(57)【要約】【課題】  結晶欠陥が少なく、寿命特性の良好な窒化物半導体発光素子を提供することである。【解決手段】  結晶欠陥が１×１０７個／ｃｍ２以下の下地層と、下地層の上に形成された量子井戸構造の活性層と、活性層の上に形成されたｐ側クラッド層と、を備えた窒化物半導体発光素子である。下地層は、窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成される。活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層を有している。ｐ側クラッド層は、Ａｌを含む窒化物半導体層と、Ａｌを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層と、が積層された超格子構造よりなる。【選択図】  図１
2005136446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶欠陥が１×１０７個／ｃｍ２以下の下地層と、
前記下地層の上に形成された量子井戸構造の活性層と、
前記活性層の上に形成されたｐ側クラッド層と、
を備え、
前記下地層は、窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成され、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層を有し、
前記ｐ側クラッド層は、Ａｌを含む窒化物半導体層と、前記Ａｌを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層と、が積層された超格子構造よりなる、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記下地層は、窪みを有する窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成されたものである、ことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記Ａｌを含む窒化物半導体層と、前記Ａｌを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なる、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記Ａｌを含む窒化物半導体層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）よりなる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子において、さらに、
前記下地層は、異種基板上に形成されたものであって、
前記異種基板と前記下地層との間にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなるバッファ層を備えた、
ことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
裏面側にｎ電極を有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード素子、レーザダイオード素子等の発光素子、太陽電池、光センサ等の受光素子、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用いられる窒化物半導体（ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は短波長レーザ素子の材料として知られており、本出願人はこの材料を用いてパルス電流下、室温での４１０ｎｍのレーザ発振を世界で初めて発表した｛例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ７４、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５（１９９６）Ｌ２１７等｝。このレーザ素子は、ＩｎＧａＮを用いた多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ−  Ｗｅｌｌ）の活性層を有するダブルへテロ構造を有し、パルス幅２μｓ、パルス周期２ｍｓの条件で、閾値電流６１０ｍＡ、閾値電流密度８．７ｋＡ／ｃｍ２、４１０ｎｍの発振を示す。さらに本出願人は研究を進歩させ、室温での連続発振にも初めて成功し、発表した。｛例えば、日経エレクトロニクス  １９９６年１２月２日号  技術速報、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）３０３４−、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９（１９９６）４０５６−  等｝、このレーザ素子は２０℃において、閾値電流密度３．６ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧５．５Ｖ、１．５ｍＷ出力において、２７時間の連続発振を示す。
【０００３】
前記レーザ素子は全て窒化物半導体の成長基板にはサファイアが用いられている。サファイアは窒化物半導体と格子整合する材料ではないが、基板の量産性に優れ、比較的結晶性の良い窒化物半導体が成長できるために多用されている。レーザ素子の基本構造としては、サファイア基板上にＧａＮよりなるコンタクト層（電極形成層）、ＡｌＧａＮよりなるｎ側クラッド層、ＧａＮよりなるｎ側ガイド層、ＩｎＧａＮを含むＭＱＷ活性層、ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層、ＡｌＧａＮよりなるｐ側クラッド層、ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層が順に積層された分離閉じ込め（ＳＣＨ）構造を有している。前記レーザ素子の場合、屈折率が大きい活性層を屈折率の小さいＡｌＧａＮよりなるクラッド層で挟んでいるが、基板とｎ側クラッド層との間に、屈折率が活性層よりは小さいが、基板及びｎ側クラッド層よりも大きいＧａＮ層をコンタクト層として有している。従ってＡｌＧａＮよりなるクラッド層で閉じ込めきれなかった光は、サファイア基板の屈折率がＧａＮコンタクト層の屈折率より小さいため、ＧａＮコンタクト層で導波される。そのため窒化物半導体層端面から出射されるレーザ光のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）は、ヘテロ接合界面に垂直な方向（ｙ軸）に対して正規分布した形状とならずに、複数のビームがある形状となってしまう。このような複数のビームがあるレーザ光は光ディスクのピックアップに用いる光源としては使用しにくい。
【０００４】
一方、活性層の発光の閉じ込め率を高くしようとすれば、クラッド層の屈折率をさらに小さくして、厚膜で成長させる必要がある。しかしながら従来の窒化物半導体は、サファイアのような格子定数、及び熱膨張係数が異なる基板の上に成長されているため、結晶欠陥が非常に多く、例えば断面ＴＥＭで観察すると１×１０９個／ｃｍ２以上ある。結晶欠陥の多い窒化物半導体層が積層されたレーザ素子では連続発振させた場合に、その結晶欠陥で電子とホールが非輻射再結合して発熱して寿命を短くする。特にクラッド層となるようなＡｌを含む窒化物半導体は結晶成長中に、結晶欠陥、及びクラックが発生しやすい傾向にある。従来のレーザ素子ではＡｌＧａＮクラッド層を例えば０．５μｍ以下の膜厚で成長させているが、このクラッド層でも結晶欠陥が非常に多く、またクラックも発生している可能性がある。またクラッド層の屈折率を小さくするためＡｌ混晶比を上げようとすると、さらにクラックが多くなる傾向にある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、厚膜のＡｌを含む窒化物半導体、またはＡｌ混晶比の高い窒化物半導体を成長可能として、その窒化物半導体をクラッド層、コンタクト層として有する窒化物半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、上記した課題は、次のようにして解決される。
第１の発明は、結晶欠陥が１×１０７個／ｃｍ２以下の下地層と、前記下地層の上に形成された量子井戸構造の活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ側クラッド層と、を備え、前記下地層は、窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成され、前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層を有し、前記ｐ側クラッド層は、Ａｌを含む窒化物半導体層と、前記Ａｌを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層と、が積層された超格子構造よりなる、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
