(57)【要約】  出力動作時の信頼性を高め、低コスト化の可能な半導体素子等を提供する。  基板１０１と、基板１０１上に複数の半導体層が形成されている窒化物半導体素子であって、基板１０１上に形成される第１の半導体層１０７と、第１の半導体層１０７の直上に積層される極性反転層１０８と、極性反転層１０８の直上に積層されてパターニングされる第２の半導体層１０９とからなる積層体を少なくとも一つ備え、第２の半導体層１０９は、ウエットエッチングによりエッチングされる極性、第１の半導体層１０７は、第２の半導体層１０９のウエットエッチングによるエッチング停止層となる極性に配設する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に複数の半導体層が形成されている窒化物半導体素子であって、
該基板上に形成される第１の半導体層と、
該第１の半導体層の直上に積層される極性反転層と、
該極性反転層の直上に積層されて、少なくとも一部がウエットエッチングによりパターニングされる第２の半導体層とからなる積層体を少なくとも一つ備え、
該第２の半導体層は、ウエットエッチングによりエッチングされる極性、
該第１の半導体層は、該第２の半導体層の該ウエットエッチングによるエッチング停止層となる極性に配設された窒化物半導体素子。
【請求項２】
請求項１の窒化物半導体素子において、
上記極性反転層は、以下の（１）から（５）のいずれかの層であることを特徴とする窒化物半導体素子。
（１）ＩＩ族原子が１０２０［ｃｍ−３］以上、１０２３［ｃｍ−３］以下の濃度でドーピングされた２［ｎｍ］以下の層
（２）ＩＩ族原子の単原子層
（３）ＩＩ族原子とＶ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（４）ＩＩ族原子とＩＩＩ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（５）ＩＩＩ族原子、又は／及び、Ｖ族原子の２原子層
【請求項３】
請求項１又は２の窒化物半導体素子において、
上記極性反転層は下記（１）から（５）のいずれかであることを特徴とする窒化物半導体素子。
（１）ｎ型不純物原子が１０２０［ｃｍ−３］以上、１０２３［ｃｍ−３］以下の濃度でドーピングされた２［ｎｍ］以下の層
（２）ｎ型不純物原子の単原子層
（３）ｎ型不純物原子とＩＩＩ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（４）ｎ型不純物原子とＶ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（５）ｎ型不純物原子とＩＩＩ族原子とＶ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
【請求項４】
上記基板上であって、上記第１の半導体層の下層、又は上記第２の半導体層の上層に活性層を備えている請求項１〜３に記載の窒化物半導体素子。
【請求項５】
請求項４の窒化物半導体素子において、
上記第１の半導体層の下層に上記活性層を備え、上記第２の半導体層がリッジ形状にパターニングされることを特徴とするリッジ型の窒化物半導体素子。
【請求項６】
請求項４の窒化物半導体素子において、
上記第２の半導体層が、内部電流狭窄層であり、上記第１の半導体層の下層に上記活性層を備えることを特徴とする内部電流狭窄層型の窒化物半導体素子。
【請求項７】
請求項６の窒化物半導体素子において、
上記内部電流狭窄層は、以下の（１）から（３）のいずれかの条件を満たすことを特徴とする窒化物半導体素子。
（１）ＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）、
（２）ＩｎＸＡｌ１−ＸＮ（０．０５≦Ｘ≦０．３）、
（３）（Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２）ＺＧａ１−ＺＮ（０．２≦Ｚ≦１）
【請求項８】
請求項４の窒化物半導体素子おいて、
上記第２の半導体層、及び該第２の半導体層上に積層される半導体層がパターニングされ、当該パターニングにより開口した部位に埋め込み層を形成することを特徴とする埋め込み型の窒化物半導体素子。
【請求項９】
請求項４〜８のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
上記第１の半導体層が分離光閉じ込めヘテロ構造層であり、該第１の半導体層の下層に上記活性層を備えていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
上記半導体層は、ＧａＮ系の半導体層により形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
上記第２の半導体層の結晶の面方位が（０００−１）、又はＶ族極性であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
窒化物フォトニック結晶を備えていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１３】
請求項１２の窒化物半導体素子において、
ｎ型超格子光反射層を備えていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
ｐ電極と、
該ｐ電極に接続されるｐコンタクト層とを備え、
該ｐコンタクト層は、Ｎ極性であり、その層厚が１０[ｎｍ]以上、５０[ｎｍ]以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
ｐ電極と、
該ｐ電極に接続されるｐコンタクト層とを備え、
該ｐコンタクト層は、Ｎ極性であり、該ｐ電極がＰｄを少なくとも含む材料により構成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１６】
請求項１、２、又は３の窒化物半導体素子において、
上記第１の半導体層は、ゲート電極に接続される電子供給層であり、
上記第２の半導体層は、ソース電極、及びドレイン電極にオーミックに接するコンタクト層であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１７】
請求項１６の窒化物半導体素子において、
上記コンタクト層は、当該コンタクト層の成長方向の面方位が（０００−１）であるＶ族極性のｎ型半導体層であり、
上記電子供給層は、当該電子供給層の成長方向の面方位が（０００１）であるＩＩＩ族極性のｎ型半導体層であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１８】
請求項１６又は１７の窒化物半導体素子において、
上記半導体層として、上記第１の半導体層の下層にチャネル層、スペーサ層の順に積層されている半導体層を含み、
該チャネル層は、ＩＩＩ族極性のアンドープのＧａＮ層、
該スペーサ層は、アンドープのＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（ただし、０＜Ｘ≦１）、
上記電子供給層は、ｎ型のＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（ただし、０＜Ｘ≦１）、
上記コンタクト層は、Ｖ族極性のｎ型のＡｌＹＧａ１―ＹＮ層（ただし、０≦Ｙ＜Ｘ）、又は、ｎ型のＩｎＺＧａ１−ＺＮ層（ただし、０≦Ｚ≦０．２）であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項１９】
請求項１８の窒化物半導体素子において、
上記スペーサ層は、ＩＩＩ族極性であって、該スペーサ層と上記電子供給層との層厚の和は、１０[ｎｍ]以上、２５[ｎｍ]以下であり、かつ、該電子供給層及び該スペーサ層の組成比Ｘの値が、０．２５以上、０．４５以下であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２０】
請求項１５〜１９のいずれかに記載の窒化物半導体素子において、
上記基板が、半導体絶縁性のＳｉＣ基板、又は半導体絶縁性のＧａＮ基板であることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２１】
基板上に第１の半導体層と、該第１の半導体層の直上に形成される極性反転層と、該極性反転層の直上に形成され、該第１の半導体層とは極性の異なる第２の半導体層とからなる積層体を少なくとも一つ含む複数の半導体層を備える窒化物半導体素子の製造方法であって、
該第２の半導体層のパターニング形成におけるウエットエッチング時にエッチング停止層となる該第１の半導体層を形成し、
該極性反転層を形成し、
該第２の半導体層を形成し、
該第２の半導体層をウエットエッチング法によりエッチングし、
該第２の半導体層のパターンを形成する窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１の窒化物半導体素子の製造方法において、
上記ウエットエッチングは、燐酸と硫酸の混合液を用い、
該ウエットエッチングを８０［℃］以上、３００［℃］以下の温度で行うことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項２３】
請求項２１又は２２の窒化物半導体素子の製造方法において、
上記複数の半導体層は、以下の（１）から（３）の方法により製造されることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
（１）有機金属気相成長法
（２）分子線エピタキシ法
（３）Ｖ族極性、又は（０００−１）面の該半導体層を形成は有機金属気相成長法、ＩＩＩ族極性、又は（０００１）面の該半導体層を形成は分子線エピタキシ法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レ−ザ、発光素子、発光ダイオード等の窒化物半導体素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、窒化物半導体素子の構造や製造方法ついて、さかんに研究開発が続けられている。とりわけ、ＧａＮ系の窒化物半導体発光素子は、次世代の照明や半導体レーザなどの用途への実用化に向けて研究開発が進められている。【０００３】
図１５は、第１の従来例に係るリッジ型のＧａＮ系の半導体レーザの断面図である（非特許文献１）。この半導体レーザ２０００は、同図に示すように、サファイア基板２００１上に、０．５［μｍ］のｎ型ＥＬＯ−ＧａＮ層２００２、１．０［μｍ］のｎ−ＡｌＧａＮ層２００３、０．１［μｍ］のｎ−ＧａＮガイド層２００４、Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ（３．５［ｎｍ］）／Ｇａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ（７．０［ｎｍ］）の３層量子井戸活性層２００５、２０［ｎｍ］のｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎ層２００６、０．１［μｍ］のｐ−ＧａＮガイド層２００７、０．５［μｍ］のｐ−［ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２．５［ｎｍ］）×１００］の超格子クラッド層２００８、０．１［μｍ］のｐ−ＧａＮ層２００９、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ−電極２０１０、電流狭窄用ＳｉＯ２マスク層２０１１、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ−ｎ電極２０１２を備えている。【０００４】
この半導体レーザ２０００のｐ層は、反応性イオンエッチング（以下、「ＲＩＥ」と略記する）によりメサ幅２．３［μｍ］のリッジストライプ形状に加工されている。メサ脇のｐ層の厚さは、横方向の光閉じ込めのために０．１５［μｍ］に調整されている。リッジストライプの両側は、ＳｉＯ２で覆われている。ｎ電極２０１２は、ＲＩＥでｎ−ＧａＮ層２００２までをドライエッチングして、ｎ−ＧａＮ層の表面上に蒸着して形成されている。半導体レーザの厚みは１００［μｍ］で、共振器長は６００［μｍ］である。この半導体レーザにおいて、５０［℃］の環境下、３０［ｍＷ］の出力で１０００時間の寿命を報告している。【０００５】
半導体素子における半導体層の加工方法として、ウエットエッチング法が知られている。半導体層の構成層の一つであり、発光層である活性層に加工損傷を与えないため、最も優れた加工方法といえる。
しかしながら、ＧａＮ系の半導体素子では、上記ウエットエッチング法ではエッジ形状などに加工することができないという問題がある。通常、エピ層表面が不活性な（０００１）面であるためである。そこで、エピ層表面を（０００１）面ではなく、（０００−１）面のものを用いて、ウエットエッチング法を行う方法が考えられる。しかしながら、（０００−１）面を用いると、有機金属気相薄膜成長法（以下、「ＭＯＶＰＥ法」と略記する）でＧａＮ基板上にＩｎＡｌＧａＮ系材料を成長させる場合、原子レベルで平坦な成長を行うことが難しい。そのため、活性層の光学的品質が（０００１）面を用いたものに比して劣るという問題がある。従って、これまでＧａＮ系の半導体素子では、ドライエッチング法あるいは選択成長法を用いて、光導波路構造や電流狭窄構造などを形成していた。【０００６】
上記問題点を解決すべく、ウエットエッチングが可能な窒化物半導体レーザに関する技術が提案されている（以下、「第２の従来例」という）（特許文献１）。この第２の従来例の窒化物半導体レーザは、内部型の電流狭窄層を備えている。この電流狭窄層は、４００［℃］〜６００［℃］の低温で堆積させた厚さ１０［ｎｍ］〜８０［ｎｍ］の非晶質のＡｌＮ層により構成されている。この第２の従来例によれば、電流狭窄層のパターニングをウエットエッチングにより行うことが可能であるとしている。【０００７】
半導体発光素子（ＬＥＤ）においては、光の取り出し効率の向上が重要である。
従来例として、光の取り出し効率の向上が可能な半導体発光素子に関する技術が提案されている（以下、「第３の従来例」という）（非特許文献２）。
