JP4524997B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は基板となり得るような結晶欠陥の少ない窒化物半導体（Ｉｎ _X Ａｌ _Y Ｇａ _1-X-Y Ｎ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料と知られている窒化物半導体は、サファイア基板上に格子不整合の状態で成長されている。格子不整合で半導体材料を成長させると、半導体中に結晶欠陥が発生し、その結晶欠陥が半導体デバイスの寿命に大きく影響することは知られている。窒化物半導体の場合、結晶欠陥として非常に多い貫通転位がある。しかし、窒化物半導体ＬＥＤ素子の場合、その貫通転位が例えば１０ ¹⁰ ／cm ² 以上と多いにも関わらず、その寿命にはほとんど影響しない。これは窒化物半導体が他の半導体材料と異なり、非常に劣化に強いことを示している。
【０００３】
一方、窒化物半導体レーザ素子では、ＬＥＤと同様にサファイア基板の上に成長されるが、サファイアの上に例えばＬＥＤと同じようにバッファ層を介して素子構造となる窒化物半導体を積層すると結晶欠陥はＬＥＤと同じである。しかし、レーザ素子の場合は、ＬＥＤに比較して電流密度が１〜２桁も大きいので、結晶欠陥がＬＥＤと異なり直接寿命に影響する傾向にある。レーザ素子のような極微小な領域に電流を集中させるデバイスでは、半導体中の結晶欠陥を少なくすることが非常に重要である。
【０００４】
そこで、例えばサファイアのような窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体基板となるような結晶欠陥の少ない窒化物半導体を成長させる試みが、最近盛んに行われるようになった（例えば、Proceedings of The Second International Conference on Nitride Semiconductors-ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P492-493、同じくICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P500-501)。これらの技術は、サファイア基板上に、従来の結晶欠陥が非常に多いＧａＮ層を薄く成長させ、その上にＳｉＯ ₂ よりなる保護膜を部分的に形成し、その保護膜の上からハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により、再度ＧａＮ層を横方向に成長させる技術である。この方法は窒化物半導体を保護膜上で横方向に成長させることから、一般にラテラルオーバーグロウス（lateral over growth:ＬＯＧ）と呼ばれている。
【０００５】
また、我々はＬＯＧにより作製した窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した。（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の窒化物半導体の成長方法によると、確かに異種基板上に直接成長させた窒化物半導体よりも、結晶欠陥の数は減少する。これはラテラルグロウスによって、結晶欠陥の転位を減少させることができる。
【０００７】
しかしながら、従来の成長方法では、未だ窒化物半導体表面に現れている結晶欠陥の数は多く未だ十分満足できるものではなかった。また窒化物半導体素子についても、結晶欠陥が未だ偏在するため、信頼性も十分とは言えない。そのため一枚のウェーハからレーザ素子を多数作製しても、満足できる寿命を有しているものはわずかしか得られない。寿命に優れた素子を作製するためには、窒化物半導体表面に現れた結晶欠陥の数をさらに減少させる必要がある。従って、本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、窒化物半導体基板となり得るような、さらに結晶欠陥の少ない窒化物半導体の成長方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明における窒化物半導体素子は、窒化物半導体基板上に活性層を備えた窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体基板は、第１の窒化物半導体層上に、部分的に保護膜を形成し、保護膜の開口部に第２の窒化物半導体層を三角形状で成長させたものであって、該第２の窒化物半導体層における断面ＴＥＭで観察したときの結晶欠陥密度が１×１０^８個／ｃｍ^２以下であり、前記第２の窒化物半導体層が保護膜上において繋がる前に、その上にＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）よりなる層が形成され、その上にＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦ｘ≦０．４）層が形成されていることを特徴とする。前記基板の結晶欠陥は、偏在していることが好ましい。前記基板は、横方向成長させたＧａＮであることが好ましい。前記基板の結晶欠陥密度は１×１０^６個／ｃｍ^２以下であることが好ましい。前記基板は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に窒化物半導体層を形成していることが好ましい。前記基板は、第１の窒化物半導体層、当該第１の窒化物半導体層の上に部分的に形成された保護膜、さらに該保護膜上に形成されたラテラルグロウス層から成ることが好ましい。前記Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）層を以下に第３の窒化物半導体層と示す。本発明の窒化物半導体基板上に活性層を備えた窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子の成長方法は３つの態様からなり、その第１の態様は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に第１の窒化物半導体層、第１の窒化物半導体層の上に部分的に保護膜を形成し、その保護膜の上に、第１の窒化物半導体層よりも結晶欠陥が少ないラテラルグロウス層を成長させる窒化物半導体の成長方法において、前記第１の窒化物半導体層と保護膜との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる第３の窒化物半導体層を形成することを特徴とする。なお異種基板と第１の窒化物半導体とは直接接していなくても良く、また第３の窒化物半導体層と保護膜とは直接接していなくても良い。また第１の窒化物半導体層は複数の層からなっていても良い。第３の窒化物半導体層は、Ｉｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a＜１）層を成長させることが望ましく、例えばその膜厚は１０オングストローム以上、好ましくは５０オングストローム以上で成長させる。１０オングストロームよりも薄いと、結晶欠陥を止めるのが不十分な傾向にある。また膜厚の上限は特に限定するものではないが３μｍ以下に調整することが望ましい。３μｍを超えると良質の結晶を成長させるのが難しい傾向にある。