なお、本発明は、「Ａｌを含む窒化物半導体層」および「Ａｌを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層」を後述する実施の形態に限定するものではないが、本発明の理解を容易にするために、これらに対応する実施の形態の窒化物半導体層を述べると、前者については第４の窒化物半導体層が対応し、後者については第５の窒化物半導体層が対応する。
【０００７】
第２の発明は、前記下地層は、窪みを有する窒化物半導体を成長させた後、さらに、窒化物半導体を選択的に横方向に成長させて形成されたものである、ことを特徴とする第１の発明に係る窒化物半導体発光素子である。
【０００８】
第３の発明は、前記Ａｌを含む窒化物半導体層と、前記Ａｌを含む窒化物半導体層とは異なる組成を有する窒化物半導体層とは、不純物濃度が異なる、ことを特徴とする第１の発明又は第２の発明に係る窒化物半導体発光素子である。
【０００９】
第４の発明は、前記Ａｌを含む窒化物半導体層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）よりなる、ことを特徴とする第１の発明乃至第３の発明のいずれか１つに係る窒化物半導体発光素子である。
【００１０】
第５の発明は、第１の発明乃至第４の発明のいずれか１つに係る窒化物半導体発光素子において、さらに、前記下地層は、異種基板上に形成されたものであって、前記異種基板と前記下地層との間にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）よりなるバッファ層を備えた、ことを特徴とする窒化物半導体発光素子である。
第６の発明は、裏面側にｎ電極を有する第１の発明乃至第５の発明のいずれか１つに係る窒化物半導体発光素子である。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明の素子によると、Ａｌを含む窒化物半導体を成長させる前の窒化物半導体の結晶欠陥が少ないために、厚膜で成長可能となり、レーザ素子では低閾値で発振できるようになって長寿命となる。結晶欠陥が少ないということはＧａＮ下地層中の歪みが小さいと言うことを意味し、歪みの小さいＧａＮ下地層の上に格子不整合の状態でＡｌＧａＮを成長させると、同様にＡｌＧａＮ中の歪みも小さくなるために、クラックが入りにくくなり厚膜のＡｌＧａＮが成長できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
結晶欠陥が１×１０７個／ｃｍ２以下の窒化物半導体を含む下地層とは、例えば結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板であっても良いし、また窒化物半導体と異なる材料よりなる基板（以下、異種基板という。）上に成長された結晶欠陥の少ない窒化物半導体層であってもよい。その下地層は例えば以下に述べる方法によって作製することができる。
【００１３】
それは異種基板上に窒化物半導体を成長後、若しくは成長前に、その窒化物半導体層表面、若しくは異種基板の表面に、窒化物半導体が成長しにくい性質を有する保護膜を部分的に形成し、その保護膜によって異種基板と窒化物半導体との格子定数不整、熱膨張係数差等の要因によって発生する窒化物半導体の結晶欠陥を止める手法である。保護膜形成後、その保護膜及び窓部（保護膜が形成されていない部分）の上に再度窒化物半導体を成長させることにより、窓部から横方向に窒化物半導体の成長を促進させて、保護膜上部にまで窒化物半導体を成長させる。その保護膜上部に成長した窒化物半導体は、結晶欠陥が少ない窒化物半導体下地層となる。下地層の組成はＡｌを０．３以下で含むＡｌＸＧａ１−ＸＮ、好ましくはＧａＮとすることが最も望ましい。またこのＧａＮ下地層にＳｉ、Ｇｅ、Ｓ等のｎ型不純物をドープして導電性を制御しても良い。ｎ型不純物をドープするとＧａＮ下地層がｎ電極形成層として好ましく使用できる。ＧａＮ下地層の結晶欠陥は好ましくは５×１０６個／ｃｍ２以下、さらに好ましくは１×１０６個／ｃｍ２以下、最も好ましくは５×１０５個／ｃｍ２であることが望ましい。なお下地層中の結晶欠陥は、断面ＴＥＭによる観察により写真撮影して計測できる数値を示している。
【００１４】
図１乃至図４はＧａＮ下地層を作製する際の、窒化物半導体ウェーハの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は異種基板、２は窒化物半導体よりなるバッファ層、３は第１の下地層、３’は第２の下地層、１１は第１の保護膜、１２は第２の保護膜を示しており、本発明の素子の下地層となるのは第１の下地層３、若しくは第２の下地層３’である。これらの図を元にしてＧａＮよりなる下地層の製法の一例を説明する。
【００１５】
図１に示すように、異種基板１の表面に、ＧａＮよりなるバッファ層２を例えば１０μｍ以下の膜厚で成長させる。このバッファ層は基板に直接、あるいは低温成長バッファ層を介して、９００℃以上の高温で成長される層であり、結晶欠陥が全ての断面において、例えば１×１０９個／ｃｍ２以上あるため、ＧａＮ下地層とはなり得ない。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、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等の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。またバッファ層２を成長させる前に、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ等の９００℃以下で成長させる低温成長バッファ層を異種基板１に接して、０．５μｍ以下の膜厚で成長させることが望ましい。
【００１６】
次に図１に示すように、バッファ層２の上に窒化物半導体が直接成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する第１の保護膜１１を所定の形状で部分的に形成する。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、バッファ層の露出部分、即ち保護膜が形成されていない部分（窓部）よりも保護膜の面積を大きくする方が、より結晶欠陥の少ない第１の下地層３が成長しやすい。第１の保護膜１１、第２の保護膜１２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、成長しにくい性質を有している。保護膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成膜技術を用いることができる。部分的（選択的）に形成するためには、フォトリソグラフィー技術を用いて、所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気相成膜することにより、所定の形状を有する第１の保護膜１１、第２の保護膜１２を形成できる。図１ではバッファ層２の上に例えばストライプ状の保護膜を形成し、そのストライプに対して垂直な方向でウェーハを切断した際の部分的な断面図を示しており、結晶欠陥をバッファ層２内部に示す細線でもって模式的に示している。この図に示すように、バッファ層２にはほぼ均一に無数の結晶欠陥が発生するので、この層を本発明の素子のＧａＮ下地層とすることは不可能である。
【００１７】
次に第１の保護膜１１を形成したウェーハの上に第１の下地層３を成長させる。図２に示すように、第１の保護膜１１を形成したバッファ層２の上に、第１の下地層３を成長させると、最初は第１の保護膜１１の上にはＧａＮ層が成長せず、窓部のバッファ層２の上に第１の下地層３が選択成長される。図２は、窓部に多くＧａＮが成長して、第１の保護膜１１の上にほとんど成長されないことを示している。
【００１８】
さらに第１の下地層３の成長を続けると、第１の下地層３が第１の保護膜１１の上に覆いかぶさって行き、隣接した第１の下地層３同士でつながって、図３に示すように、あたかも第１の保護膜１１の上に第１の下地層３が成長したかのような状態となる。つまり、第１の下地層３を保護膜を介して横方向に成長させる。ここで重要なことは、基板の上に成長されているバッファ層２の結晶欠陥と、第１の保護膜１１の上に成長されている第１の下地層３との結晶欠陥の数である。図３において、基板から第１の窒化物半導体層の表面に渡って示している複数の細線は図１、２と同じく結晶欠陥を模式的に示している。つまり、異種基板と窒化物半導体との格子定数のミスマッチにより、異種基板の上に成長される窒化物半導体には非常に多くの結晶欠陥が発生し、この結晶欠陥は窒化物半導体成長中、表面まで伝わる。一方、第１の保護膜１１上に形成された第１の下地層３は基板から成長したものではなく、隣接する第１の下地層３が成長中に横方向につながったものであるため、結晶欠陥の数は基板から成長したものに比べて非常に少なくなる。従って、この第１の下地層３をＡｌを含む第１の窒化物半導体成長時の下地層に用いることにより、結晶欠陥、クラック等が発生しないため、Ａｌを含む窒化物半導体が厚膜で成長できる。下地層の格子欠陥の数は保護膜１１の面積を調整することによって調整可能である。
