JP2891154B2

JP2891154B2 - 窒化化合物半導体素子及びその製造方法

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Publication number: JP2891154B2
Application number: JP161396A
Authority: JP
Inventors: 敦史山口; 晴夫砂川; 明隆木村
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 1999-05-17
Anticipated expiration: 2016-01-09
Also published as: JPH09191128A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、III−Ｖ族化合物
半導体素子及びその製造方法に関し、特に、Ｖ族元素が
窒素であり、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に成長し
た窒化化合物半導体層を有する窒化化合物半導体素子及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）や窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）は、バンドギャップが大きく、そのバン
ドギャップエネルギーは紫外光に対応する。これら窒化
ガリウムや窒化アルミニウムと窒化インジウム（Ｉｎ
Ｎ）との混晶である窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａ
Ｎ）や窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒
化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）
も、組成によって青色光や紫外光に対応するバンドギャ
ップをもつ。

【０００３】このため、これらの窒素を含むIII−Ｖ族
化合物半導体（以後窒化ガリウム系化合物半導体と呼
ぶ）は、青色光や紫外光の発光デバイスの材料として、
また高耐圧あるいは耐高温環境電子デバイスの材料とし
て、注目されている。中村（S.Nakamura）他は、J. Va
c. Sci. Technol. A, Vol. 13, p. 705, 1995年に、こ
れらの化合物半導体を使用した高輝度青色発光ダイオー
ドの作製を報告している。図５はこの発光ダイオードの
断面図である。

【０００４】図５に示すように、中村らによる発光ダイ
オードは、（０００１）面を表面とするサファイア基板
５０１上に、厚さ３０ｎｍの窒化ガリウム層バッファ層
５０２と、ケイ素（Ｓｉ）が添加された厚さ４μｍのｎ
型窒化ガリウム層５０３と、ケイ素が添加された厚さ１
５０ｎｍのｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層５０４と、亜鉛
（Ｚｎ）とケイ素が添加された厚さ１００ｎｍのＩｎ
_0.06Ｇａ_0.94Ｎ層５０５と、マグネシウム（Ｍｇ）が添
加された厚さ１５０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層５
０６と、マグネシウムが添加された厚さ５００ｎｍの窒
化ガリウム層５０７とを順次積層した構成である。そし
て、最上層の窒化ガリウム層５０７上に、ニッケル（Ｎ
ｉ）と金（Ａｕ）の２層からなるｐ電極５０８を設け、
ｎ型窒化ガリウム層５０３上に、チタン（Ｔｉ）とアル
ミニウム（Ａｌ）の２層からなるｎ電極５０９を設けて
いる。青色発光ダイオード以外に窒化ガリウム系化合物
半導体を用いた発光素子として、現在、青色または紫外
光のレーザーダイオードの実現が期待されているが、こ
れまでのところ電流注入によるレーザー発振の報告はさ
れていない。

【０００５】上述の中村らによる発光ダイオードをはじ
めとして窒化ガリウムを用いた半導体素子は、ほとん
ど、サファイア基板上に作製されている。しかしなが
ら、サファイア基板はへき開性を持たない上に硬く、こ
のため、サファイア基板上にデバイスを作製するプロセ
スは容易なものとはならない。また、サファイアは絶縁
体であるため、通常の発光デバイスのように基板を電極
の一方に用いることは不可能であり、窒化物成長層に２
つの電極をプロセス形成しなければならないという欠点
が生じる。さらにレーザーダイオードにおいては、通
常、へき開面をレーザー発振のためのキャビティミラー
面として利用するが、へき開面を形成できないサファイ
ア基板を用いる場合にはこの方法を利用することができ
ず、ドライエッチングでキャビティミラーを作製するな
どの手間のかかる方法を用いざるを得ない。このよう
に、窒化ガリウム系化合物半導体デバイスの作製におい
て、サファイア基板を用いることは欠点が多い。そこ
で、最近、へき開性や導電性を持つ基板上に窒化ガリウ
ム系化合物半導体層を成長させてデバイスを作るという
考えが、有望視されてきている。

