WO2007066644A1

WO2007066644A1 - Iii族窒化物半導体素子およびiii族窒化物半導体素子の製造方法

Info

Publication number: WO2007066644A1
Application number: PCT/JP2006/324233
Authority: WO
Inventors: Koichi Naniwae; Ichirou Masumoto
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2007-06-14
Also published as: JP5341353B2; JPWO2007066644A1; US20090257467A1

Abstract

　半導体レーザ３００は、ｐ型ＧａＮガイド層１０７と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７上に設けられ、開口部３１４Ａが形成された電流狭窄層３１４と、電流狭窄層３１４上に設けられるとともに、電流狭窄層３１４に形成された開口部３１４Ａを埋め込むｐ型クラッド層１０８とを有する。ｐ型クラッド層１０８と、ｐ型ＧａＮガイド層１０７との界面は、開口部３１４Ａ底部に存在する。電流狭窄層３１４はIII族窒化物半導体層であり、開口部３１４Ａの幅寸法は、開口部３１４Ａ上部側で最小となっている。

Description

明細書

m族窒化物半導体素子および m族窒化物半導体素子の製造方法技術分野

[0001] 本発明は、 in族窒化物半導体素子および in族窒化物半導体素子の製造方法に関する。

背景技術

[0002] m族窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きぐバンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。特に 1990年代半ば頃よりこの III族窒化物半導体を用いた紫外力青、緑色の波長領域の発光ダイォード（Light Emitting Diode : LED)の性能が急激に向上した結果、同材料を用いた LEDの適用範囲は格段に広がり非常に大きな巿場を形成している。また、次世代の高密度光ディスク用光源としても本材料は重要であり、発振波長 405nmの半導体レーザ (Laser Diode : LD)の研究開発が精力的に進められ、一部実用化され始めている。

また、 III族窒化物半導体は、禁制帯幅が大きいことに加えて、絶縁破壊電界が大きいと予想されること、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による 2次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、高温動作、高速スイッチング動作、大電力動作などの点で、従来の Siや GaAsを用いた素子を大幅に凌駕する高性能素子への応用が期待され、精力的な検討が行われている。

[0003] この III族窒化物半導体を用いて、上記の様な産業上非常に大きなインパクトを有する新機能、高性能を有する素子を作製するためには、欠陥の少ない良質な多層薄膜を精密に積層する技術に加えて、その多層薄膜を精密かつ微細に加工し所定の構造を作製する技術が極めて重要である。この点について、 LDを例に挙げて説明する

[0004] III族窒化物半導体 LD構造としては、従来より図 5に示す構造が主流であった。

図 5に示す半導体素子 100は、 n型 GaN基板 101上に、 GaN層 102、 AlGaN層からなる n型クラッド層 103、 n型光閉じ込め層 104、多重量子井戸層 105、キャップ層 1 06、 p型 GaNガイド層 107、 AlGaN層力なる p型クラッド層 108、 GaN層からなる p 型コンタクト層 109を積層したものである。

P型クラッド層 108はリッジ部 111を有しており、このリッジ部 111の側方は、絶縁膜 110でカバーされている。この絶縁膜 110は、リッジ部 111の上面上に開口部を有しており、開口部に p型コンタクト層 109、 p電極 112が設けられる。

電流狭窄はリッジ構造によってなされ、リッジ幅およびリッジ高さを調整することにより横モードの制御がなされる。このようなリッジ構造 LDでは、構造的に寄生容量が小さヽため高周波特性の点で有利である。

[0005] 図 5のリッジ構造は、リソグラフィ一とエッチングを併用して作製される。 III族窒化物半導体では溶液による化学エッチングが困難なため、エッチングにはハロゲン系ドラィエッチングが用いられる。リッジ構造 LDの横モード特性は p電極 112のストライプ幅、リッジ幅およびリッジ高さが主要なパラメータとなる。

ストライプ幅およびリッジ幅はリソグラフィ一に依存するため、精度良く作製することができる。

一方で、リッジ高さは、エッチング量で決まり、エッチング時のプラズマ条件、エッチングガス流量、基板温度などの多くのパラメータに依存する。このため大面積にわたり歩留まり良く素子の作製を行うことが困難であった。またエッチング時に発生する荷電粒子により、活性層がダメージを受ける問題があった。

[0006] リッジ構造の LDよりも効率のよい電流狭窄を実現する構造として、電流狭窄層が内部に埋め込まれた構造のインナーストライプ型の LDも提案されている。例えば、図 6 に示す構造が示されている（例えば、特許文献 1参照)。図 6に示す半導体素子 200 は、 p型 GaNガイド層 107上に、開口部 114Aを有する電流狭窄層 114と、この電流狭窄層 114上に形成されるとともに、電流狭窄層 114の開口部 114Aを埋め込む p 型クラッド層 108とを有する。

電流狭窄層 114は、 A1Nで構成されており、この電流狭窄層 114によりキャリア注入効率の向上が図られる。

また、この電流狭窄層 114は電流狭窄と横モード制御を兼ねた構造となって、る。この構造では、横モード特性に影響する各層の厚さが成長膜厚で制御できるため、再現性、歩留まりの点でリッジ構造 LDに比べ有利な構造となる。

[0007] ここで、図 6に示す半導体素子 200を製造する際には、 p型 GaNガイド層 107上に非結晶層である電流狭窄層 114を形成する。そして、燐酸および硫酸を体積比 1 : 1 で混合した 80°C〜120°Cのエッチング液よりウエットエッチングを行い、開口部 114A を形成する。

