JP2011108774A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無極性窒化物半導体基板上に成長された窒化物半導体積層体において、活性層の発光強度が劣化することなく、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗にすることができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を複数積層した窒化物半導体積層体を形成する工程と、該窒化物半導体積層体をアニールする工程とを含み、該アニールする工程は、５００度以上７００度以下で行なうことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、無極性窒化物半導体を基板として用いた窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

窒化物半導体発光素子の製造工程において、窒化物半導体積層体のうちのｐ型窒化物半導体層を低抵抗にするためには、ｐ型窒化物半導体層をｐ型活性化する必要がある。窒化物半導体積層体をｐ型活性化する方法としては、基板上に形成された窒化物半導体積層体を窒素と酸素との雰囲気において、４００℃以上の温度に昇温させてからアニールする手法が用いられてきた（たとえば特開平５−１８３１８９号公報（特許文献１））。

このようなアニール手法を用いることにより、結晶成長以外に窒化物半導体積層体に熱履歴がかかるが、窒化物半導体積層体に含まれるＩｎＧａＮ活性層などが劣化しにくいという点で優れている。

しかし、基板として極性窒化物半導体基板を用いた場合、４００℃程度の温度でアニールをしても、ｐ型窒化物半導体層を十分に低抵抗化することができず、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗化するためには、実際には８００℃以上の高温でアニールする必要があった。

また、ｐ型窒化物半導体層をｐ型活性化する別の手法として、たとえば特開平９−１２９９２９号公報（特許文献２）、および特開２００４−１０３９３０号公報（特許文献３）には、ＣＶＤ法を用いて窒化ガリウム系半導体層を積層した後に冷却する工程を含むことにより、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗下する技術が開示されている。一方、特願２００７−５２１１１５（特許文献４）にも、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗にすることができる製造方法が開示されている。

しかし、これらの特許文献２〜４に開示されているいずれの製造方法も、十分にｐ型活性化することができるものではなく、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗化する効果を得ることができるものではなかった。

ところで、窒化物半導体発光素子は、その発光波長がより長波長側の発光を有するものの登場が望まれている。窒化物半導体発光素子の発光波長を長波長側にするための手法としては、基板として無極性窒化物半導体基板を用いる技術が知られている。無極性窒化物半導体基板を用いることにより、ピエゾ電界による影響を少なくすることができ、長波長側の発光を得ることができる。

発光波長を長波長にするための別の試みとして、活性層に用いられる障壁層に、ＡｌまたはＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を用いる技術が開示されている。かかる技術は、発光波長を長波長にすることに加え、窒化物半導体発光素子の発光効率を高めることもできる。

特開平５−１８３１８９号公報 特開平９−１２９９２９号公報 特開２００４−１０３９３０号公報 特願２００７−５２１１１５

以上の先行技術の内容からすると、無極性窒化物半導体基板を用いるという技術と、ＡｌまたはＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を含む活性層を形成するという技術とを組み合わせることにより、窒化物半導体発光素子の発光波長をさらに長波長にすることができるものと考えられる。

しかしながら、無極性窒化物半導体基板上に、ＡｌまたはＡｌとＩｎとを含む窒化物半導体を障壁層とする活性層を形成することにより窒化物半導体発光素子を作製すると、その窒化物半導体発光素子の発光強度は大きく低下することがわかった。さらに、このような窒化物半導体積層体にｐ電極およびｎ電極を形成し、電流注入法によりＩ−Ｖ特性を測定したところ、ｐ型窒化物半導体層が高電圧になることがわかった。

このような欠点が生じる理由は、無極性窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体発光素子の製造において、アニールする工程において極性窒化物半導体と同程度の高温条件を用いることが問題ではないかと推察された。

そこで、発光強度が低下する原因を探るべく、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体積層体を形成した後であって、窒素および酸素の雰囲気中にて８００℃でアニールを行なう前後の窒化物半導体発光素子の発光強度をフォトルミネッセンス法により測定した。

その結果、窒化物半導体発光素子を８００℃でアニールを行なう前後で窒化物半導体発光素子の発光強度が大きく低下することが判明した。

このような発光強度の低下は、極性窒化物半導基板を用いて窒化物半導体発光素子を作製する場合、または無極性窒化物半導体基板上に、Ａｌを含まない窒化物半導体層を障壁層として形成した場合に、８００℃でアニールを行なうときには見られないほど大きいものであった。

