(57)【要約】ＳｉＯ２膜（２）の表面にＡｌＮ多結晶３をスパッタリング法により堆積させ、マスクを形成する。次いで、このマスクを形成した上にＳｉドープｎ−ＧａＮ層５を形成する。その後、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１．２μｍ）からなるｎ型クラッド層（６）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮからなるｎ型光閉じ込め層（７）、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎバリア層からなる多重量子井戸層（８）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層（９）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型光閉じ込め層（１０）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層（１１）、Ｍｇドープｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層（１２）を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。
2005022620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、
該ＩＩＩ族窒化物半導体基板の上部に形成されたマスクと、
該マスクの上部に形成された半導体多層膜と、
を備え、
前記マスクの表面に多結晶材料が堆積していることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体基板において、
前記多結晶材料は、アルミニウムおよび窒素を必須元素として含む物質からなることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項３】
請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体基板において、
前記多結晶材料の形成された前記マスクの表面に、空隙部を有することを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項４】
請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体基板において、
前記マスクが前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面に設けられたことを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項５】
請求の範囲第１項に記載の窒化物半導体基板において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面付近の転位密度が１×１０７個／ｃｍ２以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項６】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、
該ＩＩＩ族窒化物半導体基板の上部に形成されたマスクと、
該マスクの上部に形成された、活性層を含む半導体多層膜と、
を備え、
前記マスクの表面に多結晶材料が堆積していることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項７】
請求の範囲第６項に記載の窒化物半導体素子において、
前記多結晶材料は、アルミニウムおよび窒素を必須元素として含む物質からなることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項８】
請求の範囲第６項に記載の窒化物半導体素子において、
前記多結晶材料の形成された前記マスクの表面に、空隙部を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項９】
請求の範囲第６項に記載の窒化物半導体素子において、
前記マスクが前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面に設けられたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１０】
請求の範囲第６項に記載の窒化物半導体素子において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面付近の転位密度が１×１０７個／ｃｍ２以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１１】
請求の範囲第６項に記載の窒化物半導体素子において、
前記マスクが、当該窒化物半導体素子の素子分離面近傍に設けられたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１２】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板上にマスクを形成する工程と、
前記マスクの表面に多結晶材料を堆積させる工程と、
該マスクの上部に、活性層を含む半導体多層膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１２項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記マスクの表面に多結晶材料を堆積させる工程は、前記マスクの表面に酸を接触させた後、前記多結晶材料を堆積させる工程を含むことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１２項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記マスクの表面に前記多結晶材料を堆積させる工程において、前記マスクの表面に空隙部を形成することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１２項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記マスクを前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面に設けることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１２項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面付近の転位密度が１×１０７個／ｃｍ２以下であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項１７】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板上にマスクを形成する工程と、
