JP4536534B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光素子及びその製造方法に関するものである。
近年、光ディスクの高密度化に必要である青色領域から紫外線領域におよぶ発光が可能な半導体発光素子として、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体量子閉じ込め構造を活性層として用いた、半導体レーザの研究開発が盛んに行われ、すでに実用化されている。これらは主に、サファイア基板上へＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体を結晶成長された窒化物系化合物半導体層を含むウエハを加工して作製されたものである。
サファイア基板上に、いわゆる「低温バッファ層」を介して結晶成長されたＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体では、サファイアとＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮとの間の格子定数の違いにより、約１０9／ｃｍ2程度の高密度な貫通転位が形成されることが知られている。
この密度は、ほぼ一辺が１μｍの正方領域に１本の貫通転位が存在することに対応する。そして、この貫通転位は、熱的な運動を行う電子及び正孔に対して、これを捕獲し、非発光再結合過程によりこれらを消滅させる非発光再結合中心となるものと考えられている。
従って、高い発光効率を実現するためには、電子及び正孔のエネルギ準位差が相対的に小さな空間領域を局所的に高密度で形成することにより、電子及び正孔が、貫通転位などの非発光再結合中心へ捕獲されることを阻害すれば良いと考えられる。
事実、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎを井戸層としＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（ｘ１＞ｘ２≧０）を障壁層（バリア層）とする量子井戸構造において、井戸層中にナノメートルスケールの大きさを有する高Ｉｎ領域（いわゆる「量子ディスク」あるいは「量子ドット」）が形成されていることが、カソードルミネッセンス測定（例えば、非特許文献１参照）、近接場光学顕微鏡測定（例えば、非特許文献２参照）などによる実験に基づき明らかとなっている。
このような高Ｉｎ領域が形成される原因は、巨視的にはＩｎＧａＮ混晶におけるＩｎとＧａの固溶度の相違によるものと考えられている。また、微視的には、ＩｎとＧａの原子サイズが実質的に異なることに起因して、結晶成長が行われる温度において、Ｉｎの集積により、系としてのエネルギの安定化が図られるためと考えられている。
このようなＩｎＧａＮ混晶における高Ｉｎ領域のサイズ及び周囲との組成差は、結晶成長の際の成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比、水素流量、成長速度などの種々の成長条件によって、ある程度制御可能である。しかし、Ｉｎ−Ｎ間及びＧａ−Ｎ間の結合エネルギが互いに大きく異なるため、従来の代表的化合物系であるＡｌＧａＩｎＡｓＰ系混晶に比べれば、結晶中のＩｎの分布を一様化することは困難である。
このように、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ系化合物半導体、特に量子井戸層としてＩｎx1Ｇａ1-x1Ｎを用いた場合には、局所的に高Ｉｎ組成領域が自然に形成され、これが、電子及び正孔を束縛し、貫通転位への電子及び正孔の移動を阻害する結果、サファイア基板上に成長された窒化物半導体結晶における貫通転位密度が１０9／ｃｍ2程度と極めて高いにもかかわらず、それを用いた発光素子が比較的良好な素子特性を示す理由である。
このような量子井戸構造などの量子閉じ込め構造に対する結晶の光学的特性は、主に室温におけるフォトルミネッセンス特性における発光ピーク強度などによって評価可能である。一般に広く用いられる半導体発光素子は室温での使用が想定されているため、室温でのフォトルミネッセンス特性が良好であることが、量子閉じ込め構造の光学的特性を評価する上での判断基準とされている。
励起子の結合エネルギを無視すれば、フォトルミネッセンス測定は、測定対象となる構造を、その量子論的閉じ込めエネルギ、即ち電子及び正孔のエネルギ準位差に対応する波長よりも短い波長を有するレーザ光などの光源によって照射し、その構造から放射される光を分光し、その強度を測定するという、化合物半導体における最も一般的な光学的評価方法の一つである。
実際の半導体発光素子とフォトルミネッセンス測定における発光過程では、厳密には物理的な発光過程が異なる。即ち、半導体発光素子では、電流を注入することによって、電子及び正孔を量子閉じ込め構造に導入するのに対し、フォトルミネッセンス測定では、量子閉じ込め構造に対してレーザ光を照射することにより、電子及び正孔を発生させるからである。
