(57)【要約】【課題】ｐ型窒化物半導体層に残留する水素の拡散を防止することにより、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置を得られるようにする。【解決手段】窒化物半導体装置は、ｐ型の第１の不純物（Ｍｇ）がドーピングされたｐ型ＡｌＧａＮからなる超格子クラッド層１８を有している。超格子クラッド層１８は、その一部に第２の不純物（Ｆ）がドーピングされた不純物領域２０を有し、不純物領域２０の水素濃度は、超格子クラッド層１８における不純物領域２０を除く領域の水素濃度よりも大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型の第１の不純物がドーピングされたIII族窒化物半導体からなる半導体層を備え、
前記半導体層は、その一部に第２の不純物がドーピングされた不純物領域を有し、
前記不純物領域の水素濃度は、前記半導体層における前記不純物領域を除く領域の水素濃度よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記半導体層は、その一部を含むように形成された機能領域を有し、
前記不純物領域は、前記機能領域とは重ならないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項３】
ｐ型の第１の不純物がドーピングされたIII族窒化物半導体からなる第１の半導体層と、
前記第１の半導体層と接して形成された第２の半導体層とを備え、
前記第２の半導体層は、その一部に第２の不純物がドーピングされた不純物領域を有し、
前記不純物領域の水素濃度は、前記第２の半導体層における前記不純物領域を除く領域の水素濃度よりも大きいことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項４】
前記第１の半導体層は、その一部を含むように形成された機能領域を有し、
前記不純物領域は、前記機能領域とは重ならないように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
前記第２の不純物は、該第２の不純物と水素原子との結合エンタルピーが、前記第１の不純物と水素原子との結合エンタルピーよりも大きくなるように選択されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
【請求項６】
前記第２の不純物は、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）又は塩素（Ｃｌ）であることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体装置。
【請求項７】
ｐ型の第１の不純物をドーピングしながら、III族窒化物半導体からなる半導体層を成長する工程と、
前記半導体層から水素原子を脱離させることにより、前記第１の不純物を活性化する工程と、
前記半導体層の一部に、第２の不純物を選択的にドーピングする工程と、
前記第２の不純物を選択的にドーピングする工程よりも後に、前記半導体層を加熱する工程とを備えていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記半導体層を加熱する工程は、１５０℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記半導体層を加熱する工程は、不燃性ガス若しくは支燃性ガス又はこれらの混合ガス雰囲気で行うことを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第２の不純物は、該第２の不純物と水素原子との結合エンタルピーが、前記第１の不純物と水素原子との結合エンタルピーよりも大きくなるように選択されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第２の不純物は、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）又は塩素（Ｃｌ）であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主成分がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（但し、０≦ｘ，ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）からなる窒化物半導体を用いたレーザダイオード（ＬＤ）若しくは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光デバイス、フォトダイオード等の受光デバイス又はトランジスタ等の電子デバイス等の窒化物半導体装置とそれらの製造方法に関し、特に、ｐ型の不純物がドーピングされた半導体層を含む窒化物半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１７に下記の特許文献１に記載されている従来の窒化物半導体を用いたレーザ装置の断面構成を示す。
【０００３】
以下、図１７を用いて従来のレーザ装置の製造方法を説明する。
【０００４】
まず、有機金属気相成長（metal orgnic chemical vapor deposition：ＭＯＣＶＤ）法を用いて、水素ガスをキャリアガスとし且つ１０５０℃の成長温度で、ｎ型のＧａＮ基板１０２の上に、ｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１０４及びｎ型ＧａＮからなる光ガイド層１０５を順次成長する。
【０００５】
次に、キャリアガスを窒素ガスに切り替え、基板温度を７００℃に設定して、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸層１０６を成長する。
【０００６】
次に、キャリアガスを再び水素ガスに切り替え、基板温度を１０５０℃に設定して、多重量子井戸層１０６の上に、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１０７、ｐ型ＧａＮからなる光ガイド層１０８、ｐ型ＡｌＧａＮからなるクラッド層１０９及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１０を順次成長する。
【０００７】
通常、ＭＯＣＶＤ法によって成長されたｐ型の窒化物半導体は、アクセプタ濃度とほぼ同一の濃度の水素原子を含む。この水素原子は、正孔の生成を妨げるため、成長直後のｐ型層は高抵抗である。このため、ＭＯＣＶＤ法による成長の後に、ｐ型層を低抵抗化するための処理を実施する。このような処理は活性化処理と呼ばれ、ｐ型層の活性化処理には、下記の特許文献２に示されるような電子線を照射する方法又は特許文献３に示されるような４００℃以上の温度でアニールを行う方法が知られている。
【０００８】
次に、ドライエッチング装置を用いて、クラッド層１０９及びコンタクト層１１０とを、幅が５μｍのストライプ状となるようにエッチングして、リッジ状の光導波路を形成する。
【０００９】
次に、コンタクト層１１０の上にｐ側電極１１１を形成し、また、ＧａＮ基板１０２におけるｎ型ＧａＮ層１０３と反対側の面であって、窒素（Ｎ）終端面１０２Ａの上にｎ側電極１０１を形成する。
【００１０】
次に、リッジ状の光導波路の長さが１ｍｍとなるようにへき開し、ミラーとなる端面を形成して半導体レーザ装置が完成する。
【特許文献１】特開２００１−１４８３５７号公報
【特許文献２】特開平２−２５７６７９号公報
【特許文献３】特開平５−１８３１８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体装置は、エピタキシャル成長した半導体層のうちのｐ型層中に、前述した活性化処理の後でも１０１７ｃｍ−３台から１０１８ｃｍ−３台程度の水素が残留するという問題がある。この残留水素は、アクセプタの活性化率を低下させることから、ｐ型層の抵抗が上昇して動作電圧を上昇させる原因となっている。また、半導体レーザ装置又はＬＥＤ等の半導体装置においてｐ型層におけるアクセプタの活性化率が低下すると、ｐ型層の伝導帯がよりフェルミ準位に近づいて、活性層とｐ型層との間の伝導帯のバンド不連続が低下する。このため、電子のオーバーフローが増加して半導体装置の動作効率が低下し、その結果、動作電流が上昇してしまうという問題もある。
【００１２】
以上のような、動作電圧の上昇及び動作電流の上昇は、窒化物半導体装置の性能や信頼性に重大な影響を及ぼすため、設計通りの出力及び寿命を得られないという問題を生じる。
【００１３】
このような問題に対し、残留水素濃度を低下させるために、活性化処理の時間を長くしたり、活性化処理の温度を高くしたり、電子線の照射量を増加させたりする等の、単により強い条件で活性化処理を行った場合は、活性層等の結晶性の劣化を招き、半導体装置の動作効率を低下させてしまうことになる。すなわち、従来の活性化処理方法により、残留水素を完全に除去することは極めて困難である。
【００１４】
このように、従来の窒化物半導体装置は、活性化処理後に残留している水素が半導体装置の性能及び信頼性に重大な影響を及ぼすという問題があり、高出力化及び長寿命化の妨げとなっている。
【００１５】
