(57)【要約】【課題】ｐ型窒化ガリウム系半導体領域及び障壁層を形成する際に井戸層の劣化を低減可能な、窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供する。【解決手段】窒化ガリウム系半導体領域１３を成長した後に、基板１１上に障壁層２１ａを成長する。障壁層２１ａは時刻ｔ１〜ｔ２の期間に成長温度ＴＢで形成される。成長温度ＴＢ（＝Ｔ２）は摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲である。時刻ｔ２で障壁層２１ａの成長が終了する。障壁層２１ａを成長した後に、成長中断を行うことなく基板１１上に井戸層２３ａを成長する。井戸層２３ａは、時刻ｔ２〜ｔ３の期間に成長温度ＴＷ（＝Ｔ２）で形成される。成長温度ＴＷは成長温度ＴＢと同じであり、また摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲であることができる。井戸層２３ａのインジウム組成は０．１５以上である。次いで、成長中断を行うことなく井戸層及び障壁層の成長を繰り返して行う。【選択図】図５
2010123920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の主面上に、活性層のための障壁層を成長する工程と、
前記活性層のための井戸層を前記障壁層上に成長する工程と、
前記活性層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域を成長する工程と
を備え、
前記半導体領域の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示しており、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、
前記井戸層のインジウム組成は０．１５以上であり、
前記障壁層は、前記井戸層と異なる窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層の成長温度は前記障壁層の成長温度と同じであり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の各々における成長温度は前記井戸層の成長温度及び前記障壁層の成長温度よりも大きい、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記半導体領域の前記主面の法線ベクトルが、ｃ面（（０００１）面）又は該ｃ面の裏面である（０００−１）面のいずれかの面の法線ベクトルに対して６０度以上９０度以下の範囲の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記井戸層のインジウム組成は０．２０以上であり、
前記活性層は、５００ｎｍ以上の波長領域にピーク波長を有する発光を生成するように設けられている、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記井戸層の前記成長温度及び前記障壁層の前記成長温度は摂氏８００度以下であり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏１０００度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記井戸層の前記成長温度及び前記障壁層の前記成長温度は摂氏７００度以上摂氏７６０度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏８５０度より大きく摂氏９５０度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度の最大値と前記井戸層の成長温度との温度差は２００度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記井戸層のインジウム組成は０．２５以上０．３５以下であり、
前記活性層からの発光の発振波長は５００ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の厚さは５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
前記井戸層の前記成長温度及び前記障壁層の前記成長温度は摂氏７６０度以上摂氏８００度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１１】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏９５０度より大きく摂氏１０００度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４、及び請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１２】
前記井戸層のインジウム組成は０．２０以上０．２５以下であり、
前記活性層からの発光のピーク波長は５００ｎｍ以上であり、
前記ピーク波長で前記活性層からの発光強度は最大値を示す、ことを特徴とする請求項１〜請求項４、及び請求項１０〜請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１３】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の厚さは４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４、及び請求項１０〜請求項１２のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１４】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度の最大値と前記井戸層の成長温度との温度差は２５０度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４、及び請求項１０〜請求項１３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１５】
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域はＡｌＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
窒化ガリウム系半導体からなる基板を準備する工程を更に備え、
前記基板の主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
窒化ガリウム系半導体からなる基板を準備する工程を更に備え、
前記基板の前記主面が、ｃ面（（０００１）面）の裏面である（０００−１）面に対して傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１８】
前記基板の前記主面の傾斜角は６０度以上９０度以下である、ことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
前記窒化物系半導体発光素子の光共振器のための端面を更に備え、
前記基板の前記主面の傾斜角は６３度以上８３度以下である、ことを特徴とする請求項１４〜請求項１８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２０】
窒化ガリウム系半導体の成長に先立って、前記基板の熱処理を行う工程を更に備え、
前記熱処理の雰囲気は少なくともアンモニア及び水素を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２１】
窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法であって、
窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の主面上に、活性層のための障壁層を成長する工程と、
前記活性層のための井戸層を前記障壁層上に成長する工程と、
前記活性層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記半導体領域の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示しており、
前記障壁層は、前記井戸層と異なる窒化ガリウム系半導体からなり、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、
前記井戸層のインジウム組成は０．１５以上であり、
前記井戸層の成長温度は前記障壁層の成長温度と同じであり、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層を含み、
