JP4997744B2 - 窒化物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体素子及びその製造方法に関し、特に、基板の裏面に電極を有する窒化物半導体素子及びその製造方法に関する。

窒化物半導体は、ＬＥＤ素子、レーザ素子などの発光素子、太陽電池、光センサなどの受光素子、トランジスタ、パワーデバイスなどの電子デバイスに用いられている。

窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子は、信号機、大型ディスプレイ、バックライト用光源、車載用光源などに幅広く利用されている。

窒化物半導体を用いたレーザ素子は、光ディスク用光源、露光用光源、印刷機、光通信システム、測定等に利用することができる。また、窒化物半導体からなるレーザ素子は、発振波長が３６０ｎｍから５５０ｎｍ程度の波長域であるためバイオ関連の励起用光原等としても利用可能である。

窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子やレーザ素子は、サファイアなどの基板の上にｎ型窒化物半導体層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体層とが順に積層され、ｐ型窒化物半導体層上にｐ電極が形成されている。

サファイア基板は絶縁性の基板であるから、該基板の裏面に電極を形成することができない。そのため、窒化物半導体層の積層面側からｐ型窒化物半導体層及び活性層をエッチングなどにより除去して、ここで露出されたｎ型窒化物半導体層上にｎ電極が形成された構成としている。つまり、半導体層の積層面側にｐ電極とｎ電極とが配置された構成となっている。

一方、サファイア基板は、この上に成長させる窒化物半導体層との格子定数や熱膨張係数に差異があるのみならず、劈開性が無い。従って、サファイア基板を含む窒化物半導体層を、劈開によって素子ごとに分離することは困難であるため、サファイア基板を研磨などにより除去することが報告されている。つまり、サファイア基板を除去した後、露出された窒化物半導体層を基板として機能させる。このような窒化物半導体層は、ｎ型不純物が含有されているために、窒化物半導体層の成長面とは反対側の面にｎ電極を形成することができる。従って、半導体層を介して対向するようにｐ電極とｎ電極とが配置された構成となる。
このような構成は、半導体層の積層面側にｐ電極とｎ電極とを配置する構成と比較してチップサイズを小さくすることができ、歩留まりが向上する。

ここで、窒化物半導体層を基板として機能させるには、ある程度の膜厚が必要であり、また寿命等の素子特性を考えると低転位化が必要となる。このような窒化物半導体基板の低転位化を実現するには、まず、サファイア基板上の所定部分にマスク層を形成する。その後、マスク層を選択成長マスクとして、マスクの開口部からマスク層上にｎ型窒化物半導体層を横方向成長させる。その後、サファイア基板とマスクとを除去してｎ型窒化物半導体基板とする（例えば、特許文献１）。

特開平１１−２１４７９８

このような方法により低転位化した窒化物半導体基板であっても、転位の集中領域は基板に内在している。この転位は基板上に成長した窒化物半導体層に伝播するため、転位の集中領域は素子分離した窒化物半導体素子の窒化物半導体層にも内在することになる。そのため、窒化物半導体層の活性層や発光層として機能させる領域は転位の集中領域を避けるとともに、ある程度離して形成することが必要となる。

また、ウェハーからバー状化又はチップ化等の素子分離時のダメージが活性層や発光層として機能させる領域に及ぶことを避けるためには、活性層や発光層として機能させる領域を素子の内側に位置することが必要であり、これによって転位の集中領域は素子の外側に配置させることになる。

しかし、基板に内在する転位の集中領域は、必ずしも規則的に存在するとは限らない。つまり、転位の集中領域が基板の主面における表面上でストライプ状に存在するものであったとしても、連続的に存在するのではなく、例えば、図５に示すように、部分的に断絶している領域１３や部分的にストライプ幅が広い領域１４がある。これでは、図１１に示すように基板の裏面１０１に矩形の電極５１を形成したとしても、転位の集中領域で素子をチップ化するときにチップ化方向が一定にならず、劈開ラインがチップの側面で予期せぬ方向に延び、チップが部分的に欠けるもの（図１２）、劈開方向が曲がることにより、活性層領域や発光領域まで劈開ラインが及ぶもの（図１３）が生じる。
このように不規則に転位の集中領域が内在する基板上に成長した窒化物半導体素子を安定してチップ化させることは困難であった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、窒化物半導体素子の素子分離を安定化させるとともに、基板と電極との良好なオーミック接触を実現する窒化物半導体素子とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、基板の転位の集中領域について鋭意研究を行った結果、転位の集中領域には、導電性不純物、例えば、ｎ型不純物が高い濃度で分布することを見出した。したがって、転位の集中領域を、素子分離した窒化物半導体基板に積極的に内在させ、この転位の集中領域に電極を接続することにより、基板と電極との間に、より良好なオーミック特性を得ることができると考え、本発明を完成するに至った。

