JP2000299497A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

窒化物半導体素子

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＧａＮ基板上に成長させるデバイス構造に微
細なクラックが発生することを防止し、寿命特性などの
素子特性を向上させ、信頼性の更なる向上が可能な窒化
物半導体素子を提供することである。 【解決手段】 ＧａＮ基板上に、ＧａＮより熱膨張係数
の小さい窒化物半導体［ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ＜
１）］を成長させ、その上にデバイス構造を形成させて
なる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード
（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）あるいは他の電
子デバイス、パワーデバイスなどに使用される窒化物半
導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦
１）よりなる窒化物半導体素子に関し、特に、ＧａＮ基
板上に形成されるデバイス構造に生じる微細なクラック
を防止されてなる窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、窒化物半導体からなる青色発光ダ
イオードが実用化され、更に青色レーザダイオードの実
用も可能になっている。例えば、本発明者等は、Japane
se Journal of Aplide Physics. Vol.37(1998)pp.L309-
L312 に、ＧａＮ基板上に、デバイス構造を形成してな
る窒化物半導体レーザ素子を開示している。ＧａＮ基板
は、サファイア上に一旦成長させたＧａＮ層上に、Ｓｉ
Ｏ2よりなる保護膜を部分的に形成し、この上から再度
ＧａＮを成長させた後、サファイア基板を除去してなる
ものである。このようにして得られたＧａＮ基板は、Ｇ
ａＮの横方向の成長を利用して転位の進行を成長の初期
に止めることで、転位の少ないＧａＮ基板となってい
る。そして、転位の少ないＧａＮ基板を用いて製造され
た窒化物半導体レーザ素子は、１万時間以上の連続発振
を達成することができるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、窒化物
半導体レーザ素子の実用化にあたって、レーザ素子の信
頼性の更なる向上のために、検討を重ねた結果、ＧａＮ
基板上に成長されてなるデバイス構造、特にＧａＮ基板
上に形成されるｎ型コンタクト層内に微細なクラックが
発生する場合があることが確認された。このような微細
なクラックの発生は、しきい値の上昇や寿命特性の低下
などレーザ素子へ悪影響を及ぼす可能性がある。更に、
ＧａＮ基板を用いてなる窒化物半導体素子を得る場合
に、上記のような微細なクラックの発生という問題は、
素子の信頼性を向上させるために、解決されることが望
ましい。そこで、本発明の目的は、ＧａＮ基板上に成長
させるデバイス構造に微細なクラックが発生することを
防止し、寿命特性などの素子特性を向上させ、信頼性の
更なる向上が可能な窒化物半導体素子を提供することで
ある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、下記
（１）〜（８）の構成により、本発明の目的を達成する
ことができる。 （１） ＧａＮ基板上に、ＧａＮより熱膨張係数の小さ
い窒化物半導体を成長させ、その上にデバイス構造を形
成させてなる窒化物半導体素子。 （２） 前記熱膨張係数の小さい窒化物半導体が、Ａｌ
aＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）であることを特徴とする
（１）に記載の窒化物半導体素子。 （３） 前記熱膨張係数の小さい窒化物半導体が、前記
ＧａＮ基板に接して形成されていることを特徴とする
（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素子。 （４） 前記デバイス構造が、少なくともＡｌを含有す
るｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含んでなる活性層、及
び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を少なくと
も有するダブルヘテロ構造であることを特徴とする
（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素子。 （５） 前記ＧａＮ基板が、窒化物半導体のみからなる
ことを特徴とする（１）又は（２）に記載の窒化物半導
体素子。 （６） 前記窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板が、
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化
物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長
を利用して転位の低減される方法により、再び窒化物半
導体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基
板であることを特徴とする（５）に記載の窒化物半導体
素子。 （７） 前記ＧａＮ基板が、異種基板上に窒化物半導体
を形成してなる異種基板と窒化物半導体とからなること
を特徴とする（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素
子。 （８） 前記異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ
基板が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の
上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方
向の成長を利用して転位の低減される方法により、再び
窒化物半導体を成長させて得られる基板であることを特
徴とする（７）に記載の窒化物半導体素子。
【０００５】つまり、本発明は、ＧａＮ基板より熱膨張
係数の小さい窒化物半導体を成長させることにより、微
細なクラックを良好に防止することができるものであ
る。
【０００６】本発明者等は、従来の課題であるＧａＮ基
板上にＧａＮを成長させた場合にＧａＮ内部に微細なク
ラックが発生する問題について、種々検討した結果、Ｇ
ａＮ基板と、その上に成長させる窒化物半導体との熱膨
張係数の関係が、微細なクラックの発生に関与している
のではないかと考えた。例えば、熱膨張係数として、Ｓ
ｉＣをε1、ＧａＮをε2、サファイアをε3、とする
と、それぞれの熱膨張係数の関係は、ε1＜ε2＜ε3の
ように大小の関係がある。そして、ＳｉＣ基板上にＧａ
Ｎを成長させた場合、熱膨張係数ε1＜ε2となることか
ら、ＳｉＣ基板上に成長させたＧａＮには、面内方向に
引っ張り歪みがかかり、このような状態ではＧａＮにク
ラックが発生しやすくなる。また、サファイア基板にＧ
ａＮを成長させた場合、熱膨張係数ε2＜ε3となること
から、サファイア基板上に成長させたＧａＮには、面内
方向に圧縮歪みがかかり、このような状態ではＧａＮに
クラックが発生しにくくなる。つまり、ＧａＮに発生す
るクラックは、ＧａＮにかかる歪みが、引っ張り歪みで
あるか、圧縮歪みであるかによって、発生する傾向が相
違してくる。
【０００７】しかし、上記のことを踏まえて、ＧａＮ基
板上にＧａＮを成長させる場合には、熱膨張係数は等し
いので、基板上のＧａＮには引っ張り歪みも圧縮歪みも
発生していないと思われるが、実際にはＧａＮ基板上に
成長されたＧａＮには微細なクラックが発生する傾向が
ある。このことから、本発明者等は、ＧａＮ基板上に成
長させる材料の熱膨張係数が、ＧａＮの熱膨張係数と同
じ以上の値であると、ＧａＮ基板上に成長させるＧａＮ
の内部に微細なクラックが発生するのではないか、そし
てＧａＮ基板上のＧａＮにわずかに圧縮歪みがかかるよ
うにすれば、ＧａＮでの微細なクラックの発生を防止で
きるのではないか、と考察した。
【０００８】そこで、本発明者等は、上記の如く、Ｇａ
Ｎ基板より熱膨張係数の小さい窒化物半導体を成長させ
ることにより、デバイス構造に微細なクラックが発生す
るのを防止することを達成した。
【０００９】さらに本発明において、ＧａＮ基板より熱
膨張係数の小さい材料が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦
１）からなる窒化物半導体であると、ＧａＮ基板の熱膨
張係数に対して、ＡｌaＧａ1-aＮの熱膨張係数の値が、
若干小さくなるため素子構造内の微細なクラックを防止
でき好ましい。またさらに、本発明において、熱膨張係
数の小さい窒化物半導体が、ＧａＮ基板に接して形成さ
れていると、デバイス構造に生じる微細なクラックの発
生を良好に防止でき好ましい。またさらに本発明におい
て、デバイス構造が、少なくともＡｌを含有するｎ型ク
ラッド層、ＩｎＧａＮを含んでなる活性層、及び少なく
ともＡｌを含有するｐ型クラッド層を少なくとも有する
ダブルヘテロ構造であると、微細なクラックの発生を防
止することによることと相乗的に作用し、素子特性の良
好な素子が得られ好ましい。
【００１０】またさらに本発明において、ＧａＮ基板
が、窒化物半導体のみからなると、ＧａＮ基板のデバイ
ス構造を形成されてなる面とは反対の面にｎ電極を形成
することができ、チップを小さくすることができる点で
好ましい。またＧａＮ基板が窒化物半導体のみからなる
と、放熱性や劈開により共振面を形成する場合の劈開性
が向上する等の点でも好ましい。またさらに本発明にお
いて、前記窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板が、窒
化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物
半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を
利用して転位の低減される方法により、再び窒化物半導
体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基板
であると、転位の低減された窒化物半導体を得ることが
でき、デバイス構造を形成してなる素子の素子特性が向
上し好ましい。また、このような窒化物半導体のみから
なると、ＧａＮ基板のデバイス構造が形成されている面
の反対側の面にｎ電極を設けることもでき、チップを小
さくすることができる。また、窒化物半導体のみからな
るＧａＮ基板において、デバイス構造を形成する面は異
種基板を除去されてなる面とは反対の面に形成すると、
素子特性の点で好ましい。
【００１１】またさらに本発明において、ＧａＮ基板
が、異種基板上に窒化物半導体を形成してなる異種基板
と窒化物半導体とからなると、ウエハの割れや欠けが防
止できハンドリング性の点で好ましい。また、異種基板
を除去する工程が不要となるので製造時間の短縮化等の
点でも好ましい。またさらに、本発明において、異種基
板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板が、窒化物半導
体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を
成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して
