(57)【要約】【課題】フリースタンディングＧａＮ基板上で成長させた窒化物半導体素子の電気特性を改善する。【解決手段】窒化物半導体素子は、ＧａＮよりなるフリースタンディングの基板と、基板上に形成されたｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）よりなる第１バッファ層と、第１バッファ層上に形成されたｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．１）よりなる第２バッファ層と、第２バッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ層とを備える。この構成により、バッファ層の機能を、再成長界面からの転位の発生を抑制する第１バッファ層と、クラックの発生を抑制する第２バッファ層とに分けることで、フリースタンディング基板上に高品質のＡｌＧａＮ層を成長させ、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。【選択図】図３
2006165453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮよりなるフリースタンディングの基板と、
前記基板上に形成されたｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）よりなる第１バッファ層と、
前記第１バッファ層上に形成されたｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．１）よりなる第２バッファ層と、
前記第２バッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ層と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体素子であって、
前記第１バッファ層の膜厚を、第２バッファ層の膜厚よりも薄くすることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項３】
請求項２に記載の窒化物半導体素子であって、
前記第１バッファ層の膜厚が、３００〜３０００オングストロームであり、第２バッファ層の膜厚が、５００〜４０００オングストロームであることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記第１バッファ層のＳｉ濃度を、第２バッファ層のＳｉ濃度よりも低くすることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項５】
請求項４に記載の窒化物半導体素子であって、
前記第１バッファ層のＳｉ濃度が、０．３×１０１８〜３．０×１０１８ｃｍ−３であり、第２バッファ層のＳｉ濃度が、１×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比が０．０５以上であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記基板が、ＳｉあるいはＯをドープしたフリースタンディングＧａＮ基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体素子であって、
前記基板が、表面を平滑に加工した基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項９】
支持基板となる窒化ガリウムと、該基板上にＡｌを含むｎ型窒化ガリウムである第１バッファ層と、該第１バッファ層上にＩｎを含むｎ型窒化ガリウムである第２バッファ層と、該第２バッファ層上にＡｌを含む窒化ガリウムと、
を備えることを特徴とする窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザダイオード（ＬＤ）等の発光デバイス、又はフォトダイオード等の受光デバイスに利用される窒化物半導体よりなる素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、紫外から可視域におよぶ広範なバンドギャップエネルギーを有し、発光・受光デバイス用半導体材料として有用である。窒化物半導体は、典型的には一般式がＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子は、従って比較的短波長の紫外線領域から赤色を含む可視光領域までの広い波長領域の発光を有しており、ＬＥＤやＬＤなどを構成する素子として広く用いられている。近年は、小型化、長寿命化、高信頼性、かつ高出力化が進み、主としてパーソナルコンピュータ、ＤＶＤなどの電子機器、医療機器、加工機器や光ファイバ通信の光源などに利用されている。このような窒化物半導体素子を構成する窒化物半導体層はエピタキシャル成長により形成されるが、下地基板となり得る良質の大型ＧａＮ単結晶基板は存在しなかった。そこで、従来より下地基板としてサファイアやＳｉＣ等、窒化物半導体とは異なる異種基板が利用されてきた。例えば、Ａｌの組成比の高い高混晶のＡｌＧａＮ層を含む発光ダイオードや半導体レーザ等を作成する際には、サファイア等の基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を利用してＧａＮを成長させるヘテロエピタキシ技術により、基板上にＧａＮをＥＬＯ（epitaxial laterally overgrowth）成長させたＧａＮ−ＥＬＯ基板が下地基板として利用されてきた。図１に示すように、このＥＬＯ基板上１１にクラックの発生を防ぐバッファ層（緩衝層）としてＩｎＧａＮ層１２を成長させ、さらにその上にＡｌＩｎＧａＮ素子１３を成長させることで窒化物半導体素子を製造している。この方法によれば、ＥＬＯ基板上での窒化物半導体の再成長における転位の増加を抑制し、効果的にクラックの発生を防止し結晶性を向上させ、かつ良好な電気特性を得ることができる。
