JP4337132B2 - 窒化物半導体基板及びそれを用いた窒化物半導体素子 - Google Patents

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）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）あるいは多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi-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。また、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。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】
結晶性の良い窒化物半導体を成長させる技術として、例えばオフアングルしたサファイア基板上に窒化物半導体を成長させる技術が示されている。（例えば、特開平４−２９９８７６、特開平４−３２３８８０、特開平５−５５６３１、特開平５−１９０９０３等）これらの技術は、連続的にオフアングルさせた基板を成長面とすることにより、ＧａＮとサファイアとの原子間距離を接近させた状態として、結晶性の良い窒化物半導体を得ようとするものであるが、未だ実用化には至っていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物半導体素子の出力、寿命等、数々の特性を向上させるためには、窒化物半導体と格子整合するＧａＮ基板を用いると、結晶欠陥が少なく、結晶性の良い窒化物半導体が成長できることは予測されているが、ＧａＮ基板が工業的に存在しないため、サファイア、ＺｎＯ、スピネル等の窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いて、出力、寿命等の向上が図られている。その中でサファイアが最も結晶性の良い窒化物半導体を成長できるため、実用化に至っているが、未だ窒化物半導体を成長させる基板としては満足できるものではなかった。本発明はこのような事情に鑑み成されたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体を成長させる基板を改良することによって窒化物半導体素子を長寿命、高効率、高出力、歩留まりの向上とすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
我々は基板上に窒化物半導体を成長させるにあたり、ステップ状にオフアングルした異種基板を用いることにより、得られるエピタキシャル成長層の表面が極めて平滑で、表面モフォロジーが良好な状態となることにより、素子の寿命を向上させ、閾値電流を低下させることを新規に見出し本発明を成すに至った。
すなわち、本発明の窒化物半導体素子は、０．０５°以上のオフ角でオフアングルする表面を有し、０．０５°以上のオフ角でオフアングルする研磨された裏面を有する、ことを特徴とする窒化物半導体基板である。このような窒化物半導体基板の表面に素子構造を積層し、裏面に電極を形成して、窒化物半導体素子とすることができる。ここで、素子構造として、たとえば、少なくともインジウムを含む窒化物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有するとすることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。図１は本発明の窒化物半導体素子に用いられる基板の断面を拡大して示す模式図である。本発明の窒化物半導体素子はこのようにステップ状にオフアングル（傾斜）した異種基板上に成長される。異種基板は窒化物半導体以外の材料であれば特に限定されるものではなく、従来知られている例えばサファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面を含む。）、スピネル、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈを含む。）、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ等が用いられる。
【０００８】
従来、オフアングルした異種基板、下地層などの表面の凹凸は、層を堆積するごとに引き継がれ、更には増大若しくは悪化する傾向にあった。このように、従来のオフアングルした異種基板若しくは、その上にバッファ層を設けるだけでは、窒化物半導体エピタキシャル成長層表面は、六角形状若しくは鱗模様のモフォロジーとなる傾向にあり、その凹凸は激しく、得られる素子はこれを跨るように形成されるため、活性層等が湾曲し、閾値電流が増大し、素子の歩留まりを悪化させ、更には得られる素子の寿命特性も悪化していた。しかし、本発明により形成される窒化物半導体基板の表面モフォロジーは、図２に模式的に示すように、ステップ状の段差が形成される。その特徴として、その段差の方向はオフアングルした異種基板のそれにほぼ平行であり、そのテラス部は極めて平坦で面積が大きいため、この平坦なテラス部では素子構造を堆積させるのに優れた状態を実現している。
【０００９】
