でき、β方向に配置すれば{10-10}面でへき開できる。
【0063】
一方、図6の例では、複数の円形のパターン5Aが、互いに60°の角度をなすφ方向、γ方向およびθ方向に沿って2次元的に配置されている。図6のパターン5Aの直径W5 は例えば15μmであり、ピッチW6 は20μmである。パターン5Aを図5のように2次元的に配列する場合には、円形のパターン5Aの配列をφ方向とGaN層3の〈11-20〉方向とを一致させる。または、パターン5Aの配列のφ方向とGaN層3の〈10-10〉方向とを一致させる。この場合、半導体レーザ素子の共振器の発光領域をφ方向、γ方向およびθ方向のいずれかに沿って配置することができる。共振器端面を形成する場合、φ方向、γ方向またはθ方向とGaN層3の〈11-20〉方向とを一致させて共振器長の方向をφ方向、γ方向またはθ方向に配置すれば、{11-20}面でへき開できる。また、φ方向、γ方向またはθ方向とGaN層3の〈10-10〉方向とを一致させて共振器長の方向をφ方向、γ方向またはθ方向に配置すれば、{10-10}面でへき開できる。
【0064】
図7(a)は図6のようにパターン5Aを2次元配列した場合の貫通転位の分布を示す平面図であり、図7(b)は図7(a)のA2−A2線断面図である。図7に示すようにパターン5Aの中心上の再成長GaN層6に貫通転位7が集中するので、貫通転位7の少ない領域が拡大する。
【0065】
図8は本発明の第2の実施例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。まず、図8(a)に示す工程は、前述の図1(a)の工程と同様にして厚さ200Åのバッファ層2および厚さ約3μmのGaN層3を順に形成する。
【0066】
次に、図8(b)に示すように、MOCVD法(有機金属化学的気相成長法)によりGaN層3上に約1μmのSiO2 膜4を形成する。
【0067】
図8(c)に示すように、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、SiO2 からなる複数の円形のパターン5Aを形成する。複数の円形のパターン5Aは図5または図6のように配置する。
【0068】
複数の円形パターン5Aをマスクとしてプラズマエッチング法等により露出しているGaN層3をエッチングする。それにより、図8(d)に示すように、島状に点在する複数のGaN層8Aを形成する。
【0069】
次に、図8(e)に示すように、フッ酸などでSiO2 膜からなるパターン5Aを除去する。
【0070】
次に、ラテラル成長法を用いて、基板温度1080℃でMOCVD法もしくはHVPE法により図8(f)に示すように再成長GaN層9を約20μm再成長させる。それにより、再成長GaN層9が鏡面平坦に形成される。
【0071】
その後、再成長GaN層9上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【0072】
図9(a)は図8のGaN系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図9(b)は図9(a)のA3−A3線断面図である。
【0073】
本実施例の再成長GaN層9においては、図9に示すように再成長GaN層9の成長の前に形成されていた円形のGaN層8A上の再成長GaN層9に貫通転位10が延びている。そのため、貫通転位10の分布が連続的にならず離散的になる。図5または図6に示したようにパターン5Aを島状に点在して配置すれば、再成長GaN層9においても、貫通転位10の多い領域を点在させることができる。それにより、貫通転位10の多い領域を避けつつ、200μm以上の細長い共振器の発光領域を複数の方向からいずれかの方向を選択して配置することができる。
【0074】
なお、図8のSiO2 からなる円形のパターン5Aの代わりに図2または図3に示すSiO2 からなる六角形のパターン5を形成してもよい。この場合、貫通転位の分布は図10に示すようになる。図10(a)は図8のGaN系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図10(b)は図10(a)のA4−A4線断面図である。
【0075】
また、上記第2の実施例では、図8(d)に示すようにバッファ層2を残すようにエッチングしたが、図8(d)の工程において、パターン5Aをマスクとしてサファイア基板1に達するまでエッチングしてもよい。
【0076】
図11は本発明の第3の実施例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【0077】
まず、図11(a)に示す工程では、前述の図1(a)の工程と同様にして200Åのバッファ層2および厚さ約2μmのGaN層3を順に形成する。
【0078】