【特許文献１】特開２００２−３１６８９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方で、このようなＥＬＯ基板に代わり、良質で大面積の窒化物半導体ウエハ、とりわけフリースタンディングウエハ（自立ウエハ）の実現が強く求められている。フリースタンディングの窒化物半導体ウエハとは、サファイア、ＧａＡｓ、ＳｉＣ等の支持基板のない主に窒化物半導体から構成されるウエハである。特にサファイアは窒化物半導体と格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、このような異種基板上でのエピタキシャル成長層は、界面で転位や応力が発生するという問題があり、低い転位密度を有する大型のＧａＮ単結晶基板の実現が期待されている。一般に、フリースタンディングの窒化物半導体ウエハを得るためには、窒化物半導体とは異なる材料からなる基板上に窒化物半導体膜をエピタキシャル成長させ、その後、基板を除去するという方法が用いられている。このようなフリースタンディングウエハとして、サファイア基板を有しないフリースタンディングＧａＮ基板（Free-Standing-GaN）が開発されている。フリースタンディングＧａＮ基板は、サファイア基板などの異種基板を下地基板としてＧａＮ基板層を成長させた後、下地基板を研磨やエッチング等で除去してＧａＮ基板のみとしている。このため、基板のひずみを是正し、また表面を平坦にする必要があり、ＣＭＰ（化学機械的研磨）処理等により表面を研磨している。したがって、サファイア基板上にＧａＮ層を成長させて使用する場合は、成長した面がそのまま表面となるのに対し、フリースタンディングＧａＮ基板ではＧａＮ基板層を成長後に表面を一旦研磨し、その後再成長させることとなる。しかしながら、このようなフリースタンディングＧａＮ基板２１を用いて、図２に示すように上記と同様の構成のＡｌＩｎＧａＮ素子２３を含む窒化物半導体素子を、ＩｎＧａＮバッファ層２２を介して成長させようとすると、ＥＬＯ基板上における成長と異なり、明らかな結晶欠陥の増加が発生することが判明した。このような結晶欠陥の増加は電気特性に大きな影響を与え、素子の劣化を引き起こす大きな要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、フリースタンディングＧａＮ基板上で成長させた窒化物半導体素子の電気特性を改善させることにある。
【０００５】
以上の目的を達成するために本発明の第１の側面に係る窒化物半導体素子は、ＧａＮよりなるフリースタンディングの基板と、基板上に形成されたｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．１）よりなる第１バッファ層と、第１バッファ層上に形成されたｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．１）よりなる第２バッファ層と、第２バッファ層上に形成されたＡｌＧａＮ層とを備える。この構成により、バッファ層の機能を、再成長界面からの転位の発生を抑制する第１バッファ層と、クラックの発生を抑制する第２バッファ層とに分けることで、フリースタンディング基板上に高品質のＡｌＧａＮ層を成長させ、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。
【０００６】
さらにまた、本発明の第２の側面に係る窒化物半導体素子は、第１バッファ層の膜厚を、第２バッファ層の膜厚よりも薄くすることができる。この構成により、第１バッファ層によるクラックの発生を抑止することができる。
【０００７】
さらにまた、本発明の第３の側面に係る窒化物半導体素子は、第１バッファ層の膜厚が、３００〜３０００オングストロームであり、第２バッファ層の膜厚が、５００〜４０００オングストロームとできる。この構成により、第１バッファ層によるクラックの発生を抑止することができる。
【０００８】
さらにまた、本発明の第４の側面に係る窒化物半導体素子は、第１バッファ層のＳｉ濃度を、第２バッファ層のＳｉ濃度よりも低くすることができる。この構成により、第２バッファ層成長の結晶品質の低下を防ぐことができる。
【０００９】
さらにまた、本発明の第５の側面に係る窒化物半導体素子は、第１バッファ層のＳｉ濃度が、０．３×１０１８〜３．０×１０１８ｃｍ−３であり、第２バッファ層のＳｉ濃度が、１×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３とできる。この構成により、第２バッファ層成長の結晶品質の低下を防ぐことができる。
【００１０】
さらにまた、本発明の第６の側面に係る窒化物半導体素子は、ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比が０．０５以上とできる。
【００１１】
さらにまた、本発明の第７の側面に係る窒化物半導体素子は、基板が、ＳｉあるいはＯをドープしたフリースタンディングＧａＮ基板である。
【００１２】
さらにまた、本発明の第８の側面に係る窒化物半導体素子は、基板が、表面を平滑に加工した基板である。
【００１３】
さらにまた、本発明の第９の側面に係る窒化物半導体素子は、支持基板となる窒化ガリウムと、該基板上にＡｌを含むｎ型窒化ガリウムである第１バッファ層と、該第１バッファ層上にＩｎを含むｎ型窒化ガリウムである第２バッファ層と、該第２バッファ層上にＡｌを含む窒化ガリウムとを備える。この構成により、バッファ層の機能を、再成長界面からの転位の発生を抑制する第１バッファ層と、クラックの発生を抑制する第２バッファ層とに分けることで、フリースタンディング基板上に高品質のＡｌを含む窒化ガリウムを成長させ、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の窒化物半導体素子によれば、バッファ層を複数の層に分けることにより、効果的に再成長界面からの転位の発生を防ぎ、かつクラックの発生を抑制するという機能を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための窒化物半導体素子を例示するものであって、本発明は窒化物半導体素子を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
