JP2006156509A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低欠陥密度領域と高欠陥密度領域とを有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いて半導体発光素子や電子走行素子を形成する場合に、その高欠陥密度領域の有効利用を図り、これらの素子全体の構造の最適化を図ることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 第１の平均欠陥密度を有する結晶からなる第１の領域３中に第１の平均欠陥密度より高い第２の平均欠陥密度を有する第２の領域２を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板１上に素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層４、５、６が成長された半導体装置であって、第１の領域３を活性領域に用い、第２の領域２を電極配線領域または排熱構造領域に用いる。半導体装置は半導体レーザ、発光ダイオード、トランジスタなどである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体装置に関し、特に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ、発光ダイオード、トランジスタなどに適用して好適なものである。

窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＩｎＮのバンドギャップが、そのＩｎ混晶比によりＥ_g ＝０．８〜３．２ｅＶまで変化し、直接遷移型であることから、紫外領域から全可視領域、さらには赤外領域までの広波長範囲に亘る発光素子または受光素子の材料としての用途が期待され、既に発光波長が紫外領域、青色領域あるいは緑色領域の発光ダイオード（ＬＥＤ）や、次世代光ディスク用の発光波長が４０５ｎｍの半導体レーザが実用化されている。また、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、高電界での飽和速度が大きいことや耐熱性・耐放射線性に優れることから、高出力高周波トランジスタ用材料などとしても期待されている。

ここで、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた従来の素子の課題の１つに、高品質の基板材料が無かったことが挙げられる。基板の候補としては、Ｖ族元素の原料として用いられるアンモニア雰囲気や成長温度が約１０００℃と高い結晶成長環境下でも化学的に安定で、かつ高品質の大口径基板が廉価で得られるという観点で、サファイア基板がまず挙げられる。このサファイア基板は現在も最も汎用的に用いられており、例えば市販の青色発光ＬＥＤは、ほぼサファイア基板を用いたものである。

しかしながら、サファイア基板を用いると、素子の種類によっては、信頼性などに問題がある場合がある。その理由として、サファイアとＧａＮとでは格子定数が互いに１０％以上異なることや、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体同士、例えばＧａＮとＡｌＧａＮとＧａＩｎＮとの間でも格子整合しないことから、結晶成長初期に低温バッファー層を用いても、通常例えば１０⁸ （ｃｍ^-2）以上の結晶欠陥密度が発生することが挙げられる。そのため、例えば発光素子においては、結晶欠陥が非発光領域になり、また欠陥が元で面内のＩｎ組成むらなどにより品質の不均一も起こり得る。汎用的なＬＥＤにおいては、実用上性能に問題ない場合もあるが、長寿命の半導体レーザや高効率のＬＥＤ用途には、結晶欠陥の低減が必要となる。また、トランジスタなどの電子素子においても、キャリアの移動度向上による高性能化や、素子性能の面内均質化による集積性向上などに効果があるので、結晶欠陥密度が低い高品質結晶は望ましい。

低欠陥密度の結晶を作製する技術として、主に半導体レーザ用途に横方向選択成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）を用いることがある。このＥＬＯで得られる結晶では、低欠陥密度領域と高欠陥密度領域とが周期的な構造をとるが、〈０００１〉ｃ面サファイア基板に対し、〈１１−２０〉横方向成長幅が有限、例えば１０〜２０μｍであることから、この低欠陥領域の幅は任意に大きく取れない。すなわち、低欠陥密度領域に幅数μｍ以下のレーザストライプを置くことはできても、一般的に１００μｍを超えるストライプ幅を有する、ブロードエリアレーザのストライプや、ＬＥＤの全発光領域を低欠陥密度領域に置くことはできなかった。

また、ＥＬＯによる結晶欠陥密度の下限は例えば１０⁶ （ｃｍ^-2）台程度であり、レーザの高信頼化に望ましい１０⁵ （ｃｍ^-2）以下（＝レーザストライプ内に欠陥が１つも無いことにほぼ相当するレベル）には若干不十分な場合もあった。
結晶成長膜と同じ材料系の基板である高品質ＧａＮ基板が得られれば、最も望ましいことは言うまでもないが、実際はＧａＮ基板の作製が難しく、基板全面に亘り高品質（例えば、結晶欠陥密度が１０⁵ （ｃｍ^-2）以下）なＧａＮ基板はいまだ開発途上にある。
２００２年頃、ＧａＮ基板のバルク成長時の結晶欠陥を局在させることで、周期的に低欠陥密度領域と高欠陥密度領域とを持つＧａＮ基板が開発された（特許文献１）。
特開２００３−１８３１００号公報

