JP5285835B2 - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子およびその製造方法に関し、特に窒化ガリウム系半導体素子およびその製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はワイドバンドギャップを有する半導体であり、その特徴を活かし、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオードや青紫色レーザダイオードなどが研究・開発されている。また、高周波かつ高出力の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体による電界効果トランジスタなどが作製されている。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のデバイス層構造は結晶成長により形成される。一般に、半導体結晶表面は直接大気等にさらされることなく、金属などの電極、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２などの保護膜に覆われ、これらの保護膜は素子特性が劣化することを防いでいる。レーザダイオードを例にとって考えると、反射鏡はへき開端面によって形成される。通常、へき開端面は何らかの保護膜を施さなければ、水分や有機物、無機物などによる汚染によって屈折率が変わり、反射率が変動してしまう。反射率が変動してしまえば、レーザダイオードの特性が変化し、デバイス信頼性を劣化させてしまう。ＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いたレーザダイオードの知見から、Ａｌ_２Ｏ_３膜がへき開端面保護膜としてよく用いられてきた（非特許文献１参照）。

しかしながら、本発明者らが窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた青紫色レーザダイオードを作製した際に、へき開端面保護膜にＡｌ_２Ｏ_３を用いたところ、高倍速ディスク書き込みに必要な光出力６０ｍＷ連続発振状態（パルス発振状態では光出力１２０ｍＷ）で、素子寿命が７００時間程度であった。この素子の端面の観察を電子顕微鏡で行ったところ、端面が変質していることがわかった。これは青紫色レーザでは、ＧａＡｓ系による近赤外線レーザやＩｎＧａＡｌＰ系による赤色レーザと比較して、光の波長が短いため光子のエネルギーが大きく、その結果Ａｌ_２Ｏ_３保護膜にダメージを与えているものと考えられる。

一方、窒化物半導体からなるレーザダイオードの共振器端面に、ＳｉＮ膜を１ｎｍ程度形成し、ＳｉＯ_２からなる低反射コート、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２からなる高反射コートを施し、光出力１ｍＷ、動作温度５０℃で寿命を数百時間に改善する手法が考案されている（特許文献１参照）。しかし、この手法では、連続発振状態で光出力６０ｍＷ（パルス発振状態で光出力１２０ｍＷ）もの高光出力では、寿命が改善されることはなかった。

また、窒化物半導体からなるレーザ素子の共振器端面に、単結晶Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる端面膜を形成する技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかし、素子の端面に単結晶膜を形成する前に、単結晶の製造装置内で昇温するため、製造装置内に残留する酸素が半導体素子の端面と反応し酸化してしまう。この結果、窒化物半導体素子の端面が劣化するため、この端面上に端面膜を形成しても半導体素子の信頼性を高くすることができないという問題がある。
K. Itaya他、「Effect of facet coating on the reliability of InGaAlP visible light laser diodes」、Applied Physics Letters、１９８８年１０月１０日、第５３巻、第１５号、ｐｐ．１３６３−１３６５． 特開２００２−２３７６４８号公報 国際公開第０３／０３６７７１号パンフレット

以上説明したように、従来は、信頼性の高い窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた半導体素子を得ることが難しかった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、信頼性の高い窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた半導体素子を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に設けられたｎ型ガイド層と、前記ｎ型ガイド層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられたｐ型ガイド層と、前記ｐ型ガイド層上に設けられたｐ型クラッド層とを有し、前記層のそれぞれが窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるレーザダイオードと、前記レーザダイオードの出射面上に設けられた窒化物からなる第１保護層と、前記第１保護層上に設けられ前記第１保護層と屈折率の異なる窒化物からなる第２保護層と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による半導体素子は、基板と、前記基板上に設けられたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられたｐ型半導体層とを有し、前記層のそれぞれが窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光ダイオードと、前記発光ダイオードの側面上に設けられた窒化物からなる第１保護層と、前記第１保護層上に設けられ前記第１保護層と屈折率の異なる窒化物からなる第２保護層と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様による半導体素子は、基板上に設けられた窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と、前記化合物半導体層の側面上に設けられた窒化物からなる第１保護層と、前記第１保護層上に設けられ前記第１保護層と屈折率の異なる窒化物からなる第２保護層とを備えたことを特徴とする。

