JP2020188143A - 半導体多層膜反射鏡を用いた垂直共振器型発光素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体多層膜反射鏡を用いた垂直共振器型発光素子及びその製造方法 Download PDF

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進一 田中
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Kazufumi Tanaka
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Hirotaka Ono
裕孝 大野
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孝信 赤木
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Abstract

【課題】半導体多層膜反射鏡を用いて、光のミラー損失が少なく、高輝度かつ光取り出し効率の高い垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、半導体積層構造体２９を製造する製造方法であって、ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返して半導体多層膜１５を形成するステップと、前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ半導体多層膜上に第２のＧａＮ層１７を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体多層膜反射鏡を用いた垂直共振器型発光素子、特に垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの垂直共振器型半導体発光素子に関する。また、当該垂直共振器型発光素子の製造方法に関する。
分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を用いた垂直共振器型発光素子が知られている。例えば、垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）では、共振器ミラーとして背面側と出射面側に反射率の異なるＤＢＲを用いる。また、例えば、一方のＤＢＲとして複数の半導体薄膜からなる半導体多層膜ミラーを用いる。
例えば、特許文献１には、ＩｎＡｌＮ層とＧａＮ層とを周期的に積層した半導体多層膜ミラーを用いたＶＣＳＥＬが開示されている。
特開２０１８−９８３４０
上記のような半導体多層膜ミラーを用いたＶＣＳＥＬにおいて、ミラー損失を抑制して高い反射率を得るためには、極めて平滑な反射面が必要となる。しかし、出射光の波長領域を青色光の領域とするＶＣＳＥＬに用いるための半導体多層膜ミラーの場合、平滑な反射面の実現が困難であることが課題となっていた。
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、半導体多層膜反射鏡を用いて、光のミラー損失が少なく、高輝度かつ光取り出し効率の高い垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供することを目的としている。
本発明の半導体積層構造体の製造方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、半導体積層構造体を製造する製造方法であって、ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返して半導体多層膜を形成するステップと、前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１のＧａＮ層上に第２のＧａＮ層を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明の垂直共振器型発光素子の製造方法は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返し、半導体多層膜を形成して第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１のＧａＮ層上に第２のＧａＮ層を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、前記第２のＧａＮ層上に発光層を形成するステップと、前記発光層上に、ｐ型の導電型を有する少なくとも１つの半導体層を形成するステップと、前記少なくとも１つの半導体層上に前記半導体多層膜に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、を有することを特徴とする。
本発明の垂直共振器型発光素子は、ＩｎＡｌＮ層及び第１のＧａＮ層が交互に複数回繰り返し積層された第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡の最上層の前記第１のＧａＮ層である最終ＧａＮ層上に形成され、ｎ型のドーパントを含む第２のＧａＮ層と、前記第２のＧａＮ層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成され、ｐ型の導電型を有する少なくとも１つの半導体層と、前記少なくとも１つの半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、前記最終ＧａＮ層は、前記第２のＧａＮ層に面する表面近傍の領域においてアルミニウムを含まないことを特徴とする。