前記マスクの表面に多結晶材料を堆積させる工程と、
該マスクの上部に、活性層を含む半導体多層膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１７項に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記マスクの表面に多結晶材料を堆積させる工程は、前記マスクの表面に酸を接触させた後、前記多結晶材料を堆積させる工程を含むことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
請求の範囲第１７項に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記マスクの表面に前記多結晶材料を堆積させる工程において、前記マスクの表面に空隙部を形成することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２０】
請求の範囲第１７項に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記マスクを前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面に設けることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２１】
請求の範囲第１７項に記載の窒化物半導体基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面付近の転位密度が１×１０７個／ｃｍ２以下であることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、窒化物半導体基板およびそれを用いた窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】  窒化物半導体を用いた素子の作製においては、半導体層中の貫通転位の低減が重要となる。こうした貫通転位の低減を図る技術として、特許文献１に記載されているように、マスク材を用いた選択成長を行う方法が知られている。以下、特許文献１記載の方法について図７を参照して説明する。【０００３】  同文献記載の方法では、まず、（０００１）面サファイア基板１１１上に１．２μｍ厚のＧａＮ単膜１１２を予め形成した基板を準備する。このＧａＮ膜１１２表面にＳｉＯ２膜を２００ｎｍ形成し、フォトリソグラフィ法とウェットエチングでマスク１１４と成長領域１１３に分離する。成長領域１１３及びマスク１１４はそれぞれ５μｍ及び２μｍ幅のストライプ状に形成されている。ストライプ方向は〈１１−２０〉である（図７（ａ））。【０００４】  成長領域１１３に成長するＧａＮ膜１１５はＩＩＩ族原料であるガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）とＶ族原料にアンモニア（ＮＨ３）ガスを用いるハイドライドＶＰＥ法を用いる。また、ｎ型ドーパント材料としてジクロルシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を用いる。基板１１１をハイドライドの成長装置にセットし、水素雰囲気で成長温度１０００℃に昇温する。成長温度が安定してから、ＨＣｌ流量を２０ｃｃ／分で５分程度供給することで、成長領域１１３にＧａＮ膜１１５の｛１−１０１｝面からなるファセット構造を成長させる（図７（ｂ））。さらにｎ型ドーパントであるジクロルシランを流しながら層厚が１４０μｍに達するまで成長を行う（図７（ｃ）、（ｄ）、（ｅ））。この手法によれば、数百ミクロンのＧａＮ膜を成長しても、２インチサイズの全面にクラックなしのウェハが提供される。基板の転位密度も大幅に低減されており、ＧａＮ単層膜１１２において１０９個／ｃｍ２程度あった転位密度は１×１０７〜２×１０７個／ｃｍ２程度まで低減できている。
【特許文献１】特開平１１−２５１２５３号公報
【非特許文献１】Ｓｕｇａｈａｒａ、Ｍ．Ｈａｏ、Ｔ．Ｗａｎｇ、Ｄ．Ｎａｋａｇａｗａ、Ｙ．Ｎａｏｉ、Ｋ．Ｎｉｓｈｉｎｏ、ａｎｄ  Ｓ．Ｓａｋａｉ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３７、ｎｏ．１０Ｂ、ｐｐ．Ｌ１１９５−Ｌ１１９８、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９８．
【発明の開示】
【０００５】  しかしながら、上記手法を用いて転位密度を低減させても、依然として１×１０７〜２×１０７個／ｃｍ２の転位は残留している。１×１０７〜２×１０７個／ｃｍ２の転位密度は、ストライプ幅２μｍ、共振器長５００μｍの半導体レーザを考慮すると、１個のＬＤ素子のストライプに１００〜２００個の転位が存在することになる。転位は素子寿命を短くすることが知られており、更に転位を低減する必要がある。
【０００６】  本発明は、転位の低減された良好な品質のＩＩＩ族窒化物半導体層を備えた基板あるいは素子を提供することを目的とする。
【０００７】  ＩＩＩ族窒化物半導体層の転位を低減するために、図７で示すプロセスで得られた低転位基板を用い、その上に更に同様なマスクパターンを形成して有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で成長を行うことが考えられる。図８はこうした方法により得られる半導体層構造を示す図である。この層構造は、以下のようにして形成することができる。