前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の各々における成長温度は前記井戸層の成長温度及び前記障壁層の成長温度よりも大きい、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体素子の製造方法が記載されている。この方法では、III族窒化物系化合物半導体の結晶成長によって多数の半導体層を順に成長して活性層を形成する。この活性層は、インジウム（Ｉｎ）を含んだ半導体層を有して成る。活性層の形成後には、少なくとも１層のｐ型半導体層が成長される。ｐ型半導体層の結晶成長温度は摂氏８２０度以上摂氏９１０度以下である。ｐ型半導体層の原料ガスを運ぶキャリアガスとして、希ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）又は窒素ガス（Ｎ２）が用いられる。
【０００３】
特許文献２には、窒化物半導体発光素子を作製する方法が記載されている。この方法では、活性層を形成した後に、摂氏８００度以上摂氏９５０度以下の範囲内にある成膜温度でｐ型ＡｌＺＧａ１−ＺＮ膜を活性層上に成長する。
【０００４】
特許文献３には、発光素子の製造方法が記載されている。井戸層の成長後に、障壁層の一部を昇温しながら成長し、さらに一定温度で残りの障壁層をより大きな成長速度で成長する。この後に、降温して井戸層を成長する。これによって、結晶性に優れ、発光効率の高いＭＱＷを形成できる。
【特許文献１】特開２００４−３６３４０１号公報
【特許文献２】特開２００７−２０１０９９号公報
【特許文献３】特開２００２−４３６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２では、活性層を形成した後に、成長温度を摂氏８００度から摂氏９５０度でｐ型ＡｌＧａＮ層を成長している。特許文献１及び３の方法では、障壁層の成長温度は井戸層の成長温度よりも高い。特許文献１では、井戸層の成長温度が摂氏７３０度であり、
障壁層の成長温度が摂氏８８５度である。活性層の形成後に、摂氏８２０度以上摂氏９１０度以下の成長温度でｐ型半導体層を成長している。このｐ型半導体の成長温度を低くして、活性層の結晶性を良質に維持している。特許文献３では、井戸層の成長後に、障壁層の一部を昇温しながら成長すると共に、昇温後の温度で障壁層の残りを成長する。これによって、井戸層の劣化を抑制すると共に障壁層の結晶品質を向上させている。
【０００６】
ＩｎＧａＮからなる井戸層の成長温度は、ＩｎＧａＮのインジウム組成が増加するにつれて低くなる。故に、大きな温度差が、ある程度大きなインジウム組成の井戸層に最適な成長温度と障壁層の成長温度との間に生じる。
【０００７】
また、井戸層の成長温度が障壁層の成長温度と異なるとき、井戸層の成長後に、基板温度を障壁層の成長温度まで上昇させる。この温度変更の期間中に、井戸層は、それ自身の成長温度よりも高い温度に晒される。これ故に、劣化の程度は井戸層のインジウム組成に依存するけれども、障壁層の成長温度への温度変更により井戸層の結晶品質は低下させられる。井戸層の成長後に温度を変更しながら障壁層の一部を堆積する方法でも、井戸層が温度変更による高温に晒されていることには変わりない。温度の変更により、障壁層と井戸層との間の応力に起因する歪みが井戸層に加わる。発明者の知見によれば、いわゆる半極性面においてＩｎＧａＮ成長は、ｃ面上へのＩｎＧａＮ成長と異なっていると考えられる。
【０００８】
本発明は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域及び障壁層を形成する際に井戸層の劣化を低減可能な、窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とし、また、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る一側面は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の主面上に、活性層のための障壁層を成長する工程と、（ｂ）前記活性層のための井戸層を前記障壁層上に成長する工程と、（ｃ）前記活性層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域を成長する工程とを備える。前記半導体領域の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示しており、前記障壁層は前記井戸層と異なる窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記井戸層のインジウム組成は０．１５以上であり、前記井戸層の成
長温度は前記障壁層の成長温度と同じであり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の各々における成長温度は前記井戸層の成長温度及び前記障壁層の成長温度よりも大きい。
【００１０】
本発明に係る別の側面は、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体からなる半導体領域の主面上に、活性層のための障壁層を成長する工程と、（ｂ）前記活性層のための井戸層を前記障壁層上に成長する工程と、（ｃ）前記活性層上に、ｐ型窒化ガリウム系半導体層を成長する工程とを備える。前記半導体領域の前記主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示しており、前記障壁層は前記井戸層と異なる窒化ガリウム系半導体からなり、前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記井戸層のインジウム組成は０．１５以上であり、前記井戸層の成長温度は前記障壁層の成長温度に同じであり、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は一又は複数のｐ型窒化ガリウム系半導体層を含み、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体層の各々における成長温度は前記井戸層の成長温度及び前記障壁層の成長温度よりも大きい。
【００１１】
上記の方法によれば、井戸層の成長温度が障壁層の成長温度に同じであるので、障壁層の成長中における井戸層の結晶品質の低下が抑制される。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の各々における成長温度が井戸層の成長温度及び障壁層の成長温度よりも大きけれども、井戸層の成長温度が障壁層の成長温度と同じであるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体層の成長中における井戸層の結晶品質の低下が抑制される。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記井戸層の前記成長温度及び前記障壁層の前記成長温度は摂氏７６０度以上摂氏８００度以下であることができる。この方法では、井戸層及び障壁層の成長温度の両方が、摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲内で同じ温度であるので、井戸層及び障壁層の結晶品質が共に良好である。
【００１３】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏９５０度より大きく摂氏１０００度以下であることができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度が上記の温度範囲であるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の結晶品質及び電気的特性が共に良好である。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長中における活性層の結晶品質の低下は小さい。
【００１４】
本発明に係る方法では、前記井戸層のインジウム組成は０．２０以上０．２５以下であり、前記活性層からの発光のピーク波長は５００ｎｍ以上であり、前記ピーク波長で前記活性層からの発光強度は最大値を示すことができる。この方法によれば、井戸層のインジウム組成が上記の範囲にあるとき、井戸層の成長温度が障壁層の成長温度と同じであれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体層及び障壁層の成長中における井戸層の結晶品質の低下が抑制される。
【００１５】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域はＡｌＧａＮ層を含むことができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域のＡｌＧａＮ層の結晶品質及び電気的特性が共に良好である。
