JP4806261B2 - 窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法と窒化物系化合物半導体素子とに関し、特に、光電子情報処理分野などへの応用が期待されている半導体レーザや、全固体照明分野への応用が期待されている発光ダイオード及び紫外線検知器に関する。

Ｖ族元素に窒素（Ｎ）を有する窒化物系化合物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。中でも窒化ガリウムを中心とした化合物半導体（窒化物系化合物半導体：ＡｌＧａＩｎＮ）は、研究が盛んに行われ、青色発光ダイオードや、緑色発光ダイオードや、蛍光体と組み合わせた白色発光ダイオード等として実用化されている。白色発光ダイオードの利用分野として、これまで小型液晶バックライト用光源が主流だったが、素子構造や放熱特性を改善することにより、大型液晶バックライト用光源、蛍光灯及び自動車用ヘッドライト等の置き換えを目指した高出力白色光源としての検討が盛んに行われるようになってきた。

また、光ディスク装置の大容量化のために、４００ｎｍ帯に発振波長を有する半導体レーザが熱望されており、窒化物系化合物半導体をレーザ素子とする半導体レーザが注目され、現在では実用レベルに達しつつある。

窒化物系化合物半導体をレーザ素子とする半導体レーザは、例えば、特許文献１や非特許文献１乃至３に開示された内容によると、レーザ素子の構造を以下に示す構造とすることにより実現されている。

レーザ素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）等を用いて、基板上に結晶層を結晶成長させて作製される。具体的には、選択横方向成長技術を用いてサファイア基板上に低転位ＧａＮ（ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）−ＧａＮ）基板、もしくは、自立ｎ−ＧａＮ基板を作製し、この基板上にｎ−ＧａＮコンタクト層、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、ＧａＮ光ガイド層、ＧａＩｎＮ系ＭＱＷｓ活性層、ＧａＩｎＮ中間層、ＡｌＧａＮ中間層、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロック層、ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層、ｐ−ＧａＮコンタクト層を順次結晶成長させる。

このとき、サファイア基板は導電性を持っていないため、サファイア基板上にＥＬＯ−ＧａＮ基板を作製した場合には、レーザ素子は、ＥＬＯ−ＧａＮ基板の上面側にｎ電極及びｐ電極が形成された構成となる。一方、サファイア基板上にｎ−ＧａＮ基板を作製した場合は、ｎ−ＧａＮ基板が導電性を持つため、レーザ素子は、ｎ−ＧａＮ基板の下面側にｎ電極が形成された構成となる。尚、サファイア基板上にｎ−ＧａＮ基板を作製した場合でも、レーザ素子は、ｎ−ＧａＮ基板の上面側にｎ電極及びｐ電極が形成された構成となる。

これらいずれのレーザ素子においても、室温から雰囲気温度６０℃における出力４５ｍＷでの連続発振が報告されている。また、雰囲気温度６０℃、出力３０ｍＷ連続発振で推定寿命１０万時間が報告されている。

しかし、上記レーザ素子では、同一の条件で作製された場合であっても、素子特性がばらついてしまう場合がある。そのため、略同一の素子特性を示すレーザ素子を作製する研究がなされている。

例えば、特許文献２及び３には、各々、ｎ−ＧａＮ基板の実用化、特に直径２インチ（約５０ｍｍ）基板の実用化に向けての開発経緯が説明されている。具体的には、自立基板として取り扱うことが可能な７０μｍから１ｍｍの厚みを有するｎ−ＧａＮ基板の実用化に対して、インゴットからのスライスで自立ｎ−ＧａＮ基板を得るためには、その自立ｎ−ＧａＮ基板の反り量の目標値は０．５５ｍｍ以下であり、自立ｎ−ＧａＮ基板の曲率半径の目標値は０．６ｍ以上であり、このようなｎ−ＧａＮ基板を実現するための発明に関して述べられている。また、このようなｎ−ＧａＮ基板をデバイスプロセスへ適合させることを考慮すれば、反り量が１５μｍ以下であり曲率半径が２０ｍ以上であることが好ましく、このようなｎ−ＧａＮ基板を実現するための発明に関しても述べられている。また、このようなｎ−ＧａＮ基板を用いて青色発光ダイオードを試作し、発光輝度の向上が達成できたことを説明している。

特許文献４乃至７では、各々、自立ｎ−ＧａＮ基板形成における加工変質層と、基板上面側と基板下面側とでの貫通転位密度の違いと、基板上面側及び基板下面側に形成されている微小なピットなどの数々の欠陥と、自立ｎ−ＧａＮ基板の変形（反りの発生）との関係に着目し、熱処理、ドライエッチング、ウェットエッチング、研削や研磨及びランプ照射（熱処理に相当）などの加工を適宜加えることで、微小なピット等の欠陥を抑制、低減または消滅でき、反り量の低減や平坦性の改善が実現できることに関して説明している。

特許文献８では、ｎ−ＧａＮ基板の残留応力に着目して、雰囲気ガスとして窒素を含む中で熱処理を施すことにより、ｎ−ＧａＮ基板内の残留応力を０．０１Ｐａ以下に低減することが述べられている。

特許文献９及び１０では、貫通転位密度と反り量との関係に着目して、貫通転位密度を１０⁷ｃｍ^-2以下にすることにより、曲率半径が５ｍ以上であり非常に平坦な自立ｎ−ＧａＮ基板を実現可能なことが述べられている。

特許文献１１では、サファイア基板上に厚膜ＧａＮ層成長後、サファイア基板を研磨処理により剥離し、再び厚膜ＧａＮ層を成長し、その後、ＧａＮ基板を最適な膜厚に研磨処理することにより、自立ＧａＮ基板の反りを小さくすることが述べられている。

特許文献１２乃至１４では、各々、ＧａＮ基板作製における選択横方向成長を利用した転位密度低減化工程で、欠陥を集中させた領域を面内に均一に散らす手法や、応力緩和のための非選択横方向成長領域の形成手法や、応力緩和のための空隙の形成手法が説明されている。

特許文献１５では、曲率半径とウェハーのプロセス中のクラック発生率やコンタクト露光における歩留まりとの関係に言及し、ｎ−ＧａＮ基板に求められる曲率半径を設定し、かつ高い平坦性を実現するための科学的機械的研磨（ＣＭＰ）に関して述べられている。

特許文献１６及び１７では、デバイス歩留まり、ウェハーのハンドリング及びウェハーの変形等に影響を与える基板外周部の面取り加工に関して述べられている。
特開平１０−１２６００６号公報 特開２０００−０１２９００号公報 特開２０００−０２２２１２号公報 特開２００３−２７７１９５号公報 特開２００３−３２７４９７号公報 特開２００５−１３６１１７号公報 特開２００３−１７９０２２号公報 特開２００１−１９２３００号公報 特開２００３−１７８９８４号公報 特開２００４−３１９７１１号公報 特開２００４−３０４１９５号公報 特開２００２−２０８７５７号公報 特開２００２−３３５０４９号公報 特開２００２−２７０５２８号公報 特開２００４−３５６６０９号公報 特開２００２−０８３７５３号公報 特開２００２−３５６３９８号公報 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.38, L226 ・ L229 (1999) physica status solidi (a) 194, No.2, 407 - 413 (2002) IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 9, NO. 5, 1252 - 1259 (2003)

これら従来までに開示された数々の発明において、非常に品質の高い窒化物系化合物半導体からなる基板を入手できるようになってきた。しかしながら、この基板を用いて窒化物系化合物半導体素子を作製した場合には、依然として、再現性、均一性及び信頼性は改善されておらず、その実用化及び量産化において大きな障害となってきた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い信頼性を有する窒化物系化合物半導体素子を再現性及び均一性良く作製する方法を提供するものであり、また、作製された窒化物系化合物半導体素子を提供するものである。

本発明の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法は、窒化物系化合物半導体からなる基板を準備する工程と、基板の上に、少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、窒化物系化合物半導体からなる活性層と、少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを積層する工程とを備えている。用いる基板は、上面側に実質的に凸状に反っており、上面を球面で近似した時の曲率半径が１５ｍ以上３０ｍ以下であり、上面の一側端から他側端までの最短距離が５０ｍｍ以上である。

