JP3594826B2

JP3594826B2 - 窒化物半導体発光素子及びその製造方法

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Application number: JP3112299A
Authority: JP
Inventors: 啓之太田; 満西塚; 宏和高橋
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Filing date: 1999-02-09
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３族窒化物半導体素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、発光素子に用いられる窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
短波長光半導体素子、特に短波長半導体レーザ素子用の材料として窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物を用いた研究が多く行われている。ＧａＮ系半導体レーザ素子は、基板結晶上に３族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）のような半導体単結晶膜を順次積層して作製される。この単結晶膜の作製には、一般に有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と称する。）が用いられる。該方法において、３族原料のトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと称する。）や５族原料のアンモニア（ＮＨ_３）等の原料ガスを反応炉内に導き、９００〜１０００℃の温度で反応させて基板上に化合物結晶を堆積させるのである。原料ガスの成分比を変化させて順次積層することで、異なった化合物からなる多層膜構造が達成される。
【０００３】
このとき、積層された単結晶膜中を貫通するような欠陥が多く存在すると、発光素子としての発光特性が大きく劣化してしまう。この欠陥は、いわゆる貫通転位と呼ばれているもので、結晶膜の成長方向へ膜中を貫通して延在する線状の結晶欠陥である。こうした貫通転位部分は、キャリアの非発光性再結合中心として働くため、貫通転位を多く含む膜からなる半導体発光素子の発光効率は低い。このような欠陥は、基板とその上に成膜される層との界面における結晶のミスフィット歪みを起因として発生する。そこで、界面ミスフィットの影響を減少させるべく、基板材料にはその上に成膜されるＧａＮ系結晶に近い結晶構造、格子定数及び熱膨張率を有する材料を選択することが行われている。
【０００４】
上記要件を満たす材料であってその基板として最も適合性の良いのは、その半導体結晶そのものである。しかしながら、３族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_ｌ−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）の場合、基板として最適である窒化物半導体バルク結晶が存在しないため、サファイアなどの異種材料を基板として使用せざるを得ない。サファイアの場合、ＧａＮとの間に１４％程度の格子不整合がある。
【０００５】
サファイアの上に成膜されるＧａＮ系単結晶膜とサファイア基板との界面ミスフィットを緩和し、該ＧａＮ系単結晶膜中の結晶欠陥を抑制する手法として、サファイア基板上に低温（４００〜６００℃）で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるバッファ層を形成し、該低温バッファ層の上に所定のＧａＮ単結晶膜を成膜する如き２段階成膜法が提案されている。しかしながら、該方法によってもＧａＮ単結晶膜中を貫通するような欠陥を充分に抑制するまでには至っていない。
【０００６】
一般的に、半導体結晶中の転位は非発光性再結合中心として働き、発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子の発光特性を劣化させる大きな原因となるため、これらの素子を構成する結晶中には存在しないことが望ましく、貫通転位の減少に向け開発が行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、基板上に成膜される単結晶膜中を貫通するような欠陥の発生を許容し、良好な発光特性を有する窒化物半導体発光素子及びその製造方法を与えることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体発光素子は、３族窒化物半導体を積層して得られる活性層と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップより大なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物半導体発光素子であって、前記活性層において貫通転位を囲みその周囲に拡がる界面により画定される前記障壁層と同一材料からなる埋め込み部を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記活性層は単一又は多重量子井戸構造を有することを特徴とする。
本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記障壁層は前記界面からなる前記活性層の凹部を埋めその表面を平坦化する材料からなることを特徴とする。
