JP2001332815A

JP2001332815A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2001332815A
Application number: JP2000154461A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhiro Tanabe; 哲弘田辺; Masayuki Sonobe; 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: 2001-11-30
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP4741055B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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、とくにしきい電流値を低下させた半導体レーザを提
供する。【解決手段】基板１上に第１のＧａＮ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ＧａＮ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半導体積層部１
５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。換言すれば、たとえばマスク
層３上面側の凹部３ｂにより、第２のＧａＮ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ＧａＮ系化合物半導体層４が成長されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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 Ch
emical 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３
０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（Th
ickGaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Densi
ty）」（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（１９９
７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３μ
ｍ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４
４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、
該基板上に設けられる第１のチッ化物系化合物半導体層
と、該第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
導体層の底面側が平坦面に形成され、かつ、該第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る。

【００１２】ここにチッ化物系化合物半導体とは、Ｇ
ａ、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Ａ
ｌＧａＮ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ま
たは２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、Ｇ
ａＮ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、Ｍ
ＯＣＶＤ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、Ｓｉ₃Ｎ
₄、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２０μ
ｍ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１
６μｍ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５０ｎ
ｍ、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Ｈ
₂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、Ｓ
ｉＨ₄、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（ＤＭＺ
ｎ）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、ＳｉＯ
₂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１０
０ｎｍ、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１００ｎ
ｍ、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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA03 AA40 CA04 CA34 CA40 CA46 CA57 CA65 CA74 CA82 CA92 CB11 FF13 FF16 5F073 AA74 BA06 BA07 CA07 CB05 CB07 DA05 EA05 EA23 EA24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、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と、該第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に凹部が形成されてなるチッ化物系
化合物半導体発光素子。
【請求項２】基板と、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と、該第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
記第２のチッ化物系化合物半導体層の底面側が平坦面に
形成され、かつ、該第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
れてなるチッ化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】請求項１または２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なる半導体
レーザ。