JP3800146B2

JP3800146B2 - 窒化物半導体素子の製造方法

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Publication number: JP3800146B2
Application number: JP2002229368A
Authority: JP
Inventors: 修二中村; 裕之清久; 徳也小崎; 成人岩佐
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2018-05-11
Also published as: JP2003101159A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに使用される窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は高輝度青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料として、フルカラーＬＥＤディスプレイ、交通信号機等で最近実用化されたばかりである。これらの各種デバイスに使用されるＬＥＤは、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、単一量子井戸構造（ＳＱＷ：Single-Quantum- Well）のＩｎＧａＮよりなる活性層が挟まれたダブルへテロ構造を有している。青色、緑色等の波長はＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成比を増減することで決定されている。また、本出願人は、この材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-Quantum- Well）の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm²、４１０ｎｍの発振を示す。さらに、我々は改良したレーザ素子をAppl.Phys.Lett.69(1996)1477において発表した。このレーザ素子は、ｐ型窒化物半導体層の一部にリッジストライプが形成された構造を有しており、パルス幅１μｓ、パルス周期１ｍｓ、デューティー比０．１％で、閾値電流１８７ｍＡ、閾値電流密度３ｋＡ／cm²、４１０ｎｍの発振を示す。そして、さらに本出願人は室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月2日号技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034-、Appl.Phys.Lett.69(1996)4056- 等}、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／cm²、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００３】
上記ＬＥＤ素子、レーザ素子共に、窒化物半導体の成長基板にはサファイアが用いられている。周知のようにサファイアは窒化物半導体との格子不整が１３％以上もあるため、この上に成長された窒化物半導体の結晶は結晶欠陥が非常に多い。一般に結晶欠陥の多い半導体はレーザ素子には不向きであり、実用化は難しいとされている。また、サファイアの他に、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の基板を用いた素子も報告されているが、これらの基板も窒化物半導体に格子整合せず、サファイアに比べて結晶性の良い窒化物半導体が成長しにくいため、ＬＥＤでさえ実現されていない。
【０００４】
一方、窒化物半導体と格子整合する窒化物半導体基板を作製する試みも成されている（例えば、特開昭６１−７６２１、特公昭６１−２６３５、特開昭５１−３７７９、特開平７−１６５４９８、特開平７−２０２２６５等）。しかし、これらの技術では結晶性の良い窒化物半導体基板を得るには不十分であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板ができれば、その基板の上に格子整合した状態で窒化物半導体を成長させて、格子欠陥が少ない窒化物半導体が成長できる。しかしながら、現在の技術では、結晶欠陥の全くない窒化物半導体基板を得ることは、ほとんど不可能である。例えば、レーザ素子では結晶欠陥が活性層のレーザ発振領域に転位すると極端に寿命が短くなる。従って、本発明の目的とするところは、結晶欠陥の少ない窒化物半導体を下地層として用い、例えばレーザ素子、ＬＥＤ素子、受光素子等に使用できる高効率で信頼性の高い窒化物半導体素子を実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
我々は窒化物半導体基板（以下、窒化物半導体基板を窒化物半導体下地層、又はＧａＮ下地層と言うことがある。）を数々の手段でもって作製してみたところ、その下地層均一に結晶欠陥が存在するのではなく、結晶欠陥の多い領域と少ない領域とが混在すること（ＧａＮ下地層の結晶内部やＧａＮ下地層の表面に結晶欠陥密度に差が生じる傾向があること）を新規に見いだし本発明を成すに至った。
即ち、本発明は、下記（１）〜（５）の構成により示される。
（１）結晶欠陥が少ない領域と結晶欠陥が多い領域とを有する窒化物半導体基板上に活性層を含む窒化物半導体層を形成する工程と、前記窒化物半導体層の表面からエッチングを行って、前記窒化物半導体基板の結晶欠陥が多い領域上の窒化物半導体層に切りしろを形成する工程と、前記切りしろから前記窒化物半導体基板を切断する工程と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
