JP6353255B2

JP6353255B2 - 発光素子用エピタキシャル基板の製造方法

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Publication number: JP6353255B2
Application number: JP2014070915A
Authority: JP
Inventors: 倉岡　義孝; 義孝倉岡; 幹也市村; 智彦杉山
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015192138A

Description

本発明は、発光素子に関し、特に、多重量子井戸構造を有する発光素子に関する。

１３族窒化物（III族窒化物）からなる発光層を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）は、長寿命・高効率の白色光源として利用可能であり、近年、従来の各種光源からＬＥＤ光源への置き換えも進んでいる。バックライトや電球などの低輝度ＬＥＤ光源はすでに十分に普及段階にあり、さらにプロジェクターや自動車用ヘッドライトなどの高輝度用途へと展開されつつある。

ＬＥＤの発光領域である再結合層にＩｎＧａＮ層が含まれるようにする場合、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成を高めるには、成長温度を下げるのが一般的である。これは、Ｉｎ組成が高いと高温還元雰囲気下で分解されやすいためである。また、成膜時にインジウム（Ｉｎ）が凝集する現象により、ＩｎＧａＮ層にはＩｎ組成が局所的に高い領域が存在することも既に公知である（例えば、特許文献１参照）。

１３族窒化物を用いてＬＥＤを作製するにあたっては、ｎ型領域から注入された電子が活性層を超えてｐ型領域へリークすると発光効率が低下するため、ＬＥＤ積層構造内に種々の工夫がなされている。例えば、ｐ−ＧａＮ層と活性層の間にバンドギャップエネルギーがＧａＮよりも大きいＡｌＧａＮなどを用いた電子ブロッキング層を配置し、電子のｐ型領域へのリークを抑制する構造などが既に公知である（例えば、特許文献２参照）。

また、インジウムを含む窒化物半導体層をＨ_２ガスにてエッチングし、量子箱を形成する方法も既に公知である（例えば、特許文献３参照）。

一方で、ＬＥＤにおいては、高駆動電流(例えば電流密度２００Ａ／ｃｍ^２以上)で駆動させたときに発光効率が低下する「効率ドループ」という現象が発生することも既に公知である（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００１−１９６６３２号公報特開２００９−２１８２３５号公報特許第３７７３７１３号公報

"Efficiency droop in nitride-based light-emitting diodes" Joachim Piprek, physica status solidi (a)., Volume 207, Issue 10, pages 2217-2225, October 2010.

高駆動電流時においても十分な発光効率が確保されたＬＥＤを実現するには、効率ドループの発生を抑制する必要がある。効率ドループは、駆動電流の電流密度を増加させるにつれて、ｎ型領域からｐ型領域への活性層を超えた電子のリークがより顕著に発生することが、原因の１つであると考えられている。これは、特許文献３に開示されているような電子ブロッキング層を設けただけでは、効率ドループへの対応としては十分ではないことを意味している。

高駆動電流時の発光効率低下を抑制するためには、高駆動電流時でも多重量子井戸層に正孔が注入される確率を増加させることが有効と考えられる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、高駆動電流時においても十分な発光効率が確保された発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、発光素子用のエピタキシャル基板の製造方法であって、ＧａＮからなる下地基板の上に活性層を形成する活性層形成工程、を備え、前記活性層形成工程においては、前記下地基板を所定の加熱状態としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層をエピタキシャル形成する井戸層形成工程と、前記下地基板の前記加熱状態を維持しつつ前記井戸層の表面を窒素ガスおよび水素ガスを含む雰囲気ガスにてアニールするアニール処理を行うことによって前記井戸層の表面に複数のピットを分散形成させるアニール処理工程と、前記下地基板の前記加熱状態を維持しつつ前記アニール処理後の前記井戸層の上にＧａＮからなる障壁層をエピタキシャル形成する障壁層形成工程と、をこの順に繰り返すことにより、多重量子井戸構造を有する前記活性層を形成し、前記アニール処理工程においては、前記井戸層における前記複数のピットの存在割合が２％以上２５％以下となるように前記アニール処理を行う、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発光素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、前記アニール処理工程においては、前記井戸層における前記複数のピットの存在割合が８％以上２５％以下となるように前記アニール処理を行う、ことを特徴とする。

