JP2000021789A

JP2000021789A - 窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000021789A
Application number: JP25608898A
Authority: JP
Inventors: Risa Sugiura; 理砂杉浦; Masayuki Ishikawa; 正行石川; Shinya Nunogami; 真也布上; Masaaki Onomura; 正明小野村; Masahiro Yamamoto; 雅裕山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-01-21
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JP3930161B2

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶欠陥密度が低く、結晶性，電気的特性，
光学的特性の良好なＧａＮ系半導体層をサファイア基板
上に形成することができ、ＧａＮ系半導体を用いた半導
体素子の歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかる。【解決手段】ＧａＮ系半導体を用いた半導体発光素子
において、サファイア等の基板２０上に開口部２１ａを
有するＳｉＯ₂マスク２１を形成した後、その上にＭＯ
ＣＶＤ法等で、半導体デバイス形成のための各種窒化物
半導体層を成長する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サファイアやＳｉ
Ｃ等の基板上に窒化物系化合物半導体層を形成して作成
する半導体レーザ、発光ダイオード、又は電子デバイス
などの窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、青色から紫外域にかけての短波長
発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）用の
材料として、ＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導
体が注目されている。上記の窒化物系化合物半導体用成
長基板としてサファイア基板が最も多く用いられてお
り、その他ＳｉＣ基板やＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板等も用いら
れている。

【０００３】サファイアやＳｉＣ基板上にＧａＮをはじ
めとする窒化物系化合物半導体層を形成する方法とし
て、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が最も多く用い
られている。ＭＯＣＶＤ法によりサファイア等の基板上
にＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体層を形成
する際、単結晶の成長が可能な温度（１０００℃以上）
で直接基板上に窒化物系化合物半導体層を成長すると、
島状成長が顕著で、平坦性の良い膜は得られない。

【０００４】そこで、一般に単結晶の成長が可能な１０
００℃以上の温度で窒化物系化合物半導体層を成長する
前に、５００〜６００℃程度の低温で基板上にＡｌＮ又
はＧａＮから成るバッファ層を成長する方法が用いられ
ている。このバッファ層の挿入により、平坦性の良い窒
化物系化合物半導体層の成長が可能になった。

【０００５】しかし、高温での成長初期過程において、
成長核を中心に成長した島が形成され、これらの島が成
長合体する際に島の境界に転位，積層欠陥，チューブ状
の穴等の結晶欠陥が高密度で生成される。サファイア基
板上への窒化物系化合物半導体層の成長では約１０⁸〜
１０¹¹ｃｍ^-2もの高密度転位が生成され、これらの転位
は成長方向に伝播した貫通転位として成長層内に存在し
ている。従って、これらの貫通転位は、窒化物系短波長
半導体レーザ等の素子構造において、活性層を貫通し成
長層表面に抜けている。

【０００６】ここで、島状成長における島の合体時に導
入される転位について、図１９を参照して説明する。図
１９（ａ）に示すように、成長初期過程において、成長
核はランダムに形成される。このとき、転位の生じる位
置と生じない位置とを制御することはできない。成長が
進むと、図１９（ｂ）に示すように、島の合体により貫
通転位が生じる。成長条件により転位密度を制御するこ
とはできるが、１×１０⁸ｃｍ^-2まで減少させるのが限
界である。また、図１９（ｃ）に示すように、窒化物系
化合物半導体層の膜厚を増加しても、この貫通転位は残
る。そして、素子を作成した場合、全ての素子に１０⁸
〜１０¹¹ｃｍ^-2の転位が存在することになる。

【０００７】貫通転位の存在が窒化物系半導体素子に与
える悪影響には、以下に示すようなものがある。（１）結晶欠陥密度の高い窒化物系化合物半導体層は結
晶性が悪く、電気的特性が悪い。即ち、バックグラウン
ドのドナー（キャリア）濃度が高く、ホール易動度が小
さい。

【０００８】（２）結晶欠陥密度の高い窒化物系化合物
半導体層では、キャリアのライフタイムが短く、発光強
度が低いなど、光学的特性が劣る。（３）貫通転位の先端（貫通転位が成長層表面と交わる
点）ではピット（穴）が生成され易く、例えば数ｎｍ程
度の薄膜を成長して作成する多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）のＩｎＧａＮ系活性層を成長する過程において、ピ
ットの形成により多重量子井戸構造の秩序性に乱れが生
じ、素子の発光領域における所望の構造が損なわれ、そ
の結果成長面内において発光パターンが不均一になる。

【０００９】（４）ピットの存在により、半導体レーザ
等の素子用多層膜の表面平坦性（モフォロジ）が損なわ
れ、電極の形成等に問題が生じる。（５）通電時に電極材料がチューブ状の穴等の貫通欠陥
を介して拡散する。（６）通電時や熱処理時にＭｇ等のドーパントが、貫通
欠陥を介して故意にドーピングを行った所望の層以外の
層に拡散し、素子に悪影響を及ぼす。

【００１０】以上のような問題により、素子の初期特性
や信頼性が損なわれる。しかし、貫通転位等の結晶欠陥
密度の低減は、低温バッファ層の成長条件や高温におけ
る窒化物系化合物半導体層の成長条件の最適化や工夫な
ど、従来法を用いた範囲では解決できない。

【００１１】また、窒化物系化合物半導体の中で特にＩ
ｎＧａＡｌＮ系は、紫外光を含む短波長光源として有望
であり、注目を集めている。しかし、この材料系では、
Ａｌを含む低屈折率層が厚く成長できないため、光閉じ
込めが十分行うことができない。このため、しきい値が
高く、モードが安定しない等の問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、窒化
物系化合物半導体層を用いて作成した発光素子や電子デ
バイスでは、低温成長バッファ層等の成長技術を用いて
も、貫通転位等の高密度の結晶欠陥が生成され、これら
の結晶欠陥の存在により、素子の初期特性や信頼性の向
上が阻まれていた。

【００１３】本発明は、上記の事情を考慮して成された
もので、その目的とするところは、転位，積層欠陥，チ
ューブ状の穴等の結晶欠陥密度が低く、結晶性，電気的
特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサ
ファイア等の基板上に形成することができ、窒化物系化
合物半導体を用いた場合の製造歩留まり，初期特性，信
頼性の向上をはかり得る窒化物系半導体素子、発光素子
及びその製造方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に係る窒化物系半導体素子は、第
１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有す
るマスクと、前記マスク上に形成され、前記マスクの前
記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において複
数の転位が垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の
領域と、前記中央部以外であって前記転位から開放され
た第２の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記
半導体層上に形成された所望の素子構造とを具備するこ
とを特徴とする。

【００１５】前記所望の素子構造は、実質的に前記第２
の領域上に形成されることが望ましい。より詳細に言え
ば、所望の素子構造がＦＥＴであれば、そのソース・ド
レイン層、ゲート電極が、ダイオードであれば、そのｐ
／ｎ領域とその接合部における電流経路が、第２の領域
上に形成される。

【００１６】本発明の請求項３に係る発光素子は、第１
層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有する
マスクと、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記
複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において複数
の転位が垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領
域と、前記中央部以外であって前記転位から開放された
第２の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記窒
化物系化合物半導体層の前記第２の領域上に実質的に形
成され、電流注入層でサンドイッチされた発光層とを具
備することを特徴とする。

【００１７】上記請求項１の半導体素子あるいは請求項
３の発光素子において、前記マスクの材料は、水素，窒
素，およびアンモニアの少なくとも１つの雰囲気中にお
いて、１０００℃以上の高温で反応を生じない物質であ
ることが望ましい。

【００１８】さらに、前記第１層は、ＡｌＧａＮ，Ｉｎ
ＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添
加した材料、Ｓｉ，ＳｉＣ，サファイアおよびこれらの
積層膜のグループから選ばれた１つであることが望まし
い。

【００１９】マスクの複数の開口部は、周期的に形成さ
れていることが望ましい。

【００２０】さらに、前記マスクの前記複数の開口部
は、前記窒化物系化合物半導体層のａ軸〈１１−２０〉
と垂直方向にストライプ状に形成されることが望まし
い。

【００２１】なお、本明細書中における、例えば〈１１
−２０〉は型方向を示し、対称関係にある方向の代表と
して示されている。

【００２２】さらに、前記窒化物系化合物半導体層の前
記貫通転位の密度が、１０³乃至１０⁷ｃｍ^-2であるこ
とが望ましい。

【００２３】さらに、前記窒化物系化合物半導体層は、
前記マスクの前記複数の開口部からスタートし、前記マ
スクの表面に沿って延在する複数の転位が存在する第３
の領域を含み、前記第２の領域が前記第３の領域上に存
在することが望ましい。

【００２４】さらに、前記マスク上の窒化物系化合物半
導体層の表面は、実質的に平坦であることを特徴とす
る。

【００２５】前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇａ_x
Ｉｎ_y Ａｌ_z Ｂ_1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ
＋ｙ＋ｚ≦１）で形成されることが望ましい。

【００２６】前記マスクは、前記第１層上に、三角形お
よび六角形のいずれかの、複数の開口部および複数の非
開口部のいずれかを周期的に形成してなり、前記窒化物
系化合物半導体層は、前記マスクの前記非開口部上に形
成され垂直方向に前記貫通転位が含まれる前記第１の領
域と、前記マスクの前記開口部および前記非開口部上に
形成され、前記マスクの表面に沿って前記転位が延在す
る第３の領域と、前記第３の領域上に形成され、前記転
位から開放された前記第２の領域とを具備することがで
きる。

【００２７】前記第１層は、その表面に周期的に形成さ
れた複数の凸部を有し、前記複数の凸部の表面に前記マ
スクの非開口部が形成され、前記マスクの開口部におい
て前記窒化物系化合物半導体層と接合を形成するように
してもよい。

【００２８】前記マスクの前記複数の開口部がストライ
プ状に形成され、非開口部の幅をＷ、前記複数の開口部
の周期をｐ、前記第１層の格子定数をａｓ、前記窒化物
系化合物半導体層の格子定数をａｎとしたとき、 −１％≦ｗ／ｐ−ａｎ／ａｓ≦１％、および −１％≦（ｐ−ｗ）／ｐ−ａｎ／ａｓ≦１％のいずれかを満足することが望ましい。