【００１６】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の厚さは４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域を上記のような高温で堆積するので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域においてピットの発生を抑えられる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長表面を平坦に維持できるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の低抵抗化のためにｐ型半導体領域を厚く堆積することが可能になる。
【００１７】
本発明に係る方法は、窒化ガリウム系半導体からなる基板を準備する工程を更に備えることができる。前記基板の主面は、前記窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜している。
【００１８】
この方法によれば、上記の基板は窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する。この基板を用いることによって、ｃ面に対して傾斜した半極性面の半導体領域を得ることができる。
【００１９】
本発明に係る方法は、窒化ガリウム系半導体からなる基板を準備する工程を更に備えことができる。前記基板の前記主面が、ｃ面（（０００１）面）の裏面である（０００−１）面に対して傾斜している。
この方法によれば、上記の基板は窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する。この基板を用いることによって、（０００−１）面に対して傾斜した半極性面の半導体領域を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る方法では、基板の主面の傾斜角は６０度以上９０度以下であることができる。また、本発明に係る方法では、半導体領域の主面の傾斜角は６０度以上９０度以下であることができる。いずれの傾斜角も、（０００１）面）または（０００−１）面を基準にして規定されることができる。
【００２１】
本発明に係る方法は、窒化ガリウム系半導体の成長に先立って、前記基板の熱処理を行う工程を更に備えることができる。前記熱処理の雰囲気は少なくともアンモニア及び水素を含む。この方法によれば、アンモニア及び水素を含む雰囲気中における熱処理によって、基板表面のクリーニングが行われると共に、基板表面の改質が行われる。
【００２２】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度の最大値と前記井戸層の成長温度との温度差は２５０度以下であることができる。
【００２３】
本発明に係る方法では、前記半導体領域の前記主面の法線ベクトルが、ｃ面（（０００１）面）又は該ｃ面の裏面である（０００−１）面のいずれかの面の法線ベクトルに対して６０度以上９０度以下の範囲の角度で傾斜していることができる。この方法によれば、活性層は、６０度以上９０度以下の範囲の角度で傾斜している半極性及び無極性のいずれかのを示す半導体領域主面上に成長される。この角度範囲では、ＩｎＧａＮ成長におけるインジウム取り込み量が良好であるので、良好な結晶品質のＩｎＧａＮが形成される。
【００２４】
本発明に係る方法では、前記井戸層のインジウム組成は０．２０以上であり、前記活性層は、５００ｎｍ以上の波長領域にピーク波長を有する発光を生成するように設けられていることができる。この方法は、長波長の発光を得るために適用可能である。
【００２５】
本発明に係る方法では、前記井戸層の前記成長温度及び前記障壁層の前記成長温度は摂氏８００度以下であることができ、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏１０００度以下であることができる。この方法によれば、井戸層の成長温度が摂氏８００度以下であるので、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成の変更範囲を広くできる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度が摂氏１０００度以下であるので、ＩｎＧａＮ層の熱劣化を低減できる。
【００２６】
本発明に係る方法では、前記井戸層の前記成長温度及び前記障壁層の前記成長温度は摂氏７００度以上であることができ、また摂氏７６０度以下であることができる。この方法は、発光波長４００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下のピーク波長の光を発生する活性層の形成に適用可能である。ＩｎＧａＮ層の結晶品質に起因する発光特性低下を避けることができる。
【００２７】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏８５０度より大きいことができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の抵抗が大きくなることによるデバイス特性の低下を抑制できる。前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の前記成長温度は摂氏９５０度以下であることができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長中に、ＩｎＧａＮ層が熱劣化することを低減できる。
【００２８】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度の最大値と前記井戸層の成長温度との温度差は２００度以下であることができる。発光素子の作製では、ＩｎＧａＮ井戸層が比較的低い成長温度のとき、或いはＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成が比較的高いとき、そのＩｎＧａＮの品質は成膜後の熱ストレスに敏感である。このＩｎＧａＮの熱劣化を避けるために、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度には上限がある。
【００２９】
本発明に係る方法では、前記井戸層のインジウム組成は０．２５以上０．３５以下であり、前記活性層からの発光の発振波長は５００ｎｍ以上であることができる。この方法によれば、緑色発光よりも長い波長の光を発生する活性層を形成することができる。
【００３０】
本発明に係る方法では、前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の厚さは５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の全体として、良好な光閉じ込めを提供できる。例えばクラッド層が５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることができる。
【００３１】
本発明に係る方法は、前記窒化物系半導体発光素子の光共振器のための端面を更に備えることができる。前記基板の前記主面の傾斜角は６３度以上８３度以下であることが良い。この角度範囲によれば、ＩｎＧａＮの成長において、良好なＩｎ取り込み性が得られる。これ故に、井戸層のＩｎ組成の変更範囲を拡大でき、波長５００ｎｍ以上の光を発生する活性層の作製に良い。
【００３２】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３３】
以上説明したように、本発明によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域及び障壁層を形成する際に井戸層の劣化を低減可能な、窒化物系半導体発光素子を作製する方法が提供される。また、本発明によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域及び障壁層を形成する際に井戸層の劣化を低減可能な、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程のフローを示す図面である。
【図２】図２は本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図３】図３は本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図４】図４は本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。
【図５】図５は、活性層の形成から後の工程における基板温度の変化及び原料ガス流の原価を示すタイミングチャートを示す図面である。
【図６】図６は、実施例１で作製された発光ダイオード構造を示す図面である。
【図７】図７は、様々な成長条件を用いて作製されたＬＥＤ構造におけるＰＬ強度の半値全幅を示す図面である。
【図８】図８は、井戸層及び障壁層を同一の温度で成長したＬＥＤ構造におけるカソードルミネッセンス像、並びに、井戸層及び障壁層を異なる温度で成長したＬＥＤ構造におけるカソードルミネッセンス像を示す図面である。
