JP3753077B2 - 半導体多層膜およびそれを用いた半導体素子ならびにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物半導体多層膜およびこれを用いた半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、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。また、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、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いエピタキシャル成長を行うことにより得られる。
【０００４】
ところで、窒化物半導体材料を用いて光素子や電子素子を作製する場合、所定の開口パターンを有するマスクを用い、III属窒化物半導体層を成長させるプロセスがしばしば利用される。特にIII属窒化物半導体は化学的に安定なため、エッチングによる加工が困難であることから所望の層構造を形成するためにマスク成長に頼らざるを得ない場合があり、窒化物半導体素子の作製にあっては、マスク成長プロセスは技術的にきわめて重要な位置を占めている。
【０００５】
このようなマスク材料に求められる特性として、その上に成長膜が成長しにくく、かつ、成長温度において化学的に安定であることが求められる。このような条件を満たすものとして、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等、シリコン系の材料が知られている。従来、マスク材料としては、シリコン酸化膜が広く利用され、特殊の場合にシリコン窒化膜等が用いられていた。これらの材料は、上記要求特性をある程度満足する上、エッチング加工が容易でパターニングを容易に行うことができるからである。このほかに酸化チタン等、他のマスク材料が提案される例もあったが、シリコン酸化膜を用いることで特に不都合となる点が見いだされておらず、取り扱いが容易でプロセスの実績の多いＳｉＯ2に代えてまで他のマスクを用いる理由が無かったことから、多くの場合、ＳｉＯ2がマスク材料として利用されてきた。
【０００６】
以下、ＳｉＯ2マスクを用いた選択成長プロセスにより形成される半導体レーザの例について述べる。
【０００７】
まず、リッジを形成した窒化ガリウム系半導体レーザの従来技術１（特開２０００−５８９８１号公報）について図１を参照して説明する。この例では、III族窒化物半導体レーザにおいて、選択成長を用いて電流狭窄構造を形成し、これにより、発振しきい値を小さくし、横モード制御性に優れ、且つ素子抵抗の低減を図っている。図１において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とするサファイア基板１０１上に、厚さ３０ｎｍのＧａＮバッファー層１０２、厚さ３．０μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、厚さ０．１μｍのｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層１０４、厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０５、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０６、厚さ2.5nmのアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層からなる７周期の多重量子井戸構造活性層１０７、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎインジウム解離防止層１０８、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０９、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.83Ｎクラッド層１１０、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮ層１１１、厚さ０．２μｍの酸化珪素（ＳｉＯ2）膜１１２、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１３、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極１１４、Ｔｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極１１５が形成されている。図１において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を露出させ、その上面にｎ電極１１５を形成している。
【０００８】
次に、マスク成長によりリッジ部を形成した半導体レーザの他の例について述べる。特開２０００−５８４６１号公報には、Ｖ族原料にヒドラジンを用いて６００℃以上８００℃以下の成長温度で選択成長することにより多結晶の形成を抑制することができることが報告されている（以下、従来技術２と称する）。図２は従来技術２に係るIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。図２において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とするサファイア基板２０１上に、ＧａＮバッファー層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２０４、ｎ型ＧａＮ光閉込層２０５、多重量子井戸構造活性層２０６、ｐ型ＧａＮ光閉込層２０７、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２０８、酸化珪素マスク２０９、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１１からなるリッジ構造２１２、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極２１３、Ｔｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極２１４が形成されている。図２において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層２０３を露出させ、その上面にｎ電極２１４を形成している。また、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１１はマスク上への多結晶の形成を抑制するために、Ｖ族原料としてヒドラジンを用い、成長温度を７００℃としている。マスク材料とアルミニウムの反応を抑制するためには成長温度を下げる必要があり、アンモニアよりも低温で分解するヒドラジンを用いることにより成長温度を下げることを可能とするものである。また、選択成長用マスク材料として、酸化珪素、窒化珪素、酸化チタン及びＡｌ2Ｏ3が例示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者の検討の結果、上記のようにＳｉＯ2マスクを用いたマスク成長では、マスク成長層に不純物混入領域が発生するとの知見が得られた。図７はこの様子を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。断面ＳＥＭ像において選択成長による再成長界面及びその上のｐ型半導体層に黒色の変色域が見られた。この箇所は、その後の検討によりシリコンの混入した箇所であることが判明した。III属窒化物半導体の結晶層を得るための成長温度は１０００℃以上と高温で、かつ、低圧の状態となる。この状態におかれた場合、シリコン系マスクからシリコンが揮発し、III属窒化物半導体の結晶層に混入するものと推察される。
【００１０】
III属窒化物半導体層中にシリコンが混入すると、設計した構造の多層膜が得られず、所望の特性を満たす素子を製造安定性良く得ることが困難となる。特に、III属窒化物半導体層の導電型がｐ型である場合、シリコンが混入した場合、ｐ型不純物が補償されてしまい、高抵抗領域が発生したり、導電型がｎ型に反転した領域が発生し、所望通りの素子特性が得られなくなる場合がある。
【００１１】
前記した従来技術１では、リッジ部において、このようなシリコンの混入等が発生し得る。一方、従来技術２では、マスク成長層を低温で形成するため、良質な結晶層を安定的に得られない場合があり、また、マスク成長層をマスク上に横方向に成長しづらく、狭い開口部に対して広いリッジを形成することが困難であった。
【００１２】
シリコンの混入に対しては、その現象を逆に利用し、素子特性の向上を図ることも考えられる。本発明者らは特願２００１−２７２７８４において、シリコンの混入により発生した高抵抗領域を利用した半導体レーザについて提案している。この一方、シリコンの混入自体を防止し、当初設計した通りの層構造を形成し、素子を安定製造する手法を開発することも重要な技術的課題である。
【００１３】
この点、従来、マスクに由来する汚染や不純物がマスク成長層に混入することについての対策が検討された例はほとんどなかった。しかし、このことについて充分な対策を施せば、III属窒化物半導体多層膜の製造安定性を、従来に比し、飛躍的に向上させることも可能となる。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、マスク成長により形成した半導体層へのマスク由来の汚染や不純物の混入を防ぎ、設計通りの特性を備える半導体多層膜を製造安定性良く得るための技術を提供することを目的とする。
【００１５】
具体的には、III属窒化物半導体レーザの、活性層上部のｐ型半導体層構造に適用した場合、良好な電流狭窄が実現され、Ｉ−Ｖ特性、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザを提供することを目的とする。また、電子素子への応用では、高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の向上を図ることを目的とする。
【００２１】
本発明の半導体多層膜において、前記第二のIII族窒化物半導体層は、前記第一のIII族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなす構成とすることができる。
【００２６】
本発明によれば、第一のIII族窒化物半導体層と、この上に設けられた開口部を有するマスクと、前記開口部において前記第一のIII族窒化物半導体層から成長した第二のIII族窒化物半導体層と、を有し、前記マスクはＡｌ ２ Ｏ ３ により構成され、前記第二のIII族窒化物半導体層は、リッジ状に形成されるとともに、前記第一の III 族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなし、前記開口部の幅が最小となる断面において、リッジ底面の幅をＤ、開口部の幅をｄとし、前記マスク上の前記第二のIII族窒化物半導体層の厚みをｈとしたとき、下記式
Ｐ＝（Ｄ−ｄ）／２ｈ
により定義される形状因子Ｐが、２以上であることを特徴とする半導体多層膜が提供される。
【００２７】
本発明によれば、第一のIII族窒化物半導体層と、この上に設けられた開口部を有するマスクと、前記開口部において前記第一のIII族窒化物半導体層から成長した第二のIII族窒化物半導体層と、を有し、前記マスクはＡｌ ２ Ｏ ３ により構成され、前記第二のIII族窒化物半導体層は、リッジ状に形成されるとともに、前記第一の III 族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなし、前記リッジ部がストライプ状に一方向に延在して形成され、該ストライプ方向と垂直な面内において、リッジ底面の幅をＤ、開口部の幅をｄ、前記マスク上の前記第二のIII族窒化物半導体層の厚みをｈとしたとき、下記式
Ｐ＝（Ｄ−ｄ）／２ｈ
により定義される形状因子Ｐが、２以上であることを特徴とする半導体多層膜が提供される。
【００２８】
本発明の半導体多層膜において、Ｄ／ｄが１．６以上である構成とすることができる。
【００２９】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクが、シリコンを含まない材料により構成することができる。
【００３０】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクを構成する材料の標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０＜−１０００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とすることができる。
【００３１】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクは、化学式ＭｎＯｍ（ｎ＞０，ｍ＞０）により表される酸化物により構成され、前記酸化物の常温における標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０／ｍ＜−５００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とすることができる。
【００３３】
本発明の半導体多層膜において、前記第二のIII族窒化物半導体層は、１０００℃以上の高温で形成された膜である構成とすることができる。
【００３４】
本発明の半導体多層膜において、前記第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層である構成とすることができる。
