JP2003309331A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体層を極めて低い欠陥密度で形成する結
晶成長技術を実現し、半導体装置の寿命又はこの動作に
係るキャリアの寿命もしくは移動度を当該半導体装置の
実用化に十分な値に改善する。 【解決手段】 基板上に一部窓明けすることにより基板
を露出させた非晶質構造を有する絶縁体を形成する。窓
明けにより露出した基板上と絶縁体上に、構成元素とし
て少なくとも窒素を含む化合物半導体を積層して半導体
材料を形成する。半導体材料又は半導体材料上に更に半
導体材料を積層した半導体材料を加工して半導体装置を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，
Ｉｎ，Ｔｌなる所謂III 族元素の少なくとも１種とＮ，
Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉなる所謂Ｖ族元素の少なくとも１
種から構成されるIII −Ｖ族化合物半導体の結晶成長に
係わり、特に六方晶系(hexagonal system)の構造を有す
る結晶又はＶ族元素としてＮ（窒素）を含むことが要請
されるIII−Ｖ族化合物（以下、窒化物半導体）の結晶
を形成するに望ましい結晶成長技術に関する。また本発
明は、六方晶系構造を有する結晶又は窒化物半導体から
なる半導体装置に係り、紫外光に至る波長での発光に適
し又は光情報処理或は光応用計測光源に適する半導体発
光素子や半導体レーザ素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ
材料を用いて青色波長領域の発光を行うダイオードやレ
ーザ素子に関する報告が、アプライド・フィジックス・
レター誌第64巻(1994 年3 月)、1687-1689 頁（Appl.Ph
ys.Lett.，Vol.64(1994)，pp.1687-1689 ）（記事１）
並びに同誌第67巻(1995 年9 月)、1868-1870頁（Appl.P
hys.Lett.,Vol.67(1995)，pp.1868-1870 ）（記事
２）、及びジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライ
ド・フィジックス誌第34巻7A号(1995 年7 月)、L797-L7
99 頁（Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.34(1995)，pp.L797-L79
9）（記事３）、同誌第34巻10B 号(1995 年10月)、L133
2-L1335 頁（Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.34(1995)，pp.L13
32-L1335）（記事４）並びに同誌第34巻11B 号(1995 年
11月)、L1517-L1519 頁（Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.34(19
95)，pp.L1517-L1519）（記事５）に掲載されている。 【０００３】この記事１乃至５に開示された半導体装置
に共通することは、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板上に上
述の窒化物半導体からなるバッファ層を形成し、更にそ
の上に窒化物半導体層が積層されていることである。こ
のような構造は、特開平４−２９７０２３号公報（並び
にその分割出願たる特開平７−３１２３５０号公報とそ
の対応米国出願たる米国特許５，２９０，３９３号公
報）及び特開平４−３２１２８０号公報に開示されてい
る。特開平４−２９７０２３号公報が教示するところに
よれば、サファイア基板上にＧａ_ｘＡｌ_１−ｘＮ（０≦
ｘ≦１）なる第１の窒化物半導体層をこれらの融点より
低温の３００〜７００℃で形成すると、多結晶層が得ら
れる。この多結晶層上に１０００〜１０５０℃の温度で
第２の窒化物半導体層を成長させると、第２の窒化物半
導体層は第１の窒化物半導体層を構成するグレイン（結
晶粒）を核にエピタキシャル成長するというものであ
る。その結果、サファイア基板上に表面状態の良い窒化
物半導体のエピタキシャル膜を形成できるため、上述の
多結晶層を半導体装置形成のためのバッファ層として利
用することが提案されている。 【０００４】ところで上述の窒化物半導体からなる半導
体装置がサファイア基板上に形成される理由は、その結
晶構造がＧａＡｓ等（閃亜鉛鉱型の立方晶系構造を有す
る）と異なり、六方最密充填構造（六方硫化亜鉛又はウ
ルツ鉱構造とも呼ばれる）であることが特公平６−１０
１５８７号公報に開示されている。しかし、この公報に
よれば、ＧａＮとサファイアとの格子定数差が約１４％
と大きいため、サファイア基板上に形成される窒化物半
導体層には転位等の格子欠陥が生じ、これにより窒化物
半導体層に形成される不飽和結合がドナ・レベルを形成
したり又はドナとなる不純物元素を吸収することで、こ
の窒化物半導体層をｎ型とし、またはこの窒化物半導体
層に注入されるキャリアの寿命を縮める問題が生じてい
る。この公報は、この問題を解決すべく基板としてキュ
ービック・スピネル型結晶構造のＭｇＡｌ₂Ｏ₄やＮａＣ
ｌ型結晶構造のＭｇＯ等を基板に採用し、その基板上に
窒化物半導体層を格子整合させて形成する技術を開示す
る。この技術を応用した半導体レーザは、アプライド・
フィジックス・レター誌第68巻(1996 年4 月)、2105-21
07 頁（Appl.Phys.Lett.,Vol.68(1996)，pp.2105-210
7）（記事６）にて報告されている。 【０００５】上記従来技術によれば、六方晶系（hexago
nal system）の結晶構造を有するIII −Ｖ族化合物半導
体又はＶ族元素としてＮ（窒素）を含むことが要請され
る所謂窒化物半導体からなる半導体装置の実現性を教示
しているが、その実用性を保証するデータ（例えば、レ
ーザ素子における連続発振時間）は十分とはいえない。
特に、窒化物半導体層に発生する欠陥の密度は、本発明
者らによる追試で１０ ¹¹ｃｍ^-2と高く、少なくとも１０
００時間連続して発振できるレーザ素子をこの条件で実
現するのは不可能であると判断した。 【０００６】最近Cree Research，Inc．とNorth Americ
a Phillips社との共同研究により、基板にＳｉＣ結晶を
採用することで、この上に形成される窒化物半導体層の
格子欠陥密度を１０⁸ｃｍ^-2迄低減し、従来に比べて輝
度の高い青色半導体レーザ素子が実現できたことが、日
経エレクトロニクス誌１９９５年１２月４日号（第６５
０号）第７頁（NIKKEI ELECTRONICS 1995.12.4 (no.65
0)，pp.7）（記事７）に報告されている。しかし記事７
によれば、窒化物半導体層の欠陥密度はレーザ素子の長
寿命化には十分でなく、また欠陥密度低減にはＳｉＣ基
板の結晶の欠陥密度（現在、１０⁴ｃm^-2）を低減するこ
とが不可欠とされる。従って、窒化物半導体層をＳｉＣ
基板上に形成して半導体レーザを形成する場合、長寿命
化のためには窒化物半導体層の成長のみならずＳｉＣ基
板の品質向上も不可欠となり、開発コストの上昇も予想
される。 【０００７】また、これまで紹介した記事や公報は、発
光活性層や光導波層に対して用いる窒化物系材料の構成
について言及しているが、さらに半導体レーザの横モー
ドを制御するための導波路や活性層形状に関しては言及
していない。従って、このような導波路構造に適した結
晶欠陥密度の低減手法や導波路の特に活性層近傍におけ
る光損失の低減手法はいずれの記事又は公報においても
説明されていない。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、六方晶系（hexagonal system）の結晶構造を有する
III −Ｖ族化合物半導体又はＶ族元素としてＮ（窒素）
を含むことが要請される所謂窒化物半導体からなる半導
体層を極めて低い欠陥密度で形成する結晶成長技術の実
現にある。「極めて低い欠陥密度」とは、上述のＳｉＣ
基板を採用した技術でも打破することが難しい１０⁷ｃ
ｍ^-2のオーダ又はそれ以下の欠陥密度を指す。この結晶
成長技術は、作製される半導体層の欠陥密度を一様に低
減する技術のみならず、所望の領域のみの欠陥密度を低
減する所謂選択的な結晶成長についても検討の対象とす
る。 【０００９】また本発明の第２の目的は、上述の結晶成
長技術を応用して作製される半導体装置の寿命又はこの
動作に係るキャリアの寿命もしくは移動度（mobility）
を当該半導体装置の実用化に十分な値に改善することに
ある。特に発光素子やレーザ素子の例においては、上述
の選択的な結晶成長方法に基づく導波路や活性層の形状
制御や、光損失を低減するに好適な光導波路の構成、及
びレーザ素子における平坦又は平滑な活性層から量子効
率の高い誘導放出光を取り出すに好適な構成を規定する
ことにある。即ち、本発明の第２の目的の一局面が目指
す技術は、青紫色波長領域において基本横モードを安定
に導波でき、低閾値かつ高効率で動作するレーザ素子を
実現するに好適な導波路や活性層構造を規定することに
ある。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、構成元
素として少なくとも窒素を含む化合物半導体の結晶から
なる第１の領域と非晶質構造の絶縁体からなる第２の領
域を有し、上記第１の領域の少なくとも一部は上記第２
の領域上に成長されている半導体材料にある。本発明者
の一人は、本出願の優先権主張の基礎となる特願平７−
２３８１４２号の明細書において、次のような半導体レ
ーザ素子を提案している。その一例を図１を参照して説
明すると、(0001)C 面を有するサファイア（α−Ａｌ₂
Ｏ₃）の単結晶基板１上に、第１の窒化物半導体層（Ｇ
ａＮバッファ層２，ｎ型ＧａＮ光導波層３）を結晶成長
させ、次に第１の窒化物半導体層上に設けた絶縁膜マス
ク４を形成する。この絶縁膜マスク４には四角形窓領域
の周期的なパターンが設けられ、この窓領域では第１の
窒化物半導体層の上面（ｎ型ＧａＮ光導波層３の上面）
が露出している。この状態で絶縁膜４上（窓領域では第
１の窒化物半導体層上）に、第２の窒化物半導体層（ｎ
型ＧａＮ光導波層５）が選択成長される。なお、図１Ｂ
は絶縁膜マスク４の平面を、図１Ａは、図１ＢのＡ−
Ａ’断面を示す。 【００１１】即ち、本発明者の一人が提案する半導体レ
ーザ素子は、第２の窒化物半導体層の結晶成長の核生成
領域を上述の窓領域から露出するｎ型ＧａＮ光導波層３
の表面に限定して、その３次元的な生成密度を高めるこ
とで、第２の窒化物半導体層をまず窓領域を埋めるよう
に成長させ、その成長表面が絶縁膜４上面に達した段階
で絶縁膜４上での成長を開始させるところに特徴を有す
る。第２の窒化物半導体層は、個々の窓領域から突出し
た部分の表面が絶縁膜４上面に対して平行方向並びに垂
直方向に延伸するように成長するため、窓領域を略同一
の面積で且つ周期的に（或いは略等間隔で）設けると、
隣接し合う窓領域から夫々延伸してきた結晶層が略同時
に絶縁膜４上で合体する。これにより、第２の窒化物半
導体層を平坦な成長面を有する結晶層として絶縁膜４上
に形成し、また絶縁膜マスクを用いない通常のバルク成
長に比べて第２の窒化物半導体層の結晶粒界や結晶欠陥
を低減する効果を奏する。 【００１２】本発明者は、上述の本発明の半導体レーザ
素子を絶縁膜にＳｉＯ₂を用いて数ロット作製し、これ
を結晶成長方向に薄片化して透過型電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）で観察した。半導体レーザ素子は、サファイア（α
−Ａｌ₂Ｏ₃）単結晶基板の(0001)C 面上に第１の窒化物
半導体層、目空き部（窓領域）を有する絶縁膜、第２の
窒化物半導体層を順次積層して作製した。また、絶縁膜
の目空き部には第２の窒化物半導体層の一部が形成さ
れ、目空き部の底部にて第１の窒化物半導体層に接合し
ている。この半導体レーザ素子の所謂断面ＴＥＭ像か
ら、次の知見を得た。 知見１：ＳｉＯ₂膜（絶縁膜）上で成長した第２の窒化
物半導体層の結晶欠陥密度は１０⁴〜１０⁵ｃｍ^-2の範囲
かこれよりも低い。これに対し、ＳｉＯ₂の目空き部に
て第１の窒化物半導体層の上面から成長した第２の窒化
物半導体層の結晶欠陥密度は、これまで報告されている
ような１０⁹〜１０¹¹ｃｍ^-2のレベルである。目空き部
で成長した第２の窒化物半導体層に見られる欠陥（転
位）の殆どはサファイア基板の界面で発生し、第１の窒
