JPH11297630A - 結晶製造方法および発光素子 - Google Patents
結晶製造方法および発光素子Info
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 異種基板を用いて単結晶を製造する際、基板
からの貫通転位等の欠陥を減少させ、結晶性のよい結晶
を得る必要がある。 【解決手段】 結晶成長抑制物質を用いた、成長抑制効
果のある物質からなるパターン化したマスクを異なる面
に２種設置する技術により基板からの貫通転位を抑える
ことができ、欠陥密度の小さい結晶が得られる。特に、
高効率の窒化ガリウム系の発光素子作製に有効な手段で
ある。
からの貫通転位等の欠陥を減少させ、結晶性のよい結晶
を得る必要がある。 【解決手段】 結晶成長抑制物質を用いた、成長抑制効
果のある物質からなるパターン化したマスクを異なる面
に２種設置する技術により基板からの貫通転位を抑える
ことができ、欠陥密度の小さい結晶が得られる。特に、
高効率の窒化ガリウム系の発光素子作製に有効な手段で
ある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、格子定数の異なる
基板の上に品質のよい結晶を成長させその上に発光素子
や電子デバイスを作製することにより、高性能で高信頼
性のデバイスを得るための結晶製造方法及びその方法を
用いた発光素子に関し、特に、高効率で高信頼性の窒化
ガリウム（ＧａＮ）系青色発光素子の作製するための結
晶製造方法及び発光素子に関する。
基板の上に品質のよい結晶を成長させその上に発光素子
や電子デバイスを作製することにより、高性能で高信頼
性のデバイスを得るための結晶製造方法及びその方法を
用いた発光素子に関し、特に、高効率で高信頼性の窒化
ガリウム（ＧａＮ）系青色発光素子の作製するための結
晶製造方法及び発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】光電気集積回路（ＯＥＩＣ）は、光素子
とＳｉ系ＬＳＩとの集積により、大量の情報を高速に処
理するためのデバイスであり、高度情報化社会には必須
のデバイスとして期待され研究されて来た。光デバイス
ではＡｌＧａＡｓレーザをＳｉ基板上に作製する技術の
開発が主目的であった。しかし、ＡｌＧａＡｓ結晶とＳ
ｉ基板の格子定数、および熱膨張係数の大きな差のた
め、良質なＡｌＧａＡｓ結晶が製造できず、完成には至
っていない。
とＳｉ系ＬＳＩとの集積により、大量の情報を高速に処
理するためのデバイスであり、高度情報化社会には必須
のデバイスとして期待され研究されて来た。光デバイス
ではＡｌＧａＡｓレーザをＳｉ基板上に作製する技術の
開発が主目的であった。しかし、ＡｌＧａＡｓ結晶とＳ
ｉ基板の格子定数、および熱膨張係数の大きな差のた
め、良質なＡｌＧａＡｓ結晶が製造できず、完成には至
っていない。
【０００３】Ｓｉ系ＬＳＩでは超高速、低消費電力次世
代集積回路として、ＳＯＩやＳＩＭＯＸが提案され、開
発が急がれている。
代集積回路として、ＳＯＩやＳＩＭＯＸが提案され、開
発が急がれている。
【０００４】窒化ガリウム（ＧａＮ）系青色発光素子
は、その大きな分解圧のため、大きなバルク結晶が得ら
れていないため、サファイア等の異種材料を基板として
ＧａＮ結晶の製造が行われている。
は、その大きな分解圧のため、大きなバルク結晶が得ら
れていないため、サファイア等の異種材料を基板として
ＧａＮ結晶の製造が行われている。
【０００５】これらの代用基板では、窒化物半導体との
格子定数差または熱膨張係数差が大きいために、該当基
板直上に結晶欠陥、または結晶転位密度の少ない良好な
結晶をエピタキシャル成長させることは困難である。例
えば、窒化物半導体（ＧａＮ）の代用基板として、サフ
ァイア基板を使用した場合、該基板上に結晶成長した窒
化物半導体（ＧａＮ）層内には１０9〜１０10ｃｍ-2の
貫通転位が存在することが知られている。
格子定数差または熱膨張係数差が大きいために、該当基
板直上に結晶欠陥、または結晶転位密度の少ない良好な
結晶をエピタキシャル成長させることは困難である。例
えば、窒化物半導体（ＧａＮ）の代用基板として、サフ
ァイア基板を使用した場合、該基板上に結晶成長した窒
化物半導体（ＧａＮ）層内には１０9〜１０10ｃｍ-2の
貫通転位が存在することが知られている。
【０００６】この解決策として、図７に第５８回応用物
理学会学術講演会予稿集２ｐ−Ｑ−１４，Ｎｏ．１（１
９９７）ｐ２６５に報告されている第１の従来例を示
す。
理学会学術講演会予稿集２ｐ−Ｑ−１４，Ｎｏ．１（１
９９７）ｐ２６５に報告されている第１の従来例を示
す。
【０００７】図において、７００はサファイア基板、７
０１はＳｉＯ2パターン、７０２はＳｉＯ2に設けられた
開口部、７０３はＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＮ単結
晶膜である。本実施例に於いては、開口部から結晶成長
が開始されるようなＳｉＯ2パターンによる成長抑制効
果を用いたことにより、ＳｉＯ2上のＧａＮ単結晶７０
４に於いてのみ、欠陥密度１０5〜１０6／ｃｍ2が得ら
れており、ＳｉＯ2パターンを用いない上記結晶よりも
４桁程度欠陥密度が低減された。
０１はＳｉＯ2パターン、７０２はＳｉＯ2に設けられた
開口部、７０３はＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＮ単結
晶膜である。本実施例に於いては、開口部から結晶成長
が開始されるようなＳｉＯ2パターンによる成長抑制効
果を用いたことにより、ＳｉＯ2上のＧａＮ単結晶７０
４に於いてのみ、欠陥密度１０5〜１０6／ｃｍ2が得ら
れており、ＳｉＯ2パターンを用いない上記結晶よりも
４桁程度欠陥密度が低減された。
【０００８】また図８は、第５８回応用物理学会学術講
演会講演予稿集２ｐ−Ｑ−１５，Ｎｏ．１（１９９７）
ｐ２６６に報告された第２の実施例である。図におい
て、８００はサファイア基板、８０１はＭＯＣＶＤ法で
成長されたＧａＮ単結晶である。８０２はＳｉＯ2パタ
ーン、８０３はＳｉＯ2に設けられた開口部、８０４は
Ｈｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法で成長されたＧａＮ結晶であ
る。本実施例においてもＨｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法で成
長されたＧａＮ結晶８０４の表面付近において、欠陥密
度６×１０7／ｃｍ2が得られており、従来得られていた
結晶よりも３桁程度欠陥密度が低減された。このよう
な、従来例に示されたＧａＮ単結晶膜をＧａＮ系半導体
デバイスの成長用基板として用いることによって、電子
デバイスの高性能化が期待された。
演会講演予稿集２ｐ−Ｑ−１５，Ｎｏ．１（１９９７）
ｐ２６６に報告された第２の実施例である。図におい
て、８００はサファイア基板、８０１はＭＯＣＶＤ法で
成長されたＧａＮ単結晶である。８０２はＳｉＯ2パタ
ーン、８０３はＳｉＯ2に設けられた開口部、８０４は
Ｈｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法で成長されたＧａＮ結晶であ
る。本実施例においてもＨｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法で成
長されたＧａＮ結晶８０４の表面付近において、欠陥密
度６×１０7／ｃｍ2が得られており、従来得られていた
結晶よりも３桁程度欠陥密度が低減された。このよう
な、従来例に示されたＧａＮ単結晶膜をＧａＮ系半導体
デバイスの成長用基板として用いることによって、電子
デバイスの高性能化が期待された。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来例によっても、得られたＧａＮ単結晶基板の品質
は、今だ十分なものでなかった。例えば、半導体レーザ
デバイスでは発光領域付近に欠陥が存在しなければ、製
品寿命に革新的な向上がもたらされるが、そのためには
欠陥密度１０5／ｃｍ2以下が要求される。この意味にお
いて、上述の欠陥密度の低減は不十分であった。望まし
くは、ＧａＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と同様
の欠陥密度１０4／ｃｍ2以下が求められる。
従来例によっても、得られたＧａＮ単結晶基板の品質
は、今だ十分なものでなかった。例えば、半導体レーザ
デバイスでは発光領域付近に欠陥が存在しなければ、製
品寿命に革新的な向上がもたらされるが、そのためには
欠陥密度１０5／ｃｍ2以下が要求される。この意味にお
いて、上述の欠陥密度の低減は不十分であった。望まし
くは、ＧａＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と同様
の欠陥密度１０4／ｃｍ2以下が求められる。
【００１０】また、第１の従来例においては、欠陥密度
の低減された高品質結晶は、ＳｉＯ2パターン上に限ら
れ、その他の領域は従来同様の結晶品質であって、結晶
成長用基板としては使い難いものであった。
の低減された高品質結晶は、ＳｉＯ2パターン上に限ら
れ、その他の領域は従来同様の結晶品質であって、結晶
成長用基板としては使い難いものであった。
【００１１】第２の従来例においては、Ｈｙｄｒｉｄｅ
−ＶＰＥ法により、数１０μｍと、エピタキシャル成長
膜としては比較的厚い膜が成長されるため、その表面付
近ではＳｉＯ2パターンの影響が緩和されて欠陥が均一