【図９】図９は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程のフローを示す図面である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程のフローを示す図面である。
【図１１】図１１は、発光層の形成から後の工程における基板温度の変化及び原料ガス流の原価を示すタイミングチャートを示す図面である。
【図１２】図１２は、実施例２で作製されたレーザダイオード構造のためのエピタキシャル基板を示す図面である。
【図１３】図１３は、実施例２で作製されたレーザダイオード構造を示す図面である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３６】
図１は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程のフローを示す図面である。図２〜図４は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程を示す図面である。窒化物系半導体発光素子は、例えば発光ダイオード又はレーザダイオード等を含む。
【００３７】
工程フロー１００の工程Ｓ１０１では、図２（ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体からなる基板１１を準備する。基板１１は、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなることができる。基板１１では主面１１ａ及び裏面１１ｂは互いに実質的に平行である。この基板１１の主面１１ａは、窒化ガリウム系半導体のｃ面から傾斜している。主面１１ａの法線は、窒化ガリウム系半導体のｃ軸と６０度以上９０度以下の傾斜角で交差している。或いは、基板１１の主面１１ａが、ｃ面（（０００１）面）の反対面である（０００−１）面に対して傾斜していることができる。（０００−１）面から上記角度範囲で傾斜するとき、井戸層のＩｎＧａＮ成長におけるインジウム取り込み量が（０００１）面及び該（０００１）面から６０度以上９０度以下の傾斜を持つ面上へのＩｎＧａＮ成長に比べて増加するので、これらの面に比べて高温の成長で高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮを得ることができる。これにより、結晶性の良い井戸層を得ることができる。上記角度の主面１１ａは、半極性または無極性を示す。
【００３８】
基板１１を成長炉１０に配置する。工程Ｓ１０２では、図２（ｂ）に示されるように、成長炉１０で基板１１の熱処理を行う。熱処理の雰囲気は、例えば少なくともアンモニア及び水素を含む。この熱処理によれば、アンモニア及び水素を含む雰囲気中における熱処理によって、基板表面１１ａのクリーニングが行われると共に、基板表面１１ａの改質が行われる。成長炉１０で基板１１の熱処理を行うことによって、改質された主面１１ｃを有する。この改質により、基板主面１１ｃにはマイクロステップが形成され、マイクロステップは複数のテラスからなる。
【００３９】
引き続き、成長炉１０を用いて有機金属気相成長法で基板１１上に窒化ガリウム系半導体を堆積する。工程Ｓ１０３では、図２（ｃ）に示されるように、成長炉１０で基板１１の主面１１ｃ上に第１導電型の窒化ガリウム系半導体領域１３を成長する。窒化ガリウム系半導体領域１３は、例えばｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１５及びｎ型ＧａＮ層１７を含むことができる。ＡｌＧａＮのアルミニウム組成は、例えば０．１２である。ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層１５は、成長炉１０に、アルミニウム原料、ガリウム原料、窒素原料及びシランを供給して基板１１の主面１１ｃ上に摂氏１１００度で成長される。ｎ型ＧａＮ層１
７は、成長炉１０に、ガリウム原料、窒素原料及びシランを供給してｎ型ＧａＮバッファ層１５上に摂氏１０００度で成長される。
【００４０】
工程Ｓ１０４では、成長炉１０を用いて窒化ガリウム系半導体領域１３上に活性層を成長する。活性層を成長する半導体領域主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示している。図５を参照しながら、活性層２５の形成を説明する。まず、活性層２５を成長する下地の半導体領域の成長が時刻ｔ０において終了する。成長炉１０は、時刻ｔ０において第１の成長温度Ｔ１である。成長炉１０の温度は、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間に、成長温度Ｔ１から障壁層２１の第２の成長温度Ｔ２（本実施例では、温度ＴＢ）に変更される。この変更期間には、アンモニアといった窒素原料が成長炉１０に供
給される。
【００４１】
窒化ガリウム系半導体領域１３を成長した後に、図３（ａ）に示されるように、工程Ｓ１０５において、基板１１上に障壁層２１ａを成長する。障壁層２１ａは、時刻ｔ１〜ｔ２の期間に成長温度ＴＢで形成される。成長温度ＴＢ（＝Ｔ２）は、摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲であることができる。障壁層２１ａは窒化ガリウム系半導体からなる。この窒化ガリウム系半導体は、例えばアンドープＧａＮ、アンドープＩｎＧａＮ、アンドープＡｌＧａＮ等からなることができる。障壁層２１ａがＧａＮであるとき、障壁層２１ａは、ガリウム原料及び窒素原料を成長炉１０に供給して、例えば摂氏７６０度で成長される。障壁層２１ａの厚みは、例えば１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることができる。
【００４２】
時刻ｔ２で障壁層２１ａの成長が終了する。障壁層２１ａを成長した後に、図３（ｂ）に示されるように、工程Ｓ１０６において、成長中断を行うことなく基板１１上に井戸層２３ａを成長する。井戸層２３ａは、時刻ｔ２〜ｔ３の期間に成長温度ＴＷ（＝Ｔ２）で形成される。成長温度ＴＷは成長温度ＴＢと同じであり、また摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲であることができる。井戸層２３ａはアンドープＩｎＧａＮ半導体からなる。井戸層２３ａのインジウム組成は０．１５以上である。井戸層２３ａがＩｎＧａＮであるとき、井戸層２３ａは、インジウム原料、ガリウム原料及び窒素原料を成長炉１０に供給して、例えば摂氏７６０度で成長される。井戸層２３ａの厚みは、例えば２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることができる。
【００４３】
時刻ｔ３で井戸層２３ａの成長が終了する。井戸層２３ａを成長した後に、図３（ｃ）に示されるように、工程Ｓ１０７において、成長中断を行うことなく基板１１上に障壁層２１ｂを成長する。障壁層２１ｂは、時刻ｔ３〜ｔ４の期間に成長温度ＴＢで形成される。このときも成長温度ＴＢは成長温度ＴＷと同じであり、また摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲である。障壁層２１ｂはアンドープＧａＮ半導体からなる。障壁層２１ｂがＧａＮであるとき、障壁層２１ｂは、既に説明したように、ガリウム原料及び窒素原料を成長炉１０に供給して、例えば摂氏７６０度で成長される。障壁層２１ｂの厚みは、例えば１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることができる。
【００４４】
工程Ｓ１０８では、成長中断を行うことなく井戸層及び障壁層の成長を繰り返して行う。本実施例では、時刻ｔ４〜ｔ５、ｔ６〜ｔ７の期間で、それぞれ、井戸層２３ａと同様にして井戸層２３ｂ、２３ｃを成長する。時刻ｔ５〜ｔ６、ｔ７〜ｔ８の期間で、それぞれ、障壁層２１ｂと同様にして、障壁層２１ｃ、２１ｄを成長する。
【００４５】
活性層２５の成長において、障壁層２１ａ〜２１ｄ及び井戸層２３ａ〜２３ｃが交互に連続的に成長される。井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度ＴＷ（＝Ｔ２）及び障壁層２１ａ〜２１ｄの成長温度ＴＢ（＝Ｔ２）は互いに等しく、また温度Ｔ２は摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲にある。故に、井戸層２３ａ〜２３ｃ及び障壁層２１ａ〜２１ｄの結晶品質が共に良好である。
【００４６】
この活性層２５の作製方法によれば、障壁層２１ａ〜２１ｄが、井戸層２３ａ〜２３ｃと異なる窒化ガリウム系半導体からなるけれども、井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度ＴＷが障壁層２１ａ〜２１ｄの成長温度ＴＢに同じである。故に、障壁層２１ａ〜２１ｄの成長中における井戸層２３ａ〜２３ｃの結晶品質の低下が抑制される。
【００４７】
