JP2009158969A - 窒化物半導体厚膜基板 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の窒化物半導体層を含む発光素子構造を成長させるために望ましい窒化物半導体厚膜基板を提供し、ひいてはその基板を用いて優れた特性を有する窒化物半導体発光装置を提供する。
【解決手段】複数の窒化物半導体層を含む発光素子構造を成長させるための窒化物半導体厚膜基板であって、基板は対向する第１と第２の主面を有し、基板の第１主面は３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の高不純物濃度の第１の層領域で形成されており、基板は３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上でかつ第１層領域より低い低不純物濃度の第２の層領域をも少なくとも含み、基板の第１主面はその上に前記発光素子構造を成長させるための面であり、発光素子構造の形成後に第１主面の側で部分的に露出される基板の領域が電極を形成するための領域として使用されることを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、窒化物半導体基板に関し、特に複数の窒化物半導体層を含む発光素子構造を成長させるための窒化物半導体厚膜基板に関するものである。

従来から、窒化物半導体は、その特性に鑑みて発光装置やハイパワー装置のために利用または研究されている。たとえば、窒化物半導体を利用して発光装置を作製する場合、その半導体の組成を調整することによって、紫色から橙色までの広い色範囲内で任意の単色光を射出し得る発光装置を得ることができる。近年では、窒化物半導体の特性を利用して、青色発光ダイオードや緑色発光ダイオードの実用化がなされ、また半導体レーザ装置として青紫色半導体レーザが開発されている。窒化物半導体膜を形成する際には、基板としてサファイア、ＳｉＣ、スピネル、Ｓｉ、またはＧａＡｓなどの基板が使用される。

たとえば、基板としてサファイアを用いる場合には、ＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる前に、予め５００〜６００℃の比較的低温でＧａＮまたはＡｌＮのバッファ層を形成し、その後に基板を１０００〜１１００℃の高温に加熱してＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行なえば、表面が良好でかつ構造的および電気的に良好な結晶からなるＧａＮ膜の得られることが知られている。また、ＳｉＣを基板として使用する場合には、ＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行なう際に薄いＡｌＮ膜をバッファ層として使用すればよいことが知られている。

しかしながら、このようにＧａＮなどの窒化物半導体以外の基板を使用する場合には、その上に成長させられる窒化物半導体膜との熱膨張係数や格子定数の違いによって、得られる窒化物半導体膜中には多数の結晶欠陥が存在する。それらの欠陥は刃状転位と螺旋転位に分類されるが、合計転位密度は１×１０⁹〜１×１０¹⁰ｃｍ^-2程度にもなる。これらの欠陥はキャリアをトラップするので膜の電気的特性を損ねることが知られているほか、大電流を流すようなレーザ装置においてはその寿命特性の劣化を招くことが知られている。

したがって、格子欠陥を低減しかつ電気的特性の良好な窒化物半導体膜を得るためには、ハイドライド気相成長法（Ｈ−ＶＰＥ）、高圧合成法、または昇華法などを用いてＧａＮなどの厚膜を形成し、これを窒化物半導体基板として使用することが試みられている。窒化物半導体厚膜を基板として使用する場合には、その厚膜における欠陥密度の減少と残留キャリア濃度の低下によって電気抵抗が高くなるので、不純物をドーピングして抵抗を下げることが行なわれている。

特開平９−３１２４１７号公報 特開平１１−１３９９号公報

しかしながら、従来のようにＨ−ＶＰＥ法などでＧａＮ厚膜を成長させる際に所定濃度の不純物をドープするだけでは、得られるＧａＮ厚膜の結晶の質と電気的特性に問題がある（以後、特に断りのない限り厚膜とは２０μｍ以上の厚さを有する膜を意味するものとする）。たとえば、所定の高濃度の不純物をドープして形成したＧａＮ厚膜基板を窒化物半導体レーザ装置に使用する場合、そのレーザ装置のしきい値電圧は低下するものの、しきい値電流密度は逆に増加する傾向にある。またＧａＮ厚膜基板の表面モホロジーも非常に悪くなり、その結晶の質も良好ではない。

他方、所定の低濃度の不純物をドープして形成したＧａＮ厚膜基板を窒化物半導体レーザ装置に使用する場合、ＧａＮ厚膜基板の表面モホロジーは良好でレーザ装置のしきい値電流密度も低くなるが、逆にしきい値電圧が増加する傾向になる。このことから、窒化物半導体発光装置の電気的特性を損なわない窒化物半導体基板（たとえば、ＧａＮ厚膜基板）が望まれている。このような従来の技術における状況に鑑み、本発明は、複数の窒化物半導体層を含む発光素子構造を成長させるために望ましい窒化物半導体厚膜基板をすることを直接的目的とし、ひいてはその基板を用いて優れた特性を有する窒化物半導体発光装置を提供することを意図している。

上述の課題を解決するためには、基板として使用する窒化物半導体厚膜の表面がエピタキシャル成長によって形成される発光素子構造と電気的に良好な状態でコンタクトすることが必要であり、そのエピタキシャル成長の連続性が良好になるように成長条件を適切に制御することが重要である。

本発明によれば、複数の窒化物半導体層を含む発光素子構造を成長させるための窒化物半導体厚膜基板において、この基板は対向する第１と第２の主面を有し、基板の第１主面は３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 以下の高不純物濃度の第１の層領域で形成されており、基板は３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以下１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上でかつ第１層領域より低い低不純物濃度の第２の層領域をも少なくとも含み、基板の第１主面はその上に発光素子構造を成長させるための面であり、発光素子構造の形成後に第１主面の側で部分的に露出される基板領域が電極を形成するための領域として使用されることを特徴としている。

なお、基板の第１主面側で電極を形成するための基板領域は、部分的に露出される基板の第１層領域または第２層領域のいずれであってもよい。

窒化物半導体基板は、ｎ型の導電性を有しているのが好ましい。すなわち、窒化物半導体基板の第１層領域はｎ型のための導電型決定不純物を含んでいることが好ましい。窒化物半導体基板に含まれる不純物としては、シリコン、ゲルマニウム、酸素、炭素、硫黄、セレンまたはテルルを用いることができる。

