(57)【要約】【課題】窒化物半導体層に生じる内部応力を低減できる窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】ＧａＮからなる半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、Ａｌを含む窒化物半導体層を少なくとも１層有する積層体２０とを備え、積層体２０に含まれるすべてのＡｌを含む窒化物半導体層それぞれのＡｌの組成比と膜厚との積の和Ｓと、半導体基板１０の基板厚Ｔとが、Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０の関係を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウムからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、アルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも１層有する積層体と
を備え、前記積層体に含まれるすべての前記アルミニウムを含む窒化物半導体層それぞれのアルミニウムの組成比と膜厚との積の和Ｓと、前記半導体基板の基板厚Ｔとが、
Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０
の関係を満たすことを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記積層体がインジウムを含む活性層を更に有す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】
前記積層体が、ｎ型半導体層、前記活性層及びｐ型半導体層がこの順で積層された構造を有し、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層に含まれる窒化物半導体層の少なくとも１つがアルミニウムを含む窒化物半導体からな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４】
前記活性層で発生した光を外部に出力する面が劈開面であることを特徴とする請求項２又は３に記載の窒化物半導体装置。
【請求項５】
窒化ガリウムからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、アルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも１層有する積層体と
を備え、前記積層体に含まれるすべての前記アルミニウムを含む窒化物半導体層それぞれのアルミニウムの組成比と膜厚との積の和Ｓと、前記半導体基板の基板厚Ｔとが、
Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０
の関係を満たし、レーザ光の共振方向と前記半導体基板の厚み方向とに垂直なチップ幅が６０μｍ以上８０μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体装置に係り、特にアルミニウムを含む窒化物半導体層を有する窒化物半導体装置及び半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体レーザ（レーザダイオード）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子として、窒化物半導体を積層した窒化物半導体装置が使用されている。窒化物半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等がある。代表的な窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。
【０００３】
半導体発光素子を窒化物半導体装置で実現する場合の一例が、特許文献１に記載されている。例えば、半導体基板上にｎ型の窒化物半導体層（ｎ型半導体層）、発光層（活性層）及びｐ型の窒化物半導体層（ｐ型半導体層）をこの順に積層する。そして、ｎ型半導体層から供給された電子とｐ型半導体層から供給された正孔（ホール）が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する。
【特許文献１】特開２００４−２８１４３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、窒化物半導体層を積層した窒化物半導体装置は、窒化物半導体層間の熱膨張係数差とヤング率の差による内部応力を内在させやすい構造である。この内部応力は、各窒化物半導体層へのストレスやデバイスの反り・クラック（割れ）を発生させるという問題があった。また、この問題は、チップサイズを微小化させた場合に、更に顕著になると考えられる。更に、活性層へのストレスは素子特性を左右する重要なパラメータであるため、内部応力が素子特性を劣化させる原因ともなっている。
【０００５】
