JP4178836B2 - 窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法に関し、更に詳細には動作電圧が低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII −Ｖ族窒化ガリウム系化合物半導体は、禁制帯幅が２．８〜６．８ｅＶにわたっているため、赤色から紫外領域での発光が可能な半導体発光素子の材料として注目されている。
そして、III −Ｖ族窒化ガリウム系化合物半導体を構成要素とする窒化ガリウム系半導体素子として、例えば青色や緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ) や、約４０５ｎｍの紫色領域で発振するＧａＮ系半導体レーザ素子などが、開発、実用化されている。
【０００３】
ここで、図２を参照して、ＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を説明する。図２はＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、図２に示すように、サファイア基板１２と、サファイア基板１２上に横方向成長法により形成されたＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４と、ＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４上にＭＯＣＶＤ法により順次成長させた、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮガイド層２０、ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層２２、ｐ型ＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２８の積層構造とを備えている。
【０００４】
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２６の上部層、及びｐ−ＧａＮコンタクト層２８は、ＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４の種結晶部と会合部との間に位置するストライプ状リッジ３０として形成されている。
更に、ｐ−ＡｌＧａＩｎクラッド層２６の残り層、ｐ−ＧａＮ光ガイド層２４、活性層２２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層２０、ｎ−ＡｌＧａＩｎクラッド層１８、及びｎ−ＧａＮコンタクト層１６の上部層は、リッジ３０と平行なメサ３２として形成されている。
【０００５】
ｐ−ＧａＮコンタクト層２８上を開口して、リッジ３０の両側面及びｐ−ＡｌＧａＩｎクラッド層２６の残り層上には、ＳｉＯ2 膜３４が成膜されている。
ｐ−ＧａＮコンタクト層２８上には、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極３６が、また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１６上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側電極３８が設けてある。
【０００６】
次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法を用いて上述の半導体レーザ素子１０を製造する従来の方法を説明する。
窒素源としてアンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのIII 族元素金属の原料として、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ) 、トリメチルアルミニウウム（ＴＭＡ) 、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を使用する。
ドーパントはｎ型用にはＳｉ、ｐ型用にはＭｇであり、それぞれの原料としてモノシラン（ＳｉＨ4 ）とｂｉｓ−メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ2 Ｍｇ）を使用する。
尚、アンモニア原料、及びIII 族元素金属の原料等の原料は、上述のものに限られるものではない。
【０００７】
先ず、サファイア基板１２上に横方向成長法を適用してＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４を形成する。次いで、ＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮガイド層２０、及びＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層２２を順次成長させる。
更に、ｐ型ＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、及びｐ型ＧａＮ層２８を順次成長させる。
【０００８】
積層構造を形成するに当たり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させた後、ｐ型ＧａＮ層２８を成長させる際には、先ず、基板温度約１，０００℃でｐ型ＧａＮ層２８を成長させる。
次いで、ｐ型ＧａＮ層２８の成長が終了した時点で、ＴＭＧ及びＭｅＣｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ3 ガスだけを供給し続けながら基板温度を室温程度に下げて、積層構造の形成が終了する。
【０００９】
次いで、リッジ３０及びメサ３２を形成し、ＳｉＯ2 膜３４を成膜する。続いて、ＳｉＯ2 膜３４を開口してｐ側電極３６及びｎ側電極３８を形成する。
更に、劈開し、チップ化して、ＧａＮ系半導体レーザ素子１０を製造することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のＧａＮ系半導体レーザ素子には、動作電圧が高いという問題があって、例えば電流５０ｍＡ注入時に７．０Ｖ以上の動作電圧を必要とすることもあった。
動作電圧が高いと、消費電力を低減することが難しくなり、また信頼性の向上、或いは長寿命化を図る上でも制約となる。更には、電源の供給電圧に制約されて、小型化、軽量化が難しく、半導体レーザ素子を光源とする機器の携帯性を向上させることが難しくなる。
【００１１】
また、ＧａＮ系半導体レーザ素子では、しきい値電流を低下させ、注入電流対光出力の効率を高めるために、ｐ側電極としてｐ型コンタクト層上に例えば幅３μｍほどのストライプ状の電極を形成しているものの、ｐ側電極を構成する金属膜がｐ型コンタクト層から剥がれ易く、一旦剥がれが部分的にでも生じると、それがμｍオーダーの領域であっても、ｐ側電極とｐ型コンタクト層との接触抵抗が大幅に増加する。
更には、剥がれが生じた場合、電流注入の不均一による発光特性の低下や動作電圧上昇による消費電力の増大、極端な場合にはレーザ発振が停止することもある。これでは、ＧａＮ系半導体レーザ素子の信頼性を高めることが難しい。
【００１２】
以上の説明では、ＧａＮ系半導体レーザ素子を例に挙げて説明しているが、この問題は、発光ダイオード、電子デバイス等を含む窒化ガリウム系半導体素子全般に該当する問題である。
そこで、本発明の目的は、動作電圧が低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
ＧａＮ系半導体レーザ素子の動作電圧が高い原因の一つは、ｎ型化合物半導体層と比べてキャリア濃度や移動度が低く、抵抗値が高くなるｐ型化合物半導体層の特性に起因してｐ側電極の接触抵抗が高くなることである。
