JP2003069156A - 窒素化合物半導体積層物、発光素子、光ピックアップシステム、および窒素化合物半導体積層物の製造方法。 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子
に有用な窒素化合物半導体積層物を提供する。 【解決手段】 窒素化合物半導体積層物１０において、
窒素化合物半導体からなる第１の結晶層１１上には、炭
素を不純物として含む窒素化合物半導体の中間層１２が
形成され、その上には、窒素化合物半導体からなる第２
の結晶層１３が形成される。窒素化合物半導体は、たと
えばＧａＮである。典型的に、第１の結晶層１１は、単
結晶層であり、第２の結晶層１３はエピタキシャル成長
層である。第２の結晶層１３の表面は非常に平滑であ
り、発光素子の特性向上に寄与する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒素化合物半導体
からなる積層物、該積層物を使用する発光素子、該発光
素子を使用する光ピックアップシステム、および該積層
物の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒素化合物半導体の特性を利用して、発
光素子やハイパワーデバイスの研究および開発が進んで
いる。例えば、発光素子の場合、利用する窒素化合物半
導体の組成を調整することにより、技術的には紫色から
橙色までの幅の広い発光素子を得ることができる。近
年、窒素化合物半導体の特性を利用して、青色発光ダイ
オードや、緑色発光ダイオードの実用化がなされ、ま
た、半導体レーザー素子として青紫色半導体レーザーが
開発されてきている。

【０００３】窒素化合物半導体膜を製造する際には、基
板として、サファイア、ＳｉＣ、スピネル、Ｓｉ、Ｇａ
Ａｓ、ＧａＮ等の基板が使用される。例えば、基板とし
てサファイアを使用する場合、ＧａＮ膜をエピタキシャ
ル成長する前に、あらかじめ、５００℃〜６００℃の低
温で、基板上にＧａＮまたはＡｌＮのバッファー層を形
成し、その後、基板を１０００℃〜１１００℃の高温に
昇温して窒素化合物半導体膜のエピタキシャル成長を行
うと、表面状態の良い、構造的および電気的に良好な結
晶が得られることが知られている。ＳｉＣを基板として
使用する場合、エピタキシャル成長を行う温度で、薄い
ＡｌＮ膜をバッファー層として使用すると良いことが知
られている。

【０００４】しかし、窒素化合物半導体以外の基板を使
用すると、成長する窒素化合物半導体膜と基板との熱膨
張係数の違いや、格子定数の違いにより、製造される窒
素化合物半導体中に多数の欠陥が存在する。その欠陥密
度は、合計で約２×１０⁷ｃｍ^-2〜１×１０⁹ｃｍ^-2にも
なる。このような多数の転位は、例えば半導体膜におい
て、電気伝導を制御するキャリアをトラップし、製造し
た膜の電気的特性を損ねることが知られている他、大電
流を流すようなレーザー等の発光素子において、寿命の
低下を招くことが知られている。そのため、格子欠陥を
低減し、かつ電気的特性を良好にするために、ハイドラ
イド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ）や、高圧合成法、昇華法
等といった手法を用いて、ＧａＮ等の窒素化合物半導体
の厚膜を形成し、該厚膜を基板として使用することが試
みられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒素化
合物半導体の厚膜から得られる基板（以下、窒素化合物
半導体基板と呼ぶ）上で、新たに窒素化合物半導体の結
晶を成長させると、結晶表面の平坦性が元の基板表面と
比較して悪くなる場合がある。これは、窒素化合物半導
体基板の表面状態に起因するものである。厚い窒素化合
物半導体膜の表面は、ｃ軸方向およびａ軸方向に微量な
ズレを有し得ることが知られている。そのため、窒素化
合物半導体基板上に窒素化合物半導体の結晶を成長させ
ると、多数の領域で微妙に異なる方向に結晶成長の安定
面が形成されるようになり、それが、成長膜の平坦性を
損なう原因になり得る。表面の平坦性が良好でない発光
素子は、面内において発光強度の顕著な分布が発生し得
る。このような分布によって、レーザ素子においては発
振開始の閾値電流が高くなったり、レーザ素子を用いた
光ピックアップシステムでは遠視野像または近視野像が
安定しないという現象が生じ得る。

【０００６】本発明の一つの目的は、表面が平坦な窒素
化合物半導体の積層物を提供することである。

【０００７】本発明のさらなる目的は、半導体レーザ、
発光ダイオード等の発光素子に有用な窒素化合物半導体
積層物を提供することである。

【０００８】本発明のさらなる目的は、特性の向上した
発光素子を提供することである。本発明のさらなる目的
は、性能の向上した光ピックアップシステムを提供する
ことである。

【０００９】本発明のさらなる目的は、窒素化合物半導
体の結晶上に平坦な結晶層を形成するための方法を提供
することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には、基板上に窒素化合物半導体をエピタキシャル成長
させる際、該基板における微小領域から個別に発生する
安定な結晶面を同一方向に統合することが必要となる。
この課題に対し、本発明者らは、炭素がドーピングされ
た窒素化合物半導体層を介して窒素化合物半導体の結晶
層を基板上に成長させれば、極めて平坦な表面を有する
結晶層が得られることを見出し、本発明を完成させるに
至った。

【００１１】本発明により窒素化合物半導体積層物が提
供され、該積層物は、窒素化合物半導体からなる第１の
結晶層、第１の結晶層上に直接形成され、かつ炭素を不
純物として含む窒素化合物半導体からなる中間層、およ
び中間層上に直接形成され、かつ窒素化合物半導体から
なる第２の結晶層を備える。

【００１２】本発明による積層物において、中間層の厚
みは、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ
以上２００ｎｍ以下がより好ましい。また、中間層にお
ける炭素の濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²¹ｃｍ
^-3以下であることが好ましい。

【００１３】本発明において、第１の結晶層は、ガリウ
ムおよび窒素を主成分とすることができる。この場合、
中間層の窒素化合物半導体は、ＧａＮおよびＡｌ_xＧａ
_1-xＮ（０≦ｘ≦１）よりなる群から選ばれたものとす
ることが好ましい。また、ＡｌＧａＮの場合、中間層の
窒素化合物半導体は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．
３）がより好ましい。これらの窒素化合物半導体には、
効率的に炭素の添加を行うことができる。

【００１４】本発明による積層物において、典型的に
は、第２の結晶層はエピタキシャル成長層である。本発
明の積層物は、その上に素子を形成するためのエピタキ
シャルウェハとして提供してもよい。積層物またはエピ
タキシャルウェハにおいて、第２の結晶層の表面粗さＲ
ａは、典型的には３０ｎｍ以下である。

【００１５】また、本発明により発光素子が提供され、
該発光素子は、上述した窒素化合物半導体積層物、該積
層物の第２の結晶層上に形成され、かつ窒素化合物半導
体からなる、電力から光出力を生じさせるための積層構
造物、および積層構造物に電力を供給するための電極を
備える。該発光素子は、たとえば半導体レーザである。

【００１６】さらに、本発明により光ピックアップシス
テムが提供され、該システムは、光学系に光を供給する
ための装置として、本発明による発光素子、特に半導体
レーザを備える。