次に、図11(b)に示すように、MOCVD法によりGaN層3上に約1μmのSiO2 膜4を形成する。
【0079】
図11(c)に示すように、フォトリソグラフィおよびフッ酸系エッチング液によるエッチングを行い、SiO2 膜からなる複数の円形のパターン5Aを形成する。複数の円形パターン5Aは図5または図6のように配置する。
【0080】
複数の円形パターン5Aをマスクとしてプラズマエッチング法等により露出しているGaN層3をエッチングする。それにより、図11(d)に示すように、島状に点在する複数のGaN層8Aを形成する。
【0081】
次に、ラテラル成長法を用い、基板温度1080℃でMOCVD法もしくはHVPE法により図11(e)に示すように再成長GaN層9Aを約20μm再成長させる。それにより、再成長GaN層9Aが鏡面平坦に形成される。
【0082】
その後、再成長GaN層9A上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【0083】
図11のように形成された再成長GaN層9Aにおいても図8の再成長GaN層9と同様に半導体レーザ素子に適用することができる。
【0084】
図12(a)は図11のGaN系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図12(b)は図12(a)のA5−A5線断面図である。
【0085】
本実施例の再成長GaN層9Aにおいては、図12に示すように再成長GaN層9Aの成長の前に形成されていた円形のパターン5Aの中心部の領域に貫通転位11が延びている。そのため、貫通転位11の少ない領域が広がるとともに、貫通転位11の分布が連続的にならず離散的になる。パターン5Aを島状に点在して配置すれば、貫通転位11の集中する領域を避けつつ、200μm以上の細長い共振器の発光領域を複数の方向からいずれかの方向を選択して配置することができる。
【0086】
なお、図11のSiO2 からなる円形のパターン5Aの代わりに図2または図3に示すSiO2 からなる六角形のパターン5を形成してもよい。この場合、貫通転位の分布は図13に示すようになる。図13(a)は図11のGaN系半導体層の形成方法における貫通転位の分布を示す平面図であり、図13(b)は図13(a)のA6−A6線断面図である。
【0087】
なお、上記第3の実施例では、図11(d)に示すようにバッファ層2を残すようにエッチングしたが、図11(d)の工程において、パターン5Aをマスクとしてサファイア基板1に達するまでエッチングしてもよい。
【0088】
図14は本発明の第4の実施例におけるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【0089】
まず、第2の実施例の製造工程により、図8(f)に示すようにサファイア基板1上にバッファ層2が形成され、バッファ層2の上に再成長GaN層9が形成された構造、すなわち図14(a)に示す構造が得られる。
【0090】
次に、再成長GaN層9上に約1μmのSiO2 膜をプラズマCVD法等により形成する。そして、図14(b)に示すように、元々GaN層8Aが形成されていた領域を除く領域上にあるSiO2 膜を除去してSiO2 からなるパターン12を形成する。
【0091】
次に、図14(b)のパターン12をマスクとしてエッチングを行い貫通転位10が形成されている領域を除去する。それにより、図14(c)に示すように、バッファ層2上には貫通転位10が含まれていないGaN層13が形成される。
【0092】
次に、ラテラル成長法を用い、基板温度1080℃でMOCVD法もしくはHVPE法により図14(d)に示すように再成長GaN層14を約20μm再成長させる。それにより、再成長GaN層14が鏡面平坦に形成される。
【0093】
その後、再成長GaN層14上に窒化物系半導体層からなる半導体レーザ素子の素子領域を形成する。
【0094】
なお、エッチングにより除去する領域は図15に示すようにGaN層8Aが形成されていた領域と一部重ねてもよい。
【0095】
また、上記第4の実施例では、図14(c)に示すようにバッファ層2を残すようにエッチングしたが、図14(c)の工程においては、サファイア基板1に達するまでエッチングしてもよい。
【0096】
本実施例のGaN層14には、貫通転位10が極めて少なくなるため、例えば半導体レーザ装置の共振器を配置する位置は貫通転位10の分布に束縛されなくなる。
【0097】
図16は本発明の第5の実施例によるGaN系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【0098】
図16のGaN系半導体レーザ素子の素子領域は、図11の製造工程によって形成されたGaN系半導体層上に形成されている。図16に示すように、サファイア基板1上に、厚さ200ÅのアンドープのGa0.5 Al0.5 Nからなる低温バッファ層2、厚さ3μmのアンドープのGaN層8A、厚さ1.0μmのSiO2 からなるパターン5Aが順に形成されている。