【００３５】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクはＡｌ2Ｏ3により構成することができる。
【００３６】
本発明の半導体多層膜を備えた構成とすることができる。
【００３７】
本発明の半導体多層膜と、活性層とを備えた構成とすることができる。
【００３８】
本発明のIII族窒化物半導体光素子において、前記半導体多層膜を活性層上部に備え、前記マスクが電流狭窄部をなす構成とすることができる。
【００４８】
本発明において、前記マスクが、シリコンを含まない材料により構成されているので、第二のIII族窒化物半導体層へのシリコンの混入が防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００４９】
本発明において、前記マスクを構成する材料の標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０＜−１０００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とした場合、マスク材料の分解等にともなう第二のIII族窒化物半導体層の汚染が防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００５０】
また、マスクを、化学式ＭｎＯｍ（ｎ＞０，ｍ＞０）により表される酸化物により構成し、この酸化物の常温における標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０／ｍ＜−５００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とした場合、マスク材料の分解等にともなう第二のIII族窒化物半導体層の汚染がさらに効果的に防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００５１】
表１に、種々の材料の標準生成エンタルピーをΔＨ０等を示す。
【表１】
上記式を満たす材料として、たとえばＡｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｔｉ 2Ｏ3、Ｔｉ3Ｏ5が挙げられる。本発明では、Ａｌ ２ Ｏ ３ により構成されたマスクを用いることにより、第二のIII族窒化物半導体層の汚染が効果的に防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００５２】
なお、本発明におけるマスクは、少なくともその表面が上記材料により構成されたマスクであればよく、上記以外の材料からなる膜上に、上記材料からなる膜が積層した構造のマスクとすることもできる。
【００５３】
本発明において、形状因子Ｐが下記式
【数１３】
を満たす構成とした場合、この半導体多層膜は、狭いマスク開口部と広いリッジ部とを併せ持った構造の半導体多層膜が実現される。ここで、上記式における変数は、図１０のようになっている。図１０は、マスク６０１から第二のIII族窒化物半導体層６０２が選択成長した様子を示す断面模式図である。このような半導体多層膜は、光素子または電子素子の一部に適用した場合、様々な利点が得られる。たとえばこの半導体多層膜を発光素子に適用し、リッジ上部に電極膜を設け、マスク開口部を電流狭窄部とする構造とした場合、広いリッジ部により良好な電極密着性および低い電極抵抗を実現しつつ、良好な電流狭窄を実現することができる。また、マスク開口部とリッジ側面の電極膜との間の距離が大きくなるため、リッジ側面に形成された電極膜による光吸収の影響が低減し、素子特性が向上する。
【００５４】
形状因子Ｐが上記式を満たす半導体多層膜は、ＳｉＯ2マスク等を用いた従来のマスク成長では実現することが困難であった。これに対し、本発明に規定する所定のマスク材料を選択すれば、上記式を満たす半導体多層膜を安定的に製造することができる。
【００５５】
本発明において、第二のIII族窒化物半導体層は、良好な結晶性を得る観点から、１０００℃以上の高温で形成された膜であることが好ましい。
【００５６】
本発明は、第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層である場合、より効果的である。第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層である場合、マスク材料由来の汚染による導電型の変動が起こりやすいため、マスク材料由来の汚染を防止する本発明の効果がより顕著に発揮されるからである。
【００５７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体多層膜は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、変調器等に適用することができ、また、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等の電子素子に適用することもできる。
【００５８】
本発明において、マスクをＡｌ2Ｏ3により構成した場合、マスク材料由来の汚染を防止できるだけでなく、マスク上の横方向成長が促進され、狭いマスク開口部と広いリッジ部とを併せ持った構造を実現することができる。この点について、以下、結晶成長面をｃ面とする窒化ガリウム系半導体層の形成プロセスを例に挙げて詳細に説明する。
【００５９】
ｃ面を成長面とするＧａＮ層上に設けられたマスクの開口部からＡｌＧａＮ層を成長させる際、ＡｌＧａＮ層は、マスク開口部から上方および水平方向の両方向に成長する。従来用いられてきたＳｉＯ2マスクでは、上方への成長が水平方向への成長よりも優勢となる。これに対し、マスクをたとえばＡｌ2Ｏ3により構成した場合、マスク上の横方向成長が促進され、マスク開口部に対してリッジが水平方向に張り出した形状を得ることができる。これにより、形状因子Ｐが前記した式を満たす半導体多層膜を実現することができる。
【００６０】
形状因子Ｐが前述の式を満たす構造の半導体多層膜とした場合、素子性能の向上を図ることができる。たとえばこの半導体多層膜を発光素子に適用し、リッジ上部に電極膜を設け、マスク開口部を電流狭窄部とする構造とした場合、広いリッジ部により良好な電極密着性および低い電極抵抗を実現しつつ、良好な電流狭窄を実現することができる。また、マスク開口部とリッジ側面の電極膜との間の距離が大きくなるため、リッジ側面に形成された電極膜による光吸収の影響が低減し、素子特性が向上する。
【００６１】
横方向成長の速度が低くても、マスク開口部が狭い場合は、上記Ｐの値はある程度高くなる。しかしながら、マスク開口部を狭くすると、マスク成長させる層の組成が変動したり、マスク汚染の影響がより顕著になりやすい。たとえばＤ／ｄが１．６以上となるような狭幅の開口部を有するＳｉＯ2マスクを用いてＡｌＧａＮ層を選択成長させる場合、マスク上に多結晶Ａｌが堆積する関係で、マスク成長の初期段階でＧａが高組成になる傾向がある。また、マスク成長層中、マスク由来の汚染を受ける領域の占める割合が大きくなる。本発明は、こうした狭幅の開口部に半導体層を選択成長させた構造において、マスク汚染を排除し、広いリッジを実現することができる。
【００６２】
Ａｌ2Ｏ3のような化学的に安定な材料は、反面、エッチング等によるパターニングが容易でなく、パターンニングの際、一定の工夫が必要となる。以下、Ａｌ2Ｏ3マスクの形成工程について説明する。まず図９のように、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８を成長した後、基板１を室温まで冷却し、成長装置から取り出す。次にｃ面を表面とするサファイア基板１をスパッタ装置に設置し、ｐ型ＧａＮ層８の上に厚さ２００ｎｍのＡｌ2Ｏ3層９を形成する（図９（ａ））。さらに、基板１を常圧ＣＶＤ装置に設置し、Ａｌ2Ｏ3マスク層９の上に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜６１を形成する（図９（ｂ））。次に基板１を常圧ＣＶＤ装置から取り出し、フォトレジストおよびバッファード弗酸によるエッチングにて、幅約２μｍの開口部６２を形成する（図９（ｃ））。さらに９５℃に熱した硫酸と燐酸の混酸によりＡｌ2Ｏ3層を開口部６２の部分のみ選択的にエッチングを行い、幅約２μｍのストライプ状開口部１４を形成する（図９（ｄ））。その後、バッファード弗酸によりＳｉＯ2膜６１を完全に除去する（図９（ｅ））。以上のようにして、所定の形状にパターニングされたＡｌ2Ｏ3層が形成される。
【００６３】
本発明において、マスク表面は適宜、清浄化処理することができる。こうすることにより、マスク表面の表面張力が低下し、マスク表面における半導体層の横方向成長が一層促進される。
【００６４】
マスク表面を清浄化する方法としては、バッファード・フッ酸等を用いたウェットエッチング、ラジカルイオンビームやイオンビームを用いた物理的化学的エッチング等のドライエッチング、オゾン照射、紫外線照射、還元性雰囲気下での熱処理などが挙げられる。また、これらの処理を組み合わせて行ってもよい。
【００６５】
還元性雰囲気下の熱処理としては、例えば水素雰囲気下で４００℃〜８００℃程度に加熱することにより行われる。アッシング等によるレジスト剥離などフォトレジスト工程においてマスク表面に付着した酸化物等からなる不純物化合物は、この加熱還元処理によって、還元され、揮発性の高い元素あるいは化合物に変換され、マスク表面から除去される。
【００６６】
上記清浄化処理の中でも特に、表面を一定量エッチングして新しい清浄面を露出させる処理を行うことが好ましく、そのような処理としてはエッチング処理が好ましい。表面を一定量エッチング除去する際、そのエッチング除去量は、表面から１〜５００ｎｍ除去することが好ましく、１０〜２００ｎｍ除去することがより好ましい
【００６７】
以上のような清浄化処理を行うことによって、マスク形成の際に発生しマスク表面に付着した不純物を除去することができ、その結果、マスク表面の表面エネルギーを低下させることができる。
【００６８】
本発明における第一のIII族窒化物半導体層および第二のIII族窒化物半導体層は、９００℃以上の温度で成長させることが好ましい。成長温度が低すぎると、良好な膜質の単結晶層を得ることが困難である。本発明における第一のIII族窒化物半導体層および第二のIII族窒化物半導体層は、たとえば、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成を有する層とする。これらの層を形成するエピタキシャル成長法としては、ハライド法、および有機金属熱分解法などの気相成長を用いる。ただし、第一のIII族窒化物半導体層の成長に関しては、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法などを用いて行ってもよい。
【００６９】
本発明において、第二のIII族窒化物半導体層は、第一のIII族窒化物半導体層の上面から開口部の外の領域まで成長し、マスクの少なくとも一部を覆う形態をなす構成とすることができる。このような構成として、第二のIII族窒化物半導体層が図３〜図５のようなリッジを構成する例や、第二のIII族窒化物半導体層がマスク全面を覆うように形成される例等が挙げられる。本発明は、いずれの構成にも適用することができる。
【００７０】
本発明において、第二のIII族窒化物半導体層がリッジ状に形成された構成とすることができる。この場合、本発明の構成を採用することにより、リッジ部におけるマスク材料の汚染が防止されるとともに、狭い開口部と広い再成長領域とを有する好適な形状のリッジ構造を実現でき、良好な電流狭窄と電極抵抗の低減を両立することができる。
【００７１】
【実施例】
〈実施例１〉
図３は本発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。本実施例では選択成長用マスク材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる。図３において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とする厚さ３３０μｍのサファイア基板１上に、厚さ４０ｎｍのＧａＮバッファー層２、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層３、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層５、厚さ３ｎｍのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層６、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８上に形成され、＜１−１００＞方向の幅２μｍのストライプ状開口部１４を持った厚さ０．２μｍのＡｌ2Ｏ3マスク９、Ａｌ2Ｏ3マスク９上に選択的に形成された厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極１２、Ｔｉ／Ａｌの２層金属ｎ電極１３が形成されている。図１において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層３を露出させ、その上面にｎ電極１３を形成している。
【００７２】
次に、図３の半導体レーザの製造工程について説明する。半導体膜の形成には有機金属化学気相成長装置（以下ＭＯＣＶＤ）を用いた。成長圧力は全ての領域で１００Ｔｏｒｒとした。またＶ族元素供給源としてＮＨ3を、III族元素供給源としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（以下ＴＭＩ）、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（以下（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ）、シラン（以下ＳｉＨ４）を用い、有機金属についてはそれぞれのシリンダー温度を−１０℃、２０℃、３０℃として、圧力７６０ＴｏｒｒのＮ2でバブリングすることにより、その飽和蒸気を反応管内に供給した。まず、反応管内にＣ面を表面とするサファイア基板１を設置し、水素雰囲気下で１１００℃に加熱し、基板表面の清浄を行った。次に基板温度を５００℃とし、ＴＭＧ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してサファイア基板１上に４０ｎｍのＧａＮバッファー層２を形成した。
