JP3679914B2 - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置及びその製造方法に係り、特にＧａＮ系青紫色半導体レーザ（以下ＬＤと略称）、またはＧａＮ系高輝度青緑色発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体が、高密度光ディスクシステム等への応用を目的とする青紫色ＬＤ、高輝度青緑色ＬＥＤの材料として注目されている。以下本明細書において３元系、４元系化合物半導体の組成を表すサフィックスは、特に必要がある場合の他は省略することにする。
【０００３】
例えば発光波長の短いＬＤを光ディスク等の光源として用いれば、集光サイズを小さくすることができるので、高い記録密度を達成するのに極めて有効である。しかし、ＧａＮ系ＬＤについては、室温におけるＬＤ動作のしきい値電圧が８Ｖ以上と高く、かつ大きなばらつきを示し、まだ実用上満足できる特性が得られていないのが現状である。
【０００４】
Ｍｇを添加することにより、始めてｐ型ＧａＮ（以下ｐ−ＧａＮと略称）の形成に成功して以来、近紫外乃至青色の可視領域レーザの商品化が各地で進められたが、限定された範囲で一部にレーザ発光がみられたものの、まだ克服すべき多くの課題が残されている。
【０００５】
主な問題点の１つとして、従来のＧａＮ系化合物半導体層の成長過程において、欠陥を多量に含む層が不可避的に発生するため、活性層の発光が均一に行われないことがあげられる。
【０００６】
この発光の不均一性は、活性層と導波層の成長温度が７６０℃〜８００℃と隣接するクラッド層の成長温度１１００℃より低く、このため活性層及び導波層の成長の終了時点、すなわちクラッド層の成長開始前に成長温度を大きく増加しなければならないことに関係している。このとき上部活性層表面又は導波層表面に表面欠陥、又は表面欠陥から増殖した欠陥が多量に含まれる界面層が発生する。
【０００７】
前記界面層における欠陥密度の高い部分が他に比べて高抵抗となり、界面層の欠陥密度分布に依存して活性層の電流密度分布が不均一となり、発光強度の不均一を生じる。このように不均一な発光は、ＬＤ動作のしきい値電流としきい値電圧を増加させる。
【０００８】
クラッド層の成長温度を低くすれば、欠陥を多量に含む界面層の発生は抑制されるが、低い成長温度ではｐ−ＡｌＧａＮ、又はｐ−ＧａＮからなる高濃度のｐ型クラッド層を得ることができない。従って低い成長温度では、導波層の上部に設けたｐ型クラッド層が高抵抗となり、ＬＤの動作電圧が極めて高くなる。
【０００９】
すなわち、従来のＧａＮ系半導体発光装置においては、装置構成に必要な多層構造の形成を同一温度で行うことができないため、成長温度の異なる異種材料のヘテロ界面において高抵抗の領域を生じていた。このため、素子抵抗が増大するばかりでなく、活性層に均一にキャリアを注入することができないことから、ＬＤ動作のしきい値電流及び動作電圧が上昇し、禁制帯幅から見積もられる電圧よりはるかに高い動作電圧が必要になっていた。
【００１０】
このように、従来光ディスク等に応用される低しきい値電流で、かつ低電圧動作の高信頼性青紫色ＬＤ、高輝度青緑色ＬＥＤを実現するためには、ＧａＮ系半導体発光装置の抵抗を抑制すると共に、活性層へのキャリア注入を均一かつ効率的に行うことが重要な問題点であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のＧａＮ系半導体発光装置は、同一温度で低抵抗の多層構造を成長することが難しく、例えばクラッド層の形成の際、導波層とのヘテロ界面で温度条件を切り換える必要があった。一方、温度条件の切替えにより、成長温度の異なる結晶が接合されるヘテロ界面において、欠陥密度の高い界面層を発生し、装置抵抗の増大と活性層への不均一なキャリア注入とを生じるという問題があった。
【００１２】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、ＧａＮ系半導体発光装置の主要部をなす多層構造を成長する際、成長条件の切り換えを行う適切な場所を選択すること、又は適切な場所にバッファ層を導入することにより、活性層における発光が均一で、かつ低しきい値電流、低動作電圧、高信頼性のＧａＮ系半導体発光装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、半導体発光装置の多層構造を成長する際、低抵抗のｐ型クラッド層を効率的に成長するのに必要な、成長温度、圧力、水素または窒素からなるキャリアガスの流量等の切替えを、前記多層構造に欠陥を生じることなく行う最適な場所と条件とを選択することにより、上記の課題を解決するものである。
【００１４】
本発明の半導体発光装置は、欠陥密度の高い領域がヘテロ界面から例えばクラッド層の内部に移された構造とすることにより、高い発光効率を得ることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の半導体発光装置は、高密度の欠陥を含む界面層をＧａＮ系ＬＤの電流狭窄構造の形成に役立てようとするものである。またバッファ層を介してクラッド層を成長することにより、温度条件とキャリアガス流量等の切替えによる欠陥の発生が抑制された多層構造を得ることを特徴とする。
【００１６】
具体的には本発明の半導体装置の製造方法は、少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層とを有する半導体発光装置の製造方法であって、第１の圧力を用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長を開始し、ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長終了前に、第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、水素及び窒素のいづれか、又はこれらの混合ガスからなるキャリアガスを第１及び第２のキャリアガスとし、第１の流量を有する第１のキャリアガスを用いてＩｎ x Ｇａ y Ａｌ z Ｂ 1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長を開始し、ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長終了前に、第１の流量を有する第１のキャリアガスを第２の流量を有する第１及び第２のキャリアガスのいづれかに切り替える工程を含むことを特徴とする。ここで、好ましくは第１のキャリアガスは水素の組成が低く、第２のキャリアガスは水素の組成が高いことを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１の圧力を用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる導波層の成長を開始し、ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる導波層の成長終了前に、第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体発光装置は、Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層に隣接して形成されたＩｎu Ａｌv Ｇａw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなる電流狭窄層と、前記電流狭窄層に隣接して形成されたＩｎr Ａｌs Ｇａt Ｂ1-r-s-t Ｎ（０≦ｒ、ｓ、ｔ≦１、０≦ｒ＋ｓ＋ｔ≦１）からなるコンタクト層とを有し、かつ、前記電流狭窄層と前記コンタクト層との界面に含まれる欠陥の面密度が、前記電流狭窄層内部及び前記コンタクト層内部において、それぞれ主面に平行な面内に含まれる欠陥の面密度に比べて大なることを特徴とする。
【００２０】
これを用いて、前記電流狭窄層の界面では欠陥を発生させて電流を制限し、電流を流す領域には欠陥が生じないようにして、動作電流を活性層の中央部に集中することができる。
【００２１】
また本発明の半導体発光装置は、活性層と、Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層との間に、Ｉｎu Ａｌv Ｇａw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなるバッファ層が含まれたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。はじめに本発明の実施の形態との対比を明確にするために、従来のＧａＮ系半導体発光装置の多層構造の成長に含まれる格子欠陥制御の問題をさらに詳細に説明する。
【００２３】
本発明に直接関連する問題点として、従来の典型的なＧａＮ系半導体発光装置の構造において、欠陥を多量に含むヘテロ界面が発生することを図１６を用いて説明する。
【００２４】
図１６に示すＧａＮ系半導体発光装置の主要部は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子（Ｉｎ組成比２０％／３％のＭＱＷ（多量子井戸）構造）活性層６、ＧａＮ導波層５及び７、ＡｌＧａＮからなるクラッド層４及び９からなっている。
【００２５】
クラッド層４、９は禁制帯の幅が大きく、活性領域６への有効な光閉じ込めとキャリア閉じ込めを行う。前記ＧａＮ系半導体発光装置は、下部にｎ−ＧａＮコンタクト層２を有し、ＧａＮ系多層構造全体がサファイア基板１の上に形成される。ＳｉＯ2 からなる絶縁膜１１により形成されたストライプを用いて発光装置の電流狭窄を行う。
【００２６】
本発明は、図１６に示す構造のほか、例えば埋め込みストライプのような、他の光及び電流閉じ込め構造を有するものにも適用することができる。図１６に示すように、従来のＧａＮ系半導体発光装置は、多層構造の成長過程で上部導波層７とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９とのヘテロ界面に欠陥密度が高い界面層８が導入される。
【００２７】
クラッド層、導波層、活性層を含む４〜９のＧａＮ系の多層構造のエネルギーバンド構造図と、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition ）による従来の多層構造の成長条件とを対比して図１７に示す。ここに超格子（以下ＭＱＷ：Multi-Quantum Wellと呼ぶ）からなる活性層６の構造は、厚さ２ｎｍのアンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層が５層と、それを挟む厚さ４ｎｍのアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層からなっている。
【００２８】
図１７に示すように、良好なステップ状プロファイルの量子井戸構造を形成するためには、成長温度を７６０℃〜７８０℃と比較的低温にし、かつキャリアガスＨ2 の流量を低くすることが必要である。しかし、ＭＱＷ構造の上に一定の厚さのＧａＮ（導波層の一部）を成長した後は、Ｈ2 ガスの流量を高め、成長温度を１１００℃とＡｌＧａＮ結晶の成長に適した高温条件にしてもＭＱＷ構造が変化することはない。
【００２９】
ここで、以下の各実施の形態と密接に関連するため、ＧａＮ上のＡｌＧａＮのヘテロエピタキシャル成長過程に及ぼす温度とＨ2 ガス流量の影響について、さらに具体的に説明する。
【００３０】
図１７に示すように、ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層との界面において、成長温度とキャリアガスＨ2 の流量とをＡｌＧａＮの成長に適した値に高めなければならない。このときキャリアガスＨ2 の切替えは短時間に行われるが、７６０℃から１１００℃までの大幅な温度条件の切替えには、ＭＯＣＶＤ装置の温度変化の時定数や、制御系の時間変化の設定により定まる一定の時間が必要になる。
【００３１】
ＧａＮとＡｌＧａＮとのヘテロ界面で成長条件の切り替えを行わなければ、ＧａＮの成長条件で成長したＡｌＧａＮの結晶性は大きく低下し、また前記ＡｌＧａＮとの界面におけるｐ型ドーパントの活性化率もかなり低下する。従ってＧａＮ上のＡｌＧａＮとのヘテロ界面の成長は、ＡｌＧａＮ成長の最適条件に到達してから開始しなければならない。
【００３２】
図１７において、ｐ−ＧａＮ導波層の成長が終了した時点で、一旦原料ガスの供給を停止し、キャリアガスＨ2 の流量のみをＡｌＧａＮ成長の最適値まで増加し、同時に切り換えられたＭＯＣＶＤ装置の温度条件がＡｌＧａＮ成長の最適値に到達するのを待って、ＡｌＧａＮ成長用原料ガスをキャリアガスＨ2 に混入し、ＡｌＧａＮのエピタキシャル成長を開始する。
【００３３】
このように、良好な界面特性を得るためヘテロ界面において一定時間エピタキシャル成長を中断すれば、この間基板となるＧａＮ結晶の表面は原料ガスを含まない、高温でかつ流量の大きいＨ2 ガス中に一定時間晒されることになる。
【００３４】
ＧａＮ表面はＡｌＧａＮ表面に比べて、高温でかつ流量の大きいＨ2 ガスにより容易に表面荒れを生ずるため、図１６に示すように、従来ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層との間に欠陥密度の高い界面層８を生じていた。
【００３５】
以上、成長温度とＨ2 ガス流量とがＧａＮ系多層構造の成長に及ぼす影響について説明したが、この他エピタキシャル成長槽の圧力と、原料ガスの１つであるＮＨ3 （アンモニア）の流量とが、欠陥密度の高い界面層８の発生に密接に関連する。その他のＧａ、Ａｌ又はドーパントとして用いる不純物の原料ガスの流量等は、直接的には前記欠陥密度と無関係であり、単にその流量比を所要の化合物の組成比に合わせて制御すればよい。
【００３６】
通常の成長条件における成長槽の圧力と、ＮＨ3 の流量との制御方法を図１８に示す。このように圧力を一定に保ち、ＮＨ3 の流量をｎ側及びｐ側のＡｌＧａＮクラッド層の成長の際には高くし、ＭＱＷ活性層とその両側のＧａＮ導波層の成長の際には低くする。このようにＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ導波層とのヘテロ界面でＮＨ3 の流量を大幅に切り換えれば、前記ヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。
