窒化物光半導体素子
【課題】 結晶性が良好な素子窒化物光半導体素子を提供することを目的とする。
【解決手段】 この窒化物光半導体素子は、Ａ面サファイア基板１と、基板１上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層２と、ＡｌＮ層２上に形成されたｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層４と、ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層４上に形成されたｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層９とを備えている。Ａ面サファイア基板１上に、１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層を成長することによって、これにクラックが発生せず、平坦性と結晶性に優れたＣ面ＡｌＮ層が得られる。
【解決手段】 この窒化物光半導体素子は、Ａ面サファイア基板１と、基板１上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層２と、ＡｌＮ層２上に形成されたｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層４と、ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層４上に形成されたｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層９とを備えている。Ａ面サファイア基板１上に、１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層を成長することによって、これにクラックが発生せず、平坦性と結晶性に優れたＣ面ＡｌＮ層が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ系）を用いた窒化物光半導体素子が知られている。例えば、「Ｃ面」サファイア基板上に、「Ｃ面」ＡｌＮ層を成長させ、その上に実効的な光半導体素子を作製することが知られている。また、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた光半導体素子としては、レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子の他、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子が知られている。これらの窒化物光半導体素子の特性および信頼性は、用いる半導体の結晶性に依存する。すなわち、結晶性の優れた窒化物光半導体を用いた場合には、優れた特性の光半導体素子が完成する。
【０００３】
特許文献１では、Ｃ面サファイア基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって、一旦、ＡｌＮ下地層を形成した後、水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法によってＡｌＮ層を形成している。形成されるＡｌＮ層はＣ面である。なお、Ｃ面とは結晶の縦方向を意味するＣ軸に垂直な平面（０００１）面のことであり、Ａ面とはＣ面に垂直な（１１−２０）面のことである。成長後のＡｌＮ層の層厚は１０μｍ程度であるが、成長後にはクラックが発生しているものと推定される。特に、ＨＶＰＥ法では、界面部分での正確な条件制御が困難であるので、ＡｌＮ下地層を介さず直接にＡｌＮ単結晶層をＨＶＰＥ法にて単結晶基材上に成長させた場合、ＡｌＮ単結晶層の結晶品質は大幅に劣化してしまうことになるとしており、工程が複雑となる。この従来技術のＡｌＮ層の表面粗さは原子間力顕微鏡のＲａ値で２０ｎｍ以下である。
【０００４】
特許文献２は、圧電体薄層に関する技術であって、サファイア（１１−２０）面（（１１０）面とも言う）基板（Ａ面）上に、結晶面が（０００１）面（（００１）面とも言う）であるＡｌＮ層（Ｃ面ＡｌＮ層）を形成する技術が開示されている。
【０００５】
非特許文献１では、同様の化合物半導体を開示するが、そのＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）は、（０００２）面（（００２）面とも言う）に関しては、１７３−３１４秒であり、（１０−１２）面（（１０２）面とも言う）に関しては、１５７４−１９０５秒である。なお、（００２）面に関する結晶性が良くとも、（１０２）面に関する結晶性が悪い場合、発光素子では発光効率が悪くなり、受光素子では感度が悪くなる要因となる。この文献における表面粗さ（原子間力顕微鏡）のＲＭＳ値（Ｒａ相当）は、最も小さい値が得られた場合において２．３４ｎｍである。また、表面写真を観察すると、表面には大きなピットが多数確認され、表面状態も好ましいものではない。
【０００６】
非特許文献２は、ＭＯＣＶＤ法によって製造された紫外ＬＥＤについて開示している。Ｃ面サファイア基板上にＣ面ＡｌＮ層が形成されたテンプレートが使用されているが、ＡｌＮ層の層厚は１μｍである。この文献におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）は、（０００２）面（（００２）面とも言う）に関しては６０秒であり、（１０−１２）面（（１０２）面とも言う）に関しては１２００秒である。
【０００７】
なお、短波長（紫外線域）の光に関する光半導体素子用の半導体結晶では、素子を構成するたとえばＡｌＧａＮ層のＡｌの組成を高くする必要がある。このとき、結晶格子間隔が大きく異なるため、ＡｌＧａＮ層に大きな引っ張り歪みが発生し多数のクラックが発生する。これを抑制するために、結晶品質に優れ、ＡｌＧａＮより格子間隔の小さいＡｌＮを下地層とすることが、光半導体素子を実現する上で望ましい。
【０００８】
また、上述のように、特性の良好な光半導体素子を作製するには、ＡｌＧａＮ層において高い結晶性が要求される。しかしながら、良質で大型のＡｌＮバルク基板は現在得られておらず、「Ｃ面」サファイア基板上に、「Ｃ面」ＡｌＮ層を０．８〜１μｍ程度成長したものが使われはじめている程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３２１７０５号公報
【特許文献２】特開平０５−３２７３９８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】''Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｔｈｉｃｋ ＡｌＮ Ｌａｙｅｒ ｂｙ Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ''， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． １７， ２００５， ｐｐ． Ｌ ５０５-Ｌ ５０７．
【非特許文献２】''ＡｌＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ＡｌＮ／Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ''， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」， Ｖｏｌ． ４７， Ｎｏ． １， ２００８， ｐｐ． ４３-４６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような背景のもと、高Ａｌ組成であっても、良質でかつクラックの無い高品質なＡｌＧａＮ層構造による窒化物光半導体素子の実現が求められている。確かに、「Ｃ面」サファイア基板上に、「Ｃ面」ＡｌＮ層を形成した基板を用いたＬＥＤは実現されているものの（非特許文献１参照）、その結晶品質が十分でないために、より高品質の結晶性が要求されるＬＤは、この基板を用いて実現されていない。すなわち、結晶品質を高めるため、ＡｌＮ層の厚みを１〜３μｍ程度に増加させると、クラックが発生してしまい、結晶性が良好な素子を形成することができなくなる。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、結晶性が良好な素子窒化物光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の課題を解決するため、本発明に係る窒化物光半導体素子は、Ａ面サファイア基板と、前記基板上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上に形成された第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、前記第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層上に形成された第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、を備えることを特徴とする。本発明では、Ａ面サファイア基板上に、１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層を成長することによって、これにクラックが発生せず、平坦性と結晶性に優れたＣ面ＡｌＮ層が得られることを発見した。
