JPH11238687A

JPH11238687A - 半導体基板および半導体発光素子

Info

Publication number: JPH11238687A
Application number: JP5610998A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Iwata; 浩和岩田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶欠陥や歪みなどが少なく、結晶品質が安
定しており、作製工程が容易で歩留りの良好な高性能の
ＧａＮ系化合物半導体から構成される半導体基板および
半導体発光素子を提供する。【解決手段】単結晶基板１１の表面に積層された選択
成長の核発生層１２となる結晶層上に、円形パターンの
穴が周期的に配置されている選択成長用マスク１３が積
層され、該選択成長用マスクの円形パターンの穴を通し
て、ＧａＮ系化合物半導体層１５が選択成長されて形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＧａＮ系化合物半
導体から構成される半導体基板、および、ＤＶＤ用，Ｃ
Ｄ用，プリンタ用の光源などに利用可能な半導体発光素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色のＬ
ＥＤに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近
年、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるＧａＮ系化
合物半導体を用い、ドーパントとしてＭｇをドープした
低抵抗のｐ型半導体層が得られたことにより、高輝度青
色ＬＥＤが実用化され、さらには、実用化には至らない
が室温で連続発振するレーザダイオードも開発されてい
る。

【０００３】図２４は文献「Japanese Journal of Appl
ied Physics vol.34(1995) p.L1332〜L1335」に示され
ているＧａＮ系化合物半導体を用いた発光ダイオード
(ＬＥＤ)の断面図である。

【０００４】図２４のＬＥＤは、サファイア(Ａｌ₂Ｏ₃
単結晶)からなる１００〜３００μｍの基板１０１上に
ｎ型のＧａＮなどからなる低温バッファ層１０２と、ｎ
型のＧａＮ層１０３と、ノンドープのＩｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ
(０＜ｙ＜１)などからなる活性層１０４と、ｐ型Ａｌ_x
Ｇａ_(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)などからなるバリア層１０５
と、ｐ型ＧａＮなどからなるキャップ層１０６とが、有
機金属化学気相成長法(以下、ＭＯＣＶＤ法という)によ
り順次積層されている。

【０００５】そして、この積層された半導体層の一部が
エッチングにより除去されて露出したｎ型ＧａＮ層１０
３上に、ｎ側電極１０８が形成され、また、キャップ層
１０６上に、ｐ側電極１０７が形成され、これによって
ＬＥＤが形成されている。

【０００６】また、図２５は、文献「Japanese Journal
of Applied Physics vol.35(1996) p.L74〜L76」に示
されているような端面発光型レーザダイオード(ＬＤ)の
斜視図である。

【０００７】図２５のＬＤは、図２４のＬＥＤと同様
に、サファイア(Ａｌ₂Ｏ₃単結晶)からなる１００〜３０
０μｍの基板１２２上に、ｎ型のＧａＮなどからなる低
温バッファ層１２１と、ｎ型のＧａＮからなる高温バッ
ファ層１２０と、ｎ型Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ｎ層１１９と、ｎ
型のＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)層１１８と、ｎ型
ＧａＮ層１１７と、ノンドープのＩｎＧａＮＭＱＷな
どからなる活性層１１６と、ｐ型Ａｌ_zＧａ_(1-z)Ｎ (０
＜ｚ＜１)層１１５と、ｐ型ＧａＮ層１１４と、ｐ型Ａ
ｌ_uＧａ_(1-u)Ｎ (０＜ｕ＜１)層１１３と、ｐ型ＧａＮ
層などからなるキャップ層１１２とが、ＭＯＣＶＤ法に
より順次積層されている。

【０００８】そして、この積層された半導体層をリッジ
状にドライエッチングすることによって、光導波路と共
振器端面１２４が形成され、さらに、エッチングにより
露出した高温バッファ層１２０上にｎ側電極１２３が形
成され、また、キャップ層１１２上にｐ側電極１１１が
形成され、これによって、ＬＤが形成されている。

【０００９】また、従来、ＧａＮ系化合物半導体の結晶
性を向上するために、選択成長と横方向の成長により、
クラックの無い厚いＧａＮ単結晶層を形成する方法が提
案されている(文献「Jpn. J. Appl. Phys.」 Vol.36 (19
97) pp.L899-L902)。

【００１０】図２６は選択成長用のマスクパターンを示
す図であり、図２７(ａ)乃至(ｅ)は、図２６のマスクパ
ターンの作製方法を説明するための図である。なお、図
２７(ａ)乃至(ｅ)は図２６のＡ−Ａ’線における断面で
見たものである。

【００１１】図２７を参照すると、まず、図２７(ａ)の
工程でサファイア基板１５１上に核発生層としてＧａＮ
薄膜１５２を積層し、次いで、図２７(ｂ)の工程で核発
生層１５２上に、７μｍピッチで１〜４μｍ幅のストラ
イプパターンが開いたＳｉＯ₂からなる選択成長用マス
ク１５３を形成する。このストライプパターンはＧａＮ
薄膜１５２の〈１１−２０〉方向に沿って形成される
(図２６を参照)。その後、図２７(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)の工
程で、選択成長と横方向の成長でクラックの無いＧａＮ
膜１５４の結晶成長を行なう。この場合、ＧａＮは、始
め、ストライプパターンの露出した核発生層１５２表面
に選択成長し、その後、｛１−１０１｝面が現われ、マ
スク１５３上を横方向に成長する(図２７(ｃ))。成長が
進むと、隣接したストライプ状のＧａＮ結晶１５４同士
が合体し(図２７(ｄ))、次第に溝１５６が埋まり、最後
には平坦な(０００１)面を上面とするＧａＮ単結晶層１
５５がウエハー全面に形成される(図２７(ｅ))。この方
法により、ウエハー全面でクラックのないＧａＮ厚膜が
成長可能となった。この上にＩｎＧａＮＭＱＷを活性
層とするＬＥＤを作製すると、ＬＥＤの積層構造の結晶
欠陥密度は、１０⁷ｃｍ^-2程度に減少させることが可能
となり、光出力も約３倍になっている(文献「Record of
the 16th Electronic Materials Symposium, Minoo, J
uly 9-11, 1997p.291-292)。

【００１２】また、図２８は特開平８−３１６５７１号
に示されている半導体レーザーの斜視図である。図２８
の半導体レーザーは、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板６０上に積層構
造６１が結晶成長され、積層構造６１上にｐ側電極６
２，ｎ側電極６３が形成されて、発光素子(レーザー)と
して形成されている。

【００１３】ここで、この発光素子の光出射面側は、Ｍ
ｇＡｌ₂Ｏ₄基板６０のへき開面６０２と積層構造６１の
へき開面６０１とにより形成されており、この光出射端
面６０１は、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板６０を斜めにへき開する
ことによって形成されている。すなわち、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄
基板６０を使用することにより、斜めへき開による光共
振器端面の形成を可能にしている。

