JPWO2006123580A1 - 窒化物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の窒化物半導体装置１００は、ｎ−ＧａＮ基板１と、ｎ−ＧａＮ基板１の主面に形成され、ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造と、半導体積層構造に含まれるｐ型領域の一部に接触するｐ側電極３２と、基板１の裏面に設けられたｎ側電極３４とを備えている。基板１の裏面は、粗面領域４０ａと平坦領域４０ｂとを含んでおり、ｎ側電極３４は、粗面領域４０ａの少なくとも一部を覆っている。

Description

本発明は、窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）をはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いて作製される青紫色半導体レーザは、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。

近年、窒化物半導体装置を製造するために必要な基板として、ＧａＮ基板が有力視されている。ＧａＮ基板は、従来から用いられてきたサファイア基板に比べ、結晶の格子整合や放熱性という点で優れている。また、サファイア基板が絶縁性であるのに対して、ＧａＮ基板は導電性を有することも利点の１つである。すなわち、ＧａＮ基板の裏面側にも電極を形成し、ＧａＮ基板を横切る方向に電流が流れる構造を採用することが可能になる。導電性を有するＧａＮ基板の裏面に電極を形成すれば、個々の半導体装置のサイズ（チップ面積）を縮小することが可能になり、チップ面積を縮小すると、１枚のウェハから作製され得るチップの総数が増加するため、製造コストを低くすることができる。

ＧａＮ基板の裏面にｎ側電極を形成した半導体レーザは、例えば、特許文献１から３などに開示されている。
特開２００２−１６３１２号公報 特開２００４−７１６５７号公報 特開２００４−６７１８号公報

ＧａＮ基板の裏面にｎ側電極を形成した場合、その電気的コンタクト特性が悪いという問題がある。上記の各特許文献に記載されている従来技術でも、基板裏面に凹凸を形成するなどして、コンタクト特性の改善を図ろうとしている。

しかしながら、従来の方法では、コンタクト抵抗の改善は不充分であり、また、後に詳しく説明する理由により、基板裏面に凹凸を形成する技術を量産レベルで採用すると、半導体レーザ装置を歩留まり良く製造することが困難になるという問題があることもわかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板裏面側における電気的コンタクト特性を改善しつつ、歩留まり良く製造され得る窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明の窒化物半導体装置は、ｎ型不純物を含有する窒化物系半導体基板と、前記半導体基板の主面に形成され、ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造と、前記半導体積層構造に含まれる前記ｐ型領域の一部に接触するｐ側電極と、前記半導体基板の裏面に設けられたｎ側電極とを備えた窒化物半導体装置であって、前記半導体基板の裏面は、平坦領域と粗面領域とを含んでおり、前記ｎ側電極は、前記粗面領域の少なくとも一部を覆っている。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は、２０μｍ以上の幅を有する帯形状を有しており、前記粗面領域の周囲に位置している。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面と前記ｎ側電極との接触領域の輪郭は、前記平坦領域と前記粗面領域との境界と整合している。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域は、研磨加工面または清浄化処理面である。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の前記主面は＋Ｃ極性面である。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は−Ｃ極性面である。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域は、エッチングによって形成された複数の凹部または凸部を有している。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域には、異なる面方位を有する複数のファセットが形成されている。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域の凹凸段差は、１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲にあり、前記平坦領域の凹凸段差は、１０ｎｍ以下である。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極は、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域の全体を覆っている。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は、へき開位置に接するように配置されている。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｂａ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、およびＨｆからなる群から選択された少なくとも１種類の金属または合金から形成された層を有している。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極のコンタクト抵抗率は、５×１０^−４Ω・ｃｍ^２以下である。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、ｎ型不純物を含有する窒化物系半導体基板を用意する工程と、ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造を前記半導体基板の主面に形成する工程と、前記半導体積層構造に含まれる前記ｐ型領域にｐ側電極を形成する工程と、窒素面を含む前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する工程とを含む窒化物半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に前記裏面に平坦領域と粗面領域を形成する工程と、前記ｎ側電極を形成した後、へき開面が前記平坦領域を通るように前記半導体基板のへき開を行う工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面に平坦領域と粗面領域を形成した後、前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に、前記半導体基板の裏面における炭素濃度を低減する工程を行なう。

好ましい実施形態において、前記炭素濃度を低減する工程は、前記半導体基板の裏面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を除去する工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記炭素濃度を低減する工程は、前記半導体基板の裏面に酸化シリコン膜を堆積する工程と、前記酸化シリコン膜を除去する工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記粗面領域を形成する工程は、前記半導体基板の裏面のうち、前記粗面領域が形成されるべき部分を露出させる開口部を備えたマスク層を前記半導体基板の裏面に形成する工程と、前記半導体基板の裏面のうち、前記粗面領域が形成されるべき部分にエッチング処理を行う工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極を形成する工程は、前記半導体基板の裏面に前記マスク層を覆うように金属電極層を堆積する工程と、前記金属電極層のうち前記マスク層上に位置する部分を、前記マスク層とともに除去することにより、前記金属電極層を前記ｎ側電極にパターニングする工程とを含む。

本発明によれば、窒化物系半導体基板の裏面とｎ側電極との界面における粗面領域によってコンタクト界面の実効的な面積が増加し、また、コンタクト界面における炭素濃度が低減する効果も得られるため、ｎ側電極のコンタクト特性が改善される。更に、へき開が容易になるため、歩留まり良く半導体レーザ装置を製造することが可能になる。

ＧａＮ基板におけるＧａＮ結晶構造を模式的に示す斜視図である。 本発明による窒化物半導体装置の第１の実施形態を示す断面図である。 （ａ）は、実施形態１における窒化物半導体基板の上面側の一部を示す平面図であり、（ｂ）は、当該窒化物半導体基板の裏面側を示す平面図である。 実施形態１のへき開前における窒化物半導体装置の主要部を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、一次へき開を模式的に示す斜視図である。 本発明による窒化物半導体装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明による窒化物半導体装置の更に他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０ ｎ型ＧａＮ基板
１０ａ バー
１２ ｎ型ＧａＮ層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１６ ＧａＮ光ガイド層
１８ ＩｎＧａＮ多重量子井戸層
２０ ＩｎＧａＮ中間層
２２ ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層
２４ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ ＳｉＯ_２層
３２ ｐ側電極（Ｐｄ／Ｐｔ）
３４ ｎ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
３６ ＳｉＯ_２層
４０ａ 基板裏面における粗面領域
４０ｂ 基板裏面における平坦領域
５０ へき開ガイド
１００ 半導体積層構造

本願発明者は、窒化物半導体基板の裏面（ｂｏｔｔｏｍ ｓｕｒｆａｃｅ）に形成したｎ側電極の電気的コンタクト抵抗が高い原因が、窒化物半導体基板の裏面に存在する炭素（Ｃ）に起因することを実験的に突き止め、また、窒化物半導体基板の裏面とｎ側電極との界面の炭素濃度を低減することがコンタクト抵抗低減に有効であることを見出し、本発明を想到するにいたった。