【００３７】
成長槽の圧力を下げれば前記ＭＱＷ活性層とＧａＮ導波層の結晶性が改善されるが、ＡｌＧａＮクラッド層との境界で圧力を高圧に切り換え、かつ、ＮＨ3 の流量も同時にＡｌＧａＮクラッド層の成長に見合う条件に切り換えなければならないので、両者の相乗効果によりヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。
【００３８】
従来行われてきたように、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ導波層とのヘテロ界面で成長温度、キャリアガスＨ2 の流量、成長槽の圧力、またはＮＨ3 の流量を切り換えれば、ヘテロ界面に高密度の欠陥が導入される。このとき、欠陥密度の高い界面層がＧａＮ系多層構造のバンド構造に及ぼす影響を、図１９に模式的に示す。
【００３９】
メッシュで示した界面領域の幅は、結晶成長の中断によりＧａＮ表面に発生した欠陥を種として、ＡｌＧａＮクラッド層に侵入した欠陥密度の高い界面層８の幅を示している。
【００４０】
メッシュで示した界面領域の高さは、界面層に捕獲されるキャリアにより生じたバンド構造の不連続の度合いを示す。矢印で示した温度又は圧力、Ｈ2 流量又はＮＨ3 流量の大幅な変化により、欠陥密度の高い界面層の影響が幅と高さの両面にわたってバンド構造を大きく変化する状況が示されている。図２０に欠陥密度の高い界面層８の導入により、バンド構造が受ける変化をさらに具体的に示す。
【００４１】
ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層との間に生じた多数の欠陥は、ヘテロ界面に図２０に示すような価電子帶の障壁を形成し、正孔が活性領域に流入するのを妨げる。また、正孔が前記界面に生じた非発光再結合中心に捕らえられ、電子と再結合して消滅する過程が促進される。このように、活性層中の電子と正孔のバンド間発光が妨げられるため、活性領域からの発光は界面層における欠陥の密度分布に応じて不均一なものとなる。
【００４２】
図１６のｐ側電極１２を透明電極とし、上部から活性層の発光状態を観察できるようにして、不均一な発光状態を観察した結果を図２１に示す。欠陥密度の少ない部分に対応してスポット状の発光が明瞭に観察される。
【００４３】
以下の実施の形態でのべるように、本発明は、多層構造の中で温度を切り換える場所、キャリアガスの種類または流量を切り換える場所、成長槽の圧力とＮＨ3 の流量を切り換える場所を選択して成長条件を制御すること、特に欠陥の発生が問題となる場所に特定のバッファ層を設けることにより、ヘテロ界面における高密度の欠陥の発生を回避しようとするものである。
【００４４】
以下の実施の形態の導波層、クラッド層、コンタクト層等を形成するＧａＮ系材料の種類は１例として示すものであり、同様の効果は、導波層としてＩｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）、クラッド層としてＩｎu Ａｌv Ｇａw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）、コンタクト層としてＩｎr Ａｌs Ｇａt Ｂ1-r-s-t Ｎ（０≦ｒ、ｓ、ｔ≦１、０≦ｒ＋ｓ＋ｔ≦１）を用いて、ｘ、ｙ、ｚ及びｕ、ｖ、ｗ及びｒ、ｓ、ｔの値をそれぞれ導波層、クラッド層、コンタクト層として最適化することにより得ることができる。
【００４５】
以下、活性層がＩｎＧａＮ、導波層がＧａＮの場合についてのべるが、同様の効果は導波層が例えばＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦０．１）の場合にも得ることができる。
【００４６】
図１に基づき、本発明の第１の実施の形態の半導体発光装置の製造方法について説明する。図１にＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成２０％／３％）ＭＱＷ活性層、ＧａＮ導波層、ＡｌＧａＮクラッド層を含むＧａＮ系多層構造のバンド構造と、ＭＯＣＶＤ法による多層構造の成長条件とを対比して示す。
【００４７】
第１の実施の形態では、温度とＨ2 ガスの切替えをｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行うことに特徴がある。このとき、ｐ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのヘテロ界面の形成は、ｐ−ＡｌＧａＮの最適成長条件よりも低い温度（７６０℃）とＨ2 ガス流量とで行われるため、ｐ型不純物であるＭｇイオンの活性化が不十分となり、ＡｌＧａＮ中の正孔濃度が規定値よりも低くなる。
【００４８】
しかし前述のように、キャリアガスＨ2 の流量の増加は短時間に行うことが可能であり、また、ヘテロ界面においては温度条件が変化しないため、エピタキシャル成長過程を中断することなく、ＡｌＧａＮ成長の原料ガスをほぼ連続的にキャリアガスＨ2 に導入することができる。このため、ヘテロ界面における欠陥密度は大幅に減少する。
【００４９】
また、第１の実施の形態ではキャリアガスＨ2 の増加と温度の上昇はＡｌＧａＮの成長中に行われるので、キャリアガスＨ2 中の原料ガスの組成は、ＡｌＧａＮを成長するのに必要な一定の比率を維持してその流量を増加すればよい。このため、７６０℃から１１００℃に成長温度が上昇する間、エピタキシャル成長を中断することなく、欠陥の少ないＡｌＧａＮの成長を継続することができる。
【００５０】
この場合、温度上昇前に７６０℃で成長したＡｌＧａＮは、Ｍｇイオンの活性化率が低いので、ヘテロ界面に隣接するｐ−ＡｌＧａＮ中の正孔濃度は規定値よりも低くなる。しかし、引き続きｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長が高温、高Ｈ2 ガス流量で行われるので、前記Ｍｇイオンの活性化がこの熱処理効果を受けることにより行われ、ＡｌＧａＮクラッド層の正孔濃度は規定の値に回復する。ここで、低温で成長したＡｌＧａＮ領域の結晶性は、高温成長の場合に比べて劣るという問題があるが、低温で成長するＡｌＧａＮ領域の厚さを小さくすれば、この問題を回避することができる。
【００５１】
前述したように、従来は成長条件の切替えがヘテロ界面で行われていたが、第１の実施の形態では、成長条件の切替えがＡｌＧａＮ中で行われるため、結晶成長を一旦停止する必要がなく、従って切替え時に高密度の欠陥を発生することはない。
【００５２】
図２は、温度とキャリアガスＨ2 の切替えがｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長中になされた場合の、バンド構造への影響を示す模式図である。従来のＧａＮ系発光装置に比べて、成長条件の切替えに際して発生した欠陥密度の高い界面層が大幅に減少する。
【００５３】
バンド構造に生ずる変化をさらに具体的に図３に示す。欠陥密度が大幅に減少し、また、欠陥が高濃度のｐ−ＡｌＧａＮ中に存在することにより、エネルギーバンドの曲がりと、正孔に対する障壁が大幅に抑制される。従って活性層への正孔の流入が一段と均一化され、欠陥の不均一な分布に基づく不均一発光を回避することができる。
【００５４】
このように、成長条件の切替えが高濃度のｐ−ＡｌＧａＮ層中で行われることにより欠陥密度が減少し、正孔電流に対する障壁の発生が抑制されるのであるが、この効果はｐ型不純物として添加されたＭｇが母体結晶に可撓性を与え、このため、ＧａＮとＡｌＧａＮとの間に歪みを生じても欠陥の発生が抑制されることからも説明することができる。
【００５５】
Ｍｇイオンは、Ｇａイオン及びＮイオンのいずれよりも大きい。従って、ＧａＮ系結晶中にＭｇイオンが不純物として取り込まれれば、Ｍｇイオンの周辺に僅かな格子歪みが発生する。このことは、ＧａＮとＡｌＧａＮの境界に発生する欠陥密度を減少しようとする目的に反するように思われる。
【００５６】
しかし、Ｍｇイオンが結晶中に与える歪みは、転位の移動とこれに伴う欠陥の増殖を抑制する作用があり、従ってＭｇイオンの添加により、欠陥に影響される層の幅が減少する。
【００５７】
欠陥密度が減少することにより、活性層中の発光が電流狭窄用スリットに沿って均一化される状況を図４に示す。図２１に比べて発光の均一性が大幅に改善される。
【００５８】
以上のべたように、従来のＧａＮ系半導体発光装置は、エピタキシャル成長の中断により導波層とクラッド層とのヘテロ界面に、欠陥密度の高い界面層を生じていたが、第１の実施の形態の製造方法を用いれば、ヘテロ界面における欠陥の面密度をほぼ零にすることができる。
【００５９】
なお、ここで欠陥密度とは、欠陥密度が２層の界面において一様に分布する場合、その界面領域の厚さｘからｘ＋Δｘの範囲内に、その界面領域の単位面積当りに含まれる欠陥の数を求め、これをΔｘで割ったものである。Δｘを無限小とすることにより、界面領域の厚さ方向の欠陥密度の変化率の分布を正確に与えることができる。
【００６０】
温度とＨ2 ガス流量の切替えは必ずしもｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行う必要はなく、ｐ−ＧａＮ導波層の成長中に行ってもよい。このときｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層とのテロ界面では、温度条件とＨ2 ガス流量が安定しているためほぼ連続的な成長が可能となり、ヘテロ界面におけるエピタキシャル成長の中断と、これに伴う欠陥の発生が大幅に低減される。また先に説明したのと同じ理由で、ｐ−ＧａＮ導波層中の切替え場所における欠陥の発生は低減される。
【００６１】
次に図５に基づき本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、温度を上昇する場所とＨ2 ガスを増加する場所とをずらせることにより、従来のように両者を一致させた場合に相乗効果として生じる高密度の欠陥の発生を防止する。
【００６２】
例えば図５に示すように、温度上昇をｐ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのヘテロ界面で行い、Ｈ2 流量の増加をｐ−ＡｌＧａＮ中で行う。このようにすれば、ヘテロ界面においてはキャリヤガスＨ2 の流量が小さいために、Ｈ2 とＧａＮ表面との複雑な表面反応によるＧａＮ結晶表面の荒れが小さくなり、界面における欠陥の発生が減少する。この方法の欠点はヘテロ界面に欠陥が残存することである。しかし従来の方法に比べれば、ヘテロ界面の欠陥を大幅に低減することができる。
【００６３】
またＨ2 流量の増加をｐ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのヘテロ界面で行い、温度上昇をｐ−ＡｌＧａＮ層中で行うこともできる。このようにして、両者を一致させた場合に相乗的に生じる高密度の欠陥の発生を緩和することができる。
【００６４】
またｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長を全て小さなＨ2 流量で行うこともできる。このときにもＨ2 とｐ−ＧａＮ表面及びｐ−ＡｌＧａＮ表面との複雑な相互作用による表面の荒れが小さくなり、界面における欠陥の発生が減少する。
【００６５】
次に図６に基づき本発明の第３の実施の形態について説明する。
図６に示すように、第３の実施の形態では成長温度の上昇とＨ2 流量を増加する場所を共にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層を成長した後とする。このようにすれば、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層とｐ−ＧａＮコンタクト層とのヘテロ界面近傍の欠陥の影響は、ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層とのヘテロ界面で成長温度とＨ2 流量を増加した場合に比べて小さくすることができる。
【００６６】
その理由は、ＡｌＧａＮはＧａＮに比べて高温で安定であるため、温度上昇による表面欠陥の発生が少ないこと、及びｐ−ＡｌＧａＮ層全体をＨ2 の希薄な状態で成長することにより、温度の上昇過程でｐ−ＡｌＧａＮ表面とＨ2 との複雑な相互作用による表面の荒れが小さいこと、及びクラッド層とコンタクト層には共に不純物が高濃度に添加され、障壁の発生が抑制されること等のためである。
【００６７】
この方法の欠点は、界面の問題は除去されるが、このようにして成長したＡｌＧａＮの結晶性が、通常の高温成長の場合に比べて劣ることである。従って、この方法を用いる場合には、ＡｌＧａＮクラッド層の厚さを小さくしなければならない。
【００６８】
また第３の実施の形態では、ＡｌＧａＮクラッド層中に添加されたＭｇ不純物の活性化は、最後に高温で成長するＧａＮコンタクト層中でＭｇ不純物が活性化される際、同時に行われる。
【００６９】
以上第１〜第３の実施の形態では、全てＧａＮ系多層構造のｐ型側について、温度とＨ2 ガス流量を切り換える適切な場所を示したが、本発明の適用範囲は必ずしもｐ型側に限定されるものではない。例えば図１において、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層の上にｎ−ＧａＮ導波層を成長する際、両者のヘテロ界面において温度とＨ2 流量とを共に低下させるが、このときにもエピタキシャル成長の中断を伴うためヘテロ界面に欠陥が発生する。
【００７０】
第３の実施の形態にのべたように、ＡｌＧａＮ表面は高温、高Ｈ2 流量の雰囲気中でＧａＮ結晶よりも安定であるため、このとき界面に生じる欠陥密度は対応するｐ型側のヘテロ界面に比べて小さい。またＧａＮ系結晶においてｎ型側ではｐ型側のようにドーパントの活性化率の問題が小さい特徴がある。
【００７１】
しかし、本発明をｐ型側で実施した後は、ｎ型側のヘテロ界面に生じる欠陥が活性層を貫いて動作電圧、しきい値電流、発光の均一性に影響を及ぼすことが無視できなくなるため、ｎ型側においても、温度とＨ2 ガス流量を高い値から低い値に切り換える場所をｐ型側に対応して選定すれば、さらに良好なデバイス特性を得ることができる。