【００１４】また、文献「Applied Physics Letter Vo
l.61 (1992) p.2688」には、ＧａＮ基板を作製する技術
が提案されている。この提案では、サファイア基板上
に、ＺｎＯをバッファ層にしてＧａＮ厚膜を成膜し、王
水によってＺｎＯバッファ層をエッチング除去し、サフ
ァイア基板からＧａＮ厚膜を分離して基板を作製するよ
うにしている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】このように、低温バッ
ファ層の技術や、選択成長によるＧａＮ厚膜の作製技術
により、サファイア等の異種基板上へ高品質のＧａＮ系
化合物半導体の結晶成長が可能となり、高輝度ＬＥＤが
実現され、また、ＬＤの室温連続発振も実現された。

【００１６】しかしながら、従来の低温バッファ層の技
術や、選択成長によるＧａＮ厚膜の作製技術において
も、異種基板上にＧａＮ系化合物半導体を結晶成長する
ため、格子不整合や熱膨張係数の違いによる結晶欠陥が
発生するという問題は依然解決されていない。また、選
択成長のマスクは、下地ＧａＮ系化合物半導体の〈１１
−２０〉方向に沿ってストライプパターンを形成する必
要があり、ストライプの方向が、〈１１−２０〉方向か
らずれると、横方向の結晶成長が不均一になり、最終的
にできるＧａＮ層には多くの結晶欠陥が導入されてしま
うという問題もある。

【００１７】また、従来のＧａＮ系化合物半導体を使用
した発光素子は、結晶構造の異なる異種基板に成長する
ため、基板とＧａＮ系化合物半導体のへき開面は必ずし
も一致しているわけではない。そのため、レーザ共振器
端面の形成を従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザのように
へき開法で行なうことが困難である。

【００１８】例えば、サファイアは劈開性が悪いため、
ＬＤ共振器端面はドライエッチングなどの方法で作製し
ていた。そのため、作製プロセスもドライエッチング用
マスクの形成，ドライエッチング，マスク除去等の工程
が必要とされ複雑化していた。さらには、ＧａＮ系化合
物半導体のドライエッチング技術は未だ確立されていな
いため、形成された共振器ミラーには、縦筋状の凹凸が
あり、また、テーパー状に形成されるなど、その平滑
性，平行性，垂直性は未だ十分ではない。そのため、閾
電流値の増大などが起こり、実用に耐えうる素子特性を
得ることは困難であった。

【００１９】また、特開平８−３１６５７１号に開示さ
れているＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板では、へき開によるＬＤ共振
器端面の形成を可能としているが、基板とＧａＮ系化合
物半導体の結晶構造の違いから、基板とＧａＮ系化合物
半導体との劈開面が一致せず斜め劈開になるため、再現
性に問題があった。

【００２０】また、従来のＧａＮ系化合物半導体発光素
子は絶縁性基板上に結晶成長が行なわれるため、基板裏
面から電極をとることができない。そのため、電極は素
子表面に形成されることになり、従来のＡｌＧａＡｓ系
等のレーザのように基板裏面に電極を形成しダイボンデ
ィングによる実装ができない上、電極のスペースの分だ
けチップ面積が大きくなるといった問題も残っていた。

【００２１】また、これらの問題を解決するために提案
された方法、すなわち、サファイア基板上にバッファ層
ＺｎＯを成膜し、その上にＧａＮ厚膜を成長させ、Ｚｎ
Ｏを王水等でエッチングしてＧａＮ厚膜基板を作製する
方法は、分離の再現性に問題があった。これは、結晶性
の良いＧａＮ基板を得るためには、ＺｎＯバッファ層の
厚さを必要以上に厚くすることはできないため、エッチ
ング液がＺｎＯ層に入り込みにくく、再現性良く分離す
ることが困難であるためである。また、このため、大面
積の基板を作製することは困難であった。

【００２２】本発明は、上述のような従来のＧａＮ系化
合物半導体による発光素子の種々の問題を解決し、結晶
欠陥や歪みなどが少なく、結晶品質が安定しており、作
製工程が容易で歩留りの良好な高性能のＧａＮ系化合物
半導体から構成される半導体基板および半導体発光素子
を提供することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、単結晶基板表面上に、ある
いは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層
となる結晶層上に、円形パターンの穴が周期的に配置さ
れている選択成長用マスクが積層され、該選択成長用マ
スクの円形パターンの穴を通して、ＧａＮ系化合物半導
体層が選択成長されて形成されていることを特徴として
いる。

【００２４】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の半導体基板において、選択成長用マスクの円形パタ
ーンの穴は、格子状に配置されており、該穴は、選択成
長するＧａＮ系化合物半導体層の〈１１−２０〉方向に
沿ってその一辺が配列されている正三角形の各頂点に配
置されていることを特徴としている。

【００２５】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体基板からＧａＮ系化合物半導
体層が分離され、分離されたＧａＮ系化合物半導体層か
らなることを特徴としている。

【００２６】また、請求項４記載の発明は、請求項１乃
至請求項３のいずれか一項に記載の半導体基板上に、少
なくとも１つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物半導体
積層構造が形成されていることを特徴としている。

【００２７】また、請求項５記載の発明は、請求項３記
載の半導体基板上に、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を含
むＧａＮ系化合物半導体積層構造が形成されており、該
積層構造の半導体基板主面に垂直なへき開面が光出射端
面として機能することを特徴としている。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体基板の第
１の実施形態を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に
おける断面図である。また、図３，図４は、図１，図２
において、ＧａＮ系単結晶層が形成される前の状態の基
板の平面図，断面図である。また、図５，図６は図３，
図４の状態の基板上にＧａＮ系単結晶層を結晶成長させ
て図１，図２の状態を形成する途中段階(ＧａＮ単結晶
層の結晶成長初期)での基板の平面図，断面図である。

【００２９】図１，図２，図３，図４，図５，図６を参
照すると、この半導体基板は、図３，図４に示すよう
に、サファイア，ＧａＡｓ等の単結晶基板１１の一主面
上に、選択成長の核発生層となる結晶層１２が形成さ
れ、この結晶層(核発生層)１２上に、選択成長用マスク
１３が形成されている。

【００３０】ここで、選択成長用マスク１３には、周期
的に並んで(図１〜図６の例では格子状に)配置された円
形パターンの穴１４が核発生層１２の表面に至るまで開
けられている。選択成長用マスク１３は、穴１４を通し
て核発生層１２の材料に優先的にＧａＮ単結晶層の結晶
成長が生じる材料で構成されるのが良い。

【００３１】このようにして選択成長用マスク１３を形
成した後、図５，図６に示すように、この円形パターン
の穴１４により露出した核発生層１２の表面からＧａＮ
系化合物半導体１５を結晶成長させ、選択成長用マスク
１３を埋め込むように選択成長用マスク１３上でＧａＮ
系化合物半導体１５を横方向に成長させて、結果的に選
択成長用マスクを埋め込んで、図１，図２に示すような
一枚の単結晶ＧａＮ系化合物半導体層１５を形成し、こ
れを半導体基板としている。