請求項１および請求項２の発明によれば、活性層が多重量子井戸構造を有する発光素子において、井戸層に複数のピットを分散形成させることで、正孔と電子の再結合領域を活性層全体に分散させることができる。これにより、発光強度を確保しつつ、効率ドループを抑制することができるので、高駆動電流時においても十分な発光効率が確保された発光素子を得ることが出来る。

エピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す図である。エピタキシャル基板１０を用いて作製した発光素子２０の構成を概略的に示す図である。エピタキシャル基板１０の一例についての断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像である。ＡＦＭ測定により得られたピット評価用基板の断面プロファイルを例示する図である。

本明細書中に示す周期表の族番号は、１９８９年国際純正応用化学連合会（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＵｎｉｏｎｏｆＰｕｒｅＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ：ＩＵＰＡＣ）による無機化学命名法改訂版による１〜１８の族番号表示によるものであり、１３族とはアルミニウム（Ａｌ）・ガリウム（Ｇａ）・インジウム（Ｉｎ）等を指し、１５族とは窒素（Ｎ）・リン（Ｐ）・ヒ素（Ａｓ）・アンチモン（Ｓｂ）等を指す。

＜発光素子の概要＞
図１は、本実施の形態に係る発光素子の作製に用いるエピタキシャル基板１０の構成を概略的に示す図である。また、図２は、エピタキシャル基板１０を用いて作製した発光素子２０の構成を概略的に示す図である。

エピタキシャル基板１０は、概略、ＭＯＣＶＤ法などの公知のエピタキシャル成長手法によって、ＧａＮ下地基板１の上に、ｎ型ＧａＮ層２と、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する活性層（発光層）３と、ｐ型クラッド層４と、ｐ型ＧａＮ層５とを、この順に積層形成された（エピタキシャル形成された）ものである。なお、以降の説明においては、各層の形成をＭＯＣＶＤ法を用いて行う場合について説明する。

また、発光素子２０は、いわゆる母基板の状態にあるエピタキシャル基板１０に、公知のフォトリソグラフィー技術、エッチング技術、および、成膜技術を用いて、個々の発光素子２０においてアノード電極部６およびカソード電極部７となる電極パターンを形成後、ダイサーなどによって所定の素子サイズに個片化したものである。

ＧａＮ下地基板１としては、ｃ面つまりは（０００１）面を主面とする、表面が原子レベルで平坦なものを用いる。ＧａＮ下地基板１のサイズに特段の制限はないが、取り扱いの容易さという点からは、直径が数インチ程度で、厚みが数百μｍ〜数ｍｍ程度のものが好適である。

ｎ型ＧａＮ層２は、例えばＳｉなどのｎ型のドーパントがドープされてなるＧａＮからなる層である。ｎ型ＧａＮ層２は例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスをＧａ原料ガスとし、シランガスをＳｉドーパント原料ガスとし、アンモニアガスをＮ原料ガスとし、窒素ガスと水素ガスとをキャリアガスとして、１０５０℃〜１１５０℃の形成温度にて１μｍ〜１０μｍ程度の厚みに形成されてなるのが好適である。また、Ｓｉのドープ濃度は、２×１０^１８／ｃｍ^３〜２×１０^１９／ｃｍ^３程度であるのが好適である。なお、以降も含め、本明細書において、形成温度とは、対象となる層を形成する際のＧａＮ下地基板１に対する加熱温度を意味している。

活性層３は、発光素子２０において発光を担う層であり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層（第１単位層）３１とＧａＮからなる障壁層（第２単位層）３２とを繰り返し交互に積層してなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有する層である。

活性層３は、７００℃〜８５０℃の形成温度にて形成するのが好適である。具体的には、井戸層３１は、ＴＭＧガスをＧａ原料ガスとし、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスをＩｎ原料ガスとし、アンモニアガスをＮ原料ガスとし、窒素ガスをキャリアガスとして、２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適であり、障壁層３２は、ＴＭＧガスをＧａ原料ガスとし、アンモニアガスをＮ原料ガスとし、窒素ガスをキャリアガスとして、５ｎｍ〜１５ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適である。また、井戸層３１と障壁層３２の積層の繰り返し数Ｎは、３〜１０であるのが好適である。

より詳細にいえば、図１および図２においては図示を省略しているものの、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０（および発光素子２０）においては、それぞれの井戸層３１が、その上面（積層方向上方における隣接層との界面）側に開口する複数のピット（窪み）Ｐ（図３参照）が分散させて設けられてなる。ピットＰは、井戸層３１の形成後、障壁層３２の形成前に、アニール処理を行うことによって形成されたものである。ピットＰおよび活性層３にピットＰが備わることの詳細については後述する。

