JP4822674B2 - 窒化物半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザや発光ダイオードの窒化物半導体素子およびその製造方法に関する。

窒化ガリウムに代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料を用いて作製される青紫色半導体レーザは、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。この青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野を開拓する。

従来、サファイア基板を用いるＧａＮ系半導体レーザが開発されてきたが、近年、ＧａＮ基板などの窒化物半導体基板を用いてＧａＮ系半導体レーザを作製することが検討されている。例えば非特許文献１は、実用レベルにあるＧａＮ系半導体レーザを開示している。以下、図２３を参照しながら、従来のＧａＮ系半導体レーザの製造方法を説明する。

図２３に示すように、この半導体レーザは、主面がＳｉＯ₂マスク３６０２で覆われたアンドープＧａＮ基板３６０１を用いて作製される。ＳｉＯ₂マスク３６０２には複数のストライプ状開口部３６０３が形成されている。アンドープＧａＮ基板３６０１上には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いた選択横方向成長（ＥＬＯ）により、ＧａＮ層３６０４が成長させられる。このＧａＮ層３６０４は、ＳｉＯ₂マスク３６０２の個々のストライプ状開口部３６０３を介して露出するＧａＮ基板３６０１の主面上にエピタキシャル成長するが、ＧａＮ層３６０４は基板主面に垂直な方向だけではなく水平横方向にも成長し、相互に接触して１つの層を形成する。

ＧａＮ層３６０４上には、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ−ＧａＮ結晶３６０５、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３６０６、ｎ−ＧａＮ光ガイド層３６０７、Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ／Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層３６０８、ｐ−ＧａＮ光ガイド層３６０９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３６１０、および、ｐ−ＧａＮコンタクト層３６１１が積層されている。選択横方向成長（ＥＬＯ）により形成されたＧａＮ層３６０４には、横方向に成長した個々のストライプ状ＧａＮが合体する部分において刃状転位が存在しており、その上に成長した半導体層中にもＧａＮ層３６０４から刃状転位が延びている。

ｐ−ＧａＮコンタクト層３６１１上には、刃状転位が存在していない領域に１．５〜１０μｍ程度の幅を有するリッジストライプが形成される。その後、リッジストライプの両側がＳｉＯ₂層３６１３によって埋め込まれる。

その後、リッジストライプおよびＳｉＯ₂層３６１３上に、例えばＮｉ／Ａｕからなるｐ電極３６１２が形成される。なお、上記の積層体の一部はｎ−ＧａＮ結晶３６０５が露出するまでエッチングされ、このエッチングにより露出したｎ−ＧａＮ結晶３６０５の表面には、例えばＴｉ／Ａｌからなるｎ電極３６１４が形成される。

図２３に示す半導体レーザでは、ｎ電極３６１４を接地し、ｐ電極３６１２に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層３６０８に向かってｐ電極３６１２側からホ−ルが、またｎ電極３６１４側から電子が注入される。その結果、ＭＱＷ活性層３６０８内でキャリアの反転分布が発生するため、光学利得が生じ、波長４００ｎｍ帯のレーザ発振を引き起こすことができる。発振波長は、ＭＱＷ活性層３６０８の材料であるＧａ_1-xＩｎ_xＮ／Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ薄膜の組成や膜厚によって変化する。

非特許文献１に開示されている半導体レーザでは、水平方向の基本横モ−ドでレーザ発振が生じるようにリッジストライプの幅および高さが調節されている。すなわち、基本横モ−ドと高次モ−ド（１次以上のモ−ド）との間で光閉じ込め係数に差を設けることにより、基本横モ−ドでの発振を可能としている。

アンドープＧａＮ基板３６０１は、例えば以下のようにして作製される。

まず、ＭＯＣＶＤ法により、サファイア基板上に比較的薄いＧａＮ層を成長させる。その後、ハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）などの方法により、ＧａＮ層上にＧａＮの厚膜を成長させる。このとき、ＧａＮ厚膜に不純物を意図的にはドープしていない。充分な厚さにＧａＮ膜を成長させた後、サファイア基板を剥離することにより、ＧａＮ基板を得ることができる。

上記の方法で作製したＧａＮ基板には、刃状転位、らせん転位、および混合転位などの転位が１０⁷ｃｍ^-2のオーダーの密度で存在するという問題がある。このような大きさの密度で転位が存在すると、信頼性の高い半導体レーザを得ることは困難である。

図２３に示すＧａＮ層１６０４の成長は、転位の少ないＧａＮ層を得るために行なわれている。ＧａＮ層１６０４のＥＬＯ工程を付加することにより、ＧａＮ中の転位密度を７×１０⁵ｃｍ^-2程度に低減できる。このようにして形成した転位の少ない領域の上部に、活性領域（電流注入領域）を形成することにより、半導体レーザの信頼性を向上させることが可能となる。

さらに、Ｈ−ＶＰＥで育成したＧａＮ基板の表面に、残る歪みの影響を低減し、表面モフォロジーを改善するために、特許文献１は、図２４に示すように、Ｈ−ＶＰＥで作製したＧａＮ基板３６０１上に、ＭＯＶＰＥにより、ＡｌＧａＮからなる緩和層３７０１を堆積し、その上に前述のｎ−ＧａＮ層３６０５を形成することを記載している。ＧａＮ基板３６０１としては、不純物が意図的に添加されないアンドープ状態にあることが望ましいが、不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度になるようにＳｉをドープしてもよいことが記載されている。

一方、特許文献２が記載している方法では、基板上にＨ−ＶＰＥを持いてファセットを形成し維持しながらＧａＮを成長させる一種の選択成長において、種結晶となる基板上に規則的なパターンを形成することにより、ピットの発生位置を制御しようと試みている。

また、特許文献３は、ｎ型伝導を得るために酸素（Ｏ）をドープしたＧａＮ基板を開示している。特許文献３に記載されている基板の製造方法によると、結晶面内の不純物の取り込まれ方に分布が生じる場合がある。それは、Ｃ面ほかＲ面などのファセットを形成しながら成長させるため、面方位により不純物の取り込まれ方が異なることに起因する。
ジャパン・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Jpn. J. Appl. Phｙs.）、第３９巻、ｐ．Ｌ６４８ （２０００年） 特開２００１−１９６７００号公報 特開２００３−１６５７９９号公報 特開２０００−０４４４００号公報

非特許文献１や特許文献１に記載されている窒化物半導体素子は、レーザ素子の信頼性改善の可能性を有しているが、以下に説明するように、解決すべき新たな問題の存在が本願発明者らの実験により明らかとなった。この問題は、窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）に不純物がドープされている場合に顕著であることもわかった。すなわち、ＧａＮ基板に酸素やシリコン等の不純物がドープされている場合、そのようなＧａＮ基板上に窒化物半導体結晶の選択横方向成長（ラテラル成長）を行うと、以下に示す問題が生じることがわかった。

