JP3469847B2 - 窒化物系半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、III 族窒化物半導
体（以下、窒化物系半導体と呼ぶ）を用いた発光ダイオ
ード素子、半導体レーザ素子、受光素子、トランジスタ
等の半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＧａＮ等の窒化物系半導体を用い
た半導体素子の研究開発が進められいる。

【０００３】図１５は従来の窒化物系半導体レーザ素子
の例を示す模式的な断面図である。図１５に示すよう
に、半導体レーザ素子は、サファイア基板８１上にバッ
ファ層８２、アンドープＧａＮ層８３、ｎ−ＧａＮコン
タクト層８４、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５、ｎ−Ｇ
ａＮ光ガイド層８６、発光層８７、ｐ−ＧａＮ光ガイド
層８８が順に形成されてなる。ｐ−ＧａＮ光ガイド層８
８の所定幅の領域上にリッジ状にｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層８９が形成されており、このリッジ状のｐ−ＡｌＧ
ａＮクラッド層８９の側面に電流狭窄層９１が形成され
ている。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８９の上面
および電流狭窄層９１上にｐ−ＧａＮコンタクト層９０
が形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層９０からｎ
−ＧａＮコンタクト層８４までの一部領域が除去されて
ｎ−ＧａＮコンタクト層８４が露出し、メサ形状が形成
されている。露出したｎ−ＧａＮコンタクト層８４の所
定領域上にｎ電極９３が形成され、ｐ−ＧａＮコンタク
ト層９０の所定領域上にｐ電極９２が形成されている。

【０００４】図１５に示す半導体レーザ素子において、
発光層８７で発生した光の閉じ込めを効果的に行うた
め、および良好な垂直方向の遠視野像を得るためには、
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５とｎ−ＧａＮ光ガイド層
８６との屈折率の差を大きくするか、またはｎ−ＡｌＧ
ａＮクラッド層８５の厚さを大きくする必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層８５とｎ−ＧａＮ光ガイド層８６との屈折率の差を
大きくする方法として、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５
のＡｌ組成を大きくすることが考えられる。しかしなが
ら、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５のＡｌ組成を大きく
すると、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５においてクラッ
クが発生しやすくなる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層８５においてＡｌ組成を大きくすることは困難で
ある。また、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５の厚さを大
きくすると、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層８５においてク
ラックが発生しやすくなる。このため、ｎ−ＡｌＧａＮ
クラッド層８５の膜厚を大きくすることは困難である。

【０００６】一方、窒化物系半導体からなる受光素子、
特に３００ｎｍよりも波長の短い紫外線領域の光に対し
て高い感度を有する受光素子においては、受光部のＡｌ
ＧａＮ層のＡｌ組成および膜厚を大きくする必要があ
る。

【０００７】しかしながら、前述のように、Ａｌ組成が
高く膜厚の大きなＡｌＧａＮ層においてはクラックが発
生しやすいため、受光部のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成およ
び膜厚を大きくすることは困難である。このため、短波
長の光に対して高い感度を有する受光素子の実現は困難
である。

【０００８】本発明の目的は、クラックの発生が防止さ
れかつ素子特性の向上が図られた窒化物系半導体素子お
よびその製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係る窒化物系半導体素子は、基板上に、単結晶の窒化
物系半導体からなり第１の格子定数を有する第１の層
と、単結晶の窒化物系半導体からなる能動素子領域とが
この順で形成された窒化物系半導体素子であって、第１
の層と能動素子領域との間に、第１の格子定数よりも小
さな第２の格子定数を有し少なくとも一部が非単結晶の
窒化物系半導体からなる第２の層が形成されたものであ
る。

【００１０】なお、この場合の窒化物系半導体素子の能
動素子領域とは、例えば発光体ダイオード素子や半導体
レーザ素子の発光層や活性層、導波路素子のコア層、Ｐ
ＩＮフォトダイオードのＩ層、フォトダイオードやＨＢ
Ｔ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）のｐｎ接合部
分、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）のチャネル部分
等に相当する。

【００１１】本発明に係る窒化物系半導体素子において
は、第１の層よりも小さな格子定数を有する第２の層の
少なくとも一部が非単結晶状態の窒化物系半導体からな
る。このような第２の層においては、第１の層との格子
定数の差により発生する歪みが緩和されるので、第２の
層においてはクラックの発生が防止される。

【００１２】以上のように、上記の窒化物系半導体素子
においては、第２の層におけるクラックの発生を防止す
ることが可能となるため、第２の層上に形成された能動
素子領域において良好な結晶性が実現できる。したがっ
て、このような窒化物系半導体素子においては、素子特
性の向上が図られる。

【００１３】能動素子領域は、第１の格子定数よりも小
さな第３の格子定数を有する層を１または複数含んでも
よい。

【００１４】この場合、能動素子領域は第２の層を介し
て第１の層上に形成されているため、第１の層よりも小
さな格子定数を有する能動素子領域内の層においては、
第２の層により、第１の層との格子定数の差により発生
する歪みが緩和される。それにより、第１の層よりも小
さな格子定数を有する能動素子領域内の層においては、
クラックの発生が防止される。

【００１５】第２の層は、非単結晶の窒化物系半導体か
らなる島状またはストライプ状の非単結晶層と、単結晶
の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、単結晶層
間または単結晶層内に非単結晶層が分散配置された構造
を有してもよい。このような非単結晶層を含む第２の層
においては、非単結晶層により、第１の層との格子定数
との差により発生する歪みが緩和される。したがって、
第２の層においてはクラックの発生が防止される。

【００１６】能動素子領域は、第２の層よりも小さなバ
ンドギャップを有する層を１または複数含んでもよい。

【００１７】第２の層はＡｌ_X Ｇａ_1-X Ｎ（０＜Ｘ≦
１）からなってもよい。また、第１の層はＧａＮからな
ってもよい。この場合、Ａｌ_X Ｇａ_1-X Ｎからなる第２
のは、ＧａＮからなる第１の層よりも小さな格子定数を
有する。

【００１８】ここで、ＧａＮからなる第１の層上に形成
された第２の層は、少なくとも一部が非単結晶状態のＡ
ｌ_X Ｇａ_1-X Ｎから構成されている。このため、第２の
層においては、第１の層との格子定数の差により発生す
る歪みが緩和される。それにより、ＧａＮからなる第１
の層上に形成されたＡｌ_X Ｇａ_1-X Ｎからなる第の層に
おいて、クラックの発生を防止することが可能となる。

【００１９】以上のように、第２の層においてクラック
の発生が防止されることから、第２の層の膜厚およびＡ
ｌ組成を大きくすることが可能となる。

【００２０】第２の層はクラッド層であってもよい。こ
の場合、クラッド層におけるクラックの発生を防止する
ことが可能となり、半導体素子を構成する層において良
好な結晶性が実現される。

【００２１】例えば、少なくとも一部が非単結晶状態の
ＡｌＧａＮからなるクラッド層を有する窒化物系半導体
素子においては、クラッド層の膜厚およびＡｌ組成を大
きくするとともにクラッド層におけるクラックの発生を
防止することが可能となる。それにより、窒化物系半導
体素子において、素子特性の向上を図ることが可能とな
る。

【００２２】本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方
法は、基板上に、単結晶の窒化物系半導体からなり第１
の格子定数を有する第１の層を形成する工程と、第１の
層上に、第１の格子定数よりも小さな第２の格子定数を
有し少なくとも一部が非単結晶の窒化物系半導体からな
る第２の層を形成する工程と、第２の層上に単結晶の窒
化物系半導体からなる能動素子領域を形成する工程とを
含むものである。

