JP2002217116A - 結晶膜、結晶基板および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 貫通転位密度が一様に低く、高品質な結晶層
を簡便に得ることができる結晶膜と結晶基板の製造方
法、およびこれらを用いた半導体装置の製造方法を提供
する。 【解決手段】 ＧａＮよりなる下層部１３ａを成長さ
せ、成長温度（１０２０℃）は保持しつつＧａの原料ガ
スの供給を３分間停止して下層部１３ａの表面をエッチ
ングする。これにより、個々の貫通転位Ｄ₁ の位置に凹
部１３ｂが自発的に形成される。次に、Ｇａの原料ガス
の供給を再開し、上層部１３ｃを成長させる。このと
き、凹部１３ｂの底部では結晶成長は進行せず、上側で
は横方向に成長が進む。従って、上層部１３ｃが凹部１
３ｂの上を覆い、個々の貫通転位Ｄ₁ の終端に空間部１
３ｂ₁ が形成される。空間部１３ｂ₁ により貫通転位Ｄ
₁ は遮断され、上層部１３ｃへの伝播が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、成長用基板の上に
結晶膜を成長させるための結晶膜の製造方法、結晶基板
の製造方法およびこれらを応用する半導体装置の製造方
法に係り、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物を用いた
結晶膜、結晶基板、および半導体レーザ等の半導体装置
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種半導体装置の多くは、基板上に半導
体層を積層させて作製される。例えば、発光ダイオード
（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）や半導体レーザ（Ｌ
Ｄ；Laser Diode ）は、共に半導体層のｐｎ接合に順方
向電流を流して電子と正孔を再結合させて光電変換を行
う半導体発光素子であり、ｎ型とｐ型の半導体層が積層
されて構成されている。そのうち、ＬＥＤは単体ではフ
ォトカプラや表示ランプ、光通信用の光源などに用いら
れ、ＬＤの方もディジタルまたはアナログの通信機器、
オーディオディスクやビデオディスクのピックアップ、
光ディスクメモリ、レーザプリンタなど様々な用途に用
いられている。また、その材料となる半導体もＩＩ−Ｖ
Ｉ族系あるいはＩＩＩ−Ｖ族系の化合物半導体であり、
それぞれに多くのバリエーションがある。

【０００３】これら発光素子あるいは半導体発光装置の
分野では、近年、半導体材料として窒化物系ＩＩＩ−Ｖ
族化合物が注目されている。そもそも、窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物は、半導体材料の中でもとりわけ多くの優
れた特徴をもつことで知られている。ＧａＮ，ＡｌＮ，
ＩｎＮに代表されるこの材料系は、いずれも室温で最も
安定な構造がウルツ鉱型であるので、エネルギ−バンド
構造が直接遷移型である。また、同一結晶構造の化合物
同士の３元、４元の混晶（例えば、ＡｌＧａＮ，ＧａＩ
ｎＮ，ＡｌＧａＩｎＮ）の作製が可能であり、そのバン
ドギャップエネルギーは近紫外域から可視全域にわたる
発光を可能にする。とりわけ、青色領域で発光するもの
は、記録の高密度化に伴って発光領域がより短波長側に
移行してきた光ディスク用のレーザにおいて有望視され
ている材料である。更に、ＧａＮは電子飽和速度がＧａ
Ａｓのそれよりも大きく、また、ＡｌＧａＮは負の電子
親和力を持つことから、この材料系は超高周波・高出力
動作のトランジスタなどの新しいデバイスへの応用も期
待されている。

【０００４】ところで、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体では、その結晶成長に関して、適した基板が未だ得
られていない点が大きな問題となっていた。ＧａＮなど
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、格子定数が他の
半導体結晶等に比べて小さく、格子定数や熱膨張係数が
似通ったものが従来から一般的な基板に存在しない。ま
た、最も成長に適しているはずのＧａＮ基板においては
結晶中にクラックや転位の多いものしか未だ得られてい
ない。そのため、従来より、サファイアに代表される各
種の異種基板が代替に用いられており、これらの基板上
に９００℃以下の低温でＡｌＮあるいはＡｌ_x Ｇａ_1-x
Ｎ（０≦ｘ＜１）よりなる緩衝層を堆積させることによ
り格子不整合に起因する転位を低減する方法が一般的で
あった（特開昭６３−１８８９３８号公報および特公平
８−８２１７号公報など）。この方法では、貫通転位を
１０⁹ ｃｍ^-2程度まで低減することができ、結晶層の結
晶性や構造（モフォロジー）を改善することができる。
しかし、高品質の結晶層を得るには限界があり、より貫
通転位密度の低い結晶層を得るための技術が要求されて
きた。

【０００５】そこで、近年になって結晶を横方向に成長
させる技術が提案されてきている。例えば、成長用基板
に結晶層を成長させ、その上に、酸化ケイ素あるいは窒
化ケイ素等の結晶成長を阻害する材料を用いてマスクパ
ターンを形成し、再び結晶層を成長させると、結晶はマ
スクより露出する結晶層を基礎としてマスク上を横方向
に成長する。横方向成長においては転位もまた屈曲する
ので、このようにして作製された基板の上面は、貫通転
位密度が非常に低いものとなる（特開平１０−３１２９
７１号公報参照）。

【０００６】また、これに類似した技術として、成長用
基板の上の（例えばストライプ状の）所定の領域に種結
晶層を形成し、この種結晶層を基礎として結晶層を横方
向に成長させる方法も知られている(MRS Internet J.Ni
tride Semicond.Res.4S1,G3.38(1999),MRS Internet J.
Nitride Semicond.Res.4S1,G4.9(1999),中村他；第46回
応用物理学関係連合講演会'99 春講演予稿集31p-N-8(19
99))。なお、基板上に種結晶層を形成する替わりに、結
晶層の表面に凹部を形成して表面から側面部分を相対的
に凸部とするなどの応用が工夫されてきている（石田
他；第46回応用物理学関係連合講演会'99 春講演予稿集
30p-M-17(1999)など) 。これらの技術を用いれば、基板
表面の貫通転位密度は１０⁶ ｃｍ^-2程度にまで低減でき
る。従って、このような転位密度の低い基板を用いて作
製される半導体装置では、基板からの貫通転位が少な
く、結晶性が向上するので、例えば半導体レーザの長寿
命化などの装置の性能向上が可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法では、リソグラフィによるパターニングが必要で
あるため、製造工程数が多くなってしまい、製造コスト
が高くなってしまうという問題があった。また、パター
ニングの際には、結晶成長装置内から一旦基板を取り出
す必要があり、不純物の付着により基板が汚染された
り、結晶層の表面が酸化される虞もあった。

【０００８】その上、マスクあるいは種結晶層のパター
ニングは表面の転位分布に関係なく行なわれており、マ
スクの間の領域あるいは種結晶層の上面から転位が伝播
するために、これらの方法では貫通転位密度の低減に限
界があった。そもそも、マスクの間隙や種結晶層は横方
向成長させる結晶の核となるべき部分であり、パターニ
ングによってある程度のサイズの領域に形成されてい
た。そのサイズは、おおむね転位間の距離よりも大きな
値であり、この領域から転位が伝播することは避けられ
ない。なお、貫通転位が結晶層の表面に生じる確率は基
板面において一様であって、予め転位分布の傾向を把握
することができない。従って、転位分布を考慮して少し
でも転位の少ない領域にマスクの間隙や種結晶層を設定
することは難題であり、仮に、転位分布に即してこれら
のパターニングを行なうにしても、基板毎に異なるパタ
ーンが必要となることや、マスクの位置合わせ等の問題
があり、この手法は実際的ではない。

【０００９】また、これらの方法では、横方向成長する
結晶において転位は屈曲して伝播し、横方向成長領域同
士の会合部では、伝播した転位が会合面に沿って立ち上
がり、結晶上面に転位列が生じる。つまり、得られる結
晶基板の上面には、マスクの間隙や結晶層からの貫通転
位と、会合部からの貫通転位が存在する。通常、マスク
や結晶層の間隔は一定とするので、それに応じて貫通転
位は周期的に発生している。そこで、従来では、出来る
だけ転位のない半導体装置を作製するために、半導体層
のうち主要な機能部分（例えばレーザでは発光領域）を
上記のような結晶基板の貫通転位密度が低い領域に成長
させ、致命的な転位を避けるように半導体層を形成して
いた。そのためには、基板に素子を精度よく位置合わせ
を行なう必要があり、そこに位置合わせの手間と、素子
の寸法設計が限定されるという問題が生じていた。

【００１０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、貫通転位密度が一様に低く、高品質
な結晶層を簡便に得ることができる、結晶膜と結晶基板
の製造方法、およびこれらを用いた半導体装置の製造方
法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による結晶膜の製
造方法は、成長用基板の上に結晶膜の下層部を成長させ
る下層部成長工程と、結晶膜の成長面に、その形成部位
が下層部にて発生した個々の転位に自発的に対応する凹
部を形成する凹部形成工程と、凹部のうちの少なくとも
一部を空間部として結晶膜の上層部を成長させる上層部
成長工程とを含むものである。

