JP4865584B2 - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ZnO単結晶基板と、その基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子とを備えた半導体素子及びその製造方法に関する。

半導体レーザなどの半導体発光素子では、InGaNなどのIII-V族窒化物系化合物半導体（以下、「窒化物半導体」という。）を使って可視の領域の発光材料を作ろうとしているが、青色領域の発光材料はInの組成の低いところで作られている。青色より長波長の領域（緑色など）の発光材料を作るには、Inの組成を高くする必要がある。

しかし、InGaNなどの窒化物半導体を使った半導体発光素子では、InNとGaNの格子定数差が１１％程度と非常に大きいので、Inの組成を高くすると、InGaNなどの窒化物半導体が混ざりにくくなる。つまり、相分離をしてしまう。これを抑制するために、InGaNなどの窒化物半導体の活性層に格子整合する（格子定数の近い）基板を使う。その基板としてZnO単結晶基板が適している。

ところが、ZnO単結晶基板上に、InGaNなどの窒化物半導体を成長する際に、アンモニアNH₃を使った雰囲気中で成長させると、７５０℃以上で酸化亜鉛ZnOが昇華してしまうという問題があった。その昇華によりZnO単結晶基板が削れてなくなってしまう。

従来、ZnO単結晶基板を用いた半導体発光素子として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。この半導体発光素子では、ZnO単結晶基板の基板面のうち、少なくとも窒化物半導体層を成長させる第一の面と対向する第二の面が高温或いは還元雰囲気に耐える材料で覆われている。その材料として、SiO₂,Si_３N_４,AlO_３などの材料が用いられると記載されている。
特開平06-061527号公報

ところで、上記従来技術では、SiO₂,Si_３N_４,AlO_３などの材料は、酸化亜鉛ZnOと熱膨張係数差が大きいために、ZnO単結晶基板の表面（第一の面）上にInGaNなどの窒化物半導体層を成長する際に、熱歪が生じて、ZnO単結晶基板が反ってしまう。このため、ZnO単結晶基板の表面内に均一に窒化物半導体を成長させるのが難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、歩留まりの向上を図ることができ、量産性に優れ、高性能でかつ高信頼性な半導体素子及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る半導体素子は、ZnO単結晶基板と、前記基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子とを備えた半導体素子であって、前記基板の外面のうち、少なくとも前記素子を形成する表面とは反対側の裏面を覆う窒化物半導体からなる保護膜を備えることを特徴とする。

この態様によれば、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面が窒化物半導体からなる保護膜で覆われているので、ZnO単結晶基板の表面上に窒化物半導体層を成長させる際にZnOの昇華を抑制できる。このため、V族原料としてアンモニアNH₃を用いて窒化物半導体層を成長させるMOCVD法などの気相成長法を利用できる。これにより、ZnO単結晶基板の表面上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成することができると共に、量産性に優れた半導体素子が得られる。

また、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面を覆う保護膜の窒化物半導体はZnO単結晶基板と格子定数及び熱膨張係数が近いので、ZnO単結晶基板の表面上に窒化物半導体層を成長させる際に、熱歪を抑制でき、基板が反るのを抑制できる。このため、ZnO単結晶基板の表面内に均一に窒化物半導体層を成長させることができる。これにより、歩留まりが向上すると共に高性能でかつ高信頼性な半導体素子を作製できる。

また、ZnO単結晶基板には導電性があるので、ZnO単結晶基板の裏面にも窒化物半導体層を含む素子、例えば、半導体レーザなどの半導体発光素子、或いは、ＭＯＳ型電界効果トランジスタなどの電子デバイスを形成できる。つまり、ZnO単結晶基板の表面と裏面の両側に半導体発光素子と電子デバイスを形成できる。

なお、「窒化物半導体」には、GaN,InN,AlN,InGaN,AlGaN,AlGaInNなどのIII-V族窒化物系化合物半導体が含まれる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記基板の裏面と側面が前記保護膜で覆われていることを特徴とする。この態様によれば、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、基板が反るのをさらに抑制できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記保護膜は、前記ZnO単結晶基板と格子整合したInGaN,AlInN,AlGaInNなどのIII-V 族窒化物系化合物半導体で構成されていることを特徴とする。この態様によれば、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、基板が反るのをさらに抑制できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記保護膜に導電性を持たせたことを特徴とする。

この態様によれば、ZnO単結晶基板には導電性があるので、その基板の少なくとも裏面を覆う保護膜に導電性を持たせることにより、基板の表面側から裏面側へ或いはその逆へ縦方向に電流が流せるようになり、縦型デバイス（縦方向注入型デバイス）の半導体素子を実現できる。なお、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面を覆う窒化物半導体からなる保護膜にｎ型導電性を持たせる場合にはＳｉをドーピングし、ｐ型導電性を持たせる場合にはＭｇをドーピングする。

また、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面を覆う保護膜に導電性を持たせておけば、その保護膜を除去せずに、その保護膜上に電極などを形成できる。これに対して、上記特許文献１に記載された従来技術では、ZnO基板の裏面がSiO₂,Si₃N₄,Al₂O₃などの材料（保護膜）で覆われているが、ZnO基板の裏面に電極を形成する際には、その保護膜を除去する必要がある。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記窒化物半導体層を含む素子は、前記ZnO単結晶基板の表面上に形成され、酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、In を含む窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなるコンタクト層とを備えていることを特徴とする。

この態様によれば、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体発光素子で、歩留まりの向上を図ることができ、量産性に優れ、高性能な半導体発光素子を実現できる。また、活性層のミスフィット転位を抑制でき、信頼性の高い半導体発光素子を実現できる。さらに、In を含む窒化物半導体からなる活性層は低温で成長できるので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、基板が反るのをさらに抑制できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記下部及び上部クラッド層は、前記ZnO単結晶基板および活性層の少なくとも一方に格子整合されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記活性層は、InGaN又はAlInN又はAlGaInNからなることを特徴とする。

この態様によれば、InGaN又はAlInN又はAlGaInN からなる活性層は低温で成長できるので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、基板が反るのをさらに抑制できる。また、InGaNの活性層又はAlGaInNの活性層と格子定数の近い（格子整合する）ZnO単結晶基板を用いているので、Inの組成を高くしても、相分離が抑制される。これにより、Inの組成を高くしても均一なIn組成を有するInGaN活性層又はAlInN活性層又はAlGaInN活性層が得られるので、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する発光素子を実現できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、酸化物半導体又は窒化物半導体からなるバッファ層が形成されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記バッファ層は、前記ZnO単結晶基板に格子整合されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記窒化物半導体層を含む素子は、前記ZnO単結晶基板の表面上に形成され、酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、酸化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなるコンタクト層とを備えていることを特徴とする。

