(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上方に、成長抑制効果を有する物質からなる第ｎ（ただし、ｎは１以上の正数）のマスクパターンと第ｎのマスクパターンを覆うように窒化物半導体膜とを形成する第ｎ工程と、前記第ｎ工程によって形成された前記窒化物半導体膜上に成長抑制効果を有する物質からなる第ｎ＋１のマスクパターンと第ｎ＋１のマスクパターンを覆うように窒化物半導体膜とを形成する第ｎ＋１工程とを有し、
前記マスクパターンの各々は互いに平行な複数のストライプ状マスクを含み、
第ｎのマスクパターンと第ｎ＋１のマスクパターンが互いにねじれの関係にあることを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記第ｎのマスクパターンのストライプ方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互いに１２０度の角度差を持つことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記第ｎのマスクパターンのストライプ方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互いに９０度の角度差を持つことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ幅が、第ｎのマスクパターンのストライプ幅以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記成長抑制効果を有する物質がＳｉＯ2、又は、ＳｉＮxであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記第ｎのマスクパターンのストライプ方向が、窒化物半導体結晶の＜１−１００＞方向あるいは、＜１１−２０＞方向であることを特徴する請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記第１のマスクパターン、第２のマスクパターン、第３のマスクパターンのストライプ方向は、窒化物半導体結晶の［１−１００］、［１０−１０］、［０１−１０］方向の組み合わせからなることを特徴する請求項２に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
第ｎ工程によって積層された窒化物半導体膜結晶がＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】
前記第ｎ工程によって積層された窒化物半導体膜、あるいは、前記第ｎ工程によって積層された窒化物半導体層上に積層する窒化物半導体膜が、５μｍ以上の膜厚を有する厚膜窒化物半導体膜であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１０】
前記請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法を用いて基板を含む窒化物半導体構造を形成し、前記窒化物半導体構造から少なくとも前記基板を除去することによって、窒化物半導体構造の一部を窒化物半導体基板とすることを特徴とする窒化物半導体の製造方法。
【請求項１１】
基板上方に、前記第ｎ＋１工程まで結晶成長させたとき、第１のマスクパターンから第ｎ＋１のマスクパターンが全体として基板を覆うことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１２】
前記第１と第２のマスクパターンの、マスク幅／ピッチで定義されるマスク被覆率が、それぞれ、２０％から８０％であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１３】
上記請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法を用いて作製された第ｎ工程の窒化物半導体膜の上方に形成された光を発する活性層を有することを特徴とする発光素子。
【請求項１４】
前記基板は、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板またはＧａＡｓ基板であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項１５】
第１のマスクパターンのマスク被覆率が、第２のマスクパターンのマスク被覆率以下であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体の製造方法及びその方法で作製した発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体は短波長用発光素子や高温高速動作の電子素子に応用されている。このような半導体素子を実現する上で、素子を作製するための下地となる結晶層または基板の特性は重要である。従来まではサファイアやＳｉＣを代用基板として、その上に形成したＧａＮ層をこれらの素子構造の下地として適用してきた。
【０００３】
しかしながら、このようにして形成されたＧａＮ結晶には１０9〜１０10ｃｍ-2台の結晶欠陥が生じる。また、ＧａＮ層の厚みが１０μｍを越える場合には、ＧａＮ層の結晶割れや格子歪が大きくなる問題もあった。
【０００４】
上記問題の内、結晶割れや格子欠陥低減に関する解決策として、図８に第５８回応用物理学会学術講演会予稿集２ｐ−Ｑ−１４，Ｎｏ．１（１９９７）ｐ２６５に報告されている第１の従来例を示す。図８において、５００はサファイア基板、５０１はＳｉＯ2マスク、５０２はＳｉＯ2に設けられた開口部、５０３はＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）で成長されたＧａＮ膜である。本実施の形態に於いては、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（選択成長性）を用いたことにより、ＳｉＯ2直上のＧａＮ膜５０４に於いてのみ、欠陥密度１０5〜１０6ｃｍ-2が得られており、ＳｉＯ2パターンを用いない結晶よりも４桁程度欠陥密度が低減された。
【０００５】
また、図９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の従来例である。図９において、６００はサファイア基板、６０１はＭＯＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜、６０２はＳｉＯ2マスク、６０３はＳｉＯ2マスク開口部、６０４はＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）で成長したＧａＮ膜である。本実施の形態においてもＨＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜６０４の表面付近において、欠陥密度６×１０7ｃｍ-2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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＳｉＯ2マスク上への気相成長技術を適用することにより１０5〜１０7ｃｍ-2程度への結晶欠陥の低減が図れたが、上述の従来例によって得られたＧａＮ単結晶の品質は未だ信頼性の充分高い半導体レーザやＬＥＤ、さらにはＦＥＴのような電子素子を得るためには充分でなかった。すなわち、上記のいずれの従来例においても、ＳｉＯ2マスク５０１、６０２のストライプに垂直な方向の格子歪みは低減されるが、ストライプに平行方向では格子歪みは、ＳｉＯ2マスクを使用しない場合とほぼ同等の格子歪みが残存する。このような一方向に特定された格子歪みを有するＧａＮ層には異方性を有する格子歪みがＧａＮ層に残存する。
【０００７】
さらに、半導体レーザの充分な信頼性を確保するには、ＧａＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族半導体基板と同様の欠陥密度である１０4ｃｍ-2台、さらに望ましくは１×１０4ｃｍ-2以下の結晶欠陥密度が必要となるが、従来技術で作製したＧａＮ厚膜層では高々１０5ｃｍ-2と結晶欠陥が多いことがもう一つの課題であった。