化物半導体層を貫通してこの層に入り、そのごく一部が
ＳｉＯ₂上に形成された第２の窒化物半導体層に侵入し
ていることである。換言すれば、ＳｉＯ₂上の第２の窒
化物半導体層に見られる欠陥はＳｉＯ₂の目空き部から
離れるにつれて急激に減少している。この欠陥の発生
は、図１に破線で模式的に示される。 【００１３】本発明者は、知見１を図２に示す六方晶系
結晶の単位構造に照らし、絶縁膜に目空き部を設けて窒
化物半導体結晶成長の核の形成を制限し、その核生成密
度を高めて形成した窒化物半導体レーザ素子について次
のように考察した。 【００１４】六方晶系結晶の１種である六方硫化亜鉛
（ウルツ鉱）構造を有する結晶の成長には、欠陥はｃ軸
方向に選択的に延伸し、これ以外の軸方向には増殖しな
いという特徴がある。目空き部及び絶縁膜上で成長した
第２の窒化物半導体層は電子線回折パターンからともに
ウルツ鉱構造の結晶であることが確認されたが、ウルツ
鉱構造に特徴的なｃ軸方向に延伸する欠陥は絶縁膜上の
窒化物半導体層には殆ど見られない。第２の窒化物半導
体層を目空き部側壁上に延伸する仮想界面（図１Ａ，１
Ｂに点破線で示す）で２つの領域に分けると、絶縁膜上
の領域の欠陥は略全て目空き部側の領域の欠陥を仮想界
面にて継承している。従って、絶縁膜上の領域は仮想界
面からｃ軸に対して略垂直方向に成長する（即ち、ホモ
エピタキシャル成長）と仮定すれば、その領域の欠陥密
度の低さはｃ軸方向以外には欠陥が増殖しないウルツ鉱
構造の結晶成長の性質によるものと説明できる。 【００１５】そこで、本発明者は次の結論を得た。 結論１：窒化物半導体の結晶は、絶縁膜の目空き部にて
結晶構造を有する領域の表面から当該表面の原子配列に
倣って縦方向（即ち、当該表面に対し垂直方向）に延伸
するように成長し、絶縁膜上にて目空き部から突出して
成長した窒化物半導体の側面を新たな成長界面として横
方向（即ち、当該絶縁膜上面に略平行な方向）に成長す
る。換言すれば、窒化物半導体の結晶成長は、絶縁膜の
目空き部と当該絶縁膜上とで異なる態様を選択的に示す
所謂選択性結晶成長であり、また後者の場合、実質的に
ホモエピタキシャル成長である。 【００１６】ここで、ｃ軸とは六方晶系の結晶の単位構
造（unit cell）の原子配列を規定する座標軸（結晶軸
と呼ばれる）であり、図２においてはｃと記した矢印線
（単位ベクトル）として表記される（ａ1軸、ａ2軸、ａ
3軸も同様に表記）。図２では、III 族原子（Ｇａ，Ａ
ｌ等）を白丸で、Ｖ族原子（Ｎ，Ａｓ等）を黒丸で示し
ている。六方晶系の結晶面は、これら単位ベクトルによ
り規定される指数(a1,a2,a3,c)で標記され、その一例は
図２に示すとおりである。サファイアも窒化物半導体と
同じく六方晶系の結晶構造を有するため、その(0001)C
面はｃ軸に直交する結晶面であることは図２から明らか
であろう。なお、六方晶系の結晶構造におけるａ1軸及
びａ2軸はａ軸及びｂ軸とも標記され、この標記に基づ
きａ軸、ｂ軸、ｃ軸は通常[100]、[010]、[001]なる指
数[a,b,c]として表されることもある。以上、六方晶系
の結晶構造に関して基礎的な説明を加えたが、図２を参
照してみれば、上述の第１の窒化物半導体層が同じ六方
晶系のサファイア結晶基板の(0001)面上にｃ軸方向にエ
ピタキシャル成長していることが理解できよう（このよ
うに成長した第１の窒化物半導体層の結晶は、サファイ
ア基板に対しｃ軸配向しているという）。 【００１７】本発明者は、結論１に基づき窒化物半導体
の選択成長の本質を更に検討するため、目空き部を有す
る絶縁膜の結晶構造（非晶質又は単結晶）及び構成元素
とこの絶縁膜を覆うように形成される窒化物半導体の結
晶性について調べた。この調査にあたり、図３Ａ〜３Ｅ
に示すようにサファイア基板１の(0001)C 面上に目空き
部４０を有する絶縁膜４を形成又は接着し、上述の半導
体レーザ素子と同様に目空き部に核形成領域を制限して
絶縁膜上に窒化物半導体結晶５を成長させた。絶縁膜や
窒化物半導体の組成をロット毎に変えた結果、次の知見
を得た。 【００１８】知見２：絶縁膜が非晶質のＳｉＯ₂、Ｓｉ₃
Ｎ₄（ＳｉＮ_x）、ＳｉＯ₂：Ｐ₂Ｏ₅（ＰＳＧ）、ＳｉＯ
Ｎ及びＴａ₂Ｏ₅では、絶縁膜上に形成された窒化物半導
体層に見られる欠陥は目空き部から離れるにつれて急激
に減少していた。また絶縁膜上に形成された窒化物半導
体層における結晶欠陥密度は、１０⁴〜１０⁵ｃｍ-²の範
囲又はこれ以下であった。 【００１９】知見３：絶縁膜が結晶構造を有するＳｉＣ
やＢａＴｉＯ₃では、窒化物半導体層の成長が目空き部
（サファイア基板上）と同時に絶縁膜上でも開始した。
窒化物半導体層の成長面は窓領域の有無を反映した凹凸
を有し、絶縁膜上にも目空き部に匹敵する密度（１０⁸
〜１０¹¹ｃｍ^-2の範囲）で結晶欠陥が発生した。 【００２０】知見４：さらに、サファイア基板の表面を
Ｇａイオン照射で部分的に非晶質化し、この表面上に窒
化物半導体層を成長させたところ、結晶構造が維持され
た表面と略同時に非晶質化表面でも結晶成長が開始し
た。非晶質化表面上に形成された窒化物半導体層の結晶
欠陥密度は結晶構造を有する表面上に比べて低いながら
も、ＳｉＯ₂膜上の窒化物半導体層で得られた結晶欠陥
密度に比べて劣る（１０⁶〜１０⁸ｃｍ^-2）ことが判明し
た。 【００２１】以上の実験では、いずれの場合も目空き部
にて成長した窒化物半導体層に１０ ⁸〜１０¹¹ｃｍ^-2の
範囲の密度の欠陥が見られた。なお、この実験について
は、発明の実施の形態にて詳述する。 【００２２】本発明者は、これらの知見２〜４から次の
結論を得た。 結論２：窒化物半導体の結晶は、下地となる絶縁膜が非
晶質であると欠陥が延伸しにくい所謂ｃ軸に垂直な方向
への成長が活発となる。逆に絶縁膜が結晶構造を有する
場合、窒化物半導体の結晶成長は絶縁膜表面の原子配列
に規定されたヘテロエピタキシャル成長となる。即ち、
窒化物半導体結晶の欠陥の低減には、その絶縁膜上にお
ける原子配列に対する当該絶縁膜の原子配列の影響を除
くことが不可欠であり、従って絶縁膜は非晶質構造であ
ることが要請される。 【００２３】さらに本発明者は結論２を検証するため
に、一様且つ略平坦に形成された非晶質の絶縁膜表面の
中央にＧａ原子の微小な液滴を付着させ、これをアンモ
ニア雰囲気にて成長温度１０３０℃に加熱した。この実
験の詳細は発明の実施の形態の総論で後述することにし
て、ここでは結果を述べる。この実験では、絶縁物上で
の結晶成長機構を明らかにするために、絶縁膜としてシ
リコン単結晶基板表面を酸化して形成された非晶質Ｓｉ
Ｏ₂膜１０１を用い、このＳｉＯ₂膜に上述の目空き部を
設けずに窒化物半導体を成長させた。この実験結果か
ら、次の知見を得た。 【００２４】知見５：Ｇａ原子の液滴を形成した領域に
鏡面を有する微結晶が形成された。さらに非晶質ＳｉＯ
₂膜の温度を成長温度１０３０℃に保ち、アンモニア雰
囲気でトリメチルガリウム（ＴＭＧ）のガスを供給する
と、上述の微結晶を中心に六角柱型の単結晶が徐々に成
長した。この単結晶の断面をＴＥＭ観察したところ、結
晶中に見出された欠陥の密度は上述の選択性成長の値
（１０⁴〜１０⁵ｃｍ^-2）を遥かに下回り、ロットによっ
ては実質的に無欠陥とみなせるものもあった。 【００２５】本発明者は、上述の実験及びこれから得た
知見５に基づき絶縁物上での窒化物半導体の結晶成長機
構を図４Ａ〜４Ｅに示すモデルとして解釈した。なお図
４Ａ〜４Ｅのモデルでは、Ｇａ原子（III 族元素）を白
丸、Ｎ原子（Ｖ族元素）を黒丸で示し、また夫々の原子
の移動方向を丸に添付した矢印で示した。以下に、本発
明者の見解を詳述する。 【００２６】本発明者の解釈によれば、非晶質の絶縁膜
上におけるＮ原子及びＧａ原子は安定な状態を求めて活
発に動き回る。これは、アトミック・マイグレーション
（atomic migration）というシリコンの最表面において
テラス状のステップを形成するＳｉ原子の挙動に共通す
る。本実験では、非晶質の絶縁膜上にＧａ原子を液滴と
して固定した（図４Ａ）が、この状態でアンモニア雰囲
気に曝すと、雰囲気より供給されるＮ原子が絶縁膜上に
付着し、Ｇａ原子の液滴に辿りつく。上述のように、II
I 族元素のＧａ原子に対して最外殻電子を補完し合うＶ
族元素のＮ原子は、Ｇａ：Ｎ＝１：１なる化学量論比の
ペアを組む、即ち化合物を形成することで安定化する
（図４Ｂ）。 【００２７】さらに、絶縁膜の温度をＧａＮの単結晶が
成長するに最適な温度にすると、Ｇａ液滴に集まるＮ原
子は化合物の安定性を高めるために互いに規則的な配列
を構成し、これにより上述の微結晶を形成する（図４
Ｃ）。この状態では、絶縁膜上においてＧａＮ結晶を形
成に関与しない余剰のＮ原子が存在するが、ここでＴＭ
Ｇを供給すると絶縁膜上に存在するＧａ原子数とＮ原子
数との比が上述の化学量論比に近づく。但し、Ｇａ原子
もＮ原子も絶縁膜上において速い速度で動き回るので、
これらが相互に衝突する確率は絶縁膜上に固定されたＧ
ａＮの結晶に衝突する確率に比べて無視できるほどに低
い。従って、アンモニア雰囲気とＴＭＧから供給される
Ｎ原子及びＧａ原子の全ては実質的にＧａＮの結晶の成
長に関与する（図４Ｄ）。その結果、ＧａＮ微結晶の全
ての結晶面において結晶成長が進行し、ＧａＮ単結晶は
六角柱状の形状を保ちつつ肥大化する（図４Ｅ）。以上
の流れから明らかなように、絶縁膜上での窒化物半導体
結晶の直接成長は、絶縁膜上に液滴として供給されたＧ
ａ原子を核として開始される。 【００２８】以上の解釈に基づいて、本発明者は次の結
論を得た。 結論３：窒化物半導体層は上述の選択性結晶成長に依ら
ずとも、非晶質構造の絶縁膜上に直接成長させることが
可能である。この場合、絶縁膜上に結晶成長の核を形成
することが必要であるが、この核はIII 族元素の原子だ
けで十分である。結論３は、絶縁膜上に結晶成長の核を
供給しない限り新たな結晶成長は生じないことを示唆す
る一方、非晶質構造の絶縁膜表面に存在する原子の種類
により予期せぬ結晶成長が生じ得ることも示唆する。即
ち結論３に依れば、上述の知見４として得られた非晶質
化したサファイア基板表面上における窒化物半導体層の
成長が、結晶構造が維持された表面と略同時に開始し、
その結晶欠陥密度はＳｉＯ₂膜上に成長した窒化物半導
体層に比べて高い事実が次のように矛盾無く説明できる
のである。 【００２９】まず、結晶成長が非晶質化部分と結晶部分
とで略同時に生じた原因は、非晶質化表面に存在するサ
ファイアの構成元素たるＡｌ原子がIII 族元素として窒
化物半導体層の核を形成するためであり、換言すればＡ
ｌ原子が知見５に記したＧａ原子の液滴と同じ役割を演
じるのである。この結果、非晶質構造の絶縁膜たるサフ
ァイアの非晶質化表面上に不規則な配置で微結晶が生
じ、これから成長する単結晶領域同志が結晶成長時間に
対して個々別々に合体を起こすことで単結晶領域間に予
期せぬ応力が生じるものと考えられる。特に絶縁膜表面
の僅かな起伏は、単結晶領域間のｃ軸の配向角度の差と
して現れるため、一方の領域の結晶成長方向が他の領域
の結晶に食い込むように進み、これにより双方の領域間
において結晶欠陥を誘起する応力が発生する。従って、
非晶質化部分上の窒化物半導体層には、結晶部分上の
（即ち、格子不整合の影響を受けた）窒化物半導体層程
でないにしても、多数の結晶欠陥が見られる。 【００３０】以上のことから、非晶質の絶縁膜上での窒
化物半導体層の直接成長に際しては、絶縁膜表面におけ
るIII 族元素の分布を制御することが重要であり、望ま
しくは絶縁膜はIII 族元素を構成元素として含まない材
料で形成すべきことが明らかとなった。換言すれば、非
晶質絶縁膜を構成する材料の組成は、その上に形成され
る半導体層のそれと異なることが望ましく、更に詳しく
はIII 族元素を構成元素として含まないことが望まし
い。また、上述の検討は窒化物半導体即ちＢ，Ａｌ，Ｇ
ａ，Ｉｎ，ＴｌなるIII 族元素の少なくとも１種とＮ，
Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，ＢｉなるＶ族元素の少なくとも１種か
ら構成される所謂III −Ｖ族化合物半導体であり且つＶ
族元素としてＮ（窒素）を含む半導体結晶について行っ
てきたが、また所謂III −Ｖ族化合物半導体であり且つ
六方晶系（hexagonal system）の構造を有する半導体結
晶についてもこれらの検討結果をフィードバックできる
ものと本発明者は判断した。 【００３１】以上の検討結果に基づき、本発明者は新た
な構成を有する半導体材料及びその製造方法を以下に提
案する。ここでいう半導体材料とは、半導体装置の構造
中に採用されるものに限らず、例えばその上部に半導体