本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記埋め込み部は、錐体形状若しくは切頭錐体形状又はこれらが連結した形状を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記３族窒化物半導体は（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）であることを特徴とする。
本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記障壁層と前記活性層との間に、前記障壁層と略同一材料からなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の下で成膜された低温障壁層を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の窒化物半導体発光素子においては、前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡｌＮ組成比より小さいことを特徴とする。
本発明の方法は、３族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を積層して得られる活性層と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップより大なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
基板上に成膜された半導体層上に形成された３族窒化物半導体の活性層において、前記半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成するピット形成工程と、
前記活性層上に前記障壁層の材料を積層し、前記凹部の側面を界面とする前記貫通転位の周囲に拡がる埋め込み部を形成する埋込部形成工程と、からなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の方法においては、前記ピット形成工程は、前記活性層を形成した後に、前記活性層をエッチングする工程を含むことを特徴とする。
本発明の方法においては、前記活性層をエッチングする工程において、貫通転位に沿って食刻の一部が前記半導体層に到達する時点でエッチングを終了することを特徴とする。
【００１３】
本発明の方法においては、前記ピット形成工程は、前記活性層を形成する前に、６００〜８５０℃の温度で前記半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする。
本発明の方法においては、前記埋込部形成工程と前記ピット形成工程との間に、前記障壁層と略同一材料からなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の下で成膜された低温障壁層を形成する工程を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の方法においては、前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡｌＮ組成比より小さいことを特徴とする。
【００１５】
【作用】
本発明によれば、発光素子の作製においてウエハ上の各層をエピタキシャル成長させるに当り、活性層すなわち発光層までの成膜を完了した時点で活性層をエッチングして、あるいは、活性層下部の半導体層であるガイド層を予め低温成長させ、その後、活性層を成膜して、かかる埋め込み部のための凹部を活性層に形成した後に、活性層内に伸びる貫通転位を囲みその周囲に拡がる界面により画定される活性層のものより大なるバンドギャップの埋め込み部を形成してから、素子の上部構造部を成膜した素子用ウエハを完成させる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による実施例の３族窒化物半導体レーザについて実施例を図面を用いて説明する。本発明の第１の実施例として、成長途中のウエハをエピタキシャル成長装置の外部に取り出して上記のエッチングを行なう場合を詳述する。図１は実施例の３族窒化物半導体レーザ示す。この半導体レーザ素子は、単結晶サファイア基板１上に順に積層された、低温成膜されたＧａＮ（又はＡｌＮ）層２、ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層４、ｎ型ＧａＮ層５、ＩｎＧａＮを主たる構成要素とする多重量子井戸構造の活性層６、ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層７、ｐ型ＧａＮ層８、ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層９、及びｐ型ＧａＮ層１０からなり、ｎ側電極１４並びにｐ側電極１３はｎ型ＧａＮ層３並びｐ型ＧａＮ層１０に接続されている。ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層９にはリッジストライプ部１８が形成されており、素子は電極を除きＳｉＯ_２の絶縁膜１１で被覆保護されている。このように、本実施例の窒化物半導体発光素子においては、３族窒化物半導体を順次積層して得られる多層構造の活性層からなる。