JP2003258381A - 窒化物半導体層の形成方法とそれらの層を含む発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上に成長させられる窒化物半導体層にお
いてクラックの発生を低減させた領域を形成し、さらに
その領域上方に発光素子の電流狭窄部分を形成すること
によって信頼性の高い窒化物半導体発光素子を提供す
る。 【解決手段】 窒化物半導体層の形成方法は、基板１０
０上において、少なくとも、窒化物半導体に含まれるＩ
ＩＩ族元素に対するＡｌの組成比ｘを有する窒化物半導
体層１０３を成長させ、そのＡｌ組成比ｘの窒化物半導
体層１０３の表面から貫通した深さまでで選択された深
さを有する複数の凹部を形成することによって複数の凹
凸部を形成し、これら複数の凹凸部を被覆するようにＡ
ｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４を成長させる工程を
含み、凹凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘがＡｌ組成比
ｙより大きく、かつ凹凸部の底部におけるＡｌ組成比ｚ
よりも大きいことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サファイアや窒化
ガリウム（ＧａＮ）等の基板上に形成される窒化物半導
体層において発生するクラックの密度を制御するための
窒化物半導体層の形成方法とそれらの窒化物半導体層を
含む発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、特開２０００−３５３６６９
号では、ＧａＮ基板上に第１のＡｌ_{0. 5}Ｇａ_0.5Ｎ層を結
晶成長させ、その第１のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層の厚さを超
える段差を有する千鳥格子状の凹凸パタ−ンを形成し、
その凹凸パターンを覆うように第２のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ
層を成長させている。そうすることによって、ＧａＮ基
板と第１のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層との格子不整合を緩和さ
せて、凹凸パターン上に成長させた第２のＡｌ_0.5Ｇａ
_0.5Ｎ層におけるクラックの発生を防止しようとしてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らの実験によれば、特開２０００−３５３６６９号に
記載の方法における第２のＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層上には、
実際に微細なクラックが発生することが確認された。こ
のような微細なクラックを含む窒化物半導体層上に窒化
物半導体発光素子を形成した場合、その発光素子の動作
電流の上昇や動作寿命の低下などの悪影響を生じ、その
窒化物半導体発光素子の信頼性を低下させる。

【０００４】このような先行技術における課題に鑑み、
本発明は、基板上に成長させられる窒化物半導体層にお
いてクラックの発生を低減させた領域を形成することを
目的とし、さらにその領域上方に発光素子の電流狭窄部
分を形成することによって、より信頼性の高い窒化物半
導体発光素子を提供することをも目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、窒化物
半導体層の形成方法は、基板上において、少なくとも、
窒化物半導体に含まれるＩＩＩ族元素に対するＡｌの組
成比ｘを有する窒化物半導体層を結晶成長させ、そのＡ
ｌ組成比ｘの窒化物半導体層の表面から貫通した深さま
でで選択された深さを有する複数の凹部を形成すること
によって複数の凹凸部を形成し（以後、この状態におけ
る基板からＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層までを含めて
段差基板と称す）、これら複数の凹凸部を被覆するよう
にＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層を結晶成長させる工程
を含み、凹凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘがＡｌ組成
比ｙより大きく、かつ凹凸部の底部におけるＡｌ組成比
ｚよりも大きいことを特徴としている。

【０００６】基板としては、ＧａＮ、サファイア、６Ｈ
−ＳｉＣ、４Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ、Ｓｉ、スピネ
ル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、ＺｒＢ₂等のいずれかを用いるこ
とができる。また、基板の主面としては、Ｃ面、Ｒ面、
またはＡ面のいずれかを用いることが可能である。ただ
し、基板として例示されたＧａＮは、これに限定されず
にＩｎ_aＡｌ_bＧａ_cＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦
ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）で置き換えることが可能であ
る。また、そのＩｎ_aＡｌ_bＧａ_cＮ基板の窒素元素のう
ちの約１０％以下が、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂのいずれか
の元素で置換されてもよい（ただし、基板の六方晶系が
維持されることが前提条件）。

【０００７】段差基板における複数の凹凸部は、周期的
なストライプ状に形成されてもよい。この場合、凹部は
溝に対応し、凸部は丘に対応する。凹凸における高低差
は、１μｍ以上であることが好ましい。凸部の形状とし
ては、その頂面が水平な面であってもよいし、他の異な
る面であってもよい。また、凸部の側面は垂直面であっ
てもよいし、他の異なる傾斜した面であってもよい。

【０００８】本発明において、凹凸部の頂部におけるＡ
ｌ組成比ｘは０．０１以上０．５以下であり、Ａｌ組成
比ｙは０以上０．３以下であり、そして凹凸部の底部に
おけるＡｌ組成比ｚは０以上０．５未満でありであるこ
とが好ましい。