また、量子閉じ込め構造における電子及び正孔密度が極めて高い半導体レーザ素子においては、電子と正孔の間に働くクーロン相互作用は、電子−電子散乱によって遮蔽され、これを無視することができるものの、フォトルミネッセンス測定においては、通常、照射されるレーザ光強度は、比較的微弱であるため、量子閉じ込め構造内に生成される電子及び正孔の密度が小さく、これらの間にはクーロン相互作用によって励起子が形成された後、発光再結合が生じる。
このように、実際の半導体発光素子における光の発現機構とフォトルミネッセンス測定における発光機構とは、物理的には若干の相違がある。しかしながら、量子閉じ込め構造の光学的特性を直接簡便に評価する手法として、フォトルミネッセンス測定は多用されており、最も一般的な光学的評価手法といえる。
実際、比較的出力光強度が弱い素子の場合、サファイア基板上へ結晶成長した量子閉じ込め構造を含む半導体発光素子では、室温におけるフォトルミネッセンス強度が強いほど、良好な発光効率が得られると考えられる。
このようにサファイア基板上へ結晶成長され、室温でのフォトルミネッセンス強度の高いＩｎＧａＮ量子井戸層においては、そのＩｎ組成比の空間的変化が、井戸層の面内方向へのキャリアの移動を抑制する結果、貫通転位などの欠陥における非発光再結合が阻害され比較的良好な素子特性を示す。
Ｓ．Ｃｈｉｃｈｉｂｕ ｅｔ ａｌ，「Ｅｘｃｉｔｏｎ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏ ｉｎ ＩｎＧａＮ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｄｅｖｉｃｅｓ」，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，１９９８，Ｂ１６（４），ｐ２２０４−２２１４
Ａ．Ｋａｎｅｔａ ｅｔ ａｌ，「Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｒａｄｉａｔｉｖｅ ａｎｄ ｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ａｎ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ｓｉｎｇｌｅ−ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｙ ａ ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」，"Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｒｓ"，２７ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００３，Ｖｏｌｕｍｅ８３，Ｎｕｍｂｅｒ１７，ｐ．３４６２−３４６４
しかしながら、このＩｎ組成比の活性層面内での空間的変化（揺らぎ）は、ＩｎＧａＮ量子井戸層における電子及び正孔の閉じ込めエネルギ差の空間的不均一性をも同時に引き起こすために、特定の波長の光を出力するような半導体発光素子においては、発光に寄与し得る有効な半導体発光領域の体積が減少する結果、発光効率を初めとする素子特性を低減する要因となる。
そこで、本発明の目的は、Ｉｎ組成比の活性層面内での空間的変化が少なく、発光効率等の素子特性の高い半導体発光素子及びその製造方法を提供するものである。
請求項１に記載の発明は、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを含む量子閉じ込め構造を活性層とする半導体発光素子の製造方法であって、フォトルミネッセンス発光ピーク強度の５Ｋにおける値に対する３００Ｋにおける値の比が０．１以下となる前記量子閉じ込め構造の形成条件を得る工程と、前記形成条件により、前記量子閉じ込め構造を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
請求項１に記載の発明によれば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを含む量子閉じ込め構造のフォトルミネッセンス発光ピーク強度比が０．１以下の半導体発光素子を製造することができる。
フォトルミネッセンス発光ピーク強度比は、量子閉じ込め構造におけるＩｎ組成比の空間的変化の大きさを反映している。そして、発光ピーク強度比の値が小さいほどＩｎ組成比の空間的変化の大きさは小さい。そのため、フォトルミネッセンス発光ピーク強度比が所定値以下となるような量子閉じ込め構造を形成することで、Ｉｎ組成比の揺らぎが小さな量子閉じ込め構造を得ることができる。
Ｉｎ組成比の揺らぎが小さくなる結果、高い確率でキャリアの発光再結合が生じて発光効率の高い半導体発光素子を得ることができる。
また、発光に寄与しないキャリアの割合を低減できるため、消費電力の低減など、関連する素子特性も改善できる。
＜実施の形態１＞
まず、本実施の形態に係る半導体発光素子の特徴、及びその効果について説明する。
量子井戸構造などの量子閉じ込め構造におけるＩｎ組成比の空間的な揺らぎの存在は、貫通転位密度の低いＧａＮ基板上においては、特定の発光波長を有する半導体発光素子での発光効率などの素子特性を低減すると考えられる。
