JP2009064978A - ＧａＮ系化合物半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＮ系化合物半導体発光装置において、発光層より下方（基板側）に位置する半導体層および発光層自体の平坦性を高めるとともに、発光層より上方（基板と反対側）に位置するＡｌを組成として含む層の平坦性を高めることにより、装置特性の向上と寿命を長くする。
【解決手段】本ＧａＮ系化合物半導体発光装置１は、少なくとも一方の主面１０１ｍ側にＧａＮ系化合物半導体層を含む基板１０１と、主面１０１ｍ上に形成されているＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０とを備え、ＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０は、発光層１０６と、発光層１０６より基板１０１側に位置する第１のバッファ層１０２と、発光層１０６より基板と反対側に位置する第２のバッファ層１０９と含み、第１および第２のバッファ層１０２，１０９は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）層である
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも主面側にＧａＮ系化合物半導体層を含む基板と、その主面上に形成されているＧａＮ系化合物半導体層積層体とを有する発光装置に関する。より詳しくは、ＧａＮ系化合物半導体層積層体の各層の表面の平坦性が高く、長寿命の発光装置に関する。

ＧａＮ系化合物半導体を材料として用いた青色ＬＥＤ（発光ダイオード）が開発されて以来、同材料を用いて青色から紫外にわたる波長で発光する各種発光装置が開発されてきている。たとえば、基板としてサファイアを用いて、基板上にストライプ状に形成されたＳｉＯ₂マスクを用いてＧａＮ系化合物半導体層を選択的に横方向に成長させることにより、ＳｉＯ₂マスクの窓領域に半導体発光素子を作製する技術が特開平０９−３６４７３号公報（特許文献１）に開示されている。
特開平０９−３６４７３号公報

上記特許文献１の半導体レーザ素子は、これ以前のＧａＮ系化合物半導体発光装置に比べて素子特性及び寿命の改善が見られるものの、未だ十分とは言えない。また、製造における歩留も低い。

これらの問題は、先行技術を使ったＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造において、第一に発光層（活性層）成長前の各層および発光層そのものの平坦性が低く発光層の組成均一性が不十分であること、第二に発光層より上方（基板と反対側）に位置し、組成としてＡｌを含む層の平坦性が不十分であることによるものと考えられる。

そこで、本発明は、ＧａＮ系化合物半導体発光装置において、発光層より下方（基板側）に位置する半導体層および発光層自体の平坦性を高めるとともに、発光層より上方（基板と反対側）に位置するＡｌを組成として含む層の平坦性を高めることにより、装置特性の向上と寿命を長くすることを目的とする。

本発明は、少なくとも一方の主面側にＧａＮ系化合物半導体層を含む基板と、主面上に形成されているＧａＮ系化合物半導体層積層体とを備え、ＧａＮ系化合物半導体層積層体は発光層と、発光層より基板側に位置する第１のバッファ層と、発光層より基板と反対側に位置する第２のバッファ層とを含み、第１および第２のバッファ層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）層であるＧａＮ系化合物半導体発光装置である。

本発明にかかるＧａＮ系化合物半導体発光装置において、第１のバッファ層は基板の主面に隣接させることができる。また、ＧａＮ系化合物半導体層積層体は、第２のバッファ層より基板と反対側に位置するクラッド層をさらに含むことができる。また、第１および第２のバッファ層の厚さを５０ｎｍ以下とすることができる。また、第１および第２のバッファ層は結晶質とすることができる。また、基板の主面は、（０００１）面からの［１−１００］方向への傾斜角θ₁が０．３°以下であり、［１１−２０］方向への傾斜角θ₂が前記傾斜角θ₁の１／２以下とすることができる。

また、本発明は、上記のＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法であって、第１および第２のバッファ層を成長させる工程は、その成長温度に到達後、ＩＩＩ族金属元素原料および窒素原料の供給を停止するサブ工程と、ＩＩＩ族金属元素原料を供給して金属粒子を堆積させるサブ工程と、窒素原料を供給して金属粒子を窒化させる工程とを含むＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法である。本発明にかかるＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法において、バッファ層の成長温度を１０００℃以上とすることができる。

本発明によれば、ＧａＮ系化合物半導体発光装置において、発光層より下方（基板側）に位置する半導体層および発光層自体の平坦性を高めるとともに、発光層より上方（基板と反対側）に位置するＡｌを組成として含む層の平坦性を高めることにより、発光装置特性の向上と寿命を長くすることができる。

