JP2000174343A

JP2000174343A - 窒化物半導体の製造方法及び発光素子

Info

Publication number: JP2000174343A
Application number: JP18460299A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Tsuda; 有三津田; Daisuke Hanaoka; 大介花岡; Morichika Yano; 盛規矢野
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2000-06-23
Anticipated expiration: 2019-06-30
Also published as: JP4255168B2

Abstract

(57)【要約】【課題】異種基板を用いて単結晶を合成させる際、基
板との格子定数差からくる歪み及び熱歪みの低減と基板
と該結晶との界面から発生する貫通転位等の欠陥を減少
させ、結晶性のよい結晶を得る必要がある。【解決手段】成長抑制効果のある物質からなるマスク
パターンと窒化物半導体膜を交互に積層せさ、かつ各々
のマスクパターンのストライプ方向は異ならせることで
基板との格子定数差による歪み及び熱歪みが低減され、
かつ基板と窒化物半導体膜との界面から発生する貫通転
位等の欠陥の少ない結晶が得られる。特に、高効率の窒
化ガリウム系発光素子作製に有効な手段である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体の製
造方法及びその方法で作製した発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は短波
長用発光素子や高温高速動作の電子素子に応用されてい
る。このような半導体素子を実現する上で、素子を作製
するための下地となる結晶層または基板の特性は重要で
ある。従来まではサファイアやＳｉＣを代用基板とし
て、その上に形成したＧａＮ層をこれらの素子構造の下
地として適用してきた。

【０００３】しかしながら、このようにして形成された
ＧａＮ結晶には１０⁹〜１０¹⁰ｃｍ^- ²台の結晶欠陥が生
じる。また、ＧａＮ層の厚みが１０μｍを越える場合に
は、ＧａＮ層の結晶割れや格子歪が大きくなる問題もあ
った。

【０００４】上記問題の内、結晶割れや格子欠陥低減に
関する解決策として、図８に第５８回応用物理学会学術
講演会予稿集２ｐ−Ｑ−１４，Ｎｏ．１（１９９７）ｐ
２６５に報告されている第１の従来例を示す。図８にお
いて、５００はサファイア基板、５０１はＳｉＯ₂マス
ク、５０２はＳｉＯ₂に設けられた開口部、５０３はＭ
ＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）で成長されたＧａＮ
膜である。本実施の形態に於いては、開口部から結晶成
長が開始されるようなＳｉＯ₂パターンによる成長抑制
効果（選択成長性）を用いたことにより、ＳｉＯ₂直上
のＧａＮ膜５０４に於いてのみ、欠陥密度１０⁵〜１０⁶
ｃｍ^-2が得られており、ＳｉＯ₂パターンを用いない結
晶よりも４桁程度欠陥密度が低減された。

【０００５】また、図９は、第５８回応用物理学会学術
講演会講演予稿集２ｐ−Ｑ−１５，Ｎｏ．１（１９９
７）ｐ２６６に報告された第２の従来例である。図９に
おいて、６００はサファイア基板、６０１はＭＯＶＰＥ
法で成長したＧａＮ膜、６０２はＳｉＯ₂マスク、６０
３はＳｉＯ₂マスク開口部、６０４はＨＶＰＥ法（ハイ
ドライド気相成長法）で成長したＧａＮ膜である。本実
施の形態においてもＨＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜６０
４の表面付近において、欠陥密度６×１０⁷ｃｍ^-2が得
られており、従来得られていた結晶よりも３桁程度欠陥
密度が低減された。このような、従来例に示されたＧａ
Ｎ単結晶膜をＧａＮ系半導体デバイスの成長用基板とし
て用いることによって、電子デバイスの高性能化が期待
された。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のＳｉＯ₂マスク
上への気相成長技術を適用することにより１０⁵〜１０⁷
ｃｍ^-2程度への結晶欠陥の低減が図れたが、上述の従来
例によって得られたＧａＮ単結晶の品質は未だ信頼性の
充分高い半導体レーザやＬＥＤ、さらにはＦＥＴのよう
な電子素子を得るためには充分でなかった。すなわち、
上記のいずれの従来例においても、ＳｉＯ₂マスク５０
１、６０２のストライプに垂直な方向の格子歪みは低減
されるが、ストライプに平行方向では格子歪みは、Ｓｉ
Ｏ₂マスクを使用しない場合とほぼ同等の格子歪みが残
存する。このような一方向に特定された格子歪みを有す
るＧａＮ層には異方性を有する格子歪みがＧａＮ層に残
存する。

【０００７】さらに、半導体レーザの充分な信頼性を確
保するには、ＧａＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板
と同様の欠陥密度である１０⁴ｃｍ^-2台、さらに望まし
くは１×１０⁴ｃｍ^-2以下の結晶欠陥密度が必要となる
が、従来技術で作製したＧａＮ厚膜層では高々１０⁵ｃ
ｍ^-2と結晶欠陥が多いことがもう一つの課題であった。

【０００８】このような、格子歪みおよび多くの結晶欠
陥を有するＧａＮ層上に作製した発光素子の信頼性は低
く、例えば半導体レーザ素子の場合には室温での３ｍＷ
出力条件下での連続発振で９００時間程度の寿命しか確
認できなかった。

【０００９】また、ＧａＮ層を５０μｍ厚程度に厚く成
長させ、その後サファイア基板を裏面より取り去ったＧ
ａＮ基板においても、上記の異方性を有する格子歪みや
１０ ⁵ｃｍ^-2台の結晶欠陥の残存に関しては緩和される
ものではなく、上述のＧａＮ層と同様に問題であった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上方に、
成長抑制効果を有する物質からなる第ｎ（ただし、ｎは
１以上の正数）のマスクパターンと第ｎのマスクパター
ンを覆うように窒化物半導体膜とを形成する工程を第ｎ
工程とし、第ｎ工程によって形成された窒化物半導体膜
上に成長抑制効果を有する物質からなる第ｎ＋１のマス
クパターンと第ｎ＋１のマスクパターンを覆うように窒
化物半導体膜とを形成する工程を第ｎ＋１工程と有する
ことを特徴とする。例えば、第１工程によって作製され
た第１のマスクパターン上に第１層目の窒化物半導体膜
を形成し、さらに第２工程となる第２のマスクパターン
と第２層目の窒化物半導体膜を第１工程と同様に形成す
る。これら一連の工程を第ｎ工程まで順次実施すること
によって、各工程の窒化物半導体膜中の結晶歪み（基板
と窒化物半導体結晶との間の格子定数差、または熱膨張
係数差による歪み）が低減され、さらには、基板界面か
ら発生する転位が成長結晶表面に出現しなくなる。本発
明ではｎは１以上の整数としていることから、上記工程
を少なくとも第２工程以上形成することを特徴としてい
る。

【００１１】本発明は、第ｎ工程によって形成された第
ｎのマスクパターンと第ｎ＋１工程によって形成された
第ｎ＋１のマスクパターンが互いにねじれの関係にある
ことからなる。マスクパターン直上を覆う窒化物半導体
膜結晶は選択成長性により該マスクパターン上には直接
成長しにくく、該マスクパターンの開口部から該マスク
パターンのストライプ方向に対して垂直方向にラテラル
成長して形成される。

【００１２】従って、第ｎ＋１のマスクパターンのスト
ライプ方向に対して垂直方向に成長した第ｎ＋１のマス
クパターン上部分の窒化物半導体膜は、第ｎ＋１のマス
クパターンとの原子間結合が非常に弱いので格子歪みを
生じないが、ストライプ方向に平行方向では第ｎ工程以
下の下地層からの格子歪みが第ｎ＋１のマスクパターン
上部分の窒化物半導体膜に引き継がれる。熱歪みに対し
ても同様である。

【００１３】上記発明は、互いのマスクパターンがねじ
れの関係位置にある事により、下地層からの歪みの影響
を一方向のみではなく、多種の方向で歪みによる影響を
解消させることができる。上記歪みの緩和は転位の一つ
であるエッジディスロケーションの発生を抑制する効果
がある。

