(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、
前記半導体基板上に形成された複数のＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体層、および
前記半導体基板上に形成された前記複数の半導体層に電圧を印加するためのｎ型電極およびｐ型電極を備え、
前記半導体基板はｎ型であり、
前記ｎ型電極は、前記半導体基板の窒素終端面上に形成されており、
前記半導体基板中のｎ型不純物の濃度は、前記半導体基板の厚み方向において変化しており、
前記半導体基板は、前記窒素終端面を形成しかつ第１の平均ｎ型不純物濃度を有する第１の部分と、前記第１の平均ｎ型不純物濃度より低い第２の平均ｎ型不純物濃度を有する第２の部分とからなり、
前記第１の平均ｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3以上であり、
前記第２の平均ｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3以下であり、かつ
前記複数の半導体層は前記第２の部分上に形成されている、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体装置。
【請求項２】
前記第１の平均ｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内であり、かつ
前記第２の平均ｎ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3の範囲内である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の平均ｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲内である、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体はＧａＮ系化合物半導体である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
発光素子である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、特にＧａＮ系化合物半導体基板上に作製する半導体装置、特に、発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＧａＮ系化合物半導体はその特性を利用して、発光素子やハイパワーデバイスとして利用または研究されている。例えば、発光素子を作製する場合、その構成する組成を調整することにより、技術的には紫色から橙色までの幅の広い発光素子として利用することができる。
【０００３】
近年、その特性を利用して、青色発光ダイオードや、緑色発光ダイオードの実用化がなされ、また、半導体レーザー素子として青紫色半導体レーザーが開発されてきている。
【０００４】
ＧａＮ系化合物半導体膜を製造する際には、基板として、サファイア、ＳｉＣ、スピネル、Ｓｉ、ＧａＡｓ等からなる基板が使用される。例えば、基板としてサファイアを使用する場合、ＧａＮ膜をエピタキシャル成長させる前に、あらかじめ、約５５０℃の低温で、ＧａＮまたはＡＬＮのバッファー層を形成し、その後、基板を約１０５０℃の高温に昇温してＧａＮ系化合物半導体膜のエピタキシャル成長を行うと表面状態の良い、構造的および電気的に良好な結晶を得ることができることが知られている。
【０００５】
また、ＳｉＣを基板として使用する場合、エピタキシャル成長を行う成長温度で薄いＡｌＮ膜をバッファー層として使用すると良いことが知られている。しかし、ＧａＮ系化合物半導体以外の基板を使用すると、成長させるＧａＮ系化合物半導体膜と基板との熱膨張係数の違いや、格子定数の違いにより、製造されるＧａＮ系化合物半導体中には多数の欠陥が発生する。その欠陥は刃状転位と螺旋転位に分類され、その密度は合計で約１×１０9ｃｍ-2〜１×１０10ｃｍ-2程度にもなる。これらの欠陥は、キャリアをトラップして、調製した膜の電気的特性を損ねることが知られている他、大電流を流すようなレーザーに対しては、寿命の低下を招くことが知られている。
【０００６】
そのため、これらの欠陥を低減し、かつ、調製する半導体の電気的特性を良好な状態にするための検討がなされている。たとえば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等により成長させたＧａＮ膜上に、転位等の欠陥の上昇を抑えるため、ＳｉＯ2、タングステン等のマスクを用いて、ハイドライド気相成長（Ｈ−ＶＰＥ）法等によりＧａＮの厚膜を成長させ、得られた厚膜を基板として、その上に発光素子を作製する技術が開発されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、そのようなＧａＮ基板上でのｎ型電極の特性については明らかでなかった。本発明者らは、Ｔｉ／Ａｌ等のｎ型電極をＧａＮ基板のＧａ終端面に形成した場合、該電極はショットキー特性を示す傾向が強いことを明らかにした。本発明者らは、Ｇａ終端面において、炭素（Ｃ）等が、Ｇａのダングリングボンドと結合し易いと考えた。Ｃが存在する状態で、Ｇａ終端面上にＴｉ／Ａｌ等のｎ型電極を形成した場合、障壁層が形成され、電極はショットキー特性を示し得る。一方、ｐ型電極であるＮｉ、Ｐｄ等の膜は、炭素（Ｃ）等を、自らに取り込み、障壁層を減らすことができる。これは、ｐ型電極について、比較的オーミック特性の得られやすい原因の一つと考えられた。
【０００８】
ＧａＮ基板のＧａ終端面上にオーミック特性のＴｉ／Ａｌ等のｎ型電極を得るためには、基板表面を塩酸等で洗浄処理を行ったり、電極形成後にアロイ形成のための熱処理を行い、ＧａＮとそれに接するＴｉとの中間生成物を形成し、障壁層を軽減させる等の工程を入れる必要があった。しかし、このような工程を導入してもｎ型電極との接触比抵抗は高かった。
【０００９】
本発明の一つの目的は、前述の表面処理や熱処理工程を行わずに、窒化物半導体基板、たとえばＧａＮ基板を用いた半導体装置構造にｎ型電極を形成してオーミック特性を得る技術を提供することにある。
【００１０】
本発明のもう一つの目的は、ｎ型電極の接触比抵抗が低い窒化物半導体装置、特に発光素子を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、低閾値電圧または低閾値電流密度の窒化物半導体装置、特に発光素子を提供することにある。
【００１２】
本発明者らは、窒化物半導体のＮ終端面上にｎ型電極を形成すれば、オーミック特性が容易に得られることを見出した。さらに、本発明者は、窒化物半導体基板に添加する不純物濃度とｎ電極の接触比抵抗との関係を明らかにした。さらに、本発明者らは、発光素子、特にレーザーダイオード素子に関して、窒化物半導体基板に添加する不純物濃度と閾値電圧との関係、および窒化物半導体基板に添加する不純物濃度と閾値電流密度との関係について明らかにするとともに、低接触比抵抗、低閾値電圧、または低閾値電流密度が得られる適当な不純物濃度を見出した。本発明は以上の知見に基づく。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によりＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体装置が提供され、該装置は、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板の窒素終端面上に電極を有する。具体的に、本発明による半導体装置は、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、該半導体基板上に形成された複数のＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体層、および該半導体基板上に形成された複数の半導体層に電圧を印加するためのｎ型電極およびｐ型電極を備え、そこにおいて、該半導体基板はｎ型であり、該ｎ型電極は、該半導体基板の窒素終端面上に形成されている。
【００１４】
図２３に、種基板の（０００１）面上に成長したＧａＮのＧａ終端面とＮ終端面を示す。図中、２３０１は種基板、２３０２はバッファ層、２３０３ａはＧａ終端面、２３０３ｂはＮ終端面、白丸２３０４はＧａ原子、黒丸２３０５はＮ原子を表す。図に示すように、Ｎ終端面２３０３ｂでは、Ｎ原子２３０５が優先的に突出し、一方、Ｇａ終端面２３０３ａでは、Ｇａ原子２３０４が優先的に突出している。
【００１５】
ここで、ＧａＮ結晶の（０００１）面に関するＮ終端面とＧａ終端面を以下のように定義することができる。Ｎ終端面が露出している該結晶を、室温で１．８ＭのＮａＯＨ溶液中に３分間浸すと、容易に表面状態が変化し、サイズ５０ｎｍ程度のヒルロックが消失する。また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いれば、５μｍ領域の観察でエッチング後に表面が荒れていることがわかる。表面原子の６０％以上がＮ原子で終端している面はこの性質があり、本明細書では、このような性質をもつ面をＮ終端面と呼ぶ。一方、Ｇａ終端面は、同様の処理方法により、表面状態が変化しにくく、ＡＦＭを用いても、５μｍ領域の観察でエッチング後に表面変化が殆どみられない（例えば、Appl. Phys. Lett. 71, 2635 (1997)）。表面原子の６０％以上がＧａ原子で終端している面は、この性質があり、本明細書では、このような性質をもつ面をＧａ終端面と呼ぶ。したがって、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体に関し、表面に露出する終端原子の６０％以上がＮ原子であり、かつ所定のエッチングにより荒れやすい性質を有する面をＮ終端面と呼ぶことができ、一方、表面に露出する終端原子の６０％以上がＩＩＩ族原子であり、かつ所定のエッチングにより変化しにくい性質を有する面をＩＩＩ族原子終端面と呼ぶことができる。
【００１６】
また、エッチング以外に、極性の違い（終端原子の違い）は、反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）法（例えば、Appl. Phys. Lett. 72, 2114 (1998)）や、同軸型直衝突イオン散乱分光法（ＣＡＩＣＩＳＳ）を用いることにより、非破壊で判別、評価できる。
【００１７】
ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体には、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌxＧａl-xＮ（０＜ｘ＜１）、ＩｎＮ、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）等がある。特に、本発明は、Ｇａを含むＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体、すなわちＧａＮ系化合物半導体を使用することが好ましい。
【００１８】
典型的に、本発明において、半導体基板中のｎ型不純物の濃度は、１×１０17ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内である。好ましくは、半導体基板中のｎ型不純物の濃度は、１×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲内である。これらの範囲において、ｎ型不純物の濃度は、基板の厚みの方向において一定であってもよいし、変化していてもよい。
【００１９】