この態様によれば、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体発光素子で、歩留まりの向上を図ることができ、量産性に優れ、高性能な半導体発光素子を実現できる。また、活性層のミスフィット転位を抑制でき、信頼性の高い半導体発光素子を実現できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記下部及び上部クラッド層は、前記ZnO単結晶基板および活性層の少なくとも一方に格子整合されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記活性層は、ZnCdO又はZnMgCdO又はZnBeMgCdOからなることを特徴とする。

この態様によれば、ZnCdO又はZnMgCdO又はZnBeMgCdOからなる活性層は低温で成長できるので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、基板が反るのをさらに抑制できる。また、ZnCdOの活性層又はZnMgCdOの活性層又はZnBeMgCdOの活性層と格子定数の近い（格子整合する）ZnO単結晶基板を用いているので、Cdの組成を高くしても、相分離が抑制される。これにより、Cdの組成を高くしても均一なCd組成を有するZnCdO活性層又はZnMgCdO活性層又はZnBeMgCdO活性層が得られるので、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する発光素子を実現できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、酸化物半導体又は窒化物半導体からなるバッファ層が形成されていることを特徴とする。

本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記バッファ層は、前記ZnO単結晶基板に格子整合されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために、本発明の第２の態様に係る半導体素子の製造方法は、ZnO単結晶基板と、前記基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子とを備えた半導体素子の製造方法であって、前記基板の外面のうち、少なくとも前記素子を形成する表面とは反対側の裏面上に、窒化物半導体からなる保護膜を成長させ、その後、ZnO単結晶基板の表面上に前記窒化物半導体層を成長させることを特徴とする。

この態様によれば、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面上に窒化物半導体からなる保護膜を成長させた後、ZnO単結晶基板の表面上に窒化物半導体層を成長させるので、その成長の際にZnOの昇華を抑制できる。このため、V族原料としてアンモニアNH₃を用いて窒化物半導体層を成長させるMOCVD法などの気相成長法を利用できる。これにより、ZnO単結晶基板の表面上に良好な結晶性の窒化物半導体層を形成することができると共に、量産性に優れた半導体素子が得られる。

また、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面を覆う保護膜の窒化物半導体はZnO単結晶基板と格子定数及び熱膨張係数が近いので、ZnO単結晶基板の表面上に窒化物半導体層を成長させる際に、熱歪を抑制でき、基板が反るのを抑制できる。このため、ZnO単結晶基板の表面内に均一に窒化物半導体層を成長させることができる。これにより、歩留まりが向上すると共に高性能でかつ高信頼性な半導体素子を作製できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子の製造方法は、前記保護膜は、低温で成長する窒化物半導体からなることを特徴とする。

この態様によれば、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面に窒化物半導体からなる保護膜を低温で成長させると、ZnO単結晶基板の表面に窒化物半導体層を高温で成長させる際に基板に与えるダメージを抑制できる。また、保護膜を低温で成長させると、酸化物であるZnO単結晶基板と窒化物である保護膜の界面を急峻にすることができ、その界面の反応を抑制できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子の製造方法は、前記低温で成長する窒化物半導体はInを含むことを特徴とする。この態様によれば、保護膜の窒化物半導体にInが含まれていると、その窒化物半導体を低温で成長できるので、界面が急峻になり、界面の反応を抑制できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子の製造方法は、前記基板の少なくとも裏面に前記保護膜を成長させる前に、前記基板に表面平坦化のための熱処理を施し、その後、前記基板の少なくとも裏面に前記保護膜を成長させ、その後、前記基板の表面上に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする。

この態様によれば、ZnO単結晶基板の少なくとも裏面に保護膜を成長させる前に、研磨されたZnO単結晶基板に熱処理（例えば１１００℃で２時間程度の熱処理）を施すことにより、基板の表面が綺麗になり、原子状のステップ・テラスができ、そこにエピタキシャル成長ができる。

本発明の他の態様に係る半導体素子の製造方法は、前記基板の少なくとも裏面に、窒化物半導体からなる前記保護膜をMBE法或いはPLD法で堆積させることを特徴とする。この態様によれば、ZnO単結晶基板と保護膜の界面の反応を抑制できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子の製造方法は、前記基板の少なくとも裏面に、窒化物半導体からなる前記保護膜をMBE法或いはPLD法で堆積させる際に、窒素ラジカルを照射することにより表面を窒化させることを特徴とする。この態様によれば、ZnO単結晶基板表面の一部を窒素原子で置き換えることにより、ZnOと保護膜の界面が急峻な形成できる。

本発明の他の態様に係る半導体素子の製造方法は、前記基板の少なくとも裏面に、窒化物半導体からなる前記保護膜をMBE法或いはPLD法で堆積させる際に、III族の原料とV族の原料である窒素のラジカルを同時に照射することを特徴とする。この態様によれば、ZnO単結晶基板と保護膜の界面の反応を抑制できる。

本発明によれば、歩留まりの向上を図ることができ、量産性に優れ、高性能でかつ高信頼性な半導体素子を実現できる。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る半導体素子１０を、図１に基づいて説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体素子１０の概略構成を示す断面図である。

この半導体素子１０は、半導体発光素子の一例として、III-V族窒化物化合物半導体からなるエピタキシャル層（窒化物半導体層）を有する半導体レーザとして構成されたものである。

図１に示す第１実施形態に係る半導体素子１０の特徴は、以下の構成にある。

・ZnO（酸化亜鉛）単結晶基板１２を用いている。

・ZnO単結晶基板１２上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子３０を備えている。

・ZnO単結晶基板１２の外面のうち、素子３０を形成する表面１２ａとは反対側の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃを覆う窒化物半導体からなる保護膜４０を備えている。

この保護膜４０は、低温で成長する窒化物半導体で構成するのが好ましい。例えば、保護膜４０は、InGaN,AlInN,AlGaInNなどのIII-V族窒化物系化合物半導体（窒化物半導体）で構成される。また、保護膜４０には、ドーピングすることにより導電性を持たせてある。本実施形態では、ZnO単結晶基板１２の導電型はn型であるため、保護膜４０にSiをドーピングすることにより、保護膜４０にｎ型導電性を持たせてある。

ZnO単結晶基板１の基板面は、ピエゾ電界の影響を受けにくい面方位の結晶面である。本実施形態では、ピエゾ電界の影響を受けにくい面方位の結晶面を、ａ面である（１１＿２０）面としている。

