JP3930161B2 - 窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイアやＳｉＣ等の基板上に窒化物系化合物半導体層を形成して作成する半導体レーザ、発光ダイオード、又は電子デバイスなどの窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色から紫外域にかけての短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）用の材料として、ＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体が注目されている。上記の窒化物系化合物半導体用成長基板としてサファイア基板が最も多く用いられており、その他ＳｉＣ基板やＭｇＡｌ2 Ｏ4 基板等も用いられている。
【０００３】
サファイアやＳｉＣ基板上にＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体層を形成する方法として、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が最も多く用いられている。ＭＯＣＶＤ法によりサファイア等の基板上にＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体層を形成する際、単結晶の成長が可能な温度（１０００℃以上）で直接基板上に窒化物系化合物半導体層を成長すると、島状成長が顕著で、平坦性の良い膜は得られない。
【０００４】
そこで、一般に単結晶の成長が可能な１０００℃以上の温度で窒化物系化合物半導体層を成長する前に、５００〜６００℃程度の低温で基板上にＡｌＮ又はＧａＮから成るバッファ層を成長する方法が用いられている。このバッファ層の挿入により、平坦性の良い窒化物系化合物半導体層の成長が可能になった。
【０００５】
しかし、高温での成長初期過程において、成長核を中心に成長した島が形成され、これらの島が成長合体する際に島の境界に転位，積層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥が高密度で生成される。サファイア基板上への窒化物系化合物半導体層の成長では約１０8 〜１０11ｃｍ-2もの高密度転位が生成され、これらの転位は成長方向に伝播した貫通転位として成長層内に存在している。従って、これらの貫通転位は、窒化物系短波長半導体レーザ等の素子構造において、活性層を貫通し成長層表面に抜けている。
【０００６】
ここで、島状成長における島の合体時に導入される転位について、図１９を参照して説明する。図１９（ａ）に示すように、成長初期過程において、成長核はランダムに形成される。このとき、転位の生じる位置と生じない位置とを制御することはできない。成長が進むと、図１９（ｂ）に示すように、島の合体により貫通転位が生じる。成長条件により転位密度を制御することはできるが、１×１０8 ｃｍ-2まで減少させるのが限界である。また、図１９（ｃ）に示すように、窒化物系化合物半導体層の膜厚を増加しても、この貫通転位は残る。そして、素子を作成した場合、全ての素子に１０8 〜１０11ｃｍ-2の転位が存在することになる。
【０００７】
貫通転位の存在が窒化物系半導体素子に与える悪影響には、以下に示すようなものがある。
（１）結晶欠陥密度の高い窒化物系化合物半導体層は結晶性が悪く、電気的特性が悪い。即ち、バックグラウンドのドナー（キャリア）濃度が高く、ホール易動度が小さい。
【０００８】
（２）結晶欠陥密度の高い窒化物系化合物半導体層では、キャリアのライフタイムが短く、発光強度が低いなど、光学的特性が劣る。
（３）貫通転位の先端（貫通転位が成長層表面と交わる点）ではピット（穴）が生成され易く、例えば数ｎｍ程度の薄膜を成長して作成する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のＩｎＧａＮ系活性層を成長する過程において、ピットの形成により多重量子井戸構造の秩序性に乱れが生じ、素子の発光領域における所望の構造が損なわれ、その結果成長面内において発光パターンが不均一になる。
【０００９】
（４）ピットの存在により、半導体レーザ等の素子用多層膜の表面平坦性（モフォロジ）が損なわれ、電極の形成等に問題が生じる。
（５）通電時に電極材料がチューブ状の穴等の貫通欠陥を介して拡散する。
（６）通電時や熱処理時にＭｇ等のドーパントが、貫通欠陥を介して故意にドーピングを行った所望の層以外の層に拡散し、素子に悪影響を及ぼす。
【００１０】
以上のような問題により、素子の初期特性や信頼性が損なわれる。しかし、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減は、低温バッファ層の成長条件や高温における窒化物系化合物半導体層の成長条件の最適化や工夫など、従来法を用いた範囲では解決できない。
【００１１】
また、窒化物系化合物半導体の中で特にＩｎＧａＡｌＮ系は、紫外光を含む短波長光源として有望であり、注目を集めている。しかし、この材料系では、Ａｌを含む低屈折率層が厚く成長できないため、光閉じ込めが十分行うことができない。このため、しきい値が高く、モードが安定しない等の問題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、窒化物系化合物半導体層を用いて作成した発光素子や電子デバイスでは、低温成長バッファ層等の成長技術を用いても、貫通転位等の高密度の結晶欠陥が生成され、これらの結晶欠陥の存在により、素子の初期特性や信頼性の向上が阻まれていた。
【００１３】
本発明は、上記の事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、転位，積層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥密度が低く、結晶性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア等の基板上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用いた場合の製造歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかり得る窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る窒化物系半導体素子は、第１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスクと、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において複数の転位が垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外であって前記転位から開放された第２の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記半導体層上に形成された所望の素子構造とを具備することを特徴とする。
【００１５】
前記所望の素子構造は、実質的に前記第２の領域上に形成されることが望ましい。より詳細に言えば、所望の素子構造がＦＥＴであれば、そのソース・ドレイン層、ゲート電極が、ダイオードであれば、そのｐ／ｎ領域とその接合部における電流経路が、第２の領域上に形成される。
【００１６】
本発明の請求項３に係る発光素子は、第１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスクと、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において複数の転位が垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外であって前記転位から開放された第２の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記窒化物系化合物半導体層の前記第２の領域上に実質的に形成され、電流注入層でサンドイッチされた発光層とを具備することを特徴とする。
【００１７】
上記請求項１の半導体素子あるいは請求項３の発光素子において、前記マスクの材料は、水素，窒素，およびアンモニアの少なくとも１つの雰囲気中において、１０００℃以上の高温で反応を生じない物質であることが望ましい。
【００１８】
さらに、前記第１層は、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、Ｓｉ，ＳｉＣ，サファイアおよびこれらの積層膜のグループから選ばれた１つであることが望ましい。
【００１９】
マスクの複数の開口部は、周期的に形成されていることが望ましい。
【００２０】
さらに、前記マスクの前記複数の開口部は、前記窒化物系化合物半導体層のａ軸〈１１−２０〉と垂直方向にストライプ状に形成されることが望ましい。
【００２１】
なお、本明細書中における、例えば〈１１−２０〉は型方向を示し、対称関係にある方向の代表として示されている。
【００２２】
さらに、前記窒化物系化合物半導体層の前記貫通転位の密度が、１０3 乃至１０7 ｃｍ-2であることが望ましい。
【００２３】
さらに、前記窒化物系化合物半導体層は、前記マスクの前記複数の開口部からスタートし、前記マスクの表面に沿って延在する複数の転位が存在する第３の領域を含み、前記第２の領域が前記第３の領域上に存在することが望ましい。
【００２４】
さらに、前記マスク上の窒化物系化合物半導体層の表面は、実質的に平坦であることを特徴とする。
【００２５】
前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で形成されることが望ましい。
【００２６】
前記マスクは、前記第１層上に、三角形および六角形のいずれかの、複数の開口部および複数の非開口部のいずれかを周期的に形成してなり、前記窒化物系化合物半導体層は、前記マスクの前記非開口部上に形成され垂直方向に前記貫通転位が含まれる前記第１の領域と、前記マスクの前記開口部および前記非開口部上に形成され、前記マスクの表面に沿って前記転位が延在する第３の領域と、前記第３の領域上に形成され、前記転位から開放された前記第２の領域とを具備することができる。
【００２７】
前記第１層は、その表面に周期的に形成された複数の凸部を有し、前記複数の凸部の表面に前記マスクの非開口部が形成され、前記マスクの開口部において前記窒化物系化合物半導体層と接合を形成するようにしてもよい。
【００２８】
前記マスクの前記複数の開口部がストライプ状に形成され、非開口部の幅をＷ、前記複数の開口部の周期をｐ、前記第１層の格子定数をａｓ、前記窒化物系化合物半導体層の格子定数をａｎとしたとき、
−１％≦ｗ／ｐ−ａｎ／ａｓ≦１％、および
−１％≦（ｐ−ｗ）／ｐ−ａｎ／ａｓ≦１％
のいずれかを満足することが望ましい。
【００２９】
本発明の請求項１３に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、第１層上に複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、前記マスクを形成した第１層上に窒化物系化合物半導体層を、前記マスク上でのラテラル成長を利用し、成長方向に伝播する結晶欠陥の少ない領域を形成するように堆積する工程と、前記窒化物系化合物半導体層上に所望の素子構造を形成する工程とを含むことを特徴とする。前記マスクを形成する工程は、前記窒化物系半導体素子層のａ軸 〈１１−２０〉と垂直方向にストライプ状に前記マスクの開口部を形成する工程を含むことが望ましい。
【００３０】
前記窒化物系化合物半導体層を堆積する工程は、前記マスクの表面に沿って伝播する転位が消滅する厚さを有する様に堆積するステップを含むことが望ましい。
【００３１】
前記第１層は、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、Ｓｉ．ＳｉＣ、サファイアおよびこれらの積層膜のグループから選ばれた１つであることが望ましい。
【００３２】
本発明では、窒化物系化合物半導体層をサファイアやＳｉＣ等の第１層（基板）、又はこれらの基板上にＧａＮやＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層を形成した第１層上に形成する場合、第１層上に穴や溝等の開口部を有するマスクが形成され、このマスクが形成された第１層上に窒化物半導体層が低温バッファ層を介して、又は低温バッファ層無しで堆積される。成長初期過程においては、開口部のみが埋め込まれ、開口部が埋め込まれると、マスク上ではラテラル成長が促進される。最低でもラテラル成長によりマスクが覆われ、平坦性の良い薄膜が形成されるまで、あるいは断面ＴＥＭ観察で成長面に沿った転位がなくなり、成長方向に貫通する転位の密度が一定になるまで、成長が持続される。次に、その上部に所望の窒化物系半導体素子を実現するための素子構造が形成される。
【００３３】
ラテラル成長の場合、図２０に示すＳＥＭ写真のように、合体境界部のみに貫通転位が生じるが、成長核となるマスク開口が周期的に配列されていることから、転位の生じる位置と生じない位置とを制御することができる。そして、マスクの開口間隔を適切に選択することにより、貫通転位密度を１０3 〜１０7 ｃｍ-2に低減することが可能となる。ラテラル成長を促進させるために好ましいマスクとして、窒化物系半導体層のａ軸〈１１−２０〉と垂直方向にライン状に形成したＳｉＯ2 マスクが一例としてあげられる。マスクの開口部の幅は５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、又はマスクの非開口部の幅は２μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上とする。
【００３４】
即ち、窒化物系半導体素子の作成において、所望の大きさと形状を有する開口部を設けたマスクが第１層上に形成され、その上部に窒化物系半導体素子のための素子構造が形成される。これにより、成長初期のラテラル成長を利用し、素子用多層膜の結晶品質を大幅に向上させることができ、その結果として、素子の歩留まり，初期特性，信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３５】
また、積層構造の端面より発光する窒化物系半導体レーザの場合、貫通転位やピットの低減により、しきい値電流低減，光出力増加，素子寿命，歩留まりの向上等の効果が得られ、窒化物系発光ダイオードの場合、発光強度，面内発光均一性，素子安定性，歩留まりの向上等の効果が得られる。
【００３６】
さらに、面発光型窒化物系半導体レーザの場合、反射鏡における反射率の大幅な向上により、素子特性が大幅に向上する。また、電子デバイスにおいても結晶欠陥の低減により、電子走行層中の電子のモビリティが増加し、トランジスタのコンダクタンスが従来型に比べ大幅に大きくなるなどの効果により、素子特性が大幅に向上する。
【００３７】
窒化物系系化合物半導体の結晶品質が向上することにより、素子特性が向上する本発明による第１の効果は、発光素子，電子デバイス等、全ての窒化物系半導体素子において共通である。さらに、素子の特徴を活かすようなマスク材料の選択により、レーザの共振器における反射膜としての利用、グレーティングとしての利用、熱放散性の良好な材料を利用すると熱特性が向上することによる素子信頼性の向上、熱伝導性の悪い材料を利用すると励起キャリアが増大することによる電圧低減など、多種多様な効果が得られ、そのメリットは大である。
【００３８】
また、本発明では、サファイアやＳｉＣ等の第１層上に形成する窒化物半導体素子を形成する場合、まず第１層上又は窒化物半導体層上に三角形若しくは六角形の開口部又は非開口部（島）を有するマスクが周期的に形成され、このマスクを形成した第１層上に窒化物半導体層が結晶成長される。
【００３９】
結晶成長初期過程では、マスク開口部上に垂直方向に結晶欠陥が含まれる錐状窒化物半導体結晶（第１の窒化物半導体層）が成長され、錐状結晶の頂点が形成されるとマスクでは横方向に結晶成長（ラテラル成長）が促進される。このとき、錐状窒化物半導体成長では垂直方向に貫通転位などの結晶欠陥が伸びるが、ラテラル成長では貫通転位等の結晶欠陥が結晶成長と共に横方向に伸び、反対側からのラテラル成長結晶と合体したところで収束する。従って、ラテラル成長なしの場合の窒化物半導体素子では格子不整などに起因し１０10ｃｍ-2以上ある転位密度が、ラテラル成長の場合３桁以上低減できる。
【００４０】
ストライプパターンによるマスクを用いたラテラル成長の場合、ストライプ方向には転位発生抑制効果が得られないばかりか、発生した転位はストライプと垂直な一方向のみにしか逃げられない。これに対し、六角形又は三角形パターンによるマスクの場合、横方向に逃げる転位の自由度が３方向あるため貫通転位密度の大きな低減効果が可能となる。
【００４１】
安定なラテラル成長を行うためには、マスクパターンの各辺の方向を、結晶成長させる窒化物半導体の〈１−１００〉方向と平行にすることが重要であり、この場合に最もラテラル成長しやすい３方向に成長が均一に進行する。窒化物半導体の〈１−１００〉方向と９０度ずらしたマスクパターンでの窒化物半導体成長は最も不安定で、錐状の窒化物半導体の核はできない。即ち、窒化物半導体の結晶成長はｃ軸配向性が高いので、六角形や三角形のマスクパターンでは〈１−１００〉方向のみを最大限パターニングすることで、初期転位の少ない錐状窒化物半導体の形成と安定したラテラル成長が可能である。
【００４２】
また、刃状転位やらせん転位は基板と窒化物半導体の格子不整に起因するものであるので、例えばサファイア（０００１）ｃ面と窒化ガリウムｃ面の場合、約１６％の格子不整が生じる。この場合、不整率とパターンの幅と周期の比を同等にすることで転位発生の抑制が可能になる。さらに、マスクを用いたラテラル成長を複数回行うことで転位密度を更に低減できるが、この場合、マスクの周期，形状，大きさ等は下地のマスクに揃えないことで大きな効果が得られる。
【００４３】
一方、窒化物半導体中にＳｉなどの導電型制御のための不純物が１×１０17ｃｍ-3以上存在すると、転位密度が増大する。従って、窒化物半導体層には故意に不純物をドーピングしないことで、貫通転位密度の少ない窒化物半導体が得られる。
【００４４】
このように、六角形や三角形のマスクパターンを用いたラテラル成長を利用した上部に形成される窒化物半導体素子においては、貫通転位などの結晶欠陥の少ない高品質の窒化物半導体層を形成することが可能となり、その結果として、素子の歩留まり，素子特性，信頼性を大幅に向上できる。
【００４５】
また、本発明によれば、窒化物系化合物半導体層（例えば、ＩｎＧａＡｌＮ）の積層構造体を有する半導体素子において、ＩｎＧａＡｌＮ層の一部に段差形状とマスク（例えば、ＳｉＯ2 ）を部分的に作成されている構造を用いるが、このことは重要な意味を持つ。これを、以下に説明する。
【００４６】
前述のように従来のＧａＮ系半導体素子では、光閉じ込めが低く、発振しきい値が高いという問題がある。そこで本発明のように、積層構造体の基板側に段差形状とマスク（ＳｉＯ2 ）が部分的に作成されている構造を用いることが大きな意味を持つ。この構造を用いると、例えばＡｌＧａＮは、横方向成長を起こすため、図２１に示すように、従来のようにクラックが入る膜厚が厚くなる。これにより、十分厚いＡｌを含む結晶膜が成長可能となり、モードの安定した発振しきい値の低い半導体レーザを実現することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、本発明による素子は窒化物系化合物半導体を用いたものであれば、発光素子でも電子デバイスでもよい。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１乃至３は、本発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体素子の構造を説明するための図で、図１および図２は断面図、図３は斜視図である。
【００４９】
本実施形態では、従来法及び本発明による方法で、（０００１）面に平行な主面を有するサファイア基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりＧａＮ層を形成する場合について説明する。また、従来法及び本発明による方法で作成したＧａＮ層の結晶特性を比較した結果を示す。
【００５０】
図１は、従来法により作成した窒化物系半導体素子の部分的な断面図であり、製造法を以下に説明する。
【００５１】
まず、サファイア基板１０上に低温（５００〜６００℃）でＧａＮバッファ層１２を数十ｎｍ成長し、その後に基板温度を１０００℃以上に昇温し、高温でＧａＮ層１３の成長を行う。従来法によるこの材料系の成長では、低温バッファ層１２を挿入しないで、最初からＧａＮ単結晶の成長が可能な１０００℃以上の高温で成長を行うと、格子不整合が約１６％と非常に大きいため、島状成長が顕著となり、平坦な膜が得られない。高温で成長したＧａＮ層１３の結晶特性は、低温バッファ層１２の成長温度及び成長膜厚等に大きく依存する。本実施例では、各パラメータの最適値を用いてレーザ用多層膜を作成した。
【００５２】
次に、サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１２を介して、高温ＧａＮ層１３を成長する方法についての詳細を説明する。
【００５３】
まず、有機洗浄，酸洗浄によって処理されたサファイア基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、高周波加熱されるサセプタ上に設置した。次いで、常圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度１２００℃で約１０分間だけ気相エッチングを施し、表面にできた自然酸化膜を除去した。
【００５４】