活性層２５の成長において、障壁層を成長する半導体領域主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示している。また、井戸層を成長する半導体領域主面は、窒化ガリウム系半導体のｃ面に対して傾斜した半極性を示している。
【００４８】
時刻ｔ８で、活性層２５の成長が終了する。成長炉１０は、時刻ｔ８において温度Ｔ２である。成長炉１０の温度は、時刻ｔ８から時刻ｔ９の期間に、温度Ｔ２から、ｐ型導電性の窒化ガリウム系半導体領域の成長温度Ｔ３に変更される。
【００４９】
時刻ｔ９で、温度の変更が終了して、成長炉１０は温度Ｔ３に設定される。引き続き、工程Ｓ１０９では、成長炉１０を用いて、ｐ型導電性の窒化ガリウム系半導体領域３１を活性層２５上に成長する。まず、図４（ａ）に示されるように、電子ブロック層２７を活性層２５上に成長する。電子ブロック層２７は例えばＡｌＧａＮからなり、ｐ型のＡｌＧａＮ層の成長は時刻ｔ９〜ｔ１０の期間に行われる。ＡｌＧａＮ層は、成長炉１０に、アルミニウム原料、ガリウム原料、窒素原料及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給して基板１１上に摂氏１０００度で成長される。ＡｌＧａＮのアルミニウム組成は、例えば０．１８である。
【００５０】
次いで、図４（ｂ）に示されるように、コンタクト層２９を活性層２５上に成長する。コンタクト層２９の成長は、時刻ｔ１０〜ｔ１１の期間に行われる。コンタクト層２９は、例えばｐ型ＧａＮ層であり、ｐ型ＧａＮ層は、成長炉１０に、ガリウム原料、窒素原料及びＣｐ２Ｍｇを供給して電子ブロック層上に摂氏１０００度で成長される。電子ブロック層２７のためのＡｌＧａＮ層の成長の後に、成長炉１０の温度変更及び成長中断を行うことなく、コンタクト層２９のためのｐ型ＧａＮ層の成長を行う。
【００５１】
これらのエピタキシャル成長の後に、図４（ｃ）に示されるように、エピタキシャルウエハ３３が得られる。
【００５２】
工程Ｓ１１０で、エピタキシャルウエハ３３上に電極を形成する。ｐ型ＧａＮ層２９上にはアノードを形成すると共に、基板１１の裏面上にカソードを形成する。
【００５３】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７、２９における成長温度Ｔ３が井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度ＴＷ及び障壁層２１ａ〜２１ｄの成長温度ＴＢよりも高いけれども、井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度ＴＷ（＝Ｔ２）が障壁層２１ａ〜２１ｄの成長温度ＴＢ（＝Ｔ２）に同じであるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７、２９の成長中における井戸層２３ａ〜２３ｃの結晶品質の低下が抑制される。
【００５４】
ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７、２９の成長温度Ｔ３は摂氏９５０度より大きく摂氏１０００度以下であることができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７、２９の成長温度Ｔ３が上記の温度範囲であるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７、２９の結晶品質及び電気的特性が共に良好である。また、活性層の品質も良好である。
【００５５】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１はＡｌＧａＮ層を含み、上記の温度範囲においてｐ型窒化ガリウム系半導体領域のＡｌＧａＮ層の結晶品質及び電気的特性が共に良好である。
【００５６】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１の厚さは４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることができる。摂氏９５０度より大きく摂氏１０００度以下の高温でｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１を堆積するので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１においてピットの発生を抑えられる。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１の成長表面を平坦に維持できるので、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１の低抵抗化のためにｐ型コンタクト層を厚く成長することが可能になる。このような厚さの範囲は、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００５７】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１の成長温度の最大値と井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度（障壁層の成長温度と同じ）との温度差は２５０度以下であることができる。これによって、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１の成長中における活性層の結晶品質の劣化を低減できる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１の成長温度の最大値と井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度との温度差は１４０度以上であることができる。良好な結晶品質のｐ型窒化ガリウム系半導体領域３１を得ることができる。
【００５８】
井戸層２３ａ〜２３ｃのインジウム組成は０．２０以上０．２５以下であり、活性層２５からの発光のピーク波長は５００ｎｍ以上である。ピーク波長で活性層２５からの発光強度は最大値を示すことができる。井戸層２３ａ〜２３ｃのインジウム組成が上記の範囲にあるとき、井戸層２３ａ〜２３ｃの成長温度ＴＷが障壁層２１ａ〜２１ｄの成長温度ＴＢに同じであるので、この成長方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体層２７、２９及び障壁層２１ａ〜２１ｄの成長中における井戸層２３ａ〜２３ｃの結晶品質が低下することを抑制できる。
【００５９】
（実施例１）
図６は、本実施例で作製された発光ダイオード構造ＬＥＤを示す図面である。窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する数枚のＧａＮウエハ４１を準備した。これらのＧａＮウエハ４１の主面におけるオフ角は、ＧａＮのｃ面に対して５度から１０度の角度であった。ＧａＮウエハ４１はｎ導電性を示し、その主面は半極性を有する。これらのＧａＮウエハ４１上に、有機金属気相成長法によって複数の窒化ガリウム系半導体膜を成長した。有機金属気相成長法の原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＭＨ３）を用いた。また、ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）、ビスシク・ペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。ＧａＮウエハを成長炉に配置した後に、ＧａＮウエハ４１のサーマルクリーニングを行った。この熱処理のために、成長炉に水素及びアンモニアを供給した。熱処理の温度は、例えば摂氏１０５０度であった。熱処理温度として、摂氏１０００度以上摂氏１１００度以下の範囲の温度を使用できる。熱処理の後に、ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層４３を成長した。その成長温度は、例えば摂氏１１００度であった。そのＡｌ組成は、０．１２であった。ｎ型ＡｌＧａＮ層４３のドーパント濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば５０ｎｍであった。
【００６０】
このバッファ層４３上に、ｎ型ＧａＮ半導体層４５を成長した。その成長温度は例えば摂氏１０００度であった。ｎ型ＧａＮ層４５のドーパント濃度は、例えば２×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば２０００ｎｍであった。
【００６１】
活性層４７の成長温度に成長炉の温度を変更した後に、上記のｎ型窒化ガリウム系半導体領域４９上に活性層４７を成長した。活性層４７の成長温度は、例えば摂氏７６０度であった。まず、ＧａＮからなる障壁層４７ａを成長した。障壁層４７ａの厚みは１５ｎｍであった。次いで、成長中断を行うことなく連続して、ＩｎＧａＮからなる井戸層４７ｂを成長した。井戸層４７ｂの厚みは５ｎｍであった。井戸層４７ｂのインジウム組成は２０％であった。続けて、成長中断を行うことなく連続して、ＧａＮからなる障壁層４７ｃを井戸層４７ｂ上に成長した。同様に、井戸層４７ｄ、４７ｆ及び障壁層４７ｅ、４７ｇの成長を繰り返して、３層の井戸層４７ｂ、４７ｄ、４７ｆを含む活性層４７を形成した。