但し、第１の窒化物半導体層よりも第３の窒化物半導体層を薄膜で成長させる方が結晶欠陥が少ないラテラルグロウス層３が得られる傾向にある。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記第１の窒化物半導体層がＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．４）よりなり、前記第３の窒化物半導体層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）よりなることを特徴とする。このＡｌの混晶比は０．４以下に調整することにより、次に成長させるＩｎを含む窒化物半導体を成長させるための結晶性の良い下地層となる。０．４を超えると下地層自体にクラックが入りやすくなる傾向にあり、ＩｎＧａＮを成長させにくくなる。最も好ましいこの下地層としてはＧａＮを成長させる。またこのＡｌ_XＧａ_1-XＮ層は例えば異種基板の上に４００℃〜９００℃の範囲で成長された、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の低温成長バッファ層の上に成長されていても良い。特に、第３の窒化物半導体はＩｎ _a Ｇａ _1-a Ｎ（０＜a≦０．５）とすると結晶性の良い層が得られ効果的に結晶欠陥を第３の窒化物半導体で止めることができる傾向にある。
【００１０】
また本発明の第２の態様は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に成長された第１の窒化物半導体層の上に部分的に保護膜を形成し、その保護膜の上に、第１の窒化物半導体層よりも結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体の成長方法において、前記第２の窒化物半導体層中に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる第４の窒化物半導体層を少なくとも一層介在させることを特徴とする。この第４の窒化物半導体層は第１の態様と同じく、Ｉｎ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）を成長させることが望ましく、例えばその膜厚は１０オングストローム以上、好ましくは５０オングストローム以上で成長させる。膜厚の上限は特に限定しないが３μｍ以下に調整することが望ましい。なお、本発明の第１の態様、第２の態様において、ＩｎＧａＮの膜厚は必ずしも必須要件ではない。
【００１１】
本発明の第２の態様では、前記第４の窒化物半導体層は、Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層と、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）層との間に挟まれていることを特徴とする。このＡｌ混晶比は０．４以下に調整することにより、第１の態様と同じく、次に成長させるＩｎを含む第４の窒化物半導体を成長させるための結晶性の良い下地層となる。０．４を超えると下地層自体にクラックが入りやすくなる傾向にあり、ＩｎＧａＮを成長させにくくなる。このＩｎＧａＮを挟むＡｌ_YＧａ_1-YＮ層、及びＡｌ_ZＧａ_1-ZＮは最も好ましくはＧａＮとする。
【００１２】
また本発明の第２の態様と第１の態様とを組み合わせることもできる。即ち、第３の態様は、第１の窒化物半導体層と保護膜との間に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる第３の窒化物半導体層を形成し、さらに前記第２の窒化物半導体層中に、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる第４の窒化物半導体層を少なくとも一層介在させることを特徴とする。
【００１３】
なお、本発明の第３の態様においても、前記第１の窒化物半導体層がＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．４）よりなり、前記第３の窒化物半導体層がＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜a≦０．５）であり、かつ前記第４の窒化物半導体層は、Ａｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層と、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）層との間に挟まれているようにすると好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の成長方法の第１の態様において得られる窒化物半導体層の結晶構造を示す模式的な断面図であり、１は例えばサファイアよりなる異種基板、２は異種基板上に成長されて、結晶欠陥が層内ほぼ均一にある第１の窒化物半導体層、３は結晶欠陥が第１の窒化物半導体層よりも少ない第２の窒化物半導体層、４はＩｎを含む第３の窒化物半導体層、５は窒化物半導体層の上に部分的に形成される保護膜を示している。以下、これらの図を元に本発明の窒化物半導体の成長方法の作用を従来の方法と比較しながら説明する。
【００１５】
異種基板１の上に成長した第１の窒化物半導体層２は、その層内においてほぼ均一に結晶欠陥を有している。第１の窒化物半導体層２は、例えば第１の窒化物半導体よりも低温で成長させるＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ等のバッファ層（図示せず。）の上に成長されることが多い。本発明の方法では、保護膜が直接接している第３の窒化物半導体層４をＩｎを含む窒化物半導体、好ましくは３元混晶のＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）とすることにより、第１の窒化物半導体層の上に成長させる第２の窒化物半導体層３の結晶欠陥を従来よりも少なくすることができる。また第１の窒化物半導体層及び第３の窒化物半導体層を同一組成のＩｎＧａＮとすることもできるが、同一組成のＩｎ_aＧａ_1-aＮとする場合、そのａ値は０＜a≦０．１の範囲に調整することが望ましい。０．１を超えると結晶性が悪く、結晶欠陥が多くなり、その上に成長させる第２の窒化物半導体層の結晶欠陥が多くなる傾向にある。
【００１６】
好ましくは、図１に示すように、第１の窒化物半導体層２をＩｎを含まない窒化物半導体、好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．４）、さらに好ましくはＧａＮとし、その上にＩｎを含む第３の窒化物半導体４、好ましくはＩｎ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ＜１）、さらに好ましくは（０＜ａ≦０．５）を成長させる。なお第１の第３の窒化物半導体が同一組成である場合に比べて、第３の窒化物半導体層のＩｎ組成比が多くても良いのは次の通りである。即ちＩｎ_aＧａ_1-aＮは基板の上にバッファ層を介して直接成長させる窒化物半導体ではなく、Ａｌ混晶比の少ないＡｌＧａＮ、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２の上に成長される層であるため結晶性がよい。そのためＩｎ_bＧａ_1-bＮのＩｎ組成比を大きくすることができる。また、第１の窒化物半導体層は、例えばＧａＮとＩｎＧａＮとを積層した多層膜、例えば膜厚１００オングストローム以下の窒化物半導体を交互に積層した超格子層としても良い。多層膜とする場合、最終的に保護膜と接する側の窒化物半導体層をＩｎＧａＮとすると、そのＩｎＧａＮ層が本発明の第２の窒化物半導体層に該当する。
