JPH11219909A - 窒化物半導体の成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 基板となり得るような結晶欠陥の少ない窒化
物半導体の成長方法を提供すると共に、信頼性に優れた
窒化物半導体素子を提供する。 【構成】 異種基板の上に成長された第１の窒化物半導
体層の上に部分的に保護膜を形成し、その保護膜の上
に、第１の窒化物半導体層よりも結晶欠陥が少ない第２
の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の成長方法
において、前記第１の窒化物半導体層と保護膜との間に
保護膜に接して、あるいは第２の窒化物半導体層成長中
に、Ｉｎを含む窒化物半導体層を形成することにより結
晶欠陥の転位を止める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は基板となり得るような結
晶欠陥の少ない窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ
_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）の成長方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料と知ら
れている窒化物半導体は、サファイア基板上に格子不整
合の状態で成長されている。格子不整合で半導体材料を
成長させると、半導体中に結晶欠陥が発生し、その結晶
欠陥が半導体デバイスの寿命に大きく影響することは知
られている。窒化物半導体の場合、結晶欠陥として非常
に多い貫通転位がある。しかし、窒化物半導体ＬＥＤ素
子の場合、その貫通転位が例えば１０¹⁰／cm²以上と多
いにも関わらず、その寿命にはほとんど影響しない。こ
れは窒化物半導体が他の半導体材料と異なり、非常に劣
化に強いことを示している。

【０００３】一方、窒化物半導体レーザ素子では、ＬＥ
Ｄと同様にサファイア基板の上に成長されるが、サファ
イアの上に例えばＬＥＤと同じようにバッファ層を介し
て素子構造となる窒化物半導体を積層すると結晶欠陥は
ＬＥＤと同じである。しかし、レーザ素子の場合は、Ｌ
ＥＤに比較して電流密度が１〜２桁も大きいので、結晶
欠陥がＬＥＤと異なり直接寿命に影響する傾向にある。
レーザ素子のような極微小な領域に電流を集中させるデ
バイスでは、半導体中の結晶欠陥を少なくすることが非
常に重要である。

【０００４】そこで、例えばサファイアのような窒化物
半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体
基板となるような結晶欠陥の少ない窒化物半導体を成長
させる試みが、最近盛んに行われるようになった（例え
ば、Proceedings of The Second International Confer
ence on Nitride Semiconductors-ICNS'97 予稿集,Octo
ber 27-31,1997,P492-493、同じくICNS'97 予稿集,Octo
ber 27-31,1997,P500-501)。これらの技術は、サファイ
ア基板上に、従来の結晶欠陥が非常に多いＧａＮ層を薄
く成長させ、その上にＳｉＯ₂よりなる保護膜を部分的
に形成し、その保護膜の上からハライド気相成長法（Ｈ
ＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相
成長法により、再度ＧａＮ層を横方向に成長させる技術
である。この方法は窒化物半導体を保護膜上で横方向に
成長させることから、一般にラテラルオーバーグロウス
（lateral over growth:ＬＯＧ）と呼ばれている。

【０００５】また、我々はＬＯＧにより作製した窒化物
半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素
子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間
以上を達成したことを発表した。（ICNS'97 予稿集,Oct
ober 27-31,1997,P444-446）

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の窒化物半導体の
成長方法によると、確かに異種基板上に直接成長させた
窒化物半導体よりも、結晶欠陥の数は減少する。これは
ラテラルグロウスによって、結晶欠陥の転位を減少させ
ることができる。