装置を形成するための基体を含む。 【００３２】半導体材料１：構成元素として少なくとも
窒素を含む化合物半導体の結晶からなる第１の領域と非
晶質構造の絶縁体からなる第２の領域を有し、第１の領
域の少なくとも一部は第２の領域上に成長されているこ
とを特徴とするもの。 【００３３】半導体材料２：六方晶系の結晶構造を有す
る化合物半導体からなる第１の領域と非晶質構造の絶縁
体からなる第２の領域を有し、第１の領域の少なくとも
一部は第２の領域上に成長されていることを特徴とする
もの。 【００３４】以上の半導体材料に関し、第１の領域の上
記第２の領域上に成長された部分の結晶中に存在する欠
陥密度は１０⁷ｃｍ^-2以下であることを特徴とするも
の。または以上の半導体材料に関し、第１の領域を構成
する化合物半導体はIII 族元素とＶ族元素から構成され
ていることを特徴とするもの。 【００３５】半導体材料の製造方法１： 非晶質構造の
絶縁物表面において構成元素として少なくとも窒素を含
む化合物半導体の結晶を成長させる工程を含むことを特
徴とするもの。 【００３６】半導体材料の製造方法２：非晶質構造の絶
縁物表面においてIII 族元素とＶ族元素から構成される
化合物半導体の六方晶系構造の結晶を成長させる工程を
含むことを特徴とするもの。 【００３７】以上の半導体材料の製造方法に関し、絶縁
物は六方晶系構造の結晶基板の上部に形成され、且つ目
空き部を有することを特徴とするもの。 【００３８】なお、上述の半導体材料及びその製造方法
は、現在、緑色から紫外線領域までの波長の光を放出す
る発光素子の材料として注目されている窒化物半導体、
即ちIII 族元素（とりわけ、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ）の少な
くとも１種とＮ（窒素）元素か構成される六方晶系の結
晶構造を有する材料を低欠陥密度で提供する技術として
有望である。 ２．半導体装置への応用 本発明者は、上述の半導体材料の製法技術により実現さ
れる半導体装置の構成を提案する。即ち、従来窒化物半
導体をヘテロエピタキシャル成長により積層して製造さ
れる半導体装置において、このヘテロエピタキシャル成
長に必然的に起因する半導体装置の構造的な問題を上述
の横方向ホモエピタキシャル成長技術を組み合わせるこ
とにより回避できる新たなる構成の半導体装置を本発明
により提供する。 【００３９】ここでは本発明を半導体装置の一例であ
る、半導体光素子（半導体レーザ素子、光変調器、光ス
イッチを含めた素子の総称）に適用した場合について、
その概要を説明する。本発明による半導体光素子の基本
的な特徴は、光学的領域（光の放出、吸収、閉じ込め又
は導波に係る領域の総称で、活性層や光導波路を含む）
となる半導体層を非晶質の絶縁層上部に形成したところ
に大きな特徴を有する。即ち、光学的領域となる半導体
層自体又はその下地となる半導体層を上述の横方向ホモ
エピタキシャル成長技術により形成することで、当該結
晶層に発生する欠陥密度を低減するものである。素子作
製のプロセスで見れば、基板主面上にヘテロエピタキシ
ャル成長を繰り返して光学的領域を形成する従来の技術
に対し、本発明は基板主面上部に目開き部を有する絶縁
膜を形成し、当該絶縁膜上で半導体層をホモエピタキシ
ャル成長した後に当該ホモエピタキシャル層又はこの上
部にヘテロエピタキシャル成長した半導体層として光学
的領域を形成するところに特徴を有する。 【００４０】上述のように、非晶質構造の絶縁物からな
る領域（例えば、絶縁物基体）上で生じる窒化物半導体
の横方向の結晶成長において、異なる領域から夫々横方
向に成長してきた半導体結晶は当該絶縁物領域又は基体
上にて横方向に合体する。そこで、この絶縁物領域を目
空き部を有するマスク状の絶縁膜として形成し、これに
より当該絶縁膜上における窒化物半導体結晶の成長を制
御することにより、絶縁膜上に形成される窒化物半導体
層に生じる転位等の結晶欠陥を格段に低減できる。この
ように絶縁膜上に形成された窒化物半導体層又はその上
面にエピタキシャル成長された半導体層で光学的領域を
形成することを特徴とする本発明の半導体光素子では、
光学的領域に発生する結晶欠陥密度が１０⁴〜１０⁵ｃｍ
^-2の範囲かそれよりも小さい範囲に抑えられる。因み
に、格子定数の異なる結晶基板（例えばサファイア基
板）上に窒化物半導体の結晶を逐次ヘテロエピタキシャ
ル成長して光学的領域を形成する従来の半導体光素子で
は、光学的領域に生じる結晶欠陥密度が１０⁸〜１０¹¹
ｃｍ^-2である。 【００４１】本発明による光学的領域の結晶欠陥低減
は、結晶欠陥に因る光の散乱損失や発光に寄与するキャ
リアの寿命低下の問題を一挙に解消する。特に光導波路
の結晶欠陥の低減は、誘導放出光の共振増幅における散
乱による光学利得の損失を抑制するため、低閾値高効率
動作を確保できる。 【００４２】また光学的領域と電極との間に設けられる
半導体層（以下、コンタクト層）を絶縁膜上部にホモエ
ピタキシャル成長させれば、コンタクト層へのｐ型又は
ｎ型の不純物ドープ量を増大できる。従ってコンタクト
層への不純物ドープによるキャリアの発生も容易にな
り、ｎ型及びｐ型キャリア濃度を従来困難とされた１０
¹⁸〜１０¹⁹ｃｍ^-3オーダの高い値にまで設定できる。そ
の結果、例えば半導体レーザ素子ではコンタクト層の抵
抗低減により光導波層から発光活性層へ向けて高い密度
のキャリア注入が可能となり、発光利得向上、ひいては
低閾値高効率動作が達成できる。 【００４３】本発明の半導体光素子の効果を高めるにあ
たり、以下に述べる導波路構造の採用は有効である。公
知の導波路構造として、電流狭窄層によって利得が得ら
れる発光活性層の領域を制限した利得導波型構造と、リ
ッジストライプ構造や埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造(B
uried Heterostructure)）等のストライプ構造によって
発光活性層の横方向に屈折率差を設けた屈折率導波型構
造がある。とりわけ、屈折率導波型構造は横モードを基
本として安定に導波できるので低閾値高効率動作には非
常に重要である。本発明では、上述の導波路で規制され
る実質上の光学的領域（即ち、キャリア注入や電界印加
がなされる部分）を絶縁膜上方に設定することで低欠陥
密度の半導体結晶から成る光導波層や発光活性層に集中
的にキャリア注入や電界印加を行うことで、注入キャリ
ア量に対する発光効率や電界強度による光の変調効率を
高める。ここで述べた導波路構造は、光学的領域の上
部、下部又はその内部（光ガイド層やクラッド層中）の
いずれに形成してもよい。これにより、低欠陥密度で高
品質な結晶層からなる導波路構造の形成と同時に基本横
モードで安定にレーザ光を伝搬させる屈折率導波構造を
実現できるため、低閾値高効率で動作する半導体レーザ
を達成できる。また、半導体レーザ素子においてはレー
ザ共振器方向に延伸するストライプとして設けることを
推奨するが、その形状を限定するまでもない。さらにス
トライプ状の電流狭窄層や屈折率差形成層は、半導体層
をエッチング加工して形成してもよいが、これに代えて
目開き部を有する絶縁膜を新たに形成してもよい。この
場合、ストライプ形状のパターンを有する絶縁膜をマス
クに更に半導体層を選択成長することで、屈折率導波型
構造を容易に実現できる。 【００４４】さらに、光学的領域を構成する半導体層の
結晶性を高めるために、当該光学的領域を挟むようにダ
ミーの選択的結晶成長を行うことが推奨される。例え
ば、より高品質な結晶層からなる導波路層を構成するた
めに、選択成長で導波路構造を作製するためのパターン
（目開き部）の両側にダミーパターンが形成された有す
る絶縁膜マスクを用いる。これにより、中央部での導波
路形成における異常成長を回避して、当該導波路の結晶
性や形状制御性を格段に向上する。また、導波路上部に
形成される電極からダミーパターンに成長された結晶層
に電流を注入しないように構成することで、素子の低閾
値高効率動作を一層図ることができる。本発明の半導体
光素子を作製する単結晶基板は、上述のサファイア基板
に限定されない。サファイア基板に代わる新たな単結晶
基板を用いるときの注意事項について、以下に説明す
る。例えば六方晶系Wurtzite構造の単結晶基板を用いた
ときに、基板面方位を(0001)C 面としておく。この基板
上においてストライプ構造を作製するときには、該基板
の(11-20)A 面に垂直であるか平行である方向に合わせ
て上記絶縁膜マスクパターンを設定することにより、矩
形状断面を有する個々の導波路結晶層を合体させて一つ
の大きな導波路構造を選択成長技術によって容易に作製
することができる。また、立方晶系Zinc Blende 構造の
単結晶基板を用いたときには、基板面方位を(111)面と
しておく。この基板上にストライプ構造を作製するとき
には、該基板の(110)面に垂直であるか、(1-10)面に垂
直である方向に絶縁膜マスクパターンを設定することに
より、上記と同様な結晶形状を有する導波路構造を作製
することが可能である。 【００４５】本発明の半導体光素子は、ホモエピタキシ
ャル成長の下地となる絶縁膜に設ける目開き部の形状に
より、多種の素子を実現できる。まず、絶縁膜の目開き
幅を活性層横方向に対して、一次元的或いは二次元的に
量子化させることにより、レーザ素子の低閾値動作に有
利な量子細線や量子箱構造とした発光活性層とすること
ができる。また、目開き部を複数の平行ストライプとし
て形成し、各ストライプ間に選択成長された半導体層
（活性層）の夫々から発振する光の位相整合条件を整え
ることで、フェーズド・アレー構造の半導体レーザ素子
を構成し、これにより基本横モードで高出力動作を達成
できる。 【００４６】以上、本発明の半導体装置を半導体光素子
を例に説明したが、上述の光学的領域をスイッチングさ
れるキャリアが流れる領域に置き換えて、例えば電界効
果型トランジスタを構成してもよい。電界効果トランジ
スタの場合、キャリアを動作させるための所謂チャネル
となる半導体層を絶縁膜上部に形成することが望まし
く、このチャネルに形成されるソース領域、ゲート領
域、ドレイン領域などを絶縁膜上部に形成すると更に効
果的である。好ましい素子構成の一例における特徴を述
べると、一様に形成された（換言すれば、目開き部のな
い）非晶質且つ絶縁性の領域の上部にチャネルとなる半
導体領域を介して、ソース電極、ゲート電極、及びドレ
イン電極が並んで形成される。このような半導体装置の
構成は、特にチャネル領域の結晶欠陥密度の影響を受け
やすい高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Ele
ctron Mobility Transistor）に採用すると効果的であ
る。 【００４７】以上の検討結果に基づき、本発明者は新た
な構成を有する半導体装置を以下に提案する。ここでい
う半導体領域は、特に断りのない限り窒化物半導体材料
又は六方晶系の結晶構造を有する化合物半導体材料で形
成されるものとする。いずれの半導体材料も、その詳細
な規定は総論で述べたとおりである。また絶縁性領域
は、非晶質構造を有し且つ電気的絶縁性を示す材料から
成る基体又は層（膜）と定義し、特に断りのない限り目
空き部（即ち、結晶構造を有する領域が露見する領域）
は形成されないものとする。この条件を満たすものであ
れば如何なる材料でも絶縁性領域は構成できる。 【００４８】半導体装置１：絶縁性領域上部に光学系と
なる半導体領域を形成したもの。光学系とは上述の光学
的領域を指す。レーザ素子においては、レーザ光発振の
ための共振器構造を絶縁性領域上に納めることが望まし
い。この半導体装置構成は、半導体レーザ素子のみなら
ず、発光素子（ＬＥＤ）、光伝送路、光変調器等、所謂
半導体光素子全般に採用できる。 【００４９】半導体装置２：絶縁性領域上部に禁制帯幅
（エネルギー・ギャップ）の異なる半導体層からなる半
導体領域を形成したもの。この半導体領域を構成する半
導体層とは、第１の半導体層と、その上下に形成され且
つ第１の半導体層より禁制帯幅の大きい第２の半導体層
とを含む。第１の半導体層は、キャリアを注入するか、
閉じ込めるか、又は発生させるかのいずれかに利用され
る。また第２の半導体層は、第１の半導体層におけるキ
ャリア注入やキャリア閉じ込め等を助長するものであ
る。この半導体領域は、第１の半導体層の厚みを電子の
ド・ブロイ波長以下とした所謂量子井戸構造としても良
く、また夫々の半導体層を第２、第１、第２、第１…、
第２、第１、第２の順に繰り返して多重量子井戸構造を
構成してもよい。この装置構成は、半導体光素子のみな
らず、電界効果型トランジスタや、スイッチング素子及
