JP4423969B2 - 窒化物半導体積層基板およびそれを用いた窒化物半導体デバイス、窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体積層基板およびそれを用いた窒化物半導体デバイス、窒化物半導体レーザ素子に係り、特に窒化物半導体基板を備えた積層基板、半導体デバイス、半導体レーザ素子に関するもので、発光ダイオード（ＬＥＤ）、青色、紫色などの短波長レ−ザダイオード（ＬＤ）などの発光デバイス、受光素子、高周波トランジスタ、高耐圧トランジスタなどに使用されるものである。

III-Ｖ族化合物半導体のうちで窒化物系半導体を用いた発光デバイスは、青色ＬＥＤなどで既に実用化されている。窒化物半導体発光デバイスは、基板としてサファイアを用い、その上に窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶膜を成長させた構造を有するが、基板とその上に堆積した単結晶膜との間における物理的な不整合の差が大きい場合に格子定数や結晶構造の違いなどに起因して線状欠陥（転位）が単結晶膜を貫通する欠陥（貫通転位）が発生する。この貫通転位は、非発光性の再結合中心として働くので、貫通転位の密度の影響を受けて発光特性が劣化する。

基板とその上に堆積される単結晶膜格子定数の不整合を緩和するために、サファイア基板上に従来よりも低い温度で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）もしくはＧａＮからなるバッファ層を形成し、その上にＧａＮ単結晶膜を成膜する二段階成膜法が知られている。この方法を使用し、貫通転位の発生を抑制し、且つ、膜の平坦性を維持し、優れた発光特性を有するGaN 系半導体発光素子を製造する方法が特許文献１に開示されている。

一方、ＧａＮ系半導体デバイスの基板の材料は、その上に成膜しようとするＧａＮ系単結晶膜の材料と同種のＧａＮ単結晶基板（以下、ＧａＮ基板と記す）であることが好ましいと考えられている。つまり、ＧａＮ基板の上にＧａＮ系単結晶の薄膜を成長させる場合に両者の格子定数の不整合の問題が生じないので、ＧａＮ基板はＧａＮ半導体デバイスにとって最適な基板と考えられている。また、ＧａＮ基板は劈開性があるので、ウェハーから素子チップを切り出す工程が容易になり、ＬＤを形成する場合には劈開面を共振器のミラー面として利用できる。しかも、ＧａＮ基板は導電性があるので、ＧａＮ基板の底面にｎ電極を設けることにより、ｐ電極（アノード電極）とｎ電極（カソード電極）を上下に分散して配置することが可能になる。したがって、これらの二つの電極を同一平面上に設けないで済むので、電極配置を単純化し、チップ面積を節減することができる。また、ＧａＮ基板は熱伝導率が高いので、放熱性が良い。

このようなＧａＮ基板は、ＬＥＤ基板としては有用であるが、ＬＥＤに比べて高密度の電流が流れるＬＤ基板として使用する場合にＧａＮ基板に転位などの欠陥が多数存在すると、欠陥が引き金になって格子構造が乱れ、ＬＤの特性や寿命に悪影響を及ぼすという問題がある。

このような問題に鑑み、ＧａＮ基板の製造に際して結晶欠陥を制御し、低い転位密度を実現し得る製造方法が特許文献２に開示されている。この製造方法は、単結晶ＧａＮの気相成長表面が、平面状態でなく、三次元的なファセット構造を持つようにし、ファセット構造を持ったまま、ファセット構造を埋め込まないで成長させることで転位を低減し、その後、機械的な加工により平面性を与え、さらにその表面を研磨することにより平坦な表面を得ることを特徴とするものである。また、特許文献２には、ＧａＮ基板上に単結晶ＧａＮを複数枚分以上の厚さに気相成長させた後、厚さ方向にスライス切断する製造方法も示されている。さらに、特許文献２には、ＧａＮ基板の転位密度を低減するための結晶成長法として、ストライプマスク等を使用してＧａＮのラテラルオーバーグロースを行う方法が紹介されている。

ところで、最近は比較的大口径（直径が約５ｃｍ）の実用的なサイズを持ったＧａＮ単結晶基板が製造されるようになった。しかし、例えば図５に概略的に示すように、市販のＧａＮ基板５０の表面には、転位が集中している箇所（高転位密度領域）５１と低転位密度領域５２が周期的に存在する。この高転位密度領域５１には、例えば図６（ａ）に模式的に示すように、約0.2 μｍ〜1.5 μｍの深さの溝ａが存在している。この高転位密度領域５１は、ＧａＮ単結晶基板５０の製造に際して、単結晶ＧａＮの気相成長の最表面に例えば逆六角錐形や逆十二角錐形のファセット面からなるピットを形成し、この形状を維持しながら成長させる際に、ピットの領域に存在する転位欠陥がピットの底に集中することにより形成される。

なお、特許文献３には、ＧａＮ基板の評価に際して基板表面を顕微鏡で詳細に観察すると、転位集中領域（高転位密度領域）に対応して約10μｍ〜40μｍの幅の窪みが数百μｍオーダーのピッチで存在していることが開示されている。

しかし、例えば図６（ｂ）に模式的に示すように、上記した市販のＧａＮ単結晶基板５０上に所望の素子を形成するためにＧａＮ系結晶膜６１を成膜しようとすると、通常の単結晶ＧａＮの気相成長の反応条件では、高転位密度領域の溝ａがそのまま上方（膜の成長方向）に引き継がれるので溝ａ上にＧａＮ系結晶膜６１を成長させることができず、溝ａに対応して約4 μｍ以上の深い凹部ａ´が発生してしまい、上面の平坦性が十分には得られない。

このような深い凹部が発生すると、後の工程に悪影響を及ぼし、素子の特性に悪影響を及ぼすことになる。例えばフォトリソグラフィ工程に際して、レジスト膜厚の分布に悪影響を及ぼし、反応性エッチングによるレジストのパターニング精度が低下する。特に、ＬＤ製造に際して、リッジ部のパターニング形成の精度低下が問題となり、また、劈開工程で劈開面のずれが生じたり、量子井戸発光波長の周期的変化が生じたりする。