次いで、サファイア基板１０上に、ＧａＮバッファ層１２を成長温度５５０℃で４分間、厚さ４０ｎｍに成膜した。本実験では成長時のキャリアガスとして水素が２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてしアンモニアが９．５Ｌ／分、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を２５ｃｃ／分流した。また、バッファ層１２を成長後、基板温度を１２分間で１１００℃に昇温し、１１００℃に到達したらＧａＮ層１３を１時間成長し、２μｍの膜厚に形成した。
【００５５】
次いで、このようにして得られた高温成長ＧａＮ層１３について、モフォロジ観察及びＸ線回折法によるロッキンカーブの半値幅の測定，ホール効果測定を行った。その結果、表面平坦性の極めて良いＧａＮ層１３が得られたことが判明した。Ｘ線半値幅は３．２ arcmin 、キャリア濃度６×１０16ｃｍ-3（ｎ型）、ホール移動度５００ｃｍ2 ／Ｖ・sec と、従来法で作成したＧａＮ層としては、比較的良好な結晶特性が得られた。また、この試料について断面から透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、高温成長ＧａＮ層１３中の貫通転位密度は約３×１０8 ｃｍ-2であり、従来法で作成したＧａＮ層としては低転位密度の結晶が得られた。
【００５６】
次に、本発明による方法でＧａＮ層を作成した場合について、図２、図３を用いて説明する。図２は、本発明による方法で作成した窒化物系半導体素子の部分的な断面図である。以下、本素子の作成法を説明する。
【００５７】
まず、図３に示すように、サファイア基板２０上に、１０μｍ間隔で直径２μｍの開口部２１ａを有するＳｉＯ2 から成るマスク２１を形成する。次いで、このマスク２１を有するサファイア基板２０を、従来と同様のＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、高周波によって加熱されるサセプタ上に設置した。次いで、常圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度１２００℃で約１０分間、サーマルクリ−ニングを行い、水分や自然酸化膜を除去した。
【００５８】
次いで、マスク２１を形成したサファイア基板２０上に、ＧａＮバッファ層２２を成長温度５５０℃で２分間成膜し、厚さ２０ｎｍに形成した。本実験では成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を２５ｃｃ／分流した。また、バッファ層２２を成長後、基板温度が１１００℃に向けて昇温され、ＴＭＧ供給量を１００ｃｃ／分に増加した。温度が１１００℃に到達した後ＧａＮ層２３を１時間成長し、２μｍの膜厚に形成した。
【００５９】
次いで、このようにして得られた高温成長ＧａＮ層２３について、モフォロジ観察及びＸ線回折法によるロッキンカーブの半値幅の測定，ホール効果測定を行った。その結果、表面平坦性の極めて優れたＧａＮ層２３が得られ、Ｘ線半値幅は１．２ arcmin 、キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3（ｎ型）、ホール移動度９００ｃｍ2 ／Ｖ・sec と、従来法では得られなかった高品質の結晶が得られた。また、この試料について断面から透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、高温成長ＧａＮ層２３中の貫通転位密度は約１×１０6 ｃｍ-2に低減されており、従来法で作成したＧａＮ層の貫通転位密度の約１／１００であった。
【００６０】
また、断面ＴＥＭ観察によると、貫通転位２５はＳｉＯ2 マスク２１のほぼ中央部にのみ存在しており、その他の部分には殆ど結晶欠陥は無かった。これは、マスク２１の開口部２１ａが成長核となり、マスク２１上ではラテラル成長が促進され、マスク２１の中央部で各々の開口部２１ａからラテラル成長した各島が合体し、転位が形成されるためと考えられる。
【００６１】
なお、本実施形態では、低温バッファ層２２を設け、その上部に高温成長ＧａＮ層２３を形成したが、本発明による製造方法によれば、マスク２１に形成する開口部２１ａの面積が本実施形態のように小さい場合には、低温バッファ層無しでも同様の効果が得られる。
【００６２】
このように本実施形態によれば、サファイア基板２０上に開口２１ａを有するＳｉＯ2 マスク２１を設け、マスク２１の開口２１ａを種にして低温成長ＧａＮバッファ層２２及び高温成長ＧａＮ層２３を形成することにより、貫通転位をマスク２１のほぼ中央部のみに制限することができ、従来よりも貫通転位を低減することができる。このため、結晶性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア基板上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子の歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかり得る。
【００６３】
なお、本実施形態ではＭＯＣＶＤ法を用いた場合に付いて説明したが、ハイドライドＶＰＥ法や、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてもよい。
【００６４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【００６５】
サファイア基板３０上に、溝部３１ａを有するＳｉＯ2 から成るマスク３１が形成され、マスク３１の溝部３１ａにはＭＯＣＶＤ法により低温ＧａＮバッファ層３２が形成されている。そして、マスク３１及びバッファ層３２上には、ラテラル成長を利用してアンドープＧａＮ下地層３３が形成されている。
【００６６】
ＧａＮ下地層３３上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３６，ｎ側ＧａＮ光ガイド層３７，多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＩｎＧａＮ系活性層３８，ｐ側ＧａＮ光ガイド層３９，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０，ｐ型ＧａＮコンタクト層４１がこの順で形成されている。
【００６７】
上記多層構造の一部は、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５に達するまでドライエッチング法により除去され、露出したコンタクト層３５上にｎ側電極４２が形成されている。また、多層構造で除去されない部分のｐ型ＧａＮコンタクト層４１上には電流狭窄のためＳｉＯ2 膜４３が選択的に形成され、このＳｉＯ2 膜４３及びｐ型ＧａＮコンタクト層４１上にｐ側電極４４が形成されている。
【００６８】
次に、本実施形態の半導体レーザの製造方法を順に説明する。この半導体レーザは、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により作成した。用いた原料を以下に示す。有機金属原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用い、ガス原料として、アンモニア（ＮＨ3 ），シラン（ＳｉＨ4 ）を用いた。また、キャリアガスとして水素及び窒素を用いた。
【００６９】
まず、サファイア基板３０上に、図５に示すような５０μｍ間隔に碁盤目状に溝（開口部）３１ａを設けたＳｉＯ2 から成るマスク３１を形成する。次いで、マスク３１を有機洗浄，酸洗浄によって処理した後、このサファイア基板３０をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に導入し、１２００℃，１０分間のサーマルクリ−ニングを行う。
【００７０】
次いで、サセプタ温度を５００℃に上昇し、低温成長ＧａＮバッファ層３２を３分間成長する。続いてサセプタ温度を１１００℃に昇温し、１１００℃に到達した後キャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、アンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分の流量でそれぞれ１時間供給する。これにより、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ下地層３３を形成する。この際、まずマスク３１に形成した溝３１ａが埋め込まれ、その後にＳｉＯ2 上でラテラル成長が促進され、成長した各々の島が合体し、１時間の成長後には平坦なアンドープＧａＮ下地層３３が形成される。
【００７１】
次いで、ＳｉＨ4 を１０ｃｃ加え、連続してｎ型ＧａＮコンタクト層３５（厚さ４．０μｍ）を形成した。続いて、ＴＭＡを６０ｃｃ／分の流量で加えることにより、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３６（厚さ０．２５μｍ）を形成する。さらにその上に、アンドープＧａＮ下地層３４と同様の成長条件で、ＧａＮ光ガイド層３７を形成した。
【００７２】
その後、基板温度を７４０℃まで降温し、キャリアガスを水素から窒素（流量２０．５Ｌ／分）に切り替える。このとき、アンモニアの流量は９．５Ｌ／分、ＴＭＧの流量は９ｃｃ／分一定とし、ＴＭＩの供給量が１４０ｃｃ／分、３０ｃｃ／分と交互に切り替えることにより、ＩｎＧａＮ系活性層３８を形成した。このＩｎＧａＮ系活性層３８は、３対のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ（厚さ２ｎｍ）井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（厚さ４ｎｍ）障壁層から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００７３】
ＩｎＧａＮ系活性層３８を形成後、基板温度を再び１１００℃に昇温する。基板温度が１１００℃に達した後、キャリアガスを再び窒素から水素（流量２０．５Ｌ／分）へ切り替え、ＧａＮ光ガイド層３９，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０（厚さ０．２５μｍ），ｐ型ＧａＮコンタクト層４１（厚さ０．３μｍ）を、この順で形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０成長時のｐ型ドーパント原料Ｃｐ2 Ｍｇの供給量は、２００ｃｃとし、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１の成長時のＣｐ2 Ｍｇの供給量は５０ｃｃとした。ｐ型ＧａＮコンタクト層４１の成長後、有機金属原料の供給を停止し、窒素キャリアガス（流量２０．５Ｌ／分）、及びアンモニア（流量９．５Ｌ／分）のみを引き続き供給し、基板温度を自然降温した。但し、アンモニアの供給は、基板温度が３５０℃に達した際に停止した。
【００７４】
以上の方法で作成された窒化物系半導体レーザ用多層膜について、表面モフォロジの観察を行ったところ、極めて平坦な成長層が得られていた。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、ＭＱＷ構造を有するＩｎＧａＮ系活性層部には、穴などの存在による乱れは見られず、急峻な界面と均一な膜厚を有するＭＱＷ構造が作成されていることが確認できた。また、多層膜中の貫通転位密度は、約６×１０5 ｃｍ-2と低いものであった。
【００７５】
以上の結果を、従来法によるレーザ用多層膜の場合と比較すると、レーザ用多層膜としての結晶品質が著しく向上していることが分かる。即ち、従来法によるレーザ用多層膜では、約１０10ｃｍ-2の高密度の貫通転位が存在し、これらの転位の存在により、ＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ系活性層において、ＭＱＷ構造が破壊されている箇所が所々に観察される。また、従来法により作成したレーザ用多層膜の成長表面には、小さなピット（穴）が存在する。断面ＴＥＭ観察より、これらのピット（穴）の下部には貫通転位が存在している。これに対し本実施形態によれば、上述の問題点を解決でき、窒化物系半導体レーザ用多層膜の結晶品質が大幅に向上する。
【００７６】
また、上記多層構造の一部を、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５までドライエッチング法により除去し、その上部にＴｉ／Ａｌから成るｎ側電極４２を形成する。さらに、多層構造で除去されない部分のｐ型ＧａＮコンタクト層４１上には電流狭窄のためＳｉＯ2 層４３を選択的に形成し、このＳｉＯ2 層４３及びｐ型ＧａＮコンタクト層４１上にｐ側電極４４を形成した。
【００７７】
次に、上述の電極を有する半導体多層膜を形成したウェハを、３５０μｍ×５００μｍの大きさに劈開することにより共振器ミラーを形成し、半導体レーザを作成した。この半導体レーザに電流注入したところ、波長４１７ｎｍで室温連続発振することが確認された。素子の動作電圧は４．５Ｖ、しきい値電流密度は１．５ｋＡ／ｃｍ2 であった。
【００７８】
従来法で作成したＧａＮ系半導体レーザは、歩留まりが悪く、最適化した同一条件下で作成してもレーザ発振する素子の数が４０％程度であり、またレーザ発振した素子でも、寿命が短いという問題があった。従来法によるレーザ素子において、レーザ発振後に壊れた素子について分祈を行ったところ、大部分の素子において、ｐ側電極材料がレーザ用多層膜中に拡散しているか、又はｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）が活性層中及びｎ側電流注入層やコンタクト層中に拡散していることが判明した。
【００７９】
これに対し本実施形態では、上記問題点が解決し、結晶品質の向上により、発振時の光出力等のレーザの初期特性が大幅に向上した。加えて、レーザ発振する素子の歩留まりが８０％以上になり、また素子寿命も従来法の約１００〜１０００倍に延び、信頼性が大幅に向上した。
【００８０】
なお、本実施形態ではレーザについて説明したが、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発光ダイオードにも適用できる。本発明を適用した発光ダイオードでは、素子の発光均一性及び発光強度が従来法によるものに比べ、格段に向上し、素子特性，信頼性をより向上できる。
【００８１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態と同様の半導体レーザを、サファイア上にＧａＮ（２μｍ）、又はＧａＡｌＮ（０．３μｍ）／ＧａＮ（２μｍ）を成長した基板上に形成する。
【００８２】
まず、上記の基板上に１０μｍ幅のＳｉＯ2 マスクを、ＧａＮ又はＧａＡｌＮ層のａ軸〈１１−２０〉と垂直方向〈１−１００〉に、２μｍ間隔でストライプ状に形成する。ついで、前記マスクを形成した基板上にＭＯＣＶＤ法により、５〜５０μｍのＧａＮ層を成長する。成長初期にＳｉＯ2 マスク上でラテラル成長が促進され、その後、成長膜厚の増加と共に表面平坦性が改善される。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によると、成長面内に伝搬した転位が減少し、成長方向に貫通した転位密度がほぼ一定になる。
【００８３】
このように平坦性が改善され、貫通転位密度が一定になった良質な窒化物半導体層を有する基板上に、第２の実施形態と同様の半導体レーザ用多層膜を形成し、同様の方法により半導体レーザを作成した。上記方法によって作成した窒化物半導体レーザも、初期特性、歩留まり、信頼性（素子寿命）が従来の素子と比べ大幅に向上し、第２の実施形態で示したレーザと同様か、それ以上の特性を示した。
【００８４】
なお、本実施形態ではレーザについて説明したが、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発光ダイオードにも適用できる。本発明を適用した発光ダイオードは、素子の発光均一性及び発光強度が従来法によるものに比べ、格段に向上し、素子特性，信頼性がより向上できる。
【００８５】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係わる面発光型半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【００８６】
本実施形態の半導体レーザの作成方法を、以下に説明する。まず、サファイア基板５０上に、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜を蒸着により積層して作成したマスク５１を形成する。マスク５１には、図示されていないが、直径０．５μｍの開口部が５０μｍ間隔で設けられる。
【００８７】
以下のレーザ素子用多層膜の形成はＭＯＣＶＤ法により作成した。
マスク５１を形成したサファイア基板５０上に、ＧａＮバッファ層（図示せず）が２分間成長される。その上部にＳｉをドープしたｎ型ＧａＮコンタクト層５３（厚さ２μｍ）を成長する。この時、まず開口部が埋め込まれ、その後に成長モードはラテラル成長モードに移行し、平坦性の良い膜が形成される。続いて、その上部にＳｉをドープした厚さ０．２５μｍのｎ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ電流注入層５４を成長する。
【００８８】
次いで、厚さ０．１μｍのＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ活性層５５を成長し、その上部にＭｇをドープした厚さ０．２５μｍのｐ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ電流注入層５６、ｎ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ電流狭窄層５７を順次成長する。この後、一旦ウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、電流狭窄層５７の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて部分的にエッチングする方法により、１０μｍφの開口部を形成し、電流注入層５６を一部露出する。
【００８９】
次いで、ウェハを再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、電流狭窄層５７の上にＭｇをドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層５８を成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト層５８成長後、ウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出す。さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層５８のほぼ全面にＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜を蒸着により積層する。ついで、フォトリソグラフィ技術により多層膜を所定の形状に加工し、第１の反射鏡５９を作成する。一方、サファイア基板５０上に形成されたＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜（マスク）５１が、第２の反射鏡となる。
【００９０】
以上のように作成されたレーザ用多層膜の一部を、ドライエッチング法により除去する。さらに、ｎ型ＧａＮコンタクト層５３を露出させて、ｎ側電極６０を形成する。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５８上にも、ｐ側電極６１を形成し、図６に示すようなチップ状のレーザ素子に分離する。
【００９１】
以上のように作成した半導体レーザをヒートシンク上にマウントして、素子特性を調べたところ、波長３８０ｎｍで室温連続発振が確認された。この際のしきい値電流は９５ｍＡ、動作電圧は４．６Ｖであった。
【００９２】
本実施形態による面発光型半導体レーザでは、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜をマスク５１として用いることにより、窒化物系化合物半導体層の成長初期にラテラル成長が促進され、結晶品質を大幅に向上させる。本実施形態により得られたレーザ用多層膜中の結晶欠陥密度は、従来法の１００分の１以下に減少し、この結果、素子の初期特性及び信頼性が向上した。
【００９３】
また、従来法ではウェハ面内で成長層、特に電流注入層として用いるＧａＡｌＮ層において膜厚分布が顕著であり、面発光レーザでは反射率が大幅に低減する問題により、しきい値電流の低減が困難であった。これに対し本実施形態では、窒化物系化合物半導体のラテラル成長を利用することにより上記問題を解決し、膜厚変動が殆どなく、かつ結晶欠陥密度の低い高品質なレーザ用多層膜を提供できる。しかも、成長初期にマスクとして用いたＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜を反射鏡として用いるので、反射率の高い共振器が得られ、これによりしきい値電流を低減できる。
【００９４】
（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【００９５】
まず、ｎ型シリコン基板６０に厚さ１００ｎｍの熱酸化ＳｉＯ2 膜６１を、熱酸化炉内で形成する。次いで、これにレジストを塗布し、通常の光露光法によるパタ−ニングで、レジストマスクを形成する。このレジストマスクには、２μｍの開口部を間隔５０μｍで格子状に作成する。続いて、フッ化アンモニウムにより、上記の開口部のみシリコン酸化膜６１を除去し、溝６１ａを形成する。これにより、シリコン基板６０を露出させた後、レジストを除去する。この基板をＭＯＣＶＤ装置内に入れ、ＳｉＯ2 膜６１が蒸発しないように、約１０００℃で１０分間のサーマルクリ−ニングを行う。
【００９６】
