(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系結晶がＣ軸を厚み方向として成長可能なベース基板を最下層とし、その上に、ＧａＮ系結晶からなり発光層を含む複数の層が順次成長し積み重なって積層体が形成され、これにｐ型電極、ｎ型電極が設けられた構成を有する半導体発光素子であって、
ベース基板と発光層との間には、マスク層と、該マスク層を覆う層と、ブラッグ反射層とが、これらのなかでブラッグ反射層が最も上層側となるように設けられ、
マスク層は、該マスク層が設けられる層の上面に、マスク領域と非マスク領域とを形成するように部分的に設けられるものであり、マスク層の材料はそれ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料であり、マスク層を覆う層は、非マスク領域を成長の出発面とし、マスク層上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層であり、
マスク層の形成パターンが、帯状のマスク層を縞状に配置してなるストライプ状のマスクパターンであり、該ストライプの長手方向はベース基板上に形成されるＧａＮ系結晶に対して〈１１−２０〉方向に伸びており、非マスク領域を通る転位線が、マスク層を覆う層で曲げられ、非マスク領域の上方部分が低転位化されている、
ＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項２】
マスク層を覆う層が、Ｃ軸方向への成長速度とＣ軸に垂直な方向への成長速度との比を制御されながら形成された層であって、前記２つの成長速度の比の制御が、マスク層の形成パターン、結晶成長法、結晶成長時の雰囲気ガスの組合わせを選択することによってなされたものである請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項３】
ＧａＮ系結晶がＣ軸を厚み方向として成長可能なベース基板を最下層とし、その上に、ＧａＮ系結晶からなり発光層を含む複数の層が順次成長し積み重なって積層体が形成され、これにｐ型電極、ｎ型電極が設けられた構成を有する半導体発光素子であって、
ベース基板と発光層との間には、マスク層と、該マスク層を覆う層と、ブラッグ反射層とが、これらのなかでブラッグ反射層が最も上層側となるように設けられ、マスク層は、該マスク層が設けられる層の上面に、マスク領域と非マスク領域とを形成するように部分的に設けられるものであり、マスク層の材料はそれ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料であり、マスク層を覆う層は、非マスク領域を成長の出発面とし、マスク層上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層であり、
発光層の上層側には、さらに第二のマスク層とそれを覆う層が設けられ、第二のマスク層は、該マスク層が設けられる層の上面に、マスク領域と非マスク領域とを形成するように部分的に設けられるものであり、第二のマスク層の材料はそれ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料であり、第二のマスク層を覆う層は、非マスク領域を成長の出発面とし、マスク層上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層である、
ＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項４】
マスク層を覆う層が、Ｃ軸方向への成長速度とＣ軸に垂直な方向への成長速度との比を制御されながら形成された層であって、前記２つの成長速度の比の制御が、マスク層の形成パターン、結晶成長法、結晶成長時の雰囲気ガスの組合わせを選択することによってなされたものである請求項３記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項５】
マスク層の形成パターンが、帯状のマスク層を縞状に配置してなるストライプ状のマスクパターンであり、該ストライプの長手方向はベース基板上に形成されるＧａＮ系結晶に対して〈１１−２０〉方向に伸びており、非マスク領域を通る転位線が、マスク層を覆う層で曲げられ、非マスク領域の上方部分が低転位化されている請求項３記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項６】
マスク層の形成パターンが、帯状のマスク層を縞状に配置してなるストライプ状のマスクパターンであり、該ストライプの長手方向はベース基板上に形成されるＧａＮ系結晶に対して〈１−１００〉方向に伸びており、非マスク領域を通る転位線が、マスク層を覆う層で曲げられることなく、マスク領域の上方部分が低転位化されている請求項３記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項７】
第二のマスク層が、電流狭窄の役割を果している請求項３記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項８】