【００１７】また、本発明により窒素化合物半導体積層
物の製造方法が提供される。該製造方法は、窒素化合物
半導体からなる第１の結晶層上に、炭素の供給源、周期
律表における第３族元素の供給源、および窒素の供給源
から、炭素を不純物として含む窒素化合物半導体を形成
する第１の工程、および該炭素の供給源の供給を停止
し、第１の工程に連続して、周期律表における第３族元
素の供給源および窒素の供給源から、窒素化合物半導体
からなる第２の結晶層を形成する第２の工程を備える。
この製造方法において、第１の工程および第２の工程
は、有機金属気相成長法によって行われることが好まし
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】典型的に、本発明による積層物
は、図１に示すような構造を有する。窒素化合物半導体
積層物１０において、窒素化合物半導体からなる第１の
結晶層１１上には、炭素を不純物として含む窒素化合物
半導体の中間層１２が形成され、その上には、窒素化合
物半導体からなる第２の結晶層１３が形成される。中間
層１２は、第１および第２の結晶層の両方に接してい
る。一般に、中間層１２は、第２の結晶層１３より薄い
ものである。以下に説明するように、中間層１２が、第
２の結晶層１３の表面を平滑にするのに寄与している。
典型的には、第１の結晶層は、単結晶層であり、第２の
結晶層は、エピタキシャル成長層である。

【００１９】本発明による積層物において、第１の結晶
層は、窒素化合物半導体基板であってもよいし、サファ
イア等の他の基板上に形成されたものであってもよい。
第１の結晶層が基板を形成する場合、その厚みは、たと
えば２０〜２０００μｍであり、好ましくは１００〜５
００μｍである。一方、第１の結晶層が、サファイア等
の他の基板に形成される場合、その厚みは、たとえば３
〜５００μｍであり、好ましくは１０〜２００μｍであ
る。第１の結晶層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化イ
ンジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、Ｉ
ｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等から形成できる。
典型的には、第１の結晶層は、ガリウムおよび窒素を主
成分とする。特にＧａＮは、第１の結晶層に好ましい。
また、第１の結晶層の好ましい材料として、ＡｌＧａ
Ｎ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮなど、ＧａＮにおける
Ｇａの一部がＡｌ、Ｉｎまたはそれら両方で置換された
窒素化合物半導体がある。第１の結晶層は、適当な導電
型（典型的にはｎ型）の不純物を適当な密度で含んでい
てもよい。

【００２０】本発明による積層物において、炭素をドー
ピングした窒素化合物半導体からなる中間層は、その上
に形成される第２の結晶層の表面を平坦にする役割を果
たしている。この中間層を介して第１の結晶層上に第２
の結晶層を設ければ、微小領域でそれぞれ発生する安定
な結晶面を統合することができ、第２の結晶層の表面を
平坦にすることができる。後述するように、この中間層
に起因してもたらされる極めて平坦な表面は、発光素子
において発光ムラを低減し、均一な発光特性および強い
発光強度をもたらし得る。

【００２１】中間層を形成する窒素化合物半導体には、
ＧａＮ、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ＜１）、Ｉｎ_yＧａ_1-y
Ｎ（０＜ｙ＜１）、ＡｌＮ、ＩｎＮ、Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ
_{1-(x+y )}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦
１）などがある。ＧａＮおよびＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ
≦０．３）は中間層の材料としてより好ましい。後述す
るように、中間層に適当な組成の窒素化合物半導体を使
用することによって、極めて平坦な表面を有する積層物
または素子構造物を得ることができる。平坦な表面は、
発光素子において、発光強度の面内均一性を向上させ、
発光強度を高める。

【００２２】図２は、発光素子のための窒素化合物半導
体積層物を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって
分析した結果を示している。図２においてピークが、炭
素を不純物として含む中間層の部分を表している。した
がって、向かってピークの右側は、第１の結晶層（たと
えば、ＧａＮ基板）を表し、ピークの左側は、第２の結
晶層（たとえば、発光素子のための窒素化合物半導体
層）を表している。典型的に、本発明による積層物は、
図２に示すように、第１の結晶層と第２の結晶層との間
に、それらの層より炭素濃度が顕著に高い中間層を挟ん
だ構造を有する。典型的に、中間層における炭素濃度の
分布は、図２に示すようであり、そこにおいて、炭素濃
度は、中間層のいずれかの位置（たとえば中間層の真ん
中の位置）で最高値となり、その点から第１および第２
の結晶層にそれぞれいくにしたがって、減少する。本発
明において、中間層は、第１および第２の結晶層に比べ
て炭素濃度が顕著に高い層ということができるが、その
厚みは、炭素濃度の分布のため、はっきりとした値とし
て特定することが困難であるかもしれない。そこで、本
明細書では、以下のようにして求めた値を中間層の厚み
として定義する。まず、ＳＩＭＳ分析により図２に示す
ような深さに対する炭素濃度の分布を求める。次いで、
得られたチャートのうち、炭素濃度のピークに着目し、
図３に示すように、ピークの最大値の１／２の値にあた
る部分のピーク幅（半値幅）ｗを中間層の厚みと定義す
る（ただし、図３は、縦軸がリニアスケールである例を
示しており、リニアスケールでない場合も、これに準じ
て１／２の値にあたる部分の幅から厚みを定義すること
ができる）。ピークの最大値は、バックグラウンドに対
する頂点の高さである。

【００２３】本発明において、中間層の厚みは、第２の
結晶層の結晶性を良好に保つことができるよう設定され
る。中間層の厚みは、一般的に５ｎｍ〜５００ｎｍであ
り、好ましくは１０ｎｍ〜２００ｎｍである。これらの
範囲内の厚みを有する中間層を用いることにより、微小
領域において結晶面が独立して形成される影響を効果的
に少なくし、平滑な表面を第２の結晶層に効果的にもた
らすことができる。また、これらの範囲内の厚みを有す
る中間層上に第２の結晶層を形成すれば、良好な結晶性
および電気的特性を得ることができる。一方、中間層が
極端に薄くなると、結晶面の統合により平滑な表面をも
たらす効果が小さくなってくる。中間層が極端に厚くな
ると、第２の結晶層の結晶性が悪くなる可能性がある。

【００２４】中間層に含まれる炭素の濃度は、５×１０
¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０²¹ｃｍ^-3が好ましい。この濃度範囲
は、特に微小領域において結晶面が独立して形成される
影響を効果的に少なくし、平滑な表面を第２の結晶層に
効果的にもたらすことができる。

【００２５】本発明において、第２の結晶層は、窒化ガ
リウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化ア
ルミニウム（ＡｌＮ）、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＡｌＮ等から形成できる。典型的には、第２の結晶
層は、ガリウムおよび窒素を主成分とする。特にＧａＮ
は、第２の結晶層に好ましい。また、第２の結晶層の好
ましい材料として、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａ
ＡｌＮなど、ＧａＮにおけるＧａの一部がＡｌ、Ｉｎま
たはそれら両方で置換された窒素化合物半導体がある。
第２の結晶層は、適当な導電型（典型的にはｎ型）の不
純物を適当な密度で含んでいてもよい。第２の結晶層の
厚みは、たとえば０．１〜１０μｍであり、好ましくは
１〜５μｍである。

