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JP3517091B2 - 窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系半導体発光素子およびその製造方法

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JP3517091B2
JP3517091B2 JP17948997A JP17948997A JP3517091B2 JP 3517091 B2 JP3517091 B2 JP 3517091B2 JP 17948997 A JP17948997 A JP 17948997A JP 17948997 A JP17948997 A JP 17948997A JP 3517091 B2 JP3517091 B2 JP 3517091B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系半
導体発光素子およびその製造方法に関する。より詳しく
は、本発明は、光とキャリアの閉じこめ効率が高く、リ
ーク電流も抑制された窒化ガリウム系半導体発光素子お
よびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム系半導体は、その光学遷移
が直接遷移型であるために、高効率で発光再結合を生じ
させることができる。また、その遷移エネルギの範囲
は、種々の組成に対して、２〜６．２エレクトロンボル
トと広い。したがって、窒化ガリウム系半導体を用いた
発光素子は、特に短波長において高輝度な発光が得られ
る素子として種々の応用分野において期待されている。
【０００３】なお、本明細書において「窒化ガリウム系
半導体」とは、Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1- x-y Ｎ（０≦ｘ≦
１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成
比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組
成の半導体を含むものとする。例えば、ＩｎＧａＮ（ｘ
＝０．４、ｙ＝０）も「窒化ガリウム系半導体」に含ま
れるものとする。
【０００４】従来の窒化ガリウム系半導体発光素子は、
サファイアなどの略平坦な基板上に各種の窒化ガリウム
結晶の平坦層を順次成長した積層構造体を備えることが
通常であった。例えば、半導体発光素子として代表的な
構造であるダブルヘテロ型構造は、基板上に適当なバッ
ファ層を介して、クラッド層、活性層、クラッド層を順
次積層して得られる。このようなダブルヘテロ型構造
は、注入キャリアと活性層で生ずる発光とを効果的に閉
じこめることができるので、特に高性能な半導体レーザ
を作成する際には不可欠な構成である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、高性能の半導
体レーザを実現するためには、単にダブルへテロ構造と
するだけでは十分でなく、電流と光とを活性層により高
い効率で閉じこめる必要がある。これに対して、従来の
窒化ガリウム系半導体を用いた発光素子では、このよう
な電流と光の高効率な閉じこめが困難であった。この事
情について以下に詳述する。
【０００６】まず、電流を効率的に閉じこめるために
は、平坦に積層された活性層を加工して、電流を集中さ
せるための構造を形成する必要がある。この方法として
従来多用されているのは、活性層を狭いメサ状に加工
し、それを結晶成長により埋め込む方法であった。しか
し、窒化ガリウム系発光素子においては、活性層をスト
ライプ状にエッチング加工するためのエッチング方法と
してドライ・エッチング法を用いると、エッチング面に
ダメージを与え易く、良好な電流特性が得られないとい
う問題があった。また、ウエット・エッチング法を用い
れば、エッチング面に与えるダメージは少ないが、窒化
ガリウム系半導体に対して、良好なウエットエッチング
方法は未だ見出されてないという問題もあった。
【０００７】一方、窒化ガリウム系半導体の場合は、メ
サ状の活性層の埋め込み成長も極めて困難であった。そ
して、不完全に埋め込むことが出来ても、異常成長が発
生しやすく、電流リークが発生しやすいという問題もあ
った。
【０００８】以上のような事情から、従来の窒化ガリウ
ム系半導体を用いた発光素子では、効果的な電流狭窄が
容易ではなかった。
【０００９】また、従来の窒化ガリウム系半導体を用い
た発光素子では、光の閉じこめも同様に容易ではなかっ
た。すなわち、活性層に効率的に光を閉じこめるために
は、クラッド層に対して活性層の屈折率をなるべく高く
することが必要とされる。ここで、窒化ガリウム系半導
体の場合、屈折率を高くするためには、インジウムの組
成を高くすることが必要である。しかし、インジウムの
組成を高くしていくと結晶品位が低下し、活性層として
の必要な特性を維持することが困難になるという問題が
あった。
【００１０】また、窒化ガリウム系半導体の結晶成長法
として多用されている有機金属化学気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ）においては、インジウム組成を高くするために
