JP4973261B2 - 窒化物半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ素子などの発光素子として好適な窒化物半導体素子およびその製造方法に関するものである。

近年、半導体発光素子として、窒化物半導体が、３７０ｎｍ以下の紫外域から５００ｎｍ以上の波長域、すなわち、緑色や青色の広範囲の波長域の光を得ることができるため、その研究・開発が盛んに行われている。これらの窒化物半導体は、従来、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層して形成されていた。しかし、サファイアは窒化物半導体との格子不整合が大きいため、サファイア基板上に積層された窒化物半導体層は格子欠陥が非常に多い。結晶欠陥が多い窒化物半導体は、半導体発光素子として適用が困難である。

そこで、窒化物半導体層と格子整合する窒化物半導体からなる基板を作製する試みがなされている。例えば、ＥＬＯＧ（Epitaxially Lateral Overgrowth）法と呼ばれる方法では、サファイア等からなる下地基板の上に、ストライプ状の開口部を有するマスクパターンを形成した後、その下地基板の上部に窒化物半導体結晶をラテラル成長させる。次に、下地基板を除去することで、窒化物半導体からなる基板を得ることができる。このＥＬＯＧ法によって得られる基板においては、ラテラル成長した領域の窒化物半導体層は、転位密度が低い領域となり、また、開口部から上方へ成長した領域の窒化物半導体層は、転位密度が高い領域となる。低転位密度の領域の窒化物半導体層は、その結晶性が良好であるため、この基板を窒化物半導体素子の基板として使用して、低転位密度領域に活性層を含む窒化物半導体層を形成すれば、特性の優れた窒化物半導体からなる半導体発光素子を作製することができる。

例えば、特許文献１には、結晶欠陥が高密度となる転位集中領域と低転位領域とを交互にストライプ状に備えた窒化物半導体基板の表面上に、まず、窒化物半導体の結晶成長を抑制するＳｉＯ_２等からなる成長抑制膜を転位集中領域を被覆するように形成する。そして、このように成長抑制膜が形成された基板上にｎ型窒化物半導体、活性層、ｐ型窒化物半導体の結晶をエピタキシャル成長させることで、結晶欠陥密度の低い窒化物半導体レーザ素子を製造する方法が開示されている。また、特許文献２には、窒化物系半導体基板の表面転位集中領域に沿って、転位集中領域近傍の非転位集中領域に溝を形成し、この溝が形成された窒化物半導体基板の表面に窒化物系半導体の各層を結晶成長層として形成する方法が開示されている。
特開２００３−１３３６４９号公報（請求項１） 特開２００５−２９４４１６号公報（請求項１、図１〜７）

しかし、ＳｉＯ_２等からなる成長抑制膜を残したまま、その上部に窒化物半導体層を形成した場合には、その成長抑制膜を構成するＳｉＯ_２が窒化物半導体層の形成時に分解して、分解したＳｉやＯ等が、上部に形成される窒化物半導体層等に入って、例えば、上部に形成する窒化物半導体層等への汚染源となる虞がある。また、その成長抑制膜を残したままでは、その成長抑制膜を回り込んで転位が上方に成長する虞がある。また、転位集中領域近傍の非転位集中領域に溝を形成し、この溝が形成された窒化物半導体基板の表面に窒化物系半導体の各層を結晶成長させた場合には、転位の成長を十分に阻止することができず、溝の近傍の非転位集中領域に転位が成長し、その転位が活性層まで伝播する虞がある。さらに、成長抑制膜をそのまま残して窒化物半導体層を形成したり、溝を形成した場合には、それらの部位に応力が集中して、クラックの発生等の原因となる問題がある。これらの汚染源、転位の成長、応力の集中によるクラックの発生等は、窒化物半導体素子の素子特性の悪化、歩留まりの低減の原因となる。

そこで、本発明は、窒化物半導体層への汚染、転位の成長、応力の集中によるクラックの発生等の問題が防止され、高い歩留まりで良好な素子特性を有する窒化物半導体素子を製造できる方法およびその窒化物半導体素子を提供することにある。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、該高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板を用いる窒化物半導体素子の製造方法であって、前記高転位密度領域を有する表面領域に凹部を有する窒化物半導体基板を準備する第１工程と、前記凹部およびその近傍を被覆する保護膜を形成する第２工程と、前記窒化物半導体基板の表面に第１窒化物半導体層を形成する第３工程と、前記保護膜を除去する第４工程と、前記第１窒化物半導体層の上部に、活性層を含む第２窒化物半導体層を形成する第５工程と、を含む窒化物半導体素子の製造方法を提供する。