本発明において、半導体基板中のｎ型不純物の濃度は、該半導体基板の厚み方向において一定であってもよいし、あるいは変化していてもよい。該ｎ型不純物の濃度が該厚みの方向において変化している場合、該半導体基板は、窒素終端面を形成しかつ第１のｎ型不純物濃度を有する第１の部分と、第１のｎ型不純物濃度より低い第２のｎ型不純物濃度を有する第２の部分とを少なくとも有することが好ましい。ｎ型不純物の濃度が基板の厚みの方向において変化している場合、第１の部分の第１のｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3以上であることが好ましい。第１の部分の厚みは、０．０５μｍ〜５０μｍであることが好ましい。
【００２０】
ｎ型不純物の濃度が基板の厚みの方向において変化している場合、第１のｎ型不純物濃度より低いｎ型不純物濃度を有する第２の部分上に複数の半導体層が形成されていることが好ましい。この場合も、第１の部分の厚みは、０．０５μｍ〜５０μｍであることが好ましい。さらに、第１の部分の第１のｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3以上であることが好ましい。
【００２１】
本発明による半導体装置は、典型的には、発光素子である。
本発明により、もう一つの半導体装置が提供され、該半導体装置は、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、該半導体基板上に形成された複数のＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体層、および該半導体基板上に形成された複数の半導体層に電圧を印加するためのｎ型電極およびｐ型電極を備え、そこにおいて、該半導体基板はｐ型であり、該複数の半導体層の最上層は窒素終端面を有しており、ｎ型電極は該窒素終端面上に形成されている。ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体は、典型的にＧａＮ系化合物半導体である。この場合、ｐ型電極は、半導体基板のＧａ終端面上に形成されていることが好ましい。本発明による半導体装置は、特に、発光素子に適用できる。
【００２２】
本発明により、さらなる半導体装置が提供され、該半導体装置は、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、該半導体基板上に形成された複数のＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体層、および該半導体基板上に形成された複数の半導体層に電圧を印加するためのｎ型電極およびｐ型電極を備え、そこにおいて、該半導体基板はｎ型であり、該ｎ型電極は、該半導体基板の窒素終端面上に形成されており、該半導体基板中のｎ型不純物の濃度は、該半導体基板の厚み方向において変化しており、該半導体基板は、窒素終端面を形成しかつ第１の平均ｎ型不純物濃度を有する第１の部分と、第１の平均ｎ型不純物濃度より低い第２の平均ｎ型不純物濃度を有する第２の部分とからなり、第１の平均ｎ型不純物濃度は３×１０18ｃｍ-3以上であり、第２の平均ｎ型不純物濃度は３×１０18ｃｍ-3以下であり、かつ該複数の半導体層は第２の部分上に形成されている。好ましくは、第１の平均ｎ型不純物濃度は３×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3の範囲内である。好ましくは、第２の平均ｎ型不純物濃度は１×１０17ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3の範囲内である。より好ましくは、第１の平均ｎ型不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3の範囲内である。ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体は、好ましくはＧａＮ系化合物半導体である。本発明による半導体装置は、特に、発光素子に適用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明における不純物濃度は、例えば、ＳＩＭＳ（２次イオン分析）装置を用いて測定することができる。本発明において、ｎ型電極は、Ｔｉ／Ａｌ、Ｈｆ／Ａｕ、Ｗ／Ａｌ、Ｖ／Ａｌ等の、ＡｕまたはＡｌと、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｃ、ＲｅまたはＮとを組合わせて、形成することができる。さらには、ｎ型ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体の表面と良好なオーミック特性を示す材料であれば、その他材料を使用してもよい。
【００２４】
本発明において、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板中の不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下が好ましく、さらには１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下が好ましい。ｎ型不純物としてＳｉが好ましいが、ｎ型伝導性を付与できる他の不純物も、Ｓｉと同様の効果をもたらすことができる。
【００２５】
ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板において、高い不純物濃度を有する部分の厚さは、表面の凹凸に影響を及ぼさない程度の厚みとすることが好ましく、たとえば、０．０５μｍ〜５０μｍが好ましく、０．０５μｍ〜１０μｍ程度がより好ましい。
【００２６】
本発明において、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板は、種基板上に、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体の厚膜をエピタキシャル成長させ、得られた厚膜を種基板から分離することにより得ることができる。（０００１）面を有するサファイア基板を、ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、特にＧａＮ系化合物半導体基板を得るための、種基板として好ましく使用することができる。さらに、他の結晶面を有するサファイア基板、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、マイカ等を種基板として適用してもよい。いずれの種基板を使用しても、本発明の目的を達成することができる。
【００２７】
ＧａＮ系化合物半導体基板の調製にあたり、種基板上に形成する低温バッファー層としてＧａＮ膜を好ましく使用することができる。該低温バッファー層上に、ＧａＮ系化合物半導体の厚膜を形成し、該厚膜を研磨によって取り出すことにより、基板を得ることができる。さらに、低温バッファー層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）、またはＺｎＯを用いてもよく、いずれの場合でもＧａＮ低温バッファー層を使用する場合と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
基板調製における厚膜は、Ｈ−ＶＰＥ法より成長させることが好ましい。Ｈ−ＶＰＥ法によって成長させたＧａＮ基板を用いて作製したレーザは、昇華法、高圧合成法、およびその他の厚膜成長方法で作製したＧａＮ基板を用いて作製したレーザと比べて、より低い閾値電圧、より低い閾値電流で発振し得る。Ｈ−ＶＰＥ法では成長時にＨＣｌを用いるため、成長させたＧａＮ厚膜には、塩素（Ｃｌ）が含有され、このＣｌが電極部分で、中間生成物を形成し、電気的な障壁を緩和し、その結果、良好な特性をもたらすと考えられる。しかし、Ｈ−ＶＰＥ法の代わりに他の厚膜成長方法を使用しても、従来より低い閾値電圧等の効果を得ることができる。
【００２９】
本発明において、種基板から分離されたＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、たとえば、ＧａＮ基板上に、レーザ等の素子の構造を形成することができる。素子構造は、たとえば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により好ましく形成することができる。一方、種基板に付着した状態のＧａＮ厚膜上に、ＭＯＣＶＤ法で発光層を含む多層構造のＧａＮ系化合物半導体層を成長させてもよい。その後、種基板、下地のアンドープＧａＮ膜、マスクを研磨等で除去して得られるＧａＮ系化合物半導体レーザも、最初に分離された基板を使用する場合と同様に、良好な特性を示し得る。
【００３０】
本発明では、特にＧａＮ基板を好ましく使用できるが、他のＧａＮ系化合物半導体、および他のＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体からなる基板も、使用できる。さらに、ＧａＮ系化合物半導体を構成する元素のうち、窒素元素の一部（１０％程度以下）を、Ｐ、ＡｓおよびＳｂからなる群より選ばれる元素で置換してもよい。そのような材料も同様の効果をもたらし得る。
【００３１】
本発明において、ｃ軸の方向に成長した六方晶の基板を使用することが好ましい。この場合、基板のＮ終端面およびＧａ終端面には、六方晶のＣ面が露出している。そのような基板は、種基板の（０００１）面上でのエピタキシャル成長により得ることができる。一方、他の結晶面から成長させた厚膜を基板として使用してもよい。そのような成長には、Ｍ面（０１−１０）上でのＧａＮの＜０１−１３＞方向への成長、Ａ面（２−１−１０）上でのＧａＮのｃ軸方向への成長、Ｒ面（０１１−２）上へのＧａＮの＜２−１−１０＞方向への成長、および、立方晶の[（１１１）面＋微傾斜面]上でのＧａＮのｃ軸方向への成長がある。それらの場合においても、ｎ型電極のためのＮ終端面を得ることができる。
【００３２】
本発明において、主面にＣ結晶面が露出する基板を用いる場合、基板主面に垂直な方向（結晶の積層方向）に対し、基板結晶のｃ軸が０．１０°〜０．２５°ずれていることが好ましく、０．１５°〜０．２０°ずれていることがより好ましい。この場合、基板上に成長させる結晶表面の平坦性が促進され、素子全体の結晶性を向上させ、活性層ひいては素子の特性をさらに向上させることができる。
【００３３】
また、基板上にレーザ等の素子構造の作製するため、ＭＯＣＶＤ法が好ましく使用される。そのほか、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の他のエピタキシャル成長方法を用いてもよい。ＭＯＣＶＤ法に使用される原料には、たとえば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＮＨ3、およびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）がある。これら以外でも、必要な化合物を成長できる原料であれば任意のものを使用することができる。ＩＩＩ−Ｎ系化合物半導体基板、特にＧａＮ基板、およびレーザ等の素子構造へのドーパントとして、ｎ型の場合は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｏ、Ｓ、ＳｅまたはＴｅ、ｐ型の場合は、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、ＺｎまたはＣｄを使用することができる。
【００３４】
また、本発明は、特に、発光素子に適用される。発光素子は、たとえば、レーザおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。レーザの場合、本発明によれば、低い接触比抵抗、低い閾値電圧、または低い閾値電流密度を得ることができる。発光ダイオードの場合、本発明によれば、駆動時の電圧の低減、および表面の平坦性の向上を実現することができる。
【００３５】