に分布するので、このような問題が無いものの、欠陥密
度の点からは、第１の従来例に劣るものであった。本発
明は、このような従来の問題を解消することを目的とす
る。
−ＶＰＥ法により、数１０μｍと、エピタキシャル成長
膜としては比較的厚い膜が成長されるため、その表面付
近ではＳｉＯ2パターンの影響が緩和されて欠陥が均一
に分布するので、このような問題が無いものの、欠陥密
度の点からは、第１の従来例に劣るものであった。本発
明は、このような従来の問題を解消することを目的とす
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明（請求項１）に係
わる結晶成長方法は異なる面に第２成長抑制物質からな
るパターン化したマスクを用いている。
わる結晶成長方法は異なる面に第２成長抑制物質からな
るパターン化したマスクを用いている。
【００１３】本発明（請求項２）に係わる第２のパター
ン化したマスクは光遮蔽部が第１のパターン化したマス
クによる成長結晶の上部に位置している。言い換えれ
ば、第１マスクと第２のマスクのパターンは相反したパ
ターンとなっている。
ン化したマスクは光遮蔽部が第１のパターン化したマス
クによる成長結晶の上部に位置している。言い換えれ
ば、第１マスクと第２のマスクのパターンは相反したパ
ターンとなっている。
【００１４】本発明（請求項３）に係わる第２のマスク
の光遮蔽部分は第１のマスクの光開口部分より大きくな
っている。
の光遮蔽部分は第１のマスクの光開口部分より大きくな
っている。
【００１５】本発明（請求項４）に係わる第２のマスク
は大きさの異なる２層からなっている。
は大きさの異なる２層からなっている。
【００１６】本発明（請求項５）に係わる第２のマスク
はその下部が第１のマスクの上にあり且つＬ字型をして
いる。第２のマスクの下部は基板に懸かっていてもよ
い。
はその下部が第１のマスクの上にあり且つＬ字型をして
いる。第２のマスクの下部は基板に懸かっていてもよ
い。
【００１７】本発明（請求項６）に係わる第２のマスク
はその下部が基板上にあり且つＴ字型をしている。第２
のマスクの下部は第１のマスクに懸かっていてもよい。
はその下部が基板上にあり且つＴ字型をしている。第２
のマスクの下部は第１のマスクに懸かっていてもよい。
【００１８】本発明（請求項７）に係わる結晶成長方法
は基板から直上のマスクで垂直方向の成長が停止しその
成長方向を変更している。
は基板から直上のマスクで垂直方向の成長が停止しその
成長方向を変更している。
【００１９】本発明（請求項８）に係わる結晶成長方法
は第１のマスクを用いて第１の結晶を成長をマスクエッ
ジ部分のみに形成している。
は第１のマスクを用いて第１の結晶を成長をマスクエッ
ジ部分のみに形成している。
【００２０】本発明（請求項９）に係わる基板はサファ
イアを用いている。
イアを用いている。
【００２１】本発明（請求項１０）に係わるマスクはＳ
ｉＯ2、又はＳｉＮxを用いている。
ｉＯ2、又はＳｉＮxを用いている。
【００２２】本発明（請求項１１）に係わる結晶はＩｎ
ＧａＮ，ＡｌＧａＮである。
ＧａＮ，ＡｌＧａＮである。
【００２３】本発明（請求項１２）に係わる発光素子は
前記成長結晶上に形成されている。
前記成長結晶上に形成されている。
【００２４】
【発明の実施の形態】〔実施の形態１〕図１を参照し
て、本実施の形態の結晶成長方法を解説する。
て、本実施の形態の結晶成長方法を解説する。
【００２５】先ず、所定の成長炉内に設置された、Ｃ面
を表面として有するサファイア基板１００上にトリメチ
ルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に
用いて、ＧａＮ層１０１を４μｍ厚成長させる。
を表面として有するサファイア基板１００上にトリメチ
ルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に
用いて、ＧａＮ層１０１を４μｍ厚成長させる。
【００２６】次いで、第１のパターン化したマスクを形
成するため、ＧａＮ層１０１上に成長抑制物質としてス
パッタ法にて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成した。
ＳｉＯ2膜の形成方法としてスパッタ法に限定されなく
て、他の方法例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法でもよい。
また、成長抑制物質としては、ＳｉＯ2以外にＡｌ
2Ｏ3、ＴｉＯ2等の酸化物やＳｉＮxでもよい。次いで、
通常のフォトレジスト法によりＳｉＯ2膜をストライプ
幅７μｍピッチ１０μｍの周期的ストライプ状パターン
とし、第１のＳｉＯ2マスク１０２を形成した。ストラ
イプの方向はＧａＮ層１０１の結晶の〈１−１００〉方
向が望ましかった。
成するため、ＧａＮ層１０１上に成長抑制物質としてス
パッタ法にて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成した。
ＳｉＯ2膜の形成方法としてスパッタ法に限定されなく
て、他の方法例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法でもよい。
また、成長抑制物質としては、ＳｉＯ2以外にＡｌ
2Ｏ3、ＴｉＯ2等の酸化物やＳｉＮxでもよい。次いで、
通常のフォトレジスト法によりＳｉＯ2膜をストライプ
幅７μｍピッチ１０μｍの周期的ストライプ状パターン
とし、第１のＳｉＯ2マスク１０２を形成した。ストラ
イプの方向はＧａＮ層１０１の結晶の〈１−１００〉方
向が望ましかった。
【００２７】このような基板を用いて、ＭＯＶＰＥ法
（有機金属気相成長法）でＧａＮ結晶膜１０３を成長さ
せた。所定の成長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度１０
５０℃で厚さ３μｍのＧａＮ結晶膜１０３を成長させ
た。ＧａＮ結晶膜１０３は第１のマスクの開口部から成
長を始め、基板に垂直方向より水平方向の方が成長速度
が早いと言う異方性により、ほぼ基板全面に渡って平滑
に成長した。
（有機金属気相成長法）でＧａＮ結晶膜１０３を成長さ
せた。所定の成長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度１０
５０℃で厚さ３μｍのＧａＮ結晶膜１０３を成長させ
た。ＧａＮ結晶膜１０３は第１のマスクの開口部から成
長を始め、基板に垂直方向より水平方向の方が成長速度
が早いと言う異方性により、ほぼ基板全面に渡って平滑
に成長した。
【００２８】しかし、第１のマスク直上では欠陥密度は
１０5個／ｃｍ2以下であったが、マスク開口部のサファ
イア基板直上では依然として、欠陥密度が１０7個／ｃ
ｍ2であった。従来例ではこのような場所を避けてレー
ザ素子を形成していたが、信頼性および歩留まりの点で
不十分であった。
１０5個／ｃｍ2以下であったが、マスク開口部のサファ
イア基板直上では依然として、欠陥密度が１０7個／ｃ
ｍ2であった。従来例ではこのような場所を避けてレー
ザ素子を形成していたが、信頼性および歩留まりの点で
不十分であった。
【００２９】次いで、前記ＧａＮ結晶膜１０３上に第２
のマスクを形成した。第１のマスク形成と同じ方法でス
パッタ法で２００ｎｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成し、フ
ォトレジスト法でストライプ幅８μｍ、ピッチ１０μｍ
の周期的ストライプ状パターンとし第２のＳｉＯ2マス
ク１０４を形成した。この時、第２のマスクの位置は第
１のマスクの開口部とほぼ一致させることが肝要であ
る。
のマスクを形成した。第１のマスク形成と同じ方法でス
パッタ法で２００ｎｍの厚さのＳｉＯ2膜を形成し、フ
ォトレジスト法でストライプ幅８μｍ、ピッチ１０μｍ
の周期的ストライプ状パターンとし第２のＳｉＯ2マス
ク１０４を形成した。この時、第２のマスクの位置は第
１のマスクの開口部とほぼ一致させることが肝要であ
る。
【００３０】次いで、このような基板を用いて、ＭＯＶ
ＰＥ法（有機金属気相成長法）でＧａＮ単結晶膜１０５
を成長させた。所定の成長炉内でトリメチルガリウム
（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成
長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＧａＮを成長させた。
このように成長させたＧａＮ単結晶膜１０５は全面に渡
って、欠陥密度が１５００個／ｃｍ2以下に減少し、極
めて結晶性が向上した。
ＰＥ法（有機金属気相成長法）でＧａＮ単結晶膜１０５
を成長させた。所定の成長炉内でトリメチルガリウム
（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成
長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＧａＮを成長させた。
このように成長させたＧａＮ単結晶膜１０５は全面に渡
って、欠陥密度が１５００個／ｃｍ2以下に減少し、極
めて結晶性が向上した。
【００３１】上記実施形態において、第１のマスクと第
２のマスクを共にストライプ幅４μｍ、ピッチ１０μｍ
とし、互いに半ピッチずれた位置に配した場合（第１の
マスクの欠如部より第２のマスク幅が小さい場合）にお
いては、欠陥密度は５０００個／ｃｍ2になり、従来の
第１のマスクのみの場合に比べれば、十分に結晶欠陥の
低減効果が観測された。この低減効果は、第１のマスク
