半導体層構造
本発明は、例えば電流閉じ込め層として機能する、Ｉｎ含有量量がゼロではないＡｌＩｎＮ層（７）を有するIII−窒化物複合デバイスに関する。ＡｌＩｎＮ層（７）は、その内部に規定される少なくとも１つの開口部を有する。ＡｌＩｎＮ層（７）は、その下にあるＧａＮ層などに対する格子不整合が少ないように成長され、その結果、デバイス内の付加的な結晶ひずみを抑制する。最適化された成長条件を用いて、ＡｌＩｎＮの抵抗率を１０２Ω．ｃｍよりも高くする。その結果、より小さな抵抗率を有する層を、多層半導体デバイス内の電流ブロック層として用いるときに生じる電流の流れが、抑制される。結果として、ＡｌＩｎＮ層が開口部を有し、レーザーダイオードデバイス内に配置されると、デバイスの抵抗率は相対的に低くなり、デバイスの性能が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１層の単結晶Ａｌ１−ｘＩｎｘＮを有するIII族窒化物半導体層構造に関する。Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ層は、例えば電流ブロック層であってもよい。上記構造は、半導体発光デバイスなどに組み込まれていてもよい。
【背景技術】
【０００２】
ここ１０年、光記憶分野において窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料による半導体発光デバイスに大きな関心が集められている。今日、例えば、高性能の光ディスクシステムでの使用、および固体照明やディスプレイ用バックライトなどの新たな用途での使用のために、高出力のレーザーダイオード（ＬＤ）および発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増している。
【０００３】
多くの場合、生成された光に対して横方向の閉じ込めを行うために、レーザーダイオードに、該レーザーダイオードを介して流れる電流に対して横方向の閉じ込めを行うための手段を設けることが望ましい。例えば、ＬＤにおいては、一般的に、図１に示すようなリッジ導波体構造を用いて、低い値の閾値電流によるレーザー発振を可能にしている。図１は、半導体レーザーダイオード００１の断面図である。当該半導体レーザーダイオード００１は、多層構造であり、下方クラッド層２、下方導光層３、発光活性領域４、ならびに、上方導光層および上方クラッド層６を有しており、この多層構造が、基板１の上に結晶成長されている。電極１０（代表的にはｐ電極）が、多層構造の上面を覆うように積層されており、第２電極１１（代表的にはｎ電極）が、基板１の裏面に積層されている。リッジ構造は、電流に対して横方向の閉じ込めを行うために、活性領域４の上方の多層構造内に形成されている。すなわち、動作時には、リッジ構造の下の活性領域４の部分のみに電流が流れるので、リッジ構造の下にない活性領域４では、光が殆ど、または全く生成されない。当該デバイスの出力を増大させるためには、より幅の広いリッジ導波体構造が望ましい。しかし、従来のリッジ導波体レーザーダイオードは、当該デバイスから得られる出力の程度に対して、周知の限界を有している。実際のところ、リッジＬＤの電力変換効率（wall plug efficiency）（すなわち、光出力と入力電力量との比率）は、高電流の動作条件下にて低減する傾向にある。これは、デバイスにおける熱飽和（thermal rollover）および高抵抗を原因とする、最大出力の減少に関連している。
【０００４】
電流に対する横方向の閉じ込めに関する他の周知技術としては、構造内に１つ以上の電流閉じ込め層を設ける技術がある。電流閉じ込め層（または電流ブロック層とも呼ばれる）は、電気抵抗率の高い層であり、電流閉じ込め層内に１つ以上の開口部を有する。電流は、電流閉じ込め層内の開口部を流れる。
【０００５】
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系でＬＤまたはＬＥＤを製造するために、多大な努力がなされている。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＮにて示される材料を含んでおり、このとき、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である。本願において、ゼロではないモル分率のアルミニウム、ガリウムおよびインジウムを有する（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系の部材をＡｌＧａＩｎＮと称し、ゼロであるモル分率のガリウムを有し、かつ、ゼロではないモル分率のアルミニウムおよびインジウムを有する部材をＡｌＩｎＮと称し、他も同様に称する。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系によって製造された発光デバイス内に、効率的な電流閉じ込め層を設けるのは困難であった。
【０００６】
ＵＳ６２４２７６１には、従来のリッジ導波体レーザーダイオードに関する問題を解決するための１つの方法が記載されている。当該特許文献には、窒化物半導体発光デバイスにおいて、電流を通すことができる開口部を備えた電流ブロック層を使用することが記載されている。この電流ブロック層は、酸化金属、あるいは、ｎ型ＢＩｎＡｌＧａＮの単結晶またはｉ型ＢＩｎＡｌＧａＮの単結晶によって構成され得る。この電流ブロック層では、水素または酸素によってキャリアが不活性化される。ＵＳ６２４２７６１は、ＢＩｎＡｌＧａＮが、第Ｖ族元素（group-V elements）として、Ｎに加えて、リン、砒素、および／または、他の元素を含むことを規定している。欠点としては、ＢＩｎＡｌＧａＮ内のキャリアを不活性化するために、成長後処理（post-growth processing）が必要であることが挙げられる。また、上記文献には、温度アニールによってシリコン不純物をｐ−ＧａＮ層内に拡散させることにより、ｐ−ＧａＮのｐ型導電性を補償し、その結果、当該ｐ−ＧａＮ層を電流ブロック層として好適に機能させ得ることが記載されている。しかし、当該方法を用いた場合、不純物の量、および、上記処理によって補償された層の実際の深さを正確に制御するのは困難である。ＬＤにおいて、電流ブロック特性の低い層を電流ブロック層として用いれば、ＬＤの動作中にキャリア漏れが生じる可能性があるとともに、性能の低下を招く可能性がある。
【０００７】
ＵＳ２００５／００７２９８６には、ウェットエッチングによって得られる少なくとも１つの開口部を有する窒化物半導体層を含む半導体多層構造が記載されている。上記特許文献には、当該半導体層がＡｌｘＧａ１−ｘＮによって構成され得ることが開示されており、特に、ＡｌＮの高い抵抗特性を利用して、ＡｌＮを電流閉じ込め層として使用することが記載されている。上記特許文献によると、まず、半導体層が非晶質層として形成され、続いて、熱エネルギーを用いて結晶化される。この場合、ｐ型クラッド層の再成長の間に結晶化が起こる。必然的に、ＡｌＮとＧａＮとの間の高い格子不整合が、多層構造内で結晶にクラックを生じさせるという問題が生じる可能性があるが、再結晶化されたＡｌＮ層内に高密度の転位（dislocations）を生成することによって、その上に再成長した層内におけるクラックが抑制されることが提示されている。その結果、上記再結晶化されたＡｌＮ層上にその後形成される半導体層内における転位密度が高くなり、これがデバイスの性能を低下させる原因となり得る。
【０００８】
また、ＵＳ７２２７８７９には、電流閉じ込め層を用いて半導体発光デバイスを規定する方法が記載されている。当該発光デバイスは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮを電流ブロック層として使用し、このとき、０≦ｘ≦０．１、０．５≦ｙ≦１、および、０．５≦ｘ＋ｙ≦１である。また、上記電流ブロック層は、電流ブロック層よりも低いＡｌ比を有する半導体層上に形成される。電流閉じ込め層は次のように加工される。標準的なリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、電流ブロック層内にウィンドウ（window）を開口し、当該層が完全に除去される前にドライエッチング処理を停止する。その後、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）室内に基板を配置する。ここで、エッチバックを実施してウィンドウ内の残りの層を除去する。当該文献において、上記層の一部がウィンドウ内に部分的に残っていても、エッチバックにより、動作時にはウィンドウ内で良好な電気伝導が起こることが主張されている。
【０００９】
上記先行文献には、電流閉じ込め層として機能する、高抵抗率を有する窒化物半導体層を使用すること、または、周囲の層と反対の伝導性を有する層を使用することが記載されている。高抵抗率である材料を形成する方法では、不純物を用いるキャリア補正が使用されたり（ＵＳ６２４２７６１）、または、高Ａｌ比のＩｎＡｌＧａＮ半導体層が使用（ＵＳ７２２７８７９、ＵＳ２００５／００７２９８６Ａ１）されたりする。
【００１０】
Appl．Phys．Lett．８７， ０７２１０２ （２００５）およびＷＯ ２００６／０６６９６２には、ＡｌＩｎＮ層の酸化物を形成して、当該酸化層を電流閉じ込め層として使用する方法が記載されている。第１に、ＭＯＣＶＤによって成長した格子整合ＡｌＩｎＮ層の晶質は良いと報告されている（J．F．Carlin et al．Appl．Phys．Lett．８３，６６８（２００３）にも記載されている）。著者によると、成長した格子整合ＡｌＩｎＮ層は１０１８ｃｍ−３の高い残留ドーピングレベルを有し、低い抵抗率を示す。活性領域の下にＡｌＩｎＮ層を備える発光デバイスが記載されている。上記デバイスの電流電圧（ＩＶ）特性は、電流がＡｌＩｎＮ層を流れることができることを示しており、それによって、この層の低い電気抵抗率が実証されている。結晶成長後に電気化学的酸化を実施することによる上記層の酸化物の形成によって、ＡｌＩｎＮ層の電気抵抗を増大させる方法が、著者によって報告された。この方法を用いて得られる酸化ＡｌＩｎＮ層を備える発光デバイスのＩＶ特性は、抵抗率の増大を示しており、酸化ＡｌＩｎＮ層の抵抗率の増大を実証する。この方法を用いてレーザーダイオードデバイス内に電流閉じ込め層を形成する場合、形成された酸化物が信頼性の問題を引き起こす可能性がある。また、酸化物の熱伝導性は、多くの場合低いため、デバイスの劣化が増大する可能性があり、さらに、酸化層が半導体構造に対して付加的な格子ひずみを生み出し、これもまたデバイスの劣化を招く可能性がある。
【００１１】
また、酸化処理における均一性の制御も、問題の一つである。一般的に、メサ（mesas）はウエハを覆うように形成されており、層の側壁を露光させて酸化させる。次いで、メサ内により高い抵抗率を有する領域を規定するために、酸化プロセスが行われる。メサが例えば円筒形である場合（垂直共振器表面発光ダイオードレーザー（ＶＣＳＥＬ）の場合）、層の酸化は同心円状となる。各メサにおける酸化の深さは、メサの大きさ、層厚、溶液内におけるウエハの位置などに応じて異なることが多い。このため、ウエハ上の電流開口部の大きさがばらつき、製造歩留りの低下を招く。
【００１２】
App. Phys. Lett. 79, p.632（2001）の著者らによれば、プラズマ支援分子線エピタキシ（ＰＡＭＢＥ）によって成長する高濃度Ａｌ含有性の非ドープＡｌＩｎＮ層は、高い抵抗率を示す。その結果、ＰＡＭＢＥによって成長されるＡｌＩｎＮ層のドナー欠陥密度が低下する。しかし、この層の晶質は悪く、しかも、いくらかの程度の結晶のモザイク性が見られる。層の晶質が悪いので、発光デバイス内に当該層を使用すれば、構造に欠陥をもたらすことが予想される。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、III族窒化物半導体多層構造を提供する。当該構造の第１層は、Ｉｎの含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮの層を備えており、当該ＡｌＩｎＮ層は、少なくとも１つの開口部を有しており、当該開口部を除いてＡｌＩｎＮ層が多層構造の領域全体に広がっている。III族窒化物材料系の多層構造における電流閉じ込め層として、抵抗率の高いＡｌＩｎＮ層を使用し得ることがわかっている。開口部は、構造を流れる電流の通路に相当する。その結果、ＡｌＩｎＮ層の電気抵抗を増大させるために当該層を酸化させる必要がなくなり、上述した欠点を回避することができる。さらに、ＡｌＩｎＮ層は、多層構造内の下位層に対して格子整合しているか、または、実質的に格子整合（例えば、格子不整合が１％未満、または、０．５％未満）している。そのため、多層構造内に生じ得る欠陥を低減することができる。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、電流閉じ込め層は、ＡｌＩｎＮによって構成されており、半導体レーザーのｐ側領域内に形成され、少なくとも１つのストライプ形状の開口部を有する。
【００１５】
本発明の他の実施形態によれば、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層が、半導体レーザーのｎ側上に形成される。
【００１６】
本発明の他の実施形態によれば、分子線エピタキシによって、高い抵抗率および高い晶質をもつ（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの表面上に、ＡｌＩｎＮ層が形成される。
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層は、レーザーデバイスのｎ型クラッド層の一部である。このことは、ＡｌＩｎＮウィンドウの側壁がｎ型クラッド層と直接接触することを意味している。また、ＡｌＩｎＮ層の厚さは、ｎクラッド層内に設けられたリッジストライプ（ridge stripe）の高さに相当する。
【００１８】
本発明の他の実施形態によれば、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層は、垂直共振器表面発光ダイオードレーザーの一部である。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、半導体デバイスは、活性領域と、当該活性領域のｎ側およびｐ側に配置された２つのＡｌＩｎＮ層とを備える発光デバイスであり、各層が、電流を通すことができる少なくとも１つの開口部を有する。当該構造は、必要に応じて、活性領域内の電流の拡散を最小限に抑えることができる。
【００２０】
