窒化物半導体素子の製造方法
【課題】結晶性の良い窒化物半導体よりなる窒化物半導体基板を用い裏面に電極を形成した発光素子、受光素子等の窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させ、前記基板を除去することによって得られた窒化物半導体基板であり、該窒化物半導体基板の表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで表面研磨した研磨面に成長される。好ましくは、前記表面の凹凸差が±０．５μｍ以下である。前記窒化物半導体基板はｎ型不純物がドープされている。
【解決手段】窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させ、前記基板を除去することによって得られた窒化物半導体基板であり、該窒化物半導体基板の表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで表面研磨した研磨面に成長される。好ましくは、前記表面の凹凸差が±０．５μｍ以下である。前記窒化物半導体基板はｎ型不純物がドープされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる基板の製造方法と、窒化物半導体基板を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ等の電子デバイスに使用される窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体を基板上に成長させる際、その成長させる半導体と格子整合した基板を用いると半導体の結晶欠陥が少なくなって結晶性が向上することが知られている。しかし、窒化物半導体は格子整合する基板が現在世の中に存在しないことから、一般にサファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子整合しない基板の上に成長されている。
【０００３】
一方、窒化物半導体と格子整合するＧａＮバルク結晶を作製する試みは、様々な研究機関において成されているが、未だに数ミリ程度のものしか得られたという報告しかされておらず、実用化には程遠い状態である。
【０００４】
ＧａＮ基板を作製する技術として、例えば特開平７−２０２２６５号公報、特開平７−１６５４９８号に、サファイア基板の上にＺｎＯよりなるバッファ層を形成して、そのバッファ層の上に窒化物半導体を成長させた後、バッファ層を溶解除去する技術が記載されている。しかしながらサファイア基板の上に成長されるＺｎＯバッファ層の結晶性は悪く、そのバッファ層の上に窒化物半導体を成長させても良質の窒化物半導体結晶を得ることは難しい。さらに、薄膜のＺｎＯよりなるバッファ層の上に、基板となるような厚膜の窒化物半導体を連続して成長させることも難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＥＤ素子、ＬＤ素子、受光素子等の数々の電子デバイスに使用される窒化物半導体素子を作製する際、窒化物半導体よりなる基板を作製することができれば、その基板の上に新たな窒化物半導体を成長させて、格子欠陥が少ない窒化物半導体が成長できるので、それら素子の結晶性が飛躍的に良くなり、従来実現されていなかった素子が実現できるようになる。従って本発明の目的とするところは、まず結晶性の良い窒化物半導体よりなる基板の製造方法と、窒化物半導体基板を用いた素子の新規な製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる厚さ１ｍｍ以上の基板の上に、後工程で成長させる窒化物半導体の成長温度より低温で０．３μｍ以下の膜厚を有するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦０．３）よりなるバッファ層を成長させた後、窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させた後、その基板を除去することを特徴とする。基板としては、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）若しくはスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を用いることが最も望ましい。また成長させる窒化物半導体はｎ型不純物をドープしない（ノンドープ）ＧａＮか、若しくはｎ型不純物を１×１０19／cm3以下の範囲で含むＧａＮを成長させることが最も望ましい。基板の厚さは１ｍｍ以上のものを使用する必要があり、１ｍｍよりも薄いと、成長中に高温のため基板が反って厚膜の窒化物半導体基板を成長できない。
【０００７】
本発明では窒化物半導体基板の成長法がハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）であることを特徴とする。ＨＶＰＥ法とは、ガリウム、アルミニウム、インジウム等の３族元素蒸気と、塩化水素等のハロゲンガスとを反応させて、３族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物等のハロゲン化物を得て、そのハロゲン化物をアンモニア、ヒドラジン等のＮ源と高温で反応させて窒化物半導体を得る方法である。塩化ガリウムとアンモニアとを反応させてＧａＮを得る方法が、従来より良く用いられる。また基板をＭＯＶＰＥ法で成長させることもできるが、ＨＶＰＥ法に比較して長時間を要する。
【０００８】
本発明の基板の製法は、窒化物半導体層を成長させる前に、その窒化物半導体層の成長温度よりも低温で０．３μｍ以下の膜厚を有する窒化物半導体よりなるバッファ層を成長させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の基板の製法は、成長された窒化物半導体基板は、２軸結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅（Full Width at Half Maximun、以下、単に半値幅という。）が５分以下であることを特徴とする。半値幅が５分よりも大きいと、窒化物半導体基板の上に成長する新規な窒化物半導体の結晶性が悪くなる。さらに、本発明の基板の製法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる前記基板は、研磨によって除去されることを特徴とする。溶解（ウエットエッチング）、ドライエッチング等の手段では、基板を除去しにくく、窒化物半導体基板にダメージを与えやすい傾向にある。
【００１０】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、後工程で成長させる窒化物半導体の成長温度より低温で０．３μｍ以下の膜厚を有するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦０．３）よりなるバッファ層を成長させ、その上に窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させる第１の工程と、第１の工程後、前記基板を除去することによって窒化物半導体基板を作製する第２の工程と、第２の工程後、表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで窒化物半導体基板を研磨する第３の工程と、第３の工程後、窒化物半導体基板の研磨面に新たに窒化物半導体を成長させる第４の工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、第１の工程は窒化物半導体をＨＶＰＥ法で成長させ、前記第４の工程は窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で成長させることを特徴とする。ＭＯＶＰＥ法とは３族元素の有機金属化合物よりなるガスと、アンモニア、ヒドラジン等の５族元素よりなるガスとを反応させて窒化物半導体を得る方法である。
【００１２】
窒化物半導体から成る基板上にＬＥＤ素子を有し、該ＬＥＤ素子は最上層のｐ型ＧａＮ層にＮｉとＡｕとを含む正電極、基板裏面側にＷとＳｉとＡｕよりなる負電極を設けたことを特徴とする窒化物半導体素子。前記ＬＥＤ素子は、基板上にＳｉドープのｎ型ＧａＮ層、その上にＳｉドープのｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とノンドープのＧａＮ層から成る超格子クラッド層、単一量子井戸構造から成る活性層、その上にＭｇドープのｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８ＮとＭｇドープのｐ型ＧａＮから成る超格子クラッド層、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮの順で形成され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。
【００１３】
窒化物半導体から成る基板上にＬＤ素子を有し、該ＬＤ素子はリッジ形状であって、リッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極をストライプ状に有し、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極を基板の裏面の８０％以上の面積に有することを特徴とする窒化物半導体素子。前記ＬＤ素子は、基板上にバッファ層、ｎ側コンタクト層、クラック防止層、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、キャップ層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層の順で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。前記窒化物半導体は１００μｍ以上の膜厚を有す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。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の方法によると、従来では作製できなかったＧａＮ基板ができるようになるので、ＧａＮ素子が従来のように絶縁性基板を使用しなくても良くなる。そのため同一面側に正電極と負電極とを取り出すフリップチップ形式ではなくて、ＧａＡｓを基板にしたデバイスのように基板側から電極が取り出せる構造となる。この窒化物半導体素子を発光デバイスにした際には、他の基板側から電極が取り出される構造のデバイスと同じ構造にできるため、端面発光型ディスプレイのような高精細画面も実現できる。またレーザ素子のような高温デバイスに使用した場合には、素子の結晶性、放熱性が良くなり素子寿命が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、異種材料よりなる基板の上に窒化物半導体を成長させるには、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等の気相成長法があるが、１００μｍ以上の膜厚で成長させるには、好ましくはＨＶＰＥ法を用いる。ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法を用いても良いが、１００μｍ以上の膜厚で成長させるには１０時間以上の長時間を要するため、工業的にはあまり好ましくない。
