JP3863720B2 - 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
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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、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）、または、これらの混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）、および、これらの混晶にＡｓ、ＰおよびＳｂの少なくとも１つの元素を含む混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体からなる化合物半導体層を有する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、ＧａＮ系化合物半導体を利用した半導体素子の開発が盛んに行われている。このようなＧａＮ系半導体素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどからなる基板上に、ＧａＮ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ＧａＮ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ＧａＮ系半導体層では、基板から上下方向に延びる貫通転位（格子欠陥）が存在している。この格子欠陥の転位密度は、１０9ｃｍ-2程度である。このようなＧａＮ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ＧａＮ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（ＥＬＯ：Ｅｐｉｔａｘｙｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）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、応用電子物性分科会誌第４巻（１９９８）の第５３頁〜第５８頁および第２１０頁〜第２１５頁などに開示されている。
【０００５】
図１０〜図１２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１０〜図１２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１０に示すように、サファイア基板１０１のＣ（０００１）面上に数十ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層１０２を形成した後、そのＡｌＧａＮバッファ層１０２上に、３〜４μｍの膜厚を有するＧａＮからなる第１ＧａＮ層１０３を形成する。さらに、第１ＧａＮ層１０３上に、選択成長マスクとして、ＳｉＯ2からなるストライプ状（細長状）のマスク層１０４を形成する。
【０００７】
次に、マスク層１０４を選択成長マスクとして、再成長を行うことによって、１０μｍ以上の膜厚を有するＧａＮからなる第２ＧａＮ層１０５を成長させる。ここで、マスク層１０４の上には、ＧａＮが成長しにくいため、成長初期の第２ＧａＮ層１０５は、隣接するマスク層１０４の間で露出した第１ＧａＮ層１０３の上面上に選択的に成長する。この場合、露出された第１ＧａＮ層１０３の上面上において、第２ＧａＮ層１０５は、図１１の矢印Ｙの方向（ｃ軸方向）に成長する。これにより、露出された第１ＧａＮ層１０３の上面上に、図１１に示されるような、断面が三角形状のファセット構造を有する第２ＧａＮ層１０５が成長される。
【０００８】
さらに、第１ＧａＮ層１０３の上面上における第２ＧａＮ層１０５の成長が進むと、第２ＧａＮ層１０５は、図１１に示す矢印Ｘの方向（横方向）にも成長する。この第２ＧａＮ層１０５の横方向成長によって、マスク層１０４上にも第２ＧａＮ層１０５が形成される。
【０００９】
さらに、第２ＧａＮ層１０５を横方向成長させると、図１２に示すように、ファセット構造の各第２ＧａＮ層１０５が合体して連続膜となる。これにより、平坦な上面を有する第２ＧａＮ層１０５が形成される。このようにして形成された平坦化された第２ＧａＮ層１０５の表面付近では、貫通転位が低減されている。
【００１０】
上記のように、従来の窒化物系半導体の形成方法では、第２ＧａＮ層１０５の選択横方向成長を行うことによって、第２ＧａＮ層１０５の貫通転位を低減することができる。このような転位が低減された第２ＧａＮ層１０５上に窒化物系半導体層（図示せず）を形成することによって、サファイア基板１０１上に良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を形成することができる。
【００１１】
【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、サファイア基板１０１上に第１ＧａＮ層１０３を形成した後、マスク層１０４を形成し、さらにその後、第２ＧａＮ層１０５を形成している。このため、良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を得るために、第１ＧａＮ層１０３および第２ＧａＮ層１０５の２回のＧａＮ層の成長が必要である。その結果、従来の選択横方向成長を用いた方法では、製造プロセスが複雑になるという不都合があった。
【００１２】
また、従来の選択横方向成長を用いた方法では、マスク層１０４を形成する工程において、第１ＧａＮ層１０３の表面が汚染される場合がある。この場合には、この汚染された表面上に、第２ＧａＮ層１０５が形成されるため、第２ＧａＮ層１０５が良好に形成されないという不都合もあった。
【００１３】
さらに、上記した従来の選択横方向成長を用いる方法では、第１ＧａＮ層１０３と第２ＧａＮ層１０５との２層のＧａＮ層が必要であるので、サファイア基板１０１上に形成される各層の合計の膜厚が大きくなり、その結果、ウェハの反りが大きくなるという不都合があった。
【００１４】
そこで、従来、上記のような不都合を解決するため、選択横方向成長を用いる方法において、１回の成長で転位を低減したＧａＮ層を形成する方法が提案されている。この提案された方法は、たとえば、特開２０００−２１７８９号公報に開示されている。この従来の提案された方法では、サファイア基板上にＳｉＯ2マスクを形成した後、その上に低温成長ＧａＮバッファ層および高温成長ＧａＮ層を形成することによって、１回の成長で転位を低減したＧａＮ層を形成する。
【００１５】
この従来の提案された方法によれば、マスクを形成する前にＧａＮ層を形成する必要がないので、上記したマスク下のＧａＮ層が汚染されるという不都合や、基板上の各層の合計膜厚が大きくなってウェハの反りが大きくなるという不都合を解決することが可能である。また、１回の成長でＧａＮ層を形成するので、少ない成長工程の回数で、転位が少ない窒化物系半導体層を形成することが可能である。このため、製造プロセスが複雑になることもない。
【００１６】
しかしながら、上記した従来の提案された方法では、低温成長ＧａＮバッファ層は、ＳｉＯ2マスクの開口部内のみに形成されており、ＳｉＯ2マスクの上面上には形成されていない。このため、高温成長ＧａＮ層を横方向に成長させる際、その高温成長ＧａＮ層の成長最表面と、マスクの上面とが接触するので、この接触部分での高温成長ＧａＮ層の成長最表面からの離脱が大きくなる。このように離脱が大きくなると、新たな結晶欠陥が発生し、その結果、ＧａＮ層の欠陥が多くなるという問題点があった。
【００１７】
また、上記した従来の提案された方法では、マスクがＳｉＯ2からなるため、ＳｉＯ2中の酸素原子が、成長後のＧａＮ層の上面に現れる。このため、ＧａＮ層を下地層として窒化物系発光素子を形成した場合、発光素子が良好に発光しないという問題点もあった。
【００１８】
なお、特開平１０−３１２９７１号公報の図４にも、上記した特開２０００−２１７８９号公報と同様、基板上に直接ＳｉＯ2マスクを形成した後、１回の選択横方向成長により、転位を低減したＧａＮ層を形成する技術が記載されている。しかし、この特開平１０−３１２９７１号公報に開示された技術においても、上記した特開２０００−２１７８９号公報の場合と同様、ＳｉＯ2マスクの上面上にはバッファ層が形成されていないので、ＧａＮ層を横方向に成長させる際、ＧａＮ層の成長最表面とマスク層の上面とが接触する。このため、この接触部分でのＧａＮ層の成長最表面からの離脱が大きくなる。これにより、新たな結晶欠陥が発生し、結果として、ＧａＮ層の欠陥が多くなるという問題点が生じる。
【００１９】
上記のように、従来では、少ない成長工程の回数で、転位が少ない窒化物系半導体層を形成することは可能であるが、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成するのは困難であった。
【００２０】
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、