【0099】
パターン5Aは図5または図6に示したように円形の平面形状をしておりかつ配置されている。パターン5Aの対角線の長さW5 が15μmであり、ピッチW6 が20μmである。
【0100】
島状に点在するGaN層8AおよびGaN層8Aの上に形成されたパターン5Aの間にあるバッファ層2上およびパターン5A上に厚さ20μmのアンドープの再成長GaN層9Aが形成されている。
【0101】
再成長GaN層9Aの上に、厚さ4.5μmのn−GaN層20および厚さ0.25μmのn−クラック防止層21が順に形成されている。n−クラック防止層20は、厚さ60ÅのAl0.07Ga0.93Nおよび厚さ60Åのn−GaN層が21対交互に積層されてなる。n−クラック防止層21上には、厚さ1.0μmのAl0.07Ga0.93Nからなるn−クラッド層22および厚さ0.1μmのGaNからなるn−光ガイド層23が順に形成されている。n−光ガイド層23上には、InGaNからなるn−多重量子井戸活性層(以下、MQW活性層と呼ぶ)24が形成されている。n−MQW活性層24は、厚さ100ÅのIn0.02Ga0.98Nからなるバリア層と厚さ50Åの3つのIn0.13Ga0.87Nからなる量子井戸層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。
【0102】
n−MQW活性層24上には、厚さ200ÅのAl0.2 Ga0.8 Nからなるp−キャリアブロック層25、厚さ0.1μmのGaNからなるp−光ガイド層26が形成されている。p−光ガイド層26上には、ストライプ状開口部を有する厚さ約0.5μmのAl0.07Ga0.93Nからなるn−AlGaN電流ブロック層27が形成されている。ストライプ状開口部内のp−光ガイド層26上に厚さ0.5μmのAl0.07Ga0.93Nからなるp−クラッド層28が形成されている。p−クラッド層28は幅3μmのリッジ部を構成しており、パターン5Aの上の領域を避けて形成される。n−AlGaN電流ブロック層27上とp−クラッド層28上に厚さ0.05μmのGaNからなるp−コンタクト層29が形成されている。
【0103】
p−コンタクト層29からn−GaN層20までの一部領域がエッチングにより除去され、n−GaN層20が露出している。p−コンタクト層29上にp電極30が形成され、n−GaN層20の露出した上面にn電極31が形成されている。
【0104】
図16の半導体レーザ素子は、例えばMOCVD法(有機金属化学的気相成長法)により形成される。表1に図16の半導体レーザ素子の各層2,5A,8A,9A,20〜29の組成、膜厚および成長温度を示す。
【0105】
【表1】
【0106】
n型ドーパントとしてはSiが用いられ、p型ドーパントとしてはMgが用いられる。表1に示すように、バッファ層2の成長温度は600℃であり、GaN層8A、再成長GaN層9A、n−クラック防止層21、n−クラッド層22、n−光ガイド層23、p−光ガイド層26、n−AlGaN電流ブロック層27、p−クラッド層28およびp−コンタクト層29の成長温度は1080℃である。また、n−MQW活性層24およびp−キャリアブロック層25の成長温度は800℃である。
【0107】
バッファ層2の成長時には、原料ガスとしてTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)およびNH3 を用いる。GaN層8Aおよび再成長GaN層9Aの成長時には、原料ガスとしてTMGおよびNH3 を用いる。n−GaN層20およびn−光ガイド層23の成長時には、原料ガスとしてTMGおよびNH3 を用いてドーパントガスとしてSiH4 を用いる。n−クラック防止層21、n−クラッド層22およびn−AlGaN電流ブロック層27の成長時には、原料ガスとしてTMG、TMAおよびNH3 を用い、ドーパントガスとしてSiH4 を用いる。
【0108】
n−MQW活性層24の成長時には、原料ガスとしてTEG(トリエチルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)およびNH3 を用い、ドーパントガスとしてSiH4 を用いる。p−キャリアブロック層25およびp−クラッド層28の成長時には、原料ガスとしてTMG、TMAおよびNH3 を用い、ドーパントガスとしてCp2 Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用いる。p−光ガイド層26およびp−コンタクト層29の成長時には、原料ガスとしてTMGおよびNH3 を用い、ドーパントガスとしてCp2 Mgを用いる。
【0109】
