【手続補正書】
【提出日】平成16年2月19日(2004.2.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】窒化物半導体積層用基板およびその製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】第１の主面と第２の主面とを有し、ｎ型不純物を含有してなる窒化物半導体から成る窒化物半導体積層用基板であって、該窒化物半導体積層用基板には、前記第１の主面側、若しくは第２の主面側のいずれか一方に接近するに従って、ｎ型不純物濃度が連続的、又はステップ状に小さくなっている濃度勾配領域を有することを特徴とする窒化物半導体積層用基板。
【請求項２】前記ステップ状は、少なくとも３層以上に不純物濃度が減少している請求項１に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項３】前記ｎ型不純物濃度が小さい主面側は、半導体の成長面である請求項１または２に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項４】前記ｎ型不純物濃度が小さくなっている領域のｎ型不純物濃度は、アンドープ〜５×１０18／cm3の範囲にある請求項１乃至３に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項５】前記ｎ型不純物濃度が小さくなっている側の主面表面から５μｍ以内の領域のｎ型不純物濃度は、アンドープ〜５×１０18／cm3の範囲にある請求項１乃至４に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項６】前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏから成る群より選ばれる少なくとも１つである請求項１乃至５に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項７】前記窒化物半導体基板におけるｎ型不純物濃度が小さい主面側の結晶欠陥は、１×１０5個／cm2以下である請求項１に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項８】前記ｎ型不純物濃度が小さい主面側は、ＩｎＧａＮ層を備えている請求項１に記載の窒化物半導体積層用基板。
【請求項９】ｎ型不純物を含有してなる窒化物半導体から成る窒化物半導体積層用基板の製造方法であって、
窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の主面上に窒化物半導体を成長させる第１の工程と、前記窒化物半導体から前記窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を除去することにより第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体を形成する第２の工程と、前記窒化物半導体の第１の主面側、若しくは第２の主面側からイオンインプランテーションによりｎ型不純物を打ち込むことにより窒化物半導体積層用基板を形成する第３の工程とを備えていることを特徴とする窒化物半導体積層用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は窒化物半導体（例えばＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる基板と、その基板の上に窒化物半導体を積層して得られた、ＬＥＤ、ＬＤ、太陽電池、受光素子等の電子デバイスに使用される窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に半導体を基板上に成長させる際、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異種基板の上に成長されている。
【０００３】
一方、完全に格子整合する窒化物半導体基板を得るため、ＧａＮバルク結晶を作製する試みが、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】
窒化物半導体基板を作製する技術として、例えば特開平７−２０２２６５号、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厚膜で窒化物半導体を成長させても、結晶全体の結晶欠陥が１０8個／cm2以上もあり、良質の窒化物半導体基板を得ることはほとんど不可能である。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、成長途中でＺｎＯが分解するため非常に難しい。
【０００５】