【００１６】
窒化物半導体基板の製造方法において重要なことは、１ｍｍ以上の異種基板の上に窒化物半導体を成長させることである。窒化物半導体は通常８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の温度で成長される。このような高温で窒化物半導体を成長させると、成長中に異種基板が反ってしまう。反った異種基板の上に１００μｍ以上の厚膜で窒化物半導体を成長させると、成長中に窒化物半導体にクラックが入ってしまい、結晶性の良い窒化物半導体を成長させることができない。しかしながら、１ｍｍ以上の異種基板を使用することにより、高温においても異種基板が反りにくくなるため、結晶性が良いままで厚膜の窒化物半導体膜を成長できる。基板の厚さは１ｍｍ以上、好ましくは１．２ｍｍ以上、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上の基板を用いる。上限としては特に限定するものではないが、３ｍｍ以下のものを用いることが望ましい。３ｍｍよりも厚いと、後で基板を除去するのに長時間を要する。基板としては、サファイア、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＳｉＣ等が挙げられるが、先にも述べたように、サファイア、スピネルは高温に対しても非常に安定であり、窒化物半導体を厚膜で成長させるのに適している。異種基板の上に成長させる窒化物半導体は１００μｍ以上で、できるだけ厚く成長させることが望ましい。好ましくは１５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上の膜厚で成長させる。上限については５００μｍ以下が望ましい。５００μｍ以上で成長させると窒化物半導体中に再びクラックが入りやすくなって結晶性が悪くなる傾向にある。
【００１７】
さらに、異種基板の上に窒化物半導体層を成長させる前に、窒化物半導体層の成長温度よりも低温で０．３μｍ以下の膜厚を有するバッファ層を成長させると結晶性の良い窒化物半導体が成長できる。バッファ層としては例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ等を成長させるが、好ましくはＧａＮ、Ａｌ組成Yが０．５以下のＡｌYＧａ1-YＮ、またＩｎ組成Xが０．３以下のＩｎXＧａ1-XＮを成長させることが望ましい。成長温度は窒化物半導体の成長温度よりも低温で成長させ、例えば２００℃〜９００℃の範囲でバッファ層を成長させることができる。
【００１８】
異種基板の上に成長させる窒化物半導体は、ノンドープのＧａＮ、若しくはｎ型不純物を１×１０19／cm3以下の範囲で含むＧａＮを成長させると、最も結晶性の良い窒化物半導体基板を作製できる。ｎ型不純物濃度は１×１０19／cm3を超えると結晶性が悪くなり、窒化物半導体のＸ線ロッキングカーブの半値幅も長くなるし、また結晶中にクラックが入りやすくなる。但し、ＨＶＰＥ法のような反応容器に石英ガラスを用いる方法では、石英からの不純物としてＳｉ、Ｏ等のｎ型不純物が混入する。しかしながら、不純物の混入をできるだけ少なくして前記範囲に抑えることにより結晶性の良い窒化物半導体基板が作製できる。一方、ＭＯＶＰＥ法を用いて意図的にドープする不純物としては第４族元素、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等が挙げられる。
【００１９】
さらに、窒化物半導体のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５分以内、さらに望ましくは３分以内の窒化物半導体結晶を成長させることにより、異種基板を除去する工程においても、窒化物半導体層にダメージを与えにくく、１００μｍ以上の窒化物半導体が良好な結晶性を保ったまま、新規な窒化物半導体素子を作製する際の基板として用いることができる。
【００２０】
本発明の基板の製造方法では、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を、研磨によって除去することが望ましい。研磨にはダイヤモンド、ＳｉＣ等の微粉末を研磨剤に用いる。一方、ドライエッチング、ウエットエッチング等の、エッチング手段では窒化物半導体基板にダメージを与えやすい傾向にあり、研磨に比較してさらに長時間を要するため、あまり好ましくはない。
【００２１】
一方、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体基板を用いた素子の製造方法であり、本発明の素子の製造方法では異種基板の厚さは特に限定しない。重要なことは、基板を除去した後に、窒化物半導体基板の表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで窒化物半導体基板表面を研磨する第３の工程である。凹凸差が±１μｍ以上あると、窒化物半導体基板の上に成長させる窒化物半導体の膜質が不安定になりやすく、結晶性の良い素子が作製できない。
【００２２】
次に、本発明の素子の製造方法の第１の工程において、異種基板の上に窒化物半導体を１００μｍ以上成長させるには、ＨＶＰＥ、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ等があるが、好ましくはＨＶＰＥ、ＭＯＶＰＥを用い、最も好ましくはＨＶＰＥ法で成長させる。ＨＶＰＥ法であれば、迅速に厚膜の窒化物半導体基板が成長させやすい。また前記第４の工程において、窒化物半導体基板の上に素子を作製するには、ＨＶＰＥ方を用いても良いが、最も好ましくはＭＯＶＰＥ法を用いる。ＭＯＶＰＥは窒化物半導体の膜厚を制御しやすく、さらに、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体を成長させる際に、ＨＶＰＥ方に比べてクラックが入りにくくできる。さらにＨＶＰＥ方ではＡｌの塩化物はＨＶＰＥ装置に使用される石英ガラスと激しく反応するため、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させることは困難である。そのため、第１の工程の窒化物半導体基板はＡｌを含まないＧａＮよりなる基板を作製することが最も望ましい。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法において、好ましくは窒化物半導体の成長面を、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板が接していた窒化物半導体基板の研磨面とする。この際、異種基板の上に成長させてあるバッファ層は研磨によって除去し、バッファ層を除去した窒化物半導体基板の研磨面を成長面とすることは当然である。なお研磨後の窒化物半導体基板のＸ線ロッキングカーブの半値幅は５分以下、さらに好ましくは３分以下であることが望ましい。窒化物半導体の結晶性を評価するこの半値幅は、予め第１の工程において窒化物半導体基板を成長させた時にほとんど決まっている。しかしながら、異種基板に近い側に成長させた側の窒化物半導体の結晶性は、異種基板に遠いに成長させた窒化物半導体よりもクラックが少なく、さらに結晶欠陥が少ない傾向にある。そのため、異種基板を除去した側の方の窒化物半導体の結晶が良くなるため、その側を新たな窒化物半導体素子の成長面とすることにより結晶性の良い窒化物半導体素子が得られる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の窒化物半導体基板の製造方法を説明する。
［実施例１］（ＨＶＰＥ）
石英よりなる反応容器管の内部にＧａメタルを入れた石英ボートを設置する。さらに石英ボートから離れた位置に、斜めに傾けた厚さ１．２ｍｍ、２インチφのサファイア基板を設置する。なお、反応容器内のＧａメタルに接近した位置にはハロゲンガス供給管が設けられ、ハロゲンガス供給間とは別に、サファイア基板に接近した位置にはＮ源供給管が設けられている。
【００２５】
ハロゲンガス管より窒素キャリアガスと主に、ＨＣｌガスをガスを導入する。この際Ｇａメタルのボートは９００℃に加熱し、サファイア基板側は５１０℃に加熱してある。そして、ＨＣｌガスとＧａを反応させてＧａＣｌ3を生成させ、サファイア基板側に接近したＮ源供給管からはアンモニアガスを同じく窒素キャリアガスと主に供給し、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２６】
バッファ層成長後、サファイア基板側の温度を１０５０℃に上昇させ、成長速度０．５μｍ／分で１０時間成長を行い、厚さ３００μｍのＧａＮを成長させる。
【００２７】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、さらにＧａＮウェーハをＧａＮの分解圧以上に加圧した密閉容器中で、１１００℃で５分間アニーリングする。このように、ＧａＮの分解圧以上に加圧した窒素雰囲気中でアニーリングすることによりＧａＮの結晶欠陥が少なくなって結晶性が良くなる傾向にある。
【００２８】
アニーリング後、ウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、サファイア基板側をラッピングし、サファイア基板とバッファ層を除去する。続いて、さらに細かいダイヤモンド研磨剤を用いてポリシングして、厚さ２９５μｍのＧａＮ基板を得る。
【００２９】
以上のようにして得られた窒化物半導体基板を研磨装置より取り出し、研磨側の窒化物半導体基板の凹凸を測定したところ、±０．５μｍ以内であった。さらに研磨面からＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定するとおよそ３分であり、結晶性の良いＧａＮ基板が得られていることが判明した。なおこのＧａＮ基板には不純物としてＳｉが５×１０17／cm3以下、Ｏが１×１０16／cm3以下含まれていることがＳＩＭＳにより判明した。これは原料ガスのＨＣｌ、及び石英反応容器から混入したものと推察される。
【００３０】
［実施例２］（ＭＯＶＰＥ）
特開平４−１６４８９５号公報、第２図に示すＭＯＶＰＥ装置を用い、厚さ１．０ｍｍ、２インチφのサファイア（Ｃ面）基板を、この装置の反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００３１】
