【手続補正書】
【提出日】平成17年4月18日(2005.4.18)
【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】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  窒化物半導体素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】  少なくとも下面から厚さ方向に５μｍよりも上の領域では結晶欠陥の数が１×１０７個／ｃｍ２以下である、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて形成されたｎ型不純物を含有するＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板の上に積層された、活性層を含む窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の表面層に形成されたｐ電極と、
前記ＧａＮ基板の下面に形成されたｎ電極と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】  前記ＧａＮ基板は、結晶欠陥が少ない領域と結晶欠陥が多い領域とを有する請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は基板となり得るような結晶欠陥の少ない窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1−X−YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）の成長方法と、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、あるいはトランジスタ、パワーデバイス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】
青色ＬＥＤ、純緑色ＬＥＤの材料と知られている窒化物半導体は、サファイア基板上に格子不整合の状態で成長されている。格子不整合で半導体材料を成長させると、半導体中に結晶欠陥が発生し、その結晶欠陥が半導体デバイスの寿命に大きく影響することは知られている。窒化物半導体の場合、結晶欠陥として非常に多い貫通転位がある。しかし、窒化物半導体ＬＥＤ素子の場合、その貫通転位が例えば１０10／cm2以上と多いにも関わらず、その寿命にはほとんど影響しない。これは窒化物半導体が他の半導体材料と異なり、非常に劣化に強いことを示している。
【０００３】
一方、窒化物半導体レーザ素子では、ＬＥＤと同様にサファイア基板の上に成長されるが、サファイアの上に例えばＬＥＤと同じようにバッファ層を介して素子構造となる窒化物半導体を積層すると結晶欠陥はＬＥＤと同じである。しかし、レーザ素子の場合は、ＬＥＤに比較して電流密度が１〜２桁も大きいので、結晶欠陥がＬＥＤと異なり直接寿命に影響する傾向にある。レーザ素子のような極微小な領域に電流を集中させるデバイスでは、半導体中の結晶欠陥を少なくすることが非常に重要である。
【０００４】
そこで、例えばサファイアのような窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、窒化物半導体基板となるような結晶欠陥の少ない窒化物半導体を成長させる試みが、最近盛んに行われるようになった（例えば、Proceedings of The Second International Conference on Nitride Semiconductors-ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P492-493、同じくICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P500-501)。これらの技術は、サファイア基板上に、従来の結晶欠陥が非常に多いＧａＮ層を薄く成長させ、その上にＳｉＯ2よりなる保護膜を部分的に形成し、その保護膜の上からハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により、再度ＧａＮ層を横方向に成長させる技術である。この方法は窒化物半導体を保護膜上で横方向に成長させることから、一般にラテラルオーバーグロウス（lateral over growth:ＬＯＧ）と呼ばれている。
【０００５】
また、我々はＬＯＧにより作製した窒化物半導体基板の上に、活性層を含む窒化物半導体レーザ素子を作製して、世界で初めて室温での連続発振１万時間以上を達成したことを発表した（ICNS'97 予稿集,October 27-31,1997,P444-446）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の窒化物半導体の成長方法によると、確かに異種基板上に直接成長させた窒化物半導体よりも、結晶欠陥の数は減少する。これはＬＯＧによって、結晶欠陥を部分的に集中させられることによる。この方法では、保護膜の上部に結晶欠陥を集中させて、窓部に結晶欠陥の少ない領域を作製することができる。即ち、意図的に結晶欠陥を偏在させることができる。
【０００７】
しかしながら、従来の成長方法では、未だ窒化物半導体表面に現れている結晶欠陥の数は多く未だ十分満足できるものではなかった。また窒化物半導体素子についても、結晶欠陥が未だ偏在するため、信頼性も十分とは言えない。そのため一枚のウェーハからレーザ素子を多数作製しても、満足できる寿命を有しているものはわずかしか得られない。寿命に優れた素子を作製するためには、窒化物半導体表面に現れた結晶欠陥の数をさらに減少させる必要がある。従って、本発明はこのような事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基板となり得るような結晶欠陥の少ない窒化物半導体の成長方法を提供すると共に、主として信頼性に優れた窒化物半導体素子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素子は、少なくとも下面から厚さ方向に５μｍよりも上の領域では結晶欠陥の数が１×１０７個／ｃｍ２以下である、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて形成されたｎ型不純物を含有するＧａＮ基板と、 前記ＧａＮ基板の上に積層された、活性層を含む窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層の表面層に形成されたｐ電極と、前記ＧａＮ基板の下面に形成されたｎ電極と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記ＧａＮ基板は、結晶欠陥が少ない領域と結晶欠陥が多い領域とを有することが望ましい。
