JP2008160167A - 窒化物系半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物系半導体基板などの窒素面と電極とのコンタクト抵抗を低減することが可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】この窒化物系半導体レーザ素子の製造方法は、ウルツ鉱構造を有するｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）をＲＩＥ法によりエッチングする工程と、その後、エッチングされたｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）上に、ｎ側電極８を形成する工程とを備えている。
【選択図】図５

Description

本発明は、窒化物系半導体素子およびその製造方法に関し、特に、電極を有する窒化物系半導体素子およびその製造方法に関する。
近年、窒化物系半導体レーザ素子は、次世代の大容量光ディスク用光源としての利用が期待され、その開発が盛んに行われている。
通常、窒化物系半導体レーザ素子を形成する場合、絶縁性のサファイア基板が用いられる。しかし、サファイア基板上に、窒化物系半導体層を形成する場合、サファイア基板と窒化物系半導体層との格子定数の差が大きいので、窒化物系半導体層内に格子定数の差に起因した多数の結晶欠陥（転位）が発生するという不都合があった。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の特性が低下するという問題点があった。
そこで、従来、窒化物系半導体層との格子定数の差が小さいＧａＮ基板などの窒化物系半導体基板を用いた窒化物系半導体レーザ素子が提案されている。
図７は、ｎ型ＧａＮ基板を用いて形成された従来の窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。図７を参照して、従来の窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスでは、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に成長される窒化物系半導体層（１０２〜１１０）の結晶性を向上させるため、窒化物系半導体層（１０２〜１１０）は、ウルツ鉱構造を有するｎ型ＧａＮ基板１のＧａ面（（ＨＫＬＭ）面：Ｍは正の整数）上に成長される。また、ウルツ鉱構造を有するｎ型ＧａＮ基板１０１の窒素面（（ＨＫＬ−Ｍ）面：Ｍは正の整数）は、裏面として用いられるとともに、このｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面上にｎ側電極１１２が形成される。以下、従来の窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを詳細に説明する。
図７に示すように、約３００μｍ〜約５００μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮ基板１０１の上面（Ｇａ面）上に、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学気相成長法）などを用いて、約３μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型層１０２と、約１００ｎｍの厚みを有するｎ型Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型バッファ層１０３と、約４００ｎｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｎ型クラッド層１０４と、約７０ｎｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層１０５と、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸）構造を有するＭＱＷ活性層１０６と、約２００ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｐ型層１０７と、約７０ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型光ガイド層１０８と、約４００ｎｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型クラッド層１０９と、約１００ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１１０とを順次形成する。
次に、ｐ型コンタクト層１１０の上面上の所定領域に、ｐ側電極１１１を形成する。そして、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面をｎ型ＧａＮ基板１０１が所定の厚み（１００μｍ程度）になるまで研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１０１の裏面（窒素面）上に、ｎ側電極１１２を形成する。最後に、ｎ型ＧａＮ基板１０１および各層１０２〜１１０を劈開することにより、素子分離および共振器端面の形成を行う。これにより、図７に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子が完成される。
図７に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＮ基板１０１の硬度が非常に大きいので、劈開により素子分離および共振器端面の形成を良好に行うのが困難であるという不都合がある。このような不都合に対処するため、劈開工程の前にｎ型ＧａＮ基板の裏面を機械研磨して、ｎ型ＧａＮ基板の裏面の凹凸の大きさを小さくすることによって、素子分離および共振器端面の形成を良好に行う方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−２６４３８号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された従来の方法では、ｎ型ＧａＮ基板の裏面を機械研磨する際に、ｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍に応力が加わる。このため、ｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍にクラックなどの微細な結晶欠陥が発生するという不都合がある。その結果、ｎ型ＧａＮ基板と、ｎ型ＧａＮ基板の裏面（窒素面）上に形成されたｎ側電極とのコンタクト抵抗が増加するという問題点があった。