窒化物半導体基板内には、８×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の最も低い不純物濃度を有する層領域が含まれていることが好ましい。また、窒化物半導体基板の第１層領域は１０μｍ以下の厚さを有することが好ましい。

本発明によれば、窒化物半導体厚膜基板を用いて優れた特性を有する窒化物半導体発光装置を提供することができる。

本発明に密接に関連する参考例による窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。 ＧａＮ厚膜基板の成長終端領域における不純物濃度とその基板を含むレーザ装置のしきい値電圧との関係を示すグラフである。 ＧａＮ厚膜基板を成長させる際のＳｉＨ₄導入量とその基板中に含まれる不純物濃度との関係を示すグラフである。 ＧａＮ厚膜基板中の不純物濃度とその基板を含むレーザ装置のしきい値電圧との関係を示すグラフである。 ＧａＮ厚膜基板中の不純物濃度とその基板を含むレーザ装置のしきい値電流密度との関係を示すグラフである。 ＧａＮ厚膜基板中の不純物濃度とその基板の表面粗さとの関係を示すグラフである。 本発明に密接に関連する他の参考例による窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。 本発明の実施例による窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。 本発明の他の実施例による窒化物半導体レーザ装置を示す模式的な断面図である。 本発明によるレーザ装置に使用される窒化物半導体基板中の不純物濃度分布の一例を示す図である。 本発明によるレーザ装置に使用される窒化物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図である。 本発明によるレーザ装置に使用される窒化物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図である。 本発明の効果と厚膜基板中の不純物濃度範囲との関係を示す図である。 本発明による窒化物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図である。 本発明による窒化物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図である。 本発明による窒化物半導体基板中の不純物濃度分布の他の例を示す図である。

（参考例１）
本発明に密接に関連する参考例１において窒化物半導体の厚膜を成長させる方法としては、Ｈ−ＶＰＥ法、高圧合成法、または昇華法が考えられるが、大面積にわたって膜厚変動なく膜成長させる方法としては、Ｈ−ＶＰＥ法が最も好ましい。本参考例ではサファイア基板上にＨ−ＶＰＥ法を用いて成長させたＧａＮの厚膜を窒化物半導体基板として用いた窒化物半導体発光装置について説明する。

まず、（０００１）面を有するサファイア基板を洗浄し、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）法を用いて、以下の手順で厚さ約２μｍのノンドープＧａＮ膜を下地層として成長させた。すなわち、洗浄されたサファイア基板がＭＯＣＶＤ装置内に導入され、水素（Ｈ₂）雰囲気中で約１１００℃の高温においてクリーニングが行なわれた。その後、比較的低温の６００℃において、キャリアガスとしてＨ₂を１０ｌ／ｍｉｎの流量で導入しながら、５ｌ／ｍｉｎのＮＨ₃と２０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を導入して、厚さ約２０ｎｍのＧａＮバッファ層を成長させた。その後、一旦ＴＭＧの供給を停止して再び約１０５０℃まで昇温した後に、約１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧを導入して１時間で厚さ約３μｍのノンドープＧａＮ膜を成長させた。その後、ＴＭＧとＮＨ₃の供給を停止して室温まで冷却し、ノンドープのＧａＮ下地層が成長させられたサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置から取出した。バッファ層としては、ＧａＮに限られず、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、およびＮＨ₃を選択的に利用してＡｌＮ膜またはＧａＡｌＮ膜が形成されてもよい。

次に、上記方法でサファイア基板上に形成されたノンドープＧａＮ下地層上に厚膜を形成する際に、その厚膜中にクラックが生じないようにするために、約０．２μｍの厚さと７μｍの幅と１０μｍの間隔を有するストライプ状の成長抑制膜を形成し、その上にＨ−ＶＰＥ法で選択成長（横方向エピタキシャル成長を伴う）を行なって平坦なＧａＮ厚膜が成長させられた。本参考例では、成長抑制膜として、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）によって堆積されたＳｉＯ₂膜をフォトリソグラフィを用いてエッチングしたものが用いられた。

以下において、図１に示されているようなＧａＮ厚膜１０２のＨ−ＶＰＥ法による成長方法を説明する。上述の方法で形成されたストライプ状の成長抑制膜を含むノンドープＧａＮ下地層が成長させられたサファイア基板が、Ｈ−ＶＰＥ装置内へ導入された。Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎの流量で導入しながら、基板が約１０５０℃まで昇温された。その後、基板上に１００ｃｃ／ｍｉｎのＧａＣｌを導入してＧａＮ厚膜１０２の成長を開始した。ＧａＣｌは約８００℃に保持された金属ＧａにＨＣｌガスを反応させることによって生成された。基板近傍まで単独で配管されているドーピングラインを通して不純物ガスを供給することによって、膜成長中に任意に不純物ドーピングを行なうことができた。本参考例では、膜成長を開始すると同時に２００ｎｍｏｌ／ｍｉｎのモノシラン（ＳｉＨ₄）を供給（ＳｉＨ₄不純物濃度：約３．８×１０¹⁸ｃｍ^-3）して低ＳｉドープＧａＮ層領域１０２ｂを成長させ、膜成長が終了する３分前にＳｉＨ₄の流量を５００ｎｍｏｌ／ｍｉｎ（ＳｉＨ₄不純物濃度：約８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）に増大させて高ＳｉドープＧａＮ層領域１０２ａを約５μｍの厚さに成長させた。

なお、Ｓｉのドーピングに関してはＳｉＨ₄に限られず、モノクロロシラン（ＳｉＨ₃Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、またはトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）などの他の原料を使用してもよい。上記方法で３時間の膜成長が行なわれ、合計厚さが約３５０μｍのＧａＮ厚膜が成長させられた。その後、研磨によってサファイア基板を除去し、ＧａＮ厚膜基板１０２が得られた。

上述のようにして得られたＧａＮ厚膜基板１０２上に、ＭＯＣＶＤ法によって発光素子構造が形成された。以下、ＧａＮ厚膜基板１０２上に青紫色レーザ素子構造を形成した例について説明する。

