JP2001057463A

JP2001057463A - 窒素化合物半導体膜構造及び窒素化合物半導体素子並びにそれらの製造方法

Info

Publication number: JP2001057463A
Application number: JP25116099A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yuasa; 貴之湯浅; Yoshihiro Ueda; 吉裕上田; Yuzo Tsuda; 有三津田; Atsushi Ogawa; 淳小河
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-06-07
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2001-02-27

Abstract

(57)【要約】【課題】窒素化合物半導体膜の結晶欠陥を低減し、寿
命が長く、閾値電流密度が低く、多重モードの発生しな
い半導体レーザ素子を得る。【解決手段】窒素化合物半導体膜1０３上に成長抑制
膜１０５を部分的に設けて、Ａｌを含む窒素化合物半導
体膜を成長させる。Ａｌを含む窒素化合物半導体は高温
で科学的に安定であり、ＧａＮに比べて横方向成長が起
こり易く、転位をより低減して平坦な表面の膜１０８が
得られる。半導体レーザ素子のクラッド層に導入するこ
とで、電流狭窄やリーク光を吸収または反射して多重モ
ードを抑制することができる。または、光伝搬層の有効
屈折率を制御して高率良く光を閉じ込めることができ
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、窒素化合物半導体
膜構造、及び窒素化合物半導体により構成され、発光素
子やハイパワーデバイス等として用いられる窒素化合物
半導体素子並びにそれらの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、窒素化合物半導体は、発光素
子やハイパワーデバイスの材料として利用または研究さ
れている。

【０００３】例えば、発光素子の場合には、それを構成
する組成を調整することにより、技術的には青色から橙
色までの幅広い発光が可能な素子として利用することが
できる。その特性を利用して、近年では、青色発光ダイ
オードや緑色発光ダイオード等の実用化がなされてお
り、さらに、半導体レーザー素子として青紫色半導体レ
ーザーが開発されてきている。

【０００４】窒素化合物半導体膜を成長する際には、サ
ファイア、ＳｉＣ、スピネル、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の基板
が使用される。例えば、サファイア基板を用いる場合に
は、ＧａＮ膜をエピタキシャル成長する前に、予め５０
０℃〜６００℃程度の低温でＧａＮまたはＡｌＮ等のバ
ッファー層を形成し、その後、基板温度を１０００℃〜
１１００℃の高温に昇温して窒化物半導体膜のエピタキ
シャル成長を行う。これにより、表面状態の良い、構造
的および電気的に良好な結晶を得ることができることが
知られている。また、ＳｉＣ基板を用いる場合には、エ
ピタキシャル成長を行う成長温度で薄いＡｌＮ膜をバッ
ファー層として成長させると良いことが知られている。

【０００５】しかし、いずれの基板を使用しても、基板
と窒化物半導体膜との熱膨張係数の違いや格子定数の違
いにより、得られる窒素化合物半導体中には多数の欠陥
が存在する。これらの欠陥は刃状転位と螺旋転位に分類
されるが、その密度は合計で約１０ｅ９ｃｍ^-2〜１０ｅ
７ｃｍ^-2程度である。

【０００６】これらの欠陥は、キャリアをトラップして
製造した膜の電気的特性を損ねることが知られている
他、大電流を流すようなレーザーに対しては寿命特性の
劣化を招くことが知られている。そこで、従来、以下の
ように欠陥を低減するための試みがなされている。

【０００７】例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．
７１ｐ２６３８−２６４０やＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅ
ｔｔ．７１ｐ２２５９−２２６１には、ＧａＮ膜上に
ＳｉＯ₂からなるマスクを形成し、その上に選択成長す
ることによりマスク被覆部の欠陥密度が１桁〜２桁低減
することが開示されている。同様に、マスクを用いて選
択成長を行う方法としては、第４５回応用物理学関連講
演会講演予稿集２８ａＺＳ−６に、タングステンマスク
を用いて選択成長を行ってタングステン膜上にＧａＮ膜
を被覆し、電子デバイスに利用する方法が報告されてい
る。

【０００８】レーザーに関しては、例えば応用電子物性
分科会誌第４巻第２号１９８８ｐ５３−５８に、上記
ＳｉＯ₂を用いた選択成長技術を応用して、結晶内の転
位密度を低減したものが報告されている。この報告で
は、ｎ型ＧａＮ膜上にＳｉＯ₂からなる選択成長マスク
をストライプ状に形成し、さらにその上にｎ型ＧａＮ膜
を成長させてＳｉＯ₂マスクを被覆して平坦な表面を作
製し、そのＳｉＯ₂被覆部上にレーザー構造を形成する
ことにより、レーザー素子内の欠陥を低減して素子特性
を向上させるという内容が記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たようにＧａＮ膜上にＳｉＯ₂マスクを形成して選択成
長を行う方法では、ＧａＮ半導体自体が高温の成長温度
下で大変不安定であるため、以下のような問題がある。
すなわち、成長条件によっては、例えば、Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１ｐ２６３８−２６４０に記載
されているように、ＳｉＯ₂マスク上の選択成長膜の結
合部分でボイドが生じたり、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅ
ｔｔ．７１ｐ２２５９−２２６１に記載されているよ
うに、一箇所に集中して刃状欠陥が生じることがある。

【００１０】さらに、ＧａＮ膜を良好な状態で選択成長
させるには減圧状態とする必要があるため、以下のよう
な問題がある。通常、窒素化合物半導体は高温で成長が
行われ、製造膜中から抜ける窒素を補うために窒素分圧
の高い条件で成長を行う必要がある。よって、減圧状態
での成長では窒素抜けに起因する欠陥が膜中に発生し、
それが電気的特性を損なう原因となる。また、Ｉｎを含
む窒素化合物半導体は、成長の際に特に高い窒素分圧を
必要とするため、減圧状態の成長では良質の窒素化合物
半導体を得るのが困難となる。

【００１１】上記問題に加えて、半導体レーザー素子を
作製する際には固有の問題が発生する。レーザーを構成
する結晶の特性を向上させるためには、下地となるＳｉ
ドープＧａＮ膜の膜厚を厚くする必要がある。このた
め、レーザー光の伝搬層から漏れた光が基板と光閉じ込
め層となるクラッド層との間に再び閉じ込められて伝搬
し、半導体レーザ素子内を伝搬する光が単峰（単一モー
ド）ではなく多峰（多重モード）になってしまう。

【００１２】本発明はこのような従来技術の課題を解決
すべくなされたものであり、結晶欠陥が低減された良質
の窒素化合物半導体膜構造、及び半導体レーザ素子に適
用した場合閾値電流を低減すると共に長寿命化を図るこ
とができ、さらに多重モードを抑制することができる窒
素化合物半導体素子並びにそれらの製造方法を提供する
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の窒素化合物半導
体膜構造は、第１の窒素化合物半導体膜と、該第１の窒
素化合物半導体膜上に部分的に設けられ、窒素化合物半
導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制する
成長抑制膜と、該成長抑制膜が設けられていない該第１
の窒素化合物半導体膜部分上および該成長抑制膜上にわ
たって設けられた第２の窒素化合物半導体膜とを備え、
該第２の窒素化合物半導体膜がＡｌを含む材料からな
り、そのことにより上記目的が達成される。

【００１４】前記第１の窒素化合物半導体膜がＡｌを含
む材料からなるのが好ましい。

【００１５】本発明の窒素化合物半導体膜構造の製造方
法は、基板上に第１の窒素化合物半導体膜を成長させる
工程と、該第１の窒素化合物半導体膜上に部分的に、窒
素化合物半導体がその直上にエピタキシャル成長するの
を抑制する成長抑制膜を形成する工程と、該成長抑制膜
が形成されていない該第１の窒素化合物半導体膜部分を
起点として、Ａｌを含む窒素化合物半導体膜を該成長抑
制膜を覆うように成長させて第２の窒素化合物半導体膜
を形成する工程とを含み、そのことにより上記目的が達
成される。