【００２６】本発明による窒素化合物半導体積層物は、
素子の製造に有用なウェハとして提供できる。この場
合、第２の結晶層は、典型的にはエピタキシャル成長層
である。ウェハの表面（第２の結晶層の表面）に関し、
表面粗さＲａは、典型的には３０ｎｍ未満であり、好ま
しくは２０ｎｍ以下である。表面粗さＲａの範囲は、典
型的には１〜２０ｎｍであり、好ましくは１〜１０ｎｍ
である。ここで表面粗さは、中心線平均粗さであり、測
定の長さは、１００μｍ〜１ｍｍ、典型的には３００μ
ｍである。本実施例で記述しているＲａは、Ｓｌｏａｎ
社のＤｅｋｔａｋ３ＳＴを用い、３００μｍのスキャン
を行って測定した。

【００２７】本発明による窒素化合物半導体積層物は、
発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子、パワーデ
バイスなどを含む種々の素子に使用することができる。
これらの素子において、典型的には、本発明による窒素
化合物半導体積層物は、基板部分を構成する。本発明に
よる窒素化合物半導体積層物は、素子表面の平坦度を飛
躍的に向上させることができ、その結果、素子の性能を
高めることができる。

【００２８】特に、本発明による発光素子は、平坦度が
顕著に向上した発光面を有することができる。そのよう
な発光素子において、面内の発光分布（発光ムラ）は少
なく、均一な発光特性を有し得る。また、そのような発
光素子において、光の伝播における損失を低減すること
ができ、閾値電流密度を下げることができる。特に、量
子井戸型の発光素子において、そのような特性の向上は
顕著であり得、安定で強い発光強度を得ることができ
る。発光素子は、光出力をもたらす任意の素子を含む。
典型的な発光素子には、発光ダイオード、半導体レーザ
等がある。典型的に、本発明は、ダブルヘテロ接合レー
ザ、特に量子井戸レーザに適用される。

【００２９】具体的に、本発明による発光素子は、上述
した窒素化合物半導体積層物、その第２の結晶層上に形
成され、かつ窒素化合物半導体からなる、電力から光出
力を生じさせるための積層構造物、および該積層構造物
に電力を供給するための電極を備える。光出力のための
積層構造物は、ダブルヘテロ接合構造において、ｎ型ク
ラッド層、活性層およびｐ型クラッド層を含む。活性層
は、好ましくは量子井戸層である。電極は、ｐ電極およ
びｎ電極を含む。本発明による窒素化合物半導体積層物
を基板として用いる場合、電極（典型的にはｎ電極）を
第１の結晶の表面上に形成することができる。

【００３０】本発明による発光素子、特に半導体レーザ
は、光ピックアップシステムに有用である。具体的に、
本発明により、上記発光素子を、光学系に光を供給する
ための装置として有する光ピックアップシステムが提供
される。光学系は、用途に応じて適当な要素を含む。た
とえば、光学系は、半導体レーザからの光を受けるコリ
メータレンズ、回折格子、偏光ビームスプリッタ、１／
４波長板、対物レンズ、および光検出器を含む。光学系
には、通常のものを使用することができる。光ピックア
ップシステムにおいて、本発明による半導体レーザ（た
とえば、へき開面を有する半導体レーザ）は、安定した
特性の遠視野像および近視野像を形成することができ、
システムの読み取りおよび書き込み精度を向上させるこ
とができる。

【００３１】本発明による窒素化合物半導体積層物は、
第１の結晶層の厚みが１００μｍを超える場合、特に有
効である。厚さが１００μｍを超える窒素化合物半導体
基板（第１の結晶層）には、製作時に発生する微小なク
ラックや、集中した転位が多く存在し得る。本発明らの
実験の結果、炭素を含む中間層は、微小クラックや転位
の第２結晶層への影響を顕著に低減できることがわかっ
た。

【００３２】また、本発明による窒素化合物半導体積層
物は、気相成長法により形成した第１の結晶層に対し、
特に有効である。Ｈ−ＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法などの気
相成長法によって形成された厚い窒素化合物半導体の表
面には、表面粗さＲａが５０ｎｍを超える凹凸が存在し
得る。この凹凸は、厚膜を得る過程において、窒素化合
物半導体分子が気相中で凝集することに起因する。凹凸
を有する表面上に直接、窒素化合物半導体の結晶層を形
成すると、得られる結晶層の表面に、該凹凸がそのまま
反映されるか、あるいは該凹凸が増幅されて現れること
がある。本発明らの実験の結果、炭素を含む中間層が、
そのような凹凸の影響を顕著に低減することがわかっ
た。

【００３３】本発明による窒素化合物半導体積層物は、
以下のようなプロセスによって調製できる。まず、窒素
化合物半導体からなる第１の結晶層上に、炭素の供給
源、周期律表における第３族元素の供給源、および窒素
の供給源から、炭素を不純物として含む窒素化合物半導
体を形成する。第１の結晶層は、気相成長法等により製
造された窒素化合物半導体基板であってもよいし、サフ
ァイア等の他の基板上に形成されたものであってもよ
い。炭素の供給源および第３族元素の供給源は、それぞ
れ、熱分解によって対応する元素を放出できる化合物、
たとえば、有機化合物、ハロゲン化物、水素化物とする
ことができる。窒素の供給源は、熱分解によってＮを供
給できる化合物、好ましくはアンモニア（ＮＨ₃）とす
ることができる。この工程により、第１の結晶層上に、
炭素ドープ窒素化合物半導体層が形成される。炭素のド
ーピング濃度は、炭素源の供給量および温度によって調
節することができる。次いで、この工程に連続して、炭
素源の供給を停止し、第３族元素の供給源および窒素の
供給源から、窒素化合物半導体からなる第２の結晶層を
形成する。第３族元素の供給源および／または窒素の供
給源は、炭素ドープ層の形成の時と同じであることが好
ましいが、異なっていてもよい。また、異なる第３族元
素の供給源を追加してもよい。使用される典型的な第３
族元素は、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎである。これらの工程
は、有機金属気相成長法によって行うことが好ましい。

【００３４】以下、本発明を具体例に基づいてさらに詳
細に説明する。本発明の具体例において、窒素化合物半
導体基板は、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ
法）、高圧合成法、昇華法等により製造することができ
る。窒素化合物半導体基板の材料には、窒化ガリウム
（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＡ
ｌＮ等がある。典型的には、窒化ガリウム（ＧａＮ）が
使用される。窒素化合物半導体基板にドーピングされる
不純物には、シリコン（Ｓｉ）、塩素（Ｃ１）、マグネ
シウム（Ｍｇ）、酸素（０）等がある。素子を製造する
ため、ドーピングされた窒素化合物半導体基板がしばし
ば使用される。基板の表面は、上述した製造方法で得ら
れたままでもよいし、物理的あるいは化学的に研磨され
ていてもよい。窒素化合物半導体の厚みが１００μｍを
越える場合、当該半導体のみによって基板を構成するこ
とができる。一方、窒素化合物半導体の厚みが１００μ
ｍ以下の場合、サファイア等からなる下地の上に当該窒
素化合物半導体の結晶層が形成された基板を好ましく使
用できる。

【００３５】実施例１ 要約すると、本実施例は、以下の工程を行った。Ｈ−Ｖ
ＰＥ法を用いて、サファイア基板上に５００μｍの厚み
でＳｉがドーピングされたＧａＮ厚膜を形成した。Ｇａ
Ｎ厚膜をサファイア基板からはずし、窒素化合物半導体
基板として用いた。該基板上に、不純物として炭素を含
むＧａＮ膜、および約４μｍの厚みを有するＧａＮ膜を
それぞれ有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて
形成した。以下、詳細なプロセスを記載する。