び論理演算デバイスにも応用できる。また、第２の半導
体層の組成又は禁制帯幅を第１の半導体層の上下で異な
らせてもよい。この構成は、電界効果トランジスタを実
現する上で効果的であり、この場合ゲート電極に対して
反対側の第２の半導体層を省くこともできる。 【００５０】以上のいずれの半導体装置も、既存の半導
体製造装置で作製する場合、上述の絶縁性領域を結晶構
造を有する領域上、即ち結晶基板上や結晶層（膜）上に
形成するとよい。 【００５１】 【発明の実施の形態】発明を実施するための最良の形態 １．総論 まず、本発明の基本概念たる半導体結晶成長技術につい
て説明する。この実験結果に対する考察は課題を解決す
る手段にて言及したので、ここでは実験を通して得られ
た結晶成長に関する知見を詳述する。 〈結晶成長技術１〉最初に既存の結晶成長装置を利用し
た本発明の結晶成長技術に関し、図３Ａ〜図３Ｅのプロ
セスフローを参照して説明する。第１の工程として、例
えばサファイア基板１の(0001)表面上にＳｉＯ₂膜を形
成する。この工程は、例えばモノシランガスと酸素を用
いた気相成長により行う。即ち、サファイア基板表明に
ＳｉＯ2膜を気相成長法により直接形成する。次にＳｉ
Ｏ₂膜表面にフォトレジストを塗布して、ストライプ状
に目空き部形成領域を感光させて除去する。最後に目空
き部をフッ酸（ＨＦ）系エッチング液（エッチャント）
によるＳｉＯ₂膜のウェットエッチングで形成する。以
上の工程は、通常Ｓｉデバイスで採用されている技術を
利用するため、説明図面は用意していない。 【００５２】次の第３の工程から、図３Ａ〜３Ｄを参照
して説明する。まず、第２の工程で得られた目空き部４
０付ＳｉＯ₂膜４（以降、ＳｉＯ₂膜マスク４と呼ぶ）が
形成されたサファイア基板１を窒化物半導体結晶成長炉
に入れる。この結晶成長炉は、最新のものが特開平４−
１６４８９５号（米国特許第5,334,277 号）に記載され
ているが、本発明者は既存のＭＯＣＶＤ装置を利用し、
原料ガスの供給路の一つをアンモニアガス供給用に用い
た。第３の工程にて、炉の圧力を略大気圧（760Torr）
にして、この炉にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを毎分２〜
５リットル（２〜５ＳＬＭ）、トリメチルガリウム（Ｔ
ＭＧ）ガスを毎分約１０ｃｃ（１０ｓｃｃｍ）で連続的
に供給し、炉内にセットされたサファイア基板を成長温
度１０３０℃に加熱した。 【００５３】図３Ａ−３Ｃは、第３の工程における窒化
物半導体たるＧａＮ結晶の成長を時系列的に示す。ま
ず、目空き部４０内でサファイア基板表面上にＧａＮの
微結晶５０が形成される（図３Ａ）。その形状は基板上
にあたかも六角柱が立つように見えるが、この時点で炉
からサファイア基板を取り出し、走査電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）で観察すると、微結晶毎にｃ軸方向がばらついてい
ることが確認できる。既に説明したとおり、窒化物半導
体結晶のエピタキシャル成長はｃ軸方向に進むため、各
微結晶５０毎に成長方向は図３Ａの矢印が示す如く異な
る。 【００５４】従って、微結晶が成長するにつれて結晶間
の成長面が擦れ合い、食い込み合う現象が生じる。その
結果、微結晶から成長してきた複数のＧａＮ結晶は目空
き部内にて合体するものの、合体面を中心に結晶内に掛
かる応力が原因で多数の転位を形成する（図３Ｂ）。こ
のように目空き部に成長したＧａＮ結晶は、サファイア
基板とのヘテロ接合界面の原子配列により結晶構造が規
定されるため、便宜的にヘテロエピタキシャル部５１と
呼ぶ。 【００５５】このヘテロエピタキシャル部５１が目空き
部より突出して成長すると、目空き部４０の縁に沿うヘ
テロエピタキシャル部５１の側面を新たな成長界面とし
てＳｉＯ₂膜マスク４上面に沿うようにＧａＮ結晶のホ
モエピタキシャル成長が始まる（図３Ｃ）。即ち、Ｓｉ
Ｏ₂膜マスク４上面に形成されるＧａＮ結晶は目空き部
内及びその上部に成長する結晶とは成長メカニズムが異
なる。本発明者は、ＳｉＯ₂膜マスク４上に形成された
領域を便宜的にホモエピタキシャル部５２と呼ぶ。図３
Ｃの断面図をＳｉＯ₂膜マスク４上面側から見ると、ホ
モエピタキシャル部５２の成長界面には約１２０°の角
度を有する凹凸が形成されていた（図３Ｄ）。これはヘ
テロエピタキシャル部５１が六角柱状に成長することに
由来するもので、目空き部の縁からＳｉＯ₂膜マスク４
上面ヘテロエピタキシャル部の成長界面（六角柱の側
面）が突出する時間のずれが、ホモエピタキシャル部５
２の成長開始時刻の差となり、これがホモエピタキシャ
ル部の成長界面の形状に現れたものである。このような
成長界面の凹凸を回避する策として目空き部を六角柱状
に形成する手法があるが、これについては各論で紹介す
る。 【００５６】本発明者は、以上の工程で作製したＧａＮ
結晶を電子顕微鏡で観察した結果、既に説明したように
ヘテロエピタキシャル部５１に比べてホモエピタキシャ
ル部５２に発生する結晶欠陥の密度が格段に低いことを
発見した。図１９は、図３Ｄに相当する透過電子顕微鏡
の写真である。この写真の中央付近で縦芳香に走る線は
ＳｉＯ₂膜マスク４の開口端部を示すが、これを境に左
側の領域に見られる多数の筋状の欠陥が右の領域で殆ど
見られないことが確認できる。即ち、結晶欠陥の密度は
左側の領域（図３Ｄのヘテロエピタキシャル部５１）で
１０⁸〜１０¹¹ｃｍ^-2、左側の領域（図３Ｄのホモエピ
タキシャル部５２）で１０⁴〜１０⁵ｃｍ ^-2の範囲であっ
た。また、成長過程におけるＧａＮ結晶同志の合体はホ
モエピタキシャル部５２においても確認された。この現
象は目空き部を平行な複数のストライプとして形成した
ときに見られたが、上述のように互いの成長界面が凹凸
を有する場合でも、結晶欠陥を殆ど誘発することなくホ
モエピタキシャル部は合体し、合体部の欠陥密度も最大
１０⁶〜１０⁷ｃｍ^-2程度であった。 【００５７】上述のＳｉＯ₂膜マスク４を利用した窒化
物半導体の新たな結晶成長技術に関し、本発明者は窒化
物半導体を用いた半導体装置の量産技術として図６Ａの
（１）と（２）に示すプロセスを提案する。双方の技術
とも、ホモエピタキシャル部５２の合体を利用したもの
であるが、例えばサファイア又は六方晶系の結晶構造を
有する基板材料１上に複数の目空き部を持つＳｉＯ₂膜
（又はこれに代わる非晶質の絶縁膜）マスク４を形成
し、窒化物半導体から成る積層構造５５を形成する。図
６Ａ〜図６Ｃは、半導体レーザ素子を例挙げているが、
光スイッチや電界効果型トランジスタでも構わない。要
は、キャリア注入により素子動作を行う領域をホモエピ
タキシャル部上に形成することであり、僅かの結晶欠陥
にも性能が左右される素子においては、マスク４上にお
ける結晶の合体領域上部を避けて素子動作を行う領域を
形成する図６Ａ（２）の構成を採用することが望まし
い。図６Ａの（１）及び（２）とも、電極１０を形成し
た後に矢印方向にダイシングを行い、図６Ｂに示すよう
な単体の半導体レーザ素子を得る。因みにこの半導体レ
ーザ素子は、マスク４上に形成されたホモエピタキシャ
ル部（ＧａＮ層）にｎ型の不純物をドープしたｎ型クラ
ッド層６２とｎ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層からなる光導
波層６３、アンドープのＩｎＧａＮ多重量子井戸層から
なる活性層６６、ｐ型のＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる光
導波層（図示せず）、ｐ型のＧａＮからなるクラッド層
６５、ｐ型クラッド層６５より高い濃度の不純物を含む
ｐ型ＧａＮのキャッップ層６８、ｐ型電極１０を積層し
て形成され、ｐ型のクラッド層６５に埋め込まれて形成
されたｎ型のＧａＮ層６７（ｎ型クラッド層と同レベル
の不純物を含有）で活性層６６におけるキャリア注入領
域を制限する。即ち、この素子ではｎ型のＧａＮ層６７
が形成されない領域の下部の活性層が実質上の素子動作
に関与するため、この部分をヘテロエピタキシャル部の
上方から外していることは、図６Ａの（１）及び（２）
から明らかであろう。なお、図６Ａの（１）及び（２）
の量産技術においては、単体の素子に切り出す前に基板
１側をラッピングし、ｎ型クラッド層の下面を露出させ
ることでこの面にｎ型電極１１を形成することもでき
る。図６Ｂの素子構造は、このようにして作製された一
例を示すものである。 〈結晶成長技術２〉次に本発明に基づく別の結晶成長技
術を、図５Ａ〜図５Ｄのプロセスフローを参照して説明
する。このプロトタイプとなる実験は、既に説明した知
見５を導出するためになされたものである。 【００５８】まずＳｉ基板１００を酸素雰囲気中で熱酸
化して、その表面に非晶質のＳｉＯ ₂膜１０１を形成す
る。次に第１の工程として、ＳｉＯ₂膜上にＧａＮ膜成
長のための核となるＧａ原子を形成する。第１の工程を
行う手段の一つとして、図５Ａ（１）に示すような断面
構造を有する成長炉を利用する。この炉はＳｉ基板を載
置するためのホルダ（図示せず）に対向して複数のガス
供給ノズルが２次元的に配置されている。ガス供給ノズ
ルは、２種類のガス供給ラインのいずれかに設けられて
いる。また、ホルダとガス供給ノズルとの間にはアパー
チャを有するプレートが２枚挿入できるようになってい
る。このような成長炉を、ガス供給ノズルの配置の特徴
から便宜的にシャワー・ヘッド炉と呼ぶ。 【００５９】まず、シャワー・ヘッド炉内を不活性ガス
である窒素ガスでパージし、炉内圧力を約７６０Torrに
設定した後、表面を酸化したＳｉ基板１００を載置す
る。次に、Ｓｉ基板とガス供給ノズルの間に２枚のアパ
ーチャ・プレートを挿入する。このとき、上部プレート
のアパーチャはＳｉＯ₂膜１０１の核形成位置に合わ
せ、下部プレートのアパーチャは上部プレートのそれと
位置をずらす。この状態で、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）ガスを上部供給ラインから１０ｓｃｃｍで連続的に
供給し、下部プレートを図５Ａ（１）に示す矢印方向に
スライドして、瞬間的にＴＭＧガスをＳｉＯ₂膜１０１
表面上に供給する。これにより、ＳｉＯ₂膜１０１表面
の核形成位置のみにＧａ原子の液滴からなる核５３が形
成し、表面全体へのＧａ原子の付着は実質上抑止でき
る。 【００６０】第２の工程では、更にアンモニア（Ｎ
Ｈ₃）ガスを下部供給ラインから２〜５ＳＬＭで供給
し、この状態で２枚のアパーチャ・プレートを取り外
す。これと同時にＳｉ基板１００をホルダから約１００
０℃に加熱する（図５Ｂ参照）。これにより、核５３形
成位置を中心にＧａＮ結晶の成長が開始し、六角柱状の
結晶５４がＳｉＯ₂膜１０１上に形成される（図５
Ｃ）。図２０は、図５Ｃに相当する走査電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）写真であり、ＳｉＯ₂膜１０１上に形成されたＧ
ａＮ単結晶が、六角柱状であることが明らかに判る。 【００６１】ここで、本発明者は結晶５４がＳｉＯ₂膜
１０１表面全域を覆う前に結晶成長を止め、結晶５４が
形成されないＳｉＯ₂膜１０１表面を部分的にエッチン
グしてＳｉ多層膜からなる別の半導体素子を形成するこ
とを提案する。このような手法によれば、図６Ｃに示さ
れるように窒化物半導体の積層構造５５からなる素子と
その駆動回路７０を同一のＳｉ基板１００上にモノリシ
ックに形成することができる。この場合、駆動回路７０
を構成する導電性半導体層を積層構造５５の下部に位置
するｎ型半導体層に接合するように形成し（図示せ
ず）、積層構造５５上部に位置するｐ型電極１０と駆動
回路７０との間にボンディング７１を形成することで半
導体レーザモジュール等のハイブリッド素子が実現でき
る。 【００６２】また、第２の工程にてＳｉＯ2膜１０１表
面に結晶５４を可能な限り（即ち、表面からはみ出さな
い範囲で）大きく成長させる。この後、第３の工程とし
て、ＨＦ系のエッチャントでＳｉＯ₂膜１０１を溶解
し、結晶５４とＳｉ基板１００とを分離する。これによ
り、ＧａＮ単結晶からなる新たな基板材料が実現でき
る。この基板材料は、窒化物半導体のエピタキシャル成
長用基板として最も優れているとされるＳｉＣよりも低
結晶欠陥密度が低い。従って、第３の工程で得られるＧ
ａＮ基板は窒化物半導体のデバイス作製用として、格子
整合や転位抑制の観点でＳｉＣに勝るものである。 【００６３】この基板材料を用いて形成した半導体装置
の一例を、図６Ｂに示す。仕様は、結晶成長技術１で述
べた半導体レーザ素子と概ね同じであるが、ｎ型の不純
物をドープしたｎ型クラッド層６２をｎ型不純物をドー