ｐ型クラッド層４は、例えばＭｇなどのｐ型のドーパントがドープされてなるＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる層である。ｐ型クラッド層４は、ＴＭＧガスをＧａ原料ガスとし、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスをＡｌ原料ガスとし、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビズ（シクロペンタジエニル）マグネシウム）ガスをＭｇドーパント原料ガスとし、アンモニアガスをＮ原料ガスとし、窒素ガスと水素ガスとをキャリアガスとして、９５０℃〜１０５０℃の形成温度にて５ｎｍ〜６０ｎｍ程度の厚みに形成されてなるのが好適である。また、Ｍｇのドープ濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２０／ｃｍ^３程度であるのが好適である。なお、ｐ型クラッド層４を設けることは必須の態様ではなく、活性層３に隣接してｐ型ＧａＮ層５が設けられる態様であってもよい。

ｐ型ＧａＮ５層は、例えばＭｇなどのｐ型のドーパントがドープされてなるＧａＮからなる層である。ｐ型ＧａＮ５層は、ＴＭＧガスをＧａ原料ガスとし、Ｃｐ_２ＭｇガスをＭｇドーパント原料ガスとし、アンモニアガスをＮ原料ガスとし、窒素ガスと水素ガスとをキャリアガスとして、９００℃〜１０５０℃の形成温度にて５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚みに形成されてなるのが好適である。また、Ｍｇのドープ濃度は、１×１０^１９／ｃｍ^３〜１×１０^２０／ｃｍ^３程度であるのが好適である。

なお、ｐ型クラッド層４およびｐ型ＧａＮ層５にＭｇドープを行った場合は、両層が形成された後のエピタキシャル基板１０を、窒素雰囲気中で７５０℃〜９５０℃の温度で５分〜３０分加熱する活性化処理を行うようにする。

発光素子２０に備わるアノード電極部６は、ｐ型ＧａＮ層５の上面にＮｉ／Ａｕ積層膜として形成されてなるのが好適な一例である。アノード電極層６は、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とによって、個片化前のエピタキシャル基板１０の所定位置にパターニングすることで、形成可能である。

アノード電極層６となるＮｉ／Ａｕ積層膜を構成するＮｉ膜、Ａｕ膜の厚みはそれぞれ、０．０１μｍ〜０．０５μｍ、０．０５μｍ〜０．５μｍ程度であるのが好ましい。

なお、アノード電極部６となるＮｉ／Ａｕ多層膜の形成後には、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での５００℃以上の温度での熱処理を数分間施すのが好ましい。

発光素子２０に備わるカソード電極部７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜として形成するのが好適である。カソード電極部７は、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）とによって、個片化前のエピタキシャル基板１０の所定位置においてｎ型ＧａＮ層２の一部を露出させたうえで、当該露出部分にフォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とによってパターニングすることで、形成可能である。なお、カソード電極部７のことをカソード電極パッド７と称することがある。

カソード電極部７となるＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜を構成するＴｉ膜、Ａｌ膜、Ｎｉ膜、Ａｕ膜の厚みは、それぞれ、０．０１μｍ〜０．０５μｍ、０．１μｍ〜１μｍ、０．０２μｍ〜０．１μｍ、０．０５μｍ〜０．３μｍ程度であるのが好ましい。

なお、カソード電極部７となるＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜の形成後には、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での９００℃以上の温度での熱処理を、好ましくは１０００℃での熱処理を数十秒間から数分間施すのが好ましい。

以上のような構成を有する発光素子２０においては、アノード電極部６とカソード電極部７の間に電流を流すことで、発光波長が４５０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の範囲にある発光が得られる。具体的な発光波長は、井戸層３１の組成に応じて定まる。

なお、発光素子２０においては、ｐ型クラッド層４を構成するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮのバンドギャップエネルギーの方が、ｐ型ＧａＮ層５を構成するＧａＮのバンドギャップエネルギーが大きいことから、ｐ型クラッド層４は電子ブロッキング層として機能するものとなっている。