【０００８】
このような、格子歪みおよび多くの結晶欠陥を有するＧａＮ層上に作製した発光素子の信頼性は低く、例えば半導体レーザ素子の場合には室温での３ｍＷ出力条件下での連続発振で９００時間程度の寿命しか確認できなかった。
【０００９】
また、ＧａＮ層を５０μｍ厚程度に厚く成長させ、その後サファイア基板を裏面より取り去ったＧａＮ基板においても、上記の異方性を有する格子歪みや１０5ｃｍ-2台の結晶欠陥の残存に関しては緩和されるものではなく、上述のＧａＮ層と同様に問題であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上方に、成長抑制効果を有する物質からなる第ｎ（ただし、ｎは１以上の正数）のマスクパターンと第ｎのマスクパターンを覆うように窒化物半導体膜とを形成する工程を第ｎ工程とし、第ｎ工程によって形成された窒化物半導体膜上に成長抑制効果を有する物質からなる第ｎ＋１のマスクパターンと第ｎ＋１のマスクパターンを覆うように窒化物半導体膜とを形成する工程を第ｎ＋１工程と有し、マスクパターンの各々は互いに平行な複数のストライプ状マスクを含み、第ｎのマスクパターンと第ｎ＋１のマスクパターンが互いにねじれの関係にあることを特徴とする。例えば、第１工程によって作製された第１のマスクパターン上に第１層目の窒化物半導体膜を形成し、さらに第２工程となる第２のマスクパターンと第２層目の窒化物半導体膜を第１工程と同様に形成する。これら一連の工程を第ｎ工程まで順次実施することによって、各工程の窒化物半導体膜中の結晶歪み（基板と窒化物半導体結晶との間の格子定数差、または熱膨張係数差による歪み）が低減され、さらには、基板界面から発生する転位が成長結晶表面に出現しなくなる。本発明ではｎは１以上の整数としていることから、上記工程を少なくとも第２工程以上形成することを特徴としている。
【００１１】
なお、マスクパターン直上を覆う窒化物半導体膜結晶は選択成長性により該マスクパターン上には直接成長しにくく、該マスクパターンの開口部から該マスクパターンのストライプ方向に対して垂直方向にラテラル成長して形成される。
【００１２】
従って、第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向に対して垂直方向に成長した第ｎ＋１のマスクパターン上部分の窒化物半導体膜は、第ｎ＋１のマスクパターンとの原子間結合が非常に弱いので格子歪みを生じないが、ストライプ方向に平行方向では第ｎ工程以下の下地層からの格子歪みが第ｎ＋１のマスクパターン上部分の窒化物半導体膜に引き継がれる。熱歪みに対しても同様である。
【００１３】
上記発明は、互いのマスクパターンがねじれの関係位置にある事により、下地層からの歪みの影響を一方向のみではなく、多種の方向で歪みによる影響を解消させることができる。上記歪みの緩和は転位の一つであるエッジディスロケーションの発生を抑制する効果がある。
【００１４】
本発明は、第ｎのマスクパターンの方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互いに１２０度の角度差を持つことに関する。窒化物半導体は主にウルツァイト構造を有することから、等価な方向が３種類ある。これら３種の方向は、互いに１２０度の角度差を持つ。上記工程によって作製されたマスクパターンの方向を互いに１２０度の角度で形成することによって、これらのマスクパターンは互いに等価な選択特性を有し、等価な歪み緩和作用で歪みを解消できる。
【００１５】
本発明は、第ｎのマスクパターンのストライプ方向と第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ方向が互いに９０度の角度差を持つことに関する。上記１２０度の角度差の場合とは対照的にこれらのマスクパターンのストライプ方向は互いに等価ではなく、上記のような等価な選択性や等価な歪み緩和作用を期待できない。しかしながら、マスクパターンのストライプ方向が互いに９０度であるために、歪み緩和による効果は大きい。
【００１６】
本発明は、第ｎのマスクパターンのストライプ幅が第ｎ＋１のマスクパターンのストライプ幅≧第ｎのマスクパターンのストライプ幅の関係であることに関する。
【００１７】
本発明は、上記工程数が増えるにつれて（ｎが大きくなるにつれて）マスクパターンのストライプ幅が大きくなることで、各工程によって作製された窒化物半導体膜は結晶積層方向に向けて基板から発生した貫通転位密度を減少させることができる。本発明に係わるマスクパターンはＳｉＯ2又はＳｉＮxで形成するため成長抑制効果は十分である。
【００１８】
本発明は、マスクパターンのストライプ方向が窒化物半導体結晶の＜１−１００＞または＜１１−２０＞方向であることに関する。マスクパターンのストライプ方向を＜１−１００＞に形成した場合、特にＭＯＶＰＥ法によって形成された窒化物半導体膜はこのストライプ方向に対して垂直な＜１１−２０＞方向に沿って大きくラテラル成長するため、薄膜積層で該マスクパターンを窒化物半導体膜で埋没させることが可能である。また、成長条件によっては、貫通転位が該マスクパターン上には殆ど現れないという特徴も持っている。これらの特徴から選択成長（ラテラル成長）において＜１−１００＞ストライプ方向は非常に重要な方向である。
【００１９】
マスクパターンのストライプ方向が＜１１−２０＞の場合、窒化物半導体結晶のラテラル成長は＜１−１００＞方向に沿って成長する。ただし、＜１−１００＞ストライプ方向に比べてラテラル成長速度は遅い。また、マスク開口部から侵入してきた貫通転位はマスク部の方向に折れ曲がり、該マスクの中央部で会合して再び結晶成長方向に向かって伸びていく。これは、マスクパターンのストライプ方向が＜１−１００＞方向の場合と比べて、マスク上部にも多くの貫通転位が発生する。しかしながら、該マスク直上で新たな転位が発生するのではなく、マスク開口部から侵入してきた貫通転位が拡散したためであり、結果的には＜１−１００＞方向と同じ、貫通転位密度の低減効果がある。本発明は、マスクパターンのストライプ方向を＜１−１００＞もしくは＜１１−２０＞方向に選ぶことにより、ラテラル成長を促進させて該マスクパターンを効率よく埋め、貫通転位密度の低減と歪み緩和の効果を実現する。
【００２０】
本発明は、前記第１のマスクパターン、第２のマスクパターン、第３のマスクパターンのストライプ方向は、窒化物半導体結晶の［１−１００］、［１０−１０］、［０１−１０］方向の組み合わせからなることに関する。第１工程から第３工程での１つのマスクパターンのストライプ方向を＜１−１００＞とし、他のマスクパターンのストライプ方向を＜１−１００＞方向から１２０°角度差をもつように形成することで、窒化物半導体において、等価な歪み緩和作用を有するとともに、歪みをラテラル成長を促進させてマスクパターンを効率よく埋めるので、貫通転位密度の低減と歪み緩和の効果を最大限に生じさせることができる。
【００２１】
本発明は、第ｎ工程によって積層された窒化物半導体膜結晶がＡｌxＩｎyＧａzＮで（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１；０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）あることからなることに関する。上記結晶は成長速度の異方性（ラテラル成長）から本成長方法に適した材料である。
【００２２】
本発明は、第ｎ工程によって積層された窒化物半導体膜、あるいは、窒化物半導体層上に積層する窒化物半導体膜は５μｍ以上の膜厚であることに関する。基板から発生した貫通転位はマスク部で遮断され、マスクの開口部からはそのまま成長させた窒化物半導体膜に侵入する。しかし、５μｍ以上の窒化物半導体膜を堆積させることによって、マスクパターンをＧａＮ膜で覆うともに、遮蔽しきれなかった貫通転位を堆積膜厚によって低減することができる。
【００２３】