【０００６】へき開性も導電性も持つとともに高品質の
窒化ガリウム系化合物半導体層を成長可能である基板と
して、ヒ化ガリウムをはじめとする閃亜鉛鉱型結晶構造
を有する化合物半導体基板が注目されている。従来、こ
れらの基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長さ
せる方法としては、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢ
Ｅ法）や有機金属熱分解エピタキシャル成長法（ＭＯＣ
ＶＤ法）が検討されている。窒化ガリウム系化合物半導
体の結晶構造としては、本来、ウルツ鉱型構造がもっと
も安定な構造であるが、閃亜鉛鉱型構造も準安定な構造
である。このため、基板の種類や結晶成長方法によって
は、閃亜鉛鉱型構造の窒化ガリウム系半導体化合物層も
成長し得る。ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法による窒化ガリウ
ム系化合物半導体の結晶成長では、（１１１）基板上に
はウルツ鉱型構造の結晶が、（１００）基板上には閃亜
鉛鉱型の結晶が成長しやすいことが知られている。水田
（M. Mizuta）他は、Jap. J. Appl. Phys., Vol. 25,
P. L945, 1986年に、ヒ化ガリウム基板上へのＭＯＣＶ
Ｄ法を用いた窒化ガリウムの成長について報告してい
る。これによれば、ヒ化ガリウムの（１１１）基板上に
はウルツ鉱型構造の窒化ガリウムが成長し、ヒ化ガリウ
ムの（１００）基板上には閃亜鉛鉱型構造の窒化ガリウ
ムが成長することが報告されている。

【０００７】上述したような従来法によってヒ化ガリウ
ム（１００）基板上に窒化ガリウム層を成長させたとき
の断面図が、図６に示されている。ヒ化ガリウム（１０
０）基板６０１上に、閃亜鉛鉱型構造（ｃ-で表わす）
の窒化ガリウム成長層６０２が成長している。同様に、
図７は、従来法によってヒ化ガリウム（１１１）基板上
に窒化ガリウム層を成長させたときの断面図である。ヒ
化ガリウム（１１１）基板７０１上に、ｃ軸が基板表面
方向（［１１１］方向）に向くウルツ鉱型構造（ｈ-で
表わす）の窒化ガリウムの成長層７０２が成長してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】閃亜鉛鉱型構造を有す
る化合物半導体の（１００）基板は、互い垂直な２方向
にへき開可能であるため、長方形を基本的な形とする通
常のデバイス作製において都合がよい。しかし、（１０
０）基板上に成長しやすいと言われている閃亜鉛鉱型構
造の完全に純粋な結晶を（１００）基板上に成長するの
は容易ではなく、熱力学的に安定である方のウルツ鉱型
構造の結晶部分がある割合で混入してしまう。閃亜鉛鉱
型構造の結晶にウルツ鉱型構造の部分が混入すると、結
晶構造に欠陥が生じるために、作製する素子の特性が悪
化してしまう。したがって、（１００）基板上に閃亜鉛
鉱型構造の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた構
造を持つ化合物半導体素子には、特性が悪いという問題
がある。一方、ウルツ鉱型構造は本来安定な構造である
ので、（１１１）基板上には純枠なウルツ鉱型構造の結
晶が成長可能である。しかし、（１１１）基板は互いに
１２０度の角をなす３方向にへき開性を持つため、通常
の長方形型のデバイスを作製するのには都合が悪い。つ
まり、（１１１）基板上にウルツ鉱型構造の窒化ガリウ
ム系化合物半導体を成長させた構造を持つ素子には、素
子作製プロセスが容易でないという問題がある。

【０００９】本発明は、このような従来技術の有する問
題点に対処してなされたものであって、互いに垂直な２
方向にへき開可能であることを利点としてもつ閃亜鉛鉱
型結晶構造の化合物半導体の（１００）基板を使用し、
単一な結晶構造をもつ窒化ガリウム系化合物半導体をこ
の（１００）基板上に設けた構造の半導体素子と、この
半導体素子の製造方法を提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化化合物半導
体素子は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化イ
ンジウムの中から選ばれた１種の層、あるいはこれらの
中から選ばれた２種以上による混晶の層からなる窒化化
合物半導体層を少なくとも１層有する窒化化合物半導体
素子において、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導
体の（１００）基板またはその１５度以内の傾斜基板か
らなる基板と、基板上に形成された窒化化合物半導体層
とを有し、窒化化合物半導体層の結晶構造がウルツ鉱型
構造であってそのｃ軸の方向が、基板を構成する結晶の
〈１１１〉方向またはその方向から５度以内で傾いた方
向に向いている。

