JP3316479B2 - 半導体素子、半導体発光素子および半導体素子の製造方法 - Google Patents
半導体素子、半導体発光素子および半導体素子の製造方法Info
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Description
【発明の属する技術分野】本発明は、ＢＮ（窒化ホウ
素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニ
ウム）もしくはＩｎＮ（窒化インジウム）またはこれら
の混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系
半導体と呼ぶ）からなる化合物半導体層を有する半導体
素子、半導体発光素子および半導体素子の製造方法なら
びに窒化物系半導体層の形成方法に関する。
素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニ
ウム）もしくはＩｎＮ（窒化インジウム）またはこれら
の混晶等のIII −Ｖ族窒化物系半導体（以下、窒化物系
半導体と呼ぶ）からなる化合物半導体層を有する半導体
素子、半導体発光素子および半導体素子の製造方法なら
びに窒化物系半導体層の形成方法に関する。
【従来の技術】近年、青色または紫色の光を発する発光
ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子とし
て、ＧａＮ系半導体発光素子の実用化が進んできてい
る。ＧａＮ系半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮか
らなる基板が存在しないため、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）
等の絶縁性基板上に各層をエピタキシャル成長させてい
る。図１８は従来のＧａＮ系発光ダイオードの構造を示
す断面図である。図１８の発光ダイオードは日経マイク
ロデバイス１９９４年２月号の第９２頁〜第９３頁に開
示されている。図１８において、サファイア基板６１上
に、ＧａＮバッファ層６２、ｎ−ＧａＮ層６３、ｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層６４、ＩｎＧａＮ発光層６５、ｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層６６およびｐ−ＧａＮ層６７が順
に形成されている。ｐ−ＧａＮ層６７からｎ−ＧａＮ層
６３までの一部領域がエッチングにより除去されてい
る。ｐ−ＧａＮ層６７の上面にｐ電極６８が形成され、
ｎ−ＧａＮ層６３の露出した上面にｎ電極６９が形成さ
れている。このような発光ダイオードの構造はラテラル
構造と呼ばれている。図１８の発光ダイオードは、Ｉｎ
ＧａＮ発光層６５をｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６４およ
びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６６で挟んだダブルヘテロ
構造のｐｎ接合を有し、青色の光を発生することができ
る。
ダイオード、半導体レーザ素子等の半導体発光素子とし
て、ＧａＮ系半導体発光素子の実用化が進んできてい
る。ＧａＮ系半導体発光素子の製造の際には、ＧａＮか
らなる基板が存在しないため、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）
等の絶縁性基板上に各層をエピタキシャル成長させてい
る。図１８は従来のＧａＮ系発光ダイオードの構造を示
す断面図である。図１８の発光ダイオードは日経マイク
ロデバイス１９９４年２月号の第９２頁〜第９３頁に開
示されている。図１８において、サファイア基板６１上
に、ＧａＮバッファ層６２、ｎ−ＧａＮ層６３、ｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層６４、ＩｎＧａＮ発光層６５、ｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層６６およびｐ−ＧａＮ層６７が順
に形成されている。ｐ−ＧａＮ層６７からｎ−ＧａＮ層
６３までの一部領域がエッチングにより除去されてい
る。ｐ−ＧａＮ層６７の上面にｐ電極６８が形成され、
ｎ−ＧａＮ層６３の露出した上面にｎ電極６９が形成さ
れている。このような発光ダイオードの構造はラテラル
構造と呼ばれている。図１８の発光ダイオードは、Ｉｎ
ＧａＮ発光層６５をｎ−ＡｌＧａＮクラッド層６４およ
びｐ−ＡｌＧａＮクラッド層６６で挟んだダブルヘテロ
構造のｐｎ接合を有し、青色の光を発生することができ
る。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１８
に示したような従来のＧａＮ系半導体発光素子では、Ｇ
ａＮおよびサファイア基板の格子定数の違いから、サフ
ァイア基板上に成長したＧａＮ系半導体結晶には、通常
１０9個／ｃｍ2程度の格子欠陥が存在する。このような
格子欠陥はサファイア基板の表面からＧａＮ系半導体層
へと伝搬している。この格子欠陥のために、サファイア
基板上のＧａＮ系半導体層からなる半導体発光素子で
は、素子特性および信頼性の劣化が生じる。格子欠陥に
よる素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法
として、横方向成長技術が提案されている。この横方向
成長技術は、例えばProceedings ofThe Second Interna
tional Conference on Nitride Semiconductors, Octob
er27-31, 1997, Tokushima, Japan, pp.444-446 に報告
されている。図１９は従来の横方向成長技術を説明する
ための模式的工程断面図である。図１９（ａ）に示すよ
うに、サファイア基板８１上にＡｌＧａＮバッファ層８
２を成長させ、ＡｌＧａＮバッファ層８２上にＧａＮ層
８３を成長させる。ＧａＮ層８３には上下方向に延びる
格子欠陥９１が存在する。このＧａＮ層８３上に、スト
ライプ状のＳｉＯ2膜９０を形成する。次に、図１９
（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＯ2膜９０間
に露出したＧａＮ層８３上にＧａＮ層８４を再成長させ
る。この場合にも再成長したＧａＮ層８４に上下方向の
格子欠陥９１が延びる。図１９（ｃ）に示すように、Ｇ
ａＮ層８４をさらに成長させると、ＧａＮ層８４が横方
向にも成長し、ＳｉＯ2膜９０上にもＧａＮ層８４が形
成される。ＳｉＯ2膜９０上のＧａＮ層８４には格子欠
陥が存在しない。図１９（ｄ）に示すように、ＧａＮ層
８４をさらに成長させると、ＳｉＯ2膜９０上およびＳ
ｉＯ2膜９０間のＧａＮ層８３上にＧａＮ層８４が形成
される。このような横方向成長技術を用いると、ＳｉＯ
2膜９０上に、格子欠陥の存在しない高品質なＧａＮ結
晶を形成することができる。しかしながら、ＳｉＯ2膜
９０が存在しない領域では、下地のＧａＮ層８３からの
格子欠陥９１が再成長したＧａＮ層８４の表面まで延び
るため、ＧａＮ層８４の表面の格子欠陥はなくならな
い。したがって、半導体発光素子の作製時には、発光領
域をＳｉＯ2膜上に限定する必要がある。そのため、発
光領域の大きさを大きくすることができない。また、高
品質なＧａＮ層の面積を広げるためにＳｉＯ2膜の面積
を広くすると、横方向に成長するＧａＮ層の表面を平坦
にすることができなくなる。図１８に示した従来のＧａ
Ｎ系発光ダイオードでは、サファイア基板６１が絶縁性
基板であるため、ｎ電極６９をサファイア基板６１の裏
面に設けることができず、ｎ電極６９をｎ−ＧａＮ層６
３の露出した表面に設ける必要がある。そのため、ｎ電
極を導電性基板の裏面に設ける場合に比べて、ｐ電極６
８とｎ電極６９との間の電流経路が長くなり、動作電圧
が高くなる。さらに、ＧａＮ系半導体レーザ素子を作製
する場合、ＧａＡｓ基板を用いた赤色光または赤外光を
発生する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振
器面を形成することが困難である。図２０はサファイア
基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図
である。図２０において、実線の矢印はサファイア基板
の結晶方位を示し、破線の矢印はＧａＮ系半導体層の結
晶方位を示す。図２０に示すように、サファイア基板上
に形成されたＧａＮ系半導体層のａ軸およびｂ軸はサフ
ァイア基板のａ軸およびｂ軸に対して３０度ずれてい
る。図２０はサファイア基板上に形成されたＧａＮ系半
導体層からなる半導体レーザ素子の概略斜視図である。
図２１において、サファイア基板６１の（0 0 0 1）面
上にＧａＮ系半導体層７０が形成されている。ストライ
プ状の電流注入領域７１は、ＧａＮ系半導体層７０の＜
1 1 -2 0＞方向に平行となっている。この場合、ＧａＮ
系半導体層７０の｛1 -1 0 0｝面はサファイア基板６１
の｛1 -1 0 0｝面に対して３０度傾いている。サファイ
ア基板６１およびＧａＮ系半導体層７０ともに｛1 -1 0
0｝面でへき開しやすい。このように、サファイア基板
６１とＧａＮ系半導体層７０とでへき開方向がずれてい
るため、ＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する場合に、
ＧａＡｓ基板上に形成される赤色光または赤外光を発生
する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振器面
を形成することが困難となる。この場合、エッチングに
より共振器面を形成する必要が生じる。しかしながら、
エッチングにより共振器面を形成した場合には、基板に
対して垂直に端面を形成することが困難であるため、半
導体レーザ素子の動作電流を低減することができない。
一方、ＧａＮ系半導体レーザ素子の横モードの制御方法
に関して種々の報告および提案がされている。これらの
横モードの制御方法のほとんどは、従来の赤色光または
赤外光を発生する半導体レーザ素子で採用されているリ
ッジ導波構造およびセルフアライン構造の２種である。
しかし、ＧａＮ系半導体層は化学的に安定であるため、
従来の赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子
に用いられるＡｌＧａＡｓ系半導体層等のように、ウエ
ットエッチングによりパターニングすることができず、
ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）、ＲＩＢＥ法
（反応性イオンビームエッチング法）等のドライエッチ
ングによりパターニングする必要がある。そのため、Ｇ
ａＮ系半導体レーザ素子において、リッジ導波構造また
はセルフアライン構造を作製するためのパターニングを
容易にかつ再現性よく行うことができない。しかも、ド
ライエッチングの精度により素子特性が大きく変化す
る。本発明の目的は、低電圧動作が可能な窒化物系半導
体素子を提供することである。本発明の他の目的は、低