また、低欠陥密度領域に有効領域を形成することで、高性能の半導体レーザを設計する手段が提案されている（特許文献２〜６）。具体的には、低欠陥密度領域に選択的に、例えばレーザストライプやＬＥＤ発光領域などを設ける。
特開２００３−１２４５７２号公報

特開２００３−１３３６５０号公報

特開２００３−２２９６３８号公報

特開２００３−２７３４７０号公報

特開２００４−２３０５０号公報

上記特許文献１〜６のいずれでも、高欠陥密度領域は積極的に使用せず、本来無いことが望ましいことを前提に、そこを避けるか、影響が無いような素子設計を行っている。ＥＬＯでの結晶欠陥終端の手法に準じた方法、すなわち絶縁膜により高欠陥密度領域を終端させる例も示されている（特許文献５の第１０図（ｄ−２））。
高欠陥密度領域を素子の有効領域に用いると、結晶欠陥による信頼性の問題（レーザ寿命）発生以前に、ｐｎ接合部の結晶構造不良による素子の短絡不良やリーク電流の増大、基板の凹凸によるパターン崩れ（リソグラフィーなどでの不具合）などが起こり得る。結晶成長設計どおりの構造に作製できないことで、その不具合の程度も制御しにくい。
高欠陥密度領域の活用法として、その位置の基板裏面の一部にエッチング穴を設けるなどして別の用途に使用する提案（特許文献７〜９）があるが、これらはこの発明の目的とは全く異なるものである。
特開２００３−２２９６２３号公報

特開２００３−２２９６３４号公報

特開２００３−２２９６３９号公報

次に、ＧａＮ系ＬＥＤの設計について述べる。ＧａＮ系ＬＥＤは、上述のように、既に発光波長が紫外領域から緑色帯のものが実用化され、赤色帯付近までの発光も得られている。青や緑は３原色を構成するし、また紫外光は可視光を励起できるため、これらのＧａＮ系ＬＥＤは表示素子に広く応用可能であり、各種ディスプレイや信号機などの光源、白熱電球や蛍光灯に代わる長寿命低消費電力の白色光源などとして用いられ、あるいは期待されている。ＬＥＤ性能として、高性能化や、省エネへの要求が今後高まるに伴い、開発課題の中で、高効率・高輝度化が重要になる。小型で比較的低輝度のＬＥＤでは、半透明電極を介した表面（結晶表面）側出力の構造が汎用的で、チップサイズが例えば３００μｍ幅程度であるので、電極取り出し構造は単純なもの（ｐ／ｎ電極が各１〜２箇所ある構造）が標準である。これは、電極構造が簡単なことに加え、結晶成長面が上面になる構造は電極取り出しが簡単であるため、低価格化が重要な汎用素子では主流の構造である。一方、大型高輝度ＬＥＤでは、例えばチップサイズが８００〜１０００μｍであることと、注入電流が大きいことで、例えば小型ＬＥＤでの、ｐ側電極とｎ側電極とが隣接する単純な構造では電流注入効率が悪い。そのため、電流注入むらを低減するため、一般には、くし型電極や島状電極にして、発光領域の形状を工夫し、電流注入効率を上げる設計とする場合が一般的である（特許文献１０〜１３）。結晶成長面を下面（パッケージ実装面）とするために独立電極取り出し技術が必要になるのに加え、電極構造の複雑化に伴い、電極取り出し方法や、排熱技術、高効率光取出し技術（例えば、素子構造や電極面での吸収損失低減）なども必要になる。また、高輝度ＬＥＤは基板裏面光取り出し型（フリップチップ型）を通常用いる。これは、基板材料がサファイアにせよ、ＧａＮにせよ、発光波長に対し透明であるため裏面から光取り出しが可能であり、半透明電極型より裏面発光型の方が光取り出し効率が高いためである。この構造は電極取り出し技術や排熱技術の設計とも関連する。