この半導体レーザ素子では、活性層６において電子と正孔を再結合させることによって発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ型ＧａＮ層８はガイド層であり、活性層６で発生した光をガイド層５及び８に導波するとともに活性層６よりバンドギャップが大きく設定することによって電子及び正孔を活性層６内に効果的に閉じ込めるようになっている。ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ層７は注入されたキャリア（特に電子）の閉じ込めを更に強化する障壁層であり、ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層４及びｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層９はガイド層５，８より低屈折率で作製されているクラッド層であり、ガイド層との屈折率差によって膜厚方向の導波が行なわれる。リッジストライプ部１８はクラッド層９の厚さを変化させることで実効屈折率に横方向の段差を生じさせて、発生した光を横方向に閉じ込めるために設けてある。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けられている下地層であり、基板であるサファイアに全く導電性がないために設けられている。また、低温成長層のＧａＮ（又はＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、ＧａＮにとっての異種物質であるサファイア基板上に平滑膜を作製するために形成されている。
【００１７】
さらに、かかる素子は、図２に示すように、井戸層６２とバリア層６１とからなる活性層６において、下部ガイド層５から上部ガイド層８へ伸びる貫通転位１５を囲みその周囲に拡がる界面５０により画定される障壁層７と同一材料からなる埋め込み部５１を有する。
かかる素子に電流を注入した場合、図２に示すように、ｎ型ＧａＮガイド層５から注入された電子１６はＩｎＧａＮからなる活性層６に注入されるが、活性層はＩｎ組成の高い（すなわちバンドギャップの小さい）井戸層６２とＩｎ組成の小さい（すなわちバンドギャップの大きな）バリア層６１とからなっているため、注入された電子１６は主として井戸層６２に集められる。また、ｐ型ＧａＮガイド層８から注入される正孔１７も、同様の理由により井戸層６２に集められる。この時、貫通転位１５の周囲が、ＩｎＧａＮからなるＩｎ組成の高い井戸層６２と比較してもバンドギャップが大きいＡｌＧａＮ埋め込み部５１に被われているため、電子１６も正孔１７もこのＡｌＧａＮ埋め込み部５１に防止されて貫通転位１５に到達することができない。よって、埋め込み部５１によって非発光性再結合中心として働く貫通転位部分にキャリアが達しないために、素子の発光効率は埋め込み部５１がないものに比して高くなる。
【００１８】
図１に示した素子構造は、サファイアＡ面基板上にレーザ素子用の層構造をＭＯＣＶＤにより成膜する以下の作製工程にて、製造される。
まず、サファイア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５０℃の温度において３００Ｔｏｒｒの圧力の水素気流中で１０分間保持し、サファイア基板１の表面の熱クリーニングを行なう。この後、サファイア基板１をその温度が６００℃になるまで降温し、窒素原料であるアンモニア（ＮＨ_３）と、Ａｌ原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を成長炉内に導入し、ＡｌＮからなるバッファ層２を２０ｎｍの厚さに堆積させる。
【００１９】
続いてＴＭＡの供給を止め、ＮＨ_３のみを流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板１の温度を再び１０５０℃に昇温し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層する。この時、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてメチルシラン（Ｍｅ−ＳｉＨ_３）を成長雰囲気ガスに添加する。
【００２０】
ｎ型ＧａＮ下地層３が４μｍ程度成長した時点で、ＴＭＧの供給のみを停止する。一方、メチルシランはその供給量を増加してそのまま供給し続ける。５分間この状態を保持した後、メチルシラン供給量をｎ型層として必要な量まで減らすと共に、ＴＭＧを再度導入し、同時にＴＭＡを導入してｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４の成膜を行なう。
【００２１】
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４が０．５μｍ程度成長した時点でＴＭＡ供給を停止し、ｎ型ＧａＮの下部ガイド層５を０．１μｍ成長する。
ｎ型ＧａＮガイド層５の成長が完了した時点でＴＭＧ及びＭｅ−ＳｉＨ_３の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５０℃とする。基板温度が７５０℃となった時点でキャリアガスを水素から窒素に切換え、ガス流の状態が安定した時点でＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びＭｅ−ＳｉＨ_３を導入してバリア層（障壁層）６１の成長を行なう。
【００２２】
次に、Ｍｅ−ＳｉＨ_３の供給を停止するとともにＴＭＩの流量を増加して、バリア層よりＩｎ組成の高い井戸層６２を成長する。