本発明は、無極性窒化物半導体基板上に成長された窒化物半導体積層体において、活性層の発光強度が劣化することなく、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗にすることができる窒化物半導体発光素子の製造方法、およびその製造方法により製造された窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

無極性窒化物半導体基板を構成する結晶と窒化物半導体層を構成する結晶との格子定数および熱膨張係数が異なる場合、窒化物半導体層は無極性窒化物半導体基板から応力を受け、窒化物半導体層にクラックが生じる場合がある。たとえば、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮ層を形成すると、ＡｌＧａＮ層は、ＧａＮ基板から引っ張り応力を受けクラック等が生じる場合がある。

そして、特にｐ型窒化物半導体層を低抵抗化するために８００℃程度でアニールを行なうと、窒化物半導体積層体を構成する各層の間で応力が発生することにより、ＰＬ発光強度が低下するとともに、ｐ型窒化物半導体層の電圧が上昇する傾向がみられる場合があった。

そこで、アニールを行なう前に、窒化物半導体積層体の各層の間に内在する応力を緩和することにより、アニール前後でＰＬ発光強度を低減しにくくすることができるという知見を得た。そして、この知見に基づきさらに検討を重ねたところ、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体積層体を成長する際の各層の成長温度を、極性窒化物半導体基板上に成長するときの成長温度よりも低くすることにより、各層間の歪みを緩和することができることを実験的に見いだし、アニール条件について調査したことで本発明の完成に至ったものである。

すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を複数積層した窒化物半導体積層体を形成する工程と、該窒化物半導体積層体をアニールする工程とを含み、該アニールする工程は、５００℃以上７００℃以下で行なうことを特徴とする。

アニールする工程は、窒素ガス、酸素ガスおよびアルゴンガスからなる群より選択される１種以上を含む雰囲気で行なうことが好ましい。

アニールする工程を行なうときの昇温速度は、５℃／sec以上であることが好ましく、アニールする工程の時間は、１分以上１０分以下であることがより好ましい。

本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、無極性窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層を複数積層した窒化物半導体積層体を反応炉内で形成する工程と、反応炉で窒化物半導体積層体をアニールする工程とを含み、アニールする工程は、６００℃以上９００℃以下で行なうことを特徴とする。

アニールする工程は、窒素ガスまたはアルゴンガスのいずれか一方もしくは両方を含む雰囲気の反応炉内で行なわれることが好ましく、５分以上３０分以下であることがより好ましい。

無極性窒化物半導体基板に対し、掘り込み領域を形成する工程を含むことが好ましく、窒化物半導体積層体は、ＡｌとＩｎとの両方を含む障壁層を含むことが好ましい。

本発明は、上記のような製造方法により製造された窒化物半導体発光素子でもある。また、本発明は、無極性窒化物半導体基板の掘り込まれていない領域上に成長した窒化物半導体層光導波路構造を有する窒化物半導体発光素子でもある。

上記の各構成を有する本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、無極性窒化物半導体基板上に形成した窒化物半導体積層体に内在する歪を緩和することができるものである。そして、無極性窒化物半導体基板上にＡｌを含む窒化物半導体層、もしくはＡｌとＩｎを含む窒化物半導体層を障壁層とすることを含む窒化物半導体積層構造を成長させた際に、アニール前後で特性の変化が得られることも含む。

本発明によれば、活性層が劣化することなく無極性窒化物半導体基板上に形成するｐ型窒化物半導体を低抵抗化することができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。また、本発明の製造方法により製造された窒化物半導体発光素子は、発光強度が高く、長波長の波長を発光することができる。

本実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、無極性窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成する工程を示す図である。 本発明の製造方法により製造される窒化物半導体積層体の模式的な断面図である。 実施例の製造方法により製造される窒化物半導体積層体の模式的な断面図である。 （ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、実施例の窒化物半導体積層体を８００℃、６００℃、５００℃、および４００℃でアニールする工程の前後における発光スペクトルの変化を示すグラフである。 実施例の製造方法により製造された窒化物半導体積層体のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。

以下、本発明の製造方法により作製される窒化物半導体発光素子を説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものである。また、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すものではない。

