WO2015129610A1 - ｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法、およびｎｐｎ型窒化物半導体発光素子 - Google Patents

ｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法、およびｎｐｎ型窒化物半導体発光素子 Download PDF

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tunnel junction
type nitride
crystal layer
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竹内　哲也
侑香 桑野
素顕 岩谷
赤▲崎▼　勇
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学校法人名城大学
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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor light-emitting device and a nitride semiconductor light-emitting device, and more particularly to a method for manufacturing an npn-type nitride semiconductor light-emitting device having a current confinement structure and an npn-type nitride semiconductor light-emitting device. is there.
  • nitride semiconductor light-emitting elements constituting vertical light-emitting diodes and surface-emitting lasers have a current confinement structure.
  • an active layer, a p-type nitride semiconductor layer, and a positive electrode are stacked in this order on an n-type nitride semiconductor layer, and a negative electrode is formed on the n-type nitride semiconductor layer.
  • It has a basic structure. In this configuration, light emitted in response to a current flowing from the p-type nitride semiconductor to the n-type nitride semiconductor is extracted upward.
  • a current flows centering on a region immediately below the positive electrode. This is because current flows through the shortest current path from the p-type nitride semiconductor to the active layer. Light emitted from the active layer centering on the region immediately under the positive electrode where current is concentrated is blocked by the positive electrode or absorbed by the positive electrode and emitted to the outside of the vertical nitride semiconductor light emitting device. The amount of light will decrease.
  • the current path is structurally bent so that the position where the current reaches the active layer is concentrated at a position deviating from the region directly below the electrode.
  • a structure is called a current confinement structure.
  • the positive electrode is formed in a ring shape and the current is confined inside the ring.
  • the light emitted from the active layer is concentrated inside the ring and emitted to the outside along the central axis of the ring. At this time, light is emitted outside through the inside of the ring without being blocked by the ring-shaped positive electrode.
  • a configuration has been proposed in which both the current path from the positive electrode toward the center axis of the ring and the current path from the center axis of the ring and its peripheral region toward the active layer have low resistance.
  • Non-Patent Document 1 shows a nitride semiconductor light-emitting diode having a buried tunnel junction.
  • the tunnel junction is a junction related to a tunnel diode having negative resistance characteristics known as a so-called Esaki diode.
  • Esaki diode unlike a rectifying characteristic exhibited by a normal diode, a current can flow in the reverse direction from the n layer to the p layer, and the current-voltage characteristic is ohmic.
  • a tunnel junction is disposed in the current path inside the ring of the positive electrode, with the positive electrode side being the n-type semiconductor layer and the negative electrode side being the p-type semiconductor layer.
  • the current concentrates on the tunnel junction and flows due to the tunnel effect.
  • the lower layer of the positive side electrode is replaced with an n-type semiconductor layer in place of the p-type semiconductor layer, thereby reducing the resistance of the current path from the positive side electrode toward the center axis of the ring. ing.
  • Activation of the p-type nitride semiconductor is performed by thermal annealing.
  • a p-type GaN crystal used as a p-type nitride semiconductor is constituted by using, for example, Mg element as an acceptor impurity.
  • Mg element as an acceptor impurity.
  • the hydrogen element generated in the manufacturing process has a characteristic that it is easily incorporated into the crystal and is easily combined with the Mg element.
  • the Mg element is deactivated and may not function as an acceptor.
  • the GaN crystal does not exhibit p-type and may lose conductivity and become high resistance.
  • the thermal annealing treatment By performing the thermal annealing treatment, the bond between the hydrogen element and the Mg element is broken, and the hydrogen element is released to the outside of the crystal. Thereby, Mg element is activated as an acceptor, and a p-type GaN crystal having conductivity can be obtained. It has been shown that the thermal annealing process is performed in the manufacturing process after forming the element structure of the light emitting diode and before forming the electrode.
  • Non-Patent Document 1 the light emitting diode manufactured in Non-Patent Document 1 finally starts to emit light by current injection of 2 kA / cm 2 or more. It has been confirmed that effective light emission cannot be obtained with current injection below this value. This phenomenon suggests that a region where current easily flows is formed in a region other than the current confinement region, and a leak current flows there.
  • one of the causes of the leakage current is considered to be the influence of the thermal annealing treatment. Since the thermal annealing process is performed after the element structure of the light emitting diode is formed, the entire surface of the p-type nitride semiconductor layer is activated.
  • the p-type GaN crystal is activated not only in the region where the current inside the ring where the current is confined is intended to flow, but also in the region where the current directly below the ring and outside the ring is not desired.
  • the p-type GaN crystal has conductivity even in the region immediately below the ring where there is no tunnel junction and outside the ring, and the injected current may leak.
  • Non-Patent Document 1 In the conventional manufacturing method described in Non-Patent Document 1 or the like, in a current confinement structure using a buried tunnel junction, a leakage current other than the current confinement region such as a leakage current other than the current confinement region is confined in the buried tunnel junction region. The presence of the current that is not used may cause a decrease in luminous efficiency, which is a problem.
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an npn type nitride semiconductor light emitting device and an npn type nitride semiconductor light emitting device.
  • An npn-type nitride semiconductor light-emitting device manufacturing method includes an npn-type nitride semiconductor light-emitting device having a current confinement structure using a buried tunnel junction layer including a first n-type nitride compound layer. It is a manufacturing method.
  • the step includes p-type activation of the nitride compound layer and a step of stacking the n-type nitride compound layer and embedding the buried tunnel junction layer.
  • p-type activation of the p-type nitride compound layer stacked below the buried tunnel junction layer is performed prior to embedding the buried tunnel junction layer with the second n-type nitride compound layer. In this case, the entire region of the p-type nitride compound layer including the region immediately below the buried tunnel junction layer is activated p-type.
  • the p-type activation conditions are different between the p-type nitride compound layer immediately below the buried tunnel junction layer and the p-type nitride compound layer other than the buried tunnel junction layer.
  • the p-type nitride compound layer immediately below the buried tunnel junction layer is covered with the buried tunnel junction layer including the first n-type nitride compound layer, whereas the buried tunnel junction layer
  • the p-type nitride compound layer other than the region immediately below has a surface exposed to the atmospheric gas by the step of removing the buried tunnel junction layer. Therefore, the latter is easier to activate p-type than the former, and specifically, p-type activation is performed in a short time.
  • the p-type activation is performed in a state where the p-type nitride compound layer other than the region directly under the buried tunnel junction layer has an exposed surface with respect to the atmospheric gas.
  • p-type activation is also performed in the region immediately below, and p-type activation is performed in the entire region of the p-type nitride compound layer.
  • the step of p-type inactivating the p-type nitride compound layer excluding the region immediately below the buried tunnel junction layer It is good also as what has.
  • the p-type activation step of the p-type nitride compound layer is processed including a first thermal annealing treatment
  • the p-type passivation step of the p-type nitride compound layer includes a second thermal annealing treatment. It may be processed.
  • the first thermal annealing process is performed including at least one of the conditions of a higher processing temperature and a longer processing time than the second thermal annealing process.
  • the buried tunnel junction layer filling step performed after the p-type activation step may be performed in a state where hydrogen element exists in the atmospheric gas or the raw material.
  • the hydrogen element present in the atmospheric gas or the raw material is supplied by using hydrogen gas as a carrier gas for transporting the raw material gas or the raw material, or generated and supplied as a result of a chemical reaction of the raw material gas or the raw material. It is what is done.
  • the npn type nitride semiconductor light emitting device is an npn type nitride semiconductor light emitting device having a current confinement structure.
  • a buried tunnel junction layer including an active layer, a p-type nitride compound layer, and a first n-type nitride compound layer is laminated in this order.
  • the buried tunnel junction layer is stacked on the p-type nitride compound layer and forms a current path in which the current is confined.
  • the concentration of hydrogen element in the region immediately below the buried tunnel junction layer is lower than the concentration in other regions.
  • the step of p-type activation includes partially removing the buried tunnel junction layer and converting the p-type nitride compound layer into an atmospheric gas. On the other hand, it is performed in the middle of the exposed manufacturing process. Since the p-type nitride compound layer is exposed, the p-type activation can be performed efficiently. A p-type nitride compound layer in which the p-type nitride compound layer is p-type activated and electrically low in resistance can be efficiently obtained.
  • p-type activation means that acceptor impurities are activated in the p-type semiconductor crystal layer.
  • the p-type semiconductor crystal layer exhibits p-type conductivity and has a low electrical resistance.
  • p-type inactivation means that acceptor impurities are inactivated in the p-type semiconductor crystal layer.
  • the p-type semiconductor crystal layer has low conductivity and high electrical resistance.
  • the region of the p-type nitride compound layer except for the region directly under the buried tunnel junction layer is effectively p-type deactivated.
  • the surface of the p-type nitride compound layer except the region directly under the buried tunnel junction layer is exposed to the atmospheric gas, p-type deactivation can be easily performed.
  • the p-type nitride compound layer in the region immediately below the buried tunnel junction layer is covered with the buried tunnel junction layer, so that p-type inactivation cannot be easily performed.
  • a region of the p-type nitride compound layer having an exposed surface can be preferentially inactivated.
  • the region directly under the buried tunnel junction layer is maintained in a p-type activated state and is maintained as an electrically low resistance region.
  • the region excluding the region directly under the buried tunnel junction layer is p-type inactivated and becomes an electrically high resistance region.
  • the region directly under the buried tunnel junction layer can be selectively made a low resistance region, and the other regions can be made high resistance regions. Leakage current in a region other than the region directly under the buried tunnel junction layer can be suppressed, and the current can be effectively narrowed by concentrating the current in the region directly under the buried tunnel junction layer.
  • the p-type activation step including at least one of a higher processing temperature and a longer processing time the entire surface of the p-type nitride compound layer including the region immediately below the buried tunnel junction layer is formed into a p-type. Can be activated.
