(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して、再び窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基板であって、窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板上に、
該ＧａＮ基板に接して形成されており、膜厚が１μｍ以上であって、且つＧａＮより熱膨張係数の小さいＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）から成る窒化物半導体と、
少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含有する活性層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造を備えたデバイス構造と、を順に有してなる窒化物半導体素子。
【請求項２】
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して、再び窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基板であって、裏面にｎ電極を有するＧａＮ基板上に、
該ＧａＮ基板に接して形成されており、膜厚が１μｍ以上であって、且つＧａＮより熱膨張係数の小さいＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）から成る窒化物半導体と、
少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含有する活性層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造を備えたデバイス構造と、を順に有してなる窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記熱膨張係数の小さい窒化物半導体は、前記デバイス構造に微細なクラックが発生することを抑止することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ＧａＮ基板が、第１の窒化物半導体層に凹凸を形成し、この上に第２の窒化物半導体層を成長させて得られる基板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）あるいは他の電子デバイス、パワーデバイスなどに使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体素子に関し、特に、ＧａＮ基板上に形成されるデバイス構造に生じる微細なクラックを防止されてなる窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体からなる青色発光ダイオードが実用化され、更に青色レーザダイオードの実用も可能になっている。
例えば、本発明者等は、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.37(1998)pp.L309-L312 に、ＧａＮ基板上に、デバイス構造を形成してなる窒化物半導体レーザ素子を開示している。ＧａＮ基板は、サファイア上に一旦成長させたＧａＮ層上に、ＳｉＯ2よりなる保護膜を部分的に形成し、この上から再度ＧａＮを成長させた後、サファイア基板を除去してなるものである。このようにして得られたＧａＮ基板は、ＧａＮの横方向の成長を利用して転位の進行を成長の初期に止めることで、転位の少ないＧａＮ基板となっている。そして、転位の少ないＧａＮ基板を用いて製造された窒化物半導体レーザ素子は、１万時間以上の連続発振を達成することができるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒化物半導体レーザ素子の実用化にあたって、レーザ素子の信頼性の更なる向上のために、検討を重ねた結果、ＧａＮ基板上に成長されてなるデバイス構造、特にＧａＮ基板上に形成されるｎ型コンタクト層内に微細なクラックが発生する場合があることが確認された。このような微細なクラックの発生は、しきい値の上昇や寿命特性の低下などレーザ素子へ悪影響を及ぼす可能性がある。更に、ＧａＮ基板を用いてなる窒化物半導体素子を得る場合に、上記のような微細なクラックの発生という問題は、素子の信頼性を向上させるために、解決されることが望ましい。
そこで、本発明の目的は、ＧａＮ基板上に成長させるデバイス構造に微細なクラックが発生することを防止し、寿命特性などの素子特性を向上させ、信頼性の更なる向上が可能な窒化物半導体素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、下記（１）〜（４）の構成により、本発明の目的を達成することができる。
（１）  窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して、再び窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基板であって、窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板上に、該ＧａＮ基板に接して形成されており、膜厚が１μｍ以上であって、且つＧａＮより熱膨張係数の小さいＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）から成る窒化物半導体と、少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含有する活性層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造を備えたデバイス構造と、を順に有してなる窒化物半導体素子。