ここで、「少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｎ型クラッド層」とは、Ａｌを基板側にのみ含有するｎ型クラッド層や、Ａｌを活性層側にのみ含有するｎ型クラッド層や、Ａｌを基板側及び活性層側に含有するｎ型クラッド層を意味する。ｐ型クラッド層に関しても同様である。

本発明の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法では、基板は、結晶構造が六方晶系であるＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）の少なくとも一方からなり、上面の面方位が（０００１）面及び（０００１）面に対して±２．０°以内のオフアングルを有する面のうちの何れかの面である。また、基板の貫通転位密度が、基板面内方向では略均一であるとともに３×１０⁶ｃｍ^-2以下であることが好ましい。

本発明の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法では、基板は、基板の周縁部分に、基板の内側から基板の外側へ向かうにつれて厚みが減少するテーパー状の部分を有している。そのテーパ状の部分は、基板の上面の外周から上面の中央へ向かって０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の領域において、上面の中央部分に対して１５度以上４０度以下の角度に傾いているとともに、基板の下面の外周から下面の中央へ向かって０．３ｍｍ以下の領域において、下面の中央部分よりも１５度以上４０度以下の角度に傾いていることが好ましい。

本発明の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーは、窒化物系化合物半導体からなる基板と、基板の上に形成され、少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｎ型クラッド層、窒化物系化合物半導体からなる活性層及び少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｐ型クラッド層を有する半導体層とを備えている。また、この窒化物系化合物半導体素子用ウェハーは、受発光層の上面側に実質的に凹状に反っており、受発光層の上面を球面で近似した時の曲率半径が２５ｍ以上であり、受発光層の上面の一側端から他側端までの最短距離が５０ｍｍ以上である。ここで、「少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｎ型クラッド層」等は、上述の通りである。

本発明の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーでは、活性層のバンドギャップエネルギーが、活性層の面内平均エネルギーに対して±４５ｍｅＶ以下であることが好ましい。

本発明の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーでは、基板は、結晶構造が六方晶系であるＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）の少なくとも一方からなり、上面の面方位が（０００１）面及び（０００１）面に対して±２．０°以内のオフアングルを有する面のうちの何れかの面である。また、基板の貫通転位密度が、基板面内方向では略均一であるとともに３×１０⁶ｃｍ^-2以下であることが好ましい。

本発明では、再現性及び均一性良く、高い信頼性を有する窒化物系化合物半導体素子を製造することができる。

本発明の実施形態を示す前に、本願発明者らが本発明を完成させるに至った経緯を示す。

本願発明者らは、これまでから、窒化物系化合物半導体レーザ素子の実用化に向けて、精力的な研究開発を行ってきた。その研究開発の中で、以下に示すことを発見した。

基板としてｎ−ＧａＮ基板を使用した場合に顕著に現れた現象であるが、同一ロットのｎ−ＧａＮ基板を使用し、同一条件でレーザ素子を作製したにもかかわらず、実用可能な程度に優れた素子特性を有するレーザ素子と、発光するしないレーザ素子とが混在した。また、同一ウェハー内においても、隣り合うレーザ素子チップ同士で発振波長や閾値電流等の素子特性が異なった。そして、このような結果を基にｎ−ＧａＮ基板の特性とレーザ素子特性との関係について検討したところ、本願発明者らは、再現性の低さなどの原因が基板に起因した窒化物系化合物半導体素子の変形やこの素子に加えられる応力にあるということをつきとめた。

具体的には、ｎ−ＧａＮ基板の形状（凸型、凹型、鞍型）と、基板の上面及び基板の下面における平坦性（凹凸や荒さ）と、基板の上面及び基板の下面での反り量（曲率半径）と、基板の周縁の形状との間に互いに相関関係があることがわかり、さらに、これらの基板の物性のばらつきが素子特性の再現性及び均一性に悪影響を与えていることが明らかとなった。そのため、基板の物性のばらつきを抑制低減することが重要であり、本願発明者らは、実用可能な程度に優れた素子特性を有するために必要な基板の物性を特定した。

ここで、本願の課題である再現性の改善、均一性の改善及び信頼性の改善について、簡単に説明する。

まず、再現性の改善とは、例えば、同一の作製条件で複数個の半導体素子を作製したときに、作製された全ての半導体素子の素子特性を実用可能な程度に優れた素子特性とすることである。具体的には、作製中に工程エラーが出ることなく全ての半導体素子を作製できることや、全ての半導体素子の発振波長のばらつきや出力パワーのばらつきを誤差範囲内に抑えることができることである。

また、均一性の改善とは、例えば、各半導体層の面内における組成比等の物性を略均一にすることである。具体的には、同一の基板に複数の半導体素子チップを形成する場合、その半導体素子チップのチップ特性を均一とすることである。

また、信頼性の改善とは、再現性や均一性が改善されれば自ずと改善されるものである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
（実施の形態１）
以下、図面を参照しながら、窒化物系半導体レーザ素子（窒化物系化合物半導体素子）の第１の実施形態を説明する。本実施形態において、窒化物系半導体レーザ素子の製造方法として、窒化物系化合物半導体の成長方法の中で最も頻繁に用いられるＭＯＶＰＥ法（ＭＯＣＶＤ法と同義で取り扱う）を例に挙げて記すが、ＭＯＶＰＥ法に限定されるものではなく、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等、基板上に化合物半導体結晶を成長させるためにこれまで提案されている全ての方法を適用できる。

なお、以下において、「基板」は、ｎ−ＧａＮ等の窒化物系化合物半導体からなる基板であり、表面（上面）に別の窒化物系化合物半導体層（半導体層）を結晶成長させるための基板である。「ウェハー（窒化物系化合物半導体素子用ウェハー）」は、基板に複数の窒化物系化合物半導体層が積層されてなる積層体であり、ｎ電極及びｐ電極を設けるための処理（後述のフォトリソグラフィ処理）前の積層体である。「窒化物系半導体レーザ素子」は、「ウェハー」に上記処理を施してｎ電極及びｐ電極が設けられたものであり、所定値以上の電圧を印加することにより所定の波長値の光を発振させるものである。

また、基板の表面は、別の窒化物系化合物半導体層を結晶成長させるための面であり、例えば、図２では基板の上面である。一方、基板の裏面は、基板の表面とは反対側の面であり、例えば、図２では基板の下面である。ウェハーの表面は、電極を形成するための面であり、例えば、図２ではウェハーの上面である。一方、ウェハーの裏面は、ウェハーの表面とは反対側の面であり、例えば、図２ではウェハーの下面である。

まず初めに、図１を用いて、ｎ−ＧａＮ基板などの窒化物系化合物半導体からなる基板２００（ウェハー２２０も同様）の反りの方向及び反り量を定義する。反り量は、Ｈであらわすことにする。また、反りの方向については、基板２０１の表面側（またはウェハー２２０の表面側）に実質的に凸状に反っている場合の反りを正（Ｈ＞０）、基板２０１の表面側（またはウェハー２２０の表面側）に実質的に凹状に反っている場合の反りを負（Ｈ＜０）とし、正負の符号を用いてあらわすことにする。また、基板２０１として、表面が六方晶系の（０００１）面であるＧａＮ基板、または表面が六方晶系の（０００１）面に対して−２．０°以上＋２．０°以下のオフアングルを有する面であるＧａＮ基板を列挙しているため、表面がＧａ面となり、裏面がＮ面となる。そのため、反りの方向については、Ｇａ面側に実質的に凸状に反っている場合の反りを正とあらわし、Ｎ面側に実質的に凸状に反っている場合の反りを負とあらわすこともできる。

本実施形態における基板２０１は、図１に示すように、反り量の極大点（もしくは極小点）が１点だけである一様な反りを有する基板であるが、極大点（もしくは極小点）を複数有する基板であってもよい。このような基板では、反り量を求めるための基準面を基板の表面における焦平面（表面フィッティングより求める）とし、焦平面からの最高点までの距離（もしくは、焦平面からの最低点までの距離）を用いて反り量をあらわすこととする。また、基板は、極大点及び極小点を２個以上ずつ有する鞍型の基板であってもよく、この基板の場合であっても、焦平面を基準面として反り量を求めることができる。以上のように、反りの方向及び反り量Ｈを定義した場合、その基板（もしくはウェハー）の曲率半径をＲ、基板（もしくはウェハー）の直径をＤとすると、近似的に、Ｒ＝Ｄ²／８Ｈとあらわすことができる。