【００１９】
図４はさらに好ましいＧａＮ下地層の製法を示したものであり、第１の下地層３成長後、第１の保護膜１１の窓部に対応する第１の下地層３の表面近傍に第２の保護膜１２を形成することにより、基板と窒化物半導体層との界面から発生した格子欠陥が表面に現れている第１の下地層３の結晶欠陥を、更には、第１の下地層３の成長初期に窓部から転位し成長の途中で転位を中断した結晶欠陥の再転位を第２の保護膜１２で止めることができる。第１の下地層３の成長初期に窓部から転位する結晶欠陥は、第１の下地層３の成長の途中で激減する傾向があり、この転位を中断した結晶欠陥が、素子を動作中に再転位する恐れが考えられるので、第２の保護膜を窓部上部に形成することが好ましい。なお、図４では図３で成長させた第１の下地層３表面の凹凸を少なくするため、研磨してフラットな面としているが、特に研磨せず、そのまま第１の下地層３の表面に第２の保護膜１２を形成しても良い。好ましくは第２の保護膜１２の面積を第１の保護膜１１の窓の面積よりも大きくする。具体的には、保護膜の形状をドット、ストライプ等で形成した場合には、単位ドットの表面積、単位ストライプ幅を窓よりも大きくする。なぜなら、結晶欠陥は必ずしも基板から垂直に転移するのではなく、斜めに入ったり、途中で折れ曲がって転移する場合が多い。そのため第１の保護膜１１の直上部にある第１の下地層３に結晶欠陥が侵入してくる可能性があるため、図４に示すように、第２の保護膜１２の表面積を窓部よりも大きくすることが望ましい。以上のようにして第１の下地層３の上に形成された第２の保護膜１２を介して第２の下地層を成長させると、第１の下地層３よりもさらに結晶欠陥の少ないＧａＮ結晶が得られ、ＧａＮ下地層として十分に使用できる。このように結晶欠陥の数は、保護膜の面積、保護膜の形成回数によって制御可能である。但し、以上述べたＧａＮ下地層の製法は単なる一例を示すものであって、本発明の素子のＧａＮ下地層が以上の製法により拘束されるものではない。
【００２０】
更に、下地層のその他の作成方法として以下の方法が挙げられる。
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に、窒化物半導体を成長させた後、該窒化物半導体の縦方向の成長を抑え、窒化物半導体を横方向のみに成長させ、続いて、縦と横方向に成長させる窒化物半導体の成長方法である。
上記成長方法は、異種基板の表面で発生する結晶欠陥が窒化物半導体を厚く成長させても窒化物半導体の表面まで連続して転位することを防止するために、窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の縦方向の成長を抑え、横方向にのみ成長させ、続いて縦と横方向に成長させることで、結晶欠陥が非常に少ない結晶性の良好な窒化物半導体を得ることができる。
本発明において、窒化物半導体の縦方向の成長を抑えるとは、少なくとも窒化物半導体の成長が縦に進行しないようにすればよく、また横方向に成長させるとは、少なくとも成長させた窒化物半導体の端面を露出させて、この端面のみから成長させるようにすればよい。このように成長方向をコントロールされた窒化物半導体は、縦方向から横方向に成長を始め、成長を続けていくと横の成長に加えて再び縦方向にも成長をはじめる。
【００２１】
このように窒化物半導体の成長方向をコントロールして行う窒化物半導体の成長方法の具体的な方法の一実施の形態としては、図８及び図９に示すように、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に第１１の窒化物半導体を成長させ、その後、前記第１１の窒化物半導体に部分的に段差を形成して第１１の窒化物半導体の端面を露出させ、段差上面にある第１１の窒化物半導体の平面及び段差の異種基板に対して水平な面に保護膜を形成し、更にその後、前記第１１の窒化物半導体の端面から第１２の窒化物半導体を成長させる窒化物半導体の成長方法である。
【００２２】
つまり、成長させた第１１の窒化物半導体の縦方向の成長を抑制するために、第１１の窒化物半導体が縦の方向に成長可能な平面（例えば窒化物半導体の平面や異種基板面）に保護膜を形成し、また、第１１の窒化物半導体に段差を形成して横方向への成長を可能とする第１１の窒化物半導体の端面を形成し、このように窒化物半導体の成長方向を制御した後、第１１の窒化物半導体の端面に第１２の窒化物半導体を成長させる。このように窒化物半導体を成長させると、異種基板の表面に発生する結晶欠陥が窒化物半導体に転位するのを防止でき、結晶欠陥の非常に少ない結晶性の良好な窒化物半導体を得ることができる。
【００２３】
上記の成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる方法は、第１１の窒化物半導体に部分的に設けた段差の上面にある第１１の窒化物半導体の平面及び段差の底面（異種基板に水平な面）に保護膜を設けることで、異種基板の表面に発生する結晶欠陥が連続的に転位するのを防止する。更に、このように保護膜を形成すると、窒化物半導体が保護膜上に成長しにくいことから、第１２の窒化物半導体の成長が選択的に第１１の窒化物半導体の端面から横方向に成長をはじめる。ここで、異種基板の表面に発生する結晶欠陥は、窒化物半導体が横方向に成長する過程では、縦方向に成長する場合に比べて、転位が極めて少なくなる。更に横方向に転位した結晶欠陥は、窒化物半導体が横から縦方向へも成長し始める際にほとんど転位が起こらないと推定される。その結果、結晶欠陥のほとんどない、結晶性の非常に良好な第２の窒化物半導体を厚膜で得ることができる。ここで、窒化物半導体は保護膜上に成長しにくいが、第１２の窒化物半導体が横方向と縦方向の成長を続けることで、あたかも保護膜の上に成長しているかのように保護膜を覆って成長する。
【００２４】
更に窒化物半導体の成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる方法について、図８及び図９を用いて更に詳細に説明する。
図８及び図９は、成長方向をコントロールして窒化物半導体を成長させる方法の一実施の形態の概略を示した模式的断面図である。
【００２５】
まず、図８のように、異種基板８１上に第１１の窒化物半導体８２を成長させ、第１１の窒化物半導体８２の端面を露出させるために第１１の窒化物半導体８２に部分的に段差を形成し、第１１の窒化物半導体８２の成長の方向をコントロールするために段差の上面にある第１１の窒化物半導体８２の平面及び段差の異種基板８１に水平な面に保護膜８３及び保護膜８４を形成し、続いて、成長の方向が制御された第１１の窒化物半導体８２、つまり第１１の窒化物半導体８２の端面から第１２の窒化物半導体８５を成長させ、図９のように厚膜の第１２の窒化物半導体８５を得ることができる。
異種基板８１上に第１１の窒化物半導体８２を成長させる前に、異種基板８１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。
【００２６】
上記成長方法において、部分的に段差を形成するとは、少なくとも第１１の窒化物半導体８２の端面が露出されるように、第１１の窒化物半導体８２の表面から異種基板８１方向に窪みを形成してあればよく、第１１の窒化物半導体８２にいずれの形状で段差を設けてもよく、例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤面状、ドット状に形成できる。
第１１の窒化物半導体８２に部分的に設けられた段差は、第１１の窒化物半導体８２の途中まで、又は異種基板８１に達する深さで形成され、この段差の深さは、第１１の窒化物半導体８２の膜厚や、保護膜８４の膜厚等にも左右される値であり、第１１の窒化物半導体８２の端面から横方向に成長する第１２の窒化物半導体８５が成長し易いように端面が形成されるように段差が形成されることが好ましい。段差の深さは、第１１の窒化物半導体８２が残る程度の深さが好ましい。仮に、段差を形成する際に異種基板８１が露出されていると、保護膜８４の形成時に第１１の窒化物半導体８２の端面付近に保護膜８４が形成しにくいと考えられることから、保護膜８４が十分に異種基板８１の表面を覆ってない場合には、異種基板８１の表面に第１２の窒化物半導体８５が成長し、そこから結晶欠陥が発生する可能性があるからである。
段差の具体的な深さは、特に限定せず通常５００オングストローム〜５μｍ程度であれば十分である。
【００２７】
