JPH08264894A

JPH08264894A - 半導体素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH08264894A
Application number: JP6118795A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Kushibe; 光弘櫛部; Yoshihiro Kokubu; 義弘国分
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-10-11
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JP3332127B2

Abstract

(57)【要約】【目的】下地基板として、安価で導電性があり表面平
坦性が高いＳｉを用いることができ、かつその上に良質
のＧａＮを形成して素子特性の向上をはかる。【構成】Ｓｉ基板１０１上にＭｇ_0.4 Ｃａ_0.6 Ｆ₂ 層
１０２を形成し、該層１０２の一部に穴を開け、その上
にＧａＮ低温成長層１０３，ＧａＮ高温成長層１０４，
ＡｌＧａＮ光ガイド層１０５，ＧａＮ活性層１０６，Ａ
ｌＧａＮクラッド層１０７，ＧａＮ電極層１０８を形成
してレーザ構造を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板と格子定数，結晶
構造，或いは屈折率差の大きい材料を用いた半導体素子
に係わり、特にＧａＩｎＡｌＮ系材料を用いた半導体素
子、更には３次元的にチップを集積化した半導体素子及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオード等のＧａＮを用いた半導
体素子では、基板結晶として一般にサファイアが用いら
れる。しかし、サファイアはＧａＮとは格子定数が異な
っており、また熱膨張係数が異なるために、基板とＧａ
Ｎの界面からＧａＮ側に転位が導入されて良質の結晶が
得られないという問題があった。また、サファイア基板
はへき開面を出して割ることが難しく、レーザを作製し
ようとすると端面の形成方法が難しいという問題があっ
た。さらに、Ｓｉ等の半導体基板と較べると高価であ
り、また導電性がない、表面の平坦性が悪い等の問題が
あった。

【０００３】一方、ＳｉもＧａＮと格子定数差、熱膨張
係数の差、格子の構造の差が大きく、その上に良質のＧ
ａＮ層を形成することはやはり難しかった。また、Ｓｉ
上のデバイスでは通常、絶縁体としてＳｉＯ₂ が用いら
れるが、このＳｉＯ₂ はＳｉやIII-Ｖ族化合物半導体と
は結晶構造や格子定数が異なる。このため、ＳｉＯ₂ の
上に単結晶層を形成して、３次元的にデバイスを形成す
ることも難しかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、結晶
構造や格子定数の異なる基板上にＧａＮを形成して半導
体デバイスを形成するに際し、高価なサファイア基板を
用いても、良質のＧａＮを形成することはできず、さら
にサファイアはその表面平坦性が悪く導電性がないこと
から、作成される素子の特性に悪影響を及ぼす。さら
に、下地基板としてＳｉを用いても良質のＧａＮを形成
することは困難であった。

【０００５】また、ＳｉＯ₂ の上に単結晶層を形成して
３次元的にデバイスを形成しようとしても、ＳｉＯ₂ と
ＳｉやIII-Ｖ族化合物半導体との結晶構造や格子定数の
違いにより、素子特性の優れた３次元デバイスを作成す
ることは困難であった。

【０００６】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、安価で導電性があ
り、下地基板として表面の平坦性が高いＳｉやＳｉＣ等
を用いることができ、かつ良質のＧａＩｎＡｌＮ系半導
体層を形成することができ、素子特性の優れた半導体素
子及びその製造方法を提供することにある。

【０００７】また、本発明の他の目的は、絶縁体として
立方晶結晶を用いることで、３次元的なデバイスの集積
化を可能にした半導体素子及びその製造方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次の (1)〜(9) ような構成を採用してい
る。 (1) 基板上に少なくともＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦
１）層を形成し、該Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層を挟み基板の
反対側に少なくともＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦
ｙ，ｚ≦１）層を形成したこと。 (2) 基板上に少なくともＣ−希土類構造のＭｇ_t Ｃａ
_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）層を形成し、該Ｍｇ_t Ｃａ_3-t
Ｎ₂ 層を挟み基板の反対側に少なくともＧａ_y Ｉｎ_z Ａ
ｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）層を形成したこと。 (3) 基板上に少なくともＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦
１）層を形成し、その上にＣ−希土類構造のＭｇ_t Ｃａ
_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）層を形成し、該Ｍｇ_t Ｃａ_3-t
Ｎ₂ 層を挟み基板の反対側に少なくともＧａ_y Ｉｎ_z Ａ
ｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）層を形成したこと。 (4) １〜３において、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層及びＭｇ_t
Ｃａ_3-t Ｎ₂ 層の少なくとも一方は、ＭｇとＣａの組成
比が連続的又は不連続に基板側から変わっており、かつ
基板から離れるにつれてＭｇが高くなること。 (5) １〜３において、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層及びＭｇ_t
Ｃａ_3-t Ｎ₂ 層の少なくとも一方は、基板の表面の一部
が露出するように形成されており、基板がＧａ_yＩｎ_z
Ａｌ_1-y-z Ｎ層と一部接触していること。 (6) １〜３において、基板はＳｉ又はＳｉＣ基板である
こと。 (7) 基板上に積層された多層構造中の少なくとも一部分
にＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層及びＣ−希土類
構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）層の少なくと
も一方が形成されており、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層又はＭ
ｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂層を挟んで基板と反対側に半導体層又
は電極層が形成されていること。 (8) 基板上にＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層を形
成する工程と、その後一度成長温度よりも基板温度を下
げ、再度温度を上げて、前記Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂層の上
にＭｇ組成の異なるＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）
層を形成する工程とを含むこと。 (9) 基板上にＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層を形
成する工程と、前記Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層の表面を熱窒
化し、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）層を形成する
工程とを含むこと。

【０００９】次に、本発明の概要を更に詳しく説明す
る。本発明では、（１１１）Ｓｉ基板上にＣａＦ₂ 構造
のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）を（１１１）方向
に形成する。（ここで、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 或いはＣａ
ＭｇＦ等と記載した場合、Ｉ族，II族，III 族，IV族，
VI族，VII 族，希土類の任意の一種或いは複数の元素を
ＣａＦ₂ 構造を維持する範囲内で含んでいても良い。ま
た、ルチル構造を取るものに対しては、ルチル構造を維
持する範囲内で上記Ｉ族，II族，III 族，IV族，VI族，
VII 族，希土類の任意の一種或いは複数の元素を含んで
いても良い。特に、Ｓｒ，Ｂａ，酸素，窒素，Ｓｉ，Ｇ
ａ，Ｉｎ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐを含んでいても良い。また、
ＣａＦ₂ 又はルチル構造を保つ範囲で、空孔が導入され
II族元素と弗素の比が崩れていても良い。実施例におい
てｘ値を限定した際にも、限定値の数％までは上記Ｉ
族，II族，III 族，IV族，VI族，VII 族，希土類，空孔
の任意の一種或いは複数を含んでいても良い。以下同
様）さらに、該Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層の上にwurzeit 構造の
（０００１）Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦
１）が形成されている。若しくは、（００１）Ｓｉ基板
上にＣａＦ₂ 構造で（００１）面方位のＣａ_x Ｍｇ_1-x
Ｆ₂ 又はｃ軸と基板の（００１）方向が略一致したルチ
ル構造のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ を形成し、更に該Ｃａ_x Ｍ
ｇ_1-x Ｆ₂ 層の上に（００１）キュービック構造のＧａ
_y Ｉｎ_zＡｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）を形成する。
いずれの場合にも、Ｇａ_y Ｉｎ_zＡｌ_1-y-z Ｎ層の上に
Ｇａ_r Ｉｎ_s Ａｌ_1-r-s Ｎ（０≦ｒ，ｓ≦１）よりなる
能動層を含むダイオード或いはトランジスタが形成され
ている。

【００１０】ここで、Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ層或い
はＧａ_r Ｉｎ_s Ａｌ_1-r-s Ｎ層は格子の構造が大幅に変
わらない範囲で、Ａｓを含んでいても良い。また、その
他のII族，III 族，IV族，Ｖ族，VI族，希土類元素を含
んでいても良い。（以下、Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_l-y-z Ｎ又
はＧａＩｎＡｌＮ等と表記した場合には、これらの元素
を含んでいても良い）また、Ｓｉを基板として用いた場
合には、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層のＣａ組成は、Ｓｉ基板
に最も近い領域では略ｘ＝０．９７、最も遠い層で略
０．２とすると特に良い。

【００１１】ここで、基板上、或いは各層の上に、との
表現は物理的上下関係を示すものではなく、基板に対し
て各層の積層方向にとの意味である。また、直接接触し
ている必要はなく、間に介在する層が存在しても何等意
味が無いことは言うまでもない。

【００１２】本発明では、Ｓｉ基板上に窒化物、特にＣ
−希土類構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂（０≦ｔ≦３）（こ
こで、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ 或いはＭｇＣａＮ等と記載し
た場合、Ｉ族，II族，III 族，IV族，VI族，VII 族，希
土類の任意の一種或いは複数の元素をＣ−希土類構造を
維持する範囲内で含んでいても良い。特に、Ｓｒ，Ｂ
ａ，酸素，窒素，Ｓｉ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌ，Ａｓ，Ｐ等
を含んでいても良い。また、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ の基本
構造が崩れない範囲で、空孔が導入されII族元素と窒素
の３：２の比が崩れていても良い。実施例においてｘの
値を限定した際にも、限定値の数％までは上記Ｉ族，II
族，III 族，IV族，VI族，VII 族，希土類，空孔の任意
の一種或いは複数を含んでいても良い。以下同様）が形
成されており、その上にＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_l-y-z Ｎ（０
≦ｙ，ｚ≦１）層が形成されており、その上にＧａ_r Ｉ
ｎ_s Ａｌ_1-r-s （０≦ｒ，ｓ≦１）よりなる能動層を含
むダイオード又はトランジスタが形成されていれば良
い。