【００２９】本発明の請求項１３に係る窒化物系半導体
素子の製造方法は、第１層上に複数の開口部を有するマ
スクを形成する工程と、前記マスクを形成した第１層上
に窒化物系化合物半導体層を、前記マスク上でのラテラ
ル成長を利用し、成長方向に伝播する結晶欠陥の少ない
領域を形成するように堆積する工程と、前記窒化物系化
合物半導体層上に所望の素子構造を形成する工程とを含
むことを特徴とする。前記マスクを形成する工程は、前
記窒化物系半導体素子層のａ軸〈１１−２０〉と垂直
方向にストライプ状に前記マスクの開口部を形成する工
程を含むことが望ましい。

【００３０】前記窒化物系化合物半導体層を堆積する工
程は、前記マスクの表面に沿って伝播する転位が消滅す
る厚さを有する様に堆積するステップを含むことが望ま
しい。

【００３１】前記第１層は、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，
ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材
料、Ｓｉ．ＳｉＣ、サファイアおよびこれらの積層膜の
グループから選ばれた１つであることが望ましい。

【００３２】本発明では、窒化物系化合物半導体層をサ
ファイアやＳｉＣ等の第１層（基板）、又はこれらの基
板上にＧａＮやＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層を形
成した第１層上に形成する場合、第１層上に穴や溝等の
開口部を有するマスクが形成され、このマスクが形成さ
れた第１層上に窒化物半導体層が低温バッファ層を介し
て、又は低温バッファ層無しで堆積される。成長初期過
程においては、開口部のみが埋め込まれ、開口部が埋め
込まれると、マスク上ではラテラル成長が促進される。
最低でもラテラル成長によりマスクが覆われ、平坦性の
良い薄膜が形成されるまで、あるいは断面ＴＥＭ観察で
成長面に沿った転位がなくなり、成長方向に貫通する転
位の密度が一定になるまで、成長が持続される。次に、
その上部に所望の窒化物系半導体素子を実現するための
素子構造が形成される。

【００３３】ラテラル成長の場合、図２０に示すＳＥＭ
写真のように、合体境界部のみに貫通転位が生じるが、
成長核となるマスク開口が周期的に配列されていること
から、転位の生じる位置と生じない位置とを制御するこ
とができる。そして、マスクの開口間隔を適切に選択す
ることにより、貫通転位密度を１０³〜１０⁷ｃｍ^-2に
低減することが可能となる。ラテラル成長を促進させる
ために好ましいマスクとして、窒化物系半導体層のａ軸
〈１１−２０〉と垂直方向にライン状に形成したＳｉＯ
₂マスクが一例としてあげられる。マスクの開口部の幅
は５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、又はマスク
の非開口部の幅は２μｍ以上、より好ましくは５μｍ以
上とする。

【００３４】即ち、窒化物系半導体素子の作成におい
て、所望の大きさと形状を有する開口部を設けたマスク
が第１層上に形成され、その上部に窒化物系半導体素子
のための素子構造が形成される。これにより、成長初期
のラテラル成長を利用し、素子用多層膜の結晶品質を大
幅に向上させることができ、その結果として、素子の歩
留まり，初期特性，信頼性を大幅に向上させることがで
きる。

【００３５】また、積層構造の端面より発光する窒化物
系半導体レーザの場合、貫通転位やピットの低減によ
り、しきい値電流低減，光出力増加，素子寿命，歩留ま
りの向上等の効果が得られ、窒化物系発光ダイオードの
場合、発光強度，面内発光均一性，素子安定性，歩留ま
りの向上等の効果が得られる。

【００３６】さらに、面発光型窒化物系半導体レーザの
場合、反射鏡における反射率の大幅な向上により、素子
特性が大幅に向上する。また、電子デバイスにおいても
結晶欠陥の低減により、電子走行層中の電子のモビリテ
ィが増加し、トランジスタのコンダクタンスが従来型に
比べ大幅に大きくなるなどの効果により、素子特性が大
幅に向上する。

【００３７】窒化物系系化合物半導体の結晶品質が向上
することにより、素子特性が向上する本発明による第１
の効果は、発光素子，電子デバイス等、全ての窒化物系
半導体素子において共通である。さらに、素子の特徴を
活かすようなマスク材料の選択により、レーザの共振器
における反射膜としての利用、グレーティングとしての
利用、熱放散性の良好な材料を利用すると熱特性が向上
することによる素子信頼性の向上、熱伝導性の悪い材料
を利用すると励起キャリアが増大することによる電圧低
減など、多種多様な効果が得られ、そのメリットは大で
ある。

【００３８】また、本発明では、サファイアやＳｉＣ等
の第１層上に形成する窒化物半導体素子を形成する場
合、まず第１層上又は窒化物半導体層上に三角形若しく
は六角形の開口部又は非開口部（島）を有するマスクが
周期的に形成され、このマスクを形成した第１層上に窒
化物半導体層が結晶成長される。

【００３９】結晶成長初期過程では、マスク開口部上に
垂直方向に結晶欠陥が含まれる錐状窒化物半導体結晶
（第１の窒化物半導体層）が成長され、錐状結晶の頂点
が形成されるとマスクでは横方向に結晶成長（ラテラル
成長）が促進される。このとき、錐状窒化物半導体成長
では垂直方向に貫通転位などの結晶欠陥が伸びるが、ラ
テラル成長では貫通転位等の結晶欠陥が結晶成長と共に
横方向に伸び、反対側からのラテラル成長結晶と合体し
たところで収束する。従って、ラテラル成長なしの場合
の窒化物半導体素子では格子不整などに起因し１０¹⁰ｃ
ｍ^-2以上ある転位密度が、ラテラル成長の場合３桁以上
低減できる。

【００４０】ストライプパターンによるマスクを用いた
ラテラル成長の場合、ストライプ方向には転位発生抑制
効果が得られないばかりか、発生した転位はストライプ
と垂直な一方向のみにしか逃げられない。これに対し、
六角形又は三角形パターンによるマスクの場合、横方向
に逃げる転位の自由度が３方向あるため貫通転位密度の
大きな低減効果が可能となる。

【００４１】安定なラテラル成長を行うためには、マス
クパターンの各辺の方向を、結晶成長させる窒化物半導
体の〈１−１００〉方向と平行にすることが重要であ
り、この場合に最もラテラル成長しやすい３方向に成長
が均一に進行する。窒化物半導体の〈１−１００〉方向
と９０度ずらしたマスクパターンでの窒化物半導体成長
は最も不安定で、錐状の窒化物半導体の核はできない。
即ち、窒化物半導体の結晶成長はｃ軸配向性が高いの
で、六角形や三角形のマスクパターンでは〈１−１０
０〉方向のみを最大限パターニングすることで、初期転
位の少ない錐状窒化物半導体の形成と安定したラテラル
成長が可能である。

【００４２】また、刃状転位やらせん転位は基板と窒化
物半導体の格子不整に起因するものであるので、例えば
サファイア（０００１）ｃ面と窒化ガリウムｃ面の場
合、約１６％の格子不整が生じる。この場合、不整率と
パターンの幅と周期の比を同等にすることで転位発生の
抑制が可能になる。さらに、マスクを用いたラテラル成
長を複数回行うことで転位密度を更に低減できるが、こ
の場合、マスクの周期，形状，大きさ等は下地のマスク
に揃えないことで大きな効果が得られる。

【００４３】一方、窒化物半導体中にＳｉなどの導電型
制御のための不純物が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上存在する
と、転位密度が増大する。従って、窒化物半導体層には
故意に不純物をドーピングしないことで、貫通転位密度
の少ない窒化物半導体が得られる。

【００４４】このように、六角形や三角形のマスクパタ
ーンを用いたラテラル成長を利用した上部に形成される
窒化物半導体素子においては、貫通転位などの結晶欠陥
の少ない高品質の窒化物半導体層を形成することが可能
となり、その結果として、素子の歩留まり，素子特性，
信頼性を大幅に向上できる。

【００４５】また、本発明によれば、窒化物系化合物半
導体層（例えば、ＩｎＧａＡｌＮ）の積層構造体を有す
る半導体素子において、ＩｎＧａＡｌＮ層の一部に段差
形状とマスク（例えば、ＳｉＯ₂）を部分的に作成され
ている構造を用いるが、このことは重要な意味を持つ。
これを、以下に説明する。

【００４６】前述のように従来のＧａＮ系半導体素子で
は、光閉じ込めが低く、発振しきい値が高いという問題
がある。そこで本発明のように、積層構造体の基板側に
段差形状とマスク（ＳｉＯ₂）が部分的に作成されてい
る構造を用いることが大きな意味を持つ。この構造を用
いると、例えばＡｌＧａＮは、横方向成長を起こすた
め、図２１に示すように、従来のようにクラックが入る
膜厚が厚くなる。これにより、十分厚いＡｌを含む結晶
膜が成長可能となり、モードの安定した発振しきい値の
低い半導体レーザを実現することができる。

【００４７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、本発明による素子は窒化物
系化合物半導体を用いたものであれば、発光素子でも電
子デバイスでもよい。

【００４８】（第１の実施形態）図１乃至３は、本発明
の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体素子の構造を
説明するための図で、図１および図２は断面図、図３は
斜視図である。

【００４９】本実施形態では、従来法及び本発明による
方法で、（０００１）面に平行な主面を有するサファイ
ア基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりＧ
ａＮ層を形成する場合について説明する。また、従来法
及び本発明による方法で作成したＧａＮ層の結晶特性を
比較した結果を示す。

【００５０】図１は、従来法により作成した窒化物系半
導体素子の部分的な断面図であり、製造法を以下に説明
する。

【００５１】まず、サファイア基板１０上に低温（５０
０〜６００℃）でＧａＮバッファ層１２を数十ｎｍ成長
し、その後に基板温度を１０００℃以上に昇温し、高温
でＧａＮ層１３の成長を行う。従来法によるこの材料系
の成長では、低温バッファ層１２を挿入しないで、最初
からＧａＮ単結晶の成長が可能な１０００℃以上の高温
で成長を行うと、格子不整合が約１６％と非常に大きい
ため、島状成長が顕著となり、平坦な膜が得られない。
高温で成長したＧａＮ層１３の結晶特性は、低温バッフ
ァ層１２の成長温度及び成長膜厚等に大きく依存する。
本実施例では、各パラメータの最適値を用いてレーザ用
多層膜を作成した。