特開２００４−５６１０９号公報

特開２００１−２０３３８６号公報

特開２００１−２３７４５８号公報

特開２００２−３３５０１４号公報

図１０は発光領域が複数に分割された従来のＧａＮ系ＬＥＤの一例を示し、図１０Ａは上面図、図１０Ｂは断面図である。
図１０に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一辺の近傍にこの一辺に沿って高欠陥密度領域１０２が形成され、その他の部分は低欠陥密度領域１０３である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６が順次積層されている。これらのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６のうち、高欠陥密度領域１０２上の部分には結晶成長の際にこの高欠陥密度領域１０２から伝播した結晶欠陥が存在する高欠陥密度領域（この高欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の高欠陥密度領域１０２との全体をあらためて符号１０２で示す）が形成され、低欠陥密度領域１０３上の部分には同じく低欠陥密度領域（この低欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の低欠陥密度領域１０３との全体をあらためて符号１０３で示す）が形成されている。低欠陥密度領域１０３の部分におけるｎ型ＧａＮ系半導体層１０４の上層部、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６はメサ形状にパターニングされている。そして、各メサ部のｐ型ＧａＮ系半導体層１０６上にｐ側電極１０７がこのｐ型ＧａＮ系半導体層１０６とオーミック接触して形成されている。メサ部の平面形状はこのｐ側電極１０７と同じである。また、メサ部の間の溝の底部の低欠陥密度領域１０３におけるｎ型ＧａＮ系半導体層１０４上に、高欠陥密度領域１０２を避けるように、くし型のｎ側電極１０８がこのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４とオーミック接触して形成されている。

図１１は一つの発光領域を有する従来のＧａＮ系ＬＥＤの一例を示し、図１１Ａは上面図、図１１Ｂは断面図である。
図１１に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一辺の近傍にこの一辺に沿って高欠陥密度領域１０２が形成され、その他の部分は低欠陥密度領域１０３である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６が順次積層されている。これらのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６のうち、高欠陥密度領域１０２上の部分には結晶成長の際にこの高欠陥密度領域１０２から伝播した結晶欠陥が存在する高欠陥密度領域（この高欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の高欠陥密度領域１０２との全体をあらためて符号１０２で示す）が形成され、低欠陥密度領域１０３上の部分には同じく低欠陥密度領域（この低欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の低欠陥密度領域１０３との全体をあらためて符号１０３で示す）が形成されている。低欠陥密度領域１０３の部分におけるｎ型ＧａＮ系半導体層１０４の上層部、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６はメサ形状にパターニングされている。そして、各メサ部のｐ型ＧａＮ系半導体層１０６上にｐ側電極１０７がこのｐ型ＧａＮ系半導体層１０６とオーミック接触して形成されている。メサ部の平面形状はこのｐ側電極１０７と同じである。また、メサ部の両側の低欠陥密度領域１０３におけるｎ型ＧａＮ系半導体層１０４上にこのメサ部を囲むように、かつ高欠陥密度領域１０２を避けるようにｎ側電極１０８がこのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４とオーミック接触して形成されている。

図１２は従来のＧａＮ系半導体レーザの一例を示し、図１２Ａは上面図、図１２Ｂは断面図である。
図１２に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一辺の近傍にこの一辺に沿って高欠陥密度領域１０２が形成され、その他の部分は低欠陥密度領域１０３である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６が順次積層されている。これらのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６のうち、高欠陥密度領域１０２上の部分には結晶成長の際にこの高欠陥密度領域１０２から伝播した結晶欠陥が存在する高欠陥密度領域（この高欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の高欠陥密度領域１０２との全体をあらためて符号１０２で示す）が形成され、低欠陥密度領域１０３上の部分には同じく低欠陥密度領域（この低欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の低欠陥密度領域１０３との全体をあらためて符号１０３で示す）が形成されている。低欠陥密度領域１０３の部分におけるｎ型ＧａＮ系半導体層１０４の上層部、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６はメサ形状にパターニングされている。このメサ部のｐ型ＧａＮ系半導体層１０６には一方向に延在するレーザストライプ１０９が形成されている。そして、このレーザストライプ１０９を覆うようにｐ側電極１０７がｐ型ＧａＮ系半導体層１０６とオーミック接触して形成されている。メサ部の平面形状はこのｐ側電極１０７と同じである。また、メサ部の片側の低欠陥密度領域１０３におけるｎ型ＧａＮ系半導体層１０４上に、高欠陥密度領域１０２を避けるように、ｎ側電極１０８がこのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４とオーミック接触して形成されている。