【００１３】Ｓｉ基板は、（１１１）基板でも、（１０
０）基板でも良く、Ｃ−希土類構造の単位格子の１／４
のＣａＦ₂ 構造からＮの欠落した構造を単位格子と見立
てたときに、この単位格子がＳｉ基板と略結晶方向軸を
揃えて、積層できていれば良い。ここで、Ｍｇ_t Ｃａ
_3-t Ｎ₂ の組成は、Ｓｉ基板の近くでＭｇを略０．９６
とし、ＧａＩｎＡｌＮ側でＭｇを略３とすればなお良
い。

【００１４】本発明では、Ｓｉ基板の上に、Ｃａ_x Ｍｇ
_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層が形成され、更にＣ−希土類
構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）が形成されて
いても良い。この場合に、Ｓｉ基板直近のＣａ_x Ｍｇ
_1-x Ｆ₂ 層のｘは略０．０３であり、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ
₂ 層近くでのｘは略０．６であり、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂
層中のＣａ濃度はＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層からＭｇ_t Ｃａ
_3-t Ｎ₂ 層へ、Ｃａの拡散が起こる程度であれば特に良
い。

【００１５】本発明では、六方晶（０００１）ＳｉＣ基
板上にＣａＦ₂ 構造のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦
１）を（１１１）方向に形成する。さらに、wuezeit 構
造の（０００１）Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_l-y-z Ｎ（０≦ｙ，
ｚ≦１）が形成されている。若しくは、立方晶（００
１）ＳｉＣ基板上にＣａＦ₂ 構造で（００１）面方位又
はｃ軸と基板の（００１）方向が一致したルチル構造、
のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）を形成し、更に
（００１）キュービック構造のＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_l-y-z
Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）を形成する。いずれの場合にも、
Ｇａ_r Ｉｎ_s Ａｌ_1-r-s Ｎ（０≦ｒ，ｓ≦１）よりなる
能動層を含むダイオード或いはトランジスタが形成され
ている。ここで、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層のＣａ組成は、
ＳｉＣ基板に最も近い領域では略ｘ＝０．３４、最も遠
い層で略０．２とすると、より良い。

【００１６】本発明では、ＳｉＣ基板上にＣ−希土類構
造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）が形成されてお
り、その上にＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_l-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦
１）層が形成されており、その上にＧａ_r Ｉｎ_s Ａｌ
_1-r-s Ｎ（０≦ｒ，ｓ≦１）よりなる能動層を含むダイ
オード又はトランジスタが形成されていれば良い。Ｓｉ
Ｃ基板は、六方晶の（０００１）基板でも、立方晶の
（１１１）基板でも（１００）基板でも良く、それぞれ
Ｃ−希土類構造の単位格子の１／４のＣａＦ₂ 構造から
Ｎの欠落した構造を単位格子と見立てたときに、前二者
では（１１１）面方位で、（１００）基板上では（１０
０）面方位で積層できていれば良い。ここで、Ｍｇ_t Ｃ
ａ_3-t Ｎ₂ の組成は、ＳｉＣ基板の近くでＭｇを略１．
５とし、ＧａＩｎＡｌＮ側でＭｇを略３とすればなお良
い。

【００１７】本発明では、ＳｉＣ基板の上に、Ｃａ_x Ｍ
ｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層が形成され、更にＣ−希土
類構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）が形成され
ていても良い。この場合に、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層のｘ
は略０．３４であり、Ｍｇ_tCa_3-t Ｎ₂ 中のＣａ濃度は
Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層とＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ 層の間でＣ
ａ拡散が起こる程度であれば特によい。

【００１８】本発明では、ＣａＭｇＦ層を以下のように
形成しても良い。Ｓｉ基板やＳｉＣ基板上に第１のＣａ
ＭｇＦ層を形成した後に温度を下げ、再び温度を上げ第
１の層よりもＭｇ組成の高い第２のＣａＭｇＦ層を形成
する。更に再び温度を下げ、再度温度を上げて、第２の
層よりもＭｇ組成の高い第３のＣａＭｇＦ層を形成す
る。このような手順の繰り返しで、ＣａＭｇＦ層を形成
する。

【００１９】本発明では、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板上にＣ
ａＭｇＦ層を形成した後に、表面に窒素を含むガスを流
しながら加熱することでＣａＭｇＦ層の表面を窒化し
て、更にＣａＭｇＮ層を形成しても良い。

【００２０】本発明では、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板上の所
々に穴の開いたＣａＭｇＦ層或いはＣａＭｇＮ層が形成
されており、その上にＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦
ｙ，ｚ≦１）層が形成されており、穴の部分では、Ｇａ
_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ層と基板が直接接触していても良
い。穴の部分の幅はＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_l-y-z Ｎ層内でＭ
ｇが拡散する深さと略一致するよりも小さくすれば、な
お良い。

【００２１】本発明では、Ｓｉ等の基板上にＣａＭｇＦ
層が形成されており、ＣａＭｇＦ層を挟んで少なくとも
基板と反対側に半導体層又は電極が形成されている。こ
こで、各層は略格子定数が一致している。

【００２２】

【作用】本発明によれば、Ｓｉの（１１１）基板上にＣ
ａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層を（１１１）方向に
形成しても良い。この場合、本来ＣａＦ₂ 構造のＣａＦ
₂ とルチル構造を取るＭｇＦ₂ を混ぜ合わせたにも拘ら
ず、基板との関係で最も安定な構造である、ＣａＦ₂ 構
造を容易に取らせることができる。

【００２３】ルチル構造でのＣａＦ₂ のａ軸方向の単位
格子長は立方晶構造のＧａＮの単位格子よりも大きい
が、ＣａＦ₂ 構造を取らせたために、図８に示すように
立方晶ＧａＮよりも単位格子の小さいＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ
₂ 層を得ることができる。ＧａＮ内では、立方晶でも六
方晶でも原子間距離は殆ど変わらない。このため、Ｃａ
Ｆ₂ 構造のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層を（１１１）方向から
見たときには、立方晶ＧａＮの（０００１）面と原子間
距離が一致するか、更に小さくすることができる。この
場合、ＣａＦ₂ 構造では、ZincBlend 構造のような空隙
がないので、電荷分布の方向性が弱く、（１１１）面方
向のＳｉと（０００１）方向のＧａＮの接続において結
晶構造の違いによるスタッキングフォルトが形成される
割合を低下させることができる。

【００２４】また、（００１）Ｓｉ基板上にＣａＦ₂ 構
造で（００１）面方位のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ を形成した
場合には、キュービックＧａＮを成長する際に、ＧａＮ
と格子整合する層を成長することができる。さらに、ｃ
軸と基板の（００１）方向が一致したルチル構造のＣａ
_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ を形成した場合には、ＭｇＦ₂ が熱力学
的により安定であるので、欠陥により結晶構造が崩れた
場合にもその広がりを抑制しつつ形成でき、良質のＧａ
Ｎを形成することができる。

【００２５】特に、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層の組成を、Ｓ
ｉ基板に最も近い領域では略ｘ＝０．９７、最も遠い層
で略０．２とすると、ＣａＦ₂ 構造を取ったときに、そ
れぞれＳｉ基板とＧａＮ層に格子整合するので、その上
に成長するＧａＮの特性がより向上できる。

【００２６】このように、表面の平坦性の高いＳｉ基板
をベースにＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-zＮ（０≦ｙ，ｚ≦
１）層を形成するので、該Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ
層、更にＧａ_r Ｉｎ_s Ａｌ_1-r-s Ｎ（０≦ｒ，ｓ≦１）
よりなる能動層を高品質に成長でき、これらを含むダイ
オード或いはトランジスタの特性を改善できる。特に、
平坦性の向上により共振器部分での光散乱等の抑制も行
えるので光半導体素子の特性向上が行える。

【００２７】また本発明では、Ｓｉ基板上に窒化物特に
Ｃ−希土類構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）が
形成されており、その上にＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ
（０≦ｙ，ｚ≦１）層が形成されており、その上にＧａ
_r Ｉｎ_s Ａｌ_1-r-s Ｎ（０≦ｒ，ｓ≦１）よりなる能動
層を含むダイオード又はトランジスタが形成されてい
る。このため、Ｃ−希土類構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ を
用いた場合には、Ｓｉ基板との界面では立方晶のＭｇＣ
ａＳｉ層が形成され、ＧａＮとの界面ではＶ族元素が一
致しており、２つのヘテロ界面での結晶構造の乱れが少
ないので、良質のＧａＮをＳｉ上に成長することができ
る。