【００１４】本発明は、第ｎのマスクパターンの方向と
第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互いに１
２０度の角度差を持つことに関する。窒化物半導体は主
にウルツァイト構造を有することから、等価な方向が３
種類ある。これら３種の方向は、互いに１２０度の角度
差を持つ。上記工程によって作製されたマスクパターン
の方向を互いに１２０度の角度で形成することによっ
て、これらのマスクパターンは互いに等価な選択特性を
有し、等価な歪み緩和作用で歪みを解消できる。

【００１５】本発明は、第ｎのマスクパターンのストラ
イプ方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向
が互いに９０度の角度差を持つことに関する。上記請求
項４とは対照的にこれらのマスクパターンのストライプ
方向は互いに等価ではなく、上記のような等価な選択性
や等価な歪み緩和作用を期待できない。しかしながら、
マスクパターンのストライプ方向が互いに９０度である
ために、歪み緩和による効果は大きい。

【００１６】本発明は、第ｎのマスクパターンのストラ
イプ幅が第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ幅≧第
ｎのマスクパターンのストライプ幅の関係であることに
関する。

【００１７】本発明は、上記工程数が増えるにつれて
（ｎが大きくなるにつれて）マスクパターンのストライ
プ幅が大きくなることで、各工程によって作製された窒
化物半導体膜は結晶積層方向に向けて基板から発生した
貫通転位密度を減少させることができる。本発明に係わ
るマスクパターンはＳｉＯ₂又はＳｉＮ_xで形成するため
成長抑制効果は十分である。

【００１８】本発明は、マスクパターンのストライプ方
向が窒化物半導体結晶の＜１−１００＞または＜１１−
２０＞方向であることに関する。マスクパターンのスト
ライプ方向を＜１−１００＞に形成した場合、特にＭＯ
ＶＰＥ法によって形成された窒化物半導体膜はこのスト
ライプ方向に対して垂直な＜１１−２０＞方向に沿って
大きくラテラル成長するため、薄膜積層で該マスクパタ
ーンを窒化物半導体膜で埋没させることが可能である。
また、成長条件によっては、貫通転位が該マスクパター
ン上には殆ど現れないという特徴も持っている。これら
の特徴から選択成長（ラテラル成長）において＜１−１
００＞ストライプ方向は非常に重要な方向である。

【００１９】マスクパターンのストライプ方向が＜１１
−２０＞の場合、窒化物半導体結晶のラテラル成長は＜
１−１００＞方向に沿って成長する。ただし、＜１−１
００＞ストライプ方向に比べてラテラル成長速度は遅
い。また、マスク開口部から侵入してきた貫通転位はマ
スク部の方向に折れ曲がり、該マスクの中央部で会合し
て再び結晶成長方向に向かって伸びていく。これは、マ
スクパターンのストライプ方向が＜１−１００＞方向の
場合と比べて、マスク上部にも多くの貫通転位が発生す
る。しかしながら、該マスク直上で新たな転位が発生す
るのではなく、マスク開口部から侵入してきた貫通転位
が拡散したためであり、結果的には＜１−１００＞方向
と同じ、貫通転位密度の低減効果がある。本発明は、マ
スクパターンのストライプ方向を＜１−１００＞もしく
は＜１１−２０＞方向に選ぶことにより、ラテラル成長
を促進させて該マスクパターンを効率よく埋め、貫通転
位密度の低減と歪み緩和の効果を実現する。

【００２０】本発明は、前記第１のマスクパターン、第
２のマスクパターン、第３のマスクパターンのストライ
プ方向は、窒化物半導体結晶の［１−１００］、［１０
−１０］、［０１−１０］方向の組み合わせからなるこ
とに関する。第１工程から第３工程での１つのマスクパ
ターンのストライプ方向を＜１−１００＞とし、他のマ
スクパターンのストライプ方向を＜１−１００＞方向か
ら１２０°角度差をもつように形成することで、窒化物
半導体において、等価な歪み緩和作用を有するととも
に、歪みをラテラル成長を促進させてマスクパターンを
効率よく埋めるので、貫通転位密度の低減と歪み緩和の
効果を最大限に生じさせることができる。

【００２１】本発明は、第ｎ工程によって積層された窒
化物半導体膜結晶がＡｌ_xＩｎ_yＧａ _zＮで（ｘ＋ｙ＋ｚ
＝１；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）あること
からなることに関する。上記結晶は成長速度の異方性
（ラテラル成長）から本成長方法に適した材料である。

【００２２】本発明は、第ｎ工程によって積層された窒
化物半導体膜、あるいは、窒化物半導体層上に積層する
窒化物半導体膜は５μｍ以上の膜厚であることに関す
る。基板から発生した貫通転位はマスク部で遮断され、
マスクの開口部からはそのまま成長させた窒化物半導体
膜に侵入する。しかし、５μｍ以上の窒化物半導体膜を
堆積させることによって、マスクパターンをＧａＮ膜で
覆うともに、遮蔽しきれなかった貫通転位を堆積膜厚に
よって低減することができる。

【００２３】本発明は、上記窒化物物半導体の製造方法
を用いて、基板を含む窒化物半導体構造を形成し、前記
窒化物半導体構造から少なくとも前記基板を除去するこ
とによって、少なくとも窒化物半導体構造の一部を窒化
物半導体基板とすることに関する。従来技術ではデバイ
ス生産に適した大きさと表面モフォロジーの良好性を有
する窒化物半導体基板供給が困難であったが、上記製造
方法により、簡易な手法でデバイス生産の要求を満足す
る窒化物半導体基板を供給することが可能となる。ま
た、上記工程による結晶成長方法は、貫通転位密度の低
減の他に歪みの緩和効果がある。この歪みは基板と窒化
物半導体結晶間の格子定数差以外に熱膨張係数差による
要因がある。例えば、サファイア基板上に直接、厚膜窒
化物半導体を結晶成長した場合、その熱膨張係数差によ
り結晶成長終了による降温工程でクラックが発生してし
まい、約２０μｍ程度でクラックが発生することが知ら
れている。しかしながら、本発明による上記結晶成長方
法を使用することにより、クラックを発生させずにサフ
ァイア基板上に厚膜窒化物半導体膜を形成することが可
能である。

【００２４】本発明は、上記結晶成長方法を用いて第ｎ
＋１工程まで実施したとき、第１のマスクパターンから
第ｎ＋１のマスクパターンが全体として基板を覆うこと
に関する。上記の方法を実施することによって、基板も
しくは基板上に結晶成長した窒化物半導体膜直上に形成
された第１のマスクパターンの開口部より発生した転位
は、第ｎ工程によって作製されたｎ個のマスクパターン
の内、何れかのマスクパターンによって遮蔽される。こ
のことにより、第ｎ＋１のマスクパターン上の窒化物半
導体膜の最終表面に到達する貫通転位密度は極めて減少
する。

【００２５】本発明の窒化物半導体の製造方法は、前記
第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率（マスク幅
／ピッチ）が、それぞれ、２０％から８０％であること
を特徴とする。

【００２６】本発明は、上記結晶成長方法を用いて作製
された第ｎ工程後の窒化物半導体層、あるいは、第ｎ工
程後の窒化物半導体層上に積層する窒化物半導体膜上に
形成された光を発する活性層を有する発光素子に関す
る。上記結晶成長方法により格子歪みや結晶欠陥の少な
い光を発する活性層を有する発光素子が可能になり、発
光効率や信頼性の点で極めて優れたものが形成される。

【００２７】

【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕図１（ａ）を参
照して、本実施の形態１の結晶成長方法を説明する。図
１（ａ）は、形成される窒化物半導体の断面図を示して
いる。

【００２８】先ず、所定の成長炉内に設置された、Ｃ面
を表面とするサファイア基板１００上にトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用い
て、ＧａＮ層１０１を２μｍ厚成長させる。