また、ｎ型ＧａＮ基板の窒素面は、酸化されやすいので、これによっても、ｎ型ＧａＮ基板の裏面（窒素面）上に形成されたｎ側電極とのコンタクト抵抗が増加するという問題点があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、窒化物系半導体基板などの窒素面と電極とのコンタクト抵抗を低減することが可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供することである。
この発明のもう１つの目的は、上記の窒化物系半導体素子の製造方法において、窒化物系半導体基板などの窒素面近傍の結晶欠陥を低減することである。
この発明のさらにもう１つの目的は、窒化物系半導体基板などの窒素面と電極とのコンタクト抵抗を低減することが可能な窒化物系半導体素子を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法は、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板のいずれかからなる第１半導体層の裏面をエッチングする工程と、その後、エッチングされた第１半導体層の裏面上に、ｎ側電極を形成する工程とを備えている。
この第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法では、上記のように、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板のいずれかからなる第１半導体層の裏面を、エッチングすることによって、研磨工程などに起因して発生した第１半導体層の裏面近傍の結晶欠陥を含む領域を除去することができるので、第１半導体層の裏面近傍の結晶欠陥を低減することができる。これにより、結晶欠陥による電子キャリアのトラップなどに起因する電子キャリア濃度の低下を抑制することができるので、第１半導体層の裏面の電子キャリア濃度を大きくすることができる。その結果、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗を低減することができる。また、第１半導体層の裏面をエッチングすることによって、機械研磨の場合に比べて、第１半導体層の裏面の平坦性を向上させることができる。これにより、第１半導体層の裏面上に形成されるｎ側電極の平坦性を向上させることができるので、ｎ側電極を放熱基台に取り付ける構造の場合には、ｎ側電極と放熱基台との密着性を向上させることができる。その結果、良好な放熱特性を得ることができる。また、第１半導体層の裏面上に形成されるｎ側電極の平坦性を向上させることができるので、ｎ側電極にワイヤボンディングを行う構造の場合には、ｎ側電極に対するワイヤボンディングのボンディング特性を向上させることができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、第１半導体層の裏面は、第１半導体層の窒素面を含む。ここで、窒素面とは、全て窒素面である場合のみならず、窒素面が主体の面である場合を含む広い概念である。具体的には、窒素面が５０％以上ある面は、本発明の窒素面に含まれる。このように第１半導体層の裏面が窒素面である場合には、裏面が酸化されやすいので、裏面の酸化された部分をエッチングにより除去することができる。これにより、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗をより低減することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、エッチングする工程は、第１半導体層の裏面を反応性エッチングによりエッチングする工程を含む。このように構成すれば、反応性エッチングにより、容易に、第１半導体層の裏面の平坦性を向上させることができるとともに、裏面近傍の結晶欠陥を低減することができる。なお、本発明の反応性エッチングは、ドライエッチングとほぼ同じ意味を有する。
上記反応性エッチングによりエッチングする工程を含む窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、反応性エッチングによりエッチングする工程は、Ｃｌ2ガスとＢＣｌ3ガスとを用いて反応性エッチングによりエッチングする工程を含む。このように構成すれば、容易に、第１半導体層の裏面の平坦性を向上させることができるとともに、裏面近傍の結晶欠陥を低減することができる。この場合、反応性エッチングによりエッチングする工程におけるＣｌ2ガスに対するＢＣｌ3ガスの流量比は、３０％以上７０％以下であるのが好ましい。このＣｌ2ガスに対するＢＣｌ3ガスの流量比の範囲は、実験により第１半導体層の裏面の平坦性を向上させることができることが確認された範囲であるので、この範囲の流量比を用いれば、確実に第１半導体層の裏面の平坦性を向上させることができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、ｎ側電極を形成する工程に先立って、エッチングされた第１半導体層の窒素面を、塩素、フッ素、臭素、ヨウ素、イオウおよびアンモニウムの少なくとも１つを含む溶液に浸す工程をさらに備える。このように構成すれば、第１半導体層の窒素面のエッチングによる残留物を容易に除去することができる。これにより、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗をより低減することができる。この場合、ｎ側電極を形成する工程に先立って、第１半導体層の裏面をＨＣｌ溶液により塩酸処理する工程をさらに備える。