本発明の窒化物半導体素子は、
第１主面と第２主面とを有する基板の第１主面上に、リッジを有する窒化物半導体層が形成されており、第２主面上に電極が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子において、
前記基板は、前記リッジに沿う端面において、転位の集中領域を有しており、
前記電極は、前記端面に沿って、転位の集中領域上に配置された電極形成領域及び開口部領域を有し、該開口部領域は、前記転位の集中領域上に又は転位の集中領域を跨いで配置されており、
前記リッジに沿う前記基板の端面は、前記転位の集中領域上に形成された電極の端面と略一致する領域を有することを特徴とする。
このように、基板の第２の主面に電極を形成することにより、バー状化又はチップ化等の素子分離の際に、この電極を保護膜として機能させることができる。

また、基板の第２の主面における転位の集中領域の一部に電極を配置することにより、基板と電極とのオーミック特性をより発揮させることができ、窒化物半導体素子の電位を安定させることができる。
さらに、転位の集中領域の上に電極の開口部領域を配置することにより、素子分離の際に、開口部領域を目印として、素子分離位置を容易に認識することができる。しかも、開口部領域に応力を逃がすことで、窒化物半導体素子の素子分離が安定化されて、基板及び窒化物半導体層の端面を所望の位置で良好な面として形成することができるとともに、電極はがれを最小限に止めることができる。

また、基板に内在する転位の集中領域は不規則な形状で存在するが、このような転位に比較して、素子分離は、基板に不規則に内在する基板表面に形成された電極の形状や物性に、より優先的に影響される。そのため、上述した電極のパターン形状によって、素子分離を行う時に転位の集中領域から意図しない方向への素子分離の進行を防止することができ、所望のチップ形状を容易に得ることが可能となる。
さらに、基板の劈開端面と電極の端面とを略一致させることにより、基板と転位の集中領域上に形成される電極との接触界面の面積を拡大させることができる。これによって転位の集中領域を素子の外側領域にのみ設けた場合であって、かつ基板と電極との接触面を外側領域のみとすることにより、窒化物半導体層の活性層や発光層として機能する領域への転位の伝播を有効に防止しながら、オーミック特性を維持することが可能となる。

また、本発明の窒化物半導体素子は、
第１主面と第２主面とを有する基板の第１主面上に、リッジを有する窒化物半導体層が形成されており、第２主面上に電極が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子において、
前記基板は、窒化物半導体を選択成長させて形成される基板であって、
前記リッジに沿って、前記基板の第２主面における端部に開口部領域を有する前記電極が形成されており、
前記リッジに沿う前記基板の端面は、前記電極の端面と略一致する領域を有することを特徴とする。
このような構成により、素子分離の際に、この電極を保護膜として機能させることができるとともに、開口部領域を目印として、素子分離位置を容易に認識することができる。しかも、開口部領域に応力を逃がすことで、窒化物半導体素子の素子分離が安定化されて、基板及び窒化物半導体層の端面を所望の位置で良好な面として形成することができるとともに、電極はがれを最小限に止めることができる。

前記電極の開口部領域は、前記基板の第２主面が露出していることが好ましい。転位の集中領域上に形成した電極の開口部領域である凹部の底面が基板の第２主面まで露出していることで窒化物半導体素子の断面方向を所望の位置に合わせることができる。

前記電極における電極形成領域と前記開口部領域とは、基板の厚さ方向において連続する凹凸形状であることが好ましい。前記電極形成領域は凸部であって、前記開口部領域は凹部である。この凸部と凹部との段差は１０００Å以上であることがより好ましい。図６ｂ及びｃに示すように窒化物半導体素子の側面において、連続する凹凸は、凸部の幅と凹部の幅は同一であっても、どちらかを広くしてもよい。このような構造によって、チップ化する方向を所望の位置に合わせることができる。

前記窒化物半導体素子は、レーザ素子である。基板の第２主面にオーミック特性が良好である電極を形成することで投入電流を増加させることが可能となり、高出力のレーザ素子を提供することができる。

前記レーザ素子における基板の共振器端面は、前記電極の端面と略一致する領域を有することが好ましい。共振器端面は迷光の密度が高いため、このような領域に前記電極を形成することによって効率よく迷光を吸収して、主ビームに重なる迷光（ノイズ光）を抑止するからである。

前記基板は、少なくとも一方の主面にオフ角を有することが好ましい。基板の第１主面にオフ角が形成されていれば、該基板上に積層する窒化物半導体素子の組成の面内分布や膜厚分布、例えば活性層の結晶性を均一にすることができる。しかも、活性層の発振波長を狭い範囲に限定することなく、広範囲の波長帯において寿命特性及び素子特性に優れたレーザ素子を提供することができる。また、基板の第２主面にオフ角が形成されていれば該基板と電極との密着性を向上させることができる。

前記基板は窒化物半導体基板であることが好ましい。窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を積層した構造であれば、基板と窒化物半導体層との格子定数や熱膨張係数の差異が生じないためクラックや転位の発生を抑制することができる。

