JP4356502B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）等の窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）に使用されるＧａＮ基板の製造方法に関する。

本出願人は、窒化物半導体基板の上に積層した様々な層構成でもって、例えば青色等の高輝度な発光ダイオード（ＬＥＤ）、室温で長時間にわたる連続発振を可能とした青色のレーザダイオード（ＬＤ）のような、窒化物半導体素子を実現してきた。また、窒化物半導体の用途はこれだけにとどまらず、他の窒化物半導体素子への利用が提案され、様々な研究機関により精力的な研究がなされている。

このような窒化物半導体は、一般的にサファイアに代表されるような異種基板上に積層させた窒化物半導体層を基板として、この上に種々の層を積層することで所望の素子が製造されている。具体的に発光素子を例としてあげると、サファイア基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させた後、ｎ層、ｐ層を積層し、それぞれの層に対応する電極を設けることである。

このように、窒化物半導体と格子整合する窒化物半導体基板の製造実現への要望は高まるばかりであるが、ＧａＮバルク結晶を例にとっても、様々な研究機関により試みられているにもかかわらず、数ｍｍのものが報告されるにとどまっている。

窒化物半導体基板を製造する方法として、サファイア基板に酸化亜鉛の中間層を形成した後、窒化物半導体を積層し、前記中間層を湿式エッチングによりサファイア基板を剥離する方法が特開平７−２０２２６５号公報に開示されている。しかし、この方法により得られる窒化物半導体層では結晶性の良好な窒化物半導体基板が得られなかった。

しかしＧａＮ単結晶サファイア基板を薄くした際、サファイア基板とＧａＮとの格子不整合により応力が発生し、基板に反りが生じてしまい、この基板上に窒化物半導体を形成して良好な窒化物半導体素子を得ようとしても限度があった。

また、酸化物基板上にＧａＮを成膜した後、サファイア基板側から研磨をして、ＧａＮのみにする方法が特開平１１−１３９９号公報に開示されている。この方法は酸化物基板上にＧａＮを成長させてＨＶＰＥ法により一定の厚さの１次のＧａＮを形成し、この１次のＧａＮ層の成長された窒化物半導体基板を研磨して酸化物基板の一部を除去し、１次のＧａＮ層上に２次のＧａＮ層を成長させ、再度研磨して除去し、この窒化物半導体基板が完全に除去された１次および２次のＧａＮ層上に再び所定の厚さのＧａＮ層を成長させてＧａＮ単結晶を成長させ、最後にＧａＮ単結晶を研磨してＧａＮ基板を得る。

しかしこの方法で得られるＧａＮ基板は非常に欠陥が多く、この基板を用いて窒化物半導体を作製しても特性の良い素子は得られず、また層構成の複雑な窒化物半導体レーザ素子に至っては発振さえしなかった。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、ＧａＮ基板上に窒化物半導体が積層されて窒化物半導体素子となるＧａＮ基板において、作製時に生じる反りが軽減した結晶欠陥の非常に少ないＧａＮ基板の製造方法を提供し、素子特性の良好な窒化物半導体素子を歩留良く得ることを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため、ＧａＮ基板について研究した結果、サファイア基板上にＧａＮを厚膜で形成した後に、サファイア基板側から研磨をしてＧａＮのみにすると反りが生じてしまうが、このＧａＮ基板にさらに厚膜でＧａＮを積層することによって、サファイアとＧａＮとの格子不整合によって発生した際のひずみ応力が緩和され、反りが軽減した良好なＧａＮ基板を得ることに成功した。

さらに本発明の製造方法によって得られるＧａＮ基板は、ラテラル成長したＧａＮを利用して作製するため、結晶欠陥の非常に少ないＧａＮ基板を比較的厚い膜で得ることができ、またＧａＮの劈開により共振面を作製出来ることから、特に層構成の複雑な窒化物半導体レーザ素子の作製に有用である。