本発明における第１の窒化物半導体層が図２に示すような表面モフォロジーとなるか定かではないが、異種基板のオフ角が０．０５°以下であると従来の六角形状若しくは鱗模様のモフォロジーとなり、更に異種基板上に成長させる第１の窒化物半導体層の膜厚を２０μｍ以上とすることで、表面にステップ状の段差が形成され、隣り合う段との間隔（テラス幅）が少なくとも取り出すチップの一辺の長さより広いテラス部を有する窒化物半導体基板が得られる。すなわち、この広いテラス部は、チップサイズで捉えたときその全ての領域において平坦であるため、各層を堆積して素子構造を形成することにより、信頼性の高い素子が得られる。つまり、チップサイズでは、極めて平坦で表面モフォロジーの良好な窒化物半導体基板が実現されている。ここで、チップサイズは特に限定されないが、現在窒化物半導体素子として報告されているチップサイズは、一辺が約３００以上１０００μｍ未満であり、本発明に用いられる窒化物半導体基板は、この大きさに十分対応するテラス部を有しており、その大きさとしては約数百〜数千μｍのオーダーである。
【００１０】
本発明において、素子に用いられる窒化物半導体基板の表面モフォロジーは、上述したことに加えて、窒化物半導体の成長方法及び条件等にも影響される。以下、それらについて詳しく説明する。
【００１１】
本発明において、ステップ状にオフアングルした異種基板は、図１に示すようにほぼ水平なテラス部分Ａと、段差部分Ｂとを有している。テラス部分Ａの表面凹凸は少なく、ほぼ規則正しく形成されている。なおオフ角θは誇張して図示しているが、成長面の水平面に対して、０．３°しか傾斜していない。このようなオフ角を有するステップ状部分は、基板全体に渡って連続して形成されていることが望ましいが、特に部分的に形成されていても良い。なおオフ角θとは、図１に示すように、複数の段差の底部を結んだ直線と、最上層のステップの水平面との角度を指すものとする。
【００１２】
このようなステップ状にオフアングルした異種基板上に窒化物半導体を成長させる。窒化物半導体の成長方法としては、例えばＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等の膜厚を厳密に制御できる成長法を用いると、数オングストローム〜数十オングストロームの膜厚の活性層を成長させて、量子構造を作製する場合に非常に有利である。また、その他にも窒化物半導体層を成長させる方法として一般的に知られている成長法を用いることができる。
【００１３】
本発明において、上述のオフアングルした異種基板の上に成長させる第１の窒化物半導体基板の表面モフォロジーは、上述したようにその条件により様々で定まらないが、オフ角及び第１の窒化物半導体の膜厚に主に依存する傾向にある。またそれに加えて、異種基板に施されたステップ状の段差（高さ）も表面モフォロジーに影響する傾向にある。具体的には、異種基板の段差（高さ）が１〜１０原子層の範囲であると、得られる窒化物半導体表面の段差（高さ）がほぼ一定に、ステップの間隔（ステップ幅）も一定になる傾向にある。
【００１４】
異種基板のオフ角は、上述したように０．０５°以上であれば窒化物半導体基板の表面モフォロジーは、そのほとんどが従来のような六角形状で激しい凹凸とはならず、ステップ状の段差を有するものとなる。好ましくは、０．３°以上とすることで、０．３°未満では僅かながら観られた六角形状の凹凸、すなわちステップ状の段差に六角形状の凹凸が混在するようなことがなくなり、基板表面の全域で、ステップ状の段差が形成される。上限は特に限定されないが、オフ角が大きくなるほどテラス幅が狭くなる傾向にあるため、オフ角が例えば数度以上と大きくなり過ぎると、素子構造の形成が困難になる。更に詳しくは、基板の種類、成長方法によって異なるため限定されないが、例として、サファイア（０００１）Ｃ面の場合には、好ましくは０．１°以上、更に好ましくは０．３〜０．５°の範囲であると、窒化物半導体層の表面がより平坦になり、テラス幅も広く形成され好ましい。
【００１５】
また、本発明において第１の窒化物半導体は、高温、具体的には９００℃〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で異種基板上に成長される。また、膜厚は少なくとも２０μｍ以上であれば、図２に示すようなステップ状の表面を有し、テラス部が形成される。更に好ましくは、５０μｍ以上の膜厚とすることで、テラス幅がより広く、具体的には素子チップの一辺の長さより十分に広く形成され、且つ基板全面に安定して形成され、更にそのテラス幅もほぼ一定に形成される傾向にある。またその結晶性も良好で、加えてこの膜厚以上であると厚くなるに従いテラス幅が広くなる傾向があるため好ましい。従って、本発明において、窒化物半導体基板を用いて安定して素子を製造するには、第１の窒化物半導体の膜厚を５０μｍ以上にすることが好ましい。
【００１６】