本発明は、前記従来の問題を解決し、ｐ型窒化物半導体層に残留する水素の拡散を防止することにより、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体装置を、ｐ型層の一部又は該ｐ型層と接する他の半導体層の一部にｐ型を示す不純物以外の他の不純物をドーピングして不純物領域を選択的に形成し、形成した不純物領域に水素を捕獲する構成とする。
【００１７】
具体的に、本発明に係る第１の窒化物半導体装置は、ｐ型の第１の不純物がドーピングされたIII族窒化物半導体からなる半導体層を備え、半導体層はその一部に第２の不純物がドーピングされた不純物領域を有し、不純物領域の水素濃度は半導体層における不純物領域を除く領域の水素濃度よりも大きいことを特徴とする。
【００１８】
第１の窒化物半導体装置によると、不純物領域の水素濃度は半導体層における不純物領域を除く領域の水素濃度よりも大きいため、半導体層における不純物領域を除く領域の水素濃度を低くすることができる。このため、動作電圧や動作電流の低減が可能となるので、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置を実現することができる。
【００１９】
本発明に係る第２の窒化物半導体装置は、ｐ型の第１の不純物がドーピングされたIII族窒化物半導体からなる第１の半導体層と、第１の半導体層と接して形成された第２の半導体層とを備え、第２の半導体層は、その一部に第２の不純物がドーピングされた不純物領域を有し、不純物領域の水素濃度は、第２の半導体層における不純物領域を除く領域の水素濃度よりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
第２の窒化物半導体装置によると、第１の半導体層と接して形成された第２の半導体層はその一部に第２の不純物がドーピングされた不純物領域を有し、該不純物領域の水素濃度は、第２の半導体層における不純物領域を除く領域の水素濃度よりも大きいため、第２の半導体層と接する第１の半導体層の水素濃度を低くすることができる。このため、動作電圧や動作電流の低減が可能となるので、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置を実現することができる。
【００２１】
第１又は第２の窒化物半導体装置において、半導体層又は第１の半導体層はその一部を含むように形成された機能領域を有し、不純物領域は機能領域とは重ならないように形成されていることが好ましい。
【００２２】
第１又は第２の窒化物半導体装置において、第２の不純物は、該第２の不純物と水素原子との結合エンタルピーが、第１の不純物と水素原子との結合エンタルピーよりも大きくなるように選択されていることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、水素原子が不純物領域に、より効果的にゲッタリングされるため、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置をより確実に得ることができる。
【００２４】
この場合に、第２の不純物は、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）又は塩素（Ｃｌ）であることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、ｐ型の第１の不純物をドーピングしながら、III族窒化物半導体からなる半導体層を成長する工程と、半導体層から水素原子を脱離させることにより、第１の不純物を活性化する工程と、半導体層の一部に、第２の不純物を選択的にドーピングする工程と、第２の不純物を選択的にドーピングする工程よりも後に、半導体層を加熱する工程とを備えていることを特徴とする。
【００２６】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法によると、ｐ型の第１の不純物を活性化した後、半導体層の一部に、第２の不純物を選択的にドーピングし、その後、半導体層を加熱するため、活性化工程の後に半導体層中に残留する水素原子が第２の不純物をドーピングした領域にゲッタリングされる。このため、半導体層における第２の不純物がドーピングされた領域以外の水素濃度が低減されるので、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置を得ることができる。
【００２７】
本発明の窒化物半導体装置の製造方法において、半導体層を加熱する工程は、１５０℃以上の温度で行うことが好ましい。
【００２８】
この場合に、半導体層を加熱する工程は、不燃性ガス若しくは支燃性ガス又はこれらの混合ガス雰囲気で行うことが好ましい。ここで、支燃性ガスとは、それ自体は燃焼性を有さないが、他の物質を燃焼させるか又は燃焼を支援するガスをいう。
【００２９】
窒化物半導体装置の製造方法において、第２の不純物は、該第２の不純物と水素原子との結合エンタルピーが、第１の不純物と水素原子との結合エンタルピーよりも大きくなるように選択されていることが好ましい。
【００３０】
この場合に、第２の不純物は、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）又は塩素（Ｃｌ）であることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体装置及びその製造方法によると、ｐ型窒化物半導体層に残留する水素の拡散を防止することができるため、高出力で且つ長寿命の窒化物半導体装置を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図１に示すように、ｎ型ＧａＮからなる基板１１における面方位が（０００１）面で且つガリウム（Ｇａ）面である主面上に、ｎ型ＧａＮ層１２、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１３、ｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層１４、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１５、ｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１６、ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１７、ｐ型ＡｌＧａＮからなる超格子クラッド層１８及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９が順次エピタキシャル成長されている。
【００３４】
ここで、ｎ型ＧａＮ層１２は、厚さが１μｍで、ｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）の濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。
【００３５】
ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１３は、Ａｌ組成比が５％であり、厚さが１．５μｍで且つＳｉ濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。
【００３６】
ｎ型ＧａＮからなるガイド層１４は、厚さが０．１μｍで、Ｓｉの濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。
【００３７】
ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１５は、厚さが３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層と、厚さが７ｎｍでＩｎ組成比が２％のＩｎＧａＮからなる障壁層とにより構成され、発光波長が４０５ｎｍとなるように井戸層におけるＩｎ組成比が調整されている。井戸層の積層数は３である。なお、多重量子井戸活性層１５には、意図的なドーピングは行っていない。
【００３８】
ｐ型ＧａＮからなるガイド層１６は、厚さが０．１μｍであり、ｐ型不純物はマグネシウム（Ｍｇ）である。Ｍｇの濃度は、多重量子井戸活性層１５に向かって徐々に減少している。すなわち、電子ブロック層１７と接する面のＭｇ濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、多重量子井戸活性層１５と接する面のＭｇの濃度はほぼ０である。
【００３９】
ｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１７は、厚さが１０ｎｍで、Ａｌ組成比が２０％である。ｐ型ドーパントであるＭｇの濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。
【００４０】
ｐ型ＡｌＧａＮからなる超格子クラッド層１８は、Ａｌ組成比が１０％で厚さが２ｎｍのＡｌＧａＮ層と厚さが２ｎｍのＧａＮ層とが複数層積層された超格子構造を有し、Ｍｇが１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。超格子クラッド層１８の厚さは、後述するリッジ導波路が形成されている部分で５００ｎｍであり、リッジ導波路の側方では１００ｎｍである。
【００４１】
ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９は、厚さが２０ｎｍであり、Ｍｇが１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【００４２】
超格子クラッド層１８の上部及びコンタクト層１９により、晶帯軸が＜１−１００＞方向であるストライプ状のリッジ導波路が形成されている。ここで、晶帯軸の指数に付した負符号”−”は該負符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。このリッジ導波路により、電流が流れる領域がリッジ導波路の下方部分に限定され、すなわち電流狭窄が行われる。さらに、光の実効的な屈折率は、リッジ導波路の形成部分と非形成部分とではリッジ導波路の形成部分の方が大きいために、生成された光はリッジ導波路に閉じ込められる。なお、リッジ導波路の下部の幅は２μｍであり、その上部の幅は１．４μｍである。
【００４３】
超格子クラッド層１８とコンタクト層１９とを外部の接触から保護するため、リッジ導波路の側面とリッジ導波路の両側方から露出した超格子クラッド層１８の表面とを覆うように、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜２１が形成されている。
【００４４】
コンタクト層１９の上には該コンタクト層１９に接して、パラジウム（Ｐｄ）からなるｐ側電極２２が形成されている。また、基板１１におけるｎ型ＧａＮ層１２と反対側の面であって、その窒素（Ｎ）終端面上には、チタン（Ｔｉ）からなるｎ側電極２３が形成されている。
【００４５】
リッジ導波路は、共振器の長さが６００μｍとなるようにへき開され、面方位が（１−１００）面からなるミラー（図示せず）が形成されている。
【００４６】
第１の実施形態の特徴として、半導体レーザ装置には、リッジ導波路の両側方の領域であって、超格子クラッド層１８から、電子ブロック層１７、ｐ型ガイド層１６、多重量子井戸活性層１５及びｎ型ガイド層１４の上部に達する不純物領域２０が形成されている。不純物領域２０は、ｐ型不純物であるＭｇに加えて、他の不純物がドーピングされて形成されている。この場合に、不純物領域２０の抵抗率及び導電型は、該不純物領域２０にドーピングされる不純物によって変化する。従って、不純物領域２０の導電型はｐ型であっても、高抵抗であっても、またｎ型であってもよい。本明細書においては、不純物領域２０が高抵抗又はｎ型である場合をも含めて、ｐ型不純物に加えて他の不純物をドーピングした領域を、ｐ型層に設けた不純物領域２０と呼ぶことにする。
【００４７】
なお、ｐ型の窒化物半導体は成長直後では高抵抗であるため、活性化処理を行う必要がある。このため、図１に示す半導体レーザ装置を製造する際に、ｐ型不純物の活性化処理の前に不純物領域２０を形成した場合は、ｐ型を示す前の高抵抗な層の一部に不純物領域２０を設けることとなるが、このような構成でも本発明の効果を得られることはいうまでもない。
【００４８】
不純物領域２０に添加される不純物は、水素と結合可能であればよく、また、ｐ型不純物と同一の原子でもよい。好ましくは、不純物領域２０に添加された不純物と水素との結合エンタルピーの絶対値が、ｐ型不純物と水素との結合エンタルピーの絶対値よりも大きいことが好ましい。半導体レーザ装置のような発光デバイスの場合は、光のエネルギーよりも充分に高い結合エネルギーを得られる原子が好ましく、且つ、イオン注入又は拡散等の工程によって不純物の導入が容易な原子が好ましい。従って、より好ましくは、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、シリコン（Ｓｉ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）又は塩素（Ｃｌ）を不純物として選択することができる。最も好ましい原子は、水素との結合エンタルピーが最も高いフッ素（Ｆ）である。なお、選択可能な原子に関しては、第３の実施形態においてより詳細に説明する。第１の実施形態において用いる不純物はフッ素である。
【００４９】
図２は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における不純物領域２０のＢ１−Ｂ２線のフッ素濃度の深さ分布を示している。但し、図２においては、絶縁膜２１を除去した状態で測定している。フッ素濃度は、２次イオン質量分析法（secondary ion mass spectrometry：ＳＩＭＳ）で評価した。
【００５０】
図２に示すように、フッ素の濃度分布は、電子ブロック層１７の近傍において５×１０１８ｃｍ−３のピークを示し、電子ブロック層１７から基板１１側に向かって徐々に減少する。さらに、ｎ型ガイド層１４付近において、バックグラウンドレベルである５×１０１５ｃｍ−３に降下する。ここで、バックグラウンドレベルとは、原料中に含まれる不純物がエピタキシャル成長中に取り込まれた濃度又はＳＩＭＳでの信号とノイズとの比の値により決定される。バックグラウンドレベルがいずれの場合においても、不純物領域２０における不純物濃度のピーク値がバックグラウンドレベルを超えていればよい。このような濃度分布を持つ不純物領域２０は、例えばイオン注入法によって形成することができる。
【００５１】
なお、フッ素濃度のピーク値は、５×１０１８ｃｍ−３に限られない。但し、この場合はバックグラウンドレベルである５×１０１５ｃｍ−３よりも小さい不純物濃度であれば、バックグラウンドレベル以下で存在する不純物によるゲッタリング効果と不純物領域２０でのゲッタリング効果とに際立った差がなくなるため、本発明による効果を確認することが困難となる。
【００５２】
逆に、フッ素濃度を１×１０２１ｃｍ−３よりも大きくすると、多量のフッ素によって、III族原子、アクセプタ原子及び窒素原子との間の結合が切れて、フッ素と結合してしまいフッ化物が生成される等、窒化物半導体の結晶構造自体に変化を生じる。その結果、水素が存在可能な格子間の空間がなくなる等の理由によって、水素原子をゲッタリングする効果を得ることができなくなる。従って、フッ素濃度のピーク値は、５×１０１５ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下とすることが好ましい。より好ましくは、結晶構造の変化が起こらない程度で、且つ水素ができるだけ多くゲッタリングでき、且つ実用的な注入量や拡散量で形成できるように、５×１０１７ｃｍ−３以上且つ１×１０２０ｃｍ−３以下とするのが良い。なお、フッ素原子に代えて、酸素原子を不純物に用いた場合も同様である。好ましい酸素原子の不純物濃度も同様の理由で、５×１０１５ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下となる。
【００５３】
以下、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の不純物領域２０を有する構成が水素濃度の分布に与える影響を調べた結果を示す。
【００５４】
図３に第１の実施形態に係る半導体レーザ装置におけるＢ１−Ｂ２線の水素濃度の深さ分布と、Ｃ１−Ｃ２線の水素濃度の深さ分布とを示す。水素濃度はＳＩＭＳによって評価した。なお、Ｃ１−Ｃ２線における断面の水素濃度を測定する場合は、ＳＩＭＳによる評価に用いるイオンビームの幅を、リッジ導波路の幅（リッジ幅）よりも小さく収束できない場合がある。この場合で定量評価を行うには、ＳＩＭＳによる評価用にリッジ幅を例えば８μｍとしたリッジ領域を作製して、ＳＩＭＳによる測定を行ってもよい。または、ＳＩＭＳによる水素の２次イオンの信号を画像化した２次イオン画像を用いれば、定性的ではあるが、リッジ導波路とそれ以外の領域とにおける水素濃度の差異を画像として確認することができる。
【００５５】
図３に示すグラフの横軸は、超格子クラッド層１８におけるリッジ導波路の側方部分の表面を０としており、リッジ導波路の下方に向かって正方向とし、リッジ導波路の上方に向かって負方向としている。
【００５６】
Ｂ１−Ｂ２線における断面の水素濃度の深さ分布は、ほぼフッ素濃度の深さ分布と対応している。これは、フッ素原子に水素原子が捕らえられているためである。一方、Ｃ１−Ｃ２線における断面の水素濃度の深さ分布は、１×１０１６ｃｍ−３でほぼ一定の値となっている。
【００５７】
ここで、図１８に本発明の比較用として作製した半導体レーザ装置の断面構成を示す。図１８に示す比較用の半導体レーザ装置は、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と動作特性及び信頼性を比較するため、不純物領域２０を設けない以外は、図１に示す半導体レーザ装置と全く同等の構造を持つ。
【００５８】
ここで、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と、比較用の半導体レーザ装置との水素濃度の違いを比較するために、図１９に図１８の従来の半導体レーザ装置におけるＢ１−Ｂ２線の水素濃度の深さ分布と、Ｃ１−Ｃ２線の水素濃度の深さ分布を示す。
【００５９】
図１９に示すように、比較用の半導体レーザ装置においては、活性化処理後も一部の水素原子はｐ型層１９〜１６内に残留しており、Ｍｇの濃度分布に対応した深さ分布で水素原子が分布する。Ｂ１−Ｂ２線とＣ１−Ｃ２線との断面において、Ｍｇの濃度分布は同様であるから、水素の濃度分布もほぼ同じ形状を示す。