【００１０】
本発明の窒化物半導体の成長方法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に成長された第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層の表面に部分的に形成され、表面に窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜とからなる下地層を加熱し、その下地層の表面に窒素源のガスと、３族源のガスとを同時に供給して、前記保護膜及び下地層の上に、連続した第２の窒化物半導体層を成長させる窒化物半導体基板の成長方法において、前記３族源のガスに対する窒素源のガスのモル比（窒素源／３族源：以下、Ｖ／III比という。）を２０００以下に調整することを特徴とする。好ましいモル比としては１８００以下、さらに望ましくは１５００以下に調整する。下限は化学量論比以上であれば特に限定するものではないが、望ましくは１０以上、さらに好ましくは３０以上、最も好ましくは５０以上に調整する。本発明において、窒素源のガスとは、アンモニア、ヒドラジン等の水素化物ガスが相当し、Ｇａ源のガスとしては有機金属気相成長法であれば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等の有機Ｇａガス、ＨＶＰＥでは、ＨＣｌのようなIII族源と反応するハロゲン化水素ガス、若しくはハロゲン化水素ガスと反応したハロゲン化ガリウム（特にＧａＣｌ3）等がＧａ源のガスに相当する。
【００１１】
本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に成長された第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層の上に部分的に形成され、表面に窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜とからなる下地層の上に、下地層に接近した側に結晶欠陥が多い領域と、下地層より離れた側に結晶欠陥が少ない領域とを有する第２の窒化物半導体層を有し、その第２の窒化物半導体層の上に活性層を含む複数の窒化物半導体層が成長されてなることが望ましい。
前記下地層が残されて素子構造とされる場合、その第２の窒化物半導体層の厚さが１μｍ以上〜５０μｍ以下の範囲にあることが望ましい。第２の窒化物半導体層の厚さは好ましくは３μｍ〜４０μｍ、さらに好ましくは５μｍ〜２０μｍの範囲に調整する。下地層には窒化物半導体と格子定数、及び熱膨張係数が異なる異種基板を有している。そのため下地層の上に成長された窒化物半導体には常に歪みが係っている。この歪みは成長後のウェーハを反らせたり、窒化物半導体基板を割ってしまったりする。そこで、窒化物半導体基板の厚さを前記範囲に調整することにより、ウェーハの反りを少なくして、第２の窒化物半導体層が割れるのを少なくすることができる。また第２の窒化物半導体層の厚さが１μｍよりも薄いと、保護膜上に第２の窒化物半導体層が十分に成長せず、結晶欠陥が未だに多く、基板となるような層ができにくい。
【００１２】
また前記下地層が残されて素子構造とされる場合、第２の窒化物半導体層の上に成長されｎ型不純物がドープされた窒化物半導体よりなるｎ側コンタクト層にｎ電極が形成されてなることが望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅを好ましく用いる。この第２の窒化物半導体層をアンドープＧａＮとして結晶性を良くすると、抵抗率が高くなるため、その上にｎ型不純物がドープした窒化物半導体、好ましくはＳｉドープＧａＮ層をコンタクト層とすると、結晶欠陥の転位を少なくして、信頼性に高い素子が得られる。
また前記下地層が残されて素子構造とされる場合、結晶欠陥が多い領域側の第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることが望ましい。窒化物半導体では結晶欠陥が多いものは、結晶欠陥が少ないものよりもキャリア濃度が大きくなる傾向にある。従って、第２の窒化物半導体層の結晶欠陥の多い領域は自然とｎ＋となっており、このｎ＋の方にｎ電極を設けると、閾値、Ｖｆ（順方向電圧）が低下しやすい。
【００１３】
一方、前記下地層が除去されて素子構造とされる場合、第２の窒化物半導体層の厚さが５０μｍ以上であることが望ましい。これは５０μｍ以上の膜厚であると、結晶欠陥の少ない領域がさらに多くなって、その上に活性層を含む窒化物半導体を成長させると、非常に結晶欠陥の少ない素子構造が形成できることによる。
【００１４】
また、下地層が除去される場合、結晶欠陥が多い領域の第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されてなることが望ましい。下地層は例えばエッチング、研磨等の手法により窒化物半導体基板と分離できる。下地層が除去された第２の窒化物半導体層はその裏面が露出するが、ｎ電極とｐ電極とを設けて最終的な素子とする場合、ｎ電極をその裏面全体に形成して、活性層を含む窒化物半導体層側に設けられるｐ電極と、前記ｎ電極とが対向した状態とする。第２の窒化物半導体層が同一組成で結晶欠陥の少ない低キャリア濃度領域と、結晶欠陥の多い高キャリア濃度領域とを有しているので、この高キャリア濃度領域にｎ電極を設けることにより、効率のよい素子を作製することができる。
【００１５】