まず、本実施の形態に係る半導体発光素子の特徴、及びその効果について説明する。
量子井戸構造などの量子閉じ込め構造におけるＩｎ組成比の空間的な揺らぎの存在は、貫通転位密度の低いＧａＮ基板上においては、特定の発光波長を有する半導体発光素子での発光効率などの素子特性を低減すると考えられる。
そして、フォトルミネッセンス測定における発光ピーク強度（以下、単に「発光強度」と称する場合がある。）の温度変化は、後述するように、この量子閉じ込め構造でのＩｎ組成比の空間的な揺らぎの大きさを直接的に反映すると考えられる。
そこで、発光強度が、室温においてはなるべく小さく、また、低温においてはなるべく大きくなるような量子閉じ込め構造を半導体発光素子の発光層（活性層）として使用することで、Ｉｎ組成比の空間的な揺らぎが小さくなる結果、電子及び正孔の閉じ込めエネルギ差の空間的不均一性が小さくなり、半導体発光素子での発光効率などの素子特性を改善するために有効であると考えられる。
即ち、本実施の形態に係る半導体発光素子は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体の多層へテロ接合からなり、電子及び正孔が０．１ｎｍから５０ｎｍの空間領域に実質的に閉じ込められた半導体量子閉じ込め構造からの５Ｋにおけるフォトルミネッセンス発光強度（ＩＬ）に対する３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス発光強度（ＩＨ）の比（ＩＨ／ＩＬ）が０．１以下である量子閉じ込め構造を発光層として用いることを特徴としている。
そして、貫通転位密度が約１０5／ｃｍ2のＧａＮ基板に、室温におけるフォトルミネッセンス発光強度比ＩＨ／ＩＬが小さい量子井戸構造（量子閉じ込め構造）、即ち、Ｉｎx1Ｇａ1-x1Ｎを井戸層としＩｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（ｘ１＞ｘ２≧０）を障壁層とする量子井戸構造を結晶成長し、これを用いて作製した特定の発光波長を有する半導体発光素子の発光効率が、発光強度比ＩＨ／ＩＬが大きな量子井戸構造を用いて作製した上記半導体発光素子の発光効率に比べ、著しく優ることが後述する実験の結果明らかとなった。
室温でのフォトルミネッセンス発光強度が弱い量子閉じ込め構造が、半導体発光素子としての特性が良い、という現象は一見矛盾するように考えられるものの、両者の発光過程を物理的に考えれば、次のように理解することができる。
即ち、低温に対する室温のフォトルミネッセンス発光強度比は、Ｉｎの組成比の揺らぎを反映したものである。光励起によって生成された電子と正孔は、Ｉｎ組成比が局所的に大きな領域、つまり、電子と正孔の量子論的エネルギ準位差が相対的に小さな領域へ移動し、励起子を形成した後、発光再結合により光子が放出される。
この際、Ｉｎ組成比の空間的な揺らぎが小さく、従って、量子論的な閉じ込めエネルギが量子井戸内でより均一な場合には、電子及び正孔は、熱的なエネルギにより空間的に拡散するが、その結果、貫通転位での非発光再結合やフォノンなどによる散乱を受け、非発光再結合により消滅し、光子を放出しない。このような非発光再結合は、温度の上昇に伴って、その確率が上昇する。従って、低温に対する室温のフォトルミネッセンス発光強度比ＩＨ／ＩＬは、１よりも必ず小さな値となる。
また、温度の上昇につれて、電子と正孔の量子論的エネルギ準位差が相対的に小さな領域から大きな領域へと移動することが可能になる。この結果、貫通転位へと電子及び正孔が移動し、ここで非発光再結合が生じる。そのため、このフォトルミネッセンス発光強度の温度変化は、Ｉｎ組成比の揺らぎを直接反映し、Ｉｎ組成比の均一性を同定する指標となる。
つまり、発光強度比ＩＨ／ＩＬは、Ｉｎ組成比の揺らぎの大きさと対応しており、この比が小さいほど、Ｉｎの空間的均一性が高いことを意味していると考えられる。
一方、半導体レーザなどの半導体発光素子では、光学的帰還により、量子井戸内での電子及び正孔密度が、フォトルミネッセンス測定の場合に比べ、著しく高くなる。このため、発光の物理的過程が、フォトルミネッセンスの場合とは異なる。
例えば、半導体レーザなどの半導体発光素子では、電子−電子散乱が顕著となりキャリアの拡散長も短くなる結果、貫通転位での非発光再結合の影響は小さくなる。
むしろ、Ｉｎの組成比揺らぎが大きい場合、電子及び正孔のエネルギ準位の空間的揺らぎによる、光子のエネルギ分布の増大が顕著となる。つまり、Ｉｎ組成比の揺らぎが大きい場合には、特定のエネルギを持つ光子を生み出す体積の低下を引き起こす結果、素子全体としての発光効率が低減する。
従来のＧａＡｓ基板あるいはＩｎＰ基板では、貫通転位密度が極めて低いため、その上に結晶成長した量子井戸構造における組成比の揺らぎが仮に全く存在しない場合であっても、熱拡散などによるキャリアの貫通転位への拡散、及び非発光再結合による、フォトルミネッセンス特性への影響は無視できる程度である。