なお、前記第１保護層と、前記第２保護層の膜厚が、それぞれ０．２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であればよい。

なお、前記第１保護層は、前記第２保護層よりも熱伝導率が高く、前記第２保護層は前記第１保護層よりも耐酸化性が高い材料からなっていることが好ましい。

なお、前記第１保護層は窒化アルミニウム、窒化シリコンアルミニウムのいずれかからなっていてもよい。

なお、前記第２保護層は、前記第１保護層が窒化アルミニウムからなっている場合には窒化シリコンまたは窒化シリコンアルミニウム（ＳｉＡｌＮ）からなっており、前記第１保護層が窒化シリコンアルミニウム（ＳｉＡｌＮ）からなっている場合には窒化シリコンからなっていてもよい。

なお、前記第１保護層が設けられる面は｛１−１００｝面であってもよい。

なお、前記基板はＧａＮ基板であってもよい。

また、本発明の第４の態様による半導体素子の製造方法は、基板上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程と、
前記化合物半導体層の側面上に窒化物からなる第１保護層を形成する工程と、
前記第１保護層上に前記第１保護層と屈折率の異なる窒化物からなる第２保護層を形成する工程と
を備えたことを特徴とする。

なお、前記第１および第２保護層は、ＥＣＲスパッタ法を用いて形成してもよい。

なお、前記第１保護層を形成する前に、前記化合物半導体層の前記側面に対して、窒化処理を行う工程を備えていてもよい。

本発明によれば、信頼性の高い窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた半導体素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による半導体素子の断面を図１に示す。本実施形態の半導体素子は、以下のように形成される。

まず、ｎ型ＧａＮ｛０００１｝基板１１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層（ｎ型ＧａＮバッファ層）１２を結晶成長させる。結晶成長には、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）を用いたが、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy, MBE）を用いても構わない。ｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｇｅなどを用いれば良く、本実施形態ではＳｉを用いた。なお、括弧｛｝は面を表し、｛１−１００｝面を例にとって説明すると、｛１−１００｝面は（１−１００）の面を意味し、（１−１００）の面は（１０−１０）、（−１１００）、（−１０１０）、（０１−１０）、（０−１１０）の面と等価であり、これらの面を包括的に定義するために便宜上｛１−１００｝という表記を用いる。ここで、−（バー）はその直後の数字に付随して用いられる記号である。この記号は後述する方向についても同様のことを意味するものである。

ｎ型ＧａＮバッファ層１２上にｎ型クラッド層１３を成長させる。このｎ型クラッド層１３は、アンドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ層と、ｎ型不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされたＧａＮ層とからなる超格子である。ｎ型クラッド層１３としては、これに限定されず、例えばＧａ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｎからなるｎ型不純物がドープされた厚膜（膜厚１．５μｍ程度）でも構わない。また、アンドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ層と、ｎ型不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされたＧａＮ層とからなる超格子を用いたが、Ｇａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ層とＧａＮ層の両方にｎ型不純物をドープしても構わない。

ｎ型クラッド層１３上に、ｎ型不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされた膜厚０．１μｍ程度のＧａＮからなるｎ型ガイド層１４を成長させる。また、ｎ型ガイド層１４として膜厚０．１μｍ程度のＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いても構わない。

ｎ型ガイド層１４上に活性層１５を成長させる。この活性層１５は、膜厚３．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層からなる３層の量子井戸層と、この量子井戸を挟む膜厚７ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層からなるバリア層とを交互に積層した多重量子井戸（Multiple Quantum Well, MQW）構造が用いられている。

活性層１５上にｐ型ＧａＮからなる第１ガイド層１６を成長させる。この第１ガイド層１６は膜厚０．０３μｍとすれば良い。

第１ガイド層１６上にオーバーフロー防止層１７を成長させる。このオーバーフロー防止層１７は、ｐ型不純物元素が５×１０¹⁸ｃｍ^−３程度にドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ_０．８Ａｌ_０．２Ｎ層からなり、電子のオーバーフローを防止する層である。ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎなどを用いれば良く、この場合Ｍｇを用いた。