【００３６】まず、洗浄を行った２インチ径のサファイ
ア基板をＨ−ＶＰＥ装置に導入し、１０００℃で加熱し
た。加熱している基板に対して、８００℃に熱したガリ
ウム（Ｇａ）中を通した塩化水素（ＨＣｌ）３００ＣＣ
／分と窒素ガス（Ｎ₂）１０００ＣＣ／分を約１５分間
流した後、アンモニア（ＮＨ３）を１０００ＣＣ／分、
ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を１００ｎｍｏｌ／分
の流量で導入して、約２時間ＧａＮを基板上に成長させ
た。次いで、塩化水素およびジクロロシランの供給を停
止し、基板の温度を下げた。室温になった時点でアンモ
ニアの供給を停止し、成長したＧａＮ膜をサファイア基
板と共にＨ−ＶＰＥ装置より取り出した。このようにし
て成長したサファイア上のＧａＮ膜は、サファイアとＧ
ａＮとの熱膨張差のため、降温時にその殆どが自然に剥
離した。自然剥離したＧａＮ膜は、厚さが約４００〜５
００μｍであった。以上の様にして得られたＧａＮ厚膜
の裏面（サファイア基板に接触していた側。以下、Ｇａ
Ｎ基板裏面と称する）は、凹凸が激しいため、ダイヤモ
ンド粉を用いて平らに研磨した。また、ＧａＮ厚膜の表
面（上記裏面に対向する面。以下、ＧａＮ基板表面と称
する）は、微小な六角状の凹凸をまばらに発生させてい
たが、大部分は目視で鏡面であった（以下、この得られ
た基板をＧａＮ基板と称する）。

【００３７】次に、ＧａＮ基板をアセトンおよびエタノ
ールを用いて洗浄を行った後、ＭＯＣＶＤ装置に導入
し、ＧａＮ基板の表面上に、以下に示す手順で、炭素を
含むＧａＮ膜、および約４μｍの厚みを有するＧａＮ膜
を順次成長させた。以下、図４を参照しながら説明を行
う。まず、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされたＧａＮ基板
２０１に窒素５０００ｃｃ／分と水素１０００ｃｃ／分
を流しながら、約１５分の時間をかけて、８００℃の温
度に昇温した。その際、熱によりＧａＮが分解しないよ
うに、温度が４００℃を越えた時点でアンモニアを４０
００ｃｃ／分の流量で導入した。温度が８００℃に達す
ると、第３族元素用原料としてトリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）を２０μｍｏｌ／分、炭素材料として四臭化炭素
（ＣＢｒ₄）を２０μｍｏｌ／分の流量でそれぞれ導入
して、炭素ドーピングしたＧａＮ膜２０２を約２０ｎｍ
の厚さで成長させた。その後、四臭化炭素の供給を停止
し、基板の温度を１０５０℃に昇温し、トリメチルガリ
ウムの供給量を１００μｍｏｌ／分に増加し、継続して
ＧａＮ膜２０３の成長を始めた。このようにして、１時
間かけて約４μｍの厚みのＧａＮ膜２０４の成長を行っ
た。成長が終了すると、トリメチルガリウムの供給を停
止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になれ
ば、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、得られたＧ
ａＮエピタキシャル成長膜を有するＧａＮ基板を装置か
ら取り出した。

【００３８】得られた窒素化合物半導体積層物につい
て、炭素ドーピングしたＧａＮ膜２０２中の炭素濃度を
二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置を用いて測定した
結果、図２に示すようなチャートが得られた。当該層に
おける炭素濃度は、約１×１０ ²⁰ｃｍ^-3であった。上記
プロセスにおいて、炭素をドーピングしたＧａＮ膜の成
長温度が、炭素をドーピングしていないＧａＮ膜の成長
温度よりも低い理由は、効率良く炭素をドーピングする
ためである。成長温度を上げて炭素をドーピングする場
合、導入する四臭化炭素の量を増加する必要があった。
一方、成長温度を下げて炭素をドーピングすれば、導入
する四臭化炭素の量を低減することができた。得られた
ＧａＮ膜２０４の表面の表面粗さＲａは、約５ｎｍであ
った。

【００３９】実施例２ 実施例１で得られたＧａＮ基板上に、炭素ドープ層およ
びＧａＮエピタキシャル成長層を形成し、その上に図５
に示すような発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。以
下、製造プロセスを図５を参照しながら記述する。

【００４０】まず、ＧａＮ基板にｎ型の導電性を持たせ
るため、常法に従い、不純物としてＳｉを基板にドーピ
ングした。これにより、基板の下部に電極を形成するこ
とができ、光の取り出し等に有効である。導電性を有す
るＳｉドープＧａＮ基板１０２をＭＯＶＣＤ装置にセッ
トし、上述したＧａＮ膜と同様に、窒素５０００ｃｃ／
分と水素１０００ｃｃ／分を流しながら、約１５分の時
間をかけて、８００℃の温度に昇温した。その際、熱に
よりＧａＮが分解しないように、温度が４００℃を越え
た時点でアンモニアを４０００ｃｃ／分の流量で導入し
た。温度が８００℃に達すると、第３族元素用原料とし
てトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を２０μｍｏｌ／分、
炭素材料として四臭化炭素（ＣＢｒ₄）を２０μｍｏｌ
／分の流量でそれぞれ導入し、炭素ドーピングしたＧａ
Ｎ膜１０３を約２０ｎｍの厚さに成長させた。その後、
四臭化炭素の供給を停止し、基板の温度を１０５０℃に
昇温し、トリメチルガリウムの供給量を１００μｍｏｌ
／分に増加し、モノシラン（ＳｉＨ₄）を５ｎｍｏｌ／
分で供給し、継続してＧａＮ膜９０１の成長を始めた。
このようにして、１時間かけて約４μｍの厚みのＧａＮ
膜９０１の成長を行った後、トリメチルガリウムおよび
モノシランの供給を停止し、基板の温度を約７５０℃ま
で下げた。基板温度が７５０℃になると、トリメチルガ
リウムおよびＩｎ原料を供給し、３対のＩｎ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎ／Ｉｎ_0.35Ｇａ_0.65Ｎより構成される発光層９０
２を形成した。その後、トリメチルガリウムおよびＩｎ
原料の供給を停止し、再び成長温度を１０５０℃に昇温
して、順次、３０ｎｍ厚のＡl_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなるキ
ャリアブロック層９０３、ｐ型キャリア用ドーパントと
してＭｇを１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で有する０．３μｍ
厚のｐ型ＧａＮコンタクト層９０４を形成した。Ｍｇを
ドーピングするための材料として、ビスエチルシクロペ
ンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を使用し
た。また、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム、Ａ１
原料としてトリメチルアルミニウムを使用した。次い
で、第３族元素原料の供給を停止し、基板温度を室温に
降温して、ＬＥＤ層構造の調製を終了した。得られたＬ
ＥＤ構造の最表面に関し、表面粗さＲａは、５ｎｍであ
った。次いで、必要な電極を形成し、発光ダイオードを
得た。得られた発光ダイオードにおいて、発光中心波長
は４６０ｎｍであった。発光面を顕微鏡で観察すると、
面内は均一に発光しており、強度および色の発光ムラは
観測できなかった。