（１）横方向成長により形成した窒化物半導体層の成長表面に大きな凹凸が形成され、平坦性が悪化すること、および
（２）上記窒化物半導体層のうち横方向に成長した部分が相互に合体した箇所（合体部）に位置ずれが発生すること。

平坦性の悪化は、例えば半導体レーザを作製した場合、ストライプ状の導波路に（共振器方向の）うねりが生じるため、レーザ特性（とりわけしきい値電流や動作電流）にばらつきが生じ、歩留まりの低下を招いてしまう。また、横方向成長部の合体部には、刃状転位が生じやすく、その合体部の位置にばらつき（位置ずれ）が生じると、半導体レーザのストライプ位置に転位が入ってしまい、信頼性を低下させる場合がある。

上記の（１）および（２）に示すような現象は、基板の面内に不純物分布がある窒化物半導体基板に顕著に見られた。特に、不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の基板において問題が生じた。

さらに、研磨による平坦化加工等を施した窒化物半導体基板において同様の課題が明らかとなった。研磨処理によって表面にダメージが発生し、不純物の偏析が生じやすくなるためであると考えられる。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、信頼性の高い窒化物半導体素子を歩留まり良く作製する方法を提供することにある。

本発明の窒化物半導体の製造方法は、研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である第１不純物を含有する窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１：ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程（Ｂ）と、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の上面における複数のストライプ状領域の各々に対して選択的にＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を成長させる工程（Ｃ）とを含む。

好ましい実施形態において、前記第１不純物濃度は酸素である。

好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の前記主面における前記不純物の濃度の最大値をｎ_max、最小値をｎ_minとするとき、ｎ_max／ｎ_minは１０以上である。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層は、前記窒化物半導体基板に含まれる第１不純物とは異なる第２不純物を含有している。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶の成長温度における前記第１不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第２不純物の蒸気圧よりも高い。

好ましい実施形態において、前記第１不純物は酸素であり、前記第２不純物は、シリコン、ゲルマニウム、セレンおよび硫黄からなる群から選択された少なくとも１種である。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層における前記第２不純物の平均濃度は前記窒化物半導体基板の主面における前記第１不純物の平均濃度よりも低い。

好ましい実施形態において、前記第１不純物は、酸素、シリコン、ゲルマニウム、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも１種である。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の成長温度よりも前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶層の成長温度が高い。

好ましい実施形態において、前記工程（Ａ）は、前記主面に対して傾斜した複数のファセットを上面に形成するように窒化物半導体を成長させる工程（ａ１）と、前記窒化物半導体の上面を研磨して平坦化することにより前記主面を形成する工程（ａ２）とを含む。

好ましい実施形態において、前記工程（ａ１）は、前記複数のファセットの配列周期に応じた濃度分布を有するように不純物を前記窒化物半導体にドープする工程を含む。

好ましい実施形態において、前記工程（ａ１）は、ハイドライドＶＰＥ法によって前記窒化物半導体を成長させる工程を含み、前記工程（Ｂ）は、ＭＯＶＰＥ法によって前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層を成長させる工程を含む。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶は、アンドープ半導体層である。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層における前記第２不純物の平均濃度は、１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）の前に、前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層に形成する工程を含み、前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程を含む。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）を行なう前において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層または前記窒化物半導体基板のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域を選択成長用マスクで覆う。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む。

本発明による他の窒化物半導体素子の製造方法は、研磨された主面を有する窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１：ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程（Ｂ）と、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の上面における複数のストライプ状領域の各々に対して選択的に第１窒化物半導体層を成長させる工程（Ｃ）と、前記第１窒化物半導体層の上部に前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第２窒化物半導体からなる活性層、および、前記活性層よりもバンドギャップが大きい第３窒化物半導体を含む積層体を成長する工程（Ｄ）と、前記活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造を前記積層体の上に形成する工程（Ｅ）とを含む。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）の前に、前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する複数のストライプ状リッジを前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層に形成する工程を含み、前記工程（Ｃ）は、前記第１窒化物半導体層を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程を含む。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）を行なう前において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層または窒化物半導体基板のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域を選択成長用マスクで覆う。

好ましい実施形態において、前記工程（Ｃ）を行なう前において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層または窒化物半導体基板のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域および各ストライプ状リッジの側面を選択成長用マスクで覆う。

好ましい実施形態において、キャリアが注入する領域は、前記隣接する２つのストライプ状リッジの間の上部に形成される。

本発明の窒化物半導体は、研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である第１不純物を含有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の主面上に成長したＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１：ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）と、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の上面に形成された複数のストライプ状領域の各々に対して選択的に成長したＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とを含む。

好ましい実施形態において、前記窒化物半導体基板の前記主面における前記第１不純物の濃度の最大値をｎ_max、最小値をｎ_minとするとき、ｎ_max／ｎ_minは１０以上である。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶の成長温度における前記第１不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第２不純物の蒸気圧よりも高い。

好ましい実施形態において、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層における前記第２不純物の平均濃度は前記窒化物半導体基板の主面における前記第１不純物の平均濃度よりも低い。

本発明の窒化物半導体素子は、前記いずれかの窒化物半導体と、前記窒化物半導体上に設けられ、活性層を含む半導体積層構造と、前記活性層の一部の領域にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造とを備えている。

本発明によれば、窒化物半導体基板の選択された領域上に窒化物半導体結晶を横方向成長（ラテラル成長）によって形成する場合において、窒化物半導体基板に含まれる不純物の影響に起因して生じやすい結晶成長層における平坦性の低下を抑制できる。また、刃状転位の発生も抑えることができるため、転位密度の少ない窒化物半導体を歩留まりよく製造することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

（実施形態１）
まず、図１を参照する。図１は、本実施形態に係る窒化物半導体素子（半導体レーザ）の断面を示している。

本実施形態の半導体レーザは、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１：ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）を主面上に有するｎ−ＧａＮ基板１０１を用いて作製されており、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層には複数のストライプ状リッジが形成されている。本実施形態では、ｎ−ＧａＮ基板１０１上に形成するＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の一例として、ｕ＝０、ｖ＝１、ｗ＝０の組成を有する結晶の層を用いるため、以下、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層をＧａＮバッファ層１２０と称することし、特にｎ型不純物がドープされているＧａＮバッファ層１２０は、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０と称する。ＧａＮバッファ層１２０は、基板１０１に含まれる不純物の影響が選択横方向成長によって形成するＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）に悪影響を及ぼさないように機能する。本実施形態では、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶として、ｎ−ＧａＮ結晶１０６をＧａＮバッファ層１２０の選択された領域に成長させている。