【０００９】たとえば、図２の模式的な断面図に示され
ているように、基板１００上に、バッファ層１０１、窒
化物半導体下地層（Ａｌ組成比ｚ＝０）１０２、および
Ａｌ _xＧａ_1-xＮ（０．０１≦ｘ≦０．５）からなる窒化
物半導体層１０３を順次結晶成長させる。そして、その
Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の厚さより大きな
段差を有する凹凸部（すなわち、凹部の底が窒化物半導
体層１０２に達している）を形成する。さらに、それら
の凹凸を埋め込むようにＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦０．
３、凸部の頂面においてｙ＜ｘ）からなる窒化物半導体
層１０４を結晶成長させる。このようにして、本発明に
よる窒化物半導体層の形成方法の一例が実行され得る。

【００１０】このとき、凸部の頂部はＡｌ組成比ｘの窒
化物半導体層１０３であり、凹部の底部におけるＡｌ組
成比ｚは０である。また、凹凸を被覆する窒化物半導体
層のＡｌ組成比ｙは、ｙ＜ｘの関係にある。このことに
よって、凹部の上方領域において、Ａｌ組成比ｙの窒化
物半導体層１０４に発生するクラックの密度が低減し得
る。すなわち、凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘが凹部
の底部におけるＡｌ組成比ｚよりも大きく、かつ凹凸を
被覆する窒化物半導体層のＡｌ組成比ｙよりも大きいの
で、凸部の上方領域において意図的にクラック密度を集
中させることが可能となる。また、凸部の頂部における
Ａｌ組成比ｘと凹凸を被覆する窒化物半導体層のＡｌ組
成比ｙとのギャップが大きいほど、凸部上方の領域にお
いてクラックが発生しやすくなる。このことの理由とし
ては、おそらく、凸部の上方の領域にクラックが集中さ
せられることによって、凹部の上方の領域で歪が緩和さ
れてクラック密度が減少するのであろうと思われる。

【００１１】本発明では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体
層において、そのＡｌ組成比ｘはその層の成長方向に関
して変化させられることが好ましい。たとえば図５に示
されているように、まず基板３００上に、バッファ層３
０１と窒化物半導体下地層３０２を成長させる。この窒
化物半導体下地層３０２上において、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
（０．０１≦ｘ≦０．５）からなる窒化物半導体層３０
３は、その成長方向に関してＡｌ濃度が変化させられな
がら、成長させられ得る。このＡｌ組成比ｘの窒化物半
導体層３０３に凹凸部（凹部の底はＡｌ組成比ｘの窒化
物半導体層３０３内にある）を形成するとともに、それ
らの凹凸を埋め込むようにＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦
０．３、凸部の頂面においてｙ＜ｘ）からなる窒化物半
導体層３０４を成長させることによって、本発明による
窒化物半導体層の形成方法の他の例が実行され得る。

【００１２】ただし、窒化物半導体層３０３の成長に伴
ってＡｌ組成比ｘが変化させられる工程において、凸部
の頂部におけるＡｌ組成比ｘ１と凹部の底部におけるＡ
ｌ組成比ｘ２がｘ１＞ｘ２の関係になるようにする。す
なわち、凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘ１が本発明お
けるＡｌ組成比ｘに対応し、凹部の底部におけるＡｌ組
成比ｘ２が本発明におけるＡｌ組成比ｚに対応する。こ
のことによって、凹部の上方の領域内においてＡｌ組成
比ｙの窒化物半導体層３０４に発生するクラックの密度
が、より一層低減され得る。これは、Ａｌ組成比ｘの窒
化物半導体層３０３がその成長方向に関して変化するＡ
ｌ濃度で形成されることによって、凹部の側壁のＡｌ組
成比も変化するので、凹部の上方の領域内において歪が
緩和されたのではないかと考えられる。

【００１３】なお、図５に関する説明では、凹部の底は
Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３内にあったが、凹
部の底が窒化物半導体下地層３０２に到達していてもよ
い。また、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３の下面
からその上面に向かってＡｌ濃度が変化し、最終的に窒
化物半導体層３０３の上面におけるＡｌ組成比ｘが最も
高くなればよく、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３
がＡｌ組成比の異なる複数のサブ層からなっていてもよ
い。

【００１４】本発明では、基板としてＧａＮ結晶を用い
ることが好ましい。このことによって、凹部の上方の領
域においてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０４に発生
するクラックの密度をより一層低減させることが可能で
ある。そして、凹部の上方の領域内においてＡｌ組成比
ｙの窒化物半導体層３０４に発生するクラックの密度
は、凸部の上方の領域内に比べてはるかに小さくなり得
る。

【００１５】こうして得られたＡｌ組成比ｙの窒化物半
導体層上に、本発明による窒化物半導体発光素子構造を
好ましく形成することができ、発光素子の歩留と発光効
率を改善することができる。なお、窒化物半導体発光素
子がレーザダイオードの場合、その電流狭窄部分は凹部
の上方に形成される。このことによって、レーザダイオ
ードの動作閾値の低減と動作寿命を向上させ得るととも
に、レーザ素子の歩留まりを向上させることが可能であ
る。