第２の窒化物半導体層は基本的にはアンドープの状態であるのが結晶欠陥が最も少なく、かつ移動度が大きく、キャリア濃度が小さいものが得られる傾向にあるが、キャリア濃度を高めるために、ｎ型不純物をドープして成長させてもよい。特に、下地層を除去して、その第２の窒化物半導体層の表面に電極を形成する場合、第２の窒化物半導体層にはＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてキャリア濃度を、例えば１×１０17／cm3〜５×１０19／cm3に調整することが望ましい。
【００１６】
なお本発明の素子の第２の窒化物半導体層は前記請求項１または２の成長方法によって、成長されることが最も望ましいが、本発明の素子では、第２の窒化物半導体層の結晶欠陥の多い領域と、少ない領域とが窒化物半導体積層方向に対してほぼ同じ方向にあれば、その成長方法は特に限定されない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は本発明の成長方法による第２の窒化物半導体層の結晶構造を示す模式的な断面図であり、一方、図５〜図７は窒素源ガスの供給量が少ない従来の成長方法による窒化物半導体層の結晶構造を示す模式的な断面図である。これらの図において、１、１'は例えばサファイアよりなる異種基板、２、２'は異種基板上に成長されて、結晶欠陥が層内ほぼ均一にある第１の窒化物半導体層、３、３'は窒化物半導体が表面に成長しにくい性質を有する例えばＳｉＯ2よりなる保護膜、４、４'は基板となるような第２の窒化物半導体層を示している。以下、これらの図を元に本発明の窒化物半導体の成長方法の作用を従来の方法と比較しながら説明する。図１〜図７において示す細線は窒化物半導体の結晶欠陥を模式的に示している。
【００１８】
異種基板１の上に成長した第１の窒化物半導体層２は、その層内においてほぼ均一に結晶欠陥を有している。そして、その第１の窒化物半導体層２の表面に部分的（例えばストライプ状）に保護膜３を形成する。この異種基板１、第１の窒化物半導体層２及び保護膜３を有する下地層を例えば９００℃〜１１００℃に加熱して、その下地層の表面に基板となるような連続した第２の窒化物半導体層４を成長させる。
【００１９】
本発明の方法では３族源のガスに対する窒素源のガスのモル比（Ｖ／III比）を２０００以下に調整する。このようにＶ／III比を小さくすることにより、図１に示すように窓部（保護膜が形成されていない部分）から成長した第２の窒化物半導体４が、保護膜３の上においてほぼ垂直な方向、若しくは逆台形に近い形状で成長する。第１の窒化物半導体層２に発生している結晶欠陥は、第２の窒化物半導体層４にも伸びてくるが、第２の窒化物半導体４をほぼ垂直な方向で成長させると、図１に示すように保護膜上部において、結晶欠陥が横方向（端面方向）に伸びる傾向にある。なお、この図では保護膜の面積と、窓部の面積とをほぼ同じとしているが、本発明の成長方法では保護膜の面積を窓部の面積よりも大きくする方が、結晶欠陥がより少ない第２の窒化物半導体層が得られる。
【００２０】
さらに成長を続けると、保護膜３の上において、窒化物半導体は上方向にも成長するが、横方向にも成長する（ＬＯＧ）。本発明の方法によると、第２の窒化物半導体４の端面が、異種基板水平面に対してほぼ垂直に成長するので、図２に示すように第２の窒化物半導体４は、保護膜に近い側よりも、保護膜から離れた側で先に繋がるか、若しくは端面同士がほぼ同時に繋がる傾向にある。ここで重要なことは、第２の窒化物半導体層に発生している結晶欠陥は、横方向に伸びているため、第２の窒化物半導体層表面に現れにくいということである。
【００２１】
さらに成長を続けると、第２の窒化物半導体層４は上に向かっても成長するが、図３に示すように、保護膜の真上にある空隙部を埋めるために横方向、若しくは下方向に成長する。そしてその成長に従うように、第２の窒化物半導体層４の結晶欠陥は、保護膜３の方向を向いて成長するか若しくは、真横に広がる傾向にある。
【００２２】
従って、成長後の第２の窒化物半導体層４は、図４に示すように第２の窒化物半導体層の結晶欠陥が、第２の窒化物半導体の成長方向に合わせて、横方向にのみ伸びて、表面にまで繋がって貫通転位とならないため、表面に現れてくるものは非常に少なくなるのである。さらに厚膜で成長させると結晶欠陥が成長中に止まるものもある。このため、下地層の上に第２の窒化物半導体層を厚膜で成長していくに従って結晶欠陥は少なくなる傾向にあり、例えば第２の窒化物半導体層を３０μｍ以上で成長させると、表面に現れる結晶欠陥が非常に少ない第２の窒化物半導体層が得られ、特に現実的なＧａＮ基板として作用する。
【００２３】
このように第２の窒化物半導体を成長することにより、下地層に接近した側に結晶欠陥が多い領域と、下地層より離れた側に結晶欠陥の少ない領域を有する第２の窒化物半導体層を成長できる。本発明の成長方法によると、例えば表面に現れる結晶欠陥の数は、断面ＴＥＭで観察すると、１×１０8個／cm2以下、さらには１×１０6個／cm2以下にすることができる。
【００２４】
一方、図５〜図７に示す従来のＶ／III比が２０００より大きい成長方法では、最初の成長で、図５に示すように窓部から成長した第２の窒化物半導体層４'は、その窓部において三角形状（屋根状）に成長する。第２の窒化物半導体層４'が三角形状に成長すると、第１の窒化物半導体層２'から第２の窒化物半導体層４'に伸びる結晶欠陥は、その三角形状の辺部（屋根部）に向かう。
【００２５】
さらに成長を続けると、第２の窒化物半導体層４'は横方向に成長して、三角形の底辺である保護膜の表面において先に繋がる。さらに成長を続けると、屋根部に向かう結晶欠陥は上方向にも伸びてくる。
【００２６】
そのため従来の成長方法による第２の窒化物半導体層４'の結晶欠陥は、図７に示すように、保護膜上部で繋がり第２の窒化物半導体層の表面に貫通転位となって現れる。従って、第２の窒化物半導体層の表面には結晶欠陥の多い領域と少ない領域とが偏在するようになる。
【００２７】
本発明の成長方法において、第２の窒化物半導体を基板に対して垂直、若しくは逆台形に成長させるためには、窒素源のガスと、３族源のガスとのモル比を調整することは非常に重要であり、その比（窒素源／３族源）を２０００よりも多くすると、第２の窒化物半導体が従来のように三角形状に成長するため、結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導体層を得ることが難しい傾向にある。
