JP2000232238A - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体発光素子及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 単結晶膜中を貫通転位の生じても良好な発光
特性を有する窒化物半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 ３族窒化物半導体を積層して得られる活
性層と、活性層に隣接し活性層のバンドギャップより大
なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物
半導体発光素子であって、活性層において貫通転位を囲
みその周囲に拡がる界面により画定される障壁層と同一
材料からなる埋め込み部を有する。
特性を有する窒化物半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 ３族窒化物半導体を積層して得られる活
性層と、活性層に隣接し活性層のバンドギャップより大
なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物
半導体発光素子であって、活性層において貫通転位を囲
みその周囲に拡がる界面により画定される障壁層と同一
材料からなる埋め込み部を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、３族窒化物半導体
素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、発
光素子に用いられる窒化物半導体発光素子及びその製造
方法に関する。
素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、発
光素子に用いられる窒化物半導体発光素子及びその製造
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】短波長光半導体素子、特に短波長半導体
レーザ素子用の材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）系化
合物を用いた研究が多く行われている。ＧａＮ系半導体
レーザ素子は、基板結晶上に３族窒化物半導体（Ａｌx
Ｇａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）のよ
うな半導体単結晶膜を順次積層して作製される。この単
結晶膜の作製には、一般に有機金属気相成長法（以下、
ＭＯＣＶＤ法と称する。）が用いられる。該方法におい
て、３族原料のトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称
する。）や５族原料のアンモニア（ＮＨ3）等の原料ガ
スを反応炉内に導き、９００〜１０００℃の温度で反応
させて基板上に化合物結晶を堆積させるのである。原料
ガスの成分比を変化させて順次積層することで、異なっ
た化合物からなる多層膜構造が達成される。
レーザ素子用の材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）系化
合物を用いた研究が多く行われている。ＧａＮ系半導体
レーザ素子は、基板結晶上に３族窒化物半導体（Ａｌx
Ｇａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）のよ
うな半導体単結晶膜を順次積層して作製される。この単
結晶膜の作製には、一般に有機金属気相成長法（以下、
ＭＯＣＶＤ法と称する。）が用いられる。該方法におい
て、３族原料のトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称
する。）や５族原料のアンモニア（ＮＨ3）等の原料ガ
スを反応炉内に導き、９００〜１０００℃の温度で反応
させて基板上に化合物結晶を堆積させるのである。原料
ガスの成分比を変化させて順次積層することで、異なっ
た化合物からなる多層膜構造が達成される。
【０００３】このとき、積層された単結晶膜中を貫通す
るような欠陥が多く存在すると、発光素子としての発光
特性が大きく劣化してしまう。この欠陥は、いわゆる貫
通転位と呼ばれているもので、結晶膜の成長方向へ膜中
を貫通して延在する線状の結晶欠陥である。こうした貫
通転位部分は、キャリアの非発光性再結合中心として働
くため、貫通転位を多く含む膜からなる半導体発光素子
の発光効率は低い。このような欠陥は、基板とその上に
成膜される層との界面における結晶のミスフィット歪み
を起因として発生する。そこで、界面ミスフィットの影
響を減少させるべく、基板材料にはその上に成膜される
ＧａＮ系結晶に近い結晶構造、格子定数及び熱膨張率を
有する材料を選択することが行われている。
るような欠陥が多く存在すると、発光素子としての発光
特性が大きく劣化してしまう。この欠陥は、いわゆる貫
通転位と呼ばれているもので、結晶膜の成長方向へ膜中
を貫通して延在する線状の結晶欠陥である。こうした貫
通転位部分は、キャリアの非発光性再結合中心として働
くため、貫通転位を多く含む膜からなる半導体発光素子
の発光効率は低い。このような欠陥は、基板とその上に
成膜される層との界面における結晶のミスフィット歪み
を起因として発生する。そこで、界面ミスフィットの影
響を減少させるべく、基板材料にはその上に成膜される
ＧａＮ系結晶に近い結晶構造、格子定数及び熱膨張率を
有する材料を選択することが行われている。
【０００４】上記要件を満たす材料であってその基板と
して最も適合性の良いのは、その半導体結晶そのもので
ある。しかしながら、３族窒化物半導体（ＡｌxＧ
ａl-x）1- yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）の場
合、基板として最適である窒化物半導体バルク結晶が存
在しないため、サファイアなどの異種材料を基板として
使用せざるを得ない。サファイアの場合、ＧａＮとの間
に１４％程度の格子不整合がある。
して最も適合性の良いのは、その半導体結晶そのもので
ある。しかしながら、３族窒化物半導体（ＡｌxＧ
ａl-x）1- yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）の場
合、基板として最適である窒化物半導体バルク結晶が存
在しないため、サファイアなどの異種材料を基板として
使用せざるを得ない。サファイアの場合、ＧａＮとの間
に１４％程度の格子不整合がある。
【０００５】サファイアの上に成膜されるＧａＮ系単結
晶膜とサファイア基板との界面ミスフィットを緩和し、
該ＧａＮ系単結晶膜中の結晶欠陥を抑制する手法とし
て、サファイア基板上に低温（４００〜６００℃）で窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるバッファ層を形成
し、該低温バッファ層の上に所定のＧａＮ単結晶膜を成
膜する如き２段階成膜法が提案されている。しかしなが
ら、該方法によってもＧａＮ単結晶膜中を貫通するよう
な欠陥を充分に抑制するまでには至っていない。
晶膜とサファイア基板との界面ミスフィットを緩和し、
該ＧａＮ系単結晶膜中の結晶欠陥を抑制する手法とし
て、サファイア基板上に低温（４００〜６００℃）で窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるバッファ層を形成
し、該低温バッファ層の上に所定のＧａＮ単結晶膜を成
膜する如き２段階成膜法が提案されている。しかしなが
ら、該方法によってもＧａＮ単結晶膜中を貫通するよう
な欠陥を充分に抑制するまでには至っていない。
【０００６】一般的に、半導体結晶中の転位は非発光性
再結合中心として働き、発光ダイオードや半導体レーザ
などの発光素子の発光特性を劣化させる大きな原因とな
るため、これらの素子を構成する結晶中には存在しない
ことが望ましく、貫通転位の減少に向け開発が行われて
いる。
再結合中心として働き、発光ダイオードや半導体レーザ
などの発光素子の発光特性を劣化させる大きな原因とな
るため、これらの素子を構成する結晶中には存在しない
ことが望ましく、貫通転位の減少に向け開発が行われて
いる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、基板
上に成膜される単結晶膜中を貫通するような欠陥の発生
を許容し、良好な発光特性を有する窒化物半導体発光素
子及びその製造方法を与えることを目的とする。
上に成膜される単結晶膜中を貫通するような欠陥の発生
を許容し、良好な発光特性を有する窒化物半導体発光素
子及びその製造方法を与えることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体発
光素子は、３族窒化物半導体を積層して得られる活性層