【００１１】本発明の窒化化合物半導体素子の製造方法
は、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導体の（１０
０）基板またはその１５度以内の傾斜基板からなる基板
上に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒化インジ
ウムの中から選ばれた１種の層、あるいはこれらの中か
ら選ばれた２種以上による混晶の層からなる窒化化合物
半導体層を成長させる窒化化合物半導体素子の製造方法
において、III族元素の原料として塩化物を使用した気
相成長法によって基板の表面に、結晶構造がウルツ鉱型
構造である窒化化合物半導体層を成長する。

【００１２】本発明による窒化化合物半導体素子が良好
な特性を示すことについて、本発明者らによる新たな知
見に基づいて、以下に説明する。

【００１３】閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導体
の（１００）基板上に、従来のＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法
を用いて成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層で
は、半導体成長層の大部分は閃亜鉛鉱型構造の結晶構造
をもつが、本来は熱的に安定なウルツ鉱型構造が一部に
混ざるため、この半導体成長層内には欠陥が多く、この
ため良好な素子特性は得られなかった。もし、（１０
０）基板上に本来安定であるウルツ鉱型構造の結晶構造
をもつ窒化ガリウム系化合物半導体層を成長することが
できれば、本来安定でない閃亜鉛鉱型結晶構造が混入す
ることもなく、単一の結晶構造を持つ窒化ガリウム系化
合物半導体層が形成でき、良好な素子特性が期待でき
る。

【００１４】４回対称性を持つ（１００）基板上に６方
晶系であるウルツ鉱型構造の窒化ガリウム系化合物半導
体層を成長する場合、従来の（１１１）基板上でのウル
ツ鉱型構造結晶層の成長のようにｃ軸が基板面に垂直に
なるように成長させたのでは、４回対称な面構造の上に
６回対称な面を成長することになり、多くの欠陥が生じ
てしまう。そこで本発明では、基板結晶の〈１１１〉方
向にｃ軸が向くように、ウルツ鉱型構造の窒化ガリウム
系化合物半導体を成長させている。このように成長を行
うと、（１１１）基板上にウルツ鉱型構造の化合物半導
体層を成長させる場合と同じように、ｃ軸方向（基板結
晶の〈１１１〉方向）の積層の順序を変更するだけで閃
亜鉛鉱型構造からウルツ鉱型構造へつながるために、
（１００）基板上に欠陥の少ないウルツ鉱型構造の窒化
ガリウム系化合物半導体層を積層することが可能にな
る。したがって、ヒ化ガリウム（１００）基板の上に、
欠陥の少ない窒化ガリウム系化合物半導体層を成長で
き、従来からのヒ化ガリウム半導体素子製造プロセスを
窒化ガリウム系化合物半導体素子の製造に応用できるよ
うになる。このような欠陥の少ない構造を用いた素子で
は、発光デバイスにおいては、欠陥に起因する非発光再
結合が減少するために発光効率が高い優れた特性が期待
できる。また、電子デバイスにおいては、欠陥に起因し
た電子の散乱が抑制されるため、優れた電子伝導特性が
期待できる。

【００１５】次に、どのようにして、閃亜鉛鉱型結晶構
造を有する化合物半導体の（１００）基板上に、上述し
たような面方位を有するように窒化ガリウム系半導体膜
を成長させるかについて説明する。本発明の製造方法で
は、III族元素成分の原料として塩化物を用いる気相成
長法により、基板結晶の〈１１１〉方向にｃ軸が向くよ
うに窒化ガリウム系半導体膜を成長させている。以下、
このようにして成長できる理由を述べる。

【００１６】ヒ化ガリウムなどの（１００）基板上に化
合物半導体層を成長させるときに通常用いられるＭＢＥ
法やＭＯＣＶＤ法を用いた場合に、熱平衡で安定なはず
のウルツ鉱型構造が成長せず、準安定の方の閃亜鉛鉱型
構造の結晶が成長しやすいのは、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ
法では結晶成長が熱力学的に平衡な状態で進まないた
め、基板の面方位の影響を受けて閃亜鉛鉱型構造ができ
ていくからである。したがって、より熱平衡に近い状態
で反応が進む成長方法を用いれば、閃亜鉛鉱型構造の結
晶基板の（１００）面上にも本来安定である方のウルツ
鉱型構造の成長が可能になる。