次いで、厚さ２．０μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層６３を形成し、ＳｉＯ2 膜６１を埋め込んだ構造を作る。このｎ型ＧａＮコンタクト層６３はＳｉＯ2 膜６１上ではラテラル成長するため、基板がシリコンであっても、転位の少ない高品質の膜になる。次いで、厚さ０．２５μｍのｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層６４、厚さ０．１μｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層６５、厚さ０．２５μｍのｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層６６、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６７をこの順で形成する。
【００９７】
ＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、シリコン基板６０の裏面にｎ型電極６８を蒸着で形成する。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層６７の表面を光露光でパタ−ニングし、リフトオフ法によりｐ型電極６９を設ける。最後に、ｐ型ドーピングした層の活性化と、ｐ型，ｎ型電極の抵抗を下げるために窒素雰囲気中でアニールを行う。
【００９８】
以上の方法で作成した発光ダイオードに通電したところ、青緑色の強い発光が観測された。この構造の発光ダイオードは、従来のサファイア基板やＳｉＣ基板上に作成されたものよりも低コストで作成できる利点がある。また、シリコン基板上に作られる多種多様の電子デバイスと同一基板上に発光素子を設けた複合素子にも発展できるという利点もある。
【００９９】
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係わる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザの素子構造を示す断面図である。
【０１００】
まず、サファイア基板８０上にＭＯＣＶＤ法により低温ＧａＮバッファ層８２を成長し、その上部にアンドープＧａＮ下地層８３を成長する。続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層８４，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層８５，ｎ側ＧａＮ光ガイド層８６，多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＩｎＧａＮ系活性層８７、ｐ側ＧａＮ光ガイド層８８，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層８９，ｐ型ＧａＮコンタクト層９０をこの順で成長し、レーザに必要な多層膜を形成する。
【０１０１】
上記多層構造のレーザに使用しない領域を、ｎ型ＧａＮコンタクト層８４に達するまでドライエッチング法により除去した後、熱ＣＶＤ法で酸素とジシランを供給ガスとして厚さ５０ｎｍのＳｉＯ2 膜９１を形成する。次いで、適当な電子ビーム露光用レジストを塗布し、ドライエッチングで除去した部分にのみ、４２０ｎｍ間隔のストライプ状に、線幅５０ｎｍのパターンを電子ビーム露光法で作成する。このレジストをマスクにして、フッ化アンモニウムにてＳｉＯ2 膜９１をエッチングし、線状の溝（開口部）９１ａを有するＳｉＯ2 マスク９１を形成する。この結果、この溝９１ａにＧａＮコンタクト層８４が露出される。
【０１０２】
この後、加工中の基板を再びＭＯＣＶＤ装置内に移し、ノンドープのＧａＮ層９２を１００ｎｍの厚さに再成長させる。このＧａＮ層９２は予めマスクで覆い成長を行うが、成長後にレーザ光用導波路となる。導波路の必要でない部分を、再びドライエッチングで除去する。ｎ型ＧａＮ層８４とｎ型ＡｌＧａＮ層８５の界面の端部領域をエッチングし、この領域にｎ側電極９３を、ｐ型ＧａＮ層９０の上にｐ型電極９４をそれぞれ形成する。
【０１０３】
こうして作成した半導体レーザに電流注入したところ、４２０ｎｍの完全に単色化したレーザ光が確認できた。ＧａＮ導波路９２の側面には、４２０ｎｍ周期のＳｉＯ2 のストライプマスク９１が存在するため、導波路内に入った４２０ｎｍ以外の波長を持った光は反射を繰り返していくうちに減衰していく。このため、上記の単色化したレーザー光が得られる。導波路はラテラル成長を利用して作ったＧａＮであるので、転位などの欠陥が少ない高品質の層になっている。
【０１０４】
なお、レーザ用多層膜を成長する前に、４２０ｎｍ周期のＳｉＯ2 ストライプを形成しておけば、同様の方法で活性層の下に周期４２０ｎｍの回折格子を持つ分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを作成することも可能である。
【０１０５】
以上、上記第１乃至第５の実施形態では、ラテラル成長を促進させるために用いるマスク材料として、主にＳｉＯ2 やＴｉＯ2 を用いた場合について説明したが、ＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 の他に、窒化物系化合物半導体の成長温度である１０００℃以上の温度で耐久性を有する（反応しない）材料であれば、同様の効果が得られ、例としてＩｎ2 Ｏ3 ，ＴｉＮ，ＡｌＮ，ＳｉＮx ，ＷＮx 等が挙げられる。また、１０００℃以上の高温で耐久性を有するものであれば、タングステン等の金属材料を用いてもよい。
【０１０６】
金属材料等の放熱性の良い材料をマスク材料として用いることにより、結晶品質の向上による素子特性の向上以外に、以下の点でも大きな効果が得られる。高電流注入や高電圧を必要とする半導体素子の場合には、素子温度の上昇により素子信頼性が低下する問題は深刻である。このような素子の場合、放熱性の良い金属材料をラテラル成長を促進させるためのマスクとして用いることにより、信頼性が大幅に向上する。
【０１０７】
また、熱伝導性の悪い材料をマスクとして用いるメリットもある。例えば、励起されるキャリアが少ないことが問題であるような素子の場合、マスク材料として熱伝導性の悪いものを用いることにより、故意に温度を上昇させ、キャリアの励起を促進させることにより、素子電圧を低減するなどの効果がある。
【０１０８】
以上のように、素子の特徴を活かしたマスク材料の選択により、結晶特性の向上により素子特性が向上する効果のみならず、多種多様な効果が得られる。
【０１０９】
また、上記実施形態では成長基板として、サファイア，Ｓｉ基板を例に挙げたが、この他にＳｉＣやＭｇＡｌ2 Ｏ4 等の基板を用いることもできる。
【０１１０】
さらに、本発明は窒化物系化合物半導体を用いた発光素子のみならず、電子デバイスにも応用できる。特に電子デバイスにおいては、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減による結晶性の向上により、キャリアの移動度が大幅に増加する等、電気的特性が向上し、素子特性が向上する。
【０１１１】
（第７の実施形態）
図９、図１０は本発明の第７の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザを説明するための図で、図９は素子構造断面図、図１０はマスクパターンの平面図である。
【０１１２】
図９において、１０１はサファイア基板、１０２はマスクとしてのＳｉＯ2 層（０．３μｍ）、１０３はアンドープＧａＮ層（３μｍ）、１０４はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ，５×１０18ｃｍ-3，３μｍ）、１０５はｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3，０．８μｍ）、１０６はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ，０．１μｍ）、１０７はｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3，２０ｎｍ）、１０８は活性層である。活性層１０８は、ＩｎＧａＮ量子井戸（アンドープ，Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ，３ｎｍ）が５層とそれを挟むＩｎＧａＮ障壁層（アンドープ，Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ，６ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ）となっている。
【０１１３】
さらに、１０９はｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層（Ｍｇドープ，１×１０18ｃｍ-3，２０ｎｍ）、１１０はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ，０．１μｍ）、１１１はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.02Ｎクラッド層（Ｍｇドープ，１×１０18ｃｍ-3，０．８μｍ）、１１２はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ，１×１０18ｃｍ-3，０．８μｍ）、１１３はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）構造のｐ側電極、１１４はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造のｎ側電極、１１５はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面（紙面に平行）にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートが施されている。
【０１１４】
図９で示す構造の製造方法は、以下の通りである。まず、サファイア基板１０１上に、図１０（ａ）に示すように、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ2 層１０２に六角形に開口したマスクを形成する。このＳｉＯ2 マスクの周期及び大きさの比は、サファイア基板１０１とアンドープＧａＮ１０３の格子不整率の１％以下とし、各辺はアンドープＧａＮ１０３の〈１−１００〉方向に平行になるように形成した。
【０１１５】
次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温して、基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ2 マスク１０２のアニーリングを兼ねた熱処理を施す。その後、温度を５００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給した周知のＭＯＣＶＤ法により、３分間ＧａＮを成長する。続いて、温度を１１００℃に昇温し、１時間アンドープＧａＮ層１０３を成長する。この過程においては、まずマスク開口部にＧａＮが５００℃では無秩序に成長し、１１００℃に昇温することで六角錐状のＧａＮが形成される。続いて、３方向にラテラル成長が進行し、１時間後には平坦なアンドープＧａＮ層１０３が形成される。
【０１１６】
より詳細に述べれば、マスク開口部に露出するサファイア基板１０１の表面からスタートした転位は、マスク１０２の表面に沿って横方向に伝播し、マスクの各遮光部の中央部分で、反対方向から伝播した転位と合体して、貫通転位を形成する。ＧａＮ層１０３が成長するに伴い、貫通転位は上に伸びるが、横方向に形成される転位は、次第に少なくなり、ある厚さ以上の領域には、貫通転位以外の転位が存在しなくなる。換言すれば、ＧａＮ層１０３の一定厚さ以上の領域には、マスク１０２の遮光部上であっても、転位が存在する領域と、転位が存在しない領域とが共存する。
【０１１７】
また、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ2 層１０２中には、水素基を持つＳｉの不完全生成物が乱雑に存在する。このため、窒化物半導体の結晶成長温度より高い温度でアニーリングを行わないと、窒化物半導体成長に必要なアンモニアガスによりＳｉＮｘ層を核とした窒化物半導体がＳｉＯ2 層１０２上にも不規則に成長してしまう。
【０１１８】
次いで、大気暴露をせずに、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮ導波層１０６，ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層１０７，ＭＱＷ活性層１０８，ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層１０９，ｐ−ＧａＮ導波層１１０，ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.02Ｎクラッド層１１１，ｐ−ＧａＮコンタクト層１１２を順次形成する。
【０１１９】
次いで、上記多層構造の一部をｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面までドライエッチング法により除去し、メサを形成し、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面にｎ側電極１１４を形成する。また、メサの頂上部であるｐ型ＧａＮコンタクト層１１２にはストライプ状のｐ側電極１１３を形成する。この場合、露出した窒化物半導体層の表面はＳｉＯ2 層１１５で覆われている。
【０１２０】
以上の方法で作成された窒化物系半導体レーザ用多層膜について、表面モフォロジーの観察を行ったところ、極めて平坦な成長層が得られていた。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、急峻な界面と平坦で均一な膜厚を有するＭＱＷ構造が作成されていることが確認できた。また、多層膜中の貫通転位密度は約１０5 ｃｍ-2と低いものであった。
【０１２１】
次に、上述の半導体多層膜を形成したウェハを、共振器長が２５０μｍになるようにチップ化し、半導体レーザを作成した。これらの半導体レーザに電流注入を行ったところ、波長４１５〜４１７ｎｍで室温連続発振が確認された。素子の動作電圧は４．８Ｖ±０．３Ｖ、しきい値電流密度は１．５〜１．８ｋＡ／ｃｍ2 であった。さらに、ウェハ内の９７％以上の素子で１００００時間以上の室温連続発振が確認された。一方、ラテラル成長を行わないで同一の半導体レーザを作成したところ、多層膜中の貫通転位密度は１０11ｃｍ-2程度と高く、素子の動作電圧は６．２Ｖ±１．５Ｖ、しきい値電流密度は２〜５ｋＡ／ｃｍ2 とばらつきが大きく、また室温連続発振動作は５００時間以内であった。
【０１２２】
このように本実施形態は、サファイア基板１０１上に六角形の開口パターンを有するＳｉＯ2 マスク１０２を形成し、このマスク上にＧａＮ層１０３をラテラル成長を利用して形成することにより、貫通転位等の欠陥の少ない高品質のＧａＮ層１０３を形成することができる。従って、発振時の光出力等のレーザの初期特性が大幅に向上するのみならず、信頼性の向上及び歩留まりの向上を図ることができる。
【０１２３】
なお、本実施形態では、図１０（ａ）で示した六角形の開口パターンを有するＳｉＯ2 マスク１０２を用いたが、図１０（ｂ）で示す三角形の開口パターンを有するマスクを用いた場合でも同様の効果を得ることができた。さらに、図１０（ａ）で示した六角形パターンをＳｉＯ2 の島として用いた場合、同様に図１０（ｂ）で示した三角形パターンをＳｉＯ2 の島として用いた場合でも、同様の効果が得られた。
【０１２４】
（第８の実施形態）
図１１は、本発明の第８の実施形態に係わる窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１１中の３０１〜３１５は図９中の１０１〜１１５に相当している。
【０１２５】
サファイア基板３０１上には、第１のマスクとして厚さ０．３μｍのＳｉＯ2 層３０２ａが形成され、その上に厚さ３μｍのアンドープＧａＮ層３０３ａが形成されている。ＧａＮ層３０３ａ上には、第２のマスクとして厚さ０．３μｍののＳｉＯ2 層３０２ｂが形成され、その上に厚さ３μｍのアンドープＧａＮ層３０３ｂが形成されている。
【０１２６】
そして、ＧａＮ層３０３ｂ上には、先の第７の実施形態と同様に、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層３０５、ｎ−ＧａＮ導波層３０６、ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層３０７、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３０８、ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層３０９、ｐ−ＧａＮ導波層３１０、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.02Ｎクラッド層３１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層３１２、ｐ側電極３１３、ｎ側電極３１４、ＳｉＯ2 絶縁膜３１５が形成されている。
【０１２７】
本実施形態が先の第７の実施形態と異なる点は、ＳｉＯ2 マスクを利用したラテラル成長を２回行うことである。従って、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４以降の形成過程の説明は省略し、相違点の製造工程のみを説明する。
【０１２８】
まず、サファイア基板３０１上に、図１１に示すように、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ2 層３０２ａに六角形に開口したマスクを形成する。このＳｉＯ2 マスク３０２ａの周期、大きさの比は、第７の実施形態と同様に、サファイア基板３０１とアンドープＧａＮ３０３ａの格子不整率の１％以下とし、各辺はアンドープＧａＮ３０３ａの〈１−１００〉方向に平行になるように形成した。
【０１２９】
次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温して基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ2 マスク３０２ａのアニーリングを兼ねた熱処理を施した。その後、温度を５００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給した周知のＭＯＣＶＤ法により３分間ＧａＮを成長する。続いて、温度を１１００℃に昇温し、１時間アンドープＧａＮ層３０３ａを成長する。
【０１３０】
次いで、再度ＳｉＯ2 膜３０２ｂをＣＶＤ法で形成し、アンドープＧａＮ３０３ａの〈１−１００〉方向と平行に、幅３μｍ，周期２０μｍのストライプマスクを形成する。次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温して、基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ2 マスク３０２ｂのアニーリングを兼ねた熱処理を施す。その後、温度を１１００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給し、１時間アンドープＧａＮ層３０３ｂを成長する。
【０１３１】
次いで、大気に暴露すること無しに、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４以降を形成し、半導体レーザを作成する。この場合、レーザ共振器の長手方向をＳｉＯ2 マスク３０２ｂのストライプと平行にすることにより、共振器内に貫通転位が発生する確率は大幅に減り、素子特性を向上させることができる。
【０１３２】
以上の方法で作成された窒化物系半導体レーザ用多層膜のＴＥＭ観察を行ったところ、貫通転位密度は、アンドープＧａＮ層３０３ａの中で約１０5 ｃｍ-2まで、アンドープＧａＮ層３０３ｂより上部の多層膜中では約１０3 ｃｍ-2まで低減できた。
【０１３３】
次に、上述の電極を有する半導体多層膜を形成したウェハを、共振器長が２５０μｍになるようにチップ化し、半導体レーザを作成した。これらの半導体レーザに電流注入をしたところ、波長４１５〜４１７ｎｍで室温連続発振が確認された。素子の動作電圧は４．８Ｖ±０．２Ｖ、しきい値電流密度は１．５〜１．６ｋＡ／ｃｍ2 であった。さらに、ウェハ内の９９％以上の素子で１５０００時間以上の室温連続発振が確認された。
【０１３４】
このように本実施形態では、２回のラテラル成長によって第７の実施形態よりも更なる貫通転位の低減をはかることができ、発振時の光出力等のレーザの初期特性が大幅に向上するのみならず、信頼性の向上及び歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【０１３５】
なお、本実施形態では、図１０（ａ）に示した六角形の開口パターンを有するＳｉＯ2 マスクを用いたが、この他にも図１０（ｂ）で示す三角形の開口パターン、更には六角形の島状パターン、三角形の島状パターンのいずれかを組み合わせて用いてもよく、最下層のＳｉＯ2 マスク（３０２ａ）が六角形又は三角形パターンであればよい。また、本実施形態では２回のラテラル成長を施したが、より多くのラテラル成長を繰り返すことで貫通転位密度が更に低減できることはいうまでもない。
【０１３６】
以上、第７及び第８の実施形態では、ラテラル成長を促進させるために用いるマスク材料として、主にＳｉＯ2 を用いた場合について説明したが、この他に窒化物系半導体の成長温度である１０００℃以上の温度で耐久性を有する材料であれば、同様の効果が得られる。例として、ＴｉＯ2 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＴｉＮ，ＳｉＮ，ＷＮｘ等があげられる。また、１０００℃以上の高温で耐久性を有するものであれば、タングステン等の金属材料を用いてもよい。また、実施形態では成長基板としてサファイア基板を例に挙げたが、この他に、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 等の基板を用いることもできる。
