JPH11191658A

JPH11191658A - 窒化物半導体素子

Info

Publication number: JPH11191658A
Application number: JP12799798A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nagahama; 慎一長濱; Shuji Nakamura; 修二中村
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1998-05-12
Publication date: 1999-07-13
Anticipated expiration: 2018-05-12
Also published as: JP4028635B2

Abstract

(57)【要約】【目的】厚膜のＡｌを含む窒化物半導体、またはＡｌ
混晶比の高い窒化物半導体を成長可能として、その窒化
物半導体をクラッド層、コンタクト層として有する窒化
物半導体素子を提供する。【構成】結晶欠陥が１×１０⁷個／cm²以下の窒化物半
導体よりなる下地層上に、Ｉｎを含む井戸層を有する量
子井戸構造の活性層を有し、その活性層と下地層との間
に、アルミニウムを含む窒化物半導体を含む第１の窒化
物半導体層が成長されている。これは、下地層の歪みが
小さいのでその上に格子不整合状態で成長させるＡｌＧ
ａＮ層の歪みも小さくなるために、ＡｌＧａＮが厚膜で
成長できてクラッド層、コンタクト層となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発光ダイオード素子、レ
ーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ
等の受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス
等の電子デバイスに用いられる窒化物半導体（Ｉｎ_XＡ
ｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる素
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化物半導体は短波長レーザ素子の材料
として知られており、本出願人はこの材料を用いてパル
ス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初
めて発表した{例えば、Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L74、
Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)L217等}。このレーザ素子
は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Mu
lti-Quantum- Well）の活性層を有するダブルへテロ構
造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件
で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／cm
²、４１０ｎｍの発振を示す。さらに本出願人は研究を
進歩させ、室温での連続発振にも初めて成功し、発表し
た。{例えば、日経エレクトロニクス 1996年12月2日号
技術速報、Appl.Phys.Lett.69(1996)3034-、Appl.Phys.
Lett.69(1996)4056- 等}、このレーザ素子は２０℃にお
いて、閾値電流密度３．６ｋＡ／cm²、閾値電圧５．５
Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示
す。

【０００３】前記レーザ素子は全て窒化物半導体の成長
基板にはサファイアが用いられている。サファイアは窒
化物半導体と格子整合する材料ではないが、基板の量産
性に優れ、比較的結晶性の良い窒化物半導体が成長でき
るために多用されている。レーザ素子の基本構造として
は、サファイア基板上にＧａＮよりなるコンタクト層
（電極形成層）、ＡｌＧａＮよりなるｎ側クラッド層、
ＧａＮよりなるｎ側ガイド層、ＩｎＧａＮを含むＭＱＷ
活性層、ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層、ＡｌＧａＮよ
りなるｐ側クラッド層、ＧａＮよりなるｐ側コンタクト
層が順に積層された分離閉じ込め（ＳＣＨ）構造を有し
ている。前記レーザ素子の場合、屈折率が大きい活性層
を屈折率の小さいＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟ん
でいるが、基板とｎ側クラッド層との間に、屈折率が活
性層よりは小さいが、基板及びｎ側クラッド層よりも大
きいＧａＮ層をコンタクト層として有している。従って
ＡｌＧａＮよりなるクラッド層で閉じ込めきれなかった
光は、サファイア基板の屈折率がＧａＮコンタクト層の
屈折率より小さいため、ＧａＮコンタクト層で導波され
る。そのため窒化物半導体層端面から出射されるレーザ
光のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）は、ヘテロ接
合界面に垂直な方向（ｙ軸）に対して正規分布した形状
とならずに、複数のビームがある形状となってしまう。
このような複数のビームがあるレーザ光は光ディスクの
ピックアップに用いる光源としては使用しにくい。

【０００４】一方、活性層の発光の閉じ込め率を高くし
ようとすれば、クラッド層の屈折率をさらに小さくし
て、厚膜で成長させる必要がある。しかしながら従来の
窒化物半導体は、サファイアのような格子定数、及び熱
膨張係数が異なる基板の上に成長されているため、結晶
欠陥が非常に多く、例えば断面ＴＥＭで観察すると１×
１０⁹個／cm²以上ある。結晶欠陥の多い窒化物半導体層
が積層されたレーザ素子では連続発振させた場合に、そ
の結晶欠陥で電子とホールが非輻射再結合して発熱して
寿命を短くする。特にクラッド層となるようなＡｌを含
む窒化物半導体は結晶成長中に、結晶欠陥、及びクラッ
クが発生しやすい傾向にある。従来のレーザ素子ではＡ
ｌＧａＮクラッド層を例えば０．５μｍ以下の膜厚で成
長させているが、このクラッド層でも結晶欠陥が非常に
多く、またクラックも発生している可能性がある。また
クラッド層の屈折率を小さくするためＡｌ混晶比を上げ
ようとすると、さらにクラックが多くなる傾向にある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明はこの
ような事情を鑑みて成されたものであって、その目的と
するところは、厚膜のＡｌを含む窒化物半導体、または
Ａｌ混晶比の高い窒化物半導体を成長可能として、その
窒化物半導体をクラッド層、コンタクト層として有する
窒化物半導体素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】我々はＡｌを含む窒化物
半導体を成長させるにあたり、その下地層に結晶欠陥の
少ない窒化物半導体層を用いることにより前記問題が解
決できることを新規に見出し本発明を成すに至った。即
ち、本発明の窒化物半導体素子は、結晶欠陥が１×１０
⁷個／cm²以下の窒化物半導体を含む下地層上に、Ｉｎを
含む井戸層を有する量子井戸構造の活性層を有し、その
活性層と下地層との間に、Ａｌを含む窒化物半導体を含
む第１の窒化物半導体層が成長されていることを特徴と
する。

【０００７】本発明の窒化物半導体素子において、第１
の窒化物半導体層がｎ電極形成層であることを特徴とす
る。さらに別の態様では、前記下地層がｎ電極形成層で
あることを特徴とする。さらにまた別の態様では、前記
第１の窒化物半導体層が形成されていない面側の下地層
面がｎ電極形成層であることを特徴とする。

【０００８】さらに好ましい態様として、前記第１の窒
化物半導体層はＡｌを含む窒化物半導体よりなる第２の
窒化物半導体層と、第２の窒化物半導体層と異なる組成
を有する窒化物半導体よりなる第３の窒化物半導体層と
が積層された超格子構造よりなることを特徴とする。

【０００９】超格子構造の場合、前記第２の窒化物半導
体層、及び第３の窒化物半導体層の内の少なくとも一方
の層にはｎ型不純物がドープされており、ｎ型不純物濃
度が互いに異なることを特徴とする。超格子層のｎ型不
純物濃度は中央部を大きくすることが望ましい。

【００１０】具体的な素子構造としては、前記活性層の
上に、Ａｌを含む窒化物半導体よりなる第４の窒化物半
導体層と、第４の窒化物半導体と異なる組成を有する窒
化物半導体よりなる第５の窒化物半導体層とが積層され
た超格子構造のｐ側クラッド層を有することが好まし
く、さらに好ましくは前記第４の窒化物半導体、及び前
記第５の窒化物半導体層の内の少なくとも一方にはｐ型
不純物がドープされており、ｐ型不純物濃度が互いに異
なることを特徴とする。同じく超格子層のｐ型不純物濃
度は中央部を大きくすることが望ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】結晶欠陥が１×１０⁷個／cm²以下
の窒化物半導体を含む下地層とは、例えば結晶欠陥の少
ない窒化物半導体基板であっても良いし、また窒化物半
導体と異なる材料よりなる基板（以下、異種基板とい
う。）上に成長された結晶欠陥の少ない窒化物半導体層
であってもよい。その下地層は例えば以下に述べる方法
によって作製することができる。