【００５２】次に、サファイア基板１０上にＧａＮバッ
ファ層１２を介して、高温ＧａＮ層１３を成長する方法
についての詳細を説明する。

【００５３】まず、有機洗浄，酸洗浄によって処理され
たサファイア基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に
導入し、高周波加熱されるサセプタ上に設置した。次い
で、常圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度
１２００℃で約１０分間だけ気相エッチングを施し、表
面にできた自然酸化膜を除去した。

【００５４】次いで、サファイア基板１０上に、ＧａＮ
バッファ層１２を成長温度５５０℃で４分間、厚さ４０
ｎｍに成膜した。本実験では成長時のキャリアガスとし
て水素が２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてしアンモニア
が９．５Ｌ／分、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を２５
ｃｃ／分流した。また、バッファ層１２を成長後、基板
温度を１２分間で１１００℃に昇温し、１１００℃に到
達したらＧａＮ層１３を１時間成長し、２μｍの膜厚に
形成した。

【００５５】次いで、このようにして得られた高温成長
ＧａＮ層１３について、モフォロジ観察及びＸ線回折法
によるロッキンカーブの半値幅の測定，ホール効果測定
を行った。その結果、表面平坦性の極めて良いＧａＮ層
１３が得られたことが判明した。Ｘ線半値幅は３．２ a
rcmin 、キャリア濃度６×１０¹⁶ｃｍ^-3（ｎ型）、ホー
ル移動度５００ｃｍ²／Ｖ・sec と、従来法で作成した
ＧａＮ層としては、比較的良好な結晶特性が得られた。
また、この試料について断面から透過電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）観察を行ったところ、高温成長ＧａＮ層１３中の貫
通転位密度は約３×１０⁸ｃｍ^-2であり、従来法で作成
したＧａＮ層としては低転位密度の結晶が得られた。

【００５６】次に、本発明による方法でＧａＮ層を作成
した場合について、図２、図３を用いて説明する。図２
は、本発明による方法で作成した窒化物系半導体素子の
部分的な断面図である。以下、本素子の作成法を説明す
る。

【００５７】まず、図３に示すように、サファイア基板
２０上に、１０μｍ間隔で直径２μｍの開口部２１ａを
有するＳｉＯ₂から成るマスク２１を形成する。次い
で、このマスク２１を有するサファイア基板２０を、従
来と同様のＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、高周波
によって加熱されるサセプタ上に設置した。次いで、常
圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度１２０
０℃で約１０分間、サーマルクリ−ニングを行い、水分
や自然酸化膜を除去した。

【００５８】次いで、マスク２１を形成したサファイア
基板２０上に、ＧａＮバッファ層２２を成長温度５５０
℃で２分間成膜し、厚さ２０ｎｍに形成した。本実験で
は成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、
原料ガスとしてアンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧ（ト
リメチルガリウム）を２５ｃｃ／分流した。また、バッ
ファ層２２を成長後、基板温度が１１００℃に向けて昇
温され、ＴＭＧ供給量を１００ｃｃ／分に増加した。温
度が１１００℃に到達した後ＧａＮ層２３を１時間成長
し、２μｍの膜厚に形成した。

【００５９】次いで、このようにして得られた高温成長
ＧａＮ層２３について、モフォロジ観察及びＸ線回折法
によるロッキンカーブの半値幅の測定，ホール効果測定
を行った。その結果、表面平坦性の極めて優れたＧａＮ
層２３が得られ、Ｘ線半値幅は１．２ arcmin 、キャリ
ア濃度５×１０¹⁵ｃｍ^-3（ｎ型）、ホール移動度９００
ｃｍ²／Ｖ・sec と、従来法では得られなかった高品質
の結晶が得られた。また、この試料について断面から透
過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、高温成長
ＧａＮ層２３中の貫通転位密度は約１×１０⁶ｃｍ^-2に
低減されており、従来法で作成したＧａＮ層の貫通転位
密度の約１／１００であった。

【００６０】また、断面ＴＥＭ観察によると、貫通転位
２５はＳｉＯ₂マスク２１のほぼ中央部にのみ存在して
おり、その他の部分には殆ど結晶欠陥は無かった。これ
は、マスク２１の開口部２１ａが成長核となり、マスク
２１上ではラテラル成長が促進され、マスク２１の中央
部で各々の開口部２１ａからラテラル成長した各島が合
体し、転位が形成されるためと考えられる。

【００６１】なお、本実施形態では、低温バッファ層２
２を設け、その上部に高温成長ＧａＮ層２３を形成した
が、本発明による製造方法によれば、マスク２１に形成
する開口部２１ａの面積が本実施形態のように小さい場
合には、低温バッファ層無しでも同様の効果が得られ
る。

【００６２】このように本実施形態によれば、サファイ
ア基板２０上に開口２１ａを有するＳｉＯ₂マスク２１
を設け、マスク２１の開口２１ａを種にして低温成長Ｇ
ａＮバッファ層２２及び高温成長ＧａＮ層２３を形成す
ることにより、貫通転位をマスク２１のほぼ中央部のみ
に制限することができ、従来よりも貫通転位を低減する
ことができる。このため、結晶性，電気的特性，光学的
特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア基板
上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用い
た半導体素子の歩留まり，初期特性，信頼性の向上をは
かり得る。

【００６３】なお、本実施形態ではＭＯＣＶＤ法を用い
た場合に付いて説明したが、ハイドライドＶＰＥ法や、
分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてもよい。

【００６４】（第２の実施形態）図４は、本発明の第２
の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を
示す断面図である。

【００６５】サファイア基板３０上に、溝部３１ａを有
するＳｉＯ₂から成るマスク３１が形成され、マスク３
１の溝部３１ａにはＭＯＣＶＤ法により低温ＧａＮバッ
ファ層３２が形成されている。そして、マスク３１及び
バッファ層３２上には、ラテラル成長を利用してアンド
ープＧａＮ下地層３３が形成されている。

【００６６】ＧａＮ下地層３３上には、ｎ型ＧａＮコン
タクト層３５，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３６，ｎ側Ｇ
ａＮ光ガイド層３７，多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有
するＩｎＧａＮ系活性層３８，ｐ側ＧａＮ光ガイド層３
９，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０，ｐ型ＧａＮコンタ
クト層４１がこの順で形成されている。

【００６７】上記多層構造の一部は、ｎ型ＧａＮコンタ
クト層３５に達するまでドライエッチング法により除去
され、露出したコンタクト層３５上にｎ側電極４２が形
成されている。また、多層構造で除去されない部分のｐ
型ＧａＮコンタクト層４１上には電流狭窄のためＳｉＯ
₂膜４３が選択的に形成され、このＳｉＯ₂膜４３及び
ｐ型ＧａＮコンタクト層４１上にｐ側電極４４が形成さ
れている。

【００６８】次に、本実施形態の半導体レーザの製造方
法を順に説明する。この半導体レーザは、周知の有機金
属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により作成した。用いた原
料を以下に示す。有機金属原料として、トリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），
トリメチルインジウム（ＴＭＩ），ビスシクロペンタジ
エニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を用い、ガス原料と
して、アンモニア（ＮＨ₃），シラン（ＳｉＨ₄）を用
いた。また、キャリアガスとして水素及び窒素を用い
た。

【００６９】まず、サファイア基板３０上に、図５に示
すような５０μｍ間隔に碁盤目状に溝（開口部）３１ａ
を設けたＳｉＯ₂から成るマスク３１を形成する。次い
で、マスク３１を有機洗浄，酸洗浄によって処理した
後、このサファイア基板３０をＭＯＣＶＤ装置の反応炉
内に導入し、１２００℃，１０分間のサーマルクリ−ニ
ングを行う。

【００７０】次いで、サセプタ温度を５００℃に上昇
し、低温成長ＧａＮバッファ層３２を３分間成長する。
続いてサセプタ温度を１１００℃に昇温し、１１００℃
に到達した後キャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／
分、アンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／
分の流量でそれぞれ１時間供給する。これにより、厚さ
２μｍのアンドープＧａＮ下地層３３を形成する。この
際、まずマスク３１に形成した溝３１ａが埋め込まれ、
その後にＳｉＯ₂上でラテラル成長が促進され、成長し
た各々の島が合体し、１時間の成長後には平坦なアンド
ープＧａＮ下地層３３が形成される。

【００７１】次いで、ＳｉＨ₄ を１０ｃｃ加え、連続
してｎ型ＧａＮコンタクト層３５（厚さ４．０μｍ）を
形成した。続いて、ＴＭＡを６０ｃｃ／分の流量で加え
ることにより、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３６（厚さ
０．２５μｍ）を形成する。さらにその上に、アンドー
プＧａＮ下地層３４と同様の成長条件で、ＧａＮ光ガイ
ド層３７を形成した。

【００７２】その後、基板温度を７４０℃まで降温し、
キャリアガスを水素から窒素（流量２０．５Ｌ／分）に
切り替える。このとき、アンモニアの流量は９．５Ｌ／
分、ＴＭＧの流量は９ｃｃ／分一定とし、ＴＭＩの供給
量が１４０ｃｃ／分、３０ｃｃ／分と交互に切り替える
ことにより、ＩｎＧａＮ系活性層３８を形成した。この
ＩｎＧａＮ系活性層３８は、３対のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
（厚さ２ｎｍ）井戸層とＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（厚さ４ｎ
ｍ）障壁層から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有す
る。

【００７３】ＩｎＧａＮ系活性層３８を形成後、基板温
度を再び１１００℃に昇温する。基板温度が１１００℃
に達した後、キャリアガスを再び窒素から水素（流量２
０．５Ｌ／分）へ切り替え、ＧａＮ光ガイド層３９，ｐ
型ＡｌＧａＮ電流注入層４０（厚さ０．２５μｍ），ｐ
型ＧａＮコンタクト層４１（厚さ０．３μｍ）を、この
順で形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０成長時の
ｐ型ドーパント原料Ｃｐ₂Ｍｇの供給量は、２００ｃｃ
とし、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１の成長時のＣｐ₂Ｍ
ｇの供給量は５０ｃｃとした。ｐ型ＧａＮコンタクト層
４１の成長後、有機金属原料の供給を停止し、窒素キャ
リアガス（流量２０．５Ｌ／分）、及びアンモニア（流
量９．５Ｌ／分）のみを引き続き供給し、基板温度を自
然降温した。但し、アンモニアの供給は、基板温度が３
５０℃に達した際に停止した。