電圧動作が可能でかつへき開により端面の形成が可能な
窒化物系半導体発光素子を提供することである。本発明
のさらに他の目的は、格子欠陥が低減され、低電圧動作
が可能でかつへき開により端面の形成が可能な窒化物系
半導体素子の製造方法を提供することである。
に示したような従来のＧａＮ系半導体発光素子では、Ｇ
ａＮおよびサファイア基板の格子定数の違いから、サフ
ァイア基板上に成長したＧａＮ系半導体結晶には、通常
１０9個／ｃｍ2程度の格子欠陥が存在する。このような
格子欠陥はサファイア基板の表面からＧａＮ系半導体層
へと伝搬している。この格子欠陥のために、サファイア
基板上のＧａＮ系半導体層からなる半導体発光素子で
は、素子特性および信頼性の劣化が生じる。格子欠陥に
よる素子特性および信頼性の劣化の問題を解決する方法
として、横方向成長技術が提案されている。この横方向
成長技術は、例えばProceedings ofThe Second Interna
tional Conference on Nitride Semiconductors, Octob
er27-31, 1997, Tokushima, Japan, pp.444-446 に報告
されている。図１９は従来の横方向成長技術を説明する
ための模式的工程断面図である。図１９（ａ）に示すよ
うに、サファイア基板８１上にＡｌＧａＮバッファ層８
２を成長させ、ＡｌＧａＮバッファ層８２上にＧａＮ層
８３を成長させる。ＧａＮ層８３には上下方向に延びる
格子欠陥９１が存在する。このＧａＮ層８３上に、スト
ライプ状のＳｉＯ2膜９０を形成する。次に、図１９
（ｂ）に示すように、ストライプ状のＳｉＯ2膜９０間
に露出したＧａＮ層８３上にＧａＮ層８４を再成長させ
る。この場合にも再成長したＧａＮ層８４に上下方向の
格子欠陥９１が延びる。図１９（ｃ）に示すように、Ｇ
ａＮ層８４をさらに成長させると、ＧａＮ層８４が横方
向にも成長し、ＳｉＯ2膜９０上にもＧａＮ層８４が形
成される。ＳｉＯ2膜９０上のＧａＮ層８４には格子欠
陥が存在しない。図１９（ｄ）に示すように、ＧａＮ層
８４をさらに成長させると、ＳｉＯ2膜９０上およびＳ
ｉＯ2膜９０間のＧａＮ層８３上にＧａＮ層８４が形成
される。このような横方向成長技術を用いると、ＳｉＯ
2膜９０上に、格子欠陥の存在しない高品質なＧａＮ結
晶を形成することができる。しかしながら、ＳｉＯ2膜
９０が存在しない領域では、下地のＧａＮ層８３からの
格子欠陥９１が再成長したＧａＮ層８４の表面まで延び
るため、ＧａＮ層８４の表面の格子欠陥はなくならな
い。したがって、半導体発光素子の作製時には、発光領
域をＳｉＯ2膜上に限定する必要がある。そのため、発
光領域の大きさを大きくすることができない。また、高
品質なＧａＮ層の面積を広げるためにＳｉＯ2膜の面積
を広くすると、横方向に成長するＧａＮ層の表面を平坦
にすることができなくなる。図１８に示した従来のＧａ
Ｎ系発光ダイオードでは、サファイア基板６１が絶縁性
基板であるため、ｎ電極６９をサファイア基板６１の裏
面に設けることができず、ｎ電極６９をｎ−ＧａＮ層６
３の露出した表面に設ける必要がある。そのため、ｎ電
極を導電性基板の裏面に設ける場合に比べて、ｐ電極６
８とｎ電極６９との間の電流経路が長くなり、動作電圧
が高くなる。さらに、ＧａＮ系半導体レーザ素子を作製
する場合、ＧａＡｓ基板を用いた赤色光または赤外光を
発生する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振
器面を形成することが困難である。図２０はサファイア
基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図
である。図２０において、実線の矢印はサファイア基板
の結晶方位を示し、破線の矢印はＧａＮ系半導体層の結
晶方位を示す。図２０に示すように、サファイア基板上
に形成されたＧａＮ系半導体層のａ軸およびｂ軸はサフ
ァイア基板のａ軸およびｂ軸に対して３０度ずれてい
る。図２０はサファイア基板上に形成されたＧａＮ系半
導体層からなる半導体レーザ素子の概略斜視図である。
図２１において、サファイア基板６１の（0 0 0 1）面
上にＧａＮ系半導体層７０が形成されている。ストライ
プ状の電流注入領域７１は、ＧａＮ系半導体層７０の＜
1 1 -2 0＞方向に平行となっている。この場合、ＧａＮ
系半導体層７０の｛1 -1 0 0｝面はサファイア基板６１
の｛1 -1 0 0｝面に対して３０度傾いている。サファイ
ア基板６１およびＧａＮ系半導体層７０ともに｛1 -1 0
0｝面でへき開しやすい。このように、サファイア基板
６１とＧａＮ系半導体層７０とでへき開方向がずれてい
るため、ＧａＮ系半導体レーザ素子を製造する場合に、
ＧａＡｓ基板上に形成される赤色光または赤外光を発生
する半導体レーザ素子のようにへき開法により共振器面
を形成することが困難となる。この場合、エッチングに
より共振器面を形成する必要が生じる。しかしながら、
エッチングにより共振器面を形成した場合には、基板に
対して垂直に端面を形成することが困難であるため、半
導体レーザ素子の動作電流を低減することができない。
一方、ＧａＮ系半導体レーザ素子の横モードの制御方法
に関して種々の報告および提案がされている。これらの
横モードの制御方法のほとんどは、従来の赤色光または
赤外光を発生する半導体レーザ素子で採用されているリ
ッジ導波構造およびセルフアライン構造の２種である。
しかし、ＧａＮ系半導体層は化学的に安定であるため、
従来の赤色光または赤外光を発生する半導体レーザ素子
に用いられるＡｌＧａＡｓ系半導体層等のように、ウエ
ットエッチングによりパターニングすることができず、
ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）、ＲＩＢＥ法
（反応性イオンビームエッチング法）等のドライエッチ
ングによりパターニングする必要がある。そのため、Ｇ
ａＮ系半導体レーザ素子において、リッジ導波構造また
はセルフアライン構造を作製するためのパターニングを
容易にかつ再現性よく行うことができない。しかも、ド
ライエッチングの精度により素子特性が大きく変化す
る。本発明の目的は、低電圧動作が可能な窒化物系半導
体素子を提供することである。本発明の他の目的は、低
電圧動作が可能でかつへき開により端面の形成が可能な
窒化物系半導体発光素子を提供することである。本発明
のさらに他の目的は、格子欠陥が低減され、低電圧動作
が可能でかつへき開により端面の形成が可能な窒化物系
半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】第１の発明に係る半導体
素子は、ｎ型の層とｐ型の層とが積層されたホウ素、ガ
リウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１
つを含む窒化物系半導体層を有し、ｎ型ガリウム砒素基
板上に第１の電極層を介して前記窒化物系半導体層が前
記ｐ型の層側から接合されるとともに、前記ｎ型の層の
上面に第２の電極層が形成されたものである。本発明に
係る半導体素子においては、ｎ型ガリウム砒素基板上の
窒化物系半導体層の下面および上面にそれぞれ第１の電
極層および第２の電極層が設けられているので、第１の
電極層と第２の電極層との間の電流経路が短くなる。し
たがって、窒化物系半導体素子の動作電圧の低減化が図
られる。第２の発明に係る半導体発光素子は、ｎ型の層
とｐ型の層とが積層されたホウ素、ガリウム、アルミニ
ウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系
半導体層を有し、ｎ型ガリウム砒素基板上に第１の電極
層を介して前記窒化物系半導体層が前記ｐ型の層側から
接合されるとともに、前記ｎ型の層の上面に第２の電極
層が形成され、前記窒化物系半導体層が発光層を含むも
のである。本発明に係る半導体発光素子においては、ｎ
型ガリウム砒素基板上の窒化物系半導体層の下面および
上面にそれぞれ第１の電極層および第２の電極層が設け
られているので、第１の電極層と第２の電極層との間の
電流経路が短くなる。したがって、窒化物系半導体発光
素子の動作電圧の低減化が図られる。特に、窒化物系半
導体層は発光層に電流を注入するストライプ状の電流注
入領域を有し、ストライプ状の電流注入領域が窒化物系
半導体層の〈１-1００〉方向に沿って形成され、かつ窒
化物系半導体層の〈１-1００〉方向がガリウム砒素基板
の〈１１０〉方向または〈１-1０〉方向と一致するよう
に窒化物系半導体層がガリウム砒素基板上に配置さ
れ、、ガリウム砒素基板の｛１１０｝面または｛１-1
０｝面および窒化物系半導体層の｛１-1００｝面で一対
の共振器面が形成されることが好ましい。この場合、窒
化物系半導体層のへき開方向とガリウム砒素基板のへき
開方向とが一致するので、へき開により共振器面を形成
することが可能となる。それにより、半導体発光素子と
して半導体レーザ素子が実現されるとともに、素子特性
のばらつきが少なくなるとともに、素子特性の再現性が
高くなる。第３の発明に係る半導体素子の製造方法は、
絶縁性基板上にホウ素、ガリウム、アルミニウムおよび
インジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導
体層を形成する工程と、第１の窒化物系半導体層上の所
定領域に絶縁膜を形成する工程と、第１の窒化物系半導
体層上および絶縁膜上に横方向成長技術を用いてホウ
素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なく
とも１つを含む第２の窒化物系半導体層を形成する工程
と、絶縁膜上の領域を除いて第２の窒化物系半導体層を
除去する工程と、絶縁膜上の第２の窒化物系半導体層の
上面を第１の電極層を介してガリウム砒素基板の一面に
接合する工程と、絶縁膜を除去することにより絶縁性基
板および第１の窒化物系半導体層を第２の窒化物系半導
体層から取り外す工程と、第２の窒化物系半導体層の上
面に第２の電極層を形成する工程とを備えたものであ
る。本発明に係る半導体素子の製造方法においては、第
１の窒化物系半導体層上の絶縁膜上に横方向成長技術を
用いて第２の窒化物系半導体層が形成されるので、絶縁
膜上の第２の窒化物系半導体層に第１の窒化物系半導体
層から格子欠陥が伝搬しない。したがって、格子欠陥が
ほとんど存在しない高品質な第２の窒化物系半導体層が
得られる。また、ガリウム砒素基板上の第２の窒化物系
半導体層の下面および上面にそれぞれ第１の電極層およ
び第２の電極層が設けられるので、第１の電極層と第２
の電極層との間の電流経路が短くなる。したがって、動
作電圧の低減化が図られる。さらに、第２の窒化物系半
導体層の上面を第１の電極層を介してガリウム砒素基板
の一面に接合する際に第２の窒化物系半導体層およびガ
リウム砒素基板の結晶方位を合わせることができるの
で、半導体素子の端面をへき開により形成することがで
きる。したがって、素子特性のばらつきが低減されると
ともに、素子特性の再現性が高くなる。特に、第２の窒
化物系半導体層を形成する工程は、発光層を形成する工
程を含んでもよい。それにより、半導体素子として半導
体発光素子が製造される。また、第２の窒化物系半導体
層を形成する工程は、発光層に電流を注入するストライ