【００１６】前記第１の窒素化合物半導体膜としてＡｌ
を含む半導体膜を成長させるのが好ましい。

【００１７】本発明の窒素化合物半導体素子は、基板上
に本発明の窒素化合物半導体膜構造を１または２以上備
え、そのことにより上記目的が達成される。

【００１８】前記成長抑制膜が絶縁体、金属およびアモ
ルフアス半導体のうちの少なくとも１種類からなってい
てもよい。

【００１９】前記成長抑制膜が金属とその表面を窒化し
た窒化物からなっていてもよい。

【００２０】本発明の窒素化合物半導体素子の製造方法
は、基板上に第１の窒素化合物半導体膜を成長させる工
程と、該第１の窒素化合物半導体膜上に部分的に、窒素
化合物半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを
抑制する成長抑制膜を形成する工程と、該成長抑制膜が
形成されていない該第１の窒素化合物半導体膜部分を起
点として、Ａｌを含む窒素化合物半導体膜を該成長抑制
膜を覆うように成長させて第２の窒素化合物半導体膜を
形成する工程とを含み、そのことにより上記目的が達成
される。

【００２１】前記第１の窒素化合物半導体膜としてＡｌ
を含む半導体膜を成長させるのが好ましい。

【００２２】以下、本発明の作用について説明する。

【００２３】本発明にあっては、酸化物や窒化物等の絶
縁体や金属、アモルファス半導体等、窒素化合物半導体
がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制する材料
からなる成長抑制膜を第１の窒素化合物半導体膜上に部
分的に形成し、成長抑制膜が形成されていない第１の窒
素化合物半導体膜部分を起点として成長抑制膜を覆うよ
うにＡｌを含む第２の窒素化合物半導体膜を成長させて
いる。後述する実施形態１に示すように、Ａｌを含む窒
素化合物半導体は高温で化学的に安定であり、成長抑制
膜上を覆う横方向成長がＧａＮよりも起こり易く、転位
をより少なくして結晶欠陥が少ない平坦な表面の膜が得
られる。

【００２４】さらに、後述する実施形態２に示すよう
に、第１の窒素化合物半導体膜としてＡｌを含むものを
用いれば、第２の窒素化合物半導体とより良い格子整合
性が得られるので、さらに結晶欠陥が低減される。

【００２５】このように結晶欠縮が低減された窒素化合
物半導体膜構造は、発光ダイオードや半導体レーザ素子
等の発光素子、受光素子、およびＦＥＴ等のパワーデバ
イスに非常に有効である。例えば、半導体レーザ素子の
クラッド層やｎ型電極コンタクト層等に本発明の窒素化
合物膜構造を適用することにより、後述する実施形態３
〜実施形態１０に示すように、活性層近傍の転位密度が
低減するのでレーザー寿命が長くなる。

【００２６】また、ＧａＮ厚膜基板上に作製したレーザ
においては、従来より転位の低減が報告されていたが、
実施形態１０に示す方法で作製したレーザは、従来より
使用されているＧａＮ厚膜基板を使用したレーザと比
べ、ｎ型クラッド層以降の層の刃状転位が、更に半分以
下に低減した。そのため、実施形態３で示した効果と同
様に半導体レーザ素子の寿命が向上した。

【００２７】成長抑制膜として酸化物や窒化物等の絶縁
体を用いれば、後述する実施形態３および実施形態４に
示すように、成長抑制膜を電流狭窄構造として機能させ
て、活性層近傍での電流絞り込みを効率よく行うことが
できる。

【００２８】成長抑制膜として金属を用いれば、後述す
る実施形態５および実施形態７に示すように、光伝搬層
に近い部分に成長抑制膜を形成することにより、成長抑
制膜がある部分と無い部分で光伝搬層の有効屈折率を変
化させて、横方向（基板と平行方向）への光閉じ込めを
効率良く行うことができる。

【００２９】成長抑制膜として酸化物や窒化物等の絶縁
体と金属とを用いれば、後述する実施形態６および実施
形態９に示すように、電流狭窄と光閉じ込めの両方を効
率良く行うことができる。この成長抑制膜は、実施形態
９のように複数層設けて選択成長を複数回行ってもよい
が、実施形態６のように第１の窒素化合物半導体膜上に
金属層を部分的に形成し、その表面を窒化してもよい。
さらに、窒素化合物半導体の表面が酸化されないように
金属表面を酸化できる金属材料であれば、金属とその表
面を酸化した酸化物層についても、同様に用いることが
できる。例えば、第１の窒素化合物半導体膜上に金属層
を部分的に形成し、窒化物半導体が酸化されない程度の
温度でその表面を酸化することができる。

【００３０】成長抑制膜としてアモルフアス半導体等の
活性層からの光を吸収または反射する材料を用いれば、
後述する実施形態８に示すように、クラッド層をリーク
した伝搬光が成長抑制膜により吸収され、または活性層
側に反射されるので、基板とクラッド層との問で生じる
縦方向（基板に垂直方向）の多重ピークを有する伝搬光
が生じず、単一ピークの発振が得られる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００３２】なお、窒素化合物半導体を結晶成長させる
際にはサファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＭｇＡ
ｌ₂Ｏ₄等が基板として用いられる。また、結晶成長は、
通常、有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と称す
る）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライ
ド気相成長法等により行われる。その中でも、結晶性や
量産性を考慮すると、基板としてサファイアまたはＧａ
Ｎを使用し、成長法としてはＭＯＣＶＤ法により行うの
が最も一般的な方法である。そこで、以下の実施形態で
はサファイア基板およびＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤ法に
より窒素化合物半導体を成長させた例について説明す
る。

【００３３】（実施形態１）本実施形態では、第１の窒
素化合物半導体膜を成長後、窒素化合物半導体がその直
上にエピタキシャル成長するのを抑制する材料からなる
成長抑制膜を第１の窒素化合物半導体膜上に部分的に形
成し、その上に成長抑制膜を被覆するようにＡｌを含む
第２の窒素化合物半導体を成長させた例について説明す
る。

【００３４】図１（ｅ）に本実施形態の窒素化合物半導
体膜構造を示す。ここでは、サファイア基板１０１上に
ＧａＮバッファー層１０２が設けられ、その上にｎ型Ｇ
ａＮ膜１０３が設けられている。ｎ型ＧａＮ膜１０３の
上には部分的にＳｉＯ₂からなる成長抑制膜１０５が設
けられ、さらにその上にＡｌＧａＮ膜１０８が設けられ
ている。

【００３５】図２に本実施形態において使用したＭＯＣ
ＶＤ装置の概略構成を示す。

【００３６】図中、２０１は（０００１）面を有するサ
ファイア基板であり、この基板は炭素からなるサセプタ
２０２上に配置されている。サセプタ２０２の中には炭
素からなる抵抗加熱用ヒーターが配置されており、熱電
対により基板温度を制御することができる。２０３は二
重の石英からなる反応管であり、水冷されている。

【００３７】Ｖ族原料としてはアンモニア（ＮＨ₃）２
０６を用い、III族原料としてトリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）２０７ａ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）２
０７ｂおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）２０７
ｃを窒素ガス（Ｎ₂）または水素ガス（Ｈ₂）によりバブ
リングして用いた。ｎ型ドーピング原料としてはモノシ
ラン（ＳｉＨ₄）２０９を用い、Ｐ型のドーピング原料
としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ
₂Ｍｇ）２０７ｄを用いた。各原料はマスフローコント
ローラ（ＭＦＣ）２０８により正確に流量が制御されて
原料入り口２０４から反応管に導入され、排気ガス出口
２０５から排出される。

【００３８】本実施形態の窒素化合物半導体膜構造は例
えば以下のようにして作製することができる。

【００３９】まず、基板１０１を洗浄して結晶成長装置
内に設置して、水素雰囲気中１１００℃程度の温度で約
１０分間熱処理を施し、その後、温度を５００℃〜６０
０℃程度に降温する。温度が一定になった後、キャリア
ガスを窒素に変えて窒素ガスを全流量で１０ｌ／ｍｉｎ
とアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流し、数秒後、ＴＭＧを約
２０μｍｏｌ／ｍｉｎで約１分間流して、図１（ａ）に
示すように低温でのバッファー層として約２０ｎｍのＧ
ａＮ膜１０２を成長させる。

【００４０】その後、ＴＭＧの供給を停止して温度を１
０５０℃まで上昇し、再びＴＭＧを約５０μｍｏｌ／ｍ
ｉｎとＳｉＨ₄ガスを約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して
厚み約４μｍのｎ型ＧａＮ膜１０３を成長させる。