【００１４】
ｐ型半導体層の電気抵抗を減少させることは技術的に難しい。そこで、本発明者は、上述の課題を解決するために、ｐ型半導体層自体の電気抵抗を低減することに代わる解決案を探す過程で、ｐ側電極の金属膜の下地になるｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジ（凹凸の状況）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察したところ、図３に示すように、表面にテラス型の平坦な面やステップ（段差）構造は存在するものの、表面が、比較的、平坦であることを見い出した。図３は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。尚、図３は写真を写した図であって、元の写真は参考写真（１）として別途特許庁に提出している。
更に、図３の線Ｂ−Ｂ′でｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面を調べると、図４に示すように、表面の凹凸が比較的少なく、ｎｍオーダーの凹部は存在せず、凹凸の段差は０．５ｎｍ程度であった。段差の数値０．５ｎｍは、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮの格子定数ｃに非常に近い値である。また、表面全域の凹凸（高さ）の標準偏差（Ｒｍｓ）は０．１８６ｎｍであった。図４は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の図４の線Ｂ−Ｂ′でのｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【００１５】
上述のように、表面の凹凸が比較的乏しく、段差も低いと、ｐ側電極金属膜と下地膜との密着性が悪く、接触面積が小さくなり、固着性も悪くなる。
そこで、本発明者は、ｐ側電極金属膜の下地膜に凹凸を付けることを着想した。そして、本発明者は、下地膜を成長させた後の降温過程で、下地膜上に再エピタキシャル成長層を分散的かつミクロ的に設けることにより、下地膜上に凹凸が形成できることに注目し、次の実験を行った。
【００１６】
実験例
本実験例では、前述の半導体レーザ素子１０のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を成膜する際、従来と同様にして、基板温度約１，０００℃でＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、所定膜厚のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を形成した。
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 ガス及びＭｅＣｐ2 Ｍｇを導入しながら基板温度を約７００℃まで１分間ないし２分間かけて降温し、７００℃の温度を５秒間ないし６０秒間維持した。
次いで、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＭｅＣｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ3 ガスだけを導入しながら基板温度を室温にまで冷却した。
【００１７】
形成したｐ型ＧａＮコンタクト層２８の最表面モフォロジをＡＦＭで観察したところ、以下のことが判った。
（１）図５に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域に、ＧａＮ結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部４０が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在している。図５は実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。尚、図５は写真を写した図であって、元の写真は参考写真（２）として別途特許庁に提出している。
（２）ＡＦＭの測定結果から、図５のＡ−Ａ′で示した線の断面を描いたところ、図６に示すような断面形状を得た。図６は図５の線Ａ−Ａ′での実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
図６より、凹凸の段差の大きさ、つまり凹凸を構成する凸部４２の頂部と凸部４２に隣接する凹部４４の底部との高さの差（段差）の典型値が１〜２ｎｍであることが判った。ウルツ鉱型ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮの格子定数ｃは、それぞれ、約０．５１９ｎｍ、約０．４９８ｎｍ、及び約０．５７６ｎｍであるから、凹凸の段差は、それらの格子定数より明らかに大きな値である。
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸が幅方向の線上に２個以上位置するように、凹凸が表面全域に分散して存在している。
（３）１μｍ四方を走査して得られた測定結果を示している図５では、凹凸（高さ）の標準偏差（Ｒｍｓ）の値は０．４６６ｎｍであった。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域の走査（測定）したところ、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいことが判った。
【００１８】
以上の実験結果から、所定の膜厚のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を所定温度で成膜した後、所定温度から室温に降温する際の降温過程の条件を変えることにより、ＧａＮ結晶の格子定数より大きい段差を有する凹凸が表面全域に分散して形成されることを確認することができた。
また、表面に凹凸の有るｐ型ＧａＮコンタクト層２８にｐ側電極金属膜を形成したところ、金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８との密着性が向上し、接触面積が著しく増大することにより、接触抵抗が大幅に減少したこと、及び金属膜が凹部に進入して金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８とが強固に固着されるので、ｐ側電極金属膜がｐ型ＧａＮコンタクト層２８から剥がれるようなことが無くなったことを確認することができた。
【００１９】
上記目的を達成するために、以上の実験に基づいて、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さの凹部が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹部が表面全域に分散して存在していることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域に凹凸が分散して存在し、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいことを特徴としている。
【００２２】
更には、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域に、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い溝深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在していることを特徴としている。
【００２３】
