JP2021036553A - 窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の品質が良好な窒化物半導体発光素子及びそ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は、窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層１４を備えた窒化物半導体発光素子であって、トンネル接合層１４を形成するためにｐ型不純物が添加されたｐ++型ＧａＮ層１４Ａと、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａの表面に積層され、トンネル接合層１４を形成するためにｎ型不純物が添加されたｎ++型ＧａＮ層１４Ｂとが積層された積層部１５を有し、積層部１５は部分的に高抵抗化された高抵抗化部１４Ｃを具備している。【選択図】図１

Description

本発明は窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものである。

特許文献１は従来の窒化物半導体発光素子を開示している。この窒化物半導体発光素子は活性層の表面側に積層されたｐ型半導体層の表面側にトンネル接合層が積層され形成されており、電流を流したい領域（第１メサ）のみを残してトンネル接合層がエッチングで除去されている。そして、この窒化物半導体発光素子は、第１メサを埋め込むようにさらに結晶成長させている。

特開２０１７−９２１５８号公報

こうして形成した窒化物半導体発光素子は、第１メサと第１メサの周囲とで段差が形成されることになる。この段差は、赤色や赤外等の長波長領域（１〜２μｍ）では光を閉じ込めるように機能するが、青色や紫外等の短波長領域（０．５μｍ以下）では光を散乱させてしまう。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、トンネル接合を用いた電流狭窄構造を採用しつつ、短波長領域の発光波長の光を散乱させることがない窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを解決すべき課題としている。

第１発明の窒化物半導体発光素子は、
窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記トンネル接合層を形成するためにｐ型不純物が添加されたｐ型層と、前記ｐ型層の表面に積層され、前記トンネル接合層を形成するためにｎ型不純物が添加されたｎ型層とが積層された積層部を有し、
前記積層部は部分的に高抵抗化された高抵抗化部を具備していることを特徴とする。

第２発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、
基板の表面に窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
トンネル接合層を形成するためにｐ型不純物を添加したｐ型層を形成するｐ型層形成工程と、
前記ｐ型層形成工程を実行後、前記ｐ型層の表面側に、トンネル接合層を形成するためにｎ型不純物を添加したｎ型層を積層して前記ｐ型層と共に積層部を形成するｎ型層形成工程と、を備え、
少なくとも前記ｐ型層形成工程の後に実行され、前記ｎ型層が積層された前記積層部が部分的に高抵抗化された高抵抗化部を形成する高抵抗化部形成工程を備える。

この窒化物半導体発光素子は積層部を部分的に高抵抗化した高抵抗化部を具備することによって、積層部を部分的にエッチングして電流を狭窄する方法に比べて、少ない段差で電流を狭窄させることができる、すなわち、段差における光散乱を抑制し、光損失を最小限に抑えることができる。

したがって、本発明の窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合を用いた電流狭窄構造を採用しつつ、短波長領域の発光波長の光の散乱を抑えることができる。

図１は、実施例１〜３の窒化物半導体発光素子の層の構造を示す模式図である。 図２は、実施例１〜３及び比較例１の窒化物半導体発光素子の電流−電圧特性を示す図である。 図３は、実施例４の窒化物半導体発光素子の層の構造を示す模式図である。 （Ａ）は、実施例４の窒化物半導体発光素子の活性層が発光する光の強度を示し、（Ｂ）は、実施例４の窒化物半導体発光素子の活性層が発光した様子を上方から見た画像を示す。 図５は、実施例５の窒化物半導体発光素子の層の構造を示す模式図である。

本発明における好ましい実施の形態を説明する。

第１発明の窒化物半導体発光素子の積層部の表面側には電流を供給する電極が積層され、高抵抗化部が少なくとも電極の直下に配置されてもよい。
この構成によれば、電極が積層される部分の直下に高抵抗化部を配置することによって、電極の直下に位置する活性層に電流が流れることを抑えることができるため、電極の直下で発光することがない。つまり、電極は生じた光の進路を妨げることがない。

第１発明の窒化物半導体発光素子の積層部は、高抵抗化されていない非高抵抗化部を有し、高抵抗化部の厚さと非高抵抗化部の厚さとが等しい、又は高抵抗化部の厚さが非高抵抗化部の厚さよりも薄くてもよい。
この構成によれば、高抵抗化部及び非高抵抗化部の厚さの差を抑え得るため、高抵抗化部及び非高抵抗化部の厚さの差によって生じる青色や紫外等の比較的短い波長の光の散乱を抑えることができる。

第２発明の窒化物半導体発光素子の製造方法の高抵抗化部形成工程は、プラズマを照射することによって高抵抗化してもよい。
この構成によれば、高抵抗化部形成工程では、積層部においてプラズマを照射してｐ型不純物及びｎ型不純物を不活性化することによって高抵抗化部を形成する。このため積層部の厚みが薄くなり難いため、積層部の全体にわたってほぼ同様の厚みにすることができ、青色や紫外等の比較的短い波長の光が積層部によって散乱し難くすることができる。