【００７３】
次にＴＭＧの供給を中止し、基板温度を１１００℃とした。ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとしてのＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板上に厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層３を形成した。さらに、基板上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４を、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層５を形成した。つぎに、基板１の温度を８００℃に保持し、ＴＭＧ１０ｓｃｃｍ、ＴＭＩ５０ｓｃｃｍもしくは３０ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板１上に膜厚３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と膜厚５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸構造活性層６を形成した。つぎに活性層６上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７を形成した。ついで基板１の温度を１１００℃に保持し、ＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８を形成した。
【００７４】
つぎにＡｌ2Ｏ3マスク９を形成した。まず基板１を室温まで冷却したのち成長装置から取り出し、スパッタ装置により膜厚０．２μｍのＡｌ2Ｏ3膜を形成したのち、フォトリソグラフ工程及びエッチング工程によって幅２．０μｍの開口部１４を形成した。
【００７５】
その後、再び基板１を成長装置に設置して１１００℃に加熱し、ＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０を形成した。つぎに基板１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１を形成した。その後、基板１を成長装置より取り出し、リッジの頭部を除いて酸化珪素膜１５を形成し、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極１２を真空蒸着により形成した。また、エッチングによりｎ型ＧａＮ層３を露出させ、その上面にＴｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極１３を真空蒸着により形成した。
【００７６】
本実施例で得られた半導体レーザのリッジ部について、リッジ形状因子は表２に示した値となった。なお、本実施例におけるｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０が本発明における第二のIII属窒化物半導体層に相当する。
【表２】
【００７７】
得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、内部損失は３０cm-1であった。本実施例によれば、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００７８】
〈実施例２〉
図４は本発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。本実施例では選択成長用マスク材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる。図４において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とする厚さ３３０μｍのｎ型ＧａＮ基板２１上に、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層２２、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２４、厚さ３ｎｍのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層２５、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層２６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２７上に形成され、＜１−１００＞方向の幅２μｍのストライプ状開口部３３を持った厚さ０．２μｍのＡｌ2Ｏ3マスク２８、Ａｌ2Ｏ3マスク２８上に選択的に形成された厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.8Ｎクラッド層２９、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極３１、Ｔｉ／Ａｌの２層金属ｎ電極３２が形成されている。
【００７９】
次に、図４の半導体レーザの製造工程について説明する。半導体膜の形成にはＭＯＣＶＤを用いた。成長圧力は全ての領域で１００Ｔｏｒｒとした。またＶ族元素供給源としてＮＨ3を、III族元素供給源としてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ、ＳｉＨ４を用い、有機金属についてはそれぞれのシリンダー温度を−１０℃、２０℃、３０℃として、圧力７６０ＴｏｒｒのＮ2でバブリングすることにより、その飽和蒸気を反応管内に供給した。まず、反応管内にＣ面を表面とするｎ型ＧａＮ基板２１を設置し、水素雰囲気下で１１００℃に加熱し、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとしてのＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板２１上に厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層２２を形成した。さらに、基板２１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２３を、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２４を形成した。つぎに、基板２１の温度を８００℃に保持し、ＴＭＧ１０ｓｃｃｍ、ＴＭＩ５０ｓｃｃｍもしくは３０ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板２１上に膜厚３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と膜厚５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸構造活性層２５を形成した。つぎに活性層２５上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層２６を形成した。ついで基板２１の温度を１１００℃に保持し、基板２１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２７を形成した。つぎにＡｌ2Ｏ3マスク２８を形成した。まず基板２１を室温まで冷却したのち成長装置から取り出し、スパッタ装置により膜厚０．２μｍのＡｌ2Ｏ3膜を形成したのち、フォトリソグラフ工程及びエッチング工程によって幅２．０μｍの開口部３３を形成した。
【００８０】
その後、再び基板２１を成長装置に設置して１１００℃に加熱し、ＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２９を形成した。つぎに基板２１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０を形成した。その後、基板２１を成長装置より取り出し、リッジの頭部を除いて酸化珪素膜３４を形成し、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極３１を真空蒸着により形成した。また、基板２１の裏面にＴｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極３２を真空蒸着により形成した。
【００８１】
本実施例で得られた半導体レーザのリッジ部について、リッジ形状因子は表２に示した値となった。なお、本実施例におけるｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２９が本発明における第二のIII属窒化物半導体層に相当する。
【００８２】
得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、しきい値電流密度は３．６ｋＡ／ｃｍ2、内部損失は３０cm-1であった。本実施例によれば、良好なＩ−Ｖ特性を有し、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００８３】
〈比較例１〉
実施例２のＡｌ2Ｏ3マスク２８を、ＳｉＯ2に代え、これ以外は実施例２と同様にして半導体レーザを作製した。得られた半導体レーザの層構造の観察およびレーザ特性の評価を行った。
【００８４】
図６は、実施例２で得られた半導体レーザの断面ＳＥＭ像である。一方、図７は比較例１で得られた半導体レーザの断面ＳＥＭ像である。図６では、図７のＳｉＯ2をマスクとして用いた場合にみられる再成長界面およびその上の半導体層の暗転領域が消失している。さらに成長速度の縦横比が、ＳｉＯ2を用いた場合には１．７であるのに対し、本発明によるＡｌ2Ｏ3を用いた場合には２．１と大きくなっている。これにより、ｐ型コンタクト層とｐ電極との接触面積が大きくなり、しきい値電圧はＳｉＯ2を用いた場合に比較して、１．５Vの低減が見られた。
【００８５】
図８は、実施例２および比較例１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのＩ−Ｖ、Ｉ−Ｌ特性を示す図である。Ａｌ2Ｏ3をマスクとして用いた場合には、再成長界面のＳｉ汚染が回避されているため、酸化珪素をマスクとして用いた場合に比較して、内部損失が５ｃｍ−１低減された。
【００８６】
〈実施例３〉
図５は本発明に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。本実施例では選択成長用マスク材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる。図５において、このIII−V族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とする厚さ３３０μｍのサファイア基板７１上に、厚さ４０ｎｍのＧａＮバッファー層７２、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層７３、ｎ型ＧａＮコンタクト層７３上に形成され、＜１−１００＞方向の幅２μｍのストライプ状開口部７４を持った厚さ０．２μｍのＡｌ2Ｏ3マスク７５、Ａｌ2Ｏ3マスク７５上に選択的に形成された厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層７６、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層７７、厚さ３ｎｍのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層７８、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７９、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８０、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.8Ｎクラッド層８１、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８２、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極８３、Ｔｉ／Ａｌの２層金属ｎ電極８４が形成されている。図１において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層７３を露出させ、その上面にｎ電極８４を形成している。
【００８７】
次に、図５の半導体レーザの製造工程について説明する。半導体膜の形成にはＭＯＣＶＤを用いた。成長圧力は全ての領域で１００Ｔｏｒｒとした。またＶ族元素供給源としてＮＨ3を、III族元素供給源としてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ、ＳｉＨ4を用い、有機金属についてはそれぞれのシリンダー温度を−１０℃、２０℃、３０℃として、圧力７６０ＴｏｒｒのＮ2でバブリングすることにより、その飽和蒸気を反応管内に供給した。まず、反応管内にＣ面を表面とするサファイア基板１を設置し、水素雰囲気下で１１００℃に加熱し、基板表面の清浄を行った。次に基板温度を５００℃とし、ＴＭＧ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してサファイア基板７１上に４０ｎｍのＧａＮバッファー層７２を形成した。次にＴＭＧの供給を中止し、基板温度を１１００℃とした。ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとしてのＳｉＨ4５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板１上に厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層７３を形成した。