第３の従来例は、フォトニック結晶を用いて、光の取り出し効率の向上を図ったものである。波長１．５［μｍ］帯のＩｎＧａＡｓＰ系材料の半導体発光素子で２次元の表面回折格子フォトニック結晶を取り付けて、ＬＥＤの光の取り出し効率の向上を実証している。この半導体発光素子に用いられる表面回折格子フォトニック結晶は、半導体発光素子の活性層の上部に、深さ０．６［μｍ］、直径１［μｍ］の円筒形の孔を三角格子状に約２［μｍ］周期で２次元配列させて作製されているものである。【０００８】
ＧａＮ系の半導体素子は、電子デバイスへの応用も進められている。ＧａＮはＳｉの１０倍の破壊電圧と、Ｓｉの２．５倍の飽和電子速度を有するため、高周波・高耐圧動作の電力素子への応用が可能である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造では高電子移動度の２次元電子ガスが生成され、それをチャネル電子として利用する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が得られる。さらに結晶歪によって発生するピエゾ効果によって、２次元電子ガスの濃度はＧａＡｓ系ＨＥＭＴの１０倍になり、高い相互コンダクタンス特性や高周波動作が期待できる。中でもＡｌＧａＮ／ＧａＮのリセスゲ−ト構造は、ソース電極とドレイン電極がＧａＮ層にオ−ミックに接触した構造のため、寄生抵抗を小さく保ったまま、Ａｌ濃度を上げて高濃度の２次元電子ガスを形成することができる利点を有する。【０００９】
従来例として、ＧａＮ系の半導体素子を電子デバイスに応用した例を説明する（以下、「第４の従来例」という）（非特許文献３）。図１６は、第４の従来例に係るＧａＮ系の半導体レーザーダイオードの断面図である。同図に示すように、リセスゲ−ト型ＨＥＭＴは、（０００１）面のサファイア基板２１０１、３０［ｎｍ］厚のＧａＮ核形成層２１０２、２．５［μｍ］厚のアンド−プのｉ−ＧａＮバッファ層２１０３、１０［ｎｍ］厚のアンド−プのｉ−Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎスペ−サ層２１０４、Ｓｉド−ピング濃度１×１０１８［ｃｍ−３］の２０［ｎｍ］厚のｎ−Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ層２１０５、Ｓｉド−ピング濃度１×１０１９［ｃｍ−３］の２０［ｎｍ］厚のｎ−ＧａＮ層２１０６、Ｔｉ（２５［ｎｍ］）／Ａｌ（１５０［ｎｍ］）のドレイン電極２１０７、Ｔｉ（２５［ｎｍ］）／Ａｌ（１５０［ｎｍ］）のソース電極１１０８、Ｐｔ（１０［ｎｍ］）／Ｔｉ（４０［ｎｍ］）／Ａｕ（１００［ｎｍ］）ゲート電極２１０９からなる。【００１０】
スペ−サ層２１０４は、チャネル層の２次元電子のク−ロン散乱を低減させるために設けられている。ゲートリセスのエッチングは、ＢＣｌ３プラズマを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により行っている。エッチング時のチャンバ圧力は３［Ｐａ］、高周波電力は１０［Ｗ］である。リセスエッチングの深さは３０［ｎｍ］である。Ｔｉ（２５［ｎｍ］）／Ａｌ（１５０［ｎｍ］）のドレイン電極２１０７及びソース電極２１０８のオ−ミックコンタクトは、９００［℃］で６０秒間の熱処理で得た。ゲート長は２．１［μｍ］、幅は１５［μｍ］、ソ−スとドレイン間の長さは１０［μｍ］である。ゲ−トに正の電圧をかけるとソ−スとドレイン間の電流ＩＤＳがドレイン電圧に比例して増加し、飽和するＩ−Ｖ特性が得られる。４．６［Ｋ］でシ−トキャリア密度４．８×１０１２［ｃｍ−２］での２次元電子ガスの移動度は９２６０［ｃｍ２／Ｖｓ］であった。２５［℃］での最大相互コンダクタンスは１４６［ｍＳ／ｍｍ］、ＩＤＳは９００［ｍＡ／ｍｍ］であった。【００１１】
なお、後述する課題を解決する手段で限定する「極性制御」に関する従来技術が特許文献２及び特許文献３に記載されている。これらについては、後述する。
【非特許文献１】「ＧａＮ系高出力の青紫色レ−ザダイオ−ド」ジャパニ−ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌  ２００１年  ４０巻  ３２０６〜３２１０頁
【非特許文献２】「２次元の表面回折格子フォトニック結晶を備えた発光ダイオ−ドにおける効率増加」  アプライド・フィジックス・レタ−誌  ２００４年  ８４巻  ４５７〜４５９頁
【非特許文献３】「サファイア上のリセスゲ−トＡｌＧａＮ／ＧａＮ変調ド−プ電界効果トランジスタ」  アプライド・フィジックス・レタ−誌  ２０００年  ７６巻  １２１〜１２３頁
【特許文献１】特開２００２−３１４２０３号公報
【特許文献２】特開２００１−１４８５３２号公報
【特許文献３】特表２００３−５２７７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年の技術の発展に伴いＧａＮ系の半導体素子（以下、「ＬＥＤ」とも言う）は、様々な分野でその実用化が期待されている。例えば、光ディスク用の半導体レ−ザ−ダイオ−ド（以下、「ＬＤ」と略記する）光源への実用化が期待されている。そのためには、半導体発光素子の（１）出力動作時の信頼性を高めること、（２）低コスト化を実現することが極めて重要な課題である。上記（１）の出力動作時の信頼性を高めるためには、発光層である活性層に結晶欠陥や損傷を生じさせない加工技術が必要である。上記（２）の低コスト化を実現するためには、素子歩留まりの高い加工技術が必要である。【００１３】
ＧａＮ系の半導体素子は、照明への実用化も期待されている。とりわけ、ＧａＮ系の半導体発光素子（ＬＥＤ）を用いた白色発光素子は、蛍光灯の代替照明として大きな市場が期待されている。しかしながら、照明として実用化するためには、（３）活性層において高い発光効率を得ること、（４）光取り出し効率を向上させることが重要な課題となっている。現在、そのための研究開発が続けられているところである。【００１４】
ところが、上記第１〜４の従来例においては、以下のような問題点があった。
第１従来例の半導体レーザにおける第１の問題点は、ドライエッチング法ではリッジの深さの高精度な制御ができない点である。このため、高い歩留まりが得られない。
通常用いられるメサ幅１．７［μｍ］の場合、半導体レーザに要求される８［°］以上の水平放射角と５０［ｍＷ］以上のキンクレベルを実現するには、リッジの深さを±５［ｎｍ］の高い精度で制御する必要がある。その理由は、以下の通りである。まず、このレ−ザは実屈折率ガイド構造であり、横方向の光閉じ込めを強くするために横方向の屈折率差△ｎを大きくすると、容易に高次モ−ドが発生し、電流電圧特性にキンクが生じる。△ｎを小さくすると光閉じ込めが弱くなり、水平放射角が減少するため、光スポットのアスペクト比が増大してしまう。ＬＤに要求される８［°］以上の水平放射角と５０［ｍＷ］以上のキンクレベルを実現する△ｎの範囲は、０．００６８≦△ｎ≦０．００７２と非常に狭くなる。これは、リッジの深さを±５［ｎｍ］の高い精度で制御することに相当するのである。
結局、ドライエッチング法では、損失の小さい実屈折率ガイド構造である限りこのような高精度の膜厚制御は難しい。そして、膜厚の面内分布を考慮すると、高い歩留まりは望めない。【００１５】
第１の従来例の半導体レーザにおける第２の問題点は、ドライエッチング時の損傷が素子寿命を低下させる点である。この原因は、２つある。第１の原因は、ドライエッチングの損傷がメサストライプの側面に入り、ｐクラッド層が高抵抗化するために、動作電圧が上昇することに起因する。第２の原因は、ドライエッチングの損傷が活性層に及ぶと、活性層に非発光センタが導入され、素子の電流閾値と動作電流が上昇することに起因する。素子寿命は、動作電流と動作電圧に強く依存しているためである。特に電流狭窄に優れた内部電流狭窄型の半導体素子においては、活性層への損傷が大きく、素子寿命の低下が顕著となる。【００１６】
第１の従来例の半導体レーザにおける第３の問題点は、ドライエッチング装置の状態を安定に保つのが難しい点である。
ドライエッチング装置はマスク材からの酸化物汚染、電極からの金属汚染、レジストからの有機物汚染などの影響を受ける。その理由は、それらの汚染物質が装置内に持ち込まれ、ドライエッチング後に装置内壁に付着し、次のエッチング時に汚染物質が離脱して、ウエハに付着するからである。その結果、リッジメサ形状の不良や加工損傷による信頼性の低下が発生しやすく、高い素子歩留まりを維持するのが難しい。【００１７】
一方、ドライエッチング以外にメサ脇の厚さを制御する方法として選択成長法がある。しかしながら、選択成長法は、上記問題点はないものの実用化が困難である。それは、ＧａＮの高温成長のために、ＳｉＯ２などのマスク材から蒸発したＳｉや酸素などの不純物が再成長界面に堆積し、素子の動作電圧を安定に制御できないからである。【００１８】
第２の従来例に係る内部電流狭窄型の窒化物半導体レ−ザに関しても多くの課題がある。内部電流狭窄層たる非晶質のＡｌＮ層は、平坦な膜を得るのが難しく、表面が凸凹になりやすい。再成長中に非晶質のＡｌＮ層は、結晶化してＧａＮとの格子不整合を生じ、周囲の結晶に欠陥や転位を多く発生させて素子寿命を制限する。ＡｌＮ層の厚さを大きくすると転位が増加し、ＡｌＮ層の厚さを小さくすると、凹部から電流リ−クが発生する。また、非晶質ＡｌＮマスクのため、開口部のＡｌＧａＮクラッド層のＡｌ組成の制御やＭｇ濃度の制御が不安定である。さらに、ＡｌＮマスクは、非晶質のため、膜質が不均一になりやすく、ウエットエッチングで形成したストライプが直線ではなくて、その幅が揺らいだり、ストライプ幅が設計値より大きくなる。それによって、高出力動作時に所望の光スポット形状が得られない、光の導波損失が増加して電流閾値が上昇する、などの問題が生じる。【００１９】
第３の従来例に関しても以下のような問題点がある。
取り出し効率をさらに向上させるためには、表面回折格子フォトニック結晶と活性層の距離を近づけるのが効果的である。しかしながら、フォトニック結晶と活性層の距離を近づけるとドライエッチング損傷が活性層に入り、発光効率が低下するという問題がある。
また、ＬＥＤの寿命が小さくなってしまうという問題が生じる。その理由は、ドライエッチングしたｐ−ＧａＮ面に、コンタクト抵抗の小さいｐ電極を形成できないためである。これは、ドライエッチング損傷でｐド−パントの活性化率が低減すること、ｐドーピング濃度の高い２０［ｎｍ］厚のｐ−ＧａＮ層でドライエッチングを停止させられないことに起因する。【００２０】
第４の従来例のリセスゲ−ト型ＨＥＭＴに関しても以下のような問題点がある。
ここで、ゲート電極下からｎ−ＡｌＧａＮ／ｉ−ＡｌＧａＮ界面までの距離を電子供給層の厚さｄ［ｎｍ］とする。第４の従来例ではゲート電極下のｎ−Ａｌ０．２６Ｇａ０．７４Ｎ電子供給層の厚さｄは、２０［ｎｍ］であった。
電子供給層の厚さｄが１０［ｎｍ］以下になると、キャリア濃度が減少してシート抵抗が増大し、高周波動作が制限される。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面にドライエッチングの損傷が及ぶと移動度が減少し、相互コンダクタンスが減少して高周波動作が難しくなる。キャリア濃度を上げるために電子供給層のｎドーピング濃度を高めると、ショットキ−障壁が薄くなって耐圧が取れなくなり、高電圧動作ができなくなる。無理に電圧をかけるとリーク電流が発生して、素子内部で発生する雑音が増大してしまう。閾ゲート電圧Ｖｔｈの電子供給層の厚さｄに対する微分係数（∂Ｖｔｈ／∂ｄ）は、電子供給層のドナ−濃度と電子供給層の厚さｄの積に比例するので、電子供給層のｎドーピング濃度が高いと電子供給層の厚さｄの分布に対して閾ゲート電圧Ｖｔｈの変動が増加する。電子供給層の厚さｄが２０［ｎｍ］を越えると、電子供給層の容量が低減し相互コンダクタンスが減少して高周波動作が制限される。また、ｎ濃度の高いｎ−ＧａＮ層が完全にエッチングされずに残留するとキャリア濃度が増加し、閾ゲート電圧Ｖｔｈが大きく変動する。電子供給層の厚さｄが変動すると、チャネル層のシ−トキャリア濃度が変化するので、閾ゲート電圧Ｖｔｈが大きく変動する。その結果、散乱パラメ−タの分布が増大し、高周波ＩＣを作製する上で入出力整合が取りにくくなる。
しかしながら、従来のドライエッチング法では、直径５０［ｍｍ］以上のウエハの面内のゲート電極下の電子供給層の厚さｄを１５［ｎｍ］±５［ｎｍ］の精度で制御するのは困難であった。【００２１】
なお、上記問題点はＧａＮ系の半導体素子特有の問題ではなく、他の窒化物半導体素子においても同様の問題が生じ得るものである。【００２２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、以下のような窒化物半導体素子、及びその製造方法を提供することである。すなわち、第１の目的とするところは、（１）出力動作時の信頼性を高め、（２）低コスト化の可能な半導体素子等を提供することである。また、第２の目的とするところは、上記（１）及び（２）を満足しつつ、（３）発光効率の高い活性層を得ることである。また、第３の目的とするところは、上記（１）及び（２）を満足しつつ、（４）光取り出し効率の高い半導体素子等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた。その結果、以下に示す態様において、本件発明の目的を達成し得ることを見出し、本件発明を完成するに至った。【００２４】
本発明の第１の態様に係る窒化物半導体素子は、基板と、該基板上に複数の半導体層が形成されている窒化物半導体素子であって、該基板上に形成される第１の半導体層と、該第１の半導体層の直上に積層される極性反転層と、該極性反転層の直上に積層されて、少なくとも一部がウエットエッチングによりパターニングされる第２の半導体層とからなる積層体を少なくとも一つ備え、該第２の半導体層は、ウエットエッチングによりエッチングされる極性、該第１の半導体層は、該第２の半導体層の該ウエットエッチングによるエッチング停止層となる極性に配設されたものである。【００２５】
なお、上記極性とは、結晶の成長時の表面に支配的に配列されている元素のことをいい、結晶の成長方向を表す指標として用いている。
一例として、ＧａＮ結晶の極性について説明する。単結晶ＧａＮには、２種類の結晶面（極性）、すなわちＧａ（ガリウム）面と、Ｎ（窒素）面とがある。Ｇａ面とは、Ｇａ原子が結晶の成長面に形成されており、Ｇａ原子の４つの結合のうち１つが膜外部に、残り３本の結合が膜内部を向いた極性面のことをいう。Ｎ面とは、Ｎ原子が結晶の成長面に形成されており、Ｎ原子の３本の結合が膜内部に向かっている極性面のことをいう。一般的に、表面がＧａ面のＧａＮ結晶の面方位は（０００１）、表面がＮ面のＧａＮ結晶の面方位は（０００−１）と表される。ここでは、成長時の表面がＧａ面であったＧａＮ結晶をＧａ極性の結晶、成長時の表面がＮ面であったＧａＮ結晶をＮ極性の結晶と呼ぶ。同様にして、結晶の成長時の表面がＩＩＩ族元素によるものをＩＩＩ族極性、結晶の成長時の表面がＶ族元素によるものをＶ族極性という。【００２６】