の欠如部より第２のマスク幅が大きく、両マスクにて完
全にサファイア基板１００から直上に伸びる結晶貫通転
位をカバーしている場合に比べて、多少、欠陥密度は大
きくなっており、第１のマスクの欠如部を完全に覆うよ
うに第２のマスクを形成することが肝要であることが確
認できた。
２のマスクを共にストライプ幅４μｍ、ピッチ１０μｍ
とし、互いに半ピッチずれた位置に配した場合（第１の
マスクの欠如部より第２のマスク幅が小さい場合）にお
いては、欠陥密度は５０００個／ｃｍ2になり、従来の
第１のマスクのみの場合に比べれば、十分に結晶欠陥の
低減効果が観測された。この低減効果は、第１のマスク
の欠如部より第２のマスク幅が大きく、両マスクにて完
全にサファイア基板１００から直上に伸びる結晶貫通転
位をカバーしている場合に比べて、多少、欠陥密度は大
きくなっており、第１のマスクの欠如部を完全に覆うよ
うに第２のマスクを形成することが肝要であることが確
認できた。
【００３２】しかしながら、第１のマスクの欠如部より
第２のマスク幅が小さい場合にはある程度の欠陥低減
（約５０００個／ｃｍ2）の効果と共に、ＧａＮ連続膜
のｃ軸配向性が向上することがＸ線回析測定により分か
った。第１のマスクの欠如部より第２のマスク幅が大き
い場合には配向のばらつきを示すＸ線回析のω値（半値
幅）は４〜６分程度であったが、本形状のマスクを使用
することにより、ウェハー面内における、結晶の配向の
ばらつき（ω値）を２分まで低減することが確認され
た。従って、第１のマスクの欠如部より第２のマスク幅
が小さい形状にてＬＥＤや半導体レーザを作製した場
合、第１のマスクの欠如部より第２のマスク幅が大きい
場合に比べて、発光効率は多少劣るものの、ウェハー面
内の発光効率やレーザの閾値電流の均一性は向上し、素
子の作製歩留りは向上させることが可能であることが分
かった。従って、必要とされる発光素子の特性に会わせ
て、第１のマスクの欠如部と第２のマスクの幅の関係を
選択することが重要である。また、第１のマスクと第２
のマスクを同一材料で形成すれば、蒸着装置を統一化で
き、かつ同一の成長抑制効果により結晶膜の品質の安定
化が可能となる（発光効率を優先する場合には、第１の
マスクの欠如部より第２のマスクの幅を大きく選択し、
特性の均一性や歩留まりを優先する場合には、第１のマ
スクの欠如部より第２のマスクの幅を小さく選択すべき
である）。
第２のマスク幅が小さい場合にはある程度の欠陥低減
（約５０００個／ｃｍ2）の効果と共に、ＧａＮ連続膜
のｃ軸配向性が向上することがＸ線回析測定により分か
った。第１のマスクの欠如部より第２のマスク幅が大き
い場合には配向のばらつきを示すＸ線回析のω値（半値
幅）は４〜６分程度であったが、本形状のマスクを使用
することにより、ウェハー面内における、結晶の配向の
ばらつき（ω値）を２分まで低減することが確認され
た。従って、第１のマスクの欠如部より第２のマスク幅
が小さい形状にてＬＥＤや半導体レーザを作製した場
合、第１のマスクの欠如部より第２のマスク幅が大きい
場合に比べて、発光効率は多少劣るものの、ウェハー面
内の発光効率やレーザの閾値電流の均一性は向上し、素
子の作製歩留りは向上させることが可能であることが分
かった。従って、必要とされる発光素子の特性に会わせ
て、第１のマスクの欠如部と第２のマスクの幅の関係を
選択することが重要である。また、第１のマスクと第２
のマスクを同一材料で形成すれば、蒸着装置を統一化で
き、かつ同一の成長抑制効果により結晶膜の品質の安定
化が可能となる（発光効率を優先する場合には、第１の
マスクの欠如部より第２のマスクの幅を大きく選択し、
特性の均一性や歩留まりを優先する場合には、第１のマ
スクの欠如部より第２のマスクの幅を小さく選択すべき
である）。
【００３３】〔実施の形態２〕図２に第２の実施の形態
を示す。前述の実施の形態１とは、第１のマスクを用い
て成長させたＧａＮ結晶膜２０３が連続膜でなく、第２
のマスクが島状に成長したＧａＮ結晶膜２０３の上面に
形成されるところが異なるだけである。
を示す。前述の実施の形態１とは、第１のマスクを用い
て成長させたＧａＮ結晶膜２０３が連続膜でなく、第２
のマスクが島状に成長したＧａＮ結晶膜２０３の上面に
形成されるところが異なるだけである。
【００３４】まず、サファイア基板２００上にＧａＮ層
２０１を４μｍ、実施の形態１と同様に成長させる。実
施の形態２の場合、第１のＳｉＯ2マスク２０２を用い
て成長させた第１のＧａＮ結晶膜２０３は、厚さ１μ
ｍ、幅７μｍ、ピッチ１０μｍとした。次いで、第２の
ＳｉＯ2マスク２０４（厚さ２００μｍ）を用いて第２
のＧａＮ単結晶膜２０５（厚さ）を成長させたところ欠
陥密度が８００個／ｃｍ2以下であり、良好な結晶が得
られた。これは、ＧａＮ単結晶膜２０５が第１のＧａＮ
結晶の欠陥の少ない側面２０６からのみ成長する効果で
ある。
２０１を４μｍ、実施の形態１と同様に成長させる。実
施の形態２の場合、第１のＳｉＯ2マスク２０２を用い
て成長させた第１のＧａＮ結晶膜２０３は、厚さ１μ
ｍ、幅７μｍ、ピッチ１０μｍとした。次いで、第２の
ＳｉＯ2マスク２０４（厚さ２００μｍ）を用いて第２
のＧａＮ単結晶膜２０５（厚さ）を成長させたところ欠
陥密度が８００個／ｃｍ2以下であり、良好な結晶が得
られた。これは、ＧａＮ単結晶膜２０５が第１のＧａＮ
結晶の欠陥の少ない側面２０６からのみ成長する効果で
ある。
【００３５】〔実施の形態３〕図３を参照して、第２の
実施の形態を解説する。実施の形態１ではパターン化マ
スクへのＧａＮの結晶成長を２回の工程で行う必要があ
ったが、本発明では１回で済み、コスト的に有利であ
る。先ず、ＧａＮ層３０１を形成したサファイア基板３
００に実施の形態１と同様にスパッタ法でＳｉＯ2膜を
２００ｎｍ形成する。これを通常のフォトレジスト法で
幅４μｍピッチ８μｍでストライプ状にエッチングし、
第１のＳｉＯ2マスク３０２を作製する。次いで、この
ような基板に同様にＳｉＯ2膜を形成し、第１のマスク
上に幅２μｍピッチ８μｍのストライプ状の第２の下部
ＳｉＯ2マスク３０３を形成する。次に通常のホトリソ
グラフ法により下部ＳｉＯ2マスク３０３以外をホトレ
ジスト膜で被覆する。この方法は全面に例えばシプレー
社のＡＺなどのホトレジストをスピンコートし、下部Ｓ
ｉＯ2マスク３０３部のみ露光、現像しレジスト膜を除
去すればよい。更に、ＳｉＯ2膜を形成し幅５μｍピッ
チ８μｍのストライプ状の第２の上部ＳｉＯ2マスク３
０４を形成する。その後、前述のホトレジスト膜をアセ
トンなどの溶剤で除去する。この第２の下部ＳｉＯ2マ
スク３０３と第２の上部ＳｉＯ2マスク３０４とで第２
のマスクとし、Ｌ字型を形成している。このような基板
を用いて、ＭＯＶＰＥ法でＧａＮを成長させた。所定の
成長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア
（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ
３μｍのＧａＮ単結晶膜３０５を成長させた。成長は第
１のＳｉＯ2マスク３０２の開口部から開始し、第２の
上部ＳｉＯ2マスクの３０４で基板に垂直方向の成長は
停止し、その後基板と平行方向に成長し、第２の上部Ｓ
ｉＯ2マスク３０４の開口部から基板に垂直方向へも成
長を始め、最終的に、基板全面に渡って均一に成長し
た。ＧａＮ層３０１とサファイア基板３００の界面から
発生した該基板と垂直方向の転位は直上の第２の上部Ｓ
ｉＯ2マスク３０４で停止し、かつ、基板と平行方向へ
の転位は第２の下部ＳｉＯ2マスク３０３によって停止
する。従って、得られたＧａＮ単結晶膜３０５は欠陥密
度６００／ｃｍ2以下と極めて良質のものであった。
実施の形態を解説する。実施の形態１ではパターン化マ
スクへのＧａＮの結晶成長を２回の工程で行う必要があ
ったが、本発明では１回で済み、コスト的に有利であ
る。先ず、ＧａＮ層３０１を形成したサファイア基板３
００に実施の形態１と同様にスパッタ法でＳｉＯ2膜を
２００ｎｍ形成する。これを通常のフォトレジスト法で
幅４μｍピッチ８μｍでストライプ状にエッチングし、
第１のＳｉＯ2マスク３０２を作製する。次いで、この
ような基板に同様にＳｉＯ2膜を形成し、第１のマスク
上に幅２μｍピッチ８μｍのストライプ状の第２の下部
ＳｉＯ2マスク３０３を形成する。次に通常のホトリソ
グラフ法により下部ＳｉＯ2マスク３０３以外をホトレ
ジスト膜で被覆する。この方法は全面に例えばシプレー
社のＡＺなどのホトレジストをスピンコートし、下部Ｓ
ｉＯ2マスク３０３部のみ露光、現像しレジスト膜を除
去すればよい。更に、ＳｉＯ2膜を形成し幅５μｍピッ
チ８μｍのストライプ状の第２の上部ＳｉＯ2マスク３
０４を形成する。その後、前述のホトレジスト膜をアセ
トンなどの溶剤で除去する。この第２の下部ＳｉＯ2マ
スク３０３と第２の上部ＳｉＯ2マスク３０４とで第２
のマスクとし、Ｌ字型を形成している。このような基板
を用いて、ＭＯＶＰＥ法でＧａＮを成長させた。所定の
成長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア
（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ
３μｍのＧａＮ単結晶膜３０５を成長させた。成長は第
１のＳｉＯ2マスク３０２の開口部から開始し、第２の
上部ＳｉＯ2マスクの３０４で基板に垂直方向の成長は
停止し、その後基板と平行方向に成長し、第２の上部Ｓ
ｉＯ2マスク３０４の開口部から基板に垂直方向へも成
長を始め、最終的に、基板全面に渡って均一に成長し