本発明で、窒化ガリウム系化合物半導体とは、Ｖ族として窒素（Ｎ）を有し、組成がＡｌaＢbＧａcＩｎd ＮxＰyＡｓz（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｃ、ｄ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ、ｚ≦１）で表示される組成を有する化合物半導体である。
また、窒化ガリウム系半導体素子とは、少なくとも一部の化合物半導体層が窒化ガリウム系化合物半導体で形成されている、発光素子、受光素子、電子デバイス等を含む半導体素子である。
【００２４】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子では、以下の４つの要件のうちの少なくともいずれかが下地化合物半導体層上に存在する凹凸について満足されることより、金属膜と下地化合物半導体層との密着性が向上し、接触面積が著しく増大して、接触抵抗が大幅に減少し、また、金属膜が凹部に進入して金属膜と下地化合物半導体層とが強固に密着して固着されるので、金属膜が下地化合物半導体層から剥がれ難くなる。
（１）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さの凹部が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹部が表面全域に分散して存在していること。
（２）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していること。
（３）表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいこと。
（４）下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在していること。
【００２５】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子の構成を問わず、発光素子、受光素子、電子素子等に適用できるが、特に下地化合物半導体層がｐ型半導体層である半導体発光素子に好適に適用できる。抵抗が高いｐ型半導体層の抵抗を低減できるからである。
【００２６】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子の製造方法において、下地化合物半導体層を成長させる際、
所定膜厚の下地化合物半導体層を第１の所定温度でエピタキシャル成長させた後、下地化合物半導体を成長させる原料ガスを成膜チャンバに導入し続けつつ第１の所定温度より低い第２の所定温度に降温するステップと、
第２の所定温度で所定時間維持するステップと、
次いで、窒素原料ガス以外の原料ガスの供給を停止し、窒素原料ガスを導入し続けつつ室温まで降温するステップと
を有することを特徴としている。
【００２７】
本発明方法では、第１の所定温度から第２の所定温度に降温するステップで、また、第２の所定温度に維持するステップで、下地窒化ガリウム系化合物半導体の原料ガスを成膜チャンバに導入することにより、窒化ガリウム系化合物半導体が下地化合物半導体層の表面全域に分散してミクロ的に成長し、下地化合物半導体層の表面に凹凸を形成する。
具体的には、下地窒化ガリウム系化合物半導体層をＧａＮで形成するときには、第１の所定温度が８００℃以上１０５０℃以下、第２の所定温度が４００℃以上８５０℃以下、所定時間が５秒以上６０秒以下である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
窒化ガリウム系化合物半導体の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の幅１μｍの表層部の断面図である。
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面全域に凹凸部が分散して形成されていることを除いて、前述の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００２９】
ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面全域に形成された凹凸部は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、図１に示すように、凹凸部又は凹部が幅方向の線上に２個以上位置するように、凹凸が表面全域に分散して存在し、かつ、凹凸を構成する凸部４６の頂部と凸部４６に隣接する凹部４８の底部との高さの差（段差）がＧａＮ結晶の格子定数より大きい。
また、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きい。更には、表面全域にＧａＮ結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在している。
【００３０】
本実施形態例では、凹凸の存在により、ｐ側電極３６の金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８との密着性が向上し、接触面積が著しく増大することにより、接触抵抗が大幅に減少し、加えて金属膜が凹部４８に進入して金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８とが強固に密着して固着されるので、金属膜がｐ型ＧａＮコンタクト層２８から剥がれるようなことが無くなる。
本実施形態例の半導体レーザ素子では、電流５０ｍＡ注入時の動作電圧が６．０Ｖ以下であって、従来のＧａＮ系半導体レーザ素子１０の動作電圧７．０Ｖに比べて１．０Ｖ以上低下している。
【００３１】
製造方法の実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を上述のＧａＮ系半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。
以下に図２を参照して、本実施形態例の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を説明する。
前述した従来の製造方法と同じ原料を使い、同様にして、図２に示すように、サファイア基板１２上に横方向成長法を適用してＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４を形成し、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮガイド層２０、及びＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層２２を順次成長させる。
更に、ｐ型ＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６及びｐ型ＧａＮ層２８を順次成長させる。
【００３２】
積層構造の形成で、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させた後、ｐ型ＧａＮ層２８を成長させる際には、先ず、基板温度約１，０００℃で所定膜厚のｐ型ＧａＮ層２８を成長させる。
次いで、本実施形態例では、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の成長を終了した時点で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＭｅＣｐ2 Ｍｇ、及びＮＨ3 ガスを成膜チャンバに供給し続けながら、基板温度を１分間ないし２分間かけて１，０００℃から７００℃に降温し、７００℃で５秒間から６０秒間維持する。次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＭｅＣｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ3 ガスだけを供給しながら室温に下げて、積層構造の形成を終了する。
