JP4895466B2 - 窒化物半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

一般に半導体を基板上に成長させる際、その成長させる半導体と格子整合した基板を用いることが要求される。しかし、窒化物半導体は格子整合する基板が現在世の中に存在しないことから、一般にサファイア、スピネル、炭化ケイ素のような異種基板の上に成長されている。窒化物半導体と格子整合しない異種基板上の成長のため、窒化物半導体は結晶欠陥を多く含んでいる。

一方、異種基板上に窒化物半導体を成長させた後、異種基板を除去して単体の窒化物半導体を得ることにより、異種基板と窒化物半導体との熱膨張係数差や格子定数差から生じる反りや応力を抑制するとの報告（例えば、非特許文献１または２参照）がある。

Applied Physics Letters vol. 80 (2002)pp.3955-3957 Applied Physics Letters vol. 79 (2001)pp.3254-3256

しかしながら、上記に示す異種基板上に窒化物半導体を成長させた後、異種基板を除去することで得ることが出来る単体の窒化物半導体から対向電極構造を形成した場合に該異種基板の除去面側である（０００−１）面に形成した電極は接触抵抗が高く、且つ電極形成の再現性（安定性）がよくない。そこで本発明の目的とするところは、接触抵抗が低減された対向電極構造の窒化物半導体素子を提供することにある。

本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と、前記窒化物半導体上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に形成されたｐ側電極と、前記窒化物半導体の窒化物半導体層が積層された面とは反対面に形成されたｎ側電極と、を備えた対向電極構造である窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体のｎ側電極が形成される面はｎ極性を示す（０００−１）面であって、更に前記（０００−１）面以外の傾斜面を有しており、前記ｎ側電極が形成される面の（０００−１）面とそれ以外の傾斜面との凹凸段差の凸部の平面形状は、円状のパターンが形成されており、該円状の凸部の直径幅を５μｍ以上とし、凹部の幅を３μｍ以上とすることを特徴とする。
図４に示すように同一面上に電極を有する窒化物半導体素子であれば、電流の流れは縦方向（Ａ）以外に横方向（Ｂ）にも流れる。素子構造上、両電極間に電流を流すには電流が横方向（Ｂ）に流れる領域が存在する。この横方向（Ｂ）領域は高抵抗領域であるから大電流を流して、連続発光させる時には結晶性劣化、発熱等の問題が生じていた。それに対して、本発明における窒化物半導体素子は対向電極構造であるため、少なくとも縦方向（Ａ）にのみ電流が流れればよい構造である。窒化物半導体素子の対向電極構造を図１に示す。

また、上記窒化物半導体とは、ＩＩＩ族元素であるＢ、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ等と窒素との化合物であるＧａＮ、ＡｌＮ、その他に３元や４元の混晶化合物である。更に、ｎ型不純物やｐ型不純物をドープしたものを含む。該窒化物半導体の結晶構造をＧａＮを一例として示す。Ｃ軸方向に結晶成長したＧａＮは表面にＧａ面である（０００１）面と裏面にＮ面である（０００−１）面とを有する。ｎ極性を示す面とは（０００−１）面側であり、（０００−１）面以外の傾斜面とは該表面にオフ角を形成したり、エッチング等で研削することで該表面に新たに露出した面である。つまり、（０００−１）面以外の傾斜面とは、（０００−１）面以外の面であればよい。（０００−１）面以外の傾斜面の具体例としては、（１０−１５）、（１０-１４）、（１１-２４）等である。前記露出した（０００−１）面以外の傾斜面にｎ側電極が接触することで今まで困難であった良好なオーミック特性を得ることができる。

本発明の窒化物半導体素子は、対向電極構造である窒化物半導体素子であって、窒化物半導体のｎ極性を示す面には、少なくとも（０００−１）面以外の傾斜面を有し、且つ電極を形成していることを特徴とする。
上記窒化物半導体素子のｎ極性を示す面に電極を複数形成した後、各電極間のＩ−Ｖ特性はオーミック特性を示す（図２−１）。このときＴＬＭ法に従い、接触抵抗率は１．２Ｅ−４Ωｃｍ^２である。接触抵抗率は１．０Ｅ−３Ωｃｍ^２以下、好ましくは５．０Ｅ−４Ωｃｍ^２以下である。比較例として、傾斜面を含まない（０００−１）面にのみ電極を複数形成した窒化物半導体素子のＩ−Ｖ特性を示す（図２−２）。（０００−１）面に接触させた電極は接触抵抗が高く、オーミック特性を示さず窒化物半導体素子として実用化レベルではない。