上記問題点を鑑み、本発明は、チップサイズを微小化させた窒化物半導体装置を提供することを目的とし、より詳細には、チップサイズを微小化させた窒化物半導体層に生じる内部応力を低減できる窒化物半導体装置及び半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、窒化ガリウムからなる半導体基板と、半導体基板上に配置され、アルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも１層有する積層体とを備え、積層体に含まれるすべてのアルミニウムを含む窒化物半導体層それぞれのアルミニウムの組成比と膜厚との積の和Ｓと、半導体基板の基板厚Ｔとが、Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０の関係を満たす窒化物半導体装置が提供される。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、窒化ガリウムからなる半導体基板と、半導体基板上に配置され、アルミニウムを含む窒化物半導体層を少なくとも１層有する積層体とを備え、積層体に含まれるすべてのアルミニウムを含む窒化物半導体層それぞれのアルミニウムの組成比と膜厚との積の和Ｓと、半導体基板の基板厚Ｔとが、Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０の関係を満たし、レーザ光の共振方向と半導体基板の厚み方向とに垂直なチップ幅が６０μｍ以上８０μｍ以下である半導体レーザが提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、窒化物半導体層に生じる内部応力を低減できる窒化物半導体装置及び半導体レーザを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置は、図１に示すように、窒化ガリウムからなる半導体基板１０と、半導体基板１０上に配置され、アルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体層を少なくとも１層有する積層体２０とを備える。そして、積層体２０に含まれるすべてのＡｌを含む窒化物半導体層それぞれのＡｌの組成比と膜厚との積の和Ｓと、半導体基板の基板厚Ｔとが、以下の式（１）の関係を満たす：
Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０  ・・・（１）
例えば、積層体２０に含まれるすべてのＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）層それぞれにおけるＡｌの組成比ｘと膜厚ｔの積の総和Σ（ｘ×ｔ）が和Ｓである。
【００１２】
既に述べたように、窒化物半導体装置では、窒化物半導体層の積層構造における各層間の熱膨張係数の差とヤング率の差に起因する内部応力が内在しやすい。そのため、内部応力に起因する活性層２２等のエピタキシャル成長層へのストレス、及びエピタキシャル成長時のクラックの発生や窒化物半導体層の反り等を抑制するために、半導体基板１０の基板厚Ｔは厚いほど好ましい。
【００１３】
しかし、基板厚Ｔを厚くした場合、窒化物半導体装置のチップサイズが小さくなるほど劈開性が劣化する。これは、チップ厚がチップ幅に対して厚いほど、劈開時にチップにクラックやチップ欠けが発生したり、劈開面に沿ってチップ分割ができない等の問題が生じ、劈開によるチップ分割が困難になるためである。
【００１４】
そのため、式（１）に示したように、和Ｓを基板厚Ｔの１／５３０以下に制御することによって活性層２２にかかるストレス、クラックの発生及びチップ反り等を抑制しつつ、和Ｓを基板厚Ｔの１／８６０以上に制御することにより、良好な劈開性を保つことができる。
【００１５】
以下に、窒化物半導体装置の各層に生じる内部応力について説明する。説明をわかりやすくするために、図２に示す第１層Ａ1、第２層Ａ2及び第３層Ａ3からなる３層構造の梁の場合について、各層に生じる応力を説明する。図２で、梁の固定端を原点とし、各層が延伸する方向をｘ方向とする。また、図２における膜厚方向をｙ方向として、第１層Ａ1の底面のｙ座標を座標ａとする。
【００１６】
図２に示したように、第１層Ａ1の膜厚ｔ、第２層Ａ2の膜厚ｍ×ｔ、第３層Ａ3の膜厚ｎ×ｔである。また、第１層Ａ1のヤング率Ｅ1、熱膨張係数α1とし、第２層Ａ2のヤング率Ｅ2、熱膨張係数α2とし、第３層Ａ3のヤング率Ｅ3、熱膨張係数α3とする。なお、梁にかかる外力は無く、温度は一様分布であるとする。
【００１７】
一次元の棒のフックの法則に温度変化による応力σを加えた場合、一次元の棒全体の歪εは式（２）で表される：
ε＝σ／Ｅ＋αΔＴ  ・・・（２）
式（２）において、Ｅ及びαは、それぞれ一次元の棒のヤング率と熱膨張係数であり、ΔＴは温度変化である。式（２）を応力σについて解くと、式（３）が得られる：
σ＝Ｅ（ε−αΔＴ）  ・・・（３）
図２において、α2＞α1と仮定し、温度をΔＴだけ上昇させる場合を考える。ｙ座標ηでの歪εは、曲率半径ρを用いて式（４）で表される：
ε＝η／ρ  ・・・（４）
式（４）を式（３）に代入すると、応力σは式（５）で表される：
σ＝Ｅ（η／ρ−αΔＴ）  ・・・（５）
ただし、ヤング率及び熱膨張係数は、図２に示した３層構造の各層で異なるため、式（５）は、正確には以下の式（５ａ）〜式（５ｃ）のように表される：
σ＝Ｅ1（η／ρ−α1ΔＴ）  ：ａ≦η≦ａ＋ｔ  ・・・（５ａ）
σ＝Ｅ2（η／ρ−α2ΔＴ）  ：ａ＋ｔ≦η≦ａ＋（１＋ｍ）ｔ  ・・・（５ｂ）
σ＝Ｅ3（η／ρ−α3ΔＴ）  ：ａ＋（１＋ｍ）ｔ≦η≦ａ＋（１＋ｍ＋ｎ）ｔ  ・・・（５ｃ）
図２に示した梁には外力が働いていないので、梁の長さ方向に働く軸力、梁に働く曲げモーメントは共に０である。この条件に基づき、熱膨張係数αと曲率半径ρは以下のように算出される。
【００１８】
軸力Ｎｘは、式（６）で表される：
Ｎｘ：∫AσｄＡ＝０  ・・・（６）
式（６）を３層構造の各層について積分すると、式（７）が得られる：
∫AσｄＡ＝∫A1［｛Ｅ1（η／ρ−α1ΔＴ）｝ｂ］ｄη＋∫A2［｛Ｅ2（η／ρ−α2ΔＴ）｝ｂ］ｄη＋∫A3［｛Ｅ3（η／ρ−α3ΔＴ）｝ｂ］ｄη  ・・・（７）