【００８８】
つぎにＡｌ2Ｏ3マスク７５を形成した。まずサファイア基板７１を室温まで冷却したのち成長装置から取り出し、スパッタ装置により膜厚０．２μｍのＡｌ2Ｏ3膜を形成したのち、フォトリソグラフ工程及びエッチング工程によって幅２．０μｍの開口部７４を形成した。
【００８９】
その後、再び基板７１を成長装置に設置して１１００℃に加熱し、基板７１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ4５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層７６を、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ4５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層７７を形成した。つぎに、基板７１の温度を８００℃に保持し、ＴＭＧ１０ｓｃｃｍ、ＴＭＩ５０ｓｃｃｍもしくは３０ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板７１上に膜厚３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と膜厚５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸構造活性層７８を形成した。
【００９０】
つぎに活性層７８上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７９を形成した。ついで基板７１の温度を１１００℃に保持し、基板７１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８０を形成した。つぎにＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８１を形成した。つぎに基板７１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８２を形成した。
【００９１】
その後、基板７１を成長装置より取り出し、リッジの頭部を除いて酸化珪素膜８５を形成し、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極８３を真空蒸着により形成した。また、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層７３を露出させ、その上面にＴｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極８４を真空蒸着により形成した。
【００９２】
本実施例で得られた半導体レーザのリッジ部について、リッジ形状因子は表２に示した値となった。なお、本実施例におけるｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２９が本発明における第二のIII属窒化物半導体層に相当する。
【００９３】
得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、良好なＩ−Ｖ特性を有し、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００９４】
〈参考例４〉
実施例２のＡｌ2Ｏ3マスク２８を、Ｔａ2Ｏ5に代え、これ以外は実施例２と同様にして半導体レーザを作製した。 得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、良好なＩ−Ｖ特性を有し、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００９５】
上記した各実施例は、選択成長を用いてレーザ構造を形成するという点で従来技術１ないし２に示したレーザと共通しているが、それに加え、Ｓｉを含まない選択成長用マスクを使用するという点で相違する。このため、選択再成長界面及びその上のｐ型半導体層にＳｉ汚染が起こらないという利点を有する。それにより、Ｓｉ汚染によって生成されるドナーによってアクセプタが補償されることを防ぎ、素子のＩ−Ｖ特性異常、内部損失の増大を回避することができるという顕著な効果を有する。くわえて、Ａｌ−Ｏ結合のように強い結合力を持ったマスク材料を用いることにより、供給原料のマスク上でのマイグレーションを促進するため、同一成長条件、同一層厚であっても横方向（面方向）への成長速度が大きくなる。これにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層とｐ電極の接触面積を大きくすることができ、さらなる素子低抵抗化が図られるという顕著な効果を有する。
【００９７】
また、上記実施例ではサファイア基板、ＧａＮ基板を用いた例について説明したが、ＳｉＣ基板、ＭｇＡｌ２Ｏ４基板等を用いた場合にも本発明の実施に支障はない。また、各層厚、ドーピング濃度、組成についても、前記実施例の通りでなくても本発明を実施するにあたり支障はない。
【００９８】
また、上記実施例ではマスク方向を＜１−１００＞としているが、＜１１−２０＞など他の方向である場合にも本発明の実施に支障はない。
【００９９】
【発明の効果】
以上本発明によれば、マスクを特定材料により構成しているため、マスク成長により形成した半導体層へのマスク由来の汚染や不純物の混入を防ぎ、所望の性能を備える半導体多層膜を安定的に得ることができる。また、マスク上においてマスク成長層の横方向成長が促進され、素子性能の向上に寄与する好適な形状のリッジ等を安定的に得ることができる。
【０１００】
具体的には、III属窒化物半導体レーザの、活性層上部のｐ型半導体層構造に適用した場合、良好な電流狭窄が実現され、Ｉ−Ｖ特性、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られる。また、電子素子への応用では、高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図２】従来技術２によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図３】実施例１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図４】実施例２によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図５】実施例３によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図６】実施例２によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのリッジ部断面をＳＥＭ観察した結果を示す図である。
【図７】比較例１のIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのリッジ部断面をＳＥＭ観察した結果を示す図である。
【図８】実施例２および比較例１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのＩ−Ｖ、Ｉ−Ｌ特性を示す図である。
【図９】Ａｌ2Ｏ3マスクのパターニング方法を説明するための図である。
【図１０】リッジ形状因子の定義を説明するための図である。
【符号の説明】
１ Ｃ面を表面とするサファイア基板
２ ＧａＮバッファー層
３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
６ 多重量子井戸構造活性層
７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層
８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
９ Ａｌ2Ｏ3マスク
１０ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
１１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１４ Ａｌ2Ｏ3マスクのストライプ状開口部
１５ 酸化珪素膜
２１ Ｃ面を表面とするｎ型ＧａＮ基板
２２ ｎ型ＧａＮ層
２３ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２５ 多重量子井戸構造活性層
２６ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層
２７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２８ 酸化マグネシウムマスク
２９ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
３０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ ｐ電極
３２ ｎ電極
３３ 酸化マグネシウムマスクのストライプ状開口部
３４ 酸化珪素膜
６１ ＳｉＯ2膜
６２ 開口部
７１ サファイア基板
７２ ＧａＮバッファー層
７３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
７４ ストライプ状開口部
７５ Ａｌ2Ｏ3マスク
７６ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
７７ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
７８ 多重量子井戸構造活性層
７９ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層
８０ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
８１ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
８２ ｐ型ＧａＮコンタクト層
８３ ｐ電極
８４ ｎ電極
８５ 酸化珪素膜
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮバッファー層
１０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層
１０５ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
１０６ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０７ 多重量子井戸構造活性層
１０８ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎインジウム解離防止層
１０９ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１１０ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
１１１ ｐ型ＧａＮ層
１１２ 酸化珪素膜
１１３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１４ ｐ電極
１１５ ｎ電極
２０１ Ｃ面を表面とするサファイア基板
２０２ ＧａＮバッファー層
２０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２０４ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２０５ ｎ型ＧａＮ光閉込層
２０６ 多重量子井戸構造活性層
２０７ ｐ型ＧａＮ光閉込層
２０８ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２０９ 酸化珪素膜
２１０ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２１１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１２ リッジ構造
２１３ ｐ電極
２１４ ｎ電極
６０１ マスク
６０２ 第二のIII族窒化物半導体層
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物半導体多層膜およびこれを用いた半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、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。また、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、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いエピタキシャル成長を行うことにより得られる。
【０００４】
ところで、窒化物半導体材料を用いて光素子や電子素子を作製する場合、所定の開口パターンを有するマスクを用い、III属窒化物半導体層を成長させるプロセスがしばしば利用される。特にIII属窒化物半導体は化学的に安定なため、エッチングによる加工が困難であることから所望の層構造を形成するためにマスク成長に頼らざるを得ない場合があり、窒化物半導体素子の作製にあっては、マスク成長プロセスは技術的にきわめて重要な位置を占めている。