前記窒化物半導体のｎ極性を示す面は凹凸段差を有することを特徴とする。該凹凸段差を有することで、段差側面には（０００−１）面以外の傾斜面が形成される。該（０００−１）面以外の傾斜面に電極を形成すると、オーミック特性を示す。前記（０００−１）面以外の傾斜面は、ｎ極性を示す面における表面積の０.５％以上であることが好ましい。前記０.５％未満であれば、接触抵抗が高くなりオーミック特性を示さず、実用化レベルにならない。また、凹凸段差を有することで電極を形成する表面積が広くなり該電極と窒化物半導体との密着性が向上し、電極形成工程や窒化物半導体素子のチップ化工程において、電極の剥がれを抑制できる。

前記窒化物半導体素子において、前記（０００−１）面以外の傾斜面は、（０００−１）面からのオフ角が０．２°以上９０°以下であることを特徴とする。前記（０００−１）面以外の傾斜面は、ｎ極性を示す面における表面積の０．５％以上を占めることが好ましい。前記窒化物半導体のｎ側電極が形成される面における接触抵抗率は、１．０Ｅ−３Ωｃｍ ^２ 以下であることが好ましい。前記段差の平面形状は、円状であって、該円状の凸部の直径幅を５μｍ以上とすることが好ましい。前記円状の凹部である溝部の幅は３μｍ以上とすることが好ましい。

前記電極は少なくともＴｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｍｏから成る群より選ばれる少なくとも１つを有することを特徴とする。前記電極はｎ側電極であることが好ましい。

前記窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体は、２軸結晶法による（０００２）回折Ｘ線ロッキングカーブの半値幅（Full Width at Half Maximun）が２分以下であることを特徴とする。その理由としては、貫通転位等が少ない低欠陥である窒化物半導体を基板として、その基板上に活性層又は発光層を有する窒化物半導体を成長させることで高出力レーザや高輝度ＬＥＤを実現できるからである。しかしながら、前記低欠陥の窒化物半導体を基板として用いる、（０００−１）面にｎ側電極を形成するのみではオーミック特性を示さなかった。本発明では、（０００−１）面以外の傾斜面を電極形成面とすることでオーミック特性を示した対向電極構造である窒化物半導体素子を得ることができた。

前記電極は、多層構造であって窒化物半導体と接する第１の層はＴｉ、Ｗ、Ｍｏから成る群より選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする。対向電極構造の窒化物半導体素子においては、窒化物半導体内では縦方向にのみ電流が流れるため、大電流を投入することが可能となるが、窒化物半導体と電極との界面での劣化やオーミック特性等が新たな課題となる。そこで、本発明では、電極を多層構造として窒化物半導体の（０００−１）面及び／又は（０００−１）面以外とのオーミック特性等に優れた電極として前記Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏを用いる。また前記電極における多層構造の最上層はＰｔまたはＡｕであることで電極からの放熱性を向上させることが可能となり好ましい。

以上説明したように、本発明ではオーミック特性を示す対向電極構造をした窒化物半導体素子を形成することができる。またレーザ素子のような高温デバイスに使用した場合には、素子の結晶性、放熱性が良くなり素子寿命が飛躍的に向上する。縦方向（Ａ）にのみ電流を流すため、大電流を流すことが可能となる。また、同一ウェハーからのチップの取れ数も増える。

本発明の実施形態における窒化物半導体素子は、導電性の窒化物半導体を基板として、その上に少なくとも窒化物半導体層、ｐ側電極とを順に備えており、且つ該窒化物半導体基板の裏面にはｎ側電極が形成されている対向電極構造を示す。ここで、ｐ側電極とｎ側電極との配置は逆でもよい。前記導電性の窒化物半導体の（０００１）面上に窒化物半導体層が形成されている。また、第１の電極は前記窒化物半導体の少なくとも（０００−１）面以外の傾斜面と接している。前記窒化物半導体層は少なくとも活性層又は発光層を有する。前記窒化物半導体にはｎ側電極との接触面である（０００−１）面は凹凸形状である。また、テーパー形状とすることで凹凸段差側面である（０００−１）面以外の傾斜面の表面積を広くすることができ好ましい。上記傾斜面とは（０００−１）面以外の面を意味するのでその面指数等は一面に指定されず、例えば（１０−１５）、（１０−１４）、（１１−２４）面等である。また凹凸形状の深さも特に指定されない。また、（０００−１）面以外の傾斜面は、ｎ極性を示す面における表面積の０.５％以上であることが好ましい。前記０.５％未満であれば、接触抵抗が高くなりオーミック特性を示さない。また、電極の剥がれ等が生じなければ前記電極面積は表面積の５０％以上でも可能である。