【００６０】
図３及び図１９から分かるように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、不純物領域２０が水素ゲッタとして機能することが特徴である。すなわち、不純物領域２０を少なくともｐ型層１８〜１６におけるリッジ導波路の側方に設けたことにより、Ｂ１−Ｂ２線の断面における水素濃度が、Ｃ１−Ｃ２線の断面における水素濃度よりも大きくなっていることが特徴である。なお、この構成によれば、電流を流すＣ１−Ｃ２線の断面における水素濃度が小さいため、電流を流す領域のアクセプタの活性化率を高くできるという特徴をも有する。
【００６１】
次に、第１の実施形態に係る不純物領域２０が半導体レーザ装置の動作特性及び信頼性に与える影響について調べた結果を示す。
【００６２】
図４は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置とにおいて電流、光出力及び電圧特性をそれぞれ比較したグラフである。
【００６３】
前述したように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、不純物領域２０を設けることにより、ｐ型層における電流が流れる部分（Ｃ１−Ｃ２線の断面）の水素濃度が低下して、ｐ型層のアクセプタの活性化率が向上している。しかも、不純物領域２０がリッジ導波路が形成されていない領域に設けられているため、注入された電流の流れを妨げることがない。このため、破線で示す比較用の半導体レーザ装置と比べて、実線で示す第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は低抵抗であり、従って、同一の電流値では、より低い動作電圧で動作することができる。また、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、ｐ型層におけるアクセプタ活性化率が上昇しているため、ｐ型層の伝導帯のエネルギー準位がより高くなって、活性層とｐ型層との間の伝導帯のバンド不連続量が増大する。その結果、電子のオーバーフローが減少するため、同一の光出力を得るのに、より低い動作電流で動作させることができる。
【００６４】
このように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、比較用の半導体レーザ装置と比べて、低動作電圧及び低動作電流が可能であり、低消費電力であるという性能上の特徴を有する。このため、例えば第１の実施形態に係る半導体レーザ装置をＤＶＤ（digital versatile disk）装置の光源として用いた場合は、従来に比べてレーザ駆動回路の耐圧をより小さくすることができるため、回路の小型化及び低コスト化が可能である。また、電池駆動によるポータブル機器においては、低消費電力であることから、より長時間の動作が可能となる。
【００６５】
図５は第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置とに対して行った高温信頼性加速試験の結果を示している。ここでは、温度を８０℃に保ち、光出力が５０ｍＷで一定となるように注入電流の電流量を制御して、動作電流の変化を測定している。
【００６６】
図５に示すように、比較用の半導体レーザ装置は徐々に動作電流が上昇し、動作時間が２０００時間を超えたときに急激な動作電流の上昇を伴って破壊した。一般に、半導体レーザ装置を一定の光出力で動作させた場合は、動作による熱の発生→熱による欠陥の発生→欠陥による効率の低下→効率の低下による動作電流の上昇→動作電流の上昇による消費電力の増加→消費電力の増加による熱の発生量の上昇という正のフィードバックループが存在する。このため、指数関数的な劣化の挙動を示し、初めは徐々に劣化が進行し、次第に加速度的に劣化が大きくなり、ある時間で急激に劣化して破壊に至る。
【００６７】
これに対し、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、アクセプタの活性化率が高いために、動作初期の動作電圧及び動作電流が共に低く抑えられている。動作初期の消費電力が低いと、連続動作中の動作電流の上昇も低く抑えられるため、加速度的に劣化が始まる時間を著しく遅らせることが可能となる。その結果、２０００時間を経過しても動作電流の上昇が数％以内に収まっており、極めて安定した動作を得ることができる。
【００６８】
このように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、高温環境下でより長時間の動作が可能である。例えばＤＶＤ装置へ応用すれば、より高信頼性及び長寿命のＤＶＤ装置を実現でき、さらには、より高温での動作が求められる車載用のＤＶＤ装置を実現できる。また、記録用ＤＶＤ装置においては、より大容量のデータをより短時間で書き込むために高倍速の書き込み動作に対する要望が高い。この場合、半導体レーザ装置は、高出力下での連続動作が必要であり、発熱量が極めて大きい状態での信頼性が求められる。
【００６９】
第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、高温下においても長時間安定して動作することが可能であるため、高倍速での書き込み動作を目的としたＤＶＤ装置への応用も可能となる等、産業上非常に有用なレーザ装置となる。
【００７０】
（第１の実施形態の変形例）
図６（ａ）〜図６（ｃ）並びに図７（ａ）は、本発明の第１の実施形態の各変形例に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。また、図７（ｂ）及び図７（ｃ）は比較用の第１の半導体レーザ装置及び第２の半導体レーザ装置の断面構成を示している。なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）及び図７（ａ）〜図７（ｃ）においては、いずれも基板１１、ｎ型ＧａＮ層１２、絶縁膜２１、ｐ側電極２２及びｎ側電極２３を省略している。
【００７１】
図６（ａ）に示す第１変形例に係る半導体レーザ装置は、不純物領域２０がｐ型ＡｌＧａＮからなる超格子クラッド層１８の一部にのみ形成されている。
【００７２】
図６（ｂ）に示す第２変形例に係る半導体レーザ装置は、不純物領域２０が、超格子クラッド層１８の一部と、その下側のｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１７の一部とに形成されている。
【００７３】
図６（ｃ）に示す第３変形例に係る半導体レーザ装置は、不純物領域２０が、超格子クラッド層１８の一部と、電子ブロック層１７の一部と、その下側のｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１６の一部とに形成されている。
【００７４】
図６（ａ）から図６（ｃ）に示す第１〜第３変形例は、不純物領域２０を構成する不純物、例えばフッ素をイオン注入する際のイオンの加速電圧を調整することにより、不純物領域２０の到達深さを変更することができる。
【００７５】
図７（ａ）に示す第４変形例に係る半導体レーザ装置は、不純物領域２０が、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１５の一部と、ｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層１４の一部と、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１３の一部とに形成され、且つ、その上部がｐ型ガイド層１６と接している。このような構造は、例えば基板１１の上に、ｎ型ＧａＮ層１２から多重量子井戸活性層１５までを順次成長により形成した後、成長した半導体層に対してイオン注入を行うことにより不純物領域２０を形成する。その後、ｐ型ガイド層１６から上のｐ型層を順次成長することにより得られる。
【００７６】
図７（ｂ）に示す比較用の第１の半導体レーザ装置は、不純物領域２０が、ｎ型ガイド層１４とｎ型クラッド層１３とに形成されている。このような構造は、例えば基板１１の上に、ｎ型ガイド層１４を途中まで成長した後、途中まで成長したｎ型ガイド層１４に対してイオン注入を行うことにより不純物領域２０を形成する。その後、ｎ型ガイド層１４の残りの部分を再成長し、さらに多重量子井戸活性層１５からその上のｐ型層を順次成長することにより得られる。
【００７７】
図７（ｃ）に示す比較用の第２の半導体レーザ装置は、不純物領域２０を設けない構成である。
【００７８】
図８に、図６（ａ）〜図６（ｃ）及び図７（ａ）〜図７（ｃ）の１００ｍＷの光出力時における各動作電流の比較を示す。図６（ａ）〜図６（ｃ）及び図７（ａ）に示す第１〜第４変形例に係る半導体レーザ装置は、動作電流がおよそ１０２ｍＡであるのに対し、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示す比較用の各半導体レーザ装置は、動作電流がおよそ１１８ｍＡであった。
【００７９】
第１〜第４変形例に係る半導体レーザ装置と、比較用の各半導体レーザ装置との違いは、ｐ型層に不純物領域２０が形成されているか又は接している構成と、ｐ型層に不純物領域２０が形成もされず且つ接してもいない構成との違いである。
【００８０】