た。ＧａＮ層３０１とサファイア基板３００の界面から
発生した該基板と垂直方向の転位は直上の第２の上部Ｓ
ｉＯ2マスク３０４で停止し、かつ、基板と平行方向へ
の転位は第２の下部ＳｉＯ2マスク３０３によって停止
する。従って、得られたＧａＮ単結晶膜３０５は欠陥密
度６００／ｃｍ2以下と極めて良質のものであった。
【００３６】〔実施の形態４〕図４を参照して、第４の
実施の形態を解説する。先ず、ＧａＮ層４０１を形成し
たサファイア基板４００に実施の形態１と同様にスパッ
タ法でＳｉＯ2膜を２００ｎｍ厚形成する。これを通常
のフォトレジスト法で幅４μｍピッチ８μｍでストライ
プ状にエッチングし、第１のＳｉ０2マスク４０２を作
製する。次いで、上記と同様の手法を用いて、ＧａＮ層
４０１上に幅２μｍピッチ８μｍの第２の下部ＳｉＯ2
マスク４０３をストライプ状に形成する。次に通常のホ
トリソグラフ法により下部ＳｉＯ2マスク４０３以外を
ホトレジスト膜で被覆する。この方法は全面に例えばシ
プレー社のＡＺなどのホトレジストをスピンコートし、
下部ＳｉＯ2マスク４０３部のみ露光、現像しレジスト
膜を除去すればよい。更に、ＳｉＯ2の幅５μｍピッチ
８μｍのストライプ状の第２の上部ＳｉＯ2マスク４０
４を、上記第２の下部ＳｉＯ2マスク４０３上に形成す
る。この後、前述のホトレジスト膜をアセトンなどの溶
剤で除去する。このマスク第２の下部ＳｉＯ2マスク４
０３と第２の上部ＳｉＯ2マスク４０４とで第２のマス
クとしＴ字型を形成している。このような基板を用い
て、ＭＯＶＰＥ法でＧａＮを成長させた。所定の成長炉
内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ
3）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍ
のＧａＮ単結晶膜４０５を成長させた。成長は第１のＳ
ｉＯ2マスク４０２の開口部から開始し、第２の上部Ｓ
ｉＯ2マスク４０４で基板に垂直方向の成長は停止し、
その後基板と平行方向に成長し、第２の上部ＳｉＯ2マ
スク４０４の開口部から基板に垂直方向へも成長を始
め、最終的に、基板全面に渡って均一に成長した。Ｇａ
Ｎ層４０１とサファイア基板４００の界面から発生した
該基板と垂直方向の転位は直上の第２の上部ＳｉＯ2マ
スク４０４で停止し、基板と平行方向への転位は第２の
下部ＳｉＯ2マスク４０３によって停止する。従って、
得られたＧａＮ単結晶膜４０５は欠陥密度８００／ｃｍ
2と極めて良質のものであった。
実施の形態を解説する。先ず、ＧａＮ層４０１を形成し
たサファイア基板４００に実施の形態１と同様にスパッ
タ法でＳｉＯ2膜を２００ｎｍ厚形成する。これを通常
のフォトレジスト法で幅４μｍピッチ８μｍでストライ
プ状にエッチングし、第１のＳｉ０2マスク４０２を作
製する。次いで、上記と同様の手法を用いて、ＧａＮ層
４０１上に幅２μｍピッチ８μｍの第２の下部ＳｉＯ2
マスク４０３をストライプ状に形成する。次に通常のホ
トリソグラフ法により下部ＳｉＯ2マスク４０３以外を
ホトレジスト膜で被覆する。この方法は全面に例えばシ
プレー社のＡＺなどのホトレジストをスピンコートし、
下部ＳｉＯ2マスク４０３部のみ露光、現像しレジスト
膜を除去すればよい。更に、ＳｉＯ2の幅５μｍピッチ
８μｍのストライプ状の第２の上部ＳｉＯ2マスク４０
４を、上記第２の下部ＳｉＯ2マスク４０３上に形成す
る。この後、前述のホトレジスト膜をアセトンなどの溶
剤で除去する。このマスク第２の下部ＳｉＯ2マスク４
０３と第２の上部ＳｉＯ2マスク４０４とで第２のマス
クとしＴ字型を形成している。このような基板を用い
て、ＭＯＶＰＥ法でＧａＮを成長させた。所定の成長炉
内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ
3）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍ
のＧａＮ単結晶膜４０５を成長させた。成長は第１のＳ
ｉＯ2マスク４０２の開口部から開始し、第２の上部Ｓ
ｉＯ2マスク４０４で基板に垂直方向の成長は停止し、
その後基板と平行方向に成長し、第２の上部ＳｉＯ2マ
スク４０４の開口部から基板に垂直方向へも成長を始
め、最終的に、基板全面に渡って均一に成長した。Ｇａ
Ｎ層４０１とサファイア基板４００の界面から発生した
該基板と垂直方向の転位は直上の第２の上部ＳｉＯ2マ
スク４０４で停止し、基板と平行方向への転位は第２の
下部ＳｉＯ2マスク４０３によって停止する。従って、
得られたＧａＮ単結晶膜４０５は欠陥密度８００／ｃｍ
2と極めて良質のものであった。
【００３７】〔実施の形態５〕図５を参照して第５の実
施の形態を解説する。始めに、第１のパターン化したマ
スクを形成するため、ＧａＮ層５０１を形成したＣ面を
表面とするサファイア基板５００上に成長抑制物質とし
てスパッタ法にて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し
た。ＳｉＯ2膜の成長方法としてスパッタ法に限定され
なくて、他の方法例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法でもよ
い。また、成長抑制物質としては、ＳｉＯ2以外にＡｌ2
Ｏ3、ＴｉＯ2等の酸化物やＳｉＮxでもよい。次いで、
通常のフォトレジスト法によりＳｉＯ2膜を幅３μｍピ
ッチ１００μｍのストライプ状で開口部を設け、第１の
ＳｉＯ2マスク５０２を形成した。ストライプの方向は
ＧａＮ層５０１に関して〈１−１００〉が望ましかっ
た。
施の形態を解説する。始めに、第１のパターン化したマ
スクを形成するため、ＧａＮ層５０１を形成したＣ面を
表面とするサファイア基板５００上に成長抑制物質とし
てスパッタ法にて厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成し
た。ＳｉＯ2膜の成長方法としてスパッタ法に限定され
なくて、他の方法例えば、真空蒸着法、ＣＶＤ法でもよ
い。また、成長抑制物質としては、ＳｉＯ2以外にＡｌ2
Ｏ3、ＴｉＯ2等の酸化物やＳｉＮxでもよい。次いで、
通常のフォトレジスト法によりＳｉＯ2膜を幅３μｍピ
ッチ１００μｍのストライプ状で開口部を設け、第１の
ＳｉＯ2マスク５０２を形成した。ストライプの方向は
ＧａＮ層５０１に関して〈１−１００〉が望ましかっ
た。
【００３８】このような基板を用いて、ＭＯＶＰＥ法で
ＧａＮを成長させた。所定の成長炉内でトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用い
て、成長温度１０５０℃で厚さ０．５μｍのＧａＮを成
長させた。ＧａＮ５０３は第１のマスクのエッジ部のみ
に成長し、第１のＳｉＯ2マスク５０２を埋めるまでに
は至らなかった。このエッジ部は結晶成長に対してポテ
ンシャルの低い特異な点であるため、ＧａＮ５０３は欠
陥のない極めて良質なものであった。
ＧａＮを成長させた。所定の成長炉内でトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用い
て、成長温度１０５０℃で厚さ０．５μｍのＧａＮを成
長させた。ＧａＮ５０３は第１のマスクのエッジ部のみ
に成長し、第１のＳｉＯ2マスク５０２を埋めるまでに
は至らなかった。このエッジ部は結晶成長に対してポテ
ンシャルの低い特異な点であるため、ＧａＮ５０３は欠
陥のない極めて良質なものであった。
【００３９】次いで、このような基板上に第２のマスク
を形成した。第１のマスク形成と同じスパッタ法で２０
０ｎｍの厚さのＳｉＯ2を形成し、フォトレジスト法で
幅５μｍピッチ１００μｍのストライプ状に第２のＳｉ
Ｏ2マスク５０４を形成した。遮光部の位置は第１のマ
スクの開口部とほぼ一致させることが肝要である。
を形成した。第１のマスク形成と同じスパッタ法で２０
０ｎｍの厚さのＳｉＯ2を形成し、フォトレジスト法で
幅５μｍピッチ１００μｍのストライプ状に第２のＳｉ
Ｏ2マスク５０４を形成した。遮光部の位置は第１のマ
スクの開口部とほぼ一致させることが肝要である。
【００４０】次いで、このような基板を用いて、ＭＯＶ
ＰＥ法でＧａＮ単結晶膜５０５を成長させた。所定の成
長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア
（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ
３μｍのＧａＮを成長させた。このように成長させたＧ
ａＮ単結晶膜５０５は全面に渡って、欠陥密度が１００
０個／ｃｍ2以下に減少し、極めて結晶性が向上した。
ＰＥ法でＧａＮ単結晶膜５０５を成長させた。所定の成
長炉内でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア
（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ
３μｍのＧａＮを成長させた。このように成長させたＧ
ａＮ単結晶膜５０５は全面に渡って、欠陥密度が１００
０個／ｃｍ2以下に減少し、極めて結晶性が向上した。
【００４１】ここで、第２のマスクの遮光部が第１のマ
スクの開口部を塞ぐことが肝要である。
スクの開口部を塞ぐことが肝要である。
【００４２】〔実施の形態６〕図６を参照して第６の実
施の形態を解説する。図６は本発明の実施の形態の係わ
るサファイア基板６００からＧａＮ単結晶膜６０５は実
施の形態１で述べたものサファイア基板１００からＧａ
Ｎ単結晶膜１０５と対応する。