本出願人は、サファイア基板上に窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜をストライプ状に形成して、この保護膜の上に横方向に成長させたアンドープＧａＮを基板としたレーザ素子を発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446、及びJpn.J.Appl.Phys.Vol.36(1997）pp.L1568-1571,Part2,No.12A,1 December 1997）。この横方向の窒化物半導体の成長によると、従来の成長方法による窒化物半導体基板に比べて結晶欠陥が少ないＧａＮ基板が得られやすい傾向にある。このレーザ素子はアンドープＧａＮ基板の上にＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層が積層され、そのコンタクト層の上に分離閉じ込め型のレーザ素子構造が形成された構造を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、アンドープのＧａＮ基板は結晶欠陥が非常に少ないという利点はあるものの、抵抗率が高く、十分なキャリア濃度が得られないという欠点がある。そのため、前記レーザ素子のようにアンドープＧａＮ基板の上にＳｉをドープした高キャリア濃度のＧａＮ層をコンタクト層として設けている。
【０００７】
窒化物半導体を基板として用いる場合、基板の結晶欠陥を少なくすることと、基板に電極を設けるために十分なキャリア濃度を付与すること、および窒化物半導体基板を用いた場合にその上に積層する窒化物半導体の結晶欠陥を少なくするることは非常に重要である。従って、本発明はこのような事情を鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、結晶欠陥が少なく、かつ電極を形成するのに十分なキャリア濃度を有する窒化物半導体基板と、その基板を有して、結晶欠陥が少なく窒化物半導体を積層できる新規な窒化物半導体素子の構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体積層用基板は、第１の主面と第２の主面とを有し、ｎ型不純物を含有してなる窒化物半導体から成る窒化物半導体積層用基板であって、該窒化物半導体積層用基板には、前記第１の主面側、若しくは第２の主面側のいずれか一方に接近するに従って、ｎ型不純物濃度が連続的、又はステップ状に小さくなっている濃度勾配領域を有することを特徴とする。
【０００９】
前記ステップ状は、少なくとも３層以上に不純物濃度が減少している。前記ｎ型不純物濃度が小さくなっている領域のｎ型不純物濃度は、アンドープ〜５×１０18／cm3の範囲にある。前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏから成る群より選ばれる少なくとも１つである。前記窒化物半導体基板におけるｎ型不純物濃度が小さい主面側の結晶欠陥は、１×１０5個／cm2以下である。前記ｎ型不純物濃度が小さい主面側は、ＩｎＧａＮ層を備えている。
【００１０】
また前記ｎ型不純物濃度が小さい主面側は、半導体の成長面である。次の半導体とは、この基板を用いて、例えばレーザ素子、ＬＥＤ素子等発光デバイス、太陽電池、受光素子等の受光デバイス等の電子デバイスの構造となる半導体層を指す。さらに、前記ｎ型不純物濃度が小さくなっている側の主面表面から５μｍ以内の領域のｎ型不純物濃度は、アンドープ〜５×１０18／cm3の範囲にある。これはｎ型不純物濃度が小さくなっている側の主面を次の半導体成長面とする場合に、その主面表面のｎ型不純物濃度が前記範囲内に調整されていると、結晶欠陥が少なくなって、その上に成長する半導体層に結晶欠陥が転位しにくくなるからである。
【００１１】
本発明の窒化物半導体積層用基板の製造方法は、ｎ型不純物を含有してなる窒化物半導体から成る窒化物半導体積層用基板の製造方法であって、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の主面上に窒化物半導体を成長させる第１の工程と、前記窒化物半導体から前記窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を除去することにより第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体を形成する第２の工程と、前記窒化物半導体の第１の主面側、若しくは第２の主面側からイオンインプランテーションによりｎ型不純物を打ち込むことにより窒化物半導体積層用基板を形成する第３の工程とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の窒化物半導体素子は、第１の主面と第２の主面とを有し、ｎ型不純物がドープされた窒化物半導体を有し、かつ少なくとも一方の主面側に窒化物半導体が露出している窒化物半導体基板の上に、素子構造となる窒化物半導体層が積層成長された窒化物半導体素子であって、前記窒化物半導体基板は、第１の主面、若しくは第２の主面のいずれか一方に接近するに従って、ｎ型不純物濃度が小さくなっている濃度勾配領域を有し、ｎ型不純物濃度の小さい方の主面側の窒化物半導体基板の上に、素子構造となる窒化物半導体層が積層成長され、ｎ型不純物濃度が大きい方の主面側の窒化物半導体基板に、ｎ電極が形成されてなることを特徴とする。なお素子構造とは、少なくともｎ層とｐ層とが積層されて活性領域を有する構造を指すものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体基板において、窒化物半導体の組成は特に問わないが、Ａｌ、Ｉｎを実質的に含まないＧａＮとすると、最も結晶欠陥の少ない基板となる。但し、窒化物半導体基板中に例えばバッファ層としてＩｎＧａＮ層を介在させることも本発明の窒化物半導体基板の範疇に含まれる。ＩｎＧａＮは結晶欠陥を吸収する作用がある。窒化物半導体基板にドープするｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ等のIV族、VI族元素が用いられるが、その中でもＳｉ、Ｓｎが窒化物半導体層中での活性化率が高く、高キャリア濃度が得られる。