【００１６】本発明において、窒化物半導体層の結晶成
長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドラ
イド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢ
Ｅ）等のいずれの結晶成長法をも用いることができる。
また、これらの成長方法を組み合わせて用いてもよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施形態１）図１は、本発明の
実施形態１におけるレーザダイオード素子の模式的断面
図を示している。このレーザダイオード素子は、Ｃ面
（０００１）サファイア基板１００、ＧａＮバッファ層
１０１、窒化物半導体下地層（ＧａＮ層）１０２、およ
びＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）１０
３からなる段差基板１２０を含むとともに、Ａｌ組成比
ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層）１０
４、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０５、ｎ
型クラッド層１０６、ｎ型光ガイド層１０７、活性層１
０８、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層１０９、ｐ型光ガイ
ド層１１０、ｐ型クラッド層１１１、ｐ型コンタクト層
１１２、ｎ電極１１３、ｐ電極１１４、およびＳｉＯ₂
誘電体膜１１５を含んでいる。

【００１８】まず、図２を参照しつつ、段差基板１２０
を作製する工程を説明する。すなわち、図２（ａ）にお
いて、基板１００上に、ＧａＮバッファ層１０１、窒化
物半導体下地層１０２、およびＡｌ組成比ｘの窒化物半
導体層１０３を結晶成長させる。

【００１９】本実施形態では、基板１００として、Ｃ面
（０００１）の主面を有するサファイア基板を用いる。
このサファイア基板１００をＭＯＣＶＤ装置内にセット
し、基板温度を５５０℃に上げた後に、Ｖ族元素用原料
のＮＨ３（アンモニア）、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧ
ａ（トリメチルガリウム）を供給しながら、基板１００
上にＧａＮバッファ層１０１を３０ｎｍの厚さに成長さ
せる。なお、基板１００として窒化ガリウム系の基板を
用いるのであれば、ＧａＮバッファ層１０１は省略する
ことも可能である。

【００２０】次に、基板温度を１０５０℃まで上げ、Ｓ
ｉ、Ｇｅ、Ｏなどのｎ型不純物がドープされたまたはノ
ンドープのＧａＮからなる窒化物半導体下地層１０２を
３μｍの厚さに成長させる。続いて、基板温度を維持し
たまま、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡｌ（トリメチルア
ルミニウム）の供給を行い、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏなどのｎ型
不純物がドープされたまたはノンドープのＡｌＧａＮか
らなるＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を２μｍの
厚さに成長させる。

【００２１】ただし、本実施形態におけるＡｌ組成比ｘ
の窒化物半導体層１０３の形成においては、窒化物半導
体下地層１０２に接する面から成長方向に向かってＡｌ
組成比が増加するように、ＡｌＧａＮ層１０３の成長開
始時から成長終了時にかけてＴＭＡｌの流量を増加させ
ることによって、そのＡｌ組成比を変化させる。具体的
には、窒化物半導体層１０３中のＡｌ組成比ｘは、その
成長開始領域（ＧａＮ下地層１０２との界面領域）にお
ける０．０５から成長終了表面における０．２まで変化
させられる。

【００２２】Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の厚
さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
なぜならば、この層厚が１μｍ未満の場合、Ａｌ組成比
ｙの窒化物半導体層１０４で凹凸を埋め込んだとして
も、凹部の上方の領域においてクラックの発生を十分に
抑制することができないからである。これは、凸部側面
におけるＡｌ組成比の変化による歪の緩和効果を十分に
得ることが出来ないからであると考えられる。他方、Ａ
ｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の厚さが１０μｍを
超えれば、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の全体
にクラックが発生しやすくなり、凹凸を埋め込んだ平坦
な表面を得ることも困難になる。すなわち、厚くてクラ
ックの発生したＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０３に
凹凸を形成すれば凸部側面にクラックの断面が現れ、そ
の凸部側面からＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の
成長を開始させれば、その成長終了表面がクラックの悪
影響を受けた面になってしまうので好ましくない。

【００２３】図２（ｂ）においては、図２（ａ）のエピ
タキシャルウエハの表面に周期的なストライプ状の溝
（凹部）を形成することによって得られた段差基板１２
０が断面図で示されている。すなわち、Ａｌ組成比ｘの
窒化物半導体層１０３の成長後にそのエピタキシャルウ
エハをＭＯＣＶＤ装置から取り出し、その上にＥＢ（電
子ビーム）蒸着装置でＳｉＯ₂膜（図示せず）を蒸着し
て、フォトリソグラフィ技術でそのＳｉＯ₂膜をストラ
イプ状のマスクパターンに加工する。このストライプ形
状はＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３の＜１−１０
０＞方向に平行に形成され、その方向に対して直交する
＜１１−２０＞方向のストライプ幅が５μｍでストライ
プ間隔が１０μｍの周期的ストライプ状パターンが形成
される。

【００２４】なお、このストライプ状パターンにおける
ストライプ幅は３μｍ以上１５μｍ以下で、ストライプ
間隔は５μｍ以上２５μｍ以下の範囲内で形成するのが
好ましく、ストライプ幅よりもストライプ間隔が広いほ
うが好ましい。これらのストライプ幅およびストライプ
間隔の範囲外では、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０
４の横方向成長を行う際に凹凸が埋まりにくくなって平
坦な成長終了表面が得られにくくなる。また、ＳｉＯ₂
保護膜の形成はＥＢ蒸着法に限られず、スパッタ法、Ｃ
ＶＤ法等によって形成されてもよい。保護膜としては、
ＳｉＮ_x、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等を用いることもできる。