式（７）の右辺の第１項の∫A1ｄηはη＝ａからａ＋ｔまでの積分、第２項の∫A2ｄηはη＝ａ＋ｔからａ＋（１＋ｍ）ｔまでの積分、第３項の∫A3ｄηはη＝ａ＋（１＋ｍ）ｔからａ＋（１＋ｍ＋ｎ）ｔまでの積分をそれぞれ示す。
【００１９】
式（７）の右辺の各項は、式（８）〜式（１０）のように計算される：
（第１項）：∫A1［｛Ｅ1（η／ρ−α1ΔＴ）｝ｂ］ｄη＝Ｅ1ｂ（ａ×ｔ／ρ＋ｔ2／２ρ−α1ΔＴｔ）  ・・・（８）
（第２項）：∫A2［｛Ｅ2（η／ρ−α2ΔＴ）｝ｂ］ｄη＝Ｅ2ｂ｛ａ×ｍｔ／ρ＋ｍｔ2（１＋ｍ／２）／ρ−α2ΔＴｍｔ｝  ・・・（９）
（第３項）：∫A3［｛Ｅ3（η／ρ−α3ΔＴ）｝ｂ］ｄη＝Ｅ3ｂ［｛ａ×ｎｔ／ρ＋ｔ2×｛２（ｍ＋１）ｎ＋ｎ2｝／２ρ−α3ΔＴｎｔ］  ・・・（１０）
式（６）から、式（７）の右辺の第１項〜第３項の和は０になるので、曲率半径ρについて式（１１）が得られる：
ρ＝｛２（Ｅ1＋Ｅ2ｍ＋Ｅ3ｎ）ａ＋［Ｅ1＋Ｅ2ｍ（２＋ｍ）＋Ｅ3ｎ｛２（１＋ｍ）＋ｎ｝］ｔ｝／｛２ΔＴ（Ｅ1α1＋Ｅ2α2ｍ＋Ｅ3α3ｎ｝ ・・・（１１）
曲げモーメントＭｘは式（１２）で表される：
Ｍｘ：∫A（σ×η）ｄＡ＝０  ・・・（１２）
式（１２）を３層構造の各層について積分すると、式（１３）が得られる：
∫A（σ×η）ｄＡ＝∫A1［｛Ｅ1（η／ρ−α1ΔＴ）η｝ｂ］ｄη＋∫A2［｛Ｅ2（η／ρ−α2ΔＴ）η｝ｂ］ｄη＋∫A3［｛Ｅ3（η／ρ−α3ΔＴ）η｝ｂ］ｄη  ・・・（１３）
式（１３）においても、式（７）と同様に、右辺の第１項の∫A1ｄηはη＝ａからａ＋ｔまでの積分、第２項の∫A2ｄηはη＝ａ＋ｔからａ＋（１＋ｍ）ｔまでの積分、第３項の∫A3ｄηはη＝ａ＋（１＋ｍ）ｔからａ＋（１＋ｍ＋ｎ）ｔまでの積分をそれぞれ示す。
【００２０】
式（１３）の右辺の各項は、式（１４）〜式（１６）のように計算される：
（第１項）：∫A1［｛Ｅ1（η／ρ−α1ΔＴ）η｝ｂ］ｄη＝Ｅ1ｂ｛ａ2×ｔ／ρ＋（ｔ2／ρ−α1ΔＴｔ）ａ−α1ΔＴｔ2／２＋ｔ3／３ρ｝  ・・・（１４）
（第２項）：∫A2［｛Ｅ2（η／ρ−α2ΔＴ）η｝ｂ］ｄη＝Ｅ2ｂ［｛（３ａ2×ｍｔ＋（６ｍ＋３ｍ2）×ｔ2ａ＋（３ｍ＋３ｍ2＋ｍ3）ｔ3｝／３ρ−α2ΔＴ｛２ｍｔａ＋（２ｍ＋ｍ2）ｔ2｝／２］  ・・・（１５）
（第３項）：∫A3［｛Ｅ3（η／ρ−α3ΔＴ）η｝ｂ］ｄη＝Ｅ3ｂ［｛（ｎｔａ2＋（２＋２ｍ＋ｎ）ｎｔ2ａ＋（１＋２ｍ＋ｍ2＋ｎ＋ｎｍ＋ｎ2／３）ｎｔ3｝／ρ−α3ΔＴ｛ｎｔａ＋（１＋ｍ＋ｎ／２）ｎｔ2｝］  ・・・（１６）
式（１２）から、式（１３）の右辺の第１項〜第３項の和は０になるので、曲率半径ρについて式（１７）が得られる：
ρ＝（Ａ×ａ2＋Ｂ×ｔａ＋Ｅ／３）／｛ΔＴ（Ｃ×ａ＋Ｄ／２×ｔ｝  ・・・（１７）
式（１７）の記号Ａ〜記号Ｅは、それぞれ以下の式（１８）〜式（２２）で示される値である：
Ａ＝Ｅ1 ＋Ｅ2ｍ＋Ｅ3ｎ  ・・・（１８）
Ｂ＝Ｅ1 ＋Ｅ2ｍ（２＋ｍ）＋Ｅ3ｎ｛２（１＋ｍ）＋ｎ｝  ・・・（１９）
Ｃ＝Ｅ1×α1 ＋Ｅ2α2 ｍ＋Ｅ3α3ｎ   ・・・（２０）
Ｄ＝Ｅ1 α1 ＋Ｅ2 α2（２＋ｍ）ｍ ＋Ｅ3×α3（２＋２ｍ＋ｎ）ｎ   ・・・（２１）
Ｅ＝Ｅ1 ＋Ｅ2 ｍ｛３（１＋ｍ）＋ｍ2｝＋Ｅ3ｎ｛３（１＋ｍ）（１＋ｍ＋ｎ）＋ｎ2｝  ・・・（２２）
式（１１）及び式（１７）から、曲率半径ρを消去して座標ａについて解いて式（２３）が求まる：
ａ＝（４ＣＤ−３ＢＥ）ｔ／｛６（ＡＥ−ＢＣ）｝  ・・・（２３）
よって、曲率半径ρが式（２４）のように求まる：
ρ＝２Ａａ＋Ｂｔ／２ΔＴＣ）  ・・・（２４）
式（２３）と式（２４）を式（５）に代入することにより、第１層Ａ1、第２層Ａ2及び第３層Ａ3にそれぞれかかる応力σiが式（２５）のように求まる（ｉ＝１〜３）：  
σi＝Ｅi（η／ρ−αiΔＴ）
＝Ｅi［η／｛２Ａａ＋Ｂｔ／（２ΔＴＣ）｝−αiΔＴ］
＝Ｅi｛η２ΔＴＣ／（２Ａａ＋Ｂｔ）−αiΔＴ｝
＝Ｅi［η｛２ΔＴ（Ｅ1 α1 ＋Ｅ2 α2 ｍ＋Ｅ3α3 ｎ）｝／｛２（Ｅ1 ＋Ｅ2ｍ＋Ｅ3ｎ）ａ＋［Ｅ1 ＋Ｅ2ｍ（２＋ｍ）＋Ｅ3ｎ｛２（１＋ｍ）＋ｎ｝］ｔ｝−αiΔＴ］  ・・・（２５）
以上の説明では、説明を簡略化するために図２に示した３層１次元構造の例について応力の計算を行った。多層３次元構造の場合も３層１次元構造の場合と本質的には変わらず、式（２５）に示すように、各層に生じる応力は多層３次元構造を構成する層のヤング率、膜厚、熱膨張係数により決定される。
【００２１】
特にＡｌＧａＮはヤング率、熱膨張係数がＧａＮと大きく異なるため、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を使用した窒化物半導体装置では、各層に生じる応力に与えるＡｌＧａＮ層の影響は大きい。ＧａＮのｃ軸方向への熱膨張係数は３．１７×１０-6［Ｋ-1］、ヤング率は１５０［ＧＰａ］程度である。ここでｃ軸は、窒化物半導体の結晶構造である六方晶系の極性面であるｃ面の面法線に沿った軸である。一方、ＡｌＮのｃ軸方向への熱膨張係数は５．２７×１０-6［Ｋ-1］、ヤング率は３０８［ＧＰａ］程度であることが知られている。ＡｌＧａＮの熱膨張係数及びヤング率は、組成比に応じてＡｌＮとＧａＮの値の中間値になる。
【００２２】
図３に、窒化物半導体のヤング率と熱膨張係数の例を示す。なお、窒化インジウム（ＩｎＮ）では、ヤング率ＥI＝１０５［Ｇｐａ］程度、ｃ軸方向への熱膨張係数αI＝３．１５×１０-6［Ｋ-1］程度である。Ｉｎ組成を変化させると、ＩｎＧａＮ中のＩｎ組成に応じて（Vegart則）、ＩｎＧａＮ中の熱膨張係数αI及びヤング率ＥIが変化する。上記のヤング率ＥIは、弾性定数より計算されている。