まず、ＧａＮ厚膜基板１０２がＭＯＣＶＤ装置内に導入され、Ｎ₂とＮＨ₃をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎの流量で導入しながら温度が約１０５０℃まで上げられた。温度が約１０５０℃に達すれば、Ｈ₂のキャリアガスの下で、１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧと１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのＳｉＨ₄を導入して、ｎ型ＧａＮバッファ層１０３を約４μｍの厚さに成長させた。その後、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、４０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡを導入して、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０４を０．５μｍの厚さに成長させた。その後、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの流量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮ光伝播層１０５を０．１μｍの厚さに成長させた。

その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスとしてのＨ₂をＮ₂に代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料として１０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を導入するとともに、１５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧを導入し、厚さ４ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ障壁層（図示せず）を成長させた。その後、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増大させ、厚さ２ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層（図示せず）を成長させた。このような障壁層と井戸層の形成が交互に繰返され、４層の障壁層と３層の井戸層を含む多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０６を形成した。ＭＱＷ層１０６の形成が終了すれば、ＴＭＩとＴＭＧの供給を停止し、再び温度が１０５０℃まで上げられ、キャリアガスを再びＮ₂からＨ₂に代えて、５０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、３０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、およびｐ型ドーピング原料としての１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を供給し、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層１０７を成長させた。その後、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、厚さ０．１μｍのｐ型光伝播層１０８を成長させた。その後、ＴＭＧの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、４０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡを導入し、厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１０９を成長させ、最後にＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整してＴＭＡの供給を停止し、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の成長を行なって発光素子構造の成長を終了した。その後、ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇの供給を停止して室温まで冷却し、厚膜基板１０２上に形成された発光素子構造をＭＯＣＶＤ装置から取出した。

レーザ素子構造に含まれる膜の最外表面の表面粗さの平均値Ｒａは約８ｎｍであり、良好な平坦性を示していた。その後、ドライエッチング装置を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を幅５μｍのストライプ状に残してｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎガイド層１０９までエッチングを行なって、光導波路を形成した。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト部１１０上にＡｕ／Ｐｄ電極１１１を形成し、ＧａＮ厚膜基板１０２の裏面上にＡｌ／Ｔｉ電極１０１を形成した。最後に、劈開またはドライエッチング法を用いて共振器長が約１ｍｍになるように加工し、ミラー端面を形成した。

以上のようにして、図１に示されているように青紫色の発光波長を有するレーザ装置が窒化物半導体を利用して作製することができる。本参考例によって作製されたレーザ装置は、発振のために必要とされる約５Ｖのしきい値電圧と１ｋＡ／ｃｍ²のしきい値電流密度を有し、それらのしきい値近傍の条件の下における約１０００時間の寿命試験の結果では特性劣化は見られなかった。なお、参考例１ではサファイア基板上にＧａＮ厚膜１０２を成長させた後に、そのサファイア基板を剥離してからＧａＮ厚膜基板１０２上に窒化物半導体発光素子構造が形成されたが、サファイア基板を剥離することなくＧａＮ厚膜１０２上に窒化物半導体発光素子構造を形成した後にそのサファイア基板を剥離してもよいことは言うまでもない。また、ＧａＮ厚膜基板だけでなく、他の窒化物半導体（Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる厚膜基板を用いても本参考例１と同様の効果が得られる。さらに、窒化物半導体構成元素のうちで窒素元素の一部（１０％程度以下）を、Ｐ、Ａｓ、またはＳｂで置換した材料を厚膜基板に用いても参考例１と同様の効果が得られる。

（参考例２）
本発明に密接に関連する参考例２による複数のレーザ装置においては、ＧａＮ厚膜基板をＨ−ＶＰＥで形成する際のＳｉＨ₄ドーピング濃度が装置ごとに種々に変えられたが、その他の製造条件は参考例１の場合と同様であった。

まず、参考例１と同様の方法によってストライプ状の成長抑制膜を含むノンドープＧａＮ下地層が形成されたサファイア基板をＨ−ＶＰＥ装置内に導入し、Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃をそれぞれ５ｌ／ｍｉｎの流量で導入しながら、基板を約１０５０℃まで昇温した。その後、基板上に１００ｃｃ／ｍｉｎのＧａＣｌを導入してＧａＮ厚膜１０２の成長を開始した。この膜成長開始時において、不純物のドーピング濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、３×１０¹⁸ｃｍ^-3、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、および８×１０¹⁸ｃｍ^-3になるようにＳｉＨ₄ガスを供給してＳｉドープＧａＮ膜を成長させ、全厚が３５０μｍのＧａＮ膜成長が終了する３分前からＳｉＨ₄流量を種々の割合で増大させて成長終端領域１０２ａにおけるドーピング濃度が高められた。ただし、いずれの場合も、成長終端領域１０２ａにおける濃度はほぼ２×１０¹⁹ｃｍ^-3以下になるように設定された。その後、参考例１と同様の方法によってレーザ装置が作製された。

図２のグラフにおいて、参考例２で作製された種々レーザ装置のしきい値電圧の値が示されている。すなわち、このグラフにおいて縦軸はしきい値電圧を示し、横軸はＧａＮ厚膜基板の成長終端領域１０２ａにおける不純物濃度を示している。また、参照番号２０１；２０２；２０３；２０４；および２０５はＧａＮ厚膜基板の成長開始時にＳｉＨ₄ドーピング濃度がそれぞれ５×１０¹⁷ｃｍ^-3、１×１０¹⁸ｃｍ^-3、３×１０¹⁸ｃｍ^-3、５×１０¹⁸ｃｍ^-3、および８×１０¹⁸ｃｍ^-3に設定された場合に対応している。

図２に示されているように、ＧａＮ厚膜基板１０２の成長終端領域１０２ａの不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の場合に、しきい値電圧の低下が観測される。ただし、この効果が顕著に表われるのは、成長終端領域１０２ａの不純物濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の範囲である。他方、厚膜基板に過剰の不純物濃度をドーピングすれば、その上に成長させられるエピタキシャル層内で結晶欠陥が増加するので、好ましくは厚膜基板の成長終端領域１０２ａにおける不純物濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲内にあることが好ましい。

