JP4924498B2 - 窒化物系半導体発光素子、エピタキシャルウエハ、及び窒化物系半導体発光素子を作製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物系半導体発光素子、エピタキシャルウエハ、及び窒化物系半導体発光素子を作製する方法に関する。

非特許文献１には、マイクロファセット上に作製されたＩｎＧａＮ多重量子井戸を含む構造が記載されている。ＧａＮテンプレートは、（０００１）面サファイア基板上に形成されている。サファイア基板に到達するように、ＧａＮテンプレートをパターン形成した後に、ＧａＮの再成長を行う。ついで、ＩｎＧａＮ多重量子井戸が成長される。ＩｎＧａＮ多重量子井戸は、［０００１］、＜１１−２２＞、＜１１−２０＞に向きづけられている。

非特許文献２には、ＩｎＧａＮ単一量子井戸を含む構造が記載されている。マイクロファセット構造は、非特許文献１と同様に（０００１）面サファイア基板上に形成されている。ファセット面は、（０００１）、｛１１−２２｝、｛１１−２０｝を有する。これらの面は、［１−２００］方向に延びている。

非特許文献３には、窒化物半導体から成るマイクロファセットのＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸を含む構造が記載されている。マイクロファセット構造は、ＳｉＯ_２ストライプマスクを用いて（０００１）面サファイア基板上に形成される。マイクロファセットは、（０００１）、｛１１−２２｝、｛１１−２０｝を有する。
Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 85, pp.3122-3124, (2004) Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005) Funato et al., Appl., Phys. Lett. 88, 261920 (2006)

非特許文献１〜３では、マスクを用いた再成長やサファイア基板のエッチングを利用している。このため、基板の表面の一部分がマスクに覆われる。したがって、発光領域が基板の表面の全面に形成できない。また、マスクを形成するために、絶縁膜の堆積、フォトリソグラフィ、エッチングといった工程を使用するので、作製の工程が煩雑になる。

そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、基板の表面を有効に利用すると共に、極性面及び非極性面の両特性を兼ね備える窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とし、またこの窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを提供することを目的とし、さらに該窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、窒化物系半導体発光素子である。この窒化物系半導体発光素子は、（ａ）所定の基準平面に沿って延びる六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体の前記表面上に設けられており、一又は複数の第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体領域の表面上に設けられており、窒化ガリウム系半導体からなる活性層と、（ｄ）前記活性層上に設けられた第２導電型窒化ガリウム系半導体層とを備える。前記支持基体の前記表面は、第１の方向に配列された複数の第１のステップを含み、前記第１のステップの各々は、前記所定の基準平面に直交する所定の軸に対して傾斜した第１及び第２の面を有しており、前記第１のステップの前記第１の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、前記第１のステップの前記第２の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかであり、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記表面は、前記第１の方向に配列された複数の第２のステップを有しており、前記第２のステップの各々は、前記所定の軸に対して傾斜した第１及び第２の面を有しており、前記活性層は、前記第２のステップの前記第１及び第２の面の各々上に成長される。

この窒化物系半導体発光素子によれば、窒化ガリウム系半導体領域の表面は、支持基体の六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面に配列された複数の第１のステップに関係づけられた第２のステップの配列を有する。第２のステップの配列上に活性層が形成されるので、活性層は、第２のステップの第１及び第２の面上にそれぞれ成長された第１及び第２の部分を含む。活性層の第１及び第２の部分は、それぞれ、異なる発光波長の光を発生する。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記所定の軸との傾斜角度は、１０度以上であり、８０度以下であることができる。

この窒化物系半導体発光素子によれば、第１のステップの配列は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向に関連している。第１のステップにおいて、第１及び第２の面の傾斜は、上記の傾斜角度に応じて変わる。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の前記傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からｍ軸への方向であることができる。この窒化物系半導体発光素子によれば、ステップはａ軸の方向に延びる。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の前記傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からａ軸への方向であることができる。この窒化物系半導体発光素子によれば、ステップはｍ軸の方向に延びる。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ軸及びｍ軸の方向を中心に−１５度から＋１５度の範囲であることができる。この窒化物系半導体発光素子によれば、ステップの形状は、ｍ軸及びａ軸の方向からの向き付けに依存する。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記活性層の発光スペクトルは、波長範囲内に少なくとも２つのピーク波長を含み、前記波長範囲は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。

この窒化物系半導体発光素子によれば、発光スペクトルは、第２のステップの第１及び第２の面の各々上に成長された活性層からの光に対応したピークを有する。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記第２のステップの幅は１マイクロメートル以上であることができる。この窒化物系半導体発光素子によれば、多数のステップからの発光によって、全体の発光スペクトルが規定される。