【００６２】
活性層４７の成長が終了した後に、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５１の成長温度に成長炉の温度を変更した。この温度は、例えば摂氏１０００度であった。まず、活性層４７上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層５３を成長した。そのＡｌ組成は、０．１８であった。ｐ型ＡｌＧａＮ層５３のドーパント濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば２０ｎｍであった。この後に、ｐ型ＡｌＧａＮ層５３上に、ｐ型ＧａＮ層５５を成長した。ｐ型ＧａＮ層５５のドーパント濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば５０ｎｍであった。
【００６３】
これらのエピタキシャル成長工程により、エピタキシャルウエハＥが完成した。
【００６４】
ｐ型ＧａＮ層５７のコンタクト層上にアノード電極５９ａを形成した。アノード電極５９ａは例えばＮｉ／Ａｕを用いた。次いで、この基板生産物のＧａＮウエハの裏面を研削して、厚み１００マイクロメートルの基板生産物を作製した。この研削裏面にカソード電極５９ｂを形成した。カソード電極５９ｂは例えばＡｌを用いた。
【００６５】
比較のために、井戸層の成長温度として摂氏７６０度を用いると共に、障壁層の成長温度として摂氏９４０度を用いてエピタキシャルウエハＣを作製した。
【００６６】
このように作製された２種類のエピタキシャルウエハのＸ線回折を測定した。一次サテライトピーク強度（任意単位）は以下のものであった。
エピタキシャルウエハＥ：２８−３２
エピタキシャルウエハＣ：５−１５。
このように、エピタキシャルウエハＥの一次サテライトピーク強度は優れたものとなり、エピタキシャルウエハＥの井戸層と障壁層との界面は急峻なものであることが示された。
【００６７】
発明者は、活性層の井戸層及び障壁層の同一の温度にして様々な温度で成長した。この温度は摂氏７６０度以上摂氏８００度以下の範囲である、
【００６８】
意図する発光波長（例えば５００ｎｍ以上の発光波長）に適したインジウム原料流量で井戸層を成長した。この成長温度と同じ温度で障壁層を成長した。発光波長５００ｍ以上を得るためのＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ井戸層の成長温度は、摂氏８００度以下の低温でなくてはならない。このため、井戸層と障壁層との温度差は１００度程度の大きさになってしまい、この温度差を実現する昇温過程において、井戸層のエッチングが発生して井戸層が劣化した。この結果として、フォトルミネセンススペクトル強度が低下した。
【００６９】
４４０ｎｍ以下の発光波長では、井戸層と障壁層との温度差が上記の値に比べて小さく、また昇温時間も小さく、さらに井戸層のインジウム組成も低いので、温度差のある成長に起因する井戸層の劣化は結果的に小さい。また、障壁層の温度を井戸層の成長温度よりも高めることにより、障壁層の結晶品質の向上により、結果的に発光強度は強くなる。
【００７０】
一方、４４０ｎｍを超える発光波長では、井戸層のインジウム組成が大きくなり、また井戸層と障壁層との温度差を大きくすることが必要であり、さらにまた昇温時間も長くなるので、成長温度差に起因する井戸層の劣化は結果的に大きくなる。このため、発光強度は弱くなる。
【００７１】
したがって、ＰＬスペクトルの半値全幅を４０ｎｍ以下にするためには、井戸層及び障壁層を同一の成長温度で成長することが良い。井戸層への大きな注入効率を得るために、活性層内の井戸層の数は２〜５であることができる。
【００７２】
図７は、様々な成長条件を用いて作製されたＬＥＤ構造におけるＰＬ強度の半値全幅を示す図面である。図７を参照すると、井戸層と障壁層とを同じ温度で成長したＬＥＤ構造のプロットＰ１〜Ｐ１１、井戸層と障壁層とを異なる温度で成長したＬＥＤ構造のプロットＣ１〜Ｃ１０が示されている。
試料名、        成長温度    、井戸層厚／障壁層厚、半値全幅    
プロットＰ１：摂氏７７０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、２７ｎｍ；
プロットＰ２：摂氏７６０度、２．７ｎｍ／１５ｎｍ、２９ｎｍ；
プロットＰ３：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、３０ｎｍ；
プロットＰ４：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、３１ｎｍ；
プロットＰ５：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、２９ｎｍ；
プロットＰ６：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、２９ｎｍ；
プロットＰ７：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、２９ｎｍ；
プロットＰ８：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、３３ｎｍ；
プロットＰ９：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、３４ｎｍ；
プロットＰ１０：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、３３ｎｍ；
プロットＰ１１：摂氏７６０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、３６ｎｍ；
であった。
試料名、        成長温度（井戸／障壁）、井戸層厚／障壁層厚、半値全幅    
プロットＣ１：摂氏７５０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、６１ｎｍ；
プロットＣ２：摂氏７５０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、７２ｎｍ；
プロットＣ３：摂氏７６０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、５０ｎｍ；
プロットＣ４：摂氏７５０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、５５ｎｍ；
プロットＣ５：摂氏７６０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、７０ｎｍ；
プロットＣ６：摂氏７６０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、５９ｎｍ；
プロットＣ７：摂氏７６０度／摂氏８２０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、５６ｎｍ；
プロットＣ８：摂氏７６０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、４９ｎｍ；
プロットＣ９：摂氏７６０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、６２ｎｍ；
プロットＣ１０：摂氏７６０度／摂氏８４０度、３ｎｍ／１５ｎｍ、６４ｎｍ；
であった。
【００７３】
同じ成長温度で障壁雇及び井戸層を成長したとき、発光波長５００ｎｍ以上の波長領域では、半値全幅が改善される、また、大きなインジウム組成（例えば０．２以上）のＩｎＧａＮでは、インジウム組成の揺らが生じる。この揺らぎのために、井戸層の成長後に、障壁層の成長温度への昇温の際に、井戸層の表面におけるエッチング量にばらつきが生じる。井戸層の成長を障壁層の成長と異なる温度で行うとき、図７のプロット「○」に示されるように、半値全幅の分布が大きくなる。上記のばらつきのために、半値全幅及びピーク波長に面内の分布が大きくなっていると考えられる。一方、プロット「■」に示されるように、同じ成長温度で障壁雇及び井戸層を成長したとき、半値全幅の分布が大きくなる。
【００７４】
図８（ａ）は、井戸層及び障壁層を同一の温度で成長したＬＥＤ構造におけるカソードルミネッセンス像であり、図８（ｂ）は、井戸層及び障壁層を異なる温度で成長したＬＥＤ構造におけるカソードルミネッセンス像である。図８（ａ）を参照すると、発光像が一様であり発光が均一であることを示しているが、図８（ｂ）を参照すると、黒く示されている部分が観察される。これは、非発光領域であり、発光像にムラがある。
【００７５】