なお、曲率半径Ｒは、基板の表面（もしくはウェハーの表面）を球面に近似した時の曲率半径であり、基板が表面側に実質的に凸状に形成されている場合には正（Ｒ＞０）であらわし、基板が裏面側に実質的に凹状に形成されている場合には負（Ｒ＜０）とあらわす。また、基板の直径（もしくはウェハーの直径）Ｄは、基板（もしくはウェハー）の一側端から他側端までの直線距離である。

また、例えば、基板が実質的に凸状に反っているとは、反り量の極点の個数に限らず、上記方法により求められた反り量が正であることである。

上述の反り量Ｈは、光学的手法を用いて容易に測定できる。例えば、基板２０１の中心一点を吸着して（吸着をしなくても反り量を測定できるが）、基板２０１の表面の全体に平行光線を入射し、同表面に形成された干渉模様から反り量Ｈを計測できる。反り量Ｈが求まれば、上述の式を用いて曲率半径Ｒを求めることができる。また、Ｘ線回折法を用いて、曲率半径Ｒを求めても良い。

基板２０１について詳述すると、基板２０１は、直径が５０ｍｍ以上の自立ｎ−ＧａＮ基板もしくは、自立ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ基板（０＜ｘ≦０．０５）である。基板２０１の製造方法は、例えば、ＨＶＰＥ法やＭＯＶＰＥ法などの気相成長法や、液相成長法（ＬＰＥ法）や、昇華法等を用いて、窒化物系化合物半導体とは異なる種基板（例えば、サファイア基板）上にエピタキシャルｎ−ＧａＮ層を形成し、その後、研削研磨、エキシマレーザ照射及びウェットエッチング等により上記種基板を除去して作製するというものであるが、直径が５０ｍｍ以上の自立基板を形成できる製造方法であれば、特に限定されない。このようにして得られた自立基板２０１には、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）及びセレン（Ｓｅ）等のドナー性不純物が少なくとも１種類以上含まれており、基板２０１に含まれているドナー性不純物のうちで導電性に寄与するドナー性不純物の濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上３×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であり低抵抗なｎ型導電性を示している。

また、基板２０１は、表面の平坦度が高く厚みがほぼ均一である自立基板であれば、エピタキシャル成長直後の状態の自立基板であってもよく、エピタキシャル成長後に、研磨及びウェットエッチング等の加工が施された自立基板であってもよい。基板２０１の表面の平坦度については、表面の面粗さ（Ｒａ）が５ｎｍ以下であることが好ましい。基板２０１の厚みについては、基板２０１の平均厚みに対して−１０μｍ以上＋１０μｍ以下であることが好ましく、基板２０１の平均厚みは、厚くなりすぎると作製にコストがかかる一方薄すぎるとハンドリングが困難となるため、３５０μｍ〜４５０μｍであることが好ましい。また、厚みが略均一であれば、基板２０１の膜厚の違いによる活性層のバンドギャップエネルギーの変化を抑制できるため好ましい。

次に、図２を用いて、窒化物系半導体レーザ素子２００を説明する。図２は、本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子２００の断面構造を示している。ここでは、窒化物系半導体レーザ素子２００の構成をその結晶成長プロセスと同時に説明する。結晶成長にはＭＯＶＰＥ法を用いている。結晶成長の成長圧力は、大気圧未満の減圧、大気圧（１ａｔｍ）及び大気圧を越える加圧のいずれでもよく、各結晶層を成長させるために最適な圧力に切り換えてもよい。また、結晶成長用装置内に各結晶層の原料を供給するためのキャリアガスは、少なくとも窒素（Ｎ₂）または水素（Ｈ₂）などの不活性ガスを含むガスである。では以下に、結晶成長プロセスを示す。

まず、有機溶剤及び酸を用いて上述の基板（ｎ−ＧａＮ基板）２０１の表面を清浄化した後、ｎ−ＧａＮ基板２０１をサセプター上に設置し、キャリアガスとしてＮ₂を用いて充分に置換する。Ｎ₂置換が終了すれば、Ｎ₂雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートで基板２０１を１０００℃まで昇温させた後、キャリアガスをＮ₂からＨ₂に切り替え、同時にアンモニア（ＮＨ₃）ガスを供給し、例えば５分間、ｎ−ＧａＮ基板２０１の表面のクリーニングを行う。

次に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシラン（ＳｉＨ₄）とを結晶成長用装置内に供給し、（Ｖ族）／（III族）＝６０００の条件下で、３μｍ厚のｎ−ＧａＮ層２０２をｎ−ＧａＮ基板２０１上に結晶成長させる。

引き続いて、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を結晶成長用装置内に供給して、１．２μｍ厚のｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層（ｎ型クラッド層）２０３をｎ−ＧａＮ層２０２上に結晶成長させる。

続いて、ＴＭＡの供給を停止して、０．１μｍのｎ−ＧａＮ光ガイド層２０４をｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２０３上に結晶成長させる。

その後、ｎ−ＧａＮ光ガイド層２０４成長後、キャリアガスをＨ₂からＮ₂に変えるとともにＮＨ₃の供給を停止し、成長温度を８００℃まで降温させる。成長温度が８００℃で安定したら、まずＮＨ₃を供給し、次にＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを供給し、（Ｖ族）／（III族）＝３００００の条件下で、Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ／Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ−量子井戸活性層（以下、単に、「量子井戸活性層」と記す）２０５をｎ−ＧａＮ光ガイド層２０４上に結晶成長させる。このとき、量子井戸活性層２０５の井戸層数は２つであり、Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ井戸層の層厚は５ｎｍであり、Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ障壁層の層厚は６ｎｍであることが好ましい。また、量子井戸活性層２０５には、意図的なドーピングをしていない。

引き続いて、量子井戸活性層２０５上に、２５ｎｍ厚のノンドープＧａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ第１光ガイド層２０６及び５０ｎｍ厚のノンドープＧａＮ第２光ガイド層２０７をこの順に結晶成長させ、成長後、ＴＭＧの供給を一旦停止する。

その後、Ｎ₂とＮＨ₃とを供給した状態で結晶成長用装置内の温度をすばやく１０００℃まで昇温させて成長温度が１０００℃に到達後、キャリアガスをＮ₂からＮ₂及びＨ₂の混合ガスに変更して、Ｎ₂とＨ₂とＮＨ₃とを結晶成長用装置内に供給した状態にする。そして直ちに、ＴＭＧとＴＭＡとを結晶成長用装置内に供給して、（Ｖ族）／（III族）＝８０００の条件下で、１０ｎｍ厚のノンドープＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ第３光ガイド層２０８をノンドープＧａＮ第２光ガイド層２０７上に結晶成長させる。

さらに、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）をＭｇ原料として、１０ｎｍのｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ第１クラッド層（ｐ型クラッド層）２０９を結晶成長させ、その後すばやくキャリアガスをＮ₂及びＨ₂の混合ガスからＨ₂のみに切り替え、０．５μｍ厚のｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ第２クラッド層（ｐ型クラッド層）２１０及び５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層２１１を順次積層する。なお、ｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ第１クラッド層２０９は、量子井戸活性層２０５からの電子のオーバーフローを抑制することを目的に形成されている。また、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１１でのＭｇ濃度は、１．５×１０²⁰ｃｍ^-3以上２．５×１０²⁰ｃｍ^-3以下であることが好ましい。このようにして、基板２０１に複数の窒化物系化合物半導体層からなる半導体層を積層することにより、ウェハー２２０を製造できる。

ウェハー２２０の製造後は、ｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ第１クラッド層２０９、ｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ第２クラッド層２１０及びｐ−ＧａＮコンタクト層２１１をストライプ状にそれぞれ加工する。このとき、ストライプ幅は、１．６μｍ以上２．０μｍ以下程度であることが好ましい。その後、絶縁膜であるＳｉＯ₂膜２１４をストライプの側端及びノンドープＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ第３光ガイド層２０８の上面に被覆させて、電流注入領域を形成する。

その後、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１１の上面とストライプの側端に被覆されたＳｉＯ₂絶縁膜２１４の表面とには、ｐ電極２１２を設ける。なお、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１１のＭｇ濃度が上記範囲内であるため、ｐ−ＧａＮコンタクト層２１１とｐ電極２１２とのコンタクト抵抗の低減を図ることができる。