すなわち、本発明は、
窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体を有する窒化物半導体素子の製造方法であって、
窒化物半導体と異なる異種基板上に、第１の窒化物半導体をラテラル成長させ、その上に第２の窒化物半導体を１０μｍ以上４００μｍ以下の厚さで成長させる第１の結晶成長工程と、
前記異種基板を除去して、前記窒化物半導体を、反りを有する窒化物半導体基板とする基板除去工程と、
前記窒化物半導体基板の上に、第３の窒化物半導体を１０μｍ〜８００μｍの厚さで成長させる第２の結晶成長工程と、
前記第１の結晶成長工程で成長させた窒化物半導体及び前記第２の結晶成長工程で成長させた窒化物半導体を有する状態で、前記窒化物半導体基板の異種基板が除去された側を研磨して、前記ラテラル成長した窒化物半導体結晶の少なくとも一部を除去して、窒化物半導体基板の膜厚を小さくした窒化物半導体基板とする基板薄膜化工程と、
を具備することを特徴とする。
本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、以下を組み合わせることができる。前記基板薄膜化工程において、研磨された窒化物半導体基板が反りを有する。前記基板除去工程において、異種基板を除去した後に、前記窒化物半導体基板の異種基板側を研磨して、窒化物半導体基板の膜厚を小さくする第１の基板研磨工程を具備する。前記基板研磨工程後に、窒化物半導体素子を有する窒化物半導体基板の研磨面側に、前記窒化物半導体基板を劈開する劈開工程を具備する。前記窒化物半導体素子がレーザ素子であり、該レーザ素子が前記劈開工程の劈開による共振面を有する。前記基板研磨工程後に、窒化物半導体素子を有する窒化物半導体基板の研磨面側に、電極を形成する工程を具備する。前記第１の結晶成長工程において、ＧａＮからなる第１の層に凹凸を形成して、該第１の層上に窒化物半導体を成長させる。
また、本発明の他の態様を以下に示す。
ＧａＮ基板上に窒化物半導体を積層して窒化物半導体素子となるＧａＮ基板の製造方法であって、
窒化物半導体と異なる異種基板上にラテラル成長によるＧａＮを含む第１の窒化物半導体層を成長させる第１の工程と、
その上に第２の窒化物半導体を成長させる第２の工程と、
第２の工程後、少なくとも異種基板までを除去する第３の工程と、
第３の工程後、第２の窒化物半導体の上に第３の窒化物半導体を成長させる第４の工程とを有することを特徴とする。

前記第１の工程は、異種基板上にＧａＮを成長させた後、そのＧａＮ表面に凹凸を形成し、少なくとも凹部から凸部の表面にわたって、ＧａＮをほぼ横方向に成長させる工程であることを特徴とする。

前記第４の工程後、異種基板を除去した側から第２の窒化物半導体の一部または全部、あるいは第３の窒化物半導体の一部までを除去する第５の工程を有することを特徴とする。

前記第２の窒化物半導体層の厚さは、１０μｍ以上４００μｍ以下に調整することを特徴とし、前記第３の窒化物半導体層の厚さは、１００μｍ以上４００μｍ以下に調整することを特徴とする。

さらに前記第１の工程はＭＯＶＰＥ法により、第２の工程および第４の工程はＨＶＰＥ法により窒化物半導体を成長させることを特徴とする。

前記第５の工程後、ＧａＮ基板を研磨して厚さを１００μｍ以上３００μｍ以下にして、この上にデバイス構造を作製することを特徴とする。これは３層以上の構造を有するＧａＮ基板の総膜厚をこの範囲とすることで、この上に窒化物半導体を積層して得られる窒化物半導体素子の特性が良好となる。

前記窒化物半導体と異なる異種基板は、Ｃ面を基準としてオフアングルされたサファイア基板を用いることを特徴とする。

前記第２の窒化物半導体層および／または第３の窒化物半導体層に、ＳｉあるいはＳｎをドープすることを特徴とする。

以上説明したように、従来のＧａＮ基板を得る方法では異種基板とＧａＮとの格子不整合により応力が発生し、基板に大きな反りが生じていたが、本発明の方法によると、異種基板側から研磨をしてＧａＮのみにすると反りが生じてしまうが、このＧａＮ基板にさらに厚膜でＧａＮを積層することによって、異種基板とＧａＮとの格子不整合によって発生した際のひずみ応力が緩和され、反りが軽減し、良好なＧａＮ基板が得られる。

さらに本発明の製造方法によって得られるＧａＮ基板は、エピタキシャル成長したＧａＮを利用して作製するため、非常に結晶欠陥が少ないＧａＮ基板を比較的厚い膜で得ることができ、特に層構成の複雑な窒化物半導体レーザ素子の作製に有用である。