【００１２】本発明による他の結晶膜の製造方法は、成
長用基板の上に結晶膜の下層部を成長させる下層部成長
工程と、下層部の上に中層部を成長させて、その中層部
の表面付近に、下層部にて発生した転位の伝播を遮断可
能な物質を自発的に個々の転位に対応する部位に析出さ
せることにより転位遮断部を形成する転位遮断部形成工
程と、中層部の上に上層部を成長させる上層部成長工程
とを含んでいる。

【００１３】本発明による結晶基板の製造方法および他
の結晶基板の製造方法は、成長用基板の上に結晶膜を設
ける結晶基板の製造方法であって、それぞれ、本発明の
結晶膜の製造方法および他の結晶膜の製造方法により結
晶膜を成長させるようにしたものである。

【００１４】本発明による半導体装置の製造方法および
他の半導体装置の製造方法は、成長用基板の上に結晶膜
を設ける工程を含む半導体装置の製造方法であって、そ
れぞれ、本発明の結晶膜の製造方法および他の結晶膜の
製造方法により結晶膜を成長させるようにしたものであ
る。

【００１５】本発明による結晶膜、結晶基板、または半
導体装置のいずれかの製造方法では、その形成部位が結
晶膜の成長面に存在する個々の転位に自発的に対応する
凹部が形成され、この凹部のうちの少なくとも一部が空
間部となるように結晶膜の上層部が成長する。よって、
空間部により転位が一様に遮断され、上層部では転位密
度が格段に低くなる。

【００１６】本発明による他の結晶膜、結晶基板、また
は半導体装置のいずれかの製造方法では、結晶層の下層
部の上に中層部が成長する際に、その中層部の表面付近
に、その形成部位が下層部にて発生した個々の転位に自
発的に対応する転位遮断部が形成される。よって、その
上に結晶を成長させると、転位遮断部により転位は一様
に遮断されて上層部の転位密度が格段に低くなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】［第１の実施の形態］図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る結晶層の製造方法を用いて作製さ
れた結晶基板１０を表している。この結晶基板１０は、
成長用基板１１にバッファ層１２を介して結晶層１３が
形成されたものであり、結晶層１３は、例えば、ウルツ
鉱型構造であり、短周期型周期律表における３Ｂ族元素
のうちの少なくとも１種と５Ｂ族元素のうちの少なくと
も窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体（ＧａＮなど）により構成されている。以下、この結
晶基板１０の作製方法を具体的に説明する。

【００１９】まず、例えばサファイアよりなる成長用基
板１１を用意し、図示しないＭＯＣＶＤ（Metalorganic
Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長）
装置の内部に載置する。後に説明するように、ここで
は、全工程がこのＭＯＣＶＤ装置内で一貫して行われ、
製造中に基板を取り出すようなことがないものとする。
次に、図２に示したように、例えば、成長用基板１１の
ｃ面上に、ＧａＮからなる厚さ３０ｎｍのバッファ層１
２を成長させる。その際、成長用基板１１の温度（成長
温度）は例えば５２０℃とする。次いで、成長用基板１
１の温度を例えば１０２０℃に上げ、バッファ層１２の
上に、例えば、ＧａＮからなる下層部１３ａを２μｍ成
長させる（下層部成長工程）。

【００２０】なお、このようにＭＯＣＶＤによりＧａＮ
の下層部１３ａを成長させる場合には、例えば次のよう
な条件でガスを供給する。すなわち、ガリウム（Ｇａ）
の原料ガスとして、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃ ）₃
Ｇａ）を５０μモル／ｍｉｎの流量で供給し、窒素の原
料ガスとして、アンモニア（ＮＨ₃ ）を０．２モル／ｍ
ｉｎの流量で供給する。また、キャリアガスには、水素
（Ｈ₂ ）および窒素（Ｎ₂ ）を用い、１０リットル／ｍ
ｉｎの流量で供給する。ちなみに、結晶層１３（下層部
１３ａおよび後述する上層部１３ｃ）を成長させる際に
は、必要に応じてケイ素（Ｓｉ）あるいはマグネシウム
（Ｍｇ）などの不純物を添加することも可能である。そ
の場合、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン
（ＳｉＨ₄）を用い、マグネシウムの原料ガスとしては
例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ
₅ Ｈ₅ ）₂ Ｍｇ）を用いる。なお、結晶層１３が本発明
の「結晶膜」の一具体例に相当する。

【００２１】形成される下層部１３ａには、図２におい
て細線で示したように貫通転位Ｄ₁が存在している。な
お、ここで貫通転位とは、結晶層１３の厚さ方向に伝播
した転位欠陥を指す。この貫通転位Ｄ₁ は、成長用基板
１１とバッファ層１２との格子不整合あるいは熱膨張係
数の差などに起因して発生したものであり、その密度は
例えば３×１０⁸ ｃｍ^-2程度である。

【００２２】次に、Ｇａの原料ガスの供給を例えば３分
間停止する。このとき、Ｇａの供給を遮断する他は、先
の下層部１３ａの形成工程の際の成長条件がそのまま保
持されている。これにより、図３（Ａ）に示したよう
に、結晶層１３の成長は一旦中断され、下層部１３ａの
表面には、主に熱とキャリアガスである水素（Ｈ）ガス
によりエッチングされて凹部が生じる（凹部形成工
程）。

【００２３】具体的には、図３（Ｂ）に拡大して示した
ように、個々の貫通転位Ｄ₁ に対応する位置に凹部（エ
ッチピット）１３ｂが形成される。この凹部１３ｂは、
リソグラフィ等によるパターンニングのように形成領域
が意図的に選択されるものとは異なり、自ずと貫通転位
Ｄ₁ に通ずる位置に形成されるものである。凹部１３ｂ
が自発的に貫通転位Ｄ₁ に対応するのは、下層部１３ａ
では各貫通転位Ｄ₁ を中心に強度が相対的に弱くなって
おり、これらがエッチングされやすいためである。凹部
１３ｂの形状は、例えば、貫通転位Ｄ₁ と通じている部
分を頂点とする多角錐、あるいは貫通転位Ｄ₁ と通じて
いる部分を中心とするすり鉢状であり、その深さは例え
ば３０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上である。多
角錐型の具体例としては、外１に示した６つの面（Ｓ
面）からなる倒立六角錐がある。

【００２４】

【外１】

【００２５】なお、ここでのエッチングは、成長用基板
１１との界面まで行うようにしてもよい。また、ここで
はキャリアガス（Ｈガス）をエッチングガスに流用する
ようにしたが、１０００℃程度の熱を主体としたサーマ
ルエッチングでも同様の凸部１３ｂを形成することがで
きる。エッチングガスを利用する場合には気相エッチン
グが可能な他のガス、例えば窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合
物半導体に対してはアンモニア（ＮＨ₃ ）ガス、塩化水
素（ＨＣｌ）ガスを導入して凹部１３ｂを形成すること
もできる。また、ここでは、下層部１３ａの成長を停止
してエッチングを行うようにしたが、下層部１３ａの成
長は必ずしも中断される必要はなく、エッチングが支配
的な条件で成長を持続させてもよい。

【００２６】次に、図４（Ａ）に示したように、例え
ば、Ｇａの原料ガスの供給を再開し、上層部１３ｃを成
長させる（上層部成長工程）。その際、Ｇａの原料ガス
は、例えば５０μモル／ｍｉｎの流量で供給し、成長温
度は、例えば１０００℃〜１０５０℃とする。このと
き、図４（Ｂ）に拡大して示したように、凹部１３ｂに
おいては、まずその上側で上層部１３ｃが積層方向に対
して垂直な方向（横方向）に成長を始める。そのために
凹部１３ｂの底部には原料ガスが到達しにくくなり、底
部では実質的に結晶成長が進行せず、空隙が残される。
引き続き上層部１３ｃを成長させると、図４（Ｃ）に拡
大して示したように、凹部１３ｂを覆うように横方向成
長する結晶同士が会合する。これにより、凹部１３ｂの
位置に空間部１３ｂ₁ が形成される。

【００２７】このとき、空間部１３ｂ₁ の上の上層部１
３ｃには転位Ｄ₁ が伝播しない。それは、転位Ｄ₁ が、
凹部１３ｂのそれぞれの基底部にあって実際に結晶が横
方向成長する面には存在しないからであり、上層部１３
ｃの横方向成長領域は、下層部１３ａにおいて各転位Ｄ
₁ が表出する部分との接触を回避できるからである。