【００１４】
このように形成されたＡｌＮ層上に、第１導電及び第２導電型の半導体層を含む半導体素子を成長させることによって、良好な特性を有する窒化物光半導体素子を得ることができる。また、この構造では、サファイア基板と、ＡｌＮ層のへき開面を一致させることができるため、光半導体素子としてレーザ素子を採用する場合には、共振器の端面となるへき開面を容易に形成することができるという利点もある。なお、ＩＩＩ族窒化物系半導体層としてはＡｌＧａＮ系の化合物半導体層が好ましい。
【００１５】
また、前記第１及び第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層は、それぞれＡｌＧａＮからなり、Ａｌの組成比は０．２以上１．０以下であることが好ましい。本発明では、このように高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層の形成においても、良好な結晶のものを得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の窒化物光半導体素子によれば、窒化物半導体層を含む複数の半導体層を厚く積層成長しても、クラックの発生が抑制されかつ、結晶性に優れた化合物半導体からなるものとなっている。これによって、クラックに影響されない歩留まりの高い状態で、特性に優れた窒化物光半導体素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】成長温度を変えた場合に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。
【図２】流量を変えた場合に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。
【図３】初期層のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。
【図４】各種温度で得られた結晶表面の電子顕微鏡写真の図である。
【図５】各種流量で得られた結晶表面の電子顕微鏡写真の図である。
【図６】初期層の表面の電子顕微鏡写真の図である。
【図７】ＬＤの断面図である。
【図８】ＬＤの出射光の波長（ｎｍ）と光強度（arb. unit）との関係を示すグラフである。
【図９】ＬＤの駆動電流（ｍＡ）と光強度（arb. unit）との関係を示すグラフである。
【図１０】ＬＥＤの断面図である。
【図１１】ＰＤの断面図である。
【図１２】製造温度のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施の形態に係る窒化物光半導体素子について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
図７は、窒化物光半導体としての半導体レーザ素子（ＬＤ）の断面図である。この素子は、Ａ面サファイア基板１上に順次形成された、ＡｌＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層４、ＡｌＧａＮからなるガイド層５、ＡｌＧａＮからなる活性層６、ＡｌＧａＮからなるガイド層７、ｐ型のＡｌＧａＮからなるキャリアブロック層８、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層９を備え、クラッド層９上には絶縁層（ＳｉＯ２）１０が形成されており、絶縁層１０に設けられた開口内には、クラッド層９と共にｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１１が形成され、その上にはＰ側の電極１１２が形成されている。また、コンタクト層３の表面領域の一部はエッチングされ、エッチングされた箇所にｎ側の電極１１３が形成されている。各層の結晶性は、その下地層の結晶性に依存するため、下地層の結晶性が重要である。
【００２０】
上述の素子において、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を形成する場合、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の化学的気相成長法や、分子線成長法（ＭＢＥ法）、昇華法、フラックス法等を用いることができる。原料コスト及び形成速度の観点では、ＨＶＰＥ法が好適である。一方、ＭＯＣＶＤ法では、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの組成を制御し易く、さらにＳｉやＭｇなどのドーピングによりｎ型やｐ型の半導体結晶を精度良く作製するのに好適である。以下には、ＡｌＮ層の作製をＨＶＰＥで行い、その後レーザ結晶の成長をＭＯＣＶＤで行う実施の例について示すが、この成長法の組み合わせに限るものではない。また、素子の加工に用いる各種方法もここで示したものに限るものではない。
【００２１】
上述のレーザ素子を製造した。以下、詳説する。
（第１の結晶成長）
まず、２インチ径の厚さ４３０μｍ程度の（１１−２０）Ａ面サファイア単結晶基板を用意し、これをＨＶＰＥ装置の反応管のサセプタに載置した。ＨＶＰＥ法の場合、ＡｌなどのＩＩＩ族金属と、ＨＣｌガスなどのハイドライドガスとを５００℃〜７００℃程度の温度下で直接に反応させてＩＩＩ族原料ガス（例えばＡｌＣｌｘガス）を生じさせ、これとＮＨ３ガスとを反応させることによって、ＡｌＮ系ＩＩＩ族窒化物を生じさせ、これを例えば温度Ｔ１（１１５０℃）に加熱された基板上でエピタキシャル成長させた。Ｔ１は１０００℃〜１８００℃の温度範囲から選択することができる。反応管内のボートには、金属Ａｌ原料を保持しＩＩＩ族元素としては、Ａｌを用いるものとした。なお、ＮＨ３ガスの流量は工程の各段階において、断りの説明のない限り、１．５ｓｌｍであることとした。また、Ｎ２ガスの流量は１．１ｓｌｍである。
【００２２】
なお、第1のＡｌＮ層の成長においては、反応管内の圧力を３０Ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）に設定するとともに、反応管内の気体反応領域の温度が５５０℃となるように、かつ、基板温度がＴ１（１１５０℃）となるように、昇温を行った（図１２参照）。昇温中（時刻０〜ｔ１：図１２参照）は、ＮＨ３とＮ２ガスのみを供給した。反応管内の圧力および温度が安定した後、ＮＨ３とＮ２ガスを供給した状態でサファイア基板表面の清浄化（サーマルクリーニング）を１０分間（時刻ｔ１〜ｔ２：図１２参照）おこなった。なお、サーマルクリーニング時の基板温度は９００〜１４００℃の範囲がよい。
【００２３】
その後、さらにＨ２ガスとＨ２希釈したＨＣｌガスとを所定のガス導入管を介してボートの近傍へと供給し、生じたＡｌＣｌｘガスをサセプタに保持された基板の近傍へ供給させることで、第１のＡｌＮ層（図７のＡｌＮ層２の下半分の領域）を形成した。第１のＡｌＮ層形成は１分間（時刻ｔ２〜ｔ３：図１２参照）おこない、第１のＡｌＮ層の層厚はおよそ５０ｎｍであったが、これは、サファイア表面の保護という理由から、２０〜５０ｎｍであることが好ましい。このときのＨ２ガスとＨＣｌガスの流量は、それぞれ０．２ｓｌｍｍ、０．０６ｓｌｍである。
【００２４】
次に、ＨＣｌガスの供給を止め、基板温度をＴ２（１５００℃）に昇温し、ＮＨ３とＮ２ガスを供給した状態で５分間（時刻ｔ４〜ｔ５：図１２参照）の熱処理をおこなった（窒化処理（＊））。この処理によって第１のＡｌＮ層の結晶歪がさらに緩和され、表面がより平坦化する。なお、基板温度Ｔ２は、１４００〜１８００℃の範囲が良好な結晶性を得るという観点からは好ましいが、この処理が無い場合でも、ある程度は良い結晶を得ることができる。
【００２５】
なお、第１のＡｌＮ層形成は、ＡｌＣｌｘガスを供給せず、サファイア表面のＮＨ３ガスによる窒化処理によって得ても良い。
【００２６】
その後、ＨＣｌガスの供給を再び開始し、温度Ｔ２のまま第１のＡｌＮ層の上に第２のＡｌＮ層を２０分間成長した（時刻ｔ５〜ｔ６：図１２参照）。ＨＣｌガスの流量は、０．０６ｓｌｍである。これらの工程により、合計の厚みがおよそ３μｍのＡｌＮ層２（厚さが１μｍを超えている）を得た。
（第２の結晶成長）
ＡｌＮ層の成長を行った後、そのＡｌＮ層の上に光半導体素子特性として結晶性の影響を最も受けるレーザ層構造の成長を行った。結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルミニウム（Ａｌ）原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ３）を用いた。キャリアガスとして、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）を用いた。
【００２７】
基板をＭＯＣＶＤ成長装置の反応室に導入後、水素およびアンモニア雰囲気中、基板温度が１０７５℃となるように昇温し、昇温後温度５分間の熱処理により、基板表面の清浄化を行った。