この発明の一つの目的は、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成す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。
【００２１】
この発明のもう一つの目的は、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を含む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。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明の一の局面による窒化物系半導体の形成方法は、基板の上面上に、基板の上面の一部が露出するように、マスク層を形成する工程と、露出された基板の上面上およびマスク層の上面上に、１０ｎｍ以上の厚みを有するバッファ層を形成する工程と、その後、窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えている。
【００２３】
上記一の局面による窒化物系半導体の形成方法では、露出された基板の上面上のみならず、マスク層の上面上にもバッファ層を形成することによって、そのバッファ層上に窒化物系半導体層を成長させる際に、マスク層上で横方向成長する窒化物系半導体層の成長最表面がマスク層に接触することがない。これにより、窒化物系半導体層の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することができる。また、基板上に直接マスク層を形成することによって、マスク層を形成する前に窒化物系半導体を形成する必要がないので、窒化物系半導体層の成長工程の回数を減少させることができる。その結果、少ない成長工程の回数で、横方向成長により転位が低減された窒化物系半導体層を形成することができる。したがって、本発明では、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する欠陥の少ない結晶性の良好な窒化物系半導体層を形成することができる。
【００２４】
上記一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、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかを含む。このように構成すれば、マスク層は、ＳｉＯ2のように酸素を含む膜ではないので、マスク層を構成する酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。この場合、マスク層は、ＳｉＮを含むのが好ましい。このようにすれば、ＳｉＮの窒素（Ｎ）原子によって、より欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することができる。また、この場合、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかが最表面に露出した多層膜を含んでいてもよい。このように構成すれば、マスク層の最上面には、ＳｉＯ2のように酸素を含む膜がないので、酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。
【００２５】
上記の場合、マスク層は、ストライプ構造を有するのが好ましい。このようにストライプ構造のマスク層を用いれば、窒化物系半導体層を横方向成長させる際のファセットの結合部の数が少なくなるので、容易に、窒化物系半導体層の平坦化を行うことができる。また、ファセット間の結合方向が同一方向となり、結合部におけるファセット間の面方位のずれが抑制される。
【００２６】
また、上記の場合、基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角であるのが好ましい。このように基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角になるように構成すれば、その上には結晶性の良い窒化物系半導体層が形成される。
【００２７】
また、上記の場合、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ようにしてもよい。このように構成すれば、欠陥の少ない窒化物系半導体層の上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層が成長されるので、容易に、良好な素子特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。
【００２８】
この発明の他の局面による窒化物系半導体素子は、基板の上面上に、基板の上面の一部が露出するように形成されたマスク層と、露出された基板の上面上およびマスク層の上面上に形成された１０ｎｍ以上の厚みを有するバッファ層と、バッファ層を覆うように形成された窒化物系半導体層と、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。
【００２９】
上記他の局面による窒化物系半導体素子では、露出された基板の上面上のみならず、マスク層の上面上にもバッファ層を形成することによって、そのバッファ層上に窒化物系半導体層を成長させる際に、マスク層上で横方向成長する窒化物系半導体層の成長最表面がマスク層に接触することがない。これにより、窒化物系半導体層の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、欠陥の少ない窒化物系半導体層を得ることができる。また、基板上に直接マスク層を形成することによって、マスク層を形成する前に窒化物系半導体層を形成する必要がないので、窒化物系半導体層の成長工程の回数を減少させることができる。これにより、少ない成長工程の回数で、横方向成長により転位が低減された窒化物系半導体層を得ることができる。そして、その離脱に起因する欠陥が少なく、かつ、転位が低減された窒化物系半導体層の上に、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。
【００３０】
上記他の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかを含む。このように構成すれば、マスク層はＳｉＯ2のように酸素を含む膜ではないので、マスク層を構成する酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合を有効に防止することができる。この場合、マスク層は、ＳｉＮを含むのが好ましい。このようにすれば、ＳｉＮの窒素（Ｎ）原子によって、より欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することができる。また、この場合、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかが最表面に露出した多層膜を含んでいてもよい。このように構成すれば、マスク層の最上面には、ＳｉＯ2のように酸素を含む膜がないので、酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。
【００３１】
上記の場合、マスク層は、ストライプ構造を有するのが好ましい。このようにストライプ構造のマスク層を用いれば、窒化物系半導体層を横方向成長させる際のファセットの結合部の数が少なくなるので、容易に、窒化物系半導体層の平坦化を行うことができる。また、ファセット間の結合方向が同一方向となり、結合部におけるファセット間の面方位のずれが抑制される。
【００３２】
また、上記の場合、基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角であるのが好ましい。このように基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角になるように構成すれば、その上には結晶性の良い窒化物系半導体層が形成される。
【００３３】
【発明の実施の形態】
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。
【００３４】
図１〜図４は、本発明の一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および斜視図である。図１〜図４を参照して、本実施形態の窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００３５】
まず、図１および図２に示すように、サファイア基板１のＣ（０００１）面上に、選択成長マスクとして、約０．１μｍの厚みを有するＳｉＮからなるマスク層２を形成する。このマスク層２は、ストライプ状（ストライプ構造）に、約７μｍのピッチ間隔で複数形成する。このマスク層２の具体的な形成方法としては、まず、サファイア基板１のＣ面上の全面に、プラズマＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）または電子ビーム蒸着法などを用いて、ＳｉＮ膜（図示せず）を形成する。そして、そのＳｉＮ膜上に、フォトレジストからなるストライプ状のマスクパターン（図示せず）を形成する。さらに、そのマスクパターンをマスクとして、ＨＦ（フッ酸）溶液を用いた湿式エッチング、または、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとを用いたドライエッチングなどを用いて、ＳｉＮ膜を一部除去することによって、ストライプ状のマスク層２を形成する。