【００２３】
上記に示した応力の計算によって、ヤング率、熱膨張係数の材料間の差が大きいために窒化物半導体装置に生じる内部応力に及ぼすＡｌＧａＮの影響が大きいことが見出された。ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比ｘが大きいほど、内部応力は大きくなる。そのため、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比ｘが大きいほど活性層等にかかるストレスや反りが大きくなり、窒化物半導体装置の性能の劣化、寿命の低下が生じる。
【００２４】
上述のように応力に与えるＡｌＧａＮ層の影響が大きいため、他の層を無視した図４に示す簡略化モデルを用いて応力を計算した。図４に示した簡略化モデルは、ＧａＮ基板１１１上に、膜厚１．３μｍのＡｌxＧａ1-xＮ層１１２と膜厚７ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１１３を積層した構造であり、ＡｌxＧａ1-xＮ層１１２とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１１３間に働く応力Ｐ11を計算した。ＡｌxＧａ1-xＮ層１１２のＡｌ組成比ｘを変化させることによって、図５に示すような、組成比と膜厚との積の和Ｓと、応力Ｐ11との関係が得られた。また、図６にＡｌ組成比ｘと応力Ｐ11との関係を示す。この計算結果より、和Ｓの変化に応じて、少なくとも図５に図示する和Ｓの範囲では、応力Ｐ11はほぼ線形に変化することが分かる。
【００２５】
次に、図７に示す簡略化モデルを用いて、Ａｌ組成を固定し、基板厚みに応じた応力の変化を計算した。図７に示した簡略化モデルは、ＧａＮ基板１０１上に、Ａｌ0.055Ｇａ0.945Ｎ層１０２と膜厚７ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１０３を積層した構造であり、Ａｌ0.055Ｇａ0.945Ｎ層１０２とＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層１０３間に働く応力Ｐ10を計算した。このとき、組成比と膜厚との積の和Ｓは０．０７２９μｍである。図８に、基板厚みと応力Ｐ10との関係を示す。図８から、基板厚みが薄いほどＡｌＧａＮ層にかかる応力が大きく、基板厚みが厚いほどＡｌＧａＮ層にかかる応力が小さいことがわかる。即ち、基板厚Ｔの変化に応じて、内部応力は基板厚Ｔに反比例して変化する。
【００２６】
内部応力が小さい条件としては、基板厚みが厚ければよいことになるが、ここでは、基板厚みが厚いときの内部応力の漸近値428000［ＧＰａ］に安全係数1.1を掛けて、内部応力が449400［ＧＰａ］以下である条件とする。この場合、計算結果からすると基板厚Ｔ≧５０μｍであればよい。
【００２７】
このとき、本発明の実施の形態においては、和Ｓと基板厚Ｔとの関係を次のように定める。即ち、Ｔ≧５０μｍのとき、５０μｍを和Ｓ＝０．０７２９μｍで表すと、５０μｍ＝６８５．８×Ｓである。これより、以下の式（２６）が成立する：
Ｔ≧６８５．８×Ｓ  ・・・（２６）
和Ｓが大きくなれば、その分全体としての応力が大きくなるので、和Ｓが大きくなる分、安全のために基板厚Ｔを大きくすればよい。
【００２８】
本発明の実施の形態においては、チップサイズを小型化した半導体レーザの実現を目標としている。具体的には、図９（ａ）に示すようにチップサイズ（チップ幅）が１２０μｍの場合、基板厚が例えば２００μｍであると、良好な劈開は困難である。研磨により基板厚が薄くなると、劈開性が向上する。したがって、窒化物半導体装置のチップサイズの微小化に伴って、良好な劈開性を得るためには、基板厚をある程度薄くすることが好ましい。レーザ光が出力する出力面、即ち半導体レーザの共振器の端面は、劈開面であることがよい。そこで、図９（ａ）に示すように、チップ幅１２０μｍの場合の基板厚を１００μｍとする。図９（ｂ）に示すように、チップサイズ（チップ幅）が８０μｍの場合は、基板厚を７０μｍとする。図９（ｃ）に示すように、チップサイズ（チップ幅）が６０μｍの場合は、基板厚を５０μｍとする。なお、特許文献１に記載された青紫レーザダイオードのチップ厚は９０〜１５０μｍ程度である。
【００２９】
以上より、チップ幅が６０〜８０μｍにおける基板厚Ｔは、７０μｍ以下にすればよい。このとき、本発明の実施の形態では、和Ｓと基板厚Ｔとの関係を以下のように定める。即ち、Ｔ≦７０μｍの場合、７０μｍを和Ｓ＝０．０７２９μｍで表すと、７０μｍ＝９６０．２×Ｓである。これより、以下の式（２７）が成立する：
Ｔ≦９６０．２×Ｓ  ・・・（２７）
式（２６）〜（２７）から、式（２８）が成立する：
Ｔ／９６０．２≦Ｓ≦Ｔ／６８５．８  ・・・（２８）
ここで、実施の形態での和Ｓの値は、より詳細には、ｎクラッド層、電子ブロック層、ｐクラッド層の組成比と膜厚との積の和Ｓであるから、Ｓ＝0.1×0.002×100＋0.3×0.03＋0.1×0.002×100＝０．０６９であり、上述の図７に示した簡略化モデルの和Ｓ＝０．０７２９とほぼ一致する。
【００３０】
また、例えば、特許文献２（特開２００７−１３４４４５）では、和Ｓの値は、ｎクラッド層、電子ブロック層、ｐクラッド層の組成比と膜厚との積の和より、Ｓ＝0.14×0.0025×200＋0.2×0.01＋0.14×0.0025×90＝０．１０３５である。このように、和Ｓは０．０７〜０．１０程度の値であることが多い。