【００１２】それは異種基板上に窒化物半導体を成長
後、若しくは成長前に、その窒化物半導体層表面、若し
くは異種基板の表面に、窒化物半導体が成長しにくい性
質を有する保護膜を部分的に形成し、その保護膜によっ
て異種基板と窒化物半導体との格子定数不整、熱膨張係
数差等の要因によって発生する窒化物半導体の結晶欠陥
を止める手法である。保護膜形成後、その保護膜及び窓
部（保護膜が形成されていない部分）の上に再度窒化物
半導体を成長させることにより、窓部から横方向に窒化
物半導体の成長を促進させて、保護膜上部にまで窒化物
半導体を成長させる。その保護膜上部に成長した窒化物
半導体は、結晶欠陥が少ない窒化物半導体下地層とな
る。下地層の組成はＡｌを０．３以下で含むＡｌ_XＧａ
_1-XＮ、好ましくはＧａＮとすることが最も望ましい。
またこのＧａＮ下地層にＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型不純物
をドープして導電性を制御しても良い。ｎ型不純物をド
ープするとＧａＮ下地層がｎ電極形成層として好ましく
使用できる。ＧａＮ下地層の結晶欠陥は好ましくは５×
１０⁶個／cm²以下、さらに好ましくは１×１０⁶個／cm²
以下、最も好ましくは５×１０⁵個／cm²であることが望
ましい。なお下地層中の結晶欠陥は、断面ＴＥＭによる
観察により写真撮影して計測できる数値を示している。

【００１３】図１乃至図４はＧａＮ下地層を作製する際
の、窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的な断面図
である。これらの図において、１は異種基板、２は窒化
物半導体よりなるバッファ層、３は第１の下地層、３’
は第２の下地層、１１は第１の保護膜、１２は第２の保
護膜を示しており、本発明の素子の下地層となるのは第
１の下地層３、若しくは第２の下地層３’である。これ
らの図を元にしてＧａＮよりなる下地層の製法の一例を
説明する。

【００１４】図１に示すように、異種基板１の表面に、
ＧａＮよりなるバッファ層２を例えば１０μｍ以下の膜
厚で成長させる。このバッファ層は基板に直接、あるい
は低温成長バッファ層を介して、９００℃以上の高温で
成長される層であり、結晶欠陥が全ての断面において、
例えば１×１０⁹個／cm²以上あるため、ＧａＮ下地層と
はなり得ない。異種基板１は窒化物半導体と異なる材料
よりなる基板であればどのようなものでも良く、例え
ば、Ｃ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、ス
ピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、ＳｉＣ
（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡ
ｓ、Ｓｉ等の従来知られている窒化物半導体と異なる基
板材料を用いることができる。またバッファ層２を成長
させる前に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の９００℃
以下で成長させる低温成長バッファ層を異種基板１に接
して、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望まし
い。

【００１５】次に図１に示すように、バッファ層２の上
に窒化物半導体が直接成長しないか、若しくは成長しに
くい性質を有する第１の保護膜１１を所定の形状で部分
的に形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ド
ット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、バッフ
ァ層の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分
（窓部）よりも保護膜の面積を大きくする方が、より結
晶欠陥の少ない第１の下地層３が成長しやすい。第１の
保護膜１１、第２の保護膜１２の材料としては、例えば
酸化ケイ素（ＳｉＯ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸
化チタン（ＴｉＯ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）等
の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００
℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。こ
れらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃
〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体
が成長しないか、成長しにくい性質を有している。保護
膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸
着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相製膜技術を用いることが
できる。部分的（選択的）に形成するためには、フォト
リソグラフィー技術を用いて、所定の形状を有するフォ
トマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材
料を気相製膜することにより、所定の形状を有する第１
の保護膜１１、第２の保護膜１２を形成できる。図１で
はバッファ層２の上に例えばストライプ状の保護膜を形
成し、そのストライプに対して垂直な方向でウェーハを
切断した際の部分的な断面図を示しており、結晶欠陥を
バッファ層２内部に示す細線でもって模式的に示してい
る。この図に示すように、バッファ層２にはほぼ均一に
無数の結晶欠陥が発生するので、この層を本発明の素子
のＧａＮ下地層とすることは不可能である。

【００１６】次に第１の保護膜１１を形成したウェーハ
の上に第１の下地層３を成長させる。図２に示すよう
に、第１の保護膜１１を形成したバッファ層２の上に、
第１の下地層３を成長させると、最初は第１の保護膜１
１の上にはＧａＮ層が成長せず、窓部のバッファ層２の
上に第１の下地層３が選択成長される。図２は、窓部に
多くＧａＮが成長して、第１の保護膜１１の上にほとん
ど成長されないことを示している。

【００１７】さらに第１の下地層３の成長を続けると、
第１の下地層３が第１の保護膜１１の上に覆いかぶさっ
て行き、隣接した第１の下地層３同士でつながって、図
３に示すように、あたかも第１の保護膜１１の上に第１
の下地層３が成長したかのような状態となる。つまり、
第１の下地層３を保護膜を介して横方向に成長させる。
ここで重要なことは、基板の上に成長されているバッフ
ァ層２の結晶欠陥と、第１の保護膜１１の上に成長され
ている第１の下地層３との結晶欠陥の数である。図３に
おいて、基板から第１の窒化物半導体層の表面に渡って
示している複数の細線は図１、２と同じく結晶欠陥を模
式的に示している。つまり、異種基板と窒化物半導体と
の格子定数のミスマッチにより、異種基板の上に成長さ
れる窒化物半導体には非常に多くの結晶欠陥が発生し、
この結晶欠陥は窒化物半導体成長中、表面まで伝わる。
一方、第１の保護膜１１上に形成された第１の下地層３
は基板から成長したものではなく、隣接する第１の下地
層３が成長中に横方向につながったものであるため、結
晶欠陥の数は基板から成長したものに比べて非常に少な
くなる。従って、この第１の下地層３をＡｌを含む第１
の窒化物半導体成長時の下地層に用いることにより、結
晶欠陥、クラック等が発生しないため、Ａｌを含む窒化
物半導体が厚膜で成長できる。下地層の格子欠陥の数は
保護膜１１の面積を調整することによって調整可能であ
る。

