JP2004111766A - 窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のＥＬＯＧやｐｅｎｄｅｏ成長等の方法により得られる低転位密度ＧａＮの領域は、幅１０μｍ程度が限界である。この幅を広くするためには、ＳｉＯ２マスクの幅を広くしたり、成長の起点となる凸部の間隔を広くする必要がある。これを完全に埋め込み平坦な面を得るためには、数十μｍ以上の膜厚が必要である。膜厚が厚くなるに従い、基板の反りも大きくなり、クラックも発生しやすくなる。
【解決手段】本発明では、基板１００上に成長した窒化ガリウム１０２にトレンチ１０５ａ等を広い領域に形成し、熱処理を行い、マストランスポートにより窒化ガリウム層１０２中に空洞１０６ａ等を形成し、その上に窒化ガリウム系半導体の発光素子を形成する。これにより、トレンチを形成した全領域で低転位密度の窒化ガリウム層が得られる。また、空洞のサイズ、位置を制御可能であり、フォトニック結晶の作製も容易である。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明では、基板１００上に成長した窒化ガリウム１０２にトレンチ１０５ａ等を広い領域に形成し、熱処理を行い、マストランスポートにより窒化ガリウム層１０２中に空洞１０６ａ等を形成し、その上に窒化ガリウム系半導体の発光素子を形成する。これにより、トレンチを形成した全領域で低転位密度の窒化ガリウム層が得られる。また、空洞のサイズ、位置を制御可能であり、フォトニック結晶の作製も容易である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法、窒化ガリウム系半導体基板及びその製造方法、窒化ガリウム系フォトニック結晶及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子、トランジスタ等の作製のための基板材料としては、成長させるエピタキシャル層と同じ物質のバルク結晶を用いることが一般的に望ましい。しかしながら、現在までに基板として使用できるＧａＮのバルク結晶は得られていなかった。このため、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３ ）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ基板等の格子定数や熱膨張係数などの物理的性質や、化学的性質が異なる基板が用いられてきた。
【０００３】
しかし、このような異種基板上にエピタキシャル成長を行うと、ミスフィット転位が発生しやすく、基板と成長したＧａＮ層との界面には１０８〜１０１０／ｃｍ２にも及ぶ高密度の転位が生成され、高品質のエピタキシャル成長層が得られない。この転位は成長方向に伝播し、活性層さらには表面まで貫通するため、素子の寿命や信頼性が低下するなどの重要な問題が生じる。
【０００４】
最近では、異種基板とＧａＮの界面に生成される１０８〜１０１０／ｃｍ２にもおよぶ転位をレーザの活性層領域まで伝播させない方法として、ラテラル成長技術が用いられている（例えば、非特許文献１、２参照。）。これらの文献に述べられているように、異種基板上、あるいは異種基板上に成長させた窒化物半導体上に、ストライプ状のＳｉＯ２保護膜を形成し、その上にＧａＮを選択成長させる。この方法では、ＳｉＯ２保護膜上でＧａＮを横方向に成長させることにより、転位も保護膜上に向かい横方向に曲げることができる。このため、ＳｉＯ２保護膜上では縦方向への転位の伝播が抑制されるため、低転位密度の窒化ガリウム膜を成長することができる。保護膜の上部に成長したＧａＮの表面には転位はほとんどない。ただし、マスクを形成していない部分に成長したＧａＮの表面にはほぼ１×１０７／ｃｍ２の転位が存在する。このように、従来の技術は、転位の少ない領域を局部的に作製する技術である。
【０００５】
また、別の方法として、例えば、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に部分的に凹凸を形成し、凹部側面に窒化物半導体の横方向の成長が可能な面を露出させ、その後、窒化物半導体を再成長させることにより、凹部側面から窒化物半導体の横方向の成長を行って、転位の低減を図る方法も行われている（例えば、非特許文献３参照。）。この方法では、凹部上の領域に転位の少ない領域が形成され、凸部上には転位が存在する。
【０００６】
したがって、従来のラテラル成長法を利用した半導体レーザの作製においては、非常に狭く局部的に形成された転位の少ない領域に発光領域が形成される。
【０００７】
また、窒素、アンモニア雰囲気中での熱処理によりマストランスポートを生じさせて局所的にＧａＮの貫通転位密度の低減を図る報告もある（例えば、非特許文献４、５、６参照。）。
【０００８】
【非特許文献１】
うすい（Ａ． Ｕｓｕｉ ）他，「シック・ガリウムナイトライド・エピタキシャル・グロース・ウィズ・ロー・ディスロケーション・デンシティ・バイ・ハイドライド・ベーパー・フェーズ・エピタキシ・（Ｔｈｉｃｋ ＧａＮ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｂｙ Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）」，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ），（日本），応用物理学会，１９９７年７月，第３６巻，第７Ｂ号，ｐ．Ｌ８９９−Ｌ９０２
【０００９】
【非特許文献２】
なかむら（Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ）他，「インジウムガリウムナイトライド／ガリウムナイトライド／アルミニウムガリウムナイトライド−ベースト・レーザー・ダイオーヅ・ウィズ・モジュレーション−ドープト・ストレインド−レイヤ・スーパーラティシズ・グロウン・オン・アン・エピタキシャリ・ラテラリ・オーバーグロウン・ガリウムナイトライド・サブストレート（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ａｎ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」，アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ），（米国），ザ・アメリカン・インスティチュート・オブ・フィジックス（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ）， １９９８年１月１２日，第７２巻， ｐ．２１１−２１３
【００１０】
【非特許文献３】
Ｔ・Ｓ・ゼレバ（Ｔ．Ｓ．Ｚｈｅｌｅｖａ）他，「ペンデオ―エピタキシ・ア・ニュー・アプローチ・フォー・ラテラル・グロウス・オブ・ガリウムナイトライド・ストラクチャーズ（Ｐｅｎｄｅｏ−Ｅｐｉｔａｘｙ Ａ Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｌａｔｅｒａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＧａＮ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」，エムアールエス・インターネット・ジャーナル・オブ・ナイトライド・セミコンダクタ・リサーチ（ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ），（米国），マテリアルズ・リサーチ・ソサイエティ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ）， ２０００年，４Ｓ１，Ｇ３．３８
【００１１】
【非特許文献４】
新田州吾他，マストランスポートによるＧａＮの貫通転位密度の低減，第６０回応用物理学会学術講演会講演予稿集，（日本），応用物理学会，１９９９年９月，第２８２頁，２Ｐ−Ｗ−１１
【００１２】
【非特許文献５】
新田州吾他，ＩＩＩ族窒化物のマストランスポート特性（２），第４７回応用物理学会学術講演会講演予稿集，（日本），応用物理学会，２０００年３月，第３５８頁，２９ａ−ＹＱ−３
【００１３】
【非特許文献６】
新田州吾他，ＩＩＩ族窒化物のマストランスポート特性（３），第６１回応用物理学会学術講演会講演予稿集，（日本），応用物理学会，２０００年９月，第２７９頁，３ａ−Ｙ−９
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ラテラル成長法等による低転位化は、本質的に低転位密度の領域を局所的に作製する方法であり、低転位密度の領域の幅は１０μｍ程度が限界である。先にも述べたように、半導体レーザの作製おいては低転位密度領域に共振器ストライプを形成する必要があり、低転位密度領域の幅は広い方が望ましい。しかし、従来のラテラル成長法等によれば、低転位密度領域を広くするためには、ＳｉＯ２保護膜の幅を広くしたり、凹凸の凹部の幅を広くする等の必要がある。
【００１５】
しかし、幅が広くなるほど、ＳｉＯ２保護膜や凹部を完全に埋め込むためにはＧａＮを数十μｍ以上の厚さで成長する必要がある。さらに、完全に平坦な面を得るためには１００μｍ近い膜厚が必要である。膜が厚くなると、クラックの発生や、エピタキシャル成長後の基板の反りが大きくなるなどの問題が発生する。また、ラテラル成長法は、成長時間が長く、消費原料が多いなど生産性の面で大きな問題がある。
【００１６】
このように、ラテラル成長法等では、低転位密度の領域が得られる幅は１０μｍ程度が実質的な限界であり、これ以上低転位密度の領域を広くすることができないという問題があり、さらに生産性の面でも大きな問題がある。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、エピタキシャル成長において広い領域で転位密度が低減され結晶性が良好な窒化物半導体を得て、高性能の窒化ガリウム系半導体素子、窒化ガリウム系半導体基板、窒化ガリウム系フォトニック結晶を高い歩留まりで提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上述した課題を解決するために、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に窒化ガリウム系半導体の素子を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１９】
この本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法において以下の構成を備えることが好ましい。
（１）前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であること。
【００２０】
（２）前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ≦２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であること。
【００２１】
（３）前記窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成すること。
【００２２】
（４）前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であること。
【００２３】
また、本発明の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法は、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのそれぞれを変形させ、変形させた当該トレンチの位置にそれぞれ対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に複数の空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層をフォトニック結晶とする工程とを具備することを特徴とする。
【００２４】
この本発明の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法において以下の構成を備えることが好ましい。
【００２５】
（１）前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であること。
【００２６】
（２）前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ＞２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であること。
【００２７】
（３）前記窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成すること。
【００２８】
（４）前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であること。
【００２９】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法は、基板上に第１の窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該第１の窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記第１の窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記第１の窒化ガリウム系半導体層の上に第２の窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、前記第１の窒化ガリウム系半導体層の空洞の部分における剥離により、前記第２の窒化ガリウム系半導体層と前記基板とを分離して、前記第２の窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする。
【００３０】
この本発明の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法において以下の構成を備えることが好ましい。
【００３１】
（１）前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であること。
【００３２】
（２）前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ≦２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であること。
【００３３】
（３）前記第１の窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成すること。
【００３４】
（４）前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であること。
【００３５】
（５）第２の窒化ガリウム系半導体層は、厚さが１５０μｍ以上のＧａＮ層であること。
【００３６】
また、本発明の第１の窒化ガリウム系半導体素子は、基板と、この基板上に形成され、幅が２０μｍ以上の連続した空洞を有する窒化ガリウム系半導体層と、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に形成され当該空洞上に位置する窒化ガリウム系半導体の素子とを具備することを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の第２の窒化ガリウム系半導体素子は、基板と、この基板上に形成されたＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜と、この多層膜の上に形成された窒化ガリウム系半導体の素子とを具備し、前記多層膜のＧａＮ層に選択的に空洞が形成されており、前記窒化ガリウム系半導体の素子は当該空洞上に位置することを特徴とする。
【００３８】
本発明の第２の窒化ガリウム系半導体素子において、前記空洞は、幅が２０μｍ以上の連続した空洞であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の第１の窒化ガリウム系フォトニック結晶は、基板と、この基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層とを具備し、前記窒化ガリウム系半導体層に空洞が所定の周期で形成されてなることを特徴とする。
【００４０】
また、本発明の第２の窒化ガリウム系フォトニック結晶は、基板と、この基板上に形成されたＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜とを具備し、前記多層膜のＧａＮ層に選択的に空洞が所定の周期で形成されてなることを特徴とする。
【００４１】
（作用）
本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法によれば、基板上に形成した窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成し、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成する。この空洞を有する窒化ガリウム系半導体層は、同じ又は別の窒化ガリウム系半導体層と基板との界面で生成された貫通転位がその上の発光素子等の形成される素子領域まで伝播するのを抑制する効果がある。即ち、この空洞上の窒化ガリウム系半導体領域では転位密度が低く、上記複数のトレンチの熱処理により当該空洞の領域を広げることによって、低転位密度の窒化ガリウム系半導体領域を広く形成することが可能である。
【００４２】
また、発光素子やトランジスタ等の素子を作製する上においては、転位密度の低い領域が広いほど、発光素子の発光領域やトランジスタのチャネル領域等と低転位密度の領域との位置合わせが容易になり、信頼性の向上を図ることができる。転位密度の低い領域の幅は少なくとも２０μｍ以上が必要である。本発明によれば、従来のラテラル成長法等による低転位密度化では不可能な２０μｍ以上の低転位密度領域を容易に作製でき、信頼性の高い発光素子やトランジスタ等の素子を提供することが可能である。