このように電流狭窄層 114を非結晶層とすることで、電流狭窄層 114の下部の層にダメージを与えることなぐエッチングにより、開口部 114Aを形成することができる。ここで、非結晶層とは、アモルファス層または一部微結晶化層を含むアモルファス層を意味する。

その後、電流狭窄層 114を、 p型クラッド層 108および p型コンタクト層 109を形成する際に、 900°C以上に昇温すると、電流狭窄層 114は、下地である p型 GaNガイド層 107の結晶方位を引き継、で固相成長し結晶化する。この過程で電流狭窄層 114 には大量の転位が導入され格子緩和するため、結晶化してもクラックが発生しない。さらに結晶化した電流狭窄層 114上への p型クラッド層 108および p型コンタクト層 10 9の成長にぉ、ても、高密度の転位により p型クラッド層 108および p型コンタクト層 10 9の格子が緩和されるためクラックが発生することなく成長を行うことができる。

[0008] 特許文献 1 :特開 2003— 78215号公報

発明の開示

[0009] 上記 A1N力なる電流狭窄層が内部に埋め込まれた構造のインナーストライプ型の III族窒化物半導体素子の性能の向上や歩留りの向上には、欠陥の抑制が重要となる。

従来のインナーストライプ型の III族窒化物半導体素子 200の電流狭窄層 114の開口部 114A近傍（図 6の点線で囲んだ部分)を拡大した概念図を図 7に示す。電流狭窄層 114の開口部 114Aの形状は、いわゆる順テーパ状である。

このような形状の開口部 114Aが形成されると、 p型クラッド層 108、 p型コンタクト層 109等を成長させる際、開口部近傍に多数の転位 115が発生する。この転位 115は P型クラッド層 108、 p型コンタクト層 109等に伝播し素子寿命を低下させる一因となるまた開口部近傍に発生した多数の転位によって表面歪エネルギーが解放されることで、開口部近傍の結晶成長速度が増大するため、 p型クラッド層 108のうち、開口部 114Aを埋める部分の厚みが増大することとなる。これにより、半導体素子 200の動作電圧が上昇する。

また、開口部 114Aを埋める部分の p型クラッド層 108の厚みが厚くなり、 p型クラッド層 108の厚みがばらつくことで光閉じ込め構造に設計とのずれが生じ、閾値や、キンクレベルなどの特性のばらつきの原因となる。

[0010] 従来の III族窒化物半導体素子 200の開口部近傍で多くの転位が発生する原因として、以下のことが考えられる。

従来の III族窒化物半導体素子 200においては、開口部 114Aの形状が順テーパ形状となってヽるため、開口部 114Aを形成する電流狭窄層 114の側壁に p型クラッド層 108を構成する AlGaNが付着しやすぐ開口部 114Aを形成する側壁に結晶核が形成されやすい。開口部 114Aを構成する側壁に形成された結晶核から成長した結晶中には、多くの転位が発生する。

そのため、従来の III族窒化物半導体素子 200では、開口部近傍で多くの転位が発生していたものと考えられる。

[0011] 本発明によれば、 III族窒化物半導体を含む第一の層と、前記第一の層上に設けられ、開口部が形成された第二の層と、前記第二の層上に設けられるとともに、前記第二の層に形成された前記開口部を埋め込み、 III族窒化物半導体を含む第三の層とを有し、前記第三の層と、前記第一の層との界面が前記開口部底部に位置し、前記第二の層の前記開口部の幅寸法は、前記開口部上部側で最小となることを特徴とする III族窒化物半導体素子が提供される。

[0012] ここで、開口部上部側とは、第一の層と反対側の部分のことであり、開口部底部と反対側の部分である。

また、「開口部の幅寸法が開口部上部側で最小となる」とは、 III族窒化物半導体素子の各層と直交するいずれかの断面において、開口部の幅寸法が開口部上部側で最小となっていればよい。

また、開口部がストライプ状に延びる場合にはストライプの長手方向と直交する断面にお、て、開口部の幅寸法が開口部上部側で最小となることが好ま、。

[0013] この発明によれば、第二の層の開口部の幅寸法は、開口部上部側で最小となっている。換言すると、開口部を構成する側壁のうち、開口部上部側の部分が他の部分に比べて、最も開口部内側に突出した構造となっている。そのため、開口部の側壁に第三の層を構成する原料が付着しにくくなり、開口部の側壁に第三の層の結晶核が形成されにくくなる。

これにより、開口部近傍での転位の発生を抑制することができる。

また、本発明では、開口部を構成する側壁のうち、開口部上部側の部分が最も開口部内側に突出した構造となっているので、この開口部上部側の部分により、開口部底部側から上方に向力う転位がブロックされることとなる。そのため、開口部近傍で発生する転位は、ループ状転位となる。これにより、開口部内側の開口部中心部近傍や、第三の層の上方部分への転位の伝播が抑制され、 III族窒化物半導体素子の寿命の低下を防止することができる。

さらに、開口部近傍での転位が発生しにくくなるので、開口部近傍の第三の層の厚みが増大してしまうことも防止できる。

[0014] また、本発明によれば、 III族窒化物半導体層である第一の層上に第二の層を設ける工程と、前記第二の層に開口部を形成する工程と、前記第二の層の前記開口部を埋め込むとともに、前記第二の層上に設けられる III族窒化物半導体層である第三の層を設ける工程と、