この窒化物半導体素子の製造方法では、高転位密度領域を有する前記窒化物半導体基板の表面領域に形成された凹部およびその近傍を被覆する保護膜を形成した後、窒化物半導体基板の表面に第１窒化物半導体層を形成し、さらに、保護膜を除去した後、前記第１窒化物半導体層の上部に、活性層を含む第２窒化物半導体層を形成することによって、高転位密度領域からの転位の成長を遮断するとともに、保護膜を除去することによって、当該保護膜が汚染源となるおそれがなく、さらに、保護膜が除去されるため凹部が空洞となり、この空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。特に、保護膜が存在する状態で形成する第１窒化物半導体層には活性層が含まれておらず、活性層を含む第２窒化物半導体層を形成する段階では保護膜が存在しないため、活性層に汚染源が侵入することを抑止できる。また、前記窒化物半導体素子をレーザ素子とする場合には、保護膜を除去後、導波路領域を含む第２窒化物半導体層を形成するものが好ましい。

また、請求項２に係る発明は、前記窒化物半導体素子の製造方法において、前記第３工程が、前記保護膜の側端と、前記保護膜によって被覆されていない前記窒化物半導体基板の表面とを被覆する断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層を形成する工程であることを特徴とする。

この窒化物半導体素子の製造方法では、高転位密度領域を有する前記窒化物半導体基板の表面領域に形成された凹部およびその近傍を被覆する保護膜を形成した後、窒化物半導体基板の表面に前記保護膜の側端と、前記保護膜によって被覆されていない前記窒化物半導体基板の表面とを被覆する断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層を形成し、さらに、保護膜を除去した後、前記第１窒化物半導体層の上部に、活性層を含む第２窒化物半導体層を形成することによって、高転位密度領域からの転位の成長を遮断するとともに、保護膜を除去することによって、当該保護膜が汚染源となるおそれがなく、さらに、保護膜が除去されるため凹部が空洞となり、この空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

さらに、請求項３に係る発明は、前記窒化物半導体素子の製造方法において、前記第３工程が、前記保護膜と膜厚が略同一の前記第１窒化物半導体層を前記保護膜によって被覆されていない前記窒化物半導体基板の表面に形成する工程であることを特徴とする。

この窒化物半導体素子の製造方法では、高転位密度領域を有する前記窒化物半導体基板の表面領域に形成された凹部およびその近傍を被覆する保護膜を形成した後、窒化物半導体基板の表面に保護膜と膜厚が略同一の前記第１窒化物半導体層を前記保護膜によって被覆されていない表面に形成し、さらに、保護膜を除去した後、前記第１窒化物半導体層の上部に、活性層を含む第２窒化物半導体層を形成することによって、高転位密度領域からの転位の成長を遮断するとともに、保護膜を除去することによって、当該保護膜が汚染源となるおそれがなく、さらに、保護膜が除去されるため凹部が空洞となり、この空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

さらにまた、請求項４に係る発明は、表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の前記高転位密度領域に形成された凹部と、前記窒化物半導体基板の前記凹部およびその近傍を除く前記低転位密度領域の上部に断面略Ｔ字形状に形成された第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上部および側部に積層された、活性層を含む第２窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体素子を提供する。

この窒化物半導体素子では、表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板の前記凹部およびその近傍を除く前記低転位密度領域の上部に、断面略Ｔ字形状に形成された第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上部および側部に積層された、活性層を含む第２窒化物半導体層と、を備えることによって、隣接した断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層の間の高転位密度領域の上部に形成される凹部および空洞によって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、この部位にＳｉＯ_２等の成長抑制膜を残した場合にその成長抑制膜が汚染源となる問題を生じるおそれがなく、さらに、この凹部および空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

また、請求項５に係る発明は、表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の前記高転位密度領域に形成された凹部と、前記窒化物半導体基板の前記凹部およびその近傍を除く前記低転位密度領域の上部に形成された第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上部および側部に積層された、活性層を含む第２窒化物半導体層と、を備える窒化物半導体素子を提供する。