また、市販のＧａＮ基板は、キャリア濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上、表面の多くの領域では５×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上とかなり高い。このため、ＧａＮ基板上に素子を成長形成させた際に基板からキャリアが過剰に供給され、熱が発生し易く、ライフ特性を悪化させるおそれがある。

また、市販のＧａＮ基板は、ｎ型不純物を含有するが、その不純物量は基板表面においてむらがある。特に、高転位密度領域と低転位密度領域とでｎ型不純物（酸素）の含有量が異なる。このような基板表面における不純物量のむらは、ＬＥＤ内部に均一に電流が流れることを妨げ、発光面における均一な発光を妨げることになる。また、基板表面における不純物量のむらにより、ＬＤにおけるリッジストライプ下のｎ型不純物濃度にむらが生じ、ＬＤ特性にむらが生じる。この場合、ＬＤの素子構造を形成する層（ガイド層、活性層）と、ｎ型不純物濃度が面内で異なる（面内均一性にむらがある）層とが近いと、後者の層の抵抗が高くなってしまい、発熱による素子寿命の低下をまねく傾向がある。
特開２０００−３５７８２０号公報 特開２００１−１０２３０７号公報 特開２００３−１３３６５０号公報

上記したように従来のＧａＮ基板の上にＧａＮ系結晶膜を成膜させて所望の素子を形成しようとすると、高転位密度領域の溝が後の工程に悪影響を及ぼし、素子の特性に悪影響を及ぼすという問題があり、また、基板表面における不純物量のむらは、発光面における均一な発光を妨げたり、ＬＤの寿命特性が低下するという問題があった。

本発明は上記の問題を解決すべくなされたもので、その目的は、高品質の窒化物半導体デバイスを歩留まり良く、低コストで実現することが可能になり、発光面における均一な発光を可能としたり、寿命特性の良いレーザ素子を歩留まり良く実現することができ、窒化物半導体デバイスを形成するために使用して好適な窒化物半導体積層基板を提供することにある。

本発明の他の目的は、製造工程を安定化し、高品質デバイスを歩留まり良く実現することが可能になる窒化物半導体デバイスを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、製造工程を安定化し、高品質デバイスを歩留まり良く実現し、ライフ特性を向上させることが可能になる窒化物半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明の窒化物半導体積層基板は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板の上面に接して積層され、該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層とを具備する窒化物半導体積層基板であって、前記窒化物半導体基板は、上面に凹部を有し、前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であって前記窒化物半導体基板の上面および凹部の内面に接していることを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体積層基板は、窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板の上面に接して積層され、該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層とを具備する窒化物半導体積層基板であって、前記窒化物半導体基板は、上面に低転位密度領域と高転位密度領域を有し、前記高転位密度領域に対応して凹部を有し、前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体デバイスは、窒化物半導体基板およびその上面に接して積層された該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層を具備する窒化物半導体積層基板と、該窒化物半導体積層基板上に形成され、少なくともｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層を含む第２の半導体層とを具備する窒化物半導体デバイスであって、前記窒化物半導体基板は、上面に凹部を有し、前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であって前記窒化物半導体基板の上面および凹部の内面に接していることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体レーザ素子は、窒化物半導体基板およびその上面に接して積層された該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層を具備する窒化物半導体積層基板と、該窒化物半導体積層基板上に形成され、光導波領域として用いられる少なくともｎ型窒化物半導体層および／またはｐ型窒化物半導体層を含む第２の半導体層とを具備する窒化物半導体レーザ素子であって、
前記窒化物半導体基板は、上面に凹部を有し、前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であって前記窒化物半導体基板の上面および凹部の内面に接していることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体積層基板によれば、高品質の窒化物半導体デバイスを歩留まり良く、低コストで実現することが可能になり、窒化物半導体デバイスを形成するために使用して好適である。また、積層基板の上面における不純物濃度の面内均一性、ひいてはキャリア濃度の面内均一性が極めて良好になり、窒化物半導体デバイスを形成した場合の発光面における均一な発光を可能としたり、寿命特性の良いレーザ素子を歩留まり良く実現することが可能になる。

本発明の窒化物半導体デバイスによれば、製造工程を安定化し、高品質デバイスを歩留まり良く実現することができる。

本発明の窒化物半導体レーザ素子によれば、製造工程を安定化し、高品質デバイスを歩留まり良く実現し、ライフ特性を向上させることができる。

＜第１の実施形態＞（窒化物半導体積層基板）
図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る窒化物半導体積層基板の製造工程を模式的に示す断面図である。図１（ａ）に示す窒化物半導体積層基板１０は、窒化物半導体を積層するための窒化物半導体積層基板であって、窒化物半導体基板１１と、該窒化物半導体基板の上面に接して積層され、該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層１２を具備する。

（窒化物半導体基板）窒化物半導体基板１１は、Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ，０≦ｙ，ｘ＋ｙ≦１）が好ましく、特に組成が一定で安定した特性を得やすい二元結晶のＧａＮ基板が好ましく、以下、窒化物半導体基板１１をＧａＮ基板１１と記す場合もある。このＧａＮ基板１１は、上面が平滑平坦（鏡面）である場合に限らず、高転位密度領域１１ａと低転位密度領域１１ｂが周期的に存在し、高転位密度領域１１ａに対応する凹部ａが例えば約0.2 μｍ〜1.5 μｍの深さ、約10μｍ〜40μｍの幅、数百μｍオーダーのピッチで基板上面に存在する場合もあり得る。この場合、ＧａＮ基板１１の上面（平坦面）には（０００１）面が露出し、凹部の表面には（０００−１）面が露出している。なお、窒化物半導体基板１１に含有されるｎ型不純物としては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、第VIＢ族元素を選択し、好ましくはＯ（酸素）をｎ型不純物とする。以下、ＧａＮ基板１１上に第１の半導体層１２が積層された窒化物半導体積層基板をＧａＮ積層基板１０と記す。