以下、本発明について詳細に説明する。図１〜６は本発明の製造方法の具体例を示す模式図である。

まず第１の工程として、図１に示すように、ＭＯＶＰＥ法によりサファイア基板などの窒化物半導体と異なる異種基板１上に窒化物半導体の下地層を成長させこれを第１の層と称し、次にエピタキシャル成長による窒化物半導体を形成する。エピタキシャル成長とは結晶欠陥の少ない単結晶の成長をいい、特に窒化物半導体では厚さ方向に対して横方向に選択成長（ラテラル成長）させることで、結晶欠陥が厚さ方向に成長することがなくなり、良好なエピタキシャル成長層が得られることが知られている。

具体的に横方向に選択成長（ラテラル成長）させる方法としては、ＧａＮからなる第１の層を形成し、この第１の層を部分的に凹凸を形成して（２ａ）凹部側面に窒化物半導体の横方向の成長が可能な面を露出させ、その上に窒化物半導体を成長させる（２ｂ）。

その他にラテラル成長させる方法としては、ＧａＮからなる窒化物半導体層上にＳｉＯ_２等のマスクを部分的に形成し（例えばストライプ状）、この上に窒化物半導体を成長させる。どちらの方法によっても窒化物半導体はラテラル成長し、どちらも結晶欠陥の非常に少ないエピタキシャル成長層は得られるが、ＳｉＯ_２等のマスク材料は、窒化物半導体が良好な単結晶として得られる温度、例えば１０００℃以上の温度で分解するおそれがあり、また窒化物半導体が異常成長する原因にもなるために、凹凸を形成する方法によってラテラル成長させる方が好ましい。

また、窒化物半導体と異なる異種基板１は、Ｃ面、Ｒ面、Ａ面を含むサファイアの他、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ等の従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。

また、本発明に用いる窒化物半導体と異なる異種基板１はステップ状にオフアングル（傾斜）された基板を用いることが望ましい。サファイア基板を用いる場合、サファイアＡ面に対し垂直（サファイアのＭ軸方向と平行）にオフアングルし、そのオフアングルのオフ角を０．１°〜０．３°の範囲にすることで、良好な窒化物半導体素子が得られる。

オフ角を０．１°〜０．３°の範囲にすると、ＨＶＰＥ法で積層した第２の窒化物半導体と第３の窒化物半導体の表面形態が、異種基板のステップに平行なすじ状となる。この窒化物半導体表面のステップ（段差に沿う方向）はレーザ素子を作製する際の導波路方向と同じとなり、導波路構造内にステップ状の段差ができることがなく、最も良い。さらに好ましくは０．１５°〜０．２５°とすると良い。

オフ角が０．１°より小さいか、またはオフアングルされていないサファイアを用いると、第２の窒化物半導体層と第３の窒化物半導体層の表面形態は六角錘状（または六角錘に似た形）となり、この上に作製する窒化物半導体表面にも六角パターンが反映され、素子特性が悪くなってしまう。また、オフ角が０．３°より大きいサファイアを用いると表面が荒れてしまい、サファイアのＣ面からのずれが大きくなり、エピタキシャル成長が困難になる。

また、本発明のラテラル成長する第１の工程は繰り返し２回以上行っても良い。
繰り返し行うことで、その上に形成する窒化物半導体層の結晶欠陥の数をさらに少なくすることができる。繰り返してラテラル成長を形成する際は、そのまえに行ったラテラル成長の際の凹凸に対して、凸部上に凹部、凹部上に凸部となるように形成する。

次に第２の工程として、図２に示すように、エピタキシャル成長した第１の窒化物半導体層２上にＨＶＰＥ法を用いて第２の窒化物半導体３を成長させる。このＨＶＰＥ法による窒化物半導体は厚膜で形成し、下地層を含めて４００μｍ以下にすることが望ましい。４００μｍより厚く成長すると、異種基板との格子不整合あるいは熱膨張係数差によって発生する反りが大きくなりすぎてしまい、素子構造となる窒化物半導体を積層する際に不都合が生じてしまう。これは窒化物半導体と異種基板との間で発生する格子不整合あるいは熱膨張係数差によるひずみが、はじめは異種基板の方が膜厚が大きいために格子不整合あるいは熱膨張係数差によって発生する応力は異種基板１に依存し、窒化物半導体の方がひずみ応力を受けた状態となっていた。しかし、窒化物半導体が４００μｍより大きくなると、次第に応力は窒化物半導体に依存するようになってくるため、窒化物半導体にかかっていたひずみ応力が緩和されはじめ、今度は異種基板の方がひずみ応力を受けるようになり、そこで大きな反りが発生してしまう。