図１に示す半導体レーザでは、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０の主面のうち、ストライプ状リッジの上面以外の部分はＳｉＮｘ（０＜ｘ＜３／４）から形成されたマスク層１０２で覆われている。

各ストライプ状リッジの上面は、基板主面に平行な結晶面を有するシード部１０５として機能し、隣接するストライプ状リッジの間には凹部が形成されている。この凹部は、半導体などによっては埋め込まれておらず、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面と半導体積層構造の底面との間にはエアギャップ１０３が存在している。

本実施形態では、リッジ上に形成された半導体積層構造が、基板に近い側から、ｎ−ＧａＮ結晶１０６、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０７、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０８、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０９、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１０、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１、ｐ−ＧａＮ層１１２を有している。ＭＱＷ活性層１０９は、厚さ３ｎｍのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層とを交互に積層することによって作製される。

ｐ−ＧａＮ層１１２には、電流および光閉じ込めのためリッジストライプが形成されており、リッジストライプの上面に位置する開口部を備えたＴａ₂Ｏ₅などからなる絶縁層１１４が半導体積層構造の上面を覆っている。このような構成により、ＭＱＷ活性層１０９のうちの特定の領域にキャリアを注入することが可能になる。ｐ−ＧａＮ層１１２のリッジストライプ上にはｐ電極１１３が形成され、配線電極１１６と接続されている。ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面にはｎ電極１１５が形成されている。

本実施形態の半導体レーザでは、ｐ電極１１３とｎ電極１１５との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１０９に向かってｐ電極１１３から正孔が注入され、ｎ電極１１５からは電子が注入される。この結果、活性層１０９のキャリア注入領域において利得が生じ、４０８ｎｍの波長でレーザ発振が生じる。

次に、図２から図１７を参照して、図１の半導体レーザを製造する方法の好ましい実施形態を説明する。

まず、図２に示すｎ−ＧａＮ基板１０１を用意する。図２の紙面に平行な面は｛１−１００｝面である。ｎ−ＧａＮ基板１０１の上面（主面）は（０００１）面であり、主面の法線方向は＜０００１＞である。

ｎ−ＧａＮ基板１０１としては、種々の方法で作製された基板を用いることができるが、本実施形態では、ハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）により、主面に対して傾斜した複数のファセットを上面に形成するようにＧａＮ層を成長させる工程（ａ１）と、ＧａＮ層の上面を研磨して平坦化することにより、前記主面を形成する工程（ａ２）を行なうことによって作製されたＧａＮ基板を用いる。このような方法で作製したＧａＮ基板にｎ型不純物をドープするには、例えば工程（ａ１）の段階で、ｎ型不純物を含むガスを成長面に供給する方法を採用することができる。本実施形態で使用するｎ−ＧａＮ基板１０１には、ｎ型ドーパントとして機能する酸素が含まれており、基板主面における平均酸素濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である。上記の方法で作製したＧａＮ基板には、比較的高い濃度の酸素がドープされやすく、また、その不純物濃度が基板主面の位置に応じて変動しやすい傾向がある。より具体的に述べれば、基板主面における不純物濃度は、結晶成長中に形成されるファセットの配列周期に応じた周期で変動する。これは、結晶成長中にＧａＮ層に取り込まれる酸素の量が、ファセットに対する位置に応じて異なることに起因して生じると考えられる。

上記のＧａＮ基板１０１の主面は、その平坦性を向上させるために研磨されている。ＧａＮ基板の研磨は、メカニカル・ポリッシュ（機械研磨）により行なわれるため、ＧａＮ基板１０１の主面には加工歪みが残りやすく、また歪みの大きさに面内分布が生じやすい。更に、メカニカル・ポリッシュの結果、基板表面にはスクラッチ傷が残っている場合がある。

次に、上記のスクラッチ傷を回復する目的で、５００〜１１００℃程度の熱処理を行なう。この熱処理は、例えば７５０℃で１分以上、望ましくは５分以上（例えば１０分）行なう。この熱処理を行なっている間、窒素原子（Ｎ）を含むガス（Ｎ₂、ＮＨ₃、ヒドラジンなど）を基板表面に供給することが好ましい。このような熱処理により、ＧａＮ基板１０１の表面近傍に存在する加工歪みやスクラッチ傷を低減することができる。

なお、熱処理前における基板表面のスクラッチ傷をＡＦＭで評価すると、その深さは数十μｍ程度であり、ＲＭＳ値（５０μｍ角エリアでの値）は１．６ｎｍであったが、上述の熱処理を行うことにより、ＧａＮ基板１０１の表面におけるスクラッチ傷が消失し、ＲＭＳ値が０．６ｎｍまで改善できた。ただし、このような熱処理を長時間行なうと、基板主面の平坦性が却って大きくなるという問題がある。

上記熱処理の後、ＭＯＶＰＥ法により、図３に示すｎ−ＧａＮバッファ層１２０を成長させる。このｎ−ＧａＮバッファ層１２０の成長は、例えば１０６０℃で行なわれる。ｎ−ＧａＮバッファ層１２０の厚さは、例えば１０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の範囲に設定される。なお、成長温度の好ましい範囲は、５００〜１１００℃である。

その後、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状にパターニングされたレジストマスク４０１を図４に示すようにｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に形成する。レジストマスクの４０１は、ストライプ状リッジのレイアウトを規定するパターンを有している。具体的には、レジスト膜３０１は、＜１−１００＞方向に延びるストライプパターンを規定している。

次に、Ｃｌ₂を用いたドライエッチングにより、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０のうち、レジストマスク４０１で覆われていない部分をエッチングし、図４に示すようにｎ−ＧａＮバッファ層１２０に凹凸を形成する。凸部は、＜１−１００＞方向に延びるストライプ状リッジであり、その幅は約３μｍである。ストライプ状リッジに挟まれた領域における凹部の幅は約１２μｍである。リッジ高さ（凹部の深さ）は、エッチング時間などによって調整され、例えば１μｍ程度に設定される。ストライプ状リッジの幅は１〜１０μｍの範囲に設定されることが好ましく、ストライプ状リッジに挟まれた領域における凹部の幅は１〜５０μｍの範囲に設定されることが好ましい。リッジ高さ（凹部の深さ）は、０．２〜５μｍの範囲に設定されることが好ましい。

図５に示すように、レジストマスク４０１を除去した後、ＥＣＲスパッタ法を用いて、ＳｉＮ_xからなる選択成長用マスク層（厚さ：５〜１０００ｎｍ）１０２をｎ−ＧａＮバッファ層１２０上に堆積する。本実施形態では、マスク層１０２を窒化シリコン（ＳｉＮ_x）から形成しているが、マスク層１０２は、ＧａＮの成長が生じにくい材料であれば、他の材料から形成してもよい。例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ガリウム（ＧａＯ_x）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、窒化チタン（ＴｉＮ）などの材料からマスク層１０２を好適に形成することができる。マスク層１０２は、複数のストライプ状リッジが形成されていない領域を覆っており、各ストライプ状リッジの側面を覆うことが好ましい。