（２）前記窒化物半導体基板は、結晶欠陥が少ない領域と結晶欠陥が多い領域とをほぼ平行なストライプ形状に有していることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（３）前記切りしろは、前記活性層よりも下の窒化物半導体層を露出していることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（４）前記活性層の面積は、窒化物半導体基板の結晶欠陥が多い領域の上部に成長された活性層の面積よりも窒化物半導体基板の結晶欠陥が少ない領域の上部に成長された活性層の面積が大きいことを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれか１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（５）前記窒化物半導体基板は、窒化物半導体の横方向成長により形成されることを特徴とする前記（１）乃至（４）のいずれか１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
【０００７】
本発明は、結晶欠陥が少ない領域と、結晶欠陥が多い領域とを有する窒化物半導体よりなる下地層上部に、少なくとも活性層を含む窒化物半導体層と、活性層を含まない窒化物半導体層とを有し、同一面側にそれらの窒化物半導体層の表面が露出されており、電極を設けない状態において、活性層を含まない窒化物半導体層の露出面積が、活性層を含む窒化物半導体層にある活性層の面積よりも大きいことが望ましい。但し、本発明でいう活性層とは電流、あるいは光等の刺激により、窒化物半導体の所定の領域において所定の動作をする動作領域のことであり、例えばホモ構造、シングルヘテロ構造におけるｐ−ｎ接合部は本発明の活性層に含まれる。
【０００８】
さらに本発明は、レーザ素子に適用するものであって、結晶欠陥が多い領域と、結晶欠陥が少ない領域とを有する窒化物半導体よりなる下地層上部にレーザ発振領域を有しており、そのレーザ発振領域は結晶欠陥が少ない下地層上部に設けられていることが望ましい。これは面発光型レーザ、ストライプ型レーザ素子に適用できる。
【０００９】
ストライプ型の発振領域を有するレーザ素子では、前記結晶欠陥が多い領域と、結晶欠陥が少ない領域とはほぼ平行なストライプ形状を有しており、さらに下地層の上にあるレーザ発振領域は前記結晶欠陥が少ない領域とほぼ平行なストライプ形状を有していることが望ましい。ただし、本発明において結晶欠陥とは下地層表面近傍に現れている結晶欠陥を指す。
【００１０】
さらに本発明において、前記下地層は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上部に形成され、かつ窒化物半導体が縦方向に成長しにくい性質を有する保護膜上部に横方向に成長された窒化物半導体よりなることが望ましい。
【００１１】
さらにまた、前記下地層の結晶欠陥が多い領域は、保護膜と保護膜との間に成長する窒化物半導体上部であり、前記下地層の結晶欠陥が少ない部分は、保護膜上部に成長する窒化物半導体上部であることが望ましい。
【００１２】
本発明において、結晶欠陥の多い領域は、ＧａＮ下地層の表面近傍に現れる結晶欠陥の多い部分であり、結晶欠陥の多くなりやすい部分として、例えばＧａＮ下地層が保護膜上部に横方向の成長（ラテラル成長）を利用して形成されたものである場合、保護膜と保護膜との間（窓部）に成長する窒化物半導体の表面部分が挙げられる。また、本発明において、結晶欠陥の少ない領域は、ＧａＮ下地層の表面近傍に現れる結晶欠陥の少ない部分であり、結晶欠陥の少ない部分として、例えばＧａＮ下地層がラテラル成長を利用して形成されたものである場合、保護膜の上部に成長する窒化物半導体の表面部分が挙げられる。このような結晶欠陥密度の偏在は、窒化物半導体の成長方向と結晶欠陥の転位との関係によると推測される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
結晶欠陥の多い領域と少ない領域とを有するＧａＮ下地層は、例えば次の２つの方法によって得られる。第１の方法は、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後、若しくは成長前に、その窒化物半導体層表面、若しくは異種基板の表面に、窒化物半導体が縦方向に成長しにくい性質を有する保護膜を、例えばストライプ状、ドット状、碁盤目状等の形状で形成し、その保護膜上に窒化物半導体を横方向に成長させる方法である。第１の方法では保護膜を形成するに際し、保護膜形成面積と、露出面積（窓部）とを比較した場合、窓部の面積を少なくする方が、結晶欠陥の少ない領域が多い下地層が得られる傾向にある。
【００１４】
一方、第２の方法は、異種基板上に成長させた窒化物半導体表面に凹凸部を形成し、その凸部及び凹部の平面上に前記保護膜を形成した後、側面に露出した窒化物半導体より横方向の成長を行い、保護膜上部に互いに横方向に成長した窒化物半導体を繋げる方法である。
【００１５】
いずれの方法においても、前記保護膜を形成することにより、異種基板と窒化物半導体との格子定数不整、熱膨張係数差等の要因によって発生する窒化物半導体の結晶欠陥の転位を減少させたり、転位を止めることができる。即ち、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上部に形成され、かつ窒化物半導体が縦方向に成長しにくい性質を有するストライプ状の保護膜上部に横方向に成長された窒化物半導体は、その表面に現れる結晶欠陥密度が非常に少なくなるが、結晶欠陥の多い領域と、少ない領域とを有している。これは、保護膜形成後、その保護膜及び窓部（保護膜が形成されていない部分）の上に再度窒化物半導体を成長させると、窓部の下にある窒化物半導体から横方向に窒化物半導体の成長を促進させて、保護膜上部にまで窒化物半導体を成長させることによる。
【００１６】
このように横方向の成長を利用して得られるＧａＮ下地層の表面に現れる結晶欠陥は、従来のものに比べ非常に少なくなる。しかし、ＧａＮ下地層の成長初期における窓部の上部と保護膜の上部のそれぞれの結晶欠陥の数は著しく異なる。つまり、異種基板上部の保護膜が形成されていない部分（窓部）に成長されている窒化物半導体層の部分には、異種基板と窒化物半導体との界面から結晶欠陥が転位し易い傾向にあるが、保護膜の上部に成長されている窒化物半導体層の部分には、縦方向へ転位している結晶欠陥がほとんどない。