オーバーフロー防止層１７上にｐ型ＧａＮからなる第２ガイド層１８を成長させる。この第２ガイド層１８は、本実施形態においては、ｐ型不純物元素が５×１０^１８ｃｍ^−３〜１０×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされた、膜厚０．１μｍ程度のＧａＮ層としたが、より一般的にはＩｎ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）等のｐ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とすることが可能である。

第２ガイド層１８上にｐ型クラッド層１９を成長させる。このｐ型クラッド層１９は、本実施形態においてはアンドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ層と、ｐ型不純物がドープされたＧａＮとからなる超格子である。しかし、これに限定されず、例えばＧａ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｎからなるｐ型不純物がドープされた厚膜（膜厚０．６μｍ程度）でも構わない。また、アンドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎと、ｐ型不純物がドープされたＧａＮとからなる超格子を用いたが、Ｇａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎと、ＧａＮの両方にｐ型不純物をドープしてもよい。

ｐ型クラッド層１９上にｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２０を成長させる。このコンタクト層２０は、本実施形態ではｐ型不純物がドープされた膜厚０．１μｍ程度のＧａＮ層であるが、Ｉｎ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）等のｐ型不純物がドープされた層でも構わない。

このようにして結晶成長されたウェハーについて、デバイスプロセスを経て、レーザダイオードが作製される。

図１に示すように、ｐ型クラッド層１９と、ｐ型コンタクト層２０との積層構造は中央にｐ型クラッド層１９と、ｐ型コンタクト層２０とからなる凸部を有し、この凸部の周辺の平坦部がｐ型クラッド層１９からなるように構成している。すなわち、凸部と平坦部分からなる段差構造（リッジ構造）を形成している。ｐ型クラッド層１９とｐ型ＧａＮコンタクト層２０とがなす凸部積層構造は、紙面に垂直方向に延伸しており、共振器となる。なお、凸部積層構造は、図１に示すように、断面が垂直側壁を有する矩形に限定されず、メサ型の斜面を有して台形の凸部をなしても構わない。ｐ型コンタクト層２０の幅（リッジ幅）は約２μｍである。ここで、共振器方向（紙面に垂直方向）を、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の＜１−１００＞方向に合わせる。ここで、＜１−１００＞方向とは、[１−１００]の方向を意味し、[１−１００]の方向は、[１０−１０]、[−１１００]、[−１０１０]、[０１−１０]、[０−１１０]の方向と等価であり、これらの方向を包括的に定義するために便宜上＜１−１００＞という表記を用いる。

凸部の側面および凸部の周辺の平坦部となるｐ型クラッド層１９上には、リッジ（凸部）を挟むように絶縁膜からなる電流ブロック層４１が形成され、電流ブロック層４１により横モードが制御される。電流ブロック層４１の膜厚は設計により任意に選択できるが、０．３μｍ〜０．６μｍ程度の値、例えば、０．５μｍ程度に設定すれば良い。この電流ブロック層４１には、ＡｌＮ膜、Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２Ｎ膜等の高比抵抗半導体膜を用いても良く、プロトン照射した半導体膜、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）、酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯ_２膜）等が使用可能である。更に、例えば、ＳｉＯ_２膜とＺｒＯ_２膜とによる多層膜でも構わない。即ち、電流ブロック層４１としては、活性層１５に用いている窒化物系III−Ｖ族化合物半導体よりも屈折率が低いものであれば種々の材料が採用可能である。本実施形態のリッジ導波路型レーザ構造だけでなく、絶縁膜の代わりに、ｎ型ＧａＮやｎ型ＧａＡｌＮなどｎ型の半導体層を用いて、ｐｎ接合分離して電流ブロック層として機能させた、埋め込み型レーザ構造でも良い。

ｐ型ＧａＮコンタクト層２０上には、例えば、パラジウム／白金／金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜（積層膜）からなるｐ側電極３２が配置されている。例えば、Ｐｄ膜は膜厚０．０５μｍ、Ｐｔ膜は膜厚０．０５μｍ、Ａｕ膜は膜厚１．０μｍである。ｎ型ＧａＮ基板１１の裏面には、チタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜（積層膜）等からなるｎ側電極３１が設けられている。ｎ側電極３１は、例えば、膜厚０．０５μｍのＴｉ膜、膜厚０．０５μｍのＰｔ膜及び膜厚１．０μｍのＡｕ膜から構成可能である。