【００２３】本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方
法においては、第１の層上に、少なくとも一部が非単結
晶状態の窒化物系半導体からなる第２の層を形成する。

【００２４】この場合、第２の層は第１の層よりも小さ
な格子定数を有するが、第２の層は少なくとも一部が非
単結晶状態の窒化物系半導体からなるため、第２の層に
おいては第１の層との格子定数の差により発生する歪み
が緩和される。それにより、第２の層においてクラック
の発生が防止される。

【００２５】以上のように、上記の窒化物系半導体素子
の製造方法によれば、第２の層におけるクラックの発生
を防止することが可能となるため、第２の層上に形成さ
れた能動素子領域において良好な結晶性が実現できる。
したがって、製造された窒化物系半導体素子において
は、素子特性の向上が図られる。

【００２６】第２の層は、窒化物系半導体が非単結晶状
態となる成長温度で成長させてもよい。この場合、第２
の層の成長温度を低くすることにより、非単結晶状態の
窒化物系半導体からなる第２の層を容易に形成すること
ができる。したがって、この方法によれば、第２の層に
おけるクラックの発生を容易に防止することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下においては、本発明に係る半
導体素子として、半導体レーザ素子について説明する。

【００２８】図１は本発明の第１の参考例における半導
体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。図１の半導
体レーザ素子１００は、以下のようにして作製される。

【００２９】半導体レーザ素子１００の作製時には、ま
ず、図２（ａ）に示すように、サファイア（０００１）
面基板１上に、バッファ層２、アンドープＧａＮ層３、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッ
ド層５、ｎ−ＧａＮ第１クラッド層６、多重量子井戸
（ＭＱＷ）構造を有するＭＱＷ発光層７、ｐ−ＧａＮ第
１クラッド層８、ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層９およ
びｐ−ＧａＮキャップ層１０を順に成長させる。なお、
各層２〜１０の組成、膜厚および成長時の基板温度は表
１に示す通りである。

【００３０】

【表１】

【００３１】上記の各層２〜１０は大気圧のＭＯＶＰＥ
法（有機金属化学的気相成長法）により成長させる。こ
の場合、原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチ
ルインジウム（ＴＭＩｎ）、ＮＨ₃ 、シランガス（Ｓｉ
Ｈ₄ ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍ
Ｇ）を用いる。ここでは、ｎ型ドーパントとしてＳｉを
用いており、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いている。

【００３２】表１に示すように、本参考例においては、
ｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎを６００℃と低い基板温度で成
長させてｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層５を形成する。
このように成長時の基板温度を低くすることにより、非
単結晶状態のｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎが成長する。した
がって、形成されたｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層５
は、全体が非単結晶状態のｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎから
構成される。

【００３３】このような非単結晶状態のＡｌ _0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎから構成されるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５にお
いては、Ａｌ組成を０．３と大きくかつ膜厚を１μｍと
大きくしても、後述する製造工程においてクラックが発
生しない。

【００３４】一方、本参考例において、ｎ−ＡｌＧａＮ
第２クラッド層５以外の各層２〜４，６〜１０は、全体
が単結晶状態の窒化物系半導体から構成される。

【００３５】なお、上記においては、ｎ−ＡｌＧａＮ第
２クラッド層５の成長時の基板温度を６００℃としてい
るが、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層５の成長時の基板
温度は６００℃に限定されるものではない。ｎ−ＡｌＧ
ａＮ第２クラッド層５の成長時の基板温度は、非単結晶
状態のＡｌＧａＮが成長する温度、すなわち５００〜７
００℃の範囲内であればよい。

【００３６】ここで、この場合の非単結晶状態とは、多
結晶状態またはアモルファス状態のことである。なお、
多結晶状態とは、結晶の〈０００１〉方向が揃っていな
い部分が存在する結晶状態のことである。これに対し
て、単結晶状態とは、結晶の〈０００１〉方向がほぼ揃
っている結晶状態のことである。

【００３７】上記のＭＱＷ発光層７は、膜厚４ｎｍ程度
のＧａＮ障壁層と膜厚４ｎｍ程度のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ
井戸層とが交互に積層されてなる。この場合、ＧａＮ障
壁層は５層であり、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層は４層で
ある。

【００３８】続いて、図２（ｂ）に示すように、ｐ−Ｇ
ａＮキャップ層１０の全面に、例えばＥＣＲ（電子サイ
クロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ法により、厚さ０．２
μｍ程度のＳｉ₃ Ｎ₄ 等のシリコン窒化物からなる電流
狭窄層１３を形成する。次に、フォトリソグラフィおよ
びＢＨＦ（緩衝フッ酸）によるウェットエッチングで、
幅２μｍ程度のストライプ状の領域のシリコン窒化物を
除去し、ｐ−ＧａＮキャップ層１０を露出させる。それ
により、ストライプ状の電流通路１２が形成される。

【００３９】次に、図３（ｃ）に示すように、例えば７
６Ｔｏｒｒの減圧ＭＯＶＰＥ法により、電流狭窄層１３
上およびストライプ状開口部内のｐ−ＧａＮキャップ層
１０上に厚さ３〜５μｍのｐ−ＧａＮからなるｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１１を形成する。この際、ｐ−ＧａＮキ
ャップ層１０の露出した部分に選択的にｐ−ＧａＮが成
長するように、成長条件を適切に調整する。例えば、基
板温度を約１００℃上昇させ、ＮＨ₃ の量を約３倍に増
加させる。

【００４０】このような条件下で成長を行うと、ｐ−Ｇ
ａＮキャップ層１０の露出した部分にｐ−ＧａＮが成長
し、電流通路１２にあたる部分が形成される。一方、電
流狭窄層１３上にはｐ−ＧａＮは結晶成長しない。引続
き結晶成長を継続すると、ｐ−ＧａＮが電流通路１２上
に成長するとともに、電流通路１２上に成長したｐ−Ｇ
ａＮの側面から横方向に結晶成長が開始し、電流狭窄層
１３上にｐ−ＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１
１が形成される。例えば、電流通路１２にあたる部分を
中心として幅約８μｍでｐ−ＧａＮコンタクト層１１が
形成される。

【００４１】この結果、ｐ−ＧａＮキャップ層１０とｐ
−ＧａＮコンタクト層１１とは幅２μｍ程度のストライ
プ状の電流通路１２で接続され、ｐ−ＧａＮキャップ層
１０とｐ−ＧａＮコンタクト層１１との間に、電流通路
１２の部分を除いて、厚さ０．２μｍ程度のＳｉ₃ Ｎ₄
からなる電流狭窄層１３が形成される。

【００４２】次に、図３（ｄ）に示すように、メタルマ
スクおよびＥＢ（電子ビーム）蒸着法を用いて、ｐ−Ｇ
ａＮコンタクト層１１を含む領域に、例えば幅１０μｍ
程度のストライプ形状で厚さ３〜５μｍのＮｉ膜を蒸着
する。このＮｉ膜をマスクとして用い、例えばＣＦ₄ を
エッチングガスとして用い、反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）法により、ｎ−ＧａＮコンタクト層４が露出
するまでｐ−ＧａＮコンタクト層１１からｎ−ＧａＮコ
ンタクト層４までをメサ状にエッチングする。その後、
マスクとして用いたＮｉ膜を塩酸等を用いて除去する。