本発明における窒化物半導体素子の製造方法は、
第１主面と第２主面とを有する基板の第１主面上に窒化物半導体層が形成されており、第２主面上に電極が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、
前記基板は、前記リッジに沿う端面において転位の集中領域を有する基板であって、該基板の第１主面上に、前記リッジを有する窒化物半導体層を形成する第１の工程と、
前記基板の第２主面における転位の集中領域上に前記電極を形成する第２の工程と、
前記転位の集中領域上に形成された前記電極に開口部を形成する第３の工程と、
前記リッジに沿う前記基板の端面を前記転位の集中領域上に形成された電極の端面と略一致させて劈開する第４の工程とを備えていることを特徴とする。
この製造方法によって、窒化物半導体素子の素子分離を安定化することができる。

前記窒化物半導体素子の製造方法において、前記電極の開口部は、基板の第２主面を露出していることが好ましい。転位の集中領域上に形成した電極の開口部領域である凹部の底面が基板の第２主面を露出していることで窒化物半導体素子の素子分離方向が曲がることを抑制することができる。

前記窒化物半導体素子の製造方法において、前記電極は、基板の劈開用マスクとして用いることが好ましい。前記電極は基板の第２主面にパターン形成されることで、該電極が基板よりも優先的に劈開要因となる。そのため、このような電極を窒化物半導体素子の劈開用マスクとして用いることで、窒化物半導体素子の素子分離を安定化することができるからである。

本発明によれば、素子分離を安定化させて、且つ窒化物半導体基板と電極との良好なオーミック接触を有する窒化物半導体素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体素子は、第１主面と第２主面とを有する基板と、窒化物半導体層と、電極とを備えている。なお、以下において窒化物半導体素子をレーザ素子として説明するが、レーザ素子に限定されるものではない。

本発明の窒化物半導体素子は、図１に示すように、第１主面１０１ａと第２主面１０１ｂとを有する基板１０１の第１主面上に窒化物半導体層１１０としてｎ型窒化物半導体層１４０と、活性層１５０と、ｐ型窒化物半導体層１６０とが順に形成されており、第２主面にはｎ電極１２０が形成されている対向電極構造のレーザ素子である。なお、ｐ型窒化物半導体層１６０には、ストライプ状のリッジ部と、その上に形成されたｐ電極１７０とを備えている。
このレーザ素子は、導電性を示す基板を採用した対向電極構造としているため大電流を投入することが可能となり、高出力発振をすることができる。

基板１０１は、転位の集中領域１２を有する基板である。
転位の集中領域１２とは、他の領域１１に比べて転位密度が高い領域を示す。例えば、他の領域１１の転位密度が単位面積あたり５×１０⁶個／ｃｍ²以下の領域であれば、これよりも転位密度が高い領域が、転位の集中領域となる。あるいは、転位の集中領域とは、単位面積あたりの転位密度が１×１０⁷個／ｃｍ²以上の領域である。転位密度の測定方法は特に限定されないが、通常、ＣＬ（カソード・ルミネッセンス）法が用いられる。

転位の集中領域は、第１主面及び／又は第２主面における少なくとも表面に、ストライプ状、格子状、縞状、網目状、ドット状等に存在する。しかし、このような形状は、図５に示すように、連続して規則的に存在するのではなく部分的に断絶している領域１３や部分的にストライプ幅が広い領域１４がある。基板１０１において、転位の集中領域１２がストライプ状に存在する場合には、転位の集中領域は０〜５０μｍの幅でストライプ状に延びており、平均１０〜３０μｍの幅である。０μｍというのは部分的に断絶している領域１３である。また、５０μｍの幅とは部分的にストライプ幅が広い領域１４である。他の領域１１である転位の低い領域は、転位の集中領域１２と交互に存在する。他の領域１１は５０〜５００μｍの幅でストライプ状に延びており、この範囲内にストライプ状のリッジ部が形成される。

他の領域１１には、高ルミネッセンス領域を有していてもよい。
なお、レーザ素子において、図２及び図８等に示すように、チップの両側に転位の集中領域１２を有していてもよいし、図９に示すように、チップの左右のどちらか一方に転位の集中領域１２を有する構成であればよい。

基板１０１は導電性基板である。基板の不純物濃度としては、好ましくは１×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²¹／ｃｍ³の範囲、さらに好ましくは５×１０¹⁷／ｃｍ³〜１×１０²⁰／ｃｍ³の範囲に調整する。このような範囲に調整すると、基板とｎ電極とのオーミック接触が得られる。

基板は、ＧａＮ等の窒化物半導体基板、ＳｉＣ、Ｓｉから選ばれる基板である。窒化物半導体基板の第１主面１０１ａは、Ｃ面、Ｍ面、又はＡ面とする。窒化物半導体基板の第１主面１０１ａをＣ（０００１）面とすれば、第２主面１０１ｂは（０００−１）面となる。また、基板における他の領域１１と転位の集中領域１２とは極性が異なる面であってもよい。第１主面１０１ａにおける他の領域１１を（０００１）面とすれば、転位の集中領域１２は（０００−１）面、（１１−２０）面、（１０−１５）面、（１０−１４）面、（１１−２４）面等である。第２主面１０１ｂにおける他の領域１１を（０００−１）面とすれば、転位の集中領域１２は（０００１）面等である。