水素はＭｇ等のアクセプタが存在する領域においては、比較的容易に移動することができる。一方、水素は、導電型を示す不純物がドーピングされていない多重量子井戸層１５並びにｎ型を示す不純物がドーピングがされたｎ型ガイド層１４及びｎ型クラッド層１３には極めて移動しにくい。これは、成長直後や活性化処理後において、水素原子がｐ型層内でのみ顕著に存在することからも説明が可能である。
【００８１】
このような状況から、不純物領域２０は、ｐ型層の一部に形成されるか又はｐ型層に接した層に形成する必要があることが分かる。このようにすれば、図３に示したように不純物領域２０に水素を確実に捕獲することができる。
【００８２】
第１〜第３変形例のように、ｐ型層の一部に不純物領域２０を形成した場合は、不純物領域２０に水素を捕獲させて、ｐ型層の不純物領域２０が形成されていない部分の水素濃度を低くすることができる。
【００８３】
また、第４変形例のように、ｐ型層（ｐ型ガイド層１６）と接して不純物領域２０を形成した場合は、不純物に接したｐ型層の不純物領域２０に水素を捕獲させ、不純物に接したｐ型層における不純物領域２０が形成されていない部分の水素濃度を低くすることができる。さらに、ｐ型層と接して不純物領域２０を形成した場合は、不純物がｐ型層から離れており、不純物のｐ型層への拡散が小さい。一般に、不純物がｐ型層中を拡散すると、移動度及びアクセプタの活性化率が減少して、ｐ型層の抵抗が増加する要因となる場合がある。従って、不純物領域２０をｐ型層と接するように形成する第４変形例は、不純物のｐ型層への拡散が問題となるような場合に、より効果的である。
【００８４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００８５】
第１の実施形態の変形例においては、本発明に係る半導体レーザ装置に設ける不純物領域２０の形成位置を深さ方向に変更する場合を説明した。
【００８６】
第２の実施形態においては、不純物領域２０の形成位置を横方向（基板の主面に平行な方向）に変更する場合を説明する。
【００８７】
図９（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示し、図９（ｂ）は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体レーザ装置の断面構成を示し、図９（ｃ）は比較例に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図９（ａ）〜（ｃ）に示す半導体レーザ装置は、いずれも、不純物領域２０の横方向形の成位置形状が異なるのみであり、他の構成は第１の実施形態と同一の構成である。但し、図９（ａ）〜（ｃ）においては、図面を簡略化するために、基板１１、ｎ型ＧａＮ層１２、絶縁膜２１、ｐ型電極２２及びｎ型電極２３を省略している。また、図９（ａ）〜（ｃ）において、リッジ導波路の下側の領域であって、且つ多重量子井戸活性層１５を上下から挟むｎ型ガイド層１４及びｐ型ガイド層１６を含む領域２４は発光に寄与する発光領域であり、ここでは機能領域２４と呼ぶ。
【００８８】
第２の実施形態においては、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、不純物領域２０の内側の端部と、電流狭窄を行うリッジ導波路の下端部のとの距離Ａを変化させる実験を行った。ここで、距離Ａが増大する方向とは、不純物領域２０の内側の端部がリッジ導波路から離れる方向である。また、Ａが負となる方向とは、図９（ｃ）に示すように、不純物領域２０がリッジ導波路と重なる方向である。例えば、第２の実施形態においては、リッジ導波路の下部の幅が２μｍであるため、Ａが−１μｍとなる領域は、リッジ導波路全体に不純物領域２０が形成されていることを意味する。
【００８９】
図１０は不純物領域２０の内側の端部とリッジ導波路の下端部のとの距離Ａと、１００ｍＷの光出力時における動作電流との関係を示している。
【００９０】
まず、Ａが正の領域、すなわち、図９（ａ）に示すように、不純物領域２０がリッジ導波路の下端部から離れる方向においては、実験を行った範囲の１００μｍまでは、動作電流はおよそ１０２ｍＡであって、動作特性にほとんど変化がないことが分かる。これは、ｐ型層中の水素の拡散が極めて速く、機能領域２４から１００μｍ離れていても、水素が到達することを示している。
【００９１】
一方、距離Ａが負の領域においては、距離Ａが−０．３μｍ、すなわちリッジ導波路の上端部と不純物領域２０の内側の端部とが一致するまでは、距離Ａが−０．３μｍよりも大きい場合とほぼ同一の特性を示す。しかしながら、距離Ａが−０．３μｍを超えて小さくなる（絶対値が大きくなる）と、急激に特性が悪化して、１００ｍＷの光出力が得られなくなる。これは、不純物領域２０が機能領域２４と重なってしまうことから、不純物領域２０が生成された光を吸収して、変換効率が低下することによる。
【００９２】
また、距離Ａが−０．３μｍのとき、不純物領域２０と機能領域２４とが重なる面積は機能領域２４の２０％であった。このことから、半導体レーザ装置における機能領域２４と不純物領域２０との重なりは、機能領域の２０％以下とすることが好ましい。より望ましくは、機能領域２４と不純物領域２０とは重ならないことである。
【００９３】
なお、半導体レーザ装置のように、機能領域２４が発光領域である場合は、発光領域は無限遠に向かって徐々に減衰しているが、ここでは、電界強度がピーク強度の１％となる位置を機能領域２４の境界としている。このように定義すれば、機能領域２４以外の領域の吸収が特性に与える影響はほぼ無視できる。
【００９４】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００９５】
第３の実施形態は本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置である半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
【００９６】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）〜図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
【００９７】
まず、図１１（ａ）に示すように、例えば面方位の（０００１）面を主面とするｎ型ＧａＮからなる基板１１のガリウム（Ｇａ）面上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、以下の各層をエピタキシャル成長する。
【００９８】
具体的には、まず、キャリアガスを水素ガスとして、基板１１を１０００℃に加熱し、ガリウム源にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、窒素源にアンモニア（ＮＨ３）を用い、ｎ型ドーパントを含むシラン（ＳｉＨ４）ガスを原料として、基板１１のＧａ面上に、厚さが１μｍのｎ型ＧａＮ層１２を成長する。Ｓｉのドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３となるようにシランガスの流量を調整する。
【００９９】
次に、原料ガスにアルミニウム源であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を加えて、厚さが１．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１３を成長する。ここで、Ａｌ組成比は５％で、Ｓｉ濃度は５×１０１７ｃｍ−３となるように各原料ガスの流量を調整する。
【０１００】
次に、ＴＭＡの供給を止め、ｎ型クラッド層１３の上に、厚さが０．１μｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層１４を成長する。このときのＳｉ濃度は５×１０１７ｃｍ−３とする。
【０１０１】
次に、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスに変更し、基板１１の温度を８００℃に設定する。続いて、原料にＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニアを用いて、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１５を成長する。多重量子井戸活性層１５は、厚さが３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層と、厚さが７ｎｍでＩｎ組成比が２％のＩｎＧａＮからなる障壁層とが交互に積層されて構成され、井戸層は３層である。なお、発光波長が４０５ｎｍとなるように、井戸層のＩｎ組成比を調整する。
【０１０２】
次に、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに戻し、原料にＴＭＧ、アンモニア及びｐ型ドーパントを含むビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いて、厚さが０．１μｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層１６を成長する。このとき、ｐ型ガイド層１６は、成長し始めから厚さが０．０５μｍまではＣｐ２Ｍｇを流さず、ＧａＮが０．０５μｍまで成長した時点で、Ｃｐ２Ｍｇの供給を開始する。このような成長方法により、ｐ型ドーパントであるＭｇは成長中の熱によって拡散するため、ｐ型ガイド層１６におけるＭｇ濃度は、多重量子井戸活性層１５に向かって徐々に減少するという分布を得る。これにより、ｐ型ガイド層１６における多重量子井戸活性層１５と接する面のＭｇの濃度はほぼ０となって、多重量子井戸活性層１５にＭｇが拡散して侵入することを防ぐことが可能となる。