【００２５】ストライプ状マスクパターンを形成した
後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、Ｓｉ
Ｏ₂マスクの形成されていない部分を深さ３μｍまでエ
ッチングして溝を形成する。本実施形態では、溝の深さ
がＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３を貫通し、窒化
物半導体下地層１０２の厚さが０．５μｍ以上残ってい
ればよい。また、溝がＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１
０３を貫通していなくても、その表面から少なくとも１
μｍ以上の深さを有していればよい。ただし、Ａｌ組成
比は、凸部の頂部に比べて凹部の底部において小さくな
ければならない。凹凸の具体的形状には特に制約はな
く、凸部の頂上が基板と平行な面であってもよいし、他
の異なる面であってもよい。また、溝の側面は基板１０
０の主面に垂直な面であってもよいし、他の傾斜を有す
る面であってもよい。たとえば、凸部の垂直断面形状と
しては、矩形型のほかに、台形型や逆台形型等の種々の
形状を有していてもよい。

【００２６】エッチングの方法としてはドライエッチン
グやウェットエッチング等のいずれを用いてもよいが、
溝内に平坦な面を形成するにはドライエッチングが好ま
しい。ドライエッチングとしては、本実施形態で用いた
反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）の他に、たとえば
収束イオンビームエッチング法やＥＣＲ（電子サイクロ
トロン共鳴）エッチング法なども利用し得る。

【００２７】続いて、図１に示された発光素子構造部を
作製する工程を説明する。まず、図２（ｂ）の段差基板
１２０をＭＯＣＶＤ装置内にセットし、基板温度を１０
５０℃まで上げ、Ｖ族元素用原料のＮＨ₃、ＩＩＩ族元
素用原料のＴＭＧａ、および不純物としてのＳｉＨ
₄（シラン）の供給を行い、Ｓｉが濃度１×１０¹⁸／ｃ
ｍ³でドープされたＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ
型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層）１０４を５μｍの厚さに成長
させる。なお、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４
は、その上にｎ型電極が形成されるので、ｎ型不純物が
添加されている必要があるのである。

【００２８】Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４は、
凸部の側面から横方向に成長し始め、やがて溝の両側面
からの成長先端部が互いに突き当ってその溝が埋め込ま
れる。この成長をさらに継続すれば、図２（ｃ）に示さ
れているように、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３
を全体的に覆いかつ平坦な成長終了表面を有するｎ型Ａ
ｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４を形成することができる。本
実施形態では溝の深さが３μｍであるので、この溝を埋
め込んでさらに平坦な成長終了表面を得るために、厚さ
５μｍのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４を成長させ
る。一般に、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４の成
長終了表面を平坦化するためには、少なくとも溝の深さ
よりも１μｍ以上大きなの厚さに成長させる必要があ
り、それ以下の厚さでは凹凸を埋め込むことができなく
て平坦な成長終了表面が得られにくい。他方、ｎ型Ａｌ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４の厚さが溝の深さよりも１０μ
ｍ大きくなれば、そのｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４
にクラックが生じやすくなる。

【００２９】結局、ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４の
厚さは溝の深さよりも２μｍから５μｍ程度大きいこと
が好ましい。なぜならば、２μｍから５μｍだけ大きな
厚さ範囲内において、より平坦なｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95
Ｎ層１０４を積層することができるからである。また、
本実施形態ではＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４と
してｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎを用いたが、ｎ型Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＮ（０≦ｙ≦０．３）を用いてもよい。ただし、
窒化物半導体層１０４のＡｌ組成比ｙは、Ａｌ組成比ｘ
の窒化物半導体層１０３のうちでそのＡｌ組成比ｘが最
も高い領域（凸部の頂部）に比べて小さいことが必要で
ある。また、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層１０４中の
Ｓｉ不純物添加濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であれば
よい。

【００３０】続いて、基板温度を７００℃〜８００℃の
範囲内まで下げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＩｎ（トリ
メチルインジウム）を供給し、厚さ４０ｎｍのｎ型Ｉｎ
_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１０５（Ｓｉ不純物濃度
１×１０¹⁸／ｃｍ³）を成長させる。次に、再び基板温
度を１０５０℃まで上げ、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＡ
ｌを供給して厚さ０．８μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎク
ラッド層１０６（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）
を成長させ、さらにｎ型ＧａＮ光ガイド層１０７（Ｓｉ
不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を０．１μｍの厚さに
成長させる。その後、基板温度を８００℃に下げ、厚さ
４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＩｎ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層を含む３周期の多重量子井戸構造
からなる活性層１０８を成長させる。その際、井戸層と
障壁層ともに、ＳｉＨ₄（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／
ｃｍ³）が添加される。