基板の第１主面及び／又は第２主面は、オフ各を有していてもよい。オフ角とは、Ｃ面、Ａ面、又はＭ面を基準面として形成される０．０５°以上０．７°以下の傾斜角である。この範囲でオフ角が形成されていれば、レーザ素子の発振波長が３６５ｎｍ以下の紫外領域から５００ｎｍ以上の長波長領域に至る範囲で素子特性を安定させることができる。具体的には、チップ内での活性層の組成分布を均一にすることができる。

基板の第２主面における転位の集中領域１２上には、図２及び図７に示すように、ｎ電極が形成された領域（電極形成領域）１２１と開口部領域１２２とを有している。つまり、ｎ電極は、少なくとも基板の第２主面における転位の集中領域上に形成されており、ｎ電極が、転位の集中領域以外の領域にも形成されている構造を除外するものではない。
開口部領域１２２とは、基板の第２主面１０１ｂに形成した電極において、基板の厚さ方向において凹部を構成する領域である。例えば、図６ａに示したように、基板の第２主面１０１ｂ上に形成されたｎ電極１２０において、ｎ電極１２０の断面形状が、図６ａのＤ線での断面図である図６ｂに示すように、開口部領域（凹部）の底面が、電極１２０の上面よりも下側にあってもよいし、図６ｃに示すように、基板１０１に達しており、基板の第２主面が露出していてもよい。

この開口部領域１２２は、１つの素子において１つ又は２つ以上形成されていることが好ましい。また、共振器方向に２０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上の長さを有していることが好ましい。
図２においてＢ線での断面図を図３ｂに示す。ｎ電極の両側に開口部領域１２２が形成されている。開口部領域１２２の幅は５μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以上１００μｍ以下とする。

ｎ電極１２０は、図４ａに示すように開口部領域１２２が広範囲に広がっていてもよい。具体的には、レーザ素子の両側の側面にある開口部領域１２２の幅が１００μｍ以上である。このような電極形状であれば、容易に素子分離を行うことができる。また、図４ｂに示すように、ｎ電極の開口部領域１２２が転位の集中領域１２を越えて形成されていてもよい。このような電極形状であれば、転位の集中領域１２上には電極形成領域１２１と開口部領域１２２とが平行して存在するため、チップ化を容易に行うことができる。
また、ｎ電極は、図１０に示したように、開口部領域１２２に、隣接するチップのｎ電極が噛み合うように、配置されていてもよい。開口部領域がこのような形状であっても、チップ化の際の分割位置を容易に認識することができる。

転位の集中領域１２上に形成されたｎ電極１２０における電極形成領域１２１には、基板１０１の側面１３１と略一致する端面１３２を備えている。
図２におけるＣ線での断面図を図３ｃに示す。図３ｃには基板１０１の側面１３１とｎ電極の端面１３２とが略一致するように形成される。ここで、略一致とは、電極の端面と基板の端面とが完全に一致するものに加えて、１０μｍ未満の段差があるものを含む。

また、ｎ電極は、基板１０１の共振器端面１３３と略一致する端面１３４を備えた第２の領域１２３があることが好ましい。ｎ電極における第２の領域１２３は、ストライプ状のリッジ部より広い幅で形成される。第２の領域１２３は、ｎ電極側から見て、リッジ部を覆うように形成されており、電極形成領域１２１から突出した形状をしている。具体的には第２の領域１２３は、２０μｍ以上の幅で形成される。第２の領域１２３は共振器端面において、光出射端面側にあることが好ましく、光反射端面側にもあればより好ましい。これによって、共振器端面の近傍に存在する迷光を吸収することができる。

図２においてＡ線での断面図を図３ａに示す。この第２の領域１２３は基板の第２主面上に２０μｍ以上の幅で形成される。第２の領域１２３は、基板の第１主面側に形成されるストライプ状のリッジ部を覆う位置であればよく、第２の領域１２３を形成する場所は特に限定されない。

ｎ電極１２０は、１つの素子において、基板１０１の第２主面全体の６０％以上の面積で接触していることが好ましい。これにより、放熱性が良好となる。
ｎ電極１２０の膜厚は、単独構造、多層構造に関係なく３０００Å以上であって、好ましくは１μｍ以下とする。更に好ましくは５０００Å以上、１μｍ以下とする。これによってスクライブの精度が向上する。また、電極剥がれを防止することができる。

ｎ電極１２０を多層構造とする構成の一例としてｎ電極を基板の第２主面側から第１の層、第２の層、第３の層を形成して３層構造とする場合について以下に示す。
基板の第２主面１０１ｂ上にｎ電極１２０が形成された平面図（図６ａ）のＤ線での断面図を図６ｂに示す。開口部領域（凹部）の凹部底面を電極の内部に形成しており、該開口部領域１２２の凹部底面は第１の層のみが存在する。また電極形成領域１２１には第１の層、第２の層、第３の層が形成されている。ｎ電極の最上層である第３の層は共晶材料を用いる。このような構成であれば、第２の層、第３の層には劈開性が乏しい材料を用いても、所望の素子分離を行うことが出来る。図６ｃには開口部領域１２２の凹部底面を基板の第２主面とする構成を示す。このように第１の層、第２の層、第３の層が形成されているのは電極形成領域１２１のみであるから、電極材料に劈開性が乏しい材料を用いたとしても、所望の素子分離を行うことができる。開口部領域１２２の凹部底面を、第２の層としてもよい。