【００２８】
続いて、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層（ｎ型コンタクト層３）を２．８μｍ、ｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層（ｎ型クラッド層４）を６００ｎｍ、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層（第１ガイド層５）を９０ｎｍ、そしてＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ／Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ量子井戸層（活性層６）を成長した。さらに、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層（第２ガイド層７）を１２０ｎｍ、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層（ｐ型電子ブロック層８）を２０ｎｍ成長し、ｐ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層（ｐ型クラッド層９）を５００ｎｍ、ｐ型のＧａＮ層（ｐ型コンタクト層１１１）を２５ｎｍ、順に成長した。
（第１の素子加工：半導体メサ部形成）
次に、ｐ型コンタクト層１１１までを成長させた結晶基板をＭＯＣＶＤ室から取り出し、続いて、プラズマＣＶＤなどにより、ｐ型コンタクト層の全面にわたって厚さが約３００ｎｍのＳｉＯ２層を堆積させた。その後、このＳｉＯ２層上に対して通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、半導体メサ部の形状に対応したエッチングマスクを形成した。このエッチングマスクは、ｐ型コンタクト層上に所定の幅で事後的に光導波路方向となる方向に沿って延びた形状になっている。
【００２９】
次に、このエッチングマスクをマスクとして、ｎ型コンタクト層３が露出するまで、塩素（Ｃｌ２）ガスなどによるドライエッチングを行った。このエッチングにより、エッチングマスクで覆われていないｐ型コンタクト層１からｎ型クラッド層３までの部分が除去されるので、ｎ型クラッド層３からｐ型コンタクト層１１１までからなる半導体メサ部が形成される。その後、エッチングによりエッチングマスクを除去した。
（第２の素子加工：リッジ構造形成）
次に、同様にプラズマＣＶＤ法などにより、結晶基板全面上に厚さが約３００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁層１０を再度堆積させた。その後、エッチングマスクの形成の場合と同様な手順で、絶縁層１０上に対して通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、ｐ型コンタクト層１１１の中央領域上にエッチングマスクを形成した。エッチングマスクは、所定の幅でｐ型コンタクト層１１１の中央部を覆う形状になっている。
【００３０】
次に、このエッチングマスクをマスクとして、ｐ型クラッド層９の途中まで塩素（Ｃｌ２）ガスを用いてドライエッチングを行い、ｐ型コンタクト層１１１及びｐ型クラッド層１０からなる幅５μｍのリッジ構造を形成した。その後、エッチングによりエッチングマスクを除去した。なお、エッチングには、Ｃｌ２ガスに加えてＡｒガスを用いることもできる。
（第３の素子加工：電極形成）
続いて、再びプラズマＣＶＤなどによって、結晶基板全面に厚さが約３００ｎｍのＳｉＯ２層を再度堆積させた。このＳｉＯ２層の上にフォトリソグラフィー法により、負電極層１１３の形成領域を除いた領域を覆う所定形状のレジストパターンを形成した。その後、このレジストパターンをマスクとし、ＳｉＯ２層をエッチングし、負電極層１１３の形成領域に開口を形成した。
【００３１】
次に、真空蒸着法などにより、チタン（Ｔｉ）層およびアルミニウム（Ａｌ）層を順次形成した。引き続いて、有機溶剤などによってレジストパターンをその上に形成されたＴｉ層およびＡｌ層とともに剥離除去した。これによってＳｉＯ２層の開口を通じてｎ型コンタクト層に接触した負電極層１１３が形成された。なお、図７では、簡略化のため電極１１３の周囲の絶縁層の記載は省略している。
【００３２】
さらに、同様なプロセスで、リッジ構造の頂部のＳｉＯ２層を除去し、ｐ型コンタクト層を露出させた後、負電極層と同様な手順で、ｐ型コンタクト層と電気的に接続していると共にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなる正電極層１１２を形成した。
（第４の素子加工：共振面形成）
次に、リッジ構造の長手方向に垂直な平面（紙面に平行な平面）で、半導体基板をへき開することで、窒化物半導体発光素子の共振器構造を形成した。必要に応じて、塩素（Ｃｌ２）ガスなどによるドライエッチングで端面をエッチングするなどして、これを共振器構造の形成に用いてもよい。共振器長は例えば９００μｍが適当である。
【００３３】
その後、必要に応じて共振器の各端面に端面コーティングを施してもよい。このとき、例えば、フロント側の端面反射率は例えば５０％、リア側の端面反射率は例えば９９％である。コーティング材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＡｌＮなどである。
【００３４】
以上の工程により、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる本実施形態の光半導体素子（この場合はレーザ素子）が形成された。
【００３５】
Ａ面サファイア基板１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長した場合、Ｃ面のＡｌＮ層（半導体層）が成長する。このときサファイア基板のへき開面（Ｃ面）と半導体層のへき開面（Ｍ面）が同一面方位となり、特に作製する素子がレーザ素子である場合においては、へき開性に優れ平滑な共振面が得られ、レーザの発振閾値が低くなる格別の効果が得られた。
（素子の特性）
図８は、作製したレーザ素子を室温（２７℃）に保持し、パルス幅１０ｎｓのパルス駆動にて６８０ｍＡの電流を注入時したときに得られた発光スペクトルであり、図９は、注入電流を徐々に増加していったときの光出力の変化を示すグラフである。図８から明らかなように、３３７ｎｍといった容易には達成できない紫外線のレーザ発振が実現した。
【００３６】
また、レーザ発振が開始する閾値電流値は約５５０ｍＡであり、５μｍのリッジ幅と９００μｍの共振器長から算出される発振閾電流密度は約１２ｋＡ／ｃｍ２となり、短波長の紫外線半導体レーザとしては低い値が得られた。従来のより長い波長の紫外線半導体レーザの発振閾値と同程度の電流密度にて、より短波長でのレーザ発振が実現できた。
【００３７】
上述の素子特性の改善は、素子結晶の改善に起因する。素子結晶は、下地層の結晶状態に依存する。ここでは、第1のＡｌＮ層と、第2のＡｌＮ層の結晶状態について評価した。
【００３８】
サファイア基板１上に成長したＡｌＮ層において、Ｘ線ロッキングカーブ法（入射角ωスキャン）により評価した。なお、必要に応じて面内回転角φを回転させた。得られたＡｌＮ層の（００２）、（１０２）、（１００）面のＸ線ロッキングカーブを測定した。
【００３９】
図１は、第２のＡｌＮ層の成長温度Ｔ２を変えた場合（１４５０℃、１５００℃、１５５０℃）に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）（ａｒｃｓｅｃ）の値を示す図表である。ＮＨ３の流量は１．５ｓｌｍである。Ａ面サファイア基板とＣ面サファイア基板を用いた場合における、（００２）、（１０２）、（１００）面に関するＦＷＨＭが記載されている。なお、図１及び図３の各コラム内において、３つの数字が並んでいるものは、それぞれ左から順に、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、φが３０°、９０°、１５０°の場合のＦＷＨＭを示し、Ｃ面サファイア基板を用いた場合には、φが０°、６０°、１２０°の場合のＦＷＨＭを示している。
【００４０】
同図から明らかなように、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、ＦＷＨＭが、Ｃ面サファイア基板を用いた場合よりも小さくなっており、各温度において特に（１０２）面の結晶性が改善していることが分かる。また、結晶性の観点からは、温度Ｔ２としては、１５００℃近傍すなわち、１４５０℃より大きく１５５０℃未満が特に好ましい。
【００４１】