【００７２】
上述したように本発明は、成長条件の切り替え位置を結晶の組成が変わるヘテロ界面の位置からずらすことを趣旨としているが、組成切り替えに伴う微小な温度変化の存在を制限するものではない。
【００７３】
また第１乃至第３の実施の形態では、全てＧａＮ系多層構造をｎ型側から成長する場合について説明したが、ｐ型側から成長する場合にも本発明の方法を同様に適用することができる。このときｐ型側では温度とＨ2 ガス流量を高い値から低い値に切り換え、ｎ型側では逆に低い値から高い値に切り換えることになる。この場合も切替え場所を第１乃至第３の実施の形態で説明した場所とすれば良好な結果が得られることはいうまでもない。
【００７４】
次に図７、図８に基づき、本発明の第４の実施の形態を説明する。
第４の実施の形態では図７に示すように、成長温度の上昇とキャリアガスの流量の増加を第１の実施の形態と同様ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行うのであるが、このとき図７の下段に示すように、キャリアガスの種類を同時に切り替える点に特徴がある。
【００７５】
すなわち低い流量のＮ2 をキャリアガスとして、温度７６０℃で活性層と導波層を成長し、引き続き温度とＮ2 の流量を維持しつつ原料ガスを切り替えてＡｌＧａＮを成長する。次にキャリアガスをＨ2 に切り替えると同時にその流量を増加し、さらに温度を１１００℃に上昇しつつ成長を中断することなくＡｌＧａＮクラッド層を成長する。
【００７６】
このように、活性層と導波層の形成を流量の低い高純度のＮ2 中で行うことにより、流量の大きいＨ2 による活性層とＧａＮ導波層の品質の低下を回避することができる。
【００７７】
Ｈ2 とＮ2 との混合ガスを第１、第２のキャリアガスとし、第１のキャリアガスは低いＨ2 組成、第２のキャリアガスは高いＨ2 組成として、成長の途中で第１の流量の第１のキャリアガスから、第２の流量の第２のキャリアガスに切り替える方法を用いても同様の結果を得ることができる。
【００７８】
さらに図８に示すように、キヤリアガスとしてＨ2 の替わりに全てＮ2 を用いることもできる。このとき、酸素との反応性の高いＡｌＧａＮクラッド層の成長が高温で、かつ、非還元性のＮ2 ガス中で行われるため、とくにＮ2 ガスは高純度でなくてはならない。
【００７９】
図８に示すように、このとき成長温度の上昇をＡｌＧａＮクラッド層中で行うことによりヘテロ界面における欠陥密度が低減し、良好な結果が得られることはいうまでもない。
【００８０】
第４の実施の形態において、温度又はキャリアガスの切り替えをクラッド層中で行う場合について説明したが、同様の効果は前記切り替えを導波層中で行う場合についても得ることができる。
【００８１】
次に図９に基づき、本発明の第５の実施の形態について説明する。第１乃至第４の実施の形態において、成長温度とＨ2 ガス流量とがＧａＮ系多層構造の成長に及ぼす影響について説明したが、エピタキシャル成長槽の圧力と、成長槽に供給される原料ガスの１つであるＮＨ3 の流量とが前記界面領域における欠陥の発生に密接に関連する。
【００８２】
先に述べたように、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ導波層とのヘテロ界面で圧力とＮＨ3 の流量を切り換えれば、ヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。圧力を下げればＭＱＷ活性層とＧａＮ導波層の結晶性が改善されるが、ＡｌＧａＮクラッド層との境界で圧力を高圧に切り換え、かつ、ＮＨ3 の流量も同時にＡｌＧａＮクラッド層の成長に見合う条件に切り換えれば、両者の相乗効果によりヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。
【００８３】
しかし、圧力を下げればガスの流れが早くなり、成長槽内の種々のガスがよく混合されるため成長条件が安定し、より小さいＮＨ3 の流量で欠陥密度の小さいヘテロ界面が得られることに注目しなければならない。
【００８４】
この現象を利用して良好なヘテロ界面を得る方法を図９に示す。ここでは圧力の増加はＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層とのヘテロ界面の成長が終了した後、ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行われる。従って前記ＭＱＷ活性層とＧａＮ導波層の成長は低圧条件で行われ良好な結晶性が確保される。
【００８５】
ここで、ヘテロ界面の欠陥密度と密接に関連するＮＨ3 の流量の切替え方法についてさらに詳細に説明する。キャリアガスＨ2 と同様に、高温においてＮＨ3 にもＧａＮの表面を荒れた状態にする作用がある。この作用がＡｌＧａＮとのヘテロ界面に多量の欠陥を導入する原因となるので、前記ヘテロ界面の形成時にはＮＨ3 の流量は小さい方が望ましい。
【００８６】
しかし、Ｈ2 とは異なりＮＨ3 はエピタキシャル成長の原料であり、成長するＧａＮ系の膜の種類にしたがって膜の組成Ｎの値が適正になるように制御する必要がある。このため、ＮＨ3 の流量を荒れのない良好な表面を得る条件まで下げることは通常困難と考えられていた。
【００８７】
しかし、上記したように成長槽の圧力を下げることにより、ガスの流れが早くなり、ＮＨ3 が成長槽内でよく混合するようになるため、ＮＨ3 の流量が通常の成長条件より小さくされても、エピタキシャル成長層の組成は正常に保たれる。
【００８８】
従って成長槽の圧力を下げることにより、表面荒れの原因となるＮＨ3 の流量を下げることが可能となり、このように圧力を下げた条件でＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層と接続部を成長すれば、欠陥密度の少ないヘテロ界面を得ることができる。
【００８９】
すなわち図９に示すように、ＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層とのヘテロ界面を低圧条件で成長すれば、前記ヘテロ界面に隣接するＡｌＧａＮクラッド層の一部は通常よりも低圧で成長することになる。
【００９０】
従って前記ＡｌＧａＮクラッド層の一部を成長するのに必要なＮＨ3 の流量は、図７の両端における正常値よりも一段低く、かつＧａＮ導波層及びＭＱＷ活性層の成長に必要なＮＨ3 の流量より大きい、中間の値とすることができる。
【００９１】
このように、欠陥を生じやすいヘテロ界面を良好な結晶性を得るのに好適な低圧条件で、かつ、表面荒れの原因となるＮＨ3 流量の小さい条件で形成することにより、欠陥密度の少ないヘテロ界面を得ることができる。
【００９２】
図９に示すように、同様な方法はｐ型側のみならずｎ形側にも用いることができる。また、この方法によれば、図２１で説明したヘテロ界面における欠陥の不均一分布に基づく発光の不均一性を回避することができる。
【００９３】
上記の説明では圧力とＮＨ3 流量の切替えをＡｌＧａＮクラッド層中で行ったが、必ずしもクラッド層中で切り換える必要はなく、ＧａＮ導波層中で行ってもよい。ＧａＮ導波層中で圧力とＮＨ3 流量の切替えを行う方法を図１０に示す。ＧａＮ導波層中で圧力を低圧条件から高圧条件に切り替えれば、図１０に示すようにＧａＮの成長に必要なＮＨ3 の流量を増加しなければならない。また、ＧａＮ導波層に隣接するＡｌＧａＮクラッド層を成長する際には、さらにＮＨ3 の流量を増加しなければならない。
【００９４】
しかし、この方法を用いれば、ヘテロ界面で圧力を切り替える従来の方法に比べて、前記ヘテロ界面におけるＮＨ3 流量の増加が少ないことがわかる。このため、ヘテロ界面の欠陥密度を低下させることができる。同様な方法はｐ型側のみならずｎ形側にも用いることができる。
【００９５】
なお、前記第４、第５の実施の形態において、温度、キャリアガスの流量、圧力及びＮＨ3 流量の切替えを、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層とのヘテロ界面で行うことができる。その理由は、先に図６で説明したように、クラッド層とコンタクト層には共に不純物が高濃度に添加されているので、欠陥の発生が界面の抵抗増加に及ぼす影響が小さいためである。
【００９６】
次に図１１に基づき本発明の第６の実施の形態を説明する。高効率のＬＤ発光を得るのに必要な電流狭窄構造の形成に、前述の高密度の欠陥を含む界面領域を応用することができる。
【００９７】
図１１に示すように、アンドープＧａＮ領域１３を選択エッチングすることによりストライプ型に開口し、図１２に示すように、その上にｐ−ＧａＮコンタクト層１０を成長する。このときエピタキシヤル成長の下地は、前記ストライプの中に露出したｐ−ＡｌＧａＮ層９と、前記ストライプの形成に用いたアンドープＧａＮ領域１３である。前記ｐ−ＧａＮコンタクト層の成長の際に、成長温度の上昇とＨ2 ガス流量の増加を同時に行う。
【００９８】
前述したようにＡｌＧａＮ層９は高温、高Ｈ2 ガス流量の条件で安定な表面であるため、その上に成長するｐ−ＧａＮ、１０との間にヘテロ界面での欠陥の発生が抑制される。しかし、アンドープＧａＮ領域１３は高温、高Ｈ2 ガス流量の条件で表面に荒れを生じ、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０との界面には多量の欠陥が発生する。従って図２０で説明したのと同様に、前記界面に正孔の流れに対する障壁が形成されるため、正孔の注入電流をブロックすることができる。
【００９９】
アンドープＧａＮ層１３は高抵抗であるから、特に界面欠陥による障壁を発生させることにより正孔電流をブロックする必要はないと考えられるかもしれない。しかし、ＧａＮ層中には通常基板側から成長方向につながる多くの転位が存在し大きなリークパスを形成するため、電流ブロックの役割を果たすことができない。そこで欠陥層８により界面に障壁を形成し、アンドープＧａＮ層１３の成長方向に流れるリークパスをシールすることにより、アンドープＧａＮ層１３の正孔電流ブロック作用が有効になる。
【０１００】
このように、アンドープＧａＮ層１３を用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０に埋め込まれたストライプ型電流狭窄構造を形成することにより、従来ＳｉＯ2 等の絶縁膜を開口して形成された電流狭窄構造に比べて、加工歪みをいちじるしく小さくすることができる。従って、活性層６のより近くで電流狭窄を行い、高い発光効率を実現することができる。
【０１０１】
第６の実施の形態では、高密度の欠陥を含む界面領域をストライプ型の電流狭窄構造の形成に用いる方法を説明したが、このような応用は本実施の形態に限定されるものではない。この方法を拡張することにより、従来知られていなかった種々の電流狭窄構造を形成することができる。
【０１０２】
次に図１３、図１４に基づき本発明の第７の実施の形態について説明する。図１３は、第７の実施の形態におけるＧａＮ系ＬＤの断面構造を示す略図である。本ＧａＮ系ＬＤは、サファイア基板１、ＧａＮバッファ層２ａ、ｎ−ＧａＮコンタクト層２（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、厚さ４μｍ）、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層４（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さＯ．３μｍ）、ｎ−ＧａＮ導波層５（Ｓｉドープ、厚さ０．１μｍ）、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が５層とそれを挟むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、厚さ４ｎｍ）からなる活性層６、ｐ−ＧａＮ導波層７（Ｍｇドープ、厚さ０．１μｍ）、ｐ−Ｉn0.05 Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａ（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さＯ．１μｍ）、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．３μｍ）、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さ１μｍ）、ＳｉＯ2 からなる絶縁膜１１、Ｐｔ（５ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造からなるｐ側電極１２ａ、Ｔｉ／Ａｕのｐ側電極パッド１２、Ｔｉ／Ａｕのｎ側電極３からなっている。
【０１０３】
図１３に示すＧａＮ系ＬＤの多層構造は、１回のＭＯＣＶＤ法によりサフアイア基板上に連続的に成長した。本実施の形態では、サファイア基板上のＧａＮバッフア層２ａは５５０℃で、ｎ−ＧａＮコンタクト層２からｎ−ＧａＮ導波層５までは１１００℃で、量子井戸活性層６からｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ075 Ｎバッフア層８ａまでは８００℃の温度でそれぞれ成長し、ｐ−Ｉn0.05 Ａｌ0.2 Ｇａ075 Ｎバッファ層８ａ形成のための原料ガス供給を維持し、連続的に結晶成長を行いながら１１００℃まで昇温し、連続してｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９及びｐ−ＧａＮコンタクト層１０を１１００℃で結晶成長した。
【０１０４】
次に全体にＳｉＯ2 絶縁膜１１で被覆し、ストライプ型の上部電極形成部を開口した。ｐ−ＧａＮコンタクト層１０の表面に開口した幅１０μｍの領域に、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｐ側電極１２ａを順次積層し、さらに、３５０℃の窒素雰囲気で電極の熱処理を施せば、Ｐｔが適度に下方に拡散し、ｐ側電極のコンタクト抵抗を低減すると同時に、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０から上方に拡散するＮとＴｉとが固相反応し、安定な化合物を形成することにより動作中におけるコンタクト特性の劣化を防止することができる。