段差を形成する方法としては、第１１の窒化物半導体８２を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。また、エッチングによって段差を形成する場合、エッチング面が、図８に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは第１１の窒化物半導体８２の端面が階段状になるように形成された形状等がある。
【００２８】
第１１の窒化物半導体８２が縦方向に成長するのを制御するために、例えば段差の上面にある第１１の窒化物半導体８２の平面に保護膜８３を、段差の下面の異種基板８１に対してほぼ水平な面に保護膜８４を、保護膜としてそれぞれ形成する。段差の形状が階段状である場合は、階段の各段の異種基板にほぼ水平な面に保護膜８４をそれぞれ形成する。
【００２９】
保護膜８３及び保護膜８４の膜厚は、特に限定せず、ドライエッチングにより端面を露出させられる膜厚であり、且つ底面を被覆できる膜厚にする必要がある。また、保護膜８３と保護膜８４の膜厚は、第１２の窒化物半導体８５が横方向に成長し易いように調整されていることが好ましく、場合によってはそれぞれの膜厚が異なってもよい。
例えば、保護膜８３は、薄く形成された方が、第１１の窒化物半導体の端面から横方向に成長させる第１２の窒化物半導体８５が保護膜８３と同程度の膜厚となった時、隣接している第１２の窒化物半導体８５同士が接合し易くなると考えられる。また保護膜８４は、比較的厚く（但し、第１１の窒化物半導体８２の端面が第１２の窒化物半導体８５が成長される程度に十分露出されている範囲）形成された方が、第１２の窒化物半導体８５の成長初期において、段差の下面（第１１の窒化物半導体８２の平面又は異種基板８１面）を十分に覆うことができると共に熱による保護膜８４へのピンホールの発生を防止できると考えられる。ピンホールが保護膜に発生すると、ピンホールから第１２の窒化物半導体８５が縦方向に成長する恐れがあり、結晶欠陥の発生の原因となると考えられる。
また、第１１の窒化物半導体８２の縦方向の成長を防止する一実施の形態として、保護膜を形成して行うことを挙げたが、これに限定されない。また、横方向から第１２の窒化物半導体８５を成長させる一実施の形態として第１１の窒化物半導体８２に窪みを形成して端面を設けることを挙げたが、これに限定されない。
【００３０】
上記のように保護膜８３及び保護膜８４を形成したことにより、第１２の窒化物半導体８５が成長可能な部分を、第１１の窒化物半導体８２の端面のみとし、第１１の窒化物半導体８２の端面から第１２の窒化物半導体８５が選択的に横方向に成長し始める。そして、成長を続けるうちに、第１２の窒化物半導体８５が横方向に加え縦方向にも成長をはじめ、窒化物半導体が成長しにくい保護膜上にあたかも成長したかのように、第１２の窒化物半導体８５は保護膜８３及び保護膜８４を覆い成長を続ける。このように成長初期に成長方向を特定された第１２の窒化物半導体８５は、厚膜に成長させても、結晶欠陥のない非常に良好な結晶性を有する。
【００３１】
第１２の窒化物半導体８５は、成長の初期においては、保護膜の形成されていない第１１の窒化物半導体８２の端面に選択的に成長し、向き合っている第１１の窒化物半導体８２の端面から横方向に成長した第１２の窒化物半導体８５が保護膜８４の上面を覆い、次第に横方向から縦方向に成長し始め保護膜８３と同程度の膜厚に成長すると、第１２の窒化物半導体８５が保護膜８３の上部に向かって横方向に成長し、そして隣接している第１２の窒化物半導体８５同士でつながる。その結果、図９に示すように、第１２の窒化物半導体８５があたかも保護膜８３、８４上に成長したかのような状態となる。
【００３２】
本発明の窒化物半導体素子では、格子欠陥が１×１０７個／ｃｍ２以下の下地層の上にＡｌを含む第１の窒化物半導体層が成長される。第１の窒化物半導体層は下地層に接して成長されていても良いし、また下地層と第１の窒化物半導体層との間に他の窒化物半導体層が成長されていても良い。第１の窒化物半導体層の膜厚は０．３μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上とする。０．３μｍよりも薄いとレーザ素子の場合光閉じ込めが不十分となる傾向にある。また第１の窒化物半導体層はＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）を成長させることが望ましく、さらに好ましくはＸ値が０．１以上、さらに好ましくは０．２以上、最も好ましくは０．３以上のＡｌＸＧａ１−ＸＮを成長させる。
【００３３】
さらに本発明の素子の場合、このＡｌを含む第１の窒化物半導体層の上にＩｎを含む窒化物半導体よりなる井戸層を含む量子構造の活性層を有している。Ｉｎを含む井戸層を有する活性層が存在することにより、この層が第２のバッファ層のような作用を奏する。つまりレーザ素子の場合、連続発振中に第１の窒化物半導体層中に存在する結晶欠陥が素子全体、特に活性層に広がって素子の寿命を短くするのを防止する作用がある。井戸層の膜厚は７０オングストローム以下、さらに好ましくは５０オングストローム以下に調整する。多重量子井戸構造の場合、障壁層は井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体で形成し、特にＩｎを含んでいなくても良く、膜厚は２００オングストローム以下、さらに好ましくは１５０オングストローム以下、最も好ましくは１００オングストローム以下に調整する。
【００３４】
さらに好ましい態様として、本発明の素子では第１の窒化物半導体層がＡｌを含む第２の窒化物半導体と、その第２の窒化物半導体と異なる組成を有する第３の窒化物半導体とが積層されてなる超格子構造よりなる。なお第３の窒化物半導体はＡｌを含んでいなくても良い。超格子層の第２の窒化物半導体層、及び第３の窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下の膜厚に調整する。多重量子井戸構造の活性層の場合、井戸層と障壁層のバンドギャップエネルギーは必ず障壁層を大きくする必要があるが、第１の窒化物半導体層が超格子構造である場合、第２の窒化物半導体と第３の窒化物半導体層とのバンドギャップエネルギーは同じでも良い。
【００３５】
さらに、超格子を構成する第２の窒化物半導体と第３の窒化物半導体層とにｎ型不純物を変調ドープする方が、レーザ素子のＶｆ、及び閾値が低下しやすい傾向にある。変調ドープとは第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とのｎ型不純物濃度を異ならせることである。変調ドープの場合、一方の層はアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）でも良い。
ｎ型不純物濃度は５×１０１６／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲、さらに好ましくは、１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３に調整することが望ましい。ｎ側クラッド層５全体の膜厚は１００オングストローム以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５００オングストローム以上、１μｍ以下で成長させることが望ましい。
【００３６】
第１の窒化物半導体を超格子構造とする場合、超格子層を構成する窒化物半導体層は互いに組成が異なる窒化物半導体で構成されていれば良く、バンドギャップエネルギーが異なっていても、同一でもかまわない。例えば超格子層を構成する最初の層（第２の窒化物半導体層）をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で構成し、次の層（第３の窒化物半導体層）をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）で構成すると、第３の窒化物半導体層のバンドギャップエネルギーが必ず第２の窒化物半導体層よりも大きくなるが、第２の窒化物半導体層をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）で構成し、第３の窒化物半導体層をＩｎＺＡｌ１−ＺＮ（０＜Ｚ≦１）で構成すれば、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とは組成が異なるが、バンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。また第２の窒化物半導体層をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）で構成し、第３の窒化物半導体層をＩｎＺＡｌ１−ＺＮ（０＜Ｚ≦１）で構成すれば、同様に第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とは組成が異なるがバンドギャップエネルギーが同一の場合もあり得る。超格子層はＡｌを含む窒化物半導体層を有していれば良く、組成が異なってバンドギャップエネルギーが同じ構成でも良い。超格子層を構成する各窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは１０オングストローム以上、４０オングストローム以下の範囲に調整する。１００オングストロームよりも厚いと弾性歪み限界以上の膜厚となり、膜中に微少なクラック、あるいは結晶欠陥が入りやすい傾向にある。井戸層、障壁層の膜厚の下限は特に限定せず１原子層以上であればよいが１０オングストローム以上に調整することが望ましい。このように、単一膜厚が１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下の互いに組成の異なる窒化物半導体層を積層成長させた超格子構造とすると、単一の窒化物半導体層の膜厚が弾性臨界膜厚以下となって、結晶性が非常に良くなり、容易に室温で連続発振する。