【００４１】比較例１ 本比較例では、実施例１と同様の方法で作製したＧａＮ
基板上に、炭素をドーピングしたＧａＮ膜を形成せず
に、直接４μｍ厚みのＧａＮ膜を形成し、ついで、その
上に、窒素化合物半導体発光素子を形成した。以下、プ
ロセスを図６を参照しながら説明する。実施例１と同
様、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされたＧａＮ基板２０１
を、窒素５０００ｃｃ／分と水素１０００ｃｃ／分を流
しながら、約１５分の時間をかけて、１０５０℃の温度
まで加熱した。その際、熱によりＧａＮが分解しないよ
うに、温度が４００℃を越えた時点でアンモニアを４０
００cc／分の流量で導入した。温度が１０５０℃に達す
ると、第３族元素原料としてトリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）を１００μｍｏｌ／分の流量で導入して、アンドー
プのＧａＮ膜２１２の成長を開始した。アンドープＧａ
Ｎ膜は、成長初期から六角錐形状の突起が多数発生して
おり、成長時間が経過するに従い、突起による凹凸は少
しずつ増加する傾向にあった（２１３）。この凹凸は一
定の値になるとそれ以上は増加しなかった。このように
して、１時間かけて約４μｍの厚みのＧａＮ膜２１４を
形成した。成長が終了するとトリメチルガリウムの供給
を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温にな
ったとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、Ｇａ
Ｎ基板を取り出した。炭素ドープ層なしで、得られたＧ
ａＮ膜２１４の表面粗さＲａは、約３０ｎｍであった。

【００４２】次に、実施例２と同様にして、ＧａＮ膜上
にＬＥＤ構造を形成し、ついで電極を形成して発光ダイ
オードを得た。得られたＬＥＤの表面には、六角錐形状
の突起が多数発生しており、表面粗さＲａは約３０ｎｍ
であった。得られたＬＥＤの発光中心波長は４６０ｎｍ
であった。その発光面を顕微鏡で観察すると、面内に
は、突起の形状に依存していると考えられる強度ムラお
よび色ムラが観測された。

【００４３】実施例３ 本実施例では、炭素ドープ層を形成する前に、ＧａＮ基
板を高温で熱処理した。以下、図４を参照しながら、プ
ロセスを説明する。Ｈ−ＶＰＥ法を用いて実施例１と同
様に作製したＧａＮ基板の裏面を、ダイヤモンド粉を用
いて平らに研磨した後、アセトンおよびエタノールを用
いて洗浄した。基板２０１をＭＯＣＶＤ装置に導入し、
水素５０００ｃｃ／分と、アンモニア３０００ｃｃ／分
を流しながら、約１５分かけて、基板温度を１０００℃
に昇温した。昇温後、基板温度を１０００℃に保持した
まま、約１０分、基板を加熱処理した。その後、水素の
供給を停止し、窒素を５０００ｃｃ／分で流し、アンモ
ニアを３０００ｃｃ／分で流しながら、約１５分の時間
をかけて、６００℃の温度に降温させた。温度が６００
℃に達すると、第３族元素原料としてトリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）を２０μｍｏｌ／分の流量、炭素原料とし
て四臭化炭素（ＣＢｒ₄）を５μｍｏｌ／分の流量でそ
れぞれ導入し、炭素ドーピングしたＧａＮ膜２０２を約
２０ｎｍの厚さで形成した。その後、四臭化炭素の供給
を停止し、基板の温度を１０５０℃に昇温し、トリメチ
ルガリウムの供給量を１００μｍｏｌ／分に増加し、継
続してＧａＮ膜２０３の成長を開始した。このようにし
て、１時間かけて約４μｍの厚みのＧａＮ膜２０４を形
成した。次いで、トリメチルガリウムの供給を停止し、
基板の温度を下げた。基板の温度が室温になったとき、
アンモニアおよび窒素の供給を停止し、ＧａＮ膜を取り
出した。炭素ドーピングしたＧａＮ膜２０２中の炭素濃
度は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置を用いた分
析の結果、１×１０²⁰ｃｍ^-3であった。炭素をドーピン
グしたＧａＮ膜の成長温度が、炭素をドーピングしてい
ないＧａＮ膜の成長温度よりも低い理由は、効率良く炭
素をドーピングするためである。成長温度を上げて炭素
をドーピングするためには、導入する四臭化炭素の量を
増加する必要がある。一方、成長温度を下げて炭素をド
ーピングすれば、導入する四臭化炭素の量を低減するこ
とができる。

【００４４】得られたＧａＮ膜２０４の表面粗さＲａ
は、約５ｎｍであった。この表面の平坦度は、良好であ
る。ＧａＮ膜２０４は、微小なクラックや転位、研磨傷
の影響が実質的になく、より好ましい表面を形成してい
た。水素およびアンモニアの存在下におけるＧａＮ基板
の加熱処理によって、基板最表面の再配列が生じ、クラ
ックや転位がほぼ消滅し得たと考えられた。この加熱処
理は、アンモニアを含む雰囲気中で効果的に行うことが
でき、更には、水素が存在することがより好ましい。微
小クラックや転位の消滅に加え、ＧａＮ基板の表面に存
在する微小な凹凸のＧａＮ膜２０４への伝播が抑制され
ることも確認された。

【００４５】基板の加熱処理による効果は、比較的高温
において、基板表面の原子を再配列させ、微小クラッ
ク、転位、凹凸、傷等を消滅させることに起因し得る。
さらなる実験の結果、この効果は、４５０〜１１００℃
の温度における熱処理によって得られることがわかっ
た。熱処理の雰囲気に関し、アンモニア、またはアンモ
ニアと水素の混合物に対し、窒素等の不活性ガスを添加
してもよい。また、水素の代わりに窒素を用いてもよ
い。ただし、窒素濃度が高くなると、基板表面が荒れる
傾向にあった。アンモニア濃度は、雰囲気全体の１／２
以下が好ましく、１／１０以下がより好ましい。アンモ
ニア濃度が高くなると、基板表面に団子状の析出物が形
成されやすくなる。一方、アンモニア濃度が低いと、基
板から窒素が抜けやすくなり、表面の荒れが生じ得る。