【００１７】
図１に示す細線は異種基板と窒化物半導体との格子不整合により起因する結晶欠陥が窒化物半導体層中を伝搬する様子を模式的に示している。Ｉｎを含む窒化物半導体は、Ｉｎを含まない窒化物半導体に比べて結晶自体が柔らかいので、この層で、結晶欠陥が止まりやすい傾向にある。そのため、まずＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２を成長させ、その上にＩｎＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層４を成長させてやることにより、第１の窒化物半導体層２より発生した結晶欠陥を第３の窒化物半導体層４によって止める。従って、その第３の窒化物半導体層４、及び保護膜の上に第２の窒化物半導体を成長させても、元の結晶欠陥が止められているので、第２の窒化物半導体に伝搬し、表出してくる結晶欠陥は少なくなる。
【００１８】
図２は本発明の方法の第２の態様を示す窒化物半導体ウェーハの模式的な断面図であり、図１と同じく細線は結晶欠陥を示し、同一符号は同一部材を示しているが４’は第４の窒化物半導体を示す。第２の態様も第１の態様と同じく、第２の窒化物半導体層成長中にＩｎ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ＜１）、さらに好ましくはＩｎ_bＧａ_1-bＮ（０＜ｂ≦０．５）よりなる第４の窒化物半導体層４’を成長させることにより、結晶欠陥をその第４の窒化物半導体層４’で止め、その第４の窒化物半導体層４’上に成長させる第２の窒化物半導体層３’の結晶欠陥を少なくすることができる。
【００１９】
さらに、第２の窒化物半導体層３はＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０≦Y≦０．４）層、好ましくはＧａＮを成長させ、その上にＩｎＧａＮ層４を成長させ、その上にＡｌ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦０．４）層３’、好ましくはＧａＮを成長させることが、表出する結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導体層３’を得る上で非常に好ましい。
【００２０】
図３は第２の態様において第４の窒化物半導体層４’を介在させる位置を示す断面図である。図２では最初の第２の窒化物半導体層３が平面状になった後にＩｎＧａＮ層４をその上に成長させているが、図３では第２の窒化物半導体層が平面上を呈していないうちから第４の窒化物半導体層４’をその上に成長させている。保護膜を介して結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導体を成長させる場合、保護膜が形成されていない部分（窓部）からまず第２の窒化物半導体が成長し始め、それが横方向に成長する。その成長過程において、第２の窒化物半導体は、図３に示すように最初、三角形状若しくは柱状の形状で成長し、それらが保護膜上で繋がる。本発明ではその第２の窒化物半導体３が保護膜上において横方向に成長して繋がる前に第４の窒化物半導体層４’を成長させても、十分その効果が得られる。
【００２１】
図４は従来の窒化物半導体の成長方法による窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式断面図である。従来方法の成長方法では、第２の窒化物半導体３の成長初期には窓部から多くの結晶欠陥が転位するが、第２の窒化物半導体３成長中、かなり多くの結晶欠陥の転位が中断するものの、第２の窒化物半導体３の表面まで転位し続ける結晶欠陥が存在し、一方、保護膜の上部では縦方向に転位する結晶欠陥がほとんど見られない。このような従来の成長方法により得られる窒化物半導体は結晶欠陥の数を減少させることができるが、素子の信頼性をより高めるには更なる結晶欠陥の低下が望まれる。更にまた、第２の窒化物半導体の成長の途中で転位が中断した結晶欠陥が、素子を動作中に再転位する恐れも考えられ、結晶欠陥の再転位により素子の寿命が短くなる可能性がある。
【００２２】
本発明では、第２の窒化物半導体層成長中、若しくは成長前に、第１の窒化物半導体と異なる組成を有する窒化物半導体、即ちＩｎＧａＮを成長させることにより結晶欠陥の転位を止め、第２の窒化物半導体の成長初期に窓部から転位する結晶欠陥の数、及び窓部上部の第２の窒化物半導体層の表面に現れる結晶欠陥の数を少なくすることができ、更に素子の動作中の再転位の防止を可能にするものである。本発明の成長方法により得られる第２の窒化物半導体層は、結晶欠陥の非常に少ない、良好な窒化物半導体基板となりうる。このようにして第２の窒化物半導体を成長することにより、第２の窒化物半導体層表面に現れる平均的な結晶欠陥の数は、断面ＴＥＭで観察すると、１×１０⁸個／cm²以下、さらには１×１０⁶個／cm²以下にすることができる。
【００２３】
【実施例】
［実施例１］
図５は本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す模式的な斜視図であり、リッジストライプに垂直な方向で切断した際の断面も同時に示している。以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００２４】
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、キャリアガスに水素、反応ガスにＴＭＧ、及びアンモニアを用い、ＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２を５μｍの膜厚で成長させる。基板はサファイアの他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることができる。第１の窒化物半導体層２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。
【００２５】
（第３の窒化物半導体層４）
次に温度を８００℃にして、反応ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ、及びアンモニアを用い、第１の窒化物半導体層２の上にＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第３の窒化物半導体層４を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００２６】