と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップよ
り大なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒
化物半導体発光素子であって、前記活性層において貫通
転位を囲みその周囲に拡がる界面により画定される前記
障壁層と同一材料からなる埋め込み部を有することを特
徴とする。
光素子は、３族窒化物半導体を積層して得られる活性層
と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップよ
り大なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒
化物半導体発光素子であって、前記活性層において貫通
転位を囲みその周囲に拡がる界面により画定される前記
障壁層と同一材料からなる埋め込み部を有することを特
徴とする。
【０００９】本発明の窒化物半導体発光素子において
は、前記活性層は単一又は多重量子井戸構造を有するこ
とを特徴とする。本発明の窒化物半導体発光素子におい
ては、前記障壁層は前記界面からなる前記活性層の凹部
を埋めその表面を平坦化する材料からなることを特徴と
する。本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記
埋め込み部は、錐体形状若しくは切頭錐体形状又はこれ
らが連結した形状を有することを特徴とする。
は、前記活性層は単一又は多重量子井戸構造を有するこ
とを特徴とする。本発明の窒化物半導体発光素子におい
ては、前記障壁層は前記界面からなる前記活性層の凹部
を埋めその表面を平坦化する材料からなることを特徴と
する。本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記
埋め込み部は、錐体形状若しくは切頭錐体形状又はこれ
らが連結した形状を有することを特徴とする。
【００１０】本発明の窒化物半導体発光素子において
は、前記３族窒化物半導体は（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎy
Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）であることを特徴とす
る。本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記障
壁層と前記活性層との間に、前記障壁層と略同一材料か
らなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の
下で成膜された低温障壁層を有することを特徴とする。
は、前記３族窒化物半導体は（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎy
Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）であることを特徴とす
る。本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記障
壁層と前記活性層との間に、前記障壁層と略同一材料か
らなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の
下で成膜された低温障壁層を有することを特徴とする。
【００１１】本発明の窒化物半導体発光素子において
は、前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡ
ｌＮ組成比より小さいことを特徴とする。本発明の方法
は、３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０
≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を積層して得られる活性層と、
前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップより大
なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物
半導体発光素子の製造方法であって、基板上に成膜され
た半導体層上に形成された３族窒化物半導体の活性層に
おいて、前記半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成
するピット形成工程と、前記活性層上に前記障壁層の材
料を積層し、前記凹部の側面を界面とする前記貫通転位
の周囲に拡がる埋め込み部を形成する埋込部形成工程
と、からなることを特徴とする。
は、前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡ
ｌＮ組成比より小さいことを特徴とする。本発明の方法
は、３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-yＩｎyＮ（０
≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を積層して得られる活性層と、
前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップより大
なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物
半導体発光素子の製造方法であって、基板上に成膜され
た半導体層上に形成された３族窒化物半導体の活性層に
おいて、前記半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成
するピット形成工程と、前記活性層上に前記障壁層の材
料を積層し、前記凹部の側面を界面とする前記貫通転位
の周囲に拡がる埋め込み部を形成する埋込部形成工程
と、からなることを特徴とする。
【００１２】本発明の方法においては、前記ピット形成
工程は、前記活性層を形成した後に、前記活性層をエッ
チングする工程を含むことを特徴とする。本発明の方法
においては、前記活性層をエッチングする工程におい
て、貫通転位に沿って食刻の一部が前記半導体層に到達
する時点でエッチングを終了することを特徴とする。
工程は、前記活性層を形成した後に、前記活性層をエッ
チングする工程を含むことを特徴とする。本発明の方法
においては、前記活性層をエッチングする工程におい
て、貫通転位に沿って食刻の一部が前記半導体層に到達
する時点でエッチングを終了することを特徴とする。
【００１３】本発明の方法においては、前記ピット形成
工程は、前記活性層を形成する前に、６００〜８５０℃
の温度で前記半導体層を形成する工程を含むことを特徴
とする。本発明の方法においては、前記埋込部形成工程
と前記ピット形成工程との間に、前記障壁層と略同一材
料からなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温
度の下で成膜された低温障壁層を形成する工程を有する
ことを特徴とする。
工程は、前記活性層を形成する前に、６００〜８５０℃
の温度で前記半導体層を形成する工程を含むことを特徴
とする。本発明の方法においては、前記埋込部形成工程
と前記ピット形成工程との間に、前記障壁層と略同一材
料からなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温
度の下で成膜された低温障壁層を形成する工程を有する
ことを特徴とする。
【００１４】本発明の方法においては、前記低温障壁層
のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡｌＮ組成比より小さ
いことを特徴とする。
のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡｌＮ組成比より小さ
いことを特徴とする。
【００１５】
【作用】本発明によれば、発光素子の作製においてウエ
ハ上の各層をエピタキシャル成長させるに当り、活性層
すなわち発光層までの成膜を完了した時点で活性層をエ
ッチングして、あるいは、活性層下部の半導体層である
ガイド層を予め低温成長させ、その後、活性層を成膜し
て、かかる埋め込み部のための凹部を活性層に形成した
後に、活性層内に伸びる貫通転位を囲みその周囲に拡が
る界面により画定される活性層のものより大なるバンド
ギャップの埋め込み部を形成してから、素子の上部構造
部を成膜した素子用ウエハを完成させる。
ハ上の各層をエピタキシャル成長させるに当り、活性層
すなわち発光層までの成膜を完了した時点で活性層をエ
ッチングして、あるいは、活性層下部の半導体層である
ガイド層を予め低温成長させ、その後、活性層を成膜し
て、かかる埋め込み部のための凹部を活性層に形成した
後に、活性層内に伸びる貫通転位を囲みその周囲に拡が
