(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
ｍ＝１，２，・・・，ｎに対して、ｍ番目の障壁層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させる工程と、ｍ番目の障壁層の上にｍ番目の井戸層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる井戸層を結晶成長させる工程とを繰り返した後、ｎ番目の井戸層の上にｎ＋１番目の障壁層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させることにより、ｎ＋１層の障壁層とｎ層の井戸層とを含む量子井戸構造を有する発光層を形成する工程を包含し、
該ｍ番目の井戸層を結晶成長させる工程において、該ｍ番目の井戸層の結晶成長の終了後に、第１の所定の時間の成長中断を実施し、
該ｍ番目の障壁層を結晶成長させる工程において、該ｍ番目の障壁層の結晶成長の終了後に、第２の所定の時間の成長中断を実施し、ｎは１以上の自然数であり、ｍは１≦ｍ≦ｎを満たす自然数である、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
ＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
１番目の井戸層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる井戸層を結晶成長させる工程と、
ｍ＝２，・・・，ｎに対して、ｍ−１番目の井戸層の上にｍ番目の障壁層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させる工程と、ｍ番目の障壁層の上にｍ番目の井戸層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる井戸層を結晶成長させる工程とを繰り返すことにより、ｎ−１層の障壁層とｎ層の井戸層とを含む量子井戸構造を有する発光層を形成する工程と
を包含し、
該１番目または該ｍ番目の井戸層を結晶成長させる工程において、該１番目または該ｍ番目の井戸層の結晶成長の終了後に、第１の所定の時間の成長中断を実施し、
該ｍ番目の障壁層を結晶成長させる工程において、該ｍ番目の障壁層の結晶成長の終了後に、第２の所定の時間の成長中断を実施し、ｎは１以上の自然数であり、ｍは２≦ｍ≦ｎを満たす自然数である、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
１番目の障壁層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させる工程をさらに包含し、該１番目の井戸層は、該１番目の障壁層の上に形成される、請求項２に記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ｎ＋１番目の障壁層であってインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなる障壁層を結晶成長させる工程をさらに包含し、該ｎ＋１番目の障壁層は、該ｎ番目の井戸層の上に形成される、請求項２に記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記第１の所定の時間の成長中断を実施中に窒素ガスが導入される、請求項１から４のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１の所定の時間が、１０秒以上１００秒以下の範囲に設定されている、請求項１から５のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記発光層の成長温度が７３０℃〜７５０℃の範囲にある場合には前記第１の所定の時間が１０秒以上９０秒以下、
前記発光層の成長温度が７５０℃〜７７０℃の範囲にある場合には前記第１の所定の時間が１０秒以上８０秒以下、
前記発光層の成長温度が７７０℃〜７９０℃の範囲にある場合には前記第１の所定の時間が１０秒以上６０秒以下、
前記発光層の成長温度が７９０℃〜８１０℃の範囲にある場合には前記第１の所定の時間が１０秒以上５０秒以下の範囲に設定されている、請求項１から５のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の所定の時間が、１秒以上６０分以下の範囲に設定されている、請求項１から４のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記成長中断時には、窒素ガスを主体とするキャリアガスを流す、請求項１から８のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記成長中断時には、窒素ガスを主体とし、水素ガスが混合されたキャリアガスを流す、請求項１から８のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記キャリアガスとともに、Ｖ族原料ガスを流す、請求項９または１０に記