【００２８】また、他の窒化物を用いた場合、基板の表
面ないし基板上に積層された介在層の表面に、窒化物層
の少なくとも一部元素が供給されて基板ないし基板上に
積層された介在層の表面と物理的ないし化学的に結合し
て第１界面領域が形成され、更にこの層の基板と反対側
を窒化することで第２界面層の窒化物の層が形成され
る。勿論、この上に窒素物層を更に形成しても良い。こ
の上にＡｌＧａＩｎＮ層を直接接触するように形成する
と、第２界面層とＡｌＧａＩｎＮとの界面で共通元素と
して窒素を含むので良質の界面が得られる。

【００２９】また本発明では、Ｓｉ基板の上に、Ｃａ_x
Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層を形成し、更にＣ−希土
類構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）を形成して
も良い。この場合に、Ｓｉ基板直近のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ
₂ 層のｘを略０．０３とすることでＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂
をＳｉと格子整合させることができ、Ｍｇ_t Ｃａ_3-tＮ₂
層近くでのｘは略０．６とすることで、ＭｇＮと略格
子整合させることができる。Ｍｇ₃ Ｎ₂ 自体がＧａＮよ
りも格子定数が大きいので、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ 層中の
Ｃａ濃度はできるだけ低くしてＧａＮとの格子定数差を
小さくすることが望ましい。このため、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t
Ｎ₂ 層のＣａ濃度はこの層とＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ 層との
間で生じるＣａの拡散量以下とすることで、ＧａＮの結
晶性を最も向上することができる。また、ＣａＭｇＦ₂
層の転位がＭｇＣａＮ層との界面で外部に逃げると共
に、ＣａＭｇＦ層は金属元素種が同一のＭｇＣａＮと接
合を形成し、ＭｇＣａＮが窒化物のＧａＮと接合するこ
とになるので、構成元素の全く異なる層同士を接合する
事を防ぐことができ、界面での結晶構造の乱れを抑制で
き、高品質のＧａＮの成長が可能となる。

【００３０】本発明では、ＧａＮ層がＣａＭｇＦ層又は
ＣａＭｇＮ層と接触しているので、この層からの固層拡
散によって、ＭｇがＧａＮ中に極めて高濃度に供給され
る。このため、従来ＧａＮ系材料においてはｐ型キャリ
アを高濃度に添加できないという問題があったが、本発
明においては、ＣａＭｇＦ層又はＣａＭｇＮ層と接触す
る側のＧａＮ層において高濃度のｐ型キャリア濃度を得
ることができ、コンタクト抵抗の低減と伴に、光デバイ
スのクラッド層に用いたときには良好なキャリア閉じ込
めが可能となる。

【００３１】本発明では、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ
≦１）層を以下のように形成しても良い。つまり、Ｓｉ
上にＳｉよりも僅かに格子定数の小さい第１の略ＣａＭ
ｇＦ層を形成した後に温度を下げ、ＳｉとＣａＭｇＦ₂
の熱膨張係数の差を利用してＣａＭｇＦ₂ 層とＳｉ層の
間に転位を導入して、ＣａＭｇＦ₂ 層の界面に並行方向
の格子定数をＳｉに拘束されていた時よりも小さくす
る。再び温度を上げ、第１の層よりもＭｇ組成の高い第
２のＣａＭｇＦ層を形成する。この時、Ｓｉよりも界面
並行方向の格子定数が小さい第１のＣａＭｇＦ₂ 層を基
板として、第２のＣａＭｇＦ₂ 層を形成するので、第２
のＣａＭｇＦ₂ 層は第１のＣａＭｇＦ₂ 層の影響を受け
て、ＣａＦ₂ の結晶構造を取る。再び温度を下げ、Ｓｉ
とＣａＭｇＦ₂ 層の転位密度を一層上げて、Ｓｉとの分
離をよりはっきりさせる。また、この際、第１のＣａＭ
ｇＦ₂ 層と第２のＣａＭｇＦ₂ 層界面にも転位が導入さ
れて、第２のＣａＭｇＦ₂ 層の界面並行方向の格子定数
は、第１のＣａＭｇＦ₂ 層の界面並行方向の格子定数よ
りも小さくなる。このような操作を何回か繰り返すこと
により、表面に、順次格子定数のより小さなＣａＭｇＦ
₂ 層が形成される。

【００３２】このようにして、結晶表面にＧａＮとほぼ
格子整合する、ＣａＭｇＦ₂ 層を形成し、その上にＧａ
Ｎ層を形成する。更にＧａＮ層との間には、結晶成長中
と、成長後の温度差により、転位が発生し、ＧａＮ層
は、Ｓｉ基板側のＧａＭｇＦ₂層の影響を強く受けず、
良質の結晶を成長することが可能となる。このような操
作を繰り返すので、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）
層の組成は、Ｓｉに対しても、ＧａＮに対しても結晶成
長温度での格子整合条件を満たす組成を実現することが
可能となる。

【００３３】本発明では、Ｓｉ基板上にＣａＭｇＦ層を
形成した後に、表面に窒素を含むガスを流しながら加熱
することでＣａＭｇＦ層の表面を窒化して、更にＣａＭ
ｇＮ層を形成しても良い。このような操作を行うと熱平
衡に近い条件下で、ＣａＭｇＦ層とＭｇＣａＮ層の界面
が形成されるので、良質の界面が形成でき、その上に形
成するＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）デ
バイスの能動層の結晶性を改善でき、必然的にデバイス
の特性を改善できる。

【００３４】本発明では、Ｓｉ基板上に所々に穴の開い
たＣａＭｇＦ層又はＣａＭｇＮ層が形成されており、穴
の部分では、Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦
１）層とＳｉ基板が直接接触していても良い。この場合
には、導伝性のＳｉ基板と導伝性のＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ
_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）を直接接合できるので、基
板とＧａ_r Ｉｎ_s Ａｌ_1-r-s Ｎ（０≦ｒ，ｓ≦１）能動
層が電気的に通電できるようにできる。このため、通常
用いられるサファイア基板等の場合と異なり、電極を基
板側から取ることが可能となる。このため、半導体レー
ザ等のデバイスでは作成が大幅に簡略化できる。

【００３５】Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層の穴
の部分の幅を、Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ
≦１）層内でＭｇが拡散する深さと略一致するよりも小
さくすることで、孔の部分は高濃度のｐ型の導電型とす
ることができ、ＳｉとＧａＮの格子定数差に伴い欠陥が
誘起されてもｐ型とすることができる良好な通電性を得
ることができる。そして、これ以上大きな穴をあけても
結晶欠陥が多くなる一方Ｍｇの濃度は上がらないので、
通電性は改善されない。

【００３６】基板にＳｉではなく、ＳｉＣを用いた場合
には、ＧａＮと格子定数が近く、熱膨張係数も近いの
で、より高品質の結晶成長が可能となる。それ故、Ｃａ
_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ
（０≦ｔ≦３）層を用いた場合に極めて良好な、結晶成
長が可能となる。特に、六方晶（０００１）ＳｉＣ基板
上にＣａＦ₂ 構造のＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）
を（１１１）方向に形成し、更に wurzeit構造の（００
０１）Ｇａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，ｚ≦１）を
形成した場合には結晶の本来の形態として最も安定なの
で、特に良好な結晶成長が可能となる。この場合に、Ｃ
ａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層は立方晶で、ＳｉＣ
とＧａＮは六方晶なので、界面で転移が外部に逃げる効
率が大きく極めて有効に働く。また、ＳｉＣとＣａＮの
格子定数差が小さいので、Ｃａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ
≦１）層、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ（０≦ｔ≦１）層も歪み量
が小さく、特にＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦１）層の
場合に組成変化がｘにして０．３４から０．２と小さい
ので内部歪みを小さくでき、高品質のＧａＮの成長が可
能となる。

【００３７】本発明では、ＧａＮやＳｉ等の基板上にＣ
ａＭｇＦ層又はＣａＭｇＮ層が形成されており、ＣａＭ
ｇＦ層又はＣａＭｇＮ層を挾んで少なくとも基板と反対
側に半導体層又は電極層が形成されている。ここで、各
層は略格子定数が一致しているので、各層をエピタキシ
ャル成長することができる。高品質のＭｇＣａＦ層を成
長できるので、この層を絶縁膜として利用すると共に、
更にこの層の上に半導体層、電極材料等をエピタキシャ
ル成長して、再現性良くデバイスを作製することができ
る。また３次元的デバイスの作製が可能となる。

【００３８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。（実施例１）図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体レーザの概略構成を示す断面図である。

【００３９】本実施例では、ｐタイプの（１１１）Ｓｉ
基板１０１上に分子線エピタキシャル法（以下、ＭＢＥ
法と称する）によりＳｉのエピタキシャル成長を行った
後、ＭｇＦ₂ とＣａＦ₂ を原料として成長温度５５０℃
で（１１１）方向の厚さ５０ｎｍのＭｇ_0.4 Ｃａ_0.6 Ｆ
₂ 層１０２を形成した。その後、通常のリソグラフィ法
によりマスクをパターニングし、ドライエッチングによ
りＭｇ_0.4 Ｃａ_0.6 Ｆ₂ 層１０２の一部に穴を開け、Ｓ
ｉ基板１０１の方面を露出した。