（実施形態１）
本発明にかかるＧａＮ系化合物半導体発光装置の一実施形態は、図１を参照して、少なくとも一方の主面１０１ｍ側にＧａＮ系化合物半導体層を含む基板１０１と、主面１０１ｍ上に形成されているＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０とを備え、ＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０は、発光層１０６と、発光層１０６より基板側に位置する第１のバッファ層１０２と、発光層１０６より基板側と反対側に位置する第２のバッファ層１０９とを含み、第１および第２のバッファ層１０２，１０９は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）層である。ＧａＮ系化合物半導体積層体１２０中にかかるバッファ層１０２，１０９が存在することにより、これらのバッファ層１０２，１０９から上方（基板と反対側）のＧａＮ系化合物半導体各層の平坦性が高められる。ここで、ＧａＮ系化合物半導体とは、ＧａＮ半導体およびＧａＮの一部のＧａを他の１つ以上のＩＩＩ族金属元素（たとえば、Ａｌ、Ｉｎなど）に置き換えた化合物の半導体をいう。

図１を参照して、本実施形態のＧａＮ系化合物半導体発光装置１を詳細に説明する。基板１０１は、少なくとも一方の主面１０１ｍ側にＧａＮ系化合物半導体層を含む。かかる主面１０１ｍ上に結晶性の高いＧａＮ系化合物半導体層積層体を形成することができるからである。基板１０１は、少なくとも一方の主面１０１ｍ側にＧａＮ系化合物半導体層を含むものであれば特に制限はなく、基板全体がＧａＮ系化合物半導体層であってもよく、ＧａＮ系化合物以外の異種下地基板上にＧａＮ系化合物半導体層が形成されているテンプレート基板であってもよい。テンプレート基板における異種下地基板としては、ＧａＮ系化合物半導体層と格子不整合が小さい基板、たとえば、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＺｎＯ基板などが用いられる。

また、基板１０１の主面１０１ｍは、ＧａＮ系化合物結晶層の（０００１）面からの［１−１００］方向への傾斜角θ₁が０．３°以下であり、［１１−２０］方向への傾斜角θ₂が傾斜角θ₁の１／２以下であることが好ましい。基板の主面１０１ｍが（０００１）面から傾斜していることにより、ＧａＮ系化合物半導体層の成長面にステップが形成され二次元的な成長が起こり高品質の結晶が得られる。ただし、傾斜角θ₁が０．３°より大きいと、成長面に形成されるステップが二次元成長に適さない密度に増大するため、成長面の平坦性が悪化する。また、傾斜角θ₂が傾斜角θ₁の１／２より大きいと、ＧａおよびＮに加えてＡｌまたはＩｎを組成として含む３元混晶を成長させる際に、［１１−２０］方向へのＡｌ組成あるいはＩｎ組成の不均一を生じる。基板１０１としては、たとえば、ＧａＮ基板、サファイア下地基板上にＧａＮ層が形成されているテンプレート基板などが好適である。

この基板１０１の一方の主面１０１ｍ上には、第１のバッファ層１０２として厚さ５０ｎｍ以下のＡｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ層（０＜ｘ１≦０．０５）が形成されている。この第１のバッファ層１０２上に厚さ２μｍ以下程度のｎ型ＧａＮ下地層１０３が形成されている。このｎ型ＧａＮ下地層１０３上に発光層１０６からの光をその近傍に閉じ込めるためのｎ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１０４が形成されている。このｎ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．０１＜ａ＜０．１）クラッド層１０４は、出射光の楕円率調整のため３層構造（３層クラッド層）とすることが好ましい。かかる３層クラッド層構造は、下から順に第１のｎ型Ａｌ_a1Ｇａ_1-a1Ｎ（０．０１＜ａ１＜０．１）クラッド層１０４１，第２のｎ型Ａｌ_a2Ｇａ_1-a2Ｎ（０．０１＜ａ２＜０．１）クラッド層１０４２，第３のｎ型Ａｌ_a3Ｇａ_1-a3Ｎ（０．０１＜ａ３＜０．１）クラッド層１０４３で形成されている。たとえば出射光の楕円率が２．０程度であれば、各クラッド層のそれぞれのＡｌ組成は、ａ１＝０．０５、ａ２＝０．０８、ａ３＝０．０５程度となっている。また、第１のｎ型Ａｌ_a1Ｇａ_1-a1Ｎクラッド層１０４１の厚さは１．５μｍ程度、第２のｎ型Ａｌ_a2Ｇａ_1-a2Ｎクラッド層１０４２の厚さは０．１μｍ程度、第３のｎ型Ａｌ_a3Ｇａ_1-a3Ｎクラッド層１０４３の厚さは０．７５μｍ程度である。