  • the p-type deactivation step including at least one of a lower processing temperature and a shorter processing time, p-type nitridation having an exposed surface excluding the region directly under the buried tunnel junction layer P-type inactivation can be performed in the compound layer.
  • the p-type activation state is a state in which the acceptor impurity is activated by the removal of the hydrogen element from the crystal and the decrease of the hydrogen element present in the crystal.
  • the p-type inactivated state is a state where the acceptor impurity is not activated due to the incorporation of the hydrogen element into the crystal and the presence of the hydrogen element in the crystal. Since the p-type nitride compound layer in the region immediately below the buried tunnel junction layer includes the first n-type nitride compound layer in the buried tunnel junction layer, introduction of hydrogen element is prevented. Thereby, p-type inactivation cannot be easily performed.
  • the p-type nitride compound layer is exposed on the surface of the region except for the region directly below the buried tunnel junction layer, and no n-type nitride compound layer that prevents introduction of hydrogen element is interposed. For this reason, this region can be preferentially inactivated.
  • the embedding step performed after the p-type activation step is performed in a state where hydrogen element is present in the atmospheric gas or the raw material, so that the p-type nitride compound layer is formed until the embedding growth starts.
  • Hydrogen element can be implanted into the exposed surface of the substrate.
  • the time until the start of embedment growth refers to growth such as the time to change the atmospheric temperature to the set temperature for embedment growth, the time to replace the atmosphere gas, the time to stabilize the source gas or source flow, etc. Preparation time prior to the start of the reaction. It is known that p-type activation proceeds as the amount of hydrogen element in the crystal decreases, and p-type deactivation proceeds as it increases.
  • the presence of hydrogen element in the atmospheric gas causes the hydrogen element to be taken into the crystal and p-type inactivation is performed.
  • the electrical resistance of the p type nitride compound layer is compared between the region immediately below the buried tunnel junction layer and the region other than the region directly below The former is lower resistance and the latter is higher resistance. Leakage current is suppressed in the p-type nitride compound layer excluding the region directly under the buried tunnel junction layer, and a current confinement structure can be efficiently formed in the buried tunnel junction layer region.
  • a nitride semiconductor light emitting diode having a buried tunnel junction will be described.
  • the manufacturing process will be described. 1 to 4 show cross-sectional structures at each stage of the manufacturing process.
  • Each nitride semiconductor layer is stacked on the GaN crystal substrate 100.
  • the GaN crystal substrate 100 is a substrate in which a GaN crystal layer is formed on a sapphire substrate via a low temperature deposition buffer layer.
  • a metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter abbreviated as MOCVD) method is used for forming each nitride semiconductor layer on the GaN crystal substrate 100.
  • MOCVD metal organic vapor phase epitaxy
  • a GaN crystal substrate 100 whose surface is a Ga face is set in a reaction furnace of an MOCVD apparatus. Then, thermal cleaning is performed to clean the surface of the GaN crystal substrate 100 by raising the temperature while flowing hydrogen gas and ammonia gas into the reaction furnace.
  • TMGa trimethylgallium
  • ammonia gas as raw materials are supplied into the reactor together with hydrogen gas as a carrier gas, and a GaN crystal substrate
  • SiH 4 (silane) gas is added as a source gas and supplied into the reaction furnace, and the lower n-type GaN crystal layer 102 is grown on the undoped GaN crystal layer 101 by, for example, about 2 ⁇ m.
  • SiH 4 gas is a raw material gas for making Si element into an n-type impurity.
  • the impurity concentration is about 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , for example.
  • the carrier gas is switched from hydrogen gas to nitrogen gas, and after the substrate temperature is stabilized, the raw materials TMGa, TMIn (trimethylindium), and ammonia gas are put into the reactor.
  • a GaInN crystal layer 103 is grown on the lower n-type GaN crystal layer 102, for example, about 2.5 nm.
  • the source gas is supplied into the reactor as TMGa gas and ammonia gas, and the GaN crystal layer 104 is grown on the GaInN crystal layer 103, for example, by about 10 nm.
  • the film formation of the GaInN crystal layer 103 and the film formation of the GaN crystal layer 104 are alternately repeated to form five pairs of the GaInN crystal layer 103 and the GaN crystal layer 104 as one pair. This is the quantum well active layer 301.
  • TMAl trimethylaluminum
  • TMGa trimethylaluminum
  • CP 2 Mg cyclopentadienylmagnesium
  • ammonia gas are supplied into the reaction furnace, and the p-type AlGaN crystal layer 105 is formed on the quantum well active layer 301.
  • it is grown about 20 nm.
  • CP 2 Mg is a raw material for making Mg element a p-type impurity.
  • the impurity concentration is about 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , for example.
  • the carrier gas is switched from nitrogen gas to hydrogen gas, and then the raw materials are supplied into the reactor as TMGa, CP 2 Mg, and ammonia gas, and p-type AlGaN crystal
  • a p-type GaN crystal layer 106 is grown on the layer 105, for example, about 60 nm.
  • the impurity concentration of Mg element which is a p-type impurity is, for example, about 2 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the carrier gas is switched from hydrogen gas to nitrogen gas, and after the substrate temperature is stabilized, the raw materials are supplied into the reactor as TMGa, TMIn, CP 2 Mg, and ammonia gas.
  • a high-concentration p-type GaInN crystal layer 107 is grown on the p-type GaN crystal layer 106, for example, by about 3 nm.
  • the impurity concentration of Mg element as a p-type impurity is preferably about 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 , for example, and more preferably about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 to 3 ⁇ 10 20 cm ⁇ .
  • source gas is supplied into the reactor as TMGa gas, SiH 4 gas, and ammonia gas, and the high concentration n-type GaN crystal layer 108 (first n-type nitride compound) is formed on the high concentration p-type GaInN crystal layer 107.
  • Layer is grown for example about 7.5 nm.
  • the impurity concentration of the Si element which is an n-type impurity is preferably about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 21 cm ⁇ 3 , for example, and more preferably about 3 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 to 6 ⁇ 10 20 cm ⁇ . About three .
  • a tunnel junction layer 302 is formed by the high concentration p-type GaInN crystal layer 107 and the high concentration n-type GaN crystal layer 108.
  • the laminated structure shown in FIG. 1 may be referred to as a wafer.
  • the tunnel junction layer 302 is a pn junction that exhibits characteristics like a so-called Esaki diode. That is, in the reverse direction of the pn junction, a current flows in a low resistance state from a voltage value with a small reverse bias voltage, and a characteristic like a low resistance element is exhibited.
  • a low resistance region is formed in a region including the tunnel junction layer 302, and current is blocked under a reverse bias as shown in a normal pn junction rectification characteristic in other regions. .
  • the wafer is removed from the reactor.
  • a photolithography technique a dry etching technique, etc.
  • the injection current is confined to leave a circular region (hereinafter referred to as a current confinement region) 1 as a light emitting region in a plan view, and a p-type GaN crystal layer in the outer region.
  • Etching is performed until the surface of 106 is exposed.
  • samples were prepared with three types of diameters of the current confinement region A of 10 ⁇ m, 15 ⁇ m, and 20 ⁇ m.
  • the etching depth is about 50 nm. Thereby, the current confinement region A is formed.
  • the wafer is subjected to a two-stage thermal annealing process.
  • first thermal annealing process performed first for example, oxygen gas is used as the atmosphere gas, and the process is performed under conditions of an annealing temperature of 725 ° C. and an annealing time of 15 minutes.
  • second thermal annealing process performed after the first thermal annealing process for example, ammonia gas is used as the atmosphere gas, and the process is performed under conditions of an annealing temperature of 700 ° C. and an annealing time of 3 minutes.
  • hydrogen gas is used as a carrier gas, and the raw materials TMGa, CP 2 Mg, and ammonia gas are reacted to form a film.
  • Mg element is used as a p-type impurity.
  • hydrogen gas which is a carrier gas may be decomposed and / or hydrogen element may be generated by reaction of the raw material gas, and a part of the generated hydrogen gas is taken into the crystal.
  • the Mg element has a property of easily bonding with a hydrogen element in the crystal, and the hydrogen element taken into the crystal bonds with the Mg element.
  • the hydrogen element bonded to the Mg element inhibits the Mg element from functioning as an acceptor impurity and has a p-type inactivation effect. It is known that when the p-type inactivation of Mg element is caused by the hydrogen element, the crystal cannot exhibit p-type conductivity and the resistance is increased. As will be described below, an effective current confinement structure with no leakage current is formed by the first and second thermal annealing processes.
  • the first thermal annealing process will be described.
  • the hydrogen element bonded to the Mg element which is the acceptor of the p-type GaN crystal layer 106 is separated from the Mg element and desorbed from the entire region of the p-type GaN crystal layer 106.
  • the proportion of the Mg element to which the hydrogen element is bonded is reduced, and many Mg elements are activated.
  • the acceptor is activated in the entire region of the p-type GaN crystal layer 106, and has p-type conductivity as the Mg element is ionized. At this point, the entire p-type GaN crystal layer 106 has a low resistance.
  • the surface is exposed to the atmospheric gas, and the hydrogen element can be easily desorbed from this wide exposed surface. This is because it is considered that the hydrogen element taken in by the previous film formation exists in a shallow region of about 0.1 ⁇ m from the exposed surface, for example.
  • the etching side walls of the p-type GaN crystal layer 106 and the high-concentration p-type GaInN crystal layer 107 are exposed by etching for forming the current confinement region A. Therefore, the hydrogen present in the current confinement region A is released to the outside from the etching side wall after moving to the outside of the current confinement region A in the substrate horizontal direction, not in the substrate vertical direction.
  • the diameter of the current confinement region A is about 10 to 20 ⁇ m, and it is necessary to move over a long distance compared to the depth of about 0.1 ⁇ m below the exposed surface.
