JP4511473B2 - Iii族窒化物基反射器を製造する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、クラックがなく高い反射率と広いストップバンドを有するIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法に関する。特に、クラックを含まない高反射率かつ広ストップバンドを有するIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法に関する。III族窒化物基分布ブラッグ反射器は、垂直空洞面発光レーザー、微小空洞発光ダイオード、共振空洞発光ダイオードおよび光検出器等の光学素子に広範囲に適用される。
近年、例えば1550nm、1310nm、850nm、670nm等において様々なレーザー波長を発生する能力、優れた光電特性、および様々な種類の材料が利用可能であるために、垂直空洞面発光レーザー(VCSEL)が普及してきている。
様々な材料により構成されるVCSELに関しては、優れた光電特性のために、分布ブラッグ反射器付きの垂直空洞面発光レーザー、微小空洞発光ダイオード(MCLED)、および共振空洞発光ダイオード(RCLED)が、フルカラー表示、フォトリソグラフィ、超高密度光メモリ、および高輝度白色光源に広く応用されている。例えば、III族窒化物基VCSEL(III−N−VCSEL)は、端面発光型レーザーを凌いで、円形のビーム形、垂直方向の発光、低閾値電流、単一縦モード、および二次元配列の形成を含む多くの優位な特性を有する。III族窒化物基共振空洞発光ダイオード(III−N−RCLED)は、プラスチック光ファイバーに広く応用されている。また、GaN/Al(Ga)N、AlN/Ga(Al)N多層膜は、底面側の高反射率ミラーとして用いられている。
一般に、VCSELは、有機金属化学気相成長法(MOCVD)、分子線エピタキシー法(MBE)あるいは水素化物気相エピタキシー法(HVPE)、またはホットウォールエピタキシー法(HWE)により層を析出させることにより、例えば絶縁サファイヤ単結晶、種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶、およびIII−V族化合物半導体単結晶などの基板上に成長する。
典型的なVCSELは、半導体であるn型、p型、および活性層、さらに分布ブラッグ反射器(DBR)、電流制限構造、基板、および接続端子から構成される。活性層は、AlInGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y<1、x+y<1)の式を有するGaN基化合物から一般に構成される。通常、VCSELの場合、GaN等の大きなバンドギャップ材料により挟まれたInGaNを、特別な組成かつ発光波長で用いる。それらは、2つの異質構造、または単一量子井戸構造、または多量子井戸効果を有する。しかし、多量子井戸の活性層を有するGaN基発光素子は、高駆動電圧で所望の出力パワーを達成するのが難しい。
VCSELに起因するこれらの問題を解決するために、多くの提案がなされている。例えば、下記非特許文献1では、反射器を成長させる前に一組のGaN/GaAlN超格子を成長させて、ひずみを解放しクラックのないGaN/GaAlN反射器を得ていた。GaAlN材料とGaN材料では屈折率の差が小さいため、狭いストップバンドで高反射率を達成するために多数の反射器の対が必要である。しかし、GaN基材料はサファイヤ上に成長する。GaNとサファイヤとの間には大きな格子の不整合があるので、GaNエピ層中には多数の転位や欠陥がある。それらはエピ層の品質に影響を及ぼし、光損失を引起して反射率を低下させる。例えば、下記非特許文献1において、30層を超える反射器を直接成長させることは大変困難である。
さらに、下記非特許文献2では、高い反射率で広いストップバンドを有するAlN/GaN分布ブラッグ反射器をMBEにより成長させた。この工程は反射器の対の数を約20〜25に効果的に減らしているが、AlNとGaNとの間の格子不整合に起因して表面にクラックが存在するために、高品質な反射器を得ることが難しい。
上述のように、分布ブラッグ反射器は、高品質、高反射率、および広ストップバンドという素子の要件に達していない。垂直空洞面発光レーザーを実現する観点から、クラックの発生を抑えて高い反射率および広いストップバンドを有する分布ブラッグ反射器を達成するという提案を行う。
Nakada、H.Ishikawa、T.Egawa、T.Jimbo,「サファイヤ上のGaN/AlGaN分布ブラッグ反射器有機金属化学気相成長法を用いて成長させたGaN/AlGaN超格子によるサファイヤ上のGaN/AlGaN分布ブラッグ反射器中におけるクラック発生の抑制」Jpn.J.Appl.Phys.Pt.2 42(2003)L144 H.M.Ng、T.D.Moustakas、S.N.G.Chu,「分子線エピタキシー法で成長させた高反射率ブロードバンド幅AlN/GaN分布ブラッグ反射器」Appl.Phys.Lett.76(2000)2818