ｎ電極１２０は、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ｚｒ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ｒｕからなる群より選択される少なくとも１つを含む合金または層構造を用いることができる。好ましくはＶ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも１種を含む合金または層構造である。さらに好ましくはＶ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ、Ｒｈ／Ａｌからなる２層構造、あるいは３層構造である。このような層構造にすると、ｎ電極１２０と基板１０１とが優れた密着性を有すると共に、良好なオーミック接触を有するので好ましい。

電極１２０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が向上する。第２主面に形成する電極の材料にこれらの材料を選択することによって、特に窒化物半導体基板と電極とのオーミック特性が得られる。また、窒化物半導体基板と電極との密着性も良くウェハーからバー化又はチップ化するための劈開工程で電極が剥がれることを抑制する効果を有する。

ｎ電極１２０をＴｉ／Ａｌの順に形成する場合には、ｎ電極の膜厚は１００００Å以下であって、例えば、膜厚はＴｉ／Ａｌの順に１００Å／５０００Åとなる。また、ｎ電極１２０としては窒化物半導体基板１０１の第２主面１０１ｂ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電極１２０としては窒化物半導体基板１０１の第２主面側からＴｉ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕとすれば、例えば６０Å／５００Å／１０００Å／２１００Åの順に形成されることになる。ｎ電極がＴｉ／Ｈｆ／Ｐｔ／Ａｕであれば、例えばＴｉ（６０Å）／Ｈｆ（６０Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（３０００Å）となり、Ｔｉ／Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕであれば、Ｔｉ（６０Å）／Ｍｏ（５００Å）／Ｔｉ（５００Å）／Ｐｔ（１０００Å）／Ａｕ（２１００Å）の順に積層することができる。その他のｎ電極としては、窒化物半導体基板の第２主面側からＷ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ／Ｗ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｗ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｍｏ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ等がある。またｎ電極を形成した後、特にアニールしなくてもよいし、アニールしてもよい。

ｎ電極１２０の形成方法としては、特に限定されないが、減圧下、低い真空度から高い真空度に変更しながら、スパッタリング、蒸着などを行う方法が好適に用いられる。また、電極のパターニング法としては、リフトオフ方法、フォトリソグラフィーを用いたエッチング（ドライエッチング、ウェットエッチング）などが用いられる。

ｎ電極１２０の表面上には、バリア目的で、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｒｈ、又はこれらの酸化物や窒化物を積層してもよい。これにより、チップの実装強度を強めることができる。

本発明の窒化物半導体層は、基板１０１側からｎ型窒化物半導体層１４０、活性層１５０、ｐ型窒化物半導体層１６０の順に形成されたものであるが、本発明はこれに限定されず、基板側からｐ型窒化物半導体層、活性層、ｎ型窒化物半導体層の順に形成されたものであってもよい。また活性層１４０は多重量子井戸構造又は単一量子井戸構造とする。
窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層とで、Ｉｎを含有する活性層を挟んだ分離光閉じ込め型構造であるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造とすることが好ましい。これは活性層よりバンドギャップの大きい光ガイド層を活性層の上下に備えることで光の導波路を構成するものである。

窒化物半導体層は、一般式をＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）とする。これに加えて、III族元素としてＢを一部に有することもできる。またＶ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓで置換することもできる。ｎ型窒化物半導体層にはｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、ＣｄなどのIV族元素、あるいはVI族元素等のいずれか１つ以上を含有している。またｐ型窒化物半導体層にはｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ等を含有している。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。

窒化物半導体層の成長方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）など、窒化物半導体の成長方法として知られている全ての方法を好適に用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤは結晶性良く成長させることができるので好ましい。また、窒化物半導体は、種々の窒化物半導体の成長方法を使用目的により適宜選択して成長させることが好ましい。

以下、本発明の窒化物半導体レーザ素子の製造方法について説明するが、本発明は以下に限定させるわけではない。

（第１の工程）
まず、第１主面と第２主面とを有する基板１０１を準備する。この基板１０１は、オフ角を有する窒化物半導体基板である。前記窒化物半導体基板１０１の膜厚は５０μｍ以上１０ｍｍ以下とするが、好ましくは１００μｍ以上１０００μｍ以下とする。窒化物半導体基板１０１の製造方法には、ＭＯＣＶＤ法やＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法等の気相成長法、超臨界流体中で結晶育成させる水熱合成法、高圧法、フラックス法、溶融法等がある。