図１（ａ）は、半導体レーザとして適用される本発明による半導体装置の一具体例を示している。ＧａＮ基板１０２の一方の主面１０２Ａ上にｎ型電極１０１が形成されている。ｎ型電極１０１と接する主面１０２ＡはＮ終端面である。ＧａＮ基板１０２の他方の主面上には、ｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５、多重量子井戸の発光層１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１０、およびｐ型電極１１１が順に形成されている。以下、この半導体レーザの製造プロセスについて説明する。
【００３６】
実施例１
以下に示すように、サファイア基板上にＨ−ＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜を成長させ、得られた厚膜を基板として使用し、図１（ａ）に示す半導体レーザを調製した。
【００３７】
まず、（０００１）面を有するサファイア基板を洗浄し、ＭＯＣＶＤ法を用いて、以下の手順で、約３μｍの厚みのアンドープＧａＮ膜を下地層として成長させる。洗浄したサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ2雰囲気の中で、１１００℃の高温でクリーニングを行う。その後、降温して、キャリアガスとして水素（Ｈ2）を１０Ｌ／ｍｉｎ流しながら、６００℃でＮＨ3とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎ、２０ｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、約２０ｎｍの厚みのＧａＮ低温バッファー層を成長させる。
【００３８】
その後、一旦ＴＭＧの供給を停止し、再び１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１００ｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、１時間で３μｍの厚さのアンドープＧａＮ膜を成長させる。その後、ＴＭＧおよびＮＨ3の供給を停止し、室温まで降温し、アンドープＧａＮ下地層を成長させたサファイア基板を取り出す。低温バッファー層としては、ＧａＮ膜の代わりに、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ3を使用して、ＡｌＮ膜やＧａＡｌＮ膜を形成してもよい。
【００３９】
上記方法で作製したアンドープＧａＮ下地層（その最表面はＧａ終端面）上にＧａＮ厚膜を成長させる際、クラックが生じないよう、厚さ２０００Åで、幅７μｍ、間隔１０μｍのストライプ状の成長抑制膜を形成し、その上にＨ−ＶＰＥ法で選択成長を行い、平坦なＧａＮ厚膜を成長させる。本実施例では、成長抑制膜として、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）により蒸着したＳｉＯ2膜をフォトリソグラフィを用いてエッチングしたものを使用する。ストライプ状の成長抑制膜で部分的に覆われたアンドープＧａＮ下地膜を有するサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入する。Ｎ2キャリアガスとＮＨ3を、それぞれ５Ｌ／ｍｉｎ流しながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温させる。その後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮ厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。本実施例では、Ｓｉをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ4）を２００ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、ＳｉドープＧａＮ層（Ｓｉ不純物濃度：３．８×１０18ｃｍ-3）を成長させ、計３時間の成長で３５０μｍのＧａＮ厚膜を得る。このような成長条件でつくったＧａＮの最表面はＧａ終端面である。Ｓｉのドーピングに関しては、ＳｉＨ4に限らず、モノクロロシラン（ＳｉＨ3Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）等、他の原料を使用してもよい。
【００４０】
成長後、研磨によりサファイア基板、ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜、ＳｉＯ2膜を除去し、Ｎ終端面が出るまで研磨して、図１（ａ）に示すＧａＮ基板１０２を得る。ＧａＮ基板の研磨を行った面はＮ終端面であり、反対側の成長最表面はＧａ終端面である。
【００４１】
得られたＧａＮ厚膜を基板として使用し、以下のとおり、ＭＯＣＶＤ法により発光素子構造を成長させる。まず、基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎ流しながら１０５０℃まで昇温する。温度が上がればキャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、図１に示すｎ型ＧａＮ層１０３を４μｍ成長させる。その後、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０４を０．５μｍの厚さで成長させる。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎの成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１０５を０．１μｍの厚さになるように成長させる。その後、ＴＭＧ、ＳｉＨ4の供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に再び代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる４ｎｍ厚の障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる２ｎｍ厚の井戸層を成長させる。井戸層は合計３層、同様の手法で成長させ、井戸層と井戸層との間および両側に合計４層の障壁層が存在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）の発光層１０６を成長させる。ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、２０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１０７を成長させる。キャリアブロック層の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、０．１μｍの厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層１０８を成長させる。その後、ＴＭＧの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、０．４μｍ厚のｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１０９を成長させ、最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０．１μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層１１０の成長を行い、発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止して降温し、室温で基板をＭＯＣＶＤ装置より取り出す。
【００４２】
その後、ドライエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１０を５μｍ幅のストライプ状に残し、ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ光ガイド層１０９までエッチングを行い、光導波路を形成する。次いで、ｐ−ＧａＮ部分にＰｄを１５０Å、Ａｕを１０００Å順次蒸着して、ｐ型電極１１１を形成する。また、基板温度を２００℃程度に保ち、ＧａＮ基板のＮ終端面１０２Ａに、Ｔｉを厚さ１５０Å、Ａｌを１０００Å順次蒸着し、ｎ型電極１０１を形成する。最後に、素子長が約１ｍｍとなるように、劈開あるいはドライエッチング法を行い、ミラーとなる端面を形成する。
【００４３】
以上のプロセスにより得られた半導体レーザーにおいて、ＧａＮ基板の不純物濃度プロファイルは図１（ｂ）に示すとおりである。ｎ型であるＧａＮ基板１０２の厚み方向において、ｎ型不純物（Ｓｉ）の濃度はほぼ一定であり、３．８×１０18ｃｍ-3である。本実施例で作製したレーザは、発振の閾値電圧が約５Ｖ、閾値電流密度が１．２ｋＡ／ｃｍ2である。該レーザに対して、閾値近傍の条件で約１０００時間の寿命試験を実施したが、特性の変化は見られなかった。
【００４４】
比較例１
実施例１で得られたＧａＮ基板のＮ終端面に各層をエピタキシャル成長させ、Ｇａ終端面にｎ型電極を形成し、レーザを得た。図２（ａ）に作製されたＧａＮ系化合物半導体のレーザの断面図、図２（ｂ）にＧａＮ基板の成長方向（厚み方向）の不純物濃度プロファイルを示す。レーザは以下のプロセスに従って調製された。
【００４５】
ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜とＳｉＯ2膜の形成、およびＨ−ＶＰＥ法による成長は、実施例１と同様にして行う。次いで、ＧａＮ基板のＮ終端面をエピタキシャル成長面にし、その後は、実施例１と同様の方法で、ＧａＮ基板２０２上に、ｎ型ＧａＮ層２０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２０５、多重量子井戸の発光層２０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層２０７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層２１０、およびｐ型電極２１１を形成し、さらに、Ｇａ終端面２０２Ａにｎ型電極２０１を形成する。
【００４６】
得られた素子は、室温でレーザ発振に至らなかった。
レーザ発振に到らなかった原因を探るために、実施例１と同様にしてＧａＮ基板を作製し、Ｎ終端面とＧａ終端面に、径０．５ｍｍのＴｉ（１５０Å）／Ａｌ（１０００Å）電極２０１を１．０ｍｍの間隔でそれぞれ９個、計１８個、順次蒸着し、それらの電圧−電流特性を調べた。図３は、ＧａＮ基板のＮ終端面またはＧａ終端面に蒸著されたｎ型電極のパターンを示し、３０１はｎ型電極、３０２はＧａＮ基板を示す。図４は、ＧａＮ基板のＮ終端面に蒸著されたｎ型電極の電流−電圧特性を示し、図５は、ＧａＮ基板のＧａ終端面に蒸著されたｎ型電極の電流−電圧特性を示す。図４に示すようにＮ終端面上のｎ型電極は、良好なオーミック特性を示す。一方、図５に示すようにＧａ終端面上のｎ型電極は、ショットキー特性を示し、障壁層の存在を示唆する。
【００４７】
Ｇａ終端面に存在するＧａのダングリングボンドには、Ｃ等が結合し易い。したがって、Ｃ等が存在する状態で、Ｔｉ／Ａｌ等の電極を形成した場合、障壁層が形成され、得られた電極はショットキー特性を示し得る。一方、Ｎ終端面では、このような障壁を形成する原子が表面に存在し得る確率は低い。したがって、Ｎ終端面上には、表面処理等を行わなくとも、良好なオーミック特性を示すｎ型電極を形成することができる。
【００４８】
一方、Ｇａ終端面上でのＧａＮ系化合物半導体層のエピタキシャル成長は、１０００℃以上の高温で行われる。この場合、表面の不純物は離脱し、清浄化され、その結果、良好なＧａＮ系化合物半導体層を形成することができると考えられる。
【００４９】
実施例２