【００３６】
なお、７μｍのピッチ幅は、マスク層２の形成領域の幅とマスク層２を形成していない領域の幅とが、それぞれ、２μｍと５μｍの場合、３μｍと４μｍの場合、４μｍと３μｍの場合、５μｍと２μｍの場合のいずれであってもよい。また、これら以外の比率の幅であってもよい。
【００３７】
次に、図３に示すように、ＳｉＮからなるマスク層２が形成されたサファイア基板１の上面に、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長法）またはＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｅｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ハライド気相成長法）などを用いて、約５００℃〜７００℃の成長温度で、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ（約０．０１μｍ〜０．１μｍ）の膜厚を有するＡｌxＧａＮ1-xバッファ層３（０≦ｘ≦１）を形成する。そして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法などを用いて、約１０００℃〜１２００℃の成長温度で、ＧａＮ層４を形成する。
【００３８】
このとき、ＡｌＧａＮバッファ層３は、ＳｉＮからなるマスク層２上にも成長する。この場合、ＳｉＮからなるマスク層２上のＡｌＧａＮバッファ層３上には、高温成長ＧａＮ層は成長しにくい。このため、高温成長ＧａＮ層は、ＳｉＮからなるマスク層２の間に露出したサファイア基板１上のＡｌＧａＮバッファ層３上に、図３の矢印Ｙの方向に選択的に成長する。これにより、サファイア基板１の上面のうち、ＳｉＮからなるマスク層２の間に露出した部分上のＡｌＧａＮバッファ層３上にのみ、図３に示されるような、（１１−２２）面の斜面が露出した断面形状の三角形のファセット構造を有するＧａＮ層４が形成される。
【００３９】
そして、さらに、ＧａＮ層４の成長が進むと、ＧａＮ層４は、図３の矢印Ｘの方向（横方向）に成長する。この横方向成長によって、マスク層２上にもＧａＮ層４が形成される。そして、最終的には、ファセット構造の各ＧａＮ層４が合体して、図４に示されるような、上面が平坦な連続膜となる。本実施形態では、８μｍ程度の膜厚を有する上面が平坦な連続膜からなるＧａＮ層４が形成される。なお、このＧａＮ層４が、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００４０】
本実施形態では、上記のように、露出されたサファイア基板１の上面上のみならず、マスク層２の上面上にもＡｌＧａＮバッファ層３を成長させることによって、そのＡｌＧａＮバッファ層３上に、ＧａＮ層４を成長させる際に、マスク層２上で横方向成長するＧａＮ層４の成長最表面がマスク層２に接触することがない。これにより、ＧａＮ層４の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、離脱に起因する欠陥の少ないＧａＮ層４を形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、サファイア基板１上に直接マスク層２を形成することによって、マスク層２を形成する前にＧａＮ層を形成する必要がないので、ＧａＮ層の成長工程の回数を減少させることができる。その結果、少ない成長工程の回数で、横方向成長により転位が低減されたＧａＮ層４を形成することができる。
【００４２】
したがって、本実施形態では、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する欠陥の少ない結晶性の良好なＧａＮ層４を形成することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、マスク層２をＳｉＮから構成することによって、マスク層２をＳｉＯ2のように酸素を含む膜によって形成する場合のように、マスク層２を構成する酸素原子がＧａＮ層４の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。
【００４４】
また、本実施形態では、マスク層２をストライプ構造を有するように形成することによって、ＧａＮ層４を横方向成長させる際のファセットの結合部の数が少なくなるので、容易にＧａＮ層４の平坦化を行うことができる。
【００４５】
図５は、上記した本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断面図である。次に、図５を参照して、本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の構造および製造プロセスについて説明する。
【００４６】
本実施形態の半導体レーザ素子の構造としては、図５に示すように、サファイア基板１の上面上に、直接、所定の間隔を隔ててストライプ状（ストライプ構造）の約０．１μｍの膜厚を有するＳｉＮからなるマスク層２が形成されている。マスク層２間に位置するサファイア基板１の上面上、および、マスク層２の上面上には、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ（約０．０１μｍ〜０．１μｍ）の膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層３が形成されている。ＡｌＧａＮバッファ層３上には、約８μｍの膜厚を有する表面が平坦化されたＧａＮ層４が形成されている。
【００４７】
また、ＧａＮ層４上には、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる第１導電型コンタクト層５が形成されている。第１導電型コンタクト層５上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなる第１導電型クラッド層６が形成されている。第１導電型クラッド層６上には、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層７が形成されている。ＭＱＷ発光層７上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２導電型クラッド層８が形成されている。その第２導電型クラッド層８上には、約０．１５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層９が形成されている。また、第１導電型コンタクト層５の露出された上面上には、ｎ型の第１導電型電極１０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１１が形成されている。
【００４８】
なお、第１導電型コンタクト層５、第１導電型クラッド層６、ＭＱＷ発光層７、第２導電型クラッド層８および第２導電型コンタクト層９は、本発明の「窒化物系半導体素子層」の一例である。
【００４９】
上記のような構造を有する本実施形態の半導体レーザ素子の形成方法としては、まず、図１〜図４を用いて説明した本実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて、サファイア基板１上に、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉＮからなるマスク層２、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ（約０．０１μｍ〜０．１μｍ）の膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層３、および、約８μｍの膜厚を有するＧａＮ層４を順次形成する。
【００５０】
次に、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、または、トリメチルアルミニウム，トリメチルガリウム，トリメチルインジウム，ＮＨ3，ＳｉＨ4（シランガス），Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；分子線エピタキシャル成長法）などを用いて、ＧａＮ層４上に、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる第１導電型コンタクト層５、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなる第１導電型クラッド層６、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層７、約０．４５μｍの膜厚を有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２導電型クラッド層８、および、約０．１５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層９を順次形成する。