【００３１】次に、基板温度を１０５０℃まで上げ、厚
さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層１０９、厚さ
１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層１１０、厚さ０．５μｍ
のｐ型_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１１１、および厚さ０．
１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１２を順次成長させ
る。ｐ型不純物としては、Ｍｇ（ＥｔＣｐ₂Ｍｇ：ビス
エチルシクロペンタジエニルマグネシウム）が５×１０
¹⁹／ｃｍ³〜２×１０^{2 0}／ｃｍ³の濃度範囲内で添加され
る。

【００３２】ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の成長後、
ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内全体の雰囲気を窒素キャリ
アガスとＮＨ₃に変えて、６０℃／分の降温速度で基板
温度を降下させる。基板温度が８００℃に達した時点
で、ＮＨ₃の供給を停止し、５分間その基板温度を保持
した後に、室温まで基板温度を降下させる。そのような
基板の保持温度は６５０℃から９００℃の範囲内である
ことが好ましく、温度保持時間は３分以上１０分以下で
あることが好ましい。また、そのような保持時間経過後
の基板の冷却速度は、３０℃／分以上であることが好ま
しい。

【００３３】このようにして得られた成長膜をラマン測
定によって評価したところ、従来の窒化物半導体層で利
用されているｐ型化アニールを行わなくても、成長直後
にすでにｐ型導電性の特性を示していた。また、ｐ電極
形成によるコンタクト抵抗も低減していた。さらに、こ
の得られたエピタキシャルウエハを光学顕微鏡で観察し
たところ、段差基板１２０の凹部上方の領域内において
クラックは確認されず、凸部上方では微細なクラックが
集中して発生している領域が確認された。

【００３４】次に、ＭＯＣＶＤ装置から取り出したエピ
タキシャルウエハをレーザダイオード素子にするための
プロセスについて説明する。まず、反応性イオンエッチ
ング装置を用いてＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型
Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層）１０４の一部を露出させ、その
露出部分上にＴｉ／Ａｌの順序で成膜してｎ電極１１３
を形成する。ｎ電極の材料としては、Ｔｉ／Ｍｏ、Ｈｆ
／Ａｌ等を用いてもよい。ｐ電極形成領域においては、
サファイア基板の＜１―１００＞方向に沿ったリッジス
トライプをエッチングによって形成し、ＳｉＯ₂誘電体
膜１１５を蒸着し、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１の頂
面を露出させ、そしてＰｄ／Ａｕの順序で蒸着膜を形成
する。

【００３５】その後、クラックの発生しにくい領域であ
る凹部上方の中心部から２μｍずらした位置に２μｍ幅
のリッジストライプ状ｐ電極１１４を形成する。すなわ
ち、リッジストライプ部または電流狭窄部が、凹部の上
方領域内に形成されることが好ましく、それによってレ
ーザダイオードの動作閾値の低減と動作寿命の向上を図
り得るとともに、歩留りを向上させることもできる。ま
た、凹部の中心部は凹部の両側面から開始した窒化物半
導体結晶の成長先端部が互いに突き当たる領域であるの
で、そのような凹部の中心部から少なくとも２μｍ以上
ずらした位置にリッジストライプ部または電流狭窄部を
形成することは、さらなる閾値の低減と素子特性の向上
が望めるのでより好ましい。

【００３６】レーザ共振器の帰還手法としては、ファブ
リ・ペロー共振以外に、一般に知られているＤＦＢ（Ｄ
ｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）やＤＢＲ
（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃ
ｔｏｒ）などを利用してもよい。本実施形態において
は、ファブリ・ペロー共振器のミラー端面を形成した後
に、そのミラー端面上にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂の誘電体膜を
交互に蒸着して、７０％の反射率を有する誘電体多層反
射膜（図示せず）を形成する。なお、誘電体多層反射膜
としては、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃の繰り返し多層膜を用い
てもよい。

【００３７】ところで、反応性イオンエッチングを用い
てＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ
_0.95Ｎ層）１０４の一部を露出させたのは、絶縁性であ
るサファイア基板１００が使用されたからである。した
がって、例えばｎ型のＧａＮ基板やＳｉＣ基板のように
電導性を有する基板を使用する場合には、Ａｌ組成比ｙ
の窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層）１０４
を露出させる必要はなく、その導電性基板の裏面上に直
接にｎ電極を形成してもよい。ただし、その場合には、
ＧａＮバッファ層１０１、窒化物半導体下地層１０２、
およびＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層１０３にｎ型の不
純物が添加されていることが必要である。

【００３８】次に、得られたレーザダイオードチップを
パッケージに実装する方法について述べる。上述のよう
な発光層を用いたレーザダイオードの特性を活かして高
密度記録用光ディスクに適した青紫色（４１０ｎｍ波
長）の高出力（５０ｍＷ）レーザ素子として用いる場
合、サファイア基板は熱伝導率が低いので、放熱対策に
注意を払わなければならない。たとえば、Ｉｎはんだ材
を用いて、ジャンクション・ダウンでレーザチップをパ
ッケージ本体に接続することが好ましい。なお、レーザ
チップを直接パッケージ本体やヒートシンク部に取り付
けるのではなくて、Ｓｉ、ＡｌＮ、ダイヤモンド、Ｍ
ｏ、ＣｕＷ、ＢＮなどのサブマウントを介して接続させ
てもよい。