なお、窒化物半導体基板１１は、ｎ型不純物量が表面において異なる部分（むら）があり、特に凹部表面にある高転位密度領域は低転位密度領域と比較して抵抗が高く、低転位密度領域が低抵抗領域であるのに対して高転位密度領域は高抵抗領域となっている。さらに、低転位密度領域においても、一部に高抵抗領域が存在する。

（第１の半導体層）第１の半導体層１２として、意図的にＧａＮ基板１１よりも格子定数が小さい単結晶層を成長させることにより、ＧａＮ基板１１と第１の半導体層１２の界面に格子歪が発生し、微視的に下に凸状に反るような応力が発生する。ＧａＮ基板１１の上面に凹部ａが存在する場合には、上面とは反対面の下面側への引っ張り応力が発生し、凹部ａの幅が狭められる効果が期待される。

第１の半導体層１２の一具体例として、ＧａＮ基板１１と同種のＧａＮ系材料であって、ＧａＮ単結晶よりも格子定数が小さいＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層が望ましい。ここで、Ａｌの混晶比は0.1 以下（0<B<0.1)であり、B>0.01、望ましくは、b=0.03〜0.06に設定すると、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層を成長させる際に、ＧａＮ基板１１の上面の凹部ａの内面で横方向成長によって凹部ａが埋め込まれるようになることが確認された。また、第１の半導体層１２の上面における不純物濃度の面内均一性は極めて良好であることが確認された。以下、第１の半導体層１２をＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２と記す場合もある。

因みに、六方晶系のＧａＮ単結晶の格子定数（結晶軸の長さ）は、ＧａＮのａ軸が3.189 オングストロームであり、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎの格子定数は、例えばb=0.05の場合に3.185 オングストロームであり、両者の格子定数の違いは0.125 ％程度である。ＧａＮ単結晶よりも格子定数が小さい第１の半導体層の他の具体例として、格子定数が3.112 オングストロームのＡｌＮなどを形成してもよい。

Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２は、ＧａＮ基板１１の上面に接するように積層される。ＧａＮ基板１１の上面に凹部ａが存在する場合には、その内面にＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２が接するように積層される。この際、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２は、ＧａＮ基板１１の上面の凹部ａの深さよりも大きい膜厚を有し、かつ、凹部ａを埋め込むように少なくとも凹部内面上部が横方向に成長するような条件で形成されることが望ましい。Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２の膜厚は、凹部ａの深さが約0.2 μｍ〜1.5 μｍである場合、その最大深さの２倍程度（3 μｍ）以上が、その上に半導体層を成長させた時に凹部深さが小さくなる傾向にあるので望ましく、さらに凹部ａを完全に埋め込むには凹部ａの最大深さの6 〜7 倍程度（10μｍ）以上が望ましい。

第１の半導体層１２としてｎ型不純物を有するｎ型窒化物半導体を用いると、ＧａＮ基板１１の上面の凹部ａを埋め込み易くなる傾向にあり、ｎ型不純物として例えばＳｉ（ケイ素）をドープしたＳｉ−Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ(0<b<0.1) を形成する。なお、上記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第IVＢ族、第VIＢ族元素を選択し、好ましくはＳｉ、Ｇｅ、Ｓをｎ型不純物とする。

（第１の半導体層の不純物濃度）ＧａＮ基板１１上に窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ、ＬＤ等）を形成した際に、もし、ＧａＮ基板１１からクラッド層（光閉じ込め層、キャリア閉じ込め層）および活性層（発光層）にキャリアが過剰に供給されると、クラッド層にｎ型不純物として存在するＳｉによる発熱が生じ易く、発光素子のライフ特性を悪化させるおそれがある。そこで、ＧａＮ基板１１からのキャリア供給量を調整（抑制）する役割を第１の半導体層１２に持たせるために、第１の半導体層１２のキャリア濃度をＧａＮ基板１１のキャリア濃度よりも低く形成することが望ましい。例えば、ＧａＮ基板１１のキャリア濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上、１×１０²⁰／ｃｍ³ 以下であると、第１の半導体層１２のキャリア濃度は、ＧａＮ基板１１のキャリア濃度以下であって、例えば１×１０¹⁸以上、２×１０¹⁸／ｃｍ³ 以下であることが望ましい。キャリア濃度は不純物濃度に依存するので、例えば、ＧａＮ基板１１のｎ型不純物濃度を１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上、３×１０¹⁸／ｃｍ³ 以下にし、第１の半導体層１２の不純物濃度をＧａＮ基板１１の不純物濃度よりも低く、１×１０¹⁸／ｃｍ³ 程度にする。

（第１の半導体層の機能）ＧａＮ基板１１上に形成した第１の半導体層１２は、クラッド層として用いることが可能になる。そして、ＧａＮ基板１１は、ｎ型不純物濃度を含有しているので、その裏面にｎ電極を形成する際に良好なオーミック接触が得られるｎコンタクト層として用いることができ、発光素子全体の厚さを薄くし、発光による発熱を放散し易くなる。

上記した第１の実施形態によれば、ＧａＮ基板１１の上面に高転位密度領域に対応する凹部ａが存在する場合でも、ＧａＮ基板１１上にそれよりも格子定数が小さいＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２を積層することにより、高レベルで平坦化された上面を有する高品質のＧａＮ積層基板１０を提供することができる。したがって、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ積層基板１０上に結晶性の良い窒化物半導体層１３を積層して窒化物半導体デバイスを形成する際、デバイスの製造工程を安定化し、所望のデバイスを歩留まり良く、低コストで実現することができる。

また、ＧａＮ基板１１の上面にそれよりも格子定数が小さいＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２を積層することにより、積層基板の上面がほぼ均一な不純物濃度になり、ほぼ均一なキャリア濃度になる。したがって、ＧａＮ積層基板１０上にＬＥＤを形成した場合には、発光面に電流が均一に流れるので、発光面における均一な発光が可能になる。また、ＧａＮ積層基板１０上にＬＤを形成した場合には、リッジストライプの不純物濃度が均一になり、発熱の原因となる抵抗の増大を抑制できるので、寿命特性の良いＬＤを歩留まり良く実現することが可能になる。

