JP4741055B2

JP4741055B2 - Semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4741055B2
Application number: JP2000154461A
Authority: JP
Inventors: 哲弘田辺; 雅之園部
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2000-05-25
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP2001332815A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチッ化物系化合物半導体（III 族元素とチッ素などとの化合物半導体）を用い、高い記憶密度を有する光ディスクメモリや、レーザビームプリンタの高精細化に必要な青色領域で発光可能な半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子に関する。さらに詳しくは、発光層での転位密度をできるだけ少なくし、発振出力の大きい半導体レーザなどの半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の青色領域でＣＷ発振する半導体レーザは、たとえば図６に示されるように、サファイア基板２１上にIII 族チッ化物化合物半導体（チッ化物系化合物半導体）が有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapour Deposition 以下、ＭＯＣＶＤという）により順次積層されるもので、ＧａＮ緩衝層２２、ｎ形ＧａＮからなるコンタクト層２３、Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるｎ形クラッド層２４、ＧａＮからなるｎ形光ガイド層２５、ＩｎＧａＮ系化合物半導体の多重量子井戸構造からなる活性層２６、ｐ形ＧａＮからなるｐ形光ガイド層２７、ｐ形Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ｎからなるｐ形クラッド層２８、ｐ形ＧａＮからなるｐ形コンタクト層２９が順次積層され、積層された半導体層の一部が図６に示されるようにドライエッチングなどによりエッチングされてｎ形コンタクト層２３を露出させ、その表面にｎ側電極３１、前述のｐ形コンタクト層２９上にｐ側電極３０がそれぞれ形成されることにより構成されている。
【０００３】
一方、チッ化物系化合物が成長されるサファイア基板は、チッ化物系化合物半導体との格子定数が大幅に異なり、両者間の格子整合が採れず、成長するチッ化物系化合物半導体の転位密度が１×１０⁸ｃｍ^-2以上となり、赤色系のＧａＡｓ基板上に成長する化合物半導体層の１×１０²ｃｍ^-2程度と比べて大幅に転位密度が大きくなっている。ＬＥＤ（発光ダイオード）では、この程度の転位密度があっても実用化されているが、半導体レーザダイオード（ＬＤ）の場合には、低しきい値化、長寿命化のためには、少なくと１×１０⁷ｃｍ^-3程度以下の転位密度にすることが要望されている。しかし、サファイアの他に工業的に適した基板も見つかっていない。
【０００４】
このチッ化物系化合物半導体層の転位密度を少なくする方法として、たとえばアキラウスイらによる「低転位密度の厚いＧａＮエピタキシャル成長（Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density）」（ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジックス（Jpn.J.Apply.Phys. ）３６巻（１９９７年）、８９９〜９０２頁）に示され、図７に部分的な断面説明図が示されるように、サファイア基板４１上の第１のＧａＮ層４２上に、ＳｉＯ₂マスク４３が開口部４４を有するように設けられ、その開口部４４を介して横方向への選択成長により、第２のＧａＮ層４５を成長する方法が開示されている。チッ化物系化合物では、縦方向よりも横方向への成長が行われやすいため、直径が２インチのサファイアウェハに成長して、転位密度が６×１０⁷ｃｍ^-2より小さくなり、クラックもなく、ミラーフェースのＧａＮ層が得られることが紹介されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、チッ化物系化合物半導体のエピタキシャル成長層は、転位密度が非常に大きく、発光効率の低下にもつながり、信頼性も低下する。一方、前述のＳｉＯ₂マスクを用いることによる選択成長では転位密度が小さくなる。しかし、図７に示されるように、一定間隔で設けられる両側の開口部４４から順次横方向に成長し、マスク４３の中央部で合致するように成長するが、マスク４３上に成長する第２のＧａＮ層４５は、中央部側にいくにしたがって、マスク４３より浮き上がり、結晶軸が曲がりながら成長し、底面および表面側が平坦な第２のＧａＮ層４５とはならない。そのため、図７に示されるように、マスクの中央部側では、第２のＧａＮ層４５が浮き上がった状態で両方から合流することによる空孔４６が形成され、デバイス化するのに好ましくない。この傾向は、マスク幅Ｍが大きくなると一層顕著になる。
【０００６】
この平坦性を損なわないようにするには、たとえば前述の文献に紹介されている例でも、ＳｉＯ₂マスクの幅Ｍは１〜４μｍ幅で、その周期（Ｍ＋Ｗ）が７μｍ程度と記載されているように、マスク幅Ｍが３μｍ以上になると空孔４６が発生しやすくなる。しかも幅Ｍが大きくなるにしたがって、空孔の高さも大きくなり、それにより表面の平坦性が低下してデバイス特性も低下する。また、空孔４６ができないで、平坦性が得られるぎりぎりの状態のところでも、その中央部の合致する部分では、転位密度が大きくなる。さらに、開口部４４に成長する第２のＧａＮ層４５も第１のＧａＮ層４２の転位密度が大きいため、そのまま転位密度の大きい領域となる。そのため、転位密度の小さい連続した部分は、マスク幅の半分の範囲で、しかもその半分の両端部を除外したところしかなく、幅で１μｍ程度しか得られない。
【０００７】
ところが、ストライプ状の半導体レーザにする場合で、ストライプ状の発光領域だけを転位密度の小さい半導体層で構成しようとしても、ストライプ幅の４〜５μｍとアライメントマージンとを考慮し、マスク幅の半分以下しか使用できないことを考えると、マスク幅Ｍは１０〜１５μｍ以上必要となる。そのため、このような幅広のマスクを使用して、平坦性のよいチッ化物系化合物半導体層を成長しなければ、実際のデバイスに応用することができないという問題がある。
【０００８】
本発明はこのよな状況に鑑みなされたもので、ＳｉＯ₂などのマスク上に選択成長をさせることにより、転位密度を小さくしながら、広い範囲に亘って平坦性が得られるチッ化物系化合物半導体層を積層し、発光効率の優れたチッ化物系化合物半導体発光素子を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、半導体レーザのように発光領域をストライプ状部分などに限定できる場合に、少なくともそのストライプ状の発光領域部分における活性層の転位密度を小さくし、しきい電流値を下げ、高出力を得ることができる半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、マスク層上にチッ化物系化合物半導体層を横方向に選択成長する場合に、マスクの中央部に行くにしたがって、成長する半導体層の結晶軸が上方に曲って成長し、中央部近傍で空孔が形成され、マスク幅が広くなればなるほどその空孔部分が大きくなり、平坦な半導体層を成長することができないという問題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、マスクの中央部側に成長するにしたがって、成長する半導体層の結晶軸が上方に曲がる原因が、半導体層とマスク層との接触部に働く接触応力に起因することを見出した。そして、この接触部を離して、接触応力が働かないようにすることにより、結晶軸の曲がりが発生しないで、転位密度が小さく、かつ、平坦な半導体層が成長されることを見出した。
【００１１】
本発明による半導体発光素子は、基板と、該基板上または該基板上に設けられる第１のチッ化物系化合物半導体層上に設けられ、開口部を有するマスク層と、該マスク層上に前記開口部から横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層と、該第２のチッ化物系化合物半導体層上に発光層を形成するようにチッ化物系化合物半導体が積層される半導体積層部とからなり、前記マスク層の上面側で、前記開口部側より該開口部から離れた部分における前記マスク層の厚さが相対的に薄くされることにより、前記マスク層に凹部が形成されていたり、前記第２のチッ化物系化合物半導体層の底面と前記マスク層との間にほぼ平行な空隙が形成されるように前記第２のチッ化物系化合物半導体層が成長されていたりしている。
【００１２】
ここにチッ化物系化合物半導体とは、Ｇａ、Ａｌ、ＩｎなどのIII 族元素とＮまたはＮと他のＶ族元素との化合物からなる半導体を意味する。したがって、ＧａＮの他、ＡｌとＧａとの組成比が変えられるＡｌＧａＮ系化合物や、ＩｎとＧａの組成比が変えられるＩｎＧａＮ系化合物など、III族元素の混晶比やＶ族元素の混晶比が適宜変化されるＮを含む化合物半導体を意味する。また、マスク層とは、たとえばＳｉＯ₂のように、チッ化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長しようとしても、直接にはその表面にエピタキシャル成長をすることができない材料からなる層を意味する。
【００１３】
この構造にすることにより、横方向に選択成長する第２のチッ化物系化合物半導体層の下層となるマスク層に凹部が設けられ、または第２のチッ化物系化合物半導体層とマスク層との間に空隙が形成されるように成長されているため、成長する第２のチッ化ガリウム系化合物半導体層はマスク層から応力を受けることがなくなる。その結果、第２のチッ化ガリウム系化合物半導体層は、横方向に成長するにしたがってその結晶軸が上方に押し曲げられることがなくなり、広い幅に亘って、まっすぐ横方向に成長して、平坦性が優れ、かつ、転位密度の小さい第２のチッ化物系化合物半導体層が得られる。そして、その上に積層されるチッ化物系化合物の半導体積層部も、転位密度の小さい半導体層上に成長するため、転位密度が小さく、平坦性の優れた半導体積層部が形成される。
【００１４】
本発明による半導体レーザは、請求項１〜１４のいずれか１項記載のチッ化物系化合物半導体発光素子において、前記半導体積層部が半導体レーザを構成するように積層されると共に、前記開口部により挟まれるマスク層がストライプ状に設けられ、該マスク層のストライプ方向に沿って前記凹部またはほぼ平行な空隙が一定幅で形成され、該一定幅の半分の幅内上における前記半導体積層部にストライプ状の電流注入領域が形成されるように前記半導体積層部が形成されている。このような構成にすることにより、広い範囲に亘って、転位密度の小さい半導体層が形成されなくても、ストライプ状の発光領域に必要な領域の半導体積層部は転位密度の小さい層のみで、しかも平坦性よく形成され、しきい電流値が小さく、高出力で信頼性の優れた半導体レーザが得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子について説明をする。本発明による半導体発光素子は、図１にその一実施形態である半導体レーザの断面説明図が示されるように、基板１上に第１のチッ化物系化合物半導体層２が設けられ、その上に開口部３ａを有するマスク層３が設けられ、そのマスク層３上に前記開口部３ａから横方向に選択成長される第２のチッ化物系化合物半導体層４、さらに、発光層を形成するように積層されるチッ化物系化合物からなる半導体積層部１５が設けられている。そして、マスク層３の上面側に凹部３ｂが形成されている。他の構成としては、たとえばマスク層３上面側の凹部３ｂにより、第２のチッ化物系化合物半導体層４の底面側が平坦面に形成され、かつ、第２のチッ化物系化合物半導体層４の底面とマスク層３との間にほぼ平行な空隙３ｃが形成されるように第２のチッ化物系化合物半導体層４が成長されてもよい。
【００１６】
基板１は、たとえば高温にも耐え得るサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）基板が用いられるが、サファイアに限定されず、Ｓｉ、Ｇｅなどの他の半導体基板などを用いることができる。どの材料が用いられても、ＧａＮとは格子定数が合わず、格子整合を採ることができないが、マスク層を介して横方向の選択成長をすることにより、マスク層上に転位密度の小さい半導体層を成長することができる。
【００１７】
第１のチッ化物系化合物半導体層２は、たとえば４μｍ程度の厚さで、ノンドープのＧａＮを、ＭＯＣＶＤ法などの通常のエピタキシャル成長法により形成されたもので、後述する第２のチッ化物系化合物半導体層４を選択成長する際のシードとするものである。
【００１８】
マスク層３は、たとえばＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｗなどの、その上には直接半導体層をエピタキシャル成長することができない材料が、スパッタリングなどにより、２００ｎｍ程度の厚さに形成されている。この厚さは、第１のＧａＮ層２上に直接第２の半導体層が成長しないようにマスクとするもので、マスクの機能を有する程度に形成されれば、薄いほど段差が生じにくく好ましい。このマスク層３は、ウェハの状態の一部断面説明図が図２に示されるように、ウェハ状態では第１のチッ化物系化合物半導体層２上に全面に設けられた後に、パターニングされて開口部３ａ（この例では、図面に垂直方向にストライプ状に延びている）が形成され、さらに残ったマスク層３の表面側に凹部３ｂが、その開口部３ａに沿って形成されている。図１に示される半導体レーザを製造する場合、この開口部３ａの幅Ｗは、１０〜２０μｍ程度で、マスク層３の幅Ｍは２０μｍ程度に形成されている。本発明によれば、このマスク幅の２０μｍ程度を、さらに大きくしても平坦な第２の半導体層４を成長することができる。図１では、ストライプ部およびその下のマスク層３部分が誇張して示されているため、マスク層３が１個しか示されていないが、実際には前述のＭとＷの繰り返しで、１チップに多数個のマスク層３が設けられている。
