JP3874186B2 - 窒化物半導体基板およびその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体基板およびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
本発明は、成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えた窒化物半導体基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＡｌＧａＮ混晶あるいはＡｌＧａＩｎＮ混晶などの窒化物半導体は、直接遷移の半導体材料であると共に、可視領域から紫外領域までの発光を得ることができ、半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode ）などの発光素子を構成する材料として注目されている。
【０００３】
この窒化物半導体を用いた半導体レーザ（以下、「窒化物半導体レーザ」という。）には、種々の理由から成長基板にサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）が用いられ、クラッド層には、ＡｌＧａＮ混晶が用いられている。しかし、サファイアとＡｌＧａＮ混晶とでは格子定数の不整合あるいは熱膨張係数差が大きいため、クラッド層に、歪みを緩和するためにクラックが発生する。クラックが発生すると、クラックが電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の中心あるいは電流リーク箇所となり、窒化物半導体レーザの光学的あるいは電気的特性が損なわれてしまう。また、素子寿命も低下する。特に、厚みが厚くなると、内部応力が大きくなるため、クラックが発生しやすく、特性も一層低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＦＦＰ（Far Field Pattern ；ファー・フィールド・パターン）を安定化させるには、クラッド層をある程度厚くする必要があり、そのためクラックを抑制することは難しい。
【０００５】
更に、窒化物半導体レーザは、例えば、成長基板に複数の素子を同時に形成したのち、素子ごとに分離することにより作製されるため、窒化物半導体レーザの製造時には、クラックが一部の領域で発生したとしても、複数の素子にまで伝播して歩留まりが低下してしまうという問題もある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、クラックの発生を抑制することができ、歩留りの向上を図ることが可能な窒化物半導体基板およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の窒化物半導体基板は、成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えたものであって、種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部が設けられていると共に、この縞状の開口部を囲むように環状の開口部が設けられており、環状の開口部の幅が、縞状の開口部の開口の幅よりも広いものである。
【００１２】
本発明による第１の窒化物半導体基板の製造方法は、成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えた窒化物半導体基板を製造する方法であって、種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部を形成すると共に、縞状の開口部を囲むように、縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部を形成する工程を含むものである。
【００１６】
本発明による第１の窒化物半導体基板では、種結晶層に、複数の縞状の開口を含む縞状の開口部を囲み、縞状の開口の幅よりも広い幅を有する環状の開口部が設けられているので、この環状の開口部によって、種結晶層上に形成される結晶層に働く内部応力が分散され、結晶層にクラックが発生することが抑制される。
【００１９】
本発明による第１の窒化物半導体基板の製造方法では、種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部と、この縞状の開口部を囲むように、この縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部が形成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体基板を含む窒化物半導体素子基板の断面構成を表すものであり、図２は図１に示した窒化物半導体基板１０の平面構成を表すものである。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿った断面構成に対応している。この窒化物半導体素子基板１は、例えば、窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子の形成に用いられるものであり、窒化物半導体基板１０上に窒化物半導体の結晶層よりなる素子形成層２０を有している。なお、この窒化物半導体素子基板１は、後述する製造方法により得られるものである。ここで、窒化物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうちの少なくとも１種と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む化合物半導体のことをいう。
【００２２】
窒化物半導体基板１０は、例えば、成長基板１１の一面側にバッファ層１２を介して積層された種結晶層１３を備えている。成長基板１１は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという）が８０μｍ程度のサファイアにより構成されており、バッファ層１２および種結晶層１３はこの成長基板１１のｃ面に形成されている。
【００２３】
バッファ層１２は、例えば、厚みが３０ｎｍであり、不純物が添加されていないｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮにより構成されている。
【００２４】
種結晶層１３は、例えば、不純物が添加されていないｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮにより構成されている。この種結晶層１３には、例えば、縞状の開口部１３ａが設けられている。開口部１３ａは、例えば、所定の幅を有する帯状の第１の開口１３ａ１と、この第１の開口１３ａ１よりも広い幅を有する帯状の第２の開口１３ａ２とが互いに周期的に配列されることにより構成されている。より具体的には、形成予定の素子の横方向における側面位置２０Ｌ（図７，８参照）が、第２の開口１３ａ２に対応するように、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２が配列されている。本実施の形態では、この第２の開口１３ａ２により、素子形成層２０に働く内部応力が分散され、クラックの発生が抑制されるようになっている。
【００２５】
第１の開口１３ａ１の幅は、例えば１８μｍである。第２の開口１３ａ２の幅は、例えば３０μｍ以上５０μｍ以下である。なお、図２では、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２の数を実際よりも少なく示している。
【００２６】
素子形成層２０は、例えば、種結晶層１３を基礎として成長したｎ型コンタクト層２１と、このｎ型コンタクト層２１を覆うように形成された、ｎ型クラッド層２２，ｎ型ガイド層２３，活性層２４，ｐ型ガイド層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７とを有しており、その表面は平坦となっている。この素子形成層２０では、第２の開口１３ａ２に対応する領域において結晶が会合しておらず、それにより素子部分を構成しない空間部２０ａが形成されている。これにより、図３、更に詳細には図４に示したように、素子形成層２０にクラックＫ１が発生したとしても、空間部２０ａにおいてクラックＫ１の他の領域への伝播が抑止されるようになっている。ここで、図４は、クラックの伝播の様子を詳細に示すために、図３の一部を拡大して表したものである。
【００２７】
ｎ型コンタクト層２１は、例えば、厚みが３μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。このｎ型コンタクト層２１は、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２のそれぞれに対応して、種結晶層１３の側壁面を基礎として第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２の配列方向（横方向）に成長した横方向成長領域を有している。この横方向成長領域は、種結晶層１３からの貫通転位が伝播しにくく、転位密度が低くなっている。これにより、ｎ型コンタクト層２１の上に積層されているｎ型クラッド層２２からｐ型コンタクト層２７までの各層についても、横方向成長領域に対応して転位密度が低くなっている。よって、この窒化物半導体基板１０上の素子は開口部１３ａに対応する位置に形成される。