さらにこの第２の工程を行うことによって次のような効果もある。第１の工程においてラテラル成長による第１の窒化物半導体層２を成長させた場合、第１の窒化物半導体層表面では結晶欠陥の数が不均一であったものが、第２の窒化物半導体層３を成長させると、第２の窒化物半導体中で結晶欠陥が拡散され、第２の窒化物半導体層表面ではほぼ均一となり、その上に成長させる窒化物半導体も均一な層として成長させることができる。

またこの第２の窒化物半導体層３を成長させるとき、ＳｉあるいはＳｎのｎ型不純物をドープすることが望ましい。これはｎ電極とのオーミック性を良くするためで、ＧａＮ基板上にｎ層、活性層、ｐ層の順に素子構造を形成した場合、ｐ層側にｐ電極を形成して、ｐ電極とは反対のｎ層側すなわちＧａＮ基板にｎ電極を形成する場合に、ＳｉまたはＳｎをドープすると、オーミック性が良好となる。

このＳｉまたはＳｎのｎ型不純物は、５×１０^１６／ｃｍ^３〜５×１０^２１／ｃｍ^３の範囲でドープすることが望ましい。５×１０^１６／ｃｍ^３より少ないと、オーミック性が悪くなってしまい、また５×１０^２１／ｃｍ^３より多いと、不純物濃度が大きいために結晶性が悪くなり、結晶欠陥が増大する傾向にある。好ましい範囲としては、１×１０^１７／ｃｍ^３〜１×１０^２０／ｃｍ^３とする。

次に第３の工程として、図３に示すように、第２の窒化物半導体３までを形成した後、異種基板１の露出した面側から研磨していき、少なくとも異種基板までを除去する。研磨により取り除く層はＳｉＯ_２等のマスク材料を用いてエピタキシャル成長層を形成した場合はマスク材料等までを除去することが望ましい。この異種基板１を研磨により除去していくと、前述の説明と同じように、異種基板に依存していた応力が窒化物半導体に依存するようになり、結果的に異種基板１をすべて除去した段階で、大きく反った状態の窒化物半導体が得られる。

この大きく反りのある窒化物半導体を次に第４の工程として、図４に示すように、ＨＶＰＥ法を用いて第３の窒化物半導体４を成長させる。このＨＶＰＥによる第３の窒化物半導体４を厚膜で形成することで反りの軽減したＧａＮ基板が得られる。これは異種基板１との格子不整合によってひずみ応力を受けた第２の窒化物半導体３が、異種基板が除去された状態でさらに窒化物半導体を積層していくことで、次第にひずみ応力が取り除かれるようになり、反りが軽減したと考えられる。この第３の窒化物半導体は１０μｍ〜８００μｍで形成し、好ましくは２００μｍ〜５００μｍで形成する。

次に好ましくは第５の工程として、図５に示すように、得られたＧａＮ基板を異種基板１を除去した側から第２の窒化物半導体３の一部または全部、あるいは第３の窒化物半導体４の一部までを除去する。これは第１の窒化物半導体２はラテラル成長を得るために、ＳｉＯ_２等のマスクを含んでいたり、凹凸を形成した上に窒化物半導体を形成したりしており、ひずみ応力が取り除かれにくくなっているため、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層の一部または全部を研磨により除去することが望ましい。この研磨によって最終的なＧａＮ基板としての膜厚は、５０μｍ〜５００μｍ、好ましくは１００μｍ〜３００μｍとする。

以上のようにして作製したＧａＮ基板４’を用いると、ＧａＮ基板上にｎ型窒化物半導体、活性層、ｐ型窒化物半導体を形成して窒化物半導体素子を作製したとき、反りも小さく、また欠陥も少ないために、歩留が良く、発光効率の優れた窒化物半導体素子が得られる。
［実施例１］
異種基板１として、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１をＭＯＶＰＥ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１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。

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、さらにＴＭＧを用いて、ＧａＮよりなる窒化物半導体層２を２．５μｍの膜厚で成長させる。