【００３７】
さらに、超格子層を構成する第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層の窒化物半導体はバンドギャップエネルギーが異なるものを積層することが望ましく、超格子層を構成する窒化物半導体の平均バンドギャップエネルギーを活性層よりも大きくするように調整することが望ましい。好ましくは一方の層をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）とし、もう一方の層をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）で構成することにより、結晶性のよい超格子層を形成することができる。また、ＡｌＧａＮは結晶成長中にクラックが入りやすい性質を有している。そこで、超格子層を構成する第２の窒化物半導体層を膜厚１００オングストローム以下のＡｌを含まない窒化物半導体層とすると、Ａｌを含む窒化物半導体よりなるもう一方の第３の窒化物半導体層を成長させる際のバッファ層として作用し、第３の窒化物半導体層にクラックが入りにくくなる。そのため超格子層を積層してもクラックのない超格子を形成できるので、結晶性が良くなり、素子の寿命が向上する。これもまた一方の層をＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）とし、もう一方の層をＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１）、とした場合の利点である。
【００３８】
さらに超格子を構成する窒化物半導体に不純物をドープする場合、ｎ型不純物は第２の窒化物半導体層、第３の窒化物半導体層両方の層にドープすることは言うまでもないが、好ましくバンドギャップエネルギーの大きな方の層に多くドープするか、またはバンドギャップエネルギーの小さな方をアンドープとして、バンドギャップエネルギーの大きな方にｎ型不純物をドープする方が、閾値電圧、閾値電流が低下しやすい傾向にある。
【００３９】
さらに、この第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層とのｎ型不純物濃度が異なる。これはいわゆる変調ドープと呼ばれるもので、一方の層のｎ型不純物濃度を小さく、好ましくは不純物をドープしない状態（アンドープ）として、もう一方を高濃度にドープすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。これは不純物濃度の低い層を超格子層中に存在させることにより、その層の移動度が大きくなり、また不純物濃度が高濃度の層も同時に存在することにより、キャリア濃度が高いままで超格子層が形成できることによる。つまり、不純物濃度が低い移動度の高い層と、不純物濃度が高いキャリア濃度が大きい層とが同時に存在することにより、キャリア濃度が大きく、移動度も大きい層となるために、閾値電圧、Ｖｆが低下すると推察される。
【００４０】
バンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、この変調ドープにより高不純物濃度層と、低不純物濃度層との間に二次元電子ガスができ、この二次元電子ガスの影響により抵抗率が低下すると推察される。例えば、ｎ型不純物がドープされたバンドギャップの大きい窒化物半導体層と、バンドギャップが小さいアンドープの窒化物半導体層とを積層した超格子層では、ｎ型不純物を添加した層と、アンドープの層とのヘテロ接合界面で、障壁層側が空乏化し、バンドギャップの小さい層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。この二次元電子ガスがバンドギャップの小さい側にできるので、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないため、超格子の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下する。なおｐ側の変調ドープも同様に二次元正孔ガスの影響によると推察される。またｐ層の場合、ＡｌＧａＮはＧａＮに比較して抵抗率が高い。そこでＡｌＧａＮの方にｐ型不純物を多くドープすることにより抵抗率が低下するために、超格子層の実質的な抵抗率が低下するので素子を作製した場合に、閾値が低下する傾向にあると推察される。
【００４１】
一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層に高濃度に不純物をドープした場合、以下のような作用があると推察される。例えばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層にＭｇを同量でドープした場合、ＡｌＧａＮ層ではＭｇのアクセプター準位の深さが大きく、活性化率が小さい。一方、ＧａＮ層のアクセプター準位の深さはＡｌＧａＮ層に比べて浅く、Ｍｇの活性化率は高い。例えばＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしてもＧａＮでは１×１０１８／ｃｍ３程度のキャリア濃度であるのに対し、ＡｌＧａＮでは１×１０１７／ｃｍ３程度のキャリア濃度しか得られない。そこで、本発明ではＡｌＧａＮ／ＧａＮとで超格子とし、高キャリア濃度が得られるＧａＮ層の方に多く不純物をドープすることにより、高キャリア濃度の超格子が得られるものである。しかも超格子としているため、トンネル効果でキャリアは不純物濃度の少ないＡｌＧａＮ層を移動するため、実質的にキャリアはＡｌＧａＮ層の作用は受けず、ＡｌＧａＮ層はバンドギャップエネルギーの高いクラッド層として作用する。従って、バンドギャップエネルギーの小さな方の窒化物半導体層に不純物を多くドープしても、レーザ素子、ＬＥＤ素子の閾値を低下させる上で非常に効果的である。なおこの説明はｐ型層側に超格子を形成する例について説明したが、ｎ層側に超格子を形成する場合においても、同様の効果がある。
【００４２】
バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層への好ましいドープ量としては、１×１０１７／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３、さらに好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１９／ｃｍ３の範囲に調整する。１×１０１７／ｃｍ３よりも少ないと、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層との差が少なくなって、キャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０２１／ｃｍ３よりも多いと、素子自体のリーク電流が多くなりやすい傾向にある。一方、バンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層のｎ型不純物濃度はバンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、バンドギャップエネルギーの大きい窒化物半導体側から拡散してくるｎ型不純物があり、その量は１×１０１９／ｃｍ３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、ＶＩＢ族元素を選択し、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層にｎ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープする場合も同様である。
以上、超格子層に不純物を好ましく変調ドープする場合について述べたが、バンドギャップエネルギーが大きい窒化物半導体層とバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層との不純物濃度を等しくすることもできる。
