(57)【要約】【課題】酸化物と窒化物の界面に反応層が形成されるのを抑制して窒化物半導体層の高温成長を可能にし、上部層の結晶品質を向上させた窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】酸化物であるZnO単結晶基板１１と窒化物であるInGaN半導体層１３との間に、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層１２を形成しているので、ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間での界面反応を抑制でき、その界面に反応層（Al2ZnO4）が形成されるのを抑制できる。ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間での界面反応を抑制できるので、InGaN半導体層１３の高温での成長や熱処理が可能になる。これにより、InGaN半導体層１３の結晶品質が向上する。【選択図】図１
2010040692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板と、
酸化物からなる層と窒化物からなる層との間に形成され、前記酸化物と前記窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層と、
窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層と、
を備えたことを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項２】
前記界面反応抑制層は、酸化物である前記酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板と、窒化物である前記窒化ガリウムインジウムからなる活性層との間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項３】
前記基板と前記活性層との間に、ガリウム又はインジウムの窒化物からなる擬似格子整合層が形成されており、かつ、前記基板と前記擬似格子整合層との間に前記界面反応抑制層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項４】
前記活性層又は前記ZnO単結晶基板の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を更に備え、
前記基板側から、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層、および前記コンタクト層が順に積層され半導体発光素子として構成されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項５】
前記基板と前記活性層との間に形成されたガリウム又はインジウムの窒化物からなる擬似格子整合層と、
前記活性層又は前記ZnO単結晶基板の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、
前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を更に備え、半導体発光素子として構成されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項６】
前記界面反応抑制層は、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの酸化物又は窒化物、又は前記酸化物と前記窒化物の積層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項７】
前記界面反応抑制層は、ガリウム又はインジウムの酸化物、又は、前記酸化物とガリウム又はインジウムの窒化物との積層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項８】
前記基板の面方位は、m面(1_100)、a面(11_20)、c面(0001)、r面(11_22)、(10_1_1)面のいずれか一つの面方位、又は、それに等価な面方位であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項９】
前記基板の面方位はc面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項１０】
前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、前記基板に対して臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項１１】
前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、20nm以下であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項１２】
前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、5nm以下であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物系半導体素子。
【請求項１３】
前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、前記基板に対して臨界膜厚以下の酸化物と窒化物からなる超格子層であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項１４】
酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板上に、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層を形成する工程と、
前記界面反応抑制層上に、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１５】
前記界面反応抑制層と、該界面反応抑制層の上部に形成される前記活性層を含む上部層とを、大気中に暴露せずに堆積させることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ZnO単結晶基板と、その基板上に成長させて形成される窒化物半導体層を備えた窒化物系半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、青色発光（発光波長４８０ｎｍ以下）の半導体発光素子としてInGaN を用いた半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、このInGaN を用いた半導体発光素子でより長波長の緑色発光を得るためには、Inの組成比を大きくすることにより、活性層の禁制帯幅を狭くすることが考えられる。しかし、Inの組成比を大きくすると、相分離が生じ、均一なIn組成を有する活性層を得ることが困難となり、発光効率が低下する。また、結晶構造に起因してピエゾ電界が発生すると、発光再結合確率が低下し、さらに発光効率が低下してしまうという問題点が生じる。また、基板との格子定数が大きく異なるために貫通転位が多量に存在し、発光効率の低下や良好な信頼性が得られないという問題がある。
【０００４】
これらを抑制するために、InGaNなどの窒化物半導体の活性層に格子整合する基板や格子定数が近いクラッド層を使うことができる。その基板としてZnO単結晶基板が適している。
【０００５】
ZnO単結晶基板上にInGaN層を直接成長する場合に、ZnO単結晶基板とInGaN層の界面が反応して、界面の急峻性が得られず、良好な結晶が得られないという問題がある。良好な結晶性を有するInGaN層が得られない原因として、ZnO単結晶基板中にGaが拡散して、界面の急峻性が得られないこと、ZnO単結晶基板とInGaN層の界面に反応層（Ga2ZnO4）が形成されること等が挙げられる。InGaN層を低温成長することにより、上記Gaの拡散や反応層（Ga2ZnO4）の形成は抑制されるが、積層欠陥が形成されてしまうために、InGaN層の結晶性が悪くなる。
【０００６】
またZnO単結晶基板上に、原子層堆積（ALD）法により低温（１００℃）でアモルファスAl2O３を堆積した後、このアモルファスAl2O３を高温熱処理（１１００℃、２０−４０min）で結晶化させ、そのAl2O３層上に、MOCVD法でInGaN層を成長させる技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平０６−０６１５２７号公報
【非特許文献１】MRS Symp. Proc. Vol. 1035 L11-23, 2007 Fall Meeting Niv.26-30
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記非特許文献１に開示された従来技術では、ZnO単結晶基板上に形成されるAl2O３層の膜厚が２０ｎｍ−５０ｎｍと厚いので、ZnO単結晶基板の結晶情報（ウルツ鉱型結晶構造と格子定数）が上層部のInGaN層に伝達されにくく、良好な結晶品質のInGaN層が得られない。また、上記非特許文献１には、ZnO単結晶基板とInGaN層の界面に反応層（Al2ZnO4）が形成されると記載されている。このような反応層が形成されているため、InGaN層の結晶品質が不十分である。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、酸化物と窒化物の界面に反応層が形成されるのを抑制して窒化物半導体層の高温成長を可能にし、上部層の結晶品質を向上させた窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る窒化物系半導体素子は、酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板と、酸化物からなる層と窒化物からなる層との間に形成され、前記酸化物と前記窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層と、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層と、を備えたことを特徴とする。この構成によれば、酸化物と窒化物との間での界面反応を抑制でき、ZnO単結晶基板と窒化ガリウムインジウムからなる活性層の界面に反応層（Ga2ZnO4）が形成されるのを抑制できる。これにより、窒化ガリウムインジウムからなる活性層等の上部層の高温での成長や熱処理が可能になるので、上部層の結晶品質が向上する。
【００１０】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、酸化物である前記酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板と、窒化物である前記窒化ガリウムインジウムからなる活性層との間に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、酸化物であるZnO単結晶基板と窒化物である窒化ガリウムインジウムからなる活性層との間での界面反応を抑制できる。これにより、活性層等の上部層の高温での成長や熱処理が可能になるので、上部層の結晶品質が向上する。