【００３２】この半導体基板の最大の特徴は、選択成長
用マスク１３のマスクパターンが、周期的に並んで(例
えば格子状に)配置された円形パターンとなっているこ
とにある。なお、図１〜図６の例では、円形パターンの
周期的な配置方向(例えば格子の一辺の方向)が、選択成
長したＧａＮ系化合物半導体層１５の〈１１−２０〉方
向に対して所定の角度θ(θ≒０)でずれたものとなって
いる。

【００３３】選択成長用マスク１３のパターンを円形に
することで、図５，図６に示すように、成長初期のＧａ
Ｎ系化合物半導体結晶１５の形状を６つの｛１−１０
１｝を側面とする六角錐にすることが可能となる。ま
た、選択成長用マスク１３のパターンが円形であること
により、従来例のストライプパターンのようにパターン
の方向を下地結晶の特定方位に合わせる必要がなくな
り、下地結晶との方位関係に依存せずに基板全面に形の
そろった結晶１５を成長させることが可能となる。

【００３４】この結晶１５をさらに成長させると、図
１，図２に示すように、隣接するＧａＮ系化合物半導体
結晶１５同士が合体し、隣接するＧａＮ系化合物半導体
結晶１５結晶間の溝１６が埋まり、平坦な(０００１)面
を上面とする単結晶膜１５になる。この際、本発明で
は、形のそろった結晶からの成長であることと、マスク
パターンが周期的に並んで配置されていることにより、
基板全面でほぼ厚さのそろったＧａＮ系化合物半導体単
結晶層１５が成長する。

【００３５】また、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶
１５が核発生層１２と接するのは円形パターンの穴１４
の部分のみであるので、図１，図２において、最終的に
得られるＧａＮ系化合物半導体単結晶層１５の厚さが厚
い場合にも、基板１１との熱膨張係数差による歪みが緩
和され、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶１５のクラ
ックの発生を抑制できる。

【００３６】なお、ＧａＮ系化合物半導体１５として
は、例えば、一般式がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ
≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物
が用いられる。

【００３７】次に、図１〜図６の半導体基板の作製工程
例を説明する。この作製工程例では、半導体基板として
φ２インチ，厚さ３００μｍの(０００１)面サファイア
基板１１上に、選択成長の核発生層としてのＧａＮ層１
２、選択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂層１３、ｎ−Ｇ
ａＮ単結晶層１５を順次に形成するようになっている。
ここで、選択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂層１３に
は、直径３μｍの円形パターンの穴１４が、７μｍのピ
ッチで格子状に開けられたものを用い、その円形パター
ンの穴１４を通して、ＧａＮ層１２の表面から、ｎ−Ｇ
ａＮ単結晶層１５を選択成長させ、厚さ２００μｍのＧ
ａＮ単結晶層を形成するようにしている。

【００３８】具体的に、まず、φ２インチのサファイア
基板１１の(０００１)面上に、ＧａＮ層１２を例えばＭ
ＯＣＶＤ法によって１μｍの膜厚に積層した。次に、Ｇ
ａＮ層１２上に選択成長用マスク１３を堆積し、その
後、選択成長用マスク１３に円形パターンの穴１４をパ
ターニングして形成し、この穴１４の部分においてＧａ
Ｎ層１２の表面を露出させる。この段階での基板の状態
は、図３，図４のようになる。なお、この作製工程例で
は、選択成長用マスク１３の材料として、ＳｉＯ₂を堆
積し、円形パターンとしては、フォトリソグラフィーに
より７μｍピッチで格子状に配列した直径３μｍの円形
パターンを使用した。

【００３９】次いで、円形パターンの穴１４の部分にお
いて露出しているＧａＮ層１２の表面からｎ−ＧａＮ単
結晶層１５を選択成長させる。ｎ−ＧａＮ単結晶層１５
の結晶成長初期の段階での基板の状態は、図５，図６の
ようになる。

【００４０】さらにｎ−ＧａＮ単結晶層１５を成長し続
けることによって、選択成長用マスク１３が埋め込ま
れ、図１，図２に示すようなＧａＮ単結晶層１５が形成
される。

【００４１】なお、ｎ−ＧａＮ単結晶層１５の結晶成長
は、ＨＶＰＥで行ない、ＳｉＣｌ₄をｎ型のドーピング
ガスとして用いることによって、ｎ−ＧａＮ単結晶層１
５として、ｎ型ＧａＮを２００μｍの膜厚に結晶成長さ
せた。

【００４２】図７〜図１２は図１〜図６の半導体基板の
変形例を示す図である。なお、図７，図８は、図１，図
２にそれぞれ対応し、また、図９，図１０は図３，図４
にそれぞれ対応し、また、図１１，図１２は図５，図６
にそれぞれ対応している。

【００４３】図７〜図１２の例も、基本的には、図１〜
図６と同様の構成となっているが、図７〜図１２の例で
は、核発生層１２の材料として、ＧａＮのかわりに、Ａ
ｌＮを用いている。この場合、図７〜図１２の例では、
円形パターンの周期的な配置方向(例えば格子状に配置
された円形パターンの格子の一辺の方向)を、選択成長
するＧａＮ系化合物半導体層１５の〈１１−２０〉方向
に沿わせたものとなっている。

【００４４】次に、図７〜図１２の半導体基板の作製工
程例を説明する。この作製工程例では、単結晶基板とし
てφ２インチ，厚さ３００μｍの(０００１)面サファイ
ア基板１１上に、選択成長の核発生層としてのＡｌＮ層
１２、選択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂層１３、ｎ−
ＧａＮ単結晶層１５を順次に形成するようになってい
る。ここで、選択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂層１３
には、７μｍのピッチで格子状に配置された直径３μｍ
の円形パターンの穴１４が開けられたものを用いてい
る。なお、その配置は、選択成長するＧａＮ単結晶層１
５の〈１１−２０〉方向に沿うように円形パターンの穴
１４の格子配置の一辺が配置されており、この円形パタ
ーンの穴１４を通して、ＡｌＮ層１２の表面から、ｎ−
ＧａＮ単結晶を選択成長させ、ＧａＮ単結晶層１５を形
成するようにしている。

【００４５】具体的に、まず、φ２インチのサファイア
基板１１の(０００１)面上に、ＡｌＮ層１２を例えばＭ
ＯＣＶＤ法によって７００℃で０．１μｍの膜厚に積層
し、次に、ＡｌＮ層１２上に選択成長用マスク１３を堆
積し、その後、円形パターンの穴１４をパターニングし
て形成し、この穴１４の部分においてＡｌＮ層１２の表
面を露出させる。この段階での基板の状態は、図９，図
１０のようになる。なお、この作製工程例では、選択成
長用マスク１３の材料として、ＳｉＯ₂を堆積し、円形
パターンとしては、フォトリソグラフィーでＡｌＮ層１
２の〈１１−２０〉方向に沿って格子状に７μｍピッチ
で配列した直径３μｍの円形パターンを使用した。