このように構成すれば、第１半導体層の裏面のエッチングにより裏面に付着した塩素系残留物を容易に除去することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、エッチングする工程に先立って、第１半導体層の裏面を研磨する工程をさらに備える。このように第１半導体層の裏面を研磨した場合にも、研磨後のエッチング工程により、第１半導体層の裏面の平坦性を向上することができるとともに、研磨に起因して発生した裏面近傍の結晶欠陥を低減することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、エッチングする工程は、第１半導体層の裏面をウェットエッチングによりエッチングする工程を含む。このように構成すれば、ウェットエッチングにより、容易に、第１半導体層の裏面の平坦性を向上させることができるとともに、裏面近傍の結晶欠陥を低減することができる。この場合、ウェットエッチングによりエッチングする工程は、王水、ＫＯＨおよびＫ2Ｓ2Ｏ8からなるグループから選択される少なくとも１つのエッチング液を用いてエッチングする工程を含むのが好ましい。また、ウェットエッチングによりエッチングする工程は、約１２０℃に昇温した状態でエッチングする工程を含むのが好ましい。このように構成すれば、ウェットエッチングを室温で行う場合の約１０倍のエッチングレートを得ることができる。
この発明の第２の局面による窒化物系半導体素子の製造方法は、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板のいずれかからなる第１半導体層の窒素面を、反応性エッチングによりエッチングする工程と、その後、エッチングされた第１半導体層の窒素面上に、ｎ側電極を形成する工程とを備えている。
この第２の局面による窒化物系半導体素子の製造方法では、上記のように、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板のいずれかからなる第１半導体層の窒素面を、反応性エッチングによりエッチングすることによって、研磨工程などに起因して発生した第１半導体層の窒素面近傍の結晶欠陥を含む領域を除去することができるので、第１半導体層の窒素面近傍の結晶欠陥を低減することができる。これにより、結晶欠陥による電子キャリアのトラップなどに起因する電子キャリア濃度の低下を抑制することができるので、第１半導体層の窒素面の電子キャリア濃度を大きくすることができる。その結果、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗を低減することができる。また、第１半導体層の窒素面を反応性エッチングによりエッチングすることによって、機械研磨の場合に比べて、第１半導体層の窒素面の平坦性を向上させることができる。これにより、第１半導体層の窒素面上に形成されるｎ側電極の平坦性を向上させることができるので、ｎ側電極を放熱基台に取り付ける構造の場合には、ｎ側電極と放熱基台との密着性を向上させることができる。その結果、良好な放熱特性を得ることができる。また、第１半導体層の窒素面上に形成されるｎ側電極の平坦性を向上させることができるので、ｎ側電極にワイヤボンディングを行う構造の場合には、ｎ側電極に対するワイヤボンディングのボンディング特性を向上させることができる。
この発明の第３の局面による窒化物系半導体素子は、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板のいずれかからなる第１半導体層と、第１半導体層の裏面上に形成されたｎ側電極とを備え、ｎ側電極と第１半導体層とのコンタクト抵抗は、０．０５Ωｃｍ2以下である。
この第３の局面による窒化物系半導体素子では、ｎ側電極と第１半導体層とのコンタクト抵抗を、０．０５Ωｃｍ2以下にすることによって、ｎ側電極と第１半導体層とのコンタクト抵抗が低減された良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
上記第３の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１半導体層のｎ側電極との界面近傍における電子キャリア濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上である。このように構成すれば、容易に、ｎ側電極と第１半導体層とのコンタクト抵抗が低減された窒化物系半導体素子を得ることができる。
上記第３の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１半導体層のｎ側電極との界面近傍における転位密度は、１×１０9ｃｍ-2以下である。このように構成すれば、第１半導体層のｎ側電極との界面近傍における結晶欠陥（転位）を低減することができるので、第１半導体層のｎ側電極との界面におけるコンタクト抵抗を低減することができる。
上記第３の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１半導体層の裏面は、第１半導体層の窒素面を含む。
上記反応性エッチングによりエッチングする工程を含む窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、反応性エッチングによりエッチングする工程におけるエッチング深さとエッチング時間とは、比例関係にある。このように構成すれば、エッチング時間を調整することにより、エッチング深さを精度よく制御することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、エッチングする工程は、第１半導体層の裏面をエッチングすることにより、第１半導体層の裏面を鏡面にする工程を含む。このように構成すれば、より良好な第１半導体層の裏面の平坦性を得ることができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、ｎ側電極の形成工程の後、熱処理を施す工程をさらに備える。このように構成すれば、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗をより低減することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、エッチングする工程は、第１半導体層の裏面を約１μｍ以上の厚み分エッチングする工程を含む。このように構成すれば、研磨工程などに起因して発生した第１半導体層の裏面近傍の結晶欠陥を含む領域を十分に除去することができるので、第１半導体層の裏面近傍の結晶欠陥をより低減することができる。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、第１半導体層は、ＧａＮ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびＴｌＮからなるグループより選択される少なくとも１つの材料からなるｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板を含んでいてもよい。また、ｎ側電極は、Ａｌ膜を含んでいてもよい。