上記のようなDBRに存在する問題点を解決するために、本発明は、クラックがなく高い反射率と広いストップバンドを有するDBRの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の発明者らは、垂直空洞面発光レーザー用のDBRについて鋭意研究を行い、上記問題点を解決する本発明に至った。
本発明は、以下のような目的を持つ。
(1)基板上に成長するバッファ層と、
(2)バッファ層上に成長する厚いGaN層と、
(3)厚いGaN層上に成長する一対以上の1/4波長GaNとAlN反射器膜と、
(4)一対以上のAlN/GaN層から形成される超格子(1/4波長)、および1/4波長GaN層からなるひずみ解放層と、
(5)前記ひずみ解放層上に形成された一対以上の1/4波長GaNとAlN反射器膜と、
を備えるIII族窒化物基分布ブラッグ反射器の製造方法。
請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造に関して、GaN等の基板と同じ格子定数であること以外は、全て異なる格子定数の材料から少なくとも1つの基板が選択される。例えば、基板はサファイヤ、炭化珪素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、およびシリコン基板のうちの1つである。
バッファ層は100〜1000℃の成長温度で成長する請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
バッファ層上の厚いGaN層は、基板をMOCVD反応室に置き、成長圧力が50〜500Torrおよび回転速度が900rpmで成長する請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
キャリヤーガスである窒素(N)の流量が10〜6000sccm、水素(H)の流量が0〜200sccm、成長圧力が1〜300Torr、NHの流量が100〜1500sccm、TMGaの流量が1〜20sccm、TMAlの流量が10〜200sccm、および温度が300〜1500℃において反射器膜が成長する請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
超格子はDBRの成長と同じ条件で成長するが、成長時間は反射器膜よりも短い請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
有機金属化学気相エピタキシー法、水素化物気相エピタキシー法、分子線エピタキシー法、またはホットウォールエピタキシー法により、全てのエピ層が成長する請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
バッファ層の厚さは、1〜100nmの範囲内にある請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
バッファ層のGaN層の厚さは、10nm〜100μmの範囲内である請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
反射器膜の各層の光学的厚さは1/4(1±20%)波長であり、AlN/GaN層対の合計厚さは1/2波長である請求項1に記載のIII族窒化物基DBRの製造方法。
バッファ層、GaN層、一対以上のGaN/AlN反射器膜、一対以上のAlN/GaN層から形成される超格子およびGaN層からなるひずみ解放層、一対以上のGaN/AlN反射器膜をこの順に成長させて、ひずみ解放層は(光学的厚さが1/4波長である)一組のAlN/GaN超格子と1/4波長GaN層から成る第1〜10項のいずれかに記載の方法により製造されるDBR。
超格子の両側は薄いAlN層である請求項11に記載の分布ブラッグ反射器。
以下、添付の図面および実際の実施例を参照して本発明を詳細に例示し説明する。但し、例示した図面および実際の実施例は、本発明の最良の実施例およびその実践的な応用として有用なものであり、また当該分野の技術者が本発明の範囲を限定するのではなく、その概念と有効性をより良く理解する手助けとしても有用である。さらに、本発明および添付の特許請求の範囲が、本発明の精神と範囲内において本発明の目的とするその他の変形および変更に及ぶことを、当該分野の技術者は認識するであろう。