施の形態を解説する。図６は本発明の実施の形態の係わ
るサファイア基板６００からＧａＮ単結晶膜６０５は実
施の形態１で述べたものサファイア基板１００からＧａ
Ｎ単結晶膜１０５と対応する。
【００４３】この図で６０６はｎ−ＧａＮコンタクト
層、６０７はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、６０８
はｎ−ＧａＮガイド層、６０９は５層のＩｎ0.2Ｇａ0.8
Ｎ量子井戸層と６層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層からな
る多重量子井戸構造活性層、６１０はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ
蒸発防止層、６１１はｐ−ＧａＮガイド層、６１２はｐ
−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、６１３はｐ−ＧａＮコ
ンタクト層、６１４はｐ型電極、６１５はｎ型電極、６
１６はＳｉＯ2絶縁膜である。
層、６０７はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、６０８
はｎ−ＧａＮガイド層、６０９は５層のＩｎ0.2Ｇａ0.8
Ｎ量子井戸層と６層のＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層からな
る多重量子井戸構造活性層、６１０はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ
蒸発防止層、６１１はｐ−ＧａＮガイド層、６１２はｐ
−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、６１３はｐ−ＧａＮコ
ンタクト層、６１４はｐ型電極、６１５はｎ型電極、６
１６はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００４４】本発明において、サファイア基板６００の
表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わ
ない。また、サファイア基板に限らずＧａＮ基板、Ｓｉ
Ｃ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡ
ｓ基板も用いることが出来る。特に、ＧａＮ基板の場合
にはサファイア基板に比べて基板に堆積した窒化ガリウ
ム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な結晶性の
膜が得られ、さらに、劈開しやすいため、劈開によるレ
ーザ共振器の形成が容易であるという利点がある。ｎ型
クラッド層およびｐ型クラッド層は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
以外のＡｌ組成をもつＡｌＧａＮ３元混晶でも良い。こ
の場合、Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層と
のエネルギーギャップ差および屈折率差が大きくなり、
キャリアや光が活性層に閉じ込められてさらに発振閾値
電流の低減および温度特性の向上が図れる。また、キャ
リアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さ
くしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が
大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さく
できる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に
他の元素を含んだ４元混晶半導体でもよく、ｎ−Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０７とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層６１２とで混晶の組成が同一でなくても構わ
ない。
表面はａ面、ｒ面、ｍ面等の他の面方位であっても構わ
ない。また、サファイア基板に限らずＧａＮ基板、Ｓｉ
Ｃ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡ
ｓ基板も用いることが出来る。特に、ＧａＮ基板の場合
にはサファイア基板に比べて基板に堆積した窒化ガリウ
ム系半導体材料との格子定数差が小さく良好な結晶性の
膜が得られ、さらに、劈開しやすいため、劈開によるレ
ーザ共振器の形成が容易であるという利点がある。ｎ型
クラッド層およびｐ型クラッド層は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
以外のＡｌ組成をもつＡｌＧａＮ３元混晶でも良い。こ
の場合、Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層と
のエネルギーギャップ差および屈折率差が大きくなり、
キャリアや光が活性層に閉じ込められてさらに発振閾値
電流の低減および温度特性の向上が図れる。また、キャ
リアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さ
くしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が
大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さく
できる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に
他の元素を含んだ４元混晶半導体でもよく、ｎ−Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０７とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
クラッド層６１２とで混晶の組成が同一でなくても構わ
ない。
【００４５】ｎ−ＧａＮガイド層６０８とｐ−ＧａＮガ
イド層６１１は、そのエネルギーギャップが、多重量子
井戸構造活性層６０９を構成する量子井戸層のエネルギ
ーギャップとｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０７、
ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６１２のエネルギーギ
ャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだ
わらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ３元混
晶等を用いてもよい。また、ガイド層全体にわたってド
ナー又はアクセプタをドーピングする必要はなく、多重
量子井戸構造活性層６０９側の一部のみをノンドープと
してもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとして
もよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少な
くなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さ
らに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
イド層６１１は、そのエネルギーギャップが、多重量子
井戸構造活性層６０９を構成する量子井戸層のエネルギ
ーギャップとｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０７、
ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６１２のエネルギーギ
ャップの間の値を持つような材料であればＧａＮにこだ
わらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ３元混
晶等を用いてもよい。また、ガイド層全体にわたってド
ナー又はアクセプタをドーピングする必要はなく、多重
量子井戸構造活性層６０９側の一部のみをノンドープと
してもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとして
もよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少な
くなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さ
らに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００４６】多重量子井戸構造活性層６０９を構成する
Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁
層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定す
ればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩ
ｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ
組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層はＩｎＧａ
Ｎ３元混晶に微量の他の元素を含んだ４元以上の混晶半