しかし、ＧａＮ基板では、貫通転位密度がＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板に比べて高いために、その上に結晶成長したＩｎを含む量子井戸構造のフォトルミネッセンス特性は、Ｉｎ組成比揺らぎの程度に強く依存し、組成比揺らぎが存在しなければ、室温でのフォトルミネッセンス発光強度は著しく低減する。このようにＧａＡｓ系、ＩｎＰ系とＧａＮ系との間には、基板における貫通転位密度の大幅な相違により、その上に結晶成長される量子井戸構造の光学的特性、特に、フォトルミネッセンス特性には、大きな違いが生ずる。
以上のとおり、室温でのフォトルミネッセンス発光強度が弱い量子閉じ込め構造が、半導体発光素子としての特性が良い理由は、ＧａＮ系における特徴的な現象である。室温でのフォトルミネッセンス発光強度が弱い量子閉じ込め構造は、Ｉｎの組成変調の程度が小さいことを物理的に意味しており、言い換えれば、半導体発光素子での量子閉じ込め構造における電子及び正孔の閉じ込めエネルギが空間的に均一であって、発光に寄与する体積が相対的に大きいことを反映した結果であるといえる。
従って、貫通転位密度の低いＧａＮ基板上へ作製した半導体レーザなどの半導体発光素子では、Ｉｎ組成比の揺らぎを可能な限り低減し、低温に対する室温でのフォトルミネッセンスにおける発光強度比ＩＨ／ＩＬが小さな量子閉じ込め構造を持つ結晶を活性層として用いることで、素子の発光効率を改善することが可能となる。
以下、具体的に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構造を示す断面図である。
本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザは、リッジ構造及びＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有するものである。また、活性層５は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体（本実施の形態の例では、ｘ＝０）の多層へテロ接合から構成されている。
図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの構造を示す断面図である。
本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザは、リッジ構造及びＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を有するものである。また、活性層５は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体（本実施の形態の例では、ｘ＝０）の多層へテロ接合から構成されている。
図１に示すように、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザにおいては、ＧａＮ基板１の一主面であるＧａ面上に、ｎ型ＧａＮ層２を形成している。これは、ＧａＮ基板１上の表面に存在するナノメートルスケールの凹凸を一層平坦化するためのものである。
そして、このｎ型ＧａＮ層２上に、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎクラッド層３、ｎ側光ガイド層としてｎ型ＧａＮ光ガイド層４、例えばアンドープのＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ／Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ多重量子井戸構造からなる活性層５、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ電子障壁層６、及びｐ側ガイド層としてｐ型ＧａＮ光ガイド層７、ｐ側クラッド層としてのｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎクラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９が順次積層されている。
ここで、ｎ型ＧａＮ層２は厚さが例えば１００ｎｍで、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎクラッド層３は厚さが例えば１μｍであり、ｎ型不純物として例えばＳｉがドープされ、Ａｌ組成比ｘ１は例えば０．０７である。Ｉｎy1Ｇａ1-y1Ｎ／Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ多重量子井戸構造の活性層５は、障壁層としてＩｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層と、井戸層としてＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層とが交互に積層されたもので、例えば、障壁層としてのＩｎy2Ｇａ1-y2Ｎ層の厚さが７ｎｍでｙ２＝０．０２、井戸層としてのＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ層の厚さが３．５ｎｍでｙ１＝０．１４、井戸数が３である。