本発明の垂直共振器型発光素子は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返し、半導体多層膜を形成して第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材量ガスを供給しつつ前記第１のＧａＮ層上に第２のＧａＮ層を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、を含む方法により製造されたｎ型半導体積層体と、前記第２のＧａＮ層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成され、ｐ型の導電型を有する少なくとも１つの半導体層と、前記少なくとも１つの半導体層上に形成され、前記半導体多層膜に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含むことを特徴とする。
本発明による実施例の垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）素子の積層構造を模式的に示す断面図である。 本発明による実施例のＶＣＳＥＬ素子の半導体多層膜の積層構造を模式的に示す断面図である。 本発明による実施例のＶＣＳＥＬ素子の半導体積層構造体の製造工程の概要を示すフローチャートである。 本発明による実施例のＶＣＳＥＬ素子の半導体積層構造体の製造工程を示す成長ウェハの断面図である。 本発明による実施例のＶＣＳＥＬ素子の半導体積層構造体の製造工程を示す成長ウェハの断面図である。 実施例の半導体積層構造体の結晶成長シーケンスの一部を模式的に示す図である。 本発明による実施例のＶＣＳＥＬ素子の半導体積層構造体の製造工程を示す成長ウェハの断面図である。 本発明による実施例のＶＣＳＥＬ素子の半導体積層構造体の製造工程を示す成長ウェハの断面図である。 本発明の半導体多層膜表面のＳＰＭ画像である。 比較例の半導体多層膜表面のＳＰＭ画像である。 本発明の半導体多層膜及びｎ型ＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示すグラフである。 比較例の半導体多層膜及びｎ型ＧａＮ層のＳＩＭＳ分析結果を示すグラフである。
以下に本発明の実施例を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。
図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施例であるＶＣＳＥＬ素子１０の構成について説明する。図１は、実施例であるＶＣＳＥＬ素子１０の積層構造を模式的に示す断面図である。
基板１１は、ＧａＮ（窒化ガリウム）結晶の成長用基板（以下、単に成長基板とも称する。）である。下地層１３は、アンドープＧａＮからなり、基板１１上に形成されている。
半導体多層膜１５は、下地層１３上に形成された半導体多層膜反射鏡（半導体多層膜ミラー）である。ｎ型半導体層１７は、半導体多層膜反射鏡１５上に形成されたｎ型ＧａＮ層である。ｎ型半導体層１７には、Ｓｉ等のｎ型ドーパントがドープされている。
発光層２０は、ｎ型半導体層１７上に形成されている。発光層２０は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造をなす複数の半導体層からなる発光構造層である。
ｐ型ＡｌＧａＮ層２１は、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがドープされたＡｌＧａＮ層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層２１は、発光層２０上に形成されており、電子ブロック層として機能する。
ｐ型ＧａＮ層２３は、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１上に形成され、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがドープされたＧａＮ層である。
ｐ型ＧａＮコンタクト層２５は、ｐ型ＧａＮ層２３上に形成され、Ｍｇ等のｐ型ドーパントがｐ型ＧａＮ層２３よりも高濃度でドープされたＧａＮ層である。ｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型ＧａＮ層２３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２５をまとめてｐ型半導体層２７と称する。
また、第１の反射鏡としての半導体多層膜１５、ｎ型半導体層１７、発光層２０及びｐ型半導体層２７からなる積層構造体を半導体積層構造体２９と称する。言い換えれば、半導体積層構造体２９は、半導体多層膜１５上にｎ型半導体層１７が形成されたｎ型半導体積層体を含み、当該ｎ型半導体積層体上に発光層２０及びｐ型半導体層２７が積層されて構成されている。
図１に示すように、ＶＣＳＥＬ素子１０は、ｎ型半導体層１７が部分的に露出した露出部１７Ｅを有している。ｎ電極３１は、露出部１７Ｅ上に設けられ、ｎ型半導体層１７に電気的に接続されている。
絶縁膜３３は、ｐ型ＧａＮコンタクト層２５上に形成された絶縁性を有する層であり、開口部ＯＰを有している。
透光性電極３５は、絶縁膜３３上に形成されている。また、透光性電極３５は、開口部ＯＰを介してｐ型ＧａＮコンタクト層２５上に形成されている。透光性電極３５は、ｐ型半導体層２７に電気的に接続されている。
誘電体多層膜３７は、開口部ＯＰ上の透光性電極３５上に設けられている。誘電体多層膜３７は、例えば酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）と酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の、屈折率の異なる２種の誘電体膜が交互に積層されてなる誘電体多層膜ミラーである。