【００２８】
【実施例】
［実施例１］
図８は本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状を示す模式的な斜視図であり、リッジストライプに垂直な方向で切断した際の断面も同時に示している。以下、この図を基に実施例１について説明する。
【００２９】
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、キャリアガスに水素、反応ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム（Ｇａ(ＣＨ3)3：ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ3）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を２００オングストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、同じくＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層２を５μｍの膜厚で成長させる。第１の窒化物半導体層２はＡｌ混晶比X値が０．５以下のＡｌXＧａ1-XＮ（０≦X≦０．５）を成長させることが望ましい。０．５を超えると、結晶欠陥というよりも結晶自体にクラックが入りやすくなってしまうため、結晶成長自体が困難になる傾向にある。また膜厚はバッファ層よりも厚い膜厚で成長させて、１０μｍ以下の膜厚に調整することが望ましい。基板はサファイアの他、ＳｉＣ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＡｓ等、窒化物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板を用いることができる。
【００３０】
第１の窒化物半導体層２成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、この第１の窒化物半導体層２の表面に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜３を１μｍの膜厚で形成する。保護膜の形状としてはストライプ状、ドット状、碁盤目状等どのような形状でも良いが、窓部よりも保護膜の面積を大きくする方が、結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導体層３が成長しやすい。保護膜の材料としては、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、若しくは成長しにくい性質を有している。
【００３１】
（第２の窒化物半導体層４）
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、アンモニアを０．２７mol／min、ＴＭＧを２２５μmol／min（Ｖ／III比＝１２００）でアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層４を３０μｍの膜厚で成長させる。成長後、第２の窒化物半導体層を断面ＴＥＭにより観察すると、第１の窒化物半導体層の界面からおよそ５μｍ程度までの領域は結晶欠陥の数が多く（１０8個／cm2以上）、５μｍよりも上の領域では結晶欠陥が少なく（１０6個／cm2以下）、十分に窒化物半導体基板として使用できるものであった。また成長後の表面は、保護膜上部にはほとんど結晶欠陥が見られず、窓部上部（ストライプ中央部）にはやや結晶欠陥が表出する傾向があるが、従来の方法（Ｖ／III比が２０００より大）に比べて結晶欠陥の数は２桁以上少ない。
【００３２】
第２の窒化物半導体層はハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いて成長させることができるが、このようにＭＯＶＰＥ法により成長させることもできる。第２の窒化物半導体層はＩｎ、Ａｌを含まないＧａＮを成長させることが最も好ましく、成長時のガスとしては、ＴＭＧの他、トリエチルガリウム（Ｇａ(Ｃ2Ｈ5)3：ＴＥＧ）等の有機ガリウム化合物を用い、窒素源はアンモニア、若しくはヒドラジンを用いることが最も望ましい。また、この第２の窒化物半導体層にＳｉ、Ｇｅ等のｎ型不純物をドープしてキャリア濃度を適当な範囲に調整してもよい。特に異種基板、第１の窒化物半導体層、保護膜を除去する場合には、この第２の窒化物半導体層にｎ型不純物をドープすることが望ましい。
【００３３】
（ｎ側バッファ層１１＝兼ｎ側コンタクト層）
次に、アンモニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、第２の窒化物半導体層４の上にＳｉを３×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側バッファ層１１を５μｍの膜厚で成長させる。このバッファ層は、図８のような構造の発光素子を作製した場合にはｎ電極を形成するためのコンタクト層としても作用する。また異種基板、及び保護膜を除去して、第２の窒化物半導体層に電極を設ける場合には、省略することもできる。このｎ側バッファ層は高温で成長させるバッファ層であり、例えばサファイア、ＳｉＣ、スピネルのように窒化物半導体と異なる材料よりなる基板の上に、９００℃以下の低温において、ＧａＮ、ＡｌＮ等を、０．５μｍ以下の膜厚で直接成長させるバッファ層とは区別される。
【００３４】
（クラック防止層１２）
次に、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Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎよりなるクラック防止層１２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。クラック防止層は少なくともインジウムを含む窒化物半導体、好ましくはＩｎXＧａ1-XＮ（０＜X＜０．５）を０．５μｍ以下の膜厚で成長させることにより、その上に成長させるＡｌを含む窒化物半導体にクラックが入るのを防ぐことができる。