転位の低減される方法により、再び窒化物半導体を成長
させて得られる基板であると、転位の低減された窒化物
半導体上にデバイス構造が形成されるので素子特性の点
で好ましく、さらに異種基板を有していることでウエハ
の割れや欠けが生じ難くなりハンドリング性の点等で好
ましい。
【００１２】また、ＧａＮ基板上にＧａＮより熱膨張係
数の小さい窒化物半導体を成長させる前に、ＧａＮ基板
の表面をエッチングしてから熱膨張係数の小さい窒化物
半導体を形成してもよい。ＧａＮ基板の熱膨張係数の小
さい窒化物半導体を形成する面は、ＧａＮ基板が作製さ
れる過程で、表面がでこぼこしていて平坦でない場合が
あるので、エッチングして表面を平坦にし、この上に熱
膨張係数の小さい窒化物半導体を成長させることが微細
なクラックを防止する点で好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に、本発明をさらに詳細に説
明する。本発明において、ＧａＮ基板上に成長されるＧ
ａＮより熱膨張係数の小さい窒化物半導体としては、特
に限定されず、熱膨張係数がＧａＮより小さければいず
れの窒化物半導体でもよいが、微細なクラックの防止と
共に、結晶性を損なわないような組成の窒化物半導体が
好ましい。本発明において、ＧａＮより熱膨張係数の小
さい窒化物半導体として、具体的に好ましい材料は、Ａ
ｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）が挙げられ、より好ましく
は、ａの値が０＜ａ＜０．３であり、更に好ましくは、
ａの値が、０＜ａ＜０．１である。このような組成の窒
化物半導体であると微細なクラックを防止するのに好ま
しく、さらにＡｌ組成比が比較的小さいと微細なクラッ
クの発生が良好に防止できると共に、結晶性もよいため
好ましい。
【００１４】上記ＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物
半導体層は、ＧａＮ基板上のいずれに形成してもよい
が、ＧａＮ基板からの影響で生じる微細なクラックを良
好に防止するのに、ＧａＮ基板に接して形成させること
が好ましい。また、ＧａＮ基板と熱膨張係数の小さい窒
化物半導体層との間にその他の層を形成してもよい。ま
た、ＧａＮ基板上に熱膨張係数の小さい窒化物半導体層
を形成する前に、ＧａＮ基板の形成面をエッチングして
もよい。ＧａＮ基板の作製の方法などによっては、Ｇａ
Ｎ基板の表面がでこぼこしている場合があるので、一旦
表面をエッチングして平坦にしてから熱膨張係数の小さ
い窒化物半導体層、例えばＡｌaＧａ1 -aＮ、を形成する
と微細なクラックの防止の点で好ましい。
【００１５】ＧａＮより熱膨張係数の小さい例えばＡｌ
aＧａ1-aＮからなる窒化物半導体層の膜厚は、特に限定
されないが、好ましくは１μｍ以上であり、より好まし
くは３〜１０μｍである。このような膜厚であると微細
なクラックの防止の点で好ましい。また、本発明におい
て、例えばＡｌaＧａ1-aＮからなる熱膨張係数の小さい
窒化物半導体層は、ＧａＮ基板とデバイス構造とのバッ
ファ層、ｎ電極を形成するｎ型コンタクト層、また、光
を閉じ込めるためのクラッド層等を兼ねることができ
る。ＡｌaＧａ1-aＮを成長させてなる層が、デバイス構
造の上記のような層を兼ねる場合は、兼ねている層の機
能を考慮して、上記膜厚の範囲内で膜厚を調整する。
【００１６】更に、熱膨張係数の小さい窒化物半導体層
を成長させる際に、不純物をドープさせてもよく、不純
物としては特に限定されず、ｎ型でもｐ型でもよい。不
純物のドープ量は、上記のようにデバイス構造のある
層、例えばコンタクト層やクラッド層等、を兼ねる場
合、層の機能を良好にする範囲のドープ量でｎ型あるい
はｐ型不純物を適宜調節してドープする。
【００１７】例えば、本発明において、熱膨張係数の小
さい窒化物半導体層が、図５に示されるように、ｎ型コ
ンタクト層２の機能を兼ねる場合、ｎ型不純物（好まし
くはＳｉ）をドープされた窒化物半導体層を成長させ
る。ｎ型不純物のドープ量としては、１×１０18／ｃｍ
3〜５×１０18／ｃｍ3である。このｎ型コンタクト層２
にｎ電極が形成される。ｎ型コンタクト層２の膜厚とし
ては、好ましくは１〜１０μｍである。この範囲である
と、微細なクラックを防止し、ｎ型コンタクト層２とし
ての機能を発揮でき好ましい。
【００１８】更に、図５に示されるように、熱膨張係数
の小さい窒化物半導体層として、例えばアンドープのＡ
ｌaＧａ1-aＮを成長させてなる層（アンドープｎ型コン
タクト層１）が、ＧａＮ基板とＡｌaＧａ1-aＮからなる
ｎ型コンタクト層２との間に、形成されてもよく、この
ようにアンドープのＡｌaＧａ1-aＮからなるｎ型コンタ
クト層１を成長させると、微細なクラックの防止及び結
晶性の点で好ましい。この場合のアンドープのＡｌaＧ
ａ1-aＮのｎ型コンタクト層１は、バッファ層のような
作用を兼ね備えた層として作用している。アンドープｎ
型コンタクト層１が、ＧａＮ基板と不純物含有のｎ型コ
ンタクト層の間に成長されると結晶性が良好となり、寿
命特性を向上させるのに好ましい。アンドープｎ型コン
タクト層１の膜厚は、数μｍである。
【００１９】本発明において、ＧａＮ基板となるＧａＮ
の製造方法としては、特に限定されないが、いずれの方
法により得られるＧａＮでもよい。また、本発明におい
て、ＧａＮ基板は、窒化物半導体のみからなるＧａＮ基
板、異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板が挙
げられる。ここで、異種基板と窒化物半導体とからなる
ＧａＮ基板の場合、下記に示すようなＳｉＯ2等の保護
膜を用いて窒化物半導体の横方向の成長を利用し転位の
低減される成長方法（ＥＬＯＧ成長）が用いられると、
異種基板上の窒化物半導体内にＳｉＯ2等の保護膜を有
することもある。
【００２０】まず以下にＧａＮ基板が窒化物半導体のみ