は、結晶成長温度を低く設定することが必要とされる。
しかし、このように結晶成長温度を低くすると、得られ
る結晶の品質がさらに劣化し、発光素子の諸特性が低下
するという問題もあった。すなわち、従来の窒化ガリウ
ム系半導体発光素子では、インジウム組成を高くするこ
とによって、高効率なレーザ発振や短波長化を実現する
ことが困難であった。
【００１１】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、本発明は、効率的に電流狭窄と光の
閉じこめとが実現できる窒化ガリウム系半導体発光素子
およびその製造方法を提供することを目的とするもので
ある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明による
窒化ガリウム系半導体発光素子は、基板と、前記基板上
に形成された所定の開口を有する絶縁膜と、前記所定の
開口の部分に選択的に成長され、その層厚が前記開口の
中央部付近で薄く、端部において厚い層厚分布を有する
窒化ガリウム系半導体バッファ層と、前記バッファ層の
上に選択的に成長され、その層厚が、前記開口の中央部
付近で厚く、端部において薄い層厚分布を有する窒化ガ
リウム系半導体活性層と、前記絶縁膜と前記活性層との
上に成長され、前記活性層を埋め込んでいる窒化ガリウ
ム系半導体埋め込み層と、を備えたことを特徴とするも
のして構成され、電流と光とを極めて高い効率で閉じこ
めることにより、発光強度が高く、発振しきい値が低
く、短波長化が可能とすることができる。
【００１３】また、基板上に形成された所定の開口を有
するマスク層の上に全面に渡って窒化ガリウム系半導体
を堆積することにより、開口部において、活性層の組成
比を制御し、光を効率的に閉じこめることができるよう
になる。
【００１４】さらにそのマスク層として電気的な絶縁性
を有する材料を用いると、マスク層により電流を閉じこ
めることも同時に可能となる。
【００１５】一方、基板上に形成された絶縁膜の所定の
開口の部分に選択的にバッファ層を成長するに際して、
より長時間成長すると、開口上に錐状に突出し、その層
厚が前記開口の中央部付近で厚く、端部において薄い層
厚分布を有するバッファ層を得ることができ、このバッ
ファ層の上にクラッド層と活性層とを成長すると、開口
の中央部付近で膜厚が厚く、組成が変化するようにする
ことができる。このようにして、活性層により効率的に
電流と光とを閉じこめることができる。
【００１６】また、このような選択成長の温度は、６０
０〜１２００℃の間とすることが望ましい。
【００１７】一方、埋め込み成長の際には、４００〜６
００℃の範囲で多結晶状の窒化ガリウム層を堆積し、そ
の後に６００℃以上に昇温して、再結晶化させ単結晶膜
とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照しつつ、本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１
の実施の形態に係わる窒化ガリウム系半導体発光素子の
構成を表す概略図である。すなわち、同図（ａ）は、発
光素子の概略斜視図であり、同図（ｂ）は、その活性層
付近の要部端面図である。本発明による発光素子１０
は、基板１２上に複数の半導体層が順次形成された積層
構造体を有する。この積層構造体は、基板１２上に、ま
ず、第１のバッファ層１４、ｎ型層１６、および絶縁膜
１８が順次積層されている。基板１２としては、例えば
サファイア・ウェーハを用いることができる。また、バ
ッファ層１４は窒化ガリウム（ＧａＮ）とし、ｎ型層１
６は、ｎ型の窒化ガリウムとすることができる。絶縁膜
１８の材料は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸
化アルミニウム、炭化シリコン、あるいは窒化アルミニ
ウムなどとすることができる。また、その膜厚は、１０
０〜７００ｎｍの範囲内とすることが望ましい。
【００１９】絶縁膜１８には、素子の中央付近でストラ
イプ状に開口１８Ａが設けられ、その開口１８Ａの上に
は、層２２〜３０からなる選択成長領域２０が形成され
ている。図１（ｂ）は、この選択成長領域２０を拡大し
たものである。同図に表したように、選択成長領域２０
においては、ｎ型バッファ層２２ ｎ型クラッド層２
４、活性層２６、ｐ型クラッド層２８、およびｐ型バッ
ファ層３０が、選択的に成長されている。ここで、各層
の材料としては、例えば、ｎ型バッファ層２２はｎ型Ｇ
ａＮ、ｎ型クラッド層２４はｎ型ＧａＡｌＮ、活性層２
６はＧａＩｎＮ、ｐ型クラッド層２８はｐ型ＧａＡｌ
Ｎ、ｐ型バッファ層３０はｐ型ＧａＮとすることができ
る。ここで、ｎ型バッファ層２２は、絶縁膜の開口１８
Ａに選択成長する際のバッファ層としての役割を有す
る。また、ｐ型バッファ層３０は、選択成長領域の成長
面の凹凸を埋めて平坦化する役割を有する。
【００２０】絶縁膜１８と選択成長領域２０との上に
は、第２のバッファ層４０、ｐ型層４２、およびｐ型コ
ンタクト層４４が積層されている。これらの層は、例え
ば、それぞれ窒化ガリウムとすることができる。
【００２１】基板１２上に形成された、この積層構造体