【００２８】また、空間部１３ｂ₁ から新たに転位が派
生する場合には、新たな転位は転位Ｄ₁ が持つ変位の合
計すなわちバーガース・ベクトルの和に相当する変位を
持つことになる。しかしながら、転位Ｄ₁ が持つ変位
は、通常は転位Ｄ₁ が連結するように合成され、ここで
は空間部１３ｂ₁ の上部は横方向に成長するので、新た
に発生する転位を横方向に伝播させることが可能であ
り、空間部１３ｂ₁ から上層までの領域において転位を
減少させることが可能である。

【００２９】このように、空間部１３ｂ₁ を設けること
で貫通転位Ｄ₁ は遮断され、あるいは変位が変化させら
れて、その上層部１３ｃへの伝播が阻止される。なお、
ここで空間部１３ｂ₁ は、３次元的に結晶が不連続にな
る領域であり、内部は真空状態である場合のほか、少な
くとも１部に非晶質様の材料が結晶化せずに取り残され
た状態や、ガスあるいは液体が充填されている状態、ま
たはそれらの複合状態になっている場合もある。

【００３０】なお、空間部１３ｂ₁ が確実に形成される
ようにするためには、凹部１３ｂに対応する斜面からの
横方向成長の速度を大きくすることが好ましい。横方向
成長の速度を大きくするように成長条件を設定するに
は、例えば、キャリアガス種や成長圧力を変えたり、各
種原料ガスの供給比率を変えたりするとよい。また、凹
部１３ｂの後に、非常に速い成長速度で瞬時に結晶成長
を開始すると、凹部１３ｂに比べそれ以外の領域におい
て成長速度が速くなり、速やかに横方向成長が進行す
る。結晶層が窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合
には、Ｇａの原料ガスを急激に増加することによって実
現することができる。

【００３１】上層部１３ｃを一定時間以上成長させる
と、図５のように、成長面は実質的に平坦となる。この
ようにして、上層部１３ｃにおける貫通転位密度が低い
結晶層１３が形成され、表面の貫通転位密度が低い結晶
基板１０が作製できる。なお、図５において結晶層１３
の上層部１３ｃに示した貫通転位Ｄ₂ は、空間部１３ｂ
₁ が形成されなかった場合、あるいは凹部１３ｂが完全
には貫通転位Ｄ₁ と対応していない場合などに発生する
ものである。

【００３２】このように本実施の形態によれば、下層部
１３ａの表面に、その位置が個々の貫通転位Ｄ₁ に自発
的に対応する凹部１３ｂを形成し、更に上層部１３ｃを
凹部１３ｂの上部を覆うように形成して空間部１３ｂ₁
を設けるようにしたので、貫通転位Ｄ₁ の上層部１３ｃ
への伝播が遮断される。従って、凹部１３ｂの形成はパ
ターニング等の工程が不要であり、結晶層の作製工程を
簡易なものとすることができると同時に、上層部１３ｃ
における貫通転位密度が極めて低い結晶層１３、および
高品質の結晶基板１０を得ることができる。

【００３３】また、下層部成長工程，凹部形成工程およ
び上層部成長工程は全て同一装置内で行うようにしたの
で、製造工程の一層の簡略化および短縮化を図ることが
でき、装置間を移送させる際に生じる不純物による汚染
および表面の酸化を防止することができる。しかも、凹
部形成工程はガリウムの原料ガスの供給を一旦停止する
というだけの極めて簡便なものであり、結晶基板１０の
生産性を高めることができる。

【００３４】作製された結晶基板１０から成長用基板１
１などを除去し、結晶層１３あるいはその一部からなる
薄膜とすれば、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物基
板として半導体装置等に用いることができる。成長用基
板１１やバッファ層１２などは、研削，ドライエッチン
グまたはウェットエッチング等により除去することがで
きる。また、結晶層１３の上層部１３ｃと下層部１３ａ
との境界面には空間部１３ｂ₁ が面状に分布しており、
機械的強度が弱くなっているので、この境界面で上層部
１３ｃを下層部１３ａ以下から分割するようにしてもよ
い。具体的には、例えば、レーザ照射，ランプ照射，超
音波の付与，急冷あるいは急加熱を施して分離すること
ができる。その他、機械的に変形させ、空間部１３ｂ₁
を利用して結晶層１３の上層部１３ｃを剥離するように
してもよい。

【００３５】（変形例）次に、第１の実施の形態の変形
例として、複数の凹部１３ｂを連通される場合について
図６を参照して説明する。なお、以下には第１の実施の
形態と異なる部分についてのみ詳述する。

【００３６】ここでは、結晶層１３Ａの凹部形成工程に
おいて、複数の凹部１３ｂを連通させて凹部１３ｄを形
成する。結晶層１３Ａの下層部１３ａにおける貫通転位
Ｄ₁の密度をｂとすると、貫通転位Ｄ₁ 間の平均距離は
ｂ^-1/2である。従って、貫通転位Ｄ₁ に対応する凹部１
３ｂが互いに重なり合う領域において繋がり、１つの凹
部１３ｄとなるために、凹部１３ｂをｂ^-1/2程度以上の
径に形成する。具体的には、凹部１３ｂの径を３０ｎｍ
以上とすれば、互いを確実に連通させて凹部１３ｄを形
成するのに十分である。

【００３７】そのためには、凹部形成の際に、例えばガ
リウムの原料ガスの供給を停止する時間を長くするなど
して、エッチングを下層部１３ａの表面方向にも充分に
進行させればよい。このようにして凹部１３ｄを形成し
た後に上層部１３ｃを成長させると、凹部１３ｄには、
複数の貫通転位Ｄ₁ に対応する空間部１３ｄ₁ が形成さ
れる。

【００３８】凹部１３ｄの上を覆うように上層部１３ｃ
が成長する際に、下層部１３ａの貫通転位Ｄ₁ が持つ変
位が維持される場合には、空間部１３ｂ₁ と同様、その
変位に応じた転位が新たに発生する。しかしながら、貫
通転位Ｄ₁ の合成変位が０となれば、上層部１３ｃは貫
通転位Ｄ₂ を生じることなく会合し、凹部１３ｄを閉塞
することが可能である。なお、貫通転位Ｄ₁ の合成変位
が０以外の値となった場合においても、個々の貫通転位
Ｄ₁ が持つ変位は互いに打ち消しあうことが可能であ
る。

【００３９】従って、複数の凹部１３ｂを連通させて凹
部１３ｄを形成するようにすれば、上層部１３ｃにおけ
る貫通転位密度をより効率よく低減することができる。
なお、凹部１３ｄの大きさは特に限定しないが、そこに
包含される貫通転位Ｄ₁ （すなわち凹部１３ｂ）が多い
ほど、転位同士の変位を相殺する確率を高めることがで
きる。

【００４０】以下、他の実施の形態について説明する
が、各実施の形態において、第１の実施の形態と同一構
成要素には同一符号を付してその説明を省略する。

【００４１】［第２の実施の形態］図７（Ａ）〜（Ｃ）
は、第２の実施の形態に係る結晶基板２０の製造方法を
工程毎に表すものである。なお、図７は、便宜上、図１
ないし図６とは異なる縮尺で示している。

【００４２】まず、図７（Ａ）に示したように、例え
ば、第１の実施の形態の変形例と同様にして、下層部１
３ａの表面に凹部１３ｂ，１３ｄを形成する。更に、凹
部１３ｂ，１３ｄを含む下層部１３ａの表面 （すなわ
ち、ここでの成長面）に、例えば酸素，窒素，フッ素あ
るいは炭素のうちの少なくとも１種を含む被膜２１を形
成する。具体的には、例えば、ガリウムおよび窒素の原
料ガスの供給を中断し、ケイ素および酸素を含むガスを
それぞれ供給し、ケイ素と酸素とを含む被膜２１を形成
する。これもまた、同一の装置内で供給する原料ガスを
切り替えることにより行なうことができる。なお、その
表面に結晶が成長しにくいように、被膜２１は非晶質様
の状態であることが好ましい。

【００４３】また、被膜２１は、例えば、酸素、窒素、
フッ素等を下層部１３ａの原料ガスと共に導入すること
で形成してもよい。ここでは、例えばＧａの酸化物など
を形成するとよい。この被膜２１の材料としては、上述
のケイ素と酸素とを含むもの以外の酸化物、その他の窒
化物、フッ化物、金属あるいは炭素含有材料等を用いる
ことができる。例えば、アルミニウム（Ａｌ），ガリウ
ム（Ｇａ），インジウム（Ｉｎ），マグネシウム（Ｍ
ｇ），ジルコニウム（Ｚｒ）あるいはチタン（Ｔｉ）な
どの金属と酸素とを含むようにしたり、ケイ素（Ｓｉ）
やマグネシウム、あるいは金属と窒素，フッ素あるいは
炭素とを含むようにしたりすることができる。また、レ
ジストなどの有機材料を用いてもよい。