上記第１の局面による窒化物系半導体素子の製造方法において、好ましくは、窒化物系半導体素子は、窒化物系半導体発光素子である。このように構成すれば、窒化物系半導体発光素子において、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗を低減することができるので、良好な発光特性を有する窒化物系半導体発光素子を得ることができる。
上記第３の局面による窒化物系半導体素子において、第１半導体層は、ＧａＮ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮおよびＴｌＮからなるグループより選択される少なくとも１つの材料からなるｎ型の窒化物系半導体層および窒化物系半導体基板を含んでいてもよい。また、ｎ側電極は、Ａｌ膜を含んでいてもよい。
上記第３の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、窒化物系半導体素子は、窒化物系半導体発光素子である。このように構成すれば、窒化物系半導体発光素子において、第１半導体層とｎ側電極とのコンタクト抵抗を低減することができるので、良好な発光特性を有する窒化物系半導体発光素子を得ることができる。
本発明によると、窒化物系半導体基板などの窒素面と電極とのコンタクト抵抗を低減することが可能な窒化物系半導体素子の製造方法を提供することができる。
また、本発明によると、上記の窒化物系半導体素子の製造方法において、窒化物系半導体基板などの窒素面近傍の結晶欠陥を低減することができる。
さらに、本発明によると、窒化物系半導体基板などの窒素面と電極とのコンタクト抵抗を低減することが可能な窒化物系半導体素子を提供することができる。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レ−ザ素子の製造プロセスを説明するための断面図および斜視図である。
図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。まず、本実施形態では、たとえば、特開２０００−４４４００号公報に開示された方法によりウルツ鉱構造を有する酸素ドープのｎ型ＧａＮ基板１を形成する。具体的には、ＨＶＰＥ法を用いてＧａＡｓ基板（図示せず）上に、酸素ドープのｎ型ＧａＮ層を約１２０μｍ〜約４００μｍの厚みで形成する。その後、ＧａＡｓ基板を除去することによって、図１に示されるようなｎ型ＧａＮ基板１を得る。このｎ型ＧａＮ基板１のホール効果測定による基板キャリア濃度は、５×１０18ｃｍ-3である。また、ｎ型ＧａＮ基板１のＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析による不純物濃度は、１×１０19ｃｍ-3である。なお、ｎ型ＧａＮ基板１は、本発明の「第１半導体層」の一例である。
そして、ｎ型ＧａＮ基板１の（０００１）面である上面（Ｇａ面）上に、常圧ＭＯＣＶＤ法を用いて、約１気圧（約１００ｋＰａ）の圧力下で、約５μｍの厚みを有するｎ型ＧａＮからなるｎ型バッファ層２と、約１μｍの厚みを有するｎ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｎ型クラッド層３と、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層４と、約０．２８μｍの厚みを有するｐ型Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎからなるｐ型クラッド層５と、約７０ｎｍの厚みを有するｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層６とを順次形成する。
なお、ＭＱＷ活性層４は、約２０ｎｍの厚みのＧａＮからなる４層のバリア層と、約３．５ｎｍの厚みのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる３層の井戸層とを交互に積層することにより形成する。また、原料ガスとしては、Ｇａ（ＣＨ3）3と、Ｉｎ（ＣＨ3）3と、Ａｌ（ＣＨ3）3と、ＮＨ3とを用い、キャリアガスとしては、Ｈ2とＮ2とを用いる。本実施形態では、これらの原料ガスの供給量を変化させることにより、各層２〜６の組成を調整している。また、ｎ型バッファ層２およびｎ型クラッド層３のｎ型ドーパントとしては、ＳｉＨ4ガス（Ｓｉ）を用いる。ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６のｐ型ドーパントとしては、Ｃｐ2Ｍｇガス（Ｍｇ）を用いる。
次に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、ｐ型コンタクト層６およびｐ型クラッド層５の一部の領域をエッチングする。これにより、図２に示すように、ｐ型クラッド層５の凸部とｐ型コンタクト層６とからなる約２μｍの幅を有する凸部（リッジ部）を形成する。次に、ｐ型コンタクト層６の上面上に、下から上に向かって、約１ｎｍの厚みを有するＰｔ膜と、約１０ｎｍの厚みを有するＰｄ膜と、約３００ｎｍの厚みを有するＮｉ膜とからなるｐ側電極７を形成する。これにより、図２に示したような複数の素子が形成される領域を含む窒化物系半導体レーザ素子構造２０が形成される。