は、ｎ型層１６が露出するまで、その一部が除去され、
ｎ型層１６の表面には、ｎ側電極５０が形成されてい
る。また、ｐ型コンタクト層４４の表面には、ｐ側電極
５２が形成されている。さらに、必要に応じて、その表
面が図示しない保護膜により覆われている。
【００２２】本発明によれば、活性層２０の周囲に絶縁
膜１８が設けられ、さらに全体が埋め込み成長により埋
め込まれていることにより、いわゆる内部ストライプ型
プレーナ構造が実現されている。この構造により、発光
素子のリーク電流を抑制しつつ、電流狭窄を極めて効率
的に実現することができる。
【００２３】さらに、本発明によれば、絶縁膜１８をマ
スクとして開口１８Ａに選択成長を行うことにより、そ
の領域に成長する活性層が一定の層厚分布をもって形成
されている。後に詳述するように、このような層厚分布
は、選択成長する際に、活性層の成長速度が場所ごとに
異なることに起因している。そして、その結果として、
活性層中のインジウムの組成が場所毎に異なる。すなわ
ち、活性層のうちで、成長速度の遅い端部付近では、イ
ンジウム組成は低く、成長速度の速い活性層の中央付近
では、インジウム組成は高くなる。このような活性層の
膜厚やインジウム組成の分布により、活性層の中央部の
屈折率を高くして、光の閉じこめを効率的に実現するこ
とができる。
【００２４】次に、本発明による発光素子の製造方法に
ついて説明する。図２は、本発明による窒化ガリウム系
半導体発光素子の製造方法の要部を表す概略工程断面図
である。まず、同図（ａ）に示したように、基板１２上
に第１のバッファ層１４、ｎ型層１６を順次成長する。
この成長法としては、例えば、有機金属化学気相成長
（ＭＯＣＶＤ）法や、化学ビーム・エピタキシャル（Ｃ
ＢＥ）法、あるいはハイドライド気相成長法などを用い
ることができる。以降の説明においては、ＭＯＣＶＤ法
を用いた場合について述べる。
【００２５】第１のバッファ層１４の成長に際しては、
特に、成長温度を低く設定した低温成長とすることによ
り良好なエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００２６】次に、図２（ｂ）に示したように、絶縁膜
１８を堆積し、中央付近をストライプ状にパターニング
除去して開口１８Ａを形成する。絶縁膜１８の堆積法と
しては、例えば熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法あるいは
スパッタ法などを用いることができる。
【００２７】次に、図２（ｃ）に示したように、パター
ニングにより形成された窓部に選択成長を行う。すなわ
ち、ＭＯＣＶＤ法などの成長法により、ｎ型層２２、ｎ
型クラッド層２４、活性層２６、ｐ型クラッド層２８お
よびｐ型層３０とを順次、選択的に成長する。本発明者
は、独自の検討の結果、この選択成長のための最適な条
件を見出した。すなわち、この際の成長温度は、各クラ
ッド層２４、２８は６００〜１２００℃程度であり、イ
ンジウムを含有する活性層２６は６００〜９００℃程度
とすることが望ましい。成長温度をこのような範囲に設
定すると、絶縁膜の開口１８Ａの部分にのみ選択的に結
晶成長が進み、絶縁膜１８上での結晶成長は起こらな
い。このために、絶縁膜１８上では、結晶成長中に、原
料の供給過剰状態となる。その結果として、最初に成長
するｎ型層２２は、開口１８Ａの端に近い場所ほど成長
速度が速くなり、成長表面は平坦にならない。すなわ
ち、図２（ｃ）に示したようにバッファ層２２は、成長
速度の速い両端部が凸状に突出し、中央部が相対的に凹
状に窪んだ表面形状を形成する。このような形状のｎ型
層２２の上に積層されるクラッド層２４や活性層２６
は、もはや、周囲の絶縁膜上の原料の過剰な供給状態に
影響されることが少なく、図２（ｃ）に示したように、
ｎ型層２２の表面形状を平坦化するように成長する。す
なわち、ｎ型層２２の上にクラッド層２４、活性層２
６、クラッド層２８、ｐ型層３０と積層するに従って、
ｎ型層２２の中央の凹部が埋め込まれて、表面形状が緩
和され、平坦化される。
【００２８】ここで、成長した活性層２６の断面形状を
みると、活性層２６においては、その中央付近の成長速
度が端部よりも速くなる。ＭＯＣＶＤ法においては、成
長速度が速いほどインジウム組成が高くなるという傾向
がある。従って、活性層２６は、その中央付近のインジ
ウム組成が周辺部よりも高くなる。したがって、活性層
２６は中央付近の屈折率が高くなる分布を有し、光をよ
り効率的に閉じこめることができる。すなわち、本発明
によれば、選択成長の成長速度の分布を利用して、活性
層の光閉じこめ効率を向上させることができる。しか
も、本発明によれば、活性層におけるインジウム組成の
分布を成長表面の凹凸の形状により制御している。従っ
て、比較的高い温度で成長しても高いインジウム組成を
有する結晶が得られるという効果が得られる。すなわ
ち、従来は、インジウム組成を高くするためには成長温
度を下げる必要があった。しかし、成長温度が低いと、
良質の結晶が得られにくいという問題があった。これに
対して、本発明によれば、比較的高い成長温度でも高い
インジウム組成の結晶を成長することが可能となり、そ
の結果として、結晶の品質を従来よりも高くすることが