ｎ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１０４上に、発光層１０６からの光を発光層近傍に安定して導波させるための厚さ０．１μｍ程度のｎ型ＧａＮガイド層１０５が形成されている。このｎ型ＧａＮガイド層１０５上に、多重量子井戸構造を有する発光層１０６が形成されている。ここで、発光層１０６は、厚さ１０ｎｍ（１００Å）程度のＧａＮ障壁層および厚さ５ｎｍ（５０Å）程度のＩｎ_pＧａ_1-pＮ（０＜ｐ＜１、好ましくは０．０８≦ｐ＜０．４）井戸層を１周期として３周期程度で構成される。周期数は可変であるが、発光効率，発光層へのキャリア注入及びピエゾ電界を考慮すると３周期以内が最も有利となる。この発光層１０６上にＧａＮ中間層１０７が形成されている。このＧａＮ中間層１０７によりｐ型層と発光層と接触させないようにすることで、発光層におけるｐ型不純物による光吸収と散乱が低減される。中間層１０７上に厚さ２０ｎｍ（２００Å）程度のｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（０．２＜ｃ＜０．５）キャリアブロック層１０８が形成されている。このｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層１０８上に、第２のバッファ層１０９として厚さ５０ｎｍ以下のＡｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０＜ｘ２≦０．０５）層が形成されている。この第２のバッファ層１０９上に厚さ０．１μｍ程度のｐ型ＧａＮガイド層１１０が形成されている。ここで、ｐ型ＧａＮガイド層１１０を無くすることも可能である。ＧａＮ中間層１０７により光強度分布が発光層１０６近傍に集中するのであれば、光閉じ込めのためにあえてｐ型ガイド層１１０を設ける必要がない。ｐ型ＧａＮガイド層１１０上に厚さ０．５μｍ程度のｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮクラッド層１１１が形成されている。ｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０．０１＜ｂ＜０．１）クラッド層１１１上にｐ型ＧａＮコンタクト層１１２が形成されている。ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の厚さは０．１μｍ程度が望ましい。なお、ｐ型層のドーパントとしてはＭｇが、ｎ型層のドーパントとしてはＳｉが好ましく用いられる。こうして、基板１０１の一方の主面１０１ｍ上にＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０が形成されている。

ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２、ｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮクラッド層１１１、ｐ型ＧａＮガイド層１１０および厚さ方向の一部の第２のバッファ層１０９（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ層）の両端部が除去されてリッジ１３０が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２上にはｐ側電極１１４が形成されている。また、基板１０１の他方の主面１０ｎ上にはｎ側電極１１３が形成されている。こうして、高特性で長寿命のＧａＮ系化合物半導体発光装置１が形成されている。

本実施形態のＧａＮ系化合物半導体発光装置１のＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０は、発光層１０６と、発光層１０６より基板側に位置する第１のバッファ層１０２と、発光層より基板と反対側に位置する第２のバッファ層１０９を含み、第１および第２のバッファ層１０２，１０９は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）層である。

第１のバッファ層１０２は、Ａｌの組成ｘが０より大きく０．０５以下であることにより、下層の化学組成が第１のバッファ層１０２の化学組成と異なっていても、その下層上に第１のバッファ層を成長させる際、結晶成長初期の濡れ性が向上し均一に下層を覆うことができるため、表面平坦性の高い層となる。このため、この第１のバッファ層より上に位置する層の表面平坦性も高くなる。しかし、Ａｌの組成ｘが０．０５より大きくなると、バッファ層の格子定数とバッファ層の上下に位置する化学組成が異なる層の格子定数と差が大きくなり歪みが大きくなる。また、第１のバッファ層の厚さは、５０ｎｍ以下であることが好ましい。第１のバッファ層の厚さが５０ｎｍより大きくなるとバッファ層の格子定数とバッファ層の上下に位置する化学組成が異なる層の格子定数と差が大きくなり歪みが大きくなる。すなわち、発光層１０６と基板１０１との間に、第１のバッファ層１０２として厚さ５０ｎｍ以下のＡｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦０．０５）層を設けることにより、下層の表面を均一に覆い薄い第１のバッファ層内に上下層からの歪みを効果的に吸収することができる。この結果、第１のバッファ層から上に積層される層の表面平坦性が高くなる。特に、発光層の表面平坦性が高くなることにより、ＧａＮ系化合物半導体発光装置の特性が向上し寿命が長くなる。