【００１７】
例えば、図３の窒化物半導体の成長方法のウエーハの構造を示す模式的断面図に示すように、異種基板１から第１のＧａＮ層２の表面に向かって示している複数の細線によって結晶欠陥を模式的に示している。このような結晶欠陥は、異種基板１と第１のＧａＮ層２との格子定数のミスマッチにより、異種基板１の上に成長される第１のＧａＮ層２に、非常に多く発生する。そして、保護膜１１が形成されていない窓部の結晶欠陥のほとんどは、第２のＧａＮ層３を成長中、表面方向に向かって転位をする。しかし、この窓部から発生した結晶欠陥は、図３に示すように、第２のＧａＮ層３の成長初期にはほとんどが転位しているが、第２のＧａＮ層３の成長を続けるうちに、途中で表面方向に転位する結晶欠陥の数が激減する傾向にあり、第２のＧａＮ層３の表面まで転位する結晶欠陥が非常に少なくなる。一方、保護膜１１上部に形成された第２のＧａＮ層３は基板から成長したものではなく、隣接する第２のＧａＮ層３が成長中につながったものであるため、結晶欠陥の数は基板から成長したものに比べて、成長のはじめから非常に少なくなる。この結果、成長終了後の第２のＧａＮ層３の表面（保護膜上部及び窓部上部）には、転位した結晶欠陥が非常に少なく、あるいは透過型電子顕微鏡観察によると保護膜上部にはほとんど見られなくなる。
【００１８】
上記のように、第２のＧａＮ層３の窓部上部の表面及び保護膜上部の表面共に結晶欠陥が少なくなるが、成長初期に結晶欠陥が多かった窓部の上部に成長した第２のＧａＮ層３の表面には、保護膜上部に成長したものに比べやや結晶欠陥が多くなる傾向がある。このことは恐らく、窓部に成長する第２のＧａＮ層３の成長の途中で、多くの結晶欠陥の転位が止まったものの、わずかに転位を続ける結晶欠陥が窓部のほぼ直上部に転位し易い傾向があるからではないかと考えられる。
また窓部の窒化物半導体の成長初期に転位し、第２のＧａＮ層３の成長の途中で転位を中断した結晶欠陥が、素子を作動中に再転位する恐れが考えられる。このため、第２のＧａＮ層３表面の結晶欠陥密度は従来に比べ著しく減少してはいるものの、窓部上部の第２のＧａＮ層３表面を結晶欠陥の多い領域としている。上記の結晶欠陥の非常に少ない第２のＧａＮ層３を、素子構造となる窒化物半導体の成長基板に用いることにより、従来よりも結晶性に優れた窒化物半導体素子を実現できる。
上記のようにして得られる本発明のＧａＮ下地層の結晶欠陥密度は、表面透過型電子顕微鏡観察によると結晶欠陥の多い領域の窓部上部では、１×１０⁶個／ｃｍ²以下、好ましい条件においては１×１０⁵個／ｃｍ²以下であり、結晶欠陥の少ない領域の保護膜上部では１×１０⁵個／ｃｍ²以下、好ましい条件においては１×１０⁴個／ｃｍ²以下であることが望ましい。
【００１９】
例えばストライプ状の保護膜を形成した場合、窒化物半導体の横方向の成長では、保護膜上において両側（ストライプ幅方向）から成長してきて、例えばストライプ中央部で繋がる。窓部上部の結晶欠陥密度は１×１０⁶個／ｃｍ²以下であり、ストライプ状の保護膜上部の結晶欠陥密度は１×１０⁵個／ｃｍ²以下になる。結晶欠陥の少ない好ましい数は前述したとおりである。この結晶欠陥は、例えば窒化物半導体をドライエッチングした際、そのエッチング面に表出するエッチピットの数を計測することにより測定できる。本発明の窒化物半導体素子では、結晶欠陥の多い領域上部にある活性層の面積を少なくする。特にレーザ素子では、この部分には発振領域を設けずに、結晶欠陥の少ない領域上部にレーザ発振領域を設ける。
【００２０】
図１乃至図３は、第１の方法によりＧａＮ下地層を作製する際の、窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的な断面図である。これらの図において、１は異種基板、２は第１のＧａＮ層、３は第２のＧａＮ層、１１は保護膜を示しており、具体的にＧａＮ下地層となるのは第２のＧａＮ層３である。これらの図を元にしてＧａＮ下地層の製法の一例を説明する。
【００２１】
図１に示すように、異種基板１の表面に、第１のＧａＮ層２を例えば１０μｍ以下の膜厚で成長させる。この第１のＧａＮ層は基板に直接、あるいはバッファ層を介して成長される層であり、結晶欠陥が全ての断面において、例えば１×１０⁸個／cm²以上あるため、ＧａＮ基板若しくはＧａＮ下地層とはなり得ない。異種基板１は窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であればどのようなものでも良く、例えば、サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。また第１のＧａＮ層２を成長させる前に、ＧａＮ、ＡｌＮ等の第１のＧａＮ層の成長温度よりも低い低温成長バッファ層を異種基板１の上に０．５μｍ以下の膜厚で成長させることもできる。
【００２２】
次に第１のＧａＮ層２の上に窒化物半導体が縦方向に成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する保護膜１１を、例えばストライプ状に形成する。ストライプ幅は、第１のＧａＮ層の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分（窓部）よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第２のＧａＮ層３が成長しやすく、またレーザ発振部分を設定するのに好都合である。保護膜１１の材料としては、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸化チタン（ＴｉＯ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。保護膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相製膜技術を用いることができる。図１では第１のＧａＮ層２の上にストライプ状の保護膜を形成し、そのストライプに対して垂直な方向でウェーハを切断した際の部分的な断面図を示しており、結晶欠陥を第１のＧａＮ層２内部に示す細線でもって模式的に示している。この図に示すように、第１のＧａＮ層２にはほぼ均一に無数の結晶欠陥が発生するのでＧａＮ基板若しくはＧａＮ下地層とすることは不可能である。この保護膜のストライプ幅は１μｍ以上、さらに好ましくは２μｍ以上、最も好ましくは５μｍ以上に調整する。１μｍよりも小さいと、結晶欠陥の少ない領域が小さくなり、レーザ発振領域を結晶欠陥の少ない領域の上に確保するのが難しくなる傾向にある。ストライプ幅の上限は特に限定しないが、通常は１００μｍ以下に調整することが望ましい。