【００１８】図４はさらに好ましいＧａＮ下地層の製法
を示したものであり、第１の下地層３成長後、第１の保
護膜１１の窓部に対応する第１の下地層３の表面近傍に
第２の保護膜１２を形成することにより、基板と窒化物
半導体層との界面から発生した格子欠陥が表面に現れて
いる第１の下地層３の結晶欠陥を、更には、第１の下地
層３の成長初期に窓部から転位し成長の途中で転位を中
断した結晶欠陥の再転位を第２の保護膜１２で止めるこ
とができる。第１の下地層３の成長初期に窓部から転位
する結晶欠陥は、第１の下地層３の成長の途中で激減す
る傾向があり、この転位を中断した結晶欠陥が、素子を
動作中に再転位する恐れが考えられるので、第２の保護
膜を窓部上部に形成することが好ましい。なお、図４で
は図３で成長させた第１の下地層３表面の凹凸を少なく
するため、研磨してフラットな面としているが、特に研
磨せず、そのまま第１の下地層３の表面に第２の保護膜
１２を形成しても良い。好ましくは第２の保護膜１２の
面積を第１の保護膜１１の窓の面積よりも大きくする。
具体的には、保護膜の形状をドット、ストライプ等で形
成した場合には、単位ドットの表面積、単位ストライプ
幅を窓よりも大きくする。なぜなら、結晶欠陥は必ずし
も基板から垂直に転移するのではなく、斜めに入った
り、途中で折れ曲がって転移する場合が多い。そのため
第１の保護膜１１の直上部にある第１の下地層３に結晶
欠陥が侵入してくる可能性があるため、図４に示すよう
に、第２の保護膜１２の表面積を窓部よりも大きくする
ことが望ましい。以上のようにして第１の下地層３の上
に形成された第２の保護膜１２を介して第２の下地層を
成長させると、第１の下地層３よりもさらに結晶欠陥の
少ないＧａＮ結晶が得られ、ＧａＮ下地層として十分に
使用できる。このように結晶欠陥の数は、保護膜の面
積、保護膜の形成回数によって制御可能である。但し、
以上述べたＧａＮ下地層の製法は単なる一例を示すもの
であって、本発明の素子のＧａＮ下地層が以上の製法に
より拘束されるものではない。

【００１９】更に、下地層のその他の作成方法として以
下の方法が挙げられる。窒化物半導体と異なる材料より
なる異種基板の上に、窒化物半導体を成長させた後、該
窒化物半導体の縦方向の成長を抑え、窒化物半導体を横
方向のみに成長させ、続いて、縦と横方向に成長させる
窒化物半導体の成長方法である。上記成長方法は、異種
基板の表面で発生する結晶欠陥が窒化物半導体を厚く成
長させても窒化物半導体の表面まで連続して転位するこ
とを防止するために、窒化物半導体を成長させた後、窒
化物半導体の縦方向の成長を抑え、横方向にのみ成長さ
せ、続いて縦と横方向に成長させることで、結晶欠陥が
非常に少ない結晶性の良好な窒化物半導体を得ることが
できる。本発明において、窒化物半導体の縦方向の成長
を抑えるとは、少なくとも窒化物半導体の成長が縦に進
行しないようにすればよく、また横方向に成長させると
は、少なくとも成長させた窒化物半導体の端面を露出さ
せて、この端面のみから成長させるようにすればよい。
このように成長方向をコントロールされた窒化物半導体
は、縦方向から横方向に成長を始め、成長を続けていく
と横の成長に加えて再び縦方向にも成長をはじめる。

【００２０】このように窒化物半導体の成長方向をコン
トロールして行う窒化物半導体の成長方法の具体的な方
法の一実施の形態としては、図８及び図９に示すよう
に、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に
第１１の窒化物半導体を成長させ、その後、前記第１１
の窒化物半導体に部分的に段差を形成して第１１の窒化
物半導体の端面を露出させ、段差上面にある第１１の窒
化物半導体の平面及び段差の異種基板に対して水平な面
に保護膜を形成し、更にその後、前記第１１の窒化物半
導体の端面から第１２の窒化物半導体を成長させる窒化
物半導体の成長方法である。

【００２１】つまり、成長させた第１１の窒化物半導体
の縦方向の成長を抑制するために、第１１の窒化物半導
体が縦の方向に成長可能な平面（例えば窒化物半導体の
平面や異種基板面）に保護膜を形成し、また、第１１の
窒化物半導体に段差を形成して横方向への成長を可能と
する第１１の窒化物半導体の端面を形成し、このように
窒化物半導体の成長方向を制御した後、第１１の窒化物
半導体の端面に第１２の窒化物半導体を成長させる。こ
のように窒化物半導体を成長させると、異種基板の表面
に発生する結晶欠陥が窒化物半導体に転位するのを防止
でき、結晶欠陥の非常に少ない結晶性の良好な窒化物半
導体を得ることができる。

【００２２】上記の成長方向をコントロールして窒化物
半導体を成長させる方法は、第１１の窒化物半導体に部
分的に設けた段差の上面にある第１１の窒化物半導体の
平面及び段差の底面（異種基板に水平な面）に保護膜を
設けることで、異種基板の表面に発生する結晶欠陥が連
続的に転位するのを防止する。更に、このように保護膜
を形成すると、窒化物半導体が保護膜上に成長しにくい
ことから、第１２の窒化物半導体の成長が選択的に第１
１の窒化物半導体の端面から横方向に成長をはじめる。
ここで、異種基板の表面に発生する結晶欠陥は、窒化物
半導体が横方向に成長する過程では、縦方向に成長する
場合に比べて、転位が極めて少なくなる。更に横方向に
転位した結晶欠陥は、窒化物半導体が横から縦方向へも
成長し始める際にほとんど転位が起こらないと推定され
る。その結果、結晶欠陥のほとんどない、結晶性の非常
に良好な第２の窒化物半導体を厚膜で得ることができ
る。ここで、窒化物半導体は保護膜上に成長しにくい
が、第１２の窒化物半導体が横方向と縦方向の成長を続
けることで、あたかも保護膜の上に成長しているかのよ
うに保護膜を覆って成長する。

【００２３】更に窒化物半導体の成長方向をコントロー
ルして窒化物半導体を成長させる方法について、図８及
び図９を用いて更に詳細に説明する。図８及び図９は、
成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる
方法の一実施の形態の概略を示した模式的断面図であ
る。

【００２４】まず、図８のように、異種基板８１上に第
１１の窒化物半導体８２を成長させ、第１１の窒化物半
導体８２の端面を露出させるために第１１の窒化物半導
体８２に部分的に段差を形成し、第１１の窒化物半導体
８２の成長の方向をコントロールするために段差の上面
にある第１１の窒化物半導体８２の平面及び段差の異種
基板８１に水平な面に保護膜８３及び保護膜８４を形成
し、続いて、成長の方向が制御された第１１の窒化物半
導体８２、つまり第１１の窒化物半導体８２の端面から
第１２の窒化物半導体８５を成長させ、図９のように厚
膜の第１２の窒化物半導体８５を得ることができる。異
種基板８１上に第１１の窒化物半導体８２を成長させる
前に、異種基板８１上にバッファ層（図示されていな
い）を形成してもよい。

【００２５】上記成長方法において、部分的に段差を形
成するとは、少なくとも第１１の窒化物半導体８２の端
面が露出されるように、第１１の窒化物半導体８２の表
面から異種基板８１方向に窪みを形成してあればよく、
第１１の窒化物半導体８２にいずれの形状で段差を設け
てもよく、例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁
盤面状、ドット状に形成できる。第１１の窒化物半導体
８２に部分的に設けられた段差は、第１１の窒化物半導
体８２の途中まで、又は異種基板８１に達する深さで形
成され、この段差の深さは、第１１の窒化物半導体８２
の膜厚や、保護膜８４の膜厚等にも左右される値であ
り、第１１の窒化物半導体８２の端面から横方向に成長
する第１２の窒化物半導体８５が成長し易いように端面
が形成されるように段差が形成されることが好ましい。
段差の深さは、第１１の窒化物半導体８２が残る程度の
深さが好ましい。仮に、段差を形成する際に異種基板８
１が露出されていると、保護膜８４の形成時に第１１の
窒化物半導体８２の端面付近に保護膜８４が形成しにく
いと考えられることから、保護膜８４が十分に異種基板
８１の表面を覆ってない場合には、異種基板８１の表面
に第１２の窒化物半導体８５が成長し、そこから結晶欠
陥が発生する可能性があるからである。段差の具体的な
深さは、特に限定せず通常５００オングストローム〜５
μｍ程度であれば十分である。