この後、図３および図４に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１の（０００−１）面である裏面（窒素面）を機械研磨する。この研磨工程に用いる機械研磨装置３０は、図３に示すように、平坦な表面を有するガラス基板１１と、上下に移動可能で、かつ、Ｒ方向に回転可能に支持されたホルダ１２と、バフ１３とから構成されている。バフ１３上には、約０．２μｍ〜約１μｍの粒子粗さのダイヤモンド、酸化ケイ素またはアルミナなどからなる研磨剤（図示せず）が配置されている。この研磨剤の粒子粗さは、約０．２μｍ〜約０．５μｍの範囲であれば、特に良好に裏面研磨を行うことができる。また、ホルダ１２の下面には、図３および図４に示すように、窒化物系半導体レーザ素子構造２０が、ワックス１４により、ホルダ１２と直接接触することのないように間隔を隔てて取り付けられている。これにより、機械研磨に際して、窒化物系半導体レーザ素子構造２０が破損するのを防止する。なお、ガラス基板１１などに代えて、金属などからなる平坦な研磨盤を用いてもよい。
図３に示した機械研磨装置３０を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）をｎ型ＧａＮ基板１の厚みが約１２０μｍ〜約１８０μｍになるまで研磨する。具体的には、ホルダ１２の下面に取り付けられた窒化物系半導体レーザ素子構造２０のｎ型ＧａＮ基板１の裏面（図４参照）を、研磨剤が配置されているバフ１３の上面に、一定の負荷で押圧する。そして、バフ１３（図３参照）に水またはオイルを流しながら、ホルダ１２をＲ方向に回転する。このようにして、ｎ型ＧａＮ基板１の厚みが約１２０μｍ〜約１８０μｍになるまで機械研磨を行う。なお、ｎ型ＧａＮ基板１の厚みを、約１２０μｍ〜約１８０μｍの範囲に加工するのは、この範囲の厚みであれば、後述する劈開工程を良好に行うことができるためである。
この後、本実施形態では、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）を、約２０分間エッチングする。このエッチングは、ガス流量、Ｃｌ2ガス：１０ｓｃｃｍ、ＢＣｌ3ガス：５ｓｃｃｍ、エッチング圧力：約３．３Ｐａ、ＲＦパワー：２００Ｗ（０．６３Ｗ／ｃｍ2）、エッチング温度：常温の条件下で行った。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）を約１μｍの厚み分だけ除去する。その結果、上記機械研磨に起因して発生した結晶欠陥を含むｎ型ＧａＮ基板１の裏面近傍の領域を除去することができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を、機械研磨のみで加工した場合と比べて、より平坦な鏡面にすることができる。なお、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面の反射像を目視により良好に確認することができる表面状態を鏡面とする。
ここで、上記したエッチングによる効果を確認するために、エッチング前後におけるｎ型ＧａＮ基板１の裏面の結晶欠陥（転位）密度を、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）分析により測定した。その結果、エッチング前には、結晶欠陥密度は、１×１０10ｃｍ-2以上であったのに対して、エッチング後には、結晶欠陥密度は、１×１０6ｃｍ-2以下にまで減少していることが判明した。また、エッチング後のｎ型ＧａＮ基板１の裏面近傍の電子キャリア濃度を、エレクトロケミカルＣ−Ｖ測定濃度プロファイラーにより測定した。その結果、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面近傍の電子キャリア濃度は、１．０×１０18ｃｍ-3以上であった。これにより、ＲＩＥ法によるエッチングによって、裏面近傍の電子キャリア濃度を、ｎ型ＧａＮ基板１の基板キャリア濃度（５×１０18ｃｍ-3）と同程度にできることがわかった。
また、上記したエッチング条件では、エッチング時間とエッチング深さとは比例関係になる。したがって、エッチング時間を調整することにより、エッチング深さを精度よく制御することができる。また、エッチングガスの組成により、エッチングレートおよび表面状態は変化する。図６は、ＲＩＥ法のエッチングガスを変化させた場合のエッチングレートの変化を示したグラフである。この場合、Ｃｌ2ガス流量を１０ｓｃｃｍに固定するとともに、ＢＣｌ3ガス流量を変化させた場合のエッチングレートを測定した。その結果、図６に示すように、Ｃｌ2ガスに対するＢＣｌ3ガスの流量比が、３０％以上７０％以下の範囲であれば、エッチングされた面が平坦な鏡面になることが判明した。なお、Ｃｌ2ガスに対するＢＣｌ3ガスの流量比が、５％未満の場合または８５％を越える場合には、エッチングされた面の平坦性が損なわれるとともに、白濁した面となった。
上記のようなエッチング工程を行った後、窒化物系半導体レーザ素子構造２０を、室温のＨＣｌ溶液（濃度１０％）に１分間浸漬することにより塩酸処理を行う。これにより、ＲＩＥ法によるエッチング時に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に付着した塩素系残留物が除去される。
この後、スパッタリング法または真空蒸着法などを用いて、窒化物系半導体レーザ素子構造２０のｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）上に、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に近い方から順に、６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と、２ｎｍの厚みを有するＳｉ膜と、１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜と、３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極８を形成する。
最後に、劈開により、素子分離および共振器端面の形成を行うことによって、図５に示すような本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子が完成される。