（２）  窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して、再び窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基板であって、裏面にｎ電極を有するＧａＮ基板上に、該ＧａＮ基板に接して形成されており、膜厚が１μｍ以上であって、且つＧａＮより熱膨張係数の小さいＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）から成る窒化物半導体と、少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含有する活性層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造を備えたデバイス構造と、を順に有してなる窒化物半導体素子。
（３）  前記熱膨張係数の小さい窒化物半導体は、前記デバイス構造に微細なクラックが発生することを抑止することを特徴とする（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素子。
（４）  前記ＧａＮ基板が、第１の窒化物半導体層に凹凸を形成し、この上に第２の窒化物半導体層を成長させて得られる基板であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の窒化物半導体素子。
【０００５】
つまり、本発明は、ＧａＮ基板より熱膨張係数の小さい窒化物半導体を成長させることにより、微細なクラックを良好に防止することができるものである。
【０００６】
本発明者等は、従来の課題であるＧａＮ基板上にＧａＮを成長させた場合にＧａＮ内部に微細なクラックが発生する問題について、種々検討した結果、ＧａＮ基板と、その上に成長させる窒化物半導体との熱膨張係数の関係が、微細なクラックの発生に関与しているのではないかと考えた。
例えば、熱膨張係数として、ＳｉＣをε1、ＧａＮをε2、サファイアをε3、とすると、それぞれの熱膨張係数の関係は、ε1＜ε2＜ε3のように大小の関係がある。そして、ＳｉＣ基板上にＧａＮを成長させた場合、熱膨張係数ε1＜ε2となることから、ＳｉＣ基板上に成長させたＧａＮには、面内方向に引っ張り歪みがかかり、このような状態ではＧａＮにクラックが発生しやすくなる。また、サファイア基板にＧａＮを成長させた場合、熱膨張係数ε2＜ε3となることから、サファイア基板上に成長させたＧａＮには、面内方向に圧縮歪みがかかり、このような状態ではＧａＮにクラックが発生しにくくなる。
つまり、ＧａＮに発生するクラックは、ＧａＮにかかる歪みが、引っ張り歪みであるか、圧縮歪みであるかによって、発生する傾向が相違してくる。
【０００７】
しかし、上記のことを踏まえて、ＧａＮ基板上にＧａＮを成長させる場合には、熱膨張係数は等しいので、基板上のＧａＮには引っ張り歪みも圧縮歪みも発生していないと思われるが、実際にはＧａＮ基板上に成長されたＧａＮには微細なクラックが発生する傾向がある。
このことから、本発明者等は、ＧａＮ基板上に成長させる材料の熱膨張係数が、ＧａＮの熱膨張係数と同じ以上の値であると、ＧａＮ基板上に成長させるＧａＮの内部に微細なクラックが発生するのではないか、そしてＧａＮ基板上のＧａＮにわずかに圧縮歪みがかかるようにすれば、ＧａＮでの微細なクラックの発生を防止できるのではないか、と考察した。
【０００８】
そこで、本発明者等は、上記の如く、ＧａＮ基板より熱膨張係数の小さい窒化物半導体を成長させることにより、デバイス構造に微細なクラックが発生するのを防止することを達成した。
【０００９】
さらに本発明において、ＧａＮ基板より熱膨張係数の小さい材料が、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）からなる窒化物半導体であると、ＧａＮ基板の熱膨張係数に対して、ＡｌaＧａ1-aＮの熱膨張係数の値が、若干小さくなるため素子構造内の微細なクラックを防止でき好ましい。
またさらに、本発明において、熱膨張係数の小さい窒化物半導体が、ＧａＮ基板に接して形成されていると、デバイス構造に生じる微細なクラックの発生を良好に防止でき好ましい。
またさらに本発明において、デバイス構造が、少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含んでなる活性層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を少なくとも有するダブルヘテロ構造であると、微細なクラックの発生を防止することによることと相乗的に作用し、素子特性の良好な素子が得られ好ましい。
【００１０】
またさらに本発明において、ＧａＮ基板が、窒化物半導体のみからなると、ＧａＮ基板のデバイス構造を形成されてなる面とは反対の面にｎ電極を形成することができ、チップを小さくすることができる点で好ましい。またＧａＮ基板が窒化物半導体のみからなると、放熱性や劈開により共振面を形成する場合の劈開性が向上する等の点でも好ましい。
またさらに本発明において、前記窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して転位の低減される方法により、再び窒化物半導体を成長させ、その後異種基板を除去して得られる基板であると、転位の低減された窒化物半導体を得ることができ、デバイス構造を形成してなる素子の素子特性が向上し好ましい。また、このような窒化物半導体のみからなると、ＧａＮ基板のデバイス構造が形成されている面の反対側の面にｎ電極を設けることもでき、チップを小さくすることができる。また、窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板において、デバイス構造を形成する面は異種基板を除去されてなる面とは反対の面に形成すると、素子特性の点で好ましい。