【００２６】段差を形成する方法としては、第１１の窒
化物半導体８２を一部分取り除くことができる方法であ
ればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシ
ング等が挙げられる。また、エッチングによって段差を
形成する場合、エッチング面が、図８に示すように異種
基板に対して端面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形
状や逆メサ形状でもよく、あるいは第１１の窒化物半導
体８２の端面が階段状になるように形成された形状等が
ある。

【００２７】第１１の窒化物半導体８２が縦方向に成長
するのを制御するために、例えば段差の上面にある第１
１の窒化物半導体８２の平面に保護膜８３を、段差の下
面の異種基板８１に対してほぼ水平な面に保護膜８４
を、保護膜としてそれぞれ形成する。段差の形状が階段
状である場合は、階段の各段の異種基板にほぼ水平な面
に保護膜８４をそれぞれ形成する。

【００２８】保護膜８３及び保護膜８４の膜厚は、特に
限定せず、ドライエッチングにより端面を露出させられ
る膜厚であり、且つ底面を被覆できる膜厚にする必要が
ある。また、保護膜８３と保護膜８４の膜厚は、第１２
の窒化物半導体８５が横方向に成長し易いように調整さ
れていることが好ましく、場合によってはそれぞれの膜
厚が異なってもよい。例えば、保護膜８３は、薄く形成
された方が、第１１の窒化物半導体の端面から横方向に
成長させる第１２の窒化物半導体８５が保護膜８３と同
程度の膜厚となった時、隣接している第１２の窒化物半
導体８５同士が接合し易くなると考えられる。また保護
膜８４は、比較的厚く（但し、第１１の窒化物半導体８
２の端面が第１２の窒化物半導体８５が成長される程度
に十分露出されている範囲）形成された方が、第１２の
窒化物半導体８５の成長初期において、段差の下面（第
１１の窒化物半導体８２の平面又は異種基板８１面）を
十分に覆うことができると共に熱による保護膜８４への
ピンホールの発生を防止できると考えられる。ピンホー
ルが保護膜に発生すると、ピンホールから第１２の窒化
物半導体８５が縦方向に成長する恐れがあり、結晶欠陥
の発生の原因となると考えられる。また、第１１の窒化
物半導体８２の縦方向の成長を防止する一実施の形態と
して、保護膜を形成して行うことを挙げたが、これに限
定されない。また、横方向から第１２の窒化物半導体８
５を成長させる一実施の形態として第１１の窒化物半導
体８２に窪みを形成して端面を設けることを挙げたが、
これに限定されない。

【００２９】上記のように保護膜８３及び保護膜８４を
形成したことにより、第１２の窒化物半導体８５が成長
可能な部分を、第１１の窒化物半導体８２の端面のみと
し、第１１の窒化物半導体８２の端面から第１２の窒化
物半導体８５が選択的に横方向に成長し始める。そし
て、成長を続けるうちに、第１２の窒化物半導体８５が
横方向に加え縦方向にも成長をはじめ、窒化物半導体が
成長しにくい保護膜上にあたかも成長したかのように、
第１２の窒化物半導体８５は保護膜８３及び保護膜８４
を覆い成長を続ける。このように成長初期に成長方向を
特定された第１２の窒化物半導体８５は、厚膜に成長さ
せても、結晶欠陥のない非常に良好な結晶性を有する。

【００３０】第１２の窒化物半導体８５は、成長の初期
においては、保護膜の形成されていない第１１の窒化物
半導体８２の端面に選択的に成長し、向き合っている第
１１の窒化物半導体８２の端面から横方向に成長した第
１２の窒化物半導体８５が保護膜８４の上面を覆い、次
第に横方向から縦方向に成長し始め保護膜８３と同程度
の膜厚に成長すると、第１２の窒化物半導体８５が保護
膜８３の上部に向かって横方向に成長し、そして隣接し
ている第１２の窒化物半導体８５同士でつながる。その
結果、図９に示すように、第１２の窒化物半導体８５が
あたかも保護膜８３、８４上に成長したかのような状態
となる。

【００３１】本発明の窒化物半導体素子では、格子欠陥
が１×１０⁷個／cm²以下の下地層の上にＡｌを含む第１
の窒化物半導体層が成長される。第１の窒化物半導体層
は下地層に接して成長されていても良いし、また下地層
と第１の窒化物半導体層との間に他の窒化物半導体層が
成長されていても良い。第１の窒化物半導体層の膜厚は
０．３μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最
も好ましくは１μｍ以上とする。０．３μｍよりも薄い
とレーザ素子の場合光閉じ込めが不十分となる傾向にあ
る。また第１の窒化物半導体層はＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜
X≦１）を成長させることが望ましく、さらに好ましく
はX値が０．１以上、さらに好ましくは０．２以上、最
も好ましくは０．３以上のＡｌ_XＧａ_1-XＮを成長させ
る。

【００３２】さらに本発明の素子の場合、このＡｌを含
む第１の窒化物半導体層の上にＩｎを含む窒化物半導体
よりなる井戸層を含む量子構造の活性層を有している。
Ｉｎを含む井戸層を有する活性層が存在することによ
り、この層が第２のバッファ層のような作用を奏する。
つまりレーザ素子の場合、連続発振中に第１の窒化物半
導体層中に存在する結晶欠陥が素子全体、特に活性層に
広がって素子の寿命を短くするのを防止する作用があ
る。井戸層の膜厚は７０オングストローム以下、さらに
好ましくは５０オングストローム以下に調整する。多重
量子井戸構造の場合、障壁層は井戸層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成し、特にＩ
ｎを含んでいなくても良く、膜厚は２００オングストロ
ーム以下、さらに好ましくは１５０オングストローム以
下、最も好ましくは１００オングストローム以下に調整
する。

【００３３】さらに好ましい態様として、本発明の素子
では第１の窒化物半導体層がＡｌを含む第２の窒化物半
導体と、その第２の窒化物半導体と異なる組成を有する
第３の窒化物半導体とが積層されてなる超格子構造より
なる。なお第３の窒化物半導体はＡｌを含んでいなくて
も良い。超格子層の第２の窒化物半導体層、及び第３の
窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、
さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ま
しくは５０オングストローム以下の膜厚に調整する。多
重量子井戸構造の活性層の場合、井戸層と障壁層のバン
ドギャップエネルギーは必ず障壁層を大きくする必要が
あるが、第１の窒化物半導体層が超格子構造である場
合、第２の窒化物半導体と第３の窒化物半導体層とのバ
ンドギャップエネルギーは同じでも良い。

【００３４】さらに、超格子を構成する第２の窒化物半
導体と第３の窒化物半導体層とにｎ型不純物を変調ドー
プする方が、レーザ素子のＶｆ、及び閾値が低下しやす
い傾向にある。変調ドープとは第２の窒化物半導体層と
第３の窒化物半導体層とのｎ型不純物濃度を異ならせる
ことである。変調ドープの場合、一方の層はアンドープ
（undope）でも良い。ｎ型不純物濃度は５×１０¹⁶／cm
³〜１×１０²¹／cm³の範囲、さらに好ましくは、１×１
０¹⁷／cm³〜１×１０¹⁹／cm³に調整することが望まし
い。ｎ側クラッド層５全体の膜厚は１００オングストロ
ーム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オング
ストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望まし
い。