る界面により画定される活性層のものより大なるバンド
ギャップの埋め込み部を形成してから、素子の上部構造
部を成膜した素子用ウエハを完成させる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明による実施例の３
族窒化物半導体レーザについて実施例を図面を用いて説
明する。本発明の第１の実施例として、成長途中のウエ
ハをエピタキシャル成長装置の外部に取り出して上記の
エッチングを行なう場合を詳述する。図１は実施例の３
族窒化物半導体レーザ示す。この半導体レーザ素子は、
単結晶サファイア基板１上に順に積層された、低温成膜
されたＧａＮ（又はＡｌＮ）層２、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ
型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４、ｎ型ＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ
を主たる構成要素とする多重量子井戸構造の活性層６、
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層７、ｐ型ＧａＮ層８、ｐ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層９、及びｐ型ＧａＮ層１０からなり、ｎ
側電極１４並びにｐ側電極１３はｎ型ＧａＮ層３並びｐ
型ＧａＮ層１０に接続されている。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎ層９にはリッジストライプ部１８が形成されており、
素子は電極を除きＳｉＯ2の絶縁膜１１で被覆保護され
ている。このように、本実施例の窒化物半導体発光素子
においては、３族窒化物半導体を順次積層して得られる
多層構造の活性層からなる。この半導体レーザ素子で
は、活性層６において電子と正孔を再結合させることに
よって発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ型ＧａＮ層８は
ガイド層であり、活性層６で発生した光をガイド層５及
び８に導波するとともに活性層６よりバンドギャップが
大きく設定することによって電子及び正孔を活性層６内
に効果的に閉じ込めるようになっている。ｐ型Ａｌ0.2
Ｇａ0.8Ｎ層７は注入されたキャリア（特に電子）の閉
じ込めを更に強化する障壁層であり、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ
0.9Ｎ層４及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層９はガイド層
５，８より低屈折率で作製されているクラッド層であ
り、ガイド層との屈折率差によって膜厚方向の導波が行
なわれる。リッジストライプ部１８はクラッド層９の厚
さを変化させることで実効屈折率に横方向の段差を生じ
させて、発生した光を横方向に閉じ込めるために設けて
ある。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けられてい
る下地層であり、基板であるサファイアに全く導電性が
ないために設けられている。また、低温成長層のＧａＮ
（又はＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、Ｇａ
Ｎにとっての異種物質であるサファイア基板上に平滑膜
を作製するために形成されている。
族窒化物半導体レーザについて実施例を図面を用いて説
明する。本発明の第１の実施例として、成長途中のウエ
ハをエピタキシャル成長装置の外部に取り出して上記の
エッチングを行なう場合を詳述する。図１は実施例の３
族窒化物半導体レーザ示す。この半導体レーザ素子は、
単結晶サファイア基板１上に順に積層された、低温成膜
されたＧａＮ（又はＡｌＮ）層２、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ
型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４、ｎ型ＧａＮ層５、ＩｎＧａＮ
を主たる構成要素とする多重量子井戸構造の活性層６、
ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層７、ｐ型ＧａＮ層８、ｐ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層９、及びｐ型ＧａＮ層１０からなり、ｎ
側電極１４並びにｐ側電極１３はｎ型ＧａＮ層３並びｐ
型ＧａＮ層１０に接続されている。ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9
Ｎ層９にはリッジストライプ部１８が形成されており、
素子は電極を除きＳｉＯ2の絶縁膜１１で被覆保護され
ている。このように、本実施例の窒化物半導体発光素子
においては、３族窒化物半導体を順次積層して得られる
多層構造の活性層からなる。この半導体レーザ素子で
は、活性層６において電子と正孔を再結合させることに
よって発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ型ＧａＮ層８は
ガイド層であり、活性層６で発生した光をガイド層５及
び８に導波するとともに活性層６よりバンドギャップが
大きく設定することによって電子及び正孔を活性層６内
に効果的に閉じ込めるようになっている。ｐ型Ａｌ0.2
Ｇａ0.8Ｎ層７は注入されたキャリア（特に電子）の閉
じ込めを更に強化する障壁層であり、ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ
0.9Ｎ層４及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層９はガイド層
５，８より低屈折率で作製されているクラッド層であ
り、ガイド層との屈折率差によって膜厚方向の導波が行
なわれる。リッジストライプ部１８はクラッド層９の厚
さを変化させることで実効屈折率に横方向の段差を生じ
させて、発生した光を横方向に閉じ込めるために設けて
ある。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けられてい
る下地層であり、基板であるサファイアに全く導電性が
ないために設けられている。また、低温成長層のＧａＮ
（又はＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、Ｇａ
Ｎにとっての異種物質であるサファイア基板上に平滑膜
を作製するために形成されている。
【００１７】さらに、かかる素子は、図２に示すよう
に、井戸層６２とバリア層６１とからなる活性層６にお
いて、下部ガイド層５から上部ガイド層８へ伸びる貫通
転位１５を囲みその周囲に拡がる界面５０により画定さ
れる障壁層７と同一材料からなる埋め込み部５１を有す
る。かかる素子に電流を注入した場合、図２に示すよう
に、ｎ型ＧａＮガイド層５から注入された電子１６はＩ
ｎＧａＮからなる活性層６に注入されるが、活性層はＩ
ｎ組成の高い（すなわちバンドギャップの小さい）井戸
層６２とＩｎ組成の小さい（すなわちバンドギャップの
大きな）バリア層６１とからなっているため、注入され
た電子１６は主として井戸層６２に集められる。また、
ｐ型ＧａＮガイド層８から注入される正孔１７も、同様
の理由により井戸層６２に集められる。この時、貫通転
位１５の周囲が、ＩｎＧａＮからなるＩｎ組成の高い井
戸層６２と比較してもバンドギャップが大きいＡｌＧａ
Ｎ埋め込み部５１に被われているため、電子１６も正孔
１７もこのＡｌＧａＮ埋め込み部５１に防止されて貫通
転位１５に到達することができない。よって、埋め込み
部５１によって非発光性再結合中心として働く貫通転位
部分にキャリアが達しないために、素子の発光効率は埋
め込み部５１がないものに比して高くなる。
に、井戸層６２とバリア層６１とからなる活性層６にお
いて、下部ガイド層５から上部ガイド層８へ伸びる貫通
転位１５を囲みその周囲に拡がる界面５０により画定さ
れる障壁層７と同一材料からなる埋め込み部５１を有す
る。かかる素子に電流を注入した場合、図２に示すよう
に、ｎ型ＧａＮガイド層５から注入された電子１６はＩ
ｎＧａＮからなる活性層６に注入されるが、活性層はＩ
ｎ組成の高い（すなわちバンドギャップの小さい）井戸
層６２とＩｎ組成の小さい（すなわちバンドギャップの
大きな）バリア層６１とからなっているため、注入され
た電子１６は主として井戸層６２に集められる。また、
ｐ型ＧａＮガイド層８から注入される正孔１７も、同様
の理由により井戸層６２に集められる。この時、貫通転
位１５の周囲が、ＩｎＧａＮからなるＩｎ組成の高い井
戸層６２と比較してもバンドギャップが大きいＡｌＧａ