【００４３】
上記した２０μｍ以上の低転位密度領域を容易に作製するために好適な条件は、前記トレンチのそれぞれの幅Ｔを２μｍ以下とし、隣接するトレンチの中心の間隔ＷをＷ≦２Ｔとし、前記トレンチのアスペクト比は２以上とすることである。トレンチのそれぞれの幅が２μｍを超えたり、トレンチのアスペクト比が２未満であると、空洞形成に支障が生じ、隣接するトレンチの間隔がトレンチ幅の２倍を超えると、隣接したトレンチの位置に対応して窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成することが困難となるからである。
【００４４】
また、本発明の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法によれば、基板上に形成した窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成し、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのそれぞれを変形させ、変形させた当該トレンチの位置にそれぞれ対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に複数の空洞を形成する。当該空洞の大きさ、位置は、例えばトレンチの幅、形成する間隔、深さなどにより制御でき、空洞の大きさ、位置をフォトニック結晶として機能するように設計することが可能である。
【００４５】
特に、空洞の幅を２μｍ以下とすることにより、フォトニック結晶、特に二次元および三次元のフォトニック結晶を良好に提供することが可能である。空洞の幅を２μｍより大きくすると、実質的に二次元、三次元のフォトニック結晶として機能する周期で空洞を形成することがより難しくなる。
【００４６】
上記したフォトニック結晶、特に二次元および三次元のフォトニック結晶を良好に提供するために好適な条件は、前記トレンチのそれぞれの幅Ｔを２μｍ以下とし、隣接するトレンチの中心の間隔ＷをＷ＞２Ｔとし、前記トレンチのアスペクト比は２以上とすることである。トレンチのそれぞれの幅が２μｍを超えたり、トレンチのアスペクト比が２未満であると、空洞形成に支障が生じる。隣接するトレンチの間隔がトレンチ幅の２倍以下となると、隣接したトレンチの位置のそれぞれに対応して窒化ガリウム系半導体層の内部に孤立した空洞を形成することが困難となるからである。
【００４７】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法によれば、基板上に形成した第１の窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成し、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記第１の窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記第１の窒化ガリウム系半導体層の上に第２の窒化ガリウム系半導体層を形成し、前記第１の窒化ガリウム系半導体層の空洞の部分における剥離により、前記第２の窒化ガリウム系半導体層と前記基板とを分離して、前記第２の窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体基板を作製する。この方法によれば、上記した剥離により、第２の窒化ガリウム系半導体層と基板間の分離をより確実かつ容易に行うことができ、基板作製の歩留まりが向上する。この方法は、格子定数や熱膨張係数などがＧａＮとは異なる基板上に対しても適用可能であり、良好な基板を作製することができる。
【００４８】
かかる基板の製造方法において、良好な基板を作製するために、第２の窒化ガリウム系半導体層は厚さが１５０μｍ以上のＧａＮ層であることが好ましい。また、当該ＧａＮ層は、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により成長することが好ましい。
【００４９】
また、上記した本発明のそれぞれにおいて、窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に空洞を形成すれば、ＧａＮとＧａＡｌＮ間のマストランスポートの起こりやすさの違いを利用し、空洞ができる位置、大きさを制御することが可能となる。即ち、ＧａＡｌＮのマストランスポートはＧａＮのそれに比べて起こりにくく、ＧａＮ層が形成された位置では優先してマストランスポートが起こるため、この部分に空洞が生じやすくなる。この現象を利用することにより、空洞の位置や大きさを制御することが可能である。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による空洞の作製方法に係る実施形態について、図１（ａ）乃至図１（ｅ）の工程別断面図を用いて説明する。なお、図１（ａ）乃至図１（ｅ）では、基板１００としてサファイア基板の（０００１）面を使用した場合について説明するが、本発明では、基板の材料にはよらず、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の基板を用いることもできる。
【００５１】
まず、サファイア基板１００をＭＯＣＶＤ反応管内のサセプターへ設置し、還元雰囲気中で約１０５０℃まで加熱して、ＧａＮ層形成予定領域である基板主表面の酸化物を除去した。その後、サセプター温度を約５５０℃まで降温し、有機金属気相成長法（ ＭＯＣＶＤ法）によりＴＭＧ（ トリメチルガリウム） ガス、アンモニアガスを流し、ＧａＮバッファ層１０１を膜厚約０． ０２μｍ成長させた。次に、温度を約１１００℃まで上昇させＧａＮ層１０２を膜厚約３μｍ成長させた。その後、一旦、基板を反応管より取り出し、図１（ａ）に示すようにＧａＮ層１０２上にＳｉＯ２膜１０３を堆積し、さらにレジスト１０４を塗布した。
【００５２】
次に、フォトリソグラフィでレジスト１０４に対してパターンを形成した。パターンは、直径２μｍの円形状の穴が複数個開いており、隣接する穴の間隔は２．０μｍ及び４．０μｍとなっている。後述するトレンチ１０５ａの形成予定領域では穴の中心間隔が４．０μｍ、トレンチ１０５ｂの形成予定領域では穴の中心間隔が６．０μｍとなっている。さらに、レジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜１０３をエッチングした。次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ２膜１０３をマスクとして、ＧａＮ膜１０２をエッチングする。
【００５３】
このような微細なエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電界イオンビーム（ＦＩＢ）によるエッチング等のドライエッチング技術が有効であり、本実施形態ではＣｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）によりＧａＮ膜１０２をエッチングし、図１（ｂ）に示すようにＧａＮ膜１０２に直径２μｍ、深さ４μｍの円形のトレンチを形成した。隣接するトレンチの中心間隔は、上記したようにトレンチ１０５ａにおいて４．０μｍ、トレンチ１０５ｂにおいて６．０μｍである。
【００５４】
次に、図１（ｃ）に示すようにＳｉＯ２マスク１０３を除去し、この後、雰囲気調整可能な加熱炉へウエハーをセットする。窒素ガスを４ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅｓ）
流し、基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。この過程において、窒素雰囲気で加熱昇温することにより、基板に付着していた水分や不純物ガスが除去される。ただし、この過程でのＧａＮの分解蒸発によるエッチングは無視できる。
【００５５】
次に、基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス４ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、ＧａＮ層１０２表面ではＧａＮの分解、物質輸送、ＧａＮ再付着という過程、いわゆるマストランスポート現象が生じる。トレンチ１０５ａ、１０５ｂ内においては、図１（ｄ）に示すように、マストランスポート現象により、表面エネルギーが小さくなるようにトレンチの形状が変化する。その結果、図１（ｅ）に示すように、ＧａＮ層１０２中に空洞が形成される。このとき、隣接するトレンチの中心間隔が６．０μｍと広い場合には、一個のトレンチ１０５ｂに対し、一個の空洞１０６ｂが形成された。一方、隣接するトレンチの中心間隔を４．０μｍと狭くした場合には、空洞が形成される過程において、隣接するトレンチ部１０５ａ同士が合体して、結果として大きな空洞１０６ａが形成された。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、空洞の大きさを、トレンチの幅、トレンチの間隔、トレンチの深さにより制御可能であり、また、マストランスポートを生じさせる温度、雰囲気によっても制御可能である。
【００５７】
上記実施形態ではトレンチを形成した場合のマストランスポート現象を用いた場合について説明を行ったが、本質的には、トレンチのアスペクト比が２以上の凹状部を形成すればマストランスポートにより空洞を形成することが可能である。また、隣接するトレンチの中心間隔Ｗを、トレンチの直径Ｔに対し２Ｔ≧Ｗとなるように狭くすれば、空洞が形成される過程において、隣接する空洞同士が合体し、大きな空洞が形成できる。
【００５８】
また、凹状部の形状は円形状に限られず、ストライプ状であってもよい。さらに、本実施形態は雰囲気調整可能な炉であれば実施可能であり、ＭＯＣＶＤ装置やＨＶＰＥ装置でもよい。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００６０】
（第１の実施例）
次に、本発明による第１の実施例として、窒化ガリウム系半導体レーザについて説明する。本実施例における窒化ガリウム系半導体レーザは、図２に示す如く、マストランスポートにより形成された大きな空洞３０６を有するＧａＮ層３０２を有しており、その上に半導体レーザ構造が形成されている。マストランスポートにより形成された空洞３０６の上部結晶は転位が少なく、その上に半導体レーザ構造を形成することにより、低閾値でかつ長寿命の半導体レーザを作製することができる。
【００６１】
以下、図３乃至５によりさらに詳細に説明する。ＭＯＣＶＤ装置により図１の説明で既に述べた手順により、サファイア基板３００上にＧａＮバッファ層３０１、およびＧａＮ層３０２を積層する（図３（ａ））。さらに、ＧａＮ層３０２上にＳｉＯ２膜を堆積し、さらにレジストを塗布した。次に、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成した。さらにレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングし、ＳｉＯ２マスクを形成した。
【００６２】
次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ２膜をマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）によりＧａＮ膜３０２をエッチングしトレンチ３０５を形成した（図３（ｂ））。本実施例で形成したトレンチは、直径２μｍで、トレンチの中心間隔が４μｍ、深さ４μｍである。トレンチを形成する領域は、図４に示すように幅１００μｍ×長さ７００μｍを半導体レーザ素子一個に相当する単位領域として、一枚のウエハー上に形成する半導体素子の数と同じ数の単位領域にトレンチを形成した。
【００６３】
次に、ＳｉＯ２マスクを除去した後、再度ＭＯＣＶＤ装置内へウエハーをセットする。窒素ガスを２０ｓｌｍ流し、基板温度を１０００℃まで昇温する。この過程において、窒素雰囲気で加熱昇温することにより、基板に付着していた水分や不純物ガスが除去される。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスの導入を開始し、窒素ガス２０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍの混合ガスを流した。この雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、マストランスポート現象により、表面エネルギーが小さくなるようにトレンチの形状が変化し、空洞３０６が形成される。本実施例では、隣接するトレンチの中心の間隔は４．０μｍで、隣接するトレンチが近接しているため、空洞が形成される段階で、隣接する空洞同士が合体し、結果として図３（ｃ）に示すように、トレンチを形成した単位領域（幅１００μｍ×長さ７００μｍ。図４参照。）とほぼ同じ大きさの空洞３０６が形成される。
【００６４】
以上のように形成した空洞３０６の直上部のＧａＮ層３０７表面近傍を透過電子顕微鏡により観察したところ、転位密度が１０−５／ｃｍ２程度で、転位密度が減少していることが分かった。これは、サファイア基板３００とＧａＮ層３０１との界面から成長方向に伸びる転位が、図５に示すように、マストランスポートによる空洞形成過程で転位が横方向に曲げられたために、空洞上部のＧａＮ層３０７表面では転位密度が減少したものである。
【００６５】
このように、本実施例によれば、トレンチ３０５を形成する領域の広さを変えることにより、空洞３０６の大きさを制御することが可能であり、空洞３０６直上には転位密度の低い窒化ガリウム層３０７の領域が得られる。すなわち、原理的には、トレンチ３０５を形成する領域を広くすることにより、いくらでも低転位領域を広くすることが可能である。
【００６６】
従来のラテラル成長を用いて作製した半導体レーザでは、図６に示すように半導体レーザのストライプ部６１７ａを形成する際に、低転位密度領域６０２ｂとの位置合せが必要である。しかし、ラテラル成長法による低転位化法では、低転位密度領域の幅は１０μｍ程度が限界であり、この位置合せが困難であるという問題があった。しかし、本発明によれば、既に述べたように低転位密度領域を広くすることが可能であり、従来の方法と比較して、容易に低閾値で長寿命の半導体レーザを作製することができる。なお、図６において、６００はサファイア基板、６０１はＧａＮバッファ層、６０２ａはＧａＮ層、６０８はｎ型ＧａＮコンタクト層、６０９はＳｉドープのｎ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１ｎ型クラッド層、６１０はＳｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層、６１１はアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（３ｎｍ）及びＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（６ｎｍ）の２種類のＩｎＧａＮ層を４周期繰り返して構成されるＭＱＷ活性層、６１２はＭｇドープのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎキャップ層、６１３はＭｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層、６１４はＭｇドープのｐ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層、６１５はｐ型ＧａＮコンタクト層、６１６はＳｉＯ２膜絶縁膜、６１７はｐ側電極、６１８はｎ側電極である。
【００６７】
一方、本発明では前記したように、低転位密度領域をいくらでも広くすることができるものの、幅が広すぎても空洞上部のＧａＮ層３０７の強度が実質的に弱くなり、たわみや割れなどが発生する可能性がある。このため、本実施例ではこれらの問題のないように幅１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００６８】
以上の工程により、ＧａＮ層３０２表面がマストランスポートにより平坦に埋め込まれた後、温度を１０５０℃まで昇温し、引き続き図３（ｄ）に示すように窒化ガリウム系半導体レーザ構造を積層した。即ち、Ｓｉを添加したｎ型ＧａＮコンタクト層３０８を厚さ約２μｍ、Ｓｉドープのｎ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１ｎ型クラッド層３０９を約１．０μｍ、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層３１０を約０．１μｍ、さらにアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（３ｎｍ）及びＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（６ｎｍ）の２種類のＩｎＧａＮ層を４周期繰り返して構成されるＭＱＷ活性層３１１、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎキャップ層３１２を０．２μｍ、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層３１３を約０．１μｍ、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層３１４を約０．７μｍ、およびｐ型ＧａＮコンタクト層３１５を約０．１μｍ順次成長した。これらの各層にわたる転位密度は、空洞３０６上のＧａＮ層３０７の転位密度と同等であった。
【００６９】
上記成長層を形成したサファイア基板を反応管より取り出し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、ｐ型ＧａＮキャップ層３１２及びｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３１４よりなる幅約２μｍのリッジ部を形成し、このリッジ部の上端を除いてリッジ側面とその周辺には、ＳｉＯ２膜絶縁膜３１６を形成した。その後、ｐ側電極３１７、ｎ側電極３１８を形成し、図３（ｅ）に示すような半導体レーザ構造が完成した。