基板となる前記窒化物半導体は、例えばハライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法）により異種基板上に窒化物半導体を１００μｍ以上に厚膜成長させ、その後異種基板を除去することによって形成する。ここで、異種基板を除去した面は窒化物半導体の（０００−１）面であって、（０００−１）面以外の傾斜面はドライエッチングやウェットエッチング、ケミカルメカニカルポリッシュ（以下、ＣＭＰという。）によって形成される。さらに、前記窒化物半導体の２軸結晶法による（０００２）回折Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が３分以内、さらに望ましくは２分以内の窒化物半導体とすれば、異種基板を除去する工程においても、窒化物半導体にダメージを与えにくく、１００μｍ以上の窒化物半導体を良好な結晶性を保ったまま得ることができる。その後、前記窒化物半導体の（０００１）面上に新規な窒化物半導体素子を作製する。また、窒化物半導体の裏面には第１の電極が形成されている。

前記窒化物半導体は、一般式Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）である。前記窒化物半導体はＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０．０１≦ａ≦０．５）で示されるバッファ層を介して異種基板上に形成されるのが好ましい。結晶性を向上させるためである。該バッファ層の成長温度としては、８００℃以下の低温成長とし、これにより、窒化物半導体上の転位やピットを低減させることができる。有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法）で前記異種基板上にバッファ層を成長後、更にＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法によりＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）層を成長させてもよい。このＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）法とは窒化物半導体を横方向成長させることで貫通転位を曲げて、更には該貫通転位同士を収束させることにより表面上の貫通転位を低減させ結晶性を向上させるものである。

以下に本実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子の製造工程を各工程ごとに図面を用いて示す。

（第１の工程）
まず、基板となる窒化物半導体１を準備する。該窒化物半導体１は上記サファイア等の異種基板上にバッファ層を介して窒化物半導体を成長させる（図３−１）。その後、前記異種基板を研磨、電磁波照射（エキシマレーザー照射等）、又はＣＭＰ等により除去することで窒化物半導体１を得る（図３−２）。該窒化物半導体の異種基板除去面にはｎ極性を示す面が露出される。このｎ極性面には、異種基板を研磨やエキシマレーザ照射により除去することでダメージ層が形成されるが、ＣＭＰにより該ダメージ層は除去することができる。この処理によりダメージ層の除去の他に、窒化物半導体層の厚み、表面の面粗さの調整ができる。ここで得られる窒化物半導体１は膜厚０．２〜１０ｍｍである。

前記異種基板としては、窒化物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板であればよく、大きさや厚さ等は特に限定されない。この異種基板としては、Ｃ面、Ａ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、また炭化珪素（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、シリコン、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ダイヤモンド、及び窒化物半導体と格子接合するニオブ酸リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。また、デバイス加工が出来る程度の厚膜（数十μｍ以上）であればＧａＮ、ＡｌＮなど窒化物半導体基板を用いることもできる。

（第２の工程）
前記窒化物半導体１を基板として、その上に窒化物半導体層２を成長させる（図３−３）。窒化物半導体層２がレーザ素子であれば、分離光閉じ込め型（ＳＣＨ）構造を形成する。活性層よりバンドギャップの大きい光ガイド層で活性層の両サイドを挟んで光導波路を構成している。