【００４４】次に、図７（Ｂ）に示したように、例えば
水素（Ｈ）を含む雰囲気中においてＲＩＥなどのドライ
エッチングを行う。その際、下層部１３ａの表面は凹部
１３ｂ，１３ｄに比べてエッチングガスと接触しやすい
ため、凹部１３ｂ，１３ｄよりもエッチングが進行しや
すい。このエッチングにより、被膜２１のうち下層部１
３ａ表面にあたる部分は除去され、凹部１３ｂ，１３ｄ
上に形成されている部分が選択的に残される。なお、被
膜２１を凹部１３ｂ，１３ｄの底部にいくほど厚くなる
ように形成すると、被膜２１の除去を容易に行うことが
できる。なお、ここでのエッチングはドライエッチング
に限定されるものではなく、サーマルエッチングやウェ
ットエッチングを行うようにしてもよい。

【００４５】次に、図７（Ｃ）に示したように、例えば
第１の実施の形態と同様にして、凹部１３ｂ，１３ｄに
空間部１３ｂ₁ ，１３ｄ₁ を形成するように結晶層１３
Ｂの上層部１３ｃを成長させる。このようにして、結晶
基板２０が完成する。ここでは、凹部１３ｂ，１３ｄの
表面に被膜２１が設けられているので、空間部１３
ｂ ₁ ，１３ｄ₁ を形成するための上層部１３ｃの成長条
件の制御が容易となる。

【００４６】このように、凹部１３ｂ，１３ｄの上に被
膜２１を形成するようにしたので、そののち、上層部１
３ｃを成長させ空間部１３ｂ₁ ，１３ｄ₁ を形成する際
に、成長条件の自由度を大きくすることができ、空間部
１３ｂ₁ ，１３ｄ₁ を容易に形成することができる。

【００４７】［第３の実施の形態］図８（Ａ），（Ｂ）
は、第３の実施の形態に係る結晶基板３０の製造方法を
工程毎に表すものである。本実施の形態では、まず、図
８（Ａ）に示したように、第２の実施の形態と同様にし
て、下層部１３ａ表面に凹部１３ｂ，１３ｄを形成した
のち、凹部１３ｂ，１３ｄを含む下層部１３の表面（す
なわち、ここでの成長面）に対して、例えば、酸化，窒
化，フッ化および炭化のうちの少なくとも１種の処理を
施して、表面処理領域１３ａ₁ を形成する。なお、この
表面処理領域１３ａ₁ は、層厚方向に原子数個分、例え
ば１ｎｍ程度の厚みとする。

【００４８】具体的には、例えば、ガリウムおよび窒素
の原料ガスの供給を中断して酸素を含むガスを供給する
ことにより、この酸素と下層部１３ａのガリウムとを反
応させてガリウムの酸化物よりなる表面処理領域１３ａ
₁ を形成する。また、ケイ素を含むガスを供給すること
により、このケイ素と結晶層１３Ｂの下層部１３ａの窒
素とを反応させてケイ素の窒化物よりなる表面処理領域
１３ａ₁ を形成するようにしてもよい。更に、フッ素あ
るいは炭素を含むガスを供給することにより、フッ素あ
るいは炭素と下層部１３ａのガリウムとを反応させてガ
リウムのフッ化物あるいは炭化物よりなる表面処理領域
１３ａ₁ を形成するようにしてもよい。

【００４９】そののち、図８（Ｂ）に示したように、例
えば、第２の実施の形態と同様にしてドライエッチング
またはウェットエッチングを行い、表面処理領域１３ａ
₁ の一部を選択的に除去する。それ以降の工程は第２の
実施の形態と同様であり、被膜２１を表面処理領域１３
ａ₁ に置き換えれば、その効果も第２の実施の形態の効
果に同じである。

【００５０】［第４の実施の形態］図９ないし図１２
は、第４の実施の形態に係る結晶基板４０の製造方法を
工程毎に表すものである。

【００５１】まず、図９に示したように、第１の実施の
形態と同様にして、成長用基板１１に、バッファ層１２
および下層部４３ａを順次成長させる（下層部成長工
程）。下層部４３ａは、例えば第１の実施の形態と同様
の成長条件で形成され、同様に、３×１０⁸ ｃｍ^-2程度
の密度の貫通転位Ｄ₁ が存在している。

【００５２】次に、例えば、ガリウムの原料ガスの供給
を一旦停止し、成長温度を８５０℃に下げる。続いて、
ガリウムの原料ガスの供給を再開し、図１０（Ａ）に示
したように、下層部４３ａの上に中層部４３ｂを成長さ
せる（凹部形成工程）。すなわち、下層部４３ａを成長
させる際とは異なる成長温度で中層部４３ｂを成長させ
る。中層部４３ｂは、例えば、１０ｎｍ以上、好ましく
は５０ｎｍ以上であり、ここでは１００ｎｍの厚さまで
成長させる。

【００５３】このようにして成長させた中層部４３ｂ
は、表面（本実施の形態における成長面）が凹凸形状と
なる。具体的には、図１０（Ｂ）に拡大して示したよう
に、個々の貫通転位Ｄ₁ に自発的に対応して、積層方向
における深さが例えば１０ｎｍ〜１００ｎｍの凹部（成
長ピット）４３ｃが形成される。凹部４３ｃが自発的に
貫通転位Ｄ₁ の位置に形成されるのは、一般にＭＯＣＶ
Ｄ法により１０００℃以下の成長温度で成長させた結晶
層は成長ピットを生じやすいことによる。凹部４３ｃの
形状は、例えば第１の実施の形態の凹部１３ｂと同様で
ある。

【００５４】次に、例えば、ガリウムの原料ガスの供給
を停止し、成長温度を急速に１０２０℃まで上げる。続
いて、成長温度が１０２０℃に到達すると同時に、ガリ
ウムの原料ガスの供給を再開し、図１１（Ａ）に示した
ように、上層部４３ｄを成長させる（上層部成長工
程）。ここでは、成長温度の急峻な上昇に伴って、図１
１（Ｂ）に拡大して示したように、上層部４３ｄのうち
凹部４３ｃに対応する斜面では横方向に成長が進む。そ
の成長の様子は第１の実施の形態と同様であり、図１１
（Ｃ）に示したように、凹部４３ｃの斜面から横方向成
長した結晶同士が会合して空間部４３ｃ₁ が形成され
る。これにより、貫通転位Ｄ₁ は遮断され、空間部５３
ｃ₁ の上側への伝播が阻止される。更に、結晶層４３の
上層部４３ｄを一定時間以上成長させると、図１２に示
したように、成長面は実質的に平坦となり、結晶層４３
および結晶基板４０が完成する。

【００５５】なお、ここでは、成長温度を昇降させる過
程においてガリウムの原料ガスの供給を停止するように
したが、降温させつつ凹部５３ｃを形成したり、昇温さ
せつつ凹部５３ｃに対応する斜面から横方向成長させた
りできるならば、必ずしも成長を中断する必要はない。

【００５６】このように、結晶層４３の中層部４３ｂ表
面に、自発的に貫通転位Ｄ₁ に対応する凹部４３ｃを形
成し、そののち上層部４３ｄを成長させることにより結
晶層４３の内部に空間部４３ｃ₁ を形成するようにした
ので、空間部４３ｃ₁ において貫通転位Ｄ₁ を遮断する
ことができる。よって、結晶層４３の上層部４３ｄにお
ける貫通転位密度を簡便に低減することができる。な
お、本実施の形態は、凹部形成工程において下部層４３
ａとは成長条件の異なる中部層４３ｂを形成し、その表
面に凹部４３ｃを設けること以外は第１の実施の形態と
同様であり、第１の実施の形態と同様の効果を発揮す
る。

【００５７】（変形例）上記第４の実施の形態では、下
層部４３ａを成長させる際とは異なる成長温度で中層部
４３ｂを成長させるようにしたが、下層部４３ａを成長
させる際とは異なる成長速度で中層部４３ｂを成長させ
るようにした場合においても、その表面は凹凸形状とな
り、同様の効果が得られる。この場合の成長速度は、中
層部４３ｂは下層部４３ａよりも遅いほうが適当であ
る。なお、成長速度を変えるには、例えば、ガリウムの
原料ガスの流量を変化させるか、あるいはガリウムの原
料ガスと窒素の原料ガスとの流量比を変化させればよ
い。

【００５８】また、中層部４３ｂを成長させる際に、ケ
イ素あるいはマグネシウムなどの不純物を過剰（例え
ば、濃度で１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上）に添加するようにし
ても、その表面は凹凸形状となり、同様の効果が得られ
る。

【００５９】［第５の実施の形態］図１３ないし図１６
は、第５の実施の形態に係る結晶基板５０の製造方法を
工程毎に表すものである。

【００６０】まず、図１３に示したように、第１の実施
の形態と同様に、成長用基板１１の上にバッファ層１２
および下層部５３ａを順次成長させる（下層部成長工
程）。なお、下層部５３ａには、第１の実施の形態と同
様に、３×１０⁹ ｃｍ^-2程度の密度で貫通転位Ｄ₁ が存
在している。