プ状の電流注入領域を第２の窒化物系半導体層の〈１-1
００〉方向に沿って形成する工程を含み、第２の窒化物
系半導体層の上面を第１の電極層を介してガリウム砒素
基板の一面に接合する工程は、第２の窒化物系半導体層
の〈１-1００〉方向をガリウム砒素基板の〈１１０〉方
向または〈１-1０〉方向に一致させる工程を含み、ガリ
ウム砒素基板の｛１１０｝面または｛１-1０｝面および
第２の窒化物系半導体層の｛１-1００｝面でへき開する
ことにより一対の共振器面を形成する工程をさらに備え
てもよい。この場合、窒化物系半導体層のへき開方向と
ガリウム砒素基板のへき開方向とが一致するので、へき
開により共振器面を形成することが可能となる。それに
より、半導体発光素子として半導体レーザ素子が実現さ
れるとともに、素子特性のばらつきが少なくなり、かつ
素子特性の再現性が高くなる。
素子は、ｎ型の層とｐ型の層とが積層されたホウ素、ガ
リウム、アルミニウムおよびインジウムの少なくとも１
つを含む窒化物系半導体層を有し、ｎ型ガリウム砒素基
板上に第１の電極層を介して前記窒化物系半導体層が前
記ｐ型の層側から接合されるとともに、前記ｎ型の層の
上面に第２の電極層が形成されたものである。本発明に
係る半導体素子においては、ｎ型ガリウム砒素基板上の
窒化物系半導体層の下面および上面にそれぞれ第１の電
極層および第２の電極層が設けられているので、第１の
電極層と第２の電極層との間の電流経路が短くなる。し
たがって、窒化物系半導体素子の動作電圧の低減化が図
られる。第２の発明に係る半導体発光素子は、ｎ型の層
とｐ型の層とが積層されたホウ素、ガリウム、アルミニ
ウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む窒化物系
半導体層を有し、ｎ型ガリウム砒素基板上に第１の電極
層を介して前記窒化物系半導体層が前記ｐ型の層側から
接合されるとともに、前記ｎ型の層の上面に第２の電極
層が形成され、前記窒化物系半導体層が発光層を含むも
のである。本発明に係る半導体発光素子においては、ｎ
型ガリウム砒素基板上の窒化物系半導体層の下面および
上面にそれぞれ第１の電極層および第２の電極層が設け
られているので、第１の電極層と第２の電極層との間の
電流経路が短くなる。したがって、窒化物系半導体発光
素子の動作電圧の低減化が図られる。特に、窒化物系半
導体層は発光層に電流を注入するストライプ状の電流注
入領域を有し、ストライプ状の電流注入領域が窒化物系
半導体層の〈１-1００〉方向に沿って形成され、かつ窒
化物系半導体層の〈１-1００〉方向がガリウム砒素基板
の〈１１０〉方向または〈１-1０〉方向と一致するよう
に窒化物系半導体層がガリウム砒素基板上に配置さ
れ、、ガリウム砒素基板の｛１１０｝面または｛１-1
０｝面および窒化物系半導体層の｛１-1００｝面で一対
の共振器面が形成されることが好ましい。この場合、窒
化物系半導体層のへき開方向とガリウム砒素基板のへき
開方向とが一致するので、へき開により共振器面を形成
することが可能となる。それにより、半導体発光素子と
して半導体レーザ素子が実現されるとともに、素子特性
のばらつきが少なくなるとともに、素子特性の再現性が
高くなる。第３の発明に係る半導体素子の製造方法は、
絶縁性基板上にホウ素、ガリウム、アルミニウムおよび
インジウムの少なくとも１つを含む第１の窒化物系半導
体層を形成する工程と、第１の窒化物系半導体層上の所
定領域に絶縁膜を形成する工程と、第１の窒化物系半導
体層上および絶縁膜上に横方向成長技術を用いてホウ
素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なく
とも１つを含む第２の窒化物系半導体層を形成する工程
と、絶縁膜上の領域を除いて第２の窒化物系半導体層を
除去する工程と、絶縁膜上の第２の窒化物系半導体層の
上面を第１の電極層を介してガリウム砒素基板の一面に
接合する工程と、絶縁膜を除去することにより絶縁性基
板および第１の窒化物系半導体層を第２の窒化物系半導
体層から取り外す工程と、第２の窒化物系半導体層の上
面に第２の電極層を形成する工程とを備えたものであ
る。本発明に係る半導体素子の製造方法においては、第
１の窒化物系半導体層上の絶縁膜上に横方向成長技術を
用いて第２の窒化物系半導体層が形成されるので、絶縁
膜上の第２の窒化物系半導体層に第１の窒化物系半導体
層から格子欠陥が伝搬しない。したがって、格子欠陥が
ほとんど存在しない高品質な第２の窒化物系半導体層が
得られる。また、ガリウム砒素基板上の第２の窒化物系
半導体層の下面および上面にそれぞれ第１の電極層およ
び第２の電極層が設けられるので、第１の電極層と第２
の電極層との間の電流経路が短くなる。したがって、動
作電圧の低減化が図られる。さらに、第２の窒化物系半
導体層の上面を第１の電極層を介してガリウム砒素基板
の一面に接合する際に第２の窒化物系半導体層およびガ
リウム砒素基板の結晶方位を合わせることができるの
で、半導体素子の端面をへき開により形成することがで
きる。したがって、素子特性のばらつきが低減されると
ともに、素子特性の再現性が高くなる。特に、第２の窒
化物系半導体層を形成する工程は、発光層を形成する工
程を含んでもよい。それにより、半導体素子として半導
体発光素子が製造される。また、第２の窒化物系半導体
層を形成する工程は、発光層に電流を注入するストライ
プ状の電流注入領域を第２の窒化物系半導体層の〈１-1
００〉方向に沿って形成する工程を含み、第２の窒化物
系半導体層の上面を第１の電極層を介してガリウム砒素
基板の一面に接合する工程は、第２の窒化物系半導体層
の〈１-1００〉方向をガリウム砒素基板の〈１１０〉方
向または〈１-1０〉方向に一致させる工程を含み、ガリ
ウム砒素基板の｛１１０｝面または｛１-1０｝面および
第２の窒化物系半導体層の｛１-1００｝面でへき開する
ことにより一対の共振器面を形成する工程をさらに備え
てもよい。この場合、窒化物系半導体層のへき開方向と
ガリウム砒素基板のへき開方向とが一致するので、へき
開により共振器面を形成することが可能となる。それに
より、半導体発光素子として半導体レーザ素子が実現さ
れるとともに、素子特性のばらつきが少なくなり、かつ
素子特性の再現性が高くなる。
【発明の実施の形態】図１〜図６は本発明の第１の実施
例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工
程断面図である。まず、図１に示すように、サファイア
基板１上に、ＡｌＧａＮバッファ層２を形成し、ＡｌＧ
ａＮバッファ層２上にアンドープのＧａＮ層３を成長さ
せる。ＧａＮ層３上に所定幅のＳｉＯ2膜４を形成した
後、横方向成長技術を用いてＧａＮ層３上およびＳｉＯ
2膜４上にｎ−ＧａＮ層５を成長させる。次に、ｎ−Ｇ
ａＮ層５上に、厚さ０．１μｍのｎ−ＩｎPＧａ1-PＮ
（Ｐ＝０．１）クラック防止層６、厚さ１．０μｍのｎ
−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．７）クラッド層７、後述す
る多重量子井戸発光層（以下、ＭＱＷ発光層と呼ぶ）
８、厚さ０．１５μｍのｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．
０７）クラッド層９、および厚さ０．２０μｍのｎ−Ａ
ｌZＧａ1-ZＮ（Ｚ＝０．１２）電流ブロック層１０を順
に形成する。図７はＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド
構造図である。図７に示すように、ＭＱＷ発光層８は、
厚さ６０Åの６つのＩｎXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０．０３）量
子障壁層８１と厚さ３０Åの５つのＩｎXＧａ1-XＮ（Ｘ
＝０．１０）量子井戸層８２とが交互に積層されてなる
多重量子井戸構造を含む。その多重量子井戸構造の両面
は厚さ０．１μｍのＧａＮ光ガイド層８３で挟まれてい
る。続いて、ｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０の
中央部の幅Ｗ０のストライプ状の領域をエッチングによ
り除去する。この場合、ｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロッ
ク層１０間のストライプ状の領域が電流注入領域１９と
なる。電流注入領域１９の幅Ｗ０は例えば２μｍであ
る。この電流注入領域１９は、ＧａＮの〈１１-2０〉方
向に沿って形成する。さらに、ｎ−ＡｌZＧａ1-Z Ｎ電
流ブロック層１０上およびｐ−ＡｌYＧａ1-YＮクラッド
層９上に厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝
０．０７）クラッド層１１、および厚さ０．１μｍのｐ
−ＧａＮコンタクト層１２を順に形成する。なお、ｎ型
ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ドーパントとして
はＭｇを用いる。また、各層の成長方法としては、例え
ば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）または
ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）を用いる。この
場合、ＳｉＯ2膜４が存在しない領域では、ＧａＮ層３
からｐ−ＧａＮコンタクト層１２まで格子欠陥が上下方
向に延びている。ＳｉＯ2膜４上のｎ−ＧａＮ層５から
ｐ−ＧａＮコンタクト層１２には格子欠陥が存在しな
い。次に、図２に示すようにＳｉＯ2膜４が存在しない
領域のｐ−ＧａＮコンタクト層１２からｎ−ＧａＮ層５
までをＲＩＥ法、ＲＩＢＥ法等のドライエッチングによ
り除去する。それにより、ＧａＮ層３上に格子欠陥の存
在しないＧａＮ系半導体層１８が残る。さらに、ｐ型ド
ーパントを活性化するために、６００℃以上、例えば８
００℃で３０分間のアニールを行った後、図３に示すよ
うに、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２上に厚さ５０００Å
のＮｉ、厚さ１００ÅのＰｔおよび厚さ１μｍのＡｕか
らなるｐ電極１３を形成する。次に、図４に示すよう
に、表裏の（００１）面にオーミック電極１５ａ，１５
ｂが形成された厚み１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１４
を用意する。このｎ−ＧａＡｓ基板１４のオーミック電
極１５ａ上に、サファイア基板１上のＧａＮ系半導体層
１８上に形成されたｐ電極１３の上面を熱圧着または融
着により接合する。熱圧着を用いる場合、ｐ電極１３の
表面およびオーミック電極１５ａの表面は、蒸着直後の
状態のＡｕで覆われていることが望ましい。また、融着
を用いる場合には、ｎ−ＧａＡｓ基板１４上に厚さ３μ
ｍ程度のＡｕ−Ｓｎ膜を形成することが望ましい。ｐ電
極１３とオーミック電極１５ａとの接合の際には、ｎ−
ＧａＡｓ基板１４とＧａＮ系半導体層１８とが図８の関
係を有するようにＧａＡｓ基板１４とＧａＮ系半導体層