共振器はへき開を用いて形成する。すなわち、へき開端面を共振器終端の両側とし、レーザの反射鏡として機能させる。ここでへき開面は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の｛１−１００｝面である。共振器長としては例えば６００μｍにすれば良い。

へき開端面をそのままの状態で放置していると、大気や有機物、無機物によって汚染される。また、たとえ端面の汚染の影響が少ない状態でパッケージに封止できたとしても、レーザダイオードに通電しレーザ光を出し始めたら、そのレーザ光に誘起されて、有機物や無機物などが端面に集まってくる。よって、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のへき開端面には何らかの保護膜が必要である。本実施形態では図２に示すように、保護膜５０として、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の｛１−１００｝面にＡｌＮ層５１を、次にＡｌＮとは屈折率の異なるＳｉ_３Ｎ_４（窒化シリコン）層５２を形成した。ここで、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４の形成にはＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法を用いた。ただし窒化物からなる保護膜の成膜方法として、ＥＣＲスパッタ法に限定されることなく、他の成膜方法も選択が可能である。

へき開端面は、通常、レーザ光の取り出し面（出射面）と、反射面がある。窒化物からなる保護膜の形成は、出射面と反射面のどちらか一つ、もしくはその両方に形成すればよい。好ましくは、出射面に窒化物からなる保護膜を形成するのが良い。

本実施形態における青紫色レーザダイオードの発振波長は４０５ｎｍに設計している。波長４０５ｎｍにおけるＡｌＮの屈折率ｎ_ＡｌＮは２．１６、Ｓｉ_３Ｎ_４の屈折率ｎ_{Ｓｉ３Ｎ４}は２．０６である。ＡｌＮの膜厚を０．２５ｎｍで固定し、Ｓｉ_３Ｎ_４の膜厚を変化させたときの出射面における反射率を計算すると図３に示すようになる。出射面では反射率を例えば１０％に設計する。このためには、図３よりＡｌＮの膜厚が０．２５ｎｍのとき、Ｓｉ_３Ｎ_４の膜厚を３２ｎｍとすれば良い。反射面にＡｌＮを形成する場合には、反射面では反射率を９５％程度にするので、ＡｌＮとＳｉ_３Ｎ_４をそれぞれ０．２５ｎｍ程度ずつ形成し、ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４など屈折率の異なる誘電膜を多層にすれば良い。

本実施形態による半導体素子（レーザダイオード）の、しきい値電流は平均で３０ｍＡであった。この時の出射面における反射率は１０％であり、ＡｌＮ層５１の膜厚は０．２５ｎｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４層５２の膜厚は３２ｎｍであった。

第１比較例として、端面保護膜の材料以外は本実施形態と同じ構成のレーザダイオードを作製した。この第１比較例のレーザダイオードの端面保護膜としては、反射率が１０％となるように形成したＡｌ_２Ｏ_３からなっている。この比較例のレーザダイオードでは、しきい値電流の平均は３０ｍＡであった。このように初期特性を見る限りは、第１比較例も本実施形態も変化が見られなかった。

そこで、一定の光出力時におけるレーザダイオードの寿命試験を行った。光出力６０ｍＷ、動作温度６０℃、連続発振状態における、動作電流の変化を調べ、動作電流が２０％上昇する地点を寿命として定義した。第１比較例のレーザダイオードでは、寿命が平均で７００時間であった。しかし、本実施形態のように、端面保護膜５０がＡｌＮ層５１とＳｉ_３Ｎ_４層５２からなるレーザダイオードでは、寿命が平均で４０００時間以上と大きく改善した。