ＧａＮ結晶は、図１に示すようにＧａ原子とＮ原子から構成されており、六方晶構造を有している。各種半導体層のエピタキシャル成長が行なわれる側のＧａＮ基板の表面（ｔｏｐ ｓｕｒｆａｃｅ）は、Ｇａ原子が層状に配列した面（Ｇａ面または＋Ｃ極性面）である。これに対して、ＧａＮ基板の裏面は、窒素原子（Ｎ原子）が層状に配列した面（窒素面または−Ｃ極性面）である。窒素面（以下、「Ｎ面」と称する。）は、ＧａＮ基板を裏面側から研磨し、基板厚さを任意の厚さに減じた場合でも、常にＧａＮ基板の裏面に現れる性質を有している。なお、ＧａＮ基板のＧａ原子が一部のサイトでＡｌ原子やＩｎ原子と置換している一般の窒化物半導体基板でも、上記と同様に基板裏面はＮ面である。

本願発明者の検討によると、ＧａＮ基板などの窒化物半導体基板のＮ面は、炭素を吸着しやすく、Ｎ面に電極を形成した後、Ｎ面と電極との界面に炭素が安定に存在し続ける。この炭素は、電極形成後の熱処理によっても周囲に拡散することなく、界面に安定に存在し、コンタクト界面における電気的障壁として機能する。基板裏面に存在する炭素を、ｎ側電極形成前に適切に排除できれば、コンタクト界面に存在する電気的障壁を小さくし、ｎ側電極のコンタクト特性を格段に改善できる。

ＧａＮ基板の裏面に凹凸を形成し、粗面化すると、基板裏面に占めるＮ面の割合（面積比率）を低下させることができる。しかし、従来技術によって基板裏面に凹凸を形成すると、ＧａＮ基板の「へき開」を歩留まり良く実行することが難しくなるという問題がある。以下、この問題を説明する。

ＧａＮ基板は六方晶構造を有しているため、ＧａＮ基板の「へき開」によって個々の半導体チップ（略直方体の形状を有している）に分離する工程を歩留まり良く実行することは非常に難しい。このへき開を歩留まり良く行うには、ＧａＮ基板の上面側のへき開予定ライン上に複数の「凹部の配列（以下、『ヘキ開ガイド』と称する）」を形成し、基板裏面から「へき開ガイド」に沿って一次へき開を行う方法を採用することが有効である。

ＧａＮ基板は透光性を有しているため、本来は、基板上面側に形成した「へき開ガイド」の位置を基板裏面側から観察し、へき開ガイドに沿って一次へき開を行うことが可能である。しかし、ＧａＮ基板の裏面全面に凹凸を形成していると、基板裏面での乱反射が生じるため、へき開ガイドを基板裏面から観察できなくなる。このため、従来技術に従ってＧａＮ基板の裏面に凹凸を形成した場合、へき開工程を歩留まり良く実行できないことになってしまう。

そこで、本発明では、窒化物半導体基板の裏面全面に凹凸を形成する代わりに、特定の領域にのみ凹凸を形成することにより、基板裏面を、平坦領域（窓領域）と粗面領域とに区分けしている。そして、ｎ側電極は、粗面領域の少なくとも一部を覆うように形成する。

なお、本明細書における「平坦領域」は、「粗面領域」に比べて相対的に平滑な面である。より具体的には、「平坦領域」は、基板裏面のうち、研磨加工によって平滑化された状態を保つ部分であり、意図的に凹凸が形成されていない領域を意味している。ただし、この「平坦領域」は、研磨加工後に清浄化のための処理（クリーニング処理）を受けていてもよい。一方、「粗面領域」は、基板裏面のうち、エッチングなどの処理によって意図的に凹凸を形成した部分である。粗面化のためのエッチングが、結晶面方位に応じてエッチング速度の異なる異方性エッチングであれば、粗面領域には複数の異なる面方位を有するファセットが形成される。

本発明によれば、基板裏面の平坦領域では乱反射が生じないため、基板上面側に「へき開ガイド」を形成した場合、当該「へき開ガイド」を基板裏面側から観察し、適切に一次へき開を実行することができる。

以下、本発明による窒化物半導体装置の製造方法を説明する。

まず、本発明では、窒化物半導体基板の表面（Ｇａ面）上に、エピタキシャル成長技術を用いた公知の半導体成長法により、半導体積層構造を形成する。半導体積層構造は、ｐ型領域およびｎ型領域を含む。半導体レーザなどの発光素子を製造する場合、半導体積層構造は、ダブルヘテロ構造と、光および電流を一定空間内に閉じ込めるための構造とを含むことになる。

窒化物基板の表面側において、半導体積層構造中のｐ型領域に電気的に接触するｐ側電極を形成した後、窒化物半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に、本発明では、特別の処理、すなわち、窒化物半導体基板の裏面における所定領域に粗面領域を形成する工程を行なう。この工程は、基板裏面の一部をマスク層で覆った後、マスク層で覆われていない領域をエッチングすることによって行うことができる。

好ましい実施形態において、基板裏面に粗面領域および平坦領域を形成した後、炭素濃度低減のための表面処理を行う。この処理は、窒化物半導体基板の裏面を堆積物の層で覆う工程と、この層をエッチングによって除去する工程とを含む。より好ましくは、窒化物半導体基板の裏面に二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を堆積した後、このＳｉＯ_２膜を裏面から取り除く。本発明者の実験によれば、基板裏面に対して、上記の処理（ＳｉＯ_２膜の堆積と除去）を行うことにより、基板裏面に存在する炭素の濃度を大幅に低減し、それによってコンタクト抵抗を低減する効果が得られることがわかっている。

上記の各工程（裏面処理）を行なった後、窒化物半導体基板の裏面にｎ側電極を形成すると、基板裏面とｎ側電極と界面では実効的な接触面積が増大するとともに、界面における炭素濃度が測定装置の検出限界以下に低減され得る。これらのことより、コンタクト抵抗が大きく低減されることになる。

好ましい実施形態では、基板主面側に設けた半導体積層構造の上部にへき開ラインを規定する複数の凹部（へき開ガイド）を形成する。このような凹部は、例えば、スクライブ技術およびエッチング技術により、容易に形成することができる。

基板裏面にｎ側電極を形成した後、ｎ側電極に覆われてない位置に存在する平坦領域を介して上記のへき開ガイドを観察しつつ、へき開ガイドに沿って基板裏面から一次へき開を行うことにより、窒化物半導体基板を複数のバーに分割する。ついで、各バーに対する二次へき開を行うことにより、各バーから個々の半導体レーザチップを分離することができる。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら、本発明による窒化物半導体装置及びその製造方法の第１の実施形態を説明する。

まず、図２を参照する。図２は、本実施形態の窒化物半導体装置、すなわちＧａＮ系半導体レーザの断面を模式的に示している。図示されている素子断面は、共振器端面に平行な面であり、共振器長方向は、この断面に直交している。

本実施形態の半導体レーザは、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ基板（厚さ：約１００μｍ）１０と、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面（Ｇａ面）に設けられた半導体積層構造１００とを備えている。

半導体積層構造１００は、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ＧａＮ光ガイド層１６、ＩｎＧａＮ多重量子井戸層１８、ＩｎＧａＮ中間層２０、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２２、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２８を含んでいる。