【００４６】実施例４ 本実施例では、炭素を含む中間層の種類が、得られる発
光素子の平坦性および発光特性に与える影響を調査し
た。実施例１と同様の方法により作製したＧａＮ基板上
に、２０ｎｍ厚さの炭素を含む中間層を介して、約４μ
ｍの厚みのＧａＮ膜を形成した。四臭化炭素の導入量を
制御し、中間層における炭素ドーピング量が、それぞれ
１×１０¹⁹ｃｍ^-3および１×１０²⁰ｃｍ^-3である２種類
の積層物を得た。また、比較のため、四臭化炭素を導入
せずに基板上にＧａＮ膜を成長させた。中間層の窒素化
合物半導体として、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮおよびＡ１_yＧａ_1-y
Ｎを用い、ｘおよびｙの値を、０．３５≧ｘ≧０、１≧
ｙ≧０の範囲で変え、組成の調節を行った。このうち、
炭素を含むＩＮ_xＧａ_1-xＮ膜を製造する際には、成長温
度が高いと組成の調節が困難になるため、７００℃で成
長を行なった。Ａ１原料として、トリメチルアルミニウ
ム（ＴＭＡ）を使用し、Ｉｎ原料としてトリメチルイン
ジウム（ＴＭＩ）を使用した。最終的に得られたＧａＮ
膜の表面粗さを測定し、炭素を含む中間層の組成と表面
粗さとの関係を評価した。得られた結果を図７および図
８に示す。図７を参照すると、明らかに、炭素を含むＡ
１_yＧａ_{1 -y}Ｎ（１≧ｙ≧０）を介してＧａＮ膜を成長さ
せると、該ＧａＮ膜の表面の凹凸が低減されていること
がわかる。しかし、Ａ１組成比が０.３を超えると、中
間層自体の抵抗が高くなり、発光素子を形成するとき、
基板下部に電極を形成することが困難になる。また、Ｇ
ａＮ基板を使用する場合、中間層のＡ１組成比が高くな
ると、中間層自体にクラック等が発生し得、格子不整合
の影響による転位が発生しやすくなる。それらは、発光
に起因するキャリアを消滅させるため、発光素子の発光
効率が低下し得る。したがて、中間層にＡ１_yＧａ_1-yＮ
を用い、その上に発光素子を形成する場合、望まれるＡ
１組成比は０.３以下である。一方、図８に示すよう
に、中間層にＩＮ_xＧａ_1-xＮを用いる場合、Ｉｎ組成比
が０.３５以下（x≦０.３５）であれば、中間層の作用
により、表面の平坦性は顕著に向上する。しかし、Ｉｎ
組成比が増加するに従い、全般的に表面の荒れが増加す
る傾向にあり、中間層の効果は薄くなり得る。また、得
られる発光素子の表面粗さと発光ムラには顕著な相関が
あり、表面粗さの大きい発光素子は、発光ムラが大きく
なる傾向を示している。

【００４７】実施例５ 本実施例では、中間層の厚さが、その上にエピタキシャ
ル成長されたＧａＮ膜の表面粗さ、ならびにその上に形
成された発光素子の表面粗さおよび発光特性に、どのよ
うに影響を与えるか調査した。中間層にはＧａＮまたは
ＡｌＮを使用した。中間層の炭素濃度を１×１０²⁰ｃｍ
^-3に固定し、中間層の膜厚を変化させた。上記と同様、
ＧａＮ基板上に、種々の厚みの中間層を形成し、その上
に約４μｍの厚みのＧａＮ膜をエピタキシャル成長させ
た。中間層の厚みは、製造時間に比例して厚くなるた
め、製造時間を調節することにより膜厚の制御を行っ
た。得られた積層物について表面粗さＲａを測定した。
図９に、中間層であるＧａＮ膜およびＡｌＮ膜の厚み
と、表面粗さとの関係を示す。ＧａＮおよびＡｌＮのい
ずれの場合も、中間層を設けることにより得られる積層
物の表面粗さは小さくなっている。特に、中間層の厚み
が５ｎｍ〜５００Ｎｍの範囲で、顕著に表面粗さが小さ
くなっていることがわかる。実施例１と同様に、発光素
子を作製し発光特性の評価を行った。その結果、表面粗
さと発光素子の発光ムラには顕著な相関があり、表面粗
さの大きい発光素子は発光ムラが大きくなる結果が得ら
れた。また、発光層に量子井戸を用いる場合、特に中間
層の厚みが１０ｎｍ〜２００ｎｍ以下の範囲で発光強度
が最も強く安定になる傾向がみられた。この範囲で、中
間層上に形成される窒素化合物半導体発光泰子の表面凹
凸が最も小さくなり、量子井戸が均一に形成され、発光
の効率向上がもたらされているためであると推測され
た。

【００４８】実施例６ 本実施例では、中間層の炭素濃度が、ＧａＮ膜の表面、
ならびに発光素子の表面および特性に与える影響を調査
した。中間層の炭素濃度を制御する方法として、以下の
２種の方法を比較した。一つの方法は、中間層を形成す
るときの温度を一定にし、ドーピング材料である四炭化
臭素の添加量を変化させる方法であり、もう一つの方法
は、中間層を形成する時の温度を変化させ、ドーピング
材料である四炭化臭素の添加量を一定にする方法であ
る。

【００４９】まず、前者の方法について記述する。Ｇａ
Ｎ基板をＭＯＣＶＤ装置に導入し、窒素５０００ｃｃ／
分と水素１０００ｃｃ／分を流しながら、約１５分の時
問をかけて、７００℃の温度に昇温した。その際、熱に
よりＧａＮが分解しないように、温度が４００℃を越え
た時点でアンモニアを４０００ｃｃ／分の流量で導入し
た。温度が７００℃に違すると、ＴＭＧを２０μｍｏｌ
／分、ＣＢｒ₄を０.２μｍｏｌ／分〜２００μｍｏｌ／
分の流量でそれぞれ導入し、種々の濃度で炭素ドーピン
グしたＧａＮ膜を約２０ｎｍの厚さで形成した。その
後、ＣＢｒ₄の供給を停止し、基板の温度を１０５０℃
に昇温し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／分に増加
し、継続してＧａＮ膜の成長を始め、１時問かけて約４
μｍの厚みのＧａＮ膜を形成した。次いで、ＴＭＧの供
給を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温に
なったとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、Ｇ
ａＮ基板を取り出した。また、比較のため、上記プロセ
スにおいてＣＢｒ₄を供給せずに基板上にＧａＮ膜を成
長させた。得られた積層物について、中間層の炭素濃度
を、ＳＩＭＳを用いて測定した。その結果、中間層の炭
素濃度は、添加するＣＢｒ₄の量が増加するに従い、１
×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²²ｃｍ^-3の範囲で増加する傾
向にあった。なお、ＳＩＭＳの検出限界以下の値を濃度
０とした。得られたＧａＮ膜の表面粗さを測定した結果
（７０１）を図１０に示す。

【００５０】次に、中間層形成時の温度を変化させて炭
素濃度を制御する方法を示す。ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ
装置に導入し、窒素５０００ｃｃ／分と水素１０００ｃ
ｃ／分を流しながら、約１５分の時間をかけて、５００
℃〜１０００℃の温度に昇温した。その際、熱によりＧ
ａＮが分解しないように、温度が４００℃を越えた時点
でアンモニアを４０００ｃｃ／分の流量で導入した。基
板が５００〜１０００℃の間の設定温度に達すると、Ｔ
ＭＧを２０μｍｏｌ／分、ＣＢｒ₄を２０μｍｏｌ／分
の流量でそれぞれ導入して、種々の濃度で炭素ドーピン
グしたＧａＮ膜を約２０ｎｍの厚さで形成した。比較の
ため、ＣＢｒ₄を添加していない試料も１つ作製した。
その後、ＣＢｒ₄の供給を停止し、基板の温度を１０５
０℃に上げ、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／分に増
加し、継続してＧａＮ膜を成長させた。１時間かけて約
４μｍの厚みのＧａＮ膜を形成した後、ＴＭＧの供給を
停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になっ
たとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、ＧａＮ
基板を取り出した。得られた積層物について、中間層中
の炭素濃度を、ＳＩＭＳを用いて測定した。その結果、
炭素濃度は、ドーピング時の設定温度が低くなるに従
い、１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０²²ｃｍ^-3の範囲で増加
する傾向にあった。なお、ＳＩＭＳの検出限界以下の値
を濃度０とした。得られたＧａＮ膜の表面粗さを測定し
た結果（７０２）を図１０に示す。