＜実施の形態１＞
（窒化物半導体積層体の製造工程）
本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法は、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を複数積層した窒化物半導体積層体を形成する工程と、窒化物半導体積層体をアニールする工程とを含み、該アニールする工程は、５００℃以上７００℃以下で行なうことを特徴とする。換言すれば、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体積層体を形成する場合、ｐ型窒化物半導体層のｐ型活性化に最適なアニール温度は、従来の８００℃程度のアニールする工程の温度よりも低くすればよく、アニールする工程の温度を５００℃以上７００℃以下にすることにより、窒化物半導体積層体への熱によるダメージが軽減されるとともにｐｎ接合が良質化することができる。そして、これにより窒化物半導体発光素子を低電圧化するとともに、発光強度を高めることができる。

（アニールする工程）
本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記の工程により窒化物半導体積層体を形成した後に、該窒化物半導体積層体をアニールする工程を含むことを特徴とする。このようにアニールする工程を含むことにより、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ蒸発防止層３４、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層３５、ｐ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層３６、ｐ型ＧａＮコンタクト層３７のｐ型活性化を行なうことができる。そして、これら各層をｐ型活性化することにより、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗化することができる。

本実施の形態の製造方法において、アニールする工程を行なうときのアニール温度は５００℃以上７００℃以下で行なうことを特徴とする。このような温度でアニールする工程を行なうことにより、活性層をあまり劣化させずにｐ型窒化物半導体層のｐ型活性を高めることができる。そして、窒化物半導体積層体になるべく熱履歴を加えないようにするという観点からはアニール温度は５００℃以上６００℃以下とすることがより好ましい。アニール温度が５００℃未満であると、ｐ型窒化物半導体層を十分にｐ型活性することができず、アニール温度が７００℃を超えると活性層が劣化してしまう虞がある。

ここで、アニールする工程は、無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体積層体を形成したものをアニール処理装置に設置することにより行なわれる。このようなアニール処理装置としては、窒化物半導体積層体が熱によりダメージを受けにくくするという観点から、昇降温早く行なうことができる装置を用いることが好ましく、高温アニール（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）装置を用いることがより好ましい。

アニールする工程を行なうときの反応炉内は、窒素ガス、酸素ガスおよびアルゴンガスからなる群より選択される１種以上を含む雰囲気であることが好ましい。反応炉内をこのような雰囲気にすることにより、ｐ型窒化物半導体層をｐ型活性化しやすくなり、以ってｐ型窒化物半導体層の低抵抗化を図ることができる。ここで、反応炉内の雰囲気は、窒素ガスまたはアルゴンガスの少なくともいずれか一方もしくは両方を含むものにすることが好ましく、酸素ガスは用いないことが好ましい。このように反応炉内に酸素ガスを含まないことにより、窒化物半導体発光素子に非発光領域が形成されにくくなる。

アニールする工程を行なうときの昇温速度は、熱履歴による活性層の劣化を抑えるという観点からできるだけ速いことが好ましく、その昇温速度は５℃／ｓｅｃ以上であることがより好ましく、さらに好ましくは２０℃／ｓｅｃ以上である。昇温速度が５℃／ｓｅｃ未満であると、昇温に時間がかかりすぎることになり、活性層の性能が劣化する場合がある。

アニールする工程においては、反応炉内の温度を５００℃以上７００℃以下に保つ時間は１分以上１０分以下であることが好ましく、２分以上５分以下であることがより好ましい。このような条件でアニールする工程を行なうことにより、ｐ型窒化物半導体層のｐ型活性化を促進することができ、以ってｐ型窒化物半導体層の低抵抗化を効率よく行なうことができる。アニールする工程の時間が１分未満であると、ｐ型窒化物半導体層のｐ型活性化を十分に行なうことができず、アニールする工程の時間が１０分を超えると、長時間の熱履歴により窒化物半導体積層体の表面に荒れが生じるからである。

なお、アニールする工程の時間は、高温アニール装置に設置してから５００℃以上になった直後からカウントを開始し、アニールする工程を終えて反応炉内の温度が５００℃未満に低下されるまでを適用するものとする。

なおまた、アニールする工程において、反応炉内の温度は、５００℃以上７００℃以下の範囲内の温度であれば必ずしも一定に保つ必要はなく、多少変動する場合または一時的に５００℃以上７００℃以下の温度から外れる場合があっても本発明の範囲を逸脱するものではない。