【００７４】以上の方法で作成された窒化物系半導体レ
ーザ用多層膜について、表面モフォロジの観察を行った
ところ、極めて平坦な成長層が得られていた。また、断
面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、ＭＱ
Ｗ構造を有するＩｎＧａＮ系活性層部には、穴などの存
在による乱れは見られず、急峻な界面と均一な膜厚を有
するＭＱＷ構造が作成されていることが確認できた。ま
た、多層膜中の貫通転位密度は、約６×１０⁵ｃｍ^-2と
低いものであった。

【００７５】以上の結果を、従来法によるレーザ用多層
膜の場合と比較すると、レーザ用多層膜としての結晶品
質が著しく向上していることが分かる。即ち、従来法に
よるレーザ用多層膜では、約１０¹⁰ｃｍ^-2の高密度の貫
通転位が存在し、これらの転位の存在により、ＭＱＷ構
造のＩｎＧａＮ系活性層において、ＭＱＷ構造が破壊さ
れている箇所が所々に観察される。また、従来法により
作成したレーザ用多層膜の成長表面には、小さなピット
（穴）が存在する。断面ＴＥＭ観察より、これらのピッ
ト（穴）の下部には貫通転位が存在している。これに対
し本実施形態によれば、上述の問題点を解決でき、窒化
物系半導体レーザ用多層膜の結晶品質が大幅に向上す
る。

【００７６】また、上記多層構造の一部を、ｎ型ＧａＮ
コンタクト層３５までドライエッチング法により除去
し、その上部にＴｉ／Ａｌから成るｎ側電極４２を形成
する。さらに、多層構造で除去されない部分のｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層４１上には電流狭窄のためＳｉＯ₂層４
３を選択的に形成し、このＳｉＯ₂層４３及びｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層４１上にｐ側電極４４を形成した。

【００７７】次に、上述の電極を有する半導体多層膜を
形成したウェハを、３５０μｍ×５００μｍの大きさに
劈開することにより共振器ミラーを形成し、半導体レー
ザを作成した。この半導体レーザに電流注入したとこ
ろ、波長４１７ｎｍで室温連続発振することが確認され
た。素子の動作電圧は４．５Ｖ、しきい値電流密度は
１．５ｋＡ／ｃｍ²であった。

【００７８】従来法で作成したＧａＮ系半導体レーザ
は、歩留まりが悪く、最適化した同一条件下で作成して
もレーザ発振する素子の数が４０％程度であり、またレ
ーザ発振した素子でも、寿命が短いという問題があっ
た。従来法によるレーザ素子において、レーザ発振後に
壊れた素子について分祈を行ったところ、大部分の素子
において、ｐ側電極材料がレーザ用多層膜中に拡散して
いるか、又はｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍ
ｇ）が活性層中及びｎ側電流注入層やコンタクト層中に
拡散していることが判明した。

【００７９】これに対し本実施形態では、上記問題点が
解決し、結晶品質の向上により、発振時の光出力等のレ
ーザの初期特性が大幅に向上した。加えて、レーザ発振
する素子の歩留まりが８０％以上になり、また素子寿命
も従来法の約１００〜１０００倍に延び、信頼性が大幅
に向上した。

【００８０】なお、本実施形態ではレーザについて説明
したが、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発
光ダイオードにも適用できる。本発明を適用した発光ダ
イオードでは、素子の発光均一性及び発光強度が従来法
によるものに比べ、格段に向上し、素子特性，信頼性を
より向上できる。

【００８１】（第３の実施形態）第３の実施形態では、
第２の実施形態と同様の半導体レーザを、サファイア上
にＧａＮ（２μｍ）、又はＧａＡｌＮ（０．３μｍ）／
ＧａＮ（２μｍ）を成長した基板上に形成する。

【００８２】まず、上記の基板上に１０μｍ幅のＳｉＯ
₂マスクを、ＧａＮ又はＧａＡｌＮ層のａ軸〈１１−２
０〉と垂直方向〈１−１００〉に、２μｍ間隔でストラ
イプ状に形成する。ついで、前記マスクを形成した基板
上にＭＯＣＶＤ法により、５〜５０μｍのＧａＮ層を成
長する。成長初期にＳｉＯ₂マスク上でラテラル成長が
促進され、その後、成長膜厚の増加と共に表面平坦性が
改善される。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察
によると、成長面内に伝搬した転位が減少し、成長方向
に貫通した転位密度がほぼ一定になる。

【００８３】このように平坦性が改善され、貫通転位密
度が一定になった良質な窒化物半導体層を有する基板上
に、第２の実施形態と同様の半導体レーザ用多層膜を形
成し、同様の方法により半導体レーザを作成した。上記
方法によって作成した窒化物半導体レーザも、初期特
性、歩留まり、信頼性（素子寿命）が従来の素子と比べ
大幅に向上し、第２の実施形態で示したレーザと同様
か、それ以上の特性を示した。

【００８４】なお、本実施形態ではレーザについて説明
したが、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発
光ダイオードにも適用できる。本発明を適用した発光ダ
イオードは、素子の発光均一性及び発光強度が従来法に
よるものに比べ、格段に向上し、素子特性，信頼性がよ
り向上できる。

【００８５】（第４の実施形態）図６は、本発明の第４
の実施形態に係わる面発光型半導体レーザの素子構造を
示す断面図である。

【００８６】本実施形態の半導体レーザの作成方法を、
以下に説明する。まず、サファイア基板５０上に、Ｓｉ
Ｏ₂とＴｉＯ₂から成る多層膜を蒸着により積層して作
成したマスク５１を形成する。マスク５１には、図示さ
れていないが、直径０．５μｍの開口部が５０μｍ間隔
で設けられる。

【００８７】以下のレーザ素子用多層膜の形成はＭＯＣ
ＶＤ法により作成した。マスク５１を形成したサファイ
ア基板５０上に、ＧａＮバッファ層（図示せず）が２分
間成長される。その上部にＳｉをドープしたｎ型ＧａＮ
コンタクト層５３（厚さ２μｍ）を成長する。この時、
まず開口部が埋め込まれ、その後に成長モードはラテラ
ル成長モードに移行し、平坦性の良い膜が形成される。
続いて、その上部にＳｉをドープした厚さ０．２５μｍ
のｎ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ｎ電流注入層５４を成長する。

【００８８】次いで、厚さ０．１μｍのＩｎ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ活性層５５を成長し、その上部にＭｇをドープし
た厚さ０．２５μｍのｐ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ｎ電流注入
層５６、ｎ型Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ｎ電流狭窄層５７を順次
成長する。この後、一旦ウェハをＭＯＣＶＤ装置から取
り出し、電流狭窄層５７の表面に、フォトリソグラフィ
技術を用いて部分的にエッチングする方法により、１０
μｍφの開口部を形成し、電流注入層５６を一部露出す
る。

【００８９】次いで、ウェハを再びＭＯＣＶＤ装置に導
入し、電流狭窄層５７の上にＭｇをドープしたｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層５８を成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト
層５８成長後、ウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層５８のほぼ全面にＳｉ
Ｏ₂とＴｉＯ₂から成る多層膜を蒸着により積層する。
ついで、フォトリソグラフィ技術により多層膜を所定の
形状に加工し、第１の反射鏡５９を作成する。一方、サ
ファイア基板５０上に形成されたＳｉＯ₂とＴｉＯ₂か
ら成る多層膜（マスク）５１が、第２の反射鏡となる。

【００９０】以上のように作成されたレーザ用多層膜の
一部を、ドライエッチング法により除去する。さらに、
ｎ型ＧａＮコンタクト層５３を露出させて、ｎ側電極６
０を形成する。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５８上に
も、ｐ側電極６１を形成し、図６に示すようなチップ状
のレーザ素子に分離する。

【００９１】以上のように作成した半導体レーザをヒー
トシンク上にマウントして、素子特性を調べたところ、
波長３８０ｎｍで室温連続発振が確認された。この際の
しきい値電流は９５ｍＡ、動作電圧は４．６Ｖであっ
た。

【００９２】本実施形態による面発光型半導体レーザで
は、ＳｉＯ₂とＴｉＯ₂から成る多層膜をマスク５１と
して用いることにより、窒化物系化合物半導体層の成長
初期にラテラル成長が促進され、結晶品質を大幅に向上
させる。本実施形態により得られたレーザ用多層膜中の
結晶欠陥密度は、従来法の１００分の１以下に減少し、
この結果、素子の初期特性及び信頼性が向上した。

【００９３】また、従来法ではウェハ面内で成長層、特
に電流注入層として用いるＧａＡｌＮ層において膜厚分
布が顕著であり、面発光レーザでは反射率が大幅に低減
する問題により、しきい値電流の低減が困難であった。
これに対し本実施形態では、窒化物系化合物半導体のラ
テラル成長を利用することにより上記問題を解決し、膜
厚変動が殆どなく、かつ結晶欠陥密度の低い高品質なレ
ーザ用多層膜を提供できる。しかも、成長初期にマスク
として用いたＳｉＯ₂とＴｉＯ₂から成る多層膜を反射
鏡として用いるので、反射率の高い共振器が得られ、こ
れによりしきい値電流を低減できる。

【００９４】（第５の実施形態）図７は、本発明の第５
の実施形態に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断
面図である。

【００９５】まず、ｎ型シリコン基板６０に厚さ１００
ｎｍの熱酸化ＳｉＯ₂膜６１を、熱酸化炉内で形成す
る。次いで、これにレジストを塗布し、通常の光露光法
によるパタ−ニングで、レジストマスクを形成する。こ
のレジストマスクには、２μｍの開口部を間隔５０μｍ
で格子状に作成する。続いて、フッ化アンモニウムによ
り、上記の開口部のみシリコン酸化膜６１を除去し、溝
６１ａを形成する。これにより、シリコン基板６０を露
出させた後、レジストを除去する。この基板をＭＯＣＶ
Ｄ装置内に入れ、ＳｉＯ₂膜６１が蒸発しないように、
約１０００℃で１０分間のサーマルクリ−ニングを行
う。