【０１０３】
続いて、原料にＴＭＡを加え、ｐ型ガイド層１６の上に、厚さが１０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなる電子ブロック層１７をＡｌ組成比が２０％となるように成長する。ここで、Ｍｇの濃度は１×１０１９ｃｍ−３である。
【０１０４】
次に、ＴＭＧ及びアンモニアを連続的に供給しながら、ＴＭＡを間欠的に供給することにより、電子ブロック層１７の上に、厚さが５００ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮからなる超格子クラッド層１８を成長する。超格子クラッド層１８は、Ａｌ組成比が１０％で厚さが２ｎｍのＡｌＧａＮ層と厚さが２ｎｍのＧａＮ層との超格子構造を採る。Ｍｇのドーピング濃度は１×１０１９ｃｍ−３とする。
【０１０５】
次に、ＴＭＡの供給を停止し、超格子クラッド層１８の上に、厚さが２０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９を成長する。Ｍｇのドーピング濃度は１×１０２０ｃｍ−３とする。
【０１０６】
以上の工程により、エピタキシャル成長を完了する。以下、エピタキシャル成長された各半導体層及び基板１１をまとめて、レーザウェハと呼ぶ。
【０１０７】
エピタキシャル成長の後、各半導体層が成長されたレーザウェハを、常圧で且つ窒素ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎの流量で流す雰囲気において、約８００℃の温度で３０分間加熱し、各ｐ型層、すなわちｐ型ドーパントの活性化処理を行う。
【０１０８】
次に、図１１（ｂ）に示すように、リソグラフィ法により、コンタクト層１９の上に、ストライプ状で且つ晶帯軸の＜１−１００＞方向に延びる第１のレジスト膜２５を形成する。
【０１０９】
次に、図１２（ａ）に示すように、第１のレジスト膜２５をマスクとして、塩素を含むエッチングガスを用いる反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング法により、ｐ型コンタクト層１９と超格子クラッド層１８とを順次エッチングして、リッジ導波路を形成する。ここで、超格子クラッド層１８におけるエッチングされた部分の残りの厚さは１００ｎｍとする。なお、本実施形態においては、ドライエッチングが横方向にも進行するため、リッジ導波路の形状は、下部の幅が２μｍで、上部の幅が１．４μｍの断面台形状となる。
【０１１０】
次に、図１２（ｂ）に示すように、第１のレジスト膜２５を除去し、その後、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法等により、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁体マスク２６を形成する。続いて、リソグラフィ法により、絶縁体マスク２６におけるリッジ導波路の上側部分を覆うように第２のレジスト膜２７を形成する。なお、絶縁体マスク２６の厚さは、後工程である不純物注入工程において、注入される不純物がコンタクト層１９にまで到達しない程度の充分な厚さとする必要がある。本実施形態においては、４００ｎｍとしている。
【０１１１】
次に、図１３（ａ）に示すように、第２のレジスト膜２７をマスクとして、絶縁体マスク２６をエッチングすることにより、超格子クラッド層１８を露出する。絶縁体マスク２６はその厚さが４００ｎｍと比較的に厚いため、フッ酸（ＨＦ）等のウェットエッチングを行う場合には、横方向のエッチングを考慮して第２のレジスト膜２７の形状を決定する必要がある。ＲＩＥ等のドライエッチングを行う場合には、第２のレジスト膜２７の幅と、絶縁体マスク２６の幅とがほぼ一致するため、リソグラフィの精度で絶縁体マスク２６の形状を制御することができる。
【０１１２】
次に、図１３（ｂ）に示すように、第２のレジスト膜２７を有機溶剤等により除去する。その後、本発明の特徴である不純物原子の注入を行う。第３の実施形態においては、フッ素（Ｆ）原子を８０ｋｅＶの加速電圧で、且つ、５×１０１３ｃｍ−２のドーズ量で注入する。これにより、レーザウェハにおけるリッジ導波路の両側方の領域であって、超格子クラッド層１８からｎ型ガイド層１４にまで達する不純物領域２０が形成される。不純物領域２０のフッ素の濃度分布は図２に示した通りである。なお、好ましいフッ素濃度の範囲も、第１の実施形態で説明した内容と同様である。さらには、フッ素濃度のピーク値が５×１０１５ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下となるように、フッ素イオンのドーズ量及び加速電圧を調整することが好ましい。なお、不純物としてフッ素原子に代えて酸素原子を用いた場合も同様であり、酸素濃度のピーク値は５×１０１５ｃｍ−３以上且つ１×１０２１ｃｍ−３以下が好ましい。
【０１１３】
次に、図１４（ａ）に示すように、フッ酸（ＨＦ）を用いたウェットエッチングにより、絶縁体マスク２６を除去する。ここで、絶縁体マスク２６は、ＲＩＥ法を用いたドライエッチングにより除去することも可能である。続いて、フッ素イオンが選択的に注入されたレーザウェハに対して、常圧で且つ窒素を１０ｃｃ／ｍｉｎの流量で流す雰囲気において、温度が４００℃で且つ２０分間の熱処理を施す。この熱処理は、エピタキシャル成長したｐ型層の水素を拡散して不純物領域２０に到達させる、すなわちゲッタリングさせることが目的である。
【０１１４】
熱処理中の雰囲気ガスは、水素が雰囲気からｐ型層に進入するのを防ぐため、水素ガスを含まない雰囲気で行うことが好ましい。このため、窒素ガスの他に、例えばアルゴン等の不活性ガス、酸素ガス等の支燃性ガス若しくはこれらの混合ガス、又は空気のような不活性ガスと支燃性ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、水素を含まなければ、減圧状態としても良く、さらには真空中で加熱してもよい。
【０１１５】
前述したように、この熱処理は、水素を拡散させて不純物領域２０に到達させることが目的であるため、水素が活発に拡散し始める１５０℃以上の温度下で行うことが好ましい。なお、加熱温度を高くする程、水素の拡散速度が大きくなるため、加熱時間を短くすることができる。このため、より好ましくは加熱温度を３００℃以上とすることにより、３０分程度以下の実用的な処理時間で水素を不純物にゲッタリングさせることができる。但し、温度を極端に高くすると、高温によって窒化物半導体の結晶に窒素空孔等の欠陥を生じたり、アクセプタであるＭｇが拡散して所望のドーピング濃度分布を得られなくなったりするという悪影響がある。従って、加熱温度は成長温度以下とすることが好ましい。本実施形態においては、ＩｎＧａＮの成長温度が最も低く、８００℃であることから８００℃以下とすることが好ましい。さらには、温度が８００℃で３０分間の活性化処理によって、既にＭｇが拡散し始めているために、Ｍｇの活性化処理の工程に加えて、不純物注入後の高温での加熱処理を実施することは避けたい。従って、加熱温度を５００℃以下とすれば、Ｍｇの拡散はほぼ無視できるレベルとなる。そこで、最も好ましい温度範囲は３００℃以上且つ５００℃以下である。
【０１１６】
この１５０℃以上での加熱処理によって、ｐ型層に残留していた水素原子が効果的に不純物領域２０に捕らえられるため、半導体レーザ装置の動作特性及び信頼性を改善することができる。
【０１１７】
なお、この加熱処理を行わなくとも、室温保管中又はレーザ装置の動作中においても、水素が徐々に拡散することから、ｐ型層に残留していた水素原子が減少していき、本発明の効果を得られることがある。但し、本実施形態に係る加熱処理を経ることにより、出荷時には既にｐ型層の水素濃度が充分に減少した半導体レーザ装置を製造できることになる。
【０１１８】
このように、ｐ型層の活性化処理、不純物領域２０の形成、及び１５０℃以上の温度での加熱処理を順次行うことにより、本発明の効果を最大限に得ることが可能である。
【０１１９】
例えば、不純物領域２０の形成を行った後に、ｐ型層の活性化処理と加熱処理とを兼ねて８００℃の温度でレーザウェハを加熱すれば、工程数を１つ減らすことが可能となり、本発明の効果を得つつ、低コスト化を実現できる。しかしながら、この場合は、ｐ型層の活性化処理を行うことなく、水素濃度が高い状態で不純物領域２０を形成している。このため、不純物の数が水素原子の数と比べて少ない場合には、水素原子がｐ型層中に残留してしまうおそれがある。
【０１２０】
このような事情により、ｐ型層の活性化処理によって、ある程度水素原子を減らした上で不純物領域２０を形成し、残りの水素を不純物領域２０に捕獲させることが、本実施形態に係る製造方法として最も好ましい。
【０１２１】