プしたＧａＮ基板で構成する点が異なる。このようにＧ
ａＮ基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ
て素子を形成すると、積層される各半導体層の格子整合
が取り易くなる一方、光学的領域を構成する半導体層に
圧縮歪や引張歪を加える格子不整合系の素子（pseudomo
rphic device）を構成したときも、格子不整合層導入に
伴う積層欠陥の発生を抑制し易くなる。 【００６４】上述の第１の工程は、例えばイオンビーム
照射によっても実行できる。この例を図５Ａ（２）を参
照して説明する。表面に非晶質のＳｉＯ₂膜１０１を形
成したＳｉ基板１００を二次イオン質量分析装置（ＳＩ
ＭＳ）に載置し、Ｇａイオンを加速電圧１ｋＶ、照射量
１×１０¹³ｉｏｎｓ／ｃｍ²でＳｉＯ₂膜表面に照射し
た。ここで利用したＳＩＭＳは、一般にｓｔａｔｉｃ
ＳＩＭＳと呼ばれるもので、試料表面の第１原子層や吸
着層の計測に用いられるものである。このＳＩＭＳは電
流密度１０^-5〜１０^-3ｍＡ／ｃｍ²のイオンを０．５〜
５ｋｅＶのエネルギーで試料に照射するが、別の種類の
ＳＩＭＳには電流密度１〜１００ｍＡ／ｃｍ²のイオン
を５〜３０ｋｅＶのエネルギーで照射するものもある。
後者の装置はイオン照射により試料表面をスパッタする
ため、ＳｉＯ₂膜上への核形成に不適である。 【００６５】ＳｉＯ₂膜表面へのＧａイオン照射は、イ
オンビームの直径がＳｉＯ₂膜表面にて１００Åとなる
ようにイオン光学系で絞り込み、照射時間は約１秒とし
た。照射時間の制御は、イオン光学系に設けられたビー
ム・ディフレクタでイオン・ビームを偏向して行った。
このようにしてＳｉＯ₂膜表面にＧａ原子からなる核５
３を形成した後、Ｓｉ基板１００をＳＩＭＳから取り出
し、上述のシャワー・ヘッド炉に移して第２の工程に入
る。このとき、炉内は不活性ガスである窒素（Ｎ2）で
パージされており、またアパーチャ・プレートは外され
ている。Ｓｉ基板をシャワー・ヘッド炉に載置した後、
トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを上部供給ラインか
ら１０ｓｃｃｍで、アンモニア（ＮＨ₃）ガスを下部供
給ラインから２〜５ＳＬＭで夫々供給し、同時にＳｉ基
板１００をホルダから約１０００℃に加熱する（図５Ｂ
参照）。後は、上述の第２の工程と同じである。 【００６６】以上に述べたイオンビームで核を形成する
方法では、ｓｔａｔｉｃ ＳＩＭＳを利用したが、これ
と同じ電流量及びエネルギー（加速電圧）でイオン・ビ
ームを照射できる装置であれば、他の装置を利用しても
よい。また、イオン・ビームで核を形成する方法は第１
の工程からシャワー・ヘッド炉で行う方法に比べ、Ｓｉ
基板をイオン・ビーム照射装置からシャワー・ヘッド炉
（又はこれに代わる結晶成長炉）に移す手間は掛かる
が、核形成領域が任意に設定できる点や、シャワー・ヘ
ッド炉のアパーチャ・プレートが不要な点（即ち、結晶
成長炉の構成が簡素になる）点で有利である。 ２．半導体装置への応用 以下、総論にて説明した本発明の結晶成長技術を応用し
た半導体装置の製造方法を各実施例において詳細に説明
する。なお、各実施例は半導体光素子の一つである半導
体レーザ装置をモデルとして説明する。 〈実施例１〉本発明の半導体装置の一実施例を図７Ａ及
び図７Ｂにより説明する。図７Ａにおいて、例えば(000
1)C 面を有するサファイア（α-Ａｌ₂Ｏ₃）単結晶基板
１上に、ＧａＮ バッファ層２，ｎ型ＧａＮ 光導波層３
まで有機金属気相成長法により結晶成長する。その後、
図７Ｂに示した、ストライプ上の窓領域を少なくとも２
つ設けた形状の絶縁膜マスク４のパターン（目開き部）
４０をリソグラフィーとエッチングにより形成する。こ
のとき、絶縁膜マスクのストライプ方向を該サファイア
基板１の(11-20)A面と平行な方向に設定しておく。次
に、絶縁膜マスクパターン４で形成された２つの窓領域
に対して、ｎ型ＧａＮ 光導波層５を選択成長し、中央
に設けた絶縁膜マスク上において横方向に合体させて、
平坦な一つの矩形状の光導波層とした後に、引き続いて
ＡｌＧａＮ 光分離閉じ込め層とＧａＮ 量子障壁層及び
ＧａＩｎＮ 圧縮歪量子井戸層からなる圧縮歪多重量子
井戸活性層６，ｐ型ＧａＮ 光導波層７，ｐ型ＧａＩｎ
Ｎ コンタクト層８を順次設ける。次に、リソグラフィ
ーにより、絶縁膜マスク９を設けて、ｐ側電極１０とｎ
側電極１１のパターンを蒸着する。最後に、ストライプ
に垂直な方向に劈開して共振器面を切り出し、スクライ
ブにより素子を分離して図７Ａに示す素子縦断面（図７
ＢのＢ−Ｂ’断面）を得る。 【００６７】本実施例によると、絶縁膜マスクの幅と窓
領域の幅を調節することにより、光導波層５の上に設け
る発光活性層の幅を５μｍ以上に設定したときには利得
導波型構造とすることができ、該発光活性層を１〜３μ
ｍの範囲としたときには埋め込みＢＨ構造の屈折率導波
型構造として設けることができた。本発明の手法では、
選択成長用の絶縁膜マスク窓領域では従来と同程度の結
晶欠陥密度１０⁹〜１０¹¹／ｃｍ²の範囲であるのに対
し、絶縁膜マスク上ではホモエピタキシャル成長を実現
でき結晶欠陥密度を１０⁴〜１０⁵／ｃｍ²の範囲かそれ
よりも小さい範囲に低減できた。本素子構造では、電流
狭窄は絶縁膜９で行っているが、活性層６の横方向に見
た場合、さらに絶縁膜マスク上の活性層における中央領
域とその外側の領域では内部光損失が大きく異なるの
で、レーザ光を損失によっても導波し伝搬領域を制限し
ていることになる。本実施例における、ＢＨ屈折率導波
型構造の素子では、利得導波型構造よりも低閾値動作が
達成でき、閾値電流は利得導波構造の素子よりも１／３
〜１／４にまで低減できた。本素子は、従来のバルク成
長により形成した素子よりも低閾値高効率でレーザ動作
し、室温における発振波長は４１０〜４３０ｎｍの範囲
であった。 【００６８】また本実施例の変形例を図７Ｃ（図７Ｂの
Ｂ−Ｂ’断面）により説明する。素子の作製工程や絶縁
マスク４のパターン４０は上述のそれと概ね同じである
が、ｐ型コンタクト層８まで成長した後、リソグラフィ
ーとエッチングによりｐ型光導波層７にリッジストライ
プを形成する。このとき、リッジストライプの底部幅を
３〜７μｍの範囲とする。さらにリッジストライプの両
側に埋込層１２を形成する。この埋込層１２は、絶縁膜
を利用して選択成長させたｎ型Ga電流狭窄層としても、
誘電体絶縁膜そのもので形成してもよい。絶縁膜９を設
けて電極１０、１１を形成する工程は上述のとおりであ
り、その結果として図７Ｃに示す素子縦断面を得る。 【００６９】図７Ｃに示す構成では、発光活性層内にお
ける低欠陥密度で低光損失の中央領域にのみ電流を注入
するリッジストライプ構造を有しているので、有効な電
流注入と安定な屈折率分布を達成できる。このため図７
Ａに示すＢＨ屈折率導波型構造と同等の閾値電流か或い
はそれよりも低い値を得た。この素子は低閾値高効率で
レーザ動作し、室温における発振波長は４１０〜４３０
ｎｍの範囲であった。 〈実施例２〉本発明の半導体装置の他の実施例を図８Ａ
及び図８Ｂにより説明する。実施例１と同様に素子を作
製するが、実施例１の導波路構造用絶縁膜マスクの他に
ダミー用パターンも加えて、図８Ｂに示す絶縁膜マスク
４のパターン（目開き部）４０を形成する。このダミー
パターン上に成長する結晶層と中央に設ける導波路用の
結晶層が互いに合体しないように、絶縁膜マスク幅や間
隔を設定しておく。ダミーパターン（両脇の目開き部）
に成長した結晶層には電流を流さないように、絶縁膜９
でカバーしておく。その他は、実施例１と同様のプロセ
スを経て、図８Ａに示す素子縦断面（図８ＣのＣ−Ｃ’
断面）を得る。 【００７０】本実施例では、実施例１の導波路構造に対
して、ダミーとなる結晶層を設けることにより、中央の
導波路を形成する結晶層の品質や形状を向上させた。ダ
ミーパターンの外側における結晶成長条件には、あまり
影響を受けずに、異常成長や成長速度の不安定さを解消
して、平坦で平滑な側面や上面を有する矩形状の光導波
路を形成できた。これにより、より低損失でレーザ光を
導波できるようになり、さらに低閾値で高効率で動作さ
せることができた。この結果、実施例１より少なくとも
閾値電流を２／３から１／２の範囲に低減することが可
能であった。本素子は、室温において発振波長４１０〜
４３０ｎｍの範囲でレーザ動作した。 【００７１】図８Ｃには、本実施例の変形例を断面図で
示す（図８ＢのＣ−Ｃ’断面）。素子の作製工程は概ね
図８Ａの場合と同じであるが、層８まで形成した後、図
７Ｃに示した素子と同様に埋込層（例えば、電流狭窄
層）１２を設ける点が異なる。さらに、ダミーパターン
に成長した結晶層には電流を流さないように、絶縁膜９
でカバーする。図８Ｃに示す素子を図７Ｃのそれと比較
すると、中央の導波路を形成する結晶層の品質や形状を
向上させることができ、図７Ｃの素子より少なくとも閾
値電流を２／３から１／２の範囲に低減できた。本素子
は、室温において発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲で
レーザ動作した。 〈実施例３〉本発明の半導体素子の他の実施例を図９Ａ
及び図９Ｂにより説明する（ここで、図９Ａは図９Ｂの
Ｄ−Ｄ’断面）。素子の形成は実施例２における図８Ｃ
と同じ結晶成長で行うが、絶縁マスク４のパターン（目
開き部）４０は図９Ｂに示すようにストライプ状ではな
く、周期的な長方形状の窓領域を２次元的に配列したも
のとする。本実施例では、実施例４に比較して、中央の
導波路における発光活性層６の結晶欠陥密度をさらに低
減した。レーザ光を導波するストライプ構造は、中央の
絶縁膜マスク上に相当する活性層中央領域に形成して電
流狭窄を行うが、発光活性層全体において結晶欠陥密度
は小さいことが望ましい。このため、活性層全体に対し
て、ホモエピタキシャル成長できる領域の割合を大きく
するのが有効であり、中央の導波路構造を作製するにあ
たっては、選択成長用の絶縁膜マスクにおいて長方形状
の窓領域が占める割合をできるだけ小さくしていくこと
により対応できる。本素子では、図８Ｃの素子よりも相
対的に発光活性層や光導波層の結晶欠陥を低減すること
ができたので、低閾値高効率動作をさらに図ることが可
能であり、閾値電流も１／２から１／３に低減できた。
本素子は、室温において発振波長４１０〜４３０ｎｍの
範囲でレーザ動作した。 【００７２】本実施例の変形例を図９Ｃにより説明す
る。この例では、素子のＤ−Ｄ’断面は図９Ａに準じる
ものの、絶縁膜マスク４のパターン４０が異なる。即
ち、結晶のダミー成長に係る両端の列のパターン（目開
き部）は長方形に形成されるが、中央の導波路構造に対
応する選択成長用のパターン（目開き部）は正六角形状
に形成される。 【００７３】ここで目開き部の形状について簡単に説明
する。本実施例では、下地となる結晶領域の表面を露出
させるために絶縁膜４に形成される目開き部（又は窓領
域とも呼ぶ）の形状を正方形や長方形を含む四角形とす
るか、或いは正六角形を含む六角形の形状にして周期的
に設けている。これにより、互いに隣接する目開き部か
ら絶縁膜上にホモエピタキシャル成長してきた結晶層が
当該絶縁膜上で容易に合体して一つの光導波層や発光活
性層を形作る。特に六方晶系Wurtzite構造のIII-Ｖ族半
導体である窒化物半導体材料（Nitride Semiconductor
materials）は、個々の目開き部内において、六角柱状
の形状を保ってエピタキシャル成長する。従って絶縁膜
上でのホモエピタキシャル成長が始まる界面も六角柱の
側面として形成される。 【００７４】図９Ｃに示す絶縁膜マスク４では、六方晶
系の結晶が成長する性質を反映して、正六角形状の目開
き部（窓領域）に成長した結晶層が互いに合体し易くな
り、当該合体部が結晶欠陥を取り込む割合が格段に減少
する。このため、中央の導波路構造を形成する光導波層
や発光活性層の結晶欠陥密度が図９Ｂの絶縁膜マスクを
採用した素子より小さくなり、その結果、低閾値高効率
動作が可能となり、閾値電流も２／３から１／２の範囲
に低減できた。本素子も、室温において発振波長４１０
〜４３０ｎｍの範囲でレーザ動作した。 〈実施例４〉本発明の他実施例を図１０Ａ及び図１０Ｂ
により説明する。素子の作製は実施例２に準じるが、図
１０Ｂに示すように、中央部の導波路構造を横に並べて
アレイ状に形成するための絶縁膜マスク４のパターン４
０を設けておく。これにより、実施例２の中央部導波路
を並列にしたストライプを形成し、フェーズド・アレイ
導波路構造を作製する。図１０Ａは図１０ＢのＥ−Ｅ’
断面を示す。 【００７５】本実施例では、中央部３つの導波路構造に
