JP2010219376A - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、無極性面または半極性面を有する窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成し、該窒化物半導体基板上に、n型窒化物半導体薄膜、活性層およびAlを含むp型窒化物半導体薄膜を含む窒化物半導体薄膜を形成する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、上記p型窒化物半導体薄膜を700℃以上900℃未満の温度で成膜することを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【選択図】図7
Description
上記n型窒化物半導体薄膜を900℃以上の温度で成膜することが好ましい。
上記無極性面または半極性面を有する窒化物半導体基板が、無極性面であるM面を有する窒化物半導体基板であることが好ましい。
また、「掘り込み領域」とは、たとえば図1(a)に示されているように窒化物半導体基板表面に加工された凹部を意味する。図1(a)は掘り込み領域を形成する加工を施した後の基板の縦断面形状を模式的に示したものである。掘り込み領域の断面形状は、必ずしも図1(a)に示すような矩形状である必要はなく、図1(b)に示したような三角形もしくは台形の形状であっても良く、凹凸の段差を生じさせるものであればよい。また、図1に示された掘り込み領域11と丘領域12は上面から見ると1方向に沿って加工されたストライプ状に配列されているが、掘り込み領域11と丘領域12が互いに交差し合った桝目状に配列されていてもよい。また、一つの基板上に、形状、深さ、幅などの異なる掘り込み領域が存在していても良い。また、一つの基板上で掘り込み領域の配列の周期が異なっていても構わない。なお、本願の図面において、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わしてはいない。
もし、本発明に含まれるものではない極性面であるC面を有する窒化物半導体基板を用いて、p型窒化物半導体薄膜を900度より低い温度(Tg<900℃)で成長させると、p型窒化物半導体薄膜の表面に欠陥(貫通転位などによるもの)が多数発生する。また、表面の欠陥の大きさも大きくなり、通常走査型電子顕微鏡(SEM)などで観察しないと分からないが、200−800倍程度の光学顕微鏡で観察できるほど大きな欠陥が発生する。これは、成長温度が低いため、原子のマイグレーションが抑制され、結晶性が悪化するためと考えられる。また、窒化物半導体はn型伝導を示しやすく、p型伝導を示しにくい傾向があり、低温で作製すると、結晶性の悪化から、p型伝導を示さなくなる。このため、極性面では、p型窒化物半導体薄膜は1000度程度の高温で成膜される。特にAlを含むAlGaN型窒化物半導体薄膜などは、GaN型窒化物半導体薄膜などと比べて高温の成長温度が要求される。
しかし、本発明のように無極性面や半極性面を有する窒化物半導体基板を用いた場合において、p型窒化物半導体薄膜を900度より低い成膜温度Tg(Tg<900℃)で成膜すると、p型窒化物半導体薄膜の横方向成長を効果的に抑制することができることが分かった。より好ましくは、600℃以上880℃以下の成膜温度で成膜することが望ましい。600℃より低い温度で成膜すると、ピラミッド状の凸部が成長表面に多数発生するために、このピラミッド状の凸部の影響でp型窒化物半導体薄膜の厚さがばらつき、電流の活性層への不均一注入が発生する。この場合には、面内でゲインがばらつき、閾値の上昇を引き起こす場合があるため好ましくない。なお、成膜温度が低いほどピラミッド状の凸部は数多く発生する。600℃以上の温度で成膜することにより、ピラミッド状の凸部の発生を抑制し、p型窒化物半導体薄膜厚の層厚Lpの面内分布バラツキを抑制することができる。
本実施の形態は、無極性面または半極性面を有する窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成し、該窒化物半導体基板上にn型窒化物半導体薄膜、活性層およびAlを含むp型窒化物半導体薄膜を含む窒化物半導体薄膜を形成する窒化物半導体発光素子の製造方法において、上記p型窒化物半導体薄膜を700℃以上900℃未満の温度で成膜した実施の形態であり、以下に詳細を説明する。
ここで、掘り込み領域である溝が窒化物半導体薄膜の成長によって埋まってしまわないように、さらには、p型AlGaNクラッド層38の組成変動を抑制するために、各層の成膜温度が重要である。無極性面を有する窒化物半導体基板において、特にp型窒化物半導体薄膜の横方向成長が非常に強いため、p型窒化物半導体薄膜で最も層厚の厚いクラッド層(p型AlGaNクラッド層38)を900℃より低い成膜温度で成膜する必要がある。
M面を有する上記n型GaN基板1(厚さ0.1μm)上に、n型Al0.050Ga0.950N第一クラッド層(厚さ2.2μm)31、n型GaNガイド層(厚さ0.1μm)34を順に成膜していく。上記で示したn型窒化物半導体薄膜は900℃以上の温度で成膜することが好ましい。無極性面を有する窒化物半導体基板を用いた場合に、900℃未満の温度でn型窒化物半導体薄膜を成膜すると、ピラミッド状の凸部が形成されることを上記で説明した。これは、成膜温度が低下すると顕著に現れ、多数のピラミッド状の凸部が発生する。図5は、無極性面を有する窒化物半導体基板の表面に、n型窒化物半導体層を800℃で成膜した時の表面モフォロジーを示す光学顕微鏡像である。多数のピラミッド状の凸部6が発生しているのが分かる。ピラミッド状の凸部6は掘り込み領域の有無によらず、低温成長時に発生することが分かった。