本発明は、上記窒化物物半導体の製造方法を用いて、基板を含む窒化物半導体構造を形成し、前記窒化物半導体構造から少なくとも前記基板を除去することによって、少なくとも窒化物半導体構造の一部を窒化物半導体基板とすることに関する。従来技術ではデバイス生産に適した大きさと表面モフォロジーの良好性を有する窒化物半導体基板供給が困難であったが、上記製造方法により、簡易な手法でデバイス生産の要求を満足する窒化物半導体基板を供給することが可能となる。また、上記工程による結晶成長方法は、貫通転位密度の低減の他に歪みの緩和効果がある。この歪みは基板と窒化物半導体結晶間の格子定数差以外に熱膨張係数差による要因がある。例えば、サファイア基板上に直接、厚膜窒化物半導体を結晶成長した場合、その熱膨張係数差により結晶成長終了による降温工程でクラックが発生してしまい、約２０μｍ程度でクラックが発生することが知られている。しかしながら、本発明による上記結晶成長方法を使用することにより、クラックを発生させずにサファイア基板上に厚膜窒化物半導体膜を形成することが可能である。
【００２４】
本発明は、上記結晶成長方法を用いて第ｎ＋１工程まで実施したとき、第１のマスクパターンから第ｎ＋１のマスクパターンが全体として基板を覆うことに関する。上記の方法を実施することによって、基板もしくは基板上に結晶成長した窒化物半導体膜直上に形成された第１のマスクパターンの開口部より発生した転位は、第ｎ工程によって作製されたｎ個のマスクパターンの内、何れかのマスクパターンによって遮蔽される。このことにより、第ｎ＋１のマスクパターン上の窒化物半導体膜の最終表面に到達する貫通転位密度は極めて減少する。
【００２５】
本発明の窒化物半導体の製造方法は、前記第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率（マスク幅／ピッチ）が、それぞれ、２０％から８０％であることを特徴とする。なお、第１のマスクパターンのマスク被覆率は、第２のマスクパターンのマスク被覆率以下であることが好ましい。また、基板としては、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、またはＧａＡｓ基板が好ましく用いられ得る。
【００２６】
本発明は、上記結晶成長方法を用いて作製された第ｎ工程後の窒化物半導体層、あるいは、第ｎ工程後の窒化物半導体層上に積層する窒化物半導体膜上に形成された光を発する活性層を有する発光素子に関する。上記結晶成長方法により格子歪みや結晶欠陥の少ない光を発する活性層を有する発光素子が可能になり、発光効率や信頼性の点で極めて優れたものが形成される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態１〕
図１（ａ）を参照して、本実施の形態１の結晶成長方法を説明する。図１（ａ）は、形成される窒化物半導体の断面図を示している。
【００２８】
先ず、所定の成長炉内に設置された、Ｃ面を表面と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２μｍ厚成長させる。
【００２９】
次いで、第１のマスクパターンを形成するため、ＧａＮ層１０１上に成長抑制物質からなる膜としてスパッタ法にて厚さ１００ｎｍ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、ＣＶＤ法、ＥＢ蒸着法、真空蒸着法でもよい。また、成長抑制物質としては、ＳｉＯ2以外にＡｌ2Ｏ3、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（ｗ）７μｍ、ピッチ（ｄ）１０μｍの周期的ストライプ状の第１のマスクパターン１０２とした。図１（ｂ）に形成される窒化物半導体の上面図を示す。図１（ｂ）に示すように、ストライプの方向はＧａＮ結晶の［１−１００］方向とした。
【００３０】
次に、第１のマスクパターン付き基板を用いて、ＭＯＶＰＥ法で第１層目のＧａＮ膜１０４を成長する。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５μｍの第１層目のＧａＮ膜１０４を成長させ、第１工程を完了した。第１層目のＧａＮ膜１０４は第１のマスクパターンの開口部１０５から成長を始め、基板表面に対して垂直方向より水平方向、特にＧａＮ結晶に対して＜１１−２０＞方向に成長速度が早いという異方性により、ほぼサファイア基板全面に渡って平滑に成長した。
【００３１】
マスクパターンのストライプ方向に対して垂直方向に成長したマスクパターン上部分の第１層目のＧａＮ膜１０４はマスクパターンとの間の原子間結合は非常に弱い（マスクからエピタキシャル成長していない）ので格子歪みを生じないが、しかし、ストライプ方向に対して平行方向ではＧａＮ層１０１がサファイア基板との格子定数差で格子歪みが残存しており、第１層目のＧａＮ膜１０４にも格子歪みが引き継がれる。このような第１工程のみでは格子歪みや貫通転位密度が十分に緩和されておらず、これらが内在する第１層目のＧａＮ膜１０４上に半導体レーザを形成したところ、室温連続発振は９００時間程度であった。この発振寿命値は、生産デバイスとしての信頼性を満足するものではなかった。
【００３２】
また、熱歪み（クラック）に関しても上記と同様に、マスクパターンの直上ではＧａＮ結晶とマスクパターンとが原子間結合が非常に小さく、下地層（サファイア基板）からの熱歪みによる影響を受け難いが、マスクパターンの開口上部のＧａＮ結晶は下地層（サファイア基板）からの熱歪みの影響を強く受けている。
【００３３】
第１層目のＧａＮ膜１０４の貫通転位密度は第１のマスクパターン直上では約１０4〜１０5ｃｍ-2のオーダーであったが、マスク開口部直上は約１０7〜１０8ｃｍ-2のオーダーであった。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となった。
【００３４】
次いで、第１層目のＧａＮ膜１０４表面にＳｉＯ2からなる第２のマスクパターン１０６を形成した。この第２のマスクパターン１０６の形成では、第１のマスクパターン１０２と同様の方法により形成した１００ｎｍ厚のＳｉＯ2膜に通常のフォトリソグラフィとエッチングを施し、ストライプ幅８μｍ、ピッチ１０μｍの周期的なＳｉＯ2からなる第２のマスクパターン１０６とした。また、第２のマスクパターン１０６のストライプ方向をウェハー上方より観察した状態で、第１のマスクパターンのストライプと１２０゜の角度をなすようにＧａＮ結晶の［０１−１０］方向になるようにした。この時の半導体素子の上面図を図２に示す。図２は説明上、透視されたときのマスクパターンを表している。
【００３５】
また、第２のマスクパターン１０６のストライプ幅は、下地となるＧａＮ結晶表面を第１のマスクパターン１０２より広く覆うように、第１のマスクパターン１０２のストライプ幅より１μｍ広く作製した。
【００３６】
続いて、この第２のマスクパターン１０６が表面に形成された第１層目のＧａＮ膜１０４上にＭＯＣＶＤ法にて第２層目のＧａＮ膜１０７を基板全面に成長させ、第２工程を終了した。この時の成長条件としては、基板温度１０５０℃とし、成長用材料としてはＴＭＧとＮＨ3を利用した。第２層目のＧａＮ膜１０７の層厚は約５μｍとした。このようにして、形成された第２層目のＧａＮ膜１０７は第２のマスクパターン１０６上方を含めウェハー全面にわたって均一に成長し、その表面はほぼ平坦となった。この状態の第２のマスクパターンと平行な方向のａ−ａ’断面図を図３（ａ）に、第１のマスクパターンと平行な方向のｂ−ｂ’断面図を図３（ｂ）に示す。ただし、ｂ−ｂ’断面は第１のマスクパターン１０２の欠如部の断面であり、図３（ｂ）には第１のマスクパターン１０２は観測できない。
【００３７】
この第２工程において成長された第２層目のＧａＮ膜１０７において、第１工程の場合と同様に、第２のマスクパターン１０６のストライプ方向に垂直な方向での格子歪は、第２のマスクパターンが存在しない場合に比べて低減される。一方、第２のマスクパターンのストライプ方向に平行な方向の格子歪は、下地の第１層目のＧａＮ膜１０４と同様程度となった。ここで、第１層目のＧａＮ膜１０４は、第１のマスクパターン１０２の垂直方向への格子歪は第１工程においてすでに低減されているため、第２層目のＧａＮ膜１０７においては、結果として、第１のマスクパターンのストライプに垂直な方向と、第２のマスクパターンのストライプに垂直な方向の２方向において格子歪が緩和されたこととなった。
【００３８】
