JP2002367909A - 窒化物半導体膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 本発明の目的は、下層の窒化物半導体層
に存在する結晶欠陥の上層の窒化物半導体層への拡張が
抑制されている窒化物半導体膜およびその製造方法を提
供することにある。 【解決手段】 窒化物半導体層の上面に存在する結晶欠
陥を選択的にエッチングしてエッチピットを形成し、該
窒化物半導体層上に前記エッチピットが完全には埋まら
ないように新たな窒化物半導体層を成長させることを特
徴とする窒化物半導体膜の製造方法、および、二層の窒
化物半導体層が積層されてなる構造を有し、二層の界面
における下層の窒化物半導体層側にエッチピットが形成
されており、上層の窒化物半導体層における結晶欠陥密
度が下層の窒化物半導体層におけるそれよりも低いこと
を特徴とする窒化物半導体膜。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体膜お
よびその製造方法、さらには該窒化物半導体膜を含む半
導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】禁制帯幅が１．９ｅＶから６．２ｅＶに
わたる直接遷移半導体であるＧａＮ系III−Ｖ族化合物
半導体（以下、ＧａＮ系半導体という）は、可視領域か
ら紫外領域までの発光を得ることができる半導体レーザ
ダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの
半導体発光素子の実現を可能にすることから、近年、そ
の開発が活発に行われている。その中でも特に、光記録
の分野では、光ディスクなどの記録密度を向上させるた
め、発光波長４００ｎｍ程度の光が得られる青紫色半導
体ＬＤの実用化が求められている。また、発光波長４６
０ｎｍ程度の青色半導体ＬＤはレーザディスプレーへの
応用が期待されており、さらに、発光波長３８０ｎｍ以
下の紫外光半導体ＬＤは蛍光体励起用光源への応用が期
待されている。

【０００３】上記のようなＧａＮ系半導体発光素子にお
いては、結晶欠陥、特に膜の厚さ方向に伝搬する貫通転
位が、膜表面近傍に作製されるデバイス活性層にとって
有害で、電流リーク箇所や非発光中心などとして働き、
デバイスの電気的・光学的特性を損なうものとして知ら
れている。従って、ＧａＮ系半導体発光素子を製作する
ためには、結晶欠陥、特に貫通転位を極力低減しなけれ
ばならない。近年、結晶欠陥、特に貫通転位を低減する
方法として、ＥＬＯ（Epitaxial Latera1 0vergrowth）
法に代表されるエピタキシャルに横方向成長を用いる方
法が採用されている。具体的には、「特公平6-105797号
公報」、「特開平10-312971号公報」 、「T.S. Zheleva et
a1., MRS Internet J. Nitride Semicond.Res.4Gl,G3.3
8(1999)」等に、この技術を使った結晶欠陥密度低減技術
が開示されている。

【０００４】上記横方向成長を利用した従来のＧａＮ系
青色半導体レーザ素子では、ＧａＮとの格子整合性が良
い適当な基板がないため、主にサファイア基板が用いら
れている。しかし、サファイア基板は、ＧａＮとの格子
整合性が悪く熱膨張係数差が大きいこと、熱伝導性が低
いこと、へき開面の形成不良が発生しやすいこと等によ
り、レーザ性能の低下を招くという問題がある。

【０００５】その有力な解決方法の一つとしては、導電
性ＧａＮ基板を量産し、その上にレーザ構造を作製する
ことが提案されている。 「A. Usui et al., Jpn. J. Ap
pl.Phys. 36(1997) L899」および「特開平10-312971号公
報」 には、ＨＶＰＥ (Hydride Vapor Phase Epitaxial
Growth）法を用いてＧａＮ基板を作製することが開示さ
れている。また、そのＧａＮ基板上にレーザ構造を作製
する試みが「M. Kuramoto et al., Jpn. J. App1. Phys.
38 (1999) L184」に開示されている。

【０００６】しかし、ＨＶＰＥ法により得られるＧａＮ
基板上にＧａＮ系青色半導体レーザ素子を作製する場
合、サファイア基板を用いる場合に比べて放熱特性がよ
く、またへき開法による端面が良好に形成できるもの
の、サファイア基板上にＥＬＯ法を用いて形成されるＧ
ａＮエピタキシャル膜における結晶欠陥密度（最も低い
場合）に比べて結晶欠陥密度が高くなるという問題点が
生じる。

【０００７】かかる問題を解決するために、ＨＶＰＥ法
により得られるＧａＮ基板のさらなる低欠陥化が望まれ
る。ＨＶＰＥ法によるＧａＮ基板は、サファイア基板あ
るいはＧａＡｓ基板など異種基板上に数百ミクロン厚も
のＧａＮ厚膜を形成することによって得られるが、この
際、結晶欠陥密度を低減するためにＥＬＯ法を併用する
方法が知られている。しかし、それでも、サファイア基
板上にＥＬＯ法を用いて形成されるＧａＮエピタキシャ
ル膜の結晶欠陥密度（最も低い場合）に比べて、ＨＶＰ
Ｅ法によるＧａＮ基板の結晶欠陥密度は高い値となる。
また、 ＥＬＯ法を多段階用いる方法も考えられるが、厚
膜形成時のそりなどの問題などによって、大面積の基板
を得ることは実用的に不可能である。以上のように、Ｈ
ＶＰＥ法により得られるＧａＮ基板の結晶欠陥密度を低
く抑え、かつ実用的なＧａＮ基板を得ることは困難であ
った。