【００３９】以上のように、本実施形態で作製したレー
ザダイオード素子では、凹部の上方においてクラックの
発生していない領域内にリッジストライプを形成するこ
とにより、閾値電流と駆動電圧を低下させることができ
る。

【００４０】（実施形態２）図３は、本発明の実施形態
２におけるレーザダイオード素子の模式的断面図を示し
ている。このレーザダイオード素子は、ｎ型ＧａＮ基板
２００とＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ
層）２０１とからなる段差基板２２０、Ａｌ組成比ｙの
窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ層）２０２、ｎ型Ｉｎ_0.07
Ｇａ_0.97Ｎクラック防止層２０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎクラッド層２０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０５、活
性層２０６、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層２０７、ｐ型
ＧａＮ光ガイド層２０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッ
ド層２０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１０、ｎ電極２
１１、ｐ電極２１２、およびＳｉＯ₂誘電体膜２１３を
含んでいる。

【００４１】図３のレーザ素子の製造に関し、まず図４
を参照しつつ、段差基板２２０を作製する工程を説明す
る。ここで、本実施形態において用いられるｎ型ＧａＮ
基板２００は導電性を有するので、その基板２００の裏
面にｎ電極を作製することが可能である。なお、基板２
００をｎ型導電性にするためにはｎ型不純物を添加して
いる必要があり、Ｓｉを１×１０¹⁸／ｃｍ³以上添加し
ていることが好ましい。

【００４２】ｎ型ＧａＮ基板２００はＭＯＣＶＤ装置内
にセットされ、基板温度を１０５０℃まで上げて、Ｖ族
元素用原料のＮＨ₃、ＩＩＩ族元素用原料のＴＭＧａと
ＴＭＡｌ、およびｎ型不純物としてのＳｉＨ₄（シラ
ン）の供給を行い、ｎ型ＡｌＧａＮ（Ｓｉ不純物濃度１
×１０¹⁸／ｃｍ³）からなるＡｌ組成比ｘの窒化物半導
体層２０１を３μｍの厚さに成長させる（図４（ａ）参
照）。このとき、実施形態１の場合と同様に、ｎ型Ｇａ
Ｎ基板２００に接する面からＡｌ組成比ｘの窒化物半導
体層２０１が成長する方向に向かって、そのＡｌ組成比
ｘが変化させられる。具体的には、窒化物半導体層２０
１のＡｌ組成比ｘは、ｎ型ＧａＮ基板２００との界面に
おける０．０１から、成長終了表面における０．０５ま
で変化させられる。なお、Ａｌの添加方法は、実施形態
１の場合と同様である。

【００４３】ｎ型ＧａＮ基板２００上に接してＡｌ組成
比ｘの窒化物半導体層（ｎ型ＡｌＧａＮ）２０１を成長
させるのは、それらが同種の窒化物半導体であるので、
バッファ層を挿入して格子定数差を緩和させるというこ
とが必要ないからである。また、基板２００は実施形態
１における窒化物半導体下地層１０２と同じ材料からな
っているので、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層２０１の
下にｎ型ＧａＮ下地層１０２を設ける必要がないからで
ある。

【００４４】次に、図４（ａ）のエピタキシャルウエハ
は、図４（ｂ）に示されているような段差基板２２０に
加工される。本実施形態２においては凸部のストライプ
幅が１０μｍでストライプ間隔が２０μｍにされるが、
その段差基板の加工方法は実施形態１の場合と同様であ
る。

【００４５】段差基板２２０上には、図４（ｃ）に示さ
れているように、６μｍの厚さを有するＡｌ組成比ｙの
窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ層）２０２が実施形態１の
場合と同様にして形成される。そして、Ａｌ組成比ｙの
窒化物半導体層２０２上には、ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ
クラック防止層２０３、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド
層２０４、ｎ型光ガイド層２０５、活性層２０６、ｐ型
Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽層２０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２０８、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層２０９、およ
びｐ型コンタクト層２１０を実施形態１の場合と同様に
順次積層する。

【００４６】こうして得られたエピタキシャルウエハを
光学顕微鏡で観察したところ、そのウエハは全体的に均
一で平坦な表面を有し、段差基板２２０の凹部上方の領
域にはクラックが確認されず、凸部上方の領域では微細
なクラックの発生が確認された。

【００４７】次に、エピタキシャル成長の完了したウエ
ハをレーザダイオード素子にするためのプロセスについ
て説明する。本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板２００を
用いているので、その基板の裏面上にｎ電極２１１を形
成し得る。すなわち、本実施形態２では、実施形態１の
場合ようにＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型ＧａＮ
層）２０２を露出させる必要が無く、基板２００の裏面
にｎ電極２１１を形成できるので、レーザダイオードチ
ップのサイズを小さくすることができる。本実施形態２
において具体的に言及されていること以外は、実施形態
１の場合と同様である。