【００３５】第１の窒化物半導体を超格子構造とする場
合、超格子層を構成する窒化物半導体層は互いに組成が
異なる窒化物半導体で構成されていれば良く、バンドギ
ャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわな
い。例えば超格子層を構成する最初の層（第２の窒化物
半導体層）をＩｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）で構成し、
次の層（第３の窒化物半導体層）をＡｌ_YＧａ_1-YＮ（０
＜Y≦１）で構成すると、第３の窒化物半導体層のバン
ドギャップエネルギーが必ず第２の窒化物半導体層より
も大きくなるが、第２の窒化物半導体層をＩｎ_XＧａ_1-X
Ｎ（０≦X≦１）で構成し、第３の窒化物半導体層をＩ
ｎ_ZＡｌ_1-ZＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、第２の窒化
物半導体層と第３の窒化物半導体層とは組成が異なる
が、バンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得
る。また第２の窒化物半導体層をＡｌ _YＧａ_1-YＮ（０＜
Y≦１）で構成し、第３の窒化物半導体層をＩｎ_ZＡｌ
_1-ZＮ（０＜Z≦１）で構成すれば、同様に第２の窒化物
半導体層と第３の窒化物半導体層とは組成が異なるがバ
ンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。超格
子層はＡｌを含む窒化物半導体層を有していれば良く、
組成が異なってバンドギャップエネルギーが同じ構成で
も良い。超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は
１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オ
ングストローム以下、最も好ましくは１０オングストロ
ーム以上、４０オングストローム以下の範囲に調整す
る。１００オングストロームよりも厚いと弾性歪み限界
以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結
晶欠陥が入りやすい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚
の下限は特に限定せず１原子層以上であればよいが１０
オングストローム以上に調整することが望ましい。この
ように、単一膜厚が１００オングストローム以下、さら
に好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましく
は５０オングストローム以下の互いに組成の異なる窒化
物半導体層を積層成長させた超格子構造とすると、単一
の窒化物半導体層の膜厚が弾性臨界膜厚以下となって、
結晶性が非常に良くなり、容易に室温で連続発振する。

【００３６】さらに、超格子層を構成する第２の窒化物
半導体層、第３の窒化物半導体層の窒化物半導体はバン
ドギャップエネルギーが異なるものを積層することが望
ましく、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンド
ギャップエネルギーを活性層よりも大きくするように調
整することが望ましい。好ましくは一方の層をＩｎ_XＧ
ａ_1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌ_YＧａ
_1-YＮ（０＜Y≦１）で構成することにより、結晶性のよ
い超格子層を形成することができる。また、ＡｌＧａＮ
は結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有してい
る。そこで、超格子層を構成する第２の窒化物半導体層
を膜厚１００オングストローム以下のＡｌを含まない窒
化物半導体層とすると、Ａｌを含む窒化物半導体よりな
るもう一方の第３の窒化物半導体層を成長させる際のバ
ッファ層として作用し、第３の窒化物半導体層にクラッ
クが入りにくくなる。そのため超格子層を積層してもク
ラックのない超格子を形成できるので、結晶性が良くな
り、素子の寿命が向上する。これもまた一方の層をＩｎ
_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦１）とし、もう一方の層をＡｌ_YＧ
ａ_1-YＮ（０＜Y≦１）、とした場合の利点である。

【００３７】さらに超格子を構成する窒化物半導体に不
純物をドープする場合、ｎ型不純物は第２の窒化物半導
体層、第３の窒化物半導体層両方の層にドープすること
は言うまでもないが、好ましくバンドギャップエネルギ
ーの大きな方の層に多くドープするか、またはバンドギ
ャップエネルギーの小さな方をアンドープとして、バン
ドギャップエネルギーの大きな方にｎ型不純物をドープ
する方が、閾値電圧、閾値電流が低下しやすい傾向にあ
る。

【００３８】さらに、この第２の窒化物半導体層と第３
の窒化物半導体層とのｎ型不純物濃度が異なる。これは
いわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のｎ型
不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない
状態（アンドープ）として、もう一方を高濃度にドープ
すると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。
これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させるこ
とにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃
度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア
濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。つ
まり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度
が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在すること
により、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層とな
るために、閾値電圧、Ｖｆが低下すると推察される。

【００３９】バンドギャップエネルギーの大きな窒化物
半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調
ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間
に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響に
より抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純
物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体
層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導
体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した
層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側
が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の
界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元
電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電
子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、
超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。
なおｐ側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響に
よると推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａ
Ｎに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ
型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下する
ために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子
を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察さ
れる。

【００４０】一方、バンドギャップエネルギーの小さな
窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以
下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ
層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａ
Ｎ層ではＭｇのアクセプター準位の深さが大きく、活性
化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプター準位の深
さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高
い。例えばＭｇを１×１０²⁰／cm³ドープしてもＧａＮ
では１×１０¹⁸／cm³程度のキャリア濃度であるのに対
し、ＡｌＧａＮでは１×１０¹⁷／cm³程度のキャリア濃
度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／Ｇ
ａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ
層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリ
ア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子と
しているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の
少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリア
はＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンド
ギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。
従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物
半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、Ｌ
ＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。
なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について
説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合において
も、同様の効果がある。

【００４１】バンドギャップエネルギーが大きい窒化物
半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、バンドギ
ャップエネルギーが大きい窒化物半導体層への好ましい
ドープ量としては、１×１０¹⁷／cm³〜１×１０²¹／c
m³、さらに好ましくは１×１０ ¹⁸／cm³〜５×１０¹⁹／c
m³の範囲に調整する。１×１０¹⁷／cm³よりも少ない
と、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層
との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得ら
れにくい傾向にあり、また１×１０²¹／cm³よりも多い
と、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にあ
る。一方、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半
導体層のｎ型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの
大きい窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましく
は１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはア
ンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜
厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きい窒化
物半導体側から拡散してくるｎ型不純物があり、その量
は１×１０¹⁹／cm³以下が望ましい。ｎ型不純物として
はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、VI
Ｂ族元素を選択し、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不
純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが
大きい窒化物半導体層にｎ型不純物を少なくドープし
て、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層
にｎ型不純物を多くドープする場合も同様である。以
上、超格子層に不純物を好ましく変調ドープする場合に
ついて述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒
化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化
物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。

【００４２】具体的な素子構造として、本発明の素子で
は、前記井戸層を有する活性層の上に、Ａｌを含む第４
の窒化物半導体層と、第４の窒化物半導体層と異なる組
成を有する第５の窒化物半導体層とが積層された超格子
層の窒化物半導体層をｐ側クラッド層として有してい
る。このｐ側クラッド層も第１の窒化物半導体層と同じ
く、ＧａＮ下地層をベース層として形成しているため
に、Ａｌを含む第４の窒化物半導体層のＡｌ混晶比を高
くすることが可能である。特にｐ側クラッド層を超格子
構造とすると、超格子構造でないものよりも抵抗率の低
いｐ側クラッド層が得られ易くレーザ素子の閾値電圧、
ＬＥＤ素子のＶｆも低下する傾向にある。第４の窒化物
半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好まし
くはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X≦１）を成長させることが
望ましく、第５の窒化物半導体は好ましくはＡｌ_YＧａ
_1-YＮ（０≦Y＜１、X＞Y）、Ｉｎ_ZＧａ_1-ZＮ（０≦Z≦
１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長
させることが望ましい。第４の窒化物半導体層、及び第
５の窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以
下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も
好ましくは５０オングストローム以下に調整する。

