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JP2014096567A - 発光素子の製造方法及び発光素子 - Google Patents

発光素子の製造方法及び発光素子 Download PDF

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Abstract

【課題】活性層へのＭｇの混入に際し、メモリー効果を低コストで抑制することが可能となる発光素子の製造方法及び発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体を有する活性層を備えた発光素子の製造方法であって、
Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のある反応炉内で、基板の上に、Ｉｎを含む層を形成する工程と、
前記層の上に窒化物半導体を有する活性層を形成する工程と、を有する発光素子の製造方法を構成する。
また、基板の上のＩｎとＭｇとを含む層と、前記層の上の窒化物半導体からなる活性層と、前記活性層の上のＭｇを含むｐ型の半導体層と、を有する発光素子を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子の製造方法及び発光素子に関する。
窒化物半導体発光素子は紫外から赤外までの領域をカバーし、活性層にＩｎＧａＮを用いるものは混晶比で可視領域での波長を調整出来る。また、黄色の蛍光体と青色のＬＥＤとを組み合わせて白色光源にすることができ、表示用や照明用デバイスとして幅広く使われている。
窒化物半導体のアクセプタ用ドーパントとしてＢｅ，Ｍｇ，Ｃなどが知られている。これらのうちＭｇは高いｐ型伝導性を実現できるため、ｐ型伝導用ドーパントとしてＭｇが良く用いられるが、メモリー効果という問題がある。
メモリー効果とは、Ｍｇ原料を使用した際に反応炉内にＭｇが付着し、その後の成長でＭｇが脱離し、結晶中に意図せず混入してしまう現象である。
Ｍｇが活性層に混入すると非発光再結合が増加し発光効率が低下する。
このようなことから、メモリー効果を抑制し、活性層への意図しないドーピングを防ぐことが極めて重要である。
上記ではＭｇについて説明したが、ＧａＡｓなどでアクセプタ用ドーパントとして用いるＺｎや、Ｓｅ、Ｔｅなど他の原料でもメモリー効果は問題になる。
このようなメモリー効果に対処するため、従来では特許文献１のように、Ｍｇ原料を使わない反応炉で半導体層を形成し、その後、Ｍｇ原料を使う反応炉でｐ型半導体層を形成することでメモリー効果を抑制した３−５族化合部半導体発光素子の製造方法が提案されている。
他の方法として、Ｍｇ原料を使用した反応炉を成長毎に洗浄しＭｇを除去する方法や、厚い半導体層を成長させることで分厚い半導体層中にＭｇを取り込ませて活性層への混入を防ぐ方法などが知られている。
特許第３６０３５９８号公報
しかしながら、従来例における窒化物半導体の製造方法は、つぎのような課題を有している。
上記した特許文献１では、Ｍｇ原料を使わない反応炉で半導体層を形成し、その後、Ｍｇ原料を使う反応炉でｐ型半導体層を形成することでメモリー効果の問題を解決しているが、反応炉を２つ以上用意する必要があり高コストである。
また、上記他のいずれの方法においても、洗浄工程や原料使用量の増加、製造時間の増加などコストが掛る。
そして、このような課題は、窒化物半導体だけでなく、他の材料系においても同様に生じる。
本発明は、上記課題に鑑み、メモリー効果を低コストで抑制することが可能となる発光素子の製造方法及び発光素子を提供することを目的とする。
本発明の発光素子の製造方法は、窒化物半導体を有する活性層を備えた発光素子の製造方法であって、
Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のある反応炉内で、基板の上に、Ｉｎを含む層を形成する工程と、
前記層の上に窒化物半導体を有する活性層を形成する工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の発光素子は、基板の上のＩｎとＭｇとを含む層と、前記層の上の窒化物半導体を有する活性層と、前記活性層の上のＭｇを含むｐ型の半導体層と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、メモリー効果を低コストで抑制することが可能となる窒化物半導体発光素子の製造方法及び窒化物半導体発光素子を実現することができる。
本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態１におけるＭｇ吸着層の効果を確認するためのＳＩＭＳ分析の結果を示す図である。 本発明の実施形態２におけるＶＣＳＥＬの製造工程を説明する図である。 本発明の実施形態３における１次元の回折格子を用いたＤＦＢレーザや、２次元の回折格子を用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造工程を説明する図である。 本発明の実施例１における発光ダイオードの構造を説明する断面図である。 本発明の実施例２における発光ダイオードの構造を説明する断面図である。 本発明の実施例３におけるＶＣＳＥＬの構造を説明する断面図である。 本発明の実施例４におけるＤＦＢレーザの構造を説明する断面図である。 本発明の実施例５における２次元フォトニック結晶面発光レーザの構造を説明する断面図である。