この窒化物半導体素子では、表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板の前記高転位密度領域に形成された凹部と、前記窒化物半導体基板の前記凹部およびその近傍を除く前記低転位密度領域の上部に形成された第１窒化物半導体層と、前記第１窒化物半導体層の上部および側部に積層された、活性層を含む第２窒化物半導体層と、を備えることによって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、この部位にＳｉＯ_２等の成長抑制膜を残した場合にその成長抑制膜が汚染源となる問題を生じるおそれがなく、さらに、この凹部によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

また、請求項６に係る発明は、請求項４または請求項５に係る発明の半導体素子において、前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の前記低転位密度領域の上部を被覆していることを特徴とする。

この窒化物半導体素子では、前記第２窒化物半導体層が、前記窒化物半導体基板の前記低転位密度領域の上部を被覆していることによって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、低転位密度領域から第２窒化物半導体が成長して結晶欠陥が少ない第２窒化物半導体層が形成される。

さらに、請求項７に係る発明は、請求項５に係る発明の半導体素子において、前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の前記凹部を被覆していることを特徴とする。

この窒化物半導体素子では、第２窒化物半導体層が、前記窒化物半導体基板の前記凹部を被覆していることによって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、凹部によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

さらにまた、請求項８に係る発明は、請求項４に係る発明の半導体素子において、前記第１窒化物半導体層は、前記断面略Ｔ字形状の柱部の両側に空隙を有していることを特徴とする。

この窒化物半導体素子では、前記第１窒化物半導体層が、前記断面略Ｔ字形状の柱部の両側に空隙を有していることによって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、この部位にＳｉＯ_２等の成長抑制膜を残した場合にその成長抑制膜が汚染源となる問題を生じるおそれがなく、さらに、この凹部および空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等が防止される。

本発明の窒化物半導体素子の製造方法によれば、高転位密度領域からの転位の成長を遮断するとともに、保護膜を除去することによって、当該保護膜が汚染源となるおそれがなく、さらに、保護膜が除去されるため凹部が空洞となり、この空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。そして、これらの汚染源、転位の成長、応力の集中によるクラックの発生等を防止することによって、窒化物半導体素子の歩留まりを向上させることができる。

本発明の窒化物半導体素子は、隣接した断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層の間の高転位密度領域の上部に形成される凹部および空洞（空隙）によって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、この部位にＳｉＯ_２等の成長抑制膜を残した場合にその成長抑制膜が汚染源となる問題を生じるおそれがなく、さらに、この凹部および空洞の形成によって、第１窒化物半導体層や第２窒化物半導体層の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等が防止され、良好な素子特性を得ることができる。

以下、本発明に係る窒化物半導体素子の製造方法（以下、「本発明の方法」という）および窒化物半導体素子について、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下の図面に限定されるものではない。図１（Ａ）〜（Ｄ）および図２は、本発明の方法の第１実施形態における主要工程を説明する図であり、図３および図４は、第１実施形態において得られる窒化物半導体素子を示す概略図である。また、図５は、本発明の第２実施形態における主要工程を説明する図であり、図６は、第２実施形態において得られる窒化物半導体素子を示す概略図である。

本発明においては、図１（Ａ）に示すように、高転位密度領域２と、低転位密度領域３とが、交互に形成された窒化物半導体基板１を用いる。この窒化物半導体基板１において、高転位密度領域２は、窒化物半導体基板１の表面から裏面まで貫通してストライプ状の転位が集中している領域であり、低転位密度領域３は、高転位密度領域２を除く単位面積当たりの転位密度が高転位密度領域２よりも低い領域である。この低転位密度領域３の単位面積あたりの転位数（転位密度）は、１×１０^７／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^６／ｃｍ^２以下、より好ましくは１×１０^６／ｃｍ^２以下である。また、高転位密度領域２は、低転位密度領域３よりも転位密度が多い領域であって、特に、その転位密度が限定されない。この転位密度の測定方法は、ＣＬ（カソード・ルミネッセンス）観察で行うのがよい。また、窒化物半導体基板１は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＢＧａＩｎＮ等の窒化物半導体からなる基板であり、基板上に形成される窒化物半導体層と良好な格子整合を示す組成からなるものが選択される。この窒化物半導体基板１は、ＳｉやＧｅ、Ｏ等のｎ型の不純物がドーピングされていてもよい。不純物がドーピングされている場合は、その濃度は、特に限定されるものではなく、例えば、５×１０¹⁵／ｃｍ³〜５×１０²¹／ｃｍ³程度が適当である。さらに、この窒化物半導体基板の形状は、円板状または正方形板状である。製造プロセス上、窒化物半導体基板のサイズは１インチ（２．５４ｃｍ）以上、好ましくは２インチ（５．０８ｃｍ）以上である。また前記基板の厚さは、５０μm以上が好ましい。