【００２３】
保護膜１１を形成したウェーハの上にさらに第２のＧａＮ層３を成長させる。図２に示すように、保護膜１１を形成した第１のＧａＮ層２の上に、第２のＧａＮ層３を成長させると、最初は第１の保護膜１１の上にはＧａＮ層が成長せず、窓部の第１のＧａＮ層２の上に第２のＧａＮ層３が選択成長される。図２は、窓部に多くＧａＮが成長して、第１の保護膜１１の上にほとんど成長されないことを示している。
【００２４】
しかし、第２のＧａＮ層３の成長を続けると、第２のＧａＮ層３が第１の保護膜１１の上において横方向に成長して、隣接した第２のＧａＮ層３同士で繋がって、図３に示すように、あたかも保護膜１１の上に第２のＧａＮ層３が成長したかのような状態となる。第２のＧａＮ層３の表面には結晶欠陥が平均的に少ないが、表面透過型電子顕微鏡観察によると、保護膜上部ではほとんど結晶欠陥が見られないのに対し（結晶欠陥の少ない領域）、窓部上部ではやや多く結晶欠陥が見られる（結晶欠陥の多い領域）。このことは、前記したように、窓部に成長する窒化物半導体の成長初期には、結晶欠陥の多くが転位を続け、成長の途中で転位が激減するものの、わずかに転位を続ける結晶欠陥があるからではないかと推測される。更に保護膜上部では、窒化物半導体が横方向の成長により保護膜上に成長する際には結晶欠陥も横方向に転位を続けるが、再び窒化物半導体が縦方向に成長しても結晶欠陥に転位が縦方向に起こらないためではないかと考えられる。図３において、基板から第１の窒化物半導体層の表面に渡って示している複数の細線は図１、２と同じく結晶欠陥を模式的に示している。つまり、窓部から成長した結晶欠陥は、窒化物半導体の成長初期には転位しているが途中で激減し、また保護膜上部においては縦方向に転位する結晶欠陥がほとんど見られない傾向がある。従って、保護膜上部の表面にある結晶欠陥は１０⁵個／cm²以下であり、窓部の上部の表面では１０⁶個／cm²以下である。
【００２５】
図４及び図５は、第２の方法によるＧａＮ下地層の製法を示したものである。この方法は異種基板上に、直接、あるいは低温成長バッファ層を介して成長された第１のＧａＮ層２の表面に凹凸を設けている。そして図２に示すように凹凸部の平面部に保護膜１１、１１’を形成して、さらに第２のＧａＮ層３を成長させると、図５に示すように端面に露出した第１のＧａＮ層２から、第２のＧａＮ層が横方向に成長して保護膜上部で繋がった状態となり、結晶欠陥の少ないＧａＮ下地層ができる。この第２の方法の場合、保護膜１１及び１１’により第２のＧａＮ層３は保護膜上に形成されるので第１の方法に比べ、結晶欠陥の多い領域と少ない領域との差が少なく、平均して結晶欠陥が少ない。このように、第２の方法の場合、第２のＧａＮ層３は第１のＧａＮ層２の側面部から成長させるため、第１の方法に比べて、結晶欠陥が多い領域の結晶欠陥の数は少なくなる傾向にある。但し、以上述べたＧａＮ下地層の製法は単なる例を示すものであって、本発明のレーザ素子のＧａＮ下地層が以上の２つの製法により拘束されるものではない。
【００２６】
図６はさらに好ましいＧａＮ下地層の製法を示したものであり、第２のＧａＮ層３成長後、第２のＧａＮ層３の結晶欠陥の多い領域に対応する表面に、第２の保護膜１２を形成することにより、結晶欠陥を塞ぐ。さらにその保護膜の上に横方向に第３のＧａＮ層４を成長させることにより、第３のＧａＮ層が第２の保護膜１２の上部で繋がっても、元々の窓部の結晶欠陥が少ないため、第２のＧａＮ層よりもさらに結晶性の欠陥の少ないＧａＮ下地層が得られる。
【００２７】
【実施例】
［実施例１］
図７は本発明の一実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式的な断面図であり、具体的にはＬＥＤ素子の構造を示している。また図８は図７に示すＬＥＤ素子をｐ電極側から見た形状を示す平面図である。以下、図１乃至図３でＧａＮ下地層の製法を説明しながら、本発明の窒化物半導体素子について説明する。
【００２８】
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイア基板１を反応容器内にセットし、５００℃にてサファイア基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を１０５０℃にしてＧａＮよりなる第１のＧａＮ層２を５μｍの膜厚で成長させる。この第１のＧａＮ層はＡｌ混晶比X値が０．５以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．５）を成長させることが望ましい。０．５を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、１０μｍ以下の膜厚に調整することが望ましい。なお図１においてバッファ層は特に図示していない。
【００２９】
第１のＧａＮ層２成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、第１のＧａＮ層２の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅２０μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜１１を０．１μｍの膜厚で形成する。図１はストライプの長軸方向に垂直な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図である。