Ｎ埋め込み部５１に被われているため、電子１６も正孔
１７もこのＡｌＧａＮ埋め込み部５１に防止されて貫通
転位１５に到達することができない。よって、埋め込み
部５１によって非発光性再結合中心として働く貫通転位
部分にキャリアが達しないために、素子の発光効率は埋
め込み部５１がないものに比して高くなる。
【００１８】図１に示した素子構造は、サファイアＡ面
基板上にレーザ素子用の層構造をＭＯＣＶＤにより成膜
する以下の作製工程にて、製造される。まず、サファイ
ア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５０
℃の温度において３００Ｔｏｒｒの圧力の水素気流中で
１０分間保持し、サファイア基板１の表面の熱クリーニ
ングを行なう。この後、サファイア基板１をその温度が
６００℃になるまで降温し、窒素原料であるアンモニア
（ＮＨ3）と、Ａｌ原料であるトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）を成長炉内に導入し、ＡｌＮからなるバッフ
ァ層２を２０ｎｍの厚さに堆積させる。
基板上にレーザ素子用の層構造をＭＯＣＶＤにより成膜
する以下の作製工程にて、製造される。まず、サファイ
ア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５０
℃の温度において３００Ｔｏｒｒの圧力の水素気流中で
１０分間保持し、サファイア基板１の表面の熱クリーニ
ングを行なう。この後、サファイア基板１をその温度が
６００℃になるまで降温し、窒素原料であるアンモニア
（ＮＨ3）と、Ａｌ原料であるトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）を成長炉内に導入し、ＡｌＮからなるバッフ
ァ層２を２０ｎｍの厚さに堆積させる。
【００１９】続いてＴＭＡの供給を止め、ＮＨ3のみを
流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板
１の温度を再び１０５０℃に昇温し、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層す
る。この時、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてメチル
シラン（Ｍｅ−ＳｉＨ3）を成長雰囲気ガスに添加す
る。
流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板
１の温度を再び１０５０℃に昇温し、トリメチルガリウ
ム（ＴＭＧ）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層す
る。この時、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてメチル
シラン（Ｍｅ−ＳｉＨ3）を成長雰囲気ガスに添加す
る。
【００２０】ｎ型ＧａＮ下地層３が４μｍ程度成長した
時点で、ＴＭＧの供給のみを停止する。一方、メチルシ
ランはその供給量を増加してそのまま供給し続ける。５
分間この状態を保持した後、メチルシラン供給量をｎ型
層として必要な量まで減らすと共に、ＴＭＧを再度導入
し、同時にＴＭＡを導入してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４の成膜を行なう。
時点で、ＴＭＧの供給のみを停止する。一方、メチルシ
ランはその供給量を増加してそのまま供給し続ける。５
分間この状態を保持した後、メチルシラン供給量をｎ型
層として必要な量まで減らすと共に、ＴＭＧを再度導入
し、同時にＴＭＡを導入してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
４の成膜を行なう。
【００２１】ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４が０．５μｍ
程度成長した時点でＴＭＡ供給を停止し、ｎ型ＧａＮの
下部ガイド層５を０．１μｍ成長する。ｎ型ＧａＮガイ
ド層５の成長が完了した時点でＴＭＧ及びＭｅ−ＳｉＨ
3の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５０℃
とする。基板温度が７５０℃となった時点でキャリアガ
スを水素から窒素に切換え、ガス流の状態が安定した時
点でＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＭｅ
−ＳｉＨ3を導入してバリア層（障壁層）６１の成長を
行なう。
程度成長した時点でＴＭＡ供給を停止し、ｎ型ＧａＮの
下部ガイド層５を０．１μｍ成長する。ｎ型ＧａＮガイ
ド層５の成長が完了した時点でＴＭＧ及びＭｅ−ＳｉＨ
3の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５０℃
とする。基板温度が７５０℃となった時点でキャリアガ
スを水素から窒素に切換え、ガス流の状態が安定した時
点でＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＭｅ
−ＳｉＨ3を導入してバリア層（障壁層）６１の成長を
行なう。
【００２２】次に、Ｍｅ−ＳｉＨ3の供給を停止すると
ともにＴＭＩの流量を増加して、バリア層よりＩｎ組成
の高い井戸層６２を成長する。バリア層６１と井戸層６
２の成長は、多重量子井戸の設計繰返し数に合わせて繰
り返す。このようにして、多重量子井戸構造の活性層６
を形成する。最後の井戸層６２上にバリア層６１を成膜
した時点でＴＭＧ，ＴＭＩ，Ｍｅ−ＳｉＨ3の供給を停
止するとともに降温を開始し、基板温度が４００℃以下
になった時点でＮＨ3の供給も停止し、基板温度が室温
になった時点でウエハを反応炉より取り出す。
ともにＴＭＩの流量を増加して、バリア層よりＩｎ組成
の高い井戸層６２を成長する。バリア層６１と井戸層６
２の成長は、多重量子井戸の設計繰返し数に合わせて繰
り返す。このようにして、多重量子井戸構造の活性層６
を形成する。最後の井戸層６２上にバリア層６１を成膜
した時点でＴＭＧ，ＴＭＩ，Ｍｅ−ＳｉＨ3の供給を停
止するとともに降温を開始し、基板温度が４００℃以下
になった時点でＮＨ3の供給も停止し、基板温度が室温
になった時点でウエハを反応炉より取り出す。
【００２３】このｐ型層成長前のウエハにおいて成長途
中で成膜装置から取り出した状態の膜の構造は図３に示
すようになっている。貫通転位１５は膜中に多数存在
し、上記実施例の成膜条件の場合、別途の測定で２Ｅ９
（１／ｃm2）程度の転位密度であることが分かってい
る。こうして得られた膜を２００℃に加熱したＨ3ＰＯ4
（リン酸）に浸漬し、エッチングを行う。このように、
活性層６において、下部ガイド層５の貫通転位１５に起
因する凹部すなわちピットを形成する。
中で成膜装置から取り出した状態の膜の構造は図３に示
すようになっている。貫通転位１５は膜中に多数存在
し、上記実施例の成膜条件の場合、別途の測定で２Ｅ９
（１／ｃm2）程度の転位密度であることが分かってい
る。こうして得られた膜を２００℃に加熱したＨ3ＰＯ4
（リン酸）に浸漬し、エッチングを行う。このように、
活性層６において、下部ガイド層５の貫通転位１５に起
因する凹部すなわちピットを形成する。
【００２４】図４は上記の膜を熱リン酸中でエッチング
した後の状態を示している。ＧａＮは化学的に安定であ
るため、熱リン酸中でもほとんどエッチングされない
が、転位の存在する部分のみはわずかにエッチングさ
れ、ピット４９が生じる。転位の部分のエッチングされ
たピット深さがｎ型ＧａＮ層に到達したところが適切な
エッチング深さである。よって、エッチングは、貫通転
位１５に沿って食刻の一部が下部ガイド層５に到達する
時点でエッチングを終了する。ピット４９は複数存在
し、各々は錐体形状若しくは切頭錐体形状であるが、こ
れらが近接したときは連結した形状の凹部となる。
した後の状態を示している。ＧａＮは化学的に安定であ
るため、熱リン酸中でもほとんどエッチングされない
が、転位の存在する部分のみはわずかにエッチングさ
れ、ピット４９が生じる。転位の部分のエッチングされ
たピット深さがｎ型ＧａＮ層に到達したところが適切な
エッチング深さである。よって、エッチングは、貫通転
位１５に沿って食刻の一部が下部ガイド層５に到達する
時点でエッチングを終了する。ピット４９は複数存在
し、各々は錐体形状若しくは切頭錐体形状であるが、こ
れらが近接したときは連結した形状の凹部となる。
【００２５】エッチング工程後、ウエハを純水で充分洗
浄し、更に有機溶剤で超音波洗浄してから再度成膜用Ｍ
ＯＣＶＤ成長炉に装填する。次に、キャリアガスとして
の水素とＮＨ3を流しつつ、基板温度を再び１０５０℃