【０１０５】
次にｐ側のＴｉ／Ａｕ電極パッド１２をｐ側電極１２ａとＳｉＯ2 絶縁膜１１の上に形成した。さらにｎ側電極形成のためにｐ側電極を含んだメサ形状を形成し、メサ下部に現れたｎ−ＧａＮコンタクト層２にｎ側のＴｉ／Ａｕ電極３を形成した。以上の工程においてｐ電極１２ａの形成は、ｎ側電極３の形成前に行ったが、ｎ側電極３を形成、熱処理の後にｐ電極１２ａの形成を行ってもよい。
【０１０６】
次にサファイア基板１を５０μｍまで鏡面研磨し、ｐ側電極に対して垂直方向（ＧａＮの（１１（バー）００）面または（１１２（バー）０）面）に璧開し、長さ１ｍｍのＬＤチップを形成した。光出射共振器の端面にはＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 多層構造の高反射膜コーティングを施す。さらにＬＤチップ裏面にはＣｒ／Ａｕを形成し、Ｃｕやダイアモンド等の熱伝導度の高いヒートシンク上にＡｕＳｎ共晶半田を用いて熱圧着した。
【０１０７】
本実施の形態で説明したＧａＮ系ＬＤは、しきい値電流８０ｍＡで室温連続発振することができた。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５Ｖであり、５０℃、３ＯｍＷ動作における素子寿命は５０００時間以上であった。
【０１０８】
第７の実施の形態におけるＧａＮ系ＬＤのバンド構造を図１４に示す。このＬＤはｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａを形成することにより、禁制帯幅を大きくすることが可能になり、図の矢印に示すようにｎ型側から量子井戸活性層に注入された電子がｐ型側へ溢れ出すキャリアオーバーフロー効果を抑制することができ、従って高い発光効率を得ることができた。
【０１０９】
また本実施の形態では、ｐ−ＧａＮ導波層７を形成し、ｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａを介してｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９を形成し、成長温度の上昇を前記ｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａとｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９のヘテロ界面で、エピタキシャル成長過程を中断することなく行うことにより、ヘテロ界面における欠陥密度を大幅に低減することができた。
【０１１０】
その理由は、ｐ−ＧａＮ導波層７とｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａとの界面で成長中断がないことと、昇温を前記ｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａとｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９との界面でエピタキシャル成長を中断することなく行うことにより、いずれの界面においても界面準位の形成を大幅に低減することができ、また高温で安定なＩｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａの界面で昇温が行われるため、欠陥密度も大幅に低減することができるからである。
【０１１１】
従って図１６に示す従来構造において、活性層上部のｐ−ＧａＮ導波層７とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９の界面に不均一に存在していた高密度の欠陥を含む界面層８の発生が抑制され、ＬＤ共振器への均一なキャリア注入が可能になり、さらに成長中断界面での不均一な抵抗成分が減少することによりＬＤの動作電圧を低減することができる。
【０１１２】
次に図１５に基づき、本発明の第８の実施の形態について説明する。図１５は本実施の形態におけるＧａＮ系ＬＤの断面構造を示す略図である。
第７の実施の形態との相違点は、下部のｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層４の不純物Ｓｉの添加量が５×１０17ｃｍ-3であること、活性層６ａがＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２．５ｎｍ）が１０層とそれを挟むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、厚さ５ｎｍ）からなること、及びバッファ層８ｂがｐ−Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなることである。
【０１１３】
バッファ層としてｐ−Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎを用いる場合も、第７の実施の形態と同様の理由で、このバッファ層上にｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層を成長する際、温度上昇に伴うエピタキシャル成長過程の中断をする必要がない。このためヘテロ界面における欠陥密度を低減することができる。その製造工程は第７の実施の形態とほぼ同様である。なお、第７、第８の実施の形態ではキャリアガスとしてＨ2 を用いず、全てＮ2 を用いてエピタキシャル成長を行った。
【０１１４】
第８の実施の形態のＧａＮ系化合物半導体レーザは、しきい値電流８５ｍＡで室温で連続発振した。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．１Ｖであり、５０℃、３０ｍＷ動作における素子寿命は５０００時間以上、２０℃から７０℃における相対雑音強度は１４０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。
【０１１５】
第８の実施の形態のＬＤは、第７の実施の形態と同様、従来界面に発生する欠陥の深い準位による非発光キャリア再結合が減少するため、量子井戸への正孔の注入効率が向上する。このほか、本実施の形態のｐ−Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎバッフア層８ｂは量子井戸のウエル層よりもＩｎ組成が大きく、禁制帯幅が小さいので可飽和吸収体としても動作し、可飽和吸収体による自励発振を起こすことにより優れた低雑音特性を得ることができる。
【０１１６】
第８の実施の形態のＬＤはＬＤ共振器への均一なキャリア注入が可能になり、ＬＤ動作の抵抗成分が減少するばかりでなく、バッファ層が可飽和吸収体としても働くため光ディスクのピックアップ用光源として、優れた低雑音特性が得られた。
【０１１７】
前記第７、第８の実施の形態において、ＩｎＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮバッファ層をＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層との間に形成する場合について説明したが、同様な効果はＩｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるバッファ層を用いることにより得ることができる。また前記バッファ層は必ずしも導波層とクラッド層との間に形成する必要はなく、活性層とクラッド層との間に形成すれば同様な効果が得られる。
【０１１８】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されることはない。以上の実施の形態では、全てサファイア基板上に形成した青色ＬＤ、青緑色高輝度ＬＥＤを例として説明したが、例えば、ＳｉＣ等の導電性基板上のＬＤ、ＬＥＤの形成にも適用することができる。また、ＬＤ、ＬＥＤ等の半導体発光装置のほか、受光素子等の光デバイスにも適用することができる。このほか一般に半導体装置の多層構造形成に際して複数の昇温、降温過程がある場合に、本発明を拡張して適用することができる。
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の半導体発光装置の製造方法によれば、成長温度、キャリアガスの種類と流量、成長槽の圧力、またはＮＨ3 の流量等、活性層形成後の多層構造の成長条件とこれを切り換える場所を選択することにより欠陥密度を低減し、ＧａＮ系半導体発光装置の効率の向上と、しきい値電流の低減を図ることができる。従って低消費電力、高出力、高信頼性のＧａＮ系半導体発光装置を得ることができる。
【０１２０】
またＧａＮ系半導体発光装置の構造と成長条件を、特に高密度の界面領域を発生するよう選定することにより、ＧａＮを構成要素とする優れた電流狭窄構造を形成することができる。
【０１２１】
本発明の半導体発光装置によれば、活性層の上にこれと同じ成長温度で連続的にＩｎ元素を含むＩｎＡｌＧａＮバッファ層を形成し、さらにＩｎＡｌＧａＮバッファ層と同一導電型のＡｌＧａＮクラッド層を高温で連続的に形成することにより、クラッド層と活性層との間に生ずる欠陥と、これに伴う抵抗を低減することができる。またバッファ層のＩｎ組成を増加して、可飽和吸収体として動作することにより、低雑音の光ピックアップ用光源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の効果を説明するためのエネルギーバンド構造の模式図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の効果を説明するためのエネルギーバンド構造図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における活性層からの均一な発光を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の効果を説明するためのエネルギーバンド構造の模式図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係る半導体発光装置の電流狭窄構造形成法の途中段階を示す断面図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係る半導体発光装置の電流狭窄構造形成法を示す断面図。
【図１３】本発明の第７の実施の形態に係る半導体発光装置の断面図。
【図１４】本発明の第７の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造を示す図。
【図１５】本発明の第８の実施の形態に係る半導体発光装置の断面図。
【図１６】従来のＧａＮ系半導体発光装置の断面図。
【図１７】従来のＧａＮ系半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図１８】従来のＧａＮ系半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図１９】従来のＧａＮ系半導体発光装置の製造方法の問題点を説明するためのエネルギーバンド構造の模式図。
【図２０】従来のＧａＮ系半導体発光装置の製造方法の問題点を説明するためのエネルギーバンド構造図。
【図２１】従来のＧａＮ系半導体発光装置の活性層からのスポット状の発光を示す図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…ｎ−ＧａＮコンタクト層
２ａ…ＧａＮバッファ層
３…Ｔｉ／Ａｕ下部電極
４…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５…ｎ−ＧａＮ導波層
６、６ａ…ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子活性層
７…ｐ−ＧａＮ導波層
８…高密度の欠陥を含む界面層
８ａ…ｐ−ＩｎＡｌＧａＮバッファ層
８ｂ…ｐ−ＩｎＧａＮバッファ層
９…ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０…ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１…ＳｉＯ2 絶縁膜
１２…Ｔｉ／Ａｕパッド電極
１２ａ…Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ上部電極
１３…アンドープＧａＮ
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置及びその製造方法に係り、特にＧａＮ系青紫色半導体レーザ（以下ＬＤと略称）、またはＧａＮ系高輝度青緑色発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体が、高密度光ディスクシステム等への応用を目的とする青紫色ＬＤ、高輝度青緑色ＬＥＤの材料として注目されている。以下本明細書において３元系、４元系化合物半導体の組成を表すサフィックスは、特に必要がある場合の他は省略することにする。
【０００３】
例えば発光波長の短いＬＤを光ディスク等の光源として用いれば、集光サイズを小さくすることができるので、高い記録密度を達成するのに極めて有効である。しかし、ＧａＮ系ＬＤについては、室温におけるＬＤ動作のしきい値電圧が８Ｖ以上と高く、かつ大きなばらつきを示し、まだ実用上満足できる特性が得られていないのが現状である。
【０００４】
Ｍｇを添加することにより、始めてｐ型ＧａＮ（以下ｐ−ＧａＮと略称）の形成に成功して以来、近紫外乃至青色の可視領域レーザの商品化が各地で進められたが、限定された範囲で一部にレーザ発光がみられたものの、まだ克服すべき多くの課題が残されている。
【０００５】
主な問題点の１つとして、従来のＧａＮ系化合物半導体層の成長過程において、欠陥を多量に含む層が不可避的に発生するため、活性層の発光が均一に行われないことがあげられる。
【０００６】