【００５１】
そして、第２導電型コンタクト層９から第１導電型コンタクト層５までの一部領域をエッチングすることによって、第１導電型コンタクト層５の所定領域を露出する。この露出した第１導電型コンタクト層５の所定領域上に、ｎ型の第１導電型電極１０を形成する。また、第２導電型コンタクト層９上の所定領域に、ｐ型の第２導電型電極１１を形成する。
【００５２】
上記した本実施形態の半導体レーザ素子では、図１〜図４に示した本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結晶性の良好なＧａＮ層４を下地層として、その上に各層５〜９が形成されている。すなわち、上述したように、露出されたサファイア基板１の上面上のみならず、マスク層２の上面上にもＡｌＧａＮバッファ層３を形成することによって、ＧａＮ層４をマスク層２上に横方向成長させる際に、ＧａＮ層４の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、離脱に起因する欠陥の少ないＧａＮ層４を形成することができる。また、ＧａＮ層４を選択横方向成長により形成することによって、ＧａＮ層４の表面の転位が低減されている。このように、離脱に起因する欠陥が少なく、かつ、転位が低減された結晶性の良好なＧａＮ層を下地層として、その上に各層５〜９を形成することによって、各層５〜９において良好な結晶性を実現することができる。これにより、本実施形態では、良好な素子特性を有するとともに高い信頼性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５３】
なお、今回開示された実施形態は、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。
【００５４】
たとえば、上記実施形態では、サファイア基板１を基板として用いたが、本発明はこれに限らず、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板またはスピネル基板などを用いても同様の効果を得ることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、マスク層２をＳｉＮによって形成したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＮ以外の窒化物や高融点金属によってマスク層２を形成しても同様の効果を得ることができる。この場合の高融点金属は、特に、融点が、１０００℃以上のものであることが好ましい。さらに、マスク層２は、ＳｉＮなどの窒化物や高融点金属が最上面に出ている多層膜を用いてもよい。この場合にも、マスク層２の最上面には、ＳｉＯ2のような酸素を含む膜がないので、酸素原子がＧａＮ層４の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合が生じない。
【００５６】
また、上記実施形態では、ＳｉＮからなるマスク層２の断面を図１に示すような長方形状としたが、本発明はこれに限らず、他の形状としてもよい。たとえば、図６に示すような台形状を有するマスク層１２、図７に示すような逆台形状を有するマスク層２２、または、図８に示すような形状のマスク層３２を用いてもよい。また、図９に示すように、台形状の下層４２ａと長方形状の上層４２ｂとからなる２層構造のマスク層４２であってもよい。このように、マスク層は多層構造であってもよい。また、図１および図６〜図９に示したような構造を適宜組み合わせた構造を有するマスク層であってもよい。また、特に、図７または図８に示すように、基板１の上面と、マスク層２２または３２との為す角度が鋭角である場合、その上には結晶性の良いＧａＮ層（窒化物系半導体層）４が形成された。
【００５７】
また、上記実施形態におけるサファイア基板（基板）１、ＡｌＧａＮバッファ層（バッファ層）３、ＧａＮ層（窒化物系半導体層）４、および、各層（窒化物系半導体素子層）５〜９は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）、または、これらの混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体、および、これら混晶にＡｓ、ＰおよびＳｂのうち少なくとも１つの元素を含む混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体から構成するようにしてもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、ＡｌＧａＮバッファ層３およびＧａＮ層４に不純物元素のドーピングを行っていないが、本発明はこれに限らず、ＡｌＧａＮバッファ層３およびＧａＮ層４にｎ型不純物のドーピングを行うことによって第１導電型の層としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、マスク層２を７μｍのピッチ幅で形成したが、本発明はこれに限らず、マスク層２のピッチ幅は、７μｍ以外でもよく、１μｍ以上、３０μｍ以下の幅であればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成す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。
【００６１】
また、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層上に形成された良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子層を含む窒化物系半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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】図１に示した工程における斜視図である。
【図３】本発明の一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】本発明の一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】図１〜図４に示した本実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図６】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図７】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図８】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図９】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図１０】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１１】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１２】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 サファイア基板（基板）
２ マスク層
３ ＡｌＧａＮバッファ層（バッファ層）
４ ＧａＮ層（窒化物系半導体層）
５ 第１導電型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
６ 第１導電型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
７ ＭＱＷ発光層（窒化物系半導体素子層）
８ 第２導電型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
９ 第２導電型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