第二のマスク層により電流狭窄された部分に対応する、発光層の部位およびブラッグ反射層の部位が、ブラッグ反射層の下側に設けられた上記マスク層により低転位化されている請求項７記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子に関するものであり、特に、発光素子の積層体内にマスク層を設けることによって該積層体内に低転位の領域を形成し、これにさらにブラッグ反射層を組み合わせた構造を有する発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系半導体発光素子（以下、「ＧａＮ系発光素子」とも呼んで説明する）は、ＧａＮ系結晶材料を用いた半導体発光素子であって、近年高輝度のダイオード（ＬＥＤ）が実現されたのを機会に研究が活発に行われており、半導体レーザの室温連続発振の報告も聞かれる様になっている。
これらＧａＮ系発光素子を作製する一般的な方法は、基板としてサファイアの単結晶を用い、その上に低温でバッファー層を成長し、その後ＧａＮ系結晶からなる発光部を形成するといった手順が用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
結晶基板上にＧａＮ系結晶層を成長させる場合、他の半導体の場合と同様、基板とＧａＮ系結晶との格子定数が整合しない（格子不整合）状態では転位などの欠陥が発生する。また、転位は、不純物の混入や多層膜界面での歪み等の要因によっても発生する。これら発生した転位は、結晶層が成長するにつれて層の厚みが増しても上層側へ継承され、転位線（貫通転位）と呼ばれる連続した欠陥部分となる。
【０００４】
ＧａＮ系発光素子、特にサファイア結晶を基板として用いたものにおいては、基板とＧａＮ系層との間に大きな格子不整合が存在するため転位密度が１０10ｃｍ-2以上にもなることが知られている。これら高密度に発生する転位が、ＧａＮ系発光素子の積層構造を形成する場合にも、転位線となって上層へ伝搬する。転位は結晶欠陥であるため、発光層では非発光再結合中心として働いたり、そこが電流のパスとして働き漏れ電流の原因になるなど、発光特性や寿命特性を低下させる原因となり問題となる。
【０００５】
一方、ＧａＮ系発光素子の外部量子効率を向上させるための方法の一つとしてブラッグ反射層を設ける方法がある。この方法は、発光素子を構成する積層体のうち下層側、上層側のいずれか一方の側から光を取り出すとして、内部の発光層から発せられた光のうち、光を取り出す側とは反対側に向かう光を、ブラッグ反射層によって光を取り出す側へ反射させ、より損失を少なくしようとする方法である。
【０００６】
ＧａＮ系発光素子を構成する積層体中にブラッグ反射層を設ける場合、ブラッグ反射層もまたＧａＮ系結晶からなる積層構造であるから、該ブラッグ反射層の内部には多くの転位線が存在する。このため、結晶性が低下し、所望の反射率が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、ＧａＮ系発光素子に設けられるブラッグ反射層の結晶性低下を改善し、反射率の低下を改善して、発光特性に優れたＧａＮ系発光素子を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＧａＮ系発光素子は、次の特徴を有するものである。
（１）ＧａＮ系結晶がＣ軸を厚み方向として成長可能なベース基板を最下層とし、その上に、ＧａＮ系結晶からなり発光層を含む複数の層が順次成長し積み重なって積層体が形成され、これにｐ型電極、ｎ型電極が設けられた構成を有する半導体発光素子であって、
ベース基板と発光層との間には、マスク層と、該マスク層を覆う層と、ブラッグ反射層とが、これらのなかでブラッグ反射層が最も上層側となるように設けられ、
マスク層は、該マスク層が設けられる層の上面に、マスク領域と非マスク領域とを形成するように部分的に設けられるものであり、マスク層の材料はそれ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料であり、マスク層を覆う層は、非マスク領域を成長の出発面とし、マスク層上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層であり、
マスク層の形成パターンが、帯状のマスク層を縞状に配置してなるストライプ状のマスクパターンであり、該ストライプの長手方向はベース基板上に形成されるＧａＮ系結晶に対して〈１１−２０〉方向に伸びており、非マスク領域を通る転位線が、マスク層を覆う層で曲げられ、非マスク領域の上方部分が低転位化されている、
ＧａＮ系半導体発光素子。
（２）マスク層を覆う層が、Ｃ軸方向への成長速度とＣ軸に垂直な方向への成長速度との比を制御されながら形成された層であって、前記２つの成長速度の比の制御が、マスク層の形成パターン、結晶成長法、結晶成長時の雰囲気ガスの組合わせを選択することによってなされたものである上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（３）ＧａＮ系結晶がＣ軸を厚み方向として成長可能なベース基板を最下層とし、その上に、ＧａＮ系結晶からなり発光層を含む複数の層が順次成長し積み重なって積層体が形成され、これにｐ型電極、ｎ型電極が設けられた構成を有する半導体発光素子であって、