つぎに、本発明の実施形態について説明する。
（実施形態１）
実施形態１として、ＩｎＧａＮを挿入した窒化物半導体発光素子の製造方法の構成例について、図１（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
まず、テンプレート基板１００を用意する。図１（ａ）のように、基板１０１上に下地層１０２が形成されたものや、基板１０１そのものをテンプレート基板１００として利用する。
テンプレート基板１００は、基板１００上に窒化物半導体による発光素子構造が直接結晶成長できれば良い。特に活性層１０４以降の構造が成長できる構造であると良い。
基板１０１をそのままテンプレート基板１００とする例は、ｎ型ＧａＮ基板のように導電性があって直接窒化物半導体が成長できる基板や、ｎ−ＳｉＣ、ｎ−Ｓｉ、ｎ−ＧａＡｓの様に導電性がありバッファ層を介して窒化物半導体が成長できる基板である。
また、基板１０１上に下地層１０２を形成した構造の例として、基板１０１は窒化物半導体の成長が可能なサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＡｌＮなどである。
下地層１０２はｎ型の窒化物半導体層であり、ｎ−ＧａＮやｎ−ＡｌＧａＮなどの導電性単層構造や、ｎ−ＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮなどの導電性多層構造である。
レーザを製造する場合は、活性層より下部のレーザ構造を形成したものである。例えばｎ−ＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ（クラッド層）／ＧａＮ（ガイド層）である。
下地層１０２の形成方法はＭＯＣＶＤ（有機金属化合物気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシ法）や、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）、スパッタなどでも良い。
次に、テンプレート基板１００上に、発光素子構造を成長させる。
また、該製造装置はテンプレート基板１００を用意するのに使用した製造装置と同じであっても良い。発光素子構造の製造方法について説明する。ＭＯＣＶＤ装置の場合、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、窒素原料としてＮＨ3（アンモニア）等を用いて各
半導体層を形成する。また、半導体層に導電性を与える不純物原料は、ｎ型ドーパントとしてＳｉＨ4（シラン）やＳｉ2Ｈ6（ジシラン）などを用い、ｐ型ドーパントとしてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。
製造装置の反応炉にテンプレート基板１００を配置し、図１（ｂ）のように、同一反応炉内で、テンプレート基板１００上にＭｇ吸着層１０３、活性層１０４、半導体層１０５を該製造装置で成長させる。活性層１０４はキャリアの注入で発光する層で、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造などである。半導体層１０５はＭｇをドーピングされており、Ｍｇを含むｐ型の半導体層である。また、半導体層１０５は、ｐ−ＧａＮの単層構造や、電子をブロックするｐ−ＡｌＧａＮとｐ−ＧａＮの２層構造などであり、ｐ型伝導の窒化物半導体であれば特に限定されない。
最後に、図１（ｃ）のように製造装置から、Ｍｇ吸着層１０３、活性層１０４、半導体層１０５を含む構造体を有する基板を取り出し、蒸着などで電流中注入のため基板表面に表面電極１０６を、基板裏面にと裏面電極１０７を形成する。
このようにして１つの窒化物半導体発光素子を製造する。図１（ａ）〜（ｃ）を繰り返すことで、複数の窒化物半導体発光素子を製造することができる。このとき、図１（ｂ）の工程は、複数の発光素子の製造工程において同一反応炉を用いて製造される。つまり、ある発光素子を製造した後、その発光素子で使用した反応炉に、基板を配置し、図１（ｂ）の工程を行って、別の発光素子を製造する。
Ｍｇ吸着層１０３が無い場合には、図１（ｂ）のように、Ｍｇを含むｐ型の半導体層１０５を形成することにより、Ｍｇが反応炉内に付着する。そして、次の発光素子を製造する際に、基板１００の上に活性層１０４を作成する際に、反応炉部材に付着していたＭｇが脱離して、活性層１０４に入ってしまう。このため、活性層１０４内で非発光再結合が増加し発光効率が低下する。
これに対してＭｇ吸着層１０３を基板１００と活性層１０４の間に設けることにより、活性層１０４の成長の前に、Ｍｇ吸着層１０３を成長させることで脱離したＭｇを効率よく取り込ませることができ、活性層１０４中にＭｇが混入することを防ぐ。