できるようになる。
【００２９】また、本発明によれば、ストライプ状に形
成された活性層２６の周囲は、絶縁膜１８により電気的
に絶縁されている。従って、注入された電流を極めて効
率的に活性層２６に閉じこめることができる。
【００３０】次に、図２（ｄ）に示したように、全体を
埋め込む結晶成長を行う。すなわち、第２のバッファ層
４０、ｐ型層４２、およびｐ型コンタクト層４４を順次
成長し平坦な表面を得る。ここで、本発明者の実験によ
れば、第２のバッファ層４０の成長の際に、成長温度を
４００〜６００℃の範囲に設定することにより、絶縁膜
１８と選択成長領域２０の双方の上にバッファ層を安定
して堆積できることが分かった。これよりも成長温度が
高いと、絶縁膜１８の上に安定して結晶を堆積すること
ができない。また、これよりも成長温度が低いと、原料
ガスの熱分解が効率的に生じず、原料が十分に供給され
ない。本発明者のさらなる検討の結果、この温度範囲で
得られるバッファ層４０は、当初は、多結晶状態である
ことが分かった。そして、その上にｐ型層４２を成長す
るために成長温度を１０００〜１２００℃に上昇させた
時に、再結晶化して、単結晶化することが分かった。こ
こで、バッファ層４０の膜厚は、１０〜１００ナノメー
タ程度であることが望ましい。これよりも薄いと、バッ
ファ層としての効果が得られず、これよりも厚いと、再
結晶化が容易に生じなくなるからである。
【００３１】図２（ｄ）に示したように、バッファ層４
０、ｐ型層４２、ｐ型コンタクト層４４を順次成長する
と、選択成長領域２０は埋め込まれて、ウェーハ表面は
平坦化する。
【００３２】最後に、図１（ａ）に示したように、ウェ
ーハ表面の一部分をｎ型層１６の表面が露出するまで、
エッチング除去し、ｎ側電極５０とｐ側電極５２とをそ
れぞれ形成する。また、図示しない保護膜や反射防止膜
などを適宜設けても良い。
【００３３】以上説明した一連の工程によって、プレー
ナ構造の内部ストライプ埋め込み型の半導体レーザ素子
が形成される。
【００３４】本発明によれば、絶縁膜の開口１８Ａの部
分に選択的に成長を行うことにより、電流と光とを極め
て効率的に閉じこめることができる構造を容易に実現す
ることが可能となる。さらに、本発明によれば、そのよ
うな選択成長領域を容易に埋め込むことができるように
なり、プレーナ型の内部ストライプ埋め込み型レーザを
容易に実現することができる。
【００３５】ここで、絶縁膜の開口１８Ａの幅は、活性
層２６に効率的に電流と光とを閉じこめるために、重要
な役割を有するパラメータである。一般的には、開口１
８Ａの幅は、２０ミクロン以下であることが望ましい。
さらに、高効率で閉じこめるためには、その幅は、５ミ
クロン以下とすることが望ましく、本発明者の実験結果
によれば、内部ストライプ構造における最適な開口幅
は、０．５〜１．５ミクロンであった。
【００３６】次に、本発明の変形例について説明する。
図３（ａ）〜（ｃ）は本発明による半導体発光素子の概
略工程断面図である。同図に示した発光素子において
は、基板６１の上にバッファ層６２、ｎ型層６４が堆積
され、その上に、絶縁膜マスク６６が形成されている。
絶縁膜マスク６６は、所定のパターンの開口６６Ａ、６
６Ａ、・・・を有する。ここで、開口６６Ａのパターン
は、例えば連続したストライプ状や、水玉状、メッシュ
状などの周期的なパターンとすることが望ましい。しか
し、開口形状は、同一の形状の繰り返しでなく、その形
や開口径が相互に異なるものであっても良い。
【００３７】この絶縁膜マスク６６の上には、第２のバ
ッファ層７０が堆積されている。この第２のバッファ層
７０の表面は、絶縁膜マスク６６の開口のパターンに従
って、同図に示したように、成長表面が窪んだ凹部を有
する。このバッファ層７０の上には、ｎ型クラッド層７
４、活性層７６、ｐ型クラッド層７８、ｐ型コンタクト
層８０が順次堆積されている。それぞれの層の材料とし
ては、例えば、ｎ型クラッド層７４をＡｌＧａＮ、活性
層７６をＡｌＩｎＧａＮ、ｐ型クラッド層７８をＡｌＧ
ａＮ、ｐ型コンタクト層８０をＧａＮとすることができ
る。
【００３８】バッファ層７０の上に堆積されるこれらの
結晶層は、バッファ層７０の表面の凹部を埋め込んで平
坦化するように堆積される。すなわち、活性層７６は、
同図中に符合Ｃで示したバッファ層凹部の中央付近にお
いて成長速度が周囲よりも速くなる。その結果として、
活性層７６はバッファ層凹部において、インジウムの組
成比が高くなり、屈折率が上昇して、光の閉じこめ効率
が改善される。
【００３９】すなわち、本発明によれば、活性層の組成
比を、絶縁膜の開口パターンに応じて、面内で意図的に
変化させることができる。しかも、成長終了時のウェー
ハ表面はほぼ平坦となるので、表面状態に起因する劣化
は少ない。また、本発明によれば、前述したように、成
長表面の凹凸形状によってインジウムの組成を制御する
ことができる。従って、成長温度を比較的高温としても
高いインジウム組成の結晶を得ることができるようにな
る。例えば、成長温度が９００℃の場合について説明す
ると、ＭＯＣＶＤ法により通常成長することができるイ
ンジウム組成は、従来は２〜３％が上限であった。しか
し、本発明によれば、成長表面の凹部におけるインジウ
ム組成は、最大で１０％近くまで上昇させることが可能