窒化物半導体層２を成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅（凸部の上部になる部）２μｍ、ストライプ間隔（凹部の底部となる部分）１０μｍにパターニングされたＳｉＯ_２膜を形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ_２膜の形成されていない部分の第１の窒化物半導体層２を第１の窒化物半導体２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２を露出させる（図１の２ａ）。図１のように凹凸を形成した後、凸部上部のＳｉＯ_２を除去する。なお、ストライプ方向は、図６に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向（ＧａＮのＭ軸方向）で形成する。

次に、ＭＯＶＰＥ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よりなる窒化物半導体層２ｂを１５μｍの膜厚で成長させ、これを第１の窒化物半導体層２とする。

第１の窒化物半導体層２を成長後、続いてウエハーをＨＶＰＥ装置に移し、温度を１０５０℃で、原料ガスに塩化ガリウム、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層３を２５０μｍの膜厚で成長させる。

このとき結晶欠陥の数を断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）により観察すると、第１の窒化物半導体層２表面での結晶欠陥密度は凸部上で１０^１０個／ｃｍであり、凹部上で１０^４個／ｃｍ^２以下であったものが、第２の窒化物半導体層３表面ではほぼ均一で１０^６個／ｃｍ^２になった。

続いてウエハーを反応容器から取り出し、サファイア基板側から、サファイア基板１が完全に除去されて下地層のＧａＮが露出するまで研磨していく。このサファイア基板がすべて取り除かれた状態ではウエハーは大きく反った状態となっている。

次に、サファイア基板の取り除かれたウエハーを再びＨＶＰＥ装置に移し、同じく温度を１０５０℃で、原料ガスに塩化ガリウム、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層４を３００μｍの膜厚で成長させる。この第３の窒化物半導体層を成長させることで反りは軽減される。

第３の窒化物半導体層４を成長後、ウエハーを反応容器から取り出し、先ほど除去したサファイア基板側から、第１の窒化物半導体層２、および第２の窒化物半導体層３の一部までを研磨していき、最終的に総膜厚が２５０μｍのＧａＮ基板４’にする。

得られたＧａＮ基板４’は反りが小さく、また欠陥も少ないために、このＧａＮ上に形成した窒化物半導体素子は、歩留が良く、また発光効率の優れたものが得られた。

［実施例２］
実施例１と同様にしてＧａＮ基板４’を作製する。得られたＧａＮ基板上に図７に示すようにＩｎＧａＮよりなるクラック防止層（これは省略が可能である）、ＡｌＧａＮとＳｉドープのＧａＮとの超格子からなるｎ側クラッド層６、ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層７、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層９、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０、ＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮとの超格子からなるｐ側クラッド層１１、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２を順に積層する。

積層後、ｐ側コンタクト層１２とｐ側クラッド層１１とをエッチングして表面をリッジ形状とし、リッジ上にＺｒＯ_２などの絶縁膜３１とｐオーミック電極２０を形成し、最後にｐパッド電極２１を、またｐ電極とは反対のＧａＮ基板側にｎオーミック電極２２とｎパッド電極２３を形成し、最後にＧａＮの劈開により共振面を形成し、チップ化する。

以上のようにして窒化物半導体レーザ素子を得て、これをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対抗した状態）で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、室温で連続発振を試みたところ、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ^２、２０ｍＷの出力において、連続発振が確認され、２０００時間以上の寿命を示した。

［実施例３］
実施例２と同様にして、実施例１によって得られたＧａＮ基板上に図８に示すように素子構造としてＡｌＧａＮからなるｎ側コンタクト層５、クラック防止層（省略可能）、ｎ側クラッド層６、ｎ側光ガイド層７、活性層８、ｐ側キャップ層９、ｐ側光ガイド層１０、ｐ側クラッド層１１、ｐ側コンタクト層１２を積層する。

次にｐ側コンタクト層１２の一部をエッチングしてｎ側コンタクト層５を露出させる。さらにｐ側層をｐ側クラッド層１１までＲＩＥによりドライエッチングしてリッジを形成し、リッジ上に保護膜としてＺｒＯ_２などの絶縁膜３１とそれぞれのコンタクト層上にｐオーミック電極２０とｐパッド電極２１、ｎオーミック電極２２とｎパッド電極２３を形成し、最後にＧａＮの劈開により共振面を形成し、チップ化する。