【００４６】次いで、円形パターンの穴１４の部分にお
いて露出しているＡｌＮ層１２の表面からｎ−ＧａＮ単
結晶層１５を選択成長させる。ｎ−ＧａＮ単結晶層１５
の結晶成長初期の段階での基板の状態は、図１１，図１
２のようになる。

【００４７】さらにｎ−ＧａＮ単結晶層１５を成長し続
けることによって、選択成長用マスク１３が埋め込ま
れ、図７，図８に示すようなＧａＮ単結晶層１５が形成
される。

【００４８】なお、ｎ−ＧａＮ単結晶層１５の結晶成長
は、ＨＶＰＥで行ない、ＳｉＣｌ₄をｎ型のドーピング
ガスとして用いることによって、ｎ−ＧａＮ単結晶層１
５として、ｎ型ＧａＮを２００μｍの膜厚に結晶成長さ
せた。

【００４９】図１３は本発明に係る半導体基板の第２の
実施形態を示す平面図、図１４は図１３のＡ−Ａ’線に
おける断面図ある。また、図１５，図１６は、図１３，
図１４において、ＧａＮ系単結晶層が形成される前の状
態の基板の平面図，断面図である。また、図１７，図１
８は図１５，図１６の状態の基板上にＧａＮ系単結晶層
を結晶成長させて図１３，図１４の状態を形成する途中
段階(ＧａＮ単結晶層の結晶成長初期)での基板の平面
図，断面図である。図１３〜図１８の例も、基本的に
は、図１〜図６、あるいは図７〜図１２と同様の構成と
なっているが、図１３〜図１８の例では、すなわち、こ
の第２の実施形態では、図１５，図１６に示すように、
選択成長用マスク１３には、選択成長するＧａＮ系化合
物半導体層の〈１１−２０〉方向に沿ってその一辺が配
列される正三角形の各頂点の位置に円形パターンの穴１
４が開けられている。そして、図１７，図１８に示すよ
うに、この円形パターンの穴１４により露出した核発生
層１２の表面からＧａＮ系化合物半導体１５を結晶成長
させ、選択成長用マスク１３を埋め込むように選択成長
用マスク１３上でＧａＮ系化合物半導体１５を横方向に
成長させて、結果的に選択成長用マスクを埋め込んで、
図１３，図１４に示すような一枚の単結晶ＧａＮ系化合
物半導体層１５を形成し、これを半導体基板としてい
る。

【００５０】なお、ＧａＮ系化合物半導体１５として
は、例えば、一般式がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ
≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物
が用いられる。

【００５１】この半導体基板の最大の特徴は、選択成長
用マスク１３の円形パターンが、ＧａＮ系化合物半導体
１５の〈１１−２０〉方向に沿ってその一辺が配列され
ている正三角形の各頂点に配置されていることにある。
選択成長用マスク１３のパターンを円形にすることで、
図１７，図１８に示すように、成長初期のＧａＮ系化合
物半導体層結晶１５の形状を６つの｛１−１０１｝を側
面とする六角錐にすることが可能となる。さらに、マス
ク１３の円形パターンが、ＧａＮ系化合物半導体層１５
の〈１１−２０〉方向に沿ってその一辺が配列されてい
る正三角形の各頂点に配置されていることによって、隣
接するＧａＮ系化合物半導体結晶１５の六角錐の底辺は
互いに平行になり、形のそろった六角錐形状のＧａＮ系
化合物半導体結晶１５を基板全面に形成することができ
る。

【００５２】この結晶１５をさらに成長させると、図１
３，図１４に示すように、隣接するＧａＮ系化合物半導
体結晶１５同士が合体し、結晶間の溝１６が埋まり、平
坦な(０００１)面を上面とする単結晶膜１５になる。こ
の際、本発明では、形のそろった結晶からの成長である
ことと、六角錐の底辺が互いに平行であることにより、
基板全面で厚さのそろったＧａＮ系化合物半導体単結晶
層１５が成長する。

【００５３】また、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶
１５が核発生層１２と接するのは円形パターンの穴１４
の部分のみであるので、図１３，図１４において、最終
的に得られるＧａＮ系化合物半導体単結晶層１５の厚さ
が厚い場合にも、単結晶基板１１との熱膨張係数差によ
る歪みが緩和され、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶
１５のクラックの発生を抑制できる。

【００５４】次に、図１３〜図１８の半導体基板の作製
工程例を説明する。この作製工程例では、単結晶基板と
してφ２インチ、厚さ３００μｍの(０００１)面サファ
イア基板１１上に、選択成長の核発生層としてのＡｌＮ
層１２、選択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂層１３、ｎ
−ＧａＮ単結晶１５を順次に形成するようになってい
る。ここで、選択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂層１３
には、一辺がＡｌＮの〈１１−２０〉方向に沿って７μ
ｍピッチで配列されている正三角形の各頂点に直径３μ
ｍの円形パターンの穴１４が、配置されて開けられてお
り、その円形パターンの穴１４を通して、ＡｌＮ層１２
の表面から、ｎ−ＧａＮ単結晶を選択成長させ、ＧａＮ
単結晶層１５を形成するようにしている。

【００５５】具体的に、まず、φ２インチのサファイア
基板１１の(０００１)面上に、ＡｌＮ層１２を例えばＭ
ＯＣＶＤ法によって、７００℃で０．１μｍの膜厚に積
層した。次に、ＡｌＮ層１２上に選択成長用マスク１３
を堆積し、その後、選択成長用マスク１３に円形パター
ンの穴１４をパターニングして形成し、この穴１４の部
分においてＡｌＮ層１２の表面を露出させる。この段階
での基板の状態は、図１５，図１６のようになる。な
お、この作製工程例では、選択成長用マスク１３の材料
として、ＳｉＯ₂を堆積し、円形パターンとしては、一
辺がＡｌＮの〈１１−２０〉方向に沿って７μｍピッチ
で配列されている正三角形の各頂点にフォトリソグラフ
ィーによって穿設された直径３μｍの円形パターンを使
用した。

【００５６】次いで、円形パターンの穴１４の部分にお
いて露出しているＡｌＮ層１２の表面からｎ−ＧａＮ単
結晶層１５を選択成長させる。ｎ−ＧａＮ単結晶層１５
の結晶成長初期の段階での基板の状態は、図１７，図１
８のようになる。

【００５７】さらにｎ−ＧａＮ単結晶層１５を成長し続
けることによって、選択成長用マスク１３が埋め込ま
れ、図１３，図１４に示すようなＧａＮ単結晶層１５が
形成される。