【００２８】
ｎ型クラッド層２２は、例えば、厚みが１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。ｎ型ガイド層２３は、例えば、厚みが０．１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
【００２９】
活性層２４は、例えば、厚みが３０ｎｍであり、組成の異なるＧａx Ｉｎ1-x Ｎ（但し、０≦ｘ≦１）混晶層を積層した多重量子井戸構造を有している。
【００３０】
ｐ型ガイド層２５は、例えば、厚みが０．１μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ型クラッド層２６は例えば、厚みが０．８μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。
【００３１】
ｐ型コンタクト層２７は、例えば、厚みが０．５μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。
【００３２】
このような構成を有する窒化物半導体素子基板１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３３】
図５および図６は、その窒化物半導体素子基板１の製造工程を表すものである。まず、図５（Ａ）に示したように、例えば、厚み４００μｍのサファイアよりなる成長基板１１を用意し、この成長基板１１の一面（ｃ面）上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ; 有機金属化学気相成長）法により、ｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮよりなるバッファ層１２およびｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮよりなる種結晶層１３を順次成長させる。
【００３４】
次いで、図５（Ｂ）に示したように、例えば、種結晶層１３の上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）よりなるマスク層３１を形成し、このマスク層３１を利用してＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）により種結晶層１３およびバッファ層１２を選択的に除去し、種結晶層１３に縞状の開口部１３ａを形成する。すなわち、所定の幅を有する帯状の第１の開口１３ａ１と、この第１の開口１３ａ１よりも広い幅を有する帯状の第２の開口１３ａ２とを周期的に配列させる。具体的には、形成予定の素子の横方向における側面位置２０Ｌ（図７，８参照）が第２の開口１３ａ２に対応するように、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２を配列させる。第２の開口１３ａ２を形成するのは、素子形成層２０を形成する際に、素子形成層２０に働く内部応力を分散させ、クラックの発生を抑制するためである。
【００３５】
第１の開口１３ａ１の幅は、ｎ型コンタクト層２１を成長させる後続の工程において、第１の開口１３ａ１で結晶が会合する程度、例えば１８μｍとすることが好ましい。また、第２の開口１３ａ２の幅は、５０μｍ以下とすることが好ましく、３０μｍ以上とすればより好ましい。ｎ型コンタクト層２１を成長させる工程において、広すぎると原料の行き場がなくなるためＧａＮが異常成長し、それに基づいて素子形成層２０の表面に種々の問題を誘発する突起が形成される虞があり、狭すぎると空間部２０ａが形成されない虞があるからである。すなわち、第２の開口１３ａ２の幅を３０μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、素子形成層２０（図１参照）の表面が平坦となり、かつ空間部２０ａが形成され易くなる。
【００３６】
なお、開口部１３ａを形成する際には、種結晶層１３と共に成長基板１１の一部も選択的に除去し、種結晶層１３の除去領域（すなわち開口部１３ａ）に対応して、成長基板１１に凹部を形成するようにすることが好ましい。後続のｎ型コンタクト層２１を成長させる工程において、ｎ型コンタクト層２１が成長基板１１に接触して欠陥が発生してしまうことを防止するためである。開口部１３ａを形成したのち、マスク層３１を除去する。
【００３７】
次いで、例えば、ＭＯＣＶＤ法により種結晶層１３を基礎として素子形成層２０を形成する。具体的には、図６に示したように、まず、種結晶層１３を基礎としてｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２１を成長させる。その際、ｎ型コンタクト層２１は、その側面が、例えば結晶方位に応じて、成長基板１１側が広く傾斜した状態で成長していく。このｎ型コンタクト層２１を成長させる工程は、第１の開口１３ａ１においてＧａＮが会合した時点で終了させる。
【００３８】
次いで、図１に示したように、ｎ型コンタクト層２１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｎ型クラッド層２２、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型ガイド層２３、組成の異なるＧａx Ｉｎ1-x Ｎ（但し、１≧ｘ≧０）混晶層を積層した多重量子井戸構造を有する活性層２４、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型ガイド層２５、ｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｐ型クラッド層２６およびｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２７を順次成長させる。その際、ｎ型クラッド層２２などの各層は、例えば種結晶層１３の上面および側面を覆うようにして形成される。これらの各層は、成長温度等の各成長条件を調整することにより、第２の開口１３ａ２において結晶が会合しないように、また、結晶が異常成長しないように成長させる。これにより、素子形成層２０に空間部２０ａが形成されると共に、素子形成層２０の表面が平坦となる。
【００３９】
なお、ＭＯＣＶＤを行う際の原料には、ガリウムの原料ガスとして例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）の原料ガスとして例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）の原料ガスとして例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）の原料ガスとして例えばトリメチルホウ素（（ＣＨ3 ）3 Ｂ）、窒素（Ｎ）の原料ガスとして例えばアンモニア（ＮＨ3 ）をそれぞれ用いる。また、マグネシウムの原料ガスとしては例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００４０】
以上の工程により、図１に示した窒化物半導体素子基板１が完成する。
【００４１】
このようにして製造される窒化物半導体素子基板１は、例えば、窒化物半導体レーザの形成に用いられる。
【００４２】
図７および図８は本実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表すものである。
【００４３】
まず、例えば、先の窒化物半導体素子基板１を製造する（図１参照）。次いで、図７に示したように、例えば、素子形成層２０（すなわちｐ型コンタクト層２７）の上に図示しないマスク層を形成し、このマスク層を利用して例えばＲＩＥによりｐ型コンタクト層２７およびｐ型クラッド層２６の一部を選択的に除去して、ｐ型クラッド層２６の上部およびｐ型コンタクト層２７を第１の開口１３ａ１の延在方向に平行な細い帯状（リッジ状）とする。そののち、マスク層を除去し、全面（すなわちｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７の上）に、例えば蒸着法により二酸化ケイ素よりなる絶縁膜４１を形成する。次いで、例えば、絶縁膜４１の上に、図示しないレジスト膜を塗布形成し、このレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥにより、絶縁膜４１，ｐ型コンタクト層２７，ｐ型クラッド層２６，ｐ型ガイド層２５，活性層２４，ｎ型ガイド層２３，ｎ型クラッド層２２およびｎ型コンタクト層２１の一部を順次選択的に除去し、ｎ型コンタクト層２１を露出させる。