【００７０】
従来のラテラル成長法を用いた転位低減においては、ＳｉＯ２マスク上のみ転位が低減されるが、ＳｉＯ２マスクのない窓部の上部においては、転位密度低減の効果は僅かである。このため、転位密度の少ない領域と多い領域とが、約１０μｍ間隔で存在する。半導体レーザの作製においては、ストライプの位置を転位密度の少ない領域に合せる必要がある。少しでもこの合せがずれると、転位密度の多い部分の上にストライプが形成されることになり、閾値の上昇、寿命の低下の原因となる。しかし、本発明によれば、低転位の領域を広くできるため、このような問題はなく、信頼性の高い半導体レーザを作製することができる。これにより、作製した半導体レーザ装置の発光強度の増大、閾値の低減、長寿命化が可能となった。 また、大きい空洞が存在する別の効果として、半導体レーザとサファイア基板との剥離が容易となる点も挙げられる。
【００７１】
本実施例では、基板としてサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等のヘテロ基板を用いる場合について説明したが、ＧａＮ基板を用いた場合にも本発明は適用できる。この場合は、空洞により転位密度の低減が可能であることと、さらに、ＧａＮ基板側への光の漏れを抑制することができ、いっそうの発光強度の増大、閾値電流密度の低減などを図ることができる。
【００７２】
（第２の実施例）
第１の実施例は、ＭＯＣＶＤ装置による半導体レーザの作製に関する例であるが、本発明はこれに限るものではなく、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置によるＧａＮ厚膜の作製にも適用できる。以下に第２の実施例としてＨＶＰＥ法によるＧａＮ基板作製について図７に従って詳細に説明する。
【００７３】
本実施例では、ＭＯＣＶＤ装置で２インチφのサファイア基板７００上にＧａＮバッファ層７０１ａを介して６μｍのＧａＮ膜７０１ｂを成長し、このＧａＮ膜７０１ｂにトレンチ７０１ｅ及び７０１ｆを形成したウエハーをテンプレートとして用いた。その手順の概略は第１の実施例と同様である。トレンチ７０１ｅ及び７０１ｆはそれぞれ、直径２μｍ、トレンチの中心間隔４μｍ、深さ４μｍである。後述する空洞上部のＧａＮ層７０４を保持するために、図８に示すように１ｍｍ間隔でトレンチ群の間隔を５μｍ（トレンチ７０１ｅと７０１ｆとの間隔に相当。）とし、ウエハーのほぼ全面にトレンチ群（トレンチ７０１ｅ、７０１ｆが該当。）を形成した。
【００７４】
ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置へこの基板をセットし、Ｎ２ガス雰囲気で１０００℃まで昇温した。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスの導入を開始し、窒素ガス５ｓｌｍとＮＨ３ガス５ｓｌｍの混合ガスを流した。この雰囲気において、１０００℃で３０分間保持することにより、マストランスポートにより、トレンチの形状を変化させ、空洞を形成した。本実施例においても、第１の実施例と同様に、隣接するトレンチの中心間の間隔は４．０μｍで、空洞が形成される段階で、隣接する空洞同士が合体し、結果として図７（ｂ）に示すように幅１ｍｍ×長さ１ｍｍ×２μｍの空洞７０２ａ及び７０２ｂがそれぞれトレンチ７０１ｅと７０１ｆに対応する領域に幅５μｍのＧａＮ支持部７０３をはさんで形成された。
【００７５】
さらに、図７（ｃ）に示すように基板温度を１０００℃に保持したまま、続けてＧａＮ層７０５を成長させる。８２０℃に加熱したグラファイト製のＧａ溜へＨＣｌガスとＮ２ガスの供給を開始する。これにより、ＩＩＩ族の原料としてのＧａＣｌが合成されＧａＮ成長部へ供給されると同時に、ＧａＮの成長が開始された。ＧａＮ層７０５を約２００μｍ成長した後、試料を装置より取り出した。
【００７６】
従来の方法でサファイア基板上に２００μｍ以上の厚膜を直接成長させた場合、基板が大きく反るという問題があった。しかし、本実施例によれば下地のＧａＮ層７０１ｂ中に空洞７０２ａ及び７０２ｂがあるため、成長中はＧａＮの自立基板上への成長に近い状態での成長が可能である。このため、サファイア基板７００とＧａＮ層７０１ａ、７０１ｂとの格子定数差や熱膨張係数差に起因する応力の影響が小さいため、反りの小さいＧａＮ厚膜７０５を形成することができた。さらに、図７（ｄ）に示すように、例えばＡｒＦレーザをサファイア基板７００側より、ＧａＮ支持部７０３部へ照射することにより、容易にサファイア基板７００を剥離することができた。残存するＧａＮ層７０２ｂは必要に応じて除去する。このようにして作製したＧａＮ基板７０５の曲率半径は１０４ｍｍ以上であり、非常に反りの少ないＧａＮ基板を作製することができた。
【００７７】
また、転位密度にしても、第１の実施例において述べたように、空洞７０２ａ、７０２ｂ直上のＧａＮ層７０４の転位密度は１０５／ｃｍ２程度であり、その上に積層したＧａＮ厚膜７０５においても、転位密度は１０５／ｃｍ２程度であった。従って、本実施例により、転位密度が１０５／ｃｍ２程度の良好なＧａＮ基板７０５を作製することが可能であった。
【００７８】
（第３の実施例）
次に、第３の実施例として、空洞のサイズおよび位置を制御することによりフォトニック結晶を作製する場合について図９を用いて説明する。
【００７９】
まず、既に述べた方法と同様の手順により、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板９００上にＧａＮバッファ層９０１を介してＧａＮ層９０２を厚さ６μｍ堆積した。基板を反応管より取り出し、ＧａＮ層９０２上にＳｉＯ２膜を堆積した後、レジストを塗布した。その後、ＥＢ描画装置を用いて直径２μｍの円形で、中心間隔が４μｍのトレンチパターンをレジストに形成した。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。次に、レジストマスクを除去し、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ＧａＮ層９０２をエッチングし、図９（ａ）に示すようにＧａＮ層９０２に直径２μｍの円形で、隣接するトレンチの中心間隔が４μｍで、深さ４μｍのトレンチ９０３ａを形成した。
【００８０】
次に、ＳｉＯ２マスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置へ再び基板をセットし熱処理を行う。窒素ガスを２０ｓｌｍ流しながら基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス１０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、トレンチ９０３ａの表面を含むＧａＮ層表面９０２ではＧａＮの分解、物質輸送、ＧａＮ再付着というマストランスポート現象が生じる。この処理により、トレンチ９０３ａの形状が変化し、結果として図９（ｃ）に示すように、ＧａＮ層９０２中に広い領域で空洞９０４が形成された。この構造を作製するためには、図９（ａ）に示すようなトレンチを形成することによってのみ可能なわけではなく、図９（ｂ）に示すように幅２μｍ、深さ４μｍの溝を中心間隔４μｍで形成することによっても、図９（ｃ）に示すように大きな空洞を形成することができる。
【００８１】
既に述べたように、空洞９０４直上のＧａＮ層９０５は転位密度が少なく高品質のＧａＮ層である。さらに、このＧａＮ層９０５は上下より空気により挟み込まれた構造である。すなわち空洞９０４上部のＧａＮ層９０５は、屈折率３．５のＧａＮが屈折率１の空気により挟まれた構造であり、レーザ光を入射した場合ＧａＮ層９０５中に光を閉じ込めることができ、光導波路として応用できる。
【００８２】
次に、二次元のフォトニック結晶を作製するために、この空洞９０４上部のＧａＮ層９０５にウエハー表面側から空洞９０４まで達する貫通穴９０６を、周期的な位置に図９（ｄ）のように形成した。この貫通穴９０６の形成は、ＳｉＯ２膜をマスクとして反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）により作製した。本実施例では貫通穴９０６は三角格子状に各格子点上に配置した。このとき、入射させる光の波長をλとすると、貫通穴９０６の直径ｒ、隣接する貫通穴の中心間の距離ａを調節することにより、ブリルアンゾーンのあらゆる方向にわたって光波のモードが生じないエネルギー領域、すなわち、フォトニックバンドギャップを形成することができる（例えば、特開平１０−２８４８０６号公報等。）。図９（ｄ）では、貫通穴９０６を三角格子状に配列すると共に、貫通穴を形成しない部分、すなわち格子点へ欠陥を導入することにより、Ｙ分岐の光導波路９０７、９０８、９０９を形成した。光導波路９０７は光導波路９０８、９０９に分岐する。外部より集光したレーザ光を入射したところ、光は欠陥部分をほとんど損失することなく導波し、Ｙ分岐により分岐された。
【００８３】
ＧａＮはバンドギャップエネルギーが３．３９ｅＶと広く、紫外光領域から可視光領域、さらには光通信で使用される１．５５μｍ帯の近赤外領域まで、広い波長範囲で透明な材料であり、フォトニック結晶用として有望な材料である。本発明によれば、入射するレーザ光の波長に合わせて貫通穴のサイズ、位置を変えるだけで、容易に光導波路を形成することができる。
【００８４】
（第４の実施例）
実施例３で説明したのと同様の方法で作製した別のＧａＮのフォトニック結晶を図１０に示す。導波路構造およびその製造方法については図９（ｄ）とほぼ同じである。図１０に示すように、１０００はサファイア基板、１００１はＧａＮバッファ層、１００２はＧａＮ層、１００４は空洞、１００５は空洞上のＧａＮ層、１００６は貫通穴、１００７は欠陥導波路である。本実施例では、欠陥導波路１００７に沿って、導波路１００７の近傍に大きい貫通穴１００８、１００９、１０１０を欠陥として導入した。これらの導入した貫通穴１００８、１００９、１０１０は共振器として機能し、それぞれの貫通穴１００８、１００９、１０１０は欠陥導波路１００７からの距離および直径が異なっており、共振する波長が異なる。すなわち、複数の波長を含む光を入射すると、波長ごとに共振する貫通穴が異なるため、波長ごとに異なる欠陥部分より光を放射させることができる。この機能は、長分割多重方法（ＷＤＭ）の通信用の光アド・ドロップ素子として使用することができる。本実施例では、波長λ１の光に対応する貫通穴として１００８を、波長λ２の光に対応する貫通穴として１００９を、波長λ３の光に対応する貫通穴として１０１０を形成する。貫通穴１００８、１００９、１０１０と欠陥導波路１００７との距離は、貫通穴１００６が三角格子状に配置し、隣接する貫通穴の距離がａである場合、（３√３／２）ａで与えられる。貫通穴１００８、１００９、１０１０それぞれの直径は共振する波長により違えてあり、それぞれの貫通穴部より異なる波長の光が放射される。
【００８５】
一方、既に述べたようにＧａＮは紫外および可視領域の光に対しても透明であり、損失のない光伝送が可能である。その波長範囲での応用例として、色調を変化させることのできる発光デバイスへの応用がある。本発明によるフォトニック結晶は、波長により光が出射される位置を変えることが可能である。例えば、光が放射される各欠陥部分に、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の蛍光体を設置しておく。さらに、紫外から青色領域の波長可変レーザを用い、入射させる波長を変化させることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの発光が得られる。すなわち、色調の可変な発光デバイスを実現することができる。
【００８６】
（第５の実施例）
次に、フォトニック結晶と発光デバイスを積層する場合について図１１により説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１１００上にＧａＮバッファ層１１０１ａを介してＧａＮ層１１０１ｂを４μｍ堆積した。基板を反応管より取り出し、ＧａＮ層１１０１ｂ上にＳｉＯ２膜を堆積した後、レジストを塗布した。その後、ＥＢ描画装置を用いて円形のパターンを三角格子の格子点上に転写した。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。次に、レジストマスクを除去し、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ＧａＮ層１１０１ｂをエッチングし、図１１（ａ）に示すようにＧａＮ層１１０１ｂにトレンチ１１０２を三角格子状に作製した。
【００８７】
さらにＳｉＯ２マスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置へ再び基板をセットし、熱処理した。窒素ガスを２０ｓｌｍ流しながら基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス１０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で２０分間保持した。この工程において、マストランスポートにより、トレンチの形状が変化し、結果として図１１（ｂ）に示すように、ＧａＮ層中に周期的に配列された微細な空洞１１０３が形成された。これは二次元のフォトニック結晶として機能する。
ここで、フォトニック結晶として機能させるには、空洞の直径ｒに比べ中心間の距離Ｗが近接している場合がある。この場合でも、トレンチの直径Ｔ（＜ｒ）を、空洞の中心距離Ｗとの関係が２Ｔ＜Ｗとなるようにトレンチを形成し、さらに、本発明による空洞の形成過程で空洞の直径が拡大され、空洞の直径ｒがトレンチの直径Ｔよりも大きくなることにより解決することができる。より具体的には、本実施例では、トレンチを直径０．１μｍ、隣接するトレンチの中心間距離を０．４μｍで形成した。その後、本発明による空洞の形成過程により、直径ｒが０．３μｍで、隣接する空洞の中心間の距離Ｗが０．４μｍとなるように空洞を形成することができた。
【００８８】
本発明によれば、この空洞１１０３を有するフォトニック結晶層の上に、さらに発光素子を形成することが可能である。即ち、引き続きＭＯＣＶＤ装置により、まずｎ−ＧａＮコンタクト層１１０４、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１１０５、ＩｎＧａＮ系のＭＱＷ活性層１１０６、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層１１０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０８を成長した。その後、Ｃｌ２ガスを用いドライエッチング法によりｎ−ＧａＮコンタクト層１１０４が露出するまでエッチングし、さらにｐ側電極１１０９、ｎ型電極１１１０を形成することにより面発光レーザを形成することができた。このように、本発明によれば、フォトニック結晶と発光素子との集積化が容易に行える。
【００８９】
（第６の実施例）
三次元フォトニック結晶構造の作製への応用として、高反射ミラーを有するＧａＮ系のＲＣ−ＬＥＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｃａｖｉｔｙ ＬＥＤ）について図１２を用いて説明する。三次元フォトニック結晶構造の作製方法はこれまでの実施例に説明した手順とほぼ同じである。
【００９０】
ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１２００上にＧａＮバッファ層１２０１を介してＧａＮ膜１２０２を５μｍ堆積した。基板を反応管より取り出し、ＧａＮ層１２０２上にＳｉＯ２膜を堆積した後、レジストを塗布した。その後、ＥＢ描画装置を用いて直径０．１５μｍの円形のパターンを三角格子状にレジストに転写してレジストパターンを形成する。このとき、格子間隔は０．５μｍとした。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。次に、レジストマスクを除去し、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ＧａＮ層１２０２をエッチングし、図１２（ａ）に示すように格子間隔が約０．５μｍの三角格子状に直径約０．１５μｍの円形で深さ３μｍのトレンチが形成された。
【００９１】
さらにＳｉＯ２マスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置へ再び基板をセットし、熱処理した。窒素ガスを２０ｓｌｍ流しながら基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス１０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で２０分間保持した。この工程において、マストランスポートにより、トレンチの形状が変化し、結果として図１２（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１２０２中に球状の空洞１２０２ｂが水平方向のみならず深さ方向にも並んだ構造が形成された。球状の空洞１２０２ｂそれぞれの直径は約０．２μｍ、水平方向の中心間の間隔は０．５μｍ、深さ方向の中心間の間隔は０．５μｍであった。この層は三次元フォトニック結晶として機能し、反射ミラーとして使用する。
【００９２】
引き続き、ＭＯＣＶＤ装置により、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２０３、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１２０４、ＩｎＧａＮ系のＭＱＷ活性層１２０５、ｐ−ＧａＡｌＮ／ＧａＮからなるＤＢＲ反射膜構造１２０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２０７を順次成長した。その後、Ｃｌ２ガスを用いドライエッチング法によりｎ−ＧａＮコンタクト層１２０３が露出するまでエッチングし、さらにｐ側電極１２０８、ｎ側電極１２０９を形成した。このようにして作製したＧａＮ系のＲＣ−ＬＥＤは、活性層１２０５の裏面側に高反射率のフォトニック結晶を備えているため、高い光取り出し効率が実現できる。