【００３１】
和Ｓが０．０７２９のときに式（２８）が成立しているため、和Ｓの一般的な範囲、特にＳ＝０．１０も含まれるように考慮して、式（２８）の各辺に０．１０／０．０７の係数を積算すると、式（２９）が得られる：
Ｔ／６７２．１≦Ｓ≦Ｔ／４８０．１  ・・・（２９）
式（２８）と式（２９）を共に満足するためには、式（３０）の関係を満たす必要がある：
Ｔ／９６０．２≦Ｓ≦Ｔ／４８０．１  ・・・（３０）
式（３０）は計算結果の上限・下限であるため、示される範囲は過酷な条件範囲も含まれる。そこで、条件範囲に１０％の余裕をもたせ（安全係数）、Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０とする。
【００３２】
したがって、和Ｓ及び基板厚Ｔを式（１）を満足するように選択すれば、チップサイズの微小化に伴って基板厚が薄くなっても、内部応力により素子特性の劣化を低減した半導体レーザを実現できる。
【００３３】
既に説明したように、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌの組成比ｘが大きいほど活性層等にかかるストレスや反りが大きくなり、窒化物半導体装置の性能の劣化、寿命の低下が生じる。このため、式（１）に示したように、ＧａＮからなる半導体基板１０の基板厚ＴとＡｌＧａＮ層の膜厚ｔ及びＡｌの組成比ｘとの関係が重要である。つまり、式（１）の関係を満たすように窒化物半導体層をＧａＮ基板上に積層することによって、活性層等の窒化物半導体層に生じるストレスや反りを低減することができる。
【００３４】
以下に、図１に示した窒化物半導体装置の構造の詳細について説明する。積層体２０は、それぞれ窒化物半導体からなるｎ型半導体層２１、活性層２２、及びｐ型半導体層２３がこの順に積層された構造を有し、活性層２２から光を発生する。後述するように、ｎ型半導体層２１及びｐ型半導体層２３はＡｌを含む窒化物半導体層を有する。
【００３５】
また、図１に示した窒化物半導体装置は、基板主面１１に対向する半導体基板１０の裏面に接して配置されたｎ側オーミック電極５１と、ｐ型半導体層２３の上面（活性層２２と接する面に対向する面）に接して配置された絶縁膜３０、及び絶縁膜３０上に配置されたｐ側オーミック電極４１とｐ側オーミック電極４１上に配置されたｐ側ボンディング電極４２とを更に備える。図１に示すように、絶縁膜３０に設けられた開口部において、ｐ側オーミック電極４１はｐ型半導体層２３に接している。
【００３６】
積層体２０の詳細について以下に説明する。有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等により、半導体基板１０の基板主面１１上に積層体２０が成長される。ｎ型半導体層２１から活性層２２に電子が注入され、ｐ型半導体層２３から活性層２２に正孔(ホール）が注入される。活性層２２では、注入された電子と正孔との再結合により光が発生する。つまり、図１に示した窒化物半導体装置は、半導体レーザとして機能する。
【００３７】
ｎ型半導体層２１は、半導体基板１０側から順に、再成長層２１１、クラック防止層２１２、ｎ型クラッド層２１３及びｎ型ガイド層２１４を積層して形成される。
【００３８】
再成長層２１１は、半導体基板１０の基板主面１１上に配置されたＧａＮ層である。例えば、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型ドーパントがドープされた膜厚２μｍ程度のＧａＮ層として再成長層２１１は形成される。
【００３９】
クラック防止層２１２は、ｎ型ドーパントがドープされた膜厚５０ｎｍ程度のＩｎＧａＮ層である。クラック防止層２１２をインジウム（Ｉｎ）を含むｎ型の窒化物半導体膜、好ましくはＩｎＧａＮ膜にすることにより、クラック防止層２１２上に形成されるＡｌ混晶膜中にクラックが発生するのを防止する。
【００４０】
ｎ型クラッド層２１３は、活性層２２で発生する光をｎ型クラッド層２１３及びｐ型クラッド層２３３の間に閉じ込める「光閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。このため、ＧａＮよりバンドギャップが高く屈折率の低いＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層２１３が形成される。なお、ｎ型クラッド層２１３は超格子層にしてもよい。これは、超格子構造にすることで、クラックのない結晶性のよいクラッド層が形成されるためである。例えば、ｎ型クラッド層２１３には、ｎ型ドーパントがドープされた複数のＡｌＧａＮ層とノンドープのＧａＮ層を交互に積層した超格子構造が採用可能である。
【００４１】
ｎ型ガイド層２１４は、活性層２２にキャリア（電子及び正孔）を閉じ込める「キャリア閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。これにより、活性層２２における電子及び正孔の再結合の効率が高められる。ｎ型ガイド層２１４は、ＧａＮ層にｎ型ドーパントをドープして形成される。
【００４２】
活性層２２は、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。活性層２２には、ＩｎＧａＮからなる複数のバリア層とそのバリア層間に配置されたＧａＮからなる井戸層で構成される量子井戸（ＭＱＷ）構造を採用可能である。発光波長は、Ｉｎの組成比を調整すること等によって、例えば４００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度に設定できる。また、井戸層をＩｎの組成比が５％以上のＩｎＧａＮ層としてバンドギャップを比較的小さくし、バリア層をバンドギャップが比較的大きなＧａＮ層として量子井戸層を構成してもよい。