次いで、別の窒化物系半導体発光素子を説明する。この窒化物系半導体発光素子は、例えばレーザダイオードに好適な構造を有する。図９及び図１０は、本実施の形態に係る窒化物系半導体発光素子を作製する方法、及びエピタキシャルウエハを作製する方法における主要な工程のフローを示す図面である。図１１は、発光層の形成以降の工程における基板温度の変化及び原料ガス流の変化を示すタイミングチャートである。
【００７６】
（実施例２）
工程Ｓ２０１において、窒化ガリウム系半導体からなる主面を有する数枚のＧａＮウエハ６１を準備した。これらのＧａＮウエハ６１の主面は、ｃ軸からｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した（２０−２１）面を構成面として有する。ＧａＮウエハ６１はｎ導電性を示し、その主面は半極性を有する。これらのＧａＮウエハ６１上に、有機金属気相成長法によって複数の窒化ガリウム系半導体膜を成長した。有機金属気相成長法の原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＭＨ３）を用いた。また、ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ４）、ビスシク・ペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。ＧａＮウエハ６１を成長炉に配置した後に、工程Ｓ２０２では、ＧａＮウエハ６１のサーマルクリーニングを行った。この熱処理のために、成長炉に水素及びアンモニアを供給した。熱処理の温度は、例えば摂氏１０５０度であった。熱処理温度として、摂氏１０００度以上摂氏１１００度以下の範囲の温度を使用できる。
【００７７】
熱処理の後に、工程Ｓ２０３においては、基板温度Ｔ４で窒化ガリウム系半導体層６３を成長した。窒化ガリウム系半導体層６３として、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等を成長できる。本実施例では、III族としてガリウム、インジウム及びアルミニウムを少なくとも含むと共にＶ族として窒素を含む、例えばｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層を成長した。その成長温度は、例えば摂氏１１００度であった。そのＡｌ組成は例えば０．１４であり、そのインジウム組成は例えば０．０３であった。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層のドーパント濃度（例えばシリコン）は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば２３００ｎｍであった。このｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層６３は例えばｎ型クラッド層として働く。
【００７８】
このクラッド層６３上に、工程Ｓ２０４において発光層を形成した。発光層の形成工程においては、まず工程Ｓ２０５において光ガイド層６５を成長した。ｎ側光ガイド層の成長からｐ側光ガイド層の成長までの工程の説明を図１１を参照しながら行う。光ガイド層６５は、クラッド層６３のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体を有する。まず、工程Ｓ２０６では、時刻Ｓ０〜Ｓ１の期間中に成長温度Ｔ４でクラッド層６３上にＧａＮ半導体層６５ａを成長した。その成長温度Ｔ４は例えば摂氏１１００度であった。ＧａＮ層６５には例えばｎ型ドーパントが添加されており、そのドーパント濃度（例えばシリコン）は例えば１．０×１０１８ｃｍ−３である。また、その膜厚は例えば２５０ｎｍであった。工程Ｓ２０７において、時刻Ｓ１〜Ｓ２の期間中にＧａＮ半導体層６５ａのための成長温度Ｔ４からＩｎＧａＮ半導体層６５ｂのための成長温度Ｔ５に基板温度を変更した。次いで、工程Ｓ２０８において、時刻Ｓ２〜Ｓ３の期間中にＧａＮ半導体層６５ａ上にＩｎＧａＮ半導体層６５ｂを成長した。その成長温度Ｔ５は例えば摂氏８９０度であった。ＩｎＧａＮ層６５ｂは例えばアンドープであった。その膜厚は例えば１００ｎｍであり、そのインジウム組成は例えば０．０３であった。
【００７９】
工程Ｓ２０９において、活性層６７を成長した。工程Ｓ２０９−１において、時刻Ｓ３〜Ｓ４の期間中ＩｎＧａＮ半導体層６５ｂのための成長温度から活性層６７のための成長温度からに基板温度を変更した。この温度変更の後に、上記のｎ型窒化ガリウム系半導体領域６３及びＩｎＧａＮ半導体層６５ｂ上に活性層６７を成長した。活性層６７の成長温度は、例えば摂氏７２０度であった。まず、工程Ｓ２０９−２において、時刻Ｓ４〜Ｓ５の期間中にＴＭＧ及びアンモニアを成長炉に供給して、ＧａＮからなる障壁層６７ａを成長した。障壁層６７ａの厚みは１５ｎｍであった。次いで、成長中断を行うことなく連続して、工程Ｓ２０９−３において、時刻Ｓ５〜Ｓ６の期間中にＴＭＧ、ＴＭＩ及びアンモニアを成長炉に供給して、ＩｎＧａＮからなる井戸層６７ｂを成長した。井戸層６７ｂの厚みは３ｎｍであった。井戸層６７ｂのインジウム組成は０．３０であった。続けて、工程Ｓ２０９−４において、成長中断を行うことなく連続して、時刻Ｓ６〜Ｓ７の期間中にＧａＮからなる障壁層６７ｃを井戸層６７ｂ上に成長した。同様に、時刻Ｓ７〜Ｓ８の期間、時刻Ｓ９〜Ｓ１０の期間、時刻Ｓ８〜Ｓ９の期間、及び時刻Ｓ１０〜Ｓ１１の期間において、それぞれ、工程Ｓ２０９−３における井戸層６７ｄ、６７ｆ及び工程Ｓ２０９−４における障壁層６７ｅ、６７ｇの成長を繰り返して、３層の井戸層６７ｂ、６７ｄ、６７ｆを含む活性層６７を形成した。障壁層６７ｇの成長が時刻Ｓ１１において終了した後に、時刻Ｓ１１〜Ｓ１２の期間において、活性層６７のための成長温度Ｔ５からＩｎＧａＮ半導体層７１ｂのための成長温度Ｔ６に基板温度を変更した。井戸層はアンドープである。障壁層は例えばアンドープであることができる。
【００８０】
工程Ｓ２１０において、光ガイド層７１を成長した。この光ガイド層７１はｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３の成長に先立って成長された。光ガイド層７１は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系半導体を含む。まず、工程Ｓ２１１において、時刻Ｓ１２〜Ｓ１３の期間中にＩｎＧａＮ半導体層７１ｂを活性層６７上に成長した。その成長温度は例えば摂氏８９０度であった。ＩｎＧａＮ層７１ｂには例えばアンドープであった。その膜厚は例えば１００ｎｍであり、そのインジウム組成は０．０３であった。次いで、温度変更を行うことなく、工程Ｓ２１２において、時刻Ｓ１３〜Ｓ１４の期間中にＩｎＧａＮ半導体層７１ｂ上にＧａＮ半導体層７１ａを成長した。その成長温度は例えば摂氏８９０度であった。ＧａＮ層６５には例えばｐドーパントが添加されており、そのドーパント濃度（例えばマグネシウム）は例えば３×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば２５０ｎｍであった。
【００８１】
引き続き、工程Ｓ２１３においてｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３を成長する。本実施例は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３のための成長温度は光ガイド層のための成長温度と同じであった。必要な場合には、光ガイド層のための成長温度から、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３（例えば電子ブロック層、クラッド層、及びコンタクト層）のための成長温度に基板温度を変更することができ、このときには、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３の成長温度に基板温度を成長炉の温度を調整して変更する。本実施例においては、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７３のための温度は例えば摂氏８９０度であった。まず、活性層６７及び光ガイド層７１上に、工程Ｓ２１４において、ｐ型窒化ガリウム系半導体層７５を成長した。ｐ型窒化ガリウム系半導体層７５は例えばＡｌＧａＮ層を成長した。このＡｌＧａＮ層は例えば電子ブロック層として働く。そのＡｌ組成は例えば０．１１であり、そのドーパント濃度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば１０ｎｍであった。なお、電子ブロック層の位置は、例えば活性層と光ガイド層との間に設けられることができ、或いは内側光ガイド層と外側光ガイド層との間に設けられることができる。
【００８２】