１８との結晶方位を合わせる。図８において、ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１４の（００１）面上にＧａＮ系半導体層１８
が形成される。ストライプ状の電流注入領域１９は、図
４のｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０間の領域に
対応し、電流注入領域１９に発光部２０が形成される。
この電流注入領域１９は〈1 -1 0 0〉方向に沿って設け
られる。この場合，ＧａＮ系半導体層１８の電流注入領
域１９がｎ−ＧａＡｓ基板１４の〈１１０〉方向または
〈１-1０〉方向と平行になるようにＧａＮ系半導体層１
８をｎ−ＧａＡｓ基板１４上に接合する。次に、図４の
サファイア基板１およびｎ−ＧａＡｓ基板１４をフッ酸
原液に浸漬することによりＳｉＯ2膜４を除去し、サフ
ァイア基板１およびその上の格子欠陥を有するＡｌＧａ
Ｎバッファ層２およびＧａＮ層３をリフトオフ法により
ｎ−ＧａＡｓ基板１４上のＧａＮ系半導体層１８から取
り外す。それにより、図５に示すように、ｎ−ＧａＡｓ
基板１４上に格子欠陥を有さないＧａＮ系半導体層１８
が残る。この場合、ＳｉＯ2膜４のサイドエッチングが
進行しやすくなるように、界面活性化入りのフッ酸原液
を用いることが望ましい。最後に、図６に示すように、
ｎ−ＧａＮ層５上の中央部の領域を除いてＧａＮ系半導
体層１８の上面および側面ならびにオーミック電極１５
ａの表面に、短絡防止用のＳｉＯ2膜１６を形成した
後、ｎ−ＧａＮ層５上およびＳｉＯ2膜１６上に厚さ１
００ÅのＴｉおよび厚さ２０００ÅのＡｌからなるｎ電
極１７を形成する。その後、一対の共振器面をへき開法
により形成する。この場合、図８に示すように、ＧａＮ
系半導体層１８の｛１-1００｝面およびｎ−ＧａＡｓ基
板１４の｛１１０｝面または｛１-1０｝面がへき開面と
なる。本実施例の半導体レーザ素子においては、ＧａＮ
系半導体層１８の裏面および表面にそれぞれｐ電極１３
およびｎ電極１７が形成されるので、ｐ電極１３とｎ電
極１７との間の電流経路が短くなる。また、ＧａＮ系半
導体層１８にほとんど格子欠陥が存在しない。したがっ
て、低電圧動作および低電流動作が可能となる。また、
ＧａＮ系半導体層１８のへき開方向とｎ−ＧａＡｓ基板
１４のへき開方向とを一致させることができるので、共
振器面をへき開法により容易に形成することができる。
なお、本実施例では、本発明を半導体レーザ素子に適用
した場合を説明したが、本発明は、発光ダイオード等の
その他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適
用可能である。図９および図１０は本発明の第１の参考
例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工
程断面図である。図９（ａ）に示すサファイア基板２１
の端面は（０００１）面（ｃ面）を有する。図９（ｂ）
に示すように、サファイア基板２１の（０００１）面上
に、ＡｌＧａＮバッファ層２２およびアンドープのＧａ
Ｎ層２３を順に成長させる。ＧａＮ層２３には上下方向
に延びる格子欠陥３７が存在する。次に、図９（ｃ）に
示すように、Ｎｉからなるストライプ状マスク２９を用
いてＧａＮ層２３をＲＩＥ法によりエッチングし、Ｇａ
Ｎ層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成す
る。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Ｄはいず
れも例えば５μｍとする。ストライプ状マスク２９を除
去した後、図９（ｄ）に示すように、ＧａＮ層２３上に
ＳｉＯ2膜３０を形成する。次に、図１０（ｅ）に示す
ように、ＧａＮ層２３の凹凸パターンの側面に形成され
たＳｉＯ2膜３０をエッチングにより除去する。その
後、図１０（ｆ）に示すように、ＧａＮ層２４の再成長
を行う。このとき、凹凸パターンの側面のみに下地のＧ
ａＮ層２３が露出しているので、ＧａＮ層２４の再成長
の開始時には、ＧａＮ層２４は縦方向へ成長せず、横方
向のみに成長する。ＳｉＯ2膜３０上で横方向に成長す
るＧａＮ層２４には下地のＧａＮ層２３の格子欠陥３７
が伝搬しない。そして、図１０（ｇ）に示すように、Ｇ
ａＮ層２４の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの下
段のＳｉＯ2膜３０がＧａＮ層２４により埋め込まれ、
ＧａＮ層２４が縦方向へ成長する。その後、図１０
（ｈ）に示すように、ＧａＮ層２４が凹凸パターンの上
段のＳｉＯ2膜３０上において横方向へ成長するととも
に縦方向にも成長し、ＧａＮ層２４の表面が平坦化され
る。それにより、凹凸パターンのＳｉＯ2膜３０上に格
子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２４が形成され
る。再成長させるＧａＮ層２４の表面を平坦にするため
には、ＧａＮ層２４がある程度の厚みを有することが必
要である。ＧａＮ層２４の表面を平坦にするために必要
な厚みは、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの幅、Ｇ
ａＮ層２４の成長時の基板温度等の成長条件によって異
なる。例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそ
れぞれ５μｍ程度の場合、ＧａＮ層２４の厚みは１０〜
２０μｍ程度必要となる。ＧａＮは〈１-1００〉方向に
成長しやすいので、図１０（ｆ），（ｇ），（ｈ）の工
程でＧａＮ層２４の横方向への成長が生じやすくするた
めに、図９（ｃ）の工程でＮｉからなるストライプ状マ
スク２９をＧａＮ層２３の〈１-1００〉方向と垂直な
〈１１-2０〉方向に沿って形成することが望ましい。ま
た、図１０（ｈ）の工程で再成長するＧａＮ層２４の表
面が平坦になりやすくするために、図９（ｃ）の工程で
用いるＮｉからなるストライプ状マスク２９のマスク幅
およびストライプ状マスク２９の窓幅（Ｎｉが存在しな
い領域の幅）はそれぞれ１０μｍ以下と小さいことが好
ましく、１〜５μｍとすることがより好ましい。さら
に、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの凸部の断面形
状は、順メサ形状（台形状）とするよりも垂直な側面を
有する矩形状または逆メサ形状（逆台形状）とすること
が好ましい。図１１に示すように、ＧａＮ層２３の凹凸
パターンの断面形状を逆メサ形状にし、ステップカバレ
ッジの悪い電子ビーム蒸着等の堆積方法でＳｉＯ2膜３
０をＧａＮ層２３上に形成することにより、凹凸パター
ンの側面へＳｉＯ2膜が堆積することを防止できる。そ
れにより、凹凸パターンの側面のＳｉＯ2膜をエッチン
グにより除去する工程を省略することができる。図１２
（ａ），（ｂ）は下地のＧａＮ層２３の表面に逆メサ形
状の凹凸パターンを形成する方法を示す模式的断面図で
ある。まず、図１２（ａ）に示すように、ＧａＮ層２３
上にＮｉからなるストライプ状マスク２９を形成した
後、ドライエッチング時に、サファイア基板２１を傾け
てエッチング装置に装着する。この状態で、ＧａＮ層２
３をＲＩＥ法等のドライエッチングによりエッチングす
る。次に、図１２（ｂ）に示すように、サファイア基板
２１を逆方向に傾ける。この状態で、ＧａＮ層２３をＲ
ＩＥ法等のドライエッチングによりエッチングする。こ
のようにして、ＧａＮ層２３の表面に逆メサ形状の凹凸
パターンを形成することができる。本参考例のＧａＮ系
半導体層の製造方法によれば、ＧａＮと格子定数の異な
るサファイア基板２１を用いても、サファイア基板２１
の全面において格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層
２４を成長させることが可能となる。したがって、Ｇａ
Ｎ層２４上にＧａＮ系半導体層からなる発光ダイオー
ド、半導体レーザ素子等の半導体発光素子を作製した場
合、発光効率および信頼性の向上を図ることが可能とな
る。図１３は図９および図１０の方法により形成された
ＧａＮ層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す
模式的断面図である。図１３において、図９および図１
０の方法により形成されたＧａＮ層２４上に、ｎ−Ｇａ
Ｎ層２５、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層２６、ｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層２７、ＭＱＷ発光層２８およびｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層２９が順に形成されている。ｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層２９上のストライプ状の領域を除
いてｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層３１が形成されてい
る。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２９上およびｎ−ＡｌＧ
ａＮ電流ブロック層３１上に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層３２およびｐ−ＧａＮコンタクト層３３が順に形成さ
れている。ｐ−ＧａＮコンタクト層３３からｎ−ＧａＮ
層２５までの一部領域がエッチングにより除去されてい
る。ｐ−ＧａＮコンタクト層３３上にｐ電極３４が形成
され、ｎ−ＧａＮ層２５の露出した表面にｎ電極３５が
形成されている。図１３の半導体レーザ素子において
は、ｎ−ＧａＮ層２５からｐ−ＧａＮコンタクト層３３
までのＧａＮ系半導体層３６が格子欠陥のないＧａＮ層
２４上に形成されているので、ＧａＮ系半導体層３６に
ほとんど格子欠陥が存在しない。したがって、低電流お
よび低電圧動作が可能な半導体レーザ素子が得られる。
なお、本参考例では、窒化物系半導体層の形成方法を半
導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本参考例
に係る窒化物系半導体層の形成方法は、発光ダイオード
等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子に
も適用可能である。尚、図９及び図１０の例では、図９
（ｃ）に示したように、ＧａＮ層２３の表面にストライ
プ状の凹凸パターンを形成する際に、凹部の底面にＧａ
Ｎ層２３が残るようにＧａＮ層２３をエッチングしてい
るが、ＧａＮ層２３の表面に凹凸パターンを形成する際
に、図１４および図１５に示すように凹部の底面にサフ
ァイア基板２１が露出するまでＧａＮ層２３をエッチン
グしてもよい。図１４（ａ），（ｂ）に示すように、図
１９（ａ），（ｂ）と同様にして、サファイア基板２１
の（0 0 0 1）面上に、ＡｌＧａＮバッファ層２２およ
びアンドープのＧａＮ層２３を順に成長させる。なお、
ＧａＮ層２３の厚さは例えば０．５μｍ〜５μｍ程度で
ある。この場合にも、ＧａＮ層２３には上下方向に延び
る格子欠陥３７が存在する。次に、ＧａＮ層２３の全面
にＳｉＯ2膜を形成し、ＳｉＯ2膜上にフォトレジストか