【０００５】
このようなマスク材料に求められる特性として、その上に成長膜が成長しにくく、かつ、成長温度において化学的に安定であることが求められる。このような条件を満たすものとして、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等、シリコン系の材料が知られている。従来、マスク材料としては、シリコン酸化膜が広く利用され、特殊の場合にシリコン窒化膜等が用いられていた。これらの材料は、上記要求特性をある程度満足する上、エッチング加工が容易でパターニングを容易に行うことができるからである。このほかに酸化チタン等、他のマスク材料が提案される例もあったが、シリコン酸化膜を用いることで特に不都合となる点が見いだされておらず、取り扱いが容易でプロセスの実績の多いＳｉＯ2に代えてまで他のマスクを用いる理由が無かったことから、多くの場合、ＳｉＯ2がマスク材料として利用されてきた。
【０００６】
以下、ＳｉＯ2マスクを用いた選択成長プロセスにより形成される半導体レーザの例について述べる。
【０００７】
まず、リッジを形成した窒化ガリウム系半導体レーザの従来技術１（特開２０００−５８９８１号公報）について図１を参照して説明する。この例では、III族窒化物半導体レーザにおいて、選択成長を用いて電流狭窄構造を形成し、これにより、発振しきい値を小さくし、横モード制御性に優れ、且つ素子抵抗の低減を図っている。図１において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とするサファイア基板１０１上に、厚さ３０ｎｍのＧａＮバッファー層１０２、厚さ３．０μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層１０３、厚さ０．１μｍのｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層１０４、厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０５、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層１０６、厚さ2.5nmのアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層からなる７周期の多重量子井戸構造活性層１０７、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎインジウム解離防止層１０８、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０９、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.83Ｎクラッド層１１０、厚さ０．２μｍのｐ型ＧａＮ層１１１、厚さ０．２μｍの酸化珪素（ＳｉＯ2）膜１１２、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１３、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極１１４、Ｔｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極１１５が形成されている。図１において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層１０３を露出させ、その上面にｎ電極１１５を形成している。
【０００８】
次に、マスク成長によりリッジ部を形成した半導体レーザの他の例について述べる。特開２０００−５８４６１号公報には、Ｖ族原料にヒドラジンを用いて６００℃以上８００℃以下の成長温度で選択成長することにより多結晶の形成を抑制することができることが報告されている（以下、従来技術２と称する）。図２は従来技術２に係るIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。図２において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とするサファイア基板２０１上に、ＧａＮバッファー層２０２、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０３、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２０４、ｎ型ＧａＮ光閉込層２０５、多重量子井戸構造活性層２０６、ｐ型ＧａＮ光閉込層２０７、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２０８、酸化珪素マスク２０９、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１１からなるリッジ構造２１２、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極２１３、Ｔｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極２１４が形成されている。図２において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層２０３を露出させ、その上面にｎ電極２１４を形成している。また、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２１０およびｐ型ＧａＮコンタクト層２１１はマスク上への多結晶の形成を抑制するために、Ｖ族原料としてヒドラジンを用い、成長温度を７００℃としている。マスク材料とアルミニウムの反応を抑制するためには成長温度を下げる必要があり、アンモニアよりも低温で分解するヒドラジンを用いることにより成長温度を下げることを可能とするものである。また、選択成長用マスク材料として、酸化珪素、窒化珪素、酸化チタン及びＡｌ2Ｏ3が例示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者の検討の結果、上記のようにＳｉＯ2マスクを用いたマスク成長では、マスク成長層に不純物混入領域が発生するとの知見が得られた。図７はこの様子を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。断面ＳＥＭ像において選択成長による再成長界面及びその上のｐ型半導体層に黒色の変色域が見られた。この箇所は、その後の検討によりシリコンの混入した箇所であることが判明した。III属窒化物半導体の結晶層を得るための成長温度は１０００℃以上と高温で、かつ、低圧の状態となる。この状態におかれた場合、シリコン系マスクからシリコンが揮発し、III属窒化物半導体の結晶層に混入するものと推察される。
【００１０】
III属窒化物半導体層中にシリコンが混入すると、設計した構造の多層膜が得られず、所望の特性を満たす素子を製造安定性良く得ることが困難となる。特に、III属窒化物半導体層の導電型がｐ型である場合、シリコンが混入した場合、ｐ型不純物が補償されてしまい、高抵抗領域が発生したり、導電型がｎ型に反転した領域が発生し、所望通りの素子特性が得られなくなる場合がある。
【００１１】
前記した従来技術１では、リッジ部において、このようなシリコンの混入等が発生し得る。一方、従来技術２では、マスク成長層を低温で形成するため、良質な結晶層を安定的に得られない場合があり、また、マスク成長層をマスク上に横方向に成長しづらく、狭い開口部に対して広いリッジを形成することが困難であった。
【００１２】
シリコンの混入に対しては、その現象を逆に利用し、素子特性の向上を図ることも考えられる。本発明者らは特願２００１−２７２７８４において、シリコンの混入により発生した高抵抗領域を利用した半導体レーザについて提案している。この一方、シリコンの混入自体を防止し、当初設計した通りの層構造を形成し、素子を安定製造する手法を開発することも重要な技術的課題である。
【００１３】
この点、従来、マスクに由来する汚染や不純物がマスク成長層に混入することについての対策が検討された例はほとんどなかった。しかし、このことについて充分な対策を施せば、III属窒化物半導体多層膜の製造安定性を、従来に比し、飛躍的に向上させることも可能となる。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、マスク成長により形成した半導体層へのマスク由来の汚染や不純物の混入を防ぎ、設計通りの特性を備える半導体多層膜を製造安定性良く得るための技術を提供することを目的とする。
【００１５】
具体的には、III属窒化物半導体レーザの、活性層上部のｐ型半導体層構造に適用した場合、良好な電流狭窄が実現され、Ｉ−Ｖ特性、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザを提供することを目的とする。また、電子素子への応用では、高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の向上を図ることを目的とする。
【００２１】
本発明の半導体多層膜において、前記第二のIII族窒化物半導体層は、前記第一のIII族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなす構成とすることができる。
【００２６】
本発明によれば、第一のIII族窒化物半導体層と、この上に設けられた開口部を有するマスクと、前記開口部において前記第一のIII族窒化物半導体層から成長した第二のIII族窒化物半導体層と、を有し、前記マスクはＡｌ ２ Ｏ ３ により構成され、前記第二のIII族窒化物半導体層は、リッジ状に形成されるとともに、前記第一の III 族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなし、前記開口部の幅が最小となる断面において、リッジ底面の幅をＤ、開口部の幅をｄとし、前記マスク上の前記第二のIII族窒化物半導体層の厚みをｈとしたとき、下記式
Ｐ＝（Ｄ−ｄ）／２ｈ
により定義される形状因子Ｐが、２以上であることを特徴とする半導体多層膜が提供される。
【００２７】
本発明によれば、第一のIII族窒化物半導体層と、この上に設けられた開口部を有するマスクと、前記開口部において前記第一のIII族窒化物半導体層から成長した第二のIII族窒化物半導体層と、を有し、前記マスクはＡｌ ２ Ｏ ３ により構成され、前記第二のIII族窒化物半導体層は、リッジ状に形成されるとともに、前記第一の III 族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなし、前記リッジ部がストライプ状に一方向に延在して形成され、該ストライプ方向と垂直な面内において、リッジ底面の幅をＤ、開口部の幅をｄ、前記マスク上の前記第二のIII族窒化物半導体層の厚みをｈとしたとき、下記式
Ｐ＝（Ｄ−ｄ）／２ｈ
により定義される形状因子Ｐが、２以上であることを特徴とする半導体多層膜が提供される。
【００２８】
本発明の半導体多層膜において、Ｄ／ｄが１．６以上である構成とすることができる。
【００２９】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクが、シリコンを含まない材料により構成することができる。
【００３０】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクを構成する材料の標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０＜−１０００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とすることができる。
【００３１】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクは、化学式ＭｎＯｍ（ｎ＞０，ｍ＞０）により表される酸化物により構成され、前記酸化物の常温における標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０／ｍ＜−５００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とすることができる。
【００３３】
本発明の半導体多層膜において、前記第二のIII族窒化物半導体層は、１０００℃以上の高温で形成された膜である構成とすることができる。
【００３４】
本発明の半導体多層膜において、前記第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層である構成とすることができる。
【００３５】
本発明の半導体多層膜において、前記マスクはＡｌ2Ｏ3により構成することができる。
【００３６】
本発明の半導体多層膜を備えた構成とすることができる。
【００３７】
本発明の半導体多層膜と、活性層とを備えた構成とすることができる。
【００３８】
本発明のIII族窒化物半導体光素子において、前記半導体多層膜を活性層上部に備え、前記マスクが電流狭窄部をなす構成とすることができる。
【００４８】
本発明において、前記マスクが、シリコンを含まない材料により構成されているので、第二のIII族窒化物半導体層へのシリコンの混入が防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００４９】
本発明において、前記マスクを構成する材料の標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０＜−１０００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とした場合、マスク材料の分解等にともなう第二のIII族窒化物半導体層の汚染が防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００５０】