本発明の製造方法に係る第１実施形態においては、まず、図１（Ｂ）に示すように、高転位密度領域２を有する表面領域に凹部４を有する窒化物半導体基板１を準備する（第１工程）。凹部４の深さＤは、通常、０．５μｍ〜１０．０μｍ程度であり、１．０μｍ〜６．０μｍが好ましい。凹部４は、幅Ｗ１が、高転位密度領域２の幅Ｗ２よりも広く（Ｗ１＞Ｗ２）なるように形成される。

このような高転位密度領域２を有する表面領域に凹部４を有する窒化物半導体基板１は、基板を製造する段階で凹部４を形成したものであっても、基板を製造した後に凹部４を形成したものであってもよい。また、本発明において、窒化物半導体基板として、市販されている窒化物半導体基板を用いても良い。
基板を製造した後に凹部４を形成する場合は、凹部４を形成する方法は特に限定されない。例えば、凹部４に対応したマスクパターンを用いてエッチングする方法、または、マスクパターンを使用せずに、低転位密度領域３と、高転位密度領域２とのエッチング選択比を利用して高転位密度領域２に凹部４を形成する方法などがある。具体的には、ＢＦＨや他の酸溶液、ドライエッチング等における低転位密度領域３と、高転位密度領域２とのエッチング選択比を利用して、高転位密度領域２を選択的に食刻させて凹部４を形成することができる。

次に、凹部４およびその近傍に膜５を形成する（第２工程）。
この第２工程においては、まず、図１（Ｃ）に示すように、窒化物半導体基板１の全面に、保護膜となるＳｉＯ_２等の膜５を５００〜５００００Å、好ましくは３０００〜７０００Åの膜厚で成膜する。膜５を成膜する方法としては、例えば、蒸着法、スパッタ法、反応性スパッタ法、ＥＣＲプラズマスパッタ法、マグネトロンスパッタ法、イオンビームアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法、スプレー法、スピンコート法、ディップ法またはこれらの方法の２種類以上を組み合わせる方法、あるいはこれらの方法と酸化処理（熱処理）とを組み合わせる方法等、種々の方法を利用することができる。その中でも、成膜時に前記基板の表面に与えるダメージが少ない成膜方法であるＣＶＤ法が好ましい。

次に、膜５をパターン成形して、図１（Ｄ）に示すように、所定の保護膜５ａを形成する。保護膜５ａは、凹部４の底面および側面を被覆するとともに、凹部４の近傍の低転位密度領域３の側端面４ａを被覆していてもよい。この保護膜５ａの幅Ｗ３は、高転位密度領域２の幅Ｗ２および凹部４の幅Ｗ１に応じて決定される。この保護膜５ａの幅Ｗ３は特に限定されるものではないが、通常、５〜１００μｍである。

また、高転位密度領域２の両側にある低転位密度領域３に形成される保護膜５ａの幅（Ｗ４１＋Ｗ４２）は合計で４０μｍ以下、好ましくは５〜２５μｍとする。ここで、前記低転位密度領域に形成される保護膜５ａの幅（Ｗ４１＋Ｗ４２）とは、図１（Ｄ）に示すように、基板の表面領域に形成される部分５ｃおよび５ｄの幅Ｗ４１およびＷ４１の合計の幅である。

保護膜５ａの形成は、膜５をパターン成形して窒化物半導体基板１の凹部４およびその近傍以外の領域を除去することによって行うことができる。ただし、低転位密度領域を全て露出させる必要はない。保護膜５ａの形成方法としては、例えば、膜５の上に、保護膜５ａに対応したマスクをパターン形成する。このマスクは、保護膜５ａを形成する部位以外の領域（凹部４およびその近傍を除く窒化物半導体基板１の低転位密度領域３の上部）では開口部を形成するように設けられる。このマスクの開口部をドライエッチングやウェットエッチングすることにより開口部から露出した膜５を除去した後、マスクを除去することによって、図１（Ｄ）に示すように、凹部４の底面および側面を被覆する保護膜５ａが形成される。