本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記支持基体はＧａＮからなることができる。また、本発明に係る窒化物系半導体発光素子では、前記ＧａＮ支持基体はｎ導電性を有することができる。

本発明の別の側面は窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）所定の基準平面に沿って延びる六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面を有する基板と、（ｂ）前記基板の前記表面上に設けられており、一又は複数の第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む第１導電型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域の表面上に設けられており、窒化ガリウム系半導体からなる活性層とを備える。前記基板の前記表面は、第１の方向に配列された複数の第１のステップを含み、前記第１のステップの各々は、前記所定の基準平面に直交する所定の軸に対して傾斜した第１及び第２の面を有しており、前記第１のステップの前記第１の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、前記第２のステップの前記第２の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかであり、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体領域の前記表面は、前記第１の方向に配列された複数の第２のステップを有しており、前記第２のステップの各々は、前記所定の軸に対して傾斜した第１及び第２の面を有しており、前記活性層は、前記第２のステップの前記第１及び第２の面の各々上に成長される。

このエピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム系半導体領域の表面は、基板の六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面に配列された複数の第１のステップに関連づけられた第２のステップの配列を有する。第２のステップの配列上に活性層が形成されるので、活性層は、第２のステップの第１及び第２の面上にそれぞれ成長された第１及び第２の部分を含む。活性層の第１及び第２の部分は、それぞれ、異なる発光波長の光を発生可能になる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記活性層のフォトルミネッセンススペクトルは、波長範囲内に少なくとも２つのピーク波長を含み、前記波長範囲は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第２のステップの幅は１マイクロメートル以上であることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ＰＬスペクトルは複数のステップからのフォトルミネッセンスによって規定される。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記所定の軸との傾斜角度は、１０度以上であり、８０度以下であることができる。

このエピタキシャルウエハによれば、第１のステップの配列は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向に関連している。第１のステップにおいて、第１及び第２の面の傾斜は、上記の傾斜角度に応じて変わる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からｍ軸への方向であることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ステップはａ軸の方向に延びる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からａ軸への方向であることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ステップはｍ軸の方向に延びる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記所定の結晶軸方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ軸及びｍ軸の方向を中心に−１５度から＋１５度の範囲であることができる。このエピタキシャルウエハによれば、ステップの形状は、ｍ軸及びａ軸の方向からの向き付けに依存する。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記第２のステップの幅は１マイクロメートル以上であることができる。この窒化物系半導体発光素子によれば、複数のステップからの発光によって、全体の発光スペクトルが決定される。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記基板はＧａＮからなることができる。本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記ＧａＮ基板はｎ導電性を有することができる。

本発明に係る更なる別の側面は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面を有する基板を熱処理して、第１の方向に配列された複数の第１のステップを含む改質表面を形成する工程と、（ｂ）前記改質表面上に、一又は複数の第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体領域の表面上に、窒化ガリウム系半導体からなる活性層を形成する工程と、（ｄ）前記活性層上に第２導電型窒化ガリウム系半導体層を形成する工程とを備える。前記第１のステップの各々は、第１及び第２の面を有しており、前記第１のステップの前記第１の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、前記第１のステップの前記第２の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかであり、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記表面は、前記第１の方向に配列された複数の第２のステップを有しており、前記第２のステップの各々は、第１及び第２の面を有しており、前記活性層は、前記第２のステップの前記第１及び第２の面の各々上に成長される。

この方法によれば、基板の改質表面が、基板の六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面を熱処理することによって形成される。この改質表面の第１のステップの第１の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、第１のステップの第２の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかである。この改質表面上に成長された第１導電型窒化ガリウム系半導体領域には、第２のステップの配列が形成される。この表面上に活性層が成長されるので、活性層は、第２のステップの第１及び第２の面上にそれぞれ成長された第１及び第２の部分を含む。活性層の第１及び第２の部分は、それぞれ、異なる発光波長の光を発生可能な第１及び第２の構造を有する。

本発明の方法では、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の前記表面は半極性を示す。この方法によれば、半極性を示す窒化ガリウム系半導体表面から、極性及び非極性をそれぞれ示す第１及び第２の面を含むステップが形成される。これらの第１及び第２の面は、半極性を示す窒化ガリウム系半導体表面の法線に対して形成している。

本発明の方法では、前記活性層の発光スペクトルは、波長範囲内に少なくとも２つのピーク波長を含み、前記波長範囲は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であることができる。この方法によれば、第２のステップの第１及び第２の面の各々上に成長された活性層からの光に応じて、発光スペクトルは少なくとも２つのピークを有する。