らなるストライプ状マスクを形成し、図１４（ｃ）に示
すように、フッ酸を用いてＳｉＯ2膜をエッチングする
ことにより、ストライプ状のＳｉＯ2膜３０を形成す
る。その後、図１４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜３
０をマスクとして用い、塩素ガスを用いたＲＩＥ法によ
り、ＧａＮ層２３およびＡｌＧａＮバッファ層２２をサ
ファイア基板２１が露出するまでエッチングし、ＧａＮ
層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成す
る。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Ｄはいず
れも例えば５μｍとする。その後、図１５（ｅ）に示す
ように、ＧａＮ層２４の再成長を行う。このとき、凹凸
パターンの側面のみに下地のＧａＮ層２３が露出してい
るので、ＧａＮ層２４の再成長の開始時には、ＧａＮ層
２４は縦方向には成長せず、横方向のみに成長する。サ
ファイア基板２１上で横方向に成長するＧａＮ層２４に
は格子欠陥が存在しない。図１５（ｆ）に示すように、
ＧａＮ層２４の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの
凹部がＧａＮ層２４により埋め込まれ、ＧａＮ層２４が
縦方向に成長する。その後、図１５（ｇ）に示すよう
に、ＧａＮ層２４が凹凸パターンの凸部の上面のＳｉＯ
2膜３０において横方向に成長するとともに縦方向にも
成長し、ＧａＮ層２４の表面が平坦化される。それによ
り、凹凸パターンのＳｉＯ2膜３０上およびサファイア
基板２１上に格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２
４が形成される。図９および図１０の例と同様に、再成
長させるＧａＮ層２４の表面を平坦にするためには、Ｇ
ａＮ層２４がある程度の厚みを有することが必要であ
る。ＧａＮ層２４の表面を平坦にするために必要な厚み
は、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの幅、ＧａＮ層
２４の成長時の基板温度等の成長条件によって異なる。
例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそれぞれ
５μｍの場合、ＧａＮ層２４の厚みは１０〜２０μｍ程
度必要となる。また、ＧａＮは＜1 -1 0 0＞方向に成長
しやすいので、図１５（ｅ），（ｆ），（ｇ）の工程で
ＧａＮ層２４の横方向への成長が生じやすくするため
に、図１４（ｃ）の工程でストライプ状のＳｉＯ2膜３
０をＧａＮ層２３の＜1 -1 0 0＞方向と垂直な＜1 1 -2
0＞方向に沿って形成することが望ましい。さらに、図
１５（ｇ）の工程で再成長するＧａＮ層２４の表面が平
坦になりやすくなるために、図１４（ｃ）の工程で形成
するストライプ状のＳｉＯ2膜３０の幅およびストライ
プ状のＳｉＯ2膜の窓幅（ＳｉＯ2膜が存在しない領域の
幅）はそれぞれ１０μｍ以下と小さいことが好ましく、
１〜５μｍ以下とすることがより好ましい。また、Ｇａ
Ｎ層２３の凹凸パターンの凸部の断面形状は、図９およ
び図１０の例と同様に、順メサ形状とするよりも垂直な
側面を有する矩形状または逆メサ形状とすることが好ま
しい。尚、図１４及び図１５の例では、絶縁性基板とし
てサファイア基板２１を用いているが、サファイア基板
２１の代わりにスピネル基板等の他の絶縁性基板を用い
ることも出来る。図１６および図１７は本発明の第２の
参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式
的工程断面図である。まず、図１６（ａ）に示すよう
に、サファイア基板４１の（０００１）面上に、厚さ３
０ÅのＡｌＧａＮバッファ層４２、厚さ２μｍのアンド
ープのＧａＮ層４３および厚さ３μｍのＳｉドープのｎ
−ＧａＮ層４４ａを順に成長させる。次に、図１６
（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４４ａ上に厚さ約１
０００ÅのＳｉＯ2膜を形成した後、エッチングにより
発光部を除く領域のＳｉＯ2膜を除去するとともに発光
部に対応する領域のＳｉＯ2膜をストライプ状にパター
ニングし、複数本のストライプ状ＳｉＯ2膜４５を形成
する。この場合、次の工程でＧａＮが横方向に成長しや
すいようにストライプ状ＳｉＯ2膜４５をｎ−ＧａＮ層
４４ａの〈１-1２０〉方向に沿って形成する。各ストラ
イプ状ＳｉＯ2膜４５の幅は０．５μｍ程度であり、ス
トライプ状ＳｉＯ2膜４５のピッチは１μｍ程度であ
る。基本横モード発振を実現するためには、発光部の幅
Ｗ１を２〜５μｍ程度とすることが好ましく、ストライ
プ状ＳｉＯ2膜４５の本数は３〜５本程度必要となる。
その後、図１６（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４４
ａ上に、厚さ５μｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層４４
ｂ、厚さ０．１μｍのＳｉドープのｎ−ＩｎＧａＮクラ
ック防止層４６および厚さ１μｍのＳｉドープのｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層４７を順に成長させる。さらに、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層４７上に、図７に示した構造を
有するＭＱＷ発光層４８、厚さ１μｍのＭｇドープのｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層４９および厚さ０．１μｍのＭ
ｇドープのｐ−ＧａＮコンタクト層５０を順に成長させ
る。この場合、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する
領域では、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５間で下地のｎ−
ＧａＮ層４４ａから縦方向にＧａＮが成長した後、スト
ライプ状ＳｉＯ2膜４５上で横方向にＧａＮが成長す
る。一方、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領
域では、下地のｎ−ＧａＮ層４４ａから縦方向にＧａＮ
が成長する。それにより、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５
が存在する領域とストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在し
ない領域とでは、実質的にＧａＮの成長速度に差が生じ
る。すなわち、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する
領域では、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領
域と比べてＧａＮの成長速度が実質的に遅くなる。この
成長速度の差は、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が完全に
ＧａＮで埋め込まれて横方向の成長が完了するまで続
く。その結果、ｎ−ＧａＮ層４４ｂの表面が凹状に形成
され、さらにｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層４６、ｎ−
ＡｌＧａＮクラッド層４７、ＭＱＷ発光層４８、ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層４９およびｐ−ＧａＮコンタクト層
５０が凹状に形成される。ＭＱＷ発光層４８の凹状の部
分が素子の能動領域である発光部となる。また、ストラ
イプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域上のＧａＮ系半導
体層５６にはほとんど結晶欠陥が存在しない。その後、
図１７（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層５
０からｎ−ＧａＮ層４４ｂまでの一部領域をエッチング
により除去し、ｎ−ＧａＮ層４４ａを露出させる。さら
に、図１７（ｅ）に示すように、発光部の上部の領域お
よびｎ−ＧａＮ層４４ａの電極形成領域を除いて、電流
狭窄を行うためおよびｐｎ接合の露出部を保護するため
にｐ−ＧａＮコンタクト層５０の上面および側面ならび
にｎ−ＧａＮ層４４ａの上面にＳｉＯ2膜５１を形成す
る。最後に、図１７（ｆ）に示すように、ｐ−ＧａＮコ
ンタクト層５０の露出した表面にｐ電極５２を形成し、
ｎ−ＧａＮ層４４ａの露出した表面にｎ電極５３を形成
する。発光部に無駄なく電流が注入されるように、電流
注入領域となるＳｉＯ2膜５１の窓の幅Ｗ２は、発光部
の幅Ｗ１と同じか発光部の幅Ｗ１よりもやや狭くするこ
とが好ましい。本参考例の半導体レーザ素子の製造方法
によれば、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域
上のＧａＮ系半導体層５６の結晶性が向上するととも
に、ＧａＮの横方向の成長中に生じる成長速度の差によ
り発光部におけるＭＱＷ発光層８が凹状に形成される。
それにより、サファイア基板４１の垂直方向のみならず
水平方向にも屈折率差が現れる。その結果、エッチング
工程を行うことなく２回の結晶成長で屈折率導波構造を
容易に作製することができる。したがって、素子特性の
ばらつきがなく、かつ再現性の高い屈折率導波型の半導
体レーザ素子が実現される。なお、本参考例では、本発
明を半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本
発明は、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子
や、その他の半導体素子にも適用可能である。上記第２
の参考例では、サファイア基板４１を用いた半導体レー
ザ素子について説明したが、サファイア基板４１の代わ
りにＳｉＣ基板、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板等の他
の基板を用いることもできる。なお、上記第１の実施
例、第１および第２の参考例では、横方向成長技術を行
うための絶縁膜としてＳｉＯ2膜４，３０，４５を用い
ているが、ＳｉＯ2膜の代わりにＡｌ2Ｏ3膜、ＴｉＯ2膜
等の他の絶縁膜を用いてもよい。
例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工
程断面図である。まず、図１に示すように、サファイア
基板１上に、ＡｌＧａＮバッファ層２を形成し、ＡｌＧ
ａＮバッファ層２上にアンドープのＧａＮ層３を成長さ
せる。ＧａＮ層３上に所定幅のＳｉＯ2膜４を形成した
後、横方向成長技術を用いてＧａＮ層３上およびＳｉＯ
2膜４上にｎ−ＧａＮ層５を成長させる。次に、ｎ−Ｇ
ａＮ層５上に、厚さ０．１μｍのｎ−ＩｎPＧａ1-PＮ
（Ｐ＝０．１）クラック防止層６、厚さ１．０μｍのｎ