【０１３７】
また、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発光ダイオード，受光素子，電子デバイスにも応用でき、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減による結晶性の向上により、特に高印加電圧が必要な受光素子においては、貫通転位低減による転位の挙動が抑制され信頼性が向上する。特に、電子デバイスにおいてはキャリア移動度が大幅に増加することにより、素子特性及び信頼性が向上する。
【０１３８】
（第９の実施形態）
図１２は、本発明の第９の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【０１３９】
図１２において５１１はサファイア基板であり、この基板５１１上にはｎ型ＧａＮバッファ層５１２が形成されている。ＧａＮバッファ層５１２上にはＳｉＯ2 マスク５１０がストライプ状に形成され、このマスク５１０を用いてバッファ層５１２は所定の深さまでエッチングされている。ＧａＮバッファ層５１２及びＳｉＯ2 マスク５１０上にはｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５１３がラテラル成長を利用して平坦に形成され、その上には、アンドープＧａＮ光ガイド層５１４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子井戸層５１５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５１６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１７が形成されている。
【０１４０】
また、上記の積層構造体は、表面側からクラッド層５１３に達するまで一部除去され、露出したクラッド層５１３上にはｎ側電極５１９が形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１７上には、低抵抗ｐ型ＧａＮコンタクト層５１８を介してｐ側電極５２０が形成されている。これらの電極５１９，５２０はそれぞれ３μｍ幅に狭窄されている。
【０１４１】
ここで、各層の結晶成長にはＭＯＣＶＤを使用している。また、階段構造を有するＧａＮ（５１２）／ＡｌＧａＮ（５１３）のヘテロ接合を作るために、ｎ型ＧａＮ層５１２の成長後にマスクとなるＳｉＯ2 がスパッタで形成されており、その後に一つの幅が２μｍになるようにレジストを用いてパターニングを行った。このとき、ｎ型ＧａＮ層５１２の一部もエッチングを行う。その後、通常の結晶成長を行った。なお、本実施形態では基板側をｎ型としたが、これとは逆に基板側がｐ型の場合にも適用できる。この場合、ｐ型ＧａＮ層上にＳｉＯ2 等のマスク材料を形成することになる。
【０１４２】
本実施形態の構成では、段差構造を有するヘテロ接合の一部にＳｉＯ2 マスクを形成し、その上にラテラル成長を利用して結晶成長させることにより、クラックの発生を招くことなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５１３を厚く形成することができ、クラツド層５１３から漏れる光はなくなる。このため、光の電磁波分布は活性層を中心に広がることになり、光閉じ込めは大きく改善される。従って、モードが安定した発振しきい値の低い半導体レーザが得られる。ちなみに、本実施例の構造の半導体レーザのしきい値は、１ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の１／５以下に小さくすることができた。
（第１０の実施形態）
第１０の実施形態では、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクを形成する方向を変化させ、ラテラル成長特性を調べた結果を示す。ＧａＮの成長は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により行った。図１３（ａ）は、サファイア基板上にＧａＮ層を約２．５μｍ成長し、その上に幅約１．５μｍのストライプ状ＳｉＯ2 マスクを約３μｍ間隔でサファイア基板の〈１１−２１〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に形成した場合の例である。
【０１４３】
また、図１３（ｂ）は、サファイア基板上にＧａＮを約２．５μｍ成長した前記と同様な基板上に幅約１．５μｍのストライプ状ＳｉＯ2 マスクを約３μｍで間隔で、図１３（ａ）とは９０°異なる方向、すなわちサファイア基板の〈１−１００〉方向、またはＧａＮの〈１１−２０〉方向に形成した場合の例である。図１３（ａ），（ｂ）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により試料を断面から観察したものである。
【０１４４】
図１３（ａ）では、ＳｉＯ2 マスクが存在しない部分では、下地層の情報を受け継いでＧａＮの成長が進行し、ＳｉＯ2 マスクが存在する部分では、マスクの両端からラテラル成長が促進され、マスク中央部でＧａＮ層が合体し、さらに成長が進むとＧａＮ層が平坦化される。
【０１４５】
一方、図１３（ｂ）では、ＳｉＯ2 マスクが存在しない部分では成長が進行し、断面が三角形の尾根上の島がＳｉＯ2 マスクのストライプと平行に形成されるが、マスクが存在する部分では成長が進行しない。
【０１４６】
以上の結果から、ＭＯＣＶＤ法ではストライプ状マスクをサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に形成することが望ましいことがわかる。図１４、図１５にラテラル成長促進されるサファイア基板の〈１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に、ＳｉＯ2 ストライプ状マスクを形成した試料の断面透過電子顕微鏡像を示す。サファイア基板とＧａＮ層との界面で発生した貫通転位は、マスクが存在しない部分では成長方向に貫通し、膜厚を増加させても転位密度は増加しない。
【０１４７】
一方、マスクが存在する部分では、マスクの下部に存在した貫通転位はマスクの存在によりブロックされ、その上部への伝播が抑制される。ただし、マスク両端からＧａＮのラテラル成長が進行し、通常マスク中央部でこれらが合体し、貫通転位が生成される。
【０１４８】
さらに、マスク周辺部に存在する貫通転位もマスクの存在により伝播方向が成長方向からこれに垂直な成長面内へと曲げられる。従って、ラテラル成長の初期には成長面に沿って伝播する転位が多く存在するが、２μｍ程度ＧａＮ層を成長させることにより、成長面に沿って伝播する転位の密度は大幅に低減でき、成長方向に伝播する貫通転位のみが存在するようになる。
【０１４９】
すなわち、貫通転位はマスクから離れた部分では従来どおり成長方向に伝播するが、マスク上からその周辺部にかけては転位密度を大幅に低減できる。上記から、ラテラル成長が促進され平坦なＧａＮ膜が得られるマスクの形成方向を選択し、更にマスクの大面積化を図ること、またマスクのストライプ間の間隔を狭くすることにより、貫通転位密度を大幅に低減できる。
（第１１の実施形態）
第１１の実施形態では、ＳｉＯ2 等のマスクを形成する下地基板としてＧａＮを用いた場合、およびＡｌＧａＮを用いた場合について、ラテラル成長特性を調べ比較した結果を示す。ＧａＮの成長は前記実施形態と同様に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって行った。
【０１５０】
図１６は、サファイア基板上にＧａＮ層を約２μｍ成長し、その上に幅約２μｍのストライプ状ＳｉＯ2 マスクをストライプ間隔約３μｍで形成したものを成長基板とした例を示す。図１７は、サファイア基板上にＧａＮを約２μｍ成長した後、ＡｌＧａＮを約２μｍ成長し、その上に幅約３μｍのストライプ状マスクを、ストライプ間隔約３μｍで形成したものを成長基板とした例である。
【０１５１】
ＳｉＯ2 マスクのストライプの方向は、第１０の実施形態で示したように、ＭＯＣＶＤ法においてラテラル成長が促進され易いサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向とする。
【０１５２】
図１６、図１７は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により試料を断面から観察したものである。図１６、図１７に示すように、どちらの基板上でも、ＳｉＯ2 マスクが存在しない部分では下地層の情報を受け継いでＧａＮの成長が進行し、ＳｉＯ2 マスクが存在する部分では、そのマスク上でラテラル成長が促進され、表面平坦性のよいＧａＮ層が得られた。
【０１５３】
しかしながら、図１６に示すように、ＧａＮ／サファイアの積層構造上にＳｉＯ2 マスクを有する場合は、マスク上にボイドが見られ、またマスク片側の下部には、所々にクラックが見られる。このクラックは熱膨張係数差等に起因する歪により生成されたものと思われる。
【０１５４】
一方、図１７に示すように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイアの積層構造上にＳｉＯ2 マスクを有する場合には、マスク上にボイドは観察されず、ラテラル成長により、ＧａＮ層できれいに埋められている。またマスクの下部にクラックも生じない。このように、ＳｉＯ2 等のマスクを形成し、その上にＧａＮ層のラテラル成長を行う場合に用いる基板の表面にＡｌＧａＮを用いることで、ラテラル成長特性がより改善されることが明らかになった。
【０１５５】
上記の第１０および第１１の実施形態より、ストライプ状マスクはサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向と平行に形成することが望ましく、マスク（非開口部）の幅は最低１μｍ以上、好ましくは３μｍ以上、更に好ましくは１０μｍ以上とし、マスクの間隔（開口部の幅）は１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以下であることが望ましい。
【０１５６】
また、ラテラル成長を生じさせるためのマスクを形成する基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＧａＮ基板等のバルクの他、前記バルク上にＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）を形成した基板が好ましい。中でもＳｉＯ2 等のマスクを形成する最表面がＧａＮ，より好ましくはＡｌＧａＮであるとラテラル成長により得られた膜の品質が良い。特に、ＡｌＧａＮが下地の場合は、ボイドやクラックが生じない。上記の下地層としては、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、およびこれらの積層膜が好ましいといえる。また、マスクを形成した基板上に成長する膜は、ＧａＮであることが最も望ましいが、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）であってもよい。例えば、マスクを形成したＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上にＡｌＧａＮをラテラル成長させてもよい。
（第１２の実施形態）
第１２の実施形態では、ＧａＮ／サファイア基板、およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上に、第１０の実施形態で示したサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に幅１２μｍのＳｉＯ2 マスクを２μｍ間隔で形成し、その上にＧａＮ層を約１０μｍ成長させた基板を用いて、その上部に窒化物系青色半導体レーザを形成する。
【０１５７】
また、基板の違いによる半導体レーザの特性を比較した。ＭＯＣＶＤ法による窒化物系半導体レーザ用多層膜の形成方法、および素子の作成方法は、第１１の実施形態と同様である。本実施形態では、ＩｎＧａＮ系多重量子井戸（ＭＱＷ）の井戸数は２とする。
【０１５８】
レーザー素子を作成した結果、ＧａＮ／サファイア基板上に作製した素子に比べ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上に作製した素子の方が、高い歩留まりが得られることが判明した。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、素子作製プロセス中に試料に割れが生じる場合がある。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、前記のような試料の割れは生じないため、歩留まりが非常に良い。ただし、透過電子顕微鏡による転位密度の評価では、ＧａＮ／サファイア基板を用いると、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合とでは、転位密度に大きな差はなく、どちらの試料でも１０4 ｃｍ-2台であった。次にレーザー特性の評価を行った。前記のどちらの試料でも室温連続発振が確認された。ＧａＮ／サファイア基板を用いた試料では、閾値電流密度は約２．３ｋＡｃｍ-2、動作電圧は約４．８Ｖであった。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた試料では、閾値電流密度は約１．８ｋＡｃｍ-2、動作電圧は約３．８Ｖであった。
【０１５９】
次に、室温連続発振を継続し、素子寿命を調査した。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合では、５０００時間程度連続動作を継続したあたりから、素子の動作電圧が徐々に上昇する傾向が見られ、素子寿命は８０００時間であった。これに対し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いたレーザー素子では、９０００時間程度連続動作を継続したあたりから、同様な素子の動作電圧のが上昇が見られたが、約１５０００時間の素子寿命が得られた。
【０１６０】
ＧａＮ／サファイア基板と、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板の、どちらを使用した素子においても、従来の窒化物系半導体レーザーに比べれば、歩留まり、初期特性、信頼性共に大幅な改善が見られる。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合では、第１１の実施形態で示したように、マスク上にボイドが形成されたり、マスク下部にクラックが生じるのに対し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、そのような問題はない。これにより、歩留まり、初期特性、信頼性が改善されたものと考えられる。
（第１３の実施形態）
第１３の実施形態は、ラテラル成長方向に素子構造を形成する例を示す。
【０１６１】
図１８は、第１３の実施形態に係る半導体レーザーの断面図である。先ず、サファイア基板７０１上にＧａＮ層７０２、ＡｌＧａＮ層７０３が積層された基板７００上に、ＳｉＯ2 マスク７０４を形成する。次に、マスク７０４の開口部より、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層７０５を成長させる。
【０１６２】
ＧａＮ層７０５が、垂直方向に図示の高さまで成長した後、Ｖ族、III族の原料組成比を変え、かつラテラル方向のみに成長する成長条件の下に、成長を継続させることにより、マスク７０４上にラテラル方向に積層された素子構造を得ることができる。
【０１６３】
より詳細には、中央のＧａＮ層７０５に近い方から、ｎ−ＧａＮコンタクト層７０６、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７０７、ｎ−ＧａＮガイド層７０８、ＭＱＷ７０９、ｐ−ＧａＮガイド層７１０、ｐ−ＡｌＧａＮ層７１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層７１２からなるレーザー素子である。
【０１６４】
窒化物系半導体レーザーでは、共振器端面を形成する際、従来はへき開やドライエッチング法を用いていたが、材料が硬いことや、サファイア基板等を用いた場合は、基板と成長層との面方位が異なることなどの理由により、レーザーの共振器の作製が困難で、平坦性の良いミラー面が得られ難い問題があった。しかし、本実施形態のように作製したレーザー素子では、成長により自然に得られた平坦性の極めて優れた面をそのまま共振器端面として利用できるため、レーザの共振器端面における反射ロスを大幅に低減できるメリットがある。
【０１６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、開口部を設けたマスクを基板上に形成し、その上部に窒化物系化合物半導体層を形成することによって、転位，積層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥密度が低く、結晶性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア等の基板上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子の歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかることが可能となる。さらに、上記に加えてマスクのパターンを六角形や三角形に規定することにより、貫通転位などの結晶欠陥をより少なくすることが可能となる。
【０１６６】
また、ＩｎＧａＡｌＮ層の一部に段差形状とマスクを部分的に作成した構造を用いることにより、クラックの発生を招くことなく、十分厚いＡｌを含む窒化物系半導体層の結晶成長可能となり、これによりモードの安定した発振しきい値の低い半導体レーザを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法により作成した窒化物系半導体素子の素子構造を示す断面図。
【図２】発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体素子の素子構造を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に使用したマスクの開口部配置を示す斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図５】第２の実施形態に使用した碁盤目状の溝（開口部）を有するマスクを示す斜視図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係わる窒化物系面発光型レーザの素子構造を示す断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係わる窒化物系発光ダイオードの素子構造を示す断面図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係わる窒化物系ＤＢＲレーザの素子構造を示す断面図。
【図９】本発明の第７の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１０】第７の実施形態に使用したマスクパターンの例を示す平面図。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係る窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１２】本発明の第９の実施形態に係る窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１３】本発明の第１０の実施形態に係る窒化物系半導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ）はストライプ状のマスクをサファイア基板の〈１１−２０〉方向に形成した場合、（ｂ）はこれと９０度異なる方向に形成した場合の写真。
【図１４】図１３（ａ）に示したサンプルの断面ＴＥＭ写真。
【図１５】図１３（ｂ）に示したサンプルの断面ＴＥＭ写真。
【図１６】本発明の第１１の実施形態に係る窒化物系半導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ），（ｂ）はいずれもＧａＮ／サファイア基板上にＳｉＯ2 マスクを形成した場合の写真。
【図１７】本発明の第１１の実施形態に係る窒化物系半導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、ＡｌＧａＮ/ ＧａＮ／サファイア基板上にＳｉＯ2 マスクを形成した場合の写真。
【図１８】本発明の第１３の実施例に係る窒化物系半導体レーザーの断面図。
【図１９】島状成長における島の合体時に導入される転位の様子を示す模式図。
【図２０】ラテラル成長により合体境界部に生じる貫通転位上のピット、ボイド、クラックを示す顕微鏡写真。
【図２１】本発明と従来法とのＡｌＧａＮ膜において、Ａｌの含有量とクラックフリー膜厚の関係を示す特性図。
【符号の説明】
２０，３０…サファイア基板
２１，３１…ＳｉＯ2 マスク
２１ａ，３１ａ…溝部（開口部）
２２，３２…低温成長ＧａＮバッファ層
２３，３３…高温成長ＧａＮ下地層
２５…貫通転位
３６…ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層
３７…ｎ側ＧａＮ光ガイド層
３８…ＭＱＷ構造を有するＩｎＧａＮ系活性層
３９…ｐ側ＧａＮ光ガイド層
４０…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層
４１…ｐ型ＧａＮコンタクト層
４２…ｎ側電極
４３…ＳｉＯ2 膜