ＡｌＩｎＮ層を電流閉じ込め層として使用する利点は、当該層を、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ半導体表面上にエピタキシャルに形成することができることにある。当該層におけるＩｎ比率は、例えばＧａＮと略格子整合する層を形成するように調整することができ、これによって、レーザー構造内に付加的なひずみが生じることを防ぐ。プラズマ支援ＭＢＥによってＡｌＩｎＮを成長させることができ、残留ドーピングバックグラウンド（residual doping background）が低いＡｌＩｎＮ層を形成することができる。その結果、この層は高い固有抵抗を示す。当該ＡｌＩｎＮ層の晶質は極めて高い。したがって、この層を電流閉じ込め層として使用することによって、高い晶質をもつＡｌＩｎＮの上面上に、次の窒化物半導体層を成長させることができる。この処理の間に、欠陥は生じない。
【００２１】
従来のリッジ構造ＬＤの代わりに、後述する第１の実施形態に記載されたｐ−ＳＡＳ（自己整合構造）を使用することは、デバイスの作動電圧を低減させ、その結果、レーザーデバイスの性能を向上させるという利点を有する。図４は、ＡｌＩｎＮ電流ブロック層内の１μｍの開口部（図２に示された構造）、および、１μｍの標準的なリッジＬＤ構造（図１に示された構造）を備えるｐ−ＳＡＳの、シミュレートされた電流電圧（ＩＶ）特性ならびに光出力電流（ＬＩ）特性を示す。ｐ−ＳＡＳ ＬＤの作動電圧は、リッジ構造ＬＤよりも低く、ＬＩ特性は類似する。
【００２２】
電流閉じ込め層内に開口部を形成するプロセス方法を用いて、処理ウエハ全体上に設けられた均一かつ正確なウィンドウを有するデバイスを製造する。
【００２３】
本発明の第２の実施形態は、Ｉｎ含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮ層の成長方法を提供する。当該方法は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板をＭＢＥ成長室内に入れるステップと、基板の温度を所望の成長温度にまで上げるステップと、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板の表面に活性窒素を供給するステップと、成長室にＡｌおよびＩｎを供給するステップとを含む。
【００２４】
図面を参照しながら、後述する本発明の詳細な説明を読むことによって、本発明の上述した目的、特徴および利点、または、他の目的、特徴および利点を容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】標準的な窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図３】インジウム含有量（ｘ）の関数として、Ａｌ（１−ｘ）ＩｎｘＮおよびＧａＮ間の格子不整合の変化を示す。
【図４】１μｍの従来のリッジ形状ＬＤ、および１μｍのウィンドウｐ−ＳＡＳ ＬＤについて算出されたＩＶ特性を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態の窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の窒化物半導体垂直共振器表面発光ダイオードレーザーデバイスを示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態の２つのＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層を備えた発光デバイスを示す断面図である。
【図９】ＡｌＩｎＮ電流ブロック層内にウィンドウ開口部を形成するための異なるステップを示した、一連の断面図である。
【図１０】処理後のＧａＮ表面およびＳｉＯ２ストライプ形状膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。
【図１１】ＧａＮの対称反射（００２）の周囲にて得られるＸ線回折スペクトルを示す図であり、ＧａＮおよびＡｌＩｎＮに帰属するピークを示す図である。
【図１２】図１２ａは、ＡｌＩｎＮ表面のＡＦＭ画像であり、図１２ｂは、ＳｉＯ２ストライプ上のＡｌＩｎＮ表面であり、図１２ｃは、剥離後のＧａＮ表面である。
【図１３】ＡｌＩｎＮ層およびウィンドウ開口部上に成長するｐ−ＡｌＧａＮ層の断面ＳＥＭ画像である。
【図１４】ＡｌＩｎＮ電流ブロック層内に異なる幅のウィンドウを備える、ｐ−ＳＡＳ ＬＤの３つのＬＩ特性を示す。
【図１５】図１５ａは、高抵抗率ＡｌＩｎＮにおけるＩＶを示し、図１５ｂは、低抵抗率ＡｌＩｎＮ層におけるＩＶを示す。図１５ａおよび図１５ｂの両方に、メサエッチングありにて得られたＩＶ、および、メサエッチングなしにて得られたＩＶを示す。
【図１６】本発明の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本説明において、半導体層の「上面」とは、上に層を成長させる基板から最も遠い位置にある半導体層の表面を指す。上面は、層が成長を止めたときに、層の露出面となる。
【００２７】
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態の半導体レーザー００２の断面構造を示す。本明細書では、半導体レーザー００２をｐ−ＳＡＳ（Self-Aligned Structure with p-side confinement；ｐ側に電流閉じ込め層を有する自己整合構造）としても定義する。半導体レーザー００２は、本実施例ではｎ型ＧａＮ半導体基板１である基板と、多層構造１７を含む複数の半導体層とを備える。多層構造１７は、基板上に、発光のための活性領域を有する。図２の例では、多層構造１７は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮガイド層３、Ｉｎを含む多重量子井戸活性領域４、非ドープＧａＮガイド層５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６、および、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を備える。層６の役割は、活性領域からの電子の層厚方向へのオーバーフローを防ぐことである。当該層は、窒化物半導体レーザーにおいては一般的である。ｐ型ＧａＮコンタクト層９は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を覆うように成長する。コンタクト層９の上面上にｐ電極１０が設けられており、ＧａＮ基板１の裏面にｎ電極１１が設けられている。しかし、多層構造は、上述した特定の構成に限定されない。活性領域が単一の半導体層から成っていてもよく、または、活性層が多層活性領域から成っていてもよい。
【００２８】
本発明によると、ＡｌＩｎＮ層７である第１層は、多層構造の内部に設けられており、電流閉じ込め層（current confinement layer）として機能する。ＡｌＩｎＮ層７は、該ＡｌＩｎＮ層７を貫通する少なくとも１つの開口部を有しており、上部電極１０と下部電極１１との間を流れる電流のための低抵抗率の経路を提供する。例えば、ＡｌＩｎＮ層７内に、ストライプ形状の開口部が規定される。図２の実施形態では、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８内にＡｌＩｎＮ層が設けられているが、本発明では、ＡｌＩｎＮ層７の配置についてこの特定の位置に限定されない。電流ブロック層とも称される電流閉じ込め層７は、晶質および抵抗率が高い。電流閉じ込め層７は、ｐ電極１０の幅よりも狭いウィンドウ内に電流を集中させることができる。
【００２９】
本実施形態において、電流閉じ込め層７は、Ｉｎ含有量がゼロではないＡｌＩｎＮによって構成されていることが好ましい。電流閉じ込め層７は、ＧａＮに対する格子不整合を小さくするために、０．１５〜０．２５（１５％〜２５％）の範囲内のＩｎを含有するＡｌＩｎＮによって形成されていてもよく、特に、Ｉｎ比が０．１８（１８％）（またはＩｎ含有量が０．１８（１８％）に近似）であるＡｌＩｎＮによって形成されていてもよく、あるいは、上記値に十分に近似する比をもつＡｌＩｎＮによって形成されていてもよい。このことは、図２の実施形態において特に好適である。その理由は、レーザー構造が、ＡｌＩｎＮ層７の下にあるＧａＮ層（ＧａＮガイド層５）を第２層として備えているため、ＡｌＩｎＮ層がＧａＮに対して格子整合する、または、ほぼ格子整合するように成長し、ひずみの発生を抑制するからである。
【００３０】
具体的に、ＡｌＩｎＮ層７のＩｎ比が０．１５（１５％）〜０．２（２０％）の範囲内であれば、ＧａＮとの格子不整合は０．５％未満となる。これによって、従来技術に使用されてきた他の電流閉じ込め層の導入によって構造内に生じる付加的ひずみという問題を克服することができる。電流閉じ込め層７のＡｌＩｎＮは、１×１０２Ω．ｃｍを上回る抵抗率を有することが好ましく、１×１０３Ω．ｃｍを上回る抵抗率を有することがより好ましく、１×１０４Ω．ｃｍを上回る抵抗率を有することがより好ましい。電流閉じ込め層７は、効果的な電流ブロック特性を供給するために、少なくとも１０ｎｍの厚さであることが好ましい。
【００３１】
材料ａ１の材料ａ２に対するの格子不整合（Δａ／ａ）は、
Δａ／ａ＝（ａ１の面内格子パラメータ − ａ２の面内格子パラメータ）／ａ２の面内格子パラメータ
によって求められる。
【００３２】
材料の面内格子パラメータは、その上に材料が成長する基板表面に対して平行な方向、および、材料の厚さ方向に対して垂直な方向において測定される材料の面内格子パラメータとして定義される。
【００３３】
第１面内格子パラメータａ１を有する材料層が、面内格子パラメータａ２を有する別の材料層によって覆われており、ａ２≠ａ１である場合、材料間の面内パラメータの違いによって２層間の界面において生成されるひずみが大きくなる可能性がある。これによって、クラックや転位などの欠陥の発生によってひずみ緩和が生じる可能性があり、その様な層を有するデバイスの性能および寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。図３は、ＧａＮに対する格子不整合が±０．５％以内で、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮを成長させることができるＩｎ含有量の範囲が存在することを示している。図３では、この部分を斜線で示している。
【００３４】
（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態としての半導体レーザーダイオード００３の断面構造を示す。この半導体レーザー００３は、ｎ−ＳＡＳ（Self-Aligned Structure with n-side confinement；ｎ側に電流閉じ込め層を有する自己整合構造）レーザーダイオードとも称される。半導体レーザー００３は、本実施例ではｎ型ＧａＮ半導体基板１である基板と、当該基板上に、発光のための活性領域を含む多層構造とを備える。当該多層構造内に、電流閉じ込め層７が設けられている。第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態ではｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層６の上面上に電流閉じ込め層７が形成されているのに対し、第２の実施形態ではｎ型クラッド層２の上面上に電流閉じ込め層７が配置されていることにある。
【００３５】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の上面上に、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７が形成されている。ｎ型ＧａＮガイド層３が、層７の上面と接触し、そして、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７内のウィンドウ開口部（例えばストライプ形状のウィンドウ開口部）を介して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の上面と接触する。さらに、多層構造は、活性領域４、非ドープＧａＮ層５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、およびｐ型ＧａＮコンタクト層９を備える。
【００３６】
上記示した２つの好適な実施形態は、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層が上述した位置に配置された構成である実施形態である。しかし、装置設計に応じて、ｐ型層内またはｎ型層内のあらゆる位置に、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７を配置してもよい。
【００３７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ窒化物半導体の表面上に、高晶質の抵抗性ＡｌＩｎＮ層を形成する方法である。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ窒化物半導体の上面を有する半導体基板を、ＭＢＥ蒸着室内に配置する（図１６のステップ１）。その後、基板の温度を、適した成長温度にまで上げる（図１６のステップ２）。ＡｌＩｎＮの成長には、５５０℃〜６５０℃の範囲内の基板温度が適している。そして、ＲＦプラズマセルの手段によって、基板表面に活性窒素を供給する（図１６のステップ３）。その後、アルミニウムおよびインジウムを成長室に供給することによって、成長を開始する（図１６のステップ４）。これによって、高晶質の結晶ＡｌＩｎＮ層の成長が可能となる。
【００３８】
Journal of Applied Physics Vol. 82, p 5472（1997）には、ＰＡＭＢＥによってＧａＮを成長させるために使用される成長条件の概要が示されている。ＰＡ−ＭＢＥ法を用いて高品質のＧａＮ膜を得るためには、Ｖ／III比（Ｎ／Ｇａ比）を１（unity）よりも若干小さくする必要があるということが認められ、実証されている。言い換えれば、ガリウムの供給が過剰な条件を用いて、成長を行う必要がある。当該文献には、Ｖ／III比が変わった場合の表面形態の変化が記載されている。また、ガリウムの供給が過剰な条件下での成長面に、Ｇａ液滴が形成されることが示されている。本発明者らは、ＡｌＩｎＮを成長させる場合に、１よりも大きいＶ／III比を用いたときに最も良質の材料が得られることを立証した。これは、層内においてインジウムを適切に混合するために用いた相対的に低い成長温度を用いた結果である。ＡｌＩｎＮの成長に１よりも小さいＶ／III比を用いる場合、表面にインジウムが蓄積することによって、三次元成長および層の劣化が生じる。
【００３９】
Ｖ／III比は、基板表面における遊離しているＶ族原子（free Group V atoms）の数と、遊離しているIII族原子（free Group III atoms）の数との比率であり、「Ｖ／III原子比率」としても知られている。ＡｌＩｎＮの成長の場合、Ｖ／III比は、遊離している窒素原子の数と、遊離しているアルミニウム原子およびインジウム原子の数との比率である。
【００４０】