次に、本発明の窒化物半導体発光素子とその製造方法を具体化した実施例１〜５について、図面を参照しつつ説明する。

＜実施例１〜３、比較例１＞
〔電流狭窄構造の概要〕
一般的に半導体発光素子の上側と下側とに金属の電極を設けて半導体発光素子を上下方向に貫通するように電流を流すと電流の大部分は電極の直下に向けて流れる。このため、半導体発光素子は電流が流れることによって生じた光の大部分が電極に遮られ、発光した光を素子の外に有効に取り出すことができない。このため、面発光レーザやマイクロＬＥＤを実現するために、素子に電流が流れやすい領域（以下、非高抵抗化部ともいう）と、その周囲に電流の流れにくい領域（以下、高抵抗化部ともいう）とを設けて、素子の周囲から素子の内方向に電流が流れる電流狭窄構造を形成する必要がある。

そこで、半導体発光素子にリング状をなした電極（以下、リング状の電極ともいう）を設け、この電極の内側に集まるように電流を流し、半導体発光素子内部に流れるようにすることが行われている。詳しくは、リング状の電極の内側に相対的に小さい電気抵抗を有する部分（非高抵抗化部）を形成し、リング状の電極の直下及び外側に相対的に大きい電気抵抗を有する部分（高抵抗化部）を形成する。すると、リング状の電極の内側に集まるように電流が流れ、この電流が半導体発光素子内部に設けられた活性層に向けて流れて半導体発光素子の活性層で発光する。こうして、半導体発光素子の活性層で発光した光は電極に遮られることなく素子の外に取り出すことができる。

〔トンネル接合の概要〕
通常のｐｎ接合はダイオード特性によりｐ型半導体層及びｎ型半導体層を挟み逆バイアス電圧を印加しても電流が流れない。これに対して、トンネル接合はｐ型半導体層及びｎ型半導体層を挟み逆バイアス電圧を印加すると電流が流れる。詳しくは、トンネル接合は通常のｐｎ接合に比べてｐ型半導体層及びｎ型半導体層のそれぞれにｐ型不純物及びｎ型不純物が高濃度に添加されたｐｎ接合である。これによって、トンネル接合は、通常のｐｎ接合に比べてｐ型半導体層とｎ型半導体層との界面近傍に形成される空乏層の層厚が薄くなり、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層を挟み逆バイアス電圧を印加するとキャリア（電子及びホール（正孔））が空乏層を通り抜ける（トンネルする）ことができる。つまり、トンネル接合はｎ型半導体層からｐ型半導体層に向けて電流を流すことができる。

〔トンネル接合を用いた電流狭窄構造の概要〕
逆バイアス電圧を印加した際のトンネル接合及び通常のｐｎ接合のそれぞれの特性の違いを利用して、電流が集まる電流狭窄構造を実現する方法の概要を説明する。先ず、半導体発光素子の電流を流したい領域にトンネル接合を形成して、電流を流したくない領域に通常のｐｎ接合を形成する。これにより、トンネル接合及び通常のｐｎ接合が形成された半導体発光素子に逆バイアス電圧を印加すると、通常のｐｎ接合が形成された領域に電流が流れず、トンネル接合が形成された領域に電流が流れる。こうして、トンネル接合及び通常のｐｎ接合を利用して電流狭窄構造を実現することができる。トンネル接合及び通常のｐｎ接合を利用して電流狭窄構造を実現する方法を埋め込みトンネル接合という。

実際の形成方法について概要を説明する。先ず、ｎ型半導体層、活性層、及びｐ型半導体層（これらの層はＬＥＤや面発光レーザ等の光デバイス層構造である）を積層して結晶成長で形成する。次に、トンネル接合層を結晶成長で形成する。詳しくは、ｐ型不純物を高濃度に添加したｐ型層であるｐ++型半導体層（ｐ++とはＭｇ等のｐ型不純物が高濃度に添加された状態を意味する。以下同じ）及びｎ型不純物を高濃度に添加したｎ型層であるｎ++型半導体層（ｎ++とはＳｉ等のｎ型不純物が高濃度に添加された状態を意味する。以下同じ）を積層して結晶成長で形成する。

そして一旦、基板（ウエハともいう）を有機金属化合物気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置（以下、単にＭＯＶＰＥ装置ともいう）から取り出してプラズマエッチング装置等のプラズマの照射が可能なプラズマ照射装置に投入して、基板の表面にプラズマを照射する。詳しくは、電流を流したい領域のトンネル接合層の表面のみをＳｉＯ₂等で形成されたマスク（以下、単にマスクともいう）で覆い、電流を流したくない領域のトンネル接合層にプラズマ化したＡｒを所定の時間照射する。これにより、プラズマ化したＡｒが照射された領域が高抵抗化して高抵抗化部になる。マスクに覆われたトンネル接合層の領域は高抵抗化することがなく非高抵抗化部になる。こうして高抵抗化部形成工程を実行する。

そして、マスクを除去した後、再び基板を結晶成長装置に投入しｎ型半導体層を積層して結晶成長する。詳しくは、トンネル接合層の表面、及びプラズマ化したＡｒを照射したトンネル接合層の表面にｎ型半導体層を積層して結晶成長して形成する。つまり、トンネル接合層をｎ型半導体層で埋め込む。そして、電流注入する電極を設ける。こうして形成された半導体発光素子の電極に逆バイアス電圧を印加すると高抵抗化部では電流が流れず、非高抵抗化部ではｎ側半導体層からｐ型半導体層へ電流が流れる。こうして、トンネル接合及び高抵抗化部を利用して電流狭窄構造を実現することができる。