４４…ｐ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイアやＳｉＣ等の基板上に窒化物系化合物半導体層を形成して作成する半導体レーザ、発光ダイオード、又は電子デバイスなどの窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青色から紫外域にかけての短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）用の材料として、ＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体が注目されている。上記の窒化物系化合物半導体用成長基板としてサファイア基板が最も多く用いられており、その他ＳｉＣ基板やＭｇＡｌ2 Ｏ4 基板等も用いられている。
【０００３】
サファイアやＳｉＣ基板上にＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体層を形成する方法として、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が最も多く用いられている。ＭＯＣＶＤ法によりサファイア等の基板上にＧａＮをはじめとする窒化物系化合物半導体層を形成する際、単結晶の成長が可能な温度（１０００℃以上）で直接基板上に窒化物系化合物半導体層を成長すると、島状成長が顕著で、平坦性の良い膜は得られない。
【０００４】
そこで、一般に単結晶の成長が可能な１０００℃以上の温度で窒化物系化合物半導体層を成長する前に、５００〜６００℃程度の低温で基板上にＡｌＮ又はＧａＮから成るバッファ層を成長する方法が用いられている。このバッファ層の挿入により、平坦性の良い窒化物系化合物半導体層の成長が可能になった。
【０００５】
しかし、高温での成長初期過程において、成長核を中心に成長した島が形成され、これらの島が成長合体する際に島の境界に転位，積層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥が高密度で生成される。サファイア基板上への窒化物系化合物半導体層の成長では約１０8 〜１０11ｃｍ-2もの高密度転位が生成され、これらの転位は成長方向に伝播した貫通転位として成長層内に存在している。従って、これらの貫通転位は、窒化物系短波長半導体レーザ等の素子構造において、活性層を貫通し成長層表面に抜けている。
【０００６】
ここで、島状成長における島の合体時に導入される転位について、図１９を参照して説明する。図１９（ａ）に示すように、成長初期過程において、成長核はランダムに形成される。このとき、転位の生じる位置と生じない位置とを制御することはできない。成長が進むと、図１９（ｂ）に示すように、島の合体により貫通転位が生じる。成長条件により転位密度を制御することはできるが、１×１０8 ｃｍ-2まで減少させるのが限界である。また、図１９（ｃ）に示すように、窒化物系化合物半導体層の膜厚を増加しても、この貫通転位は残る。そして、素子を作成した場合、全ての素子に１０8 〜１０11ｃｍ-2の転位が存在することになる。
【０００７】
貫通転位の存在が窒化物系半導体素子に与える悪影響には、以下に示すようなものがある。
（１）結晶欠陥密度の高い窒化物系化合物半導体層は結晶性が悪く、電気的特性が悪い。即ち、バックグラウンドのドナー（キャリア）濃度が高く、ホール易動度が小さい。
【０００８】
（２）結晶欠陥密度の高い窒化物系化合物半導体層では、キャリアのライフタイムが短く、発光強度が低いなど、光学的特性が劣る。
（３）貫通転位の先端（貫通転位が成長層表面と交わる点）ではピット（穴）が生成され易く、例えば数ｎｍ程度の薄膜を成長して作成する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のＩｎＧａＮ系活性層を成長する過程において、ピットの形成により多重量子井戸構造の秩序性に乱れが生じ、素子の発光領域における所望の構造が損なわれ、その結果成長面内において発光パターンが不均一になる。
【０００９】
（４）ピットの存在により、半導体レーザ等の素子用多層膜の表面平坦性（モフォロジ）が損なわれ、電極の形成等に問題が生じる。
（５）通電時に電極材料がチューブ状の穴等の貫通欠陥を介して拡散する。
（６）通電時や熱処理時にＭｇ等のドーパントが、貫通欠陥を介して故意にドーピングを行った所望の層以外の層に拡散し、素子に悪影響を及ぼす。
【００１０】
以上のような問題により、素子の初期特性や信頼性が損なわれる。しかし、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減は、低温バッファ層の成長条件や高温における窒化物系化合物半導体層の成長条件の最適化や工夫など、従来法を用いた範囲では解決できない。
【００１１】
また、窒化物系化合物半導体の中で特にＩｎＧａＡｌＮ系は、紫外光を含む短波長光源として有望であり、注目を集めている。しかし、この材料系では、Ａｌを含む低屈折率層が厚く成長できないため、光閉じ込めが十分行うことができない。このため、しきい値が高く、モードが安定しない等の問題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、窒化物系化合物半導体層を用いて作成した発光素子や電子デバイスでは、低温成長バッファ層等の成長技術を用いても、貫通転位等の高密度の結晶欠陥が生成され、これらの結晶欠陥の存在により、素子の初期特性や信頼性の向上が阻まれていた。
【００１３】
本発明は、上記の事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、転位，積層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥密度が低く、結晶性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア等の基板上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用いた場合の製造歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかり得る窒化物系半導体素子、発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る窒化物系半導体素子は、第１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスクと、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において複数の転位が垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外であって前記転位から開放された第２の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記半導体層上に形成された所望の素子構造とを具備することを特徴とする。
【００１５】
前記所望の素子構造は、実質的に前記第２の領域上に形成されることが望ましい。より詳細に言えば、所望の素子構造がＦＥＴであれば、そのソース・ドレイン層、ゲート電極が、ダイオードであれば、そのｐ／ｎ領域とその接合部における電流経路が、第２の領域上に形成される。
【００１６】
本発明の請求項３に係る発光素子は、第１層と、前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスクと、前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において複数の転位が垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外であって前記転位から開放された第２の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、前記窒化物系化合物半導体層の前記第２の領域上に実質的に形成され、電流注入層でサンドイッチされた発光層とを具備することを特徴とする。
【００１７】
上記請求項１の半導体素子あるいは請求項３の発光素子において、前記マスクの材料は、水素，窒素，およびアンモニアの少なくとも１つの雰囲気中において、１０００℃以上の高温で反応を生じない物質であることが望ましい。
【００１８】
さらに、前記第１層は、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、Ｓｉ，ＳｉＣ，サファイアおよびこれらの積層膜のグループから選ばれた１つであることが望ましい。
【００１９】
マスクの複数の開口部は、周期的に形成されていることが望ましい。
【００２０】
さらに、前記マスクの前記複数の開口部は、前記窒化物系化合物半導体層のａ軸〈１１−２０〉と垂直方向にストライプ状に形成されることが望ましい。
【００２１】
なお、本明細書中における、例えば〈１１−２０〉は型方向を示し、対称関係にある方向の代表として示されている。
【００２２】
さらに、前記窒化物系化合物半導体層の前記貫通転位の密度が、１０3 乃至１０7 ｃｍ-2であることが望ましい。
【００２３】
さらに、前記窒化物系化合物半導体層は、前記マスクの前記複数の開口部からスタートし、前記マスクの表面に沿って延在する複数の転位が存在する第３の領域を含み、前記第２の領域が前記第３の領域上に存在することが望ましい。
【００２４】
さらに、前記マスク上の窒化物系化合物半導体層の表面は、実質的に平坦であることを特徴とする。
【００２５】
前記窒化物系化合物半導体層は、Ｇａx Ｉｎy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で形成されることが望ましい。
【００２６】
前記マスクは、前記第１層上に、三角形および六角形のいずれかの、複数の開口部および複数の非開口部のいずれかを周期的に形成してなり、前記窒化物系化合物半導体層は、前記マスクの前記非開口部上に形成され垂直方向に前記貫通転位が含まれる前記第１の領域と、前記マスクの前記開口部および前記非開口部上に形成され、前記マスクの表面に沿って前記転位が延在する第３の領域と、前記第３の領域上に形成され、前記転位から開放された前記第２の領域とを具備することができる。
【００２７】
前記第１層は、その表面に周期的に形成された複数の凸部を有し、前記複数の凸部の表面に前記マスクの非開口部が形成され、前記マスクの開口部において前記窒化物系化合物半導体層と接合を形成するようにしてもよい。
【００２８】
前記マスクの前記複数の開口部がストライプ状に形成され、非開口部の幅をＷ、前記複数の開口部の周期をｐ、前記第１層の格子定数をａｓ、前記窒化物系化合物半導体層の格子定数をａｎとしたとき、
−１％≦ｗ／ｐ−ａｎ／ａｓ≦１％、および
−１％≦（ｐ−ｗ）／ｐ−ａｎ／ａｓ≦１％
のいずれかを満足することが望ましい。
【００２９】
本発明の請求項１３に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、第１層上に複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、前記マスクを形成した第１層上に窒化物系化合物半導体層を、前記マスク上でのラテラル成長を利用し、成長方向に伝播する結晶欠陥の少ない領域を形成するように堆積する工程と、前記窒化物系化合物半導体層上に所望の素子構造を形成する工程とを含むことを特徴とする。前記マスクを形成する工程は、前記窒化物系半導体素子層のａ軸 〈１１−２０〉と垂直方向にストライプ状に前記マスクの開口部を形成する工程を含むことが望ましい。
【００３０】
前記窒化物系化合物半導体層を堆積する工程は、前記マスクの表面に沿って伝播する転位が消滅する厚さを有する様に堆積するステップを含むことが望ましい。
【００３１】
前記第１層は、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、Ｓｉ．ＳｉＣ、サファイアおよびこれらの積層膜のグループから選ばれた１つであることが望ましい。
【００３２】
本発明では、窒化物系化合物半導体層をサファイアやＳｉＣ等の第１層（基板）、又はこれらの基板上にＧａＮやＧａＡｌＮなどの窒化物系半導体層を形成した第１層上に形成する場合、第１層上に穴や溝等の開口部を有するマスクが形成され、このマスクが形成された第１層上に窒化物半導体層が低温バッファ層を介して、又は低温バッファ層無しで堆積される。成長初期過程においては、開口部のみが埋め込まれ、開口部が埋め込まれると、マスク上ではラテラル成長が促進される。最低でもラテラル成長によりマスクが覆われ、平坦性の良い薄膜が形成されるまで、あるいは断面ＴＥＭ観察で成長面に沿った転位がなくなり、成長方向に貫通する転位の密度が一定になるまで、成長が持続される。次に、その上部に所望の窒化物系半導体素子を実現するための素子構造が形成される。
【００３３】
ラテラル成長の場合、図２０に示すＳＥＭ写真のように、合体境界部のみに貫通転位が生じるが、成長核となるマスク開口が周期的に配列されていることから、転位の生じる位置と生じない位置とを制御することができる。そして、マスクの開口間隔を適切に選択することにより、貫通転位密度を１０3 〜１０7 ｃｍ-2に低減することが可能となる。ラテラル成長を促進させるために好ましいマスクとして、窒化物系半導体層のａ軸〈１１−２０〉と垂直方向にライン状に形成したＳｉＯ2 マスクが一例としてあげられる。マスクの開口部の幅は５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下、又はマスクの非開口部の幅は２μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上とする。
【００３４】
即ち、窒化物系半導体素子の作成において、所望の大きさと形状を有する開口部を設けたマスクが第１層上に形成され、その上部に窒化物系半導体素子のための素子構造が形成される。これにより、成長初期のラテラル成長を利用し、素子用多層膜の結晶品質を大幅に向上させることができ、その結果として、素子の歩留まり，初期特性，信頼性を大幅に向上させることができる。
【００３５】
また、積層構造の端面より発光する窒化物系半導体レーザの場合、貫通転位やピットの低減により、しきい値電流低減，光出力増加，素子寿命，歩留まりの向上等の効果が得られ、窒化物系発光ダイオードの場合、発光強度，面内発光均一性，素子安定性，歩留まりの向上等の効果が得られる。
【００３６】
さらに、面発光型窒化物系半導体レーザの場合、反射鏡における反射率の大幅な向上により、素子特性が大幅に向上する。また、電子デバイスにおいても結晶欠陥の低減により、電子走行層中の電子のモビリティが増加し、トランジスタのコンダクタンスが従来型に比べ大幅に大きくなるなどの効果により、素子特性が大幅に向上する。
【００３７】
窒化物系系化合物半導体の結晶品質が向上することにより、素子特性が向上する本発明による第１の効果は、発光素子，電子デバイス等、全ての窒化物系半導体素子において共通である。さらに、素子の特徴を活かすようなマスク材料の選択により、レーザの共振器における反射膜としての利用、グレーティングとしての利用、熱放散性の良好な材料を利用すると熱特性が向上することによる素子信頼性の向上、熱伝導性の悪い材料を利用すると励起キャリアが増大することによる電圧低減など、多種多様な効果が得られ、そのメリットは大である。
【００３８】
また、本発明では、サファイアやＳｉＣ等の第１層上に形成する窒化物半導体素子を形成する場合、まず第１層上又は窒化物半導体層上に三角形若しくは六角形の開口部又は非開口部（島）を有するマスクが周期的に形成され、このマスクを形成した第１層上に窒化物半導体層が結晶成長される。
【００３９】
結晶成長初期過程では、マスク開口部上に垂直方向に結晶欠陥が含まれる錐状窒化物半導体結晶（第１の窒化物半導体層）が成長され、錐状結晶の頂点が形成されるとマスクでは横方向に結晶成長（ラテラル成長）が促進される。このとき、錐状窒化物半導体成長では垂直方向に貫通転位などの結晶欠陥が伸びるが、ラテラル成長では貫通転位等の結晶欠陥が結晶成長と共に横方向に伸び、反対側からのラテラル成長結晶と合体したところで収束する。従って、ラテラル成長なしの場合の窒化物半導体素子では格子不整などに起因し１０10ｃｍ-2以上ある転位密度が、ラテラル成長の場合３桁以上低減できる。
【００４０】
ストライプパターンによるマスクを用いたラテラル成長の場合、ストライプ方向には転位発生抑制効果が得られないばかりか、発生した転位はストライプと垂直な一方向のみにしか逃げられない。これに対し、六角形又は三角形パターンによるマスクの場合、横方向に逃げる転位の自由度が３方向あるため貫通転位密度の大きな低減効果が可能となる。
【００４１】
安定なラテラル成長を行うためには、マスクパターンの各辺の方向を、結晶成長させる窒化物半導体の〈１−１００〉方向と平行にすることが重要であり、この場合に最もラテラル成長しやすい３方向に成長が均一に進行する。窒化物半導体の〈１−１００〉方向と９０度ずらしたマスクパターンでの窒化物半導体成長は最も不安定で、錐状の窒化物半導体の核はできない。即ち、窒化物半導体の結晶成長はｃ軸配向性が高いので、六角形や三角形のマスクパターンでは〈１−１００〉方向のみを最大限パターニングすることで、初期転位の少ない錐状窒化物半導体の形成と安定したラテラル成長が可能である。
【００４２】
また、刃状転位やらせん転位は基板と窒化物半導体の格子不整に起因するものであるので、例えばサファイア（０００１）ｃ面と窒化ガリウムｃ面の場合、約１６％の格子不整が生じる。この場合、不整率とパターンの幅と周期の比を同等にすることで転位発生の抑制が可能になる。さらに、マスクを用いたラテラル成長を複数回行うことで転位密度を更に低減できるが、この場合、マスクの周期，形状，大きさ等は下地のマスクに揃えないことで大きな効果が得られる。
【００４３】
一方、窒化物半導体中にＳｉなどの導電型制御のための不純物が１×１０17ｃｍ-3以上存在すると、転位密度が増大する。従って、窒化物半導体層には故意に不純物をドーピングしないことで、貫通転位密度の少ない窒化物半導体が得られる。
【００４４】
このように、六角形や三角形のマスクパターンを用いたラテラル成長を利用した上部に形成される窒化物半導体素子においては、貫通転位などの結晶欠陥の少ない高品質の窒化物半導体層を形成することが可能となり、その結果として、素子の歩留まり，素子特性，信頼性を大幅に向上できる。
【００４５】
また、本発明によれば、窒化物系化合物半導体層（例えば、ＩｎＧａＡｌＮ）の積層構造体を有する半導体素子において、ＩｎＧａＡｌＮ層の一部に段差形状とマスク（例えば、ＳｉＯ2 ）を部分的に作成されている構造を用いるが、このことは重要な意味を持つ。これを、以下に説明する。
【００４６】
前述のように従来のＧａＮ系半導体素子では、光閉じ込めが低く、発振しきい値が高いという問題がある。そこで本発明のように、積層構造体の基板側に段差形状とマスク（ＳｉＯ2 ）が部分的に作成されている構造を用いることが大きな意味を持つ。この構造を用いると、例えばＡｌＧａＮは、横方向成長を起こすため、図２１に示すように、従来のようにクラックが入る膜厚が厚くなる。これにより、十分厚いＡｌを含む結晶膜が成長可能となり、モードの安定した発振しきい値の低い半導体レーザを実現することができる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、本発明による素子は窒化物系化合物半導体を用いたものであれば、発光素子でも電子デバイスでもよい。
【００４８】
（第１の実施形態）
図１乃至３は、本発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体素子の構造を説明するための図で、図１および図２は断面図、図３は斜視図である。
【００４９】
本実施形態では、従来法及び本発明による方法で、（０００１）面に平行な主面を有するサファイア基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりＧａＮ層を形成する場合について説明する。また、従来法及び本発明による方法で作成したＧａＮ層の結晶特性を比較した結果を示す。
【００５０】
図１は、従来法により作成した窒化物系半導体素子の部分的な断面図であり、製造法を以下に説明する。
【００５１】
まず、サファイア基板１０上に低温（５００〜６００℃）でＧａＮバッファ層１２を数十ｎｍ成長し、その後に基板温度を１０００℃以上に昇温し、高温でＧａＮ層１３の成長を行う。従来法によるこの材料系の成長では、低温バッファ層１２を挿入しないで、最初からＧａＮ単結晶の成長が可能な１０００℃以上の高温で成長を行うと、格子不整合が約１６％と非常に大きいため、島状成長が顕著となり、平坦な膜が得られない。高温で成長したＧａＮ層１３の結晶特性は、低温バッファ層１２の成長温度及び成長膜厚等に大きく依存する。本実施例では、各パラメータの最適値を用いてレーザ用多層膜を作成した。
【００５２】
次に、サファイア基板１０上にＧａＮバッファ層１２を介して、高温ＧａＮ層１３を成長する方法についての詳細を説明する。
【００５３】
まず、有機洗浄，酸洗浄によって処理されたサファイア基板１０を、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、高周波加熱されるサセプタ上に設置した。次いで、常圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度１２００℃で約１０分間だけ気相エッチングを施し、表面にできた自然酸化膜を除去した。
【００５４】
次いで、サファイア基板１０上に、ＧａＮバッファ層１２を成長温度５５０℃で４分間、厚さ４０ｎｍに成膜した。本実験では成長時のキャリアガスとして水素が２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてしアンモニアが９．５Ｌ／分、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を２５ｃｃ／分流した。また、バッファ層１２を成長後、基板温度を１２分間で１１００℃に昇温し、１１００℃に到達したらＧａＮ層１３を１時間成長し、２μｍの膜厚に形成した。
【００５５】