この後に、工程Ｓ２１５において、窒化ガリウム系半導体層７７を成長した。窒化ガリウム系半導体層７７は例えばｐ型ＩｎＡｌＧａＮ、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体等からなることができる。本実施例では、III族としてガリウム、インジウム及びアルミニウムを少なくとも含むと共にＶ族として窒素を含む窒化ガリウム系半導体層を成長した。その成長温度は、例えば摂氏８９０度であった。そのＡｌ組成は０．１４であり、そのインジウム組成は０．０３であった。窒化ガリウム系半導体層７７のドーパント濃度（例えばマグネシウム）は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば４００ｎｍであった。このＩｎＡｌＧａＮ層は例えばクラッド層として働く。
【００８３】
窒化ガリウム系半導体層７７上には、工程Ｓ２１６においてｐ型窒化ガリウム系半導体層７９を成長した。このｐ型窒化ガリウム系半導体層７９は、窒化ガリウム系半導体層７７のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮといった窒化ガリウム系半導体を含む。本実施例では、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域７９としてｐ型ＧａＮ層を成長した。ｐ型ＧａＮ層のドーパント濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であり、その膜厚は例えば５０ｎｍであった。ｐ型ＧａＮ層は例えばコンタクト層として働く。
【００８４】
これらのエピタキシャル成長工程により、図１２に示されたエピタキシャルウエハＥＬＤが完成した。このエピタキシャルウエハＥＬＤは、７５度傾斜した主面の半極性基板上に形成されたレーザダイオード構造を含む。エピタキシャルウエハＥＬＤのフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルを測定した。ＰＬスペクトルの半値全幅は３０ｎｍであった。この半値全幅は、他の成長フローより良好なスペクトルを示した。活性層を単一の温度で形成したので、品質劣化の無い発光層を成長できた。
【００８５】
工程Ｓ２１７において、エピタキシャルウエハＥＬＤ上に電極を形成した。例えば、ｐ型ＧａＮ層７９のコンタクト層上にアノード電極５９ａを形成した。アノード電極８１ａは例えばＮｉ／Ａｕを用いた。次いで、この基板生産物のＧａＮウエハの裏面を研削して、厚み１００マイクロメートルの基板生産物を作製した。この研削裏面にカソード電極８１ｂを形成した。カソード電極８１ｂは例えばＡｌを用いた。これらの工程により、７５度傾斜した主面の半極性基板上に形成されたレーザダイオード構造を含む基板生産物を作製された。
【００８６】
工程Ｓ２１７において、基板生産物からレーザバーを作製した。間隔８００マイクロメートル間隔で基板生産物を分離してレーザバーを作製した。図１３は、本実施例で作製されたレーザダイオード構造ＬＤを示す図面である。図１３に示されたレーザダイオード構造ＬＤは共振器のための一対の断面ＣＶ１、ＣＶ２を含む。この共振器を含むレーザダイオード構造は、発振波長５２０ｎｍで発振した。その閾値電流密度４ｋＡ／ｃｍ２以下であった。
【００８７】
上記の実施例２における実験、及びその他の実験に基づく結果から、レーザダイオードの作製について説明する。ＩｎＧａＮ井戸層及び障壁層の成長温度は摂氏７００度以上であることが良い。また、ＩｎＧａＮ井戸層及び障壁層の成長温度は摂氏７６０度以下であることが良い。この範囲は、発光波長４００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下のピーク波長の光を発生する活性層の形成に適用可能である。この温度範囲により、ＩｎＧａＮ層の結晶品質に起因する発光特性低下を避けることができる。
【００８８】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度は摂氏８５０度より大きいことが良い。摂氏８５０度より大きい成長温度は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域おける抵抗の増大によるデバイス特性低下を抑制できる。また、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度は摂氏９５０度以下であることが良い。摂氏９５０度以下の成長温度は、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長中におけるＩｎＧａＮの熱劣化を低減できる。
【００８９】
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長温度の最大値と井戸層の成長温度との温度差は２００度以下であることが良い。発光素子の作製において発光波長の長波長化のために、ＩｎＧａＮ井戸層が比較的低い成長温度を低くし、ＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成を比較的高くする。これらのとき、そのＩｎＧａＮの品質は成膜後の熱ストレスに敏感になる。このＩｎＧａＮの熱劣化を避けるために、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の成長に高い成長温度を用いないことが良い。
【００９０】
また、井戸層のインジウム組成は０．２５以上０．３５以下であることが良く、また活性層からの発光の発振波長は５００ｎｍ以上であることができる。このレーザダイオードでは、活性層は、緑色発光又は緑色発光よりも長い波長の光を発生可能である。
【００９１】
さらに、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の厚さは５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることが良い。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域の全体として、良好な光閉じ込めを提供できる。例えばクラッド層の厚さが５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることができる。
【００９２】
図１３に示されるように、窒化物系半導体発光素子の光共振器のための端面を更に備えることが良い。窒化物系半導体発光素子のためのＧａＮ基板の主面の傾斜角が６３度以上８３度以下の角度範囲であるとき、ＩｎＧａＮの成長において、良好なＩｎ取り込み性が得られる。これ故に、井戸層のＩｎ組成の変更範囲を拡大でき、波長５００ｎｍ以上の光を発生する活性層の作製に良い。
【００９３】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【００９４】
１１…基板、１１ａ…基板主面、１１ｂ…基板裏面、１１ｃ…改質された基板主面、１０…成長炉、１３…窒化ガリウム系半導体領域、１５…ｎ型ＡｌＧａＮバッファ層、１７…ｎ型ＧａＮ層、２５…活性層、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…障壁層、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…井戸層、ＴＢ（＝Ｔ２）…障壁層の成長温度、ＴＷ（＝Ｔ２）…井戸層の成長温度、２７…電子ブロック層、２９…コンタクト層、３１…窒化ガリウム系半導体領域、３３…エピタキシャルウエハ、４１…ＧａＮウエハ、４３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、４５…ｎ型ＧａＮ半導体層、４７…活性層、４７ａ、４７ｃ、４７ｅ、４７ｇ…障壁層、４７ｂ、４７ｄ、４７ｆ…井戸層、４９…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、５１…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、５３…ｐ型ＡｌＧａＮ層、５５…ｐ型ＧａＮ層、５９ａ…アノード電極、５９ｂ…カソード電極、Ｃ…エピタキシャルウエハ、Ｅ…エピタキシャルウエハ、６１…ＧａＮウエハ、６３…窒化ガリウム系半導体層、６５…光ガイド層、６５ａ…ＧａＮ半導体層、６５ｂ…ＩｎＧａＮ半導体層、６７…活性層、６７ａ、６７ｃ、６７ｅ、６７ｇ…障壁層、６７ｂ、６７ｄ、６７ｆ…井戸層、７１…光ガイド層、７１ｂ…ＩｎＧａＮ半導体層、７１ａ…ＧａＮ半導体層、７３…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、７５…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、７７…窒化ガリウム系半導体層、７９…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、ＥＬＤ…エピタキシャルウエハ  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図８】
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