ドーパント源ＳｉＨ4の供給量を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ〜１０００ｎｍｏｌ／ｍｉｎの範囲で種々の値とし、Ｈ−ＶＰＥ法により不純物濃度の異なるＧａＮ厚膜をそれぞれ成長させた。各ＧａＮ厚膜の成長中、ＳｉＨ4の流量は一定にした。その他の条件は、実施例１と同様であった。得られたＧａＮ厚膜を基板として使用して実施例１と同様にレーザを作製し、それらの特性を測定した。レーザのための各層は、ＧａＮ基板のＧａ終端面上でエピタキシャル成長させた。ｎ型電極は、ＧａＮ基板のＮ終端面上に形成した。
【００５０】
図６は、ＧａＮ厚膜を成長させる際の、ＳｉＨ4供給量と該膜中に含まれる不純物濃度との関係を表わす。囲７は、ＧａＮ基板中の不純物濃度と、該ＧａＮ基板を使用して作製したレーザの閾値電圧との関係を示す。図８は、ＧａＮ基板中の不純物濃度と、該ＧａＮ基板を使用して作製したレーザの閾値電流密度との関係を示す。図９は、ＧａＮ基板中の不純物濃度と、該ＧａＮ基板の表面粗さとの関係を示す。
【００５１】
図６に示されるように、ＳｉＨ4供給量とＧａＮ基板中の不純物濃度は、比例関係にあり、ＳｉＨ4供給量が１０００ｎｍｏｌ／ｍｉｎの時の不純物濃度は、１．６×１０19ｃｍ-3である。図７に示されるように、ＧａＮ基板中の不純物濃度が増加するに従って、作製したレーザの発振閾値電圧が徐々に下がる傾向にある。これは、ＧａＮ基板の抵抗が、不純物の影響で低下してきている事にもよるが、それ以上にＮ終端面とｎ型電極コンタクト部分で生じるショットキー障壁が低減して接触比抵抗が低下し、その結果、閾値電圧が低くなっていると考えられる。発振閾値電圧は、ＧａＮ基板の不純物濃度が約１×１０17ｃｍ-3以上でほぼ５Ｖ程度の値に収束している。
【００５２】
反面、図８は、ＧａＮ基板の不純物濃度が、約１×１０19ｃｍ-3以上になると、レーザの発振閾値電流密度が徐々に増加し始め、５×１０21ｃｍ-3以上でほぼ２ｋＡ／ｃｍ2程度の値に収束している。このことは、図９に示されるように、ＧａＮ基板中の不純物濃度が約１×１０19ｃｍ-3を超えるあたりから、膜表面の平均表面粗さが増加し始めてきている事に起因していると思われる。即ち、膜の表面粗さが増加すると、その上に成長したレーザ構造における各層の界面の凹凸が増加し、レーザ光を伝搬するガイド層内での光の分散が増加し、それが閾値電流密度の増加につながってきていると考えられる。
【００５３】
また、レーザの作製に使用したＧａＮ基板のＮ終端面側にｎ電極を形成し、Trans Mission Line Model（ＴＬＭ）法により、不純物濃度に対する接触比抵抗を調べた。これは、測定サンプルが面内で均一であると仮定して、電極間距離依存性から接触比抵抗を求める方法である。今回は、Ｔｉ（１５０Å）／Ａｌ（１０００Å）、サイズ３００μｍ、間隔１０〜１００μｍの電極パッドパターンを使用した。
【００５４】
図１０は、ＧａＮ基板中の不純物濃度と接触比抵抗との関係を示す。不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3を超えると接触比抵抗が１×１０-5Ω・ｃｍ2以下となり、その後は不純物濃度の増加とともに比抵抗は下がっていく。
【００５５】
以上の結果から、ＧａＮ基板の不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下が望ましく、１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下がより望ましい。不純物濃度が低過ぎる場合は、基板自体の抵抗が上がり、さらに、電極とＧａＮ基板との中間生成物が形成され、障壁を減らすことが困難になり得る。一方、不純物濃度が高過ぎる場合、成長表面が荒れて、再成長時の結晶性が低下し、素子の特性が劣化し得る。適当な不純物濃度を有する基板のＮ終端面にｎ型電極を形成することでより好ましい特性が得られる。
【００５６】
実施例３
以下に示すように、ＧａＮ基板のキャリア濃度を厚さ方向に変化させ、レーザ素子を調製した。図１１（ａ）に、作製されたＧａＮ系化合物半導体のレーザの断面図、図１１（ｂ）に、ＧａＮ基板の厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す。ここで使用されるＧａＮ基板１００２は、Ｓｉ高ドープＧａＮ層１００２ａ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）と、Ｓｉ通常ドープＧａＮ層１００２ｂ（Ｓｉ不純物濃度：３．８×１０18ｃｍ-3）とからなる。ｎ型電極１００１は、基板１００２のＮ終端面１００２Ａに形成されている。ｎ型電極１００１に接触するＮ終端面を形成するＧａＮ層１００２ａは、レーザ構造に接触するＧａＮ層１００２ｂよりも高い不純物濃度を有する。以下に製造プロセスを示す。
【００５７】
ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜とＳｉＯ2膜の形成は、実施例１と同様に行う。その後、以下のように、Ｈ−ＶＰＥ法による成長を行う。
【００５８】
まず、ストライプ状の成長抑制膜を有するアンドープＧａＮ下地層を成長したサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入する。Ｎ2キャリアガスとＮＨ3を、それぞれ５Ｌ／ｍｉｎ流しながら、基板の温度を１０５０℃まで昇温する。その後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮ厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。Ｓｉをドーピングしながら成長を開始し、モノシラン（ＳｉＨ4）を３分間、５００ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、Ｓｉ高ドープＧａＮ層１００２ａ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）を５μｍ成長させ、その後、ＳｉＨ4の流量を２００ｎｍｏｌ／ｍｉｎに変えて、Ｓｉ通常ドープＧａＮ層１００２ｂ（Ｓｉ不純物濃度：３．８×１０18ｃｍ-3）を成長させ、計３時間の成長で３５０μｍのＧａＮ厚膜を得る。このような条件で作製したＧａＮの最表面（エピタキシャル面）はＧａ終端面であった。Ｓｉのドーピングに関しては、ＳｉＨ4に限らず、モノクロロシラン（ＳｉＨ3Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）等、他の原料を使用してもよい。
【００５９】
成長後、研磨によりサファイア基板、ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜、ＳｉＯ2膜を除去し、Ｎ終端面が出るまで研磨して、ＧａＮ基板１００２を得る。以上の様にして得られたＧａＮ厚膜を基板として使用し、Ｎ終端面１００２Ａとは反対側のＧａ終端面上に、ＭＯＣＶＤ法を用いてエピタキシャル成長層を形成し、発光素子構造を得る。実施例１と同様の方法で、ｎ型ＧａＮ層１００３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１００４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１００５、多重量子井戸の発光層１００６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１００７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層１００８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラツド層１００９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０１０、およびｐ型電極１０１１を形成し、ＧａＮ基板のＮ終端面１００２Ａ上にｎ型電極１００１）を作り込み、素子を得る。
【００６０】
得られたレーザは、発振の閾値電圧が約５Ｖ、閾値電流密度が１．０ｋＡ／ｃｍ2であった。閾値近傍の条件で約１５００時間の寿命試験を実施したが、特性の変化は見られなかった。
【００６１】
比較例２
ＧａＮ基板のＧａ終端面側にＳｉ高ドープ層を形成し、そのＧａ終端面にｎ型電極を作製した。一方、ＧａＮ基板のＮ終端面上にレーザ素子構造のためのエピタキシャル成長層を形成した。図１２（ａ）に、作製されたＧａＮ系化合物半導体レーザの断面図、図１２（ｂ）にＧａＮ基板の成長方向（厚み方向）における不純物濃度プロファイルを示す。ＧａＮ基板１１０２は、Ｓｉ通常ドープＧａＮ層１１０２ａ（Ｓｉ不純物濃度：３．８×１０18ｃｍ-3）と、Ｓｉ高ドープＧａＮ層１１０２ｂ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）とからなる。レーザ構造は、Ｓｉ高ドープＧａＮ層１１０２ｂ上に形成されている。ｎ型電極１１０１は、Ｓｉ通常ドープＧａＮ層１１０２ａのＧａ終端面１１０２Ａ上に形成されている。以下に製造プロセスを示す。
【００６２】
ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜とＳｉＯ2膜の形成は、実施例１と同様に行う。ストライプ状の成長抑制膜を有するアンドープＧａＮ下地層を成長させたサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入する。Ｎ2キャリアガスとＮＨ3を、それぞれ５Ｌ／ｍｉｎ流しながら、基板の温度を１０５０℃まで昇温する。その後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮ厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。
【００６３】
Ｓｉをドーピングしながら成長を開始し、モノシラン（ＳｉＨ4）を約３時間、２００ｎｍｏｌ／ｍｉｎで供給して、Ｓｉ通常ドープＧａＮ層１１０２ａ（Ｓｉ不純物濃度：３．８×１０18ｃｍ-3）を３４５μｍ成長させ、その後、ＳｉＨ4の流量を５００ｎｍｏｌ／ｍｉｎに変えて、Ｓｉ高ドープＧａＮ層１１０２ｂ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）を３分間成長させ（約５μｍの厚さに相当）、約３５０μｍのＧａＮ厚膜を得る。このような成長条件で作製したＧａＮの最表面はＧａ終端面である。
【００６４】
成長後、研磨によりサファイア基板、ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜、ＳｉＯ2膜を除去し、Ｎ終端面になるまで研磨して、ＧａＮ基板１１０２を得る。以上の様にして得られたＧａＮ厚膜を基板として使用し、Ｎ終端面上にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長を形成し、発光素子構造を得る。実施例１と同様に、ｎ型ＧａＮ層１１０３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１０４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１１０５、多重量子井戸の発光層１１０６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層１１０７、ｐ型光ガイド層１１０８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１１０９、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１１０、およびｐ型電極１１１１を形成し、Ｇａ終端面１１０２Ａ上にｎ型電極１１０１を形成して、レーザ素子を得る。
【００６５】
得られたレーザは、室温で連続発振しなかつた。