  • the first thermal annealing treatment conditions (annealing temperature: 725 ° C., annealing time: 15 minutes) are not limited to the hydrogen element in the region other than the current confinement region A but the hydrogen element in the region of the current confinement region A to the outside. The conditions are sufficient for release.
  • a hydrogen element is taken into the p-type GaN crystal layer 106 from the outside.
  • the hydrogen element is taken in from an exposed surface in a region other than the current confinement region A in the p-type GaN crystal layer 106.
  • the processing conditions for the second thermal annealing treatment (annealing temperature 700 ° C., annealing time 3 minutes) are lower than the annealing conditions for the first thermal annealing processing (annealing temperature 725 ° C., annealing time 15 minutes). Also for a short time.
  • crystallization of the hydrogen element taken in from the exposed surface of the p-type GaN crystal layer 106 becomes shorter than a 1st annealing process. Because of the mild annealing conditions, although hydrogen element is taken in from the exposed surface, the hydrogen element taken in from the etching side wall penetrates into the p-type GaN crystal layer 106 etc. in the horizontal direction and reaches the region of the current confinement region A. It does not spread. That is, the hydrogen element can be selectively implanted only in the region below the exposed surface. As a result, the proportion of the hydrogen element taken into the crystal and combined with the Mg element increases, and activation of many Mg elements is hindered. In the p-type GaN crystal layer 106 having an exposed surface, the acceptor is inactivated and the p-type conductivity is suppressed.
  • the hydrogen element is selectively taken into a region other than the current confinement region A, and the hydrogen element is maintained in a desorbed state in the region of the current confinement region A.
  • two regions are formed in the p-type GaN crystal layer 106.
  • One is a current confinement region A region.
  • the Mg element is not bonded to the hydrogen element and is activated as an acceptor, and an active p-type GaN crystal layer 106a having a low resistance value is formed (see FIG. 3).
  • the other is a region other than the current confinement region A.
  • hydrogen element is taken in from the exposed surface and bonded to Mg element.
  • the Mg element is inactivated as an acceptor, and an inactive p-type GaN crystal layer 106b having a high resistance value is formed (see FIG. 3).
  • the p-type GaN crystal layer 106 becomes an active p-type GaN crystal layer 106a having conductivity in the current confinement region A, and becomes an inactive p-type GaN crystal layer 106b having low conductivity in other regions.
  • the injection current can be efficiently concentrated in the current confinement region A, and the leakage current in other regions can be suppressed.
  • the source gas is supplied into the reactor as SiH 4 gas, TMGa gas, and ammonia gas, and the n-type GaN crystal layer 109 is formed, for example, Grow about 100 nm.
  • the impurity concentration is about 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 , for example.
  • the tunnel junction layer 302 is embedded with the n-type GaN crystal layer 109 (second n-type nitride compound layer).
  • the wafer is taken out of the reaction furnace, and the lower n-type GaN crystal layer 102 is exposed by photolithography technology, dry etching technology, and the like. Etching is performed to form a mesa shape having a mesa diameter of about 100 ⁇ m with the current confinement region A as the center.
  • the positive electrode 10 and the negative electrode 11 are formed.
  • Ti titanium
  • Al aluminum
  • Au gold
  • the positive electrode 10 is formed on the n-type GaN crystal layer 109 in a ring shape including the current confinement region A on the lower side inside.
  • the negative electrode 11 is formed on the lower n-type GaN crystal layer 102 exposed by etching so as to surround a mesa shape.
  • the n-type GaN crystal layer 109 forms a conduction path that guides the current from the positive electrode 10 to the current confinement region A.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional structure of the nitride semiconductor light emitting diode.
  • the same layers as those in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted here.
  • the lower n-type GaN crystal layer 102 is a cladding layer.
  • the quantum well active layer 301 is configured to have a larger band gap so that electrons can be supplied to the quantum well active layer 301.
  • the quantum well active layer 301 has a structure in which a GaInN crystal layer 103 as a well layer and a GaN crystal layer 104 as a barrier layer are alternately stacked.
  • the p-type AlGaN crystal layer 105 and the p-type GaN crystal layer 106 are cladding layers. It has a larger band gap than the quantum well active layer 301 so that holes can be supplied to the quantum well active layer 301.
  • a current injected from the positive electrode 10 causes a leakage current (directly under the positive electrode 10 and a region outside thereof)
  • the arrow 3 is effectively suppressed, and as it flows downward through the n-type GaN crystal layer 109, it is bent to the inside of the ring and narrowed in the current confinement region A (arrow 1).
  • a pn junction is applied to the reverse bias by the inactive p-type GaN crystal layer 106b and the n-type GaN crystal layer 109, and the leakage current flowing in the reverse direction is slight.
  • the tunnel junction layer 302 is in a low resistance state even when the pn junction is reverse-biased, and a current flows. Furthermore, in the former, the inactive p-type GaN crystal layer 106b directly below has a high resistance, whereas in the latter, the active p-type GaN crystal layer 106a directly below has a low resistance. As a result, current is confined in the quantum well active layer 301 located inside the ring, and light emission is concentrated in this region. The emitted light is emitted outside the ring of the positive electrode 10 without being obstructed by the positive electrode 10 (arrow 2). Thereby, light can be extracted efficiently.
  • the current path whose path is bent from the positive electrode 10 to the current confinement region A is generally a crystal layer connected to the positive electrode 10 and is p-type.
  • the tunnel junction layer 302 the n-type GaN crystal layer 109 can be obtained. If the n-type GaN crystal layer 109 is compared with the p-type GaN crystal layer, the resistance value can be reduced to about 1/100, and the resistance value in this current path can be suppressed.
  • the current that is not used for light emission in the injected current can be suppressed to the minimum and can be effectively passed through the current confinement region A, and good light emission efficiency can be obtained.
  • FIG. 6 shows current-light output characteristics when the mesa diameter of the light emitting region is 10 ⁇ m.
  • the horizontal axis is the current density, and the vertical axis is the light output.
  • the characteristic of the nitride semiconductor light emitting diode of the first embodiment is shown by a solid line.
  • the characteristics of the nitride semiconductor light emitting diode of the prior art are shown by broken lines. It has been shown that the light output of the nitride semiconductor light emitting diode of the prior art is hardly obtained in a region where the current density is low.
  • the nitride semiconductor light emitting diode of the first embodiment In contrast, in the nitride semiconductor light emitting diode of the first embodiment, a good light output can be obtained from a region with a low current density. In addition, the characteristics of the nitride semiconductor light-emitting diode of the first embodiment are superior to those of the conventional nitride semiconductor light-emitting diode over the entire current density, and have improved luminous efficiency compared to the conventional technique. It is shown that
  • FIG. 7 shows numerical data of a near-field image of a sample of a nitride semiconductor light emitting diode in which the mesa diameter of the light emitting region is 10 ⁇ m, 15 ⁇ m, and 20 ⁇ m.
  • the horizontal axis is the position from the center of the mesa shape, and the vertical axis is the light output. It can be seen that light is effectively emitted with a diameter substantially the same as the mesa diameter.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the surface emitting laser.
  • the manufacturing process will be described below.
  • an undoped GaN crystal layer 101 and a lower n-type GaN crystal layer 102 are arranged in this order on a GaN crystal substrate 100. Laminate.
  • a nitride semiconductor multilayer mirror layer 503 is stacked on the lower n-type GaN crystal layer 102.
  • This is a nitride semiconductor multilayer mirror layer having a reflection center wavelength of about 410 nm.
  • the substrate temperature that is, the growth temperature is set to 815 ° C., and the raw material ammonia gas, TMAl, and TMIn are supplied into the reactor together with the nitrogen gas as the carrier gas.
  • the AlInN crystal layer 501 is laminated on the lower n-type GaN crystal layer 102.
  • the mole fraction of In element in the AlInN crystal layer 501 is about 18%.
  • the film thickness of this AlInN crystal layer 501 is about 50 nm.
  • the quarter wavelength optical film thickness is grown with respect to the reflection center wavelength of 410 nm.
  • TMGa is supplied into the reaction furnace while maintaining the substrate temperature at 815 ° C., thereby laminating a GaN crystal layer on the AlInN crystal layer 501 by about 10 nm. Thereafter, the supply of TMGa gas is temporarily stopped and the crystal growth is interrupted. Thereafter, the substrate temperature is raised to 1050 ° C. and TMGa is supplied again to grow a GaN crystal layer by about 30 nm. Thereby, the GaN crystal layer 502 having a quarter wavelength optical film thickness with respect to the reflection center wavelength of 410 nm is laminated. 40.5 pairs of AlInN crystal layers 501 and GaN crystal layers 502 are alternately stacked to form a nitride semiconductor multilayer reflector layer 503 on the lower n-type GaN crystal layer 102.
  • an n-type GaN crystal layer 504 of about 1000 nm is grown.
  • SiH 4 (silane) gas is used as the n-type impurity source gas.
  • the n-type GaN crystal layer 504 is doped with an Si element which is an n-type impurity at a concentration of about 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the quantum well active layer 301 is formed on the n-type GaN crystal layer 504.
  • the quantum well active layer 301 is laminated by the same manufacturing process as that of the nitride semiconductor light emitting diode (FIGS. 1 to 4) of the first embodiment.
  • each layer and the number of stacked pairs are different from those of the first embodiment.
  • 2.5 pairs of about 3 nm GaInN crystal layer 103 and about 6 nm GaN crystal layer 104 are stacked.
  • the mole fraction of In element is about 0.10.
  • light is emitted at a wavelength of 405 to 410 nm.
  • the p-type AlGaN crystal layer 105, the p-type GaN crystal layer 106, and the tunnel junction layer 302 are formed on the quantum well active layer 301.
  • a high-concentration p-type GaInN crystal layer 107 and a high-concentration n-type GaN crystal layer 108 are stacked in this order.