窒化物半導体基板１０１の第１主面をＣ面（０００１）とし、第２主面は（０００−１）面とする。該窒化物半導体基板１０１には、転位の集中領域１２を有している。転位の集中領域１２は０μｍ〜５０μｍの幅で形成され、他の領域１１は１００μｍ〜５００μｍの幅で形成される。これらは交互にストライプ形成される。前記窒化物半導体基板１０１の他の領域１１における単位面積あたりの転位数はＣＬ観察やＴＥＭ観察で５×１０⁶／ｃｍ²以下である。また窒化物半導体基板１０１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 Maximum）が２分以下、好ましくは１分以下である。前記窒化物半導体基板の第１主面を研磨や研削、レーザー照射によってオフ角を形成する。オフ角の形成方法にはバルクの窒化物半導体基板をワイヤーソーで切り出すことで第１主面を形成する。尚、本明細書において、面指数を表す括弧内のバー（−）は、後ろの数字の上に付すべきバーを表すものとする。また窒化物半導体基板の外周形状は特に限定されず、ウェハー状であっても、矩形状等であってもよい。ウェハー状である場合には、１インチ以上、好ましくは２インチ以上のサイズとする。

（第２の工程）
オフ角を有する窒化物半導体基板の第１主面１０１ａ上に窒化物半導体層１１０を成長させる。以下の各層をＭＯＣＶＤ法により、減圧〜大気圧の条件で成長させる。窒化物半導体層１１０は、窒化物半導体基板１０１の第１主面上にｎ型窒化物半導体層１４０、次に活性層１５０、ｐ型窒化物半導体層１６０の順で積層する。窒化物半導体基板１０１の第１主面１０１ａ上に積層されるｎ型窒化物半導体層１４０は多層膜である。第１のｎ型窒化物半導体層１４１としてはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．５）、好ましくはＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．３）である。具体的な成長条件としては、反応炉内での成長温度を１０００℃以上、圧力を６００Ｔｏｒｒ以下とする。また、第１のｎ型窒化物半導体層１４１はクラッド層としての機能させることもできる。膜厚は０．５〜５μｍである。
次に、第２のｎ型窒化物半導体層１４２を形成する。第２のｎ側窒化物半導体層は光ガイド層として機能するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）である。膜厚は０．５〜５μｍである。

ｎ型窒化物半導体層中には、Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）からなる中間層を介した構成とすることもできる。中間層は単一層構造または多層積層構造である。中間層によって、窒化物半導体層の表面上に発生する転位（貫通転位等）やピットを低減させることができる。

活性層１５０は、少なくともＩｎを含有している一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ≦１）を有する。Ａｌ含有量を高くすることで紫外域の発光が可能となる。また長波長側の発光も可能であり３６０ｎｍ〜５８０ｎｍまでが発光可能となる。活性層を量子井戸構造で形成すると発光効率が向上する。ここで、井戸層の組成はＩｎの混晶が０＜ｘ≦０．５である。井戸層の膜厚としては、３０〜２００オングストロームであり、障壁層の膜厚としては、２０〜３００オングストロームである。前記活性層の多重量子井戸構造は、障壁層から始まり井戸層で終わっても、障壁層から始まり障壁層で終わっても、井戸層から始まり障壁層で終わっても、また井戸層から始まり井戸層で終わってもよい。好ましくは障壁層から始まり、井戸層と障壁層とのペアを２〜８回繰り返してなるものであって、障壁層で終わる構成である。井戸層と障壁層とのペアを２〜３回繰り返してなるものがしきい値を低下させて寿命特性を向上させるのに好ましい。

活性層上にｐ型窒化物半導体層１６０を積層する。第１のｐ型窒化物半導体層１６１としてはｐ型不純物を含有したＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）である。第１のｐ型窒化物半導体層１６１はｐ側電子閉じ込め層として機能する。次に、第２のｐ型窒化物半導体層１６２としてＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．３）、第３のｐ型窒化物半導体層１６３としてｐ型不純物を含有したＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．５）を形成する。第３のｐ型窒化物半導体層１６３はＧａＮとＡｌＧａＮとから成る超格子構造であることが好ましく、クラッド層として機能する。第４のｐ型窒化物半導体層１６４としてｐ型不純物を含有したＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）を順に形成する。これらの半導体層にＩｎを混晶させてもよい。第１のｐ型窒化物半導体層１６１は省略可能である。各層の膜厚としては、３０Å〜５μｍである。

反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃以上の温度でアニーリングして、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗化する。ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層の各層は単一層構造、２層構造又は組成比が互いに異なる２層からなる超格子構造であってもよい。

（第３の工程）
窒化物半導体基板１０１上に窒化物半導体層１１０を積層したウェハーを反応容器から取り出す。次に、ｎ型窒化物半導体層１４０をエッチングにより露出させる。ｎ型窒化物半導体層の露出面は特に限定するのもではないが本実施形態では第１のｎ型窒化物半導体層１４１まで露出する。これによって、応力緩和の効果があるが、この工程は省略することが可能である。エッチングにはＲＩＥ法を用いＣｌ₂、ＣＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄ガス等によりエッチングする。