【０００７】しかしながら、従来の成長方法では、未だ
窒化物半導体表面に現れている結晶欠陥の数は多く未だ
十分満足できるものではなかった。また窒化物半導体素
子についても、結晶欠陥が未だ偏在するため、信頼性も
十分とは言えない。そのため一枚のウェーハからレーザ
素子を多数作製しても、満足できる寿命を有しているも
のはわずかしか得られない。寿命に優れた素子を作製す
るためには、窒化物半導体表面に現れた結晶欠陥の数を
さらに減少させる必要がある。従って、本発明はこのよ
うな事情を鑑みてなされたものであって、その目的とす
るところは、窒化物半導体基板となり得るような、さら
に結晶欠陥の少ない窒化物半導体の成長方法を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体の
成長方法は３つの態様からなり、その第１の態様は、窒
化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に成長さ
れた第１の窒化物半導体層の上に部分的に保護膜を形成
し、その保護膜の上に、第１の窒化物半導体層よりも結
晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層を成長させる窒化
物半導体の成長方法において、前記第１の窒化物半導体
層と保護膜との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる
第３の窒化物半導体層を形成することを特徴とする。な
お異種基板と第１の窒化物半導体とは直接接していなく
ても良く、また第３の窒化物半導体層と保護膜とは直接
接していなくても良い。また第１の窒化物半導体層は複
数の層からなっていても良い。第３の窒化物半導体層
は、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a＜１）層を成長させること
が望ましく、例えばその膜厚は１０オングストローム以
上、好ましくは５０オングストローム以上で成長させ
る。１０オングストロームよりも薄いと、結晶欠陥を止
めるのが不十分な傾向にある。また膜厚の上限は特に限
定するものではないが３μｍ以下に調整することが望ま
しい。３μｍを超えると良質の結晶を成長させるのが難
しい傾向にある。但し、第１の窒化物半導体層よりも第
３の窒化物半導体層を薄膜で成長させる方が結晶欠陥が
少ない第２の窒化物半導体層が得られる傾向にある。

【０００９】本発明の第１の態様において、前記第１の
窒化物半導体層がＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．４）よ
りなり、前記第３の窒化物半導体層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ
（０＜a≦０．５）よりなることを特徴とする。このＡ
ｌの混晶比は０．４以下に調整することにより、次に成
長させるＩｎを含む窒化物半導体を成長させるための結
晶性の良い下地層となる。０．４を超えると下地層自体
にクラックが入りやすくなる傾向にあり、ＩｎＧａＮを
成長させにくくなる。最も好ましいこの下地層としては
ＧａＮを成長させる。またこのＡｌ_XＧａ_1-XＮ層は例え
ば異種基板の上に４００℃〜９００℃の範囲で成長され
た、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の低温成長バッファ
層の上に成長されていても良い。特に、第３の窒化物半
導体はＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）とすると結晶
性の良い層が得られ効果的に結晶欠陥を第３の窒化物半
導体で止めることができる傾向にある。

【００１０】また本発明の第２の態様は、窒化物半導体
と異なる材料よりなる異種基板の上に成長された第１の
窒化物半導体層の上に部分的に保護膜を形成し、その保
護膜の上に、第１の窒化物半導体層よりも結晶欠陥が少
ない第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の
成長方法において、前記第２の窒化物半導体層中に、Ｉ
ｎを含む窒化物半導体よりなる第４の窒化物半導体層を
少なくとも一層介在させることを特徴とする。この第４
の窒化物半導体層は第１の態様と同じく、Ｉｎ _bＧａ_1-b
Ｎ（０＜ｂ＜１）を成長させることが望ましく、例えば
その膜厚は１０オングストローム以上、好ましくは５０
オングストローム以上で成長させる。膜厚の上限は特に
限定しないが３μｍ以下に調整することが望ましい。な
お、本発明の第１の態様、第２の態様において、ＩｎＧ
ａＮの膜厚は必ずしも必須要件ではない。

【００１１】本発明の第２の態様では、前記第４の窒化
物半導体層は、Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層
と、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）層との間に挟ま
れていることを特徴とする。このＡｌ混晶比は０．４以
下に調整することにより、第１の態様と同じく、次に成
長させるＩｎを含む第４の窒化物半導体を成長させるた
めの結晶性の良い下地層となる。０．４を超えると下地
層自体にクラックが入りやすくなる傾向にあり、ＩｎＧ
ａＮを成長させにくくなる。このＩｎＧａＮを挟むＡｌ
_YＧａ_1-YＮ層、及びＡｌ_ZＧａ_1-ZＮは最も好ましくはＧ
ａＮとする。

【００１２】また本発明の第２の態様と第１の態様とを
組み合わせることもできる。即ち、第３の態様は、第１
の窒化物半導体層と保護膜との間に、Ｉｎを含む窒化物
半導体よりなる第３の窒化物半導体層を形成し、さらに
前記第２の窒化物半導体層中に、Ｉｎを含む窒化物半導
体よりなる第４の窒化物半導体層を少なくとも一層介在
させることを特徴とする。