【００１９】
マスク層３の表面に形成される凹部３ｂは、その形成時の断面説明図が図３に示されるように、開口部３ａが形成された後に、再度レジスト膜１８が全面に設けられ、パターニングによりレジスト膜１８に１６μｍ程度の幅Ｎの開口部１８ａを形成した後に、ＨＦ系水溶液によりエッチングすることにより、マスク層３の厚さｔの半分程度、すなわち１００ｎｍ程度の深さｄに形成されている。したがって、マスク層３の両端部から２μｍ程度の幅Ｐをそれぞれ残して、それより内部側の表面には凹部３ｂが形成されている。
【００２０】
この両端に残す幅Ｐは、マスクアライメントの精度を考慮して２μｍ程度設けられているが、開口部３ａから連続して凹部３ｂ内に成長しないようにするためのもので、横方向への成長位置がマスク層３の大部分の表面より高い位置で始まり、大部分の表面と横方向に成長する第２の半導体層４との間に空隙が形成されればよい。そのため、凹部３ｂの形成でなくても、開口部３ａ側に突起が形成される構造でも、第２の半導体層４との間にほぼ平行な空隙が形成される構造になっておればよい。また、凹部３ｂの深さ（両端部に突起が設けられる場合はその高さ）は、横方向に成長する第２の半導体層４との間に接触応力が働かない程度に段差が形成されておればよい。そのため、第２の半導体層４が僅かに底面側にも成長し、殆どマスク層３の大部分の表面と接するぎりぎりの位置関係で、空隙が形成されない程度の深さの凹部３ｂに形成されてもよいが、製造条件のバラツキを考慮すれば、前述の１００ｎｍ程度が好ましい。
【００２１】
第２のチッ化物系化合物半導体層４は、たとえばノンドープのＧａＮ層で２０μｍ程度の厚さに形成される。この半導体層４は、前述のマスク層３の開口部３ａから露出する第１のＧａＮ層２をシードとして成長し始め、マスク層３の表面に達すると、横方向に選択成長する。すなわち、ＧａＮ層は、縦方向の成長よりも横方向への成長の方が早くしかも結晶性よく成長するため、マスク層３に凹部３ｂが設けられていても、下側には殆ど成長せず、マスク層３との間に空隙３ｃを形成しながら横方向に成長しながら上方にも僅かに成長し、最終的にはマスク層３の中央部あたりで両方の開口部から横方向に成長してきた半導体層が合致する。そしてマスク層３の表面が完全に埋まった後は上方に成長し、マスク層３上にも完全に第２のＧａＮ層（半導体層）４が成長する。この第２のＧａＮ層４は、マスク層３上の両端部（開口部３ａに接する部分）および中央部の合致する部分を除いた部分の結晶性がよく、転位密度も１桁ほど小さくなる。
【００２２】
第２のＧａＮ層４上の半導体積層部１５は、通常の半導体レーザを構成する半導体積層部になっている。すなわち、たとえばＳｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたｎ形ＧａＮからなるｎ形コンタクト層５が０.５μｍ程度、たとえばＳｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたｎ形Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎからなるｎ形クラッド層６が０.４μｍ程度、たとえばＳｉが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたｎ形ＧａＮからなる第１のｎ形ガイド層７が０.２μｍ程度、たとえばＳｉがドープされたＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎからなる第２のｎ形ガイド層８を５０ｎｍ程度、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなるウェル層を５ｎｍ程度、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎからなるバリア層を５ｎｍ程度づつ交互にウェル層を５層積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層９を５０ｎｍ、たとえばＭｇがドープされたＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるｐ形キャップ層１０を２０ｎｍ程度、たとえばＭｇが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたＧａＮからなるｐ形ガイド層１１を０.１μｍ程度、たとえばＭｇが２×１０¹⁷ｃｍ^-3程度にドープされたＡｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎからなるｐ形クラッド層１２を０.４μｍ程度、たとえばＭｇが３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドープされたＧａＮからなるｐ形コンタクト層１３を０.１μｍ程度、それぞれ順次積層することにより形成されている。
【００２３】
半導体積層部１５の構造や各層の材料は、この例に限定されるものではなく、活性層９も量子井戸構造でないバルク構造のものでもよく、所望の発光波長により定まる材料の活性層９が、それよりバンドギャップの大きい材料からなるクラッド層６、１２により挟持される構成に形成される。また、図１に示される例のように半導体レーザを構成する場合、活性層９の屈折率がクラッド層６、１２より大きい材料により形成される。そうすることにより、活性層９に光を閉じ込めることができるが、活性層９が薄く充分に光を閉じ込めることができないときは、図１に示される例のように、クラッド層６、１２と活性層９との間の屈折率を有する光ガイド層７、８、１１が設けられる。しかし、活性層９で充分に光を閉じ込められれば光ガイド層７、８、１１を設ける必要はない。
【００２４】
半導体積層部１５の最上層のｐ形コンタクト層１３は、メサエッチングが施されると共に、半導体積層部１５の一部がエッチングされてｎ形コンタクト層５を露出させ、その表面の全面にＳｉＯ₂が成膜されて保護膜１４が形成されている。そして、保護膜１４のコンタクト孔を介してｐ形コンタクト層１３のメサ部上にＮｉ-Ａｕからなるｐ側電極１６、およびｎ形コンタクト層と接続してＴｉ-Ａｌからなるｎ側電極１７がそれぞれ形成されている。そして、共振器長（紙面に垂直方向の長さ）が５００μｍ程度になるように劈開され、図１に示されるレーザ（ＬＤ）チップが形成されている。
【００２５】
この積層構造で、ｐ形コンタクト層１３のストライプ状のメサ型にされた部分が電流注入領域となり（コンタクト層１３がメサ型にされなくてもｐ側電極がストライプ状に形成されておればストライプ状の電流注入領域が形成される）、その下層に、マスク層３に設けられるストライプ状凹部３ｂの幅の半分以下が位置するように、マスク層３およびｐ側電極１６が位置合せして形成されている。
【００２６】
本発明によれば、マスク層の上に横方向の選択成長によりチッ化物化合物半導体層を成長する場合に、マスク層の表面に凹部が形成されているため、半導体層を選択成長することにより、マスク層上に半導体層が成長しても、成長は横方向に進み、マスク層との間に空隙が形成されており、成長の際にマスク層と半導体層との間の接触応力は働かない。そのため、成長する半導体層の結晶軸が応力により曲げられることはなく、長い幅に亘って平坦な半導体層が成長する。（空隙が形成されていなくても、凹部が形成されることにより、選択成長する半導体層とマスク層との間に殆ど接触応力が働かない状態になっている。）また、横方向の成長であるため、転位密度は小さく５×１０⁶ｃｍ^-2程度と１桁以上小さく、結晶性および平坦性の非常に優れた半導体層が広い範囲に亘って形成される。
【００２７】
図１に示される例のように、マスク層に設けられる凹部がストライプ状に設けられると共に、その半分の幅内にストライプ状の電流注入領域が形成されるようにその上の半導体積層部が形成されることにより、非常に結晶性がよく平坦性の優れた部分のみの半導体積層部で発光させることができ、広い範囲の全面に亘って結晶性よく、平坦性の優れた半導体層を成長することができなくても、しきい電流値が小さく、発振出力の大きな半導体レーザを得ることができる。すなわち、図１に示される構造の転位密度としきい電流値との関係が、図５に示されるように、本発明によれば、転位密度が２×１０⁸ｃｍ^-2から５×１０⁶ｃｍ^-2に下がり、しきい電流値も１０ｋＡｃｍ^-2から５ｋＡｃｍ^-2に低下した。
【００２８】
すなわち、マスクを用いた横方向への選択成長でも、マスクの開口部ではシードとなる第１の半導体層の結晶性が悪く、転位密度が大きいため、その上に成長する半導体層も転位密度が大きく、結晶性はよくない。また、マスク層の幅が広いと、マスク層の中央部にいくにしたがって、平坦性を維持することが難しく、また、両方の開口部から成長して合流する部分では、結晶性も低下するため、広い面積の全面で結晶性もよく、平坦性の優れた半導体層を得ることはできない。しかし、前述の構成にすることにより、半導体レーザの発光させるストライプ状の共振器部分については、結晶性および平坦性の優れた半導体層上に成長することができるため、その共振器部分の半導体積層部も結晶性よく成長し、しきい電流値の小さい半導体レーザが得られる。
【００２９】
つぎに、この半導体レーザの製法について説明をする。たとえばＭＯＣＶＤなどのエピタキシャル成長装置を用いて、基板温度を１１００℃程度にしてＨ₂雰囲気でサーマルクリーニングをする。その後、Ｇａの原料ガスとしてのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｎの原料ガスとしてのアンモニア（ＮＨ₃）を導入し、ノンドープの第１のＧａＮ層２を、４μｍ程度成長する。ついで、成長装置から基板を採りだし、たとえばスパッタリング装置を用いて、ＳｉＯ₂膜を２００ｎｍ程度成膜する。その後、ＳｉＯ₂膜上にレジスト膜を設け、パターニングし、ＨＦ水溶液を用いてＳｉＯ₂膜をエッチングすることにより、ストライプ状に開口部を形成し、ストライプ状のマスク層３を形成する。さらに、図３に示されるように、表面全面にレジスト膜１８を設けてパターニングすることにより、凹部３ｂを形成する部分を開口する。そして、再度ＨＦ水溶液によりエッチングすることにより、図３に示される凹部３ｂをストライプ状に（紙面に垂直方向）形成する。
【００３０】
その後、再度ＭＯＣＶＤ装置などの成長装置に入れて、原料ガスとして、前述のガスのほかにＡｌのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、Ｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ｎ形ドーパントとして、ＳｉＨ₄、ｐ形ドーパントとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）またはジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要なガスをキャリアガスの水素と共に導入して、第２のＧａＮ層４および半導体積層部１５の各半導体層をそれぞれ前述の厚さで成長する。この場合、第１のｎ形ガイド層７までは、基板温度を１０５０℃程度で成長し、第２のｎ形ガイド層８および活性層９は基板温度を７７０℃程度にして成長し、その後の各層は再度基板温度を１０５０℃程度にして成長する。
【００３１】
各半導体層の成長が終了したら、基板を成長装置から取出して、表面にレジストマスクを設け、リアクティブイオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置で、図４（ａ）に示されるように、４００μｍ周期の一部の２００μｍ幅で、半導体積層部１５の一部をエッチングし、ｎ形コンタクト層５の一部を露出させる。さらにレジストマスクを除去して再度レジストマスクを設け、同装置によりｐ形コンタクト層１３を４μｍ程度の幅に残るようにメサエッチングをする。その後、たとえばプラズマＣＶＤのような成膜装置を用いて、ＳｉＯ₂のような保護膜１４を２００ｎｍ程度の厚さで全面に成膜し、電極の形成部をＨＦ系エッチャントによりエッチングしてコンタクト孔を形成する。
【００３２】
ついで、ｐ側電極１６として、Ｎｉを１００ｎｍ、Ａｕを２００ｎｍそれぞれ真空蒸着装置により成膜し、さらにｎ側電極１７として、Ｔｉを１００ｎｍ、Ａｌを２００ｎｍそれぞれ成膜して電極１６、１７を形成し、基板１の裏面を研削して６０μｍ程度に薄くした後、共振器長が５００μｍ程度になるように劈開することにより、ＬＤチップが形成される。
【００３３】
前述の例では、ｐ形コンタクト層１３をメサ型のストライプ形状にしただけのストライプ構造の半導体レーザであったが、半導体層をエッチングしないで電極だけをストライプ状に形成してもよく、また、活性層の近くまでメサ型にしてもよく、さらには、プロトンなどを打ち込んだプロトン打込み型にすることもできる。さらに、電流制限層を埋め込む屈折率導波型構造にすることもできる。また、前述の例は、半導体レーザの例であったが、発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合でも、本願発明によれば、広い範囲に亘って結晶性の優れた半導体層が得られ、一部に転位密度の大きい部分が合っても、その部分の全発光部に対する割合が小さいため、発光効率が向上する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、マスク層の幅が広くなっても、その上に横方向に選択成長する半導体層の結晶軸が曲がることがなく、横方向への選択成長による低い転位密度を維持しながら、半導体層の平坦性を保持することができるため、広範囲に亘って結晶性および平坦性の優れたチッ化物系化合物半導体層が得られ、青色系の半導体発光素子などのチッ化物系化合物発光デバイスに実用化することができる。とくに、チッ化物系化合物半導体を用いた青色系の半導体レーザに応用することにより、しきい電流値の小さい半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザの一実施形態の断面説明図である。