上述のように、本発明の成長方法において使用されるＶ／III比は、高品質の材料を得ることができるように、１よりも大きいことが好ましい。Ｖ／III比は、２よりも大きい、または、３よりも大きくてもよい。
【００４１】
したがって、本発明の利点は、例えばＧａＮのＰＡ−ＭＢＥ成長よりも極めて容易に、ウィンドウの成長条件を制御できることにある。小さいＶ／III比の使用によって結晶品質が低下するのと同様に、層の抵抗率は、成長条件におけるこれらの変化によっても影響を受ける。発明者らは、低いＶ／III比（１よりも高く１に近い数）と高いＶ／III比（約２〜３）との間で、抵抗率が１０倍増大することを発見した。したがって、デバイス内の電流閉じ込め層として適した高晶質のＡｌＩｎＮ層を形成するためには、大きいＶ／III比（例えば約２〜３またはそれ以上のＶ／III比）を用いることが好ましい。
【００４２】
（第４の実施形態）
図６には、本発明の第４の実施形態としての半導体レーザーダイオード００４の断面構造が示されている。半導体レーザーダイオード００４は、当該ダイオード００４が半導体レーザーのｎ型領域内に配置されたＡｌＩｎＮ電流ブロック層７を有する点を除き、図２および図５の半導体レーザーダイオード００２および００３にほぼ対応する。
【００４３】
図６のレーザーダイオードを製造するために、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２の上面が、一般的なプロセス方法によって形成されるリッジ形状のストライプを有する。リッジの寸法が、電流閉じ込め層内の電流開口部を規定する。ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７の厚さが、リッジストライプ形状の高さと等しい。層３は、ＧａＮ導波体であり、ｎ−ＡｌＧａＮリッジ面の上面上、および、ＡｌＩｎＮ層の上面上に形成される。それ以外は全て第２の実施形態と同様である。上述した構造は、ＡｌＩｎＮ層７の結晶成長後に得られる平坦な表面（ＡｌＩｎＮ層７およびクラッド層２のリッジストライプによって形成される）の上に形成されることが好ましい。図５の実施形態のように、クラッド層２の部分を覆うようにＡｌＩｎＮ層が階段状の表面を残して形成され、その面を覆うようにガイド層３を成長しなければならない場合に対し、上記方法が好適である。
【００４４】
（第５の実施形態）
図７は、本発明の別の実施形態の窒化物半導体垂直共振発光デバイス００５の断面構造を示す。発光デバイス００５は、基板１５、発光のための活性領域１２、および、活性領域１２の各面上に設けられた２つの分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１３および１４を備える。本発明によれば、電流閉じ込め層７は、少なくとも１つの電流開口部を有する抵抗性ＡｌＩｎＮの層であり、ＤＢＲ構造のうちの１つの中に配置されている。図７では、下方のＤＢＲ構造１４内にＡｌＩｎＮ層７が図示されているが、本発明はこれに限定されない。このようなデバイス内に本発明を用いれば、電流開口部の寸法をより一層制御すること、および、デバイスにおけるひずみを低減することによって、性能を向上させることができる。ＡｌＩｎＮ７を別の位置（例えば、上方のＤＢＲ構造１３の中、または、活性領域１２の中）に配置することも考えられる。図７では、明確にするために、装置の動作を可能にする電極を図示していない。
【００４５】
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態の半導体発光デバイス００６の断面構造を示す。半導体発光デバイス００６は、基板１５、発光のための活性領域１６、および、第１層および第３層として２つのＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７を有する。当該ＡｌｎＮ電流閉じ込め層７の各々は、少なくとも１つの電流開口部をそれぞれ備えており、当該電流開口部は、図８中にｎおよびｐと示された領域内の、活性領域１６の各側上に配置されている。当該構造は、活性領域内の電流拡散を最小限に抑え、その結果、デバイスの発光面積（light emitting area）を減少させる。これは、垂直共振器表面発光ダイオードレーザーなどの製造において一般的な技術である小型メサを使用せずに、小さい活性媒体を備えた垂直共振器表面発光ダイオードレーザーなどを製造することに役立つ。
【００４６】
図８には、互いに同じ厚さであるように見える２つのＡｌＩｎＮ層７を示すが、これは単に図面を明確にするためである。２つの電流閉じ込め層の厚さは、互いに異なっていてもよい。
【００４７】
＜実施例１＞
本実施例では、図２に示されたような窒化物半導体レーザー００２を製造する。半導体レーザー００２はＧａＮ基板１を備えており、窒化化合物半導体のレーザー構造が基板上に形成される。より具体的には、当該レーザー構造は、厚さ２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２と、厚さ０．０２μｍのｎ型ＧａＮガイド層３と、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域４とを備えている。活性領域４は、３つの非ドープＩｎＧａＮ量子井戸（厚さ４ｎｍ）、および２つの非ドープＩｎＧａＮ障壁層（厚さ８ｎｍ）のＭＱＷ構造を備えており、ＭＱＷ構造の上下には、非ドープＩｎＧａＮバリア（厚さ２０ｎｍ）がある。活性領域４の上方に、非ドープＧａＮガイド層５（厚さ５０ｎｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６（厚さ０．０２μｍ）、および厚さ０．１μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８ａがある。半導体層１〜８ａによって規定された半導体構造を１７とする。そして、半導体構造１７の上面上に、厚さ５０ｎｍであるとともにストライプ形状の（インジウム含有量が実質的に１８％である）ウィンドウ開口部を備える非ドープＡｌＩｎＮ電流ブロック層７と、厚さ０．４μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８ｂと、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９とが設けられている。従来の処理方法およびリソグラフィー法によって、ｐ型コンタクト層９上にｐ側電極１０が形成され、ＧａＮ基板１の裏面にｎ側電極１１が形成される。
【００４８】
ＡｌＩｎＮ電流ブロック層７の製造方法を以下に示す。電流ブロック層７の下に設けられた図２の半導体構造１７は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成される。本発明の内容において、半導体構造１２の形成方法としては好適な方法を採用すればよく、本明細書ではその説明を省略する。
【００４９】
図２のＡｌＩｎＮ電流ブロック層７内にウィンドウ開口部を形成するためのマスクとして使用されるシリカ（ＳｉＯ２）ストライプの形成工程について、図９（ａ）〜図９（ｄ）を参照しながら以下に説明する。図９（ａ）は、電流ブロック層７の下に配置された図２の半導体構造１７の成長が完了した後の断面図である。
【００５０】
プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いて、厚さ６５ｎｍの半導体構造１７の上面上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を形成する。レジスト膜を塗布した後に露光させ、ＳｉＯ２膜を覆うようにレジストパターンが形成されるように現像される。その後、緩衝化されたフッ化水素酸溶液をエッチング液として用いると共に、レジストパターンをマスクとして用いて、ＳｉＯ２膜に選択的にウェットエッチングを施し、それによって、マスクに覆われていないＳｉＯ２の領域を除去する。その後、適した溶剤を用いてレジストパターンマスクを除去するとともに、脱イオン水中にて洗浄することによって、マスクに覆われていたためにエッチング工程において除去されなかったＳｉＯ２の領域のみを残す。当該段階において得られた半導体構造１８を図９（ｂ）に示す。残存しているＳｉＯ２は、ストライプ形状であってもよく、その場合には、ＳｉＯ２ストライプの配向は、ＧａＮの＜１〜１００＞方向に対して平行であることが好ましい（当該配向は、ｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させるときにＭＯＣＶＤによる再成長を促す。また、レーザーデバイスの場合には、当該配向はさらに適している。これらは好適であるが、必須ではない）。図９の半導体構造１８の上面は、当該工程後は不純物を全く含まない。図１０に、ＳｉＯ２ストライプ処理後のＧａＮ層の表面を示す。図１０は、原子間力顕微鏡を用いて得られた、ＧａＮ層の表面の顕微鏡写真である。ＧａＮ表面上に原子テラス（atomic terraces）がはっきりと見える。ＳｉＯ２ストライプ面は粒状に見え、ストライプ幅は２μｍ以内である。
【００５１】
本実施例では、ストライプを生成するためにＳｉＯ２を用いる。しかし、ウェットエッチングを用いて容易に除去できる材料であるとともに、当該材料と接触する窒化物半導体面が上記工程の間に影響を受けない材料である限りは、他のあらゆる非晶質物質（例えばＳｉＮなど）を使用してもよい。
【００５２】
続いて、ＳｉＯ２ストライプを有する上記処理された半導体構造１８を、ＡｌＩｎＮ半導体層７の蒸着を実施するための分子線エピタキシシステムの成長室内に配置する。
【００５３】
基板の温度（ここで言う基板とは、処理された半導体構造１８のことを指す）を成長温度である６１０℃にまで上昇させる。その後、構造１８の上面に、活性窒素ビームを連続照射する。そして、構造１８の上面にアルミニウム原子ビームおよびインジウム原子ビームを同時に照射することによって、ＡｌＩｎＮ層のエピタキシャル成長を開始する。アルミニウム元素およびインジウム元素は、それぞれ、約２．５×１０−７ｍｂａｒの圧力、および、１．２×１０−７ｍｂａｒの圧力に相当するビームにて与えられる。約２７０ＷのＲＦ出力と２Ｔｏｒｒの窒素圧とを用いて、高周波プラズマセル内にて窒素分子を分解することによって、活性窒素ビームが供給される。蒸着されたＡｌＩｎＮ層が所望の厚さである５０ｎｍに到達したときに、アルミニウムおよびインジウムの供給を停止する。さらに１分間、活性窒素を供給し、その後、当該供給を停止する。基板１８を室温にまで冷却した後に、当該基板１８をＭＢＥ成長室から取り出す。本実施例における層内のインジウム比は０．１８であり、ＡｌＩｎＮ層の代表的な成長速度は０．１４μｍ／時である。これによって、ＧａＮ層に略格子整合しており、構造全体にひずみを生じさせないＡｌＩｎＮ層が形成される。
【００５４】
Ｘ線回折を用いてＡｌＩｎＮ層の晶質を測定した。図１１は、これらの条件を用いてＧａＮテンプレート基板上に成長された、１８％のインジウム組成（換言すれば、インジウム比が０．１８）を有するＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ層のＸ線回折スペクトルを示している（テンプレート、またはテンプレート基板とは、サファイア基板上に形成されるＧａＮ層の一般名である。このＧａＮテンプレートは市販されている）。図１１のスペクトルには、２つのピークがはっきりと見られる。相対的に強い強度のピークがＧａＮ層に対応し、他方のピークがＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ層に対応する。両方のピークが、同様の形状および幅を示す。これは、ＡｌＩｎＮ層の高い晶質を実証するものである。当該ＡｌＩｎＮ層の表面は、原子間力顕微鏡法によっても計測された。その結果を図１２ａに示す。ＡｌＩｎＮ層の表面は、原子テラス（atomic terraces）の存在によって実証されたように、極めて滑らかである。図１２ｂに示すように、ＳｉＯ２ストライプ膜上の表面は、粒状（grainy）である。ＳｉＯ２は、非結晶質である。したがって、ＳｉＯ２表面上のＡｌＩｎＮの成長はアモルファス（amorphous）であり、これは、ＧａＮ表面上に蒸着された結晶ＡｌＩｎＮとは対照的に、ＡｌＩｎＮ面の形態の変化によって変形する。
【００５５】
図９（ｃ）は、ＡｌＩｎＮ層７の蒸着によって得られた半導体層１９を示す。
【００５６】
次に、半導体構造１９のＡｌＩｎＮ層内に１つ以上の開口部が形成される。水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液をエッチング液として使用したウェットエッチングにより、非晶質窒化材料を容易に除去できることは周知である。当該エッチングは、窒化材料の晶質に応じて選択的である。したがって、本実施例では、ＳｉＯ２ストライプ上に形成されたＡｌＩｎＮ層７´を選択的に除去すると共に、ＡｌＩｎＮ層の結晶部分を無傷のままで残しておくために、ＫＯＨエッチング溶液が使用される。ＡｌＩｎＮ層７、７´を備えた半導体構造１９を、５分間ＫＯＨ溶液中に浸す。当該処理によって、ＳｉＯ２上のＡｌＩｎＮ層７´を除去する。その後、標準的なＨＦエッチング液を用いたウェットエッチングによって、ＳｉＯ２が除去される。ＡｌＩｎＮ結晶層、およびその下にある半導体結晶面は、ＨＦエッチングによる影響を受けない。ＳｉＯ２の除去により、大きさおよび位置に関して図９（ｂ）の半導体構造に存在するＳｉＯ２領域に対応する開口部２１が、ＡｌＩｎＮ層７に形成される。このとき、露出された半導体層の下の上面は、残される（図１２ｃ）。図１２ｃに示された、ＡｌＩｎＮ層のウィンドウ内において露出された半導体面が原子テラスを示し、リフトオフ後に、残留ＳｉＯ２または残留物を全く含有しないことは非常に重要である。当該表面に存在する何らかの残留物が、その上への再成長層の劣化の原因となり得ること、および、晶質が低い材料の原因となり得ることから、上記ステップは重要である。
【００５７】
上述したように、上記開口部２１または各開口部２１は、ストライプ形状の開口部であってもよい。この場合、上記開口部または各開口部は、２μｍ幅のストライプ形状の開口部であってもよい。
【００５８】
図９（ｄ）は、ＡｌＩｎＮ層７´およびＳｉＯ２の除去後に得られる半導体構造２０を示す。
【００５９】
その後、図９（ｄ）の半導体構造２０が、ＭＯＣＶＤ室などの結晶成長室内に配置される。このとき、本明細書中には記載されていない標準的なＭＯＣＶＤ成長条件を用いて、図２のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８ｂを０．４μｍの厚さにまで形成し、そして、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層を形成する。成長が終了したら、半導体構造を結晶成長室から取り出す。図１３は、過剰に成長したｐ−ＡｌＧａＮ構造の断面を示すものであり、図２の層８ａ、７、８ｂおよび９を含む構造の電子顕微鏡写真である。ウィンドウ開口部８ａの底部の層と、再成長したｐ−ＡｌＧａＮ層８ｂとの間の界面には、欠陥は見られない。また、層８ｂの上面は、平らである。