上述のＡ面サファイア基板上に形成した第１のＡｌＮ層（初期層）の（００２）、（１０２）、（１００）面に関する入射角スキャンによるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値はそれぞれ、およそ４００秒、５００秒、６５０秒であった（図３の右欄）。なお、上述の窒化処理（＊）を行った場合の初期層に関する結果は、図３の右欄（Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ）に示しており、この窒化処理を行わない場合の結果は、図３の左欄（Ｂｕｆｆｅｒ）に示してある。また、原子間力顕微鏡による表面平坦性の評価では、表面粗さのＲａ値は０．３ｎｍ程度であった。表面にはクラックも無く、結晶性に優れたＣ面ＡｌＮ単結晶層がＡ面サファイア基板上に形成された。
【００４２】
図２は、温度Ｔ２＝１５００℃とし、ＮＨ３の流量を変えた場合（１．０ｓｌｍ、１．５ｓｌｍ、２．０ｓｌｍ）に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。同図から明らかなように、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、ＦＷＨＭが、Ｃ面サファイア基板を用いた場合よりも小さくなっており、各流量において得に（１０２）面の結晶性が改善していることが分かる。また、結晶性の観点からは、ＮＨ３の流量としては、１．５ｓｌｍ近傍すなわち、１．０ｓｌｍより大きく２．０ｓｌｍ未満が特に好ましい。
【００４３】
図３は、ＮＨ３流量＝１．５ｓｌｍの場合における、第1のＡｌＮ層（初期層）のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。Ｂｕｆｆｅｒの列は、熱処理前の第1のＡｌＮ層の特性を示しており、Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎの列は、熱処理（時刻ｔ４〜ｔ５：図１２参照）後のＡｌＮ層の特性を示している。同図から明らかなように、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、ＦＷＨＭが、Ｃ面サファイア基板を用いた場合よりも小さくなっており、（１０２）面、（１００）面に関しては、温度Ｔ２＝１５００℃の熱処理によって、中央に位置する数値のＦＷＨＭが小さくなっている。結晶性改善の観点からは、熱処理時間（時刻ｔ４〜ｔ５：図１２参照）は、５分から３０分が好ましい。
【００４４】
図４は、各種温度で得られた結晶表面（第２のＡｌＮの表面）の原子間力顕微鏡像の図である。（ａ）はＴ２＝１４５０℃、（ｂ）はＴ２＝１５００℃、（ｃ）はＴ２＝１５５０℃の場合を示し、（ｄ）はサファイア基板の表面を示している。それぞれの表面粗さＲａは、写真の上部に記載されている通り、２．３６ｎｍ、０．３７ｎｍ、０．１８ｎｍ、０．１８ｎｍである。最小で０．１８ｎｍの表面粗さが得られたが、最大で２．３６ｎｍの表面粗さが得られた。
【００４５】
図５は、Ｔ２＝１５００℃とし、各種流量で得られた結晶表面（第２のＡｌＮの表面）の原子間力顕微鏡像の図である。（ａ）はＮＨ３流量＝１．０ｓｌｍ、（ｂ）はＮＨ３流量＝１．５ｓｌｍ、（ｃ）はＮＨ３流量＝２．０ｓｌｍの場合を示し、それぞれの表面粗さＲａは、写真の上部に記載されている通り、０．３１ｎｍ、０．３７ｎｍ、１４．７５ｎｍである。最小で０．３１ｎｍの表面粗さが得られたが、最大で１４．３６ｎｍの表面粗さが得られた。
【００４６】
図６は、ＮＨ３流量＝１．５ｓｌｍの場合の初期層（第１のＡｌＮ層）の表面の原子間力顕微鏡像の図である。（ａ）、（ｂ）は熱処理前の初期層の表面を示し、（Ａ），（Ｂ）はＴ２＝１５００℃の熱処理後の表面を示している。それぞれの表面粗さＲａは、写真の上部に記載されている通り、０．２８ｎｍ、０．２８ｎｍ、０．３２ｎｍ、０．２１ｎｍである。最小で０．２１ｎｍの表面粗さが得られたが、最大で０．３２ｎｍの表面粗さが得られた。
【００４７】
以上、説明したように、Ａ面サファイア基板を用いることによって、単一の成長方法（たとえばＨＶＰＥ法だけ）で結晶性に優れたＣ面ＡｌＮが得られる。また、ＡｌＮ層の厚みも、少なくとも１〜３μｍにおいて、クラックが生じず、結晶性が向上していた。また、Ａ面結晶の面内における熱膨張係数などの異方性という理由から、ＡｌＮ層の厚みは、３μｍ以上であってもクラックが生じないものと思われる。また、（１０２）面および（１００）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は格段に小さくなり、結晶性の高さが確認できる。また、Ｃ面サファイア上のＡｌＮには多数のクラックも生じている。
【００４８】
なお、表面に溝や凹凸構造を有するＡ面サファイア基板を用い、その上に同様な方法でＡｌＮを成長させることは、結晶の歪緩和の効果が期待できなお良い。また、本実施例で示した結晶成長方法および条件、プロセス方法および条件、光半導体素子の層組成や構造など一例であり、これに限定されるものではない。光半導体素子として、ＬＥＤ（図１０）やＰＤ（図１１）に本発明を適用することもできる。
【００４９】
図１０は、ＬＥＤの断面図である。
【００５０】
この素子は、Ａ面サファイア基板１１上に順次形成された、ＡｌＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１４、ＡｌＧａＮからなる活性層１５、ｐ型のＡｌＧａＮからなるキャリアブロック層１６、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１７を備え、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１８が形成され、その上にはＰ側の透明電極１９、Ｐ側の電極２０が形成されている。また、コンタクト層１３の表面領域の一部はエッチングされ、エッチングされた箇所に電極１２１が形成されている。各層の材料と形成方法は、上述のＬＤの場合と同様であるが、異なる材料として透明電極が用いられており、透明電極１９はＮｉ／Ａｕなどからなる。なお、光をサファイア側から取り出す場合には、透明電極に替えてＮｉ／Ａｇなどの紫外線に対して反射率の高い材料を用いることが望ましい。
【００５１】
図１１は、ＰＤの断面図である。
【００５２】
この素子は、Ａ面サファイア基板２１上に順次形成された、ＡｌＮ層２２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層２３、ＡｌＧａＮ層２４、ｐ型のＡｌＧａＮ層２５、Ｐ側の透明電極２６、Ｐ側の電極２７を備えている。また、コンタクト層２３の表面領域の一部はエッチングされ、エッチングされた箇所に電極２８が形成されている。各層の材料と形成方法は、上述のＬＥＤの場合と同様である。なお、上述の半導体の導電型（ｎ型、ｐ型）は、互いに入れ替えても動作させることができる。
【００５３】
以上、説明したように、上述の窒化物光半導体素子は、Ａ面サファイア基板（１，１１，２１）と、基板（１，１１，２１）上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層（２，１２，２２）と、ＡｌＮ層（２，１２，２２）上に形成されたｎ型（第１導電型）のＩＩＩ族窒化物系半導体層（４、１４，２３）と、ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層上に形成されたｐ型（第２導電型）のＩＩＩ族窒化物系半導体層（９、１７、２５）とを備えている。前記ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層（４、１４，２３）とｐ型（第２導電型）のＩＩＩ族窒化物系半導体層（９、１７、２５）との間には、発光素子においてはキャリアと光の閉じ込めを行うヘテロ接合が存在しており、ｐ型とｎ型の半導体層が存在することで、整流作用を有するダイオードとしても機能している。
【００５４】
また、上述の例では、ｎ型及びｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層は、それぞれＡｌＧａＮからなるが、紫外線を発生させるためには、Ａｌの組成比は０．２以上１．０以下であることが好ましく、この場合においても、本発明では良好な結晶性の素子を得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１１，２１…Ａ面サファイア基板、２，１２，２２…Ｃ面ＡｌＮ層、４，１４，２３…ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層、９，１７，２５…ｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物光半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ系）を用いた窒化物光半導体素子が知られている。例えば、「Ｃ面」サファイア基板上に、「Ｃ面」ＡｌＮ層を成長させ、その上に実効的な光半導体素子を作製することが知られている。また、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた光半導体素子としては、レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの発光素子の他、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子が知られている。これらの窒化物光半導体素子の特性および信頼性は、用いる半導体の結晶性に依存する。すなわち、結晶性の優れた窒化物光半導体を用いた場合には、優れた特性の光半導体素子が完成する。