【００４４】
次いで、レジスト膜を除去し、全面（すなわち絶縁膜４１およびｎ型コンタクト層２１の上）に図示しない他のレジスト膜を塗布形成し、このレジスト膜をマスクとして絶縁膜４１を選択的に除去し、ｐ型コンタクト層２７を露出させる。そののち、全面（すなわちｐ型コンタクト層２７およびレジスト膜の上）に、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）の各金属を順次蒸着し、レジスト膜をその上に積層された金属と共に除去し（リフトオフ）、ｐ側電極４２を形成する。
【００４５】
ｐ側電極４２を形成したのち、全面（すなわち、ｎ型コンタクト層２１，絶縁膜４１およびｐ側電極４２の上）に、ｎ型コンタクト層２１に対応して開口を有する図示しないレジスト膜を塗布形成する。そののち、全面（すなわちｎ型コンタクト層２１およびレジスト膜の上）に、例えば真空蒸着法によりチタン（Ｔｉ），白金および金の各金属を順次蒸着し、レジスト膜をその上に形成された金属と共に除去し（リフトオフ）、ｎ側電極４３を形成する。
【００４６】
ｎ側電極４３を形成したのち、成長基板１１を例えば８０μｍ程度の厚みとなるように研削する。次いで、成長基板１１を第１の開口１３ａ１の延在方向に対して垂直な方向に劈開することにより、図示しない端面が形成された複数の棒状のバーを作製する。次いで、端面に図示しない反射鏡膜を形成する。そののち、各バーを空間部２０ａの所定の位置１０１で劈開（ペレタイズ）する。ここでは、従来のように成長基板上に形成された素子形成層を劈開する必要がなく、成長基板１１のみを劈開すればよいので、容易に各素子に分離することが可能である。以上の工程により、図８に示した半導体レーザが完成する。
【００４７】
この窒化物半導体レーザでは、ｐ側電極４２とｎ側電極４３との間に所定の電圧が印加されると、活性層２４に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、図示しない反射鏡膜によって反射され、増幅されてレーザ発振を生じ、レーザ光として外部に射出される。この窒化物半導体レーザは、本実施の形態の窒化物半導体基板１０を含む窒化物半導体素子基板１を用いて作製されているので、クラックが少なくなっている。よって、電圧の印加による劣化が起こりにくく、使用による動作電流の上昇が抑えられ、素子の寿命が長くなる。
【００４８】
このように本実施の形態では、種結晶層１３に、所定の幅を有する第１の開口１３ａ１よりも広い幅を有する第２の開口１３ａ２を設けるようにしたので、第２の開口１３ａ２により素子形成層２０に働く内部応力が分散され、素子形成層２０にクラックが発生することを抑制することができる。また、素子形成層２０に空間部２０ａを形成するようにしたので、クラックＫ１が発生したとしても、この空間部２０ａにおいてクラックＫ１が他の領域へ伝播することを抑止することができる。よって、クラックが少なく、素子寿命および信頼性に優れた窒化物半導体レーザを効率的に得ることができる。すなわち、歩留まりを向上させることができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２の配列を調整することにより、素子の横方向における側面位置２０Ｌが第２の開口１３ａ２に対応するようにしたので、素子は空間部２０ａで自発的に分離される。よって、バーを空間部２０ａで劈開（ペレタイズ）すれば、従来のように素子形成層を劈開する必要がなく、成長基板１１のみを劈開すればよいので、容易に各素子に分離することができる。すなわち、作業性、更には生産性を向上させることができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体基板を含む窒化物半導体素子基板の断面構成を表すものであり、図１０は図９に示した窒化物半導体基板１０の平面構成を表すものである。なお、図９は、図１０のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成に対応している。この窒化物半導体素子基板２は、例えば、後述する製造方法により得られるものであり、窒化物半導体基板５０上に窒化物半導体の結晶層よりなる素子形成層６０を有している。なお、ここでは、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての説明を省略する。
【００５１】
窒化物半導体基板５０は、種結晶層１３に、縞状の開口部１３ａに代えて、縞状の開口部５３ａが設けられていると共に、更に、環状の開口部５３ｂが設けられていることを除き、第１の実施の形態の窒化物半導体基板１０と同様の構成を有している。
【００５２】
開口部５３ａは、例えば、所定の幅を有する帯状の開口５３ａ１が一定間隔で配列されることにより構成されている。開口部５３ｂは、例えば、環状であり、開口部５３ａを囲むように設けられている。なお、この開口部５３ｂは、一部が結晶により埋められ、完全な環状となっていなくてもよい。開口５３ａ１の幅は例えば１８μｍである。開口部５３ｂの幅は、開口５３ａ１よりも広く、例えば、３０μｍ以上５０μｍ以下である。本実施の形態では、この開口部５３ｂにより、素子形成層６０に働く応力が分散され、素子形成層６０にクラックが発生することが抑制されるようになっている。なお、図１０では、開口５３ａ１の数は実際よりも少なく示している。
【００５３】
素子形成層６０は、例えば、空間部２０ａに代えて空間部６０ａを有することを除き、第１の実施の形態の素子形成層２０と同様の構成を有している。空間部６０ａは、窒化物半導体基板５０の環状の開口部５３ｂに対応する領域に形成されている。通常の窒化物半導体素子基板では、外周部が結晶で埋まりきらず穴が形成され、この穴により開口５３ａ１の延在方向に対して垂直な方向にクラックが発生することが多いが、本実施の形態では、図１１に示したように素子形成層６０の外周部でクラックＫ２が発生したとしても、空間部６０ａにおいてクラックＫ２の伝播が抑止されるようになっている。すなわち、空間部６０ａの内側、すなわち素子が形成される領域においてはクラックＫ２が少なくなる。
【００５４】
このような構成を有する窒化物半導体素子基板２は、例えば、異なるマスク層を利用して開口部５３ａ，５３ｂを形成することを除き、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。また、この窒化物半導体素子基板２は、例えば、第１の実施の形態と同様に、窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子の形成に用いられる。
【００５５】
図１２および図１３は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表すものである。
【００５６】
まず、例えば、先の窒化物半導体素子基板２を製造する（図９参照）。次いで、図１２に示したように、例えば、第１の実施の形態と同様にして、ｐ型クラッド層２６の上部およびｐ型コンタクト層２７を細い帯状（リッジ状）とする。次いで、第１の実施の形態と同様にして、絶縁膜４１を形成したのち、ｐ型コンタクト層２７，ｐ型クラッド層２６，ｐ型ガイド層２５，活性層２４，ｎ型ガイド層２３，ｎ型クラッド層２２およびｎ型コンタクト層２１の一部を順次選択的に除去して、ｎ型コンタクト層２１を露出させる。次いで、第１の実施の形態と同様にして、絶縁膜４１を選択的に除去してｐ型コンタクト層２７を露出させたのち、ｐ側電極４２を形成する。ｐ側電極４２を形成したのち、第１の実施の形態と同様にして、露出されたｎ型コンタクト層２１の上にｎ側電極４３を形成する。
【００５７】
ｎ側電極４３を形成したのち、第１の実施の形態と同様にして、成長基板１１を例えば８０μｍ程度の厚みとなるように研削する。次いで、窒化物半導体素子基板２を開口５３ａ１の延在方向に対して垂直な方向に劈開することにより、図示しない端面を有する複数の棒状のバーを作製する。そののち、端面に図示しない反射鏡膜を形成する。
【００５８】
反射鏡膜を形成したのち、各バーを開口５３ａ１の延在方向の分離位置２０１で劈開（ペレタイズ）し、その劈開面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図１３に示した窒化物半導体レーザが完成する。
【００５９】
この半導体レーザは、第１の実施の形態と同様に作用する。
【００６０】
このように本実施の形態では、種結晶層１３に、縞状の開口部５３ａを囲み、開口５３ａ１よりも広い幅を有する環状の開口５３ｂを設けるようにしたので、開口部５３ｂにより素子形成層６０に働く内部応力が分散され、素子形成層６０にクラックが発生することを抑制することができる。また、素子形成層６０に空間部６０ａを形成するようにしたので、外周部にクラックＫ２が発生したとしても、この空間部６０ａにより空間部６０ａの内側にクラックＫ２が伝播することを抑止することができる。すなわち、素子が形成される領域のクラックが低減される。よって、クラックが少なく、素子寿命および信頼性に優れた窒化物半導体レーザを効率的に得ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００６１】