次に、図６に示すようにマスク層１０２上に平坦化レジスト６０１を堆積した後、図７に示すようにリッジの上面（頂上部）が露出するまでレジスト６０１のエッチバックを行なう。このエッチバックは、例えばＯ₂プラズマを用いたドライエッチングによって行なうことができる。本実施形態では、平坦化レジスト５０１によってストライプ状リッジを覆った後、エッチバックを行なっているが、平坦化レジスト以外の材料でストライプ状リッジを覆ってもよい。

次に、リッジの上面が露出した状態でＳＦ₆を用いたドライエッチングを行なうことにより、図８に示すように、マスク層１０２のうちリッジ上面に位置する部分を除去し、リッジ頂上部におけるＧａＮ面（シード部１０５として機能する結晶面）を露出させる。その後、図９に示すように、有機溶剤等を用いてレジスト６０１を除去する。

このあと、ＭＯＶＰＥ法により、例えば１０６０℃でｎ−ＧａＮをシード部１０５上に選択的に成長させ、図１０に示すｎ−ＧａＮ結晶１０６を形成する。

ｎ−ＧａＮ結晶１０６へドープする不純物は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）などである。また、最終的にｎ型の導電性が確保できるのであれば、相対的に低い濃度でマグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）などのｐ型不純物を、ｎ型不純物とともに、ｎ−ＧａＮ結晶１０６にドープしてもよい。本実施形態では、ｎ−ＧａＮ結晶１０６の厚さを約３μｍに設定し、ｎ型不純物濃度が７×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようにＳｉをドープしている。

ｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長は、図１１に示すように前述の凹部が形成されている領域の上方で合体し、１つの連続したＧａＮ層を形成するまで行う。

次に、図１２に示すように、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０７（トータル膜厚１．５μｍ）、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０８（膜厚０．１μｍ）、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０９、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１０（膜厚０．１μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１（トータル膜厚０．６μｍ）、ｐ−ＧａＮ層１１２（膜厚０．５μｍ）を順次堆積する。

その後、図１に示すように、ｐ−ＧａＮ層１１２とｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１を幅１．７μｍ程度のリッジストライプ状に加工し、リッジストライプの両脇を絶縁１１４で覆って電流（キャリア）注入領域を形成する。

電流注入領域は、エアギャップ１０３の上部の転位の少ない領域に形成されることが好ましい。電流注入領域は、合体部に形成されるボイド１０４の真上の位置から外れた位置に形成することが好ましい。

ｐ−ＧａＮ層１１２表面にはｐ電極１１３（Ｐｄ／Ａｕ）を形成し、ｐ電極１１３と絶縁層１１４の上には配線電極１１６（Ｔｉ／Ａｕ）を形成する。また、ｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面側にはｎ電極１１５（Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ）を形成する。このようにして、図１に示す本実施形態の半導体レーザを得ることができる。

本実施形態では、転位密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度のｎ−ＧａＮ基板１０１を用いているが、横方向成長（ラテラル成長）により形成したｎ−ＧａＮ結晶１０６にける転位密度を基板における転位密度よりも１桁以上低減することができる。また、ＧａＮ結晶１０６のチルト（この場合は、Ｃ軸＜０００１＞の傾き）も小さく、合体部における刃状転位の新たな発生を防止できる。

以下、図１３（ａ）から（ｄ）を参照して、ｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長について詳細を説明する。

まず、図１３（ａ）を参照する。図１３（ａ）は、図９に相当する断面図である。図１３（ａ）に示すリッジまたは凹部が形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１のｎ−ＧａＮバッファ層１２０上に、ＭＯＶＰＥ法によってｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させると、ＳｉＮｘからなるマスク層１０２で覆われた領域にはＧａＮのエピタキシャル成長は生じず、マスク層１０２の開口部を介して露出したｎ−ＧａＮバッファ層１２０のシード部１０５に選択的なエピタキシャル成長が進行する。シード部１０５は、基板主面と同一の（０００１）面であり、各々が約３μｍ程度の幅を有するストライプ形状を有している。シード部１０５の幅とエアギャップ１０３の幅（つまり凹部の幅）は、１：３以上、好ましくは１：４以上にすることが好ましい。

このようにしてｎ−ＧａＮ結晶１０６を成長させるとき、図１３（ｂ）に示すように多結晶ＧａＮ１３０１が凹部のマスク層１０２上に析出する場合がある。特にｎ−ＧａＮ結晶１０６を形成する前に熱処理（サーマルクリーニング）を行なう場合、凹部のマスク層１０２上にＧａやＧａＮのドロップレットが付着すると、それを起点としてＧａＮがマスク層１０２上にも成長しやすくなる。しかし、析出する多結晶ＧａＮ１３０１はリッジの高さに比べて小さいため、リッジ頂上のシード部１０５から成長するｎ−ＧａＮ結晶１０６の結晶性に悪影響を与えることはない。

図１３（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＮ結晶１０６を縦および横方向に成長させることにより、図１３（ｄ）に示すように、隣接する２つのリッジ上に成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６が合体して１層の窒化物半導体層が形成される。ｎ−ＧａＮ結晶１０６が合体した位置には合体部分１３０２が形成される。なお、図１３（ｃ）に示す「ａ」は、ｎ−ＧａＮ結晶１０６の縦方向のサイズ（厚さ）を示し、「ｂ」は、ｎ−ＧａＮ結晶１０６のうち横方向に成長した領域のサイズ（幅）を示している。

こうして形成されたｎ−ＧａＮ結晶１０６からなる窒化物半導体層は、マスク層１０２上に析出した多結晶ＧａＮ１３０１とは衝突しないため、多結晶ＧａＮ１３０１によって結晶性が低下することはない。その結果、最終的に得られる素子特性のばらつきも低減でき、素子の製造歩留まりを向上させることができる。

合体部分１２０２には、ボイド１０４が形成され、転位などの欠陥が多いため、その真上に成長した半導体層に悪影響を与える。このため、図１に示す半導体レーザ素子の発光部（電流注入領域）は、図１３（ｄ）に示す合体部分１３０２の真上からはシフトした位置に配置されることが好ましい。

本実施形態で特に重要な点は、ｎ−ＧａＮ基板１０１上にＧａＮバッファ層１２０を形成していることにある。以下、図１４から図１６を参照しながら、ＧａＮバッファ層１２０の働きを説明する。