【００２９】次いで、第１のマスクパターンを形成する
ため、ＧａＮ層１０１上に成長抑制物質からなる膜とし
てスパッタ法にて厚さ１００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成し
た。ＳｉＯ₂膜の形成方法としてスパッタ法に限定され
なくて、他の方法例えば、ＣＶＤ法、ＥＢ蒸着法、真空
蒸着法でもよい。また、成長抑制物質としては、ＳｉＯ
₂以外にＡｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物やＳｉＮ_xでもよ
い。次いで、通常のフォトレジスト法によりＳｉＯ₂膜
をストライプ幅（ｗ）７μｍ、ピッチ（ｄ）１０μｍの
周期的ストライプ状の第１のマスクパターン１０２とし
た。図１（ｂ）に形成される窒化物半導体の上面図を示
す。図１（ｂ）に示すように、ストライプの方向はＧａ
Ｎ結晶の［１−１００］方向とした。

【００３０】次に、第１のマスクパターン付き基板を用
いて、ＭＯＶＰＥ法で第１層目のＧａＮ膜１０４を成長
する。所定の成長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用いて、成長温度１０
５０℃で厚さ５μｍの第１層目のＧａＮ膜１０４を成長
させ、第１工程を完了した。第１層目のＧａＮ膜１０４
は第１のマスクパターンの開口部１０５から成長を始
め、基板表面に対して垂直方向より水平方向、特にＧａ
Ｎ結晶に対して＜１１−２０＞方向に成長速度が早いと
いう異方性により、ほぼサファイア基板全面に渡って平
滑に成長した。

【００３１】マスクパターンのストライプ方向に対して
垂直方向に成長したマスクパターン上部分の第１層目の
ＧａＮ膜１０４はマスクパターンとの間の原子間結合は
非常に弱い（マスクからエピタキシャル成長していな
い）ので格子歪みを生じないが、しかし、ストライプ方
向に対して平行方向ではＧａＮ層１０１がサファイア基
板との格子定数差で格子歪みが残存しており、第１層目
のＧａＮ膜１０４にも格子歪みが引き継がれる。このよ
うな第１工程のみでは格子歪みや貫通転位密度が十分に
緩和されておらず、これらが内在する第１層目のＧａＮ
膜１０４上に半導体レーザを形成したところ、室温連続
発振は９００時間程度であった。この発振寿命値は、生
産デバイスとしての信頼性を満足するものではなかっ
た。

【００３２】また、熱歪み（クラック）に関しても上記
と同様に、マスクパターンの直上ではＧａＮ結晶とマス
クパターンとが原子間結合が非常に小さく、下地層（サ
ファイア基板）からの熱歪みによる影響を受け難いが、
マスクパターンの開口上部のＧａＮ結晶は下地層（サフ
ァイア基板）からの熱歪みの影響を強く受けている。

【００３３】第１層目のＧａＮ膜１０４の貫通転位密度
は第１のマスクパターン直上では約１０⁴〜１０⁵ｃｍ^-2
のオーダーであったが、マスク開口部直上は約１０⁷〜
１０⁸ｃｍ^-2のオーダーであった。従来例ではこのよう
な場所を避けてレーザ素子を形成していたが、信頼性お
よび歩留まりの点で不十分となった。

【００３４】次いで、第１層目のＧａＮ膜１０４表面に
ＳｉＯ₂からなる第２のマスクパターン１０６を形成し
た。この第２のマスクパターン１０６の形成では、第１
のマスクパターン１０２と同様の方法により形成した１
００ｎｍ厚のＳｉＯ₂膜に通常のフォトリソグラフィと
エッチングを施し、ストライプ幅８μｍ、ピッチ１０μ
ｍの周期的なＳｉＯ₂からなる第２のマスクパターン１
０６とした。また、第２のマスクパターン１０６のスト
ライプ方向をウェハー上方より観察した状態で、第１の
マスクパターンのストライプと１２０゜の角度をなすよ
うにＧａＮ結晶の［０１−１０］方向になるようにし
た。この時の半導体素子の上面図を図２に示す。図２は
説明上、透視されたときのマスクパターンを表してい
る。

【００３５】また、第２のマスクパターン１０６のスト
ライプ幅は、下地となるＧａＮ結晶表面を第１のマスク
パターン１０２より広く覆うように、第１のマスクパタ
ーン１０２のストライプ幅より１μｍ広く作製した。

【００３６】続いて、この第２のマスクパターン１０６
が表面に形成された第１層目のＧａＮ膜１０４上にＭＯ
ＣＶＤ法にて第２層目のＧａＮ膜１０７を基板全面に成
長させ、第２工程を終了した。この時の成長条件として
は、基板温度１０５０℃とし、成長用材料としてはＴＭ
ＧとＮＨ₃を利用した。第２層目のＧａＮ膜１０７の層
厚は約５μｍとした。このようにして、形成された第２
層目のＧａＮ膜１０７は第２のマスクパターン１０６上
方を含めウェハー全面にわたって均一に成長し、その表
面はほぼ平坦となった。この状態の第２のマスクパター
ンと平行な方向のａ−ａ’断面図を図３（ａ）に、第１
のマスクパターンと平行な方向のｂ−ｂ’断面図を図３
（ｂ）に示す。ただし、ｂ−ｂ’断面は第１のマスクパ
ターン１０２の欠如部の断面であり、図３（ｂ）には第
１のマスクパターン１０２は観測できない。

【００３７】この第２工程において成長された第２層目
のＧａＮ膜１０７において、第１工程の場合と同様に、
第２のマスクパターン１０６のストライプ方向に垂直な
方向での格子歪は、第２のマスクパターンが存在しない
場合に比べて低減される。一方、第２のマスクパターン
のストライプ方向に平行な方向の格子歪は、下地の第１
層目のＧａＮ膜１０４と同様程度となった。ここで、第
１層目のＧａＮ膜１０４は、第１のマスクパターン１０
２の垂直方向への格子歪は第１工程においてすでに低減
されているため、第２層目のＧａＮ膜１０７において
は、結果として、第１のマスクパターンのストライプに
垂直な方向と、第２のマスクパターンのストライプに垂
直な方向の２方向において格子歪が緩和されたこととな
った。

【００３８】また、第２工程で作製した第２層目のＧａ
Ｎ膜１０７の貫通転位密度は、第１と第２のマスクパタ
ーンの直上部分１０８では約１０³ｃｍ^-2のオーダーに
減少し、極めて結晶性が向上した。また、第１のマスク
パターンの開口部から成長した第２層目のＧａＮ膜の局
部の貫通転位密度は、第２のマスクパターン１０６によ
るラテラル成長で約１０⁵ｃｍ^-2のオーダーであった。
また、第１のマスクパターン直上のＧａＮ膜の局部１１
０の貫通転位密度は、約１０⁴ｃｍ^-2のオーダーであっ
た。

【００３９】さらに、第３工程として、第２層目のＧａ
Ｎ膜１０７上に第１、第２工程と同様の周期ストライプ
状マスクを利用したＧａＮ結晶の成長を実施した。ま
ず、第２層目のＧａＮ膜１０７表面に第１工程と同様の
方法により１００ｎｍ厚のＳｉＯ₂膜を形成し、通常の
フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を利用して、
幅８μｍ、周期１０μｍの周期ストライプ状に加工し、
第３のマスクパターン１１１とした。この第３のマスク
パターン１１１のストライプ方向は、第１および第２の
マスクパターンのストライプ方向のいずれに対しても１
２０°の角度を有するように配置した。すなわち、Ｇａ
Ｎ結晶に対して［−１０１０］方向である。この時の半
導体素子の上面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）は説
明上、上面から透視されたときのマスクパターンを表し
ている。

【００４０】次に、この第３のマスクパターン１１１を
表面に有する第２層目のＧａＮ膜１０７上に、第１及び
第２工程と同様にして、５μｍ厚の第３層目のＧａＮ膜
１１２を結晶成長させ第３工程を終了した。この第３層
目のＧａＮ膜１１２も、ＳｉＯ2からなる第３のマスク
パターン１１１を覆うように、全面均一に成長し、その
表面はほぼ平坦な単一膜を呈した。また、この第３工程
で形成された第３層目のＧａＮ膜１１２においては、第
３のマスクパターン１１１のストライプに垂直な方向の
格子歪は第２層目のＧａＮ膜１０７に比べてさらに低減
された。ａ−ａ’断面の構造図を図４（ｂ）に示す。