また、ＧａＮ厚膜基板１０２内で成長終端領域１０２ａを除いた他の領域１０２ｂが８×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の不純物濃度を有する場合に、高不純物濃度の成長終端領域１０２ａによるしきい値電圧の低下割合の効果が顕著になる。ただし、成長終端領域１０２ａを除いたＧａＮ厚膜基板内の不純物濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3を超えればしきい値電流密度の増加する傾向が表われ（図５参照）、逆に１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であれば基板自体の抵抗が大きくなりすぎるので、ＧａＮ厚膜基板１０２の成長端領域１０２ａを除く他の領域１０２ｂの不純物濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下で１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の範囲にあることが好ましい。

なお、この参考例２では不純物としてＳｉをドーピングした例について説明されたが、ｎ型導電性を生じさせる他の不純物を用いてもＳｉの場合と同様の傾向を示すことがわかっている。

（比較例１）
比較例１による複数のレーザ装置においても、ＧａＮ厚膜基板をＨ−ＶＰＥで形成する際のＳｉＨ₄ドーピング濃度が装置ごとに種々に変えられた。しかし、比較例１は、ＧａＮ厚膜基板の成長開始時に設定されたドーピング濃度がその成長終了時まで一定に維持されたことにおいて参考例１および２と異なっている。

すなわち、Ｈ−ＶＰＥ法によるＧａＮ厚膜基板の成長中に、ＳｉＨ₄流量が１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎから１０００ｎｍｏｌ／ｍｉｎの範囲内で種々の一定値に維持された。こうして、不純物濃度の異なる複数種類のＧａＮ厚膜基板が形成され、その基板上に作製されたレーザ素子構造の特性が測定された。図３に示されているように、ＳｉＨ₄供給量とＧａＮ厚膜基板中の不純物濃度は比例関係にあり、ＳｉＨ₄供給量が１０００ｎｍｏｌ／ｍｉｎのときの不純物濃度は、１．６×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。こうして形成されたＧａＮ厚膜基板内の不純物濃度とその上に形成されたレーザ素子構造のしきい値電圧との関係が図４に示され、基板内の不純物濃度としきい値電流密度との関係が図５に示され、そして不純物濃度と基板の平均表面粗さとの関係が図６に示されている。

図４に示されているように、ＧａＮ厚膜基板中の不純物濃度が増大するに従って、得られるレーザ装置の発振しきい値電圧が低下している。この理由の１つは、ＧａＮ厚膜基板の抵抗が不純物の影響で低下することによる。しかし、さらに重要な理由として、ＧａＮ厚膜基板とその上にＭＯＣＶＤで形成されるレーザ素子構造の最下層とのコンタクト領域で生じるショットキ障壁が低減することによってしきい値電圧が低くなることが、本発明者たちの電子線励起電流法（ＥＢＩＣ法）による観測から明らかになっている。レーザ発振しきい値電圧は、ＧａＮ厚膜基板の不純物濃度が約５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の範囲においてほぼ５Ｖ程度の値に収束している。他方、図５を参照すれば、ＧａＮ厚膜基板の不純物濃度が約３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上になれば、レーザ発振しきい値電流密度が増大する傾向を示す。これは、図６に示されているようにＧａＮ厚膜基板中の不純物濃度が約３．２×１０¹⁸ｃｍ^-3を超えるに伴って、基板の平均表面粗さＲａが増大し始めることに起因していると考えられる。すなわち、基板表面粗さが増大すれば、その上に形成されるレーザ素子構造に含まれる各層界面の凹凸が増大し、レーザ光を伝播する伝播層１０５内での光の分散が増大し、このことがしきい値電流密度の増大を生じさせると考えられる。なお、参考例１および２では、ＧａＮ厚膜基板１０２の成長終端領域１０２ａのみにおいて不純物濃度を高めることによって、上記問題を回避できている。

たとえば、図４、図５、および図６の中で、破線は参考例１で作製されたレーザ装置における特性値を示している（すなわち図１において、高ＳｉドープＧａＮ領域１０２ａの不純物濃度が約８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3で、低ＳｉドープＧａＮ領域１０２ｂの不純物濃度が約３．８×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合）。比較例１のように全厚にわたって一定の不純物濃度を有するＧａＮ厚膜基板を用いたレーザ装置においては、参考例１のレーザ装置に比べて同等以上の特性を実現し得るような基板中の適切な一定不純物量が存在しないことがわかる。

（参考例３）
本発明に密接に関連する参考例３では、参考例１における各層の導電型が反転されたレーザ装置が作製された。すなわち、本参考例では参考例１に類似してＨ−ＶＰＥ法によってＧａＮ厚膜基板が形成されたが、不純物としては有機金属のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）が導入された。その膜成長終了の３分前から不純物Ｍｇの導入量を増大させ、全厚３５０μｍでｐ型導電性を示すＧａＮ厚膜が形成された。得られたＧａＮ厚膜基板はＭＯＣＶＤ装置内に導入され、ｐ型ＧａＮバッファ層、ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、ｐ型伝播層、ＩｎＧａＮ−ＭＱＷ活性層、キャリアブロック層、ｎ型伝播層、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、およびｎ型コンタクト層を順次に成長させた。その後、参考例１と同様のプロセスを経てレーザ装置が作製された。

参考例３で作製されたレーザ装置においては、ｐ型厚膜基板の成長終端領域の不純物濃度を増大させることにより、３〜５Ｖのしきい値電圧の低下が確認された。しかし、ｐ型基板を用いた場合には、その不純物濃度をどのように変えてもしきい値電圧は２０Ｖ以上であり、参考例１のようにｎ型ＧａＮ厚膜基板を使用した場合ほど好ましい効果は表われなかった。これは、ｐ型基板自体の抵抗値がｎ型基板に比べて高いので、良好なコンタクト界面が形成されにくいからであると考えられる。