ＧａＮ基板１０１の導電型をｎ型にするため、本実施形態で使用するＧａＮ基板１０１には、ｎ型の不純物がドープされているが、この不純物の蒸気圧が比較的高く、ｎ−ＧａＮ基板１０１から脱離しやすい場合がある。このような場合において、ｎ−ＧａＮ基板１０１にストライプ状リッジを形成し、その上にＧａＮ結晶１０６の選択的な横方向成長を行なおうとすると、ＧａＮ結晶１０６のｃ軸方向における成長速度がＡ軸（＜１１−２０＞方向）における成長速度に比べて増大することがある。本発明者の検討によると、このような現象は、ＧａＮ結晶１０６の成長を行なう高温（１０００℃程度）において、ｎ−ＧａＮ基板１０１の表面から不純物が離脱し、それによってＧａＮ結晶１０６の成長が影響を受けるために生じると考えられる。

図１４（ａ）は、ｎ−ＧａＮ基板１０１にドープされた不純物がＧａＮ結晶１０６の成長時に離脱しやすい場合のＧａＮ結晶１０６を示している。一方、図１４（ｂ）は、このような不純物の脱離が生じにくい場合におけるＧａＮ結晶１０６を示している。このようにｎ−ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物による影響の程度が変化すると、図１３（ｃ）に示すサイズａおよびｂが変動してしまうことになる。

次に、ｎ−ＧａＮ基板１０１の面内方向に不純物濃度が大きくばらついた場合の問題を説明する。

一般に、製造上の理由から、ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の濃度は基板面内方向において大きく変動する場合がある。具体的には、ＧａＮ基板１０１の主面における位置によっては不純物濃度が２桁異なることがある。すなわち、基板主面における不純物濃度の最大値をｎ_max、最小値をｎ_minとするとき、ｎ_max／ｎ_minは１００以上になる場合がある。

ｎ−ＧａＮ基板１０１における不純物濃度が面内でこのように大きく異なると、その上部においてＧａＮ系結晶の選択的な横方向成長を行なう場合、下地の不純物濃度に応じて成長レートの異方性が変化する現象が観察される。その結果、これらのｎ−ＧａＮ結晶１０６からなる層の表面に大きな凹凸が形成され平坦性が悪化してしまうことになる。また、横方向成長部分の大きさ（サイズｂ）にバラツキが生じると、ＧａＮ結晶１０６が相互に合体した部分（合体部１３０２）において位置ずれが発生するという問題も生じる。

図１５（ａ）から（ｃ）は、ストライプ状開口部を有するマスク１０２が形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１の主面上に成長したＧａＮ結晶の形状が、ｎ−ＧａＮ基板１０１の不純物濃度に応じてどのように変化するのか模式的に示す斜視図である。

ｎ−ＧａＮ基板１０１の不純物濃度が高い場所では、キャリアの移動度が相対的に小さくなるため、熱伝導率が低下する。その結果、図１５（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＮ基板１０１の表面における実効的な温度が低下する。これは、熱伝導率の低い領域では、基板裏面から供給される熱が基板主面に伝導しにくくなるためである。したがって、ｎ−ＧａＮ基板１０１の不純物濃度が面内方向に分布を有していると、基板主面の温度も面内で分布を示すことになる。その結果、ＧａＮ基板上に成長するＧａＮ結晶の形状が図１５（ａ）から（ｃ）に示すように変化することになる。

図１５（ａ）に示すように、下地の不純物濃度加が高い位置では、下地温度が相対的に低くなるため、ＧａＮ結晶のＣ軸方向の成長速度は増加し、Ａ軸（＜１１−２０＞方向）の成長速度が低下する。また、（１１−２２）面などの高次の面が発生しやすくなる。これに対し、下地の不純物濃度が低い位置では、下地温度が相対的に高くなるため、図１５（ｃ）に示すように、Ｃ軸方向の成長速度が抑えられ、Ａ軸（＜１１−２０＞方向）の成長速度が増大する。したがって、ＧａＮ基板１０１に不純物濃度の分布があると、ＧａＮ結晶の表面に凹凸が生じ、表面モフォロジーや平坦性が悪化する。

図１６（ａ）は、このような合体部に隙間が形成された状態を示す光学顕微鏡写真である。ｎ−ＧａＮ結晶１０６の横方向成長が遅い部分（図１３（ｃ）のサイズｂが相対的に小さい部分）では、図１６（ａ）に示すように、幅数μｍ程度の隙間が形成されている。

図１７（ａ）は、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０を介することなく直接ｎ−ＧａＮ基板１０１上に成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６の断面を示す電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、図１７（ｂ）は、そのｎ−ＧａＮ結晶１０６の上面を示すＳＥＭ写真である。

図１７（ａ）および（ｂ）に示すｎ−ＧａＮ結晶１０６は、場所によって厚さおよび幅がばらついているため、平坦性が悪化している。このようなｎ−ＧａＮ結晶１０６上に更に半導体積を積層してゆくと、最終的に得られる半導体レーザのストライプ状導波路にうねりが生じる。このようなうねりが存在すると、レーザ素子の特性（例えばしきい値電流や動作電流）にばらつきが生じ、素子の製造歩留まりが低下してしまう。

また、ｎ−ＧａＮ結晶１０６における横方向成長部の合体部には、刃状転位が生じやすいが、その合体部の位置がずれることにより、活性領域として機能するリッジストライプに転位が入ってしまい、信頼性を低下やスクリーニング歩留まりの低下といった問題も生じる。

このような現象は、ＧａＮ結晶１０６の成長温度（約１０００〜１１００℃）において高い蒸気圧を示すような不純物がｎ−ＧａＮ基板中に含まれているときに生じやすいと考えられる。ｃ軸方向の成長速度は、ＧａＮ基板にドープされている不純物の種類によっても異なるが、どのような不純物であっても、平坦性の悪化や合体部のずれといった問題を引き起こす可能性がある。本発明者の実験によると、ＧａＮ基板１０１が不純物として、酸素、シリコン、セレン、ゲルマニウム、および硫黄からなる群から選択された元素を含むとき、ＧａＮ結晶１０６の成長に特に影響が及びやすい。これらの不純物の中でも、特に酸素はガスとなって基板表面から脱離しやすいため、高温で行なうＧａＮ結晶１０６の選択成長に影響を与えやすい。

本実施形態では、ｎ−ＧａＮ基板１０１上にＧａＮバッファ層１２０を形成することにより、ｎ−ＧａＮ基板１０１がＧａＮ結晶１０６の横方向成長時に与える悪影響を抑制している。そのため、不純物濃度が面内で大きく変動するｎ−ＧａＮ基板を用いても、ｎ−ＧａＮ基板における不純物濃度のばらつきの影響を受けずにすむ。