本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスでは、上記したように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）を、ＲＩＥ法によりエッチングすることによって、研磨工程に起因して発生したｎ型ＧａＮ基板１の裏面近傍の結晶欠陥を含む領域を除去することができる。これにより、結晶欠陥による電子キャリアのトラップなどに起因する電子キャリア濃度の低下を抑制することができる。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面が窒素面である場合には、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面が酸化されやすいので、その酸化された部分をエッチングにより除去することができる。これらの結果、ｎ型ＧａＮ基板１とｎ側電極８とのコンタクト抵抗を低減することができる。なお、本実施形態に沿って作製された窒化物系半導体レーザ素子におけるｎ型ＧａＮ基板１とｎ側電極８とのコンタクト抵抗をＴＬＭ法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｏｄｅｌ）により測定したところ、コンタクト抵抗は、２．０×１０-4Ωｃｍ2以下であった。また、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）上にｎ側電極８を形成した後、さらに５００℃の窒素ガス雰囲気中で１０分間の熱処理を行った場合には、コンタクト抵抗はさらに低い１．０×１０-5Ωｃｍ2であった。
また、本実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスでは、上記したように、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面を、ＲＩＥ法によりエッチングすることによって、機械研磨の場合に比べて、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面の平坦性をより向上させることができる。これにより、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面上に形成されたｎ側電極８の平坦性を向上させることができる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子をジャンクションダウンで取り付ける構造の場合には、ｎ側電極８に対するワイヤボンディングのボンディング特性を向上させることができる。また、ｎ側電極８を放熱基台（サブマウント）に取り付ける構造の場合には、ｎ側電極８と放熱基台との密着性を向上させることができるので、良好な放熱特性を得ることができる。
次に、ＲＩＥ法を用いてｎ型ＧａＮ基板の裏面（窒素面）のエッチングを行う本発明の効果をより詳細に確認するため、以下の表１に示すような実験を行った。
Figure 2008160167
上記表１を参照して、ウルツ鉱構造を有するｎ型ＧａＮ基板からなる試料１〜７に、種々の窒素面（裏面）処理を施した後、ｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍の電子キャリア濃度を、エレクトロケミカルＣ−Ｖ測定濃度プロファイラーにより測定した。また、電子キャリア濃度測定後の試料１〜７のｎ型ＧａＮ基板の裏面上に、ｎ側電極を形成した後、ｎ型ＧａＮ基板とｎ側電極とのコンタクト抵抗を、ＴＬＭ法により測定した。
なお、試料１〜７のｎ側電極は、上記した一実施形態と同様、Ａｌ膜とＳｉ膜とＮｉ膜とＡｕ膜とにより形成した。また、基板研磨、ＲＩＥ法によるエッチングおよび塩酸処理のその他の条件は、上記した一実施形態と同様である。なお、試料６は、上記した一実施形態の製造プロセスを用いて作製した。
結果としては、ＲＩＥ法を用いてｎ型ＧａＮ基板の裏面のエッチングを行った本発明による試料３〜７では、従来と同様の方法により作製された試料１よりもコンタクト抵抗が大きく低減された。具体的には、試料１のコンタクト抵抗は、２０Ωｃｍ2であったのに対して、本発明による試料３〜７のコンタクト抵抗は、０．０５Ωｃｍ2以下であった。これは以下の理由によると考えられる。すなわち、本発明による試料３〜７では、機械研磨により発生した結晶欠陥を含むｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍の領域が、ＲＩＥ法によるエッチングにより除去されたと考えられる。このため、ｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍における結晶欠陥に起因して電子キャリア濃度が低下するのが抑制されたためであると考えられる。
また、本発明による試料３〜７では、従来例に対応する試料１よりも、ｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍の電子キャリア濃度が高かった。具体的には、従来例に対応する試料１の電子キャリア濃度は、２．０×１０16ｃｍ-3であったのに対して、本発明による試料３〜７の電子キャリア濃度は、１．０×１０17ｃｍ-3以上であった。
また、Ｃｌ2ガスを用いたＲＩＥ法により、ｎ型ＧａＮ基板の裏面を約１μｍの厚み分だけ除去した試料４では、Ｃｌ2ガスを用いたＲＩＥ法により、ｎ型ＧａＮ基板の裏面を約０．５μｍの厚み分だけ除去した試料３よりも、低いコンタクト抵抗を得ることができた。これは、約０．５μｍの厚み分の除去では、機械研磨により発生した結晶欠陥を含むｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍の領域を十分に除去することができなかったためであると考えられる。これらの試料において、ｎ型ＧａＮ基板の裏面の結晶欠陥（転位）密度を、ＴＥＭ分析により測定したところ、試料３の結晶欠陥密度は１×１０9ｃｍ-2であった。一方、試料４では、観察した視野中に結晶欠陥は観察されず、結晶欠陥密度は１×１０6ｃｍ-2以下であった。したがって、ＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮ基板の裏面を約１．０μｍ以上の厚み分除去するのが好ましい。