【００４０】次いで、ＧａＮ低温成長層１０３を形成
し、その後に有機金属化学気相成長法（以下、ＭＯＣＶ
Ｄ法と称する）により１１００℃の高温で、ｗｕｒｚｅ
ｉｔ構造の（０００１）方向のＧａＮ高温成長層１０
４、ＡｌＧａＮ光ガイド層１０５、ＧａＮ活性層１０
６、ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ＧａＮ電極層１０８
を形成した。そしてこの後、ｎ側電極としてＡｕＳｅ電
極１０９を形成し、更にｐ側電極１１０を形成した。

【００４１】このようにして形成した半導体レーザ素子
は、基板としてＳｉ基板を用いているので、平坦性が高
く、サファイア基板上に形成したものと比べて、高品質
の結晶が成長できると共に、散乱ロスの少ない導波路を
形成することができた。さらに、ＭｇＣａＦ₂ を形成し
ているので、Ｓｉ上にＧａＮを直接形成した場合に比べ
て、成長層中への転移の侵入が少なく、高い発光効率を
得ることができた。

【００４２】また、Ｍｇ_0.4 Ca_0.6 Ｆ₂ 層１０２の孔中
に形成されたＧａＮ１０３ｂについては、まわりのＭｇ
_0.4 Ｃａ_0.6 Ｆ₂ 層１０２からｐ型の不純物が固層拡散
して供給されるので、高濃度のｐ型となり、Ｓｉ基板と
ＧａＮとの接合抵抗を数Ω以下と極めて小さくすること
ができた。端面はＳｉ（１１１）基板と垂直な（０１
１）方向で形成した。ドライエッチングで形成した場合
も、基板を（００１）面に沿ってへき開した場合も、閾
値はほぼ同程度の値であった。（実施例２）図２は、本発明の第２の実施例に係わる半
導体発光素子の概略構成を示す断面図である。

【００４３】Ｓｉ基板２０１の上に、ＭＢＥ法によりＭ
ｇ₃ Ｎ₂ とＣａ₃ Ｎ₂ とＮ₂ ガスを原料として成長温度
６５０℃で、Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦ｔ≦３）層２０
２を成長した。Ｎ₂ ガスはプラズマ化して導入した。さ
らに、ＧａとＮ₂ ガスを原料として、ＧａＮバッファ層
２０３を成長した。この後、ＡｌＧａＮクラッド層２０
４、光ガイド領域とＡｌＧａＮとＧａＮの量子井戸発光
領域よりなる活性層２０５、ＡｌＧａＮクラッド層２０
６層、ＧａＩｎＮコンタクト層２０８、厚さ３０ｎｍの
ＴｉＮのｎ側透明電極２０９を成長した。この後、ｐ側
電極２０７を通常の蒸着方法により形成した。

【００４４】ここで、ＧａＮバッファ層２０３を６５０
℃以下の低温で成長し、ＭｇＣａ層２０２の方面を覆っ
た後に、高温でＡｌＧａＮクラッド層２０４を形成し
た。このため、低温でしか安定できないＭｇＣａＮを高
品質なＧａＡｌＮ等の成長に必要な高い温度まで、激し
い表面劣化を起こさずに昇温することができた。また、
高温の状態で、Ｓｉ基板２０１とＧａＮバッファ層２０
３の間に発生する転位は、ＭｇＣａＮ層２０２に集中的
に発生し、上下の層への侵入を低減できる。

【００４５】この例では、ＭｇＣａＮ層２０２を平均で
約５ｎｍ成長し、この層を挾んで反対側にｐ電極、ｎ電
極を形成した。ここで、ＭｇＣａＮ層２０２を２０〜１
００ｎｍ程度成長するとより有効にこの層で転位を減少
できたが、素子抵抗が上昇した。素子抵抗低減のために
は、ＭｇＣａＮ層を５ｎｍ以下とするか、両極の電極を
基板と反対側の表面から取るようにすれば良い。基板に
平坦性の高いＳｉを用いているので、サファイア基板を
用いた場合と比べて、各界面の平坦性が高く基板側での
反射率を上げ、光の取り出し効率を上げることもでき
た。（実施例３）図３は、本発明の第３の実施例に拘る半導
体レーザの概略構成を示す断面図である。

【００４６】ＳｉＣ基板３０１の上に、ＭｇとＣａとＨ
Ｆを用いて６００℃でＭｇ_0.4 Ｃａ_0.6 Ｆ₂ 層３０２を
形成し、更にＭｇとＮ₂ を用いてＭｇＣａＮ層３０３を
形成した。ここで、Ｃａを意図的には導入しなかった
が、ＭｇＣａＦ層３０２からＣａが拡散で進入した。Ｈ
Ｆ及びＮ₂ はプラズマ化した状態で導入した。その上に
ＧａＮクラッド層３０９をＭＢＥ装置内で形成した。そ
の後、ＭＯＣＶＤ装置で成長温度１１００〜１２００℃
で、ＧａＮ電極コンタクト兼クラッド層３１０、ＡｌＧ
ａＮクラッド層３０４、Ｇａ（Ｉｎ）活性層３０５、Ａ
ｌＧａＮクラッド層３０６、ＧａＩｎＮ電極ンタクト層
３１１を形成した。

【００４７】次いで、燐酸系のエッチング液を用い、電
極コンタクト兼クラッド層３１０、ＡｌＧａＮクラッド
層３０４、ＧａＩｎＮ活性層３０５、ＡｌＧａＮクラッ
ド層３０６、電極コンタクト層３１１の一部をエッチン
グして除去した。その後、電極コンタクト層３１１上に
電極金属３０７を形成し、露出した電極コンタクト兼ク
ラッド層３１０上に電極３０８を形成した。

【００４８】この実施例では、ＭｇＣａＦ層３０２の表
面をＭｇＣａＮ層３０３で被い、更にその表面もＧａＮ
層３０９で被ってから、ウェハを有機金属気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ）装置内の移動した。これにより、水分や酸
素、炭酸ガス等の空気中のガスにより変質しやすいＭｇ
ＣａＦ層３０２やＭｇＣａＮ層３０３の表面を空気に触
れさせることなく、ウェハをＭＯＣＶＤ装置内に導入で
きた。このため、基板の劣化なしに結晶成長ができ、Ｍ
ＯＣＶＤ法の特長である、高い成長温度で高品質のＧａ
ＮやＡｌＧａＮの成長が容易に行えるというメリットを
遺憾なく発揮できた。従って、ＭＢＥ法でＧａＮ層を設
けることなくＭＯＣＶＤ装置内にウェハを移動したとき
や、ＭＢＥ法のみで作成した場合と比べて、レーザの特
性が遥かに優れていた。さらに、レーザの厚い層をＭＯ
ＣＶＤ装置内で高速に成長できたので、スループットに
も優れていた。

【００４９】本実施例では、ＭｇＣａＦ層３０２やＭｇ
ＣａＮ層３０３層の成長をＭＢＥ装置の中で行ったが、
ＭＯＣＶＤ装置の中で行っても良い。その場合には、Ｍ
ｇやＣａの原料としては、シクロペンタディエニル系等
の有機金属を用いればよい。また、窒素の原料として
は、Ｎ₂ の他にアンモニア，その他窒素を含む有機化合
物を用いればよい。フッ素の原料としては、Ｆ₂ ，Ｈ
Ｆ，ＣＨ₃ Ｆ，その他有機化合物を用いればよい。これ
らの原料は必要に応じてプラズマ等で励起分解して用い
ればよい。このような方法で行うと、全ての結晶成長を
一貫してＭＯＣＶＤ装置の中で行えるので、大幅にスル
ープットを上げることができる。

【００５０】このようにして作成されたた半導体レーザ
素子は、基板としてＧａＮ層と性質の近いＳｉＣ基板を
用い、更に格子定数の差を緩和することができるＭｇＣ
ａＦ層とＭｇＣａＮ層を設けているので、極めて高品質
のＧａＮ及びＡｌＧａＮ層を成長することができ、活性
層中で欠陥密度の低い高性能のデバイスを得ることがで
きた。このため、活性層での発光効率は、同一構造のレ
ーザをサファイア基板上に形成した場合の数十％増しと
なり、ｐクラッド層のキャリア濃度は、容易に２×１０
¹⁸ｃｍ^-3程度の値を得ることができ、低閾値でのレーザ
発振が可能となった。

【００５１】また、活性領域、ｐクラッド層中の転位密
度が低いので、不純物の拡散が殆ど起こらず、ｐ型クラ
ッド層のキャリア濃度が下がってしまうということが起
こらなかった。このため、ＧａＡｓ系のレーザと同程度
と従来のＧａＮ系のレーザより遥かに優れた信頼性を示
した。また、ＧａＮのレーザのために高温での動作が可
能であり、２００℃以上での発振が可能であった。さら
に、Ｓｉ基板上に形成しているので、基板の再現性がサ
ファイア基板と較べて高く、歩留まりが数十％向上し
た。

【００５２】ＧａＮバッファ層３０９形成後にＭＯＣＶ
Ｄ装置で厚いＧａＮを成長し、この後に燐酸系のエッチ
ャントを用いてメカノケミカルの鏡面エッチングを行
い、更に再びＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮ層３１
０、ＡｌＧａＮ層３０４、ＧａＩｎＮ層３０５、ＡｌＧ
ａＮ層３０６、ＧａＩｎＮ層３１１を形成すると、平坦
なＧａＮ上にデバイスとなる層の成長が行えるので、レ
ーザのしきい値が数十％低下した。（実施例４）図４は、本発明の第４の実施例に係わる半
導体レーザの概略構成を示す断面図である。また、図５
にはこの時の結晶成長手順の説明図を示す。