【００４３】さらに、図４（ｅ）に示すように、Ｓｉ₃
Ｎ₄ 等の絶縁膜１６をＥＣＲプラズマＣＶＤ法、フォト
リソグラフィおよびエッチングによりｐ−ＧａＮコンタ
クト層１１からｎ−コンタクト層４までの側面および電
極形成領域を除いたｎ−ＧａＮコンタクト層４の上面に
形成する。そして、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の露出し
た表面上に、例えばＡｕ／Ｔｉからなるｎ電極１５を形
成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１上にＡｕ／Ｐｄから
なるｐ電極１４を形成する。

【００４４】最後に、例えばへき開により、ストライプ
状の電流通路１２に沿った方向に共振器長３００μｍの
共振器構造を形成する。それにより、図１の構造を有す
る半導体レーザ素子１００が形成される。

【００４５】なお、半導体レーザ素子１００の共振器端
面にＳｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 等を
積層した誘電体多層膜等の端面高反射膜や低反射膜を形
成してもよい。

【００４６】本参考例の半導体レーザ素子１００におい
ては、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、非単結晶状態の
ＡｌＧａＮからなりｎ−ＧａＮコンタクト層４に比べて
小さな格子定数を有するｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
５が形成されている。

【００４７】ここで、非単結晶状態のＡｌＧａＮからな
るｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層５においては、単結晶
状態のＡｌＧａＮから構成される場合に比べて、ｎ−Ｇ
ａＮコンタクト層４との格子定数の差により発生する歪
が緩和される。したがって、このようなｎ−ＡｌＧａＮ
第２クラッド層５においては、Ａｌ組成を０．３と大き
くし、かつ膜厚を１μｍと大きくしても、クラックが発
生しない。それにより、半導体レーザ素子１００を構成
する各層２〜１１において、良好な結晶性が実現でき
る。

【００４８】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層５を有する半導体レーザ素子１００において
は、光の閉じ込めを効果的に行うとともに、良好な垂直
方向の遠視野像を得ることが可能となる。したがって、
半導体レーザ素子１００においては、素子特性の向上を
図ることが可能となる。

【００４９】本発明の第２の参考例における半導体レー
ザ素子は、図１のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層５の代
わりに図５に示す構造を有するｎ−ＡｌＧａＮ第２クラ
ッド層２０が形成された点を除いて、第１の半導体レー
ザ素子１００と同様の構造を有する。

【００５０】図５に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２０は、膜厚５０ｎｍ程度の多単結晶状態のＳ
ｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる多結晶ｎ−ＡｌＧ
ａＮ層２０ａと、膜厚５０ｎｍ程度の単結晶状態のＳｉ
ドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる単結晶ｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層２０ｂとが交互に積層されてなる。例えば、この場
合においては、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ａと単結晶
ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ｂとが１０周期で積層されてい
る。

【００５１】このように、本参考例のｎ−ＡｌＧａＮ第
２クラッド層２０は、全体が非単結晶状態のＡｌＧａＮ
からなる第１の実施例のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
５とは異なり、一部が非単結晶状態のＡｌＧａＮから構
成される。

【００５２】本参考例の半導体レーザ素子の製造方法
は、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０の形成方法のみ
が第１の実施例の半導体レーザ素子の製造方法と異な
る。ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０は、以下の方法
により形成される。

【００５３】ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０の形成
時には、まず基板温度を６００℃に保ち、膜厚５０ｎｍ
程度のＳｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させる。こ
のように成長時の基板温度を低くすることにより、多結
晶状態のＳｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる多結晶
ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ａが形成される。

【００５４】次に、基板温度を１１５０℃に保ち、膜厚
５０ｎｍ程度のＳｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長さ
せる。このように成長時の基板温度を高くすることによ
り、単結晶状態のＳｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからな
る単結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ｂが形成される。

【００５５】以上のような多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０
ａの形成工程および単結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ｂの形
成工程を交互にそれぞれ１０回繰り返して行う。それに
より、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ａと単結晶ｎ−Ａｌ
ＧａＮ層２０ｂとが１０周期積層されてなる膜厚１μｍ
のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０が形成される。

【００５６】本参考例の半導体レーザ素子においては、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ−ＧａＮコンタクト
層４よりも小さな格子定数を有しかつ多結晶ｎ−ＡｌＧ
ａＮ層２０ａを含むｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０
が形成されている。

【００５７】このような多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ａ
を含むｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２０においては、
全体が単結晶状態のＡｌＧａＮからなる場合に比べて、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４との格子定数の差により発生
する歪が緩和される。このため、ｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２０のＡｌ組成を０．２５と大きくしかつ膜厚
を１μｍと大きくしても、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド
層２０においてはクラックが発生しない。それにより、
半導体レーザ素子を構成する各層において、良好な結晶
性が実現できる。

【００５８】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２０を有する本参考例の半導体レーザ素子にお
いては、光の閉じ込めを効果的に行うことが可能になる
とともに、良好な垂直方向の遠視野像を得ることが可能
となる。したがって、半導体レーザ素子において、素子
特性の向上が図られる。

【００５９】なお、上記のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド
層２０は、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ａと単結晶ｎ−
ＡｌＧａＮ層２０ｂとがこの順で積層されているが、積
層の順序はこれに限定されるものではない。単結晶ｎ−
ＡｌＧａＮ層２０ｂと多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２０ｂと
がこの順で積層されたｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層を
形成した場合においても、上記と同様の効果が得られ
る。

【００６０】本発明の第１の実施例における半導体レー
ザ素子は、図１のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層５およ
びｎ−ＧａＮ第１クラッド層６の代わりに、図６に示す
ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２１およびｎ−ＩｎＧａ
Ｎ第１クラッド層６Ａが形成された点を除いて、第１の
参考例の半導体レーザ素子１００と同様の構造を有す
る。

【００６１】図６に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２１は、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成さ
れた複数のストライプ状の多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１
ａと、この多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａの間で露出し
たｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成された単結晶ｎ−
ＡｌＧａＮ層２１ｂとから構成される。

【００６２】この場合、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａ
は、膜厚１μｍ程度の多結晶状態のＳｉドープＡｌ_0.25
Ｇａ_0.75Ｎからなる。また、単結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２
１ｂは、膜厚１μｍ程度の単結晶状態の単結晶状態のＳ
ｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる。

【００６３】このように、本実施例のｎ−ＡｌＧａＮ第
２クラッド層２１は、一部が非単結晶状態のＡｌＧａＮ
から構成される。

【００６４】また、この場合においては、ｎ−ＡｌＧａ
Ｎ第２クラッド層２１上に、膜厚５０ｎｍ程度のＳｉド
ープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ−ＩｎＧａＮ第１ク
ラッド層６Ａが形成されている。

【００６５】このような第１の実施例の半導体レーザ素
子は、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２１およびｎ−Ｉ
ｎＧａＮ第１クラッド層６Ａの形成方法のみが第１の参
考例の半導体レーザ素子の製造方法と異なる。ｎ−Ａｌ
ＧａＮ第２クラッド層２１およびｎ−ＩｎＧａＮ第１ク
ラッド層６Ａは、以下の方法により形成される。

【００６６】本実施例のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
２１の形成時には、まず基板温度を６００℃に保ち、ｎ
−ＧａＮコンタクト層４上に膜厚１μｍ程度のＳｉドー
プＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させる。このように成長時
の基板温度を低くすることにより、多結晶状態のＳｉド
ープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層２１ａがｎ−ＧａＮコンタクト層４上に形成される。