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
次に、温度を１０５０℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、成長速度０．１μｍ／分で、２４時間成長させ、膜厚１４４μｍのノンドープＧａＮ層を成長させる。
【００３３】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、実施例１と同様にして、ＧａＮウェーハをＧａＮの分解以上に加圧した密閉容器中で、１１００℃で５分間アニーリングした後、サファイア基板側をラッピング、ポリシングして、厚さ１４０μｍのＧａＮ基板を得る。さらに、研磨側の窒化物半導体基板の凹凸を測定したところ、±０．５μｍ以内であった。さらに研磨面からＸ線ロッキングカープの半値幅を測定するとおよそ２分であり、結晶性の良いＧａＮ基板が得られていることが判明した。
【００３４】
［比較例１］
実施例１において、厚さ９００μｍのサファイア基板を用いる他は、同様にしてＧａＮを成長させたところ、研磨側のＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅が８分であり、実施例１に比較して、ＧａＮ基板の結晶性が倍以上劣っていることが判明した。さらに、８００μｍのものは成長中に基板が割れてしまった。
【００３５】
次に、以下の実施例は本発明の素子について説明する。
［実施例３］
実施例１で得られたＧａＮ基板を特開平４−１６４８９５号公報、第２図に示すＭＯＶＰＥ装置を用い、この装置の反応容器内にセットし、１０５０℃にて、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。なお、ｎ型ＧａＮの成長面は、基板研磨面であることは言うまでもない。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＮの上に、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてノンドープのＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層を成長させる。このようにｎ型窒化物半導体層を含む超格子層を活性層を成長させる前に成長させることにより窒化物半導体素子の出力が飛躍的に向上する。
【００３７】
次に８００℃で、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる膜厚３０オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
【００３８】
次に、活性層の上にＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層を成長させる。このようにｐ型窒化物半導体層を含む超格子層を活性層を成長させた後に成長させることにより窒化物半導体素子の出力が飛躍的に向上する。なお超格子層はｎ型層側、ｐ型層側のいずれか一方、若しくは両方の層に存在させることができる。
【００３９】
次にこのｐ側クラッド層５の上にＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ層を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４０】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００４１】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮ層にＮｉとＡｕとを含む正電極、基板裏面側にＷとＳｉとＡｕよりなる負電極とを設けた後、３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、Ｖｆは３．２Ｖ、出力は８ｍＷもあった。
【００４２】
［比較例２］
実施例１で得られたＧａＮ基板の研磨面の凹凸が±１．５μｍのものを用いる他は実施例３と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、同じくＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．２Ｖであったが、出力が３ｍＷでしかなかった。これは基板凹凸が直接窒化物半導体の結晶性に影響したものであると推定する。
【００４３】
［実施例４］
図１は実施例４により得られたレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示している。以下、この図面を元に本発明のレーザ素子について説明する。
【００４４】
実施例１で得られたＧａＮ基板２１を、特開平４−１６４８９５号公報、第２図に示すＭＯＶＰＥ装置の反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００４５】
続いて、温度を５１０℃℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧを用い、基板２１上にＧａＮよりなるバッファ層２２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層２２はＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が℃以下の温度で、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームで形成できる。このバッファ層は窒化物半導体の成長方法によっては省略することも可能である。
【００４６】
（ｎ側コンタクト層２３）
バッファ層２２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、ＴＭＡとアンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
（クラック防止層２４）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層２４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層２４はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層２４は、省略することもできる。
【００４８】
（ｎ側クラッド層２５）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止め、ノンドープのＧａＮよりなる第２層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、それぞれ第１層を１００層、第２層を１００層交互に積層し、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層２５を形成する。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４０オングストローム以下の互いに組
成が異なる窒化物半導体を積層した超格子層は、その単一層が弾性臨界膜厚以下となっているため、結晶性が非常に良くなる。そのためクラックの入っていない非常に結晶性の良い膜が成長できるためレーザ素子の、ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側の少なくとも一方の層側に形成することによりレーザ素子の寿命が飛躍的に良くなる。なお、超格子層はキャリア閉じ込め、若しくは光閉じ込め層として作用する層に形成することが最も望ましい。
【００４９】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、１０５０℃でＳｉを５×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なお、この光ガイド層２６も超格子層にすることができる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またノンドープでも良い。
【００５０】
（活性層２７）
次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層２７を成長させる。活性層にドープする不純物は本実施例のように井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。なお活性層を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別する。
【００５１】
（キャップ層２８）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層２７よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるキャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このキャップ層２８はｐ型不純物をドープしたが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層とする。キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。また、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。キャップ層２８の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００５２】
（ｐ側光ガイド層２９）
続いて１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがキャップ層２８よりも小さい、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２９を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またｐ型不純物をドープしないノンドープでも良い。
【００５３】
（ｐ型超格子層＝ｐ側クラッド層３０）
続いて、１０５０℃でＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を形成する。この層はｎ側クラッド層２５と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層の膜厚も特に限定しないが、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。
【００５４】