からなる場合について記載する。窒化物半導体のみから
なるＧａＮ基板として、どのような成長方法により得ら
れたものでもよく、例えば、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記
載されているように、ＳｉＯ2を用いてＧａＮの横方向
の成長を利用してなるＧａＮや、特願平１０−７７２４
５、同１０−２７５８２６、同１０−１１９３７７、同
１０−１３２８３１、同１１−３７８２７、同１１−３
７８２６、同１０−１４６４３１、同１１−１６８０７
９、同１１−２１８１２２各号の明細書等に提案されて
いるＥＬＯＧ成長などを用いることができる。但し、各
号の明細書に記載されている成長方法により得られるＧ
ａＮは、ＥＬＯＧ成長後に異種基板を除去されてなるも
のである。
【００２１】上記の各号の明細書等に記載されているＥ
ＬＯＧ成長により得られるＧａＮは、転位密度の低減さ
れた基板となり、寿命特性など素子特性の向上の点で好
ましく、本発明のＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物
半導体をこの転位の低減されたＧａＮ基板上に成長させ
デバイス構造を成長させると、より良好な寿命特性が得
られ好ましい。例えば特願平１１−３７８２７号明細書
には、サファイア等の異種基板上に一旦ＧａＮを成長さ
せ、このＧａＮに凹凸を形成し、更にこの上からＧａＮ
を成長させてなる方法によりＧａＮ基板を作製する方法
が提案されており、その方法の具体例としては、実施例
にその一実施の形態を示す。ここで、サファイアなどの
異種基板上に、ＳｉＯ2や凹凸など形成した後に成長さ
れたＧａＮ層は、サファイアなどを除去してＧａＮのみ
とされる。このようにサファイアなどの除去面と、成長
面とは、表面の物理的性質が異なり、ＧａＮ単体にやや
反りが入る傾向がある。そして、前記本発明の課題で記
載した微細なクラックは、このような表面の物理的な相
違により発生することも考えられる。しかし、上記した
ように、ＧａＮ基板上にＡｌaＧａ1-aＮを成長させる
と、微細なクラックの発生を防止でき、結晶性の良好な
デバイス構造を形成することができる。
【００２２】また、本発明において、窒化物半導体のみ
からなるＧａＮ基板の膜厚としては、特に限定されない
が、好ましくは５０〜５００μｍであり、より好ましく
は１００〜３００μｍである。ＧａＮ基板の膜厚が上記
範囲であると、転位の良好な低減と共に機械的強度が保
たれ好ましい。
【００２３】次に、ＧａＮ基板が異種基板と窒化物半導
体とからなる場合に付いて以下に示す。異種基板と窒化
物半導体とからなるＧａＮ基板としては、いずれの成長
方法により得られたものでもよいが、好ましくは転位の
低減される上記に列記した各号明細書に記載されている
ＥＬＯＧ成長などにより得られる異種基板上に転位の低
減された窒化物半導体を形成し、異種基板を除去してい
ないものが挙げられる。異種基板と窒化物半導体とから
なるＧａＮ基板が、異種基板上に転位の少なくなる方法
で得られた窒化物半導体であると、この上にデバイス構
造を形成して得られるレーザ素子の寿命特性等の素子特
性が向上し好ましい。異種基板として、上記列記した明
細書に記載されている種々異種基板を用いることができ
る。例えば、サファイア、スピネルなどを挙げることが
できる。本発明において、異種基板と窒化物半導体とか
らなるＧａＮ基板の窒化物半導体の部分の膜厚として
は、特に限定されないが、例えば好ましい具体例として
は、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好
ましくは２０μｍ以下である。膜厚の下限値は特に限定
されないが、ＥＬＯＧ成長により保護膜や凹凸が覆われ
て転位の低減できる程度の膜厚であればよく、例えば数
μｍ以上である。膜厚がこの範囲であると、転位の低減
の点で好ましいと共に、異種基板と窒化物半導体の熱膨
張係数差によるウエハの反りが防止でき、更にこの上に
デバイス構造を良好に成長させることができる。
【００２４】本発明は、ＧａＮの熱膨張係数と同じかそ
れ以上の値を有する窒化物半導体層を、ＧａＮ基板上、
特にＧａＮ基板に接して、成長させる場合に内部に微細
なクラックが発生すると言った問題点を解決することが
できるものである。そして、微細なクラックに着目する
にあたっては、長時間の連続発振が可能なレーザ素子を
得ることができるようになったことで、さらなる実用性
の可能性を高めることが望まれるようになってきている
からである。
【００２５】また、ここで、本発明の課題である微細な
クラックの発生の原因は上記熱膨張係数の差が関係する
と思われるが、この考察は定かではなく、上記厚膜のＧ
ａＮ基板上に、薄膜のＧａＮを成長させると何らかの原
因で、微細なクラックが発生するのではないかという考
察もできる。このことから、微細なクラックの発生とい
う問題は、ＧａＮ単体を基板としたときに生じる問題と
も考えられる。
【００２６】また、本発明において、デバイス構造の前
記ｎ型コンタクト層以外のその他の活性層等の層として
は、特に限定されず、種々の層構造を用いることができ
る。本発明は、ＧａＮ基板上にＧａＮより熱膨張係数の
小さい、例えば好ましくはＡｌＧａＮを成長させること
により、ＧａＮ基板上に種々のデバイス構造を成長させ
ても微細なクラックの発生が生じないことから、寿命特
性などが向上する傾向がある。本発明のデバイス構造と
しては、少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、Ｉ
ｎＧａＮを含んでなる活性層、及び少なくともＡｌを含
有するｐ型クラッド層を少なくとも有するダブルヘテロ
構造であることが、素子特性の点で好ましい。デバイス
構造の具体的な実施の形態としては、従来公知のダブル
ヘテロ構造の素子構造を用いることができ、例えば後述