作製したＧａＮ基板のＮ終端面とＧａ終端面にそれぞれＴｉ／Ａｌのｎ型電極を形成し、それらの特性を調べた。その結果、Ｎ終端面上のｎ型電極は良好なオーミック特性を示したが、Ｇａ終端面上のｎ型電極はショットキー特性を示し、障壁層の存在を示唆していた。
【００６６】
一方、Ｓｉ通常ドープ層のＮ終端面にｎ型電極（図１（ａ）の１０１）を形成した場合も、Ｓｉ高ドープ層のＮ終端面にｎ型電極（図１１（ａ）の１００１）を形成した場合も、良好なオーミック特性が得られ、双方とも優れた電極特性を示す。一方、ｎ型電極１０１の接触比抵抗は３×１０-6Ω・ｃｍ2程度であり、ｎ型電極１００１の場合は、９×１０-7Ω・ｃｍ2であった。したがって、Ｓｉ高ドープ層のＮ終端面にｎ型電極を形成した方が接触比抵抗が小さくなるため好ましい。
【００６７】
また、ＭＯＣＶＤ法によって形成されるアンドープＧａＮ膜の代わりに不純物濃度８×１０18ｃｍ-3程度のＳｉ高ドープ層を形成し、該Ｓｉ高ドープ層上に不純物濃度２×１０18ｃｍ-3のＧａＮ膜を形成した。その後、ＧａＮのＮ終端面が得られるまで研磨を行い、高ＳｉドープＧａＮ層のＮ終端面にｎ型電極を作製した。このようなプロセスを使用して得られたレーザー素子も、発振の閾値電圧が約５Ｖ、閾値電流密度が１．１ｋＡ／ｃｍ2であった。転位等の欠陥が比較的多い高ドープ領域でも、特性の良好な電極が形成されていると考えられる。
【００６８】
実施例４
膜厚方向に不純物ドーピング量を変化させたＧａＮ基板を用い、レーザを作製した。図１３（ａ）、図１４（ａ）、図１５（ａ）、図１６（ａ）、図１７（ａ）、図１８（ａ）は、それぞれ、本実施例で使用した不純物濃度を変化させたＧａＮ基板の断面図であり、図１３（ｂ）、図１４（ｂ）、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）、図１７（ｂ）、図１８（ｂ）は、各ＧａＮ基板の厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す。
【００６９】
図１３（ａ）の番号１３０２は、ＧａＮ基板（そこにおいて、素子成長方向（厚み方向）に、不純物濃度が減少する）を表し、番号１３０２ＡはＮ終端面表す。ｎ電極（図示省略）はＮ終端面に接する。基板１３０２中の不純物濃度は、図１３（ｂ）に示すように、Ｎ終端面から、レーザのためのエピタキシャル成長面にむかって、直線的に減少している。
【００７０】
図１４（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１４０２は、不純物濃度が最も高く一定である第１ＧａＮ層１４０２ａ、素子成長方向（厚み方向）に不純物濃度が直線的に減少する第２ＧａＮ層１４０２ｂ、および不純物濃度が最も低く一定である第３ＧａＮ層１４０２ｃを有する。Ｎ終端面１４０２Ａはｎ型電極（図示省略）と接する。
【００７１】
図１５（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１５０２は、最も高い不純物濃度から厚み方向に直線的に不純物濃度が減少する第１ＧａＮ層１５０２ａ、不純物濃度一定の第２ＧａＮ層１５０２ｂ、および厚み方向に不純物濃度が最小まで直線的に減少する第三ＧａＮ層１５０２ｃを有する。ｎ型電極（図示省略）はＮ終端面１５０２Ａと接する。
【００７２】
図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１６０２は、不純物濃度が最も高く一定である第１ＧａＮ層１６０２ａ、不純物濃度が厚み方向に減少する第２ＧａＮ層１６０２ｂ、および不純物濃度が最も低く一定である第３ＧａＮ層１６０２ｃを有する。ｎ電極（図示省略）はＮ終端面１６０２Ａに接する。
【００７３】
図１７（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１７０２において、不純物濃度は、厚み方向に減少する。ｎ型電極（図示省略）は、Ｎ終端面１７０２Ａと接する。
【００７４】
図１８（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１８０２において、不純物濃度は、厚み方向に減少する。ｎ型電極（図示省略）はＮ終端面１８０２Ａに接する。
【００７５】
図１３（ｂ）、図１４（ｂ）、図１５（ｂ）、図１６（ｂ）、図１７（ｂ）および図１８（ｂ）に示すような濃度分布をそれぞれ有するＧａＮ基板を用いて、実施例１と同様にレーザ素子を作製した。その結果、良好な特性のレーザが得られ、それらの特性は、図７に示すようにｎ型電極近傍の不純物濃度に大きく依存した。本実施例においても、表面に現れる終端原子の６０％以上がＮ原子であるＮ終端面にｎ型電極を形成することにより、良好なレーザ特性が得られた。
【００７６】
実施例５
本実施例では、ＧａＮ基板中に不純物濃度の異なる複数の領域を設けた。
【００７７】
まず、図１９（ａ）に示すようなＧａＮ基板を使用した。基板１９０２は、図１９（ｂ）に示すような不純物濃度プロファイルを有する。Ｎ終端面１９０２Ａを有するＧａＮ基板１９０２は、厚さ５μｍ程度のＳｉ高ドープ層１９０２ａ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）、Ｓｉドープ層１９０２ｂ（Ｓｉ不純物濃度：４．２×１０18ｃｍ-3、Ｓｉ高ドープ層１９０２ｃ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）、Ｓｉドープ層１９０２ｄ（Ｓｉ不純物濃度：４．２×１０18ｃｍ-3）、およびＳｉ高ドープ層１９０２ｅ（Ｓｉ不純物濃度：８．０×１０18ｃｍ-3）から構成される。
【００７８】
ＧａＮ基板の調製にあたっては、Ｈ−ＶＰＥ法により、ｎ型電極と接触すべきＮ終端面側（Ｓｉ高ドープ層１９０２ａ）とＧａ終端面側（Ｓｉ高ドープ層１９０２ｅ）の少なくとも２箇所に高不純物領域を設けた。ＧａＮ基板の各層においてＳｉ濃度は一定にした。実施例３と同様の方法で、Ｇａ終端面上にエピタキシャル成長を行い、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、ｎ型ＧａＮ光ガイド層、多重量子井戸の発光層、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、ｐ型光ガイド層、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層、およびｐ型電極を形成し、Ｎ終端面上にｎ型電極を形成し、半導体装置を得た。得られたレーザは、閾値電圧が約５Ｖ、閾値電流密度が約１ｋＡ／ｃｍ2で発振し、長寿命の特性を示した。
【００７９】
作製したＧａＮ基板のＮ終端面とＧａ終端面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極を形成し、特性を調べた。その結果、Ｎ終端面上のｎ型電極は、良好なオーミック特性を示す一方、Ｇａ終端面上では、ショットキー特性を示し、障壁層の存在を示していた。
【００８０】
さらに、図２０（ａ）、図２１（ａ）、および図２２（ａ）に示すＧａＮ基板をそれぞれ使用して、半導体レーザを作製した。図２０（ｂ）、図２１（ｂ）、図２２（ｂ）は、それぞれ使用したＧａＮ基板の厚み方向における不純物濃度プロファイルを示す。
【００８１】
図２０（ａ）に示すＧａＮ基板２００２は、不純物濃度一定の第１ＧａＮ層２００２ａ、第１ＧａＮ層２００２ａより低くかつ一定の不純物濃度を有する第２ＧａＮ層２００２ｂ、第２ＧａＮ層２００２ｂより高くかつ一定の不純物濃度を有する第３ＧａＮ層２００２ｃ、第３ＧａＮ層２００２ｃより低くかつ一定の不純物濃度を有する第４ＧａＮ層２００２ｄ、および第４ＧａＮ層２００２ｄより高くかつ一定の不純物濃度を有する第５ＧａＮ層２００２ｅから構成される。第１ＧａＮ層２００２ａはＮ終端面２００２Ａを形成する。不純物濃度の大小関係は、式（１）に示す通りである。
【００８２】
第５ＧａＮ層２００２ｅ＞第１ＧａＮ層２００２ａ＞第３ＧａＮ層２００２ｃ＞第２ＧａＮ層２００２ｂ＝第４ＧａＮ層２００２ｄ      （式１）
図２１（ａ）に示すＧａＮ基板２１０２は、不純物濃度一定の第１ＧａＮ層２１０２ａ、不純物濃度一定の第２ＧａＮ層２１０２ｂ、不純物濃度一定の第３ＧａＮ層２１０２ｃ、不純物濃度一定の第４ＧａＮ層２１０２ｄ、および不純物濃度一定の第５ＧａＮ層２１０２ｅから構成される。第１ＧａＮ層２１０２ａはＮ終端面２１０２Ａを形成する。不純物濃度の大小関係は、（式２）に示す通りである。
【００８３】
第５ＧａＮ層２１０２ｅ＞第１ＧａＮ層２１０２ａ＞第２ＧａＮ層２００２ｂ＝第４ＧａＮ層２００２ｄ＞第３ＧａＮ層２００２ｃ    （式２）
図２２（ａ）に示すＧａＮ基板２２０２は、不純物濃度一定の第１ＧａＮ層２２０２ａ、素子成長方向（厚み方向）に不純物濃度が増加する第２ＧａＮ層２２０２ｂ、不純物濃度一定の第３ＧａＮ層２２０２ｃ、素子成長方向（厚み方向）に不純物濃度が増加する第４ＧａＮ層２２０２ｄ、および不純物濃度一定の第５ＧａＮ層２２０２ｅから構成される。第１ＧａＮ層２２０２ａはＮ終端面２２０２Ａを形成する。不純物濃度の大小関係は、（式３）に示す通りである。
【００８４】
第１ＧａＮ層２２０２ａ＞第３ＧａＮ層２２０２ｃ＞第５ＧａＮ層２２０２  ｅ    （式３）
図２０（ｂ）、図２１（ｂ）、および図２２（ｂ）に示す不純物濃度分布をそれぞれ有するＧａＮ基板を用いて、実施例１と同様にレーザ素子を作製した。得られたレーザ素子は良好な特性を示した。本実施例に使用した基板はＳｉ高ドープ層を３層含んでいるが、基板の両端面にＳｉ高ドープ層を有していれば、本実施例とほぼ同様な効果を奏することができる。したがって、Ｓｉ高ドープ層が２層でも、４層以上であっても構わない。ＧａＮ基板において、ｎ型電極と接触すべきＮ終端面を形成する部分は、他の部分より高いｎ型不純物濃度を有していることが好ましいが、最も高い不純物濃度を有している必要はない。好ましい特性を得るため、Ｎ終端面を形成する部分より低い不純物濃度を有する部分が基板中に少なくとも１つあればよい。適当に高い不純物濃度を有するＮ終端面上にｎ型電極を形成することにより好ましい特性を有するレーザ素子が得られる。
【００８５】
実施例６
本実施例では、ｎ型伝導特性を示すＧａＮ基板を成長させる際、ＧａＮ基板のＮ終端面を形成する部分の不純物としてＧｅを使用した。
【００８６】
まず、実施例１と同様に、Ｈ−ＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜の成長を始めると同時に、ＳｉＨ4とゲルマニウム（Ｇｅ）を所定量導入し、合計３５０μｍの厚みの所定の不純物濃度分布を有するｎ型ＧａＮ厚膜を作製した。成長後、研磨によりサファイア基板、ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜、ＳｉＯ2膜を除去し、Ｎ終端面が出るまで研磨してＧａＮ基板を得た。該基板を用いて、実施例１と同様に、Ｇａ終端面側にレーザ構造およびｐ電極を形成し、Ｎ終端面上にｎ型電極を形成して、レーザを得た。得られたレーザは室温で連続発振した。また、その閾値電圧および閾値電流密度は、それぞれ６Ｖ程度、１．８ｋＡ／ｃｍ2程度であった。
【００８７】
比較例３
実施例６と同様にＨ−ＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜を成長させた。ＧａＮ厚膜の成長中、ＳｉＨ4とゲルマニウム（Ｇｅ）を所定量導入し、合計３５０μｍの厚みの所定の不純物濃度分布を有するｎ型ＧａＮ厚膜を作製した。厚膜形成において、Ｇａ終端面側にＳｉおよびＧｅの高ドープ層を作り込んだ。実施例６と同様に研磨を行いＧａＮ基板を得た。得られたＧａＮ基板のＧａ終端面にｎ型電極を作製し、ＧａＮ基板のＮ終端面に素子構造をエピタキシャル成長させてレーザを得た。得られたレーザ構造物は、室温で連続発振しなかった。これは、比較例１と同様に、障壁層が存在することにより、電極がショットキー特性を有するためであると考えられた。