【００５８】なお、ｎ−ＧａＮ単結晶層１５の結晶成長
は、ＨＶＰＥで行ない、ＳｉＣｌ₄をｎ型のドーピング
ガスとして用いることによって、ｎ−ＧａＮ単結晶層１
５として、ｎ型ＧａＮを２００μｍの膜厚に結晶成長さ
せた。

【００５９】なお、上述の各例(図１〜図６の例，図７
〜図１２の例，図１３〜図１８の例)では、核発生層１
２の材料として、ＧａＮあるいはＡｌＮを用いたが、核
発生層１２の材料はこれらに限定されない。例えば、Ｚ
ｎＯなどを用いることもできる。

【００６０】また、上述の各例(図１〜図６の例，図７
〜図１２の例，図１３〜図１８の例)では、円形パター
ンの穴１４が開けられた選択成長用マスク１３を結晶層
(核発生層)１２を介して単結晶基板１１上に形成した
が、選択成長用マスク１３を単結晶基板１１上に直接形
成することもできる。この場合、円形パターンの穴１４
から露出した単結晶基板１１の表面からＧａＮ系化合物
半導体結晶１５を結晶成長させることができる。また、
この場合、選択成長用マスク１３は、穴１４を通して単
結晶基板１１に優先的にＧａＮ単結晶の結晶成長が生じ
る材料からなるのが良い。また、図７〜図１２の例，図
１３〜図１８の例のように、選択成長するＧａＮ系化合
物半導体層の〈１１−２０〉方向に円形パターン１４の
配列をそろえる場合には、基板１１と基板ＧａＮ系化合
物半導体層とのエピタキシャル成長方向の関係を考慮す
ることで、パターン１４の配列方向をＧａＮ系化合物半
導体層の〈１１−２０〉方向にそろえることができる。

【００６１】なお、ＧａＮ系化合物半導体１５として
は、例えば、一般式がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ
≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物
が用いられる。

【００６２】このように、選択成長用マスク１３を単結
晶基板１１上に直接形成する場合でも、選択成長用マス
ク１３のパターンを円形にすることで、成長初期のＧａ
Ｎ系化合物半導体結晶１５の形状を６つの｛１−１０
１｝を側面とする六角錐にすることが可能となり、ま
た、図１〜図６の例の場合には、選択成長用マスク１３
のパターンが円形であることにより、ストライプパター
ンのようにパターンの方向を下地結晶の特定方位に合わ
せる必要がなくなり、下地結晶との方位関係に依存せず
に基板全面に形のそろった結晶１５を成長することが可
能となる。そして、この結晶１５をさらに成長させる
と、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶１５同士が合体
し、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶１５結晶間の溝
が埋まり、平坦な(０００１)面を上面とする単結晶膜１
５になり、この場合も、形のそろった結晶からの成長で
あることと、マスクパターンが周期的に並んで配置され
ていることにより、基板全面でほぼ厚さのそろったＧａ
Ｎ系化合物半導体単結晶層１５を成長させることができ
る。図７〜図１２の例、図１３〜図１８の例の場合にも
前述したそれぞれの例の効果が得られる。また、隣接す
るＧａＮ系化合物半導体結晶１５が単結晶基板１１と接
するのは円形パターンの穴１４の部分のみであるので、
最終的に得られるＧａＮ系化合物半導体単結晶層１５の
厚さが厚い場合にも、基板１１との熱膨張係数差による
歪みが緩和され、隣接するＧａＮ系化合物半導体結晶１
５のクラックの発生を抑制できる。

【００６３】また、上述の各例(図１〜図６の例，図７
〜図１２の例，図１３〜図１８の例の半導体基板、ある
いは、選択成長用マスク１３を単結晶基板１１上に直接
形成して作製された半導体基板)において、ＧａＮ系化
合物半導体結晶１５に所定の導電型の不純物をドーピン
グすることも可能であり、ＧａＮ系化合物半導体結晶１
５に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、導
電型を制御することができ、所望の電気特性を有するＧ
ａＮ系化合物半導体結晶とすることができる。

【００６４】また、図１，図２、または、図７，図８、
または、図１３，図１４のように作製された半導体基
板、あるいは、選択成長用マスク１３を単結晶基板１１
上に直接形成して作製された半導体基板において、この
半導体基板(１１，１２，１３，１５)あるいは(１１，
１３，１５)からＧａＮ系化合物半導体(単結晶)層１５
を分離し、ＧａＮ系化合物半導体(単結晶)層１５だけか
らなる半導体基板を抽出することもできる。

【００６５】図１９はこのようにして分離されたＧａＮ
系化合物半導体(単結晶)層１５からなる半導体基板の斜
視図である。また、図２０は図１９のＡ−Ａ’における
断面図である。

【００６６】また、図２１(ａ)，(ｂ)，(ｃ)は、図１
９，図２０の半導体基板１５の作製工程例を示す図であ
る。図２１(ａ)，(ｂ)，(ｃ)の例では、ＧａＮ系化合物
半導体単結晶基板１５は、例えば、図７，図８のように
作製された半導体基板(１１，１２，１３，１５)からＧ
ａＮ単結晶層１５を分離することによって作製される。

【００６７】図２１を参照すると、この例では、核発生
層となるＡｌＮ層１２が積層されたサファイア基板１１
上にＳｉＯ₂を選択成長用マスク１３として、ＧａＮ系
化合物半導体(単結晶)層１５を選択成長し、横方向に結
晶成長させることにより、例えば、図７，図８の半導体
基板を作製する(図２１(ａ))。次いで、ＨＦ水溶液でＳ
ｉＯ₂マスク１３をエッチング除去して空隙４６を形成
し、ＡｌＮエッチング液が浸透しやすいようにする(図
２１(ｂ))。しかる後、８０℃のＫＯＨ水溶液でＡｌＮ
層１２をエッチングして、ＧａＮ単結晶層１５をサファ
イア基板１１から分離することができる(図２１(ｃ))。
具体的には、例えばφ２インチ，厚さ２００μｍのｎ−
ＧａＮ単結晶１５として得られる。

【００６８】なお、ＧａＮ系化合物半導体層１５を基板
結晶から分離する際、選択成長用マスク１３の材料をエ
ッチング除去した後に、図１〜図６の例，図７〜図１２
の例，図１３〜図１８の例では、核形成層１２とＧａＮ
系化合物半導体層１５との界面部分をエッチングする
と、あるいは、選択成長用マスク１３を単結晶基板１１
上に直接形成して作製された半導体基板では、基板１５
の表面とＧａＮ系化合物半導体層１５との界面部分をエ
ッチングすると、エッチング液が入り込みやすいので、
ＧａＮ系化合物半導体層１５の分離が容易に行なえる。
その他、単結晶基板１１を研磨によって削り落とす方法
や、単結晶基板１１をエッチング除去する方法などが可
能であるが、その方法に関しては特に限定されるもので
はない。