に昇温し、ＴＭＧ，ＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの原
料としてエチル−シクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｅｔ−Ｃｐ2Ｍｇ）を導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７の
障壁層を０．０２μｍ積層する。
浄し、更に有機溶剤で超音波洗浄してから再度成膜用Ｍ
ＯＣＶＤ成長炉に装填する。次に、キャリアガスとして
の水素とＮＨ3を流しつつ、基板温度を再び１０５０℃
に昇温し、ＴＭＧ，ＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの原
料としてエチル−シクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｅｔ−Ｃｐ2Ｍｇ）を導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７の
障壁層を０．０２μｍ積層する。
【００２６】図１に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮの障壁
層７を成膜した時点の断面では、１０５０℃という高温
であることと、表面が平坦化し易いというＡｌＧａＮの
性質のため、エッチングによりピット（凹部）となった
ところがｐ型ＡｌＧａＮで埋められる。よって、一旦平
滑化がなされた後は、障壁層７上の成膜すべき各層は平
坦に成膜され得る。このように、埋め込み部５１が錐体
形状若しくは切頭錐体形状の形成されるが、図１では１
つの埋め込み部５１であるが、これは複数でもよく、ピ
ット形状に応じてこれらが連結した形状ともなる。
層７を成膜した時点の断面では、１０５０℃という高温
であることと、表面が平坦化し易いというＡｌＧａＮの
性質のため、エッチングによりピット（凹部）となった
ところがｐ型ＡｌＧａＮで埋められる。よって、一旦平
滑化がなされた後は、障壁層７上の成膜すべき各層は平
坦に成膜され得る。このように、埋め込み部５１が錐体
形状若しくは切頭錐体形状の形成されるが、図１では１
つの埋め込み部５１であるが、これは複数でもよく、ピ
ット形状に応じてこれらが連結した形状ともなる。
【００２７】続いてＴＭＡの供給を停止し、障壁層７上
にｐ型ＧａＮの上部ガイド層８を０．１μｍ成長し、再
びＴＭＡを導入してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．
５μｍ成長する。更にこの上にｐ型ＧａＮコンタクト層
１０を０．１μｍ成長する。その後、ＴＭＧ，Ｅｔ−Ｃ
ｐ2Ｍｇの供給を停止し、降温を開始し、基板温度が４
００℃になった時点でＮＨ3の供給も停止し、基板温度
が室温になった時点でウエハを反応炉より取り出す。こ
の第１実施例のウエハを以降、ウエハ１と呼ぶことにす
る。
にｐ型ＧａＮの上部ガイド層８を０．１μｍ成長し、再
びＴＭＡを導入してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．
５μｍ成長する。更にこの上にｐ型ＧａＮコンタクト層
１０を０．１μｍ成長する。その後、ＴＭＧ，Ｅｔ−Ｃ
ｐ2Ｍｇの供給を停止し、降温を開始し、基板温度が４
００℃になった時点でＮＨ3の供給も停止し、基板温度
が室温になった時点でウエハを反応炉より取り出す。こ
の第１実施例のウエハを以降、ウエハ１と呼ぶことにす
る。
【００２８】比較対象用として、エッチング工程を行わ
ない以外上記成長方法と同様に行うことにより作製した
ウエハを作製する。この比較対象用ウエハを以降、ウエ
ハ２呼ぶことにする。すなわち、ウエハ２は最終のバリ
ア層６１の成長後、成長炉から基板を出すことなく成長
炉内で、７５０℃の温度でキャリアガスを窒素から水素
に切り換えるとともに、基板温度を１０５０℃に昇温
し、ｐ型ＡｌＧａＮ層７及び以降の各層の成長を連続し
て行なったものである。
ない以外上記成長方法と同様に行うことにより作製した
ウエハを作製する。この比較対象用ウエハを以降、ウエ
ハ２呼ぶことにする。すなわち、ウエハ２は最終のバリ
ア層６１の成長後、成長炉から基板を出すことなく成長
炉内で、７５０℃の温度でキャリアガスを窒素から水素
に切り換えるとともに、基板温度を１０５０℃に昇温
し、ｐ型ＡｌＧａＮ層７及び以降の各層の成長を連続し
て行なったものである。
【００２９】ウエハ１及びウエハ２を熱処理炉に設置
し、処理温度は８００℃、時間は２０分、雰囲気は大気
圧の窒素でｐ型発現処理を行なった。得られたウエハ１
及び２の各々に対し、ｐ側電極用テラスとｎ側電極用の
電流経路構造並びにｐ側電極用テラス上に電流狭窄用の
屈折率導波構造としてリッジ構造の導波路を形成する。
し、処理温度は８００℃、時間は２０分、雰囲気は大気
圧の窒素でｐ型発現処理を行なった。得られたウエハ１
及び２の各々に対し、ｐ側電極用テラスとｎ側電極用の
電流経路構造並びにｐ側電極用テラス上に電流狭窄用の
屈折率導波構造としてリッジ構造の導波路を形成する。
【００３０】ウエハにおいて、一般的なフォトリソグラ
フィ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、５
μｍ幅のリッジ部以外の部分をｐ型ＡｌＧａＮクラッド
層９を約０．１μｍ残して除去し、狭リッジ構造を形成
する。次に、同様にＲＩＥを用いて、ｐ型膜を含む不要
な部分を除去し、部分的にｎ型ＧａＮ下地膜３を露出さ
せる。
フィ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、５
μｍ幅のリッジ部以外の部分をｐ型ＡｌＧａＮクラッド
層９を約０．１μｍ残して除去し、狭リッジ構造を形成
する。次に、同様にＲＩＥを用いて、ｐ型膜を含む不要
な部分を除去し、部分的にｎ型ＧａＮ下地膜３を露出さ
せる。
【００３１】エッチングマスクを除去後、ＳｉＯ2保護
膜をスパッタリングなどの方法によって堆積させ、この
ＳｉＯ2膜に対し、ｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部を、
ｎ層露出部分に型電極用窓部を形成する。ｎ型ＧａＮ層
３が露出している部分に、Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、
続いてＡｌ（アルミニウム）を２００ｎｍ蒸着し、ｎ側
電極１４を形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出している部分
には、Ｎｉ（ニッケル）を５０ｎｍ、Ａｕ（金）を２０
０ｎｍ蒸着してｐ側電極１３を形成する。
膜をスパッタリングなどの方法によって堆積させ、この
ＳｉＯ2膜に対し、ｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部を、
ｎ層露出部分に型電極用窓部を形成する。ｎ型ＧａＮ層
３が露出している部分に、Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、
続いてＡｌ（アルミニウム）を２００ｎｍ蒸着し、ｎ側
電極１４を形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出している部分
には、Ｎｉ（ニッケル）を５０ｎｍ、Ａｕ（金）を２０
０ｎｍ蒸着してｐ側電極１３を形成する。
【００３２】このようにして作製された素子ウエハを劈
開し、図１に示す素子を作製した。その後、各素子の特
性の測定を行なった。測定は、０．５μｓｅｃのパルス
駆動、デューティ比０．０２％で行なった。図５のａで
示す●は、本発明の実施例であるウエハ１から作製され
た素子の電流／光出力特性である。この素子は閾値電流
約４３０ｍＡ、波長４０５ｎｍで発振した。図５のｂで
示す○は、上記のウエハ２、すなわち比較例の成膜方法
で作製された素子の電流／光出力特性である。この素子
は閾値電流約８００ｍＡ、波長４１０ｎｍで発振した。
開し、図１に示す素子を作製した。その後、各素子の特
性の測定を行なった。測定は、０．５μｓｅｃのパルス
駆動、デューティ比０．０２％で行なった。図５のａで
示す●は、本発明の実施例であるウエハ１から作製され
た素子の電流／光出力特性である。この素子は閾値電流
約４３０ｍＡ、波長４０５ｎｍで発振した。図５のｂで
示す○は、上記のウエハ２、すなわち比較例の成膜方法
で作製された素子の電流／光出力特性である。この素子
は閾値電流約８００ｍＡ、波長４１０ｎｍで発振した。
【００３３】両者を比較すると、本発明の実施例では閾
値電流値が約１／２に低減されており、大幅に特性が改
善されているのが分かる。このように実施例では、活性
層においてはバンドギャップの小さい井戸層６２に、注
入された電子及び正孔は主として井戸層６２に集めら
れ、これらキャリアは、貫通転位の周囲のバンドギャッ