【００９６】次いで、厚さ２．０μｍのｎ型ＧａＮコン
タクト層６３を形成し、ＳｉＯ₂膜６１を埋め込んだ構
造を作る。このｎ型ＧａＮコンタクト層６３はＳｉＯ₂
膜６１上ではラテラル成長するため、基板がシリコンで
あっても、転位の少ない高品質の膜になる。次いで、厚
さ０．２５μｍのｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層６４、厚さ
０．１μｍのＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ活性層６５、厚さ０．
２５μｍのｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層６６、厚さ０．３
μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６７をこの順で形成す
る。

【００９７】ＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、シリコ
ン基板６０の裏面にｎ型電極６８を蒸着で形成する。ま
た、ｐ型ＧａＮコンタクト層６７の表面を光露光でパタ
−ニングし、リフトオフ法によりｐ型電極６９を設け
る。最後に、ｐ型ドーピングした層の活性化と、ｐ型，
ｎ型電極の抵抗を下げるために窒素雰囲気中でアニール
を行う。

【００９８】以上の方法で作成した発光ダイオードに通
電したところ、青緑色の強い発光が観測された。この構
造の発光ダイオードは、従来のサファイア基板やＳｉＣ
基板上に作成されたものよりも低コストで作成できる利
点がある。また、シリコン基板上に作られる多種多様の
電子デバイスと同一基板上に発光素子を設けた複合素子
にも発展できるという利点もある。

【００９９】（第６の実施形態）図８は、本発明の第６
の実施形態に係わる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レー
ザの素子構造を示す断面図である。

【０１００】まず、サファイア基板８０上にＭＯＣＶＤ
法により低温ＧａＮバッファ層８２を成長し、その上部
にアンドープＧａＮ下地層８３を成長する。続いて、ｎ
型ＧａＮコンタクト層８４，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層
８５，ｎ側ＧａＮ光ガイド層８６，多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造を有するＩｎＧａＮ系活性層８７、ｐ側ＧａＮ
光ガイド層８８，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層８９，ｐ型
ＧａＮコンタクト層９０をこの順で成長し、レーザに必
要な多層膜を形成する。

【０１０１】上記多層構造のレーザに使用しない領域
を、ｎ型ＧａＮコンタクト層８４に達するまでドライエ
ッチング法により除去した後、熱ＣＶＤ法で酸素とジシ
ランを供給ガスとして厚さ５０ｎｍのＳｉＯ₂膜９１を
形成する。次いで、適当な電子ビーム露光用レジストを
塗布し、ドライエッチングで除去した部分にのみ、４２
０ｎｍ間隔のストライプ状に、線幅５０ｎｍのパターン
を電子ビーム露光法で作成する。このレジストをマスク
にして、フッ化アンモニウムにてＳｉＯ₂膜９１をエッ
チングし、線状の溝（開口部）９１ａを有するＳｉＯ₂
マスク９１を形成する。この結果、この溝９１ａにＧａ
Ｎコンタクト層８４が露出される。

【０１０２】この後、加工中の基板を再びＭＯＣＶＤ装
置内に移し、ノンドープのＧａＮ層９２を１００ｎｍの
厚さに再成長させる。このＧａＮ層９２は予めマスクで
覆い成長を行うが、成長後にレーザ光用導波路となる。
導波路の必要でない部分を、再びドライエッチングで除
去する。ｎ型ＧａＮ層８４とｎ型ＡｌＧａＮ層８５の界
面の端部領域をエッチングし、この領域にｎ側電極９３
を、ｐ型ＧａＮ層９０の上にｐ型電極９４をそれぞれ形
成する。

【０１０３】こうして作成した半導体レーザに電流注入
したところ、４２０ｎｍの完全に単色化したレーザ光が
確認できた。ＧａＮ導波路９２の側面には、４２０ｎｍ
周期のＳｉＯ₂のストライプマスク９１が存在するた
め、導波路内に入った４２０ｎｍ以外の波長を持った光
は反射を繰り返していくうちに減衰していく。このた
め、上記の単色化したレーザー光が得られる。導波路は
ラテラル成長を利用して作ったＧａＮであるので、転位
などの欠陥が少ない高品質の層になっている。

【０１０４】なお、レーザ用多層膜を成長する前に、４
２０ｎｍ周期のＳｉＯ₂ストライプを形成しておけば、
同様の方法で活性層の下に周期４２０ｎｍの回折格子を
持つ分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを作成することも可能
である。

【０１０５】以上、上記第１乃至第５の実施形態では、
ラテラル成長を促進させるために用いるマスク材料とし
て、主にＳｉＯ₂やＴｉＯ₂を用いた場合について説明
したが、ＳｉＯ₂，ＴｉＯ₂の他に、窒化物系化合物半
導体の成長温度である１０００℃以上の温度で耐久性を
有する（反応しない）材料であれば、同様の効果が得ら
れ、例としてＩｎ₂Ｏ₃，ＴｉＮ，ＡｌＮ，ＳｉＮ_x，
ＷＮ_x等が挙げられる。また、１０００℃以上の高温で
耐久性を有するものであれば、タングステン等の金属材
料を用いてもよい。

【０１０６】金属材料等の放熱性の良い材料をマスク材
料として用いることにより、結晶品質の向上による素子
特性の向上以外に、以下の点でも大きな効果が得られ
る。高電流注入や高電圧を必要とする半導体素子の場合
には、素子温度の上昇により素子信頼性が低下する問題
は深刻である。このような素子の場合、放熱性の良い金
属材料をラテラル成長を促進させるためのマスクとして
用いることにより、信頼性が大幅に向上する。

【０１０７】また、熱伝導性の悪い材料をマスクとして
用いるメリットもある。例えば、励起されるキャリアが
少ないことが問題であるような素子の場合、マスク材料
として熱伝導性の悪いものを用いることにより、故意に
温度を上昇させ、キャリアの励起を促進させることによ
り、素子電圧を低減するなどの効果がある。

【０１０８】以上のように、素子の特徴を活かしたマス
ク材料の選択により、結晶特性の向上により素子特性が
向上する効果のみならず、多種多様な効果が得られる。

【０１０９】また、上記実施形態では成長基板として、
サファイア，Ｓｉ基板を例に挙げたが、この他にＳｉＣ
やＭｇＡｌ₂Ｏ₄等の基板を用いることもできる。

【０１１０】さらに、本発明は窒化物系化合物半導体を
用いた発光素子のみならず、電子デバイスにも応用でき
る。特に電子デバイスにおいては、貫通転位等の結晶欠
陥密度の低減による結晶性の向上により、キャリアの移
動度が大幅に増加する等、電気的特性が向上し、素子特
性が向上する。

【０１１１】（第７の実施形態）図９、図１０は本発明
の第７の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザを説明
するための図で、図９は素子構造断面図、図１０はマス
クパターンの平面図である。

【０１１２】図９において、１０１はサファイア基板、
１０２はマスクとしてのＳｉＯ₂層（０．３μｍ）、１
０３はアンドープＧａＮ層（３μｍ）、１０４はｎ−Ｇ
ａＮコンタクト層（Ｓｉドープ，５×１０¹⁸ｃｍ^-3，３
μｍ）、１０５はｎ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層
（Ｓｉドープ，１×１０¹⁸ｃｍ^-3，０．８μｍ）、１０
６はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ，０．１μｍ）、１
０７はｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアオーバーフロー
防止層（Ｓｉドープ，１×１０¹⁸ｃｍ^-3，２０ｎｍ）、
１０８は活性層である。活性層１０８は、ＩｎＧａＮ量
子井戸（アンドープ，Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ，３ｎｍ）が
５層とそれを挟むＩｎＧａＮ障壁層（アンドープ，Ｉｎ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎ，６ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣ
Ｈ−ＭＱＷ）となっている。

【０１１３】さらに、１０９はｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
キャリアオーバーフロー防止層（Ｍｇドープ，１×１０
¹⁸ｃｍ^-3，２０ｎｍ）、１１０はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍ
ｇドープ，０．１μｍ）、１１１はｐ−Ａｌ_0.08Ｇａ
_0.02Ｎクラッド層（Ｍｇドープ，１×１０¹⁸ｃｍ^-3，
０．８μｍ）、１１２はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇ
ドープ，１×１０¹⁸ｃｍ^-3，０．８μｍ）、１１３はＰ
ｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）
／Ａｕ（１μｍ）構造のｐ側電極、１１４はＡｌ／Ｔｉ
／Ａｕ構造のｎ側電極、１１５はＳｉＯ₂絶縁膜であ
る。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面
（紙面に平行）にはＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂を多層に積層し
た高反射コートが施されている。

【０１１４】図９で示す構造の製造方法は、以下の通り
である。まず、サファイア基板１０１上に、図１０
（ａ）に示すように、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ₂層１
０２に六角形に開口したマスクを形成する。このＳｉＯ
₂マスクの周期及び大きさの比は、サファイア基板１０
１とアンドープＧａＮ１０３の格子不整率の１％以下と
し、各辺はアンドープＧａＮ１０３の〈１−１００〉方
向に平行になるように形成した。

【０１１５】次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温
して、基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ₂マスク１
０２のアニーリングを兼ねた熱処理を施す。その後、温
度を５００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアン
モニアガスとキャリアガスを供給した周知のＭＯＣＶＤ
法により、３分間ＧａＮを成長する。続いて、温度を１
１００℃に昇温し、１時間アンドープＧａＮ層１０３を
成長する。この過程においては、まずマスク開口部にＧ
ａＮが５００℃では無秩序に成長し、１１００℃に昇温
することで六角錐状のＧａＮが形成される。続いて、３
方向にラテラル成長が進行し、１時間後には平坦なアン
ドープＧａＮ層１０３が形成される。

【０１１６】より詳細に述べれば、マスク開口部に露出
するサファイア基板１０１の表面からスタートした転位
は、マスク１０２の表面に沿って横方向に伝播し、マス
クの各遮光部の中央部分で、反対方向から伝播した転位
と合体して、貫通転位を形成する。ＧａＮ層１０３が成
長するに伴い、貫通転位は上に伸びるが、横方向に形成
される転位は、次第に少なくなり、ある厚さ以上の領域
には、貫通転位以外の転位が存在しなくなる。換言すれ
ば、ＧａＮ層１０３の一定厚さ以上の領域には、マスク
１０２の遮光部上であっても、転位が存在する領域と、
転位が存在しない領域とが共存する。