ＡｌＮは単結晶で６．２ｅＶと非常に大きなバンドギャップエネルギー（波長に換算すると２００ｎｍ）を持つことから、波長４０５ｎｍのレーザ光では、端面保護膜で光吸収による劣化が起きにくいと考えられる。また、ＡｌＮは熱伝導率が非常に高い材料である。半導体素子の端面にＡｌＮ保護膜を形成することにより、半導体素子内で発生する熱を効率よく逃がすことができる。一方、窒化物半導体からなる半導体素子において、端面に形成するＡｌＮも窒化物半導体であるから、端面のストイキオメトリー（組成比）が崩れにくい。さらに、ＥＣＲスパッタにおける成膜において、ＡｌＮの成膜温度から室温に低下させる際に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶からなる半導体素子と、｛１−１００｝面におけるＡｌＮ端面保護膜との線膨張係数の違いから、半導体素子の｛１−１００｝面に歪みを生じさせ、端面におけるバンドギャップエネルギーを変化させることにより、端面における光吸収を抑制することも可能となる。

また、端面保護膜ＡｌＮの上に、Ｓｉ_３Ｎ_４を形成したことにより、パッケージ内に存在しレーザ光に誘起され端面に集まってくる有機物や無機物などの汚染物質に対して、ＡｌＮよりもＳｉ_３Ｎ_４の方がそれら汚染物質の吸着防止に強く、端面の劣化が飛躍的に抑制される。

さらに、Ｓｉ_３Ｎ_４は耐酸化性が強い窒化膜の一つであり、パッケージ封止された半導体素子において、パッケージ内に残存するＯ（酸素）によっても、Ｓｉ_３Ｎ_４保護膜は変質しない。ＡｌＮはある程度酸化しやすい窒化膜であるので、半導体素子端面の保護膜にＡｌＮのみを用いた場合、パッケージ内に残存する酸素によって、ＡｌＮＯ_ｘを生成してしまい、レーザダイオードの端面と反応する。その結果、端面における反射率の変動、光の吸収層の形成が起こり、レーザダイオードの信頼性が損なわれるものと考えられる。よって中長期間における半導体素子の信頼性を実現する意味においても、第１保護層としてＡｌＮを用い、第２保護層としてＳｉ_３Ｎ_４を用いた多層構造の端面保護膜５０を使用することが好ましい。

これに対して、第２比較例として、窒化物半導体に接し反射率が１０％となるように形成したＡｌＮからなる第１保護層と、ＳｉＯ_２からなる第２保護層とを有する端面保護膜を備えたレーザダイオードを形成した。この第２比較例のレーザダイオードは、端面保護膜の材質以外は本実施形態と同じ構成となっている。この第２比較例のレーザダイオードにおいても、しきい値電流の平均は３０ｍＡ程度であった。しかし、光出力６０ｍＷ、動作温度６０℃、連続発振状態における寿命は９００時間程度と、端面保護膜がＡｌ_２Ｏ_３からなる単層膜である第１比較例のレーザダイオードよりは、若干改善が見られた。第１保護層をＡｌＮとしたことにより、半導体素子で発生した熱を効率よく逃がすことができたためと考えられる。しかしながら、第２保護層であるＳｉＯ_２の構成元素である酸素がＡｌＮと反応し、ＡｌＮＯ_ｘを生成してしまい、レーザダイオードの端面で反応する。その結果、端面における反射率の変動、光の吸収層の形成が起こり、レーザダイオードの信頼性が損なわれるものと考えられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＧａＮ基板上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体素子において、その｛１−１００｝面上に屈折率の異なる複数の窒化物からなる保護膜を形成することにより、｛１−１００｝面の劣化を防ぐことが可能となり、高信頼性の半導体素子を提供することができる。

（変形例）
また、本実施形態の変形例として、本実施形態のレーザダイオードの形成する際に、端面に窒化物からなる保護膜を形成する前に、ＥＣＲスパッタ装置内で端面に窒素プラズマ処理を施したレーザダイオードを作製した。この変形例のレーザダイオードは、上記の試験と同一の条件、すなわち光出力６０ｍＷ、動作温度６０℃で連続発振させた条件で寿命が５０００時間以上となり、本実施形態の場合よりもさらに大きく改善した。これは、｛１−１００｝面から離脱したＮのストイキオメトリーを回復させる機能があるためと考えられる。