リッジストライプは、好ましくはＧａＮ基板の表面において低転位密度領域上に設けることが好ましく、さらには、低転位密度領域においても高抵抗領域を避けて低抵抗領域上に設けることが好ましい。発光素子を形成する場合も、好ましくは、正電極形成面を低転位密度領域上であって、かつ低抵抗領域に形成することが好ましい。

＜第２の実施形態＞（窒化物半導体デバイス）
第１の実施形態に係る窒化物半導体積層基板１０を使用して窒化物半導体デバイス、例えばＬＥＤ、受光素子などを実現する際、窒化物半導体積層基板１０の上に、少なくともｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層を含む半導体層を結晶性良く形成することによって、高品質の窒化物半導体デバイスを歩留まり良く得ることができる。

＜第３の実施形態＞（ＬＤ）
第１の実施形態に係る窒化物半導体積層基板１０を使用してＬＤを実現する際、窒化物半導体積層基板１０の上に、光導波領域を形成する光ガイド層として用いられる少なくともｎ型窒化物半導体層および／またはｐ型窒化物半導体層を含む半導体層を結晶性良く形成することによって、高品質の窒化物半導体レーザ素子を歩留まり良く得ることができる。特に、窒化物半導体レーザ素子のリッジ構造を形成する際にパターニング精度が良くなり、共振器端面として良好な劈開面が得られる。

したがって、本発明によれば、今後、より大口径のＧａＮ基板が製造された際にその上面に高転位密度領域の溝が存在する場合でも、大口径のＧａＮ基板を利用して高品質の窒化物半導体積層基板およびそれを用いた窒化物半導体デバイス、窒化物半導体レーザ素子を実現することが可能になる。

以下、本発明の実施例を数例示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の窒化物半導体積層基板の一実施例の製造工程を模式的に示す断面図である。

図１（ａ）において、１１は市販されている口径が約５ｃｍのｎ型のＧａＮ基板であり、高転位密度領域１１ａと低転位密度領域１１ｂが周期的に存在する。基板上面には、高転位密度領域１１ａに対応して、約0.2 μｍ〜1.5 μｍの深さ、約10μｍ〜40μｍの幅、数百μｍオーダーのピッチで凹部（溝）ａが存在しており、この凹部ａの表面は、（０００１）面ではなく（０００−１）面が露出している。

次に、ＧａＮ基板１１上にＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２を積層するために、ＧａＮ基板１１を例えばＭＯＶＰＥ装置の反応容器内にセットし、基板の温度を所定の温度に設定し、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ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ドーパントガスにシランガスを用い、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１１上にＳｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を10μｍ程度成長させることによってＧａＮ積層基板１０を得る。最終的に、図１（ｃ）に示すように、凹部上方を避けた位置１００に活性層を含んだ半導体デバイスが形成される。

上記Ｓｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層が成長する際、平均的な成長方向はｃ軸方向であるが、ＧａＮ基板１１の凹部ａの少なくとも上部を埋め込むように横方向に成長するような条件に設定する。この際、凹部ａを完全に埋め込むことが望ましいので、ＧａＮ基板１１の凹部ａを埋め込み易くするためにｎ型のＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２を形成することが望ましく、ｎ型不純物として例えばＳｉをドープしてＳｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を形成している。ここで、Ｓｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層にドープするＳｉの不純物量は、ＧａＮ基板１１に含有される不純物量より小さく、１×１０¹⁸／ｃｍ³ とする。

なお、窒化物半導体の形成は、ＭＯＶＰＥに限らず、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）等の気相成長法によっても成長できる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。

上記構成のＧａＮ積層基板１０によれば、ＧａＮ基板１１の上面に高転位密度領域に対応する凹部ａが存在する場合でも、ＧａＮ基板１１上にそれよりも格子定数が小さいＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２を積層することにより、高レベルで平坦化された上面を有する高品質のＧａＮ積層基板を実現することができる。したがって、このＧａＮ積層基板１０上に結晶性の良い窒化物半導体層１３を積層して窒化物半導体デバイス（ＬＥＤ、ＬＤなど）を形成する際、デバイスの製造工程を安定化し、デバイスを歩留まり良く、低コストで実現することができる。

［実施例２］
図２は、本発明の窒化物半導体デバイスの一実施例として、本願出願人に係る特開平９−１５３６４２号公報に開示の窒化物半導体発光素子（ＬＥＤ）を参考にした場合の構造を模式的に示す断面図である。この発光素子は、実施例１に示したＧａＮ積層基板（ウェハー）１０を使用して素子を形成した後にチップに切り出したものである。

図２に示すＬＥＤは、実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０のｎ型のＧａＮ基板１１をｎコンタクト層、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２をクラッド層として利用している。Ｓｉ−Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２上に、単一量子井戸若しくは多重量子井戸構造を有する活性層１６、ｐ型クラッド層１７、ｐ型コンタクト層１８が形成されている。ｐ型コンタクト層１８上にはｐ電極１４が形成されており、さらに、ウェハー裏面側（基板側）が研磨され、ウェハーが所定の厚さに調整された後で、基板の裏側にｎ電極１５が形成されている。そして、ウェハーが３２０μｍ角のチップにカットされた後、カップ形状を有するリードフレームに設置され、エポキシ樹脂でモールドされることによってＬＥＤ素子が構成されている。