この発光の不均一性は、活性層と導波層の成長温度が７６０℃〜８００℃と隣接するクラッド層の成長温度１１００℃より低く、このため活性層及び導波層の成長の終了時点、すなわちクラッド層の成長開始前に成長温度を大きく増加しなければならないことに関係している。このとき上部活性層表面又は導波層表面に表面欠陥、又は表面欠陥から増殖した欠陥が多量に含まれる界面層が発生する。
【０００７】
前記界面層における欠陥密度の高い部分が他に比べて高抵抗となり、界面層の欠陥密度分布に依存して活性層の電流密度分布が不均一となり、発光強度の不均一を生じる。このように不均一な発光は、ＬＤ動作のしきい値電流としきい値電圧を増加させる。
【０００８】
クラッド層の成長温度を低くすれば、欠陥を多量に含む界面層の発生は抑制されるが、低い成長温度ではｐ−ＡｌＧａＮ、又はｐ−ＧａＮからなる高濃度のｐ型クラッド層を得ることができない。従って低い成長温度では、導波層の上部に設けたｐ型クラッド層が高抵抗となり、ＬＤの動作電圧が極めて高くなる。
【０００９】
すなわち、従来のＧａＮ系半導体発光装置においては、装置構成に必要な多層構造の形成を同一温度で行うことができないため、成長温度の異なる異種材料のヘテロ界面において高抵抗の領域を生じていた。このため、素子抵抗が増大するばかりでなく、活性層に均一にキャリアを注入することができないことから、ＬＤ動作のしきい値電流及び動作電圧が上昇し、禁制帯幅から見積もられる電圧よりはるかに高い動作電圧が必要になっていた。
【００１０】
このように、従来光ディスク等に応用される低しきい値電流で、かつ低電圧動作の高信頼性青紫色ＬＤ、高輝度青緑色ＬＥＤを実現するためには、ＧａＮ系半導体発光装置の抵抗を抑制すると共に、活性層へのキャリア注入を均一かつ効率的に行うことが重要な問題点であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のＧａＮ系半導体発光装置は、同一温度で低抵抗の多層構造を成長することが難しく、例えばクラッド層の形成の際、導波層とのヘテロ界面で温度条件を切り換える必要があった。一方、温度条件の切替えにより、成長温度の異なる結晶が接合されるヘテロ界面において、欠陥密度の高い界面層を発生し、装置抵抗の増大と活性層への不均一なキャリア注入とを生じるという問題があった。
【００１２】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、ＧａＮ系半導体発光装置の主要部をなす多層構造を成長する際、成長条件の切り換えを行う適切な場所を選択すること、又は適切な場所にバッファ層を導入することにより、活性層における発光が均一で、かつ低しきい値電流、低動作電圧、高信頼性のＧａＮ系半導体発光装置とその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、半導体発光装置の多層構造を成長する際、低抵抗のｐ型クラッド層を効率的に成長するのに必要な、成長温度、圧力、水素または窒素からなるキャリアガスの流量等の切替えを、前記多層構造に欠陥を生じることなく行う最適な場所と条件とを選択することにより、上記の課題を解決するものである。
【００１４】
本発明の半導体発光装置は、欠陥密度の高い領域がヘテロ界面から例えばクラッド層の内部に移された構造とすることにより、高い発光効率を得ることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の半導体発光装置は、高密度の欠陥を含む界面層をＧａＮ系ＬＤの電流狭窄構造の形成に役立てようとするものである。またバッファ層を介してクラッド層を成長することにより、温度条件とキャリアガス流量等の切替えによる欠陥の発生が抑制された多層構造を得ることを特徴とする。
【００１６】
具体的には本発明の半導体装置の製造方法は、少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層とを有する半導体発光装置の製造方法であって、第１の圧力を用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長を開始し、ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長終了前に、第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする。
【００１７】
また、水素及び窒素のいづれか、又はこれらの混合ガスからなるキャリアガスを第１及び第２のキャリアガスとし、第１の流量を有する第１のキャリアガスを用いてＩｎ x Ｇａ y Ａｌ z Ｂ 1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長を開始し、ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層の成長終了前に、第１の流量を有する第１のキャリアガスを第２の流量を有する第１及び第２のキャリアガスのいづれかに切り替える工程を含むことを特徴とする。ここで、好ましくは第１のキャリアガスは水素の組成が低く、第２のキャリアガスは水素の組成が高いことを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１の圧力を用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる導波層の成長を開始し、ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる導波層の成長終了前に、第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の半導体発光装置は、Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層に隣接して形成されたＩｎu Ａｌv Ｇａw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなる電流狭窄層と、前記電流狭窄層に隣接して形成されたＩｎr Ａｌs Ｇａt Ｂ1-r-s-t Ｎ（０≦ｒ、ｓ、ｔ≦１、０≦ｒ＋ｓ＋ｔ≦１）からなるコンタクト層とを有し、かつ、前記電流狭窄層と前記コンタクト層との界面に含まれる欠陥の面密度が、前記電流狭窄層内部及び前記コンタクト層内部において、それぞれ主面に平行な面内に含まれる欠陥の面密度に比べて大なることを特徴とする。
【００２０】
これを用いて、前記電流狭窄層の界面では欠陥を発生させて電流を制限し、電流を流す領域には欠陥が生じないようにして、動作電流を活性層の中央部に集中することができる。
【００２１】
また本発明の半導体発光装置は、活性層と、Ｉｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるクラッド層との間に、Ｉｎu Ａｌv Ｇａw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなるバッファ層が含まれたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。はじめに本発明の実施の形態との対比を明確にするために、従来のＧａＮ系半導体発光装置の多層構造の成長に含まれる格子欠陥制御の問題をさらに詳細に説明する。
【００２３】
本発明に直接関連する問題点として、従来の典型的なＧａＮ系半導体発光装置の構造において、欠陥を多量に含むヘテロ界面が発生することを図１６を用いて説明する。
【００２４】
図１６に示すＧａＮ系半導体発光装置の主要部は、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子（Ｉｎ組成比２０％／３％のＭＱＷ（多量子井戸）構造）活性層６、ＧａＮ導波層５及び７、ＡｌＧａＮからなるクラッド層４及び９からなっている。
【００２５】
クラッド層４、９は禁制帯の幅が大きく、活性領域６への有効な光閉じ込めとキャリア閉じ込めを行う。前記ＧａＮ系半導体発光装置は、下部にｎ−ＧａＮコンタクト層２を有し、ＧａＮ系多層構造全体がサファイア基板１の上に形成される。ＳｉＯ2 からなる絶縁膜１１により形成されたストライプを用いて発光装置の電流狭窄を行う。
【００２６】
本発明は、図１６に示す構造のほか、例えば埋め込みストライプのような、他の光及び電流閉じ込め構造を有するものにも適用することができる。図１６に示すように、従来のＧａＮ系半導体発光装置は、多層構造の成長過程で上部導波層７とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９とのヘテロ界面に欠陥密度が高い界面層８が導入される。
【００２７】
クラッド層、導波層、活性層を含む４〜９のＧａＮ系の多層構造のエネルギーバンド構造図と、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition ）による従来の多層構造の成長条件とを対比して図１７に示す。ここに超格子（以下ＭＱＷ：Multi-Quantum Wellと呼ぶ）からなる活性層６の構造は、厚さ２ｎｍのアンドープＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸層が５層と、それを挟む厚さ４ｎｍのアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層からなっている。
【００２８】
図１７に示すように、良好なステップ状プロファイルの量子井戸構造を形成するためには、成長温度を７６０℃〜７８０℃と比較的低温にし、かつキャリアガスＨ2 の流量を低くすることが必要である。しかし、ＭＱＷ構造の上に一定の厚さのＧａＮ（導波層の一部）を成長した後は、Ｈ2 ガスの流量を高め、成長温度を１１００℃とＡｌＧａＮ結晶の成長に適した高温条件にしてもＭＱＷ構造が変化することはない。
【００２９】
ここで、以下の各実施の形態と密接に関連するため、ＧａＮ上のＡｌＧａＮのヘテロエピタキシャル成長過程に及ぼす温度とＨ2 ガス流量の影響について、さらに具体的に説明する。
【００３０】
図１７に示すように、ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層との界面において、成長温度とキャリアガスＨ2 の流量とをＡｌＧａＮの成長に適した値に高めなければならない。このときキャリアガスＨ2 の切替えは短時間に行われるが、７６０℃から１１００℃までの大幅な温度条件の切替えには、ＭＯＣＶＤ装置の温度変化の時定数や、制御系の時間変化の設定により定まる一定の時間が必要になる。
【００３１】
ＧａＮとＡｌＧａＮとのヘテロ界面で成長条件の切り替えを行わなければ、ＧａＮの成長条件で成長したＡｌＧａＮの結晶性は大きく低下し、また前記ＡｌＧａＮとの界面におけるｐ型ドーパントの活性化率もかなり低下する。従ってＧａＮ上のＡｌＧａＮとのヘテロ界面の成長は、ＡｌＧａＮ成長の最適条件に到達してから開始しなければならない。
【００３２】
図１７において、ｐ−ＧａＮ導波層の成長が終了した時点で、一旦原料ガスの供給を停止し、キャリアガスＨ2 の流量のみをＡｌＧａＮ成長の最適値まで増加し、同時に切り換えられたＭＯＣＶＤ装置の温度条件がＡｌＧａＮ成長の最適値に到達するのを待って、ＡｌＧａＮ成長用原料ガスをキャリアガスＨ2 に混入し、ＡｌＧａＮのエピタキシャル成長を開始する。
【００３３】
このように、良好な界面特性を得るためヘテロ界面において一定時間エピタキシャル成長を中断すれば、この間基板となるＧａＮ結晶の表面は原料ガスを含まない、高温でかつ流量の大きいＨ2 ガス中に一定時間晒されることになる。
【００３４】
ＧａＮ表面はＡｌＧａＮ表面に比べて、高温でかつ流量の大きいＨ2 ガスにより容易に表面荒れを生ずるため、図１６に示すように、従来ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層との間に欠陥密度の高い界面層８を生じていた。
【００３５】
以上、成長温度とＨ2 ガス流量とがＧａＮ系多層構造の成長に及ぼす影響について説明したが、この他エピタキシャル成長槽の圧力と、原料ガスの１つであるＮＨ3 （アンモニア）の流量とが、欠陥密度の高い界面層８の発生に密接に関連する。その他のＧａ、Ａｌ又はドーパントとして用いる不純物の原料ガスの流量等は、直接的には前記欠陥密度と無関係であり、単にその流量比を所要の化合物の組成比に合わせて制御すればよい。
【００３６】
通常の成長条件における成長槽の圧力と、ＮＨ3 の流量との制御方法を図１８に示す。このように圧力を一定に保ち、ＮＨ3 の流量をｎ側及びｐ側のＡｌＧａＮクラッド層の成長の際には高くし、ＭＱＷ活性層とその両側のＧａＮ導波層の成長の際には低くする。このようにＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ導波層とのヘテロ界面でＮＨ3 の流量を大幅に切り換えれば、前記ヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。
【００３７】
成長槽の圧力を下げれば前記ＭＱＷ活性層とＧａＮ導波層の結晶性が改善されるが、ＡｌＧａＮクラッド層との境界で圧力を高圧に切り換え、かつ、ＮＨ3 の流量も同時にＡｌＧａＮクラッド層の成長に見合う条件に切り換えなければならないので、両者の相乗効果によりヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。
【００３８】
従来行われてきたように、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ導波層とのヘテロ界面で成長温度、キャリアガスＨ2 の流量、成長槽の圧力、またはＮＨ3 の流量を切り換えれば、ヘテロ界面に高密度の欠陥が導入される。このとき、欠陥密度の高い界面層がＧａＮ系多層構造のバンド構造に及ぼす影響を、図１９に模式的に示す。
【００３９】
メッシュで示した界面領域の幅は、結晶成長の中断によりＧａＮ表面に発生した欠陥を種として、ＡｌＧａＮクラッド層に侵入した欠陥密度の高い界面層８の幅を示している。
【００４０】
メッシュで示した界面領域の高さは、界面層に捕獲されるキャリアにより生じたバンド構造の不連続の度合いを示す。矢印で示した温度又は圧力、Ｈ2 流量又はＮＨ3 流量の大幅な変化により、欠陥密度の高い界面層の影響が幅と高さの両面にわたってバンド構造を大きく変化する状況が示されている。図２０に欠陥密度の高い界面層８の導入により、バンド構造が受ける変化をさらに具体的に示す。