【００５３】Ｓｉ基板４０１上に、温度Ｔ0 で数原子層
のＣａＭｇＦ層に相当するＣａとＭｇを供給した後に、
基板の温度を５００〜７００℃の温度Ｔ1 まで上げる。
このとき、Ｓｉ基板４０１の表面に、ＭｇＣａＳｉ層が
形成された。この温度で、第１の成長時間帯５０１にＣ
ａとＭｇとＦを供給し、厚さ２０ｎｍのＣａ_0.97Ｍｇ
_0.03Ｆ₂ 層４０２を成長した。

【００５４】次いで、基板４０１の温度を２５０〜４０
０℃の温度Ｔ0 に下げて、基板４０１とＣａ_0.97Ｍｇ
_0.03Ｆ₂ 層４０２の界面に欠陥を導入した。続いて、再
度温度Ｔ0 で数原子層のＣａＭｇＦ層に相当するＣａと
Ｍｇを供給した後に、基板の温度を５００〜７００℃の
温度Ｔ1 まで上げた。この温度で、第２の成長時間帯５
０２にＣａとＭｇとＦを供給し、厚さ２０ｎｍのＣａ
_0.5 Ｍｇ_0.5 Ｆ₂ 層４０３を成長した。

【００５５】次いで、基板４０１の温度を、２５０〜４
００℃の温度Ｔ0 に下げて、Ｃａ_0.97Ｍ_g0.03Ｆ₂ 層４
０２とＣａ_0.5 Ｍｇ_0.5 Ｆ₂ 層４０３の界面に欠陥を導
入した。続いて、再度温度Ｔ0 で数原子層のＣａＭｇＦ
層に相当するＣａとＭｇを供給した後に、基板の温度を
５００〜６００℃の温度Ｔ1 まで上げた。この温度で、
第３の成長時間帯５０３にＣａとＭｇとＦを供給し、厚
さ２０ｎｍのＣａ_0.05Ｍｇ_0.95Ｆ₂ 層４０４を成長し
た。

【００５６】次いで、再び基板の温度を、２５０〜４０
０℃の温度Ｔ0 に下げて、Ｃａ_0.5Ｍｇ_0.5 Ｆ₂ 層４０
３とＣａ_0.05Ｍｇ_0.95Ｆ₂ 層４０４の界面に欠陥を導入
した。続いて、基板４０１の温度を６００℃以上の温度
Ｔ2 に上げて、窒素ガスを導入して窒素処理５０４を行
い、Ｃａ_0.05Ｍｇ_0.95Ｆ₂ 層４０４の表面を数ｎｍをＣ
ａＭｇＮ層に変えた。その後、再度温度をＴ0 まで下げ
て数原子層のＣａＭｇＦ層に相当するＣａとＭｇを供給
した後に、基板の温度を６５０℃程度の温度Ｔ3 まで上
げた。この温度で、第４の成長時間帯５０５にＣａとＭ
ｇとＮを供給し、厚さ２０ｎｍのＣａ_0.15Ｍｇ_2.85Ｎ₂
層４０５を成長した。

【００５７】次いで、一旦温度を下げて各界面での格子
定数差に伴う欠陥を界面へ逃がした後、成長温度を上げ
てＧａＮ層４０６を形成した。次いで、リソグラフィ，
ドライエッチングにより、Ｃａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ 層４０
２、Ｃａ_0.5 Ｍｇ_0.5 Ｆ₂ 層４０３、Ｃａ_0.05Ｍｇ_0.95
Ｆ₂ 層４０４、Ｃａ_0.15Ｍｇ_2.85Ｎ₂ 層４０５の一部に
Ｓｉ基板４０１まで届く穴４０７ｂを開けた。この実施
例はＭＢＥを用いたものであるが、ＭＯＣＶＤ法ないし
ＣＢＥ法を用いれば同様の構造を選択成長で行うことも
できる。この場合、穴４０７ｂに相当する部分にＳｉＯ
₂ をマスクとして選択マスクとする。この場合、成長圧
力が低いほど選択性が増し、成長温度としては６００〜
７００℃で最も良好な選択性が得られた。

【００５８】次いで、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ埋込層
４０７、ＡｌＮバッファ層４０８、ＧａＮバッファ層４
０９、ＡｌＧａＮクラッド層４１０、光ガイド領域と発
光領域からなる活性層４１１、ＡｌＧａＮクラッド層４
１２を形成した。続いて、ＳｉＯ₂ マスクを設けて、Ａ
ｌＧａＮクラッド層４１０、活性層４１１、ＡｌＧａＮ
クラッド層４１２の一部をエッチングで除去してメサ構
造を形成した後、全体をＡｌＧａＮクラッド層４１２よ
りもＡｌ組成の高いＡｌＧａＮ層４１３で埋め込んだ。
その後、エッチングで、メサ構造上部のＡｌＧａＮ層４
１３を薄膜化することでメサ部への電流注入を促進し
た。このエッチング後、ＧａＮコンタクト層４１４を形
成した。その後、電極金属４１５と４１６の蒸着した。

【００５９】この実施例では、ＣａＭｇＦ層４０２〜４
０４の組成が徐々に変わり各界面で格子歪みが緩和され
る。また、Ｃａ_0.15Ｍｇ_0.85Ｎ₂ 層４０５はＧａＮより
も格子状数が大きいが、Ｃａ_0.05Ｍｇ_0.95Ｆ₂ 層４０４
はＧａＮよりも格子状数が小さいので、この点でも格子
歪みを緩和する効果があった。また、基板側にＡｌＮ層
バッファ層４０８を導入したので、この層も基板から欠
陥がクラッド層４１０に入ることを低減する効果があっ
た。

【００６０】また、メサ形成後に全体をＡｌＧａＮ層４
１３で埋込んだので、選択成長を行わないでも電流狭窄
構造を実現できた。なおここで、ＡｌＧａＮクラッド層
４１２の上に選択成長マスクを設け、メサの側部をＭｇ
ＣａＦの選択成長で埋込み、その上部にＡｌＧａＮ層を
形成しても良い。ＭｇＣａＦはＡｌＧａＮと比べて屈折
率が小さくバンドギャップが大きいので活性層幅を通常
のＡｌＧａＮ埋込よりも小さくでき、低閾値化を実現で
きた。

【００６１】これらの効果により、極めて低閾値のレー
ザを実現することができた。特に、活性層幅は、略０．
２〜０．５μｍの時に最も下がった。（１００）基板上
に立方晶系のＧａＮを成長した場合には、（０１１）面
に沿って容易にへき開いができ、へき開により、レーザ
の共振器端面を得ることができた。このため、良好な共
振器構造を形成することができ、閾値は１０ｍＡ以下と
なった。（実施例５）図６は、本発明の第５の実施例に拘る電界
効果型トランジスタの概略構成を示す断面図である。

【００６２】図中の６０１は（１００）Ｓｉ基板、６０
２はＣａ_0.95Ｍｇ_0.05Ｆ₂ 層、６０３は厚さ１．２ｎｍ
のＣａ_0.3 Ｍｇ_0.4 Ｆと厚さ３ｎｍのＭｇＦ₂ 層を５回
積層した超格子バッファ層、６０４はＭｇＦ₂ 層、６０
５はＭｇ₃ Ｎ₂ 層、６０６は低温成長のＧａＮ／ＡｌＧ
ａＮ超格子層、６０７は高温成長のＧａＮ層、６０８は
Ｓｉ添加のキャリア濃度８×１０¹⁸ｃｍ^-3ＡｌＧａＮ電
子供給層、６０９は不純物を添加しない厚さ５ｎｍのＡ
ｌＧａＮスペーサ層、６１０はＧａＮ能動層、６１１は
厚さ７ｎｍのＡｌＧａＮショットキー接合兼エッチング
ストップ層、６１２はＧａＮコンタクト層、６１３はＳ
ｉＯ₂ 絶縁層、６１４はＡｕＳｅよりなるソース電極、
６１５はＡｕよりなるショットキーゲート電極、６１６
はＡｕＳｅよりなるドレイン電極である。

【００６３】本実施例においては、超格子バッファ層６
０３を用いたことで、熱膨張係数の差によって生じたＳ
ｉ基板６０１とＣａＭｇＦ層６０２との間の転位及び、
ＣａＭｇＦ層６０２と超格子バッファ層６０３の界面に
生じた転位が能動層６１０側に広がることを抑制する効
果が顕著であった。また、低温成長のＧａＮ／ＡｌＧａ
Ｎ超格子層６０６を用いたことで、基板側からの転位が
能動層６１０側に広がることを抑制する効果が顕著であ
った。また、６０２から６０５の各層はＭｇを含有して
いるが、Ｍｇが能動層６１０まで拡散すると、電子の移
動度が低下して素子性能が劣化する。超格子層６０６を
用いることでこのＭｇの拡散を抑制でき、電界効果トラ
ンジスタの増幅率が数十％改善された。