【００４８】以上のように、本実施形態で得られるレー
ザダイオード素子は、まず導電性のｎ型ＧａＮ基板２０
０を用いたことにより、チップサイズを小型化できるの
で歩留りを向上させ得る。また、ｎ型ＧａＮ基板２００
とその上に積層する複数の窒化物半導体層とは同種の材
質であって熱膨張係数がほぼ一致するので、異種基板を
用いていた実施形態１に比べてクラックの発生を低減さ
せることができる。さらに、実施形態２のレーザダイオ
ード素子においても、閾値電流の低減と動作寿命の改善
が得られることは実施形態１の場合と同様である。

【００４９】（実施形態３）図５は、実施形態３におけ
る段差基板３２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層３０
４で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。すな
わち、図５においては、Ｃ面（０００１）サファイア基
板３００上に、ＧａＮバッファ層３０１、窒化物半導体
下地層３０２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３、
およびＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層（ｎ型Ａｌ_0.3Ｇ
ａ_0.7Ｎ層）３０４が順次積層されている。

【００５０】本実施形態３の段差基板３２０において、
Ｃ面（０００１）サファイア基板３００、ＧａＮバッフ
ァ層３０１、および窒化物半導体下地層３０２は、実施
形態１の場合と同様である。ただし、本実施形態では凹
部がＡｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３を貫通してい
ないので、窒化物半導体下地層３０２を省略することも
できる。

【００５１】Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層３０３は１
０μｍの厚さに成長させられ、そのＡｌ組成比ｘは、窒
化物半導体下地層３０２に接する面における０．１から
成長終了表面における０．５まで変化させられる。続い
て、エッチングを行い、高低さ６μｍの凹凸を形成す
る。本実施形態におけるようにＡｌ組成比ｘの窒化物半
導体層３０３に対して溝を貫通させない場合は、その溝
の深さが少なくとも１μｍ以上あればよい。次に、Ａｌ
組成比ｙの窒化物半導体層３０４として、厚さ３μｍの
ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎを成長させる。なお、本実施形態
３において具体的に言及されていない事項については、
実施形態１または２の場合と同様である。

【００５２】（実施形態４）図６は、実施形態４におけ
る段差基板４２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層４０
３で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。図６
においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板４００上
に、ＧａＮバッファ層４０１、窒化物半導体下地層４０
２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層４０３、およびＡｌ
組成比ｙの窒化物半導体層４０４が順次積層されてい
る。

【００５３】本実施形態では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半
導体層４０３は１μｍの厚さに成長させられ、そのＡｌ
組成比ｘは、窒化物半導体下地層４０２に接する面にお
ける０．０３から成長終了表面における０．３まで変化
させられる。

【００５４】次に、凸部の形状が台形型となるように凹
凸を形成する。続いて、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層
４０４として、厚さ４μｍのｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層を
成長させる。なお、本実施形態４において具体的に言及
されていない事項については、実施形態１または２の場
合と同様である。

【００５５】（実施形態５）図７は、実施形態５におけ
る段差基板５２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層５０
４で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。図７
においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板５００上
に、ＧａＮバッファ層５０１、窒化物半導体下地層層５
０２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層５０３、およびＡ
ｌ組成比ｙの窒化物半導体層５０４が順次積層されてい
る。

【００５６】本実施形態では、Ａｌ組成比ｘの窒化物半
導体層５０３は２μｍの厚さに成長させられ、そのＡｌ
組成比ｘは、窒化物半導体下地層５０２に接する面にお
ける０．０１から成長終了表面における０．１まで変化
させられる。

【００５７】また、凸部の形が逆台形型となるように凹
凸を形成する。続いて、Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層
５０４として、５μｍのｎ型ＧａＮ層を成長させる。な
お、本実施形態５において具体的に言及されていない事
項については、実施形態１または２の場合と同様であ
る。

【００５８】（実施形態６）図８は、実施形態６におけ
る段差基板６２０をＡｌ組成比ｙの窒化物半導体層６０
４で埋め込んだ状態を示す模式的な断面図である。図８
においては、Ｃ面（０００１）サファイア基板６００上
に、ＧａＮバッファ層６０１、窒化物半導体下地層６０
２、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層６０３、およびＡｌ
組成比ｙの窒化物半導体層６０４が順次積層される。

【００５９】本実施形態では、窒化物半導体下地層６０
２が厚さ３μｍのＧａＮ層で形成され、続いてＡｌ組成
比ｘの窒化物半導体層６０３が厚さ２μｍのＡｌ_0.15Ｇ
ａ_{0. 85}Ｎ層で形成される。次に、エッチングによって、
高低さ２μｍの凹凸を形成し、窒化物半導体下地層６０
２の上面が凹部の底面となるようにする。なお、本実施
形態５において具体的に言及されていない事項について
は、実施形態１または２の場合と同様である。