【００１７】ところで、III族原料に塩化物を用いた気
相成長法では、反応が熱平衡に近い状態で進むことが知
られている。そこで、この成長方法を用いて閃亜鉛鉱型
結晶の（１００）基板上に窒化ガリウム系化合物半導体
を成長すると、本来熱力学的に安定である方のウルツ鉱
型構造の窒化ガリウム系化合物半導体膜が成長する。さ
らに、熱平衡に近い状態で反応が進む場合には、欠陥の
少なくなるような結晶方位を向いて成長するため、III
族原料に塩化物を用いた気相成長法を用いることによっ
て、ウルツ鉱型構造の成長した窒化ガリウム系化合物半
導体結晶のｃ軸は、ほぼ、基板結晶の〈１１１〉方向に
向く。そして、ウルツ鉱型構造は熱平衡で安定な構造で
あるため、閃亜鉛鉱型構造の混入はほとんどなく、この
ようにして成長させた窒化ガリウム系化合物半導体膜を
有する化合物半導体素子は良好な特性を示す。

【００１８】本発明者らの研究によれば、実際にこの方
法で成長を行うと、閃亜鉛鉱型構造の基板結晶の〈１１
１〉方向と、ウルツ鉱型構造の成長層のｃ軸とは必ずし
も正確に一致せず、基板結晶と成長層の格子定数との不
整合のために方位に若干のずれが生じるが、この方位の
ずれは、５度以内である。

【００１９】また、本発明の製造方法においては、基板
結晶の表面が正確に（１００）面である必要はない。本
発明者らによる実験結果によれば、少なくとも、（１０
０）面から１５度程度傾斜した面を表面とする基板に対
しても、その上にウルツ鉱型構造の窒化ガリウム系化合
物半導体層を成長させることが可能であり、この程度ま
での傾斜基板であれば、本発明の製造方法は有効に適用
できることが確認されている。

【００２０】本発明によれば、ヒ化ガリウム基板などの
閃亜鉛鉱型結晶構造の化合物半導体基板上に純粋なウル
ツ鉱型構造の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長でき
るので、基板の裏面（素子面でない方の面）に電極を形
成できるようになるとともに、化合物半導体基板のへき
開性を利用して容易に素子を切り出すことができ、ま
た、半導体レーザー素子としてのキャビティーミラー面
も簡単に形成できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００２２】《第１の実施の形態》図１は、本発明の第
１の実施の形態における、表面に窒化ガリウム膜を成長
させたヒ化ガリウム基板を示す概略断面図である。ここ
で窒化ガリウム膜は、図２を用いて後述する成長装置に
よって、ヒ化ガリウム基板上に形成されている。

【００２３】図１において、ヒ化ガリウム基板１０１の
表面は、（１００）面から２度傾斜している。このヒ化
ガリウム基板（ヒ化ガリウム（１００）２度傾斜基板）
１０１上に、厚さ５０ｎｍの窒化ガリウム低温成長バッ
ファ層１０２と、厚さ２μｍの窒化ガリウム高温成長層
１０３が順次成長している。成長条件は次の通りであ
る。図２に示す成長装置を用い、まずヒ化ガリウム基板
１０１を基板温度６３０℃から６４０℃で５分間熱処理
することによってヒ化ガリウム基板１０１の表面の酸化
膜を除去し、次に、基板温度を４８５℃まで下げて窒化
ガリウム低温成長バッファ層１０２を３０分間成長さ
せ、その後、基板温度を７００℃まで上げて窒化ガリウ
ム高温成長層１０３を３０分間成長した。