本実施形態における半導体積層構造１００に含まれる各半導体層の不純物濃度（ドーパント濃度）や厚さは、以下の表１に示すとおりである。

なお、表１に示す不純物、不純物濃度、および各半導体層の厚さは、一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

半導体積層構造１００のうち、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６は、共振器長方向に沿って延びるリッジストライプの形状に加工されている。リッジストライプの幅は、例えば１．５μｍ程度であり、共振器長は例えば６００μｍである。チップ幅（図５において、各半導体層に平行な方向の素子サイズ）は、例えば２００μｍである。

半導体積層構造１００の上面のうち、リッジストライプの上面を除く部分は、ＳｉＯ_２層３０によって被覆されており、ＳｉＯ_２層３０の中央部にはリッジストライプの上面を露出させるストライプ状の開口部が形成されている。ＳｉＯ_２層３０の開口部を介して、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面はｐ側電極（Ｐｄ／Ｐｔ）３２と接触している。

ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面は、凹凸が形成された粗面領域４０ａと、凹凸が形成されていない平坦領域４０ｂとに区分されている。ｎ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）３４は、粗面領域を覆うように設けられている。粗面領域４０ａにおける凹凸段差は、例えば１０ｎｍ以上（好ましくは５０ｎｍ以上）１μｍ以下の範囲にある。平坦領域４０ｂにおける凹凸段差は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲にある。

本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面とｎ側電極３４との界面における炭素濃度が５原子％以下、より具体的には２原子％以下に低減されている。

以下、本実施形態に係る窒化物半導体装置を製造する方法の好ましい実施形態を説明する。

まず、公知の方法で作製されたｎ型ＧａＮ基板１０を用意する。ｎ型ＧａＮ基板１０の厚さは、例えば約４００μｍ程度である。ｎ型ＧａＮ基板１０の表面は、研磨加工により平坦化されている。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面に半導体積層構造１００を形成する。半導体積層構造１００の形成は、公知のエピタキシャル成長技術によって行なうことができる。例えば、以下のようにして各半導体層を成長させる。

まず、ｎ型ＧａＮ基板１０を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置のチャンバ内に挿入する。この後、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面に対し、５００〜１１００℃程度の熱処理（サーマルクリーニング）を行なう。この熱処理は、例えば７５０℃で１分以上、望ましくは５分以上行なう。この熱処理を行なっている間、窒素原子（Ｎ）を含むガス（Ｎ_２、ＮＨ_３、ヒドラジンなど）をチャンバ内に流すことが好ましい。

その後、反応炉を約１０００℃に温度制御し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニア（ＮＨ_３）ガスと、キャリアガスである水素と窒素とを同時に供給するとともに、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ_４）ガスも供給し、厚さが約１μｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型ＧａＮ層１２を成長させる。

次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）も供給しながら、厚さが約１．５μｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３のＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４を成長させる。その後、厚さが約１２０ｎｍのＧａＮからなるＧａＮ光ガイド層１６を成長させた後、温度を約８００℃まで降温し、キャリアガスを窒素に変更して、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを供給して、膜厚が約３ｎｍのＩｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎからなる量子井戸（３層）と膜厚約９ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎバリア層（２層）からなる多重量子井戸活性層１８を成長させる。その後、Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９ＮからなるＩｎＧａＮ中間層２０を成長させる。ＩｎＧａＮ中間層２０は、その上に形成するｐ型の半導体層から活性層１８へのｐ型ドーパント（Ｍｇ）拡散を大幅に抑制し、結晶成長後も活性層１８を高品質に維持することができる。

次に、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温し、キャリアガスを窒素に水素も導入して、ｐ型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガスを供給しながら、膜厚約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のＡｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２２を成長させる。

次に、厚さが約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型ＧａＮからなる第２ＧａＮ光ガイド層２４を成長させる。その後、厚さが約０．５μｍで不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させる。最後に、厚さが約０．１μｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を成長させる。

次に、図３（ａ）を参照して、半導体積層構造の上面に複数の凹部（へき開ガイド）５０を形成する工程を説明する。図３（ａ）は、半導体基板の一部を上面側から見た平面図である。へき開ガイド５０の列は、へき開を行うべきライン上に周期的に並んでおり、そのラインに沿ってへき開が生じるように機能する。へき開ガイド５０として機能する各凹部は、例えば１〜２０μｍの深さ、１〜５μｍの幅、１〜４０μｍの長さを有しており、スクライブ工程およびエッチング工程により形成され得る。図３（ａ）に示されている例では、凹部の配列ピッチは、基板における半導体レーザ素子領域の配列ピッチに相当しているが、へき開を適切な方向に案内することができれば、凹部の形状や配列ピッチの大きさは任意である。ただし、この凹部は、基板上面側から見て「へき開方向」に鋭角を有する菱形の形状を有し、基板に垂直な断面形状が錘状であることが好ましい。このような形状の凹部の列をへき開ガイドとして基板裏面側からへき開を行うと、へき開が凹部の列に沿って真っ直ぐに進行しやすく、へき開の歩留りが向上するからである。

この後、ｎ型ＧａＮ基板１０を裏面側から研磨し、ｎ型ＧａＮ基板１０の厚さを約１００μｍ程度に減少させる。次に、図３（ｂ）に示すように、格子形状を有するマスク層４２をｎ型ＧａＮ基板１０の裏面に形成した後、マスク層４２で覆われていない領域をエッチング液にさらすことにより、多数のエッチピットまたは突起を形成して粗面化する。エッチング液としては、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）や熱リン酸などを用い、室温で１０〜６０分間、上記のエッチングを行うことにより、数密度５×１０^６個数／ｃｍ^２、深さ１０〜１０００ｎｍのピットを形成することができる。粗面化された領域（粗面領域４０ａ）の形成は、上記のウェットエッチングに代えて、あるいは、ウェットエッチングと併用してドライエッチングを行うことにより行っても良い。

マスク層４２は、粗面領域４０ａの位置および形状を規定する複数の開口部を有しており、例えばレジスト膜を露光・現像することによって作製され得る。ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面のうち、マスク層４２で覆われる部分は、一次へき開または二次へき開が行われる部分に対応している。ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面のうち、マスク層４２に覆われていた領域にはエッチピットが形成されておらず、平坦領域４０ｂとして機能することになる。

本実施形態では、上記の方法により、基板裏面のうちｎ側電極３４が形成されるべき領域に粗面領域４０ａを形成するため、コンタクト界面におけるＮ面の面積割合が減少するとともに、表面積が増大する。このことは、コンタクト界面の炭素濃度の低減効果をもたらし、また、コンタクトの実効的な面積を増大させるため、コンタクト抵抗を低減することを可能にする。