活性層の井戸層の成長温度は600℃以上830℃以下が好ましい。井戸層はIn1-xGaxN(0<x<1)で形成するが、デバイスに求められる発光波長によりIn組成xが決定される。In組成xが0.15以上の場合には、600℃以上770℃以下の温度が好ましい。これ以上の温度では、熱ダメージにより黒色化が起こる。より好ましくは630℃以上740℃以下である。温度が600℃より低くなると原子の拡散長が短くなり結晶性が悪化するため好ましくない。
本実施の形態は、窒化物半導体基板の掘り込み領域に後述の図10に示すような成長抑制膜5を形成した後に、該窒化物半導体基板上に窒化物半導体薄膜を形成する以外は、実施の形態1と同様の窒化物半導体発光素子の製造方法である。本実施の形態により得られる窒化物半導体発光素子を図8(c)に示す。実施の形態1でも本発明の効果が得られるが、本実施の形態のように成長抑制膜を形成した場合、掘り込み領域内の窒化物半導体薄膜(特にp型窒化物半導体薄膜)の成長速度をより遅くすることができる。
図9を用いて、掘り込み領域に成長抑制膜を形成する方法の一例を詳しく説明する。図9(a)に示すように窒化物半導体基板(GaN基板)1の全面にSiO2等をスパッタ法(その他、Electron Beem蒸着、プラズマCVD法などの方法を用いることができる)を用いて付着させ、厚さ1μmのSiO2層4を形成した。その後、図9(b)に示すように一般的なフォトリソ工程により、レジスト5で[0001]方向に幅5μm、周期400μmのストライプのウィンドウを形成する。ここでの周期は、半導体レーザのストライプ方向と垂直な方向における素子の幅で決めており、素子の幅を200μmにしたい場合は200μmで行えばよい。図9(c)でRIE(Reactive Ion Etching)法などで、レジスト62をマスクとしてSiO2層4をエッチングし、エッチング後、有機洗浄(アセトン、エタノールなど)でレジスト5を除去する。レジスト5を除去せずそのまま、次工程を行ってもかまわない。その後ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合型プラズマ)法、もしくはRIE(Reactive Ion Etching)法により、図9(d)に示すように、SiO2層4をマスクとしてSiO2層4および窒化物半導体基板1をエッチングする。窒化物半導体基板1のエッチング深さは5μmであった(図9(d)の深さd1がエッチング深さとなる。)。その後、図9(e)に示すようにアルミニウムの窒化物(AlN)からなる厚さ0.2μmの成長抑制膜5をスパッタ法(その他、Electron Beem蒸着、プラズマCVD法、ECR(Electron cycrotron resonance)法、プラズマスパッタ法などの方法を用いることができる。)で成膜した。
本実施の形態では、成長抑制膜の形成方法としてECRスパッタ装置などの装置を用いることが好ましいが、EB蒸着などを用いることもできる。なお、EB蒸着などを用いる場合、掘り込み領域の側面部の成長抑制膜の厚さが極端に薄くなり膜状に形成されないか、もしくは全く形成されないことがあるが、この様な現象は、図8(c)に示した掘り込み領域11の側面部111の傾斜γを90度より大きくすることにより回避することができる。本実施の形態においては、この様に側面部の傾斜γを90度より大きくすることが好ましく、この場合、掘り込み領域11の側面部111に効率よく成長抑制膜5を形成することが可能となる。側面部111の傾斜γの調整は、掘り込み領域をエッチングする際のエッチング条件等の制御により行うことができる。
成長抑制膜の層厚に関して、掘り込みにより形成された溝が成長抑制膜で完全に埋まってしまった状態では、クラックの発生を防止できないため好ましくない。このため、成長抑制膜により、溝が完全に埋まってしまわない状態が好ましい。より好ましくは、図10(a)で示したt1が掘り込み深さf(図1に示したf)の半分以下が好ましい。またt2は掘り込み領域の開口幅g(図1に示したg)の半分以下が好ましい。これより厚いと、掘り込み領域が確保できず、クラックの抑制効果がなくなる。また、クラッド層の組成変動が大きくなる。t1とt2の関係として、好ましくはt1≧t2の場合であった。この場合は、成長抑制膜のはがれなどの不良が減少する。
成長抑制膜が薄い場合(例えば、10〜50nm程度の厚さである場合)、窒化物半導体薄膜を700〜1000℃程度の温度で成膜する際に、基板である窒化物半導体と混ざり合い、混晶化する。かかる現象について、図11を用いて説明する。まず、上述の図9、図10を用いて説明したような方法により、窒化物半導体基板1の掘り込み領域11にAlN(窒化アルミニウム)の成長抑制膜5を形成した(図11(a))。この時、図11(a)に示す成長抑制膜5の厚さt1、t2は共に10nmであった。その後、成長抑制膜5の形成された窒化物半導体基板1をMOCVD装置の成長炉内に搬入し、その表面に1000度の成長温度でn型GaN薄膜25を成長させた。その後の状態を図11(b)に示す。n型GaN薄膜25を成長させるために1000度に昇温した際に、成長抑制膜5のAlNと窒化物半導体基板1のGaNが溶融し、AlGaNの混晶に変化する。このように、窒化物半導体薄膜が形成される際に成長抑制膜5がそのまま存在している必要はなく、窒化物半導体基板1の掘り込み領域11の側面部111および底面部112において、例えば上記のAlGaNの混晶が生成した領域のように、窒化物半導体基板1の他の部分とは異なる組成を有する領域(以下、成長抑制領域と呼ぶ。)が存在すれば、成長抑制膜と同じ効果をもたらすことが分かった。