【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、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）、または、これらの混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）、および、これらの混晶にＡｓ、ＰおよびＳｂの少なくとも１つの元素を含む混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体からなる化合物半導体層を有する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、ＧａＮ系化合物半導体を利用した半導体素子の開発が盛んに行われている。このようなＧａＮ系半導体素子の製造の際には、ＧａＮからなる基板の製造が困難であるため、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどからなる基板上に、ＧａＮ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ＧａＮ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ＧａＮ系半導体層では、基板から上下方向に延びる貫通転位（格子欠陥）が存在している。この格子欠陥の転位密度は、１０9ｃｍ-2程度である。このようなＧａＮ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ＧａＮ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（ＥＬＯ：Ｅｐｉｔａｘｙｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）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、応用電子物性分科会誌第４巻（１９９８）の第５３頁〜第５８頁および第２１０頁〜第２１５頁などに開示されている。
【０００５】
図１０〜図１２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１０〜図１２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１０に示すように、サファイア基板１０１のＣ（０００１）面上に数十ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層１０２を形成した後、そのＡｌＧａＮバッファ層１０２上に、３〜４μｍの膜厚を有するＧａＮからなる第１ＧａＮ層１０３を形成する。さらに、第１ＧａＮ層１０３上に、選択成長マスクとして、ＳｉＯ2からなるストライプ状（細長状）のマスク層１０４を形成する。
【０００７】
次に、マスク層１０４を選択成長マスクとして、再成長を行うことによって、１０μｍ以上の膜厚を有するＧａＮからなる第２ＧａＮ層１０５を成長させる。ここで、マスク層１０４の上には、ＧａＮが成長しにくいため、成長初期の第２ＧａＮ層１０５は、隣接するマスク層１０４の間で露出した第１ＧａＮ層１０３の上面上に選択的に成長する。この場合、露出された第１ＧａＮ層１０３の上面上において、第２ＧａＮ層１０５は、図１１の矢印Ｙの方向（ｃ軸方向）に成長する。これにより、露出された第１ＧａＮ層１０３の上面上に、図１１に示されるような、断面が三角形状のファセット構造を有する第２ＧａＮ層１０５が成長される。
【０００８】
さらに、第１ＧａＮ層１０３の上面上における第２ＧａＮ層１０５の成長が進むと、第２ＧａＮ層１０５は、図１１に示す矢印Ｘの方向（横方向）にも成長する。この第２ＧａＮ層１０５の横方向成長によって、マスク層１０４上にも第２ＧａＮ層１０５が形成される。
【０００９】
さらに、第２ＧａＮ層１０５を横方向成長させると、図１２に示すように、ファセット構造の各第２ＧａＮ層１０５が合体して連続膜となる。これにより、平坦な上面を有する第２ＧａＮ層１０５が形成される。このようにして形成された平坦化された第２ＧａＮ層１０５の表面付近では、貫通転位が低減されている。
【００１０】
上記のように、従来の窒化物系半導体の形成方法では、第２ＧａＮ層１０５の選択横方向成長を行うことによって、第２ＧａＮ層１０５の貫通転位を低減することができる。このような転位が低減された第２ＧａＮ層１０５上に窒化物系半導体層（図示せず）を形成することによって、サファイア基板１０１上に良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を形成することができる。
【００１１】
【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、サファイア基板１０１上に第１ＧａＮ層１０３を形成した後、マスク層１０４を形成し、さらにその後、第２ＧａＮ層１０５を形成している。このため、良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を得るために、第１ＧａＮ層１０３および第２ＧａＮ層１０５の２回のＧａＮ層の成長が必要である。その結果、従来の選択横方向成長を用いた方法では、製造プロセスが複雑になるという不都合があった。
【００１２】
また、従来の選択横方向成長を用いた方法では、マスク層１０４を形成する工程において、第１ＧａＮ層１０３の表面が汚染される場合がある。この場合には、この汚染された表面上に、第２ＧａＮ層１０５が形成されるため、第２ＧａＮ層１０５が良好に形成されないという不都合もあった。
【００１３】
さらに、上記した従来の選択横方向成長を用いる方法では、第１ＧａＮ層１０３と第２ＧａＮ層１０５との２層のＧａＮ層が必要であるので、サファイア基板１０１上に形成される各層の合計の膜厚が大きくなり、その結果、ウェハの反りが大きくなるという不都合があった。
【００１４】
そこで、従来、上記のような不都合を解決するため、選択横方向成長を用いる方法において、１回の成長で転位を低減したＧａＮ層を形成する方法が提案されている。この提案された方法は、たとえば、特開２０００−２１７８９号公報に開示されている。この従来の提案された方法では、サファイア基板上にＳｉＯ2マスクを形成した後、その上に低温成長ＧａＮバッファ層および高温成長ＧａＮ層を形成することによって、１回の成長で転位を低減したＧａＮ層を形成する。
【００１５】
この従来の提案された方法によれば、マスクを形成する前にＧａＮ層を形成する必要がないので、上記したマスク下のＧａＮ層が汚染されるという不都合や、基板上の各層の合計膜厚が大きくなってウェハの反りが大きくなるという不都合を解決することが可能である。また、１回の成長でＧａＮ層を形成するので、少ない成長工程の回数で、転位が少ない窒化物系半導体層を形成することが可能である。このため、製造プロセスが複雑になることもない。
【００１６】
しかしながら、上記した従来の提案された方法では、低温成長ＧａＮバッファ層は、ＳｉＯ2マスクの開口部内のみに形成されており、ＳｉＯ2マスクの上面上には形成されていない。このため、高温成長ＧａＮ層を横方向に成長させる際、その高温成長ＧａＮ層の成長最表面と、マスクの上面とが接触するので、この接触部分での高温成長ＧａＮ層の成長最表面からの離脱が大きくなる。このように離脱が大きくなると、新たな結晶欠陥が発生し、その結果、ＧａＮ層の欠陥が多くなるという問題点があった。
【００１７】
また、上記した従来の提案された方法では、マスクがＳｉＯ2からなるため、ＳｉＯ2中の酸素原子が、成長後のＧａＮ層の上面に現れる。このため、ＧａＮ層を下地層として窒化物系発光素子を形成した場合、発光素子が良好に発光しないという問題点もあった。
【００１８】
なお、特開平１０−３１２９７１号公報の図４にも、上記した特開２０００−２１７８９号公報と同様、基板上に直接ＳｉＯ2マスクを形成した後、１回の選択横方向成長により、転位を低減したＧａＮ層を形成する技術が記載されている。しかし、この特開平１０−３１２９７１号公報に開示された技術においても、上記した特開２０００−２１７８９号公報の場合と同様、ＳｉＯ2マスクの上面上にはバッファ層が形成されていないので、ＧａＮ層を横方向に成長させる際、ＧａＮ層の成長最表面とマスク層の上面とが接触する。このため、この接触部分でのＧａＮ層の成長最表面からの離脱が大きくなる。これにより、新たな結晶欠陥が発生し、結果として、ＧａＮ層の欠陥が多くなるという問題点が生じる。
【００１９】
上記のように、従来では、少ない成長工程の回数で、転位が少ない窒化物系半導体層を形成することは可能であるが、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成するのは困難であった。
【００２０】
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、
この発明の一つの目的は、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成す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。
【００２１】
この発明のもう一つの目的は、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を含む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。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明の一の局面による窒化物系半導体の形成方法は、基板の上面上に、基板の上面の一部が露出するように、マスク層を形成する工程と、露出された基板の上面上およびマスク層の上面上に、１０ｎｍ以上の厚みを有するバッファ層を形成する工程と、その後、窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えている。
【００２３】