（参考例４）
本発明に密接に関連する参考例４では、参考例１と同様に、Ｈ−ＶＰＥ法でＧａＮ厚膜成長を開始すると同時に所定流量のＳｉＨ₄を導入してｎ型のＧａＮ厚膜を成長させた。ただし、その膜成長終了の３分前から不純物をＳｉＨ₄からゲルマニウム（Ｇｅ）または酸素（Ｏ）に変えるとともに成長終端領域の不純物濃度を増大させ、厚さ３５０μｍで不純物濃度変化を含むｎ型ＧａＮ厚膜が形成された。得られたＧａＮ厚膜基板をＭＯＣＶＤ装置に導入し、以後は参考例１と同様の方法によってレーザ装置が作製された。

こうして得られた参考例４のレーザ装置においては、基板中の不純物濃度を変化させない比較例１の方法で作製したレーザ装置と比べて、しきい値電圧における１〜２０Ｖ程度の低減が確認された。また、基板中の不純物濃度を適切に制御することによって、しきい値電圧としきい値電流密度も、それぞれ５Ｖ程度と１ｋＡ／ｃｍ²程度の低い値まで低減させることができた。

（参考例５）
本発明に密接に関連する参考例５は、図７に示されているように厚膜基板１０２の成長開始領域１０２ｃと成長終端領域１０２ａの２ヶ所に高不純物濃度領域が設けられたことのみにおいて参考例１と異なっている。

この参考例５のレーザ装置は、厚膜基板１０２中の不純物濃度を適正化することによって、約５Ｖのしきい値電圧と約１ｋＡ／ｃｍ²のしきい値電流密度で発振し、長寿命の特性を示した。なお、電極１０１が接合される高ＳｉドープＧａＮ領域１０２ｃの不純物濃度は、エピタキシャル成長の下地となる高ＳｉドープＧａＮ領域１０２ａの不純物濃度以下であることが好ましい。図１０において、この参考例５に使用された窒化物半導体基板の厚さ方向における不純物濃度分布の一例が示されている。

成長開始領域１０２ｃと成長終端領域１０２ａとの両方の不純物濃度を高めることによって、電極１０１から発光部分１０６までのキャリアの流れがスムースになって、しきい値電圧が低減されると考えられる。

（実施例１）
図８と図９は、本発明の実施例１によるレーザ装置を模式的な断面図で示している。この実施例１によるレーザ装置も基本的には参考例１と同様のプロセスで作製されるが、参考例１に比べて電極１０１の位置が変更されている点において異なっている。すなわち、図８のレーザ装置では、厚膜基板１０２上にレーザ素子構造が形成された後に、反応性イオンエッチングによって厚膜基板１０２中の高不純物濃度領域１０２ａの一部が露出され、その露出部上にｎ型用のＡｌ／Ｔｉ電極１０１が形成されている。他方、図９のレーザ装置では、厚膜基板１０２中の低不純物濃度領域１０２ｂの一部が同様なエッチングによって露出され、その露出部上にＡｌ／Ｔｉ電極１０１が形成されている。図８と図９に示されているようないずれのレーザ装置も、参考例１のレーザ装置とほぼ同等のしきい値電圧およびしきい値電流密度を有するとともに良好な寿命特性を有していた。特に、図８のレーザ装置においては、低ＳｉドープＧａＮ領域１０２ｂに必ずしも不純物をドーピングする必要がなく、このことに起因して厚膜基板１０２の表面平坦性が良好になってしきい値電流密度の低減が容易であった。

上述の実施例および参考例においては、結晶成長方法としてＨ−ＶＰＥ法およびＭＯＣＶＤ法が利用されたが、他の厚膜成長法が用いられてもよいし、レーザ素子構造はＭＢＥ（分子線エピタキシ）法などで形成されてもよい。しかし、Ｈ−ＶＰＥ法によって形成された窒化物厚膜基板を使用した場合には、上述の実施例で述べられた効果が特に顕著に確認された。この理由としては、Ｈ−ＶＰＥによって膜成長する際に窒化物半導体厚膜基板中に取込まれる塩素（Ｃｌ）が本発明の効果に寄与しているのであろうと考えられる。

また、使用する原料もＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＮＨ₃、およびＣｐ₂Ｍｇに限られず、所望の化合物層を成長させ得るどのような原料をも用いることができる。さらに、ｎ型ＧａＮ厚膜基板のための不純物もＳｉ、Ｏ、またはＧｅに限られず、炭素（Ｃ）、セレン（Ｓｅ）、硫黄（Ｓ）、またはテルル（Ｔｅ）などをも用いることができる。

さらに、以上の実施例では高不純物濃度領域１０２ａの厚さは約５μｍにされたが、厚膜基板表面の不所望な凹凸を生じない程度の厚膜であればよい。適切な高不純物濃度領域１０２ａの厚さは、不純物濃度に依存して変化するが、本発明の効果を得るためには５０μｍ以下であることが望ましく、１０μｍ以下で２ｎｍの範囲内にあるのがさらに望ましいことが実験結果から明らかになっている。また、窒化物厚膜基板を成長させる際に、その表面領域（約５０ｎｍ以下の厚さ）に高ドープ（δドープ）する方法も効果的であった。

図１１と図１２は、本発明の効果が確認された他の窒化物半導体基板の厚さ方向における不純物濃度プロファイルを示している。図１１においては、ＧａＮ厚膜基板１０２中に不純物濃度勾配の異なる３つの領域が存在し、エピタキシャル成長でレーザ素子構造が形成される面に向かって不純物濃度が高くなっている場合が示されている。エピタキシャル成長が行なわれる面側の不純物濃度領域を第１の領域とすれば、その第１領域の不純物濃度はその下方に位置する第２の領域の不純物濃度よりも高い関係にある。

図１２のＧａＮ厚膜基板１０２はエピタキシャル成長が行なわれる側から順にＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、およびＤ領域の４つの不純物濃度領域を含み、Ｃ領域が最も高い不純物濃度を有している。エピタキシャル成長が行なわれる面側のＡ領域は、その下方に位置するＢ領域とＤ領域に比べて高い不純物濃度を有している。

図１１と図１２に示された以外の不純物濃度プロファイルを有する窒化物半導体基板の場合であっても、エピタキシャル成長の行なわれる面側から順にＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域などとするときに、Ａ領域の下方に、より不純物濃度の低い領域が存在する場合に本発明の効果が得られた。