【００３３】
形成したｐ型ＧａＮコンタクト層２８の最表面モフォロジをＡＦＭで観察したところ、深さの典型値が１〜２ｎｍである溝状凹部が表面全域に数十〜数百ｎｍ間隔で不規則な網目状に広がった構造になっていることが判った。
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）がＧａＮ結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していること、及び、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域の凹凸も、凹凸の高さの標準偏差（Ｒｍｓ）の値が、０．２５ｎｍより大きいことが確認できた。
【００３４】
次いで、従来の方法と同様にして、ストライプ状リッジ３０及びメサ３２を形成し、リッジ３０の両側面及びｐ−ＡｌＧａＩｎクラッド層２６の残り層上にＳｉＯ2 膜３４を成膜する。続いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層２８上にｐ側電極３６を、ｎ−ＧａＮコンタクト層１６上にｎ側電極３８を設ける。
これにより、動作電圧が低く、ｐ側電極３６の金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層との密着性及び固着性が向上してｐ側電極３６が剥がれ難いＧａＮ系半導体レーザ素子を製造することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の４つの要件のうちの少なくともいずれかが下地化合物半導体層上に存在する凹凸について満足されることより、金属膜と下地化合物半導体層との密着性が向上し、接触面積が著しく増大して、接触抵抗が大幅に減少し、また、金属膜が凹部に進入して金属膜と下地化合物半導体層とが強固に密着して固着されるので、金属膜が下地化合物半導体層から剥がれ難くなる。
（１）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さの凹部が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹部が表面全域に分散して存在していること。
（２）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していること。
（３）表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいこと。
（４）下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在していること。
【００３６】
本発明方法は、動作電圧が低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子を製造する方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極の金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【図２】ＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図３】従来のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極の金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。
【図４】従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の図４の線Ｂ−Ｂ′でのｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【図５】実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。
【図６】図５の線Ａ−Ａ′での実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【符号の説明】
１０……ＧａＮ系半導体レーザ素子、１２……サファイア基板、１４……ＧａＮ−ＥＬＯ構造層、１６……ｎ型ＧａＮコンタクト層、１８……ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０……ｎ型ＧａＮガイド層、２２……ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層、２４……ｐ型ＧａＮガイド層、２６……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２８……ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０……ストライプ状リッジ
３２……メサ、３４……ＳｉＯ2 膜、３６……ｐ側電極、３８……ｎ側電極、４０……溝状凹部、４２……凸部、４４……凹部、４６……凸部、４８……凹部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法に関し、更に詳細には動作電圧が低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ等のIII −Ｖ族窒化ガリウム系化合物半導体は、禁制帯幅が２．８〜６．８ｅＶにわたっているため、赤色から紫外領域での発光が可能な半導体発光素子の材料として注目されている。
そして、III −Ｖ族窒化ガリウム系化合物半導体を構成要素とする窒化ガリウム系半導体素子として、例えば青色や緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ) や、約４０５ｎｍの紫色領域で発振するＧａＮ系半導体レーザ素子などが、開発、実用化されている。
【０００３】
ここで、図２を参照して、ＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を説明する。図２はＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
ＧａＮ系半導体レーザ素子１０は、図２に示すように、サファイア基板１２と、サファイア基板１２上に横方向成長法により形成されたＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４と、ＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４上にＭＯＣＶＤ法により順次成長させた、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮガイド層２０、ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層２２、ｐ型ＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２８の積層構造とを備えている。
【０００４】
ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２６の上部層、及びｐ−ＧａＮコンタクト層２８は、ＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４の種結晶部と会合部との間に位置するストライプ状リッジ３０として形成されている。
更に、ｐ−ＡｌＧａＩｎクラッド層２６の残り層、ｐ−ＧａＮ光ガイド層２４、活性層２２、ｎ−ＧａＮ光ガイド層２０、ｎ−ＡｌＧａＩｎクラッド層１８、及びｎ−ＧａＮコンタクト層１６の上部層は、リッジ３０と平行なメサ３２として形成されている。