【００１３】なお、本発明の第３の態様においても、前
記第１の窒化物半導体層がＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦
０．４）よりなり、前記第３の窒化物半導体層がＩｎ_a
Ｇａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）であり、かつ前記第４の窒
化物半導体層は、Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層
と、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）層との間に挟ま
れているようにすると好ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の成長方法の第１の
態様において得られる窒化物半導体層の結晶構造を示す
模式的な断面図であり、１は例えばサファイアよりなる
異種基板、２は異種基板上に成長されて、結晶欠陥が層
内ほぼ均一にある第１の窒化物半導体層、３は結晶欠陥
が第１の窒化物半導体層よりも少ない第２の窒化物半導
体層、４はＩｎを含む第３の窒化物半導体層、５は窒化
物半導体層の上に部分的に形成される保護膜を示してい
る。以下、これらの図を元に本発明の窒化物半導体の成
長方法の作用を従来の方法と比較しながら説明する。

【００１５】異種基板１の上に成長した第１の窒化物半
導体層２は、その層内においてほぼ均一に結晶欠陥を有
している。第１の窒化物半導体層２は、例えば第１の窒
化物半導体よりも低温で成長させるＧａＮ、ＡｌＮ、Ｇ
ａＡｌＮ等のバッファ層（図示せず。）の上に成長され
ることが多い。本発明の方法では、保護膜が直接接して
いる第３の窒化物半導体層４をＩｎを含む窒化物半導
体、好ましくは３元混晶のＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜
１）とすることにより、第１の窒化物半導体層の上に成
長させる第２の窒化物半導体層３の結晶欠陥を従来より
も少なくすることができる。また第１の窒化物半導体層
及び第３の窒化物半導体層を同一組成のＩｎＧａＮとす
ることもできるが、同一組成のＩｎ_aＧａ_1-aＮとする場
合、そのａ値は０＜a≦０．１の範囲に調整することが
望ましい。０．１を超えると結晶性が悪く、結晶欠陥が
多くなり、その上に成長させる第２の窒化物半導体層の
結晶欠陥が多くなる傾向にある。

【００１６】好ましくは、図１に示すように、第１の窒
化物半導体層２をＩｎを含まない窒化物半導体、好まし
くはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．４）、さらに好まし
くはＧａＮとし、その上にＩｎを含む第３の窒化物半導
体４、好ましくはＩｎ_aＧａ_{1 -a}Ｎ（０＜ａ＜１）、さら
に好ましくは（０＜ａ≦０．５）を成長させる。なお第
１の第３の窒化物半導体が同一組成である場合に比べ
て、第３の窒化物半導体層のＩｎ組成比が多くても良い
のは次の通りである。即ちＩｎ_aＧａ_1-aＮは基板の上に
バッファ層を介して直接成長させる窒化物半導体ではな
く、Ａｌ混晶比の少ないＡｌＧａＮ、ＧａＮよりなる第
１の窒化物半導体層２の上に成長される層であるため結
晶性がよい。そのためＩｎ_bＧａ_1-bＮのＩｎ組成比を大
きくすることができる。また、第１の窒化物半導体層
は、例えばＧａＮとＩｎＧａＮとを積層した多層膜、例
えば膜厚１００オングストローム以下の窒化物半導体を
交互に積層した超格子層としても良い。多層膜とする場
合、最終的に保護膜と接する側の窒化物半導体層をＩｎ
ＧａＮとすると、そのＩｎＧａＮ層が本発明の第２の窒
化物半導体層に該当する。

【００１７】図１に示す細線は異種基板と窒化物半導体
との格子不整合により起因する結晶欠陥が窒化物半導体
層中を伝搬する様子を模式的に示している。Ｉｎを含む
窒化物半導体は、Ｉｎを含まない窒化物半導体に比べて
結晶自体が柔らかいので、この層で、結晶欠陥が止まり
やすい傾向にある。そのため、まずＧａＮよりなる第１
の窒化物半導体層２を成長させ、その上にＩｎＧａＮよ
りなる第３の窒化物半導体層４を成長させてやることに
より、第１の窒化物半導体層２より発生した結晶欠陥を
第３の窒化物半導体層４によって止める。従って、その
第３の窒化物半導体層４、及び保護膜の上に第２の窒化
物半導体を成長させても、元の結晶欠陥が止められてい
るので、第２の窒化物半導体に伝搬し、表出してくる結
晶欠陥は少なくなる。