を含み、第二の層に開口部を形成する前記工程では、前記開口部上部側で幅寸法が最小となるように前記開口部を形成することを特徴とする III族窒化物半導体素子の製造方法も提供することができる。

[0015] 本発明によれば、寿命の低下を防止することができ、開口部近傍での第三の層の厚みの増大を防止することができる III族窒化物半導体素子および III族窒化物半導体素子の製造方法が提供される。

図面の簡単な説明

[0016] 上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。 [0017] [図 1]本発明の一実施形態に力かる III族窒化物半導体素子を示す断面図である。

[図 2]ΠΙ族窒化物半導体素子の要部を示す図である。

[図 3]実施例 2にかかる III族窒化物半導体素子を示す断面図である。

[図 4]本発明の変形例に力かる III族窒化物半導体素子を示す断面図である。

[図 5]従来の III族窒化物半導体素子を示す断面図である。

[図 6]従来の III族窒化物半導体素子を示す断面図である。

[図 7]図 6に示す III族窒化物半導体素子の要部を示す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下、図 1を参照して、本実施形態の III族窒化物半導体素子について説明する。

III族窒化物半導体素子は、 III族窒化物半導体光素子であり、半導体レーザ 300である。

まず、はじめにこの半導体レーザ 300の概要にっ、て説明する。

この半導体レーザ 300は、 III族窒化物半導体層である第一の層（ρ型 GaNガイド層 107)と、第一の層上に設けられ、開口部 314Aが形成された第二の層（電流狭窄層 314)と、第二の層上に設けられるとともに、第二の層に形成された開口部 314Aを埋め込む III族窒化物半導体層である第三の層（p型クラッド層 108)とを有する。

第三の層と、第一の層との界面は、開口部 314A底部に存在する。

第二の層は III族窒化物半導体層であり、開口部 314Aの幅寸法は、開口部 314A 上部側で最小となっている。

[0019] 次に、半導体レーザ 300の構成について、詳細に説明する。

半導体レーザ 300は、半導体基板としての n型 GaN基板 101と、 n型 GaN基板 101 上に設けられた Siドープ n型 GaN層 102と、 Siドープ n型 GaN層 102上に設けられた n型クラッド層 103、 n型クラッド層 103上に設けられた n型光閉じ込め層 104と、 n型光閉じ込め層 104上に設けられた活性層としての 3周期多重量子井戸 (MQW)層 1 05と、 3周期多重量子井戸（MQW)層 105上に設けられたキャップ層 106と、キヤップ層 106上に設けられた p型 GaNガイド層 107と、 p型 GaNガイド層 107上に設けられた電流狭窄層 314と、電流狭窄層 314上に設けられた p型クラッド層 108と、 p型クラッド層 108上に設けられた p型コンタクト層 109とを有する。 [0020] n型 GaN基板 101の表面側には、 Siドープ n型 GaN層 102が積層されており、 n型 GaN基板 101の裏面側には、 n電極 113が設けられている。

Siドープ n型 GaN層 102は、例えば、 Si濃度 4 X 10¹⁷cm_³であり、厚さは、 1 ^ m である。

n型クラッド層 103は、例えば、 Siドープ n型 Al Ga Nから構成される層であり

0. 05 0. 95

、例えば、 Si濃度 4 X 10¹⁷cm^_3、厚さ 2 mである。

n型光閉じ込め層 104は、例えば、 Siドープ n型 GaNからなるものであり、例えば、 S i濃度 4 X 10¹⁷cm_³、厚さ 0.： L mである。

さらに、 3周期多重量子井戸（MQW)層 105は、例えば、 In Ga N (たとえば、

0. 1 0. 9

厚さ 3nm)井戸層とアンドープ GaN (たとえば、厚さ 10nm)ノリア層とを含んで構成される。

キャップ層 106は、 Mgドープ p型 Al Ga Nからなるものである。

0. 2 0. 8

p型 GaNガイド層 107は、 Mgドープ p型 GaNからなるものであり、例えば、 Mg濃度 1 X 10¹⁹cm^_3、厚さ 0. 1 μ mである。

[0021] 電流狭窄層 314は、 III族窒化物半導体層であり、 In Ga Al Ν (0≤χ≤1、0≤ y≤l、 x+y≤l)力もなる層である。例えば、電流狭窄層 314は、 A1N層である。本実施形態では、電流狭窄層 314は単層構成である。

この電流狭窄層 314には、ストライプ状の開口部 314Aが形成されている。開口部 314Aの長手方向と直交する断面において、開口部 314Aの幅寸法は、開口部 314A上部側で最小となって、る。

本実施形態では、開口部 314Aの長手方向と直交する断面において、開口部 314 Aの幅寸法は開口部 314A底部側から、開口部 314A上部側に向力つて単調減少している。

換言すると、開口部 314Aの形状は、開口部 314A底部側から、開口部 314A上部側に向力つて幅寸法が小さくなる逆テーパ状である。

また、開口部 314Aを形成する電流狭窄層 314の側壁の上端部部分は、側壁の他の部分よりも開口部 314A内側に張り出している。すなわち、電流狭窄層 314の側壁の上端部部分は、庇状に開口部 314A内側に張り出して、ると、える。ここで、開口部 314Aの長手方向と直交する断面において、開口部 314Aの上端部の幅寸法（開口部 314Aの最小幅）は、 2 m以下である。