また、第２工程で作製した第２層目のＧａＮ膜１０７の貫通転位密度は、第１と第２のマスクパターンの直上部分１０８では約１０3ｃｍ-2のオーダーに減少し、極めて結晶性が向上した。また、第１のマスクパターンの開口部から成長した第２層目のＧａＮ膜の局部の貫通転位密度は、第２のマスクパターン１０６によるラテラル成長で約１０5ｃｍ-2のオーダーであった。また、第１のマスクパターン直上のＧａＮ膜の局部１１０の貫通転位密度は、約１０4ｃｍ-2のオーダーであった。
【００３９】
さらに、第３工程として、第２層目のＧａＮ膜１０７上に第１、第２工程と同様の周期ストライプ状マスクを利用したＧａＮ結晶の成長を実施した。まず、第２層目のＧａＮ膜１０７表面に第１工程と同様の方法により１００ｎｍ厚のＳｉＯ2膜を形成し、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を利用して、幅８μｍ、周期１０μｍの周期ストライプ状に加工し、第３のマスクパターン１１１とした。この第３のマスクパターン１１１のストライプ方向は、第１および第２のマスクパターンのストライプ方向のいずれに対しても１２０°の角度を有するように配置した。すなわち、ＧａＮ結晶に対して［−１０１０］方向である。この時の半導体素子の上面図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）は説明上、上面から透視されたときのマスクパターンを表している。
【００４０】
次に、この第３のマスクパターン１１１を表面に有する第２層目のＧａＮ膜１０７上に、第１及び第２工程と同様にして、５μｍ厚の第３層目のＧａＮ膜１１２を結晶成長させ第３工程を終了した。この第３層目のＧａＮ膜１１２も、ＳｉＯ2からなる第３のマスクパターン１１１を覆うように、全面均一に成長し、その表面はほぼ平坦な単一膜を呈した。また、この第３工程で形成された第３層目のＧａＮ膜１１２においては、第３のマスクパターン１１１のストライプに垂直な方向の格子歪は第２層目のＧａＮ膜１０７に比べてさらに低減された。ａ−ａ’断面の構造図を図４（ｂ）に示す。
【００４１】
このように、３回の工程を経て作製された最表面に位置する第３層目のＧａＮ膜１１２は、１２０°ずつ互いに角度をなす３種のマスクパターン１０２、１０６、１１１上へのＧａＮ成長により得られたものであり、各工程ごとに、マスクパターンのストライプ方向に垂直な方向の格子歪が緩和された効果が蓄積されることとなった。したがって、最表面の第３層目のＧａＮ膜１１２では、互いに同じ角度をなす３種のマスクパターンにより等方に歪が低減された結果、ほぼ歪がいずれの面内方向にもない第３層目のＧａＮ膜１１２が実現された。
【００４２】
また、本実施の形態では第１のマスクパターンのストライプ方向を［１−１００］、第２のマスクパターンのストライプ方向を［０１−１０］、第３のマスクパターンのストライプ方向を［１０−１０］としたが、これに限るものではなく、第１、第２、第３のマスクパターンのストライプ方向が＜１−１００＞方向であり、かつそれぞれのストライプ方向が１２０°の角度差を有すれば、ほぼ歪がいずれの面内方向にもないという効果を奏することができる。
【００４３】
この第３層目のＧａＮ膜１１２表面の貫通転位密度を調べたところ、第１から第３のマスクパターンにより、サファイア基板１００からまっすぐ上方に伸びる貫通転位のほとんどはいずれかのマスクにカバーされて、マスクより上方向に伸びるのを防止できた。このため、第３層目のＧａＮ膜１１２の表面における貫通転位密度は１０3ｃｍ-2から１０4ｃｍ-2と従来技術によるものより一桁以上低減できた。また、第１のマスクパターンの開口部から成長した第３層目のＧａＮ膜の局部１１３のように３種のマスクによりカバーできていない領域も一部存在するが、全体の面積に占める割合は１０％未満と小さく、特にこの領域で貫通転位が増加することもなかった。これは、サファイア基板１００から上方に伸びる貫通転位が、ＧａＮ膜をトータル１５μｍ以上形成する工程にて、左右に拡散し、第３工程において形成された第３層目のＧａＮ膜１１２の表面では、ほぼ均一に貫通転位が分布したものと考えられる。
【００４４】
また、本実施の形態１では、第１のマスクパターン、第２のマスクパターンと第３のマスクパターンは、同じ厚み、且つ、同じ成長抑制材料（ＳｉＯ2）で作製されたが、お互いに異なる膜厚、異なる成長抑制材料から構成されても良くなる。特に、これらマスクパターンの成長抑制材料を同一にすれば、生産性の観点から成長炉を変えずに済み、同一の成長抑制効果が得られることから成長の制御性が良い。窒化物半導体成長方法については上記ＭＯＶＰＥ法以外にＨＶＰＥ法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法を使用しても良い。
【００４５】
〔実施の形態２〕
本発明に係る実施の形態２は、実施の形態１での第２工程で形成したＧａＮ膜１０７をデバイスの下地として用いる場合の、下地としても特性を評価したものである。すなわち、第１実施形態においては、マスク形成とマスク上の結晶成長を３度繰り返したが、ここでは２回で終了した場合の、本発明の効果について説明する。この場合、第１と第２のマスクパターンは互いに１２０°の角度を有する方向に形成されているため、この２つのマスクパターンのストライプ方向に垂直な２方向の格子歪は低減された。ただし、両方のマスクパターンが１２０°をなす角を２分する方向（すなわち図２の紙面の左右方向）の格子歪は若干残存する。
【００４６】
また、第１のマスクパターンと第２のマスクパターンの直上部に位置する第２層目のＧａＮ膜１０７の貫通転位密度は１０3ｃｍ-2台に低減できており、また、第１のマスクパターンの開口部から成長した第２層目のＧａＮ膜の局部１０９における貫通転位密度は１０5ｃｍ-2であった。第２層目のＧａＮ膜１０７の表面全体で平均した貫通転位密度は３×１０4ｃｍ-2であり、従来例に比べて一桁程度の貫通転位の低減も確認できた。歪みに関しては、実施の形態１で記述したように、本発明の第２工程まで行うことによって従来例（第１工程のみ）よりも緩和効果が得られた。
【００４７】
〔実施の形態３〕
本実施の形態３は、実施の形態２の変形例であり、第１工程によって形成された第１マスクパターンのストライプ方向と第２工程によって形成された第２マスクパターンのストライプ方向との角度差が９０度であること以外は実施の形態２と同一である。図５（ａ）には本実施の形態３によって作製されたＧａＮ膜の上面図を示す。ただし、図５（ａ）は説明上、上面から透視されたときのマスクパターンを表す。図５（ａ）に示すように上記の第１のマスクパターン２０２と第２のマスクパターン２０４のストライプ方向は互いに９０度の角度をなし、かつＧａＮ結晶に対してそれぞれ＜１１−２０＞方向と＜１−１００＞方向に沿って形成されている。この第１と第２のマスクパターンのストライプ方向は、それぞれ＜１−１００＞方向と＜１１−２０＞方向に沿って形成されることが好ましいが、この方向に限られれるものではない。
【００４８】
図５（ｂ）は図５（ａ）のａ−ａ′での断面図を示している。まず、Ｃ面のサファイア基板２００をＭＯＶＰＥ成長炉に設置し、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２０１を２μｍ厚成長させた。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２０１上に成長抑制物質としてＥＢ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ）蒸着方法を用いて厚さ１００ｎｍのＳｉＯ2膜を形成した。次いで、通常のフォトレジスト法により該ＳｉＯ2膜をストライプ幅３μｍ、ピッチ７μｍの周期的ストライプ状パターンとし、第１のマスクパターン２０２を形成した。図５（ａ）に示すように、第１のマスクパターン２０２のストライプ方向はＧａＮ結晶の＜１１−２０＞方向とした。
【００４９】