本実施例のようにＩｎＧａＮよりなる量子構造の井戸層を有する活性層の場合、その活性層２７に接して、膜厚０．１μｍ以下のＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ型キャップ層２８を設け、そのｐ型キャップ層２８よりも活性層から離れた位置に、ｐ型キャップ層２８よりもバッドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層２９を設け、そのｐ側光ガイド層２９よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層２９よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を設けることは非常に好ましい。しかもｐ型キャップ層１７の膜厚を０．１μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアとして作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、トンネル効果によりｐ型キャップ層１７を通り抜けることができて、活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上する。つまり、注入されたキャリアは、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えても、キャリアは活性層をオーバーフローせず、ｐ型キャップ層１７で阻止されるため、キャリアが活性層に貯まり、効率よく発光することが可能となる。従って、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下することが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現することができる。
【００５５】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、１０５０℃℃で、ｐ側クラッド層３０の上に、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層３１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３１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極３２と最も好ましいオーミック接触が得られる。なお、ｐ側コンタクト層３１も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極３２と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極３２の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。また本発明の素子ではｐ型ＡｌYＧａ1-YＮを含むｐ側クラッド層３０に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層３１として、その膜厚を４００オングストローム以下と薄くしているために、実質的にｐ側コンタクト層３０のキャリア濃度が高くなりｐ電極３２と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低下する。
【００５６】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００５７】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０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。このように、活性層よりも上部にあるｐ側の層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低下する。特に活性層よりも上にあるＡｌを含むｐ型窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
【００５８】
次にｐ側コンタクト層３１のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極３２をストライプ状に形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極３３を基板２１の裏面のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面とは８０％以上の面積をいう。
【００５９】
電極形成後、電極裏面側をスクライブして、ストライプ状のｐ電極３２に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。なお劈開面は窒化物半導体のＭ面（１０１-０）とする。さらに、共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体超格子を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度２．５ｋＡ／cm2、閾値電圧４．２Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１００時間以上の寿命を示した。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００６１】
２１・・・・ＧａＮ基板
２２・・・・バッファ層
２３・・・・ｎ側コンタクト層
２４・・・・クラック防止層
２５・・・・ｎ側クラッド層（超格子層）
２６・・・・ｎ側光ガイド層
２７・・・・活性層
２８・・・・キャップ層
２９・・・・ｐ側光ガイド層
３０・・・・ｐ側クラッド層（超格子層）
３１・・・・ｐ側コンタクト層
３２・・・・ｐ電極
３３・・・・ｎ電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる基板の製造方法と、窒化物半導体基板を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはトランジスタ等の電子デバイスに使用される窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体を基板上に成長させる際、その成長させる半導体と格子整合した基板を用いると半導体の結晶欠陥が少なくなって結晶性が向上することが知られている。しかし、窒化物半導体は格子整合する基板が現在世の中に存在しないことから、一般にサファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子整合しない基板の上に成長されている。
【０００３】
一方、窒化物半導体と格子整合するＧａＮバルク結晶を作製する試みは、様々な研究機関において成されているが、未だに数ミリ程度のものしか得られたという報告しかされておらず、実用化には程遠い状態である。
【０００４】
ＧａＮ基板を作製する技術として、例えば特開平７−２０２２６５号公報、特開平７−１６５４９８号に、サファイア基板の上にＺｎＯよりなるバッファ層を形成して、そのバッファ層の上に窒化物半導体を成長させた後、バッファ層を溶解除去する技術が記載されている。しかしながらサファイア基板の上に成長されるＺｎＯバッファ層の結晶性は悪く、そのバッファ層の上に窒化物半導体を成長させても良質の窒化物半導体結晶を得ることは難しい。さらに、薄膜のＺｎＯよりなるバッファ層の上に、基板となるような厚膜の窒化物半導体を連続して成長させることも難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＥＤ素子、ＬＤ素子、受光素子等の数々の電子デバイスに使用される窒化物半導体素子を作製する際、窒化物半導体よりなる基板を作製することができれば、その基板の上に新たな窒化物半導体を成長させて、格子欠陥が少ない窒化物半導体が成長できるので、それら素子の結晶性が飛躍的に良くなり、従来実現されていなかった素子が実現できるようになる。従って本発明の目的とするところは、まず結晶性の良い窒化物半導体よりなる基板の製造方法と、窒化物半導体基板を用いた素子の新規な製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる厚さ１ｍｍ以上の基板の上に、後工程で成長させる窒化物半導体の成長温度より低温で０．３μｍ以下の膜厚を有するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦０．３）よりなるバッファ層を成長させた後、窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させた後、その基板を除去することを特徴とする。基板としては、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）若しくはスピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）を用いることが最も望ましい。また成長させる窒化物半導体はｎ型不純物をドープしない（ノンドープ）ＧａＮか、若しくはｎ型不純物を１×１０19／cm3以下の範囲で含むＧａＮを成長させることが最も望ましい。基板の厚さは１ｍｍ以上のものを使用する必要があり、１ｍｍよりも薄いと、成長中に高温のため基板が反って厚膜の窒化物半導体基板を成長できない。
【０００７】
本発明では窒化物半導体基板の成長法がハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）であることを特徴とする。ＨＶＰＥ法とは、ガリウム、アルミニウム、インジウム等の３族元素蒸気と、塩化水素等のハロゲンガスとを反応させて、３族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物等のハロゲン化物を得て、そのハロゲン化物をアンモニア、ヒドラジン等のＮ源と高温で反応させて窒化物半導体を得る方法である。塩化ガリウムとアンモニアとを反応させてＧａＮを得る方法が、従来より良く用いられる。また基板をＭＯＶＰＥ法で成長させることもできるが、ＨＶＰＥ法に比較して長時間を要する。
【０００８】
本発明の基板の製法は、窒化物半導体層を成長させる前に、その窒化物半導体層の成長温度よりも低温で０．３μｍ以下の膜厚を有する窒化物半導体よりなるバッファ層を成長させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の基板の製法は、成長された窒化物半導体基板は、２軸結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅（Full Width at Half Maximun、以下、単に半値幅という。）が５分以下であることを特徴とする。半値幅が５分よりも大きいと、窒化物半導体基板の上に成長する新規な窒化物半導体の結晶性が悪くなる。さらに、本発明の基板の製法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる前記基板は、研磨によって除去されることを特徴とする。溶解（ウエットエッチング）、ドライエッチング等の手段では、基板を除去しにくく、窒化物半導体基板にダメージを与えやすい傾向にある。