プが大きい障壁層７と同一材料の埋め込み部５１に阻止
されて貫通転位１５に到達することができないので、貫
通転位が非発光性再結合中心として働かない。一方、比
較例の素子の内部では、キャリアは貫通転位に自由に到
達できるため、非発光性再結合中心として働き、発光特
性を劣化させることとなる。
値電流値が約１／２に低減されており、大幅に特性が改
善されているのが分かる。このように実施例では、活性
層においてはバンドギャップの小さい井戸層６２に、注
入された電子及び正孔は主として井戸層６２に集めら
れ、これらキャリアは、貫通転位の周囲のバンドギャッ
プが大きい障壁層７と同一材料の埋め込み部５１に阻止
されて貫通転位１５に到達することができないので、貫
通転位が非発光性再結合中心として働かない。一方、比
較例の素子の内部では、キャリアは貫通転位に自由に到
達できるため、非発光性再結合中心として働き、発光特
性を劣化させることとなる。
【００３４】他の実施例として、エッチング工程を成膜
装置内で行なうことも可能であり、この場合はいわゆる
気相エッチングとなる。エッチング用のガスとしてはＨ
Ｃｌ（塩化水素）を用いることができる。また、通常の
成長時よりＮＨ3の流量を減少させた上で、キャリアガ
ス中の水素の割合を増大させることによりＩｎＧａＮ層
の蒸発を促す方法も用いるが、その効果は前述のものほ
ど十分ではない。
装置内で行なうことも可能であり、この場合はいわゆる
気相エッチングとなる。エッチング用のガスとしてはＨ
Ｃｌ（塩化水素）を用いることができる。また、通常の
成長時よりＮＨ3の流量を減少させた上で、キャリアガ
ス中の水素の割合を増大させることによりＩｎＧａＮ層
の蒸発を促す方法も用いるが、その効果は前述のものほ
ど十分ではない。
【００３５】上記実施例では活性層にエッチングにより
貫通転位部周囲にに穴を開ける方法を用いたが、第２の
実施例としては活性層に自然位(in-situ)で貫通転位部
に穴を開ける方法を採用する。すなわち、特定の成膜条
件下で、結晶成長すると貫通転位上での成長が抑制され
ることを利用するのである。まず、第１の実施例と同様
にサファイア基板上にｎ型ＧａＮのガイド層５までを成
長する。
貫通転位部周囲にに穴を開ける方法を用いたが、第２の
実施例としては活性層に自然位(in-situ)で貫通転位部
に穴を開ける方法を採用する。すなわち、特定の成膜条
件下で、結晶成長すると貫通転位上での成長が抑制され
ることを利用するのである。まず、第１の実施例と同様
にサファイア基板上にｎ型ＧａＮのガイド層５までを成
長する。
【００３６】次に、ウエハを６００〜８５０℃の温度範
囲で例えば７７０℃に温度を下げる。キャリアガスを水
素から窒素に変更し、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、メ
チルシランを原料とし７７０℃の低温を維持したままで
成長し、図６に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型Ｉｎ
ＧａＮのピット発生層５ａを４００Å成長する。この工
程で、結晶成長をしない部分６０の初期段階を作り込
む。なお、ピット発生層５ａはＩｎＧａＮに限らず、Ｇ
ａＮ、ＡｌＧａＮなど活性層を構成する材料のバンドギ
ャップ以上の大きさを持つ材料でもよい。また、アンド
ープのものでもよい。成長温度を下げることによってピ
ットの発生が促されるが、成長温度を８５０℃程度以下
で成長させないと十分に促進できない。また、成長温度
６００℃以下ではピットは発生するが、基本的な膜質が
悪化するため好ましくない。また、貫通転位の部分に結
晶成長をしない部分６０を確実に発生させるためには、
ピット発生層５ａの膜厚は、１００Å以上必要であり、
さらに、望ましくは、２００Å程度まであるほうがよ
い。ただし、成長温度が低いために通常の１０５０℃成
膜の結晶層と比較して膜質が多少悪化する。また、ピッ
ト発生層５ａの膜厚を必要以上に厚くすると、導波損失
が増加してしまう。
囲で例えば７７０℃に温度を下げる。キャリアガスを水
素から窒素に変更し、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、メ
チルシランを原料とし７７０℃の低温を維持したままで
成長し、図６に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型Ｉｎ
ＧａＮのピット発生層５ａを４００Å成長する。この工
程で、結晶成長をしない部分６０の初期段階を作り込
む。なお、ピット発生層５ａはＩｎＧａＮに限らず、Ｇ
ａＮ、ＡｌＧａＮなど活性層を構成する材料のバンドギ
ャップ以上の大きさを持つ材料でもよい。また、アンド
ープのものでもよい。成長温度を下げることによってピ
ットの発生が促されるが、成長温度を８５０℃程度以下
で成長させないと十分に促進できない。また、成長温度
６００℃以下ではピットは発生するが、基本的な膜質が
悪化するため好ましくない。また、貫通転位の部分に結
晶成長をしない部分６０を確実に発生させるためには、
ピット発生層５ａの膜厚は、１００Å以上必要であり、
さらに、望ましくは、２００Å程度まであるほうがよ
い。ただし、成長温度が低いために通常の１０５０℃成
膜の結晶層と比較して膜質が多少悪化する。また、ピッ
ト発生層５ａの膜厚を必要以上に厚くすると、導波損失
が増加してしまう。
【００３７】次に、ピット発生層５ａ上に７７０℃で活
性層６を形成する。まず、バリア層６１を、ＴＭＩ、Ｔ
ＭＧ、アンモニア、メチルシランを原料として成膜し、
井戸層６２を、メチルシランの供給停止するとともにＴ
ＭＩの流量を増加して成膜し、これらを所定回数繰り返
して、図７に示すように、ＭＱＷ活性層６を成長する。
このように、活性層６を形成する前に、６００〜８５０
℃の温度範囲でピット発生層５ａを形成して、活性層６
を形成する時にピット４９を形成する。なお、活性層は
ＭＱＷに限らない。
性層６を形成する。まず、バリア層６１を、ＴＭＩ、Ｔ
ＭＧ、アンモニア、メチルシランを原料として成膜し、
井戸層６２を、メチルシランの供給停止するとともにＴ
ＭＩの流量を増加して成膜し、これらを所定回数繰り返
して、図７に示すように、ＭＱＷ活性層６を成長する。
このように、活性層６を形成する前に、６００〜８５０
℃の温度範囲でピット発生層５ａを形成して、活性層６
を形成する時にピット４９を形成する。なお、活性層は
ＭＱＷに限らない。
【００３８】図８は活性層の成長したウエハを４５度に
傾けて撮影した電子顕微鏡像である。凹部は約５×１０
9個／ｃｍ2あり、膜の貫通転位数とほぼ同等である。比
較例として低温成膜したピット発生層５ａを形成しない
以外、上記第２実施例と同様に作製したウエハをも作製
した。第２実施例と比較例の発光特性を比較するため
に、ウエハのＭＱＷ活性層６における発光強度の励起強
度依存性を測定した。図９は第２実施例と比較例のウエ
ハに関する発光強度の励起強度依存性の測定結果のグラ
フある。励起レーザは３３７．１ｎｍの窒素レーザであ
る。横軸はレーザ全出力を１００％とした時の値であ
る。この測定範囲において第２実施例（■）の方が比較
例（□）より５倍から１０倍程度、発光強度が強いこと
が分かる。
傾けて撮影した電子顕微鏡像である。凹部は約５×１０
9個／ｃｍ2あり、膜の貫通転位数とほぼ同等である。比
較例として低温成膜したピット発生層５ａを形成しない
以外、上記第２実施例と同様に作製したウエハをも作製
した。第２実施例と比較例の発光特性を比較するため
に、ウエハのＭＱＷ活性層６における発光強度の励起強
度依存性を測定した。図９は第２実施例と比較例のウエ
ハに関する発光強度の励起強度依存性の測定結果のグラ
フある。励起レーザは３３７．１ｎｍの窒素レーザであ
る。横軸はレーザ全出力を１００％とした時の値であ
る。この測定範囲において第２実施例（■）の方が比較
例（□）より５倍から１０倍程度、発光強度が強いこと
が分かる。
【００３９】上記第１及び第２実施例においては、活性
層の下の半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成する
ピット形成工程を主に特徴としているが、本発明を発光
素子に適用するにあたり重要である点のもう１つは、Ａ
ｌxＧａ1-xＮからなる障壁層７を成膜する際に、図４及
び図７におけるピット部４９をＡｌＧａＮが埋めて平坦
化することである。よって、この埋め込み部を形成する
工程にかかる上記第１及び第２実施例に適用される第３
実施例を説明する。
層の下の半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成する
ピット形成工程を主に特徴としているが、本発明を発光
素子に適用するにあたり重要である点のもう１つは、Ａ
ｌxＧａ1-xＮからなる障壁層７を成膜する際に、図４及
び図７におけるピット部４９をＡｌＧａＮが埋めて平坦