【００６１】次いで、図１４（Ａ）に示したように、例
えば、ガリウムの原料ガスの供給を停止し、成長温度を
７５０℃に下げる。そののち、例えば、ガリウムの原料
ガスとインジウムの原料ガスとを所望の割合で供給し、
下層部５３ａの上に、例えばＩｎ_p Ｇａ_1-p Ｎ（ｐ≧
０．０５）混晶よりなる中層部５３ｂを５ｎｍ成長させ
る（転位遮断部形成工程）。このようにインジウムの組
成比が５％以上に高いＩｎＧａＮ混晶を成長させると、
図１４（Ｂ）に拡大して示したように、その表面付近で
は貫通転位Ｄ₁ の位置に金属インジウムが析出し、金属
インジウムよりなる転位遮断部５３ｃが自発的に形成さ
れ易い。なお、図１４では、転位遮断部５３ｃは中層部
５３ｂから突き出すようにして形成されているが、ここ
では転位遮断部５３ｃの形状は問わない。なお、金属イ
ンジウムは、貫通転位Ｄ₁ の伝播を遮断可能な物質であ
る。

【００６２】中層部５３ｂを成長させたのち、図１５
（Ａ）に示したように、例えば、インジウムの原料ガス
の供給を停止し、成長温度を１０２０℃まで上昇させ、
中層部５３ｂの上にＧａＮよりなる上層部５３ｄを成長
させる（上層部成長工程）。このとき、転位遮断部５３
ｃにおいては、中層部５３ｂおよび成長した上層部５３
ｄに比べてＧａＮ結晶が成長しにくいため、図１５
（Ｂ）に拡大して示したように、転位遮断部５３ｃ上で
は、上層部５３ｄが横方向成長する。上層部５３ｄを更
に成長させると、図１５（Ｃ）に拡大して示したよう
に、転位遮断部５３ｃ上において横方向成長した結晶同
士が会合し、一定時間経過すると、図１６に示したよう
に、成長面は実質的に平坦となり、結晶層５３および結
晶基板５０が完成する。

【００６３】このように本実施の形態によれば、結晶層
５３の中層部５３ｂを成長させる際に、貫通転位Ｄ₁ に
対応して転位遮断部５３ｃが自発的に形成されるので、
この転位遮断部５３ｃにより貫通転位Ｄ₁ を遮断するこ
とができる。よって、結晶層５３の上層部５３ｄにおけ
る貫通転位密度を簡便に低減することができる。なお、
本実施の形態では、中層部５３ｂの表面に析出したＩｎ
からなる転位遮断部５３ｃを設けるようにしたが、この
転位遮断部５３ｃを内部にＩｎが充填された凹部とみな
せば、転位遮断部形成工程を凹部形成工程と言い換える
ことができる。このような観点に立つと、本実施の形態
は中層部４３ｄを備える第４の実施の形態と同様であ
り、その効果は（第４の実施の形態と同じく）、第１の
実施の形態と同様である。

【００６４】［第６の実施の形態］図１７（Ａ）〜
（Ｃ）は、第６の実施の形態に係る結晶基板６０の製造
方法を工程毎に表すものである。

【００６５】まず、図１７（Ａ）に示したように、第１
の実施の形態と同様にして下層部１３ａを成長させる。
次いで、下層部１３ａの上に、例えば、ＣＶＤ（Chemic
al Vapor Deposition ）法により幅５μｍの二酸化ケイ
素膜（ＳｉＯ₂ ）を成膜し、この二酸化ケイ素膜にＲＩ
Ｅなどのドライエッチングを用いて開口を設けることに
よりストライプ状のマスク部６１を形成する。その際、
マスク部６１の幅は、例えば５μｍとし、その間隔また
は周期は、例えば５０ｎｍ〜１０ｍｍとする。なお、マ
スク部６１の材料としては、一般にマスク材として用い
られるものを用いることができ、例えば、二酸化ケイ素
以外にもケイ素，アルミニウム（Ａｌ），ガリウム（Ｇ
ａ），インジウム（Ｉｎ）などを含む金属材料や、その
酸素物、窒化物、あるいは炭化物を用いることができ、
有機材料を用いてもよい。開口の形状は、例えば、スト
ライプ状，矩形状，格子状，六角形状，三角形状あるい
は円形状とすることができる。

【００６６】次に、図１７（Ｂ）に示したように、例え
ば第１の実施の形態と同様にして凹部１３ｂを形成す
る。ここでは、主にマスク部６１以外の開口領域におい
て表面がエッチングされ、凹部１３ｂとなる。そのの
ち、図１７（Ｃ）に示したように、上層部１３ｃを成長
させ、空間部１３ｂ₁ を形成する。ここでは、上層部１
３ｃは、マスク部６１の間の開口領域において成長し始
め、マスク部６１の上に横方向成長する。その際、開口
領域に成長する部分には転位がほとんど存在しないの
で、上層部１３ｃ全体が低転位密度となる。

【００６７】このように、下層部１３ａの上に選択的に
マスク部６１を形成するようにしたので、凹部１３ｂの
形成領域が小さくて済み、例えば成長速度を高速化する
など上層部１３ｃの成長条件を厳しくすることが可能で
ある。なお、凹部１３ｂの形成とマスク部６１の形成と
の順番は逆であってもよい。

【００６８】なお、一般的には、マスク部は直下にあた
る下層部の転位を遮断すると共に、開口領域からの転位
をその上に屈曲させる役割を持つ。従って、マスク部上
には転位列が形成され、結晶層表面の貫通転位密度はマ
スク部の周期に応じた周期的分布を持つ。これに対し、
本実施の形態では、マスク部６１は上述のようにもっぱ
ら層形成の効率化のために設けられる。また、開口領域
において転位が遮断されるためにマスク部６１の上にお
いても転位が低減することになる。従って、この場合に
は、もともと結晶層１３Ｄの上層部における転位密度が
低いので、その転位密度の粗密が実用上問題とならな
い。

【００６９】従って、本実施の形態では、結晶基板６０
は上述のようにマスク部６１に関係なく貫通転位密度が
低くなるので、半導体装置の作製時に、従来の横方向成
長技術のような基板の位置合わせが不要である。なお、
このような観点から、本発明は従来の技術に比べてより
有効的に貫通転位を低減することが可能であることがわ
かる。なお、本実施の形態はマスク部６１を設けること
以外は第１の実施の形態と同様であるので、その他の効
果は第１の実施の形態と同様である。

【００７０】［第７の実施の形態］図１８は、第７の実
施の形態に係る結晶基板の製造方法を用いて製造された
結晶基板７０の断面構造を表している。以下、図１８を
参照して、本実施の形態に係る製造方法について説明す
る。

【００７１】まず、成長用基板１１の上にバッファ層１
２を成長させ、バッファ層１２の上に、例えば、ＭＯＣ
ＶＤ法によりＧａＮからなる種結晶層７１を２μｍ程度
成長させる。次いで、種結晶層７１の上に、例えば、Ｃ
ＶＤ法により厚さ０．３μｍ〜１μｍの窒化ケイ素ある
いは二酸化ケイ素よりなる図示しない非晶質膜を形成
し、これをフォトリソグラフィ技術を用いてストライプ
状にパターニングする。続いて、図示しない非晶質膜を
マスクとして例えばＲＩＥを行い、種結晶層７１から不
要部分を除去する。その後、例えばウェットエッチング
を行って図示しない非晶質膜を除去する。

【００７２】次いで、種結晶層７１を基礎として例えば
ＭＯＣＶＤ法により下層部１３ａを成長させる。下層部
１３ａの成長は、種結晶層７１の上面から上方向に、側
壁面から横方向に進行する。その際、種結晶層７１の上
側には貫通転位Ｄ₁ が伝播するが、それ以外の部分で
は、横方向成長に伴って貫通転位Ｄ₁ は屈曲してほとん
ど存在しない。なお、横方向成長の速度は上面における
成長速度よりも大きく、一定時間経過すると成長面が実
質的に平坦となる。

【００７３】下層部１３ａを成長させたのち、例えば第
１の実施の形態と同様にして下層部１３ａの表面に凹部
１３ｂを形成する。ここでは、上述したように種結晶層
７１の上側では貫通転位密度が高く、凹部１３ｂが多数
形成される。また、種結晶層７１の上側以外の領域にお
いては、横方向に成長した結晶同士が会合することによ
り発生した貫通転位Ｄ₁ が存在しており、この貫通転位
Ｄ₁ に対応して凹部１３ｂが形成される。次いで、上層
部１３ｃを成長させ、凹部１３ｂの位置に空間部１３ｂ
₁ を形成する。これにより、結晶層１３Ｅおよび結晶基
板７０が完成する。