次に、Ｍｇ吸着層１０３について説明する。
Ｍｇ吸着層１０３は先に述べたように、基板を加熱した際に反応炉部材から脱離したＭｇを取り込み活性層１０４へ混入することを抑制する。
Ｍｇ吸着層１０３はＩｎを含む窒化物半導体であり、具体的にはＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮなどである。
図２に、Ｍｇ吸着層１０３についての実験例の結果を示す。
図２（ａ）、（ｂ）はＭｇのメモリー効果の影響についてＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）を用いて深さ方向分析を行った結果である。
まず、実験例のサンプルの作製方法について説明する。
予め下地層１０２としてＧａＮを形成したテンプレート基板１００を用意する。その後に、Ｍｇ原料を使用した履歴のあるＭＯＣＶＤ装置にテンプレート基板１００をセットし、活性層１０４を成長させる。
図２（ａ）はテンプレート基板１００上に活性層１０４として３周期のＩｎＧａＮ／Ｇ
ａＮのＭＱＷｓ（多重量子井戸）を直接成長させたサンプルのＳＩＭＳの結果である。
図２（ｂ）は、テンプレート基板１００上にＭｇ吸着層１０３として厚さ７０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎを成長させた後に、活性層１０４として２周期のＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷｓを成長させたサンプルの結果である。
図２（ａ）の活性層１０４を直接成長させたサンプルでは、活性層１０４中にＭｇが検出されていた。
特に、図中に矢印で示したＩｎが検出されている領域がＩｎＧａＮ量子井戸で、Ｍｇが多く検出されている。
以上のことからＭｇがＩｎＧａＮ量子井戸中に特に取り込まれ易いと言える。
図２（ｂ）のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎを挿入したサンプルでは、Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎのテンプレート基板１００側から活性層１０４側へ向かってＭｇ濃度が減少し、約３０ｎｍ成長したところでＭｇ濃度が検出限界以下までさがっていることが分かる。
次に、Ｍｇ吸着層１０３の効果をＬＥＤ（発光ダイオード）の光出力で比較した結果を表１に示す。
［表１］


Ｍｇ吸着層が“無し（従来製造法）”のサンプルは、Ｍｇ原料を使用した履歴のある製造装置で、基板上に厚さ５μｍの分厚い下地層とＬＥＤ構造を一括で成長させたものである。分厚い下地層を形成することで下地層成長中にＭｇを脱離させ活性層へのＭｇ混入を防いでいる。
このサンプルを基準とする。
残りのサンプルは、下地層１０２として厚さ５μｍのｎ−ＧａＮを形成したテンプレート基板１００を予め準備しておき、その後、Ｍｇ原料を使用した履歴のある製造装置にテンプレート基板をセットし所望のＬＥＤ構造を成長させたものである。
構造として、Ｍｇ吸着層１０３が無いＬＥＤと、Ｍｇ吸着層１０３としてＩｎＧａＮ層やＧａＮ層を挿入したＬＥＤである。
Ｍｇ吸着層が“無し”のＬＥＤ、つまり、テンプレート基板１００上に活性層から成長したものは従来製造法と比べ光出力比が０．１０に低下した。
基板を加熱した際に反応炉に付着していたＭｇが脱離し活性層中に混入し、それが原因で発光効率が低下した。
次に、Ｍｇ吸着層１０３としてＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層を７０ｎｍ挿入したものは、光出力比が１．１と従来製造法と同等であった。
Ｉｎ0.01Ｇａ0.99ＮにＭｇが吸着され活性層１０４へのＭｇの混入を防いだからである。Ｍｇ吸着層１０３としてＧａＮを７０ｎｍ、又は１５０ｎｍ挿入したものは、光出力比がそれぞれ０．１０、０．１８であった。Ｍｇ吸着層１０３がＧａＮ層では効果が無いことが分かる。
また、ＧａＮ層を約２倍に厚くしても効果が無いことが分かる。すなわち、Ｍｇ吸着層１０３はＩｎを含まないとＭｇのメモリー効果を抑制する効果が無いことが分かる。
以上のＳＩＭＳの分析結果とＬＥＤの光出力比較の実験結果から、Ｉｎを含むＭｇ吸着層１０３を挿入することで、Ｍｇ吸着層１０３がＭｇを取り込むことで、活性層１０４中
に混入することを防ぐことが可能であることが分かる。
Ｍｇ吸着層１０３の厚さについては、Ｍｇ吸着層１０３の成長開始から厚さ３０ｎｍ程度にかけてＭｇの濃度が下がることから厚さは３０ｎｍ以上が好ましい。Ｍｇ吸着層１０３から活性層１０４へのＭｇの拡散を防ぐことを考慮すると、厚さ５０ｎｍ以上がより好ましい。さらに好ましくは厚さ７０ｎｍ以上である。また、Ｍｇ吸着層１０３の厚さは、１０００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは５００ｎｍ以下、更に好ましくは３００ｎｍ以下である。
テンプレート基板１００上にバッファ層を形成しても良い。