ベース基板と発光層との間には、マスク層と、該マスク層を覆う層と、ブラッグ反射層とが、これらのなかでブラッグ反射層が最も上層側となるように設けられ、マスク層は、該マスク層が設けられる層の上面に、マスク領域と非マスク領域とを形成するように部分的に設けられるものであり、マスク層の材料はそれ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料であり、マスク層を覆う層は、非マスク領域を成長の出発面とし、マスク層上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層であり、
発光層の上層側には、さらに第二のマスク層とそれを覆う層が設けられ、第二のマスク層は、該マスク層が設けられる層の上面に、マスク領域と非マスク領域とを形成するように部分的に設けられるものであり、第二のマスク層の材料はそれ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料であり、第二のマスク層を覆う層は、非マスク領域を成長の出発面とし、マスク層上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層である、
ＧａＮ系半導体発光素子。
（４）マスク層を覆う層が、Ｃ軸方向への成長速度とＣ軸に垂直な方向への成長速度との比を制御されながら形成された層であって、前記２つの成長速度の比の制御が、マスク層の形成パターン、結晶成長法、結晶成長時の雰囲気ガスの組合わせを選択することによってなされたものである上記（３）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（５）マスク層の形成パターンが、帯状のマスク層を縞状に配置してなるストライプ状のマスクパターンであり、該ストライプの長手方向はベース基板上に形成されるＧａＮ系結晶に対して〈１１−２０〉方向に伸びており、非マスク領域を通る転位線が、マスク層を覆う層で曲げられ、非マスク領域の上方部分が低転位化されている上記（３）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（６）マスク層の形成パターンが、帯状のマスク層を縞状に配置してなるストライプ状のマスクパターンであり、該ストライプの長手方向はベース基板上に形成されるＧａＮ系結晶に対して〈１−１００〉方向に伸びており、非マスク領域を通る転位線が、マスク層を覆う層で曲げられることなく、マスク領域の上方部分が低転位化されている上記（３）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（７）第二のマスク層が、電流狭窄の役割を果している上記（３）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（８）第二のマスク層により電流狭窄された部分に対応する、発光層の部位およびブラッグ反射層の部位が、ブラッグ反射層の下側に設けられた上記マスク層により低転位化されている上記（７）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【００１６】
【作用】
本明細書では、ＧａＮ系結晶やサファイア基板などの六方格子結晶の格子面を４つのミラー指数（ｈｋｉｌ）によって指定する場合があれば、記載の便宜上、指数が負のときには、その指数の前にマイナス記号を付けて表記するものとし、この負の指数に関する表記方法以外は、一般的なミラー指数の表記方法に準じる。従って、ＧａＮ系結晶の場合では、Ｃ軸に平行なプリズム面（特異面）は６面あるが、例えば、その１つの面は（１−１００）と表記し、６面を等価な面としてまとめる場合には｛１−１００｝と表記する。また、前記｛１−１００｝面に垂直でかつＣ軸に平行な面を等価的にまとめて｛１１−２０｝と表記する。また、（１−１００）面に垂直な方向は〔１−１００〕、それと等価な方向の集合を〈１−１００〉とし、（１１−２０）面に垂直な方向は〔１１−２０〕、それと等価な方向の集合を〈１１−２０〉と表記する。但し、図面にミラー指数を記入する場合があれば、指数が負のときには、その指数の上にマイナス記号を付けて表記し、ミラー指数の一般的な表記方法に全て準じる。本発明でいう結晶方位は、全て、ベース基板上にＣ軸を厚み方向として成長したＧａＮ系結晶を基準とする方位である。
【００１７】
「マスク領域」と「非マスク領域」は、共にマスク層が形成される面内の領域である。マスク層の上面の領域は、マスク領域に等しいものとみなし、同義として説明に用いる。
また、マスク領域の上方、下方とは、マスク領域の面に対して垂直に上方、下方のことである。非マスク領域の上方、下方も同様である。
【００１８】
また、当該ＧａＮ系半導体発光素子に設けられるｐ型電極・ｎ型電極のうち、発光層よりも上層側に設けられる方の電極を上部電極と呼ぶ。これに対して、他方の電極を下部電極と呼ぶ。上部電極は特定の層上面に任意の形状にて設けられるが、その層上面全体を上部電極形成面と呼ぶ。
【００１９】
本発明者等は、先にＧａＮ系結晶とサファイア結晶基板との格子定数及び熱膨張係数の違いに起因するＧａＮ系結晶層のクラック対策として、図６（ａ）に示すように、ベース基板１上に、格子状にパターニングしたマスク層Ｍを設け、基板面が露出している非マスク領域１１だけにＧａＮ系結晶層３０を成長させ、ベース基板面全体に対してチップサイズのＧａＮ系結晶層３０を点在させることによって、クラックを防止することを提案している（特開平７−２７３３６７号公報）。