【００６０】
上述したように、本発明はＡｌＩｎＮ単結晶層を電流閉じ込め層として使用し、当該層を形成するときにドライエッチングを使用する必要がない。その結果、本発明は、電流閉じ込め層の上に成長される窒化物半導体の結晶構造が高密度の欠陥（defect）を有し、それによって漏れ電流が増大するという従来の問題を解決する。さらに、当該層の格子パラメータとＧａＮの格子パラメータとをほぼ格子整合させるために、ＡｌＩｎＮ層のＩｎ含有量を約１８％に保つことが好ましい。その結果、構造内のＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層によって、付加的なひずみが生じることがない。
【００６１】
続いて、ウエハの上面上にｐ電極を形成するとともに、基板の裏面にｎ電極を形成するための標準的な工程を用いて、デバイスの電極を形成した。ｐ電極は、２０μｍ×６００μｍであった。そして、電流閉じ込め開口ストライプに対して垂直な平面に沿って、レーザーダイオードウエハが割られ、６００μｍという代表的なキャビティ長を有するコーティングされていないレーザーダイオードチップが形成された。図２は、当該レーザーダイオードチップの断面図である。
【００６２】
これらの条件下にて製造されたレーザーデバイスを電気的に試験し、光出力特性を記録した。ＡｌＩｎＮ層内にそれぞれ２μｍ、４μｍ、または、６μｍの幅の電流閉じ込めウィンドウ開口部を有する３種類のデバイスを試験した。図１４の光−電流特性に示すように、３種類のデバイスの全てがレーザーを発振した。レーザー発振の開始に対応する閾値電流は、予想通り、各デバイスの内側のストライプ幅に伴って増大する。このことは、ＡｌＩｎＮ層が効果的な電流閉じ込め層として機能することを実証している。レーザーの電流開口部を変更することによって、活性領域が変化し、その結果、閾値電流が影響を受ける。ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７を蒸着する前、および、構造の成長が完了した後に、上記レーザーダイオード構造のＸ線回折分析を実施した。電流閉じ込め層の上方に成長する層の質は、下の層の晶質と同じであることが確認された。このことは、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層が高い晶質であることを実証している。
【００６３】
＜実施例２＞
本実施例は、ＡｌＩｎＮ抵抗層の成長方法を示す。まず、ＧａＮテンプレートによって構成された基板が、ＭＢＥ室内に配置される。その後、基板の温度が６１０℃にまで上げられる。当該温度に達すると、数分間、２７５ＷのＲＦ出力のＲＦプラズマ電源を用いて基板表面に活性窒素が供給される。続いて、活性窒素の供給を一定に保ちながら、ＡｌビームおよびＩｎビームを同時に与えることによって、成長が開始する。ＡｌＩｎＮ層が所望の厚さ（本実施例では５０ｎｍ）に到達したら、ＡｌおよびＩｎの供給が止められる。これらの条件下でのＡｌＩｎＮの成長速度は、１４０ｎｍ／ｈである。さらに１分間、活性窒化物の供給を続けた後に、それを止める。ホール法を用いて層の抵抗率を測定するため、または、層を通る電流電圧特性を測定するために、層に対する適したオーミック電極を形成する必要がある。バンドギャップが大きい（代表的には約３１０ｎｍ）ため、ＡｌＩｎＮに適した電極を見出すことは困難である。したがって、ＡｌＩｎＮの抵抗率を測定するために、ＡｌＩｎＮ表面上に、厚さ５００ｎｍ以下のｎ型ＧａＮ層が形成される。我々の実験では、ＡｌＩｎＮ蒸着を行った後に、分子線エピタキシを用いてｎ−ＧａＮが蒸着されるが、他の成長方法を用いてもよい。ＡｌＩｎＮ成長の最終段階では、温度が９００℃にまで上げられ、９Ｔｏｒｒの圧力にまでアンモニアガスが供給される。成長温度に到達すると、ＢＥＰ値８．５×１０−７ｍｂａｒのガリウムを加えることによって、成長が開始する。ｎ型ドーパントをＧａＮ層内に組み込むために、シリコンが同時に加えられる。成長の最終段階において、Ｓｉ：ＧａＮ層の厚さが約５００ｎｍになると、ガリウムおよびシリコンの供給が中断され、アンモニア存在下にて基板が冷却される。
【００６４】
その後、標準的な処理技術を用いて当該ウエハが処理され、アルミニウムを用いて、Ｓｉ：ＧａＮの上面上にオーミック電極が蒸着される。隣接する２つの電極間にて、電流電圧特性が測定される。そして、各電極の周りに、メサが形成される。当該メサのエッチングの深さは、ＡｌＩｎＮ層の下のｎ−ＧａＮテンプレートの表面を露出させるために、約６００ｎｍのオーダーである。さらにもう一度、隣接する２つのメサ／電極間にて、電流電圧特性が測定される。図１５ａは、メサエッチングの前後における、隣接する２つの電極からのＩＶを示す。これらＩＶ特性間の抵抗の差を利用して、ＡｌＩｎＮ層の抵抗率が算出された。これによって、５×１０４Ω．ｃｍのＡｌＩｎＮ抵抗率の値が得られる。これに対して、ｎ型窒化物層の抵抗率は、一般的に、１００Ω．ｃｍよりも低い。上記ＡｌＩｎＮ層についての測定結果が高い抵抗率を示すことから、窒化物デバイスにおける電流閉じ込め層として、または、電気絶縁層として、これらの条件下でＡｌＩｎＮを成長させることが好適であることがわかる。
【００６５】
チッ素原料とIII族原料との比が相当低い（比が１に近い）条件下にて成長されたＡｌＩｎＮ層の抵抗率についても、同じ方法を用いて測定した。ＲＦ出力が１７５Ｗであるプラズマ電源ＲＦ、および、同じＡｌおよびＩｎ分子線量を上記層に対して使用した。上記実験と比較して本実験におけるＲＦ出力を低減することによって、活性窒素の量が減少し、同じＡｌおよびＩｎ分子線を維持することによって、窒素と金属との比が低減する。これらの成長条件の結果、０．２ｎｍ以下の層に比べ、ｒｍｓ値が０．５ｎｍ以下である相対的に粗い面を有する層が得られ、そして、表面における原子テラス（atomic terraces）が消失する。図１５ｂは、メサエッチング（上記と同様の工程を行う）前後のＩＶ特性を示す。これらの条件下で成長するＡｌＩｎＮ層の算出された抵抗率は、５×１０３Ω．ｃｍ以下である。当該値は１桁小さいものであり、高い抵抗率を有するＡｌＩｎＮ層を得るためには、金属に対する窒素の比を極めて高く維持する必要がある。
【００６６】
本発明に記載されたＡｌＩｎＮ半導体層は、活性領域の発光よりも高いバンドギャップを備えることが好ましいので、光学特性が変化しない限りは、ドーピング不純物としてシリコン、酸素、マグネシウム、炭素、リンを含んでいてもよい。
【００６７】
添付の請求項にて使用される「開口部」という用語は、ＡｌＩｎＮ層内に設けられるとともに全側面がＡｌＩｎＮ層によって囲まれている開口の構成と、ＡｌＩｎＮ層の縁に設けられているとともに一部の側面がＡｌＩｎＮ層によって囲まれていない構成という両方の構成を含む。ＡｌＩｎＮ層内の開口部は、ＡｌＩｎＮ層内におけるあらゆる位置にてあらゆる形状を取ることができる。そして、いくつかの用途では、デバイス内に複数の開口部が存在する。
【００６８】
具体的な実施形態および例を用いて本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態および例に限定されるものではない。例えば、あらゆる窒化物発光デバイス（すなわち、発光ダイオード、垂直共振器表面発光ダイオードデバイスなど）、および、電子デバイス（すなわち、トランジスタなど）に本発明を使用することができる。また、上述した発光デバイスの場合、活性領域は量子井戸、量子ドット、または他のいずれの発光媒体によって構成されていてもよい。本実施形態および本実施例では、III族窒化物半導体デバイスおよび電流閉じ込め層を形成するためにＭＢＥ成長法、およびＭＯＣＶＤ成長法を使用したが、他の成長法を使用してもよい。
【００６９】
更に、基板として使用できる材料は、ＧａＮに限定されず、各効果を得るために、サファイア、シリコンおよびＳｉＣなどの他の様々な材料を同様に使用してもよい。
【００７０】
当業者であれば、請求項に示した範囲で種々の変更および応用が可能であることがわかる。
【００７１】
本発明を説明してきたが、同様の方法が種々の方法によって変更されてもよいことが明らかである。当該変更は本発明の本質および範囲を逸脱するものではなく、当業者にとって周知であるそのような全ての修正が、下記請求項の範囲内に含まれる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１層の単結晶Ａｌ１−ｘＩｎｘＮを有するIII族窒化物半導体層構造に関する。Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ層は、例えば電流ブロック層であってもよい。上記構造は、半導体発光デバイスなどに組み込まれていてもよい。
【背景技術】
【０００２】
ここ１０年、光記憶分野において窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料による半導体発光デバイスに大きな関心が集められている。今日、例えば、高性能の光ディスクシステムでの使用、および固体照明やディスプレイ用バックライトなどの新たな用途での使用のために、高出力のレーザーダイオード（ＬＤ）および発光ダイオード（ＬＥＤ）の需要が増している。
【０００３】
多くの場合、生成された光に対して横方向の閉じ込めを行うために、レーザーダイオードに、該レーザーダイオードを介して流れる電流に対して横方向の閉じ込めを行うための手段を設けることが望ましい。例えば、ＬＤにおいては、一般的に、図１に示すようなリッジ導波体構造を用いて、低い値の閾値電流によるレーザー発振を可能にしている。図１は、半導体レーザーダイオード００１の断面図である。当該半導体レーザーダイオード００１は、多層構造であり、下方クラッド層２、下方導光層３、発光活性領域４、ならびに、上方導光層および上方クラッド層６を有しており、この多層構造が、基板１の上に結晶成長されている。電極１０（代表的にはｐ電極）が、多層構造の上面を覆うように積層されており、第２電極１１（代表的にはｎ電極）が、基板１の裏面に積層されている。リッジ構造は、電流に対して横方向の閉じ込めを行うために、活性領域４の上方の多層構造内に形成されている。すなわち、動作時には、リッジ構造の下の活性領域４の部分のみに電流が流れるので、リッジ構造の下にない活性領域４では、光が殆ど、または全く生成されない。当該デバイスの出力を増大させるためには、より幅の広いリッジ導波体構造が望ましい。しかし、従来のリッジ導波体レーザーダイオードは、当該デバイスから得られる出力の程度に対して、周知の限界を有している。実際のところ、リッジＬＤの電力変換効率（wall plug efficiency）（すなわち、光出力と入力電力量との比率）は、高電流の動作条件下にて低減する傾向にある。これは、デバイスにおける熱飽和（thermal rollover）および高抵抗を原因とする、最大出力の減少に関連している。
【０００４】
電流に対する横方向の閉じ込めに関する他の周知技術としては、構造内に１つ以上の電流閉じ込め層を設ける技術がある。電流閉じ込め層（または電流ブロック層とも呼ばれる）は、電気抵抗率の高い層であり、電流閉じ込め層内に１つ以上の開口部を有する。電流は、電流閉じ込め層内の開口部を流れる。
【０００５】
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系でＬＤまたはＬＥＤを製造するために、多大な努力がなされている。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＮにて示される材料を含んでおり、このとき、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である。本願において、ゼロではないモル分率のアルミニウム、ガリウムおよびインジウムを有する（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系の部材をＡｌＧａＩｎＮと称し、ゼロであるモル分率のガリウムを有し、かつ、ゼロではないモル分率のアルミニウムおよびインジウムを有する部材をＡｌＩｎＮと称し、他も同様に称する。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ材料系によって製造された発光デバイス内に、効率的な電流閉じ込め層を設けるのは困難であった。
【０００６】
ＵＳ６２４２７６１には、従来のリッジ導波体レーザーダイオードに関する問題を解決するための１つの方法が記載されている。当該特許文献には、窒化物半導体発光デバイスにおいて、電流を通すことができる開口部を備えた電流ブロック層を使用することが記載されている。この電流ブロック層は、酸化金属、あるいは、ｎ型ＢＩｎＡｌＧａＮの単結晶またはｉ型ＢＩｎＡｌＧａＮの単結晶によって構成され得る。この電流ブロック層では、水素または酸素によってキャリアが不活性化される。ＵＳ６２４２７６１は、ＢＩｎＡｌＧａＮが、第Ｖ族元素（group-V elements）として、Ｎに加えて、リン、砒素、および／または、他の元素を含むことを規定している。欠点としては、ＢＩｎＡｌＧａＮ内のキャリアを不活性化するために、成長後処理（post-growth processing）が必要であることが挙げられる。また、上記文献には、温度アニールによってシリコン不純物をｐ−ＧａＮ層内に拡散させることにより、ｐ−ＧａＮのｐ型導電性を補償し、その結果、当該ｐ−ＧａＮ層を電流ブロック層として好適に機能させ得ることが記載されている。しかし、当該方法を用いた場合、不純物の量、および、上記処理によって補償された層の実際の深さを正確に制御するのは困難である。ＬＤにおいて、電流ブロック特性の低い層を電流ブロック層として用いれば、ＬＤの動作中にキャリア漏れが生じる可能性があるとともに、性能の低下を招く可能性がある。
【０００７】
ＵＳ２００５／００７２９８６には、ウェットエッチングによって得られる少なくとも１つの開口部を有する窒化物半導体層を含む半導体多層構造が記載されている。上記特許文献には、当該半導体層がＡｌｘＧａ１−ｘＮによって構成され得ることが開示されており、特に、ＡｌＮの高い抵抗特性を利用して、ＡｌＮを電流閉じ込め層として使用することが記載されている。上記特許文献によると、まず、半導体層が非晶質層として形成され、続いて、熱エネルギーを用いて結晶化される。この場合、ｐ型クラッド層の再成長の間に結晶化が起こる。必然的に、ＡｌＮとＧａＮとの間の高い格子不整合が、多層構造内で結晶にクラックを生じさせるという問題が生じる可能性があるが、再結晶化されたＡｌＮ層内に高密度の転位（dislocations）を生成することによって、その上に再成長した層内におけるクラックが抑制されることが提示されている。その結果、上記再結晶化されたＡｌＮ層上にその後形成される半導体層内における転位密度が高くなり、これがデバイスの性能を低下させる原因となり得る。
【０００８】