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記発光層を形成する工程において、前記障壁層を形成する間にＳｉＨ４を流す、請求項１から１１のいずれかに記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記発光層を形成する工程において、前記井戸層を形成する間にＳｉＨ４を流す、請求項１２に記載のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピーク発光波長において高い発光強度を有するＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＧａＮ系化合物半導体は、発光素子及びハイパワー・デバイスなどの材料として利用され、研究されてきている。例えば、発光素子の場合、発光素子を構成するＧａＮ系化合物半導体の組成を適切に調節することにより、青色から橙色までの幅広い波長の光を発光する発光素子を実現することが技術的に可能である。近年、ＧａＮ系化合物半導体のこのような特性を利用して、発光ダイオードとして青色発光ダイオード及び緑色発光ダイオードなどが実用化され、半導体レーザ素子として青紫色半導体レーザが開発されてきている。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体を用いて上記のような発光素子を作製する場合、通常、ＧａＮ系化合物半導体がエピタキシャル成長する基板の上に、ｎ型の特性を示す電流注入層、発光層、及びｐ型の特性を示す電流注入層を順次形成する。基板としては、サファイア基板などが用いられ得る。この発光層として、厚さが１０ｎｍ以下の量子井戸を使用すると、発光強度が大きくなることが知られている。更に、発光層のインジウム（Ｉｎ）と窒素（Ｎ）の組成比（ＩｎＮ組成比）を調整することにより、発光波長を変化させ得る。
【０００４】
一般に、発光層に用いられる量子井戸としては、１層の井戸層のみから構成されている構造も知られているが、井戸層と障壁層とを有する多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を利用する方が、上記のように１層のみからなる構造を利用するよりも、発光効率が高くなることが知られている。
【０００５】
なお、本願明細書を通じて、井戸層或いは量子井戸層とは、量子井戸構造において、障壁層に接し、且つ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが小さい層を指し、一方、障壁層とは、量子井戸構造において、井戸層に接し、且つ井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい層を指す。また、発光層とは、井戸層及び障壁層から構成された量子井戸構造を有する、発光に寄与する層（積層構造）を指すものとする。
【０００６】
しかし、Ｉｎを含むＧａＮ系化合物半導体よりなる量子井戸構造を用いて発光素子を作製する場合には、Ｉｎを含むＧａＮ系化合物半導体（例えば、ＩｎＧａＮ）の結晶成長時の化学的な熱平衡状態が非常に不安定であるので、所定のＩｎＮ組成（ＩｎＧａＮはｘ％のＩｎＮと（１００−ｘ）％のＧａＮとから構成されており、そのうちのＩｎＮの比率を示す）を有するように、量子井戸構造を形成することは困難である。仮に、所定のＩｎＮ組成を有する量子井戸構造を形成し得た場合であっても、高い結晶性を有する量子井戸層の形成が困難であり、よって、高い発光効率を有する発光素子を実現することは難しい。
【０００７】
更に、量子井戸構造を形成するＩｎを有するＧａＮ系化合物半導体膜についての、ＩｎＮ組成及び膜厚は、通常、基板全面にわたって均一でない。このように、膜厚の均一性が基板全面に渡って得られないことから、目的の発光波長や、ピーク発光波長における発光強度を、基板全面で均一に有する発光素子を作製することは困難である。
【０００８】
上記の問題を解決するために、発光層を成長した後に成長中断を行う試みがなされている。
【０００９】
なお、本願明細書を通じて、用語「成長中断」は、ＧａＮ系化合物半導体からなる発光層の成長温度に近い温度範囲（例えば、発光層がインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体から構成されている場合には、好ましくは６５０℃以上８５０℃以下の温度範囲）で、少なくともIII族原料の供給を停止することを言うものとする。
【００１０】
例えば、特開平９−３６４２９号公報には、発光素子の製造において、ＩｎＧａＡｌＮよりなる単一量子井戸発光層を成長させた後に２分〜５分の成長中断を行うことが記載され、これにより、発光状態が均一で歩留りの高い発光素子が得られることが記載されている。
【００１１】