本発明の方法では、前記第２のステップの幅は１マイクロメートル以上であることができる。この方法によれば、全体のＰＬスペクトルは多数のステップの配列によってを規定される。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面によれば、基板の表面を有効に利用すると共に、極性面及び非極性面の両特性を兼ね備える窒化物系半導体発光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、この窒化物系半導体発光素子及びエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系半導体発光素子、エピタキシャルウエハ、並びにエピタキシャルウエハ及び窒化物系半導体発光素子を作製する方法に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を模式的に示す図面である。窒化物系半導体発光素子１１は、支持基体１３と、第１の窒化ガリウム系半導体領域１５と、活性層１７と、第２の窒化ガリウム系半導体領域１９とを備える。活性層１７は、第１の窒化ガリウム系半導体領域１５と第２の窒化ガリウム系半導体領域１９との間に設けられており、第１及び第２の窒化ガリウム系半導体領域１５、１９のそれぞれから供給される２種のキャリア（電子及び正孔）の再結合によって光を発生する。支持基体１３は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる表面１３ａを有しており、この表面１３ａと反対側に裏面１３ｂを有する。表面１３ａは、図１に示された直交座標系ＳのＸ軸及びＹ軸によって規定される基準平面に沿って延びている。窒化ガリウム系半導体領域１５は、支持基体１３の表面１３ａ上に設けられており、また一又は複数の第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む。活性層１７は、窒化ガリウム系半導体領域１５の表面１５ａ上に設けられており、窒化ガリウム系半導体からなる。図１に示される実施例では、活性層１７は、例えば井戸層２３ａ及び障壁層２３ｂを含み、井戸層２３ａ及び障壁層２３ｂは交互に配列されている。窒化ガリウム系半導体領域１９は、活性層１７上に設けられており、また一又は複数の第２導電型窒化ガリウム系半導体層を含む。支持基体１３上において、第１導電型窒化ガリウム系半導体層、活性層及び第２導電型窒化ガリウム系半導体層が所定の軸（例えば、図１に示される座標系ＳのＺ軸）の方向に配列されている。第１導電型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｎ導電性を示し、第２導電型窒化ガリウム系半導体層は、例えばｐ導電性を示す。

表面１３ａは、Ｘ軸の方向に配列された複数の第１のステップ２１を有する。第１のステップ２１の各々は、六方晶系窒化ガリウム系半導体からなる。第１のステップ２１は、主要な構成面して第１の面２１ａ及び第２の面２１ｂを有する。第１及び第２の面２１ａ、２１ｂは、Ｚ軸に対して傾斜しており、また互いに異なる結晶面からなる。例えば、第１のステップ２１の第１の面２１ａは、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、第２の面２１ｂは、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかである。

窒化ガリウム系半導体領域１５の表面１５ａは、Ｘ軸の方向に配列された複数の第２のステップ２５を有しており、第２のステップ２５の各々は、主要な構成面して第１の面２５ａ及び第２の面２５ｂを有する。第１及び第２の面２５ａ、２５ｂは、Ｚ軸に対して傾斜しており、また互いに異なる結晶面からなる。例えば、第２のステップ２５において、第１の面２５ａは六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、第２の面２５ｂは六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかである。窒化ガリウム系半導体領域１５の厚さは、例えば５マイクロメートル以上であることが好ましく、所定の条件でその厚さだけ窒化ガリウム系半導体領域１５を成長すると、十分なステップ幅を持ったマクロステップを形成できるからである。窒化ガリウム系半導体領域１５の厚さは、例えば３０マイクロメートル以下であることが好ましく、これ以上に厚く成長しても、成長に時間もかかる一方で、本実施形態における効果の向上は大きくならない。

この窒化物系半導体発光素子１１では、活性層１７は、第２のステップ２５の第１及び第２の面２５ａ、２５ｂ上に成長される。窒化ガリウム系半導体領域１５の表面１５ａは、支持基体１３の六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面１３ａに配列された第１のステップ２１と関連した第２のステップ２５の配列を有する。第２のステップ２５の配列上に活性層１７が形成されるので、活性層１７は、第２のステップ２５の第１及び第２の面２５ａ、２５ｂ上にそれぞれ成長された第１及び第２の部分１７ａ、１７ｂを含む。これら第１及び第２の部分１７ａ、１７ｂは、それぞれ、異なる発光波長の光を発生する。また、第１及び第２の部分１７ａ、１７ｂは、互いに異なるブルーシフトを示す。

窒化物系半導体発光素子１１では、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸と所定の軸との傾斜角度は、１０度以上であることができ、１０度未満であると、ｃ面の特徴が支配的であるからである。また、この傾斜角度は、８０度以下であることができ、８０度以上であると、ｍ面及びａ面の特徴が支配的であるからである。この窒化物系半導体発光素子１１によれば、第１のステップ２１の配列は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向に関連している。第１のステップ２１において、第１及び第２の面２１ａ、２１ｂの傾斜は、上記の傾斜角度（「オフ角」と呼ばれる）に応じて変わる。図１には、ステップ２１の個々の形状は同じに描かれているけれども、ステップ２１の形状、長さ、幅等は、全く同じではない。支持基体１３は、例えば窒化ガリウムからなることができる。図１に示された矢印Ｃは、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の方向を示している。第１のステップ２１の形状及び配列はオフ角に応じて変わるので、上記の範囲内においてオフ角を変更することによって、ステップの構成面やこれらの面積比が調整される。