【００９３】
従来、高反射ミラーとしてＧａＮ／ＡｌＧａＮのＤＢＲが用いられている。しかし、この材料系で高反射率を得るためには２０周期以上の厚い結晶成長が必要であり、抵抗の上昇、クラックの導入などの問題があった。しかし、本発明のように、フォトニック結晶によれば、薄い層で高反射率が得られるため、容易に光取り出し効率の良好な発光デバイスを作製できる。
【００９４】
（第７の実施例）
第６の実施例によればＧａＮ層中に空洞を三次元的に配置することができる。本実施例では、深さ方向にも三角格子状に空洞を配置する方法を示す。まず、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１３００上にＧａＮバッファ層１３０１を介してＧａＮ膜１３０２を５μｍ堆積し、さらにＳｉＯ２、レジストを形成した。第６の実施例と同様にして直径０．１μｍの円形のパターンを三角格子状にレジストに転写してレジストパターンを形成する。このとき、格子間隔は０．４μｍとした。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。
【００９５】
次に、図１３（ａ）に示すように、ＳｉＯ２パターンをマスクとして、基板の主面に対し約６０度の斜め方向より反応性イオンビームを照射した。この照射により斜めにトレンチ１３０３を形成することができた。このときのトレンチの深さは、アスペクト比が２以上になる必要があり、本実施例におけるトレンチの深さは１μｍとした。アスペクト比を大きくすることにより、形成できる空洞の数が多くなる。さらに、トレンチ１３０３を第６の実施例と同様の条件で熱処理することにより、マストランスポートにより空洞１３０４が形成される。即ち、図１３（ｂ）に示すように、深さ方向にも三角格子状に空洞１３０４が配置されたフォトニック結晶を作製することができた。球状の空洞１２０２ｂそれぞれの直径は約０．３μｍ、隣接する空洞の間隔は０．４μｍであった。この層は三次元フォトニック結晶として機能し、反射ミラーとして使用することも可能である。さらに、本実施例で作製した三次元フォトニック結晶上に、第６の実施例のように、発光素子を集積化させることもできる。
【００９６】
（第８の実施例）
本発明者はＡｌＧａＮはＧａＮに比べマストランスポート現象が生じ難いことを見出した。本実施例では、この現象を利用し空洞の位置を制御するものである。
【００９７】
第６及び第７の実施例によれば、深さ方向にも周期的な位置に空洞を形成できることを示した。しかし、空洞が形成される深さ方向の位置は、トレンチの形成精度、マストランスポートの条件等に大きく依存する。そこで、さらに深さ方向の位置精度を向上させるために、ＧａＮとＧａＡｌＮの多層膜を用いることが可能である。この方法を、図１４（ａ）乃至図１４（ｅ）の工程別断面図を用いて説明する。
【００９８】
まず、図１４（ａ）に示すようにサファイア基板１４００をＭＯＣＶＤ反応管内のサセプターへ設置し、還元雰囲気中で約１０５０℃まで加熱して、ＧａＮ層形成予定領域である基板主表面（（０００１）面）の酸化物を除去した。その後、サセプター温度を約５５０℃まで降温し、有機金属気相成長法（ ＭＯＣＶＤ法）によりＴＭＧガス、アンモニアガスを流し、ＧａＮバッファ層１４０１を膜厚約０． ０２μｍ成長させた。次に、温度を約１０５０℃とし、ＴＭＧガス、アンモニアガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを流し、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｌＮ層１４０２ａを０．２μｍ成長した。引き続き、ＴＭＧガス、アンモニアガスを流し、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１４０２ｂを４μｍ成長した。さらに、ＧａＡｌＮ層１４０２ｃをＧａＡｌＮ層１４０２ａと同じ成長条件で０．２μｍ成長させた。その後、一旦、基板を反応管より取り出し、図１４（ａ）に示すようにＧａＡｌＮ層１４０２ｃ上にＳｉＯ２膜１４０３を堆積し、さらにレジスト１４０４を塗布した。
【００９９】
次に、フォトリソグラフィでレジスト１４０４に対してパターンを形成した。パターンは、円形状の穴が複数個開いており、本実施例では、直径２μｍとした。穴の中心間隔は後述するトレンチ１４０５ａの形成予定領域では、２μｍ、トレンチ１４０５ｂの形成予定領域では６μｍとなっている。さらに、レジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜１４０３をエッチングした。次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ２膜１４０３をマスクとして、ＧａＡｌＮ層１４０２ｃ、ＧａＮ層１４０２ｂ、ＧａＡｌＮ層１４０２ａをそれぞれエッチングする。
【０１００】
ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、ＦＩＢ等のドライエッチング技術が有効であり、本実施形態ではＣｌ２ガスを用いたＲＩＢＥによりＧａＡｌＮ層１４０２ｃ、ＧａＮ層１４０２ｂをそれぞれエッチングし、図１４（ｂ）に示すようにＧａＡｌＮ層１４０２ｃ、ＧａＮ層１４０２ｂに直径２μｍ、深さ４．５μｍの円形のトレンチを形成した。隣接するトレンチの中心間隔は、上記したようにトレンチ１４０５ａにおいて２μｍ、トレンチ１４０５ｂにおいて６μｍである。
【０１０１】
次に、図１４（ｃ）に示すようにＳｉＯ２マスク１４０３を除去し、この後、雰囲気調整可能な加熱炉へウエハーをセットする。窒素ガスを４ｓｌｍ流し、基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。この過程において、窒素雰囲気で加熱昇温することにより、基板に付着していた水分や不純物ガスが除去される。ただし、この過程でのＧａＮ、ＧａＡｌＮの分解蒸発によるエッチングは無視できる。
【０１０２】
次に、基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス４ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、ＧａＮ層１４０２ｂ表面ではＧａＮの分解、物質輸送、ＧａＮ再付着という過程、いわゆるマストランスポート現象が生じる。ＧａＡｌＮ層１４０２ａ及びＧａＡｌＮ層１４０２ｃにおいてもマストランスポート現象が生じるが、ＧａＮのマストランスポートされる速度よりもかなり遅い。このために、図１４（ｄ）に示すようにＧａＮはマストランスポートが進行して表面エネルギーが小さくなるようにトレンチの形状が変化するのに対し、ＧａＡｌＮはほとんどマストランスポートが進行せずトレンチ形状はほとんど変化しない。即ち、ＧａＮ層１４０２ｂ側からＧａＡｌＮ層１４０２ａ、１４０２ｃ側へ物質移動が生じ、ＧａＮ層１４０２ｂの部分に空洞が形成される。
【０１０３】
この結果、図１４（ｅ）に示すように、ＧａＡｌＮ膜１４０２ａとＧａＡｌＮ膜１４０２ｃとにより挟まれたＧａＮ層１４０２ｂ中に選択的に空洞が形成される。このとき、隣接するトレンチの中心間隔が６．０μｍと広い場合には、一個のトレンチ１４０５ｂに対し、一個の空洞１４０６ｂが形成された。一方、隣接するトレンチの中心間隔を２μｍと狭くした場合には、空洞を形成する過程において、隣接するトレンチ部１４０５ａ同士が合体して、結果として大きな空洞１４０６ａが形成された。
【０１０４】
このように、本実施例ではＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造を採用することによって、ＧａＮ層１４０２ｂの部分に選択的に空洞を形成することができ、この結果、空洞の形成される深さ方向の位置を厳密に制御することができた。
【０１０５】
（第９の実施例）
ＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造において積層回数を増加させることにより、深さ方向の異なる位置にそれぞれ空洞を制御性良く形成することが可能である。本実施例では、この方法及び構造について述べる。
【０１０６】
図１５（ａ）に示すように、サファイア基板１５００上にＧａＮバッファ層１５０１を形成し、さらにＧａＡｌＮ層１５０２ａ、ＧａＮ層１５０２ｂ、ＧａＡｌＮ層１５０２ｃ、ＧａＮ層１５０２ｄ、ＧａＡｌＮ層１５０２ｅ、ＧａＮ層１５０２ｆ、ＧａＡｌＮ層１５０２ｇを成長させた。各々のＧａＮ層の膜厚は約０．３μｍ、各々のＧａＡｌＮ層の膜厚は約０．３μｍとした。さらに、この積層膜を上述した方法と同様の方法によりパターニングして図１５（ａ）に示す構造を得た。トレンチ１５０３は円形の形状を有しており、それぞれの直径は０．１μｍ、深さは約１．８μｍである。トレンチの中心間隔は０．６μｍとなっている。
【０１０７】
次に、上記した熱処理条件と同様の条件で熱処理を行い、図１５（ｂ）に示すようにＧａＡｌＮ膜１５０２ａ、１５０２ｃ、１５０２ｅ、１５０２ｇによりそれぞれ挟まれたＧａＮ層１５０２ｂ、１５０２ｄ、及び１５０２ｆ中に選択的に空洞１５０４が形成された。このとき、一個のトレンチ１５０３に対し、一個の空洞１５０４が形成された。空洞の直径は０．３μｍ、水平、垂直いずれの方向も隣接した空洞の中心間隔は０．６μｍであった。このように、ＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造の積層回数を増やすことによって、深さ方向の異なる位置（ＧａＮ層部分）にそれぞれ空洞を制御性良く形成することが可能であり、三次元フォトニック結晶等を歩留まり良く作製することが可能である。
【０１０８】
（第１０の実施例）
第７の実施例では深さ方向にも三角格子状に空洞を配置する方法を示したが、この方法を第９の実施例に適用することにより深さ方向に制御性よく空洞を形成することが可能である。
【０１０９】
図１６（ａ）に示すように、第９の実施例と同様にサファイア基板１６００上にＧａＮバッファ層１６０１を形成し、さらにＧａＡｌＮ層１６０２ａ、ＧａＮ層１６０２ｂ、ＧａＡｌＮ層１６０２ｃ、ＧａＮ層１６５０２ｄ、ＧａＡｌＮ層１６０２ｅ、ＧａＮ層１６０２ｆ、ＧａＡｌＮ層１６０２ｇを成長させた。ＧａＡｌＮ層１６０２ｇ上にはＳｉＯ２膜１６０３を堆積した。各々のＧａＮ層の膜厚は２μｍ、各々のＧａＡｌＮ層の膜厚は０．１６μｍとした。さらに、第９の実施例と同様にＳｉＯ２膜１６０３をパターニングし、ＳｉＯ２パターンをマスクとして上記積層膜を第７の実施例と同様の方法によりパターニングしてトレンチ１６０４を形成した（図１６（ｂ））。本実施例でのトレンチ形成用の円形パターンの直径は１μｍで、隣接する円形パターンとの中心間距離は２．５μｍとした。 次に、第９の実施例と同様の条件で熱処理を行い、図１６（ｃ）に示すようにＧａＡｌＮ膜１６０２ａ、１６０２ｃ、１６０２ｅ、１６０２ｇによりそれぞれ挟まれたＧａＮ層１６０２ｂ、１６０２ｄ、及び１６０２ｆ中に選択的に空洞１６０４が形成された。このとき、一個のトレンチ１５０３に対し、一個の空洞１６０５が形成された。形成された空洞の直径は１．５μｍであり、隣接する空洞との中心距離は２．５μｍであった。１６０６はＧａＮ層側からＧａＡｌＮ層側へ物質移動が生じたことにより形成された層である。このように、ＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造の積層回数を増やし、斜め方向の反応性イオンビーム照射を用いることにより、深さ方向の異なる位置（ＧａＮ層部分）に三角格子状にそれぞれ空洞を制御性良く形成することが可能である。各々のＧａＮ層の膜厚、ＧａＡｌＮ層の膜厚および、形成するトレンチの直径、隣接するトレンチとの中心間の距離を本実施例で示した値よりも小さく設定することにより、三次元フォトニック結晶を容易に、かつ歩留まり良く作製することが可能である。
【０１１０】
なお、本発明は上記実施例に限定されることはない。例えば、本実施例では基板の材料としてサファイアを用いたが、その他、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の基板を用いることもできる。
【０１１１】
また、空洞領域上に形成する素子は半導体レーザ等の発光素子に限られず、その他、ＧａＮ系材料を用いたトランジスタ（ＭＥＳＦＥＴやＭＯＳＦＥＴ等）やダイオード等を空洞領域上に形成することが可能である。
【０１１２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【０１１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、所望の広い範囲で低転位密度の窒化ガリウム系半導体領域を形成することができる。このため、高品質の結晶性を要求される半導体素子の作製が可能である。
【０１１４】
また、本発明によれば、作製する空洞のサイズ、位置を容易に制御できるため、フォトニクス結晶層を容易に形成できる。このため、高反射率の反射鏡、光導波路、フィルターなどを容易に作製でき、これらの機能素子と発光素子との集積化も容易となり、高機能発光素子を作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【図２】本発明の第１の実施例による半導体レーザ装置の断面図。
【図３】本発明の第１の実施例による半導体レーザ装置の作製工程を説明するための工程断面図。
【図４】本発明の第１の実施例におけるトレンチ形成領域の概略図。
【図５】本発明の第１の実施例における空洞形成過程における転位密度の低減過程を説明するための工程断面図。
【図６】従来のＥＯＬＧ上に形成された半導体レーザ装置の断面図。
【図７】本発明の第２の実施例におけるＧａＮ基板の作製方法を説明するための工程断面図。
【図８】本発明の第２の実施例におけるトレンチ形成領域の概略図。
【図９】本発明の第３の実施例によるフォトニック結晶の作製方法を説明するための工程断面図。
【図１０】本発明の第４の実施例によるフォトニック結晶を説明するための斜視図。
【図１１】本発明の第５の実施例によるフォトニック結晶及びその上に積層した発光素子の斜視図。
【図１２】本発明の第６の実施例によるフォトニック結晶及びその上に積層した発光素子の断面図。
【図１３】本発明の第７の実施例による三次元フォトニック結晶作製方法を説明するための工程断面図。
【図１４】本発明の第８の実施例による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【図１５】本発明の第９の実施例による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【図１６】本発明の第１０の実施例による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【符号の説明】
１００ サファイア基板
１０１ ＧａＮバッファ層
１０２ ＧａＮ層
１０３ ＳｉＯ２膜
１０４ レジスト
１０５ａ、１０５ｂ トレンチ
１０６ａ、１０６ｂ 空洞
３００ サファイア基板
３０１ ＧａＮバッファ層
３０２ ＧａＮ層
３０５ トレンチ
３０６ 空洞
３０７ 空洞３０６上部の低転位密度領域
３０８ ｎ−ＧａＮコンタクト層
３０９ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
３１０ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
３１１ ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層
３１２ ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層
３１３ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
３１４ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
３１５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
３１６ ＳｉＯ２膜絶縁膜
３１７ ｐ側電極
３１８ ｎ側電極
４０１ トレンチ作製の単位領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法、窒化ガリウム系半導体基板及びその製造方法、窒化ガリウム系フォトニック結晶及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体の発光素子、トランジスタ等の作製のための基板材料としては、成長させるエピタキシャル層と同じ物質のバルク結晶を用いることが一般的に望ましい。しかしながら、現在までに基板として使用できるＧａＮのバルク結晶は得られていなかった。このため、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３ ）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ基板等の格子定数や熱膨張係数などの物理的性質や、化学的性質が異なる基板が用いられてきた。
【０００３】
しかし、このような異種基板上にエピタキシャル成長を行うと、ミスフィット転位が発生しやすく、基板と成長したＧａＮ層との界面には１０８〜１０１０／ｃｍ２にも及ぶ高密度の転位が生成され、高品質のエピタキシャル成長層が得られない。この転位は成長方向に伝播し、活性層さらには表面まで貫通するため、素子の寿命や信頼性が低下するなどの重要な問題が生じる。
【０００４】