図１３は従来のＧａＮ系半導体レーザの他の例を示す断面図である。
図１３に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一辺の近傍にこの一辺に沿って高欠陥密度領域１０２が形成され、その他の部分は低欠陥密度領域１０３である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６が順次積層されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層１０６の上層部にレーザストライプ１０９が形成されている。このレーザストライプ１０９の両側の部分に電流狭窄層１１０が埋め込まれている。これらのｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５、ｐ型ＧａＮ系半導体層１０６および電流狭窄層１１０のうち、高欠陥密度領域１０２上の部分にはこの高欠陥密度領域１０２から伝播した結晶欠陥が存在する高欠陥密度領域（この高欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の高欠陥密度領域１０２との全体をあらためて符号１０２で示す）が形成され、低欠陥密度領域１０３上の部分には同じく低欠陥密度領域（この低欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の低欠陥密度領域１０３との全体をあらためて符号１０３で示す）が形成されている。レーザストライプ１０９上には、電流狭窄層１１０にまたがって、ｐ側電極１０７がｐ型ＧａＮ系半導体層１０６とオーミック接触して形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面にｎ側電極１０８がこのｎ型ＧａＮ基板１０１とオーミック接触して形成されている。

図１４は従来のＧａＮ系半導体レーザのさらに他の例を示す断面図である。
図１４に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１の一辺の近傍にこの一辺に沿って高欠陥密度領域１０２が形成され、その他の部分は低欠陥密度領域１０３である。このｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６が順次積層されている。ｐ型ＧａＮ系半導体層１０６の上層部にレーザストライプ１０９が形成されている。このレーザストライプ１０９の片側の部分のｐ型ＧａＮ系半導体層１０６上に絶縁膜１１１が設けられている。さらに、このレーザストライプ１０９の両側の部分に電流狭窄層１１０が埋め込まれている。ｎ型ＧａＮ系半導体層１０４、活性層１０５およびｐ型ＧａＮ系半導体層１０６のうち、高欠陥密度領域１０２上の部分にはこの高欠陥密度領域１０２から伝播した結晶欠陥が存在する高欠陥密度領域（この高欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の高欠陥密度領域１０２との全体をあらためて符号１０２で示す）が形成され、低欠陥密度領域１０３上の部分には同じく低欠陥密度領域（この低欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１０１中の低欠陥密度領域１０３との全体をあらためて符号１０３で示す）が形成されている。絶縁膜１１１により上層への結晶欠陥の伝播が防止されるため、電流狭窄層１１０には高欠陥密度領域１０２は形成されていない。レーザストライプ１０９上には、電流狭窄層１１０にまたがって、ｐ側電極１０７がｐ型ＧａＮ系半導体層１０６とオーミック接触して形成されている。一方、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面にｎ側電極１０８がこのｎ型ＧａＮ基板１０１とオーミック接触して形成されている。

以上のように、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の高欠陥密度領域は、本来望ましくなく、やむを得ず存在するものであり、これを避けるように活性領域や電極などを形成していた。
そこで、この発明が解決しようとする課題は、低欠陥密度領域と高欠陥密度領域とを有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いて半導体発光素子や電子走行素子を形成する場合に、その高欠陥密度領域の有効利用を図り、これらの素子全体の構造の最適化を図ることができる半導体装置を提供することである。

本発明者は、従来技術が有する上記課題を解決すべく、鋭意検討を行った。その概要を説明すると次のとおりである。
既に述べたように、現在の技術では、素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に低欠陥密度領域に加えて高欠陥密度領域が存在することは避けられないが、このことは欠点ばかりを伴うものではない。この高欠陥密度領域は、素子の活性領域（例えば、ＬＥＤの発光領域）に用いるには望ましくないのは当然であるが、一方では欠陥密度が高いことによりキャリア密度の増大があり、この部分の電気抵抗率が低い場合もある。また、低欠陥密度領域と高欠陥密度領域とを有する基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる場合に、この高欠陥密度領域では、結晶方位の乱れなどが理由で厚さが小さくなり成長面の凹凸を形成する条件があるため、これを積極的に素子形成に利用することもできる。
この発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである。