また、ＵＳ７２２７８７９には、電流閉じ込め層を用いて半導体発光デバイスを規定する方法が記載されている。当該発光デバイスは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮを電流ブロック層として使用し、このとき、０≦ｘ≦０．１、０．５≦ｙ≦１、および、０．５≦ｘ＋ｙ≦１である。また、上記電流ブロック層は、電流ブロック層よりも低いＡｌ比を有する半導体層上に形成される。電流閉じ込め層は次のように加工される。標準的なリソグラフィー法およびドライエッチング法を用いて、電流ブロック層内にウィンドウ（window）を開口し、当該層が完全に除去される前にドライエッチング処理を停止する。その後、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）室内に基板を配置する。ここで、エッチバックを実施してウィンドウ内の残りの層を除去する。当該文献において、上記層の一部がウィンドウ内に部分的に残っていても、エッチバックにより、動作時にはウィンドウ内で良好な電気伝導が起こることが主張されている。
【０００９】
上記先行文献には、電流閉じ込め層として機能する、高抵抗率を有する窒化物半導体層を使用すること、または、周囲の層と反対の伝導性を有する層を使用することが記載されている。高抵抗率である材料を形成する方法では、不純物を用いるキャリア補正が使用されたり（ＵＳ６２４２７６１）、または、高Ａｌ比のＩｎＡｌＧａＮ半導体層が使用（ＵＳ７２２７８７９、ＵＳ２００５／００７２９８６Ａ１）されたりする。
【００１０】
Appl．Phys．Lett．８７， ０７２１０２ （２００５）およびＷＯ ２００６／０６６９６２には、ＡｌＩｎＮ層の酸化物を形成して、当該酸化層を電流閉じ込め層として使用する方法が記載されている。第１に、ＭＯＣＶＤによって成長した格子整合ＡｌＩｎＮ層の晶質は良いと報告されている（J．F．Carlin et al．Appl．Phys．Lett．８３，６６８（２００３）にも記載されている）。著者によると、成長した格子整合ＡｌＩｎＮ層は１０１８ｃｍ−３の高い残留ドーピングレベルを有し、低い抵抗率を示す。活性領域の下にＡｌＩｎＮ層を備える発光デバイスが記載されている。上記デバイスの電流電圧（ＩＶ）特性は、電流がＡｌＩｎＮ層を流れることができることを示しており、それによって、この層の低い電気抵抗率が実証されている。結晶成長後に電気化学的酸化を実施することによる上記層の酸化物の形成によって、ＡｌＩｎＮ層の電気抵抗を増大させる方法が、著者によって報告された。この方法を用いて得られる酸化ＡｌＩｎＮ層を備える発光デバイスのＩＶ特性は、抵抗率の増大を示しており、酸化ＡｌＩｎＮ層の抵抗率の増大を実証する。この方法を用いてレーザーダイオードデバイス内に電流閉じ込め層を形成する場合、形成された酸化物が信頼性の問題を引き起こす可能性がある。また、酸化物の熱伝導性は、多くの場合低いため、デバイスの劣化が増大する可能性があり、さらに、酸化層が半導体構造に対して付加的な格子ひずみを生み出し、これもまたデバイスの劣化を招く可能性がある。
【００１１】
また、酸化処理における均一性の制御も、問題の一つである。一般的に、メサ（mesas）はウエハを覆うように形成されており、層の側壁を露光させて酸化させる。次いで、メサ内により高い抵抗率を有する領域を規定するために、酸化プロセスが行われる。メサが例えば円筒形である場合（垂直共振器表面発光ダイオードレーザー（ＶＣＳＥＬ）の場合）、層の酸化は同心円状となる。各メサにおける酸化の深さは、メサの大きさ、層厚、溶液内におけるウエハの位置などに応じて異なることが多い。このため、ウエハ上の電流開口部の大きさがばらつき、製造歩留りの低下を招く。
【００１２】
App. Phys. Lett. 79, p.632（2001）の著者らによれば、プラズマ支援分子線エピタキシ（ＰＡＭＢＥ）によって成長する高濃度Ａｌ含有性の非ドープＡｌＩｎＮ層は、高い抵抗率を示す。その結果、ＰＡＭＢＥによって成長されるＡｌＩｎＮ層のドナー欠陥密度が低下する。しかし、この層の晶質は悪く、しかも、いくらかの程度の結晶のモザイク性が見られる。層の晶質が悪いので、発光デバイス内に当該層を使用すれば、構造に欠陥をもたらすことが予想される。
【発明の概要】
【００１３】
本発明は、III族窒化物半導体多層構造を提供する。当該構造の第１層は、Ｉｎの含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮの層を備えており、当該ＡｌＩｎＮ層は、少なくとも１つの開口部を有しており、当該開口部を除いてＡｌＩｎＮ層が多層構造の領域全体に広がっている。III族窒化物材料系の多層構造における電流閉じ込め層として、抵抗率の高いＡｌＩｎＮ層を使用し得ることがわかっている。開口部は、構造を流れる電流の通路に相当する。その結果、ＡｌＩｎＮ層の電気抵抗を増大させるために当該層を酸化させる必要がなくなり、上述した欠点を回避することができる。さらに、ＡｌＩｎＮ層は、多層構造内の下位層に対して格子整合しているか、または、実質的に格子整合（例えば、格子不整合が１％未満、または、０．５％未満）している。そのため、多層構造内に生じ得る欠陥を低減することができる。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、電流閉じ込め層は、ＡｌＩｎＮによって構成されており、半導体レーザーのｐ側領域内に形成され、少なくとも１つのストライプ形状の開口部を有する。
【００１５】
本発明の他の実施形態によれば、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層が、半導体レーザーのｎ側上に形成される。
【００１６】
本発明の他の実施形態によれば、分子線エピタキシによって、高い抵抗率および高い晶質をもつ（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎの表面上に、ＡｌＩｎＮ層が形成される。
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層は、レーザーデバイスのｎ型クラッド層の一部である。このことは、ＡｌＩｎＮウィンドウの側壁がｎ型クラッド層と直接接触することを意味している。また、ＡｌＩｎＮ層の厚さは、ｎクラッド層内に設けられたリッジストライプ（ridge stripe）の高さに相当する。
【００１８】
本発明の他の実施形態によれば、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層は、垂直共振器表面発光ダイオードレーザーの一部である。
【００１９】
本発明の他の実施形態によれば、半導体デバイスは、活性領域と、当該活性領域のｎ側およびｐ側に配置された２つのＡｌＩｎＮ層とを備える発光デバイスであり、各層が、電流を通すことができる少なくとも１つの開口部を有する。当該構造は、必要に応じて、活性領域内の電流の拡散を最小限に抑えることができる。
【００２０】
ＡｌＩｎＮ層を電流閉じ込め層として使用する利点は、当該層を、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ半導体表面上にエピタキシャルに形成することができることにある。当該層におけるＩｎ比率は、例えばＧａＮと略格子整合する層を形成するように調整することができ、これによって、レーザー構造内に付加的なひずみが生じることを防ぐ。プラズマ支援ＭＢＥによってＡｌＩｎＮを成長させることができ、残留ドーピングバックグラウンド（residual doping background）が低いＡｌＩｎＮ層を形成することができる。その結果、この層は高い固有抵抗を示す。当該ＡｌＩｎＮ層の晶質は極めて高い。したがって、この層を電流閉じ込め層として使用することによって、高い晶質をもつＡｌＩｎＮの上面上に、次の窒化物半導体層を成長させることができる。この処理の間に、欠陥は生じない。
【００２１】
従来のリッジ構造ＬＤの代わりに、後述する第１の実施形態に記載されたｐ−ＳＡＳ（自己整合構造）を使用することは、デバイスの作動電圧を低減させ、その結果、レーザーデバイスの性能を向上させるという利点を有する。図４は、ＡｌＩｎＮ電流ブロック層内の１μｍの開口部（図２に示された構造）、および、１μｍの標準的なリッジＬＤ構造（図１に示された構造）を備えるｐ−ＳＡＳの、シミュレートされた電流電圧（ＩＶ）特性ならびに光出力電流（ＬＩ）特性を示す。ｐ−ＳＡＳ ＬＤの作動電圧は、リッジ構造ＬＤよりも低く、ＬＩ特性は類似する。
【００２２】
電流閉じ込め層内に開口部を形成するプロセス方法を用いて、処理ウエハ全体上に設けられた均一かつ正確なウィンドウを有するデバイスを製造する。
【００２３】
本発明の第２の実施形態は、Ｉｎ含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮ層の成長方法を提供する。当該方法は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板をＭＢＥ成長室内に入れるステップと、基板の温度を所望の成長温度にまで上げるステップと、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板の表面に活性窒素を供給するステップと、成長室にＡｌおよびＩｎを供給するステップとを含む。
【００２４】
図面を参照しながら、後述する本発明の詳細な説明を読むことによって、本発明の上述した目的、特徴および利点、または、他の目的、特徴および利点を容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】標準的な窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図３】インジウム含有量（ｘ）の関数として、Ａｌ（１−ｘ）ＩｎｘＮおよびＧａＮ間の格子不整合の変化を示す。
【図４】１μｍの従来のリッジ形状ＬＤ、および１μｍのウィンドウｐ−ＳＡＳ ＬＤについて算出されたＩＶ特性を示す。
【図５】本発明の第２の実施形態の窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の窒化物半導体レーザーデバイスを示す断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の窒化物半導体垂直共振器表面発光ダイオードレーザーデバイスを示す断面図である。
【図８】本発明の第６の実施形態の２つのＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層を備えた発光デバイスを示す断面図である。
【図９】ＡｌＩｎＮ電流ブロック層内にウィンドウ開口部を形成するための異なるステップを示した、一連の断面図である。
【図１０】処理後のＧａＮ表面およびＳｉＯ２ストライプ形状膜の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像である。
【図１１】ＧａＮの対称反射（００２）の周囲にて得られるＸ線回折スペクトルを示す図であり、ＧａＮおよびＡｌＩｎＮに帰属するピークを示す図である。
【図１２】図１２ａは、ＡｌＩｎＮ表面のＡＦＭ画像であり、図１２ｂは、ＳｉＯ２ストライプ上のＡｌＩｎＮ表面であり、図１２ｃは、剥離後のＧａＮ表面である。
【図１３】ＡｌＩｎＮ層およびウィンドウ開口部上に成長するｐ−ＡｌＧａＮ層の断面ＳＥＭ画像である。
【図１４】ＡｌＩｎＮ電流ブロック層内に異なる幅のウィンドウを備える、ｐ−ＳＡＳ ＬＤの３つのＬＩ特性を示す。
【図１５】図１５ａは、高抵抗率ＡｌＩｎＮにおけるＩＶを示し、図１５ｂは、低抵抗率ＡｌＩｎＮ層におけるＩＶを示す。図１５ａおよび図１５ｂの両方に、メサエッチングありにて得られたＩＶ、および、メサエッチングなしにて得られたＩＶを示す。
【図１６】本発明の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本説明において、半導体層の「上面」とは、上に層を成長させる基板から最も遠い位置にある半導体層の表面を指す。上面は、層が成長を止めたときに、層の露出面となる。
【００２７】
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態の半導体レーザー００２の断面構造を示す。本明細書では、半導体レーザー００２をｐ−ＳＡＳ（Self-Aligned Structure with p-side confinement；ｐ側に電流閉じ込め層を有する自己整合構造）としても定義する。半導体レーザー００２は、本実施例ではｎ型ＧａＮ半導体基板１である基板と、多層構造１７を含む複数の半導体層とを備える。多層構造１７は、基板上に、発光のための活性領域を有する。図２の例では、多層構造１７は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２、ｎ型ＧａＮガイド層３、Ｉｎを含む多重量子井戸活性領域４、非ドープＧａＮガイド層５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６、および、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を備える。層６の役割は、活性領域からの電子の層厚方向へのオーバーフローを防ぐことである。当該層は、窒化物半導体レーザーにおいては一般的である。ｐ型ＧａＮコンタクト層９は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８を覆うように成長する。コンタクト層９の上面上にｐ電極１０が設けられており、ＧａＮ基板１の裏面にｎ電極１１が設けられている。しかし、多層構造は、上述した特定の構成に限定されない。活性領域が単一の半導体層から成っていてもよく、または、活性層が多層活性領域から成っていてもよい。
【００２８】
本発明によると、ＡｌＩｎＮ層７である第１層は、多層構造の内部に設けられており、電流閉じ込め層（current confinement layer）として機能する。ＡｌＩｎＮ層７は、該ＡｌＩｎＮ層７を貫通する少なくとも１つの開口部を有しており、上部電極１０と下部電極１１との間を流れる電流のための低抵抗率の経路を提供する。例えば、ＡｌＩｎＮ層７内に、ストライプ形状の開口部が規定される。図２の実施形態では、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８内にＡｌＩｎＮ層が設けられているが、本発明では、ＡｌＩｎＮ層７の配置についてこの特定の位置に限定されない。電流ブロック層とも称される電流閉じ込め層７は、晶質および抵抗率が高い。電流閉じ込め層７は、ｐ電極１０の幅よりも狭いウィンドウ内に電流を集中させることができる。
【００２９】
本実施形態において、電流閉じ込め層７は、Ｉｎ含有量がゼロではないＡｌＩｎＮによって構成されていることが好ましい。電流閉じ込め層７は、ＧａＮに対する格子不整合を小さくするために、０．１５〜０．２５（１５％〜２５％）の範囲内のＩｎを含有するＡｌＩｎＮによって形成されていてもよく、特に、Ｉｎ比が０．１８（１８％）（またはＩｎ含有量が０．１８（１８％）に近似）であるＡｌＩｎＮによって形成されていてもよく、あるいは、上記値に十分に近似する比をもつＡｌＩｎＮによって形成されていてもよい。このことは、図２の実施形態において特に好適である。その理由は、レーザー構造が、ＡｌＩｎＮ層７の下にあるＧａＮ層（ＧａＮガイド層５）を第２層として備えているため、ＡｌＩｎＮ層がＧａＮに対して格子整合する、または、ほぼ格子整合するように成長し、ひずみの発生を抑制するからである。