上記第１のマスクパターン付き基板を用いて、ＭＯＶＰＥ法で第１層目のＧａＮ膜２０３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１０μｍの第１層目のＧａＮ膜２０３を成長させ、第１工程を完了した。第１層目のＧａＮ膜２０３は第１のマスクパターンの開口部２０６から成長を始め、基板表面に対して平行方向にラテラル成長した。実施の形態１または２のマスクパターンのストライプ方向である＜１−１００＞方向に比べて、ラテラル成長速度が遅いものの、厚さ１０μｍのＧａＮ膜２０３を積層することによって第１のマスクパターンを覆い、平滑に成長した。
【００５０】
第１層目のＧａＮ膜２０３の貫通転位密度は第１のマスクパターン２０２直上では約１０6ｃｍ-2のオーダーであったが、第１のマスクパターンの開口部２０６直上は約１０7ｃｍ-2のオーダーであった。マスクパターンのストライプ方向が＜１−１００＞方向であるのに比べて、マスクパターン直上での貫通転位密度は１桁〜２桁程度大きかった。歪みの緩和が生じる方向は、上記実施の形態１、２と同様に、マスクパターンのストライプ方向に対して垂直である。
【００５１】
次に、第１層目のＧａＮ膜２０３上に第２のマスクパターン２０４を形成した。第１のマスクパターン２０２形成と同じＥＢ法で、１００ｎｍの厚さのＳｉＯ2を形成し、フォトレジスト法でストライプ幅５μｍ、ピッチ７μｍの周期的ストライプ状パターンとした。この時、第２のマスクパターン２０４のストライプ方向は図５（ａ）に示すように、＜１−１００＞方向である。また、第２のマスクパターン２０４のストライプ幅は第１のマスクパターン２０２のそれより２μｍ大きくした。
【００５２】
次いで、ＭＯＶＰＥ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５μｍの第２層目のＧａＮ膜２０５を成長させ、第２工程を完了した。このようにして成長させたＧａＮ膜２０５はウエハー全面に渡って均一に成長した。
【００５３】
全体的な第２層目のＧａＮ膜２０５の貫通転位密度は１０5ｃｍ-2のオーダーであり、従来例のそれと比べて若干減少していた。歪み（熱歪みも含む）緩和に関して、第１のマスクパターン２０２で生じた歪みの方向は第２のマスクパターン２０４に関しては歪みの緩和方向である。同様に、第２のマスクパターン２０４で生じた歪みの方向は第１のマスクパターン２０２の歪み緩和方向である。従って、本実施の形態３は、実施の形態１、２と比べて歪みを取り除く効果が大きい。  また、上記実施の形態３では、第２工程まで実行したが、上記第１と第２のマスクパターンで遮蔽しきれなかった部分を覆うように第３のマスクパターンを第２層目のＧａＮ膜２０５上に形成し、続いて第３層目のＧａＮ膜を形成しても良い（第３工程まで実施）。このことにより貫通転位密度を上記約１０5ｃｍ-2のオーダーから１０4ｃｍ-2のオーダーに低減することができる。
【００５４】
〔実施の形態４〕
本実施の形態４は、成長抑制効果のあるマスクパターンを含有したＧａＮ膜上に厚膜ＧａＮを形成することを目的とした。従来技術では、窒化物半導体デバイス生産を目的とした適切な大きさ及び良好な表面モフォロジーを有するＧａＮ基板が供給されていないことから、本実施の形態４を実施することによってクラックフリーのＧａＮ基板を提供するものである。
【００５５】
図６（ａ）は本実施の形態４で作製した厚膜ＧａＮを積層した窒化物半導体構造の断面図を示している。符号３００は、実施の形態１から３に示すＧａＮ膜の形成方法を用いて第ｎ工程まで繰り返して作製された基板を含む窒化物半導体（例えばＧａＮ膜）を表し、窒化物半導体３００の最表面３０１は第ｎ工程によって作製された第ｎ層目の窒化物半導体膜（例えばＧａＮ膜）を表している。３０２はＨＶＰＥ法で作製された厚膜のＧａＮ膜を表している。厚膜ＧａＮ３０２はＨＶＰＥ法以外にＭＯＶＰＥ法を用いても良い。図６（ａ）に示されるように、窒化物半導体構造は、基板を含む窒化物半導体３００と厚膜ＧａＮ３０２とからなっている。
【００５６】
本実施の形態４では、第ｎ工程を有する窒化物半導体３００として前記実施の形態１で作製されたＧａＮ膜を例にして説明する。前記実施の形態１で作製されたサファイア基板を含む窒化物半導体３００をＨＶＰＥ装置内にセッティングした。次に、厚膜ＧａＮ３０２を結晶成長させるためにＶ族ガスとしてＮＨ3ガスとキャリアＨ2ガスを混合したガスを、ＩＩＩ族ガスについてはＨＶＰＥ装置内に予め約８５０℃の温度で保持されたＧａ金属上に、ＨＣｌガスを供給してＧａとＨＣｌガスとの反応生成物であるＩＩＩ族塩化物とキャリアＨ2ガスとを混合したガスを、それぞれ窒化物半導体３００がセッティングされているＨＶＰＥ成長炉に送り込み、厚膜ＧａＮ３０２を３５０μｍ成長させた。厚膜ＧａＮ３０２は平滑に成長し、その表面を光学顕微鏡で観測したところクラックは発生していなかった。このようにして、窒化物半導体構造を形成することができた。
【００５７】
本実施の形態４で作製された厚膜ＧａＮ３０２の貫通転位密度は、約１０3〜１０4ｃｍ-2のオーダーで実施の形態１で作製された窒化物半導体３００であるＧａＮ膜のそれと殆ど同じか若干減少していた。歪みに関しては上記実施の形態１と同様である。
【００５８】
本実施の形態４では、第ｎ工程によって作製された基板を含む窒化物半導体（例えばＧａＮ膜）３００の最表面３０１が第ｎ工程によって作製された第ｎ層目の窒化物半導体膜（例えばＧａＮ膜）であったが、図６（ｂ）に示すように第ｎのマスクパターン３０３直上に直接ＨＶＰＥ法を用いて厚膜ＧａＮ３０２を形成しても良い。例えば、図６（ｂ）に示す窒化物半導体３００が実施の形態１の場合は第３のマスクパターン直上に、窒化物半導体３００が実施の形態２と３の場合は第２マスクパターン直上に直接厚膜ＧａＮを形成する。結晶性の特性については本実施の形態４と同じである。
【００５９】
本実施の形態４で作製したサファイア基板を含む半導体構造を新たな基板として利用することができる。また、サファイア基板を、研磨、エッチングまたは熱歪みを利用して剥離し、完全なＧａＮ基板として利用することもできる。完全なＧａＮ基板として用いるときには、厚膜ＧａＮ３０２を基板としてもよいし、サファイア基板を除去するのみではなく、窒化物半導体構造の一部を研磨、またはエッチングを行ったものを用いてもよい。この場合の例としては、最表面をなす第ｎ層目の窒化物半導体膜を基板として用いることなどが挙げられる。
【００６０】
〔実施の形態５〕
図７は、本実施の形態５によって作製されたＬＤ素子構造について示している。図７中のＧａＮ４００から４１２は実施の形態１で述べたもの１００から１１２と全く同じである。
【００６１】
この図で４１３はｎ−ＧａＮ型コンタクト層、４１４はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層、４１５はｎ−ＧａＮ光ガイド層、４１６は５層のＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ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、４１７はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、４１８はｐ−ＧａＮ光ガイド層、４１９はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層、４２０はｐ−ＧａＮ型コンタクト層、４２１はｐ型電極、４２２はｎ型電極、４２３はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００６２】
本発明において、サファイア基板４００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、ＳｉＣ基板、スピネル基板、ＭｇＯ基板、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ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４１４およびｐ型クラッド層４１９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られる。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元混晶半導体でも良く、ｎ型クラッド層４１４とｐ型クラッド層４１９とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００６３】