【０００８】  はじめに、図７で記述した基板１１６を用いて、〈１１−２０〉方向にＳｉＯ２ストライプマスク１１７を形成する。基板１１６表面付近の転位密度は２×１０７個／ｃｍ２程度である。マスク開口部１１７ａの幅は２μｍであり、ＳｉＯ２マスク領域は１８μｍとする。上記マスクを形成したウェハを、ＭＯＶＰＥ装置において、ＳｉドープＧａＮを開口部分１１７ａに形成する。マスク開口部から成長させたＧａＮ層は、その後、横方向成長し、マスクを介して隣接するＧａＮ層と合体（以下この部分を会合部とする）する。
【０００９】  こうしてＧａＮ層が平坦化し、ｎ−ＧａＮ層１１８が形成される。その後、ｎ−ＧａＮ基板１１８上にＳｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１．２μｍ）からなるｎ型クラッド層１１９、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層１２０を形成する。さらにその上に、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層１２１（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層１２２、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１２３、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１２４、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層１２５を順次成長させて、ＬＤ構造を形成する。
【００１０】  作製したＬＤ層構造の転位の挙動を調べるために、断面カソードルミネッセンス（ＣＬ）像を観察した結果を図９に示した。図９を見ると、基板上に作成した層に多数の暗点や暗線が存在していることが分る。ＣＬ像においては、例えば、非特許文献１に記述されているように、転位が存在するところは、転位が非発光に寄与するので暗点に見える性質がある。したがって、これらの暗線や暗点は、転位を表していると考えられる。このことから、第２のマスクパターンを用いて選択成長することで、新たな転位が発生していることが分った。この現象は図７における第一のマスクパターンを用いた場合でも起きていると思われるが、第一のマスクパターンの基板における転位密度が非常に高いため、断面ＣＬ観察では新たに発生した転位かどうか見分けが付かなかった。
【００１１】  図１０は、平面ＣＬ像であり、図８のサンプルの上側から電子線を当ててＩｎＧａＮ発光像を観察している。図１０から、平面ＣＬ像では暗線が多数観測されている。これは、ＩｎＧａＮからなるＩｎＧａＮ層１２１面内に転位が存在することを意味している。
ところが、実際に透過型電子顕微鏡で図９のサンプルを観察すると、多重量子井戸（ＭＱＷ）層１２１以外の層にも層面内方向に転位が存在した。このように、図８における層構造においては、デバイス特性や素子寿命につき、さらなる向上の余地を有していることが明らかになった。
【００１２】  以下これら転位の挙動、発生原因について説明する。マスク付近に存在する多くの転位は、基板から引き継がれた転位が横方向成長により曲がってきた転位、マスクと横方向成長した窒化物半導体結晶の界面から発生した転位、横方向成長時に窒化物半導体の成長表面から発生する転位など、多くの発生源が存在すると考えられる。最初の基板から伝播する転位は、基板転位密度に依存するが、それ以外の転位発生やそれら転位がデバイス層構造にまで導入される原因は、マスク材と窒化物半導体結晶の相性や成長中における応力に依存すると考えられる。図８のサンプルにおける〈１１−２０〉方向の断面ＴＥＭ観察を行ったところ、マスク材近辺の窒化物半導体において、〈１１−２０〉方向に多数の転位が存在することが確認された。したがって、マスク上に存在した転位は、マスクによる応力などの影響によって、〈１１−２０〉方向に曲がったと考えられる。一旦〈１１−２０〉方向に曲がった転位は、基板水平面内に走り、様々なきっかけで、別の水平面内の方向（例えば〈１−１００〉方向に等価な方向）へ滑る。これが、図９や断面ＴＥＭ観察で確認された転位であると考えられる。
【００１３】  このように図８のサンプルでは、転位が水平面内に伝播し、活性層であるＩｎＧａＮ層にもそうした転位が導入されることが本発明者の検討により明らかになった。
【００１４】  すなわち、
（ｉ）低転位基板上にマスクを設け、その上にＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた場合、マスク近傍から多くの転位が発生すること、
（ｉｉ）このような種類の転位は、転位密度の低い基板を用いたときに顕著に発生することが本発明者の検討により明らかになった。
こうした現象は、転位が１０７個／ｃｍ２よりもさらに転位が低減された基板においては、より顕在化する。
【００１５】  上記現象の起こる理由は必ずしも明らかではないが、基板転位密度が高い場合、再成長マスクの周りにも多くの転位が存在しており、この転位が結晶歪を緩和させているのに対し、低転位密度（例えば１０７個／ｃｍ２未満）の基板では、そのような結晶歪の緩和が起きにくいことによるものと考えられる。
【００１６】  そのような推察のもと、本発明者は、低転位基板上にＩＩＩ族窒化物半導体をマスク成長させるとき、マスク上に結晶歪を緩和する作用を有する領域を意図的に形成することが有効であると着想し、本発明の完成に至った。
【００１７】  本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、該ＩＩＩ族窒化物半導体基板の上部に形成されたマスクと、該マスクの上部に形成された半導体多層膜と、を備え、前記マスクの表面に多結晶材料が堆積していることを特徴とする窒化物半導体基板が提供される。