【００６７】次に、メタルマスクおよびＥＢ蒸着法とを
用いて、上記の多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａの所定領
域上に、例えば幅２０μｍ程度のストライプ形状で厚さ
が３〜５μｍのＷを蒸着する。このＷをマスクとして用
いて、例えばＣＦ4 をエッチングガスとして用い、反応
性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、マスクが形成
されていない領域の多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａをエ
ッチングしｎ−ＧａＮコンタクト層４を露出させる。こ
のようにして、ｎ−ＧａＮコンタクト層４の所定領域上
に、ストライプ形状を有する複数の多結晶ｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層２１ａを形成する。

【００６８】上記の後、基板温度を１１５０℃に保ち、
ストライプ状の多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａ間で露出
したｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、膜厚１μｍ程度の
ＳｉドープＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを選択的に成長させる。
このように成長時の基板温度を高くすることにより、多
結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａ間で露出したｎ−ＧａＮコ
ンタクト層４上に、全体が単結晶状態のＳｉドープＡｌ
_0.25Ｇａ_0.75Ｎからなる単結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ｂ
が形成される。

【００６９】以上のようにして、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層２１ａと単結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ｂとから構成さ
れるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２１を形成する。ｎ
−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２１の表面がほぼ平坦とな
った後、マスクとして用いたＷを塩酸等を用いて除去す
る。

【００７０】次に、基板温度を８８０℃に保ち、ｎ−Ａ
ｌＧａＮ第２クラッド層２１上に膜厚５０ｎｍ程度の単
結晶状態のＳｉドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを成長させ、
ｎ−ＩｎＧａＮ第１クラッド層６Ａを形成する。

【００７１】本実施例の半導体レーザ素子においては、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、ｎ−ＧａＮコンタクト
層４よりも小さな格子定数を有しかつ多結晶ｎ−ＡｌＧ
ａＮ層２１ａを含むｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２１
が形成されている。

【００７２】このような多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２１ａ
を含むｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２１においては、
全体が単結晶状態のＡｌＧａＮからなる場合に比べて、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４との格子定数の差により発生
する歪が緩和される。このため、ｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２１のＡｌ組成を０．２５と大きくしかつ膜厚
を１μｍと大きくしても、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド
層２１においてはクラックが発生しない。それにより、
半導体レーザ素子を構成する各層において、良好な結晶
性が実現できる。

【００７３】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２１を有する本実施例の半導体レーザ素子にお
いては、光の閉じ込めを効果的に行うことが可能になる
とともに、良好な垂直方向の遠視野像を得ることが可能
となる。したがって、半導体レーザ素子において、素子
特性の向上が図られる。

【００７４】なお、上記においては、単結晶ｎ−ＡｌＧ
ａＮ層２１ｂ間にストライプ状の多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層２１ａが形成されたｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２
１を形成する場合について説明したが、多結晶ｎ−Ａｌ
ＧａＮ層の形状は任意の形状でもよく、例えば単結晶ｎ
−ＡｌＧａＮ層内に島状の多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層が形
成されてなるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層を形成して
もよい。この場合においても、上記と同様の効果が得ら
れる。

【００７５】上記の第１、第２の参考例及び第１の実施
例においては、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層が非単結
晶状態のＡｌＧａＮから構成される場合について説明し
たが、単結晶状態のＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮ
第２クラッド層を形成するとともに、非単結晶状態のＡ
ｌＧａＮから構成される層をｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッ
ド層とは別に形成してもよい。この場合について以下に
説明する。

【００７６】図７は本発明の第３の参考例における半導
体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。図７に示す
半導体レーザ素子は、以下の点を除いて、図１の半導体
レーザ素子１００と同様の構造を有する。

【００７７】本参考例の半導体レーザ素子においては、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、全体が多結晶状態のＳ
ｉドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなる膜厚０．６μｍの
多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２２が形成されている。この多
結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２２上に、全体が単結晶状態のＳ
ｉドープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなる膜厚０．４５μｍ
のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２３が形成され、さら
にｎ−ＧａＮ第１クラッド層６が形成されている。

【００７８】このような本参考例の半導体レーザ素子の
製造方法は、以下の点を除いて、第１の参考例の半導体
レーザ素子の製造方法と同様である。

【００７９】この場合においては、基板温度を６００℃
に保ち、ｎ−ＧａＮコンタクト層４上にＳｉドープＡｌ
_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎを成長させる。このように成長時の基板
温度を低くすることにより、全体が多結晶状態のＳｉド
ープＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなる多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層２２を形成する。

【００８０】次に、基板温度を１１５０℃に保ち、多結
晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２２上にＳｉドープＡｌ_0.3 Ｇａ
_0.7 Ｎを成長させる。このように成長時の基板温度を高
くすることにより、全体が単結晶状態のＳｉドープＡｌ
_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層
２３を形成する。

【００８１】本参考例の半導体レーザ素子においては、
ｎ−ＧａＮコンタクト層４上に、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層２２を介して、単結晶状態ＡｌＧａＮからなるｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層２３が形成されている。このように
多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２２が形成されているため、ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層２３においては、ｎ−ＧａＮコ
ンタクト層４との格子定数の差により発生する歪が緩和
される。したがって、単結晶状態のＡｌＧａＮからなる
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２３においてもクラックの発
生が防止される。このため、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッ
ド層２３のＡｌ組成を大きくしかつ膜厚を大きくして
も、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層２３においてクラッ
クが発生しない。それにより、半導体レーザ素子の各層
において良好な結晶性が実現できる。

【００８２】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮ第２ク
ラッド層２３を有する半導体レーザ素子においては、光
の閉じ込めを効果的に行うとともに、良好な垂直方向の
遠視野像を得ることが可能となる。したがって、半導体
レーザ素子において素子特性の向上を図ることが可能と
なる。

【００８３】なお、本参考例においては、全体が多結晶
状態のＡｌＧａＮからなる多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層２２
を形成する場合について説明したが、第２および第３の
参考例の場合と同様、一部が多結晶状態のＡｌＧａＮか
らなる多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層を形成してもよい。この
場合においても上記と同様の効果が得られる。

【００８４】上記の第１〜第３の参考例及び第１の実施
例においては基板としてサファイアを用いているが、基
板はサファイアに限定されるものではない。基板として
は、スピネル等の絶縁体基板、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｇａ
Ｐ、ＩｎＰ等のIII −Ｖ族半導体基板、Ｓｉ、ＳｉＣ等
の基板を用いてもよい。

【００８５】なお、レーザ光に対する吸収の大きい材料
からなる基板、あるいは基板側に形成されたクラッド層
よりも屈折率が大きい材料からなる基板を用いた場合に
は、半導体レーザ素子における光の閉じ込めを効率よく
行うため、および良好な垂直方向の遠視野像を得るため
に、特に基板側のクラッド層を厚くする必要がある。し
たがって、このような基板を有する半導体レーザ素子に
おいては、本発明を適用することにより、クラッド層に
おいてクラックの発生を防止しながら膜厚を大きくする
ことが可能となるため、本発明により大きな効果が得ら
れる。例えば、基板として、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等
の基板が用いられた半導体レーザ素子においては、本発
明による効果が大きい。