【００６４】また本実施例では、ソース電極６１３及び
ドレイン電極６１６として、ＡｕＳｅを用いた。ＡｕＧ
ｅ系の電極金属と較べると、ＧａＮ中に拡散するＳｅの
活性化飽和濃度がＧｅよりも数倍以上高いために、電極
抵抗が数分の１以下にでき、素子の大きさを小さくでき
ると共に、消費電力、動作速度の向上、高密度の集積化
が可能になった。（実施例６）図７は、本発明の第６の実施例に係わる金
属−絶縁体−半導体構造を有する電界効果型トランジス
タを３次元的に集積化したデバイスの一部分を示す概略
構成断面図である。

【００６５】図中の７０１はＳｉ基板、７０２は第１の
トランジスタ領域のｎタイプＳｉの高濃度ソース電極領
域、７０３は第１のトランジスタ領域のｎタイプＳｉの
ソース電極領域、７０４は第１のトランジスタ領域のＣ
ｏＮｉＳｉＳｎソース電極、７０５は第１のトランジス
タ領域のｎタイプＳｉの高濃度ドレイン電極領域、７０
６は第１のトランジスタ領域のｎタイプＳｉのドレイン
電極領域、７０７は第１のトランジスタ領域のＣｏＮｉ
ＳｉＳｎドレイン電極、７０８は第１のトランジスタ領
域のＣａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ ゲート絶縁膜、７０９はＣａ
_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ 層間絶縁膜、７１０は第１のトランジ
スタ領域ＣｏＮｉＳｉＳｎゲート電極兼第２のトランジ
スタ領域のドレイン電極である。

【００６６】また、７１１はｐタイプＳｉ層、７１２は
第２のトランジスタ領域のＣｏＮｉＳｉＳｎソース電
極、７１３は第２のトランジスタ領域のｎタイプＳｉの
ソース電極領域、７１４はｐタイプＳｉ領域、７１５は
第２のトランジスタ領域のｎタイプＳｉの高濃度ソース
電極領域、７１６は第２のトランジスタ領域のｎタイプ
Ｓｉのドレイン電極領域、７１７はｐタイプＳｉ領域、
７１８は第２のトランジスタ領域のｎタイプＳｉの高濃
度ドレイン電極領域、７１９は第２のトランジスタ領域
のＳｉ能動領域、７２０は第２のトランジスタ領域のＣ
ａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ ゲート絶縁膜、７２１は第１のトラ
ンジスタ領域のＣｏＮｉＳｉＳｎゲート電極兼他のトラ
ンジスタ領域との配線、７２２はＣａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂
層間絶縁膜である。

【００６７】ここでは、このデバイスの一部を示した
が、本実施例のデバイス中では、ゲートの絶縁体にＣａ
_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ を用い、電極にＣｏＮｉＳｉＳｎを用
いた電界コンデンサ、ゲート制御型ｐｎ接合デバイス、
コンプリメンタリ型の金属−絶縁体−半導体構造を有す
る電界効果型トランジスタを含んでも良い。この際、コ
ンプリメンタリ型の金属−絶縁体−半導体構造を有する
電界効果型トランジスタで、正孔をゲートで制御するト
ランジスタ部分については、ディプリション型を用いる
と作製が容易になる。

【００６８】本実施例では、Ｓｉ基板にほぼ格子整合す
るＣａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ 層を絶縁体に用い、電極ＣｏＮ
ｉＳｉＳｎを用いたので、極めて容易に３次元集積化が
できた。但し、ＣａＮｇＦとＣｏＮｉＳｉＳｎＮｉの組
成については、成長温度でＳｉとほぼ格子整合する組成
を適当に選べばどのような組成でも良かった。特に、こ
れらの材料の成長に当たっては、Ｓｉも含めてＭＢＥ法
を用いて、５５０〜８００℃の間で積層することで良好
な特性のデバイスを得ることができた。

【００６９】ここで、Ｓｉの代わりに wurzeit構造又
は、立方晶（１１１）ＧａＮを用い、ＣｏＮｉＳｉＳｎ
の代わりにａ軸ｃ軸共に格子定数が wurzeit構造のＧａ
Ｎのほぼ２倍のＣａＭｇ₂のような金属を（０００１）
方向で用い、絶縁膜としてＣａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ の代わ
りにＣａ_0.2 Ｍｇ_0.8 Ｆ₂ 層又はＡｌＧａＮを用いた場
合には、ＧａＮを能動層とする集積化デバイスを容易に
得ることができる。この場合も、ＣａＭｇＦ，ＣａＭｇ
等の金属の組成は、適宜変えることができる。さらにこ
の場合には、Ｓｉと比較して高温で動作が可能な集積化
回路が可能となり、４００℃でも動作が可能であった。

【００７０】また、高温動作の可能なＧａＮで集積化を
行ったので、熱の放散不足による温度上昇の影響が少な
く、３次元的に能動領域の作製を行っても発熱のために
素子間の距離を遠くする必要が殆どないので、単位面積
当たりの集積度をＳｉデバイスと以上にすることができ
た。また、このため、配線金属を短くすることができ、
Ｓｉの３次元集積化で問題となる配線抵抗の上昇の問題
も回避することができた。この実施例では、ＧａＮの基
板をＳｉ基板上にＣａＭｇＦ或いはＭｇＣａＮを用いな
がら形成すると、大面積基板が容易に得られるので、集
積化がより容易になる。

【００７１】この他、Ｓｉ基板上にＣａＭｇＦ層を厚く
形成し、その上にＳｉのデバイスを形成すると、ＳＯＩ
デバイスが得られる。この場合、基板の絶縁体とＳｉの
格子定数が略一致しているので、高品質のＳｉ層を形成
することができ、高性能のＳＩＯデバイスを得ることが
でき、集積化することも容易となる。（実施例７）図９は、本発明の第７の実施例に係わる半
導体レーザの概略構成を示す断面図である。

【００７２】まず、ＧａＡｓ基板９０１上に、ＧａＡｓ
バッファ層９０２、ＺｎＳｅバッファ層９０３、ＺｎＳ
Ｓｅバッファ層９０４、ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層９０
５、ＺｎＳＳｅ光ガイド層９０６、ＺｎＣｄＳｅ層量子
井戸活性層９０７、ＺｎＳＳｅ光ガイド層９０８、Ｚｎ
ＭｇＳＳｅクラッド層９０９を成長形成した。続いて、
ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層９０５の一部、ＺｎＳＳｅ光
ガイド層９０６、ＺｎＣｄＳｅ層量子井戸活性層９０
７、ＺｎＳＳｅ光ガイド層９０８、ＺｎＭｇＳＳｅクラ
ッド層９０９を選択エッチングして、メサ構造を形成し
た。

【００７３】次いで、Ｍｇ_0.1 Ｓｒ_0.89Ｃａ_0.01Ｆ₂ 埋
め込み層９１０を形成した。さらに、ＭｇＣａＳｒＦ層
９１０の表面をメサ上部を除いてレジストで覆って、ド
ライエッチングで選択的に除去した。この際、ＺｎＭｇ
ＳＳｅ層９０９の表面はＭｇＳｒＣａＦ層９１０からの
II族元素拡散を起こしているので、数百ｎｍ除去した。
この後、レジストを除去して、ＺｎＭｇＳＳｅ層クラッ
ド層９１１、ＺｎＳＳｅ層９１２、ＺｎＳｅ層９１３、
ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層９１４、ＺｎＴｅ層９１５
を積層し、その後ｎ側電極９１７とｐ側電極９１６を蒸
着により形成した。

【００７４】ここで、ＭｇＣａＳｒＦ₂ のバンドギャッ
プは９ｅＶ以上あり、屈折率は略１．４とバンドギャッ
プはＺｎＭｇＳＳｅよりも数ｅＶ以上大きく、屈折率も
少なくとも０．６以上小さい。このため、従来のＺｎＭ
ｇＳＳｅ等を用いて埋め込んだ場合と比べて、光閉じ込
め、電流閉じ込め共に劇的に改善され、活性層の幅が略
０．３μｍの時に最も下がり、従来のＺｎＭｇＳＳｅで
埋め込んだときの数分の１の数ｍＡにまで下がった。

【００７５】本実施例では、ＧａＡｓ基板上に設けたＣ
ｄＺｎＳｅを活性層とする例を上げたが、組成を変えた
り材料を変えたりしても良いことは勿論である。種々の
半導体基板上に設けた埋め込み型の光半導体能動領域に
おいて、半導体の能動部分の周辺を半導体と略格子整合
するＭｇ_x Ｃａ_y Ｓｒ_z Ｂａ_1-x-y-z Ｆ₂ （０≦ｘ，
ｙ，ｚ≦１）或いはＭｇ_a Ｃａ_b Ｓｒ_c Ｂａ_d Ｘ
_1-a-b-c-dＷＦ₂ （０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）単結晶で
埋め込んでいる半導体素子は全て本発明に該当する。組
成比は基板ないしクラッド層とする半導体の格子定数と
図１０に基づいて決めれば良い。

【００７６】例えば、ＩｎＰ基板上に設けたデバイスで
は、Ｓｒ_0.89Ｂａ_0.11Ｆ₂ とし、ＧａＡｓ基板上に設け
たデバイスでは、Ｓｒ_0.57Ｃａ_0.43Ｆ₂ としても良く、
ＩｎＡｓ基板上では、Ｓｒ_0.48Ｂａ_0.52としても良い。
また、ＭｇＦ₂ は通常ルチル構造をとるが、ＣａＦ₂ と
の混晶で、ＣａＦ₂ 構造をとらせるならば、Ｓｉ基板上
ではＣａ_0.97Ｍｇ_0.03Ｆ₂ としてもよく、ＧａＮ上では
Ｃａ_0.2 Ｍｇ_0.8 Ｆ₂としても良い。