【００１４】
本発明の窒化物半導体基板では、第１若しくは第２の主面のいずれか一方の主面に接近するに従って、ｎ型不純物濃度が小さくなるように調整された濃度勾配領域を有する。濃度勾配領域は、不純物濃度が主面に近づくに従って小さくなるようにしてあれば、連続的（グラデーション）でもステップ状でも良い。例えば、ある一定の膜厚まではほぼ一定の不純物濃度を保ち、ある境界を超えると急激にｎ型不純物濃度が減少するような濃度分布を有していても、本発明の範囲内である。好ましくは連続的、あるいは例えば少なくとも３層以上にステップ状に細かく不純物濃度が減少するようにされていることが望ましい。なぜなら、窒化物半導体基板から電極を取り出す際に、主面側に積層された半導体層に対して、基板にｎ電極を設ける際、濃度勾配領域において、どの基板面を露出させても、その基板面はｎ＋となり、基板面から素子構造側の基板のキャリア濃度がｎ−となるため、ｎ＋側に電極を形成すると、ｎ電極とオーミック接触が得られすく、しかもキャリアが均一に拡散しやすくなって、素子の効率が向上するからである。さらに、ｎ型不純物濃度が主面側に接近するに従って小さくなるように調整してあれば、窒化物半導体の結晶性が良くなり、結晶欠陥が減少する傾向にある。また本発明の濃度勾配領域は窒化物半導体基板全体に渡って設けられているわけではなく、部分的に形成されていても良い。
【００１５】
好ましい態様として、第１の主面および第２の主面に窒化物半導体が露出した窒化物半導体基板において、濃度勾配領域が一方の主面から、もう一方の主面に渡って形成されている。即ち、一方の主面側のｎ型不純物濃度が大きく、もう一方の主面のｎ型不純物濃度が小さくなるように調整されている。この窒化物半導体基板であれば、ｎ型不純物濃度の小さい方に素子構造となる窒化物半導体を成長させ、基板側から電極を取り出す構造とすれば、同一面側にｎ電極とｐ電極とを露出させる構造、およびｎ電極とｐ電極とが対向した構造において、ｎ電極をいずれの基板面を露出させても、該露出面は高キャリア濃度となり、ｎ電極とオーミックが取りやすくなる。また、抵抗率が低抵抗から高抵抗へと変わっているので、キャリアが素子側に拡散しやすくなり、素子の効率が向上する。
【００１６】
ｎ型不純物濃度が小さくなっている側の主面は、その主面表面から５μｍ以内の領域のｎ型不純物濃度が、アンドープ〜５×１０18／cm3の範囲とすることが望ましい。その範囲に調整することにより、例えば主面から５μｍ以内の結晶欠陥が１×１０5／cm2以下となり非常に好ましい。好ましくは１×１０18／cm3以下、最も好ましくは８×１０17／cm3以下にする。５×１０18／cm3を超えると結晶欠陥が多くなって、その上に素子構造を作製した場合に素子の寿命が短くなりやすい傾向にあるからである。アンドープにする場合にはアンドープの領域は１μｍ以下、さらに好ましくは０．５μｍ以下、最も好ましくは０．２μｍ以下とする。アンドープの領域が１μｍを超えると、直列方向の動作電圧が高くなって動作電圧が上昇しやすい傾向にある。なお素子寿命が短くなると言っても、従来のサファイア基板上に直接素子構造を成長させたものと比較すれば、圧倒的に本発明の方が長いことは言うまでもない。
【００１７】
【実施例】
［実施例１］
図１（ａ）〜（ｅ）は窒化物半導体基板の製造方法の各工程において得られるそれぞれのウェーハの構造を模式的に示す断面図である。また、図２は本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図である。以下、これらの図面を元に本発明を詳説する。なお、窒化物半導体基板の製造方法は、最も好ましい態様を示すものであって、本発明の窒化物半導体基板は必ずしもこの方法に限定されるものではない。
【００１８】
ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）装置の反応容器内に２インチφのサファイアよりなる異種基板１のウェーハを設置し、図１（ａ）に示すように、その異種基板１の上に５００℃においてＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストローム成長させ、その上に下地層よりも高温（例えば１０５０℃）でアンドープＧａＮよりなる下地層２を６μｍの膜厚で成長させる。
【００１９】
異種基板１は窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であればどのようなものでも良く、例えば、サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。さらに前記基板材料の主面をオフアングルさせた基板も用いることもできる。また、下地層２の成長方法は特に問うものではなく、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている従来の方法で成長できる。この下地層２は異種基板１と材料が異なるために、結晶欠陥が非常に多く、通常１０8個／cm2以上あり、いくら厚膜で成長させても、異種基板と窒化物半導体との格子不整合、熱膨張係数等の要因による結晶欠陥が、窒化物半導体と異種基板との界面から縦方向に伸びるため、窒化物半導体基板とはならない。下地層にはアンドープのＧａＮを成長させることが最も好ましい。なお本発明における結晶欠陥の数はＴＥＭ観察において、写真上で計測できる結晶欠陥の数を指すものとする。