＜ピットの形成とその作用効果＞
次に、活性層３の井戸層３１に設けられるピットＰについて、その形成態様および作用効果を説明する。

図３は、本実施の形態に係るエピタキシャル基板１０の一例についての断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像である。図３に例示したエピタキシャル基板１０は、井戸層３１をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎにて形成し、障壁層３２をＧａＮにて形成し、繰り返し数Ｎを５としたものである。図３のＴＥＭ像において、図面視左右方向に延在してなる、その上下の部分に比してより黒く見える線状の領域が、井戸層３１である。そして、図３において係る井戸層３１の途中に存在する、当該線状領域の不連続な部分や幅狭の部分が、ピットＰの形成箇所である。ピットＰは、通常、井戸層３１を貫通する態様にて存在する。ピットＰの内側の領域のコントラストが薄いのは、直上に形成されてなる障壁層３２をなすＧａＮがピットＰ内にまで埋入しているからである。すなわち、ピットＰの形成箇所においては、上下の障壁層３２が接触した状態となっている。なお、障壁層３２の上面（積層方向上方における隣接層との界面）側は平坦になっている。また、上述した障壁層３２の厚みには、ピットＰに埋入してなる部分を含まないものとする。ピットＰは、概ね数十ｎｍ程度の平面サイズを有しており、各井戸層３１において均一に分散して存在する。

このようなピットＰは、上述のように、井戸層３１を形成した後、これに続く障壁層３２の形成の前に、アニール処理を行うことによって形成される。具体的には、係るアニール処理は、所定のＭＯＣＶＤ装置を用いたエピタキシャル基板１０の形成過程において、所定厚みの井戸層３１の形成を終了（ＴＭＧおよびＴＭＩガスの供給を停止）した後、ＧａＮ下地基板１に対する加熱状態は井戸層３１形成時と同じに維持しつつ、少なくとも窒素ガスと水素ガスとをアニール雰囲気ガスとしてＭＯＣＶＤ装置内に流すことによって実現される。なお、アニール雰囲気ガスはさらにアンモニアガスを含んでいてもよい。アニール処理終了後は、直ちに、雰囲気ガスを障壁層３２の形成に適したガス種および流量に切り替えて、障壁層３２を形成する。その際、ＧａＮ下地基板１に対する加熱状態は引き続き維持される。

係るアニール処理によるピットＰの形成は、特許文献１に開示されているような、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる井戸層３１においてＩｎ組成が局所的に高い領域が散在して形成されるという性質、および、高Ｉｎ組成の領域ほど高温還元雰囲気下にてエッチングされやすいという性質を利用している。すなわち、井戸層３１の形成に引き続いてアニール処理を行うことによるピットＰの形成は、井戸層３１のなかで、周囲に比してＩｎ組成比が高い領域が優先的にエッチングされることによって実現されるものである。

通常は、アニール処理の時間を長くするほど、井戸層３１におけるピットの存在割合（ピット割合）は大きくなる傾向がある。

本実施の形態に係る発光素子２０においては、このように井戸層３１にピットＰを設けたことで、高駆動電流時の効率ドループ（発光効率低下）の抑制が実現される。これは、一般に、発光素子２０のようにｎ型層、多重量子井戸構造を有する活性層、ｐ型層という順序で層が構成された発光素子においては、正孔の移動速度が遅いために、発光（正孔と電子の再結合）が活性層のうちｐ型層寄りの領域で生じやすい傾向があるところ、本実施の形態に係る発光素子２０においては、井戸層３１にピットＰを分散させることによって、活性層３内において正孔が移動しやすい状態が実現され、これによって、正孔と電子の再結合領域が、ＭＱＷ構造を有する活性層３の内部全体に分散することにより奏する効果である。例えば、好適な条件でピットＰを設けた発光素子２０においては、ピットＰを設けていない他は構成が共通する発光素子に比して、発光強度を確保しつつ、発光効率の低下度合いがおおよそ１／２以下にまで低減される。すなわち、効率ドループの抑制が実現される。

なお、ピットＰの過剰形成は、正孔と電子の再結合を生じさせにくくし、発光強度自体を低下させることになるため、好ましくない。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、活性層が多重量子井戸構造を有する発光素子において、井戸層に複数のピットを分散形成させることで、正孔と電子の再結合領域を活性層全体に分散させることができる。これにより、発光強度を確保しつつ、効率ドループを抑制することができるので、高駆動電流時においても十分な発光効率が確保された発光素子を得ることが出来る。