【０００５】
ｐ−ＧａＮコンタクト層２８上を開口して、リッジ３０の両側面及びｐ−ＡｌＧａＩｎクラッド層２６の残り層上には、ＳｉＯ2 膜３４が成膜されている。
ｐ−ＧａＮコンタクト層２８上には、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極３６が、また、ｎ−ＧａＮコンタクト層１６上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側電極３８が設けてある。
【０００６】
次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法を用いて上述の半導体レーザ素子１０を製造する従来の方法を説明する。
窒素源としてアンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのIII 族元素金属の原料として、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧ) 、トリメチルアルミニウウム（ＴＭＡ) 、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を使用する。
ドーパントはｎ型用にはＳｉ、ｐ型用にはＭｇであり、それぞれの原料としてモノシラン（ＳｉＨ4 ）とｂｉｓ−メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＭｅＣｐ2 Ｍｇ）を使用する。
尚、アンモニア原料、及びIII 族元素金属の原料等の原料は、上述のものに限られるものではない。
【０００７】
先ず、サファイア基板１２上に横方向成長法を適用してＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４を形成する。次いで、ＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮガイド層２０、及びＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層２２を順次成長させる。
更に、ｐ型ＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、及びｐ型ＧａＮ層２８を順次成長させる。
【０００８】
積層構造を形成するに当たり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させた後、ｐ型ＧａＮ層２８を成長させる際には、先ず、基板温度約１，０００℃でｐ型ＧａＮ層２８を成長させる。
次いで、ｐ型ＧａＮ層２８の成長が終了した時点で、ＴＭＧ及びＭｅＣｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ3 ガスだけを供給し続けながら基板温度を室温程度に下げて、積層構造の形成が終了する。
【０００９】
次いで、リッジ３０及びメサ３２を形成し、ＳｉＯ2 膜３４を成膜する。続いて、ＳｉＯ2 膜３４を開口してｐ側電極３６及びｎ側電極３８を形成する。
更に、劈開し、チップ化して、ＧａＮ系半導体レーザ素子１０を製造することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のＧａＮ系半導体レーザ素子には、動作電圧が高いという問題があって、例えば電流５０ｍＡ注入時に７．０Ｖ以上の動作電圧を必要とすることもあった。
動作電圧が高いと、消費電力を低減することが難しくなり、また信頼性の向上、或いは長寿命化を図る上でも制約となる。更には、電源の供給電圧に制約されて、小型化、軽量化が難しく、半導体レーザ素子を光源とする機器の携帯性を向上させることが難しくなる。
【００１１】
また、ＧａＮ系半導体レーザ素子では、しきい値電流を低下させ、注入電流対光出力の効率を高めるために、ｐ側電極としてｐ型コンタクト層上に例えば幅３μｍほどのストライプ状の電極を形成しているものの、ｐ側電極を構成する金属膜がｐ型コンタクト層から剥がれ易く、一旦剥がれが部分的にでも生じると、それがμｍオーダーの領域であっても、ｐ側電極とｐ型コンタクト層との接触抵抗が大幅に増加する。
更には、剥がれが生じた場合、電流注入の不均一による発光特性の低下や動作電圧上昇による消費電力の増大、極端な場合にはレーザ発振が停止することもある。これでは、ＧａＮ系半導体レーザ素子の信頼性を高めることが難しい。
【００１２】
以上の説明では、ＧａＮ系半導体レーザ素子を例に挙げて説明しているが、この問題は、発光ダイオード、電子デバイス等を含む窒化ガリウム系半導体素子全般に該当する問題である。
そこで、本発明の目的は、動作電圧が低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子及びその製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
ＧａＮ系半導体レーザ素子の動作電圧が高い原因の一つは、ｎ型化合物半導体層と比べてキャリア濃度や移動度が低く、抵抗値が高くなるｐ型化合物半導体層の特性に起因してｐ側電極の接触抵抗が高くなることである。
【００１４】
ｐ型半導体層の電気抵抗を減少させることは技術的に難しい。そこで、本発明者は、上述の課題を解決するために、ｐ型半導体層自体の電気抵抗を低減することに代わる解決案を探す過程で、ｐ側電極の金属膜の下地になるｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジ（凹凸の状況）を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察したところ、図３に示すように、表面にテラス型の平坦な面やステップ（段差）構造は存在するものの、表面が、比較的、平坦であることを見い出した。図３は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。尚、図３は写真を写した図であって、元の写真は参考写真（１）として別途特許庁に提出している。
更に、図３の線Ｂ−Ｂ′でｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面を調べると、図４に示すように、表面の凹凸が比較的少なく、ｎｍオーダーの凹部は存在せず、凹凸の段差は０．５ｎｍ程度であった。段差の数値０．５ｎｍは、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮの格子定数ｃに非常に近い値である。また、表面全域の凹凸（高さ）の標準偏差（Ｒｍｓ）は０．１８６ｎｍであった。図４は従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の図４の線Ｂ−Ｂ′でのｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【００１５】
上述のように、表面の凹凸が比較的乏しく、段差も低いと、ｐ側電極金属膜と下地膜との密着性が悪く、接触面積が小さくなり、固着性も悪くなる。
そこで、本発明者は、ｐ側電極金属膜の下地膜に凹凸を付けることを着想した。そして、本発明者は、下地膜を成長させた後の降温過程で、下地膜上に再エピタキシャル成長層を分散的かつミクロ的に設けることにより、下地膜上に凹凸が形成できることに注目し、次の実験を行った。
【００１６】
実験例
本実験例では、前述の半導体レーザ素子１０のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を成膜する際、従来と同様にして、基板温度約１，０００℃でＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、所定膜厚のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を形成した。