また、Ｃｌ2ガスおよびＢＣｌ3ガスを用いたＲＩＥ法によるエッチングを行った試料５では、Ｃｌ2ガスのみを用いたＲＩＥ法によってｎ型ＧａＮ基板の裏面のエッチングを行った試料４に比べて、さらに低いコンタクト抵抗を得ることができた。
また、Ｃｌ2ガスおよびＢＣｌ3ガスを用いたＲＩＥ法によりｎ型ＧａＮ基板の裏面をエッチングした後、塩酸処理を行った上記一実施形態に対応する試料６、および、さらに５００℃の窒素雰囲気中で１０分間の熱処理を行った試料７では、塩酸処理および熱処理を行わない試料５に比べて、さらに低いコンタクト抵抗を得ることができた。また、試料６と試料７との比較から、熱処理によって、ｎ型ＧａＮ基板とｎ側電極とのコンタクト抵抗をさらに減少することができるとともに、ｎ型ＧａＮ基板の裏面近傍の電子キャリア濃度をさらに向上させることが判明した。
なお、ＲＩＥ法によるエッチングを行わずに、１０％の濃度のＨＣｌ溶液による約１０分間の浸漬処理（塩酸処理）を行った試料２では、塩酸処理を行わなかった従来例に対応する試料１よりも、低いコンタクト抵抗を得ることができた。具体的には、試料１のコンタクト抵抗は、２０Ωｃｍ2であったのに対して、試料２のコンタクト抵抗は、０．１Ωｃｍ2であった。これは、塩酸処理により、ｎ型ＧａＮ基板の裏面が清浄化されたためであると考えられる。
また、ｎ型ＧａＮ基板のｎ型ドーパントとして酸素を用いた場合、コンタクト抵抗を低くするために酸素のドーピング量を多くしてキャリア濃度を上げると結晶性が低下する。しかし、本発明により、上記一実施形態によるｎ型ＧａＮ基板１の酸素ドープ量（基板キャリア濃度：５×１０18ｃｍ-3）においてもコンタクト抵抗を低くすることができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１を用いて窒化物系半導体レーザ素子を形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体基板または窒化物系半導体層を用いた場合であってもよい。たとえば、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）またはＴｌＮ（窒化タリウム）などからなる窒化物系半導体基板または窒化物系半導体層が考えられる。また、これらの混晶からなる窒化物系半導体基板または窒化物系半導体層であってもよい。
また、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）をＲＩＥ法によりエッチングしたが、本発明はこれに限らず、他のドライエッチング（反応性エッチング）を用いてもよい。たとえば、反応性イオンビームエッチングや、ラジカルエッチングや、プラズマエッチングを用いてもよい。
また、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）を、Ｃｌ2ガスとＢＣｌ3ガスとを用いて、ＲＩＥ法によりエッチングを行ったが、本発明はこれに限らず、他のエッチングガスを用いてもよい。たとえば、Ｃｌ2とＳｉＣｌ4との混合ガスやＣｌ2とＣＦ4との混合ガスやＣｌ2ガスを用いてもよい。
また、上記一実施形態では、ＲＩＥ法によるエッチング後、窒化物系半導体レーザ素子構造２０をＨＣｌ溶液に浸漬（塩酸処理）することにより、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面に付着した塩素系残留物を除去したが、本発明はこれに限らず、塩素、フッ素、臭素、ヨウ素、イオウおよびアンモニアの少なくとも１つを含む溶液に浸漬してもよい。
また、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の上面（Ｇａ面）上に各層２〜６を成長した後、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）を機械研磨した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）をあらかじめ所定の厚みに機械研磨した後、ｎ型ＧａＮ基板１の上面（Ｇａ面）上に各層２〜６を形成する場合であってもよい。また、ｎ型ＧａＮ基板１の窒素面の機械研磨を行わない場合であってもよい。
また、上記一実施形態では、各層２〜６を形成する際のｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントとして、それぞれ、ＳｉおよびＭｇを用いたが、本発明はこれに限らず、他のｎ型またはｐ型のドーパントを用いてもよい。たとえば、ｎ型ドーパントして、ＳｅやＧｅなどを用いてもよい。また、ｐ型ドーパントして、ＢｅやＺｎなどを用いてもよい。また、上記一実施形態では、常圧ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＮ基板１上に各層２〜６を形成したが、本発明はこれに限らず、他の成長法により、各層２〜６を形成してもよい。たとえば、減圧ＭＯＣＶＤ法により、各層２〜６を形成してもよい。
また、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型バッファ層２を形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ型バッファ層２を形成しない場合であってもよい。この場合、各層３〜６の結晶性は若干低下するが、製造プロセスを簡略化することができる。
また、上記一実施形態では、ｎ側電極８材料としてＡｌ／Ｓｉ／Ｎｉ／Ａｕ膜を用いたが、本発明はこれに限らず、１０ｎｍの厚みを有するＴｉ膜と５００ｎｍの厚みを有するＡｌ膜とからなるｎ側電極、６ｎｍの厚みを有するＡｌ膜と１０ｎｍの厚みを有するＮｉ膜と３００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極、または、１０ｎｍの厚みを有するＡｌＳｉ膜と３００ｎｍの厚みを有するＺｎ膜と１００ｎｍの厚みを有するＡｕ膜とからなるｎ側電極などのＡｌを含む他の電極構造を用いてもよい。