前記活性層１６は、単一量子井戸（ＳＱＷ:Single-Quantum-Well) 構造、若しくは多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi-Quantum-Well)構造にすると、非常に出力の高い発光素子が得られる。ＳＱＷ、ＭＱＷとはノンドープのＩｎＧａＮによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造を指し、例えばＳＱＷでは活性層を単一組成のＩｎ_X Ｇａ_1-X Ｎ（０≦X ＜１）で構成した層であり、Ｉｎ_X Ｇａ_1-X Ｎの膜厚を１０ｎｍ以下、さらに好ましくは７ｎｍ以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。また、ＭＱＷは組成比の異なるＩｎ_X Ｇａ_1-X Ｎ（X ＝０、X ＝１を含む）の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をＳＱＷ、ＭＱＷとすることにより、量子準位間発光で約３６５ｎｍ〜６６０ｎｍまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように７ｎｍ以下が好ましい。多重量子井戸構造では井戸層はＩｎ_X Ｇａ_1-X Ｎで構成し、障壁層は同じくＩｎ_Y Ｇａ_1-Y Ｎ（Y ＜X 、Y ＝０を含む）で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をＩｎＧａＮで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は１５ｎｍ以下、さらに好ましくは１２ｎｍ以下にすると高出力な発光素子が得られる。

前記したように量子構造の井戸層の厚さとしては７ｎｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以下とすると発光出力の高い素子を実現できる。これは、この膜厚がＩｎＧａＮ活性層の臨界膜厚以下であることを示している。多重量子井戸構造の場合も同様に、井戸層の厚さは７ｎｍ以下に調整し、一方、障壁層の厚さは１５ｎｍ以下に調整することが望ましい。

活性層１６に接するｐ型クラッド層１７は、ｐ型Ａｌ_Y Ｇａ_1-Y Ｎ（０≦Y ＜１）とする必要があり、特に好ましくはY 値を０．０５以上とすると高出力の素子が得られる。さらに、ＡｌＧａＮは高キャリア濃度のｐ型が得られやすく、また成長時に分解しにくく、ＩｎＧａＮ活性層１６の分解を抑える作用がある。しかも、ＩｎＧａＮ活性層１６に対して、バンドオフセットおよび屈折率差を他の窒化物半導体に比べて大きくできるので最も優れている。また、ｐ型クラッド層１７をｐ型ＧａＮとすると、ｐ型ＡｌＧａＮに比べて発光出力が約１／３に低下してしまう。これは、ＡｌＧａＮがＧａＮに比べてｐ型になり易いか、あるいはＧａＮ成長時にＩｎＧａＮ活性層が分解していると推察される。したがって、ｐ型クラッド層１７としては、Y 値が０．０５以上のＭｇドープｐ型Ａｌ_Y Ｇａ_1-Y Ｎが最も好ましい。このｐ型クラッド層１７の膜厚は、１ｎｍ以上、２μｍ以下、さらに好ましくは５ｎｍ以上、０．５μｍ以下にすることが望ましい。ｐ型クラッド層１７の膜厚が１ｎｍよりも薄いと、ｐ型クラッド層１７が存在しないのに近い状態になり、発光出力が低下する傾向にあり、２μｍより厚いと結晶成長中にｐ型クラッド層自体にクラックが入りやすくなり、クラックの入った層に次の層を積層しても、結晶性の良い半導体層が得られず、出力が低下する傾向にあるからである。なお、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶成長中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ等のアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物ドープ後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中、４００℃以上でアニーリングすることがより望ましい。アニーリングを行うことにより、通常ｐ型ＡｌＧａＮで１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ のキャリア濃度が得られる。またその他、電子線照射処理を行ってもよい。

ｐ型コンタクト層１８は、ｐ型ＧａＮ、特に好ましくはＭｇドープｐ型ＧａＮとする。このｐ型ＧａＮは、ｐ電極１４と接する層であるので、発光素子の場合、オーミック接触を得ることが重要である。ｐ型ＧａＮは、多くの金属とオーミックが取り易く、コンタクト層として最も好ましい電極材料としては、例えばＮｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ｔｉ等によりオーミックを得ることができる。ｐ型コンタクト層１８の厚さは特に限定するものではないが、通常５０ｎｍ〜２μｍ程度の厚さで成長することが望ましい。

図２に示したデバイス構造によれば、必要最小限の構造で、発光出力に優れたＬＥＤを得ることができる。その理由は、各層それぞれが有効に作用しているからである。まず、Ｓｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１２からなるｎ型クラッド層は、電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。また、ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物量をＧａＮ基板より小さくしており、その上に積層する活性層やｐ型窒化物半導体層の結晶性を悪化させることなく、良好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物を発光層への電流注入層として適切な量だけ含んでおり、過剰なｎ型不純物を含まないので、発光層からの発熱をＧａＮ積層基板側から効率良く放熱することが可能になり、素子寿命に優れた窒化物半導体発光素子を得ることができる。

ＳＱＷ、ＭＱＷの活性層１６は結晶性が良いので、発光層として非常に効率の良い層となる。ｐ型クラッド層１７は、キャリア閉じ込め層として濃度が高い層であり、さらにキャリア閉じ込め層としているので高発光出力が得られる。さらに、ｐ型コンタクト層１８も、電極材料と好ましいオーミックが得られるのでＬＥＤ素子の順方向電圧を下げて、発光効率を向上させる。

［実施例３］
図３は、本発明の窒化物半導体デバイスの他の実施例として、本願出願人に係る特許第３０６３７５７号公報に開示の窒化物半導体素子の１つであるＬＥＤを参考にした場合の構造を模式的に示す断面図である。このＬＥＤは、実施例１に示したＧａＮ積層基板（ウェハー）１０を使用して素子を形成した後にチップに切り出したものである。

図３に示すＬＥＤは、実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０のｎ型のＧａＮ基板１１をｎコンタクト層、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２をクラッド層として利用している。Ｓｉ−Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２上に、アンドープ窒化物半導体の下層５ａ、ｎ型不純物ドープ窒化物半導体の中間層５ｂおよびアンドープ窒化物半導体の上層５ｃの３層が順に積層されてなるｎ側第１多層膜５、第１および第２の窒化物半導体層よりなるｎ側第２多層膜層６、多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側クラッド層８、（Ｍｇドープ）ｐ側ＧａＮコンタクト層９が順に積層されている。そして、ｐ側ＧａＮコンタクト層９上にはｐ電極１４が形成されており、さらに、基板の裏側にｎ電極１５が形成されている。