【０００３】
特許文献１では、Ｃ面サファイア基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって、一旦、ＡｌＮ下地層を形成した後、水素化物気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）法によってＡｌＮ層を形成している。形成されるＡｌＮ層はＣ面である。なお、Ｃ面とは結晶の縦方向を意味するＣ軸に垂直な平面（０００１）面のことであり、Ａ面とはＣ面に垂直な（１１−２０）面のことである。成長後のＡｌＮ層の層厚は１０μｍ程度であるが、成長後にはクラックが発生しているものと推定される。特に、ＨＶＰＥ法では、界面部分での正確な条件制御が困難であるので、ＡｌＮ下地層を介さず直接にＡｌＮ単結晶層をＨＶＰＥ法にて単結晶基材上に成長させた場合、ＡｌＮ単結晶層の結晶品質は大幅に劣化してしまうことになるとしており、工程が複雑となる。この従来技術のＡｌＮ層の表面粗さは原子間力顕微鏡のＲａ値で２０ｎｍ以下である。
【０００４】
特許文献２は、圧電体薄層に関する技術であって、サファイア（１１−２０）面（（１１０）面とも言う）基板（Ａ面）上に、結晶面が（０００１）面（（００１）面とも言う）であるＡｌＮ層（Ｃ面ＡｌＮ層）を形成する技術が開示されている。
【０００５】
非特許文献１では、同様の化合物半導体を開示するが、そのＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）は、（０００２）面（（００２）面とも言う）に関しては、１７３−３１４秒であり、（１０−１２）面（（１０２）面とも言う）に関しては、１５７４−１９０５秒である。なお、（００２）面に関する結晶性が良くとも、（１０２）面に関する結晶性が悪い場合、発光素子では発光効率が悪くなり、受光素子では感度が悪くなる要因となる。この文献における表面粗さ（原子間力顕微鏡）のＲＭＳ値（Ｒａ相当）は、最も小さい値が得られた場合において２．３４ｎｍである。また、表面写真を観察すると、表面には大きなピットが多数確認され、表面状態も好ましいものではない。
【０００６】
非特許文献２は、ＭＯＣＶＤ法によって製造された紫外ＬＥＤについて開示している。Ｃ面サファイア基板上にＣ面ＡｌＮ層が形成されたテンプレートが使用されているが、ＡｌＮ層の層厚は１μｍである。この文献におけるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）は、（０００２）面（（００２）面とも言う）に関しては６０秒であり、（１０−１２）面（（１０２）面とも言う）に関しては１２００秒である。
【０００７】
なお、短波長（紫外線域）の光に関する光半導体素子用の半導体結晶では、素子を構成するたとえばＡｌＧａＮ層のＡｌの組成を高くする必要がある。このとき、結晶格子間隔が大きく異なるため、ＡｌＧａＮ層に大きな引っ張り歪みが発生し多数のクラックが発生する。これを抑制するために、結晶品質に優れ、ＡｌＧａＮより格子間隔の小さいＡｌＮを下地層とすることが、光半導体素子を実現する上で望ましい。
【０００８】
また、上述のように、特性の良好な光半導体素子を作製するには、ＡｌＧａＮ層において高い結晶性が要求される。しかしながら、良質で大型のＡｌＮバルク基板は現在得られておらず、「Ｃ面」サファイア基板上に、「Ｃ面」ＡｌＮ層を０．８〜１μｍ程度成長したものが使われはじめている程度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−３２１７０５号公報
【特許文献２】特開平０５−３２７３９８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】''Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｔｈｉｃｋ ＡｌＮ Ｌａｙｅｒ ｂｙ Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ''， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． １７， ２００５， ｐｐ． Ｌ ５０５-Ｌ ５０７．
【非特許文献２】''ＡｌＧａＮ−Ｂａｓｅｄ Ｄｅｅｐ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ Ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ＡｌＮ／Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅｓ''， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」， Ｖｏｌ． ４７， Ｎｏ． １， ２００８， ｐｐ． ４３-４６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このような背景のもと、高Ａｌ組成であっても、良質でかつクラックの無い高品質なＡｌＧａＮ層構造による窒化物光半導体素子の実現が求められている。確かに、「Ｃ面」サファイア基板上に、「Ｃ面」ＡｌＮ層を形成した基板を用いたＬＥＤは実現されているものの（非特許文献１参照）、その結晶品質が十分でないために、より高品質の結晶性が要求されるＬＤは、この基板を用いて実現されていない。すなわち、結晶品質を高めるため、ＡｌＮ層の厚みを１〜３μｍ程度に増加させると、クラックが発生してしまい、結晶性が良好な素子を形成することができなくなる。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、結晶性が良好な素子窒化物光半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の課題を解決するため、本発明に係る窒化物光半導体素子は、Ａ面サファイア基板と、前記基板上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上に形成された第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、前記第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層上に形成された第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、を備えることを特徴とする。本発明では、Ａ面サファイア基板上に、１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層を成長することによって、これにクラックが発生せず、平坦性と結晶性に優れたＣ面ＡｌＮ層が得られることを発見した。
【００１４】
このように形成されたＡｌＮ層上に、第１導電及び第２導電型の半導体層を含む半導体素子を成長させることによって、良好な特性を有する窒化物光半導体素子を得ることができる。また、この構造では、サファイア基板と、ＡｌＮ層のへき開面を一致させることができるため、光半導体素子としてレーザ素子を採用する場合には、共振器の端面となるへき開面を容易に形成することができるという利点もある。なお、ＩＩＩ族窒化物系半導体層としてはＡｌＧａＮ系の化合物半導体層が好ましい。
【００１５】
また、前記第１及び第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層は、それぞれＡｌＧａＮからなり、Ａｌの組成比は０．２以上１．０以下であることが好ましい。本発明では、このように高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層の形成においても、良好な結晶のものを得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の窒化物光半導体素子によれば、窒化物半導体層を含む複数の半導体層を厚く積層成長しても、クラックの発生が抑制されかつ、結晶性に優れた化合物半導体からなるものとなっている。これによって、クラックに影響されない歩留まりの高い状態で、特性に優れた窒化物光半導体素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】成長温度を変えた場合に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。
【図２】流量を変えた場合に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。
【図３】初期層のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。
【図４】各種温度で得られた結晶表面の電子顕微鏡写真の図である。
【図５】各種流量で得られた結晶表面の電子顕微鏡写真の図である。