本発明の一実施態様として、この厚膜に成長させた第１の窒化物半導体基板をこれより下にある層若しくはこの窒化物半導体基板の一部並びに異種基板を除去して、所望の厚さの単体基板として取り出す場合には、成長させる第１の窒化物半導体の膜厚が少なくとも５０μｍ以上であれば、単体基板として取り扱うことも可能になる。更に好ましくは、機械的強度を確保するために、１００μｍ以上とすることで、製造工程における割れや欠けがほとんどなくなり、単体基板の取り扱いが容易になる。詳しくは、第１の窒化物半導体の膜厚が１００μｍ以上であると、その表面に形成されるテラス幅は、チップサイズにして２つ以上に相当し、数千μｍに達するものが形成される傾向にある。膜厚の上限としては、成長条件により異なるが２００μｍ以下であると、ウェーハの反り（異種基板を有する状態での反り）が防止でき、また安定して成長できるため好ましい。得られる窒化物半導体の単体基板としての膜厚は、特に限定されないが実用的にはだいたい１００μｍ程度あれば十分である。
【００１７】
このように、オフ角及び第１の窒化物半導体の膜厚、それに加えて異種基板の段差（高さ）を制御することで、極めて平坦で、数千μｍに及ぶ広いテラス部を有する窒化物半導体基板が実現でき、またこれを用いることで良好な素子が得られる。
【００１８】
本発明において第１の窒化物半導体は、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等があるが、好ましくはアンドープ（不純物をドープしない状態、ｕｎｄｏｐｅ）のＧａＮ、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またＳｉをドープしたＧａＮを用いることができる。なぜなら、アンドープのＧａＮであると結晶性が良好であるため安定して厚膜に成長させることができ、ｎ型不純物ドープＧａＮであると窒化物半導体基板を挟んで対向するように電極を形成する場合に、その製造において有利となるからである。ｎ型不純物としては、Ｓｉの他に、例えばＧｅ，Ｓ，Ｓｅ等がある。
【００１９】
本発明において第１の窒化物半導体層表面に形成されるステップ状の段差２２は、図２で示すように、ほぼ異種基板の段２３に沿って形成されるため、互いの段差方向はほぼ平行になる。ここで、段差方向とは、第１の窒化物半導体層表面に形成される段２２若しくは異種基板状の段２３に沿う方向で、図１において紙面に対し垂直な方向のことである。
【００２０】
上述したように、従来の表面に凹凸がある窒化物半導体層に、素子構造を堆積するとその凹凸は引き継がれ、取り出す素子で考えたとき、チップの領域内で活性層などが大きく湾曲される。このため、このような発光素子は、信頼性に乏しく、また閾値電流も大きくなる。本発明は、前述したテラス部を用いることで、このような従来の問題を解決することができる。ここで、図３は、本発明における第１の窒化物半導体層上に各層が積層する様子を、段差方向に垂直な断面で模式的に示すものである。この図で観るように、本発明において第１の窒化物半導体に素子構造となる各層を積層しても、ステップ状の段差等の表面形態がほぼ維持され、テラス幅、段差（高さ）等にも大きな変化はない。
【００２１】
そのため、本発明により得られる窒化物半導体素子がレーザ素子である場合には、段差方向と共振器方向がほぼ平行となるように素子構造を積層することで、良好なレーザ素子が得られる。すなわち、得られるレーザ素子は活性層が湾曲せず、閾値電流も低くなる。上述したように第１の窒化物半導体層表面の段差が、特定の方向に形成されるため、共振器方向と段差方向をほぼ平行（図３において紙面にほぼ垂直な方向）にすることは容易に実現できる。また、前述のテラス部に形成される素子に比べて数は少ないが、図３の斜線部で観るように前記段差を跨いで形成される素子もある。この時、段差方向と共振器方向がほぼ平行である場合とそうでない場合を比べると、平行でないときには導波路が前記段差を交差するように形成され段差部分で湾曲し、閾値電流が大幅に増大し素子の信頼性も大きく低下する。しかし、ほぼ平行な場合にはそれとは異なり、前記段差に平行に導波路があり、素子内においてこの幅数μｍの導波路領域が前記段差にかかりにくい。このことから、共振器方向と段差方向がほぼ平行であることにより、段差を跨いで形成された素子であっても、そのほとんどは段差の直上部と導波路領域が重ならず、このような素子はテラス部の素子と比べても、その信頼性及び閾値電流はほぼ同程度のものである。従って、共振器方向を第１の窒化物半導体層表面の段差方向にほぼ平行となるようにレーザ素子を形成することで、そうでないものに比べて、歩留まりの大幅な向上を可能にする。
【００２２】
また、オフアングルした異種基板の上に、バッファ層を設けることもできる。この時、バッファ層としては、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームで成長させてなるものである。このバッファ層は、異種基板と窒化物半導体層との格子定数差を緩和するために形成されるが、窒化物半導体の成長方法、基板の種類等によっては省略することも可能である。しかし、バッファ層を含む下地層を異種基板と第１の窒化物半導体層との間に設けることで、異種基板と窒化物半導体層との格子定数差を緩和して結晶欠陥の発生を防止できるため、厚膜で成長させる第１の窒化物半導体層の表面モフォロジーが良好になり、結果として得られる素子の信頼性が向上する。
【００２３】