化することである。よって、この埋め込み部を形成する
工程にかかる上記第１及び第２実施例に適用される第３
実施例を説明する。
【００４０】この埋め込み部を形成する工程でＡｌＧａ
Ｎの平坦化を良好に進行させるためには、１０００℃以
上の成膜温度が必要になる。この成膜温度への昇温過程
の間に、すでに成長が完了しているＩｎＧａＮからなる
活性層６（すなわち井戸層６２、バリア層６１）の成分
の蒸発が生じ、特に多重量子井戸の内の最表層側のバリ
ア層６１が劣化してしまう傾向がある。
Ｎの平坦化を良好に進行させるためには、１０００℃以
上の成膜温度が必要になる。この成膜温度への昇温過程
の間に、すでに成長が完了しているＩｎＧａＮからなる
活性層６（すなわち井戸層６２、バリア層６１）の成分
の蒸発が生じ、特に多重量子井戸の内の最表層側のバリ
ア層６１が劣化してしまう傾向がある。
【００４１】そこで、ＩｎＧａＮからなる活性層６（す
なわち井戸層６２、バリア層６１）の成膜が完了した時
点で、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の成長を行う。この低
温ＡｌＧａＮ障壁層７１はＡｌＧａＮ障壁層７の一部を
なす膜であり、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の成膜は雰囲
気ガス内のＧａＮと比較してＡｌＮの方がはるかに高温
安定性が高い性質を利用するものである。ＡｌＮ組成比
０．２程度の低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を極くわずかの
膜厚で積層しておくことで、上記のＧａＮ成分の蒸発現
象を有効に阻止できる。低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の膜
厚は、数分子の層程度すなわち２０Å程度以上であるこ
とが望ましい。この膜厚を厚くしすぎると、Ｐ型層から
の正孔の注入を阻害するため１００Å未満であることが
望ましい。
なわち井戸層６２、バリア層６１）の成膜が完了した時
点で、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の成長を行う。この低
温ＡｌＧａＮ障壁層７１はＡｌＧａＮ障壁層７の一部を
なす膜であり、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の成膜は雰囲
気ガス内のＧａＮと比較してＡｌＮの方がはるかに高温
安定性が高い性質を利用するものである。ＡｌＮ組成比
０．２程度の低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を極くわずかの
膜厚で積層しておくことで、上記のＧａＮ成分の蒸発現
象を有効に阻止できる。低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の膜
厚は、数分子の層程度すなわち２０Å程度以上であるこ
とが望ましい。この膜厚を厚くしすぎると、Ｐ型層から
の正孔の注入を阻害するため１００Å未満であることが
望ましい。
【００４２】第３実施例を第１の実施例に適用して発光
素子を作製する場合には、一旦成膜装置からウェハを取
り出し、エッチング作業を行い、活性層６にピット部４
９を形成して、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を成膜する。
第３実施例を第２の実施例に適用して発光素子を作製す
る場合には、活性層６の成膜後に続いて、基板温度を変
更せずに、ただちに低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を成長さ
せる。その後、キャリアガスを窒素から水素に変更し、
１０５０℃に昇温し、以降の成膜を行う。
素子を作製する場合には、一旦成膜装置からウェハを取
り出し、エッチング作業を行い、活性層６にピット部４
９を形成して、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を成膜する。
第３実施例を第２の実施例に適用して発光素子を作製す
る場合には、活性層６の成膜後に続いて、基板温度を変
更せずに、ただちに低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を成長さ
せる。その後、キャリアガスを窒素から水素に変更し、
１０５０℃に昇温し、以降の成膜を行う。
【００４３】上記のどちらの場合も、１０５０℃に昇温
後水素キャリア中で、ＡｌＧａＮ障壁層７の成長を行う
ことになる。この第３実施例の場合、低温ＡｌＧａＮ障
壁層７１は低温で成長するため、ピット部４９はほとん
ど埋め込まれない。この様子を図１０に示す。第３実施
例の発光素子において、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡ
ｌＮ組成比は、ＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比より
小さい。すなわち、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ
組成比が、ＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比より大き
くなると、図１１に示すように、ｐ型ガイド層側から注
入される正孔１７（破線で示す）が、よりＡｌＮ組成比
の小さい（すなわちパンドキャップの小さい）ＡｌＧａ
Ｎ障壁層７からなる埋め込み部５１に注入され易くなっ
てしまうからである。
後水素キャリア中で、ＡｌＧａＮ障壁層７の成長を行う
ことになる。この第３実施例の場合、低温ＡｌＧａＮ障
壁層７１は低温で成長するため、ピット部４９はほとん
ど埋め込まれない。この様子を図１０に示す。第３実施
例の発光素子において、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡ
ｌＮ組成比は、ＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比より
小さい。すなわち、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ
組成比が、ＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比より大き
くなると、図１１に示すように、ｐ型ガイド層側から注
入される正孔１７（破線で示す）が、よりＡｌＮ組成比
の小さい（すなわちパンドキャップの小さい）ＡｌＧａ
Ｎ障壁層７からなる埋め込み部５１に注入され易くなっ
てしまうからである。
【００４４】低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比
をＡｌＧａＮ障壁層７のものより小さくすることで、ｎ
型ガイド層から注入された電子１６と同様に、ｐ型ガイ
ド層側から注入される正孔１７（実線で示す）は埋め込
み部５１に阻止されて貫通転位１５に到達できなくな
る。したがって、第３実施例を第２の実施例に適用して
発光素子を作製する場合には、活性層成長後、活性層の
成長温度と略同一の温度で低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を
形成し、昇温後に第２のＡｌＧａＮ障壁層７を形成す
る。また、第３実施例をいすれの実施例に適用する場合
にも低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比より、第
２のＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比を大きくする。
をＡｌＧａＮ障壁層７のものより小さくすることで、ｎ
型ガイド層から注入された電子１６と同様に、ｐ型ガイ
ド層側から注入される正孔１７（実線で示す）は埋め込
み部５１に阻止されて貫通転位１５に到達できなくな
る。したがって、第３実施例を第２の実施例に適用して
発光素子を作製する場合には、活性層成長後、活性層の
成長温度と略同一の温度で低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を
形成し、昇温後に第２のＡｌＧａＮ障壁層７を形成す
る。また、第３実施例をいすれの実施例に適用する場合
にも低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比より、第
２のＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比を大きくする。
【００４５】また、第１〜３実施例もレーザ素子の場合
について述べたが、本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）