なお、前記活性層７は、Ｉｎ_a Ｇａ_1-a Ｎ(0≦a ＜1)を含んでなる多重量子井戸構造である。ｐ側クラッド層８は、互いにバンドギャップエネルギーが異なり且つ互いにｐ型不純物濃度が異なる（または同一の）第３の窒化物半導体層および第４の窒化物半導体層が積層されてなるｐ側多層膜クラッド層、または、ｐ型不純物を含みＡｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ（０≦ｂ≦１）よりなるｐ側単一膜クラッド層である。

図３に示したデバイス構造によれば、発光出力に優れたＬＥＤを得ることができる。その理由は、各層それぞれが有効に作用しているからである。まず、Ｓｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１２からなるｎ型クラッド層は、電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。また、ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物量をＧａＮ基板より小さくしており、その上に積層する活性層やｐ型窒化物半導体層の結晶性を悪化させることなく、良好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物を発光層への電流注入層として適切な量だけ含んでおり、過剰なｎ型不純物を含まないので、発光層からの発熱をＧａＮ積層基板側から効率良く放熱することが可能になり、素子寿命に優れた窒化物半導体発光素子を得ることができる。

次に、ｎ側第１多層膜５、ｎ側第２多層膜層６、多重量子井戸構造の活性層７、ｐ側クラッド層８、ｐ側ＧａＮコンタクト層９、ｐ電極およびｐパッド電極１４、ｎ電極１５を形成する工程について説明する。

（ｎ側第１多層膜層５）実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０上に、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用いて、アンドープＧａＮからなる下層５ａを２０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加し、Ｓｉを４．５×１０¹⁸／cm³ ドープしたＧａＮからなる中間層５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層５を成長させる。

（ｎ側第２多層膜層６）次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第２＋第１の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させた超格子構造の多層膜よりなるｎ側第２多層膜層６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。

（活性層７）次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ_0.4 Ｇａ_0.6 Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして、障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層７を成長させる。

（ｐ側多層膜クラッド層８）次に、温度１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂ Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたｐ型Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ₂ Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第３＋第４の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第３の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。

（ｐ側ＧａＮコンタクト層９）続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2 Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層（Ｍｇドープｐ側ＧａＮコンタクト層）９を７００オングストロームの膜厚で成長させる。

反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハーを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。

この後、最上層にあるｐ側コンタクト層９のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極を形成し、その上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極を０．５μｍの膜厚で形成する。ここで、１４はｐ電極およびｐパッド電極を示している。

そして、ウェハーを反応容器から取り出し、ウェハー裏面側（基板側）を研磨してウェハーを所定の厚さに調整した後で、基板裏面にＷとＡｌを含むｎ電極１５を形成する。

この後、ウェハーを３２０μｍ角のチップにカットした後、カップ形状を有するリードフレームに設置し、エポキシ樹脂でモールドすることによってＬＥＤ素子とする。

［実施例４〜８］
次に、実施例１に示したＧａＮ積層基板１０を使用した窒化物半導体レーザ素子を、５つの形態に分けて説明する。

第１の形態は、ＧａＮ積層基板１０の第１の半導体層１２をクラッド層として利用する形態であり、ベストモードと考える。

第２の形態は、ＧａＮ積層基板１０の第１の半導体層１２上にｎ側超格子クラッド層を形成する形態である。この場合、第１の半導体層１２は単一膜で形成する。

第３の形態は、ＧａＮ積層基板１０の第１の半導体層１２上に、クラック防止層とｎ側超格子クラッド層を積層形成する形態である。第１の半導体層１２のＡｌの混晶比が比較的高くなると、その上に成長させる窒化物半導体層にクラックが発生する傾向にあるので、クラック防止層を形成するものである。

第４の形態は、リッジストライプに垂直な方向のチップ幅を４００μｍとするものであり、第５の形態は、リッジストライプに垂直な方向のチップ幅を２００μｍとするものである。

［実施例４］
図４は、本発明の窒化物半導体レーザ素子の一実施例として、本願出願人に係る特開平１０−３２６９４３号公報に開示されている窒化物半導体素子の１つであるＬＤを参考にした場合のレーザ光の共振方向に垂直な位置で切断した際の構造を模式的に示す断面図である。このＬＤは、実施例１に示したＧａＮ積層基板（ウェハー）１０を使用して素子を形成した後にチップに切り出したものである。

図４に示すＬＤは、実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０のｎ型のＧａＮ基板１１をｎコンタクト層、Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２をクラッド層として利用している。Ｓｉ−Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ層１２上に、ｎ側光ガイド層２６、活性層２７、キャップ層２８、ｐ側光ガイド層２９、ｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３１が順に積層されている。そして、ｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３１がリッジストライプ構造となるようにエッチングされている。ｐ側コンタクト層３１の最上層全面に正電極２０が形成され、正電極２０の位置を除く上面を覆うようにＳｉＯ₂ よりなる絶縁膜３２が形成され、正電極２０上に電気的に接続された状態でパッド電極２１が形成されている。さらに、ウェハー裏面側がラッピングおよび研磨され、放熱性を高めるためにウェハーが薄く（例えば１００μｍ以下）された後で、ＧａＮ基板１１の裏側に負電極２２が形成されている。そして、ウェハーがＬＤチップにカットされた後、アセンブリされてＬＤとなる。

図４に示したデバイス構造によれば、発光出力に優れたＬＤを得ることができる。その理由は、各層それぞれが有効に作用しているからである。まず、Ｓｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１２からなるｎ型クラッド層は、電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。また、ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物量をＧａＮ基板より小さくしており、その上に積層する活性層やｐ型窒化物半導体層の結晶性を悪化させることなく、良好な窒化物半導体発光素子を得ることができる。また、ｎ型クラッド層は、ｎ型不純物を発光層への電流注入層として適切な量だけ含んでおり、過剰なｎ型不純物を含まないので、発光層からの発熱をＧａＮ積層基板側から効率良く放熱することが可能になり、素子寿命に優れた窒化物半導体発光素子を得ることができる。