【図６】初期層の表面の電子顕微鏡写真の図である。
【図７】ＬＤの断面図である。
【図８】ＬＤの出射光の波長（ｎｍ）と光強度（arb. unit）との関係を示すグラフである。
【図９】ＬＤの駆動電流（ｍＡ）と光強度（arb. unit）との関係を示すグラフである。
【図１０】ＬＥＤの断面図である。
【図１１】ＰＤの断面図である。
【図１２】製造温度のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、実施の形態に係る窒化物光半導体素子について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
図７は、窒化物光半導体としての半導体レーザ素子（ＬＤ）の断面図である。この素子は、Ａ面サファイア基板１上に順次形成された、ＡｌＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層４、ＡｌＧａＮからなるガイド層５、ＡｌＧａＮからなる活性層６、ＡｌＧａＮからなるガイド層７、ｐ型のＡｌＧａＮからなるキャリアブロック層８、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層９を備え、クラッド層９上には絶縁層（ＳｉＯ２）１０が形成されており、絶縁層１０に設けられた開口内には、クラッド層９と共にｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１１が形成され、その上にはＰ側の電極１１２が形成されている。また、コンタクト層３の表面領域の一部はエッチングされ、エッチングされた箇所にｎ側の電極１１３が形成されている。各層の結晶性は、その下地層の結晶性に依存するため、下地層の結晶性が重要である。
【００２０】
上述の素子において、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶を形成する場合、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の化学的気相成長法や、分子線成長法（ＭＢＥ法）、昇華法、フラックス法等を用いることができる。原料コスト及び形成速度の観点では、ＨＶＰＥ法が好適である。一方、ＭＯＣＶＤ法では、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの組成を制御し易く、さらにＳｉやＭｇなどのドーピングによりｎ型やｐ型の半導体結晶を精度良く作製するのに好適である。以下には、ＡｌＮ層の作製をＨＶＰＥで行い、その後レーザ結晶の成長をＭＯＣＶＤで行う実施の例について示すが、この成長法の組み合わせに限るものではない。また、素子の加工に用いる各種方法もここで示したものに限るものではない。
【００２１】
上述のレーザ素子を製造した。以下、詳説する。
（第１の結晶成長）
まず、２インチ径の厚さ４３０μｍ程度の（１１−２０）Ａ面サファイア単結晶基板を用意し、これをＨＶＰＥ装置の反応管のサセプタに載置した。ＨＶＰＥ法の場合、ＡｌなどのＩＩＩ族金属と、ＨＣｌガスなどのハイドライドガスとを５００℃〜７００℃程度の温度下で直接に反応させてＩＩＩ族原料ガス（例えばＡｌＣｌｘガス）を生じさせ、これとＮＨ３ガスとを反応させることによって、ＡｌＮ系ＩＩＩ族窒化物を生じさせ、これを例えば温度Ｔ１（１１５０℃）に加熱された基板上でエピタキシャル成長させた。Ｔ１は１０００℃〜１８００℃の温度範囲から選択することができる。反応管内のボートには、金属Ａｌ原料を保持しＩＩＩ族元素としては、Ａｌを用いるものとした。なお、ＮＨ３ガスの流量は工程の各段階において、断りの説明のない限り、１．５ｓｌｍであることとした。また、Ｎ２ガスの流量は１．１ｓｌｍである。
【００２２】
なお、第1のＡｌＮ層の成長においては、反応管内の圧力を３０Ｔｏｒｒ（４０００Ｐａ）に設定するとともに、反応管内の気体反応領域の温度が５５０℃となるように、かつ、基板温度がＴ１（１１５０℃）となるように、昇温を行った（図１２参照）。昇温中（時刻０〜ｔ１：図１２参照）は、ＮＨ３とＮ２ガスのみを供給した。反応管内の圧力および温度が安定した後、ＮＨ３とＮ２ガスを供給した状態でサファイア基板表面の清浄化（サーマルクリーニング）を１０分間（時刻ｔ１〜ｔ２：図１２参照）おこなった。なお、サーマルクリーニング時の基板温度は９００〜１４００℃の範囲がよい。
【００２３】
その後、さらにＨ２ガスとＨ２希釈したＨＣｌガスとを所定のガス導入管を介してボートの近傍へと供給し、生じたＡｌＣｌｘガスをサセプタに保持された基板の近傍へ供給させることで、第１のＡｌＮ層（図７のＡｌＮ層２の下半分の領域）を形成した。第１のＡｌＮ層形成は１分間（時刻ｔ２〜ｔ３：図１２参照）おこない、第１のＡｌＮ層の層厚はおよそ５０ｎｍであったが、これは、サファイア表面の保護という理由から、２０〜５０ｎｍであることが好ましい。このときのＨ２ガスとＨＣｌガスの流量は、それぞれ０．２ｓｌｍｍ、０．０６ｓｌｍである。
【００２４】
次に、ＨＣｌガスの供給を止め、基板温度をＴ２（１５００℃）に昇温し、ＮＨ３とＮ２ガスを供給した状態で５分間（時刻ｔ４〜ｔ５：図１２参照）の熱処理をおこなった（窒化処理（＊））。この処理によって第１のＡｌＮ層の結晶歪がさらに緩和され、表面がより平坦化する。なお、基板温度Ｔ２は、１４００〜１８００℃の範囲が良好な結晶性を得るという観点からは好ましいが、この処理が無い場合でも、ある程度は良い結晶を得ることができる。
【００２５】
なお、第１のＡｌＮ層形成は、ＡｌＣｌｘガスを供給せず、サファイア表面のＮＨ３ガスによる窒化処理によって得ても良い。
【００２６】
その後、ＨＣｌガスの供給を再び開始し、温度Ｔ２のまま第１のＡｌＮ層の上に第２のＡｌＮ層を２０分間成長した（時刻ｔ５〜ｔ６：図１２参照）。ＨＣｌガスの流量は、０．０６ｓｌｍである。これらの工程により、合計の厚みがおよそ３μｍのＡｌＮ層２（厚さが１μｍを超えている）を得た。
（第２の結晶成長）
ＡｌＮ層の成長を行った後、そのＡｌＮ層の上に光半導体素子特性として結晶性の影響を最も受けるレーザ層構造の成長を行った。結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルミニウム（Ａｌ）原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ３）を用いた。キャリアガスとして、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）を用いた。
【００２７】
基板をＭＯＣＶＤ成長装置の反応室に導入後、水素およびアンモニア雰囲気中、基板温度が１０７５℃となるように昇温し、昇温後温度５分間の熱処理により、基板表面の清浄化を行った。
【００２８】
続いて、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層（ｎ型コンタクト層３）を２．８μｍ、ｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層（ｎ型クラッド層４）を６００ｎｍ、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層（第１ガイド層５）を９０ｎｍ、そしてＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎ／Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ量子井戸層（活性層６）を成長した。さらに、Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層（第２ガイド層７）を１２０ｎｍ、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層（ｐ型電子ブロック層８）を２０ｎｍ成長し、ｐ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層（ｐ型クラッド層９）を５００ｎｍ、ｐ型のＧａＮ層（ｐ型コンタクト層１１１）を２５ｎｍ、順に成長した。
（第１の素子加工：半導体メサ部形成）
次に、ｐ型コンタクト層１１１までを成長させた結晶基板をＭＯＣＶＤ室から取り出し、続いて、プラズマＣＶＤなどにより、ｐ型コンタクト層の全面にわたって厚さが約３００ｎｍのＳｉＯ２層を堆積させた。その後、このＳｉＯ２層上に対して通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、半導体メサ部の形状に対応したエッチングマスクを形成した。このエッチングマスクは、ｐ型コンタクト層上に所定の幅で事後的に光導波路方向となる方向に沿って延びた形状になっている。
【００２９】
次に、このエッチングマスクをマスクとして、ｎ型コンタクト層３が露出するまで、塩素（Ｃｌ２）ガスなどによるドライエッチングを行った。このエッチングにより、エッチングマスクで覆われていないｐ型コンタクト層１からｎ型クラッド層３までの部分が除去されるので、ｎ型クラッド層３からｐ型コンタクト層１１１までからなる半導体メサ部が形成される。その後、エッチングによりエッチングマスクを除去した。