【００３０】
保護膜１１形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、１０５０℃で、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなる第２のＧａＮ層３を１００μｍの膜厚で成長させる（図２、図３）。第２のＧａＮ層３の好ましい成長膜厚は、先に形成した保護膜１１の膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜１１の表面を覆うように第２のＧａＮ層３を成長させる。保護膜１１の大きさは特に限定しないが、保護膜１１の面積を窓部の面積よりも大きくする方が結晶欠陥の少ないＧａＮ基板を得る上で非常に好ましい。
【００３１】
第２のＧａＮ層３成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、第２のＧａＮ層３の表面をラッピングして鏡面状として、ＧａＮ下地層を得る。（以下、第２のＧａＮ層をＧａＮ下地層５０と記載する。）このＧａＮ下地層５０において、表面透過型電子顕微鏡観察によると、保護膜１１上部に相当する結晶欠陥は１０⁵個／cm²以下であり、窓部上部に相当する結晶欠陥は１０⁶個／cm²以下であり、全体的に結晶欠陥が減少しており、更に、結晶欠陥の少ない領域の方が、多い領域よりも広い面積を有していた。
【００３２】
次にサファイア基板１を有するＧａＮ基板５０を再度反応容器に設置し、ＧａＮ基板５０の上にＳｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側クラッド層５１を成長させる。このｎ側クラッド層５１は活性層５２を成長させる前のバッファ層として作用し、Ａｌ混晶比が０．５以下のＡｌ_YＧａ_1-YＮを成長させることが望ましい。
【００３３】
続いて、ｎ側クラッド層５１の上に膜厚２０オングストローム、単一量子井戸構造のアンドープＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる活性層５２、膜厚０．３μｍのＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなるｐ側クラッド層５３、膜厚０．５μｍのＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層５４を順に成長させる。
【００３４】
成長後、ウェーハを反応容器から取出し、窒素雰囲気中、６００℃でアニーリングして、ｐ側クラッド層５３、ｐ側コンタクト層５４を低抵抗にする。その後、ｐ側コンタクト層５４側からエッチングを行い、ｎ側クラッド層５１、若しくはＧａＮ基板５０の表面を露出させる。このように、活性層から下の窒化物半導体層をエッチングにより露出させ、チップ切断時の「切りしろ」を設けることにより、切断時にｐ−ｎ接合面に衝撃を与えにくくなるため、歩留も向上し、信頼性の高い素子が得られる。なおこの「切りしろ」はストライプ状の保護膜の窓部に相当する部分に形成することにより、ストライプ状の窓部の中心線でウェーハが切断できるようにする。さらにこの「切りしろ」を設けることにより後にサファイア基板、保護膜を除去した際、結晶欠陥の多い領域と、少ない領域とを示すチップ切断位置を明確に判別することができる。
【００３５】
エッチング後、ｐ側コンタクト層５４の表面のほぼ全面にＮｉ／Ａｕよりなる透光性のｐ電極５５を２００オングストロームの膜厚で形成し、そのｐ電極５５の上に、ボンディング用のｐパッド電極５６を０．５μｍの膜厚で形成する。
【００３６】
ｐパッド電極５６形成後、ウェーハのサファイア基板、バッファ層を研磨、除去し、ＧａＮ基板５０の裏面を露出させ、その裏面のほぼ全面にＷとＡｌよりなるｎ電極５７を０．５μｍの膜厚で形成する。
【００３７】
次に前述の「切りしろ」からウェーハを割ってバー状とし、さらにそのバーの短辺に垂直な方向でバーを割ってＬＥＤチップとする。このＬＥＤチップの活性層の下の窒化物半導体層の結晶欠陥は少ない領域の方が圧倒的に多い。このように結晶欠陥の少ない領域に活性層の面積を多く配設することにより、信頼性が高い素子が得られる。このＬＥＤは２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの緑色発光を示し、出力は従来のサファイア基板上に窒化物半導体素子構造を成長されたものに比較して２倍以上、静電耐圧も２倍以上と、非常に優れた特性を示した。
【００３８】
なお本実施例では保護膜の形状をストライプ状としたが、予め切り出そうとするチップの形状に合わせた形状（例えば、四角形）の保護膜を、規則正しいドット、碁盤目状に形成しておき、その保護膜の結晶欠陥の多い領域に相当する位置でチップを切り出すようにすることもできる。
【００３９】
［実施例２］
図９は本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す斜視図であり、具体的にはレーザ素子の構造を示している。以下、図９を元に実施例２について説明する。
【００４０】
実施例１においてＧａＮ下地層を６μｍの膜厚で成長させる他は同様にして、サファイア基板上に成長されたＧａＮ下地層５０を得る。
【００４１】
（第２のバッファ層７１）
実施例１で得られたＧａＮ下地層５０を主面とするウェーハを反応容器内にセットし、１０５０℃でこのＧａＮ下地層５０上にＳｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなる第２のバッファ層７１を成長させる。第２のバッファ層７１は９００℃以上の高温で成長させる窒化物半導体単結晶層であり、従来より成長される基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和するため、次に成長させる窒化物半導体よりも低温で成長させるバッファ層とは区別される。レーザ素子を作製する場合、この第２のバッファ層７１は膜厚１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下の互いに組成が異なる窒化物半導体を積層してなる歪超格子層とすることが好ましい。歪超格子層とすると、単一窒化物半導体層の結晶性が良くなるため、高出力なレーザ素子が実現できる。またＬＥＤ素子のｎ側クラッド層５１に歪超格子層を適用しても良い。