【００１６】
図３に、本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体素子の構成を概略断面図で示す。この図に示す窒化物半導体素子は、フリースタンディングＧａＮ基板３１と、基板上に形成された第１バッファ層３２であるｎ−ＡｌＧａＮと、第１バッファ層３２上に形成された第２バッファ層３４であるｎ−ＩｎＧａＮと、第２バッファ層３４上に形成されたＡｌＩｎＧａＮ素子３６とを備える。このようにバッファ層の機能毎に異なる組成の層を組み合わせることで、転位の伝搬とクラック防止機能を両立させ、高品質のＡｌＩｎＧａＮ素子３６を成長させることで電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。半導体を用いる光学素子の寿命特性は、転位密度を含む活性層の結晶性に依存するため、可能な限り転位を低減する必要がある。またクラックの発生も素子への悪影響を及ぼす。例えばＧａＮ基板上に形成されるｎ型コンタクト層内に微細なクラックが発生すると、レーザ素子の場合はしきい値の上昇や寿命特性の低下などを生じるおそれがある。したがって、クラックや転位の発生を阻止することが素子の信頼性に重要となる。
【００１７】
フリースタンディングＧａＮ基板３１は、好ましくはＳｉあるいはＯをドープする。また表面を平滑にするため、ＣＭＰ処理や研磨などにより表面加工する。一般にフリースタンディングＧａＮ基板を使用する場合は、図２に示すように、ＧａＮ基板からクラックが発生するのを防止するためにＩｎＧａＮバッファ層を基板上に成長させる。しかしながらＩｎＧａＮバッファ層上から再成長させると、転位が発生し、またＧａＮ基板を研磨した際のスクラッチ傷と思われる痕跡が残る。この原因は、フリースタンディングＧａＮ基板表面を研磨などで加工することで生じたスクラッチ傷が、ＩｎＧａＮバッファ層で解消できていないためと思われる。そこで、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ基板との間に、さらにＡｌＧａＮ層を介在させることで、上記の転位の発生を抑止し、またクラックの発生も阻止できるとの知見を得た。
【００１８】
第１バッファ層３２は、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．０５）とし、主にフリースタンディングＧａＮ基板３１との再成長界面からの転位の発生を抑制する。第１バッファ層３２には、好ましくはＳｉ等のドーパントをドープする。ドーパントのドープ量は、Ｓｉ濃度が０．３×１０１８〜３．０×１０１８ｃｍ−３となるように調整される。また第１バッファ層３２の膜厚は、好ましくは３００〜３０００オングストロームとする。なおｘ値は、０．０３以下にすることにより、よりクラックが発生し難くできるため好ましい。
【００１９】
一方、第２バッファ層３４はｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．１）とし、主にクラック防止層として機能する。第２バッファ層３４にも好ましくはＳｉ等のドーパントをドープし、そのドープ量はＳｉ濃度が１×１０１８〜５×１０１８ｃｍ−３となるように調整される。また第２バッファ層３４の膜厚は、好ましくは５００〜４０００オングストロームとする。これによって第２バッファ層成長の結晶品質の低下を防ぐことができる。なおｙ値は、０．０３以上とすることにより、よりクラックを発生し難くでき、また０．０８以下とすることで、より結晶性を向上させることができる。
【００２０】
第１バッファ層３２は、第２バッファ層３４であるｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦０．１）よりも膜厚を薄くすることが好ましい。第１バッファ層３２としてＩｎＧａＮ層でなくＡｌＧａＮ層を使用することにより、クラックの発生が増加する。このクラックの増加を防ぐには第２バッファ層３４のＩｎの混晶比を増すか、あるいは第２バッファ層３４の膜厚を増加させることが考えられるが、一方でＩｎ混晶比の増加およびＩｎＧａＮ層の膜厚の増加は、いずれもＩｎＧａＮ層の結晶性の低下を招くことになり好ましくない。この問題を解決するために、第１バッファ層３２の膜厚を第２バッファ層３４に比して相対的に薄くすることでクラックの発生を抑制している。第２バッファ層３４の膜厚を抑えることで、バッファ層としての機能を果たしつつ量産効率の改善にも寄与する。また同様に、第１バッファ層３２のＳｉ濃度も、第２バッファ層３４のＳｉ濃度よりも低くすることで、ＩｎＧａＮ層の結晶品質の低下を防ぐことができる。
【００２１】
以上のように、第１バッファ層としてＩｎＧａＮバッファ層を加えることで生じるクラックの増加を、第１バッファ層のＳｉドープ量や膜厚を減少することで抑制できる。またこれによって第２バッファ層のＩｎ混晶比を増加させることなく、転位及びクラックの抑制という効果を最大限発揮することができる。これによってフリースタンディングＧａＮ基板上を利用してＡｌＩｎＧａＮ素子を成長させる際の問題を解消し、電気特性の優れた窒化物半導体素子を得ることができる。ＡｌＩｎＧａＮ素子３６は、ＡｌＧａＮ層をｎ側クラッド層等として含む半導体素子である。このＡｌＧａＮ層は、Ａｌの組成比を高くした高混晶とすることができ、例えばＡｌの組成比を０．０５以上とすることもできる。
【００２２】