【００４１】このように、３回の工程を経て作製された
最表面に位置する第３層目のＧａＮ膜１１２は、１２０
°ずつ互いに角度をなす３種のマスクパターン１０２、
１０６、１１１上へのＧａＮ成長により得られたもので
あり、各工程ごとに、マスクパターンのストライプ方向
に垂直な方向の格子歪が緩和された効果が蓄積されるこ
ととなった。したがって、最表面の第３層目のＧａＮ膜
１１２では、互いに同じ角度をなす３種のマスクパター
ンにより等方に歪が低減された結果、ほぼ歪がいずれの
面内方向にもない第３層目のＧａＮ膜１１２が実現され
た。

【００４２】また、本実施の形態では第１のマスクパタ
ーンのストライプ方向を［１−１００］、第２のマスク
パターンのストライプ方向を［０１−１０］、第３のマ
スクパターンのストライプ方向を［１０−１０］とした
が、これに限るものではなく、第１、第２、第３のマス
クパターンのストライプ方向が＜１−１００＞方向であ
り、かつそれぞれのストライプ方向が１２０°の角度差
を有すれば、ほぼ歪がいずれの面内方向にもないという
効果を奏することができる。

【００４３】この第３層目のＧａＮ膜１１２表面の貫通
転位密度を調べたところ、第１から第３のマスクパター
ンにより、サファイア基板１００からまっすぐ上方に伸
びる貫通転位のほとんどはいずれかのマスクにカバーさ
れて、マスクより上方向に伸びるのを防止できた。この
ため、第３層目のＧａＮ膜１１２の表面における貫通転
位密度は１０³ｃｍ^-2から１０⁴ｃｍ^-2と従来技術による
ものより一桁以上低減できた。また、第１のマスクパタ
ーンの開口部から成長した第３層目のＧａＮ膜の局部１
１３のように３種のマスクによりカバーできていない領
域も一部存在するが、全体の面積に占める割合は１０％
未満と小さく、特にこの領域で貫通転位が増加すること
もなかった。これは、サファイア基板１００から上方に
伸びる貫通転位が、ＧａＮ膜をトータル１５μｍ以上形
成する工程にて、左右に拡散し、第３工程において形成
された第３層目のＧａＮ膜１１２の表面では、ほぼ均一
に貫通転位が分布したものと考えられる。

【００４４】また、本実施の形態１では、第１のマスク
パターン、第２のマスクパターンと第３のマスクパター
ンは、同じ厚み、且つ、同じ成長抑制材料（ＳｉＯ₂）
で作製されたが、お互いに異なる膜厚、異なる成長抑制
材料から構成されても良くなる。特に、これらマスクパ
ターンの成長抑制材料を同一にすれば、生産性の観点か
ら成長炉を変えずに済み、同一の成長抑制効果が得られ
ることから成長の制御性が良い。窒化物半導体成長方法
については上記ＭＯＶＰＥ法以外にＨＶＰＥ法、ＭＢＥ
（分子線エピタキシャル）法を使用しても良い。

【００４５】〔実施の形態２〕本発明に係る実施の形態
２は、実施の形態１での第２工程で形成したＧａＮ膜１
０７をデバイスの下地として用いる場合の、下地として
も特性を評価したものである。すなわち、第１実施形態
においては、マスク形成とマスク上の結晶成長を３度繰
り返したが、ここでは２回で終了した場合の、本発明の
効果について説明する。この場合、第１と第２のマスク
パターンは互いに１２０°の角度を有する方向に形成さ
れているため、この２つのマスクパターンのストライプ
方向に垂直な２方向の格子歪は低減された。ただし、両
方のマスクパターンが１２０°をなす角を２分する方向
（すなわち図２の紙面の左右方向）の格子歪は若干残存
する。

【００４６】また、第１のマスクパターンと第２のマス
クパターンの直上部に位置する第２層目のＧａＮ膜１０
７の貫通転位密度は１０³ｃｍ^-2台に低減できており、
また、第１のマスクパターンの開口部から成長した第２
層目のＧａＮ膜の局部１０９における貫通転位密度は１
０⁵ｃｍ^-2であった。第２層目のＧａＮ膜１０７の表面
全体で平均した貫通転位密度は３×１０⁴ｃｍ^-2であ
り、従来例に比べて一桁程度の貫通転位の低減も確認で
きた。歪みに関しては、実施の形態１で記述したよう
に、本発明の第２工程まで行うことによって従来例（第
１工程のみ）よりも緩和効果が得られた。

【００４７】〔実施の形態３〕本実施の形態３は、実施
の形態２の変形例であり、第１工程によって形成された
第１マスクパターンのストライプ方向と第２工程によっ
て形成された第２マスクパターンのストライプ方向との
角度差が９０度であること以外は実施の形態２と同一で
ある。図５（ａ）には本実施の形態３によって作製され
たＧａＮ膜の上面図を示す。ただし、図５（ａ）は説明
上、上面から透視されたときのマスクパターンを表す。
図５（ａ）に示すように上記の第１のマスクパターン２
０２と第２のマスクパターン２０４のストライプ方向は
互いに９０度の角度をなし、かつＧａＮ結晶に対してそ
れぞれ＜１１−２０＞方向と＜１−１００＞方向に沿っ
て形成されている。この第１と第２のマスクパターンの
ストライプ方向は、それぞれ＜１−１００＞方向と＜１
１−２０＞方向に沿って形成されることが好ましいが、
この方向に限られれるものではない。

【００４８】図５（ｂ）は図５（ａ）のａ−ａ′での断
面図を示している。まず、Ｃ面のサファイア基板２００
をＭＯＶＰＥ成長炉に設置し、トリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用いて、ＧａＮ
層２０１を２μｍ厚成長させた。次いで、第１のパター
ン化したマスクを形成するため、ＧａＮ層２０１上に成
長抑制物質としてＥＢ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍ）
蒸着方法を用いて厚さ１００ｎｍのＳｉＯ₂膜を形成し
た。次いで、通常のフォトレジスト法により該ＳｉＯ₂
膜をストライプ幅３μｍ、ピッチ７μｍの周期的ストラ
イプ状パターンとし、第１のマスクパターン２０２を形
成した。図５（ａ）に示すように、第１のマスクパター
ン２０２のストライプ方向はＧａＮ結晶の＜１１−２０
＞方向とした。

【００４９】上記第１のマスクパターン付き基板を用い
て、ＭＯＶＰＥ法で第１層目のＧａＮ膜２０３を成長さ
せた。所定の成長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用いて、成長温度１０
５０℃で厚さ１０μｍの第１層目のＧａＮ膜２０３を成
長させ、第１工程を完了した。第１層目のＧａＮ膜２０
３は第１のマスクパターンの開口部２０６から成長を始
め、基板表面に対して平行方向にラテラル成長した。実
施の形態１または２のマスクパターンのストライプ方向
である＜１−１００＞方向に比べて、ラテラル成長速度
が遅いものの、厚さ１０μｍのＧａＮ膜２０３を積層す
ることによって第１のマスクパターンを覆い、平滑に成
長した。

【００５０】第１層目のＧａＮ膜２０３の貫通転位密度
は第１のマスクパターン２０２直上では約１０⁶ｃｍ^-2
のオーダーであったが、第１のマスクパターンの開口部
２０６直上は約１０⁷ｃｍ^-2のオーダーであった。マス
クパターンのストライプ方向が＜１−１００＞方向であ
るのに比べて、マスクパターン直上での貫通転位密度は
１桁〜２桁程度大きかった。歪みの緩和が生じる方向
は、上記実施の形態１、２と同様に、マスクパターンの
ストライプ方向に対して垂直である。