ｐ電極３９は、透光性電極３５に設けられ、透光性電極３５に電気的に接続されている。
図２は、図１中の破線で囲まれた部分Ａの拡大図であり、半導体多層膜１５の積層構造を模式的に示す断面図である。図２に示すように、半導体多層膜１５は、下地層１３上に、ＩｎＡｌＮ層１５Ａ及びＧａＮ層１５Ｂが交互に繰り返し積層されて構成されている。このような構成により、半導体多層膜１５の最上層はＧａＮ１５Ｂとなっている。当該最上層のＧａＮ層（以下、最終ＧａＮ層とも称する）１５Ｂ上にｎ型半導体層１７が形成されている。
半導体多層膜１５は、半導体分布ブラッグ反射器（半導体ＤＢＲ：Distributed Bragg reflectors）である。具体的には、半導体多層膜１５は、発光層２０の発光波長（例えば、空気中の発光波長が４４５ｎｍ）を反射中心波長とする反射鏡（半導体多層膜ミラー）として構成されている。
例えば、ＩｎＡｌＮ層１５Ａ及びＧａＮ層１５Ｂの各々の膜厚は、反射中心波長に対する１／４波長光学膜厚を有するように設計されている。
例えば、ＩｎＡｌＮ層１５Ａの屈折率をｎ1とすると、ＩｎＡｌＮ層１５Ａの膜厚ｄAは、反射中心波長λに対する１／４波長光学膜厚を有するように設定されている。すなわち、ＩｎＡｌＮ層１５Ａは、屈折率ｎ1及び膜厚ｄAを有するλ／４光学膜である。
また、ＧａＮ層１５Ｂの屈折率をｎ2とすると、ＧａＮ層１５Ｂの膜厚ｄBは、反射中心波長λに対する１／４波長光学膜厚を有するように設定されている。すなわち、ＧａＮ層１５Ｂは、屈折率ｎ2及び膜厚ｄBを有するλ／４光学膜である。
図３〜図７を参照しつつ、ＶＣＳＥＬ素子１０の製造工程について説明する。図３は、ＶＣＳＥＬ素子１０の製造に用いるための半導体積層構造体２９及びＶＣＳＥＬ素子１０の製造工程の概要を示すフローチャートである。半導体積層構造体２９の製造は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）によって行った。
[半導体積層構造体の製造]
まず、減圧ＣＶＤ装置にて、基板１１上に、下地層１３を形成し、下地層１３上に、半導体多層膜１５を形成した（ステップＳ１１）。図４は、基板１１、下地層１３及び半導体多層膜１５が形成された状態を示す断面図である。
成長基板である基板１１にはＣ面ＧａＮ基板を用いた。基板１１には他に、Ｃ面サファイア、Ａ面サファイア、Ｒ面サファイア、半極性（セミポーラ）面ＧａＮ、無極性（ノンポーラ〉面ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）などを用いてもよい。ＧａＮ基板以外の基板を用いる場合、例えばサファイア基板の場合は、基板を水素（Ｈ２）ガス（雰囲気ガス）内で１０００℃にて表面熱処理を行い、不純物を除去した上、基板温度を６５０℃に調整し、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのバッファ層を成長しておくことが望ましい。
なお、図示しないが、半導体層の成長装置において、基板１１はサセプタ上に配置されている。そして、サセプタの下に熱電対が配置されており、その熱電対の温度を本願明細書における「基板温度」としている。
ステップＳ１１において、まず、基板１１の温度を１２００℃まで上昇させ、水素（雰囲気ガス）内で、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する）、アンモニア（ＮＨ３）ガスを供給してアンドープＧａＮからなる下地層１３を１００ｎｍ成長した。なお、ホモエピタキシャル成長の場合、必ずしも下地層１３を積層する必要はなく任意である。
続いて、半導体多層膜１５の形成を行った。下地層１３上にＩｎＡｌＮ／ＧａＮの積層体からなる半導体ＤＢＲ（Distributed Bragg reflectors：分布ブラッグ反射器）を成長した。以下に一例として半導体ＤＢＲの成長方法の詳細を示す。半導体ＤＢＲの成長方法は、これに限定されず、他の成長方法も適用可能である。
まず、下地層１３上にＩｎＡｌＮ層１５Ａを成長した。基板１１の温度を９５０℃に調整し、キャリアガス（雰囲気ガス）を水素ガスから窒素（Ｎ２）ガスに変更した。基板温度の安定化後、インジウムの材料ガスであるトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと称する）、アルミニウムの材料ガスであるトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと称する）及びアンモニアガスを供給し、ＩｎＡｌＮ層１５Ａを４９ｎｍ成長した。その後、有機金属材料（以下、ＭＯ材料と称する）であるＴＭＩ及びＴＭＡの供給を停止した。
続いて、ＩｎＡｌＮ層１５Ａ上に第１のＧａＮ層としてのＧａＮ層１５Ｂを成長した（第１ＧａＮ層成長ステップ）。基板温度を１１００℃（第１の成長温度）まで上昇させ、安定化を図った。キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに変更し、ガリウムの材料ガスであるトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する）とアンモニアガスを供給し、ＩｎＡｌＮ層１５Ａ上にＧａＮ層１５Ｂを４５ｎｍ形成した。その後、ＭＯ材料であるＴＭＧの供給を停止した。
その後、上記のＩｎＡｌＮ層１５Ａを成長する工程及びＧａＮ層１５Ｂを成長する工程をさらに３４回繰り返し、ＩｎＡｌＮ層１５ＡとＧａＮ層１５Ｂとのペアを合計で３５ペア積層した（図２、図４参照）。なお、ＩｎＡｌＮ層のＩｎ組成は１８ａｔ％程度となるよう調整した。