【００７４】このように、種結晶層７１を基礎として下
層部１３ａを成長させ、結晶層１３Ｅを作製するように
したので、貫通転位密度が低い下層部１３ａを予め用意
することができ、上層部１３ｃにおける貫通転位密度を
より低減させることができる。その他の効果は、第１の
実施の形態に同じである。

【００７５】［第８の実施の形態］第８の実施の形態
は、図１９に示したように、上述の凹部形成工程と上層
部形成工程とをそれぞれ２回以上（ここでは、２回）行
う場合の製造方法に関するものである。

【００７６】まず、例えば、第１の実施の形態と同様に
して、成長用基板１１の上に、バッファ層１２を介して
結晶層１３Ｆの下層部１３ａを成長させ、凹部１３ｂを
形成し、上層部１３ｃを成長させて空間部１３ｂ₁ を形
成する。この上層部１３ｃには、貫通転位Ｄ₁ に対応し
て空間部１３ｂ₁ が形成されなかったり、凹部１３ｂが
完全には貫通転位Ｄ₁ と対応していなかったりする場合
に、貫通転位Ｄ₂ が生じる。

【００７７】次に、上層部１３ｃを第２の下層部とし
て、下層部１３ａに凹部１３ｂを形成したようにして、
上層部１３ｃの表面に凹部１３ｅを形成する。凹部１３
ｅは、貫通転位Ｄ₂ に対応して自発的に形成され、例え
ば深さ１００ｎｍ程度である。

【００７８】次に、例えば、ガリウムの原料ガスの供給
を再開し、例えば１０２０℃の成長温度で上層部１３ｆ
を成長させる。その際、凹部１３ｅの位置に空間部１３
ｅ₁が形成される。これにより、結晶層１３Ｆおよび結
晶基板８０が完成する。なお、この上層部１３ｆおいて
は、貫通転位Ｄ₂ に対応して空間部１３ｅ₁ が形成され
なかったり、凹部１３ｅが完全には貫通転位Ｄ₂ と対応
していなかったりする場合に、貫通転位Ｄ₃ が生じる。

【００７９】このように、凹部形成工程と上層部形成工
程とを２回繰り返し、空間部１３ｂ ₁ ，１３ｅ₁ を設け
ることにより、結晶層１３Ｆの表面（上層部１３ｆ）に
おける貫通転位密度をより低くすることができる。ま
た、同様にして、凹部形成工程と上層部形成工程とを複
数回繰り返し、空間部１３ｂ₁ ，１３ｅ₁ ，・・・の層
を複数重ねて設けていくと、上層部における貫通転位の
存在確率はその度毎に減少してゆき、貫通転位密度を次
第に低くしてゆくことができる。

【００８０】また、本実施の形態では、第１の実施の形
態の製造方法を２回繰り返す場合について説明したが、
上記の他の実施の形態の方法を用いても同様の効果を得
ることができる。勿論、同一の製造方法のみならず各製
造方法を組み合わせて繰り返すようにしてもよい。

【００８１】［第９の実施の形態］この第９の実施の形
態では、上記の各実施の形態において製造される結晶基
板を用いた半導体装置の製造方法について説明する。な
お、半導体装置が結晶基板の上層部側に形成される場
合、結晶基板の内部構造の違いは考慮する必要がないの
で、いずれの方法で作製された結晶基板でも同じように
用いられる。よって、ここでは一例として、結晶基板１
０を用いて、図２０に示したＳＣＨ（SepareteConfinem
ent Heterostructure）構造の半導体レーザ１を製造す
る場合について説明する。

【００８２】この半導体レーザ１は、結晶基板１０の上
に、半導体層１００としてｎ側コンタクト層１０１，ｎ
型クラッド層１０２，ｎ型ガイド層１０３，活性層１０
４，結晶劣化防止層１０５，ｐ型ガイド層１０６，ｐ型
クラッド層１０７およびｐ側コンタクト層１０８を順次
積層したものである。

【００８３】まず、例えば、複数の半導体レーザ１が形
成される結晶基板１０を用意する。ここでは、例えば第
１の実施の形態の方法を用い、厚さ４００μｍのサファ
イアよりなる成長用基板１１のｃ面に、厚さ３０ｎｍの
ＧａＮよりなるバッファ層１２および厚さ４μｍのＧａ
Ｎよりなる結晶層１３を成長させて結晶基板１０を得
る。

【００８４】次に、この結晶基板１０の上に、例えば、
ＭＯＣＶＤ法により半導体層１００を成長させる。具体
的には、まず、例えば、ｎ型不純物としてケイ素を添加
したｎ型ＧａＮよりなる厚さ３μｍのｎ側コンタクト層
１０１，ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧ
ａＮ混晶よりなる厚さ１μｍのｎ型クラッド層１０２、
およびｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮよ
りなる厚さ０．１μｍのｎ型ガイド層１０３を順次成長
させる。次いで、ｎ型ガイド層１０３の上に、例えば、
Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ混晶層とＧａ_1-y Ｉｎ_y Ｎ（但し、ｘ
≠ｙ）混晶層とを積層した多重量子井戸構造を有する厚
さ３０ｎｍの活性層１０４を成長させる。続いて、活性
層１０４の上に、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウ
ムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなる厚さ２０ｎｍ
の結晶劣化防止層１０５，ｐ型不純物としてマグネシウ
ムを添加したｐ型ＧａＮよりなる厚さ０．１μｍのｐ型
ガイド層１０６，ｐ型不純物としてマグネシウムを添加
したｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなる厚さ０．８μｍのｐ型
クラッド層１０７およびｐ型不純物としてマグネシウム
を添加したｐ型ＧａＮよりなる厚さ０．５μｍのｐ側コ
ンタクト層１０８を順次成長させる。なお、半導体層１
００は、結晶層１３を成長させた後で連続して成長させ
るようにしてもよいし、別途成長させるようにしてもよ
い。

【００８５】このとき、結晶基板１０の表面（上層部１
３ｃ）には貫通転位が非常に少ないので、その上に成長
する半導体層１００に伝播する貫通転位も非常に少な
く、半導体層１００は結晶性が良好なものとなる。

【００８６】次に、ｐ側コンタクト層１０８からｎ側コ
ンタクト層１０１まで順次エッチングして、ｎ側コンタ
クト層１０１の一部を表面に露出させる。続いて、ｐ側
コンタクト層１０８の上に図示しないマスクを形成し、
このマスクを利用してｐ側コンタクト層１０８およびｐ
型クラッド層１０７の一部を選択的にエッチングし、更
に細いストライプ形状に加工して、電流狭窄部を形成す
る。

【００８７】次に、露出面全体に、例えば蒸着法により
二酸化ケイ素よりなる絶縁膜１１１を形成する。更に、
絶縁膜１１１のｐ側コンタクト層１０８の上にあたる部
分に開口を設け、この開口部に例えばパラジウム（Ｐ
ｄ），白金および金を順次蒸着し、ｐ側電極１１３を形
成する。また、絶縁膜１１１のｎ側コンタクト層１０１
上の領域に開口を形成し、この開口部に、例えばチタン
（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金（Ｐｔ）および
金（Ａｕ）を順次蒸着し、合金化してｎ側電極１１２を
形成する。

【００８８】次に、例えば、成長用基板１１を８０μｍ
程度の厚さとなるまで研削したのち、結晶基板１０ごと
半導体層１００をストライプ方向に対して垂直に分割す
る。これにより、各半導体レーザ１の一対の共振器端面
が形成される。次いで、各共振器端面に図示しない反射
鏡膜をそれぞれ形成する。更に、各半導体レーザ１毎に
半導体層１００をストライプ方向に対して平行に分割す
る。これにより、図２０に示した半導体レーザ１を複数
個得ることができる。完成した半導体レーザ１は、それ
ぞれ図示しないパッケージに実装される。

【００８９】このように、結晶基板１０の上に半導体層
１００を成長させて半導体レーザ１を作製するようにし
たので、半導体層１００の貫通転位密度が一様に低減
し、その結晶性が改善される。よって、半導体レーザ１
の発光特性の劣化を防止することができると同時に、そ
の信頼性の向上や長寿命化を図ることができる。また、
この製造方法によれば、半導体レーザ１の生産性や歩留
まりを向上させることができる。

【００９０】［第１０の実施の形態］図２１は第１０の
実施の形態に係る半導体レーザ２の断面構成を表してい
る。ここでは、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物基板９０を
用い、第９の実施の形態とは異なる構成のレーザを作製
する場合について説明する。但し、先の半導体レーザ１
と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略す
る。