【００１１】
またさらに本発明において、ＧａＮ基板が、異種基板上に窒化物半導体を形成してなる異種基板と窒化物半導体とからなると、ウエハの割れや欠けが防止できハンドリング性の点で好ましい。また、異種基板を除去する工程が不要となるので製造時間の短縮化等の点でも好ましい。
またさらに、本発明において、異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の上に窒化物半導体を成長させた後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して転位の低減される方法により、再び窒化物半導体を成長させて得られる基板であると、転位の低減された窒化物半導体上にデバイス構造が形成されるので素子特性の点で好ましく、さらに異種基板を有していることでウエハの割れや欠けが生じ難くなりハンドリング性の点等で好ましい。
【００１２】
また、ＧａＮ基板上にＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物半導体を成長させる前に、ＧａＮ基板の表面をエッチングしてから熱膨張係数の小さい窒化物半導体を形成してもよい。ＧａＮ基板の熱膨張係数の小さい窒化物半導体を形成する面は、ＧａＮ基板が作製される過程で、表面がでこぼこしていて平坦でない場合があるので、エッチングして表面を平坦にし、この上に熱膨張係数の小さい窒化物半導体を成長させることが微細なクラックを防止する点で好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明において、ＧａＮ基板上に成長されるＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物半導体としては、特に限定されず、熱膨張係数がＧａＮより小さければいずれの窒化物半導体でもよいが、微細なクラックの防止と共に、結晶性を損なわないような組成の窒化物半導体が好ましい。
本発明において、ＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物半導体として、具体的に好ましい材料は、ＡｌaＧａ1-aＮ（０＜ａ≦１）が挙げられ、より好ましくは、ａの値が０＜ａ＜０．３であり、更に好ましくは、ａの値が、０＜ａ＜０．１である。このような組成の窒化物半導体であると微細なクラックを防止するのに好ましく、さらにＡｌ組成比が比較的小さいと微細なクラックの発生が良好に防止できると共に、結晶性もよいため好ましい。
【００１４】
上記ＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物半導体層は、ＧａＮ基板上のいずれに形成してもよいが、ＧａＮ基板からの影響で生じる微細なクラックを良好に防止するのに、ＧａＮ基板に接して形成させることが好ましい。
また、ＧａＮ基板と熱膨張係数の小さい窒化物半導体層との間にその他の層を形成してもよい。
また、ＧａＮ基板上に熱膨張係数の小さい窒化物半導体層を形成する前に、ＧａＮ基板の形成面をエッチングしてもよい。ＧａＮ基板の作製の方法などによっては、ＧａＮ基板の表面がでこぼこしている場合があるので、一旦表面をエッチングして平坦にしてから熱膨張係数の小さい窒化物半導体層、例えばＡｌaＧａ1-aＮ、を形成すると微細なクラックの防止の点で好ましい。
【００１５】
ＧａＮより熱膨張係数の小さい例えばＡｌaＧａ1-aＮからなる窒化物半導体層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１μｍ以上であり、より好ましくは３〜１０μｍである。このような膜厚であると微細なクラックの防止の点で好ましい。
また、本発明において、例えばＡｌaＧａ1-aＮからなる熱膨張係数の小さい窒化物半導体層は、ＧａＮ基板とデバイス構造とのバッファ層、ｎ電極を形成するｎ型コンタクト層、また、光を閉じ込めるためのクラッド層等を兼ねることができる。ＡｌaＧａ1-aＮを成長させてなる層が、デバイス構造の上記のような層を兼ねる場合は、兼ねている層の機能を考慮して、上記膜厚の範囲内で膜厚を調整する。
【００１６】
更に、熱膨張係数の小さい窒化物半導体層を成長させる際に、不純物をドープさせてもよく、不純物としては特に限定されず、ｎ型でもｐ型でもよい。不純物のドープ量は、上記のようにデバイス構造のある層、例えばコンタクト層やクラッド層等、を兼ねる場合、層の機能を良好にする範囲のドープ量でｎ型あるいはｐ型不純物を適宜調節してドープする。
【００１７】
例えば、本発明において、熱膨張係数の小さい窒化物半導体層が、図５に示されるように、ｎ型コンタクト層２の機能を兼ねる場合、ｎ型不純物（好ましくはＳｉ）をドープされた窒化物半導体層を成長させる。ｎ型不純物のドープ量としては、１×１０18／ｃｍ3〜５×１０18／ｃｍ3である。このｎ型コンタクト層２にｎ電極が形成される。ｎ型コンタクト層２の膜厚としては、好ましくは１〜１０μｍである。この範囲であると、微細なクラックを防止し、ｎ型コンタクト層２としての機能を発揮でき好ましい。
【００１８】
更に、図５に示されるように、熱膨張係数の小さい窒化物半導体層として、例えばアンドープのＡｌaＧａ1-aＮを成長させてなる層（アンドープｎ型コンタクト層１）が、ＧａＮ基板とＡｌaＧａ1-aＮからなるｎ型コンタクト層２との間に、形成されてもよく、このようにアンドープのＡｌaＧａ1-aＮからなるｎ型コンタクト層１を成長させると、微細なクラックの防止及び結晶性の点で好ましい。この場合のアンドープのＡｌaＧａ1-aＮのｎ型コンタクト層１は、バッファ層のような作用を兼ね備えた層として作用している。アンドープｎ型コンタクト層１が、ＧａＮ基板と不純物含有のｎ型コンタクト層の間に成長されると結晶性が良好となり、寿命特性を向上させるのに好ましい。アンドープｎ型コンタクト層１の膜厚は、数μｍである。