次いで、このようにして得られた高温成長ＧａＮ層１３について、モフォロジ観察及びＸ線回折法によるロッキンカーブの半値幅の測定，ホール効果測定を行った。その結果、表面平坦性の極めて良いＧａＮ層１３が得られたことが判明した。Ｘ線半値幅は３．２ arcmin 、キャリア濃度６×１０16ｃｍ-3（ｎ型）、ホール移動度５００ｃｍ2 ／Ｖ・sec と、従来法で作成したＧａＮ層としては、比較的良好な結晶特性が得られた。また、この試料について断面から透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、高温成長ＧａＮ層１３中の貫通転位密度は約３×１０8 ｃｍ-2であり、従来法で作成したＧａＮ層としては低転位密度の結晶が得られた。
【００５６】
次に、本発明による方法でＧａＮ層を作成した場合について、図２、図３を用いて説明する。図２は、本発明による方法で作成した窒化物系半導体素子の部分的な断面図である。以下、本素子の作成法を説明する。
【００５７】
まず、図３に示すように、サファイア基板２０上に、１０μｍ間隔で直径２μｍの開口部２１ａを有するＳｉＯ2 から成るマスク２１を形成する。次いで、このマスク２１を有するサファイア基板２０を、従来と同様のＭＯＣＶＤ装置の反応室内に導入し、高周波によって加熱されるサセプタ上に設置した。次いで、常圧で水素を２５Ｌ／分の流量で流しながら、温度１２００℃で約１０分間、サーマルクリ−ニングを行い、水分や自然酸化膜を除去した。
【００５８】
次いで、マスク２１を形成したサファイア基板２０上に、ＧａＮバッファ層２２を成長温度５５０℃で２分間成膜し、厚さ２０ｎｍに形成した。本実験では成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を２５ｃｃ／分流した。また、バッファ層２２を成長後、基板温度が１１００℃に向けて昇温され、ＴＭＧ供給量を１００ｃｃ／分に増加した。温度が１１００℃に到達した後ＧａＮ層２３を１時間成長し、２μｍの膜厚に形成した。
【００５９】
次いで、このようにして得られた高温成長ＧａＮ層２３について、モフォロジ観察及びＸ線回折法によるロッキンカーブの半値幅の測定，ホール効果測定を行った。その結果、表面平坦性の極めて優れたＧａＮ層２３が得られ、Ｘ線半値幅は１．２ arcmin 、キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3（ｎ型）、ホール移動度９００ｃｍ2 ／Ｖ・sec と、従来法では得られなかった高品質の結晶が得られた。また、この試料について断面から透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、高温成長ＧａＮ層２３中の貫通転位密度は約１×１０6 ｃｍ-2に低減されており、従来法で作成したＧａＮ層の貫通転位密度の約１／１００であった。
【００６０】
また、断面ＴＥＭ観察によると、貫通転位２５はＳｉＯ2 マスク２１のほぼ中央部にのみ存在しており、その他の部分には殆ど結晶欠陥は無かった。これは、マスク２１の開口部２１ａが成長核となり、マスク２１上ではラテラル成長が促進され、マスク２１の中央部で各々の開口部２１ａからラテラル成長した各島が合体し、転位が形成されるためと考えられる。
【００６１】
なお、本実施形態では、低温バッファ層２２を設け、その上部に高温成長ＧａＮ層２３を形成したが、本発明による製造方法によれば、マスク２１に形成する開口部２１ａの面積が本実施形態のように小さい場合には、低温バッファ層無しでも同様の効果が得られる。
【００６２】
このように本実施形態によれば、サファイア基板２０上に開口２１ａを有するＳｉＯ2 マスク２１を設け、マスク２１の開口２１ａを種にして低温成長ＧａＮバッファ層２２及び高温成長ＧａＮ層２３を形成することにより、貫通転位をマスク２１のほぼ中央部のみに制限することができ、従来よりも貫通転位を低減することができる。このため、結晶性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア基板上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子の歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかり得る。
【００６３】
なお、本実施形態ではＭＯＣＶＤ法を用いた場合に付いて説明したが、ハイドライドＶＰＥ法や、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いてもよい。
【００６４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【００６５】
サファイア基板３０上に、溝部３１ａを有するＳｉＯ2 から成るマスク３１が形成され、マスク３１の溝部３１ａにはＭＯＣＶＤ法により低温ＧａＮバッファ層３２が形成されている。そして、マスク３１及びバッファ層３２上には、ラテラル成長を利用してアンドープＧａＮ下地層３３が形成されている。
【００６６】
ＧａＮ下地層３３上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３６，ｎ側ＧａＮ光ガイド層３７，多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＩｎＧａＮ系活性層３８，ｐ側ＧａＮ光ガイド層３９，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０，ｐ型ＧａＮコンタクト層４１がこの順で形成されている。
【００６７】
上記多層構造の一部は、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５に達するまでドライエッチング法により除去され、露出したコンタクト層３５上にｎ側電極４２が形成されている。また、多層構造で除去されない部分のｐ型ＧａＮコンタクト層４１上には電流狭窄のためＳｉＯ2 膜４３が選択的に形成され、このＳｉＯ2 膜４３及びｐ型ＧａＮコンタクト層４１上にｐ側電極４４が形成されている。
【００６８】
次に、本実施形態の半導体レーザの製造方法を順に説明する。この半導体レーザは、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により作成した。用いた原料を以下に示す。有機金属原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2 Ｍｇ）を用い、ガス原料として、アンモニア（ＮＨ3 ），シラン（ＳｉＨ4 ）を用いた。また、キャリアガスとして水素及び窒素を用いた。
【００６９】
まず、サファイア基板３０上に、図５に示すような５０μｍ間隔に碁盤目状に溝（開口部）３１ａを設けたＳｉＯ2 から成るマスク３１を形成する。次いで、マスク３１を有機洗浄，酸洗浄によって処理した後、このサファイア基板３０をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に導入し、１２００℃，１０分間のサーマルクリ−ニングを行う。
【００７０】
次いで、サセプタ温度を５００℃に上昇し、低温成長ＧａＮバッファ層３２を３分間成長する。続いてサセプタ温度を１１００℃に昇温し、１１００℃に到達した後キャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、アンモニアを９．５Ｌ／分、ＴＭＧを１００ｃｃ／分の流量でそれぞれ１時間供給する。これにより、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ下地層３３を形成する。この際、まずマスク３１に形成した溝３１ａが埋め込まれ、その後にＳｉＯ2 上でラテラル成長が促進され、成長した各々の島が合体し、１時間の成長後には平坦なアンドープＧａＮ下地層３３が形成される。
【００７１】
次いで、ＳｉＨ4 を１０ｃｃ加え、連続してｎ型ＧａＮコンタクト層３５（厚さ４．０μｍ）を形成した。続いて、ＴＭＡを６０ｃｃ／分の流量で加えることにより、ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層３６（厚さ０．２５μｍ）を形成する。さらにその上に、アンドープＧａＮ下地層３４と同様の成長条件で、ＧａＮ光ガイド層３７を形成した。
【００７２】
その後、基板温度を７４０℃まで降温し、キャリアガスを水素から窒素（流量２０．５Ｌ／分）に切り替える。このとき、アンモニアの流量は９．５Ｌ／分、ＴＭＧの流量は９ｃｃ／分一定とし、ＴＭＩの供給量が１４０ｃｃ／分、３０ｃｃ／分と交互に切り替えることにより、ＩｎＧａＮ系活性層３８を形成した。このＩｎＧａＮ系活性層３８は、３対のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ（厚さ２ｎｍ）井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ（厚さ４ｎｍ）障壁層から成る多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。
【００７３】
ＩｎＧａＮ系活性層３８を形成後、基板温度を再び１１００℃に昇温する。基板温度が１１００℃に達した後、キャリアガスを再び窒素から水素（流量２０．５Ｌ／分）へ切り替え、ＧａＮ光ガイド層３９，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０（厚さ０．２５μｍ），ｐ型ＧａＮコンタクト層４１（厚さ０．３μｍ）を、この順で形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層４０成長時のｐ型ドーパント原料Ｃｐ2 Ｍｇの供給量は、２００ｃｃとし、ｐ型ＧａＮコンタクト層４１の成長時のＣｐ2 Ｍｇの供給量は５０ｃｃとした。ｐ型ＧａＮコンタクト層４１の成長後、有機金属原料の供給を停止し、窒素キャリアガス（流量２０．５Ｌ／分）、及びアンモニア（流量９．５Ｌ／分）のみを引き続き供給し、基板温度を自然降温した。但し、アンモニアの供給は、基板温度が３５０℃に達した際に停止した。
【００７４】
以上の方法で作成された窒化物系半導体レーザ用多層膜について、表面モフォロジの観察を行ったところ、極めて平坦な成長層が得られていた。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、ＭＱＷ構造を有するＩｎＧａＮ系活性層部には、穴などの存在による乱れは見られず、急峻な界面と均一な膜厚を有するＭＱＷ構造が作成されていることが確認できた。また、多層膜中の貫通転位密度は、約６×１０5 ｃｍ-2と低いものであった。
【００７５】
以上の結果を、従来法によるレーザ用多層膜の場合と比較すると、レーザ用多層膜としての結晶品質が著しく向上していることが分かる。即ち、従来法によるレーザ用多層膜では、約１０10ｃｍ-2の高密度の貫通転位が存在し、これらの転位の存在により、ＭＱＷ構造のＩｎＧａＮ系活性層において、ＭＱＷ構造が破壊されている箇所が所々に観察される。また、従来法により作成したレーザ用多層膜の成長表面には、小さなピット（穴）が存在する。断面ＴＥＭ観察より、これらのピット（穴）の下部には貫通転位が存在している。これに対し本実施形態によれば、上述の問題点を解決でき、窒化物系半導体レーザ用多層膜の結晶品質が大幅に向上する。
【００７６】
また、上記多層構造の一部を、ｎ型ＧａＮコンタクト層３５までドライエッチング法により除去し、その上部にＴｉ／Ａｌから成るｎ側電極４２を形成する。さらに、多層構造で除去されない部分のｐ型ＧａＮコンタクト層４１上には電流狭窄のためＳｉＯ2 層４３を選択的に形成し、このＳｉＯ2 層４３及びｐ型ＧａＮコンタクト層４１上にｐ側電極４４を形成した。
【００７７】
次に、上述の電極を有する半導体多層膜を形成したウェハを、３５０μｍ×５００μｍの大きさに劈開することにより共振器ミラーを形成し、半導体レーザを作成した。この半導体レーザに電流注入したところ、波長４１７ｎｍで室温連続発振することが確認された。素子の動作電圧は４．５Ｖ、しきい値電流密度は１．５ｋＡ／ｃｍ2 であった。
【００７８】
従来法で作成したＧａＮ系半導体レーザは、歩留まりが悪く、最適化した同一条件下で作成してもレーザ発振する素子の数が４０％程度であり、またレーザ発振した素子でも、寿命が短いという問題があった。従来法によるレーザ素子において、レーザ発振後に壊れた素子について分祈を行ったところ、大部分の素子において、ｐ側電極材料がレーザ用多層膜中に拡散しているか、又はｐ型ドーパントであるマグネシウム（Ｍｇ）が活性層中及びｎ側電流注入層やコンタクト層中に拡散していることが判明した。
【００７９】
これに対し本実施形態では、上記問題点が解決し、結晶品質の向上により、発振時の光出力等のレーザの初期特性が大幅に向上した。加えて、レーザ発振する素子の歩留まりが８０％以上になり、また素子寿命も従来法の約１００〜１０００倍に延び、信頼性が大幅に向上した。
【００８０】
なお、本実施形態ではレーザについて説明したが、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発光ダイオードにも適用できる。本発明を適用した発光ダイオードでは、素子の発光均一性及び発光強度が従来法によるものに比べ、格段に向上し、素子特性，信頼性をより向上できる。
【００８１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、第２の実施形態と同様の半導体レーザを、サファイア上にＧａＮ（２μｍ）、又はＧａＡｌＮ（０．３μｍ）／ＧａＮ（２μｍ）を成長した基板上に形成する。
【００８２】
まず、上記の基板上に１０μｍ幅のＳｉＯ2 マスクを、ＧａＮ又はＧａＡｌＮ層のａ軸〈１１−２０〉と垂直方向〈１−１００〉に、２μｍ間隔でストライプ状に形成する。ついで、前記マスクを形成した基板上にＭＯＣＶＤ法により、５〜５０μｍのＧａＮ層を成長する。成長初期にＳｉＯ2 マスク上でラテラル成長が促進され、その後、成長膜厚の増加と共に表面平坦性が改善される。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察によると、成長面内に伝搬した転位が減少し、成長方向に貫通した転位密度がほぼ一定になる。
【００８３】
このように平坦性が改善され、貫通転位密度が一定になった良質な窒化物半導体層を有する基板上に、第２の実施形態と同様の半導体レーザ用多層膜を形成し、同様の方法により半導体レーザを作成した。上記方法によって作成した窒化物半導体レーザも、初期特性、歩留まり、信頼性（素子寿命）が従来の素子と比べ大幅に向上し、第２の実施形態で示したレーザと同様か、それ以上の特性を示した。
【００８４】
なお、本実施形態ではレーザについて説明したが、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発光ダイオードにも適用できる。本発明を適用した発光ダイオードは、素子の発光均一性及び発光強度が従来法によるものに比べ、格段に向上し、素子特性，信頼性がより向上できる。
【００８５】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係わる面発光型半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【００８６】
本実施形態の半導体レーザの作成方法を、以下に説明する。まず、サファイア基板５０上に、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜を蒸着により積層して作成したマスク５１を形成する。マスク５１には、図示されていないが、直径０．５μｍの開口部が５０μｍ間隔で設けられる。
【００８７】
以下のレーザ素子用多層膜の形成はＭＯＣＶＤ法により作成した。
マスク５１を形成したサファイア基板５０上に、ＧａＮバッファ層（図示せず）が２分間成長される。その上部にＳｉをドープしたｎ型ＧａＮコンタクト層５３（厚さ２μｍ）を成長する。この時、まず開口部が埋め込まれ、その後に成長モードはラテラル成長モードに移行し、平坦性の良い膜が形成される。続いて、その上部にＳｉをドープした厚さ０．２５μｍのｎ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ電流注入層５４を成長する。
【００８８】
次いで、厚さ０．１μｍのＩｎ0.1 Ｇａ0.9 Ｎ活性層５５を成長し、その上部にＭｇをドープした厚さ０．２５μｍのｐ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ電流注入層５６、ｎ型Ｇａ0.8 Ａｌ0.2 Ｎ電流狭窄層５７を順次成長する。この後、一旦ウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、電流狭窄層５７の表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて部分的にエッチングする方法により、１０μｍφの開口部を形成し、電流注入層５６を一部露出する。
【００８９】
次いで、ウェハを再びＭＯＣＶＤ装置に導入し、電流狭窄層５７の上にＭｇをドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層５８を成長する。ｐ型ＧａＮコンタクト層５８成長後、ウェハをＭＯＣＶＤ装置から取り出す。さらに、ｐ型ＧａＮコンタクト層５８のほぼ全面にＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜を蒸着により積層する。ついで、フォトリソグラフィ技術により多層膜を所定の形状に加工し、第１の反射鏡５９を作成する。一方、サファイア基板５０上に形成されたＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜（マスク）５１が、第２の反射鏡となる。
【００９０】
以上のように作成されたレーザ用多層膜の一部を、ドライエッチング法により除去する。さらに、ｎ型ＧａＮコンタクト層５３を露出させて、ｎ側電極６０を形成する。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５８上にも、ｐ側電極６１を形成し、図６に示すようなチップ状のレーザ素子に分離する。
【００９１】
以上のように作成した半導体レーザをヒートシンク上にマウントして、素子特性を調べたところ、波長３８０ｎｍで室温連続発振が確認された。この際のしきい値電流は９５ｍＡ、動作電圧は４．６Ｖであった。
【００９２】
本実施形態による面発光型半導体レーザでは、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜をマスク５１として用いることにより、窒化物系化合物半導体層の成長初期にラテラル成長が促進され、結晶品質を大幅に向上させる。本実施形態により得られたレーザ用多層膜中の結晶欠陥密度は、従来法の１００分の１以下に減少し、この結果、素子の初期特性及び信頼性が向上した。
【００９３】
また、従来法ではウェハ面内で成長層、特に電流注入層として用いるＧａＡｌＮ層において膜厚分布が顕著であり、面発光レーザでは反射率が大幅に低減する問題により、しきい値電流の低減が困難であった。これに対し本実施形態では、窒化物系化合物半導体のラテラル成長を利用することにより上記問題を解決し、膜厚変動が殆どなく、かつ結晶欠陥密度の低い高品質なレーザ用多層膜を提供できる。しかも、成長初期にマスクとして用いたＳｉＯ2 とＴｉＯ2 から成る多層膜を反射鏡として用いるので、反射率の高い共振器が得られ、これによりしきい値電流を低減できる。
【００９４】
（第５の実施形態）
図７は、本発明の第５の実施形態に係わる発光ダイオードの素子構造を示す断面図である。
【００９５】
まず、ｎ型シリコン基板６０に厚さ１００ｎｍの熱酸化ＳｉＯ2 膜６１を、熱酸化炉内で形成する。次いで、これにレジストを塗布し、通常の光露光法によるパタ−ニングで、レジストマスクを形成する。このレジストマスクには、２μｍの開口部を間隔５０μｍで格子状に作成する。続いて、フッ化アンモニウムにより、上記の開口部のみシリコン酸化膜６１を除去し、溝６１ａを形成する。これにより、シリコン基板６０を露出させた後、レジストを除去する。この基板をＭＯＣＶＤ装置内に入れ、ＳｉＯ2 膜６１が蒸発しないように、約１０００℃で１０分間のサーマルクリ−ニングを行う。
【００９６】
次いで、厚さ２．０μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層６３を形成し、ＳｉＯ2 膜６１を埋め込んだ構造を作る。このｎ型ＧａＮコンタクト層６３はＳｉＯ2 膜６１上ではラテラル成長するため、基板がシリコンであっても、転位の少ない高品質の膜になる。次いで、厚さ０．２５μｍのｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層６４、厚さ０．１μｍのＩｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ活性層６５、厚さ０．２５μｍのｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層６６、厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層６７をこの順で形成する。
【００９７】
ＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、シリコン基板６０の裏面にｎ型電極６８を蒸着で形成する。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層６７の表面を光露光でパタ−ニングし、リフトオフ法によりｐ型電極６９を設ける。最後に、ｐ型ドーピングした層の活性化と、ｐ型，ｎ型電極の抵抗を下げるために窒素雰囲気中でアニールを行う。
【００９８】
以上の方法で作成した発光ダイオードに通電したところ、青緑色の強い発光が観測された。この構造の発光ダイオードは、従来のサファイア基板やＳｉＣ基板上に作成されたものよりも低コストで作成できる利点がある。また、シリコン基板上に作られる多種多様の電子デバイスと同一基板上に発光素子を設けた複合素子にも発展できるという利点もある。