ここで、活性層５は、５Ｋにおけるフォトルミネッセンス発光強度（ＩＬ）に対する３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス発光強度（ＩＨ）の比（ＩＨ／ＩＬ）が０．１以下である量子閉じ込め構造を用いている。
ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ電子障壁層６は、厚さが例えば１０ｎｍであり、Ａｌ組成比ｘ２は例えば０．２である。ｐ型ＧａＮ光ガイド層７は、厚さが例えば１００ｎｍである。ｐ側クラッド層としてのｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎ層８は、厚さが例えば４００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされ、Ａｌ組成比ｘ３は例えば０．０７である。ｐ型ＧａＮコンタクト層９は厚さが例えば１００ｎｍであり、ｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。
ｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎクラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９には例えば＜１−１００＞方向に平行に、エッチングによりリッジ１０が形成されている。このリッジ１０の幅は例えば２μｍである。
このリッジ側面部あるいはリッジ横底面部の表面保護、及び電気的絶縁のために、例えば厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜からなる絶縁膜１１がリッジ１０を覆うように形成されている。この絶縁膜１１のリッジ１０上の部分には、開口１２が設けられており、この開口１２により、ｐ電極１３とｐ型ＧａＮコンタクト層９との電気的接触が図られている。ｐ電極１３は、例えばＰｄおよびＡｕ膜を順次積層した構造となっている。
また、ＧａＮ基板１の一主面であるＧａ面とは反対の側であるＮ面には、ｎ電極１４が形成されている。このｎ電極１４は例えばＴｉおよびＡｕ膜を順次積層した構造となっている。
次に、本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば１２００℃の成長温度でｎ型ＧａＮ層２を成長させ、その後、同じくＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４、アンドープのＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ／Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ多重量子井戸層からなる活性層５、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ電子障壁層６およびｐ型ＧａＮ光ガイド層７、ｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎクラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９を順次積層する。
まず、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したＧａＮ基板１上に有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により例えば１２００℃の成長温度でｎ型ＧａＮ層２を成長させ、その後、同じくＭＯＣＶＤ法により、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎクラッド層３、ｎ型ＧａＮ光ガイド層４、アンドープのＩｎy1Ｇａ1-y1Ｎ／Ｉｎy2Ｇａ1-y2Ｎ多重量子井戸層からなる活性層５、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ電子障壁層６およびｐ型ＧａＮ光ガイド層７、ｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎクラッド層８およびｐ型ＧａＮコンタクト層９を順次積層する。
ここで、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体の場合には、結晶成長の条件は、基板温度、Ｖ／ＩＩＩ比、成長速度によってほぼ指定でき、結晶成長装置の種類に依存せず、本質的に同一の物理的性質を有する結晶の品質を規定することができる。これは、ＩＩＩ族原子とＶ族原子間の結合エネルギ差がＩＩＩ族原子に対してその差異が比較的小さく、また、Ｖ族原子の蒸気圧が比較的大きいためである。
しかし、本実施の形態に係る半導体発光素子のように、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ＝１）ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体では、特に、Ｖ族原子とＩｎ原子との間の結合エネルギが、他のＩＩＩ族原子との間の結合エネルギに比べ、極端に小さい。そのため、Ｉｎを含む場合は、これを含まない場合に比べ、成長温度を、約４００℃程度低くする必要がある。