＜実施の形態２＞
本実施の形態は、実施の形態１と同様の無極性窒化物半導体基板を反応炉に入れて、該基板上に、実施の形態１と同様の窒化物半導体層の構成の窒化物半導体積層体を有機金属化学気相成長法で形成する。そして、反応炉から取り出すことなく、そのまま反応炉内でアニールする工程を行なうことを特徴とする。

このように窒化物半導体積層体を形成した後に、同一の反応炉内でアニールする工程を行なう場合、反応炉内は、６００℃以上９００℃以下の温度でアニールを行なうことを特徴とする。このような温度でアニールする工程を行なうことにより、活性層をあまり劣化させずにｐ型窒化物半導体層のｐ型活性を高めることができる。アニールする工程の温度が６００℃未満であると、ｐ型窒化物半導体層を十分にｐ型活性することができず、アニールする工程の温度が９００℃を超えると活性層が劣化してしまう虞がある。

なお、窒化物半導体積層体を形成した反応炉と同一の反応炉を用いてアニールする工程を行なう場合、窒化物半導体積層体を形成した反応炉とは異なる反応炉を用いてアニールする工程を行なう場合に比して、アニールする工程の温度をより高く設定することが好ましい。なぜなら同一の反応炉を用いてアニールを行なう場合、アニールする工程の前に窒化物半導体積層体が大気に曝露しないため、窒化物半導体積層体の熱履歴による応力歪が少なく、しかも窒化物半導体積層体を形成する反応炉には酸素ガスを供給しない方がよいため、ｐ型窒化物半導体層のｐ型化を十分に図りにくい傾向にあり、ｐ型窒化物半導体層をよりｐ型活性化させるために、反応炉の温度を高める必要があるからである。

アニールする工程を行なうときの反応炉内は、窒素ガス、酸素ガスまたはアルゴンガスのいずれか一つ以上を含む雰囲気であることが好ましい。このような雰囲気に反応炉内をすることにより、ｐ型窒化物半導体層をｐ型活性化しやすくなり、以ってｐ型窒化物半導体層の低抵抗化を図ることができる。ここで、反応炉内の雰囲気は、窒素ガスまたはアルゴンガスの少なくともいずれか一方もしくは両方を含むものにすることが好ましく、酸素ガスは用いないことが好ましい。このように反応炉内に酸素ガスを含まないことにより、窒化物半導体発光素子に非発光領域が形成されにくくなる。

また、窒化物半導体積層体を形成するときにキャリアガスとしてアンモニアガスを流している場合、アニールする工程においてはアンモニアガスを止めることが好ましい。これは、アンモニアガスに含まれる水素原子はｐ型窒化物半導体層がｐ型活性化されるのを抑制することがあるからである。

アニールする工程においては、反応炉内の温度を６００℃以上９００℃以下に保つ時間は５分以上３０分以下が好ましい。このような条件でアニールする工程を行なうことにより、ｐ型窒化物半導体層のｐ型活性化を促進することができ、以ってｐ型窒化物半導体層の低抵抗化を効率よく行なうことができる。アニールする工程の時間が５分未満であると、ｐ型窒化物半導体層のｐ型活性化を十分に行なうことができず、アニールする工程の時間が３０分を超えると、長時間の熱履歴により窒化物半導体積層体の表面に荒れが生じるからである。

なお、アニールする工程の時間は、窒化物半導体積層体を成長し終えた直後の温度が６００℃以上９００℃以下である場合は、その直後からカウントを開始し、アニールする工程を終えて反応炉内の温度が６００℃未満に低下されるまでを適用するものとする。

なおまた、アニールする工程において、反応炉内の温度は、６００℃以上９００℃以下の範囲内の温度であれば必ずしも一定に保つ必要はなく、多少変動する場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。

実施の形態１または実施の形態２のいずれかのｐ型活性化手法のうち、いずれか一方の方法を用いてアニールを行なうことにより、ｐ型窒化物半導体層におけるｐ型活性化を効率的に行なうことができ、以ってｐ型窒化物半導体層を低抵抗にすることができる。以下においては、実施の形態１の製造方法により製造される窒化物半導体発光素子を説明する。

（窒化物半導体発光素子）
図１は、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。本発明により製造される窒化物半導体発光素子において、無極性窒化物半導体基板５０は、図１に示されるように、掘り込み領域Ｂと掘り込まれていない領域Ａとを有することが好ましい。そして、無極性窒化物半導体基板５０の上に、窒化物半導体積層体５１が形成されている。図１のＣの領域は、掘り込まれていない領域Ａ上に形成される窒化物半導体積層体５１であり、図１のＤの領域は、掘り込み領域上に形成される窒化物半導体積層体５１である。