【００４２】
（クラック防止層７２）
次にＳｉを５×１０¹⁸／cm³ドープしたＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなるクラック防止層４２を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層７２はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。クラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層７２は省略することもできる。
【００４３】
（ｎ側クラッド層７３）
次に、Ｓｉを５×１０¹⁸／cm³ドープしたｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープ（undope）のＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームとを交互に１００層積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。ｎ側クラッド層７３はキャリア閉じ込め層、及び光閉じ込め層として作用し、Ａｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＧａＮを含む超格子層とすることが望ましく、超格子層全体の膜厚を１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。超格子層にするとクラックのない結晶性の良いキャリア閉じ込め層が形成できる。なお超格子層とする場合、互いにバンドギャップエネルギーの異なる窒化物半導体層を積層して、いずれか一方の不純物濃度を大きく、もう一方を小さくするようにして変調ドープを行うと、閾値が低下しやすい傾向にある。
【００４４】
（ｎ側光ガイド層７４）
続いて、Ｓｉを５×１０¹⁸／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層７４を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層７４は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。このｎ側光ガイド層７４は通常はＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてｎ型の導電型とするが、特にアンドープにすることもできる。超格子とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００４５】
（活性層７５）
次に、アンドープのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、アンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層７５を成長させる。
【００４６】
（ｐ側キャップ層７６）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層７７よりも大きく、かつ活性層７５よりも大きい、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層７６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ側キャップ層７６はｐ型としたが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層とする。ｐ側キャップ層７６の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、ｐ型キャップ層７６中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌ_YＧａ_1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。ｐ側キャップ層７６の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００４７】
（ｐ側光ガイド層７７）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層７６より小さい、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層７７を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層４４と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層７８を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
【００４８】
（ｐ側クラッド層７８）
次に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層７８を成長させる。この層はｎ側クラッド層７３と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、超格子構造とすることによりｐ型層側の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層７８の膜厚も特に限定しないが、１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。特に超格子構造を有する窒化物半導体層をクラッド層とする場合、ｐ層側に超格子層を設ける方が、閾値電流を低下させる上で、効果が大きい。なおｎ型クラッド層と同じく、超格子層とする場合、互いにバンドギャップエネルギーの異なる窒化物半導体層を積層して、いずれか一方の不純物濃度を大きく、もう一方を小さくするようにして変調ドープを行うと、閾値が低下しやすい傾向にある。