〔実施例１〜３、比較例１の構成〕
プラズマ化したＡｒを照射した場合におけるトンネル接合層の特性について検証するため、実施例１〜３の窒化物半導体発光素子のサンプル（以下、実施例１〜３のサンプルともいう）及び比較例１の窒化物半導体素子のサンプル（以下、比較例１のサンプルともいう）を作製した。実施例１〜３のサンプルは、図１に示すように、ｎ型ＧａＮ層１０、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層１１、ｐ型半導体層であるｐ型ＧａＮ層１２、トンネル接合層１４、及びｎ型ＧａＮ電流拡散層１６を備えている。実施例１〜３のサンプルは基板の表面に窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層１４を備えた窒化物半導体発光素子である。

〔実施例１〜３、比較例１のサンプルの製造方法〕
次に、実施例１〜３のサンプル、及び比較例１のサンプルの製造方法について説明する。先ず、素子構造を形成するために、Ｃ面サファイア基板Ｓ上に、低温バッファ層（図示せず）、２μｍのアンドープＧａＮ層（図示せず）、２μｍのｎ型ＧａＮ層１０（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）、発光波長４１０ｎｍのＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層１１、２０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮ層（Ｍｇの添加濃度：３×１０^１９ｃｍ^−３）（図示せず）、１００ｎｍの厚みのｐ型ＧａＮ層１２（Ｍｇの添加濃度：３×１０^１９ｃｍ^−３）をＭＯＶＰＥ装置にてエピタキシャル成長する。

トンネル接合による正孔注入構造を有する従来の素子構造では、この後に引き続き、トンネル接合層１４である１０ｎｍの厚みのｐ++型ＧａＮ層１４Ａ（Ｍｇの添加濃度：３×１０^２０ｃｍ^−３）、１５ｎｍの厚みのｎ++型ＧａＮ層１４Ｂ（Ｓｉの添加濃度：６×１０^２０ｃｍ^−３）、さらに４００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ電流拡散層１６（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）、１０ｎｍの厚みのｎ++型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉの添加濃度：１×１０^２０ｃｍ^−３）（図示せず）を成長して素子層構造形成を終了する。比較例１のサンプルはこの従来の素子構造を有するように作製した。

これに対して、実施例１〜３では、トンネル接合層１４を形成するためにｐ型不純物を添加したｐ++型ＧａＮ層１４Ａを形成するｐ型層形成工程を実行した後、高抵抗化部形成工程を実行する。具体的には、ｐ型層形成工程を実行してトンネル接合層１４の一部であるｐ++型ＧａＮ層１４Ａを１０ｎｍの厚み積層したところでエピタキシャル成長を終了し、ＭＯＶＰＥ装置からウエハを取り出す。そして、誘導結合プラズマエッチング装置等を流用したプラズマ照射装置にウエハを投入し、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａの表面Ｓｆの全体にプラズマ化したＡｒを２分照射する。プラズマ化したＡｒの照射条件は、Ａｒのガス流量を５０ｓｃｃｍ、アンテナ電力を１０００Ｗとして、バイアス電力を１００Ｗ、１２５Ｗ、１５０Ｗの３種類に変化させて実施例１、２、３の３種類のサンプルを作成した。バイアス電力が１００Ｗの場合（バイアス電圧がアンテナ電力（１０００Ｗ）に対して比較的低い場合）には、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａはエッチングされないことがわかった（図示せず。）。一方、１２５Ｗ、１５０Ｗの場合には、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａがわずかにエッチングされることがわかった。いずれにせよ、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａはウエハ全面にわたって存在しつつ、かつ高抵抗化部１４Ｃになる。つまり、高抵抗化部形成工程は、プラズマを照射することによってトンネル接合層１４の一部を高抵抗化する。

高抵抗化部形成工程を実行した後、ウエハを再びＭＯＶＰＥ装置に投入し、ｎ型層形成工程を実行する。具体的には、ｎ型層形成工程は、ｐ型層形成工程を実行後、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａの表面側に、トンネル接合層１４を形成するためにｎ型不純物を添加したｎ++型ＧａＮ層１４Ｂ（すなわち、トンネル接合層１４の残りの構成）を積層してｐ型層と共に積層部１５を形成する。積層部１５はトンネル接合層１４を形成するために、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａと、ｎ++型ＧａＮ層１４Ｂとを積層したものである。そして、４００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ電流拡散層１６、１０ｎｍの厚みのｎ++型ＧａＮコンタクト層（図示せず）をエピタキシャル成長して素子層構造の形成を終了する。ここで、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａはトンネル接合層１４を形成するためにｐ型不純物が添加されている。ｎ++型ＧａＮ層１４Ｂはｐ++型ＧａＮ層１４Ａの表面に積層されトンネル接合層１４を形成するためにｎ型不純物が添加されている。トンネル接合層１４はｐ++型ＧａＮ層１４Ａと、ｎ++型ＧａＮ層１４Ｂとが積層された積層部１５である。積層部１５は高抵抗化された高抵抗化部１４Ｃを具備している。

ウエハをＭＯＶＰＥ装置から取り出し、ｎ型ＧａＮ層１０の表面が露出するようにエッチングを施して、半径およそ３５μｍのメサ構造を形成する。この工程は、後述する下部電極Ｅ１を形成するための領域（露出したｎ型ＧａＮ層１０の表面）を確保するためのものである。