  • the crystal layer 106 includes two regions, a low-resistance active p-type GaN crystal layer 106a in the region of the current confinement region A and a high-resistance inactive p-type GaN crystal layer 106b in a region other than the current confinement region A;
  • the process of performing and the process of embedding these structures with the n-type GaN crystal layer 109 are the same as in the first embodiment.
  • a mesa having a diameter of about 50 ⁇ m centering on the current confinement region A is formed by a known photolithography and dry etching process (not shown). At this time, dry etching is performed on portions other than the mesa until the surface of the n-type GaN crystal layer 504 is exposed.
  • a SiO 2 film 505 is deposited to a thickness of about 20 nm on the entire surface of the wafer by vapor deposition or sputtering. At that time, the SiO 2 film 505 is opened so as to surround the current confinement region A on the mesa by lift-off to form a ring-shaped opening (not shown). Further, an SiO 2 film 505 is opened on the n-type GaN crystal layer 504 on the outer periphery of the mesa to form a ring-shaped opening (not shown). A positive electrode and a negative electrode are formed in each opening.
  • the tunnel junction layer 302 is an example of a buried tunnel junction layer.
  • the p-type GaN crystal layer 106 is an example of a p-type nitride compound layer.
  • An example of p-type activation is to separate the hydrogen element bonded to the Mg element, which is the acceptor of the p-type GaN crystal layer 106, from the Mg element and desorb it to the outside so that the Mg element functions as an acceptor.
  • it is an example of p-type inactivation to prevent the Mg element from functioning as an acceptor impurity by incorporating a hydrogen element into the p-type GaN crystal layer 106 from outside and combining it with the Mg element.
  • the n-type GaN crystal layer 109 is an example of an n-type nitride compound layer.
  • the first and second heats are applied prior to the step of filling the tunnel junction layer 302 with the n-type GaN crystal layer 109.
  • Annealing is performed prior to the step of filling the tunnel junction layer 302 with the n-type GaN crystal layer 109.
  • Annealing is performed. Presence of hydrogen element in the crystal by two-step thermal annealing performed in the middle of the manufacturing process in which the tunnel junction layer 302 is partially removed and the p-type GaN crystal layer 106 is exposed to the atmospheric gas
  • the ratio is controlled, and activation and deactivation of the p-type GaN crystal layer 106 are controlled.
  • the p-type GaN crystal layer 106 is activated in a region immediately below the tunnel junction layer 302 to become a low-resistance active p-type GaN crystal layer 106a, and is deactivated in other regions to be a high-resistance inactive p-type.
  • the GaN crystal layer 106b is formed.
  • the p-type GaN crystal layer 106 can be separated into two regions, an active p-type GaN crystal layer 106a and an inactive p-type GaN crystal layer 106b. It is possible to efficiently confine the current in the current confinement region A while suppressing the leakage current outside the current confinement region A.
  • two-stage thermal annealing is performed in the middle of the manufacturing process as in the case of the first embodiment.
  • the leakage current outside the current confinement region A is suppressed with respect to the current injected at the time of light emission, and the current can efficiently flow through the current confinement region A.
  • a blue-violet surface emitting laser having good luminous efficiency can be manufactured.
  • the technology disclosed in the present application is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the first thermal annealing treatment is performed in order to separate the p-type GaN crystal layer 106 into the low-resistance active p-type GaN crystal layer 106a and the high-resistance inactive p-type GaN crystal layer 106b.
  • the first thermal annealing treatment is performed in order to separate the p-type GaN crystal layer 106 into the low-resistance active p-type GaN crystal layer 106a and the high-resistance inactive p-type GaN crystal layer 106b.
  • the present application is not limited to this.
  • the formation of the n-type GaN crystal layer 109 which is a manufacturing process after the thermal annealing treatment, can be substituted for the second thermal annealing treatment.
  • the n-type GaN crystal layer 109 is formed using SiH 4 gas, TMGa, and ammonia gas as raw materials. For this reason, a hydrogen element may be produced
  • the p-type GaN crystal layer 106 is waited for the temperature or gas flow to stabilize before the deposition or at the initial stage of deposition.
  • the film forming conditions can be adjusted so that the hydrogen element is sufficiently taken into the exposed surface of the film. As a result, the thermal annealing process is sufficient to perform one stage of the first thermal annealing process, and the manufacturing process can be simplified.
  • a GaN crystal layer is formed on a sapphire substrate via a low-temperature deposition buffer layer as the GaN crystal substrate 100 .
  • the present application is not limited to this.
  • a self-standing substrate of GaN crystal a substrate having a GaN crystal formed on SiC, a substrate having a GaN crystal formed on ZnO, an AlN substrate, or the like may be used.
  • a ternary mixed crystal layer such as GaInN, AlGaN, GaInN, and AlInN has been described as an example in addition to the GaN crystal layer, but the present application is limited to this. is not.
  • a multi-element mixed crystal may be used.
  • a quaternary mixed crystal such as an AlGaInN crystal layer or an AlInBN crystal layer or a quinary mixed crystal such as an AlGaInBN crystal layer may be used.
  • the nitride semiconductor multi-element mixed crystal is formed by the MOCVD method has been described, the present application is not limited to this.
  • the film may be formed by HVPE (hydride vapor phase epitaxy) method, MBE (molecular beam epitaxy) method, sputtering method or the like.
  • the blue-violet surface emitting laser is exemplified and described in the second embodiment as an application, but the present application is not limited to this.
  • the present invention can be applied to other light emitting devices and other electronic devices such as HEMT (High Electron Mobility Transistor) using a GaN / AlInN heterojunction structure.
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • TMAl or TMIn is used as the source gas of the group III element