【００１１】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記基板と前記活性層との間に、ガリウム又はインジウムの窒化物からなる擬似格子整合層が形成されており、かつ、前記基板と前記擬似格子整合層との間に前記界面反応抑制層が形成されていることを特徴とする。この構成によれば、擬似格子整合層によりZnO単結晶基板と活性層の間に急峻な窒化物/酸化物界面が得られると共に、界面反応抑制層により酸化物であるZnO単結晶基板と窒化物である擬似格子整合層との間での界面反応を抑制できる。これにより、活性層等の上部層の高温での成長や熱処理が可能になるので、上部層の結晶品質が向上する。
【００１２】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記活性層又は前記ZnO単結晶基板の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を更に備え、前記基板側から、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層、および前記コンタクト層が順に積層され半導体発光素子として構成されたことを特徴とする。この構成によれば、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての窒化物半導体素子を得ることができる。これにより、最終的に、窒化ガリウムインジウムからなる活性層（InGaN発光層）のピエゾ電界、相分離、貫通転位を抑制することができ、結晶品質の良いIn組成の高いInGaN発光層を形成し、青色よりも波長の長い（＞480nm）の発光波長を有する高発光効率の半導体発光素子（LEDやLD）を実現することが出来る。
【００１３】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記基板と前記活性層との間に形成されたガリウム又はインジウムの窒化物からなる擬似格子整合層と、前記活性層又は前記ZnO単結晶基板の少なくとも一方に格子整合された上部クラッド層および下部クラッド層と、前記上部クラッド層上に形成されたコンタクト層と、を更に備え、半導体発光素子として構成されたことを特徴とする。この構成によれば、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子としての窒化物半導体素子を得ることができる。これにより、最終的に、窒化ガリウムインジウムからなる活性層（InGaN発光層）のピエゾ電界、相分離、貫通転位を抑制することができ、結晶品質の良いIn組成の高いInGaN活性層を形成し、青色よりも波長の長い（＞480nm）の発光波長を有する高発光効率の半導体発光素子（LEDやLD）を実現することが出来る。
【００１４】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの酸化物又は窒化物、又は前記酸化物と前記窒化物の積層であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、ガリウム又はインジウムの酸化物、又は、前記酸化物とガリウム又はインジウムの窒化物との積層であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記基板の面方位は、m面(1_100)、a面(11_20)、c面(0001)、r面(11_22)、(10_1_1)面のいずれか一つの面方位、又は、それに等価な面方位であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記基板の面方位はc面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面であることを特徴とする。この態様によれば、界面反応抑制層を、ZnO単結晶基板のc面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面上に形成することで、ZnO単結晶基板表面の平坦化処理、つまり、化学機械研磨と熱処理を行うことにより、酸素極性のｃ面において平坦性の良い綺麗な表面が得られる。これにより、ZnO単結晶基板と活性層の間の急峻な窒化物/酸化物界面が得られ、InGaNからなる活性層の更に良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体発光素子を得ることができる。
【００１８】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、前記基板に対して臨界膜厚以下であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、20nm以下であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、5nm以下であることを特徴とする。
【００２１】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子は、前記界面反応抑制層は、膜厚が１分子層（ML）以上、前記基板に対して臨界膜厚以下の酸化物と窒化物からなる超格子層であることを特徴とする。
【００２２】