本発明の第１の態様に係る窒化物半導体素子によれば、第２の半導体層のパターニング形成に際して、ウエットエッチング法を用いることが可能である。その理由は、第２の半導体層のウエットエッチングにより第１の半導体層がエッチングされないように第１の積層体と第２の積層体との結晶の成長方向の極性を選択しているためである。このようにすることにより、高精度に制御された半導体素子を得ることができる。その結果、素子の歩留まりを向上させることができる。従って、低コスト化を実現できる。また、ウエットエッチング法を用いることができるので、第１の半導体層及びその下層、並びに第２の半導体層の上層にある層の結晶欠陥や損傷が生じない。従って、出力動作時の信頼性を向上させることができる。さらに、ウエットエッチング法によれば、ドライエッチング法に用いられる高価な装置が不要となるので生産コストを低減することができる。【００２７】
なお、上記特許文献２においては、ｐコンタクト層（例えば、図１参照）に極性反転層が形成された窒化物半導体素子に関する技術が開示されている（以下、「第５の従来例」という）。この第５の従来例によればｐコンタクト層中に高濃度のＭｇのＧａＮ層を積層させることにより、当該層に挟まれる二つの層の極性を反転させることができる。これによって、Ｎ極性面にｐ電極を形成することで、コンタクト抵抗を低減し、動作電圧を改善できるとしている。【００２８】
また、上記特許文献３においては、活性層（例えば、図１参照）に極性反転層が形成された技術が開示されている（以下、「第６の従来例」という）。この第６の従来例によれば、活性層中にＭｇ単分子層を堆積させ、後続層たる活性層を反転させる技術が開示されている。【００２９】
本件発明は、窒化物半導体素子中に極性反転層を備える点において、上記第５及び第６の従来例と一致する。しかしながら、本件発明に係る極性反転層は、第２の半導体層のパターニング形成におけるウエットエッチング時に、第１の半導体層がエッチングされないように、第１の半導体層と第２の半導体層との極性を反転させるために設けるものである。従って、上記第５及び第６の従来例からは、本件発明への示唆はない。【００３０】
なお、上記第５の従来例のように極性反転層をｐコンタクト層中に形成すると、ｐコンタクト層の厚さを６０[ｎｍ]以上にする必要があり、その結果、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面にホールが蓄積して動作電圧が上昇してしまう。また、上記第６の従来例のように活性層中に極性反転層を設けると、極性反転層は非発光センタを含むので発光効率が著しく減少してしまう。【００３１】
本発明の第２の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１の態様の窒化物半導体素子において、上記極性反転層は、以下の（１）から（５）のいずれかの層であることを特徴とするものである。
（１）ＩＩ族原子が１０２０［ｃｍ−３］以上、１０２３［ｃｍ−３］以下の濃度でドーピングされた２［ｎｍ］以下の層
（２）ＩＩ原子の単原子層
（３）ＩＩ族原子とＶ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（４）ＩＩ族原子とＩＩＩ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（５）ＩＩＩ族原子、又は／及び、Ｖ族原子の２原子層【００３２】
本発明の第３の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１又は第２の態様の窒化物半導体素子において、上記極性反転層は下記（１）から（５）のいずれかであることを特徴とするものである。
（１）ｎ型不純物原子が１０２０［ｃｍ−３］以上、１０２３［ｃｍ−３］以下の濃度でドーピングされた２［ｎｍ］以下の層
（２）ｎ型不純物原子の単原子層
（３）ｎ型不純物原子とＩＩＩ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（４）ｎ型不純物原子とＶ族原子とを含む単原子層、又は単分子層
（５）ｎ型不純物原子とＩＩＩ族原子とＶ族原子とを含む単原子層、又は単分子層【００３３】
本発明の第４の態様に係る窒化物半導体素子は、上記基板上であって、上記第１の半導体層の下層、又は上記第２の半導体層の上層に活性層を備えている。【００３４】
半導体素子における半導体層を、ドライエッチング法で除去すると、結晶欠陥が第１の半導体層及びその下層、若しくは、第２の半導体層の上層に及ぶ。従って、その後の再成長により欠陥が活性層に拡散し、活性層に非発光センタが導入される場合がある。【００３５】
本発明の第４の態様に係る窒化物半導体素子によれば、ウエットエッチング法を用いてパターニングを行っているので、結晶欠陥が第１の半導体層及びその下層、並びに第２の半導体層の上層には及ばない。従って、その後の再成長により上記欠陥が活性層に拡散して活性層に非発光センタが導入されることがない。その結果、光学的特性の低下を防止して出力動作時の信頼性を向上させ、かつ素子の歩留まりを高めることができる。【００３６】
本発明の第５の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１から第４の態様の窒化物半導体素子において、上記第１の半導体層の下層に上記活性層を備え、上記第２の半導体層がリッジ形状にパターニングされることを特徴とするリッジ型のものである。【００３７】
本発明の第５の態様に係る窒化物半導体素子によれば、ウエットエッチング法により第２の半導体層をリッジ形状となるようにエッチングを行い、第１の半導体層がエッチング停止層として機能しているので、リッジメサストライプを形成するに際して、メサ脇の厚み等を高精度に制御することができる。その結果、設計どおりの構造を得ることができる。また、高出力動作を行っても、基本横モードが保たれ、小さいアスペクト比が実現できるという利点が得られる。また、ドライエッチング法に比して、優れた信頼性を有する窒化物半導体素子を得ることができる。【００３８】
本発明の第６の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１から第４の態様の窒化物半導体素子において、上記第２の半導体層が、内部電流狭窄層であり、上記第１の半導体層の下層に上記活性層を備えることを特徴とする内部電流狭窄層型のものである。【００３９】
本発明の第６の態様に係る窒化物半導体素子によれば、内部電流狭窄層を結晶としたので、非結晶に起因する問題を解決することができる。また、ウエットエッチング法により内部電流狭窄層のパターニングを行ったので、第１の半導体層及びその下層に結晶欠陥などの加工損傷が生じない。従って、再成長後も活性層の高い発光効率が維持される。【００４０】
本発明に係る第７の態様の窒化物半導体素子は、上記第６の態様の窒化物半導体素子において、上記内部電流狭窄層は、以下の（１）から（３）のいずれかの条件を満たすことを特徴とするものである。
（１）ＩｎＸＧａＹＡｌ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）、
（２）ＩｎＸＡｌ１−ＸＮ（０．０５≦Ｘ≦０．３）、
（３）（Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２）ＺＧａ１−ＺＮ（０．２≦Ｚ≦１）【００４１】
本発明の第７の態様に係る窒化物半導体素子によれば、上記（１）から（３）の条件を満たすことにより、内部電流狭窄層の屈折率を低く抑えることができる。よって、光を活性層に、より効果的に閉じ込めることができる。上記（２）におけるＸの値は、より好ましくは、０．１≦Ｘ≦０．２５であり、さらに好ましくは０．１５≦Ｘ≦０．２である。【００４２】
本発明の第８の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第４の態様の窒化物半導体素子において、上記第２の半導体層、及び該第２の半導体層上に積層される半導体層がパターニングされ、当該パターニングにより開口した部位に埋め込み層を形成することを特徴とする埋め込み型のものである。【００４３】
本発明の第８の態様に係る窒化物半導体素子によれば、屈折率分布と利得分布が一致した特長により低閾値、高出力時の安定横モード、放熱性の向上により、高い信頼性を得ることができる。また、半導体素子の長寿命化を達成することができる。【００４４】
本発明の第９の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第４〜８のいずれかの態様の窒化物半導体素子において、上記第１の半導体層が分離光閉じ込めヘテロ構造層であり、該第１の半導体層の下層に上記活性層を備えていることを特徴とするものである。このように構成することにより、高出力動作を行っても、基本横モードが保たれて、小さいアスペクト比を実現することができる。【００４５】
本発明の第１０の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１〜９のいずれかの態様の窒化物半導体素子において、上記半導体層は、ＧａＮ系の半導体層により形成されていることを特徴とするものである。【００４６】
本発明の第１１の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１〜１０のいずれかの態様の窒化物半導体素子において、上記第２の半導体層の結晶の面方位が（０００−１）、又はＶ族極性であることを特徴とするものである。【００４７】
本発明の第１２の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１〜９のいずれかの態様の窒化物半導体素子において、窒化物フォトニック結晶を備えていることを特徴とするものである。窒化物フォトニック結晶を備えることにより、光の取り出し効率を向上させることができる。【００４８】
本発明の第１３の態様に係る窒化物半導体素子は、ｎ型超格子光反射層を備えていることを特徴とするものである。ｎ型超格子光反射層を備えることにより、基板に放射された光を反射させることができるので、光取り出し効率をさらに高めることができる。【００４９】
本発明の第１４の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１〜１３のいずれかに記載の態様の窒化物半導体素子において、ｐ電極と、該ｐ電極に接続されるｐコンタクト層とを備え、該ｐコンタクト層は、Ｎ極性であり、その層厚が１０[ｎｍ]以上、５０[ｎｍ]以下であることを特徴とするものである。このように構成することにより、ｐ電極と接するｐコンタクト層をＮ極性とすることができるため、低いアニール温度でｐコンタクトを形成することができる。【００５０】
本発明の第１５の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１〜１４のいずれかに記載の態様の窒化物半導体素子において、ｐ電極と、該ｐ電極に接続されるｐコンタクト層とを備え、該ｐコンタクト層は、Ｎ極性であり、該ｐ電極がＰｄを少なくとも含む材料により構成されていることを特徴とするものである。ｐ電極としてＰｄを少なくとも含んでいるので、ｐコンタクト層と反応して合金化しやすい。従って、アニール温度を低くすることができる。【００５１】
本発明の第１６の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１、２又は３の態様の窒化物半導体素子において、上記第１の半導体層は、ゲート電極に接続される電子供給層であり、上記第２の半導体層は、ソース電極、及びドレイン電極にオーミックに接するコンタクト層であることを特徴とするものである。【００５２】
本発明の第１７の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１６の態様の窒化物半導体素子において、上記コンタクト層は、当該コンタクト層の成長方向の面方位が（０００−１）であるＶ族極性のｎ型半導体層であり、上記電子供給層は、当該電子供給層の成長方向の面方位が（０００１）であるＩＩＩ族極性のｎ型半導体層であることを特徴とするものである。【００５３】
本発明の第１８の態様に係る窒化物半導体素子は、上記半導体層として、上記第１の半導体層の下層にチャネル層、スペーサ層の順に積層されている半導体層を含み、該チャネル層は、ＩＩＩ族極性のアンドープのＧａＮ層、該スペーサ層は、アンドープのＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（ただし、０＜Ｘ≦１）、上記電子供給層は、ｎ型のＡｌＸＧａ１−ＸＮ層（ただし、０＜Ｘ≦１）、上記コンタクト層は、Ｖ族極性のｎ型のＡｌＹＧａ１―ＹＮ層（ただし、０≦Ｙ＜Ｘ）、又は、ｎ型のＩｎＺＧａ１−ＺＮ層（ただし、０≦Ｚ≦０．２）であることを特徴とするものである。【００５４】
本発明の第１９の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１８の態様の窒化物半導体素子において、上記スペーサ層は、ＩＩＩ族極性であって、該スペーサ層と上記電子供給層との層厚の和は、１０[ｎｍ]以上、２５[ｎｍ]以下であり、かつ、該電子供給層及び該スペーサ層の組成比Ｘの値が、０．２５以上、０．４５以下であることを特徴とするものである。【００５５】
本発明の第２０の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第１５〜１８のいずれかに記載の態様の窒化物半導体素子において、上記基板が、半導体絶縁性のＳｉＣ基板、又は半導体絶縁性のＧａＮ基板であることを特徴とするものである。このようにすることにより、品質の高い平坦な界面が得られる。その結果、高い電子移動度を得ることができる。【００５６】
本発明の第２１の態様に係る窒化物半導体素子は、基板上に第１の半導体層と、該第１の半導体層の直上に形成される極性反転層と、該極性反転層の直上に形成され、該第１の半導体層とは極性の異なる第２の半導体層とからなる積層体を少なくとも一つ含む複数の半導体層を備える窒化物半導体素子の製造方法であって、該第２の半導体層のパターニング形成におけるウエットエッチング時にエッチング停止層となる該第１の半導体層を形成し、該極性反転層を形成し、該第２の半導体層を形成し、該第２の半導体層をウエットエッチング法によりエッチングし、該第２の半導体層のパターンを形成するものである。【００５７】