の実施例に記載されているデバイス構造が挙げられる。
また、電極等も特に限定されず種々のものを用いること
ができる。
【００２７】本発明において、窒化物半導体の成長は、
ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）ＭＯＣＶＤ（有機金
属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長
法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を
成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
【００２８】
【実施例】以下に本発明の一実施の形態である実施例を
示す。しかし本発明はこれに限定されない。
【００２９】［実施例１］実施例１として、図５に示さ
れる本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素
子を製造する。
【００３０】（ＧａＮ基板の製造方法）図１〜図４に示
されている各工程に沿ってＧａＮ基板を製造する。２イ
ンチφ、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサフ
ァイア基板１１を反応容器内にセットし、温度を５１０
℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニア
とＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア
基板１１上にＧａＮよりなるバッファ層（図示されてい
ない）を約２００オングストロームの膜厚で成長させ
る。
【００３１】バッファ層を成長後、ＴＭＧのみ止めて、
温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になった
ら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープ
のＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層１２を２μｍの
膜厚で成長させる（図１）。
【００３２】第１の窒化物半導体層１２を成長後、スト
ライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置により
ストライプ幅（凸部の上部になる部）５μｍ、ストライ
プ間隔（凹部底部となる部分）１５μｍにパターニング
されたＳｉＯ2膜を形成し、続いて、ＲＩＥ装置により
ＳｉＯ2膜の形成されていない部分の第１の窒化物半導
体層１２を第１の窒化物半導体１２が残る程度に途中ま
でエッチングして凹凸を形成することにより、凹部側面
に第１の窒化物半導体１２を露出させる（図２）。図２
のように凹凸を形成した後、凸部上部のＳｉＯ2を除去
する。なお、ストライプ方向は、オリフラ面に対して垂
直な方向で形成する。
【００３３】次に、反応容器内にセットし、温度を１０
５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アン
ドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層１３を約
３２０μｍの膜厚で成長させる（図３及び図４）。
【００３４】第２の窒化物半導体層１３を成長後、ウェ
ーハを反応容器から取り出し、アンドープのＧａＮより
なるＧａＮ基板を得る。この得られたＧａＮ基板からサ
ファイア基板を除去し、除去した面とは反対の成長面上
に、図５に示されるように、下記のデバイス構造を成長
させる。ＧａＮからなる基板の膜厚は約３００μｍであ
る。
【００３５】（アンドープｎ型コンタクト層１：本発明
のＡｌaＧａ1-aＮ）ＧａＮ基板上に、１０５０℃で原料
ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ア
ンモニアガスを用いアンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよ
りなるアンドープｎ型コンタクト層１を１μｍの膜厚で
成長させる。 （ｎ型コンタクト層２：本発明のＡｌaＧａ1-aＮ）次
に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアン
モニアガスを用い、不純物ガスにシランガス（Ｓｉ
Ｈ4）を用い、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌ
0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層２を３μｍの
膜厚で成長させる。
【００３６】ここで、上記の成長されたｎ型コンタクト
層２（ｎ型コンタクト層１を含む）には、微細なクラッ
クが発生しておらず、微細なクラックの発生が良好に防
止されている。また、ＧａＮ基板に微細なクラックが生
じていても、ｎ型コンタクト層２を成長させることで微
細なクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造
を成長さることができる。結晶性の改善は、ｎ型コンタ
クト層２のみの場合より、上記のようにアンドープｎ型
コンタクト層１を成長させることにより、より良好とな
る。
【００３７】（クラック防止層３）次に、温度を８００
℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルイン
ジウム）及びアンモニアを用い、不純物ガスにシランガ
スを用い、Ｓｉを５×１０ 18／ｃｍ3ドープしたＩｎ
0.08Ｇａ0.92Ｎよりなるクラック防止層３を０．１５μ
ｍの膜厚で成長させる。
【００３８】（ｎ型クラッド層４）次に、温度を１０５
０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニア
を用い、アンドープのＡｌ0.14Ｇａ0.86ＮよりなるＡ層
を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、Ｔ
ＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉ
を５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を
２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、こ
の操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層とを積
層し、総膜厚８０００オングストロームの多層膜（超格
子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００３９】（ｎ型ガイド層５）次に、同様の温度で、
原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープの
ＧａＮよりなるｎ型ガイド層を０．０７５μｍの膜厚で
成長させる。
【００４０】（活性層６）次に、温度を８００℃にし
て、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18
／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層
を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続い
て、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.11Ｇａ0.89
Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長
させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層
した総膜厚５５０オングストロームの多重量子井戸構造
（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
【００４１】（ｐ型電子閉じ込め層７）次に、同様の温
度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用
い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニ
ルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ド
ープしたＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層
７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４２】（ｐ型ガイド層８）次に、温度を１０５０
℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、ア
ンドープのＧａＮよりなるｐ型ガイド層８を０．０７５
μｍの膜厚で成長させる。このｐ型ガイド層８は、アン
ドープとして成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層７から
のＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3と
なりｐ型を示す。
【００４３】（ｐ型クラッド層９）次に、同様の温度
で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、
アンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9ＮよりなるＡ層を２５オン
グストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止
め、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１
０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オン
グストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作を
それぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層とを積層し、総
膜厚５０００オングストロームの多層膜（超格子構造）
よりなるｐ型クラッド層９を成長させる。
【００４４】（ｐ型コンタクト層１０）次に、同様の温
度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物
ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3
ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１５
０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４５】反応終了後、反応容器内において、ウエハ
を窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型
層を更に低抵抗化する。アニーリング後、ウエハを反応
容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面に
ＳｉＯ2よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イ
オンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチン
グし、図５に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ側コン
タクト層２の表面を露出させる。次に図６（ａ）に示す
ように、最上層のｐ側コンタクト層１０のほぼ全面に、
ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）
よりなる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成し
た後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスクをか
け、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、スト
ライプ幅１．８μｍ、厚さ１μｍで形成する。次に、図
６（ｂ）に示すように第３の保護膜６３形成後、ＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4ガスを
用い、第３の保護膜６３をマスクとして、前記第１の保
護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エ
ッチング液で処理してフォトレジストのみを除去するこ
とにより、図６（ｃ）に示すようにｐ側コンタクト層１
０の上にストライプ幅１．８μｍの第１の保護膜６１が
形成できる。
【００４６】さらに、図６（ｄ）に示すように、ストラ
イプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳ
ｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１０、および
ｐ側クラッド層９をエッチングして、ストライプ幅１．
８μｍのリッジ形状のストライプを形成する。リッジス
トライプ形成後、ウェーハをＰＶＤ装置に移送し、図６
（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）
よりなる第２の保護膜６２を、第１の保護膜６１の上
と、エッチングにより露出されたｐ側クラッド層９の上
に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。このようにＺ
ｒ酸化物を形成すると、ｐ−ｎ面の絶縁をとるためと、
横モードの安定を図ることができ好ましい。次に、ウェ
ーハをフッ酸に浸漬し、図６（ｆ）に示すように、第１
の保護膜６１をリフトオフ法により除去する。
【００４７】次に図６（ｇ）に示すように、ｐ側コンタ
クト層１０の上の第１の保護膜６１が除去されて露出し
たそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ
電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのス
トライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜
６２の上に渡って形成する。第２の保護膜６２形成後、
図５に示されるように露出させたｎ側コンタクト層２の
表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をストライプと
平行な方向で形成する。
【００４８】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウエハのＧａＮ基板を研磨してほぼ１００μｍと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面（１１−００面、六角柱状の
結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。
共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形
成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図
５に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は３０
０〜５００μｍとすることが望ましい。得られたレーザ
素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤ
ーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。その
結果、室温においてしきい値２．５ｋＡ／ｃｍ2、しき
い値電圧５Ｖで、発振波長４００ｎｍの連続発振が確認
され、室温で１万時間以上の寿命を示す。
【００４９】［実施例２］実施例１において、アンドー
プｎ型コンタクト層１を成長させずにｎ型コンタクト層
２を成長させる他は同様にしてレーザ素子を製造する。
得られた素子は、実施例１に比べやや結晶性が劣る傾向
が見られるものの、実施例１とほぼ同様に微細なクラッ
クの発生が防止され、素子特性も良好である。
【００５０】［実施例３］実施例１において、アンドー
プｎ型コンタクト層１及びＳｉドープのｎ型コンタクト
層２のＡｌ組成の比を０．０５から０．２に変更する他
は同様にしてレーザ素子を成長させた。得られた素子
は、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られた。
【００５１】［実施例４］実施例１において、アンドー
プｎ型コンタクト層１及びＳｉドープのｎ型コンタクト
層２のＡｌ組成の比を０．０５から０．５に変更する他
は同様にしてレーザ素子を成長させた。得られた素子
は、実施例１に比べＡｌ組成の比が大きくなったため結
晶性がやや劣る傾向が見られるものの、実施例１と同様
に微細なクラックを防止でき、素子特性も良好である。
【００５２】［実施例５］実施例１において、アンドー
プのｎ型コンタクト層１をＡｌＮとし、Ｓｉドープのｎ
型コンタクト層２をＡｌＮとする他は同様にしてレーザ