【００４１】次に、基板を結晶成長装置から一旦取り出
し、図１（ｂ）に示すようにスパッタリング法等により
厚み約０．１μｍのＳｉＯ₂膜１０５を形成する。

【００４２】続いて、簡便なフォトリソグラフィー技術
を用いて５μｍ幅で１０μｍ間隔のストライプ状にＳｉ
Ｏ₂膜１０５をエッチングし、図１（ｃ）に示すように
下層のＧａＮ膜部分１０６を露出させる。

【００４３】その後、基板を再び結晶成長装置内に設置
して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を１０ｌ／
ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流しながら温度を１
０５０℃まで昇温し、温度が安定した時点でＴＭＧを約
５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ₄ガスを約１０ｎｍｏｌ
／ｍｉｎとＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給してｎ型
Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜を成長させる。成長が進むにつれ
て、ＧａＮ膜の露出部１０６から再成長を始めたＡｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜１０７は、図１（ｄ）に示すようにＳ
ｉＯ₂膜１０５を覆うように横方向成長が生じてくる。

【００４４】再成長したＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜の厚みが
約０．２μｍ程度になると、横方向成長したＡｌ_0.15Ｇ
ａ_0.85Ｎ膜が完全に結合して、図１（ｅ）に示すように
成長抑制膜１０５を完全に被覆した平坦な表面のＡｌＧ
ａＮ膜１０８が得られる。

【００４５】このようにして得られた膜の表面は平坦で
クラックも生じておらず、透過電子顕微鏡により膜を観
察したところ、基板とＧａＮ膜との界面から生じる欠陥
が、ＳｉＯ₂膜の上に被覆したＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜中
には殆ど観測されなかった。

【００４６】さらに、このＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜と同様
にして選択成長を行った従来のＧａＮ膜とを比較する
と、ＧａＮ膜の選択成長では再成長膜同士の接合部分で
刃状転位が多数観測されたが、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ再成
長膜の接合部分では殆ど観察されなかった。これは、再
成長膜中にＡｌが含まれることにより結晶成長時に化学
的に安定になり、高温でも窒素化合物半導体が昇華する
ことにより生じるエッチング現象が低減し、再成長膜同
士の結合が容易に行われるためと考えられる。

【００４７】（実施形態２）本実施形態では、Ａｌを含
む第１の窒素化合物半導体膜を成長後、窒素化合物半導
体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制する材
料からなる成長抑制膜を第１の窒素化合物半導体膜上に
部分的に形成し、その上に成長抑制膜を被覆するように
Ａｌを含む第２の窒素化合物半導体を成長させた例につ
いて説明する図３（ｅ）に本実施形態の窒素化合物半導
体膜構造を示す。ここでは、サファイア基板１０１上に
ＧａＮバッファー層１０２が設けられ、その上にｎ型Ｇ
ａＮ膜１０３およびｎ型ＡｌＧａＮ膜１０８が設けられ
ている。ｎ型ＡｌＧａＮ膜１０８は、図３（ｃ）に示す
ｎ型ＡｌＧａＮ膜１０４上にＳｉＯ₂からなる成長抑制
膜１０５を部分的に設けて、その上にＡｌＧａＮ膜を再
成長させたものである本実施形態の窒素化合物半導体膜
構造は例えば以下のようにして作製することができる。

【００４８】まず、実施形態１と同様にして、基板１０
１上に図３（ａ）に示すように低温バッファー層として
ＧａＮ膜１０２を成長させ、その後、基板温度を１０５
０℃まで昇温し、ＴＭＧを約５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳ
ｉＨ₄ガスを約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚み約４
μｍのｎ型ＧａＮ膜１０３を成長させる。

【００４９】次に、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給
して、厚み約０．３μｍのｎ型Ａｌ _0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜１
０４を成長させる。

【００５０】その後、基板を結晶成長装置から一旦取り
出し、図３（ｂ）に示すようにスパッタリング法等によ
り厚み約０．１μｍのＳｉＯ₂膜１０５を形成する。

【００５１】続いて、簡便なフォトリソグラフィ技術を
用いて５μｍ幅で１０μｍ間隔のストライプ状にＳｉＯ
₂膜１０５をエッチングし、図３（ｃ）に示すように下
層のＡｌＧａＮ膜部分１０６を露出させる。

【００５２】その後、基板を再び結晶成長装置内に設置
して、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素を１０ｌ／
ｍｉｎとアンモニアを３ｌ／ｍｉｎ流しながら温度を１
０５０℃まで昇温し、温度が安定した時点でＴＭＧを約
５０μｍｏｌ／ｍｉｎとＳｉＨ₄ガスを約１０ｎｍｏｌ
／ｍｉｎとＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給してｎ型
Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜を再度成長させる。成長が進むに
つれて、ＡｌＧａＮ膜の露出部１０６から再成長を始め
たＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜１０７は、図３（ｄ）に示すよ
うにＳｉＯ₂膜１０５を覆うように横方向成長が生じて
くる。

【００５３】再成長したＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜の厚みが
約０．２μｍ程度になると、横方向成長したＡｌ_0.15Ｇ
ａ_0.85Ｎ膜１０８が完全に結合して、図３（ｅ）に示す
ように、成長抑制膜１０５を完全に被覆した平坦な表面
のＡｌＧａＮ膜１０８が得られる。

【００５４】このようにして得られた膜の表面は平坦で
クラックも生じておらず、透過電子顕微鏡により膜を観
察したところ、基板とＧａＮ膜との界面から生じる欠陥
が、ＳｉＯ₂膜の上に被覆したＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜中
には殆ど観測されなかった。また、ＳｉＯ₂膜が設けら
れていない部分（図３の１０６の上部）では、図４に示
すように、基板界面から生じる螺旋転位や刃状転位１１
０がＳｉＯ₂成長抑制膜１０５上に折れ曲がって集中
し、お互い相殺しながら消滅して膜表面まで到達してい
なかった。

【００５５】さらに、Ａｌを含まない窒素化合物半導体
膜上に部分的に成長抑制膜を設けた場合とＡｌを含む窒
素化合物半導体膜上に部分的に成長抑制膜を設けた場合
とを比較すると、下層の窒素化合物半導体膜にＡｌを含
んでいた方が、その上に被覆されるＡｌを含む窒素化合
物半導体との格子整合性が良い。このため、再成長膜と
下層膜との界面から発生する欠陥が低減され、表面に発
生する転位の密度がより低減できる傾向があった。

【００５６】上記実施形態１および実施形態２のように
して、使用する２インチ径の基板前面に平坦な膜を作製
することができた。このようにして得られる窒素化合物
半導体膜は、欠陥が低減されているため、欠陥に起因す
るキャリアのトラップとなる不純物準位が減少し、キャ
リアの移動度が増大する傾向を示した。よって、窒素化
合物半導体の特徴を活かしたパワーデバイスや発光素子
等の成長のために好適に用いることが可能である。

【００５７】なお、実施形態１および実施形態２では低
温バッファー層としてＧａＮ膜を用いた例について説明
したが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦Ｘ≦１）を用いても何等
問題は生じない。

【００５８】下層の窒素化合物半導体としてＧａＮおよ
びＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜を用いた例について説明した
が、Ａｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成は０≦Ｘ≦１のいずれで
あってもよい。好ましくは０．０５≦Ｘ≦０．３であ
る。

【００５９】再成長させるＡｌを含む窒素化合物半導体
としてＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ膜を用いた例について説明し
たが、Ａｌ_xＧａ_1-xＮのＡｌ組成が０＜Ｘ≦１のいずれ
の窒素化合物でも同様の効果が見られた。特に、０．０
５≦Ｘ≦０．２５の組成の窒素化合物半導体では顔著な
効果が見られた。このＡｌを含む窒素化合物半導体は、
成長抑制膜を被覆する厚みであれば問題はないが、転位
を膜表面まで達しないようにするためには、０．２μｍ
〜１．２μｍ程度とするのが好ましい。

【００６０】成長抑制膜の厚みは、その形状にもよる
が、再成長するＡｌＧａＮ膜により被覆可能な厚みであ
れば問題は生じない。好ましくは０．０５μｍ〜０．５
μｍである。