【０１１７】また、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ₂層１０
２中には、水素基を持つＳｉの不完全生成物が乱雑に存
在する。このため、窒化物半導体の結晶成長温度より高
い温度でアニーリングを行わないと、窒化物半導体成長
に必要なアンモニアガスによりＳｉＮ_ｘ層を核とした窒
化物半導体がＳｉＯ₂層１０２上にも不規則に成長して
しまう。

【０１１８】次いで、大気暴露をせずに、ｎ−ＧａＮコ
ンタクト層１０４，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０５，
ｎ−ＧａＮ導波層１０６，ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャ
リアオーバーフロー防止層１０７，ＭＱＷ活性層１０
８，ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアオーバーフロー防
止層１０９，ｐ−ＧａＮ導波層１１０，ｐ−Ａｌ_0.08Ｇ
ａ_0.02Ｎクラッド層１１１，ｐ−ＧａＮコンタクト層１
１２を順次形成する。

【０１１９】次いで、上記多層構造の一部をｎ型ＧａＮ
コンタクト層１０４の表面までドライエッチング法によ
り除去し、メサを形成し、露出したｎ型ＧａＮコンタク
ト層１０４の表面にｎ側電極１１４を形成する。また、
メサの頂上部であるｐ型ＧａＮコンタクト層１１２には
ストライプ状のｐ側電極１１３を形成する。この場合、
露出した窒化物半導体層の表面はＳｉＯ₂層１１５で覆
われている。

【０１２０】以上の方法で作成された窒化物系半導体レ
ーザ用多層膜について、表面モフォロジーの観察を行っ
たところ、極めて平坦な成長層が得られていた。また、
断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、急
峻な界面と平坦で均一な膜厚を有するＭＱＷ構造が作成
されていることが確認できた。また、多層膜中の貫通転
位密度は約１０⁵ｃｍ^-2と低いものであった。

【０１２１】次に、上述の半導体多層膜を形成したウェ
ハを、共振器長が２５０μｍになるようにチップ化し、
半導体レーザを作成した。これらの半導体レーザに電流
注入を行ったところ、波長４１５〜４１７ｎｍで室温連
続発振が確認された。素子の動作電圧は４．８Ｖ±０．
３Ｖ、しきい値電流密度は１．５〜１．８ｋＡ／ｃｍ²
であった。さらに、ウェハ内の９７％以上の素子で１０
０００時間以上の室温連続発振が確認された。一方、ラ
テラル成長を行わないで同一の半導体レーザを作成した
ところ、多層膜中の貫通転位密度は１０¹¹ｃｍ^-2程度と
高く、素子の動作電圧は６．２Ｖ±１．５Ｖ、しきい値
電流密度は２〜５ｋＡ／ｃｍ²とばらつきが大きく、ま
た室温連続発振動作は５００時間以内であった。

【０１２２】このように本実施形態は、サファイア基板
１０１上に六角形の開口パターンを有するＳｉＯ₂マス
ク１０２を形成し、このマスク上にＧａＮ層１０３をラ
テラル成長を利用して形成することにより、貫通転位等
の欠陥の少ない高品質のＧａＮ層１０３を形成すること
ができる。従って、発振時の光出力等のレーザの初期特
性が大幅に向上するのみならず、信頼性の向上及び歩留
まりの向上を図ることができる。

【０１２３】なお、本実施形態では、図１０（ａ）で示
した六角形の開口パターンを有するＳｉＯ₂マスク１０
２を用いたが、図１０（ｂ）で示す三角形の開口パター
ンを有するマスクを用いた場合でも同様の効果を得るこ
とができた。さらに、図１０（ａ）で示した六角形パタ
ーンをＳｉＯ₂の島として用いた場合、同様に図１０
（ｂ）で示した三角形パターンをＳｉＯ₂の島として用
いた場合でも、同様の効果が得られた。

【０１２４】（第８の実施形態）図１１は、本発明の第
８の実施形態に係わる窒化物半導体レーザの素子構造を
示す断面図である。なお、図１１中の３０１〜３１５は
図９中の１０１〜１１５に相当している。

【０１２５】サファイア基板３０１上には、第１のマス
クとして厚さ０．３μｍのＳｉＯ₂層３０２ａが形成さ
れ、その上に厚さ３μｍのアンドープＧａＮ層３０３ａ
が形成されている。ＧａＮ層３０３ａ上には、第２のマ
スクとして厚さ０．３μｍののＳｉＯ₂層３０２ｂが形
成され、その上に厚さ３μｍのアンドープＧａＮ層３０
３ｂが形成されている。

【０１２６】そして、ＧａＮ層３０３ｂ上には、先の第
７の実施形態と同様に、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０
４、ｎ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎクラッド層３０５、ｎ−Ｇ
ａＮ導波層３０６、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアオ
ーバーフロー防止層３０７、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３０
８、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアオーバーフロー防
止層３０９、ｐ−ＧａＮ導波層３１０、ｐ−Ａｌ_0.08Ｇ
ａ_0.02Ｎクラッド層３１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層３
１２、ｐ側電極３１３、ｎ側電極３１４、ＳｉＯ₂絶縁
膜３１５が形成されている。

【０１２７】本実施形態が先の第７の実施形態と異なる
点は、ＳｉＯ₂マスクを利用したラテラル成長を２回行
うことである。従って、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４
以降の形成過程の説明は省略し、相違点の製造工程のみ
を説明する。

【０１２８】まず、サファイア基板３０１上に、図１１
に示すように、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ₂層３０２ａ
に六角形に開口したマスクを形成する。このＳｉＯ₂マ
スク３０２ａの周期、大きさの比は、第７の実施形態と
同様に、サファイア基板３０１とアンドープＧａＮ３０
３ａの格子不整率の１％以下とし、各辺はアンドープＧ
ａＮ３０３ａの〈１−１００〉方向に平行になるように
形成した。

【０１２９】次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温
して基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ₂マスク３０
２ａのアニーリングを兼ねた熱処理を施した。その後、
温度を５００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びア
ンモニアガスとキャリアガスを供給した周知のＭＯＣＶ
Ｄ法により３分間ＧａＮを成長する。続いて、温度を１
１００℃に昇温し、１時間アンドープＧａＮ層３０３ａ
を成長する。

【０１３０】次いで、再度ＳｉＯ₂膜３０２ｂをＣＶＤ
法で形成し、アンドープＧａＮ３０３ａの〈１−１０
０〉方向と平行に、幅３μｍ，周期２０μｍのストライ
プマスクを形成する。次いで、窒素雰囲気で１２００℃
まで昇温して、基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ₂
マスク３０２ｂのアニーリングを兼ねた熱処理を施す。
その後、温度を１１００℃まで降温し、トリメチルガリ
ウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給し、１時
間アンドープＧａＮ層３０３ｂを成長する。

【０１３１】次いで、大気に暴露すること無しに、ｎ−
ＧａＮコンタクト層３０４以降を形成し、半導体レーザ
を作成する。この場合、レーザ共振器の長手方向をＳｉ
Ｏ₂マスク３０２ｂのストライプと平行にすることによ
り、共振器内に貫通転位が発生する確率は大幅に減り、
素子特性を向上させることができる。

【０１３２】以上の方法で作成された窒化物系半導体レ
ーザ用多層膜のＴＥＭ観察を行ったところ、貫通転位密
度は、アンドープＧａＮ層３０３ａの中で約１０⁵ｃｍ
^-2まで、アンドープＧａＮ層３０３ｂより上部の多層膜
中では約１０³ｃｍ^-2まで低減できた。

【０１３３】次に、上述の電極を有する半導体多層膜を
形成したウェハを、共振器長が２５０μｍになるように
チップ化し、半導体レーザを作成した。これらの半導体
レーザに電流注入をしたところ、波長４１５〜４１７ｎ
ｍで室温連続発振が確認された。素子の動作電圧は４．
８Ｖ±０．２Ｖ、しきい値電流密度は１．５〜１．６ｋ
Ａ／ｃｍ²であった。さらに、ウェハ内の９９％以上の
素子で１５０００時間以上の室温連続発振が確認され
た。

【０１３４】このように本実施形態では、２回のラテラ
ル成長によって第７の実施形態よりも更なる貫通転位の
低減をはかることができ、発振時の光出力等のレーザの
初期特性が大幅に向上するのみならず、信頼性の向上及
び歩留まりの向上を図ることが可能となる。

【０１３５】なお、本実施形態では、図１０（ａ）に示
した六角形の開口パターンを有するＳｉＯ₂マスクを用
いたが、この他にも図１０（ｂ）で示す三角形の開口パ
ターン、更には六角形の島状パターン、三角形の島状パ
ターンのいずれかを組み合わせて用いてもよく、最下層
のＳｉＯ₂マスク（３０２ａ）が六角形又は三角形パタ
ーンであればよい。また、本実施形態では２回のラテラ
ル成長を施したが、より多くのラテラル成長を繰り返す
ことで貫通転位密度が更に低減できることはいうまでも
ない。

【０１３６】以上、第７及び第８の実施形態では、ラテ
ラル成長を促進させるために用いるマスク材料として、
主にＳｉＯ₂を用いた場合について説明したが、この他
に窒化物系半導体の成長温度である１０００℃以上の温
度で耐久性を有する材料であれば、同様の効果が得られ
る。例として、ＴｉＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＴｉＮ，Ｓｉ
Ｎ，ＷＮｘ等があげられる。また、１０００℃以上の高
温で耐久性を有するものであれば、タングステン等の金
属材料を用いてもよい。また、実施形態では成長基板と
してサファイア基板を例に挙げたが、この他に、Ｓｉ，
ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄等の基板を用いること
もできる。

【０１３７】また、本発明は窒化物系半導体レーザのみ
ならず、発光ダイオード，受光素子，電子デバイスにも
応用でき、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減による結晶
性の向上により、特に高印加電圧が必要な受光素子にお
いては、貫通転位低減による転位の挙動が抑制され信頼
性が向上する。特に、電子デバイスにおいてはキャリア
移動度が大幅に増加することにより、素子特性及び信頼
性が向上する。

【０１３８】（第９の実施形態）図１２は、本発明の第
９の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造
を示す断面図である。