上記一の局面による窒化物系半導体の形成方法では、露出された基板の上面上のみならず、マスク層の上面上にもバッファ層を形成することによって、そのバッファ層上に窒化物系半導体層を成長させる際に、マスク層上で横方向成長する窒化物系半導体層の成長最表面がマスク層に接触することがない。これにより、窒化物系半導体層の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することができる。また、基板上に直接マスク層を形成することによって、マスク層を形成する前に窒化物系半導体を形成する必要がないので、窒化物系半導体層の成長工程の回数を減少させることができる。その結果、少ない成長工程の回数で、横方向成長により転位が低減された窒化物系半導体層を形成することができる。したがって、本発明では、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する欠陥の少ない結晶性の良好な窒化物系半導体層を形成することができる。
【００２４】
上記一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、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかを含む。このように構成すれば、マスク層は、ＳｉＯ2のように酸素を含む膜ではないので、マスク層を構成する酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。この場合、マスク層は、ＳｉＮを含むのが好ましい。このようにすれば、ＳｉＮの窒素（Ｎ）原子によって、より欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することができる。また、この場合、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかが最表面に露出した多層膜を含んでいてもよい。このように構成すれば、マスク層の最上面には、ＳｉＯ2のように酸素を含む膜がないので、酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。
【００２５】
上記の場合、マスク層は、ストライプ構造を有するのが好ましい。このようにストライプ構造のマスク層を用いれば、窒化物系半導体層を横方向成長させる際のファセットの結合部の数が少なくなるので、容易に、窒化物系半導体層の平坦化を行うことができる。また、ファセット間の結合方向が同一方向となり、結合部におけるファセット間の面方位のずれが抑制される。
【００２６】
また、上記の場合、基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角であるのが好ましい。このように基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角になるように構成すれば、その上には結晶性の良い窒化物系半導体層が形成される。
【００２７】
また、上記の場合、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ようにしてもよい。このように構成すれば、欠陥の少ない窒化物系半導体層の上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層が成長されるので、容易に、良好な素子特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。
【００２８】
この発明の他の局面による窒化物系半導体素子は、基板の上面上に、基板の上面の一部が露出するように形成されたマスク層と、露出された基板の上面上およびマスク層の上面上に形成された１０ｎｍ以上の厚みを有するバッファ層と、バッファ層を覆うように形成された窒化物系半導体層と、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。
【００２９】
上記他の局面による窒化物系半導体素子では、露出された基板の上面上のみならず、マスク層の上面上にもバッファ層を形成することによって、そのバッファ層上に窒化物系半導体層を成長させる際に、マスク層上で横方向成長する窒化物系半導体層の成長最表面がマスク層に接触することがない。これにより、窒化物系半導体層の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、欠陥の少ない窒化物系半導体層を得ることができる。また、基板上に直接マスク層を形成することによって、マスク層を形成する前に窒化物系半導体層を形成する必要がないので、窒化物系半導体層の成長工程の回数を減少させることができる。これにより、少ない成長工程の回数で、横方向成長により転位が低減された窒化物系半導体層を得ることができる。そして、その離脱に起因する欠陥が少なく、かつ、転位が低減された窒化物系半導体層の上に、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。
【００３０】
上記他の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかを含む。このように構成すれば、マスク層はＳｉＯ2のように酸素を含む膜ではないので、マスク層を構成する酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合を有効に防止することができる。この場合、マスク層は、ＳｉＮを含むのが好ましい。このようにすれば、ＳｉＮの窒素（Ｎ）原子によって、より欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することができる。また、この場合、マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかが最表面に露出した多層膜を含んでいてもよい。このように構成すれば、マスク層の最上面には、ＳｉＯ2のように酸素を含む膜がないので、酸素原子が窒化物系半導体層の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。
【００３１】
上記の場合、マスク層は、ストライプ構造を有するのが好ましい。このようにストライプ構造のマスク層を用いれば、窒化物系半導体層を横方向成長させる際のファセットの結合部の数が少なくなるので、容易に、窒化物系半導体層の平坦化を行うことができる。また、ファセット間の結合方向が同一方向となり、結合部におけるファセット間の面方位のずれが抑制される。
【００３２】
また、上記の場合、基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角であるのが好ましい。このように基板の上面とマスク層の側面との為す角度が鋭角になるように構成すれば、その上には結晶性の良い窒化物系半導体層が形成される。
【００３３】
【発明の実施の形態】
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。
【００３４】
図１〜図４は、本発明の一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および斜視図である。図１〜図４を参照して、本実施形態の窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００３５】
まず、図１および図２に示すように、サファイア基板１のＣ（０００１）面上に、選択成長マスクとして、約０．１μｍの厚みを有するＳｉＮからなるマスク層２を形成する。このマスク層２は、ストライプ状（ストライプ構造）に、約７μｍのピッチ間隔で複数形成する。このマスク層２の具体的な形成方法としては、まず、サファイア基板１のＣ面上の全面に、プラズマＣＶＤ法（プラズマ化学気相成長法）または電子ビーム蒸着法などを用いて、ＳｉＮ膜（図示せず）を形成する。そして、そのＳｉＮ膜上に、フォトレジストからなるストライプ状のマスクパターン（図示せず）を形成する。さらに、そのマスクパターンをマスクとして、ＨＦ（フッ酸）溶液を用いた湿式エッチング、または、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとを用いたドライエッチングなどを用いて、ＳｉＮ膜を一部除去することによって、ストライプ状のマスク層２を形成する。
【００３６】
なお、７μｍのピッチ幅は、マスク層２の形成領域の幅とマスク層２を形成していない領域の幅とが、それぞれ、２μｍと５μｍの場合、３μｍと４μｍの場合、４μｍと３μｍの場合、５μｍと２μｍの場合のいずれであってもよい。また、これら以外の比率の幅であってもよい。
【００３７】
次に、図３に示すように、ＳｉＮからなるマスク層２が形成されたサファイア基板１の上面に、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長法）またはＨＶＰＥ法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｅｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；ハライド気相成長法）などを用いて、約５００℃〜７００℃の成長温度で、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ（約０．０１μｍ〜０．１μｍ）の膜厚を有するＡｌxＧａＮ1-xバッファ層３（０≦ｘ≦１）を形成する。そして、ＭＯＣＶＤ法またはＨＶＰＥ法などを用いて、約１０００℃〜１２００℃の成長温度で、ＧａＮ層４を形成する。