続いて、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ3 ガス及びＭｅＣｐ2 Ｍｇを導入しながら基板温度を約７００℃まで１分間ないし２分間かけて降温し、７００℃の温度を５秒間ないし６０秒間維持した。
次いで、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＭｅＣｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ3 ガスだけを導入しながら基板温度を室温にまで冷却した。
【００１７】
形成したｐ型ＧａＮコンタクト層２８の最表面モフォロジをＡＦＭで観察したところ、以下のことが判った。
（１）図５に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域に、ＧａＮ結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部４０が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在している。図５は実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。尚、図５は写真を写した図であって、元の写真は参考写真（２）として別途特許庁に提出している。
（２）ＡＦＭの測定結果から、図５のＡ−Ａ′で示した線の断面を描いたところ、図６に示すような断面形状を得た。図６は図５の線Ａ−Ａ′での実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
図６より、凹凸の段差の大きさ、つまり凹凸を構成する凸部４２の頂部と凸部４２に隣接する凹部４４の底部との高さの差（段差）の典型値が１〜２ｎｍであることが判った。ウルツ鉱型ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮの格子定数ｃは、それぞれ、約０．５１９ｎｍ、約０．４９８ｎｍ、及び約０．５７６ｎｍであるから、凹凸の段差は、それらの格子定数より明らかに大きな値である。
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸が幅方向の線上に２個以上位置するように、凹凸が表面全域に分散して存在している。
（３）１μｍ四方を走査して得られた測定結果を示している図５では、凹凸（高さ）の標準偏差（Ｒｍｓ）の値は０．４６６ｎｍであった。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域の走査（測定）したところ、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいことが判った。
【００１８】
以上の実験結果から、所定の膜厚のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を所定温度で成膜した後、所定温度から室温に降温する際の降温過程の条件を変えることにより、ＧａＮ結晶の格子定数より大きい段差を有する凹凸が表面全域に分散して形成されることを確認することができた。
また、表面に凹凸の有るｐ型ＧａＮコンタクト層２８にｐ側電極金属膜を形成したところ、金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８との密着性が向上し、接触面積が著しく増大することにより、接触抵抗が大幅に減少したこと、及び金属膜が凹部に進入して金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８とが強固に固着されるので、ｐ側電極金属膜がｐ型ＧａＮコンタクト層２８から剥がれるようなことが無くなったことを確認することができた。
【００１９】
上記目的を達成するために、以上の実験に基づいて、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さの凹部が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹部が表面全域に分散して存在していることを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していることを特徴としている。
【００２１】
また、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域に凹凸が分散して存在し、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいことを特徴としている。
【００２２】
更には、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子において、
下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域に、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い溝深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在していることを特徴としている。
【００２３】
本発明で、窒化ガリウム系化合物半導体とは、Ｖ族として窒素（Ｎ）を有し、組成がＡｌaＢbＧａcＩｎd ＮxＰyＡｓz（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＝１、０≦ａ、ｂ、ｃ、ｄ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ≦１、０≦ｙ、ｚ≦１）で表示される組成を有する化合物半導体である。
また、窒化ガリウム系半導体素子とは、少なくとも一部の化合物半導体層が窒化ガリウム系化合物半導体で形成されている、発光素子、受光素子、電子デバイス等を含む半導体素子である。
【００２４】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子では、以下の４つの要件のうちの少なくともいずれかが下地化合物半導体層上に存在する凹凸について満足されることより、金属膜と下地化合物半導体層との密着性が向上し、接触面積が著しく増大して、接触抵抗が大幅に減少し、また、金属膜が凹部に進入して金属膜と下地化合物半導体層とが強固に密着して固着されるので、金属膜が下地化合物半導体層から剥がれ難くなる。
（１）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さの凹部が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹部が表面全域に分散して存在していること。
（２）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していること。
（３）表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいこと。
（４）下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在していること。
【００２５】
本発明は、窒化ガリウム系半導体素子の構成を問わず、発光素子、受光素子、電子素子等に適用できるが、特に下地化合物半導体層がｐ型半導体層である半導体発光素子に好適に適用できる。抵抗が高いｐ型半導体層の抵抗を低減できるからである。