【０１３９】図１２において５１１はサファイア基板で
あり、この基板５１１上にはｎ型ＧａＮバッファ層５１
２が形成されている。ＧａＮバッファ層５１２上にはＳ
ｉＯ₂マスク５１０がストライプ状に形成され、このマ
スク５１０を用いてバッファ層５１２は所定の深さまで
エッチングされている。ＧａＮバッファ層５１２及びＳ
ｉＯ₂マスク５１０上にはｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５
１３がラテラル成長を利用して平坦に形成され、その上
には、アンドープＧａＮ光ガイド層５１４、ＩｎＧａＮ
／ＩｎＧａＮからなる量子井戸層５１５、ｐ型ＧａＮ光
ガイド層５１６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１７が形
成されている。

【０１４０】また、上記の積層構造体は、表面側からク
ラッド層５１３に達するまで一部除去され、露出したク
ラッド層５１３上にはｎ側電極５１９が形成されてい
る。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１７上には、低抵抗ｐ
型ＧａＮコンタクト層５１８を介してｐ側電極５２０が
形成されている。これらの電極５１９，５２０はそれぞ
れ３μｍ幅に狭窄されている。

【０１４１】ここで、各層の結晶成長にはＭＯＣＶＤを
使用している。また、階段構造を有するＧａＮ（５１
２）／ＡｌＧａＮ（５１３）のヘテロ接合を作るため
に、ｎ型ＧａＮ層５１２の成長後にマスクとなるＳｉＯ
₂がスパッタで形成されており、その後に一つの幅が２
μｍになるようにレジストを用いてパターニングを行っ
た。このとき、ｎ型ＧａＮ層５１２の一部もエッチング
を行う。その後、通常の結晶成長を行った。なお、本実
施形態では基板側をｎ型としたが、これとは逆に基板側
がｐ型の場合にも適用できる。この場合、ｐ型ＧａＮ層
上にＳｉＯ₂等のマスク材料を形成することになる。

【０１４２】本実施形態の構成では、段差構造を有する
ヘテロ接合の一部にＳｉＯ₂マスクを形成し、その上に
ラテラル成長を利用して結晶成長させることにより、ク
ラックの発生を招くことなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド
層５１３を厚く形成することができ、クラツド層５１３
から漏れる光はなくなる。このため、光の電磁波分布は
活性層を中心に広がることになり、光閉じ込めは大きく
改善される。従って、モードが安定した発振しきい値の
低い半導体レーザが得られる。ちなみに、本実施例の構
造の半導体レーザのしきい値は、１ｋＡ／ｃｍ²であ
り、従来の１／５以下に小さくすることができた。（第１０の実施形態）第１０の実施形態では、ストライ
プ状のＳｉＯ₂マスクを形成する方向を変化させ、ラテ
ラル成長特性を調べた結果を示す。ＧａＮの成長は有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により行った。図１３
（ａ）は、サファイア基板上にＧａＮ層を約２．５μｍ
成長し、その上に幅約１．５μｍのストライプ状ＳｉＯ
₂マスクを約３μｍ間隔でサファイア基板の〈１１−２
１〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に形成
した場合の例である。

【０１４３】また、図１３（ｂ）は、サファイア基板上
にＧａＮを約２．５μｍ成長した前記と同様な基板上に
幅約１．５μｍのストライプ状ＳｉＯ₂マスクを約３μ
ｍで間隔で、図１３（ａ）とは９０°異なる方向、すな
わちサファイア基板の〈１−１００〉方向、またはＧａ
Ｎの〈１１−２０〉方向に形成した場合の例である。図
１３（ａ），（ｂ）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によ
り試料を断面から観察したものである。

【０１４４】図１３（ａ）では、ＳｉＯ₂マスクが存在
しない部分では、下地層の情報を受け継いでＧａＮの成
長が進行し、ＳｉＯ₂マスクが存在する部分では、マス
クの両端からラテラル成長が促進され、マスク中央部で
ＧａＮ層が合体し、さらに成長が進むとＧａＮ層が平坦
化される。

【０１４５】一方、図１３（ｂ）では、ＳｉＯ₂マスク
が存在しない部分では成長が進行し、断面が三角形の尾
根上の島がＳｉＯ₂マスクのストライプと平行に形成さ
れるが、マスクが存在する部分では成長が進行しない。

【０１４６】以上の結果から、ＭＯＣＶＤ法ではストラ
イプ状マスクをサファイア基板の〈１１−２０〉方向、
すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に形成することが
望ましいことがわかる。図１４、図１５にラテラル成長
促進されるサファイア基板の〈１−２０〉方向、すなわ
ちＧａＮの〈１−１００〉方向に、ＳｉＯ₂ストライプ
状マスクを形成した試料の断面透過電子顕微鏡像を示
す。サファイア基板とＧａＮ層との界面で発生した貫通
転位は、マスクが存在しない部分では成長方向に貫通
し、膜厚を増加させても転位密度は増加しない。

【０１４７】一方、マスクが存在する部分では、マスク
の下部に存在した貫通転位はマスクの存在によりブロッ
クされ、その上部への伝播が抑制される。ただし、マス
ク両端からＧａＮのラテラル成長が進行し、通常マスク
中央部でこれらが合体し、貫通転位が生成される。

【０１４８】さらに、マスク周辺部に存在する貫通転位
もマスクの存在により伝播方向が成長方向からこれに垂
直な成長面内へと曲げられる。従って、ラテラル成長の
初期には成長面に沿って伝播する転位が多く存在する
が、２μｍ程度ＧａＮ層を成長させることにより、成長
面に沿って伝播する転位の密度は大幅に低減でき、成長
方向に伝播する貫通転位のみが存在するようになる。

【０１４９】すなわち、貫通転位はマスクから離れた部
分では従来どおり成長方向に伝播するが、マスク上から
その周辺部にかけては転位密度を大幅に低減できる。上
記から、ラテラル成長が促進され平坦なＧａＮ膜が得ら
れるマスクの形成方向を選択し、更にマスクの大面積化
を図ること、またマスクのストライプ間の間隔を狭くす
ることにより、貫通転位密度を大幅に低減できる。（第１１の実施形態）第１１の実施形態では、ＳｉＯ₂
等のマスクを形成する下地基板としてＧａＮを用いた場
合、およびＡｌＧａＮを用いた場合について、ラテラル
成長特性を調べ比較した結果を示す。ＧａＮの成長は前
記実施形態と同様に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法
によって行った。

【０１５０】図１６は、サファイア基板上にＧａＮ層を
約２μｍ成長し、その上に幅約２μｍのストライプ状Ｓ
ｉＯ₂マスクをストライプ間隔約３μｍで形成したもの
を成長基板とした例を示す。図１７は、サファイア基板
上にＧａＮを約２μｍ成長した後、ＡｌＧａＮを約２μ
ｍ成長し、その上に幅約３μｍのストライプ状マスク
を、ストライプ間隔約３μｍで形成したものを成長基板
とした例である。

【０１５１】ＳｉＯ₂マスクのストライプの方向は、第
１０の実施形態で示したように、ＭＯＣＶＤ法において
ラテラル成長が促進され易いサファイア基板の〈１１−
２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向とす
る。

【０１５２】図１６、図１７は、走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）により試料を断面から観察したものである。図１
６、図１７に示すように、どちらの基板上でも、ＳｉＯ
₂マスクが存在しない部分では下地層の情報を受け継い
でＧａＮの成長が進行し、ＳｉＯ₂マスクが存在する部
分では、そのマスク上でラテラル成長が促進され、表面
平坦性のよいＧａＮ層が得られた。

【０１５３】しかしながら、図１６に示すように、Ｇａ
Ｎ／サファイアの積層構造上にＳｉＯ₂マスクを有する
場合は、マスク上にボイドが見られ、またマスク片側の
下部には、所々にクラックが見られる。このクラックは
熱膨張係数差等に起因する歪により生成されたものと思
われる。

【０１５４】一方、図１７に示すように、ＡｌＧａＮ／
ＧａＮ／サファイアの積層構造上にＳｉＯ₂マスクを有
する場合には、マスク上にボイドは観察されず、ラテラ
ル成長により、ＧａＮ層できれいに埋められている。ま
たマスクの下部にクラックも生じない。このように、Ｓ
ｉＯ₂等のマスクを形成し、その上にＧａＮ層のラテラ
ル成長を行う場合に用いる基板の表面にＡｌＧａＮを用
いることで、ラテラル成長特性がより改善されることが
明らかになった。

【０１５５】上記の第１０および第１１の実施形態よ
り、ストライプ状マスクはサファイア基板の〈１１−２
０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向と平行
に形成することが望ましく、マスク（非開口部）の幅は
最低１μｍ以上、好ましくは３μｍ以上、更に好ましく
は１０μｍ以上とし、マスクの間隔（開口部の幅）は１
０μｍ以下、好ましくは２μｍ以下であることが望まし
い。

【０１５６】また、ラテラル成長を生じさせるためのマ
スクを形成する基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ
基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＧａＮ基
板等のバルクの他、前記バルク上にＩｎ_xＧａ_yＡｌ_z
Ｂ_1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）を形成した基板
が好ましい。中でもＳｉＯ₂等のマスクを形成する最表
面がＧａＮ，より好ましくはＡｌＧａＮであるとラテラ
ル成長により得られた膜の品質が良い。特に、ＡｌＧａ
Ｎが下地の場合は、ボイドやクラックが生じない。上記
の下地層としては、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，
ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、およ
びこれらの積層膜が好ましいといえる。また、マスクを
形成した基板上に成長する膜は、ＧａＮであることが最
も望ましいが、Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_zＢ_1-x-y-z Ｎ（０
≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）であってもよい。例えば、マスクを
形成したＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上にＡｌ
ＧａＮをラテラル成長させてもよい。（第１２の実施形態）第１２の実施形態では、ＧａＮ／
サファイア基板、およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイ
ア基板上に、第１０の実施形態で示したサファイア基板
の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１０
０〉方向に幅１２μｍのＳｉＯ₂マスクを２μｍ間隔で
形成し、その上にＧａＮ層を約１０μｍ成長させた基板
を用いて、その上部に窒化物系青色半導体レーザを形成
する。

【０１５７】また、基板の違いによる半導体レーザの特
性を比較した。ＭＯＣＶＤ法による窒化物系半導体レー
ザ用多層膜の形成方法、および素子の作成方法は、第１
１の実施形態と同様である。本実施形態では、ＩｎＧａ
Ｎ系多重量子井戸（ＭＱＷ）の井戸数は２とする。