第１のバッファ層１０２は、発光層１０６と基板１０１との間に位置していれば特に制限はないが、基板１０１の主面１０１ｍに隣接していることが好ましい。第１のバッファ層１０２が基板１０１の主面１０１ｍに隣接することにより、主面１０１ｍに存在する転位がＧａＮ系化合物半導体積層体１２０に伝搬するのを防止し、結晶成長前に基板を昇温させる際の主面からのＧａＮ系化合物の再蒸発を防止することができる。この結果、ＧａＮ系化合物半導体積層体の転位が低減し、電流注入効率が高くなり、ＧａＮ系化合物半導体発光装置の特性が向上する。

また、第２のバッファ層１０９は、Ａｌの組成ｘが０より大きく０．０５以下であることにより、第１のバッファ層１０２の場合と同様の理由から、第２のバッファ層から上に位置する層の表面平坦性も高くなる。また、第２のバッファ層１０９の厚さは、第１のバッファ層１０２の場合と同様の理由から、５０ｎｍ以下であることが好ましい。第２のバッファ層１０９は、発光層１０６より基板と反対側に位置していれば特に制限はない。ただし、ＧａＮ系化合物半導体積層体１２０の発光層１０６より基板と反対側に、発光層１０６からの光をその近傍に閉じ込めるためのクラッド層（たとえば、ｐ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１１１）が存在する場合、このクラッド層１１１が第２のバッファ層１０９より基板と反対側に位置していること、すなわち、第２のバッファ層１０９が発光層１０６とクラッド層１１１との間に位置することが好ましい。第２のバッファ層１０９がかかる位置にあることにより、第２のバッファ層より上に位置する層、特にクラッド層（ｐ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１１１）の表面平坦性が高くなる。この結果、ＧａＮ系化合物半導体発光装置の特性が向上し、寿命も長くなる。ここで、クラッド層（ｐ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層１１１）の厚さは、発光層１０６からの光の閉じ込め効果を高める観点から、０．４μｍ以上であることが好ましい。

また、第１および第２のバッファ層１０２，１０９は結晶質であることが好ましい。第１および第２のバッファ層１０２，１０９が結晶質であれば、それらのバッファ層１０２，１０９の上方に形成される半導体層の結晶性が高くなる。この結果、ＧａＮ系化合物半導体発光装置の特性が向上し、寿命も長くなる。

（実施形態２）
本発明にかかるＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法の一実施形態は、図１を参照して、少なくとも一方の主面１０１ｍ側にＧａＮ系化合物半導体層を含む基板１０１の主面１０１ｍ上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相堆積）法により、厚さ５０μｍ以下の第１のバッファ層１０２（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ層（０＜ｘ１≦０．０５、たとえばｘ１は０．０５程度）、厚さ２μｍ以下程度のｎ型ＧａＮ下地層１０３、厚さ１．５μｍ程度の第１のｎ型Ａｌ_a1Ｇａ_1-a1Ｎ（０．０１＜ａ１＜０．１、たとえばａ１は０．０５程度）クラッド層１０４１、厚さ０．１μｍ程度の第２のｎ型Ａｌ_a2Ｇａ_1-a2Ｎ（０．０１＜ａ２＜０．１、たとえばａ２は０．０８程度）クラッド層１０４２、厚さ０．７５μｍ程度の第３のｎ型Ａｌ_a3Ｇａ_1-a3Ｎ（０．０１＜ａ３＜０．１、たとえばａ３は０．０５程度）クラッド層１０４３、厚さ０．１μｍ程度のｎ型ＧａＮガイド層１０５、厚さ１０ｎｍ（１００Å）程度のＧａＮ障壁層と厚さ５ｎｍ（５０Å）程度のＩｎ_pＧ_1-pＮ（０＜ｐ＜１、好ましくは０．０８≦ｐ＜０．４、たとえばｐは０．０８程度）井戸層を１周期として３周期程度で構成される発光層１０６、厚さ５０ｎｍ（５００Å）μｍ程度のＧａＮ中間層１０７、厚さ２０ｎｍ（２００Å）程度のＡｌ_cＧａ_1-cＮ（０．２＜ｃ＜０．５、たとえばｃは０．４程度）キャリアブロック層１０８、厚さ５０ｎｍ以下の第２のバッファ層１０９（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ層（０＜ｘ２≦０．０５））、厚さ０．１μｍ程度のｐ型ＧａＮガイド層１１０、厚さ０．５μｍ程度のｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０．０１＜ｂ＜０．１、たとえばｂは０．０６程度）クラッド層１１１、厚さ０．１μｍ程度のｐ型ＧａＮコンタクト層１１２が、順次成長させられる。