  • the present application is not limited to this.
  • TEAl triethylaluminum
  • TEIn triethylindium
  • the present application is not limited to this. Nitrogen gas and other nitrogen compounds can also be used.
  • Mg element is used as the acceptor impurity
  • Elements such as Zn, Be, Ca, Sr, and Ba can also be used.
  • Si element was used as a donor impurity was illustrated and demonstrated, this application is not limited to this.
  • Si element was used as a donor impurity was illustrated and demonstrated, this application is not limited to this.
  • Si element was used as a donor impurity
  • the lower n-type GaN crystal layer 102 was laminated
  • a configuration in which the lower n-type GaN crystal layer 102 is not stacked is also conceivable.
  • the nitride semiconductor multi-element mixed crystal is formed in the + c-axis direction, the film is not limited to this, and may be formed in another crystal axis such as the a-axis direction or the m-axis direction.
  • each nitride semiconductor crystal layer according to the technique of the present application, the growth temperature and other growth conditions, the growth film thickness of each crystal layer, the number of stacked layers, the number of stacked pairs, etc. are limited to the present embodiment. Needless to say, various modifications are possible.
  • GaN crystal substrate 101 Undoped GaN crystal layer 102 Lower n-type GaN crystal layer 103 GaInN crystal layer 104 GaN crystal layer 105 p-type AlGaN crystal layer 106 p-type GaN crystal layer 106 106a Active p-type GaN crystal layer 106b Inactive p-type GaN crystal layer 107 High-concentration p-type GaInN crystal layer 108 High-concentration n-type GaN crystal layer 109 n-type GaN crystal layer 301 Quantum well active layer 302 Tunnel junction layer A Current confinement region

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Abstract

【課題】埋め込まれたトンネル接合層３０２を用いた電流狭窄領域Ａを有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子において、良好な発光効率を得ることが可能なｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法、およびｎｐｎ型窒化物半導体発光素子を提供すること 【解決手段】トンネル接合層３０２の下層に積層されるｐ型ＧａＮ結晶層１０６のｐ型活性化を、トンネル接合層３０２をｎ型ＧａＮ結晶層１０９で埋め込む前であって、トンネル接合層３０２が部分的に除去されてｐ型ＧａＮ結晶層１０６が雰囲気ガスに対して露出している製造工程の途中段階で行う。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６が露出している製造工程の途中段階で、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６が効率よくｐ型活性化され、電気的に低抵抗なｐ型ＧａＮ結晶層を得ることができる。

Description

ｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法、およびｎｐｎ型窒化物半導体発光素子
　本発明は、窒化物半導体発光素子の製造方法、および窒化物半導体発光素子に関し、特に、電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法、およびｎｐｎ型窒化物半導体発光素子に関するものである。
　従来より、縦型の発光ダイオードや面発光レーザなどを構成する窒化物半導体発光素子は電流狭窄構造を備えている。縦型窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層上に活性層、ｐ型窒化物半導体層、および正側電極がこの順に積層され、ｎ型窒化物半導体層に負側電極が形成される基本構造を有している。ｐ型窒化物半導体からｎ型窒化物半導体へ電流を流すことに応じて発光する光を積層の上方向に取り出す構成である。ここで、電流狭窄構造を備えていない場合、ｐ型窒化物半導体層では、正側電極の直下領域を中心に電流が流れる。これは、ｐ型窒化物半導体から活性層までの最短の電流経路に電流が流れるからである。電流が集中した正側電極の直下領域を中心にして活性層で発光した光は、正側電極に遮られあるいは正側電極に吸収されて、縦型窒化物半導体発光素子の外部に放出される光量は減少してしまう。
　そこで、電流の活性層での到達位置が電極の直下領域から外れる位置に集中するように構造的に電流経路を曲げる技術が考案されている。このような構造を電流狭窄構造という。例えば、正側電極をリング状に形成し、リングの内側に電流を狭窄する構成とする。活性層での発光はリングの内側に集中しリングの中心軸に沿って外部に放出される。このとき、光はリング状の正側電極に妨げられることなく、リングの内側を通って外部に放出される。この場合、正側電極からリングの中心軸に向かう電流経路、およびリングの中心軸とその周辺領域を活性層に向かう電流経路、の何れもが低抵抗とされる構成が提案されている。
　一例として非特許文献１には、埋め込みトンネル接合を有する窒化物半導体発光ダイオードが示されている。トンネル接合は、いわゆるエサキダイオードなどとして知られている負性抵抗特性を有するトンネルダイオードに係る接合である。このトンネル接合では、通常のダイオードが示す整流特性と異なり、ｎ層からｐ層へ逆方向に電流を流すことができ、その電流電圧特性はオーミック的である。この逆方向のオーミック特性を利用するために、正側電極のリングの内側に、正側電極側をｎ型半導体層とし負側電極側をｐ型半導体層としてトンネル接合を電流経路に配置する。電流はトンネル接合に集中してトンネル効果により流れる。この時、トンネル接合を備えることにより、正側電極の下層をｐ型半導体層に代えてｎ型半導体層とすることで、正側電極からリングの中心軸に向かう電流経路の低抵抗化を図っている。
　ところで。ｐ型窒化物半導体の活性化は熱アニール処理により行われる。一般に、ｐ型窒化物半導体として用いられるｐ型ＧａＮ結晶は、例えば、Ｍｇ元素などをアクセプタ不純物とすることにより構成される。ここで、製造工程で発生する水素元素は結晶内に取り込まれてＭｇ元素と結合し易い特性を有している。Ｍｇ元素が水素元素と結合すると、Ｍｇ元素は不活性化してしまいアクセプタとして機能しなくなる場合がある。その結果、ＧａＮ結晶はｐ型を示さなくなり導電性がなくなって高抵抗となってしまうおそれがある。熱アニール処理を行うことにより、水素元素とＭｇ元素との結合を断ち切り、水素元素の結晶外部への放出が行われる。これにより、Ｍｇ元素はアクセプタとして活性化され、導電性を有するｐ型ＧａＮ結晶を得ることができる。熱アニール処理は、製造工程において、発光ダイオードの素子構造を形成した後であって電極を形成する前の段階で行われることが示されている。
S. R. Jeon, et al,、"GaN tunnel junction as a current aperture in a blue surface-emitting light-emitting diode"、Applied Physics Letter、（米国）、2002年1月14日、Vol. 80, Number 11, p. 1933-1935
　しかしながら、非特許文献１において作製された発光ダイオードでは、２ｋＡ／ｃｍ２以上の電流注入でようやく発光し始めることが示されている。これ以下の電流注入では有効な発光が得られないという現象が確認されている。この現象は電流狭窄領域以外の領域に電流が流れ易い領域が形成され、そこにリーク電流が流れることを示唆している。ここで、リーク電流の原因の一つとして、熱アニール処理の影響が考えられる。熱アニール処理を発光ダイオードの素子構造を形成した後に行うため、ｐ型窒化物半導体層の全面が活性化される。つまり、電流が狭窄されるリングの内側の電流を本来流したい領域だけでなくリング直下およびリングの外側の電流を流したくない領域においても、ｐ型ＧａＮ結晶が活性化される。これにより、トンネル接合がないリング直下およびリングの外側の領域においてもｐ型ＧａＮ結晶が導電性を有することとなり、注入された電流がリークすることが考えられる。
　非特許文献１などに記載されている従来の製造方法では、埋め込みトンネル接合を用いた電流狭窄構造において、電流狭窄領域以外のリーク電流など、正側電極の内側に存在する埋め込みトンネル接合領域に狭窄されない電流の存在により、発光効率の低下を招来する恐れがあり問題である。
　本願に開示される技術は上記の課題に鑑み提案されたものであって、埋め込みトンネル接合を用いた電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子において、良好な発光効率を得ることが可能なｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法、およびｎｐｎ型窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。
　本願に開示される技術に係るｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法は、第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層を利用した電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法である。ｐ型窒化化合物層の上層に埋め込みトンネル接合層を積層するステップと、埋め込みトンネル接合層を、電流が狭窄して流れる領域を残して除去するステップと、埋め込みトンネル接合層の直下領域を含むｐ型窒化化合物層のｐ型活性化を行うステップと、ｎ型窒化化合物層を積層を積層し、埋め込みトンネル接合層を埋め込むステップとを有している。
　埋め込みトンネル接合層を第２のｎ型窒化化合物層で埋め込む前に、埋め込みトンネル接合層の下層に積層されているｐ型窒化化合物層のｐ型活性化を行う。この場合、埋め込みトンネル接合層の直下領域を含むｐ型窒化化合物層の全域をｐ型活性化する。
　ここで、埋め込みトンネル接合層の直下領域のｐ型窒化化合物層と、埋め込みトンネル接合層の直下領域以外のｐ型窒化化合物層とでは、ｐ型活性化を行うための条件が異なっている。この製造段階では、埋め込みトンネル接合層の直下領域のｐ型窒化化合物層は、上層が第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層に覆われているのに対して、埋め込みトンネル接合層の直下領域以外のｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層の除去のステップにより雰囲気ガスに対して露出表面を有している。そのため、前者に比して後者の方が、ｐ型活性化が容易であり、具体的には短時間でｐ型活性化される。ｐ型活性化のステップでは、埋め込みトンネル接合層の直下領域以外のｐ型窒化化合物層が雰囲気ガスに対して露出表面を有している状態でｐ型活性化を行うものである。埋め込みトンネル接合層の直下領域以外の領域でのｐ型活性化に加えて、直下領域でのｐ型活性化も行い、ｐ型窒化化合物層の全域においてｐ型活性化を行う。
　更に、ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化のステップと埋め込みトンネル接合層の埋め込みのステップとの間に、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除くｐ型窒化化合物層をｐ型不活性化するステップを有するものとしてもよい。
　更に、ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化のステップは第１の熱アニール処理を含んで処理され、ｐ型窒化化合物層のｐ型不活性化のステップは第２の熱アニール処理を含んで処理されるものとしてもよい。この場合、第１の熱アニール処理は第２の熱アニール処理に比して、高い処理温度であるか長い処理時間であるかの少なくともいずれかの条件を含んで処理が行われる。
　また、ｐ型活性化のステップの後に行われる埋め込みトンネル接合層の埋め込みのステップは、雰囲気ガスまたは原料中に水素元素が存在する状態で行われものとしてもよい。ここで、雰囲気ガスまたは原料中に存在する水素元素は、原料ガスまたは原料を輸送するキャリアガスとして水素ガスを使用することにより供給され、あるいは原料ガスまたは原料の化学反応の結果として生成されて供給されるものである。
　また、本願に開示される技術に係るｎｐｎ型窒化物半導体発光素子は、電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子である。活性層、ｐ型窒化化合物層、および第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層をこの順に積層してなる。埋め込みトンネル接合層は、ｐ型窒化化合物層の上層に積層され、電流が狭窄する電流経路を形成する。ｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層の直下領域での水素元素の含有濃度がそれ以外の領域での含有濃度に比して低濃度である。