【００５１】次に、第１層目のＧａＮ膜２０３上に第２
のマスクパターン２０４を形成した。第１のマスクパタ
ーン２０２形成と同じＥＢ法で、１００ｎｍの厚さのＳ
ｉＯ ₂を形成し、フォトレジスト法でストライプ幅５μ
ｍ、ピッチ７μｍの周期的ストライプ状パターンとし
た。この時、第２のマスクパターン２０４のストライプ
方向は図５（ａ）に示すように、＜１−１００＞方向で
ある。また、第２のマスクパターン２０４のストライプ
幅は第１のマスクパターン２０２のそれより２μｍ大き
くした。

【００５２】次いで、ＭＯＶＰＥ成長炉内でトリメチル
ガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用
いて、成長温度１０５０℃で厚さ５μｍの第２層目のＧ
ａＮ膜２０５を成長させ、第２工程を完了した。このよ
うにして成長させたＧａＮ膜２０５はウエハー全面に渡
って均一に成長した。

【００５３】全体的な第２層目のＧａＮ膜２０５の貫通
転位密度は１０⁵ｃｍ^-2のオーダーであり、従来例のそ
れと比べて若干減少していた。歪み（熱歪みも含む）緩
和に関して、第１のマスクパターン２０２で生じた歪み
の方向は第２のマスクパターン２０４に関しては歪みの
緩和方向である。同様に、第２のマスクパターン２０４
で生じた歪みの方向は第１のマスクパターン２０２の歪
み緩和方向である。従って、本実施の形態３は、実施の
形態１、２と比べて歪みを取り除く効果が大きい。ま
た、上記実施の形態３では、第２工程まで実行したが、
上記第１と第２のマスクパターンで遮蔽しきれなかった
部分を覆うように第３のマスクパターンを第２層目のＧ
ａＮ膜２０５上に形成し、続いて第３層目のＧａＮ膜を
形成しても良い（第３工程まで実施）。このことにより
貫通転位密度を上記約１０⁵ｃｍ^- ²のオーダーから１０⁴
ｃｍ^-2のオーダーに低減することができる。

【００５４】〔実施の形態４〕本実施の形態４は、成長
抑制効果のあるマスクパターンを含有したＧａＮ膜上に
厚膜ＧａＮを形成することを目的とした。従来技術で
は、窒化物半導体デバイス生産を目的とした適切な大き
さ及び良好な表面モフォロジーを有するＧａＮ基板が供
給されていないことから、本実施の形態４を実施するこ
とによってクラックフリーのＧａＮ基板を提供するもの
である。

【００５５】図６（ａ）は本実施の形態４で作製した厚
膜ＧａＮを積層した窒化物半導体構造の断面図を示して
いる。符号３００は、実施の形態１から３に示すＧａＮ
膜の形成方法を用いて第ｎ工程まで繰り返して作製され
た基板を含む窒化物半導体（例えばＧａＮ膜）を表し、
窒化物半導体３００の最表面３０１は第ｎ工程によって
作製された第ｎ層目の窒化物半導体膜（例えばＧａＮ
膜）を表している。３０２はＨＶＰＥ法で作製された厚
膜のＧａＮ膜を表している。厚膜ＧａＮ３０２はＨＶＰ
Ｅ法以外にＭＯＶＰＥ法を用いても良い。図６（ａ）に
示されるように、窒化物半導体構造は、基板を含む窒化
物半導体３００と厚膜ＧａＮ３０２とからなっている。

【００５６】本実施の形態４では、第ｎ工程を有する窒
化物半導体３００として前記実施の形態１で作製された
ＧａＮ膜を例にして説明する。前記実施の形態１で作製
されたサファイア基板を含む窒化物半導体３００をＨＶ
ＰＥ装置内にセッティングした。次に、厚膜ＧａＮ３０
２を結晶成長させるためにＶ族ガスとしてＮＨ₃ガスと
キャリアＨ₂ガスを混合したガスを、ＩＩＩ族ガスにつ
いてはＨＶＰＥ装置内に予め約８５０℃の温度で保持さ
れたＧａ金属上に、ＨＣｌガスを供給してＧａとＨＣｌ
ガスとの反応生成物であるＩＩＩ族塩化物とキャリアＨ
₂ガスとを混合したガスを、それぞれ窒化物半導体３０
０がセッティングされているＨＶＰＥ成長炉に送り込
み、厚膜ＧａＮ３０２を３５０μｍ成長させた。厚膜Ｇ
ａＮ３０２は平滑に成長し、その表面を光学顕微鏡で観
測したところクラックは発生していなかった。このよう
にして、窒化物半導体構造を形成することができた。

【００５７】本実施の形態４で作製された厚膜ＧａＮ３
０２の貫通転位密度は、約１０³〜１０⁴ｃｍ^-2のオーダ
ーで実施の形態１で作製された窒化物半導体３００であ
るＧａＮ膜のそれと殆ど同じか若干減少していた。歪み
に関しては上記実施の形態１と同様である。

【００５８】本実施の形態４では、第ｎ工程によって作
製された基板を含む窒化物半導体（例えばＧａＮ膜）３
００の最表面３０１が第ｎ工程によって作製された第ｎ
層目の窒化物半導体膜（例えばＧａＮ膜）であったが、
図６（ｂ）に示すように第ｎのマスクパターン３０３直
上に直接ＨＶＰＥ法を用いて厚膜ＧａＮ３０２を形成し
ても良い。例えば、図６（ｂ）に示す窒化物半導体３０
０が実施の形態１の場合は第３のマスクパターン直上
に、窒化物半導体３００が実施の形態２と３の場合は第
２マスクパターン直上に直接厚膜ＧａＮを形成する。結
晶性の特性については本実施の形態４と同じである。

【００５９】本実施の形態４で作製したサファイア基板
を含む半導体構造を新たな基板として利用することがで
きる。また、サファイア基板を、研磨、エッチングまた
は熱歪みを利用して剥離し、完全なＧａＮ基板として利
用することもできる。完全なＧａＮ基板として用いると
きには、厚膜ＧａＮ３０２を基板としてもよいし、サフ
ァイア基板を除去するのみではなく、窒化物半導体構造
の一部を研磨、またはエッチングを行ったものを用いて
もよい。この場合の例としては、最表面をなす第ｎ層目
の窒化物半導体膜を基板として用いることなどが挙げら
れる。

【００６０】〔実施の形態５〕図７は、本実施の形態５
によって作製されたＬＤ素子構造について示している。
図７中のＧａＮ４００から４１２は実施の形態１で述べ
たもの１００から１１２と全く同じである。

【００６１】この図で４１３はｎ−ＧａＮ型コンタクト
層、４１４はｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層、４１
５はｎ−ＧａＮ光ガイド層、４１６は５層のＩｎ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｎ量子井戸層と６層のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層
からなる多重量子井戸構造活性層、４１７はＡｌ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｎ蒸発防止層、４１８はｐ−ＧａＮ光ガイド層、
４１９はｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層、４２０は
ｐ−ＧａＮ型コンタクト層、４２１はｐ型電極、４２２
はｎ型電極、４２３はＳｉＯ₂絶縁膜である。

【００６２】本発明において、サファイア基板４００の
表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わ
ない。また、サファイア基板に限らずＧａＮ基板、Ｓｉ
Ｃ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡ
ｓ基板も用いることが出来る。特に、ＧａＮ基板の場合
にはサファイア基板に比べて基板に堆積した窒化ガリウ
ム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な結晶性の
膜が得られ、さらに、劈開しやすいため、劈開によるレ
ーザ共振器の形成が容易であるという利点がある。ｎ型
クラッド層４１４およびｐ型クラッド層４１９は、Ａｌ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ以外のＡｌ組成をもつＡｌＧａＮ３元混晶
でも良い。この場合、Ａｌ組成を大きくすると活性層と
クラッド層とのエネルギーギャップ差および屈折率差が
大きくなり、キャリアや光が活性層に閉じ込められてさ
らに発振閾値電流の低減および温度特性の向上が図られ
る。また、キャリアや光の閉じ込めが保持される程度で
Ａｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャ
リアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素
子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこのクラッド
層は微量に他の元素を含んだ４元混晶半導体でも良く、
ｎ型クラッド層４１４とｐ型クラッド層４１９とで混晶
の組成が同一でなくても構わない。