【０００８】そこで、ＨＶＰＥ法により得られるＧａＮ
基板にＧａＮエピタキシャル膜を成長させる際、ＧａＮ
基板における結晶欠陥がＧａＮエピタキシャル膜に拡張
するのを抑えることにより素子の低欠陥化を図る目的
で、 エピタキシャル成長にＥＬＯ法を用いることが考え
られる。「S. Nakamura et al., Jpn. J. App1. Phys.V
ol.39 (2000) L647」で開示されているように、この方
法を用いて製作したＧａＮ系半導体レーザは、６０℃で
推定寿命１５００時間と十分実用的な寿命が得られてい
る。

【０００９】しかしながら、上記文献のFig.2(c)に開示
されているように、 ＥＬＯ法によるストライプ状マスク
端上や中央上部に沿った領域は、逆に結晶欠陥密度が高
くなっている。これは、「A. Sakai et al., Appl. Phy
s. Lett., vol.73 p.481 (1998)」や「S. Tomiya et a1.,
App1. Phys. Lett., vol.77 p.636 (2000)」に開示され
ているように、ストライプ状マスク上の結晶軸がマスク
間の窓領域の結晶軸に比べて傾いているため、新たな結
晶欠陥が発生したことが原因である。

【００１０】以上のように、 ＨＶＰＥ法により得られる
ＧａＮ基板を用いてＧａＮ系膜をエピタキシャル成長
し、例えばＧａＮ系半導体レーザなどのＧａＮ系半導体
装置を製作する場合、ＧａＮ基板の結晶欠陥密度を低減
させることは実用上困難であり、またかかるＧａＮ基板
の上にＧａＮエピタキシャル膜を成長させる際に、Ｇａ
Ｎ基板の結晶欠陥が拡張したり、新たな結晶欠陥が発生
したりするため、装置全体において結晶欠陥密度が高く
なってしまうという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、下層
の窒化物半導体層に存在する結晶欠陥の上層の窒化物半
導体層への拡張が抑制されている窒化物半導体膜および
その製造方法、さらに、該窒化物半導体膜を用いた結晶
欠陥密度が全面に渡って低くなっている半導体装置を提
供することにある。本発明の他の目的は、窒化物半導体
層の上面の結晶欠陥を選択的に除去する方法、および該
方法を用いた窒化物半導体層の上により結晶欠陥密度の
低い窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成するために鋭意検討した結果、窒化物半導体層の
上面に存在する結晶欠陥を選択的にエッチングしてエッ
チピットを形成し、該窒化物半導体層上に前記エッチピ
ットが完全には埋まらないように新たな窒化物半導体層
を成長させることにより、下層の窒化物半導体層に存在
する結晶欠陥の上層の窒化物半導体層への拡張が抑制で
きるという思いがけない知見を得た。かかる方法により
得られる窒化物半導体膜を有する半導体装置は、結晶欠
陥が全面に渡って低減されている。その結果、該半導体
装置は電気的・光学的な特性が損なわれることなく、従
来の装置に比べ良好な電気的・光学的特性を有する。

【００１３】上記知見に至った過程を、以下に詳細に説
明する。本発明者らは、従来の方法によりＧａＮ基板あ
るいはＧａＮ薄膜（以下、「下層ＧａＮ層」という）上
にＥＬＯ法によってエピタキシャル成長させたＧａＮエ
ピタキシャル膜を評価した。従来、かかるＧａＮエピタ
キシャル膜を得るには、下層ＧａＮ層をシリコン酸化膜
やシリコン窒化膜などでマスクし、該マスクを部分的に
除去して複数の窓部を設け、露出した下層ＧａＮ層部分
を種として、種部より下層ＧａＮ層表面に平行な方向に
連続してＧａＮ単結晶をエピタキシャル成長させ、さら
に隣接する種部より成長したエピタキシャル成長部分と
接合して一体化させるという方法がとられている。

【００１４】本発明者らは、上記二層からなる窒化物半
導体膜を解析したところ、下層ＧａＮ層とマスクとの界
面において下層ＧａＮ層が部分的にエッチングされてい
ることを見出した。さらに、本発明者らは上記窒化物半
導体膜を注意深く解析したところ、結晶欠陥が選択的に
エッチングされていることを知見した。この様子を図１
に模式的に示す。本発明者らは、かかる現象について鋭
意検討したところ、上記のような現象が見られるのは、
下層ＧａＮ層に存在する結晶欠陥の結合状態が周囲の結
晶とは異なり弱くなっているため、結晶成長時に用いる
高温アンモニアガスや高温水素ガスがマスク材を通じて
結晶欠陥を選択的にエッチングしたためであるという知
見を得た。

【００１５】さらに、本発明者らは、上記窒化物半導体
膜において、下層ＧａＮ層の結晶欠陥に比べてエッチン
グ量は少ないものの、マスク材の膜厚も減少しているこ
とを見出した。かかる解析結果から、本発明者らは結晶
成長時に用いる高温アンモニアガスや高温水素ガスが下
層ＧａＮ層の結晶欠陥のみならずマスク材も同時にエッ
チングするという知見も得た。