光ガイド層４１５と４１８は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層４１６を構成する量子井戸層のエネルギーギャップとクラッド層４１４、４１９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、光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４１６側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらには光ガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、光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。
【００６４】
多重量子井戸構造活性層４１６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Ｉｎ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ＩｎＧａＮ３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。
【００６５】
また、本実施の形態５では、多重量子井戸構造活性層４１６に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４１７を形成しているが、これは多重量子井戸構造活性層４１６のＩｎが、ｐ−ＧａＮ光ガイド層の成長温度に到達する間に蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、多重量子井戸構造活性層を保護するものであれば蒸発防止層４１７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、この蒸発防止層４１７にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮ光ガイド層４１８やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層４１９から正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、多重量子井戸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、蒸発防止層４１７を形成しなくてもＩｎ蒸発による活性層のＩｎ組成変化が小さいため、特に、蒸発防止層４１７を積層しなくても、本実施の形態５の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００６６】
次に、図７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等の他の結晶成長法を用いることも出来る。
【００６７】
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ドープｎ−ＧａＮ型コンタクト層４１３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−ＡＩ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層４１４を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮ光ガイド層４１５を成長する。
【００６８】
次に、成長温度を７５０℃に下げて、ＴＭＧ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３ｎｍ）／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３ｎｍ）を成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２８ｎｍ）４１６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７５０℃のままで厚さ３０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層４１７を成長する。
【００６９】
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（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ光ガイド層４１８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０．４μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層４１９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０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮ型コンタクト層４２０を成長して、窒化ガリウム系ＬＤ構造を有する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。
【００７０】
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型コンタクト層４２０の最表面から、ｎ−ＧａＮ型コンタクト層４１３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型コンタクト層４２０、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層４１９をエッチングする。この時、ストライプ状のリッジ構造は、上記２００μｍ幅のメサ構造の両端から３μｍ以上離しておけばよく、本実施の形態５ではｎ型電極４２２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４２２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、このドライエッチングの際には多重量子井戸構造活性層４１６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。
【００７１】
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４２３を電流阻止層として形成する。このＳｉＯ2絶縁膜４２３とｐ型コンタクト層４２０の表面にニッケルと金からなるｐ型電極４２１を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮ型コンタクト層４１３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ型電極４２２を形成して、窒化ガリウム系ＬＤウエハーを完成する。
【００７２】
その後、このウエハーをリッジのストライプ方向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ＬＤ素子を完成する。
【００７３】
以上のようにして作製された半導体ＬＤ素子は、発振波長４１０ｎｍ、発振閾値５０ｍＡという良好なＬＤ特性が得られた。また、結晶欠陥の減少により、９００時間（６０℃）と極めて信頼性の高いＬＤ素子であった。また、結晶欠陥によって劣化したと思われるＬＤ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。
【００７４】
なお、本実施の形態５では、多重量子井戸構造活性層４１６を構成する量子井戸層と障壁の層厚をそれぞれ２ｎｍ、３ｎｍ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５にかかわらず、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４１６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。