半導体素子１０は、図１に示すように、下部電極層１１と、ZnO単結晶基板１２と、バッファ層１３と、格子整合系下部クラッド層１４と、InGaN系活性層１５と、格子整合系上部クラッド層１６と、コンタクト層１７と、パッシベーション膜１８と、上部電極層１９とを備えている。

半導体素子１０の素子３０は、ZnO単結晶基板１２の基板面上に形成され、ZnO単結晶基板１２に格子整合されたバッファ層１３と、バッファ層１３上に形成された下部クラッド層１４と、下部クラッド層１４上に形成され、In _x Ga _1-x N （０＜x＜１）からなるInGaN系活性層１５と、活性層１５上に形成された上部クラッド層１６と、上部クラッド層１６上に形成されたコンタクト層１７と、パッシベーション膜１８とを備える。下部クラッド層１４及び上部クラッド層１６はZnO単結晶基板１２および活性層１５の少なくとも一方に格子整合されている。

下部電極層１１は、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂに形成された窒化物半導体からなる保護膜４０の表面に形成されている。これは、ZnO単結晶基板１２が導電性であるためである。このため、半導体素子１０は、縦型デバイスを構成することが可能となっている。

ZnO単結晶基板１２の導電型はn型である。そのため、バッファ層１３と下部クラッド層１４はｎ型であり、上部クラッド層１６、コンタクト層１７およびパッシベーション膜１８はｐ型である。なお、バッファ層１３は必ずしも無くても良い。

また、上記表１で表されているように、ZnO単結晶基板１２の単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１９５５Å）は、窒化ガリウムGaNの単位格子ｃに対応する格子定数（＝５．１８６Å）と窒化インジウムInNの単位格子cに対応する格子定数（＝５．７６Å）との間の値を有しており、In組成２０％程度の窒化ガリウムインジウムInGaNの単位格子cに対応する格子定数と非常に近い値を有している。

バッファ層１３は、Zn,Mg,Be,Cdの少なくとも一つを含む酸化物系化合物半導体層（酸化物）で構成されている。バッファ層１３は、ZnO単結晶基板１２と格子整合を行うために設けられた層であり、InGaN系活性層１５の格子定数に等しい格子定数或いはそれより小さい格子定数を有するように設定されている。

また、下部クラッド層１４と、上部クラッド層１６と、コンタクト層１７と、パッシベーション膜１８とは、Al,Ga,Inの少なくとも一つを含む窒化物系化合物半導体層（窒化物半導体）、或いは酸化物系化合物半導体層（酸化物半導体）で構成されている。

格子整合系下部クラッド層１４は、InGaN系活性層１５の格子定数に等しい格子定数或いはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合されるので、コアとして機能するnGaN系活性層１５よりも屈折率が小さく、活性層１５内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。

InGaN系活性層１５は、格子整合系下部クラッド層１４および格子整合系上部クラッド層１６に挟まれたダブルヘテロ接合構造をとっており、外部電極により順方向に電圧がかけられると、下部クラッド層１４から電子が注入され、上部クラッド層１６から正孔が注入される。この結果、InGaN系活性層１５は、反転分布の状態となり、誘導放射が起こることになる。さらにInGaN系活性層１５の両端面は、図２に示すように、光出射側端面２１と光反射側端面２２とを有する共振器構造となっており、誘導放射を繰り返すうちに光が増幅され、レーザ光として外部に放射される。そして、反射ループが平衡状態に至り、レーザ光が連続発振状態に至ることとなる。

格子整合系上部クラッド層１６は、活性層１５の格子定数に等しい格子定数或いはそれよりも小さい格子定数を有するように格子制御されるので、下部クラッド層１４と同様に、コアとして機能する活性層１５よりも屈折率が小さく、活性層１５内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。

コンタクト層１７は、上部電極層１９とオーム性接触を実現するための層である。パッシベーション膜１８は、保護膜として機能している。上部電極層１９は、外部からの電源が供給される端子として機能している。

そして、半導体素子１０を半導体レーザとして構成する場合には、共振器端面となる光出射側端面と光反射側端面を形成し、光出射側端面には低反射膜を形成し、光反射側端面には高反射膜を形成する。

上記構成を有する半導体素子１０を製造する方法（第１の製造方法）について説明する。

この第１の製造方法の特徴は、以下の構成にある。

・ZnO単結晶基板１２の外面のうち、裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に窒化物半導体からなる保護膜４０を、MBE(molecular beam epitaxy)法例えばRFMBE(radio-frequency molecular beam epitaxy)法、或いはPLD(Pulsed Laser Deposition)法により成長（エピタキシャル成長）させる。

・その後、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に、素子３０を構成する各窒化物半導体層（窒化物半導体層或いは酸化物半導体層）をMOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により成長させる。バッファ層１３の基板に接する一部は、MBE法、例えばRFMBE法、或いはPLD法により成長（エピタキシャル成長）させてもよい。

具体的には、第１の製造方法は以下の工程を含む。

（工程１）まず、（１１＿２０）面（ａ面）が基板面（表面）となっているZnO単結晶基板１２を用意する。

（工程２）次に、ZnO単結晶基板１２の表面平坦化処理を行う。

つまり、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に低温で成長する窒化物半導体からなる保護膜４０を成長させる前に、ZnO単結晶基板１２に表面平坦化のための熱処理（例えば、１１００℃で２時間程度）を施す。具体的には、大気中で熱処理を行い、原子状のステップ・テラス構造を形成する。酸化ジルコニアや酸化亜鉛などの無機材質平板で挟んだ状態で行うのが好ましい。

（工程３）次に、成長チャンバー内で大気圧下または減圧下でサーマルクリーニング処理を行う。

具体的には、真空中、700〜750℃の温度で30〜60分加熱し、有機物などを除去する。

（工程４）次に、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に、窒化物半導体（InGaN,AlInN,AlGaInN等）からなる保護膜４０を、Ｖ族原料を窒素ラジカルとして供給できるRFラジカルセルを有するRFMBE法により堆積させる。この工程４で、窒化物半導体からなる保護膜４０をRFMBE法で堆積させる際に、III族の原料とV族の原料である窒素のラジカルを同時に照射するのが好ましい。

この工程４において、保護膜４０としてAlInNをRFMBE法により裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に堆積させる場合の条件としては、例えば、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccm（standard cc/mIn）とする。III族原料としては、高純度のAlおよびIn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、この工程４において、保護膜４０としてInGaN をRFMBE法により裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に堆積させる場合の条件としては、例えば、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccmとする。III族原料としては、高純度のInおよびGa金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、この工程４において、保護膜４０としてAlGaInNをRFMBE法により裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に堆積させる場合の条件としては、例えば、成長温度Tg =400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccmとする。III族原料としては、高純度のAl、GaおよびIn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