【００２０】
その後本発明者らがさらに研究を重ねた結果、点在的に成長させたＧａＮ系結晶層３０をさらに成長させると、図６（ｂ）に示すように、厚さ方向（Ｃ軸方向）だけでなく、各ＧａＮ系結晶層３０からマスク層Ｍ上へ向けての横方向（Ｃ軸に垂直な方向）へも成長が行われることが確認された。しかも、横方向への成長速度は、結晶方位によっては厚さ方向と同程度の高速な成長が可能な場合もあり、結晶方位依存性が判明した。
【００２１】
このマスク層よりも上方への成長をさらに進めると、厚み方向、横方向への成長がさらに継続され、図６（ｃ）に示す如く、ＧａＮ系結晶は、マスク領域１２を完全に覆ってマスク層を埋め込み、非常に転位などの欠陥の少ない平坦でクラックの無い大型且つ厚膜のＧａＮ系結晶層３０が得られる事を見いだした。
【００２２】
このとき、ＧａＮ系結晶層３０中に存在する転位線は、ベース基板を含む下地から継承するか、成長界面で発生し、図６（ｃ）に示す如く、単に非マスク領域から上方へ伝搬していくものと考えられていた。
【００２３】
ところが、その後の本発明者等の研究によって、上記のようにマスク層を形成し該マスク層を埋め込むまで結晶成長を行なう場合、マスク層の形成パターン、結晶成長法、結晶成長時の雰囲気ガスの組合わせを選択することによって、その層において、転位線の上方への伝搬方向を制御できることを見い出したのである。この制御方法によって、非マスク領域からそれに隣接するマスク領域の上方へ、あるいは非マスク領域からそのまま上方へ、いずれの領域の上方へも転位線の継承方向を意図的に変化させることができるようになった。
【００２４】
上記のように、マスク層とそれを覆うＧａＮ系結晶層を用いて積極的に転位線の上方への伝搬方向を制御することによって、光が発生する部分や上部電極形成面など、マスク層よりも上層側の重要箇所を自在に低転位化し、光度、出力、素子寿命を向上させることができる。また好ましい態様として、マスク層を両電極の間に設けるときには、マスク層によって電流狭窄構造を構成することができ、発光層を部分的に強く発光させることができる。このとき、転位線を制御し、前記発光の中心部分を低転位化することで、光度をより向上させることができる。
【００２５】
本発明では、発光素子の積層体内にブラッグ反射層を設け、外界へより多くの光を放出させる構造としているが、ブラッグ反射層の下層側に、マスク層とそれを覆うＧａＮ系結晶層を設けるという上下関係の限定を行なっている。これによって、ブラッグ反射層を構成する各ＧａＮ系結晶層の結晶性が転位線によって劣化するのを抑制することができる。また、発光層の場合と同様、ブラッグ反射層に対しても部分的に低転位化を行なうこともできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明による発光素子を製造方法と共に説明する。
本発明の発光素子は、図１に簡単な構造の一例を示すように、ベース基板１を最下層とし、該ベース基板上に、ＧａＮ系結晶からなる層を順次結晶成長させて積み重ね、ｐｎ接合による発光層Ｓ４を含む積層体Ｓを形成し、これに上部電極Ｘと下部電極Ｙを設けて形成したものである。図１の例では、発光層Ｓ４は、ダブルヘテロ接合構造によって２つのクラッド層Ｓ３、Ｓ５によって挟まれた活性層である。また、図１の例では、ベース基板１は、基礎となるサファイア結晶基板１ａ上に、格子整合性を改善するためのバッファー層１ｂ、さらにＧａＮ系結晶薄膜層１ｃが順次形成されたものを用いている。
【００２７】
図１の例におけるｐ／ｎ型の上下位置関係は、ｐ型、ｎ型の導電型を形成するための加工上の理由から、ベース基板側をｎ型とし上層側をｐ型とする一般的なものとなっている。また、ベース基板には絶縁体（サファイア結晶基板）を用いており、ｎ型ＧａＮ層Ｓ２の上面を露出させ、その面に下部電極Ｙを設けるという、電極の配置となっている。また、光が外界に出ていく面は積層体の最上層の上面としており、下層側にブラッグ反射層を位置させている。以下、本発明の発光素子の他の態様を説明する場合にも、ｐ／ｎ型の上下関係、ブラッグ反射層の位置、電極配置については、これと同様の例を挙げて説明する。しかし、ｐ／ｎ型の上下が逆の態様や、導電性を有するベース基板の場合には、ベース基板に下部電極を設ける態様なども自由に選択してよい。
【００２８】
ベース基板１と発光層Ｓ４との間には、マスク層Ｍとそれを覆う層Ｓ１と、ブラッグ反射層Ｂ１とが、ブラッグ反射層Ｂ１を上層側として設けられる。マスク層Ｍは、該マスク層が設けられる層（図１の例ではベース基板１）の上面に、マスク領域１２と非マスク領域１１とを形成するように部分的に設けられる。また、マスク層を覆う層Ｓ１は、非マスク領域１１を成長の出発面とし、マスク層Ｍの上面を覆うまで結晶成長してなるＧａＮ系結晶層である。以下、マスク層Ｍを覆って含むＧａＮ系結晶層を、転位線制御層と呼ぶ。
【００２９】
図１の例におけるＧａＮ系発光素子を構成する積層構造は、ベース基板１を最下層として順に、マスク層Ｍ、転位線制御層（ｎ型ＧａＮ層）Ｓ１、ブラッグ反射層Ｂ１、ｎ型ＧａＮ層Ｓ２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層Ｓ３、ＩｎＧａＮ発光層Ｓ４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層Ｓ５、ｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ６の積層構造である。