【図２】図１のマスク層部分のウェハ状態における断面説明図である。
【図３】図１のマスク層に凹部を形成する際の説明図である。
【図４】半導体を積層した後、積層部をエッチングするパターン例の説明図である。
【図５】本発明による半導体レーザによるしきい値電流の変化の状態を転位密度に対して示した図である。
【図６】従来の青色系半導体レーザの一例を示す断面説明図である。
【図７】従来のマスク層を用いて横方向に選択成長する場合のマスク層と開口部との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
２第１のＧａＮ層
３マスク層
３ａ開口部
３ｂ凹部
３ｃ空隙
４第２のＧａＮ層
９活性層
１５半導体積層部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses a nitride-based compound semiconductor (compound semiconductor of a group III element and nitrogen, etc.), a semiconductor capable of emitting light in a blue region necessary for high definition of an optical disk memory having a high storage density and a laser beam printer. The present invention relates to a semiconductor light emitting element such as a laser or a light emitting diode. More specifically, the present invention relates to a semiconductor light emitting device such as a semiconductor laser having a large oscillation output by minimizing the dislocation density in the light emitting layer.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 6, for example, a conventional semiconductor laser that oscillates in the blue region has a group III nitride compound semiconductor (nitride compound semiconductor) formed on a sapphire substrate 21 by metal organic chemical vapor deposition (Metal Organic Chemical). Vapor Deposition (hereinafter referred to as MOCVD) is sequentially laminated, and includes a GaN buffer layer 22, a contact layer 23 made of n-type GaN, Al _0.12 Ga _0.88 N-type cladding layer 24 made of N, n-type light guide layer 25 made of GaN, active layer 26 made of a multiple quantum well structure of InGaN-based compound semiconductor, p-type light guide layer 27 made of p-type GaN, p-type Al _0.12 Ga _0.88 A p-type cladding layer 28 made of N and a p-type contact layer 29 made of p-type GaN are sequentially laminated, and a part of the laminated semiconductor layer is etched by dry etching or the like as shown in FIG. The layer 23 is exposed, and an n-side electrode 31 is formed on the surface, and a p-side electrode 30 is formed on the p-type contact layer 29 described above.
[0003]
On the other hand, a sapphire substrate on which a nitride-based compound is grown has a lattice constant that is significantly different from that of the nitride-based compound semiconductor, the lattice matching between the two is not achieved, and the dislocation density of the growing nitride-based compound semiconductor is 1 ×. 10 ⁸ cm ^-2 1 × 10 of the compound semiconductor layer grown on the red GaAs substrate ² cm ^-2 The dislocation density is significantly larger than the degree. LEDs (light emitting diodes) have been put to practical use even with this level of dislocation density. However, in the case of semiconductor laser diodes (LD), at least for lowering the threshold and extending the life, 1 × 10 ⁷ cm ^-3 There is a demand for a dislocation density less than or equal to that. However, no industrially suitable substrate other than sapphire has been found.
[0004]
As a method of reducing the dislocation density of this nitride-based compound semiconductor layer, for example, “Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density” by Akira Usui (Japanese Journal of Applied Physics (Jpn.J .Apply.Phys.) 36 (1997), 899-902), and a partial cross-sectional explanatory view is shown in FIG. 7, on the first GaN layer 42 on the sapphire substrate 41 , SiO ₂ A method is disclosed in which the mask 43 is provided so as to have an opening 44, and the second GaN layer 45 is grown through selective growth in the lateral direction through the opening 44. Since nitride-based compounds are more likely to grow in the horizontal direction than in the vertical direction, they grow on sapphire wafers having a diameter of 2 inches and have a dislocation density of 6 × 10. ⁷ cm ^-2 It has been introduced that a GaN layer of a mirror face can be obtained which is smaller and free of cracks.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the epitaxial growth layer of nitride-based compound semiconductor has a very high dislocation density, which leads to a decrease in light emission efficiency and a decrease in reliability. On the other hand, the aforementioned SiO ₂ In selective growth using a mask, the dislocation density decreases. However, as shown in FIG. 7, the second growth grows on the mask 43 while growing in the lateral direction sequentially from the openings 44 on both sides provided at regular intervals and growing so as to coincide with the central portion of the mask 43. The GaN layer 45 rises from the mask 43 as it goes to the center side, grows while the crystal axis is bent, and does not become the second GaN layer 45 whose bottom surface and surface side are flat. For this reason, as shown in FIG. 7, a hole 46 is formed on the central portion side of the mask by merging from both sides in a state where the second GaN layer 45 is lifted, which is not preferable for a device. This tendency becomes more prominent as the mask width M increases.
[0006]
In order not to impair this flatness, for example, even in the example introduced in the above-mentioned literature, SiO 2 ₂ As the mask width M is 1 to 4 μm and the period (M + W) is described as about 7 μm, holes 46 are likely to be generated when the mask width M is 3 μm or more. Moreover, as the width M increases, the height of the holes also increases, thereby reducing the surface flatness and device characteristics. Further, even in the state where the holes 46 are not formed and the flatness is obtained, the dislocation density is increased in the matching portion of the central portion. Further, the second GaN layer 45 grown in the opening 44 also has a high dislocation density because the dislocation density of the first GaN layer 42 is high. For this reason, the continuous portion having a small dislocation density is only in the range of half the mask width and excluding both ends of the mask width, and only about 1 μm in width can be obtained.
[0007]