バリア層６１と井戸層６２の成長は、多重量子井戸の設計繰返し数に合わせて繰り返す。このようにして、多重量子井戸構造の活性層６を形成する。
最後の井戸層６２上にバリア層６１を成膜した時点でＴＭＧ，ＴＭＩ，Ｍｅ−ＳｉＨ_３の供給を停止するとともに降温を開始し、基板温度が４００℃以下になった時点でＮＨ_３の供給も停止し、基板温度が室温になった時点でウエハを反応炉より取り出す。
【００２３】
このｐ型層成長前のウエハにおいて成長途中で成膜装置から取り出した状態の膜の構造は図３に示すようになっている。貫通転位１５は膜中に多数存在し、上記実施例の成膜条件の場合、別途の測定で２Ｅ９（１／ｃｍ^２）程度の転位密度であることが分かっている。
こうして得られた膜を２００℃に加熱したＨ_３ＰＯ_４（リン酸）に浸漬し、エッチングを行う。このように、活性層６において、下部ガイド層５の貫通転位１５に起因する凹部すなわちピットを形成する。
【００２４】
図４は上記の膜を熱リン酸中でエッチングした後の状態を示している。ＧａＮは化学的に安定であるため、熱リン酸中でもほとんどエッチングされないが、転位の存在する部分のみはわずかにエッチングされ、ピット４９が生じる。転位の部分のエッチングされたピット深さがｎ型ＧａＮ層に到達したところが適切なエッチング深さである。よって、エッチングは、貫通転位１５に沿って食刻の一部が下部ガイド層５に到達する時点でエッチングを終了する。ピット４９は複数存在し、各々は錐体形状若しくは切頭錐体形状であるが、これらが近接したときは連結した形状の凹部となる。
【００２５】
エッチング工程後、ウエハを純水で充分洗浄し、更に有機溶剤で超音波洗浄してから再度成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填する。
次に、キャリアガスとしての水素とＮＨ_３を流しつつ、基板温度を再び１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ，ＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの原料としてエチル−シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｅｔ−Ｃｐ_２Ｍｇ）を導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７の障壁層を０．０２μｍ積層する。
【００２６】
図１に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮの障壁層７を成膜した時点の断面では、１０５０℃という高温であることと、表面が平坦化し易いというＡｌＧａＮの性質のため、エッチングによりピット（凹部）となったところがｐ型ＡｌＧａＮで埋められる。よって、一旦平滑化がなされた後は、障壁層７上の成膜すべき各層は平坦に成膜され得る。このように、埋め込み部５１が錐体形状若しくは切頭錐体形状の形成されるが、図１では１つの埋め込み部５１であるが、これは複数でもよく、ピット形状に応じてこれらが連結した形状ともなる。
【００２７】
続いてＴＭＡの供給を停止し、障壁層７上にｐ型ＧａＮの上部ガイド層８を０．１μｍ成長し、再びＴＭＡを導入してｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．５μｍ成長する。更にこの上にｐ型ＧａＮコンタクト層１０を０．１μｍ成長する。その後、ＴＭＧ，Ｅｔ−Ｃｐ_２Ｍｇの供給を停止し、降温を開始し、基板温度が４００℃になった時点でＮＨ_３の供給も停止し、基板温度が室温になった時点でウエハを反応炉より取り出す。この第１実施例のウエハを以降、ウエハ１と呼ぶことにする。
【００２８】
比較対象用として、エッチング工程を行わない以外上記成長方法と同様に行うことにより作製したウエハを作製する。この比較対象用ウエハを以降、ウエハ２呼ぶことにする。すなわち、ウエハ２は最終のバリア層６１の成長後、成長炉から基板を出すことなく成長炉内で、７５０℃の温度でキャリアガスを窒素から水素に切り換えるとともに、基板温度を１０５０℃に昇温し、ｐ型ＡｌＧａＮ層７及び以降の各層の成長を連続して行なったものである。
【００２９】
ウエハ１及びウエハ２を熱処理炉に設置し、処理温度は８００℃、時間は２０分、雰囲気は大気圧の窒素でｐ型発現処理を行なった。
得られたウエハ１及び２の各々に対し、ｐ側電極用テラスとｎ側電極用の電流経路構造並びにｐ側電極用テラス上に電流狭窄用の屈折率導波構造としてリッジ構造の導波路を形成する。
【００３０】
ウエハにおいて、一般的なフォトリソグラフィ、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、５μｍ幅のリッジ部以外の部分をｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を約０．１μｍ残して除去し、狭リッジ構造を形成する。次に、同様にＲＩＥを用いて、ｐ型膜を含む不要な部分を除去し、部分的にｎ型ＧａＮ下地膜３を露出させる。
【００３１】
エッチングマスクを除去後、ＳｉＯ_２保護膜をスパッタリングなどの方法によって堆積させ、このＳｉＯ_２膜に対し、ｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部を、ｎ層露出部分に型電極用窓部を形成する。