（工程５）この後、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に素子３０を構成する各半導体層、すなわち、バッファ層１３、下部クラッド層１４、活性層１５、上部クラッド層１６、およびコンタクト層１７を、MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により順に成長させて形成する。バッファ層１３の基板に接する一部は、MBE法、例えばRFMBE法、或いはPLD法により成長（エピタキシャル成長）させてもよい。

以上の（工程１）〜（工程５）により半導体素子１０用のエピタキシャルウェハが製造される。

（工程６）次に、半導体素子１０用のエピタキシャルウェハの裏面側にｎ型の下部電極層１１を形成する。

具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、抵抗加熱、EB（電子ビーム）或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ti/Al或いはTi/Pt/Au電極をｎ型下部電極層１１として形成する。この場合、形成されたｎ型の下部電極層１１は、ZnO単結晶基板１２に対してオーム性接触することとなる。

（工程７）次に、リッジ構造を形成する。

リッジ構造は、半導体レーザの構造の一種で、光導波路での光の損失を小さくできる実屈折率導波路構造を実現できる。比較的単純な構造ではあるが、レーザ光の発振状態を安定に保つためには加工技術の精密制御が必要となる。具体的には、フォトリソグラフィーおよびドライエッチング技術によりリッジ構造を形成する。

（工程８）次に、パッシベーション膜１８を形成する。

パッシベーション膜１８は、保護層として機能しており、SiO₂,ZrO₂をPCVD（Plasma Chemical Vapor Deposition ）法により堆積させて形成する。

（工程９）次に、ｐ型の上部電極１９を形成する。

具体的には、フォトリソグラフィーにより電極パターンを形成し、パッシベーション膜１８を除去した後、抵抗加熱、EB（電子ビーム）或いはスパッタ法により電極金属を蒸着させた後、シンタリング（焼結）処理により、例えば、Ni/Au或いはPd/Pt/Au電極をｐ型の上部電極層１９として形成する。この場合に、形成されたｐ型の上部電極層１９は、ｐ型のコンタクト層１７に対してオーム性接触することとなる。

（工程１０）次に、半導体素子１０の共振器端面を形成する。

（工程１１）次に、形成された共振器端面の光出射側端面および光反射側端面に低反射膜および高反射膜をそれぞれ形成する。

これにより、半導体レーザとして構成された半導体素子１０の製造が完了する。

以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

○ZnO単結晶基板１２の外面のうち、素子３０を形成する表面１２ａとは反対側の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃが窒化物半導体からなる保護膜４０で覆われているので、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に窒化物半導体層を成長させる際にZnOの昇華を抑制できる。このため、V族原料としてアンモニアNH₃を用いて窒化物半導体層を成長させるMOCVD法などの気相成長法を利用できる。これにより、ZnO単結晶基板の表面上に結晶性の良好な窒化物半導体層を形成することができると共に、量産性に優れた半導体レーザとしての半導体素子１０が得られる。

○保護膜４０の窒化物半導体はZnO単結晶基板１２と格子定数及び熱膨張係数が近いので（表１参照）、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に窒化物半導体層を成長させる際に、熱歪を抑制でき、ZnO単結晶基板１２が反るのを抑制できる。このため、ZnO単結晶基板１２の表面内に均一に窒化物半導体層を成長させることができる。これにより、歩留まりが向上すると共に高性能な半導体素子１０を作製できる。

○ZnO単結晶基板１２には導電性があるので、その裏面１２ｂにも窒化物半導体層を含む素子３０、例えば、ｐｎ接合部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体発光素子、或いはＦＥＴやＨＢＴなどの電子デバイスを形成できる。つまり、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａと裏面１２ｂの両側に発光素子と電子デバイスを形成できる。

○ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃが保護膜４０で覆われているので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、ZnO単結晶基板１２が反るのをさらに抑制できる。

○保護膜４０は、ZnO単結晶基板１２と格子整合したInGaN,AlInN,AlGaInNなどのIII-V 族窒化物系化合物半導体で構成されているので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、基板が反るのをさらに抑制できる。

○ZnO単結晶基板１２には導電性（本例ではｎ型導電性）があるので、その基板の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃを覆う保護膜４０にｎ型導電性を持たせることにより、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ側から裏面１２ｂ側へ電流が流せるようになり、縦型デバイス（縦方向注入型デバイス）の半導体素子を実現できる。

○ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃを覆う保護膜４０に導電性を持たせてあるので、その保護膜４０を除去せずに、保護膜４０上に下部電極１１などを形成できる。

○ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に素子３０は、In を含む窒化物半導体、例えば層活性層In _x Ga _1-xN （０＜x＜１）からなるInGaN系活性層１５を備えているので、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体発光素子で、歩留まりの向上を図ることができ、量産性に優れ、高性能な半導体素子１０を実現できる。

○素子３０は、ZnO単結晶基板１２に格子整合されたバッファ層１３を備え、下部クラッド層１４及び上部クラッド層１６はバッファ層１３および活性層１５の少なくとも一方に格子整合されているので、活性層１５のミスフィット転位を抑制でき、信頼性の高い半導体発光素子を実現できる。

○In を含む窒化物半導体からなる活性層１５は低温で成長できるので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、ZnO単結晶基板１２が反るのをさらに抑制できる。

○InGaNの活性層１５と格子定数の近い（格子整合する）ZnO単結晶基板１２を用いているので、Inの組成を高くしても、相分離が抑制される。これにより、Inの組成を高くしても均一なIn組成を有するInGaN活性層１５が得られるので、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体発光素子を実現できる。

○上記第１の製造方法によれば、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に窒化物半導体からなる保護膜４０を成長させた後、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に窒化物半導体層を成長させるので、その成長の際にZnOの昇華を抑制できる。このため、V族原料としてアンモニアNH₃を用いて窒化物半導体層を成長させるMOCVD法などの気相成長法を利用できる。これにより、ZnO単結晶基板の表面上に良好な結晶性の窒化物半導体層を形成することができると共に、量産性に優れた半導体発光素子が得られる。

○上記第１の製造方法によれば、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に窒化物半導体からなる保護膜４０を低温で成長させると、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａに窒化物半導体層を高温で成長させる際にその基板に与えるダメージを抑制できる。

○上記第１の製造方法によれば、保護膜４０を低温で成長させると、酸化物であるZnO単結晶基板と窒化物である保護膜４０の界面を急峻にすることができ、その界面の反応を抑制できる。

○上記第１の製造方法によれば、保護膜４０の低温で成長する窒化物半導体にInが含まれていると、その窒化物半導体を低温で成長できるので、界面が急峻になり、界面の反応を抑制できる。