導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよ
い。
Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層とＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁
層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定す
ればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩ
ｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ
組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層はＩｎＧａ
Ｎ３元混晶に微量の他の元素を含んだ４元以上の混晶半
導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよ
い。
【００４７】また、本実施の形態では、多重量子井戸構
造活性層６０９に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防
止層６１０を形成しているが、これは多重量子井戸構造
活性層６０９が成長温度を上昇している間に蒸発してし
まうことを防ぐためである。従って、該多重量子井戸構
造活性層を保護するものであればＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発
防止層６１０として用いることが出来、他のＡｌ組成を
有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。ま
た、このＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６１０にＭｇをド
ーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層６
１１やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６１２から正孔
が注入され易くなるという利点がある。さらに、該多重
量子構造活性層を構成している、量子井戸層のＩｎ組成
が小さい場合はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６１０を形
成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特に、Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６１０を形成しなくても、本実
施の形態の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性を損
なわれない。
造活性層６０９に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防
止層６１０を形成しているが、これは多重量子井戸構造
活性層６０９が成長温度を上昇している間に蒸発してし
まうことを防ぐためである。従って、該多重量子井戸構
造活性層を保護するものであればＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発
防止層６１０として用いることが出来、他のＡｌ組成を
有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。ま
た、このＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６１０にＭｇをド
ーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層６
１１やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６１２から正孔
が注入され易くなるという利点がある。さらに、該多重
量子構造活性層を構成している、量子井戸層のＩｎ組成
が小さい場合はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６１０を形
成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特に、Ａｌ
0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層６１０を形成しなくても、本実
施の形態の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性を損
なわれない。
【００４８】次に、図６を参照して、上記窒化ガリウム
系半導体レーザ作製方法を説明する。以下の説明では、
ＭＯＶＰＥ法を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエ
ピタキシャル成長できる成長方法であればよく、ＭＢＥ
やＨＶＰＥ等の他の気相成長法を用いることも出来る。
系半導体レーザ作製方法を説明する。以下の説明では、
ＭＯＶＰＥ法を用いた場合を示しているが、ＧａＮをエ
ピタキシャル成長できる成長方法であればよく、ＭＢＥ
やＨＶＰＥ等の他の気相成長法を用いることも出来る。
【００４９】先ず所定の成長炉に設置され、実施の形態
１で作製した、基板上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ3）およびシランガス（ＳｉＨ4）を
原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉ
をドープしたｎ−ＧａＮコンタクト層６０６を成長す
る。さらに、続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）
を原料に加え、成長温度１０５０℃のままで０．４μｍ
のＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０７を
成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度
は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉをドープし
たｎ−ＧａＮガイド層６０８を成長する。
１で作製した、基板上にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とアンモニア（ＮＨ3）およびシランガス（ＳｉＨ4）を
原料に用いて、成長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉ
をドープしたｎ−ＧａＮコンタクト層６０６を成長す
る。さらに、続けてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）
を原料に加え、成長温度１０５０℃のままで０．４μｍ
のＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６０７を
成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度
は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉをドープし
たｎ−ＧａＮガイド層６０８を成長する。
【００５０】次に、成長温度を７５０℃に下げて、ＴＭ
ＧとＮＨ3 、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原
料に用いて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）
／Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ２ｎｍ）を５周期
成長した後、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）
を成長することにより多重量子井戸構造活性層６０９
（トータルの厚さ４０ｎｍ）を作製する。さらに続けて
ＴＭＧ，ＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７
５０℃のままで厚さ２０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防
止層６１０を成長する。
ＧとＮＨ3 、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原
料に用いて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）
／Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層（厚さ２ｎｍ）を５周期
成長した後、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）
を成長することにより多重量子井戸構造活性層６０９
（トータルの厚さ４０ｎｍ）を作製する。さらに続けて
ＴＭＧ，ＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７
５０℃のままで厚さ２０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防
止層６１０を成長する。