【００６１】成長抑制膜の形状は特に限定する必要はな
いが、より横方向成長を促進するためには、窒素化合物
半導体の＜１−１００＞方向のストライプであるのが好
ましい。ストライプ構造の間隔が５０μｍ以下で、成長
抑制膜の幅が２０μｍ以下であるのが好ましいが、この
限りではない。さらに好ましくは、ストライプ構造の間
隔が２０μｍ以下で、成長抑制膜の幅が１０μｍ以下で
あり、この場合には表面がより平坦で欠陥密度も少ない
良好な膜が得られた。

【００６２】上記実施形態１及び実施形態２ではドーパ
ントとしてＳｉＨ₄を用いた例について説明したが、こ
れはｎ型の膜を成長させる場合には有効であるが、ｎ型
とする必要が無い場合には不要である。なお、Ｐ型の膜
を成長させる場合には、ドーパントとしてＭｇを用いる
ことができる。いずれの場合でも、本発明の効果を得る
ことができる。

【００６３】成長抑制膜の材料としては、その直上に窒
素化合物半導体がエピタキシャル成長するのを抑制し、
窒素化合物半導体のエピタキシャル成長により影響を受
けない材料であれば、いずれも用いることができる。例
えば、ＳｉＯ₂やＳｉＮ等の絶縁体、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、
Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等の金属や導電膜、それ
の窒化物、アモルファス半導体、複数種からなる金属ア
ロイ膜や異なる特性の複数層からなる複合膜等、特に材
料に関して限定されない。

【００６４】（実施形態３）本実施形態では、Ａｌを含
む第１の窒素化合物半導体膜上にＳｉＯ₂からなる成長
抑制膜を部分的に形成し、その上に成長抑制膜を被覆す
るように成長させたＡｌを含む第２の窒素化合物半導体
膜をクラッド層として半導体レーザ素子を作製した例に
ついて説明する。

【００６５】図５は実施形態３の半導体レーザ素子の構
成を示す断面図である。

【００６６】この半導体レーザ素子は、基板３０１上
に、ＧａＮからなるバッファー層３０２、ｎ型ＧａＮ層
３０３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０４、ｎ型ＧａＮ
光伝搬層３０６、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層３０
７、ｐ型ＧａＮ光伝搬層３０８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド層３０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０が順次積層
されている。ｐ型コンタクト層３１０の上には電流通路
となるストライプ状部分を開口させた絶縁膜３１１が設
けられ、その開口部および絶縁膜３１１上にわたってｐ
型コンタクト用電極３１３が設けられている。ｐ型コン
タクト層３１０からｎ型ＧａＮ層３０３まではｎ型Ｇａ
Ｎ層３０３の表面が露出するように一部除去されてお
り、そのｎ型ＧａＮ層３０３の露出部上にはｎ型コンタ
クト用電極３１２が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮク
ラッド層３０４は、実施形態２のｎ型ＡｌＧａＮ膜１０
８と同様に、ＡｌＧａＮ膜上にＳｉＯ₂からなる成長抑
制膜３０５を部分的に設けて、その上にＡｌＧａＮ膜を
再成長させたものである。

【００６７】この半導体レーザ素子は、例えば以下のよ
うにして作製することができる。

【００６８】基板３０１上にＧａＮバッファー層３０
２、ｎ型ＧａＮ層３０３、成長抑制膜３０５およびｎ型
ＡｌＧａＮクラッド層３０４を形成する工程は、実施形
態２においてＧａＮバッファー層１０２、ｎ型ＧａＮ膜
１０３、成長抑制膜１０５およびｎ型ＡｌＧａＮ膜１０
８を形成する工程と同様に行うことができる。次に、ｎ
型ＡｌＧａＮ膜１０８を形成後、温度を１０５０℃に保
持したまま、ＴＭＡの供給を停止し、窒素ガスを１０ｌ
／ｍｉｎ、ＮＨ₃を３ｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを５０μｍｏ
ｌ／ｍｉｎおよびＳｉＨ₄ガスを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ
の流量で供給しながら、約０．１μｍ厚みのｎ型ＧａＮ
光伝搬層３０６を成長させる。

【００６９】その後、一旦ＴＭＧとＳｉＨ₄の供給を停
止して基板温度を７００℃〜８００℃程度に下げ、ＴＭ
ＩとＴＭＧを供給して、厚み２ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85
Ｎ層と厚み４ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層の複数から構
成される多重量子井戸活性層３０７を形成する。この
際、ＳｉＨ₄は供給しても良いし、供給しなくても良い
次に、ＴＭＧとＴＭＩの供給を再度停止して基板温度を
再び１０５０℃まで昇温し、ＴＭＧとＴＭＡを供給して
厚み２０ｎｍのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるキャリアブ
ロック層を成長させる。この際、Ｃｐ₂Ｍｇは供給して
も良いし、供給しなくても良い。なお、このキャリアブ
ロック層は、形成しなくても特に問題は生じない。

【００７０】続いて、ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの
供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、Ｃｐ₂Ｍｇを約
５０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚み０．１μｍのｐ型Ｇ
ａＮ光伝搬層３０８を成長させる。次に、ＴＭＡを１０
μｍｏｌ／ｍｉｎ供給して厚み０．５／μｍのｐ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層３０９を成長させる。その
後、ＴＭＡの供給を停止して、厚み０．１μｍのｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層３１０を成長し、基板温度を室温まで
降温して基板を結晶成長装置から取り出す。

【００７１】その後、ドライエッチング装置を用いてエ
ッチングを行ってｎ型ＧａＮ層３０３を露出させ、Ｔｉ
膜及びＡｌ膜を露出部分に蒸着してｎ型コンタクト用電
極３１２を形成する。一方、ｐ型コンタクト層３１０上
にはＳｉＯ₂からなる絶縁膜３１１を蒸着し、これをス
トライプ状にエッチングしてｐ型コンタクト層３１０を
露出させ、Ｎｉ膜とＡｕ膜とを蒸着してｐ型コンタクト
用電極３１３を形成する。最後に、へき開またはドライ
エッチングによりミラーとなる端面を形成する。以上に
より、窒素化合物半導体を用いた青紫色の発光波長を有
する半導体レーザ素子が作製される。

【００７２】このようにして得られた半導体レーザ素子
は、ＡｌＧａＮクラッド層３０４中の成長抑制膜の存在
によって、その成長抑制膜上に再成長させた膜以降のレ
ーザー構造を構成する各膜中において、転位密度が２桁
以上減少した。さらに、ＧａＮ膜中に成長抑制膜を設け
て作製した従来の半導体レーザ素子に比べると、成長抑
制膜上に被覆した部分の転位密度及び被覆していない部
分の転位密度が減少するだけではなく、さらに、成長抑
制膜上の再成長膜の接合部分に集中して生じていた刃状
転位が無くなっていた。そのため、レーザー構造を構成
する光伝搬層以降の成長膜の転位密度が場所に依存する
ことなく減少し、その結果、半導体レーザ素子の寿命特
性が１０倍以上向上した。

【００７３】なお、成長抑制膜の形状は特に限定する必
要はないが、より横方向成長を促進するためには、窒素
化合物半導体の＜１−１００＞方向のストライプである
のが好ましい。ストライプ構造の間隔が５０μｍ以下
で、成長抑制膜の幅が２０μｍ以下であるのが好ましい
が、この限りではない。さらに好ましくは、ストライプ
構造の間隔が２０μｍ以下で、成長抑制膜の幅が１０μ
ｍ以下であり、この場合には表面がより平坦で欠陥密度
も少ない良好な膜が得られた。

【００７４】さらに、上記成長抑制膜をｎ型ＧａＮ層３
０３上に形成し、その上に厚み約４μｍのｎ型Ａｌ_0.15
Ｇａ_0.85Ｎ膜の選択成長を行ってクラッド層として使用
しても、同様の効果が得られ、選択成長を行わなかった
半導体レーザ素子に比べて膜表面近傍で転位密度を約１
桁以上低減することができ、素子の寿命特性を１０倍以
上向上させることができた。

【００７５】（実施形態４）本実施形態では、絶縁特性
を示す窒化物を成長抑制膜として半導体レーザ素子を作
製した例について説明する。

【００７６】実施形態１および実施形態２と同様に、ま
ず、基板３０１上に厚み約２０ｎｍのＧａＮバッファー
層３０２、厚み約４μｍのｎ型ＧａＮ層３０３および厚
み約０．３μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を成長後、結晶成長
装置から基板を一旦取り出して下層のＡｌＧａＮ層に対
して＜１−１００＞方向に５μｍの間隔で２．５μｍ幅
のＳｉＮ膜を厚み約０．１μｍでストライプ状に形成し
て成長抑制膜３０５とする。