そして、埋め込まれた各ｐ型層（ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層１２、ｐ++型ＧａＮ層１４Ａ）のＭｇの活性化を行うために、窒素雰囲気下でサーマルアニール（７２５℃、３０分間）を行い、ｐ型ＧａＮ層１２等の各ｐ型層のメサ側壁領域から水素を脱離させ、ｐ型層としての電気伝導性を向上させてｐ型層として機能するようにさせる。そして、ｎ型ＧａＮ層１０の表面、及びｎ++型ＧａＮコンタクト層の表面の各々にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕで形成されたリング状の下部電極Ｅ１、及びリング状の上部電極Ｅ２を蒸着させて素子構造が完成する。なお、必要に応じて、ＳｉＯ₂等で形成された絶縁層を用いてパッド電極を設けても良い。積層部１５の表面側には電流を供給する上部電極Ｅ２が積層され、高抵抗化部１４Ｃが少なくとも上部電極Ｅ２の直下に配置されている。こうして実施例１〜３のサンプルを作製した。

〔実施例１〜３、及び比較例１のサンプルの電流・電圧特性の比較〕
これら４つのサンプル（実施例１〜３、及び比較例１）の電流・電圧特性を図２に示す。高抵抗化部形成工程を実行した実施例１のサンプルは、電流が流れ始める立ち上がり電圧が６Ｖ以上となる。具体的には、実施例１のサンプルは電圧がおよそ６Ｖで電流が流れ始め、実施例２のサンプルはおよそ８Ｖで電流が流れ始め、実施例３のサンプルはおよそ１０Ｖで電流が流れ始める。実施例１のサンプルは１０Ｖを超えたところで１０ｋＡ／ｃｍ^２の電流密度になる。実施例１、２、３のサンプルにおける電流・電圧特性から、バイアス電力（１００Ｗ、１２５Ｗ、１５０Ｗ）が大きくなるにしたがって、電流が流れ難くなっていることがわかる。したがって、バイアス電力（１００Ｗ、１２５Ｗ、１５０Ｗ）が大きくなるにしたがって、高抵抗化部１４Ｃがより大きい抵抗値を示すようになる。これに対して、比較例１のサンプルはおよそ６Ｖでおよそ１０ｋＡ／ｃｍ^２の高い密度で電流が流れている。つまり、比較例１のサンプルは６Ｖで１０ｋＡ／ｃｍ^２の高い密度で電流が流れるのに対して、実施例１のサンプルはおよそ６Ｖでようやく電流が流れ始めるのである。

従来、トンネル接合層を用いた電流狭窄構造では、電流注入を阻止したい領域のトンネル接合全層をエッチングして除去（すなわち、エッチングによりトンネル接合部を削り取る）していた。これに対して、プラズマ化したＡｒを照射することによってトンネル接合層１４自体を高抵抗化する手法は、大きな段差を形成する（すなわち、エッチングによりトンネル接合部を削り取る）ことなくトンネル接合層１４を高抵抗化して高抵抗化部１４Ｃを介してＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層１１に電流注入することを阻止することができる。特にバイアス電力が１２５Ｗ以下（実施例１、２）の場合、電流を流さない作用を確実に発揮する高抵抗化部１４Ｃが得られると共に、プラズマ化したＡｒの照射によってトンネル接合層１４（ｐ++型ＧａＮ層１４Ａ）が削り取られることがほとんどない。つまり、窒化物半導体発光素子に段差が生じることを抑え、青色や紫外等の発光波長における光散乱によるロスを抑制する観点から、高抵抗化部形成工程において、プラズマ照射装置におけるバイアス電力を１２５Ｗ以下にしてプラズマ化したＡｒを照射することがより好ましい。

＜実施例４＞
実施例４は、非高抵抗化部を有する領域と、それを一部高抵抗化させた領域とを組み合わせることによって、所望の領域のみに電流を注入することができる電流狭窄構造を有するＬＥＤである。

実施例４の窒化物半導体発光素子のサンプル（以下、実施例４のサンプルともいう）の製造方法について説明する。実施例４のサンプルは実施例１〜３の窒化物半導体発光素子のサンプルと同様に、図３に示すように、ＭＯＶＰＥ装置を用いてＬＥＤ層構造（ｎ型ＧａＮ層１１０（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）、ＧａＩｎＮ層多重量子井戸活性層１１１、及びｐ型ＧａＮ層１１２（Ｍｇの添加濃度：３×１０^１９ｃｍ^−３））をエピタキシャル成長させる。次に、ｐ型層形成工程を実行して、ｐ型ＧａＮ層１１２の表面にトンネル接合層１１４の一部であるｐ++型ＧａＮ層１１４Ａ（Ｍｇの添加濃度：３×１０^２０ｃｍ^−３）をエピタキシャル成長させる。

次に、高抵抗化部形成工程を実行する。具体的には、先ず、フォトリソグラフィを用いて、電流を流したい部分にのみ１００ｎｍの厚みのＳｉＯ₂によるマスク（以下、ＳｉＯ₂マスクともいう）を形成する（図示せず。）。ここでは、直径およそ８μｍの円形状のＳｉＯ₂マスクでｐ++型ＧａＮ層１１４Ａの中央部を覆う。このＳｉＯ₂マスクによってプラズマ化されたＡｒがｐ++型ＧａＮ層１１４Ａに照射されることを防ぐ。このため、ＳｉＯ₂マスクに覆われたｐ++型ＧａＮ層１１４Ａは高抵抗化部になることなく非高抵抗化部１１４Ｄとなる。