ここで、半導体多層膜１５まで形成されたウェハ（図４）を、一旦反応炉内から取り出し、半導体多層膜ミラーの反射光の波長帯域の確認を行った。波長帯域の確認は、白色光を照射した場合のピーク波長を確認して行った。確認結果より、必要に応じて、共振器長の設計値に合わせるための調整を行った。当該調整は、例えば、半導体多層膜１５上に積層するｎ型半導体層１７の層厚を変更することで行ってもよい。なお、半導体多層膜１５の形成後、反応炉内から当該ウェハを取り出さずに連続してｎ型半導体層１７及び発光層２０を積層し、半導体積層構造体２９を製造してもよい。
その後、常圧ＣＶＤにより、半導体多層膜１５上に第２のＧａＮ層としてのｎ型半導体層１７を形成した（ステップＳ１２、第２ＧａＮ層成長ステップ）。ステップ１２において、ｎ型半導体層１７の成長前にキャリアガスを水素ガスから窒素ガスに変更し、基板１１の温度を１１００℃から１２００℃（第２の成長温度）まで上昇させ、安定化を図った（昇温ステップ）。キャリアガスを窒素ガスに変更するのは、半導体ＤＢＲ最終層のＧａＮ層のＨ２によるエッチングを防止し、平坦な表面を維持するためである。
基板１１の温度安定化後、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスに変更し、ガリウムの材料ガスとしてのＴＭＧ、窒素源ガスとしてのアンモニアガス及びｎ型ドーパントの材料ガスでありシリコン含有ガスとしての水素希釈の濃度１０ｐｐｍジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を供給し、半導体多層膜１５上に、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層（高温ｎ−ＧａＮ層）を６０３ｎｍ形成した。その後、ＭＯ材料及びＳｉ２Ｈ６の供給を停止した。このようにして、ｎ型半導体層１７を形成した。
図５は、半導体多層膜１５上に第２のＧａＮ層としてのｎ型半導体層１７が形成されている状態（ｎ型半導体積層体）を示す断面図である。なお、ｎ型半導体層１７を形成する際の窒素ガスから水素ガスへのキャリアガスの変更は、ガスの到達時間を考慮し、成長開始直前に行うことが好ましい。すなわち、水素ガスの供給を開始し、その後にガリウムの材料ガスとしてのＴＭＧの供給を開始することが好ましい。例えば、ＴＭＧ、アンモニアガス及びジシランの供給を開始する直前の１０秒前に、キャリアガスを変更することが好ましい。
図６は、ステップＳ１１における半導体多層膜１５の結晶成長及びステップ１２におけるｎ型半導体層１７の結晶成長のシーケンスを模式的に示す図である。図６において、横軸は時間Ｔを示している。また、図６中の縦軸は基板温度（成長温度）Ｔｓを示している。図６中、基板温度Ｔｓの経時変化とともに、供給ガス種毎に、供給されているか否かを表すＯＮ状態又はＯＦＦ状態が示されている。
図６に示すように、基板温度ＴＰ１（９５０℃）においてキャリアガスとして窒素（Ｎ2）を供給し（図中、“ＯＮ”）、また、III族ＭＯ材料であるＴＭＡ、ＴＭＩ及びＶ族材料であるアンモニア（ＮＨ3）を反応炉内に供給し（図中、“ＯＮ”）、ＩｎＡｌＮ層１５Ａを成長した（時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ２）。
ＴＭＡ、ＴＭＩの供給を停止して（図中、“ＯＦＦ”）基板温度をＴＰ２（１１００℃、第１の成長温度）まで上昇させ（Ｔ＝Ｔ２〜Ｔ３）、キャリアガスを水素ガスに変更してＴＭＧを供給し（図中、“ＯＮ”）、ＧａＮ層１５Ｂを成長した（Ｔ＝Ｔ３〜Ｔ４）。
上述したように、ＩｎＡｌＮ層１５Ａ及び当該ＩｎＡｌＮ層１５Ａ上へのＧａＮ層１５Ｂの成長を繰り返し、半導体多層膜１５の最上層であるＧａＮ層（最終ＧａＮ層）１５Ｂまで成長した。最終ＧａＮ層１５Ｂの成長（Ｔ＝Ｔ８〜Ｔ９）後、ＴＭＧの供給を停止し（図中、“ＯＦＦ”）キャリアガスを水素ガス（Ｈ２）から窒素ガス（Ｎ２）に切り替え、窒素源ガスとしてのアンモニアガスの供給を継続し、基板温度ＴＰ２（第１の成長温度）よりも高い温度である基板温度ＴＰ３（第２の成長温度）まで上昇させた（昇温ステップ、Ｔ＝Ｔ９〜Ｔ１０）。
なお、最終ＧａＮ層１５Ｂの成長（Ｔ＝Ｔ８〜Ｔ９）後、降温処理等を経て、ウェハを反応炉内から一旦取り出し、半導体多層膜ミラーの反射光の波長帯域を確認してもよい。その場合、その後の昇温ステップ（Ｔ＝Ｔ９〜Ｔ１０）において、基板温度を室温からＴＰ３まで昇温する。
その後、キャリアガスを窒素ガス（Ｎ２）から水素ガス（Ｈ２）に切り替え、ＴＭＧ、アンモニアガス及びジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を供給し、半導体多層膜１５上に、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮ層（高温ｎ−ＧａＮ層）を基板温度ＴＰ３で形成した（Ｔ＝Ｔ１０〜Ｔ１１）。このようにして、ｎ型半導体層１７を形成した。
ｎ型半導体層１７の形成後、ｎ型半導体層１７上に、発光層２０を積層した（ステップＳ１３）。図７は、発光層２０を積層した状態を示す断面図である。
ｎ型半導体層１７（高温ｎ−ＧａＮ層）上に、多重量子井戸層（以下、ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を形成した。障壁層及び井戸層はＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮからなる。本実施例では、障壁層にＧａＮ（ｘ＝ｙ＝０）、井戸層にＩｎＧａＮ（ｙ＝０）を用いた。
まず、基板の温度を８５０℃に調整し、基板温度の安定化をはかり、キャリアガスをＨ２からＮ２に変更した。