【００１８】  また本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体基板と、該ＩＩＩ族窒化物半導体基板の上部に形成されたマスクと、該マスクの上部に形成された、活性層を含む半導体多層膜と、備え、前記マスクの表面に多結晶材料が堆積していることを特徴とする窒化物半導体素子が提供される。
【００１９】  本発明によれば、マスク表面に堆積した多結晶材料の作用により、マスク上で結晶歪が緩和され、この結果、マスク上部に形成される半導体多層膜の結晶品質が良好となる。上記半導体素子においては、多結晶材料が表面に堆積したマスクが活性層の下部に設けられているため、活性層の品質を顕著に向上させることができる。
【００２０】  前述したように、本発明者の検討によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体基板のような比較的転位の少ない基板を用いた場合、基板上のマスク近傍で発生する転位が問題となる。本発明によれば、こうした転位を効果的に低減することができるため、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を用いる利点を生かしつつ、かかるＩＩＩ族窒化物半導体基板を用いた場合に特有に生じる課題を有効に解決することができる。
【００２１】  本発明におけるＩＩＩ族窒化物半導体基板は、その表面付近の転位密度を１×１０７個／ｃｍ２以下とすることが好ましい。本発明は、こうした低転位基板上のマスクから半導体層を成長させた場合における特有の課題、すなわち、マスク近傍に新たな転位が発生するという課題を効果的に解決するものであり、上記のような基板を用いた場合、より顕著な効果を奏する。なお、基板の転位密度は、基板表面を薬液処理してエッチピットを形成し、その密度を測定する方法、基板上に半導体層が形成された構造体の断面を電子顕微鏡で観察する方法、カソードルミネッセンス像を観察する方法等により測定できる。このうち、カソードルミネッセンスによる方法は、測定精度が高く好ましい。
【００２２】  以上説明したように本発明によれば、転位の低減された良好な品質のＩＩＩ族窒化物半導体層を備えた基板あるいは素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】  上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００２４】［図１］実施例に係る半導体素子の断面図である。
［図２］実施例に係る半導体素子の断面図である。
［図３］実施例に係る半導体素子の断面図である。
［図４］実施例に係る半導体素子の断面図である。
［図５］実施例に係る半導体素子の断面図である。
［図６］実施例に係る半導体素子の断面図である。
［図７］従来の半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
［図８］低転位基板を用い、その上でマスク開口部から半導体層を成長させて得られる層構造を示す図である。
［図９］図８に示した構造について断面カソードルミネッセンス（ＣＬ）像を観察した結果を示す図である。
［図１０］図８に示した構造について平面カソードルミネッセンス（ＣＬ）像を観察した結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】  本発明において、多結晶材料としては種々の物質を採用することができる。たとえば、アルミニウムおよび窒素を必須元素として含む物質とすることができる。たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の材料を用いることができる。このような材料を選択した場合、結晶歪を低減するのに好適な構造を実現できる。【００２６】  多結晶材料の形成されたマスクの表面は、空隙部を有する構造とすることが好ましい。こうすることにより、空隙部の作用により、一層効果的に結晶歪を低減できる。【００２７】  本発明において、マスクは、ＩＩＩ族窒化物半導体基板の表面に直接、または、半導体層や絶縁層を介して設けることができる。基板表面に直接設けた場合、結晶歪の低減効果がより確実に得られる。
本発明は、表面付近の転位密度が１×１０７個以下であるＩＩＩ族窒化物半導体基板を用いた場合、より顕著な効果を発揮する。上述のように、本発明は、低転位基板上のマスク近傍から発生する転位を効果的に低減するものである。転位密度が１×１０７個以下の基板では、基板由来の転位は低減するものの、マスク近傍における結晶歪による別の転位の発生が問題となる。かかる問題は、上記のような低転位密度の基板では特に顕著となるところ、本発明によれば、こうした問題を有効に解決でき、低転位基板の利点を生かしつつ低転位基板を用いた場合に特有に生じる課題が解決される。
【実施例】
【００２８】  以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。なお、以下の実施例では、図７で説明したのと類似の方法により、通常より厚いマスクを用いてＧａＮ膜を成長させて得られた基板を用いた。このマスクは、マスク幅２μｍ、マスク高さ１．７μｍであり、図７の方法で得られるものより表面転位の低い基板を得ることができる。
以下、本発明に係る窒化物半導体基板の好ましい態様と、それを用いて作製した半導体レーザの例について、実施例に基づいて説明する。【００２９】
【実施例１】  本実施例に係る半導体レーザの構造を図１に示す。
この半導体レーザは以下のようにして作製することができる。まず、基板表面付近の転位密度が９×１０６個／ｃｍ２のＧａＮ基板１を用いて、Ｓｉ２Ｏ膜２をＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法により堆積する。その後、ＡｌＮ多結晶３をスパッタリング法により堆積させ、〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成する。マスク幅は１８μｍ、開口幅は２μｍである。【００３０】  ここで、ＡｌＮ多結晶３を形成するにあたり、以下の処理を行う。【００３１】（ｉ）ＳｉＯ２膜２を形成後、ブタノン、エタノールで超音波洗浄を行い、純水で洗浄後、バッファードフッ酸で１ｓｅｃエッチングを行い、再び純水で洗浄後、窒素ブローによりウェハを乾燥させる。【００３２】（ｉｉ）その後、スパッタ装置に挿入して、基板温度を５０℃以上に保ち、ＡｌＮスパッタによる堆積を行う。【００３３】  次いで、ドライエッチング及びウェットエッチング法により、開口部４で基板表面が露出するようにＡｌＮ多結晶３及びＳｉＯ２膜２をエッチングする。【００３４】  つづいて、上記マスクを形成したウェハを用い、ＭＯＶＰＥ装置により、ＳｉドープＧａＮを開口部分に形成する。開口部形成後のＭＯＶＰＥ成長は、基板をホールドして、アンモニアガスを流しながら、一旦６００℃で５分ホールドした後、ＧａＮの成長温度である１０８０℃まで昇温し、３０秒待機した後に成長を開始する。【００３５】  マスク開口部から成長させたＧａＮ層は、その後、横方向成長し、マスクを介して隣接するＧａＮ層と合体（以下この部分を会合部という）する。