最近では、異種基板とＧａＮの界面に生成される１０８〜１０１０／ｃｍ２にもおよぶ転位をレーザの活性層領域まで伝播させない方法として、ラテラル成長技術が用いられている（例えば、非特許文献１、２参照。）。これらの文献に述べられているように、異種基板上、あるいは異種基板上に成長させた窒化物半導体上に、ストライプ状のＳｉＯ２保護膜を形成し、その上にＧａＮを選択成長させる。この方法では、ＳｉＯ２保護膜上でＧａＮを横方向に成長させることにより、転位も保護膜上に向かい横方向に曲げることができる。このため、ＳｉＯ２保護膜上では縦方向への転位の伝播が抑制されるため、低転位密度の窒化ガリウム膜を成長することができる。保護膜の上部に成長したＧａＮの表面には転位はほとんどない。ただし、マスクを形成していない部分に成長したＧａＮの表面にはほぼ１×１０７／ｃｍ２の転位が存在する。このように、従来の技術は、転位の少ない領域を局部的に作製する技術である。
【０００５】
また、別の方法として、例えば、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に部分的に凹凸を形成し、凹部側面に窒化物半導体の横方向の成長が可能な面を露出させ、その後、窒化物半導体を再成長させることにより、凹部側面から窒化物半導体の横方向の成長を行って、転位の低減を図る方法も行われている（例えば、非特許文献３参照。）。この方法では、凹部上の領域に転位の少ない領域が形成され、凸部上には転位が存在する。
【０００６】
したがって、従来のラテラル成長法を利用した半導体レーザの作製においては、非常に狭く局部的に形成された転位の少ない領域に発光領域が形成される。
【０００７】
また、窒素、アンモニア雰囲気中での熱処理によりマストランスポートを生じさせて局所的にＧａＮの貫通転位密度の低減を図る報告もある（例えば、非特許文献４、５、６参照。）。
【０００８】
【非特許文献１】
うすい（Ａ． Ｕｓｕｉ ）他，「シック・ガリウムナイトライド・エピタキシャル・グロース・ウィズ・ロー・ディスロケーション・デンシティ・バイ・ハイドライド・ベーパー・フェーズ・エピタキシ・（Ｔｈｉｃｋ ＧａＮ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｂｙ Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）」，ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ），（日本），応用物理学会，１９９７年７月，第３６巻，第７Ｂ号，ｐ．Ｌ８９９−Ｌ９０２
【０００９】
【非特許文献２】
なかむら（Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ）他，「インジウムガリウムナイトライド／ガリウムナイトライド／アルミニウムガリウムナイトライド−ベースト・レーザー・ダイオーヅ・ウィズ・モジュレーション−ドープト・ストレインド−レイヤ・スーパーラティシズ・グロウン・オン・アン・エピタキシャリ・ラテラリ・オーバーグロウン・ガリウムナイトライド・サブストレート（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ−ｂａｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｓｔｒａｉｎｅｄ−ｌａｙｅｒ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ ｇｒｏｗｎ ｏｎ ａｎ ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｖｅｒｇｒｏｗｎ ＧａＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」，アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ），（米国），ザ・アメリカン・インスティチュート・オブ・フィジックス（Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ）， １９９８年１月１２日，第７２巻， ｐ．２１１−２１３
【００１０】
【非特許文献３】
Ｔ・Ｓ・ゼレバ（Ｔ．Ｓ．Ｚｈｅｌｅｖａ）他，「ペンデオ―エピタキシ・ア・ニュー・アプローチ・フォー・ラテラル・グロウス・オブ・ガリウムナイトライド・ストラクチャーズ（Ｐｅｎｄｅｏ−Ｅｐｉｔａｘｙ Ａ Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ Ｌａｔｅｒａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ＧａＮ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」，エムアールエス・インターネット・ジャーナル・オブ・ナイトライド・セミコンダクタ・リサーチ（ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ），（米国），マテリアルズ・リサーチ・ソサイエティ（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｏｃｉｅｔｙ）， ２０００年，４Ｓ１，Ｇ３．３８
【００１１】
【非特許文献４】
新田州吾他，マストランスポートによるＧａＮの貫通転位密度の低減，第６０回応用物理学会学術講演会講演予稿集，（日本），応用物理学会，１９９９年９月，第２８２頁，２Ｐ−Ｗ−１１
【００１２】
【非特許文献５】
新田州吾他，ＩＩＩ族窒化物のマストランスポート特性（２），第４７回応用物理学会学術講演会講演予稿集，（日本），応用物理学会，２０００年３月，第３５８頁，２９ａ−ＹＱ−３
【００１３】
【非特許文献６】
新田州吾他，ＩＩＩ族窒化物のマストランスポート特性（３），第６１回応用物理学会学術講演会講演予稿集，（日本），応用物理学会，２０００年９月，第２７９頁，３ａ−Ｙ−９
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ラテラル成長法等による低転位化は、本質的に低転位密度の領域を局所的に作製する方法であり、低転位密度の領域の幅は１０μｍ程度が限界である。先にも述べたように、半導体レーザの作製おいては低転位密度領域に共振器ストライプを形成する必要があり、低転位密度領域の幅は広い方が望ましい。しかし、従来のラテラル成長法等によれば、低転位密度領域を広くするためには、ＳｉＯ２保護膜の幅を広くしたり、凹凸の凹部の幅を広くする等の必要がある。
【００１５】
しかし、幅が広くなるほど、ＳｉＯ２保護膜や凹部を完全に埋め込むためにはＧａＮを数十μｍ以上の厚さで成長する必要がある。さらに、完全に平坦な面を得るためには１００μｍ近い膜厚が必要である。膜が厚くなると、クラックの発生や、エピタキシャル成長後の基板の反りが大きくなるなどの問題が発生する。また、ラテラル成長法は、成長時間が長く、消費原料が多いなど生産性の面で大きな問題がある。
【００１６】
このように、ラテラル成長法等では、低転位密度の領域が得られる幅は１０μｍ程度が実質的な限界であり、これ以上低転位密度の領域を広くすることができないという問題があり、さらに生産性の面でも大きな問題がある。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、エピタキシャル成長において広い領域で転位密度が低減され結晶性が良好な窒化物半導体を得て、高性能の窒化ガリウム系半導体素子、窒化ガリウム系半導体基板、窒化ガリウム系フォトニック結晶を高い歩留まりで提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上述した課題を解決するために、本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に窒化ガリウム系半導体の素子を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１９】
この本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法において以下の構成を備えることが好ましい。
（１）前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であること。
【００２０】
（２）前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ≦２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であること。
【００２１】
（３）前記窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成すること。
【００２２】
（４）前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であること。
【００２３】
また、本発明の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法は、基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのそれぞれを変形させ、変形させた当該トレンチの位置にそれぞれ対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に複数の空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層をフォトニック結晶とする工程とを具備することを特徴とする。
【００２４】
この本発明の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法において以下の構成を備えることが好ましい。
【００２５】
（１）前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であること。
【００２６】
（２）前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ＞２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であること。
【００２７】
（３）前記窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成すること。
【００２８】
（４）前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であること。
【００２９】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法は、基板上に第１の窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該第１の窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記第１の窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記第１の窒化ガリウム系半導体層の上に第２の窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、前記第１の窒化ガリウム系半導体層の空洞の部分における剥離により、前記第２の窒化ガリウム系半導体層と前記基板とを分離して、前記第２の窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする。
【００３０】
この本発明の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法において以下の構成を備えることが好ましい。
【００３１】
（１）前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であること。
【００３２】
（２）前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ≦２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であること。
【００３３】
（３）前記第１の窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成すること。
【００３４】
（４）前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であること。
【００３５】
（５）第２の窒化ガリウム系半導体層は、厚さが１５０μｍ以上のＧａＮ層であること。
【００３６】
また、本発明の第１の窒化ガリウム系半導体素子は、基板と、この基板上に形成され、幅が２０μｍ以上の連続した空洞を有する窒化ガリウム系半導体層と、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に形成され当該空洞上に位置する窒化ガリウム系半導体の素子とを具備することを特徴とする。
【００３７】
また、本発明の第２の窒化ガリウム系半導体素子は、基板と、この基板上に形成されたＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜と、この多層膜の上に形成された窒化ガリウム系半導体の素子とを具備し、前記多層膜のＧａＮ層に選択的に空洞が形成されており、前記窒化ガリウム系半導体の素子は当該空洞上に位置することを特徴とする。
【００３８】
本発明の第２の窒化ガリウム系半導体素子において、前記空洞は、幅が２０μｍ以上の連続した空洞であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の第１の窒化ガリウム系フォトニック結晶は、基板と、この基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層とを具備し、前記窒化ガリウム系半導体層に空洞が所定の周期で形成されてなることを特徴とする。
【００４０】
また、本発明の第２の窒化ガリウム系フォトニック結晶は、基板と、この基板上に形成されたＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜とを具備し、前記多層膜のＧａＮ層に選択的に空洞が所定の周期で形成されてなることを特徴とする。
【００４１】
（作用）
本発明の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法によれば、基板上に形成した窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成し、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成する。この空洞を有する窒化ガリウム系半導体層は、同じ又は別の窒化ガリウム系半導体層と基板との界面で生成された貫通転位がその上の発光素子等の形成される素子領域まで伝播するのを抑制する効果がある。即ち、この空洞上の窒化ガリウム系半導体領域では転位密度が低く、上記複数のトレンチの熱処理により当該空洞の領域を広げることによって、低転位密度の窒化ガリウム系半導体領域を広く形成することが可能である。
【００４２】
また、発光素子やトランジスタ等の素子を作製する上においては、転位密度の低い領域が広いほど、発光素子の発光領域やトランジスタのチャネル領域等と低転位密度の領域との位置合わせが容易になり、信頼性の向上を図ることができる。転位密度の低い領域の幅は少なくとも２０μｍ以上が必要である。本発明によれば、従来のラテラル成長法等による低転位密度化では不可能な２０μｍ以上の低転位密度領域を容易に作製でき、信頼性の高い発光素子やトランジスタ等の素子を提供することが可能である。
【００４３】
上記した２０μｍ以上の低転位密度領域を容易に作製するために好適な条件は、前記トレンチのそれぞれの幅Ｔを２μｍ以下とし、隣接するトレンチの中心の間隔ＷをＷ≦２Ｔとし、前記トレンチのアスペクト比は２以上とすることである。トレンチのそれぞれの幅が２μｍを超えたり、トレンチのアスペクト比が２未満であると、空洞形成に支障が生じ、隣接するトレンチの間隔がトレンチ幅の２倍を超えると、隣接したトレンチの位置に対応して窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成することが困難となるからである。
【００４４】
また、本発明の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法によれば、基板上に形成した窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成し、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのそれぞれを変形させ、変形させた当該トレンチの位置にそれぞれ対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に複数の空洞を形成する。当該空洞の大きさ、位置は、例えばトレンチの幅、形成する間隔、深さなどにより制御でき、空洞の大きさ、位置をフォトニック結晶として機能するように設計することが可能である。
【００４５】
特に、空洞の幅を２μｍ以下とすることにより、フォトニック結晶、特に二次元および三次元のフォトニック結晶を良好に提供することが可能である。空洞の幅を２μｍより大きくすると、実質的に二次元、三次元のフォトニック結晶として機能する周期で空洞を形成することがより難しくなる。
【００４６】
上記したフォトニック結晶、特に二次元および三次元のフォトニック結晶を良好に提供するために好適な条件は、前記トレンチのそれぞれの幅Ｔを２μｍ以下とし、隣接するトレンチの中心の間隔ＷをＷ＞２Ｔとし、前記トレンチのアスペクト比は２以上とすることである。トレンチのそれぞれの幅が２μｍを超えたり、トレンチのアスペクト比が２未満であると、空洞形成に支障が生じる。隣接するトレンチの間隔がトレンチ幅の２倍以下となると、隣接したトレンチの位置のそれぞれに対応して窒化ガリウム系半導体層の内部に孤立した空洞を形成することが困難となるからである。
【００４７】