となる。
【００４０】なお、前述した例では、絶縁膜マスク６６
を用いた場合について説明した。しかし、本発明はこれ
に限定されるものではない。その他の例として、例え
ば、ｎ型ＧａＮ層をマスクとして、所定の開口を設け、
その上に所定の結晶層を成長しても良い。
【００４１】次に、本発明の他の変形例について説明す
る。図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明による発光素子の製
造工程を表す概略工程断面図である。この発光素子にお
いても、まず、同図（ａ）に示したように、基板１０１
上に、バッファ層１０２とｎ型層１０３とを堆積する。
基板１０１としては、例えばサファイアＣ面を主面とし
たウェーハを用いることができる。また、バッファ層１
０２としては、例えば、４００〜６００℃の成長温度に
おいて、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア
（ＮＨ３）を供給して成長するＭＯＣＶＤ法によるＧａ
Ｎ層を用いることができる。同様に、ｎ型層としては、
成長温度１０００〜１２００℃で、ＴＭＧ、ＮＨ３、シ
ラン（ＳｉＨ４）を供給して成長するｎ型ＧａＮとする
ことができる。ここで、ＭＯＣＶＤ法におけるキャリア
ガスとしては、例えば、窒素、水素、あるはこれらの混
合ガスを用いることができる。
【００４２】次に、同図（ｂ）に示したように、絶縁膜
１１１を堆積して、パターニングして開口１１１Ａを形
成する。絶縁膜１１１としては、例えば、酸化シリコ
ン、窒化シリコン、酸化アルミニウムなどを用いること
ができる。炭化シリコンや窒化アルミニウムなども用い
ることができるが、パターニングが容易でないという欠
点を有する。また、絶縁膜の堆積方法としては、熱ＣＶ
Ｄ法、プラズマＣＶＤ法あるいはスパッタ法などを用い
ることができる。
【００４３】次に、同図（ｃ）に示したように、ｎ型層
１１２を選択成長する。ｎ型層１１２としては、例え
ば、ＧａＮを用いることができる。ここで、選択成長の
温度は、図１に関して前述した場合と同様に、６００〜
１２００℃の温度範囲とすることが望ましく、高品質の
結晶を得るためには、１０００〜１２００℃とすること
がより望ましい。また、その成長時間は、図１の場合よ
りも相対的に長く設定して、選択成長領域が凸状となる
まで成長を続ける。
【００４４】図５（ａ）〜（ｄ）は、このｎ型層１１２
の選択成長の様子を表す模式図である。選択成長に際し
ては、絶縁膜１１１の開口部１１１Ａにのみ結晶が成長
する。そして、前述したように絶縁膜１１１の表面にお
いては、堆積しない原料が過剰の状態で存在する。その
結果として、開口部１１１Ａの端部においては、絶縁膜
１１１の表面の過剰の原料が供給されて、成長速度が高
くなる。そして、同図（ａ）、（ｂ）に示したように、
開口の端部が凸状に突出し、開口の中央付近が凹状に窪
んだ形状の成長表面が形成される。
【００４５】しかし、サファイアのＣ面基板上に窒化ガ
リウムを成長させた場合は、成長が進むと、同（ｃ）に
示したように、開口１１１Ａの端部の突出した部分は、
同図中に矢印Ｄで示した方向に優先的に成長するように
なる。ここで、矢印Ｄの方向は、窒化ガリウムが他の結
晶方位よりも優先的に結晶成長を生じやすい結晶方位で
ある。このような結晶方位は、一般的に「優先成長方
位」と称される。
【００４６】優先成長方位に沿って成長が進行すると、
同図（ｃ）、（ｄ）に示したように、開口の中央部に対
応する凹部が徐々に小さくなり、消失して、選択成長領
域は錐状の断面を有するようになる。例えば、円形状の
開口に選択成長させた場合には、選択成長層は、最終的
に、６角錐に近い形状を構成するようになる。
【００４７】本発明においては、選択成長領域１１２が
完全な錐状となるまでは、成長させず、図５（ｄ）に示
したように、その上面がほぼ平面となる段階で成長を終
了する。
【００４８】次に、再び図４に戻って説明すると、次
に、図４（ｃ）に示したように、選択成長層１１２の上
に、ｎ型クラッド層１１３、活性層１１４、ｐ型クラッ
ド層１１５、およびｐ型層１１６を順次、選択成長す
る。ここで、それぞれの層の材料としては、例えば、ｎ
型クラッド層１１３はＡｌＧａＮ、活性層１１４はＩｎ
ＧａＮ、ｐ型クラッド層１１５はＡｌＧａＮ、およびｐ
型層１１６はＧａＮとすることができる。また、活性層
１１４は、その他にも例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ）
としてもよい。ここで、同図（ｃ）に示したように、活
性層１１４の断面をみると、選択成長領域の頂上の平坦
部は、複数の優先成長方位に囲まれて、最も膜厚が厚く
なっている。すなわち、活性層１１４の成長速度は、同
図（ｃ）に符合Ｃで表した、選択成長領域の頂上部にお
いて、最も速いこととなる。その結果として、この選択
成長領域の頂上部においては、活性層のインジウム組成
が最も高くなる。
【００４９】ここで、一連の各層の成長は、ＭＯＣＶＤ
法を用いることができ、その成長温度としては、インジ
ウムを含む層の場合には、６００〜９００℃とし、他の
層の場合は、６００〜１２００℃とすることが望まし
い。供給するガスは、上述したガスに加えて、アルミニ