この後、本実施形態では、さらにコンタクト抵抗を低減することを目的として、ＥＣＲスパッタ法により、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面（研磨面）に厚さ０．５〜１．５μｍ程度のＳｉＯ_２膜を堆積する。このＳｉＯ_２膜をエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面からＳｉＯ_２膜を除去する。ＳｉＯ_２膜は、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面において、少なくともｎ側電極が形成されるべき領域から完全に除去される必要がある。本実施形態では、ＳｉＯ_２膜の除去をフッ酸で行なう。ＳｉＯ_２膜を除去するために用いるエッチャントは、フッ酸に限定されず、他の種類のエッチャントであってもよい。また、ＳｉＯ_２膜の除去は、ウェットエッチングに限られず、ドライエッチング、または、ウェットエッチング及びドライエッチングの組み合わせであっても良い。基板裏面に凹凸を形成しても、粗面領域４２にＮ面が一部残存する場合があり、そのようなＮ面には炭素が吸着し、コンタクト特性を劣化させる可能性がある。このため、上記の裏面処理（炭素低減処理）を行なうことが好ましい。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの各金属層を基板側からこの順序で連続的に堆積する。その後、マスク層４２を除去することにより、マスク層４２上に位置する金属層のリフトオフが行われ、粗面領域４０ａ上に位置する金属層からｎ側電極３４が形成される。この後、窒素雰囲気中でシンタリング処理（約３００℃）を行う。このシンタリング処理は、ｎ側電極３４のコンタクト抵抗を更に低減する効果を有している。本実施形態によれば、ｎ側電極３４のコンタクト抵抗率を５×１０^−４Ω・ｃｍ以下にすることが可能である。

本実施形態によれば、粗面領域４０ａの形成に用いるマスク層４２を利用してｎ側電極３４のパターニングを行うため、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面とｎ側電極３４との接触領域の輪郭は、粗面領域４０ａと平坦領域４０ｂとの境界と整合している。

図４は、ｎ側電極３４を形成した段階におけるｎ側ＧａＮ基板１０の一部を示す断面図である。図４からわかるように、エッチングによって形成された凹凸が基板裏面の一部（粗面領域）に形成されている。このような凹凸は、（０００−１）面以外の結晶面が露出したファセット面から構成されている。本実施形態における粗面領域は、エッチングにより形成された複数の突起部を有しており、各突起部（高さ：１０〜１０００ｎｍ）は多角錐型または多角錐台型であり、その表面は、（０００−１）面以外のファセット面から構成されている。

次に、図３（ｂ）に示す破線に沿って一次へき開を行う。図５（ａ）および（ｂ）は、一次へき開によって半導体基板からバー１０ａが形成される工程を模式的に示している。一次へき開によって得られたバー１０ａに二次へき開を行うことにより、図２に示す半導体レーザを得ることができる。二次へき開の方向は、一次へき開の方向に直交する。

本実施形態によれば、粗面領域４０ａを接触面として有するｎ側電極を形成するため、接触面の実効的な面積を増大させるとともに、接触面における炭素濃度を低減することもできるため、ｎ側電極のコンタクト抵抗を低減することができる。また、図３（ｂ）に示すように、へき開ガイドを基板裏面から観察できるため、へき開を歩留まり良く実行することも可能になる。なお、へき開によって基板から分割された各半導体レーザ素子における基板裏面の平坦領域４０ｂは、へき開位置に接するように配置されている。

へき開によって基板から分割された各半導体レーザ素子の基板裏面における平坦領域４０ｂは、２０μｍ以上の幅を有する帯形状を有しており、粗面領域４０ａの周囲に位置している（図３（ｂ）参照）。

基板裏面の平坦領域４０ｂのレイアウトは、図３（ｂ）に示される例に限定されない。平坦領域４０ｂは、へき開ガイド５０を基板裏面側から観察できる位置に形成されていればよい。

（実施形態２）
図６および図７を参照しながら、本発明による窒化物半導体装置の他の実施形態を説明する。

図６に示す実施形態は、ｎ型ＧａＮ基板の裏面における平坦領域が絶縁層３６で覆われている点を除いて、実施形態１における半導体レーザ装置と同一の構成を備えている。

図６に示すように、基板裏面の一部にＳｉＯ_２膜などの絶縁層３６が残存していても良い。ｎ側電極３４が基板裏面と接触するべき領域からは絶縁膜を除去しておく必要があるが、ｎ側電極３４の周辺に絶縁膜の一部が絶縁層３６として残存していてもコンタクト特性に影響はない。また、基板裏面にＳｉＯ_２などからなる絶縁層３４を残存させておくことにより、その絶縁層３４が活性層１８から基板１０へ漏出する光（迷光）を吸収し、ノイズを低減する効果も得られる。

図７に示す実施形態は、基板裏面が傾斜している点を除いて、実施形態１の半導体レーザ装置と同一の構成を備えている。図７に示すように、基板裏面が全体としてＮ面から傾斜していても良い。これは基板裏面の研磨の際に、研磨盤に対して基板裏面を傾斜固定させることで実現できる。

なお、本発明によれば、基板裏面とｎ側電極との界面におけるコンタクト抵抗が低減されるため、従来は用いられていなかった各種の金属をｎ電極の材料として用いる道が開かれる。すなわち、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｂａ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、もしくはＨｆなどの金属または合金をｎ側電極の材料に用いることが可能になる。

上記の各実施形態では、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いているが、窒化物半導体基板は、ＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどから形成された基板であってもよい。また、基板はオフ基板であってもよい。

本発明は、短波長光源や高耐圧素子としての活用が期待されている窒化物半導体装置におけるｎ側電極コンタクト特性を改善するため、信頼性に優れる窒化物半導体レーザなどの量産に寄与することができる。

本発明は、窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）をはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体材料（Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１））を用いて作製される青紫色半導体レーザは、光ディスク装置による超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。

近年、窒化物半導体装置を製造するために必要な基板として、ＧａＮ基板が有力視されている。ＧａＮ基板は、従来から用いられてきたサファイア基板に比べ、結晶の格子整合や放熱性という点で優れている。また、サファイア基板が絶縁性であるのに対して、ＧａＮ基板は導電性を有することも利点の１つである。すなわち、ＧａＮ基板の裏面側にも電極を形成し、ＧａＮ基板を横切る方向に電流が流れる構造を採用することが可能になる。導電性を有するＧａＮ基板の裏面に電極を形成すれば、個々の半導体装置のサイズ（チップ面積）を縮小することが可能になり、チップ面積を縮小すると、１枚のウェハから作製され得るチップの総数が増加するため、製造コストを低くすることができる。

ＧａＮ基板の裏面にｎ側電極を形成した半導体レーザは、例えば、特許文献１から３などに開示されている。
特開２００２−１６３１２号公報 特開２００４−７１６５７号公報 特開２００４−６７１８号公報

ＧａＮ基板の裏面にｎ側電極を形成した場合、その電気的コンタクト特性が悪いという問題がある。上記の各特許文献に記載されている従来技術でも、基板裏面に凹凸を形成するなどして、コンタクト特性の改善を図ろうとしている。