別の従来技術の例として、特開平１０−１２６００６号公報には、３層の井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）を発光層として備える発光素子の製造において、発光層を構成する井戸層の形成後、５秒間だけ時間が経過した後に、引き続く半導体層の形成を行うことによって、より低い発振閾値電流密度を有し且つより高い特性温度を有する量子井戸半導体レーザを実現できることが示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような従来技術における成長中断によって、より高い発光効率を有する発光ダイオード、或いは、より低い閾値を有する半導体レーザを作製しようとしても、単色性に優れ且つ目的の波長で所定の発光効率を有する発光素子を得ることはできない。そのため、ピーク発光波長でより高い発光効率の発光層を備える発光素子を作製することが求められている。
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的はピーク発光波長において、より高い発光効率の発光層を備えるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供すること、である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、量子井戸構造を有する発光層を備えるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法が提供される。該量子井戸構造は、各々がインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなるｎ＋１層の障壁層（但しｎは１以上の自然数）と、各々がインジウムを含むＧａＮ系化合物半導体からなり該障壁層の各々よりも小さいバンドギャップエネルギーを有するｎ層の井戸層と、を有し、ｍ番目（１≦ｍ≦ｎ）の該井戸層が、ｍ番目の該障壁層とｍ＋１番目の該障壁層との間に隣接して配設されている。該製造方法は、該ｍ番目の該障壁層を結晶成長させる工程と、該ｍ番目の障壁層の上に該ｍ番目の井戸層を結晶成長させる工程と、該ｍ番目の井戸層の上に該ｍ＋１番目の障壁層を結晶成長させる工程と、をリアクタ内で順に繰り返して、該ｎ＋１層の障壁層と該ｎ層の井戸層とを交互に結晶成長させて該発光層を形成する、発光層形成工程を含んでおり、該発光層形成工程においては、該井戸層の結晶成長工程の各々において、該結晶成長の終了後に、第１の所定の時間の成長中断を実施し、そのことによって、前述の目的が達成される。
【００１５】
但し、上記の発光層の量子井戸構造における最も外側の障壁層（第１番目の障壁層及び／或いは第ｎ＋１番目の障壁層）は、省略されることもある。この場合には、発光層の外側に位置する層が、省略された障壁層の役割を兼ね備えることになる。
【００１６】
好ましくは、前記井戸層の結晶成長工程における前記成長中断の前記第１の所定の時間が、１０秒以上１００秒以下の範囲に設定されている。
【００１７】
前記発光層形成工程においては、更に前記障壁層の結晶成長工程の各々においても、前記結晶成長の終了後に、第２の所定の時間の成長中断を実施してもよい。
【００１８】
好ましくは、前記障壁層の結晶成長工程における前記成長中断の前記第２の所定の時間が、１秒以上６０分以下の範囲に設定されている。
【００１９】
前記成長中断時には、前記リアクタ内に、窒素ガスを主体とするキャリアガスを流してもよい。
【００２０】
或いは、前記成長中断時には、前記リアクタ内に、窒素ガスを主体とするキャリアガスとＶ族原料ガスとを流してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、各々がＩｎを含有する複数のＧａＮ系化合物半導体層から構成される発光層を備える発光素子の製造にあたって、発光層を複数の井戸層（すなわち２層以上の井戸層）と障壁層とから形成する際に、各井戸層及び各障壁層の形成後に一定時間の成長中断を行う。特に、その成長中断期間の長さ（成長中断時間）を所定の範囲内に設定することによって、井戸層の中に、発光に寄与する量子サイズオーダのＩｎＧａＮのドットを均一性良く形成して、ドット化による量子効果を促進させるとともに、各ドット間での発光波長のばらつきを抑制することができる。この結果、最終的に形成されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の発光波長の半値幅が小さくなり、発光効率の顕著な増加が実現される。
【００２２】
成長中断時間が短すぎる場合には、ＩｎＧａＮのドットの形成が不十分且つ不均一になり、一方、成長中断時間が長すぎる場合には、成長面の表面近傍からのＩｎなどの離脱が生じて、成長面の表面が荒れるとともに、ＩｎＧａＮドットの分解が発生する。何れの場合にも、発光層からのピーク発光波長における発光効率は低下する。なお、本願明細書で説明するＩｎＧａＮドットとは、発光層の井戸層において、周囲の領域に比べて相対的にＩｎ組成が高くなっている、粒径が１ｎｍ〜５ｎｍ程度の塊状の領域を指しており、（ＩｎＧａＮ）量子箱とも称される。
【００２３】
上記のようなＩｎＧａＮ量子ドットを有する発光層の構造では、単なる量子井戸構造に比べて、より少ないキャリアの注入で、効率よくフェルミレベルを上げることができる。このため、発光層を構成する井戸層の中にＩｎＧａＮドットを均一性良く形成することができれば、ピーク発光波長における発光効率を大きく向上させることが可能になる。
【００２４】