また、下地層として上述したバッファ層に加えて、実施例４に示すような選択成長させた窒化物半導体層を設けることで、窒化物半導体層表面のモフォロジーはより良好なものとなる。この選択成長層は、異種基板、バッファ層、若しくは窒化物半導体層の表面上に、窒化物半導体が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を部分的に設けて、選択成長させることにより結晶欠陥の更に少ない窒化物半導体層が得られ、特に窒化物半導体層を安定して厚く成長させることができ、良好な表面モフォロジーの形成に寄与する。また、選択成長層を含む下地層を設けることで、第１の窒化物半導体を数十〜数百μｍの膜厚に成長させるために、例えば成長速度の大きいＨＶＰＥなどのように成長方法を変えるようなことがあっても、厚膜の窒化物半導体を良質に、安定して製造できる。
【００２４】
ここで、選択成長とは、異種基板、バッファ層、若しくは窒化物半導体層等の上に、保護膜を部分的に形成した後、窒化物半導体を成長させると、ある程度厚さ方向に成長した後、横方向の成長が起こり、成膜されることである。ここで、保護膜として、具体的には酸化ケイ素（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。保護膜の形成には、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成膜技術を用いられ、部分的（選択的）な形成には、フォトリソグラフィー技術を用いることができる。保護膜の形状は特に問うものではなく、例えばドット、ストライプ、碁盤面状の形状で形成できる。保護膜と窓部の表面積を調整する好ましい形態としては、保護膜をストライプ状とし、窓部の幅は例えば３μｍ以下に調整し、下限値は０．１μｍ以上にする。ストライプ状の保護膜の幅としては、例として５〜２０μｍである。この範囲であると結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が得られ好ましい。また、ストライプ状の保護膜の膜厚は、例えば０．１〜３μｍである。
【００２５】
【実施例】
［実施例１］
以下、実施例１について説明する。図４は本発明の成長方法により得られた窒化物半導体層を基板とするレーザ素子の構造を示す模式断面図である。
【００２６】
２インチφ、オフアングル角θ＝０．３°、ステップ段差（高さ）約１原子層、テラス幅Ｗ約４０オングストロームのステップを有し、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面として、段差の方向がこのオリフラ面に対して垂直な方向に設けてあるサファイア基板を用意し、ＭＯＶＰＥ法により窒化物半導体層を成長させる。先ず、図２に示すようにこのサファイア基板２０１を反応容器内にセットし、下地層として５００℃にてオフアングル面表面に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。次に、反応容器から取り出した基板を、ＨＶＰＥ装置にセットして、１０５０℃に加熱し、第１の窒化物半導体２０３としてＳｉを１×１０¹⁸/cm³ドープした膜厚１００μｍのＧａＮを成長させた。得られたＳｉドープＧａＮ（第１の窒化物半導体）の表面は、ステップ状の段が形成されており、段差方向は異種基板のそれにほぼ平行であった。この時、サファイア基板のオリフラ面（Ａ面）は、成長させたＳｉドープＧａＮ結晶のＭ面にほぼ対応しており、段差方向はこのオリフラ面にほぼ垂直に形成されているため、ＧａＮ結晶のＭ面にほぼ垂直な方向に形成されている。更にそのテラス部は平坦で、良好な表面モフォロジーを有しており、テラス幅はそのほとんどが約１mmを超えるものであった。得られたウェーハのサファイア基板、バッファ層を研磨、除去し、第１の窒化物半導体層５０３の表面を露出させ、厚さ約８０μｍの窒化物半導体層５０３のみにした。
【００２７】
次に、第１の窒化物半導体層５０３（ＳｉドープＧａＮ）を主面とするウェーハをＭＯＶＰＥ装置の反応容器内にセットし、この第１の窒化物半導体層５０３の異種基板等を除去して露出された面とは反対の面、すなわちステップ状の段差を有する面上に下記各層を形成する。この時、窒化物半導体の段差方向と共振器方向とが平行になるように、共振器方向をサファイア基板のオリフラ面（Ａ面）に垂直な方向、ＧａＮのＭ面に垂直に形成する。
【００２８】
（ｎ側クラッド層５０５）
次に、Ｓｉを１×１０¹⁹／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。
【００２９】
（ｎ側光ガイド層５０６）
続いて、Ｓｉを１×１０¹⁷／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層４４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００３０】
（活性層５０７）
次に、Ｓｉを１×１０¹⁷／cm³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、Ｓｉを１×１０¹⁷／cm³ドープの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５０７を成長させる。
【００３１】
（ｐ側キャップ層５０８）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層４７よりも大きく、かつ活性層５０７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５０８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