窒化物系半導体発光素子１１では、第１の窒化ガリウム系半導体領域１５は、例えばバッファ層、クラッド層と呼ばれるｎ型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。このために、第１の窒化ガリウム系半導体領域１５は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｎ型ＧａＮ、ｎ型ＩｎＧａＮ等からなる半導体層を含む。第２の窒化ガリウム系半導体領域１９は、例えば電子ブロック層、クラッド層及びコンタクト層と呼ばれるｐ型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。このために、第２の窒化ガリウム系半導体領域１９は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＧａＮ等からなる半導体層を含む。支持基体１３はＧａＮからなることができる。また、ＧａＮ支持基体はｎ導電性を有することができる。第２の窒化ガリウム系半導体領域１９うえには、第１の電極（例えばアノード）２７が設けられる。また、導電性の支持基体１３の裏面１３ｂには、第２の電極（例えばカソード）２９が設けられる。

窒化物系半導体発光素子１１では、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸は、以下のような方向に傾斜していることができる。ｃ軸の傾斜方向は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｍ軸への方向であることができる。基板の加工精度に起因して、傾斜方向はｍ軸を基準に、例えば−１度から＋１度の角度範囲にばらつく。この窒化物系半導体発光素子によれば、ステップはａ軸の方向に延びる。また、ｃ軸の傾斜方向は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ軸への方向であることができる。基板の加工精度に起因して、傾斜方向はａ軸を基準に、例えば−１度から＋１度の角度範囲にばらつく。この窒化物系半導体発光素子によれば、ステップはｍ軸の方向に延びる。

窒化物系半導体発光素子１１では、ｃ軸の傾斜方向は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からａ軸及びｍ軸への方向を中心に−１５度から＋１５度の角度範囲であることができる。支持基体１３のステップの方向は、ｍ軸及びａ軸の方向からの向き付けに依存する。活性層１７の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲であることができ、活性層１７の発光スペクトルは、少なくとも２つのピーク波長を含む。これらのピークは、互いに異なる発光特性を有する活性層内の個々の部分からの波長成分に対応する。井戸層２３ａは、例えばＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮからなることができ、井戸層のインジウム組成Ｘの範囲は、例えば０．１以上であることが好ましい。また、井戸層のインジウム組成Ｘの範囲０．４以下であることが好ましい。また、障壁層２３ｂは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮからなることができる。発光スペクトルは、第２のステップの第１及び第２の面の各々上に成長された活性層からの光に応じてピークを有する。

窒化物系半導体発光素子１１では、第２のステップ２５の幅は１マイクロメートル以上であることができる。多数のステップからの発光によって、全体の発光スペクトルが決定される。図１に示されたシンボル△Ｗ_２１、△Ｗ_２５は、代表的なステップ２１、２５の幅を示す。図示された代表的なステップ２１、２５では、△Ｗ_２１＜△Ｗ_２５である。第１のステップ２１の幅の平均値は第２のステップ２５の幅の平均値より小さい。また、第１のステップ２１の幅の最大値は第２のステップ２５の幅の最小値より小さい。

図２は、一実施例の発光素子のためのエピタキシャルウエハにおいて測定されたフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。測定は以下の構造のエピタキシャルウエハを用いて行われた。

（実施例１）
ｃ面からｍ面方向及びａ面方向に１０度から８０度オフした半極性面を有するＧａＮウエハをリアクタ内に設置した。ＧａＮウエハのサイズは例えば２インチである。この半極性基板に、摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの炉内圧力で、アンモニア及び水素を流しながら１０分間の熱処理を施した。その後、３０マイクロメートルの厚さのＳｉドープＧａＮ層を摂氏１１５０度、炉内圧力１０ｋＰａで成長させた。リアクタからエピタキシャルウエハを取り出し、ノマルスキー微分干渉顕微鏡による観察、及び原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による表面測定により、ステップ幅１０マイクロメートル以上のマクロステップを観測した。