しかしながら、従来の方法では、コンタクト抵抗の改善は不充分であり、また、後に詳しく説明する理由により、基板裏面に凹凸を形成する技術を量産レベルで採用すると、半導体レーザ装置を歩留まり良く製造することが困難になるという問題があることもわかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板裏面側における電気的コンタクト特性を改善しつつ、歩留まり良く製造され得る窒化物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明の窒化物半導体装置は、ｎ型不純物を含有する窒化物系半導体基板と、前記半導体基板の主面に形成され、ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造と、前記半導体積層構造に含まれる前記ｐ型領域の一部に接触するｐ側電極と、前記半導体基板の裏面に設けられたｎ側電極とを備えた窒化物半導体装置であって、前記半導体基板の裏面は、平坦領域と粗面領域とを含んでおり、前記ｎ側電極は、前記粗面領域の少なくとも一部を覆っている。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は、２０μｍ以上の幅を有する帯形状を有しており、前記粗面領域の周囲に位置している。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面と前記ｎ側電極との接触領域の輪郭は、前記平坦領域と前記粗面領域との境界と整合している。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域は、研磨加工面または清浄化処理面である。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の前記主面は＋Ｃ極性面である。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は−Ｃ極性面である。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域は、エッチングによって形成された複数の凹部または凸部を有している。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域には、異なる面方位を有する複数のファセットが形成されている。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域の凹凸段差は、１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲にあり、前記平坦領域の凹凸段差は、１０ｎｍ以下である。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極は、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域の全体を覆っている。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は、へき開位置に接するように配置されている。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｂａ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、およびＨｆからなる群から選択された少なくとも１種類の金属または合金から形成された層を有している。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極のコンタクト抵抗率は、５×１０^-4Ω・ｃｍ²以下である。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、ｎ型不純物を含有する窒化物系半導体基板を用意する工程と、ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造を前記半導体基板の主面に形成する工程と、前記半導体積層構造に含まれる前記ｐ型領域にｐ側電極を形成する工程と、窒素面を含む前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する工程とを含む窒化物半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に前記裏面に平坦領域と粗面領域を形成する工程と、前記ｎ側電極を形成した後、へき開面が前記平坦領域を通るように前記半導体基板のへき開を行う工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記半導体基板の裏面に平坦領域と粗面領域を形成した後、前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に、前記半導体基板の裏面における炭素濃度を低減する工程を行なう。

好ましい実施形態において、前記炭素濃度を低減する工程は、前記半導体基板の裏面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜を除去する工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記炭素濃度を低減する工程は、前記半導体基板の裏面に酸化シリコン膜を堆積する工程と、前記酸化シリコン膜を除去する工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記粗面領域を形成する工程は、前記半導体基板の裏面のうち、前記粗面領域が形成されるべき部分を露出させる開口部を備えたマスク層を前記半導体基板の裏面に形成する工程と、前記半導体基板の裏面のうち、前記粗面領域が形成されるべき部分にエッチング処理を行う工程とを含む。

好ましい実施形態において、前記ｎ側電極を形成する工程は、前記半導体基板の裏面に前記マスク層を覆うように金属電極層を堆積する工程と、前記金属電極層のうち前記マスク層上に位置する部分を、前記マスク層とともに除去することにより、前記金属電極層を前記ｎ側電極にパターニングする工程とを含む。

本発明によれば、窒化物系半導体基板の裏面とｎ側電極との界面における粗面領域によってコンタクト界面の実効的な面積が増加し、また、コンタクト界面における炭素濃度が低減する効果も得られるため、ｎ側電極のコンタクト特性が改善される。更に、へき開が容易になるため、歩留まり良く半導体レーザ装置を製造することが可能になる。

本願発明者は、窒化物半導体基板の裏面（bottom surface）に形成したｎ側電極の電気的コンタクト抵抗が高い原因が、窒化物半導体基板の裏面に存在する炭素（Ｃ）に起因することを実験的に突き止め、また、窒化物半導体基板の裏面とｎ側電極との界面の炭素濃度を低減することがコンタクト抵抗低減に有効であることを見出し、本発明を想到するにいたった。

ＧａＮ結晶は、図１に示すようにＧａ原子とＮ原子から構成されており、六方晶構造を有している。各種半導体層のエピタキシャル成長が行なわれる側のＧａＮ基板の表面（top surface）は、Ｇａ原子が層状に配列した面（Ｇａ面または＋Ｃ極性面）である。これに対して、ＧａＮ基板の裏面は、窒素原子（Ｎ原子）が層状に配列した面（窒素面または−Ｃ極性面）である。窒素面（以下、「Ｎ面」と称する。）は、ＧａＮ基板を裏面側から研磨し、基板厚さを任意の厚さに減じた場合でも、常にＧａＮ基板の裏面に現れる性質を有している。なお、ＧａＮ基板のＧａ原子が一部のサイトでＡｌ原子やＩｎ原子と置換している一般の窒化物半導体基板でも、上記と同様に基板裏面はＮ面である。

本願発明者の検討によると、ＧａＮ基板などの窒化物半導体基板のＮ面は、炭素を吸着しやすく、Ｎ面に電極を形成した後、Ｎ面と電極との界面に炭素が安定に存在し続ける。この炭素は、電極形成後の熱処理によっても周囲に拡散することなく、界面に安定に存在し、コンタクト界面における電気的障壁として機能する。基板裏面に存在する炭素を、ｎ側電極形成前に適切に排除できれば、コンタクト界面に存在する電気的障壁を小さくし、ｎ側電極のコンタクト特性を格段に改善できる。

ＧａＮ基板の裏面に凹凸を形成し、粗面化すると、基板裏面に占めるＮ面の割合（面積比率）を低下させることができる。しかし、従来技術によって基板裏面に凹凸を形成すると、ＧａＮ基板の「へき開」を歩留まり良く実行することが難しくなるという問題がある。以下、この問題を説明する。

ＧａＮ基板は六方晶構造を有しているため、ＧａＮ基板の「へき開」によって個々の半導体チップ（略直方体の形状を有している）に分離する工程を歩留まり良く実行することは非常に難しい。このへき開を歩留まり良く行うには、ＧａＮ基板の上面側のへき開予定ライン上に複数の「凹部の配列（以下、『ヘキ開ガイド』と称する）」を形成し、基板裏面から「へき開ガイド」に沿って一次へき開を行う方法を採用することが有効である。

ＧａＮ基板は透光性を有しているため、本来は、基板上面側に形成した「へき開ガイド」の位置を基板裏面側から観察し、へき開ガイドに沿って一次へき開を行うことが可能である。しかし、ＧａＮ基板の裏面全面に凹凸を形成していると、基板裏面での乱反射が生じるため、へき開ガイドを基板裏面から観察できなくなる。このため、従来技術に従ってＧａＮ基板の裏面に凹凸を形成した場合、へき開工程を歩留まり良く実行できないことになってしまう。

そこで、本発明では、窒化物半導体基板の裏面全面に凹凸を形成する代わりに、特定の領域にのみ凹凸を形成することにより、基板裏面を、平坦領域（窓領域）と粗面領域とに区分けしている。そして、ｎ側電極は、粗面領域の少なくとも一部を覆うように形成する。

なお、本明細書における「平坦領域」は、「粗面領域」に比べて相対的に平滑な面である。より具体的には、「平坦領域」は、基板裏面のうち、研磨加工によって平滑化された状態を保つ部分であり、意図的に凹凸が形成されていない領域を意味している。ただし、この「平坦領域」は、研磨加工後に清浄化のための処理（クリーニング処理）を受けていてもよい。一方、「粗面領域」は、基板裏面のうち、エッチングなどの処理によって意図的に凹凸を形成した部分である。粗面化のためのエッチングが、結晶面方位に応じてエッチング速度の異なる異方性エッチングであれば、粗面領域には複数の異なる面方位を有するファセットが形成される。