○上記第１の製造方法によれば、ZnO単結晶基板の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃに保護膜４０を成長させる前に、研磨されたZnO単結晶基板に熱処理（１１００℃で２時間程度）を施すことにより、基板の表面が綺麗になり、原子状のステップ・テラスができ、そこにエピタキシャル成長ができる。

○ZnO単結晶基板の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃに保護膜４０をMBEで堆積させるので、ZnO単結晶基板１２と保護膜４０の界面の反応を抑制できる。

○ZnO単結晶基板の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃに窒化物半導体からなる保護膜をMBE法或いはPLD法で堆積させる際に、窒素ラジカルを照射することにより表面を窒化させることにより、ZnO単結晶基板１２と保護膜４０の界面の反応を抑制できる。

○ZnO単結晶基板の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃに窒化物半導体からなる保護膜４０をMBE法で堆積させる際に、III族の原料とV族の原料である窒素のラジカルを同時に照射することにより、ZnO単結晶基板１２と保護膜４０の界面の反応を抑制できる。

次に、図１に示す上記第１実施形態に係る半導体素子１０の具体的な実施例について説明する。

（実施例１）
ｎ型のZnO単結晶基板１２を用いる。その裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に形成される保護膜４０に、ZnO単結晶基板１２に格子整合したｎ型Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｎ型の下部クラッド層１４に酸化物半導体或いは窒化物半導体を用いる。活性層１５にAl_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｐ型の上部クラッド層及びｐ型のコンタクト層１７にそれぞれ、窒化物半導体或いは酸化物半導体を用いる。この実施例１により、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体素子１０を実現できる。

（実施例２）
ｎ型のZnO単結晶基板１２を用いる。その裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に形成される保護膜４０に、ZnO単結晶基板１２に格子整合したｎ型Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｎ型の下部クラッド層１４に酸化物半導体或いは窒化物半導体を用いる。活性層１５にZn_1-a-b-cBe_aMg_bCd_cO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）を用いる。ｐ型の上部クラッド層及びｐ型のコンタクト層１７にそれぞれ、窒化物半導体或いは酸化物半導体を用いる。この実施例２により、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体素子１０を実現できる。

（実施例３）
ｎ型のZnO単結晶基板１２を用いる。その裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に形成される保護膜４０に、ZnO単結晶基板１２に格子整合したｎ型Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｎ型の下部クラッド層１４にAl_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。活性層１５にAl_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｐ型の上部クラッド層及びｐ型のコンタクト層１７にそれぞれ、窒化物半導体或いは酸化物半導体を用いる。この実施例３により、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体素子１０を実現できる。

（実施例４）
ｎ型のZnO単結晶基板１２を用いる。その裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に形成される保護膜４０に、ZnO単結晶基板１２に格子整合したｎ型Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｎ型の下部クラッド層１４にZnBeMgCdO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）を用いる。活性層１５にZnBeMgCdO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）を用いる。ｐ型の上部クラッド層及びｐ型のコンタクト層１７にそれぞれ、窒化物半導体或いは酸化物半導体を用いる。この実施例４により、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体素子１０を実現できる。

（実施例５）
ｎ型のZnO単結晶基板１２を用いる。その裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に形成される保護膜４０に、ZnO単結晶基板１２に格子整合したｎ型Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｎ型の下部クラッド層１４にAl_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。活性層１５にAl_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｐ型の上部クラッド層及びｐ型のコンタクト層１７にそれぞれ、Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。この実施例６により、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体素子１０を実現できる。

（実施例６）
ｎ型のZnO単結晶基板１２を用いる。その裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に形成される保護膜４０に、ZnO単結晶基板１２に格子整合したｎ型Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。ｎ型の下部クラッド層１４にZnBeMgCdO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）を用いる。活性層１５にZnBeMgCdO（0≦a＜1、0≦b＜1、0≦c＜1、a＋b+c≦１）を用いる。ｐ型の上部クラッド層及びｐ型のコンタクト層１７にそれぞれ、Al_1-y-zGa_yIn_zN（0≦y＜1、0≦z＜1、y＋z≦１）を用いる。この実施例７により、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体素子１０を実現できる。

（実施例７）
上記実施例１乃至６のいずれか一つにおいて、活性層１５は量子井戸構造を有する。

（実施例８）
上記実施例１乃至７のいずれか一つにおいて、活性層１５と下部クラッド層１４の間及び活性層１５と上部クラッド層１６の間に、光閉じ込め（光ガイド）層がそれぞれ形成されている。

（実施例９）
上記実施例１乃至８のいずれか一つにおいて、保護膜４０に、ｎ型AlGaInNに代えて、ZnO単結晶基板１２に格子整合したInGaNを用いる。

（実施例１０）
上記実施例１乃至８のいずれか一つにおいて、保護膜４０に、ｎ型AlGaInNに代えて、ZnO単結晶基板１２に格子整合したAlInNを用いる。

（実施例１１）
上記実施例１乃至１０のいずれか一つにおいて、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａの結晶方位は、ｃ面或いはその微傾斜面を用いる。

（実施例１２）
上記実施例１乃至１０のいずれか一つにおいて、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａの結晶方位は、ｍ面或いはその微傾斜面を用いる。

（実施例１３）
上記実施例１乃至１０のいずれか一つにおいて、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａの結晶方位は、ａ面或いはその微傾斜面を用いる。

（実施例１４）
上記実施例１乃至１０のいずれか一つにおいて、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａの結晶方位は、（１１＿２２）或いはその微傾斜面を用いる。

（実施例１５）
上記実施例１乃至１０のいずれか一つにおいて、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａの結晶方位は、（１０＿１１）或いはその微傾斜面を用いる。

（実施例１６）
上記実施例１乃至１６のいずれか一つにおいて、ｎ型のZnO単結晶基板１２に代えて、ｐ型のZnO単結晶基板１２を用いる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る半導体素子１０Ａを、図２に基づいて説明する。図２は、第２実施形態に係る半導体素子１０Ａの概略構成を示している。

この半導体素子１０Ａは、電子デバイスの一例として、III-V族窒化物化合物半導体からなるエピタキシャル層を有するＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor: FET）（MOSFET）として構成されたものである。

図２に示す半導体素子１０Ａの特徴は、以下の構成にある。

・ZnO単結晶基板１２０を用いている。

・ZnO単結晶基板１２０上に成長させて形成されるエピタキシャル層（窒化物半導体層）１０３を含む素子３０Ａを備えている。

・ZnO単結晶基板１２０の外面のうち、素子３０Ａを形成する表面１２０ａとは反対側の裏面１２０ｂおよび両側面１２０ｃ、１２０ｃを覆う窒化物半導体からなる保護膜１４０を備えている。