成長抑制膜としては、アルミニウムの窒化物膜、アルミニウムの酸窒化物膜、アルミニウムとガリウムの窒化物膜が好ましい。上記材料はクラックの抑制効果、表面モフォロジーの改善効果、クラッド層のAl組成変動抑制効果のすべてにおいて高い効果を得ることができた。上記材料は、窒化物半導体薄膜と同じ結晶構造をとることができるため、成長抑制膜と成長抑制膜のないところで、結晶構造が連続的になり、より好ましい。これらの理由により、上記の好ましい効果が得られるものと考えられる。
図10に(a)、(b)、(c)の三つのパターンで成長抑制膜を形成したが、どの場合においても、窒化物半導体層の組成変動を抑制し効果が得られた。
本実施の形態では、実施の形態1と基本的には同じであるが、基板は、A面[11−20]を有するGaN基板であり、[1−100]方向に幅5μm、深さ3μm、周期400μmでストライプ状に気相エッチングで掘り込んだ掘り込み領域を有する基板を用いた。成長抑制膜は用いていない。本実施の形態においても、実施の形態1と同様の効果が得られた。
本実施の形態では、実施の形態2と基本的には同じであるが、基板は、A面[11−20]GaN基板であり、[0001]方向に幅5μm、深さ3μm、周期400μmでストライプ状に気相エッチングで掘り込んだ基板を用いた。成長抑制膜としては、SiO2を用いた。抑制膜の形状は、図10(a)の形状を用いた。図10(a)におけるt1は、0.3μm、t2は0.1μmとした。本実施の形態の状態においても、実施の形態1と同様の効果が得られた。
本実施の形態では、実施の形態と基本的には同じであるが、基板は、半極性面[11−22]GaN基板であり、[−1−123]方向に幅5μm、深さ3μm、周期400μmでストライプ状に気相エッチングで掘り込んだ基板を用いた。成長抑制膜としては、Al2O3を用いた。抑制膜の形状は、図10(a)の形状を用いた。図10(a)におけるt1は、0.3μm、t2は0.1μmとした。この場合においても、クラック発生の抑制、表面モフォロジーの改善、AlGaN型窒化物半導体薄膜の組成変動の抑制効果が得られる。
Claims (10)
- 無極性面または半極性面を有する窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成し、該窒化物半導体基板上に、n型窒化物半導体薄膜、活性層およびp型窒化物半導体薄膜を含む窒化物半導体薄膜を形成する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記p型窒化物半導体薄膜を700℃以上900℃未満の温度で成膜することを特徴とする、窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記p型窒化物半導体薄膜がAlを含むことを特徴とする、請求項1に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記n型窒化物半導体薄膜を900℃以上の温度で成膜することを特徴とする、請求項1または2に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記活性層の井戸層がInxGa1-xN(式中、xは0.15以上)であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記井戸層の成長温度が600℃以上830℃以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記無極性面または半極性面を有する窒化物半導体基板が、無極性面であるM面を有する窒化物半導体基板であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記掘り込み領域が、前記窒化物半導体基板の主面においてストライプ状に配列され、該ストライプ状の配列がc軸[0001]方向にほぼ平行であることを特徴とする、請求項6に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記M面を有する窒化物半導体基板において、c軸[0001]に平行な方向のオフ角度が0.5〜10度であることを特徴とする、請求項7に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記M面を有する窒化物半導体基板において、c軸に垂直な方向のオフ角度が、c軸に平行な方向のオフ角度より小さいことを特徴とする、請求項8に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記掘り込み領域の窒化物半導体基板の表面に成長抑制膜または成長抑制領域が形成されていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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