【００７７】この他、立方晶の結晶で格子定数が０．４
２〜０．６３ｎｍの、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓ，
ＡｌＰ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮの内
の一種或いは複数を含むIII 族化合物半導体、II−VI族
化合物半導体、Ｃ軸方向の１／２の立方晶相当部分を単
位格子と考えた時に、格子定数が０．４２〜０．６３ｎ
ｍとなるＩ−III −VI族、II−IV−Ｖ族カルコパイライ
ト半導体等に対しても本技術は適用可能である。特に、
III −Ｖ族化合物半導体に用いたときには、II族元素の
拡散により埋め込み領域の周辺がｐ型の導伝型となるの
で、電気的に狭窄効果が強くなり、デバイスとしての向
上が実現できる。（実施例８）図１１に、本発明の第８の実施例に係わる
光集積化回路素子の一部分を示す斜視図である。これ
は、素子の一部分を抜き出し、さらに、面ＡＢ、面ＢＣ
に沿って断面を表示したものである。

【００７８】図中の１１０１はＩｎＰ基板、１１０２は
ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ歪量子井戸とＧａＩｎ
ＡｓＰ光ガイド層からなる変調器の能動領域、１１０３
は変調器のＩｎＰクラッド層とＧａＩｎＡｓＰコンタク
ト領域、１１０４はＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ歪
量子井戸とＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層からなるレーザの
能動領域、１１０５はレーザのＩｎＰクラッド層とＧａ
ＩｎＡｓＰコンタクト領域、１１０６はＥｒ_0.33Ｂａ
_0.67Ｆ₂ よりなる導波路のコア領域、１１０７はＳｒ
_0.89Ｂａ_0.11Ｆ₂ よりなる導波路のクラッド領域、１１
０８はＳｒ_0.89Ｂａ_0.11Ｆ₂ よりなる埋め込み層、１１
０９はＳｒ_0.89Ｂａ_0.11Ｆ₂ よりなる導波路のコア領
域、である。

【００７９】ここで、導波路のコア領域１１０６が変調
機能動領域１１０２とレーザ能動領域１１０４の端面を
埋め込むように形成されており、導波路のコア領域１１
０６と変調機能動領域１１０２とレーザ能動領域１１０
４が、Ｓｒ_0.89Ｂａ_0.11Ｆ₂層１１０８により埋め込ま
れているので、光の導波効率が極めて高かった。また、
導波路のコアとしてＥｒ_0.33Ｂａ_0.67Ｆ₂ 層１１０６を
用いているので、吸収損失が、半導体導波路の場合と比
べて約４桁小さく、数ｃｍのデバイスサイズの中では、
実効的に無視できる大きさであった。また、コア部とク
ラッド部との屈折率差が半導体導波路の場合と比べて、
１桁近く大きいので、本実施例中に示したような曲がり
導波路において、半導体導波路と比べて、曲率半径を数
分の１とすることができた。

【００８０】また、希土類類元素の濃度とII族元素の組
成を変えて格子定数を基板ないしクラッド層と一致させ
ることで、導波路部分の屈折率吸収系数を設計でき、コ
ア部分をいくつかに分けて、組成を変えることで光閉じ
こめの割合についても設計が自由にできた。このため、
隣接する導波路との間で、カップリング素子等の設計も
行えた。

【００８１】また本発明は、本実施例に限られるもので
はなく、幅広い変形が可能である。一つ或いは複数の光
能動領域を形成し、少なくとも一つ以上のその端面に接
触するように、基板の半導体に略格子整合する光導波路
のクラッド領域となるＭｇ_xＣａ_y Ｓｒ_z Ｂａ_1-x-y-z
Ｆ₂ （０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）単結晶領域と光導波路のコ
ア部分となる基板の半導体に略格子整合するＭｇ_a Ｃａ
_b Ｓｒ_c Ｂａ_d Ｘ_1-a-b-c-d Ｆ₂ （０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ
≦１）単結晶領域が形成されていれば本発明に該当す
る。この時の基板の格子常数とＭｇ_a Ｃａ_b Ｓｒ_c Ｂａ
_d Ｘ_1-a-b-c-d Ｆ₂ 単結晶領域、Ｍｇ_a Ｃａ_b Ｓｒ_c Ｂ
ａ_d Ｘ_1-a-b-c-d Ｆ₂ 単結晶領域の格子常数の関係は、
Vegards 則を仮定して、図１０に基づいて、概略決める
ことができる。但し、ＭｇＦ₂ の格子常数は、僅かな成
長条件の差で、０．４２ｎｍから０．４８ｎｍまで変わ
るので、特定の成長条件下でのＭｇＦ₂ の格子常数をも
とにII族元素及び稀土類元素の組成を決める必要があ
る。

【００８２】特に、Ｍｇ_a Ｃａ_b Ｓｒ_c Ｂａ_d Ｘ
_1-a-b-c-d Ｆ₂ 領域が半導体の能動領域と光結合できる
ように直接接触するように形成されていればなおよい。
ここで、Ｘは希土類金属であり、導波させたい光に対し
て適当にｆ軌道の内殻遷移に伴う吸収係数を持つような
種類の元素を選ぶ。

【００８３】本発明によれば、光導波路部分での光吸収
は半導体素子にチップ上のスケールでは実効的にゼロと
なる。このため、従来のチップと比べて、能動領域間の
電気的、光学的相互作用が生じないように、遠くに離し
て設けることができる。またクラッド部分とコア部分を
それぞれ基板に格子整合する単結晶のＭｇ_x Ｃａ_y Ｓｒ
_z Ｂａ_1-x-y-z Ｆ₂ （０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）とＭｇ_a Ｃ
ａ_b Ｓｒ_c Ｂａ_d Ｘ_1-a-b-c-d Ｆ₂ （０≦ａ，ｂ，ｃ，
ｄ≦１）とで形成しているので、ガラス状態のものと比
べて、能動領域の近傍に形成する際に平坦化が行いやす
い。このため、正確にコアの位置、形状を形成すること
ができ、能動領域との間で高い光結合を実現しやすい。

【００８４】また、希土類元素の弗化物の格子常数は、
図１０に示すようにII族元素と同程度の値をとる。この
ため、コア材料をＢａ_0.33Ｎｄ_0.67Ｆ₂ とすれば、Ｉｎ
ｐ基板上で１．３μｍ帯等で特に有効な導波路となり、
Ｂａ_0.67Ｅｒ_0.33Ｆ₂ とすれば１．５５μｍ帯等で特に
有効な導波路となり、Ｂａ_0.56Ｓｍ_0.44Ｆ₂ とすれば
１．４８μｍ帯等で特に有効な導波路となる。またＳｒ
_0.44Ｎｄ_0.56Ｆ₂ とすれば０．９８μｍ帯等で特に有効
な導波路となる。（実施例９）図１２は、本発明の第９の実施例に係わる
半導体レーザの概略構成を示す断面図である。

【００８５】図中の１２０１はＩｎＰ基板及びクラッド
層、１２０２は厚さ０．３のＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層
及び組成の異なるＧａＩｎＡｓＰよりなる歪量子井戸活
性層、１２０３はＢａ_0.11Ｓｒ_0.89Ｆ₂ 埋込み層、１２
０４はＩｎＰクラッド層である。１２０５はＧａＩｎＡ
ｓコンタクト層、１２０６と１２０７は電極金属であ
る。

【００８６】この素子の場合、埋め込み層１２０３の光
学的，電気的狭窄効果が大きく、埋め込み層１２０３の
厚さを薄くすることができ、メサエッチングの深さを
０．３μｍ程度と薄くすることができた。このため、活
性層の幅を極めて正確に決定することができ、再現性の
高いプロセスが得られ、歩留まりが従来の数十％増しに
なると共に、活性層の幅を０．５μｍ以下の狭い幅でも
正確に制御できるようになった。このレーザでは、最低
閾値は、２ｍＡ以下となった。従来の活性層の側方に空
隙を設けたものと較べての約１桁下の閾値を実現するこ
とができた。これは、この構造では活性側面が覆い尽く
されているので、へき開に伴い活性層側方でのチップに
欠陥構造が入り、チップの劣化がないことによるもので
ある。

【００８７】本実施例では、半導体素子の活性領域の近
傍はメサ形成後に半絶縁性層が形成されており、抵抗率
が高く電流狭窄が有効に行われる。特に、II族元素をマ
トリックスとして含む材料で埋め込みを行っているの
で、III-Ｖ族化合物半導体に適用した際に、II族元素が
半導体層中に拡散して、埋め込み層近傍の半導体側がｐ
型化する。このため、界面での電子のリークを防ぐこと
ができ、電流狭窄効果が高かった。また、同一の格子常
数の半導体と比較して、屈折率が数十％から数倍小さく
なるので、光閉じ込めの効果が大幅に改善される。この
ため、小さな導波構造が物理的な可能になった。また、
本発明の半絶縁性層は単結晶であり、半導体層と格子常
数が略一致しているので、埋め込み層の上部にも半導体
層を形成することができる。このため、電流注入部分に
関しては、広い面積を取ることができる。