【００６３】光ガイド層４１５と４１８は、そのエネル
ギーギャップが、多重量子井戸構造活性層４１６を構成
する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４１
４、４１９のエネルギーギャップの間の値を持つような
材料であればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎ
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ３元混晶等を用いてもよい。また、
光ガイド層全体にわたってドナー又はアクセプタをドー
ピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層４１６
側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらには光ガ
イド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、光ガ
イド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリア
による光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低
減できるという利点がある。

【００６４】多重量子井戸構造活性層４１６を構成する
Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ _0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁
層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定す
ればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩ
ｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ
組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層はＩｎＧａ
Ｎ３元混晶に微量の他の元素を含んだ４元以上の混晶半
導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよ
い。

【００６５】また、本実施の形態５では、多重量子井戸
構造活性層４１６に接するようにＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発
防止層４１７を形成しているが、これは多重量子井戸構
造活性層４１６のＩｎが、ｐ−ＧａＮ光ガイド層の成長
温度に到達する間に蒸発してしまうことを防ぐためであ
る。従って、多重量子井戸構造活性層を保護するもので
あれば蒸発防止層４１７として用いることが出来、他の
Ａｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いて
もよい。また、この蒸発防止層４１７にＭｇをドーピン
グしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮ光ガイド層４１８
やｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層４１９から正孔が
注入され易くなるという利点がある。さらに、多重量子
井戸構造活性層を構成している量子井戸層のＩｎ組成が
小さい場合は、蒸発防止層４１７を形成しなくてもＩｎ
蒸発による活性層のＩｎ組成変化が小さいため、特に、
蒸発防止層４１７を積層しなくても、本実施の形態５の
窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれな
い。

【００６６】次に、図７を参照して、上記窒化ガリウム
系半導体レーザ作製方法を説明する。以下の説明では、
ＭＯＶＰＥ法を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエ
ピタキシャル成長できる成長方法であればよく、ＭＢＥ
やＨＶＰＥ等の他の結晶成長法を用いることも出来る。

【００６７】先ず所定の成長炉に設置され、実施の形態
１で作製した、基板上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ₃）およびシランガス（ＳｉＨ₄）を
原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉ
ドープｎ−ＧａＮ型コンタクト層４１３を成長する。さ
らに、続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料
に加え、成長温度１０５０℃のままで０．４μｍのＳｉ
ドープｎ−ＡＩ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層４１４を成長
する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度１０
５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ
光ガイド層４１５を成長する。

【００６８】次に、成長温度を７５０℃に下げて、ＴＭ
ＧとＮＨ₃、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原
料に用いて、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層（厚さ３ｎｍ）
／Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層（厚さ２ｎｍ）を５周期
成長した後、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0. ₉₅Ｎ障壁層（厚さ３ｎｍ）
を成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータ
ルの厚さ２８ｎｍ）４１６を作製する。さらに続けてＴ
ＭＧ、ＴＭＡとＮＨ₃を原料に用いて、成長温度は７５
０℃のままで厚さ３０ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止
層４１７を成長する。

【００６９】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ₃、およびビスエチルシクロペンタジ
エニルマグネシウム（ＥｔＣｐ₂Ｍｇ）を原料に用い
て、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ光ガイド層
４１８を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、
成長温度は１０５０℃のままで０．４μｍのＭｇドープ
ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層４１９を成長する。
続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０
℃のままで厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ型コ
ンタクト層４２０を成長して、窒化ガリウム系ＬＤ構造
を有するエピキシャルウエハーを完成する。その後、こ
のウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールし
て、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。

【００７０】さらに、通常のフォトリソグラフィーとド
ライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライ
プ状にｐ−ＧａＮ型コンタクト層４２０の最表面から、
ｎ−ＧａＮ型コンタクト層４１３が露出するまでエッチ
ングを行いメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフ
ォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、
残ったｐ−ＧａＮ型コンタクト層４２０、ｐ−Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層４１９をエッチングする。この
時、ストライプ状のリッジ構造は、上記２００μｍ幅の
メサ構造の両端から３μｍ以上離しておけばよく、本実
施の形態５ではｎ型電極４２２を形成する側のメサ構造
の端より１０μｍ離れたところにストライプ状のリッジ
構造を形成した。このようにｎ型電極４２２に近付ける
ようにストライプ状のリッジ構造を配置すれば、素子の
電気抵抗が小さくなり動作電圧が低減される。また、こ
のドライエッチングの際には多重量子井戸構造活性層４
１６に達しないようにエッチングを停止しているので、
活性層へのエッチングダメージが抑えられており、信頼
性の低下や発振閾値電流の増大が防がれている。

【００７１】続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型
層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ₂絶縁膜４２３を電流
阻止層として形成する。このＳｉＯ₂絶縁膜４２３とｐ
型コンタクト層４２０の表面にニッケルと金からなるｐ
型電極４２１を形成し、エッチングにより露出したｎ−
ＧａＮ型コンタクト層４１３の表面にチタンとアルミニ
ウムからなるｎ型電極４２２を形成して、窒化ガリウム
系ＬＤウエハーを完成する。

【００７２】その後、このウエハーをリッジのストライ
プ方向と垂直な方向に劈開してレーザの共振面を形成
し、さらに個々のチップに分割する。そして、各チップ
をステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各
電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体
ＬＤ素子を完成する。

【００７３】以上のようにして作製された半導体ＬＤ素
子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値５０ｍＡという良
好なＬＤ特性が得られた。また、結晶欠陥の減少によ
り、９００時間（６０℃）と極めて信頼性の高いＬＤ素
子であった。また、結晶欠陥によって劣化したと思われ
るＬＤ素子の割合が極めて低下し、素子歩留まり８０％
以上が得られた。

【００７４】なお、本実施の形態５では、多重量子井戸
構造活性層４１６を構成する量子井戸層と障壁の層厚を
それぞれ２ｎｍ、３ｎｍとしたが、量子井戸層と障壁層
の各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施の形態５にか
かわらず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、
多重量子井戸構造４１６の量子井戸層数は４層や３層で
もよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。

【００７５】さらに本実施の形態５では絶縁体であるサ
ファイアを基板として用いたため、エッチングにより露
出した、ｎ−ＧａＮ型コンタクト層４１３の表面にｎ型
電極４２２を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａ
Ｎ，ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＡｓ等を用いれば、この基板の
裏面にｎ型電極を形成してもよい。この場合、２００μ
ｍ幅のストライプ状のメサ構造は半導体レーザ素子チッ
プの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、ｐ型
とｎ型の構成を逆にしても構わない。

【００７６】更に、本発明の結晶成長方法によるＧａＮ
は大電流を扱うパワーデバイスいわゆるハードエレクト
ロニクス分野のデバイスとしてＧａＮＦＥＴやＡｌＧ
ａＮ／ＧａＮＨＥＭＴ素子作製にも適用できる。窒化
物半導体をパワーデバイスに適用した場合、大電流によ
る発熱による熱歪みが素子に内在する歪みと重畳して素
子の信頼性に大きく悪影響を与えるので、特に、本発明
の結晶成長方法は有利である。

【００７７】（実施の形態６）本発明の実施の形態は、
第１と第２のマスクパターンを利用することによって形
成された窒化物半導体膜の貫通転位密度の低減効果につ
いて説明する。本実施の形態で説明する前記第１と第２
のマスクパターンを利用した第２層目の窒化物半導体膜
の形成方法は実施の形態２と同様である。

【００７８】表１は、第１のマスクパターンのマスク被
覆率と第２のマスクパターンのマスク被覆率による、実
施の形態２によって形成された窒化物半導体膜の貫通転
位密度との関係を示した表である。ここで、マスク被覆
率とは、マスク幅（ｗ）とピッチ（ｄ）を用いて、ｗ／
ｄで表記される。