次に、ｎ側光ガイド層２６、活性層２７、キャップ層２８、ｐ側光ガイド層２９、ｐ側クラッド層３０、ｐ側コンタクト層３１、正電極２０、絶縁膜３２、パッド電極２１、負電極２２を形成する工程について説明する。

（ｎ側光ガイド層２６）不純物ガスを止めた状態で、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層６を０．２μｍの膜厚で成長させる。

（活性層２７）次に、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用いて活性層２７を成長させる。活性層７は温度を８００℃に保持して、まずＳｉを８×１０¹⁸／cm³ でドープしたＩｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎよりなる井戸層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。次に、ＴＭＩのモル比を変化させるのみで同一温度で、Ｓｉを８×１０¹⁸／cm³ ドープしたＩｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を５０オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を２回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸構造とする。

（ｐ側キャップ層２８）次に、温度を１０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2 Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたｐ型Ａｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなるｐ側キャップ層２８を３００オングストロームの膜厚で成長させる。

（ｐ側光ガイド層２９）不純物ガスを止め、１０５０℃で、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２９を０．２μｍの膜厚で成長させる。

（ｐ側クラッド層３０）続いて１０５０℃で、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80ＮよりなるＡ層を２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたｐ型ＧａＮよりなるＢ層を２０オングストローム成長させる。そしてこのペアを１２５回成長させ、総膜厚０．５μｍ（５０００オングストローム）の超格子構造のｐ側クラッド層３０を成長させる。

（ｐ側コンタクト層３１）最後に、ｐ側クラッド層３０の上に、１０５０℃でＭｇを１×１０²⁰／cm³ ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層３１を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。

反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハーを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。

アニーリング後、ウェハーを反応容器から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でエッチングを行い、図４に示すように最上層のｐ側コンタクト層３１と、ｐ側クラッド層３０とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジストライプを形成する。リッジストライプを形成する際は、予めストライプ幅の中心が後に形成する負電極２２に接近しているように設計する。リッジストライプを形成する場合、特に活性層よりも上にあるＡｌを含むｐ型窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやすく、閾値が低下し易い。また、本実施例にように、絶縁性基板を使用した場合には、リッジ部のストライプの中央を活性層のストライプの中央とずらして、負電極２２側に接近させる方が閾値を低下させる上で好ましい。

次に、最上層にあるｐ側コンタクト層３１のリッジストライプの最上層全面に、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕなどから選択された少なくとも１つを有する正電極、ここではＮｉ／Ａｕよりなる正電極２０を５００オングストロームの膜厚で形成する。

次に、正電極２０を形成した位置を除く窒化物半導体層の表面全面にＳｉＯ₂ よりなる絶縁膜３２を０．５μｍの膜厚で形成する。この絶縁膜３２の形成後、正電極２０の上にその正電極２０と電気的に接続したＲｕとＡｕとを含む取り出し用のパッド電極２１を、絶縁膜３２を介して、正電極２０の表面積よりも広い面積で、２μｍの膜厚で形成する。 次に、窒化物半導体積層基板１０の裏面（ＧａＮ基板１１側）を研磨した後、ＴｉとＡｌよりなる負電極２２をリッジストライプと平行に０．５μｍの膜厚で形成する。なお、ＧａＮ基板１１からなるｎ側コンタクト層と好ましいオーミックが得られる負電極２２の材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｖ等の金属若しくは合金を挙げることができる。

この後、ウェハーの研磨面（裏面）側をスクライブして、リッジストライプに垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器長５００μｍの共振器を作製する。さらに共振器面にＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にリッジストライプに平行な方向で、バーを切断してレーザチップとする。

そして、ウェハーがチップにカットされた後、アセンブリ時に、パッド電極２１はボンディングワイヤーを介して外部端子に接続される。ワイヤーボンディング時の位置は、リッジストライプの位置から離れた位置とする。リッジストライプの真上を避けることにより、リッジ部に衝撃を与えないので、リッジ部の結晶が破壊されない。

なお、パッド電極２１はｐ側コンタクト層３１とオーミック接触が得られていなくても良く、単に正電極２０と電気的に接続するだけでよい。パッド電極２１は、正電極２０よりも膜厚を厚くして、正電極２０の剥離を防止すると共に、表面積を正電極２０よりも大きくしてあるので、本実施例のようなＬＤのような場合には、正電極２０側でパッド電極２１にワイヤーボンディングを行うことを容易にすると共に、正電極２０側をヒートシンク、サブマウントのような放熱体に接続する際に、接着面積を大きくして放熱性を向上させる。

上記したように作製されたＬＤチップのレーザ発振を試みたところ、室温において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。

［実施例５］
実施例５は、実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０のＳｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１２（ｎ型クラッド層）上に実施例４で述べたｎ側光ガイド層２６を形成する前に、ｎ側超格子クラッド層を形成するように変更したものであり、その他は同じである。

（ｎ側超格子クラッド層）温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、ＮＨ₃ 、ＳｉＨ₄ を用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ ドープしたｎ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80ＮよりなるＡ層を２０オングストロームと、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ ドープしたｎ型ＧａＮよりなるＢ層を２０オングストローム成長させる。そしてこのペアを１２５回成長させ、総膜厚０．５μｍ（５０００オングストローム）の超格子構造よりなるｎ側クラッド層を成長させる。その上に実施例４で述べたｎ側光ガイド層２６の形成工程以降を実施する。これにより、実施例４とほぼ同等の特性のＬＤを得ることができる。

［実施例６］
実施例６は、実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０のＳｉ−Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１２（ｎ型クラッド層）上に実施例５で述べたｎ側超格子クラッド層を形成する前に、クラック防止層を形成を形成するように変更したものであり、その他は同じである。

（クラック防止層）温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ ドープしたＩｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎよりなるクラック防止層を５００オングストロームの膜厚で成長させる。その上に実施例５で述べたｎ側超格子クラッド層を形成し、その上に実施例４で述べたｎ側光ガイド層２６の形成工程以降を実施する。これにより、実施例４とほぼ同等の特性のＬＤを得ることができる。