However, in the case of forming a stripe-shaped semiconductor laser, even if only the stripe-shaped light emitting region is configured by a semiconductor layer having a low dislocation density, the stripe width of 4 to 5 μm and the alignment margin are taken into consideration, and the mask width is less than half. Considering that only masks can be used, the mask width M needs to be 10 to 15 μm or more. Therefore, unless such a wide mask is used to grow a nitride compound semiconductor layer with good flatness, there is a problem that it cannot be applied to an actual device.
[0008]
The present invention has been made in view of such a situation. ₂ Nitride compound semiconductor layers that can obtain flatness over a wide range while reducing dislocation density by selectively growing on a mask such as nitride compound semiconductor light emitting with excellent luminous efficiency It is to provide an element.
[0009]
Another object of the present invention is to reduce the threshold current value by reducing the dislocation density of the active layer at least in the stripe-like light-emitting region when the light-emitting region can be limited to a stripe-like portion as in a semiconductor laser. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of obtaining a high output.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the case where the nitride compound semiconductor layer is selectively grown in the lateral direction on the mask layer, the inventors of the present invention grow as the crystal axis of the growing semiconductor layer is bent upward as it goes to the center of the mask. In order to solve the problem that a hole is formed near the center and the larger the mask width is, the larger the hole is, and a flat semiconductor layer cannot be grown. It has been found that the reason why the crystal axis of the growing semiconductor layer bends upward as it grows toward the center of the substrate is due to the contact stress acting on the contact portion between the semiconductor layer and the mask layer. Then, it was found that by separating this contact portion so that the contact stress does not act, the crystal axis is not bent and the dislocation density is small and a flat semiconductor layer is grown.
[0011]
A semiconductor light emitting device according to the present invention includes a substrate and the substrate. Or on the substrate First nitride compound semiconductor provided in On the layer A mask layer having an opening, a second nitride-based compound semiconductor layer selectively grown laterally from the opening on the mask layer, and the second nitride-based compound semiconductor layer And a semiconductor laminated portion on which a nitride compound semiconductor is laminated so as to form a light emitting layer on the upper surface side of the mask layer The thickness of the mask layer in the portion away from the opening from the opening side is relatively reduced, whereby the mask layer The second nitride compound semiconductor layer grows so that a recess is formed in the surface, or a substantially parallel void is formed between the bottom surface of the second nitride compound semiconductor layer and the mask layer. Been Sometimes Yes.
[0012]
Here, the nitride-based compound semiconductor means a semiconductor composed of a compound of a group III element such as Ga, Al, or In and N or N and another group V element. Therefore, in addition to GaN, a mixed crystal ratio of group III elements and a mixed crystal ratio of group V elements such as AlGaN compounds in which the composition ratio of Al and Ga can be changed, and InGaN compounds in which the composition ratio of In and Ga can be changed. Means a compound semiconductor containing N in which is appropriately changed. The mask layer is, for example, SiO ₂ As described above, even if an attempt is made to epitaxially grow a nitride compound semiconductor layer, it means a layer made of a material that cannot directly be epitaxially grown on the surface thereof.
[0013]
With this structure, a recess is provided in the mask layer which is the lower layer of the second nitride-based compound semiconductor layer that is selectively grown in the lateral direction, or between the second nitride-based compound semiconductor layer and the mask layer. Therefore, the growing second gallium nitride compound semiconductor layer is not subjected to stress from the mask layer. As a result, the second gallium nitride compound semiconductor layer does not have its crystal axis pushed and bent upward as it grows in the lateral direction, and grows straight in the lateral direction over a wide width and becomes flat. A second nitride compound semiconductor layer having excellent properties and a low dislocation density can be obtained. Since the nitride-based compound semiconductor laminated portion laminated thereon also grows on the semiconductor layer having a low dislocation density, a semiconductor laminated portion having a low dislocation density and excellent flatness is formed.
[0014]
A semiconductor laser according to the present invention comprises: Any one of -14 In the nitride-based compound semiconductor light-emitting device described above, the semiconductor stacked portion is stacked so as to constitute a semiconductor laser, and a mask layer sandwiched between the openings is provided in a stripe shape, and the mask layer is arranged in a stripe direction. The recesses or substantially parallel gaps are formed with a constant width, and the semiconductor stacked portion is formed so that a stripe-shaped current injection region is formed in the semiconductor stacked portion within a half of the fixed width. ing. By adopting such a configuration, even if a semiconductor layer having a low dislocation density is not formed over a wide range, the semiconductor laminated portion of the region necessary for the stripe-shaped light emitting region is only a layer having a low dislocation density. In addition, it is possible to obtain a semiconductor laser that is formed with good flatness, has a small threshold current value, and has high output and excellent reliability.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor light emitting device according to the present invention is provided with a first nitride-based compound semiconductor layer 2 on a substrate 1 as shown in FIG. A mask layer 3 having an opening 3a is provided, and a second nitride compound semiconductor layer 4 selectively grown laterally from the opening 3a on the mask layer 3 and a light emitting layer are formed. A semiconductor laminated portion 15 made of a nitride compound to be laminated is provided. A recess 3 b is formed on the upper surface side of the mask layer 3. As another configuration, for example, the bottom surface side of the second nitride compound semiconductor layer 4 is formed in a flat surface by the recess 3b on the upper surface side of the mask layer 3, and the bottom surface of the second nitride compound semiconductor layer 4 is formed. The second nitride-based compound semiconductor layer 4 may be grown such that a substantially parallel gap 3c is formed between the first and second mask layers 3.