【００８８】ここではいくつかのデバイスの例を挙げた
が、本発明はこれらのデバイスや構造に限られるもので
はない。第１に、上記実施例中の本発明に関連する技術
内容を適宜組み合わせて用いることができることは言う
までもない。また、基板の材料も必ずしもＳｉとＳｉＣ
のみでＭｇＣａＦ層やＭｇＣａＮ層が有効なわけではな
く、種々の基板上のＡｌＧａＩｎＮの成長に適用可能で
ある。また、基板の面方位に関しても種々の変更が可能
である。特に、立方晶系のＧａＮとＣａＭｇＦ或いはＭ
ｇＣａＮを用いる場合には、自由度が高く、Ｍｇの高い
取り込みを実現できる（１１３）Ａ面等任意の面方位上
での適用が可能である。wurzeit 構造のＧａＮを用いる
場合にも、適宜面方位を変えることができる。また、Ｓ
ｉ基板は全てＳｉＣ基板と置き換えて考えることができ
る。

【００８９】また、種々の電子，光デバイスに適用可能
であり、光デバイスとしては上記レーザや発光素子のほ
か、変調器，導波路と共に、受光素子や増幅器，スイッ
チ，検波器，或いはこれらを組合わせたデバイスにも適
用可能である。また、電子デバイスとしては、バイポー
ラートランジスタ等への適用も可能である。さらに、光
デバイスと電子デバイスとの集積化にも適用可能であ
る。

【００９０】上記実施例内では、ＭｇＣａＦ層を主にＳ
ｉ基板とＧａＮの界面に用いる例を挙げたが、Ｓｉ或い
はＡｌＧａＩｎＮを用いた種々のデバイス作製に当た
り、層間絶縁膜或いは電気的，光学的絶縁層として用い
ることができる。さらに、ＡｌＧａＩｎＮだけではな
く、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ系材料等に対しても適用可能で
ある。また、ＭｇＣａＦ層としては、ＭｇＦ₂ 構造又は
ルチル構造をしており、少なくともＢｅＦ₂ ，ＭｇＦ
₂ ，ＣａＦ₂ ，ＳｒＦ₂ ，ＢａＦ₂ ，ＸＦ₂ ，ＸＯＦ，
ＣｄＦ₂ ，ＺｎＦ₂ ，ＭｎＦ₂ 、またこれらの任意の組
み合わせを含む結晶であれば（Ｘは希土類元素）、本発
明の一部分となる。また、ＭｇＣａＮ層としては、Ｍｇ
₃ Ｎ₂ と同じＣ−希土類構造をした少なくともＢｅ，Ｍ
ｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｘ，Ｃｄ，Ｚｎ，Ｍｎの内の１
種或いは複数とＮ，Ｐ，Ａｓの内の１種或いは複数を含
む（Ｘは希土類元素）結晶であれば、本発明の一部分と
なる。

【００９１】また、窒化物としては、Ｔｉ₂ Ｎ，ＢＮ，
ＣｅＮ，ＣｒＮ，ＤｙＮ，ＥｒＮ，ＥｕＮ，ＧｄＮ，Ｌ
ｕＮ，ＨｏＮ，ＬａＮ，ＮｄＮ，ＰｒＮ，ＰｕＮ，Ｓｃ
Ｎ，ＳｍＮ，ＴｂＮ，ＴｈＮ，ＴｉＮ，ＴｍＮ，ＵＮ，
ＶＮ，ＹＮ，ＹｂＮ，ＺｒＮ，ＧｅＬｉ₅ Ｎ₃ ，Ｌｉ₅
ＳｉＮ₃ ，ＵＮ₂ ，Ｌｉ₅ ＴｉＮ₃ ，ＬｉＭｇＮ，Ｌｉ
ＺｎＮ，Ｍｎ₂ Ｎ，ＮｂＮ，Ｃｕ₃ Ｎ，Ｆｅ₄ Ｎ，Ｆｅ
₃ ＮｉＮ，Ｆｅ₃ ＰｔＮ，Ｍｎ₄ Ｎ，ＮｉＴｉＮ，Ｔａ
Ｎ，Ｔｈ₂ Ｎ₃ ，Ｕ₂ Ｎ₃ ，ＳｉＮ，Ａｕとの化合物、
Ｃｕとの化合物、Ａｇとの化合物、これらの単結晶、多
結晶、アモルファスないしガラス状のもの、酸化物、Ｓ
ｉとの金属間化合物のうちの少なくとも一つあるいはこ
れらの組み合わせでも良い。

【００９２】また、本発明を用いると、基板の格子常数
を大きく変えられるので、ＧａＮではなくて、Ｇａ_x Ｉ
ｎ_1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）に格子整合するものを用意する
ことができる。この場合、レーザを作成すると、発振波
長を４３０〜６５０ｎｍの間で自由に変えることができ
る。さらに、本発明のＭｇＣａＦ層ないしＭｇＣａＮ或
いはその両者を間に活性領域を挟みながら積層すれば、
複数の活性領域の一デバイス上に積層でき、しかも活性
領域の組成は広い範囲で変えられる。例えばこの構造を
発光デバイスに応用すれば、何色もの発光素子を積層で
き、３原色の表示デバイス等の作成が容易に行える。そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形が
可能である。

【００９３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ｓｉ基板
或いはＳｉＣ基板上等に、格子常数，結晶構造差の大き
いＡｌＧａＮ系材料を用いた半導体素子の実現が可能と
なる。さらに、表面平坦性に優れたＳｉ基板を用いるこ
とで、再現性良くデバイスの作製が可能となる。また、
表面での乱反射の少ない良好な光の導波構造を有する光
素子の作製が可能となる。

【００９４】また、ＭｇＣａＦ又はＭｇＣａＮを層間絶
縁膜に用いることで、等方的に電極材料と絶縁膜と半導
体層の積層が可能となり、プロセスが容易になり、従来
よりも高性能の素子を再現性良く均一に得られると共
に、従来と比べ素子設計の自由度が増し、３次元的な素
子を得ることが可能となる。

【００９５】特に、チップサイズが大きいデバイスや、
チップ価格の安いデバイスでは、Ｓｉの大口径基板を使
用することで、製造コストが大幅に低減でき、とりわけ
その効果は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図。

【図２】第２の実施例に係わる半導体光素子の概略構成
を示す断面図。

【図３】第３の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図。

【図４】第４の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図。

【図５】第４の実施例に係わる半導体レーザの形成方法
を説明するための模式図。

【図６】第５の実施例に係わる電界効果型トランジスタ
の概略構成を示す断面図。

【図７】第６の実施例に係わる金属−絶縁体−半導体構
造の電界効果型トランジスタの３次元集積化素子の一部
分を示す概略構成断面図。

【図８】本発明におけるＣａＦ₂ 構造のＭｇＣａＦと構
成元素のＭｇ及びＣａ及びＳｒ，Ｂａのイオン半径の関
係を示す説明図。

【図９】第７の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図。

【図１０】本発明におけるＣａＦ₂ 構造のＭｇ_a Ｃａ_b
Ｓｒ_c Ｂａ_d Ｘ_1-a-b-c-d Ｆ₂ （０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦
１）単結晶とＭｇ_x Ｃａ_y Ｓｒ_z Ｂａ_1-x-y-z Ｆ₂ （０
≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）単結晶の構成II族元素及び稀土類元
素のイオン半径と格子常数の関係を示す説明図。

【図１１】第８の実施例に係わる光集積化回路素子の一
部分を示す斜視図。

【図１２】第９の実施例に係わる半導体レーザの概略構
成を示す断面図。

【符号の説明】

１０１…Ｓｉ基板１０２…ＭｇＣａＦ層１０３…ＧａＮ層１０４…ＧａＮ層１０５…ＡｌＧａＮ層１０６…ＧａＮ層１０７…ＡｌＧａＮ層１０８…ＧａＮ層１０９…ＡｕＳｅ電極１１０…ｐ側電極１０３ｂ…ＧａＮ５０１…第１の成長時間帯５０２…第２の成長時間帯５０３…第３の成長時間帯５０４…窒化処理５０５…第４の成長時間帯５０６…第５の成長時間帯

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上にＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦
１）層及びＣ−希土類構造のＭｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ （０≦
ｔ≦３）層の少なくとも一方を形成し、該Ｃａ_x Ｍｇ
_1-x Ｆ₂層又は該Ｍｇ_t Ｃａ_3-t Ｎ₂ 層を挟み基板の反
対側に少なくともＧａ_y Ｉｎ_z Ａｌ_1-y-z Ｎ（０≦ｙ，
ｚ≦１）層を形成したことを特徴とする半導体素子。
【請求項２】基板上にＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０≦ｘ≦
１）層を形成する工程と、その後一度成長温度よりも基
板温度を下げ、再度温度を上げて、前記Ｃａ_x Ｍｇ_1-x
Ｆ₂ 層の上にＭｇ組成の異なるＣａ_x Ｍｇ_1-x Ｆ₂ （０
≦ｘ≦１）層を形成する工程とを含むことを特徴とする
半導体素子の製造方法。