【００７５】
さらに本実施の形態５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型コンタクト層４１３の表面にｎ型電極４２２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型電極を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ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。
【００７６】
更に、本発明の結晶成長方法によるＧａＮは大電流を扱うパワーデバイスいわゆるハードエレクトロニクス分野のデバイスとしてＧａＮ  ＦＥＴやＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ素子作製にも適用できる。窒化物半導体をパワーデバイスに適用した場合、大電流による発熱による熱歪みが素子に内在する歪みと重畳して素子の信頼性に大きく悪影響を与えるので、特に、本発明の結晶成長方法は有利である。
【００７７】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態は、第１と第２のマスクパターンを利用することによって形成された窒化物半導体膜の貫通転位密度の低減効果について説明する。本実施の形態で説明する前記第１と第２のマスクパターンを利用した第２層目の窒化物半導体膜の形成方法は実施の形態２と同様である。
【００７８】
表１は、第１のマスクパターンのマスク被覆率と第２のマスクパターンのマスク被覆率による、実施の形態２によって形成された窒化物半導体膜の貫通転位密度との関係を示した表である。ここで、マスク被覆率とは、マスク幅（ｗ）とピッチ（ｄ）を用いて、ｗ／ｄで表記される。
【００７９】
【表１】
0004255168.tif 000002
表１の実験結果から、貫通転位密度は、第１、第２のマスクパターンによらず、マスク被覆率が増加するに連れて、貫通転位密度が減少する傾向に有る。ただし、マスク被覆率が８０％以上になると、逆に貫通転位密度が増加し始める。一般に、マスク直上に成長した窒化物半導体結晶は結晶成長軸方向（基板表面に対して垂直方向）から、マスクストライプ方向と垂直な方向に微傾斜角度を持って成長する。特に、マスク被覆率が大きくなる（マスク幅が大きくなる）と、この微傾斜角度が大きくなる。この事から、前述のマスク被覆率が８０％以上になると、前記微傾斜角度が大きくなり、両側のマスク開口部から結晶成長してきた窒化物半導体結晶がマスク直上で会合するときに、空洞部を形成し、その事が新たな貫通転位の発生要因になっているものと考えられる。
【００８０】
また、マスク被覆率が、約８０％よりも上回ると、ラテラル成長速度が急激に遅くなるために、該マスクを被覆することが困難になり（空洞部の発生要因となる）、完全に該マスクを被覆するためには厚膜を積層しなければならない。さらに、マスク被覆率が９０％以上になると、厚膜を積層しても完全にマスクを埋没させることは困難となる。本発明者らの実験結果では、マスク被覆率９０％において、窒化物半導体膜を５０μｍまで積層したが、埋没しなかった。
【００８１】
表１で示した９０％のマスク被覆率は、第１、第２のマスクパターンによらず、マスクパターンを被覆することができなかった。これらマスクパターンの中央部は、窒化物半導体膜で覆われておらず、マスク方向に対して平行方向に空洞の溝が形成されていた。表１の第１と第２のマスクパターンのどちらかが、マスク被覆率９０％である窒化物半導体膜の貫通転位密度を調べてみると、１０6ｃｍ-2台〜１０7ｃｍ-2台のものが存在した。これは完全にマスクが被覆されていないために、その分だけ貫通転位が減少したものと考えられる。
【００８２】
さらに、表１をみると、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％のときの貫通転位密度と、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％のときの貫通転位密度とを比較したところ、後者の貫通転位密度の方が高かった。ここで、前記Ａ，Ｂは数値であり、Ａ＜Ｂの大小関係を有する。これは、第１のマスクパターン直上に積層した第１層目の窒化物半導体膜厚が、第１のマスクパターンのマスク被覆率に比べて前記微傾斜角度を十分に解消できるほど、厚くなかったためだと考えられる。すなわち、第１層目での微傾斜角度が十分に解消されることなく、第２のマスクパターンを形成したために、さらに微傾斜角度が大きくなり、空洞部の発生を容易にし、第２層目の窒化物半導体膜中の貫通転位密度が低減し難くなったからである。従って、貫通転位密度を効率良く低減するためには、第１層目の窒化物半導体膜厚を十分に厚くして、前記微傾斜角度（空洞部）の発生を抑制するか、第１のマスクパターンのマスク被覆率を小さくして、第２のマスクパターンのマスク被覆率を大きくする必要が有る。本発明者らの実験結果によれば、第１のマスクパターンと第２のマスクパターンとの間の、第１層目の窒化物半導体膜の厚みが、１０μｍ以上になると、徐々に微傾斜角度が緩和し始めた。しかしながら、前者の窒化物半導体膜厚を十分に厚くする方法は、生産性を考えると得策ではない。
【００８３】
以上の実験結果から、第１と第２のマスクパターンを利用して貫通転位密度を効率良く低減するためには、第１、第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ約２０％から８０％（貫通転位密度約１０7ｃｍ-2台以下、完全な被覆膜）が好ましい。より好ましくは、第１、第２のマスクパターンの被覆率が約５０％以上８０％以下（貫通転位密度約１０5ｃｍ-2台以下）である。さらに好ましくは、６０％以上７０％以下（貫通転位密度約１０4ｃｍ-2台以下）である。また、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との関係がＡ≦Ｂであることが好ましい。加えて、生産性を考慮した場合、第１、第２のマスパターンのマスク被覆率が同一であることが望ましい。この事によって、第１、第２層目の窒化物半導体膜の選択成長様式が同一になるため、選択成長の制御制、再現性が良く、また、同一の生産プロセスを適用することができるため、歩留まりも向上する。
【００８４】
第１、第２のマスクパターンの、各々のマスク被覆率については、約６０％〜７０％のときが最も貫通転位密度が低かった。このことは、各々の第ｎ番目のマスクパターンについても同じであった（ｎ≧１）。
【００８５】
本発明の実施の形態で示した第１と第２のマスクパターンは、互いに１２０度回転した方向に形成した場合であるが、実施の形態３で記述した、互いに９０度回転した方向であっても同様の効果が得られた。また、第１と第２のマスクパターンとの間の角度が、上記で指定した角度（１２０度または９０度）から±１０度以内のズレであれば、本質的な相違は無く、本発明の実施の形態と同様な効果が得られた。さらに、詳細に調べた結果、第１と第２のマスクパターンが平行でない限り、本発明の実施の形態と同様な効果が得られた。これは、上記で述べたように、各々のマスクパターンのマスク被覆率に対する貫通転位密度の特性は変わっておらず、第１と第２のマスクパターンで、どれだけ窒化物半導体膜を被覆できたかに依存しているためだと考えられる。
【００８６】
（実施の形態７）
本実施の形態は、発明の実施の形態で述べた第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ、７０％、７０％の場合について、平坦な第２層目の窒化物半導体膜上に形成した窒化物半導体レーザについて述べる。窒化物半導体レーザの作製方法については、実施の形態５と同様の手法で作製した。レーザ発振寿命を調べたところ、発振波長４１０ｎｍで、レーザ出力４０ｍＷ一定下、雰囲気温度５０℃で１２００時間以上であった。
【００８７】
また、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ６０％以上７０％以下であれば、本実施の形態と同様のレーザ発振寿命が得られた。これは、窒化物半導体レーザ素子を構成している窒化物半導体結晶の貫通転位密度が大きく低減したことによって、レーザの利得損失が大幅に改善されたためである。このことから、本手法を用いれば、光ディスクシステムにおける記録用高出力レーザが作製できる。