【００６９】但し、ＧａＮ系化合物半導体基板からＧａ
Ｎ系化合物半導体を分離するのにエッチングによる方法
を使用する場合、ＧａＮ系化合物半導体基板の選択成長
用マスクパターンが円形であるので、基板あるいは核形
成層との接触面積が小さいため、従来のストライプパタ
ーンに比べ、マスク材料をエッチング除去した後の空隙
にエッチング液が入り込みやすく、核形成層／ＧａＮ系
化合物半導体層界面や、基板表面／ＧａＮ系化合物半導
体層界面部分を容易にエッチングすることができる。よ
って、エッチングによるＧａＮ系化合物半導体層の分離
が容易に行なえるので、ＧａＮ系化合物半導体大面積の
基板を得ることが可能である。

【００７０】図１，図２、または、図７，図８、また
は、図１３，図１４の半導体基板において、あるいは、
選択成長用マスク１３を単結晶基板１１上に直接形成し
て作製された半導体基板において、ＧａＮ系化合物半導
体(単結晶)層１５が核発生層１２あるいは単結晶基板１
１と接するのは選択成長用マスク１３の円形パターンの
穴１４の部分のみであるので、ＧａＮ系化合物半導体単
結晶層１５が厚い場合にも、核発生層１２あるいは単結
晶基板１１との熱膨張係数差による歪みが緩和されてお
り、従って、図２１(ｃ)のようにして得られるＧａＮ系
化合物半導体(単結晶)層１５の半導体基板は、クラック
の発生が抑制されている。すなわち、良質のＧａＮ系化
合物半導体(単結晶)層１５の半導体基板を得ることがで
きる。

【００７１】このように、本発明では、選択成長用マス
クパターンに周期的に配置された円形パターンを使用し
ているので、従来のように、ＧａＮの〈１１−２０〉方
向に沿ったストライプパターンを使用して形成した半導
体基板に比べ、マスクパターンのＧａＮの〈１１−２
０〉からのずれによる不均一な結晶成長の問題は発生せ
ず、ＧａＮ系化合物半導体を安定して横方向へ成長させ
ることが可能となり、基板全面に結晶品質の安定したＧ
ａＮ系化合物半導体層１５を形成できる。

【００７２】また、選択成長させるパターンが円形であ
るので、ＧａＮ系化合物半導体の核発生層１２あるいは
単結晶基板１１との接触面積が小さくすることが可能
で、従来のストライプパターンを使用した場合に比べ、
より、下地基板の影響が低減されており、基板との格子
不整による歪みや熱膨張係数差による歪みが緩和され、
格子欠陥や、クラックの発生が抑制されたＧａＮ系化合
物半導体基板を得ることができる。

【００７３】特に、図１３，図１４のＧａＮ系化合物半
導体基板においては、さらに、選択成長用マスク１３と
して、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層の〈１１−
２０〉方向に沿って一辺が配列されている正三角形の各
頂点に配置された円形パターンを使用しているので、上
述したような効果に加えて、隣接したＧａＮ結晶同士が
合体する際に、隣接するＧａＮ結晶の底面の六角形のす
べての辺が等距離になり、ＧａＮ結晶の合体の際に形成
される溝の形状が同一となり、溝部での成長速度も同一
となって、溝が埋まった後の平坦性がより良く、平坦性
にも優れたＧａＮ単結晶層１５を得ることができる。

【００７４】また、選択成長用マスク１３を単結晶基板
１１上に直接形成されたＧａＮ系化合物半導体基板は、
上述のように作製されたＧａＮ系化合物半導体基板から
分離された、ＧａＮ系化合物半導体層１５からなるＧａ
Ｎ系化合物半導体基板であるので、上述したような作用
効果に加えて、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板上
に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差
による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質
の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらに
は、へき開可能な基板となる。

【００７５】また、ＧａＮ系化合物半導体は半導体であ
るので、不純物のドーピング制御により、その導電型、
電気抵抗等の電気的特性を制御することが可能であり、
導電性基板や絶縁性基板等の所望の電気的特性を有する
基板を形成することができる。

【００７６】図２２は本発明に係る半導体発光素子の構
成例を示す斜視図である。図２２の半導体発光素子は、
例えば図１，図２、または、図７，図８の半導体基板５
０(１１，１２，１３，１５)上に形成された少なくとも
一つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物半導体積層構造
からなる発光素子となっている。

【００７７】より具体的に、この半導体発光素子は、例
えば図７，図８に示したような半導体基板５０(１１，
１２，１３，１５)上に形成されている。すなわち、φ
２”，厚さ３００μｍの(０００１)面サファイア基板１
１上に，選択成長の核発生層としてのＡｌＮ層１２、選
択成長用マスクとしてのＳｉＯ₂マスク１３(ＡｌＮ層１
２の〈１１−２０〉方向に沿うように５μｍピッチで格
子状に配置された直径２μｍの円形パターンをもつマス
ク１３)、厚さ１０μｍのｎ−ＧａＮ単結晶１５が形成
された半導体基板５０上に、ｎ−ＧａＮ層５５，ｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層５６，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子
井戸構造活性層５７，ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５８，
ｐ−ＧａＮキャップ層５９が順次に積層されており、こ
の積層構造の一部をｐ−ＧａＮキャップ層５９側からサ
ファイア(０００１)基板１１へ向かって、ｎ−ＧａＮ層
５５の途中まで除去した島状形状の構造のものとして構
成されている。この島状形状の構造(５５，５６，５
７，５８，５９)が発光素子として機能する部分とな
る。

【００７８】また、図２２の半導体発光素子では、ｐ−
ＧａＮキャップ層５９上に、ｐ側オーミック電極６０が
形成され、また、露出したｎ−ＧａＮ層５５表面上に、
ｎ側オーミック電極６１が形成されている。

【００７９】図２２の発光素子は、例えば次のようにし
て作製することができる。すなわち、先ず、サファイア
基板１１上にＭＯＣＶＤでＡｌＮ層１２を積層し、次い
で、ＳｉＯ₂層１３を堆積して、これをパターニングし
た後、ＭＯＣＶＤ法で、ｎ−ＧａＮ単結晶１５、発光素
子を形成する積層構造(すなわち、ｎ−ＧａＮ層５５，
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５６，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａ
Ｎ量子井戸構造活性層５７，ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
５８，ｐ−ＧａＮキャップ層５９)を同一装置内で連続
して結晶成長し、しかる後、島状形状の構造とし、電極
６０，６１を形成することで作製できる。

【００８０】ここで、島状構造は、塩素ガスを主体とす
るガスをエッチングガスとするドライエッチング法で形
成できる。また、ｐ側オーミック電極６０は、Ａｕ／Ｎ
ｉを真空蒸着し、熱処理して形成できる。また、ｎ側オ
ーミック電極６１は、Ａｌ／Ｔｉを真空蒸着し、熱処理
して形成できる。