前記窒化物半導体層２の一実施形態としては、ｎ側コンタクト層２０２としてｎ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、クラック防止層２０３としてｎ型不純物ドープＩｎＧａＮ、ｎ側クラッド層２０４としてｎ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成る超格子構造、ｎ側光ガイド層２０５としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）をｎ側層として成長する。前記クラック防止層２０３は省略可能である。本発明において、活性層としては、好ましくはＩｎを含む窒化物半導体を少なくとも有するものであり、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）で表される。紫外域から可視光域（３６０ｎｍ〜４７０ｎｍ）までが発光可能である。また、活性層２０６を量子井戸構造で形成すると発光効率が向上する。単一量子井戸構造または多重量子井戸構造である。発光層となる井戸層にはＩｎを含むが、障壁層はＩｎを含まなくてもよい。ここで、井戸層の組成はＩｎの混晶が０＜ｘ≦０．５である。次に、ｐ側電子閉じ込め層２０７としてｐ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｐ側光ガイド層２０８としてＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ｐ側クラッド層２０９としてｐ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成る超格子構造、ｐ側コンタクト層２１０としてｐ型不純物ドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）から成るｐ側層を形成することで窒化物半導体層としている。

ここで、前記ｎ側コンタクト層２０２は単一層、または多層である。多層で成長させるには、超格子構造としては第１の層であるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）と第２の層であるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ≦１）との積層構造とする。また、第２の層はアンドープであってもよい。前記窒化物半導体１をｎ側コンタクト層とすれば、該ｎ側コンタクト層は省略可能である。さらに、窒化物半導体１上に窒化物半導体層２を形成するため、ホモエピタキシャル成長となり反り等の理由から発生するクラックは抑制される。そのため、前記クラック防止層２０３の省略も可能となり、窒化物半導体層２の膜厚を薄膜化することができる。

前記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄ等が挙げられ、またｐ型不純物としてはＭｇの他にＢｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられる。不純物の濃度は５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下の範囲でドープされることが好ましい。不純物の濃度は１×１０²¹／ｃｍ³よりも多いと窒化物半導体層の結晶性が悪くなって、逆に出力が低下する傾向がある。これは変調ドープの場合も同様である。前記窒化物半導体層は有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、やハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の気相成長法を用いて成長させる。

（第３の工程）
次に、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプを形成する。前記窒化物半導体層２の最上層であるｐ側コンタクト層２１０の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いてエッチングすることでリッジが形成される。リッジのストライプ幅は１．０μｍ〜３０．０μｍとする。シングルスポットのレーザー光とする場合のリッジのストライプ幅は１．０μｍ〜２．０μｍとするのが好ましい。また、本発明では電流は縦方向に流れるのみであるから、大電流を流すことが可能となる。リッジ幅を１０ｍ以上とすることができるので、１５０ｍＷ以上の出力が可能となる。リッジストライプの高さ（エッチングの深さ）は、少なくともｐ側クラッド層までエッチングされており、好ましくはｐ側光ガイド層２０８を露出する範囲であればよい。大電流を流すことでリッジ以下では電流が急激に横方向に広がる。そのため、リッジを形成するためのエッチング深さはｐ側光ガイド層２０８まであるのが好ましい。

次に、リッジストライプ形成後、埋め込み膜３をリッジ両サイドに形成する。前記埋め込み膜の材料はＳｉＯ_２、その他にＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ等の酸化物である。その後、リッジ最表面であるｐ側コンタクト層２１０上にｐ側電極４を形成する（図３−４）。ｐ側電極は例えばＮｉ／Ａｕである。

（第４の工程）
次に、前記窒化物半導体１の裏面である（０００−１）面に段差を形成することにより（０００−１）面以外の傾斜面を露出する（図３−５）。まず（０００−１）面にＲＩＥ等のドライエッチングで凹凸段差を形成する。ここで、段差とは界面段差が０．１μｍ以上であって、段差形状はテーパー形状や逆テーパー形状である。また、前記段差の平面形状のパターンはストライプ状、格子状、島状、円状や多角形状、矩形状、くし形状、メッシュ形状から選ばれる凸部及び／又は凹部を有する。例えば、円状の凸部を形成すれば、該円状凸部の直径幅は５μｍ以上とする。また、凹部溝部の幅は少なくとも３μｍ以上の領域を有すると電極の剥がれ等がなくなり好ましい。（０００−１）面以外の傾斜面を露出するには、オフ角を０．２〜９０°の範囲で形成してもよい。