【００９１】窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物基板９０は、
上記第１ないし第８の実施の形態において製造される結
晶基板のうち、成長用基板１１を除いたもの、もしくは
結晶層の少なくとも一部によって構成される。ここで
は、前述の方法によって空間部を含んだ面で分割するこ
とで結晶基板から得られる上層部を、窒化物系ＩＩＩ−
Ｖ族化合物基板（以下、基板と略記）９０とする。従っ
て、基板９０は貫通転位が極めて少ないものとなってい
る。

【００９２】例えば、ｎ型ＧａＮにより形成されている
基板９０の上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ側コンタクト層
１０１からｐ側コンタクト層１０８までを順次成長さ
せ、半導体層２０Ａを形成する。次に、半導体レーザ１
と同様にしてｐ型クラッド層１０７の上部およびｐ側コ
ンタクト層１０８を細いストライプ形状に加工し、電流
狭窄部を形成する。次いで、電流狭窄部の両側に、例え
ば、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ
混晶よりなる電流ブロック層１２０を成長させる。この
電流ブロック層１２０は、周囲との絶縁性が確保されて
おり、電流狭窄層として機能する。次いで、基板９０上
の全面にｐ側電極３３を形成し、基板９０の裏面側にｎ
側電極３２を形成する。これにより、半導体レーザ２が
得られる。

【００９３】このように、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物
基板９０の上に半導体層１００Ａを成長させて半導体レ
ーザ２を作製するようにしたので、半導体層１００Ａの
貫通転位密度が一様に低減し、その結晶性が改善され
る。よって、半導体レーザ２の発光特性の劣化を防止す
ることができると同時に、その信頼性の向上や長寿命化
を図ることができる。また、この製造方法によれば、半
導体レーザ２の生産性や歩留まりを向上させることがで
きる。

【００９４】また、このようにして製造される半導体レ
ーザ２は、基板の裏面側に電極が形成されている通常の
ＡｌＧａＡｓ系あるいはＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ
と同様の構成を有しているので、これらを製造する際の
プロセスと同様のプロセスを適用することができると共
に、パッケージについても同じ形状のものを利用するこ
とができるという利点を有する。更に、半導体レーザ２
は、半導体レーザ１よりもサイズを小さくすることがで
きると共に、より簡易な工程で作製できるために量産性
に優れ、生産性の向上を図ることもできる。

【００９５】以上、実施の形態を挙げて本発明を説明し
たが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形態で
は、結晶層１３，４３，５３を成長させる一連の工程を
同一装置内で行うようにしたが、各工程毎に別の装置を
用いて行うようにしてもよい。例えば、下層部形成の後
に、気相成長装置から成長用基板１１を取り出し、凹部
形成工程を別途行うようにすれば、下層部１３ａに化学
エッチングを施し、積極的に凹部１３ｂを形成すること
ができる。その場合、貫通転位密度測定の手段に用いら
れる水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液によるエッチング
は、貫通転位部を選択的にエッチングするので好適に用
いることができる。また、このときのエッチャントは水
溶液に限らず、溶融塩や熱リン酸などを用いることもで
きる。また更に、ＲＩＥを用いることもでき、これら各
種のエッチング法を組み合わせて用いてもよい。但し、
上述したように、各工程は同一装置内で連続して行う方
が工程の簡略化および短縮化を実現することができると
共に、不要な不純物の混入を防止することもできるの
で、好ましい。

【００９６】また、上記各実施の形態では、ＧａＮより
なる結晶層１３，５３を成長させるようにしたが、３Ｂ
族元素のうちの少なくとも１種と５Ｂ族元素のうちの少
なくとも窒素とを含む他の結晶層を成長させるようにし
てもよいし、それ以外の材料（例えば、ＧａＡｓ）より
なる結晶層を成長させるようにしてもよい。なお、本発
明は、このようなＩＩＩ−Ｖ族化合物以外の材料を用い
た場合にも適用可能である。また、第５の実施の形態で
は、ＩｎＧａＮ混晶よりなる中層部５３ｂを成長させ、
金属インジウムの転位遮断部５３ｃを形成するようにし
たが、このように転位遮断部５３ｃを形成可能な材料で
あれば同様にして用いることができる。

【００９７】また、上記第２、第３、第６および第７の
実施の形態では、エッチングにより凹部１３ｂを形成す
るようにしたが、第４の実施の形態と同様に中層部を成
長させてその表面に凹部を設けるようにしてもよい。

【００９８】また、上記第４ないし第８の実施の形態で
は、各々の貫通転位Ｄ₁ に個別に対応した凹部１３ｂを
形成する場合について説明したが、第１の実施の形態の
変形例と同様にして、凹部の径を調整し、複数の貫通転
位Ｄ₁ に通ずる凹部１３ｄ（すなわち、空間部１３
ｄ₁ ）を形成するようにしてもよい。

【００９９】また、上記各実施の形態では、成長用基板
１１をサファイアとして説明したが、これに限らずどの
ような材質の基板を用いてもよい。例えば、Ｓｉ，Ｓｉ
Ｃ，ＧａＮ，ＧａＡｓあるいはマグネシウム・アルミニ
ウム複合酸化物（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄ ；スピネル）やリチウ
ム・ガリウム複合酸化物（ＬｉＧａＯ₂ ）等を成長用基
板とすることもできる。

【０１００】また、上記各実施の形態では、結晶層１
３，４３，５３および半導体層１００をＭＯＣＶＤ法に
より成長させる場合について説明したが、ＭＯＶＰＥ
（MetalOrganic Vapor Phase Epitaxy;有機金属気相成
長）法であっても、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；
分子線エピタキシー）法，ハイドライド気相成長法また
はハライド気相成長法などの他の気相成長法により形成
するようにしてもよい。なお、ハイドライド気相成長法
とは、ハイドライド（水素化物）が輸送または反応に寄
与する気相成長法のことをいい、ハライド気相成長法と
は、ハライド（ハロゲン化物）が輸送または反応に寄与
する気相成長法のことをいう。

【０１０１】また、上記第９および第１０の実施の形態
では、半導体装置として半導体レーザ１，２を具体例に
挙げて説明したが、本発明は、発光ダイオードあるいは
電界効果トランジスタなどの他の半導体装置についても
適用することができる。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項２１のいずれか１項に記載の結晶膜の製造方法、ある
いは請求項２４ないし請求項２６のいずれか１項に記載
の結晶基板の製造方法によれば、結晶膜の成長面に、そ
の形成部位が個々の転位に自発的に対応する凹部を形成
し、そののち上層部を成長させることにより結晶膜の内
部に空間部を形成するようにしたので、空間部において
個々の転位を遮断することができる。従って、簡便な方
法でありながら、結晶膜の上層部における転位密度を効
率よく低減することができる。特に、下層部成長工程，
凹部形成工程および上層部成長工程を同一装置内で行え
ば、製造工程のより一層の簡略化および短縮化を図るこ
とができると共に、装置間を移送させる際に生じる不純
物による汚染および表面の酸化を防止することができ
る。

【０１０３】また、請求項２２または請求項２３に記載
の結晶膜の製造方法、あるいは請求項２７に記載の結晶
基板の製造方法によれば、結晶層の中層部を成長させる
際に、転位に対応する部位にその伝播を遮断可能な物質
を自発的に析出させることにより転位遮断部を形成する
ようにしたので、転位遮断部において転位を遮断するこ
とができる。よって、結晶層の上層部における転位密度
を簡便に低減することができる。

【０１０４】更に、請求項２８あるいは請求項２９に記
載の半導体装置の製造方法によれば、本発明の結晶層の
製造方法を用いるようにしたので、半導体装置の性能を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る結晶基板の製
造方法を用いて製造された結晶基板の構成を表す断面図
である。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る結晶基板の製
造方法を説明するための断面図である。

【図３】図２に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図４】図３に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図５】図４に続く製造工程を説明するための断面図で
ある。

【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例を説明する
ための断面図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る結晶基板の製
造方法を説明するための断面図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態に係る結晶基板の製
造方法を説明するための断面図である。