第３の窒化物半導体層４成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この第３の窒化物半導体層４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１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜５を１μｍの膜厚で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、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の窒化物半導体層３が成長しやすい。保護膜の材料としては、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、若しくは成長しにくい性質を有している。
【００２７】
（第２の窒化物半導体層３）
保護膜３形成後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層４を１０μｍの膜厚で成長させる。この第２の窒化物半導体層は、保護膜５及び、第３の窒化物半導体層４の上に連続して形成される。この第２の窒化物半導体層３はハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて成長させることもできるが、ＭＯＶＰＥ法による方が結晶性の良いものが得られやすい。また、この第２の窒化物半導体層にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてキャリア濃度を適当な範囲に調整してもよい。
【００２８】
（ｎ側バッファ層１１＝兼ｎ側コンタクト層）
アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、第２の窒化物半導体層３の上にＳｉを３×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ層１１を４μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層は、図５のような構造の発光素子を作製した場合にはｎ電極を形成するためのコンタクト層としても作用する。また第２の窒化物半導体層を７０μｍ以上の厚膜で成長させて、保護膜、異種基板を除去し、第２の窒化物半導体層に電極を設ける場合には、省略することもできる。このｎ側バッファ層は高温で成長させるバッファ層であり、例えばサファイア、ＳｉＣ、スピネルのように窒化物半導体体と異なる材料よりなる基板の上に、９００℃以下の低温において、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、０．５μｍ以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。
【００２９】
（クラック防止層１２）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラック防止層１２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。クラック防止層は少なくともインジウムを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜０．５）を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることにより、その上に成長させるＡｌを含む窒化物半導体にクラックが入るのを防ぐことができる。
【００３０】
（ｎ側クラッド層１３＝超格子層）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第１の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止め、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１２を成長させる。バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。
【００３１】
（ｎ側光ガイド層１４）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１４を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、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。またこの層をアンドープの超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には超格子を構成するバンドギャップエネルギーの大きい方の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは活性層の井戸層よりも大きく、ｎ側クラッド層のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりも小さくする。
【００３２】
（活性層１５）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い活性層１４を成長させる。活性層は温度を８００℃に保持して、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、アンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。井戸層と障壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４４０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。
【００３３】
（ｐ側キャップ層１６）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光ガイド層１７よりもバンドギャップエネルギーが大きい、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１６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層１６は０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。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。
【００３４】
（ｐ側光ガイド層１７）
続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１６よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１７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型光ガイド層１４と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。なお、このｐ側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体、若しくはｐ型不純物をドープした窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネルギーの大きな方の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは、活性層の井戸層より大きく、ｐ側クラッド層のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりも小さくすることが望ましい。