[0022] p型クラッド層 108は、例えば、 Mgドープ p型 Al Ga N (Mg濃度 1 X 10¹⁹

0. 05 0. 95

cm"³,厚さ 0. 5 /z m)からなる層である。この p型クラッド層 108は、電流狭窄層 314 上に設けられるとともに、開口部 314Aを埋め込んでいる。 p型クラッド層 108と、 p型 GaNガイド層 107との界面は、開口部 314Aの底部にあり、 p型クラッド層 108と、 p型 GaNガイド層 107との界面と、電流狭窄層 314の p型 GaNガイド層 107側の表面とは、略同一平面上にある。

また、 p型クラッド層 108の上面 (p型コンタクト層 109側の面）は略平坦である。

[0023] p型コンタクト層 109は、 Mgドープ p型 GaN (例えば、 Mg濃度 2 X 10^2Gcm_³以下、厚さ 0. 02 μ m)力らなる層である。

この p型コンタクト層 109上には、 p電極 112が設けられて!/、る。

[0024] 次に、このような半導体レーザ 300の製造方法について、説明する。

まず、はじめに n型 GaN基板 101上に、 Siドープ n型 GaN層 102、 n型クラッド層 10 3、 n型光閉じ込め層 104、 3周期多重量子井戸（MQW)層 105、キャップ層 106、 p 型 GaNガイド層 107を、たとえば、有機金属気相成長法 (以下 MOVPE法）により積層する。

次に、 p型 GaNガイド層 107上に、電流狭窄層 314を積層する。

電流狭窄層 314は、低温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングにより開口部 314Aを設け、その後、非結晶層形成温度よりも高い温度で p型クラッド層 108よりも上部の層を形成することにより、非結晶層を結晶層に変換するという工程により形成される。

電流狭窄層 314となる A1Nは、有機金属気相成長法 (以下 MOVPE法）により 600 °C以下の低温で堆積される。これは MOVPE法により p型 GaNガイド層 107上に高温で単結晶 A1N層を作製すると、堆積時に A1N層にクラックが発生するためである。 600°C以下の低温で非結晶の A1Nを約 0.： m堆積する。次に、リン酸含有エッチング液を用いた選択エッチングによりストライプ状の開口部 314Aを形成する。この際、開口部 314Aの長手方向と直交する断面において、開口部 314Aの上端部の幅寸法が最小幅寸法になるように、エッチングを行う。これは、エッチング液の選択、さらには、 A1Nの成膜温度、エッチング液温度、エッチング時間を厳密に制御することにより、好適な条件でエッチングを行うことで実現される。

具体的には、リン酸含有エッチング液としては、低粘度のものを使用する。例えば、 30°Cの粘度が 15cP (センチポアズ）（0. 015Pa' s)以下、より好ましくは、 10cP (0. OlPa' s)以下、さらには、 5cP (0. 005Pa' s)以下、のリン酸含有エッチング液を使用する。

また、リン酸含有エッチング液の温度は、 60°C以下が好ましぐさらには、 50°C以下であることが好ましい。

なお、このリン酸含有エッチング液は、リン酸以外の強酸を含まないことが好ましい

[0025] その後、電流狭窄層 314上に、 p型クラッド層 108を A1N層の堆積温度よりも高い温度で積層し、さらに、 p型コンタクト層 109を積層する。なお、 p型クラッド層 108は、開口部 314Aを埋め込むように積層される。その後、 p電極 112を設ける。

また、 n型 GaN基板 101裏面に n電極 113を設ける。

これにより、半導体レーザ 300を得ることができる。

[0026] このような半導体レーザ 300では、電流狭窄層 314の開口部 314Aの幅寸法は、開口部 314A上部側で最小となっており、開口部 314Aを構成する電流狭窄層 314の側壁の上部が開口部 314A内側に突出した構造となって、る。

そのため、 p型クラッド層 108を積層する際に、開口部 314Aを形成する側壁に p型クラッド層 108を構成する原料が付着しに《なり、開口部 314Aの側壁に p型クラッド層 108の結晶核が形成されにくくなる。

これにより、開口部 314A近傍での転位の発生を抑制することができる。

[0027] 本実施形態では、開口部 314Aを構成する電流狭窄層 314の側壁の上部が開口部 314A内側に突出した構造となっているので、この開口部 314Aを構成する側壁の上部により、上方に向力う転位がブロックされることとなる。そのため、図 2に示すように、開口部 314A近傍で発生する転位 115は、ループ状転位となる。これにより、開口部 314A内側の中心部近傍や、 p型クラッド層 108の p型コンタクト層 109側近傍部分への伝播が抑制される。これにより、半導体レーザ 300の寿命の低下を防止することがでさる。

なお、図 2は、図 1の点線で囲まれた部分を拡大したものである。

さらに、開口部 314A近傍での転位が発生しに《なるので、開口部 314A近傍の p 型クラッド層 108の厚みが設計値よりも増大してしまうことも防止できる。

これにより、半導体レーザ 300の動作電圧の上昇を防止することができる。さらに、 p型クラッド層 108の開口部 314A近傍の厚みの増大を防止できるので、光閉じ込め構造の設計とのずれを防止することができ、閾値や、キンクレベルなどの特性のばらつきを抑制することができる。