有機金属気相成長法により青色発光ダイオード構造を作製した。ｃ面からｍ面方向及びａ面方向に１０度から８０度オフした半極性面のＧａＮウエハをリアクタ内に設置した。上記と同様の熱処理及びＳｉドープＧａＮの成長を行った。この後に、摂氏８００度の基板温度で下げて、ＴＭＧ及びＴＭＩを導入して、厚さ５０ｎｍ及びＩｎ組成５％のＩｎＧａＮ緩衝層を成長した。次に、発光層を成長した。発光層は、１５ｎｍのＧａＮ障壁層及び３ｎｍのＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ井戸層からなる６周期の多重量子井戸構造からなるその後、ＴＭＧとＴＭＩの供給を停止し、摂氏１０００度の基板温度に上昇させ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ_３及びＣＰ_２Ｍｇを導入して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮを成長した。この後、ＴＭＡの供給を停止して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長した。その後、室温まで降温してエピタキシャルウエハを取り出した。

上記ウエハのフォトルミネッセンス測定を行なった。図２（ａ）を参照すると、参照符合Ｐ１は、４７０ｎｍ付近の波長の発光を示し、参照符合Ｐ２は、５１０ｎｍ付近の波長の発光を示し。参照符合Ｐ３は、活性層の下地のＩｎＧａＮ緩衝層からの３９０ｎｍ付近の波長の発光を示す。図２（ｂ）を参照すると、フォトルミネッセンススペクトルの励起光強度依存性が示されている。参照符合Ｉ１は、２０ｍＷの励起光強度による信号を示し、参照符合Ｉ２は、６ｍＷの励起光強度による信号を示し、参照符合Ｉ３は、１ｍＷの励起光強度による信号を示す。図２（ｂ）に示された各スペクトルは、高い方の発光波長５２０ｎｍにおけるピーク値により規格化されている。励起光強度が大きくなるにつれて、低い方の発光波長４７０ｎｍにおけるピーク値が大きくなり、また、ブルーシフトも大きくなる。

発光スペクトルではダブルピークが観測されており、励起強度を上げるとピークの強度比が変化する。また、低エネルギ励起におけるピークが高エネルギ励起におけるピークに比べて大きくブルーシフトしている。この理由は、短波長側のピークがピエゾ電界の大きい結晶面上の活性層からの発光であり、これはｃ面と考えられる。励起強度を上げることでピエゾ電界がスクリーニングされ、発光にブルーシフトが生じた。また、スクリーニングによりバンドの傾きが低減されるので、電子と正孔の結合が強くなり、発光の効率が上がって発光強度が大きくなったと考えられる。逆に、長波長側のピークは、非極性面あるいは半極性面上の活性層からの発光であると考えられる。こちらは元々ピエゾ効果が小さいので、励起光強度を上昇に伴うブルーシフト量が小さくまた発光効率の向上も小さい。

この結果から以下の事項が理解される。低い方の発光波長は、第２のステップの一方の面、例えばｃ面上に形成された活性層の部分からの光であり、高い方の発光波長は、第２のステップの別の面上に、例えば非極性面または半極性面上に形成された活性層の部分からの光である。

図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。図３には、工程フロー１００が示されている。工程Ｓ１０１では、半極性面からなる窒化ガリウム系半導体からなる表面を有する基板を準備する。この窒化ガリウム系半導体のｃ軸は、基板の表面に対して１０度以上の角度であることができる。また、この傾斜角度は、８０度以下であることができる。基板は、例えばｎ型ＧａＮからなることができる。

工程Ｓ１０２では、窒化ガリウム系半導体の成長に先立って、基板４１の熱処理を行って基板表面の改質を行う。このために基板４１を、例えば成長炉４３ａに配置する。熱処理の雰囲気Ｇ０は、例えばアンモニア及び水素を含む。また、熱処理の温度Ｔ０は、例えば摂氏１０００度以上摂氏１１００度以下の範囲である。六方晶系窒化ガリウム系半導体の半極性表面を有する基板４１の熱処理によって、改質表面４１ａを形成する。

この熱処理によって基板表面を再構築し、基板加工時のスクラッチ傷等を埋め、ミクロステップを出現させる。この熱処理の後に、熱処理された基板表面にｎ型ＧａＮ層を成長する。この成長は、ｃ軸方向の成長が促進されるような高温・減圧の条件で行われる。これにより、所望のステップ幅のマクロステップを成長できる。ステップ幅は、成長温度や圧力と、成長時間或いは成長膜厚とによって、ある程度制御できる。

改質表面４１ａは、図４（ａ）に模式的に示されるように、複数のステップ４５を含み、ステップ４５は配列されている。ステップ４５の代表的な幅はシンボルＬ１で示される。第１のステップ４５の各々は、熱処理の前の表面の法線（図４（ａ）におけるベクトルＮの方向）に対して傾斜した第１及び第２の面４５ａ、４５ｂを有する。第１及び第２の面４５ａ、４５ｂは異なる結晶面からなる。