また、ｎ−ＧａＮ基板２０１を研磨して厚みを８０μｍ程度とし、研磨後、ｎ−ＧａＮ基板２０１の裏面にｎ電極２１３を設ける。これにより、窒化物系半導体レーザ素子２００を製造することができ、その共振器長は６００μｍである。

図２に示す窒化物系半導体レーザ素子２００では、ｎ電極２１３とｐ電極２１２との間に電圧を印加すると、正孔がｐ電極２１２から量子井戸活性層２０５に向かって注入されて電子がｎ電極２１３から量子井戸活性層２０５に向かって注入されることにより量子井戸活性層２０５で利得が生じ、その結果、４０７ｎｍの波長でレーザ発振を起こす。

なお、各窒化物系化合物半導体層の層厚は、一例であり、上記の数値に限定されない。

また、結晶成長方法について、ＧａＮ第２光ガイド層２０７を成長させた後、ＴＭＧの供給を一旦停止させ、Ｎ₂とＮＨ₃とを供給した状態で結晶成長用装置内の温度をすばやく昇温させ、途中でキャリアガスをＮ₂とＨ₂との混合ガスに変更させてからＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ第３光ガイド層２０８を結晶成長させているが、この昇温は、以下に示すように行ってもよい。具体的には、ＴＭＧを供給しＧａＮ第２光ガイド層２０７の結晶成長を続けながら、結晶成長用装置内の温度を昇温させてもよい。また、ＴＭＧとＴＭＡとを供給してＡｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ第３光ガイド層２０８を結晶成長させながら結晶成長用装置内の温度を昇温させてもよい。Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ第３光ガイド層２０８中に非発光再結合中心の原因となるような欠陥が生成されなければ、どのような昇温方法を用いても構わない。

上記の製造方法を用いて複数個の窒化物系半導体レーザ素子２００を作製したところ、レーザ素子特性に関して、以下に示す結果が得られた。

窒化物系半導体レーザ素子２００を作製するために用いた基板２０１は、直径Ｄ＝５０．８ｍｍの低転位自立ｎ−ＧａＮ基板（貫通転位密度が３×１０⁶ｃｍ^-3以下）でありその反り量Ｈが−２０μｍから＋２５μｍ（曲率半径Ｒが−１６ｍから＋１２ｍ）であった。そのため、基板２０１としては、表面側に実質的に凸状に反った基板、ほぼ平坦な基板及び表面側に実質的に凹状に反った基板を用いた。これらの基板２０１を用いて、上述の製造方法に従ってウェハー２２０を作製すると、ウェハー２２０の反り量Ｈが−４２μｍから＋５μｍ（曲率半径Ｒが−８ｍから＋６４ｍ）であり、ほとんどのウェハー２２０が表面側に実質的に凹状に反っていた。

ここで、基板形状とウェハー形状との関係性を示すと、ウェハー２２０の反り量Ｈが負に大きいもの（ウェハー２２０の表面側に実質的に凹状に反っていてＨの絶対値が大きいもの）は、基板２０１の段階で既に表面側に実質的に凹状に反っており、ウェハー２２０の反り量Ｈが負に小さいもの（ウェハー２２０の表面側に実質的に凹状に反っていてＨの絶対値が小さいもの）や反り量Ｈが正のもの（ウェハー２２０の表面側に実質的に凸状に反っているもの）は、基板２０１の段階では表面側に実質的に凸状に反っていた。このウェハー２２０の反り量の変化（ウェハー形状の変化）は、一般に、ＧａＮ層（基板も含む）とＡｌＧａＮ層との格子定数差に起因して発生するため、ウェハー２２０の結晶成長中に、結晶層の膜厚及び結晶層の組成に応じて、常に発生している現象である。

これらのウェハー２２０を用いて窒化物系半導体レーザ素子２００を作製したところ、反り量Ｈが−３０μｍ以下のウェハー２２０ではフォトリソグラフィー工程で窒化物系半導体レーザ素子２００のリッジストライプ幅を１．８±０．２μｍに収めることができず、工程エラーとなった。そのため、フォトリソグラフィー工程が可能なウェハー２２０のみを用いて、引き続き、窒化物系半導体レーザ素子２００を作製した。

ウェハー２２０の外周部２ｍｍを除いた中心部の素子有効領域（直径が４６．８ｍｍ）を用いて窒化物系半導体レーザ素子２００を作製し、その発振波長のばらつきを調べた。その結果、窒化物系半導体レーザ素子２００の発振波長のばらつきは、ウェハー２２０の反り量Ｈが負に大きいものほど大きく、ウェハー２２０の反り量Ｈが±０μｍから−１３μｍである窒化物系半導体レーザ素子２００では４０７ｎｍ±３ｎｍであり、実用上問題のないばらつきとなった。このウェハー２２０の反り量Ｈを実現する曲率半径Ｒは、基板２０１では＋１５ｍ以上＋３０ｍ以下であり、ウェハー２２０では−２５ｍ以下である。すなわち、本願発明者らは、各結晶層の面内において欠陥分布や濃度分布が均一であるとともに発振波長のばらつきを実用上問題がない程度にまで抑えることができる窒化物系半導体レーザ素子２００を作製するためには、基板２０１の形状の選別が非常に重要であることを解明した。

ＧａＮ基板２０１上にｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層を結晶成長させる場合に、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の層厚に対するウェハー２２０の反り量Ｈの変化量を図３（ａ）に示し、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層の層厚に対するウェハー２２０の曲率半径Ｒの変化量を図３（ｂ）に示す。ＧａＮ基板２０１上に窒化物系半導体よりなる結晶成長層を形成する前の状態では、ＧａＮ基板２０１の反り量Ｈが±０（曲率半径Ｒが±∞）であるとした場合の結果である。例えば、窒化物系半導体レーザ素子２００を光ディスク用光源として使用する場合、レーザ光のビーム形状の整形が非常に重要である。レーザ光のビーム形状を整形するためには、Ａｌ組成ｘに応じてｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層厚を制御する必要があり、上記の窒化物系半導体レーザ素子２００では、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２０３の層厚は、Ａｌ組成ｘが５％の場合には少なくとも１．２μｍ必要であり、Ａｌ組成ｘが３％の場合には少なくとも１．６μｍ必要であり、Ａｌ組成ｘが７％の場合には少なくとも１．０μｍ必要である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層におけるＡｌ組成やｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮクラッド層の層厚に応じて、成長中のウェハー２２０の反り量及び曲率半径は異なるが、活性層を結晶成長させる前のウェハー２２０の形状をできるだけ平坦に、言い換えれば、当該ウェハー２２０の曲率半径をできるだけ大きくすることにより、活性層成長時の温度均一性を容易に高くすることが可能となり、再現性及び均一性高く窒化物系半導体レーザ素子２００の波長制御を行うことができる。このためには、活性層成長時のウェハー２２０の反り量ＨをＨ≦±１０μｍとすることが望ましく、これを実現するためには、曲率半径Ｒが＋１５ｍ以上＋３０ｍ以下の基板２０１を用いることが好ましく、さらに、Ａｌ組成の高いｎ型クラッド層を形成する場合ほど、用いる基板２０１の曲率半径を大きくしておくことが望ましい。

窒化物系半導体レーザ素子２００の再現性及び均一性を更に高めるためには、基板２０１の周縁を加工することも非常に重要である。基板２０１の周縁の加工を具体的に説明する前に、加工が施されていない基板を用いて窒化物系半導体レーザ素子を作製した場合の問題点を示す。

基板の周縁を加工しなければ、基板を結晶成長させる際の結晶成長速度は、基板の中央に比べて基板の周縁の方が１．５倍から３倍速い。その結果、基板の周縁には、この異常成長に起因した突起（盛り上がり）が形成される。すなわち、基板の膜厚は、不均一となる。この基板上にＡｌＧａＮ層等を積層させると、積層されたＡｌＧａＮ層においても、層の中央よりも層の周縁の方が厚くなる。その結果、基板の周縁には、ＡｌＧａＮ層が積層されたことによる歪みが誘起され、基板の反り量が大きくなってしまう。このような現象に起因して発生した突起や反りは、フォトリソグラフィー工程における工程不良や、成長層のクラックや、ウェハーハンドリング時割れ及び欠けの原因となり、望ましくないものである。そのため、従来より、基板の周縁に対して、図４（ａ）に示すＣ面取り加工や図４（ｂ）に示すＲ面取り加工を施し、基板の周縁での異常な結晶成長を抑制していた。