以上のようにして窒化物半導体レーザ素子を得て、これをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対抗した状態）で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、室温で連続発振を試みたところ、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ^２、２０ｍＷの出力において、連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。

［実施例４］
異種基板１として、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１をＭＯＶＰＥ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１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。

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、さらにＴＭＧを用いて、ＧａＮよりなる窒化物半導体層２ａを２．５μｍの膜厚で成長させる。

窒化物半導体層２ａを成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μｍ、窓部２μｍのＳｉＯ_２よりなる保護膜３０を０．５μｍの膜厚で形成する。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。

保護膜３０形成後、ウエハーをＭＯＶＰＥ反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体層２ｂを１５μｍの膜厚で成長させ、これを第１の窒化物半導体層２とする。

第１の窒化物半導体層２を成長後、続いてウエハーをＨＶＰＥ装置に移し、温度を１０５０℃で、原料ガスに塩化ガリウム、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層３を２５０μｍの膜厚で成長させる（図６）。

このとき結晶欠陥の数を断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）により観察すると、第１の窒化物半導体層表面での結晶欠陥密度は凸部上で１０^４個／ｃｍ^２であり、凹部上で１０^１０個／ｃｍ^２以下であったものが、第２の窒化物半導体層上ではほぼ均一で１０^６個／ｃｍ^２になった。

続いてウエハーを反応容器から取り出し、サファイア基板側から、第１の窒化物半導体層２の一部までを研磨していき、サファイア基板および、保護膜のＳｉＯ_２を完全に除去する。このサファイアおよびＳｉＯ_２がすべて取り除かれた状態ではウエハーは大きく反った状態となっている。

次に、サファイア基板１の取り除かれたウエハーを再びＨＶＰＥ装置に移し、同じく温度を１０５０℃で、原料ガスに塩化ガリウムＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、Ｓｉを１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層を３００μｍの膜厚で成長させる。この第３の窒化物半導体層４を成長させることで反りは軽減される。

第３の窒化物半導体層４を成長後、ウエハーを反応容器から取り出し、先ほど除去したサファイア基板側から、残りの第１の窒化物半導体層２、および第２の窒化物半導体層３の一部までを研磨していき、最終的に総膜厚が２５０μｍのＧａＮ基板４’にする。

得られたＧａＮ基板４’は反りが小さく、また欠陥も少ないために、このＧａＮ上に形成した窒化物半導体素子は，歩留が良く，また発光効率の優れたものが得られた。

［実施例５］
実施例１において、第３の窒化物半導体４をアンドープのＧａＮとした他は同様にして、ＧａＮ基板４’を得た。

このＧａＮ基板４’上に図７に示すように、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層（これは省略が可能である）、ＡｌＧａＮとＳｉドープのＧａＮとの超格子からなるｎ側クラッド層６、ＧａＮよりなるｎ側光ガイド層７、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層９、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０、ＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮとの超格子からなるｐ側クラッド層１１、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２を順に積層する。

積層後、ｐ側コンタクト層とｐ側クラッド層とをエッチングして表面をリッジ形状とし、リッジ上にＺｒＯ_２などの絶縁膜３１とｐオーミック電極２０を形成し、最後にｐパッド電極２１を、またｐ電極とは反対のＧａＮ基板側にｎオーミック電極２２とｎパッド電極２３を形成し、最後にＧａＮの劈開により共振面を形成し、チップ化する。

以上のようにして窒化物半導体レーザ素子を得て、これをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対抗した状態）で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、室温で連続発振を試みたところ、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ^２、２０ｍＷの出力において、連続発振が確認され、１０００時間以上の寿命を示した。

［実施例６］
異種基板１として、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１において、さらにステップ上にオファングルされ、そのオフ角が０．１３°、ステップに沿う方向（段差方向）がＡ面に垂直に形成された基板を用いる他は実施例２と同様にして窒化物半導体レーザ素子を得て、室温で連続発振を試みたところ、閾値電流密度２ｋＡ／ｃｍ^２、２０ｍＷの出力において、連続発振が確認され、３０００時間以上の寿命を示した。

［実施例７］
実施例１と同様にしてＧａＮ基板４’を作製する。得られたＧａＮ基板上にＡｌＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層（これは省略が可能である）、ＡｌＧａＮとＳｉドープのＧａＮとの超格子からなるｎ側クラッド層６、ＩｎＧａＮよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層８、ＭｇドープのＡｌＧａＮよりなるｐ側キャップ層９、ＡｌＧａＮとＭｇドープのＧａＮとの超格子からなるｐ側クラッド層１１、ＭｇドープのＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１２を順に積層する。