【００４３】ｐ側クラッド層を超格子構造とすると、超
格子構造が発光素子に与える作用は、ｎ側層の超格子層
の作用と同じであるが、さらにｎ層側に形成した場合に
加えて次のような作用がある。即ち、ｐ型窒化物半導体
はｎ型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が２桁以上高
い。そのため超格子層をｐ層側に形成することにより、
Ｖｆの低下が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半
導体はｐ型結晶が非常に得られにくい半導体であること
が知られている。ｐ型結晶を得るためｐ型不純物をドー
プした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去
する技術が知られている（特許第２５４０７９１号）。
しかしｐ型が得られたといってもその抵抗率は数Ω・cm
以上もある。そこで、このｐ型層を超格子層とすること
により結晶性が良くなり、抵抗率が１桁以上低下するた
めＶｆの低下が現れやすい。

【００４４】ｐ側クラッド層の第４の窒化物半導体層と
第５の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度が異なり、一
方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃
度を小さくする。ｎ側層の超格子層と同様に、バンドギ
ャップエネルギーの大きな第４の窒化物半導体層の方の
ｐ型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギ
ーの小さな第５の窒化物半導体層の方のｐ型不純物濃度
を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、
Ｖｆ等を低下させることができる。またその逆でも良
い。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第４の窒
化物半導体層のｐ型不純物濃度を小さくして、バンドギ
ャップエネルギーの小さな第５の窒化物半導体層のｐ型
不純物濃度を大きくしても良い。理由は先に述べたとお
りである。

【００４５】第４の窒化物半導体層への好ましいドープ
量としては１×１０¹⁸／cm³〜１×１０²¹／cm³、さらに
好ましくは１×１０¹⁹／cm³〜５×１０²⁰／cm³の範囲に
調整する。１×１０¹⁸／cm³よりも少ないと、同様に第
５の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャ
リア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１
×１０²¹／cm³よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向に
ある。一方、第５の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は
第４の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましく
は１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはア
ンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜
厚が薄いため、第４の窒化物半導体側から拡散してくる
ｐ型不純物があり、その量は１×１０²⁰／cm³以下が望
ましい。ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等
の周期律表第IIＡ族、IIＢ族元素を選択し、好ましくは
Ｍｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。この作用は、バンド
ギャップエネルギーが大きい第４の窒化物半導体層にｐ
型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギ
ーが小さい第５の窒化物半導体層にｐ型不純物を多くド
ープする場合も同様である。

【００４６】さらにまた超格子を構成する窒化物半導体
層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ
方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大き
く、両端部近傍の不純物濃度が小さい（好ましくはアン
ドープ）とすることが望ましい。具体的に説明すると、
例えばｎ型不純物としてＳｉをドープしたＡｌＧａＮ
と、アンドープのＧａＮ層とで超格子層を形成した場
合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープしているのでドナーとし
て電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いＧ
ａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ結晶中にはドナー不純物
をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱
を受けない。そのため電子は容易にＧａＮ結晶中を動く
ことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは
前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横
方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくな
る。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧ
ａＮの中心領域にｎ型不純物を高濃度にドープすると効
果はさらに大きくなる。即ちＧａＮ中を移動する電子に
よっては、ＡｌＧａＮ中に含まれるｎ型不純物イオン
（この場合Ｓｉ）の散乱を多少とも受ける。しかしＡｌ
ＧａＮ層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとする
とＳｉの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープ
ＧａＮ層の移動度が向上するのである。作用は若干異な
るが、ｐ層側の第４の窒化物半導体層と第５の窒化物半
導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があ
り、バンドギャップエネルギーの大きい第４の窒化物半
導体層の中心領域に、ｐ型不純物を多くドープし、両端
部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望
ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化
物半導体層にｎ型不純物を多くドープした層を、前記不
純物濃度の構成とすることもできる。超格子層は、少な
くともｐ側層にあることが好ましく、ｐ側層に超格子層
があるとより閾値が低下し好ましい。

【００４７】従来の窒化物半導体レーザ素子では結晶欠
陥が多く、Ａｌ混晶比の高いクラッド層を厚膜で成長さ
せることが難しい傾向にあった。従ってクラッド層によ
る光閉じ込めが不十分となって、基板とＧａＮコンタク
ト層との界面で反射されて、再度ＧａＮコンタクト層で
光が導波される。ＧａＮコンタクト層で活性層の光が導
波されると、観測されるレーザ光のファーフィールドパ
ターンには、活性層導波路による分と、コンタクト層導
波路による分、その他基板界面での乱反射分等というよ
うに、複数のビームができる。しかしながら本発明によ
ると、Ａｌクラッド層が厚膜で成長できるため、活性層
の光閉じ込めが向上し、ファーフィールドパターンの形
状を従来より向上させることができる。

【００４８】図５は本発明の一実施例に係るレーザ素子
の構造を示す模式的な斜視図、図６は本発明の他の実施
例に係るレーザ素子の構造を示す断面図、図７は本発明
の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す断面図であ
る。図５、図６に示すように異種基板１を素子構造とし
て残す場合には、前にも述べたようにウェーハの反りの
関係から、下地層３の膜厚は１μｍ以上、５０μｍ以下
に調整することが望ましい。ｐ電極、ｎ電極とは同一面
側から取り出す構造とする場合、本発明の素子では、ｎ
電極は図５に示すように第１の窒化物半導体層５の表面
に形成する場合と、図６に示すように下地層３の表面に
形成する場合とがある。図５のように第１の窒化物半導
体層の表面に形成する場合には、第１の窒化物半導体は
キャリアを閉じ込めるクラッド層及び電流を注入するた
めのコンタクト層として作用するので、下地層３の窒化
物半導体はアンドープでも良い。一方、図６に示すよう
に下地層３の表面にｎ電極を形成する場合には、下地層
の窒化物半導体がコンタクト層として作用するため、下
地層にはｎ型不純物をドープする方が好ましい。この場
合、第１の窒化物半導体層はクラッド層としてのみ作用
する。このように異種基板を素子自体に残す場合は、活
性層の発光は下地層３中で多少導波されるが、クラッド
層の光閉じ込め率が向上しているため、閾値が低下す
る。

【００４９】一方、図７のように異種基板を除去した構
造の場合、異種基板を除去するために下地層３の膜厚は
８０μｍ以上あることが望ましい。この場合ｎ電極は第
１の窒化物半導体層が形成されてない側の下地層面、つ
まり下地層の裏面側に形成することができ、下地層には
ｎ型不純物がドープされていることが望ましい。下地層
のキャリア濃度、あるいは不純物濃度としては５×１０
¹⁶／cm³〜１×１０¹⁹／cm³に調整する方が、シリーズ抵
抗を下げる上で非常に好ましい。このように下地層を直
接基板とする場合には、活性層から出るレーザ光のファ
ーフィールドパターンのビームは１つになる。

【００５０】

【実施例】［実施例１］図５は本発明の一実施例に係る
レーザ素子の形状及び構造を示す模式的な斜視図であ
り、以下、図１〜図３及び図５を元に本発明の実施例１
について説明する。

【００５１】２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイア
よりなる異種基板１を反応容器内にセットし、５００℃
にて異種基板１の上にＧａＮよりなる低温成長バッファ
層（図示せず。）を２００オングストロームの膜厚で成
長させた後、温度を１０５０℃にしてＧａＮよりなるバ
ッファ層２を５μｍの膜厚で成長させる。低温成長バッ
ファ層は９００℃以下の低温で成長させ、ＧａＮ、Ａｌ
Ｎ等を成長させる。一方、低温成長バッファ層の上に成
長させるバッファ層２はＡｌ混晶比X値が０．５以下の
Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０≦X≦０．５）を成長させることが
望ましい。０．５を超えると、結晶欠陥というよりも結
晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶
成長自体が困難になる傾向にある。なおこのバッファ層
２は通常１０μｍ以下の膜厚で成長させるが、前にも述
べたように本発明の素子の下地層とはなり得ない。