【００８６】図８は本発明の第４の参考例における半導
体レーザ素子を示す模式的な斜視図である。

【００８７】図８に示すように、本参考例の半導体レー
ザ素子においては、直径が５０．８ｍｍのｎ−ＧａＮ
（０００１）面基板３１が用いられている。

【００８８】この場合、ｎ−ＧａＮ基板３１上に、膜厚
１μｍ程度のＳｉドープｎ−Ａｌ_0.35Ｇａ0.₆₅Ｎからな
るｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３２、膜厚５０ｎｍ程
度のＳｉドープＧａＮからなるｎ−ＧａＮ第１クラッド
層３３、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ発光層３４、膜厚４
０ｎｍ程度のＭｇドープＧａＮからなるｐ−ＧａＮ第１
クラッド層３５、膜厚０．４５μｍ程度のＭｇドープＡ
ｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド
層３６および膜厚３〜５μｍのＭｇドープＧａＮからな
るｐ−ＧａＮコンタクト層３７が順に形成されている。

【００８９】上記のｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３２
の形成時には、基板温度を６００℃に保ってｎ−ＧａＮ
基板３１上にＳｉドープＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎを成長させ
る。このような低い基板温度でＳｉドープＡｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ｎを成長させることにより、全体が非単結晶状態の
ＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３２
が形成される。

【００９０】なお、この場合、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラ
ッド層３２以外の層３３〜３７は、全体が単結晶状態の
窒化物系半導体から構成されている。

【００９１】ＭＱＷ発光層３４は、膜厚４ｎｍ程度のア
ンドープＧａＮ障壁層と膜厚４ｎｍ程度の圧縮歪のアン
ドープＩｎＧａＮ井戸層とが交互に積層された多重量子
井戸構造を有する。ＭＱＷ発光層３４において、例え
ば、ＧａＮ障壁層は５層であり、ＩｎＧａＮ井戸層は４
層である。

【００９２】ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３６は、ｐ
−ＧａＮ第１クラッド層３５の所定幅の領域上にストラ
イプ状に形成される。ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３
６は断面が台形形状を有しており、上面の幅が２μｍ程
度である。

【００９３】本参考例の半導体レーザ素子においては、
このｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３６が電流通路３８
にあたっており、ｐ−ＧａＮ第１クラッド層３５とｐ−
ＧａＮコンタクト層３７とはｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッ
ド層３６で接続されている。ｐ−ＧａＮ第１クラッド層
３５とｐ−ＧａＮコンタクト層３７との間には、ｐ−Ａ
ｌＧａＮ第２クラッド層３６の部分を除いて、膜厚０．
２μｍ程度の単結晶状態のＳｉドープＧａＮからなる電
流狭窄層３９が形成されている。さらに、ｐ−ＧａＮコ
ンタクト層３７上にｐ電極１４が形成され、ｎ−ＧａＮ
基板３１の裏面にｎ電極１５が形成されている。

【００９４】本参考例の半導体レーザ素子においては、
多結晶状態のＡｌＧａＮからなりｎ−ＧａＮ基板３１に
比べて小さな格子定数を有するｎ−ＡｌＧａＮ第２クラ
ッド層３２がｎ−ＧａＮ基板３１上に形成されている。

【００９５】ここで、多結晶状態のＡｌＧａＮから構成
されるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層３２においては、
単結晶状態のＡｌＧａＮから構成される場合に比べて、
ｎ−ＧａＮ基板３１との格子定数の差により発生する歪
が緩和される。したがって、このようなｎ−ＡｌＧａＮ
第２クラッド層３２においては、膜厚を１μｍと大きく
しかつＡｌ組成を０．３５と大きくしても、クラックが
発生しない。それにより、半導体レーザ素子を構成する
各層において、良好な結晶性が実現される。

【００９６】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−第２クラッド層３
２を有する半導体レーザ素子においては、光の閉じ込め
を効果的に行うとともに、良好な垂直方向の遠視野像を
得ることが可能となる。したがって、半導体レーザ素子
において素子特性の向上を図ることが可能となる。

【００９７】なお、上記においては、全体が非単結晶状
態のＡｌＧａＮから構成されるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラ
ッド層３２を形成する場合について説明したが、第２の
参考例および第１の実施例の場合と同様、一部が非単結
晶状態のＡｌＧａＮから構成されるｎ−ＡｌＧａＮ第２
クラッド層を形成してもよい。この場合においても上記
と同様の効果が得られる。

【００９８】さらに、上記においては、ｎ−ＡｌＧａＮ
第２クラッド層３２が非単結晶状態のＡｌＧａＮから構
成される場合について説明したが、第３の参考例の場合
のように、単結晶状態のＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧ
ａＮ第２クラッド層を形成するとともに、非単結晶状態
のｎ−ＡｌＧａＮからなる層を形成してもよい。

【００９９】例えば、図８において、ｎ−ＧａＮ基板３
１上に多結晶状態のＡｌＧａＮからなる多結晶ｎ−Ａｌ
ＧａＮ層を形成し、さらにその上に単結晶状態のＡｌＧ
ａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層を形成した
構造としてもよい。この場合においては、多結晶ｎ−Ａ
ｌＧａＮ層により、ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層にお
いて、ｎ−ＧａＮ基板３１の格子定数との差により発生
する歪が緩和される。このため、単結晶状態のＡｌＧａ
Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層においても、
クラックの発生を防止しつつ膜厚およびＡｌ組成を大き
くすることが可能となる。したがって、この場合におい
ても、上記と同様の効果が得られる。

【０１００】上記の第１〜第４の参考例及び第１の実施
例において、発光層の材料はＩｎＧａＮに限定されるも
のではない。ｎ型層のバンドギャップより小さなバンド
ギャップを有する材料から構成されていれば、発光層を
構成する材料は如何なる材料であってもよい。

【０１０１】ここで、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなる単
層構造の発光層や、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ量
子井戸構造を有する発光層等を形成する場合において
は、ＩｎＧａＮからなる発光層を形成する場合に比べ
て、発光層のバンドギャップが大きくなる。このような
バンドギャップの大きな発光層を有する半導体レーザ素
子においては、クラッド層のバンドギャップを発光層の
バンドギャップより大きくするために、ＡｌＧａＢＮや
Ａｌ組成の大きなＡｌＧａＮ等から構成されるバンドギ
ャップのより大きなクラッド層を形成する必要がある。

【０１０２】ここで、このようなＡｌＧａＢＮやＡｌ組
成の大きなＡｌＧａＮから構成されるクラッド層は、Ｉ
ｎＧａＮからなる発光層を形成した場合のクラッド層に
比べて、格子定数定数がより小さくなる。したがって、
ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等からなる発光層を形成する場合に
おいては、本発明を適用することにより、クラックを発
生することなく格子定数のより小さなクラッド層を形成
することが可能となる。このため、本発明による効果が
大きい。

【０１０３】また、上記の参考例及び実施例において、
ｎ型の第２クラッド層の材料はＡｌＧａＮに限定される
ものではなく、ＡｌＧａＢＮ、ＡｌＢＮ、ＡｌＢＩｎＧ
ａＮ等、下地の層と格子定数の異なる材料であれば上記
と同様の効果が得られる。

【０１０４】例えば、少なくとも一部が非単結晶状態の
ＡｌＧａＢＮからなるｎ−ＡｌＧａＢＮクラッド層を形
成した場合においては、クラックの発生を防止しつつｎ
−ＡｌＧａＢＮクラッド層のＡｌ組成およびＢ組成、な
らびに膜厚を大きくすることが可能となる。したがっ
て、上記と同様の効果が得られる。

【０１０５】また、ｎ型の第２クラッド層以外の層の材
料も、上記の参考例及び実施例の材料に限定されるもの
ではない。各層は、III 族窒化物系半導体から構成され
ていればよい。