次に、前記ｐ型窒化物半導体層にストライプ状のリッジ部を形成する。ｐ側半導体層の最上層である第４のｐ型窒化物半導体層１６４の表面にＳｉＯ₂等より成る保護膜を形成する。この保護膜のパターンはストライプ状のリッジ部を形成するためのパターン形状をしており、ストライプ状のリッジ部以外の領域をエッチングにより除去する。エッチングにはＲＩＥ法を用いＣｌ₂やＣＣｌ₄、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃のような塩素系のガスによりエッチングする。導波路領域であるリッジ部の幅は１．０μｍ〜３０．０μｍとする。共振器長の長さは３００μｍ〜１０００μｍである。シングルモードのレーザ光とする場合のリッジ部の幅は１．０μｍ〜３．０μｍとするのが好ましい。リッジ部の幅を５μｍ以上とすれば、１Ｗ以上の出力が可能となる。リッジ部の高さ（エッチングの深さ）は、少なくとも第３のｐ型窒化物半導体層１６３を露出する範囲であればよく、第１のｐ型窒化物半導体層１６１まで露出してもよい。

その後、リッジ部の側面に絶縁性の保護膜１８１を形成する。この絶縁性の保護膜１８１とは窒化物半導体層よりも屈折率が小さく、絶縁性の材料から選ばれるものである。具体例としては、ＺｒＯ₂、ＳｉＯ₂、その他にはＶ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ａｌ等の酸化物である。

その後、第４のｐ型窒化物半導体層１６４の表面にｐ電極１７０を形成する。好ましくは、第４のｐ型窒化物半導体層１６４上にのみｐ電極１７０を形成する。ｐ電極１７０としては、多層構造とする。例えば、ＮｉとＡｕからなる２層構造であれば、まず、第４のｐ型窒化物半導体層上にＮｉを５０Å〜２００Åの膜厚で形成し、次に、Ａｕを５００Å〜３０００Åの膜厚で形成する。また、ｐ電極を３層構造とする場合にはＮｉ／Ａｕ／Ｐｔ、又はＮｉ／Ａｕ／Ｐｄの順に形成する。ＮｉとＡｕは２層構造と同じ膜厚であればよく、最終層となるＰｔやＰｄは５００Å〜５０００Åである。 またｐ電極１７０を形成した後、オーミックアニールを行ってもよい。詳細なアニール条件としては、アニール温度を３００℃以上、好ましくは５００℃以上とする。またアニールを行う雰囲気を窒素及び／又は酸素を含有する条件とする。

次に、前工程で露出したｎ型窒化物半導体層の側面等に保護膜１８２を形成する。次に、ｐ電極１７０の上にパッド電極を形成する。また前記パッド電極はＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｗ等の金属からなる積層体とすることが好ましい。例えば、前記パッド電極はｐ電極側からＷ／Ｐｄ／Ａｕ、又はＮｉ／Ｔｉ／Ａｕの順に形成する。パッド電極の膜厚は特に限定されないが、最終層のＡｕの膜厚を１０００Å以上とする。

（第４の工程）
窒化物半導体基板１０１の第２主面１０１ｂに、ｎ電極１２０を形成する。まず、基板１０１の第２主面１０１ｂ上に任意の形状をしたマスクを用いてパターニングする。パターニング方法としてはポジ型、ネガ型のどちらのフォトリソで行ってもよい。次に、上述した電極材料をスパッタにより形成する。例えば、第１の層にはＶを用いて膜厚１００Åで形成する。第２の層にはＰｔを用いて膜厚２０００Å、第３の層にはＡｕを用いて膜厚３０００Åで形成する。スパッタの他にはＣＶＤや蒸着等で形成してもよい。スパッタ法では、はじめに減圧することが好ましい。ただし、この場合の減圧は第１の層の形成時には、第２及び第３の層の形成時よりも真空度を低めに行うことが好ましい。その後、リフトオフでパターニングしたマスクを除去することによってｎ電極が形成される。なお、ｎ電極を形成した後、アニールを行わなくてもよいし、アニールを行ってもよい。アニールは１５０℃以上の温度で、窒素及び／又は酸素含有雰囲気下で行うことが例示される。

ｎ電極１２０を形成した後、さらにメタライズ電極を形成してもよい。メタライズ電極としてはＴｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｎ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｓｉ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−（Ａｕ／Ｇｅ）、Ｔｉ−Ｐｔ−Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｉ、Ａｕ／Ｇｅ等を用いる。

（第５の工程）
ｎ電極１２０を形成した後、ストライプ状のｐ電極１７０に垂直な方向であって、窒化物半導体層の共振器端面を形成するためにウェハーをバー状に分割する。例えば、図８に示すＸ線に沿って行うことが好ましい。ここで、共振器端面は、Ｍ面（１−１００）やＡ面（１１−２０）とする。ウェハーをバー状に分割する方法としては、ブレードブレイク、ローラーブレイク、又はプレスブレイクがある。