積層後、ｐ側コンタクト層１２上にｐオーミック電極（透明電極）２０とｐパッド電極２１を形成し、ｐ電極とは反対のＧａＮ基板側にｎオーミック電極２２と、ｎパッド電極２３を形成し、最後にＧａＮの劈開によりチップ化する。

以上のようにして得られたＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、順方向電圧３．４Ｖ、４６５ｎｍの青色発光を示し、発光出力は９ｍＷであった。

本発明の第１の工程を説明するＧａＮ基板の構造を示す模式断面図。 本発明の第２の工程を説明するＧａＮ基板の構造を示す模式断面図。 本発明の第３の工程を説明するＧａＮ基板の構造を示す模式断面図。 本発明の第４の工程を説明するＧａＮ基板の構造を示す模式断面図。 本発明の第５の工程を説明するＧａＮ基板の構造を示す模式断面図。 本発明の他の実施例を説明するＧａＮ基板を用いたレーザ素子の構造を示す模式断面図。 本発明の実施例によって得られるＧａＮ基板を用いたレーザ素子の構造を示す模式断面図。 本発明の他の実施例によって得られるＧａＮ基板を用いたレーザ素子の構造を示す模式断面図。 本発明の他の実施例によって得られるＧａＮ基板を用いたレーザ素子の構造を示す模式断面図。

符号の説明

１・・・異種基板
２・・・第１の窒化物半導体層
３・・・第２の窒化物半導体層４・・・第３の窒化物半導体層
４’・・・ＧａＮ基板
５・・・ｎ側コンタクト層
６・・・ｎ側クラッド層
７・・・ｎ側光ガイド層
８・・・活性層
９・・・ｐ側キャップ層
１０・・・ｐ側光ガイド層
１１・・・ｐ側クラッド層
１２・・・ｐ側コンタクト層
２０・・・ｐオーミック電極
２１・・・ｐパッド電極
２２・・・ｎオーミック電極
２３・・・ｎパッド電極
３０・・・ＳｉＯ_２
３１・・・絶縁膜

Claims (7)

1. 窒化物半導体基板上に積層された窒化物半導体を有する窒化物半導体素子の製造方法であって、
   窒化物半導体と異なる異種基板上に、第１の窒化物半導体をラテラル成長させ、その上に第２の窒化物半導体を１０μｍ以上４００μｍ以下の厚さで成長させる第１の結晶成長工程と、
   前記異種基板を除去して、前記窒化物半導体を、反りを有する窒化物半導体基板とする基板除去工程と、
   前記窒化物半導体基板の上に、第３の窒化物半導体を１０μｍ〜８００μｍの厚さで成長させる第２の結晶成長工程と、
   前記第１の結晶成長工程で成長させた窒化物半導体及び前記第２の結晶成長工程で成長させた窒化物半導体を有する状態で、前記窒化物半導体基板の異種基板が除去された側を研磨して、前記ラテラル成長した窒化物半導体結晶の少なくとも一部を除去して、窒化物半導体基板の膜厚を小さくした窒化物半導体基板とする基板薄膜化工程と、
   を具備することを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
2. 前記基板薄膜化工程において、研磨された窒化物半導体基板が反りを有する請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。
3. 前記基板除去工程において、前記異種基板を除去した側から前記第２の窒化物半導体の一部までを少なくとも除去する第１の基板研磨工程を具備する請求項１又は２記載の窒化物半導体素子の製造方法。
4. 前記基板研磨工程後に、窒化物半導体素子を有する窒化物半導体基板の研磨面側に、前記窒化物半導体基板を劈開する劈開工程を具備する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
5. 前記窒化物半導体素子がレーザ素子であり、該レーザ素子が前記劈開工程の劈開による共振面を有する請求項４記載の窒化物半導体素子の製造方法。
6. 前記基板研磨工程後に、窒化物半導体素子を有する窒化物半導体基板の研磨面側に、電極を形成する工程を具備する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
7. 前記第１の結晶成長工程において、ＧａＮからなる第１の層に凹凸を形成して、該第１の層上に窒化物半導体を成長させる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

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