【００４１】
ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層との間に生じた多数の欠陥は、ヘテロ界面に図２０に示すような価電子帶の障壁を形成し、正孔が活性領域に流入するのを妨げる。また、正孔が前記界面に生じた非発光再結合中心に捕らえられ、電子と再結合して消滅する過程が促進される。このように、活性層中の電子と正孔のバンド間発光が妨げられるため、活性領域からの発光は界面層における欠陥の密度分布に応じて不均一なものとなる。
【００４２】
図１６のｐ側電極１２を透明電極とし、上部から活性層の発光状態を観察できるようにして、不均一な発光状態を観察した結果を図２１に示す。欠陥密度の少ない部分に対応してスポット状の発光が明瞭に観察される。
【００４３】
以下の実施の形態でのべるように、本発明は、多層構造の中で温度を切り換える場所、キャリアガスの種類または流量を切り換える場所、成長槽の圧力とＮＨ3 の流量を切り換える場所を選択して成長条件を制御すること、特に欠陥の発生が問題となる場所に特定のバッファ層を設けることにより、ヘテロ界面における高密度の欠陥の発生を回避しようとするものである。
【００４４】
以下の実施の形態の導波層、クラッド層、コンタクト層等を形成するＧａＮ系材料の種類は１例として示すものであり、同様の効果は、導波層としてＩｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）、クラッド層としてＩｎu Ａｌv Ｇａw Ｂ1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）、コンタクト層としてＩｎr Ａｌs Ｇａt Ｂ1-r-s-t Ｎ（０≦ｒ、ｓ、ｔ≦１、０≦ｒ＋ｓ＋ｔ≦１）を用いて、ｘ、ｙ、ｚ及びｕ、ｖ、ｗ及びｒ、ｓ、ｔの値をそれぞれ導波層、クラッド層、コンタクト層として最適化することにより得ることができる。
【００４５】
以下、活性層がＩｎＧａＮ、導波層がＧａＮの場合についてのべるが、同様の効果は導波層が例えばＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦０．１）の場合にも得ることができる。
【００４６】
図１に基づき、本発明の第１の実施の形態の半導体発光装置の製造方法について説明する。図１にＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成２０％／３％）ＭＱＷ活性層、ＧａＮ導波層、ＡｌＧａＮクラッド層を含むＧａＮ系多層構造のバンド構造と、ＭＯＣＶＤ法による多層構造の成長条件とを対比して示す。
【００４７】
第１の実施の形態では、温度とＨ2 ガスの切替えをｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行うことに特徴がある。このとき、ｐ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのヘテロ界面の形成は、ｐ−ＡｌＧａＮの最適成長条件よりも低い温度（７６０℃）とＨ2 ガス流量とで行われるため、ｐ型不純物であるＭｇイオンの活性化が不十分となり、ＡｌＧａＮ中の正孔濃度が規定値よりも低くなる。
【００４８】
しかし前述のように、キャリアガスＨ2 の流量の増加は短時間に行うことが可能であり、また、ヘテロ界面においては温度条件が変化しないため、エピタキシャル成長過程を中断することなく、ＡｌＧａＮ成長の原料ガスをほぼ連続的にキャリアガスＨ2 に導入することができる。このため、ヘテロ界面における欠陥密度は大幅に減少する。
【００４９】
また、第１の実施の形態ではキャリアガスＨ2 の増加と温度の上昇はＡｌＧａＮの成長中に行われるので、キャリアガスＨ2 中の原料ガスの組成は、ＡｌＧａＮを成長するのに必要な一定の比率を維持してその流量を増加すればよい。このため、７６０℃から１１００℃に成長温度が上昇する間、エピタキシャル成長を中断することなく、欠陥の少ないＡｌＧａＮの成長を継続することができる。
【００５０】
この場合、温度上昇前に７６０℃で成長したＡｌＧａＮは、Ｍｇイオンの活性化率が低いので、ヘテロ界面に隣接するｐ−ＡｌＧａＮ中の正孔濃度は規定値よりも低くなる。しかし、引き続きｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長が高温、高Ｈ2 ガス流量で行われるので、前記Ｍｇイオンの活性化がこの熱処理効果を受けることにより行われ、ＡｌＧａＮクラッド層の正孔濃度は規定の値に回復する。ここで、低温で成長したＡｌＧａＮ領域の結晶性は、高温成長の場合に比べて劣るという問題があるが、低温で成長するＡｌＧａＮ領域の厚さを小さくすれば、この問題を回避することができる。
【００５１】
前述したように、従来は成長条件の切替えがヘテロ界面で行われていたが、第１の実施の形態では、成長条件の切替えがＡｌＧａＮ中で行われるため、結晶成長を一旦停止する必要がなく、従って切替え時に高密度の欠陥を発生することはない。
【００５２】
図２は、温度とキャリアガスＨ2 の切替えがｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長中になされた場合の、バンド構造への影響を示す模式図である。従来のＧａＮ系発光装置に比べて、成長条件の切替えに際して発生した欠陥密度の高い界面層が大幅に減少する。
【００５３】
バンド構造に生ずる変化をさらに具体的に図３に示す。欠陥密度が大幅に減少し、また、欠陥が高濃度のｐ−ＡｌＧａＮ中に存在することにより、エネルギーバンドの曲がりと、正孔に対する障壁が大幅に抑制される。従って活性層への正孔の流入が一段と均一化され、欠陥の不均一な分布に基づく不均一発光を回避することができる。
【００５４】
このように、成長条件の切替えが高濃度のｐ−ＡｌＧａＮ層中で行われることにより欠陥密度が減少し、正孔電流に対する障壁の発生が抑制されるのであるが、この効果はｐ型不純物として添加されたＭｇが母体結晶に可撓性を与え、このため、ＧａＮとＡｌＧａＮとの間に歪みを生じても欠陥の発生が抑制されることからも説明することができる。
【００５５】
Ｍｇイオンは、Ｇａイオン及びＮイオンのいずれよりも大きい。従って、ＧａＮ系結晶中にＭｇイオンが不純物として取り込まれれば、Ｍｇイオンの周辺に僅かな格子歪みが発生する。このことは、ＧａＮとＡｌＧａＮの境界に発生する欠陥密度を減少しようとする目的に反するように思われる。
【００５６】
しかし、Ｍｇイオンが結晶中に与える歪みは、転位の移動とこれに伴う欠陥の増殖を抑制する作用があり、従ってＭｇイオンの添加により、欠陥に影響される層の幅が減少する。
【００５７】
欠陥密度が減少することにより、活性層中の発光が電流狭窄用スリットに沿って均一化される状況を図４に示す。図２１に比べて発光の均一性が大幅に改善される。
【００５８】
以上のべたように、従来のＧａＮ系半導体発光装置は、エピタキシャル成長の中断により導波層とクラッド層とのヘテロ界面に、欠陥密度の高い界面層を生じていたが、第１の実施の形態の製造方法を用いれば、ヘテロ界面における欠陥の面密度をほぼ零にすることができる。
【００５９】
なお、ここで欠陥密度とは、欠陥密度が２層の界面において一様に分布する場合、その界面領域の厚さｘからｘ＋Δｘの範囲内に、その界面領域の単位面積当りに含まれる欠陥の数を求め、これをΔｘで割ったものである。Δｘを無限小とすることにより、界面領域の厚さ方向の欠陥密度の変化率の分布を正確に与えることができる。
【００６０】
温度とＨ2 ガス流量の切替えは必ずしもｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行う必要はなく、ｐ−ＧａＮ導波層の成長中に行ってもよい。このときｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層とのテロ界面では、温度条件とＨ2 ガス流量が安定しているためほぼ連続的な成長が可能となり、ヘテロ界面におけるエピタキシャル成長の中断と、これに伴う欠陥の発生が大幅に低減される。また先に説明したのと同じ理由で、ｐ−ＧａＮ導波層中の切替え場所における欠陥の発生は低減される。
【００６１】
次に図５に基づき本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、温度を上昇する場所とＨ2 ガスを増加する場所とをずらせることにより、従来のように両者を一致させた場合に相乗効果として生じる高密度の欠陥の発生を防止する。
【００６２】
例えば図５に示すように、温度上昇をｐ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのヘテロ界面で行い、Ｈ2 流量の増加をｐ−ＡｌＧａＮ中で行う。このようにすれば、ヘテロ界面においてはキャリヤガスＨ2 の流量が小さいために、Ｈ2 とＧａＮ表面との複雑な表面反応によるＧａＮ結晶表面の荒れが小さくなり、界面における欠陥の発生が減少する。この方法の欠点はヘテロ界面に欠陥が残存することである。しかし従来の方法に比べれば、ヘテロ界面の欠陥を大幅に低減することができる。
【００６３】
またＨ2 流量の増加をｐ−ＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮのヘテロ界面で行い、温度上昇をｐ−ＡｌＧａＮ層中で行うこともできる。このようにして、両者を一致させた場合に相乗的に生じる高密度の欠陥の発生を緩和することができる。
【００６４】
またｐ−ＡｌＧａＮクラッド層の成長を全て小さなＨ2 流量で行うこともできる。このときにもＨ2 とｐ−ＧａＮ表面及びｐ−ＡｌＧａＮ表面との複雑な相互作用による表面の荒れが小さくなり、界面における欠陥の発生が減少する。
【００６５】
次に図６に基づき本発明の第３の実施の形態について説明する。
図６に示すように、第３の実施の形態では成長温度の上昇とＨ2 流量を増加する場所を共にｐ−ＡｌＧａＮクラッド層を成長した後とする。このようにすれば、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層とｐ−ＧａＮコンタクト層とのヘテロ界面近傍の欠陥の影響は、ｐ−ＧａＮ導波層とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層とのヘテロ界面で成長温度とＨ2 流量を増加した場合に比べて小さくすることができる。
【００６６】
その理由は、ＡｌＧａＮはＧａＮに比べて高温で安定であるため、温度上昇による表面欠陥の発生が少ないこと、及びｐ−ＡｌＧａＮ層全体をＨ2 の希薄な状態で成長することにより、温度の上昇過程でｐ−ＡｌＧａＮ表面とＨ2 との複雑な相互作用による表面の荒れが小さいこと、及びクラッド層とコンタクト層には共に不純物が高濃度に添加され、障壁の発生が抑制されること等のためである。
【００６７】
この方法の欠点は、界面の問題は除去されるが、このようにして成長したＡｌＧａＮの結晶性が、通常の高温成長の場合に比べて劣ることである。従って、この方法を用いる場合には、ＡｌＧａＮクラッド層の厚さを小さくしなければならない。
【００６８】
また第３の実施の形態では、ＡｌＧａＮクラッド層中に添加されたＭｇ不純物の活性化は、最後に高温で成長するＧａＮコンタクト層中でＭｇ不純物が活性化される際、同時に行われる。
【００６９】
以上第１〜第３の実施の形態では、全てＧａＮ系多層構造のｐ型側について、温度とＨ2 ガス流量を切り換える適切な場所を示したが、本発明の適用範囲は必ずしもｐ型側に限定されるものではない。例えば図１において、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層の上にｎ−ＧａＮ導波層を成長する際、両者のヘテロ界面において温度とＨ2 流量とを共に低下させるが、このときにもエピタキシャル成長の中断を伴うためヘテロ界面に欠陥が発生する。
【００７０】
第３の実施の形態にのべたように、ＡｌＧａＮ表面は高温、高Ｈ2 流量の雰囲気中でＧａＮ結晶よりも安定であるため、このとき界面に生じる欠陥密度は対応するｐ型側のヘテロ界面に比べて小さい。またＧａＮ系結晶においてｎ型側ではｐ型側のようにドーパントの活性化率の問題が小さい特徴がある。
【００７１】
しかし、本発明をｐ型側で実施した後は、ｎ型側のヘテロ界面に生じる欠陥が活性層を貫いて動作電圧、しきい値電流、発光の均一性に影響を及ぼすことが無視できなくなるため、ｎ型側においても、温度とＨ2 ガス流量を高い値から低い値に切り換える場所をｐ型側に対応して選定すれば、さらに良好なデバイス特性を得ることができる。
【００７２】
上述したように本発明は、成長条件の切り替え位置を結晶の組成が変わるヘテロ界面の位置からずらすことを趣旨としているが、組成切り替えに伴う微小な温度変化の存在を制限するものではない。
【００７３】
また第１乃至第３の実施の形態では、全てＧａＮ系多層構造をｎ型側から成長する場合について説明したが、ｐ型側から成長する場合にも本発明の方法を同様に適用することができる。このときｐ型側では温度とＨ2 ガス流量を高い値から低い値に切り換え、ｎ型側では逆に低い値から高い値に切り換えることになる。この場合も切替え場所を第１乃至第３の実施の形態で説明した場所とすれば良好な結果が得られることはいうまでもない。
【００７４】
次に図７、図８に基づき、本発明の第４の実施の形態を説明する。
第４の実施の形態では図７に示すように、成長温度の上昇とキャリアガスの流量の増加を第１の実施の形態と同様ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行うのであるが、このとき図７の下段に示すように、キャリアガスの種類を同時に切り替える点に特徴がある。
【００７５】
すなわち低い流量のＮ2 をキャリアガスとして、温度７６０℃で活性層と導波層を成長し、引き続き温度とＮ2 の流量を維持しつつ原料ガスを切り替えてＡｌＧａＮを成長する。次にキャリアガスをＨ2 に切り替えると同時にその流量を増加し、さらに温度を１１００℃に上昇しつつ成長を中断することなくＡｌＧａＮクラッド層を成長する。
【００７６】