本発明の第２の態様に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板上に、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層を形成する工程と、前記界面反応抑制層上に、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる活性層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。この構成によれば、酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板上に、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層を形成し、この界面反応抑制層上に窒化ガリウムインジウムからなる活性層を形成するので、ZnO単結晶基板と窒化ガリウムインジウムからなる活性層の界面に反応層（Ga2ZnO4）が形成されるのを抑制できる。これにより、窒化ガリウムインジウムからなる活性層等の上部層の高温での成長や熱処理が可能になるので、上部層の結晶品質が向上する。
【００２３】
本発明の他の態様に係る窒化物系半導体素子の製造方法は、前記界面反応抑制層と、該界面反応抑制層の上部に形成される前記活性層を含む上部層とを、大気中に暴露せずに堆積させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、酸化物と窒化物との間での界面反応を抑制でき、ZnO単結晶基板と窒化ガリウムインジウムからなる活性層の界面に反応層（Ga2ZnO4）が形成されるのを抑制できる。これにより、窒化ガリウムインジウムからなる活性層等の上部層の高温での成長や熱処理が可能になるので、上部層の結晶品質が向上した窒化物系半導体素子を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る窒化物系半導体素子の概略構成を示す断面図である。
【００２７】
この窒化物系半導体素子１０は、酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板（ZnO基板）１１と、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層１２と、InGaN半導体層１３と、を備えている。
【００２８】
界面反応抑制層１２は、酸化物である酸化亜鉛（ZnO）単結晶基板（以下、「ZnO単結晶基板」という。）１１と、窒化物であるInGaN半導体層１３との間に形成されている。活性層としてのInGaN半導体層１３は、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなる。
【００２９】
ZnO単結晶基板１１の面方位は、m面(1_100)、a面(11_20)、c面(0001)、r面(11_22)、(10_1_1)面のいずれか一つの面方位、又は、それに等価な面方位である。また、ZnO単結晶基板１１の面方位は、c面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面であってもよい。
【００３０】
界面反応抑制層１２は、ZnO単結晶基板１１の面内に均一に形成されている。また、界面反応抑制層１２は、高温耐熱性に優れた酸化物又は高温耐熱性に優れた窒化物、又はそのような酸化物と窒化物の積層である。例えば、界面反応抑制層１２は、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの酸化物又は窒化物である。
【００３１】
界面反応抑制層１２は、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの酸化物と、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの窒化物との積層であってもよい。このような積層構造の界面反応抑制層１２は、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの酸化物が酸化物であるZnO単結晶基板１１に接し、かつ、アルミニウム、ホウ素、ベリリウム及びシリコンのいずれかの窒化物が窒化物であるInGaN半導体層１３に接するように形成される。
また、界面反応抑制層１２は、ガリウム又はインジウムの酸化物であってもよい。
【００３２】
さらに、界面反応抑制層１２は、ガリウム又はインジウムの酸化物と、ガリウム又はインジウムの窒化物との積層であってもよい。このような積層構造の界面反応抑制層１２は、ガリウム又はインジウムの酸化物がZnO単結晶基板１１に接し、かつ、ガリウム又はインジウムの窒化物がInGaN半導体層１３に接するように形成される。
【００３３】
界面反応抑制層１２は、その膜厚が１分子層（ML）以上、ZnO単結晶基板１１に対して臨界膜厚以下である。ここにいう「分子層」とは、III族原子とＶ族原子を組として２次元的に並んだ最小の厚さの層単位を指し、モノレイヤ（ML：mono-layer）と同義に使用する。界面反応抑制層１２を、例えばアルミニウム酸化物で構成した場合、その１分子層（ML）は約０．２５ｎｍになる。また、ここにいう「臨界膜厚」は、下のZnO単結晶基板１１の上に界面反応抑制層１２を成長させる際に、この界面反応抑制層１２にクラックが入らない最大の膜厚であり、ZnO単結晶基板１１の格子定数を保てる最大の膜厚である。
【００３４】
また、界面反応抑制層１２は、その膜厚が１分子層（ML）以上、20nm以下であるのが好ましい。その膜厚が１分子層（ML）より薄いと、耐熱性に劣るので、好ましくない。その膜厚が20nmより厚いと、ZnO単結晶基板１１の格子定数が上部層に伝達されなくなるので、好ましくない。さらに、界面反応抑制層１２は、その膜厚が１分子層（ML）以上、5nm以下であるのがより好ましい。
【００３５】
また、界面反応抑制層１２は、膜厚が１分子層（ML）以上、ZnO単結晶基板１１に対して臨界膜厚以下の酸化物と窒化物からなる超格子層であってもよい。例えば、界面反応抑制層１２は、膜厚が１分子層（ML）以上、ZnO単結晶基板１１に対して臨界膜厚以下のGaNとInNからなる超格子層である。
【００３６】
また、InGaN半導体層１３中の貫通転位密度がZnO単結晶基板１１中の貫通転位密度と同程度（105cm-2以下）であるのが好ましい。