図1は、20対のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器の概略的な構造を示す。図1に示すように、本分布ブラッグ反射器は、少なくとも基板、バッファ層、厚いGaN層、一対以上のGaN/AlN反射器膜、および一対以上のAlN/GaN超格子およびGaN層からなるひずみ解放層を備える。本分布ブラッグ反射器は、有機金属化学気相エピタキシー法、水素化物気相エピタキシー法、分子線エピタキシー法、またはホットウォールエピタキシー法により成長させる。比較として、成長パラメータを変えずに、別の20対のAlN/GaNのDBRをAlN/GaN超格子を挿入しない状態で成長させた。
また、このIII族窒化物基分布ブラッグ反射器は、サファイヤ基板上に成長させたGaNバッファ層とGaNバッファ層上に成長させた厚さ2〜3μmのGaN層を備える。1対以上のAlN/GaN反射器膜がGaN層上に成長した。DBR対の数は、観測可能なクラックがないことにより制限される。このときはDBR対の数が5を超えるとクラックが観測された。GaAlN(AlN)/GaN超格子と1/4波長GaN層とから成るひずみ解放層を成長させた。超格子の両側は、薄いGaAlN(AlN)層である。超格子の厚さは1/4波長である。その後、1対以上のAlN/GaN反射器膜を成長させる。必要に応じて、これらの工程を繰り返して所定反射率のDBRを得る。
さらに、このIII族窒化物基分布ブラッグ反射器において、GaNバッファ層と厚さ2〜3μmのGaN層は、本発明に影響を与えることなく、すべてのIII族窒化物エピ層により置き換えてもよい。例えば、これらのIII族窒化物エピ層はAlN、AlGaN、およびGaNのいずれかから選択される。
本方法において分布ブラッグ反射器に用いる基板は、特別な制限なしに、GaN材料と異なる格子定数を有するすべての材料の少なくとも1つから選択してよい。例えば、基板は、サファイヤ、炭化珪素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコン基板のうちの1つである。サファイヤが好適である。
さらに、本発明においてバッファ層の成長温度は、通常100〜1000℃の範囲内にあり、500℃が好適である。さらに、バッファ層の厚さは、その後のエピ層の品質に影響を与えない限り特に制限がないが、通常、バッファ層の厚さは1〜100nmの範囲内であり、好適には5〜80nmであり、さらに好適には15〜50nmである。GaN層の厚さは、通常1〜3μmの範囲内である。
次に、分布ブラッグ反射器の本製造によれば、特別な制限なしに、すべての従来技術の方法、例えば、有機金属化学気相エピタキシー法、水素化物気相エピタキシー法、分子線エピタキシー法、またはホットウォールエピタキシー法により、GaN層を成長させることが可能である。また、通常GaN層は、成長圧力が50〜500Torrで回転速度が1000rpmより低速で成長し、好適には圧力が1〜300Torrで回転速度が約900rpmである。GaN層の厚さは、その後のエピ層の品質に影響を与えない限り特に制限がないが、通常、GaN層の厚さは0.5〜10μmの範囲内であり、好適には3μmである。
分布ブラッグ反射器の本製造によれば、特別な制限なしに、すべての従来技術の方法、例えば、有機金属化学気相エピタキシー法、水素化物気相エピタキシー法、分子線エピタキシー法、またはホットウォールエピタキシー法により、反射器膜を成長させることが可能である。また、キャリヤーガスである窒素(N)の流量が10〜6000sccm、水素(H)の流量が0〜500sccm、成長圧力が1〜300Torr、および成長温度が700〜1500℃において、反射器膜は通常成長し、好適には、キャリヤーガスである窒素(N)の流量が50〜5500sccm、水素(H)の流量が0〜300sccm、成長圧力が10〜250Torr、および成長温度が800〜1300℃、さらに好適には、キャリヤーガスである窒素(N)の流量が100〜5000sccm、水素(H)の流量が0〜200sccm、成長圧力が50〜220Torr、および成長温度が900〜1100℃である。さらに、反射器膜の厚さは、本発明の効果が損なわれない限り特に制限がないが、GaNまたはAlNのいずれかの厚さは、通常1/4(1±20%)波長である((1±20%)は、厚さのばらつきが0〜20%の範囲で増加または減少することが許容されることを意味する)。また、AlN/GaN層対の合計厚さは1/2波長である。好適には、クラックの発生を抑制するために、GaNの厚さは規準の1/4波長より5%大きく、AlNの厚さは規準の1/4波長より5%少ない。
このように、クラックのない分布ブラッグ反射器が本発明により達成される。
本発明の実施例を以下に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例1:AlN/GaN超格子を挿入する分布ブラッグ反射器の作製