なお、端面を窒素プラズマ処理する際に、４００℃を越える温度まで昇温することは好ましくない。なぜなら、窒素プラズマ処理する装置内で保護膜を形成する前に昇温することにより、上記装置内に残留する酸素が端面と反応し酸化してしまう。その結果、窒化物半導体素子の端面が劣化してしまうので、その上に保護膜を形成しても、半導体素子の高信頼性を実現するのが難しくなってしまう。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による半導体素子を図４に示す。

本実施形態の半導体素子は、以下のように作製される。

まず、ｎ型ＧａＮからなる｛０００１｝基板１１１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型半導体層（ｎ型ＧａＮバッファ層）１１２を最初に結晶成長する。結晶成長には、有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）を用いたが、分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy, MBE）でも構わない。ｎ型不純物には、Ｓｉ、Ｇｅなどを用いれば良く、この場合Ｓｉを用いた。

バッファ層１１２上にｎ型ガイド層１１３を成長させる。このｎ型ガイド層１３は、ｎ型不純物が１×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされた膜厚０．１μｍ程度のＧａＮからなっている。また、ｎ型ガイド層１１３として膜厚０．１μｍ程度のＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎを用いても構わない。なお、バッファ層１１２とｎ型ガイド層１１３との間には、例えばＧａ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｎからなる膜厚１μｍ程度のｎ型クラッド層を成長しても構わない。

ｎ型ガイド層１１３上に活性層１１４を成長させる。この活性層は、膜厚３．５ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層からなる３層の量子井戸層と、この量子井戸を挟む膜厚７ｎｍ程度のアンドープのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層からなるバリア層とを交互に積層した多重量子井戸（Multiple Quantum Well, MQW）構造を有している。本実施形態においては多重量子井戸構造の発光波長は４０５ｎｍとなるように設計したが、量子井戸層やバリア層のＩｎ組成や膜厚を変化させることで、３８０ｎｍから５５０ｎｍの間で変化させることが可能である。

活性層１１４上にｐ型ＧａＮからなる第１ガイド層１１５を成長させる。この第１ガイド層１１５は、膜厚０．０３μｍに形成すれば良い。

第１ガイド層１１５上にオーバーフロー防止層１１６を成長させる。このオーバーフロー防止層１１６は、ｐ型不純物元素が５×１０¹⁸ｃｍ^−３程度にドープされた膜厚１０ｎｍ程度のＧａ_０．８Ａｌ_０．２Ｎ層からなっており、電子のオーバーフローを防止する層である。ｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎなどを用いれば良く、本実施形態ではＭｇを用いた。

オーバーフロー防止層１１６上にｐ型ＧａＮからなる第２ガイド層１１７を成長させた。この第２ガイド層１１７は、本実施形態ではｐ型不純物元素が５×１０^１８ｃｍ^−３〜１０×１０^１８ｃｍ^−３程度ドープされた、膜厚０．１μｍ程度のＧａＮ層であるが、より一般的にはＩｎ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）等のｐ型の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とすることが可能である。

第２ガイド層１１７上にｐ型クラッド層１１８を成長させる。このｐ型クラッド層１１８は、アンドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎ層と、ｐ型不純物がドープされたＧａＮとからなる超格子であるが、これに限定されず、例えばＧａ_０．９５Ａｌ_０．０５Ｎからなるｐ型不純物がドープされた厚膜（膜厚０．３μｍ程度）でも構わない。また、本実施形態では、アンドープＧａ_０．９Ａｌ_０．１Ｎとｐ型不純物がドープされたＧａＮとからなる超格子を用いたが、Ｇａ_０．９Ａｌ_０．１ＮとＧａＮの両方にｐ型不純物をドープしてもよい。さらには、ｐ型不純物がドープされた膜厚０．３μｍ程度のＧａＮを用いても構わない。なお、必要に応じてｐ型クラッド層１１８を省略することも可能である。

ｐ型クラッド層１１８上にｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１１９を成長させる。このコンタクト層１１９は、ｐ型不純物がドープされた膜厚０．１μｍ程度のＧａＮ層であるが、Ｉｎ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）等のｐ型不純物がドープされた層でも構わない。