ウムを含む層の場合には、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）を供給し、インジウムを含む層の場合には、トリ
メチルインジウム（ＴＭＩ）を供給することができる。
また、ｐ型層を成長する場合のドーパントとしては、ビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）
や、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用いることができる。
【００５０】次に、図４（ｄ）に示したように、埋め込
み成長を施す。まず、図１に関して前述したのと同様
に、４００〜６００℃の成長温度で第２のバッファ層１
３１を成長する。このバッファ層１３１は、成長直後
は、多結晶状であるが、その後に再び温度を１０００〜
１２００℃に昇温することによって、再結晶化して単結
晶となる。この上に、ｐ型層１３２およびｐ型コンタク
ト層１３３を順次成長する。
【００５１】ここで、図４に示した一連の結晶成長工程
の成長温度のプロファイルを表す模式図を図６に示し
た。
【００５２】前述したように、本発明によれば、低温成
長バッファ層を介することによって、絶縁膜上に良質の
結晶をエピタキシャル成長することができる。
【００５３】バッファ層１３１は、前述したように、再
結晶化させる必要から、あまり厚く堆積することができ
ないが、その上に成長するｐ型層１３２やｐ型コンタク
ト層１３３を厚く成長することによって、選択成長領域
を埋め込んで、素子表面を略平面状とすることができ
る。さらに、図示しない電極や保護膜を形成することに
より、本発明による発光素子が完成する。
【００５４】この発光素子も、前述したものと同様に、
極めて高い効率で電流と光とを閉じこめることができ
る。すなわち、活性層１１４の周囲を絶縁層１１１で絶
縁することにより、高い効率で電流を閉じこめることが
できる。さらに、選択成長の特性を利用して、インジウ
ム組成の高い領域を形成したことにより、活性層の屈折
率を局所的に上昇させ、極めて高い効率で光を閉じこめ
ることができる。しかも、このようなインジウム組成
は、選択成長の特性を利用することにより実現している
ので、従来のように、成長温度を下げることなく、比較
的高い成長温度で結晶性の良い、高いインジウム組成を
有する活性層を成長することができる。
【００５５】しかも、埋め込み成長により成長表面を略
平坦な形状とすることができるので、表面モフォロジに
起因する電流リークなどの問題が生ずることもない。
【００５６】
【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。
【００５７】まず、本発明によれば、絶縁膜の開口に活
性層を選択的に成長することによって、電流を極めて効
率的に閉じこめることが可能となり、発光強度が高く、
発振しきい値が低い窒化ガリウム系半導体発光素子を提
供することができる。
【００５８】また、本発明によれば、成長表面の凹凸形
状を利用して、活性層の組成を制御することができる。
その結果として、活性層の中央部付近に屈折率が高い領
域を容易に形成することができるようになり、光を極め
て効率的に活性層内部に閉じこめることができるように
なる。従って、発光強度が高く、発振しきい値が低く、
短波長化が容易な窒化ガリウム系半導体発光素子を提供
することができるようになる。
【００５９】また、本発明によれば、結晶成長温度を高
く保ったまま、インジウム組成比の高い結晶を成長する
ことができるようになる。従って、高品質の結晶性を維
持しつつ従来よりも高いインジウム組成比を有する活性
層を容易に成長することができるようになる。
【００６０】さらに、本発明によれば、活性層のインジ
ウム組成比を、基板表面の凹凸の状態によって容易に制
御することができる。従って、光や電流の閉じこめ効果
を活性層の内部で任意に設定することができるようにな
る。
【００６１】また、本発明によれば、絶縁膜の上に低温
で多結晶状の窒化ガリウム系半導体からなるバッファ層
を堆積し、しかる後に昇温してバッファ層を再結晶化さ
せて単結晶膜とすることができる。従って、絶縁膜の上
に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長すること
ができるようになる。
【００６２】このように、本発明によれば、電流と光を
高い効率で閉じこめることができる窒化ガリウム系半導
体発光素子を簡略な工程で得ることができるようにな
り、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる窒化ガリウ
ム系半導体発光素子の構成を表す概略図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明による窒化ガリウム
系半導体発光素子の製造方法の要部を表す概略工程断面
図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明による半導体発光素
子の概略工程断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明による発光素子の製