この半導体素子１０Ａは、III-V族窒化物化合物半導体からなるエピタキシャル層１０３と、再成長技術又はイオン注入技術などを用いて形成されたオーミック電極化下の不純物層とを備える。半導体素子１０Ａは、不純物層として、エピタキシャル層１０３表面におけるソース電極１０４下およびドレイン電極１０５下の領域にそれぞれ形成されたオーミックコンタクト層１０８，１０９と、電界集中の緩和を目的としたリサーフ層１１０とを備える。図２において、符号１０６はゲート酸化膜であり、符号１０７はゲート電極である。

エピタキシャル層１０３は、ZnO単結晶基板１２０の表面１２０上に、例えば所定量のＭｇを添加（ドープ）したGaNをMOCVD法によってエピタキシャル成長させたp-GaN層である。

２つのオーミックコンタクト層（ｎ⁺層）１０８，１０９はそれぞれ、GaNなどのIII-V族窒化物化合物半導体にSiなどを所望の濃度になるように添加したものをMOCVD法又はイオン注入技術で成長させて形成されている。

また、リサーフ層１１０は、GaNなどのIII-V族窒化物化合物半導体にSiなどをオーミックコンタクト層１０８，１０９の濃度より低い所望の濃度になるように添加したものをMOCVD法で成長させて形成されている。

次に、上記構成を有する半導体素子１０Ａを製造する方法（第２の製造方法）について説明する。ここでは、ZnO単結晶基板１２０上に素子３０Ａのエピタキシャル層１０３を形成するまでの工程を説明し、それ以降の工程の説明は省略する。

この第２の製造方法の特徴は、以下の構成にある。

・ZnO単結晶基板１２０の外面のうち、裏面１２０ｂおよび両側面１２０ｃ、１２０ｃの各面上に窒化物半導体からなる保護膜４０を、MBE法、例えばRFMBE法或いはPLD法により成長（エピタキシャル成長）させる。

・その後、ZnO単結晶基板１２０の表面１２０ａ上に、素子３０Ａのエピタキシャル層１０３をMOCVD法により成長させる。

具体的には、この製造方法は以下の工程を含む。

（工程１）まず、例えば（１１＿２０）面（ａ面）が基板面（表面）となっているZnO単結晶基板１２０を用意する。

（工程２）次に、ZnO単結晶基板１２０の上述した表面平坦化処理を行う。

（工程３）次に、成長チャンバー内で大気圧下または減圧下で上述したサーマルクリーニング処理を行う。

（工程４）次に、ZnO単結晶基板１２０の裏面１２０ｂおよび両側面１２０ｃ、１２０ｃの各面上に、窒化物半導体（InGaN,AlInN,AlGaInN等）からなる保護膜１４０を、上述したようにRFMBE法により堆積させる。

（工程５）この後、ZnO単結晶基板１２０の表面１２０ａ上に素子３０Ａのエピタキシャル層１０３をMOCVD法により成長させて形成する。エピタキシャル層１０３の基板に接する一部は、MBE法、例えばRFMBE法、或いはPLD法により成長（エピタキシャル成長）させるのが好ましい。

以上の（工程１）〜（工程５）により半導体素子１０Ａ用のエピタキシャル層（エピタキシャルウェハ）１０３が製造される。

以上のように構成された第２実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。

○ZnO単結晶基板１２０の裏面１２０ｂおよび両側面１２０ｃ、１２０ｃが窒化物半導体からなる保護膜１４０で覆われているので、ZnO単結晶基板１２０の表面１２０ａ上に素子３０Ａのエピタキシャル層１０３を成長させる際にZnOの昇華を抑制できる。このため、V族原料としてアンモニアNH₃を用いて窒化物半導体層を成長させるMOCVD法などの気相成長法を利用できる。これにより、ZnO単結晶基板１２０の表面上に結晶性の良好なエピタキシャル層１０３を形成することができると共に、量産性に優れたＭＯＳ型電界効果トランジスタ（MOSFET）としての半導体素子１０Ａが得られる。

○特に、自動車などの車両に電源用高耐圧・大電流電子デバイスとして用いるのに好適なIII-V族窒化物化合物半導体を用いた電界効果トランジスタとしての半導体素子１０Ａを実現できる。

○保護膜１４０の窒化物半導体はZnO単結晶基板１２０と格子定数及び熱膨張係数が近いので、ZnO単結晶基板１２０の表面１２０ａ上にエピタキシャル層１０３を成長させる際に、熱歪を抑制でき、ZnO単結晶基板１が反るのを抑制できる。このため、ZnO単結晶基板１２０の表面内に均一にエピタキシャル層１０３を成長させることができる。これにより、歩留まりが向上すると共に高性能でかつ高信頼性なＭＯＳ型電界効果トランジスタ（MOSFET）としての半導体素子１０Ａを作製できる。

○上記第２の製造方法によれば、ZnO単結晶基板１２０の裏面１２０ｂおよび両側面１２０ｃ、１２０ｃ上に窒化物半導体からなる保護膜１４０を成長させた後、その表面１２０ａ上にエピタキシャル層１０３を成長させるので、その成長の際にZnOの昇華を抑制できる。このため、V族原料としてアンモニアNH₃を用いてエピタキシャル層１０３を成長させるMOCVD法などの気相成長法を利用できる。これにより、ZnO単結晶基板の表面上に良好な結晶性のエピタキシャル層１０３を形成することができると共に、量産性に優れたＭＯＳ型電界効果トランジスタ（MOSFET）としての半導体素子１０Ａが得られる。

○上記第２の製造方法によれば、ZnO単結晶基板１２０の裏面１２０ｂおよび両側面１２０ｃ、１２０ｃ上に窒化物半導体からなる保護膜１４０を低温で成長させると、その表面１２０ａにエピタキシャル層１０３を高温で成長させる際にZnO単結晶基板１２０に与えるダメージを抑制できる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。

・上記各実施形態では、ZnO単結晶基板の外面のうち、素子を形成する表面とは反対側の裏面および両側面を窒化物半導体からなる保護膜４０，１４０で覆うように構成しているが、その保護膜でZnO単結晶基板の裏面のみを覆うようにした構成の半導体素子にも本発明は適用可能である。つまり、ZnO単結晶基板の外面のうち、少なくとも素子を形成する表面とは反対側の裏面を覆う窒化物半導体からなる保護膜を備えた半導体素子に、本発明は適用可能である。

・上記第１実施形態では、半導体レーザとして構成した半導体素子１０について説明したが、ｐｎ接合部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子として構成した半導体素子にも本発明は適用可能である。