[0028] さらに、本実施形態では、電流狭窄層 314を In Ga Al N (0≤x≤ 1、 0≤y≤ 1

、 x+y≤l)力もなる層、具体的には、 A1N層としている。

電流狭窄層 314に接する下部の層は、 p型 GaNガイド層 107であり、電流狭窄層 3

14に接する上部の層は、 Mgドープ p型 Al Ga Nからなる p型クラッド層 108で

0. 05 0. 95

ある。電流狭窄層 314を、電流狭窄層 314上の直上の層、電流狭窄層 314の直下の層と同様の III族窒化物半導体層とすることで、電流狭窄層 314が不純物となって拡散することがなぐまた、熱処理による結晶化も比較的容易に行なうことができる。

[0029] また、本実施形態では、電流狭窄層 314を A1N層としている。電流狭窄層 314を 2 元化合物とすることで、多元混晶と比べて、結晶化した際に平坦な表面が得られやすい。また、 A1Nは、 III族窒化物半導体中で最も大きなバンドギャップと、最も小さな屈折率とを有するため、高い絶縁性能と、充分な光閉じ込め性能を有する電流狭窄層を実現することができる。

[0030] さらに、開口部 314Aの最小幅を 2 m以下としているので、開口部 314Aが容易に埋め込まれ、より厚みのばらつきが少なく表面が平坦な p型クラッド層 108が得られやすい。

[0031] なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなぐ本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、前記実施形態では、電流狭窄層 314を単層構成としたが、これに限らず、図 3に示すように、電流狭窄層 414を p型 GaNガイド層 107上に形成される下部層 4 16と、この下部層 416上に形成される上部層 417とを備えるものとしてもよい。

例えば、下部層 416を In Ga Al N (0≤a< l、 0≤b< l、 0≤a+bく 1)からな a b 1— a— b

る層とし、上咅層 417を、 In Ga Al N (0≤c≤l, 0≤d≤l, 0< c + d≤l)力ら c d 1 -c-d

なる層とする。

そして、上部層 417の Al組成比をゼロあるいは、下部層 416の A1組成比よりも小さくする。

この場合には、上部層 417において、反応性に富む A1原子濃度が少なくなるため上部層 417表面に酸ィ匕物などの変性層が形成されに《なる。

そのため、電流狭窄層 414にウエットエッチング等により、開口部 414Aを形成する際に、電流狭窄層 414と、 SiOなどの誘電体マスクとの密着性が改善する。

2

これにより、開口部 414Aの幅の制御性が向上する。

ここで、上部層 417は、 GaN力もなる層であることが好ましい。

GaN力もなる上部層 417が形成されている場合には、前記誘電体マスクとの密着性がさらに改善することに加えて、二元化合物であるために多元混晶とくらべて結晶化したときに平坦な表面が得られやすい。

また、下部層 416を A1N層とすることが好ましい。

なお、開口部 414Aの形状は、前記実施形態の開口部 314Aの形状と同じであり、上部側で最小幅寸法となる。この最小幅寸法は、 2 m以下であることが好ましい。さらに、前記実施形態では、開口部 314Aの形状が逆テーパ状であり、開口部底部から上部に向力つて幅寸法が単調減少するとした力開口部 314Aの形状はこれに限られるものではない。

例えば、図 4に示すように、開口部底部から上部に向力つて幅寸法が一度広がった後、幅寸法が開口部上部側で最小となるような形状の開口部 314Bを形成してもよい開口部 314Bのような形状であっても、開口部 314Bを構成する電流狭窄層 314の側壁の上端部が開口部 314B内側に突出した構造となっているので、 p型クラッド層 1 08を積層する際に、開口部 314Bを形成する側壁に p型クラッド層 108を構成する原料が付着しに《なり、開口部 314Bを形成する側壁に p型クラッド層 108の結晶核が形成されにくくなる。

また、電流狭窄層 314の側壁の上端部が開口部 314B内側に突出した構造となつているので、この開口部 314Bを構成する側壁の上部により、上方に向力う転位がブロックされることとなる。そのため、開口部 314B近傍で発生する転位は、ループ状転位となる。

(実施例）

[0033] 次に、本発明の実施例について説明する。

(実施例 1)

前記実施形態と同様の III族窒化物半導体素子 (半導体レーザ)を作製した。

基板には n型キャリア濃度が 1 X 10¹⁸«11^_3程度の11型0&?^ (0001)基板101を用いた。

素子構造の作製には 300hPaの減圧 MOVPE装置を用、た。

キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、 Ga、 Al、 Inソースとしてそれぞれトリメチルガリウム（TMG)、トリメチルアルミニウム（TMA)、トリメチルインジウム（TMIn )、 n型ドーパントにシラン（SiH )、 p型ドーパントにビスシクロペンタジェ-ルマグネ