【０１０６】本発明は、第１〜第４の参考例及び実施例
の半導体レーザ素子以外に、面発光型半導体レーザ素子
にも適用可能である。また、本発明は、半導体レーザ素
子以外の半導体素子、すなわち発光ダイオード素子、導
波路素子トランジスタ、受光素子等にも適用可能であ
る。この場合について以下に説明する。

【０１０７】図９は本発明の第５の参考例における発光
ダイオード素子を示す模式的な斜視図である。

【０１０８】図９の発光ダイオード素子１０１は、サフ
ァイア基板４１上に、膜厚１５ｎｍのＡｌＧａＮからな
るバッファ層４２、膜厚０．５μｍのアンドープＧａＮ
層４３、膜厚４μｍのｎ−ＧａＮコンタクト層４４、膜
厚０．５μｍのｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8 Ｎからなるｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層４５、膜厚０．０５μｍのＧａＮ発
光層４６および膜厚０．０５μｍのｐ−ＧａＮ層４７が
順に形成されてなる。

【０１０９】本実施例においては、ｎ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層４５の形成時に、基板温度６００℃でｎ−Ａｌ
_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎを成長させる。このような低い基板温度
でｎ−Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎを成長させることにより、全
体が多結晶状態のＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮク
ラッド層４５が形成される。

【０１１０】一方、発光ダイオード素子１０１におい
て、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５以外の各層４２〜４
４，４６，４７は、全体が単結晶状態の窒化物系半導体
から構成されている。

【０１１１】ｐ−ＧａＮ層４７からｎ−ＧａＮコンタク
ト層４４までの一部領域が除去されてｎ−ＧａＮコンタ
クト層４４が露出し、メサ形状が形成される。この露出
したｎ−ＧａＮコンタクト層４４上にｎ電極１５が形成
されている。また、ｐ−ＧａＮ層４７上にｐ電極１４が
形成されている。

【０１１２】本参考例の発光ダイオード素子１０１にお
いては、ｎ−ＧａＮコンタクト層４４上に、多結晶状態
のＡｌＧａＮからなりｎ−ＧａＮコンタクト層４４に比
べて小さな格子定数を有するｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
４５が形成されている。

【０１１３】ここで、多結晶状態のＡｌＧａＮからなる
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層４５においては、単結晶状態
のＡｌＧａＮからなる場合に比べてｎ−ＧａＮコンタク
ト層４４との格子定数の差により発生する歪が緩和され
る。したがって、このようなｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
４５においては、膜厚およびＡｌ組成を大きくしてもク
ラックが発生しない。それにより、発光ダイオード素子
１０１を構成する各層において良好な結晶性が実現され
る。

【０１１４】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層４５を有する発光ダイオード素子１０１において
は、キャリアのＧａＮ発光層４６への閉じ込めを効果的
に行うことが可能となる。したがって、発光ダイオード
素子１０１において素子特性の向上を図ることが可能と
なる。

【０１１５】なお、本参考例においては、全体が多結晶
状態のＡｌＧａＮから構成されるｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層４５を形成する場合について説明したが、一部が多
結晶状態のＡｌＧａＮから構成されるｎ−ＡｌＧａＮク
ラッド層を形成してもよい。この場合においても、上記
と同様の効果が得られる。

【０１１６】また、上記においては、ｎ−ＡｌＧａＮク
ラッド層４５が多結晶状態のＡｌＧａＮから構成される
場合について説明したが、単結晶状態のＡｌＧａＮから
なるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層を形成するとともに、多
結晶状態のｎ−ＡｌＧａＮからなる層を別に形成しても
よい。

【０１１７】例えば、図９において、ｎ−ＧａＮコンタ
クト層４４上に多結晶状態のｎ−ＡｌＧａＮからなる多
結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層を形成し、さらにその上に単結晶
状態のｎ−ＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド
層を形成してもよい。この場合、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層により、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層において、ｎ−Ｇ
ａＮコンタクト層との格子定数の差により発生する歪が
緩和される。このため、単結晶状態のＡｌＧａＮからな
るｎ−ＡｌＧａＮクラッド層において、クラックの発生
を防止することが可能となる。したがって、この場合に
おいても、上記と同様の効果が得られる。

【０１１８】加えて、上記の参考例において、発光層の
材料はＧａＮに限定されるものではなく、ＩｎＧａＮ単
層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造、ＩｎＧａＮ／Ａ
ｌＧａＮ量子井戸構造、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構
造、ＡｌＧａＮ単層等の場合においても、上記と同様の
効果が得られる。

【０１１９】特に、発光層がＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量
子井戸構造、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子井戸構造、ＡｌＧ
ａＮ単層等の発光波長の短い材料から構成される場合に
は、キャリアの発光層への閉じ込めを効果的に行うため
に、Ａｌ組成の高いクラッド層を形成する必要がある。
このため、このような場合においては、本発明によるク
ラック発生の防止の効果が顕著である。

【０１２０】図１０は本発明の第６の実施例における導
波路素子を示す模式的な斜視図である。

【０１２１】図１０に示す導波路素子１０２は、サファ
イア基板５１上に、膜厚１５ｎｍのＡｌＧａＮからなる
バッファ層５２、膜厚３μｍのアンドープＧａＮ層５
３、膜厚０．５μｍのｎ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなる
多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層５４、膜厚１μｍのｎ−Ａｌ
_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５
５、膜厚０．１μｍのコアＧａＮ層５６、膜厚１．５μ
ｍのｐ−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎからなるｐ−ＡｌＧａＮク
ラッド層５７が順に形成されてなる。

【０１２２】本参考例においては、多結晶ｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層５４の形成時に、基板温度６００℃でｎ−Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7 Ｎを成長させる。このような低い基板温度でｎ
−Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ｎを成長させることにより、全体が
多結晶状態のＡｌＧａＮから多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層５
４が形成される。

【０１２３】一方、導波路素子１０２の多結晶ｎ−Ａｌ
ＧａＮ層５４以外の層５２〜５７は、全体が単結晶状態
の窒化物系半導体から構成されている。

【０１２４】ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５７からアンド
ープＧａＮ層５３までの一部領域が除去されてアンドー
プＧａＮ層５３が露出し、メサ形状が形成されている。
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５７からアンドープＧａＮ層
５３の側面およびアンドープＧａＮ層５３の上面に、誘
電体膜１７が形成されている。

【０１２５】本参考例の導波路素子１０２においては、
アンドープＧａＮ層５３上に、多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層
５４を介してｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５が形成され
ている。このように多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層５４が形成
されているため、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５におい
ては、アンドープＧａＮ層５３との格子定数の差により
発生する歪が緩和される。したがって、単結晶状態のＡ
ｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５のＡｌ
組成および膜厚を大きくしても、ｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層５５においてはクラックが発生しない。

【０１２６】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層５５を有する導波路素子１０２においては、光の閉
じ込めを効果的に行うとともに、良好な垂直方向の遠視
野像を得ることが可能となる。したがって、導波路素子
１０２においては、素子特性の向上を図ることが可能と
なる。したがって、導波路素子１０２において素子特性
の向上が図られる。

【０１２７】なお、本参考例において、全体が多結晶状
態のＡｌＧａＮから構成される多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ層
５４を形成する場合について説明したが、一部が多結晶
状態のＡｌＧａＮから構成される多結晶ｎ−ＡｌＧａＮ
層を形成してもよい。この場合においても、上記と同様
の効果が得られる。

【０１２８】なお、本参考例においては、クラッド層を
ｎ型あるいはｐ型とする場合について記載したが、クラ
ッド層はアンドープであってもよい。この場合において
も、上記と同様の効果が得られる。