【００２６】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子の製造方法は、金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、下地化合物半導体層と言う）上に有する窒化ガリウム系半導体素子の製造方法において、下地化合物半導体層を成長させる際、
所定膜厚の下地化合物半導体層を第１の所定温度でエピタキシャル成長させた後、下地化合物半導体を成長させる原料ガスを成膜チャンバに導入し続けつつ第１の所定温度より低い第２の所定温度に降温するステップと、
第２の所定温度で所定時間維持するステップと、
次いで、窒素原料ガス以外の原料ガスの供給を停止し、窒素原料ガスを導入し続けつつ室温まで降温するステップと
を有することを特徴としている。
【００２７】
本発明方法では、第１の所定温度から第２の所定温度に降温するステップで、また、第２の所定温度に維持するステップで、下地窒化ガリウム系化合物半導体の原料ガスを成膜チャンバに導入することにより、窒化ガリウム系化合物半導体が下地化合物半導体層の表面全域に分散してミクロ的に成長し、下地化合物半導体層の表面に凹凸を形成する。
具体的には、下地窒化ガリウム系化合物半導体層をＧａＮで形成するときには、第１の所定温度が８００℃以上１０５０℃以下、第２の所定温度が４００℃以上８５０℃以下、所定時間が５秒以上６０秒以下である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
窒化ガリウム系化合物半導体の実施形態例
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子をＧａＮ系半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の幅１μｍの表層部の断面図である。
本実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面全域に凹凸部が分散して形成されていることを除いて、前述の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
【００２９】
ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面全域に形成された凹凸部は、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、図１に示すように、凹凸部又は凹部が幅方向の線上に２個以上位置するように、凹凸が表面全域に分散して存在し、かつ、凹凸を構成する凸部４６の頂部と凸部４６に隣接する凹部４８の底部との高さの差（段差）がＧａＮ結晶の格子定数より大きい。
また、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きい。更には、表面全域にＧａＮ結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在している。
【００３０】
本実施形態例では、凹凸の存在により、ｐ側電極３６の金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８との密着性が向上し、接触面積が著しく増大することにより、接触抵抗が大幅に減少し、加えて金属膜が凹部４８に進入して金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層２８とが強固に密着して固着されるので、金属膜がｐ型ＧａＮコンタクト層２８から剥がれるようなことが無くなる。
本実施形態例の半導体レーザ素子では、電流５０ｍＡ注入時の動作電圧が６．０Ｖ以下であって、従来のＧａＮ系半導体レーザ素子１０の動作電圧７．０Ｖに比べて１．０Ｖ以上低下している。
【００３１】
製造方法の実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を上述のＧａＮ系半導体レーザ素子の製造に適用した実施形態の一例である。
以下に図２を参照して、本実施形態例の窒化ガリウム系半導体素子の製造方法を説明する。
前述した従来の製造方法と同じ原料を使い、同様にして、図２に示すように、サファイア基板１２上に横方向成長法を適用してＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４を形成し、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ−ＥＬＯ構造層１４上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｎ型ＧａＮガイド層２０、及びＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる活性層２２を順次成長させる。
更に、ｐ型ＧａＮガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６及びｐ型ＧａＮ層２８を順次成長させる。
【００３２】
積層構造の形成で、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させた後、ｐ型ＧａＮ層２８を成長させる際には、先ず、基板温度約１，０００℃で所定膜厚のｐ型ＧａＮ層２８を成長させる。
次いで、本実施形態例では、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の成長を終了した時点で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＭｅＣｐ2 Ｍｇ、及びＮＨ3 ガスを成膜チャンバに供給し続けながら、基板温度を１分間ないし２分間かけて１，０００℃から７００℃に降温し、７００℃で５秒間から６０秒間維持する。次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＭｅＣｐ2 Ｍｇの供給を停止し、ＮＨ3 ガスだけを供給しながら室温に下げて、積層構造の形成を終了する。
【００３３】
形成したｐ型ＧａＮコンタクト層２８の最表面モフォロジをＡＦＭで観察したところ、深さの典型値が１〜２ｎｍである溝状凹部が表面全域に数十〜数百ｎｍ間隔で不規則な網目状に広がった構造になっていることが判った。
また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）がＧａＮ結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していること、及び、表面全域のいずれの１μｍ四方の領域の凹凸も、凹凸の高さの標準偏差（Ｒｍｓ）の値が、０．２５ｎｍより大きいことが確認できた。
【００３４】
次いで、従来の方法と同様にして、ストライプ状リッジ３０及びメサ３２を形成し、リッジ３０の両側面及びｐ−ＡｌＧａＩｎクラッド層２６の残り層上にＳｉＯ2 膜３４を成膜する。続いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層２８上にｐ側電極３６を、ｎ−ＧａＮコンタクト層１６上にｎ側電極３８を設ける。
これにより、動作電圧が低く、ｐ側電極３６の金属膜とｐ型ＧａＮコンタクト層との密着性及び固着性が向上してｐ側電極３６が剥がれ難いＧａＮ系半導体レーザ素子を製造することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の４つの要件のうちの少なくともいずれかが下地化合物半導体層上に存在する凹凸について満足されることより、金属膜と下地化合物半導体層との密着性が向上し、接触面積が著しく増大して、接触抵抗が大幅に減少し、また、金属膜が凹部に進入して金属膜と下地化合物半導体層とが強固に密着して固着されるので、金属膜が下地化合物半導体層から剥がれ難くなる。