【００４３】
ｐ型半導体層２３は、活性層２２上に、ｐ型キャップ層２３１、ｐ型ガイド層２３２、ｐ型クラッド層２３３及びｐ型コンタクト層２３４を積層して形成される。
【００４４】
ｐ型キャップ層２３１は、例えばマグネシウム（Ｍｇ）等のｐ型ドーパントがドープされたＡｌＧａＮ層として、活性層２２上に形成される。
【００４５】
ｐ型ガイド層２３２は、上記の「キャリア閉じ込め効果」を生じさせるための半導体層である。ｐ型ガイド層２３２は、ｐ型キャップ層２３１よりバンドギャップが小さく、ＧａＮ層にＭｇ等のｐ型ドーパントをドープして形成される。
【００４６】
ｐ型クラッド層２３３は、既に述べた「光閉じ込め効果」を生じさせるために形成される。ｐ型クラッド層２３３には、ｐ型ドーパントがドープされた複数のＡｌＧａＮ層とＧａＮ層を交互に積層した超格子構造等が採用可能である。例えば膜厚２ｎｍ程度のＡｌＧａＮ層と膜厚２ｎｍ程度のＧａＮ層を交互に繰り返し積層して、膜厚０．４μｍ程度のｐ型クラッド層２３３が構成される。ｐ型クラッド層２３３を超格子構造にすることによって、ｐ型半導体層２３の抵抗を下げることができる。
【００４７】
ｐ型コンタクト層２３４は、ｐ型半導体層２３とｐ側オーミック電極４１間の電気抵抗を低減するための低抵抗層である。ｐ型コンタクト層２３４は、ＧａＮ層にｐ型ドーパントを高濃度でドープして形成される。
【００４８】
ｐ型半導体層２３の上部の一部を除去することにより、図１に示したリッジストライプ５０が形成される。例えば、ｐ型コンタクト層２３４及びｐ型クラッド層２３３の一部がエッチング除去され、リッジストライプ５０が形成される。リッジストライプ５０の長手方向の端面が劈開面になるように、半導体基板１０の面方位を考慮してリッジストライプ５０は形成される。具体的には、六方晶系のｍ面が端面になるように、ｍ面の面法線であるｍ軸に沿ってリッジストライプ５０は延伸する。
【００４９】
このため、ｎ型ガイド層２１４、活性層２２及びｐ型ガイド層２３２によって、リッジストライプ５０の長手方向両端の端面を共振器端面とするファブリペロー共振器が構成される。活性層２２で発生した光は、リッジストライプ５０の長手方向（共振方向）両端の端面間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が長手方向の端面からレーザ光として窒化物半導体装置の外部に出力される。
【００５０】
図１に示すように、ｐ側オーミック電極４１がリッジストライプ５０の頂面（ストライプ状の接触領域）のｐ型コンタクト層２３４だけに接触するように、ｐ型ガイド層２３２及びｐ型クラッド層２３３の露出面を覆う絶縁膜３０が配置される。これによりリッジストライプ５０に電流が集中するため、効率的なレーザ発振が可能になる。また、リッジストライプ５０の表面は、ｐ側オーミック電極４１との接触領域以外が絶縁膜３０で覆われて保護されるので、側面からのリーク電流を防ぐことができる。
【００５１】
上記に記載した例では、積層体２０に含まれるすべての層のうちでＡｌを含む窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮ層であるｎ型クラッド層２１３とｐ型キャップ層２３１、及びＡｌＧａＮ層とＧａＮ層が交互に積層された超格子構造を有するｐ型クラッド層２３３である。ここで、ｎ型クラッド層２１３の膜厚をｔ1、Ａｌの組成比をｘ1とし、ｐ型キャップ層２３１の膜厚をｔ2、Ａｌの組成比をｘ2とする。また、ｐ型クラッド層２３３に含まれるＡｌＧａＮ層の膜厚をｔ3、Ａｌの組成比をｘ3とすると、式（１）から、半導体基板１０の基板厚Ｔは式（３１）を満たすように設定される：
Ｔ／８６０≦（ｘ1×ｔ1＋ｘ2×ｔ2＋ｋ×ｘ3×ｔ3）≦Ｔ／５３０  ・・・（３１）
式（３１）で、ｋはｐ型クラッド層２３３に含まれるＡｌＧａＮ層の層数である。
【００５２】
本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置によれば、Ａｌを含む窒化物半導体層それぞれのＡｌの組成比と膜厚との積の和Ｓと、半導体基板１０の基板厚Ｔとが、Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０の関係を満たすように、基板厚Ｔに対する窒化物半導体層のエピタキシャル構成が最適化される。その結果、良好な劈開性を保ちつつ、内部応力に起因する活性層２２等の窒化物半導体層に生じるストレスや反りが低減された窒化物半導体装置が提供される。
【００５３】
以下に、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置の製造方法を説明する。なお、以下に述べる窒化物半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００５４】
（イ）先ず、ＧａＮを主面とするウェハ形状の半導体基板１０をＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットする。そして、１０５０℃程度に設定された半導体基板１０上に、膜厚２μｍ程度のＧａＮ膜を再成長層２１１として形成する。このとき、再成長層２１１に、例えばＳｉが１×１０18ｃｍ-3のドーピング濃度でドープされる。
【００５５】