図１８（ａ）は、本実施形態におけるｎ−ＧａＮ結晶１０６の上面を示す光学顕微鏡写真であり、図１８（ｂ）は、その断面を模式的に示す図であり、図１８（ｃ）は、ｎ−ＧａＮ結晶１０６の断面を示す光学顕微鏡写真である。図１８（ａ）から（ｃ）に示されるように、本実施形態では、ＧａＮ結晶１０６からなる層は良好な平坦性を持ち、かつ転位密度の少ないものであった。カソードルミネッセンス（ＣＬ）により、転位密度を評価したところ、ストライプ状リッジの頂部に位置するシード部１０５の真上では５×１０⁶ｃｍ^-2程度の密度で転位が存在しているが、横方向成長させた部分（ウイング部）での転位密度は２×１０⁵ｃｍ^-2に低減できていた。

なお、本実施形態では、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０にストライプ状リッジを形成するためのエッチングを行なうとき、リッジ間に存在する凹部（溝）は、ｎ−ＧａＮ基板１０１には達していない。しかし、本発明は、このような場合に限定されず、図１９に示すように、ＧａＮ基板１０１に達してもよい。図１９に示す例では、ＧａＮ基板１０１の表面は、ＳｉＮ_xからなるマスク１０２によって被覆されているため、ＧａＮ基板１０１からの不純物の離脱が抑制されている。

また、本実施形態におけるＧａＮバッファ層１２０にはｎ型の不純物をドープしているが、ＧａＮバッファ層１２０には不純物をドープしなくてもよい場合がある。図１に示す半導体レーザでは、縦方向（基板厚さ方向）にキャリアが流れるが、そのような場合は、ＧａＮバッファ層１２０の厚さを電子の拡散長よりも薄く設定しておけば、ＧａＮバッファ層１２０がアンドープ状態でも問題はない。

本実施形態では、前述したように、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０にストライプ状リッジを形成した後、図１３（ａ）から（ｄ）に示すようにしてｎ−ＧａＮ層１０６を成長させるため、ｎ−ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の影響がｎ−ＧａＮ層１０６の成長に悪影響を与えることを抑制できる。このよなう効果を得るためには、ｎ−ＧａＮ層１０６にドープする不純物の種類や濃度に留意することが好ましい。

本発明者の検討により、以下の知見が得られた。

すなわち、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０には、ｎ−ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の蒸気圧（ｎ−ＧａＮバッファ層１２０上に形成するＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶の成長温度における蒸気圧）よりも低い蒸気圧を示す不純物をドープすることが好ましい。このようにすることにより、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶を成長するとき、下地からの不純物による悪影響（横方向成長時の平坦性の悪化など）を効果的に抑制することができる。

不純物の蒸気圧は、不純物元素の単体からなる材料の沸点が低いほど高い傾向がある。沸点は、ＧａＮにドープされ得る不純物のうち、酸素、硫黄、セレン、シリコン、およびゲルマニウムの沸点は、酸素＜硫黄＜セレン＜シリコン＜ゲルマニウムの順序で高い。このため、酸素、硫黄、セレン、シリコン、およびゲルマニウムの蒸気圧は、酸素＞硫黄＞セレン＞シリコン＞ゲルマニウムの順序で低くなる。

このため、ｎ−ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物が酸素であれば、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０には、シリコン、ゲルマニウム、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも１種の不純物をドープすることが好ましい。これらの不純物は単独で添加されていてもよいが、２種類以上添加されてもよい。

ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、特に１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であるとき、ＧａＮ層の成長に与える影響が大きくなる。このため、ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上のとき、ｎ−ＧａＮ結晶１０６を設けることの効果が大きくなる。

なお、ｎ−ＧａＮ基板１０１やｎ−ＧａＮ結晶１０６に含まれる不純物の濃度は、基板の厚さ方向に一様である必要はない。また、ｎ−ＧａＮ型１０６の一部に、電子の拡散長いよりも薄い不純物無添加（アンドープ）層領域が存在してもよい。

次に、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０における不純物濃度をどのような範囲に設定することが好ましいかを説明する。

本発明者の検討によると、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０にドープする不純物の濃度（Ｎ１）は、ｎ−ＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の濃度（Ｎ２）よりも低く設定すること（Ｎ２＞Ｎ１）が好ましいことがわかった。このようにすることにより、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶を成長するとき、下地からの不純物による悪影響（横方向成長時の平坦性の悪化など）を効果的に抑制することができる。本発明者の実験によると、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０へドープする不純物の濃度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることが好ましく、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが更に好ましく、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが最も好ましい。

なお、本実施形態では、窒化物半導体の成長をＭＯＶＰＥ（ＭＯＣＶＤ）法によって行なっているが、本発明は、このような成長法に限定されず、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法など、不純物濃度の制御性に優れている方法を用いても良い。

また、窒化物半導体基板で記載される基板の作製方法も、前述したハイドライドＶＰＥ（Ｈ−ＶＰＥ）を用いて行なうものに限定されず、高圧溶融法、液層成長法、またはフラックス法など成長速度の高い他の結晶成長方法を用いて作製したものであっても良い。ただし、本発明は、以上の説明から明らかなように、面内方向で不純物濃度が大きく変化しやすい基板を用いる場合に特に顕著な効果をもたらすものである。

（実施形態２）
次に、図１０を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第２の実施形態（半導体レーザ）を説明する。

本実施形態が前述の実施形態と異なる点は、電極の配置構成の違いにある。前述の実施形態では、ｎ電極１１５がｎ−ＧａＮ基板１０１の裏面に形成されているが、本実施形態におけるｎ電極１９０４は、ｎ−ＧａＮ基板１０１の主面に設けた半導体積層構造の上に形成されている。

図２０に示す半導体レーザ素子は、主面にＧａＮバッファ層１２０が形成されたｎ−ＧａＮ基板１０１と、その主面側に形成された半導体積層構造とを備えている。この半導体積層構造は、ｎ−ＧａＮ基板１０１に近い側から、ＧａＮ結晶１０６、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１９０３、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０７、ｎ−ＧａＮ光ガイド層１０８、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０９、ｐ−ＧａＮ光ガイド層１１０、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮクラッド層１１１、ｐ−ＧａＮ層１１２を有している。ＭＱＷ活性層１０９は、厚さ３ｎｍのＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＧａＮバリア層とを交互に積層することによって作製される。

ｐ−ＧａＮ層１１２には、電流および光閉じ込めのためリッジストライプが形成されており、リッジストライプの上面に位置する開口部を備えた絶縁層１１４が半導体積層構造の上面を覆っている。半導体積層構造の一部は、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１９０３が露出するまでエッチングされており、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１９０３の上にｎ電極１９０４および配線電極１９０５が形成されている。