【００２４】このようにしてヒ化ガリウム基板１０１上
に成長させた窒化ガリウム膜の結晶構造を４軸ゴニオメ
ータＸ線回折装置によって調べたところ、窒化ガリウム
層（窒化ガリウム低温バッファ層１０２及び窒化ガリウ
ム高温成長層１０３）は、すべて、ウルツ鉱型構造の結
晶構造を有している部分からなることが分かった。そし
て、このウルツ鉱型構造の窒化ガリウムのｃ軸は、基板
を形成するヒ化ガリウムの〈１１１〉方向とほぼ同じ方
向を向いていることも分かった。ただし、ウルツ鉱型構
造の窒化ガリウムのｃ軸とヒ化ガリウムの〈１１１〉方
向は、完全には一致しておらず、両者の格子定数の不整
合などに起因して、１度から５度程度ずれている。さら
に、電子顕微鏡写真によると、このウルツ鉱型構造の窒
化ガリウム層は、閃亜鉛鉱型構造の窒化ガリウムの混入
等の欠陥がほとんどなく、良質な結晶であることが分か
った。（１００）面からの傾斜角度を変えたヒ化ガリウ
ム基板に対して同様の実験を行ったところ、傾斜してな
い（１００）基板から１５度傾斜した基板までのすべて
の基板上で、基板の〈１１１〉方向とほば同じ方向にｃ
軸を向けたウルツ鉱型構造の良質な窒化ガリウムが成長
することが確認された。

【００２５】図２は、窒化ガリウム層の成長に用いた成
長装置を説明する概略構成図である。この成長装置は、
III族原料に塩化物を用いる気相成長法によってIII−Ｖ
族化合物半導体層を基板上に形成する際に使用されるも
のである。

【００２６】成長装置２００は、その内部に、ガリウム
（Ｇａ）原料を保持するガリウムソースボート２０１
と、インジウム（Ｉｎ）原料を保持するインジウムソー
スボート２０３と、ヒ化ガリウム基板２０７を保持する
ための基板ホルダ２０６とを有している。ヒ化ガリウム
基板２０７は、例えば、貼着によって基板ホルダ２０６
に取り付けられる。そして、導入管２０２から塩化水素
（ＨＣｌ）ガスと水素（Ｈ₂）ガスとの混合ガスを導入
することにより、ガリウムソースボート２０１上のガリ
ウムが塩化ガリウムとなって、水素キャリアガスにより
下流側に輸送されヒ化ガリウム基板２０７の位置に達す
る。同様に、導入管２０４から塩化水素ガスと水素ガス
との混合ガスを導入することによって、インジウムソー
スボート２０１上のインジウムが塩化インジウムとなっ
て、水素キャリアガスにより下流側に輸送され、ヒ化ガ
リウム基板２０７の位置に到達する。また、Ｖ族元素で
ある窒素は、バイパス管２０５を通して、アンモニア
（ＮＨ₃）と水素ガスとの混合ガスとして導入される。
なお、各ソースボート２０１,２０３の近傍でのガスの
混合を避けるため、これらソースボート２０１,２０３
の間には、分離壁２０８が設けられている。

【００２７】基板ホルダ２０６に貼り付けられたヒ化ガ
リウム基板２０７上に窒化ガリウム層を成長させる場合
には、装置全体を所定の温度に加熱し、バイパス管２０
５から水素希釈アンモニアガスを導入し、さらに、導入
管２０２から水素希釈塩化水素を導入して塩化ガリウム
を発生させ、アンモニアと塩化ガリウムをヒ化ガリウム
基板２０７に到達させればよい。同様に、窒化インジウ
ム層を成長させる場合には、ヒ化ガリウム基板２０７を
加熱し、導入管２０４から水素希釈塩化水素ガスを導入
して塩化インジウムを発生させるとともに、バイパス管
２０５から水素希釈アンモニアガスを導入すればよい。
導入管２０２,２０４の両方から水素希釈塩化水素ガス
を導入した場合には、塩化ガリウムと塩化インジウムが
同時に生成し、ヒ化ガリウム基板２０７上に窒化インジ
ウムガリウム層が成長する。

【００２８】《第２の実施の形態》ここでは、ヒ化ガリ
ウム基板上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体に
よる発光ダイオード素子の構造の断面図である。ヒ化ガ
リウム基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長さ
せるときには、図２に示す成長装置を用い、第１の実施
の形態のときと基本的には同様の成長条件を設定した。
図３はこの発光ダイオード素子の構成を示す概略断面図
である。