次に、フォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ（反応性イオンエッチング）技術により、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２、ｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮクラッド層１１１、ｐ型ＧａＮガイド層１１０および厚さ方向の一部の第２のバッファ層１０９（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ層）の両端部が除去されて、リッジ１３０が形成される。次に、真空蒸着法により、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２上にｐ側電極が形成され、基板１０１の他方の主面１０１ｎ上にｎ側電極が形成される。

本実施形態のＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法において、図１および図２を参照して、第１および第２のバッファ層１０２，１０９（図１）のようなバッファ層２０２（図２）を成長させる工程は、その成長温度に到達後、ＩＩＩ族金属元素原料および窒素原料の供給を停止するサブ工程（原料停止サブ工程）と、ＩＩＩ族金属元素原料３１０を供給して金属粒子２０２ｍを堆積させるサブ工程（金属粒子堆積サブ工程）と、窒素原料３２０を供給して金属粒子２０２ｍを窒化させる工程（金属粒子窒化サブ工程）とを含む。

ここで、ＩＩＩ族金属元素原料は、特に制限はないが、ＭＯＣＶＤ法においては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）などが用いられる。また、窒素原料は、特に制限はないが、ＭＯＣＶＤ法においては、アンモニアなどが用いられる。かかるサブ工程を行うことにより、各バッファ層２０２とその下層２００との界面２０１上にＩＩＩ族金属元素の複数の金属粒子２０２ｍが形成され、これらの金属粒子２０２ｍが窒化されて微小な複数の結晶核２０２ｃが形成されることにより、各バッファ層２０２およびその上層の結晶性を高めることができる。なお、これらの結晶核は、通常、断面をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）などで観察することができる。

バッファ層の成長温度到達後の原料停止サブ工程においては、下層２００の表面２００ｓのエッチングが起こり、表面２００ｓが清浄化される。かかる観点から、原料停止サブ工程は、水素（Ｈ₂）ガスを含む雰囲気下で行われることが好ましい。また、原料停止サブ工程、金属粒子堆積サブ工程および金属粒子窒化サブ工程の時間はそれぞれ１０秒以下であることが好ましい。

また、本実施形態のＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法において、図１を参照して、第１および第２のバッファ層１０２，１０９の成長温度は、１０００℃以上であることが好ましい。バッファ層の成長温度が１０００℃未満であると結晶性が低下する。また、数百℃程度の低い温度では、非結晶質となり、バッファ層１０２，１０９より上層の結晶性および表面平坦性が低下する。

（実施例１）
図１を参照して、本実施例のＧａＮ系化合物半導体発光装置１は、以下のようにして製造される。

まず、基板１０１としてＧａＮ基板を準備する。なお、基板１０１は、ＧａＮ基板が最も好適であるが、サファイアなどの異種基板上にＧａＮ層が形成されたテンプレート基板でもよい。このＧａＮ基板（基板１０１）をＭＯＣＶＤ装置の反応炉にセットし、窒素原料としてアンモニアガス、キャリアガスとして水素（Ｈ₂）ガスを供給しながら、基板温度を１０００℃程度まで昇温させる。その際の昇温過程において４００℃以上の温度領域ではアンモニアガスを供給する必要がある。これは、温度上昇によりＧａＮ基板（基板１０１）の構成原子である窒素原子が脱離することによる基板表面の分解を防止するためである。

基板温度が１０００℃程度の所定の温度に達して安定したら、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の供給を開始して、第１のバッファ層１０２である厚さ５０ｎｍのＡｌ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（ｘ１＝０．０５）層を成長させる。

なお、第１のバッファ層１０２の平坦性を評価するため、第１のバッファ層の成長が完了した時点で取り出した別の試料の第１のバッファ層の平均表面粗さＲａは、段差計またはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したところ、３ｎｍであった。ここで、平均表面粗さＲａとは、粗さ曲面から、その平均平面の方向に基準面積だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均平面から測定曲面までの距離を合計し、基準面積で平均した値をいう。

本実施例においては、全測定区間が５００μｍについての平均表面粗さＲａを測定した。この値は一般的な量子井戸発光層の井戸層と障壁層の合計厚さに比べて１／２以下の値であり、高品質な量子井戸発光層を得るに十分な平坦性が確保できている。

第１のバッファ層１０２の成長後、その温度を保持し、ＩＩＩ族金属元素原料としてＴＭＧ、ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ₄（モノシラン）を供給して、厚さ０．２μｍ程度のｎ型ＧａＮ下地層１０３を成長させる。ｎ型ＧａＮ下地層１０３の厚さに特に制限はないが、２μｍ以下程度とするのが一般的である。