【００３５】
（ｎ側クラッド層１３＝超格子層）
続いて、１０５０℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、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Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層を２５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、アンドープのＧａＮよりなる第２の層を２５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、総膜厚０．８μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１２を成長させる。バンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。
【００３６】
（ｎ側光ガイド層１４）
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１４を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、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。またこの層をアンドープの超格子層とすることもできる。超格子層とする場合には超格子を構成するバンドギャップエネルギーの大きい方の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは活性層の井戸層よりも大きく、ｎ側クラッド層のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりも小さくする。
【００３７】
（活性層１５）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い活性層１４を成長させる。活性層は温度を８００℃に保持して、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。次にＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、アンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ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る。井戸層と障壁層とを順に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚４４０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。
【００３８】
（ｐ側キャップ層１６）
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、ｐ側光ガイド層１７よりもバンドギャップエネルギーが大きい、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１６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。このｐ型キャップ層１６は０．１μｍ以下の膜厚で形成することにより素子の出力が向上する傾向にある。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。
【００３９】
（ｐ側光ガイド層１７）
続いてＣｐ2Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層１６よりも小さい、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１７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型光ガイド層１４と同じくＧａＮ、ＩｎＧａＮで成長させることが望ましい。なお、このｐ側光ガイド層をアンドープの窒化物半導体、若しくはｐ型不純物をドープした窒化物半導体よりなる超格子層とすることもできる。超格子層とする場合にはバンドギャップエネルギーの大きな方の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーは、活性層の井戸層より大きく、ｐ側クラッド層のＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりも小さくすることが望ましい。
【００４０】
（ｐ側クラッド層１８）
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３の層を２５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、アンドープＧａＮよりなる第４の層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．８μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１８を成長させる。この層もｎ側クラッド層１３と同じくバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体を積層した超格子を作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと閾値が低下しやすい傾向にある。
【００４１】
（ｐ側コンタクト層１９）