また、本発明の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法によれば、基板上に形成した第１の窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成し、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記第１の窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記第１の窒化ガリウム系半導体層の上に第２の窒化ガリウム系半導体層を形成し、前記第１の窒化ガリウム系半導体層の空洞の部分における剥離により、前記第２の窒化ガリウム系半導体層と前記基板とを分離して、前記第２の窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体基板を作製する。この方法によれば、上記した剥離により、第２の窒化ガリウム系半導体層と基板間の分離をより確実かつ容易に行うことができ、基板作製の歩留まりが向上する。この方法は、格子定数や熱膨張係数などがＧａＮとは異なる基板上に対しても適用可能であり、良好な基板を作製することができる。
【００４８】
かかる基板の製造方法において、良好な基板を作製するために、第２の窒化ガリウム系半導体層は厚さが１５０μｍ以上のＧａＮ層であることが好ましい。また、当該ＧａＮ層は、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法により成長することが好ましい。
【００４９】
また、上記した本発明のそれぞれにおいて、窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に空洞を形成すれば、ＧａＮとＧａＡｌＮ間のマストランスポートの起こりやすさの違いを利用し、空洞ができる位置、大きさを制御することが可能となる。即ち、ＧａＡｌＮのマストランスポートはＧａＮのそれに比べて起こりにくく、ＧａＮ層が形成された位置では優先してマストランスポートが起こるため、この部分に空洞が生じやすくなる。この現象を利用することにより、空洞の位置や大きさを制御することが可能である。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による空洞の作製方法に係る実施形態について、図１（ａ）乃至図１（ｅ）の工程別断面図を用いて説明する。なお、図１（ａ）乃至図１（ｅ）では、基板１００としてサファイア基板の（０００１）面を使用した場合について説明するが、本発明では、基板の材料にはよらず、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の基板を用いることもできる。
【００５１】
まず、サファイア基板１００をＭＯＣＶＤ反応管内のサセプターへ設置し、還元雰囲気中で約１０５０℃まで加熱して、ＧａＮ層形成予定領域である基板主表面の酸化物を除去した。その後、サセプター温度を約５５０℃まで降温し、有機金属気相成長法（ ＭＯＣＶＤ法）によりＴＭＧ（ トリメチルガリウム） ガス、アンモニアガスを流し、ＧａＮバッファ層１０１を膜厚約０． ０２μｍ成長させた。次に、温度を約１１００℃まで上昇させＧａＮ層１０２を膜厚約３μｍ成長させた。その後、一旦、基板を反応管より取り出し、図１（ａ）に示すようにＧａＮ層１０２上にＳｉＯ２膜１０３を堆積し、さらにレジスト１０４を塗布した。
【００５２】
次に、フォトリソグラフィでレジスト１０４に対してパターンを形成した。パターンは、直径２μｍの円形状の穴が複数個開いており、隣接する穴の間隔は２．０μｍ及び４．０μｍとなっている。後述するトレンチ１０５ａの形成予定領域では穴の中心間隔が４．０μｍ、トレンチ１０５ｂの形成予定領域では穴の中心間隔が６．０μｍとなっている。さらに、レジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜１０３をエッチングした。次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ２膜１０３をマスクとして、ＧａＮ膜１０２をエッチングする。
【００５３】
このような微細なエッチングには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電界イオンビーム（ＦＩＢ）によるエッチング等のドライエッチング技術が有効であり、本実施形態ではＣｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）によりＧａＮ膜１０２をエッチングし、図１（ｂ）に示すようにＧａＮ膜１０２に直径２μｍ、深さ４μｍの円形のトレンチを形成した。隣接するトレンチの中心間隔は、上記したようにトレンチ１０５ａにおいて４．０μｍ、トレンチ１０５ｂにおいて６．０μｍである。
【００５４】
次に、図１（ｃ）に示すようにＳｉＯ２マスク１０３を除去し、この後、雰囲気調整可能な加熱炉へウエハーをセットする。窒素ガスを４ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅｓ）
流し、基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。この過程において、窒素雰囲気で加熱昇温することにより、基板に付着していた水分や不純物ガスが除去される。ただし、この過程でのＧａＮの分解蒸発によるエッチングは無視できる。
【００５５】
次に、基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス４ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、ＧａＮ層１０２表面ではＧａＮの分解、物質輸送、ＧａＮ再付着という過程、いわゆるマストランスポート現象が生じる。トレンチ１０５ａ、１０５ｂ内においては、図１（ｄ）に示すように、マストランスポート現象により、表面エネルギーが小さくなるようにトレンチの形状が変化する。その結果、図１（ｅ）に示すように、ＧａＮ層１０２中に空洞が形成される。このとき、隣接するトレンチの中心間隔が６．０μｍと広い場合には、一個のトレンチ１０５ｂに対し、一個の空洞１０６ｂが形成された。一方、隣接するトレンチの中心間隔を４．０μｍと狭くした場合には、空洞が形成される過程において、隣接するトレンチ部１０５ａ同士が合体して、結果として大きな空洞１０６ａが形成された。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、空洞の大きさを、トレンチの幅、トレンチの間隔、トレンチの深さにより制御可能であり、また、マストランスポートを生じさせる温度、雰囲気によっても制御可能である。
【００５７】
上記実施形態ではトレンチを形成した場合のマストランスポート現象を用いた場合について説明を行ったが、本質的には、トレンチのアスペクト比が２以上の凹状部を形成すればマストランスポートにより空洞を形成することが可能である。また、隣接するトレンチの中心間隔Ｗを、トレンチの直径Ｔに対し２Ｔ≧Ｗとなるように狭くすれば、空洞が形成される過程において、隣接する空洞同士が合体し、大きな空洞が形成できる。
【００５８】
また、凹状部の形状は円形状に限られず、ストライプ状であってもよい。さらに、本実施形態は雰囲気調整可能な炉であれば実施可能であり、ＭＯＣＶＤ装置やＨＶＰＥ装置でもよい。
【００５９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００６０】
（第１の実施例）
次に、本発明による第１の実施例として、窒化ガリウム系半導体レーザについて説明する。本実施例における窒化ガリウム系半導体レーザは、図２に示す如く、マストランスポートにより形成された大きな空洞３０６を有するＧａＮ層３０２を有しており、その上に半導体レーザ構造が形成されている。マストランスポートにより形成された空洞３０６の上部結晶は転位が少なく、その上に半導体レーザ構造を形成することにより、低閾値でかつ長寿命の半導体レーザを作製することができる。
【００６１】
以下、図３乃至５によりさらに詳細に説明する。ＭＯＣＶＤ装置により図１の説明で既に述べた手順により、サファイア基板３００上にＧａＮバッファ層３０１、およびＧａＮ層３０２を積層する（図３（ａ））。さらに、ＧａＮ層３０２上にＳｉＯ２膜を堆積し、さらにレジストを塗布した。次に、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成した。さらにレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングし、ＳｉＯ２マスクを形成した。
【００６２】
次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ２膜をマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）によりＧａＮ膜３０２をエッチングしトレンチ３０５を形成した（図３（ｂ））。本実施例で形成したトレンチは、直径２μｍで、トレンチの中心間隔が４μｍ、深さ４μｍである。トレンチを形成する領域は、図４に示すように幅１００μｍ×長さ７００μｍを半導体レーザ素子一個に相当する単位領域として、一枚のウエハー上に形成する半導体素子の数と同じ数の単位領域にトレンチを形成した。
【００６３】
次に、ＳｉＯ２マスクを除去した後、再度ＭＯＣＶＤ装置内へウエハーをセットする。窒素ガスを２０ｓｌｍ流し、基板温度を１０００℃まで昇温する。この過程において、窒素雰囲気で加熱昇温することにより、基板に付着していた水分や不純物ガスが除去される。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスの導入を開始し、窒素ガス２０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍの混合ガスを流した。この雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、マストランスポート現象により、表面エネルギーが小さくなるようにトレンチの形状が変化し、空洞３０６が形成される。本実施例では、隣接するトレンチの中心の間隔は４．０μｍで、隣接するトレンチが近接しているため、空洞が形成される段階で、隣接する空洞同士が合体し、結果として図３（ｃ）に示すように、トレンチを形成した単位領域（幅１００μｍ×長さ７００μｍ。図４参照。）とほぼ同じ大きさの空洞３０６が形成される。
【００６４】
以上のように形成した空洞３０６の直上部のＧａＮ層３０７表面近傍を透過電子顕微鏡により観察したところ、転位密度が１０−５／ｃｍ２程度で、転位密度が減少していることが分かった。これは、サファイア基板３００とＧａＮ層３０１との界面から成長方向に伸びる転位が、図５に示すように、マストランスポートによる空洞形成過程で転位が横方向に曲げられたために、空洞上部のＧａＮ層３０７表面では転位密度が減少したものである。
【００６５】
このように、本実施例によれば、トレンチ３０５を形成する領域の広さを変えることにより、空洞３０６の大きさを制御することが可能であり、空洞３０６直上には転位密度の低い窒化ガリウム層３０７の領域が得られる。すなわち、原理的には、トレンチ３０５を形成する領域を広くすることにより、いくらでも低転位領域を広くすることが可能である。
【００６６】
従来のラテラル成長を用いて作製した半導体レーザでは、図６に示すように半導体レーザのストライプ部６１７ａを形成する際に、低転位密度領域６０２ｂとの位置合せが必要である。しかし、ラテラル成長法による低転位化法では、低転位密度領域の幅は１０μｍ程度が限界であり、この位置合せが困難であるという問題があった。しかし、本発明によれば、既に述べたように低転位密度領域を広くすることが可能であり、従来の方法と比較して、容易に低閾値で長寿命の半導体レーザを作製することができる。なお、図６において、６００はサファイア基板、６０１はＧａＮバッファ層、６０２ａはＧａＮ層、６０８はｎ型ＧａＮコンタクト層、６０９はＳｉドープのｎ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１ｎ型クラッド層、６１０はＳｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層、６１１はアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（３ｎｍ）及びＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（６ｎｍ）の２種類のＩｎＧａＮ層を４周期繰り返して構成されるＭＱＷ活性層、６１２はＭｇドープのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎキャップ層、６１３はＭｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層、６１４はＭｇドープのｐ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層、６１５はｐ型ＧａＮコンタクト層、６１６はＳｉＯ２膜絶縁膜、６１７はｐ側電極、６１８はｎ側電極である。
【００６７】
一方、本発明では前記したように、低転位密度領域をいくらでも広くすることができるものの、幅が広すぎても空洞上部のＧａＮ層３０７の強度が実質的に弱くなり、たわみや割れなどが発生する可能性がある。このため、本実施例ではこれらの問題のないように幅１００μｍ以下とすることが望ましい。
【００６８】
以上の工程により、ＧａＮ層３０２表面がマストランスポートにより平坦に埋め込まれた後、温度を１０５０℃まで昇温し、引き続き図３（ｄ）に示すように窒化ガリウム系半導体レーザ構造を積層した。即ち、Ｓｉを添加したｎ型ＧａＮコンタクト層３０８を厚さ約２μｍ、Ｓｉドープのｎ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１ｎ型クラッド層３０９を約１．０μｍ、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ光ガイド層３１０を約０．１μｍ、さらにアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（３ｎｍ）及びＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（６ｎｍ）の２種類のＩｎＧａＮ層を４周期繰り返して構成されるＭＱＷ活性層３１１、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎキャップ層３１２を０．２μｍ、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ光ガイド層３１３を約０．１μｍ、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ０．９Ａｌ０．１Ｎクラッド層３１４を約０．７μｍ、およびｐ型ＧａＮコンタクト層３１５を約０．１μｍ順次成長した。これらの各層にわたる転位密度は、空洞３０６上のＧａＮ層３０７の転位密度と同等であった。
【００６９】
上記成長層を形成したサファイア基板を反応管より取り出し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、ｐ型ＧａＮキャップ層３１２及びｐ型ＧａＡｌＮクラッド層３１４よりなる幅約２μｍのリッジ部を形成し、このリッジ部の上端を除いてリッジ側面とその周辺には、ＳｉＯ２膜絶縁膜３１６を形成した。その後、ｐ側電極３１７、ｎ側電極３１８を形成し、図３（ｅ）に示すような半導体レーザ構造が完成した。
【００７０】
従来のラテラル成長法を用いた転位低減においては、ＳｉＯ２マスク上のみ転位が低減されるが、ＳｉＯ２マスクのない窓部の上部においては、転位密度低減の効果は僅かである。このため、転位密度の少ない領域と多い領域とが、約１０μｍ間隔で存在する。半導体レーザの作製においては、ストライプの位置を転位密度の少ない領域に合せる必要がある。少しでもこの合せがずれると、転位密度の多い部分の上にストライプが形成されることになり、閾値の上昇、寿命の低下の原因となる。しかし、本発明によれば、低転位の領域を広くできるため、このような問題はなく、信頼性の高い半導体レーザを作製することができる。これにより、作製した半導体レーザ装置の発光強度の増大、閾値の低減、長寿命化が可能となった。 また、大きい空洞が存在する別の効果として、半導体レーザとサファイア基板との剥離が容易となる点も挙げられる。
【００７１】
本実施例では、基板としてサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等のヘテロ基板を用いる場合について説明したが、ＧａＮ基板を用いた場合にも本発明は適用できる。この場合は、空洞により転位密度の低減が可能であることと、さらに、ＧａＮ基板側への光の漏れを抑制することができ、いっそうの発光強度の増大、閾値電流密度の低減などを図ることができる。
【００７２】
（第２の実施例）
第１の実施例は、ＭＯＣＶＤ装置による半導体レーザの作製に関する例であるが、本発明はこれに限るものではなく、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置によるＧａＮ厚膜の作製にも適用できる。以下に第２の実施例としてＨＶＰＥ法によるＧａＮ基板作製について図７に従って詳細に説明する。
【００７３】
本実施例では、ＭＯＣＶＤ装置で２インチφのサファイア基板７００上にＧａＮバッファ層７０１ａを介して６μｍのＧａＮ膜７０１ｂを成長し、このＧａＮ膜７０１ｂにトレンチ７０１ｅ及び７０１ｆを形成したウエハーをテンプレートとして用いた。その手順の概略は第１の実施例と同様である。トレンチ７０１ｅ及び７０１ｆはそれぞれ、直径２μｍ、トレンチの中心間隔４μｍ、深さ４μｍである。後述する空洞上部のＧａＮ層７０４を保持するために、図８に示すように１ｍｍ間隔でトレンチ群の間隔を５μｍ（トレンチ７０１ｅと７０１ｆとの間隔に相当。）とし、ウエハーのほぼ全面にトレンチ群（トレンチ７０１ｅ、７０１ｆが該当。）を形成した。
【００７４】
ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置へこの基板をセットし、Ｎ２ガス雰囲気で１０００℃まで昇温した。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスの導入を開始し、窒素ガス５ｓｌｍとＮＨ３ガス５ｓｌｍの混合ガスを流した。この雰囲気において、１０００℃で３０分間保持することにより、マストランスポートにより、トレンチの形状を変化させ、空洞を形成した。本実施例においても、第１の実施例と同様に、隣接するトレンチの中心間の間隔は４．０μｍで、空洞が形成される段階で、隣接する空洞同士が合体し、結果として図７（ｂ）に示すように幅１ｍｍ×長さ１ｍｍ×２μｍの空洞７０２ａ及び７０２ｂがそれぞれトレンチ７０１ｅと７０１ｆに対応する領域に幅５μｍのＧａＮ支持部７０３をはさんで形成された。
【００７５】
さらに、図７（ｃ）に示すように基板温度を１０００℃に保持したまま、続けてＧａＮ層７０５を成長させる。８２０℃に加熱したグラファイト製のＧａ溜へＨＣｌガスとＮ２ガスの供給を開始する。これにより、ＩＩＩ族の原料としてのＧａＣｌが合成されＧａＮ成長部へ供給されると同時に、ＧａＮの成長が開始された。ＧａＮ層７０５を約２００μｍ成長した後、試料を装置より取り出した。
【００７６】
従来の方法でサファイア基板上に２００μｍ以上の厚膜を直接成長させた場合、基板が大きく反るという問題があった。しかし、本実施例によれば下地のＧａＮ層７０１ｂ中に空洞７０２ａ及び７０２ｂがあるため、成長中はＧａＮの自立基板上への成長に近い状態での成長が可能である。このため、サファイア基板７００とＧａＮ層７０１ａ、７０１ｂとの格子定数差や熱膨張係数差に起因する応力の影響が小さいため、反りの小さいＧａＮ厚膜７０５を形成することができた。さらに、図７（ｄ）に示すように、例えばＡｒＦレーザをサファイア基板７００側より、ＧａＮ支持部７０３部へ照射することにより、容易にサファイア基板７００を剥離することができた。残存するＧａＮ層７０２ｂは必要に応じて除去する。このようにして作製したＧａＮ基板７０５の曲率半径は１０４ｍｍ以上であり、非常に反りの少ないＧａＮ基板を作製することができた。
【００７７】
また、転位密度にしても、第１の実施例において述べたように、空洞７０２ａ、７０２ｂ直上のＧａＮ層７０４の転位密度は１０５／ｃｍ２程度であり、その上に積層したＧａＮ厚膜７０５においても、転位密度は１０５／ｃｍ２程度であった。従って、本実施例により、転位密度が１０５／ｃｍ２程度の良好なＧａＮ基板７０５を作製することが可能であった。
【００７８】
（第３の実施例）
次に、第３の実施例として、空洞のサイズおよび位置を制御することによりフォトニック結晶を作製する場合について図９を用いて説明する。
【００７９】
まず、既に述べた方法と同様の手順により、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板９００上にＧａＮバッファ層９０１を介してＧａＮ層９０２を厚さ６μｍ堆積した。基板を反応管より取り出し、ＧａＮ層９０２上にＳｉＯ２膜を堆積した後、レジストを塗布した。その後、ＥＢ描画装置を用いて直径２μｍの円形で、中心間隔が４μｍのトレンチパターンをレジストに形成した。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。次に、レジストマスクを除去し、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ＧａＮ層９０２をエッチングし、図９（ａ）に示すようにＧａＮ層９０２に直径２μｍの円形で、隣接するトレンチの中心間隔が４μｍで、深さ４μｍのトレンチ９０３ａを形成した。
【００８０】
次に、ＳｉＯ２マスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置へ再び基板をセットし熱処理を行う。窒素ガスを２０ｓｌｍ流しながら基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス１０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、トレンチ９０３ａの表面を含むＧａＮ層表面９０２ではＧａＮの分解、物質輸送、ＧａＮ再付着というマストランスポート現象が生じる。この処理により、トレンチ９０３ａの形状が変化し、結果として図９（ｃ）に示すように、ＧａＮ層９０２中に広い領域で空洞９０４が形成された。この構造を作製するためには、図９（ａ）に示すようなトレンチを形成することによってのみ可能なわけではなく、図９（ｂ）に示すように幅２μｍ、深さ４μｍの溝を中心間隔４μｍで形成することによっても、図９（ｃ）に示すように大きな空洞を形成することができる。
【００８１】
既に述べたように、空洞９０４直上のＧａＮ層９０５は転位密度が少なく高品質のＧａＮ層である。さらに、このＧａＮ層９０５は上下より空気により挟み込まれた構造である。すなわち空洞９０４上部のＧａＮ層９０５は、屈折率３．５のＧａＮが屈折率１の空気により挟まれた構造であり、レーザ光を入射した場合ＧａＮ層９０５中に光を閉じ込めることができ、光導波路として応用できる。
【００８２】
次に、二次元のフォトニック結晶を作製するために、この空洞９０４上部のＧａＮ層９０５にウエハー表面側から空洞９０４まで達する貫通穴９０６を、周期的な位置に図９（ｄ）のように形成した。この貫通穴９０６の形成は、ＳｉＯ２膜をマスクとして反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）により作製した。本実施例では貫通穴９０６は三角格子状に各格子点上に配置した。このとき、入射させる光の波長をλとすると、貫通穴９０６の直径ｒ、隣接する貫通穴の中心間の距離ａを調節することにより、ブリルアンゾーンのあらゆる方向にわたって光波のモードが生じないエネルギー領域、すなわち、フォトニックバンドギャップを形成することができる（例えば、特開平１０−２８４８０６号公報等。）。図９（ｄ）では、貫通穴９０６を三角格子状に配列すると共に、貫通穴を形成しない部分、すなわち格子点へ欠陥を導入することにより、Ｙ分岐の光導波路９０７、９０８、９０９を形成した。光導波路９０７は光導波路９０８、９０９に分岐する。外部より集光したレーザ光を入射したところ、光は欠陥部分をほとんど損失することなく導波し、Ｙ分岐により分岐された。
【００８３】
ＧａＮはバンドギャップエネルギーが３．３９ｅＶと広く、紫外光領域から可視光領域、さらには光通信で使用される１．５５μｍ帯の近赤外領域まで、広い波長範囲で透明な材料であり、フォトニック結晶用として有望な材料である。本発明によれば、入射するレーザ光の波長に合わせて貫通穴のサイズ、位置を変えるだけで、容易に光導波路を形成することができる。
【００８４】
（第４の実施例）
実施例３で説明したのと同様の方法で作製した別のＧａＮのフォトニック結晶を図１０に示す。導波路構造およびその製造方法については図９（ｄ）とほぼ同じである。図１０に示すように、１０００はサファイア基板、１００１はＧａＮバッファ層、１００２はＧａＮ層、１００４は空洞、１００５は空洞上のＧａＮ層、１００６は貫通穴、１００７は欠陥導波路である。本実施例では、欠陥導波路１００７に沿って、導波路１００７の近傍に大きい貫通穴１００８、１００９、１０１０を欠陥として導入した。これらの導入した貫通穴１００８、１００９、１０１０は共振器として機能し、それぞれの貫通穴１００８、１００９、１０１０は欠陥導波路１００７からの距離および直径が異なっており、共振する波長が異なる。すなわち、複数の波長を含む光を入射すると、波長ごとに共振する貫通穴が異なるため、波長ごとに異なる欠陥部分より光を放射させることができる。この機能は、長分割多重方法（ＷＤＭ）の通信用の光アド・ドロップ素子として使用することができる。本実施例では、波長λ１の光に対応する貫通穴として１００８を、波長λ２の光に対応する貫通穴として１００９を、波長λ３の光に対応する貫通穴として１０１０を形成する。貫通穴１００８、１００９、１０１０と欠陥導波路１００７との距離は、貫通穴１００６が三角格子状に配置し、隣接する貫通穴の距離がａである場合、（３√３／２）ａで与えられる。貫通穴１００８、１００９、１０１０それぞれの直径は共振する波長により違えてあり、それぞれの貫通穴部より異なる波長の光が放射される。
【００８５】
一方、既に述べたようにＧａＮは紫外および可視領域の光に対しても透明であり、損失のない光伝送が可能である。その波長範囲での応用例として、色調を変化させることのできる発光デバイスへの応用がある。本発明によるフォトニック結晶は、波長により光が出射される位置を変えることが可能である。例えば、光が放射される各欠陥部分に、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の蛍光体を設置しておく。さらに、紫外から青色領域の波長可変レーザを用い、入射させる波長を変化させることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの発光が得られる。すなわち、色調の可変な発光デバイスを実現することができる。
【００８６】
（第５の実施例）
次に、フォトニック結晶と発光デバイスを積層する場合について図１１により説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１１００上にＧａＮバッファ層１１０１ａを介してＧａＮ層１１０１ｂを４μｍ堆積した。基板を反応管より取り出し、ＧａＮ層１１０１ｂ上にＳｉＯ２膜を堆積した後、レジストを塗布した。その後、ＥＢ描画装置を用いて円形のパターンを三角格子の格子点上に転写した。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。次に、レジストマスクを除去し、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ＧａＮ層１１０１ｂをエッチングし、図１１（ａ）に示すようにＧａＮ層１１０１ｂにトレンチ１１０２を三角格子状に作製した。
【００８７】
さらにＳｉＯ２マスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置へ再び基板をセットし、熱処理した。窒素ガスを２０ｓｌｍ流しながら基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス１０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で２０分間保持した。この工程において、マストランスポートにより、トレンチの形状が変化し、結果として図１１（ｂ）に示すように、ＧａＮ層中に周期的に配列された微細な空洞１１０３が形成された。これは二次元のフォトニック結晶として機能する。
ここで、フォトニック結晶として機能させるには、空洞の直径ｒに比べ中心間の距離Ｗが近接している場合がある。この場合でも、トレンチの直径Ｔ（＜ｒ）を、空洞の中心距離Ｗとの関係が２Ｔ＜Ｗとなるようにトレンチを形成し、さらに、本発明による空洞の形成過程で空洞の直径が拡大され、空洞の直径ｒがトレンチの直径Ｔよりも大きくなることにより解決することができる。より具体的には、本実施例では、トレンチを直径０．１μｍ、隣接するトレンチの中心間距離を０．４μｍで形成した。その後、本発明による空洞の形成過程により、直径ｒが０．３μｍで、隣接する空洞の中心間の距離Ｗが０．４μｍとなるように空洞を形成することができた。
【００８８】
本発明によれば、この空洞１１０３を有するフォトニック結晶層の上に、さらに発光素子を形成することが可能である。即ち、引き続きＭＯＣＶＤ装置により、まずｎ−ＧａＮコンタクト層１１０４、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１１０５、ＩｎＧａＮ系のＭＱＷ活性層１１０６、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層１１０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０８を成長した。その後、Ｃｌ２ガスを用いドライエッチング法によりｎ−ＧａＮコンタクト層１１０４が露出するまでエッチングし、さらにｐ側電極１１０９、ｎ型電極１１１０を形成することにより面発光レーザを形成することができた。このように、本発明によれば、フォトニック結晶と発光素子との集積化が容易に行える。
【００８９】
（第６の実施例）
三次元フォトニック結晶構造の作製への応用として、高反射ミラーを有するＧａＮ系のＲＣ−ＬＥＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｃａｖｉｔｙ ＬＥＤ）について図１２を用いて説明する。三次元フォトニック結晶構造の作製方法はこれまでの実施例に説明した手順とほぼ同じである。
【００９０】
ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１２００上にＧａＮバッファ層１２０１を介してＧａＮ膜１２０２を５μｍ堆積した。基板を反応管より取り出し、ＧａＮ層１２０２上にＳｉＯ２膜を堆積した後、レジストを塗布した。その後、ＥＢ描画装置を用いて直径０．１５μｍの円形のパターンを三角格子状にレジストに転写してレジストパターンを形成する。このとき、格子間隔は０．５μｍとした。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。次に、レジストマスクを除去し、ＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして、Ｃｌ２ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法により、ＧａＮ層１２０２をエッチングし、図１２（ａ）に示すように格子間隔が約０．５μｍの三角格子状に直径約０．１５μｍの円形で深さ３μｍのトレンチが形成された。
【００９１】
さらにＳｉＯ２マスクを除去した後、ＭＯＣＶＤ装置へ再び基板をセットし、熱処理した。窒素ガスを２０ｓｌｍ流しながら基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス１０ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で２０分間保持した。この工程において、マストランスポートにより、トレンチの形状が変化し、結果として図１２（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１２０２中に球状の空洞１２０２ｂが水平方向のみならず深さ方向にも並んだ構造が形成された。球状の空洞１２０２ｂそれぞれの直径は約０．２μｍ、水平方向の中心間の間隔は０．５μｍ、深さ方向の中心間の間隔は０．５μｍであった。この層は三次元フォトニック結晶として機能し、反射ミラーとして使用する。
【００９２】
引き続き、ＭＯＣＶＤ装置により、ｎ−ＧａＮコンタクト層１２０３、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層１２０４、ＩｎＧａＮ系のＭＱＷ活性層１２０５、ｐ−ＧａＡｌＮ／ＧａＮからなるＤＢＲ反射膜構造１２０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２０７を順次成長した。その後、Ｃｌ２ガスを用いドライエッチング法によりｎ−ＧａＮコンタクト層１２０３が露出するまでエッチングし、さらにｐ側電極１２０８、ｎ側電極１２０９を形成した。このようにして作製したＧａＮ系のＲＣ−ＬＥＤは、活性層１２０５の裏面側に高反射率のフォトニック結晶を備えているため、高い光取り出し効率が実現できる。
【００９３】
従来、高反射ミラーとしてＧａＮ／ＡｌＧａＮのＤＢＲが用いられている。しかし、この材料系で高反射率を得るためには２０周期以上の厚い結晶成長が必要であり、抵抗の上昇、クラックの導入などの問題があった。しかし、本発明のように、フォトニック結晶によれば、薄い層で高反射率が得られるため、容易に光取り出し効率の良好な発光デバイスを作製できる。
【００９４】
（第７の実施例）
第６の実施例によればＧａＮ層中に空洞を三次元的に配置することができる。本実施例では、深さ方向にも三角格子状に空洞を配置する方法を示す。まず、ＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１３００上にＧａＮバッファ層１３０１を介してＧａＮ膜１３０２を５μｍ堆積し、さらにＳｉＯ２、レジストを形成した。第６の実施例と同様にして直径０．１μｍの円形のパターンを三角格子状にレジストに転写してレジストパターンを形成する。このとき、格子間隔は０．４μｍとした。さらにこのレジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜をエッチングしパターンを転写した。
【００９５】
次に、図１３（ａ）に示すように、ＳｉＯ２パターンをマスクとして、基板の主面に対し約６０度の斜め方向より反応性イオンビームを照射した。この照射により斜めにトレンチ１３０３を形成することができた。このときのトレンチの深さは、アスペクト比が２以上になる必要があり、本実施例におけるトレンチの深さは１μｍとした。アスペクト比を大きくすることにより、形成できる空洞の数が多くなる。さらに、トレンチ１３０３を第６の実施例と同様の条件で熱処理することにより、マストランスポートにより空洞１３０４が形成される。即ち、図１３（ｂ）に示すように、深さ方向にも三角格子状に空洞１３０４が配置されたフォトニック結晶を作製することができた。球状の空洞１２０２ｂそれぞれの直径は約０．３μｍ、隣接する空洞の間隔は０．４μｍであった。この層は三次元フォトニック結晶として機能し、反射ミラーとして使用することも可能である。さらに、本実施例で作製した三次元フォトニック結晶上に、第６の実施例のように、発光素子を集積化させることもできる。
【００９６】
（第８の実施例）
本発明者はＡｌＧａＮはＧａＮに比べマストランスポート現象が生じ難いことを見出した。本実施例では、この現象を利用し空洞の位置を制御するものである。
【００９７】
第６及び第７の実施例によれば、深さ方向にも周期的な位置に空洞を形成できることを示した。しかし、空洞が形成される深さ方向の位置は、トレンチの形成精度、マストランスポートの条件等に大きく依存する。そこで、さらに深さ方向の位置精度を向上させるために、ＧａＮとＧａＡｌＮの多層膜を用いることが可能である。この方法を、図１４（ａ）乃至図１４（ｅ）の工程別断面図を用いて説明する。