【００４３】
具体的な素子構造として、本発明の素子では、前記井戸層を有する活性層の上に、Ａｌを含む第４の窒化物半導体層と、第４の窒化物半導体層と異なる組成を有する第５の窒化物半導体層とが積層された超格子層の窒化物半導体層をｐ側クラッド層として有している。このｐ側クラッド層も第１の窒化物半導体層と同じく、ＧａＮ下地層をベース層として形成しているために、Ａｌを含む第４の窒化物半導体層のＡｌ混晶比を高くすることが可能である。特にｐ側クラッド層を超格子構造とすると、超格子構造でないものよりも抵抗率の低いｐ側クラッド層が得られ易くレーザ素子の閾値電圧、ＬＥＤ素子のＶｆも低下する傾向にある。第４の窒化物半導体層は少なくともＡｌを含む窒化物半導体、好ましくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）を成長させることが望ましく、第５の窒化物半導体は好ましくはＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１、Ｘ＞Ｙ）、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ≦１）のような２元混晶、３元混晶の窒化物半導体を成長させることが望ましい。第４の窒化物半導体層、及び第５の窒化物半導体層の膜厚は１００オングストローム以下、さらに好ましくは７０オングストローム以下、最も好ましくは５０オングストローム以下に調整する。
【００４４】
ｐ側クラッド層を超格子構造とすると、超格子構造が発光素子に与える作用は、ｎ側層の超格子層の作用と同じであるが、さらにｎ層側に形成した場合に加えて次のような作用がある。即ち、ｐ型窒化物半導体はｎ型窒化物半導体に比べて、通常抵抗率が２桁以上高い。そのため超格子層をｐ層側に形成することにより、Ｖｆの低下が顕著に現れる。詳しく説明すると窒化物半導体はｐ型結晶が非常に得られにくい半導体であることが知られている。ｐ型結晶を得るためｐ型不純物をドープした窒化物半導体層をアニーリングして、水素を除去する技術が知られている（特許第２５４０７９１号）。しかしｐ型が得られたといってもその抵抗率は数Ω・ｃｍ以上もある。そこで、このｐ型層を超格子層とすることにより結晶性が良くなり、抵抗率が１桁以上低下するためＶｆの低下が現れやすい。
【００４５】
ｐ側クラッド層の第４の窒化物半導体層と第５の窒化物半導体層とのｐ型不純物濃度が異なり、一方の層の不純物濃度を大きく、もう一方の層の不純物濃度を小さくする。ｎ側層の超格子層と同様に、バンドギャップエネルギーの大きな第４の窒化物半導体層の方のｐ型不純物濃度を大きくして、バンドギャップエネルギーの小さな第５の窒化物半導体層の方のｐ型不純物濃度を小さく、好ましくはアンドープとすると、閾値電圧、Ｖｆ等を低下させることができる。またその逆でも良い。つまりバンドギャップエネルギーの大きな第４の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を小さくして、バンドギャップエネルギーの小さな第５の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度を大きくしても良い。理由は先に述べたとおりである。
【００４６】
第４の窒化物半導体層への好ましいドープ量としては１×１０１８／ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ３、さらに好ましくは１×１０１９／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲に調整する。１×１０１８／ｃｍ３よりも少ないと、同様に第５の窒化物半導体層との差が少なくなって、同様にキャリア濃度の大きい層が得られにくい傾向にあり、また１×１０２１／ｃｍ３よりも多いと、結晶性が悪くなる傾向にある。一方、第５の窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は第４の窒化物半導体層よりも少なければ良く、好ましくは１／１０以上少ない方が望ましい。最も好ましくはアンドープとすると最も移動度の高い層が得られるが、膜厚が薄いため、第４の窒化物半導体側から拡散してくるｐ型不純物があり、その量は１×１０２０／ｃｍ３以下が望ましい。ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。この作用は、バンドギャップエネルギーが大きい第４の窒化物半導体層にｐ型不純物を少なくドープして、バンドギャップエネルギーが小さい第５の窒化物半導体層にｐ型不純物を多くドープする場合も同様である。
【００４７】
さらにまた超格子を構成する窒化物半導体層において、不純物が高濃度にドープされる層は、厚さ方向に対し、半導体層中心部近傍の不純物濃度が大きく、両端部近傍の不純物濃度が小さい（好ましくはアンドープ）とすることが望ましい。具体的に説明すると、例えばｎ型不純物としてＳｉをドープしたＡｌＧａＮと、アンドープのＧａＮ層とで超格子層を形成した場合、ＡｌＧａＮはＳｉをドープしているのでドナーとして電子を伝導帯に出すが、電子はポテンシャルの低いＧａＮの伝導帯に落ちる。ＧａＮ結晶中にはドナー不純物をドープしていないので、不純物によるキャリアの散乱を受けない。そのため電子は容易にＧａＮ結晶中を動くことができ、実質的な電子の移動度が高くなる。これは前述した二次元電子ガスの効果と類似しており、電子横方向の実質的な移動度が高くなり、抵抗率が小さくなる。さらに、バンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮの中心領域にｎ型不純物を高濃度にドープすると効果はさらに大きくなる。即ちＧａＮ中を移動する電子によっては、ＡｌＧａＮ中に含まれるｎ型不純物イオン（この場合Ｓｉ）の散乱を多少とも受ける。しかしＡｌＧａＮ層の厚さ方向に対して両端部をアンドープとするとＳｉの散乱を受けにくくなるので、さらにアンドープＧａＮ層の移動度が向上するのである。作用は若干異なるが、ｐ層側の第４の窒化物半導体層と第５の窒化物半導体層とで超格子を構成した場合も類似した効果があり、バンドギャップエネルギーの大きい第４の窒化物半導体層の中心領域に、ｐ型不純物を多くドープし、両端部を少なくするか、あるいはアンドープとすることが望ましい。一方、バンドギャップエネルギーの小さな窒化物半導体層にｎ型不純物を多くドープした層を、前記不純物濃度の構成とすることもできる。  超格子層は、少なくともｐ側層にあることが好ましく、ｐ側層に超格子層があるとより閾値が低下し好ましい。
【００４８】
従来の窒化物半導体レーザ素子では結晶欠陥が多く、Ａｌ混晶比の高いクラッド層を厚膜で成長させることが難しい傾向にあった。従ってクラッド層による光閉じ込めが不十分となって、基板とＧａＮコンタクト層との界面で反射されて、再度ＧａＮコンタクト層で光が導波される。ＧａＮコンタクト層で活性層の光が導波されると、観測されるレーザ光のファーフィールドパターンには、活性層導波路による分と、コンタクト層導波路による分、その他基板界面での乱反射分等というように、複数のビームができる。しかしながら本発明によると、Ａｌクラッド層が厚膜で成長できるため、活性層の光閉じ込めが向上し、ファーフィールドパターンの形状を従来より向上させることができる。
【００４９】
図５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的な斜視図、図６は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す断面図、図７は本発明の他の実施例に係るレーザ素子の構造を示す断面図である。図５、図６に示すように異種基板１を素子構造として残す場合には、前にも述べたようにウェーハの反りの関係から、下地層３の膜厚は１μｍ以上、５０μｍ以下に調整することが望ましい。ｐ電極、ｎ電極とは同一面側から取り出す構造とする場合、本発明の素子では、ｎ電極は図５に示すように第１の窒化物半導体層５の表面に形成する場合と、図６に示すように下地層３の表面に形成する場合とがある。図５のように第１の窒化物半導体層の表面に形成する場合には、第１の窒化物半導体はキャリアを閉じ込めるクラッド層及び電流を注入するためのコンタクト層として作用するので、下地層３の窒化物半導体はアンドープでも良い。一方、図６に示すように下地層３の表面にｎ電極を形成する場合には、下地層の窒化物半導体がコンタクト層として作用するため、下地層にはｎ型不純物をドープする方が好ましい。この場合、第１の窒化物半導体層はクラッド層としてのみ作用する。このように異種基板を素子自体に残す場合は、活性層の発光は下地層３中で多少導波されるが、クラッド層の光閉じ込め率が向上しているため、閾値が低下する。
【００５０】