次に、図２（Ａ）に示すように、凹部４に保護膜５ａが形成された窒化物半導体基板１の表面に第１窒化物半導体層６，６ａを形成する（第３工程）。このとき、前記保護膜５ａ上に形成された第１窒化物半導体層６ａは、高転位密度領域２および保護膜５ａの上に形成されるため、高転位密度領域２からの転位の伝播および保護膜５ａとの格子不整合等に起因して結晶性に劣る窒化物半導体で構成されるが、後工程で保護膜５ａととともに除去される。この第１窒化物半導体層６，６ａの形成は、保護膜５ａの側端と、保護膜５ａによって被覆されていない窒化物半導体基板１の表面とを被覆する断面略Ｔ字形状の単層または多層構造の第１窒化物半導体層６，６ａを気相成長法によって成膜することによって行うことができる。

この第１窒化物半導体層６，６ａは、前記窒化物半導体基板１と格子定数が略同一のものや格子定数差が小さい窒化物半導体で形成される。例えば、一般式：Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）で表される組成を有する窒化物半導体である。また、第１窒化物半導体層６と、窒化物半導体基板１との間には、下地層やパターン形成された金属層が介設されていてもよい。例えば、一般式がＩｎ_ａＡｌ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）で示される下地層やパターン形成された金属層あるいは絶縁層が介設されていてもよい。この第１窒化物半導体層６は、下地層や金属層を含めた総膜厚が０．３μｍ〜４μｍ程度に形成される。

次に、図２（Ｂ）に示すように、保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層６ａを除去する（第４工程）。保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層６ａの除去は、例えば、ＢＦＨや他の酸溶液、ドライエッチング等の選択比を利用して保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層６ａのみを除去することによって行うことができる。これによって、窒化物半導体基板１の低転位密度領域３の表面領域に、柱部６ｂの両端に肩部６ｃを有し、柱部の両端に空隙７を有する断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層６が形成される。

次に、図２（Ｃ）に示すように、保護膜５ａを除去した窒化物半導体基板１上に気相成長法を用いて第２窒化物半導体層８を形成する（第５工程）。ここで、第１窒化物半導体層６のＴ字形状の柱部６ｂの両側には空隙７が形成され、さらに、その空隙７を被覆する第２窒化物半導体層８の空隙７の出口付近には凹部８ａが形成されていてもよい。この第２窒化物半導体層８は活性層を含有するものである。

この第１実施形態によって、図３に示す構造の窒化物半導体素子ＳＤ１が得られる。
この窒化物半導体素子ＳＤ１は、窒化物半導体基板１の低転位密度領域３の上部に、高転位密度領域２に形成された凹部４を挟んで、断面略Ｔ字形状に形成された第１窒化物半導体層６と、第１窒化物半導体層６の上部および側部に積層された第２窒化物半導体層８とを備える。第２窒化物半導体層８には、活性層等が含まれる。

この窒化物半導体素子は、隣接した断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層６の間の高転位密度領域３の上部に形成される凹部４および空洞７によって、高転位密度領域からの転位の成長が遮断されるとともに、この部位にＳｉＯ_２等の成長抑制膜が残存しないため、汚染源を生じる問題がなく、さらに、この凹部４および空洞７の形成によって、第１窒化物半導体層６や第２窒化物半導体層８の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

この窒化物半導体素子ＳＤ１における第１窒化物半導体層６および第２窒化物半導体層８の層構成の一例として、ＧａＮ系レーザ発光素子における層構成を図４に示す。
図４に示すＧａＮ系発光素子の第１窒化物半導体層６および第２窒化物半導体層８において、１１はｎ型窒化物半導体層、１２はｎ型クラッド層、１３はｎ型光ガイド層、１４は活性層、１５はｐ型光ガイド層、１６はｐ型クラッド層を、それぞれ示す。さらに、活性層の上部には、ｐ型キャップ層（図示せず）、ｐ型クラッド層１６の上部には、ｐ型コンタクト層（図示せず）などが形成される。