【００５１】次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇し
て、ＴＭＧとＮＨ3、およびビスエチルシクロペンタジ
エニルマグネシウム（ＦｔＣｐ2Ｍｇ）を原料に用い
て、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層６
１１を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成
長温度は１０５０℃のままで厚さ０．４μｍのＭｇドー
プｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６１２を成長する。
続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０
℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇをドープしたｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層６１３を成長して、窒化ガリウム系エピ
キシャルウエハーを完成する。その後、このウエハーを
８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドー
プのｐ型層を低抵抗化する。
て、ＴＭＧとＮＨ3、およびビスエチルシクロペンタジ
エニルマグネシウム（ＦｔＣｐ2Ｍｇ）を原料に用い
て、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層６
１１を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成
長温度は１０５０℃のままで厚さ０．４μｍのＭｇドー
プｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層６１２を成長する。
続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０
℃のままで厚さ０．２μｍのＭｇをドープしたｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層６１３を成長して、窒化ガリウム系エピ
キシャルウエハーを完成する。その後、このウエハーを
８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドー
プのｐ型層を低抵抗化する。
【００５２】さらに、通常のフォトリソグラフィーとド
ライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライ
プ状にｐ−ＧａＮコンタクト層６１３の最表面から、ｎ
−ＧａＮコンタクト層６０６が露出するまでエッチング
を行いメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォト
リソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残っ
たｐ−ＧａＮコンタクト層６１３、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層６１２をエッチングする。この時、ストラ
イプ状のリッジ構造は、２００μｍの両端より３μｍ以
上離しておけばよく、本実施の形態ではｎ型電極６１５
を形成する側のメサ構造の端より１０μｍ離れたところ
にストライプ状のリッジ構造を形成した。このようにｎ
型電極６１５に近付けるようにストライプ状のリッジ構
造を配置すれば、素子の電気抵抗が小さくなり動作電圧
が低減される。また、このドライエッチシグの際には多
重量子井戸構造活性層６０９に達しないようにエッチン
グを停止しているので、活性層へのエッチングダメージ
が抑えられており、信頼性の低下や発振閾値電流の増大
が防がれている。
ライエッチング技術を用いて、２００μｍ幅のストライ
プ状にｐ−ＧａＮコンタクト層６１３の最表面から、ｎ
−ＧａＮコンタクト層６０６が露出するまでエッチング
を行いメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォト
リソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残っ
たｐ−ＧａＮコンタクト層６１３、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎクラッド層６１２をエッチングする。この時、ストラ
イプ状のリッジ構造は、２００μｍの両端より３μｍ以
上離しておけばよく、本実施の形態ではｎ型電極６１５
を形成する側のメサ構造の端より１０μｍ離れたところ
にストライプ状のリッジ構造を形成した。このようにｎ
型電極６１５に近付けるようにストライプ状のリッジ構
造を配置すれば、素子の電気抵抗が小さくなり動作電圧
が低減される。また、このドライエッチシグの際には多
重量子井戸構造活性層６０９に達しないようにエッチン
グを停止しているので、活性層へのエッチングダメージ
が抑えられており、信頼性の低下や発振閾値電流の増大
が防がれている。
【００５３】続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型
層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜６１６を電流
阻止層として形成する。このＳｉＯ2絶縁膜６１６とｐ
−ＧａＮコンタクト層６１３の表面にニッケルと金から
なるｐ型電極６１４を形成し、エッチングにより露出し
たｎ−ＧａＮコンタクト層６０６の表面にチタンとアル
ミニウムからなるｎ型電極６１５を形成して、窒化ガリ
ウム系ＬＤウエハーを完成する。
層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜６１６を電流
阻止層として形成する。このＳｉＯ2絶縁膜６１６とｐ
−ＧａＮコンタクト層６１３の表面にニッケルと金から
なるｐ型電極６１４を形成し、エッチングにより露出し
たｎ−ＧａＮコンタクト層６０６の表面にチタンとアル
ミニウムからなるｎ型電極６１５を形成して、窒化ガリ
ウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００５４】その後、このウエハーをリッジストライプ
と垂直な方向に劈開してレーザの共振面を形成し、さら
に個々のチップに分割する。そして、各チップをステム
にマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリ
ード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素
子を完成する。
と垂直な方向に劈開してレーザの共振面を形成し、さら
に個々のチップに分割する。そして、各チップをステム
にマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリ
ード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素
子を完成する。
【００５５】以上のようにして作製された半導体レーザ
素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値２０ｍＡという
良好なレーザ特性が得られた。また、結晶欠陥の減少に
より、１０5時間（６０℃）と極めて信頼性の高いレー
ザ素子であった。また、結晶欠陥を有するレーザ素子の
割合が極めて低下し、素子歩留まり８０％以上が得られ
た。
素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値２０ｍＡという
良好なレーザ特性が得られた。また、結晶欠陥の減少に
より、１０5時間（６０℃）と極めて信頼性の高いレー
ザ素子であった。また、結晶欠陥を有するレーザ素子の
割合が極めて低下し、素子歩留まり８０％以上が得られ
た。
【００５６】なお、本実施の形態では、多重量子井戸構
造活性層６０９を構成する量子井戸層と障壁の層厚をそ
れぞれ２ｎｍ，５ｎｍとしたが、量子井戸層と障壁層の
各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施の形態に拘ら
ず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量
子井戸構造活性層６０９の量子井戸層数は４層や３層で
もよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
造活性層６０９を構成する量子井戸層と障壁の層厚をそ
れぞれ２ｎｍ，５ｎｍとしたが、量子井戸層と障壁層の
各層厚を１０ｎｍ以下とすれば、本実施の形態に拘ら
ず、他の層厚でも同等の効果が得られる。また、多重量
子井戸構造活性層６０９の量子井戸層数は４層や３層で
もよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。
【００５７】さらに本実施の形態では絶縁体であるサフ
ァイアを基板として用いたため、エッチングにより露出
した、ｎ−ＧａＮコンタクト層６０６の表面にｎ型電極
６１５を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ，
ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＡｓ等を用いれば、この基板の裏面
にｎ型電極６１５を形成してもよい。この場合、２００