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層１８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１８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１９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２１と最も好ましいオーミック接触が得られる。またｐ型ＡｌYＧａ1-YＮを含む超格子構造のｐ側クラッド層１７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側コンタクト層として、その膜厚を５００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１８のキャリア濃度が高くなりｐ電極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。
【００４２】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウェーハを反応容器内において、窒素雰囲気中７００℃でアニーリングを行い、ｐ型不純物をドープした層をさらに低抵抗化させる。
【００４３】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図７に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層１８と、ｐ側クラッド層１７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。重要なことはリッジストライプを形成する場合、図８に示すようにリッジストライプ位置を結晶欠陥がやや現れ易い傾向を有するストライプ状の窓部中央部を避ける位置とする。このように結晶欠陥がほとんどない位置にストライプを形成すると、結晶欠陥が活性層まで伸びてこなくなる傾向にあるため、素子の長寿命とすることができ、信頼性が向上する。
【００４４】
次にリッジ表面にマスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ側バッファ層１１の表面を露出させる。露出させたこのｎ側バッファ層１１はｎ電極２３を形成するためのコンタクト層としても作用する。なお図８ではｎ側バッファ層１１をコンタクト層としているが、第２の窒化物半導体層４の結晶欠陥の多い領域までエッチングを行い、その第２の窒化物半導体層４をコンタクト層とすることもできる。
【００４５】
次にｐ側コンタクト層１９のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ電極２０をストライプ状に形成する。ｐ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られるｐ電極２０の材料としては、例えばＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ等を挙げることができる。
【００４６】
一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ電極２２を先ほど露出させたｎ側バッファ層１１の表面にストライプ状に形成する。ｎ側バッファ層１１、またはＧａＮ基板１０と好ましいオーミックが得られるｎ電極２２の材料としてはＡｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ等の金属若しくは合金が好ましい。
【００４７】
次に、図１に示すようにｐ電極２０と、ｎ電極２２との間に露出した窒化物半導体層の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜２３を形成し、この絶縁膜２３を介してｐ電極２０と電気的に接続したｐパッド電極２１を形成する。このｐパッド電極２１は実質的なｐ電極２１の表面積を広げて、ｐ電極側をワイヤーボンディング、ダイボンディングできるようにしている。
【００４８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した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、窒化物半導体を形成していない側のサファイア基板をラッピングし、サファイア基板の厚さを７０μｍとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で１μｍポリシングして基板表面を鏡面状とし、Ａｕ／Ｓｎで全面をメタライズする。
【００４９】
その後、Ａｕ／Ｓｎ側をスクライブして、ストライプ状の電極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。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、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２．０ｋＡ／cm2、閾値電圧４．０Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、１万時間以上の寿命を示した。さらに同一ウェーハから、５００個のレーザ素子を無作為に抽出し、レーザ素子の寿命を測定したところ７０％以上が１万時間以上の寿命を示した。
【００５０】
［比較例］
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、アンモニアを０．３６mol／min、ＴＭＧを１６２μmol／min（Ｖ／III比＝２２２２）としてアンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層４を３０μｍの膜厚で成長させ、リッジストライプを任意の位置に形成する他は、同様にしてレーザ素子を得たところ、５００個の内で１万時間以上を達成したものは５％以下であった。
【００５１】
［実施例２］
実施例１において、第２の窒化物半導体を成長させる際、その膜厚を１０μｍとする他は同様にしてレーザ素子を作製したところ、第２の窒化物半導体層の表面に現れる結晶欠陥の数は実施例１に比較して１桁ほど多い傾向にあり、５００個の内、１万時間以上の寿命を達成したものは、５０％以上であった。
【００５２】
［実施例３］