【００３８】
このとき、ＡｌＧａＮバッファ層３は、ＳｉＮからなるマスク層２上にも成長する。この場合、ＳｉＮからなるマスク層２上のＡｌＧａＮバッファ層３上には、高温成長ＧａＮ層は成長しにくい。このため、高温成長ＧａＮ層は、ＳｉＮからなるマスク層２の間に露出したサファイア基板１上のＡｌＧａＮバッファ層３上に、図３の矢印Ｙの方向に選択的に成長する。これにより、サファイア基板１の上面のうち、ＳｉＮからなるマスク層２の間に露出した部分上のＡｌＧａＮバッファ層３上にのみ、図３に示されるような、（１１−２２）面の斜面が露出した断面形状の三角形のファセット構造を有するＧａＮ層４が形成される。
【００３９】
そして、さらに、ＧａＮ層４の成長が進むと、ＧａＮ層４は、図３の矢印Ｘの方向（横方向）に成長する。この横方向成長によって、マスク層２上にもＧａＮ層４が形成される。そして、最終的には、ファセット構造の各ＧａＮ層４が合体して、図４に示されるような、上面が平坦な連続膜となる。本実施形態では、８μｍ程度の膜厚を有する上面が平坦な連続膜からなるＧａＮ層４が形成される。なお、このＧａＮ層４が、本発明の「窒化物系半導体層」の一例である。
【００４０】
本実施形態では、上記のように、露出されたサファイア基板１の上面上のみならず、マスク層２の上面上にもＡｌＧａＮバッファ層３を成長させることによって、そのＡｌＧａＮバッファ層３上に、ＧａＮ層４を成長させる際に、マスク層２上で横方向成長するＧａＮ層４の成長最表面がマスク層２に接触することがない。これにより、ＧａＮ層４の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、離脱に起因する欠陥の少ないＧａＮ層４を形成することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、サファイア基板１上に直接マスク層２を形成することによって、マスク層２を形成する前にＧａＮ層を形成する必要がないので、ＧａＮ層の成長工程の回数を減少させることができる。その結果、少ない成長工程の回数で、横方向成長により転位が低減されたＧａＮ層４を形成することができる。
【００４２】
したがって、本実施形態では、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する欠陥の少ない結晶性の良好なＧａＮ層４を形成することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、マスク層２をＳｉＮから構成することによって、マスク層２をＳｉＯ2のように酸素を含む膜によって形成する場合のように、マスク層２を構成する酸素原子がＧａＮ層４の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合も生じない。
【００４４】
また、本実施形態では、マスク層２をストライプ構造を有するように形成することによって、ＧａＮ層４を横方向成長させる際のファセットの結合部の数が少なくなるので、容易にＧａＮ層４の平坦化を行うことができる。
【００４５】
図５は、上記した本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断面図である。次に、図５を参照して、本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の構造および製造プロセスについて説明する。
【００４６】
本実施形態の半導体レーザ素子の構造としては、図５に示すように、サファイア基板１の上面上に、直接、所定の間隔を隔ててストライプ状（ストライプ構造）の約０．１μｍの膜厚を有するＳｉＮからなるマスク層２が形成されている。マスク層２間に位置するサファイア基板１の上面上、および、マスク層２の上面上には、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ（約０．０１μｍ〜０．１μｍ）の膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層３が形成されている。ＡｌＧａＮバッファ層３上には、約８μｍの膜厚を有する表面が平坦化されたＧａＮ層４が形成されている。
【００４７】
また、ＧａＮ層４上には、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる第１導電型コンタクト層５が形成されている。第１導電型コンタクト層５上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなる第１導電型クラッド層６が形成されている。第１導電型クラッド層６上には、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層７が形成されている。ＭＱＷ発光層７上には、約０．４５μｍの膜厚を有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２導電型クラッド層８が形成されている。その第２導電型クラッド層８上には、約０．１５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層９が形成されている。また、第１導電型コンタクト層５の露出された上面上には、ｎ型の第１導電型電極１０が形成されている。また、第２導電型コンタクト層９の上面上には、ｐ型の第２導電型電極１１が形成されている。
【００４８】
なお、第１導電型コンタクト層５、第１導電型クラッド層６、ＭＱＷ発光層７、第２導電型クラッド層８および第２導電型コンタクト層９は、本発明の「窒化物系半導体素子層」の一例である。
【００４９】
上記のような構造を有する本実施形態の半導体レーザ素子の形成方法としては、まず、図１〜図４を用いて説明した本実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて、サファイア基板１上に、約０．１μｍの膜厚を有するＳｉＮからなるマスク層２、約１０ｎｍ〜１００ｎｍ（約０．０１μｍ〜０．１μｍ）の膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層３、および、約８μｍの膜厚を有するＧａＮ層４を順次形成する。
【００５０】
次に、ＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、または、トリメチルアルミニウム，トリメチルガリウム，トリメチルインジウム，ＮＨ3，ＳｉＨ4（シランガス），Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；分子線エピタキシャル成長法）などを用いて、ＧａＮ層４上に、約４μｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなる第１導電型コンタクト層５、約０．４５μｍの膜厚を有するｎ型ＡｌＧａＮからなる第１導電型クラッド層６、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）発光層７、約０．４５μｍの膜厚を有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２導電型クラッド層８、および、約０．１５μｍの膜厚を有するｐ型ＧａＮからなる第２導電型コンタクト層９を順次形成する。
【００５１】
そして、第２導電型コンタクト層９から第１導電型コンタクト層５までの一部領域をエッチングすることによって、第１導電型コンタクト層５の所定領域を露出する。この露出した第１導電型コンタクト層５の所定領域上に、ｎ型の第１導電型電極１０を形成する。また、第２導電型コンタクト層９上の所定領域に、ｐ型の第２導電型電極１１を形成する。
【００５２】
上記した本実施形態の半導体レーザ素子では、図１〜図４に示した本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結晶性の良好なＧａＮ層４を下地層として、その上に各層５〜９が形成されている。すなわち、上述したように、露出されたサファイア基板１の上面上のみならず、マスク層２の上面上にもＡｌＧａＮバッファ層３を形成することによって、ＧａＮ層４をマスク層２上に横方向成長させる際に、ＧａＮ層４の成長最表面からの離脱が起こりにくくなるので、離脱に起因する欠陥の少ないＧａＮ層４を形成することができる。また、ＧａＮ層４を選択横方向成長により形成することによって、ＧａＮ層４の表面の転位が低減されている。このように、離脱に起因する欠陥が少なく、かつ、転位が低減された結晶性の良好なＧａＮ層を下地層として、その上に各層５〜９を形成することによって、各層５〜９において良好な結晶性を実現することができる。これにより、本実施形態では、良好な素子特性を有するとともに高い信頼性を有する半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５３】