また、マスクを、化学式ＭｎＯｍ（ｎ＞０，ｍ＞０）により表される酸化物により構成し、この酸化物の常温における標準生成エンタルピーをΔＨ０としたとき、
ΔＨ０／ｍ＜−５００ｋＪ／ｍｏｌ
を満たす構成とした場合、マスク材料の分解等にともなう第二のIII族窒化物半導体層の汚染がさらに効果的に防止され、設計通りの特性を備える半導体多層膜が得られる。
【００５１】
表１に、種々の材料の標準生成エンタルピーをΔＨ０等を示す。
【表１】
【００５２】
なお、本発明におけるマスクは、少なくともその表面が上記材料により構成されたマスクであればよく、上記以外の材料からなる膜上に、上記材料からなる膜が積層した構造のマスクとすることもできる。
【００５３】
本発明において、形状因子Ｐが下記式
【数１３】
【００５４】
形状因子Ｐが上記式を満たす半導体多層膜は、ＳｉＯ2マスク等を用いた従来のマスク成長では実現することが困難であった。これに対し、本発明に規定する所定のマスク材料を選択すれば、上記式を満たす半導体多層膜を安定的に製造することができる。
【００５５】
本発明において、第二のIII族窒化物半導体層は、良好な結晶性を得る観点から、１０００℃以上の高温で形成された膜であることが好ましい。
【００５６】
本発明は、第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層である場合、より効果的である。第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層である場合、マスク材料由来の汚染による導電型の変動が起こりやすいため、マスク材料由来の汚染を防止する本発明の効果がより顕著に発揮されるからである。
【００５７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体多層膜は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、変調器等に適用することができ、また、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等の電子素子に適用することもできる。
【００５８】
本発明において、マスクをＡｌ2Ｏ3により構成した場合、マスク材料由来の汚染を防止できるだけでなく、マスク上の横方向成長が促進され、狭いマスク開口部と広いリッジ部とを併せ持った構造を実現することができる。この点について、以下、結晶成長面をｃ面とする窒化ガリウム系半導体層の形成プロセスを例に挙げて詳細に説明する。
【００５９】
ｃ面を成長面とするＧａＮ層上に設けられたマスクの開口部からＡｌＧａＮ層を成長させる際、ＡｌＧａＮ層は、マスク開口部から上方および水平方向の両方向に成長する。従来用いられてきたＳｉＯ2マスクでは、上方への成長が水平方向への成長よりも優勢となる。これに対し、マスクをたとえばＡｌ2Ｏ3により構成した場合、マスク上の横方向成長が促進され、マスク開口部に対してリッジが水平方向に張り出した形状を得ることができる。これにより、形状因子Ｐが前記した式を満たす半導体多層膜を実現することができる。
【００６０】
形状因子Ｐが前述の式を満たす構造の半導体多層膜とした場合、素子性能の向上を図ることができる。たとえばこの半導体多層膜を発光素子に適用し、リッジ上部に電極膜を設け、マスク開口部を電流狭窄部とする構造とした場合、広いリッジ部により良好な電極密着性および低い電極抵抗を実現しつつ、良好な電流狭窄を実現することができる。また、マスク開口部とリッジ側面の電極膜との間の距離が大きくなるため、リッジ側面に形成された電極膜による光吸収の影響が低減し、素子特性が向上する。
【００６１】
横方向成長の速度が低くても、マスク開口部が狭い場合は、上記Ｐの値はある程度高くなる。しかしながら、マスク開口部を狭くすると、マスク成長させる層の組成が変動したり、マスク汚染の影響がより顕著になりやすい。たとえばＤ／ｄが１．６以上となるような狭幅の開口部を有するＳｉＯ2マスクを用いてＡｌＧａＮ層を選択成長させる場合、マスク上に多結晶Ａｌが堆積する関係で、マスク成長の初期段階でＧａが高組成になる傾向がある。また、マスク成長層中、マスク由来の汚染を受ける領域の占める割合が大きくなる。本発明は、こうした狭幅の開口部に半導体層を選択成長させた構造において、マスク汚染を排除し、広いリッジを実現することができる。
【００６２】
Ａｌ2Ｏ3のような化学的に安定な材料は、反面、エッチング等によるパターニングが容易でなく、パターンニングの際、一定の工夫が必要となる。以下、Ａｌ2Ｏ3マスクの形成工程について説明する。まず図９のように、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８を成長した後、基板１を室温まで冷却し、成長装置から取り出す。次にｃ面を表面とするサファイア基板１をスパッタ装置に設置し、ｐ型ＧａＮ層８の上に厚さ２００ｎｍのＡｌ2Ｏ3層９を形成する（図９（ａ））。さらに、基板１を常圧ＣＶＤ装置に設置し、Ａｌ2Ｏ3マスク層９の上に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜６１を形成する（図９（ｂ））。次に基板１を常圧ＣＶＤ装置から取り出し、フォトレジストおよびバッファード弗酸によるエッチングにて、幅約２μｍの開口部６２を形成する（図９（ｃ））。さらに９５℃に熱した硫酸と燐酸の混酸によりＡｌ2Ｏ3層を開口部６２の部分のみ選択的にエッチングを行い、幅約２μｍのストライプ状開口部１４を形成する（図９（ｄ））。その後、バッファード弗酸によりＳｉＯ2膜６１を完全に除去する（図９（ｅ））。以上のようにして、所定の形状にパターニングされたＡｌ2Ｏ3層が形成される。
【００６３】
本発明において、マスク表面は適宜、清浄化処理することができる。こうすることにより、マスク表面の表面張力が低下し、マスク表面における半導体層の横方向成長が一層促進される。
【００６４】
マスク表面を清浄化する方法としては、バッファード・フッ酸等を用いたウェットエッチング、ラジカルイオンビームやイオンビームを用いた物理的化学的エッチング等のドライエッチング、オゾン照射、紫外線照射、還元性雰囲気下での熱処理などが挙げられる。また、これらの処理を組み合わせて行ってもよい。
【００６５】
還元性雰囲気下の熱処理としては、例えば水素雰囲気下で４００℃〜８００℃程度に加熱することにより行われる。アッシング等によるレジスト剥離などフォトレジスト工程においてマスク表面に付着した酸化物等からなる不純物化合物は、この加熱還元処理によって、還元され、揮発性の高い元素あるいは化合物に変換され、マスク表面から除去される。
【００６６】
上記清浄化処理の中でも特に、表面を一定量エッチングして新しい清浄面を露出させる処理を行うことが好ましく、そのような処理としてはエッチング処理が好ましい。表面を一定量エッチング除去する際、そのエッチング除去量は、表面から１〜５００ｎｍ除去することが好ましく、１０〜２００ｎｍ除去することがより好ましい
【００６７】
以上のような清浄化処理を行うことによって、マスク形成の際に発生しマスク表面に付着した不純物を除去することができ、その結果、マスク表面の表面エネルギーを低下させることができる。
【００６８】
本発明における第一のIII族窒化物半導体層および第二のIII族窒化物半導体層は、９００℃以上の温度で成長させることが好ましい。成長温度が低すぎると、良好な膜質の単結晶層を得ることが困難である。本発明における第一のIII族窒化物半導体層および第二のIII族窒化物半導体層は、たとえば、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成を有する層とする。これらの層を形成するエピタキシャル成長法としては、ハライド法、および有機金属熱分解法などの気相成長を用いる。ただし、第一のIII族窒化物半導体層の成長に関しては、分子線エピタキシー法、ガスソース分子線エピタキシー法などを用いて行ってもよい。
【００６９】
本発明において、第二のIII族窒化物半導体層は、第一のIII族窒化物半導体層の上面から開口部の外の領域まで成長し、マスクの少なくとも一部を覆う形態をなす構成とすることができる。このような構成として、第二のIII族窒化物半導体層が図３〜図５のようなリッジを構成する例や、第二のIII族窒化物半導体層がマスク全面を覆うように形成される例等が挙げられる。本発明は、いずれの構成にも適用することができる。
【００７０】
本発明において、第二のIII族窒化物半導体層がリッジ状に形成された構成とすることができる。この場合、本発明の構成を採用することにより、リッジ部におけるマスク材料の汚染が防止されるとともに、狭い開口部と広い再成長領域とを有する好適な形状のリッジ構造を実現でき、良好な電流狭窄と電極抵抗の低減を両立することができる。
【００７１】
【実施例】
〈実施例１〉
図３は本発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。本実施例では選択成長用マスク材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる。図３において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とする厚さ３３０μｍのサファイア基板１上に、厚さ４０ｎｍのＧａＮバッファー層２、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層３、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層５、厚さ３ｎｍのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層６、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８、ｐ型ＧａＮ光ガイド層８上に形成され、＜１−１００＞方向の幅２μｍのストライプ状開口部１４を持った厚さ０．２μｍのＡｌ2Ｏ3マスク９、Ａｌ2Ｏ3マスク９上に選択的に形成された厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.8Ｎクラッド層１０、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極１２、Ｔｉ／Ａｌの２層金属ｎ電極１３が形成されている。図１において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層３を露出させ、その上面にｎ電極１３を形成している。
【００７２】
次に、図３の半導体レーザの製造工程について説明する。半導体膜の形成には有機金属化学気相成長装置（以下ＭＯＣＶＤ）を用いた。成長圧力は全ての領域で１００Ｔｏｒｒとした。またＶ族元素供給源としてＮＨ3を、III族元素供給源としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（以下ＴＭＩ）、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（以下（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ）、シラン（以下ＳｉＨ４）を用い、有機金属についてはそれぞれのシリンダー温度を−１０℃、２０℃、３０℃として、圧力７６０ＴｏｒｒのＮ2でバブリングすることにより、その飽和蒸気を反応管内に供給した。まず、反応管内にＣ面を表面とするサファイア基板１を設置し、水素雰囲気下で１１００℃に加熱し、基板表面の清浄を行った。次に基板温度を５００℃とし、ＴＭＧ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してサファイア基板１上に４０ｎｍのＧａＮバッファー層２を形成した。
【００７３】
次にＴＭＧの供給を中止し、基板温度を１１００℃とした。ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとしてのＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板上に厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層３を形成した。さらに、基板上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層４を、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層５を形成した。つぎに、基板１の温度を８００℃に保持し、ＴＭＧ１０ｓｃｃｍ、ＴＭＩ５０ｓｃｃｍもしくは３０ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板１上に膜厚３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と膜厚５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸構造活性層６を形成した。つぎに活性層６上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７を形成した。ついで基板１の温度を１１００℃に保持し、ＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８を形成した。
【００７４】
つぎにＡｌ2Ｏ3マスク９を形成した。まず基板１を室温まで冷却したのち成長装置から取り出し、スパッタ装置により膜厚０．２μｍのＡｌ2Ｏ3膜を形成したのち、フォトリソグラフ工程及びエッチング工程によって幅２．０μｍの開口部１４を形成した。
【００７５】