【００３５】
（ｐ側クラッド層１８）
続いて、１０５０℃でＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第３の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、アンドープＧａＮよりなる第４の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１８を成長させる。この層もｎ側クラッド層１３と同じくバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。
【００３６】
（ｐ側コンタクト層１９）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１８の上に、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１８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１９はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。またｐ型Ａｌ_YＧａ_1-YＮを含む超格子構造のｐ側クラッド層１７に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層として、その膜厚を５００オングストローム以下と薄くしているために、実質的にｐ側コンタクト層１８のキャリア濃度が高くなりｐ電極と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低下する。
【００３７】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させる。
【００３８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図７に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層１８と、ｐ側クラッド層１７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。結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層３上に導波路領域を形成すると、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなくなる傾向にあるため、素子の寿命を長寿命とすることができ、信頼性が向上する。
【００３９】
次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側バッファ層１１の表面を露出させる。露出させたこのｎ側バッファ層１１はｎ電極２３を形成するためのコンタクト層としても作用する。
【００４０】
次にｐ側コンタクト層１９のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成する。ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られるｐ電極２０の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００４１】
一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を先ほど露出させたｎ側バッファ層１１の表面にストライプ状に形成する。ｎ側バッファ層１１、またはＧａＮ基板１０と好ましいオーミックが得られるｎ電極２２の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましい。
【００４２】
次に、図１に示すようにｐ電極２０と、ｎ電極２２との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜２３を形成し、この絶縁膜２３を介してｐ電極２０と電気的に接続したｐパッド電極２１を形成する。このｐパッド電極２１は実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにしている。
【００４３】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを７０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とし、Ａｕ／Ｓｎで全面をメタライズする。
【００４４】
その後、Ａｕ／Ｓｎ側をスクライブして、ストライプ状の電極に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。共振器面に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、それぞれの電極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、１万時間以上の寿命を示した。さらに同一ウェーハから、５００個のレーザ素子を無作為に抽出し、レーザ素子の寿命を測定したところ７０％以上が１万時間以上の寿命を示した。このように長寿命を有するレーザ素子が多く得られると言うことは、第２の窒化物半導体層の結晶欠陥が少なくなっていることを示している。
【００４５】
［比較例］
実施例１において、第３の窒化物半導体層４を成長させず、直接第１の窒化物半導体層２の上に保護膜５を形成し、リッジストライプを任意の位置に形成する他は、同様にしてレーザ素子を得たところ、５００個の内で１万時間以上を達成したものは５％以下であった。
【００４６】
［実施例２］
実施例１において、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第３の窒化物半導体層成長後、続いて、温度を１０００℃にして、ＧａＮ層（第１の窒化物半導体の続き）を０．１μｍの膜厚で成長させる。なお、このＧａＮ層はＩｎＧａＮを成長させる温度とほぼ同じか、それよりも低温で成長させても良い。ＧａＮ層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、実施例１と同様にして保護膜を形成して、第２の窒化物半導体層、及びｎ側コンタクト層以上の素子構造となる窒化物半導体を積層してレーザ素子を得たところ、実施例１とほぼ同等の歩留まりで、１万時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【００４７】
［実施例３］
実施例１において、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この第１の窒化物半導体層２の表面に、実施例１と同様にして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、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ₂よりなる保護膜を１μｍの膜厚で形成する。
【００４８】