【００１０】
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、後工程で成長させる窒化物半導体の成長温度より低温で０．３μｍ以下の膜厚を有するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦０．３）よりなるバッファ層を成長させ、その上に窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させる第１の工程と、第１の工程後、前記基板を除去することによって窒化物半導体基板を作製する第２の工程と、第２の工程後、表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで窒化物半導体基板を研磨する第３の工程と、第３の工程後、窒化物半導体基板の研磨面に新たに窒化物半導体を成長させる第４の工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、第１の工程は窒化物半導体をＨＶＰＥ法で成長させ、前記第４の工程は窒化物半導体を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）で成長させることを特徴とする。ＭＯＶＰＥ法とは３族元素の有機金属化合物よりなるガスと、アンモニア、ヒドラジン等の５族元素よりなるガスとを反応させて窒化物半導体を得る方法である。
【００１２】
窒化物半導体から成る基板上にＬＥＤ素子を有し、該ＬＥＤ素子は最上層のｐ型ＧａＮ層にＮｉとＡｕとを含む正電極、基板裏面側にＷとＳｉとＡｕよりなる負電極を設けたことを特徴とする窒化物半導体素子。前記ＬＥＤ素子は、基板上にＳｉドープのｎ型ＧａＮ層、その上にＳｉドープのｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とノンドープのＧａＮ層から成る超格子クラッド層、単一量子井戸構造から成る活性層、その上にＭｇドープのｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８ＮとＭｇドープのｐ型ＧａＮから成る超格子クラッド層、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮの順で形成され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。
【００１３】
窒化物半導体から成る基板上にＬＤ素子を有し、該ＬＤ素子はリッジ形状であって、リッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極をストライプ状に有し、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極を基板の裏面の８０％以上の面積に有することを特徴とする窒化物半導体素子。前記ＬＤ素子は、基板上にバッファ層、ｎ側コンタクト層、クラック防止層、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、キャップ層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層の順で形成されていることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。前記窒化物半導体は１００μｍ以上の膜厚を有す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。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の方法によると、従来では作製できなかったＧａＮ基板ができるようになるので、ＧａＮ素子が従来のように絶縁性基板を使用しなくても良くなる。そのため同一面側に正電極と負電極とを取り出すフリップチップ形式ではなくて、ＧａＡｓを基板にしたデバイスのように基板側から電極が取り出せる構造となる。この窒化物半導体素子を発光デバイスにした際には、他の基板側から電極が取り出される構造のデバイスと同じ構造にできるため、端面発光型ディスプレイのような高精細画面も実現できる。またレーザ素子のような高温デバイスに使用した場合には、素子の結晶性、放熱性が良くなり素子寿命が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、異種材料よりなる基板の上に窒化物半導体を成長させるには、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等の気相成長法があるが、１００μｍ以上の膜厚で成長させるには、好ましくはＨＶＰＥ法を用いる。ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ法を用いても良いが、１００μｍ以上の膜厚で成長させるには１０時間以上の長時間を要するため、工業的にはあまり好ましくない。
【００１６】
窒化物半導体基板の製造方法において重要なことは、１ｍｍ以上の異種基板の上に窒化物半導体を成長させることである。窒化物半導体は通常８００℃以上、好ましくは１０００℃以上の温度で成長される。このような高温で窒化物半導体を成長させると、成長中に異種基板が反ってしまう。反った異種基板の上に１００μｍ以上の厚膜で窒化物半導体を成長させると、成長中に窒化物半導体にクラックが入ってしまい、結晶性の良い窒化物半導体を成長させることができない。しかしながら、１ｍｍ以上の異種基板を使用することにより、高温においても異種基板が反りにくくなるため、結晶性が良いままで厚膜の窒化物半導体膜を成長できる。基板の厚さは１ｍｍ以上、好ましくは１．２ｍｍ以上、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上の基板を用いる。上限としては特に限定するものではないが、３ｍｍ以下のものを用いることが望ましい。３ｍｍよりも厚いと、後で基板を除去するのに長時間を要する。基板としては、サファイア、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＳｉＣ等が挙げられるが、先にも述べたように、サファイア、スピネルは高温に対しても非常に安定であり、窒化物半導体を厚膜で成長させるのに適している。異種基板の上に成長させる窒化物半導体は１００μｍ以上で、できるだけ厚く成長させることが望ましい。好ましくは１５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上の膜厚で成長させる。上限については５００μｍ以下が望ましい。５００μｍ以上で成長させると窒化物半導体中に再びクラックが入りやすくなって結晶性が悪くなる傾向にある。
【００１７】
さらに、異種基板の上に窒化物半導体層を成長させる前に、窒化物半導体層の成長温度よりも低温で０．３μｍ以下の膜厚を有するバッファ層を成長させると結晶性の良い窒化物半導体が成長できる。バッファ層としては例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ等を成長させるが、好ましくはＧａＮ、Ａｌ組成Yが０．５以下のＡｌYＧａ1-YＮ、またＩｎ組成Xが０．３以下のＩｎXＧａ1-XＮを成長させることが望ましい。成長温度は窒化物半導体の成長温度よりも低温で成長させ、例えば２００℃〜９００℃の範囲でバッファ層を成長させることができる。
【００１８】
異種基板の上に成長させる窒化物半導体は、ノンドープのＧａＮ、若しくはｎ型不純物を１×１０19／cm3以下の範囲で含むＧａＮを成長させると、最も結晶性の良い窒化物半導体基板を作製できる。ｎ型不純物濃度は１×１０19／cm3を超えると結晶性が悪くなり、窒化物半導体のＸ線ロッキングカーブの半値幅も長くなるし、また結晶中にクラックが入りやすくなる。但し、ＨＶＰＥ法のような反応容器に石英ガラスを用いる方法では、石英からの不純物としてＳｉ、Ｏ等のｎ型不純物が混入する。しかしながら、不純物の混入をできるだけ少なくして前記範囲に抑えることにより結晶性の良い窒化物半導体基板が作製できる。一方、ＭＯＶＰＥ法を用いて意図的にドープする不純物としては第４族元素、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等が挙げられる。
【００１９】
さらに、窒化物半導体のＸ線ロッキングカーブの半値幅が５分以内、さらに望ましくは３分以内の窒化物半導体結晶を成長させることにより、異種基板を除去する工程においても、窒化物半導体層にダメージを与えにくく、１００μｍ以上の窒化物半導体が良好な結晶性を保ったまま、新規な窒化物半導体素子を作製する際の基板として用いることができる。
【００２０】
本発明の基板の製造方法では、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を、研磨によって除去することが望ましい。研磨にはダイヤモンド、ＳｉＣ等の微粉末を研磨剤に用いる。一方、ドライエッチング、ウエットエッチング等の、エッチング手段では窒化物半導体基板にダメージを与えやすい傾向にあり、研磨に比較してさらに長時間を要するため、あまり好ましくはない。
【００２１】
一方、本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体基板を用いた素子の製造方法であり、本発明の素子の製造方法では異種基板の厚さは特に限定しない。重要なことは、基板を除去した後に、窒化物半導体基板の表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで窒化物半導体基板表面を研磨する第３の工程である。凹凸差が±１μｍ以上あると、窒化物半導体基板の上に成長させる窒化物半導体の膜質が不安定になりやすく、結晶性の良い素子が作製できない。
【００２２】
次に、本発明の素子の製造方法の第１の工程において、異種基板の上に窒化物半導体を１００μｍ以上成長させるには、ＨＶＰＥ、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ等があるが、好ましくはＨＶＰＥ、ＭＯＶＰＥを用い、最も好ましくはＨＶＰＥ法で成長させる。ＨＶＰＥ法であれば、迅速に厚膜の窒化物半導体基板が成長させやすい。また前記第４の工程において、窒化物半導体基板の上に素子を作製するには、ＨＶＰＥ方を用いても良いが、最も好ましくはＭＯＶＰＥ法を用いる。ＭＯＶＰＥは窒化物半導体の膜厚を制御しやすく、さらに、ＡｌＧａＮのようなＡｌを含む窒化物半導体を成長させる際に、ＨＶＰＥ方に比べてクラックが入りにくくできる。さらにＨＶＰＥ方ではＡｌの塩化物はＨＶＰＥ装置に使用される石英ガラスと激しく反応するため、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させることは困難である。そのため、第１の工程の窒化物半導体基板はＡｌを含まないＧａＮよりなる基板を作製することが最も望ましい。