図９は本発明の他の実施例に係る一レーザ素子の構造を示す模式断面図であり、図８と同一符号は同一箇所を示している。以下この図を基に実施例２について説明する。
【００５３】
実施例１において第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、アンモニアを０．２７mol／min、ＴＭＧを１５０μmol／min（Ｖ／III比＝１８００）とし、さらにシランガスを加えてＳｉドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を３０μｍの膜厚で成長させる。この第２の窒化物半導体層４、第１の窒化物半導体層２界面からおよそ５μｍ程度までの領域は結晶欠陥の数が多く、５μｍよりも上の領域では結晶欠陥が少なく（１０7個／cm2以下）、十分に窒化物半導体基板として使用できるものであった。
【００５４】
後は実施例１と同様にして活性層を含む窒化物半導体を積層した後、図９に示すように、エッチングにより第２の窒化物半導体層の上からおよそ６μｍ程度をエッチングにより除去して、結晶欠陥の多い領域の第２の窒化物半導体層４の表面を露出させ、その面にｎ電極２２を形成してレーザ素子とする。このレーザ素子も実施例１と同様に低閾値で連続発振し、１万時間以上の寿命を達成したものは５００個の内で５０％以上あった。
【００５５】
［実施例４］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、アンモニアを０．２７mol／min、ＴＭＧを１８０μmol／min（Ｖ／III比＝１５００）とする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく低閾値で連続発振し、実施例１とほぼ同等の個数でレーザ素子が得られた。
【００５６】
［実施例５］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、ＴＭＧのみの流量を多くして、Ｖ／III比を８００とする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく低閾値で連続発振し、実施例１とほぼ同等の個数でレーザ素子が得られた。
【００５７】
［実施例６］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、アンモニアを０．１５mol／min、ＴＭＧを５mmol／min（Ｖ／III比＝３０）とする他は、実施例１と同様にしてレーザ素子を作製したところ、同じく低閾値で連続発振し、１万時間以上の寿命を示したものは５００個の内で３０％以上であった。
【００５８】
［実施例７］
実施例１において、第２の窒化物半導体層４を成長させる際に、Ｓｉをドープして膜厚を９０μｍの膜厚で成長させる。後は実施例１と同様にしてその第２の窒化物半導体層の上に活性層を含む窒化物半導体層を成長させる。成長後、反応容器からウェーハを取り出したところ、サファイアと第２の窒化物半導体層との熱膨張係数差の関係で、ウェーハが皿のように反っていた。そこで、このウェーハの異種基板側を研磨して、異種基板１、第１の窒化物半導体層２、及び保護膜３を除去する。この異種基板の除去によってウェーハはほぼ平面が得られるようになった。
【００５９】
次に、実施例１と同様にしてｐ側クラッド層１８から上をリッジ形状とし、ｐ電極２０及びｐパッド電極２１を形成する。但し、リッジストライプの位置は保護膜が除去されているので、窓部に一致させることは困難である。一方保護膜が除去されて露出された結晶欠陥が多い側の第２の窒化物半導体層表面のほぼ全面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極を設け、ｐ電極とｎ電極とが対向した状態のレーザ素子とする。
【００６０】
同様に、このレーザ素子も低閾値で室温で連続発振し、１万時間以上の寿命を示したものは５００個の内で７０％以上であった。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化物半導体の成長方法によると、一ヶ所に結晶欠陥が集中しないで、表面に現れた結晶欠陥が非常に少ない窒化物半導体素子を実現できる。そのため、結晶欠陥が第２の窒化物半導体層全体に渡って少なくできるため、レーザ素子を作製した場合において、信頼性の高い素子が従来よりも高い歩留まりで得られるようになる。また、本発明の素子では表面に現れた結晶欠陥が少ない第２の窒化物半導体層の上に活性層を含む窒化物半導体層を積層しているので、非常に信頼性の高い素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図２】  本発明の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図３】  本発明の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図４】  本発明の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図５】  従来の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図６】  従来の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図７】  従来の成長方法において得られる窒化物半導体層の結晶構造を模式的に示す断面図。
【図８】  本発明の一実施例に係るレーザ素子の構造を示す模式的な斜視図。  
【図９】  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的な斜視図。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第１の窒化物半導体層
３・・・保護膜
４・・・第２の窒化物半導体層
１１・・・ｎ側バッファ層
１２・・・クラック防止層
１３・・・ｎ側クラッド層
１４・・・ｎ側光ガイド層
１５・・・活性層
１６・・・ｐ側キャップ層
１７・・・ｐ側光ガイド層
１８・・・ｐ側クラッド層
１９・・・ｐ側コンタクト層
２０・・・ｐ電極
２１・・・ｐパッド電極
２２・・・ｎ電極
２３・・・絶縁膜