n−MQW活性層24の屈折率は、n−クラッド層22およびp−クラッド層28の屈折率よりも高く、n−光ガイド層23およびp−光ガイド層26の屈折率は、n−MQW活性層24の屈折率よりも低くかつn−クラッド層22およびp−クラッド層28の屈折率よりも高い。
【0110】
p−クラッド層28はパターン5Aの上の領域を避けて形成されるので、半導体レーザ素子の発光領域を貫通転位の少ない領域に形成でき、半導体レーザ素子内でのリーク電流や不純物拡散などを抑制することができ、半導体レーザ素子の特性が向上する。p−クラッド層28の長手方向は、図5においてはα方向およびβ方向、図6においてはφ方向、γ方向およびθ方向のいずれかに沿って形成することができる。また、円形のパターン5Aに代えて六角形のパターンを用いてもよく、その場合には、図2および図3のように六角形のパターン5を配置する。図2の例では、p−クラッド層28の長手方向のα方向またはβ方向のいずれかに沿って形成でき、図3の例ではφ方向、γ方向またはθ方向のいずれかに沿って形成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるGaN系半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図2】六角形のパターンのマトリクス配列の一例を示す平面図である。
【図3】六角形のパターンのマトリクス配列の他の例を示す平面図である。
【図4】再成長されたGaN層の貫通転位を説明するための図である。
【図5】円形のパターンのマトリクス配列の一例を示す平面図である。
【図6】円形のパターンのマトリクス配列の他の例を示す平面図である。
【図7】円形のパターン上に再成長されたGaN層の貫通転位を示す概念図である。
【図8】本発明の第2の実施例によるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図9】円形のGaN層上に再成長されたGaN層の貫通転位を示す概念図である。
【図10】六角形のGaN層上に再成長されたGaN層の貫通転位を示す概念図である。
【図11】本発明の第3の実施例によるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図12】円形のGaN層上の円形のマスク中に再成長されたGaN層の貫通転位を示す概念図である。
【図13】六角形のGaN層およびパターンの上に再成長されたGaN層の貫通転位を示す概念図である。
【図14】本発明の第4の実施例によるGaN系半導体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図15】図14の製造工程におけるエッチング領域を説明するための平面図である。
【図16】本発明の第5の実施例によるGaN系半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図17】従来のラテラル成長法により形成されたGaN層の貫通転位を説明するための概念図である。
【図18】従来の他のラテラル成長法により形成されたGaN層の貫通転位を説明するための概念図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 バッファ層
3,8,8A GaN層
5 六角形のパターン
5A 円形のパターン
6,9,9A,14 再成長GaN層
Claims (3)
- 第1の窒化物半導体層からなる下地の表面に島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、前記凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層を形成する窒化物系半導体層の形成方法において、前記複数の凸部として前記下地上に複数の結晶成長阻止層を形成し、前記複数の結晶成長阻止層をマスクとして前記第1の窒化物系半導体層をエッチングすることにより前記下地の表面に前記凹凸パターンを形成することを特徴とする窒化物系半導体層の形成方法。
- 前記複数の凸部および各凸部上の前記第2の窒化物系半導体層を除去し、除去された領域に第3の窒化物系半導体層を形成することを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体層の形成方法。
- 第1の窒化物系半導体層または基板からなる下地の表面に島状に点在する複数の凸部からなる凹凸パターンを形成し、前記凹凸パターン上に第2の窒化物系半導体層を形成し、前記複数の凸部および各凸部上の前記第2の窒化物系半導体層を除去し、除去された領域に第3の窒化物系半導体層を形成することを特徴とする窒化物系半導体層の形成方法。
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