【００２９】ヒ化ガリウム基板３０１としては、ｎ型ヒ
化ガリウム（１００）２度傾斜基板を用い、このヒ化ガ
リウム基板３０１上に、セレン（Ｓｅ）を添加した厚さ
２μｍのｎ型窒化ガリウム層３０２を成長する。セレン
の添加は、成長中にセレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）ガスを供
給することによって行った。次に、厚さ１００ｎｍの不
純物無添加のＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層３０３、亜鉛（Ｚｎ）
を添加した厚さ１μｍのｐ型窒化ガリウム層３０４を順
に成長する。亜鉛の添加は、成長中にジエチル亜鉛（Ｚ
ｎ(Ｃ₂Ｈ₅)₂）を供給することによって行った。最後
に、ヒ化ガリウム基板３０１の裏面側にｎ電極３０５を
設け、ｐ型窒化ガリウム層３０４の上にｐ電極３０６を
設けることによって、発光ダイオード素子が作製され
た。

【００３０】この発光ダイオード素子は、ヒ化ガリウム
基板３０１の裏側に電極の一方をつける構造なので、電
極を２つとも素子の表側につけなければならない従来の
サファイア基板上の発光ダイオード素子よりも作製が容
易である。また、ヒ化ガリウム（１００）基板には互い
に垂直な２方向へのへき開性があるために、長方形の素
子の分離が容易にできるという利点を持つ。この発光ダ
イオード素子におけるｎ型窒化ガリウム層３０２、Ｉｎ
_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層３０３及びｐ型窒化ガリウム層３０４の
すべてにおいて、結晶構造はウルツ鉱型構造となってい
ることが確認され、そのｃ軸の方位はヒ化ガリウム基板
３０１でのヒ化ガリウム〈１１１〉方向とほぼ一致して
いた。そして、これらの層３０１〜３０３が欠陥の少な
い結晶層になっていることが電子顕徴鏡写真により確認
された。さらに、通電することによって発光させたとこ
ろ、この発光ダイオード素子は、従来のサファイア基板
上に作製した発光ダイオード素子と同程度の輝度を示し
た。

【００３１】《第３の実施の形態》ヒ化ガリウム基板上
に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させ、半導体レ
ーザー素子を作製した。図４はこの半導体レーザー素子
の構成を示す概略斜視図である。素子の作製においては
図２に示す成長装置を使用し、窒化ガリウム系化合物半
導体層の成長条件は、第一の実施の形態におけるものと
基本的には同一にした。また、素子の基本的な構造は第
二の実施の形態における発光ダイオード素子と同じであ
るが、電流狭窄のためにｐ電極４０６をストライプ状に
している点と、ヒ化ガリウム基板３０１のへき開によっ
てへき開面４０７,４０８を露出しキャビティーミラー
面として利用している点が異なっている。へき開面４０
７はヒ化ガリウム基板の（０,１,−１）面であり、へき
開面４０７は窒化ガリウム系化合物半導体層の（１,１,
−２,０）面であって、へき開面４０７とは同一方向の
面である。この半導体レーザー素子におけるｎ型窒化ガ
リウム層３０２、Ｉｎ_0. ₁Ｇａ_0.9Ｎ層３０３及びｐ型窒
化ガリウム層３０４のすべてにおいて、結晶構造はウル
ツ鉱型構造となっており、そのｃ軸の方位はヒ化ガリウ
ム基板３０１のヒ化ガリウムの〈１１１〉方向とほぼ一
致していることが確認された。そして、これらの層３０
２〜３０４は欠陥の少ない結晶層になっていることが電
子顕微鏡写真より確認された。

【００３２】この半導体レーザー素子も、第２の実施の
形態における発光ダイオード素子と同様に、ヒ化ガリウ
ム基板３０１の裏面側に電極をつけられるということ
と、互いに垂直な２方向へ基板がへき開できることによ
って、素子作製のプロセスが容易になるという利点を持
つ。

【００３３】半導体レーザーでは、一般に、キャビティ
ーミラー面の平坦性と１対のキャビティーミラー面の間
の平行性とが、レーザー特性に大きく影響する。従来の
ようにサファイア基板上にレーザ素子を作製した場合に
は、キャビティーミラー面としてへき開面を利用できな
いため、ドライエッチングなどの方法によってキャビテ
ィーミラー面を作る必要があり、複雑な工程を経ざるを
得ない上に平担性も平行性も良いものが得られない。こ
のことが、現在でもなお窒化ガリウム系で半導体レーザ
ー素子を実現できない原因となっている。それに比ベ
て、本実施の形態の半導体レーザー素子は、ヒ化ガリウ
ム基板のへき開性を利用して、以下に示すように、平坦
で平行性の良いキャビティーミラー面を形成することが
できる。