本方法を示す図1を参照すると、AlN/GaN超格子を挿入する分布ブラッグ反射器を、有機金属化学気相エピタキシー法により成長させる。
最初に、エピ対応のサファイヤ基板をMOCVD反応室内に置く。基板表面の不純物を5分間高温(1100℃)水素雰囲気において除去し、その後成長温度を500℃に下げて厚さ30nmのバッファ層を成長させた。次に、成長圧力が200Torrで回転速度が900rpmにおいて、厚さ3μmのGaN層をバッファ層の上に成長させた。
それに引き続いて、水素を伴う窒素環境中においてDBR構造が成長された。キャリヤーガス流量(H/N)が4200/100sccm、成長圧力が100Torr、および成長温度が1100℃であった。各層が確実に1/4波長の厚さとなるように、膜測定器により測定した成長速度に応じて成長時間を制御した。好適には、クラック発生を抑えることを容易にするために、GaNの厚さは規準の1/4波長より5%大きく、AlNの厚さは規準の1/4波長より5%少なくした。
反射器膜の成長条件を上の表1に示した。NH流量が0〜7000sccm、TMGa流量が12sccm(ソースの温度は−5℃)、およびTMAl流量が80sccmソースの温度は10℃)であった。流量はソース温度に依存した。合計で5対のAlN/GaN反射器膜を成長させた。さらに、ひずみ解放層を成長させた。成長条件は、反射器膜と同じであった。ひずみ解放層は、GaNおよびAlNの一対以上からなる超格子(厚さは1/4波長)と1/4波長のGaN層とから構成された。成長条件は、上記に示したものと同じであった。超格子の各組は5.5層のAlNとGaNから構成され、GaN/AlN超格子挿入層はもう1つのAlN層により終了してAlN層からGaN層に変化する界面を区別した。超格子挿入時の各層の厚さは、成長時間により約3〜5nmに制御された。
その後に、AlN/GaN超格子が挿入された状態で得られた分布ブラッグ反射器(DBR)サンプルを、光学顕微鏡とAFMにより観察してクラックの存在を確認した。AlN/GaN超格子が挿入された状態におけるDBR中の個々の層の厚さは、透過電子顕微鏡(TEM)より詳細に調べた。反射特性は、室温での垂直入射により、n&k可視紫外分光計を用いて評価した。
図2(b)はAlN/GaN超格子を挿入したDBRの倍率50倍の光学顕微鏡像を示す。AlN/GaN超格子を挿入したDBRサンプルの表面では、クラックが観察されなかった。原子間力顕微鏡(AFM)により測定したAlN/GaN超格子を挿入したDBRサンプルの表面を図3に示す。スペクトル線の輪郭にクラックは観測されない。図4(a)と図4(b)は、AlN/GaN超格子を挿入したDBRサンプルのTEM断面像を示す。明るい層はAlN層を表し、暗い層はGaN層を表す。図4(a)において、TEM像にクラックがない。図5の実線はAlN/GaN超格子を挿入したDBRサンプルの反射率スペクトルを表し、点線はAlN/GaN超格子を挿入しないDBRサンプルを表す。AlN/GaN超格子を挿入したDBRサンプルは、399nmの中心波長において97%のピーク反射率を持ち、ストップバンドの幅は14nmまでであることがわかる。一方、AlN/GaN超格子を挿入しないDBRサンプルのピークの反射率は92%であった。主にクラックの存在により反射率が減少する。
比較例1:
AlN/GaN超格子を挿入しない実際の別のサンプルを同じ成長パラメータで成長させた。その結果、図2(a)に示すような20対のAlN/GaN超格子が挿入されないDBRサンプルの表面においてクラックが観測された。その反射率スペクトルを図5中の点線で示す。
実施例と比較例との結果の比較から、AlN/GaN超格子を挿入した本実施例の表面にはクラックがないが、AlN/GaN超格子が挿入されない比較例の表面にはクラックがあることがわかる。
さらに、AlN/GaN超格子の挿入により、表面での反射率が向上する。例えば、AlN/GaN超格子を挿入したDBRの反射率は97%であり、AlN/GaN超格子が挿入されない比較例の反射率(わずか92%)よりもはるかに高い。
本発明によれば、有機金属化学気相エピタキシー法によりAlGaN/AlN、GaAlN/GaN、およびAlN/GaN層をAlN/GaN反射器中に挿入して、反射器表面でクラックが観察されないようにひずみを抑制することが可能であり、表面粗さは2.5nmにまで減少する。399nmの中心波長でのピーク反射率は92%から97%に増加する。
従って、本発明は、従来技術で使用される分布ブラッグ反射器(DBR)において存在する課題を解決し、さらに本発明は、垂直空洞面発光レーザー(VCSEL)用DBRの製造方法を提供する。この技術は、高反射で広ストップバンド幅のIII族窒化物基DBRが必要なIII族窒化物基VCSELの製造に適用され得る。