【０１２９】図１１は本発明の第７の参考例における導
波路素子を示す模式的な斜視図である。

【０１３０】本参考例の導波路素子は、以下の点を除い
て、図１０の導波路素子１０２と同様の構造を有する。

【０１３１】本参考例の導波路素子においては、膜厚３
μｍのアンドープＧａＮ層５３上に、膜厚１μｍの多結
晶状態のｎ−Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎからなるｎ−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層５５Ａが形成されており、ｎ−ＡｌＧａＮ
クラッド層５５Ａ上に膜厚０．１μｍのコアＧａＮ層５
６および膜厚１μｍのｐ−Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎクラッド
層５７が形成されている。

【０１３２】本参考例において、ｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層５５Ａの形成時には、基板温度６００℃でｎ−Ａｌ
_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎを成長させる。このような低い基板温度
でｎ−Ａｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎを成長させることにより、全
体が多結晶状態のＡｌＧａＮからなるｎ−ＡｌＧａＮク
ラッド層５５Ａが形成される。

【０１３３】本参考例においては、アンドープＧａＮ層
５３上に、多結晶状態のＡｌＧａＮからなりアンドープ
ＧａＮ層５３に比べて小さな格子定数を有するｎ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層５５Ａが形成されている。

【０１３４】ここで、多結晶状態のＡｌＧａＮからなる
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５５Ａにおいては、単結晶状
態のＡｌＧａＮから構成される場合に比べてアンドープ
ＧａＮ層５３との格子定数の差により発生する歪が緩和
される。したがって、このようなｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層５５Ａにおいては、膜厚およびＡｌ組成を大きくし
てもクラックが発生しない。

【０１３５】以上のようなＡｌ組成および膜厚が大きく
かつクラックの発生が防止されたｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層５５Ａを有する導波路素子においては、光の閉じ込
めを効果的に行うとともに、良好な垂直方向の遠視野像
を得ることが可能となる。したがって、この導波路素子
においては、素子特性の向上を図ることが可能となる。

【０１３６】なお、本参考例においては、全体が多結晶
状態のＡｌＧａＮから構成されるｎ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層５５Ａを形成する場合について説明したが、一部が
多結晶状態のＡｌＧａＮから構成されるｎ−ＡｌＧａＮ
クラッド層を形成してもよい。この場合においても、上
記と同様の効果が得られる。

【０１３７】なお、本参考例においては、クラッド層を
ｎ型あるいはｐ型とする場合について記載したが、クラ
ッド層はアンドープであってもよい。この場合において
も、上記と同様の効果が得られる。

【０１３８】図１２は本発明の第８の参考例における受
光素子を示す模式的な断面図である。

【０１３９】図１２に示すように、受光素子１０３は、
サファイア基板６１上に、ＡｌＧａＮからなる膜厚１５
ｎｍ程度のバッファ層６２、膜厚０．５μｍ程度のアン
ドープＧａＮ層６３、ＳｉドープＧａＮからなる膜厚４
μｍ程度のｎ−ＧａＮコンタクト層６４、ＳｉドープＡ
ｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎからなる膜厚１μｍ程度の第１のｎ−
ＡｌＧａＮ層６５、ＳｉドープＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎから
なる膜厚約０．１μｍ程度の第２のｎ−ＡｌＧａＮ層６
６、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎからなる高抵抗ＡｌＧａＮ膜６
７、ＭｇドープＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎからなる膜厚約０．
１μｍ程度のｐ−ＡｌＧａＮ層６８およびＭｇドープＧ
ａＮからなる膜厚０．０５μｍ程度のｐ−ＧａＮコンタ
クト層６９が順に積層されてなる。

【０１４０】この場合においては、第１のｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層６５の形成時に、基板温度６００℃でＳｉドープＡ
ｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎを成長させる。このような低い基板温
度でＳｉドープＡｌ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎを成長させることに
より、全体が多結晶状態のＡｌＧａＮから構成される第
１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５が形成される。

【０１４１】一方、受光素子１０３において、第１のｎ
−ＡｌＧａＮ層６５以外の各層６２〜６４，６６〜６９
は、全体が単結晶状態の窒化物系半導体から構成されて
いる。また、サファイア基板６１は単結晶状態のサファ
イアから構成されている。

【０１４２】受光素子１０３においては、第１のｎ−Ａ
ｌＧａＮ層６５、第２のｎ−ＡｌＧａＮ層６６、高抵抗
ＡｌＧａＮ膜６７、ｐ−ＡｌＧａＮ層６８およびｐ−Ｇ
ａＮコンタクト層６９により受光部ＰＲが構成されてい
る。

【０１４３】この場合、ｎ−ＧａＮコンタクト層６４、
第１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５およびｐ−ＧａＮコンタク
ト層６９のキャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
また、第２のｎ−ＡｌＧａＮ層６６およびｐ−ＡｌＧａ
Ｎ層６８のキャリア濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3である。

【０１４４】ここで、上記の受光素子１０３をＰＩＮ型
受光素子とする場合においては、高抵抗ＡｌＧａＮ膜６
７の膜厚を０．１μｍとする。

【０１４５】一方、上記の受光素子１０３をＡＰＤ（ア
バランシェフォトダイオード）とする場合においては、
高電圧を印加した際に膜内の電界強度が過度に大きくな
らないようにするために、高抵抗ＡｌＧａＮ膜６７の膜
厚を大きくする。ただし、高抵抗ＡｌＧａＮ膜６７の膜
厚を大きくし過ぎると、受光素子１０３のオート速度が
低下する。したがって、この場合の高抵抗ＡｌＧａＮ膜
６７の膜厚は、実用化の上で十分なオート速度が実現可
能な膜厚、例えば０．５μｍ程度とする。

【０１４６】ｎ−ＧａＮコンタクト層６４上には、Ｔｉ
膜およびＡｌ膜をこの順で積層してなる２層構造のｎ電
極７５が形成されている。また、ｐ−コンタクト層６９
上には、Ｎｉ膜およびＡｕ膜をこの順で積層してなる２
層構造のｐ電極７４が形成されている。さらに、第１の
ｎ−ＡｌＧａＮ層６５からｐ−ＧａＮコンタクト層６９
の周部に、高抵抗領域ＨＲが形成されている。

【０１４７】高抵抗領域ＨＲを形成するために、受光素
子１０３の作製時には、水素イオンを用いたイオンイン
プランテーションによる高抵抗化処理を行う。以下、図
１３および図１４を参照しながら高抵抗領域ＨＲの形成
方法を説明する。

【０１４８】なお、図１３および図１４は、サファイア
基板６１上に各層６２〜６７が形成された半導体ウエハ
を上面から見た図である。図１３および図１４中の鎖線
Ａは、素子分離線を示している。すなわち、鎖線Ａで区
画された領域が、個々の素子形成領域に相当する。ま
た、図１４中の破線Ｂは、水素イオンを打ち込んだ領域
と打ち込んでいない領域の境界を示している。

【０１４９】図１３に示すように、半導体ウエハの斜線
で示す領域７０に、ウエハの厚さ方向に水素イオンを打
ち込む。この場合、水素イオンを打ち込む深さは、第１
のｎ−ＡｌＧａＮ層６５に達する深さとする。

【０１５０】上記の後、図１４に示すように、水素イオ
ンを打ち込んだ領域を帯状にフォトエッチングし、ｎ−
ＧａＮコンタクト層６４を帯状に露出させる。この露出
したｎ−ＧａＮコンタクト層６４に、個々の受光素子１
０３に対応してｎ電極７５を形成する。また、水素イオ
ンを打ち込んでいない領域にｐ電極７４を形成する。