次に、発光層１０６からの光を活性層近傍に閉じ込めるためのｎ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．０１＜ａ＜０．１）クラッド層１０４を成長させる。まず、ＩＩＩ族金属元素原料としてＴＭＧおよびＴＭＡ、ドーパントとしてＳｉＨ₄を供給して、厚さ１．５μｍの第１のｎ型Ａｌ_a1Ｇａ_1-a1Ｎ（ａ１＝０．０５）クラッド層１０４１を成長させる。次いで、ＴＭＡの供給量を増加させて、厚さ０．１μｍの第２のｎ型Ａｌ_a2Ｇａ_1-a2Ｎ（ａ２＝０．０８）クラッド層１０４２を成長させる。次いで、第１のｎ型Ａｌ_a1Ｇａ_1-a1Ｎクラッド層１０４１成長時のＴＭＡ供給量に戻して厚さ０．７５μｍの第３のｎ型Ａｌ_a3Ｇａ_1-a3Ｎ（ａ３＝０．０５）クラッド層１０４３を成長させる。なお、ｎ型ＧａＮ下地層１０３は省略することもできる。

上記のｎ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．０１＜ａ＜０．１）クラッド層１０４の成長後、ＴＭＡの供給のみを停止して、厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮガイド層１０５を成長させる。その後、一旦ＩＩＩ族金属元素原料およびドーパントの供給を停止してアンモニアガスおよび水素ガスを供給しながら基板温度を７００℃程度まで降温させる。基板温度が７００℃程度で安定したら、ガスをアンモニアガスと窒素（Ｎ₂）ガスに切り替える。ここで、水素ガスから窒素ガスに切り替える理由は、Ｉｎを含む混晶を成長させる時、水素ガスが存在すると成長が阻害され、良質な発光層が成長できないためである。水素ガスはＩｎ原子の再蒸発を促進させる作用があり、Ｉｎを組成元素として含む発光層を成長する際には好ましくない。このガスの切り替え後、発光層１０６中の厚さ１０ｎｍ（１００Å）のＧａＮ障壁層を成長させるためＴＭＧを供給する。次いで、厚さ５ｎｍ（５０Å）のＩｎ_pＧａ_1-pＮ（ｐ＝０．０８）井戸層を成長させるためＴＭＧに加えてＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給する。このＧａＮ障壁層とＩｎ_pＧａ_1-pＮ井戸層の一組を１周期として合計３周期程度繰り返して発光層１０６の成長を完了する。なお、発光層１０６へのｎ型ドーピングはしてもしなくても発光特性に変化はない。

発光層１０６の成長後、ＴＭＩの供給を停止して、厚さ５０μｍ（５００Å）のＧａＮ中間層１０７を成長させる。ＧａＮ中間層１０７は、ｐ型層から発光層１０６を遠ざけてｐ型層での光吸収を低減させる役割を担うため、基本的にｐ型ドーピングしないことが望ましい。

ＧａＮ中間層１０７の成長後、ＴＭＧに加えてＴＭＡとドーパントとしてのＭｇの原料であるＥｔＣｐ₂Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を供給して、厚さ２０ｎｍ（２００Å）程度のｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（ｃ＝０．４）キャリアブロック層１０８を成長させる。ここで、ｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層１０８の成長温度は発光層１０６と同じでも良く、また１０００℃以上まで昇温しつつ成長しても差し支え無い。ｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層１０８のＡｌの組成ｃは０．３以上であることが望ましい。これは、キャリアブロック効果を発揮させるために、発光層１０６およびｐ型ＧａＮガイド層１１０との間にある程度以上のバンドギャップエネルギー差を付ける必要があるからである。また、ｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層１０８の厚さは、トンネル効果を避けてキャリアをブロックするため、２０ｎｍ（２００Å）以上程度が必要である。

ｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層１０８の成長後、アンモニアガスと窒素ガスを供給しながら基板温度を１０００℃程度に昇温する。ｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層１０８を昇温しつつ成長する場合は、キャリアブロック層１０８の成長と同時に昇温が完了するように昇温レートを調整しておくと無駄な成長中断がなく好ましい。基板温度が１０００℃程度で安定したら、再びガスをアンモニアガスと水素ガスに切り替える。Ｉｎを含まない層の成長において窒素ガスをキャリアガスとした場合、ＩＩＩ族金属元素原子のマイグレーションが阻害されるため非常に凹凸の激しい成長となり、結晶性が著しく低下する。結晶性の低下は、結晶中に欠陥を生じさせるなどの発光装置に取って悪影響を及ぼすため好ましくない。ガスをアンモニアガスと水素ガスに切り替えて基板温度が安定したら、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の供給を開始して、第２のバッファ層１０９である厚さ５０ｎｍのＡｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（ｘ２＝０．０５）層を成長させる。