本願発明者らは、基板の周縁の形状についても鋭意検討し、以下に示す形状が最も好ましいという結論を得た。本実施形態で提案する基板の周縁の形状を図４（ｃ）に示す。

図４（ｃ）に示すように、基板２０１の周縁は、基板２０１の内側から外側へ向かうにつれて厚みが薄くなるテーパー状に形成されている。そのテーパー状の部分は、基板２０１の表面側と裏面側とで非対称に形成されていることが望ましい。具体的には、加工を施す加工領域は、基板２０１の表面の外周から０．２ｍｍ以上あれば十分であり、窒化物系半導体レーザ素子２００の作製歩留まりを考慮して２．０ｍｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５ｍｍ以下である。結晶成長時のウェハー温度均一性や、基板２０１の裏面への原料の廻り込みによる異常成長を考慮すると、テーパー加工を基板２０１の表面にのみ行うことが望ましいが、ハンドリング時割れ及び欠けの発生を抑制するためにはテーパー加工を基板２０１の裏面に対しても行うことが望ましく、その加工領域は、基板２０１の外周から０．３ｍｍ以下であることが望ましい。

また、図４（ｃ）に示すように、テーパー状の部分は、表面の中央部分及び裏面の中央部分に対して、１５度以上４０度以下に傾いていることが望ましい。この傾斜角度が４０°を越えていれば、基板２０１が異常成長してしまうことを抑制できず、基板２０１の周縁に突起が形成されてしまう。一方、この傾斜角度が１５°未満であれば、テーパー加工に用いるための砥石の加工が困難となり、コスト高になってしまう。

続いて、ＧａＮ基板を窒化物系半導体用の基板２０１とするための加工について説明する。

まず、窒化物系半導体レーザ素子作製用に準備した基板の反り量Ｈ（曲率半径Ｒ）を測定する。ここで、曲率半径Ｒが＋１５ｍ以上＋３０ｍ以下のものを選別する。この選別により選別された基板に対しては、表面清浄化処理を施して、そのまま窒化物系半導体レーザ素子作製用基板２０１として用いる。上記選別により選別されなかった基板に対しては、廃棄処理しても構わないが、ＧａＮ基板の作製は非常に困難であるとともに非常に高価であるため、適当な加工を施して利用することがより望ましい。基板の形状に応じて以下の３種類の加工法がある。

１つ目の加工法は、基板の表面側に実質的に凸状に反っており曲率半径が１５ｍより小さい基板（Ｈ＞０、０＜Ｒ＜１５ｍ）に対する加工である。このような基板に対しては、基板の裏面に物理的なダメージを与えて欠陥領域を形成してやればよい。例えば、基板の裏面に研削及び研磨処理を施したり、ミリング処理を行うこと等により、曲率半径Ｒが＋１５ｍ以上＋３０ｍ以下の基板に加工することができる。

２つ目の加工法は、基板の表面側に実質的に凸状に反っており曲率半径が３０ｍより大きい基板（Ｈ＞０、１５ｍ＜Ｒ）に対する加工である。このような基板は、基板の裏面に多数の欠陥が形成されていることが多い。そのため、基板の裏面に対してウェットエッチングを行って数μｍのエッチング処理を施し（エッチング厚は、理想的な基板の形状と加工を施す基板の形状との差に依存する）、その後、熱処理を行うことにより、曲率半径Ｒが＋１５ｍ以上＋３０ｍ以下の基板に加工することができる。ウェットエッチング処理を行う際には、基板の表面の汚染を抑制するために、基板の表面をウェットエッチング処理で用いるエッチャントに不溶な保護膜で覆っておくことが望ましい。また、熱処理は、電気炉を用いて基板全体を加熱しても、ランプ加熱炉を用いて基板の裏面を選択的に加熱しても良い。

３つ目の加工法は、基板の表面側が実質的に凹状に反っている基板に対する加工である。このような基板も、２つめの加工法で加工された基板と同様に裏面に多数の欠陥が形成されているために実質的に凹状に反っている場合が多い。そのため、基板の裏面に十数μｍエッチング処理を施し、その後、熱処理を実施することで使用可能な曲率半径を有する基板に加工することが可能であることが多い。しかしながら、これらの加工では、所望の形状の基板とならない場合もある。その場合には、上記処理を施した後、まず、基板の表面をＳｉＯ₂絶縁膜（１００ｎｍ〜３００ｎｍ）で被覆し、次に、基板を加熱しながら裏面にアルミナ（ＡｌＯ_x）を５００ｎｍ程度形成し、続いて、表面側のＳｉＯ₂絶縁膜をフッ酸系のウェットエッチングで除去して基板の表面を１０ｎｍ程度ドライエッチングする方法や、基板の裏面に深さ５００ｎｍ程度の格子状の溝掘り加工を行う方法や、更には、この溝掘り加工を施した裏面をＡｌＮで被覆する方法などにより、使用可能な基板とすることができる。

基板２０１の周縁部分に対して図４（ｃ）に示す加工が必要な場合には、これらの基板形状の整形加工に続いて行う。また、このような加工を施した場合には、基板の表面及び裏面がレジストやワックスなどの有機物で汚染されていることがあるため、通常の表面清浄化処理を行う前に、有機物除去用の処理（ウェットプロセスでもドライプロセスでも、併用しても可）を行うことが望ましい。

本実施の形態で示したように、作製する窒化物系半導体レーザ素子２００に適合したｎ−ＧａＮ基板２０１を準備する工程を行い、そのｎ−ＧａＮ基板２０１を用いて窒化物系半導体レーザ素子２００を作製することにより再現性及び均一性が良く、高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子２００を実現することが可能となった。なお、ｎ−ＧａＮ基板２０１として貫通転位密度が３×１０⁶ｃｍ^-2以下である基板を用いたが、望ましくは、貫通転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下である基板を用いることであり、貫通転位密度が１×１０⁶ｃｍ^-2以下である基板を用いれば、特に、１２０ｍＷ以上の高出力動作時においても、飛躍的に高い歩留まりで、高い信頼性を有する窒化物系半導体レーザ素子２００を実現することが可能である。

本実施の形態では、ＧａＮ基板２０１上の窒化物系半導体レーザ素子２００について説明したが、本実施形態の結晶成長方法では、上記条件の原理を生かす結晶成長であればＧａＮ基板に限るものではなく、ＡｌＧａＮ基板でも良い。

また、本実施の形態では、導電性のｎ−ＧａＮ基板２０１を用いているため、ｎ電極を基板の裏面に形成したが、表面側の一部をｎ−ＧａＮ層までエッチングした後にｎ電極を作製し、表面側にｎ電極、ｐ電極の両方を形成しても良い。

また、本実施の形態では、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との両方にバルク結晶のＡｌＧａＮを用いたが、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との両方にＡｌＧａＮとＧａＮから構成される超格子構造を用いてもよく、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層のどちらか一方のクラッド層にバルク結晶のＡｌＧａＮから構成される超格子構造を用い、他方のクラッド層にＡｌＧａＮとＧａＮとから構成される超格子構造を用いてもよい。また、ｎ型のクラッド層及びｐ型のクラッド層には、Ｉｎ、ホウ素（Ｂ）、砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）及びアンチモン（Ｓｂ）が含有されていてもよく、それ以外の元素であっても、光とキャリアの閉じ込めが効果的に実現できる構成であれば何でも良い。

また、本実施の形態では、活性層として井戸層数２のＧａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ／Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ−量子井戸活性層を用いたが、その井戸層数は３以上でも良く、また、ＧａＩｎＮ井戸層とＧａＮ障壁層からなる組み合わせであっても、ＧａＩｎＮ井戸層とＡｌＧａＩｎＮ障壁層からなる組み合わせであってもよく、低い消費電力で高い発光効率が実現できる構成であれば何でも良い。