【００２０】
下地層２成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置を用い、図１（ｂ）に示すように下地層２をストライプ状の凹凸を有する形状でエッチングする。ストライプの凹部の幅は５μｍ、凸部の幅は５μｍとする。このエッチングは凹部が窒化物半導体面が露出するようにしたが、凹部は異種基板の表面が露出するまでエッチングして形成しても良い。図１（ｂ）はストライプに垂直な方向での断面図を示している。
【００２１】
凹凸形成後、図１（ｃ）に示すように、凸部の最表面と凹部の底部とにＳｉＯ2よりなる保護膜３を０．１μｍの膜厚で形成して、凹凸の側面にある窒化物半導体層が露出するようにする。保護膜はその表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択し、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯX）、窒化ケイ素（ＳｉXＮY）、酸化チタン（ＴｉＯX）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯX）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。このように窒化物半導体の表面に部分的に保護膜を形成して、その保護膜の上に横方向に窒化物半導体を成長するようにすると、窒化物半導体の結晶欠陥が縦方向に伸びなくなって、保護膜上に成長される窒化物半導体の結晶欠陥が激減し、窒化物半導体基板が成長できる。特に、本実施例にように異種基板上に成長させた窒化物半導体層の上面に保護膜を形成して、側面を露出させ、その側面から成長を行うことにより、結晶欠陥が１×１０5個／cm2以下の窒化物半導体基板が得られる。
【００２２】
保護膜３形成後、ウェーハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１０５０℃にして、図１（ｄ）に示すように、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層４を２０μｍの膜厚で成長させる。この第１の窒化物半導体層は４は凹凸が設けられた下地層２の側面から成長しだし、保護膜の上においては横方向に成長しながら縦方向に成長する。下地層２には異種基板との格子不整合に起因する結晶欠陥が多数発生しているが、保護膜３の上に横方向に成長させる第１の窒化物半導体は結晶欠陥が表面まで貫通しにくく、例えば結晶欠陥が１×１０5個／cm2以下、好ましい条件においては１×１０4個／cm2以下の窒化物半導体基板となる。
【００２３】
さらに第１の窒化物半導体４成長後、ウェーハをＨＶＰＥ装置に移送し、原料ガスに塩化ガリウム、アンモニア、不純物ガスとしてシランガス（ＳｉＨ4）を用い、最初にＳｉを１×１０20／cm3ドープしたＧａＮを５０オングストローム成長させる。ｎ側不純物を最初に高濃度にドープする場合、ｎ型不純物濃度は１×１０17／cm3以上、５×１０21／cm3以下、好ましくは１×１０18／cm3〜１×１０21／cm3に調整することが望ましい。５×１０21／cm3よりも多いと結晶性が悪くなり、逆にｎ型不純物により結晶欠陥が増加し、その結晶欠陥が転位しやすい傾向にある。また１×１０17／cm2よりも少ないと、十分なキャリア濃度が得られずに、ｎ電極とのオーミック性が悪くなる傾向にある。Ｓｉを高濃度で成長させた後、徐々にシランガスの流量を少なくしていき、Ｓｉ濃度が異種基板から離れるに従って、少なくなくなって行くような濃度勾配を有するＳｉドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層４’を３００μｍの膜厚で成長させ、その３００μｍの内の少なくとも最後の５μｍ部分のＳｉ濃度を１×１０18／cm3以下とし、最終の０．１μｍ部分をアンドープとする。
【００２４】
第２の窒化物半導体層成長後、異種基板１、下地層２、保護膜３、第１の窒化物半導体層４、および第２の窒化物半導体層４’の一部を異種基板側から研磨して除去し、膜厚２００μｍの窒化物半導体基板とする。
【００２５】
このように、異種基板１上に直接成長させた窒化物半導体よりなる下地層２の表面に凹凸を形成して、その下地層の側面を露出させ、さらに凸部の表面に保護膜３を形成して、側面から保護膜の上部に至るまで第１の窒化物半導体層４を成長させ、その上にｎ型不純物をドープした第２の窒化物半導体層４’を成長させて、濃度勾配を有する窒化物半導体基板を得ることは、結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板を得る上で非常に重要である。さらに第１の窒化物半導体層をＭＯＶＰＥ、その上に成長させる第２の窒化物半導体層をＨＶＰＥで成長させ、ＭＯＶＰＥで成長させた第１の窒化物半導体層４よりも第２の窒化物半導体層４’の膜厚を厚膜で成長させることにより、結晶欠陥が非常に少ない窒化物半導体基板が得られる。なお、前記方法により得られた第２の窒化物半導体層の表面から５μｍ以内の結晶欠陥をＴＥＭで観察したところ、１×１０4個／cm2以下と、非常に良好な基板が得られていることが判明した。
【００２６】
この窒化物半導体基板４’をＭＯＶＰＥ装置に移送し、アンドープＧａＮ（拡散によりＳｉが微量含まれている。）層の上に、以下のようにして、図２に示す構造を有するレーザ素子を作製する。
【００２７】
（クラック防止層２２）
ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＳｉを１×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層２２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。クラック防止層はＩｎＧａＮ若しくはＧａＮ層で形成でき、この層にｎ型不純物をドープして、０．１〜３μｍの膜厚で形成することが望ましい。なおこのクラック防止層は省略可能である。
【００２８】
（ｎ側クラッド層２３）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０18／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層２３を成長させる。超格子層のｎ型不純物はＧａＮ、ＡｌＧａＮいずれか一方、若しくはその両方にドープすることができる。
【００２９】
（ｎ側光ガイド層２４）
続いて、シランガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。またこのｎ側光ガイド層２４にｎ型不純物をドープしても良い。
【００３０】
（活性層２５）
次に、温度を８００℃にして、Ｓｉを５×１０18／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層を４０オングストロームの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを２回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚３８０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、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。さらに積層順としては、井戸層から積層して井戸層で終わっても、井戸層から積層して障壁層で終わっても、あるいは障壁層から積層して井戸層で終わっても良い。
【００３１】
（ｐ側キャップ層２６）
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、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層２６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
（ｐ側光ガイド層２７）
Ｃｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、Ｍｇを５×１０16／cm3ドープしたＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２７を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００３３】
（ｐ側クラッド層２８）
続いて、アンドープＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎよりなる層を２５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ＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、それらを交互に積層し、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層２８を成長させる。
【００３４】
（ｐ側コンタクト層２９）
最後に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２９を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３５】
以上のようにして窒化物半導体基板の上に、レーザ素子構造となる窒化物半導体層を積層成長させたウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２９の表面にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成して、ｐ側コンタクト層２９、およびｐ側クラッド層２８をエッチングして、１．５μｍの幅を有するリッジストライプを形成後、リッジの側面にＺｒＯ2よりなる絶縁膜３０を形成する。
【００３６】
次に、図２に示すように、その絶縁膜３０を介してｐ側コンタクト層２９とオーミック接触するｐ電極３１を形成し、さらにｐ電極３１のほぼ全面にボンディング用のｐパッド電極３２を形成する。そして、ｐ電極と対向した面にある窒化物半導体基板側にｎ電極３３を形成する。
【００３７】
最後に、窒化物半導体基板を劈開してその劈開面にレーザ素子の共振面を形成する。レーザ素子の劈開面は窒化物半導体基板を（１１−００）面、即ち窒化物半導体の結晶構造を六角柱で表した際に、その側面（Ｍ面）に相当する部分とする。劈開後、一方の劈開面にのみミラーとなる誘電体多層膜を形成し、共振面の反射率を変え、ミラーを形成していない方をレーザ光の出射面とする。最後にチップ状に分離して、窒化物半導体基板側をヒートシンクに設置し、レーザ素子としたところ、室温でレーザ発振を示し、閾値電流密度１．５ｋＡ／cm2において室温連続発振を示し、２０ｍＷの出力において１０００時間以上の寿命を示した。