本発明において、「掘り込み領域」とは、無極性窒化物半導体基板の表面に凹部が加工された領域のことをいう。一方、無極性窒化物半導体基板上の掘り込み領域以外の部分のことを「掘り込まれていない領域」と記す。

（掘り込み領域）
本発明では掘り込み領域を有する無極性窒化物半導体基板を用いることが好ましい。このような無極性窒化物半導体基板を用いることにより、無極性半導体基板から窒化物半導体積層体に加わる応力を低減することができる。なお、掘り込み領域を有しない無極性窒化物半導体基板を用いても本発明の効果を得ることはできる。

このように掘り込み領域を有する無極性窒化物半導体基板上に複数の窒化物半導体層からなる窒化物半導体積層体を形成したものに対し、アニールを行なうことにより、窒化物半導体積層体に蓄積された応力を掘り込み領域が緩和し、以ってアニールする工程で加わる熱履歴による活性層のダメージを低減することができる。

本実施の形態において、無極性窒化物半導体基板５０に形成される掘り込み領域は、図１に示されるように、凹凸の段差を生じさせるものであればその形状は特に限定されず、矩形状、△形状、または台形状のいずれの形状であってもよい。また、１枚の無極性窒化物半導体基板５０上に形成される掘り込み領域の掘り込み幅および掘り込み深さは、それぞれ異なっていてもよい。

また、図１においては、掘り込み領域と掘り込まれていない領域とが一方向に沿ってストライプ状に形成されたものを示しているが、このような形態のみに限られるものではなく、掘り込み領域および掘り込まれていない領域が互いに交差するように桝目に配列してもよい。

また、１枚の無極性窒化物半導体基板上に形成される掘り込み領域は、必ずしも一定の周期である必要はなく、異なる周期で形成されていてもよい。

（掘り込み領域の形成）
図２（ａ）〜（ｅ）は、無極性窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成する工程を示す図である。以下においては、図２を参照しつつ、無極性窒化物半導体基板に掘り込み領域を形成する工程の一例を示す。

まず、図２（ａ）に示されるように、無極性窒化物半導体基板５０の全面に対し、たとえば膜厚１μｍのＳｉＯ₂膜６０を成膜する。ここで、ＳｉＯ₂膜６０を形成する方法としては、たとえばスパッタ法を用いることができる。なお、スパッタ法の他にも電子線（ＥＢ：Electron Beem）蒸着法またはプラズマＣＶＤ法等を用いてもよい。

次に、図２（ｂ）に示されるように、一般的なフォトリソ工程を用いることにより、［０００１］方向にたとえば幅５μｍ、周期４００μｍのストライプのウィンドウを有するレジスト６１を形成する。レジスト６１に形成されるストライプの周期は、その後に形成される窒化物半導体発光素子の幅で決められる。すなわちたとえば窒化物半導体発光素子の幅をたとえば２００μｍにしたい場合は、ストライプ方向と垂直な方向の周期を２００μｍの間隔にすればよい。なお、無極性窒化物半導体基板５０のエッチングマスクにＳｉＯ₂膜６０を形成することなく、レジスト６１を形成してもよい。

次に、図２（ｃ）に示されるように、上記で形成したレジスト６１をマスクとしてたとえば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）法でＳｉＯ₂膜６０を除去することにより、無極性窒化物半導体基板５０を露出させる。

次に、図２（ｄ）に示されるように、レジスト６１およびＳｉＯ₂膜６０をマスクとして誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）エッチング法、またはＲＩＥ法により、無極性窒化物半導体基板５０をエッチングする。図２（ｄ）中のｄがエッチング深さであり、ここではたとえば５μｍのエッチング深さとする。

最後に、図２（ｅ）に示されるように、ＨＦ等をエッチャントに用いてリフトオフ法によりＳｉＯ₂膜６０とレジスト６１とを除去する。

以上の工程を行なうことにより、無極性窒化物半導体基板５０に掘り込み領域を作製することができる。なお、本実施の形態において、エッチング法は、気相エッチングを用いてもよいし、液相のエッチャントを用いてエッチングを行なってもよい。