造工程を表す概略工程断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、ｎ型層１１２の選択成長の
様子を表す模式図である。
【符号の説明】
１２、６０、１０１ 基板 １４、６２、１０２ バッファ層 １６、６４、１０３ ｎ型層 １８、６６、１１１ 絶縁膜 １８Ａ、６６Ａ、１１１Ａ 開口 ２０ 選択成長領域 ２２、７０、１１２ ｎ型バッファ層 ２４、７４、１１３ ｎ型クラッド層 ２６、７６、１１４ 活性層 ２８、７８、１１５ ｐ型クラッド層 ３０、１１６ ｐ型層 ４０、１３１ 第２のバッファ層 ４２、１３２ ｐ型層 ４４、８０、１３３ ｐ型コンタクト層 ５０ ｎ側電極 ５２ ｐ側電極
フロントページの続き (72)発明者 菅 原 秀 人 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式 会社東芝 川崎事業所内 (72)発明者 鈴 木 伸 洋 神奈川県川崎市幸区堀川町72番地 株式 会社東芝 川崎事業所内 (56)参考文献 特開 昭57−211791（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−232675（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−242577（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−45088（ＪＰ，Ａ) Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａ ｌ Ｇｒｏｗｔｈ，1998年，Ｖｏｌ. 189／190，ｐ．83−86 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，2000年，Ｖｏ．76 Ｎ ｏ．22，ｐ．3212−3214 電子情報通信学会，1995年，ＶＯｌ. 95 Ｎｏ．377，ｐ．19−24（ＯＰＥ95 −100) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１導電型半導体層と、 前記第１導電型半導体層の上に形成され所定の開口を有
    する絶縁膜と、 前記所定の開口の部分に選択的に成長され、その膜厚が
    前記開口の中央部付近で薄く端部で厚い分布を有する第
    １導電型窒化ガリウム系半導体層と、 前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の上に選択的に
    成長され、その層厚が、前記開口の中央部付近で厚く端
    部で薄い分布を有し、インジウムを含む窒化ガリウム系
    半導体からなる活性層と、 前記活性層上に成長された第２導電型窒化ガリウム系半
    導体層と、 を備えることを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素
    子。
  2. 【請求項２】第１導電型半導体層と、 前記第１導電型半導体層の上に形成され所定の開口を有
    するマスク層と、 前記マスク層と前記第１導電型半導体層との上に堆積さ
    れ、前記所定の開口のパターンに従って表面に凹部を有
    する第１導電型窒化物半導体層と、 前記第１導電型窒化物半導体層の上に、前記第１導電型
    窒化物半導体層の前記表面の前記凹部を埋め込んで表面
    を平坦化するように堆積され、インジウムを含む窒化ガ
    リウム系半導体からなる、活性層と、 前記活性層上に形成された第２導電型半導体層と、 を備え、 前記マスク層は、電気的な絶縁性を有することを特徴と
    する窒化ガリウム系半導体発光素子。
  3. 【請求項３】第１導電型半導体層と、 前記第１導電型半導体層の上に形成され所定の開口を有
    する絶縁膜と、 前記所定の開口の部分に選択的に成長されて、前記開口
    上に錐状に突出し、その層厚が前記開口の中央部付近で
    厚く、端部において薄い分布を有する第１導電型窒化ガ
    リウム系半導体層と、 前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層の上に選択的に
    成長され、少なくとも、第１導電型窒化ガリウム系半導
    体クラッド層と、インジウムを含む窒化ガリウム系半導
    体からなる活性層と、第２導電型窒化ガリウム系半導体
    クラッド層と、を有する選択成長領域と、 を備え、 前記活性層の層厚は、前記開口の中央部付近で厚く、端
    部において薄い分布を有することを特徴とする窒化ガリ
    ウム系半導体発光素子。
  4. 【請求項４】前記活性層は、少なくともインジウムを含
    み、前記活性層が含有するインジウムの組成比は前記開
    口の中央部付近で高く、端部において低い分布を有する
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の
    窒化ガリウム系半導体発光素子。
  5. 【請求項５】サファイア基板と、 前記基板上に堆積されたｎ型窒化ガリウム系半導体層
    と、 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体層の上に形成されたスト