【００７９】

【表１】表１の実験結果から、貫通転位密度は、第１、第２のマ
スクパターンによらず、マスク被覆率が増加するに連れ
て、貫通転位密度が減少する傾向に有る。ただし、マス
ク被覆率が８０％以上になると、逆に貫通転位密度が増
加し始める。一般に、マスク直上に成長した窒化物半導
体結晶は結晶成長軸方向（基板表面に対して垂直方向）
から、マスクストライプ方向と垂直な方向に微傾斜角度
を持って成長する。特に、マスク被覆率が大きくなる
（マスク幅が大きくなる）と、この微傾斜角度が大きく
なる。この事から、前述のマスク被覆率が８０％以上に
なると、前記微傾斜角度が大きくなり、両側のマスク開
口部から結晶成長してきた窒化物半導体結晶がマスク直
上で会合するときに、空洞部を形成し、その事が新たな
貫通転位の発生要因になっているものと考えられる。

【００８０】また、マスク被覆率が、約８０％よりも上
回ると、ラテラル成長速度が急激に遅くなるために、該
マスクを被覆することが困難になり（空洞部の発生要因
となる）、完全に該マスクを被覆するためには厚膜を積
層しなければならない。さらに、マスク被覆率が９０％
以上になると、厚膜を積層しても完全にマスクを埋没さ
せることは困難となる。本発明者らの実験結果では、マ
スク被覆率９０％において、窒化物半導体膜を５０μｍ
まで積層したが、埋没しなかった。

【００８１】表１で示した９０％のマスク被覆率は、第
１、第２のマスクパターンによらず、マスクパターンを
被覆することができなかった。これらマスクパターンの
中央部は、窒化物半導体膜で覆われておらず、マスク方
向に対して平行方向に空洞の溝が形成されていた。表１
の第１と第２のマスクパターンのどちらかが、マスク被
覆率９０％である窒化物半導体膜の貫通転位密度を調べ
てみると、１０⁶ｃｍ^- ²台〜１０⁷ｃｍ^-2台のものが存在
した。これは完全にマスクが被覆されていないために、
その分だけ貫通転位が減少したものと考えられる。

【００８２】さらに、表１をみると、第１のマスクパタ
ーンのマスク被覆率Ａ％、第２のマスクパターンのマス
ク被覆率Ｂ％のときの貫通転位密度と、第１のマスクパ
ターンのマスク被覆率Ｂ％、第２のマスクパターンのマ
スク被覆率Ａ％のときの貫通転位密度とを比較したとこ
ろ、後者の貫通転位密度の方が高かった。ここで、前記
Ａ，Ｂは数値であり、Ａ＜Ｂの大小関係を有する。これ
は、第１のマスクパターン直上に積層した第１層目の窒
化物半導体膜厚が、第１のマスクパターンのマスク被覆
率に比べて前記微傾斜角度を十分に解消できるほど、厚
くなかったためだと考えられる。すなわち、第１層目で
の微傾斜角度が十分に解消されることなく、第２のマス
クパターンを形成したために、さらに微傾斜角度が大き
くなり、空洞部の発生を容易にし、第２層目の窒化物半
導体膜中の貫通転位密度が低減し難くなったからであ
る。従って、貫通転位密度を効率良く低減するために
は、第１層目の窒化物半導体膜厚を十分に厚くして、前
記微傾斜角度（空洞部）の発生を抑制するか、第１のマ
スクパターンのマスク被覆率を小さくして、第２のマス
クパターンのマスク被覆率を大きくする必要が有る。本
発明者らの実験結果によれば、第１のマスクパターンと
第２のマスクパターンとの間の、第１層目の窒化物半導
体膜の厚みが、１０μｍ以上になると、徐々に微傾斜角
度が緩和し始めた。しかしながら、前者の窒化物半導体
膜厚を十分に厚くする方法は、生産性を考えると得策で
はない。

【００８３】以上の実験結果から、第１と第２のマスク
パターンを利用して貫通転位密度を効率良く低減するた
めには、第１、第２のマスクパターンのマスク被覆率
が、それぞれ約２０％から８０％（貫通転位密度約１０
⁷ｃｍ^-2台以下、完全な被覆膜）が好ましい。より好ま
しくは、第１、第２のマスクパターンの被覆率が約５０
％以上８０％以下（貫通転位密度約１０⁵ｃｍ^-2台以
下）である。さらに好ましくは、６０％以上７０％以下
（貫通転位密度約１０⁴ｃｍ^-2台以下）である。また、
第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、第２のマス
クパターンのマスク被覆率Ｂ％との関係がＡ≦Ｂである
ことが好ましい。加えて、生産性を考慮した場合、第
１、第２のマスパターンのマスク被覆率が同一であるこ
とが望ましい。この事によって、第１、第２層目の窒化
物半導体膜の選択成長様式が同一になるため、選択成長
の制御制、再現性が良く、また、同一の生産プロセスを
適用することができるため、歩留まりも向上する。

【００８４】第１、第２のマスクパターンの、各々のマ
スク被覆率については、約６０％〜７０％のときが最も
貫通転位密度が低かった。このことは、各々の第ｎ番目
のマスクパターンについても同じであった（ｎ≧１）。

【００８５】本発明の実施の形態で示した第１と第２の
マスクパターンは、互いに１２０度回転した方向に形成
した場合であるが、実施の形態３で記述した、互いに９
０度回転した方向であっても同様の効果が得られた。ま
た、第１と第２のマスクパターンとの間の角度が、上記
で指定した角度（１２０度または９０度）から±１０度
以内のズレであれば、本質的な相違は無く、本発明の実
施の形態と同様な効果が得られた。さらに、詳細に調べ
た結果、第１と第２のマスクパターンが平行でない限
り、本発明の実施の形態と同様な効果が得られた。これ
は、上記で述べたように、各々のマスクパターンのマス
ク被覆率に対する貫通転位密度の特性は変わっておら
ず、第１と第２のマスクパターンで、どれだけ窒化物半
導体膜を被覆できたかに依存しているためだと考えられ
る。

【００８６】（実施の形態７）本実施の形態は、発明の
実施の形態で述べた第１と第２のマスクパターンのマス
ク被覆率がそれぞれ、７０％、７０％の場合について、
平坦な第２層目の窒化物半導体膜上に形成した窒化物半
導体レーザについて述べる。窒化物半導体レーザの作製
方法については、実施の形態５と同様の手法で作製し
た。レーザ発振寿命を調べたところ、発振波長４１０ｎ
ｍで、レーザ出力４０ｍＷ一定下、雰囲気温度５０℃で
１２００時間以上であった。

【００８７】また、第１と第２のマスクパターンのマス
ク被覆率が、それぞれ６０％以上７０％以下であれば、
本実施の形態と同様のレーザ発振寿命が得られた。これ
は、窒化物半導体レーザ素子を構成している窒化物半導
体結晶の貫通転位密度が大きく低減したことによって、
レーザの利得損失が大幅に改善されたためである。この
ことから、本手法を用いれば、光ディスクシステムにお
ける記録用高出力レーザが作製できる。

【００８８】上記第１と第２のマスクパターンのマスク
被覆率が、それぞれ６０％以上７０％以下であれば、第
１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が異なってい
ても構わない。発明の実施の形態で記述したように、好
ましくは、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、
第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との関係がＡ
≦Ｂである。

【００８９】（実施の形態８）本実施の形態は、発明の
実施の形態で述べた第１と第２のマスクパターンのマス
ク被覆率がそれぞれ、５０％、５０％の場合について、
平坦な第２層目の窒化物半導体膜上に形成した窒化物半
導体レーザについて述べる。窒化物半導体レーザの作製
方法については、実施の形態５と同様の手法で作製し
た。レーザ発振寿命を調べたところ、発振波長４１０ｎ
ｍで、レーザ出力１０ｍＷ一定下、雰囲気温度５０℃で
２０００時間以上であった。

【００９０】上記では第１と第２のマスクパターンのマ
スク被覆率がそれぞれ、５０％、５０％の場合について
述べたが、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率
がそれぞれ５０％以上８０％以下であれば、本実施の形
態と同様のレーザ発振寿命が得られた。これは、窒化物
半導体レーザ素子を構成している窒化物半導体結晶の貫
通転位密度が低減したことによって、レーザの利得損失
が改善されたためである。このことから、本手法を用い
れば、光ディスクシステムにおける再生用に必要なレー
ザ出力が十分に確保された。さらに、実施の形態７で示
したように、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆
率がそれぞれ、６０％以上７０％以下であればさらなる
効果が得られる。