の作製に本発明を用いても同様の効果を上げることがで
きる。
について述べたが、本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）
の作製に本発明を用いても同様の効果を上げることがで
きる。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、活性層のバンドギャッ
プより大なるバンドギャップを有する埋め込み部が貫通
転位を囲み貫通転位近傍にキャリアが拡散しないので、
素子の発光特性が向上する。
プより大なるバンドギャップを有する埋め込み部が貫通
転位を囲み貫通転位近傍にキャリアが拡散しないので、
素子の発光特性が向上する。
【図１】本発明の３族窒化物半導体レーザ素子の概略断
面図。
面図。
【図２】本発明の３族窒化物半導体レーザ素子の活性層
を示す概略部分切欠斜視図。
を示す概略部分切欠斜視図。
【図３】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程
中における基板の概略部分切欠斜視図。
中における基板の概略部分切欠斜視図。
【図４】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程
中における基板の概略部分切欠斜視図。
中における基板の概略部分切欠斜視図。
【図５】本発明による実施例の半導体レーザの電流／光
出力特性を示すグラフ。
出力特性を示すグラフ。
【図６】本発明による第２の実施例の半導体レーザの製
造工程中における基板の概略断面図。
造工程中における基板の概略断面図。
【図７】本発明による第２の実施例の半導体レーザの製
造工程中における基板の概略断面図。
造工程中における基板の概略断面図。
【図８】本発明による第２実施例の半導体レーザの製造
工程中におけるウエハ基板の結晶表面を撮影した図面代
用の電子顕微鏡写真。
工程中におけるウエハ基板の結晶表面を撮影した図面代
用の電子顕微鏡写真。
【図９】本発明による他の実施例の半導体レーザの製造
工程中におけるウエハに関する発光強度の励起強度依存
性を示すグラフ。
工程中におけるウエハに関する発光強度の励起強度依存
性を示すグラフ。
【図１０】本発明による第３の実施例の３族窒化物半導
体レーザ素子の活性層を示す概略部分断面図。
体レーザ素子の活性層を示す概略部分断面図。
【図１１】本発明による第３の実施例の半導体レーザの
製造工程中における基板の概略断面図。
製造工程中における基板の概略断面図。
１ 単結晶サファイア基板 ２ 低温成膜ＧａＮ（又はＡｌＮ）層 ３ ｎ型ＧａＮ層 ４ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ５ ｎ型ＧａＮガイド層 ５ａ ピット発生層 ６ ｎＧａＮ活性層 ７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ障壁層 ８ ｐ型ＧａＮガイド層 ９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 １０ ｐ型ＧａＮコンタクト層 １４ ｎ側電極 １３ ｐ側電極 １１ ＳｉＯ2絶縁膜 １５ 貫通転位 ７１ 低温ＡｌＧａＮ障壁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 宏和 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号パイ オニア株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA03 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 CA74 5F073 AA13 AA45 AA74 CA07 CA17 DA23 EA23
Claims (13)
- 【請求項１】 ３族窒化物半導体を積層して得られる活
性層と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャッ
プより大なるバンドギャップを有する障壁層と、からな
る窒化物半導体発光素子であって、前記活性層において
貫通転位を囲みその周囲に拡がる界面により画定される
前記障壁層と同一材料からなる埋め込み部を有すること
を特徴とする窒化物半導体発光素子。 - 【請求項２】 前記活性層は単一又は多重量子井戸構造
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
発光素子。 - 【請求項３】 前記障壁層は前記界面からなる前記活性
層の凹部を埋めその表面を平坦化する材料からなること
を特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体発光素
子。 - 【請求項４】 前記埋め込み部は、錐体形状若しくは切
頭錐体形状又はこれらが連結した形状を有することを特
徴とする請求項１、２又は３記載の窒化物半導体発光素
子。 - 【請求項５】 前記３族窒化物半導体は（ＡｌxＧ
ａ1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）である
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の窒化
物半導体発光素子。 - 【請求項６】 前記障壁層と前記活性層との間に、前記
障壁層と略同一材料からなりかつ前記活性層の成膜時の
温度と略同一の温度の下で成膜された低温障壁層を有す
ることを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体発光素
子。 - 【請求項７】 前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記
障壁層のＡｌＮ組成比より小さいことを特徴とする請求
項６記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項８】 ３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ1-x）1-y
ＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を積層して得られ
る活性層と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギ
ャップより大なるバンドギャップを有する障壁層と、か
らなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、 基板上に成膜された半導体層上に形成された３族窒化物
半導体の活性層において、前記半導体層の貫通転位に起
因する凹部を形成するピット形成工程と、 前記活性層上に前記障壁層の材料を積層し、前記凹部の
側面を界面とする前記貫通転位の周囲に拡がる埋め込み
部を形成する埋込部形成工程と、からなることを特徴と
する窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項９】 前記ピット形成工程は、前記活性層を形
成した後に、前記活性層をエッチングする工程を含むこ
とを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体発光素子の
製造方法。 - 【請求項１０】 前記活性層をエッチングする工程にお
いて、貫通転位に沿って食刻の一部が前記半導体層に到
達する時点でエッチングを終了することを特徴とする請
求項９記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項１１】 前記ピット形成工程は、前記活性層を
形成する前に、６００〜８５０℃の温度で前記半導体層
を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の
窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項１２】 前記埋込部形成工程と前記ピット形成
工程との間に、前記障壁層と略同一材料からなりかつ前
記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の下で成膜され
た低温障壁層を形成する工程を有することを特徴とする
請求項８〜１１のいずれか１記載の窒化物半導体発光素
子の製造方法。 - 【請求項１３】 前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前
記障壁層のＡｌＮ組成比より小さいことを特徴とする請
求項１２記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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