こうしてＧａＮ層が平坦化し、ｎ−ＧａＮ層５が形成され、ＡｌＮ多結晶３の形成されたマスクを備える半導体基板が形成される。ＡｌＮ多結晶３の形成された箇所周辺のｎ−ＧａＮ層５には空隙が導入される。【００３６】  本実施例では、その後、ひきつづき半導体層の成長を行い、素子を形成する。まずＳｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１．２μｍ）からなるｎ型クラッド層６、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層７、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層８（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層１０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層１１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層１２を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。その後、通常の露光技術で〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチングを行い、リッジ１３を形成する。その後、ｐコンタクト層側には、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極１４を、ｎ基板側にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極１５を形成する。【００３７】  このようにＳｉＯ２マスク材の上に多結晶ＡｌＮを堆積させ、その後に選択成長を行ったウェハでは、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって〈１１−２０〉方向にある転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を低減することができる。【００３８】
【実施例２】  本実施例に係る半導体レーザの構造を図２に示す。【００３９】  この半導体レーザは以下のようにして作製することができる。まず、基板表面付近の転位密度が５×１０５個／ｃｍ２のＧａＮ基板１６上にＳｉＯ２膜１７を堆積し、〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成する。マスク幅は１８μｍ、開口幅は２μｍである。ウェットエッチング法により、開口部１９で基板表面が露出するようにＳｉＯ２膜１７をエッチングしてマスクを形成する。【００４０】  形成したマスクを、ブタノン、エタノールで超音波洗浄を行い、純水で洗浄する。その後、バッファードフッ酸で１ｓｅｃエッチングを行い、再び純水で洗浄後、１００℃に保った硝酸で３０分洗浄を行い、再び純水で洗浄後、窒素ブローでウェハを乾燥させる。【００４１】  上記のようにしてマスクを形成したウェハを、ＭＯＶＰＥ装置において、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層１８を開口部分に形成する。この時、ＳｉＯ２マスク上にはＡｌＧａＮ多結晶材料が堆積されるような成長条件にする。すなわち、基板をホールドし、アンモニアガスを流しながら、ＡｌＧａＮの成長温度である１０８０℃まで昇温し、シランを流しながら６０秒待機した後に成長を開始する。こうすることにより、マスク上にはＡｌＧａＮ多結晶材料が堆積される。ＡｌＧａＮ多結晶材料の周辺には空隙が導入される。
この段階で成膜室から基板を取り出し、窒化物半導体基板を得ることもできるが、本実施例ではひきつづき半導体層の成長を行い、素子を形成する。【００４２】  基板温度を１０５０℃に設定し、横方向成長を行い、隣のＡｌＧａＮ層と合体させ、平坦化を行いｎ−Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎからなるｎクラッド（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２μｍ）層２０を形成する。【００４３】  その後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層２１、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層２２（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層２３、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層２４、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層２５、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層２６を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。その後、通常の露光技術で〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチングを行い、リッジ２７を形成する。その後、ｐコンタクト層側には、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極２８を、ｎ基板側にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極２９を形成する。【００４４】  このようにＳｉＯ２マスク材の上に多結晶ＡｌＧａＮを成長時に堆積させ、その後に選択成長を行ったウェハでは、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって〈１１−２０〉方向にある転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を減らすことができる。【００４５】