一方、図７のように異種基板を除去した構造の場合、異種基板を除去するために下地層３の膜厚は８０μｍ以上あることが望ましい。この場合ｎ電極は第１の窒化物半導体層が形成されてない側の下地層面、つまり下地層の裏面側に形成することができ、下地層にはｎ型不純物がドープされていることが望ましい。下地層のキャリア濃度、あるいは不純物濃度としては５×１０１６／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３に調整する方が、シリーズ抵抗を下げる上で非常に好ましい。このように下地層を直接基板とする場合には、活性層から出るレーザ光のファーフィールドパターンのビームは１つになる。
【実施例１】
【００５１】
図５は本発明の一実施例に係るレーザ素子の形状及び構造を示す模式的な斜視図であり、以下、図１〜図３及び図５を元に本発明の実施例１について説明する。
【００５２】
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を反応容器内にセットし、５００℃にて異種基板１の上にＧａＮよりなる低温成長バッファ層（図示せず。）を２００オングストロームの膜厚で成長させた後、温度を１０５０℃にしてＧａＮよりなるバッファ層２を５μｍの膜厚で成長させる。低温成長バッファ層は９００℃以下の低温で成長させ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を成長させる。一方、低温成長バッファ層の上に成長させるバッファ層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。なおこのバッファ層２は通常１０μｍ以下の膜厚で成長させるが、前にも述べたように本発明の素子の下地層とはなり得ない。
【００５３】
バッファ層２成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、バッファ層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２０μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ２よりなる第１の保護膜１１を０．１μｍの膜厚で形成する。図１はストライプの長辺方向に垂直な方向で切断した際の部分的なウェーハの構造を示す模式断面図である。
【００５４】
第１の保護膜１１形成後、ウェーハを再度反応容器内にセットし、５００℃にて、ＡｌＮよりなる第２の低温成長バッファ層（図示せず。）を２００オングストロームの膜厚で成長させる。下地層を成長させる前に、保護膜上に第２の低温成長バッファ層を形成すると、下地層の横方向の成長が促進されて下地層の結晶性が良くなり、薄膜で保護膜上に下地層が成長しやすい傾向にある。なおこの低温成長バッファ層はＡｌＮ、若しくはＡｌを含む窒化物半導体を９００℃以下の低温で成長させることが望ましい。次に、１０５０℃で、アンドープＧａＮよりなる第１の下地層３を１０μｍの膜厚で成長させる（図２、図３）。第１の下地層３の好ましい成長膜厚は、先に形成した第１の保護膜１１の膜厚、大きさによっても異なるが、第１の保護膜１１の表面を覆うように成長させる。第１の保護膜１１の大きさは特に限定しないが、第１の保護膜１１の面積を窓部の面積よりも大きくする方が結晶欠陥の少ないＧａＮ基板を得る上で非常に好ましい。
【００５５】
素子構造となる窒化物半導体を成長させる場合、結晶欠陥の少ない下地層の好ましい膜厚は、素子においてその異種基板を残すか否かによって異なる。即ち図５及び図６のように異種基板を残す素子構造の場合、下地層の総膜厚は１μｍ以上、５０μｍ以下に調整することが望ましい。異種基板上に窒化物半導体を成長させると、異種基板の種類によっても異なるが、異種基板との熱膨張係数差により、成長後にウェーハ全体が反る傾向にある。その反りは窒化物半導体を厚膜で成長させるほど大きくなる傾向にある。従ってウェーハが反り返っても、異種基板をつけたままで加工できる限界、即ち５０μｍ以下の膜厚が上限値として好ましく、また１μｍ以上でなければ保護膜の上に窒化物半導体を成長させることが難しい。一方、図７のように異種基板を除去する場合、下地層が基板となるため、下地層全体の膜厚は８０μｍ以上にすることが望ましい。
【００５６】
続いて、温度を１０５０℃に保持したままＳｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層（第２の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させ、次にＳｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる層（第３の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させる。そして第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層を交互に積層して総膜厚１．６μｍの超格子よりなる第１の窒化物半導体層４を成長させる。
【００５７】
次に、温度を８００℃にして、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎよりなる障壁層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層５を成長させる。
【００５８】
次に、温度を１０５０℃に上げＭｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層（第４の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させ、次にＭｇを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる層（第５の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させる。そして第４の窒化物半導体層と第５の窒化物半導体層を交互に積層して総膜厚１．６μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層６を成長させる。このｐ側クラッド層は、活性層の発光及びキャリアを閉じ込める層として作用する。
【００５９】
続いて、１０５０℃にて、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７を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層は５００オングストローム以下、さらに好ましくは４００オングストローム以下、２０オングストローム以上に膜厚を調整すると、ｐ層抵抗が小さくなるため閾値における電圧を低下させる上で有利である。
【００６０】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図５に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ側コンタクト層７と、ｐ側クラッド層６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。
【００６１】
リッジ形成後、ｐ側クラッド層６をさらにエッチングして、ｎ電極を形成すべき第１の窒化物半導体層４の表面を露出させ、露出した第１の窒化物半導体層４の表面にＷとＡｌよりなるｎ電極２２を図５に示すような形状で形成する。
【００６２】
そして、ｐ側コンタクト層７のストライプリッジ最表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２０を形成した後、ｐ電極とｎ電極との間にＳｉＯ２よりなる絶縁膜２３を形成して、ｐ電極２０の上に、ボンディング用のｐパッド電極２１を形成する。
【００６３】
電極形成後、異種基板１の裏面を研磨して５０μｍ厚とした後、ストライプ状のｐ電極２０、ｎ電極２２のストライプに垂直な方向で異種基板１を劈開して、活性層の劈開面を共振面とする。劈開後のレーザ素子形状を図５に示している。劈開面を断面ＴＥＭにより観察すると、第１のＧａＮ下地層３の結晶欠陥はおよそ１×１０５個／ｃｍ２しかなく、またドライエッチングにより第１の下地層までエッチングしてそのエッチピットを計測してもほぼ同じ個数となり、非常に結晶性の良いＧａＮ下地層が得られていたことが判明した。
【００６４】
なおこのレーザ素子を室温でレーザ発振させたところ、閾値電流密度１．８ｋＡ／ｃｍ２、閾値電圧４．１Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、２０００時間以上の寿命を示した。
【実施例２】
【００６５】