本発明の第２１の態様に係る窒化物半導体素子によれば、第２の半導体層のパターニング形成に際して、ウエットエッチング法を用いることが可能である。その理由は、第２の半導体層のウエットエッチングにより第１の半導体層がエッチングされないように第１の積層体と第２の積層体との結晶の成長方向の極性を選択しているためである。このようにすることにより、高精度に制御された半導体素子を製造することができる。その結果、素子の歩留まりを向上させることができる。従って、低コスト化を実現できる。また、ウエットエッチング法を用いることができるので、第１の半導体層及びその下層、並びに第２の半導体層の上層にある層の結晶欠陥や損傷が生じない。従って、出力動作時の信頼性を向上させることができる。さらに、ウエットエッチング法によれば、ドライエッチング法に用いられる高価な装置が不要となるので生産コストを低減することができる。【００５８】
本発明の第２２の態様に係る窒化物半導体素子は、上記第２２の態様の窒化物半導体素子の製造方法において、上記ウエットエッチングは、燐酸と硫酸の混合液を用い、該ウエットエッチングを８０［℃］以上、３００［℃］以下の温度で行うことを特徴とするものである。【００５９】
本発明の第２３の態様に係る窒化物半導体素子の製造方法は、上記第２１又は２２の態様の窒化物半導体素子の製造方法において、上記複数の半導体層は、以下の（１）から（３）の方法により製造されることを特徴とするものである。
（１）有機金属気相成長法
（２）分子線エピタキシ法
（３）Ｖ族極性、又は（０００−１）面の該半導体層を形成するときは、有機金属気相成長法により、ＩＩＩ族極性、又は（０００１）面の該半導体層を形成するときは、分子線エピタキシ法【００６０】
本発明の第２３の態様に係る窒化物半導体素子の上記（１）の製造方法によれば、素子加工工程で安定な素子歩留まりを得ることができ、素子コストを低減することができる。また、上記（２）の製造方法によれば、反射高エネルギー電子線回折により成長表面を観察しながら、原料やドーパント供給の切り替えを急峻に行うことができるため、極性反転の制御が行いやすい。また、成長温度と窒素圧の最適化が行いやすい。さらに、ＮＨ３やＨ２を用いないので、結晶中に水素が取り込まれない。このため、Ｍｇドーパントの水素不活性化を防止できる。また、急峻な制御が可能なので、素子の特性と信頼性向上に有利である。
【発明の効果】
【００６１】
本発明に係る窒化物半導体素子においては、以下のような窒化物半導体素子、及びその製造方法を提供することができるという優れた効果がある。すなわち、（１）出力動作時の信頼性を高め、低コスト化が可能な半導体素子等を提供することができる。また、（２）出力動作時の信頼性を高め、低コスト化が可能であって、高い発光効率の活性層を得ることができる半導体素子等を提供することができる。さらに、（３）出力動作時の信頼性を高め、低コスト化が可能であって、光取り出し効率の高い半導体素子等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施形態１に係る窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図２】実施形態２に係る窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図３】実施形態３に係る窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図４】実施形態４に係る窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図５】実施形態５に係る窒化物半導体レ−ザの断面図。
【図６】実施形態６に係る窒化物半導体発光素子の断面図。
【図７】実施形態６に係る窒化物半導体発光素子の上面図。
【図８】実施形態７に係る窒化物半導体発光素子の断面図。
【図９】実施形態８に係る窒化物半導体の高電子移動度トランジスタの断面図。
【図１０】実施形態９に係る窒化物半導体の高電子移動度トランジスタの断面図。
【図１１】実施形態６に係る窒化物半導体発光素子の作用の説明図。
【図１２】実施形態７の紫外光ＬＥＤの発光スペクトル。
【図１３】ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ系混晶におけるバンドギャップとａ軸長の関係を示す図。
【図１４】実施形態１に係る半導体レーザの特性を示す図。
【図１５】第１の従来例に係る窒化物半導体レーザの断面図。
【図１６】第４の従来例に係る窒化物半導体電界効果トランジスタの断面図。
【符号の説明】
【００６３】
１００、２００、３００、４００  窒化物半導体レーザ
１０１、３０１  基板
１０４  第１のＳＣＨ層
１０５、３０７、６０５、７０５  活性層
１０６  第２のＳＣＨ層
１０８、２０９、３０３、５０８、６０９、７０９  極性反転層
１１１、４１１、６１１  コンタクト層
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２  ｐ電極
１１３  電流狭窄マスク
１１４  ｎ電極
１５０、２５０、３５０、４５０、５５０、６５０  積層体
４０９  電流狭窄層
６１４  フォトニック結晶
７０３  超格子光反射層
７１４  フォトニック結晶
８０１  核形成層
８０２  チャネル層
８０３  スペーサ層
８０４  電子供給層
８０５  極性半転層
８０６  コンタクト層
８０７  ドレイン電極
８０８  ソース電極
８０９  ゲート電極
８０９  リセスゲート電極
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、本発明を窒化物半導体レーザ等に適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
［実施形態１］【００６５】
図１は、実施形態１に係る窒化物半導体レーザ１００の断面図である。基板としては、厚さ１１０［μｍ］のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。このｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１上には、図１に示すように、以下の層が積層されている。すなわち、バッファ層１０２、第１のクラッド層１０３、第１の分離光閉じ込めヘテロ構造（以下、「ＳＣＨ」（Separete confinement Getero-structure）と略記する）層１０４、３層からなる量子井戸の活性層１０５、電流オ−バ−フロ−防止（以下、「ＯＦＰ」と略記する）層１０６、第２のＳＣＨ層１０７、極性反転層１０８、第３のＳＣＨ層１０９、第２のクラッド層１１０、コンタクト層１１１が、この順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体１５０という）。なお、ＳＣＨ層とは、光を活性層に強く閉じ込めるための層をいう。本実施形態１においては、第１の半導体層は第２のＳＣＨ層１０７であり、第２の半導体層は第３のＳＣＨ層１０９である。【００６６】
本実施形態１に係るバッファ層１０２は、層厚０．３［μｍ］のｎ−ＧａＮにより構成される。また、第１のクラッド層１０３は、層厚１．５［μｍ］のｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎにより構成される。第１のＳＣＨ層は、層厚１００［ｎｍ］のｎ−ＧａＮ層、３層からなる量子井戸の活性層１０５は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（２．５［ｎｍ］）／ＧａＮ（１０［ｎｍ］）により構成される。さらに、ＯＦＰ層は、８［ｎｍ］厚のｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、第２のＳＣＨ層１０７層は、層厚１００［ｎｍ］のｐ−ＧａＮから構成される。上記ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１から第２のＳＣＨ層１０７までの極性は、上述したＧａ極性１２０となるように構成されている。なお、上述したとおりＧａ極性とは、成長時の表面がＧａ面であったＧａＮ結晶のことをいい、Ｎ極性とは、成長時の表面がＮ面であったＧａＮ結晶のことをいう。【００６７】
極性反転層１０８は、Ｍｇ単原子層により構成されている。また、第３のＳＣＨ層１０９は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより、第２のクラッド層１１０は、層厚０．６［μｍ］のリッジ型ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎにより、コンタクト層１１１は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより構成されている。第３のＳＣＨ層１０９からコンタクト層１１１までの極性は、Ｎ極性１２１となるように形成されている。【００６８】
リッジメサ幅は、１．５［μｍ］〜２．２［μｍ］の範囲にすることが好ましい。当該範囲にすれば、単一横モードの光分布が得られるからである。本実施形態１においては、リッジメサ幅を１．８［μｍ］とした。【００６９】
上記積層体１５０の上面には、電流狭窄マスク１１３、Ｐ電極１１２が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１上の上記積層体１５０が形成されている面（以下、「主面」という）に対して裏側の面（以下、単に「裏面」という）には、Ｎ電極１１４が形成されている。Ｐ電極１１２は、１０［ｎｍ］のＮｉと１０［ｎｍ］のＡｕにより形成されており、Ｎ電極１１４は、Ｔｉ／Ａｌにより形成されている。本実施形態１における半導体レーザ素子の発振波長は４０５［ｎｍ］であった。【００７０】
次に、上記窒化物半導体レーザ１００の製造方法について説明する。本実施形態１においては、上記積層体は、有機金属気相成長法（以下、「ＭＯＶＰＥ法」と略記する）により形成した。
Ｇａ，Ａｌ、Ｉｎ原料として、それぞれトリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略記する）、トリメチルアルミニウム（以下、「Ｔ［ＭＡ］」と略記する）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と略記する）を、Ｎ原料としては、アンモニア（ＮＨ３）を用いた。また、ｎ型ド−パントにはシラン（ＳｉＨ４）ｐ型ド−パントには、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ２Ｍｇ」という）を用いた。
キャリアガスには、活性層１０５の形成には窒素を、活性層１０５以外の相の形成には水素と窒素の混合ガスを用いた。ｐド−パントには、Ｍｇ（マグネシウム）を用いた。ｎド−パントには、Ｓｉ（シリコン）を用いたが、Ｏ（酸素）を用いてもよい。Ｍｇの原子濃度はｐ−ＧａＮからなるコンタクト層１１１には１×１０２０［ｃｍ−３］、それ以外は２×１０１９［ｃｍ−３］、Ｓｉの原子濃度はすべて２×１０１８［ｃｍ−３］とした。【００７１】
ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１を成長装置に投入後、ＮＨ３を供給しながら基板を昇温し、成長温度まで到達した時点で成長を開始した。
ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１上に、層厚０．３［μｍ］のバッファ層１０２、層厚１．５［μｍ］の第１のクラッド層１０３、層厚１００［ｎｍ］の第１のＳＣＨ層１０４、３層からなる量子井戸の活性層１０５、８［ｎｍ］厚のＯＦＰ層１０６、Ｇａ極性の第２のＳＣＨ層１０７をこの順に積層した。【００７２】
極性反転層１０８たるＭｇ単原子層は、Ｇａ極性の第２のＳＣＨ層１０７を形成した後、基板温度を８５０［℃］に下げ、ＴＭＧの供給を停止して少量のＮＨ３と、上記キャリアガスと、１０［ｓｃｃｍ］のＣｐ２Ｍｇを流すことにより積層した。
続いて、４５０［μｍ］厚、４０［ｍｍ］径のＧａＮ基板のＧａ極性面（０００１）上にＴＭＧを少量供給して、数分子層のＮ極性のｐ−ＧａＮを形成した後、基板温度を１０００［℃］に上げて、Ｎ極性の第３のＳＣＨ層１０９、Ｎ極性の第２のクラッド層１１０、コンタクト層（Ｎ極性）１１１を積層した。
なお、バッファ−層１０２の形成を６００［℃］、第１のクラッド層１０３及び第２のクラッド層１１０の形成を１０５０［℃］、活性層１０５の形成を８００［℃］の条件化にて行った。【００７３】
以上のようにして窒化物半導体を成長させた基板を成長装置から取り出し、所定のマスクを用いてコンタクト層１１１の表面に熱ＣＶＤ（化学気相堆積）でＳｉＯ２からなる保護膜を形成した。そして、基板のオリフラに平行となるようにレジスト露光技術を用いて層厚３００［ｎｍ］、幅３［μｍ］のストライプ形状を形成した。【００７４】
得られたウエハーを２００［℃］の燐酸硝酸（２：１）の混合溶液中に３０［ｓ］間浸漬することにより、ウエットエッチングを行ってメサストライプ構造を得た。エッチング溶液は、十分加熱し、内部の水分を蒸発除去したものを使用した。第２のクラッド層１１０のエッチングレ−トは１．８［μｍ／ｍｉｎ］であった。エッチング後の表面は平坦であり、第２のＳＣＨ層１０７の表面が露出していた。追加エッチングを行ってもメサ形状が変化しないことから、第２のＳＣＨ層１０７がエッチング停止層の役割を果たしていることが分かった。【００７５】
なお、メサ幅１．８［μｍ］の場合、活性層の第３番目の井戸層からエッチング表面までの距離ｈは１００［ｎｍ］以上であることが好ましい。１００［ｎｍ］より小さくなると、電流電圧特性が線形関係にならなかったためである。これは水平方向の屈折率差△ｎが大きくなり、高次モ−ドが許容されたためである。本実施形態１においては、上記距離ｈは、１１８［ｎｍ］とした。【００７６】