本発明によれば、基板裏面の平坦領域では乱反射が生じないため、基板上面側に「へき開ガイド」を形成した場合、当該「へき開ガイド」を基板裏面側から観察し、適切に一次へき開を実行することができる。

以下、本発明による窒化物半導体装置の製造方法を説明する。

まず、本発明では、窒化物半導体基板の表面（Ｇａ面）上に、エピタキシャル成長技術を用いた公知の半導体成長法により、半導体積層構造を形成する。半導体積層構造は、ｐ型領域およびｎ型領域を含む。半導体レーザなどの発光素子を製造する場合、半導体積層構造は、ダブルへテロ構造と、光および電流を一定空間内に閉じ込めるための構造とを含むことになる。

窒化物基板の表面側において、半導体積層構造中のｐ型領域に電気的に接触するｐ側電極を形成した後、窒化物半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に、本発明では、特別の処理、すなわち、窒化物半導体基板の裏面における所定領域に粗面領域を形成する工程を行なう。この工程は、基板裏面の一部をマスク層で覆った後、マスク層で覆われていない領域をエッチングすることによって行うことができる。

好ましい実施形態において、基板裏面に粗面領域および平坦領域を形成した後、炭素濃度低減のための表面処理を行う。この処理は、窒化物半導体基板の裏面を堆積物の層で覆う工程と、この層をエッチングによって除去する工程とを含む。より好ましくは、窒化物半導体基板の裏面に二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を堆積した後、このＳｉＯ₂膜を裏面から取り除く。本発明者の実験によれば、基板裏面に対して、上記の処理（ＳｉＯ₂膜の堆積と除去）を行うことにより、基板裏面に存在する炭素の濃度を大幅に低減し、それによってコンタクト抵抗を低減する効果が得られることがわかっている。

上記の各工程（裏面処理）を行なった後、窒化物半導体基板の裏面にｎ側電極を形成すると、基板裏面とｎ側電極と界面では実効的な接触面積が増大するとともに、界面における炭素濃度が測定装置の検出限界以下に低減され得る。これらのことより、コンタクト抵抗が大きく低減されることになる。

好ましい実施形態では、基板主面側に設けた半導体積層構造の上部にへき開ラインを規定する複数の凹部（へき開ガイド）を形成する。このような凹部は、例えば、スクライブ技術およびエッチング技術により、容易に形成することができる。

基板裏面にｎ側電極を形成した後、ｎ側電極に覆われてない位置に存在する平坦領域を介して上記のへき開ガイドを観察しつつ、へき開ガイドに沿って基板裏面から一次へき開を行うことにより、窒化物半導体基板を複数のバーに分割する。ついで、各バーに対する二次へき開を行うことにより、各バーから個々の半導体レーザチップを分離することができる。

（実施形態１）
以下、図面を参照しながら、本発明による窒化物半導体装置及びその製造方法の第１の実施形態を説明する。

まず、図２を参照する。図２は、本実施形態の窒化物半導体装置、すなわちＧａＮ系半導体レーザの断面を模式的に示している。図示されている素子断面は、共振器端面に平行な面であり、共振器長方向は、この断面に直交している。

本実施形態の半導体レーザは、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮ基板（厚さ：約１００μｍ）１０と、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面（Ｇａ面）に設けられた半導体積層構造１００とを備えている。

半導体積層構造１００は、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ＧａＮ光ガイド層１６、ＩｎＧａＮ多重量子井戸層１８、ＩｎＧａＮ中間層２０、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２２、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６、及びｐ型ＧａＮコンタクト層２８を含んでいる。

本実施形態における半導体積層構造１００に含まれる各半導体層の不純物濃度（ドーパント濃度）や厚さは、以下の表１に示すとおりである。

なお、表１に示す不純物、不純物濃度、および各半導体層の厚さは、一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

半導体積層構造１００のうち、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６は、共振器長方向に沿って延びるリッジストライプの形状に加工されている。リッジストライプの幅は、例えば１．５μｍ程度であり、共振器長は例えば６００μｍである。チップ幅（図５において、各半導体層に平行な方向の素子サイズ）は、例えば２００μｍである。

半導体積層構造１００の上面のうち、リッジストライプの上面を除く部分は、ＳｉＯ₂層３０によって被覆されており、ＳｉＯ₂層３０の中央部にはリッジストライプの上面を露出させるストライプ状の開口部が形成されている。ＳｉＯ₂層３０の開口部を介して、ｐ型ＧａＮコンタクト層２８の表面はｐ側電極（Ｐｄ／Ｐｔ）３２と接触している。

ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面は、凹凸が形成された粗面領域４０ａと、凹凸が形成されていない平坦領域４０ｂとに区分されている。ｎ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）３４は、粗面領域を覆うように設けられている。粗面領域４０ａにおける凹凸段差は、例えば１０ｎｍ以上（好ましくは５０ｎｍ以上）１μｍ以下の範囲にある。平坦領域４０ｂにおける凹凸段差は、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲にある。

本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面とｎ側電極３４との界面における炭素濃度が５原子％以下、より具体的には２原子％以下に低減されている。

以下、本実施形態に係る窒化物半導体装置を製造する方法の好ましい実施形態を説明する。

まず、公知の方法で作製されたｎ型ＧａＮ基板１０を用意する。ｎ型ＧａＮ基板１０の厚さは、例えば約４００μｍ程度である。ｎ型ＧａＮ基板１０の表面は、研磨加工により平坦化されている。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面に半導体積層構造１００を形成する。半導体積層構造１００の形成は、公知のエピタキシャル成長技術によって行なうことができる。例えば、以下のようにして各半導体層を成長させる。

まず、ｎ型ＧａＮ基板１０を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置のチャンバ内に挿入する。この後、ｎ型ＧａＮ基板１０の表面に対し、５００〜１１００℃程度の熱処理（サーマルクリーニング）を行なう。この熱処理は、例えば７５０℃で１分以上、望ましくは５分以上行なう。この熱処理を行なっている間、窒素原子（Ｎ）を含むガス（Ｎ₂、ＮＨ₃、ヒドラジンなど）をチャンバ内に流すことが好ましい。

その後、反応炉を約１０００℃に温度制御し、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアンモニア（ＮＨ₃）ガスと、キャリアガスである水素と窒素とを同時に供給するとともに、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ₄）ガスも供給し、厚さが約１μｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＧａＮ層１２を成長させる。

次に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）も供給しながら、厚さが約１．５μｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４を成長させる。その後、厚さが約１２０ｎｍのＧａＮからなるＧａＮ光ガイド層１６を成長させた後、温度を約８００℃まで降温し、キャリアガスを窒素に変更して、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを供給して、膜厚が約３ｎｍのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる量子井戸（３層）と膜厚約９ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎバリア層（２層）からなる多重量子井戸活性層１８を成長させる。その後、Ｉｎ_0.01Ｇａ_0.99ＮからなるＩｎＧａＮ中間層２０を成長させる。ＩｎＧａＮ中間層２０は、その上に形成するｐ型の半導体層から活性層１８へのｐ型ドーパント（Ｍｇ）拡散を大幅に抑制し、結晶成長後も活性層１８を高品質に維持することができる。