【００５１】図１０から、炭素濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3
〜５×１０²¹ｃｍ^-3の範囲で、炭素を添加しない場合に
比べ、得られたＧａＮ膜の表面の平坦性が明らかに向上
していることが分かる。炭素濃度が５×１０²¹ｃｍ^-3を
越えると、表面粗さは、炭素ドーピングしていないもの
と同程度まで増加してきている。これは、不純物濃度が
多くなりすぎて、ＧａＮ膜自体の結晶性が損なわれたた
めであると考えられる。これらの傾向は、図１０におい
て曲線７０１および曲線７０２を比較すると、中間層の
成長温度には依存せず、炭素濃度にのみ依存しているこ
とがわかる。

【００５２】得られた積層物について、実施例２と同様
に、発光素子を作製し、発光特性を評価した。その結
果、表面の凹凸と発光素子の発光ムラには顕著な相関関
係があり、表面凹凸の大きい発光素子は発光ムラが大き
くなる結果が得られた。

【００５３】上述した一連の実施例では、Ｈ−ＶＰＥ法
により作製した厚膜ＧａＮを基板として使用した。しか
し、本発明は、他の方法たとえばＭＯＣＶＤ法を用いて
作製した２０μｍを越える厚さのＧａＮ基板についても
同様の効果が得られる。また、単結晶膜であれば、Ｇａ
Ｎに限らず、ＡｌＮ等、他の窒素化合物半導体を使用し
てもよい。また、窒素化合物半導体基板には不純物とし
て、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、マグネシウム（Ｍ
ｇ）、水素（Ｈ）、塩素（Ｃ１）、臭素（Ｂｒ）、亜鉛
（Ｚｎ）、ヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）、セレン（Ｓｅ）
等を含んでいてもよい。

【００５４】実施例７ 本実施例では、ＧａＮ基板上に、炭素ドープＧａＮ膜を
介して、レーザダイオードを作製した。以下、プロセス
を図１１を参照しながら説明する。実施例１と同様の方
法で、Ｈ−ＶＰＥ法によりサファイア基板上にＧａＮ厚
膜を成長させた後、得られた厚膜の両面を研磨してＧａ
Ｎ基板１０２を作製した。厚膜成長の際、基板にｎ型の
導電性を持たせるため、不純物としてシリコン（Ｓｉ）
を５×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度になるように添加した。Ｓｉ
添加用材料として１００ｐｐｍに窒素で希釈したジクロ
ロシラン（ＳｉＨ₂Ｃ１₂）を用い、これを約１００ｃｃ
／分で成長中に導入することで上記濃度のＳｉ添加が可
能であった。得られたＧａＮ基板１０２をＭＯＣＶＤ装
置に導入し、その後、実施例１と同様の方法で２０ｎｍ
の厚さを有する１×１０²⁰ｃｍ^-3の濃度で炭素を含むＧ
ａＮ膜１０３を８００℃で形成した。その後、温度を１
０５０℃に昇温し、引き続いて、Ｓｉを１×１０¹⁸ｃｍ
^-3の濃度で含有するｎ型ＧａＮ膜１０４を３μｍの厚み
で形成した。Ｓｉを添加する手段として、１００ｐｐｍ
に水素で希釈したモノシラン（ＳｉＨ ₄）を用い、これ
を成長中に１０ｃｃ／分で導入することにより、上記濃
度のＳｉ添加が可能になった。つぎに成長温度を８００
℃に下げ、クラックを低減する目的で、５０ｎｍ厚でＳ
ｉをドーピングしたＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ膜１０５を成長
させ、その後、成長温度を再度１０５０℃に上げて、ｎ
型クラッド層１０６となる０.７μｍ厚のＳｉドーピン
グしたｎ型Ａ１_0.1Ｇａ_0.9Ｎを堆積させた。Ｉｎ原料と
して、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、Ａl原料とし
て、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を使用した。ｎ
型クラッド層１０６の成長後、０．１μｍ厚のｎ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０７ を成長させ、成長温度を７５０℃
に下げ、３対のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ/Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82
Ｎより構成される発光層１０８を成長させた。再び成長
温度を１０５０℃に上げ、順次、３０ｎｍ厚のＡ１_0.2
Ｇａ_{0 .8}Ｎよりなるキャリアブロック層１０９、Ｍｇを
ドーピングした１×１０¹⁸ｃｍ ^-3のｐ型キャリアを有す
る０.１μｍ厚のｐ型ＧａＮ光ガイド層１１０、０．５
μｍ厚のＭｇドーピングしたｐ型Ａ１_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラ
ッド層１１１、０.１μｍ厚のＭｇドーピングしたｐ型
ＧａＮコンタクト層１１４を成長させた。Ｍｇ添加用材
料として、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウ
ム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を使用した。実施例１と同様に室
温に下げ、レーザ層構造を有する複合膜の製造を終了し
た。得られたレーザ構造において最上層の表面粗さＲａ
は約５ｎｍであった。得られたレーザ層構造について、
フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング法によ
り、ｐ型コンタクト層とｐ型クラッド層の一部をエッチ
ングして、幅３μｍのリッジを形成した。その後、絶縁
膜としてＳｉＯ₂膜１１２を部分的にコーティングし、
Ａu／Ｐdからなるｐ型コンタクト用電極１１３を形成
し、基板１０２の裏面にＡｌからなるｎ型コンタクト用
電極１０１を形成した。約５００μｍのキャビティ長に
なるように劈開を行い、レーザ素子を得た。得られたレ
ーザ素子の閾値電圧は６Ｖで、閾値電流は５０ｍＡであ
った。 比較のために、炭素を含むＧａＮ膜を介さず
に、直接ＧａＮ基板上に上述した方法でレーザ構造を形
成し、レーザ素子を得た。得られたレーザ構造における
最表層の表面粗さＲａは２０ｎｍであった。得られたレ
ーザ素子の閾値電圧は６Ｖで、これは炭素ドープ中間層
を有するものとほぼ同等の値である。しかし、その閾値
電流は８０ｍＡであり、これは炭素ドープ中間層を有す
るものより高い。閾値電流が高くなった理由としては、
レーザ構造膜の表面粗さが大きくなることにより、レー
ザ素子内部を伝搬する光の分散が大きくなること、およ
び膜の平坦性が低下したことにより、面内の発光強度お
よび波長に分布が生じ、発光ムラが生じることが考えら
れる。

【００５５】発光ダイオード（ＬＥＤ）についても、中
間層の形成により、ダイオード表面の平坦性を向上させ
ることができた。そして、発光面内の発光強度分布およ
び発光波長分布が低減した。発光ダイオードの場合、特
に凹凸があると、凸部と凹部で５ｎｍ以上の発光波長の
差が生じている。表面の平坦度を向上させることによ
り、発光効率が高くなり、波長の半値幅が狭くなった。

【００５６】実施例８ 上記実施例では、サファイア基板を除去して得られるフ
リースタンディングのＧａＮ基板を使用した。しかし、
表面粗さの改善には、第１の結晶層としてフリースタン
ディングの基板が必須であるわけではない。たとえば、
図１２に示すように、サファイア１１６上に、２０μｍ
の厚さのＧａＮ基板層１０２を形成し、その上に実施例
７と同様の方法で積層構造を形成し、レーザ素子を得
た。この構造では、ｎ電極をＧａＮ基板層１０２上に設
けることができないため、反応性イオンエッチングによ
り表面からｎ型ＧａＮ膜１０４に至るまでエッチングを
行い、露出させたｎ型ＧａＮ膜１０４にＡ１を堆積し
て、ｎ型コンタクト用電極１０１を形成した。得られた
レーザ素子の閾値電圧および閾値電流は、実施例７のレ
ーザ素子とほぼ同等であった。