［第３の実施の形態］
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体基板の平面構成を表すものであり、図２および図１０に対応している。この窒化物半導体基板８０は、縞状の開口部５３ａに代えて、縞状の開口部８３ａを備えたことを除き、第２の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは、第２の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての説明を省略する。
【００６２】
開口部８３ａは、例えば、第１の実施の形態と同様に、所定の幅を有する第１の開口８３ａ１と、この第１の開口８３ａ１よりも広い幅を有する第２の開口８３ａ２とにより構成されている。すなわち、本実施の形態の窒化物半導体基板８０は、第１の形態の窒化物半導体基板１０および第２の実施の形態の窒化物半導体基板５０の両方の特徴を有している。よって、この窒化物半導体基板８０を用いた窒化物半導体素子基板は、第１および第２の実施の形態の両方の作用および効果を有し、異なるマスクを利用して種結晶層１３を形成することを除き、第１および第２の実施の形態と同様にして製造することができる。また、第１および第２の実施の形態と同様に窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子の作製に用いられる。その窒化物半導体素子基板を用いた窒化物半導体レーザの製造方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、バッファ層１２，種結晶層１３，ｎ型コンタクト層２１，ｎ型クラッド層２２，ｎ型ガイド層２３，活性層２４，ｐ型ガイド層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７を構成する材料について具体例を挙げて説明したが、これらの各層を他の材料により構成するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記実施の形態では、ｎ型コンタクト層２１，ｎ型クラッド層２２，ｎ型ガイド層２３，活性層２４，ｐ型ガイド層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７を有する素子形成層２０，６０を備えた窒化物半導体素子基板１，２について説明したが、他の構成を有する素子形成層を備えていてもよい。例えば、活性層とｐ型クラッド層との間に電流ブロック層を備えていてもよく、ｎ型ガイド層およびｐ型ガイド層を備えていなくてもよい。
【００６５】
更に、上記実施の形態では、成長基板１１をサファイアにより構成するようにしたが、他の材料により構成するようにしてもよい。他の材料としては、窒化ガリウム，炭化ケイ素（ＳｉＣ），スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）が挙げられる。基板を例えば、不純物を添加した窒化ガリウムなどの導電材料により構成する場合には、ｎ側電極とｐ側電極とを基板の同一側に設けるのではなく、ｎ型電極を基板の裏面側、すなわちｐ側電極と反対側に設けるようにしてもよい。
【００６６】
加えて、上記実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成長させる場合について説明したが、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ;分子線エピタキシー）法，ハイドライド気相成長法あるいはハライド気相成長法などの他の方法により成長させるようにしてもよい。なお、ハイドライド気相成長法とはハイドライド（水素化物）が反応もしくは原料ガスの輸送に寄与する気相成長法のことであり、ハライド気相成長法とはハライド（ハロゲン化物）が反応もしくは原料ガスの輸送に寄与する気相成長法のことである。
【００６７】
更にまた、上記実施の形態では、窒化物半導体を用いた半導体基板，半導体素子基板および半導体レーザについて説明したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの他の半導体材料を用いた半導体基板，半導体素子基板および半導体レーザにも適用することができる。
【００６８】
加えてまた、本発明は、発光ダイオードあるいは電界トランジスタなどの半導体レーザ以外の他の半導体素子についても適用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
また、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板、または請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法によれば、複数の開口を含む縞状の開口部を囲むように、縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部を設けるようにしたので、環状の開口部により種結晶層上に形成される結晶層の内部応力が分散され、結晶層にクラックが発生することを抑制することができる。
【００７３】
特に、請求項３記載の窒化物半導体基板、または請求項８記載の窒化物半導体基板の製造方法によれば、結晶層に、環状の開口部に対応した空間部を設けるようにしたので、例えば外周部でクラックが発生したとしても、空間部において、空間部の内側にクラックが伝播することを抑止することができる。よって、空間部の内側に対応した領域に素子を形成すれば、クラックが少なく、素子寿命および信頼性に優れた窒化物半導体素子を効率よく製造することができ、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体素子基板の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した窒化物半導体基板の構成を表す平面図である。
【図３】図１に示した素子形成層におけるクラックの伝播の様子を説明するための平面図である。
【図４】図３に示したクラックの伝播の様子を拡大して表す平面図である。
【図５】 図１に示した窒化物半導体基板の製造工程を表す断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を表す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表す断面図である。
【図８】図７に続く製造工程を表す断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体素子基板の構成を表す断面図である。
【図１０】図９に示した窒化物半導体基板の構成を表す平面図である。
【図１１】図１０に示した素子形成層におけるクラックの伝播の様子を説明するための平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表す断面図である。
【図１３】図１２に続く製造工程を表す断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成を表す平面図である。
【符号の説明】
１，２…窒化物半導体素子基板、１０，５０，８０…窒化物半導体基板、１１…成長基板、１２…バッファ層、１３…種結晶層、１３ａ，５３ａ，５３ｂ，８３ａ…開口部、１３ａ１，８３ａ１…第１の開口、１３ａ２，８３ａ２…第２の開口、２０，６０…素子形成層、２０ａ，６０ａ…空間部、２０Ｌ…側面位置、２１…ｎ型コンタクト層、２２…ｎ型クラッド層、２３…ｎ型ガイド層、２４…活性層、２５…ｐ型ガイド層、２６…ｐ型クラッド層、２７…ｐ型コンタクト層、３１…マスク層、４１…絶縁膜、４２…ｐ側電極、４３…ｎ側電極、Ｋ１，Ｋ２…クラック
本発明は、成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えた窒化物半導体基板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＡｌＧａＮ混晶あるいはＡｌＧａＩｎＮ混晶などの窒化物半導体は、直接遷移の半導体材料であると共に、可視領域から紫外領域までの発光を得ることができ、半導体レーザ（ＬＤ；Laser Diode ）などの発光素子を構成する材料として注目されている。
【０００３】