　本願に開示される技術に係るｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、ｐ型活性化のステップは、部分的に埋め込みトンネル接合層が除去されてｐ型窒化化合物層が雰囲気ガスに対して露出している製造工程の途中段階で行われる。ｐ型窒化化合物層が露出しているので効率よくｐ型活性化することができる。ｐ型窒化化合物層がｐ型活性化され電気的に低抵抗なｐ型窒化化合物層を効率よく得ることができる。
　ここで、ｐ型活性化とは、ｐ型半導体結晶層においてアクセプタ不純物が活性化することである。これにより、ｐ型半導体結晶層はｐ型の導電性を示し電気的抵抗が低くなる。逆に、ｐ型不活性化とは、ｐ型半導体結晶層においてアクセプタ不純物が不活性化することである。これにより、ｐ型半導体結晶層は導電性が低くなり電気的抵抗が高くなる。
　更に、ｐ型不活性化のステップを有することにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除いたｐ型窒化化合物層の領域が有効にｐ型不活性化される。ここで、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除くｐ型窒化化合物層の領域は、雰囲気ガスに対して表面が露出しているためｐ型不活性化を容易に行うことができる。これに対して、埋め込みトンネル接合層の直下領域にあるｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層により覆われているためｐ型不活性化を容易に行うことはできない。露出表面を有するｐ型窒化化合物層の領域を優先的にｐ型不活性化することができる。これにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域は、ｐ型活性化された状態に維持され電気的に低抵抗な領域として維持される。一方、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く領域は、ｐ型不活性化されて電気的に高抵抗な領域とされる。埋め込みトンネル接合層の直下領域を選択的に低抵抗領域とし、その他の領域を高抵抗領域とすることができる。埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く領域でのリーク電流を抑止して、埋め込みトンネル接合層の直下領域に電流を集中して有効に電流を狭窄させることができる。
　ここで、熱アニール処理において、処理温度が高いほど、処理時間が長いほど、またはその両者の条件を含むほど、露出表面から遠い距離にあるｐ型窒化化合物層内においてｐ型活性化／不活性化をすることができる。ｐ型活性化のステップを、より高い処理温度、より長い処理時間の少なくともいずれか一方の条件を含んで行うことにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域を含むｐ型窒化化合物層の全面をｐ型活性化することができる。一方、ｐ型不活性化のステップを、より低い処理温度、より短い処理時間の少なくともいずれか一方の条件を含んで行うことにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く露出表面を有するｐ型窒化化合物層においてｐ型不活性化をすることができる。
　例えば、ここでｐ型活性化の状態とは、結晶から水素元素が離脱して結晶中に存在する水素元素が少なくなることによりアクセプタ不純物が活性化している状態である。また、ｐ型不活性化の状態とは、結晶に水素元素が取り込まれ結晶中に水素元素が存在することによりアクセプタ不純物が活性化していない状態である。埋め込みトンネル接合層の直下領域にあるｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層に第１のｎ型窒化化合物層を含むため、水素元素の導入が阻止される。これにより、ｐ型不活性化を容易に行うことはできない。これに対して、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く領域は、表面にｐ型窒化化合物層が露出しており、水素元素の導入を阻止するｎ型窒化化合物層は介在しない。このため、この領域を優先的にｐ型不活性化することができる。
　また、ｐ型活性化のステップの後に行われる埋め込みのステップが、雰囲気ガスまたは原料中に水素元素が存在する状態で行われることにより、埋め込み成長が開始するまでの時間に、ｐ型窒化化合物層の露出表面に水素元素を注入することができる。ここで、埋め込み成長が開始するまでの時間とは、雰囲気温度を埋め込み成長に係る設定温度まで変更する時間、雰囲気ガスを置換する時間、原料ガスまたは原料流などが安定するまでの時間等の成長反応の開始に先立つ準備時間である。結晶内に水素元素が少ないほどｐ型活性化が進み、多いほどｐ型不活性化が進むことが知られている。埋め込みのステップにおいて、雰囲気ガス中に水素元素が存在することにより、水素元素が結晶中に取り込まれてｐ型不活性化が行われることとなる。
　また、本願に開示される技術に係るｎｐｎ型窒化物半導体発光素子によれば、ｐ型窒化化合物層の有する電気抵抗は、埋め込みトンネル接合層の直下領域と直下領域を除く領域とで比較した場合、前者でより低抵抗で後者でより高抵抗である。埋め込みトンネル接合層の直下領域を除くｐ型窒化化合物層においてリーク電流が抑制されると共に、埋め込みトンネル接合層の領域において効率よく電流狭窄構造を構成することができる。
第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第１段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第２段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第３段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第４段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの電流－光出力特性である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの近視野像の数値データである。（ａ）は発光領域のメサ径が１０μｍの場合、（ｂ）は１５μｍの場合、（ｃ）は２０μｍの場合である。 第２実施形態の断面構造を示す図である。
　第１実施形態では、埋め込みトンネル接合を有する窒化物半導体発光ダイオードについて説明する。まず、製造工程について説明する。図１～図４に製造工程の各段階における断面構造を示す。ＧａＮ結晶基板１００に各窒化物半導体層を積層した構造を有している。ＧａＮ結晶基板１００は、サファイア基板上に低温堆積バッファ層を介してＧａＮ結晶層を成膜した基板である。また、ＧａＮ結晶基板１００上への各窒化物半導体層の成膜には有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤと略記する）法を用いる。
　まず、図１に示す製造工程の第１段階における断面構造について説明する。表面をＧａ面としたＧａＮ結晶基板１００を、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。その後、反応炉内に水素ガスとアンモニアガスとを流しながら昇温することで、ＧａＮ結晶基板１００の表面を清浄化するサーマルクリーニングを行う。次に、基板温度を、例えば１０５０℃などといった高温に昇温した上で、キャリアガスである水素ガスと共に、原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびアンモニアガスを反応炉内に供給し、ＧａＮ結晶基板１００上に、＋ｃ軸に配向した不純物をドーピングしないアンドープＧａＮ結晶層１０１を、例えば約２μｍ成長させる。次に、原料ガスとしてＳｉＨ４（シラン）ガスを追加して反応炉内に供給し、アンドープＧａＮ結晶層１０１上に下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を、例えば約２μｍ成長させる。ここで、ＳｉＨ４ガスはＳｉ元素をｎ型不純物とするための原料ガスである。不純物濃度は、例えば約５×１０１８ｃｍ－３とする。
　次に、成長温度を７８０℃に降温しながら、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスへ切り替え、基板温度が安定した後に、原料であるＴＭＧａ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、およびアンモニアガスを反応炉内に供給し、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２上にＧａＩｎＮ結晶層１０３を、例えば約２．５ｎｍ成長させる。続いて、原料ガスをＴＭＧａガスおよびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ＧａＩｎＮ結晶層１０３上にＧａＮ結晶層１０４を、例えば約１０ｎｍ成長させる。以後、ＧａＩｎＮ結晶層１０３の成膜とＧａＮ結晶層１０４の成膜とを交互に繰り返し、ＧａＩｎＮ結晶層１０３およびＧａＮ結晶層１０４を１ペアとして５ペア成膜する。これが量子井戸活性層３０１である。
　次に、原料をＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧａ、ＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、量子井戸活性層３０１上にｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５を、例えば約２０ｎｍ成長させる。ここで、ＣＰ２ＭｇはＭｇ元素をｐ型不純物とするための原料である。不純物濃度は、例えば約２×１０１９ｃｍ－３とする。
　次に、成長温度を１０００℃に昇温しながら、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスへ切り替え、その後、原料をＴＭＧａ、ＣＰ２Ｍｇ、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５上にｐ型ＧａＮ結晶層１０６を、例えば約６０ｎｍ成長させる。ｐ型不純物であるＭｇ元素の不純物濃度は、例えば約２×１０１９ｃｍ－３とする。
　次に、成長温度を７６０℃に降温しながら、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスへ切り替え、基板温度が安定した後に、原料をＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＣＰ２Ｍｇ、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６上に高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７を、例えば約３ｎｍ成長させる。ｐ型不純物であるＭｇ元素の不純物濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ－３～１×１０２１ｃｍ－３程度が好ましく、更に好ましくは約１×１０２０ｃｍ－３～３×１０２０ｃｍ－３程度である。
　次に、原料ガスをＴＭＧａガス、ＳｉＨ４ガス、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７上に高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８（第１のｎ型窒化化合物層）を、例えば約７．５ｎｍ成長させる。ｎ型不純物であるＳｉ元素の不純物濃度は、例えば１×１０２０ｃｍ－３～１×１０２１ｃｍ－３程度が好ましく、更に好ましくは約３×１０２０ｃｍ－３～６×１０２０ｃｍ－３程度である。
　高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７と高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８とによりトンネル接合層３０２が形成される。以下の説明では、図１で示す積層構造をウエハと称する場合がある。
　ここで、トンネル接合層３０２は、いわゆるエサキダイオードのような特性を示すｐｎ接合である。すなわち、このｐｎ接合の逆方向には、逆バイアス電圧が小さな電圧値から低抵抗状態で電流が流れ低抵抗素子のような特性を示す。窒化物半導体発光ダイオードにおいて、トンネル接合層３０２を備える領域で低抵抗領域を形成するとともに、それ以外の領域では通常のｐｎ接合の整流特性が示すように、逆バイアスの下では電流がブロックされる。
　次に、図２に示す製造工程の第２段階における断面構造について説明する。成膜を一旦終了し、ウエハを反応炉から取り出す。フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術などとにより、注入電流が狭窄されて発光領域となる平面視で円形の領域（以下、電流狭窄領域と称する）１を残し、その外側の領域ではｐ型ＧａＮ結晶層１０６の表面が露出するまでエッチングを行う。第１実施形態では、電流狭窄領域Ａの径を１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの３種類としてサンプルを作製した。エッチングの深さは５０ｎｍ程度である。これにより、電流狭窄領域Ａが形成される。
　その後ウェハに対して、２段階の熱アニール処理を行う。最初に行われる第１の熱アニール処理は、雰囲気ガスとして、例えば酸素ガスを使用し、アニール温度７２５℃、アニール時間は１５分の条件で処理を行う。第１の熱アニール処理の次に行われる第２の熱アニール処理は、雰囲気ガスとして、例えばアンモニアガスを使用し、アニール温度７００℃、アニール時間３分の条件で処理を行う。
　ここで、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の成膜では、水素ガスをキャリアガスをとして使用し、原料であるＴＭＧａ、ＣＰ２Ｍｇ、およびアンモニアガスを反応させて成膜を行う。また、Ｍｇ元素をｐ型不純物とする。成膜の過程では、キャリアガスである水素ガスが分解し、または／および原料ガスの反応により水素元素が生成される場合があり、生成された水素ガスの一部は結晶内に取り込まれる。Ｍｇ元素は結晶内において水素元素と結合しやすい性質を有しており、結晶内に取り込まれた水素元素はＭｇ元素と結合する。Ｍｇ元素と結合した水素元素は、Ｍｇ元素がアクセプタ不純物として機能することを阻害してｐ型不活性化の作用を奏することが知られている。水素元素によりＭｇ元素のｐ型不活性化が生ずることで、結晶はｐ型の導電性を奏することができなくなり高抵抗化することが知られている。以下に説明するように、第１および第２熱アニールの処理によりリーク電流のない有効な電流狭窄構造を形成する。