−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．７）クラッド層７、後述す
る多重量子井戸発光層（以下、ＭＱＷ発光層と呼ぶ）
８、厚さ０．１５μｍのｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝０．
０７）クラッド層９、および厚さ０．２０μｍのｎ−Ａ
ｌZＧａ1-ZＮ（Ｚ＝０．１２）電流ブロック層１０を順
に形成する。図７はＭＱＷ発光層８のエネルギーバンド
構造図である。図７に示すように、ＭＱＷ発光層８は、
厚さ６０Åの６つのＩｎXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０．０３）量
子障壁層８１と厚さ３０Åの５つのＩｎXＧａ1-XＮ（Ｘ
＝０．１０）量子井戸層８２とが交互に積層されてなる
多重量子井戸構造を含む。その多重量子井戸構造の両面
は厚さ０．１μｍのＧａＮ光ガイド層８３で挟まれてい
る。続いて、ｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０の
中央部の幅Ｗ０のストライプ状の領域をエッチングによ
り除去する。この場合、ｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロッ
ク層１０間のストライプ状の領域が電流注入領域１９と
なる。電流注入領域１９の幅Ｗ０は例えば２μｍであ
る。この電流注入領域１９は、ＧａＮの〈１１-2０〉方
向に沿って形成する。さらに、ｎ−ＡｌZＧａ1-Z Ｎ電
流ブロック層１０上およびｐ−ＡｌYＧａ1-YＮクラッド
層９上に厚さ０．４μｍのｐ−ＡｌYＧａ1-YＮ（Ｙ＝
０．０７）クラッド層１１、および厚さ０．１μｍのｐ
−ＧａＮコンタクト層１２を順に形成する。なお、ｎ型
ドーパントとしてはＳｉを用い、ｐ型ドーパントとして
はＭｇを用いる。また、各層の成長方法としては、例え
ば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相成長法）または
ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）を用いる。この
場合、ＳｉＯ2膜４が存在しない領域では、ＧａＮ層３
からｐ−ＧａＮコンタクト層１２まで格子欠陥が上下方
向に延びている。ＳｉＯ2膜４上のｎ−ＧａＮ層５から
ｐ−ＧａＮコンタクト層１２には格子欠陥が存在しな
い。次に、図２に示すようにＳｉＯ2膜４が存在しない
領域のｐ−ＧａＮコンタクト層１２からｎ−ＧａＮ層５
までをＲＩＥ法、ＲＩＢＥ法等のドライエッチングによ
り除去する。それにより、ＧａＮ層３上に格子欠陥の存
在しないＧａＮ系半導体層１８が残る。さらに、ｐ型ド
ーパントを活性化するために、６００℃以上、例えば８
００℃で３０分間のアニールを行った後、図３に示すよ
うに、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２上に厚さ５０００Å
のＮｉ、厚さ１００ÅのＰｔおよび厚さ１μｍのＡｕか
らなるｐ電極１３を形成する。次に、図４に示すよう
に、表裏の（００１）面にオーミック電極１５ａ，１５
ｂが形成された厚み１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１４
を用意する。このｎ−ＧａＡｓ基板１４のオーミック電
極１５ａ上に、サファイア基板１上のＧａＮ系半導体層
１８上に形成されたｐ電極１３の上面を熱圧着または融
着により接合する。熱圧着を用いる場合、ｐ電極１３の
表面およびオーミック電極１５ａの表面は、蒸着直後の
状態のＡｕで覆われていることが望ましい。また、融着
を用いる場合には、ｎ−ＧａＡｓ基板１４上に厚さ３μ
ｍ程度のＡｕ−Ｓｎ膜を形成することが望ましい。ｐ電
極１３とオーミック電極１５ａとの接合の際には、ｎ−
ＧａＡｓ基板１４とＧａＮ系半導体層１８とが図８の関
係を有するようにＧａＡｓ基板１４とＧａＮ系半導体層
１８との結晶方位を合わせる。図８において、ｎ−Ｇａ
Ａｓ基板１４の（００１）面上にＧａＮ系半導体層１８
が形成される。ストライプ状の電流注入領域１９は、図
４のｎ−ＡｌZＧａ1-ZＮ電流ブロック層１０間の領域に
対応し、電流注入領域１９に発光部２０が形成される。
この電流注入領域１９は〈1 -1 0 0〉方向に沿って設け
られる。この場合，ＧａＮ系半導体層１８の電流注入領
域１９がｎ−ＧａＡｓ基板１４の〈１１０〉方向または
〈１-1０〉方向と平行になるようにＧａＮ系半導体層１
８をｎ−ＧａＡｓ基板１４上に接合する。次に、図４の
サファイア基板１およびｎ−ＧａＡｓ基板１４をフッ酸
原液に浸漬することによりＳｉＯ2膜４を除去し、サフ
ァイア基板１およびその上の格子欠陥を有するＡｌＧａ
Ｎバッファ層２およびＧａＮ層３をリフトオフ法により
ｎ−ＧａＡｓ基板１４上のＧａＮ系半導体層１８から取
り外す。それにより、図５に示すように、ｎ−ＧａＡｓ
基板１４上に格子欠陥を有さないＧａＮ系半導体層１８
が残る。この場合、ＳｉＯ2膜４のサイドエッチングが
進行しやすくなるように、界面活性化入りのフッ酸原液
を用いることが望ましい。最後に、図６に示すように、
ｎ−ＧａＮ層５上の中央部の領域を除いてＧａＮ系半導
体層１８の上面および側面ならびにオーミック電極１５
ａの表面に、短絡防止用のＳｉＯ2膜１６を形成した
後、ｎ−ＧａＮ層５上およびＳｉＯ2膜１６上に厚さ１
００ÅのＴｉおよび厚さ２０００ÅのＡｌからなるｎ電
極１７を形成する。その後、一対の共振器面をへき開法
により形成する。この場合、図８に示すように、ＧａＮ
系半導体層１８の｛１-1００｝面およびｎ−ＧａＡｓ基
板１４の｛１１０｝面または｛１-1０｝面がへき開面と
なる。本実施例の半導体レーザ素子においては、ＧａＮ
系半導体層１８の裏面および表面にそれぞれｐ電極１３
およびｎ電極１７が形成されるので、ｐ電極１３とｎ電
極１７との間の電流経路が短くなる。また、ＧａＮ系半
導体層１８にほとんど格子欠陥が存在しない。したがっ
て、低電圧動作および低電流動作が可能となる。また、
ＧａＮ系半導体層１８のへき開方向とｎ−ＧａＡｓ基板
１４のへき開方向とを一致させることができるので、共
振器面をへき開法により容易に形成することができる。
なお、本実施例では、本発明を半導体レーザ素子に適用
した場合を説明したが、本発明は、発光ダイオード等の
その他の半導体発光素子や、その他の半導体素子にも適
用可能である。図９および図１０は本発明の第１の参考
例におけるＧａＮ系半導体層の形成方法を示す模式的工
程断面図である。図９（ａ）に示すサファイア基板２１
の端面は（０００１）面（ｃ面）を有する。図９（ｂ）
に示すように、サファイア基板２１の（０００１）面上
に、ＡｌＧａＮバッファ層２２およびアンドープのＧａ
Ｎ層２３を順に成長させる。ＧａＮ層２３には上下方向
に延びる格子欠陥３７が存在する。次に、図９（ｃ）に
示すように、Ｎｉからなるストライプ状マスク２９を用
いてＧａＮ層２３をＲＩＥ法によりエッチングし、Ｇａ
Ｎ層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成す
る。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Ｄはいず
れも例えば５μｍとする。ストライプ状マスク２９を除
去した後、図９（ｄ）に示すように、ＧａＮ層２３上に
ＳｉＯ2膜３０を形成する。次に、図１０（ｅ）に示す
ように、ＧａＮ層２３の凹凸パターンの側面に形成され
たＳｉＯ2膜３０をエッチングにより除去する。その
後、図１０（ｆ）に示すように、ＧａＮ層２４の再成長
を行う。このとき、凹凸パターンの側面のみに下地のＧ
ａＮ層２３が露出しているので、ＧａＮ層２４の再成長
の開始時には、ＧａＮ層２４は縦方向へ成長せず、横方
向のみに成長する。ＳｉＯ2膜３０上で横方向に成長す
るＧａＮ層２４には下地のＧａＮ層２３の格子欠陥３７
が伝搬しない。そして、図１０（ｇ）に示すように、Ｇ
ａＮ層２４の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの下
段のＳｉＯ2膜３０がＧａＮ層２４により埋め込まれ、
ＧａＮ層２４が縦方向へ成長する。その後、図１０
（ｈ）に示すように、ＧａＮ層２４が凹凸パターンの上
段のＳｉＯ2膜３０上において横方向へ成長するととも
に縦方向にも成長し、ＧａＮ層２４の表面が平坦化され
る。それにより、凹凸パターンのＳｉＯ2膜３０上に格
子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２４が形成され
る。再成長させるＧａＮ層２４の表面を平坦にするため
には、ＧａＮ層２４がある程度の厚みを有することが必
要である。ＧａＮ層２４の表面を平坦にするために必要
な厚みは、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの幅、Ｇ
ａＮ層２４の成長時の基板温度等の成長条件によって異
なる。例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそ
れぞれ５μｍ程度の場合、ＧａＮ層２４の厚みは１０〜
２０μｍ程度必要となる。ＧａＮは〈１-1００〉方向に
成長しやすいので、図１０（ｆ），（ｇ），（ｈ）の工
程でＧａＮ層２４の横方向への成長が生じやすくするた
めに、図９（ｃ）の工程でＮｉからなるストライプ状マ
スク２９をＧａＮ層２３の〈１-1００〉方向と垂直な
〈１１-2０〉方向に沿って形成することが望ましい。ま
た、図１０（ｈ）の工程で再成長するＧａＮ層２４の表
面が平坦になりやすくするために、図９（ｃ）の工程で
用いるＮｉからなるストライプ状マスク２９のマスク幅
およびストライプ状マスク２９の窓幅（Ｎｉが存在しな
い領域の幅）はそれぞれ１０μｍ以下と小さいことが好
ましく、１〜５μｍとすることがより好ましい。さら
に、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの凸部の断面形
状は、順メサ形状（台形状）とするよりも垂直な側面を
有する矩形状または逆メサ形状（逆台形状）とすること
が好ましい。図１１に示すように、ＧａＮ層２３の凹凸
パターンの断面形状を逆メサ形状にし、ステップカバレ
ッジの悪い電子ビーム蒸着等の堆積方法でＳｉＯ2膜３
０をＧａＮ層２３上に形成することにより、凹凸パター
ンの側面へＳｉＯ2膜が堆積することを防止できる。そ
れにより、凹凸パターンの側面のＳｉＯ2膜をエッチン
グにより除去する工程を省略することができる。図１２
（ａ），（ｂ）は下地のＧａＮ層２３の表面に逆メサ形
状の凹凸パターンを形成する方法を示す模式的断面図で
ある。まず、図１２（ａ）に示すように、ＧａＮ層２３
上にＮｉからなるストライプ状マスク２９を形成した
後、ドライエッチング時に、サファイア基板２１を傾け
てエッチング装置に装着する。この状態で、ＧａＮ層２
３をＲＩＥ法等のドライエッチングによりエッチングす
る。次に、図１２（ｂ）に示すように、サファイア基板
２１を逆方向に傾ける。この状態で、ＧａＮ層２３をＲ
ＩＥ法等のドライエッチングによりエッチングする。こ
のようにして、ＧａＮ層２３の表面に逆メサ形状の凹凸
パターンを形成することができる。本参考例のＧａＮ系
半導体層の製造方法によれば、ＧａＮと格子定数の異な