次に、再び反応炉内の温度を約１０００℃にまで昇温し、キャリアガスを窒素に水素も導入して、ｐ型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）ガスを供給しながら、膜厚約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮキャップ層２２を成長させる。

次に、厚さが約２０ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮからなる第２ＧａＮ光ガイド層２４を成長させる。その後、厚さが約０．５μｍで不純物濃度が約１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎからなるｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２６を成長させる。最後に、厚さが約０．１μｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮコンタクト層２８を成長させる。

次に、図３（ａ）を参照して、半導体積層構造の上面に複数の凹部（へき開ガイド）５０を形成する工程を説明する。図３（ａ）は、半導体基板の一部を上面側から見た平面図である。へき開ガイド５０の列は、へき開を行うべきライン上に周期的に並んでおり、そのラインに沿ってへき開が生じるように機能する。へき開ガイド５０として機能する各凹部は、例えば１〜２０μｍの深さ、１〜５μｍの幅、１〜４０μｍの長さを有しており、スクライブ工程およびエッチング工程により形成され得る。図３（ａ）に示されている例では、凹部の配列ピッチは、基板における半導体レーザ素子領域の配列ピッチに相当しているが、へき開を適切な方向に案内することができれば、凹部の形状や配列ピッチの大きさは任意である。ただし、この凹部は、基板上面側から見て「へき開方向」に鋭角を有する菱形の形状を有し、基板に垂直な断面形状が錘状であることが好ましい。このような形状の凹部の列をへき開ガイドとして基板裏面側からへき開を行うと、へき開が凹部の列に沿って真っ直ぐに進行しやすく、へき開の歩留りが向上するからである。

この後、ｎ型ＧａＮ基板１０を裏面側から研磨し、ｎ型ＧａＮ基板１０の厚さを約１００μｍ程度に減少させる。次に、図３（ｂ）に示すように、格子形状を有するマスク層４２をｎ型ＧａＮ基板１０の裏面に形成した後、マスク層４２で覆われていない領域をエッチング液にさらすことにより、多数のエッチピットまたは突起を形成して粗面化する。エッチング液としては、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）や熱リン酸などを用い、室温で１０〜６０分間、上記のエッチングを行うことにより、数密度５×１０⁶個数／ｃｍ²、深さ１０〜１０００ｎｍのピットを形成することができる。粗面化された領域（粗面領域４０ａ）の形成は、上記のウェットエッチングに代えて、あるいは、ウェットエッチングと併用してドライエッチングを行うことにより行っても良い。

マスク層４２は、粗面領域４０ａの位置および形状を規定する複数の開口部を有しており、例えばレジスト膜を露光・現像することによって作製され得る。ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面のうち、マスク層４２で覆われる部分は、一次へき開または二次へき開が行われる部分に対応している。ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面のうち、マスク層４２に覆われていた領域にはエッチピットが形成されておらず、平坦領域４０ｂとして機能することになる。

本実施形態では、上記の方法により、基板裏面のうちｎ側電極３４が形成されるべき領域に粗面領域４０ａを形成するため、コンタクト界面におけるＮ面の面積割合が減少するとともに、表面積が増大する。このことは、コンタクト界面の炭素濃度の低減効果をもたらし、また、コンタクトの実効的な面積を増大させるため、コンタクト抵抗を低減することを可能にする。

この後、本実施形態では、さらにコンタクト抵抗を低減することを目的として、ＥＣＲスパッタ法により、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面（研磨面）に厚さ０．５〜１．５μｍ程度のＳｉＯ₂膜を堆積する。このＳｉＯ₂膜をエッチングすることにより、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面からＳｉＯ₂膜を除去する。ＳｉＯ₂膜は、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面において、少なくともｎ側電極が形成されるべき領域から完全に除去される必要がある。本実施形態では、ＳｉＯ₂膜の除去をフッ酸で行なう。ＳｉＯ₂膜を除去するために用いるエッチャントは、フッ酸に限定されず、他の種類のエッチャントであってもよい。また、ＳｉＯ₂膜の除去は、ウェットエッチングに限られず、ドライエッチング、または、ウェットエッチング及びドライエッチングの組み合わせであっても良い。基板裏面に凹凸を形成しても、粗面領域４２にＮ面が一部残存する場合があり、そのようなＮ面には炭素が吸着し、コンタクト特性を劣化させる可能性がある。このため、上記の裏面処理（炭素低減処理）を行なうことが好ましい。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの各金属層を基板側からこの順序で連続的に堆積する。その後、マスク層４２を除去することにより、マスク層４２上に位置する金属層のリフトオフが行われ、粗面領域４０ａ上に位置する金属層からｎ側電極３４が形成される。この後、窒素雰囲気中でシンタリング処理（約３００℃）を行う。このシンタリング処理は、ｎ側電極３４のコンタクト抵抗を更に低減する効果を有している。本実施形態によれば、ｎ側電極３４のコンタクト抵抗率を５×１０^-4Ω・ｃｍ以下にすることが可能である。

本実施形態によれば、粗面領域４０ａの形成に用いるマスク層４２を利用してｎ側電極３４のパターニングを行うため、ｎ型ＧａＮ基板１０の裏面とｎ側電極３４との接触領域の輪郭は、粗面領域４０ａと平坦領域４０ｂとの境界と整合している。

図４は、ｎ側電極３４を形成した段階におけるｎ側ＧａＮ基板１０の一部を示す断面図である。図４からわかるように、エッチングによって形成された凹凸が基板裏面の一部（粗面領域）に形成されている。このような凹凸は、（０００−１）面以外の結晶面が露出したファセット面から構成されている。本実施形態における粗面領域は、エッチングにより形成された複数の突起部を有しており、各突起部（高さ：１０〜１０００ｎｍ）は多角錐型または多角錐台型であり、その表面は、（０００−１）面以外のファセット面から構成されている。

次に、図３（ｂ）に示す破線に沿って一次へき開を行う。図５（ａ）および（ｂ）は、一次へき開によって半導体基板からバー１０ａが形成される工程を模式的に示している。一次へき開によって得られたバー１０ａに二次へき開を行うことにより、図２に示す半導体レーザを得ることができる。二次へき開の方向は、一次へき開の方向に直交する。

本実施形態によれば、粗面領域４０ａを接触面として有するｎ側電極を形成するため、接触面の実効的な面積を増大させるとともに、接触面における炭素濃度を低減することもできるため、ｎ側電極のコンタクト抵抗を低減することができる。また、図３（ｂ）に示すように、へき開ガイドを基板裏面から観察できるため、へき開を歩留まり良く実行することも可能になる。なお、へき開によって基板から分割された各半導体レーザ素子における基板裏面の平坦領域４０ｂは、へき開位置に接するように配置されている。

へき開によって基板から分割された各半導体レーザ素子の基板裏面における平坦領域４０ｂは、２０μｍ以上の幅を有する帯形状を有しており、粗面領域４０ａの周囲に位置している（図３（ｂ）参照）。

基板裏面の平坦領域４０ｂのレイアウトは、図３（ｂ）に示される例に限定されない。平坦領域４０ｂは、へき開ガイド５０を基板裏面側から観察できる位置に形成されていればよい。