アニール処理の条件を違えた全２２種類のエピタキシャル基板１０を作製し、さらに、それぞれのエピタキシャル基板１０を用いて発光素子２０を作製した。得られた発光素子２０について、発光強度を測定し、発光効率低下率を算出した。

まず、エピタキシャル基板１０の形成にあたっては、ＧａＮ下地基板１として、直径４インチで５００μｍ厚のｃ面ＧａＮ基板を用意した。係るＧａＮ下地基板１をＭＯＣＶＤ炉（有機金属気相成長炉）内に入れ、水素・窒素混合雰囲気中で１１００℃まで加熱した後、窒素と水素をキャリアガスとして、ＴＭＧガス、アンモニアガス、シランガスを供給して、ｎ型ＧａＮ層２を３μｍの厚さに成長させた。

次に、基板温度を７５０℃まで低下させた後、活性層３の形成を行った。その途中、井戸層３１の形成後には、アニール処理を行った。活性層３としては、Ｉｎ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎからなる厚さ２ｎｍの井戸層３１と、ＧａＮからなる厚さ１０ｎｍの障壁層３２とを５層ずつ交互に形成した。

井戸層３１の形成は、流量が１６ｓｌｍの窒素ガスをキャリアガスとしてＴＭＧガスとＴＭＩガスとアンモニアガスとを流すことにより行った。なお、アンモニアガスの流量は６ｓｌｍとした。水素ガスは用いなかった。一方、これに続くアニール処理については、アニール雰囲気ガスの成分および流量を以下の５水準に違えた。

（条件１）窒素ガス１６ｓｌｍ、水素ガス０ｓｌｍ、アンモニアガス６ｓｌｍ；
（条件２）窒素ガス１６ｓｌｍ、水素ガス１ｓｌｍ、アンモニアガス５ｓｌｍ；
（条件３）窒素ガス１６ｓｌｍ、水素ガス３ｓｌｍ、アンモニアガス３ｓｌｍ；
（条件４）窒素ガス１６ｓｌｍ、水素ガス５ｓｌｍ、アンモニアガス１ｓｌｍ；
（条件５）窒素ガス１６ｓｌｍ、水素ガス６ｓｌｍ、アンモニアガス０ｓｌｍ。

さらに、条件１では、アニール処理時間を０秒（アニール処理なし）、６００秒、１２００秒、３６００秒の４水準に違えた（試料１−１〜１−４）。条件２では、アニール処理時間を６０秒、１２０秒、２４０秒、４８０秒の４水準に違えた（試料２−１〜２−４）。条件３では、アニール処理時間を１５秒、３０秒、６０秒、１５０秒、１８０秒、２１０秒の６水準に違えた（試料３−１〜３−６）。条件４では、アニール処理時間を３０秒、６０秒、９０秒、１２０秒、１５０秒の５水準に違えた（試料４−１〜４−５）。条件５では、アニール処理時間を５秒、１０秒、１５秒の３水準に違えた（試料５−１〜５−３）。

また、障壁層３２の形成は、流量が１６ｓｌｍの窒素ガスをキャリアガスとしてＴＭＧガスとアンモニアガスとを流すことにより行った。なお、アンモニアガスの流量は６ｓｌｍとした。水素ガスは用いなかった。

さらに、活性層３の形成後、基板温度を再び１０８０℃まで上げた後、窒素と水素をキャリアガスとして、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス、アンモニアガス、Ｃｐ_２ＭｇガスをＭｇ濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３となるように供給して、Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎからなるｐ型クラッド層４を２０ｎｍの厚さに形成し、続いて、窒素と水素をキャリアガスとして、ＴＭＧガス、アンモニアガス、Ｃｐ_２ＭｇガスをＭｇ濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３となるように供給して、ｐ型ＧａＮ層５を８０ｎｍの厚さに形成した。ｐ型ＧａＮ層５を形成後、窒素雰囲気にて温度を室温まで低下させ、エピタキシャル基板１０をＭＯＣＶＤ炉から取り出した。続いて、得られたエピタキシャル基板１０を高速アニール炉（ＲＴＡ）を用いて窒素雰囲気中で８００℃１０分間加熱処理することで、Ｍｇの活性化処理を行った。

次に、得られたそれぞれのエピタキシャル基板１０を用いて、発光素子２０を作成した。

まず、エピタキシャル基板１０に対し、フォトリソグラフィープロセスとＲＩＥとによって、ｎ型ＧａＮ層２の一部を露出させた。なお、非エッチング領域の概略寸法は０.３ｍｍ×０.３ｍｍとした。