ｎ型窒化物半導体層１１は、前記第１窒化物半導体層６または９の一部として形成される。前記ｎ型窒化物半導体層１１にｎ電極を形成する場合には、このｎ型窒化物半導体層はｎ型コンタクト層（図示せず）を含む。このｎ型コンタクト層としては、活性層のバンドギャップエネルギーより大きい組成であることが好ましく、Ａｌ_ｊＧａ_１−ｊＮ（０≦ｊ＜０．３）が一例として挙げられる。このｎ型コンタクト層をクラッド層を兼用するものとして用いてもよい。また、ｎ型コンタクト層の上にＩｎを含有するクラック防止層を形成してもよい。前記窒化物半導体基板１が導電性基板であれば、ｎ電極を直接基板に形成することができるため、ｎ型コンタクト層は省略可能である。また、他の層のＡｌ組成と膜厚によってはクラック防止層も省略可能である。

ｎ型クラッド層１２は、Ａｌを含有していることが好ましい。また、単一層でも多層膜層（超格子構造）でもよい。ｎ型不純物濃度は特に限定されるものではないが、好ましくは１×１０^１７〜１×１０^２０／ｃｍ^３であり、ｎ型不純物濃度に、膜厚方向において傾斜をつけてもよい。さらに、Ａｌの組成傾斜をつけることでキャリアを閉じ込めるクラッド層としても機能させてもよい。

ｎ型光ガイド層１３は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）よりなるｎ型光ガイド層を成長させる。ｎ型光ガイド層１３の膜厚は特に限定されるものではなく、任意の膜厚を選択することができる。例えば、０．１５μｍ程度が挙げられる。この層は、キャリアを活性層に閉じ込め、かつ、光は閉じ込めない層として設けられるもので、単層または多層膜層（超格子構造）で形成させることができる。また、ｎ型不純物をドープさせてもよい。ただし、ｎ型光ガイド層は、活性層の組成や膜厚等によっては省略することもできる。また、レーザの発振波長が４４０ｎｍ以上の波長帯であれば、前記ｎ型光ガイド層は、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）よりなることが好ましい。

活性層１４は、単一（ＳＱＷ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）のいずれでもよい。例えば、Ａｌ_ａＩｎ_ｂＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）からなる井戸層と、Ａｌ_ｃＩｎ_ｄＧａ_{１−ｃ−ｄ}Ｎ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、ｃ＋ｄ≦１）からなる障壁層とを含む量子井戸構造が挙げられる。活性層１４に用いられる半導体層は、アンドープ、ｎ型不純物ドープ、ｐ型不純物ドープのいずれでもよいが、アンドープまたはｎ型不純物ドープであることが好ましい。これにより高出力の発光素子を得ることができる。さらに、井戸層をアンドープとし、障壁層をｎ型不純物ドープとしてもよい。これにより発光素子の出力と発光効率を高めることができる。また、井戸層にＡｌを含ませることで、従来のＩｎＧａＮの井戸層では困難な波長域、具体的には、ＧａＮのバンドギャップエネルギーである波長３６５ｎｍ付近、もしくはそれより短い波長を得ることができる。

障壁層は、例えば、ｎ型不純物をドープする場合、その濃度は少なくとも５×１０^１６／ｃｍ^３以上が好ましい。また、高出力のデバイスでは、５×１０^１７／ｃｍ^３以上、１×１０^２０／ｃｍ^３以下が適当である。なお、障壁層にｎ型不純物をドープする場合、活性層内のすべての障壁層にドープしてもよいし、一部をドープとし、一部をアンドープとすることもできる。また、活性層上にＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）よりなるキャップ層を形成してもよい。

ｐ型光ガイド層１５は、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）で形成される。このｐ型光ガイド層１５はアンドープとして成長させることが好ましいが、Ｍｇをドープさせてもよい。また、ｎ型光ガイド層と同様に、単層または多層膜層（超格子構造）で形成させることができる。さらに、ｐ型光ガイド層１５は、活性層１４の組成や膜厚等によっては省略することもできる。また、レーザの発振波長が４４０ｎｍ以上の波長帯であれば、前記ｎ型光ガイド層は、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）よりなることが好ましい。