その後、再び基板１を成長装置に設置して１１００℃に加熱し、ＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０を形成した。つぎに基板１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１を形成した。その後、基板１を成長装置より取り出し、リッジの頭部を除いて酸化珪素膜１５を形成し、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極１２を真空蒸着により形成した。また、エッチングによりｎ型ＧａＮ層３を露出させ、その上面にＴｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極１３を真空蒸着により形成した。
【００７６】
本実施例で得られた半導体レーザのリッジ部について、リッジ形状因子は表２に示した値となった。なお、本実施例におけるｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１０が本発明における第二のIII属窒化物半導体層に相当する。
【表２】
得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、内部損失は３０cm-1であった。本実施例によれば、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００７８】
〈実施例２〉
図４は本発明に係るIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。本実施例では選択成長用マスク材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる。図４において、このIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とする厚さ３３０μｍのｎ型ＧａＮ基板２１上に、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層２２、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２３、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２４、厚さ３ｎｍのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層２５、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層２６、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２７上に形成され、＜１−１００＞方向の幅２μｍのストライプ状開口部３３を持った厚さ０．２μｍのＡｌ2Ｏ3マスク２８、Ａｌ2Ｏ3マスク２８上に選択的に形成された厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.8Ｎクラッド層２９、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極３１、Ｔｉ／Ａｌの２層金属ｎ電極３２が形成されている。
【００７９】
次に、図４の半導体レーザの製造工程について説明する。半導体膜の形成にはＭＯＣＶＤを用いた。成長圧力は全ての領域で１００Ｔｏｒｒとした。またＶ族元素供給源としてＮＨ3を、III族元素供給源としてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ、ＳｉＨ４を用い、有機金属についてはそれぞれのシリンダー温度を−１０℃、２０℃、３０℃として、圧力７６０ＴｏｒｒのＮ2でバブリングすることにより、その飽和蒸気を反応管内に供給した。まず、反応管内にＣ面を表面とするｎ型ＧａＮ基板２１を設置し、水素雰囲気下で１１００℃に加熱し、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとしてのＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板２１上に厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮ層２２を形成した。さらに、基板２１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２３を、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ４５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層２４を形成した。つぎに、基板２１の温度を８００℃に保持し、ＴＭＧ１０ｓｃｃｍ、ＴＭＩ５０ｓｃｃｍもしくは３０ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板２１上に膜厚３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と膜厚５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸構造活性層２５を形成した。つぎに活性層２５上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層２６を形成した。ついで基板２１の温度を１１００℃に保持し、基板２１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層２７を形成した。つぎにＡｌ2Ｏ3マスク２８を形成した。まず基板２１を室温まで冷却したのち成長装置から取り出し、スパッタ装置により膜厚０．２μｍのＡｌ2Ｏ3膜を形成したのち、フォトリソグラフ工程及びエッチング工程によって幅２．０μｍの開口部３３を形成した。
【００８０】
その後、再び基板２１を成長装置に設置して１１００℃に加熱し、ＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２９を形成した。つぎに基板２１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層３０を形成した。その後、基板２１を成長装置より取り出し、リッジの頭部を除いて酸化珪素膜３４を形成し、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極３１を真空蒸着により形成した。また、基板２１の裏面にＴｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極３２を真空蒸着により形成した。
【００８１】
本実施例で得られた半導体レーザのリッジ部について、リッジ形状因子は表２に示した値となった。なお、本実施例におけるｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２９が本発明における第二のIII属窒化物半導体層に相当する。
【００８２】
得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、しきい値電流密度は３．６ｋＡ／ｃｍ2、内部損失は３０cm-1であった。本実施例によれば、良好なＩ−Ｖ特性を有し、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００８３】
〈比較例１〉
実施例２のＡｌ2Ｏ3マスク２８を、ＳｉＯ2に代え、これ以外は実施例２と同様にして半導体レーザを作製した。得られた半導体レーザの層構造の観察およびレーザ特性の評価を行った。
【００８４】
図６は、実施例２で得られた半導体レーザの断面ＳＥＭ像である。一方、図７は比較例１で得られた半導体レーザの断面ＳＥＭ像である。図６では、図７のＳｉＯ2をマスクとして用いた場合にみられる再成長界面およびその上の半導体層の暗転領域が消失している。さらに成長速度の縦横比が、ＳｉＯ2を用いた場合には１．７であるのに対し、本発明によるＡｌ2Ｏ3を用いた場合には２．１と大きくなっている。これにより、ｐ型コンタクト層とｐ電極との接触面積が大きくなり、しきい値電圧はＳｉＯ2を用いた場合に比較して、１．５Vの低減が見られた。
【００８５】
図８は、実施例２および比較例１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのＩ−Ｖ、Ｉ−Ｌ特性を示す図である。Ａｌ2Ｏ3をマスクとして用いた場合には、再成長界面のＳｉ汚染が回避されているため、酸化珪素をマスクとして用いた場合に比較して、内部損失が５ｃｍ−１低減された。
【００８６】
〈実施例３〉
図５は本発明に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。本実施例では選択成長用マスク材料としてＡｌ2Ｏ3を用いる。図５において、このIII−V族窒化物半導体レーザの層構造は、Ｃ面を表面とする厚さ３３０μｍのサファイア基板７１上に、厚さ４０ｎｍのＧａＮバッファー層７２、厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層７３、ｎ型ＧａＮコンタクト層７３上に形成され、＜１−１００＞方向の幅２μｍのストライプ状開口部７４を持った厚さ０．２μｍのＡｌ2Ｏ3マスク７５、Ａｌ2Ｏ3マスク７５上に選択的に形成された厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層７６、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層７７、厚さ３ｎｍのＩｎ0.12Ｇａ0.88Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層７８、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７９、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８０、厚さ０．５μｍのｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.8Ｎクラッド層８１、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８２、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極８３、Ｔｉ／Ａｌの２層金属ｎ電極８４が形成されている。図１において、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層７３を露出させ、その上面にｎ電極８４を形成している。
【００８７】
次に、図５の半導体レーザの製造工程について説明する。半導体膜の形成にはＭＯＣＶＤを用いた。成長圧力は全ての領域で１００Ｔｏｒｒとした。またＶ族元素供給源としてＮＨ3を、III族元素供給源としてＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ、ＳｉＨ4を用い、有機金属についてはそれぞれのシリンダー温度を−１０℃、２０℃、３０℃として、圧力７６０ＴｏｒｒのＮ2でバブリングすることにより、その飽和蒸気を反応管内に供給した。まず、反応管内にＣ面を表面とするサファイア基板１を設置し、水素雰囲気下で１１００℃に加熱し、基板表面の清浄を行った。次に基板温度を５００℃とし、ＴＭＧ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してサファイア基板７１上に４０ｎｍのＧａＮバッファー層７２を形成した。次にＴＭＧの供給を中止し、基板温度を１１００℃とした。ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとしてのＳｉＨ4５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板１上に厚さ１．５μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層７３を形成した。
【００８８】
つぎにＡｌ2Ｏ3マスク７５を形成した。まずサファイア基板７１を室温まで冷却したのち成長装置から取り出し、スパッタ装置により膜厚０．２μｍのＡｌ2Ｏ3膜を形成したのち、フォトリソグラフ工程及びエッチング工程によって幅２．０μｍの開口部７４を形成した。
【００８９】
その後、再び基板７１を成長装置に設置して１１００℃に加熱し、基板７１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ4５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ１μｍのｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層７６を、ついでＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＳｉＨ4５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層７７を形成した。つぎに、基板７１の温度を８００℃に保持し、ＴＭＧ１０ｓｃｃｍ、ＴＭＩ５０ｓｃｃｍもしくは３０ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して基板７１上に膜厚３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と膜厚５ｎｍのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層の３周期からなる多重量子井戸構造活性層７８を形成した。
【００９０】