【００１８】図２は本発明の方法の第２の態様を示す窒
化物半導体ウェーハの模式的な断面図であり、図１と同
じく細線は結晶欠陥を示し、同一符号は同一部材を示し
ているが４’は第４の窒化物半導体を示す。第２の態様
も第１の態様と同じく、第２の窒化物半導体層成長中に
Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）、さらに好ましくはＩｎ
_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ≦０．５）よりなる第４の窒化物半
導体層４’を成長させることにより、結晶欠陥をその第
４の窒化物半導体層４’で止め、その第４の窒化物半導
体層４’上に成長させる第２の窒化物半導体層３’の結
晶欠陥を少なくすることができる。

【００１９】さらに、第２の窒化物半導体層３はＡｌ_Y
Ｇａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層、好ましくはＧａＮを成
長させ、その上にＩｎＧａＮ層４を成長させ、その上に
Ａｌ _ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）層３’、好ましくは
ＧａＮを成長させることが、表出する結晶欠陥の少ない
第２の窒化物半導体層３’を得る上で非常に好ましい。

【００２０】図３は第２の態様において第４の窒化物半
導体層４’を介在させる位置を示す断面図である。図２
では最初の第２の窒化物半導体層３が平面状になった後
にＩｎＧａＮ層４をその上に成長させているが、図３で
は第２の窒化物半導体層が平面上を呈していないうちか
ら第４の窒化物半導体層４’をその上に成長させてい
る。保護膜を介して結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導
体を成長させる場合、保護膜が形成されていない部分
（窓部）からまず第２の窒化物半導体が成長し始め、そ
れが横方向に成長する。その成長過程において、第２の
窒化物半導体は、図３に示すように最初、三角形状若し
くは柱状の形状で成長し、それらが保護膜上で繋がる。
本発明ではその第２の窒化物半導体３が保護膜上におい
て横方向に成長して繋がる前に第４の窒化物半導体層
４’を成長させても、十分その効果が得られる。

【００２１】図４は従来の窒化物半導体の成長方法によ
る窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図であ
る。従来方法の成長方法では、第２の窒化物半導体３の
成長初期には窓部から多くの結晶欠陥が転位するが、第
２の窒化物半導体３成長中、かなり多くの結晶欠陥の転
位が中断するものの、第２の窒化物半導体３の表面まで
転位し続ける結晶欠陥が存在し、一方、保護膜の上部で
は縦方向に転位する結晶欠陥がほとんど見られない。こ
のような従来の成長方法により得られる窒化物半導体は
結晶欠陥の数を減少させることができるが、素子の信頼
性をより高めるには更なる結晶欠陥の低下が望まれる。
更にまた、第２の窒化物半導体の成長の途中で転位が中
断した結晶欠陥が、素子を動作中に再転位する恐れも考
えられ、結晶欠陥の再転位により素子の寿命が短くなる
可能性がある。

【００２２】本発明では、第２の窒化物半導体層成長
中、若しくは成長前に、第１の窒化物半導体と異なる組
成を有する窒化物半導体、即ちＩｎＧａＮを成長させる
ことにより結晶欠陥の転位を止め、第２の窒化物半導体
の成長初期に窓部から転位する結晶欠陥の数、及び窓部
上部の第２の窒化物半導体層の表面に現れる結晶欠陥の
数を少なくすることができ、更に素子の動作中の再転位
の防止を可能にするものである。本発明の成長方法によ
り得られる第２の窒化物半導体層は、結晶欠陥の非常に
少ない、良好な窒化物半導体基板となりうる。このよう
にして第２の窒化物半導体を成長することにより、第２
の窒化物半導体層表面に現れる平均的な結晶欠陥の数
は、断面ＴＥＭで観察すると、１×１０⁸個／cm²以下、
さらには１×１０⁶個／cm²以下にすることができる。

【００２３】

【実施例】［実施例１］図５は本発明の一実施例に係る
レーザ素子の形状を示す模式的な斜視図であり、リッジ
ストライプに垂直な方向で切断した際の断面も同時に示
している。以下、この図を基に実施例１について説明す
る。