ｐ型クラッド層１６は、活性層１４のバンドギャップエネルギーより大きい組成を有し、活性層１４へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されず、その一例として、Ａｌ_ｋＧａ_１−ｋＮ（０≦ｋ＜１）が挙げられる。ｐ型クラッド層１６のｐ型不純物濃度は、１×１０^１８〜１×１０^２１／ｃｍ^３が適当である。ｐ型不純物濃度が上記の範囲にあると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させることができる。ｐ型クラッド層は、単一層でも多層膜層（超格子構造）でもよい。多層膜層の場合、上記のＡｌ_ｋＧａ_１−ｋＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよい。例えば、バンドギャップエネルギーの小さい層としては、ｎ型クラッド層の場合と同様に、Ｉｎ_ｌＧａ_１−ｌＮ（０≦ｌ＜１）、Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０≦ｍ＜１、ｍ＞ｌ）が挙げられる。また、ｐ型クラッド層１６がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層および小さい層の少なくともいずれか一方にｐ型不純物をドープさせてもよい。バンドギャップエネルギーの大きい層および小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。

次に、ｐ型クラッド層１６の上にｐ型コンタクト層を形成した後、ｐ型クラッド層１６の途中、ｐ型クラッド層１６とｐ型光ガイド層１５との界面、ｐ型光ガイド層１５の途中等から上の領域にリッジを形成するとともに、ｐ型コンタクト層の表面にｐ電極の形成、さらに、そのｐ電極と電気的に接続するパッド電極などを形成する。また、ｎ型窒化物半導体層１１のｎ型コンタクト層（図示せず）の表面にｎ電極を形成するとともに、このｎ電極と電気的に接続するパッド電極（図示せず）を形成する。

そして、熱処理による電極の合金化、光導波路の形成、等の処理を行った後、凹部４に沿って、一辺が１５０〜１０００μｍ程度の四角形または多角形のチップに分割および／または劈開して、劈開面を共振器面とする発光素子が得られる。

次に、本発明の方法の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態において、高転位密度領域２の表面領域に凹部４を有する窒化物半導体基板を準備する工程（第１工程）、ならびに凹部４およびその近傍を被覆する保護膜５ａを形成する工程（第２工程）の各工程（図１（Ｂ）〜（Ｄ）に示す工程）は、前記第１実施形態と同じであるので、説明を省略する。
また、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の方法の第２実施形態における保護膜５ａの形成以後の主要工程を順を追って示す図である。

第２実施形態においては、凹部４およびその近傍を被覆する保護膜５ａを形成した後、図５（Ａ）に示すように、上部に保護膜５ａと膜厚が略同一の第１窒化物半導体層９を形成する（第３工程）。このとき、保護膜５ａによって被覆されていない窒化物半導体基板１の表面には保護膜５ａと膜厚が略同一の第１窒化物半導体層９が形成され、また、保護膜５ａの上には、高転位密度領域２および保護膜５ａの上に形成されるため、高転位密度領域２からの転位の伝播および保護膜５ａとの格子不整合等に起因して結晶性に劣る窒化物半導体で構成される第１窒化物半導体層９ａが形成される。この第１窒化物半導体層９ａは、後工程で保護膜５ａととともに除去される。第１窒化物半導体層９の形成は、前記第１実施形態における第１窒化物半導体層６の形成と同様に気相成長法によって行うことができる。また、第１窒化物半導体層９の組成および窒化物半導体基板１との間に介設する下地層や金属層、さらに、第１窒化物半導体層９の総膜厚等は、第１実施形態と同様である。

次に、図５（Ｂ）に示すように、保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層９ａを除去する（第４工程）。保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層９ａの除去は、例えば、ＢＦＨや他の酸溶液、ドライエッチング等の選択比を利用して保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層９ａのみを除去することによって行うことができる。これによって、窒化物半導体基板１の低転位密度領域３の表面領域にのみ、凹部４の側縁から離隔して第１窒化物半導体層９が形成される。

次に、図５（Ｃ）に示すように、保護膜５ａおよび第１窒化物半導体層９ａを除去した窒化物半導体基板１上に気相成長法を用いて第２窒化物半導体層１０を形成する（第５工程）。この第２窒化物半導体層１０は活性層を含有するものである。また、図５（Ｃ）に示すように、窒化物半導体基板１の上面の低転位密度領域上に第２窒化物半導体層１０に被覆された領域１０ａがあり、その内側に第１窒化物半導体層９が形成されている。第２窒化物半導体層１０は、窒化物半導体基板の上面の低転位密度領域上、および第１窒化物半導体層６上に形成されている。このような構造であれば、窒化物半導体基板１の高転位密度領域からの転位の伝播が第２窒化物半導体層１０に含まれる光導波路領域、特に活性層に及ぶことを抑止することができる。