トリエチルガリウム（以下、ＴＥＧ）とＮＨ３を供給し、ｎ型半導体層１７上に障壁層（ＧａＮ）を６．０ｎｍ形成した。その後、ＭＯ材料の供給を停止した。
ＴＥＧ、ＴＭＩ及びＮＨ３を供給し、障壁層（ＧａＮ）上に井戸層（ＩｎＧａＮ）を３．０ｎｍ形成した。その後、ＭＯ材料の供給を停止した。
障壁層の積層工程と井戸層の積層工程との工程群をさらに４回繰り返し、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層のペア、合わせて５ペアから成るＭＱＷを形成した。
次に最終ペアのＩｎＧａＮ井戸層を保護するため、ＴＥＧとＮＨ３を供給し、最終障壁層を１０．０ｎｍ形成した。その後、ＭＯ材料の供給を停止した。このようにしてＭＱＷを形成し、発光層２０とした（図７）。
なお、ｎ型半導体層１７とＭＱＷとの問に超格子構造（以下、ＳＬＳ：Super Lattice Structure）やバルクの歪緩和層（ＩｎＧａＮなど）を導入してもよい。また、ＭＱＷの量子井戸数の数は設計者の任意であり、層数に制限はない。
さらに、ＭＱＷの障壁層に対してＳｉなどのｎ型ドーピングやマグネシウム（以下、Ｍｇ）などのｐ型ドーピングを実施することも任意である。
発光層２０の形成後、発光層２０上にｐ型半導体層２７を形成した（ステップＳ１４）。図８は、ｐ型半導体層２７を形成した状態を示す断面図である。
発光層２０の形成後、基板の温度を８５０℃から１０００℃に上昇し、基板温度の安定化をはかり、キャリアガスをＮ２からＨ２に変更した。電子ブロック層（以下、ＥＢＬ：Electron Blocking Layer）としてＭｇドープのｐ型ＡｌＧａＮ層２１を形成した。ＴＭＧ、ＴＭＡ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ２Ｍｇ）及びＮＨ３を供給し、発光層２０上に２０ｎｍ厚のｐ型ＡｌＧａＮ層２１（ＥＢＬ）を形成した。その後、ＭＯ材料の供給を停止した。
次に基板の温度を１０００℃から１１００℃に上昇し、基板温度の安定化をはかった（キャリアガスはＨ２）。ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇ及びＮＨ３を供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１上にＭｇドープｐ型ＧａＮ層２３を７２ｎｍ形成した。
続けて、ＴＭＧ、Ｃｐ２Ｍｇの流量を変更し、ｐ−ＧａＮ層上にＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層２５を１０ｎｍ形成した。なお、Ｍｇ濃度の関係は、ｐ型ＧａＮ層２３の方がｐ型ＧａＮコンタクト層２５よりも低い。その後、ＭＯ材料の供給を停止した。
キャリアガスをＨ２からＮ２に変更し、ＮＨ３の供給を継続しながら基板の温度を１１００℃から室温までゆっくり降温した。降温後、成長ウエハを取り出した。このようにして、半導体積層構造体２９を製造した。
[素子化工程]
半導体積層構造体２９を用いて、素子化工程（ステップＳ１５）によってＶＣＳＥＬ素子１０を製造した。
ｐ型ＧａＮコンタクト層２５まで成長した半導体積層構造体２９の上記成長ウエハを有機洗浄した後、急速熱処理（以下、ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）装置にて熱処理を行った。これによって、ｐ型半導体層２７の各層（ｐ型ＡｌＧａＮ層２１
ｐ型ＧａＮ層２３及びｐ型ＧａＮコンタクト層２５）の水素脱離を実施してｐ型ドーパントであるＭｇを活性化させた。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、フォトレジストによりメサパターンを形成し、ドライエッチングにて、メサ構造を形成しつつ、このメサ構造の周りにｎ型半導体層１７（高温ｎ−ＧａＮ層）が部分的に露出した露出部１７Ｅ（図１参照）を形成した。その後、フォトレジストを除去した。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、スパッタにて絶縁膜３３をメサ構造及び露出部１７Ｅ上に１５０ｎｍ形成した。絶縁膜３３には酸化シリコン（以下、ＳｉＯ２）を用いた。再び成長ウエハを有機洗浄した後、フォトレジストにてパターンを形成し、バッファードフッ酸（以下、ＢＨＦ）にてエッチング処理し、メサ構造上の絶縁膜３３に光の出射開口部として開口部ＯＰを形成した。その後、フォトレジストを除去した。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、アンモニア水にて前処理を実施した。純水での洗浄、乾燥の後、スパッタにて透光性電極３５（ｐ側オーミック層）を約１７ｎｍ形成した。ｐ側オーミック層には酸化インジウムスズ（以下、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）を用いた。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、フォトレジストにてパターンを形成し、混酸にてＩＴＯをエッチング処理し、メサ構造上の絶縁膜３３と開口部に露出したコンタクト層との上に透光性電極３５を形成した。その後、フォトレジストを除去し、ＲＴＡにて熱処理を行い、ＩＴＯの透明化と導電性向上を図った。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、フォトレジストにてパターンを形成し、純水で洗浄し、乾燥した。次に、電子ビーム（以下、ＥＢ）蒸着にて、透明電極上に開口部を覆わないｐ側メタル層（ｐ電極３９）を約３００ｎｍ形成した。ｐ側メタル層には白金（以下、Ｐｔ）、金（以下、Ａｕ）、チタン（以下、Ｔｉ）の積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフした後、フォトレジストを除去した。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、フォトレジストにてｎ電極パターンを形成し、純水で洗浄し、乾燥した。次に、ＥＢ蒸着にて、高温ｎ−ＧａＮ層（ｎ型半導体層１７）が部分的に露出した露出部に電気的に接続されたｎ電極３１を約７００ｎｍ形成した。ｎ電極にはＴｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕの積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフした後、フォトレジストを除去した。