[0016]
The substrate 1 is made of, for example, sapphire (Al ₂ O _Three (Single crystal) substrate is used, but is not limited to sapphire, and other semiconductor substrates such as Si and Ge can be used. Regardless of the material used, the lattice constant does not match that of GaN and lattice matching cannot be achieved, but a semiconductor with a low dislocation density on the mask layer by selective growth in the lateral direction via the mask layer. A layer can be grown.
[0017]
The first nitride-based compound semiconductor layer 2 has a thickness of, for example, about 4 μm and is formed of non-doped GaN by a normal epitaxial growth method such as MOCVD. A second nitride-based compound semiconductor described later is used. This is a seed for selective growth of the layer 4.
[0018]
For example, the mask layer 3 is made of SiO. ₂ , Si _Three N _Four , W, and the like, on which a semiconductor layer cannot be directly epitaxially grown, are formed to a thickness of about 200 nm by sputtering or the like. This thickness is used as a mask so that the second semiconductor layer does not grow directly on the first GaN layer 2, and if it is formed to the extent that it has the function of a mask, it is preferable that a step is less likely to occur. As shown in FIG. 2 which is a partial cross-sectional explanatory view of the state of the wafer, the mask layer 3 is provided on the entire surface of the first nitride-based compound semiconductor layer 2 in the wafer state, and then patterned and opened. A portion 3a (in this example, extending in a stripe shape in the direction perpendicular to the drawing) is formed, and a recess 3b is formed along the opening 3a on the surface side of the remaining mask layer 3. When the semiconductor laser shown in FIG. 1 is manufactured, the width W of the opening 3a is about 10 to 20 μm, and the width M of the mask layer 3 is about 20 μm. According to the present invention, even if this mask width of about 20 μm is further increased, the flat second semiconductor layer 4 can be grown. In FIG. 1, since the stripe portion and the mask layer 3 portion under the stripe portion are exaggerated, only one mask layer 3 is shown. A large number of mask layers 3 are provided on the chip.
[0019]
The recess 3b formed on the surface of the mask layer 3 is provided with a resist film 18 again on the entire surface after the opening 3a is formed, as shown in FIG. An opening 18a having a width N of about 16 μm is formed in the resist film 18 and then etched with an HF-based aqueous solution to form a depth d of about half the thickness t of the mask layer 3, that is, about 100 nm. . Accordingly, a width P of about 2 μm is left from both end portions of the mask layer 3, and the concave portion 3 b is formed on the surface on the inner side.
[0020]
The width P left at both ends is set to about 2 μm in consideration of the accuracy of mask alignment. However, the width P is intended not to grow continuously in the recess 3b from the opening 3a. It suffices if a gap is formed between the second semiconductor layer 4 that starts at a position higher than most of the surface of the mask layer 3 and grows in the lateral direction. Therefore, even if the recess 3 b is not formed, a structure in which a protrusion is formed on the opening 3 a side may be a structure in which a substantially parallel gap is formed between the second semiconductor layer 4. In addition, the depth of the recess 3b (the height when protrusions are provided at both ends) is such that a step is formed so that no contact stress acts between the second semiconductor layer 4 growing in the lateral direction. It only has to be. For this reason, the second semiconductor layer 4 grows slightly on the bottom surface side, and is formed in the concave portion 3b having a depth that does not form a void in a marginal positional relationship almost in contact with the most surface of the mask layer 3. However, in consideration of variations in manufacturing conditions, the above-described thickness of about 100 nm is preferable.
[0021]
The second nitride-based compound semiconductor layer 4 is formed of, for example, a non-doped GaN layer with a thickness of about 20 μm. The semiconductor layer 4 begins to grow using the first GaN layer 2 exposed from the opening 3a of the mask layer 3 as a seed, and when it reaches the surface of the mask layer 3, it grows selectively in the lateral direction. That is, the GaN layer grows faster in the lateral direction than in the vertical direction and with good crystallinity. Therefore, even if the mask layer 3 has the recess 3b, it hardly grows on the lower side. While growing in the lateral direction while forming a gap 3c between the mask layer 3 and the mask layer 3, it grows slightly upward, and finally grows laterally from both openings around the center of the mask layer 3. Matched semiconductor layers. Then, after the surface of the mask layer 3 is completely buried, it grows upward, and the second GaN layer (semiconductor layer) 4 also grows completely on the mask layer 3. This second GaN layer 4 has good crystallinity in the portion excluding both ends of the mask layer 3 (the portion in contact with the opening 3a) and the matching portion in the center, and the dislocation density is reduced by an order of magnitude.
[0022]