【実施例３】  本実施例に係る半導体レーザの構造を図３に示す。この半導体レーザは以下のようにして作製することができる。まず、基板表面付近の転位密度が５×１０６個／ｃｍ２のＧａＮ基板３０を用いて、ＳｉＯ２膜３１を堆積させ、〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成する。マスク幅は２０μｍ、開口幅は２μｍである。ウェットエッチング法により、開口部３２で基板表面が露出するようにＳｉＯ２膜３１をエッチングする。上記マスクを形成したウェハを、ＭＯＶＰＥ装置において、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層３３を開口部分に形成する。この時、ＳｉＯ２マスク上にはＡｌＧａＮ多結晶材料が堆積されるように５００℃以上の基板温度に設定する。多結晶材料が好適に堆積するように、形成したマスクに対し実施例２と同様の処理を行う。これにより、マスク上にはＡｌＧａＮ多結晶材料が堆積される。ＡｌＧａＮ多結晶材料の周辺には空隙が導入される。
この段階で成膜室から基板を取り出し、窒化物半導体基板を得ることもできるが、本実施例ではひきつづき半導体層の成長を行い、素子を形成する。【００４６】  その後、基板温度を１０５０℃に設定し、横方向成長を行い、隣のＡｌＧａＮ層と合体させ、平坦化を行いｎ−ＡｌＧａＮ層３４を形成している。その後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）中間層３５、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．８μｍ）からなるｎ型クラッド層３６、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層３７、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層３８（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層３９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層４０、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層４１、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層４２を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。【００４７】  その後、通常の露光技術で〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチングを行い、リッジ４３を形成する。その後、ｐコンタクト層側には、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極４４を、ｎ基板側にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極４５を形成する。【００４８】  このようにＳｉＯ２マスク材の上に多結晶ＡｌＧａＮを成長時に堆積させ、その後に選択成長を行ったウェハでは、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって〈１１−２０〉方向にある転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を減らすことができる。【００４９】
【実施例４】  本実施例では、素子分離に利用する溝を選択成長で形成する場合の例を示す。本実施例に係る半導体レーザの構造を図４に示す。この半導体レーザは以下のようにして作製することができる。まず、基板表面付近の転位密度が９×１０６個／ｃｍ２のＧａＮ基板４６を用いて、ＳｉＯ２膜４７をＣＶＤ法により堆積する。その後、ＡｌＮ多結晶４８をスパッタリング法により堆積させ、〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成する。マスク幅は３０μｍ、開口幅は２００μｍである。【００５０】  ここで、ＡｌＮ多結晶４８を形成するにあたり、以下の処理を行う。【００５１】（ｉ）ＳｉＯ２膜２を形成後、ブタノン、エタノールで超音波洗浄を行い、純水で洗浄後、バッファードフッ酸で１ｓｅｃエッチングを行い、再び純水で洗浄後、窒素ブローによりウェハを乾燥させる。【００５２】（ｉｉ）その後、スパッタ装置に挿入して、基板温度を５０℃以上に保ち、ＡｌＮスパッタによる堆積を行う。【００５３】  つづいてドライエッチング及びウェットエッチング法により、開口部４９で基板表面が露出するようにＡｌＮ多結晶４８及びＳｉＯ２膜４７をエッチングする。上記マスクを形成したウェハを、ＭＯＶＰＥ装置において、ＳｉドープＧａＮを開口部分に形成した後、横方向成長を行い、隣のＧａＮ層と合体させ、平坦化を行いｎ−ＧａＮ層５０を形成する。
こうしてＧａＮ層が平坦化し、ｎ−ＧａＮ層５０が形成され、ＡｌＮ多結晶４８の形成されたマスクを備える半導体基板が形成される。ＡｌＮ多結晶４８の形成された箇所周辺のｎ−ＧａＮ層５０には空隙が導入される。