このように、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ ＩＩＩ−Ｖ窒化物系化合物半導体では、Ｉｎを含む層とＩｎを含まない層とで、結晶成長する際、大きく異なる成長温度が必要となるので、成長温度の高精度での制御が極めて重要になる。
また、窒化物系化合物半導体を有機金属気相成長法により結晶成長する場合には、アンモニア、水素、窒素を装置内に導入する必要があり、これら気体分子間の相互作用及びＩＩＩ族原子種となる材料ガス、更には基板表面原子との相互作用により、極めて複雑な物理化学的反応を生じる。
従って、従来のＡｌＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体のように、単に基板温度、Ｖ／ＩＩＩ比、成長速度などを規定するだけでは、同一の結晶を得るには不十分である。本質的な結晶性を同定するには、その結晶の持つ光学的、電気的特性を指標として用いるのが、より現実的であるといえる。以下に示す本発明の実施の形態での成長条件は、本発明をなすに際して使用した結晶成長装置固有のものであり、結晶成長装置が異なる場合には、当然、成長条件も異なると考えられる。
本実施の形態では、半導体発光素子を構成する各層の成長温度は、例えば、ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎクラッド層３およびｎ型ＧａＮ光ガイド層４は１２００℃、活性層５は８００℃、ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ電子障壁層６からｐ型ＧａＮコンタクト層９は１１００℃とする。
ここで活性層５の成長には、成長温度として、例えば８００℃としたが、この温度はＭＯＣＶＤ装置に強く依存するので、必ずしも８００℃とする必要はない。
そして各種ガス流量を調整し、Ｉｎy1Ｇａ1-y1ＮにおけるＩｎ組成変調を抑制することで、量子閉じ込め構造からの５Ｋにおけるフォトルミネッセンス発光強度（ＩＬ）に対する３００Ｋにおけるフォトルミネッセンス発光強度（ＩＨ）の比（ＩＨ／ＩＬ）が０．１以下となるような成長条件（形成条件）とする。
このような形成条件を得るには、例えば、各種ガス流量などの形成条件のパラメータを変えて、複数の形成条件で試料を作成し、それぞれの試料についてフォトルミネッセンス測定を行う。そして、フォトルミネッセンス発光強度比が０．１以下となる試料を選び、その試料を作成したパラメータを形成条件とする。
つまり、まずフォトルミネッセンス発光ピーク強度の５Ｋにおける値に対する３００Ｋにおける値の比が０．１以下となる量子閉じ込め構造の形成条件を得る工程により形成条件を得ておき、その形成条件により量子閉じ込め構造を形成する。
以上のようにしてｐ型ＧａＮコンタクト層９の形成後、基板全面にレジストを塗布し、リソグラフィーによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎクラッド層８の層内までエッチングを行う。このエッチングにより、光導波構造となるリッジ１０を作製する。このＲＩＥのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスを用いる。
次に、マスクとして用いたレジストパターンを残したまま、再び基板全面に例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより例えば厚さが２００ｎｍのＳｉＯ2膜のような絶縁膜１１を形成し、レジスト除去と同時にリッジ上にある絶縁膜１１を除去する、いわゆるリフトオフを行う。これにより、リッジ１０上の開口１２が形成される。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＰｔおよびＡｕ膜を順次形成した後、レジスト塗布及びリソグラフィー及び、ウエットエッチングあるいはドライエッチングにより、表面のｐ電極１３を形成する。
その後、ＧａＮ基板１の裏面前面に、真空蒸着法によりＴｉおよびＡｌ膜を順次形成する。ｎ電極１４をオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。
更に、この基板を劈開などによりバー状に加工して共振器両端面を形成し、更にこれらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバーを劈開などによりチップ化する。
以上により、図１に示す窒化物系半導体レーザが作製される。
以上により、図１に示す窒化物系半導体レーザが作製される。
次に、以上のように構成された窒化物系半導体レーザの効果について説明する。
図２は、活性層５のフォトルミネッセンス発光強度（発光ピーク強度）を３００Ｋでの発光強度で規格化した温度変化を示す図である。温度の上昇に伴って、非発光再結合確率が上昇するため、発光強度が低下し、温度上昇に伴う発光強度の低減の度合いはＭＯＣＶＤの成長条件によって変化することがわかる。