図1は、3つのひずみ解放層を有する20対のAlN/GaNの概略的なDBR構造を示す。 図2(a)はAlN/GaN超格子を挿入しない分布ブラッグ反射器(DBR)サンプルの倍率50倍の平面視光学顕微鏡像を示し、図2(b)はAlN/GaN超格子を有する分布ブラッグ反射器(DBR)の倍率50倍の平面視光学顕微鏡像を示す。 図3は、AlN/GaN超格子を挿入した分布ブラッグ反射器(DBR)サンプルのAFM像を示す。スペクトル線の輪郭にクラックは観測されないが、表面は粗い。 図4(a)はAlN/GaN超格子を挿入した分布ブラッグ反射器(DBR)サンプルのTEM断面像を示し、図4(b)は1組の超格子の拡大断面像を示す。 図5は反射率スペクトルを示し、実線はAlN/GaN超格子を挿入した分布ブラッグ反射器サンプルを表し、点線はAlN/GaN超格子を挿入しない分布ブラッグ反射器サンプルを表す。

Claims (12)

  1. (1)基板上にバッファ層を成長させる工程、
    (2)前記バッファ層上にGaN層を成長させる工程、
    (3)前記GaN層上に一対以上のGaNとAlN反射器膜を成長させる工程、
    (4)前記反射器膜上にGaNおよびAlNの1対以上の層から構成される超格子とGaN層とからなるひずみ解放層を成長させる工程、
    (5)前記(4)工程のGaN層上に一対以上のGaNとAlN反射器膜を成長させる工程、
    を備え、前記(4)および(5)の工程は1回以上行うこと特徴とするIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  2. 前記基板は、サファイヤ、炭化珪素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、シリコン基板から選択される少なくとも1つ、またはそれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  3. 前記バッファ層は100〜1000℃の温度で成長することを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  4. 前記バッファ層上のGaN層は、基板をMOCVD反応室に置き、圧力が50〜500Torrおよび回転速度が900rpmで成長することを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  5. 前記反射器膜は、キャリヤーガスである窒素(N)の流量が10〜6000sccm、水素(H)の流量が0〜200sccm、圧力が1〜300Torr、および温度が300〜1500℃において成長することを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  6. 前記反射器膜は、NH の流量が100〜1500sccm、TMGaの流量が1〜20sccm、およびTMAlの流量が10〜200sccmの条件で成長することを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  7. 前記反射器膜のGaN層は、有機金属化学気相エピタキシー法、水素化物気相エピタキシー法、分子線エピタキシー法、またはホットウォールエピタキシー法により成長することを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  8. 前記バッファ層の厚さは、1〜100nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  9. 前記バッファ層のGaN層の厚さは、10〜100nmの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  10. 前記反射器膜の各層の光学的厚さは1/4(1±20%)波長であり、AlN/GaN層対の合計光学的厚さは1/2波長であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物基分布ブラッグ反射器を製造する方法。
  11. バッファ層、GaN層、一対以上のGaN/AlNにより構成される反射器膜、GaN/AlNの一対以上の層から構成される超格子とGaN層とからなるひずみ解放層、および前記ひずみ解放層上に形成された一対以上のGaN/AlNにより構成される反射器膜を備え、前記ひずみ解放層および前記ひずみ解放層上に形成された反射器膜からなる組は1組以上存在し、前記順に基板上に成長させ、前記超格子の光学的厚さは1/4波長である請求項1〜10のいずれかに記載の方法により製造されることを特徴とする分布ブラッグ反射器。
  12. 前記超格子の両側は薄いAlN層であることを特徴とする請求項11に記載の分布ブラッグ反射器。
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