【００１９】
本発明において、ＧａＮ基板となるＧａＮの製造方法としては、特に限定されないが、いずれの方法により得られるＧａＮでもよい。
また、本発明において、ＧａＮ基板は、窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板、異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板が挙げられる。ここで、異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板の場合、下記に示すようなＳｉＯ2等の保護膜を用いて窒化物半導体の横方向の成長を利用し転位の低減される成長方法（ＥＬＯＧ成長）が用いられると、異種基板上の窒化物半導体内にＳｉＯ2等の保護膜を有することもある。
【００２０】
まず以下にＧａＮ基板が窒化物半導体のみからなる場合について記載する。
窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板として、どのような成長方法により得られたものでもよく、例えば、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載されているように、ＳｉＯ2を用いてＧａＮの横方向の成長を利用してなるＧａＮや、特願平１０−７７２４５、同１０−２７５８２６、同１０−１１９３７７、同１０−１３２８３１、同１１−３７８２７、同１１−３７８２６、同１０−１４６４３１、同１１−１６８０７９、同１１−２１８１２２各号の明細書等に提案されているＥＬＯＧ成長などを用いることができる。但し、各号の明細書に記載されている成長方法により得られるＧａＮは、ＥＬＯＧ成長後に異種基板を除去されてなるものである。
【００２１】
上記の各号の明細書等に記載されているＥＬＯＧ成長により得られるＧａＮは、転位密度の低減された基板となり、寿命特性など素子特性の向上の点で好ましく、本発明のＧａＮより熱膨張係数の小さい窒化物半導体をこの転位の低減されたＧａＮ基板上に成長させデバイス構造を成長させると、より良好な寿命特性が得られ好ましい。
例えば特願平１１−３７８２７号明細書には、サファイア等の異種基板上に一旦ＧａＮを成長させ、このＧａＮに凹凸を形成し、更にこの上からＧａＮを成長させてなる方法によりＧａＮ基板を作製する方法が提案されており、その方法の具体例としては、実施例にその一実施の形態を示す。
ここで、サファイアなどの異種基板上に、ＳｉＯ2や凹凸など形成した後に成長されたＧａＮ層は、サファイアなどを除去してＧａＮのみとされる。このようにサファイアなどの除去面と、成長面とは、表面の物理的性質が異なり、ＧａＮ単体にやや反りが入る傾向がある。そして、前記本発明の課題で記載した微細なクラックは、このような表面の物理的な相違により発生することも考えられる。しかし、上記したように、ＧａＮ基板上にＡｌaＧａ1-aＮを成長させると、微細なクラックの発生を防止でき、結晶性の良好なデバイス構造を形成することができる。
【００２２】
また、本発明において、窒化物半導体のみからなるＧａＮ基板の膜厚としては、特に限定されないが、好ましくは５０〜５００μｍであり、より好ましくは１００〜３００μｍである。ＧａＮ基板の膜厚が上記範囲であると、転位の良好な低減と共に機械的強度が保たれ好ましい。
【００２３】
次に、ＧａＮ基板が異種基板と窒化物半導体とからなる場合に付いて以下に示す。
異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板としては、いずれの成長方法により得られたものでもよいが、好ましくは転位の低減される上記に列記した各号明細書に記載されているＥＬＯＧ成長などにより得られる異種基板上に転位の低減された窒化物半導体を形成し、異種基板を除去していないものが挙げられる。異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板が、異種基板上に転位の少なくなる方法で得られた窒化物半導体であると、この上にデバイス構造を形成して得られるレーザ素子の寿命特性等の素子特性が向上し好ましい。
異種基板として、上記列記した明細書に記載されている種々異種基板を用いることができる。例えば、サファイア、スピネルなどを挙げることができる。
本発明において、異種基板と窒化物半導体とからなるＧａＮ基板の窒化物半導体の部分の膜厚としては、特に限定されないが、例えば好ましい具体例としては、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。膜厚の下限値は特に限定されないが、ＥＬＯＧ成長により保護膜や凹凸が覆われて転位の低減できる程度の膜厚であればよく、例えば数μｍ以上である。膜厚がこの範囲であると、転位の低減の点で好ましいと共に、異種基板と窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止でき、更にこの上にデバイス構造を良好に成長させることができる。
【００２４】
本発明は、ＧａＮの熱膨張係数と同じかそれ以上の値を有する窒化物半導体層を、ＧａＮ基板上、特にＧａＮ基板に接して、成長させる場合に内部に微細なクラックが発生すると言った問題点を解決することができるものである。そして、微細なクラックに着目するにあたっては、長時間の連続発振が可能なレーザ素子を得ることができるようになったことで、さらなる実用性の可能性を高めることが望まれるようになってきているからである。
【００２５】