本実施の形態では、ｎ−ＧａＮ層２０２上に直接ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２０３を形成したが、ｎ−ＧａＮ層２０２とｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２０３の間にＡｌＧａＩｎＮ系混晶からなる歪み緩和層を挿入しても良い。この場合、ウェハーの反り量が変化するため、活性層成長時のウェハーの反り量を波長分布が均一となり、ウェハー作製終了後のプロセス（特にフォトリソグラフィー）工程が可能となるよう、基板の反り量を調整すればよい。

また、本実施の形態では、ｎ型ドナー不純物としてＳｉを用い、ｐ型アクセプター不純物としてＭｇを用いたが、これに限るものではなく、ｎ型ドナー不純物としてゲルマニウム（Ｇｅ）やセレン（Ｓｅ）を用い、ｐ型アクセプター不純物として亜鉛（Ｚｎ）やベリリウム（Ｂｅ）やカドミウム（Ｃｄ）を用いてももちろんよい。

また、本実施の形態では、窒化物系半導体レーザ素子２００について説明したが、これに限るものではなく、発光ダイオードや半導体レーザや紫外線検知器や太陽電池や可視光域のフォトディテクターなどであってもよい。発光ダイオードは、紫色〜青色〜緑色波長領域の発光ダイオードや、蛍光体と組み合わされた白色発光ダイオードであってもよく、更には、近紫外領域〜可視光全域にわたる発光ダイオードであってもよい。すなわち、本実施形態の基板２０１や本実施形態のウェハー２２０は、これらの窒化物系化合物半導体素子に用いられている。

さらに、本実施形態のレーザ素子２００は、窒化物系化合物半導体のみからなるレーザ素子に限定されるものではなく、Ｖ族の窒素の一部を砒素やリンやアンチモン等に置き換えられた混晶からなるIII−Ｖ族化合物半導体からなるレーザ素子であってもよい。

さらに、本実施形態の効果は、ＢＡｌＧａＩｎＮや、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂを含有したＡｌＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ混晶化合物半導体全般に成り立つ効果である。
（実施の形態２）
次に、本発明による窒化物系半導体レーザ素子の第２の実施形態を説明する。図５は本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体レーザ素子５００の断面構造を示している。窒化物系半導体レーザ素子５００は、上記実施の形態１における窒化物系半導体レーザ素子２００と略同一の構成であるが、上記実施の形態１でのｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ第２クラッド層２１０をｐ−Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓ第２クラッド層（１２０ペア）（ｐ型クラッド層）５１０とした点を異にする。窒化物系半導体レーザ素子５００では、電流注入領域のストライプ幅は１．６〜２．０μｍであり、ｎ電極２１３とｐ電極２１２の間に電圧を印加すると、量子井戸活性層２０５で利得を生じ、４０９ｎｍの青紫色の波長域でレーザ発振を起こす。

窒化物系半導体レーザ素子５００では、ＧａＮとＩｎＮとには（０００１）面内方向で約１１．３％の格子定数差が存在し、量子井戸活性層２０５には大きな圧縮性の応力が印加されている。また、これとは別に、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２０３を形成したことによって表面側を凹状に反らせようとする応力が発生し（ウェハーの変形）、このウェハーの変形により圧縮性の応力が更に追加される。追加された圧縮性の応力によって量子井戸活性層に圧縮歪みが印加され、その圧縮歪みの印加により価電子帯のバンド構造が変化し、その結果、高性能な窒化物系半導体レーザ素子を実現することが可能である。しかしながら、量子井戸活性層に印加される圧縮歪みが大きくなりすぎると、量子井戸活性層に多数の欠陥が導入されることとなり、逆に発光効率を劣化させる。

同一のレーザ構造であれば、上記の格子定数差に因る圧縮性の応力の違いにより量子井戸活性層２０５に印加される圧縮歪みは同じであり、異なる反り量を有する基板２０１を用いて窒化物系半導体レーザ素子を作製することにより、量子井戸活性層２０５に加わる応力を変化させることができる。そこで、異なる圧縮性の応力を有する窒化物系半導体レーザ素子に対して、雰囲気温度６０℃、４５ｍＷ連続発振条件での信頼性評価を実施した。曲率半径Ｒが＋３０ｍ（反り量Ｈ＝＋１０．５μｍ、ウェハー作製後のウェハーの曲率半径Ｒ＝−２９ｍ、反り量Ｈ＝−１１．０μｍ）以下である基板２０１を用いて作製した窒化物系半導体レーザ素子においては、実時間で５０００時間以上の素子寿命が確認され、劣化率（時間あたりの動作電流増加量で規定）は１ｍＡ／時間以下であった。逆に、曲率半径Ｒが＋３０ｍよりも大きい基板を用いて作製した窒化物系半導体レーザ素子では、曲率半径Ｒが＋３０ｍ以下である基板を用いて作製した窒化物系半導体レーザ素子に対して、通電初期のしきい値電流や動作電流／動作電圧に違いは無いものの、２００時間から５００時間経過後、急速に動作電流が増加し、素子破壊を引き起こした。素子の劣化解析からは端面破壊（ＣＯＤ破壊）は生じておらず、通電しても活性層が均一に発光しない活性層劣化による素子破壊であることが確認された。曲率半径Ｒが＋３０ｍの基板を用いて作製した窒化物系半導体レーザ素子の活性層に印加されている圧縮性の応力は３．０ＧＰａであり、基板の曲率半径が大きく（反り量は小さく）なることで活性層に加えられる圧縮性の応力は大きくなり、３．０ＧＰａよりも大きくなっていると言える。この結果から活性層に印加される圧縮性の応力は３．０ＧＰａ以下にすることが望ましい。

一方、圧縮性の応力をあまり小さくすることは、しきい値電流の増加をまねき、窒化物系半導体レーザ素子作製用の基板加工も困難になるために好ましくなく、圧縮性の応力は、１．５ＧＰａ以上となるようにすることが望ましく、より望ましくは２．０ＧＰａ以上である。

本実施の形態では、ｐ−Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓ第２クラッド層５１０を用いたが、実施の形態１と同様にｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２１０を用いてももちろん良く、量子井戸活性層２０５に加えられる圧縮性の応力を制御できる構成ならどんな構造でも良い。

また、本実施の形態では、青紫色の波長域での窒化物系半導体レーザ素子に関して説明したが、本発明は、紫外〜可視光における発光素子全てに適用でき、量子活性層に加えられる圧縮性の応力をクラッド層の混晶組成、膜厚及び基板の反り量により適宜制御すれば良い。
（実施の形態３）
次に、本発明による窒化物系半導体レーザ素子の第３の実施形態を説明する。本実施の形態では、上記実施の形態１で作製した窒化物系半導体レーザ素子２００と同等の窒化物系半導体レーザ素子を作製する。ただし、上記実施の形態１では、直径５０．８ｍｍの基板２０１が１スライス設置できるＭＯＶＰＥ装置（１枚炉）を使用して窒化物系半導体レーザ素子２００を作製したが、本実施の形態では、量産性の向上のために４スライス設置可能な大型ＭＯＶＰＥ装置（多数枚炉）を合わせて使用して窒化物系半導体レーザ素子を作製する。

図６（ａ）は、１枚炉の基板設置用プラッターの構成及び基板加熱用ヒータの構成を示す模式図である。基板設置用プラッターは、直径８０ｍｍのＳｉＣ製プラッター６０１であり、その中央部に直径５１．５ｍｍの基板設置用ポケット６０２（深さ３００μｍ）が形成されている。本実施の形態では、ＳｉＣ製プラッター６０１を用いているが、プラッターは、石英製やカーボン製やＳｉＣコーティングされたカーボン製やＢＮ製でも良く、基板２０１に熱を均一性良く効率良く伝えられる材質であればどんな材質からなってもよく、また、窒化物系化合物半導体を結晶成長させるためには腐食性のＮＨ₃ガスを使用し、かつ高温（約１０００℃）で実施されるため、耐熱性及び耐腐食性のある材質からなることが望ましい。

基板加熱用ヒータは、２ゾーン式ヒータで内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４とからなり、それぞれが横側に引き出された電極によって電力が供給される。また、成長温度の制御は、内周ヒータ６０３の中央部に設置された熱電対によって行われており、内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４とをそれぞれ独立に温度制御することが可能である。また、結晶成長時の膜厚の均一性を向上させるために、ＳｉＣ製プラッター６０１は、３ｒｐｍから３０ｒｐｍで上から見て時計回りに回転されている。この回転速度は、結晶成長中に変化させてもよく、一定であっても構わない。また、回転方向は、反時計回りであってももちろん構わない。