【００９８】
まず、図１４（ａ）に示すようにサファイア基板１４００をＭＯＣＶＤ反応管内のサセプターへ設置し、還元雰囲気中で約１０５０℃まで加熱して、ＧａＮ層形成予定領域である基板主表面（（０００１）面）の酸化物を除去した。その後、サセプター温度を約５５０℃まで降温し、有機金属気相成長法（ ＭＯＣＶＤ法）によりＴＭＧガス、アンモニアガスを流し、ＧａＮバッファ層１４０１を膜厚約０． ０２μｍ成長させた。次に、温度を約１０５０℃とし、ＴＭＧガス、アンモニアガス、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを流し、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｌＮ層１４０２ａを０．２μｍ成長した。引き続き、ＴＭＧガス、アンモニアガスを流し、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１４０２ｂを４μｍ成長した。さらに、ＧａＡｌＮ層１４０２ｃをＧａＡｌＮ層１４０２ａと同じ成長条件で０．２μｍ成長させた。その後、一旦、基板を反応管より取り出し、図１４（ａ）に示すようにＧａＡｌＮ層１４０２ｃ上にＳｉＯ２膜１４０３を堆積し、さらにレジスト１４０４を塗布した。
【００９９】
次に、フォトリソグラフィでレジスト１４０４に対してパターンを形成した。パターンは、円形状の穴が複数個開いており、本実施例では、直径２μｍとした。穴の中心間隔は後述するトレンチ１４０５ａの形成予定領域では、２μｍ、トレンチ１４０５ｂの形成予定領域では６μｍとなっている。さらに、レジストパターンをマスクとして、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＯ２膜１４０３をエッチングした。次に、レジストマスクを除去した後、ＳｉＯ２膜１４０３をマスクとして、ＧａＡｌＮ層１４０２ｃ、ＧａＮ層１４０２ｂ、ＧａＡｌＮ層１４０２ａをそれぞれエッチングする。
【０１００】
ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、ＦＩＢ等のドライエッチング技術が有効であり、本実施形態ではＣｌ２ガスを用いたＲＩＢＥによりＧａＡｌＮ層１４０２ｃ、ＧａＮ層１４０２ｂをそれぞれエッチングし、図１４（ｂ）に示すようにＧａＡｌＮ層１４０２ｃ、ＧａＮ層１４０２ｂに直径２μｍ、深さ４．５μｍの円形のトレンチを形成した。隣接するトレンチの中心間隔は、上記したようにトレンチ１４０５ａにおいて２μｍ、トレンチ１４０５ｂにおいて６μｍである。
【０１０１】
次に、図１４（ｃ）に示すようにＳｉＯ２マスク１４０３を除去し、この後、雰囲気調整可能な加熱炉へウエハーをセットする。窒素ガスを４ｓｌｍ流し、基板温度を１０００℃まで約４分で昇温する。この過程において、窒素雰囲気で加熱昇温することにより、基板に付着していた水分や不純物ガスが除去される。ただし、この過程でのＧａＮ、ＧａＡｌＮの分解蒸発によるエッチングは無視できる。
【０１０２】
次に、基板温度が１０００℃に達したところで、ＮＨ３ガスを導入する。各ガスの流量は窒素ガス４ｓｌｍとＮＨ３ガス１０ｓｌｍである。このガス雰囲気において、１０００℃で３０分間保持した。この工程において、ＧａＮ層１４０２ｂ表面ではＧａＮの分解、物質輸送、ＧａＮ再付着という過程、いわゆるマストランスポート現象が生じる。ＧａＡｌＮ層１４０２ａ及びＧａＡｌＮ層１４０２ｃにおいてもマストランスポート現象が生じるが、ＧａＮのマストランスポートされる速度よりもかなり遅い。このために、図１４（ｄ）に示すようにＧａＮはマストランスポートが進行して表面エネルギーが小さくなるようにトレンチの形状が変化するのに対し、ＧａＡｌＮはほとんどマストランスポートが進行せずトレンチ形状はほとんど変化しない。即ち、ＧａＮ層１４０２ｂ側からＧａＡｌＮ層１４０２ａ、１４０２ｃ側へ物質移動が生じ、ＧａＮ層１４０２ｂの部分に空洞が形成される。
【０１０３】
この結果、図１４（ｅ）に示すように、ＧａＡｌＮ膜１４０２ａとＧａＡｌＮ膜１４０２ｃとにより挟まれたＧａＮ層１４０２ｂ中に選択的に空洞が形成される。このとき、隣接するトレンチの中心間隔が６．０μｍと広い場合には、一個のトレンチ１４０５ｂに対し、一個の空洞１４０６ｂが形成された。一方、隣接するトレンチの中心間隔を２μｍと狭くした場合には、空洞を形成する過程において、隣接するトレンチ部１４０５ａ同士が合体して、結果として大きな空洞１４０６ａが形成された。
【０１０４】
このように、本実施例ではＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造を採用することによって、ＧａＮ層１４０２ｂの部分に選択的に空洞を形成することができ、この結果、空洞の形成される深さ方向の位置を厳密に制御することができた。
【０１０５】
（第９の実施例）
ＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造において積層回数を増加させることにより、深さ方向の異なる位置にそれぞれ空洞を制御性良く形成することが可能である。本実施例では、この方法及び構造について述べる。
【０１０６】
図１５（ａ）に示すように、サファイア基板１５００上にＧａＮバッファ層１５０１を形成し、さらにＧａＡｌＮ層１５０２ａ、ＧａＮ層１５０２ｂ、ＧａＡｌＮ層１５０２ｃ、ＧａＮ層１５０２ｄ、ＧａＡｌＮ層１５０２ｅ、ＧａＮ層１５０２ｆ、ＧａＡｌＮ層１５０２ｇを成長させた。各々のＧａＮ層の膜厚は約０．３μｍ、各々のＧａＡｌＮ層の膜厚は約０．３μｍとした。さらに、この積層膜を上述した方法と同様の方法によりパターニングして図１５（ａ）に示す構造を得た。トレンチ１５０３は円形の形状を有しており、それぞれの直径は０．１μｍ、深さは約１．８μｍである。トレンチの中心間隔は０．６μｍとなっている。
【０１０７】
次に、上記した熱処理条件と同様の条件で熱処理を行い、図１５（ｂ）に示すようにＧａＡｌＮ膜１５０２ａ、１５０２ｃ、１５０２ｅ、１５０２ｇによりそれぞれ挟まれたＧａＮ層１５０２ｂ、１５０２ｄ、及び１５０２ｆ中に選択的に空洞１５０４が形成された。このとき、一個のトレンチ１５０３に対し、一個の空洞１５０４が形成された。空洞の直径は０．３μｍ、水平、垂直いずれの方向も隣接した空洞の中心間隔は０．６μｍであった。このように、ＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造の積層回数を増やすことによって、深さ方向の異なる位置（ＧａＮ層部分）にそれぞれ空洞を制御性良く形成することが可能であり、三次元フォトニック結晶等を歩留まり良く作製することが可能である。
【０１０８】
（第１０の実施例）
第７の実施例では深さ方向にも三角格子状に空洞を配置する方法を示したが、この方法を第９の実施例に適用することにより深さ方向に制御性よく空洞を形成することが可能である。
【０１０９】
図１６（ａ）に示すように、第９の実施例と同様にサファイア基板１６００上にＧａＮバッファ層１６０１を形成し、さらにＧａＡｌＮ層１６０２ａ、ＧａＮ層１６０２ｂ、ＧａＡｌＮ層１６０２ｃ、ＧａＮ層１６５０２ｄ、ＧａＡｌＮ層１６０２ｅ、ＧａＮ層１６０２ｆ、ＧａＡｌＮ層１６０２ｇを成長させた。ＧａＡｌＮ層１６０２ｇ上にはＳｉＯ２膜１６０３を堆積した。各々のＧａＮ層の膜厚は２μｍ、各々のＧａＡｌＮ層の膜厚は０．１６μｍとした。さらに、第９の実施例と同様にＳｉＯ２膜１６０３をパターニングし、ＳｉＯ２パターンをマスクとして上記積層膜を第７の実施例と同様の方法によりパターニングしてトレンチ１６０４を形成した（図１６（ｂ））。本実施例でのトレンチ形成用の円形パターンの直径は１μｍで、隣接する円形パターンとの中心間距離は２．５μｍとした。 次に、第９の実施例と同様の条件で熱処理を行い、図１６（ｃ）に示すようにＧａＡｌＮ膜１６０２ａ、１６０２ｃ、１６０２ｅ、１６０２ｇによりそれぞれ挟まれたＧａＮ層１６０２ｂ、１６０２ｄ、及び１６０２ｆ中に選択的に空洞１６０４が形成された。このとき、一個のトレンチ１５０３に対し、一個の空洞１６０５が形成された。形成された空洞の直径は１．５μｍであり、隣接する空洞との中心距離は２．５μｍであった。１６０６はＧａＮ層側からＧａＡｌＮ層側へ物質移動が生じたことにより形成された層である。このように、ＧａＮとＧａＡｌＮ多層膜構造の積層回数を増やし、斜め方向の反応性イオンビーム照射を用いることにより、深さ方向の異なる位置（ＧａＮ層部分）に三角格子状にそれぞれ空洞を制御性良く形成することが可能である。各々のＧａＮ層の膜厚、ＧａＡｌＮ層の膜厚および、形成するトレンチの直径、隣接するトレンチとの中心間の距離を本実施例で示した値よりも小さく設定することにより、三次元フォトニック結晶を容易に、かつ歩留まり良く作製することが可能である。
【０１１０】
なお、本発明は上記実施例に限定されることはない。例えば、本実施例では基板の材料としてサファイアを用いたが、その他、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の基板を用いることもできる。
【０１１１】
また、空洞領域上に形成する素子は半導体レーザ等の発光素子に限られず、その他、ＧａＮ系材料を用いたトランジスタ（ＭＥＳＦＥＴやＭＯＳＦＥＴ等）やダイオード等を空洞領域上に形成することが可能である。
【０１１２】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【０１１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、所望の広い範囲で低転位密度の窒化ガリウム系半導体領域を形成することができる。このため、高品質の結晶性を要求される半導体素子の作製が可能である。
【０１１４】
また、本発明によれば、作製する空洞のサイズ、位置を容易に制御できるため、フォトニクス結晶層を容易に形成できる。このため、高反射率の反射鏡、光導波路、フィルターなどを容易に作製でき、これらの機能素子と発光素子との集積化も容易となり、高機能発光素子を作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【図２】本発明の第１の実施例による半導体レーザ装置の断面図。
【図３】本発明の第１の実施例による半導体レーザ装置の作製工程を説明するための工程断面図。
【図４】本発明の第１の実施例におけるトレンチ形成領域の概略図。
【図５】本発明の第１の実施例における空洞形成過程における転位密度の低減過程を説明するための工程断面図。
【図６】従来のＥＯＬＧ上に形成された半導体レーザ装置の断面図。
【図７】本発明の第２の実施例におけるＧａＮ基板の作製方法を説明するための工程断面図。
【図８】本発明の第２の実施例におけるトレンチ形成領域の概略図。
【図９】本発明の第３の実施例によるフォトニック結晶の作製方法を説明するための工程断面図。
【図１０】本発明の第４の実施例によるフォトニック結晶を説明するための斜視図。
【図１１】本発明の第５の実施例によるフォトニック結晶及びその上に積層した発光素子の斜視図。
【図１２】本発明の第６の実施例によるフォトニック結晶及びその上に積層した発光素子の断面図。
【図１３】本発明の第７の実施例による三次元フォトニック結晶作製方法を説明するための工程断面図。
【図１４】本発明の第８の実施例による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【図１５】本発明の第９の実施例による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【図１６】本発明の第１０の実施例による空洞の形成方法を説明するための工程断面図。
【符号の説明】
１００ サファイア基板
１０１ ＧａＮバッファ層
１０２ ＧａＮ層
１０３ ＳｉＯ２膜
１０４ レジスト
１０５ａ、１０５ｂ トレンチ
１０６ａ、１０６ｂ 空洞
３００ サファイア基板
３０１ ＧａＮバッファ層
３０２ ＧａＮ層
３０５ トレンチ
３０６ 空洞
３０７ 空洞３０６上部の低転位密度領域
３０８ ｎ−ＧａＮコンタクト層
３０９ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
３１０ ｎ−ＧａＮ光ガイド層
３１１ ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層
３１２ ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層
３１３ ｐ−ＧａＮ光ガイド層
３１４ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
３１５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
３１６ ＳｉＯ２膜絶縁膜
３１７ ｐ側電極
３１８ ｎ側電極
４０１ トレンチ作製の単位領域
Claims (15)
- 基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に窒化ガリウム系半導体の素子を形成する工程とを具備することを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
- 前記複数のトレンチのそれぞれは、上から見た形状がストライプ状、円状、若しくは多角形状の溝であることを特徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
- 前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ≦２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比（深さ／幅）は２以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
- 前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
- 基板上に窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのそれぞれを変形させ、変形させた当該トレンチの位置にそれぞれ対応して前記窒化ガリウム系半導体層の内部に複数の空洞を形成し、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層をフォトニック結晶とする工程とを具備することを特徴とする窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法。
- 前記窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成することを特徴とする請求項６記載の窒化ガリウム系フォトニック結晶の製造方法。
- 基板上に第１の窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、当該第１の窒化ガリウム系半導体層に複数のトレンチを配列して形成する工程と、窒素を含む雰囲気中で熱処理を行い、前記複数のトレンチのうち少なくとも２つ以上の互いに隣接するトレンチを変形させ、変形させた当該トレンチの位置に対応して前記第１の窒化ガリウム系半導体層の内部に連続した空洞を形成し、当該空洞を有する前記第１の窒化ガリウム系半導体層の上に第２の窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と、前記第１の窒化ガリウム系半導体層の空洞の部分における剥離により、前記第２の窒化ガリウム系半導体層と前記基板とを分離して、前記第２の窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体基板を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体基板の製造方法。
- 前記トレンチのそれぞれの幅Ｔは２μｍ以下であり、隣接するトレンチの中心の間隔ＷはＷ≦２Ｔであり、前記トレンチのアスペクト比は２以上であることを特徴とする請求項８記載の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法。
- 前記第１の窒化ガリウム系半導体層を、ＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜構造として形成し、前記ＧａＮ層の部分に前記空洞を形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法。
- 前記窒素を含む雰囲気はＮＨ３とＮ２の混合ガス雰囲気であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体基板の製造方法。
- 基板と、この基板上に形成され、幅が２０μｍ以上の連続した空洞を有する窒化ガリウム系半導体層と、当該空洞を有する前記窒化ガリウム系半導体層の上に形成され当該空洞上に位置する窒化ガリウム系半導体の素子とを具備することを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子。
- 基板と、この基板上に形成されたＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜と、この多層膜の上に形成された窒化ガリウム系半導体の素子とを具備し、前記多層膜のＧａＮ層に選択的に空洞が形成されており、前記窒化ガリウム系半導体の素子は当該空洞上に位置することを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子。
- 基板と、この基板上に形成された窒化ガリウム系半導体層とを具備し、前記窒化ガリウム系半導体層に空洞が所定の周期で形成されてなることを特徴とする窒化ガリウム系フォトニック結晶。
- 基板と、この基板上に形成されたＧａＮ層とＧａＡｌＮ層との多層膜とを具備し、前記多層膜のＧａＮ層に選択的に空洞が所定の周期で形成されてなることを特徴とする窒化ガリウム系フォトニック結晶。
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