例えば、下地層１０２の表面に研磨傷等がある場合、井戸層とバリア層のヘテロ界面が急峻な量子井戸構造などが成長出来ない。そこで結晶品質を向上するためのバッファ層を挿入する。Ｍｇ吸着層１０３がバッファ層を兼ねても良いし、Ｍｇ吸着層１０３とバッファ層の多層構造になっても良い。
しかし、Ｍｇ吸着層１０３、又はバッファ層を厚くすると製造時間が延び原料使用量も増えコストが増える。
従って、テンプレート基板１００と活性層１０４との間の距離は、好ましくは１０００ｎｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下、更に好ましくは３００ｎｍ以下にする。この距離の規定は、テンプレート基板１００を反応炉内に搬入した後、反応炉内で、テンプレート基板１００上に活性層より先に形成されるＭｇ吸着層１０３を含む１つ以上の半導体層の総厚を規定している。例えば、テンプレート基板１００の上に直接、Ｍｇ吸着層１０３を形成する場合には、上記の距離は、Ｍｇ吸着層１０３のテンプレート基板１００側（基板１０１側）の界面から活性層１０４のテンプレート基板１００側（基板１０１側）の界面までの距離を意味している。テンプレート基板１００の上にＭｇ吸着層１０３を形成する前に別の半導体層を形成する場合には、上記の距離は、その半導体層のテンプレート基板１００側（基板１０１側）の界面から活性層１０４のテンプレート基板１００側（基板１０１側）の界面までの距離を意味している。
Ｍｇ吸着層１０３のＩｎＮモル分率が高すぎる場合、Ｍｇ吸着層１０３のバンドギャップが小さくなり、活性層１０４の光を吸収してしまう。
従って、Ｍｇ吸着層１０３のバンドギャップが活性層１０４のバンドギャップより大きくなるようにＩｎＮモル分率を調整する。
例えばＭｇ吸着層１０３がＩｎxＧａ1-xＮからなり、活性層１０４がＩｎyＧａ1-yＮからなる場合、０＜ｘ＜ｙの関係である。
Ｍｇのメモリー効果を防ぐ手段として、洗浄等と比べ低コストで実施できる熱処理工程を、テンプレート基板１００を反応炉へ搬入する前で、かつ各発光素子を製造する１サイクルの間に実施しても良い。
半導体の製造に使用したＭｇだけでなく他の原料の化合物も反応炉部材に付着している。従って、熱処理でこれらを脱離させることで高品質な活性層１０４が形成でき、本発明の効果をより高めることができる。
以上の本実施形態によって、厚さ３０ｎｍ程度の極薄膜のＩｎを含む窒化物半導体を挿入するという低コストで実施できる手法で、Ｍｇのメモリー効果が原因で生じる活性層１０４へのＭｇ混入、及び発光効率の低下を防ぐことができる。
（実施形態２）
実施形態２として、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法を適用したＶＣＳＥＬ（垂直共振器型面発光レーザ）の製造方法について説明する。
具体的には、下部ＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）と活性層と上部ＤＢＲを備えたＶＣＳＥＬで、下部ＤＢＲと活性層の間に電流狭窄層を挿入した構造の製造方法である。
このような本実施形態のＶＣＳＥＬの製造方法について、図３（ａ）〜（ｄ）を用いて説
明する。このＶＣＳＥＬは、図３（ａ）〜（ｄ）を複数回繰り返すことで、複数のＶＣＳＥＬを製造することができる。
まず、実施形態１と同じようにテンプレート基板１００を用意する。
図３（ａ）のように、ｎ型の下部ＤＢＲ１０８と機能層１０９ａから構成される下地層１０２をＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ、ＭＢＥや、ＰＣＶＤ、スパッタなどで形成する。
下部ＤＢＲ１０８は高屈折率層と低屈折率層が多層に積層され、高屈折率層としてＧａＮやＩｎＧａＮなど、低屈折率層としてＡｌＮやＡｌＧａＮなどで構成する。機能層１０９ａは電流狭窄層としてＡｌＮや高ＡｌＮモル分率のＡｌＧａＮなどの高抵抗層で構成する。
次に、基板を製造装置から取り出し、フォトリソグラフィーとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）などのドライエッチングを用いて、電流経路を形成するために機能層１０９ａの一部を除去する。
リソグラフィーとドライエッチングで電気的な機能（ここでは電流狭窄機能）を持つ機能構造１０９ｂを形成する。以上の工程で図３（ｂ）の様なテンプレート基板１００が用意出来る。
また、テンプレート基板１００の別の構成として下部ＤＢＲ層の代わりにＧａＮなどの半導体層で構成し、その半導体層の一部に誘電体のＤＢＲを埋め込んだ構造でも良い。
次に、テンプレート基板１００上に残りのＶＣＳＥＬ構造を成長させる。製造装置はＭＯＣＶＤなどを用い、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のある反応炉部材で反応炉を構成した製造装置をそのまま用いる。
また、該製造装置はテンプレートを用意するのに使用した製造装置と同じであっても良い。
該製造装置にテンプレート基板１００をセットし、Ｍｇ吸着層１０３、活性層１０４を同一反応炉内で形成する。昇温の際に反応炉部材から脱離したＭｇはＭｇ吸着層１０３で取り込まれ、活性層１０４へＭｇが混入することを防ぐ。