工程Ｓ１０３では、改質表面４１ａ上に、窒化ガリウム系半導体領域を成長する。この成長は、改質のための熱処理に引き続いて、成長炉４３ａを用いて行われる。この成長は、例えば有機金属気相成長法等である。原料には、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ_３）、シラン（ＳｉＨ_４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を用いることができる。窒化ガリウム系半導体領域の形成のために、一又は複数の第１導電型窒化ガリウム系半導体層が成長される。窒化ガリウム系半導体領域は、例えば以下のように行われる。引き続く説明では、改質表面のミクロステップからステップサイズが成長してマクロステップが形成される様子を示すために、窒化ガリウム系半導体領域の成長をいくつかのサブ工程によって行われるように説明するけれども、既に説明された実施例１からも明らかなように、活性層に先立つ窒化ガリウム系半導体領域の成長を単一の成長工程で行うことができる。なお、所望の回数の窒化ガリウム系半導体堆積を行って、改質表面上のステップの配列を成長させて、所望の幅のステップを形成することもできる。

まず、原料ガスＧ１を成長炉４３ａに供給して、窒化ガリウム系半導体領域の堆積を行う。この堆積によって、改質表面のミクロステップが、窒化ガリウム系半導体領域の表面のマクロステップに成長させる。窒化ガリウム系半導体層は例えばｎ型ＧａＮから成る。原料ガスＧ１は、例えばＴＭＧ、アンモニア及びシランを含む。成長温度Ｔ１は、例えば摂氏１１５０度以上であることが好ましい。また成長温度Ｔ１は、例えば摂氏１２５０度以下であることが好ましい。炉内圧力は、例えば５ｋＰａ以上であることが好ましい。また、炉内圧力は、例えば８０ｋＰａ以下であることが好ましい。

本工程の条件は、これまでに比べて、成長温度Ｔ１が高温であること、また炉内圧力が低圧であることである。これにより、ｃ軸方向の成長が促進されてｃ面のステップが次第に大きくなるので、所望の幅のステップを形成できる。また、本工程における窒化ガリウム系半導体層の成長時間は長く、その膜厚が大きい。成長時間または膜厚は、十分なステップ幅を持ったマクロステップを形成できるように調整される。また、その成長時間によりステップ幅を制御できる。

窒化ガリウム系半導体４７の堆積によって、図４（ｂ）に模式的に示されるように、窒化ガリウム系半導体４７の表面にもステップ４９が形成される。ステップ４９の各々は、熱処理の前の表面の法線に対して傾斜した第１及び第２の面４９ａ、４９ｂを有する。第１及び第２の面４９ａ、４９ｂは、異なる結晶面からなる。ステップ４９の代表的な幅はシンボルＬ２で示されており、幅Ｌ２は幅Ｌ１より大きい。

窒化ガリウム系半導体５１の堆積によって、図５（ａ）に模式的に示されるように、窒化ガリウム系半導体５１の表面にもステップ５３が形成される。ステップ５３の各々は、熱処理の前の表面の法線に対して傾斜した第１及び第２の面５３ａ、５３ｂを有する。第１及び第２の面５３ａ、５３ｂは、異なる結晶面からなる。ステップ５３の代表的な幅はシンボルＬ３で示されており、幅Ｌ３は幅Ｌ２より大きい。

窒化ガリウム系半導体５５の堆積によって、図５（ｂ）に模式的に示されるように、窒化ガリウム系半導体５５の表面にもステップ５７が形成される。ステップ５７の各々は、熱処理の前の表面の法線に対して傾斜した第１及び第２の面５７ａ、５７ｂを有する。第１及び第２の面５７ａ、５７ｂは、異なる結晶面からなる。ステップ５７の代表的な幅はシンボルＬ４で示されており、幅Ｌ４は幅Ｌ３より大きい。

窒化ガリウム系半導体５９の堆積によって、図６に模式的に示されるように、窒化ガリウム系半導体５９の表面にマクロステップ６１が形成される。マクロステップ６１の各々は、熱処理の前の表面の法線に対して傾斜した第１及び第２の面６１ａ、６１ｂを有する。第１及び第２の面６１ａ、６１ｂは、異なる結晶面からなる。ステップ６１の代表的な幅はシンボルＬ５で示されており、幅Ｌ５は幅Ｌ４より大きい。

以上説明したように、改質した窒化ガリウム系半導体表面上に、厚く窒化ガリウム系半導体堆積を行って、改質表面上のステップの配列及びサイズを成長させて、所望の幅のステップを形成する。隣接するステップのファセット面から、窒化ガリウム系半導体堆積によって、より大きなサイズのファセット面が生成される。なお、理解を容易にするために、図４（ａ）〜図６の各々では同じ幅のステップの配列が描かれているが、本実施の形態はこれに限定されるものではない。さらに、各マクロステップは、代表的な面として、ａ面及びｍ面の少なくともいずれかの面とｃ面とを含んでおり、本実施の形態はこれに限定されるものではない。さらに、各マクロステップは、別の高指数面からなるステップ面を含むことができる。