伝搬したレーザ光は、位相整合条件を満たすことで基本
モードとして外部に出力させることが可能であった。こ
の結果、実施例１乃至３の場合よりも高出力動作を実現
し、実施例２で得られた最高光出力より少なくとも３〜
５倍の高出力を可能とした。本素子は、室温において発
振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲でレーザ動作した。 〈実施例５〉本発明の他実施例を図１１Ａ及び図１１Ｂ
により説明する。素子の作製は実施例１にほぼ準じる
が、まず基板１上に例えばＧａＮ バッファ層２，アン
ドープＧａＮ 層１３，アンドープＧａＩｎＮ/ＡｌＧａ
Ｎ −ＤＢＲ構造高反射膜１４（ＤＢＲ＝Distributed G
ragg Reflector），ｎ型ＧａＮ 光導波層３を結晶成長
する。さらに、図１１Ｂに示すように、正六角形状の絶
縁膜マスクと窓領域をその周辺に設けておく。次に、実
施例１と同様にして層８まで形成した後引き続いてアン
ドープＧａＩｎＮ/ＡｌＧａＮ −ＤＢＲ構造高反射膜１
５を選択成長する。ＤＢＲ構造高反射膜１５はＤＢＲ構
造高反射膜１４と同様、複数のＧａＩｎＮ層とＡｌＧａ
Ｎ層とを交互に積層して成る積層構造を有する。 【００７６】本実施例のように、垂直共振器構造（定義
は後述する）を有する半導体レーザ素子を作製する場
合、ＤＢＲ構造高反射膜１４と１５とで、ＧａＩｎＮ層
及びＡｌＧａＮ層の少なくとも一方の元素組成比（Ｇ
ａ：ＩｎやＡｌ：Ｇａ）を変えることによりそれぞれの
積層構造全体は反射率が異なるようにすることが望まし
い。例えばＤＢＲ構造高反射膜１５上面をレーザ出射端
面とする本実施例では、ＤＢＲ構造高反射膜１５の反射
率をＤＢＲ構造高反射膜１４のそれより低くすることが
望ましい。また、ＤＢＲ構造高反射膜１４は、活性層６
を歪み量子井戸構造や歪超格子構造とする場合、基板側
に設けられたバッファ層２と活性層６との応力補償に利
用することもできる。 【００７７】再び半導体レーザ素子作製プロセスの説明
に戻る。層１５と層８及び層７をエッチング除去してリ
ッジストライプを形成した後に、層１２を埋め込み、絶
縁膜９を形成する。上部のＤＢＲ構造高反射膜１５は、
絶縁膜９を設けた後に、誘電体ＤＢＲ構造高反射膜とし
て設け、エッチングして図１１Ａのように形成する。そ
の後、ｐ側電極とｎ側電極を蒸着して、ストライプに垂
直な方向に劈開して共振器面を切り出し、スクライブに
より素子を分離して図１１Ａに示す素子縦断面を得る
（図１１ＢのＦ−Ｆ’断面）。 【００７８】本実施例では、上面が平坦で平滑な正六角
形状の結晶層により中央の絶縁膜マスク上に形成する導
波路を形成でき、その光導波層上に発光活性層を設ける
ことにより、面発光用の垂直共振器構造（基板１の主面
に対し略垂直方向に形成されたレーザ発振のための共振
器構造）が作製できた。本実施例が示す半導体レーザ素
子は、基板１の主面に対し略平行にレーザ発振のための
共振器構造を形成した前述の実施例１乃至４の半導体レ
ーザ素子と構成が異なり、レーザ光を基板１主面に直交
させるように発振するという機能的な特徴を有するもの
である。本素子では、ＤＢＲ構造高反射膜によって、端
面（ＤＢＲ構造高反射膜１５の上面）の反射率を９５〜
９９％以上の高い値に安定に設定でき、実施例１から４
に示した素子（活性層側面にレーザで射端面を有する）
と比較すると、最も閾値電流を小さくできた。実施例３
の素子に比べて、少なくとも閾値電流を１／１０から１
／３０に低減することが可能であった。本素子は、室温
において発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲でレーザ動
作した。 〈実施例６〉本発明の他実施例を説明する。本実施例で
は、サファイア(α-Ａｌ₂Ｏ₃)基板の代わりに、基板１
を六方晶系Wurtzite構造であり基板面方位が(0001)C 面
であるｎ型の炭化珪素(α-SiC)として、その上にｎ型Ｇ
ａＮ バッファ層を設けて、その後実施例１から７まで
の素子構造を同様にして作製し、それぞれの素子断面を
得た。 【００７９】本実施例によると、基板が導電性を有して
いるので、ｎ側電極を基板裏面に蒸着して、結晶成長し
た接合のある面を下にして、マウント実装することが可
能であった。即ち、基板上面のｐ側電極から窒化物半導
体を経由して、基板下面のｎ側電極の方へと電流を通す
ことができた。これにより、放熱性を格段に向上させる
ことができた。本実施例では、他の実施例よりも高い温
度で動作するレーザ素子を得た。本素子は、室温におい
て発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲でレーザ動作し
た。 〈実施例７〉本発明の実施例を図１２Ａ及び図１２Ｂに
より説明する。本実施例は、実施例１乃至４で説明した
半導体装置と形状は似ているが、活性層の幅を広く取る
に好適な構成を開示する。 【００８０】図１２Ａにおいて、例えば(0001)C 面を有
するサファイア(α-Ａｌ₂Ｏ₃)単結晶基板１上に、Ｇａ
Ｎ バッファ層２，ｎ型ＧａＮ 光導波層３まで有機金属
気相成長法により結晶成長する。その後、格子状に設け
た絶縁膜マスク４の四角形窓領域パターン４０をリソグ
ラフィとエッチングにより形成する。このとき、格子状
窓領域を設けた絶縁膜マスク４の長手方向を該α- Ａｌ
₂Ｏ₃基板１の(11-20)A面と垂直な方向に設定しておく。
次に、ｎ型ＧａＮ 光導波層５を選択成長し横方向に合
体して平坦な一つの光導波層となるまで結晶成長を持続
させ、その後に引き続いてＡｌＧａＮ 光分離閉じ込め
層とＧａＮ 量子障壁層及びＧａＩｎＮ量子井戸層から
なる圧縮歪多重量子井戸活性層６，ｐ型ＧａＮ 光導波
層７を順次設ける。次に、リソグラフィにより、絶縁膜
マスク８を設ける。さらに、ｐ型電極１０とｎ型電極１
１のパターンを蒸着する。最後に、導波路ストライプに
垂直方向に劈開して共振器面を切り出し、スクライブに
より素子を分離して図１２Ａに示す素子縦断面（図１２
ＢのＧ−Ｇ’断面）を得る。 【００８１】本実施例によると、格子状からなる絶縁膜
マスク全幅を広くして発光活性層を５μｍ以上に設定す
ることにより横利得導波型の導波路構造となり、該絶縁
膜マスク全幅を狭くして発光活性層を１〜３μｍの範囲
とすることにより屈折率導波型のＢＨ構造を導波路構造
として設けることができた。本手法では、３次元的な核
生成の密度を高め、横方向への結晶層の合体を促進させ
るため、平坦で平滑な上面を有した光導波層５をまず形
成させることが可能であった。選択成長の引き続きによ
り、光導波層５の平坦な上面に、バルク成長で作製する
よりも平坦で高品質な結晶層からなる発光活性層と上部
導波路層を形成できるので、低光損失の光導波路構造を
達成することができた。本素子は、従来のバルク成長に
より形成した素子よりも低閾値でレーザ発振し、室温に
おける発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲であった。 〈実施例８〉本発明の他の実施例を図１３Ａ及び図１３
Ｂにより説明する。素子の作製は実施例７に準じるが、
図１３Ｂに示す絶縁膜マスク４の四角形の窓領域パター
ン（目開き部）４０を列によって四角形を互い違いに設
けておくところが異なる。 【００８２】本実施例の絶縁膜マスク４のように、目開
き部４０のパターン列によって一列ごとに半周期パター
ンをずらすことによって、隣接する目開き部の端部から
夫々絶縁膜上に向けてホモエピタキシャル成長する結晶
層の合体を促進させ、一様且つ平坦な半導体層を形成で
きる。更に目空き部を微細化することでパターン領域間
の幅の大きく取ることにより、平坦且つ好ましい形状の
ホモエピタキシャル成長層の面積を拡げることができ
る。 【００８３】本実施例によると、実施例７よりも平坦で
平滑な上面を有した光導波層５を得ることができ、さら
にその上に平坦で高品質な結晶層からなる発光活性層と
上部導波路層を設けたＢＨ導波路構造を形成できた。こ
の結果、実施例１より少なくとも閾値電流を半分以下に
低減することが可能であった。 【００８４】一方、本発明の変形例を図１３Ｃにより説
明する。この例では、絶縁膜マスク４の個々の窓領域パ
ターンを正六角形とした点が異なる。これにより、正六
角形の絶縁膜マスク窓領域において正六角形状の結晶層
を選択成長させ、列によって互い違いに結晶層を設ける
ことにより、個々の結晶層を容易に合体させ、平坦な一
つの光導波層を形成するようにした。この結果、図１３
Ｂに示す絶縁膜マスクを用いる場合よりも平坦で平滑な
上面を有した光導波層５を得ることができ、さらにその
上に平坦で高品質な結晶層からなる発光活性層と上部導
波路層を設けたＢＨ導波路構造を形成できた。この結
果、実施例７より少なくとも閾値電流を１／４以下に低
減することが可能であった。なお、図１３Ａは図１３Ｂ
又は図１３ＣのＨ−Ｈ’断面を示す。 〈実施例９〉本発明の他実施例を図１４Ａ及び図１４Ｂ
により説明する。素子の作製は実施例８に準じるが、図
１４Ｂに示すように、絶縁膜マスク４の両端の列を選択
成長のダミーパターンとして設けておく。このダミーパ
ターンの列と中央部３列のパターン上に設けた結晶層
は、互いに合体させないように、ダミーパターンと中央
部パターンの間隔を離しておく。このとき、中央部３列
パターン上の光導波層５を合体させ、その上に設ける層
６を一つの発光活性層構造とする。ダミーパターンに成
長した結晶層には電流を流さないように、絶縁膜でカバ
ーしておく。その他は、全く実施例３と同様のプロセス
を経て、図１４Ａに示す素子縦断面（図１４ＢのＪ−
Ｊ’断面）を得る。 【００８５】本実施例では、図１３Ｃに示した絶縁膜マ
スクを採用した実施例８の素子よりも平坦で平滑な上面
を有した光導波層５を得ることができ、さらにその上に
平坦で高品質な結晶層からなる発光活性層と上部導波路
層を設けることができた。この結果、図１３Ｃに示した
絶縁膜マスクを採用した実施例８の素子より少なくとも
閾値電流を２／３から１／２の範囲に低減することが可
能であった。 〈実施例１０〉本発明の他実施例を図１５Ａ及び図１５
Ｂにより説明する。素子の作製工程は実施例９に準じる
が、図１５Ｂに示すように、絶縁膜マスク４の両端の列
を選択成長用のダミーパターンとして設けておく。ま
た、中央部３列のパターン上に設けた結晶層において、
光導波層５を互いに合体させずに発光活性層を横方向に
列同志ではつなげないようにし、列内では個々の窓領域
に成長した光導波層５を合体させつなげるように、絶縁
膜マスクパターン間隔を調節する。これにより、各列に
おいて結晶層がつながったストライプを形成し、フェー
ズド・アレーにした導波路構造を作製する。両端列のダ
ミーパターンに成長した結晶層には、電流が生じないよ
うに絶縁膜でカバーした。図１５Ａは、図１５ＢのＫ−
Ｋ’断面を示す。 【００８６】本実施例では、中央部３つの列の導波路は
位相整合条件を満たした基本モード動作が可能であっ
た。この結果、実施例７乃至９の場合よりも高出力動作
を実現し、実施例９で得られた最高光出力より少なくと
も３倍以上の高出力を可能とした。また、絶縁膜マスク
のパターン幅を狭くして、ストライプ方向とは垂直な横
方向にも量子化させた量子細線として設け、これを横方
向にアレー状に並べることができた。 【００８７】本実施例の変形例を図１５Ｃにより説明す
る。素子の作製は図１５Ａの場合に準ずるが、絶縁膜マ
スク４の中央部３列のパターン上に設けた個々の結晶層
５乃至７は、互いに合体させない点が異なる。これによ
り、レーザ発振のための共振器長方向（図１５Ｂにおけ
る上下方向）に延伸した結晶層が全くつながらない（換
言すれば、独立した）３本の微小導波路を平行させて形
成できる。この微小導波路の幅をある程度狭くすると、
この導波路に注入されるキャリアは共振器長に垂直な方
向に量子化される。また、両端の個々のダミーパターン
に成長した結晶層には電流を流さないように絶縁膜でカ
バーした。 【００８８】図１５Ｃの素子では、中央部３つの列を構
成する個々の窓領域の導波路構造は、個々の基板面に垂
直な光導波層により、多重反射共振器面を形成してい
る。これにより、図１５Ａの素子には見られない、線幅
の狭い縦単一モード動作が可能であった。また、図１５
Ｃの素子はフェーズド・アレーを構成し、位相整合条件
を満たした基本モード動作であった。この結果、図１５
Ａの素子と同様に、実施例９において得られた最高光出
力より少なくとも３倍以上の高出力を可能とした。ま
た、絶縁膜マスク４のパターン幅を狭くして（即ち、目
開き部４０の面積を小さくして）、共振器長方向に垂直
な方向にも個々の結晶層５乃至７を絶縁膜９で分断する