なお、今回開示された実施形態は、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。
【００５４】
たとえば、上記実施形態では、サファイア基板１を基板として用いたが、本発明はこれに限らず、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板またはスピネル基板などを用いても同様の効果を得ることができる。
【００５５】
また、上記実施形態では、マスク層２をＳｉＮによって形成したが、本発明はこれに限らず、ＳｉＮ以外の窒化物や高融点金属によってマスク層２を形成しても同様の効果を得ることができる。この場合の高融点金属は、特に、融点が、１０００℃以上のものであることが好ましい。さらに、マスク層２は、ＳｉＮなどの窒化物や高融点金属が最上面に出ている多層膜を用いてもよい。この場合にも、マスク層２の最上面には、ＳｉＯ2のような酸素を含む膜がないので、酸素原子がＧａＮ層４の表面に現れてデバイス特性が悪化するという不都合が生じない。
【００５６】
また、上記実施形態では、ＳｉＮからなるマスク層２の断面を図１に示すような長方形状としたが、本発明はこれに限らず、他の形状としてもよい。たとえば、図６に示すような台形状を有するマスク層１２、図７に示すような逆台形状を有するマスク層２２、または、図８に示すような形状のマスク層３２を用いてもよい。また、図９に示すように、台形状の下層４２ａと長方形状の上層４２ｂとからなる２層構造のマスク層４２であってもよい。このように、マスク層は多層構造であってもよい。また、図１および図６〜図９に示したような構造を適宜組み合わせた構造を有するマスク層であってもよい。また、特に、図７または図８に示すように、基板１の上面と、マスク層２２または３２との為す角度が鋭角である場合、その上には結晶性の良いＧａＮ層（窒化物系半導体層）４が形成された。
【００５７】
また、上記実施形態におけるサファイア基板（基板）１、ＡｌＧａＮバッファ層（バッファ層）３、ＧａＮ層（窒化物系半導体層）４、および、各層（窒化物系半導体素子層）５〜９は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、ＢＮ（窒化ホウ素）もしくはＴｌＮ（窒化タリウム）、または、これらの混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体、および、これら混晶にＡｓ、ＰおよびＳｂのうち少なくとも１つの元素を含む混晶などのIII−Ｖ族窒化物系半導体から構成するようにしてもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、ＡｌＧａＮバッファ層３およびＧａＮ層４に不純物元素のドーピングを行っていないが、本発明はこれに限らず、ＡｌＧａＮバッファ層３およびＧａＮ層４にｎ型不純物のドーピングを行うことによって第１導電型の層としてもよい。
【００５９】
また、上記実施形態では、マスク層２を７μｍのピッチ幅で形成したが、本発明はこれに限らず、マスク層２のピッチ幅は、７μｍ以外でもよく、１μｍ以上、３０μｍ以下の幅であればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、少ない成長工程の回数で、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成す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。
【００６１】
また、転位が少なく、かつ、離脱に起因する結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層上に形成された良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子層を含む窒化物系半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一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】図１に示した工程における斜視図である。
【図３】本発明の一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】本発明の一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】図１〜図４に示した本実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した半導体レーザ素子を示した断面図である。
【図６】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図７】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図８】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図９】本実施形態の窒化物系半導体の形成方法に用いるマスク層の形状の変形例を示した断面図である。
【図１０】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１１】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１２】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 サファイア基板（基板）
２ マスク層
３ ＡｌＧａＮバッファ層（バッファ層）
４ ＧａＮ層（窒化物系半導体層）
５ 第１導電型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
６ 第１導電型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
７ ＭＱＷ発光層（窒化物系半導体素子層）
８ 第２導電型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
９ 第２導電型コンタクト層（窒化物系半導体素子層）
Claims (11)
- 基板の上面上に、前記基板の上面の一部が露出するように、マスク層を形成する工程と、
前記露出された基板の上面上および前記マスク層の上面上に、１０ｎｍ以上の厚みを有するバッファ層を形成する工程と、
その後、窒化物系半導体層を成長させる工程とを備え、
前記マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかを含む、窒化物系半導体の形成方法。 - 前記マスク層は、ＳｉＮを含む、請求項１に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかが最表面に露出した多層膜を含む、請求項１または２に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記マスク層は、ストライプ構造を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記基板の上面と前記マスク層の側面との為す角度が鋭角である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 前記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１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体の形成方法。
- 基板の上面上に、前記基板の上面の一部が露出するように形成されたマスク層と、
前記露出された基板の上面上および前記マスク層の上面上に形成された１０ｎｍ以上の厚みを有するバッファ層と、
前記バッファ層を覆うように形成された窒化物系半導体層と、
前記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、
前記マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかを含む、窒化物系半導体素子。 - 前記マスク層は、ＳｉＮを含む、請求項７に記載の窒化物系半導体素子。
- 前記マスク層は、窒化物および高融点金属のうちのいずれかが最表面に露出した多層膜を含む、請求項７または８に記載の窒化物系半導体素子。
- 前記マスク層は、ストライプ構造を有する、請求項７〜９のいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子。
- 前記基板の上面と前記マスク層の側面との為す角度が鋭角である、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の窒化物系半導体素子。
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