このように、活性層と導波層の形成を流量の低い高純度のＮ2 中で行うことにより、流量の大きいＨ2 による活性層とＧａＮ導波層の品質の低下を回避することができる。
【００７７】
Ｈ2 とＮ2 との混合ガスを第１、第２のキャリアガスとし、第１のキャリアガスは低いＨ2 組成、第２のキャリアガスは高いＨ2 組成として、成長の途中で第１の流量の第１のキャリアガスから、第２の流量の第２のキャリアガスに切り替える方法を用いても同様の結果を得ることができる。
【００７８】
さらに図８に示すように、キヤリアガスとしてＨ2 の替わりに全てＮ2 を用いることもできる。このとき、酸素との反応性の高いＡｌＧａＮクラッド層の成長が高温で、かつ、非還元性のＮ2 ガス中で行われるため、とくにＮ2 ガスは高純度でなくてはならない。
【００７９】
図８に示すように、このとき成長温度の上昇をＡｌＧａＮクラッド層中で行うことによりヘテロ界面における欠陥密度が低減し、良好な結果が得られることはいうまでもない。
【００８０】
第４の実施の形態において、温度又はキャリアガスの切り替えをクラッド層中で行う場合について説明したが、同様の効果は前記切り替えを導波層中で行う場合についても得ることができる。
【００８１】
次に図９に基づき、本発明の第５の実施の形態について説明する。第１乃至第４の実施の形態において、成長温度とＨ2 ガス流量とがＧａＮ系多層構造の成長に及ぼす影響について説明したが、エピタキシャル成長槽の圧力と、成長槽に供給される原料ガスの１つであるＮＨ3 の流量とが前記界面領域における欠陥の発生に密接に関連する。
【００８２】
先に述べたように、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮ導波層とのヘテロ界面で圧力とＮＨ3 の流量を切り換えれば、ヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。圧力を下げればＭＱＷ活性層とＧａＮ導波層の結晶性が改善されるが、ＡｌＧａＮクラッド層との境界で圧力を高圧に切り換え、かつ、ＮＨ3 の流量も同時にＡｌＧａＮクラッド層の成長に見合う条件に切り換えれば、両者の相乗効果によりヘテロ界面に多量の欠陥が導入される。
【００８３】
しかし、圧力を下げればガスの流れが早くなり、成長槽内の種々のガスがよく混合されるため成長条件が安定し、より小さいＮＨ3 の流量で欠陥密度の小さいヘテロ界面が得られることに注目しなければならない。
【００８４】
この現象を利用して良好なヘテロ界面を得る方法を図９に示す。ここでは圧力の増加はＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層とのヘテロ界面の成長が終了した後、ＡｌＧａＮクラッド層の成長中に行われる。従って前記ＭＱＷ活性層とＧａＮ導波層の成長は低圧条件で行われ良好な結晶性が確保される。
【００８５】
ここで、ヘテロ界面の欠陥密度と密接に関連するＮＨ3 の流量の切替え方法についてさらに詳細に説明する。キャリアガスＨ2 と同様に、高温においてＮＨ3 にもＧａＮの表面を荒れた状態にする作用がある。この作用がＡｌＧａＮとのヘテロ界面に多量の欠陥を導入する原因となるので、前記ヘテロ界面の形成時にはＮＨ3 の流量は小さい方が望ましい。
【００８６】
しかし、Ｈ2 とは異なりＮＨ3 はエピタキシャル成長の原料であり、成長するＧａＮ系の膜の種類にしたがって膜の組成Ｎの値が適正になるように制御する必要がある。このため、ＮＨ3 の流量を荒れのない良好な表面を得る条件まで下げることは通常困難と考えられていた。
【００８７】
しかし、上記したように成長槽の圧力を下げることにより、ガスの流れが早くなり、ＮＨ3 が成長槽内でよく混合するようになるため、ＮＨ3 の流量が通常の成長条件より小さくされても、エピタキシャル成長層の組成は正常に保たれる。
【００８８】
従って成長槽の圧力を下げることにより、表面荒れの原因となるＮＨ3 の流量を下げることが可能となり、このように圧力を下げた条件でＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層と接続部を成長すれば、欠陥密度の少ないヘテロ界面を得ることができる。
【００８９】
すなわち図９に示すように、ＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層とのヘテロ界面を低圧条件で成長すれば、前記ヘテロ界面に隣接するＡｌＧａＮクラッド層の一部は通常よりも低圧で成長することになる。
【００９０】
従って前記ＡｌＧａＮクラッド層の一部を成長するのに必要なＮＨ3 の流量は、図７の両端における正常値よりも一段低く、かつＧａＮ導波層及びＭＱＷ活性層の成長に必要なＮＨ3 の流量より大きい、中間の値とすることができる。
【００９１】
このように、欠陥を生じやすいヘテロ界面を良好な結晶性を得るのに好適な低圧条件で、かつ、表面荒れの原因となるＮＨ3 流量の小さい条件で形成することにより、欠陥密度の少ないヘテロ界面を得ることができる。
【００９２】
図９に示すように、同様な方法はｐ型側のみならずｎ形側にも用いることができる。また、この方法によれば、図２１で説明したヘテロ界面における欠陥の不均一分布に基づく発光の不均一性を回避することができる。
【００９３】
上記の説明では圧力とＮＨ3 流量の切替えをＡｌＧａＮクラッド層中で行ったが、必ずしもクラッド層中で切り換える必要はなく、ＧａＮ導波層中で行ってもよい。ＧａＮ導波層中で圧力とＮＨ3 流量の切替えを行う方法を図１０に示す。ＧａＮ導波層中で圧力を低圧条件から高圧条件に切り替えれば、図１０に示すようにＧａＮの成長に必要なＮＨ3 の流量を増加しなければならない。また、ＧａＮ導波層に隣接するＡｌＧａＮクラッド層を成長する際には、さらにＮＨ3 の流量を増加しなければならない。
【００９４】
しかし、この方法を用いれば、ヘテロ界面で圧力を切り替える従来の方法に比べて、前記ヘテロ界面におけるＮＨ3 流量の増加が少ないことがわかる。このため、ヘテロ界面の欠陥密度を低下させることができる。同様な方法はｐ型側のみならずｎ形側にも用いることができる。
【００９５】
なお、前記第４、第５の実施の形態において、温度、キャリアガスの流量、圧力及びＮＨ3 流量の切替えを、ＡｌＧａＮクラッド層とＧａＮコンタクト層とのヘテロ界面で行うことができる。その理由は、先に図６で説明したように、クラッド層とコンタクト層には共に不純物が高濃度に添加されているので、欠陥の発生が界面の抵抗増加に及ぼす影響が小さいためである。
【００９６】
次に図１１に基づき本発明の第６の実施の形態を説明する。高効率のＬＤ発光を得るのに必要な電流狭窄構造の形成に、前述の高密度の欠陥を含む界面領域を応用することができる。
【００９７】
図１１に示すように、アンドープＧａＮ領域１３を選択エッチングすることによりストライプ型に開口し、図１２に示すように、その上にｐ−ＧａＮコンタクト層１０を成長する。このときエピタキシヤル成長の下地は、前記ストライプの中に露出したｐ−ＡｌＧａＮ層９と、前記ストライプの形成に用いたアンドープＧａＮ領域１３である。前記ｐ−ＧａＮコンタクト層の成長の際に、成長温度の上昇とＨ2 ガス流量の増加を同時に行う。
【００９８】
前述したようにＡｌＧａＮ層９は高温、高Ｈ2 ガス流量の条件で安定な表面であるため、その上に成長するｐ−ＧａＮ、１０との間にヘテロ界面での欠陥の発生が抑制される。しかし、アンドープＧａＮ領域１３は高温、高Ｈ2 ガス流量の条件で表面に荒れを生じ、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０との界面には多量の欠陥が発生する。従って図２０で説明したのと同様に、前記界面に正孔の流れに対する障壁が形成されるため、正孔の注入電流をブロックすることができる。
【００９９】
アンドープＧａＮ層１３は高抵抗であるから、特に界面欠陥による障壁を発生させることにより正孔電流をブロックする必要はないと考えられるかもしれない。しかし、ＧａＮ層中には通常基板側から成長方向につながる多くの転位が存在し大きなリークパスを形成するため、電流ブロックの役割を果たすことができない。そこで欠陥層８により界面に障壁を形成し、アンドープＧａＮ層１３の成長方向に流れるリークパスをシールすることにより、アンドープＧａＮ層１３の正孔電流ブロック作用が有効になる。
【０１００】
このように、アンドープＧａＮ層１３を用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０に埋め込まれたストライプ型電流狭窄構造を形成することにより、従来ＳｉＯ2 等の絶縁膜を開口して形成された電流狭窄構造に比べて、加工歪みをいちじるしく小さくすることができる。従って、活性層６のより近くで電流狭窄を行い、高い発光効率を実現することができる。
【０１０１】
第６の実施の形態では、高密度の欠陥を含む界面領域をストライプ型の電流狭窄構造の形成に用いる方法を説明したが、このような応用は本実施の形態に限定されるものではない。この方法を拡張することにより、従来知られていなかった種々の電流狭窄構造を形成することができる。
【０１０２】
次に図１３、図１４に基づき本発明の第７の実施の形態について説明する。図１３は、第７の実施の形態におけるＧａＮ系ＬＤの断面構造を示す略図である。本ＧａＮ系ＬＤは、サファイア基板１、ＧａＮバッファ層２ａ、ｎ−ＧａＮコンタクト層２（Ｓｉドープ、５×１０18ｃｍ-3、厚さ４μｍ）、ｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層４（Ｓｉドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さＯ．３μｍ）、ｎ−ＧａＮ導波層５（Ｓｉドープ、厚さ０．１μｍ）、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２ｎｍ）が５層とそれを挟むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、厚さ４ｎｍ）からなる活性層６、ｐ−ＧａＮ導波層７（Ｍｇドープ、厚さ０．１μｍ）、ｐ−Ｉn0.05 Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａ（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さＯ．１μｍ）、ｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．３μｍ）、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さ１μｍ）、ＳｉＯ2 からなる絶縁膜１１、Ｐｔ（５ｎｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（３０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）構造からなるｐ側電極１２ａ、Ｔｉ／Ａｕのｐ側電極パッド１２、Ｔｉ／Ａｕのｎ側電極３からなっている。
【０１０３】
図１３に示すＧａＮ系ＬＤの多層構造は、１回のＭＯＣＶＤ法によりサフアイア基板上に連続的に成長した。本実施の形態では、サファイア基板上のＧａＮバッフア層２ａは５５０℃で、ｎ−ＧａＮコンタクト層２からｎ−ＧａＮ導波層５までは１１００℃で、量子井戸活性層６からｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ075 Ｎバッフア層８ａまでは８００℃の温度でそれぞれ成長し、ｐ−Ｉn0.05 Ａｌ0.2 Ｇａ075 Ｎバッファ層８ａ形成のための原料ガス供給を維持し、連続的に結晶成長を行いながら１１００℃まで昇温し、連続してｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９及びｐ−ＧａＮコンタクト層１０を１１００℃で結晶成長した。
【０１０４】
次に全体にＳｉＯ2 絶縁膜１１で被覆し、ストライプ型の上部電極形成部を開口した。ｐ−ＧａＮコンタクト層１０の表面に開口した幅１０μｍの領域に、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造のｐ側電極１２ａを順次積層し、さらに、３５０℃の窒素雰囲気で電極の熱処理を施せば、Ｐｔが適度に下方に拡散し、ｐ側電極のコンタクト抵抗を低減すると同時に、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０から上方に拡散するＮとＴｉとが固相反応し、安定な化合物を形成することにより動作中におけるコンタクト特性の劣化を防止することができる。
【０１０５】
次にｐ側のＴｉ／Ａｕ電極パッド１２をｐ側電極１２ａとＳｉＯ2 絶縁膜１１の上に形成した。さらにｎ側電極形成のためにｐ側電極を含んだメサ形状を形成し、メサ下部に現れたｎ−ＧａＮコンタクト層２にｎ側のＴｉ／Ａｕ電極３を形成した。以上の工程においてｐ電極１２ａの形成は、ｎ側電極３の形成前に行ったが、ｎ側電極３を形成、熱処理の後にｐ電極１２ａの形成を行ってもよい。
【０１０６】
次にサファイア基板１を５０μｍまで鏡面研磨し、ｐ側電極に対して垂直方向（ＧａＮの（１１（バー）００）面または（１１２（バー）０）面）に璧開し、長さ１ｍｍのＬＤチップを形成した。光出射共振器の端面にはＳｉＯ2 ／ＴｉＯ2 多層構造の高反射膜コーティングを施す。さらにＬＤチップ裏面にはＣｒ／Ａｕを形成し、Ｃｕやダイアモンド等の熱伝導度の高いヒートシンク上にＡｕＳｎ共晶半田を用いて熱圧着した。
【０１０７】
本実施の形態で説明したＧａＮ系ＬＤは、しきい値電流８０ｍＡで室温連続発振することができた。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５Ｖであり、５０℃、３ＯｍＷ動作における素子寿命は５０００時間以上であった。
【０１０８】
第７の実施の形態におけるＧａＮ系ＬＤのバンド構造を図１４に示す。このＬＤはｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａを形成することにより、禁制帯幅を大きくすることが可能になり、図の矢印に示すようにｎ型側から量子井戸活性層に注入された電子がｐ型側へ溢れ出すキャリアオーバーフロー効果を抑制することができ、従って高い発光効率を得ることができた。