4

シゥム（Cp Mg)を用いた。

2

[0034] はじめに、活性層、 n型クラッド層、 n型および p型クラッド層、電流狭窄層の各層の成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。

n型 GaN基板 101を減圧 MOVPE装置に投入後、 NHを供給しながら n型 GaN基

3

板 101を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。

Siドープ n型 GaN層 102 (Si濃度 4 X 10¹⁷cm^_3、厚さ 1 m)、 Siドープ n型 A1

0. 05

Ga N (Si濃度 4 X 10¹⁷cm^_3、厚さ 2 μ m)力もなる n型クラッド層 103、 Siドープ n

0. 95

型 GaN (Si濃度 4 X 10¹⁷cm^_3、厚さ 0. 1 ^ m)力もなる n型光閉じ込め層 104、 In

0. 1

Ga N (厚さ 3nm)井戸層およびアンドープ GaN (厚さ 10nm)バリア層力なる 3周

0. 9

期多重量子井戸（MQW)層 105、 Mgドープ p型 Al Ga Nからなるキャップ層 10

0. 2 0. 8

6、 Mgドープ p型 GaN (Mg濃度 2 X 10¹⁹cm^_3、厚さ 0. 1 μ m)からなる ρ型 GaNガイド層 107を順次堆積した。

[0035] GaN成長は基板温度 1080°C、 TMG供給量 58 μ mol/min, NH供給量 0. 36 molZminにて行い、 AlGaN成長は、基板温度 1080°C、 TMA供給量 36 μ mol/ min、 TMG供給量 58 μ mol/min, NH供給量 0. 36molZminにて行った。

3

InGaNMQW成長は、基板温度 850°C、 TMG供給量 8 μ mol/min, NH供給

3 量 0. 36molZminとした。なお、 TMIn供給量は井戸層で 48 μ molZminとした。

[0036] これら各層を堆積後、基板温度を 400°C程度まで降温し、非結晶 A1N層（後に結晶化して電流狭窄層 314となる）の堆積を行った。非結晶 A1N層堆積時の TMAおよび NH供給量はそれぞれ 36 μ mol/min, 0. 36molZminであり、堆積膜厚は 0.

3

1 μ mで &)つた。

[0037] 次に、非結晶 A1N層にストライプ状の開口部 314Aを形成した。

以下この工程を「ストライプ形成工程」という。

具体的には、非結晶 A1N層上に SiOを lOOnm堆積し、レジストを塗布した後、フォ

2

トリソグラフィーにより幅 1. 5 mのストライプパターンをレジスト上に形成した。次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとして SiOをエッチングした。その後、レジス

2

トを有機溶媒により除去し、水洗を行った。

非結晶 A1N層はバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはな力つた。

次に、 SiOをマスクとして非結晶 A1N層のエッチングを行った。

2

エッチング液にはリン酸含有溶液 (リン酸以外の強酸を含まず、粘度 10cP (0. 01P a ' s)以下）を用いた。

SiOマスクでカバーされていない領域の非結晶 A1N層は、 50°C程度に保持したェ

2

ツチング液中での 8. 5分間のエッチングにより除去された。

これにより、開口部 314Aの長手方向と直交する断面において、開口部 314Aの幅寸法は、開口部上部側で最小となった。

また、開口部 314Aの形状は、開口部 314A底部側から開口部 314A上部側に向力つて幅寸法が小さくなる逆テーパ状となった。

[0038] ここで、開口部上部側で開口部 314Aの幅寸法が最小となるようにするためには、エッチング液の選定を行い、エッチング液の温度、エッチング時間を厳密に制御し、好適な条件下でエッチングを行うことが重要である。なお、ここでは、非結晶 A1N層のエッチングマスクとして SiOを用いたが、エツチン

2

グ液に侵されな、材料であれば SiNxやレジストを含む有機物を用いてもょ、。

[0039] その後、さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いた SiOを除去した。

2

このようにして形成された開口部 314Aを埋め込むように p型クラッド層 108を積層した。以下この工程を「pクラッド再成長工程」という。

MOVPE装置に開口部 314Aが形成された試料を投入後、 NH供給量 0. 36mol

3

Zminにて成長温度である 1100°Cまで昇温した。 1100°Cに達した後、 Mgドープ p 型 Al Ga N (Mg濃度 1 X 10¹⁹cm^_3、厚さ 0. 5 ^ m)力もなる p型クラッド層 108

0. 05 0. 95

を堆積し、基板温度を 1080°Cに下げて力も Mgドープ p型 GaN (Mg濃度 1 X 10²°c m^_3、厚さ 0. 02 m)からなる p型コンタクト層 109を堆積した。 AlGaN、 GaNの堆積条件はドーパントの違いを除き、先に述べた活性層成長工程と同様とした。

[0040] pクラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行なったところ、表面にクラックやピットなどの欠陥は見られず、 A1N層（電流狭窄層 314)が結晶化し、 p型クラッド層 108により、平坦に埋め込まれることが確認できた。

ただしこの結晶ィ匕 A1N層（電流狭窄層 314)上に再成長した領域を詳細に観察したところ、若干のうねりのようなモフォロジ一が観察された。

試料の開口部 314A近傍を断面透過電子顕微鏡観察した結果、結晶ィ匕 A1N層（電流狭窄層 314)には 5 X 10^1G〜1 X 10¹²cm_²の高密度の転位が存在することがわかつた。また、結晶ィ匕 A1N層（電流狭窄層 314)上の p型クラッド層 108にも同程度の密度で基板に対し垂直に伝播する貫通転位が存在することがわ力た。

さらに、貫通転位は結晶ィ匕 A1N層（電流狭窄層 314)カゝら発生し結晶ィ匕 A1N層（電流狭窄層 314)の下方には伝播しな、こと、また結晶ィ匕 A1N (電流狭窄層 314)の開口部 314Aの側壁部分で発生して、る転位は全てループ状であり側壁近傍で終端し、側壁から開口部 314Aの内側中心部分や電流狭窄層 314よりも上方への転位の伝播はないことがわかった。