ことで、共振器長方向にも量子化させた量子箱が形成で
きる。この場合、複数の量子箱が基板１に対して２次元
的に（格子状に）配列された素子が実現できる。 〈実施例１１〉本実施例乃至実施例１４で述べる半導体
装置の構成では、結晶構造を有する領域（例えば、基
板）の上部に非晶質の絶縁層を複数段設ける技術思想に
基づくものである。いずれの絶縁層にも目開き部を設
け、絶縁層の段数分だけ上述の窒化物半導体層の選択成
長を繰り返す。ここで絶縁層の目開き部の位置は交互に
ずらし、例えば上から見てｘ段目の絶縁層の目開き部が
ｘ＋１段目の絶縁層により遮られるように配置すること
が望ましい。このような選択成長を繰り返すことで、最
上部の絶縁層上に形成される窒化物半導体層中に生じる
結晶欠陥密度を激減させるのが、この技術思想の目的で
ある。 【００８９】本実施例乃至実施例１４では、結晶基板上
に絶縁層を２段設け、２段目の絶縁層上に形成された窒
化物半導体層に光学的領域を形成した半導体レーザ素子
について説明するが、絶縁層の段数、即ち選択成長の繰
り返し回数は２段以上でもよい。即ち、絶縁層の段数は
光学的領域又はスイッチングされるキャリアの流れる領
域に要請される結晶の品質と、製造工程数に依存する生
産コストとの釣り合いから決められる。 【００９０】本実施例乃至実施例１４で論じる半導体レ
ーザ素子は、基板上部に２段の絶縁膜マスクを設け、窒
化物半導体の結晶からなる層を２段階の選択成長で形成
することにより、光学的領域（例えば、光導波路層）の
結晶転位密度を格段に低減するものである。即ち、１段
目の絶縁膜マスクでホモエピタキシャル成長される結晶
層の転位密度が１０⁴〜１０⁵／ｃｍ²範囲とすると、２
段目の絶縁膜マスクでホモエピタキシャル成長される結
晶層の転位密度は１０³〜１０⁴／ｃｍ²の範囲に低減さ
れる。この結晶転位密度は、既に実用化されている半導
体レーザ素子、即ち窒化物半導体以外のIII-Ｖ族半導体
材料（例えば、GaAs、InP）からなる基板上に作製した
素子の光学的領域に見られる転位密度とほぼ同レベルで
ある。このような光導波路層における欠陥密度の低減
は、光散乱による損失や深い準位による光吸収及びキャ
リアトラップによる利得損失を軽減するので、半導体レ
ーザ素子の低閾値高効率動作をもたらす。従って、２段
階以上の選択成長により低欠陥密度の高品質光導波路を
形成することで、例えば基本横モード制御の屈折率導波
構造における内部光損失を低減した低閾値高効率で動作
する半導体レーザ素子を実現できる。 【００９１】さて、図１６Ａ及び図１６Ｂを参照して本
実施例の半導体レーザ素子を説明する。 【００９２】先ず、サファイア(α-Ａｌ₂Ｏ₃)単結晶基
板１の(0001)C面上に、図１６Ｂに示す２つのストライ
プ状の開口部なる目開き部４０を有する絶縁膜マスク４
を形成する。絶縁膜マスク４のストライプは、サファイ
ア基板１の(11-20)A面に平行に延伸するように形成され
る。次に、ＧａＮ バッファ層２２，ｎ型ＧａＮ 光導波
層２３まで有機金属気相成長法により第一段階の選択成
長を行う。この際、ｎ型ＧａＮ層２３は２本のストライ
プ状開口部（目開き部）４０に結晶成長し、中央部の絶
縁膜マスク上で横方向にホモエピタキシャル成長して合
体することにより、一つの結晶層を形成している。 【００９３】その後、ｎ型ＧａＮ層２３上面に２段目の
絶縁膜マスク４１を形成する。絶縁膜マスク４１には、
絶縁膜マスク４の中央部（即ち、２本のストライプ状の
目開き部４０に挟まれたマスキング領域）上部に、スト
ライプ状開口部として目開き部４２が形成されている。
この目開き部４２のストライプは、絶縁膜マスク４の目
開き部４０のストライプに略平行に延伸するため、絶縁
膜マスク４１上面から見ると目開き部４０は絶縁膜マス
ク４１により覆われている。この絶縁膜マスク４１によ
り第二段階の選択成長を行うことにより、ｎ型ＧａＮ
光導波層５，ＡｌＧａＮ光分離閉じ込め層とＧａＮ 量
子障壁層及びＧａＩｎＮ 圧縮歪量子井戸層からなる圧
縮歪多重量子井戸活性層６，ｐ型ＧａＮ 光導波層７，
ｐ型ＧａＩｎＮ コンタクト層８を順次設ける。次に、
リソグラフィにより絶縁膜９を設けて、ｐ側電極１０と
ｎ側電極１１を蒸着する。最後に、絶縁膜マスクのスト
ライプに垂直な方向に劈開して共振器面を切り出し、ス
クライブにより素子を分離して図１６Ａに示す素子縦断
面（図１６ＢのＬ−Ｌ’断面）を得る。即ち、この半導
体素子は絶縁膜マスク４１に形成された目開き部４２の
ストライプ方向にレーザ光を発振する共振器構造を有す
る。 【００９４】本実施例では、絶縁膜マスク４による選択
成長で得られた低結晶欠陥密度の半導体層２３を土台と
して、この上に絶縁膜マスク４１を設け、これによる選
択成長でレーザ発振のための導波路構造を形成すること
で、当該導波路構造における光損失を実施例１乃至１０
の素子のそれに比べて低減することができた。即ち、基
板上に形成した絶縁膜マスク４上でホモエピタキシャル
成長させた窒化物半導体層（ＧａＮ層）２３の結晶欠陥
密度が１０⁴〜１０⁵／ｃｍ²のレベルであったのに対
し、このホモエピタキシャル成長で形成したＧａＮ層２
３を土台に、絶縁膜マスク４１上でホモエピタキシャル
成長させた窒化物半導体層５〜８の結晶欠陥密度は１０
³〜１０⁴／ｃｍ²のレベルに低減できた。 【００９５】従って、窒化物半導体層５〜７により光学
的領域を形成することにより、この領域（発光活性層及
び光導波層）における結晶欠陥による光散乱損失や、領
域内の深い準位に起因した光吸収やキャリアトラップに
基づく利得損失等に起因する内部光損失を格段に下げる
ことが可能となった。また絶縁膜マスク４１の窓領域幅
（目開き部４２の寸法）の調節により光導波層５の幅を
制御することができ、これにより光導波層６の上に設け
る発光活性層６の幅を５μｍ以上に設定して利得導波型
構造を構成することも、また発光活性層６の幅を１〜３
μｍの範囲に設定して実屈折率差で導波するＢＨストラ
イプ構造の屈折率導波型構造を構成することもできる。
本実施例におけるＢＨストライプ屈折率導波型構造の素
子では、利得導波型構造よりも低閾値動作が達成でき、
閾値電流は利得導波構造の素子よりも1/3 〜1/4 にまで
低減できた。本素子は、従来のバルク成長により形成し
た素子よりも低閾値高効率でレーザ動作し、室温におけ
る発振波長は４１０〜４３０ｎｍの範囲であった。 【００９６】本実施例の変形例を図１６Ｃにより説明す
る。素子の作製は、上述の図１６Ａの場合と同じである
が、層８まで成長した後に、絶縁膜を利用したエッチン
グにより図１６Ｃに示すように層７及び８にリッジスト
ライプ状に加工する。リッジストライプの底部幅は２〜
９μｍの範囲に設定する。さらに、絶縁膜を利用してリ
ッジストライプの両側に埋込層１２を形成する。埋込層
１２は、選択成長によるｎ型ＧａＮ 電流狭窄層として
も、誘電体絶縁膜を埋め込んだ層としてもよい。絶縁膜
マスク４，４１の仕様は図１６Ａの素子と同じであり、
埋込層１２は目開き部４２のストライプと略平行に延伸
したストライプとして形成される。なお、図１６Ｃは図
１６ＢのＬ−Ｌ’断面を示す。 【００９７】図１６Ｃの素子では、発光活性層６横方向
において、リッジストライプ幅にのみ有効に電流が注入
でき、複素屈折率差を設けた屈折率導波が達成できる。
また、発光活性層６に注入されるキャリアの流れは、目
開き部４２に加えて埋込層１２の間隙でも制限されるた
め、発光活性層６の所望の領域にキャリアを効率よく注
入でき、発光効率を上げられる。本素子は、図１６Ａの
素子のＢＨストライプ構造とほぼ同程度に低閾値でかつ
高効率でレーザ動作し、室温における発振波長は４１０
〜４３０ｎｍの範囲であった。 〈実施例１２〉本発明の他実施例を図１７Ａ及び図１７
Ｂにより説明する。実施例１１と同様に素子を作製する
が、ｎ型ＧａＮ層２３まで設けた後、図１７Ａに示す絶
縁膜マスク４１に選択成長時のダミーパターンを両側に
２本加える。３本のストライプからなる目開き部４２の
間隔は、絶縁膜マスク４１の中央に位置する開口部（即
ち、目開き部）で形成される導波路構造とダミーパター
ン上に設けた結晶層が互いに合体させないように設定す
る。また、ダミーパターンに成長した結晶層には電流を
流さないように、絶縁膜９でカバーしておく。その他
は、全く実施例１１と同様のプロセスにより、図１７Ａ
に示す素子縦断面（図１７ＢのＭ−Ｍ’断面）を得る。 【００９８】本実施例によると、中央部の導波路構造に
おいては異常成長を回避して結晶性や形状を改善し、よ
り平坦で平滑な矩形状のＢＨストライプ構造を形成でき
た。これにより、より低損失でレーザ光を導波できるよ
うになり、実施例１１より少なくとも閾値電流を2/3 か
ら1/2 の範囲に低減することが可能であった。本素子
は、室温において発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲で
レーザ動作した。 【００９９】本実施例の変形例を図１７Ｃにより説明す
る。この素子は、図１６Ｃの素子と図１７Ａの素子を折
衷したものである。即ち、本実施例にてｐ型ＧａＮ 光
導波層７及びｐ型ＧａＩｎＮ コンタクト層８をリッジ
ストライプ状に加工し、このリッジストライプ部の両側
に埋込層１２を形成することで図１７Ｃに示す縦断面構
造を有する半導体レーザ素子を得る。 【０１００】図１７Ｃの素子では、ｐ型ＧａＮ 光導波
層７の中央に位置するリッジストライプ構造において実
施例１１よりも結晶性や形状を改善した導波路構造を形
成できた。これにより、さらに低損失でレーザ光を導波
できるようになり、図１６Ｃに示す素子より少なくとも
閾値電流を2/3 から1/2 の範囲に低減することが可能で
あった。本素子は、室温において発振波長４１０〜４３
０ｎｍの範囲でレーザ動作した。 〈実施例１３〉本発明の他実施例を図１８Ａ及び図１８
Ｂにより説明する。実施例１１の図１６Ｃの場合と同様
に素子を作製するが、層３と４を設ける前に、図１８Ｂ
に示すように、目開き部４０としてストライプ状の開口
部を少なくとも３つ形成した選択成長用の絶縁膜マスク
４を設けておく。層４の上には、絶縁膜マスク４の目開
き部（開口部）４０をちょうど覆うようにして絶縁膜マ
スク４１を設け、絶縁膜マスク４１の目開き部（開口
部）４２は絶縁膜マスク４のパターン上（即ち、目開き
部４０に挟まれた領域）にくるように形成する。２段階
の選択成長により、絶縁膜を利用して２段階で結晶欠陥
の導入を抑制することが可能である。次に、絶縁膜マス
ク４１の上において、結晶層を合体させて光導波層５を
形成した後は、実施例１１と全く同様にして図１８Ａに
示す素子縦断面（図１８ＢのＮ−Ｎ’断面）を得る。 【０１０１】本実施例では、実施例１１及び１２の素子
よりも光導波層５，７や発光活性層６における結晶欠陥
密度を低減でき、内部光損失を小さくすることが可能で
あった。これにより、図１６Ｃや図１７Ｃに示す素子に
比べて閾値電流を1/2 程度にまで低減できた。本素子
は、室温において発振波長４１０〜４３０ｎｍの範囲で
レーザ動作した。 【０１０２】本実施例の変形例を図１８Ｃにより説明す
る。この素子は、図１７Ｃの素子と図１８Ａの素子を折
衷したものである。即ち、絶縁膜マスク４１のストライ
プ状の目開き部４２にダミーパターンが加えられてい
る。 【０１０３】図１８Ｃの素子では、ｐ型ＧａＮ 光導波
層７の中央に位置するリッジストライプ構造において図
１８Ａの素子よりも結晶性や形状を改善した導波路構造
を形成できた。これにより、さらに低損失でレーザ光を
導波できるようになり、図１８Ａの素子より少なくとも
閾値電流を2/3 から1/2 の範囲に低減することが可能で
あった。本素子は、室温において発振波長４１０〜４３
０ｎｍの範囲でレーザ動作した。 〈実施例１４〉本発明の他実施例を説明する。素子の作
製は実施例１１乃至１３に記載のいずれかに準ずるが、
サファイア(α-Ａｌ₂Ｏ₃)基板の代わりに、基板１に六
方晶系Wurtzite構造であり基板面方位(0001)C 面のｎ型
炭化珪素(α-SiC)を用いる。その上にｎ型ＧａＮ バッ
ファ層を設けて、実施例１１乃至１３に記載のいずれの
素子構造を同様にして作製し、図１６Ａ−１６Ｃ乃至図
１８Ａ−１８Ｃに示す素子を得た。 【０１０４】本実施例によると、基板が導電性を有して
いるので、ｎ側電極を基板裏面に蒸着して、結晶成長し
た接合のある面を下にヒートシンクにマウント実装する
ことが可能であり、基板上面のｐ側電極から窒化物半導
体を経由して、基板下面のｎ側電極の方へと電流を通す
ことができた。さらにSiC 基板の熱伝導度はサファイア
基板よりも大きい値を有しており、放熱性に優れてい
る。これらにより、熱放散性を格段に向上させることが
できた。本実施例では、他の実施例よりも高い温度で動