すなわち、上記課題を解決するために、この発明は、
第１の平均欠陥密度を有する結晶からなる第１の領域中に第１の平均欠陥密度より高い第２の平均欠陥密度を有する第２の領域を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が成長された半導体装置であって、
第１の領域を活性領域に用い、第２の領域を電極配線領域または排熱構造領域に用いる
ことを特徴とするものである。

ここで、第１の平均欠陥密度は好適には２×１０⁶ ｃｍ^-2以下、より好適には１×１０⁶ ｃｍ^-2以下、第２の平均欠陥密度は１×１０⁸ ｃｍ^-2以上である。第２の領域は、典型的には、直線状または所定配置の点状に形成される。
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面は、典型的にはＣ面であるが、このＣ面にはこれに対して５〜６°程度までオフしていて実質的にＣ面とみなすことができる結晶面も含むものとする。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板の主面はＣ面以外のものであってもよい。

窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的にはＡｌ_X Ｂ_y Ｇａ_1-x-y-z Ｉｎ_z Ａｓ_u Ｎ_1-u-v Ｐ_v （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的にはＡｌ_X Ｂ_y Ｇａ_1-x-y-z Ｉｎ_z Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌ_X Ｇａ_1-x-z Ｉｎ_z Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の具体例を挙げると、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。
窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などを用いることができる。
半導体装置は、半導体レーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子あるいは各種トランジスタ（電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）やヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）などの電子走行素子である。半導体発光素子においては活性領域は発光領域であり、電子走行素子においては活性領域は電子走行領域である。
上述のように構成されたこの発明においては、高欠陥密度領域である第２の領域は高欠陥密度であるがゆえに低抵抗となることから、電極配線や排熱構造を形成する領域として積極的に利用することができる。

この発明によれば、低欠陥密度領域である第１の領域を活性領域に用い、高欠陥密度領域である第２の領域を電極配線領域または排熱構造領域に用いることにより、半導体発光素子や電子走行素子を形成する場合に、その高欠陥密度領域の有効利用を図り、これらの素子全体の構造の最適化を図ることができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示し、図１Ａは上面図、図１Ｂは断面図である。このＧａＮ系ＬＥＤは大面積の高輝度ＬＥＤに用いて好適なものである。
図１に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１中に、一方向に延在する高欠陥密度領域２と低欠陥密度領域３とが交互に形成されている。ここで、高欠陥密度領域２の転位密度は例えば２×１０⁶ ｃｍ^-2以下、低欠陥密度領域３の転位密度は例えば１０⁸ ｃｍ^-2台である。このｎ型ＧａＮ基板１上にｎ型ＧａＮ系半導体層４、活性層５およびｐ型ＧａＮ系半導体層６が順次積層されている。これらのｎ型ＧａＮ系半導体層４、活性層５およびｐ型ＧａＮ系半導体層６のうち、高欠陥密度領域２上の部分には結晶成長の際にこの高欠陥密度領域２から伝播した結晶欠陥が存在する高欠陥密度領域（この高欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１中の高欠陥密度領域２との全体をあらためて符号２で示す）が形成され、低欠陥密度領域３上の部分には同じく低欠陥密度領域（この低欠陥密度領域とｎ型ＧａＮ基板１中の低欠陥密度領域３との全体をあらためて符号３で示す）が形成されている。ここで、ｎ型ＧａＮ系半導体層４中の高欠陥密度領域２は、ｎ型ＧａＮ基板１中の高欠陥密度領域２から結晶欠陥が伝播する際にこの結晶欠陥を介したキャリア取り込みが起こり易いなどの理由で、低欠陥密度領域３よりも低抵抗になっている。低欠陥密度領域３の部分におけるｎ型ＧａＮ系半導体層４の上層部、活性層５およびｐ型ＧａＮ系半導体層６はメサ形状にパターニングされている。そして、各メサ部のｐ型ＧａＮ系半導体層６上にｐ側電極７がこのｐ型ＧａＮ系半導体層６とオーミック接触して形成されている。メサ部の平面形状はこのｐ側電極７と同じである。この場合、このｐ側電極７の周期は高欠陥密度領域２の周期と一致している。また、メサ部の間の溝の底部のｎ型の高欠陥密度領域２上にくし型のｎ側電極８がこの高欠陥密度領域２とオーミック接触して形成されている。