【００１６】本発明者らは、上記２つの知見に基づき、
下記方法によれば、下層の窒化物半導体層に存在する結
晶欠陥が上層の窒化物半導体層へ拡張するのを抑制する
ことができるという思いがけない知見を得た。すなわ
ち、かかる方法とは、下層ＧａＮ層にマスク材を堆積
し、マスク材を通して結晶成長時に用いる高温アンモニ
アガスや高温水素ガスを作用させることにより、窒化物
半導体層とマスク材の界面における窒化物半導体層の結
晶欠陥を選択的にエッチングし、さらに上記高温ガスに
よりマスク材をもエッチングし、その後、前記窒化物半
導体層上に前記エッチピットが完全には埋まらないよう
に新たな窒化物半導体層を成長させるという方法であ
る。

【００１７】本発明者らは、さらに検討を重ねることに
より上述した本欄冒頭の知見を得ることができ、本発明
を完成した。

【００１８】すなわち、本発明は、（１） 窒化物半導
体層の上面に存在する結晶欠陥を選択的にエッチングし
てエッチピットを形成し、該窒化物半導体層上に前記エ
ッチピットが完全には埋まらないようにして新たな窒化
物半導体層を成長させることを特徴とする窒化物半導体
膜の製造方法、（２） エッチング前に窒化物半導体層
の上面にマスク材を堆積させ、エッチング後にマスク材
を除去することを特徴とする前記（１）に記載の窒化物
半導体膜の製造方法、（３） マスク材を堆積させる窒
化物半導体層が、ｎ型またはｐ型不純物がドープされて
いてもよいＧａＮ結晶基板またはＧａＮエピタキシャル
膜であることを特徴とする前記（２）に記載の窒化物半
導体膜の製造方法、（４） 結晶欠陥の選択的エッチン
グが、高温ガスにより行われることを特徴とする前記
（２）に記載の窒化物半導体膜の製造方法、（５） 高
温ガスが、高温アンモニアガスまたは／および高温水素
ガスであることを特徴とする前記（４）に記載の窒化物
半導体膜の製造方法、に関する。

【００１９】また、本発明は、（６） さらに、マスク
材の除去も高温ガスにより行われることを特徴とする前
記（４）に記載の窒化物半導体膜の製造方法、（７）
高温ガスが、高温アンモニアガスまたは／および高温水
素ガスであることを特徴とする前記（６）に記載の窒化
物半導体膜の製造方法、（８） マスク材が、シリコン
酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする前
記（２）に記載の窒化物半導体膜の製造方法、（９）
新たな窒化物半導体層の成長が、下層の窒化物半導体層
に対して垂直な方向への成長速度よりも平行な方向への
成長速度のほうが速い条件で行われることを特徴とする
前記（２）に記載の窒化物半導体膜の製造方法、に関す
る。

【００２０】また、本発明は、（１０） 二層の窒化物
半導体層が積層されてなる構造を有し、二層の界面にお
いて下層の窒化物半導体層側にエッチピットが形成され
ており、上層の窒化物半導体層における結晶欠陥密度が
下層の窒化物半導体層におけるそれよりも低いことを特
徴とする窒化物半導体膜、（１１） 下層の窒化物半導
体層が、ｎ型またはｐ型不純物がドープされていてもよ
いＧａＮ結晶基板またはＧａＮエピタキシャル膜である
ことを特徴とする前記（１０）に記載の窒化物半導体
膜、（１２） 上層の窒化物半導体層が、ｎ型またはｐ
型不純物がドープされていてもよいＧａＮ層であること
を特徴とする前記（１１）に記載の窒化物半導体膜、に
関する。

【００２１】また、本発明は、（１３） 前記（１０）
に記載の窒化物半導体膜を構成要素として含むことを特
徴とする半導体装置、（１４） 前記（１０）に記載の
窒化物半導体膜上に、複数の窒化物半導体層が積層され
ていることを特徴とする前記（１３）に記載の半導体装
置、（１５） ダブルへテロ構造を含む窒化物半導体発
光装置である前記（１４）に記載の半導体装置、（１
６） 窒化物半導体レーザである前記（１５）に記載の
半導体装置、に関する。

【００２２】さらに、本発明は、（１７） 窒化物半導
体層の上面にマスク材を堆積し、窒化物半導体層とマス
ク材の界面における窒化物半導体層の結晶欠陥を選択的
にエッチングしてエッチピットを形成し、ついでマスク
材を除去し、その後、前記窒化物半導体層上に前記エッ
チピットが完全には埋まらないようにして新たな窒化物
半導体層を成長させることを特徴とする２層の窒化物半
導体層からなる窒化物半導体膜の製造方法、（１８）
窒化物半導体層の上面にマスク材を堆積し、窒化物半導
体層とマスク材の界面における窒化物半導体層の結晶欠
陥を選択的にエッチングしてエッチピットを形成し、つ
いでマスク材を除去し、その後、前記窒化物半導体層上
に前記エッチピットが完全には埋まらないようにして新
たな窒化物半導体層を成長させることを特徴とする窒化
物半導体層の上により結晶欠陥密度の低い窒化物半導体
層を成長させる方法、（１９） 窒化物半導体層の上面
にマスク材を堆積し、マスク材を通して高温ガスを作用
させることにより、窒化物半導体層とマスク材の界面に
おける窒化物半導体層の結合の弱い部分を選択的にエッ
チングすることを特徴とする窒化物半導体層の上面の結
晶欠陥を選択的に除去する方法、に関する。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明は、窒化物半導体層の上面
に存在する結晶欠陥を選択的にエッチングしてエッチピ
ットを形成し、該窒化物半導体層上に前記エッチピット
が完全には埋まらないようにして新たな窒化物半導体層
を成長させることを特長とする２層の窒化物半導体層か
らなる窒化物半導体膜の製造方法を提供する。なお、
「窒化物半導体層の上面」とは、該窒化物半導体層の上
に新たな窒化物半導体層を成長させる際に、その成長基
板となる面をいう。