【００３７】
図１に示す窒化物系半導体素子１０の製造方法は、以下の工程を備える。
（工程１）ZnO単結晶基板１１上に、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層１２を形成する工程。
【００３８】
（工程２）界面反応抑制層１２上に、窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］からなるInGaN半導体層１３を形成する工程。
【００３９】
そして界面反応抑制層１２と、InGaN半導体層１３を含む上部層とを、大気中に暴露せずに、真空一貫プロセスで堆積させるのが好ましい。
【００４０】
なお、界面反応抑制層１２の形成後に試料を移動する場合には、真空中又は不活性ガスで封止した状態で試料を移動させる。
【００４１】
界面反応抑制層１２とInGaN半導体層１３は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法、Ｓｐｕｔｔｅｒ法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法で堆積させる。
【００４２】
以上のように構成された第１実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○酸化物であるZnO単結晶基板１１と窒化物であるInGaN半導体層１３との間に、酸化物と窒化物との界面反応を抑制するための界面反応抑制層１２を形成しているので、ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間での界面反応を抑制でき、その界面に反応層（Ga2ZnO4）が形成されるのを抑制できる。
【００４３】
○ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間での界面反応を抑制できるので、InGaN半導体層１３の高温での成長や熱処理が可能になる。これにより、InGaN半導体層１３の結晶品質が向上する。
【００４４】
○界面反応抑制層１２は、その膜厚が１分子層（ML）以上、ZnO単結晶基板１１に対して臨界膜厚以下と薄いので、ZnO単結晶基板１１の結晶情報（ウルツ鉱型結晶構造と格子定数）を上部層に直接伝達できる。
【００４５】
○界面反応抑制層１２を、ZnO単結晶基板１１のc面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面上に形成することで、ZnO単結晶基板１１表面の平坦化処理、つまり、化学機械研磨と熱処理を行うことにより、酸素極性のｃ面において平坦性の良い綺麗な表面が得られる。これにより、ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３の間の急峻な窒化物/酸化物界面が得られ、InGaN半導体層１３の更に良好な結晶が得られる。
【００４６】
○界面反応抑制層１２はZnO単結晶基板１１の面内に均一に形成されているので、上部層に貫通転位などの結晶欠陥が形成されない高温成長が可能になる。このため、InGaN半導体層１３中には、低温成長により生じる積層欠陥が存在しない。これによっても、InGaN半導体層１３の結晶品質が向上する。
【００４７】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る窒化物系半導体素子の概略構成を示す断面図である。
【００４８】
この窒化物系半導体素子１０Ａの特徴は、図１に示す第１実施形態に係る窒化物系半導体素子１０Ａにおいて、ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間、具体的には界面反応抑制層１２とInGaN半導体層１３との間に擬似格子整合層１４を形成している点にある。擬似格子整合層１４は、ガリウム又はインジウムの窒化物からなる。
【００４９】
このように構成された第２実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
【００５０】
ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間に、ガリウム又はインジウムの窒化物擬似格子整合層１４が形成されているので、ZnO単結晶基板１１とInGaN半導体層１３との間に急峻な窒化物/酸化物界面が得られ、更に良好な結晶性を有するInGaN層１３が得られ。
【００５１】
（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係る窒化物系半導体素子の概略構成を示す断面図である。
【００５２】
この窒化物系半導体素子は、半導体レーザダイオード（半導体発光素子）として構成されている。
【００５３】
図３に示す半導体レーザダイオード１０Ｂは、ZnO単結晶基板１１Ａと、ZnO単結晶基板１１Ａ上に順に形成されたZnO からなるZnOバッファ層１５、界面反応抑制層１２、下部コンタクト層１６、下部クラッド層１７、InGaN活性層１８、上部クラッド層１９、および上部コンタクト層２０とを備えている。
【００５４】
さらに、半導体レーザダイオード１０Ｂは、下部コンタクト層１６上に形成された下部電極層２１と、パッシベーション膜２２と、上部コンタクト層２０上に形成された上部電極層２３とを備えている。
【００５５】
この半導体レーザダイオード１０Ｂでは、下部コンタクト層１６よび下部クラッド層１７の導電型はｎ型であり、上部クラッド層１９および上部コンタクト層２０の導電型はｐ型である。
【００５６】
ZnOバッファ層１５は、ZnO単結晶基板１１Ａよりも表面を平坦にかつ結晶性を向上するために設けられた層である。
【００５７】