下地層１０２と活性層１０４との間には、実施形態１と同じようにバッファ層をスペーサ層として挿入しても良い。
また、Ｍｇ吸着層１０３がスペーサ層を兼ねても良い。
次に、図３（ｃ）のように、活性層１０４上にＭｇを含むｐ型の半導体層である上部ＤＢＲ１１０を形成する。
別の構造として、活性層１０４上にＭｇを含むｐ型半導体層を形成し、さらにその上に誘電体のＤＢＲを形成しても良い。
最後に製造装置からＭｇ吸着層１０３、活性層１０４を含む構造体を有する基板を取り出し、図３（ｄ）の様に、蒸着などで基板の表面と裏面に電流注入のための表面電極１０６と裏面電極１０７を形成する。
以上の工程により、ＶＣＳＥＬが完成する。
（実施形態３）
実施形態３として、本発明による窒化物半導体発光素子の製造方法を適用した１次元の回折格子を用いたＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ）や、２次元フォトニック結晶を用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。
具体的には、ｎ型の下部クラッド層と活性層と上部クラッド層を備えた構成で、下部クラッド層と活性層の間に回折格子を挿入した構造の製造方法である。
このような実施形態３のＤＦＢレーザやフォトニック結晶面発光レーザの製造方法について、図４（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。ＤＦＢレーザやフォトニック結晶面発光レーザを複数製造するために、図４（ａ）〜（ｄ）を繰り返す。
まず、実施形態１と同じように基板１０１上に下地層１０２が形成されたテンプレート基板１００を用意する。
図４（ａ）の様に下部クラッド層１１１と機能層１０９ａから構成される下地層１０２を
ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ、ＭＢＥや、ＰＣＶＤ、スパッタなどで形成する。基板を製造装置から取り出し、フォトリソグラフィーや電子ビームリソグラフィーとＲＩＥやＩＣＰなどのドライエッチングを用いて機能層１０９ａに光学的な機能をもつ機能構造１０９ｃを形成する。
機能構造１０９ｃは半導体層とそれより低屈折率な媒質で構成される、１次元又は２次元の回折格子である。回折格子の低屈折率媒質は、空気や誘電体などである。
以上の工程により図４（ｂ）の様なテンプレート基板１００を用意することが出来る。
次に、テンプレート基板１００上に残りのレーザ構造を成長させる。
製造装置はＭＯＣＶＤなどを用い、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のある反応炉部材で反応炉を構成した製造装置をそのまま用いる。
また、該製造装置はテンプレートを用意するのに使用した製造装置と同じであっても良い。
該製造装置にテンプレート基板１００をセットし、同一反応炉内でＭｇ吸着層１０３、活性層１０４を形成する。
昇温の際に反応炉部材から脱離したＭｇがＭｇ吸着層１０３で取り込まれ、活性層１０４へＭｇが混入することを防ぐ。
次に、図４（ｃ）の様に活性層１０４上にＭｇを含むｐ型の半導体層である上部クラッド層１１２を形成する。
最後に、製造装置からＭｇ吸着層１０３、活性層１０４を含む構造体を取り出し、図４（ｄ）の様に、蒸着などで基板の表面と裏面に電流注入のための表面電極１０６と裏面電極１０７を形成する。
以上の工程により、１次元のＤＦＢレーザ、または２次元のフォトニック結晶面発光レーザが完成する。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を適用した構成例について説明する。
具体的には、本実施例は青紫色発光ダイオードの作製例である。
図５に本実施例における青紫色発光ダイオードの断面模式図を示す。
基板１０１としてｎ型ＧａＮ基板５０１を用いる。実施形態１に記述したように、ｎ型ＧａＮ基板５０１は導電性があり、直接窒化物半導体が成長できるので、テンプレート基板１００としてｎ−ＧａＮ基板５０１をそのまま用いる。
次に、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のあるＭＯＣＶＤ装置にｎ−ＧａＮ基板５０１をセットする。
基板を加熱し、Ｍｇ吸着層１０３として厚さ５０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ５０３を成長させる。
続けて、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ井戸層と厚さ７．５ｎｍのＧａＮ層からなる多重量子井戸構造５０４を活性層１０４として成長させる。残りの半導体層１０５として、電子をブロックするための厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ５０５１と、電極形成のための厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮ５０５２の２層構造を成長させる。