【００７７】次に、再び結晶装置内に基板を戻して厚み
約０．４μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を再成長させてｎ型ク
ラッド層３０４を形成した。その後、他の層を成長させ
て素子作製プロセスを経ることにより図５に示したよう
な半導体レーザ素子を作製した。ｐ型コンタクト用電極
３１３は、成長抑制膜が設けられていない部分上にスト
ライプ状に、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０に接するよ
うに形成した。

【００７８】このようにして得られた半導体レーザ素子
は、ＡｌＧａＮ層の選択成長を行っていない半導体レー
ザ素子に比べて、寿命特性が１０倍以上向上した。これ
は、活性層近傍の転位密度が低減したことによると考え
られる。さらに、閾値電流密度は約１／２まで低減し
た。これは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層内に形成した絶
縁体からなる成長抑制膜が電流狭窄構造として機能する
ため、活性層近傍での電流絞り込みが効率良く行われる
ためであると考えられる。

【００７９】なお、絶縁性の成長抑制膜としては、Ｓｉ
Ｎ以外にＳｉＯ₂や金属の窒化物または酸化物等、窒素
化合物半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを
抑制できるものであれば、材料によって大きな特性の違
いは生じない。

【００８０】成長抑制膜の形状は特に限定する必要はな
いが、より横方向成長を促進するためには、窒素化合物
半導体の＜１−１００＞方向のストライプであるのが好
ましく、被覆するＡｌを含む窒素化合物半導体の膜厚が
薄くても表面の平坦な膜を形成することができる。本実
施形態では、成長抑制膜が設けられていない部分の上部
に発光部を設けた例について示しているので、ストライ
プ構造の間隔が発光部の形成可能な長さの範囲であれば
問題は生じない。好ましくはストライプ構造の間隔が５
０μｍ以下で、成長抑制膜の幅が２０μｍ以下である。
さらに好ましくはストライプ構造の間隔が２０μｍ以下
で、成長抑制膜の幅が１０μｍ以下であり、この範囲で
あれば、表面がより平坦で欠陥密度も少ない良好な膜が
得られた。成長抑制膜の厚みは、その形状にもよるが、
再成長するＡｌＧａＮ膜により被覆可能な厚みであれば
問題は生じない。但し、電流狭窄構造の絶縁特性を充分
にするためには、厚み０．０５μｍ以上であるのが好ま
しい。

【００８１】（実施形態５）本実施形態では、金属を成
長抑制膜として半導体レーザ素子を作製した例について
説明する。

【００８２】実施形態４と同様に、ｎ型ＡｌＧａＮ層を
成長後、結晶成長装置から基板を一旦取り出して下層の
ＡｌＧａＮ層に対して＜１−１００＞方向に５μｍの間
隔で２．５μｍ幅のＰｔ膜を厚み約０．１μｍでストラ
イプ状に形成して成長抑制膜３０５とする。

【００８３】次に、再び結晶装置内に基板を戻して厚み
約０．４μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を再成長させてｎ型ク
ラッド層３０４を形成した。その後、他の層を成長させ
て素子作製プロセスを経ることにより図５に示したよう
な半導体レーザ素子を作製した。この実施形態でも、成
長抑制膜が設けられていない部分上にストライプ状に、
ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０に接するようにｐ型コン
タクト用電極３１３を形成した。

【００８４】このようにして得られた半導体レーザ素子
は、ＡｌＧａＮ層の選択成長を行っていない半導体レー
ザ素子に比べて、寿命特性が１０倍以上向上した。これ
は、活性層近傍の転位密度が低減したことによると考え
られる。さらに、閾値電流密度は約１／２まで低減し
た。これは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層内に金属からな
る成長抑制膜を形成してあるので、成長抑制膜があると
ころと無いところとで光伝搬層の有効屈折率が変化し、
横方向（基板と平行方向）の光の閉じ込めが顕著になっ
たためであると考えられる。

【００８５】なお、金属からなる成長抑制膜としては、
Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ａｕ等、窒素化合
物半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制
でき、結晶成長中に劣化しないものであれば、材料によ
って大きな特性の違いは生じない。

【００８６】なお、成長抑制膜の形状は特に限定する必
要はないが、より横方向成長を促進するためには、窒素
化合物半導体の＜１−１００＞方向のストライプである
のが好ましく、被覆するＡｌを含む窒素化合物半導体の
膜厚が薄くても表面の平坦な膜を形成することができ
る。本実施形態でも、成長抑制膜が設けられていない部
分の上部に発光部を設けた例について示しているので、
ストライプ構造の間隔は発光部の形成可能な長さの範囲
であれば問題は生じない。好ましくはストライプ構造の
間隔が５０μｍ以下で、成長抑制膜の幅が２０μｍ以下
である。さらに好ましくはストライプ構造の間隔が２０
μｍ以下で、成長抑制膜の幅が１０μｍ以下であり、こ
の範囲であれば、表面がより平坦で欠陥密度も少ない良
好な膜が得られた。成長抑制膜の厚みは、その形状にも
よるが、再成長するＡｌＧａＮ膜により被覆可能な厚み
であれば問題は生じない。但し、光の閉じ込めを充分に
するためには、厚み０．０５μｍ以上であるのが好まし
い。

【００８７】（実施形態６）本実施形態では、金属とそ
の表面を窒化処理した絶縁体を成長抑制膜として半導体
レーザ素子を作製した例について説明する。

【００８８】実施形態４および実施形態５と同様に、ｎ
型ＡｌＧａＮ層を成長後、結晶成長装置から基板を一旦
取り出して下層のＡｌＧａＮ層に対して＜１−１００＞
方向に５μｍの間隔で２．５μｍ幅のＴｉ膜を厚み０．
５μｍでストライプ状に形成する。

【００８９】次に、再び結晶装置内に基板を戻して約９
００℃のＮ₂雰囲気において一定時間Ｔｉ表面窒化処理
することによりＴｉＮ膜を形成する。その後、実施形態
４および実施形態５と同様に、厚み約０．４μｍのｎ型
ＡｌＧａＮ層を再成長させてｎ型クラッド層３０４を形
成した。その後、他の層を成長させて素子作製プロセス
を経ることにより図５に示したような半導体レーザ素子
を作製した。この実施形態でも、成長抑制膜が設けられ
ていない部分上にストライプ状に、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層３１０に接するようにｐ型コンタクト用電極３１３
を形成した。

【００９０】このようにして得られた半導体レーザ素子
は、ＡｌＧａＮ層の選択成長を行っていない半導体レー
ザ素子に比べて、寿命特性が１０倍以上向上した。これ
は、活性層近傍の転位密度が低減したことによると考え
られる。さらに、閾値電流密度は約１／３まで低減し
た。これは、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層内に金属からな
る成長抑制膜を形成してあるので、成長抑制膜があると
ころと無いところとで光伝搬層の有効屈折率が変化し、
横方向（基板と平行方向）の光の閉じ込めが顕著になっ
たこと、さらに、金属の表面が窒化処理されて絶縁体と
なっているので電流狭窄構造が形成され、活性層近傍で
の電流絞り込みが効率良く行われたためと考えられる。

【００９１】なお、金属の表面を窒化処理した成長抑制
膜としては、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ａｌ等、窒素化合
物半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制
できるものであれば、材料によって大きな特性の違いは
生じない。

【００９２】（実施形態７）本実施形態では、金属を成
長抑制膜として半導体レーザ素子を作製した他の例につ
いて説明する。

【００９３】図６に示すように、まず、基板３０１上に
ｎ型ＧａＮバッファー層３０２、厚み約４μｍのｎ型Ｇ
ａＮ層３０３、厚み０．７μｍのｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85
Ｎクラッド層３０４を成長し、続いてｎ型ＧａＮ光伝搬
層３０６、ＩｎＧａＮ活性層３０７、キャリアブロック
層（図示せず）、ｐ型ＧａＮ光伝搬層３０８、ｐ型Ａｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層３０９を約０．１５μｍ成長
する。