μｍ幅のストライプ状のリッジ構造は半導体レーザ素子
チップの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、
ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
ァイアを基板として用いたため、エッチングにより露出
した、ｎ−ＧａＮコンタクト層６０６の表面にｎ型電極
６１５を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮ，
ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＡｓ等を用いれば、この基板の裏面
にｎ型電極６１５を形成してもよい。この場合、２００
μｍ幅のストライプ状のリッジ構造は半導体レーザ素子
チップの両端より３μｍ以上離しておけばよい。また、
ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。
【００５８】
【発明の効果】上述したように、本発明による窒化ガリ
ウム結晶では、成長抑制効果のある物質を異なる面に貫
通転位の成長が阻止されるように逆のマスクパターンで
形成することにより、結晶欠陥密度が１０4ｃｍ2以下と
極めて少ない結晶が得られた。このような結晶を用いて
作製した窒化ガリウム半導体レーザは信頼性が高くかつ
極めて歩留まりがよく低コストで生産できた。
ウム結晶では、成長抑制効果のある物質を異なる面に貫
通転位の成長が阻止されるように逆のマスクパターンで
形成することにより、結晶欠陥密度が１０4ｃｍ2以下と
極めて少ない結晶が得られた。このような結晶を用いて
作製した窒化ガリウム半導体レーザは信頼性が高くかつ
極めて歩留まりがよく低コストで生産できた。
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す窒化ガリウム
半導体基体の断面図である。
半導体基体の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す窒化ガリウム
半導体基体の断面図である。
半導体基体の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す窒化ガリウム
半導体基体の断面図である。
半導体基体の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す窒化ガリウム
半導体基体の断面図である。
半導体基体の断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態を示す窒化ガリウム
半導体基体の断面図である。
半導体基体の断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態を示す窒化ガリウム
半導体基体の断面図である。
半導体基体の断面図である。
【図７】本発明の第１の従来例のＧａＮ結晶膜を示す断
面図である。
面図である。
【図８】本発明の第２の従来例のＧａＮ結晶膜を示す断
面図である。
面図である。
１００，２００，３００，４００，５００，６００ サ
ファイア基板 １０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１ Ｇ
ａＮ層 １０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２ 第
１のＳｉＯ2 マスク １０３，２０３，６０３ ＧａＮ結晶膜 １０４，２０４，５０４ 第２のＳｉＯ2 マスク １０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５ Ｇ
ａＮ単結晶膜 ２０６ ＧａＮ 結晶膜２０３結晶の側面 ３０３，４０３， 第２の下部ＳｉＯ2マスク ３０４，４０４ 第２の上部ＳｉＯ2マスク ５０３ ＧａＮ ６０４ 第２のＳｉＯ2マスク ６０６ ｎ−ＧａＮコンタクト層 ６０７ ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ６０８ ｎ−ＧａＮガイド層 ６０９ 多重量子井戸構造活性層 ６１０ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層 ６１１ ｐ−ＧａＮガイド層 ６１２ ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ６１３ ｐ−ＧａＮコンタクト層 ６１４ ｐ型電極 ６１５ ｎ型電極 ６１６ ＳｉＯ2絶縁膜 ７００，８００ サファイア基板 ７０１，８０２ ＳｉＯ2パターン ７０２，８０３ 開口部 ７０３ ＧａＮ単結晶膜 ７０４ ＳｉＯ2 上のＧａＮ単結晶 ８０１ ＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＮ単結晶 ８０４ Ｈｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法で成長されたＧａＮ
結晶
ファイア基板 １０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１ Ｇ
ａＮ層 １０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２ 第
１のＳｉＯ2 マスク １０３，２０３，６０３ ＧａＮ結晶膜 １０４，２０４，５０４ 第２のＳｉＯ2 マスク １０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５ Ｇ
ａＮ単結晶膜 ２０６ ＧａＮ 結晶膜２０３結晶の側面 ３０３，４０３， 第２の下部ＳｉＯ2マスク ３０４，４０４ 第２の上部ＳｉＯ2マスク ５０３ ＧａＮ ６０４ 第２のＳｉＯ2マスク ６０６ ｎ−ＧａＮコンタクト層 ６０７ ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ６０８ ｎ−ＧａＮガイド層 ６０９ 多重量子井戸構造活性層 ６１０ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層 ６１１ ｐ−ＧａＮガイド層 ６１２ ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ６１３ ｐ−ＧａＮコンタクト層 ６１４ ｐ型電極 ６１５ ｎ型電極 ６１６ ＳｉＯ2絶縁膜 ７００，８００ サファイア基板 ７０１，８０２ ＳｉＯ2パターン ７０２，８０３ 開口部 ７０３ ＧａＮ単結晶膜 ７０４ ＳｉＯ2 上のＧａＮ単結晶 ８０１ ＭＯＣＶＤ法で成長されたＧａＮ単結晶 ８０４ Ｈｙｄｒｉｄｅ−ＶＰＥ法で成長されたＧａＮ
結晶
Claims (12)
- 【請求項１】 成長抑制効果のある物質からなる第１の
パターン化マスクを形成した基板を用いた結晶の製造方
法において、第１のパターン化マスクとは異なる面上に
成長抑制効果のある物質からなる第２のパターン化マス
クを用いて、前記結晶に連続して結晶を成長することを
特徴とする結晶製造方法。 - 【請求項２】 第２のパターン化マスクが第１のパター
ン化マスクを用いて結晶成長させた結晶の上部に形成す
ることを特徴とする請求項１に記載の結晶製造方法。 - 【請求項３】 第２のパターン化マスクが第１のパター
ン化マスクより大きいことを特徴とする請求項第１、２
のいずれかに記載の結晶製造方法。 - 【請求項４】 第２のパターン化マスクが幅の異なる２
層からなる構造をもつことを特徴とする請求項１記載の
単結晶製造方法。 - 【請求項５】 第２のパターン化マスクの下層が少なく
とも第１のパターン化マスク上部にありＬ字型であるこ
とを特徴とする請求項４記載の結晶製造方法。 - 【請求項６】 第２のパターン化マスクの下層が少なく
とも基板上にあり、Ｔ字型であることを特徴とする請求
項４に記載の結晶製造方法。 - 【請求項７】 基板から直上で結晶成長が停止し成長の
方向を変更することを特徴とする請求項１、３〜６のい
ずれかに記載の結晶製造方法。 - 【請求項８】 第１のパターン化マスクを用いてマスク
のエッジのみに結晶成長させることを特徴とする請求項
１記載の結晶製造方法。 - 【請求項９】 基板がサファイアであること特徴とする
請求項１〜８のいずれかに記載の結晶製造方法。 - 【請求項１０】 マスクがＳｉＯ2、又は、ＳｉＮxであ
ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の結
晶製造方法。 - 【請求項１１】 製造する結晶がＩｎＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記
載の結晶製造方法。 - 【請求項１２】 請求項１〜１１のいずれかに記載の結
晶製造方法を用いて作製した基板を用いることを特徴と
する発光素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09884198A JP3995790B2 (ja) | 1998-04-10 | 1998-04-10 | 結晶製造方法 |
| US09/289,575 US6294440B1 (en) | 1998-04-10 | 1999-04-09 | Semiconductor substrate, light-emitting device, and method for producing the same |
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