【００２４】本発明において、窒化物半導体とは、化学
式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_ｚＮ（ｘ，ｙ，ｚ≧１，ｘ＋ｙ＋ｚ
＝１）において組成比ｘ、ｙ及びｚをぞれぞれの範囲内
で変化させたすべての組成の半導体を含むものを基本と
する。例えば、ＩｎＧａＮ（ｘ＝０．４、ｙ＝０、ｚ＝
０．６）も「窒化物半導体」に含まれる。さらに、III
族元素であるＩｎ、Ａｌ、Ｇａの一部をＢ（硼素）に置
き換えたものや、Ｖ族元素であるＮの一部をＡｓ（砒
素）やＰ（燐）に置き換えたものも含まれる。この際、
III族元素には、上記の３つの元素（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇ
ａ）のいずれか１つ、およびＶ族元素には必ずＮ（窒
素）が含まれている。なお、上記ＧａＮ系半導体は、窒
化物半導体に含まれる概念である。

【００２５】上記本発明に係る窒化物半導体膜の製造方
法において、「窒化物半導体層の上面に存在する結晶欠
陥を選択的にエッチングしてエッチピットを形成する」
方法としては、窒化物半導体層の上面にマスク材を堆積
し、窒化物半導体層とマスク材の界面における窒化物半
導体層の結晶欠陥を選択的にエッチングし、エッチピッ
トを形成する方法が、好適な例として挙げられる。

【００２６】マスク材が堆積される窒化物半導体層、す
なわち本発明に係る二層の窒化物半導体層からなる窒化
物半導体膜において下層となる窒化物半導体層（以下、
「下層窒化物半導体層」という）としては、窒化物半導
体からなる基板が挙げられる。なかでも、該基板として
は、ｎ型またはｐ型不純物がドープされていてもよいＧ
ａＮ結晶基板を用いるのが好ましく、Ｓｉなどのｎ型不
純物がドープされたｃ面ＧａＮ結晶基板を用いるのがよ
り好ましい。また、下層窒化物半導体層には、格子定数
や熱膨張係数が異なる基板上に成長している窒化物半導
体のエピタキシャル膜も含む。格子定数や熱膨張係数が
異なる基板としては、特に限定されないが、サファイア
基板、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、スピネルまたはＺｎＯ
等を挙げることができる。

【００２７】上記マスク材に用いる素材としては、窒化
物半導体層が保護膜上に成長しないか、もしくは成長し
がたい性質を有する材料であれば特に限定されず、例え
ばＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＴｉＮ、ＴｉＯ、Ｗなどが挙げ
られる。中でも、マスク材としては、ＳｉＯ_ｘで示され
るシリコン酸化膜またはＳｉＮ_ｘで示されるシリコン窒
化膜を使用することが好ましい。

【００２８】下層窒化物半導体層とマスク材の界面にお
ける下層窒化物半導体層の結晶欠陥を選択的にエッチン
グしてエッチピットを形成するには、マスク材を堆積し
た下層窒化物半導体層をマスク材を通して高温ガスと接
触させることが好ましい。結晶に欠陥が生じている部分
は、結合状態が周囲とは異なり弱くなっているため、上
記の処理により結晶欠陥が選択的にエッチングされ、エ
ッチピットを形成される。

【００２９】上記高温ガスの温度条件は、窒化物半導体
層の結晶欠陥密度などにより異なるので一概には言えな
いが、約１００〜２０００℃程度が好ましく、約５００
〜１５００℃程度がより好ましく、約７００〜１２００
℃がさらに好ましい。高温ガスの代わりに、高周波放電
を起こしたり光を照射したりして、運動エネルギーが増
大された気体を用いてもよい。

【００３０】上記高温ガスとしては、高温アンモニアガ
スまたは／および高温水素ガスを用いるのが好ましい。
特に、約９００〜１１００℃程度、より好ましくは約１
０００℃程度に加熱されたアンモニアガスまたは／およ
び水素ガスを用いるのがより好ましい。

【００３１】上記のようにして、下層窒化物半導体層と
マスク材の界面における下層窒化物半導体層の結晶欠陥
を選択的にエッチングし、下層窒化物半導体層にエッチ
ピットを形成させた後、マスク材を除去する。マスク材
を除去する方法は、公知の方法を用いてよい。中でも、
上記と同様に、高温ガスによりマスク材をエッチングす
るという方法が好適に用いられる。

【００３２】ついで、エッチピットが形成された下層窒
化物半導体層の上に新たな窒化物半導体層（以下、「上
層窒化物半導体層」という）を成長させる。上層窒化物
半導体層を成長させる方法としては、特に限定されず、
例えば、有機金属気層成長（ＭＯＣＶＤ）法、ハライド
気相成長法または分子線エビタキシー（Molecular Beam
Epitaxy；ＭＢＥ）法など公知の方法を用いてよい。な
かでも、ＭＯＣＶＤ法を用いるのが好ましい。