つぎに活性層７８上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層７９を形成した。ついで基板７１の温度を１１００℃に保持し、基板７１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給して厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層８０を形成した。つぎにＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、ＴＭＡ５ｓｃｃｍ、ドーパントとして（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給してｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８１を形成した。つぎに基板７１上にＴＭＧ１５ｓｃｃｍ、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ５ｓｃｃｍ及びＮＨ3１０ｓｌｍを供給し、厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層８２を形成した。
【００９１】
その後、基板７１を成長装置より取り出し、リッジの頭部を除いて酸化珪素膜８５を形成し、Ｎｉ／Ａｕの２層金属からなるｐ電極８３を真空蒸着により形成した。また、エッチングによりｎ型ＧａＮコンタクト層７３を露出させ、その上面にＴｉ／Ａｌの２層金属からなるｎ電極８４を真空蒸着により形成した。
【００９２】
本実施例で得られた半導体レーザのリッジ部について、リッジ形状因子は表２に示した値となった。なお、本実施例におけるｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層２９が本発明における第二のIII属窒化物半導体層に相当する。
【００９３】
得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、良好なＩ−Ｖ特性を有し、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００９４】
〈参考例４〉
実施例２のＡｌ2Ｏ3マスク２８を、Ｔａ2Ｏ5に代え、これ以外は実施例２と同様にして半導体レーザを作製した。 得られた半導体レーザについて性能を評価したところ、良好なＩ−Ｖ特性を有し、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られることが確認された。
【００９５】
上記した各実施例は、選択成長を用いてレーザ構造を形成するという点で従来技術１ないし２に示したレーザと共通しているが、それに加え、Ｓｉを含まない選択成長用マスクを使用するという点で相違する。このため、選択再成長界面及びその上のｐ型半導体層にＳｉ汚染が起こらないという利点を有する。それにより、Ｓｉ汚染によって生成されるドナーによってアクセプタが補償されることを防ぎ、素子のＩ−Ｖ特性異常、内部損失の増大を回避することができるという顕著な効果を有する。くわえて、Ａｌ−Ｏ結合のように強い結合力を持ったマスク材料を用いることにより、供給原料のマスク上でのマイグレーションを促進するため、同一成長条件、同一層厚であっても横方向（面方向）への成長速度が大きくなる。これにより、ｐ型ＧａＮコンタクト層とｐ電極の接触面積を大きくすることができ、さらなる素子低抵抗化が図られるという顕著な効果を有する。
【００９７】
また、上記実施例ではサファイア基板、ＧａＮ基板を用いた例について説明したが、ＳｉＣ基板、ＭｇＡｌ２Ｏ４基板等を用いた場合にも本発明の実施に支障はない。また、各層厚、ドーピング濃度、組成についても、前記実施例の通りでなくても本発明を実施するにあたり支障はない。
【００９８】
また、上記実施例ではマスク方向を＜１−１００＞としているが、＜１１−２０＞など他の方向である場合にも本発明の実施に支障はない。
【００９９】
【発明の効果】
以上本発明によれば、マスクを特定材料により構成しているため、マスク成長により形成した半導体層へのマスク由来の汚染や不純物の混入を防ぎ、所望の性能を備える半導体多層膜を安定的に得ることができる。また、マスク上においてマスク成長層の横方向成長が促進され、素子性能の向上に寄与する好適な形状のリッジ等を安定的に得ることができる。
【０１００】
具体的には、III属窒化物半導体レーザの、活性層上部のｐ型半導体層構造に適用した場合、良好な電流狭窄が実現され、Ｉ−Ｖ特性、内部損失等のばらつきの少ない、製造安定性に優れた半導体レーザが得られる。また、電子素子への応用では、高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図２】従来技術２によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図３】実施例１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図４】実施例２によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図５】実施例３によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザの概略断面図である。
【図６】実施例２によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのリッジ部断面をＳＥＭ観察した結果を示す図である。
【図７】比較例１のIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのリッジ部断面をＳＥＭ観察した結果を示す図である。
【図８】実施例２および比較例１によるIII−Ｖ族窒化物半導体レーザのＩ−Ｖ、Ｉ−Ｌ特性を示す図である。
【図９】Ａｌ2Ｏ3マスクのパターニング方法を説明するための図である。
【図１０】リッジ形状因子の定義を説明するための図である。
【符号の説明】
１ Ｃ面を表面とするサファイア基板
２ ＧａＮバッファー層
３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
４ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
６ 多重量子井戸構造活性層
７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層
８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
９ Ａｌ2Ｏ3マスク
１０ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
１１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１４ Ａｌ2Ｏ3マスクのストライプ状開口部
１５ 酸化珪素膜
２１ Ｃ面を表面とするｎ型ＧａＮ基板
２２ ｎ型ＧａＮ層
２３ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
２５ 多重量子井戸構造活性層
２６ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層
２７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２８ 酸化マグネシウムマスク
２９ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
３０ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３１ ｐ電極
３２ ｎ電極
３３ 酸化マグネシウムマスクのストライプ状開口部
３４ 酸化珪素膜
６１ ＳｉＯ2膜
６２ 開口部
７１ サファイア基板
７２ ＧａＮバッファー層
７３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
７４ ストライプ状開口部
７５ Ａｌ2Ｏ3マスク
７６ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
７７ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
７８ 多重量子井戸構造活性層
７９ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャップ層
８０ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
８１ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
８２ ｐ型ＧａＮコンタクト層
８３ ｐ電極
８４ ｎ電極
８５ 酸化珪素膜
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮバッファー層
１０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
１０４ ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラック防止層
１０５ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
１０６ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
１０７ 多重量子井戸構造活性層
１０８ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎインジウム解離防止層
１０９ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
１１０ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
１１１ ｐ型ＧａＮ層
１１２ 酸化珪素膜
１１３ ｐ型ＧａＮコンタクト層
１１４ ｐ電極
１１５ ｎ電極
２０１ Ｃ面を表面とするサファイア基板
２０２ ＧａＮバッファー層
２０３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
２０４ ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２０５ ｎ型ＧａＮ光閉込層
２０６ 多重量子井戸構造活性層
２０７ ｐ型ＧａＮ光閉込層
２０８ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２０９ 酸化珪素膜
２１０ ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
２１１ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２１２ リッジ構造
２１３ ｐ電極
２１４ ｎ電極
６０１ マスク
６０２ 第二のIII族窒化物半導体層
Claims (8)
- 第一のIII族窒化物半導体層と、この上に設けられた開口部を有するマスクと、前記開口部において前記第一のIII族窒化物半導体層から成長した第二のIII族窒化物半導体層と、を有し、
前記マスクはＡｌ ２ Ｏ ３ により構成され、
前記第二のIII族窒化物半導体層は、リッジ状に形成されるとともに、前記第一の III 族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなし、
前記開口部の幅が最小となる断面において、リッジ底面の幅をＤ、開口部の幅をｄとし、前記マスク上の前記第二のIII族窒化物半導体層の厚みをｈとしたとき、下記式
Ｐ＝（Ｄ−ｄ）／２ｈ
により定義される形状因子Ｐが、２以上であることを特徴とする半導体多層膜。 - 第一のIII族窒化物半導体層と、この上に設けられた開口部を有するマスクと、前記開口部において前記第一のIII族窒化物半導体層から成長した第二のIII族窒化物半導体層と、を有し、
前記マスクはＡｌ ２ Ｏ ３ により構成され、
前記第二のIII族窒化物半導体層は、リッジ状に形成されるとともに、前記第一の III 族窒化物半導体層の上面から前記開口部の外の領域まで成長し、前記マスクの少なくとも一部を覆う形態をなし、
前記リッジ部がストライプ状に一方向に延在して形成され、該ストライプ方向と垂直な面内において、リッジ底面の幅をＤ、開口部の幅をｄ、前記マスク上の前記第二のIII族窒化物半導体層の厚みをｈとしたとき、下記式
Ｐ＝（Ｄ−ｄ）／２ｈ
により定義される形状因子Ｐが、２以上であることを特徴とする半導体多層膜。 - 請求項１または２に記載の半導体多層膜において、
Ｄ／ｄが１．６以上であることを特徴とする半導体多層膜。 - 請求項１乃至３いずれかに記載の半導体多層膜において、
前記第二のIII族窒化物半導体層は、１０００℃以上の高温で形成された膜であることを特徴とする半導体多層膜。 - 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体多層膜において、
前記第二のIII族窒化物半導体層がｐ型半導体層であることを特徴とする半導体多層膜。 - 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体多層膜を備えたことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
- 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体多層膜と、活性層とを備えたことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
- 請求項７に記載のIII族窒化物半導体素子において、
前記半導体多層膜を前記活性層の上部に備え、前記マスクが電流狭窄部をなすことを特徴とするIII族窒化物半導体素子。
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