    ライプ状の開口を有する絶縁膜と、 前記所定の開口の部分に選択的に成長され、その層厚が
    前記開口の中央部付近で薄く、端部において厚い層厚分
    布を有するｎ型窒化ガリウム系半導体バッファ層と、 前記バッファ層の上に選択的に成長されたｎ型窒化ガリ
    ウム系半導体クラッド層と、 前記ｎ型窒化ガリウム系半導体クラッド層の上に成長さ
    れ、その層厚が、前記開口の中央部付近で厚く、端部に
    おいて薄い層厚分布を有する窒化ガリウム系半導体活性
    層と、 前記活性層の上に成長されたｐ型窒化ガリウム系半導体
    クラッド層と、 前記絶縁膜と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体クラッド層
    との上に成長され、前記活性層を埋め込んでいるｐ型窒
    化ガリウム系半導体埋め込み層と、 を少なくとも備えたことを特徴とする窒化ガリウム系半
    導体発光素子。
  6. 【請求項６】基板上に所定の開口を有する絶縁膜を形成
    するマスク形成工程と、 前記所定の開口の部分に窒化ガリウム系半導体バッファ
    層を選択的に成長させ、前記開口の端部に近い部分が凸
    状に突出し、前記開口の中央付近の部分が凹状に窪んだ
    成長表面を有する第１のバッファ層を選択的に成長させ
    る第１のバッファ層成長工程と、 前記バッファ層の上に少なくとも第１の窒化ガリウム系
    半導体クラッド層と、窒化ガリウム系半導体活性層と、
    第２の窒化ガリウム系半導体クラッド層とを、前記バッ
    ファ層の前記凹部が埋め込まれて成長表面が平坦化する
    ように選択的に成長する選択成長工程と、 前記絶縁膜と前記選択的に成長された各層との上に多結
    晶状の第２の窒化ガリウム系半導体バッファ層を堆積す
    る第２のバッファ層堆積工程と、 前記第２のバッファ層を再結晶化させて単結晶膜とする
    昇温工程と、 前記第２のバッファ層の上に窒化ガリウム系半導体埋め
    込み層を成長して、表面を平坦化する埋め込み工程と、
    を備えたことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素
    子の製造方法。
  7. 【請求項７】基板上に所定の開口を有する絶縁膜を形成
    するマスク形成工程と、 前記所定の開口の部分に窒化ガリウム系半導体バッファ
    層を選択的に成長させ、前記開口上に錐状に突出し、平
    坦な頂上部を有する第１のバッファ層を選択的に成長さ
    せる第１のバッファ層成長工程と、 前記バッファ層の上に少なくとも第１の窒化ガリウム系
    半導体クラッド層と、窒化ガリウム系半導体活性層と、
    第２の窒化ガリウム系半導体クラッド層とを、選択的に
    成長する選択成長工程と、 前記絶縁膜と前記選択的に成長された各層との上に多結
    晶状の第２の窒化ガリウム系半導体層を堆積することに
    より第２のバッファ層を形成する第２のバッファ層堆積
    工程と、 前記第２のバッファ層を再結晶化させて単結晶膜とする
    昇温工程と、 前記第２のバッファ層の上に窒化ガリウム系半導体埋め
    込み層を成長して、表面を平坦化する埋め込み工程と、
    を備えたことを特徴とする窒化ガリウム系半導体発光素
    子の製造方法。
  8. 【請求項８】前記前記第１のバッファ層成長工程は、前
    記バッファ層としての窒化ガリウムをＭＯＣＶＤ法によ
    って６００〜１２００℃の成長温度において成長するこ
    とを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記第２のバッファ層堆積工程は、前記バ
    ッファ層としての窒化ガリウムをＭＯＣＶＤ法によって
    ４００〜６００℃の堆積温度において堆積する工程を含
    み、 前記昇温工程は、６００℃以上の温度に昇温する工程を
    含むことを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記
    載の方法。
  10. 【請求項１０】基板上に所定の開口を有するマスク層を
    形成するマスク形成工程と、 前記マスク層と前記開口との上に全面に渡って窒化ガリ
    ウム系半導体バッファ層を堆積し、前記開口の上部にお
    いて凹状に窪んだ部分を有するバッファ層を形成するバ
    ッファ層形成工程と、 前記バッファ層の上に少なくとも窒化ガリウム系半導体
    活性層と窒化ガリウム系半導体クラッド層とを、前記バ
    ッファ層の前記凹部が埋め込まれて成長表面が平坦化す
    るように成長する工程と、 を備え、 前記マスク層は、電気的に絶縁性を有する材料からな
    り、 前記バッファ層形成工程は、前記バッファ層としての窒
    化ガリウムをＭＯＣＶＤ法によって４００〜６００℃の
    堆積温度において堆積し、その後に６００℃以上の温度
    に昇温する工程を含むことを特徴とする窒化ガリウム系
    半導体発光素子の製造方法。
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