再び成長ウエハを有機洗浄し乾燥した。次に、ＥＢ蒸着にて、透光性電極３５上に第２の反射鏡としての誘電体多層膜３７（誘電体多層膜ミラー、以下、誘電体ＤＢＲとも称する）１０．５ペア（約１３００ｎｍ）を形成した。誘電体ＤＢＲには酸化ニオブ（以下、Ｎｂ２Ｏ５、膜厚約４５ｎｍ）とＳｉＯ２（膜厚約７６ｎｍ）の積層体を用いた。次にフォトレジストにて誘電体ＤＢＲパターンを形成し、純水での洗浄、乾燥した。次にドライエッチング装置にて誘電体ＤＢＲの不要部分（ｐ電極上、ｎ電極上）をエッチング除去した。最後に薬品にてフォトレジストを除去した。最初のＮｂ２Ｏ５層の厚みは約３７．５ｎｍとし、透光性電極３５の約１７ｎｍと合わせて波長４４５ｎｍに対して０．３波長分（0.3λ）を占めている。
上記した半導体積層構造体２９では、波長４４５ｎｍにおいて、３ペア目の井戸層の中心から半導体ＤＢＲの最終のＧａＮ層（半導体ＤＢＲ最終層）までが４．０波長分（4.0λ）、同中心からコンタクト層までが０．７波長分（0.7λ）となり、半導体ＤＢＲ（半導体多層膜１５）の最終のＧａＮ層（半導体ＤＢＲ最終層）からｐ型ＧａＮコンタクト層２５までで４．７波長分（4.7λ）の膜厚となっている。透光性電極３５と誘電体ＤＢＲの第１の層で残りの０．３波長分（0.3λ）を使用し、共振器長は５λとなっている。
なお、発振波長４４５ｎｍ、共振器長を当該波長の５倍（5λ）とした例について説明したが、これに限られない。発光波長を変化させた場合、積層する総膜厚は変化する。また、設計の共振器長も任意であるため、発振波長の整数倍であれば５倍に限定されない。
再び成長ウエハを有機洗浄した後、フォトレジストにてパターンを形成し、純水で洗浄し、乾燥した。次に、ＥＢ蒸着にて、ｐ電極に電気的に接続された更なるｐ側メタル層（図示せず）を約２２００ｎｍ形成した。ｐ電極（ｐパッド層）にはＴｉ、Ｐｔ、Ａｕの積層体を用いた。次に薬品にてリフトオフし、フォトレジストを除去した。このようにして、図１に示したＶＣＳＥＬ素子１０を製造した。
[評価]
上記した製造方法によって製造した半導体積層構造体２９に関して、半導体多層膜１５の最上層であるＧａＮ層（最終ＧａＮ層）１５Ｂであるの表面の平坦性及び組成に関する評価を行った。具体的には、実施例に対応する評価サンプルとして、図６に示した最終ＧａＮ層の成長ステップ（Ｔ＝Ｔ８〜Ｔ９）の後、基板温度ＴＰ３に昇温する昇温ステップ（Ｔ９〜Ｔ１０）を行った後に反応炉内から取り出したウェハについて評価した。当該昇温ステップにおいて、図６に示したように、キャリアガスを窒素ガスとし、窒素源ガスとしてアンモニアガスを供給しつつ昇温した。
比較サンプル１は、最終ＧａＮ層１５Ｂの成長ステップ（Ｔ＝Ｔ８〜Ｔ９）の後、上記の昇温ステップ（図６、Ｔ９〜Ｔ１０）において、キャリアガスを水素ガスとし、その余の点については評価サンプルと同様に処理したウェハである。当該比較サンプル１について、評価サンプルと同様に評価した。
比較サンプル２は、最終ＧａＮ層１５Ｂの成長ステップ（Ｔ＝Ｔ８〜Ｔ９）の後、昇温ステップ（図６、Ｔ９〜Ｔ１０）を行わずに反応炉内から取り出したウェハについて、評価サンプルと同様に平坦性の確認を行った。
平坦性の確認のため、走査型ブローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscopy：SPM）により表面粗さ(Root-Mean-Square : RMS)を測定した。図９は、評価サンプルのＳＰＭ画像を示す。図９より、最終ＧａＮ層１５Ｂの平滑な表面が得られていることがわかる。
評価サンプルの表面粗さはＲｍｓ０．４９ｎｍであった。
図１０は、比較サンプル１のＳＰＭ画像を示す。図１０において、評価サンプルの場合と比較して、比較サンプル１では、最終ＧａＮ層１５Ｂの表面粗さが大きい傾向が現れている。比較サンプル１の表面粗さは、Ｒｍｓ４．１ｎｍであった。なお、比較サンプル２の表面粗さはＲｍｓ０．４９ｎｍであった（図示せず）。
評価サンプルでは、比較サンプル２の表面粗さ（Ｒｍｓ０．４９ｎｍ）、すなわち昇温ステップ前の表面粗さを維持していた。これに対して、比較サンプル１では、表面粗さが評価サンプル及び比較サンプル２と比較して大きくなっていた。また、比較サンプル１では、最終ＧａＮ層１５Ｂの膜厚が減少する傾向がみられた。例えば、最終ＧａＮ層１５の膜厚のうち３８％程度減少した。
これらの結果より、最終ＧａＮ層１５Ｂの形成後、ｎＧａＮ層１７の成長温度まで昇温する昇温ステップにおけるキャリアガスのガス種の違いが表面粗さに影響することが示唆された。
比較サンプル１では、上記したように、アンモニアガスの供給を継続し、キャリアガスを水素ガスとして昇温ステップを実行した。キャリアガスを水素ガスとすることでｎＧａＮ層１７がエッチングされ、表面荒れ及び膜厚の低下が発生したと考えられる。
より詳細には、昇温ステップ中に、最終ＧａＮ層１５Ｂの表面が水素ガス雰囲気に曝されることで、最終ＧａＮ層１５Ｂ中の窒素原子が水素ガスと結合し、最終ＧａＮ層１５Ｂから脱離することが考えられる。また、この影響により、ＧａＮが分解し、ＧａＮの結晶性が低下することも考えられる。