本実施形態の半導体レーザでは、ｐ電極１１３とｎ電極１９０４との間に電圧を印加すると、ＭＱＷ活性層１０９に向かってｐ電極１１３から正孔が注入され、ｎ電極１９０４からは電子が注入される。ｎ電極１９０４からｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１９０３に注入された電子は、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子コンタクト層１９０３を横方向に流れてから、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層１０７およびｎ−ＧａＮ光ガイド層１０８を経て活性層１０９、に注入される。この結果、活性層１０９のキャリア注入領域で利得が生じ、４０８ｎｍの波長でレーザ発振が生じる。

本実施形態では、ＧａＮ基板１０１を電流は流れないため、ＧａＮ基板１０１に不純物をドープしておく必要性はない。また、同様の理由により、ＧａＮバッファ層１２０およびＧａＮ層１０６に対しても、不純物をドープしておく必要は無い。ただし、ＧａＮ基板１０１、ＧａＮバッファ層１２０、およびＧａＮ層１０６のいずれについても、ｎ型不純物あるいはｐ型不純物がドープされていてもよい。

図２０に示す半導体レーザでは、横方向に流れる電流の抵抗成分を低くするため、ｎ電極１９０４と接触するコンタクト層１９０３をｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子から形成している。

横方向に流れる電流の抵抗成分を低くするためには、ＧａＮ層１０６にｎ型不純物をドープし、かつ、その厚さを大きくすることが好ましい。例えば、ＧａＮ層１０６の厚さは、例えば１０００〜５００００ｎｍ程度に設定されることが好ましい。

本実施形態では、マスク層１０２がストライプ状リッジの間に位置する凹部の底面のみならず、ストライプ状リッジの側面をも被覆しているが、エアギャップ１０３を適切に形成できるならぱ、ストライプ状リッジの側面を覆う必要はない。ただし、ｎ−ＧａＮ結晶１０６やＧａＮ基板１０１に含まれる不純物の脱離を防止するためには、マスク層１０２を形成することが好ましい。

（実施形態３）
上記の実施形態１および２では、選択的な横方向成長によってＧａＮ結晶１０６を成長させるとき、下地にストライプ状のリッジを形成するため、ＧａＮバッファ層１２０を凹状に加工しているが、本発明は、このような場合に限定されない。

以下、図２１を参照しながら、本発明による窒化物半導体素子の第３の実施形態（半導体レーザ）を説明する。

本実施形態が前述の実施形態２と異なる点は、本実施形態では、ストライプ状のリッジをＧａＮバッファ層１２０に形成していない点にある。

本実施形態では、図２１に示すように、上面が平坦なＧａＮバッファ層１２０上にＳｉＮｘからなるマスク層１０２を形成している。このマスク層１０２には、ストライプ状の開口部２１０３が設けられている。このストライプ状開口部２１０３の位置は、図２０におけるストライプ状リッジの頂部の位置に対応している。

図２１に示すように、ＧａＮ結晶１０６の合体部に刃状転位が生じる場合がある。このよう刃状転位は、ＧａＮ結晶１０６とマスク層１０２との間に生じる歪みの影響でＧａＮ結晶１０６のＣ軸が傾く（チルトが発生する）ことによって生じる。ＧａＮ結晶１０６のチルトが生じると、合体部において、格子のずれが生じるためである。刃状転位の多い合体部を避けるため、レーザの活性領域（ストライプ状の電流注入領域）は、開口部２１０３と合体部との中央部の真上に配置することが好ましい。

（実施形態４）
本発明は、半導体レーザ以外の窒化物半導体素子、例えば、図２２に示す発光ダイオード（ＬＥＤ）にも適用される。本発明によれば、ＧａＮ基板に含まれる不純物の影響を抑制することにより、発光波長の不均一性を改善できるため、良好な特性の発光素子を得ることができる。

上記の各実施形態では、ＧａＮ基板１０１上に形成する結晶バッファ層１２０は、ＧａＮから形成された層であったが、この層は、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）で示される窒化物半導体の混晶から形成されていても良い。Ｉｎを含有するＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶（例えばＧａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ）から結晶バッファ層１２０を形成した場合、その上に成長させるＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶の成長温度よりも低い温度でＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶の層を成長させる必要がある。この成長温度は６００℃以上１０００℃以下の範囲にあることが好ましく、７００℃以上９００℃以下の範囲内にあることが更に好ましい。

また、結晶バッファ層１２０は単層構造を有しているものに限られず、例えばＡｌ_u1Ｇａ_v1Ｉｎ_w1Ｎ（u１＋v１＋w１＝１）層とＡｌ_u2Ｇａ_v2Ｉｎ_w2Ｎ（u２＋v２＋w２＝１）層を交互に積層した構造を有していてもよい。具体的には、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に積層した超格子構造を有していてもよい。このような積層構造を有している結晶バッファ層１２０にＳｉなどの不純物をドープする場合、いずれか一方の構成層に不純物をドープしてもよい。

本発明によって作製される窒化物半導体素子は、信頼性の高いＧａＮ系半導体レーザを必要とする光記録装置、光ディスプレイ（レーザディスプレイ）装置等の光源として有用であり、また、レーザ加工や医用等へ応用され得る。さらに、トランジスタなどの活性領域を本発明による窒化物半導体の低欠陥領域に形成すれば、信頼性の高いＧａＮ系電子デバイス（パワーデバイスなど）を実現することもできる。

本発明による窒化物半導体素子の第１の実施形態（半導体レーザ）の断面図である。 図１の半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 前記半導体レーザの製造方法を示す工程断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、ｎ−ＧａＮ結晶１０６の成長を示す工程断面図である。 （ａ）は、ｎ−ＧａＮ基板１０１のうち、不純物の離脱が多い領域上に成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６の斜視図であり、（ｂ）は、ｎ−ＧａＮ基板１０１のうち、不純物の離脱が少ない領域上に成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６の斜視図である。 （ａ）から（ｃ）は、ｎ−ＧａＮ基板１０１のうち、不純物濃度の高低によりｎ−ＧａＮ結晶１０６の形状が変化することを示す斜視図である。 （ａ）は、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０を介することなく直接ｎ−ＧａＮ基板上に成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６を示す光学顕微鏡写真であり、（ｂ）は、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０のストライプ状リッジに成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６を示す光学顕微鏡写真である。 （ａ）は、ｎ−ＧａＮバッファ層１２０を介することなく直接ｎ−ＧａＮ基板１０１上に成長したｎ−ＧａＮ結晶１０６の断面を示す電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、（ｂ）は、そのｎ−ＧａＮ結晶１０６の上面を示すＳＥＭ写真である。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態におけるｎ−ＧａＮ結晶１０６の上面を示す光学顕微鏡写真であり、（ｂ）は、その断面を模式的に示す図であり、（ｃ）は、ｎ−ＧａＮ結晶１０６の断面を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の第１の実施形態において、ストライプ状リッジをｎ−ＧａＮバッファ層１２０の厚さよりも深く形成した半導体レーザを示す断面図である。 本発明による窒化物半導体素子の第２の実施形態（半導体レーザ）の断面図である。 本発明による窒化物半導体素子の第３の実施形態（半導体レーザ）の断面図である。 本発明によるＬＥＤの断面図である。 窒化物半導体素子（半導体レーザ）の従来例示す断面図である。 窒化物半導体素子（半導体レーザ）の他の従来例を示す断面図である。