【００８８】
実施例７
実施例３のように不純物濃度を変化させた。Ｈ−ＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜の成長を開始するとともに、ＳｉＨ4を所定量導入し、さらに成長開始から３分間、Ｇｅを導入した。こうして、ＳｉおよびＧｅを含む不純物濃度の高い第１領域を形成した後、Ｇｅの供給を停止し、ＳｉＨ4のみを所定量導入して第１領域より不純物濃度の低い第２領域を形成した。合計３５０μｍ厚みの所定の不純物濃度分布を有するｎ型ＧａＮ厚膜を作製した。その後、研磨により得られたＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置に導入し、実施例３と同様に、Ｇａ終端面側にエピタキシャル成長を行い、Ｎ終端面にｎ型電極を形成して、レーザ素子を作製した。ＧａＮ基板の第１領域と第２領域の不純物濃度の関係は、第１領域＞第２領域である。
【００８９】
このようにして得られたレーザ素子の閾値電圧および閾値電流密度は、それぞれ５Ｖ程度、１．０ｋＡ／ｃｍ2程度という低い値であった。このようにｎ型不純物としてＳｉだけでなくＧｅも使用できることがわかる。また、Ｏもｎ型不純物として利用でき、実際効果を確認している。具体的には、Ｈ−ＶＰＥ法において、ＨＣｌガスに含まれるＯ量を調整したり、ＧａＮ成長中に酸素ガスを流して膜中にＯを導入することができる。
【００９０】
実施例８
本実施例では、ＧａＮ成長面を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によりＮ終端面に変え、その上にｎ型電極を形成した。本実施例によるレーザ素子の構造を図２４に示す。ＧａＮ基板２４０２の一方の主面２４０２Ａ上にｐ型電極２４０１が形成されている。ｐ型電極２４０１と接する主面２４０２ＡはＧａ終端面である。ＧａＮ基板２４０２の他方の主面上には、ｐ型ＧａＮ層２４０３、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２４０４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２４０５、多重量子井戸の発光層２４０６、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層２４０７、ｎ型ＧａＮ光ガイド層２４０８、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層２４０９、ｎ型ＧａＮコンタクト層２４１０、およびｎ型電極２４１１が順に形成されている。ＧａＮ系半導体層の最上層であるｎ型ＧａＮコンタクト層２４１０は、Ｎ終端面２４１０Ａを有しており、その上にｎ型電極２４１１が形成されている。以下、この半導体レーザの製造プロセスについて説明する。
【００９１】
まず、実施例１と同様に、洗浄した（０００１）面を有するサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法により３μｍの厚さのアンドープＧａＮ膜を成長させ、その上にストライプ状の成長抑制膜を形成する。次いで、ストライプ状の成長抑制膜で部分的に覆われたアンドープＧａＮ下地膜を有するサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入する。Ｎ2キャリアガスとＮＨ3を、それぞれ５Ｌ／ｍｉｎ流しながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温させる。その後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍｉｎ導入してＧａＮ厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中にドーピングを行うことができる。ＧａＮの成長を開始すると同時に、Ｃｐ2Ｍｇを９０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、ＭｇドープＧａＮ層（Ｍｇ不純物濃度：９．５×１０18ｃｍ-3）を成長させ、計３時間の成長で３５０μｍのＧａＮ厚膜を得る。このような成長条件でつくったＧａＮの最表面はＧａ終端面である。
【００９２】
成長後、研磨によりサファイア基板、ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜、ＳｉＯ2膜を除去し、Ｎ終端面が出るまで研磨して、ＧａＮ基板を得る。得られた基板上に、以下のとおり、ＭＯＣＶＤ法によって発光素子構造を成長させる。まず、基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｎ2とＮＨ3をそれぞれ５Ｌ／ｍｉｎ流しながら１０５０℃まで昇温する。温度が上がればキャリアガスをＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｃｐ2Ｍｇを１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｐ型ＧａＮ層を４μｍ成長させる。その後、ＴＭＧの流量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入して、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層を０．５μｍの厚さで成長させる。Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎの成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ｐ型ＧａＮ光ガイド層を０．１μｍの厚さになるように成長させる。その後、ＴＭＧ、Ｃｐ2Ｍｇの供給を停止して、キャリアガスをＨ2からＮ2に再び代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなる４ｎｍ厚の障壁層を成長させる。その後、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加し、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる２ｎｍ厚の井戸層を成長させる。井戸層は合計３層、同様の手法で成長させ、井戸層と井戸層との間および両側に合計４層の障壁層が存在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）の発光層を成長させる。ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ2からＨ2に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ｎ型ドーピング原料であるＳｉＨ4を３ｎｍｏｌ／ｍｉｎ流し、２０ｎｍ厚のｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層を成長させる。キャリアブロック層の成長が終了すると、ＴＭＡの供給を停止し、ＴＭＧの供給量を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、０．１μｍの厚さのｎ型ＧａＮ光ガイド層を成長させる。その後、ＴＭＧの供給を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに調整し、ＴＭＡを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ導入し、０．４μｍ厚のｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層を成長させ、最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍｉｎに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０．１μｍ厚のｎ型ＧａＮコンタクト層１１０の成長を行い、発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧおよびＳｉＨ4の供給を停止して降温し、室温で基板をＭＯＣＶＤ装置より取り出す。
【００９３】
次に、ＧａＮ基板をＭＢＥ装置に導入し、基板の温度を６００℃まで上げる。Ｎ源となる高周波（ＲＦ）励起Ｎ2プラズマの出力を３５０Ｗ、流量を３ｃｃ／ｍｉｎとし、＜１１−２０＞方向のＲＨＥＥＤパターンがストリーク状になるように、Ｇａセル温度（９１０℃前後）、およびＳｉセル温度を調整する。そして、Ｎ／Ｇａ比を大きくし、Ｎリッチ条件でＧａＮの成長を行い、Ｎ終端面を有するＳｉドープＧａＮ層を成長させる。ＲＨＥＥＤ観察により、３００℃以上で１×１パターンを示し、それが、２５０℃前後で３×３パターン、２００℃で６×６パターンに変化すれば、成長面はＮ終端面であると判断できる。その後、得られたＮ終端面上にｎ型電極を形成する。また、Ｎ終端面が出るまで研磨したＧａＮ基板の下地面をさらに研磨して、Ｇａ終端面を露出させる。得られた新しい下地面上にｐ型電極を形成する。
【００９４】
このようにして得られたレーザ素子は、４．８Ｖの発振閾値電圧を有した。かくして、基板以外でも、本発明によりＧａＮ層のＮ終端面上にｎ型電極を形成すれば、良好な特性を有する電極を形成できることがわかった。本実施例においても、表面に現れる終端原子の６０％以上がＮ原子であるＮ終端面にｎ型電極を形成することによる効果が現れている。
【００９５】
代わりに、Ｈ−ＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、あるいはＭＢＥ法により、基板の窒化、バッファ層のアニール等の操作を行って、極性を制御することもできる。この場合も、上述と同様にＮ終端面上に形成したｎ電極の接触比抵抗を小さくすることができる。
【００９６】
図２５は、本発明に使用する基板中の好ましい不純物濃度を示している。本発明において、基板中の好ましい不純物濃度は、第１領域内（１×１０17ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下）である。この範囲で、低い接触比抵抗、低い閾値電圧および低い閾値電流密度を得ることができる。第２領域は、より好ましい不純物濃度範囲（１×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下）である。第１領域よりも第２領域の方が好ましい理由は、図８に示す不純物濃度と閾値電流密度の関係を参照すると理解できる。図８をみると、第１領域の不純物濃度１×１０21ｃｍ-3以下で確かに閾値電流密度が低減しているものの、第２領域の不純物濃度すなわち１×１０19ｃｍ-3以下であればさらに閾値電流密度が低くなっている。図２５に示す第Ｉ領域と第ＩＩ領域は、第１領域を２分割して得られる不純物濃度範囲である。第Ｉ領域は３×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下、第ＩＩ領域は１×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下の不純物濃度範囲である。本発明において、窒化物半導体基板は、平均不純物濃度が第Ｉ領域にある第１の部分と平均不純物濃度が第ＩＩ領域にある第２の部分とからなることが好ましい。第１の部分はＮ終端面を形成することが好ましく、ｎ型電極は、第１の部分のＮ終端面上に形成されることが好ましい。また、第２の部分上に半導体素子たとえば発光素子のためのエピタキシャル層を形成することが好ましい。以下、窒化物基板を不純物濃度の異なる第１の部分と第２の部分とに分ける理由および意義について説明する。
【００９７】