なお、第２のバッファ層１０９の平坦性を評価するため、第２のバッファ層の成長が完了した時点で取り出した別の試料の第２のバッファ層の平均表面粗さＲａは、やはり３ｎｍであった。この値は、第１のバッファ層の平均表面粗さＲａと同じ程度であり、十分な平坦性が確保されている。

第２のバッファ層１０９の成長に続けて、アンモニアガスとＴＭＧを供給して、厚さ０．１μｍ程度のｐ型ＧａＮガイド層１１０を成長させる。

ｐ型ＧａＮガイド層１１０の成長後、ＴＭＧに加えてＴＭＡを供給して、厚さ０．５μｍ程度のｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（ｂ＝０．０６）クラッド層１１１を成長させる。その後、ＴＭＡの供給を停止して、厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層１１２を成長させる。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２までの全ての層を成長させた後、ＩＩＩ族金属元素原料およびｐ型ドーパントであるＥｔＣｐ₂Ｍｇの供給を停止し、アンモニアガスおよび水素ガス中で基板温度を室温（たとえば２５℃）まで降下させる。その際、昇温時と同様、成長層の分解を防止するために４００℃以上の温度では必ずアンモニアガスを供給し続ける必要がある。４００℃以下になれば、アンモニアガスの供給を停止しても差し支えない。以上の手順で基板１０１の主面１０１ｍ上にＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０が形成される。

以上の手順で基板１０１の主面１０１ｍ上にＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０を形成した後、通常のフォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ技術により、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２、ｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮクラッド層１１１、ｐ型ＧａＮガイド層１１０および厚さ方向の一部の第２のバッファ層１０９（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ層）の両端部が除去されて、リッジ１３０が形成される。次に、真空蒸着法により、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２上にｐ側電極１１４が形成され、基板１０１の他方の主面１０１ｎ上にｎ側電極１１３が形成される。電極形成後、アロイのための熱処理を行い、基板の裏面研磨と劈開によるチップ分割を経て発光装置が完成する。通常、発光装置の光共振器面は誘電体薄膜を積層して高反射膜コートされる。また、共振器面は劈開により作製される。

なお、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の平坦性を評価するため、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の成長が完了した時点で取り出した別の試料のｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の平均表面粗さＲａは、段差計またはＡＦＭで測定したところ、３ｎｍであり、この値は第１のバッファ層１０２および第２のバッファ層１０９の平均表面粗さＲａの値と同等であった。すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面の平坦性は、第１のバッファ層１０２および第２のバッファ層１０９の表面の平坦性が反映されているものと考えられる。第１のバッファ層１０２およびＧａＮ系化合物半導体層積層体１２０の最外層であるｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の平均表面粗さＲａが互いに同等であることから、発光層１０６中の井戸層と障壁層との界面も同様に平坦かつ急峻に形成されていると推察できる。

また、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の成長が完了した時点で取り出したさらに別の試料のＸ線回折測定を行ったところ、発光層１０６からのサテライトピークが明瞭に分離して観察され、量子井戸の界面が急峻に形成されていることが予想される。また、この試料の一部をウエットエッチングして形成されるエッチピットの密度から算出される転位密度は２×１０⁶ｃｍ^-2程度であった。ここで、エッチャントは、８５質量％の燐酸水溶液と９７質量％の硫酸水溶液を体積比が１対３の割合で混合し２５０℃程度に加熱した溶液を用いた。また、同様の方法によりあらかじめ算出した基板１０１の転位密度は６×１０⁶ｃｍ^-2であり、基板１０１上に隣接して第１のバッファ層１０２を形成することにより、基板からＧａＮ系化合物半導体積層体１２０中に伝搬する転位が低減されている。さらに、この試料の発光層１０６の断面５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲をＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察したところ、組成の不均一部分を示す黒点は見られなかった。すなわち、発光層１０６の組成が均一であることが確認された。これは、第１のバッファ層１０２の形成により、発光層１０６の下層表面が非常に平坦化されかつ転位密度も低減されたため、Ｉｎの凝集が緩和されたことによると考えられる。

また、以上の手順で作製したＧａＮ系化合物半導体発光装置の代表的特性は、発振閾値電流が３５ｍＡ、電圧が４．２Ｖ、スロープ効率１．５であった。また、６０℃における光出力４５ｍＷの寿命試験において、推定寿命１００００時間が得られた。すなわち、基板１０１上に形成されるＧａＮ系化合物半導体層積層体が発光層より基板側に位置する第１のバッファ層１０２およびｐ型層側に位置する第２のバッファ層を含むことにより、ＧａＮ系化合物半導体層積層体、特に発光層の界面平坦性の向上、転位密度および組成のバラツキの低減により、発光装置の特性のバラツキも改善され歩留が向上した。