次に、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、蒸着で基板表面に表面電極１０６としてＮｉ／Ａｕからなるｐ電極５０６を形成し、基板裏面に裏面電極１０７としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ電極５０７を形成する。
以上の工程により、青紫色発光ダイオードが完成する。
また、上記工程を繰り返すことで複数の発光ダイオードを製造することができる。
［実施例２］
実施例２として、本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の製造方法を適用した実施例１とは異なる形態の構成例について説明する。
具体的には、本実施例はＳｉ基板上に形成した青紫色発光ダイオードの作製例である。
図６に、本実施例における青紫色発光ダイオードの断面模式図を示す。
始めにテンプレート基板１００を用意する。
まず、基板１０１としてｎ型Ｓｉ基板６０１を用いる。
次に、スパッタ法でｎ型Ｓｉ基板上に下地層１０２として、厚さ２０ｎｍのｎ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ｎ６０２１と厚さ２μｍのｎ−ＧａＮ６０２２の２層構造を形成する。これらにより、テンプレート基板１００を用意することができる。
次に、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のあるＭＯＣＶＤ装置にテンプレート基板１００をセットする。
基板を加熱し、Ｍｇ吸着層１０３として厚さ３０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ６０３を成長させる。
続けて、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ井戸層と厚さ７．５ｎｍのＧａＮ層からなる多重量子井戸構造６０４を活性層１０４として成長させる。残りの半導体層１０５として、電子をブロックするための厚さ２０ｎｍのｐ−Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ６０５１と電極形成のための厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＮ６０５２の２層構造を成長させる。
次に、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、蒸着で基板表面に表面電極１０６としてＮｉ／Ａｕからなるｐ電極６０６を形成し、基板裏面に裏面電極１０７としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ電極６０７を形成する。
以上の工程により、Ｓｉ基板上の青紫色発光ダイオードが完成する。
また、上記工程を繰り返すことで複数の発光ダイオードを製造することができる。
［実施例３］
実施例３として、本発明の実施形態２における窒化物半導体発光素子の製造方法を適用したＶＣＳＥＬの製造方法について説明する。
図７に、本実施例におけるＶＣＳＥＬの断面模式図を示す。
始めにテンプレート基板１００を用意する。基板１０１として、ｎ型ＧａＮ基板７０１を用いる。
ＭＯＣＶＤ装置で、下地層１０２として、ｎ型ＧａＮ基板７０１上に下部ＤＢＲ１０８として３０ペアのｎ−ＧａＮ／ｎ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50ＮからなるＤＢＲ７０８と、電流狭窄のための機能層１０９ａとしてＡｌＮを１０ｎｍ成長させる。
次に、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出して、フォトリソグラフィーで直径８μｍの円形パターンを形成する。
ドライエッチングで円形パターン状のＡｌＮを除去することで、機能構造１０９ｂとしてＡｌＮを絶縁層とする電流狭窄構造７０９ｂを形成する。
以上の工程により、テンプレート基板１００を準備することができる。
次に、テンプレート基板１００を、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のあるＭＯＣＶＤ装置にセットする。
そして、電流狭構造７０９ｂ上にスペーサ層としてｎ−ＧａＮを５０ｎｍ成長して平坦化し、その後Ｍｇ吸着層１０３としてＩｎ0.01Ｇ0.99ａＮ７０３を７０ｎｍ成長させる。
次に、活性層１０４として、厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ量子井戸層と厚さ７．５ｎｍのＧａＮ障壁層からなる３周期のＭＱＷｓ７０４を成長させる。
残りの層として、電子ブロック層として厚さ２０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ７１３、そして上部ＤＢＲ１１０として５ペアのｐ−ＧａＮ／ｐ−Ａｌ0.10Ｇａ0.90ＮからなるＤＢＲ７１０を成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、基板表面に表面電極１０６として窓付のＮｉ／Ａｕ