続いて、メサ側壁を絶縁層で覆うため、まず積層体１５０上面に層厚３００［ｎｍ］のＺｒＯ２層をスパッタリング法で形成した。その後、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）に７０［ｓ］浸して、リッジ上のＳｉＯ２マスクパタ−ンをリフトオフし、ｐ−ＧａＮコンタクト層（Ｎ極性）１１１の表面を露出させた。一方、ＺｒＯ２層は、エッチング速度が小さいためメサストライプの側壁を覆った状態で残っていた。得られたメサ幅は２［μｍ］であった。Ｎｉ／Ａｕのｐコンタクト電極を蒸着した後、酸素を含む窒素ガス環境で６００［℃］、３０［ｓ］間の高速熱アニ−ルを行って、オーミック接触を形成した。得られたウエハの裏面を研磨して１１０［μｍ］厚のウエハを得た。次いで、ｎ電極を形成して４００［℃］、５［ｍｉｎ］間のアロイをしてｎ側のオーミック接触を形成した。最後にｐ側に３００［ｎｍ］厚の金を蒸着した。【００７７】
上記工程を経たウエハは、ストライプ方向に対して垂直に劈開を行い、ＬＤ共振器面（１−１００）を得た。共振器端面にはＡＲ／ＨＲの反射コ−ティング膜をつけた。最後に得られたＬＤチップはｐ側を上にして、ＡｌＮのヒ−トシンクに融着して組み立てた。【００７８】
なお、本実施形態１においては、メサストライプの側壁をＺｒＯ２層で覆った構造を用いたが、これに代えてＳｉＯ２層を用いることもできる。その場合は、ストライプメサを形成した後に、積層体１５０上面にＳｉＯ２層を形成し、レジストをさらにその表面につけ、ドライエッチングでレジストを除去してストライプメサ部のＳｉＯ２層を露出させ、ＢＨＦでストライプメサ部のＳｉＯ２層を除去して、レジストを除去し、電極を蒸着する。
また、本実施形態１においては、ｐ型クラッド層にｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層を用いたが、これに代えてｐ−［ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２．５［ｎｍ］）］の超格子クラッド層（Ｎ極性）を用いることもできる。【００７９】
従来、ＧａＮ系半導体レ−ザでは、ｐ−ＡｌＧａＮにより構成されるクラッド層と、これと接するｐ−ＧａＮから構成されるＳＣＨ層とはいずれもＧａ極性であった。このため、ホ−ルが上記クラッド層からこれと接する上記ＳＣＨ層を経過するときに、障害となるエネルギ障壁を形成していた。これは、ｐ−ＡｌＧａＮにより構成されるクラッド層が引っ張り歪を受けるために結晶のＣ軸方向に大きなピエゾ電界が生じ、その界面に正のピエゾ電荷が発生してホ−ルの注入障壁となるためである。【００８０】
本実施形態１では、第２のクラッド層と接するＳＣＨ層をＭｇ単原子層を介して第２のＳＣＨ層と第３のＳＣＨ層に分け、極性反転をさせているため、第２のクラッド層１１０と接するＳＣＨ層（第３のＳＣＨ層１０９）とは、ともにＮ極性となる。従って、ホールのエネルギ障壁を形成しない。【００８１】
図１４は、本実施形態１にかかる半導体レーザの電流−電圧特性と電流−光出力特性を示したものである。発振時の動作電圧は４．５［Ｖ］であり、従来のものに較べて２．５［Ｖ］以上低下した。発振波長に相当するバンドギャップは３．１［ｅＶ］である。すなわち、キャリア注入には、３．１［Ｖ］の電圧が必要である。ｐ電極のコンタクト抵抗とｐ層の抵抗と発振時の電流密度から見積もられる動作電圧上昇分は約１．４［Ｖ］であり、それによって４．５［Ｖ］の動作電圧が実現している。本実施形態１の構造により、ホールのエネルギ障壁による動作電圧上昇は解消された。【００８２】
本実施形態１によれば、極性反転層１０８を設けることにより、ＳＣＨ層の極性を、この極性反転層を介して反転させることができる。具体的には、Ｇａ極性の第２のＳＣＨ層１０７上にＭｇ単原子層たる極性反転層１０８を積層せしめることにより、第３のＳＣＨ層１０９をＮ極性、第２のＳＣＨ層１０７をＧａ極性とすることができる。第３のＳＣＨ層１０９は、Ｎ極性なのでウエットエッチングにより良好にエッチングされる。一方、第２のＳＣＨ層１０７は、Ｇａ極性なのでエッチング停止層の役割を果たす。従って、極性反転層１０８を用いてＳＣＨ層の極性を反転させることにより、第３のＳＣＨ層１０９をウエットエッチング法により制度よくエッチングしつつ、第２のＳＣＨ層１０７をエッチング停止層とすることができる。【００８３】
本実施形態１によれば、第２のＳＣＨ層１０７がエッチング停止層の役目を果たしているので、ウエットエッチングにより第２のＳＣＨ層、及びその下層に結晶欠陥が生じなかった。従って、再成長時に欠陥の拡散が起こらず、活性層への損傷がなかった。また、メサストライプを形成するに際して、メサ脇の１００［ｎｍ］の第３のＳＣＨ層１０９を±２［ｎｍ］の高精度に制御することができた。その結果、設計どおりの構造を得ることができた。その結果、ドライエッチング法に比して、優れた信頼性を有する窒化物半導体素子を提供することができた。【００８４】
また、本実施形態１によれば、ｐ電極１１２をＮ面（Ｎ極性表面）に形成することができるため、低いアニ−ル温度でｐコンタクトを形成することができる。これは、Ｎ極性のＰ−ＧａＮ表面は化学的に活性なため、Ｎ極性のｐ−ＧａＮからなるコンタクト層１１１上に形成されたｐ電極は、加熱により合金化しやすいためである。すなわち、Ｎ極性のＰ−ＧａＮ表面のＮ原子に結合しているＧａ原子は、表面側に３本の結合手を持っており、表面から来るｐ電極の金属と反応しやすい。特に、ｐ電極として、仕事関数が大きく、ＧａＮと反応性の高い金属を用いるとアニ−ル温度を低くできる。【００８５】
さらに、以下のような効果を得ることもできた。
第１に、２００［ｍＷ］の高出力動作を行っても、基本横モードが保たれ、２．０の小さいアスペクト比が実現できるという利点が得られた。
第２に、ピエゾに起因する第２のＳＣＨ層１０９と第２のクラッド層１１０のホ−ル障壁をなくし、２５［℃］、３０［ｍＷ］動作時の電圧を４．８［Ｖ］に低減させることができた。
第３に、電圧の低減により、７０［℃］、７０［ｍＷ］で２０００時間以上の直流電流動作を実現し、信頼性を大きく向上させることができた。
第４に、素子加工工程で、９０［％］以上の安定な素子歩留まりが実現でき、素子コストが低下した。
第５に、ドライエッチング装置などの高価な装置が不必要なため、素子の生産コストを低く抑えることができた。【００８６】
なお、本実施形態１のレーザ素子の発振波長は、ＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成を増加させ、活性層１０５にＳｉを１×１０１８［ｃｍ−３］の濃度でド−ピングし、量子井戸幅を３［ｎｍ］に大きくすることで４８７［ｎｍ］まで、発光効率の顕著な低下なしに、変化させることができた。本実施形態１においては、緑青色の発光である４８０［ｎｍ］帯のＬＤも得ることができた。【００８７】
［変形例１］
次に、上記実施形態１に係る窒化物半導体レーザの製造方法とは異なる例について説明する。【００８８】
本変形例１は、基本的な構成は上記実施形態１と同様であるが、以下の点が異なっている。すなわち、上記実施形態１においては、ＭＯＶＰＥ法により積層体１５０を形成したが、本変形例１においては、結晶成長を分子線エピタキシ法（以下、「ＭＢＥ法」と略記する）とＭＯＶＰＥ法とを組み合わせることにより製造している点が異なる。より具体的には、Ｇａ極性の半導体層を結晶成長をＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法を用いて行い、Ｎ極性の半導体層を結晶成長をＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いて行った。また、上記実施形態１においては、極性反転層１０８として、Ｍｇ単原子層たる極性反転層１０８を用いているのに対し、本変形例１においては、０．１［％］のＭｇを含むＧａの２原子層を用いている点が異なる。このようにしたのは、ＭＢＥ法においては、Ｍｇ単原子層よりＡｌ又はＧａの２原子層を用いたほうが高品質の極性反転結晶が得られたためである。【００８９】
本変形例１においては、ＧａＮ（０００１）基板１００上に第２のＳＣＨ層１０７までを上記実施形態１と同様にしてＭＯＶＰＥ法により積層した。その後、０．１［％］のＭｇを含むＧａの２原子層からなる極性反転層１０８を積層した。極性反転層１０８を形成後、上記実施形態１において説明した極性反転層１０８からコンタクト層１１１までをＭＢＥ法により積層した。【００９０】
ＭＢＥ法におけるＧａとＡｌとＭｇソースは、金属原料を用いた。Ｇａセル温度は、９７０［℃］、Ａｌセル温度は、１１００［℃］に設定した。また、Ｎ源には、１３．５６［ＭＨｚ］の高周波でプラズマ状態にした活性窒素を用いた。窒素流量を１．５［ｓｃｃｍ］、高周波プラズマを３５０［Ｗ］に設定し、活性窒素を供給しながら基板温度を上げた。この時のＮフラックス強度は５×１０−５［ｔｏｒｒ］であった。基板温度７８０［℃］〜８００［℃］で酸化膜を蒸発させ、反射高エネルギ電子線回折（以下、「ＲＨＥＥＤ」という）により成長表面を観察し、（１×１）の表面再構成パタ−ンを確認した。その後、Ｇａを少量供給し、７００［℃］に温度を下げ、（５×５）のＧａ面を確認した。【００９１】
さらに、０．１［％］のＭｇを含むＧａを１原子層供給し（１×１）に変化させた後、ＧａとＮとＭｇを同時に供給してＮ極性のｐ−ＧａＮ層１０９の成長を開始し、直ちに８００［℃］に温度を上げた。そのときのＮフラックス強度は８×１０−５［ｔｏｒｒ］であった。（１×１）の状態で、ｐクラッドとｐコンタクト層の成長を行った。ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長は８７０［℃］で行った。成長終了後に基板温度を３００［℃］に下げてＮ供給を止めると、（３×３）のＮ面が得られることを確認した。ｐクラッド層のｐ濃度は６×１０１７［ｃｍ−３］、ｐクラッド層の比抵抗は０．８［Ωｃｍ］、ｐコンタクト抵抗率は４×１０−５［Ωｃｍ２］であった。【００９２】
本変形例１によれば、ＭＢＥ法を用いているので、ＲＨＥＥＤにより成長表面を観察しながらシャッタで原料やドーパント供給の切り替えが急峻にできる。このため、極性反転の制御が行いやすく、高品質のＮ極性のＧａＮ結晶が得られる。また、成長温度と窒素圧の最適化がしやすい。さらにＮＨ３やＨ２を用いないので、結晶中に水素が取り込まれない。このため、Ｍｇド−パントの水素不活性化を防止できる。
また、本変形例１によれば、ＭＢＥ法を用いているので第２のクラッド層１１０の短周期の超格子構造が正確にできる利点を有する。ＭＢＥ法では活性層近傍のＭｇ分布がＭＯＶＰＥ法より急峻に制御できるため、素子の特性と信頼性向上にも有利である。【００９３】
［変形例２］
次に、上記実施形態１及び上記変形例１に係る窒化物半導体レーザの製造方法とは異なる変形例２について説明する。
本変形例２は、基本的な構成は上記実施形態１と同様であるが、以下の点が異なっている。すなわち、上記実施形態１においては、すべての半導体層をＭＯＶＰＥ法により積層体を形成したのに対し、本変形例１においては、すべての半導体層をＭＢＥ法により製造している点が異なる。【００９４】
本変形例２においては、まず、フラックス強度５×１０−５［ｔｏｒｒ］の活性窒素を供給しながらＧａＮ（０００１）基板１００の温度を７８０［℃］〜８００［℃］まで上げて酸化膜を蒸発させた。そして、（１×１）の表面再構成に対応するＲＨＥＥＤパタ−ンを確認した後、バッファ層１０２を構成するｎ−ＧａＮの成長を始めた。バッファ層１０２や第１のＳＣＨ層を構成するｎ−ＧａＮ、あるいは、第１のクラッド層を構成するｎ−ＡｌＧａＮのｎド−パントにはＳｉを用いた。ＲＨＥＥＤパタ−ンのストリ−クが安定した後、第１のクラッド層１０３を構成するｎ−ＡｌＧａＮを８７０［℃］で成長させた。活性層１０５を構成するＩｎＧａＮ層の成長では、Ｉｎセル温度を７４０［℃］、基板温度を７００［℃］に設定して。Ｎの条件は同じでよい。
その後の積層体の形成法は、上記変形例１の製造方法と同じである。【００９５】
本変形例２によれば、積層体の形成にＭＢＥ法を採用することにより、ＩｎＧａＮ活性層の成長レ−トが低下しない。これは、ＭＢＥ法では水素が取り込まれることがないので、水素によるＩｎの取り込み阻害の問題が発生しないからである。従って、ＭＢＥ法を用いることにより、Ｉｎ組成の高い結晶でも、Ｉｎ組成揺らぎの小さい高品質な結晶が得られる。
［実施形態２］【００９６】
次に、上記実施形態１の窒化物半導体レーザ１００とは異なる例について説明する。図２は、実施形態２に係る窒化物半導体レーザ２００の断面図である。なお、以降の説明において、説明の便宜上、層厚、組成、機能が同一の層構造の場合には、前述した符号と同一のものを使用し、その説明を省略する。【００９７】
基板としては、厚さ１１０［μｍ］のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。このｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１上には、図２に示すように、以下の層が積層されている。すなわち、バッファ層１０２、第１のクラッド層１０３、第１のＳＣＨ層１０４、３層からなる量子井戸の活性層１０５、ＯＦＰ層１０６、第２のＳＣＨ層２０７、第１の超格子クラッド層２０８、極性反転層２０９、第２の超格子クラッド層２１０、コンタクト層１１１が、この順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体２５０という）。なお、本実施形態２に係る第１の半導体層は第１の超格子クラッド層２０８であり、第２の半導体層は第２の超格子クラッド層２１０である。【００９８】
本実施形態２に係る第２のＳＣＨ層２０７は、層厚８０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮ（ＳＣＨ）層により構成される。また、第１の超格子クラッド層２０８は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−［ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２．５［ｎｍ］）×４］により構成される。上記ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１から第１の超格子クラッド層２０８までの極性は、上述したＧａ極性２２０となるように構成されている。【００９９】