【００３３】上層窒化物半導体層を成長させるときに
は、下層窒化物半導体層の表面に形成されたエッチピッ
トが完全には埋まらないようにする。そのために、上層
窒化物半導体層の成長が、下層窒化物半導体層に対して
垂直な方向への成長速度よりも平行な方向への成長速度
のほうが速い条件で行われることが好ましい。なお、
「エッチピットが完全には埋まらない」とは、エッチピ
ッドが埋まり消失してしまわなければよく、エッチピッ
ドが全く埋まらない場合はもちろん、部分的に埋まる場
合も含まれる。

【００３４】図２を用いて、本発明に係る上記製造方法
を詳細に説明する。図２（ａ）に示したように、窒化物
半導体基板あるいは窒化物半導体エピタキシャル膜など
下層窒化物半導体層の上にシリコン酸化膜あるいはシリ
コン窒化膜などのマスク材を堆積させる。続いて、これ
をしばらく、高温ガス、好ましくはアンモニア（Ｎ
Ｈ _３）ガスおよび／または水素（Ｈ_２）ガスに曝露する
ことによって、図２（ｂ）に示すように、下層窒化物半
導体層とマスク材の界面における下層窒化物半導体層の
ダメージ箇所２３ｂや貰通転位２３ａなどの結晶欠陥が
選択的にエッチングされ、エッチピット２５が形成され
る。

【００３５】さらに、試料を高温ガス、好ましくはアン
モニア（ＮＨ_３）ガスおよび／または水素（Ｈ_２）ガス
に曝露することによって、エッチピットの形状を増大さ
せ、同時にマスク材をもエッチングさせることによって
マスク材を消失させることができる(図２（ｃ）)。この
工程でマスク材が下層窒化物半導体層内に拡散する可能
性がある。しかし、マスク材がシリコン酸化膜である場
合、その構成元素であるシリコンや酸素は窒化物半導体
結晶内ではｎ型不純物として働くため、 下層窒化物半導
体層がｎ型窒化物半導体層となるのみで、特に問題はな
い。また、マスク材がシリコン窒化膜である場合、シリ
コンは窒化物半導体結晶内ではｎ型不純物として働き、
窒素は窒化物半導体結晶の構成元素であるため、上記と
同様に特に問題がない。この後、エッチピットが完全に
は埋まらないように、横方向の成長速度が垂直方向の成
長速度よりも速い成長条件にて上層窒化物半導体層をエ
ピタキシャル成長させることによって、下層窒化物半導
体層に比べて結晶欠陥密度が低い上層窒化物半導体層を
得ることができる。

【００３６】以下に、本発明に係る窒化物半導体膜の製
造方法の具体的実施態様を、図３を用いてさらに詳細に
述べる。かかる具体的実施態様は、本発明に係る窒化物
半導体膜の製造方法の好ましい態様であるが、本発明は
これに限定されるものではない。ｎ型不純物がドープさ
れたｃ面ＧａＮ結晶基板３１を十分洗浄した後、電子ビ
ーム蒸着装置内に搬送し、シリコン酸化膜からなるマス
ク材３２を約５ｎｍ程度堆積させる（図３（ａ）)。引
き続き、試料をＭＯＣＶＤ (Metal Organic Chemical V
apor Deposition有機金属気相成長)装置内に搬送する。
ＭＯＣＶＤ炉内で、試料を約１０００℃程度の温度に加
熱しながら、同時にアンモニア(ＮＨ_３)ガスとＧａＮ系
エピタキシャル成長に必要な水素（Ｈ_２）と窒素
（Ｎ_２）との混合ガスを流す。この工程において、これ
らのガスがマスク材３２を貫通することによって、Ｇａ
Ｎ結晶基板３１にエッチピット３５が形成される（図３
（ｂ）)。

【００３７】さらに、マスク材３２が上記高温の混合ガ
スによりエッチングされ、消失するまでこの工程を続け
る（図３（ｃ）)。マスク材３２がほぼ消失するのと同
時に、ＧａＮ系半導体のIII族元素のＧａの原料であ
る、例えば、トリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ，
ＴＭＧ）をＭＯＣＶＤ装置内に流すことによって、Ｇａ
Ｎエピタキシャル成長を開始させる。この際、ＧａＮエ
ピタキシャル成長は、横方向成長速度が速い条件、すな
わち、ｃ軸の成長速度が遅い条件で成長させることで、
エッチピット３５が完全には埋まらないようにさせて、
ＧａＮエピタキシャル膜３４を得る（図３（ｄ）)。

【００３８】以上のように、本発明に係る窒化物半導体
膜の製造方法は、下層窒化物半導体層に存在する結晶欠
陥が上部へと拡張するのを実質的に防ぐことができると
いう利点を有する。その結果、本発明に係る窒化物半導
体膜の製造方法を用いれば、２層の窒化物半導体層の界
面における下層窒化物半導体層側にエッチピットが形成
されており、上層窒化物半導体層における結晶欠陥密度
が下層窒化物半導体層におけるそれよりも低いことを特
長とする本発明に係る窒化物半導体膜が得られる。

【００３９】このようにして得られる本発明に係る窒化
物半導体膜は、膜全体にわたって結晶欠陥密度が低減さ
れているという利点を有する。また、マスク材が除去さ
れていることから、膜内にマスク材が内在されたままで
あることによる端面形成における劈開時の劈開端面の不
良を抑制することができる。さらに、本発明に係る窒化
物半導体膜においては、窒化物半導体基板を用いること
ができるので、格子定数や熱膨張係数の異なる基板を用
いることによるレーザ性能の低下という従来の問題点も
解消できる。