【００３０】
具体的に、ＡｌＩｎＮ層７のＩｎ比が０．１５（１５％）〜０．２（２０％）の範囲内であれば、ＧａＮとの格子不整合は０．５％未満となる。これによって、従来技術に使用されてきた他の電流閉じ込め層の導入によって構造内に生じる付加的ひずみという問題を克服することができる。電流閉じ込め層７のＡｌＩｎＮは、１×１０２Ω．ｃｍを上回る抵抗率を有することが好ましく、１×１０３Ω．ｃｍを上回る抵抗率を有することがより好ましく、１×１０４Ω．ｃｍを上回る抵抗率を有することがより好ましい。電流閉じ込め層７は、効果的な電流ブロック特性を供給するために、少なくとも１０ｎｍの厚さであることが好ましい。
【００３１】
材料ａ１の材料ａ２に対するの格子不整合（Δａ／ａ）は、
Δａ／ａ＝（ａ１の面内格子パラメータ − ａ２の面内格子パラメータ）／ａ２の面内格子パラメータ
によって求められる。
【００３２】
材料の面内格子パラメータは、その上に材料が成長する基板表面に対して平行な方向、および、材料の厚さ方向に対して垂直な方向において測定される材料の面内格子パラメータとして定義される。
【００３３】
第１面内格子パラメータａ１を有する材料層が、面内格子パラメータａ２を有する別の材料層によって覆われており、ａ２≠ａ１である場合、材料間の面内パラメータの違いによって２層間の界面において生成されるひずみが大きくなる可能性がある。これによって、クラックや転位などの欠陥の発生によってひずみ緩和が生じる可能性があり、その様な層を有するデバイスの性能および寿命に悪影響を及ぼす可能性がある。図３は、ＧａＮに対する格子不整合が±０．５％以内で、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮを成長させることができるＩｎ含有量の範囲が存在することを示している。図３では、この部分を斜線で示している。
【００３４】
（第２の実施形態）
図５に、本発明の第２の実施形態としての半導体レーザーダイオード００３の断面構造を示す。この半導体レーザー００３は、ｎ−ＳＡＳ（Self-Aligned Structure with n-side confinement；ｎ側に電流閉じ込め層を有する自己整合構造）レーザーダイオードとも称される。半導体レーザー００３は、本実施例ではｎ型ＧａＮ半導体基板１である基板と、当該基板上に、発光のための活性領域を含む多層構造とを備える。当該多層構造内に、電流閉じ込め層７が設けられている。第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、第１の実施形態ではｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層６の上面上に電流閉じ込め層７が形成されているのに対し、第２の実施形態ではｎ型クラッド層２の上面上に電流閉じ込め層７が配置されていることにある。
【００３５】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の上面上に、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７が形成されている。ｎ型ＧａＮガイド層３が、層７の上面と接触し、そして、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７内のウィンドウ開口部（例えばストライプ形状のウィンドウ開口部）を介して、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２の上面と接触する。さらに、多層構造は、活性領域４、非ドープＧａＮ層５、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、およびｐ型ＧａＮコンタクト層９を備える。
【００３６】
上記示した２つの好適な実施形態は、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層が上述した位置に配置された構成である実施形態である。しかし、装置設計に応じて、ｐ型層内またはｎ型層内のあらゆる位置に、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７を配置してもよい。
【００３７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ窒化物半導体の表面上に、高晶質の抵抗性ＡｌＩｎＮ層を形成する方法である。（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ窒化物半導体の上面を有する半導体基板を、ＭＢＥ蒸着室内に配置する（図１６のステップ１）。その後、基板の温度を、適した成長温度にまで上げる（図１６のステップ２）。ＡｌＩｎＮの成長には、５５０℃〜６５０℃の範囲内の基板温度が適している。そして、ＲＦプラズマセルの手段によって、基板表面に活性窒素を供給する（図１６のステップ３）。その後、アルミニウムおよびインジウムを成長室に供給することによって、成長を開始する（図１６のステップ４）。これによって、高晶質の結晶ＡｌＩｎＮ層の成長が可能となる。
【００３８】
Journal of Applied Physics Vol. 82, p 5472（1997）には、ＰＡＭＢＥによってＧａＮを成長させるために使用される成長条件の概要が示されている。ＰＡ−ＭＢＥ法を用いて高品質のＧａＮ膜を得るためには、Ｖ／III比（Ｎ／Ｇａ比）を１（unity）よりも若干小さくする必要があるということが認められ、実証されている。言い換えれば、ガリウムの供給が過剰な条件を用いて、成長を行う必要がある。当該文献には、Ｖ／III比が変わった場合の表面形態の変化が記載されている。また、ガリウムの供給が過剰な条件下での成長面に、Ｇａ液滴が形成されることが示されている。本発明者らは、ＡｌＩｎＮを成長させる場合に、１よりも大きいＶ／III比を用いたときに最も良質の材料が得られることを立証した。これは、層内においてインジウムを適切に混合するために用いた相対的に低い成長温度を用いた結果である。ＡｌＩｎＮの成長に１よりも小さいＶ／III比を用いる場合、表面にインジウムが蓄積することによって、三次元成長および層の劣化が生じる。
【００３９】
Ｖ／III比は、基板表面における遊離しているＶ族原子（free Group V atoms）の数と、遊離しているIII族原子（free Group III atoms）の数との比率であり、「Ｖ／III原子比率」としても知られている。ＡｌＩｎＮの成長の場合、Ｖ／III比は、遊離している窒素原子の数と、遊離しているアルミニウム原子およびインジウム原子の数との比率である。
【００４０】
上述のように、本発明の成長方法において使用されるＶ／III比は、高品質の材料を得ることができるように、１よりも大きいことが好ましい。Ｖ／III比は、２よりも大きい、または、３よりも大きくてもよい。
【００４１】
したがって、本発明の利点は、例えばＧａＮのＰＡ−ＭＢＥ成長よりも極めて容易に、ウィンドウの成長条件を制御できることにある。小さいＶ／III比の使用によって結晶品質が低下するのと同様に、層の抵抗率は、成長条件におけるこれらの変化によっても影響を受ける。発明者らは、低いＶ／III比（１よりも高く１に近い数）と高いＶ／III比（約２〜３）との間で、抵抗率が１０倍増大することを発見した。したがって、デバイス内の電流閉じ込め層として適した高晶質のＡｌＩｎＮ層を形成するためには、大きいＶ／III比（例えば約２〜３またはそれ以上のＶ／III比）を用いることが好ましい。
【００４２】
（第４の実施形態）
図６には、本発明の第４の実施形態としての半導体レーザーダイオード００４の断面構造が示されている。半導体レーザーダイオード００４は、当該ダイオード００４が半導体レーザーのｎ型領域内に配置されたＡｌＩｎＮ電流ブロック層７を有する点を除き、図２および図５の半導体レーザーダイオード００２および００３にほぼ対応する。
【００４３】
図６のレーザーダイオードを製造するために、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２の上面が、一般的なプロセス方法によって形成されるリッジ形状のストライプを有する。リッジの寸法が、電流閉じ込め層内の電流開口部を規定する。ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７の厚さが、リッジストライプ形状の高さと等しい。層３は、ＧａＮ導波体であり、ｎ−ＡｌＧａＮリッジ面の上面上、および、ＡｌＩｎＮ層の上面上に形成される。それ以外は全て第２の実施形態と同様である。上述した構造は、ＡｌＩｎＮ層７の結晶成長後に得られる平坦な表面（ＡｌＩｎＮ層７およびクラッド層２のリッジストライプによって形成される）の上に形成されることが好ましい。図５の実施形態のように、クラッド層２の部分を覆うようにＡｌＩｎＮ層が階段状の表面を残して形成され、その面を覆うようにガイド層３を成長しなければならない場合に対し、上記方法が好適である。
【００４４】
（第５の実施形態）
図７は、本発明の別の実施形態の窒化物半導体垂直共振発光デバイス００５の断面構造を示す。発光デバイス００５は、基板１５、発光のための活性領域１２、および、活性領域１２の各面上に設けられた２つの分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１３および１４を備える。本発明によれば、電流閉じ込め層７は、少なくとも１つの電流開口部を有する抵抗性ＡｌＩｎＮの層であり、ＤＢＲ構造のうちの１つの中に配置されている。図７では、下方のＤＢＲ構造１４内にＡｌＩｎＮ層７が図示されているが、本発明はこれに限定されない。このようなデバイス内に本発明を用いれば、電流開口部の寸法をより一層制御すること、および、デバイスにおけるひずみを低減することによって、性能を向上させることができる。ＡｌＩｎＮ７を別の位置（例えば、上方のＤＢＲ構造１３の中、または、活性領域１２の中）に配置することも考えられる。図７では、明確にするために、装置の動作を可能にする電極を図示していない。
【００４５】
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態の半導体発光デバイス００６の断面構造を示す。半導体発光デバイス００６は、基板１５、発光のための活性領域１６、および、第１層および第３層として２つのＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７を有する。当該ＡｌｎＮ電流閉じ込め層７の各々は、少なくとも１つの電流開口部をそれぞれ備えており、当該電流開口部は、図８中にｎおよびｐと示された領域内の、活性領域１６の各側上に配置されている。当該構造は、活性領域内の電流拡散を最小限に抑え、その結果、デバイスの発光面積（light emitting area）を減少させる。これは、垂直共振器表面発光ダイオードレーザーなどの製造において一般的な技術である小型メサを使用せずに、小さい活性媒体を備えた垂直共振器表面発光ダイオードレーザーなどを製造することに役立つ。
【００４６】
図８には、互いに同じ厚さであるように見える２つのＡｌＩｎＮ層７を示すが、これは単に図面を明確にするためである。２つの電流閉じ込め層の厚さは、互いに異なっていてもよい。
【００４７】
＜実施例１＞
本実施例では、図２に示されたような窒化物半導体レーザー００２を製造する。半導体レーザー００２はＧａＮ基板１を備えており、窒化化合物半導体のレーザー構造が基板上に形成される。より具体的には、当該レーザー構造は、厚さ２μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２と、厚さ０．０２μｍのｎ型ＧａＮガイド層３と、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性領域４とを備えている。活性領域４は、３つの非ドープＩｎＧａＮ量子井戸（厚さ４ｎｍ）、および２つの非ドープＩｎＧａＮ障壁層（厚さ８ｎｍ）のＭＱＷ構造を備えており、ＭＱＷ構造の上下には、非ドープＩｎＧａＮバリア（厚さ２０ｎｍ）がある。活性領域４の上方に、非ドープＧａＮガイド層５（厚さ５０ｎｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層６（厚さ０．０２μｍ）、および厚さ０．１μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８ａがある。半導体層１〜８ａによって規定された半導体構造を１７とする。そして、半導体構造１７の上面上に、厚さ５０ｎｍであるとともにストライプ形状の（インジウム含有量が実質的に１８％である）ウィンドウ開口部を備える非ドープＡｌＩｎＮ電流ブロック層７と、厚さ０．４μｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８ｂと、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９とが設けられている。従来の処理方法およびリソグラフィー法によって、ｐ型コンタクト層９上にｐ側電極１０が形成され、ＧａＮ基板１の裏面にｎ側電極１１が形成される。
【００４８】
ＡｌＩｎＮ電流ブロック層７の製造方法を以下に示す。電流ブロック層７の下に設けられた図２の半導体構造１７は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成される。本発明の内容において、半導体構造１２の形成方法としては好適な方法を採用すればよく、本明細書ではその説明を省略する。
【００４９】
図２のＡｌＩｎＮ電流ブロック層７内にウィンドウ開口部を形成するためのマスクとして使用されるシリカ（ＳｉＯ２）ストライプの形成工程について、図９（ａ）〜図９（ｄ）を参照しながら以下に説明する。図９（ａ）は、電流ブロック層７の下に配置された図２の半導体構造１７の成長が完了した後の断面図である。
【００５０】
プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）を用いて、厚さ６５ｎｍの半導体構造１７の上面上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）膜を形成する。レジスト膜を塗布した後に露光させ、ＳｉＯ２膜を覆うようにレジストパターンが形成されるように現像される。その後、緩衝化されたフッ化水素酸溶液をエッチング液として用いると共に、レジストパターンをマスクとして用いて、ＳｉＯ２膜に選択的にウェットエッチングを施し、それによって、マスクに覆われていないＳｉＯ２の領域を除去する。その後、適した溶剤を用いてレジストパターンマスクを除去するとともに、脱イオン水中にて洗浄することによって、マスクに覆われていたためにエッチング工程において除去されなかったＳｉＯ２の領域のみを残す。当該段階において得られた半導体構造１８を図９（ｂ）に示す。残存しているＳｉＯ２は、ストライプ形状であってもよく、その場合には、ＳｉＯ２ストライプの配向は、ＧａＮの＜１〜１００＞方向に対して平行であることが好ましい（当該配向は、ｐ−ＡｌＧａＮ層を成長させるときにＭＯＣＶＤによる再成長を促す。また、レーザーデバイスの場合には、当該配向はさらに適している。これらは好適であるが、必須ではない）。図９の半導体構造１８の上面は、当該工程後は不純物を全く含まない。図１０に、ＳｉＯ２ストライプ処理後のＧａＮ層の表面を示す。図１０は、原子間力顕微鏡を用いて得られた、ＧａＮ層の表面の顕微鏡写真である。ＧａＮ表面上に原子テラス（atomic terraces）がはっきりと見える。ＳｉＯ２ストライプ面は粒状に見え、ストライプ幅は２μｍ以内である。
【００５１】
本実施例では、ストライプを生成するためにＳｉＯ２を用いる。しかし、ウェットエッチングを用いて容易に除去できる材料であるとともに、当該材料と接触する窒化物半導体面が上記工程の間に影響を受けない材料である限りは、他のあらゆる非晶質物質（例えばＳｉＮなど）を使用してもよい。
【００５２】
続いて、ＳｉＯ２ストライプを有する上記処理された半導体構造１８を、ＡｌＩｎＮ半導体層７の蒸着を実施するための分子線エピタキシシステムの成長室内に配置する。
【００５３】
基板の温度（ここで言う基板とは、処理された半導体構造１８のことを指す）を成長温度である６１０℃にまで上昇させる。その後、構造１８の上面に、活性窒素ビームを連続照射する。そして、構造１８の上面にアルミニウム原子ビームおよびインジウム原子ビームを同時に照射することによって、ＡｌＩｎＮ層のエピタキシャル成長を開始する。アルミニウム元素およびインジウム元素は、それぞれ、約２．５×１０−７ｍｂａｒの圧力、および、１．２×１０−７ｍｂａｒの圧力に相当するビームにて与えられる。約２７０ＷのＲＦ出力と２Ｔｏｒｒの窒素圧とを用いて、高周波プラズマセル内にて窒素分子を分解することによって、活性窒素ビームが供給される。蒸着されたＡｌＩｎＮ層が所望の厚さである５０ｎｍに到達したときに、アルミニウムおよびインジウムの供給を停止する。さらに１分間、活性窒素を供給し、その後、当該供給を停止する。基板１８を室温にまで冷却した後に、当該基板１８をＭＢＥ成長室から取り出す。本実施例における層内のインジウム比は０．１８であり、ＡｌＩｎＮ層の代表的な成長速度は０．１４μｍ／時である。これによって、ＧａＮ層に略格子整合しており、構造全体にひずみを生じさせないＡｌＩｎＮ層が形成される。
【００５４】
Ｘ線回折を用いてＡｌＩｎＮ層の晶質を測定した。図１１は、これらの条件を用いてＧａＮテンプレート基板上に成長された、１８％のインジウム組成（換言すれば、インジウム比が０．１８）を有するＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ層のＸ線回折スペクトルを示している（テンプレート、またはテンプレート基板とは、サファイア基板上に形成されるＧａＮ層の一般名である。このＧａＮテンプレートは市販されている）。図１１のスペクトルには、２つのピークがはっきりと見られる。相対的に強い強度のピークがＧａＮ層に対応し、他方のピークがＡｌ０．８２Ｉｎ０．１８Ｎ層に対応する。両方のピークが、同様の形状および幅を示す。これは、ＡｌＩｎＮ層の高い晶質を実証するものである。当該ＡｌＩｎＮ層の表面は、原子間力顕微鏡法によっても計測された。その結果を図１２ａに示す。ＡｌＩｎＮ層の表面は、原子テラス（atomic terraces）の存在によって実証されたように、極めて滑らかである。図１２ｂに示すように、ＳｉＯ２ストライプ膜上の表面は、粒状（grainy）である。ＳｉＯ２は、非結晶質である。したがって、ＳｉＯ２表面上のＡｌＩｎＮの成長はアモルファス（amorphous）であり、これは、ＧａＮ表面上に蒸着された結晶ＡｌＩｎＮとは対照的に、ＡｌＩｎＮ面の形態の変化によって変形する。
【００５５】
図９（ｃ）は、ＡｌＩｎＮ層７の蒸着によって得られた半導体層１９を示す。
【００５６】
次に、半導体構造１９のＡｌＩｎＮ層内に１つ以上の開口部が形成される。水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液をエッチング液として使用したウェットエッチングにより、非晶質窒化材料を容易に除去できることは周知である。当該エッチングは、窒化材料の晶質に応じて選択的である。したがって、本実施例では、ＳｉＯ２ストライプ上に形成されたＡｌＩｎＮ層７´を選択的に除去すると共に、ＡｌＩｎＮ層の結晶部分を無傷のままで残しておくために、ＫＯＨエッチング溶液が使用される。ＡｌＩｎＮ層７、７´を備えた半導体構造１９を、５分間ＫＯＨ溶液中に浸す。当該処理によって、ＳｉＯ２上のＡｌＩｎＮ層７´を除去する。その後、標準的なＨＦエッチング液を用いたウェットエッチングによって、ＳｉＯ２が除去される。ＡｌＩｎＮ結晶層、およびその下にある半導体結晶面は、ＨＦエッチングによる影響を受けない。ＳｉＯ２の除去により、大きさおよび位置に関して図９（ｂ）の半導体構造に存在するＳｉＯ２領域に対応する開口部２１が、ＡｌＩｎＮ層７に形成される。このとき、露出された半導体層の下の上面は、残される（図１２ｃ）。図１２ｃに示された、ＡｌＩｎＮ層のウィンドウ内において露出された半導体面が原子テラスを示し、リフトオフ後に、残留ＳｉＯ２または残留物を全く含有しないことは非常に重要である。当該表面に存在する何らかの残留物が、その上への再成長層の劣化の原因となり得ること、および、晶質が低い材料の原因となり得ることから、上記ステップは重要である。
【００５７】
上述したように、上記開口部２１または各開口部２１は、ストライプ形状の開口部であってもよい。この場合、上記開口部または各開口部は、２μｍ幅のストライプ形状の開口部であってもよい。
【００５８】
図９（ｄ）は、ＡｌＩｎＮ層７´およびＳｉＯ２の除去後に得られる半導体構造２０を示す。
【００５９】
その後、図９（ｄ）の半導体構造２０が、ＭＯＣＶＤ室などの結晶成長室内に配置される。このとき、本明細書中には記載されていない標準的なＭＯＣＶＤ成長条件を用いて、図２のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８ｂを０．４μｍの厚さにまで形成し、そして、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層を形成する。成長が終了したら、半導体構造を結晶成長室から取り出す。図１３は、過剰に成長したｐ−ＡｌＧａＮ構造の断面を示すものであり、図２の層８ａ、７、８ｂおよび９を含む構造の電子顕微鏡写真である。ウィンドウ開口部８ａの底部の層と、再成長したｐ−ＡｌＧａＮ層８ｂとの間の界面には、欠陥は見られない。また、層８ｂの上面は、平らである。
【００６０】
上述したように、本発明はＡｌＩｎＮ単結晶層を電流閉じ込め層として使用し、当該層を形成するときにドライエッチングを使用する必要がない。その結果、本発明は、電流閉じ込め層の上に成長される窒化物半導体の結晶構造が高密度の欠陥（defect）を有し、それによって漏れ電流が増大するという従来の問題を解決する。さらに、当該層の格子パラメータとＧａＮの格子パラメータとをほぼ格子整合させるために、ＡｌＩｎＮ層のＩｎ含有量を約１８％に保つことが好ましい。その結果、構造内のＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層によって、付加的なひずみが生じることがない。
【００６１】
続いて、ウエハの上面上にｐ電極を形成するとともに、基板の裏面にｎ電極を形成するための標準的な工程を用いて、デバイスの電極を形成した。ｐ電極は、２０μｍ×６００μｍであった。そして、電流閉じ込め開口ストライプに対して垂直な平面に沿って、レーザーダイオードウエハが割られ、６００μｍという代表的なキャビティ長を有するコーティングされていないレーザーダイオードチップが形成された。図２は、当該レーザーダイオードチップの断面図である。
【００６２】
これらの条件下にて製造されたレーザーデバイスを電気的に試験し、光出力特性を記録した。ＡｌＩｎＮ層内にそれぞれ２μｍ、４μｍ、または、６μｍの幅の電流閉じ込めウィンドウ開口部を有する３種類のデバイスを試験した。図１４の光−電流特性に示すように、３種類のデバイスの全てがレーザーを発振した。レーザー発振の開始に対応する閾値電流は、予想通り、各デバイスの内側のストライプ幅に伴って増大する。このことは、ＡｌＩｎＮ層が効果的な電流閉じ込め層として機能することを実証している。レーザーの電流開口部を変更することによって、活性領域が変化し、その結果、閾値電流が影響を受ける。ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層７を蒸着する前、および、構造の成長が完了した後に、上記レーザーダイオード構造のＸ線回折分析を実施した。電流閉じ込め層の上方に成長する層の質は、下の層の晶質と同じであることが確認された。このことは、ＡｌＩｎＮ電流閉じ込め層が高い晶質であることを実証している。
【００６３】
＜実施例２＞
本実施例は、ＡｌＩｎＮ抵抗層の成長方法を示す。まず、ＧａＮテンプレートによって構成された基板が、ＭＢＥ室内に配置される。その後、基板の温度が６１０℃にまで上げられる。当該温度に達すると、数分間、２７５ＷのＲＦ出力のＲＦプラズマ電源を用いて基板表面に活性窒素が供給される。続いて、活性窒素の供給を一定に保ちながら、ＡｌビームおよびＩｎビームを同時に与えることによって、成長が開始する。ＡｌＩｎＮ層が所望の厚さ（本実施例では５０ｎｍ）に到達したら、ＡｌおよびＩｎの供給が止められる。これらの条件下でのＡｌＩｎＮの成長速度は、１４０ｎｍ／ｈである。さらに１分間、活性窒化物の供給を続けた後に、それを止める。ホール法を用いて層の抵抗率を測定するため、または、層を通る電流電圧特性を測定するために、層に対する適したオーミック電極を形成する必要がある。バンドギャップが大きい（代表的には約３１０ｎｍ）ため、ＡｌＩｎＮに適した電極を見出すことは困難である。したがって、ＡｌＩｎＮの抵抗率を測定するために、ＡｌＩｎＮ表面上に、厚さ５００ｎｍ以下のｎ型ＧａＮ層が形成される。我々の実験では、ＡｌＩｎＮ蒸着を行った後に、分子線エピタキシを用いてｎ−ＧａＮが蒸着されるが、他の成長方法を用いてもよい。ＡｌＩｎＮ成長の最終段階では、温度が９００℃にまで上げられ、９Ｔｏｒｒの圧力にまでアンモニアガスが供給される。成長温度に到達すると、ＢＥＰ値８．５×１０−７ｍｂａｒのガリウムを加えることによって、成長が開始する。ｎ型ドーパントをＧａＮ層内に組み込むために、シリコンが同時に加えられる。成長の最終段階において、Ｓｉ：ＧａＮ層の厚さが約５００ｎｍになると、ガリウムおよびシリコンの供給が中断され、アンモニア存在下にて基板が冷却される。
【００６４】
その後、標準的な処理技術を用いて当該ウエハが処理され、アルミニウムを用いて、Ｓｉ：ＧａＮの上面上にオーミック電極が蒸着される。隣接する２つの電極間にて、電流電圧特性が測定される。そして、各電極の周りに、メサが形成される。当該メサのエッチングの深さは、ＡｌＩｎＮ層の下のｎ−ＧａＮテンプレートの表面を露出させるために、約６００ｎｍのオーダーである。さらにもう一度、隣接する２つのメサ／電極間にて、電流電圧特性が測定される。図１５ａは、メサエッチングの前後における、隣接する２つの電極からのＩＶを示す。これらＩＶ特性間の抵抗の差を利用して、ＡｌＩｎＮ層の抵抗率が算出された。これによって、５×１０４Ω．ｃｍのＡｌＩｎＮ抵抗率の値が得られる。これに対して、ｎ型窒化物層の抵抗率は、一般的に、１００Ω．ｃｍよりも低い。上記ＡｌＩｎＮ層についての測定結果が高い抵抗率を示すことから、窒化物デバイスにおける電流閉じ込め層として、または、電気絶縁層として、これらの条件下でＡｌＩｎＮを成長させることが好適であることがわかる。
【００６５】
チッ素原料とIII族原料との比が相当低い（比が１に近い）条件下にて成長されたＡｌＩｎＮ層の抵抗率についても、同じ方法を用いて測定した。ＲＦ出力が１７５Ｗであるプラズマ電源ＲＦ、および、同じＡｌおよびＩｎ分子線量を上記層に対して使用した。上記実験と比較して本実験におけるＲＦ出力を低減することによって、活性窒素の量が減少し、同じＡｌおよびＩｎ分子線を維持することによって、窒素と金属との比が低減する。これらの成長条件の結果、０．２ｎｍ以下の層に比べ、ｒｍｓ値が０．５ｎｍ以下である相対的に粗い面を有する層が得られ、そして、表面における原子テラス（atomic terraces）が消失する。図１５ｂは、メサエッチング（上記と同様の工程を行う）前後のＩＶ特性を示す。これらの条件下で成長するＡｌＩｎＮ層の算出された抵抗率は、５×１０３Ω．ｃｍ以下である。当該値は１桁小さいものであり、高い抵抗率を有するＡｌＩｎＮ層を得るためには、金属に対する窒素の比を極めて高く維持する必要がある。
【００６６】
本発明に記載されたＡｌＩｎＮ半導体層は、活性領域の発光よりも高いバンドギャップを備えることが好ましいので、光学特性が変化しない限りは、ドーピング不純物としてシリコン、酸素、マグネシウム、炭素、リンを含んでいてもよい。
【００６７】
添付の請求項にて使用される「開口部」という用語は、ＡｌＩｎＮ層内に設けられるとともに全側面がＡｌＩｎＮ層によって囲まれている開口の構成と、ＡｌＩｎＮ層の縁に設けられているとともに一部の側面がＡｌＩｎＮ層によって囲まれていない構成という両方の構成を含む。ＡｌＩｎＮ層内の開口部は、ＡｌＩｎＮ層内におけるあらゆる位置にてあらゆる形状を取ることができる。そして、いくつかの用途では、デバイス内に複数の開口部が存在する。
【００６８】
具体的な実施形態および例を用いて本発明を説明してきたが、本発明は上述した実施形態および例に限定されるものではない。例えば、あらゆる窒化物発光デバイス（すなわち、発光ダイオード、垂直共振器表面発光ダイオードデバイスなど）、および、電子デバイス（すなわち、トランジスタなど）に本発明を使用することができる。また、上述した発光デバイスの場合、活性領域は量子井戸、量子ドット、または他のいずれの発光媒体によって構成されていてもよい。本実施形態および本実施例では、III族窒化物半導体デバイスおよび電流閉じ込め層を形成するためにＭＢＥ成長法、およびＭＯＣＶＤ成長法を使用したが、他の成長法を使用してもよい。
【００６９】
更に、基板として使用できる材料は、ＧａＮに限定されず、各効果を得るために、サファイア、シリコンおよびＳｉＣなどの他の様々な材料を同様に使用してもよい。
【００７０】
当業者であれば、請求項に示した範囲で種々の変更および応用が可能であることがわかる。
【００７１】
本発明を説明してきたが、同様の方法が種々の方法によって変更されてもよいことが明らかである。当該変更は本発明の本質および範囲を逸脱するものではなく、当業者にとって周知であるそのような全ての修正が、下記請求項の範囲内に含まれる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体多層構造であって、