上記構成の効果を確認するために、図３の構成で成長させた高混晶ＡｌＧａＮ層のＣＬ（カソードルミネッセンス）顕微鏡写真を図４に示す。また比較例として、図１の構成でサファイア基板を用いてＩｎＧａＮバッファ層を介して成長させた高混晶ＡｌＧａＮ層、及び図２の構成でフリースタンディングＧａＮ基板上にＩｎＧａＮバッファ層を介して成長させた高混晶ＡｌＧａＮ層のＣＬ顕微鏡写真をそれぞれ図５、図６に示す。これらの図において、黒い部分は転位の発生を示す。図から明らかなように、本実施の形態の構成では転位の発生が殆ど見られないのに対し、サファイア基板の場合は縦縞状に転位の発生が確認され、またフリースタンディングＧａＮ基板にＩｎＧａＮバッファ層を使用した例でも斑点状の転位が全体で確認された。このことから、バッファ層を２層に分ける構成の優位性が確認された。
（窒化物半導体素子の製造方法）
【００２３】
以上のようにして成長された高混晶ＡｌＧａＮ層を含む窒化物半導体素子は、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子や受光素子が作成できる。次に実施例１として、図７の模式断面図に示す４４５ｎｍで発振する窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明する。n型にドープしたＧａＮ基板１０１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ４）を用い、Ｓｉを０．８×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ−Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる第１バッファ層１０２を１０００オングストロームの膜厚で成長させる。第１バッファ層成長後、昇温してＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮよりなる第２バッファ層１０３を１５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２４】
次にＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、１０５０℃でアンドープ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１×１０１９／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１０４を成長させる。ここで、成長されたｎ側クラッド層１０４には、微細なクラックが発生しておらず、クラックの発生が良好に防止されている。また、ＧａＮ基板に微細なクラックやスクラッチ傷が生じていても、第１，第２バッファ層を成長させることでクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長さることができる。本実施例では、ＩｎＧａＮ第２バッファ層よりもＡｌＧａＮ第１バッファ層の膜厚を薄くし、Ｉｎ組成比を増すことなくクラックの増加を防止している。
【００２５】
次に、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、１０５０℃の温度で、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０５を７５０オングストロームの膜厚で成長させる。次に、温度を８８０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ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。続いて、温度を８２０℃に下げ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる中間層を１０オングストロームの膜厚で成長させる。この障壁層、井戸層、中間層の３層構造をさらに２回繰り返して積層し、最後に障壁層を形成して、総膜厚５８０オングストロームの多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層１０６を成長させる。
【００２６】
次にＴＭＩを止め、Ｃｐ２Ｍｇを流し、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側キャップ層１０７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いてＣｐ２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０８を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層１０８は、アンドープとして成長させるが、ｐ側キャップ層１０７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。続いてＣｐ２Ｍｇを止め、ＴＭＡを流し、１０５０℃でアンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ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、Ｃｐ２Ｍｇを流し、Ｍｇ濃度が１×１０１９／ｃｍ３からなるアンドープＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１０９を成長させる。最後に、ｐ側クラッド層１０９の上に、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１１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００２７】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１１０の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅２．３μｍのストライプからなるＳｉＯ２よりなる保護膜を作製する。保護膜形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、図７に示すように、ｐ側クラッド層１０９とｐ側光ガイド層１０８との界面付近までエッチングを行い、幅１．５μｍのストライプ状の導波路を形成する。