（ロ）再成長層２１１上に、Ｓｉが５×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされたＩｎＧａＮからなるクラック防止層２１２を５０ｎｍの膜厚で成長させる。その後、Ｓｉが５×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた膜厚２ｎｍのｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層と、アンドープの膜厚２０ｎｍのＧａＮ層とを交互に１００層程度積層して、膜厚０．４μｍの超格子構造のｎ型クラッド層２１３を形成する。次いで、Ｓｉが５×１０18ｃｍ-3の濃度でドープされた膜厚０．１μｍ程度のｎ型ＧａＮからなるｎ型ガイド層２１４を、ｎ型クラッド層２１３上に成長させる。
【００５６】
（ハ）次に、井戸層である膜厚２．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と、バリア層である膜厚５ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層とを交互に繰り返し積層して、膜厚１７．５ｎｍ程度の活性層２２を形成する。
【００５７】
（ニ）ｐ型ドーパントとしてＭｇが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドープされたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎからなるｐ型キャップ層２３１を、３０ｎｍ程度の膜厚で成長させる。次いで、バンドギャップがｐ型キャップ層２３１より小さく、Ｍｇが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型ガイド層２３２を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。
【００５８】
（ホ）Ｍｇが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドープされた膜厚２ｎｍ程度のｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎと、Ｍｇが１×１０20ｃｍ-3の濃度でドープされた膜厚２ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層とを交互に積層して、膜厚０．４μｍの超格子構造のｐ型クラッド層２３３を形成する。次いで、Ｍｇが２×１０20ｃｍ-3の濃度でドープされた膜厚１５ｎｍ程度のｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２３４を成長させる。
【００５９】
（ヘ）その後、半導体基板１０を窒素雰囲気中、７００℃でアニールし、ｐ型半導体層２３を更に低抵抗化する。
【００６０】
（ト）アニール後、半導体基板１０を反応容器から取り出し、プラズマエッチング等のドライエッチングによって、図１０に示すように、ｐ型半導体層２３の上部の一部を除去してリッジストライプ５０を形成する。具体的には、例えば、フォトレジスト膜をｐ型半導体層２３の全面に塗布した後、フォトリソグラフィ技術によってエッチングする部分のフォトレジスト膜を除去してｐ型半導体層２３の表面の一部を露出させる。次いで、フォトレジスト膜をマスクにしてｐ型コンタクト層２３４及びｐ型クラッド層２３３をエッチングして、例えば４μｍ程度のストライプ幅のリッジストライプ５０を形成する。既に述べたように、リッジストライプ５０はｍ軸に沿って延伸するように形成される。
【００６１】
（チ）次いで、ｐ型半導体層２３の上面に、リフトオフ法等によって絶縁膜３０を形成する。具体的には、フォトレジスト膜等でストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型クラッド層２３３及びｐ型コンタクト層２３４の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成する。この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型コンタクト層２３４の頂面のみが露出するように、絶縁膜３０を形成する。
【００６２】
（リ）露出したｐ型コンタクト層２３４の頂面に接するように、絶縁膜３０上にｐ側オーミック電極４１を形成した後、ｐ側ボンディング電極４２をｐ側オーミック電極４１上に形成する。
【００６３】
（ヌ）次に、半導体基板１０の裏面を研磨し薄型化する。具体的には、ダイアモンド砥石での機械研磨作業等により、所望の基板厚Ｔに応じて例えば１００μｍ以下、好ましくは最終的な基板厚Ｔより１０μｍ程度厚い基板厚まで半導体基板１０を薄型化する。次いで、２種類の粒径のダイアモンドスラリーを用いた研磨作業等により、機械研磨作業で発生した加工変質層を除去する。その後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法等で仕上げの鏡面出しを行う。以上のような工程を経て、例えば８０μｍといった所望の基板厚Ｔまで半導体基板１０の薄型化を行う。基板厚Ｔは、積層体２０に含まれるすべてのＡｌを含む窒化物半導体層それぞれのＡｌの組成比と膜厚との積の和Ｓと基板厚Ｔとが、式（１）の関係を満たすように設定される。
【００６４】
（ル）半導体基板１０の裏面にｎ側オーミック電極５１を形成する。その後、リッジストライプ５０の延伸する方向に垂直な面（共振器端面に相当する面）、つまりｍ面で劈開して、半導体基板１０の形状をウェハ形状からバー形状に変える。つまり、複数の窒化物半導体装置がマトリクス状に配置されたウェハが、窒化物半導体装置が劈開面に沿って一列に配置された複数のバー形状のウェハ片に分割される。