【００３８】
窒化物半導体基板を用いてｐ層側にストライプ状のリッジを有するレーザ素子を作製する場合、最上層にあるｐ側コンタクト層にオーミック用のｐ電極を設ける必要がある。そのｐ電極のほぼ全面に、図２に示すように、ボンディング用のｐパッド電極を形成することにより放熱性が高まる。さらにそのｐパッド電極の上にワイヤーボンディングする際、ボンディング位置をリッジストライプと重ならないようにすることにより、レーザ素子の信頼性が向上する。これはボンディング時に、応力が直接リッジ部に係らないようになるので、リッジ下部にある活性層に衝撃が加わらないようになり、素子が痛みにくくなって信頼性が向上すると推察される。
【００３９】
このように本発明の窒化物半導体基板を用いて、素子構造を作製すると、異種基板を除去した際に、どこの面が露出しても、その面が常に高キャリア濃度となる。そのため、この露出面にｎ電極を設けると、基板全体にキャリアが広がりやすくなって、閾値が低下し、出力が向上する。さらにまた、ｎ電極を形成すべき基板面側からイオンインプランテーションによりｎ型不純物を打ち込んで、打ち込み深さ分だけ高キャリア濃度とすることもできる。
【００４０】
［実施例２］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４’を成長させる際、アンドープＧａＮを３０μｍの膜厚で成長させる。続いて、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮ層を８０μｍの膜厚で成長させ、次にＳｉを５×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層を２０μｍの膜厚で成長させ、次にＳｉを１×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層を２０μｍの膜厚で成長させ、最後にＳｉを５×１０17／cm3ドープしたＧａＮ層を２μｍの膜厚で成長させる。成長後、異種基板を研磨する際に、第２の窒化物半導体４’のアンドープＧａＮ層まで研磨して除去し、Ｓｉが１×１０19／cm3ドープされているＧａＮ面を露出させて、窒化物半導体基板とする。その他は実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４１】
［実施例３］
図３は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図である。以下、図３を元に実施例３を詳説する。
【００４２】
実施例１において、第１の窒化物半導体層４を２０μｍの膜厚で成長させた後、実施例１と同様にＨＶＰＥ装置を用いて、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮ層を１５０オングストローム成長させる。そして徐々にＳｉガスの量を少なくして、ＳｉドープＧａＮ層を１５０μｍの膜厚で成長させ、１５０μｍの最後の２μｍを、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたＧａＮとして、３００μｍの膜厚を有する第２の窒化物半導体層４’を成長させる。
【００４３】
反応終了後、異種基板、下地層、保護膜、第１の窒化物半導体層の一部を除去し、窒化物半導体基板とする。後は、実施例１と同様にして続いて、ウェーハをＭＯＶＰＥ装置に設置し、同様にして、クラック防止層２２〜ｐ側コンタクト層２９までを積層してレーザ素子構造とする。
【００４４】
成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２９の表面にマスクを形成して、図３に示すように、第２の窒化物半導体層４’のＳｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮ層を露出させて、この層をコンタクト層とする。
【００４５】
次に、ｐ側コンタクト層２９に所定の形状のマスクをかけ、ｐ側コンタクト層２９、およびｐ側クラッド層２８をエッチングして、１μｍの幅を有するリッジストライプを形成後、リッジ側面にＺｒＯ2よりなる絶縁膜３０を形成し、その絶縁膜３０を介して、ｐ側コンタクト層２９とオーミック接触したｐ電極３１と、ｐ電極と電気的に接続したｐパッド電極３２を形成し、先ほど露出させたｎ側のコンタクト層の表面にはオーミック接触したｎ電極３３を形成する。
【００４６】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、実施例１と同様に劈開して、窒化物半導体の劈開面にレーザ素子の共振面を形成する。劈開後、チップ状に分離して、図３に示すようなレーザ素子としたところ、実施例１とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
【００４７】
なお、図３に示すように同一面側にｎ電極とｐ電極とを形成したレーザ素子においても、ｐパッド電極を形成して、ボンディング位置をリッジからずらすことにより、素子が長寿命となりやすい。さらに、ｐ層側にリッジを有し、同一面側からｎ電極と、ｐ電極とを取り出したレーザ素子では、図３のように、リッジを中央部からｎ電極に接近にした位置にした方が閾値が低下しやすい。
【００４８】
［実施例４］
図４は本発明の他の実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図である。以下、図４を元に実施例４を説明する。