【００４０】本発明に係る半導体装置は、本発明に係る
上記窒化物半導体膜を有することを特長とする。本発明
にかかる半導体装置としては、本発明に係る上記窒化物
半導体膜上に、複数の窒化物半導体層が積層されている
半導体装置が挙げられる。より具体的には、例えば、窒
化物半導体レーザやＬＥＤなどの窒化物半導体発光装
置、またはＦＥＴなどの電子走行装置などが挙げられ
る。本発明に係る半導体装置は、当技術分野において知
られている公知の構造をとっていてよく、自体公知の方
法によって容易に製造することができる。

【００４１】本発明に係る半導体装置として、具体的
に、窒化物半導体レーザについて図４を用いて以下に詳
細に説明する。本発明に係る窒化物系半導体レーザは、
Ｓｉが添加されているＧａＮからなる基板４１のｃ面上
に厚さ約２μｍのＧａＮ層４３が積層されている。この
ＧａＮ層４３は、ｎ型不純物としてＳｉが添加されてい
るｎ型ＧａＮにより構成されている。ｎ型ＧａＮ基板４
１とｎ型ＧａＮ層４３の界面には、エッチピット４２が
形成されているが、これはｎ型ＧａＮ基板中の結晶欠陥
が上部への拡張を阻止するために形成したものである。
このｎ型ＧａＮ層４３の上には、窒化物半導体層として
ｎ側クラッド層４４、ｎ側光ガイド層４５、活性層４
６、キャップ層４７、ｐ側光ガイド層４８、ｐ側クラッ
ド層４９およびｐ側コンタクト層５０が順次積層されて
いる。

【００４２】ｎ側クラッド層４４は、厚さが約１μｍ程
度であり、ｎ型不純物としてＳｉが添加されているｎ型
ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。ｎ側光ガイド層
４５は、厚さが約０．１μｍ程度であり、ｎ型不純物と
してＳｉが添加されているｎ型ＧａＮにより構成されて
いる。活性層４６は、井戸の厚さが約３ｎｍ程度であり
バリア層の厚さが約４ｎｍ程度の多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造を有するＧａＩｎＮ混晶により構成されてい
る。キャップ層４７は、劣化防止層とも称され、ｐ側光
ガイド層を含む上部構造を活性層７の上に形成する際に
活性層７が劣化するのを防止するために設けてあって、
厚さが約２０ｎｍ程度のＡｌＧａＮ混晶により構成され
ている。

【００４３】ｐ側光ガイド層４８は、厚さが約０．１μ
ｍ程度であり、ｐ型不純物としてＭｇが添加されている
ｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ側クラッド層４９
は、厚さが約０．５μｍ程度であり、ｐ型不純物として
Ｍｇが添加されているｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成さ
れている。また、ｐ側クラッド層４９は、ＡｌＧａＮ層
とＧａＮ層とからなる超格子構造により構成されていて
もよい。ｐ側コンタクト層５０は、厚さが約０．１μｍ
程度であり、ｐ型不純物としてＭｇが添加されているｐ
型ＧａＮにより構成されている。ｐ側クラッド層５０の
上部とｐ側コンタクト層５１は、電流狭窄をするために
断面形状をテーパー状でストライプ状の上部メサ構造に
加工されていてもよい。

【００４４】ｐ側コンタクト層５０の上には、二酸化ケ
イ素（ＳｉＯ_２）などの絶縁材料よりなる絶縁層５１と
共に、この絶縁層５１に設けられた開口を介してｐ側電
極５２が形成されている。ｐ側電極５２は、ｐ側コンタ
クト層５０の側からパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）
および金（Ａｕ）が順次積層された構成となっている。
なお、このｐ側電極５２は、電流狭窄をするために細い
帯状（図４においては図面に対して垂直方向に延長され
た帯状）に形成されている。また、ｎ型のＧａＮ基板４
１の下には、該基板４１の側からチタン（Ｔｉ），アル
ミニウム（Ａｌ）および金（Ａｕ）が順次積層されたｎ
側電極４３が設けられている。この窒化物半導体レーザ
は、また、図示はしないが、ｐ側電極５２の長さ方向
（すなわち共振器長方向）と垂直な一対の側面に、反射
鏡層がそれぞれ設けられている。

【００４５】上記本発明に係る窒化物半導体レーザの製
造方法について、以下に述べる。ｎ型のＧａＮ基板４１
に、エッチピット４２を介してｎ型ＧａＮ層４３を成長
させる方法は上記と同様である。このようにして得られ
た半導体膜を、ＭＯＣＶＤ装置に搬入し、横方向成長が
生じる条件で、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ側クラッド層
４４、ｎ型ＧａＮからなるｎ側光ガイド層４５、活性層
４６、キャップ層４７、ｐ型ＧａＮからなるｐ側光ガイ
ド層４８、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ側クラッド層４
９、ｐ型ＧａＮからなるｐ側コンタクト層５０を順次積
層させる。