その後、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ１．２μｍ）からなるｎ型クラッド層５１、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層５２、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層５３（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層５４、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層５５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層５６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層５７を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。その後、通常の露光技術で〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチングを行い、リッジ５８を形成する。その後、ｐ側にＳｉＯ２誘電体膜９１、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極５９を、ｎ基板側にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極６０を形成する。その後、分離溝の箇所で素子分離を行い半導体レーザ素子を得る。【００５４】  このようにＳｉＯ２マスク材の上に多結晶ＡｌＮを堆積させ、その後に選択成長を行ったウェハでは、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって〈１１−２０〉方向にある転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を減らすことができる。マスク材のある領域とデバイスを作製した領域は１００μｍ程度離れているが、一度転位が発生すると、層面内で転位が導入されるので、このような場合でも影響が大きい。実際、マスク上の多結晶層のないサンプルで平面ＣＬ像を観察すると、図１０同様、平面内に転位が存在した。【００５５】
【実施例５】  本実施例に係る半導体レーザの構造を図５に示す。この半導体レーザは以下のようにして作製することができる。基板表面付近の転位密度が２×１０６個／ｃｍ２のＧａＮ基板６１を用いて、ＳｉＯ２膜６２を堆積させ、〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成する。マスク幅は４０μｍ、開口幅は２６０μｍである。ウェットエッチング法により、開口部６４で基板表面が露出するようにＳｉＯ２膜６２をエッチングエッチングしてマスクを形成する。【００５６】  形成したマスクを、ブタノン、エタノールで超音波洗浄を行い、純水で洗浄する。その後、バッファードフッ酸で１ｓｅｃエッチングを行い、再び純水で洗浄後、１００℃に保った硝酸で３０分洗浄を行い、再び純水で洗浄後、窒素ブローでウェハを乾燥させる。【００５７】  上記マスクを形成したウェハを、ＭＯＶＰＥ装置において、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ２．５μｍ）からなるクラッド層６５を開口部分に形成する。この時、ＳｉＯ２マスク上にはＡｌＧａＮ多結晶６３が堆積されるように基板温度など成長条件を設定する。すなわち、基板をホールドし、アンモニアガスを流しながら、ＡｌＧａＮの成長温度である１０８０℃まで昇温し、シランを流しながら６０秒待機した後に成長を開始する。これにより、マスク上にＡｌＧａＮ多結晶材料が堆積される。ＡｌＧａＮ多結晶材料の周辺には空隙が導入される。
この段階で成膜室から基板を取り出し、窒化物半導体基板を得ることもできるが、本実施例ではひきつづき半導体層の成長を行い、素子を形成する。【００５８】  その後、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層６６、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層６７（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層６８、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層６９、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層７０、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層７１を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。その後、通常の露光技術で〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチングを行い、リッジ７２を形成する。その後、ｐコンタクト層側には、ｐ側にＳｉＯ２誘電体膜９２を堆積後、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極７３を、ｎ基板側にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極７４を形成する。その後、分離溝の箇所で素子分離を行い半導体レーザ素子を得る。
このようにＳｉＯ２マスク材の上に多結晶ＡｌＧａＮを成長時に堆積させ、その後に選択成長を行ったウェハでは、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって〈１１−２０〉方向にある転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を減らすことができる。マスク材のある領域とデバイスを作製して領域は、１３０μｍ程度離れているが、一度転位が発生すると、層面内で転位が導入されるので、このような場合でも影響が大きい。【００５９】