そして、ウエハをプラズマ照射装置に投入し、ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａ及びＳｉＯ₂マスクの表面にプラズマ化したＡｒを照射する。このとき、ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａは、ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａの表面Ｓｆ２（以下、単に表面Ｓｆ２ともいう）にのみプラズマ化したＡｒが照射されることになる。また、このときのプラズマ化したＡｒの照射条件は実施例１と同様の条件（Ａｒのガス流量：５０ｓｃｃｍ、アンテナ電力：１０００Ｗ、バイアス電力：１００Ｗ）である。こうして、ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａは表面Ｓｆ２の直下が高抵抗化部１１４Ｃになる。こうして、トンネル接合層１１４の一部（ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａの一部）を高抵抗化部１１４Ｃに変化させる高抵抗化部形成工程を実行する。

そして、プラズマ化したＡｒの照射が終了した後、プラズマ照射装置からウエハを取り出し、フッ酸によりＳｉＯ₂マスクを取り除き、有機洗浄や流水洗浄等の表面洗浄を施す。そして、ＭＯＶＰＥ装置にウエハを再び投入し、ｎ型層形成工程を実行してｎ++型ＧａＮ層１１４Ｂ（Ｓｉの添加濃度：６×１０^２０ｃｍ^−３）をエピタキシャル成長させる。具体的には、ｎ型層形成工程は、ｐ型層形成工程を実行後、ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａの表面側に、トンネル接合層１１４を形成するためにｎ型不純物を添加したｎ++型ＧａＮ層１１４Ｂ（すなわち、トンネル接合層１１４の残りの構成）を積層してｐ++型ＧａＮ層１１４Ａと共に積層部１１５を形成する。積層部１１５はトンネル接合層１１４を形成するために、ｐ++型ＧａＮ層１１４Ａと、ｎ++型ＧａＮ層１１４Ｂとを積層したものである。

次に、４００ｎｍの厚みのｎ型ＧａＮ層１１６（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）、１０ｎｍの厚みのｎ++型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉの添加濃度：１×１０^２０ｃｍ^−３）（図示せず）をエピタキシャル成長して、電流狭窄構造を有する素子層構造の形成を終了する。トンネル接合層１１４はｐ++型ＧａＮ層１１４Ａと、ｎ++型ＧａＮ層１１４Ｂとが積層された積層部１１５である。積層部１１５は高抵抗化された高抵抗化部１１４Ｃと、高抵抗化されていない非高抵抗化部１１４Ｄを有している。積層部１１５は高抵抗化部１１４Ｃの厚さと非高抵抗化部１１４Ｄの厚さとがほぼ等しく形成されており、５ｎｍ以上の段差は存在しない。また、実施例４のサンプルの製造方法は、高抵抗化部形成工程がｐ型層形成工程の後に実行されることによって、ｎ++型ＧａＮ層１１４Ｂが積層された積層部１１５が部分的に高抵抗化された高抵抗化部１１４Ｃを形成する。

次に、実施例１〜３と同様に、メサ構造を形成するエッチング、各ｐ型層の活性化、下部電極Ｅ１及び上部電極Ｅ２の蒸着を行い、実施例４の窒化物半導体発光素子のサンプルが完成する。ここで、上部電極Ｅ２は、上方からの平面視において、非高抵抗化部１１４Ｄが位置する領域の外側、すなわち高抵抗化部１１４Ｃへと変化した領域の上にリング状に配置される（図示せず。）。これにより、実施例４のサンプルは電流が流れて発光する領域からの光が上部電極Ｅ２に遮られることがなく、発光した光を有効に利用することができる。

実施例４の窒化物半導体発光素子のサンプルの下部電極Ｅ１と上部電極Ｅ２との間に上部電極Ｅ２がプラスになるように電圧を印加すると、電流が流れＧａＩｎＮ層多重量子井戸活性層１１１が発光する。実施例４の窒化物半導体発光素子のサンプルの発光した状態を上方からみた画像を図４（Ｂ）に示す。実施例４の窒化物半導体発光素子のサンプルの発光強度を示すグラフを図４（Ａ）に示す。プラズマ化したＡｒが照射されなかった直径およそ８μｍの円形領域（すなわち、非高抵抗化部１１４Ｄ）に位置するＧａＩｎＮ層多重量子井戸活性層１１１のみに電流が流れて発光し、それ以外の領域（すなわち、高抵抗化部１１４Ｃ）の直下に位置するＧａＩｎＮ層多重量子井戸活性層１１１は発光せずＧａＩｎＮ層多重量子井戸活性層１１１への電流の注入が阻止されていることがわかった。

このように、窒化物半導体発光素子は積層部１１５を部分的に高抵抗化した高抵抗化部１１４Ｃを具備することによって、積層部１１５を部分的にエッチングして電流を狭窄する方法に比べて、少ない段差で電流を狭窄させることができる、すなわち、段差における光散乱を抑制し、光損失を最小限に抑えることができる。

したがって、本発明の窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合を用いた電流狭窄構造を採用しつつ、短波長領域の発光波長の光の散乱を抑えることができる。