【００２８】
ストライプ導波路形成後、ＳｉＯ２マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜を形成する。絶縁膜形成後、バッファードフッ酸に浸潰して、ｐ側コンタクト層１１０上に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ側コンタクト１１０層上にあるＺｒＯ２を除去する。次にリッジ表面にＳｉＯ２マスクを形成し、ＲＩＥにてエッチングを行い、ｎ型フリースタンディング基板１０１の表面を露出させる。次にｐ側コンタクト層１１０のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ側オーミック電極１２０をストライプ状に形成する。一方、ＴｉとＡｌよりなるｎ側オーミック電極１２２を先ほど露出させたｎ型フリースタンディング基板１０１の表面にストライプ状に形成する。次に図７に示すようにｐ側オーミック電極１２０と、ｎ側オーミック電極１２２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１３０を形成し、この絶縁膜１３０を介してｐ側オーミック電極１２０と電気的に接続したｐ側パッド電極１２１、およびｎ側オーミック電極１２２と電気的に接続したｎ側パッド電極１２３を形成する。
【００２９】
以上のようにして、ｐ、ｎ両パッド電極形成後、窒化物半導体ＧａＮ基板のＭ面（窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面）でＧａＮを劈開してウエハをバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウエハを切断してレーザチップとした。
【００３０】
次に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、Ｉｎの分解を押さえることができ、鋭い発光ピークが得られ、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／ｃｍ２、発振波長４５０ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。また闘値電圧も４．０Ｖと大きく下げることができた。
【００３１】
次に実施例２として、さらに多くの高混晶ＡｌＧａＮ層を含むため、クラックの抑制が大きな課題であるＵＶ領域で発振する窒化物半導体レーザ素子の製造方法を説明する。作製した窒化物半導体レーザ素子の模式断面図を図８に示す。n型にドープしたＧａＮ基板２０１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ４）を用い、Ｓｉを０．８×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ−Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎよりなる第１バッファ層２０２を１０００オングストロームの膜厚で成長させる。第１バッファ層成長後、昇温してＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、アンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを３×１０１８／ｃｍ３ドープしたｎ−ＩｎｙＧａ１−ｙＮよりなる第２バッファ層２０３を１５００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３２】
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、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１１Ｇａ０．８９Ｎよりなるｎ側クラッド層２０４を０．７μｍの膜厚で成長させる。ここで、成長されたｎ側クラッド層２０４には、微細なクラックが発生しておらず、実施例１と同様に第１，第２バッファ層を成長させることで効果的にクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長させることができた。本実施例においても、ＩｎＧａＮ第２バッファ層よりもＡｌＧａＮ第１バッファ層の膜厚を薄くし、Ｉｎ組成比を増すことなくクラックの増加を防止している。
次に、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、同様の温度で、アンドープのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるｎ型光ガイド層２０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。次に、温度を９５０℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎよりなる障壁層を７０オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．０９Ｎよりなる井戸層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。さらに、同温度でＴＭＡを用い、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ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て、単一量子井戸（ＳＱＷ）からなる活性層２０６を成長させる。
【００３３】