また、上記の掘り込み領域は、無極性窒化物半導体基板上に、たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ等の窒化物半導体積層体を成長した後に作製してもよい。

（窒化物半導体積層体）
図３は、本発明において作製される窒化物半導体積層体の模式的な断面図である。本実施の形態において、無極性窒化物半導体基板上に形成される窒化物半導体積層体５１は、図３に示されるように、たとえばｎ型窒化物半導体層３８、活性層３３、およびｐ型窒化物半導体層３９からなるものである。ここで、ｎ型窒化物半導体層３８は、ｎ型ＧａＮ層３０とｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層３１とｎ型ＩｎＧａＮガイド層３２とを含むものであるが、ｎ型ＩｎＧａＮガイド層３２は図３に示す場所に挿入されていなくてもよい。

また、ｐ型窒化物半導体層３９は、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ蒸発防止層３４、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層３５、ｐ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層３６、およびｐ型ＧａＮコンタクト層３７からなるものであるが、ｐ型ＩｎＧａＮガイド層３５は図３に示す場所に挿入されていなくてもよい。また、活性層３３に含まれる障壁層は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の窒化物半導体を用いることができるが、ＡｌとＩｎとを含む障壁層を用いることがより好ましい。ＡｌとＩｎとを含む障壁層を用いることにより、長波長の発光を得ることができる。

そして、無極性窒化物半導体基板上に、図３に示す窒化物半導体層をこの順に有機金属化学気相成長法で成長させることにより、窒化物半導体積層体を形成する。

（窒化物半導体レーザの作製方法）
上記で得られた窒化物半導体ウエハを窒化物半導体レーザに加工するプロセスは、一般的な方法を用いるためここでは詳細には説明しないが概略は以下の通りである。まず、窒化物半導体積層体上にレーザ光導波路構造のレーザストライプを形成するとともに、電流狭窄構造であるリッジ構造のＳｉＯ₂薄膜を作製する。そして、窒化物半導体薄膜上にＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ＝１５ｎｍ／１５ｎｍ／２００ｎｍからなるｐ型電極の作製する。

上記のようにレーザ光導波路構造とすることにより、窒化物半導体発光素子に発生するクラックの発生と表面モフォロジーの悪化とを抑制することができ、これにより共振器方向に窒化物半導体薄膜の層厚が均一なものとなり、高い利得を得ることができる。すなわち、このようなレーザ光導波路構造とすることにより、窒化物半導体積層体とレーザストライプと界面の低しきい値化を実現することができる。

そして、無極性窒化物半導体基板の裏面（窒化物半導体積層体が成長されていない面）を研削研磨した後に、無極性窒化物半導体基板の裏面にＨｆ／Ａｌ／Ｍｏ／Ｐｔ／Ａｕ＝５ｎｍ／１５０ｎｍ／３６ｎｍ／１８ｎｍ／２００ｎｍからなるｎ型電極を作製し、窒化物半導体レーザを得る。このようにして得られた窒化物半導体ウエハのキャビティ長が３００μｍから１８００μｍの範囲の長さ（たとえば６００μｍの長さ）となるようにバー状に分割し、当該バー状に分割された窒化物半導体ウエハをチップ分割することにより、本実施の形態の窒化物半導体レーザを得ることができる。

（無極性窒化物半導体基板）
本発明において、「無極性窒化物半導体基板」とは、Ａ面｛１１−２０｝、Ｍ面（｛１−１００｝面、または｛１−１０１｝面）、または｛１１−２２｝面を主面方位とし、これらの結晶面方位から５°以内のオフ角度を有する窒化物半導体基板のことを意味する。このような無極性窒化物半導体基板を用いることにより、ピエゾ電界による影響がなく、窒化物半導体発光素子の発光を長波長側にすることができる。

なお、本明細書においては、結晶面や方位を示す指数が負の場合に、本来であれば所要の数字の上にバーを付した表現をするのが結晶学の決まりであるが、表現手段に制約があるため、所要の数字の上にバーを付す表現の代わりに、所要の数字の前に「−」を付して表現している。

ここで、窒化物半導体基板とは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｚ≦１；ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなるものであり、当該窒化物半導体基板中にＳｉ、Ｏ、Ｃｌ、Ｓ、Ｃ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｍｇ、またはＢｅがドーピングされたものであってもよい。また、窒化物半導体基板をｎ型窒化物半導体基板にするという観点から、Ｓｉ、Ｏ、およびＣｌをドーピングすることがより好ましい。なお、本明細書において、Ａｌはアルミニウム、Ｇａはガリウム、Ｉｎはインジウム、Ｎは窒素をそれぞれ示す。