さらに、開口部 314A上の p型クラッド層 108には再成長界面力も導入される転位はなぐ P型クラッド層 108の上面で極めて平坦であることがわ力つた。

[0041] 以上のようにして得られた n型 GaN基板 101、 Siドープ n型 GaN層 102、 n型クラッド層 103、 n型光閉じ込め層 104、 3周期多重量子井戸（MQW)層 105、キャップ層

106、 p型 GaNガイド層 107、電流狭窄層 314、 p型クラッド層 108、 p型コンタクト層 1

09を有する構造体に対し、 p電極 112および n電極 113を真空蒸着法により形成した

。この工程を「電極形成工程」という。

電極形成工程後の試料を開口部 314Aの長手方向に直交する方向に劈開し半導体素子 300とした。素子長は 500 mとした。

[0042] 前記半導体素子 300をヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、平均で電流密度 2. 8kAZcm²、電圧 4. IVでレーザ発振した。また、 120mW出力時の平均寿命は 10000時間以上であった。

[0043] (実施例 2)

本実施例では、図 3に示す半導体レーザ 400を製造した。

この半導体レーザ 400は、電流狭窄層 414が 2層構造となっている点が実施例 1の半導体レーザ 300と異なって!/、る。

他の点は実施例 1の半導体レーザ 300と同様である。

まず、実施例 1と同様に、 n型 GaN基板 101上に、 Siドープ n型 GaN層 102、 n型クラッド層 103、 n型光閉じ込め層 104、 3周期多重量子井戸（MQW)層 105、キャップ層 106、 p型 GaNガイド層 107を堆積した。

次に、 p型 GaNガイド層 107上に、非結晶 A1N (後に結晶化し電流狭窄層 414の下部層 416となる）を堆積した。

非結晶 A1N層の成長条件は、実施例 1と同じである。

さらに、続けて非結晶 A1Nと同じ成長温度で非結晶 GaN (後に結晶化し電流狭窄層 414の上部層 417となる）を堆積した。

非結晶 GaN堆積時の TMGおよび NH供給量はそれぞれ 12 molZmin、 0. 36

3

mol/min、堆積膜厚は 0. 01 μ mとした。

[0044] 次に、実施例 1と同様の「ストライプ形成工程」により、非結晶 A1N層および非結晶 GaN層に、ストライプ状の開口部 414Aを形成した。

非結晶 GaN上に SiOを lOOnm堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィー

2

により幅 1. 5 mのストライプパターンをレジスト上に形成した。次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとして SiOをエッチング後、レジストを有機溶媒により除去

2

し、水洗を行った。

非結晶 GaNおよび非結晶 A1Nともにバッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはな力つた。

次に SiOをマスクとして非結晶 GaNおよび非結晶 A1Nのエッチングを行った。エツ

2

チング液としては、リン酸と硫酸を体積比 1 : 1の割合で混合した溶液を用いた。 SiO

2 マスクでカバーされていない領域の非結晶 GaN層および非結晶 A1N層は、 90°Cに保持した前記溶液中での 8. 5分間のエッチングにより除去された。

その後、さらにバッファードフッ酸でマスクとして用いた SiOを除去した。

2

[0045] 開口部 414Aの長手方向と直交する断面において、開口部 414Aの幅寸法は、開口部 414A上部側で最小となった。

また、開口部 414Aの形状は、開口部 414A底部側から開口部 414A上部側に向力つて幅寸法が単調減少した逆テーパ状となった。

開口部 414Aの最小幅寸法は、 1. であった。

[0046] 本実施例では、開口部 414Aを形成する際のエッチング時間、エッチング液温度、エッチング時間を変化させても、開口部 414Aは、その幅寸法が開口部 414A上部側で最小となる形状となった。実施例 1の場合に比べて広いプロセス条件下で、所望の形状の開口部 414Aを形成することができた。

これは非結晶 A1Nにくらべて非結晶 GaNの表面の方が酸ィ匕物などの変性層を形成し〖こくく、 SiOのエッチングマスクとの密着度が良好なものとなる。

2

これにより、開口部 414Aをエッチングにより形成する際に、非結晶 A1N、非結晶 G aNがサイドエッチングされに《なり、幅寸法が開口部 414A上部側で最小となる形状の開口部 414Aを得ることができると考えられる。

[0047] その後、実施例 1と同様の「pクラッド再成長工程」を行い、さらに、実施例 1と同様、 p型コンタクト層 109を堆積した。

[0048] pクラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行なったところ、実施例 1の場合と同様に、表面にクラックやピットなどの欠陥は見られず、 A1N層（下部層 416)および GaN層（上部層 417)ともに結晶化し平坦に埋め込まれることが確認できた。また、上部層 417上に再成長した領域を詳細に観察したところ、実施例 1の場合と同様に若干うねりのようなモフォロジ一が観察された。

さら〖こ、開口部 414A近傍を断面透過電子顕微鏡観察した結果、転位密度や転位の形態も実施例 1の場合とほぼ同じであり、電流狭窄層 414には 5 X 10^1G〜1 X 10¹² cm_²の高密度の転位が存在することがわ力つた。