また、以上の実施例では発光装置としてレーザ装置について説明されたが、本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）装置を作製する場合においてもその駆動電圧の低減と装置表面の平坦性の向上を図ることができる。

（本発明の効果と不純物濃度範囲の関係についての考察）
前述の本発明に密接に関連する参考例１と２および比較例１から認識された本発明の効果と不純物濃度範囲との関係について、図１３を参照しつつ説明する。図１３において、第Ｉ領域と第ＩＩ領域の不純物濃度範囲が示されている。ここで、第Ｉ領域は、しきい値電圧の減少効果が得られる不純物濃度範囲を表わしている。比較例１で述べられたように、しきい値電圧の減少効果は、不純物の添加によって基板と発光素子構造との間のコンタクト領域で生じるショットキ障壁が減少したことによる。この効果が表われる不純物濃度は、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であった。特に、不純物濃度が３×１０¹⁸／ｃｍ³以上で１×１０¹⁹／ｃｍ³以下の範囲内にある場合に、しきい値電圧減少効果が顕著に表われた。ただし、不純物濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³を超えれば、結晶欠陥が増大するので好ましくなかった。

他方、第ＩＩ領域は、しきい値電流密度の減少効果が得られる不純物濃度範囲を表わしている。比較例１で述べられたように、しきい値電流密度の減少効果は、不純物濃度を適正化することによって窒化物半導体基板の表面粗さが改善され、発光素子構造の光伝播層１０５内での光分散が減少したことによる。この効果が表われる不純物濃度は、８×１０¹⁸／ｃｍ³以下であった。特に、不純物濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以上で３×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲内にある場合に、しきい値電流密度減少効果が顕著に表われた。ただし、不純物濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³未満になれば、電気抵抗が増大するので好ましくなかった。

上記結果からして、窒化物半導体基板が第Ｉ領域と第ＩＩ領域に該当する互いに異なる不純物濃度を有する２以上の層領域を含む場合に、その基板を用いて作製された発光装置（レーザ装置）は、低しきい値電圧と低しきい値電流密度の効果を容易に満足することがわかる。ただし、低しきい値電圧の効果を得るためには、第Ｉ領域に接して発光素子構造が形成されなければならない。なぜならば、基板と発光素子構造との間のコンタクト領域に生じるショットキ障壁が減少したことによるしきい値電圧の減少効果だからである。

したがって、窒化物半導体基板が異なる不純物濃度を有する複数の層領域を含んでいない場合（すなわち、一定の均一な不純物濃度を有する場合）、その基板を用いて作製された発光装置（レーザ装置）は、低しきい値電圧と低しきい値電流密度の効果を同時に満たすことができない（比較例１参照）。

上述の発明の効果は、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少効果の説明のみに留まっている。しかしながら、本発明者らによるさらなる検討の結果、窒化物半導体基板が異なる２以上の不純物濃度層領域を含むことによって、前述の効果のみならずその基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和させる働きのあることが新たにわかった。この格子歪みの緩和効果について、図１、図４、および図５を参照して説明する。ここで説明の簡略化のために、窒化物半導体基板が不純物濃度の高いＡ層領域とそれよりも不純物濃度の低いＢ層領域との２層領域のみを含むと仮定する。なお、窒化物半導体基板が異なる３以上の不純物濃度層領域を含む場合にも下記と同様に説明することができる。

参考例１のレーザ装置（図１）においては、Ａ領域としての高ＳｉドープＧａＮ領域１０２ａ（ＳｉＨ₄不純物濃度：８．０×１０¹⁸／ｃｍ³）とＢ領域としての低ＳｉドープＧａＮ領域１０２ｂ（ＳｉＨ₄不純物濃度：３．８×１０¹⁸／ｃｍ³）からなる窒化物半導体基板１０２上に、発光素子構造１０３〜１１１が形成されている。

図４は、比較例１における窒化物半導体基板中の均一な不純物濃度と、その基板を含んで作製された発光装置（レーザ装置）のしきい値電圧との関係を示している。図５は、比較例１における窒化物半導体基板中の均一不純物濃度と、その基板を含んで作製された発光装置（レーザ装置）のしきい値電流密度との関係を示している。

図４と図５における破線は、参考例１のレーザ装置で得られた電気特性を示している。図４中の破線が示すしきい値電圧値は、全体がＡ領域とおなじ不純物濃度（８．０×１０¹⁸／ｃｍ³）を有する基板を含む発光装置（レーザ装置）のそれと比較して少し低くなっている。また、図５中の破線が示すしきい値電流密度も、全体がＢ領域と同じ不純物濃度（３．８×１０¹⁸／ｃｍ³）を有する基板を含む発光装置と比較して低くなっている。これらのことから、Ａ領域とＢ領域の異なる不純物濃度領域を有する窒化物半導体基板を用いた発光装置（レーザ装置）は、Ａ領域による低しきい値電圧効果とＢ領域による低しきい値電流密度効果の単なる足し合わせでないことがわかる。

このことは、Ａ領域とＢ領域のような異なる不純物濃度領域が含まれることによって、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みが緩和されたことによると考えられる。この格子歪みを緩和させる効果は、不純物濃度に比例して表われ、不純物濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上で顕著になることが本発明者らによって明らかにされた。ただし、不純物濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³を超えれば基板の結晶性が低下するので、格子歪みの緩和効果が得られる好ましい不純物濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上で１×１０¹⁹／ｃｍ³以下の範囲内にある。

格子歪みの緩和効果によってしきい値電圧としきい値電流密度がさらに低減できた理由について、以下において説明する。

図１の窒化物半導体レーザ装置は、Ｂ領域／Ａ領域／発光素子構造の順で積層されている。基板１０２に含まれるＡ領域１０２ａとＢ領域１０２ｂは、互いに異なる不純物濃度を有しているが、これらのいずれもが主にＧａＮからなっている。他方、発光素子構造は同様に窒化物半導体で構成されているが、ＧａＮ以外にそれより格子定数の小さいＡｌＧａＮや格子定数の大きいＩｎＧａＮなどからなる層をも含んでいる。したがって、基板（Ａ領域とＢ領域を含む）と発光素子構造との間には、格子不整合による格子歪みが発生することが考えられる。