窒化物半導体発光素子の積層部１１５の表面側には電流を供給する電極が積層され、高抵抗化部１１４Ｃが少なくとも上部電極Ｅ２の直下に配置される。
この構成によれば、上部電極Ｅ２が積層される部分の直下に高抵抗化部１１４Ｃを配置することによって、上部電極Ｅ２の直下に位置するＧａＩｎＮ層多重量子井戸活性層１１１に電流が流れることを抑えることができるため、上部電極Ｅ２の直下で発光することがない。つまり、上部電極Ｅ２は生じた光の進路を妨げることがない。

窒化物半導体発光素子の積層部１１５は、高抵抗化されていない非高抵抗化部１１４Ｄを有し、高抵抗化部１１４Ｃの厚さと非高抵抗化部１１４Ｄの厚さとが等しい。
この構成よれば、高抵抗化部１１４Ｃ及び非高抵抗化部１１４Ｄの厚さの差を抑え得るため、高抵抗化部１１４Ｃ及び非高抵抗化部１１４Ｄの厚さの差によって生じる青色や紫外等の比較的短い波長の光の散乱を抑えることができる。

窒化物半導体発光素子の製造方法の高抵抗化工程は、プラズマを照射することによって高抵抗化する。
この構成によれば、高抵抗化部形成工程では、積層部１１５においてプラズマを照射してｐ型不純物及びｎ型不純物を不活性化することによって高抵抗化部１１４Ｃを形成する。このため積層部１１５の厚みが薄くなり難いため、積層部１１５の全体にわたってほぼ同様の厚みにすることができ、青色や紫外等の比較的短い波長の光が積層部１１５によって散乱し難くすることができる。

＜実施例５＞
実施例５では、非高抵抗化部（すなわち、低抵抗なトンネル接合）を有する領域と、高抵抗化部（すなわち、低抵抗なトンネル接合の一部を高抵抗化させた領域）とを組み合わせることによって、所望の領域のみに電流注入可能な電流狭窄構造面発光レーザのサンプルを作製する製造方法について図５を参照しつつ説明する。

実施例５の面発光レーザのサンプルは波長４１０ｎｍで動作するように設計及び作製した。先ず、ＧａＮ基板Ｓ２の表面にＭＯＶＰＥ装置を用いて、ｎ型ＧａＮバッファ層（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）（図示せず）を結晶成長させる。そして、ｎ型ＧａＮバッファ層の表面に４０ペアのＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１をエピタキシャル成長させる。ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１の最大反射波長は４１０ｎｍであり、９９．８％以上の反射率が実現する。必要に応じてＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１にＳｉを添加したり、層の厚み方向に組成を傾斜させて組成傾斜層としたりすることによって、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１に導電性を持たせてもよい。

次に、ｎ型ＧａＮ層２１０（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）、発光波長４１０ｎｍのＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１をエピタキシャル成長させる。ｎ型ＧａＮ層２１０の厚みは、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１によって共振器に光が効果的に閉じ込められてその光強度分布の腹（最大値）にＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１が配置されるように調整する。実施例５におけるｎ型ＧａＮ層２１０の厚みはおよそ４７０ｎｍである。ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１を形成した後、２０ｎｍの厚みのｐ型ＡｌＧａＮ層（Ｍｇの添加濃度：３×１０^１９ｃｍ^−３）（図示せず）、及びｐ型ＧａＮ層２１２（Ｍｇの添加濃度：３×１０^１９ｃｍ^−３）を引き続きエピタキシャル成長する。

次に、ｐ型層形成工程及びｎ型層形成工程を実行する。具体的には、トンネル接合構造として、ｐ型層形成工程を実行してｐ型ＧａＮ層２１２の表面に１０ｎｍの厚みのｐ++型ＧａＮ層２１４Ａ（Ｍｇの添加濃度：３×１０^２０ｃｍ^−３）をエピタキシャル成長させ、次にｎ型層形成工程を実行して１５ｎｍの厚みのｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂ（Ｓｉの添加濃度：６×１０^２０ｃｍ^−３）をエピタキシャル形成させる。こうして、低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４を形成するために、ｐ++型ＧａＮ層２１４Ａと、ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂとを積層して積層部２１５を形成する。ところで、トンネル接合層２１４は光吸収量が他の層に比べ大きいと考えられることから、共振器内の光強度分布の節（最小値：０）に配置されるようにｐ型ＧａＮ層２１２の厚さを調整する。実施例５におけるｐ型ＧａＮ層２１２の厚みはおよそ７０ｎｍである。ここまで層構造を形成した後、ＭＯＶＰＥ装置からウエハを取り出す。

次に、高抵抗化部形成工程を実行する。具体的には、トンネル接合層２１４の表面（ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの表面）において、低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４をそのまま存在させて非高抵抗化部２１４Ｄとして電流を流したい領域（例えば、直径およそ８μｍの領域）をＳｉＯ₂マスクで覆う。そして、トンネル接合層２１４の表面（ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの表面）において、低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４を高抵抗化させて高抵抗化部２１４Ｃに変化させて電流が流れることを阻止したい領域にはＳｉＯ₂マスクで覆わず、表面を露出させる。そして、ウエハをプラズマ照射装置に投入し、ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂ及びＳｉＯ₂マスクの表面にプラズマ化したＡｒを照射する。このとき、ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂは、ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの表面Ｓｆ３（以下、単に表面Ｓｆ３ともいう）にのみプラズマ化したＡｒが照射されることになる。また、このときのプラズマ化したＡｒの照射条件は実施例１と同様の条件（Ａｒのガス流量：５０ｓｃｃｍ、アンテナ電力：１０００Ｗ、バイアス電力：１００Ｗ）である。