【００９４】次に、結晶成長装置から基板を一旦取り出
して下層のＡｌＧａＮ層に対して＜１−１００＞方向に
５μｍの間隔で２．５μｍ幅のＭｏ膜を厚み０．５μｍ
でストライプ状に形成して成長抑制膜３０５とする。

【００９５】次に、再び結晶装置内に基板を戻して厚み
約０．４μｍのｐ型ＡｌＧａＮ層を再成長させてｐ型ク
ラッド層３０９を形成し、その上にｐ型ＧａＮコンタク
ト層３１０を成長させた。

【００９６】その後、基板を結晶成長装置から取り出し
て素子作製プロセスを経ることにより図６に示したよう
な半導体レーザ素子を作製した。この実施形態でも、成
長抑制膜が設けられていない部分上にストライプ状に、
ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０に接するようにｐ型コン
タクト用電極３１３を形成した。

【００９７】このようにして得られた半導体レーザ素子
は、ＡｌＧａＮ層の選択成長を行っていない半導体レー
ザ素子に比べて、閾値電流密度が約１／２まで低減し
た。これは、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層内に金属からな
る成長抑制膜を形成してあるので、成長抑制膜があると
ころと無いところとで光伝搬層の有効屈折率が変化し、
横方向（基板と平行方向）の光の閉じ込めが顕著になっ
たためであると考えられる。

【００９８】本実施形態の半導体レーザ素子において
は、活性層の結晶欠陥低減に対する効果はないが、閾値
電流密度が低減した結果、寿命を２倍以上に向上させる
ことができた。

【００９９】さらに、成長抑制膜によってｐ型クラッド
層およびｐ型コンタクト層の結晶欠陥が減少し、Ｐ型を
示す電気特性が向上したため、従来例として作製した半
導体レーザ素子と比較して閾値電圧が約０．３Ｖ程度低
くなる傾向を示した。

【０１００】（実施形態８）本実施形態では、アモルフ
ァスシリコンを成長抑制膜として半導体レーザ素子を作
製した例について説明する。

【０１０１】実施形態４および実施形態５と同様に、ｎ
型ＡｌＧａＮ層を成長後、結晶成長装置から基板を一旦
取り出して下層のＡｌＧａＮ層に対して＜１−１００＞
方向に５μｍの間隔で２．５μｍ幅のアモルファスシリ
コン膜を厚み０．１μｍでストライプ状に形成して成長
抑制膜３０５とする。

【０１０２】次に、再び結晶装置内に基板を戻して厚み
約０．４μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を再成長させてｎ型ク
ラッド層３０４を形成した。その後、他の層を成長させ
て素子作製プロセスを経ることにより図７に示したよう
な半導体レーザ素子を作製した。この実施形態では、成
長抑制膜が設けられた部分上にストライプ状に、ｐ型Ｇ
ａＮコンタクト層３１０に接するようにｐ型コンタクト
用電極３１３を形成した。

【０１０３】このようにして得られた半導体レーザ素子
は、ＡｌＧａＮ層の選択成長を行っていない半導体レー
ザ素子に比べて、寿命特性が１０倍以上向上した。これ
は、活性層近傍の転位密度が低減したことによると考え
られる。さらに、レーザー光は常に単一ピークを有する
伝搬形態で発振した。これは、ＡｌＧａＮクラッド層を
リークして基板とクラッド層との間で発生する、縦方向
（基板と垂直方向）の多重ピークを有する伝搬形態の光
が成長抑制膜で吸収されるか、または活性層方向に反射
されるためであると考えられる。

【０１０４】なお、成長抑制膜としては、窒素化合物半
導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制で
き、レーザーの発光波長を吸収または反射するものであ
れば、材料によってレーザー特性に大きな違いは生じな
い。

【０１０５】なお、成長抑制膜の形状は特に限定する必
要はないが、より横方向成長を促進するためには、窒素
化合物半導体の＜１−１００＞方向のストライプである
のが好ましく、被覆するＡｌを含む窒素化合物半導体の
膜厚が薄くても表面の平坦な膜を形成することができ
る。本実施形態では、成長抑制膜が設けられた部分の上
部に発光部を設けた例について示しているので、ストラ
イプ構造の間隔は発光部の形成可能な長さの範囲であれ
ば問題は生じない。好ましくはストライプ構造の間隔が
５０μｍ以下で、成長抑制膜の幅が２０μｍ以下であ
る。さらに好ましくはストライプ構造の間隔が２０μｍ
以下で、成長抑制膜の幅が１０μｍ以下であり、この範
囲であれば、表面がより平坦で欠陥密度も少ない良好な
膜が得られた。

【０１０６】成長抑制膜の厚みは、その形状にもよる
が、再成長するＡｌＧａＮ膜により被覆可能な厚みであ
れば問題は生じない。但し、多重ピークの光の吸収また
は反射を充分にするためには、厚み０．０５μｍ以上で
あるのが好ましい。

【０１０７】（実施形態９）本実施形態では、成長抑制
膜を複数層設けて、複数回の選択成長を行った例につい
て説明する。

【０１０８】図８および図９に示すように、基板３０１
上にバッファー層３０２、ＧａＮ層３０３およびＡｌＧ
ａＮ層を成長させる。そのＡｌＧａＮ層上に部分的に成
長抑制膜３０５ａを形成し、その上に再度ＡｌＧａＮ層
を選択成長させてｎ型クラッド層３０４を形成する。続
いて、ｎ型ＧａＮ光伝搬層３０６、活性層３０７、ｐ型
光伝搬層３０８およびＡｌＧａＮ層を成長させる。その
ＡｌＧａＮ層上に部分的に成長抑制膜３０５ｂを形成
し、その上に再度ＡｌＧａＮ層を選択成長させてｐ型ク
ラッド層３０９を形成する。続いて、ｐ型コンタクト層
３１０を成長させて、エッチングおよび電極形成等のプ
ロセスを経ることにより半導体レーザ素子を作製する。

【０１０９】図８および図９のような構造によれば、ｎ
型クラッド層３０４に成長抑制膜３０５ａを導入した効
果とｐ型クラッド層３０９に成長抑制膜３０５ｂを導入
した効果の両方が現れる。例えば、図８において、一方
の成長抑制膜を金属、他方の成長抑制膜を絶縁体にする
ことで、転位の低減に加えて電流狭窄と光閉じ込めの両
方の効果が得られるようになる。また、図９において
は、転位の低減に加えて、ｎ型クラッド層内の成長抑制
膜３０５ａを金属、或いは活性層から出射されるレーザ
ー光の波長を吸収または反射する材料にすることで多重
モードを抑制し、ｐ型クラッド層内の成長抑制膜３０５
ｂを金属または絶縁体にすることで光閉じ込めを強くす
るかまたは電流狭窄の効果を得ることができる。

【０１１０】或いは、図１０に示すように、ｎ型クラッ
ド層内に２層の成長抑制膜３０５ｃ、３０５ｄを導入す
ることで、図９の構造の半導体レーザ素子と同様な効果
を得ることができ、転位の密度がさらに低減される。

【０１１１】さらに、図８、図９および図１０のような
成長抑制膜を組み合わせて３回以上の選択成長を行って
もよい。

【０１１２】（実施形態１０）本実施形態では基板とし
て窒素化合物半導体厚膜を使用した例について記述す
る。窒素化合物半導体の厚膜を成長する方法として、Ｈ
−ＶＰＥ、高圧合成法、昇華法が考えられているが、大
面積を分布なく成長する方法としては、Ｈ−ＶＰＥ法が
最も良好である。本実施形態では、サファイア基板上
に、Ｈ−ＶＰＥ法を用いて成長した厚膜のＧａＮを窒素
化合物基板として使用した例について記述する。

【０１１３】まず、（０００１）面を有するサファイア
基板を洗浄し、ＭＯＣＶＤ法を用いて、以下の手順で、
アンドープＧａＮ膜を下地層として成長する。洗浄した
サファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ₂雰囲
気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行う。
その後、降温して、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）を
１０ｌ／ｍｉｎ流しながら、６００℃でＮＨ₃とトリメ
チルガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ、２０
ｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低
温バッファー層を成長する。その後、一旦ＴＭＧの供給
を停止し、再び約１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約
１００ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、１時間で約３μｍの厚さ
のアンドープＧａＮ膜を成長する。その後、ＴＭＧ及び
ＮＨ₃の供給を停止し、室温まで降温し、アンドープＧ
ａＮ下地層を成長したサファイア基板を取り出す。低温
バッファー層としては、ＧａＮに限らず、トリメチルア
ルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ₃を使用して、Ａ
ｌＮ膜やＧａＡｌＮ膜を用いてもなんら影響はない。