【００５７】実施例９ 実施例７で得られた半導体レーザを用いて、光ピックア
ップのシステムを構成した。使用されるレーザは、窒素
化合物半導体を用いたレーザとしては、素子内の発光強
度分布が少ないため、安定した特性の遠視野像および近
視野像を形成できた。本発明によるレーザを用いた光ピ
ックアップシステムは、従来の窒素化合物半導体レーザ
を用いた光ピックアップシステムよりも、読み取り精度
および書き込み精度において、より良好な特性を示し
た。本発明による光ピックアップは、パーソナルコンピ
ュータのＣＤ、ＣＤ−Ｒ,ＣＤ−Ｒ−ＲＷ等の記録メデ
ィアや、ゲーム機、ムービー、デジタルビデオディスク
等の記録メディアの記録および再生に好ましく使用する
ことができる。

【００５８】

【発明の効果】本発明によると、窒素化合物半導体素子
の表面の平坦性を向上させることができる。また、本発
明を使用した半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素
子は、閾値電流を低下させることができ、そのため安定
した特性を示すことができる。また、本発明を用いた発
光素子においては、発光面内の強度および波長の分布が
低減できる。本発明によるレーザ素子を光ピックアップ
システムに使用すれば、、その読み取りおよび書き込み
精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による窒素化合物半導体積層物の一具
体例を示す概略断面図である。

【図２】 本発明による窒素化合物半導体積層物におい
て、中間層の炭素濃度分布を示す、ＳＩＭＳ分析チャー
トである。

【図３】 ＳＩＭＳ分析チャートから中間層の厚みを規
定するためのプロセスを示す概略図である。

【図４】 本発明による窒素化合物半導体積層物を製造
するプロセスを示す概略断面図である。

【図５】 本発明による発光素子の一具体例を示す概略
断面図である。

【図６】 従来の膜形成プロセスを示す概略断面図であ
る。

【図７】 中間層のＡｌ組成比と、得られる構造物の表
面粗さとの関係を示す図である。

【図８】 中間層のＩｎ組成比と、得られる構造物の表
面粗さとの関係を示す図である。

【図９】 中間層の厚みと、得られる構造物の表面粗さ
との関係を示す図である。

【図１０】 中間層の炭素濃度と、得られる構造物の表
面粗さとの関係を示す図である。

【図１１】 本発明による半導体レーザの一具体例を示
す概略断面図である。

【図１２】 本発明による半導体レーザのもう一つの具
体例を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１０ 窒素化合物半導体積層物、１１ 第１の結晶層、
１２ 中間層、１３第２の結晶層、１０１ ｎコンタク
ト電極、１０２ 窒素化合物半導体基板、１０３ 炭素
を含む窒素化合物半導体膜、１０４ ｎ型ＧａＮ膜、１
０５ ＩＮ_{0. 05}Ｇａ_0.95Ｎクラック防止層、１０６ ｎ
型Ａ１_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０７ ｎ型ＧａＮ光
ガイド層、１０８ ＩＮ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ／Ｉｎ_0.18Ｇａ
_0.82Ｎよりなる発光層、１０９ Ａ１_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャ
リアブロヅク層、１１０ ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１１
１ ｐ型Ａ１_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１２ ＳｉＯ
₂絶縁膜、１１３ ｐ型コンタクト電極、１１４ ｐ型
ＧａＮコンタクト層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 吉裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 津田 有三 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 小河 淳 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 荒木 正浩 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 元木 健作 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 4K030 AA11 BA38 BB12 CA05 FA10 JA01 JA06 LA14 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA48 CA57 CA65 5F045 AA02 AA04 AB14 AB17 AC07 AC12 AC15 AC19 AD12 AF04 AF09 BB12 CA11 CA12 DA53 DA63 5F073 AA11 AA13 AA45 AA51 AA74 BA05 CA07 CB02 CB19 DA05 DA35 EA29

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒素化合物半導体からなる第１の結晶
   層、 前記第１の結晶層上に直接形成され、かつ炭素を不純物
   として含む窒素化合物半導体からなる中間層、および前
   記中間層上に直接形成され、かつ窒素化合物半導体から
   なる第２の結晶層を備えることを特徴とする、窒素化合
   物半導体積層物。
2. 【請求項２】 前記中間層の厚みが５ｎｍ以上５００ｎ
   ｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒素
   化合物半導体積層物。
3. 【請求項３】 前記中間層の厚みが１０ｎｍ以上２００
   ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の窒
   素化合物半導体積層物。
4. 【請求項４】 前記中間層における前記炭素の濃度が５
   ×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０²¹ｃｍ^-3以下であることを
   特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒素
   化合物半導体積層物。
5. 【請求項５】 前記第１の結晶層が、ガリウムおよび窒
   素を主成分とするものであり、 前記中間層の窒素化合物半導体が、ＧａＮおよびＡｌ_x
   Ｇａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）よりなる群から選ばれたもの
   であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項
   に記載の窒素化合物半導体積層物。
6. 【請求項６】 前記第１の結晶層が、ガリウムおよび窒
   素を主成分とするものであり、 前記中間層の窒素化合物半導体がＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦
   ｘ≦０．３）であることを特徴とする、請求項１〜４の
   いずれか１項に記載の窒素化合物半導体積層物。
7. 【請求項７】 前記第２の結晶層がエピタキシャル成長
   層であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１
   項に記載の窒素化合物半導体積層物。
8. 【請求項８】 その上に素子を形成するためのエピタキ
   シャルウェハであることを特徴とする、請求項７に記載
   の窒素化合物半導体積層物。
9. 【請求項９】 前記第２の結晶層の表面粗さＲａが３０
   ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項８に記載の窒
   素化合物半導体積層物。
10. 【請求項１０】 請求項１〜７のいずれか１項に記載の
    窒素化合物半導体積層物、 前記第２の結晶層上に形成され、かつ窒素化合物半導体
    からなる、電力から光出力を生じさせるための積層構造
    物、および前記積層構造物に電力を供給するための電極
    を備えることを特徴とする、発光素子。
11. 【請求項１１】 半導体レーザであることを特徴とす
    る、請求項１０に記載の発光素子。
12. 【請求項１２】 光学系に光を供給するための装置とし
    て、請求項１１に記載の発光素子を備えることを特徴と
    する、光ピックアップシステム。
13. 【請求項１３】 窒素化合物半導体からなる第１の結晶
    層上に、炭素の供給源、周期律表における第３族元素の
    供給源、および窒素の供給源から、炭素を不純物として
    含む窒素化合物半導体を形成する第１の工程、および前
    記炭素の供給源の供給を停止し、前記第１の工程に連続
    して、周期律表における第３族元素の供給源および窒素
    の供給源から、窒素化合物半導体からなる第２の結晶層
    を形成する第２の工程を備えることを特徴とする、窒素
    化合物半導体積層物の製造方法。
14. 【請求項１４】 前記第１の工程および前記第２の工程
    が、有機金属気相成長法によって行われることを特徴と
    する、請求項１３に記載の製造方法。