再度ウェーハを反応容器に移送し、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、保護膜を形成した第１の窒化物半導体層の上に、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を５μｍの膜厚で成長させる。
【００４９】
続いて、温度を８００℃に下げ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５０】
続いて、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、第４の窒化物半導体層の上にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を再度５μｍの膜厚で成長させる。
【００５１】
後は実施例１と同様にして、ｎ側コンタクト層から上の活性層を含む窒化物半導体を積層した後、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の歩留まりで、１万時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。
【００５２】
［実施例４］
実施例１において、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第３の窒化物半導体層の上にストライプ状の保護膜を形成した後、再度ウェーハを反応容器に戻し、温度を１０５０℃にする。そして、実施例２と同様にして、第３の窒化物半導体層、及び保護膜の上にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を５μｍの膜厚で成長させ、その上にＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を０．５μｍの膜厚で成長させ、さらに、その第４の窒化物半導体層の上にアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を再度５μｍの膜厚で成長させる。
【００５３】
後は実施例１と同様にして、ｎ側コンタクト層から上の活性層を含む窒化物半導体を積層した後、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の歩留まりで、１万時間以上の寿命を有するレーザ素子が得られた。る。
【００５４】
［実施例５］
図６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断面図であり、図５と同一符号は同一箇所を示す。実施例１において、第２の窒化物半導体層３を成長させる際に、Ｓｉをドープして膜厚を９０μｍの膜厚で成長させる。後は実施例１と同様にしてその第２の窒化物半導体層の上にｎ側コンタクト層１１から上の窒化物半導体層を成長させる。成長後、反応容器からウェーハを取り出し、このウェーハの異種基板側を研磨して、異種基板１、第１の窒化物半導体層２、第３の窒化物半導体層４及び保護膜３を除去する。
【００５５】
次に、実施例１と同様にしてｐ側クラッド層１８から上をリッジ形状とし、ｐ電極２０及びｐパッド電極２１を形成する。但し、リッジストライプの位置は保護膜が除去されているので、窓部に一致させることは困難である。一方保護膜が除去されて露出された第２の窒化物半導体層表面のほぼ全面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２２を設け、図６に示すようにｐ電極とｎ電極とが対向した状態のレーザ素子とする。
【００５６】
同様にこのレーザ素子も低閾値で室温で連続発振し、リッジを任意の位置に形成したにも関わらず、１万時間以上の寿命を示したものは５００個の内で４０％以上あった。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体の成長方法によると、窒化物半導体基板となる第２の窒化物半導体層に表出する結晶欠陥を少なくすることができるので、その上に素子構造となる活性層を含む窒化物半導体を積層しても、結晶欠陥が広がらず、長時間に渡って信頼性に優れた素子が実現できる。なお、本明細書においてはレーザ素子について説明したが、本発明の成長方法はレーザ素子だけでなく、窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体デバイス全てに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の成長方法の第１の態様において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図２】 本発明の成長方法の第２の態様において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図３】 本発明の成長方法の第２の態様において得られる窒化物半導体層の別の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図４】 従来の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図５】 本発明の方法に係るレーザ素子の構造を示す模式的な斜視図。
【図６】 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断面図。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第１の窒化物半導体層
３、３’・・・第２の窒化物半導体層
４・・・第３の窒化物半導体層
４'・・・第４の窒化物半導体層
５・・・保護膜
１１・・・ｎ側バッファ層
１２・・・クラック防止層
１３・・・ｎ側クラッド層
１４・・・ｎ側光ガイド層
１５・・・活性層
１６・・・ｐ側キャップ層
１７・・・ｐ側光ガイド層
１８・・・ｐ側クラッド層
１９・・・ｐ側コンタクト層
２０・・・ｐ電極
２１・・・ｐパッド電極
２２・・・ｎ電極
２３・・・絶縁膜

Claims (3)

1. 窒化物半導体基板上に活性層を備えた窒化物半導体層を有する窒化物半導体素子において、
   前記窒化物半導体基板は、第１の窒化物半導体層上に、部分的に保護膜を形成し、保護膜の開口部に第２の窒化物半導体層を三角形状で成長させたものであって、該第２の窒化物半導体層における断面ＴＥＭで観察したときの結晶欠陥密度が１×１０^８個／ｃｍ^２以下であり、
   前記第２の窒化物半導体層が保護膜上において繋がる前に、その上にＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１）よりなる層が形成され、その上にＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦ｘ≦０．４）層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記基板の結晶欠陥密度は１×１０^６個／ｃｍ^２以下である請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記窒化物半導体基板は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に形成される請求項１記載の窒化物半導体素子。

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