（ｐ側光ガイド層５０９）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層５０８より小さい、Ｍｇを１×１０¹⁸／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層５０９を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００３３】
（ｐ側クラッド層５１０）
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５１０を形成する。
【００３４】
（ｐ側コンタクト層５１１）
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５１１を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３５】
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型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４に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ型コンタクト層５１１と、ｐ型クラッド層５１０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した。この時、リッジは、得られる素子の共振器方向が、窒化物半導体基板の段差方向とほぼ平行となるようにする。このリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極５１４を形成する。次に、図４に示すようにｐ電極５１４を除くｐ側クラッド層５１０、コンタクト層５１１の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜５１２を形成し、この絶縁膜５１２を介してｐ電極５１４と電気的に接続したｐパッド電極５１３を形成する。
【００３６】
ｐ側電極形成後、窒化物半導体層５０３の素子構造が形成されていない表面全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極５１５を０．５μｍの膜厚で形成し、その上にヒートシンクとのメタライゼーション用にＡｕ／Ｓｎよりなる薄膜を形成する。
【００３７】
その後、ｎ電極側５１５からスクライブし、第１の窒化物半導体層５０３の（１１−００）Ｍ面で劈開し、共振面を作製した。共振面の両方あるいはどちらか一方にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して６５０μｍ角のレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、ｐパッド電極５１３をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度１．２ｋＡ／cm²、閾値電圧４．５Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、寿命特性も良好であった。
【００３８】
［実施例２］
比較のため、第１の窒化物半導体層表面の段差方向に垂直になるように共振器方向を設けること以外実施例１と同様にしてレーザ素子を作製した。得られたレーザ素子は、実施例１のそれに比べ、歩留まりが大幅に低下し、得られたレーザ素子の中には閾値電流が高いもの、寿命特性も低下したものがあり、素子特性にばらつきがあった。
【００３９】
［実施例３］
オフアングル角θ＝０．１°にする他は実施例１と同様にして、窒化物半導体単体基板を作製した。得られた窒化物半導体単体基板は、実施例１で得られたような第１の窒化物半導体表面のステップ状の段差が観られたが、一部は六角形状若しくは鱗模様の凹凸を有する表面モフォロジーであり、これらが基板上に混在していた。また、この単体基板を用いて実施例１と同様に作製したレーザ素子は、実施例１に比べて閾値電流が高くなり、またＶｆも高くなる傾向にあり、特に六角形状若しくは鱗模様の凹凸に形成されたものはその傾向が顕著であり、加えて素子の信頼性も低下した。
【００４０】
［比較例１］
更に、比較例として実施例２の第１の窒化物半導体層の膜厚を５μｍとして窒化物半導体基板を作製した場合、その表面モフォロジーは、実施例１乃至２の様なステップ状の段差が観察されず、ウェーハ全体にわたって小さな凹凸が無数に形成されていた。
【００４１】
［実施例４］