The semiconductor laminated portion 15 on the second GaN layer 4 is a semiconductor laminated portion constituting an ordinary semiconductor laser. That is, for example, Si is 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 The n-type contact layer 5 made of moderately doped n-type GaN has a thickness of about 0.5 μm, for example Si of 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 Moderately doped n-type Al _0.08 Ga _0.92 The n-type cladding layer 6 made of N is about 0.4 μm, for example, Si is 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 The first n-type guide layer 7 made of moderately doped n-type GaN has a thickness of about 0.2 μm, for example, In doped with Si. _0.01 Ga _0.99 The second n-type guide layer 8 made of N is made about 50 nm in In _0.1 Ga _0.9 The well layer made of N is about 5 nm, In _0.02 Ga _0.98 An active layer 9 having a multi-quantum well (MQW) structure in which five well layers are alternately stacked with a barrier layer made of N every 5 nm is formed in an Al layer doped with 50 nm, for example, Mg. _0.2 Ga _0.8 The p-type cap layer 10 made of N is about 20 nm, for example, Mg is 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 The p-type guide layer 11 made of GaN doped to the extent of about 0.1 μm, for example 2 × 10 Mg. ¹⁷ cm ^-3 Al doped to some extent _0.08 Ga _0.92 The p-type cladding layer 12 made of N is about 0.4 μm, for example 3 × 10 Mg. ¹⁸ cm ^-3 The p-type contact layer 13 made of GaN doped to a moderate degree is formed by sequentially laminating about 0.1 μm.
[0023]
The structure of the semiconductor stacked portion 15 and the material of each layer are not limited to this example, and the active layer 9 may be of a bulk structure that is not a quantum well structure, and the active layer 9 of a material determined by a desired emission wavelength is It is formed to be sandwiched between clad layers 6 and 12 made of a material having a larger band gap. When the semiconductor laser is configured as in the example shown in FIG. 1, the active layer 9 is formed of a material having a refractive index higher than that of the cladding layers 6 and 12. By doing so, it is possible to confine light in the active layer 9, but when the active layer 9 is thin and cannot sufficiently confine light, the active layer 9 and the cladding layers 6 and 12 are activated as in the example shown in FIG. Light guide layers 7, 8, 11 having a refractive index between the layers 9 are provided. However, if the light is sufficiently confined in the active layer 9, it is not necessary to provide the light guide layers 7, 8, and 11.
[0024]
The p-type contact layer 13 which is the uppermost layer of the semiconductor laminated portion 15 is subjected to mesa etching, and a part of the semiconductor laminated portion 15 is etched to expose the n-type contact layer 5, and SiO is formed on the entire surface. ₂ Is formed to form a protective film 14. A p-side electrode 16 made of Ni—Au and an n-side electrode 17 made of Ti—Al connected to the n-type contact layer are formed on the mesa portion of the p-type contact layer 13 through the contact hole of the protective film 14. Each is formed. Then, the cavity length (length in the direction perpendicular to the paper surface) is cleaved so as to be about 500 μm, and the laser (LD) chip shown in FIG. 1 is formed.
[0025]
In this laminated structure, the stripe-shaped mesa portion of the p-type contact layer 13 becomes a current injection region (if the p-side electrode is formed in a stripe shape even if the contact layer 13 is not formed in a mesa shape, the stripe The mask layer 3 and the p-side electrode 16 are aligned and formed so that a half or less of the width of the stripe-shaped concave portion 3b provided in the mask layer 3 is located in the lower layer. Has been.
[0026]
According to the present invention, when the nitride compound semiconductor layer is grown on the mask layer by lateral selective growth, since the recess is formed on the surface of the mask layer, by selectively growing the semiconductor layer, Even if the semiconductor layer grows on the mask layer, the growth proceeds in the lateral direction, and a gap is formed between the mask layer and the contact stress between the mask layer and the semiconductor layer does not work during the growth. . Therefore, the crystal axis of the growing semiconductor layer is not bent by stress, and a flat semiconductor layer grows over a long width. (Even if no voids are formed, the formation of recesses results in almost no contact stress acting between the selectively grown semiconductor layer and the mask layer.) Therefore, the dislocation density is small, 5 × 10 ⁶ cm ^-2 A semiconductor layer having a crystallinity and flatness which is smaller by about an order of magnitude or more and is formed over a wide range.
[0027]
As in the example shown in FIG. 1, the concave portions provided in the mask layer are provided in a stripe shape, and the semiconductor stacked portion thereon is formed so that the stripe-shaped current injection region is formed within the half width. As a result, it is possible to emit light only in the semiconductor stacked portion having excellent crystallinity and excellent flatness, and a semiconductor layer having excellent crystallinity and excellent flatness is grown over the entire surface of a wide range. Even if this is not possible, a semiconductor laser having a small threshold current value and a large oscillation output can be obtained. That is, the relationship between the dislocation density and the threshold current value of the structure shown in FIG. 1 is as shown in FIG. ⁸ cm ^-2 To 5 × 10 ⁶ cm ^-2 And the threshold current value is 10 kAcm. ^-2 To 5kAcm ^-2 Declined.
[0028]
That is, even in the selective growth in the lateral direction using the mask, the crystallinity of the first semiconductor layer serving as a seed is poor at the opening of the mask and the dislocation density is high. Therefore, the semiconductor layer grown thereon also has a dislocation density. Large and poor in crystallinity. In addition, if the width of the mask layer is wide, it is difficult to maintain flatness as it goes to the center of the mask layer, and crystallinity also decreases in the portion that grows and merges from both openings. A semiconductor layer with good crystallinity and excellent flatness cannot be obtained over the entire surface of a large area. However, with the above-described configuration, the stripe-shaped resonator portion that emits light from the semiconductor laser can be grown on a semiconductor layer having excellent crystallinity and flatness. The portion also grows with good crystallinity, and a semiconductor laser with a small threshold current value can be obtained.