このＧａＮ系ＬＥＤは通常、ｐ側電極７およびｎ側電極８のそれぞれに対応した電極パターンがあらかじめ形成されたサブマウントやはんだパンプなどの構造を介して実装される。そして、ｐ側電極７とｎ側電極８との間に所定の電流を流すことにより各メサ部から発光が起き、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面から取り出される。
この第１の実施形態によれば、次のような利点を得ることができる。すなわち、高欠陥密度領域２を避けてメサ部を配置し、このメサ部のｐ型ＧａＮ系半導体層６上にｐ側電極７を形成しているため、高欠陥密度領域２は発光領域にあたるこのｐ側電極７の領域を通過しない。このため、この高欠陥密度領域２に起因する短絡不良など、素子特性への悪影響がない。一方、ｎ型ＧａＮ系半導体層４中の高欠陥密度領域２は低抵抗のｎ型であるため、このｎ型ＧａＮ系半導体層４中に高欠陥密度領域２がない場合に比べてｎ側電極８に接続する直列抵抗が小さくなり、その分だけＧａＮ系ＬＥＤの動作電圧の低減を図ることができる。

また、次のような利点を得ることもできる。図２Ａに示す、高欠陥密度領域２と低欠陥密度領域３とを有するｎ型ＧａＮ基板１上に、図２Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮ系半導体層４、活性層５およびｐ型ＧａＮ系半導体層６を成長させた場合、これらの厚さは高欠陥密度領域２上と低欠陥密度領域３上とで互いに大きく異なり、高欠陥密度領域２上の厚さの方が低欠陥密度領域３上の厚さに比べてずっと小さくなるため、高欠陥密度領域２上に逆台形状の断面形状を有する凹部が形成される。寸法の例を挙げると、この凹部の幅ｗは３０〜４０μｍ、高欠陥密度領域２上の厚さと低欠陥密度領域３上の厚さとの差ｄ（凹部の深さ）は数μｍ程度である。このような深さ数μｍ程度の凹部が形成されても、その断面形状は上記のように逆台形状であって鋭角的ではなく段切れが起こりにくく、また、リソグラフィープロセスによりパターンを形成することができない程深くはないため、この凹部を横断するようにｎ側電極８を形成することができ、しかもこの凹部ではパターン形成精度が凹部の深さと同程度の数μｍ程度となっても問題ないためパターン精度上も問題ない。

図３はこの発明の第２の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示し、図３Ａは上面図、図３Ｂは断面図である。
図３に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、各発光領域毎にｎ側電極８が分割されて形成されている。その他のことは第１の実施形態と同様である。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

図４はこの発明の第２の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示し、図４Ａは上面図、図４Ｂは断面図である。
図４に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、隣接する高欠陥密度領域２の間に二つのメサ部が形成されている。その他のことは第１の実施形態と実質的に同様である。
この第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

図５はこの発明の第４の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示し、図５Ａは上面図、図５Ｂは断面図である。
図５に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、隣接する高欠陥密度領域２の間に二つのメサ部が形成されていることは第３の実施形態と同様であるが、この場合、高欠陥密度領域２の間隔がより大きく、メサ部の幅もより大きい。その他のことは第１の実施形態と実質的に同様である。
この第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

図６はこの発明の第５の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示し、図６Ａは上面図、図６Ｂは断面図である。
図６に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１に一本の高欠陥密度領域２が形成され、この高欠陥密度領域２の片側の低欠陥密度領域３に幅広のメサ部が形成されている。そして、このメサ部を囲むように、かつ高欠陥密度領域２およびその両側の低欠陥密度領域３にまたがってｎ側電極８がｎ型ＧａＮ系半導体層４とオーミック接触して形成されている。その他のことは第１の実施形態と実質的に同様である。
この第５の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

図７はこの発明の第６の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示し、図７Ａは上面図、図７Ｂは断面図である。
図７に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１をほぼ二分割するように高欠陥密度領域２が形成されている。この高欠陥密度領域２の片側の低欠陥密度領域３にメサ部が形成され、このメサ部のｐ型ＧａＮ系半導体層６にレーザストライプ９が形成されている。そして、このレーザストライプ９を覆うようにｐ側電極７がｐ型ＧａＮ系半導体層６とオーミック接触して形成されている。また、このメサ部の片側の高欠陥密度領域２および低欠陥密度領域３にまたがってｎ側電極８がｎ型ＧａＮ系半導体層４とオーミック接触して形成されている。その他のことは第１の実施形態と実質的に同様である。
この第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