実施例４ではプラズマ化したＡｒをｐ++型ＧａＮ層１１４Ａの表面に照射していたが、実施例５ではｐ++型ＧａＮ層２１４Ａに積層されたｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの表面及びＳｉＯ₂マスクの表面に照射する。プラズマ化したＡｒは、主としてｐ++型ＧａＮ層２１４Ａに対して作用することによって高抵抗化する効果が得られる。ゆえに、プラズマ化したＡｒをｐ++型ＧａＮ層２１４Ａの表面に直接照射することによって、より少ないプラズマの照射量で高抵抗化部２１４Ｃを形成することができる。

一方で、実施例５のように厚み１０ｎｍ程度のｐ++型ＧａＮ層２１４Ａがｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの下側に埋め込まれた状態であっても、プラズマの照射時間を適切に調整（長く）することによって確実に高抵抗化部２１４Ｃを形成することができる。つまり、実施例５のサンプルの製造方法は、高抵抗化部形成工程がｐ型層形成工程及びｎ型層形成工程の後に実行され、ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂが積層された積層部２１５が部分的に高抵抗化された高抵抗化部２１４Ｃを形成する。こうして、トンネル接合層２１４は表面Ｓｆ３の直下が高抵抗化部２１４Ｃになる。こうして、トンネル接合層２１４の一部（ｐ++型ＧａＮ層２１４Ａの一部及びｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの一部）を高抵抗化部２１４Ｃに変化させる高抵抗化部形成工程を実行する。

実施例５では、プラズマ照射装置を用いてｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの表面及びＳｉＯ₂マスクの表面にプラズマ化したＡｒを１０分間照射した。その後、フッ酸を用いてＳｉＯ₂マスクを除去し、トンネル接合層２１４の表面（ｎ++型ＧａＮ層２１４Ｂの表面）に有機洗浄や流水洗浄等を施す。こうして、高抵抗化部形成工程（つまり、プラズマ化したＡｒを照射する処理）は、積層部２１５が部分的に高抵抗化された高抵抗化部２１４Ｃを形成すると共に高抵抗化されない非高抵抗化部２１４Ｄを形成することによって電流狭窄構造を実現することができる。さらに、高抵抗化部形成工程はプラズマの照射によってトンネル接合層２１４が取り除かれることもほとんどないため、不必要な段差が形成されることを抑えることができ、青色や紫外等の発光波長の光が散乱することを抑制することができる。

次に、高抵抗化部形成工程（つまり、プラズマ化したＡｒを照射する処理）を実行したウエハをＭＯＶＰＥ装置に再び投入し、ｎ型ＧａＮ電流拡散層２１６（Ｓｉの添加濃度：８×１０^１８ｃｍ^−３）と１０ｎｍの厚みのｎ++型ＧａＮコンタクト層（Ｓｉの添加濃度：１×１０^２０ｃｍ^−３）（図示せず）をエピタキシャル成長させた。ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１以降の総層厚が動作波長の整数倍（ここでは、６λ）になるように、ｎ型ＧａＮ電流拡散層２１６の厚さを調整する。実施例５におけるｎ型ＧａＮ電流拡散層２１６の厚みはおよそ３５０ｎｍである。

次に、素子として駆動するために、電極形成を行う。先ず、ＳｉＯ₂マスクで覆うことによってプラズマ化したＡｒが照射されなかった領域（非高抵抗化部２１４Ｄ）（すなわち、電流狭窄領域）を中心になるようにおよそ直径４０μｍのメサ構造を形成する。具体的には、ｎ型ＧａＮ層１０の表面が露出するようにエッチングを施す。メサ構造の形成が終了した後、埋め込まれた各ｐ型層（ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層２１２、ｐ++型ＧａＮ層２１４Ａ）を活性化するために、窒素雰囲気下、７２５℃で３０分アニールした。続いて、ＳｉＯ₂絶縁層をｎ++型ＧａＮコンタクト層の表面と露出したｎ型ＧａＮ層２１０の表面を除いて素子表面全面に堆積させた（図示せず。）。そして、ｎ型ＧａＮ層２１０の表面、及びｎ++型ＧａＮコンタクト層の表面の各々にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕで形成されたリング状の下部電極Ｅ１、及びリング状の上部電極Ｅ２を蒸着する。

上部電極Ｅ２は、低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４を高抵抗化させた領域（高抵抗化部２１４Ｃ）の上に配置することで、自身の直下に位置するＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１に電流が流れないようにして、自身の直下に位置するＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１を発光させないようにすることによって、ＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１で発光した光を遮らないようにすることができる。そして、メサ構造の中央部の直径およそ８μｍの領域（すなわち、低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４が高抵抗化されずに残された領域（非高抵抗化部２１４Ｄ））を覆うように１０ペアＳｉＯ₂／Ｎｂ₂Ｏ₅多層構造によるＳｉＯ₂／Ｎｂ₂Ｏ₅多層膜反射鏡Ｒ２を形成する。