また、ここで、本発明の課題である微細なクラックの発生の原因は上記熱膨張係数の差が関係すると思われるが、この考察は定かではなく、上記厚膜のＧａＮ基板上に、薄膜のＧａＮを成長させると何らかの原因で、微細なクラックが発生するのではないかという考察もできる。このことから、微細なクラックの発生という問題は、ＧａＮ単体を基板としたときに生じる問題とも考えられる。
【００２６】
また、本発明において、デバイス構造の前記ｎ型コンタクト層以外のその他の活性層等の層としては、特に限定されず、種々の層構造を用いることができる。本発明は、ＧａＮ基板上にＧａＮより熱膨張係数の小さい、例えば好ましくはＡｌＧａＮを成長させることにより、ＧａＮ基板上に種々のデバイス構造を成長させても微細なクラックの発生が生じないことから、寿命特性などが向上する傾向がある。
本発明のデバイス構造としては、少なくともＡｌを含有するｎ型クラッド層、ＩｎＧａＮを含んでなる活性層、及び少なくともＡｌを含有するｐ型クラッド層を少なくとも有するダブルヘテロ構造であることが、素子特性の点で好ましい。デバイス構造の具体的な実施の形態としては、従来公知のダブルヘテロ構造の素子構造を用いることができ、例えば後述の実施例に記載されているデバイス構造が挙げられる。また、電極等も特に限定されず種々のものを用いることができる。
【００２７】
本発明において、窒化物半導体の成長は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。
【００２８】
【実施例】
以下に本発明の一実施の形態である実施例を示す。しかし本発明はこれに限定されない。
【００２９】
［実施例１］
実施例１として、図５に示される本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を製造する。
【００３０】
（ＧａＮ基板の製造方法）
図１〜図４に示されている各工程に沿ってＧａＮ基板を製造する。
２インチφ、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１１を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１１上にＧａＮよりなるバッファ層（図示されていない）を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００３１】
バッファ層を成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層１２を２μｍの膜厚で成長させる（図１）。
【００３２】
第１の窒化物半導体層１２を成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅（凸部の上部になる部）５μｍ、ストライプ間隔（凹部底部となる部分）１５μｍにパターニングされたＳｉＯ2膜を形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分の第１の窒化物半導体層１２を第１の窒化物半導体１２が残る程度に途中までエッチングして凹凸を形成することにより、凹部側面に第１の窒化物半導体１２を露出させる（図２）。図２のように凹凸を形成した後、凸部上部のＳｉＯ2を除去する。なお、ストライプ方向は、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【００３３】
次に、反応容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層１３を約３２０μｍの膜厚で成長させる（図３及び図４）。
【００３４】
第２の窒化物半導体層１３を成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、アンドープのＧａＮよりなるＧａＮ基板を得る。この得られたＧａＮ基板からサファイア基板を除去し、除去した面とは反対の成長面上に、図５に示されるように、下記のデバイス構造を成長させる。ＧａＮからなる基板の膜厚は約３００μｍである。
【００３５】
（アンドープｎ型コンタクト層１：本発明のＡｌaＧａ1-aＮ）
ＧａＮ基板上に、１０５０℃で原料ガスにＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモニアガスを用いアンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層１を１μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型コンタクト層２：本発明のＡｌaＧａ1-aＮ）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアガスを用い、不純物ガスにシランガス（ＳｉＨ4）を用い、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層２を３μｍの膜厚で成長させる。
【００３６】
ここで、上記の成長されたｎ型コンタクト層２（ｎ型コンタクト層１を含む）には、微細なクラックが発生しておらず、微細なクラックの発生が良好に防止されている。また、ＧａＮ基板に微細なクラックが生じていても、ｎ型コンタクト層２を成長させることで微細なクラックの伝播を防止でき結晶性の良好な素子構造を成長さることができる。結晶性の改善は、ｎ型コンタクト層２のみの場合より、上記のようにアンドープｎ型コンタクト層１を成長させることにより、より良好となる。
【００３７】
（クラック防止層３）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びアンモニアを用い、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎよりなるクラック防止層３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００３８】