【００５２】バッファ層２成長後、ウェーハを反応容器
から取り出し、バッファ層２の表面に、ストライプ状の
フォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅
２０μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ₂よ
りなる第１の保護膜１１を０．１μｍの膜厚で形成す
る。図１はストライプの長辺方向に垂直な方向で切断し
た際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図であ
る。

【００５３】第１の保護膜１１形成後、ウェーハを再度
反応容器内にセットし、５００℃にて、ＡｌＮよりなる
第２の低温成長バッファ層（図示せず。）を２００オン
グストロームの膜厚で成長させる。下地層を成長させる
前に、保護膜上に第２の低温成長バッファ層を形成する
と、下地層の横方向の成長が促進されて下地層の結晶性
が良くなり、薄膜で保護膜上に下地層が成長しやすい傾
向にある。なおこの低温成長バッファ層はＡｌＮ、若し
くはＡｌを含む窒化物半導体を９００℃以下の低温で成
長させることが望ましい。次に、１０５０℃で、アンド
ープＧａＮよりなる第１の下地層３を１０μｍの膜厚で
成長させる（図２、図３）。第１の下地層３の好ましい
成長膜厚は、先に形成した第１の保護膜１１の膜厚、大
きさによっても異なるが、第１の保護膜１１の表面を覆
うように成長させる。第１の保護膜１１の大きさは特に
限定しないが、第１の保護膜１１の面積を窓部の面積よ
りも大きくする方が結晶欠陥の少ないＧａＮ基板を得る
上で非常に好ましい。

【００５４】素子構造となる窒化物半導体を成長させる
場合、結晶欠陥の少ない下地層の好ましい膜厚は、素子
においてその異種基板を残すか否かによって異なる。即
ち図５及び図６のように異種基板を残す素子構造の場
合、下地層の総膜厚は１μｍ以上、５０μｍ以下に調整
することが望ましい。異種基板上に窒化物半導体を成長
させると、異種基板の種類によっても異なるが、異種基
板との熱膨張係数差により、成長後にウェーハ全体が反
る傾向にある。その反りは窒化物半導体を厚膜で成長さ
せるほど大きくなる傾向にある。従ってウェーハが反り
返っても、異種基板をつけたままで加工できる限界、即
ち５０μｍ以下の膜厚が上限値として好ましく、また１
μｍ以上でなければ保護膜の上に窒化物半導体を成長さ
せることが難しい。一方、図７のように異種基板を除去
する場合、下地層が基板となるため、下地層全体の膜厚
は８０μｍ以上にすることが望ましい。

【００５５】続いて、温度を１０５０℃に保持したまま
Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層
（第２の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長
させ、次にＳｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよ
りなる層（第３の窒化物半導体層）を４０オングストロ
ーム成長させる。そして第２の窒化物半導体層と第３の
窒化物半導体層を交互に積層して総膜厚１．６μｍの超
格子よりなる第１の窒化物半導体層４を成長させる。

【００５６】次に、温度を８００℃にして、アンドープ
のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層、２５オングストロ
ームと、アンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.99Ｎよりなる障壁
層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚
１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）
の活性層５を成長させる。

【００５７】次に、温度を１０５０℃に上げＭｇを１×
１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ層（第４
の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させ、
次にＭｇを１×１０¹⁸／cm³ドープしたｐ型ＧａＮより
なる層（第５の窒化物半導体層）を４０オングストロー
ム成長させる。そして第４の窒化物半導体層と第５の窒
化物半導体層を交互に積層して総膜厚１．６μｍの超格
子よりなるｐ側クラッド層６を成長させる。このｐ側ク
ラッド層は、活性層の発光及びキャリアを閉じ込める層
として作用する。

【００５８】続いて、１０５０℃にて、Ｍｇを２×１０
²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト
層７を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ
側コンタクト層は５００オングストローム以下、さらに
好ましくは４００オングストローム以下、２０オングス
トローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵抗が小さくな
るため閾値における電圧を低下させる上で有利である。

【００５９】反応終了後、反応容器内において、ウェー
ハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ
層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを
反応容器から取り出し、図５に示すように、ＲＩＥ装置
により最上層のｐ側コンタクト層７と、ｐ側クラッド層
６とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有する
リッジ形状とする。

【００６０】リッジ形成後、ｐ側クラッド層６をさらに
エッチングして、ｎ電極を形成すべき第１の窒化物半導
体層４の表面を露出させ、露出した第１の窒化物半導体
層４の表面にＷとＡｌよりなるｎ電極２２を図５に示す
ような形状で形成する。

【００６１】そして、ｐ側コンタクト層７のストライプ
リッジ最表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２０を形成し
た後、ｐ電極とｎ電極との間にＳｉＯ₂よりなる絶縁膜
２３を形成して、ｐ電極２０の上に、ボンディング用の
ｐパッド電極２１を形成する。

【００６２】電極形成後、異種基板１の裏面を研磨して
５０μｍ厚とした後、ストライプ状のｐ電極２０、ｎ電
極２２のストライプに垂直な方向で異種基板１を劈開し
て、活性層の劈開面を共振面とする。劈開後のレーザ素
子形状を図５に示している。劈開面を断面ＴＥＭにより
観察すると、第１のＧａＮ下地層３の結晶欠陥はおよそ
１×１０⁵個／cm²しかなく、またドライエッチングによ
り第１の下地層までエッチングしてそのエッチピットを
計測してもほぼ同じ個数となり、非常に結晶性の良いＧ
ａＮ下地層が得られていたことが判明した。

【００６３】なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振さ
せたところ、閾値電流密度１．８ｋＡ／cm²、閾値電圧
４．１Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認さ
れ、２０００時間以上の寿命を示した。

【００６４】［実施例２］図６は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、基
本的な構造は図５に示すレーザ素子と同じであるが、実
施例２では下地層３を成長させる工程において、Ｓｉを
１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなる下地層３を
１５μｍの膜厚で成長させる。その他、ｎ電極を形成す
る工程において、ＳｉドープＧａＮよりなる下地層３の
表面が露出するまでエッチングを行い、エッチングによ
り露出した下地層３の表面にｎ電極２２を形成する点で
実施例１と異なる。このように下地層３の表面にｎ電極
２２を形成しても、下地層３の結晶性が優れているた
め、容易に下地層と好ましいオーミック接触が得られ
る。なお、このレーザ素子も実施例１のものとほぼ同等
の特性を示し、第１の下地層３の結晶欠陥はおよそ１×
１０⁶個／cm²以下しかなかった。

【００６５】［実施例３］図７は本発明の他の実施例に
係るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図である。こ
のレーザ素子は図５、６に示すレーザ素子と異なり、下
地層を直接基板としている。以下この図を元に実施例３
について説明する。

【００６６】実施例１と同様にして、サファイアよりな
る異種基板１の上に、ＧａＮよりなる低温成長バッファ
層と、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりな
るバッファ層２を成長させた後、同様にしてそのバッフ
ァ層の表面にストライプ状の第１の保護膜を形成する。

【００６７】その後、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm³ドープし
たＧａＮよりなる第１の下地層３を１５０μｍの膜厚で
成長させる。第１の下地層成長後、ウェーハを反応容器
から取り出し、反った状態のウェーハを研磨装置に移送
して、異種基板、バッファ層、第１の保護膜を研磨除去
する。研磨後の第１の下地層の結晶欠陥はおよそ１×１
０⁶個／cm²であった。