図６（ｂ）は、多数枚炉の基板設置用プラッターの構成及び基板加熱用ヒータの構成を示す模式図である。基板設置用プラッターは、直径１５５ｍｍのＳｉＣ製プラッター６０１であり、その中央に対して回転対称に直径５１．５ｍｍの基板設置用ポケット６０２（深さ３００μｍ）が形成されている。本実施の形態では、ＳｉＣ製プラッター６０１を用いている。本実施の形態で用いたＳｉＣ製プラッター６０１では、オリエンテーションフラット（ＯＦ）の位置を決めることにより回転対称に基板設置用ポケット６０２が形成されているが、ＯＦの位置は、ＳｉＣ製プラッター６０１の中心向きでもあっても、外側向きであっても構わず、また、特にＯＦの位置を決めなくても良い。

基板設置用ポケット６０２は、４スライスの基板２０１が設置可能なように４個形成されているが、その個数は、基板設置用プラッターのサイズと窒化物系半導体レーザ素子の量産性とを勘案して、２個でも３個でも５個でもそれ以上でも構わない。

基板加熱用ヒータは、３ゾーン式ヒータで内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４と中間ヒータ６０５とから成る。それぞれの電極は、ヒータから下部に引き出され、引き出された電極から電力が供給され、基板加熱がなされる。成長温度の制御は、内周ヒータ６０３の中央部に設置された熱電対によって行われ、内周ヒータ６０３、外周ヒータ６０４及び中間ヒータ６０５はそれぞれ独立に温度制御される。基板加熱用ヒータは、本実施の形態では３ゾーン式ヒータを用いたが、１ゾーン式でも、２ゾーン式でも４ゾーン式でもそれ以上でも良く、均一性良く基板加熱ができる構成であればなんでも良い。

図７（ａ）には、１枚炉で作製した窒化物系半導体レーザ素子の波長のウェハー内分布を表す。反り量を制御した基板２０１を用い、内周ヒータ６０３及び外周ヒータ６０４を適宜温度制御することにより、均一な温度分布を実現することが可能であり、ウェハーの外周部２ｍｍを除いた中心部の素子有効領域（直径４６．８ｍｍ）において、窒化物系半導体レーザ素子の発振波長のウェハー面内分布は、ウェハー面内の平均波長４０７ｎｍに対して±３ｎｍ以内であった。これは、バンドギャップエネルギーでは約２５ｍｅＶの分布に相当し、窒化物系半導体レーザ素子として求められる±５ｎｍ（バンドギャップエネルギーでは約４５ｍｅＶに相当）を満足する。１枚炉を用いた場合、反り量を制御した基板を用いなくても、それぞれの基板に適した内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４との温度バランスを制御して温度分布を制御することにより、窒化物系半導体レーザ素子の発振波長のウェハー面内分布を同等の値にすることも可能であるが、再現性が非常に低く、実用性に乏しい。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）には、多数枚炉で作製した窒化物系半導体レーザ素子の波長のウェハー面内分布を表す。図７（ｂ）は反り量を制御した基板２０１を用いた場合の結果であり、本実施形態に特徴の基板を用いた場合の結果である。図７（ｃ）は反り量を制御していない基板を用いた場合の結果であり、従来の基板を用いた場合の結果である。図７（ｂ）に示すように、反り量を制御した基板２０１を用いることにより、図７（ａ）と同等なウェハー面内で均一な波長分布が実現されている。一方、反り量を制御していない基板を用いた場合では、図７（ｃ）に示すように、ウェハー面内の平均波長が４１１ｎｍであり所望の波長値とは異なり、波長分布も±７ｎｍと大きくなった。

以下に、図７（ａ）乃至図７（ｃ）に示す結果に対する考察を示す。

ＧａＮ基板２０１上に形成した窒化物系半導体レーザ素子では、ＧａＮ基板２０１とｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２０３との格子定数差により、表面側に凹状に反らせようとする応力（ウェハーの変形）が発生し、その結果、ウェハーがお椀状に変形する。このため、基板設置用プラッターにはウェハーの中心部のみが接し、ウェハーの外周部分は若干離れてしまう。これにより、ウェハー面内に温度分布が生じ、特に温度に敏感なＧａＩｎＮ系材料からなる活性層のＩｎ組成分布、つまり、活性層の波長（バンドギャップエネルギー）の分布を引き起こす。

このとき、１枚炉を用いた場合、内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４との温度バランスを制御することにより、お椀状に変形したウェハーにその形状にあわせた同心円状の温度分布を実現することもでき、図７（ａ）に示すように、再現性は低いものの窒化物系半導体レーザ素子の作製が可能である。

一方、多数枚炉を用いた場合、内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４と中間ヒータ６０５との温度バランスを制御することにより基板設置用プラッター全体に対して同心円状の温度分布を実現できても、各ウェハーに対して同心円状の温度分布を実現できない。これは、基板加熱用ヒータのゾーン数を更に増加しても同様である。このため、図７（ｃ）に示すように、活性層の波長分布のばらつきを低減させることは困難であった。

しかしながら、基板２０１の反り量を制御することにより、より望ましくは、活性層成長時にウェハーがほぼ平坦となるように制御することにより、活性層成長時のウェハーの変形を最小限にすることができ、また、内周ヒータ６０３と外周ヒータ６０４と中間ヒータ６０５との温度バランスを制御して基板設置用プラッター全体の温度を均一とすることにより、活性層成長中のウェハー面内における温度分布のばらつきを最小限にすることができる。その結果、活性層におけるＩｎ組成分布の発生を抑制することができる。これにより、図７（ｂ）に示すように、多数枚炉を用いて窒化物系半導体レーザ素子を作製した場合であっても、再現性、均一性良く窒化物系半導体レーザ素子ウェハーを作製することが可能となり、窒化物系半導体レーザ素子の量産性の改善を図ることができる。

なお、本実施の形態では、ｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２１０を用いたが、上記実施の形態２と同様にｐ−Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ（２ｎｍ厚）／ｐ−ＧａＮ（２ｎｍ厚）−ＳＬｓ第２クラッド層５１０を用いてももちろん効果は同じであり、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層２０３のかわりにｎ−Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ／ｎ−ＧａＮ−ＳＬｓクラッド層を用いても良い。窒化物系半導体レーザ素子の量産性の改善を図るためには、量子井戸活性層成長中のウェハー面内の温度分布のばらつきが最小限となるように反り量を制御した基板を準備すること、基板の反り量にあったｎ−ＡｌＧａＮクラッド層を形成すること及び基板加熱用ヒータを均一に制御することが必要である。

また、本実施の形態では、青紫色の波長域での窒化物系半導体レーザ素子に関して説明したが、紫外〜可視光における発光素子全てに適用でき、ｎ型クラッド層の混晶組成、膜厚及び基板の反り量を適宜制御し、活性層成長時の均一な温度分布が実現できれば良い。
（実施の形態４）
実施の形態４では、図を用いながら窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子を説明する。図８は、本発明の一実施形態に係る窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００の断面構造を示している。ここでは、窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００の結晶成長プロセスを説明することにより、窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００の構成を示すこととする。なお、結晶成長にはＭＯＶＰＥ法を用いている。以下に結晶成長プロセスを示す。

まず、有機溶剤及び酸を用いてｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板（基板）８０１の表面を清浄化した後、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１をサセプター上に設置し、キャリアガスとしてＮ₂をもちいて十分置換する。Ｎ₂置換が終了すれば、Ｎ₂雰囲気中、１０℃／１０秒の昇温レートでｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１を１０２０℃まで昇温させた後、キャリアガスをＮ₂からＨ₂に切り替え、同時にＮＨ₃を供給し、例えば、５分間、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１の表面のクリーニングを行う。

次に、ＴＭＧとＴＭＡとＳｉＨ₄とを結晶成長用装置内に供給し、（Ｖ族元素）／（III属元素）＝５５００の条件下で、１．５μｍ厚のｎ−Al_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層８０２を成長させ、続いてＴＭＡ供給量を増加させて０．２μｍ厚のｎ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎクラッド層（ｎ型クラッド層）８０３を成長させる。