次に、図１４（ｂ）に示すように、スパッタ法、真空蒸着法又はＣＶＤ法等により、リッジ導波路を含む超格子クラッド層１８の上に全面にわたって、ＳｉＯ２からなる絶縁膜２１を形成する。この絶縁膜２１は、超格子クラッド層１８の上面及びリッジ導波路の側面を保護するパッシベーション膜となる。
【０１２２】
次に、図１５（ａ）に示すように、リソグラフィ法により、絶縁膜２１の上に、リッジ導波路の上側部分を開口する開口パターンを有する第３のレジスト膜２８を形成する。続いて、第３のレジスト膜２８をマスクとして、フッ素を含むドライエッチング又はフッ酸によるウェットエッチングを行なって、絶縁膜２１のリッジ導波路の上側部分を除去することにより、コンタクト層１９を露出する。
【０１２３】
次に、図１５（ｂ）に示すように、真空蒸着法等により、コンタクト層１９が露出した第３のレジスト膜２８の上に、例えばパラジウム（Ｐｄ）からなるｐ側電極２２を形成する。
【０１２４】
次に、図１６（ａ）に示すように、有機溶剤等により、第３のレジスト膜２８を除去すると、第３のレジスト膜２８上に堆積したパラジウム膜も除去されるため、リッジ導波路の上面にｐ側電極２２が選択的に形成される。
【０１２５】
次に、図１６（ｂ）に示すように、真空蒸着法等により、基板１１におけるｎ型ＧａＮ層１２の反対側の面である窒素（Ｎ）終端面の上に、例えばチタン（Ｔｉ）からなるｎ側電極２３を形成して、複数の半導体レーザ装置を含むレーザウェハを得る。続いて、レーザウェハを、リッジ導波路における共振器の長さが６００μｍとなるようにへき開して、リッジ導波路のへき開面に面方位が（１−１００）面であるミラー面を形成して、半導体レーザ装置を完成する（図示せず）。
【０１２６】
なお、不純物領域２０を形成した後工程であれば、温度が１５０℃以上の加熱処理は、いつ実施してもよい。但し、レジスト膜が形成された状態で２００℃を超える温度に加熱すると、レジスト膜が変質してしまい、レジスト膜の除去が困難となるため、レジスト膜を設けた状態で行う場合には、加熱温度を２００℃以下とする必要がある。
【０１２７】
また、Ｐｄからなるｐ側電極２２は、５００℃を超える温度で加熱すると、接触抵抗が増大するため、該ｐ側電極２２を設けた状態では、加熱温度を５００℃以下とする必要がある。
【０１２８】
また、Ｔｉからなるｎ側電極２３は、窒素等の不活性ガス中で好ましい加熱温度の範囲である１５０℃以上且つ８００℃以下においては問題は生じない。但し、酸素又はオゾン等の支燃性ガスはＴｉが酸化するため、ｎ側電極２３を形成した状態では、支燃性ガス中で１５０℃以上で加熱処理を行うことは避ける必要がある。
【０１２９】
ところで、ＳｉＯ２からなる絶縁膜２１は、好ましい加熱温度の範囲である１５０℃以上且つ８００℃以下においては問題は生じない。
【０１３０】
このように、１５０℃以上の加熱処理を行う工程においては、形成された部材の材料に応じて適切な温度と適切なガス雰囲気とを選択をすることが可能である。
【０１３１】
以上説明したように、第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法により、ｐ型層における水素濃度を充分に低減した半導体レーザ装置を得ることができる。
【０１３２】
以下、［表１］を用いて、不純物領域２０に導入可能な原子について説明する。［表１］は各原子の水素原子に対する結合エンタルピーの絶対値を示している。
【０１３３】
【表１】
2008235396.tif 000003
【０１３４】
水素原子は、ｐ型窒化物半導体中において、アクセプタ原子−窒素原子−水素原子のように束縛されていることが知られている。ｐ型窒化物半導体におけるアクセプタ原子としては、マグネシウム（Ｍｇ）が最も一般的に用いられ、その他には亜鉛（Ｚｎ）又はベリリウム（Ｂｅ）を用いることができる。このとき、アクセプタ原子はII族元素であるため、III族窒化物半導体中では、窒素原子との間の結合で電子が１つだけ不足している。その電子を水素が供与することにより、アクセプタ原子−窒素原子−水素原子の結合が成立する。
【０１３５】
このような結合は、マグネシウム（Ｍｇ）と水素（Ｈ）との結合エンタルピー及び窒素（Ｎ）と水素（Ｈ）との結合エンタルピーのうちの少なくとも小さいほうのエネルギーを与えれば、正孔を生じて、水素原子が結合から脱離してしまうことになる。従って、不純物領域２０にドーピングする原子には、水素との結合エンタルピーが、Ｍｇ、Ｚｎ及びＢｅ等と水素との結合エンタルピーよりも大きい結合エンタルピーを持つ原子を用いることが好ましい。このようにすると、水素原子はアクセプタ原子とは別に導入した、アクセプタ原子よりも水素との結合エンタルピーが大きい不純物原子と強く結合するため、不純物原子に水素原子をゲッタリングさせることが可能となる。但し、水素原子同士のエンタルピーは約４３６ｋＪ／ｍｏｌと比較的に高い値を取るものの、不純物原子として水素原子を用いることは、水素原子濃度を増加させてしまうことになるため好ましくない。
【０１３６】
以上のことから、不純物原子として用いることができるのは、［表１］から分かるように、リチウム（Ｌｉ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、フッ素（Ｆ）、ナトリウム（Ｎａ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、燐（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、塩素（Ｃｌ）、カリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、砒素（Ａｓ）、セレン（Ｓｅ）、臭素（Ｂｒ）、ルビジウム（Ｒｂ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、インジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、テルル（Ｔｅ）、沃素（Ｉ）、セシウム（Ｃｓ）、バリウム（Ｂａ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タリウム（Ｔｌ）、鉛（Ｐｂ）及びビスマス（Ｂｉ）が挙げられる。また、結合エンタルピーのデータが表記されていない原子に関しても、水素との結合エンタルピーが、アクセプタ原子と水素の結合エンタルピーよりも高い原子であれば用いることができる。
【０１３７】
なお、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ及びＮ等の原子は、窒化物半導体の主組成である原子であって、格子位置に存在するＡｌ、Ｇａ及びＩｎ等のIII族原子並びにＮ等のＶ族原子は不純物とは呼ばない。実際、格子位置に存在するIII族原子及びＶ族原子は、全ての結合手が隣接する原子と結合しており、水素原子と結合する余地はない。但し、格子間に存在するIII族及びＶ族の原子は、不純物として作用し、未結合手を持つため、水素原子をゲッタリングすることができる。このような格子間のIII族及びＶ族の原子は、イオン注入等より形成することができる。
【０１３８】
次に、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザ装置等の発光デバイスに適した不純物原子について説明する。発光デバイスにおいて、発光波長のエネルギーよりも不純物と水素との結合エネルギーが小さいと、光子が不純物と水素との結合に吸収され、さらには結合が切断される場合がある。このことをも考慮して、水素との結合エネルギーが光子のエネルギーよりも大きい不純物を原子として選択することが好ましい。
【０１３９】
例えば、発光波長が４０５ｎｍの半導体レーザ装置の場合は、４０５ｎｍの波長に相当するエネルギーは３．０６ｅＶである。このエネルギーに耐え得るには、２９５ｋＪ／ｍｏｌよりも大きい結合エンタルピーが必要である。このことから、発光波長４０５ｎｍの発光デバイスに用いることが可能な原子は、［表１］から、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｂｒ、Ｉ及びＰｔであることが分かる。
【０１４０】
また、波長が４６０ｎｍの青色ＬＥＤ等の場合は、２６０ｋＪ／ｍｏｌよりも大きい結合エンタルピーが必要である。このため、上記の原子に加えて、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｔｅ及びＡｕを用いることができる。
【０１４１】
また、波長が５３０ｎｍの緑色ＬＥＤ等の場合は、２２６ｋＪ／ｍｏｌよりも大きい結合エンタルピーが必要であるため、上記の原子に加えて、Ｌｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ及びＩｎを用いることができる。
【０１４２】
次に、イオン注入によって不純物領域２０を形成する場合について示す。
【０１４３】
不純物領域２０の形成にイオン注入を用いる場合は、より軽い原子の方が小さい加速電圧で注入深さ及びドーズ量の制御が容易となるため有利である。特に、窒化物半導体装置を大量に製造する場合は、より軽い原子の方が不純物の原料となるガス等の入手が容易となるため、比較的に低コストで大量に製造することが可能となる。
【０１４４】
このような事情により、イオン注入によって不純物領域２０を形成する場合は、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ又はＣｌを不純物原子とするのが好ましい。なお、［表１］に示した複数の元素のうち、フッ素（Ｆ）が最も大きい結合エンタルピーを有しており、且つ軽元素であるため、比較的に低加速電圧でイオン注入できるので、最も好ましい。