【００３０】
ベース基板は、ＧａＮ系結晶がＣ軸を厚さ方向として成長可能なものであればよく、例えば、従来からＧａＮ系結晶を成長させる際に汎用されている、サファイア、水晶、ＳｉＣ等を用いてもよい。なかでも、サファイアのＣ面、Ａ面、６Ｈ−ＳｉＣ基板、特にＣ面サファイア基板が好ましい。またこれら材料の表面に、ＧａＮ系結晶との格子定数や熱膨張係数の違いを緩和するためのＺｎＯ、ＭｇＯやＡｌＮ等のバッファー層を設けたものであっても良く、さらにはＧａＮ系結晶の薄膜を表層に有するものでもよい。
【００３１】
ベース基板は、成長させるＧａＮ系結晶となるべく格子定数が近く且つ熱膨張係数ができるだけ近いものを選択することが、転位などの欠陥を本来的に少なくする点及びクラック等をより生じにくくする点で望ましい。また、後述するマスク層の薄膜形成の際における高熱やエッチングに対する耐性に優れることが好ましい。このような点から、ベース基板は、少なくともその表層がＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）からなるものが好ましい。具体的には、サファイア基板上に、ＭＯＶＰＥ法によりＺｎＯやＡｌＮ等のバッファー層、次いでＧａＮ又はＡｌＧａＮの薄層を順次成膜したものが好適に用い得る。このようなベース基板であれば、該ベース基板上に成長させるＧａＮ系結晶内に新たに発生する転位の密度を低く抑える事が出来、良好な結晶性を得ることができる。
【００３２】
積層体の各層の材料に用いられるＧａＮ系結晶は、式ＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｚ≦１，Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で決定される化合物半導体である。特に、ＧａＮ系発光素子として有用なものとしてはＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが挙げられる。
【００３３】
積層体の層数は限定されない。積層体中における、発光のメカニズムに直接関係する層だけを挙げるならば、単純なｐｎ接合構造による２層、ダブルヘテロ接合構造による３層など公知の構造が挙げられる他、発光層の形態として、超格子構造を有するＳＱＷ (Single Quantum well)、ＭＱＷ (Multi Quantum well) 、量子ドットなどでもよい。
上記発光に関係する層、およびブラッグ反射層、転位線制御層に加えて、図１に示すようにダブルヘテロ接合構造の上層としてコンタクト層Ｓ６を加えた積層構造などが挙げられ、さらに、図２に示すように、発光層の上層側で電流狭窄を行なうためのマスク層を含む層や、図３に示すように上部にもブラッグ反射層を加えて共振器を構成するなど、種々の機能層を加えてもよい。
【００３４】
ブラッグ反射層は、発光層よりも下層側に位置し、発光層から下層側に発せられた光を反射して、少しでもロス無きように光を外界に放出させる。
ブラッグ反射層は公知の反射層であって、屈折率の異なる材料同士の界面が多重に形成されるように、それらの材料からなる層が多層に積層された構造を有するものである。なかでも、ＧａＮ系結晶からなる多層構造が好ましいものとして挙げられる。特に、超格子を構成する２層のＧａＮ系結晶層を１ペアとして、これを所望のペア数だけ積層したものが、高い反射率を有するので好ましい。
【００３５】
マスク層は、それ自身の表面からは実質的にＧａＮ系結晶が成長し得ない材料を用いる。このような材料としては、例えば非晶質体が例示され、さらにこの非晶質体としてＳｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ等の窒化物や酸化物、即ち、ＳｉＯ2 、ＳｉＮX 、ＳｉＯ1-X ＮX 、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 等が例示される。特に、耐熱性に優れると共に成膜及びエッチング除去が比較的容易なＳｉＮX や、ＳｉＯ1-X ＮX 膜が好適に使用できる。
また、図２に示すように、マスク層Ｍの上層にさらに第二のマスク層を設けて電流狭窄を行い、かつ転位線の伝搬を止める場合、該マスク層の材料は、転位線の伝搬を止め得るものであればよい。
【００３６】
マスク層は、例えば真空蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の方法により基板全表面を覆うように形成した後、通常のフォトリソグラフィー技術によって光感光性レジストのパターニングを行い、エッチングによって基板の一部を露出させる等の手段で形成される。なお、厚さは限定されないが、通常５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度とされる。
【００３７】
マスク層を設けることによって、下層側から伝搬してきた転位線のうち、少なくともマスク領域に到達しているものについては、マスク層自体で伝搬を止めることができる。一方、下層側から伝搬してきた転位線のうち、非マスク領域に到達したものは、さらに上層側へ伝搬する。この上層側に伝搬する転位線の伝搬方向を、転位線制御層によって積極的に制御する方法について次に説明する。