ところが、Ａ領域１０２ａはＢ領域１０２ｂよりも高い不純物濃度を有しているので、前述のように格子歪みを緩和させる働きが強く、発光素子構造とＢ領域との間の格子歪みがＡ領域を介して緩和される。この格子歪みの緩和は、発光素子構造中の結晶欠陥減少に伴う低しきい値電流密度の効果と、結晶欠陥に起因するキャリアトラップ減少に伴う低しきい値電圧の効果とを与える。

したがって、図４と図５に示されているように、Ａ領域のみまたはＢ領域のみからなる窒化物半導体基板を用いた発光装置に比べて、異なる２つの不純物濃度のＡ領域とＢ領域の両方を含む窒化物半導体基板を用いた発光装置の方が、そのしきい値電圧としきい値電流密度の値が低くなる。

すなわち、窒化物半導体基板が少なくとも２以上の異なる不純物濃度領域を含むことによって、その基板上と発光素子構造との格子歪みが緩和され、しきい値電圧としきい値電流密度が低くなることがわかる。

次に、図１２に示された窒化物基板による格子歪みの緩和効果を説明する。図１２においては、窒化物半導体基板１０２が４つの異なる不純物濃度領域から構成されている。これら４つの異なる不純物濃度領域について、エピタキシャル成長が行なわれる面側から順にＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、およびＤ領域とする。すなわち、Ａ領域に接するように発光素子構造（レーザ素子構造）が形成される。ここで、Ａ領域とＣ領域は図１３の第Ｉ領域に相当し、かつＢ領域とＤ領域は第ＩＩ領域に相当すると仮定する。この仮定の下で、図１２の窒化物半導体基板に含まれる複数の不純物濃度領域が発光装置（レーザ装置）に与える効果について説明する。

Ａ領域は、その不純物濃度範囲が第Ｉ領域に属するので、発光素子構造との間のコンタクト領域で生じるショットキ障壁を減少させ、発光装置に対して低しきい値電圧の効果をもたらす。また、Ａ領域は、Ｂ領域やＤ領域に比べて高い不純物濃度を有するので、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和する緩衝層として作用する。Ｂ領域とＤ領域は、これらの不純物濃度範囲が第ＩＩ領域に属するので、発光装置に対して低しきい値電流密度の効果をもたらす。Ｃ領域は、その不純物濃度範囲が第Ｉ領域に属するけれども発光素子構造と直接接触していないので、発光装置に対して低しきい値電圧の効果をほとんどもたらさない。しかし、Ｃ領域はその他の領域に比べて最も高い不純物濃度を有しているので、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和する緩衝層として大きく寄与し得る。このようにして、図１２の窒化物半導体基板を用いた発光装置においては、その電気的特性が向上させられ得る。

次に、窒化物半導体基板に含まれる複数の異なる不純物濃度領域が図１３に示された第ＩＩＩ領域（不純物濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上で８×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲内）に属する場合について説明する。図１３に示されているように、第ＩＩＩ領域は、第Ｉ領域と第ＩＩ領域の両方の効果が得られる不純物濃度範囲を表わしている。厳密に言えば、第ＩＩＩ領域のうちで３×１０¹⁸／ｃｍ³以上で８×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲内では第Ｉ領域による効果が優勢であり、１×１０¹⁸／ｃｍ³以上で３×１０¹⁸／ｃｍ³以下の範囲内では第ＩＩ領域による効果が優勢である。なお、基板全体が一定の均一な不純物濃度を有する場合（不純物濃度領域が１つの場合）、しきい値電圧としきい値電流密度の効果が最も効率よく得られる不純物濃度は３×１０¹⁸／ｃｍ³である。しかしながら、この場合には基板が複数の異なる不純物濃度領域を有しないので、上述の格子歪みの緩和効果が得られない。また、前述のように、高不純物濃度領域の厚さは５０μｍ以下であることが望ましく、さらに望ましくは１０μｍ以下であるので、均一不純物濃度の基板自体の厚さも制約を受けて５０μｍ以下または１０μｍ以下でなければならなくなる。

次に、窒化物半導体基板に含まれる複数の異なる不純物濃度領域のいずれもが第ＩＩＩ領域に属する場合について、図１４を参照しつつ説明する。図１４は、窒化物半導体基板中の不純物濃度分布を表わしている。複数の不純物濃度の領域について、エピタキシャル成長が行なわれる面側から順に、Ａ領域およびＢ領域とする。すなわち、Ａ領域に接するように発光素子構造（レーザ素子構造）が形成される。図１３と図１４からわかるように、Ａ領域もＢ領域も第ＩＩＩ領域に相当している。

図１４の窒化物半導体基板を構成している複数の不純物濃度領域が発光装置に与える効果は以下のとおりである。まず、Ａ領域はその不純物濃度が第ＩＩＩ領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少効果の両方が期待される。しかし、Ａ領域は発光素子構造と接していることと、Ｂ領域よりも高い不純物濃度を有していることから、主にしきい値電圧の減少効果を生じるように作用する。また、Ａ領域はＢ領域よりも高い不純物濃度を有していることから、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和する緩衝層としても寄与し得る。他方、Ｂ領域も、その不純物濃度範囲が第ＩＩＩ領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少効果の両方が期待される。しかし、Ｂ領域はＡ領域よりも低い不純物濃度を有しているので、主にしきい値電流密度の減少効果を生じるように作用する。

次に、窒化物半導体基板が４つの異なる不純物濃度領域から構成されている場合について、図１５を参照しつつ説明する。図１５は、窒化物半導体基板中の不純物濃度分布を表わしている。複数の不純物濃度の領域について、エピタキシャル成長が行なわれる面側から順に、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、およびＤ領域とする。すなわち、Ａ領域に接するように発光素子構造（レーザ素子構造）が形成される。ここで、Ａ領域は第ＩＩＩ領域に相当し、Ｂ領域とＤ領域は第ＩＩ領域に相当し、そしてＣ領域は第Ｉ領域に相当している。