【００３４】ヒ化ガリウム（１００）基板は、へき開に
よって、（０１１）面と（０,１,−１）面を露出させる
ことができる。ヒ化ガリウム基板の上に成長したウルツ
鉱型構造の窒化ガリウム系化合物半導体層のｃ軸の方向
が、ヒ化ガリウム基板での［１１１］方向であるとする
と、ヒ化ガリウムの（０１１）面が露出するようにへき
開した場合には、ヒ化ガリウムの（０１１）面の延長上
に窒化ガリウム系化合物半導体層のへき開可能な面がな
いために、窒化ガリウム系化合物半導体層に平担な面を
形成することはできない。しかし、ヒ化ガリウムの
（０,１,−１）面が露出するようにへき開した場合に
は、ヒ化ガリウムの（０,１,−１）面の延長上にウルツ
鉱型構造の窒化ガリウム系化合物半導体層のへき開面で
ある（１,１,−２,０）面があるために、窒化ガリウム
系化合物の平坦なへき開面を露出できる。本実施の形態
では、ヒ化ガリウム（１００）基板からヒ化ガリウムの
（０,１,−１）面が露出するようにしてへき開を行うこ
とによってキャビティーミラー面を形成しており、この
ようにキャビティーミラー面を形成した場合には、窒化
ガリウム系化合物のへき開面を利用しているために２枚
のミラー面の平行性の良いものとなる。その結果、本実
施の形態の半導体レーザー素子では、７７Ｋにおいて、
パルス電流条件下でのレーザー発振が確認された。

【００３５】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明において、窒化ガリウム系化合物半導体層
を成長させるための基板に使用される、閃亜鉛鉱型結晶
構造の化合物半導体はヒ化ガリウムに限定されるもので
はない。ヒ化ガリウムの他、例えば、セレン化亜鉛（Ｚ
ｎＳｅ）や立方晶炭化ケイ素（ｃ-ＳｉＣ）などの閃亜
鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導体を使用できる。こ
れらの化合物半導体の（１００）基板またはその１５度
以内の傾斜基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体層を
成長させればよい。本発明での窒化ガリウム系化合物半
導体は、窒化ガリウムに限定されるものではなく、窒化
インジウムや窒化アルミニウムを使用でき、また、窒化
アルミニウム、窒化ガリウム及び窒化インジウムの任意
の組成の混晶を成長する場合も含まれる。さらに、本発
明の窒化化合物半導体素子は、上述した発光ダイオード
素子や半導体レーザー素子に限定されるものではない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の窒化化合物
半導体素子は、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導
体の（１００）基板またはその１５度以内の傾斜基板上
に、基板結晶の〈１１１〉方向またはその方向から５度
以内で傾いた方向にｃ軸の向いたウルツ鉱型構造の窒化
ガリウム系化合物半導体層を形成することにより、基板
裏面側に電極が形成できるようになるとともに、互いに
垂直な２方向にへき開可能であることを利点としてもつ
（１００）基板上に特性の優れた半導体素子が作製でき
るようになるという効果がある。また、基板の（０,１,
−１）面が露出するようにへき開を行うことによって、
窒化化合物半導体層（１,１,−２,０）面が平坦に露出
するようになって、半導体レーザー素子としてのキャビ
ティーミラー面を簡単に形成できるという効果がある。

【００３７】本発明の窒化化合物半導体素子の製造方法
は、III族原料に塩化物を用いた気相成長法によって窒
化化合物半導体層を成長させることにより、本発明の窒
化化合物半導体素子を製造できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態においてヒ化ガリウ
ム（１００）基板上に成長した窒化ガリウム膜を示す断
面概略図である。