【００３８】
転位線制御層となるＧａＮ系結晶層は、マスク層が設けられた面の非マスク領域から結晶成長を開始する。このとき、ＧａＮ系結晶を成長させるに際し、該ＧａＮ系結晶の、Ｃ軸方向への成長速度とＣ軸に垂直な方向への成長速度との比を制御することによって、結晶がマスク層よりも高く成長する時の結晶表面の形態を、大きく分けて、次の（１）、（２）のように変化させることができる。
【００３９】
（１）Ｃ軸方向への成長速度の比をより大きくとれば、結晶表面の形態は、図４（ａ）に示すように、先ずピラミッド状となる。このように成長させることによって、転位線Ｌの伝搬を、非マスク領域上方から、隣接するマスク領域の上方に屈曲させることができる。さらに結晶成長を続けると、図４（ｂ）に示すように、隣合ったマスク領域からの結晶同士が合流し、平坦な上面の状態へと向かう。このとき転位線は、結晶同士の合流面に沿って上方に向かい、非マスク領域の上方を低転位化することができる。
【００４０】
（２）Ｃ軸に垂直な方向への成長速度の比をより大きくとれば、結晶成長時の表面の形態は、図５（ａ）に示すように、最初から上面が平坦な台形のように成長する。このように成長させることによって、転位線Ｌを同図のように、上方に向かって伝搬させることができる。この場合さらに結晶成長を続けると、図５（ｂ）に示すように、隣合ったマスク領域からの結晶同士が合流し、平坦な上面の状態は維持され、結晶層の厚みが増す。このとき転位線はそのまま継続して上方へ向かい、マスク領域の上方を低転位化することができる。
【００４１】
上記Ｃ軸方向（厚み方向）への成長速度と、Ｃ軸に垂直な方向（横方向）への成長速度との比を制御するための要素は、マスク層の形成パターン、結晶成長法、結晶成長時の雰囲気ガスであり、これらをいかに組合せるかが重要である。その選択によって、転位線制御層は上記（１）、（２）のように結晶成長し、その結果、転位線の伝搬方向が選択できるのである。
【００４２】
転位線の伝搬方向を制御するためのマスクの形成パターンは、マスク領域の外形線の方向、即ちマスク領域と非マスク領域との境界線の方向が重要である。
マスク領域と非マスク領域との境界線を〈１１−２０〉方向の直線とする場合、ファセット面である｛１−１００｝面がこの境界線を越えて横方向に成長する面として確保され、横方向への成長速度は遅くなる。横方向成長速度に対しＣ軸方向の成長速度が速いため、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易い。よって上記（１）のようにピラミッド状の形状が先ず形成されてから平坦化する。このため平坦に埋め込むにはある程度の厚みが必要となる。
【００４３】
逆に、マスク領域と非マスク領域との境界線を〈１−１００〉方向に伸びる直線とする場合、ＧａＮ系結晶の｛１１−２０｝面が、この境界線を越え、マスク層の上面に沿って横方向に成長する面として確保される。｛１１−２０｝面はオフファセット面であるため、ファセット面である｛１−１００｝面に比べて、ＧａＮ系結晶は上記（２）のように横方向に高速に成長する。横方向成長速度が速くなると、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され難い。その結果平坦に埋め込むのが〈１１−２０〉に比べ薄くて済む。
【００４４】
上記マスクパターンの効果を最も顕著に現すパターンの一例として、ストライプ状のマスクパターンが挙げられる。ストライプ状のマスクパターンは、帯状のマスク層を縞状に配置したパターンである。従って、帯状のマスク領域と帯状の非マスク領域とが交互に並ぶ。このストライプ（即ち、各帯）の長手方向が、上記したマスク領域と非マスク領域との境界線の方向である。図２の例は、マスク層をストライプ状のマスクパターンとして形成し、ストライプの長手方向を〈１−１００〉方向とした例である。マスクパターンは、ストライプ状だけに限定されず、境界線を考慮して任意のパターンとしてもよい。
【００４５】
結晶成長法としては、ＨＶＰＥ、ＭＯＣＶＤが挙げられる。特に、厚膜を作製する場合は成長速度の速いＨＶＰＥが好ましく、また、薄膜の場合はＭＯＣＶＤが好ましい。
【００４６】
雰囲気ガスはＨ2 、Ｎ2 、Ａｒ、Ｈｅ等が挙げられるが、成長速度を制御するにはＨ2 、Ｎ2 が好ましく用いられる。
Ｈ2 リッチな雰囲気ガス中で成長を行った場合、Ｃ軸方向の成長速度が速くなる。特に、マスク領域と非マスク領域との境界線の方向を〈１１−２０〉方向の直線とする場合（横方向に遅い場合）の組合せでは、上記（１）のように、顕著にピラミッド状の形状が先ず形成されてから平坦化する。このため平坦に埋め込むにはある程度の厚みが必要となる。
【００４７】
一方、Ｎ2 リッチな雰囲気ガス中で成長を行った場合、Ｈ2 リッチな雰囲気の場合に比べ、Ｃ軸方向の成長速度が遅くなるため、相対的に横方向成長速度が速くなる。マスクパターンとの組合せによって横方向への成長をより高速にした場合、上記（２）の態様となり、転位線をそのまま上方に伝搬させ得る。
【００４８】
ＭＯＣＶＤによる結晶成長は、主にＨ2 リッチ雰囲気下で行われる場合が多い。例えば、 III族ガスとして、キャリアガス水素１０（Ｌ）＋有機金属バブリング用水素１００（ｃｃ）。Ｖ族ガスとして、キャリアガス水素５（Ｌ）＋アンモニア５（Ｌ）。この場合、水素濃度は７５％であり、これがＨ2 リッチの一例である。この場合、窒素濃度は０％である。