サファイア基板上の下地層として、バッファ層に加えて選択成長させた窒化物半導体層を設ける。この下地層は、バッファ層を成長させた後、バッファ層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１０μｍ、窓部８μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜を０．１μｍの膜厚で形成する。この時、ストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とした。保護膜３４形成後、ウェーハを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層を１００μｍの膜厚で成長させる。バッファ層と選択成長した窒化物半導体層からなる下地層を形成した後、実施例１と同様に、第１の窒化物半導体層５０３を形成し、単体基板として取り出し、素子構造を形成して窒化物半導体レーザ素子を作製した。得られたレーザ素子は、実施例１のそれに比べて、ウェーハ当たりの歩留まりが同等以上であり、また、窒化物半導体基板の表面のモフォロジーは、実施例１乃至２に比べてほぼ同程度に良好で、テラス幅も約９００μｍ以上とレーザ素子を取り出すのに十分であった。
【００４２】
［実施例５］
オフアングル角θ＝０．５°、ステップ段差（高さ）約２原子層のステップを有し、Ｃ面を主面とする２インチφのサファイア基板１を用意する。このサファイア基板上にＭＯＶＰＥ法を用いて、図５に示す窒化物半導体よりなるレーザ素子を作製する。
【００４３】
（ｎ側コンタクト層６０３）
前記サファイア基板６０１を反応容器内にセットし、５００℃にてオフアングル面表面に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℃にして第１の窒化物半導体としてＳｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層６０３を５０μｍの膜厚で成長させる。このｎ側コンタクト層６０３はＡｌ混晶比X値が０．５以下のＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．５）で成長させることが望ましい。なお図５においてバッファ層は特に図示していない。得られたＳｉドープＧａＮ層の表面は、テラス幅は平均して約７００μｍ以上と実施例１乃至３に比べて僅かながら狭いが素子の取り出しに十分なステップ状の段差を有しており、またテラス部は実施例１乃至３のそれと同程度に良好であった。
【００４４】
次に８００℃にして、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６０４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６０４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６０４は省略することもできる。
【００４５】
（ｎ側クラッド層６０５）
次に、１０５０℃にして、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６０５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、さらに超格子層を構成する窒化物半導体層において、バンドギャップエネルギーが大きい方の層に不純物を高濃度にドープする、又は、バンドギャップエネルギーが小さい方の層に不純物を高濃度にドープする、変調ドープを行うと閾値が低下する傾向にある。また、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。
【００４６】
（ｎ側光ガイド層６０６）
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６０６を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層６０６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６０６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。
【００４７】
（活性層６０７）
次に、８００℃で、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６０７を成長させる。
【００４８】
（ｐ側キャップ層６０８）
次に、１０５０℃でバンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層６０９よりも大きく、かつ活性層６０７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６０８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７はｐ型不純物をドープした層としたが、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６０８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６０８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６０８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。
【００４９】