また、電流狭窄層 414上の p型クラッド層 108にも電流狭窄層 414と同程度の密度で基板に対し垂直に伝播する貫通転位が存在することが確認できた。

さらに電流狭窄層 414から発生した貫通転位は、電流狭窄層 414の下方には伝播していないことがわかった。

また、電流狭窄層 414の開口部 414Aの側壁部分で発生している転位は全てループ状であり、側壁近傍で終端し、側壁から開口部 414Aの内側中心部分や電流狭窄層 414よりも上方への転位の伝播はないことがわ力つた。

さらに、開口部 414A上の p型クラッド層 108には再成長界面力も導入される転位はなぐ P型クラッド層 108の上面で極めて平坦であることがわ力つた。

[0049] 次に、実施例 1と同じぐ「電極形成工程」を行い、電極形成工程後の試料を開口部 414Aの長手方向に直交する方向に劈開し半導体素子 400とした。素子長は 500 μ mとした。

この半導体素子 400の特性は、閾電流密度、動作電圧、出力光の放射角ともに実施例 1と同等であつたが、半導体素子 400全体での特性のばらつきが実施例 1の場合に比べてさらに約半減した。

これは、 GaN層（上部層 417)の導入により「ストライプ形成工程」でのプロセストレランスが向上し、開口部 414Aでの p型クラッド層 108の再成長層厚や開口部 414Aの幅のばらつきのウェハ面内分布が改善したためと考えられる。

[0050] (比較例）

図 6に示した従来の構造の半導体レーザ 200を製造した。

開口部 114Aの形状は順テーパ形状である点以外は、実施例 1と同様の構造である。

半導体レーザ 200の製造工程において、電流狭窄層 114を形成する際には、非結晶 AIN層を形成し、燐酸および硫酸 (体積比 1 : 1、 30°Cでの粘度が約 24cP (0. 02 4Pa's) )を含んだエッチング液より、 80°Cでウエットエッチングを行い、開口部 114A を形成した。他の点は、実施例 1と同様である。

このような半導体レーザ 200では電流狭窄層 114の開口部 114Aを形成する側壁部分で多数の転位が発生しており、転位は、開口部 114A内側の中心部分や電流狭窄層 114上面よりも上方に伝播して広がってヽた。

また、電流狭窄層 114上の p型クラッド層 108の上面のうち、開口部 114Aの上方に位置する部分は、盛り上がり、 p型クラッド層 108の上面は平坦ではな力つた。

このような半導体レーザ 200は、素子特性のばらつきが大きぐ平均の閾電流密度は 3. 5KAZcm²、平均の閾値電圧 4. 9V、 120mW出力時の平均寿命は 2000時間程度であった。

比較例の半導体レーザ 200では、実施例 1, 2の半導体レーザに比べ、素子特性のばらつきが、倍以上大きぐ信頼性も大きく劣っていた。

Claims

請求の範囲

[1] III族窒化物半導体を含む第一の層と、

前記第一の層上に設けられ、開口部が形成された第二の層と、

前記第二の層上に設けられるとともに、前記第二の層に形成された前記開口部を埋め込み、 III族窒化物半導体を含む第三の層とを有し、

前記第三の層と、前記第一の層との界面が前記開口部底部に位置し、前記第二の層の前記開口部の幅寸法は、前記開口部上部側で最小となることを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[2] 請求項 1に記載の III族窒化物半導体素子にぉ、て、

前記開口部は、開口部底部側から開口部上部側に向かって幅寸法が小さくなる逆テーパ状であることを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[3] 請求項 1または 2に記載の III族窒化物半導体素子において、

前記第二の層は、 In Ga Al _ _ N (0≤x≤l、 0≤y≤l、 x+y≤l)を含有する層であることを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[4] 請求項 3に記載の III族窒化物半導体素子において、

前記第二の層は、 A1Nを含有する層であることを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[5] 請求項 1乃至 4のいずれかに記載の III族窒化物半導体素子において、

前記第二の層は、前記第一の層上に形成される下部層と、この下部層上に形成される上部層とを有し、

前記下部層は、 In Ga Al N (0≤a< 1、 0≤b< 1、 0≤a+b< 1)からなる層で a b 1— a— b

あり、

前記上部層は、 In Ga Al N (0≤c≤l、 0≤d≤l、 0く c + d≤ 1)力もなる層で c d 1 -c-d

あり、

前記上部層の Al組成比は、ゼロあるいは、前記下部層の A1組成比よりも小さいことを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[6] 請求項 5に記載の III族窒化物半導体素子において、

前記上部層は、 GaN力なる層であることを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[7] 請求項 1乃至 6のいずれかに記載の III族窒化物半導体素子において、前記開口部の最小幅が 2 m以下であることを特徴とする III族窒化物半導体素子

[8] 請求項 1乃至 7のいずれかに記載の III族窒化物半導体素子において、

当該 III族窒化物半導体素子は、半導体レーザであり、

前記第二の層は、電流狭窄層であることを特徴とする III族窒化物半導体素子。

[9] III族窒化物半導体層である第一の層上に第二の層を設ける工程と、

前記第二の層に開口部を形成する工程と、

前記第二の層の前記開口部を埋め込むとともに、前記第二の層上に設けられる III 族窒化物半導体層である第三の層を設ける工程と、

を含み、

第二の層に開口部を形成する前記工程では、前記開口部上部側で幅寸法が最小となるように前記開口部を形成することを特徴とする m族窒化物半導体素子の製造方法。