るサファイア基板２１を用いても、サファイア基板２１
の全面において格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層
２４を成長させることが可能となる。したがって、Ｇａ
Ｎ層２４上にＧａＮ系半導体層からなる発光ダイオー
ド、半導体レーザ素子等の半導体発光素子を作製した場
合、発光効率および信頼性の向上を図ることが可能とな
る。図１３は図９および図１０の方法により形成された
ＧａＮ層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す
模式的断面図である。図１３において、図９および図１
０の方法により形成されたＧａＮ層２４上に、ｎ−Ｇａ
Ｎ層２５、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層２６、ｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層２７、ＭＱＷ発光層２８およびｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層２９が順に形成されている。ｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層２９上のストライプ状の領域を除
いてｎ−ＡｌＧａＮ電流ブロック層３１が形成されてい
る。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２９上およびｎ−ＡｌＧ
ａＮ電流ブロック層３１上に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層３２およびｐ−ＧａＮコンタクト層３３が順に形成さ
れている。ｐ−ＧａＮコンタクト層３３からｎ−ＧａＮ
層２５までの一部領域がエッチングにより除去されてい
る。ｐ−ＧａＮコンタクト層３３上にｐ電極３４が形成
され、ｎ−ＧａＮ層２５の露出した表面にｎ電極３５が
形成されている。図１３の半導体レーザ素子において
は、ｎ−ＧａＮ層２５からｐ−ＧａＮコンタクト層３３
までのＧａＮ系半導体層３６が格子欠陥のないＧａＮ層
２４上に形成されているので、ＧａＮ系半導体層３６に
ほとんど格子欠陥が存在しない。したがって、低電流お
よび低電圧動作が可能な半導体レーザ素子が得られる。
なお、本参考例では、窒化物系半導体層の形成方法を半
導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本参考例
に係る窒化物系半導体層の形成方法は、発光ダイオード
等のその他の半導体発光素子や、その他の半導体素子に
も適用可能である。尚、図９及び図１０の例では、図９
（ｃ）に示したように、ＧａＮ層２３の表面にストライ
プ状の凹凸パターンを形成する際に、凹部の底面にＧａ
Ｎ層２３が残るようにＧａＮ層２３をエッチングしてい
るが、ＧａＮ層２３の表面に凹凸パターンを形成する際
に、図１４および図１５に示すように凹部の底面にサフ
ァイア基板２１が露出するまでＧａＮ層２３をエッチン
グしてもよい。図１４（ａ），（ｂ）に示すように、図
１９（ａ），（ｂ）と同様にして、サファイア基板２１
の（0 0 0 1）面上に、ＡｌＧａＮバッファ層２２およ
びアンドープのＧａＮ層２３を順に成長させる。なお、
ＧａＮ層２３の厚さは例えば０．５μｍ〜５μｍ程度で
ある。この場合にも、ＧａＮ層２３には上下方向に延び
る格子欠陥３７が存在する。次に、ＧａＮ層２３の全面
にＳｉＯ2膜を形成し、ＳｉＯ2膜上にフォトレジストか
らなるストライプ状マスクを形成し、図１４（ｃ）に示
すように、フッ酸を用いてＳｉＯ2膜をエッチングする
ことにより、ストライプ状のＳｉＯ2膜３０を形成す
る。その後、図１４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜３
０をマスクとして用い、塩素ガスを用いたＲＩＥ法によ
り、ＧａＮ層２３およびＡｌＧａＮバッファ層２２をサ
ファイア基板２１が露出するまでエッチングし、ＧａＮ
層２３の表面にストライプ状の凹凸パターンを形成す
る。凹凸パターンにおける凹部および凸部の幅Ｄはいず
れも例えば５μｍとする。その後、図１５（ｅ）に示す
ように、ＧａＮ層２４の再成長を行う。このとき、凹凸
パターンの側面のみに下地のＧａＮ層２３が露出してい
るので、ＧａＮ層２４の再成長の開始時には、ＧａＮ層
２４は縦方向には成長せず、横方向のみに成長する。サ
ファイア基板２１上で横方向に成長するＧａＮ層２４に
は格子欠陥が存在しない。図１５（ｆ）に示すように、
ＧａＮ層２４の再成長が進むにつれて、凹凸パターンの
凹部がＧａＮ層２４により埋め込まれ、ＧａＮ層２４が
縦方向に成長する。その後、図１５（ｇ）に示すよう
に、ＧａＮ層２４が凹凸パターンの凸部の上面のＳｉＯ
2膜３０において横方向に成長するとともに縦方向にも
成長し、ＧａＮ層２４の表面が平坦化される。それによ
り、凹凸パターンのＳｉＯ2膜３０上およびサファイア
基板２１上に格子欠陥が存在しない高品質のＧａＮ層２
４が形成される。図９および図１０の例と同様に、再成
長させるＧａＮ層２４の表面を平坦にするためには、Ｇ
ａＮ層２４がある程度の厚みを有することが必要であ
る。ＧａＮ層２４の表面を平坦にするために必要な厚み
は、下地のＧａＮ層２３の凹凸パターンの幅、ＧａＮ層
２４の成長時の基板温度等の成長条件によって異なる。
例えば、凹凸パターンの凹部および凸部の幅がそれぞれ
５μｍの場合、ＧａＮ層２４の厚みは１０〜２０μｍ程
度必要となる。また、ＧａＮは＜1 -1 0 0＞方向に成長
しやすいので、図１５（ｅ），（ｆ），（ｇ）の工程で
ＧａＮ層２４の横方向への成長が生じやすくするため
に、図１４（ｃ）の工程でストライプ状のＳｉＯ2膜３
０をＧａＮ層２３の＜1 -1 0 0＞方向と垂直な＜1 1 -2
0＞方向に沿って形成することが望ましい。さらに、図
１５（ｇ）の工程で再成長するＧａＮ層２４の表面が平
坦になりやすくなるために、図１４（ｃ）の工程で形成
するストライプ状のＳｉＯ2膜３０の幅およびストライ
プ状のＳｉＯ2膜の窓幅（ＳｉＯ2膜が存在しない領域の
幅）はそれぞれ１０μｍ以下と小さいことが好ましく、
１〜５μｍ以下とすることがより好ましい。また、Ｇａ
Ｎ層２３の凹凸パターンの凸部の断面形状は、図９およ
び図１０の例と同様に、順メサ形状とするよりも垂直な
側面を有する矩形状または逆メサ形状とすることが好ま
しい。尚、図１４及び図１５の例では、絶縁性基板とし
てサファイア基板２１を用いているが、サファイア基板
２１の代わりにスピネル基板等の他の絶縁性基板を用い
ることも出来る。図１６および図１７は本発明の第２の
参考例における半導体レーザ素子の製造方法を示す模式
的工程断面図である。まず、図１６（ａ）に示すよう
に、サファイア基板４１の（０００１）面上に、厚さ３
０ÅのＡｌＧａＮバッファ層４２、厚さ２μｍのアンド
ープのＧａＮ層４３および厚さ３μｍのＳｉドープのｎ
−ＧａＮ層４４ａを順に成長させる。次に、図１６
（ｂ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４４ａ上に厚さ約１
０００ÅのＳｉＯ2膜を形成した後、エッチングにより
発光部を除く領域のＳｉＯ2膜を除去するとともに発光
部に対応する領域のＳｉＯ2膜をストライプ状にパター
ニングし、複数本のストライプ状ＳｉＯ2膜４５を形成
する。この場合、次の工程でＧａＮが横方向に成長しや
すいようにストライプ状ＳｉＯ2膜４５をｎ−ＧａＮ層
４４ａの〈１-1２０〉方向に沿って形成する。各ストラ
イプ状ＳｉＯ2膜４５の幅は０．５μｍ程度であり、ス
トライプ状ＳｉＯ2膜４５のピッチは１μｍ程度であ
る。基本横モード発振を実現するためには、発光部の幅
Ｗ１を２〜５μｍ程度とすることが好ましく、ストライ
プ状ＳｉＯ2膜４５の本数は３〜５本程度必要となる。
その後、図１６（ｃ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４４
ａ上に、厚さ５μｍのＳｉドープのｎ−ＧａＮ層４４
ｂ、厚さ０．１μｍのＳｉドープのｎ−ＩｎＧａＮクラ
ック防止層４６および厚さ１μｍのＳｉドープのｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層４７を順に成長させる。さらに、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層４７上に、図７に示した構造を
有するＭＱＷ発光層４８、厚さ１μｍのＭｇドープのｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層４９および厚さ０．１μｍのＭ
ｇドープのｐ−ＧａＮコンタクト層５０を順に成長させ
る。この場合、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する
領域では、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５間で下地のｎ−
ＧａＮ層４４ａから縦方向にＧａＮが成長した後、スト
ライプ状ＳｉＯ2膜４５上で横方向にＧａＮが成長す
る。一方、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領
域では、下地のｎ−ＧａＮ層４４ａから縦方向にＧａＮ
が成長する。それにより、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５
が存在する領域とストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在し
ない領域とでは、実質的にＧａＮの成長速度に差が生じ
る。すなわち、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する
領域では、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在しない領
域と比べてＧａＮの成長速度が実質的に遅くなる。この
成長速度の差は、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が完全に
ＧａＮで埋め込まれて横方向の成長が完了するまで続
く。その結果、ｎ−ＧａＮ層４４ｂの表面が凹状に形成
され、さらにｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層４６、ｎ−
ＡｌＧａＮクラッド層４７、ＭＱＷ発光層４８、ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層４９およびｐ−ＧａＮコンタクト層
５０が凹状に形成される。ＭＱＷ発光層４８の凹状の部
分が素子の能動領域である発光部となる。また、ストラ
イプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域上のＧａＮ系半導
体層５６にはほとんど結晶欠陥が存在しない。その後、
図１７（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＮコンタクト層５
０からｎ−ＧａＮ層４４ｂまでの一部領域をエッチング