これに対して、評価サンプルでは、上記したように、アンモニアガスの供給を継続し、キャリアガスを窒素ガスとして昇温ステップを実行した。キャリアガスを窒素ガスとすることでｎＧａＮ層１７のエッチングが抑制され、表面荒れ及び膜厚の減少が抑制されたと考えられる。より詳細には、昇温ステップ中の反応炉内を窒素ガス雰囲気とすることで、最終ＧａＮ層１５Ｂからの窒素原子の脱離及びＧａＮの分解を防止することができたと推測される。
また、評価サンプルでは、昇温ステップ中に、ＧａＮ層の窒素源となるアンモニアガスを供給していることで、窒素原子の脱離が僅かに起こったとしても、アンモニアガスによって窒素原子を補うことができ、ＧａＮ層からの窒素原子の脱離を抑制することができると考えられる。
従って、本実施例の製造方法によれば、最終ＧａＮ層１５Ｂの平坦性が高い半導体多層膜１５を製造することができ、半導体多層膜１５の半導体ＤＢＲとしての平滑な反射面が得られる。また、最終ＧａＮ層１５Ｂのエッチングが抑制されることで、設計通りの膜厚で半導体多層膜１５を製造することができ、設計通りの高い反射特性を有する半導体ＤＢＲを得ることができる。
さらに、最終ＧａＮ層１５Ｂの平坦性の向上により、半導体多層膜１５上に積層されるｎＧａＮ層１７、発光層２０、ｐ型半導体層２７及び誘電体多層膜３７の平坦性も向上させることができる。
図１１は、上記の比較サンプル１のウェハについて、最終ＧａＮ層１５ＢとｎＧａＮ層１７との界面付近の二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）による組成分析結果を示すグラフである。
図１１に示すように、ｎＧａＮ層１７と最終ＧａＮ層１５Ｂとの界面近傍に、アルミニウム（Ａｌ）のピークが現れている。当該アルミニウムのピークは、ＩｎＡｌＮ層１５Ａに含まれるアルミニウムが拡散したことによるものと考えられる。
上記したように、比較サンプル１では、ｎＧａＮ層１７の成長温度まで昇温する昇温ステップ中に、最終ＧａＮ層１５Ｂの膜厚が減少した。これによって、当該昇温ステップにおいて、ＩｎＡｌＮ層１５Ａが高温に曝される時間が長いことが、アルミニウムの拡散の原因の１つと考えられる。
また、比較サンプル１では、昇温ステップ中の水素雰囲気下における窒素原子の脱離が起こり易く、ＧａＮの結晶性が低下したことにより、アルミニウムが拡散し易くなったことも考えられる。
このように、最終ＧａＮ層１５Ｂは、最終ＧａＮ層１５Ｂ中にアルミニウムを含んでいることから、設計通りのＧａＮ層１５Ｂの組成となっていないことが示唆される。
図１２は、上記の評価サンプルのウェハについて、最終ＧａＮ層１５ＢとｎＧａＮ層１７との界面付近のＳＩＭＳ分析結果を示すグラフである。図１２に示すように、最終ＧａＮ層１５Ｂに、図１１にみられたようなアルミニウム（Ａｌ）のピークは現れていない。
最終ＧａＮ層１５Ｂには、ＩｎＡｌＮ層１５Ａに含まれるアルミニウムが拡散していないと考えられる。従って、最終ＧａＮ層１５Ｂは、ＩｎＡｌＮ層１５Ａ由来のアルミニウムを含まないといえる。また、最終ＧａＮ層１５Ｂは、ｎＧａＮ層１７に面する表面近傍の領域においてアルミニウムを含まないことがわかる。
上記したように、評価サンプルでは、昇温ステップ中に、最終ＧａＮ層１５Ｂの膜厚減少は抑制された。当該昇温ステップ中に膜厚が減少しないことで、ＩｎＡｌＮ層１５Ａが高温に曝され難くなったことも、アルミニウムの拡散が抑制された要因の１つと推測される。
また、評価サンプルでは、昇温ステップ中の窒素原子の脱離が起こり難く、最終ＧａＮ層１５Ｂの結晶性が維持されることにより、アルミニウムの拡散が抑制されたと考えられる。
従って、上記の昇温ステップ中にキャリアガスを窒素ガスとし、窒素源ガスの供給を継続することで、最終ＧａＮ層１５Ｂの１つ下の層からの元素の拡散を抑制することができる。
なお、上記の昇温ステップ中に、窒素源としてアンモニアガスを使用する例について説明したが、これに限られず、ＧａＮ層から窒素原子が脱離した際に、窒素原子を補うことができるガス種であればよい。例えば、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ２）等の窒素源ガスであってもよい。
以上、詳細に説明したように、本発明の製造方法によれば、半導体多層膜１５の最終ＧａＮ層１５Ｂが昇温ステップを経ても、最終ＧａＮ層１５Ｂの平滑な表面を得ることができ、設計通りの膜厚、設計通りの組成で最終ＧａＮ層１５Ｂを形成することができる。これによって、平滑性の高い反射面を有し、設計通りの膜厚及び組成を有する半導体多層膜ミラーを製造することができる。当該半導体多層膜ミラー上にｎＧａＮ層１７、発光層２０及びｐ型半導体層２７を形成することで、平滑性の高い半導体積層構造体２９を得ることができる。従って、半導体多層膜ミラー反射率の制御性が良く、高い歩留まりで半導体積層構造体を製造することができる。
また、本発明の製造方法によれば、当該半導体積層構造体２９上に誘電体多層膜３７を形成することで、平滑性の高い反射面を有し、設計通りの膜厚及び組成を有する半導体多層膜ミラーを含むＶＣＳＥＬ素子を製造することができる。従って、半導体多層膜反射鏡を用いて、光のミラー損失が少なく、高輝度かつ光取り出し効率の高い垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供することができる。
上述した実施例及び製造方法における構成は例示に過ぎず、用途等に応じて適宜変更可能である。
１０ ＶＣＳＥＬ素子
１１ 基板
１３ 下地層
１５ 半導体多層膜
１７ ｎ型半導体層
１７Ｅ 露出部
２１ ｐ型ＡｌＧａＮ層