（第５の工程）
その後、前記窒化物半導体１の裏面にｎ側電極５をＣＶＤやスパッタ、蒸着等で形成する。ｎ側電極の膜厚としては１００００Å以下、好ましくは６０００Å以下とする。ｎ側電極を多層構造とする場合には、第１の層をＴｉまたはＭｏとすれば、該第１の層の膜厚は１００Å以下とする。また第１の層をＷとすれば３００Å以下とすることが良好なオーミック特性を得ることができ好ましい。該ｎ側電極がＴｉ／Ａｌであれば膜厚は１００Å／５０００Åである。またｎ側電極としては窒化物半導体側からＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの順に積層すれば膜厚は６０Å／１０００Å／３０００Åである。その他のｎ側電極としては窒化物半導体側からＴｉ（６０Å）／Ｍｏ（５００Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（２１００Å）、Ｔｉ（６０Å）／Ｈｆ（６０Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（３０００Å）、Ｔｉ（６０Å）／Ｍｏ（５００Å）／Ｔｉ（５００Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（２１００Å）の順に積層することができる。またはＷ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ等であれば上記特性を示す。前記窒化物半導体レーザー素子はｎ側電極を形成後、ストライプ状の電極に垂直な方向であって、窒化物半導体のＭ面（１１−００）でバー状に分割する。更にバー状のウェハーを電極のストライプ方向に平行に分割して窒化物半導体レーザー素子をチップ化する。以上より、得られる窒化物半導体レーザー素子は長寿命等の特性を有する。

その他の実施形態として、実施形態２は前記窒化物半導体素子は電流狭窄層が設けられている構造でもよい。窒化物半導体１上に前記ｎ側コンタクト層２０２、クラック防止層２０３、ｎ側クラッド層２０４、ｎ側光ガイド層２０５を形成した後、幅０．５〜３．０μｍのストライプ状開口部を持った厚さ３０００Å以下の電流狭窄層を形成する。次に、前記電流狭窄層の開口部に露出したｎ側光ガイド層上に量子井戸構造をした前記活性層２０６を形成する。次に、前記ｐ側電子閉じ込め層２０７、ｐ側光ガイド層２０８、ｐ側クラッド層２０９、ｐ側コンタクト層２１０を形成する。前記電流狭窄層はｉ型の窒化物半導体、その他にＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のような絶縁性の材料で形成することができる。

前記電流狭窄層はｎ側光ガイド層を成長後に形成することに限らない。他のｎ側窒化物半導体層やｐ側窒化物半導体層の形成後、その表面に上記電流狭窄層を成長させた後、電流狭窄層に幅０．３〜２０μｍ、好ましくは幅０．５〜３．０μｍのストライプ幅で開口部を形成する。その後、窒化物半導体層を再成長させる。ここで、電流狭窄層は、窒化物半導体層の再成長が可能な膜厚０．２μｍ〜５μｍとする。その他の工程は実施形他１と同様とする。

その他の実施形態として、実施形態３は前記窒化物半導体層２をＬＥＤ素子とした一例を示す。前記窒化物半導体１上に前記バッファ層を成長した後、ｎ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）よりなるｎ型コンタクト層を３〜５μｍ、好ましくは４．２μｍ程度の膜厚で成長させる。次に、アンドープＧａＮからなる下層ａ、続いてｎ型不純物をドープしたＧａＮからなる中間層ｂ、更に続いて、アンドープＧａＮからなる上層ｃを３層からなる総膜厚３５００オングストローム程度のｎ側第１多層膜層として成長させる。次に、超格子構造よりなるｎ側第２多層膜層を成長させる。アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層ａを数十オングストローム成長させ、次に、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０１≦ｘ≦０．６）よりなる窒化物半導体層ｂを２０オングストローム成長させる。これらの操作を繰り返し、窒化物半導体層ａ＋窒化物半導体層ｂの順で交互に１０層ずつ積層させ、最後にＧａＮよりなる窒化物半導体層ａを５０オングストローム以下で成長させて膜厚数百オングストロームの超格子構造の多層膜を成長させる。以上がｎ側窒化物半導体である（図１）

次に、活性層はアンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなる障壁層を２５０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、アンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．３≦ｘ≦０．６）よりなる井戸層を数十オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で３ペア以上１０ペア以下で交互に積層して、総膜厚１５００オングストローム以下の多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる（図１）。