【００９９】
（第６の実施形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係わる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザの素子構造を示す断面図である。
【０１００】
まず、サファイア基板８０上にＭＯＣＶＤ法により低温ＧａＮバッファ層８２を成長し、その上部にアンドープＧａＮ下地層８３を成長する。続いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層８４，ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層８５，ｎ側ＧａＮ光ガイド層８６，多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するＩｎＧａＮ系活性層８７、ｐ側ＧａＮ光ガイド層８８，ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層８９，ｐ型ＧａＮコンタクト層９０をこの順で成長し、レーザに必要な多層膜を形成する。
【０１０１】
上記多層構造のレーザに使用しない領域を、ｎ型ＧａＮコンタクト層８４に達するまでドライエッチング法により除去した後、熱ＣＶＤ法で酸素とジシランを供給ガスとして厚さ５０ｎｍのＳｉＯ2 膜９１を形成する。次いで、適当な電子ビーム露光用レジストを塗布し、ドライエッチングで除去した部分にのみ、４２０ｎｍ間隔のストライプ状に、線幅５０ｎｍのパターンを電子ビーム露光法で作成する。このレジストをマスクにして、フッ化アンモニウムにてＳｉＯ2 膜９１をエッチングし、線状の溝（開口部）９１ａを有するＳｉＯ2 マスク９１を形成する。この結果、この溝９１ａにＧａＮコンタクト層８４が露出される。
【０１０２】
この後、加工中の基板を再びＭＯＣＶＤ装置内に移し、ノンドープのＧａＮ層９２を１００ｎｍの厚さに再成長させる。このＧａＮ層９２は予めマスクで覆い成長を行うが、成長後にレーザ光用導波路となる。導波路の必要でない部分を、再びドライエッチングで除去する。ｎ型ＧａＮ層８４とｎ型ＡｌＧａＮ層８５の界面の端部領域をエッチングし、この領域にｎ側電極９３を、ｐ型ＧａＮ層９０の上にｐ型電極９４をそれぞれ形成する。
【０１０３】
こうして作成した半導体レーザに電流注入したところ、４２０ｎｍの完全に単色化したレーザ光が確認できた。ＧａＮ導波路９２の側面には、４２０ｎｍ周期のＳｉＯ2 のストライプマスク９１が存在するため、導波路内に入った４２０ｎｍ以外の波長を持った光は反射を繰り返していくうちに減衰していく。このため、上記の単色化したレーザー光が得られる。導波路はラテラル成長を利用して作ったＧａＮであるので、転位などの欠陥が少ない高品質の層になっている。
【０１０４】
なお、レーザ用多層膜を成長する前に、４２０ｎｍ周期のＳｉＯ2 ストライプを形成しておけば、同様の方法で活性層の下に周期４２０ｎｍの回折格子を持つ分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを作成することも可能である。
【０１０５】
以上、上記第１乃至第５の実施形態では、ラテラル成長を促進させるために用いるマスク材料として、主にＳｉＯ2 やＴｉＯ2 を用いた場合について説明したが、ＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 の他に、窒化物系化合物半導体の成長温度である１０００℃以上の温度で耐久性を有する（反応しない）材料であれば、同様の効果が得られ、例としてＩｎ2 Ｏ3 ，ＴｉＮ，ＡｌＮ，ＳｉＮx ，ＷＮx 等が挙げられる。また、１０００℃以上の高温で耐久性を有するものであれば、タングステン等の金属材料を用いてもよい。
【０１０６】
金属材料等の放熱性の良い材料をマスク材料として用いることにより、結晶品質の向上による素子特性の向上以外に、以下の点でも大きな効果が得られる。高電流注入や高電圧を必要とする半導体素子の場合には、素子温度の上昇により素子信頼性が低下する問題は深刻である。このような素子の場合、放熱性の良い金属材料をラテラル成長を促進させるためのマスクとして用いることにより、信頼性が大幅に向上する。
【０１０７】
また、熱伝導性の悪い材料をマスクとして用いるメリットもある。例えば、励起されるキャリアが少ないことが問題であるような素子の場合、マスク材料として熱伝導性の悪いものを用いることにより、故意に温度を上昇させ、キャリアの励起を促進させることにより、素子電圧を低減するなどの効果がある。
【０１０８】
以上のように、素子の特徴を活かしたマスク材料の選択により、結晶特性の向上により素子特性が向上する効果のみならず、多種多様な効果が得られる。
【０１０９】
また、上記実施形態では成長基板として、サファイア，Ｓｉ基板を例に挙げたが、この他にＳｉＣやＭｇＡｌ2 Ｏ4 等の基板を用いることもできる。
【０１１０】
さらに、本発明は窒化物系化合物半導体を用いた発光素子のみならず、電子デバイスにも応用できる。特に電子デバイスにおいては、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減による結晶性の向上により、キャリアの移動度が大幅に増加する等、電気的特性が向上し、素子特性が向上する。
【０１１１】
（第７の実施形態）
図９、図１０は本発明の第７の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザを説明するための図で、図９は素子構造断面図、図１０はマスクパターンの平面図である。
【０１１２】
図９において、１０１はサファイア基板、１０２はマスクとしてのＳｉＯ2 層（０．３μｍ）、１０３はアンドープＧａＮ層（３μｍ）、１０４はｎ−ＧａＮコンタクト層（Ｓｉドープ，５×１０18ｃｍ-3，３μｍ）、１０５はｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3，０．８μｍ）、１０６はｎ−ＧａＮ導波層（Ｓｉドープ，０．１μｍ）、１０７はｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層（Ｓｉドープ，１×１０18ｃｍ-3，２０ｎｍ）、１０８は活性層である。活性層１０８は、ＩｎＧａＮ量子井戸（アンドープ，Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ，３ｎｍ）が５層とそれを挟むＩｎＧａＮ障壁層（アンドープ，Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ，６ｎｍ）からなる量子井戸構造（ＳＣＨ−ＭＱＷ）となっている。
【０１１３】
さらに、１０９はｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層（Ｍｇドープ，１×１０18ｃｍ-3，２０ｎｍ）、１１０はｐ−ＧａＮ導波層（Ｍｇドープ，０．１μｍ）、１１１はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.02Ｎクラッド層（Ｍｇドープ，１×１０18ｃｍ-3，０．８μｍ）、１１２はｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｍｇドープ，１×１０18ｃｍ-3，０．８μｍ）、１１３はＰｔ（１０ｎｍ）／Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１μｍ）構造のｐ側電極、１１４はＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造のｎ側電極、１１５はＳｉＯ2 絶縁膜である。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面（紙面に平行）にはＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 を多層に積層した高反射コートが施されている。
【０１１４】
図９で示す構造の製造方法は、以下の通りである。まず、サファイア基板１０１上に、図１０（ａ）に示すように、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ2 層１０２に六角形に開口したマスクを形成する。このＳｉＯ2 マスクの周期及び大きさの比は、サファイア基板１０１とアンドープＧａＮ１０３の格子不整率の１％以下とし、各辺はアンドープＧａＮ１０３の〈１−１００〉方向に平行になるように形成した。
【０１１５】
次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温して、基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ2 マスク１０２のアニーリングを兼ねた熱処理を施す。その後、温度を５００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給した周知のＭＯＣＶＤ法により、３分間ＧａＮを成長する。続いて、温度を１１００℃に昇温し、１時間アンドープＧａＮ層１０３を成長する。この過程においては、まずマスク開口部にＧａＮが５００℃では無秩序に成長し、１１００℃に昇温することで六角錐状のＧａＮが形成される。続いて、３方向にラテラル成長が進行し、１時間後には平坦なアンドープＧａＮ層１０３が形成される。
【０１１６】
より詳細に述べれば、マスク開口部に露出するサファイア基板１０１の表面からスタートした転位は、マスク１０２の表面に沿って横方向に伝播し、マスクの各遮光部の中央部分で、反対方向から伝播した転位と合体して、貫通転位を形成する。ＧａＮ層１０３が成長するに伴い、貫通転位は上に伸びるが、横方向に形成される転位は、次第に少なくなり、ある厚さ以上の領域には、貫通転位以外の転位が存在しなくなる。換言すれば、ＧａＮ層１０３の一定厚さ以上の領域には、マスク１０２の遮光部上であっても、転位が存在する領域と、転位が存在しない領域とが共存する。
【０１１７】
また、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ2 層１０２中には、水素基を持つＳｉの不完全生成物が乱雑に存在する。このため、窒化物半導体の結晶成長温度より高い温度でアニーリングを行わないと、窒化物半導体成長に必要なアンモニアガスによりＳｉＮｘ層を核とした窒化物半導体がＳｉＯ2 層１０２上にも不規則に成長してしまう。
【０１１８】
次いで、大気暴露をせずに、ｎ−ＧａＮコンタクト層１０４，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０５，ｎ−ＧａＮ導波層１０６，ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層１０７，ＭＱＷ活性層１０８，ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層１０９，ｐ−ＧａＮ導波層１１０，ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.02Ｎクラッド層１１１，ｐ−ＧａＮコンタクト層１１２を順次形成する。
【０１１９】
次いで、上記多層構造の一部をｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面までドライエッチング法により除去し、メサを形成し、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層１０４の表面にｎ側電極１１４を形成する。また、メサの頂上部であるｐ型ＧａＮコンタクト層１１２にはストライプ状のｐ側電極１１３を形成する。この場合、露出した窒化物半導体層の表面はＳｉＯ2 層１１５で覆われている。
【０１２０】
以上の方法で作成された窒化物系半導体レーザ用多層膜について、表面モフォロジーの観察を行ったところ、極めて平坦な成長層が得られていた。また、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行ったところ、急峻な界面と平坦で均一な膜厚を有するＭＱＷ構造が作成されていることが確認できた。また、多層膜中の貫通転位密度は約１０5 ｃｍ-2と低いものであった。
【０１２１】
次に、上述の半導体多層膜を形成したウェハを、共振器長が２５０μｍになるようにチップ化し、半導体レーザを作成した。これらの半導体レーザに電流注入を行ったところ、波長４１５〜４１７ｎｍで室温連続発振が確認された。素子の動作電圧は４．８Ｖ±０．３Ｖ、しきい値電流密度は１．５〜１．８ｋＡ／ｃｍ2 であった。さらに、ウェハ内の９７％以上の素子で１００００時間以上の室温連続発振が確認された。一方、ラテラル成長を行わないで同一の半導体レーザを作成したところ、多層膜中の貫通転位密度は１０11ｃｍ-2程度と高く、素子の動作電圧は６．２Ｖ±１．５Ｖ、しきい値電流密度は２〜５ｋＡ／ｃｍ2 とばらつきが大きく、また室温連続発振動作は５００時間以内であった。
【０１２２】
このように本実施形態は、サファイア基板１０１上に六角形の開口パターンを有するＳｉＯ2 マスク１０２を形成し、このマスク上にＧａＮ層１０３をラテラル成長を利用して形成することにより、貫通転位等の欠陥の少ない高品質のＧａＮ層１０３を形成することができる。従って、発振時の光出力等のレーザの初期特性が大幅に向上するのみならず、信頼性の向上及び歩留まりの向上を図ることができる。
【０１２３】
なお、本実施形態では、図１０（ａ）で示した六角形の開口パターンを有するＳｉＯ2 マスク１０２を用いたが、図１０（ｂ）で示す三角形の開口パターンを有するマスクを用いた場合でも同様の効果を得ることができた。さらに、図１０（ａ）で示した六角形パターンをＳｉＯ2 の島として用いた場合、同様に図１０（ｂ）で示した三角形パターンをＳｉＯ2 の島として用いた場合でも、同様の効果が得られた。
【０１２４】
（第８の実施形態）
図１１は、本発明の第８の実施形態に係わる窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。なお、図１１中の３０１〜３１５は図９中の１０１〜１１５に相当している。
【０１２５】
サファイア基板３０１上には、第１のマスクとして厚さ０．３μｍのＳｉＯ2 層３０２ａが形成され、その上に厚さ３μｍのアンドープＧａＮ層３０３ａが形成されている。ＧａＮ層３０３ａ上には、第２のマスクとして厚さ０．３μｍののＳｉＯ2 層３０２ｂが形成され、その上に厚さ３μｍのアンドープＧａＮ層３０３ｂが形成されている。
【０１２６】
そして、ＧａＮ層３０３ｂ上には、先の第７の実施形態と同様に、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４、ｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層３０５、ｎ−ＧａＮ導波層３０６、ｎ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層３０７、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３０８、ｐ−Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ｎキャリアオーバーフロー防止層３０９、ｐ−ＧａＮ導波層３１０、ｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.02Ｎクラッド層３１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層３１２、ｐ側電極３１３、ｎ側電極３１４、ＳｉＯ2 絶縁膜３１５が形成されている。
【０１２７】
本実施形態が先の第７の実施形態と異なる点は、ＳｉＯ2 マスクを利用したラテラル成長を２回行うことである。従って、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４以降の形成過程の説明は省略し、相違点の製造工程のみを説明する。
【０１２８】
まず、サファイア基板３０１上に、図１１に示すように、ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ2 層３０２ａに六角形に開口したマスクを形成する。このＳｉＯ2 マスク３０２ａの周期、大きさの比は、第７の実施形態と同様に、サファイア基板３０１とアンドープＧａＮ３０３ａの格子不整率の１％以下とし、各辺はアンドープＧａＮ３０３ａの〈１−１００〉方向に平行になるように形成した。
【０１２９】
次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温して基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ2 マスク３０２ａのアニーリングを兼ねた熱処理を施した。その後、温度を５００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給した周知のＭＯＣＶＤ法により３分間ＧａＮを成長する。続いて、温度を１１００℃に昇温し、１時間アンドープＧａＮ層３０３ａを成長する。
【０１３０】
次いで、再度ＳｉＯ2 膜３０２ｂをＣＶＤ法で形成し、アンドープＧａＮ３０３ａの〈１−１００〉方向と平行に、幅３μｍ，周期２０μｍのストライプマスクを形成する。次いで、窒素雰囲気で１２００℃まで昇温して、基板のサーマルクリーニングとＳｉＯ2 マスク３０２ｂのアニーリングを兼ねた熱処理を施す。その後、温度を１１００℃まで降温し、トリメチルガリウム及びアンモニアガスとキャリアガスを供給し、１時間アンドープＧａＮ層３０３ｂを成長する。
【０１３１】
次いで、大気に暴露すること無しに、ｎ−ＧａＮコンタクト層３０４以降を形成し、半導体レーザを作成する。この場合、レーザ共振器の長手方向をＳｉＯ2 マスク３０２ｂのストライプと平行にすることにより、共振器内に貫通転位が発生する確率は大幅に減り、素子特性を向上させることができる。
【０１３２】
以上の方法で作成された窒化物系半導体レーザ用多層膜のＴＥＭ観察を行ったところ、貫通転位密度は、アンドープＧａＮ層３０３ａの中で約１０5 ｃｍ-2まで、アンドープＧａＮ層３０３ｂより上部の多層膜中では約１０3 ｃｍ-2まで低減できた。
【０１３３】
次に、上述の電極を有する半導体多層膜を形成したウェハを、共振器長が２５０μｍになるようにチップ化し、半導体レーザを作成した。これらの半導体レーザに電流注入をしたところ、波長４１５〜４１７ｎｍで室温連続発振が確認された。素子の動作電圧は４．８Ｖ±０．２Ｖ、しきい値電流密度は１．５〜１．６ｋＡ／ｃｍ2 であった。さらに、ウェハ内の９９％以上の素子で１５０００時間以上の室温連続発振が確認された。
【０１３４】
このように本実施形態では、２回のラテラル成長によって第７の実施形態よりも更なる貫通転位の低減をはかることができ、発振時の光出力等のレーザの初期特性が大幅に向上するのみならず、信頼性の向上及び歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【０１３５】
なお、本実施形態では、図１０（ａ）に示した六角形の開口パターンを有するＳｉＯ2 マスクを用いたが、この他にも図１０（ｂ）で示す三角形の開口パターン、更には六角形の島状パターン、三角形の島状パターンのいずれかを組み合わせて用いてもよく、最下層のＳｉＯ2 マスク（３０２ａ）が六角形又は三角形パターンであればよい。また、本実施形態では２回のラテラル成長を施したが、より多くのラテラル成長を繰り返すことで貫通転位密度が更に低減できることはいうまでもない。
【０１３６】
以上、第７及び第８の実施形態では、ラテラル成長を促進させるために用いるマスク材料として、主にＳｉＯ2 を用いた場合について説明したが、この他に窒化物系半導体の成長温度である１０００℃以上の温度で耐久性を有する材料であれば、同様の効果が得られる。例として、ＴｉＯ2 ，Ｉｎ2 Ｏ3 ，ＴｉＮ，ＳｉＮ，ＷＮｘ等があげられる。また、１０００℃以上の高温で耐久性を有するものであれば、タングステン等の金属材料を用いてもよい。また、実施形態では成長基板としてサファイア基板を例に挙げたが、この他に、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＺｎＯ，ＭｇＡｌ2 Ｏ4 等の基板を用いることもできる。
【０１３７】
また、本発明は窒化物系半導体レーザのみならず、発光ダイオード，受光素子，電子デバイスにも応用でき、貫通転位等の結晶欠陥密度の低減による結晶性の向上により、特に高印加電圧が必要な受光素子においては、貫通転位低減による転位の挙動が抑制され信頼性が向上する。特に、電子デバイスにおいてはキャリア移動度が大幅に増加することにより、素子特性及び信頼性が向上する。
【０１３８】
（第９の実施形態）
図１２は、本発明の第９の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【０１３９】
図１２において５１１はサファイア基板であり、この基板５１１上にはｎ型ＧａＮバッファ層５１２が形成されている。ＧａＮバッファ層５１２上にはＳｉＯ2 マスク５１０がストライプ状に形成され、このマスク５１０を用いてバッファ層５１２は所定の深さまでエッチングされている。ＧａＮバッファ層５１２及びＳｉＯ2 マスク５１０上にはｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５１３がラテラル成長を利用して平坦に形成され、その上には、アンドープＧａＮ光ガイド層５１４、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子井戸層５１５、ｐ型ＧａＮ光ガイド層５１６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１７が形成されている。
【０１４０】