この半導体レーザダイオード１０Ｂでは、ZnO単結晶基板１１Ａ上に形成される緑色域等の長波長の可視域で発光する半導体レーザダイオード用のエピタキシャルウェハが、ZnOバッファ層１５、界面反応抑制層１２、下部コンタクト層１６、下部クラッド層１７、InGaN活性層１８、上部クラッド層１９及び上部コンタクト層２０により構成されている。また、本実施形態では、そのエピタキシャルウェハが、ZnO単結晶基板１１Ａのc面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面上に形成されている。
【００５８】
下部コンタクト層１６は、下部コンタクト層１６の露出部上に形成された下部電極層２１とオーム性接触を実現するための層である。この下部コンタクト層１６は、窒化物である窒化アルミニウムガリウムインジウム［Al 1-p-q Ga p In q N （0≦p＜1、0≦q＜1、p＋q≦１）］で構成される。例えば、下部コンタクト層１６は、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。ここでは、下部コンタクト層１６は、シリコン(Si)をドーピングすることによりn型の導電性を有している。
【００５９】
下部クラッド層１７は、InGaN活性層１８の格子定数に等しいか若しくはそれよりも小さい格子定数を有するように格子整合される格子整合系クラッド層であり、コアとして機能するInGaN活性層１８よりも屈折率が小さく、活性層１８内に光を安定に閉じ込めておく役割を果たしている。この下部クラッド層１７は、窒化アルミニウムガリウムインジウム［Al 1-p-q Ga p In q N （0≦p＜1、0≦q＜1、p＋q≦１）］（窒化物）で構成される。例えば、下部クラッド層１７は、窒化ガリウムインジウム(InGaN)、窒化アルミニウムインジウム(AlInN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlInGaN)、窒化ガリウム(GaN)等の窒化物で構成される。なお、この下部クラッド層１７は、InGaN活性層１８に格子整合される場合に限らず、InGaN活性層１８又はバッファ層１５又はZnO単結晶基板１１Ａの少なくとも一方に格子整合される層であれば良い。ここでは、下部クラッド層１７は、シリコン(Si)をドーピングすることによりn型の導電性を有している。
【００６０】
InGaN活性層１８は、下部クラッド層１７上に窒化ガリウムインジウム［In x Ga 1-x N（０＜x＜１）］結晶（InGaN層）を成長させて形成されている。このInGaN活性層１８において、インジウム（In）の組成比は、発光波長が480nm以上となるように設定されている。具体的には、InGaN活性層１８は、緑色域での発光波長を有するIn組成（Inの組成比が20％以上）のInGaN層で構成されている。本例では、InGaN活性層１８におけるInの組成比が30％程度になっている。
【００６１】
上部クラッド層１９は、InGaN活性層１８又はZnO単結晶基板１１Ａの少なくとも一方に格子整合するAl(Ga)InNを、InGaN活性層１８上に成長して形成される。ここでは、上部クラッド層１９は、マグネシウム（Mg）をドーピングすることにより、p型導電性を有している。
【００６２】
そして、コンタクト層２０は、最適なセル温度に設定したGa、In原料と一緒にNを基板上に供給することにより、上部クラッド層１９上に形成されている。コンタクト層２０は、マグネシウム（Mg）を供給することにより、ｐ型導電性を有している。つまり、コンタクト層はp型ドーピングされている。
【００６３】
このように構成された第３実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
【００６４】
○発光効率が高く、信頼性の高い半導体レーザダイオードを得ることができる。これにより、最終的に、窒化ガリウムインジウムからなるInGaN活性層（InGaN発光層）１８のピエゾ電界、相分離、貫通転位を抑制することができ、結晶品質の良いIn組成の高いInGaN発光層を形成し、青色よりも波長の長い（＞480nm）の発光波長を有する高発光効率の半導体発光素子（LEDやLD）を実現することが出来る。
【００６５】
（第４実施形態）
図４は、第４実施形態に係る窒化物系半導体素子の概略構成を示す断面図である。
【００６６】
図４に示す半導体レーザダイオード１０Ｃでは、図３に示す半導体レーザダイオード１０Ｂにおいて、界面反応抑制層１２と下部コンタクト層１６との間に、擬似格子整合層１４が形成されている。半導体レーザダイオード１０Ｃのその他の構成は、図３に示す半導体レーザダイオード１０Ｂと同様である。
【００６７】
このように構成された第４実施形態によれば、上記第１実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。
【００６８】
ZnO単結晶基板１１ＡとInGaN半導体層１８との間に、ガリウム又はインジウムの窒化物擬似格子整合層１４が形成されているので、ZnO単結晶基板１１ＡとInGaN半導体層１８との間に急峻な窒化物/酸化物界面が得られ、更に良好な結晶性を有するInGaN層１８が得られる。
【００６９】
なお、本発明の上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記第３及び第４実施形態において、上下のクラッド層と活性層との間にそれぞれ光ガイド層を設けた半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
【００７０】
・上記第３及び第４実施形態において、下部コンタクト層１６及び下部クラッド層１７にそれぞれｐ型導電性を持たせ、上部クラッド層１９及び上部コンタクト層２０にそれぞれｎ型導電性を持たせた半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