【００８８】
上記第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ６０％以上７０％以下であれば、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が異なっていても構わない。発明の実施の形態で記述したように、好ましくは、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との関係がＡ≦Ｂである。
【００８９】
（実施の形態８）
本実施の形態は、発明の実施の形態で述べた第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ、５０％、５０％の場合について、平坦な第２層目の窒化物半導体膜上に形成した窒化物半導体レーザについて述べる。窒化物半導体レーザの作製方法については、実施の形態５と同様の手法で作製した。レーザ発振寿命を調べたところ、発振波長４１０ｎｍで、レーザ出力１０ｍＷ一定下、雰囲気温度５０℃で２０００時間以上であった。
【００９０】
上記では第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ、５０％、５０％の場合について述べたが、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ５０％以上８０％以下であれば、本実施の形態と同様のレーザ発振寿命が得られた。これは、窒化物半導体レーザ素子を構成している窒化物半導体結晶の貫通転位密度が低減したことによって、レーザの利得損失が改善されたためである。このことから、本手法を用いれば、光ディスクシステムにおける再生用に必要なレーザ出力が十分に確保された。さらに、実施の形態７で示したように、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ、６０％以上７０％以下であればさらなる効果が得られる。
【００９１】
尚、上記第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ５０％以上８０％以下であれば、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が異なっていても構わない。発明の実施の形態で記述したように、好ましくは、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との関係がＡ≦Ｂである。
【００９２】
（実施の形態９）
本実施の形態は、発明の実施の形態で述べた第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ、３０％、３０％の場合について、平坦な第２層目の窒化物半導体膜上に形成した窒化物半導体レーザについて述べる。窒化物半導体レーザの作製方法については、実施の形態５と同様の手法で作製した。レーザ発振寿命を調べたところ、発振波長４１０ｎｍで、レーザ出力５ｍＷ一定下、雰囲気温度５０℃で１８００時間以上であった。
【００９３】
このようにそれぞれのマスクの被覆率が３０％の場合でも、実施の形態８よりは寿命は短いが、充分実用化できる寿命を達成することができた。また、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ２０％以上８０％以下であれば、本実施の形態と同様のレーザ発振寿命が得られた。これは、窒化物半導体レーザ素子を構成している窒化物半導体結晶の貫通転位密度が低減したことによって、レーザの利得損失が改善されたためである。このことから、本手法を用いれば、光ディスクシステムにおける再生用レーザが作製できる。また、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率がそれぞれ、５０％以上８０％以下であれば実施の形態８の効果が、さらに６０％以上７０％以下であれば実施の形態７で示す効果が得られる。
【００９４】
つまり、上記第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が、それぞれ２０％以上８０％以下であれば、第１と第２のマスクパターンのマスク被覆率が異なっていても構わない。発明の実施の形態で記述したように、好ましくは、第１のマスクパターンのマスク被覆率Ａ％、第２のマスクパターンのマスク被覆率Ｂ％との関係がＡ≦Ｂである。
【００９５】
【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は、成長抑制効果のある物質と窒化物半導体膜を交互に積層させることによって、歪みが殆どなくかつ貫通転位密度が１０4ｃｍ-2以下と極めて小さい結晶が得られた。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よく生産できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１又は２で示した第１工程完了後の製造工程図である。
【図２】本発明の実施の形態１又は２で示した第２工程完了後の上面からの透視図である。
【図３】本発明の実施の形態１又は２で示した第２工程完了後の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１で示した第３工程完了後の透視図及び断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３で示した製造方法での透視図及び断面図である。
【図６】本発明の実施の形態４で示した厚膜窒化物半導体の製造方法を示す断面図である。
【図７】本発明に係る窒化物半導体を用いた半導体レーザダイオードデバイスの断面図である。
【図８】選択成長方法による第１の従来例である。
【図９】選択成長方法による第２の従来例である。
【符号の説明】
１００、２００、４００  サファイア基板
１０１、２０１、４０１  ＧａＮ層
１０２、２０２、４０２  第１のマスクパターン
１０４、２０３、４０４  第１層目のＧａＮ膜
１０５、２０６  第１のマスクパターンの開口部
１０６、２０４、４０６  第２のマスクパターン
１０７、２０５、４０７  第２層目のＧａＮ膜
１０８  第１と第２のマスクパターン直上部分
１０９  第１のマスクパターンの開口部から成長した第２層目のＧａＮ膜の局部
１１０  第１のマスクパターン直上の第２層目のＧａＮ膜の局部
１１１、４１１  第３のマスクパターン
１１２、４１２  第３層目のＧａＮ膜
１１３  第１のマスクパターンの開口部から成長した第３層目のＧａＮ膜の局部
３００  窒化物半導体
３０１  最表面
３０２  厚膜ＧａＮ
３０３  第ｎのマスクパターン
４１３  ｎ−ＧａＮコンタクト層
４１４  ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層
４１５  ｎ−ＧａＮ光ガイド層
４１６  多重量子井戸構造活性層
４１７  Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層＊
４１８  ｐ−ＧａＮ光ガイド層
４１９  ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ型クラッド層
４２０  ｐ−ＧａＮ型コンタクト層
４２１  ｐ型電極
４２２  ｎ型電極
４２３  ＳｉＯ2絶縁膜
５００、６００  サファイア基板
５０１、６０２  ＳｉＯ2マスク
５０２、６０３  ＳｉＯ2マスク開口部
５０３  ＧａＮ膜
５０４  ＳｉＯ2マスク直上のＧａＮ
６０１  ＭＯＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜
６０４  ＨＶＰＥ法で成長したＧａＮ膜
【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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