このようにして結晶成長されたウェハーについて、デバイスプロセスを経て、発光ダイオードが作製される。

図４に示すように、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１９上には、例えば、パラジウム／白金／金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｐ側電極１３２が配置されている。例えば、Ｐｄ膜は膜厚０．０５μｍ、Ｐｔ膜は膜厚０．０５μｍ、Ａｕ膜は膜厚１．０μｍである。

また、ｎ型ＧａＮ基板１１１の裏面には、チタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜等からなるｎ側電極１３１が形成されている。ｎ側電極は、例えば、膜厚０．０５μｍのＴｉ膜、膜厚０．０５μｍのＰｔ膜及び膜厚１．０μｍのＡｕ膜から構成可能である。

へき開もしくはダイシングにより、半導体素子の｛１−１００｝端面や｛１１−２０｝端面を形成し、素子分離する。端面をそのままの状態で放置していると、大気や有機物、無機物によって汚染される。また、たとえ端面の汚染の影響が少ない状態でパッケージに封止できたとしても、発光ダイオードに通電しレーザ光を出し始めたら、その光に誘起されて、有機物や無機物などが端面に集まってくる。よって、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の端面には何らかの保護膜が必要である。

そこで、第１実施形態と同様に、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の｛１−１００｝面にＡｌＮからなる第１保護層を、次に、ＡｌＮとは屈折率の異なるＳｉ_３Ｎ_４からなる第２保護層を形成した。ここで、ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４の形成にはＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）スパッタ法を用いた。ただし窒化物からなる保護膜の成膜方法として、ＥＣＲスパッタ法に限定されることなく、他の成膜方法も選択が可能である。

端面に形成する保護膜の膜厚に関しては、例えば図３に示すように、所望の反射率に応じて種々の膜厚の選択が可能である。たとえば、ＡｌＮの膜厚が０．２５ｎｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４の膜厚が５０ｎｍとすることで、反射率を極小まで低下させ、光取り出し効率を向上させることができる。また、ＡｌＮの膜厚が０．２５ｎｍ、Ｓｉ_３Ｎ_４の膜厚が０．２５ｎｍ形成した後にさらにＳｉＯ_２とＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４など屈折率の異なる誘電膜を多層にすることにより、端面の反射率を９０％以上まで向上させ光を端面からは出させないようにし、電極が形成された表面もしくは裏面から光を取り出しても良い。

本実施形態のように、ＡｌＮからなる第１保護層と、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる第２保護層を備えた保護膜を有する発光ダイオードにおいては寿命が３０００時間以上であった。ここで、寿命は動作電流３５０ｍＡで一定とし、光出力が初期値の９０％に低下するまでの時間と定義した。

比較例として、端面保護膜がＡｌ_２Ｏ_３である以外は、本実施形態と同じ構成の発光ダイオードを作製した。この比較例の発光ダイオードの寿命が１５００時間程度であった。これは、第１実施形態と同じように、第１保護層をＡｌＮとし第２保護層をＳｉ_３Ｎ_４とすることで、半導体素子内部で発生する熱を効率よくサブマウントに逃がすとともに、保護膜自身が酸化されることや有機物・無機物などに汚染されることに対する耐性が強いためと考えられる。

以上説明したように、本実施形態も第１実施形態と同様に、信頼性の高い半導体素子を得ることができる。

なお、上記で｛１−１００｝端面に窒化物からなる保護膜を形成したが、同様な保護膜を素子分離で現れた｛１１−２０｝端面にも形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態においては、ＧａＮ基板を用いたが、サファイア基板等の絶縁材料からなる基板、ＳｉＣ基板等の他の半導体材料からなる基板等を用いてもよい。なお、サファイア基板等の絶縁材料からなる基板を用いる場合は、当該基板上に形成するｎ型半導体層をｎ型コンタクト層として用いることができる。

なお、上記第１および第２実施形態においては、第１保護層にＡｌＮを、第２保護層にＳｉ_３Ｎ_４を用いたが、第１保護層には第２保護層よりも熱伝導率の高い材料を用い、第２保護層には耐酸化性の材料を用いることが好ましい。例えば、第１保護層にＡｌＮを用いた場合は、第２保護層にＳｉ_３Ｎ_４の代わりにＳｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮ_ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いてもよい。また、第１保護層にＡｌＮの代わりにＳｉ_ｘＡｌ_１−ｘＮ_ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いてもよい。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、レーザダイオードや発光ダイオード以外にも光検出器などの光デバイス、電界効果トランジスタやヘテロ接合トランジスタなどの電子デバイスにも適用が可能である。