素子を作製する。得られたレーザ素子は、実施例１より
ｎ型コンタクト層１及びｎ型コンタクト層２のＡｌ組成
比が大きいのでやや結晶性が劣るが、実施例１と同等に
微細なクラックを防止でき、実施例１とほぼ同等に良好
な寿命特性を得ることができる。
【００５３】［実施例６］実施例１において、第２の窒
化物半導体層１３の膜厚を１５μｍとし、さらにサファ
イア基板を除去しない、異種基板と窒化物半導体からな
るＧａＮ基板とする他は同様にしてレーザ素子を作製す
る。得られたレーザ素子は、実施例１に比べて反りがや
や大きい傾向が見られるが、微細なクラックは実施例１
と同等に防止される。また、実施例６のレーザ素子は、
絶縁性のサファイア基板を有しているので、実施例１に
比べるとやや放熱性の点で劣るものの、実施例１とほぼ
同等の寿命特性を有する。
【００５４】
【発明の効果】本発明は、ＧａＮ基板上に成長させるデ
バイス構造に微細なクラックが発生することを防止し、
寿命特性などの素子特性を向上させ、信頼性のさらなる
向上が可能な窒化物半導体素子を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の各工程において得られる窒化物
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の方法の各工程において得られる窒化物
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の方法の各工程において得られる窒化物
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の方法の各工程において得られる窒化物
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態である窒化物半
導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６は、リッジ形状のストライプを形成する一
実施の形態である方法の各工程におけるウエハの部分的
な構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・アンドープコンタクト層 ２・・・ｎ型コンタクト層 ３・・・クラック防止層 ４・・・ｎ型クラッド層 ５・・・ｎ型ガイド層 ６・・・活性層 ７・・・ｐ型電子閉じ込め層 ８・・・ｐ型ガイド層 ９・・・ｐ型クラッド層 １０・・・ｐ型コンタクト層

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＧａＮ基板上に、ＧａＮより熱膨張係数
    の小さい窒化物半導体を成長させ、その上にデバイス構
    造を形成させてなる窒化物半導体素子。
  2. 【請求項２】 前記熱膨張係数の小さい窒化物半導体
    が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）であることを特徴と
    する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
  3. 【請求項３】 前記熱膨張係数の小さい窒化物半導体
    が、前記ＧａＮ基板に接して形成されていることを特徴
    とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
  4. 【請求項４】 前記デバイス構造が、少なくともＡｌを
    含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含んでなる活性
    層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を少
    なくとも有するダブルヘテロ構造であることを特徴とす
    る請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
  5. 【請求項５】 前記ＧａＮ基板が、窒化物半導体のみか
    らなることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物
    半導体素子。
  6. 【請求項６】 前記窒化物半導体のみからなるＧａＮ基
    板が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上
    に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向
    の成長を利用して転位の低減される方法により、再び窒
    化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して得ら
    れる基板であることを特徴とする請求項５に記載の窒化
    物半導体素子。
  7. 【請求項７】 前記ＧａＮ基板が、異種基板上に窒化物
    半導体を形成してなる異種基板と窒化物半導体とからな
    ることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導
    体素子。
  8. 【請求項８】 前記異種基板と窒化物半導体とからなる
    ＧａＮ基板が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種
    基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体
    の横方向の成長を利用して転位の低減される方法によ
    り、再び窒化物半導体を成長させて得られる基板である
    ことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
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