次に、Ｍｇをドープしたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０２≦ｘ≦０．１）よりなる第１のｐ側窒化物半導体層を数十オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＭｇをドープしたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなる第２のｐ側窒化物半導体層を数十オングストロームの膜厚で成長させる。これらの操作を繰り返し、第１のｐ側窒化物半導体層＋第２のｐ側窒化物半導体層の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第１のｐ側窒化物半導体層を数十オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ型クラッド層を数百オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０２≦ｘ≦０．１）を膜厚２０００オングストロームで形成し、さらにＭｇをドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１２００オングストローム以下の膜厚で成長させる。以上がｐ側窒化物半導体である（図１）。窒化物半導体層をｎ側層、ｐ側層の順に形成した場合には、第１の基板上に窒化物半導体層を成長後、ウェハーを反応装置から取り出し、その後、酸素を含む雰囲気中で４５０℃以上で熱処理をする。これによりｐ側層に結合している水素が取り除かれ、ｐ型の伝導を示すｐ型層（ｐ型窒化物半導体層）を形成する。

窒化物半導体層２を形成した後、その上にｐ側全面電極を形成する。ｐ側全面電極はＡｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉから成る群から選ばれる少なくとも１種類以上の金属よりなり、膜厚は３０〜２０００Åである。次に、前記ｐ側全面電極上にパット電極を形成する。

次に、前記窒化物半導体１の裏面である（０００−１）面に凹凸加工を行う。これにより（０００−１）面以外の傾斜面を露出する。まず（０００−１）面にマスクを形成し、該マスクの開口部をＲＩＥ等のドライエッチングにより凹凸段差を形成する。ここで、段差とは界面段差が０．１μｍ以上であって、段差形状はテーパー形状や逆テーパー形状である。また、前記マスクのパターン形状はストライプ状、格子状、島状、円状や多角形状、矩形状、くし形状、メッシュ形状から選ばれる凸部及び／又は凹部を形成することができる。例えば、円状の凸部を形成すれば、該円状凸部の直径幅は５μｍ以上、凹部溝の間隔は３μｍ以上とする。（０００−１）面以外の傾斜面を露出するには、オフ角を０．２〜９０°の範囲で形成してもよい。

その後、前記窒化物半導体１のｎ極性側にｎ側電極をＴｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｓｎ、Ｚｒ、Ｗ、Ｇｅ、Ｒｈ等から成る群から選ばれる少なくとも１種類以上の金属よりなり、膜厚は３０〜２００００Åである。ｎ側電極を形成後、ダイシングによりチップ化することでＬＥＤチップとする（図１）。

上記構造としたＬＥＤチップは熱抵抗が低いため２Ｗ以上の大電力を投入することができ、出力も２００ｍＷ以上を示す。これに対し、従来のサファイア基板を用いた窒化物半導体素子は熱抵抗が高く放熱性が悪いため高出力が望めない。

［実施例１］
以下、本実施例におけるレーザー素子の製造方法について説明するが、本発明はこれに限定されない。

（窒化物半導体１）
まず、２インチ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ_３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。さらに、温度を１０００℃以上にしてＧａＮより成る下地層を２．５μｍで成長させる。その後、ＨＶＰＥ反応容器に移動する。原料にＧａメタルとＨＣｌガス、アンモニアを用いて窒化物半導体１であるＧａＮを５００μｍで成長させる（図３−１）。次に、サファイアのみをエキシマレーザー照射で剥離し、ＣＭＰを行い膜厚４５０μｍの窒化物半導体１を形成する（図３−２）。

（窒化物半導体層２）
次に、前記窒化物半導体１をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、ｎ側コンタクト層２０２としてＳｉドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを５μｍで成長させる。次に、クラック防止層２０３としてＳｉドープＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎを０．１５μｍで成長させる。該クラック防止層は省略可能である。ｎ側クラッド層２０４としてＳｉドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎを２５ÅとノンドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎを２５Åで成長させる操作を１００回繰り返しで超格子構造を形成する。次に、ｎ側光ガイド層２０５としてＧａＮを０．１５μｍで成長させる。

次に、活性層２０６として障壁層をＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを７０Åと井戸層をＳｉドープＩｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎを７０Åで２ペア積層後、最後に障壁層をＳｉドープＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎを１３５Åで形成する。

次にｐ側電子閉じ込め層２０７としてＭｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎを１００Åで成長させる。次に、ｐ側光ガイド層２０８としてＧａＮを０．１５μｍで成長させる。次に、ｐ側クラッド層２０４としてＭｇドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎを２５ÅとノンドープＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎを２５Åで成長させる操作を１００回繰り返しで超格子構造を形成する。ｐ側コンタクト層２１０としてＭｇドープＧａＮを１５０Åの膜厚で成長させた層構造となる。以上より窒化物半導体層２が形成される（図３−３）。