【００４９】
実施例１において、第１の窒化物半導体層４を２０μｍの膜厚で成長させた後、同じくＭＯＶＰＥ装置を用いて、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮ層を２０オングストローム成長させる。そして徐々にＳｉガスの量を少なくして、ＳｉドープＧａＮ層を２０μｍの膜厚で成長させ、その２０μｍの最後の１μｍを、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたＧａＮ層として、４０μｍの膜厚を有する第２の窒化物半導体層４’とし、異種基板上に、成長面主面から５μｍ以内の結晶欠陥が１×１０5／cm2以下の窒化物半導体層を有する窒化物半導体基板を得る。
【００５０】
（バッファ層４１）
続いて、ウェーハを反応容器においたまま、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなるバッファ層４１を０．１μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層はクラック防止層と同じ作用をし、活性層の上に成長させるＡｌＧａＮ層にクラックを入りにくくして結晶性良く成長させ、素子の出力を向上させる。なおこのバッファ層はＧａＮでも良く、またアンドープにしても良い。アンドープにする場合には、その膜厚を１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下にする。
【００５１】
（活性層４２）
次に、１５０オングストロームのＧａＮよりなる障壁層と、３０オングストロームのＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層とをそれぞれ３層づつ積層し、最後に障壁層を積層した、多重量子井戸構造の活性層を成長させる。
【００５２】
（ｐ側クラッド層４３）
次に、Ｍｇを５×１０19／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側クラッド層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００５３】
（ｐ側コンタクト層４４）
最後にＭｇ１×１０20／cm3ドープしたＧａＮよりなるｐ側コンタクト層を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【００５４】
反応終了後、最上層のｐ側コンタクト層４４の表面に所定の形状のマスクを形成し、図４に示すように第２の窒化物半導体層４’のＳｉを１×１０19／cm3ドープしたＧａＮ層を露出させて、この層をコンタクト層とする。
【００５５】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極４５と、そのｐ電極４５の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極４６を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、ｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極４７を形成してＬＥＤ素子とする。
【００５６】
このＬＥＤ素子は順方向電圧２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．２Ｖと従来のＬＥＤよりも低く、さらに逆方向の耐圧が２倍以上向上していた。逆方向の耐圧が向上したのは結晶欠陥が少ない窒化物半導体基板の上にＬＥＤ素子を成長させたことによるものである。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体基板を用いると、どこの層においてもｎ電極を形成することができるため、窒化物半導体基板上にＬＥＤ素子、ＬＤ素子等の素子構造を形成すると、非常にｎ電極形成用基板として非常に有用である。また異種基板を除去して窒化物半導体基板のみにすることにより、例えば発光素子のような発熱を伴う素子において、基板からの放熱性が良くなり、寿命が長くなって信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物半導体基板を得るための製造方法において、それぞれの工程において得られるウェーハの構造を順に説明する模式断面図。
【図２】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。
【図３】本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式断面図。
【図４】本発明の他の実施例に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式断面図。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・下地層
３・・・保護膜
４・・・第１の窒化物半導体層
４’・・第２の窒化物半導体層
２２、４１・・・クラック防止層（バッファ層）
２３・・・ｎ側クラッド層
２４・・・ｎ側光ガイド層
２５、４２・・・活性層
２６・・・ｐ側キャップ層
２７・・・ｐ側光ガイド層
２８、４３・・・ｐ側クラッド層
２９、４４・・・ｐ側コンタクト層
３０・・・絶縁膜
３１、４５・・・ｐ電極
３２、４６・・・ｐパッド電極
３３、４７・・・ｎ電極