【０１０９】
また本実施の形態では、ｐ−ＧａＮ導波層７を形成し、ｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａを介してｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９を形成し、成長温度の上昇を前記ｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａとｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９のヘテロ界面で、エピタキシャル成長過程を中断することなく行うことにより、ヘテロ界面における欠陥密度を大幅に低減することができた。
【０１１０】
その理由は、ｐ−ＧａＮ導波層７とｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａとの界面で成長中断がないことと、昇温を前記ｐ−Ｉｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａとｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９との界面でエピタキシャル成長を中断することなく行うことにより、いずれの界面においても界面準位の形成を大幅に低減することができ、また高温で安定なＩｎ0.05Ａｌ0.2 Ｇａ0.75Ｎバッファ層８ａの界面で昇温が行われるため、欠陥密度も大幅に低減することができるからである。
【０１１１】
従って図１６に示す従来構造において、活性層上部のｐ−ＧａＮ導波層７とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層９の界面に不均一に存在していた高密度の欠陥を含む界面層８の発生が抑制され、ＬＤ共振器への均一なキャリア注入が可能になり、さらに成長中断界面での不均一な抵抗成分が減少することによりＬＤの動作電圧を低減することができる。
【０１１２】
次に図１５に基づき、本発明の第８の実施の形態について説明する。図１５は本実施の形態におけるＧａＮ系ＬＤの断面構造を示す略図である。
第７の実施の形態との相違点は、下部のｎ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層４の不純物Ｓｉの添加量が５×１０17ｃｍ-3であること、活性層６ａがＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ｎ量子井戸（アンドープ、２．５ｎｍ）が１０層とそれを挟むＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（アンドープ、厚さ５ｎｍ）からなること、及びバッファ層８ｂがｐ−Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎ（Ｍｇドープ、１×１０18ｃｍ-3、厚さ０．１μｍ）からなることである。
【０１１３】
バッファ層としてｐ−Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎを用いる場合も、第７の実施の形態と同様の理由で、このバッファ層上にｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層を成長する際、温度上昇に伴うエピタキシャル成長過程の中断をする必要がない。このためヘテロ界面における欠陥密度を低減することができる。その製造工程は第７の実施の形態とほぼ同様である。なお、第７、第８の実施の形態ではキャリアガスとしてＨ2 を用いず、全てＮ2 を用いてエピタキシャル成長を行った。
【０１１４】
第８の実施の形態のＧａＮ系化合物半導体レーザは、しきい値電流８５ｍＡで室温で連続発振した。発振波長は４２０ｎｍ、動作電圧は５．１Ｖであり、５０℃、３０ｍＷ動作における素子寿命は５０００時間以上、２０℃から７０℃における相対雑音強度は１４０ｄＢ／Ｈｚ以下であった。
【０１１５】
第８の実施の形態のＬＤは、第７の実施の形態と同様、従来界面に発生する欠陥の深い準位による非発光キャリア再結合が減少するため、量子井戸への正孔の注入効率が向上する。このほか、本実施の形態のｐ−Ｉｎ0.3 Ｇａ0.7 Ｎバッフア層８ｂは量子井戸のウエル層よりもＩｎ組成が大きく、禁制帯幅が小さいので可飽和吸収体としても動作し、可飽和吸収体による自励発振を起こすことにより優れた低雑音特性を得ることができる。
【０１１６】
第８の実施の形態のＬＤはＬＤ共振器への均一なキャリア注入が可能になり、ＬＤ動作の抵抗成分が減少するばかりでなく、バッファ層が可飽和吸収体としても働くため光ディスクのピックアップ用光源として、優れた低雑音特性が得られた。
【０１１７】
前記第７、第８の実施の形態において、ＩｎＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＮバッファ層をＧａＮ導波層とＡｌＧａＮクラッド層との間に形成する場合について説明したが、同様な効果はＩｎx Ａｌy Ｇａz Ｂ1-x-y-z Ｎ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１，０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなるバッファ層を用いることにより得ることができる。また前記バッファ層は必ずしも導波層とクラッド層との間に形成する必要はなく、活性層とクラッド層との間に形成すれば同様な効果が得られる。
【０１１８】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されることはない。以上の実施の形態では、全てサファイア基板上に形成した青色ＬＤ、青緑色高輝度ＬＥＤを例として説明したが、例えば、ＳｉＣ等の導電性基板上のＬＤ、ＬＥＤの形成にも適用することができる。また、ＬＤ、ＬＥＤ等の半導体発光装置のほか、受光素子等の光デバイスにも適用することができる。このほか一般に半導体装置の多層構造形成に際して複数の昇温、降温過程がある場合に、本発明を拡張して適用することができる。
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の半導体発光装置の製造方法によれば、成長温度、キャリアガスの種類と流量、成長槽の圧力、またはＮＨ3 の流量等、活性層形成後の多層構造の成長条件とこれを切り換える場所を選択することにより欠陥密度を低減し、ＧａＮ系半導体発光装置の効率の向上と、しきい値電流の低減を図ることができる。従って低消費電力、高出力、高信頼性のＧａＮ系半導体発光装置を得ることができる。
【０１２０】
またＧａＮ系半導体発光装置の構造と成長条件を、特に高密度の界面領域を発生するよう選定することにより、ＧａＮを構成要素とする優れた電流狭窄構造を形成することができる。
【０１２１】
本発明の半導体発光装置によれば、活性層の上にこれと同じ成長温度で連続的にＩｎ元素を含むＩｎＡｌＧａＮバッファ層を形成し、さらにＩｎＡｌＧａＮバッファ層と同一導電型のＡｌＧａＮクラッド層を高温で連続的に形成することにより、クラッド層と活性層との間に生ずる欠陥と、これに伴う抵抗を低減することができる。またバッファ層のＩｎ組成を増加して、可飽和吸収体として動作することにより、低雑音の光ピックアップ用光源を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の効果を説明するためのエネルギーバンド構造の模式図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の効果を説明するためのエネルギーバンド構造図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における活性層からの均一な発光を示す図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の効果を説明するためのエネルギーバンド構造の模式図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図１１】本発明の第６の実施の形態に係る半導体発光装置の電流狭窄構造形成法の途中段階を示す断面図。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係る半導体発光装置の電流狭窄構造形成法を示す断面図。
【図１３】本発明の第７の実施の形態に係る半導体発光装置の断面図。
【図１４】本発明の第７の実施の形態に係る半導体発光装置のバンド構造を示す図。
【図１５】本発明の第８の実施の形態に係る半導体発光装置の断面図。
【図１６】従来のＧａＮ系半導体発光装置の断面図。
【図１７】従来のＧａＮ系半導体発光装置のバンド構造と成長条件との関係を示す図。
【図１８】従来のＧａＮ系半導体発光装置のバンド構造と他の成長条件との関係を示す図。
【図１９】従来のＧａＮ系半導体発光装置の製造方法の問題点を説明するためのエネルギーバンド構造の模式図。
【図２０】従来のＧａＮ系半導体発光装置の製造方法の問題点を説明するためのエネルギーバンド構造図。
【図２１】従来のＧａＮ系半導体発光装置の活性層からのスポット状の発光を示す図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…ｎ−ＧａＮコンタクト層
２ａ…ＧａＮバッファ層
３…Ｔｉ／Ａｕ下部電極
４…ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５…ｎ−ＧａＮ導波層
６、６ａ…ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ超格子活性層
７…ｐ−ＧａＮ導波層
８…高密度の欠陥を含む界面層
８ａ…ｐ−ＩｎＡｌＧａＮバッファ層
８ｂ…ｐ−ＩｎＧａＮバッファ層
９…ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０…ｐ−ＧａＮコンタクト層
１１…ＳｉＯ2 絶縁膜
１２…Ｔｉ／Ａｕパッド電極
１２ａ…Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ上部電極
１３…アンドープＧａＮ
Claims (7)
- 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
第１の圧力においてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長終了前に前記第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
キャリアガスの種類は水素及び窒素のいずれか、又はこれらの混合ガスからなる第１及び第２のキャリアガスであり、
第１の流量の前記第１のキャリアガスを用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長終了前に前記第１の流量の前記第１のキャリアガスから第２の流量の前記第１及び第２のキャリアガスのいづれか１つに切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
原料ガスの種類はアンモニアであり、第１の流量の前記アンモニアを用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長終了前に前記第１の流量の前記アンモニアから第２の流量の前記アンモニアに切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
第１の圧力においてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記導波層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記導波層の成長終了前に前記第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
キャリアガスの種類は水素及び窒素のいずれか、又はこれらの混合ガスからなる第１及び第２のキャリアガスであり、
第１の流量の前記第１のキャリアガスを用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記導波層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記導波層の成長終了前に前記第１の流量の前記第１のキャリアガスから第２の流量の前記第１及び第２のキャリアガスのいづれか１つに切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
原料ガスの種類はアンモニアであり、第１の流量の前記アンモニアを用いてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記導波層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記導波層の成長終了前に前記第１の流量の前記アンモニアから第２の流量の前記アン モニアに切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 - 少なくとも活性層と、導波層と、クラッド層と、コンタクト層からなる多層構造を有する半導体発光装置の製造方法であって、
第１の圧力においてＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層の成長を開始する工程と、
前記ＩｎxＧａyＡｌzＢ1-x-y-zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなる前記クラッド層とＩｎ u Ｇａ v Ａｌ w Ｂ 1-u-v-w Ｎ（０≦ｕ、ｖ、ｗ≦１、０≦ｕ＋ｖ＋ｗ≦１）からなる前記コンタクト層との境界において前記第１の圧力から第２の圧力に切り替える工程を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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