また、上記一実施形態では、電流狭窄構造または横方向光閉じ込め構造として、リッジ構造を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、高抵抗のブロック層またはｎ型のブロック層を用いた埋め込み構造により電流狭窄を行ってもよい。また、イオン注入法などにより、電流狭窄層または横方向光閉じ込め構造としての光吸収層を形成してもよい。
また、上記一実施形態では、本発明を窒化物系半導体レーザ素子に適用する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ウルツ鉱構造を有するｎ型の窒化物系半導体層または窒化物系半導体基板を用いた半導体素子であればよい。たとえば、表面の平坦性が要求されるＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）または面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ））などに本発明を適用してもよい。
また、上記一実施形態では、所定の厚みを有するｐ側電極７およびｎ側電極８を用いたが、本発明はこれに限らず、他の厚みを有する電極であってもよい。たとえば、電極の各層の厚みを薄くして、電極が透光性を有するように形成することによって、面発光レーザ素子や発光ダイオード素子として用いてもよい。特に、ｎ側の電極は透光性を有するような薄い厚みに形成しても、本発明により、ｎ側電極のコンタクト抵抗を十分に低くすることができる。
また、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）を、ＲＩＥ法によりドライエッチングを行ったが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面（窒素面）をウェットエッチングするようにしてもよい。ｎ型ＧａＮ基板１の裏面の窒素面をウェットエッチングする場合には、ウェットエッチング液として、王水、ＫＯＨやＫ2Ｓ2Ｏ8などを用いる。たとえば、０．１Ｍｏｌの濃度のＫＯＨを用いてｎ型ＧａＮ基板１の裏面の窒素面を室温でウェットエッチングすればよい。なお、この場合、約１２０℃に昇温すれば、室温の場合に比べて、エッチングレートを約１０倍にすることができる。
また、上記一実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の窒素面からなる裏面を、ＲＩＥ法によりドライエッチングする場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面がＧａ面からなる場合に、そのｎ型ＧａＮ基板１のＧａ面からなる裏面をウェットエッチングするようにしてもよい。ｎ型ＧａＮ基板１の裏面のＧａ面をウェットエッチングする場合には、ウェットエッチング液として、王水、ＫＯＨやＫ2Ｓ2Ｏ8などを用いる。たとえば、０．１Ｍｏｌの濃度のＫＯＨを用いて３６５ｎｍの水銀ランプを用いて、室温でｎ型ＧａＮ基板１の裏面のＧａ面をウェットエッチングすればよい。なお、この場合、約１２０℃に昇温すれば、室温の場合に比べて、エッチングレートを約１０倍にすることができる。
また、上記一実施形態では、裏面が全て窒素面であるｎ型ＧａＮジャスト基板を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ型ＧａＮ基板の裏面に少しＧａ面が存在するｎ型ＧａＮオフ基板を用いてもよい。このｎ型ＧａＮオフ基板の場合にも、裏面は本発明の窒素面に含まれる。
本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レ−ザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。 図３に示したプロセスにおける拡大断面図である。 本発明の一実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための斜視図である。 ＲＩＥ法のエッチングガスを変化させた場合のエッチングレートの変化を示したグラフである。 従来の窒化物系半導体レーザ素子を示した断面図である。
符号の説明
１ ｎ型ＧａＮ基板（第１半導体層）
８ ｎ側電極

Claims (6)

  1. 基板の裏面上に形成されたｎ側電極を放熱基台に取り付ける構造の窒化物系半導体素子であって、
    前記基板は、酸素がドープされたｎ型の窒化物系半導体からなり、
    前記基板の上面上に形成されたｎ型の窒化物系半導体層と、
    前記ｎ型の窒化物系半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成されたｐ型の窒化物系半導体層と、
    前記ｐ型の窒化物系半導体層上に形成されたｐ側電極とを備え、
    前記基板は、前記基板の裏面側を研磨することにより、所定の厚みに形成されており、且つ、前記研磨により発生した転位を含む前記基板の裏面近傍の領域がエッチング除去されており、
    前記基板の裏面近傍の領域における転位密度は、１×１０９ｃｍ−２以下に低減され、
    前記ｎ側電極と前記基板との間のコンタクト抵抗は、０．０５Ωｃｍ２以下である、窒化物系半導体素子。
  2. 前記基板は、ＨＶＰＥ法により形成されており、
    前記窒化物系半導体層は、ＭＯＣＶＤ法により形成されている、請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
  3. 前記基板の裏面近傍の領域における転位密度は、１×１０６ｃｍ−２以下に低減される、請求項１又は２に記載の窒化物系半導体素子。
  4. 前記基板の裏面は、窒素面を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
  5. 前記基板の裏面は、全て窒素面である、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
  6. 前記基板は、オフ基板である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物系半導体素子。
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