符号の説明

１０１ ｎ−ＧａＮ基板
１０２ マスク層
１０３ エアギャップ
１０４ ボイド
１０５ シード部
１０６ ｎ−ＧａＮ層
１０７ ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１０８ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
１０９ ＭＱＷ活性層
１１０ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
１１１ ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ／ＧａＮ超格子クラッド層
１１２ ｐ−ＧａＮ層
１１３ ｐ電極
１１４ 絶縁層
１１５ ｎ電極
１１６ 配線電極
１２０ ｎ−ＧａＮ層
４０１ レジストマスク
６０１ 平坦化レジスト
１３０１ 多結晶ＧａＮ
１３０２ 合体部分
１８０１ Ａｌ_0.02Ｇａ_0.97Ｎ層
２１０３ 開口部
３６０１ アンドープＧａＮ基板
３６０２ ＳｉＯ₂
３６０３ 開口部
３６０４ ＧａＮ層
３６０５ ｎ−ＧａＮ層
３６０６ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
３６０７ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
３６０８ ＭＱＷ活性層
３６０９ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
３６１０ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
３６１１ ｐ−ＧａＮコンタクト層
３６１２ ｐ電極
３６１３ ＳｉＯ₂
３６１４ ｎ電極
３６１４ 緩和層

Claims (13)

1. 研磨された主面を有し、前記主面における平均濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である第１不純物を含有する窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、
   Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１：ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程（Ｂ）と、
   前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の上面における複数のストライプ状リッジの各々に対して選択的にＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を横方向成長させて合体させ、一つの第１窒化物半導体層を成長させる工程（Ｃ）と、
   を含む窒化物半導体の製造方法であって、
   前記工程（Ｃ）の前に、前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する前記複数のストライプ状リッジを前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層に形成し、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域を選択成長用マスクで覆い、
   前記工程（Ｃ）は、前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程を含み、
   前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層は、前記窒化物半導体基板に含まれる第１不純物とは異なる第２不純物を含有しており、
   前記第１窒化物半導体層は、シリコンを含有しており、
   前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層における前記第２不純物の平均濃度は、前記窒化物半導体基板の主面における前記第１不純物の平均濃度よりも低く、
   前記第２不純物は、シリコンである窒化物半導体の製造方法。
2. 前記第１不純物は酸素である請求項１に記載の製造方法。
3. 前記窒化物半導体基板の前記主面における前記不純物の濃度の最大値をｎ_max、最小値をｎ_minとするとき、ｎ_max／ｎ_minは１０以上である請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶の成長温度における前記第１不純物の蒸気圧は、前記成長温度における前記第２不純物の蒸気圧よりも高い請求項１に記載の製造方法。
5. 前記第１不純物は、酸素、セレン、および硫黄からなる群から選択された少なくとも１種である請求項１に記載の製造方法。
6. 前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の成長温度よりも前記Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶層の成長温度が高い請求項１に記載の製造方法。
7. 前記工程（Ａ）は、
   前記主面に対して傾斜した複数のファセットを上面に形成するように窒化物半導体を成長させる工程（ａ１）と、
   前記窒化物半導体の上面を研磨して平坦化することにより、前記主面を形成する工程（ａ２）と
   を含む、請求項１から６のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記工程（ａ１）は、前記複数のファセットの配列周期に応じた濃度分布を有するように不純物を前記窒化物半導体にドープする工程を含む請求項７に記載の製造方法。
9. 前記工程（ａ１）は、ハイドライドＶＰＥ法によって前記窒化物半導体を成長させる工程を含み、
   前記工程（Ｂ）は、ＭＯＶＰＥ法によって前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層を成長させる工程を含む請求項７または８に記載の製造方法。
10. 前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層における前記第２不純物の平均濃度は、１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3以下である請求項１から９のいずれかに記載の製造方法。
11. 前記工程（Ｂ）は、前記ストライプ状リッジの上面の幅を１μｍ以上４００μｍ以下の範囲に設定し、かつ、前記ストライプ状リッジの配列ピッチを２μｍ以上５００μｍ以下の範囲に設定する工程を含む、請求項１から１０の何れかに記載の製造方法。
12. 研磨された主面を有する窒化物半導体基板を用意する工程（Ａ）と、
    Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１：ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）を前記窒化物半導体基板の主面上に成長させる工程（Ｂ）と、
    前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層の上面における複数のストライプ状リッジの各々に対して選択的にＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ結晶（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１：ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を横方向成長させて合体させ、一つの第１窒化物半導体層を成長させる工程（Ｃ）と、
    前記第１窒化物半導体層の上部に前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さい第２窒化物半導体からなる活性層、および、前記活性層よりもバンドギャップが大きい第３窒化物半導体を含む積層体を成長する工程（Ｄ）と、
    前記活性層にキャリアを選択的に注入する電流狭窄構造を前記積層体の上に形成する工程（Ｅ）と
    を含む窒化物半導体素子の製造方法であって、
    前記工程（Ｃ）の前に、前記窒化物半導体基板の主面に平行な上面を有する前記複数のストライプ状リッジを前記Ａｌ _u Ｇａ _v Ｉｎ _w Ｎ結晶層に形成し、前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層のうち、前記複数のストライプ状リッジが形成されていない領域を選択成長用マスクで覆い、
    前記工程（Ｃ）は、前記第１窒化物半導体層を前記複数のストライプ状リッジの上面に選択的に成長させる工程を含み、
    前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層は、前記窒化物半導体基板に含まれる第１不純物とは異なる第２不純物を含有しており、
    前記第１窒化物半導体層は、シリコンを含有しており、
    前記Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ結晶層における前記第２不純物の平均濃度は、前記窒化物半導体基板の主面における前記第１不純物の平均濃度よりも低く、
    前記第２不純物は、シリコンである窒化物半導体素子の製造方法。
13. キャリアが注入する領域は、前記隣接する２つのストライプ状リッジの間の上部に形成される請求項１２に記載の製造方法。