図６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的な断面図であり、基本的な構造は図５に示すレーザ素子と同じであるが、実施例２では下地層３を成長させる工程において、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる下地層３を１５μｍの膜厚で成長させる。その他、ｎ電極を形成する工程において、ＳｉドープＧａＮよりなる下地層３の表面が露出するまでエッチングを行い、エッチングにより露出した下地層３の表面にｎ電極２２を形成する点で実施例１と異なる。このように下地層３の表面にｎ電極２２を形成しても、下地層３の結晶性が優れているため、容易に下地層と好ましいオーミック接触が得られる。なお、このレーザ素子も実施例１のものとほぼ同等の特性を示し、第１の下地層３の結晶欠陥はおよそ１×１０６個／ｃｍ２以下しかなかった。
【実施例３】
【００６６】
図７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的な断面図である。このレーザ素子は図５、６に示すレーザ素子と異なり、下地層を直接基板としている。以下この図を元に実施例３について説明する。
【００６７】
実施例１と同様にして、サファイアよりなる異種基板１の上に、ＧａＮよりなる低温成長バッファ層と、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるバッファ層２を成長させた後、同様にしてそのバッファ層の表面にストライプ状の第１の保護膜を形成する。
【００６８】
その後、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる第１の下地層３を１５０μｍの膜厚で成長させる。第１の下地層成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、反った状態のウェーハを研磨装置に移送して、異種基板、バッファ層、第１の保護膜を研磨除去する。研磨後の第１の下地層の結晶欠陥はおよそ１×１０６個／ｃｍ２であった。
【００６９】
研磨後、基板となった第１の下地層を再度反応容器内に移送し、実施例１と同様にして、第１の下地層３の上に、Ｓｉを変調ドープした超格子層よりなる第１の窒化物半導体層４、活性層５、Ｍｇを変調ドープしたｐ側クラッド層６、及びｐ側コンタクト層７を成長させる。成長後、実施例１と同様にしてアニール、リッジ形成を行う。さらにｐ電極２０と、ｐパッド電極２１を形成した後、第１の下地層３の裏面のほぼ全面にｎ電極２２を形成する。電極形成後、第１の下地層を劈開してその劈開面を共振面とする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。
【実施例４】
【００７０】
実施例１において、第１の窒化物半導体層４を成長させる際、超格子構造とせずに、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる層を０．８μｍの膜厚で成長させる他は同様にしてレーザ素子を得たところ、閾値が若干上昇し、寿命は実施例１のものに比較しておよそ２０％程短くなった。
【実施例５】
【００７１】
実施例１において、バッファ層２成長後、以下のように図８及び図９のに示すようにして下地層を作製する他は同様にして行った。
【００７２】
バッファ層２を成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる第１１の窒化物半導体層８２を２μｍの膜厚で成長させる。
【００７３】
第１１の窒化物半導体層８２を成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅１５μｍ、ストライプ間隔３μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜８３を１μｍの膜厚で形成し、続いて、ＲＩＥ装置により第１１の窒化物半導体層８２の途中までエッチングして段差を形成することにより第１１の窒化物半導体８２の端面を露出させる。なお、ストライプ方向は、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【００７４】
第１１の窒化物半導体層８２に、段差を形成した後、段差を形成した第１１の窒化物半導体８２の表面にスパッタ装置により保護膜を形成し、ＣＦ４とＯ２ガスにより、段差を形成したことにより形成された第１１の窒化物半導体８２の端面部の保護膜のみをエッチングすることにより、保護膜８３及び保護膜８４を形成する。
【００７５】
保護膜８３及び保護膜８４を形成後、反応容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる第１２の窒化物半導体層８５を３０μｍの膜厚で成長させる。
【００７６】
第１２の窒化物半導体層８５を成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＳｉドープＧａＮよりなる窒化物半導体基板を得る。
【００７７】
上記のようにして得られた窒化物半導体基板（下地層）上に、実施例１と同様に素子構造となる窒化物半導体を成長させ、図５に示す形状のレーザ素子を得た。その結果、実施例１とほぼ同様に良好であった。
【実施例６】
【００７８】
実施例１において、第１の窒化物半導体成長時に、Ｓｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる層（第３の窒化物半導体層）を４０オングストロームと、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたのＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎよりなる層（第２の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させて、このペアを２００回成長させ、総膜厚１．６μｍ（１６０００オングストローム）の超格子構造よりなるを成長させ、また、ｐ側クラッド層６成長時に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなる層（第５の窒化物半導体層）を４０オングストロームと、Ｍｇを１×１０１８／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎよりなる層（第４の窒化物半導体層）を４０オングストローム成長させて、このペアを２００回成長させ、総膜厚１．６μｍ（１６０００オングストローム）の超格子構造よりなるｐ側クラッド層６を成長させる他は実施例１と同様にしてレーザ素子を得たところ、実施例１と同様に良好であった。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
なお本発明は主としてレーザ素子について説明したが、本発明はレーザ素子の他に、ＬＥＤ素子、受光素子のような、他の窒化物半導体を用いたあらゆる電子デバイスに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。
【図２】第１の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。
【図３】第１の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。
【図４】第１の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。
【図５】本発明の一実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す斜視図。
【図６】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。
【図７】本発明の他の実施例に係る窒化物半導体素子の構造を示す模式断面図。
【図８】第１の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。
【図９】第１の下地層を得るための一製法において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図。
【符号の説明】
【００８１】
１・・・・異種基板  ２・・・・バッファ層  ３・・・・第１の下地層  ４・・・・第１の窒化物半導体層  ５・・・・活性層  ６・・・・ｐ側クラッド層  ７・・・・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
【図１】
2005136446.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005136446.tif 000009
【図８】
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【図９】
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