【００６５】
（ヲ）劈開面として露出された半導体基板１０の共振器端面に、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）とジルコニア（ＺｒＯ2）からなる誘電体多層膜を電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法等により形成する。このとき、共振器端面の一方の反射率は小さく、他方の反射率は大きくなるように設定する。
【００６６】
（ワ）バー形状の半導体基板１０をリッジストライプ５０の延伸する方向に沿ってチップ形状に切断して、図１に示した窒化物半導体装置が形成される。
【００６７】
以上により、リッジストライプ５０の長手方向（共振方向）両端の端面を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成される。ファブリペロー共振器で増幅された光の一部が、反射率の小さい方の共振器端面（出力面）からレーザ光として窒化物半導体装置の外部に出力される。
【００６８】
絶縁膜３０は、例えばＺｒＯ2膜等が採用可能である。或いは、ＳｉＯ2膜等も絶縁膜３０に採用可能である。
【００６９】
ｐ側オーミック電極４１は、例えばパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）の積層体等からなる。ｐ側ボンディング電極４２は、例えばニッケル（Ｎｉ）−ＡｕやＴｉ−Ａｕの積層体等が採用可能である。
【００７０】
ｎ側オーミック電極５１は、例えばチタン（Ｔｉ）−Ａｌ−Ａｕの積層体等が採用可能である。ｎ側オーミック電極５１は、図示を省略する配線基板上の配線パターン上に配置される。そして、ｐ側ボンディング電極４２と配線基板がボンディングワイヤー等で電気的に接続される。
【００７１】
上記のような本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置の製造方法によれば、Ａｌを含む窒化物半導体層それぞれにおけるＡｌの組成比と膜厚との積の和Ｓと、半導体基板１０の基板厚Ｔとが、Ｔ／８６０≦Ｓ≦Ｔ／５３０の関係を満たすように、基板厚Ｔに対する窒化物半導体層のエピタキシャル構成が最適化された窒化物半導体装置を製造できる。その結果、良好な劈開性を保ちつつ、内部応力に起因する活性層２２等の窒化物半導体層に生じるストレスや反りが低減された窒化物半導体装置が提供される。
【００７２】
上記に説明した方法で製造された窒化物半導体装置を、半導体基板１０の裏面側がヒートシンク側になるようにジャンクションアップでヒートシンクに設置し、レーザ発振を試みた。その結果、室温において、閾値電流密度２．５ｋＡ／ｃｍ2、閾値電圧４．５Ｖで、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認され、５００時間以上の素子寿命を示した。
【００７３】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７４】
既に述べた実施の形態の説明においては、リッジストライプ５０を有する窒化物半導体層の例を示したが、リッジストライプの無い窒化物半導体装置であってもよい。また、窒化物半導体装置がレーザダイオードである場合に限らず、ＬＥＤ等であってもよい。
【００７５】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。
【図２】窒化物半導体装置の各層に生じる内部応力を説明するための窒化物半導体積層構造の模式図である。
【図３】窒化物半導体のヤング率と熱膨張係数を示す表である。
【図４】窒化物半導体装置の各層に生じる内部応力を計算するための簡略化モデルの模式図である。
【図５】図４に示した簡略化モデルを使用して計算した応力と和の関係を示すグラフである。
【図６】図４に示した簡略化モデルを使用して計算した応力とＡｌ組成の関係を示すグラフである。
【図７】窒化物半導体装置の各層に生じる内部応力を計算するための簡略化モデルの模式図である。
【図８】図７に示した簡略化モデルを使用して計算した応力と基板厚みの関係を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置のチップサイズを示す模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る窒化物半導体装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０…半導体基板
１１…基板主面
２０…積層体
２１…ｎ型半導体層
２２…活性層
２３…ｐ型半導体層
３０…絶縁膜
４１…ｐ側オーミック電極
４２…ｐ側ボンディング電極
５０…リッジストライプ
５１…ｎ側オーミック電極
２１１…再成長層
２１２…クラック防止層
２１３…ｎ型クラッド層
２１４…ｎ型ガイド層
２３１…ｐ型キャップ層
２３２…ｐ型ガイド層
２３３…ｐ型クラッド層
２３４…ｐ型コンタクト層
【図１】
2009170895.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】
2009170895.tif 000009
【図８】
2009170895.tif 000010
【図９】
2009170895.tif 000011
【図１０】
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