【００６８】研磨後、基板となった第１の下地層を再度
反応容器内に移送し、実施例１と同様にして、第１の下
地層３の上に、Ｓｉを変調ドープした超格子層よりなる
第１の窒化物半導体層４、活性層５、Ｍｇを変調ドープ
したｐ側クラッド層６、及びｐ側コンタクト層７を成長
させる。成長後、実施例１と同様にしてアニール、リッ
ジ形成を行う。さらにｐ電極２０と、ｐパッド電極２１
を形成した後、第１の下地層３の裏面のほぼ全面にｎ電
極２２を形成する。電極形成後、第１の下地層を劈開し
てその劈開面を共振面とするレーザ素子を作製したとこ
ろ、実施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得
られた。

【００６９】［実施例４］実施例１において、第１の窒
化物半導体層４を成長させる際、超格子構造とせずに、
Ｓｉを５×１０¹⁸／cm³ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよ
りなる層を０．８μｍの膜厚で成長させる他は同様にし
てレーザ素子を得たところ、閾値が若干上昇し、寿命は
実施例１のものに比較しておよそ２０％程短くなった。

【００７０】［実施例５］実施例１において、バッファ
層２成長後、以下のように図８及び図９のに示すように
して下地層を作製する他は同様にして行った。

【００７１】バッファ層２を成長後、ＴＭＧのみ止め
て、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃にな
ったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを
用い、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりな
る第１１の窒化物半導体層８２を２μｍの膜厚で成長さ
せる。

【００７２】第１１の窒化物半導体層８２を成長後、ス
トライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によ
りストライプ幅１５μｍ、ストライプ間隔３μｍのＳｉ
Ｏ₂よりなる保護膜８３を１μｍの膜厚で形成し、続い
て、ＲＩＥ装置により第１１の窒化物半導体層８２の途
中までエッチングして段差を形成することにより第１１
の窒化物半導体８２の端面を露出させる。なお、ストラ
イプ方向は、オリフラ面に対して垂直な方向で形成す
る。

【００７３】第１１の窒化物半導体層８２に、段差を形
成した後、段差を形成した第１１の窒化物半導体８２の
表面にスパッタ装置により保護膜を形成し、ＣＦ₄とＯ₂
ガスにより、段差を形成したことにより形成された第１
１の窒化物半導体８２の端面部の保護膜のみをエッチン
グすることにより、保護膜８３及び保護膜８４を形成す
る。

【００７４】保護膜８３及び保護膜８４を形成後、反応
容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴ
ＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０
¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなる第１２の窒化物半導
体層８５を３０μｍの膜厚で成長させる。

【００７５】第１２の窒化物半導体層８５を成長後、ウ
ェーハを反応容器から取り出し、ＳｉドープＧａＮより
なる窒化物半導体基板を得る。

【００７６】上記のようにして得られた窒化物半導体基
板（下地層）上に、実施例１と同様に素子構造となる窒
化物半導体を成長させ、図５に示す形状のレーザ素子を
得た。その結果、実施例１とほぼ同様に良好であった。

【００７７】［実施例６］実施例１において、第１の窒
化物半導体成長時に、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープし
たＧａＮよりなる層（第３の窒化物半導体層）を４０オ
ングストロームと、Ｓｉを１×１０¹⁸／cm³ドープした
のＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎよりなる層（第２の窒化物半導体
層）を４０オングストローム成長させて、このペアを２
００回成長させ、総膜厚１．６μｍ（１６０００オング
ストローム）の超格子構造よりなるを成長させ、また、
ｐ側クラッド層６成長時に、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ド
ープしたＧａＮよりなる層（第５の窒化物半導体層）を
４０オングストロームと、Ｍｇを１×１０¹⁸／cm³ドー
プしたＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎよりなる層（第４の窒化物半
導体層）を４０オングストローム成長させて、このペア
を２００回成長させ、総膜厚１．６μｍ（１６０００オ
ングストローム）の超格子構造よりなるｐ側クラッド層
６を成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を
得たところ、実施例１と同様に良好であった。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の素子によ
ると、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させる前の窒化物
半導体の結晶欠陥が少ないために、厚膜で成長可能とな
り、レーザ素子では低閾値で発振できるようになって長
寿命となる。結晶欠陥が少ないということはＧａＮ下地
層中の歪みが小さいと言うことを意味し、歪みの小さい
ＧａＮ下地層の上に格子不整合の状態でＡｌＧａＮを成
長させると、同様にＡｌＧａＮ中の歪みも小さくなるた
めに、クラックが入りにくくなり厚膜のＡｌＧａＮが成
長できる。なお本発明は主としてレーザ素子について説
明したが、本発明はレーザ素子の他に、ＬＥＤ素子、受
光素子のような、他の窒化物半導体を用いたあらゆる電
子デバイスに適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の下地層を得るための一製法において得
られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面
図。

【図２】第１の下地層を得るための一製法において得
られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面
図。

【図３】第１の下地層を得るための一製法において得
られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面
図。

【図４】第１の下地層を得るための一製法において得
られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面
図。

【図５】本発明の一実施例に係る窒化物半導体素子の
構造を示す斜視図。

【図６】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子
の構造を示す模式断面図。

【図７】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子
の構造を示す模式断面図。

【図８】第１の下地層を得るための一製法において得
られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面
図。

【図９】第１の下地層を得るための一製法において得
られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面
図。

【符号の説明】

１・・・・異種基板２・・・・バッファ層３・・・・第１の下地層４・・・・第１の窒化物半導体層５・・・・活性層６・・・・ｐ側クラッド層７・・・・ｐ側コンタクト層２０・・・・ｐ電極２１・・・・ｐパッド電極２２・・・・ｎ電極２３・・・・絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶欠陥が１×１０⁷個／cm²以下の窒化
物半導体を含む下地層上に、Ｉｎを含む井戸層を有する
量子井戸構造の活性層を有し、その活性層と下地層との
間に、アルミニウムを含む窒化物半導体を含む第１の窒
化物半導体層が成長されていることを特徴とする窒化物
半導体素子。
【請求項２】前記第１の窒化物半導体層がｎ電極形成
層であ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。
【請求項３】前記下地層がｎ電極形成層であることを
特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】前記第１の窒化物半導体層が形成されて
いない面側の下地層面がｎ電極形成層であることを特徴
とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】前記第１の窒化物半導体層はＡｌを含む
窒化物半導体よりなる第２の窒化物半導体層と、第２の
窒化物半導体層と異なる組成を有する窒化物半導体より
なる第３の窒化物半導体層とが積層された超格子構造よ
りなることを特徴とする請求項１乃至４の内のいずれか
１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】前記第２の窒化物半導体層、及び第３の
窒化物半導体層の内の少なくとも一方の層にはｎ型不純
物がドープされており、ｎ型不純物濃度が互いに異なる
ことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】前記活性層の上に、Ａｌを含む窒化物半
導体よりなる第４の窒化物半導体層と、第４の窒化物半
導体と異なる組成を有する窒化物半導体よりなる第５の
窒化物半導体層とが積層された超格子構造よりなるｐ側
クラッド層を有す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。
【請求項８】前記第４の窒化物半導体、及び前記第５
の窒化物半導体層の内の少なくとも一方にはｐ型不純物
がドープされており、それらの層のｐ型不純物濃度が互
いに異な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。