［実施例７］
実施例７のＬＤは、実施例１で得られたＧａＮ積層基板１０に正電極２０および負電極２２を形成するまでは、実施例４のＬＤと同様に作製する。この後、ウェハーの研磨面（裏面）側をスクライブして、リッジストライプに垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器長６００μｍの共振器を作製する。さらに共振器面にＳｉＯ₂ とＴｉＯ₂ よりなる誘電体多層膜を形成し、最後に、リッジストライプに平行な方向で、幅が４００μｍとなるようにバーを切断してレーザチップとする。そして、正電極２０をヒートシンク、サブマウントのような放熱体に接続し、負電極２２側にワイヤーボンディングを行う。

このＬＤは、ＧａＮ基板１１においてリッジストライプ直下は低転位密度領域であり、リッジストライプ直下とは異なる位置には、少なくとも高抵抗領域が存在し、また、高転位密度領域が存在することがある。

上記したように作製されたＬＤチップのレーザ発振を試みたところ、室温において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。また、正電極２０側を放熱体に接続するので、レーザ発振による熱を好適に放熱でき、さらに長寿命の半導体レーザ素子が得られる。

［実施例８］
実施例８のＬＤは、実施例７においてリッジストライプに平行な方向の幅を２００μｍとし、その他は同様に作製する。

このＬＤは、ＧａＮ基板１１においてリッジストライプ直下は低転位密度領域であり、リッジストライプ直下とは異なる位置には、少なくとも高抵抗領域が存在し、また、高転位密度領域が存在することがある。

上記したように作製されたＬＤチップのレーザ発振を試みたところ、室温において、発振波長４０５ｎｍの連続発振が確認された。また、正電極２０側を放熱体に接続するので、レーザ発振による熱を好適に放熱でき、さらに長寿命の半導体レーザ素子が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体積層基板の製造工程を模式的に示す断面図。 本発明の窒化物半導体デバイスをＬＥＤに適用した場合の構造の一例を模式的に示す断面図。 本発明の窒化物半導体デバイスをＬＥＤに適用した場合の構造の他の例を模式的に示す断面図。 本発明の窒化物半導体デバイスをＬＤに適用した場合の構造の一例を模式的に示す断面図。 市販のＧａＮ基板の表面に高転位密度領域と低転位密度領域が周期的に存在する様子を概略的に示す平面図。 市販のＧａＮ基板上に通常の気相成長によりＧａＮ系結晶膜を成膜した際に高転位密度領域の溝部が膜の成長方向に引き継がれる様子を概略的に示す断面図。

符号の説明

１１……ＧａＮ基板（窒化物半導体基板）
１１ａ…高転位密度領域
１１ｂ…低転位密度領域
ａ……凹部（溝）
１２……Ａｌ_b Ｇａ_1-b Ｎ(0<b<0.1) 層（第１の半導体層）
１３…窒化物半導体層

Claims (14)

1. 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板の上面に接して積層され、該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層とを具備する窒化物半導体積層基板であって、
   前記窒化物半導体基板は、上面に凹部を有し、
   前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、
   前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であって前記窒化物半導体基板の上面および凹部の内面に接している
   ことを特徴とする窒化物半導体積層基板。
2. 前記窒化物半導体基板は、上面に低転位密度領域と高転位密度領域を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体積層基板。
3. 前記窒化物半導体基板は、上面の高転位密度領域に対応して凹部を有することを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体積層基板。
4. 窒化物半導体基板と、該窒化物半導体基板の上面に接して積層され、該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層とを具備する窒化物半導体積層基板であって、
   前記窒化物半導体基板は、上面に低転位密度領域と高転位密度領域を有し、前記高転位密度領域に対応して凹部を有し、
   前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、
   前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) である
   ことを特徴とする窒化物半導体積層基板。
5. 前記第１の半導体層は、ｎ型不純物を有する窒化物半導体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層基板。
6. 前記第１の半導体層に含有されるｎ型不純物は、前記窒化物半導体基板に含有されるｎ型不純物よりも不純物濃度が低いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層基板。
7. 前記第１の半導体層に含有されるｎ型不純物は、前記窒化物半導体基板に含有されるｎ型不純物とは異なることを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体積層基板。
8. 前記第１の半導体層に含有されるｎ型不純物は、ケイ素であることを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体積層基板。
9. 前記窒化物半導体基板に含有されるｎ型不純物は、酸素であることを特徴とする請求項６または８記載の窒化物半導体積層基板。
10. 前記第１の半導体層は、前記窒化物半導体基板の凹部の深さよりも大きい膜厚を有することを特徴とする請求項３乃至９のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層基板。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体積層基板は、前記窒化物半導体基板の凹部が存在する面とは反対面側に引っ張り応力を有することを特徴とする窒化物半導体積層基板。
12. 窒化物半導体基板およびその上面に接して積層された該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層を具備する窒化物半導体積層基板と、該窒化物半導体積層基板上に形成され、少なくともｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層を含む第２の半導体層とを具備する窒化物半導体デバイスであって、
    前記窒化物半導体基板は、上面に凹部を有し、
    前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、
    前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であって前記窒化物半導体基板の上面および凹部の内面に接している
    ことを特徴とする窒化物半導体デバイス。
13. 窒化物半導体基板およびその上面に接して積層された該窒化物半導体基板よりも格子定数が小さい第１の半導体層を具備する窒化物半導体積層基板と、該窒化物半導体積層基板上に形成され、光導波領域として用いられる少なくともｎ型窒化物半導体層および／またはｐ型窒化物半導体層を含む第２の半導体層とを具備する窒化物半導体レーザ素子であって、
    前記窒化物半導体基板は、上面に凹部を有し、
    前記凹部の表面には（０００−１）面が露出しており、
    前記第１の半導体層は、Ａｌ _b Ｇａ _1-b Ｎ(0<b<0.1) であって前記窒化物半導体基板の上面および凹部の内面に接している
    ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
14. 請求項１３記載の窒化物半導体レーザ素子において、前記第１の半導体層は光閉じ込め層として用いられることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。

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