【００７１】
・上記第３及び第４実施形態において、導電性ZnO基板を用い、界面反応抑制層は薄くしかつこの界面反応抑制層に不純物ドーピングして導電性を持たせ、かつ、ZnOバッファ層にも不純物ドーピングすることにより導電性を持たせることにより、ZnO基板の裏面に電極形成した縦型デバイス構造にも本発明は適用可能である。
【００７２】
・上記第３及び第４実施形態では、半導体レーザダイオード用の上記エピタキシャルウェハを、ZnO単結晶基板１１Ａのc面(0001)でかつ酸素極性（O-polar）面上に形成しているが、そのエピタキシャルウェハをZnO単結晶基板１１Ａのc面(0001)でかつ亜鉛極性（Zn-polar）面上に形成した半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。この場合、酸素極性（O-polar）のc面(000_1) ZnO単結晶基板に比べて平坦性が多少粗いが、その表面平坦化処理で熱処理後に再度CMP（chemical mechanical polish）処理を行うことにより、亜鉛極性（Zn-polar）のc面において平坦性の良い綺麗な表面が得られる。これにより、ZnO単結晶基板１１Ａ中にInGaN活性層１８のGaが拡散するのが抑制されるので、ZnO単結晶基板１１ＡとInGaN活性層１８の間の急峻な界面が得られ、InGaN活性層１８の更に良好な結晶が得られる。その結果、発光効率が高く、信頼性の高い半導体レーザダイオードなどの半導体発光素子を得ることができる。
【００７３】
・上記各実施形態において、ZnO単結晶基板の微傾斜面（オフ角がｍ軸方向又はａ軸方向に1°以下傾斜した面）を利用しても良い。例えば、上記第１及び第２実施形態において、界面反応抑制層１２を、ZnO単結晶基板１１の微傾斜面（オフ角がｍ軸方向又はａ軸方向に1°以下傾斜した面）上に形成してもよい。また、上記第３及び第４実施形態において、界面反応抑制層１２を、ZnO単結晶基板１１Ａの微傾斜面上に、ZnOバッファ層１５を介して形成してもよい。
【００７４】
・上記第３及び第４実施形態において、ZnOバッファ層１５の無い半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。
【００７５】
・上記第３及び第４実施形態において、InGaN活性層１８をダブルへテロ構造や量子井戸構造にした半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。
【００７６】
・上記第３及び第４実施形態において、InGaN活性層１８と下部クラッド層１７との間及びInGaN活性層１８と上部クラッド層１９との間に、それぞれ光閉じ込め層を設けた分離閉じ込め構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Hetero-structure）を有する半導体レーザダイオードにも本発明は適用可能である。
【００７７】
・本発明は、上記第１実施形態或いは第２実施形態の構造を有する各種電子デバイス、例えば、GaN系半導体を用いた電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）やＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor： 高電子移動度トランジスタ)などにも適用可能である。
【００７８】
・上記第１実施形態或いは第２実施形態で説明した窒化物系半導体素子は、界面で反応性が高い異種半導体の界面形成技術（ヘテロエピタキシー）にも適用可能である。
【００７９】
・上記第２及び第４実施形態において、擬似格子整合層１４は、ZnO単結晶基板上での成長初期にGaNの2元系材料を成長させ、そのGaN層上に、In組成が次第に増やした層（InGaN傾斜組成層）を形成した擬似格子整合層であっても良い。この構成では、擬似格子整合層１４の成長初期にGaNの2元系材料を成長させることにより、急峻なZnOと窒化物半導体（InGaNからなる活性層）の界面が得られる。
【００８０】
・上記第３及び第４各実施形態では、半導体レーザダイオードとして構成した半導体発光素子について説明したが、ｐｎ接合部を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体発光素子にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施形態に係る窒化物系半導体素子の概略構成を示す断面図。
【図２】第２実施形態に係る窒化物系半導体素子の概略構成を示す断面図。
【図３】第３実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。
【図４】第４実施形態に係る半導体レーザダイオードの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００８２】
１０，１０Ａ…窒化物系半導体素子
１０Ｂ，１０Ｃ…半導体レーザダイオード（半導体発光素子）
１１，１１Ａ…ZnO単結晶基板
１２…界面反応抑制層
１３…InGaN半導体層
１４…擬似格子整合層
１６…下部コンタクト層
１７…下部クラッド層
１８…InGaN活性層
１９…上部クラッド層
２０…上部コンタクト層
２１…下部電極
２２…パッシベーション膜
２３…上部電極
【図１】
2010040692.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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