この窒化物半導体を用いた半導体レーザ（以下、「窒化物半導体レーザ」という。）には、種々の理由から成長基板にサファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）が用いられ、クラッド層には、ＡｌＧａＮ混晶が用いられている。しかし、サファイアとＡｌＧａＮ混晶とでは格子定数の不整合あるいは熱膨張係数差が大きいため、クラッド層に、歪みを緩和するためにクラックが発生する。クラックが発生すると、クラックが電子と正孔とが再結合しても発光しない非発光再結合の中心あるいは電流リーク箇所となり、窒化物半導体レーザの光学的あるいは電気的特性が損なわれてしまう。また、素子寿命も低下する。特に、厚みが厚くなると、内部応力が大きくなるため、クラックが発生しやすく、特性も一層低下する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＦＦＰ（Far Field Pattern ；ファー・フィールド・パターン）を安定化させるには、クラッド層をある程度厚くする必要があり、そのためクラックを抑制することは難しい。
【０００５】
更に、窒化物半導体レーザは、例えば、成長基板に複数の素子を同時に形成したのち、素子ごとに分離することにより作製されるため、窒化物半導体レーザの製造時には、クラックが一部の領域で発生したとしても、複数の素子にまで伝播して歩留まりが低下してしまうという問題もある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、クラックの発生を抑制することができ、歩留りの向上を図ることが可能な窒化物半導体基板およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の窒化物半導体基板は、成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えたものであって、種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部が設けられていると共に、この縞状の開口部を囲むように環状の開口部が設けられており、環状の開口部の幅が、縞状の開口部の開口の幅よりも広いものである。
【００１２】
本発明による第１の窒化物半導体基板の製造方法は、成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えた窒化物半導体基板を製造する方法であって、種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部を形成すると共に、縞状の開口部を囲むように、縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部を形成する工程を含むものである。
【００１６】
本発明による第１の窒化物半導体基板では、種結晶層に、複数の縞状の開口を含む縞状の開口部を囲み、縞状の開口の幅よりも広い幅を有する環状の開口部が設けられているので、この環状の開口部によって、種結晶層上に形成される結晶層に働く内部応力が分散され、結晶層にクラックが発生することが抑制される。
【００１９】
本発明による第１の窒化物半導体基板の製造方法では、種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部と、この縞状の開口部を囲むように、この縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部が形成される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体基板を含む窒化物半導体素子基板の断面構成を表すものであり、図２は図１に示した窒化物半導体基板１０の平面構成を表すものである。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿った断面構成に対応している。この窒化物半導体素子基板１は、例えば、窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子の形成に用いられるものであり、窒化物半導体基板１０上に窒化物半導体の結晶層よりなる素子形成層２０を有している。なお、この窒化物半導体素子基板１は、後述する製造方法により得られるものである。ここで、窒化物半導体とは、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうちの少なくとも１種と、短周期型周期表における５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む化合物半導体のことをいう。
【００２２】
窒化物半導体基板１０は、例えば、成長基板１１の一面側にバッファ層１２を介して積層された種結晶層１３を備えている。成長基板１１は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという）が８０μｍ程度のサファイアにより構成されており、バッファ層１２および種結晶層１３はこの成長基板１１のｃ面に形成されている。
【００２３】
バッファ層１２は、例えば、厚みが３０ｎｍであり、不純物が添加されていないｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮにより構成されている。
【００２４】
種結晶層１３は、例えば、不純物が添加されていないｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮにより構成されている。この種結晶層１３には、例えば、縞状の開口部１３ａが設けられている。開口部１３ａは、例えば、所定の幅を有する帯状の第１の開口１３ａ１と、この第１の開口１３ａ１よりも広い幅を有する帯状の第２の開口１３ａ２とが互いに周期的に配列されることにより構成されている。より具体的には、形成予定の素子の横方向における側面位置２０Ｌ（図７，８参照）が、第２の開口１３ａ２に対応するように、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２が配列されている。本実施の形態では、この第２の開口１３ａ２により、素子形成層２０に働く内部応力が分散され、クラックの発生が抑制されるようになっている。
【００２５】
第１の開口１３ａ１の幅は、例えば１８μｍである。第２の開口１３ａ２の幅は、例えば３０μｍ以上５０μｍ以下である。なお、図２では、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２の数を実際よりも少なく示している。
【００２６】
素子形成層２０は、例えば、種結晶層１３を基礎として成長したｎ型コンタクト層２１と、このｎ型コンタクト層２１を覆うように形成された、ｎ型クラッド層２２，ｎ型ガイド層２３，活性層２４，ｐ型ガイド層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７とを有しており、その表面は平坦となっている。この素子形成層２０では、第２の開口１３ａ２に対応する領域において結晶が会合しておらず、それにより素子部分を構成しない空間部２０ａが形成されている。これにより、図３、更に詳細には図４に示したように、素子形成層２０にクラックＫ１が発生したとしても、空間部２０ａにおいてクラックＫ１の他の領域への伝播が抑止されるようになっている。ここで、図４は、クラックの伝播の様子を詳細に示すために、図３の一部を拡大して表したものである。
【００２７】
ｎ型コンタクト層２１は、例えば、厚みが３μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。このｎ型コンタクト層２１は、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２のそれぞれに対応して、種結晶層１３の側壁面を基礎として第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２の配列方向（横方向）に成長した横方向成長領域を有している。この横方向成長領域は、種結晶層１３からの貫通転位が伝播しにくく、転位密度が低くなっている。これにより、ｎ型コンタクト層２１の上に積層されているｎ型クラッド層２２からｐ型コンタクト層２７までの各層についても、横方向成長領域に対応して転位密度が低くなっている。よって、この窒化物半導体基板１０上の素子は開口部１３ａに対応する位置に形成される。
【００２８】
ｎ型クラッド層２２は、例えば、厚みが１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。ｎ型ガイド層２３は、例えば、厚みが０．１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
【００２９】
活性層２４は、例えば、厚みが３０ｎｍであり、組成の異なるＧａx Ｉｎ1-x Ｎ（但し、０≦ｘ≦１）混晶層を積層した多重量子井戸構造を有している。
【００３０】
ｐ型ガイド層２５は、例えば、厚みが０．１μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ型クラッド層２６は例えば、厚みが０．８μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。
【００３１】