その後、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＳｉＨ₄の供給を停止し、いったん結晶成長を中断した後、キャリアガスをＮ₂に変えＮＨ₃の供給を停止し、成長温度を８５０℃まで降温する。成長温度が８５０℃で安定後、まずＮＨ₃を結晶成長用装置内に供給し、続いてＴＭＧとＴＭＡとＴＭＩとを同装置内に供給し、（Ｖ族元素）／（III属元素）＝２６０００の条件下で、Ｇａ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ／Ａｌ_0.10Ｇａ_0.87Ｉｎ_0.03Ｎ−量子井戸活性層８０４を成長させる。Ｇａ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ井戸層厚は６ｎｍであり、Ａｌ_0.10Ｇａ_0.87Ｉｎ_0.03Ｎ障壁層厚は１２ｎｍであり、井戸層数は４である。本実施の形態では活性層には意図的なドーピングはしていないが、Ｓｉドーピングを実施しても良い。

引き続いて、５ｎｍ厚のノンドープＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ｎキャップ層８０５を成長させ、いったんＴＭＧとＴＭＡとの供給を停止する。その後、キャリアガスとしてＮ₂とＮＨ₃とを供給した状態ですばやく９５０℃まで昇温させ、成長温度が９５０℃に到達後、キャリアガスをＮ₂とＨ₂との混合ガスに変更し、Ｎ₂とＨ₂とＮＨ₃とを供給した状態にする。そして直ちにＴＭＧとＴＭＡとＣｐ₂Ｍｇとを結晶成長用装置内に供給して、（Ｖ族元素）／（III属元素）＝１００００の条件下で、４５ｎｍ厚のｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎクラッド層（ｐ型クラッド層）８０６及び５０ｎｍ厚のｐ−ＧａＮコンタクト層８０７を順次積層する。

その後、ｐ−ＧａＮコンタクト層８０７からｎ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎクラッド層８０３までを部分的に除去し、ｎ−Al_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層８０２の表面の一部を露出させる。そして、ｎ−Al_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層８０２の露出面にはｎ電極８０９を形成し、ｐ−ＧａＮコンタクト層８０７にはｐ電極８０８を形成する。

その後、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１の裏面側から研削研磨処理によって約８０ｎｍの膜厚になるまでｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１を薄くし、その後、フォトリソグラフィー、ドライエッチング処理及びウェットエッチング処理を用いて周期的な凹凸加工を施す。この周期的な凹凸構造を施すことにより光の取り出し効率が格段に向上する。

以上の方法に従って作製された窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００は４００μｍ角であり、ｎ電極８０９とｐ電極８０８との間に電圧を印加すると、量子井戸活性層８０４に向かってｐ電極８０８から正孔がｎ電極８０９から電子が注入されて、３６５ｎｍの波長で発光する。ここでは、ｎ電極及びｐ電極の両方を素子の表面側に形成したが、導電性のｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１を用い光の取り出し効率を極端に低下させない構成であれば、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１裏面にｎ電極を形成してももちろん良い。

このような窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００においても、ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板８０１の反り量Ｈを±０μｍから＋１５μｍとしてこのダイオード素子８００を作製することにより、量子井戸活性層成長時のウェハー形状をできるだけ平坦にすることができ、量子井戸活性層成長時の温度均一性を高められ、窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００の波長制御を再現性、均一性高く行うことができる。

本実施の形態では、紫外域での発光ダイオード素子８００に関して説明したが、本発明は、可視光全域における発光ダイオード素子全てに適用できる。また、基板８０１としてｎ−ＧａＮ基板を用いても、ｎ型クラッド層の混晶組成、膜厚及び基板の反り量を適宜制御し、活性層成長時の均一な温度分布が実現できれば良い。

本発明は、光ディスク装置用の半導体レーザ素子、照明用発光ダイオード及び紫外線検知器などに好適に用いられる。

基板及びウェハーについて、反り方向、反り量Ｈ及び曲率半径Ｒの定義を説明するための模式図 実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子２００の断面構造図 （ａ）は実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子２００のｎ型クラッド層の層厚とウェハーの反り量との関係を示す図であり、（ｂ）は実施の形態１に係る窒化物系半導体レーザ素子２００のｎ型クラッド層の層厚とウェハーの曲率半径との関係を示す図 基板の周縁の断面図であり、（ａ）はＣ面取りが施された周縁の拡大図であり、（ｂ）はＲ面取りが施された周縁の拡大図であり、（ｃ）は表面側と裏面側とで非対称にテーパー加工が施された周縁の拡大図 実施の形態２に係る窒化物系半導体レーザ素子５００の断面構造図 実施の形態３に係る窒化物系化合物半導体結晶成長用ＭＯＶＰＥ装置の基板設置用プラッター及び基板加熱用ヒータを模式的に示す模式図であり、（ａ）は当該装置（１枚炉）に関する模式図であり、（ｂ）は当該装置（多数枚炉）に関する模式図 実施の形態３に係る窒化物系半導体レーザ素子の発振波長のウェハー面内分布を示すグラフ図であり、（ａ）は１枚炉の窒化物系化合物半導体結晶成長用ＭＯＶＰＥ装置を用いて作製されたレーザ素子におけるグラフ図であり、（ｂ）は反り量が制御された基板を用い多数枚炉の同装置を用いて作製されたレーザ素子におけるグラフ図であり、（ｃ）は反り量が制御されていない基板を用い多数枚炉の同装置を用いて作製されたレーザ素子におけるグラフ図 実施の形態４に係る窒化物系半導体紫外発光ダイオード素子８００の断面構造図

符号の説明

201 ｎ−ＧａＮ基板（基板）
203 ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎクラッド層（ｎ型クラッド層）
205 Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ／Ｇａ_0.98Ｉｎ_0.02Ｎ−量子井戸活性層（活性層）
209 ｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ第１クラッド層（ｐ型クラッド層）
210 ｐ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ第２クラッド層（ｐ型クラッド層）
510 ｐ−Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ／ｐ−ＧａＮ−ＳＬｓ第２クラッド層（ｐ型クラッド層）
801 ｎ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ基板（基板）
803 ｎ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎクラッド層（ｎ型クラッド層）
804 Ｇａ_0.97Ｉｎ_0.03Ｎ／Ａｌ_0.10Ｇａ_0.87Ｉｎ_0.03Ｎ−量子井戸活性層（活性層）
806 ｐ−Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎクラッド層（ｐ型クラッド層）

Claims (4)

1. 窒化物系化合物半導体からなる基板を準備する工程と、
   前記基板の上に、少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と、窒化物系化合物半導体からなる活性層と、少なくとも一部にＡｌを含む窒化物系化合物半導体からなるｐ型クラッド層とを積層する工程と
   を含む窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法であって、
   前記基板は、上面側に実質的に凸状に反っており、該上面を球面で近似した時の曲率半径が１５ｍ以上３０ｍ以下であり、該上面の一側端から他側端までの最短距離が５０ｍｍ以上であり、
   前記活性層の成長時における窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの反り量の絶対値は、１０μｍ以下であることを特徴とする窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法。
2. 前記基板は、結晶構造が六方晶系であるＧａＮ及びＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）の少なくとも一方からなり、前記上面の面方位が（０００１）面及び該（０００１）面に対して−２．０°以上＋２．０°以下のオフアングルを有する面のうちの何れかの面であり、
   前記基板の貫通転位密度が、基板面内方向では略均一であるとともに３×１０⁶ｃｍ^-2以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法。
3. 基板は、該基板の周縁部分に、該基板の内側から該基板の外側へ向かうにつれて厚みが減少するテーパー状の部分を有しており、
   前記テーパ状の部分は、前記基板の前記上面の外周から該上面の中央へ向かって０．２ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の領域において、該上面の該中央部分に対して１５度以上４０度以下の角度に傾いているとともに、該基板の下面の外周から該下面の中央へ向かって０．３ｍｍ以下の領域において、該下面の該中央部分よりも１５度以上４０度以下の角度に傾いていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法。
4. 前記基板は、ｎ−ＧａＮ基板又はｎ−Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ基板（０＜ｘ≦０．０５）であり、
   前記基板の厚さは、３５０μｍ以上４５０μｍ以下であり、
   前記ｎ型クラッド層は、ｎ−Ａｌ _x Ｇａ _1-x Ｎ（０．０３≦ｘ≦０．０７）層であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系化合物半導体素子用ウェハーの製造方法。

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