図６に示されるマクロステップ６１では、第１及び第２の面６１ａ、６１ｂは、改質処理前の基板表面に対する法線ベクトルＮに対して傾斜しており、また互いに異なる結晶面からなる。例えば、第１の面６１ａは、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、第２の面６１ｂは、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかであることができる。マクロステップ６１の幅は１マイクロメートル以上であることができる。発明者らの様々な実験によれば、マクロステップの幅として、１〜１０マイクロメートル程度のものが得られた。全体のＰＬスペクトルは多数のマクロステップの配列によって規定される。

本実施例では、工程Ｓ１０３によって、改質表面４１ａ上に、窒化ガリウム系半導体領域６３が形成された。続けて、工程Ｓ１０４において、図７に示されるように、窒化ガリウム系半導体領域６３の表面のステップ上に、活性層６５を成長する。活性層６５は、窒化ガリウム系半導体領域６３のステップ面６１ａ、６１ｂの各々の上に成長される。ステップ面６１ａ、６１ｂの面方位に応じて、成長される活性層内の構造も変わる。故に、既に説明されたように、フォトルミネッセンススペクトルに複数のピークが現れる。

本実施の形態の作製方法によれば、基板４１の改質表面４１ａが、六方晶系窒化ガリウム系半導体の半極性表面を熱処理することによって形成される。この改質表面４１ａのステップの一方の面は六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、他方の面は六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかである。この改質表面４１ａ上に成長された第１導電型窒化ガリウム系半導体領域６３の表面にはステップの配列が形成される。この表面上に活性層６５が成長されるので、活性層６５は下地のステップの第１及び第２の面６１ａ、６１ｂ上にそれぞれ成長された第１及び第２の部分６５ａ、６５ｂを含む。活性層の第１及び第２の部分６５ａ、６５ｂは、それぞれ、異なる発光波長の光を発生可能な第１及び第２の構造を有する。活性層６５の発光波長は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲であり、その発光スペクトルは、この波長範囲において少なくとも２つのピーク波長を含む。フォトルミネッセンススペクトルは、第１及び第２の面６１ａ、６１ｂ上にそれぞれ成長された活性層部分からの光に応じた複数のピークを有する。

工程Ｓ１０５では、活性層６５上に、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域６７を形成する。窒化ガリウム系半導体領域６７は、例えば電子ブロック層、クラッド層及びコンタクト層を含むことができる。これらの工程により、図８に示されるように、エピタキシャルウエハＥ１が形成された。エピタキシャルウエハＥ１は、基板４１と、第１導電型窒化ガリウム系半導体領域６３と、活性層６５と、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域６７とを備える。

工程Ｓ１０６では、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域６７上にアノードを形成する共に、基板４１の裏面にカソードを形成する。

（実施例２）
図９は、ＧａＮ基板の改質処理を説明するための図面である。オフ角０．３度、ｍ軸方向にオフ角１８度、及びｍ軸方向にオフ角２８度を有するＧａＮ基板を準備した。これらの基板を有機金属気相成長炉に設置した後に、改質処理を行った。改質処理の条件として
改質温度：摂氏１０５０度
改質ガス：ＴＭＧ、ＮＨ_３，Ｈ_２，Ｎ_２
改質時間：１０分
を用いた。
基板熱処理後の改質基板にＲＨＥＥＤ測定を行った。測定において、＜１１−２０＞方向及び＜１−１００＞方向に電子線を入射させた。図９に示されるように、ｍ軸方向にオフ角１８度のＧａＮ基板では、ＧａＮのｃ軸方向の格子定数の１０倍の周期構造Ｐ_１８が改質表面に観測された。また、ｍ軸方向にオフ角２８度のＧａＮ基板では、ＧａＮのｃ軸方向の格子定数の７倍の周期構造Ｐ_２８が改質表面に観測された。いずれの場合にも、基板熱処理後には、ＧａＮの格子定数の１０倍前後（数ｎｍ）のミクロステップが形成された。ＲＨＥＥＤ測定の測定エリアの概略面積は１０^−４ｃｍ^２程度である。

以上説明したように、活性層の下地として用いられる窒化ガリウム系半導体領域表面のマクロステップの両側には、それぞれ、ＧａＮとＩｎＧａＮの格子定数の差による圧電効果の大きいｃ面と、圧電効果の無い非極性面とが成長されている。故に、単一のウエハ上でｃ面と非極性面の特徴を両立させることができる。