【００４６】これらの窒化物半導体層の成長原料は、例
えば、III族元素のＧａを原料としてはトリメチルガリ
ウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ；ＴＭＧ）を、III族元素のＡ
ｌの原料としては、トリメチルアルミニウム（（Ｃ
Ｈ_３）_３Ａｌ；ＴＭＡｌ）を、III族原料のＩｎの原料
としては、トリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ；
ＴＭＩｎ）を、Ｖ族元素のＮの原料としてアンモニア
（ＮＨ_３）を用いるのが好ましい。また、キャリアガス
は、例えば、水素（Ｈ_２）と窒素（Ｎ_２）との混合ガス
を用いるのが好ましい。ドーパントは、ｎ型ドーパント
として例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）を、ｐ型ドーパン
トとして例えばビス＝メチルシクロベタンジエニルマグ
ネシウム（（ＣＨ_３Ｃ_５Ｈ_４）_２Ｍｇ；ＭｅＣｐ_２Ｍ
ｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム
（（Ｃ_５Ｈ_５）_２Ｍｇ；Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いるのが好ま
しい。

【００４７】次いで、窒化物半導体層を成長させた基板
をＭＯＣＶＤ装置から取りだし、ｐ型ＧａＮコンタクト
層５０上に、例えばＣＶＤ法により、ＳｉＯ_２よりなる
絶縁層５１を形成する。次いで、絶縁層５１の上に図示
しないレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィによっ
てｐ側電極５２の形成位置に対応したマスクパターンを
形成する。その後、これをマスクとしてエッチングを行
い、絶縁層５１を選択的に除去してｐ側電極５２の形成
位置に対応した開口を形成する。

【００４８】続いて、全面（すなわち絶縁層５１が選択
的に除去されたｐ型ＧａＮコンタクト層５０の上および
図示しないレジスト膜の上）に、例えば、バラジウム
（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を順次蒸着
し、図示しないレジスト膜をこのレジスト膜の上に蒸着
されたバラジウム、白金および金と共に除去して（リフ
トオフ）、ｐ側電極５２を形成する。

【００４９】ついで、ｎ型のＧａＮ基板４１の下に、チ
タン，アルミニウムおよび金を選択的に順次蒸着してｎ
側電極５３を形成する。ｎ側電極５３を形成したのち、
基板４１をｐ側電極５２の長さ方向（共振器長方向）と
垂直に所定の幅で劈開し、その劈開面に反射鏡層を形成
する。これにより、図４に示した本発明に係る窒化物半
導体レーザが形成される。なお、上記製造方法において
は、成長方法をＭＯＣＶＤ法に限定して説明したが、ハ
ライド気相成長法や分子線エピタキシー（Molecular Be
am Epitaxy；ＭＢＥ）法などの他の気相成長法を用いて
もよい。

【００５０】

【発明の効果】本発明は、窒化物半導体層の上により結
晶欠陥密度の低い窒化物半導体層を成長させる方法を提
供する。かかる方法を用いれば、従来結晶欠陥密度が高
いために用いられていなかった窒化物半導体基板を使用
することができる。その結果、例えばサファイア基板な
ど、窒化物半導体と格子定数や熱膨張係数の異なる基板
を用いていたことによる従来の問題点、例えば格子不整
合や熱膨張係数の格差による素子の性能低下などが解消
できる。

【００５１】また、本発明に係る窒化物半導体膜におい
ては、エッチピットにより下層窒化物半導体層に存在す
る結晶欠陥が上部へ拡張することが抑制されているた
め、全面にわたって結晶欠陥密度を低減することができ
るという利点を有する。その結果、かかる窒化物半導体
膜を用いた本発明に係る半導体装置は、電流リーク箇所
や非発光中心などとして作用する結晶欠陥の密度が低い
ため、電気的もしくは光学的特性が向上し、また装置の
寿命が長くなるという利点を有する。

【００５２】さらに、例えば、窒化物半導体レーザの製
造においては、従来、レーザストライプを形成する際、
結晶欠陥密度が低い領域にマスク合わせを行うプロセス
が必要であった。これに対し、本発明に係る窒化物半導
体膜を含む窒化物半導体レーザは、全面にわたって結晶
欠陥密度が低減されているため、上記マスク合わせのプ
ロセスが実質的に必要なくなり、その結果、窒化物半導
体レーザを安価に大量に製造することができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ＧａＮ基板あるいはＧａＮ薄膜上に、ＥＬＯ
法によってエピタキシャル成長させたＧａＮエピタキシ
ャル膜おいて、マスク材の下に観察されるエッチピット
を表した断面模式図である。

【図２】 本発明に係る窒化物半導体膜の製造方法を説
明するための該窒化物半導体膜の断面模式図である。

【図３】 本発明に係る窒化物半導体膜の製造方法の具
体的態様を説明するための該窒化物半導体膜の断面模式
図である。

【図４】 本発明に係る半導体装置である窒化物半導体
レーザの共振器長方向と垂直な断面の模式図である。

【符号の説明】

１ ＧａＮ基板あるいはＧａＮ薄膜 ２ マスク材 ３ 結晶欠陥（貫通転位） ４ ＧａＮエピタキシャル膜 ５ エッチピット ２１ 下層窒化物半導体層 ２２ マスク材 ２３ａ 結晶欠陥（貫通転位） ２３ｂ 結晶欠陥（ダメージ箇所） ２４ 結晶欠陥密度の低い上層窒化物半導体層 ２５ エッチピット ３１ ｎ型ＧａＮ基板 ３２ マスク材 ３４ ＧａＮエピタキシャル膜 ３５ エッチピット ４１ ｎ型ＧａＮ基板 ４２ エッチピット ４３ 低欠陥ｎ型ＧａＮ層 ４４ ｎ側クラッド層 ４５ ｎ側光ガイド層 ４６ 活性層 ４７ キャップ層 ４８ ｐ側光ガイド層 ４９ ｐ側クラッド層 ５０ ｐ側コンタクト層 ５１ 絶縁層 ５２ ｐ側電極 ５３ ｎ側電極