ｐ型コンタクト層２７は、例えば、厚みが０．５μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。
【００３２】
このような構成を有する窒化物半導体素子基板１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３３】
図５および図６は、その窒化物半導体素子基板１の製造工程を表すものである。まず、図５（Ａ）に示したように、例えば、厚み４００μｍのサファイアよりなる成長基板１１を用意し、この成長基板１１の一面（ｃ面）上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ; 有機金属化学気相成長）法により、ｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮよりなるバッファ層１２およびｕｎｄｏｐｅ−ＧａＮよりなる種結晶層１３を順次成長させる。
【００３４】
次いで、図５（Ｂ）に示したように、例えば、種結晶層１３の上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）よりなるマスク層３１を形成し、このマスク層３１を利用してＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）により種結晶層１３およびバッファ層１２を選択的に除去し、種結晶層１３に縞状の開口部１３ａを形成する。すなわち、所定の幅を有する帯状の第１の開口１３ａ１と、この第１の開口１３ａ１よりも広い幅を有する帯状の第２の開口１３ａ２とを周期的に配列させる。具体的には、形成予定の素子の横方向における側面位置２０Ｌ（図７，８参照）が第２の開口１３ａ２に対応するように、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２を配列させる。第２の開口１３ａ２を形成するのは、素子形成層２０を形成する際に、素子形成層２０に働く内部応力を分散させ、クラックの発生を抑制するためである。
【００３５】
第１の開口１３ａ１の幅は、ｎ型コンタクト層２１を成長させる後続の工程において、第１の開口１３ａ１で結晶が会合する程度、例えば１８μｍとすることが好ましい。また、第２の開口１３ａ２の幅は、５０μｍ以下とすることが好ましく、３０μｍ以上とすればより好ましい。ｎ型コンタクト層２１を成長させる工程において、広すぎると原料の行き場がなくなるためＧａＮが異常成長し、それに基づいて素子形成層２０の表面に種々の問題を誘発する突起が形成される虞があり、狭すぎると空間部２０ａが形成されない虞があるからである。すなわち、第２の開口１３ａ２の幅を３０μｍ以上５０μｍ以下とすることにより、素子形成層２０（図１参照）の表面が平坦となり、かつ空間部２０ａが形成され易くなる。
【００３６】
なお、開口部１３ａを形成する際には、種結晶層１３と共に成長基板１１の一部も選択的に除去し、種結晶層１３の除去領域（すなわち開口部１３ａ）に対応して、成長基板１１に凹部を形成するようにすることが好ましい。後続のｎ型コンタクト層２１を成長させる工程において、ｎ型コンタクト層２１が成長基板１１に接触して欠陥が発生してしまうことを防止するためである。開口部１３ａを形成したのち、マスク層３１を除去する。
【００３７】
次いで、例えば、ＭＯＣＶＤ法により種結晶層１３を基礎として素子形成層２０を形成する。具体的には、図６に示したように、まず、種結晶層１３を基礎としてｎ型ＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２１を成長させる。その際、ｎ型コンタクト層２１は、その側面が、例えば結晶方位に応じて、成長基板１１側が広く傾斜した状態で成長していく。このｎ型コンタクト層２１を成長させる工程は、第１の開口１３ａ１においてＧａＮが会合した時点で終了させる。
【００３８】
次いで、図１に示したように、ｎ型コンタクト層２１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｎ型クラッド層２２、ｎ型ＧａＮよりなるｎ型ガイド層２３、組成の異なるＧａx Ｉｎ1-x Ｎ（但し、１≧ｘ≧０）混晶層を積層した多重量子井戸構造を有する活性層２４、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型ガイド層２５、ｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｐ型クラッド層２６およびｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２７を順次成長させる。その際、ｎ型クラッド層２２などの各層は、例えば種結晶層１３の上面および側面を覆うようにして形成される。これらの各層は、成長温度等の各成長条件を調整することにより、第２の開口１３ａ２において結晶が会合しないように、また、結晶が異常成長しないように成長させる。これにより、素子形成層２０に空間部２０ａが形成されると共に、素子形成層２０の表面が平坦となる。
【００３９】
なお、ＭＯＣＶＤを行う際の原料には、ガリウムの原料ガスとして例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）の原料ガスとして例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3 ）3 Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）の原料ガスとして例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ）、ホウ素（Ｂ）の原料ガスとして例えばトリメチルホウ素（（ＣＨ3 ）3 Ｂ）、窒素（Ｎ）の原料ガスとして例えばアンモニア（ＮＨ3 ）をそれぞれ用いる。また、マグネシウムの原料ガスとしては例えばビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
【００４０】
以上の工程により、図１に示した窒化物半導体素子基板１が完成する。
【００４１】
このようにして製造される窒化物半導体素子基板１は、例えば、窒化物半導体レーザの形成に用いられる。
【００４２】
図７および図８は本実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表すものである。
【００４３】
まず、例えば、先の窒化物半導体素子基板１を製造する（図１参照）。次いで、図７に示したように、例えば、素子形成層２０（すなわちｐ型コンタクト層２７）の上に図示しないマスク層を形成し、このマスク層を利用して例えばＲＩＥによりｐ型コンタクト層２７およびｐ型クラッド層２６の一部を選択的に除去して、ｐ型クラッド層２６の上部およびｐ型コンタクト層２７を第１の開口１３ａ１の延在方向に平行な細い帯状（リッジ状）とする。そののち、マスク層を除去し、全面（すなわちｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７の上）に、例えば蒸着法により二酸化ケイ素よりなる絶縁膜４１を形成する。次いで、例えば、絶縁膜４１の上に、図示しないレジスト膜を塗布形成し、このレジスト膜をマスクとして、ＲＩＥにより、絶縁膜４１，ｐ型コンタクト層２７，ｐ型クラッド層２６，ｐ型ガイド層２５，活性層２４，ｎ型ガイド層２３，ｎ型クラッド層２２およびｎ型コンタクト層２１の一部を順次選択的に除去し、ｎ型コンタクト層２１を露出させる。
【００４４】
次いで、レジスト膜を除去し、全面（すなわち絶縁膜４１およびｎ型コンタクト層２１の上）に図示しない他のレジスト膜を塗布形成し、このレジスト膜をマスクとして絶縁膜４１を選択的に除去し、ｐ型コンタクト層２７を露出させる。そののち、全面（すなわちｐ型コンタクト層２７およびレジスト膜の上）に、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）の各金属を順次蒸着し、レジスト膜をその上に積層された金属と共に除去し（リフトオフ）、ｐ側電極４２を形成する。
【００４５】
ｐ側電極４２を形成したのち、全面（すなわち、ｎ型コンタクト層２１，絶縁膜４１およびｐ側電極４２の上）に、ｎ型コンタクト層２１に対応して開口を有する図示しないレジスト膜を塗布形成する。そののち、全面（すなわちｎ型コンタクト層２１およびレジスト膜の上）に、例えば真空蒸着法によりチタン（Ｔｉ），白金および金の各金属を順次蒸着し、レジスト膜をその上に形成された金属と共に除去し（リフトオフ）、ｎ側電極４３を形成する。
【００４６】
ｎ側電極４３を形成したのち、成長基板１１を例えば８０μｍ程度の厚みとなるように研削する。次いで、成長基板１１を第１の開口１３ａ１の延在方向に対して垂直な方向に劈開することにより、図示しない端面が形成された複数の棒状のバーを作製する。次いで、端面に図示しない反射鏡膜を形成する。そののち、各バーを空間部２０ａの所定の位置１０１で劈開（ペレタイズ）する。ここでは、従来のように成長基板上に形成された素子形成層を劈開する必要がなく、成長基板１１のみを劈開すればよいので、容易に各素子に分離することが可能である。以上の工程により、図８に示した半導体レーザが完成する。