ｎ型ＧａＮ層３が露出している部分に、Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、続いてＡｌ（アルミニウム）を２００ｎｍ蒸着し、ｎ側電極１４を形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出している部分には、Ｎｉ（ニッケル）を５０ｎｍ、Ａｕ（金）を２００ｎｍ蒸着してｐ側電極１３を形成する。
【００３２】
このようにして作製された素子ウエハを劈開し、図１に示す素子を作製した。その後、各素子の特性の測定を行なった。測定は、０．５μｓｅｃのパルス駆動、デューティ比０．０２％で行なった。
図５のａで示す●は、本発明の実施例であるウエハ１から作製された素子の電流／光出力特性である。この素子は閾値電流約４３０ｍＡ、波長４０５ｎｍで発振した。図５のｂで示す○は、上記のウエハ２、すなわち比較例の成膜方法で作製された素子の電流／光出力特性である。この素子は閾値電流約８００ｍＡ、波長４１０ｎｍで発振した。
【００３３】
両者を比較すると、本発明の実施例では閾値電流値が約１／２に低減されており、大幅に特性が改善されているのが分かる。
このように実施例では、活性層においてはバンドギャップの小さい井戸層６２に、注入された電子及び正孔は主として井戸層６２に集められ、これらキャリアは、貫通転位の周囲のバンドギャップが大きい障壁層７と同一材料の埋め込み部５１に阻止されて貫通転位１５に到達することができないので、貫通転位が非発光性再結合中心として働かない。一方、比較例の素子の内部では、キャリアは貫通転位に自由に到達できるため、非発光性再結合中心として働き、発光特性を劣化させることとなる。
【００３４】
他の実施例として、エッチング工程を成膜装置内で行なうことも可能であり、この場合はいわゆる気相エッチングとなる。エッチング用のガスとしてはＨＣｌ（塩化水素）を用いることができる。また、通常の成長時よりＮＨ_３の流量を減少させた上で、キャリアガス中の水素の割合を増大させることによりＩｎＧａＮ層の蒸発を促す方法も用いるが、その効果は前述のものほど十分ではない。
【００３５】
上記実施例では活性層にエッチングにより貫通転位部周囲にに穴を開ける方法を用いたが、第２の実施例としては活性層に自然位（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で貫通転位部に穴を開ける方法を採用する。すなわち、特定の成膜条件下で、結晶成長すると貫通転位上での成長が抑制されることを利用するのである。
まず、第１の実施例と同様にサファイア基板上にｎ型ＧａＮのガイド層５までを成長する。
【００３６】
次に、ウエハを６００〜８５０℃の温度範囲で例えば７７０℃に温度を下げる。キャリアガスを水素から窒素に変更し、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、メチルシランを原料とし７７０℃の低温を維持したままで成長し、図６に示すように、Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＧａＮのピット発生層５ａを４００Å成長する。この工程で、結晶成長をしない部分６０の初期段階を作り込む。なお、ピット発生層５ａはＩｎＧａＮに限らず、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなど活性層を構成する材料のバンドギャップ以上の大きさを持つ材料でもよい。また、アンドープのものでもよい。成長温度を下げることによってピットの発生が促されるが、成長温度を８５０℃程度以下で成長させないと十分に促進できない。また、成長温度６００℃以下ではピットは発生するが、基本的な膜質が悪化するため好ましくない。また、貫通転位の部分に結晶成長をしない部分６０を確実に発生させるためには、ピット発生層５ａの膜厚は、１００Å以上必要であり、さらに、望ましくは、２００Å程度まであるほうがよい。ただし、成長温度が低いために通常の１０５０℃成膜の結晶層と比較して膜質が多少悪化する。また、ピット発生層５ａの膜厚を必要以上に厚くすると、導波損失が増加してしまう。
【００３７】
次に、ピット発生層５ａ上に７７０℃で活性層６を形成する。まず、バリア層６１を、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニア、メチルシランを原料として成膜し、井戸層６２を、メチルシランの供給停止するとともにＴＭＩの流量を増加して成膜し、これらを所定回数繰り返して、図７に示すように、ＭＱＷ活性層６を成長する。このように、活性層６を形成する前に、６００〜８５０℃の温度範囲でピット発生層５ａを形成して、活性層６を形成する時にピット４９を形成する。なお、活性層はＭＱＷに限らない。
【００３８】
図８は活性層の成長したウエハを４５度に傾けて撮影した電子顕微鏡像である。凹部は約５×１０^９個／ｃｍ^２あり、膜の貫通転位数とほぼ同等である。
比較例として低温成膜したピット発生層５ａを形成しない以外、上記第２実施例と同様に作製したウエハをも作製した。
第２実施例と比較例の発光特性を比較するために、ウエハのＭＱＷ活性層６における発光強度の励起強度依存性を測定した。図９は第２実施例と比較例のウエハに関する発光強度の励起強度依存性の測定結果のグラフある。励起レーザは３３７．１ｎｍの窒素レーザである。横軸はレーザ全出力を１００％とした時の値である。この測定範囲において第２実施例（■）の方が比較例（□）より５倍から１０倍程度、発光強度が強いことが分かる。
【００３９】