ｃ面基板を用いたＧａＮ成長では、ＧａＮはｃ軸方向に成長し、ｍ面及びａ面基板を用いたＧａＮ成長では、それぞれ、ＧａＮはｍ軸方向及びａ軸方向に成長する。このため、ＧａＮ結晶の表面は、基板の面方位によって特定される特徴のみを有する。また、小さいオフ角（１度から１０度）の基板では、ｃ面の特徴が支配的である。大きいオフ角（８０度から９０度）の基板では、ａ面またはｍ面の特徴が支配的である。しかしながら、本実施の形態では、所定のオフ角の範囲の半極性面の基板上に、例えば極性面及び非極性面の特徴を併せ持ったエピタキシャル成長が可能となる。また、極性面及び非極性面の面積割合は基板表面のオフ角によって制御可能である。したがって、応用上では、青から緑系の様々な色味を実現できる発光素子の作成が可能となる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を模式的に示す図面である。 図２は、一実施例の発光素子のためのエピタキシャルウエハにおいて測定されたフォトルミネッセンススペクトルを示す図面である。 図３は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を示す図面である。 図４は、ミクロステップの形成を示す図面である。 図５は、ステップサイズの変化を示す図面である。 図６は、マクロステップの形成を示す図面である。 図７は、活性層の形成を示す図面である。 図８は、エピタキシャルウエハの構造を示す図面である。 図９は、実施例におけるＧａＮ基板の改質処理を説明するための図面である。

符号の説明

１１…窒化物系半導体発光素子、１３…支持基体、１３ａ…六方晶系窒化ガリウム系半導体表面、１３ｂ…支持基体裏面、１５…第１の窒化ガリウム系半導体領域、１７…活性層、１７ａ、１７ｂ…活性層の部分、１９…第２の窒化ガリウム系半導体領域、２１…第１のステップ、２１ａ…第１の面、２１ｂ…第２の面、２３ａ…井戸層、２３ｂ…障壁層、２５…第２のステップ、２５ａ…第１の面、２５ｂ…第２の面、４１…基板、４１ａ…改質表面、４３ａ…成長炉、４５…第１のステップ、４５ａ、４５ｂ…第１のステップの第１及び第２の面、４７…窒化ガリウム系半導体、４９…ステップ、４９ａ、４９ｂ…ステップの第１及び第２の面、５１…窒化ガリウム系半導体、５３…ステップ、５３ａ、５３ｂ…ステップの第１及び第２の面、５５…窒化ガリウム系半導体、５７…ステップ、５７ａ、５７ｂ…ステップの第１及び第２の面、５９…窒化ガリウム系半導体、６１…マクロステップ、６１ａ、６１ｂ…マクロステップの第１及び第２の面、６３…窒化ガリウム系半導体領域、６５…活性層、６５ａ、６５ｂ…活性層の第１及び第２の部分、６７…第２導電型窒化ガリウム系半導体領域、Ｅ１…エピタキシャルウエハ

Claims (9)

1. 窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
   所定の基準平面に沿って延びる六方晶系窒化ガリウム系半導体の表面を有する基板を熱処理して、第１の方向に配列された複数の第１のステップを含む改質表面を形成する工程と、
   前記改質表面上に、一又は複数の第１導電型窒化ガリウム系半導体層を含む窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程と、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の表面上に、窒化ガリウム系半導体からなる活性層を形成する工程と、
   前記活性層上に第２導電型窒化ガリウム系半導体層を形成する工程と
   を備え、
   前記第１のステップの各々は、第１及び第２の面を有しており、
   前記第１のステップの前記第１の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ面であると共に、前記第１のステップの前記第２の面は、六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ面及びｍ面のいずれかであり、
   前記窒化ガリウム系半導体領域の前記表面は、前記第１の方向に配列された複数の第２のステップを有しており、
   前記第２のステップの各々は、第１及び第２の面を有しており、
   前記活性層は、前記第２のステップの前記第１及び第２の面の各々上に成長され、
   前記活性層の発光スペクトルは、波長範囲内に少なくとも２つのピーク波長を含み、
   前記波長範囲は、４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする方法。
2. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体の前記表面は半極性を示す、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸と前記所定の基準平面に直交する所定の軸との傾斜角度は、１０度以上であり、８０度以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
4. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からｍ軸への方向である、ことを特徴とする請求項３に記載された方法。
5. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸からａ軸への方向である、ことを特徴とする請求項３に記載された方法。
6. 前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のｃ軸の傾斜方向は、前記六方晶系窒化ガリウム系半導体のａ軸及びｍ軸いずれかの方向を中心に−１５度から＋１５度の範囲である、ことを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
7. 前記第２のステップの幅は１マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
8. 前記窒化ガリウム系半導体領域を成長する際の炉内圧力は、５ｋＰａ以上８０ｋＰａ以下の範囲内である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
9. 前記窒化ガリウム系半導体領域を成長する際の成長温度は、摂氏１１５０度以上摂氏１２５０度以下の範囲内である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。