【００４７】
この窒化物半導体レーザでは、ｐ側電極４２とｎ側電極４３との間に所定の電圧が印加されると、活性層２４に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、図示しない反射鏡膜によって反射され、増幅されてレーザ発振を生じ、レーザ光として外部に射出される。この窒化物半導体レーザは、本実施の形態の窒化物半導体基板１０を含む窒化物半導体素子基板１を用いて作製されているので、クラックが少なくなっている。よって、電圧の印加による劣化が起こりにくく、使用による動作電流の上昇が抑えられ、素子の寿命が長くなる。
【００４８】
このように本実施の形態では、種結晶層１３に、所定の幅を有する第１の開口１３ａ１よりも広い幅を有する第２の開口１３ａ２を設けるようにしたので、第２の開口１３ａ２により素子形成層２０に働く内部応力が分散され、素子形成層２０にクラックが発生することを抑制することができる。また、素子形成層２０に空間部２０ａを形成するようにしたので、クラックＫ１が発生したとしても、この空間部２０ａにおいてクラックＫ１が他の領域へ伝播することを抑止することができる。よって、クラックが少なく、素子寿命および信頼性に優れた窒化物半導体レーザを効率的に得ることができる。すなわち、歩留まりを向上させることができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、第１の開口１３ａ１および第２の開口１３ａ２の配列を調整することにより、素子の横方向における側面位置２０Ｌが第２の開口１３ａ２に対応するようにしたので、素子は空間部２０ａで自発的に分離される。よって、バーを空間部２０ａで劈開（ペレタイズ）すれば、従来のように素子形成層を劈開する必要がなく、成長基板１１のみを劈開すればよいので、容易に各素子に分離することができる。すなわち、作業性、更には生産性を向上させることができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体基板を含む窒化物半導体素子基板の断面構成を表すものであり、図１０は図９に示した窒化物半導体基板１０の平面構成を表すものである。なお、図９は、図１０のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面構成に対応している。この窒化物半導体素子基板２は、例えば、後述する製造方法により得られるものであり、窒化物半導体基板５０上に窒化物半導体の結晶層よりなる素子形成層６０を有している。なお、ここでは、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての説明を省略する。
【００５１】
窒化物半導体基板５０は、種結晶層１３に、縞状の開口部１３ａに代えて、縞状の開口部５３ａが設けられていると共に、更に、環状の開口部５３ｂが設けられていることを除き、第１の実施の形態の窒化物半導体基板１０と同様の構成を有している。
【００５２】
開口部５３ａは、例えば、所定の幅を有する帯状の開口５３ａ１が一定間隔で配列されることにより構成されている。開口部５３ｂは、例えば、環状であり、開口部５３ａを囲むように設けられている。なお、この開口部５３ｂは、一部が結晶により埋められ、完全な環状となっていなくてもよい。開口５３ａ１の幅は例えば１８μｍである。開口部５３ｂの幅は、開口５３ａ１よりも広く、例えば、３０μｍ以上５０μｍ以下である。本実施の形態では、この開口部５３ｂにより、素子形成層６０に働く応力が分散され、素子形成層６０にクラックが発生することが抑制されるようになっている。なお、図１０では、開口５３ａ１の数は実際よりも少なく示している。
【００５３】
素子形成層６０は、例えば、空間部２０ａに代えて空間部６０ａを有することを除き、第１の実施の形態の素子形成層２０と同様の構成を有している。空間部６０ａは、窒化物半導体基板５０の環状の開口部５３ｂに対応する領域に形成されている。通常の窒化物半導体素子基板では、外周部が結晶で埋まりきらず穴が形成され、この穴により開口５３ａ１の延在方向に対して垂直な方向にクラックが発生することが多いが、本実施の形態では、図１１に示したように素子形成層６０の外周部でクラックＫ２が発生したとしても、空間部６０ａにおいてクラックＫ２の伝播が抑止されるようになっている。すなわち、空間部６０ａの内側、すなわち素子が形成される領域においてはクラックＫ２が少なくなる。
【００５４】
このような構成を有する窒化物半導体素子基板２は、例えば、異なるマスク層を利用して開口部５３ａ，５３ｂを形成することを除き、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。また、この窒化物半導体素子基板２は、例えば、第１の実施の形態と同様に、窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子の形成に用いられる。
【００５５】
図１２および図１３は、本実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表すものである。
【００５６】
まず、例えば、先の窒化物半導体素子基板２を製造する（図９参照）。次いで、図１２に示したように、例えば、第１の実施の形態と同様にして、ｐ型クラッド層２６の上部およびｐ型コンタクト層２７を細い帯状（リッジ状）とする。次いで、第１の実施の形態と同様にして、絶縁膜４１を形成したのち、ｐ型コンタクト層２７，ｐ型クラッド層２６，ｐ型ガイド層２５，活性層２４，ｎ型ガイド層２３，ｎ型クラッド層２２およびｎ型コンタクト層２１の一部を順次選択的に除去して、ｎ型コンタクト層２１を露出させる。次いで、第１の実施の形態と同様にして、絶縁膜４１を選択的に除去してｐ型コンタクト層２７を露出させたのち、ｐ側電極４２を形成する。ｐ側電極４２を形成したのち、第１の実施の形態と同様にして、露出されたｎ型コンタクト層２１の上にｎ側電極４３を形成する。
【００５７】
ｎ側電極４３を形成したのち、第１の実施の形態と同様にして、成長基板１１を例えば８０μｍ程度の厚みとなるように研削する。次いで、窒化物半導体素子基板２を開口５３ａ１の延在方向に対して垂直な方向に劈開することにより、図示しない端面を有する複数の棒状のバーを作製する。そののち、端面に図示しない反射鏡膜を形成する。
【００５８】
反射鏡膜を形成したのち、各バーを開口５３ａ１の延在方向の分離位置２０１で劈開（ペレタイズ）し、その劈開面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図１３に示した窒化物半導体レーザが完成する。
【００５９】
この半導体レーザは、第１の実施の形態と同様に作用する。
【００６０】
このように本実施の形態では、種結晶層１３に、縞状の開口部５３ａを囲み、開口５３ａ１よりも広い幅を有する環状の開口５３ｂを設けるようにしたので、開口部５３ｂにより素子形成層６０に働く内部応力が分散され、素子形成層６０にクラックが発生することを抑制することができる。また、素子形成層６０に空間部６０ａを形成するようにしたので、外周部にクラックＫ２が発生したとしても、この空間部６０ａにより空間部６０ａの内側にクラックＫ２が伝播することを抑止することができる。すなわち、素子が形成される領域のクラックが低減される。よって、クラックが少なく、素子寿命および信頼性に優れた窒化物半導体レーザを効率的に得ることができ、歩留まりを向上させることができる。
【００６１】
［第３の実施の形態］
図１４は、本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体基板の平面構成を表すものであり、図２および図１０に対応している。この窒化物半導体基板８０は、縞状の開口部５３ａに代えて、縞状の開口部８３ａを備えたことを除き、第２の実施の形態と同様の構成を有している。よって、ここでは、第２の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一部分についての説明を省略する。
【００６２】
開口部８３ａは、例えば、第１の実施の形態と同様に、所定の幅を有する第１の開口８３ａ１と、この第１の開口８３ａ１よりも広い幅を有する第２の開口８３ａ２とにより構成されている。すなわち、本実施の形態の窒化物半導体基板８０は、第１の形態の窒化物半導体基板１０および第２の実施の形態の窒化物半導体基板５０の両方の特徴を有している。よって、この窒化物半導体基板８０を用いた窒化物半導体素子基板は、第１および第２の実施の形態の両方の作用および効果を有し、異なるマスクを利用して種結晶層１３を形成することを除き、第１および第２の実施の形態と同様にして製造することができる。また、第１および第２の実施の形態と同様に窒化物半導体レーザなどの窒化物半導体素子の作製に用いられる。その窒化物半導体素子基板を用いた窒化物半導体レーザの製造方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、バッファ層１２，種結晶層１３，ｎ型コンタクト層２１，ｎ型クラッド層２２，ｎ型ガイド層２３，活性層２４，ｐ型ガイド層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７を構成する材料について具体例を挙げて説明したが、これらの各層を他の材料により構成するようにしてもよい。