【００８１】このような構成の半導体発光素子では、発
光素子のｐ型，ｎ型層に対応した電極に電流を印加し、
ｐ−ｎ接合に電流を注入することで、キャリアの再結合
がなされ、これによって発光する。

【００８２】すなわち、この発光素子では、ｐ側オーミ
ック電極６０、ｎ側オーミック電極６１に電流を印加す
ると、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＭＱＷ活性層５７に電
流が注入され、活性層５７においてキャリアの再結合に
よって発光し、光５０００，５００１として外部に出力
される。

【００８３】なお、発光素子を構成するＧａＮ系化合物
半導体積層構造は、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有
し、このｐ−ｎ接合に電流が注入され、キャリアの再結
合によって、発光する構造であれば、ホモ接合、シング
ルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、量子井戸構造、多重
量子井戸構造、その他どのような構造であっても差し支
えない。

【００８４】このように、この半導体発光素子は、図
１，図２または図７，図８のＧａＮ系化合物半導体基板
上に形成されたＧａＮ系化合物半導体積層構造からなる
発光素子であり、従来より結晶品質の良い同種の基板上
に形成されていることから、発光素子を構成する積層構
造の結晶性は、基板材料とＧａＮ系化合物半導体積層構
造の格子不整合による欠陥や熱膨張係数差による熱歪み
やクラック等の欠陥、すなわち、発光特性や寿命に悪影
響を及ぼす欠陥が低減された高品質なものとなり、その
ため、発光特性が良く、寿命の長い発光素子を提供でき
る。

【００８５】また、図２３は本発明に係る半導体発光素
子の他の構成例を示す斜視図である。図２３の半導体発
光素子は、例えば図１３，１４のＧａＮ系化合物半導体
単結晶基板１５上に形成された少なくとも一つのｐ−ｎ
接合を含むＧａＮ系化合物半導体積層構造からなり、基
板主面に垂直なへき開面を光出射端面とする発光素子と
なっている。

【００８６】より具体的に、この半導体発光素子は、図
１９，２０のｎ−ＧａＮ単結晶基板１５上に、ｎ−Ｇａ
Ｎ層７２，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７３，ＡｌＧａＮ
／ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層７４，ｐ−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層７５，ｐ−ＧａＮキャップ層７６が順次に
積層されており、この積層構造のｐ−ＧａＮキャップ層
７６上にＳｉＯ₂絶縁層７７が形成され、この絶縁層７
７にｐ−ＧａＮキャップ層７６表面に達する幅５μｍの
ストライプ形状の穴が開けられた構造のものとして構成
されている。

【００８７】また、図２３の半導体発光素子では、絶縁
層７７上は、ｐ側オーミック電極７８が堆積されて露出
したｐ−ＧａＮキャップ層７６と接触し、オーミック電
極を形成している。また、ｎ−ＧａＮ単結晶基板１５の
裏面には、ｎ側オーミック電極７９が形成されている。

【００８８】また、この半導体発光素子の光出射端面７
００，７０１はへき開によって、基板１５に対し垂直に
形成され、また、光出射端面７００，７０１は互いに平
行に形成されている。

【００８９】なお、図２３の半導体発光素子において、
ｎ−ＧａＮ層７２，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７３，Ａ
ｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層７４，ｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層７５，ｐ−ＧａＮキャップ層７６
はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長できる。

【００９０】また、ｐ側オーミック電極７８は、Ａｕ／
Ｎｉを真空蒸着し、熱処理して形成できる。また、ｎ側
オーミック電極７９は、Ａｌ／Ｔｉを真空蒸着し、熱処
理して形成した。

【００９１】このような構成の半導体発光素子では、発
光素子のｐ型，ｎ型層に対応した電極に電流を印加し、
ｐ−ｎ接合に電流を注入することで、キャリアの再結合
がなされ、これによって発光するものである。

【００９２】すなわち、この半導体発光素子では、ｐ側
オーミック電極７８、ｎ側オーミック電極７９に電流を
印加すると、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＭＱＷ活性層７
４に電流が注入され、活性層７４においてキャリアの再
結合によって発光し、光出射端面７００，７０１によっ
て形成される共振器によって、反射増幅が繰り返され、
レーザ光７０００，７００１として外部に出力される。

【００９３】なお、発光素子を構成するＧａＮ系化合物
半導体積層構造は、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有
し、このｐ−ｎ接合に電流が注入され、キャリアの再結
合によって、発光する構造であれば、ホモ接合、シング
ルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、量子井戸構造、多重
量子井戸構造、その他どのような構造であっても差し支
えない。

【００９４】この半導体発光素子においては、図１３，
図１４のＧａＮ系化合物半導体基板上に形成されたＧａ
Ｎ系化合物半導体積層構造からなる、基板主面に垂直な
へき開面を光出射端面とする発光素子であり、従来より
結晶品質の良い同種の基板上に形成されていることか
ら、発光素子を構成する積層構造の結晶性は、基板材料
とＧａＮ系化合物半導体積層構造の格子不整合による欠
陥や熱膨張係数差による熱歪みやクラック等の欠陥、す
なわち、発光特性や寿命に悪影響を及ぼす欠陥が低減さ
れた高品質なものとなり、そのため、発光特性が良く、
寿命の長い発光素子を提供できる。

【００９５】また、光出射面が基板主面に垂直で、原子
オーダーで平滑なへき開面であるので、従来のドライエ
ッチングで形成された光出射端面のような凹凸がないた
め、光出射端面での散乱ロスがなく、発光特性が良好に
なる。また、レーザー素子の場合には、上記光出射面
は、互いに平行で、平滑な共振ミラー端面となるので、
従来のドライエッチングで形成された光出射端面を共振
器ミラー端面とするレーザー素子に比べ、しきい電流密
度が低く、外部微分効率が高い性能のよいレーザー素子
を作製することができる。

【００９６】さらにＧａＮ系化合物半導体単結晶基板を
使用しているので、基板を導電性にすることが可能とな
り、この場合、基板裏面に電極を形成することができ
て、従来のダイボンディングによる実装ができる上、電
極のスペースの分チップ面積を低減できる。

【００９７】図２２，図２３の例では、半導体発光素子
は、図１，図２または図７，図８，図１９，２０の半導
体基板を用いて作製されているが、図１３，図１４の半
導体基板を用いて作製することもできるし、あるいは、
選択成長用マスク１３を単結晶基板１１上に直接形成し
て作製された半導体基板などを用いて作製することもで
き、この場合にも、図２２，図２３の半導体発光素子で
得られる効果と同様の効果を得ることができる。