図１０に示す不純物濃度と接触比抵抗との関係を参照すると、不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のとき接触比抵抗が１×１０-5Ω・ｃｍ2となり、さらに不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3以上になると接触比抵抗が約５×１０-7〜１×１０-6Ω・ｃｍ2まで低くなっている。ところが、図７に示す不純物濃度と閾値電圧との関係を参照すると、不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3以上では閾値電圧に変化が見られず、不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3でも３×１０18ｃｍ-3でも閾値電圧はほとんど同じであった。つまり、図１０で見られた接触比抵抗の低減効果が、図７の閾値電圧には反映されなかったと考えられる。不純物がｎ型電極と窒化物半導体基板（Ｎ終端面）との間に中間生成物を形成し低接触比抵抗を得るために、不純物濃度を３×１０18ｃｍ-3以上にすることが好ましい（図１０）。一方、窒化物半導体基板全体において高濃度の不純物（３×１０18ｃｍ-3以上）を添加すると結晶性悪化に伴う電気抵抗の増大が生じ、その結果、図１０に示す低接触比抵抗の効果が低閾値電圧に反映されなくなると考えられる。さらに、３×１０18ｃｍ-3以上で不純物を窒化物半導体基板に添加すると、図８に示す不純物濃度と閾値電流密度の関係から、不純物濃度が５×１０18ｃｍ-3までは閾値電流密度は約１ｋＡ／ｃｍ2であるが、不純物濃度が１×１０19ｃｍ-3以上になると閾値電流値が増大し始めることがわかる（図９の不純物濃度と表面粗さとの関係についても同じである）。このように不純物濃度を高くしていけば接触比抵抗は低くなるが、閾値電流は逆に増大するようになる。
【００９８】
本発明者らは、このジレンマを、窒化物半導体基板を異なる不純物濃度を有する２以上の層で構成することにより、解決できることを見出した。具体的には、ｎ型窒化物基板を、ｎ型電極と接すべきＮ終端面を有する第１の層と、その上に素子構造を形成すべき第２の層とから構成し、第２の層の平均不純物濃度を第１の層の平均不純物濃度より低くする。さらに、第１の層の平均不純物濃度は３×１０18ｃｍ-3以上とすることができる。第１の層の平均不純物濃度の範囲については特に制約は無いが、図８の結果から推測すると、３×１０18ｃｍ-3〜１×１０21ｃｍ-3が好ましく、３×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3がより好ましい。第２の層の平均不純物濃度は３×１０18ｃｍ-3以下とすることができる。第２の層の平均不純物濃度の範囲についても特に制約は無いが、図７および図８の結果から推測すると、１×１０17ｃｍ-3〜３×１０18ｃｍ-3が好ましい。ここで、平均不純物濃度は、ある層に添加された不純物濃度の総和をその層厚で割った値として定義される。好ましくは、窒化物半導体基板において、第２の層は、第１の層以外の部分である。
【００９９】
上記第１の層の厚さは、０．０５μｍ以上５０μｍ以下とすることができ、好ましくは０．０５μｍ以上１０μｍ以下である。第１の層の厚さが、０．０５μｍよりも薄いと不純物を添加したことによる中間生成物が十分に形成されず、接触比抵抗が高くなり得る。一方、第１の層の厚さが５０μｍよりも厚くなると、不純物が添加された事による表面粗さが大きくなり（図９参照）、このことが光導波路による損失を大きくして閾値電流密度の増大を促し得る（図８参照）。第１の層の厚さを５０μｍ以下好ましくは１０μｍ以下にすることによって、閾値電流密度の値を、図８で示される値よりも小さくすることができる。
【０１００】
本発明において、ｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ，Ｓｅ、またはＴｅを好ましく使用できる。特にＳｉ、ＯまたはＣｌを用いると、ｎ型窒化物半導体基板を容易に得ることができる。上記不純物のうち複数種が、窒化物半導体基板に同時に添加されても構わない。添加した全不純物の平均不純物濃度は、第１の層において３×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下、好ましくは３×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下、第２の層において１×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下とすることができる。以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【０１０１】
実施例９
図２６に示すように、本実施例による窒化物半導体発光素子（レーザダイオード素子）は、ｎ型電極３００１、窒化物半導体基板（例えばＧａＮ基板）３００２、ｎ型ＧａＮ層３００３、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラツド層３００４、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３００５、多重量子井戸の発光層３００６、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層３００７、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３００８、ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層３００９、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０１０、およびｐ型電極３０１１から構成される。基板３００２は、高ドープＧａＮ層３００２ａ（その平均不純物濃度範囲は図２５に示す第Ｉ領域にある）および低ドープＧａＮ層３００２ｂ（その平均不純物濃度範囲は図２５に示す第ＩＩ領域にある）からなる。ｎ型電極３００１は、基板３００２のＮ終端面３００２Ａ上に形成されている。平均不純物濃度は、当該層に添加された不純物濃度の総和をその層厚で割った値である。
【０１０２】
本実施例の特徴は、窒化物半導体基板３００２を構成している高ドープＧａＮ層３００２ａと低ドープＧａＮ層３００２ｂの平均不純物濃度が、それぞれ図２５に示す第Ｉ領域と第ＩＩ領域に属していること、ｎ型電極が高ドープＧａＮ層３００２ａのＮ終端面３００２Ａに接していること、および発光素子構造が低ドープＧａＮ層３００２ｂに接していることである。
【０１０３】
３×１０18ｃｍ-3以上の平均不純物濃度を有する高ドープＧａＮ層３００２ａは、十分な中間生成物を形成することができ、その結果、高ドープＧａＮ層３００２ａとｎ型電極３００１との間の接触比抵抗は小さくなる。一方、３×１０18ｃｍ-3以下の平均不純物濃度を有する低ドープＧａＮ層３００２ｂ上に発光素子構造を形成することにより、低い閾値電流密度と低い閾値電圧をもたらすことができる。
【０１０４】
本実施例によるレーザ素子は、実施例１〜８の閾値（例えば、閾値電圧５Ｖ、閾値電流密度１．２ｋＡ／ｃｍ2）よりもさらに低い閾値電流密度（０．８ｋＡ／ｃｍ2）および低い閾値電圧（４．４Ｖ）をもたらした。
【０１０５】
実施例１０
本実施例は、窒素化合物半導体基板が、異なる不純物濃度を有する４つの領域から構成されていること以外は実施例９と同様である。図２７は，窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示している。これら４つの領域をｎ型電極を形成する面側から順に、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域およびＤ領域と呼ぶ。ｎ型電極（図示省略）は、Ａ領域に接する。ｎ型電極と接するＡ領域の面は、Ｎ終端面である。ここで、Ａ領域とＢ領域の平均不純物濃度は図２５に示す第Ｉ領域にあり、Ｃ領域とＤ領域の平均不純物濃度は、図２５に示す第ＩＩ領域にある。
【０１０６】
この窒素化合物半導体基板を用いた発光素子は、実施例９と同様の効果をもたらした。
【０１０７】
実施例１１
本実施例は、不純物濃度が厚み方向において連続的に変化している窒素化合物半導体基板を使用した以外は、実施例９と同様である。図２８は、窒素化合物半導体基板中で連続的に変化する不純物濃度分布を示している。図２８に示される連続的な不純物濃度のプロファイルは２つの領域に分割することができる。これらの領域は、ｎ型電極を形成する面側から順に、Ａ領域、Ｂ領域と呼ぶ。Ａ領域に接するようにｎ型電極は形成される。ｎ型電極と接するＡ領域の面は、Ｎ終端面である。Ａ領域の平均不純物濃度は、図２５に示す第Ｉ領域にあり、Ｂ領域の平均不純物濃度は、図２５に示す第ＩＩ領域にある。
【０１０８】
この窒素化合物半導体基板を用いた発光素子は、実施例９と同様の効果をもたらした。
【０１０９】
実施例１２
本実施例は、窒素化合物半導体基板が、図２９に示すように異なる不純物濃度を有する５つの領域から構成されていること以外は、実施例９と同様である。図２９は、使用した窒素化合物半導体基板における不純物濃度分布を示している。これらの不純物濃度の領域を、ｎ型電極を形成する面側から、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域、Ｄ領域およびＥ領域と呼ぶ。Ａ領域のＮ終端面に接するようにｎ型電極（図示省略）が形成される。Ａ領域、Ｂ領域およびＤ領域の不純物濃度は、図２５に示す第Ｉ領域に該当する。Ｃ領域およびＥ領域の不純物濃度は、図２５に示す第ＩＩ領域に該当する。
【０１１０】
Ａ領域とＢ領域の膜厚の総和は５０μｍである。また、Ａ領域およびＢ領域の平均不純物濃度は、図２５に示す第Ｉ領域にはいる。かくして、Ａ領域とＢ領域を合わせた部分は、接触比抵抗を低減する効果をもたらす。一方、Ｃ領域（層厚３０μｍ、不純物濃度２×１０18ｃｍ-3）、Ｄ領域（層厚２０μｍ、不純物濃度５×１０18ｃｍ-3）およびＥ領域（層厚６０μｍ、不純物濃度１×１０18ｃｍ-3）を合わせた部分の平均不純物濃度は、各領域の不純物濃度とそれらの層厚の合計とから２×１０18ｃｍ-3と見積もることができる。この値は、図２５に示す第ＩＩ領域に属する。かくして、Ｃ領域、Ｄ領域およびＥ領域を合わせた部分は、閾値電圧と閾値電流密度を低減させる効果をもたらす。
【０１１１】
この窒素化合物半導体基板を用いた発光素子は、実施例９と同様の効果をもたらした。
【０１１２】
上述したように、窒化物半導体基板の、ｎ型電極に接する第１の領域と、素子構造に接する第２の領域とにおいて、それぞれ不純物濃度は変化していてもよい。また、第１の領域の平均不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3以上であれば、第１の領域の中で３×１０18ｃｍ-3より低い不純物濃度を有する部分が存在してもよい。さらに、第２の領域の平均不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3以下であれば、第２の領域の中で３×１０18ｃｍ-3より高い不純物濃度を有する部分が存在してもよい。異なる不純物濃度を有する複数の部分を合わせた領域に関し、総膜厚が５０μｍ以下であり、かつ平均不純物濃度が図２５に示す第Ｉ領域に属する領域は、接触比抵抗を効果的に低減することができる。一方、異なる不純物濃度を有する複数の部分を合わせた領域に関し、平均不純物濃度が図２５に示す第ＩＩ領域に属する領域は、閾値電圧および閾値電流密度を効果的に低減することができる。
【０１１３】
以上の実施例１〜実施例１２により、半導体レーザダイオード素子について説明したが、発光ダイオード素子についても本発明を適用することができる。本発明を発光ダイオード素子に適用した場合、低い接触比抵抗、低い動作電圧、表面粗さの低減に伴う発光色の色むらの防止、または発光強度の向上を効果的にもたらすことができる。
【０１１４】
【発明の効果】