【図２】III族原料に塩化物を用いる気相成長法を実施
する際に使用される成長装置を示す概略構成図である。

【図３】第２の実施の形態で作製した発光ダイオード素
子を示す概略断面図である。

【図４】第３の実施の形態で作製した半導体レーザー素
子を示す概略斜視図である。

【図５】サファイア基板上に形成された窒化ガリウム膜
を有する従来の発光ダイオード素子の構成を示す概略断
面図である。

【図６】従来技術によってヒ化ガリウム（１００）基板
上に成長させた窒化ガリウム膜を示す断面概略図であ
る。

【図７】従来技術によってヒ化ガリウム（１１１）基板
上に成長させた窒化ガリウム膜を示す断面概略図であ
る。

【符号の説明】

１０１,２０７,３０１ヒ化ガリウム基板１０２窒化ガリウム低温成長バッファ層１０３窒化ガリウム高温成長層２０１ガリウムソースボート２０２,２０４導入管２０３インジウムソースボート２０５バイパス管２０６基板ホルダ２０８分離壁３０２ｎ型窒化ガリウム層３０３Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層３０４ｐ型窒化ガリウム層３０５ｎ電極３０６,４０６ｐ電極４０７,４０８へき開面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｓ 3/18 Ｈ０１Ｌ 29/20 (56)参考文献特開平８−181070（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−48899（ＪＰ，Ａ) 特開平８−188498（ＪＰ，Ａ) Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐａｒｔ．１ 33［１Ｂ］（1994）ｐ. 688−693 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．66 ［12］（1995）ｐ．1509−1511 Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．78［３］（1995）ｐ．2123−2125 Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ．132 ［1994］ｐ．361−365 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 H01L 33/00 C30B 29/38 H01L 21/205 H01L 29/04 H01L 29/20 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒
化インジウムの中から選ばれた１種の層、あるいはこれ
らの中から選ばれた２種以上による混晶の層からなる窒
化化合物半導体層を少なくとも１層有する窒化化合物半
導体素子において、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導体の（１００）
基板またはその１５度以内の傾斜基板からなる基板と、前記基板上に形成された前記窒化化合物半導体層とを有
し、前記窒化化合物半導体層の結晶構造がウルツ鉱型構造で
あってそのｃ軸の方向が、前記基板を構成する結晶の
〈１１１〉方向またはその方向から５度以内で傾いた方
向に向いていることを特徴とする窒化化合物半導体素
子。
【請求項２】前記基板がヒ化ガリウムで構成されてい
る請求項１に記載の窒化化合物半導体素子。
【請求項３】前記基板の表面のうち前記窒化化合物半
導体層が形成されていない表面に電極が設けられている
請求項１または２に記載の窒化化合物半導体素子。
【請求項４】前記窒化化合物半導体素子が発光ダイオ
ード素子である請求項１乃至３いずれか１項に記載の窒
化化合物半導体素子。
【請求項５】前記窒化化合物半導体素子が半導体レー
ザー素子である請求項１乃至３いずれか１項に記載の窒
化化合物半導体素子。
【請求項６】前記基板を構成する結晶の（０,１,−
１）面と平行な面をキャビティーミラー面とする請求項
５に記載の窒化化合物半導体素子。
【請求項７】 III族元素の原料として塩化物を使用し
た気相成長法を用いて前記基板表面に前記窒化化合物半
導体層が形成されている請求項１乃至６いずれか１項に
記載の窒化化合物半導体素子。
【請求項８】閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導
体の（１００）基板またはその１５度以内の傾斜基板か
らなる基板上に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び
窒化インジウムの中から選ばれた１種の層、あるいはこ
れらの中から選ばれた２種以上による混晶の層からなる
窒化化合物半導体層を成長させる窒化化合物半導体素子
の製造方法において、 III族元素の原料として塩化物を使用した気相成長法に
よって前記基板の表面に、結晶構造がウルツ鉱型構造で
ある前記窒化化合物半導体層を成長することを特徴とす
る窒化化合物半導体素子の製造方法。
【請求項９】前記基板がヒ化ガリウムで構成されてい
る請求項８に記載の窒化化合物半導体素子の製造方法。
【請求項１０】前記窒化化合物半導体素子が発光ダイ
オード素子である請求項８または９に記載の窒化化合物
半導体素子の製造方法。
【請求項１１】前記窒化化合物半導体素子が半導体レ
ーザー素子であり、前記窒化化合物半導体層の成長後
に、前記基板を構成する結晶の（０,１,−１）面でへき
開を生じさせることにより、前記窒化化合物半導体層に
キャビティーミラー面を形成する請求項８または９に記
載の窒化化合物半導体素子の製造方法。