【０１１４】次に、上記方法で作製したアンドープＧａ
Ｎ下地層を成長したサファイア基板上に、厚膜を成長す
る際に、クラックが生じないように、厚さ０．２μｍ程
度で、幅７μｍ、間隔１０μｍのストライプ状の成長抑
制膜を形成し、その上にＨ−ＶＰＥ法で選択成長を行
い、平坦なＧａＮ厚膜を成長する。本実施例では、成長
抑制膜として、スパッタリング法により蒸着したＳｉＯ
₂膜をフォトリソグラフィを用いてエッチングしたもの
を使用した。

【０１１５】以下、Ｈ−ＶＰＥ法によるＧａＮ厚膜の成
長方法を記述する。上述した方法で作製したストライプ
状の成長抑制膜を有するアンドープＧａＮ下地層を成長
したサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入する。
Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃を、それぞれ５ｌ／ｍｉｎ流し
ながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その
後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧ
ａＮの厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に
保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成
される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物
ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことによ
り、任意に成長中に不純物のドーピングを行うことがで
きる。本実施例ではＳｉをドーピングする目的で、成長
を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ₄）を２００
ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給（Ｓｉ不純物濃度約３．８×１０
¹⁸ｃｍ^-3）してＳｉドープＧａＮ膜を成長した。尚、Ｓ
ｉのドーピングに関しては、ＳｉＨ₄に限らず、モノク
ロロシラン（ＳｉＨ₃Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂
Ｃｌ₂）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）等、他の原
料を使用してもよい。

【０１１６】上記方法で、３時間の成長を行い、膜厚の
合計が約３５０μｍの厚さのＧａＮを成長した。成長
後、研磨によりサファイア基板を除去し、ＧａＮ厚膜基
板５０１を得た（以下、ＧａＮ厚膜基板）。

【０１１７】以上の様にして得られたＧａＮ厚膜基板上
に、ＭＯＣＶＤ法により発光素子構造を成長する。以
下、図１１を参考にして、ＧａＮ厚膜基板上に青紫色レ
ーザ構造を成長した例について記述する。

【０１１８】まず、ＧａＮ厚膜基板をＭＯＣＶＤ装置内
に導入し、Ｎ₂とＮＨ₃をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ流しなが
ら約１０５０℃まで昇温する。温度が上がれば、キャリ
アガスをＮ₂からＨ₂に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ
／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、
ｎ型のＧａＮ膜５０３を約４μｍ成長する。その後、Ｔ
ＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを
４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎクラッド層５０４を０．３μｍの厚さで成長する。Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの成長が終了すると、一旦、成長膜を製
造装置から取り出して、スパッタリング法等を用いて約
０．１μｍの厚さのＳｉＯ₂膜を形成する。形成したＳ
ｉＯ₂膜は、簡便なフォトリソグラフィーを用いて、５
μｍ幅で１０μｍ間隔のストライプ状にＳｉＯ₂膜をエ
ッチングし成長抑制膜５０５とし、下層のＡｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ膜を露出させる。その後、再び結晶製造装置内に
設置し、雰囲気を窒素ガスで置換した後、窒素５ｌ／ｍ
ｉｎ、アンモニア５ｌ／ｍｉｎ流しながら、温度を１０
５０℃まで昇温し、温度が安定した時点で、ＴＭＧを約
５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄ガスを約１０ｎｍｏｌ
／ｍｉｎ、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ｎ型
Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎを再度成長する。再度成長を行った合
計で０．６μｍ厚みのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ膜（５０４）の
成長が終了すると、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに
調整して、ｎ型のＧａＮ光伝搬層５０６を０．１μｍの
厚さになるように成長する。その後、ＴＭＧの供給を停
止して、キャリアガスをＨ₂からＮ₂に再び代えて、７０
０℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルイン
ジウム（ＴＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１
５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりな
る４ｎｍ厚の障壁層を成長する。その後、ＴＭＩの供給
を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよ
りなる２ｎｍ厚の井戸層を成長する。井戸層は合計３
層、同様の手法で成長を行い、井戸層と井戸層との間及
び両側には合計４層の障壁層が存在するような多重量子
井戸（ＭＱＷ）活性層５０７を成長する。ＭＱＷの成長
が終了すると、ＴＭＩ及びＴＭＧの供給を停止して、再
び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ₂から
Ｈ₂に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡ
を３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｐ型ドーピング原料であるビ
スシクロペンタジエニルマグメシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を
１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、２０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ_0.2
Ｇａ_0. ₈Ｎキャリアブロック層（図示せず）を成長す
る。キャリアブロック層の成長が終了すると、ＴＭＡの
供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉ
ｎに調整して、０．１μｍの厚さのｐ型光伝搬層５０８
を成長する。その後、ＴＭＧの供給を５０μｍ／ｍｉｎ
に調整し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、０．
４μｍ厚のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層５０９を成
長し、最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎ
に調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０．１μｍ厚のｐ
型ＧａＮコンタクト層５１０の成長を行い発光素子構造
の成長を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧ及びＣｐ
₂Ｍｇの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置
より取り出す。

【０１１９】その後、ドライエッチング装置を用いて、
ｐ−ＧａＮコンタクト層を５μｍ幅のストライプ状に残
して、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎガイド層までエッチングを
行い、光導波路を形成した後、ｐ−ＧａＮ部分にＡｕ／
Ｐｄ電極５１３を、また、ＧａＮ厚膜基板の裏面に、Ａ
ｌ／Ｔｉ電極５１２をそれぞれ形成し、最後に劈開ある
いはドライエッチング法を用いて素子長が約１ｍｍとな
るようにして、ミラーとなる端面を形成した。

【０１２０】ＧａＮ厚膜基板上に作製したレーザに於い
ては、従来より転位の低減が報告されていたが、本実施
形態で作製したレーザは、従来より使用されているＧａ
Ｎ厚膜基板を使用したレーザと比べ、ｎ型クラッド層以
降の層の刃状転位が、更に半分以下に低減がみられた。
そのため、実施形態３で示した効果と同様に半導体レー
ザ素子の寿命が向上した。

【０１２１】また、他の実施形態に示したように、成長
抑制膜の位置、及び種類を変えることにより、サファイ
ア基板上の発光素子と同様の効果が得られた。

【０１２２】また、前記ＧａＮ厚膜基板の面方位に関し
ては、好ましくはＧａＮ基板の｛０００１｝面、｛１−
１００｝面、｛１１−２０｝面、｛１−１０１｝面、
｛１１−２２｝面、及び｛０１−１２｝面であり、前記
面方位から±２°ずれていても、本発明と同様の効果が
得られていることを確認している。

【０１２３】本実施例では、リッジの構造を形成した例
について記述したが、ＡｌＧａＮ膜の選択成長を用いた
効果に関しては、リッジ素子でも、電極ストライプ素子
でも同様の効果が確認できている。

【０１２４】上記実施形態では、サファイア基板上に厚
膜のＧａＮを成長後、該サファイア基板を剥離してか
ら、前記厚膜ＧａＮ基板上に窒素化合物半導体発光層を
積層したが、前記工程でサファイア基板を剥離せずに、
ＧａＮ厚膜の付いたサファイア基板を用いて窒素化合物
半導体発光層を積層しても、あるいは、窒素化合物半導
体発光層を積層した後に、該サファイア基板を剥離して
も本発明と同様の効果が得られた。また、ＧａＮの厚膜
は、特に下地サファイア基板を除去する必要はないが、
その場合、２０μｍ以上の厚さが必要であった。また、
ＧａＮ厚膜基板だけでなく、窒素化合物半導体（Ａｌ_x
Ｇａ_yＩｎ_1-x-yＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）から構成
された厚膜基板であれば、本実施形態と同じ効果を示
す。さらに、窒素化合物半導体構成元素のうち、窒素元
素の一部（１０％程度以下）を、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂで置換
した材料を用いても同様の効果が得られた。