【００４９】
ＭＯＣＶＤによる結晶成長でいうと、上記の III族キャリアガスを窒素に変えた場合の窒素濃度は約５０％である。また、Ｖ族キャリアガスのみを窒素に変えた場合の窒素濃度は約２５％である。よって、本発明では、ＭＯＣＶＤによる結晶成長において、窒素濃度が２５％程度以上をＮ2 リッチとする。
【００５０】
本発明によるＧａＮ系発光素子の他の構成例を図２、図３に示す。
図２の例は、ベース基板１からダブルヘテロ接合構造（Ｓ３〜Ｓ５）までは図１と同様であるが、その上層側の構造が異なる。即ち、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層Ｓ５の上面には、第二のマスク層Ｍ２が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ６がそのマスク層Ｍ２を覆う層となっている。第二のマスク層Ｍ２は、電流狭窄構造を構成している。上部電極Ｘは、電流狭窄がなされる部分の上方を避け、電流狭窄によって発光の中心とされた部分Ｓ４１から発せられる光が外界へ出ていくのを妨害しない位置に設けられている。
【００５１】
また、発光層において電流狭窄に対応する部分Ｓ４１は、下層側のマスク層Ｍによって低転位化され、発光効率が改善されている。さらに、第二のマスク層Ｍ２は、転位線Ｌを止める層としても機能しており、これによって上部電極Ｘが形成される領域は低転位化されており、電極材料が転位線に入り込むことによる素子寿命の低下が抑制されている。
【００５２】
図３の例は、発光層Ｓ４の上層側に第二のブラッグ反射層Ｂ２を設け、下層側のブラッグ反射層Ｂ１と共に共振器を構成し、面発光型の半導体レーザとした例である。共振器を構成するためにブラッグ反射層Ｂ１、Ｂ２間の層厚を考慮する必要があるが、ベース基板１からマスク層Ｍ２を覆う層Ｓ６までの積層構造は、基本的に図２のＬＥＤと同様である。図３の例では、層Ｓ６の上にさらに第二のブラッグ反射層Ｂ２が設けられ、その上に上部電極Ｘが設けられている。上部電極Ｘは、レーザ光が外界へ出ていくのを妨害しない位置に設けられている。共振器を構成するブラッグ反射層Ｂ１、Ｂ２の例としては、例えば、ＧａＮ層／ＡｌＮ層の２層を１ペアとし、各々、共振・放出に必要なペア数だけ積層したものが例示される。
【００５３】
このような構成によって、ブラッグ反射層を部分的に低転位化して結晶性の劣化が改善でき、その部分を共振に利用でき、反射のロスを軽減できる。また、図２の例における効果と同様、マスク層Ｍによって発光の中心部分Ｓ４１が低転位化されて発光効率が改善され、第二のマスク層Ｍ２によって上部電極Ｘが形成される領域が低転位化されて素子寿命の低下が抑制される。
【００５４】
【実施例】
実施例１
本実施例では、図１に示す態様のＧａＮ系ＬＥＤを実際に製作した。
〔ベース基板の形成〕
図１に示すように、最も基礎の結晶基板１ａとしてはサファイアＣ面基板を用いた。まずこのサファイアＣ面基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後温度を５００℃まで下げＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニアを流し、ＡｌＮ低温バッファー層１ｂを３０ｎｍ成長させ、さらに、温度を１０００℃に昇温しＧａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニアを流しＧａＮ層１ｃを３μｍ成長させ、ベース基板１を得た。
【００５５】
〔マスク層の形成〕
この試料をＭＯＣＶＤ装置から取出し、スパッタリング装置にて厚さ１００ｎｍのストライプ状のＳｉＯ2 マスク層Ｍを形成した。マスク層Ｍの長手方向は、ブラッグ反射層の結晶方位に対し〈１−１００〉方向になるように形成した。
【００５６】
〔転位線制御層の形成〕
この試料をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、窒素雰囲気下で、１０００℃まで昇温し、ＴＭＧ、アンモニア及びドーパント原料としてシランを流し、ｎ型ＧａＮ結晶をマスク層の上面を覆うよう５μｍ成長させ、転位線制御層（ｎ型ＧａＮ層）Ｓ１を得た。
【００５７】
〔ブラッグ反射層の形成〕
ＧａＮ層／ＡｌＮ層の２層を１ペアとし、かつ各々の層の厚みを発光波長の１／４として、これを２０ペア積層してブラッグ反射層Ｂ１を形成した。各層の形成にはＭＯＣＶＤ法を用いた。
【００５８】
〔ｎ型ＧａＮ層の形成〕
ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント原料としてシランを流し、ｎ型ＧａＮ層Ｓ２を２μｍ成長させた。
【００５９】
〔ダブルヘテロ接合構造の形成〕
ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア、ドーパント原料としてのシランを流し、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層Ｓ３を０．８μｍ成長させた。次に、成長雰囲気ガスを水素から窒素に変えアンモニアを流した条件下で７００℃まで成長温度を下げた。７００℃に安定した後、Ｉｎ原料としてのトリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、ＴＭＧ、アンモニアを流しＩｎＧａＮ活性層Ｓ４を３ｎｍ成長させた。なおこのときのＴＭＧ、ＴＭＩのバブリングは窒素で行った。その後１０００℃まで昇温し、成長雰囲気ガスを窒素から水素に変え、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、およびドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を流し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層Ｓ５を０．１μｍ成長させ、ダブルヘテロ接合構造を得た。
【００６０】
〔コンタクト層の形成〕
次に、ＴＭＧ、アンモニア、およびドーパント原料としてＣｐ２Ｍｇを流し、ｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ６を０．５μｍ成長させた。成長後、雰囲気ガスを窒素に変えて室温までゆっくり冷却した。
【００６１】
〔電極の形成〕
上記のようにして得られたサンプルをドライエッチングにより、積層体の上面からｐ型層とダブルヘテロ接合構造の一部をエッチング除去し、ｎ型ＧａＮ層Ｓ２の上面を露出させ、ｎ型電極（下部電極）Ｙを形成し、積層体の最上面にはｐ型電極（上部電極）Ｘを形成し、ＬＥＤとした。
【００６２】
実施例１の態様に対する比較例として、マスク層Ｍを設けず、ブラッグ反射層Ｂ１を低転位化しない構造のものを製作した。即ち、実施例１（図１の態様）において転位線制御層Ｓ１を設けなかったこと以外は、実施例１とまったく同様にＬＥＤを形成した。
両ＬＥＤを、Ｔｏ−１８ステム台にマウントし、２０ｍＡでの出力を測定したところ、実施例１のサンプルは８ｍＷ、寿命５０００ｈｒ、比較例のサンプルは２ｍＷ、寿命５００ｈｒであり、本発明による発光素子が、出力、寿命ともに優れた特性を有していることがわかった。
【００６３】
実施例２
本実施例では、図２に示す態様のＧａＮ系発光素子を製作した。積層体の構造は、次の点以外は実施例１と全く同様である。
▲１▼ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層Ｓ５の上面にマスク層Ｍ２を形成し、発光層に対して電流狭窄を行った。また、その電流狭窄によって発光の中心となる部分は、下層側のマスク層Ｍのマスク領域上方に対応させ、その部分を低転位とした。ｐ型ＧａＮコンタクト層Ｓ６は、転位線制御層の形成と同様、マスク層Ｍ２を覆う層とした。
▲２▼光の外界への放出を遮らないよう、上部電極を、発光層の発光の中心となる部分の上方を避けて形成した。
【００６４】
本実施例によって得られたＬＥＤを、実施例１と全く同様に出力を測定したところ、１５ｍＷ、寿命５０００ｈｒであり、実施例１と比較して、より高い出力であり、さらに好ましい態様であることがわかった。
【００６５】
【発明の効果】
本発明のＧａＮ系発光素子では、転位線制御層とブラッグ反射層とを設けている。転位線制御層によってブラッグ反射層の結晶性低下を抑制し、さらには、発光層における発光の中心となる部分や、上部電極が形成される領域などを低転位化し、発光素子の特性劣化を改善している。従って、より発光効率の改善されたＧａＮ系発光素子とすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＮ系発光素子の一例として、ＬＥＤの構造を示す断面図である。図１、図２では説明のために、各層の厚み・幅の比などを誇張して示しており、実際の比率とは異なる。また、他の層と区別するために、電極、発光層、マスク層にハッチングを施している。ブラッグ反射層は、多層の構造であることを表現している。
【図２】本発明によるＬＥＤの他の例を示す断面図である。
【図３】本発明のＧａＮ系発光素子の一例として、半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図４】転位線制御層を成長させるに際し、Ｃ軸方向への成長速度の比をより大きくとった場合の、ＧａＮ系結晶の成長状態、転位線の伝搬方向を模式的に示す図である。
【図５】転位線制御層を成長させるに際し、Ｃ軸に垂直な方向への成長速度の比をより大きくとった場合の、ＧａＮ系結晶の成長状態、転位線の伝搬方向を模式的に示す図である。
【図６】マスク層上へのＧａＮ系結晶の成長を示す模式図である。
【符号の説明】
１      ベース基板
１１    非マスク領域
１２    マスク領域
Ｂ１    ブラッグ反射層
Ｍ      マスク層
Ｓ      積層体
Ｓ１    ｎ型ＧａＮ層（＝転位線制御層）
Ｓ２    ｎ型ＧａＮ層
Ｓ３    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
Ｓ４    ＩｎＧａＮ活性層
Ｓ５    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
Ｓ６    ｐ型ＧａＮコンタクト層
Ｘ      上部電極
Ｙ      下部電極
【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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