【００９８】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項３記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、ある
いは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層
となる結晶層上に、円形パターンの穴が周期的に配置さ
れている選択成長用マスクが積層され、該選択成長用マ
スクの円形パターンの穴を通して、ＧａＮ系化合物半導
体層が選択成長されて形成されているので、結晶欠陥や
歪みなどが少なく、結晶品質が安定しており、作製工程
が容易で歩留りの良好な高性能のＧａＮ系化合物半導体
から構成される半導体基板および半導体発光素子を提供
できる。

【００９９】特に、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体基板において、選択成長用マスクの円
形パターンの穴は、格子状に配置されており、該穴は、
選択成長するＧａＮ系化合物半導体の〈１１−２０〉方
向に沿ってその一辺が配列されている正三角形の各頂点
に配置されているので、上述したような効果に加えて、
隣接したＧａＮ結晶同士が合体する際に、隣接するＧａ
Ｎ結晶の底面の六角形のすべての辺が等距離になり、Ｇ
ａＮ結晶の合体の際に形成される溝の形状が同一とな
り、溝部での成長速度も同一となって、溝が埋まった後
の平坦性がより良く、平坦性にも優れたＧａＮ単結晶層
１５を得ることができる。

【０１００】また、請求項３記載の発明によれば、上述
のように作製されたＧａＮ系化合物半導体基板から分離
された、ＧａＮ系化合物半導体層１５からなるＧａＮ系
化合物半導体基板であるので、上述したような作用効果
に加えて、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板上に厚
いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差によ
る熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結
晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へ
き開可能な基板となる。

【０１０１】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体基板上
に、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物
半導体積層構造が形成されているので、従来より結晶品
質の良い同種の基板上に形成されていることから、発光
素子を構成する積層構造の結晶性は、基板材料とＧａＮ
系化合物半導体積層構造の格子不整合による欠陥や熱膨
張係数差による熱歪みやクラック等の欠陥、すなわち、
発光特性や寿命に悪影響を及ぼす欠陥が低減された高品
質なものとなり、そのため、発光特性が良く、寿命の長
い発光素子を提供できる。

【０１０２】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項３記載の半導体基板上に、少なくとも１つのｐ−ｎ接
合を含むＧａＮ系化合物半導体積層構造が形成されてお
り、該積層構造の半導体基板主面に垂直なへき開面が光
出射端面として機能するので、従来より結晶品質の良い
同種の基板上に形成されていることから、発光素子を構
成する積層構造の結晶性は、基板材料とＧａＮ系化合物
半導体積層構造の格子不整合による欠陥や熱膨張係数差
による熱歪みやクラック等の欠陥、すなわち、発光特性
や寿命に悪影響を及ぼす欠陥が低減された高品質なもの
となり、そのため、発光特性が良く、寿命の長い発光素
子を提供できる。

【０１０３】また、光出射面が基板主面に垂直で、原子
オーダーで平滑なへき開面であるので、従来のドライエ
ッチングで形成された光出射端面のような凹凸がないた
め、光出射端面での散乱ロスがなく、発光特性が良好に
なる。また、レーザー素子の場合には、上記光出射面
は、互いに平行で、平滑な共振ミラー端面となるので、
従来のドライエッチングで形成された光出射端面を共振
器ミラー端面とするレーザー素子に比べ、しきい電流密
度が低く、外部微分効率が高い性能のよいレーザー素子
を作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体基板の第１の実施形態を示
す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図３】図１，図２において、ＧａＮ系単結晶層が形成
される前の状態の基板を示す図である。

【図４】図３のＡ−Ａ’における断面図である。

【図５】図３，図４の状態の基板上にＧａＮ系単結晶層
を結晶成長させて図１，図２の状態を形成する途中段階
(ＧａＮ単結晶層の結晶成長初期)での基板を示す図であ
る。

【図６】図５のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図７】図１の半導体基板の変形例を示す平面図であ
る。

【図８】図７のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図９】図７，図８において、ＧａＮ系単結晶層が形成
される前の状態の基板を示す図である。

【図１０】図９のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図１１】図９，図１０の状態の基板上にＧａＮ系単結
晶層を結晶成長させて図７，図８の状態を形成する途中
段階(ＧａＮ単結晶層の結晶成長初期)での基板を示す図
である。

【図１２】図１１のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図１３】本発明に係る半導体基板の第２の実施形態を
示す平面図である。

【図１４】図１３のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図１５】図１３，図１４において、ＧａＮ系単結晶層
が形成される前の状態の基板を示す図である。

【図１６】図１５のＡ−Ａ’における断面図である。

【図１７】図１５，図１６の状態の基板上にＧａＮ系単
結晶層を結晶成長させて図１３，図１４の状態を形成す
る途中段階(ＧａＮ単結晶層の結晶成長初期)での基板を
示す図である。

【図１８】図１７のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図１９】本発明に係る半導体基板の第３の実施形態を
示す平面図である。

【図２０】図１９のＡ−Ａ’線における断面図である。

【図２１】図１９，図２０の半導体基板の作製工程例を
示す図である。

【図２２】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す
斜視図である。

【図２３】本発明に係る半導体発光素子の他の構成例を
示す斜視図である。

【図２４】従来のＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体を用い
たＬＥＤの断面図である。

【図２５】従来の端面発光型レーザーダイオードの斜視
図である。

【図２６】選択成長用のマスクパターンを示す図であ
る。

【図２７】図２６のマスクパターンの作製方法を説明す
るための図である。

【図２８】従来の半導体レーザーの斜視図である。

【符号の説明】

１１単結晶基板(サファイア基板) １２核発生層１３選択成長用マスク１４円形パターンの穴１５ＧａＮ系化合物半導体層(ＧａＮ単結
晶層) ５０半導体基板５５，７２ｎ−ＧａＮ層５６，７３ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５７，７４ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造
活性層５８，７５ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９，７６ｐ−ＧａＮキャップ層６０，７８ｐ側オーミック電極６１，７９ｎ側オーミック電極７７ＳｉＯ₂絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶
基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層
上に、円形パターンの穴が周期的に配置されている選択
成長用マスクが積層され、該選択成長用マスクの円形パ
ターンの穴を通して、ＧａＮ系化合物半導体層が選択成
長されて形成されていることを特徴とする半導体基板。
【請求項２】請求項１記載の半導体基板において、選
択成長用マスクの円形パターンの穴は、格子状に配置さ
れており、該穴は、選択成長するＧａＮ系化合物半導体
層の〈１１−２０〉方向に沿ってその一辺が配列されて
いる正三角形の各頂点に配置されていることを特徴とす
る半導体基板。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の半導体基
板からＧａＮ系化合物半導体層が分離され、分離された
ＧａＮ系化合物半導体層からなることを特徴とする半導
体基板。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載の半導体基板上に、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を
含むＧａＮ系化合物半導体積層構造が形成されているこ
とを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】請求項３記載の半導体基板上に、少なく
とも１つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物半導体積層
構造が形成されており、該積層構造の半導体基板主面に
垂直なへき開面が光出射端面として機能することを特徴
とする半導体発光素子。