からなるｐ電極７０６、裏面電極１０７としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ電極７０７を形成する。
最後に、ｐ電極７０６の窓部分に７ペアＳｉＯ2とＴａ2Ｏ5からなる誘電体ＤＢＲ７１５
を形成してＶＣＳＥＬが完成する。
また、上記工程を繰り返すことで複数のＶＣＳＥＬを製造することができる。
［実施例４］
実施例４として、本発明の実施形態３における１次元の回折格子を用いたＤＦＢレーザの製造方法について説明する。
図８に、本実施例におけるＤＦＢレーザの断面模式図を示す。
始めにテンプレート基板１００を用意する。基板１００としてｎ型ＧａＮ基板８０１を用いる。
ＭＯＣＶＤ装置で、下地層１０２として、ｎ型ＧａＮ基板８０１上に下部クラッド層１１１としてｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ８１１を７００ｎｍ、機能層１０９ａとしてＧａＮを５０ｎｍ成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＥＢリソグラフィーとドライエッチングでＧａＮと空気からなり１周期が８０ｎｍの周期構造を形成することで、光学的な機能をもつ機能構造１０９ｃとして１次元の回折格子８０９ｃが形成される。以上の工程により、テンプレート基板１００を準備することができる。
次に、テンプレート基板１００を、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のあるＭＯＣＶＤ装置にセットする。
そして、回折格子８０９ｃ上にＧａＮを成長させて空洞上部を塞ぎ、その上にＭｇ吸着層１０３として厚さ７０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ８０３を成長させる。次に、活性層１０４として厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ量子井戸、厚さ７．５ｎｍの障壁層からなる量子移動構造８０４を３周期成長させる。
残りの層として、電子ブロック層として厚さ２０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ８１３、上部クラッド層１１２として厚さ５００ｎｍのｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ８１２、電極形成のためのｐ−ＧａＮ層８１４を成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、基板表面に表面電極１０６として窓付のＮｉ／Ａｕからなるｐ電極８０６、裏面電極１０７としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ電極８０７を形成してＤＦＢレーザが完成する。
また、上記工程を繰り返すことで複数のＤＦＢレーザを製造することができる。
［実施例５］
実施例５として、本発明の実施形態３における２次元の回折格子を用いた２次元フォトニック結晶面発光レーザの製造方法について説明する。
図９に、本実施例における２次元フォトニック結晶面発光レーザの断面模式図を示す。
始めにテンプレート基板１００を用意する。基板１００としてｎ型ＧａＮ基板９０１を用いる。
ＭＯＣＶＤ装置で、下地層１０２として、ｎ型ＧａＮ基板９０１上に下部クラッド層１１１としてｎ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ９１１を８００ｎｍ、機能層１０９ａとしてＧａＮを１６０ｎｍ成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出して、ＥＢリソグラフィーとドライエッチングでＧａＮと空孔からなる２次元周期構造（２次元フォトニック結晶層）を形成することで、光学的な機能をもつ機能構造１０９ｃとして２次元の回折格子９０９ｃが形成される。
回折格子９０９ｃの構造は、空孔の配置が正方格子で単位格子長さ１６０ｎｍ、空孔の直径６０ｎｍである。
以上の工程により、テンプレート基板１００を準備することができる。
次に、テンプレート基板１００を、Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のあるＭＯＣＶＤ装置にセットする。
そして、回折格子９０９ｃ上にＧａＮを成長させて空洞を塞ぎ、その上にＭｇ吸着層１０３として厚さ７０ｎｍのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ９０３を成長させる。次に、活性層１０４として厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.10Ｇａ0.90Ｎ量子井戸、厚さ７．５ｎｍの障壁層からなる量子移動構造９０４を３周期成長させる。残りの層として、電子ブロック層として厚さ２０ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ９１３、上部クラッド層１１２として厚さ５００ｎｍのｐ−Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ９１２、電極形成のためのｐ−ＧａＮ層９１４を成長させる。