また、上記の積層構造体は、表面側からクラッド層５１３に達するまで一部除去され、露出したクラッド層５１３上にはｎ側電極５１９が形成されている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層５１７上には、低抵抗ｐ型ＧａＮコンタクト層５１８を介してｐ側電極５２０が形成されている。これらの電極５１９，５２０はそれぞれ３μｍ幅に狭窄されている。
【０１４１】
ここで、各層の結晶成長にはＭＯＣＶＤを使用している。また、階段構造を有するＧａＮ（５１２）／ＡｌＧａＮ（５１３）のヘテロ接合を作るために、ｎ型ＧａＮ層５１２の成長後にマスクとなるＳｉＯ2 がスパッタで形成されており、その後に一つの幅が２μｍになるようにレジストを用いてパターニングを行った。このとき、ｎ型ＧａＮ層５１２の一部もエッチングを行う。その後、通常の結晶成長を行った。なお、本実施形態では基板側をｎ型としたが、これとは逆に基板側がｐ型の場合にも適用できる。この場合、ｐ型ＧａＮ層上にＳｉＯ2 等のマスク材料を形成することになる。
【０１４２】
本実施形態の構成では、段差構造を有するヘテロ接合の一部にＳｉＯ2 マスクを形成し、その上にラテラル成長を利用して結晶成長させることにより、クラックの発生を招くことなく、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５１３を厚く形成することができ、クラツド層５１３から漏れる光はなくなる。このため、光の電磁波分布は活性層を中心に広がることになり、光閉じ込めは大きく改善される。従って、モードが安定した発振しきい値の低い半導体レーザが得られる。ちなみに、本実施例の構造の半導体レーザのしきい値は、１ｋＡ／ｃｍ2 であり、従来の１／５以下に小さくすることができた。
（第１０の実施形態）
第１０の実施形態では、ストライプ状のＳｉＯ2 マスクを形成する方向を変化させ、ラテラル成長特性を調べた結果を示す。ＧａＮの成長は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）により行った。図１３（ａ）は、サファイア基板上にＧａＮ層を約２．５μｍ成長し、その上に幅約１．５μｍのストライプ状ＳｉＯ2 マスクを約３μｍ間隔でサファイア基板の〈１１−２１〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に形成した場合の例である。
【０１４３】
また、図１３（ｂ）は、サファイア基板上にＧａＮを約２．５μｍ成長した前記と同様な基板上に幅約１．５μｍのストライプ状ＳｉＯ2 マスクを約３μｍで間隔で、図１３（ａ）とは９０°異なる方向、すなわちサファイア基板の〈１−１００〉方向、またはＧａＮの〈１１−２０〉方向に形成した場合の例である。図１３（ａ），（ｂ）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により試料を断面から観察したものである。
【０１４４】
図１３（ａ）では、ＳｉＯ2 マスクが存在しない部分では、下地層の情報を受け継いでＧａＮの成長が進行し、ＳｉＯ2 マスクが存在する部分では、マスクの両端からラテラル成長が促進され、マスク中央部でＧａＮ層が合体し、さらに成長が進むとＧａＮ層が平坦化される。
【０１４５】
一方、図１３（ｂ）では、ＳｉＯ2 マスクが存在しない部分では成長が進行し、断面が三角形の尾根上の島がＳｉＯ2 マスクのストライプと平行に形成されるが、マスクが存在する部分では成長が進行しない。
【０１４６】
以上の結果から、ＭＯＣＶＤ法ではストライプ状マスクをサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に形成することが望ましいことがわかる。図１４、図１５にラテラル成長促進されるサファイア基板の〈１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に、ＳｉＯ2 ストライプ状マスクを形成した試料の断面透過電子顕微鏡像を示す。サファイア基板とＧａＮ層との界面で発生した貫通転位は、マスクが存在しない部分では成長方向に貫通し、膜厚を増加させても転位密度は増加しない。
【０１４７】
一方、マスクが存在する部分では、マスクの下部に存在した貫通転位はマスクの存在によりブロックされ、その上部への伝播が抑制される。ただし、マスク両端からＧａＮのラテラル成長が進行し、通常マスク中央部でこれらが合体し、貫通転位が生成される。
【０１４８】
さらに、マスク周辺部に存在する貫通転位もマスクの存在により伝播方向が成長方向からこれに垂直な成長面内へと曲げられる。従って、ラテラル成長の初期には成長面に沿って伝播する転位が多く存在するが、２μｍ程度ＧａＮ層を成長させることにより、成長面に沿って伝播する転位の密度は大幅に低減でき、成長方向に伝播する貫通転位のみが存在するようになる。
【０１４９】
すなわち、貫通転位はマスクから離れた部分では従来どおり成長方向に伝播するが、マスク上からその周辺部にかけては転位密度を大幅に低減できる。上記から、ラテラル成長が促進され平坦なＧａＮ膜が得られるマスクの形成方向を選択し、更にマスクの大面積化を図ること、またマスクのストライプ間の間隔を狭くすることにより、貫通転位密度を大幅に低減できる。
（第１１の実施形態）
第１１の実施形態では、ＳｉＯ2 等のマスクを形成する下地基板としてＧａＮを用いた場合、およびＡｌＧａＮを用いた場合について、ラテラル成長特性を調べ比較した結果を示す。ＧａＮの成長は前記実施形態と同様に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって行った。
【０１５０】
図１６は、サファイア基板上にＧａＮ層を約２μｍ成長し、その上に幅約２μｍのストライプ状ＳｉＯ2 マスクをストライプ間隔約３μｍで形成したものを成長基板とした例を示す。図１７は、サファイア基板上にＧａＮを約２μｍ成長した後、ＡｌＧａＮを約２μｍ成長し、その上に幅約３μｍのストライプ状マスクを、ストライプ間隔約３μｍで形成したものを成長基板とした例である。
【０１５１】
ＳｉＯ2 マスクのストライプの方向は、第１０の実施形態で示したように、ＭＯＣＶＤ法においてラテラル成長が促進され易いサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向とする。
【０１５２】
図１６、図１７は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により試料を断面から観察したものである。図１６、図１７に示すように、どちらの基板上でも、ＳｉＯ2 マスクが存在しない部分では下地層の情報を受け継いでＧａＮの成長が進行し、ＳｉＯ2 マスクが存在する部分では、そのマスク上でラテラル成長が促進され、表面平坦性のよいＧａＮ層が得られた。
【０１５３】
しかしながら、図１６に示すように、ＧａＮ／サファイアの積層構造上にＳｉＯ2 マスクを有する場合は、マスク上にボイドが見られ、またマスク片側の下部には、所々にクラックが見られる。このクラックは熱膨張係数差等に起因する歪により生成されたものと思われる。
【０１５４】
一方、図１７に示すように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイアの積層構造上にＳｉＯ2 マスクを有する場合には、マスク上にボイドは観察されず、ラテラル成長により、ＧａＮ層できれいに埋められている。またマスクの下部にクラックも生じない。このように、ＳｉＯ2 等のマスクを形成し、その上にＧａＮ層のラテラル成長を行う場合に用いる基板の表面にＡｌＧａＮを用いることで、ラテラル成長特性がより改善されることが明らかになった。
【０１５５】
上記の第１０および第１１の実施形態より、ストライプ状マスクはサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向と平行に形成することが望ましく、マスク（非開口部）の幅は最低１μｍ以上、好ましくは３μｍ以上、更に好ましくは１０μｍ以上とし、マスクの間隔（開口部の幅）は１０μｍ以下、好ましくは２μｍ以下であることが望ましい。
【０１５６】
また、ラテラル成長を生じさせるためのマスクを形成する基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＧａＮ基板等のバルクの他、前記バルク上にＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）を形成した基板が好ましい。中でもＳｉＯ2 等のマスクを形成する最表面がＧａＮ，より好ましくはＡｌＧａＮであるとラテラル成長により得られた膜の品質が良い。特に、ＡｌＧａＮが下地の場合は、ボイドやクラックが生じない。上記の下地層としては、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＮ，ＧａＮ、およびこれらの材料にＢを添加した材料、およびこれらの積層膜が好ましいといえる。また、マスクを形成した基板上に成長する膜は、ＧａＮであることが最も望ましいが、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）であってもよい。例えば、マスクを形成したＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上にＡｌＧａＮをラテラル成長させてもよい。
（第１２の実施形態）
第１２の実施形態では、ＧａＮ／サファイア基板、およびＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上に、第１０の実施形態で示したサファイア基板の〈１１−２０〉方向、すなわちＧａＮの〈１−１００〉方向に幅１２μｍのＳｉＯ2 マスクを２μｍ間隔で形成し、その上にＧａＮ層を約１０μｍ成長させた基板を用いて、その上部に窒化物系青色半導体レーザを形成する。
【０１５７】
また、基板の違いによる半導体レーザの特性を比較した。ＭＯＣＶＤ法による窒化物系半導体レーザ用多層膜の形成方法、および素子の作成方法は、第１１の実施形態と同様である。本実施形態では、ＩｎＧａＮ系多重量子井戸（ＭＱＷ）の井戸数は２とする。
【０１５８】
レーザー素子を作成した結果、ＧａＮ／サファイア基板上に作製した素子に比べ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板上に作製した素子の方が、高い歩留まりが得られることが判明した。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、素子作製プロセス中に試料に割れが生じる場合がある。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、前記のような試料の割れは生じないため、歩留まりが非常に良い。ただし、透過電子顕微鏡による転位密度の評価では、ＧａＮ／サファイア基板を用いると、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合とでは、転位密度に大きな差はなく、どちらの試料でも１０4 ｃｍ-2台であった。次にレーザー特性の評価を行った。前記のどちらの試料でも室温連続発振が確認された。ＧａＮ／サファイア基板を用いた試料では、閾値電流密度は約２．３ｋＡｃｍ-2、動作電圧は約４．８Ｖであった。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた試料では、閾値電流密度は約１．８ｋＡｃｍ-2、動作電圧は約３．８Ｖであった。
【０１５９】
次に、室温連続発振を継続し、素子寿命を調査した。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合では、５０００時間程度連続動作を継続したあたりから、素子の動作電圧が徐々に上昇する傾向が見られ、素子寿命は８０００時間であった。これに対し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いたレーザー素子では、９０００時間程度連続動作を継続したあたりから、同様な素子の動作電圧のが上昇が見られたが、約１５０００時間の素子寿命が得られた。
【０１６０】
ＧａＮ／サファイア基板と、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板の、どちらを使用した素子においても、従来の窒化物系半導体レーザーに比べれば、歩留まり、初期特性、信頼性共に大幅な改善が見られる。ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合では、第１１の実施形態で示したように、マスク上にボイドが形成されたり、マスク下部にクラックが生じるのに対し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／サファイア基板を用いた場合には、そのような問題はない。これにより、歩留まり、初期特性、信頼性が改善されたものと考えられる。
（第１３の実施形態）
第１３の実施形態は、ラテラル成長方向に素子構造を形成する例を示す。
【０１６１】
図１８は、第１３の実施形態に係る半導体レーザーの断面図である。先ず、サファイア基板７０１上にＧａＮ層７０２、ＡｌＧａＮ層７０３が積層された基板７００上に、ＳｉＯ2 マスク７０４を形成する。次に、マスク７０４の開口部より、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層７０５を成長させる。
【０１６２】
ＧａＮ層７０５が、垂直方向に図示の高さまで成長した後、Ｖ族、III族の原料組成比を変え、かつラテラル方向のみに成長する成長条件の下に、成長を継続させることにより、マスク７０４上にラテラル方向に積層された素子構造を得ることができる。
【０１６３】
より詳細には、中央のＧａＮ層７０５に近い方から、ｎ−ＧａＮコンタクト層７０６、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７０７、ｎ−ＧａＮガイド層７０８、ＭＱＷ７０９、ｐ−ＧａＮガイド層７１０、ｐ−ＡｌＧａＮ層７１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層７１２からなるレーザー素子である。
【０１６４】
窒化物系半導体レーザーでは、共振器端面を形成する際、従来はへき開やドライエッチング法を用いていたが、材料が硬いことや、サファイア基板等を用いた場合は、基板と成長層との面方位が異なることなどの理由により、レーザーの共振器の作製が困難で、平坦性の良いミラー面が得られ難い問題があった。しかし、本実施形態のように作製したレーザー素子では、成長により自然に得られた平坦性の極めて優れた面をそのまま共振器端面として利用できるため、レーザの共振器端面における反射ロスを大幅に低減できるメリットがある。
【０１６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、開口部を設けたマスクを基板上に形成し、その上部に窒化物系化合物半導体層を形成することによって、転位，積層欠陥，チューブ状の穴等の結晶欠陥密度が低く、結晶性，電気的特性，光学的特性の良好な窒化物系化合物半導体層をサファイア等の基板上に形成することができ、窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子の歩留まり，初期特性，信頼性の向上をはかることが可能となる。さらに、上記に加えてマスクのパターンを六角形や三角形に規定することにより、貫通転位などの結晶欠陥をより少なくすることが可能となる。
【０１６６】
また、ＩｎＧａＡｌＮ層の一部に段差形状とマスクを部分的に作成した構造を用いることにより、クラックの発生を招くことなく、十分厚いＡｌを含む窒化物系半導体層の結晶成長可能となり、これによりモードの安定した発振しきい値の低い半導体レーザを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来法により作成した窒化物系半導体素子の素子構造を示す断面図。
【図２】発明の第１の実施形態に係わる窒化物系半導体素子の素子構造を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に使用したマスクの開口部配置を示す斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図５】第２の実施形態に使用した碁盤目状の溝（開口部）を有するマスクを示す斜視図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係わる窒化物系面発光型レーザの素子構造を示す断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係わる窒化物系発光ダイオードの素子構造を示す断面図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係わる窒化物系ＤＢＲレーザの素子構造を示す断面図。
【図９】本発明の第７の実施形態に係わる窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１０】第７の実施形態に使用したマスクパターンの例を示す平面図。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係る窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１２】本発明の第９の実施形態に係る窒化物系半導体レーザの素子構造を示す断面図。
【図１３】本発明の第１０の実施形態に係る窒化物系半導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ）はストライプ状のマスクをサファイア基板の〈１１−２０〉方向に形成した場合、（ｂ）はこれと９０度異なる方向に形成した場合の写真。
【図１４】図１３（ａ）に示したサンプルの断面ＴＥＭ写真。
【図１５】図１３（ｂ）に示したサンプルの断面ＴＥＭ写真。
【図１６】本発明の第１１の実施形態に係る窒化物系半導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、（ａ），（ｂ）はいずれもＧａＮ／サファイア基板上にＳｉＯ2 マスクを形成した場合の写真。
【図１７】本発明の第１１の実施形態に係る窒化物系半導体素子の断面ＳＥＭ写真であり、ＡｌＧａＮ/ ＧａＮ／サファイア基板上にＳｉＯ2 マスクを形成した場合の写真。
【図１８】本発明の第１３の実施例に係る窒化物系半導体レーザーの断面図。
【図１９】島状成長における島の合体時に導入される転位の様子を示す模式図。
【図２０】ラテラル成長により合体境界部に生じる貫通転位上のピット、ボイド、クラックを示す顕微鏡写真。
【図２１】本発明と従来法とのＡｌＧａＮ膜において、Ａｌの含有量とクラックフリー膜厚の関係を示す特性図。
【符号の説明】
２０，３０…サファイア基板
２１，３１…ＳｉＯ2 マスク
２１ａ，３１ａ…溝部（開口部）
２２，３２…低温成長ＧａＮバッファ層
２３，３３…高温成長ＧａＮ下地層
２５…貫通転位
３６…ｎ型ＡｌＧａＮ電流注入層
３７…ｎ側ＧａＮ光ガイド層
３８…ＭＱＷ構造を有するＩｎＧａＮ系活性層
３９…ｐ側ＧａＮ光ガイド層
４０…ｐ型ＡｌＧａＮ電流注入層
４１…ｐ型ＧａＮコンタクト層
４２…ｎ側電極
４３…ＳｉＯ2 膜
４４…ｐ側電極
Claims (5)
- 第１層と、
前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスクと、
前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外の前記マスク上方に形成され、前記貫通転位が低減された第２の領域と、前記第２の領域と前記マスクの間に形成され、前記マスクの表面に沿って複数の転位が延在する第３の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、
前記半導体層上に形成された所望の素子構造と、
を具備することを特徴とする窒化物系半導体素子。 - 第１層と、
前記第１層上に形成された複数の開口部を有するマスクと、
前記マスク上に形成され、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外の前記マスク上方に形成され、前記貫通転位が低減された第２の領域と、前記第２の領域と前記マスクの間に形成され、前記マスクの表面に沿って複数の転位が延在する第３の領域とを含む窒化物系化合物半導体層と、
前記窒化物系化合物半導体層の前記第２の領域上に実質的に形成された第１及び第２の電流注入層と、
これらの電流注入層の間に設けられた発光層と、
を具備することを特徴とする窒化物系発光素子。 - 前記窒化物系化合物半導体層は、ＧａxＩｎyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で形成されることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子あるいは請求項２に記載の窒化物系発光素子。
- 前記マスクは、前記第１層上に、三角形および六角形のいずれかの、複数の開口部および複数の非開口部のいずれかを周期的に形成してなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子あるいは請求項２に記載の窒化物系発光素子。
- 第１層上に複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記マスクを形成した第１層上に窒化物系化合物半導体層を、前記マスク上でのラテラル成長を利用し、前記マスクの前記複数の開口部の隣接する２つのほぼ中央部において垂直方向に延在する貫通転位を有する第１の領域と、前記中央部以外の前記マスクの表面に沿って複数の転位が延在する第３の領域と、前記第３の領域上にあって前記貫通転位が低減された第２の領域とを形成するように堆積する工程と、
前記窒化物系化合物半導体層上に所望の素子構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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