・上記第２実施形態では、III-V族窒化物化合物半導体からなるエピタキシャル層を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタとして構成した半導体素子１０Ａについて説明したが、他の窒化物系半導体電子デバイスとして構成した半導体素子にも本発明は適用可能である。例えば、窒化物系半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタ（Hetero-junction FET: HFET）、ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）などの半導体電子デバイスに本発明は適用可能である。

・このように、本発明は、ZnO単結晶基板と、この基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子とを備えた半導体素子であって、その基板の外面のうち、少なくとも素子を形成する表面とは反対側の裏面を覆う窒化物半導体からなる保護膜を備えた半導体発光素子や電子デバイスに広く適用可能である。

・また、上記第１実施形態では、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に半導体レーザ構造の素子３０を形成してあるが、その表面上に半導体レーザなどの半導体発光素子構造の素子が形成されていると共に、その裏面１２ｂ側に形成された保護膜４０上に上述したような各種の電子デバイスの素子が形成された半導体素子にも本発明は適用可能である。

・これと同様に、上記第２実施形態では、ZnO単結晶基板１の表面１２０ａ上に（MOSFET）の素子３０Ａを形成してあるが、その表面上に上述したような各種の電子デバイスの素子が形成されていると共に、その裏面１２０ｂ側に形成された保護膜１４０上に上述した半導体レーザなどの半導体発光素子構造の素子が形成された半導体素子にも本発明は適用可能である。

・上記第１実施形態では、活性層１５はInGaNで構成されているが、活性層１５をAlGaInNなどの他のIII-V族窒化物系化合物半導体で構成した半導体発光素子などの半導体素子にも本発明は適用可能である。AlGaInN からなる活性層も低温で成長できるので、ZnOの昇華をさらに抑制できると共に、ZnO単結晶基板１２が反るのをさらに抑制できる。

また、InGaNで構成した活性層１５をAlGaInNで構成した場合にも、ZnO単結晶基板１２の格子定数はInGaN と同様にAlGaInNにも近い（格子整合する）ので、活性層１５のInの組成を高くしても、相分離が抑制される。これにより、Inの組成を高くしても均一なIn組成を有するAlGaInN活性層が得られるので、青色から赤色までの可視光領域、特に青色よりも長波長の可視光（例えば緑色）で発光する半導体発光素子を実現できる。

・上記第１実施形態では、ZnO単結晶基板１２はｎ型の基板でｎ型導電性を有するので、その基板の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃを覆う保護膜４０にｎ型導電性を持たせてあるが、n型のZnO単結晶基板１２に比べて作製は難しいがｐ型のZnO単結晶基板１２を用いた半導体レーザにも本発明は適用可能である。この場合、ZnO単結晶基板１２はｐ型導電性を有するので、保護膜４０にMgをドーピングすることにより、保護膜４０にｐ型導電性を持たせる。これにより、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂ側から表面１２ａ側へ電流が流せるようになり、縦型デバイス（縦方向注入型デバイス）の半導体発光素子を実現できる。

・また、本発明は、上記第１の製造方法で説明したように、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に、素子３０を構成する各窒化物半導体層（窒化物半導体層或いは酸化物半導体層）をMOCVD法を使って成長させるのに特に有効である。しかし、その素子をRFMBE法、或いは、GSMBE(gas source molecular beam epitaxy)法により成長させて作製された半導体レーザなどの半導体素子や、その素子をRFMBE法、或いは、GSMBE法により成長させる製造方法にも本発明は適用可能であることは言うまでもない。

ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に、素子３０をRFMBE法、或いは、GSMBE法により成長させる製造方法（第３の製造方法）の特徴は、以下の構成にある。

・ZnO単結晶基板１２の外面のうち、裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃの各面上に窒化物半導体からなる保護膜４０を、MBE(molecular beam epitaxy)法例えばRFMBE法、或いはPLD法により成長（エピタキシャル成長）させる。

・その後、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に、素子３０を構成する各窒化物半導体層（窒化物半導体層或いは酸化物半導体層）を、RFMBE法、或いは、GSMBE法により成長させる。

具体的には、第３の製造方法は以下の工程を含む。なお、第３の製造方法は、上述した第１の製造方法と上記（工程５）のみが異なるので、ここでは、ZnO単結晶基板１２の表面１２ａ上に、素子３０を構成する各窒化物半導体層（窒化物半導体層或いは酸化物半導体層）を、RFMBE法、或いは、GSMBE法により成長させる工程（工程５ａ〜工程５ｆ）のみを説明する。

（工程５ａ）まず、バッファ層１３としてAlGaInN層を用いる場合には窒化処理を行う。具体的には、窒素プラズマガンによって基板温度500℃で30〜60分、窒素ラジカルを供給し、ZnO単結晶基板１２の表面の酸素を窒素で置換して上面に堆積させる窒化物の結晶状態を良好とする。

また、バッファ層１３として、ZnBeMgCdO層を用いる場合には酸化処理を行う。具体的には、酸素プラズマガンによって基板温度500℃で30〜60分、酸素ラジカルを供給し、ZnO単結晶基板１２の表面を酸素にして上面に堆積させる酸化物の結晶状態を良好とする。

（工程５ｂ）次に、格子整合系バッファ層１３の形成処理を行う。

ここで、バッファ層１３形成の際の成長温度は、750℃未満とする。具体的には、バッファ層１３としてAlInNをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccm（standard cc/mIn）とする。III族原料としては、高純度のAlおよびIn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてInGaNをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccmとする。III族原料としては、高純度のInおよびGa金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてAlGaInNをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg =400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccmとする。III族原料としては、高純度のAl、GaおよびIn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてII-VI族酸化物半導体、例えばZnOをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O₂）流量1.0〜5.0sccmとする。II族原料としては、高純度のZn金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてII-VI族酸化物半導体、例えばZnCdOをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O₂）流量1.0〜5.0sccmとする。II族原料としては、高純度のZnおよびCd金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてZnMgCdOをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O₂）流量1.0〜5.0sccmとする。II族原料としては、高純度のZn、MgおよびCd金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてZnMgCdOをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O₂）流量1.0〜5.0sccmとする。II族原料としては、高純度のZn、MgおよびCd金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、バッファ層１３としてZnBeMgCdOをRFMBE法により堆積する場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O₂）流量1.0〜5.0sccmとする。II族原料としては、高純度のZn、Be、MgおよびCd金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

（工程５ｃ）次に、格子整合系下部クラッド層１４を形成する。

ここでは、下部クラッド層１４形成の際の成長温度は、750℃未満とする。 具体的には、例えば、RFMBE法、或いは、Ｖ族原料としてアンモニア(NH₃)を用いるGSMBE法によりAlGaInNまたはInGaNを堆積する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccmとする。また、GSMBE法ではTg=400〜750℃、アンモニアガス（NH₃）流量を50sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