続いて、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とによって、ｎ型ＧａＮ層２の露出部分に、カソード電極パッド７としてのＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜をパターニングした。それぞれの膜の厚みはＴｉ膜から順に１５ｎｍ、２２０ｎｍ、４０ｎｍ、７５ｎｍとした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での７００℃の熱処理を３０秒間行った。

さらに、フォトリソグラフィープロセスと真空蒸着法とによって、アノード電極層６としてのＮｉ／Ａｕ積層膜をパターニングした。それぞれの膜の厚みは、２０ｎｍ、２００ｎｍとした。その後、オーム性接触特性を良好なものとするために、窒素雰囲気中での５００℃の熱処理を５分間行った。

その後、ダイサーにより個片化することによって、発光素子２０を得た。

得られた全２２種の発光素子２０について、発光強度を計測した。具体的には、アノード電極パッド６とカソード電極パッド７との間にマニュアルプローバーを介して電流を流した状態で、光パワーメータにより発光強度を測定し、その結果から、効率ドループの度合いを表す指標である発光効率低下率を求めた。

発光強度の測定は、電流密度を２０Ａ／ｃｍ^２として発光素子２０を駆動した場合と２００Ａ／ｃｍ^２として発光素子２０を駆動した場合の２通りについて行った。なお、以下においては、２０Ａ／ｃｍ^２という電流密度を基準電流密度と称し、その１０倍である２００Ａ／ｃｍ^２という電流密度を１０倍電流密度と称することとする。また、基準電流密度で発光素子２０を駆動したときの発光強度をＷａとし、１０倍電流密度で発光素子２０を駆動したときの発光強度をＷｂとする。なお、２０Ａ／ｃｍ^２という電流密度の値は、いずれの試料においても発光効率がほぼ最大となる条件であるという点から設定したものである。

発光効率低下率は、ＷａおよびＷｂを基準電流密度あたりの発光強度に規格化（実際には、Ｗａはそのままの値とし、Ｗｂは１０で割る）し、得られた２つの値の差分値の、基準電流密度での発光強度Ｗａに対する比として求めた。このようにして求まる発光効率低下率は、基準電流密度の実数倍（本実施例では１０倍）の電流密度で発光素子２０を駆動したときの発光強度の、基準電流密度で駆動したときの発光強度の当該実数倍の値からの低下割合を示しており、値が大きいほど、基準電流密度で駆動したときよりも発光効率が低下している、ということを表すものである。換言すれば、発光効率低下率が小さいほど、効率ドループが抑制されていることになる。

さらには、エピタキシャル基板１０を作製したときと同じく、全２２通りの条件でＭＱＷ構造の形成までを行った後、それぞれのＭＱＷ構造の上に、ＭＱＷ構造形成時と同じ条件で井戸層３１の形成とアニール処理とを行って、全２２種類のピット評価用基板を作製した。そして、係るピット評価用基板を対象に、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によるアニール処理後の井戸層３１の表面形状の測定を行い、その結果に基づいてピット割合の算出を行った。ＡＦＭによる測定は、３μｍ角の領域について行った。

また、ピット割合は、ＡＦＭによる形状測定範囲のうちの任意の箇所（走査位置）における断面プロファイルに基づいて特定した。具体的には、係る断面プロファイルの全範囲に対する、最深部との深さの差が０．３ｎｍ以下の範囲に属する部分の割合を、ピット割合として求めた。

図４は、試料３−３のピット評価用基板についての係る断面プロファイルを例示する図である。図４においては、最深部を高さの基準点として断面プロファイルを表している。図４からは、数百μｍ程度の間隔でピットＰが形成されていることが確認される。なお、図４に示す試料３−３のピット割合は１０％であった。

井戸層３１形成時のアニール処理の条件（アニール雰囲気ガスの流量およびアニール処理時間）と、それぞれの条件についての、ピット評価用基板におけるピット割合と、基準電流密度あたりの発光強度と、発光効率低下率とを、一覧にしたものを表１に示す。なお、表１の試料１−１は、アニール処理を行っていない場合に相当する。また、ピット評価用基板に基づいて求めたピット割合は、同一条件で作製したＭＱＷ構造を有する発光素子２０においても同程度であるとみなすことができる。