【００４９】
量子構造の井戸層を有する活性層を有するダブルへテロ構造の窒化物半導体素子の場合、活性層に接して、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きい膜厚０．１μｍ以下のＡｌを含む窒化物半導体よりなるキャップ層を設け、そのキャップ層よりも活性層から離れた位置に、キャップ層よりもバッドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層を設け、そのｐ側光ガイド層よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子層よりなるｐ側クラッド層を設けることは非常に好ましい。しかもｐ側キャップ層のバンドギャップエネルギーが大きくしてあるため、ｎ層から注入された電子がこのキャップ層で阻止されるため、電子が活性層をオーバーフローしないために、素子のリーク電流が少なくなる。
【００５０】
（ｐ側コンタクト層７９）
最後に、Ｍｇを２×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層７９を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層は５００オングストローム以下、さらに好ましくは４００オングストローム以下、２０オングストローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。
【００５１】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図９に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層７９と、ｐ側クラッド層７８とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とする。リッジ形成位置は保護膜のストライプと平行方向に形成し、ＧａＮ下地層にあるストライプ状の結晶欠陥の多い領域をはずす。
【００５２】
即ち、幅２０μｍ、窓部５μｍの保護膜上に形成されたＧａＮ層は、およそ５μｍの窓部の上部に結晶欠陥の比較的多いストライプ領域を有しており、前記リッジが、この５μｍのストライプ領域にかからないように設計する。このように設計することにより、ストライプ状のリッジ下部に存在する活性層がレーザ発振領域に相当するため、レーザ発振領域が、結晶欠陥の多い領域にかからないようにできる。図９の素子ではリッジを設けて、発光をリッジ下部の活性層に集中させてレーザ発振領域を作製する手法を採用したが、この他に、例えばｐ層最上層に、絶縁層を形成して電流狭窄できるような細いストライプ幅の電極を設ける手法、窒化物半導体層中に、電流狭窄層を形成する手法等によっても、活性層にレーザ発振領域を設けることもできる。このような場合も同様に、結晶欠陥の多い領域上部にある活性層をレーザ発振領域からずらすようにする。
【００５３】
リッジ形成後、図９に示すように、リッジストライプを中心として、そのリッジストライプの両側に露出したｐ側クラッド層７７をエッチングして、ｎ電極８２を形成すべきｎ側クラッド層７１の表面を露出させる。なおｎ電極８２を形成する面は、図９に示すようにｎ側クラッド層７１の表面でもよいし、またＧａＮ下地層５０の表面でもよいが、キャリア濃度の大きい方のｎ型窒化物半導体層面を露出させることが望ましい。また本実施例によるレーザ素子はｎ電極をｐ電極と同一面側に設けたが、図７のようにＧａＮ下地層５０の裏面に設けることもできることは言うまでもない。
【００５４】
次にリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極８０を形成する。次に、図９に示すようにｐ電極８０を除くｐ側クラッド層７８、ｐ側コンタクト層７９の表面にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜８３を形成し、この絶縁膜８３を介してｐ電極８０と電気的に接続したｐパッド電極８１を形成する。一方先ほど露出させたｎ側クラッド層７１の表面にはＷとＡｌよりなるｎ電極８２を形成する。
【００５５】
電極形成後、実施例１と同様にしてウェーハのサファイア基板のみ研磨して５０μｍ厚とした後、ストライプ状のｐ電極８０、ｎ電極８２のストライプに垂直な方向でサファイア基板１を劈開して、活性層の劈開面を共振面とする。劈開後のレーザ素子形状を図９に示している。このように同一面側にｎ電極と、ｐ電極とを設けるレーザ素子の構造において、結晶欠陥が少ない領域と、結晶欠陥が多い領域とを有する窒化物半導体よりなる下地層上部に活性層を有する場合、ｎ電極を設ける活性層を含まない窒化物半導体層の露出面積を、活性層を有する側の活性層面積よりも多くすることにより、熱が集中する活性層が結晶欠陥により破壊されることが少ないため信頼性が高く長寿命な素子が実現できる。なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、閾値電流密度２．０ｋＡ／cm²、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【００５６】
［実施例３］