[0029]
Next, a method for manufacturing this semiconductor laser will be described. For example, using an epitaxial growth apparatus such as MOCVD, the substrate temperature is set to about 1100 ° C. ₂ Perform thermal cleaning in an atmosphere. Thereafter, triethylgallium (TEG) as a Ga source gas, ammonia (NH) as a N source gas _Three ) To grow a non-doped first GaN layer 2 of about 4 μm. Next, the substrate is taken out from the growth apparatus, for example, using a sputtering apparatus, SiO 2 ₂ A film is formed to a thickness of about 200 nm. Then SiO ₂ A resist film is provided on the film, patterned, and SiO 2 solution is obtained using an HF aqueous solution. ₂ By etching the film, openings are formed in a stripe shape, and a stripe-shaped mask layer 3 is formed. Further, as shown in FIG. 3, a resist film 18 is provided on the entire surface and patterned to open a portion where the recess 3b is to be formed. Then, by etching again with an HF aqueous solution, the recesses 3b shown in FIG. 3 are formed in stripes (perpendicular to the paper surface).
[0030]
After that, it is put again into a growth apparatus such as an MOCVD apparatus, and in addition to the above-mentioned gases, Al trimethylaluminum (TMA), In trimethylindium (TMIn), and n-type dopant SiH. _Four , Cyclopentadienylmagnesium (Cp as p-type dopant) ₂ A necessary gas of Mg) or dimethylzinc (DMZn) is introduced together with hydrogen as a carrier gas, and the second GaN layer 4 and the semiconductor layers of the semiconductor stacked portion 15 are grown with the above-described thicknesses. In this case, up to the first n-type guide layer 7 is grown at a substrate temperature of about 1050 ° C., and the second n-type guide layer 8 and the active layer 9 are grown at a substrate temperature of about 770 ° C. Each layer is grown again at a substrate temperature of about 1050 ° C.
[0031]
When the growth of each semiconductor layer is completed, the substrate is taken out of the growth apparatus, a resist mask is provided on the surface, and a reactive ion beam etching (RIBE) apparatus is used to perform a 400 μm cycle as shown in FIG. A part of the semiconductor stacked portion 15 is etched to expose a part of the n-type contact layer 5 with a width of 200 μm. Further, the resist mask is removed, a resist mask is provided again, and mesa etching is performed by the same apparatus so that the p-type contact layer 13 remains in a width of about 4 μm. Thereafter, using a film forming apparatus such as plasma CVD, SiO 2 ₂ A protective film 14 as described above is formed on the entire surface with a thickness of about 200 nm, and a contact hole is formed by etching the electrode forming portion with an HF-based etchant.
[0032]
Next, as the p-side electrode 16, Ni is deposited to 100 nm and Au is deposited to 200 nm by a vacuum vapor deposition apparatus, and as the n-side electrode 17, Ti is deposited to 100 nm and Al is deposited to 200 nm to form electrodes 16 and 17. After the back surface of the substrate 1 is ground and thinned to about 60 μm, the LD chip is formed by cleaving so that the resonator length becomes about 500 μm.
[0033]
In the above-described example, the semiconductor laser has a stripe structure in which the p-type contact layer 13 is simply a mesa-type stripe shape. However, only the electrodes may be formed in a stripe shape without etching the semiconductor layer. A mesa type may be used up to the vicinity of the active layer, and further, a proton implantation type in which protons are implanted may be used. Furthermore, a refractive index guided structure in which the current limiting layer is embedded may be used. The above example is an example of a semiconductor laser. However, even in the case of a light emitting diode (LED), according to the present invention, a semiconductor layer having excellent crystallinity can be obtained over a wide range. Even when a portion having a high dislocation density is combined, the ratio of the portion to the entire light emitting portion is small, so that the luminous efficiency is improved.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, even when the width of the mask layer is increased, the crystal axis of the semiconductor layer selectively grown on the mask layer does not bend while maintaining a low dislocation density by selective growth in the lateral direction. Since the flatness of the semiconductor layer can be maintained, a nitride compound semiconductor layer having excellent crystallinity and flatness can be obtained over a wide range, and a nitride compound light emitting device such as a blue semiconductor light emitting device is obtained. Can be put into practical use. In particular, by applying to a blue semiconductor laser using a nitride compound semiconductor, a semiconductor laser having a small threshold current value can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view of an embodiment of a semiconductor laser according to the present invention.
2 is a cross-sectional explanatory view of the mask layer portion of FIG. 1 in a wafer state.
FIG. 3 is an explanatory diagram for forming a recess in the mask layer of FIG. 1;
FIG. 4 is an explanatory diagram of a pattern example of etching a stacked portion after stacking semiconductors;
FIG. 5 is a diagram showing a state of change in threshold current by a semiconductor laser according to the present invention with respect to dislocation density.
FIG. 6 is an explanatory sectional view showing an example of a conventional blue semiconductor laser.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a relationship between a mask layer and an opening when a conventional mask layer is used for selective growth in the lateral direction.
[Explanation of symbols]
2 First GaN layer
3 Mask layer
3a opening
3b recess
3c gap
4 Second GaN layer
9 Active layer
15 Semiconductor stacking part