【００２３】
さらに、本発明の製造方法において、好ましくは窒化物半導体の成長面を、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板が接していた窒化物半導体基板の研磨面とする。この際、異種基板の上に成長させてあるバッファ層は研磨によって除去し、バッファ層を除去した窒化物半導体基板の研磨面を成長面とすることは当然である。なお研磨後の窒化物半導体基板のＸ線ロッキングカーブの半値幅は５分以下、さらに好ましくは３分以下であることが望ましい。窒化物半導体の結晶性を評価するこの半値幅は、予め第１の工程において窒化物半導体基板を成長させた時にほとんど決まっている。しかしながら、異種基板に近い側に成長させた側の窒化物半導体の結晶性は、異種基板に遠いに成長させた窒化物半導体よりもクラックが少なく、さらに結晶欠陥が少ない傾向にある。そのため、異種基板を除去した側の方の窒化物半導体の結晶が良くなるため、その側を新たな窒化物半導体素子の成長面とすることにより結晶性の良い窒化物半導体素子が得られる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の窒化物半導体基板の製造方法を説明する。
［実施例１］（ＨＶＰＥ）
石英よりなる反応容器管の内部にＧａメタルを入れた石英ボートを設置する。さらに石英ボートから離れた位置に、斜めに傾けた厚さ１．２ｍｍ、２インチφのサファイア基板を設置する。なお、反応容器内のＧａメタルに接近した位置にはハロゲンガス供給管が設けられ、ハロゲンガス供給間とは別に、サファイア基板に接近した位置にはＮ源供給管が設けられている。
【００２５】
ハロゲンガス管より窒素キャリアガスと主に、ＨＣｌガスをガスを導入する。この際Ｇａメタルのボートは９００℃に加熱し、サファイア基板側は５１０℃に加熱してある。そして、ＨＣｌガスとＧａを反応させてＧａＣｌ3を生成させ、サファイア基板側に接近したＮ源供給管からはアンモニアガスを同じく窒素キャリアガスと主に供給し、サファイア基板上にＧａＮよりなるバッファ層を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２６】
バッファ層成長後、サファイア基板側の温度を１０５０℃に上昇させ、成長速度０．５μｍ／分で１０時間成長を行い、厚さ３００μｍのＧａＮを成長させる。
【００２７】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、さらにＧａＮウェーハをＧａＮの分解圧以上に加圧した密閉容器中で、１１００℃で５分間アニーリングする。このように、ＧａＮの分解圧以上に加圧した窒素雰囲気中でアニーリングすることによりＧａＮの結晶欠陥が少なくなって結晶性が良くなる傾向にある。
【００２８】
アニーリング後、ウェーハを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、サファイア基板側をラッピングし、サファイア基板とバッファ層を除去する。続いて、さらに細かいダイヤモンド研磨剤を用いてポリシングして、厚さ２９５μｍのＧａＮ基板を得る。
【００２９】
以上のようにして得られた窒化物半導体基板を研磨装置より取り出し、研磨側の窒化物半導体基板の凹凸を測定したところ、±０．５μｍ以内であった。さらに研磨面からＸ線ロッキングカーブの半値幅を測定するとおよそ３分であり、結晶性の良いＧａＮ基板が得られていることが判明した。なおこのＧａＮ基板には不純物としてＳｉが５×１０17／cm3以下、Ｏが１×１０16／cm3以下含まれていることがＳＩＭＳにより判明した。これは原料ガスのＨＣｌ、及び石英反応容器から混入したものと推察される。
【００３０】
［実施例２］（ＭＯＶＰＥ）
特開平４−１６４８９５号公報、第２図に示すＭＯＶＰＥ装置を用い、厚さ１．０ｍｍ、２インチφのサファイア（Ｃ面）基板を、この装置の反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００３１】
続いて、温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、基板上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
次に、温度を１０５０℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、成長速度０．１μｍ／分で、２４時間成長させ、膜厚１４４μｍのノンドープＧａＮ層を成長させる。
【００３３】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、実施例１と同様にして、ＧａＮウェーハをＧａＮの分解以上に加圧した密閉容器中で、１１００℃で５分間アニーリングした後、サファイア基板側をラッピング、ポリシングして、厚さ１４０μｍのＧａＮ基板を得る。さらに、研磨側の窒化物半導体基板の凹凸を測定したところ、±０．５μｍ以内であった。さらに研磨面からＸ線ロッキングカープの半値幅を測定するとおよそ２分であり、結晶性の良いＧａＮ基板が得られていることが判明した。
【００３４】
［比較例１］
実施例１において、厚さ９００μｍのサファイア基板を用いる他は、同様にしてＧａＮを成長させたところ、研磨側のＧａＮ層のＸ線ロッキングカーブの半値幅が８分であり、実施例１に比較して、ＧａＮ基板の結晶性が倍以上劣っていることが判明した。さらに、８００μｍのものは成長中に基板が割れてしまった。
【００３５】
次に、以下の実施例は本発明の素子について説明する。
［実施例３］
実施例１で得られたＧａＮ基板を特開平４−１６４８９５号公報、第２図に示すＭＯＶＰＥ装置を用い、この装置の反応容器内にセットし、１０５０℃にて、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮ層を５μｍの膜厚で成長させる。なお、ｎ型ＧａＮの成長面は、基板研磨面であることは言うまでもない。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＮの上に、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてノンドープのＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層を成長させる。このようにｎ型窒化物半導体層を含む超格子層を活性層を成長させる前に成長させることにより窒化物半導体素子の出力が飛躍的に向上する。
【００３７】
次に８００℃で、Ｉｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる膜厚３０オングストロームの単一量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
【００３８】
次に、活性層の上にＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＭｇを１×１０19／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層を成長させる。このようにｐ型窒化物半導体層を含む超格子層を活性層を成長させた後に成長させることにより窒化物半導体素子の出力が飛躍的に向上する。なお超格子層はｎ型層側、ｐ型層側のいずれか一方、若しくは両方の層に存在させることができる。
【００３９】
次にこのｐ側クラッド層５の上にＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮ層を０．５μｍの膜厚で成長させる。
【００４０】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００４１】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型ＧａＮ層にＮｉとＡｕとを含む正電極、基板裏面側にＷとＳｉとＡｕよりなる負電極とを設けた後、３５０μｍ角のチップに分離してＬＥＤ素子としたところ、Ｉｆ２０ｍＡにおいて５２０ｎｍの緑色発光を示し、Ｖｆは３．２Ｖ、出力は８ｍＷもあった。
【００４２】
［比較例２］
実施例１で得られたＧａＮ基板の研磨面の凹凸が±１．５μｍのものを用いる他は実施例３と同様にしてＬＥＤ素子を作製したところ、同じくＩｆ２０ｍＡにおいて、Ｖｆ３．２Ｖであったが、出力が３ｍＷでしかなかった。これは基板凹凸が直接窒化物半導体の結晶性に影響したものであると推定する。
【００４３】
［実施例４］
図１は実施例４により得られたレーザ素子の構造を示す模式的な断面図であり、レーザ光の共振方向に垂直な方向で素子を切断した際の図を示している。以下、この図面を元に本発明のレーザ素子について説明する。
【００４４】
実施例１で得られたＧａＮ基板２１を、特開平４−１６４８９５号公報、第２図に示すＭＯＶＰＥ装置の反応容器内にセットし、容器内を水素で十分置換した後、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００４５】
続いて、温度を５１０℃℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧを用い、基板２１上にＧａＮよりなるバッファ層２２を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層２２はＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が℃以下の温度で、膜厚数十オングストローム〜数百オングストロームで形成できる。このバッファ層は窒化物半導体の成長方法によっては省略することも可能である。
【００４６】
（ｎ側コンタクト層２３）
バッファ層２２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、ＴＭＡとアンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層４μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