【０１４５】
ところで、前述した各実施形態において、以下のような置き換えや変更を行っても、本発明の効果を得られることはいうまでもない。
【０１４６】
例えば、本発明の各実施形態において、基板１１に窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたが、ＧａＮに代えて、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又はシリコン（Ｓｉ）等のように、ＧａＮが成長可能な基板を用いることができる。
【０１４７】
また、本発明の各実施形態においては、各窒化物半導体層の厚さ、ドーピング濃度及び組成比又は量子井戸の数はこれに限定されず、例えば半導体レーザ装置における出射光の拡がり角又は発光点の位置等の要求に応じて種々に設計変更することができる。
【０１４８】
また、リッジ導波路の形状は、リッジ導波路の下部の幅が２μｍで、上部の幅が１．４μｍの断面台形状としたが、これに限定されない。例えば、半導体レーザ装置における出射光の拡がり角に対する要求又はエッチング方法によって種々の形状を採ることができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮからなる超格子クラッド層１８に対するエッチング後の残りの厚さにおいても、１００ｎｍには限定されない。例えば、半導体レーザ装置における出射光の拡がり角の要求によって任意の値に設計することが可能である。
【０１４９】
また、超格子クラッド層１８の上面及びリッジ導波路の側面を覆う絶縁膜２１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）に限られず、他の誘電体又は絶縁体を用いることができる。
【０１５０】
また、不純物領域２０の形成方法はイオン注入法に限定されない。例えば、拡散又はエピタキシャル成長中に不純物を同時に導入する等、任意の方法を用いることができる。
【０１５１】
また、本発明の窒化物半導体装置に対して行った特性評価における電流電圧範囲、並びに信頼性評価における温度及び光出力の条件についても、各実施形態の条件に限定されることはない。
【０１５２】
また、各実施形態においては、上部にリッジ導波路を有するリッジ型の半導体レーザ装置を例に採ったが、ｐ型層を有するウェハ又はデバイスであれば、機能領域の水素を低減するという効果を得ることができる。半導体レーザ装置の場合は、例えば、埋め込みストライプ型の半導体レーザ装置又はブロードエリアレーザ装置等のｐ型層を有する構造に適用可能であることはいうまでもない。
【０１５３】
また、ウェハとしては、例えば、半導体デバイスを成長させるためのｐ型のＧａＮ基板又はサファイア上に成長したｐ型のＧａＮを挙げることができる。
【０１５４】
また、半導体デバイスとしては、例えば、半導体レーザ装置に限られず、ＬＥＤ、ｐｎ型若しくはｐｉｎ型のフォトダイオード、ｎｐｎ型若しくはｐｎｐ型のバイポーラトランジスタ、又はｐ型ＭＯＳ（metal oxide semiconductor）トランジスタ等が挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明に係る窒化物半導体装置及びその製造方法は、ｐ型窒化物半導体層に残留する水素の拡散を防止することにより、高出力及び長寿命の窒化物半導体装置を得ることができ、発光デバイス、受光デバイス又は電子デバイス等の窒化物半導体装置等に有用である。従って、高温下等の厳しい条件下で高性能、高信頼性なＤＶＤ装置、長時間駆動のＤＶＤ装置又は高速書き込みのＤＶＤ装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体装置であって、半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における不純物領域２０のＢ１−Ｂ２線のフッ素濃度の深さ分布を示すグラフである。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置におけるＢ１−Ｂ２線の水素濃度の深さ分布とＣ１−Ｃ２線の水素濃度の深さ分布とを示すグラフである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置とにおいて電流、光出力及び電圧特性をそれぞれ比較したグラフである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置との高温信頼性加速試験の結果を示すグラフである。
【図６】（ａ）は本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。（ｂ）は本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。（ｃ）は本発明の第１の実施形態の第３変形例に係る半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の第１の実施形態の第４変形例に係る半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。（ｂ）は比較用の第１の半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。（ｃ）は比較用の第２の半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の第１〜第５の各変形例に係る半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置との１００ｍＷの光出力時における各動作電流を比較したグラフである。
【図９】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体装置であって、半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。（ｂ）は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。（ｃ）は比較例に係る半導体レーザ装置の要部を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置における不純物領域の内側の端部とリッジ導波路の下端部のとの距離Ａと、１００ｍＷの光出力時における動作電流との関係を示すグラフである。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体装置であって、半導体レーザ装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図１３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す工程順の断面図である。
【図１７】従来の半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図１８】比較用の半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図１９】比較用の半導体レーザ装置におけるＢ１−Ｂ２線の水素濃度の深さ分布とＣ１−Ｃ２線の水素濃度の深さ分布とを示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５７】
１１  基板
１２  ｎ型ＧａＮ層
１３  ｎ型クラッド層
１４  ｎ型ガイド層
１５  多重量子井戸活性層
１６  ｐ型ガイド層
１７  電子ブロック層
１８  超格子クラッド層
１９  コンタクト層
２０  不純物領域
２１  絶縁膜
２２  ｐ側電極
２３  ｎ側電極
２４  機能領域
２５  第１のレジスト膜
２６  絶縁体マスク
２７  第２のレジスト膜
２８  第３のレジスト膜
【図１】
2008235396.tif 000004
【図２】
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【図３】
2008235396.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008235396.tif 000010
【図８】
2008235396.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2008235396.tif 000013
【図１１】
2008235396.tif 000014
【図１２】
2008235396.tif 000015
【図１３】
2008235396.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
2008235396.tif 000018
【図１６】
2008235396.tif 000019
【図１７】
2008235396.tif 000020
【図１８】
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【図１９】
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