（実施形態２）
図６および図７を参照しながら、本発明による窒化物半導体装置の他の実施形態を説明する。

図６に示す実施形態は、ｎ型ＧａＮ基板の裏面における平坦領域が絶縁層３６で覆われている点を除いて、実施形態１における半導体レーザ装置と同一の構成を備えている。

図６に示すように、基板裏面の一部にＳｉＯ₂膜などの絶縁層３６が残存していても良い。ｎ側電極３４が基板裏面と接触するべき領域からは絶縁膜を除去しておく必要があるが、ｎ側電極３４の周辺に絶縁膜の一部が絶縁層３６として残存していてもコンタクト特性に影響はない。また、基板裏面にＳｉＯ₂などからなる絶縁層３４を残存させておくことにより、その絶縁層３４が活性層１８から基板１０へ漏出する光（迷光）を吸収し、ノイズを低減する効果も得られる。

図７に示す実施形態は、基板裏面が傾斜している点を除いて、実施形態１の半導体レーザ装置と同一の構成を備えている。図７に示すように、基板裏面が全体としてＮ面から傾斜していても良い。これは基板裏面の研磨の際に、研磨盤に対して基板裏面を傾斜固定させることで実現できる。

なお、本発明によれば、基板裏面とｎ側電極との界面におけるコンタクト抵抗が低減されるため、従来は用いられていなかった各種の金属をｎ電極の材料として用いる道が開かれる。すなわち、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｂａ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、もしくはＨｆなどの金属または合金をｎ側電極の材料に用いることが可能になる。

上記の各実施形態では、窒化物半導体基板としてＧａＮ基板を用いているが、窒化物半導体基板は、ＧａＮに限られず、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどから形成された基板であってもよい。また、基板はオフ基板であってもよい。

本発明は、短波長光源や高耐圧素子としての活用が期待されている窒化物半導体装置におけるｎ側電極コンタクト特性を改善するため、信頼性に優れる窒化物半導体レーザなどの量産に寄与することができる。

ＧａＮ基板におけるＧａＮ結晶構造を模式的に示す斜視図である。 本発明による窒化物半導体装置の第１の実施形態を示す断面図である。 （ａ）は、実施形態１における窒化物半導体基板の上面側の一部を示す平面図であり、（ｂ）は、当該窒化物半導体基板の裏面側を示す平面図である。 実施形態１のへき開前における窒化物半導体装置の主要部を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、一次へき開を模式的に示す斜視図である。 本発明による窒化物半導体装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明による窒化物半導体装置の更に他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０ ｎ型ＧａＮ基板
１０ａ バー
１２ ｎ型ＧａＮ層
１４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１６ ＧａＮ光ガイド層
１８ ＩｎＧａＮ多重量子井戸層
２０ ＩｎＧａＮ中間層
２２ ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層
２４ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
２６ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２８ ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０ ＳｉＯ₂層
３２ ｐ側電極（Ｐｄ／Ｐｔ）
３４ ｎ側電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）
３６ ＳｉＯ₂層
４０ａ 基板裏面における粗面領域
４０ｂ 基板裏面における平坦領域
５０ へき開ガイド
１００ 半導体積層構造

Claims (20)

1. ｎ型不純物を含有する窒化物系半導体基板と、
   前記半導体基板の主面に形成され、ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造と、
   前記半導体積層構造に含まれる前記ｐ型領域の一部に接触するｐ側電極と、
   前記半導体基板の裏面に設けられたｎ側電極と、
   を備えた窒化物半導体装置であって、
   前記半導体基板の裏面は、平坦領域と粗面領域とを含んでおり、
   前記ｎ側電極は、前記粗面領域の少なくとも一部を覆っている窒化物半導体装置。
2. 前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は、２０μｍ以上の幅を有する帯形状を有しており、前記粗面領域の周囲に位置している、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
3. 前記半導体基板の裏面と前記ｎ側電極との接触領域の輪郭は、前記平坦領域と前記粗面領域との境界と整合している、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
4. 前記半導体基板の裏面における前記粗面領域は、研磨加工面または清浄化処理面である請求項１に記載の窒化物半導体装置。
5. 前記半導体基板の前記主面は＋Ｃ極性面である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
6. 前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は−Ｃ極性面である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
7. 前記半導体基板の裏面における前記粗面領域は、エッチングによって形成された複数の凹部または凸部を有している、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
8. 前記半導体基板の裏面における前記粗面領域には、異なる面方位を有する複数のファセットが形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
9. 前記半導体基板の裏面における前記粗面領域の凹凸段差は、１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲にあり、前記平坦領域の凹凸段差は、１０ｎｍ以下である請求項１に記載の窒化物半導体装置。
10. 前記ｎ側電極は、前記半導体基板の裏面における前記粗面領域の全体を覆っている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
11. 前記半導体基板の裏面における前記平坦領域は、へき開位置に接するように配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
12. 前記ｎ側電極は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｂａ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｒｕ、およびＨｆからなる群から選択された少なくとも１種類の金属または合金から形成された層を有している請求項１に記載の窒化物半導体装置。
13. 前記ｎ側電極のコンタクト抵抗率は、５×１０^−４Ω・ｃｍ^２以下である請求項１に記載の窒化物半導体装置。
14. 前記半導体基板の裏面は研磨加工面から構成されている請求項１に記載の窒化物半導体装置。
15. ｎ型不純物を含有する窒化物系半導体基板を用意する工程と、
    ｐ型領域およびｎ型領域を含む半導体積層構造を前記半導体基板の主面に形成する工程と、
    前記半導体積層構造に含まれる前記ｐ型領域にｐ側電極を形成する工程と、
    窒素面を含む前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する工程と、
    を含む窒化物半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に、前記裏面に平坦領域と粗面領域を形成する工程と、
    前記ｎ側電極を形成した後、へき開面が前記平坦領域を通るように前記半導体基板のへき開を行う工程と、
    を含む、窒化物半導体装置の製造方法。
16. 前記半導体基板の裏面に平坦領域と粗面領域を形成した後、前記半導体基板の裏面にｎ側電極を形成する前に、前記半導体基板の裏面における炭素濃度を低減する工程を行なう、請求項１５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
17. 前記炭素濃度を低減する工程は、
    前記半導体基板の裏面に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜を除去する工程と
    を含む請求項１５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
18. 前記炭素濃度を低減する工程は、
    前記半導体基板の裏面に酸化シリコン膜を堆積する工程と、
    前記酸化シリコン膜を除去する工程と
    を含む請求項１５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
19. 前記粗面領域を形成する工程は、
    前記半導体基板の裏面のうち、前記粗面領域が形成されるべき部分を露出させる開口部を備えたマスク層を前記半導体基板の裏面に形成する工程と、
    前記半導体基板の裏面のうち、前記粗面領域が形成されるべき部分にエッチング処理を行う工程と、
    を含む請求項１５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
20. 前記ｎ側電極を形成する工程は、
    前記半導体基板の裏面に前記マスク層を覆うように金属電極層を堆積する工程と、
    前記金属電極層のうち前記マスク層上に位置する部分を、前記マスク層とともに除去することにより、前記金属電極層を前記ｎ側電極にパターニングする工程と、
    を含む請求項１９に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

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