【００２４】２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイア
よりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセット
し、温度を５００℃にして、キャリアガスに水素、反応
ガスにＴＭＧ、及びアンモニアを用い、ＧａＮよりなる
バッファ層（図示せず）を２００オングストロームの膜
厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃
にして、同じくＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２
を５μｍの膜厚で成長させる。基板はサファイアの他、
ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ等、窒化物半導体
を成長させるために知られている、窒化物半導体と異な
る材料よりなる基板を用いることができる。第１の窒化
物半導体層２はＡｌ混晶比X値が０．５以下のＡｌ_XＧａ
_1-XＮ（０≦X≦０．５）を成長させることが望ましい。
０．５を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にク
ラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が
困難になる傾向にある。また膜厚はバッファ層よりも厚
い膜厚で成長させて、１０μｍ以下の膜厚に調整するこ
とが望ましい。

【００２５】（第３の窒化物半導体層４）次に温度を８
００℃にして、反応ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ、及びアンモ
ニアを用い、第１の窒化物半導体層２の上にＩｎ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎよりなる第３の窒化物半導体層４を０．５μｍ
の膜厚で成長させる。

【００２６】第３の窒化物半導体層４成長後、ウェーハ
を反応容器から取り出し、この第３の窒化物半導体層４
の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶ
Ｄ装置によりストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔
（窓部）２μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜５を１μｍの
膜厚で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、
ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、窓部
よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少な
い第２の窒化物半導体層３が成長しやすい。保護膜の材
料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ
素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸化チタン（ＴｉＯ_X）、酸化ジルコ
ニウム（ＺｒＯ_X）等の酸化物、窒化物、またこれらの
多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用
いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導
体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、そ
の表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長し
にくい性質を有している。

【００２７】（第２の窒化物半導体層３）保護膜３形成
後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセット
し、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用
い、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層４
を１０μｍの膜厚で成長させる。この第２の窒化物半導
体層は、保護膜５及び、第３の窒化物半導体層４の上に
連続して形成される。この第２の窒化物半導体層３はハ
ライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて成長させること
もできるが、ＭＯＶＰＥ法による方が結晶性の良いもの
が得られやすい。また、この第２の窒化物半導体層にＳ
ｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてキャリア濃度を適
当な範囲に調整してもよい。

【００２８】（ｎ側バッファ層１１＝兼ｎ側コンタクト
層）アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガス
を用い、第２の窒化物半導体層３の上にＳｉを３×１０
¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ層１１
を４μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層は、図５
のような構造の発光素子を作製した場合にはｎ電極を形
成するためのコンタクト層としても作用する。また第２
の窒化物半導体層を７０μｍ以上の厚膜で成長させて、
保護膜、異種基板を除去し、第２の窒化物半導体層に電
極を設ける場合には、省略することもできる。このｎ側
バッファ層は高温で成長させるバッファ層であり、例え
ばサファイア、ＳｉＣ、スピネルのように窒化物半導体
体と異なる材料よりなる基板の上に、９００℃以下の低
温において、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、０．５μｍ以下の膜
厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。

【００２９】（クラック防止層１２）次に、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温
度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラッ
ク防止層１２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。クラ
ック防止層は少なくともインジウムを含む窒化物半導
体、好ましくはＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜０．５）を
０．５μｍ以下の膜厚で成長させることにより、その上
に成長させるＡｌを含む窒化物半導体にクラックが入る
のを防ぐことができる。

【００３０】（ｎ側クラッド層１３＝超格子層）続い
て、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シラン
ガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型Ａ
ｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第１の層を２５オングストロー
ムの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止
め、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を２５オング
ストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層
＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成
し、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層
１２を成長させる。バンドギャップエネルギーが異なる
窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物
はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ド
ープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。

【００３１】（ｎ側光ガイド層１４）続いて、シランガ
スを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側
光ガイド層１４を０．１μｍの膜厚で成長させる。この
ｎ側光ガイド層は、活性層の光ガイド層として作用し、
ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常
１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２
００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させること
が望ましい。またこの層をアンドープの超格子層とする
こともできる。超格子層とする場合には超格子を構成す
るバンドギャップエネルギーの大きい方の窒化物半導体
層のバンドギャップエネルギーは活性層の井戸層よりも
大きく、ｎ側クラッド層のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりも小さ
くする。

【００３２】（活性層１５）次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ア
ンモニアを用い活性層１４を成長させる。活性層は温度
を８００℃に保持して、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよ
りなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させ
る。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度
で、アンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を１
００オングストロームの膜厚で成長させる。井戸層と障
壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４
４０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の
活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンド
ープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物
をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にド
ープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。