図８はこの発明の第７の実施形態によるＧａＮ系ＨＢＴを示し、図８Ａは上面図、図８Ｂは断面図である。
図８に示すように、このＧａＮ系ＨＢＴにおいては、高欠陥密度領域２と低欠陥密度領域３とを有するｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型ＧａＮ系コレクタ層１０、ｐ型ＧａＮ系ベース層１１およびｎ型ＧａＮ系エミッタ層１２が順次積層されている。ｎ型ＧａＮ系エミッタ層１２は長方形状の平面形状を有し、その上にエミッタ電極１３が形成されている。ｐ型ＧａＮ系ベース層１１はその両端部の厚さが中央部に比べて小さくなっており、その上に一対のベース電極１４、１５が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＮ系コレクタ層１０およびｐ型ＧａＮ系ベース層１１には一対の凹部１６、１７が形成されており、これらの凹部１６、１７のｎ型ＧａＮ系コレクタ層１０上にコレクタ電極１８、１９が形成されている。ここで重要なことは、高欠陥密度領域２は、コレクタ電極１８に対応する部分にのみ位置し、ｎ型ＧａＮ系エミッタ層１２、ｐ型ＧａＮ系ベース層１１およびその下部のｎ型ＧａＮ系コレクタ層１０はいずれも低欠陥密度領域３に形成されていることである。
この第７の実施形態によれば、ＧａＮ系ＨＢＴにおいて、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

図９はこの発明の第８の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示し、図９Ａは上面図、図９Ｂは断面図である。
図９に示すように、このＧａＮ系ＬＥＤにおいては、高密度欠陥領域２が六方格子状配置で点状に形成されている。その他のことは第１の実施形態と同様である。
この第８の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板などを用いてもよい。
具体的には、必要に応じて、上述の第１〜第８の実施形態において、ｐ型とｎ型とを置換してもよい。

この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示す上面図および断面図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤの利点を説明するための断面図である。 この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示す上面図および断面図である。 この発明の第３の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示す上面図および断面図である。 この発明の第４の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示す上面図および断面図である。 この発明の第５の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示す上面図および断面図である。 この発明の第６の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す上面図および断面図である。 この発明の第７の実施形態によるＧａＮ系ＨＢＴを示す上面図および断面図である。 この発明の第８の実施形態によるＧａＮ系ＬＥＤを示す上面図および断面図である。 従来のＧａＮ系ＬＥＤの一例を示す上面図および断面図である。 従来のＧａＮ系ＬＥＤの他の一例を示す上面図および断面図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザの一例を示す上面図および断面図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザの他の一例を示す断面図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザのさらに他の一例を示す断面図である。

符号の説明

１…ｎ型ＧａＮ基板、２…高欠陥密度領域、３…低欠陥密度領域、４…ｎ型ＧａＮ系半導体層、５…活性層、６…ｐ型ＧａＮ系半導体層、７…ｐ側電極、８…ｎ側電極、９…レーザストライプ、１０…ｎ型ＧａＮ系コレクタ層、１１…ｐ型ＧａＮ系ベース層、１２…ｎ型ＧａＮ系エミッタ層、１３…エミッタ電極、１４、１５…ベース電極、１８、１９…コレクタ電極

Claims (12)

1. 第１の平均欠陥密度を有する結晶からなる第１の領域中に上記第１の平均欠陥密度より高い第２の平均欠陥密度を有する第２の領域を有する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板上に素子構造を形成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が成長された半導体装置であって、
   上記第１の領域を活性領域に用い、上記第２の領域を電極配線領域または排熱構造領域に用いる
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 上記第１の平均欠陥密度が２×１０⁶ ｃｍ^-2以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 上記第１の平均欠陥密度が１×１０⁶ ｃｍ^-2以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 上記第２の平均欠陥密度が１×１０⁸ ｃｍ^-2以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 上記第２の領域が直線状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 上記第２の領域が点状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
7. 上記窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板がＧａＮ基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
8. 上記半導体装置が半導体発光素子であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
9. 上記半導体発光素子が半導体レーザまたは発光ダイオードであることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
10. 上記活性領域が発光領域であることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
11. 上記半導体装置が電子走行素子であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
12. 上記活性領域が電子走行領域であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
    

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