【００９１】尚、上記第１と第２のマスクパターンのマ
スク被覆率が、それぞれ５０％以上８０％以下であれ
ば、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が異な
っていても構わない。発明の実施の形態で記述したよう
に、好ましくは、第１のマスクパターンのマスク被覆率
Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との関
係がＡ≦Ｂである。

【００９２】（実施の形態９）本実施の形態は、発明の
実施の形態で述べた第１と第２のマスクパターンのマス
ク被覆率がそれぞれ、３０％、３０％の場合について、
平坦な第２層目の窒化物半導体膜上に形成した窒化物半
導体レーザについて述べる。窒化物半導体レーザの作製
方法については、実施の形態５と同様の手法で作製し
た。レーザ発振寿命を調べたところ、発振波長４１０ｎ
ｍで、レーザ出力５ｍＷ一定下、雰囲気温度５０℃で１
８００時間以上であった。

【００９３】このようにそれぞれのマスクの被覆率が３
０％の場合でも、実施の形態８よりは寿命は短いが、充
分実用化できる寿命を達成することができた。また、第
１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ
２０％以上８０％以下であれば、本実施の形態と同様の
レーザ発振寿命が得られた。これは、窒化物半導体レー
ザ素子を構成している窒化物半導体結晶の貫通転位密度
が低減したことによって、レーザの利得損失が改善され
たためである。このことから、本手法を用いれば、光デ
ィスクシステムにおける再生用レーザが作製できる。ま
た、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれ
ぞれ、５０％以上８０％以下であれば実施の形態８の効
果が、さらに６０％以上７０％以下であれば実施の形態
７で示す効果が得られる。

【００９４】つまり、上記第１と第２のマスクパターン
のマスク被覆率が、それぞれ２０％以上８０％以下であ
れば、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が異
なっていても構わない。発明の実施の形態で記述したよ
うに、好ましくは、第１のマスクパターンのマスク被覆
率Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との
関係がＡ≦Ｂである。

【００９５】

【発明の効果】上述したように、本発明による窒化ガリ
ウム結晶は、成長抑制効果のある物質と窒化物半導体膜
を交互に積層させることによって、歪みが殆どなくかつ
貫通転位密度が１０⁴ｃｍ^-2以下と極めて小さい結晶が
得られた。このような結晶を用いて作製した窒化ガリウ
ム半導体レーザは信頼性が高くかつ極めて歩留まりよく
生産できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１又は２で示した第１工程
完了後の製造工程図である。

【図２】本発明の実施の形態１又は２で示した第２工程
完了後の上面からの透視図である。

【図３】本発明の実施の形態１又は２で示した第２工程
完了後の断面図である。

【図４】本発明の実施の形態１で示した第３工程完了後
の透視図及び断面図である。

【図５】本発明の実施の形態３で示した製造方法での透
視図及び断面図である。

【図６】本発明の実施の形態４で示した厚膜窒化物半導
体の製造方法を示す断面図である。

【図７】本発明に係る窒化物半導体を用いた半導体レー
ザダイオードデバイスの断面図である。

【図８】選択成長方法による第１の従来例である。

【図９】選択成長方法による第２の従来例である。

【符号の説明】

１００、２００、４００サファイア基板１０１、２０１、４０１ＧａＮ層１０２、２０２、４０２第１のマスクパターン１０４、２０３、４０４第１層目のＧａＮ膜１０５、２０６第１のマスクパターンの開口部１０６、２０４、４０６第２のマスクパターン１０７、２０５、４０７第２層目のＧａＮ膜１０８第１と第２のマスクパターン直上部分１０９第１のマスクパターンの開口部から成長した第
２層目のＧａＮ膜の局部１１０第１のマスクパターン直上の第２層目のＧａＮ
膜の局部１１１、４１１第３のマスクパターン１１２、４１２第３層目のＧａＮ膜１１３第１のマスクパターンの開口部から成長した第
３層目のＧａＮ膜の局部３００窒化物半導体３０１最表面３０２厚膜ＧａＮ３０３第ｎのマスクパターン４１３ｎ−ＧａＮコンタクト層４１４ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層４１５ｎ−ＧａＮ光ガイド層４１６多重量子井戸構造活性層４１７Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層＊４１８ｐ−ＧａＮ光ガイド層４１９ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ型クラッド層４２０ｐ−ＧａＮ型コンタクト層４２１ｐ型電極４２２ｎ型電極４２３ＳｉＯ₂絶縁膜５００、６００サファイア基板５０１、６０２ＳｉＯ₂マスク５０２、６０３ＳｉＯ₂マスク開口部５０３ＧａＮ膜５０４ＳｉＯ₂マスク直上のＧａＮ６０１ＭＯＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜６０４ＨＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上方に、成長抑制効果を有する物質
からなる第ｎ（ただし、ｎは１以上の正数）のマスクパ
ターンと第ｎのマスクパターンを覆うように窒化物半導
体膜とを形成する第ｎ工程と、前記第ｎ工程によって形
成された前記窒化物半導体膜上に成長抑制効果を有する
物質からなる第ｎ＋１のマスクパターンと第ｎ＋１のマ
スクパターンを覆うように窒化物半導体膜とを形成する
第ｎ＋１工程とを有することを特徴とする窒化物半導体
の製造方法。
【請求項２】第ｎ工程で形成される第ｎのマスクパタ
ーンと第ｎ＋１工程で形成される第ｎ＋１のマスクパタ
ーンが互いにねじれの関係にあることを特徴とする請求
項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】前記第ｎのマスクパターンのストライプ
方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互
いに１２０度の角度差を持つことを特徴とする請求項１
から２のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】前記第ｎのマスクパターンのストライプ
方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互
いに９０度の角度差を持つことを特徴とする請求項１か
ら２のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ
幅が、第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ幅≧第ｎ
のマスクパターンのストライプ幅の関係であることを特
徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導
体の製造方法。
【請求項６】前記成長抑制効果を有する物質がＳｉＯ
₂、又は、ＳｉＮ_xであることを特徴とする請求項１から
５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】前記第ｎのマスクパターンのストライプ
方向が、窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向あるい
は、＜１１−２０＞方向であることを特徴する請求項１
から６のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】前記第１のマスクパターン、第２のマス
クパターン、第３のマスクパターンのストライプ方向
は、窒化物半導体結晶の［１−１００］、［１０−１
０］、［０１−１０］方向の組み合わせからなることを
特徴する請求項３に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】第ｎ工程によって積層された窒化物半導
体膜結晶がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１；０≦
ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）であることを特徴と
する請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体の
製造方法。
【請求項１０】前記第ｎ工程によって積層された窒化
物半導体膜、あるいは、前記第ｎ工程によって積層され
た窒化物半導体層上に積層する窒化物半導体膜が、５μ
ｍ以上の膜厚を有する厚膜窒化物半導体膜であることを
特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半
導体の製造方法。
【請求項１１】前記請求項１から１０のいずれかに記
載の窒化物半導体の製造方法を用いて基板を含む窒化物
半導体構造を形成し、前記窒化物半導体構造から少なく
とも前記基板を除去することによって、少なくとも窒化
物半導体構造の一部を窒化物半導体基板とすることを特
徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項１２】基板上方に、前記第ｎ＋１工程まで結
晶成長させたとき、第１のマスクパターンから第ｎ＋１
のマスクパターンが全体として基板を覆うことを特徴と
する請求項１から１１のいずれかに記載の窒化物半導体
の製造方法。
【請求項１３】前記第１と第２のマスクパターンのマ
スク被覆率（マスク幅／ピッチ）が、それぞれ、２０％
から８０％であることを特徴とする請求項１から７のい
ずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１４】上記請求項１から１３のいずれかに記
載の結晶成長方法を用いて作製された第ｎ工程の窒化物
半導体膜の上方に形成された光を発する活性層を有する
ことを特徴とする発光素子。