【００３３】（ｐ側キャップ層１６）次に、温度を１０
５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側
光ガイド層１７よりもバンドギャップエネルギーが大き
い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ
_0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層１６を３００オングスト
ロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層１６は
０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力
が向上する傾向にある。膜厚の下限は特に限定しない
が、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが
望ましい。

【００３４】（ｐ側光ガイド層１７）続いてＣｐ2Ｍ
ｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ側キャップ層１６よりも小さい、アンドープ
ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１７を０．１μｍの膜厚
で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作
用し、ｎ型光ガイド層１４と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮ
で成長させることが望ましい。なお、このｐ側光ガイド
層をアンドープの窒化物半導体、若しくはｐ型不純物を
ドープした窒化物半導体よりなる超格子層とすることも
できる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネル
ギーの大きな方の窒化物半導体層のバンドギャップエネ
ルギーは、活性層の井戸層より大きく、ｐ側クラッド層
のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりも小さくすることが望ましい。

【００３５】（ｐ側クラッド層１８）続いて、１０５０
℃でＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎよりなる第３の層を２５オングストロームの膜厚
で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、アンドープＧａ
Ｎよりなる第４の層を２５オングストロームの膜厚で成
長させ、総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラ
ッド層１８を成長させる。この層もｎ側クラッド層１３
と同じくバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導
体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか
一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行う
と閾値が低下しやすい傾向にある。

【００３６】（ｐ側コンタクト層１９）最後に、１０５
０℃で、ｐ側クラッド層１８の上に、Ｍｇを２×１０²⁰
／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層
１８を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ
側コンタクト層１９はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ
（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好
ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１
と最も好ましいオーミック接触が得られる。またｐ型Ａ
ｌ_YＧａ_1-YＮを含む超格子構造のｐ側クラッド層１７に
接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導
体をｐ側コンタクト層として、その膜厚を５００オング
ストローム以下と薄くしているために、実質的にｐ側コ
ンタクト層１８のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ま
しいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低
下する。

【００３７】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中７００
℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層を
さらに低抵抗化させる。

【００３８】アニーリング後、ウェーハを反応容器から
取り出し、図７に示すように、ＲＩＥ装置により最上層
のｐ側コンタクト層１８と、ｐ側クラッド層１７とをエ
ッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形
状とする。結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層３上
に導波路領域を形成すると、結晶欠陥が活性層まで伸び
てこなくなる傾向にあるため、素子の寿命を長寿命とす
ることができ、信頼性が向上する。

【００３９】次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥ
にてエッチングを行い、ｎ側バッファ層１１の表面を露
出させる。露出させたこのｎ側バッファ層１１はｎ電極
２３を形成するためのコンタクト層としても作用する。

【００４０】次にｐ側コンタクト層１９のリッジ最表面
にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成
する。ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られ
るｐ電極２０の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｐ
ｄ、Ｃｏ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等を挙
げることができる。

【００４１】一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を先
ほど露出させたｎ側バッファ層１１の表面にストライプ
状に形成する。ｎ側バッファ層１１、またはＧａＮ基板
１０と好ましいオーミックが得られるｎ電極２２の材料
としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の
金属若しくは合金が好ましい。

【００４２】次に、図１に示すようにｐ電極２０と、ｎ
電極２２との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉ
Ｏ₂よりなる絶縁膜２３を形成し、この絶縁膜２３を介
してｐ電極２０と電気的に接続したｐパッド電極２１を
形成する。このｐパッド電極２１は実質的なｐ電極２１
の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、
ダイボンディングできるようにしている。

【００４３】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨
剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファ
イア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを７０
μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μ
ｍポリシングして基板表面を鏡面状とし、Ａｕ／Ｓｎで
全面をメタライズする。

【００４４】その後、Ａｕ／Ｓｎ側をスクライブして、
ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈
開面に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂
よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な
方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチッ
プをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した
状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイ
ヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度２．０ｋＡ／cm²、閾
値電圧４．０Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確
認され、１万時間以上の寿命を示した。さらに同一ウェ
ーハから、５００個のレーザ素子を無作為に抽出し、レ
ーザ素子の寿命を測定したところ７０％以上が１万時間
以上の寿命を示した。このように長寿命を有するレーザ
素子が多く得られると言うことは、第２の窒化物半導体
層の結晶欠陥が少なくなっていることを示している。