（ｎ型クラッド層４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.14Ｇａ0.86ＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１６０回繰り返してＡ層とＢ層とを積層し、総膜厚８０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００３９】
（ｎ型ガイド層５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型ガイド層を０．０７５μｍの膜厚で成長させる。
【００４０】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎよりなる障壁層を１００オングストロームの膜厚で成長させる。続いて、シランガスを止め、アンドープのＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎよりなる井戸層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を３回繰り返し、最後に障壁層を積層した総膜厚５５０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層６を成長させる。
【００４１】
（ｐ型電子閉じ込め層７）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０19／ｃｍ3ドープしたＡｌ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層７を１００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４２】
（ｐ型ガイド層８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型ガイド層８を０．０７５μｍの膜厚で成長させる。
このｐ型ガイド層８は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉じ込め層７からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０16／ｃｍ3となりｐ型を示す。
【００４３】
（ｐ型クラッド層９）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ0.1Ｇａ0.9ＮよりなるＡ層を２５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０18／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ１００回繰り返してＡ層とＢ層とを積層し、総膜厚５０００オングストロームの多層膜（超格子構造）よりなるｐ型クラッド層９を成長させる。
【００４４】
（ｐ型コンタクト層１０）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４５】
反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層の表面にＳｉＯ2よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ4ガスによりエッチングし、図５に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層２の表面を露出させる。
次に図６（ａ）に示すように、最上層のｐ側コンタクト層１０のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ2）よりなる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスクをかけ、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、ストライプ幅１．８μｍ、厚さ１μｍで形成する。
次に、図６（ｂ）に示すように第３の保護膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ＣＦ4ガスを用い、第３の保護膜６３をマスクとして、前記第１の保護膜をエッチングして、ストライプ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジストのみを除去することにより、図６（ｃ）に示すようにｐ側コンタクト層１０の上にストライプ幅１．８μｍの第１の保護膜６１が形成できる。
【００４６】
さらに、図６（ｄ）に示すように、ストライプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳｉＣｌ4ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１０、およびｐ側クラッド層９をエッチングして、ストライプ幅１．８μｍのリッジ形状のストライプを形成する。
リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶＤ装置に移送し、図６（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ2）よりなる第２の保護膜６２を、第１の保護膜６１の上と、エッチングにより露出されたｐ側クラッド層９の上に０．５μｍの膜厚で連続して形成する。このようにＺｒ酸化物を形成すると、ｐ−ｎ面の絶縁をとるためと、横モードの安定を図ることができ好ましい。