　先ず、第１の熱アニール処理について説明する。第１の熱アニール処理により、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の全域から、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のアクセプタであるＭｇ元素に結合している水素元素をＭｇ元素から切り離し外部に脱離させる。これにより、水素元素が結合しているＭｇ元素の割合が小さくなり多くのＭｇ元素が活性化する。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の全域でアクセプタが活性化され、Ｍｇ元素のイオン化に伴いｐ型の導電性を有することとなる。この時点で、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は全域が低抵抗となる。
　この場合、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のうち、電流狭窄領域Ａ以外の領域では、表面が雰囲気ガスに対して露出しており、この広い露出表面から水素元素は容易に脱離することができる。前段の成膜により取り込まれた水素元素は露出表面から例えば０．１μｍ程度の浅い領域に存在するものと考えられるからである。
　一方、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のうち電流狭窄領域Ａの領域に存在する部分では、その上層にトンネル接合層３０２があり高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８が積層されている。ここで一般に、水素元素はｎ型半導体中を移動できないことが知られている。このため、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６および高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７内に存在してアクセプタを不活性化している水素元素は高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８を越えて表面から脱離することができない。一方で、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６および高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７は、電流狭窄領域Ａ形成のためのエッチングにより、そのエッチング側壁が露出する。従って、電流狭窄領域Ａに存在する水素は、基板垂直方向ではなく、基板水平方向に電流狭窄領域Ａの外側まで移動した上でエッチング側壁から外部に放出されることとなる。
　ここで、電流狭窄領域Ａの径は１０～２０μｍ程度であり、露出表面下の０．１μｍ程度の深さに比して長距離を移動する必要がある。第１の熱アニール処理の処理条件（アニール温度７２５℃、アニール時間１５分）は、電流狭窄領域Ａ以外の領域にある水素元素はもちろんのこと、電流狭窄領域Ａの領域にある水素元素を外部に放出するのに十分な条件である。
　第２の熱アニール処理では、逆に、外部よりｐ型ＧａＮ結晶層１０６に水素元素を取り込ませる。水素元素は、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のうち、電流狭窄領域Ａ以外の領域にある露出表面から取り込まれる。第２の熱アニール処理の処理条件（アニール温度７００℃、アニール時間３分）は、第１の熱アニール処理の処理条件（アニール温度７２５℃、アニール時間１５分）より、アニール温度が低くアニール時間も短時間である。これにより、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の露出表面から取り込まれる水素元素の結晶内での移動距離は第１のアニール処理より短くなる。緩いアニール条件であるため、露出表面から水素元素は取り込まれるものの、エッチング側壁から取り込まれた水素元素がｐ型ＧａＮ結晶層１０６等内を水平方向に侵入して電流狭窄領域Ａの領域内にまで広がることはない。すなわち、露出表面下の領域にのみ選択的に水素元素を注入することができる。これにより、結晶中に水素元素が取り込まれＭｇ元素と結合する割合が大きくなり多くのＭｇ元素の活性化が妨げられる。露出表面を有するｐ型ＧａＮ結晶層１０６ではアクセプタが不活性化されｐ型の導電性が抑制される。
　したがって、水素元素は、電流狭窄領域Ａ以外の領域に選択的に取り込まれ、電流狭窄領域Ａの領域では水素元素が脱離した状態に維持される。これにより、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６には２つの領域が形成される。一つは電流狭窄領域Ａの領域である。この領域では、Ｍｇ元素は水素元素が結合しておらずアクセプタとして活性化されており、抵抗値の低い活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａが形成される（図３参照）。他の一つは電流狭窄領域Ａ以外の領域である。この領域では、露出表面から水素元素が取り込まれＭｇ元素に結合する。Ｍｇ元素はアクセプタとして不活性化され、抵抗値の高い不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂが形成される（図３参照）。
　この結果、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は、電流狭窄領域Ａにおいて導電性を有する活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａとなり、それ以外の領域で導電性が低い不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとなる。注入電流を電流狭窄領域Ａに効率よく集中させ、その他の領域でのリーク電流を抑止する構造とすることができる。
　その後、製造工程の第３段階における断面構造（図３）に示すように、原料ガスをＳｉＨ４ガス、ＴＭＧａガス、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９を、例えば約１００ｎｍ成長させる。不純物濃度は、例えば約５×１０１８ｃｍ－３とする。これにより、トンネル接合層３０２をｎ型ＧａＮ結晶層１０９（第２のｎ型窒化化合物層）で埋め込む。
　次に、製造工程の第４段階における断面構造（図４）に示すように、ウエハを反応炉から取り出し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術などとにより、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２が露出するまでエッチングし、電流狭窄領域Ａを中心とするメサ径が約１００μｍのメサ形状を形成する。
　次に、正側電極１０および負側電極１１を形成する。電極材料にはＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）などを用い、Ｔｉ、Ａｌ、ＴｉおよびＡｕをこの順で積層して形成する。正側電極１０は、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９の上に電流狭窄領域Ａを内側下方に含むリング状に形成される。負側電極１１は、エッチングにより露出した下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２の上にメサ形状を囲むように形成される。ｎ型ＧａＮ結晶層１０９は正側電極１０からの電流を電流狭窄領域Ａに導く導通経路を構成する。
　次に、第１実施形態の製造工程により製造した窒化物半導体発光ダイオードにおける電流狭窄構造の機能および効果に関して説明する。図５に窒化物半導体発光ダイオードの断面構造を示す。図１～図４と同じ層には同一の符号を付しており、ここでの説明は省略する。下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２はクラッド層である。電子を量子井戸活性層３０１へ供給することができるように量子井戸活性層３０１より大きなバンドギャップを有して構成されている。量子井戸活性層３０１は、井戸層であるＧａＩｎＮ結晶層１０３および障壁層であるＧａＮ結晶層１０４を交互に積層した構造を有している。ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５およびｐ型ＧａＮ結晶層１０６はクラッド層である。正孔を量子井戸活性層３０１へ供給することができるように量子井戸活性層３０１より大きなバンドギャップを有して構成されている。
　図１～図４において説明した電流狭窄領域Ａを含む電流狭窄構造を形成することにより、正側電極１０から注入される電流は、正側電極１０の直下およびその外側の領域に流れるリーク電流（矢印３）が有効に抑制され、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９を下方に流れるに従いリングの内側に曲げられ、電流狭窄領域Ａに狭窄される（矢印１）。正側電極１０の直下およびその外側の領域では、不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとｎ型ＧａＮ結晶層１０９とによりｐｎ接合が逆バイアスに印加されており逆方向に流れるリーク電流は僅かであるのに対して、正側電極１０のリングの内側では、トンネル接合層３０２によりｐｎ接合が逆バイアスであっても低抵抗の状態となり電流が流れる状態にあるからである。さらに、前者では、直下の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂが高抵抗であるのに対して、後者では、直下の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａが低抵抗であるからである。これにより、リングの内側に位置する量子井戸活性層３０１に電流が狭窄され、この領域で集中的に発光が行われる。発光した光は正側電極１０に妨げられることなく、正側電極１０のリングの内側において外部に放出される（矢印２）。これにより、光を効率よく取り出すことができる。
　この場合、正側電極１０から電流狭窄領域Ａに至るまで経路が曲げられる電流経路は、一般的には、正側電極１０に接続される結晶層でありｐ型である。しかしながら、トンネル接合層３０２を備えることでｎ型ＧａＮ結晶層１０９とすることができる。ｐ型ＧａＮ結晶層に比してｎ型ＧａＮ結晶層１０９であれば、１／１００程度に抵抗値を低減することができ、この電流経路における抵抗値を抑制することができる。
　これにより、注入される電流のうち発光に供しない電流を最小限に抑制して有効に電流狭窄領域Ａに流すことができ、良好な発光効率を得ることができる。
　図６、図７は、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの発光特性を示す。図６は発光領域のメサ径が１０μｍである場合の電流－光出力特性である。横軸は電流密度、縦軸は光出力である。第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの特性を実線で示す。参考として従来技術の窒化物半導体発光ダイオードの特性を破線で示す。従来技術の窒化物半導体発光ダイオードでは、電流密度の低い領域では光出力がほとんど得られないことが示されている。これに対して、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードでは、電流密度の低い領域から良好な光出力が得られる。また、電流密度の全域においても、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの特性が従来技術の窒化物半導体発光ダイオードの特性に勝っており、従来技術に比して改善された発光効率を有していることが示されている。
　図７には、発光領域のメサ径を１０μｍ、１５μｍ、２０μｍとした窒化物半導体発光ダイオードのサンプルについて、近視野像の数値データを示す。横軸はメサ形状の中心からの位置、縦軸は光出力である。メサ径の大きさと略同じ径で有効に発光していることがわかる。
　第２実施形態では、第１実施形態の製造工程を使用しながら、窒化物半導体多層膜反射鏡を備える面発光レーザについて例示する。図８に面発光レーザの断面構造を示す。以下に製造工程について説明する。まず、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオード(図１～図４)の場合と同様に、ＧａＮ結晶基板１００上に、アンドープＧａＮ結晶層１０１、および下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を、この順に積層する。
　次に、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２の上に、窒化物半導体多層膜反射鏡層５０３を積層する。約４１０ｎｍを反射中心波長とする窒化物半導体多層膜反射鏡層である。基板温度すなわち成長温度を８１５℃とし、キャリアガスである窒素ガスと共に、原料であるアンモニアガス、ＴＭＡｌ、およびＴＭＩｎを反応炉内に供給する。これにより、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２上にＡｌＩｎＮ結晶層５０１を積層する。この時、ＡｌＩｎＮ結晶層５０１におけるＩｎ元素のモル分率は１８％程度である。このＡｌＩｎＮ結晶層５０１の膜厚は約５０ｎｍである。すなわち、反射中心波長４１０ｎｍに対する１／４波長光学膜厚の成長を行う。次に、基板温度を８１５℃に維持したまま、ＴＭＧａを反応炉内に供給することで、ＡｌＩｎＮ結晶層５０１上にＧａＮ結晶層を約１０ｎｍ積層する。この後、ＴＭＧａガスの供給を一旦中止し結晶成長を中断する。その後、基板温度を１０５０℃まで昇温し、再度ＴＭＧａを供給してＧａＮ結晶層を約３０ｎｍ成長する。これにより、反射中心波長４１０ｎｍに対する１／４波長光学膜厚を有するＧａＮ結晶層５０２が積層される。このＡｌＩｎＮ結晶層５０１とＧａＮ結晶層５０２とを交互に４０．５ペア積層させて、窒化物半導体多層膜反射鏡層５０３を下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２上に形成する。
　窒化物半導体多層膜反射鏡層５０３上には、約１０００ｎｍのｎ型ＧａＮ結晶層５０４を成長する。ｎ型不純物原料ガスにはＳｉＨ４（シラン）ガスを用いる。ｎ型ＧａＮ結晶層５０４中には、ｎ型不純物であるＳｉ元素を１×１０１９ｃｍ－３程度の濃度でドーピングする。その後、ｎ型ＧａＮ結晶層５０４上に、量子井戸活性層３０１を形成する。量子井戸活性層３０１は、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオード（図１～図４）と同様の製造工程により積層される。但し、各層の膜厚と積層ペア数は第１実施形態とは異なる構成とする。例えば、約３ｎｍのＧａＩｎＮ結晶層１０３と約６ｎｍのＧａＮ結晶層１０４とを１ペアとして、２．５ペア積層する。また、Ｉｎ元素のモル分率を約０．１０とする。これにより、４０５～４１０ｎｍの波長で発光する。