表１に示すように、水素ガスを含めずに窒素ガスとアンモニアガスのみをアニール雰囲気ガスとしてアニール処理を行った試料１−２〜１−４の場合は、アニール処理時間によらず、アニール処理を行わない試料１−１の場合（発光効率低下率５５％）と発光効率低下率は大差がなかった。これに対して、アニール雰囲気ガスに水素を含めた他の試料の場合は、試料１−１の場合よりも発光効率低下率が小さくなった。

係る結果は、少なくとも窒素ガスと水素ガスとを含むアニール雰囲気で井戸層３１の表面をアニール処理し、ピットＰを形成することが、効率ドループの抑制に有効であることを指し示している。具体的には、試料２−１の結果を鑑みれば、少なくともピット割合が２％以上となるようにアニール処理を行えば、発光素子２０における効率ドループの抑制という効果が得られるといえる。

特に、表１に示す結果からは、ピット割合が大きくなるほど発光効率低下率は小さくなり、効率ドループの低下は抑制されるという傾向が認められる。例えば、ピット割合が８％以上となるようにアニール処理を行った場合には、発光効率低下率が２０％以下にまで低減されてなる。

ただし、その一方で、ピット割合が大きくなりすぎると発光強度自体が小さくなってしまうという傾向があることも見出せる。係る観点からは、アニール処理は、ピット割合が２５％以下となる範囲で行うことが好ましいといえる。係る範囲をみたす場合、基準電流密度で駆動したときの発光強度として、アニール処理を行わない試料１−１の場合の発光強度である９０ｍＷと概ね同程度かそれ以上の８０ｍＷ〜１０５ｍＷという値が得られるとともに、効率ドループが抑制されてなる。

すなわち、表１に示す結果からは、アニール処理は、ピット割合が２％以上２５％以下となる条件で行うのが好ましく、８％以上２５％以下となる条件で行うのがより好ましいといえる。この場合、基準電流密度で駆動したときの発光強度を、アニール処理を行わない場合の発光強度と同等以上か、わずかに小さくなる程度に保ちつつ、効率ドループを好適に抑制することが出来る。

また、表１からは、アニール雰囲気ガスにおける水素ガスの流量が大きく、アンモニアガスの流量が小さいほど、短いアニール処理時間でもピット割合が大きくなり、これに応じて発光効率低下率も低減される傾向があることも見出される。係る結果からは、アニール雰囲気ガスにおける水素ガスの流量比率をアンモニアガスの流量比率よりも大きくするほど、短いアニール処理時間で効果的に効率ドループを抑制出来るということがいえる。

なお実際に発光素子２０を作製し、使用する際には、ピット割合が上述の範囲をみたすように、処理条件（アニール雰囲気ガスの流量比や処理時間）を調整したうえでアニール処理を行い、発光素子を得るようにすればよい。

１下地基板
２ｎ型ＧａＮ層
３活性層
４ｐ型クラッド層
５ｐ型ＧａＮ層
６アノード電極部
７カソード電極部（カソード電極パッド）
１０エピタキシャル基板
２０発光素子
３１井戸層
３２障壁層
Ｐピット

Claims

発光素子用のエピタキシャル基板の製造方法であって、
ＧａＮからなる下地基板の上に活性層を形成する活性層形成工程、
を備え、
前記活性層形成工程においては、
前記下地基板を所定の加熱状態としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる井戸層をエピタキシャル形成する井戸層形成工程と、
前記下地基板の前記加熱状態を維持しつつ前記井戸層の表面を窒素ガスおよび水素ガスを含む雰囲気ガスにてアニールするアニール処理を行うことによって前記井戸層の表面に複数のピットを分散形成させるアニール処理工程と、
前記下地基板の前記加熱状態を維持しつつ前記アニール処理後の前記井戸層の上にＧａＮからなる障壁層をエピタキシャル形成する障壁層形成工程と、
をこの順に繰り返すことにより、多重量子井戸構造を有する前記活性層を形成し、
前記アニール処理工程においては、前記井戸層における前記複数のピットの存在割合が２％以上２５％以下となるように前記アニール処理を行う、
ことを特徴とする発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
請求項１に記載の発光素子用エピタキシャル基板の製造方法であって、
前記アニール処理工程においては、前記井戸層における前記複数のピットの存在割合が８％以上２５％以下となるように前記アニール処理を行う、
ことを特徴とする発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。