また、窒化物半導体基板が六方晶系を維持できる範囲内であれば、窒化物半導体基板の窒素元素の約１０％以下をＡｓ、Ｐ、またはＳｂの元素で置換したものであってもよい。

＜実施例＞
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、実施例では、本発明の効果を明らかにするために、自然放出光を評価することができる簡易的な窒化物半導体積層体の構造としている。

図４は、本実施例で作製される窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。本実施例では、Ｍ面｛１−１００｝面を主面方位としたＧａＮからなる無極性窒化物半導体基板４０を用いた。そして、図４に示されるように、まず、無極性窒化物半導体基板４０上に、ｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層４１、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ―３ＭＱＷ活性層４２、ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ蒸発防止層４３、ｐ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層４４をこの順に積層することにより窒化物半導体積層体を形成した。

ここで、ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ―３ＭＱＷ活性層４２は、３層のＡｌＩｎＧａＮバリア層４５と２層のＩｎＧａＮ量子井戸層４６とが交互に積層されたものである。このようにして無極性窒化物半導体基板上に、窒化物半導体積層体を形成したものを４つ準備した。

そして、このような４つのそれぞれの窒化物半導体ウエハに対し、５℃／ｓｅｃの昇温速度でアニールする工程を開始し、３分間のアニールする工程を行なった。反応炉内は、窒素ガスおよびアルゴンガスを含む雰囲気からなるものであった。このようなアニールする工程の条件で、８００℃、６００℃、５００℃、４００℃の４種の異なる温度でアニールする工程を行ない、アニール前後の自然放出光スペクトルをフォトルミネッセンス法により測定した。測定装置としてはスペクトルアナライザ（製品名：ＭＣＰＤ３０００（大塚電子株式会社製））を用いた各測定結果を図５に示す。

図５は、フォトルミネッセンス法により測定したアニール前後の自然放出光スペクトルであり、図５（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、８００℃、６００℃、５００℃、および４００℃でアニールする前後の自然放出光スペクトルの変化を示す図である。

８００℃でアニールする工程を行なうと、図５（ａ）に示されるように、アニール前後で自然放出光スペクトルの形状が大きく変化し、しかも窒化物半導体発光素子の発光強度も半分以下に落ちている。このように発光強度が落ちているのは、活性層のフラクチュエーションに対して、アニールの熱履歴による影響が異なるためと考えられる。また、図５（ａ）によると、長波長側の発光波長の発光強度の落ち込みが大きい。このことから８００℃以上の高温でのアニールはＩｎ組成の高い活性層ほど劣化させることがわかった。

また、６００℃でアニールする場合、図５（ｂ）に示されるように、アニールを行なった後においても発光強度があまり落ち込まずにアニールの熱履歴による活性層の劣化の影響はかなり軽減されていることがわかる。そして、５００℃のような低温でアニールする場合、図５（ｃ）に示されるように、さらに発光強度の落ち込みは軽減され、アニールの熱履歴による長波長側の発光波長の発光強度の落ち込みはほぼ見られなくなる。これは、５００℃程度のアニールする工程で発生する応力により、活性層の結晶状態が良化していることによるものと推察される。

一方、４００℃でアニールする場合、図５（ｄ）に示されるように、５００℃でアニールを行なう場合に比して、窒化物半導体発光素子の発光強度の落ち込みが大きくなる。これは、アニールの熱履歴により発生する応力が十分でなかったために、活性層の結晶状態が良化しなかったことによるものと考えられる。

以上の結果から、５００℃以上７００℃以下で窒化物半導体積層体をアニールする工程を行なうことにより、窒化物半導体発光素子の発光強度の低下を極力抑えつつ、ｐ型窒化物半導体層のｐ型活性化を行なうことができ、以ってｐ型窒化物半導体層の低抵抗化を達成することができることが明らかとなった。

一方、従来のように８００℃以上でアニールを行なうと、熱履歴により窒化物半導体積層体のダメージが大きくなって、ｐｎ接合が不十分なものとなり、Ｉ−Ｖ特性が高電圧化することが明らかとなった。