【実施例６】  本実施例に係る半導体レーザの構造を図６に示す。本実施例では、まず基板表面付近の転位密度が９×１０６個／ｃｍ２のＧａＮ基板７５を用いて、ＳｉＯ２膜７６を堆積させ、〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成する。マスク幅は５０μｍ、開口幅は３００μｍである。ウェットエッチング法により、開口部７８で基板表面が露出するようにＳｉＯ２膜７６をエッチングしてマスクを形成する。【００６０】  形成したマスクを、ブタノン、エタノールで超音波洗浄を行い、純水で洗浄する。その後、バッファードフッ酸で１ｓｅｃエッチングを行い、再び純水で洗浄後、１００℃に保った硝酸で３０分洗浄を行い、再び純水で洗浄後、窒素ブローでウェハを乾燥させる。【００６１】  上記のようにしてマスクを形成したウェハを、ＭＯＶＰＥ装置において、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを開口部分に形成する。この時、ＳｉＯ２マスク上にはＡｌＧａＮ多結晶７７が堆積されるように５００℃以上の基板温度に設定する。具体的には、基板をホールドし、アンモニアガスを流しながら、ＡｌＧａＮの成長温度である１０８０℃まで昇温し、シランを流しながら６０秒待機した後に成長を開始する。これにより、マスク上にＡｌＧａＮ多結晶材料が堆積される。ＡｌＧａＮ多結晶材料の周辺には空隙が導入される。
この段階で成膜室から基板を取り出し、窒化物半導体基板を得ることもできるが、本実施例ではひきつづき半導体層の成長を行い、素子を形成する。【００６２】  その後、基板温度を１０５０℃に設定し、ｎ−Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層７９を形成しする。その後、Ｓｉドープｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）中間層８０、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．８μｍ）からなるｎ型クラッド層８１、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ（シリコン濃度４×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｎ型光閉じ込め層８２、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（厚さ４ｎｍ）井戸層とＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（シリコン濃度５×１０１８ｃｍ−３厚さ６ｎｍ）バリア層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層８３（井戸数３個）、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるキャップ層８４、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型光閉じ込め層８５、Ｍｇドープｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．５μｍ）からなるｐ型クラッド層８６、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ（Ｍｇ濃度２×１０１７ｃｍ−３、厚さ０．１μｍ）からなるｐ型コンタクト層８７を順次成長させて、ＬＤ層構造を形成する。【００６３】  その後、通常の露光技術で〈１１−２０〉方向にレジストストライプマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチングを行い、リッジ８８を形成する。その後、ｐ側にＳｉＯ２誘電体膜９３を堆積し、ｐコンタクト層側には、Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ電極８９を、ｎ基板側にはＴｉ／Ａｌからなるｎ電極９０を形成する。その後、分離溝の箇所で素子分離を行い半導体レーザ素子を得る。【００６４】  このようにＳｉＯ２マスク材の上に多結晶ＡｌＧａＮを成長時に堆積させ、その後に選択成長を行ったウェハでは、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって〈１１−２０〉方向にある転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を減らすことができる。【００６５】  以上、各実施例により説明したように、パターニングされたマスク材（ＳｉＯ２など）のウェハ上に窒化物半導体を成長する場合、マスク上に多結晶を形成することで、マスク上の転位密度は非常に少なくなる。したがって、マスクの応力などによって〈１１−２０〉方向に曲がるので転位も減少し、更に、〈１１−２０〉方向から層面内に曲がる転位も減少し、その上部のレーザ構造を構成する層に存在する転位を減らすことができる。また、実施例の中には、マスク上の多結晶を形成する方法として、成長装置を用いたものもあり、これらは、工程数を減らすなどの効果もある。【００６６】  以上、図面を参照して本発明の一実施形態について述べたが、これは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。【００６７】  たとえば、上記実施例では、マスク材料としてＳｉＯ２を用いたが、ＳｉＮｘ、アルミナなど、別のマスク材を用いることができる。また、マスク形状は〈１１−２０〉方向のストライプパターンとしたが、四角、丸、六角形などの形状でも良い。【００６８】  また、転位を減ら��為に、マスク上に多結晶ＡｌＧａＮを形成したが、これに限られず、多結晶ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）でも良い。【００６９】  また、上記実施例では半導体レーザを例に説明したが、本発明は発光ダイオード等の他の発光素子にも適用することができ、さらに、受光素子や電子デバイスなどの素子にも適用可能である。【００７０】  中間層は、上記実施例ではＩｎＧａＮを用いたが、これに限られず、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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