極性反転層２０９は、Ｍｇ濃度３×１０２０［ｃｍ−３］で高濃度ドーピングされた層厚２［ｎｍ］のＭｇ＋：ＧａＮ層より構成され、第２の超格子クラッド層２１０は、層厚０．６［μｍ］のリッジ型ｐ−［ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２．５［ｎｍ］）×１２０］により構成される。第２の超格子クラッド層２１０からコンタクト層１１１までの極性は、Ｎ極性２２１となるように構成されている。【０１００】
上記積層体２５０の上面には、電流狭窄マスク１１３、Ｐ電極２１２が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１の裏面には、Ｎ電極１１４が形成されている。Ｐ電極２１２は、２０［ｎｍ］のＰｄと２０［ｎｍ］のＰｔにより形成されている。そして、窒素ガス環境で４００［℃］、１０［ｍｉｎ］間のアニ−ルを行って、オーミック接触を形成した。【０１０１】
本実施形態２においては、以下の点において上記実施形態１と異なる。すなわち、上記実施形態１においては、極性反転界面がｐ−ＧａＮから構成されるＳＣＨ層内部（第２のＳＣＨ層１０７上に形成された極性反転層１０８の表面）にあったが、本実施形態２では、極性反転界面が超格子クラッド層内部（第１の超格子クラッド層２０８上に形成された極性反転層２０９の表面）にある点が異なる。
また、上記実施形態１においては、極性反転層１０８として、Ｍｇ単原子層を用いたが、本実施形態２においては、極性反転層２０９として層厚２［ｎｍ］のＭｇ＋：ＧａＮ層を用いている点が異なる。
また、上記実施形態１においては、第２のクラッド層としてｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎを用いたが、本実施形態２では上述の超格子クラッド層を用いた。超格子クラッド層の平均Ａｌ濃度は０．０７であり、上記実施形態１と同じである。【０１０２】
本実施形態２によれば、極性反転層２０９を設けることにより、超格子クラッド層の極性を、この極性反転層を介して反転できる。具体的には、Ｇａ極性の第１の超格子クラッド層２０８上に極性反転層２０９を介することにより、Ｎ極性の第２の超格子クラッド層２１０を積層せしめることができる。第２の超格子クラッド層２１０は、Ｎ極性なのでウエットエッチングにより良好にエッチングされる。一方、第１の超格子クラッド層２０８は、Ｇａ極性なのでエッチング停止層として機能する。従って、極性反転層２０９を用いて超格子クラッド層の極性を反転させることにより、第１の超格子クラッド層をエッチング停止層とすることができた。【０１０３】
また、本実施形態２によれば、第１の超格子クラッド層２０８がエッチング停止層の役目を果たしているので、結晶欠陥が発生しなかった。そのため、再成長時に欠陥が拡散することもなく活性層１０５への損傷がなかった。また、メサストライプを形成するに際して、メサ脇を高精度に制御された半導体素子を得ることができた。その結果、設計どおりの構造を得ることができた。
また、本実施形態２によれば、超格子クラッド層のｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２．５［ｎｍ］）から発生したホールキャリアがｐ−ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）に溜まる構造により、ｐクラッドの実効的なキャリア濃度を１×１０１８［ｃｍ−３］程度に高めることができる。このため、素子抵抗が小さくなる利点がある。【０１０４】
また、本実施形態２によれば、ｐ電極２１２をＮ面（Ｎ極性表面）に接することができるため、上記実施形態１と同様に低いアニ−ル温度でｐコンタクトを形成することができる。とりわけ本実施形態２においては、層電極２１２の構成元素としてＰｄを含んでいるため、コンタクト表面が清浄であれば、Ｎ面に１０−３［Ωｃｍ２］台のコンタクト抵抗を有するｐ型電極が形成できる。これは、接触界面にＰｄＧａなどの合金が形成されるためである。さらに、４００［℃］以下のアニ−ルによりコンタクト抵抗は、１０−５［Ωｃｍ２］台〜１０−４［Ωｃｍ２］台に低減できる。【０１０５】
［実施形態３］
次に、上記実施形態１及び２の窒化物半導体レーザとは異なる例について説明する。図３は、実施形態３に係る窒化物半導体レ−ザ素子３００の断面図である。【０１０６】
基板としては、転位密度が１×１０６［ｃｍ−２］で層厚１１０［μｍ］のｎ−ＧａＮ（０００１）基板３０１を用いた。基板の転位密度は、５×１０６［ｃｍ−２］以下のものを用いることが好ましい。転位密度を５×１０６［ｃｍ−２］以下のものを用いることにより、平均転位間隔が５［μｍ］以上の転位の影響を強く受けないため、平坦な成長面を得ることができるためである。【０１０７】
このｎ−ＧａＮ（０００１）基板３０１上には、図３に示すように、以下の層が積層されている。すなわち、第１のバッファ層３０２、極性反転層３０３、第２のバッファ層３０４、第１のクラッド層３０５、第１のＳＣＨ層３０６、活性層３０７、ＯＦＰ層３０８、第２のＳＣＨ層３０９、超格子クラッド層３１０、コンタクト層１１１が、この順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体３５０という）。なお、本実施形態３における第１の半導体層は第１のバッファ層３０２であり、第２の半導体層は第２のバッファ層３０４である。【０１０８】
本実施形態３に係る第１のバッファ層３０２は、層厚０．２［μｍ］のｎ−ＧａＮにより構成される。また、極性反転層３０３は、Ｍｇ単原子層により構成される。上記ｎ−ＧａＮ（０００１）基板３０１から第１のバッファ層３０２までの極性は、Ｇａ極性３２０となるように構成されている。【０１０９】
第２のバッファ層３０４は、層厚０．１［μｍ］のｎ−ＧａＮにより構成され、第１のクラッド層３０５は、層厚１．５［μｍ］のｎ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎにより構成されている。そして、第１のＳＣＨ層３０６はｎ−ＧａＮ、活性層３０７は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ（２．５［ｎｍ］）／ＧａＮ（１０［ｎｍ］）の３層のＩｎＧａＮ−３ＱＷ活性層から構成され、ＯＦＰ層３０８は、ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎより、第２のＳＣＨ層は層厚１００［ｎｍ］のｐ−ＧａＮより構成される。さらに、超格子クラッド層３１０は、層厚０．６［μｍ］のｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ／ＧａＮより、コンタクト層１１１は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−Ｇａより構成されている。第２のバッファ層３０４から、コンタクト層１１１までの極性は、Ｎ極性３２１となるように構成されている。【０１１０】
上記積層体３５０の上面には、埋め込み層３１３、及びＰ電極２１２が形成されている。また、ｎ−ＧａＮ（０００１）基板３０１の裏面には、Ｎ電極１１４が形成されている。【０１１１】
埋め込み層３１３は、以下の方法により形成した。まず、エピウエハ上に厚さ３００［ｎｍ］のストライプ状のＳｉＯ２マスクを形成し、上記実施形態１と同じ方法でウエットエッチングを行う。その後、第１のバッファ層３０２上に、アンドープｉ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８０Ｉｎ０．０５Ｎ埋め込み層３１３を選択領域成長させ、リッジメサを埋め込んだ。リッジ幅は１．６［μｍ］である。【０１１２】
埋め込み層３１３は、高抵抗なため電流狭窄の働きをする。また、埋め込み層３１３は、屈折率が活性層より小さいため、横方向に光を閉じ込める働きがある。
本実施形態３に係る埋め込み層３１３は、構成元素としてＩｎを含むため成長温度を８００［℃］以下に低くできる。本実施形態３においては、埋め込み層３１３の成長温度を７８０［℃］とした。活性層３０７の成長温度８００［℃］より低く設定することにより、活性層３０７の劣化を防ぐことができる。【０１１３】
本実施形態３によれば、極性反転層３０３を設けることにより、バッファ層の極性を、この極性反転層を介して反転できる。具体的には、Ｇａ極性の第１のバッファ層３０２上にＭｇ単原子層たる極性反転層３０３を介することにより、Ｎ極性の第２のバッファ層３０４を積層せしめることができる。第２のバッファ層３０４及び、この第２のバッファ層３０４上に積層される第１のクラッド層３０５からコンタクト層１１１までの層は、Ｎ極性なのでウエットエッチングにより良好にエッチングされる。一方、第１のバッファ層３０２は、Ｇａ極性なのでウエットエッチングによりエッチングされない。従って、極性反転層３０３を用いてバッファ層の極性を反転させることにより、第１のバッファ層をエッチング停止層とすることができた。その結果、高精度に制御された半導体素子を得ることができた。【０１１４】
本実施形態３によれば、埋め込み層３１３を活性層の成長温度程度かそれ以下の成長温度で、低屈折率半導体を用いて埋め込み再成長をすることができた。その結果、活性層の品質を劣化させることなく埋め込み構造が得ることができた。
また、本実施形態３に係る埋め込み型の窒化物半導体レーザによれば、屈折率分布と利得分布が一致した特徴により、低閾値、高出力時の安定横モード、放熱性の向上により、高信頼性を得ることができた。また、長寿命化が実現できた。
さらに、基板３０１の転位密度が低いので、Ｎ極性の活性層は平坦な界面を有し、その発光効率もＧａ極性のものと同等レベルのものを得ることができた。【０１１５】
［実施形態４］
次に、上記実施形態１〜３とは異なる窒化物半導体レーザの実施形態について説明する。
図４は、本実施形態４に係る窒化物半導体レーザの断面図である。
基板としては、層厚１１０［μｍ］のｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。このｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１上には、図４に示すように、以下の層が積層されている。すなわち、バッファ層１０２、第１のクラッド層１０３、第１のＳＣＨ層１０４、３層からなる量子井戸の活性層１０５、ＯＦＰ層１０６、第２のＳＣＨ層１０７、極性反転層１０８、電流狭窄層４０９、超格子クラッド層４１０、コンタクト層１１１が、この順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体４５０という）。なお、本実施形態における第１の半導体層は第２のＳＣＨ層１０７であり、第２の半導体層は電流狭窄層４０９である。【０１１６】
本実施形態４に係る窒化物半導体レーザは、内部電流狭窄型のものである。電流狭窄層４０９は、層厚８０［ｎｍ］のｎ−Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２Ｎから構成される。また、超格子クラッド層４１０は、層厚０．５［μｍ］のｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ（２．５［ｎｍ］）／ｐ−ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）を１００周期形成したものから構成される。ドーピング条件は、上記実施形態１と同じである。本実施形態４においては、電流狭窄層４０９のみがＮ極性（結晶の面方位が（０００−１）面）の結晶であり、他の積層体４５０は、Ｇａ極性の結晶である。電流狭窄層４０９は、ｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎと格子整合しており、２×１０１８［ｃｍ−３］の濃度でＳｉドープされている。【０１１７】
次に、本実施形態４の窒化物半導体レーザの製造方法について述べる。
電流狭窄層４０９まで成長した後、電流狭窄層４０９表面にＳｉＯ２の絶縁膜で覆い、バッファ−ドフッ酸（ＢＨＦ）でストライプ形状の開口幅１．４［μｍ］のＳｉＯ２ストライプマスクを形成した。そして、１５０［℃］の燐酸硫酸（２：１）の混合溶液中に１０秒間浸漬した。その後、ストライプ形状の開口部表面の下のＮ極性の電流狭窄層４０９がウエットエッチングにより除去された。電流狭窄層４０９のエッチングレ−トは１．０［μｍ／ｍｉｎ］であった。エッチング後の表面は平坦であり、第２のＳＣＨ層１０７の表面が露出した。横方向のエッチングにより、電流狭窄層の開口幅は１．４［μｍ］より大きくなった。バッファードフッ酸（ＢＨＦ）で絶縁膜（ＳｉＯ２）を除去し、開口幅１．７［μｍ］の電流狭窄層４０９を得た。そして、この電流狭窄層４０９をマスクにして、第２のＳＣＨ層上に超格子クラッド層４１０を再成長させた。【０１１８】
電流狭窄層４０９を構成するｎ型ＩｎＡｌＮ層に含まれるＳｉの濃度は、ド−ピングレベルであり、ＳｉＯ２マスクに含まれるＳｉの濃度より５桁以上低い濃度である。そのため、高温でｐ−ＡｌＧａＮクラッド層を成長させても、再成長界面のＳｉ汚染の影響は小さく、殆ど動作電圧に影響しない。マスク厚が１００［ｎｍ］以下であれば埋め込み後の表面はほぼ平坦になる。【０１１９】
本実施形態４においては、電流狭窄層４０９を埋め込んだ後の素子表面は平坦であった。素子分離のときは、ストライプが見えにくいので、間隔３００［μｍ］ピッチであらかじめケガキ装置でストライプに平行にケガキ線を入れてチップを分離した。得られた素子はＰ電極側を下にしてヒ−トシンクに融着した。【０１２０】
このようにして製造された半導体レーザ４００は、共振器長６５０［μｍ］で、閾値電流値４０［ｍＡ］、良好なアスペクト比１．９を得ることができた。４０［ｍＡ］における動作電圧は４．５［Ｖ］であった。これはＰｄ／ＰｔのＰ電極２１２がｐコンタクト層４１１全面に形成されて、コンタクト抵抗が低減した効果と、ｐ型超格子クラッド層（Ｇａ極性）４１０によりホ−ル障壁が低減した効果によるものと考えている。
本実施形態４においては、活性層１０５とヒ−トシンクとの間にＳｉＯ２などの熱伝導率が低い層がないので、素子の放熱特性が優れる。発振波長の温度変化から見積もった７０［ｍＷ］時の活性層の温度上昇は１５［Ｋ］であり、これまでの３０［Ｋ］の１／２となった。【０１２１】
活性層の劣化の様子を、１５０［℃］で１０［ｋＡ／ｃｍ２］の高い電流密度で通電し、ＬＤを強制劣化させて観察した（カソ−ドルミネッセンス法）。ＡｌＮ電流狭窄層を用いた場合は、劣化が早く、素子にＡｌＮに起因する水平方向の暗線や多数のクラックの発生が見られた。一方、本実施形態４の場合、全体的に暗くなる傾向は見られたものの、電流狭窄層４０９に起因する暗線や多数のクラックの発生は全く見られなかった。【０１２２】