２３ ｐ型ＧａＮ層
２５ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２７ ｐ型半導体層
３１ ｎ電極
３３ 絶縁膜
３５ 透光性電極
３７ 誘電体多層膜
３９ ｐ電極

Claims (8)

  1. 有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、半導体積層構造体を製造する製造方法であって、
    ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返して半導体多層膜を形成するステップと、
    前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、
    前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１のＧａＮ層上に第２のＧａＮ層を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、
    を含むことを特徴とする半導体積層構造体の製造方法。
  2. 前記第２ＧａＮ層成長ステップにおいて、窒素ガスの供給を停止し、水素ガスを供給し、前記ｎ型ドーパントの材料ガスとしてシリコン含有ガスを供給し、かつ、前記窒素源ガスの供給を継続しつつガリウムの材料ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の半導体積層構造体の製造方法。
  3. 前記第２ＧａＮ層成長ステップにおいて、水素ガスの供給を開始し、その後にガリウムの材料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体積層構造体の製造方法。
  4. 前記窒素源ガスはアンモニアガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体積層構造体の製造方法。
  5. 垂直共振器型発光素子を製造する方法であって、
    有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、
    ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返し、半導体多層膜を形成して第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、
    前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、
    前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材料ガスを供給しつつ前記第１のＧａＮ層上に第２のＧａＮ層を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、
    前記第２のＧａＮ層上に発光層を形成するステップと、
    前記発光層上に、ｐ型の導電型を有する少なくとも１つの半導体層を形成するステップと、
    前記少なくとも１つの半導体層上に前記半導体多層膜に対向する第２の多層膜反射鏡を形成するステップと、
    を有することを特徴とする垂直共振器型発光素子の製造方法。
  6. ＩｎＡｌＮ層及び第１のＧａＮ層が交互に複数回繰り返し積層された第１の多層膜反射鏡と、
    前記第１の多層膜反射鏡の最上層の前記第１のＧａＮ層である最終ＧａＮ層上に形成され、ｎ型のドーパントを含む第２のＧａＮ層と、
    前記第２のＧａＮ層上に形成された発光層と、
    前記発光層上に形成され、ｐ型の導電型を有する少なくとも１つの半導体層と、
    前記少なくとも１つの半導体層上に形成され、前記第１の多層膜反射鏡に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、を含み、
    前記最終ＧａＮ層は、前記第２のＧａＮ層に面する表面近傍の領域においてアルミニウムを含まないことを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  7. 有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、
    ＩｎＡｌＮ層を成長させるＩｎＡｌＮ層成長ステップ及び前記ＩｎＡｌＮ層上に第１の成長温度で第１のＧａＮ層を成長させる第１ＧａＮ層成長ステップを複数回繰り返し、半導体多層膜を形成して第１の多層膜反射鏡を形成するステップと、
    前記半導体多層膜の形成後、窒素源ガス及び窒素ガスを供給しつつ前記第１の成長温度よりも高い温度である第２の成長温度まで昇温する昇温ステップと、
    前記昇温ステップの実行後、ｎ型ドーパントの材量ガスを供給しつつ前記第１のＧａＮ層上に第２のＧａＮ層を成長させる第２ＧａＮ層成長ステップと、
    を含む方法により製造されたｎ型半導体積層体と、
    前記第２のＧａＮ層上に形成された発光層と、
    前記発光層上に形成され、ｐ型の導電型を有する少なくとも１つの半導体層と、
    前記少なくとも１つの半導体層上に形成され、前記半導体多層膜に対向する位置に設けられた第２の多層膜反射鏡と、
    を含むことを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  8. 前記第１の多層膜反射鏡の最上層として形成された前記第１のＧａＮ層は、前記ＩｎＡｌＮ層由来のアルミニウムを含まないことを特徴とする請求項６に記載の垂直共振器型発光素子。

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