【０１５８】レーザー素子を作成した結果、ＧａＮ／サ
ファイア基板上に作製した素子に比べ、ＡｌＧａＮ／Ｇ
ａＮ／サファイア基板上に作製した素子の方が、高い歩
留まりが得られることが判明した。ＧａＮ／サファイア
基板を用いた場合には、素子作製プロセス中に試料に割
れが生じる場合がある。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイ
ア基板を用いた場合には、前記のような試料の割れは生
じないため、歩留まりが非常に良い。ただし、透過電子
顕微鏡による転位密度の評価では、ＧａＮ／サファイア
基板を用いると、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板
を用いた場合とでは、転位密度に大きな差はなく、どち
らの試料でも１０⁴ｃｍ^-2台であった。次にレーザー特
性の評価を行った。前記のどちらの試料でも室温連続発
振が確認された。ＧａＮ／サファイア基板を用いた試料
では、閾値電流密度は約２．３ｋＡｃｍ^-2、動作電圧は
約４．８Ｖであった。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サフ
ァイア基板を用いた試料では、閾値電流密度は約１．８
ｋＡｃｍ^-2、動作電圧は約３．８Ｖであった。

【０１５９】次に、室温連続発振を継続し、素子寿命を
調査した。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合では、
５０００時間程度連続動作を継続したあたりから、素子
の動作電圧が徐々に上昇する傾向が見られ、素子寿命は
８０００時間であった。これに対し、ＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎ／サファイア基板を用いたレーザー素子では、９００
０時間程度連続動作を継続したあたりから、同様な素子
の動作電圧のが上昇が見られたが、約１５０００時間の
素子寿命が得られた。

【０１６０】ＧａＮ／サファイア基板と、ＡｌＧａＮ／
ＧａＮ／サファイア基板の、どちらを使用した素子にお
いても、従来の窒化物系半導体レーザーに比べれば、歩
留まり、初期特性、信頼性共に大幅な改善が見られる。
ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合では、第１１の実
施形態で示したように、マスク上にボイドが形成された
り、マスク下部にクラックが生じるのに対し、ＡｌＧａ
Ｎ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、そのよ
うな問題はない。これにより、歩留まり、初期特性、信
頼性が改善されたものと考えられる。（第１３の実施形態）第１３の実施形態は、ラテラル成
長方向に素子構造を形成する例を示す。

【０１６１】図１８は、第１３の実施形態に係る半導体
レーザーの断面図である。先ず、サファイア基板７０１
上にＧａＮ層７０２、ＡｌＧａＮ層７０３が積層された
基板７００上に、ＳｉＯ₂マスク７０４を形成する。次
に、マスク７０４の開口部より、ＭＯＣＶＤ法によりＧ
ａＮ層７０５を成長させる。

【０１６２】ＧａＮ層７０５が、垂直方向に図示の高さ
まで成長した後、Ｖ族、III族の原料組成比を変え、か
つラテラル方向のみに成長する成長条件の下に、成長を
継続させることにより、マスク７０４上にラテラル方向
に積層された素子構造を得ることができる。

【０１６３】より詳細には、中央のＧａＮ層７０５に近
い方から、ｎ−ＧａＮコンタクト層７０６、ｎ−ＡｌＧ
ａＮクラッド層７０７、ｎ−ＧａＮガイド層７０８、Ｍ
ＱＷ７０９、ｐ−ＧａＮガイド層７１０、ｐ−ＡｌＧａ
Ｎ層７１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層７１２からなるレ
ーザー素子である。

【０１６４】窒化物系半導体レーザーでは、共振器端面
を形成する際、従来はへき開やドライエッチング法を用
いていたが、材料が硬いことや、サファイア基板等を用
いた場合は、基板と成長層との面方位が異なることなど
の理由により、レーザーの共振器の作製が困難で、平坦
性の良いミラー面が得られ難い問題があった。しかし、
本実施形態のように作製したレーザー素子では、成長に
より自然に得られた平坦性の極めて優れた面をそのまま
共振器端面として利用できるため、レーザの共振器端面
における反射ロスを大幅に低減できるメリットがある。

【０１６５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、開
口部を設けたマスクを基板上に形成し、その上部に窒化
物系化合物半導体層を形成することによって、転位，積
層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥密度が低く、結晶
性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半
導体層をサファイア等の基板上に形成することができ、
窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子の歩留まり，
初期特性，信頼性の向上をはかることが可能となる。さ
らに、上記に加えてマスクのパターンを六角形や三角形
に規定することにより、貫通転位などの結晶欠陥をより
少なくすることが可能となる。

【０１６６】また、ＩｎＧａＡｌＮ層の一部に段差形状
とマスクを部分的に作成した構造を用いることにより、
クラックの発生を招くことなく、十分厚いＡｌを含む窒
化物系半導体層の結晶成長可能となり、これによりモー
ドの安定した発振しきい値の低い半導体レーザを実現す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来法により作成した窒化物系半導体素子の素
子構造を示す断面図。

【図２】発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体
素子の素子構造を示す断面図。

【図３】第１の実施形態に使用したマスクの開口部配置
を示す斜視図。

【図４】本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導
体レーザの素子構造を示す断面図。

【図５】第２の実施形態に使用した碁盤目状の溝（開口
部）を有するマスクを示す斜視図。

【図６】本発明の第４の実施形態に係わる窒化物系面発
光型レーザの素子構造を示す断面図。

【図７】本発明の第５の実施形態に係わる窒化物系発光
ダイオードの素子構造を示す断面図。

【図８】本発明の第６の実施形態に係わる窒化物系ＤＢ
Ｒレーザの素子構造を示す断面図。

【図９】本発明の第７の実施形態に係わる窒化物系半導
体レーザの素子構造を示す断面図。

【図１０】第７の実施形態に使用したマスクパターンの
例を示す平面図。

【図１１】本発明の第８の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザの素子構造を示す断面図。

【図１２】本発明の第９の実施形態に係る窒化物系半導
体レーザの素子構造を示す断面図。

【図１３】本発明の第１０の実施形態に係る窒化物系半
導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ）はストライプ
状のマスクをサファイア基板の〈１１−２０〉方向に形
成した場合、（ｂ）はこれと９０度異なる方向に形成し
た場合の写真。

【図１４】図１３（ａ）に示したサンプルの断面ＴＥＭ
写真。

【図１５】図１３（ｂ）に示したサンプルの断面ＴＥＭ
写真。

【図１６】本発明の第１１の実施形態に係る窒化物系半
導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ），（ｂ）はい
ずれもＧａＮ／サファイア基板上にＳｉＯ₂マスクを形
成した場合の写真。

【図１７】本発明の第１１の実施形態に係る窒化物系半
導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、ＡｌＧａＮ/ ＧａＮ
／サファイア基板上にＳｉＯ₂マスクを形成した場合の
写真。

【図１８】本発明の第１３の実施例に係る窒化物系半導
体レーザーの断面図。

【図１９】島状成長における島の合体時に導入される転
位の様子を示す模式図。

【図２０】ラテラル成長により合体境界部に生じる貫通
転位上のピット、ボイド、クラックを示す顕微鏡写真。

【図２１】本発明と従来法とのＡｌＧａＮ膜において、
Ａｌの含有量とクラックフリー膜厚の関係を示す特性
図。

【符号の説明】

２０，３０…サファイア基板２１，３１…ＳｉＯ₂マスク２１ａ，３１ａ…溝部（開口部）２２，３２…低温成長ＧａＮバッファ層２３，３３…高温成長ＧａＮ下地層２５…貫通転位３６…ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３７…ｎ側ＧａＮ光ガイド層３８…ＭＱＷ構造を有するＩｎＧａＮ系活性層３９…ｐ側ＧａＮ光ガイド層４０…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４１…ｐ型ＧａＮコンタクト層４２…ｎ側電極４３…ＳｉＯ₂膜４４…ｐ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者布上真也神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者小野村正明神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者山本雅裕神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5F041 AA41 AA43 CA40 CA65 CA73 CA74 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AB19 AB32 AC01 AC08 AC12 AD09 AD10 AD15 AF02 AF03 AF09 AF13 AF20 BB12 BB16 CA10 CA12 DA53 DA55 DB01 DC51 EB15 EK03 5F073 AA45 AA51 AA55 AA65 AA74 AB17 CA07 CB04 CB05 CB07 CB14 DA05 DA07 DA16 DA24 EA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスク
と、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口
部の隣接する２つのほぼ中央部において複数の転位が垂
直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記
中央部以外であって前記転位から開放された第２の領域
とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記半導体層上に形成された所望の素子構造と、を具備
することを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項２】第１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスク
と、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口
部の隣接する２つのほぼ中央部において複数の転位が垂
直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記
中央部以外であって前記転位から開放された第２の領域
とを含む窒化物系化合物半導体層と前記窒化物系化合物
半導体層の前記第２の領域上に実質的に形成され、前記
発光層は電流注入層でサンドイッチされている発光層
と、を具備することを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項３】前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇａ_x
Ｉｎ_y Ａｌ_zＢ_1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ
＋ｙ＋ｚ≦１）で形成されることを特徴とする請求項１
に記載の窒化物系半導体素子あるいは請求項２に記載の
窒化物系発光素子。
【請求項４】前記マスクは、前記第１層上に、三角形
および六角形のいずれかの、複数の開口部および複数の
非開口部のいずれかを周期的に形成してなり、前記窒化物系化合物半導体層は、前記マスクの前記非開
口部上に形成され垂直方向に前記貫通転位が含まれる前
記第１の領域と、前記マスクの前記開口部および前記非開口部上に形成さ
れ、前記マスクの表面に沿って前記転位が延在する第３
の領域と、前記第３の領域上に形成され、前記転位から開放された
前記第２の領域と、を具備することを特徴とする請求項
１に記載の窒化物系半導体素子あるいは請求項２に記載
の窒化物系発光素子。
【請求項５】第１層上に複数の開口部を有するマスク
を形成する工程と、前記マスクを形成した第１層上に窒化物系化合物半導体
層を、前記マスク上でのラテラル成長を利用し、マスク
の表面に垂直な方向に伝播する結晶欠陥の少ない領域を
形成するように堆積する工程と、前記窒化物系化合物半導体層上に所望の素子構造を形成
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。