本発明の第１実施形態による半導体素子（レーザダイオード）の断面構造を示す模式図。 本発明の第１実施形態による半導体素子（レーザダイオード）の端部を示す斜視図。 第１実施形態における青紫色レーザダイオードの出射端面における反射率の、ＡｌＮを０．２５ｎｍの膜厚で形成し、その上に形成するＳｉ_３Ｎ_４の膜厚依存性を示す図。 本発明の第２実施形態による半導体素子（発光ダイオード）の断面構造を示す模式図。

符号の説明

１１ ｎ型ＧａＮからなる｛０００１｝基板
１２ ｎ型ＧａＮ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ ｎ型ＧａＮからなるガイド層
１５ 活性層
１６ ｐ型第１ガイド層
１７ オーバーフロー防止層
１８ ｐ型ＧａＮからなる第２ガイド層
１９ ｐ型クラッド層
２０ ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層
３１ ｎ側電極
３２ ｐ側電極
４１ 絶縁膜（電流ブロック層）
５０ 端面保護膜
５１ 第１保護層
５２ 第２保護層
１１１…ｎ型ＧａＮ｛０００１｝基板
１１２…ｎ型ＧａＮ層
１１３…ｎ型ＧａＮガイド層
１１４…活性層
１１５…ｐ型第１ガイド層
１１６…オーバーフロー防止層
１１７…ｐ型ＧａＮ第２ガイド層
１１８…ｐ型クラッド層
１１９…ｐ型ＧａＮコンタクト層
１３１…ｎ側電極
１３２…ｐ側電極

Claims (9)

1. 基板と、前記基板上に設けられたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層上に設けられたｎ型ガイド層と、前記ｎ型ガイド層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられたｐ型ガイド層と、前記ｐ型ガイド層上に設けられたｐ型クラッド層とを有し、前記層のそれぞれが窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるレーザダイオードと、
   前記レーザダイオードの出射面となるへき開端面上に設けられアルミニウムを含む窒化物の第１保護層と、
   前記第１保護層上に設けられ前記第１保護層と屈折率の異なる、シリコンを含む窒化物の第２保護層と、
   を備え、前記第１保護層と、前記第２保護層の膜厚が、それぞれ０．２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体素子。
2. 前記第１保護層は、前記第２保護層よりも熱伝導率が高く、前記第２保護層は前記第１保護層よりも耐酸化性が高い材料であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
3. 前記第１保護層は窒化アルミニウム、窒化シリコンアルミニウムのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体素子。
4. 前記第２保護層は、前記第１保護層が窒化アルミニウムである場合には窒化シリコンまたは窒化シリコンアルミニウムであり、前記第１保護層が窒化シリコンアルミニウムである場合には窒化シリコンであることを特徴とする請求項３記載の半導体素子。
5. 前記第１保護層が設けられる面は｛１−１００｝面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体素子。
6. 前記基板はＧａＮ基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体素子。
7. 基板上に、レーザダイオードとなる窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成する工程と、
   前記レーザダイオードの出射面となる前記化合物半導体層のへき開端面上にアルミニウムを含む窒化物で膜厚が０．２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第１保護層を形成する工程と、
   前記第１保護層上に前記第１保護層の酸化を防ぎ前記第１保護層と屈折率の異なる、シリコンを含む窒化物で膜厚が０．２５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第２保護層を形成する工程と
   を備えたことを特徴とする半導体素子の製造方法。
8. 前記第１および第２保護層は、ＥＣＲスパッタ法を用いて形成することを特徴とする請求項７記載の半導体素子の製造方法。
9. 前記第１保護層を形成する前に、前記化合物半導体層の前記端面に対して、窒素プラズマ処理を行う工程を備えたことを特徴とする請求項７または８記載の半導体素子の製造方法。

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