により除去し、ｎ−ＧａＮ層４４ａを露出させる。さら
に、図１７（ｅ）に示すように、発光部の上部の領域お
よびｎ−ＧａＮ層４４ａの電極形成領域を除いて、電流
狭窄を行うためおよびｐｎ接合の露出部を保護するため
にｐ−ＧａＮコンタクト層５０の上面および側面ならび
にｎ−ＧａＮ層４４ａの上面にＳｉＯ2膜５１を形成す
る。最後に、図１７（ｆ）に示すように、ｐ−ＧａＮコ
ンタクト層５０の露出した表面にｐ電極５２を形成し、
ｎ−ＧａＮ層４４ａの露出した表面にｎ電極５３を形成
する。発光部に無駄なく電流が注入されるように、電流
注入領域となるＳｉＯ2膜５１の窓の幅Ｗ２は、発光部
の幅Ｗ１と同じか発光部の幅Ｗ１よりもやや狭くするこ
とが好ましい。本参考例の半導体レーザ素子の製造方法
によれば、ストライプ状ＳｉＯ2膜４５が存在する領域
上のＧａＮ系半導体層５６の結晶性が向上するととも
に、ＧａＮの横方向の成長中に生じる成長速度の差によ
り発光部におけるＭＱＷ発光層８が凹状に形成される。
それにより、サファイア基板４１の垂直方向のみならず
水平方向にも屈折率差が現れる。その結果、エッチング
工程を行うことなく２回の結晶成長で屈折率導波構造を
容易に作製することができる。したがって、素子特性の
ばらつきがなく、かつ再現性の高い屈折率導波型の半導
体レーザ素子が実現される。なお、本参考例では、本発
明を半導体レーザ素子に適用した場合を説明したが、本
発明は、発光ダイオード等のその他の半導体発光素子
や、その他の半導体素子にも適用可能である。上記第２
の参考例では、サファイア基板４１を用いた半導体レー
ザ素子について説明したが、サファイア基板４１の代わ
りにＳｉＣ基板、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板等の他
の基板を用いることもできる。なお、上記第１の実施
例、第１および第２の参考例では、横方向成長技術を行
うための絶縁膜としてＳｉＯ2膜４，３０，４５を用い
ているが、ＳｉＯ2膜の代わりにＡｌ2Ｏ3膜、ＴｉＯ2膜
等の他の絶縁膜を用いてもよい。
【発明の効果】本発明によれば、低電圧動作が可能な窒
化物系半導体素子を提供し得る。また、本発明によれ
ば、低電圧動作が可能でかつへき開により端面の形成が
可能な窒化物系半導体発光素子を提供し得る。また、本
発明によれば、格子欠陥が低減され、低電圧動作が可能
で、且つへき開により端面の形成が可能な窒化物系半導
体素子の製造方法を提供し得る。
化物系半導体素子を提供し得る。また、本発明によれ
ば、低電圧動作が可能でかつへき開により端面の形成が
可能な窒化物系半導体発光素子を提供し得る。また、本
発明によれば、格子欠陥が低減され、低電圧動作が可能
で、且つへき開により端面の形成が可能な窒化物系半導
体素子の製造方法を提供し得る。
【図１】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図７】図１〜図６の半導体レーザ素子におけるＭＱＷ
発光層のエネルギーバンド構造図である。
発光層のエネルギーバンド構造図である。
【図８】図１〜図６の半導体レーザ素子におけるサファ
イア基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示
す斜視図である。
イア基板およびＧａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示
す斜視図である。
【図９】本発明の第１の参考例におけるＧａＮ系半導体
層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図１０】本発明の第１の参考例におけるＧａＮ系半導
体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図１１】ＧａＮ層の表面に形成された逆メサ形状の凹
凸パターンを示す模式的断面図である。
凸パターンを示す模式的断面図である。
【図１２】ＧａＮ層の表面に逆メサ形状の凹凸パターン
を形成する方法を示す模式的断面図である。
を形成する方法を示す模式的断面図である。
【図１３】図９および図１０の方法により形成されたＧ
ａＮ層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す模
式的断面図である。
ａＮ層上に作製された半導体レーザ素子の一例を示す模
式的断面図である。
【図１４】ＧａＮ系半導体層の形成方法の他の例を示す
模式的工程断面図である。
模式的工程断面図である。
【図１５】ＧａＮ系半導体層の形成方法の他の例を示す
模式的工程断面図である。
模式的工程断面図である。
【図１６】本発明の第２の参考例における半導体レーザ
素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１７】本発明の第２の参考例における半導体レーザ
素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１８】従来のＧａＮ系発光ダイオードの模式的断面
図である。
図である。
【図１９】従来の横方向成長技術を用いたＧａＮ系半導
体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
体層の形成方法を示す模式的工程断面図である。
【図２０】サファイア基板およびその上に形成されたＧ
ａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。
ａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す図である。
【図２１】サファイア基板およびその上に形成されたＧ
ａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す斜視図である。
ａＮ系半導体層の結晶方位の関係を示す斜視図である。
１，２１，４１ サファイア基板 ２，２２，４２ ＡｌＧａＮバッファ層 ３，２３，２４，４３ ＧａＮ層 ４，１６，３０，４５，５１ ＳｉＯ2膜 ５，２５，４４ａ，４４ｂ ｎ−ＧａＮ層 ７ ｎ−ＡｌY Ｇａ1-Y Ｎクラッド層 ８，２８，４８ ＭＱＷ発光層 ９，１１ ｐ−ＡｌY Ｇａ1-Y Ｎクラッド層 １２，３３，５０ ｐ−ＧａＮコンタクト層 １４ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２７，４７ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２９，３２，４９ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−129984（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−8403（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−41586（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−274411（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−307188（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／11518（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (6)
- 【請求項１】 ｎ型の層とｐ型の層とが積層されたホウ
素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なく
とも１つを含む窒化物系半導体層を有し、ｎ型ガリウム
砒素基板上に第１の電極層を介して前記窒化物系半導体
層が前記ｐ型の層側から接合されるとともに、前記ｎ型
の層の上面に第２の電極層が形成されたことを特徴とす
る半導体素子。 - 【請求項２】 ｎ型の層とｐ型の層とが積層されたホウ
素、ガリウム、アルミニウムおよびインジウムの少なく
とも１つを含む窒化物系半導体層を有し、ｎ型ガリウム
砒素基板上に第１の電極層を介して前記窒化物系半導体
層が前記ｐ型の層側から接合されるとともに、前記ｎ型
の層の上面に第２の電極層が形成され、前記窒化物系半
導体層が発光層を含むことを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項３】 前記窒化物系半導体層は前記発光層に電
流を注入するストライプ状の電流注入領域を有し、前記
ストライプ状の電流注入領域が前記窒化物系半導体層の
〈１-1００〉方向に沿って形成され、かつ前記窒化物系
半導体層の〈１-1００〉方向が前記ガリウム砒素基板の
〈１１０〉方向または〈１-1０〉方向と一致するように
前記窒化物系半導体層が前記ガリウム砒素基板上に配置
され、前記ガリウム砒素基板の｛１１０｝面または｛１
-1０｝面および前記窒化物系半導体層の｛１-1００｝面
で一対の共振器面が形成されたことを特徴とする請求項
２記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 絶縁性基板上にホウ素、ガリウム、アル
ミニウムおよびインジウムの少なくとも１つを含む第１
の窒化物系半導体層を形成する工程と、 前記第１の窒化物系半導体層上の所定領域に絶縁膜を形
成する工程と、 前記第１の窒化物系半導体層上および前記絶縁膜上に横
方向成長技術を用いてガリウム、アルミニウムおよびイ
ンジウムの少なくとも１つを含む第２の窒化物系半導体
層を形成する工程と、 前記絶縁膜上の領域を除いて前記第２の窒化物系半導体
層を除去する工程と、 前記絶縁膜上の前記第２の窒化物系半導体層の上面を第
１の電極層を介してガリウム砒素基板の一面に接合する
工程と、 前記絶縁膜を除去することにより前記絶縁性基板および
前記第１の窒化物系半導体層を前記第２の窒化物系半導
体層から取り外す工程と、 前記第２の窒化物系半導体層の上面に第２の電極層を形
成する工程とを備えたことを特徴とする半導体素子の製
造方法。 - 【請求項５】 前記第２の窒化物系半導体層を形成する
工程は、発光層を形成する工程を含むことを特徴とする
請求項４記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項６】 前記第２の窒化物系半導体層を形成する
工程は、前記発光層に電流を注入するストライプ状の電
流注入領域を前記第２の窒化物系半導体層の〈１-1０
０〉方向に沿って形成する工程を含み、 前記第２の窒化物系半導体層の上面を第１の電極層を介
してガリウム砒素基板の一面に接合する工程は、前記第
２の窒化物系半導体層の〈１-1００〉方向を前記ガリウ
ム砒素基板の〈１１０〉方向または〈１-1０〉方向に一
致させる工程を含み、 前記ガリウム砒素基板の｛１１０｝面または｛１-1０｝
面および前記第２の窒化物系半導体層の｛１-1００｝面
でへき開することにより一対の共振器面を形成する工程
をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の半導体
素子の製造方法。
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