【００６０】（実施形態７）実施形態７においては、Ａ
ｌ組成比ｘの窒化物半導体層としてＡｌ組成比の異なる
ＡｌＧａＮサブ層を５つ積層する。本実施形態では、Ａ
ｌ組成比ｘの窒化物半導体層に含まれるＡｌＧａＮサブ
層のＡｌ組成比が、下のサブ層から上のサブ層に向かっ
て、それぞれ０．０１、０．０２、０．０５、０．１、
および０．２に設定され、各サブ層の厚さが０．６μｍ
に設定される。

【００６１】ただし、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層中
の下から上までのサブ層におけるＡｌ組成比の増加幅は
特に限定されず、均等に増加してもよいし、徐々にＡｌ
組成比の増加幅が大きくなってもよいし、逆に増加幅が
小さくなってもよい。また、Ａｌ組成比ｘの窒化物半導
体層に含まれる各ＡｌＧａＮサブ層の厚さも特に限定さ
れず、それぞれの厚さが均等であってもよいし、下のサ
ブ層から上のサブ層まで徐々に厚さを増大させてもよい
し、その逆に厚さを減少させてもよい。なお、本実施形
態７において具体的に言及されていない事項について
は、実施形態１、２、または３の場合と同様である。

【００６２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、基板上
に成長させられる窒化物半導体層においてクラックの発
生を低減させた領域を形成することができ、さらにその
領域上方に発光素子の電流狭窄部分を形成することによ
って、動作電流が低減されかつ動作寿命が改善された信
頼性の高い窒化物半導体発光素子を高い歩留まりで提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１における窒化物半導体レ
ーザ素子を示す模式的断面図である。

【図２】 図１のレーザ素子の製造に利用され得る窒化
物半導体層の形成方法を示す模式的断面図である。

【図３】 実施形態２におけ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４】 図３のレーザ素子の製造に利用され得る窒化
物半導体層の形成方法を示す模式的断面図である。

【図５】 実施形態３における段差基板を埋め込んだ状
態を示す模式的断面図である。

【図６】 実施形態４における段差基板を埋め込んだ状
態を示す模式的断面図である。

【図７】 実施形態５における段差基板を埋め込んだ状
態を示す模式的断面図である。

【図８】 実施形態６における段差基板を埋め込んだ状
態を示す模式的断面図である。

【符号の説明】

１００、３００、４００、５００、６００ Ｃ面（００
０１）サファイア基板、１０１、３０１、４０１、５０
１、６０１ ＧａＮバッファ層、１０２、３０２、４０
２、５０２、６０２ 窒化物半導体下地層、１０３、２
０１、３０３、４０３、５０３、６０３ Ａｌ組成比ｘ
の窒化物半導体層、１０４、２０２、３０４、４０４、
５０４、６０４ Ａｌ組成比ｙの窒化物半導体層、１０
５、２０３ ｎ型Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層、
１０６、２０４ ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１
０７、２０５ ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０８、２０６
活性層、１０９、２０７ ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ遮蔽
層、１１０、２０８ ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１１１、
２０９ ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１２、２
１０ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１３、２１１ ｎ電
極、１１４、２１２ ｐ電極、１１５、２１３ ＳｉＯ
₂誘電体膜、１２０、２２０、３２０、４２０、５２０
段差基板、２００ ＧａＮ基板。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上において、少なくとも、窒化物半
   導体に含まれるＩＩＩ族元素に対するＡｌの組成比ｘを
   有する窒化物半導体層を結晶成長させ、 前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層の表面から貫通した
   深さまでで選択された深さを有する複数の凹部を形成す
   ることによって複数の凹凸部を形成し、 前記複数の凹凸部を被覆するようにＡｌ組成比ｙを有す
   る窒化物半導体層を結晶成長させる工程を含み、 前記凹凸部の頂部におけるＡｌ組成比ｘが前記Ａｌ組成
   比ｙより大きく、かつ前記凹凸部の底部におけるＡｌ組
   成比ｚよりも大きいことを特徴とする窒化物半導体層の
   形成方法。
2. 【請求項２】 前記Ａｌ組成比ｘは０．０１以上０．５
   以下であり、前記Ａｌ組成比ｙは０以上０．３以下であ
   り、そして前記Ａｌ組成比ｚは０以上０．５未満である
   ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体層の形
   成方法。
3. 【請求項３】 前記Ａｌ組成比ｘの窒化物半導体層の成
   長方向に関してＡｌ組成比ｘが変化させられることを特
   徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体層の形
   成方法。
4. 【請求項４】 前記基板がＧａＮからなることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれかの項に記載の窒化物半
   導体層の形成方法。
5. 【請求項５】 前記Ａｌ組成ｙの窒化物半導体層におい
   て前記凹部の上方領域に発生したクラックの密度は、前
   記凸部の上方領域に比べて小さいことを特徴とする請求
   項１ないし４のいずれかの項に記載の窒化物半導体層の
   形成方法。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかの項に記載
   された方法によって形成された窒化物半導体層を含むこ
   とを特徴とする窒化物半導体発光素子。
7. 【請求項７】 前記窒化物半導体発光素子はレーザダイ
   オードであり、その電流狭窄部分が前記凹部上方に対応
   する領域内に形成されていることを特徴とする請求項６
   に記載の窒化物半導体発光素子。