図１０は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、具体的には面発光レーザ素子の構造を示している。この図において、５０は結晶欠陥の多い領域と、少ない領域とをドット状、若しくはストライプ状に有するＧａＮ下地層である。このレーザ素子はＧａＮ下地層５０の上に、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層よりなるｎ側バッファ層９０（但し、このバッファ層も低温成長バッファ層と異なる。）、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層４０オングストロームと、アンドープＧａＮ層４０オングストロームとが積層されてなる０．２μｍの歪み超格子よりなるｎ側クラッド層９１、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8ＮとＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎとが積層されてなるＭＱＷ構造の活性層９２、Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層４０オングストロームと、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層４０オングストロームとが積層されてなる０．２μｍの歪み超格子よりなるｐ側クラッド層９３、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層９４とが積層された基本構造を有する。さらにｎ側クラッド層９１〜ｐ側クラッド層９３の周囲はｎ−ｐ逆接合を有するＡｌＧａＮ層よりなる電流阻止層で囲まれた構造を有する。電流阻止層はおよそ４μｍφのｎ側クラッド層９１〜ｐ側クラッド層９３を残して、その周囲を囲むようにされている。さらにこの面発光レーザ素子はＧａＮ下地層側から孔が設けられて、ｎ側バッファ層の表面に誘電体多層膜よりなるｎ側反射鏡１０１が設けられ、ｎ側反射鏡と対応したｐ側コンタクト層の表面にも誘電体多層膜よりなるｐ側反射鏡１００が設けられている。面発光レーザ素子はリング状のｐ電極と同じくリング状のｎ電極に通電することにより、反射鏡間で共振して、厚さ方向にレーザ発振する。
【００５７】
このような面発光レーザ素子を作製する場合においても、レーザ発振領域は電流阻止層で囲まれた中にある活性層９２であり、この活性層の位置を結晶欠陥の少ないＧａＮ下地層５０の上部に設定することにより、長寿命なレーザ素子が作製できる。さらに面発光レーザ素子の場合は共振器長が厚さ方向にあり、その面積が非常に小さいため、ＧａＮ下地層を作製する場合において、保護膜はドット状、ストライプ等自由に選択可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体素子によると、基板となるＧａＮ下地層を用いた新規な構造において、ＧａＮ下地層の結晶欠陥の多い領域には活性層面積が少なくなるように構成しているため、発光素子、パワーデバイスのような活性層の損傷により素子寿命が制限されるデバイスを実現すると、結晶欠陥が活性層に転位しないため非常に長寿命で、信頼性の高い素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＮ下地層を作製する第１の方法において得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図。
【図２】ＧａＮ下地層を作製する第１の方法において得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図。
【図３】ＧａＮ下地層を作製する第１の方法において得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図。
【図４】ＧａＮ下地層を作製する第２の方法において得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図。
【図５】ＧａＮ下地層を作製する第２の方法において得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図。
【図６】ＧａＮ下地層を作製する好ましい第１の方法において得られる窒化物半導体ウェーハの一構造を示す模式断面図。
【図７】本発明の一実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図８】図５の素子をｐ電極側から見た平面図。
【図９】本発明の他の実施例に係るＬＤ素子の構造を示す模式断面図。
【図１０】本発明の他の実施例に係るＬＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第１のＧａＮ層
３・・・第２のＧａＮ層
１１・・・保護膜
５０・・・ＧａＮ下地層
７１・・・第２のバッファ層
７２・・・クラック防止層
７３・・・ｎ側クラッド層
７４・・・ｎ側光ガイド層
７５・・・活性層
７６・・・ｐ側キャップ層
７７・・・ｐ側光ガイド層
７８・・・ｐ側クラッド層
７９・・・ｐ側コンタクト層

Claims

結晶欠陥が少ない領域と結晶欠陥が多い領域とを有する窒化物半導体基板上に活性層を含む窒化物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物半導体層の表面からエッチングを行って、前記窒化物半導体基板の結晶欠陥が多い領域上の窒化物半導体層に切りしろを形成する工程と、
前記切りしろから前記窒化物半導体基板を切断する工程と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
前記窒化物半導体基板は、結晶欠陥が少ない領域と結晶欠陥が多い領域とをほぼ平行なストライプ形状に有してい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の製造方法。
前記切りしろは、前記活性層よりも下の窒化物半導体層を露出し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の製造方法。
前記活性層の面積は、窒化物半導体基板の結晶欠陥が多い領域の上部に成長された活性層の面積よりも窒化物半導体基板の結晶欠陥が少ない領域の上部に成長された活性層の面積が大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
前記窒化物半導体基板は、窒化物半導体の横方向成長により形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。