作するレーザ素子を得た。本素子は、室温において発振
波長４１０〜４３０ｎｍの範囲でレーザ動作した。 〈まとめ〉以上、実施例１乃至１４にて論じた本発明の
半導体光素子について、以下に知見をまとめる。 【０１０５】いずれの実施例においても、結晶構造を有
する第１領域上に非晶質構造の絶縁性材料からなる第２
領域を設ける第１工程と、この第２領域には下地となる
第１領域を露出するための目開き部を形成する第２工
程、更に第２領域上に、例えば第２領域を覆うように窒
化物半導体材料の結晶からなる第３領域を形成する第３
工程をこの順に実行して素子を作製している。この素子
作製の基本プロセスは、第３領域を形成するための結晶
成長を、その結晶成長の核が形成される領域を第２領域
に設けた目開き部に制限して行う本発明の技術思想に基
づくものである。即ち、核生成領域を目開き部の底部で
露見する第１領域の表面に限定し、ここにおける核生成
密度を高め、且つ第２領域上での核生成を抑止する。後
者の意義は、結晶成長に関する結論３の議論を参照され
たい。 【０１０６】実施例では、第１領域として六方晶系の結
晶構造を有するサファイア基板、炭化珪素基板、又はい
ずれかの基板の(0001)結晶面上にエピタキシャル成長し
た窒化物半導体層を用い、その(0001)結晶面上に第２領
域を形成し、さらに第２領域の上面（即ち、目開き部を
除く部分）を２次元的に覆うように成長した第３領域の
窒化物半導体結晶（ＧａＮ層）及びその上部にエピタキ
シャル成長させた組成の異なる窒化物半導体結晶（Ａｌ
ＧａＩｎＮ）により光学的領域を形成している。第１領
域には立方晶系の一つであるZinc Blende 構造を有する
ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＳｂ，ＧａＰ，Ｇａ
ＡｓＰ，又はＧａＩｎＡｓ等からなる基板を用い、当該
基板又はその上にエピタキシャル成長した窒化物半導体
層の(111)結晶面上に第２領域を形成しても同様の素子
が得られる。ここで特筆すべきは、六方晶系の結晶構造
を有するサファイア基板又は炭化珪素を用い、その(000
1)結晶面上に窒化物半導体層をヘテロエピタキシャル成
長させて（又は、バルク成長で）光学的領域を形成する
従来の半導体光素子において、当該光学的領域に生じる
結晶欠陥密度が１０⁸〜１０¹¹／ｃｍ²の範囲であるのに
対し、本発明による半導体光素子においては、六方晶系
又は立方晶系のいずれの結晶構造を有する基板を採用し
ても、光学的領域の１０⁴〜１０⁵／ｃｍ²の範囲又はそ
れ以下に低減できることである。さらに実施例１１乃至
１４に示す、非晶質構造の絶縁性材料からなる領域上に
形成した窒化物半導体層を第１領域とする手法では、第
２領域上面（即ち、目開き部を除く部分）に形成される
第３領域又はその上部に形成される光学的領域の結晶欠
陥密度は１０³〜１０⁴／ｃｍ²の範囲又はそれ以下に低
減できる。 【０１０７】本発明の半導体光素子では、上述のように
光学的領域（例えば、光導波層）を欠陥密度の低い、高
品質の窒化物半導体結晶で形成できるため、この光学的
領域における光損失（欠陥密度に概ね比例する）の低減
が図れる。即ち、光学的領域に結晶欠陥が生じると、こ
れによる光散乱損失、深い準位による光吸収、及びキャ
リアトラップのため、当該光学的領域における利得損失
を招く。本発明は、このような光学的領域での利得損失
を抑制し、当該光学的領域に生ずる内部光損失を格段に
下げるものであるため、当該光学的領域における光学利
得を向上してレーザ発振の低閾値動作を可能とする。 【０１０８】一方、本発明の半導体光素子では第３の領
域は第２の領域上で矩形状に成長し且つその成長面は略
平坦となる。このため、電流狭窄層で活性層横方向（共
振器長に対し垂直方向）に利得分布を形成する利得導波
型や活性層横方向に屈折率差を設けて基本横モードを安
定に導波する屈折率導波型の共振器を構成するリッジス
トライプ構造やＢＨストライプ構造を窒化物半導体によ
り平滑な形状で実現できる。 【０１０９】以上に述べた、本発明の半導体光素子にて
初めて実現される光学的領域の結晶欠陥低減と平滑な矩
形構造は、例えば半導体レーザ素子の性能として、レー
ザ発振のための閾値電流を少なくとも従来素子の1/2 以
下に低減し、内部量子効率を少なくとも従来素子の２倍
以上に向上させた。本発明者が様々な素子構成で確認す
る範囲では、閾値電流は最良で従来素子の1/8 迄に低減
できた。このような性能向上は、半導体レーザ素子の低
閾値高効率動作に重要である。 【０１１０】さらに第２の領域に設ける目開き部の形状
により基本横モードでの高出力動作を達成できるフェー
ズド・アレイ構造や、閾値電流の低減に好適な面発光型
垂直共振器構造を実現できる。前者においては、個々の
絶縁膜マスク窓領域に形成した導波路構造を多重反射共
振器とすることにより、縦単一モード動作が達成でき
る。実施例１１乃至１４に示す構成の素子においては、
絶縁膜マスク窓領域幅の設計によって、活性層横方向に
実屈折率差を設けたＢＨストライプ屈折率導波構造や、
エッチング加工により複素屈折率差を設けたリッジスト
ライプ屈折率導波構造を作製することにより、レーザ発
振のための閾値電流は利得導波構造を有する従来の素子
よりも1/3 〜1/4 にまで低減できた。 【０１１１】なお、各実施例の素子における室温の発振
波長は、４１０〜４３０ｎｍの範囲で青紫色波長域とし
たが、光学的領域を構成する窒化物半導体層の組成の設
定により、６００ｎｍ以下の緑色から紫外光までの発光
が可能となる。この手法については、従来技術で列挙し
た文献を参照されたい。 【０１１２】 【発明の効果】本発明による半導体材料及びその製造方
法においては、窒化物半導体又は六方晶系の結晶構造を
有するIII −Ｖ族化合物半導体の結晶をその欠陥密度を
１０⁷／cm²以下に抑制して成長するに好適な基体が提供
される。従って、立方晶系の結晶構造を有するIII −Ｖ
族化合物半導体で既に実用化されている半導体装置を窒
化物半導体又は六方晶系の結晶構造を有するIII −Ｖ族
化合物半導体の結晶で構成し、実用化することができ
る。 【０１１３】さらに本発明による半導体装置のうち、半
導体光素子においては光学的領域における光損失やキャ
リア損失が低減できる。例えば、従来困難とされた窒化
物半導体からなる半導体レーザ素子による１０００時間
の連続発振（ＣＷ発振）が、本発明により可能となる。
従って、本発明の半導体レーザ装置は、青緑色から青紫
色に至る所謂短波長のレーザ光を用いた民生機器、例え
ば高精細ＤＶＤ、高記録密度のＭＤ、レーザ・ディスプ
レイの実用化を促進するという波及効果をも及ぼすもの
である。

【図面の簡単な説明】 【図１】図１Ａは、本発明による半導体レーザ素子の素
子構造の縦断面（図１ＢのＡ−Ａ’断面）を示す図であ
る。図１Ｂは図１Ａの半導体レーザ素子の絶縁膜上面を
示す図である。 【図２】図２は、六方晶系の結晶構造の単位構造を示す
図である。 【図３】図３Ａは、本発明の結晶成長技術１に関して結
晶成長を時系列的に示す図である。図３Ｂは、本発明の
結晶成長技術１に関して結晶成長を時系列的に示す図で
ある。図３Ｃは、本発明の結晶成長技術１に関して結晶
成長を時系列的に示す図である。図３Ｄは、本発明の結
晶成長技術１に関して結晶成長を時系列的に示す図であ
る。図３Ｅは、本発明の結晶成長技術１に関して結晶成
長を時系列的に示す図である。 【図４】図４Ａは、本発明の基本概念に係る非晶質構造
の絶縁膜上でのＧａＮ結晶成長を時系列的に示す図であ
る。図４Ｂは、本発明の基本概念に係る非晶質構造の絶
縁膜上でのＧａＮ結晶成長を時系列的に示す図である。
図４Ｃは、本発明の基本概念に係る非晶質構造の絶縁膜
上でのＧａＮ結晶成長を時系列的に示す図である。図４
Ｄは、本発明の基本概念に係る非晶質構造の絶縁膜上で
のＧａＮ結晶成長を時系列的に示す図である。図４Ｅ
は、本発明の基本概念に係る非晶質構造の絶縁膜上での
ＧａＮ結晶成長を時系列的に示す図である。 【図５】図５Ａは、本発明の結晶成長技術２に関して結
晶成長を時系列的に示す図である。図５Ｂは、本発明の
結晶成長技術２に関して結晶成長を時系列的に示す図で
ある。図５Ｃは、本発明の結晶成長技術２に関して結晶
成長を時系列的に示す図である。図５Ｄは、本発明の結
晶成長技術２に関して結晶成長を時系列的に示す図であ
る。 【図６】図６Ａは、本発明の結晶成長技術を応用した半
導体装置の量産プロセスを説明する図である。図６Ｂ
は、半導体装置の一完成例の縦断面図である。図６Ｃ
は、半導体装置の他の完成例の斜視図である。 【図７】図７Ａは、本発明の実施例１の半導体光素子の
縦断面の一例を示す図である。図７Ｂは図７Ａの素子中
に形成される絶縁膜マスクの上面図をである。図７Ｃは
素子の他の例の縦断面図である。 【図８】図８Ａは、本発明の実施例２の半導体光素子の
一例の縦断面図である。図８Ｂは、図８Ａの素子中に形
成される絶縁膜マスクの上面図である。図８Ｃは、素子
の他の例の縦断面図である。 【図９】図９Ａは、本発明の実施例３の半導体光素子の
一例の縦断面図である。図９Ｂは図９Ａの素子中に形成
される絶縁膜マスクの上面図である。図９Ｃは絶縁膜マ
スクの他の例の上面図である。 【図１０】図１０Ａは、本発明の実施例４の半導体光素
子の一例の縦断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａの素
子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。 【図１１】図１１Ａは、本発明の実施例５の半導体光素
子の一例の縦断面図である。図１１Ｂは、図１１Ａの素
子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。 【図１２】図１２Ａは、本発明の実施例７の半導体光素
子の一例の縦断面図である。図１２Ｂは、図１２Ａの素
子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。 【図１３】図１３Ａは、本発明の実施例８の半導体光素
子の一例の縦断面図である。図１３Ｂは、図１３Ａの素
子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。図１３
Ｃは、素子の他の例の縦断面図である。 【図１４】図１４Ａは、本発明の実施例９の半導体光素
子の一例の縦断面図である。図１４Ｂは、素子中に形成
される絶縁膜マスクの上面図を示す。 【図１５】図１５Ａは、本発明の実施例１０の半導体光
素子の一例の縦断面図である。図１５Ｂは、図１５Ａの
素子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。図１
５Ｃは、素子の他の例の縦断面図である。 【図１６】図１６Ａは、本発明の実施例１１の半導体光
素子の一例の縦断面図である。図１６Ｂは、図１６Ａの
素子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。図１
６Ｃは、素子の他の例の縦断面図である。 【図１７】図１７Ａは、本発明の実施例１２の半導体光
素子の一例の縦断面図である。図１７Ｂは、図１７Ａの
素子中に形成される絶縁膜マスクの上面図である。図１
７Ｃは、素子の他の例の縦断面図を示す。 【図１８】図１８Ａは、本発明の実施例１４の半導体光
素子の一例の縦断面図である。図１８Ｂは、素子中に形
成される絶縁膜マスクの上面図である。図１８Ｃは、素
子の他の例の縦断面図を示す。 【図１９】図１９は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により
撮影された図３Ｄに相当する写真である。 【図２０】図２０は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により
撮影された図５Ｃに相当する写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F045 AA04 AB14 AB17 AC08 AC12 AF02 AF03 AF09 BB12 CA12 DA53 DB02 5F073 AA03 AA22 AA36 AA45 AA65 AA74 BA05 BA09 CA07 CB05 CB07 CB10 DA05 DA07 DA35 EA23

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】構成元素として少なくとも窒素を含む化合
   物半導体の結晶からなる第１の領域と非晶質構造の絶縁
   体からなる第２の領域を有することを特徴とする半導体
   装置。