また、例えば、RFMBE法、或いは、GSMBE法によりZnBeMgCdO、ZnMgCdO、ZnCdOを堆積する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、酸素ガス（O₂）流量1.0〜5.0sccmとする。II族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

（工程５ｄ）次に、InGaN系活性層１５を形成する。

この場合において、活性層１５の成長温度は、750℃未満とする。

具体的には、例えば、RFMBE法或いはGSMBE法により、InGaN井戸層／InGaN障壁層またはInGaN井戸層／AlInN障壁層を堆積する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（Ｎ₂）流量1.0〜5.0sccmとする。

一方、GSMBE法では、Tg=400〜750℃、アンモニアガス（NH₃）流量を50sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

（工程５ｅ）次に、格子整合系上部クラッド層１６を形成する。

この場合において、上部クラッド層１６形成の際の成長温度は、750℃未満する。

具体的には、例えば、RFMBE法、或いは、GSMBE法によりAlGaInNまたはInGaNを堆積して上部クラッド層１６を形成する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（Ｎ₂）流量1.0〜5.0sccmとする。一方、GSMBE法ではTg=400〜750℃、アンモニアガス（NH₃）流量を50sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

（工程５ｆ）次に、ｐ型のコンタクト層１７を形成する。

この場合において、コンタクト層１７形成の際の成長温度は、750℃未満とする。

具体的には、例えば、RFMBE法或いはGSMBE法により、GaNまたはInGaNを堆積してｐ型のコンタクト層１７を形成する。この場合の条件としては、成長温度Tg=400〜600℃、プラズマ電力P=300〜500W、窒素ガス（N₂）流量1.0〜5.0sccmとする。III族原料は高純度な金属原料をクヌーセンセルで蒸発させて基板に供給する。

以上の（工程５ａ）〜（工程５ｆ）において、ｎ型ドーパントとしては、シリコンSiを、また、ｐ型ドーパントとしては、マグネシウムMg、ベリリウムBeや、マグネシウムMgとシリコンSiの（コドープ）などを用いる。

以上の（工程５ａ）〜（工程５ｆ）により半導体素子１０用のエピタキシャルウェハが製造される。

○上記第３の製造方法によれば、ZnO単結晶基板１２の裏面１２ｂおよび両側面１２ｃ、１２ｃ上に窒化物半導体からなる保護膜４０を成長させた後、その基板の表面１２ａ上に素子３０を構成する各窒化物半導体層（窒化物半導体層或いは酸化物半導体層）を、RFMBE法、或いは、GSMBE法により成長させるので、その成長の際にZnOの昇華を抑制できる。これにより、ZnO単結晶基板の表面上に良好な結晶性の窒化物半導体層を形成することができる。

第１実施形態に係る半導体素子の概略構成を示す断面図。 第２実施形態に係る半導体素子の概略構成を示す断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ…半導体素子、１２，１２０…ZnO単結晶基板、１２ａ…表面、１２ｂ…裏面、１２ｃ…側面、１３…バッファ層、１４…下部クラッド層、１５…活性層、１６…上部クラッド層、１７…コンタクト層、１８…パッシベーション膜、３０，３０Ａ…素子、４０，１４０…保護膜、１９…上部電極層１９。

Claims (21)

1. ZnO単結晶基板と、前記基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子とを備えた半導体素子であって、
   前記基板の外面のうち、少なくとも前記素子を形成する表面とは反対側の裏面を覆う窒化物半導体からなる保護膜を備えることを特徴とする半導体素子。
2. 前記基板の裏面と側面が前記保護膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記保護膜は、前記ZnO単結晶基板と格子整合したInGaN,AlInN,AlGaInNなどのIII-V 族窒化物系化合物半導体で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子。
4. 前記保護膜に導電性を持たせたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の半導体素子。
5. 前記窒化物半導体層を含む素子は、前記ZnO単結晶基板の表面上に形成され、酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、In を含む窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなるコンタクト層とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体素子。
6. 前記下部及び上部クラッド層は、前記ZnO単結晶基板および活性層の少なくとも一方に格子整合されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
7. 前記活性層は、InGaN又はAlInN又はAlGaInNからなることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体素子。
8. 前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、酸化物半導体又は窒化物半導体からなるバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一つに記載の半導体素子。
9. 前記バッファ層は、前記ZnO単結晶基板に格子整合されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体素子。
10. 前記窒化物半導体層を含む素子は、前記ZnO単結晶基板の表面上に形成され、酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成され、酸化物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなる上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成された酸化物半導体或いは窒化物半導体からなるコンタクト層とを備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体素子。
11. 前記下部及び上部クラッド層は、前記ZnO単結晶基板および活性層の少なくとも一方に格子整合されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子。
12. 前記活性層は、ZnCdO又はZnMgCdO又はZnBeMgCdOからなることを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子。
13. 前記ZnO単結晶基板と前記下部クラッド層との間に、酸化物半導体又は窒化物半導体からなるバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか一つに記載の半導体素子。
14. 前記バッファ層は、前記ZnO単結晶基板に格子整合されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
15. ZnO単結晶基板と、前記基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を含む素子とを備えた半導体素子の製造方法であって、
    前記基板の外面のうち、少なくとも前記素子を形成する表面とは反対側の裏面上に、窒化物半導体からなる保護膜を成長させ、その後、ZnO単結晶基板の表面上に前記窒化物半導体層を成長させることを特徴とする半導体素子の製造方法。
16. 前記保護膜は、低温で成長する窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１５に記載の半導体素子の製造方法。
17. 前記低温で成長する窒化物半導体はInを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体素子の製造方法。
18. 前記基板の少なくとも裏面に前記保護膜を成長させる前に、前記基板に表面平坦化のための熱処理を施し、その後、前記基板の少なくとも裏面に前記保護膜を成長させ、その後、前記基板の表面上に前記窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法。
19. 前記基板の少なくとも裏面に、窒化物半導体からなる前記保護膜をMBE法或いはPLD法で堆積させることを特徴とする請求項１５乃至１８のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法。
20. 前記基板の少なくとも裏面に、窒化物半導体からなる前記保護膜をMBE法あるいはPLD法で堆積させる際に、窒素ラジカルを照射することにより表面を窒化させることを特徴とする請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。
21. 前記基板の少なくとも裏面に、窒化物半導体からなる前記保護膜をMBE法或いはPLD法で堆積させる際に、III族の原料とV族の原料である窒素のラジカルを同時に照射することを特徴とする請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。
    

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