図１５の窒化物半導体基板を構成している複数の不純物濃度領域が発光装置に与える効果は以下のとおりである。まず、Ａ領域は、その不純物濃度が第ＩＩＩ領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少効果の両方が期待される。しかし、Ａ領域は発光素子構造と接しているので、主にしきい値電圧の減少効果を生じるように作用する。また、Ａ領域はＢ領域よりも高い不純物濃度を有しているので、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和する緩衝層としても寄与し得る。他方、Ｂ領域とＤ領域は、これらの不純物濃度が第ＩＩ領域に属しているので、発光装置に対してしきい値電流密度の減少効果を生じるように作用する。また、Ｃ領域はその不純物濃度範囲が第Ｉ領域に属しているが、発光素子構造と直接接触していないので、発光素子構造との間のショットキ障壁の減少による低しきい値電圧の効果よりも、その他の不純物領域に比べて最も高い不純物濃度を有することに起因して窒化物半導体と発光素子構造との間の格子歪みを緩和する緩衝層として大きく寄与し得る。このようにして、図１５の窒化物半導体基板を用いた発光装置においては、その電気的特性が向上させられ得る。

次に、窒化物半導体基板が連続的に変化する不純物濃度分布を有する場合について、図１６を参照しつつ説明する。ここで、図１６で示された連続的な不純物濃度のプロファイルを適当な４つの領域に分割して説明する。複数の不純物濃度の領域について、エピタキシャル成長が行なわれる面側から順に、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、およびＤ領域とする。すなわち、Ａ領域に接するように発光素子構造（レーザ素子構造）が形成される。ここで、Ａ領域とＣ領域は第ＩＩＩ領域に相当し、Ｂ領域は第Ｉ領域に相当し、そしてＤ領域は第ＩＩ領域に相当する。

図１６の窒化物半導体基板を構成している複数の不純物濃度領域が発光装置に与える効果は以下のとおりである。まず、Ａ領域は、その不純物濃度範囲が第ＩＩＩ領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少効果の両方が期待される。しかし、Ａ領域は発光素子構造と接しているので、主にしきい値電圧の減少効果を生じるように作用する。また、Ａ領域は、Ｂ領域との境界から発光素子構造との界面に向けて不純物濃度が減少しているので、不純物添加による基板と発光素子構造との界面近傍における結晶性の劣化を軽減するようにも作用し得る。さらに、不純物濃度を連続的に変化させることによって、たとえば図１４や図１５に示されているように不純物濃度を不連続（急峻）に変化させた場合に比べて、Ａ領域とＢ領域との間の境界領域における抵抗を低く抑えることができる。

他方、Ｂ領域は、その不純物濃度範囲が第Ｉ領域に属しているが、発光素子構造と直接接触していないので、しきい値電圧の減少効果よりも、その他の不純物領域に比べて最も高い不純物濃度を有していることに起因して、窒化物半導体基板と発光素子構造との間の格子歪みを緩和する緩衝層として寄与する。また、不純物濃度を連続的に変化させることによって格子歪みを連続的に分散させることができるので、その格子歪み緩和効果が効率よく発揮され得る。

Ｃ領域はその不純物濃度範囲が第ＩＩＩ領域に属しているので、しきい値電圧の減少効果としきい値電流密度の減少効果の双方が期待される。しかし、Ｃ領域は発光素子構造と直接接触していないので、しきい値電圧の減少効果よりもしきい値電流密度の減少効果を生じるように作用する。また、不純物濃度を連続的に変化させることによって、Ｂ領域とＣ領域との間の境界領域における抵抗を低く抑えることができる。Ｄ領域は、その不純物濃度範囲が第ＩＩ領域に属しているので、発光装置に対してしきい値電流密度の減少効果を生じるように作用する。このようにして、図１６の窒化物半導体基板を用いた発光装置においては、その電気的特性が向上させられ得る。

なお、前述の実施例において、窒化物半導体厚膜基板上に発光素子構造を形成する場合に、その基板の表面が研磨された後に用いられてもよいことは言うまでもない。

以上のように、本発明によれば、窒化物半導体厚膜基板を用いて優れた特性を有する窒化物半導体発光装置を提供することができる。

１０１ Ａｌ／Ｔｉ電極、１０２ ＧａＮ厚膜基板、１０２ａ 高ＳｉドープＧａＮ領域、１０２ｂ 低ＳｉドープＧａＮ領域、１０２ｃ 高ＳｉドープＧａＮ領域、１０３ ｎ型ＧａＮバッファ層、１０４ ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１０５ ｎ型ＧａＮ光伝播層、１０６ 多重量子井戸層、１０７ ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層、１０８ ｐ型光伝播層、１０９ ｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層、１１０ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１ Ａｕ／Ｐｄ電極。

Claims (8)

1. 複数の窒化物半導体層を含む発光素子構造を成長させるための窒化物半導体厚膜基板であって、
   前記基板は対向する第１と第２の主面を有し、
   前記基板の第１主面は、３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 以下の高不純物濃度の第１の層領域で形成されており、
   前記基板は、３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以下１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上でかつ前記第１層領域より低い低不純物濃度の第２の層領域をも少なくとも含み、
   前記基板の第１主面はその上に前記発光素子構造を成長させるための面であり、
   前記発光素子構造の形成後に前記第１主面の側で部分的に露出される前記基板の領域が電極を形成するための領域として使用されることを特徴とする窒化物半導体厚膜基板。
2. 前記電極を形成するための前記基板領域は部分的に露出される前記第１層領域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厚膜基板。
3. 前記電極を形成するための前記基板領域は部分的に露出される前記第２層領域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厚膜基板。
4. 前記窒化物半導体基板はｎ型の導電性を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体厚膜基板。
5. 前記窒化物半導体基板の前記第１層領域はｎ型のための導電型決定不純物を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体厚膜基板。
6. 前記窒化物半導体基板が含む不純物は、シリコン、ゲルマニウム、酸素、炭素、硫黄、セレンおよびテルルからなるグループから選択されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体厚膜基板。
7. 前記窒化物半導体基板内には、８×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の最も低い不純物濃度を有する層領域が含まれていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体厚膜基板。
8. 前記窒化物半導体基板の前記第１層領域は１０μｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体厚膜基板。

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