本実施形態４によれば、極性反転層１０８を設けることにより、第２のＳＣＨ層１０７と電流狭窄層４０９との極性を、この極性反転層を介して反転させることができる。具体的には、Ｇａ極性の第２のＳＣＨ層１０７上にＭｇ単原子層たる極性反転層１０８を介することにより、Ｎ極性の電流狭窄層４０９を積層せしめることができる。電流狭窄層４０９は、Ｎ極性なのでウエットエッチングにより良好にエッチングされる。一方、第２のＳＣＨ層１０７は、Ｇａ極性なのでウエットエッチングによりエッチングされない。従って、極性反転層１０８を用いてＳＣＨ層の極性を反転させることにより、第２のＳＣＨ層１０７をエッチング停止層とすることができた。【０１２３】
従来、ｎ型ＩｎＡｌＮ層（電流狭窄層）をドライエッチングで除去すると、少なくとも結晶欠陥がｐ−ＧａＮからなる第２のＳＣＨ層１０７に導入されるので、その後の再成長によりｐ−ＧａＮからなる第２のＳＣＨ層のＭｇド−パントが欠陥と共に活性層に拡散し、非発光センタを導入してしまう。その結果、活性層の発光効率が著しく減少してしまう。【０１２４】
本実施形態４によれば、電流狭窄層４０９をウエットエッチングで除去したため、その下の活性層には結晶欠陥などの加工損傷は生じない。従って再成長後も活性層の高い発光効率が維持される。本実施形態によれば、電流狭窄層４０９として、ＩｎＡｌＮ組成を採用し、Ｉｎ組成比を０．２程度としたので、低い屈折率を実現することができる。その結果、レ−ザ光を活性層により効果的に閉じ込められる。ＩｎＡｌＮ層はｎ型なので電流ブロック効果が高い。なお、アンド−プＩｎＡｌＮ層は高抵抗となるので、それを用いてもよい。【０１２５】
本実施形態４によれば、第２のＳＣＨ層１０７がエッチング停止層の役目を果たしているので、ウエットエッチングによる活性層への損傷がなかった。また、電流狭窄層４０９をパターニングするに際して高精度にパターニングを行うことができた。その結果、設計どおりの構造を得ることができた。【０１２６】
また、本実施形態４によれば、電流狭窄層４０９として構成されているｎ型ＩｎＡｌＮ層は、従来例のＡｌＮ層のような非結晶ではなく、結晶であり、クラッド層に対して格子不整合が殆どない特徴を有する。そのため、非結晶に起因するすべての問題が解決する。本実施形態４のｎ型ＩｎＡｌＮ層は、平坦であるため電流リ−クがない。ブロック層に起因する転位がないので、それによって寿命が制限されない。開口部のストライプ幅の制御もしやすく、ストライプが直線であるため、散乱による導波損失が極めて少ない。高品質のｎ型ＩｎＡｌＮ層を選択成長のマスクに用いると、開口部のｐ型超格子クラッド層が設計通りに得られるため、低い動作電圧を安定して得ることができる。図１３にＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ系混晶におけるバンドギャップとａ軸長の関係を示す。【０１２７】
本実施形態４では電流狭窄層にＧａＮに格子整合するｎ−Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２Ｎ電流狭窄層４０９を用いたが、それ以外の組成あるいは材料を適用してもよい。好適な例としては、例えば、電流狭窄層がＩｎＸＧａｙＡｌ１−Ｘ−ｙＮ（ただし、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）を挙げることができる。また、電流狭窄層４０９がＩｎＸＡｌ１−ＸＮであり、そのＩｎ組成Ｘの値が０．０５≦Ｘ≦０．３としてもよい。Ｘの範囲のより好ましい範囲は、０．１≦Ｘ≦０．２５であり、さらに好ましい範囲は０．１５≦Ｘ≦０．２である。また、電流狭窄層４０９が（Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２）ＺＧａ１−ＺＮの格子整合層であり、そのＧａ組成Ｚの値が０．２≦Ｚ≦１としてもよい。【０１２８】
本実施形態４によれば、上述した効果に加えて、以下の効果を奏することができた。
第１に、２００［ｍＷ］の高いキンクレベルと１．９の低いアスペクト比を実現することができた。
第２に、ｐコンタクト面積の増大により、２５［℃］、３０［ｍＷ］動作時の電圧を４．５［Ｖ］に低減させることができた。
第３に、閾値の低減と放熱の向上により、７０［℃］、７０［ｍＷ］で２５００時間以上の直流電流動作を実現し、信頼性を大きく向上させることができた。【０１２９】
［実施形態５］
図５は、実施形態５に係る窒化物半導体レ−ザの断面図である。基板としては、層厚１１０［μｍ］のｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。このｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１上には、図５に示すように、以下の層が積層されている。すなわち、バッファ層１０２、第１のクラッド層１０３、第１のＳＣＨ層１０４、３層からなる量子井戸の活性層１０５、ＯＦＰ層１０６、第２のＳＣＨ層５０７、極性反転層５０８、電流狭窄層４０９、第２の格子クラッド層５１０、コンタクト層１１１が、この順に積層されている。なお、本実施形態５における第１の半導体層は第２のＳＣＨ層５０７であり、第２の半導体層は電流狭窄層４０９である。【０１３０】
本実施形態５に係る窒化物半導体レーザは、内部電流狭窄型のものである。第２のＳＣＨ層は、層厚５０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより構成される。また、極性反転層５０８は、０．１［％］のＭｇを含んだＧａの２原子層により構成される。第３のＳＣＨ層５０９は、層厚５０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより、電流狭窄層（Ｎ極性）４０９は、層厚８０［ｎｍ］のｎ−Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２Ｎにより、第２のクラッド層５１０は、層厚０．５［μｍ］のｐ−Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎにより構成される。【０１３１】
本実施形態５の電流狭窄層４０９は、第３のＳＣＨ層５０９よりエッチングレ−トが１桁大きいので、電流狭窄層４０９だけを選択的にエッチングできる。また、仮に第３のＳＣＨ層５０９がエッチングされた場合であっても、再成長時に第３のＳＣＨ層５０９をエッチングされた厚みだけ成長させれば、元の厚さに回復させることができる。【０１３２】
極性反転層５０８は、０．１［％］のＭｇを含んだＧａの２層からなる原子層により構成される。積層体５５０は、上記変形例１に記載した製造方法により製造した。すなわち活性層を含むＧａ極性結晶をＭＯＶＰＥ法で、極性反転層とその後のＮ極性の結晶成長をＭＢＥ法により形成した。
ＭＢＥ法を用いることにより、面内のＩｎ組成の揺らぎが小さいｎ−Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２Ｎ電流狭窄層（Ｎ極性）４０９が得られる。結晶中にＩｎ組成の大きい部分があると光を吸収する損失になり、レーザの閾値が増加する。しかし、本実施形態５の製造方法では、青色光の吸収損失のないｎ−Ｉｎ０．１８Ａｌ０．８２Ｎ電流狭窄層（Ｎ極性）４０９が得られる。【０１３３】
本実施形態５によれば、極性反転層５０８を設けることにより、ＳＣＨ層の極性を、この極性反転層を介して反転できる。具体的には、Ｇａ極性の第２のＳＣＨ層５０７上に極性反転層５０８を介することにより、Ｎ極性の第３のＳＣＨ層５０９を積層せしめることができる。第３のＳＣＨ層５０９は、Ｎ極性なのでウエットエッチングにより良好にエッチングされる。一方、第２のＳＣＨ層５０７は、Ｇａ極性なのでウエットエッチングによりエッチングされない。従って、極性反転層５０８を用いてＳＣＨ層の極性を反転させることにより、第２のＳＣＨ層５０７をエッチング停止層とすることができた。【０１３４】
また、第２のＳＣＨ層５０７がエッチング停止層の役目を果たしているので、ウエットエッチングによる活性層への損傷がなかった。また、電流狭窄層４０９を形成するに際して、高精度にパターニング形成することができた。その結果、設計どおりの構造を得ることができた。【０１３５】
さらに、第３のＳＣＨ層５０９と第２のクラッド層５１０とが接しているために、ホ−ルの注入障壁がない特徴と、Ｎ極性のｐ−ＧａＮコンタクト層１１１上にＰｄ／ＰｔのＰ電極２１２を形成するために、ｐコンタクト電圧が小さいという特徴とを有する。【０１３６】
［実施形態６］
図６は、実施形態６に係る窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の断面図である。基板としては、厚さ１１０［μｍ］のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。このｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１上には、図６に示すように、以下の層が積層されている。すなわち、バッファ層１０２、第１のクラッド層１０３、第１のＳＣＨ層１０４、単一量子井戸の活性層６０５、ＯＦＰ層６０６、第２のＳＣＨ層６０７、第１のコンタクト層６０８、極性反転層６０９、第３のＳＣＨ層６１０、第２のコンタクト層６１１がこの順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体６５０という）。なお、本実施形態６における第１の半導体層は第１のコンタクト層６０８であり、第２の半導体層は第３のＳＣＨ層６１０である。【０１３７】
本実施形態６に係る単一量子井戸の活性層６０５は、Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ｎ（２．５［ｎｍ］）／ｎ−ＧａＮ（１０［ｎｍ］）により構成される。また、ＯＦＰ層６０６は、１０［ｎｍ］厚のｐ−Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎにより、第２のＳＣＨ層６０７は、層厚５０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより構成される。また、第１のコンタクト層６０８は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより構成される。上記ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１から第１のコンタクト層６０８までの極性は、上述したＧａ極性６１９となるように構成されている。【０１３８】
極性反転層６０９は、Ｍｇ単原子層により構成されている。また、第３のＳＣＨ層６１０は層厚２３０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより、第２のコンタクト層６１１は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−ＧａＮにより構成されている。第３のＳＣＨ層６１０、及び第２のコンタクト層６１１の極性は、Ｎ極性となるように構成されている。【０１３９】
上記極性反転層６０９及び第３のＳＣＨ層６１０と第２のコンタクト層６１１との上には、図６に示すように、層厚７０［ｎｍ］の透明電極６１２が形成されている。また、この透明電極６１２上の図中左側には、ｐ電極６１３が形成されている。透明電極６１２は、Ｎｉ（１０［ｎｍ］）／Ａｕ（１０［ｎｍ］）の上に５０［ｎｍ］厚のＩＴＯ（屈折率１．５）をつけた膜である。ｐ電極６１３には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いた。Ｎ電極１１４には、反射率の高いＴｉ／Ａｕを用いた。ｐド−パントにはＭｇ（マグネシウム）を用いた。【０１４０】
ｎド−パントにはＳｉを用いた。Ｍｇの原子濃度は第１のコンタクト層６０８と第２のコンタクト層６１１には１×１０２０［ｃｍ−３］、それ以外には２×１０１９［ｃｍ−３］、Ｓｉの原子濃度はすべて２×１０１８［ｃｍ−３］とした。【０１４１】
本実施形態６に係る半導体素子の上部に形成されたフォトニック結晶６１４は、円柱状に加工された第３のＳＣＨ層６１０と第２のコンタクト層６１１が、周期ｂ６１７として１．６［μｍ］の間隔で三角格子位置に２次元に配列されている。第３のＳＣＨ層６１０と第２のコンタクト層６１１からなる円柱の高さｈ６１５は、２５０［ｎｍ］であり、円柱の上面の直径ａ６１８は、８００［ｎｍ］である。フォトニック結晶６１４は、Ｎ極性となっている。
図７は、本実施形態６に係るフォトニック結晶付き半導体素子の上面図である。円柱状のフォトニック結晶が、同図に示すように、３角格子状配置６５０で配置されている。【０１４２】
図１１は、本実施形態６に係る窒化物半導体発光素子の作用を説明する図である。本実施形態６の窒化物半導体発光素子は、ｐコンタクト層の上に円柱を三角格子状に配列させた２次元のフォトニック結晶を有している。このフォトニック結晶６１４が無い場合は、活性層１２００から出た光は臨界角２３．６［°］のエスケ−プ円錐内１２０５に入る光だけを上面から取り出すことができる。臨界角１２０６は、ＧａＮの屈折率２．５と空気の屈折率１との比で決まる。この場合の取り出し効率は、８．３［％］と極めて小さい。【０１４３】
本実施形態６のようにフォトニック結晶６１４がある場合、２次元回折格子の作用により、活性層からの光の波数ベクトルｋ１２０１とフォトニック結晶６１４による回折ベクトルｄ１２０２の和が、素子から取り出せる回折光の波数ベクトルｈ１２０３（ｈ＝ｋ＋ｄ）となる。回折光の波数ベクトルｈ１２０３が平板の時の臨界角２３．６［°］になるように回折ベクトルｄ１２０２（＝２π／ｂ）を与えるフォトニック結晶の周期ｂを決めた。【０１４４】
本実施形態６では、円柱の直径ａを０．８０［μｍ］、周期ｂを１．６［μｍ］に最適化して、臨界角４２［°］、効率２５［％］の値を得た。この効率は８．３［％］の３倍に相当する。本実施形態６のＬＥＤは、従来のＬＥＤの３倍の効率増加となり、蛍光灯の発光効率と同程度かそれ以上となる。本実施形態６のＬＥＤはウエットエッチングで作成するので、低コストで作成できる。寿命と費用を考えると本実施形態６のＬＥＤは十分蛍光灯を代替することができる。【０１４５】