【００４５】［比較例］実施例１において、第３の窒化
物半導体層４を成長させず、直接第１の窒化物半導体層
２の上に保護膜５を形成し、リッジストライプを任意の
位置に形成する他は、同様にしてレーザ素子を得たとこ
ろ、５００個の内で１万時間以上を達成したものは５％
以下であった。

【００４６】［実施例２］実施例１において、Ｉｎ0.1
Ｇａ0.9Ｎよりなる第３の窒化物半導体層成長後、続い
て、温度を１０００℃にして、ＧａＮ層（第１の窒化物
半導体の続き）を０．１μｍの膜厚で成長させる。な
お、このＧａＮ層はＩｎＧａＮを成長させる温度とほぼ
同じか、それよりも低温で成長させても良い。ＧａＮ層
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、実施例１と
同様にして保護膜を形成して、第２の窒化物半導体層、
及びｎ側コンタクト層以上の素子構造となる窒化物半導
体を積層してレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ
同等の歩留まりで、１万時間以上の寿命を有するレーザ
素子が得られた。

【００４７】［実施例３］実施例１において、ＧａＮよ
りなる第１の窒化物半導体層２成長後、ウェーハを反応
容器から取り出し、この第１の窒化物半導体層２の表面
に、実施例１と同様にしてストライプ状のフォトマスク
を形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、ス
トライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜
を１μｍの膜厚で形成する。

【００４８】再度ウェーハを反応容器に移送し、温度を
１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、保護膜
を形成した第１の窒化物半導体層の上に、アンドープＧ
ａＮよりなる第２の窒化物半導体層を５μｍの膜厚で成
長させる。

【００４９】続いて、温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、
ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなる
第４の窒化物半導体層を０．５μｍの膜厚で成長させ
る。

【００５０】続いて、温度を１０５０℃にして、ＴＭ
Ｇ、アンモニアを用い、第４の窒化物半導体層の上にア
ンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を再度５
μｍの膜厚で成長させる。

【００５１】後は実施例１と同様にして、ｎ側コンタク
ト層から上の活性層を含む窒化物半導体を積層した後、
実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実
施例１とほぼ同等の歩留まりで、１万時間以上の寿命を
有するレーザ素子が得られた。

【００５２】［実施例４］実施例１において、Ｉｎ0.1
Ｇａ0.9Ｎよりなる第３の窒化物半導体層の上にストラ
イプ状の保護膜を形成した後、再度ウェーハを反応容器
に戻し、温度を１０５０℃にする。そして、実施例２と
同様にして、第３の窒化物半導体層、及び保護膜の上に
アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を５μ
ｍの膜厚で成長させ、その上にＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりな
る第４の窒化物半導体層を０．５μｍの膜厚で成長さ
せ、さらに、その第４の窒化物半導体層の上にアンドー
プＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を再度５μｍの
膜厚で成長させる。

【００５３】後は実施例１と同様にして、ｎ側コンタク
ト層から上の活性層を含む窒化物半導体を積層した後、
実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実
施例１とほぼ同等の歩留まりで、１万時間以上の寿命を
有するレーザ素子が得られた。る。

【００５４】［実施例５］図６は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式断面図であり、図５と
同一符号は同一箇所を示す。実施例１において、第２の
窒化物半導体層３を成長させる際に、Ｓｉをドープして
膜厚を９０μｍの膜厚で成長させる。後は実施例１と同
様にしてその第２の窒化物半導体層の上にｎ側コンタク
ト層１１から上の窒化物半導体層を成長させる。成長
後、反応容器からウェーハを取り出し、このウェーハの
異種基板側を研磨して、異種基板１、第１の窒化物半導
体層２、第３の窒化物半導体層４及び保護膜３を除去す
る。

【００５５】次に、実施例１と同様にしてｐ側クラッド
層１８から上をリッジ形状とし、ｐ電極２０及びｐパッ
ド電極２１を形成する。但し、リッジストライプの位置
は保護膜が除去されているので、窓部に一致させること
は困難である。一方保護膜が除去されて露出された第２
の窒化物半導体層表面のほぼ全面にＴｉ／Ａｌよりなる
ｎ電極２２を設け、図６に示すようにｐ電極とｎ電極と
が対向した状態のレーザ素子とする。