（１）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さの凹部が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹部が表面全域に分散して存在していること。
（２）下地化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きな凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在していること。
（３）表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きいこと。
（４）下地化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より深い深さで、溝幅が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の溝状の凹部が、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在していること。
【００３６】
本発明方法は、動作電圧が低く、信頼性の高い窒化ガリウム系半導体素子を製造する方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極の金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【図２】ＧａＮ系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図３】従来のＧａＮ系半導体レーザ素子のｐ側電極の金属膜の下地膜であるｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。
【図４】従来のＧａＮ系半導体レーザ素子の図４の線Ｂ−Ｂ′でのｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【図５】実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の最表面モフォロジを示す図である。
【図６】図５の線Ａ−Ａ′での実験例のｐ型ＧａＮコンタクト層の表層部の断面図である。
【符号の説明】
１０……ＧａＮ系半導体レーザ素子、１２……サファイア基板、１４……ＧａＮ−ＥＬＯ構造層、１６……ｎ型ＧａＮコンタクト層、１８……ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、２０……ｎ型ＧａＮガイド層、２２……ＧａＩｎＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層、２４……ｐ型ＧａＮガイド層、２６……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２８……ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０……ストライプ状リッジ
３２……メサ、３４……ＳｉＯ2 膜、３６……ｐ側電極、３８……ｎ側電極、４０……溝状凹部、４２……凸部、４４……凹部、４６……凸部、４８……凹部。
Claims (9)
- 金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層上に有し、
前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域のいずれの１μｍ幅領域でも、凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きく、２．９ｎｍ以下の凹凸が幅方向の線上に２個以上存在するように、凹凸が表面全域に分散して存在している窒化ガリウム系半導体素子。 - 金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層上に有し、
前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域に凹凸が分散して存在し、前記凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きく、２．９ｎｍ以下であり、かつ前記表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する前記凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きい窒化ガリウム系半導体素子。 - 金属膜からなる電極を下地窒化ガリウム系化合物半導体層上に有し、
前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層の電極金属膜と接する表面全域に凹凸が分散して存在し、前記凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きく、２．９ｎｍ以下であり、前記凹凸を構成する凹部からなる溝が３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の幅及び５ｎｍ以上３００ｎｍ以下の間隔で不規則な網目状に延在している窒化ガリウム系半導体素子。 - 前記表面全域のいずれの１μｍ四方の領域に存在する前記凹凸も、凹凸のＲｍｓ（高さの標準偏差）が０．２５ｎｍより大きい請求項３に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
- 前記凹凸を構成する凸部の頂部と凸部に隣接する凹部の底部との高さの差（段差）が前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層を構成する結晶の格子定数より大きく、２ｎｍ以下である請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
- 前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層がｐ型半導体層である請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
- 前記窒化ガリウム系半導体素子が発光素子である請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
- 前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層の前記凹凸は前記下地窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた後の降温過程で形成されたものである請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の窒化ガリウム系半導体素子。
- 金属膜からなる電極を下地ＧａＮ層上に有する窒化ガリウム系半導体素子の製造方法において、
前記下地ＧａＮ層を成長させる際、
所定膜厚の前記下地ＧａＮ層を８００℃以上１０５０℃以下の第１の所定温度でエピタキシャル成長させた後、前記下地ＧａＮ層を成長させる原料ガスを成膜チャンバに導入し続けつつ前記第１の所定温度より低い４００℃以上８５０℃以下の第２の所定温度に降温するステップと、
前記第２の所定温度で５秒以上６０秒以下の所定時間維持するステップと、
次いで、窒素原料ガス以外の原料ガスの供給を停止し、窒素原料ガスを導入し続けつつ室温まで降温するステップと
を有することを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子の製造方法。
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