（クラック防止層２４）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるクラック防止層２４を５００オングストロームの膜厚で成長させる。このクラック防止層２４はＩｎを含むｎ型の窒化物半導体、好ましくはＩｎＧａＮで成長させることにより、Ａｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止することができる。なおこのクラック防止層は１００オングストローム以上、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが好ましい。１００オングストロームよりも薄いと前記のようにクラック防止として作用しにくく、０．５μｍよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。なお、このクラック防止層２４は、省略することもできる。
【００４８】
（ｎ側クラッド層２５）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＳｉＨ4を用い、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてシランガス、ＴＭＡを止め、ノンドープのＧａＮよりなる第２層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そして第１層＋第２層＋第１層＋第２層＋・・・というように超格子層を構成し、それぞれ第１層を１００層、第２層を１００層交互に積層し、総膜厚０．４μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層２５を形成する。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４０オングストローム以下の互いに組
成が異なる窒化物半導体を積層した超格子層は、その単一層が弾性臨界膜厚以下となっているため、結晶性が非常に良くなる。そのためクラックの入っていない非常に結晶性の良い膜が成長できるためレーザ素子の、ｎ型窒化物半導体層側及びｐ型窒化物半導体層側の少なくとも一方の層側に形成することによりレーザ素子の寿命が飛躍的に良くなる。なお、超格子層はキャリア閉じ込め、若しくは光閉じ込め層として作用する層に形成することが最も望ましい。
【００４９】
（ｎ側光ガイド層２６）
続いて、１０５０℃でＳｉを５×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２６を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層２６は、活性層の光ガイド層として作用し、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望ましく、通常１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることが望ましい。なお、この光ガイド層２６も超格子層にすることができる。ｎ側光ガイド層１５、ｎ側クラッド層１４を超格子層にする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層の平均的なバンドギャップエネルギーは活性層よりも大きくする。超格子層とする場合には、第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｎ型不純物をドープしてもよいし、またノンドープでも良い。
【００５０】
（活性層２７）
次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層１６を成長させる。活性層１６は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０18／cm3でドープしたＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層２７を成長させる。活性層にドープする不純物は本実施例のように井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよい。なおｎ型不純物をドープすると閾値が低下する傾向にある。なお活性層を多重量子井戸構造とする場合には必ずバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが小さい障壁層とを積層するため、超格子層とは区別する。
【００５１】
（キャップ層２８）
次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、活性層２７よりもバンドギャップエネルギーが大きく、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるキャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このキャップ層２８はｐ型不純物をドープしたが、膜厚が薄いため、ｎ型不純物をドープしてキャリアが補償されたｉ型としても良く、最も好ましくはｐ型不純物をドープした層とする。キャップ層２８の膜厚は０．１μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以下、最も好ましくは３００オングストローム以下に調整する。０．１μｍより厚い膜厚で成長させると、キャップ層２８中にクラックが入りやすくなり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいからである。またキャリアがこのエネルギーバリアをトンネル効果により通過できなくなる。また、Ａｌの組成比が大きいＡｌＧａＮ程薄く形成するとＬＤ素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が０．２以上のＡｌYＧａ1-YＮであれば５００オングストローム以下に調整することが望ましい。キャップ層２８の膜厚の下限は特に限定しないが、１０オングストローム以上の膜厚で形成することが望ましい。
【００５２】
（ｐ側光ガイド層２９）
続いて１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがキャップ層２８よりも小さい、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２９を０．１μｍの膜厚で成長させる。この層は、活性層の光ガイド層として作用し、ｎ側光ガイド層１５と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。また、この層はｐ側クラッド層を成長させる際のバッファ層としても作用し、１００オングストローム〜５μｍ、さらに好ましくは２００オングストローム〜１μｍの膜厚で成長させることにより、好ましい光ガイド層として作用する。このｐ側光ガイド層は通常はＭｇ等のｐ型不純物をドープしてｐ型の導電型とするが、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このｐ側光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には第１の層及び第２の層の少なくとも一方にｐ型不純物をドープしてもよいし、またｐ型不純物をドープしないノンドープでも良い。
【００５３】
（ｐ型超格子層＝ｐ側クラッド層３０）
続いて、１０５０℃でＭｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２０オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡのみを止め、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層を２０オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ１００回繰り返し、総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を形成する。この層はｎ側クラッド層２５と同じくキャリア閉じ込め層として作用し、特にｐ型層の抵抗率を低下させるための層として作用する。このｐ側クラッド層の膜厚も特に限定しないが、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。
【００５４】
本実施例のようにＩｎＧａＮよりなる量子構造の井戸層を有する活性層の場合、その活性層２７に接して、膜厚０．１μｍ以下のＡｌを含む窒化物半導体よりなるｐ型キャップ層２８を設け、そのｐ型キャップ層２８よりも活性層から離れた位置に、ｐ型キャップ層２８よりもバッドギャップエネルギーが小さいｐ側光ガイド層２９を設け、そのｐ側光ガイド層２９よりも活性層から離れた位置に、ｐ側光ガイド層２９よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む窒化物半導体を含む超格子層よりなるｐ側クラッド層３０を設けることは非常に好ましい。しかもｐ型キャップ層１７の膜厚を０．１μｍ以下と薄く設定してあるため、キャリアのバリアとして作用することはなく、ｐ層から注入された正孔が、トンネル効果によりｐ型キャップ層１７を通り抜けることができて、活性層で効率よく再結合し、ＬＤの出力が向上する。つまり、注入されたキャリアは、ｐ型キャップ層１７のバンドギャップエネルギーが大きいため、半導体素子の温度が上昇しても、あるいは注入電流密度が増えても、キャリアは活性層をオーバーフローせず、ｐ型キャップ層１７で阻止されるため、キャリアが活性層に貯まり、効率よく発光することが可能となる。従って、半導体素子が温度上昇しても発光効率が低下することが少ないので、閾値電流の低いＬＤを実現することができる。
【００５５】
（ｐ側コンタクト層３１）
最後に、１０５０℃℃で、ｐ側クラッド層３０の上に、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層３１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３１はｐ型のＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極３２と最も好ましいオーミック接触が得られる。なお、ｐ側コンタクト層３１も超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には、特にバンドギャップエネルギーが異なる第１の層と第２の層とを積層し、第１＋第２＋第１＋第２＋・・・というように積層していき、最後にバンドギャップエネルギーが小さい方の層が露出するようにすると、ｐ電極３２と好ましいオーミック接触が得られる。ｐ電極３２の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｄ、Ｎｉ／Ａｕ等を挙げることができる。また本発明の素子ではｐ型ＡｌYＧａ1-YＮを含むｐ側クラッド層３０に接して、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体をｐ側コンタクト層３１として、その膜厚を４００オングストローム以下と薄くしているために、実質的にｐ側コンタクト層３０のキャリア濃度が高くなりｐ電極３２と好ましいオーミックが得られて、素子の閾値電流、電圧が低下する。