【００５６】同様にこのレーザ素子も低閾値で室温で連
続発振し、リッジを任意の位置に形成したにも関わら
ず、１万時間以上の寿命を示したものは５００個の内で
４０％以上あった。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の窒化物半
導体の成長方法によると、窒化物半導体基板となる第２
の窒化物半導体層に表出する結晶欠陥を少なくすること
ができるので、その上に素子構造となる活性層を含む窒
化物半導体を積層しても、結晶欠陥が広がらず、長時間
に渡って信頼性に優れた素子が実現できる。なお、本明
細書においてはレーザ素子について説明したが、本発明
の成長方法はレーザ素子だけでなく、窒化物半導体基板
を用いた窒化物半導体デバイス全てに適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の成長方法の第１の態様において得ら
れる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。

【図２】 本発明の成長方法の第２の態様において得ら
れる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。

【図３】 本発明の成長方法の第２の態様において得ら
れる窒化物半導体層の別の結晶構造を模式的に示す断面
図。

【図４】 従来の成長方法において得られる窒化物半導
体層の結晶構造を模式的に示す断面図。

【図５】 本発明の方法に係るレーザ素子の構造を示す
模式的な斜視図。

【図６】 本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造
を示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・異種基板 ２・・・第１の窒化物半導体層 ３、３’・・・第２の窒化物半導体層 ４・・・第３の窒化物半導体層 ４'・・・第４の窒化物半導体層 ５・・・保護膜 １１・・・ｎ側バッファ層 １２・・・クラック防止層 １３・・・ｎ側クラッド層 １４・・・ｎ側光ガイド層 １５・・・活性層 １６・・・ｐ側キャップ層 １７・・・ｐ側光ガイド層 １８・・・ｐ側クラッド層 １９・・・ｐ側コンタクト層 ２０・・・ｐ電極 ２１・・・ｐパッド電極 ２２・・・ｎ電極 ２３・・・絶縁膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種
   基板の上に成長された第１の窒化物半導体層の上に部分
   的に保護膜を形成し、その保護膜の上に、第１の窒化物
   半導体層よりも結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層
   を成長させる窒化物半導体の成長方法において、前記第
   １の窒化物半導体層と保護膜との間に、Ｉｎを含む窒化
   物半導体よりなる第３の窒化物半導体層を形成すること
   を特徴とする窒化物半導体の成長方法。
2. 【請求項２】 前記第１の窒化物半導体層がＡｌ_XＧａ
   _1-XＮ（０≦X≦０．４）よりなり、前記第３の窒化物半
   導体層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）よりなるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の成長方
   法。
3. 【請求項３】 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種
   基板の上に成長された第１の窒化物半導体層の上に部分
   的に保護膜を形成し、その保護膜の上に、第１の窒化物
   半導体層よりも結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層
   を成長させる窒化物半導体の成長方法において、前記第
   ２の窒化物半導体層中に、Ｉｎを含む窒化物半導体より
   なる第４の窒化物半導体層を少なくとも一層介在させる
   ことを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
4. 【請求項４】 前記第４の窒化物半導体層は、Ａｌ_YＧ
   ａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層と、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦
   Z≦０．４）層との間に挟まれていることを特徴とする
   特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体の成長方法。
5. 【請求項５】 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種
   基板の上に成長された第１の窒化物半導体層の上に部分
   的に保護膜を形成し、その保護膜の上に、第１の窒化物
   半導体層よりも結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層
   を成長させる窒化物半導体の成長方法において、前記第
   １の窒化物半導体層と保護膜との間に、Ｉｎを含む窒化
   物半導体よりなる第３の窒化物半導体層を形成し、さら
   に前記第２の窒化物半導体層中に、Ｉｎを含む窒化物半
   導体よりなる第４の窒化物半導体層を少なくとも一層介
   在させることを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
6. 【請求項６】 前記第１の窒化物半導体層がＡｌ_XＧａ
   _1-XＮ（０≦X≦０．４）よりなり、前記第３の窒化物半
   導体層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）よりなり、
   かつ前記第４の窒化物半導体層は、Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０
   ≦Y≦０．４）層と、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）
   層との間に挟まれていることを特徴とする請求項５に記
   載の窒化物半導体の成長方法。