（第２の素子加工：リッジ構造形成）
次に、同様にプラズマＣＶＤ法などにより、結晶基板全面上に厚さが約３００ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁層１０を再度堆積させた。その後、エッチングマスクの形成の場合と同様な手順で、絶縁層１０上に対して通常のフォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、ｐ型コンタクト層１１１の中央領域上にエッチングマスクを形成した。エッチングマスクは、所定の幅でｐ型コンタクト層１１１の中央部を覆う形状になっている。
【００３０】
次に、このエッチングマスクをマスクとして、ｐ型クラッド層９の途中まで塩素（Ｃｌ２）ガスを用いてドライエッチングを行い、ｐ型コンタクト層１１１及びｐ型クラッド層１０からなる幅５μｍのリッジ構造を形成した。その後、エッチングによりエッチングマスクを除去した。なお、エッチングには、Ｃｌ２ガスに加えてＡｒガスを用いることもできる。
（第３の素子加工：電極形成）
続いて、再びプラズマＣＶＤなどによって、結晶基板全面に厚さが約３００ｎｍのＳｉＯ２層を再度堆積させた。このＳｉＯ２層の上にフォトリソグラフィー法により、負電極層１１３の形成領域を除いた領域を覆う所定形状のレジストパターンを形成した。その後、このレジストパターンをマスクとし、ＳｉＯ２層をエッチングし、負電極層１１３の形成領域に開口を形成した。
【００３１】
次に、真空蒸着法などにより、チタン（Ｔｉ）層およびアルミニウム（Ａｌ）層を順次形成した。引き続いて、有機溶剤などによってレジストパターンをその上に形成されたＴｉ層およびＡｌ層とともに剥離除去した。これによってＳｉＯ２層の開口を通じてｎ型コンタクト層に接触した負電極層１１３が形成された。なお、図７では、簡略化のため電極１１３の周囲の絶縁層の記載は省略している。
【００３２】
さらに、同様なプロセスで、リッジ構造の頂部のＳｉＯ２層を除去し、ｐ型コンタクト層を露出させた後、負電極層と同様な手順で、ｐ型コンタクト層と電気的に接続していると共にニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）との積層体からなる正電極層１１２を形成した。
（第４の素子加工：共振面形成）
次に、リッジ構造の長手方向に垂直な平面（紙面に平行な平面）で、半導体基板をへき開することで、窒化物半導体発光素子の共振器構造を形成した。必要に応じて、塩素（Ｃｌ２）ガスなどによるドライエッチングで端面をエッチングするなどして、これを共振器構造の形成に用いてもよい。共振器長は例えば９００μｍが適当である。
【００３３】
その後、必要に応じて共振器の各端面に端面コーティングを施してもよい。このとき、例えば、フロント側の端面反射率は例えば５０％、リア側の端面反射率は例えば９９％である。コーティング材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＡｌＮなどである。
【００３４】
以上の工程により、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる本実施形態の光半導体素子（この場合はレーザ素子）が形成された。
【００３５】
Ａ面サファイア基板１上に、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長した場合、Ｃ面のＡｌＮ層（半導体層）が成長する。このときサファイア基板のへき開面（Ｃ面）と半導体層のへき開面（Ｍ面）が同一面方位となり、特に作製する素子がレーザ素子である場合においては、へき開性に優れ平滑な共振面が得られ、レーザの発振閾値が低くなる格別の効果が得られた。
（素子の特性）
図８は、作製したレーザ素子を室温（２７℃）に保持し、パルス幅１０ｎｓのパルス駆動にて６８０ｍＡの電流を注入時したときに得られた発光スペクトルであり、図９は、注入電流を徐々に増加していったときの光出力の変化を示すグラフである。図８から明らかなように、３３７ｎｍといった容易には達成できない紫外線のレーザ発振が実現した。
【００３６】
また、レーザ発振が開始する閾値電流値は約５５０ｍＡであり、５μｍのリッジ幅と９００μｍの共振器長から算出される発振閾電流密度は約１２ｋＡ／ｃｍ２となり、短波長の紫外線半導体レーザとしては低い値が得られた。従来のより長い波長の紫外線半導体レーザの発振閾値と同程度の電流密度にて、より短波長でのレーザ発振が実現できた。
【００３７】
上述の素子特性の改善は、素子結晶の改善に起因する。素子結晶は、下地層の結晶状態に依存する。ここでは、第1のＡｌＮ層と、第2のＡｌＮ層の結晶状態について評価した。
【００３８】
サファイア基板１上に成長したＡｌＮ層において、Ｘ線ロッキングカーブ法（入射角ωスキャン）により評価した。なお、必要に応じて面内回転角φを回転させた。得られたＡｌＮ層の（００２）、（１０２）、（１００）面のＸ線ロッキングカーブを測定した。
【００３９】
図１は、第２のＡｌＮ層の成長温度Ｔ２を変えた場合（１４５０℃、１５００℃、１５５０℃）に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）（ａｒｃｓｅｃ）の値を示す図表である。ＮＨ３の流量は１．５ｓｌｍである。Ａ面サファイア基板とＣ面サファイア基板を用いた場合における、（００２）、（１０２）、（１００）面に関するＦＷＨＭが記載されている。なお、図１及び図３の各コラム内において、３つの数字が並んでいるものは、それぞれ左から順に、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、φが３０°、９０°、１５０°の場合のＦＷＨＭを示し、Ｃ面サファイア基板を用いた場合には、φが０°、６０°、１２０°の場合のＦＷＨＭを示している。
【００４０】
同図から明らかなように、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、ＦＷＨＭが、Ｃ面サファイア基板を用いた場合よりも小さくなっており、各温度において特に（１０２）面の結晶性が改善していることが分かる。また、結晶性の観点からは、温度Ｔ２としては、１５００℃近傍すなわち、１４５０℃より大きく１５５０℃未満が特に好ましい。
【００４１】
上述のＡ面サファイア基板上に形成した第１のＡｌＮ層（初期層）の（００２）、（１０２）、（１００）面に関する入射角スキャンによるＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値はそれぞれ、およそ４００秒、５００秒、６５０秒であった（図３の右欄）。なお、上述の窒化処理（＊）を行った場合の初期層に関する結果は、図３の右欄（Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ）に示しており、この窒化処理を行わない場合の結果は、図３の左欄（Ｂｕｆｆｅｒ）に示してある。また、原子間力顕微鏡による表面平坦性の評価では、表面粗さのＲａ値は０．３ｎｍ程度であった。表面にはクラックも無く、結晶性に優れたＣ面ＡｌＮ単結晶層がＡ面サファイア基板上に形成された。
【００４２】
図２は、温度Ｔ２＝１５００℃とし、ＮＨ３の流量を変えた場合（１．０ｓｌｍ、１．５ｓｌｍ、２．０ｓｌｍ）に得られた結晶のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。同図から明らかなように、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、ＦＷＨＭが、Ｃ面サファイア基板を用いた場合よりも小さくなっており、各流量において得に（１０２）面の結晶性が改善していることが分かる。また、結晶性の観点からは、ＮＨ３の流量としては、１．５ｓｌｍ近傍すなわち、１．０ｓｌｍより大きく２．０ｓｌｍ未満が特に好ましい。
【００４３】
図３は、ＮＨ３流量＝１．５ｓｌｍの場合における、第1のＡｌＮ層（初期層）のＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＦＷＨＭ）の値を示す図表である。Ｂｕｆｆｅｒの列は、熱処理前の第1のＡｌＮ層の特性を示しており、Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎの列は、熱処理（時刻ｔ４〜ｔ５：図１２参照）後のＡｌＮ層の特性を示している。同図から明らかなように、Ａ面サファイア基板を用いた場合には、ＦＷＨＭが、Ｃ面サファイア基板を用いた場合よりも小さくなっており、（１０２）面、（１００）面に関しては、温度Ｔ２＝１５００℃の熱処理によって、中央に位置する数値のＦＷＨＭが小さくなっている。結晶性改善の観点からは、熱処理時間（時刻ｔ４〜ｔ５：図１２参照）は、５分から３０分が好ましい。
【００４４】
図４は、各種温度で得られた結晶表面（第２のＡｌＮの表面）の原子間力顕微鏡像の図である。（ａ）はＴ２＝１４５０℃、（ｂ）はＴ２＝１５００℃、（ｃ）はＴ２＝１５５０℃の場合を示し、（ｄ）はサファイア基板の表面を示している。それぞれの表面粗さＲａは、写真の上部に記載されている通り、２．３６ｎｍ、０．３７ｎｍ、０．１８ｎｍ、０．１８ｎｍである。最小で０．１８ｎｍの表面粗さが得られたが、最大で２．３６ｎｍの表面粗さが得られた。