【００５６】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００５７】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図１に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０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。このように、活性層よりも上部にあるｐ側の層をストライプ状のリッジ形状とすることにより、活性層の発光がストライプリッジの下に集中するようになって閾値が低下する。特に活性層よりも上にあるＡｌを含むｐ型窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることが好ましい。
【００５８】
次にｐ側コンタクト層３１のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極３２をストライプ状に形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極３３を基板２１の裏面のほぼ全面に形成する。なおほぼ全面とは８０％以上の面積をいう。
【００５９】
電極形成後、電極裏面側をスクライブして、ストライプ状のｐ電極３２に垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器を作製する。なお劈開面は窒化物半導体のＭ面（１０１-０）とする。さらに、共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体超格子を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値電流密度２．５ｋＡ／cm2、閾値電圧４．２Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１００時間以上の寿命を示した。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００６１】
２１・・・・ＧａＮ基板
２２・・・・バッファ層
２３・・・・ｎ側コンタクト層
２４・・・・クラック防止層
２５・・・・ｎ側クラッド層（超格子層）
２６・・・・ｎ側光ガイド層
２７・・・・活性層
２８・・・・キャップ層
２９・・・・ｐ側光ガイド層
３０・・・・ｐ側クラッド層（超格子層）
３１・・・・ｐ側コンタクト層
３２・・・・ｐ電極
３３・・・・ｎ電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させ、前記基板を除去することによって得られた窒化物半導体基板であり、該窒化物半導体基板の表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで表面研磨した研磨面に成長されたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記表面の凹凸差が±０．５μｍ以下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】
前記窒化物半導体基板はｎ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ｎ型不純物はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓから成る群から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体基板は、２軸結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５分以下であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体基板は、２軸結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３分以下であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記窒化物半導体素子は、発光素子、受光素子、太陽電池、又は電子デバイスから成る群から選ばれることを特徴とする請求項１乃至６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記受光素子はＬＥＤ素子であって、該ＬＥＤ素子の最上層であるｐ型ＧａＮ層にＮｉとＡｕとを含む正電極を設け、基板裏面側にはＷとＳｉとＡｕよりなる負電極を設けたことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記ＬＥＤ素子は、基板上にＳｉドープのｎ型ＧａＮ層、その上に超格子クラッド層、活性層、その上にｐ型超格子クラッド層、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮの順で形成されることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記受光素子はＬＤ素子であって、該ＬＤ素子はリッジ形状であって、リッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極をストライプ状に有し、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極を基板の裏面の８０％以上の面積に有す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。
【請求項１１】
前記ＬＤ素子は、基板上にバッファ層、ｎ側コンタクト層、クラック防止層、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、キャップ層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層の順で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１】
窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体を１００μｍ以上の膜厚で成長させ、前記基板を除去することによって得られた窒化物半導体基板であり、該窒化物半導体基板の表面の凹凸差が±１μｍ以下になるまで表面研磨した研磨面に成長されたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記表面の凹凸差が±０．５μｍ以下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】
前記窒化物半導体基板はｎ型不純物がドープされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ｎ型不純物はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓから成る群から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体基板は、２軸結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅が５分以下であることを特徴とする請求項１乃至４に記載の窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記窒化物半導体基板は、２軸結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅が３分以下であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記窒化物半導体素子は、発光素子、受光素子、太陽電池、又は電子デバイスから成る群から選ばれることを特徴とする請求項１乃至６に記載の窒化物半導体素子。
【請求項８】
前記受光素子はＬＥＤ素子であって、該ＬＥＤ素子の最上層であるｐ型ＧａＮ層にＮｉとＡｕとを含む正電極を設け、基板裏面側にはＷとＳｉとＡｕよりなる負電極を設けたことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体素子。
【請求項９】
前記ＬＥＤ素子は、基板上にＳｉドープのｎ型ＧａＮ層、その上に超格子クラッド層、活性層、その上にｐ型超格子クラッド層、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮの順で形成されることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体素子。
【請求項１０】
前記受光素子はＬＤ素子であって、該ＬＤ素子はリッジ形状であって、リッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極をストライプ状に有し、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極を基板の裏面の８０％以上の面積に有す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。
【請求項１１】
前記ＬＤ素子は、基板上にバッファ層、ｎ側コンタクト層、クラック防止層、ｎ側クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、キャップ層、ｐ側光ガイド層、ｐ側クラッド層、ｐ側コンタクト層の順で形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体素子。
【図１】
【公開番号】特開２００８−２８８５７２（Ｐ２００８−２８８５７２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９８８５３（Ｐ２００８−９８８５３）
【出願日】平成２０年４月７日（２００８．４．７）
【分割の表示】特願２００１−３６３０３０（Ｐ２００１−３６３０３０）の分割
【原出願日】平成９年３月１１日（１９９７．３．１１）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月７日（２００８．４．７）
【分割の表示】特願２００１−３６３０３０（Ｐ２００１−３６３０３０）の分割
【原出願日】平成９年３月１１日（１９９７．３．１１）
【出願人】（０００２２６０５７）日亜化学工業株式会社 (993)
【Ｆターム（参考）】
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