上記のように構成された半導体素子の発光波長ピ−クは、４０５［ｎｍ］であった。本実施形態６の特徴は、活性層７０５から第１のコンタクト層６０８の表面までの距離ｄが９０［ｎｍ］と小さいことである。このときの円柱状のフォトニック結晶の最適周期ｂは１．６［μｍ］であり、このとき本実施形態６に係る半導体素子の光の取り出し効率は最大となった。本実施形態６の半導体素子の光の取り出し効率は、活性層から表面までの距離が１［μｍ］ある半導体素子より、約２倍大きかった。
活性層から表面までの距離を０．２［μｍ］以下にできるのは、本実施形態６の製造方法が加工損傷の少ないウエットエッチングを使用しているからである。本実施形態６の製造方法が完全なエッチング停止層を有するために、層厚２０［ｎｍ］の高Ｍｇ濃度のｐコンタクト層を残して、その上にｐ電極を作製できる。【０１４６】
本実施形態６の半導体素子の発光波長ピ−クはＩｎＧａＮ活性層のＩｎ組成を増加させ、量子井戸幅を３［ｎｍ］に大きくすることで４９０［ｎｍ］まで、発光効率の顕著な低下なしに、変化させることができた。本実施形態６においては、緑青色の発光である４８０［ｎｍ］帯のＬＥＤも得ることができた。【０１４７】
［実施形態７］
図８は、実施形態７に係る窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）の断面図である。基板としては、厚さ１１０［μｍ］のｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１を用いた。このｎ型ＧａＮ（０００１）基板１０１上には、図８に示すように、以下の層が積層されている。
すなわち、バッファ層１０２、第１の超格子光反射層７０３、第１のＳＣＨ層７０４、単一量子井戸の活性層７０５、ＯＦＰ層７０６、第２のＳＣＨ層７０７、第１のコンタクト層７０８、極性反転層７０９、第３のＳＣＨ層７１０、第２のコンタクト層７１１がこの順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体７５０という）。なお、本実施形態７においては、第１の半導体層は第１のコンタクト層７０８であり、第２の半導体層として第３のＳＣＨ層７１０である。【０１４８】
本実施形態７に係る超格子光反射層７０３は、層厚８３０［ｎｍ］のｎ−［ＧａＮ（３２．２［ｎｍ］）Ａｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎ（３７［ｎｍ］）］（１２周期）から構成されている。また、第１のＳＣＨ層は、層厚１００［ｎｍ］のｎ−Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎからなり、単一量子井戸の活性層７０５は、ＧａＮ（２．５［ｎｍ］）／Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ（１０［ｎｍ］）から構成されている。さらに、ＯＦＰそう７０６は、１０［ｎｍ］厚のｐ−Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ、第２のＳＣＨ層は、層厚５０［ｎｍ］のｐ−Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎから構成されている。さらに、その上に第１のコンタクト層が、層厚２０［ｎｍ］のｐ−Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎにより形成されている。上記ｎ−ＧａＮ（０００１）基板１０１から第１のコンタクト層７０８までの極性は、上述したＧａ極性６１９となるように構成されている。【０１４９】
極性反転層７０９は、Ｍｇ単原子層により構成されている。また、第３のＳＣＨ層７１０は、層厚２３０［ｎｍ］のｐ−Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ層により、第２のコンタクト層７１１は、層厚２０［ｎｍ］のｐ−Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎにより構成されている。第３のＳＣＨ層７１０、及び第２のコンタクト層７１１の極性は、Ｎ極性となるように構成されている。【０１５０】
上記極性反転層７０９及び第３のＳＣＨ層７１０と第２のコンタクト層７１１との上には、図８に示すように、層厚７０［ｎｍ］の透明電極６１２が形成されている。また、この透明電極６１２上の図中左側には、ｐ電極６１３が形成されている。【０１５１】
本実施形態７に係る半導体素子の上部に形成されたフォトニック結晶７１４は、円柱状に加工された第３のＳＣＨ層６１０と第２のコンタクト層６１１が、周期ｂ６１７として１．６［μｍ］の間隔で三角格子位置に２次元に配列されている。第３のＳＣＨ層７１０と第２のコンタクト層７１１からなる円柱の高さｈ６１５は、２５０［ｎｍ］であり、円柱の上面の直径ａ６１８は、８００［ｎｍ］である。フォトニック結晶６１４は、Ｎ極性となっている。【０１５２】
円柱状のフォトニック結晶は、図７に示すように、３角格子状配置６５０で配置されている。表１に、本実施形態７に係る紫外光ＬＥＤのｎ型超格子光反射層の材料と設計層厚を示す。ｎ型超格子光反射層７０３は３２．２［ｎｍ］厚のＧａＮと３７［ｎｍ］厚のＡｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎが１２周期積層された超格子層である。
波長は３４８［ｎｍ］でのＧａＮとＡｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎの屈折率はそれぞれ２．７０、２．３５である。それらの結晶内での１／４波長は、それぞれ３２．２［ｎｍ］、３７．０［ｎｍ］である。１２周期の超格子で最大反射率は９５［％］に達し、９０［％］以上の反射率を与える幅は４０［ｎｍ］であった。
【表１】
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【０１５３】
ＧａＮに対するＡｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎの格子不整合は０．９１［％］であり、０．４４［μｍ］厚のＡｌ０．３８Ｇａ０．６２Ｎの歪量は２．２［μｍ］のＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層の歪量に相当する。１２周期を超える周期数の超格子では結晶性の低下が懸念される。ｎ型超格子光反射層を１／４波長厚のＩｎＧａＮとＡｌＧａＮで構成すると、結晶全体の歪量を減らしかつ同じ層数でより高い反射率が得られる。【０１５４】
図１２は、本実施形態７に係る紫外光ＬＥＤの発光スペクトルを示す。２５［℃］で光出力５［ｍＷ］時の発光のピ−ク波長は３４８［ｎｍ］であり、発光量の９８［％］が３５［ｎｍ］の波長幅に収まっていた。
従って本実施形態７に係る紫外ＬＥＤでは、ＧａＮ基板側に放射された紫外光の９０［％］以上が、基板に吸収されずに、ｎ型超格子光反射層７０３で反射され、その多くがｐ側のフォトニック結晶７１４から取り出されている。紫外光ＬＥＤは小型かつ長寿命の露光装置に用いることができる。あるいは紫外光ＬＥＤは誘蛾灯や殺菌灯や歯科用の紫外線硬化樹脂の硬化用光源の用途がある。【０１５５】
窒化物ＬＥＤは青色光や紫外光を受けると電流が流れるので、そのまま青色光や紫外光の検知器として使用できる。火炎には太陽光より多い紫外光が含まれるので、青色ＬＥＤと紫外光ＬＥＤを組み合わせて、青色光と紫外光の強度の比の変化を検知することにより、火炎の検知器を作ることができる。【０１５６】
［実施形態８］
図９は、実施形態８に係る高電子移動度トランジスタの断面図である。本実施形態８に係る高電子移動度トランジスタは、リセスゲ−ト型高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、半絶縁性ＳｉＣ基板８００上に、以下の半導体層が積層されている。すなわち、核形成層８０１、チャネル層８０２、スペ−サ層８０３、電子供給層８０４、極性半転層８０５、コンタクト層８０６が、この順に積層されている。なお、本実施形態８における第１の半導体層は、電子供給層８０４であり、第２の半導体層はコンタクト層８０６である。【０１５７】
核形成層８０１は、層厚４０［ｎｍ］のＧａＮにより構成される。また、チャネル層８０２は層厚２．６［μｍ］のｉ−ＧａＮ（Ｇａ極性）により、スペーサ層８０３は層厚５［ｎｍ］のｉ−Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎにより、電子供給層８０４は、層厚１５［ｎｍ］のｎ−Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎにより構成される。
上記核形成層８０１から電子供給層８０４までの極性は、上述したＧａ極性となるように構成されている。【０１５８】
極性反転層８０５は、０．１［％］のＳｉドープＡｌの２層よりなる原子層により構成されている。また、コンタクト層８０６は、層厚４０［ｎｍ］のｎ−ＧａＮにより構成されている。このコンタクト層８０６は、Ｎ極性となるように構成されている。
また、本実施形態８に係る半導体素子は、ドレイン電極８０７、ソース電極８０８、リセスゲート電極８０９、素子分離層８１０を備えている。【０１５９】
電子供給層８０４のキャリア濃度は、１×１０１８［ｃｍ−３］であり、コンタクト層８０６のキャリア濃度は１×１０１９［ｃｍ−３］である。
本実施形態８においては、半絶縁性ＳｉＣ基板８００上に、ＭＯＶＰＥを用いて上記の構造を成長させた。核形成層８０１は、５００［℃］の比較的低温環境下で成長させることにより当該層を形成した。チャネル層８０２は１０００［℃］、スペーサ層８０３は１０８０［℃］で成長させることにより当該層を形成した。極性反転層８０５は、成長温度を８５０［℃］にしてアンモニア流量を小さくし、ジシランを流しながら、Ａｌ原料を２分子層厚分だけ、成長速度から見積もって供給することにより形成した。その後、コンタクト層８０６を成長させながら成長温度を９５０［℃］まで上げて成長させた。【０１６０】
リセスゲート電極８０９のコンタクト面からｉ−ＧａＮ（Ｇａ極性）チャネル層８０２とスペ−サ層８０３の界面までのチャネル深さ距離ｈは２０［ｎｍ］である。素子分離層８１０は、それ以外の領域をフォトレジストで覆い、イオンエネルギ２０［ｋｅＶ］と１００［ｋｅＶ］の窒素のイオン注入を２回行って、形成した。注入量は１０１４［ｃｍ−３］である。ドレイン電極８０７とソース電極８０８はＴｉ（２５［ｎｍ］）／Ａｌ（１５０［ｎｍ］）であり、６００［℃］で３０秒のアニ−ルを行って、オ−ミック化した。本実施形態８によれば、コンタクト層８０６上のコンタクト抵抗は５×１０−６［Ωｃｍ２］であり、ｎ−Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎ上に形成するより１桁以上低い値が得られた。【０１６１】
ＳｉＮ膜をエッチングマスクにして、燐酸硫酸のウエットエッチングにより、ｎ−ＧａＮ（Ｎ極性）層８０６をエッチングして、電子供給層８０４の表面を露出させ、その上にリセスゲート電極８０９を蒸着して形成した。ソ−スとドレイン間の間隔は３［μｍ］であった。ゲート電極８０９はＮｉ（２０［ｎｍ］）／Ａｕ（１３０［ｎｍ］）で、ゲート長は０．２［μｍ］である。なお、ウエットエッチング時に極性反転層８０５を残すようにしてもよいが、極性反転層８０５を除去して電子供給層８０４とゲート電極８０９とを直接接触させる方が好ましい。ショットキー障壁を高く設定することができるためである。【０１６２】
選択ウエットエッチングにより、２インチウエハ内でのチャネル深さ距離ｈの均一性は±１［ｎｍ］と極めて均一であった。これは、エピの均一性によるものである。得られた素子は、ゲ−ト電圧４［Ｖ］で２５［℃］での最大相互コンダクタンスは５５０［ｍＳ／ｍｍ］、最大ドレイン電流ＩＤＳは１．３［Ａ／ｍｍ］の高い特性を示した。【０１６３】
［実施形態９］
図１０は、本実施形態９に係る高電子移動度トランジスタの断面図である。本実施形態９の高電子移動度トランジスタは、リセスゲ−ト型高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、層厚１１０［μｍ］の半絶縁性ＧａＮ基板９００上に以下の層が積層されている。すなわち、バッファ層９０１、チャネル層８０２、スペ−サ層８０３、電子供給層８０４、極性反転層８０５、ソース領域、ドレイン領域を形成するコンタクト層８０６が、この順に積層されている。また、この窒化物半導体素子は、ドレイン電極８０７、ソース電極８０８、リセスゲート電極８０９、素子分離層８１０を備えている。なお、本実施形態における第１の半導体層は電子供給層８０４であり、第２の半導体層はコンタクト層８０６である。【０１６４】
本実施形態に係るバッファ層９０１は、層厚１００［ｎｍ］のｉ−ＧａＮにより構成されている。上記バッファ層９０１から電子供給層８０４までの極性は、上述したＧａ極性となるように構成されている。【０１６５】
半絶縁性ＧａＮ基板９００は、ＧａＮにＦｅ、Ｎｉ、又は、白金系の金属を１×１０１８［ｃｍ−３］程度の濃度でド−ピングした基板、あるいは酸素やＮ欠陥を含まないアンド−プ高抵抗のＧａＮ基板である。その他の構造は、上記実施形態８に記載の構造を備えている。半絶縁性ＧａＮ基板９００のＧａＮ結晶は、格子整合しているので、品質の高い平坦な界面が得られる。その結果、高い電子移動度が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１６６】
ＬＤに関しては、４００［ｎｍ］帯は光ディスク用、４８０［ｎｍ］帯はアルゴン・ガスレ−ザの代替が可能で、研究・医療用の光源の用途がある。ＬＥＤに関しては、４００［ｎｍ］帯は照明光源用が主な市場である。そのほか、紫外露光用光源、フルカラ−ディスプレイ用光源、４８０［ｎｍ］帯の集魚灯用光源などへの用途がある。ヘテロ接合型電界効果トランジスタに関しては、第三世代携帯電話基地局のマイクロ波帯送信電力増幅器、加入者系ワイヤレス・アクセスや衛星インタ−ネット・アクセスにおける高効率増幅器としての利用可能性が挙げられる。
【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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【国際調査報告】
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