上記第１及び第２実施例においては、活性層の下の半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成するピット形成工程を主に特徴としているが、本発明を発光素子に適用するにあたり重要である点のもう１つは、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる障壁層７を成膜する際に、図４及び図７におけるピット部４９をＡｌＧａＮが埋めて平坦化することである。よって、この埋め込み部を形成する工程にかかる上記第１及び第２実施例に適用される第３実施例を説明する。
【００４０】
この埋め込み部を形成する工程でＡｌＧａＮの平坦化を良好に進行させるためには、１０００℃以上の成膜温度が必要になる。この成膜温度への昇温過程の間に、すでに成長が完了しているＩｎＧａＮからなる活性層６（すなわち井戸層６２、バリア層６１）の成分の蒸発が生じ、特に多重量子井戸の内の最表層側のバリア層６１が劣化してしまう傾向がある。
【００４１】
そこで、ＩｎＧａＮからなる活性層６（すなわち井戸層６２、バリア層６１）の成膜が完了した時点で、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の成長を行う。この低温ＡｌＧａＮ障壁層７１はＡｌＧａＮ障壁層７の一部をなす膜であり、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の成膜は雰囲気ガス内のＧａＮと比較してＡｌＮの方がはるかに高温安定性が高い性質を利用するものである。ＡｌＮ組成比０．２程度の低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を極くわずかの膜厚で積層しておくことで、上記のＧａＮ成分の蒸発現象を有効に阻止できる。低温ＡｌＧａＮ障壁層７１の膜厚は、数分子の層程度すなわち２０Å程度以上であることが望ましい。この膜厚を厚くしすぎると、Ｐ型層からの正孔の注入を阻害するため１００Å未満であることが望ましい。
【００４２】
第３実施例を第１の実施例に適用して発光素子を作製する場合には、一旦成膜装置からウェハを取り出し、エッチング作業を行い、活性層６にピット部４９を形成して、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を成膜する。
第３実施例を第２の実施例に適用して発光素子を作製する場合には、活性層６の成膜後に続いて、基板温度を変更せずに、ただちに低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を成長させる。その後、キャリアガスを窒素から水素に変更し、１０５０℃に昇温し、以降の成膜を行う。
【００４３】
上記のどちらの場合も、１０５０℃に昇温後水素キャリア中で、ＡｌＧａＮ障壁層７の成長を行うことになる。
この第３実施例の場合、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１は低温で成長するため、ピット部４９はほとんど埋め込まれない。この様子を図１０に示す。
第３実施例の発光素子において、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比は、ＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比より小さい。すなわち、低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比が、ＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比より大きくなると、図１１に示すように、ｐ型ガイド層側から注入される正孔１７（破線で示す）が、よりＡｌＮ組成比の小さい（すなわちパンドキャップの小さい）ＡｌＧａＮ障壁層７からなる埋め込み部５１に注入され易くなってしまうからである。
【００４４】
低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比をＡｌＧａＮ障壁層７のものより小さくすることで、ｎ型ガイド層から注入された電子１６と同様に、ｐ型ガイド層側から注入される正孔１７（実線で示す）は埋め込み部５１に阻止されて貫通転位１５に到達できなくなる。
したがって、第３実施例を第２の実施例に適用して発光素子を作製する場合には、活性層成長後、活性層の成長温度と略同一の温度で低温ＡｌＧａＮ障壁層７１を形成し、昇温後に第２のＡｌＧａＮ障壁層７を形成する。また、第３実施例をいすれの実施例に適用する場合にも低温ＡｌＧａＮ障壁層７１のＡｌＮ組成比より、第２のＡｌＧａＮ障壁層７のＡｌＮ組成比を大きくする。
【００４５】
また、第１〜３実施例もレーザ素子の場合について述べたが、本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）の作製に本発明を用いても同様の効果を上げることができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層のバンドギャップより大なるバンドギャップを有する埋め込み部が貫通転位を囲み貫通転位近傍にキャリアが拡散しないので、素子の発光特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の３族窒化物半導体レーザ素子の概略断面図。
【図２】本発明の３族窒化物半導体レーザ素子の活性層を示す概略部分切欠斜視図。
【図３】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中における基板の概略部分切欠斜視図。
【図４】本発明による実施例の半導体レーザの製造工程中における基板の概略部分切欠斜視図。