（ｐ側光ガイド層６０９）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層６０８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６０９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５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９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。
【００５０】
（ｐ側クラッド層６１０）
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１×１０¹⁹／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６１０を成長させる。この層はｎ側クラッド層６０５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６１０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。またｎ側クラッド層６０５のようにｐ型不純物を変調ドープすると、閾値が低下しやすい傾向にある。
【００５１】
超格子層は、少なくともｐ側層にあることが好ましく、ｐ側層に超格子層があるとより閾値が低下し好ましい。
【００５２】
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。
【００５３】
（ｐ側コンタクト層６１１）
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６１１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。
【００５４】
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２に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層６１１と、ｐ側クラッド層６１０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。この時、リッジは、得られる素子の共振器方向が第１の窒化物半導体（ｎ側コンタクト層６０３）表面の段差方向に平行となるよう形成される。
【００５５】
リッジ形成後、図２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６１０をエッチングして、ｎ電極６１５を形成すべきｎ側コンタクト層６０３の表面を露出させる。
【００５６】
次にリッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極６１４を形成する。次に、図２に示すようにｐ電極６１４を除くｐ側クラッド層６１０、ｐ側コンタクト層６１１の表面にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜６１３を形成し、この絶縁膜６１３を介してｐ電極６１４と電気的に接続したｐパッド電極６１２を形成する。一方先ほど露出させたｎ側コンタクト層６０３の表面にはＷとＡｌよりなるｎ電極６１５を形成する。
【００５７】
電極形成後、ウェーハのサファイア基板の裏面を研磨して５０μｍ程度の厚さにした後、サファイアのＭ面でウェーハを劈開して、その劈開面を共振面としたバーを作製する。一方、ストライプ状の電極と平行な位置でバーをスクライブでチップを分離してレーザ素子を作製する。そのレーザ素子形状が図５である。なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、実施例１乃至２とほぼ同程度の閾値電流密度であり、素子の歩留まりはテラス幅が狭くなったことにより低下している。しかし、実施例３のようにオフ角が０．３°未満のもののように六角形状の凹凸が混在するようなことはなく、またサファイアＣ面ジャストの基板面に成長させたレーザ素子に比較して、歩留まりが向上し、閾値電流密度が低下し、素子寿命も大幅に向上した。
【００５８】
［実施例６］
サファイア基板のオフアングル角がθ＝０．６°であることを除いて、実施例５と同様にして、窒化物半導体単体基板、レーザ素子を作製した。得られた単体基板の表面は、テラス部における実施例１の平坦さに比べて、多少凹凸が目立ち、またテラス幅も狭くなる傾向にあり、得られたレーザ素子の閾値電流も実施例１のそれに比べて、少し高くなっており、素子信頼性も僅かに劣っていた。
【００５９】
［実施例７］
図６は本発明の成長方法により得られた窒化物半導体層を基板とする一ＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。以下、図６を元に実施例７について説明する。
【００６０】
サファイア基板のオフアングル角がθ＝０．７°であることを除いて実施例４と同様にして、窒化物半導体単体基板７０３（ＳｉドープＧａＮ）を作製した。この単体基板の表面は、段差が形成されているが実施例４に比べてテラス部の平坦性が僅かに悪化しており、また実施例６に比べても凹凸が目立ち、テラス幅も狭くなっていた。このウェーハをＭＯＶＰＥ装置の反応容器内にセットし、異種基板等を除去して露出した面とは反対の面（ステップ状の段差を有する面）上に、１０５０℃でＳｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなる第２のバッファ層７０２を成長させる。この第２のバッファ層７０２は通常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、先の基板との格子不整合を緩和するための低温で成長させるバッファ層とは区別される。