【０１５１】ｐ電極７４およびｎ電極７５の形成時に
は、ｐ電極７４およびｎ電極を構成する各膜を、例えば
ＥＢ蒸着法や各種のスパッタ蒸着法により積層する。さ
らに、リフトオフ法や化学的エッチング等により、ｐ電
極７４をリング状に形成し、ｎ電極７５をストライプ状
に形成する。このようにしてｐ電極７４およびｎ電極７
５を形成した後、鎖線Ａに沿って個々の受光素子１０３
に分離する。なお、必要に応じて、ｐ電極７４およびｎ
電極７５の形成後に加熱処理を行ってもよい。

【０１５２】本参考例の受光素子１０３においては、ｎ
−ＧａＮコンタクト層６４上に、多結晶状態のＡｌＧａ
Ｎからなりｎ−ＧａＮコンタクト層６４よりも小さな格
子定数を有する第１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５が形成され
ている。さらに、この第１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５上
に、ｎ−ＧａＮコンタクト層６４よりも小さな格子定数
を有し単結晶状態のＡｌＧａＮからなる各層６６〜６８
が形成されている。

【０１５３】この場合、非単結晶状態のＡｌＧａＮから
なる第１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５においては、単結晶状
態のＡｌＧａＮからなる場合に比べて、ｎ−ＧａＮコン
タクト層６４との格子定数の差により発生する歪が緩和
される。また、この第１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５によ
り、第２のｎ−ＡｌＧａＮ層６６、高抵抗ＡｌＧａＮ膜
６７およびｐ−ＡｌＧａＮ層６８においても、ｎ−Ｇａ
Ｎコンタクト層６４との格子定数の差により発生する歪
が緩和される。

【０１５４】以上のことから、受光素子１０３において
は、受光部ＰＲの各層６５〜６８におけるクラックの発
生が防止され、良好な結晶性が実現される。特に、この
場合においては、第１のｎ−ＡｌＧａＮ層６５におい
て、クラックの発生を防止しながらＡｌ組成および膜厚
を大きくすることが可能となる。

【０１５５】以上のように、本参考例においては、クラ
ックの発生を防止しながら受光部ＰＲのＡｌＧａＮ層の
Ａｌ組成および膜厚を大きくすることが可能となるた
め、短波長の光に対して高い感度を有する受光素子１０
３を実現することが可能となる。

【０１５６】なお、本参考例においては、全体が多結晶
状態のＡｌＧａＮから構成される第１のｎ−ＡｌＧａＮ
層６５を形成する場合について説明したが、一部が多結
晶状態のＡｌＧａＮから構成される第１のｎ−ＡｌＧａ
Ｎ層を形成してもよい。この場合においても、上記と同
様の効果が得られる。

【０１５７】なお、上記の第１〜第８の参考例及び第１
の実施例の半導体素子においては、基板上に先にｎ型層
を形成しているが、基板上にｐ型層を先に形成してもよ
い。

【０１５８】また、上記の第１〜第８の参考例及び第１
の実施例の半導体素子の各層は、上記の以外の結晶成長
方法でも成長が可能である。例えば、ＨＶＰＥ法や、Ｔ
ＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ₃ 、ＳｉＨ₄ 、Ｃｐ
₂ Ｍｇを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ法によ
っても成長可能である。また、各層を構成する半導体の
結晶構造はウルツ鉱型構造であってもよく、あるいは閃
亜鉛鉱型構造であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の参考例における半導体レーザ素
子を示す模式的な斜視図である。

【図２】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式
的な工程断面図である。

【図３】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式
的な工程断面図である。

【図４】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式
的な工程断面図である。

【図５】本発明の第２の参考例における半導体レーザ素
子の一部を示す模式的な断面図である。

【図６】本発明の第１の実施例における半導体レーザ素
子の一部を示す模式的な断面図である。

【図７】本発明の第３の参考例における半導体レーザ素
子を示す模式的な斜視図である。

【図８】本発明の第４の参考例における半導体レーザ素
子を示す模式的な斜視図である。

【図９】本発明の第５の参考例における発光ダイオード
素子を示す模式的な斜視図である。

【図１０】本発明の第６の参考例における導波路素子を
示す模式的な斜視図である。

【図１１】本発明の第７の実施例における導波路素子を
示す模式的な斜視図である。

【図１２】本発明の第８の参考例における受光素子を示
す模式的な断面図である。

【図１３】図１２の受光素子の製造方法を示す模式的な
平面図である。

【図１４】図１２の受光素子の製造方法を示す模式的な
平面図である。

【図１５】従来の半導体レーザ素子を示す模式的な断面
図である。

【符号の説明】

１ サファイア基板 ２ バッファ層 ３ アンドープＧａＮ層 ４ ｎ−ＧａＮコンタクト層 ５ ｎ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層 ６ ｎ−ＧａＮ第１クラッド層 ７ ＭＱＷ発光層 ８ ｐ−ＧａＮ第１クラッド層 ９ ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層 １０ ｐ−ＧａＮキャップ層 １２ 電流通路 １３ 電流阻止層 １４ ｐ電極 １５ ｎ電極 １００ 半導体レーザ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 31/10 H01L 33/00 H01S 5/323

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、単結晶の窒化物系半導体から
   なり第１の格子定数を有する第１の層と、単結晶の窒化
   物系半導体からなる能動素子領域とがこの順で形成され
   た窒化物系半導体素子であって、前記第１の層と前記能
   動素子領域との間に、前記第１の格子定数よりも小さな
   第２の格子定数を有し少なくとも一部が非単結晶の窒化
   物系半導体からなる第２の層が形成され、前記第２の層
   は、非単結晶の窒化物系半導体からなる島状またはスト
   ライプ状の非単結晶層と、単結晶の窒化物系半導体から
   なる単結晶層とを含み、前記単結晶層間または前記単結
   晶層内に前記非単結晶層が分散配置されたことを特徴と
   する窒化物系半導体素子。
2. 【請求項２】 前記能動素子領域は、前記第１の格子定
   数よりも小さな第３の格子定数を有する層を１または複
   数含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体
   素子。
3. 【請求項３】 前記能動素子領域は、前記第２の層より
   も小さなバンドギャップを有する層を１または複数含む
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物系半
   導体素子。
4. 【請求項４】 前記第２の層はＡｌ _X Ｇａ _1-X Ｎ（０＜
   Ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１〜３のいず
   れかに記載の窒化物系半導体素子。
5. 【請求項５】 前記第１の層はＧａＮからなることを特
   徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物系半導
   体素子。
6. 【請求項６】 前記第２の層はクラッド層であることを
   特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物系半
   導体素子。
7. 【請求項７】 基板上に、単結晶の窒化物系半導体から
   なり第１の格子定数を有する第１の層を形成する工程
   と、前記第１の層上に、前記第１の格子定数よりも小さ
   な第２の格子定数を有する非単結晶の窒化物系半導体か
   らなる島状またはストライプ状の非単結晶層と、単結晶
   の窒化物系半導体からなる単結晶層とを含み、前記単結
   晶層間または前記単結晶層内に前記非単結晶層が分散配
   置された 第２の層を形成する工程と、前記第２の層上に
   単結晶の窒化物系半導体からなる能動素子領域を形成す
   る工程とを含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の
   製造方法。
8. 【請求項８】 前記第２の層は、窒化物系半導体が非単
   結晶状態となる成長温度で成長させることを特徴とする
   請求項７記載の窒化物系半導体素子の製造方法。