次にＴＭＩを止め、Ｃｐ２Ｍｇを流し、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ｎよりなるｐ側キャップ層２０７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いてＣｐ２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、アンドープＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるｐ側光ガイド層２０８を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層２０８は、アンドープとして成長させるが、ｐ側キャップ層２０７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。続いてＣｐ２Ｍｇを止め、ＴＭＡを流し、１０５０℃でアンドープＡｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ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Ｃｐ２Ｍｇを流し、Ｍｇ濃度が１×１０１９／ｃｍ３からなるＡｌ０．０９Ｇａ０．９１Ｎよりなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層２０９を成長させる。最後に、ｐ側クラッド層２０９の上に、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２１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３４】
以上のようにして窒化物半導体を成長させたウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層２１０の表面に、所定の形状のマスクを介して、幅２．３μｍのストライプからなるＳｉＯ２よりなる保護膜を作製する。保護膜形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用い、図７に示すように、ｐ側クラッド層２０９とｐ側光ガイド層２０８との界面付近までエッチングを行い、幅２．３μｍのストライプ状の導波路を形成する。
【００３５】
ストライプ導波路形成後、ＳｉＯ２マスクをつけたまま、窒化物半導体層の表面にＺｒＯ２よりなる絶縁膜２３０を形成する。絶縁膜形成後、バッファードフッ酸に浸潰して、ｐ側コンタクト層２１０上に形成したＳｉＯ２を溶解除去し、リフトオフ法によりＳｉＯ２と共に、ｐ側コンタクト２１０層上にあるＺｒＯ２を除去する。次にｐ側コンタクト層２１０のリッジ最表面にＮｉとＡｕよりなるｐ側オーミック電極２２０をストライプ状に形成する。次にｐ側オーミック電極２２０と電気的に接続したｐ側パッド電極２２１を形成する。次にｎ側オーミック電極とパッド電極２２２、２２３をｎ型フリースタンディング基板２０１の裏面に形成する。
【００３６】
以上のようにして、ｐ、ｎ両パッド電極形成後、窒化物半導体ＧａＮ基板のＭ面（窒化物半導体を六角柱で表した場合にその六角柱の側面に相当する面）でＧａＮを劈開してウエハをバー状とし、そのバーの劈開面に共振面を作製する。共振面作製後、さらに共振面に垂直な方向でバー状のウエハを切断してレーザチップとした。
【００３７】
次に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、転位の発生およびクラック発生を抑制した効果により、鋭い発光ピークが得られ、室温において閾値電流密度２．５ｋＡ／ｃｍ２、発振波長３７５ｎｍの連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の窒化物半導体素子は、ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子やＣＣＤなどの受光素子等に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来のＧａＮ−ＥＬＯ基板上に、ＩｎＧａＮバッファ層を成長させた窒化物半導体を示す模式断面図である。
【図２】従来のフリースタンディングＧａＮ基板上に、ＩｎＧａＮバッファ層を成長させた窒化物半導体を示す模式断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す模式断面図である。
【図４】図３の構成で成長させたＡｌＧａＮ層表面のＣＬ顕微鏡写真を示すイメージ図である。
【図５】図１の構成で成長させたＡｌＧａＮ層表面のＣＬ顕微鏡写真を示すイメージ図である。
【図６】図２の構成で成長させたＡｌＧａＮ層表面のＣＬ顕微鏡写真を示すイメージ図である。
【図７】本発明の実施例１に係る窒化物半導体レーザ素子を示す模式断面図である。
【図８】本発明の実施例２に係る窒化物半導体レーザ素子を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１…ＥＬＯ基板
１２…ＩｎＧａＮ層
１３、２３…ＡｌＩｎＧａＮ素子
２１、３１…フリースタンディングＧａＮ基板
２２…ＩｎＧａＮバッファ層
３２…第１バッファ層
３４…第２バッファ層
３６…ＡｌＩｎＧａＮ素子
１０１、２０１…ＧａＮ基板
１０２、２０２…第１バッファ層
１０３、２０３…第２バッファ層
１０４、２０４…ｎ側クラッド層
１０５、２０５…ｎ型光ガイド層
１０６、２０６…活性層
１０７、２０７…ｐ側キャップ層
１０８、２０８…ｐ側光ガイド層
１０９、２０９…ｐ側クラッド層
１１０、２１０…ｐ側コンタクト層
１２０、２２０…ｐ側オーミック電極
１２１、２２１…ｐ側パッド電極
１２２、２２２…ｎ側オーミック電極
１２３、２２３…ｎ側パッド電極
１３０、２３０…絶縁膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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