　量子井戸活性層３０１の上には、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオード（図１～図４）と同様に、ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６、およびトンネル接合層３０２を構成する高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７および高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８をこの順に積層する。
　また、その後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術などとにより、電流狭窄領域Ａを残し、その外側をｐ型ＧａＮ結晶層１０６が露出するまでエッチングする工程、２段階の熱アニール処理により、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６を、電流狭窄領域Ａの領域にある低抵抗の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａと電流狭窄領域Ａ以外の領域にある高抵抗の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとの２つの領域とする工程、およびこれらの構造をｎ型ＧａＮ結晶層１０９で埋め込む工程についても、第１実施形態と同様である。
　次に、電流注入を行う為の正側、負側電極を以下に示すように形成する。まず、周知のフォトリソグラフィ及びドライエッチングプロセスにより、電流狭窄領域Ａを中心とする５０μｍ径程度のメサを形成する（不図示）。この時、メサ以外の部分は、ｎ型ＧａＮ結晶層５０４の表面が露出するまでドライエッチングを行う。続いて、ウエハの全面に、蒸着又はスパッタリングにより、ＳｉＯ２膜５０５を約２０ｎｍ堆積する。その際、リフトオフにより、メサ上において電流狭窄領域Ａを取り囲むようにＳｉＯ２膜５０５を開口しリング状の開口部を形成する（不図示）。また、メサの外周部のｎ型ＧａＮ結晶層５０４上にＳｉＯ２膜５０５を開口しリング状の開口部を形成する（不図示）。それぞれの開口部に、正側電極、負側電極を形成する。
　最後に、正側電極上に、約４１０ｎｍを反射中心波長とする８ペアのＳｉＯ２層５０６／ＺｒＯ２層５０７の誘電体多層膜反射鏡層５０８を積層する。以上により、４０５乃至４１０ｎｍの波長で発光する青紫色窒化物半導体面発光レーザが作製される。
　ここで、トンネル接合層３０２は、埋め込みトンネル接合層の一例である。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は、ｐ型窒化化合物層の一例である。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のアクセプタであるＭｇ元素に結合している水素元素をＭｇ元素から切り離し外部に脱離させＭｇ元素をアクセプタとして機能させることが、ｐ型活性化の一例である。また、外部よりｐ型ＧａＮ結晶層１０６に水素元素を取り込ませＭｇ元素と結合させてＭｇ元素がアクセプタ不純物として機能することを阻害することが、ｐ型不活性化の一例である。ｎ型ＧａＮ結晶層１０９は、ｎ型窒化化合物層の一例である。
　以上、詳細に説明したように、本願に開示される技術の第１実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９によりトンネル接合層３０２が埋め込まれる工程に先立って、第１および第２の熱アニール処理が行われる。部分的にトンネル接合層３０２が除去されてｐ型ＧａＮ結晶層１０６が雰囲気ガスに対して露出している製造工程の途中段階で行われる２段階の熱アニール処理により、結晶中の水素元素の存在割合の高低が制御され、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の活性化および不活性化が制御される。これにより、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は、トンネル接合層３０２の直下領域で活性化され低抵抗の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａとなり、それ以外の領域では不活性化され高抵抗の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとなる。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６を活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａと不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとの２つの領域に分離することができる。電流狭窄領域Ａ以外でのリーク電流を抑止しながら電流狭窄領域Ａに効率よく電流を狭窄することができる。
　また、第２実施形態の面発光レーザの製造工程では、第１実施形態の場合と同様に製造工程の途中段階で２段階の熱アニール処理を行う。これにより、発光の際に注入される電流について、電流狭窄領域Ａ以外でのリーク電流が抑制され、電流狭窄領域Ａに効率よく電流を流すことができる。良好な発光効率を有する青紫色面発光レーザを作製することができる。
　尚、本願に開示される技術は前記実施形態に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
　例えば、本実施形態では、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６を、低抵抗の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａと高抵抗の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとに分離するために、第１の熱アニール処理と第２の熱アニール処理の２段階の熱アニール処理を行うことにより実現する場合を例示して説明した。
　しかしながら、本願はこれに限定されるものではない。熱アニール処理の後の製造工程であるｎ型ＧａＮ結晶層１０９の成膜を第２の熱アニール処理の代わりとすることも可能である。ｎ型ＧａＮ結晶層１０９の成膜は、原料をＳｉＨ４ガス、ＴＭＧａ、およびアンモニアガスとして行われる。このため、原料の化学反応により雰囲気中に水素元素が生成される場合がある。また、原料を輸送するためのキャリアガスとして水素ガスを使用することにより雰囲気中に水素元素を生成することもできる。こうした水素元素の存在下でｎ型ＧａＮ結晶層１０９の成膜を行うことにより、温度やガス流が安定するのを待つ成膜の前段階あるいは成膜の初期段階において、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の露出表面に十分に水素元素が取り込まれるように成膜の条件を調整することができる。これにより、熱アニール処理は第１の熱アニール処理の１段階の処理を行うことで足り、製造工程の簡略化を図ることができる。
　また、第１実施形態では、ＧａＮ結晶基板１００として、サファイア基板上に低温堆積バッファ層を介してＧａＮ結晶層を成膜する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。ＧａＮ結晶の自立基板や、ＳｉＣ上にＧａＮ結晶を成膜した基板や、ＺｎＯ上にＧａＮ結晶を成膜した基板、ＡｌＮ基板等を用いても良い。
　また、各層を構成する窒化物半導体結晶層として、ＧａＮ結晶層の他、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮなどの３元混晶結晶層を例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。これ以外の多元混晶でもよく、例えばＡｌＧａＩｎＮ結晶層、ＡｌＩｎＢＮ結晶層等の４元混晶や、ＡｌＧａＩｎＢＮ結晶層等の５元混晶であっても良い。
　また、窒化物半導体多元混晶をＭＯＣＶＤ法により成膜する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、スパッタリング法等で成膜しても良い。
　また、本願では、応用として第２実施形態において青紫色面発光レーザを例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、他の発光デバイスやＧａＮ／ＡｌＩｎＮヘテロ接合構造を用いたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などのその他の電子デバイスにも応用することができる。
　また、III族元素の原料ガスとしてＴＭＡｌやＴＭＩｎを使用する場合について説明し
たが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、ＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）やＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）等を用いても良い。
　また、Ｎ元素の原料ガスとしてアンモニアを使用して成膜する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。窒素ガスやその他の窒素化合物を使用することもできる。
　また、本願では、アクセプタ不純物としてＭｇ元素を用いる場合を例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａなどの元素を用いることもできる。また、ドナー不純物としてＳｉ元素を用いる場合を例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。Ｇｅなどの元素を用いることもできる。
　また、ＧａＮ結晶としてアンドープのＧａＮ結晶層１０１の上に下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を積層する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を積層しない構成とすることも考えられる。
　また、窒化物半導体多元混晶を＋ｃ軸方向に配向させて成膜したが、これに限らず、ａ軸方向やｍ軸方向など、他の結晶軸に配向させて成膜しても良い。
　また、本願の技術に係る各窒化物半導体結晶層の成膜について、成長温度やその他の成長条件、また各結晶層の成長膜厚、積層数・積層ペア数等は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。
１００　　ＧａＮ結晶基板
１０１　　アンドープＧａＮ結晶層
１０２　　下部ｎ型ＧａＮ結晶層
１０３　　ＧａＩｎＮ結晶層
１０４　　ＧａＮ結晶層
１０５　　ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層
１０６　　ｐ型ＧａＮ結晶層１０６
１０６ａ　　活性ｐ型ＧａＮ結晶層
１０６ｂ　　不活性ｐ型ＧａＮ結晶層
１０７　　高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層
１０８　　高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層
１０９　　ｎ型ＧａＮ結晶層
３０１　　量子井戸活性層
３０２　　トンネル接合層
Ａ　　電流狭窄領域

Claims (6)

  1. 　第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層を利用した電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    　ｐ型窒化化合物層の上層に前記埋め込みトンネル接合層を積層するステップと、
    　前記埋め込みトンネル接合層を、電流が狭窄して流れる領域を残して除去するステップと、
    　前記埋め込みトンネル接合層の直下領域を含む前記ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化を行うステップと、
    　第２のｎ型窒化化合物層を積層し、前記埋め込みトンネル接合層を埋め込むステップとを有することを特徴とするｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
  2. 　前記ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化のステップと前記埋め込みトンネル接合層の埋め込みのステップとの間に、前記埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く前記ｐ型窒化化合物層をｐ型不活性化するステップを有することを特徴とする請求項１に記載のｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
  3. 　前記ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化のステップは第１の熱アニール処理を含み、
    　前記ｐ型窒化化合物層のｐ型不活性化のステップは第２の熱アニール処理を含み、
    　前記第１の熱アニール処理は前記第２の熱アニール処理に比して、高い処理温度または／および長い処理時間の条件で行われることを特徴とする請求項２に記載のｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
  4. 　前記埋め込みトンネル接合層の埋め込みのステップでは、雰囲気ガスまたは原料中に水素元素が存在することを特徴とする請求項１に記載のｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
  5. 　前記雰囲気ガス中の水素元素は、原料を輸送するキャリアガスとして水素ガスを使用することにより、あるいは前記原料の化学反応で生成されることにより、供給されることを特徴とする請求項４に記載のｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
  6. 　電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子であって、
    　活性層と、
    　前記活性層の上層に積層されるｐ型窒化化合物層と、
    　前記ｐ型窒化化合物層の上層に積層され、電流が狭窄する電流経路を形成する第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層と、
    前記埋め込みトンネル接合層を埋め込む第２のｎ型窒化化合物層とを備え、
    　前記ｐ型窒化化合物層は、前記埋め込みトンネル接合層の直下領域での水素元素の含有濃度がそれ以外の領域での含有濃度に比して低濃度であることを特徴とするｎｐｎ型窒化物半導体発光素子。
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