この第２実施形態によって、図６に示す構造の窒化物半導体素子ＳＤ２が得られる。
この窒化物半導体素子ＳＤ２は、窒化物半導体基板１の低転位密度領域３の上部に、高転位密度領域２に形成された凹部４を挟んで、凹部４の側縁から離隔して、低転位密度領域３の表面領域にのみ積層された第１窒化物半導体層９と、第１窒化物半導体層９の上部および側部に積層された第２窒化物半導体層１０とを備える。第２窒化物半導体層１０には、活性層等が含まれる。

この窒化物半導体素子ＳＤ２は、凹部４の側縁から離隔して、低転位密度領域３の表面領域にのみ積層された第１窒化物半導体層９を有するため、高転位密度領域２からの転位の成長が遮断されるとともに、この部位にＳｉＯ_２等の成長抑制膜が残存しないため、汚染源を生じる問題がなく、さらに、第１窒化物半導体層９や第２窒化物半導体層１０の形成によって生じる応力を緩和することができ、応力の集中によるクラックの発生等を防止することができる。

この窒化物半導体素子ＳＤ２における第１窒化物半導体層９および第２窒化物半導体層１０の層構成は、第１実施形態における第１窒化物半導体層６および第２窒化物半導体層８の層構成と同様である。

（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施形態における第１工程および第２工程を順を追って説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１実施形態における第３工程〜第５工程を順を追って説明する図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子の構成を示す断面模式図である。 本発明の第１実施形態による窒化物半導体素子における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層の層構成の一例を示す断面模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施形態における主要工程を順を追って説明する図である。図である。 本発明の第２実施形態による窒化物半導体素子における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層の層構成の一例を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 窒化物半導体基板
２ 高転位密度領域
３ 低転位密度領域
４ 凹部
５ 膜
５ａ 保護膜
６ 第１窒化物半導体層
８ 第２窒化物半導体層
９ 第１窒化物半導体層
９ａ 保護膜
１０ 第２窒化物半導体層

Claims (8)

1. 表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板を用いる窒化物半導体素子の製造方法であって、
   前記高転位密度領域を有する表面領域に凹部を有する窒化物半導体基板を準備する第１工程と、
   前記凹部およびその近傍を被覆する保護膜を形成する第２工程と、
   前記窒化物半導体基板の表面に第１窒化物半導体層を形成する第３工程と、
   前記保護膜を除去する第４工程と、
   前記第１窒化物半導体層の上部に、活性層を含む第２窒化物半導体層を形成する第５工程と、
   を含む窒化物半導体素子の製造方法。
2. 前記第３工程が、前記保護膜の側端と、前記保護膜によって被覆されていない前記窒化物半導体基板の表面とを被覆する断面略Ｔ字形状の第１窒化物半導体層を形成する工程である請求項１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
3. 前記第３工程が、前記保護膜と膜厚が略同一の前記第１窒化物半導体層を前記保護膜によって被覆されていない前記窒化物半導体基板の表面に形成する工程である請求項１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
4. 表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板の前記高転位密度領域に形成された凹部と、
   前記窒化物半導体基板の前記凹部およびその近傍を除く前記低転位密度領域の上部に断面略Ｔ字形状に形成された第１窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層の上部および側部に積層された、活性層を含む第２窒化物半導体層と、
   を備える窒化物半導体素子。
5. 表面から裏面に貫通する高転位密度領域と、前記高転位密度領域よりも結晶欠陥が少ない低転位密度領域とを有する窒化物半導体基板と、
   前記窒化物半導体基板の前記高転位密度領域に形成された凹部と、
   前記窒化物半導体基板の前記凹部およびその近傍を除く前記低転位密度領域の上部に形成された第１窒化物半導体層と、
   前記第１窒化物半導体層の上部および側部に積層された、活性層を含む第２窒化物半導体層と、
   を備える窒化物半導体素子。
6. 前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の前記低転位密度領域の上部を被覆している請求項４または請求項５に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記第２窒化物半導体層は、前記窒化物半導体基板の前記凹部を被覆している請求項４または請求項５に記載の窒化物半導体素子。
8. 前記第１窒化物半導体層は、前記断面略Ｔ字形状の柱部の両側に空隙を有している請求項４に記載の窒化物半導体素子。

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