【図５】本発明による実施例の半導体レーザの電流／光出力特性を示すグラフ。
【図６】本発明による第２の実施例の半導体レーザの製造工程中における基板の概略断面図。
【図７】本発明による第２の実施例の半導体レーザの製造工程中における基板の概略断面図。
【図８】本発明による第２実施例の半導体レーザの製造工程中におけるウエハ基板の結晶表面を撮影した図面代用の電子顕微鏡写真。
【図９】本発明による他の実施例の半導体レーザの製造工程中におけるウエハに関する発光強度の励起強度依存性を示すグラフ。
【図１０】本発明による第３の実施例の３族窒化物半導体レーザ素子の活性層を示す概略部分断面図。
【図１１】本発明による第３の実施例の半導体レーザの製造工程中における基板の概略断面図。
【符号の説明】
１単結晶サファイア基板
２低温成膜ＧａＮ（又はＡｌＮ）層
３ｎ型ＧａＮ層
４ｎ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層
５ｎ型ＧａＮガイド層
５ａピット発生層
６ｎＧａＮ活性層
７ｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎ障壁層
８ｐ型ＧａＮガイド層
９ｐ型Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎクラッド層
１０ｐ型ＧａＮコンタクト層
１４ｎ側電極
１３ｐ側電極
１１ＳｉＯ_２絶縁膜
１５貫通転位
７１低温ＡｌＧａＮ障壁層

Claims

３族窒化物半導体を積層して得られる活性層と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップより大なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物半導体発光素子であって、前記活性層において貫通転位を囲みその周囲に拡がる界面により画定される前記障壁層と同一材料からなる埋め込み部を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
前記活性層は単一又は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
前記障壁層は前記界面からなる前記活性層の凹部を埋めその表面を平坦化する材料からなることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体発光素子。
前記埋め込み部は、錐体形状若しくは切頭錐体形状又はこれらが連結した形状を有することを特徴とする請求項１、２又は３記載の窒化物半導体発光素子。
前記３族窒化物半導体は（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１記載の窒化物半導体発光素子。
前記障壁層と前記活性層との間に、前記障壁層と略同一材料からなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の下で成膜された低温障壁層を有することを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体発光素子。
前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡｌＮ組成比より小さいことを特徴とする請求項６記載の窒化物半導体発光素子。
３族窒化物半導体（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を積層して得られる活性層と、前記活性層に隣接し前記活性層のバンドギャップより大なるバンドギャップを有する障壁層と、からなる窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
基板上に成膜された半導体層上に形成された３族窒化物半導体の活性層において、前記半導体層の貫通転位に起因する凹部を形成するピット形成工程と、
前記活性層上に前記障壁層の材料を積層し、前記凹部の側面を界面とする前記貫通転位の周囲に拡がる埋め込み部を形成する埋込部形成工程と、からなることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記ピット形成工程は、前記活性層を形成した後に、前記活性層をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記活性層をエッチングする工程において、貫通転位に沿って食刻の一部が前記半導体層に到達する時点でエッチングを終了することを特徴とする請求項９記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記ピット形成工程は、前記活性層を形成する前に、６００〜８５０℃の温度で前記半導体層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項８記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記埋込部形成工程と前記ピット形成工程との間に、前記障壁層と略同一材料からなりかつ前記活性層の成膜時の温度と略同一の温度の下で成膜された低温障壁層を形成する工程を有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記低温障壁層のＡｌＮ組成比は、前記障壁層のＡｌＮ組成比より小さいことを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。