また、ウェハーの分割工程を２段階で行うことが好ましい。この方法によって、共振器端面を歩留まり良く形成することができる。まず窒化物半導体基板の第１主面側又は第２主面側からエッチング又はスクライブにより予め劈開補助溝を形成する。劈開補助溝はウェハーの全面、ウェハーの両端に形成する。好ましくは、劈開補助溝をバー状に形成する劈開方向に破線状に間隔をあけて形成する。これによって、劈開方向が屈曲することを抑制することができる。次に、ブレイカーによりウェハーをバー状に分割する。劈開方法には、ブレードブレイク、ローラーブレイク、又はプレスブレイク等がある。ｎ電極１７０は、窒化物半導体基板１０１の第２主面に部分的又は全面に形成されている。
なお、本発明においては、第４の工程は、必ずしも第３の工程の後に行わなくてもよく、同様の構成を実現できるかぎり、上述した工程の順序は変更されてもよい。

共振器端面を形成した後、共振器端面に反射ミラーを形成してもよい。反射ミラーはＳｉＯ₂やＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅等から成る誘電体多層膜である。前記反射ミラーは、共振面の光反射側、及び／又は光出射面に形成する。前記反射ミラーは、共振面の光反射側、及び光出射面に形成することが好ましい。劈開によって形成された共振面であれば、反射ミラーを再現性よく形成することができる。

さらにバー状となった窒化物半導体基板を、例えば、図８〜図１０のＹ線に沿って、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素子をチップ化する。半導体レーザ素子としてチップ化した後の形状は四角形状であって、四角状の共振器長は６５０μｍ以下とする。
このような製造方法により、得られる窒化物半導体レーザ素子はＦＦＰのリップルを抑制した長寿命等の特性を有する。
また、接触抵抗を低減した対向電極構造の窒化物半導体レーザ素子であり、接触抵抗率は１．０×１０^-3Ωｃｍ²以下となる。

本発明の窒化物半導体素子は、光ディスク用途、光通信システム、印刷機、露光用途、測定等に利用することができる。また、特定波長に感度を有する物質に窒化物半導体レーザから得た光を照射することで、その物質の有無または位置を検出することができるバイオ関連の励起用光源等に利用することもできる。

本発明の実施形態に係る窒化物半導体レーザ素子の模式的断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の電極形状の模式的平面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の基板と電極とを示す模式的断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の電極形状の模式的平面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の窒化物半導体基板の模式的平面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の電極形状の模式的断面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の電極形状の模式的斜視図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子の別の電極形状の模式的平面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子のさらに別の電極形状の模式的平面図である。 本発明の窒化物半導体レーザ素子のさらに別の電極形状の模式的平面図である。 従来技術に係る基板と電極とを示す模式的平面図である。 従来技術に係る窒化物半導体素子の模式的平面図である。 従来技術に係る窒化物半導体素子の模式的断面図である。

符号の説明

１２…転位の集中領域、５１…ｎ電極、１０１…窒化物半導体基板、１１０…窒化物半導体層、１２０…ｎ電極、１４０…ｎ型窒化物半導体層、１５０…活性層、１６０…ｐ型窒化物半導体層、１７０…ｐ電極、１８１…絶縁性の保護膜、１８２…保護膜、１８３…パッド電極

Claims (6)

1. 第１主面と第２主面とを有する基板の第１主面上に、リッジを有する窒化物半導体層が形成されており、第２主面上に電極が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子において、
   前記基板は、前記リッジに沿う端面において、転位の集中領域を有しており、
   前記電極は、前記端面に沿って、転位の集中領域上に配置された電極形成領域及び開口部領域を有し、該開口部領域は、前記転位の集中領域上に又は転位の集中領域を跨いで配置されており、
   前記リッジに沿う前記基板の端面は、前記転位の集中領域上に形成された電極の端面と略一致する領域を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 第１主面と第２主面とを有する基板の第１主面上に、リッジを有する窒化物半導体層が形成されており、第２主面上に電極が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子において、
   前記基板は、窒化物半導体を選択成長させて形成される基板であって、
   前記リッジに沿って、前記基板の第２主面における端部に開口部領域を有する前記電極が形成されており、
   前記リッジに沿う前記基板の端面は、前記電極の端面と略一致する領域を有することを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
3. 前記レーザ素子における基板の共振器端面は、前記電極の端面と略一致する領域を有する請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 前記基板は窒化物半導体基板である請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体レーザ素子。
5. 第１主面と第２主面とを有する基板の第１主面上に窒化物半導体層が形成されており、第２主面上に電極が形成されてなる窒化物半導体レーザ素子の製造方法において、
   前記基板は、前記リッジに沿う端面において転位の集中領域を有する基板であって、該基板の第１主面上に、前記リッジを有する窒化物半導体層を形成する第１の工程と、
   前記基板の第２主面における転位の集中領域上に前記電極を形成する第２の工程と、
   前記転位の集中領域上に形成された前記電極に開口部を形成する第３の工程と、
   前記リッジに沿う前記基板の端面を前記転位の集中領域上に形成された電極の端面と略一致させて劈開する第４の工程とを備えていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
6. 前記電極は、基板の劈開用マスクとして用いる請求項５に記載の方法。

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