これにより、低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４（非高抵抗化部２１４Ｄ）を介して注入された電流によりＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１で発光した光がＳｉＯ₂／Ｎｂ₂Ｏ₅多層膜反射鏡Ｒ２及びＡｌＩｎＮ／ＧａＮ多層膜反射鏡Ｒ１によって形成された共振器を上部電極Ｅ２、下部電極Ｅ１に遮られることなく周回し、光利得によるレーザ動作が可能になる。すなわち、この素子の上部電極Ｅ２及び下部電極Ｅ１間に、上部電極Ｅ２側がプラスになるように電圧を印加すると、トンネル接合層２１４が高抵抗化した領域（高抵抗化部２１４Ｃ）からＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１に電流が流れず、中央部の低い抵抗値を有するトンネル接合層２１４（非高抵抗化部２１４Ｄ）を介してＧａＩｎＮ多重量子井戸活性層２１１に電流が流れて電流が狭窄され、効率よくレーザ動作する。

このように、窒化物半導体発光素子は積層部２１５を部分的に高抵抗化した高抵抗化部２１４Ｃを具備することによって、積層部２１５を部分的にエッチングして電流を狭窄する方法に比べて、少ない段差で電流を狭窄させることができる、すなわち、段差における光散乱を抑制し、光損失を最小限に抑えることができる。

したがって、本発明の窒化物半導体発光素子及び窒化物半導体発光素子の製造方法はトンネル接合を用いた電流狭窄構造を採用しつつ、短波長領域の発光波長の光の散乱を抑えることができる。

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１〜５に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１〜５では、トンネル接合に段差を設けずに高抵抗化する手法として、プラズマ化したＡｒを用いたが、酸素や窒素等をプラズマ化して照射してもよい。この場合、照射条件はＡｒを用いる場合と異なるが、トンネル接合層を高抵抗化させることが可能である。また、プラズマ化したＡｒを照射することによって、ｐ++型ＧａＮ層の厚みやｎ++型ＧａＮ層の厚みが僅かに薄くなってもよい。この場合、積層部は、高抵抗化部の厚さが非高抵抗化部の厚さよりも薄くなるが、トンネル接合そのものを部分的にエッチングして除去して電流狭窄構造を形成する従来の手法を用いる場合に比べて、青色や紫外等の発光波長における光散乱によるロスを抑制する効果は大きい。
（２）実施例１〜５では、ＧａＮを用いたトンネル接合層を例示しているが、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ等の他の窒化物を用いたトンネル接合にも適用できる。
（３）実施例１〜５では、素子としてＬＥＤや面発光レーザを例示したが、端面レーザ等の電流狭窄が必要な全ての素子にも適用することができる。
（４）実施例１〜５では、ｐ型不純物としてＭｇを用いているが、ｐ型不純物である、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等であってもよい。
（５）実施例１〜５では、ｎ型不純物としてＳｉを用いているが、ｎ型不純物である、Ｇｅ等であってもよい。
（６）実施例１〜５では、活性層の表面にｐ型ＡｌＧａＮ層を積層して形成することを開示しているが、活性層の表面にｐ型ＡｌＧａＮ層を積層して形成しなくても良い。
（７）実施例４、５では、非高抵抗化部を円形に形成しているが、より大きな領域に電流を流したい場合にはＳｉＯ₂マスクの直径を大きくし、より狭い領域に電流を流したい場合には小さくして非高抵抗化部を形成すればよい。また、非高抵抗化部の外形は、必要に応じて円形状だけでなく長方形等の多角形状を含む任意の形状にすることができる。

１４，１１４，２１４…トンネル接合層
１４Ａ，１１４Ａ，２１４Ａ…ｐ++型ＧａＮ層（ｐ型層）
１４Ｂ，１１４Ｂ，２１４Ｂ…ｎ++型ＧａＮ層（ｎ型層）
１４Ｃ，１１４Ｃ，２１４Ｃ…高抵抗化部
１５，１１５，２１５…積層部
１１４Ｄ，２１４Ｄ…非高抵抗化部
Ｅ１…下部電極（電極）
Ｅ２…上部電極（電極）

Claims (5)

1. 窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子であって、
   前記トンネル接合層を形成するためにｐ型不純物が添加されたｐ型層と、前記ｐ型層の表面に積層され、前記トンネル接合層を形成するためにｎ型不純物が添加されたｎ型層とが積層された積層部を有し、
   前記積層部は部分的に高抵抗化された高抵抗化部を具備していることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記積層部の表面側には電流を供給する電極が積層され、前記高抵抗化部が少なくとも前記電極の直下に配置されている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。
3. 前記積層部は、高抵抗化されていない非高抵抗化部を有し、前記高抵抗化部の厚さと前記非高抵抗化部の厚さとが等しい、又は前記高抵抗化部の厚さが前記非高抵抗化部の厚さよりも薄い請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 基板の表面に窒化物半導体によって形成されたトンネル接合層を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
   トンネル接合層を形成するためにｐ型不純物を添加したｐ型層を形成するｐ型層形成工程と、
   前記ｐ型層形成工程を実行後、前記ｐ型層の表面側に、トンネル接合層を形成するためにｎ型不純物を添加したｎ型層を積層して前記ｐ型層と共に積層部を形成するｎ型層形成工程と、を備え、
   少なくとも前記ｐ型層形成工程の後に実行され、前記ｎ型層が積層された前記積層部が部分的に高抵抗化された高抵抗化部を形成する高抵抗化部形成工程を備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
5. 前記高抵抗化部形成工程は、プラズマを照射することによって高抵抗化することを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。