【００６４】
また、上記実施の形態では、ｎ型コンタクト層２１，ｎ型クラッド層２２，ｎ型ガイド層２３，活性層２４，ｐ型ガイド層２５，ｐ型クラッド層２６およびｐ型コンタクト層２７を有する素子形成層２０，６０を備えた窒化物半導体素子基板１，２について説明したが、他の構成を有する素子形成層を備えていてもよい。例えば、活性層とｐ型クラッド層との間に電流ブロック層を備えていてもよく、ｎ型ガイド層およびｐ型ガイド層を備えていなくてもよい。
【００６５】
更に、上記実施の形態では、成長基板１１をサファイアにより構成するようにしたが、他の材料により構成するようにしてもよい。他の材料としては、窒化ガリウム，炭化ケイ素（ＳｉＣ），スピネル（ＭｇＡｌ2 Ｏ4 ）が挙げられる。基板を例えば、不純物を添加した窒化ガリウムなどの導電材料により構成する場合には、ｎ側電極とｐ側電極とを基板の同一側に設けるのではなく、ｎ型電極を基板の裏面側、すなわちｐ側電極と反対側に設けるようにしてもよい。
【００６６】
加えて、上記実施の形態では、ＭＯＣＶＤ法により窒化物半導体を成長させる場合について説明したが、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy ;分子線エピタキシー）法，ハイドライド気相成長法あるいはハライド気相成長法などの他の方法により成長させるようにしてもよい。なお、ハイドライド気相成長法とはハイドライド（水素化物）が反応もしくは原料ガスの輸送に寄与する気相成長法のことであり、ハライド気相成長法とはハライド（ハロゲン化物）が反応もしくは原料ガスの輸送に寄与する気相成長法のことである。
【００６７】
更にまた、上記実施の形態では、窒化物半導体を用いた半導体基板，半導体素子基板および半導体レーザについて説明したが、本発明は、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの他の半導体材料を用いた半導体基板，半導体素子基板および半導体レーザにも適用することができる。
【００６８】
加えてまた、本発明は、発光ダイオードあるいは電界トランジスタなどの半導体レーザ以外の他の半導体素子についても適用することができる。
【００７２】
【発明の効果】
また、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板、または請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法によれば、複数の開口を含む縞状の開口部を囲むように、縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部を設けるようにしたので、環状の開口部により種結晶層上に形成される結晶層の内部応力が分散され、結晶層にクラックが発生することを抑制することができる。
【００７３】
特に、請求項３記載の窒化物半導体基板、または請求項８記載の窒化物半導体基板の製造方法によれば、結晶層に、環状の開口部に対応した空間部を設けるようにしたので、例えば外周部でクラックが発生したとしても、空間部において、空間部の内側にクラックが伝播することを抑止することができる。よって、空間部の内側に対応した領域に素子を形成すれば、クラックが少なく、素子寿命および信頼性に優れた窒化物半導体素子を効率よく製造することができ、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体素子基板の構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した窒化物半導体基板の構成を表す平面図である。
【図３】図１に示した素子形成層におけるクラックの伝播の様子を説明するための平面図である。
【図４】図３に示したクラックの伝播の様子を拡大して表す平面図である。
【図５】 図１に示した窒化物半導体基板の製造工程を表す断面図である。
【図６】図５に続く製造工程を表す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表す断面図である。
【図８】図７に続く製造工程を表す断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体素子基板の構成を表す断面図である。
【図１０】図９に示した窒化物半導体基板の構成を表す平面図である。
【図１１】図１０に示した素子形成層におけるクラックの伝播の様子を説明するための平面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る窒化物半導体レーザの製造工程を表す断面図である。
【図１３】図１２に続く製造工程を表す断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る窒化物半導体基板の構成を表す平面図である。
【符号の説明】
１，２…窒化物半導体素子基板、１０，５０，８０…窒化物半導体基板、１１…成長基板、１２…バッファ層、１３…種結晶層、１３ａ，５３ａ，５３ｂ，８３ａ…開口部、１３ａ１，８３ａ１…第１の開口、１３ａ２，８３ａ２…第２の開口、２０，６０…素子形成層、２０ａ，６０ａ…空間部、２０Ｌ…側面位置、２１…ｎ型コンタクト層、２２…ｎ型クラッド層、２３…ｎ型ガイド層、２４…活性層、２５…ｐ型ガイド層、２６…ｐ型クラッド層、２７…ｐ型コンタクト層、３１…マスク層、４１…絶縁膜、４２…ｐ側電極、４３…ｎ側電極、Ｋ１，Ｋ２…クラック
Claims (10)
- 成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えた窒化物半導体基板であって、
前記種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部が設けられていると共に、この縞状の開口部を囲むように環状の開口部が設けられており、
前記環状の開口部の幅が、前記縞状の開口部の開口の幅よりも広い
ことを特徴とする窒化物半導体基板。 - 更に、前記種結晶層を基礎として成長させた窒化物半導体よりなる結晶層を備えた
ことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。 - 前記結晶層は、前記環状の開口部に対応して空間部を有し、かつ表面が平坦である
ことを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体基板。 - 前記環状の開口部の幅は５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。
- 前記縞状の開口部は、所定の幅を有する第１の開口と、この第１の開口よりも広い幅を有する第２の開口とにより構成されており、
前記環状の開口部の幅は、前記第１の開口の幅よりも広い
ことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。 - 成長基板に窒化物半導体よりなる種結晶層を備えた窒化物半導体基板の製造方法であって、
前記種結晶層に、複数の開口を含む縞状の開口部を形成すると共に、前記縞状の開口部を囲むように、前記縞状の開口部の開口よりも広い幅を有する環状の開口部を形成する工程を含む
ことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。 - 更に、前記種結晶層を基礎として窒化物半導体よりなる結晶層を成長させる工程を含む
ことを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記環状の開口部に対応して空間部が設けられ、かつ表面が平坦となるように、前記結晶層を形成する
ことを特徴とする請求項７記載の窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記環状の開口部の幅を５０μｍ以下とすることを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記縞状の開口部を、所定の幅を有する第１の開口と、この第１の開口よりも広い幅を有する第２の開口とにより構成し、かつ前記環状の開口部の幅が前記第１の開口の幅よりも広くなるようにする
ことを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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