【００６１】
さらに、第２のバッファ層７０２の上に膜厚２０オングストローム、単一量子井戸構造のＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる活性層７０７、膜厚０．３μｍのＭｇドープＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなるｐ側クラッド層７１０、膜厚０．５μｍのＭｇドープＧａＮよりなるｐ側コンタクト層７１１を順に成長させる。
【００６２】
素子構造となる第２のバッファ層７０２〜ｐ側コンタクト層７１１成長後、ウェーハを反応容器から取出し、窒素雰囲気中で６００℃アニーリングして、ｐ側クラッド層７１０、ｐ側コンタクト層７１１を低抵抗にする。その後、ｐ側コンタクト層７１１側からエッチングを行い、第１の窒化物半導体層７０３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。
【００６３】
エッチング後、ｐ側コンタクト層７１１の表面のほぼ全面にＮｉ／Ａｕよりなる透光性のｐ電極７１４を２００オングストロームの膜厚で形成し、そのｐ電極７１４の上に、ボンディング用のパッド電極７１２を０．５μｍの膜厚で形成する。
【００６４】
ｐ側の電極形成後、サファイア基板等を除去して露出した第１の窒化物半導体層７０３の表面全面に、ｎ電極７１５を０．５μｍの膜厚で形成する。
【００６５】
その後、ｎ電極側からスクライブし、第１の窒化物半導体層３のＭ面（１０１−０）と、そのＭ面に垂直な面で劈開し、３００μｍ角のＬＥＤチップを得る。このＬＥＤは２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの緑色発光を示し、オフアングル角が０．０５〜０．３°の範囲若しくはそれ以下又はオフアングルを設けていないサファイア基板上に成長されて得られる窒化物半導体素子構造に比較して、閾値電流は低くなり、Ｖｆも良好になり、非常に優れた特性を示した。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体素子は、従来の異種基板上に成長させた窒化物半導体層の表面モフォロジーに比べ、大面積で極めて平坦なテラス部を有する窒化物半導体基板を用いることで、素子耐久性に優れ、閾値電流も低くなり、また形成される段差と共振器の方向をほぼ平行にすることで、得られるレーザ素子の歩留まりも良好になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の窒化物半導体素子に用いられる基板の一部を拡大して示す模式断面図。
【図２】本発明の方法による基板を用いた窒化物半導体ＬＤ素子の一構造を示す模式断面図。
【図３】本発明における窒化物半導体基板に各層が堆積する様子を示す模式断面図。
【図４】本発明の一実施例に係る窒化物半導体レーザ素子を示す模式断面図。
【図５】本発明の一実施例に係る窒化物半導体レーザ素子の構造を説明する斜視図。
【図６】本発明の一実施例に係る窒化物半導体ＬＥＤ素子を示す模式断面図。
【符号の説明】
２１・・・・テラス
２２・・・・段差（段）
２３・・・・異種基板に設けられた段差（段）
２０１，４０１，６０１，７０１・・・・異種基板
７０２・・・・第２のバッファ層
２０３，５０３，６０３（ｎ側コンタクト層），７０３・・・・第１の窒化物半導体（窒化物半導体基板）
６０４・・・・クラック防止層
５０５，６０５・・・・ｎ側クラッド層
５０６，６０６・・・・ｎ側光ガイド層
５０７，６０７，７０７・・・・活性層
５０８，６０８・・・・キャップ層
５０９，６０９・・・・ｐ側光ガイド層
５１０，６１０，７１０・・・・ｐ側クラッド層
５１１，６１１，７１１・・・・ｐ側コンタクト層
５１２，６１２，７１２・・・・ｐパッド電極
５１３，６１３・・・・絶縁膜
５１４，６１４，７１４・・・・ｐ電極
５１５，６１５，７１５・・・・ｎ電極

Claims (3)

1. ０．０５°以上のオフ角でオフアングルする表面を有し、
   ０．０５°以上のオフ角でオフアングルする研磨された裏面を有する、
   ことを特徴とする窒化物半導体基板。
2. 請求項１に記載の窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板の表面に積層された素子構造と、
   前記窒化物半導体基板の裏面に形成された電極と、
   を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
3. 前記素子構造として、少なくともインジウムを含む窒化物半導体層からなる量子井戸構造の活性層を有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体素子。

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