＜電流電圧特性＞
また、上記のようにアニールを行なった後、窒化物半導体積層体に接するようにｐ電極を形成するとともに、無極性窒化物半導体基板上に接するようにｎ電極を形成した。このようにして作製された窒化物半導体発光素子に対し、電流注入法により電流源／モニター（製品名：Ｒ６２４５Ｓ（アドバンテスト株式会社製））を用いてＩ−Ｖ特性を測定した。その測定結果を図６に示す。

図６（ａ）は、Ｉ−Ｖ特性の全体図を示すグラフであり、図６（ｂ）は（ａ）の点線部分を拡大したグラフである。図６（ａ）および図６（ｂ）から明らかなように、８００℃以上の高温条件または４００℃以下の低温条件でアニールを行なうと、Ｉ−Ｖ特性が高電圧化していることがわかる。一方、５００℃以上７００℃以下の条件でアニールを行なうと、Ｉ−Ｖ特性が低電圧化しており、特に６００℃のアニールでは低電圧化の効果が高いことがわかる。

以上の結果から、５００℃以上７００℃以下の条件でアニールを行なうことにより、ｐ型窒化物半導体層を高抵抗になりにくくすることができることが明らかとなった。

また、無極性窒化物半導体基板上に形成したｐ型窒化物半導体層は、極性窒化物半導体上に形成したｐ型窒化物半導体層に比べて、低温でｐ型化活性することができることがわかった。一方で、極性窒化物半導体基板上にｐ型窒化物半導体層を形成すると、成長反応炉内でのアニールする工程を行なうことにより、ｐ型窒化物半導体層を低抵抗しにくい傾向にあった。このことから無極性窒化物半導体基板上にｐ型窒化物半導体層を形成することにより、ｐ型窒化物半導体層をｐ型化活性することができ、もってｐ型窒化物半導体層を低抵抗にすることができることが明らかとなった。

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は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でのすべての変更が含まれることが意図される。

３０ ｎ型ＧａＮ層、３１ ｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層、３２ ｎ型ＩｎＧａＮガイド層、３３ 活性層、３４ ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ蒸発防止層、３５ ｐ型ＩｎＧａＮガイド層、３６ ｐ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層、３７ ｐ型ＧａＮコンタクト層、３８ ｎ型窒化物半導体層、３９ ｐ型窒化物半導体層、４０ ｍ面｛１−１００｝窒化物半導体基板、４１ ｎ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層、４２ ＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ―３ＭＱＷ活性層、４３ ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ蒸発防止層、４４ ｐ型Ａｌ_0.062Ｇａ_0.938Ｎクラッド層、４５ ＡｌＩｎＧａＮバリア層、４６ ＩｎＧａＮ量子井戸層、５０ 無極性窒化物半導体基板、５１ 窒化物半導体積層体、６０ ＳｉＯ₂膜、６１ レジスト。

Claims (11)

1. 無極性窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を複数積層した窒化物半導体積層体を形成する工程と、
   前記窒化物半導体積層体をアニールする工程とを含み、
   前記アニールする工程は、５００℃以上７００℃以下で行なう、窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記アニールする工程は、窒素ガス、酸素ガスおよびアルゴンガスからなる群より選択される１種以上を含む雰囲気で行なう、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
3. 前記アニールする工程を行なうときの昇温速度は、５℃／ｓｅｃ以上である、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。
4. 前記アニールする工程の時間は、１分以上１０分以下である、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。
5. 無極性窒化物半導体基板上に、窒化物半導体層を複数積層した窒化物半導体積層体を反応炉内で形成する工程と、
   前記反応炉で前記窒化物半導体積層体をアニールする工程とを含み、
   前記アニールする工程は、６００℃以上９００℃以下で行なう、窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記アニールする工程は、窒素ガスまたはアルゴンガスのいずれか一方もしくは両方を含む雰囲気の前記反応炉内で行なわれる、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
7. 前記アニールする工程は、５分以上３０分以下である、請求項５または６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記無極性窒化物半導体基板に対し、掘り込み領域を形成する工程を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
9. 前記窒化物半導体積層体は、ＡｌとＩｎとを含む障壁層を含む、請求項１〜８のいずれかに記載された窒化物半導体発光素子の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれかの製造方法により製造された窒化物半導体発光素子。
11. 前記無極性窒化物半導体基板の掘り込まれていない領域上に成長した窒化物半導体層に光導波路構造を有する、請求項１０に記載の窒化物半導体発光素子。

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