上記構造の第１層が、Ｉｎ含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮ層を含み、
上記ＡｌＩｎＮ層が少なくとも１つの開口部を有し、当該開口部を除いて上記ＡｌＩｎＮ層が上記多層構造の領域全体を覆うことを特徴とするIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２】
上記ＡｌＩｎＮ層が、電流閉じ込め層として機能することを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項３】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１×１０２Ω．ｃｍよりも高い抵抗率をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項４】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１×１０３Ω．ｃｍよりも高い抵抗率をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項５】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１×１０４Ω．ｃｍよりも高い抵抗率をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項６】
上記ＡｌＩｎＮ半導体層が、１０ｎｍよりも厚いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項７】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１５％〜２５％のインジウムを含有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項８】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１５％〜２０％のインジウムを含有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項９】
上記ＡｌＩｎＮ層が、略１８％のインジウムを含有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１０】
上記第１半導体層が、当該第１層の下に設けられた第２半導体層に対して格子整合していることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１１】
発光のための活性領域をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１２】
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記活性領域の上方に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１３】
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記活性領域の下方に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１４】
上記多層構造が、ｐ型クラッド層をさらに備え、
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記ｐ型クラッド層内に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１５】
上記多層構造が、ｎ型クラッド層をさらに備え、
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記ｎ型クラッド層内に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１６】
上記ＡｌＩｎＮ層内の上記開口部よりも広い幅をもつｐ電極を備えていることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１７】
半導体レーザーダイオードを構成していることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１８】
半導体発光ダイオードを構成していることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１９】
垂直共振器表面発光ダイオードを構成していることを特徴とする請求項１８に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２０】
電子デバイスを構成していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２１】
上記単結晶ＡｌＩｎＮ層が、分子線エピタキシによって形成されていることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２２】
上記単結晶ＡｌＩｎＮ層が、ケイ素、マグネシウム、炭素、酸素およびリンの少なくとも１つを含有することを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２３】
単結晶ＡｌＩｎＮ層からなる第３の層を備え、
上記第３の層であるＡｌＩｎＮ層が、少なくとも１つの開口部を備え、当該開口部を除いて上記第３の層であるＡｌＩｎＮ層が上記多層構造の領域全体を覆うことを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２４】
Ｉｎ含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮ層の成長方法であって、
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板をＭＢＥ成長室内に配置するステップと、
上記基板の温度を所望の成長温度にまで上昇させるステップと、
上記（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板の表面に活性窒素を供給するステップと、
上記成長室にＡｌおよびＩｎを供給するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
上記成長室に、１よりも大きなＶ／ＩＩＩ比にてＡｌおよびＩｎを供給するステップを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項１】
III族窒化物半導体多層構造であって、
上記構造の第１層が、Ｉｎ含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮ層を含み、
上記ＡｌＩｎＮ層が少なくとも１つの開口部を有し、当該開口部を除いて上記ＡｌＩｎＮ層が上記多層構造の領域全体を覆うことを特徴とするIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２】
上記ＡｌＩｎＮ層が、電流閉じ込め層として機能することを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項３】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１×１０２Ω．ｃｍよりも高い抵抗率をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項４】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１×１０３Ω．ｃｍよりも高い抵抗率をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項５】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１×１０４Ω．ｃｍよりも高い抵抗率をもつことを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項６】
上記ＡｌＩｎＮ半導体層が、１０ｎｍよりも厚いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項７】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１５％〜２５％のインジウムを含有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項８】
上記ＡｌＩｎＮ層が、１５％〜２０％のインジウムを含有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項９】
上記ＡｌＩｎＮ層が、略１８％のインジウムを含有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１０】
上記第１半導体層が、当該第１層の下に設けられた第２半導体層に対して格子整合していることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１１】
発光のための活性領域をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１２】
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記活性領域の上方に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１３】
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記活性領域の下方に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１４】
上記多層構造が、ｐ型クラッド層をさらに備え、
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記ｐ型クラッド層内に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１５】
上記多層構造が、ｎ型クラッド層をさらに備え、
上記ＡｌＩｎＮ層が、上記ｎ型クラッド層内に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１６】
上記ＡｌＩｎＮ層内の上記開口部よりも広い幅をもつｐ電極を備えていることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１７】
半導体レーザーダイオードを構成していることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１８】
半導体発光ダイオードを構成していることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項１９】
垂直共振器表面発光ダイオードを構成していることを特徴とする請求項１８に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２０】
電子デバイスを構成していることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２１】
上記単結晶ＡｌＩｎＮ層が、分子線エピタキシによって形成されていることを特徴とする請求項１〜２０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２２】
上記単結晶ＡｌＩｎＮ層が、ケイ素、マグネシウム、炭素、酸素およびリンの少なくとも１つを含有することを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２３】
単結晶ＡｌＩｎＮ層からなる第３の層を備え、
上記第３の層であるＡｌＩｎＮ層が、少なくとも１つの開口部を備え、当該開口部を除いて上記第３の層であるＡｌＩｎＮ層が上記多層構造の領域全体を覆うことを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体多層構造。
【請求項２４】
Ｉｎ含有量がゼロではない単結晶ＡｌＩｎＮ層の成長方法であって、
（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板をＭＢＥ成長室内に配置するステップと、
上記基板の温度を所望の成長温度にまで上昇させるステップと、
上記（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ）Ｎ基板の表面に活性窒素を供給するステップと、
上記成長室にＡｌおよびＩｎを供給するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
上記成長室に、１よりも大きなＶ／ＩＩＩ比にてＡｌおよびＩｎを供給するステップを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図９（ｄ）】
【図１０】
【図１１】
【図１２（ａ）】
【図１２（ｂ）】
【図１２（ｃ）】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９（ａ）】
【図９（ｂ）】
【図９（ｃ）】
【図９（ｄ）】
【図１０】
【図１１】
【図１２（ａ）】
【図１２（ｂ）】
【図１２（ｃ）】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１１−５０１３９８（Ｐ２０１１−５０１３９８Ａ）
【公表日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１４１７４（Ｐ２０１０−５１４１７４）
【出願日】平成２０年１０月２１日（２００８．１０．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０６９４００
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６０７３６
【国際公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２１日（２００８．１０．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０６９４００
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０６０７３６
【国際公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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