次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図６（ｆ）に示すように、第１の保護膜６１をリフトオフ法により除去する。
【００４７】
次に図６（ｆ）に示すように、ｐ側コンタクト層１０の上の第１の保護膜６１が除去されて露出したそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのストライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜６２の上に渡って形成する。第２の保護膜６２形成後、図５に示されるように露出させたｎ側コンタクト層２の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１をストライプと平行な方向で形成する。
【００４８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成したウエハのＧａＮ基板を研磨してほぼ１００μｍとした後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状に劈開し、劈開面（１１−００面、六角柱状の結晶の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。共振器面にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して図５に示すようなレーザ素子とする。なお共振器長は３００〜５００μｍとすることが望ましい。
得られたレーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれの電極をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。
その結果、室温においてしきい値２．５ｋＡ／ｃｍ2、しきい値電圧５Ｖで、発振波長４００ｎｍの連続発振が確認され、室温で１万時間以上の寿命を示す。
【００４９】
［実施例２］
実施例１において、アンドープｎ型コンタクト層１を成長させずにｎ型コンタクト層２を成長させる他は同様にしてレーザ素子を製造する。
得られた素子は、実施例１に比べやや結晶性が劣る傾向が見られるものの、実施例１とほぼ同様に微細なクラックの発生が防止され、素子特性も良好である。
【００５０】
［実施例３］
実施例１において、アンドープｎ型コンタクト層１及びＳｉドープのｎ型コンタクト層２のＡｌ組成の比を０．０５から０．２に変更する他は同様にしてレーザ素子を成長させた。
得られた素子は、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られた。
【００５１】
［実施例４］
実施例１において、アンドープｎ型コンタクト層１及びＳｉドープのｎ型コンタクト層２のＡｌ組成の比を０．０５から０．５に変更する他は同様にしてレーザ素子を成長させた。
得られた素子は、実施例１に比べＡｌ組成の比が大きくなったため結晶性がやや劣る傾向が見られるものの、実施例１と同様に微細なクラックを防止でき、素子特性も良好である。
【００５２】
［実施例５］
実施例１において、アンドープのｎ型コンタクト層１をＡｌＮとし、Ｓｉドープのｎ型コンタクト層２をＡｌＮとする他は同様にしてレーザ素子を作製する。得られたレーザ素子は、実施例１よりｎ型コンタクト層１及びｎ型コンタクト層２のＡｌ組成比が大きいのでやや結晶性が劣るが、実施例１と同等に微細なクラックを防止でき、実施例１とほぼ同等に良好な寿命特性を得ることができる。
【００５３】
［実施例６］
実施例１において、第２の窒化物半導体層１３の膜厚を１５μｍとし、さらにサファイア基板を除去しない、異種基板と窒化物半導体からなるＧａＮ基板とする他は同様にしてレーザ素子を作製する。
得られたレーザ素子は、実施例１に比べて反りがやや大きい傾向が見られるが、微細なクラックは実施例１と同等に防止される。また、実施例６のレーザ素子は、絶縁性のサファイア基板を有しているので、実施例１に比べるとやや放熱性の点で劣るものの、実施例１とほぼ同等の寿命特性を有する。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、ＧａＮ基板上に成長させるデバイス構造に微細なクラックが発生することを防止し、寿命特性などの素子特性を向上させ、信頼性のさらなる向上が可能な窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法の各工程において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の方法の各工程において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図３】本発明の方法の各工程において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の方法の各工程において得られる窒化物半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６は、リッジ形状のストライプを形成する一実施の形態である方法の各工程におけるウエハの部分的な構造を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・アンドープコンタクト層
２・・・ｎ型コンタクト層
３・・・クラック防止層
４・・・ｎ型クラッド層
５・・・ｎ型ガイド層
６・・・活性層
７・・・ｐ型電子閉じ込め層
８・・・ｐ型ガイド層
９・・・ｐ型クラッド層
１０・・・ｐ型コンタクト層
【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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