図２は、活性層５のフォトルミネッセンス発光強度（発光ピーク強度）を３００Ｋでの発光強度で規格化した温度変化を示す図である。温度の上昇に伴って、非発光再結合確率が上昇するため、発光強度が低下し、温度上昇に伴う発光強度の低減の度合いはＭＯＣＶＤの成長条件によって変化することがわかる。
図２では、活性層５の成長条件を変えて作製した窒化物系半導体レーザ１５〜１８のフォトルミネッセンス発光強度の温度変化について示している。そして、発光強度比が最も小さい窒化物系半導体レーザから順に１５から１８の番号を付している。窒化物系半導体レーザ１５，１６は、発光強度比が０．１以下であり、窒化物系半導体レーザ１７，１８は、発光強度比が０．１より大きくなっている。
図３は、それぞれの成長条件で作製した窒化物系半導体レーザ１５〜１８の光出力−電流特性である。この図から、フォトルミネッセンス発光強度比が０．１以下である量子井戸構造を発光層として用いた半導体レーザ１５，１６は、０．１より大きいものに比べて閾値電流及び発光効率が改善されていることがわかる。
図４は、それぞれの成長条件で作成した窒化物系半導体レーザ１５〜１８のフォトルミネッセンス発光強度比ＩＨ／ＩＬ（横軸）に対する閾値電流（縦軸）を示す図である。
図４からわかるように、フォトルミネッセンス発光強度比が小さくなるとともに閾値電流が低減していくことがわかる。そして、フォトルミネッセンス発光強度比が０．１を境に閾値電流が著しく低減していることがわかる。
図４からわかるように、フォトルミネッセンス発光強度比が小さくなるとともに閾値電流が低減していくことがわかる。そして、フォトルミネッセンス発光強度比が０．１を境に閾値電流が著しく低減していることがわかる。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法では、量子閉じ込め構造の５Ｋに対する３００Ｋのフォトルミネッセンス発光強度比が０．１以下となる半導体発光素子を製造することができる。その結果、量子井戸構造におけるＩｎ組成比の揺らぎが小さくなるため、発光効率などの素子特性を上昇させることができる。
なお、本実施の形態ではＧａＮ基板を用いた場合について説明したが、サファイア基板上へ、低温バッファ層の成長後に、いわゆる「横方向成長」を行うことで、サファイアとＧａＮの格子定数の相違に起因する貫通転位密度を結晶成長表面において低減したものであっても、同様の物理的現象が発現するものと考えられる。
従って、本発明は、ＧａＮ基板に結晶成長した半導体発光素子のみに限定するものではなく、サファイア基板、あるいは、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板などのＧａＮとは異なる基板上へ、横方向成長などの手法を用いて表面での貫通転位密度を低減したＧａＮ上へ結晶成長を行ったものにも適用可能である。
しかし、本実施の形態に係る半導体発光素子のように、ＧａＮ基板を用いることで、サファイア基板を用いた場合に必要となる横方向成長を行う工程を省略することができる。
そして、ＧａＮ基板を用いることで貫通転移密度が少なくなり、素子の寿命を長くすることができる。
また、本実施の形態では、半導体レーザについて説明したが、半導体発光素子として、半導体レーザのみに限定するものではなく、発光ダイオードにおいても適応可能である。しかし、半導体レーザでは、光帰還が生じるため、発光ダイオードに適用した場合に比べて素子特性をより向上することが出来る。
さらに、量子閉じ込め構造は、量子井戸構造に限らず量子細線構造、量子ドット構造などであってもよい。
しかし、量子井戸構造は、井戸層と障壁層を積層することで、量子細線構造、量子ドット構造に比べて容易に形成することができる。
１ ＧａＮ基板、２ ｎ型ＧａＮ層、３ ｎ型Ａｌx1Ｇａ1-x1Ｎクラッド層、４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層、５ 活性層、６ ｐ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ電子障壁層、７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層、８ ｐ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎクラッド層、９ ｐ型ＧａＮコンタクト層、１０ リッジ、１１ 絶縁膜、１２ 開口、１３ ｐ電極、１４ ｎ電極。
Claims (2)
- Ｉｎ、Ｇａ、Ｎを含む量子閉じ込め構造を活性層とする半導体発光素子の製造方法であって、
フォトルミネッセンス発光ピーク強度の５Ｋにおける値に対する３００Ｋにおける値の比が０．１以下となる前記量子閉じ込め構造の形成条件を得る工程と、
前記形成条件により、前記量子閉じ込め構造を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記量子閉じ込め構造は、量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
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