【００４５】
図５は、Ｔ２＝１５００℃とし、各種流量で得られた結晶表面（第２のＡｌＮの表面）の原子間力顕微鏡像の図である。（ａ）はＮＨ３流量＝１．０ｓｌｍ、（ｂ）はＮＨ３流量＝１．５ｓｌｍ、（ｃ）はＮＨ３流量＝２．０ｓｌｍの場合を示し、それぞれの表面粗さＲａは、写真の上部に記載されている通り、０．３１ｎｍ、０．３７ｎｍ、１４．７５ｎｍである。最小で０．３１ｎｍの表面粗さが得られたが、最大で１４．３６ｎｍの表面粗さが得られた。
【００４６】
図６は、ＮＨ３流量＝１．５ｓｌｍの場合の初期層（第１のＡｌＮ層）の表面の原子間力顕微鏡像の図である。（ａ）、（ｂ）は熱処理前の初期層の表面を示し、（Ａ），（Ｂ）はＴ２＝１５００℃の熱処理後の表面を示している。それぞれの表面粗さＲａは、写真の上部に記載されている通り、０．２８ｎｍ、０．２８ｎｍ、０．３２ｎｍ、０．２１ｎｍである。最小で０．２１ｎｍの表面粗さが得られたが、最大で０．３２ｎｍの表面粗さが得られた。
【００４７】
以上、説明したように、Ａ面サファイア基板を用いることによって、単一の成長方法（たとえばＨＶＰＥ法だけ）で結晶性に優れたＣ面ＡｌＮが得られる。また、ＡｌＮ層の厚みも、少なくとも１〜３μｍにおいて、クラックが生じず、結晶性が向上していた。また、Ａ面結晶の面内における熱膨張係数などの異方性という理由から、ＡｌＮ層の厚みは、３μｍ以上であってもクラックが生じないものと思われる。また、（１０２）面および（１００）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅は格段に小さくなり、結晶性の高さが確認できる。また、Ｃ面サファイア上のＡｌＮには多数のクラックも生じている。
【００４８】
なお、表面に溝や凹凸構造を有するＡ面サファイア基板を用い、その上に同様な方法でＡｌＮを成長させることは、結晶の歪緩和の効果が期待できなお良い。また、本実施例で示した結晶成長方法および条件、プロセス方法および条件、光半導体素子の層組成や構造など一例であり、これに限定されるものではない。光半導体素子として、ＬＥＤ（図１０）やＰＤ（図１１）に本発明を適用することもできる。
【００４９】
図１０は、ＬＥＤの断面図である。
【００５０】
この素子は、Ａ面サファイア基板１１上に順次形成された、ＡｌＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１４、ＡｌＧａＮからなる活性層１５、ｐ型のＡｌＧａＮからなるキャリアブロック層１６、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１７を備え、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１８が形成され、その上にはＰ側の透明電極１９、Ｐ側の電極２０が形成されている。また、コンタクト層１３の表面領域の一部はエッチングされ、エッチングされた箇所に電極１２１が形成されている。各層の材料と形成方法は、上述のＬＤの場合と同様であるが、異なる材料として透明電極が用いられており、透明電極１９はＮｉ／Ａｕなどからなる。なお、光をサファイア側から取り出す場合には、透明電極に替えてＮｉ／Ａｇなどの紫外線に対して反射率の高い材料を用いることが望ましい。
【００５１】
図１１は、ＰＤの断面図である。
【００５２】
この素子は、Ａ面サファイア基板２１上に順次形成された、ＡｌＮ層２２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるコンタクト層２３、ＡｌＧａＮ層２４、ｐ型のＡｌＧａＮ層２５、Ｐ側の透明電極２６、Ｐ側の電極２７を備えている。また、コンタクト層２３の表面領域の一部はエッチングされ、エッチングされた箇所に電極２８が形成されている。各層の材料と形成方法は、上述のＬＥＤの場合と同様である。なお、上述の半導体の導電型（ｎ型、ｐ型）は、互いに入れ替えても動作させることができる。
【００５３】
以上、説明したように、上述の窒化物光半導体素子は、Ａ面サファイア基板（１，１１，２１）と、基板（１，１１，２１）上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層（２，１２，２２）と、ＡｌＮ層（２，１２，２２）上に形成されたｎ型（第１導電型）のＩＩＩ族窒化物系半導体層（４、１４，２３）と、ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層上に形成されたｐ型（第２導電型）のＩＩＩ族窒化物系半導体層（９、１７、２５）とを備えている。前記ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層（４、１４，２３）とｐ型（第２導電型）のＩＩＩ族窒化物系半導体層（９、１７、２５）との間には、発光素子においてはキャリアと光の閉じ込めを行うヘテロ接合が存在しており、ｐ型とｎ型の半導体層が存在することで、整流作用を有するダイオードとしても機能している。
【００５４】
また、上述の例では、ｎ型及びｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層は、それぞれＡｌＧａＮからなるが、紫外線を発生させるためには、Ａｌの組成比は０．２以上１．０以下であることが好ましく、この場合においても、本発明では良好な結晶性の素子を得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１１，２１…Ａ面サファイア基板、２，１２，２２…Ｃ面ＡｌＮ層、４，１４，２３…ｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層、９，１７，２５…ｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ面サファイア基板と、
前記基板上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に形成された第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、
前記第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層上に形成された第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、
を備えることを特徴とする窒化物光半導体素子。
【請求項２】
前記第１及び第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層は、それぞれＡｌＧａＮからなり、Ａｌの組成比は０．２以上１．０以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物光半導体素子。
【請求項１】
Ａ面サファイア基板と、
前記基板上に設けられた厚さが１μｍを超えるＣ面ＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上に形成された第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、
前記第１導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層上に形成された第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層と、
を備えることを特徴とする窒化物光半導体素子。
【請求項２】
前記第１及び第２導電型のＩＩＩ族窒化物系半導体層は、それぞれＡｌＧａＮからなり、Ａｌの組成比は０．２以上１．０以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物光半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−７７３４４（Ｐ２０１１−７７３４４Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２８０９５（Ｐ２００９−２２８０９５）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度採択課題、文部科学省、知的クラスター創成事業「東海広域ナノテクものづくりクラスター構想」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度採択課題、文部科学省、知的クラスター創成事業「東海広域ナノテクものづくりクラスター構想」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２６６９６）国立大学法人三重大学 (270)
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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