【図９】本発明の第４の実施の形態に係る結晶基板の製
造方法を説明するための断面図である。

【図１０】図９に続く製造工程を説明するための断面図
である。

【図１１】図１０に続く製造工程を説明するための断面
図である。

【図１２】図１１に続く製造工程を説明するための断面
図である。

【図１３】本発明の第５の実施の形態に係る結晶基板の
製造方法を説明するための断面図である。

【図１４】図１３に続く製造工程を説明するための断面
図である。

【図１５】図１４に続く製造工程を説明するための断面
図である。

【図１６】図１５に続く製造工程を説明するための断面
図である。

【図１７】本発明の第６の実施の形態に係る結晶基板の
製造方法を説明するための断面図である。

【図１８】本発明の第７の実施の形態に係る結晶基板の
製造方法を説明するための断面図である。

【図１９】本発明の第８の実施の形態に係る結晶基板の
製造方法を説明するための断面図である。

【図２０】本発明の第９の実施の形態に係る半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図２１】本発明の第１０の実施の形態に係る半導体装
置の製造方法を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１，２…半導体レーザ、１０，２０，３０，４０，５
０，６０，７０，８０…結晶基板、１１…成長用基板、
１２…バッファ層、１３，１３Ａ〜１３Ｆ，４３，５３
…結晶層、１３ａ，４３ａ，５３ａ…下層部、４３ｂ，
５３ｂ…中層部、１３ｃ，１３ｆ，４３ｄ，５３ｄ…上
層部、１３ｂ，１３ｄ，１３ｅ，４３ｃ…凹部、１３ｂ
₁ ，１３ｄ₁ ，１３ｅ₁ ，４３ｃ₁ …空間部、１３ａ₁
…表面処理領域、２１…被膜、５３ｃ…転位遮断部、６
１…マスク部、７１…種結晶層、１００，１００Ａ…半
導体層、１０１…ｎ側コンタクト層、１０２…ｎ型クラ
ッド層、１０３…ｎ型ガイド層、１０４…活性層、１０
５…結晶劣化防止層、１０６…ｐ型ガイド層、１０７…
ｐ型クラッド層、１０８…ｐ側コンタクト層、１１１…
絶縁膜、１１２…ｎ側電極、１１３…ｐ側電極、９０…
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物基板、１２０…電流ブロッ
ク層、Ｄ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ …貫通転位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土居 正人 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 大畑 豊治 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 森田 悦男 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 村上 洋介 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AA05 AB14 AB17 AC08 AC19 AD11 AD14 AF04 AF09 CA12 DA53 DA67 DB01 5F073 AA11 AA89 CA07 DA05 DA22 DA25

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成長用基板の上に結晶膜の下層部を成長
   させる下層部成長工程と、 結晶膜の成長面に、その形成部位が前記下層部にて発生
   した個々の転位に自発的に対応する凹部を形成する凹部
   形成工程と、 前記凹部のうちの少なくとも一部を空間部として結晶膜
   の上層部を成長させる上層部成長工程とを含むことを特
   徴とする結晶膜の製造方法。
2. 【請求項２】 前記下層部の表面に、エッチングを施し
   凹部を形成することを特徴とする請求項１記載の結晶膜
   の製造方法。
3. 【請求項３】 前記結晶膜を原料ガスおよびキャリアガ
   スを用いる気相成長法により形成すると共に、前記エッ
   チングをキャリアガスを用いて行うことを特徴とする請
   求項２記載の結晶膜の製造方法。
4. 【請求項４】 前記下層部成長工程の後に成長条件を変
   えて中層部を成長させ、この中層部の表面に凹部を形成
   することを特徴とする請求項１記載の結晶膜の製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記中層部を前記下層部成長工程とは異
   なる速度で成長させることを特徴とする請求項４記載の
   結晶膜の製造方法。
6. 【請求項６】 前記中層部を前記下層部成長工程とは異
   なる温度で成長させることを特徴とする請求項４記載の
   結晶膜の製造方法。
7. 【請求項７】 前記凹部の表面に被膜を形成することを
   特徴とする請求項１記載の結晶膜の製造方法。
8. 【請求項８】 酸素，窒素，フッ素および炭素のうちの
   少なくとも１種を含む被膜を形成することを特徴とする
   請求項７記載の結晶膜の製造方法。
9. 【請求項９】 前記凹部の表面に表面処理を施すことを
   特徴とする請求項１記載の結晶膜の製造方法。
10. 【請求項１０】 酸化，窒化，フッ化および炭化のうち
    の少なくとも１種の表面処理を施すことを特徴とする請
    求項９記載の結晶膜の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記下層部の上に選択的にマスク部を
    形成することを特徴とする請求項１記載の結晶膜の製造
    方法。
12. 【請求項１２】 前記下層部成長工程において、成長用
    基板の上に種結晶膜を形成し、この種結晶膜を基礎とし
    た横方向成長により前記下層部を成長させることを特徴
    とする請求項１記載の結晶膜の製造方法。
13. 【請求項１３】 前記凹部形成工程および前記上層部成
    長工程を複数回繰り返して行うことを特徴とする請求項
    １記載の結晶膜の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記下層部成長工程，前記凹部形成工
    程および前記上層部成長工程を同一装置内で行うことを
    特徴とする請求項１記載の結晶膜の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記凹部を転位に通じる部分を頂点と
    する多角錐形状に形成することを特徴とする請求項１記
    載の結晶膜の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記凹部を転位に通じる部分を中心と
    するすり鉢状に形成することを特徴とする請求項１記載
    の結晶膜の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記凹部形成工程において、前記個々
    の転位に対応した複数の凹部を連通させることを特徴と
    する請求項１記載の結晶膜の製造方法。
18. 【請求項１８】 前記複数の凹部を連通させてなる凹部
    の幅または径を３０ｎｍ以上とすることを特徴とする請
    求項１７記載の結晶膜の製造方法。
19. 【請求項１９】 前記複数の凹部を連通させてなる凹部
    の幅または径を前記下層部における転位密度の平方根の
    逆数以上とすることを特徴とする請求項１７記載の結晶
    膜の製造方法。
20. 【請求項２０】 前記結晶膜が、ウルツ鉱型構造となる
    ことを特徴とする請求項１記載の結晶膜の製造方法。
21. 【請求項２１】 前記結晶膜が、３Ｂ族元素のうちの少
    なくとも１種と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素
    （Ｎ）とを含んでいることを特徴とする請求項１記載の
    結晶膜の製造方法。
22. 【請求項２２】 成長用基板の上に結晶膜の下層部を成
    長させる下層部成長工程と、前記下層部の上に中層部を
    成長させて、その中層部の表面付近に、前記下層部にて
    発生した転位の伝播を遮断可能な物質を自発的に個々の
    前記転位に対応する部位に析出させることにより転位遮
    断部を形成する転位遮断部形成工程と、 前記中層部の上に上層部を成長させる上層部成長工程と
    を含むことを特徴とする結晶膜の製造方法。
23. 【請求項２３】 前記転位遮断部を、インジウム（Ｉ
    ｎ）の析出により形成することを特徴とする請求項２２
    記載の結晶膜の製造方法。
24. 【請求項２４】 成長用基板の上に結晶膜が設けられた
    結晶基板の製造方法であって、 前記結晶膜を成長させる工程が、 成長用基板の上に結晶膜の下層部を成長させる下層部成
    長工程と、 結晶膜の成長面に、その形成部位が前記下層部にて発生
    した個々の転位に自発的に対応する凹部を形成する凹部
    形成工程と、 前記凹部のうちの少なくとも一部を空間部として結晶膜
    の上層部を成長させる上層部成長工程とを含むことを特
    徴とする結晶基板の製造方法。
25. 【請求項２５】 前記結晶膜を成長させた後に、成長用
    基板を除去する工程を含むことを特徴とする請求項２４
    記載の結晶基板の製造方法。
26. 【請求項２６】 前記空間部を層面に平行な面上に複数
    形成し、前記複数の空間部が形成された面で分割して、
    前記成長用基板および前記空間部を除去することを特徴
    とする請求項２５記載の結晶基板の製造方法。
27. 【請求項２７】 成長用基板の上に結晶膜が設けられた
    結晶基板の製造方法であって、 前記結晶膜を成長させる工程が、 成長用基板の上に結晶膜の下層部を成長させる下層部成
    長工程と、 前記下層部の上に中層部を成長させて、その中層部の表
    面付近に、前記下層部にて発生した転位の伝播を遮断可
    能な物質を自発的に個々の前記転位に対応する部位に析
    出させることにより転位遮断部を形成する転位遮断部形
    成工程と、 前記中層部の上に上層部を成長させる上層部成長工程と
    を含むことを特徴とする結晶基板の製造方法。
28. 【請求項２８】 成長用基板の上に結晶膜を設ける工程
    を含む半導体装置の製造方法であって、 前記結晶膜を成長させる工程が、 成長用基板の上に結晶膜の下層部を成長させる下層部成
    長工程と、 結晶膜の成長面に、その形成部位が前記下層部にて発生
    した個々の転位に自発的に対応する凹部を形成する凹部
    形成工程と、 前記凹部のうちの少なくとも一部を空間部として結晶膜
    の上層部を成長させる上層部成長工程とを含むことを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
29. 【請求項２９】 成長用基板の上に結晶膜を設ける工程
    を含む半導体装置の製造方法であって、 前記結晶膜を成長させる工程が、 成長用基板の上に結晶膜の下層部を成長させる下層部成
    長工程と、 前記下層部の上に中層部を成長させて、その中層部の表
    面付近に、前記下層部にて発生した転位の伝播を遮断可
    能な物質を自発的に個々の前記転位に対応する部位に析
    出させることにより転位遮断部を形成する転位遮断部形
    成工程と、 前記中層部の上に上層部を成長させる上層部成長工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。