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

窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法

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JP2000021789A
JP2000021789A JP25608898A JP25608898A JP2000021789A JP 2000021789 A JP2000021789 A JP 2000021789A JP 25608898 A JP25608898 A JP 25608898A JP 25608898 A JP25608898 A JP 25608898A JP 2000021789 A JP2000021789 A JP 2000021789A
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Masayuki Ishikawa
Shinya Nunogami
Masaaki Onomura
Risa Sugiura
Masahiro Yamamoto
正明 小野村
雅裕 山本
真也 布上
理砂 杉浦
正行 石川
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Toshiba Corp
株式会社東芝
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    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING STIMULATED EMISSION
    • H01S2304/00Special growth methods for semiconductor lasers
    • H01S2304/12Pendeo epitaxial lateral overgrowth [ELOG], e.g. for growing GaN based blue laser diodes
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING STIMULATED EMISSION
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/02Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding

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MgAl2 4 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、1×108 cm-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107 cm-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、Gax
Iny Alz 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 〜107 cm-2
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1010
-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3×108 cm-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1×106 cm-2
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(Cp2 Mg)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In0.2 Ga0.8
(厚さ2nm)井戸層とIn0.05Ga0.95N(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Cp2 Mgの供給量は、200cc
とし、p型GaNコンタクト層41の成長時のCp2
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6×105 cm-2
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
2 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Ga0.8 Al0.2 N電流注入層54を成長する。

【0088】次いで、厚さ0.1μmのIn0.1 Ga
0.9 N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Ga0.8 Al0.2 N電流注入
層56、n型Ga0.8 Al0.2 N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
2 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
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In0.25Ga0.75N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In2 3 ,TiN,AlN,SiNx
WNx 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MgAl2 4 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−Al0.08Ga0.92N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−Al0.2 Ga0.8 N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,In0.2 Ga0.8 N,3nm)が
5層とそれを挟むInGaN障壁層(アンドープ,In
0.05Ga0.95N,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−Al0.2 Ga0.8
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−Al0.08Ga
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−Al0.2 Ga0.8 Nキャ
リアオーバーフロー防止層107,MQW活性層10
8,p−Al0.2 Ga0.8 Nキャリアオーバーフロー防
止層109,p−GaN導波層110,p−Al0.08
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105 cm-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−Al0.08Ga0.92Nクラッド層305、n−G
aN導波層306、n−Al0.2 Ga0.8 Nキャリアオ
ーバーフロー防止層307、SCH−MQW活性層30
8、p−Al0.2 Ga0.8 Nキャリアオーバーフロー防
止層309、p−GaN導波層310、p−Al0.08
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
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
2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105 cm
-2まで、アンドープGaN層303bより上部の多層膜
中では約103 cm-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 ,In2 3 ,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,MgAl2 4 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Inx Gay Alz
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、Inx Gay Alz 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104 cm-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 (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【請求項3】 前記窒化物系化合物半導体層は、Gax
    Iny Alz1-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。
  4. 【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。
  5. 【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。
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