【０１２５】なお、実施形態１〜実施形態１０において
は、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる例について説明
したが、その限りではなく、ＭＢＥ法やハイドライド気
相成長法、ＭＯＭＢＥ法、ＣＢＥ法等、他の成長法を用
いてもよい。ＭＯＣＶＤ法による成長の場合、通常、Ｇ
ａＮ膜の選択成長は減圧で行うことが多いが、ＡｌＧａ
Ｎ膜は選択性が高く、横方向成長が容易であり、かつ、
高温での化学的な安定性が高いため、選択成長を行って
表面の平坦性や結晶欠陥の低減が容易である。そのた
め、成長方法は減圧、常圧を問わずに用いることができ
る。

【０１２６】さらに、基板としてはサファイア、ＧａＮ
に限らず、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄等、他の基
板を用いることも可能である。

【０１２７】上記実施形態３〜実施形態１０では半導体
レーザ素子について説明したが、これに限られず、結晶
欠陥の点から考慮すると発光ダイオード（ＬＥＤ）や受
光素子、ＦＥＴ等のパワーデバイスに有効である。

【０１２８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
第１の窒素化合物半導体膜の上に、窒素化合物半導体が
その直上にエピタキシャル成長するのを抑制する成長抑
制膜を部分的に形成し、その上にＡｌを含む第２の窒素
化合物半導体膜を選択成長させるので、転位の低減した
平坦な表面の膜が得られる。Ａｌを含む窒素化合物半導
体は高温で化学的に安定であり、成長抑制膜上を覆う横
方向成長がＧａＮよりも起こり易く、転位をより少なく
して良好な膜を成長させることができる。

【０１２９】さらに、Ａｌを含む第１の窒素化合物半導
体膜上に選択成長することにより、第２の窒素化合物半
導体との格子整合性を良くして、さらに結晶欠陥を低減
することができる。

【０１３０】このように結晶欠陥が低減された窒素化合
物半導体膜構造を用いて半導体レーザ素子等の半導体素
子を構成すれば、活性層近傍の転位密度を低減してレー
ザー寿命を長くすることができる。

【０１３１】成長抑制膜として酸化物や窒化物等の絶縁
体を用いれば、成長抑制膜を電流狭窄構造として機能さ
せて、活性層近傍での電流絞り込みを効率よく行って閾
値電流密度を低減することができる。

【０１３２】成長抑制膜は光伝搬層に近い部分に形成す
ることができる。よって、成長抑制膜として金属を用い
れば、成長抑制膜がある部分と無い部分で光伝搬層の有
効屈折率を変化させて、横方向（基板と平行方向）への
光閉じ込めを効率良く行って閾値電流密度を低減するこ
とができる。

【０１３３】成長抑制膜としてアモルファス半導体等の
活性層からの光を吸収または反射する材料を用いれば、
クラッド層をリークして基板とクラッド層との間で生じ
る、縦方向（基板に垂直方向）の多重ピークを有する伝
搬光を成長抑制膜で吸収または活性層側に反射させて、
単一ピークの発振を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の窒化物化合物半導体膜構造の製造
工程を説明するための断面模式図である。

【図２】実施形態において使用する結晶成長装置の概略
構成を示す模式図である。

【図３】実施形態２の窒化物化合物半導体膜構造の製造
工程を説明するための断面模式図である。

【図４】実施形態２の窒化物化合物半導体膜構造につい
て、成長抑制膜近傍の転位の様子を示す断面模式図であ
る。

【図５】実施形態３〜実施形態６の半導体レーザ素子の
概略構成を示す断面模式図である。

【図６】実施形態７の半導体レーザ素子の槻略構成を示
す断面模式図である。

【図７】実施形態８の半導体レーザ素子の概略構成を示
す断面模式図である。

【図８】実施形態９の半導体レーザ素子の概略構成を示
す断面模式図である。

【図９】実施形態９の半導体レーザ素子の概略構成を示
す断面模式図である。

【図１０】実施形態９の半導体レーザ素子の概略構成を
示す断面模式図である。

【図１１】実施形態１０の半導体レーザ素子の概略構成
を示す断面模式図である。

【符号の説明】

１０１、３０１基板１０２、３０２バッファー層１０３ＧａＮ膜１０４ＡｌＧａＮ膜１０５成長抑制膜１０６成長抑制膜から露出している下層膜部分１０７再成長を始めたＡｌＧａＮ膜１０８成長抑制膜を完全に被覆したＡｌＧａＮ膜１１０転位２０１基板２０２サセプタ２０３反応管２０４原料入り口２０５排気ガス出口２０６アンモニア２０７ａＴＭＧ２０７ｂＴＭＡ２０７ｃＴＭＩ２０８マスフローコントローラ２０９ＳｉＨ₄ ３０３ｎ型ＧａＮ層３０４ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０５、３０５ａ、３０５ｂ、３０５ｃ、３０５ｄ成
長抑制膜３０６ｎ型ＧａＮ光伝搬層３０７ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層３０８ｐ型ＧａＮ光伝搬層３０９ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３１０ｐ型ＧａＮコンタクト層３１１絶縁膜３１２ｎ型コンタクト用電極３１３ｐ型コンタクト用電極５０１ＧａＮ厚膜基板５０３ＧａＮ膜５０４、５０９ＡｌＧａＮクラッド層５０５成長抑制膜５０６、５０８光伝搬層５０７多重量子井戸活性層５１０ＧａＮコンタクト層５１２、５１３電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者津田有三大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者小河淳大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA40 AA44 CA34 CA40 CA46 CA65 CA73 5F045 AA04 AB14 AB17 AB32 AB33 AC01 AC08 AC12 AD09 AD10 AD11 AD12 AD14 AF02 AF04 AF09 AF13 AF20 BB12 BB16 CA12 DA53 DA55 EB15 EE12 5F073 AA45 AA51 AA74 CA07 CB02 CB05 DA05 DA16 EA23 EA28 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の窒素化合物半導体膜と、該第１の
窒素化合物半導体膜上に部分的に設けられ、窒素化合物
半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制す
る成長抑制膜と、該成長抑制膜が設けられていない該第
１の窒素化合物半導体膜部分上および該成長抑制膜上に
わたって設けられた第２の窒素化合物半導体膜とを備
え、該第２の窒素化合物半導体膜がＡｌを含む材料から
なる窒素化合物半導体膜構造。
【請求項２】前記第１の窒素化合物半導体膜がＡｌを
含む材料からなる請求項１に記載の窒素化合物半導体膜
構造。
【請求項３】基板上に第１の窒素化合物半導体膜を成
長させる工程と、該第１の窒素化合物半導体膜上に部分的に、窒素化合物
半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制す
る成長抑制膜を形成する工程と、該成長抑制膜が形成されていない該第１の窒素化合物半
導体膜部分を起点として、Ａｌを含む窒素化合物半導体
膜を該成長抑制膜を覆うように成長させて第２の窒素化
合物半導体膜を形成する工程とを含む窒素化合物半導体
膜構造の製造方法。
【請求項４】前記第１の窒素化合物半導体膜としてＡ
ｌを含む半導体膜を成長させる請求項３に記載の窒素化
合物半導体膜構造の製造方法。
【請求項５】基板上に、請求項１または請求項２に記
載の窒素化合物半導体膜構造を１または２以上備えた窒
素化合物半導体素子。
【請求項６】前記成長抑制膜が絶縁体、金属およびア
モルフアス半導体のうちの少なくとも１種類からなる請
求項５に記載の窒素化合物半導体素子。
【請求項７】前記成長抑制膜が金属とその表面を窒化
した窒化物からなる請求項５に記載の窒素化合物半導体
素子。
【請求項８】基板上に第１の窒素化合物半導体膜を成
長させる工程と、該第１の窒素化合物半導体膜上に部分的に、窒素化合物
半導体がその直上にエピタキシャル成長するのを抑制す
る成長抑制膜を形成する工程と、該成長抑制膜が形成されていない該第１の窒素化合物半
導体膜部分を起点として、Ａｌを含む窒素化合物半導体
膜を該成長抑制膜を覆うように成長させて第２の窒素化
合物半導体膜を形成する工程と、を含む窒素化合物半導
体素子の製造方法。
【請求項９】前記第１の窒素化合物半導体膜としてＡ
ｌを含む半導体膜を成長させる請求項８に記載の窒素化
合物半導体素子の製造方法。