次に、前記窒化物半導体層２の最上層であるｐ側コンタクト層２１０の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用いてエッチングを行い、リッジのストライプ幅を１．５μｍでストライプ状の導波路領域を形成する。前記リッジのエッチング深さはｐ側光ガイド層２０８を露出する深さとする。次に、リッジストライプ形成後、ＳｉＯ_２よりなる保護膜を除去してＺｒＯ_２から成る埋め込み膜３をリッジ両サイドに形成する。その後、リッジ最表面であるｐ側コンタクト層２１０上にｐ側電極４をＮｉ／Ａｕで形成する（図３−４）。

次に、前記窒化物半導体１の裏面である（０００−１）面に段差を形成することにより（０００−１）面以外の面を露出する（図３−５）。まず（０００−１）面にＲＩＥ等のドライエッチングで凹凸段差を形成する。ここで、段差とは界面段差が１．２μｍであって、段差形状は傾斜が約２２°のテーパー形状である。また、前記段差の平面形状のパターンは四角形の凸部を有する。該四角形の凸部の直径幅は５μｍ以上、凹部溝の間隔（幅）は６μｍとする。

その後、前記窒化物半導体１の裏面にｎ側電極５を形成する。スパッタ法を用いて、該ｎ側電極がＴｉ／Ａｌであって膜厚を１００Å／５０００Åで形成する。ｎ側電極を形成後、ストライプ状の電極に垂直な方向であって、窒化物半導体のＭ面（１１−００）でバー状に分割して、更にバー状のウェハーを電極のストライプ方向に平行に分割してレーザをチップ化する。以上により得られる窒化物半導体レーザ素子は出力５０ｍＷ、寿命特性が５０００時間を達成することができる。

［実施例２］
前記実施例１において、ＧａＮ基板の（０００−１）面をＲＩＥによりエッチングを行う。これにより、凹凸形成された凹部と凸部との段差を４．５μｍの深さで形成する。これにより、（０００−１）面以外の傾斜面は高さが少なくとも４．５μｍとなる。その後、該凹凸面にｎ側極を形成する。その他の条件は実施例１と同様にすることで実施例１と同等の特性を有する窒化物半導体レーザ素子を得る。

［実施例３］
前記実施例１において、リッジ幅を３０μｍとする。その他の条件は実施例１と同様にする。以上により投入電流が５００ｍＡの時に出力１Ｗ以上となる。

本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）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等の電子デバイスに関する。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。 本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子のＩ−Ｖ特性を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ素子の一製造工程を説明する模式断面図である。 従来技術に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。

符号の説明

１ 窒化物半導体
２ 窒化物半導体層
３ 埋め込み層
４ ｎ側電極
５ ｐ側電極

Claims (9)

1. 窒化物半導体と、前記窒化物半導体上に積層された窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層上に形成されたｐ側電極と、前記窒化物半導体の窒化物半導体層が積層された面とは反対面に形成されたｎ側電極と、を備えた対向電極構造である窒化物半導体素子において、
   前記窒化物半導体のｎ側電極が形成される面はｎ極性を示す（０００−１）面であって、更に前記（０００−１）面以外の傾斜面を有しており、
   前記ｎ側電極が形成される面の（０００−１）面とそれ以外の傾斜面との凹凸段差の凸部の平面形状は、円状のパターンが形成されており、該円状の凸部の直径幅を５μｍ以上とし、凹部の幅を３μｍ以上とすることを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記（０００−１）面以外の傾斜面は、凹凸段差の段差側面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記（０００−１）面以外の傾斜面は、（０００−１）面からのオフ角が０．２°以上９０°以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記電極は、少なくともＴｉ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｇ、Ｍｏから成る群より選ばれる少なくとも１つを有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記（０００−１）面以外の傾斜面は、ｎ極性を示す面における表面積の０．５％以上を占めることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記窒化物半導体は、２軸結晶法による（０００２）回折Ｘ線ロッキングカーブの半値幅が２分以下であることを特徴とする請求項１乃至５の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記電極は、多層構造であって窒化物半導体と接する第１の層はＴｉ、Ｗ、Ｍｏから成る群より選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至６の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記電極における多層構造の最上層は、ＰｔまたはＡｕであることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
9. 前記窒化物半導体のｎ側電極が形成される面における接触抵抗率は、１．０Ｅ−３Ωｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項１乃至８の内のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。

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