Claims

A substrate, a mask layer provided on the substrate or a first nitride-based compound semiconductor layer provided on the substrate , having an opening, and selectively grown laterally from the opening on the mask layer The mask layer comprising: a second nitride-based compound semiconductor layer, and a semiconductor stacked portion in which the nitride-based compound semiconductor is stacked so as to form a light emitting layer on the second nitride-based compound semiconductor layer. The nitride-based compound semiconductor light-emitting device in which the mask layer is formed with a recess in the upper surface side of the mask layer by relatively reducing the thickness of the mask layer in a portion farther from the opening than the opening. element.

A substrate, a mask layer provided on the substrate or a first nitride-based compound semiconductor layer provided on the substrate , having an opening, and selectively grown laterally from the opening on the mask layer The second nitride compound semiconductor layer, and a semiconductor laminated portion in which the nitride compound semiconductor is laminated so as to form a light emitting layer on the second nitride compound semiconductor layer. The bottom surface side of the nitride-based compound semiconductor layer is formed as a flat surface, and the thickness of the mask layer is relatively thin on the top surface side of the mask layer at a portion farther from the opening than the opening. As a result, the second nitride compound semiconductor layer is grown so that a substantially parallel void is formed between the bottom surface of the second nitride compound semiconductor layer and the mask layer. Nitride compound semiconductor Light element.

The mask layer is made of SiO. ₂₂ , Si _3Three N _4Four The nitride compound semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the nitride compound semiconductor light emitting device is at least one of W and W.

The nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the first nitride-based compound semiconductor layer is non-doped GaN.

The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein a protrusion having a predetermined width is formed on the opening side of the mask layer.

The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein a recess is formed by forming a protrusion on the opening side of the mask layer.

The nitride-based compound semiconductor according to any one of claims 1 to 6, wherein a high portion of the mask layer has a width on the opening side of the mask layer sandwiched between two of the openings. Light emitting element.

The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 7, wherein a width of a high portion having a width of the mask layer is 2 μm.

The nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 7 or 8, wherein a high portion having a width of the mask layer is a protrusion.

10. The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 7, wherein a high-width portion of the mask layer is formed at both ends of the mask layer sandwiched between the two openings. .

The nitride-based compound semiconductor light-emitting element according to claim 7, wherein the protrusion is formed around the opening.

The depth of the recess is formed to a depth at which contact stress does not act between the second nitride compound semiconductor layer growing in the lateral direction and the mask layer. 2. The nitride compound semiconductor light-emitting device according to 1.

The nitride compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the second nitride compound semiconductor layer is non-doped.

The nitride-based compound semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the substrate or the first nitride-based compound semiconductor layer is a GaN layer.

In nitride-based compound semiconductor light-emitting device of any one of claims 1 to 14, wherein with the semiconductor lamination portion is stacked to constitute a semiconductor laser, the mask layer is a stripe shape which is sandwiched by the opening Provided so that the recesses or gaps are formed with a constant width along the stripe direction of the mask layer, and a stripe-shaped current injection region is formed in the semiconductor stacked portion on the half width of the fixed width. A semiconductor laser in which the semiconductor laminated portion is formed.