基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、基板表面に表面電極１０６としてＮｉ／Ａｕからなるｐ電極９０６、裏面電極１０７としてＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなるｎ電極９０７を形成して２次元フォトニック結晶面発光レーザが完成する。
また、上記工程を繰り返すことで複数の発光レーザを製造することができる。
１００：テンプレート基板
１０１：基板
１０２：下地層
１０３：Ｍｇ吸着層
１０４：活性層
１０５：半導体層
１０６：表面電極
１０７：裏面電極
１０８：下部ＤＢＲ
１０９：１１０ａ：機能層
１１０ｂ：機能構造
１１１：下部クラッド層
１１２：上部クラッド層

Claims (17)

  1. 窒化物半導体を有する活性層を備えた発光素子の製造方法であって、
    Ｍｇ原子を含む原料を使用した履歴のある反応炉内で、基板の上に、Ｉｎを含む層を形成する工程と、
    前記層の上に窒化物半導体を有する活性層を形成する工程と、
    を有することを特徴とする発光素子の製造方法。
  2. 前記層の厚さが、３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。
  3. 前記層の厚さが、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光素子の製造方法。
  4. 前記層のバンドギャップが、前記活性層のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
  5. 前記層がＩｎxＧａ1-xＮを有し、
    前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮを有する、
    ０＜ｘ＜ｙの関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の発光素子の製造方法。
  6. 前記基板を前記反応炉内に搬入する前に、前記反応炉を熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
  7. 窒化物半導体を有する活性層とＭｇを含むｐ型の半導体層とを備えた複数の発光素子の製造方法であって、
    基板の上に、Ｉｎを含む層を形成する工程と、
    前記Ｉｎを含む層の上に窒化物半導体を有する活性層を形成する工程と、
    前記活性層の上にＭｇを含むｐ型の半導体層を形成する工程と、を順に繰り返すことを特徴とする複数の発光素子の製造方法。
  8. 前記層の厚さが、３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項７に記載の複数の発光素子の製造方法。
  9. 前記層の厚さが、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の複数の発光素子の製造方法。
  10. 前記層のバンドギャップが、前記活性層のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の複数の発光素子の製造方法。
  11. 前記層がＩｎxＧａ1-xＮを有し、
    前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮを有し、
    ０＜ｘ＜ｙの関係を満たすことを特徴とする請求項１０に記載の複数の発光素子の製造方法。
  12. 前記基板を反応炉内に搬入する前に、前記反応炉を熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の複数の発光素子の製造方法。
  13. 基板の上のＩｎとＭｇとを含む層と、
    前記層の上の窒化物半導体を有する活性層と、
    前記活性層の上のＭｇを含むｐ型の半導体層と、
    を有することを特徴とする発光素子。
  14. 前記層のＭｇ濃度は、前記基板側から前記活性層側へ向かって減少していることを特徴とする請求項１３に記載の発光素子。
  15. 前記層の厚さが、３０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の発光素子。
  16. 前記層の厚さが、１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１項に記載の発光素子。
  17. 前記層がＩｎxＧａ1-xＮを有し、
    前記活性層がＩｎyＧａ1-yＮを有し、
    ０＜ｘ＜ｙの関係を満たすことを特徴とする請求項１３から１６のいずれか１項に記載の発光素子。
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