（比較例１）
第１および第２のバッファ層を成長させない他は実施例１と同様にしてＧａＮ系化合物半導体発光装置を得た。このＧａＮ系化合物半導体発光装置の代表的特性は、発振閾値電流が４５ｍＡ、電圧が４．９Ｖ、スロープ効率１．１であった。また、６０℃における光出力４５ｍＷの寿命試験において、推定寿命３０００時間であった。

ここで、ｐ型ＧａＮコンタクト層１１２の平均表面粗さＲａは６〜７ｎｍであった。このことから、発光層１０６中の井戸層と障壁層との界面の平坦性も６〜７ｎｍ程度であり、界面の平坦さおよび急峻さに欠けていると推察できる。また、発光層の断面の５０ｎｍ×５０ｎｍの範囲内には組成の不均一を示す直径３ｎｍ程度の黒点が５個程度観察された。すなわち、ＧａＮ系化合物半導体層積層体中に本発明のバッファ層を含まない発光装置は、発光層の界面平坦性が低く、転位密度および組成のバラツキが高いため、発光装置の特性のバラツキが大きく、歩留まりも低い。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

本発明にかかるＧａＮ系化合物半導体発光装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明にかかるＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法の一実施形態を示す概略断面図である。ここで、（ａ）は原料停止サブ工程を示し、（ｂ）は金属粒子堆積サブ工程を示し、（ｃ）は金属粒子窒化サブ工程を示す。

符号の説明

１ ＧａＮ系化合物半導体発光装置、１０１ 基板、１０１ｍ，１０１ｎ 主面、１０２ 第１のバッファ層、１０３ ｎ型ＧａＮ下地層、１０４ ｎ型Ａｌ_aＧａ_1-aＮクラッド層、１０５ ｎ型ＧａＮガイド層、１０６ 発光層、１０７ ＧａＮ中間層、１０８ ｐ型Ａｌ_cＧａ_1-cＮキャリアブロック層、１０９ 第２のバッファ層、１１０ ｐ型ＧａＮガイド層、１１１ ｐ型Ａｌ_bＧａ_1-bＮクラッド層、１１２ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１１３ ｎ側電極、１１４ ｐ側電極、２００ 下層、２００ｓ 表面、２０１ 界面、２０２ バッファ層、２０２ｃ 結晶核、２０２ｍ 金属粒子、１０４１ 第１のｎ型Ａｌ_a1Ｇａ_1-a1Ｎクラッド層、１０４２ 第２のｎ型Ａｌ_a2Ｇａ_1-a2Ｎクラッド層、１０４３ 第３のｎ型Ａｌ_a3Ｇａ_1-a3Ｎクラッド層。

Claims (8)

1. 少なくとも一方の主面側にＧａＮ系化合物半導体層を含む基板と、前記主面上に形成されているＧａＮ系化合物半導体層積層体とを備え、
   前記ＧａＮ系化合物半導体層積層体は、発光層と、前記発光層より前記基板側に位置する第１のバッファ層と、前記発光層より前記基板と反対側に位置する第２のバッファ層と含み、
   第１および第２の前記バッファ層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦０．０５）層であるＧａＮ系化合物半導体発光装置。
2. 第１の前記バッファ層は前記基板の前記主面に隣接している請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体発光装置。
3. 前記ＧａＮ系化合物半導体層積層体は、前記第２のバッファ層より前記基板と反対側に位置するクラッド層をさらに含む請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体発光装置。
4. 第１および第２の前記バッファ層の厚さが５０ｎｍ以下である請求項１から請求項３までのいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光装置。
5. 第１および第２の前記バッファ層は結晶質である請求項１から請求項４までのいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光装置。
6. 前記基板の前記主面は、（０００１）面からの［１−１００］方向への傾斜角θ₁が０．３°以下であり、［１１−２０］方向への傾斜角θ₂が前記傾斜角θ₁の１／２以下であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれかのＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法であって、
   第１および第２の前記バッファ層を成長させる工程は、その成長温度に到達後、ＩＩＩ族金属元素原料および窒素原料の供給を停止するサブ工程と、ＩＩＩ族金属元素原料を供給して金属粒子を堆積させるサブ工程と、窒素原料を供給して前記金属粒子を窒化させる工程とを含むＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法。
8. 第１および第２の前記バッファ層の成長温度は１０００℃以上である請求項７に記載のＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法。

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