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F004 AA16 BD04 DA00 DA24 DB00 DB03 5F045 AA02 AA04 AC08 AC12 DB09 HA03 5F073 AA13 AA74 BA06 BA09 CA07 CB02 CB22 DA05 DA21

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物半導体層の上面に存在する結晶欠
   陥を選択的にエッチングしてエッチピットを形成し、該
   窒化物半導体層上に前記エッチピットが完全には埋まら
   ないようにして新たな窒化物半導体層を成長させること
   を特徴とする窒化物半導体膜の製造方法。
2. 【請求項２】 エッチング前に窒化物半導体層の上面に
   マスク材を堆積させ、エッチング後にマスク材を除去す
   ることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体膜の
   製造方法。
3. 【請求項３】 マスク材を堆積させる窒化物半導体層
   が、ｎ型またはｐ型不純物がドープされていてもよいＧ
   ａＮ結晶基板またはＧａＮエピタキシャル膜であること
   を特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体膜の製造方
   法。
4. 【請求項４】 結晶欠陥の選択的エッチングが、高温ガ
   スにより行われることを特徴とする請求項２に記載の窒
   化物半導体膜の製造方法。
5. 【請求項５】 高温ガスが、高温アンモニアガスまたは
   ／および高温水素ガスであることを特徴とする請求項４
   に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
6. 【請求項６】 さらに、マスク材の除去も高温ガスによ
   り行われることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半
   導体膜の製造方法。
7. 【請求項７】 高温ガスが、高温アンモニアガスまたは
   ／および高温水素ガスであることを特徴とする請求項６
   に記載の窒化物半導体膜の製造方法。
8. 【請求項８】 マスク材が、シリコン酸化膜またはシリ
   コン窒化膜であることを特徴とする請求項２に記載の窒
   化物半導体膜の製造方法。
9. 【請求項９】 新たな窒化物半導体層の成長が、下層の
   窒化物半導体層に対して垂直な方向への成長速度よりも
   平行な方向への成長速度のほうが速い条件で行われるこ
   とを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体膜の製造
   方法。
10. 【請求項１０】 二層の窒化物半導体層が積層されてな
    る構造を有し、二層の界面において下層の窒化物半導体
    層側にエッチピットが形成されており、上層の窒化物半
    導体層における結晶欠陥密度が下層の窒化物半導体層に
    おけるそれよりも低いことを特徴とする窒化物半導体
    膜。
11. 【請求項１１】 下層の窒化物半導体層が、ｎ型または
    ｐ型不純物がドープされていてもよいＧａＮ結晶基板ま
    たはＧａＮエピタキシャル膜であることを特徴とする請
    求項１０に記載の窒化物半導体膜。
12. 【請求項１２】 上層の窒化物半導体層が、ｎ型または
    ｐ型不純物がドープされていてもよいＧａＮ層であるこ
    とを特徴とする請求項１１に記載の窒化物半導体膜。
13. 【請求項１３】 請求項１０に記載の窒化物半導体膜を
    構成要素として含むことを特徴とする半導体装置。
14. 【請求項１４】 請求項１０に記載の窒化物半導体膜上
    に、複数の窒化物半導体層が積層されていることを特徴
    とする請求項１３に記載の半導体装置。
15. 【請求項１５】 ダブルへテロ構造を含む窒化物半導体
    発光装置である請求項１４に記載の半導体装置。
16. 【請求項１６】 窒化物半導体レーザである請求項１５
    に記載の半導体装置。
17. 【請求項１７】 窒化物半導体層の上面にマスク材を堆
    積し、窒化物半導体層とマスク材の界面における窒化物
    半導体層の結晶欠陥を選択的にエッチングしてエッチピ
    ットを形成し、ついでマスク材を除去し、その後、前記
    窒化物半導体層上に前記エッチピットが完全には埋まら
    ないようにして新たな窒化物半導体層を成長させること
    を特徴とする２層の窒化物半導体層からなる窒化物半導
    体膜の製造方法。
18. 【請求項１８】 窒化物半導体層の上面にマスク材を堆
    積し、窒化物半導体層とマスク材の界面における窒化物
    半導体層の結晶欠陥を選択的にエッチングしてエッチピ
    ットを形成し、ついでマスク材を除去し、その後、前記
    窒化物半導体層上に前記エッチピットが完全には埋まら
    ないようにして新たな窒化物半導体層を成長させること
    を特徴とする窒化物半導体層の上により結晶欠陥密度の
    低い窒化物半導体層を成長させる方法。
19. 【請求項１９】 窒化物半導体層の上面にマスク材を堆
    積し、マスク材を通して高温ガスを作用させることによ
    り、窒化物半導体層とマスク材の界面における窒化物半
    導体層の結合の弱い部分を選択的にエッチングすること
    を特徴とする窒化物半導体層の上面の結晶欠陥を選択的
    に除去する方法。