以上に示すように、本発明によれば、閾値電圧および閾値電流密度が低く、かつ長寿命の窒化物半導体素子、特にＧａＮ系化合物半導体発光素子を歩留まり良く供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）および（ｂ）は、実施例１において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図２】  （ａ）および（ｂ）は、比較例１において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図３】  ＧａＮ基板のＮ終端面またはＧａ終端面に蒸著されたｎ型電極のパターンを示す平面図である。
【図４】  ＧａＮ基板のＮ終端面に蒸著されたｎ型電極の電流−電圧特性を示す図である。
【図５】  ＧａＮ基板のＧａ終端面に蒸著されたｎ型電極の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】  ＧａＮ厚膜を成長させる際のＳｉＨ4供給量と、形成される膜中に含まれる不純物濃度との関係を示す図である。
【図７】  ＧａＮ基板中の不純物濃度と、該ＧａＮ基板を使用したレーザの閾値電圧との関係を示す図である。
【図８】  ＧａＮ基板中の不純物濃度と、該ＧａＮ基板を使用したレーザの閾値電流密度との関係を示す図である。
【図９】  ＧａＮ基板中の不純物濃度と、該ＧａＮ基板の表面粗さとの関係を示す図である。
【図１０】  ＧａＮ基板中の不純物濃度と、ｎ型電極の接触比抵抗との関係を示す図である。
【図１１】  （ａ）および（ｂ）は、実施例３において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１２】  （ａ）および（ｂ）は、比較例２において作製された半導体レーザの断面図および基板厚み方向の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１３】  （ａ）および（ｂ）は、実施例４で使用したＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１４】  実施例４で使用したもう一つのＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１５】  実施例４で使用した他のＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１６】  実施例４で使用した他のＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１７】  実施例４で使用した他のＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１８】  実施例４で使用した他のＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図１９】  実施例５で使用したＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図２０】  実施例５で使用したもう一つのＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図２１】  実施例５で使用した他のＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図２２】  実施例５で使用した他のＧａＮ基板の概略断面図、および該基板中の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図２３】  種基板の（０００１）面上に成長したＧａＮのＧａ終端面とＮ終端面の関係を示す模式図である。
【図２４】  実施例８において作製されたレーザ素子の概略断面図である。
【図２５】  本発明に使用される基板中の不純物濃度範囲について説明するための図である。
【図２６】  実施例９の窒素化合物半導体発光素子を示す概略断面図である。
【図２７】  実施例１０で使用された窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示す図である。
【図２８】  実施例１１で使用された窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示す図である。
【図２９】  実施例１２で使用された窒素化合物半導体基板の不純物濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
１０１  ｎ型電極、１０２  ＧａＮ基板、１０２Ａ  Ｎ終端面、１０３  ｎ型ＧａＮ層、１０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１０６  多重量子井戸の発光層、１０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、１０８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１  ｐ型電極、２０１  ｎ型電極、２０２  ＧａＮ基板、２０２Ａ  Ｇａ終端面、２０３  ｎ型ＧａＮ層、２０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、２０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、２０６  多重量子井戸の発光層、２０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、２０８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、２０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、２１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、２１１  ｐ型電極、３０１  ｎ型電極、３０２  ＧａＮ基板、１００１  ｎ型電極、１００２  ＧａＮ基板、１００２Ａ  Ｎ終端面、１００２ａ  Ｓｉ高ドープＧａＮ層、１００２ｂ  ＳｉドープＧａＮ層、１００３  ｎ型ＧａＮ層、１００４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１００５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１００６  多重量子井戸の発光層、１００７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、１００８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１００９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１０１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０１１  ｐ型電極、１１０１  ｎ型電極、１１０２  ＧａＮ基板、１１０２Ａ  Ｎ終端面、１１０２ａ  ＳｉドープＧａＮ層、１１０２ｂ  Ｓｉ高ドープＧａＮ層、１１０３  ｎ型ＧａＮ層、１１０４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１０５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、１１０６  多重量子井戸の発光層、１１０７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、１１０８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、１１０９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、１１１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１１１  ｐ型電極、１３０２  厚み方向に不純物濃度が減少するＧａＮ基板、１３０２Ａ  Ｎ終端面、１４０２  ＧａＮ基板、１４０２Ａ  Ｎ終端面、１４０２ａ  不純物濃度一定のＧａＮ層、１４０２ｂ  厚み方向に不純物濃度が減少するＧａＮ層、１４０２ｃ  不純物濃度一定のＧａＮ層、１５０２  ＧａＮ基板、１５０２Ａ  Ｎ終端面、１５０２ａ  厚み方向に不純物濃度が減少するＧａＮ層、１５０２ｂ  不純物濃度一定のＧａＮ層、１５０２ｃ  厚み方向に不純物濃度が減少するＧａＮ層、１６０２  ＧａＮ基板、１６０２Ａ  Ｎ終端面、１６０２ａ  不純物濃度一定のＧａＮ層、１６０２ｂ  厚み方向に不純物濃度が減少するＧａＮ層、１６０２ｃ  不純物濃度一定のＧａＮ層、１７０２  ＧａＮ基板、１７０２Ａ  Ｎ終端面、１８０２  ＧａＮ基板、１８０２Ａ  Ｎ終端面、１９０２  ＧａＮ基板、１９０２Ａ  Ｎ終端面、１９０２ａ  Ｓｉ高ドープＧａＮ層、１９０２ｂ  ＳｉドープＧａＮ層、１９０２ｃ  Ｓｉ高ドープＧａＮ層、１９０２ｄ  ＳｉドープＧａＮ層、１９０２ｅ  Ｓｉ高ドープＧａＮ層、２００２  ＧａＮ基板、２００２Ａ  Ｎ終端面、２００２ａ，２００２ｂ，２００２ｃ，２００２ｄ，２００２ｅ  不純物濃度一定のＧａＮ層、２１０２  ＧａＮ基板、２１０２Ａ  Ｎ終端面、２１０２ａ，２１０２ｂ，２１０２ｃ，２１０２ｄ，２１０２ｅ  不純物濃度一定のＧａＮ層、２２０２  ＧａＮ基板、２２０２Ａ  Ｎ終端面、２２０２ａ  不純物濃度一定のＧａＮ層、２２０２ｂ  不純物濃度ドープＧａＮ層、２２０２ｃ  不純物濃度一定のＧａＮ層、２２０２ｄ  不純物ドープＧａＮ層、２２０２ｅ  不純物濃度一定のＧａＮ層、２３０１  種基板、２３０２  バッファ層、２３０３  ＧａＮ基板、２３０３ａ  Ｇａ終端面、２３０３ｂ  Ｎ終端面、２３０４  Ｇａ原子、２３０５  Ｎ原子、２４０１  ｐ型電極、２４０２  ＧａＮ基板、２４０２Ａ  主面、２４０３  ｐ型ＧａＮ層、２４０４  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、２４０５  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、２４０６  多重量子井戸の発光層、２４０７  ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、２４０８  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、２４０９  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層、２４１０  ｎ型ＧａＮコンタクト層、２４１０Ａ  Ｎ終端面、２４１１ｎ型電極、３００１  ｎ型電極、３００２  窒化物半導体基板（例えばＧａＮ基板）、３００３  ｎ型ＧａＮ層、３００４  ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラツド層、３００５  ｎ型ＧａＮ光ガイド層、３００６  多重量子井戸の発光層、３００７  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎキャリアブロック層、３００８  ｐ型ＧａＮ光ガイド層、３００９  ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラツド層、３０１０  ｐ型ＧａＮコンタクト層、３０１１  ｐ型電極、３００２Ａ  Ｎ終端面、３００２ａ  高ドープＧａＮ層、３００２ｂ  低ドープＧａＮ層。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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