なお、成長中断期間の長さ（成長中断時間）の好ましい範囲としては、ＧａＮ系化合物半導体から構成される障壁層の成長後の成長中断に対しては１秒以上６０分以下、ＧａＮ系化合物半導体から構成される井戸層の成長後の成長中断に対しては１０秒以上１００秒以下であって、これらの範囲内に成長中断時間を設定することによって、上記で説明したような効果が特に発揮される。
【００２５】
また、成長中断期間に窒素を主体とするキャリアガスを供給することによって、より顕著な効果を得ることができる。更に、上記のキャリアガスに更にＶ族原料ガスを混合して流せば、より好ましい効果が得られる。
【００２６】
以下には、上記のような特徴を有する本発明によるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法の具体的な幾つかの実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
本実施形態では、基板としてサファイアを用い、成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いて製造したＧａＮ系化合物半導体発光素子（具体的には発光ダイオード）を例にとって、本発明を説明する。但し、使用し得る基板材料及び結晶成長法は、これらに限定されない。
【００２８】
まず、図２を参照して、本発明の製造方法において成長装置として使用した公知のＭＯＣＶＤ装置の概略について、説明する。
【００２９】
図２の装置構成では、ＧａＮ系化合物半導体層を結晶成長させるための（０００１）面を有する基板２０１（サファイア基板）が、炭素からなるサセプタ２０２の上に配置されている。サセプタ２０２の内部には、同じく炭素からなる抵抗加熱式のヒータ（図示せず）が配置されている。熱電対を用いてヒータに流れる電流を制御することにより、基板２０１の温度を制御することができる。これらの基板２０１及びサセプタ２０２は、石英からなる二重のリアクタ２０３に収容されている。リアクタ２０３は水冷されている。
【００３０】
基板２０１の上に結晶成長されるＧａＮ系化合物半導体結晶のＶ族原料及びIII族原料は、キャリアガス（Ｈ2或いはＮ2）と混合された混合ガス２１０として、原料入口２０４よりリアクタ２０３に導入され、排気ガス出口２０５より排出される。Ｖ族原料としては、アンモニア（ＮＨ3）２０６を使用し、III族原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）２０７ａ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）２０７ｂ、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）２０７ｃを窒素ガス或いは水素ガスでバブリングして使用した。ｎ型のドーピング原料としては、ＳｉＨ4２０９を使用し、ｐ型のドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）２０７ｄを使用した。なお、各原料の流量は、マスフローコントローラＭＦＣでそれぞれ正確に制御される。
【００３１】
次に、上述のＭＯＣＶＤ装置を用いて、ＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードを形成する結晶成長手順について、図１及び図３を参照して以下に説明する。図１は、発光層近傍の半導体層の成長における結晶成長温度と各原料ガスの供給量とを示すタイミングチャートである。図３は、形成されるＧａＮ系化合物半導体発光ダイオード３００の構成を模式的に示す概略断面図である。
【００３２】
まず、（０００１）面を有するサファイア基板３０１を洗浄して、ＭＯＣＶＤ装置の内部（図２における参照番号２０１の位置）に、設置する。次いで、水素雰囲気中で（すなわち、キャリアガスとして水素を流して）、温度約１１００℃で約１０分間にわたって基板３０１を熱処理し、その後、温度を約５００℃〜６００℃まで、例えば約５５０℃に降温する。温度が一定になると、キャリアガスを水素から窒素に替えて、窒素ガス（Ｎ2）を全流量１０リットル／ｍｉｎで流し、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ3）を約３リットル／ｍｉｎで供給し、数秒遅れて、これに加えてIII族原料としてＴＭＧを約２０μｍｏｌ／ｍｉｎで約１分間供給する。これによって、ＧａＮ低温バッファ層３０２を約３０ｎｍの厚さで成長させる。ここで、III族原料としてのＴＭＧの供給開始を、Ｖ族原料としてのアンモニアの供給開始から数秒遅らせるのは、アンモニア雰囲気が安定していない状態のところに、成長を律速するIII族原料を流すことを防止するためである。
【００３３】
その後、ＴＭＧの供給を停止して、温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、再びＴＭＧを約５０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給するとともに、ｎ型ドーピング原料としてＳｉＨ4ガスを約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで供給して、ｎ型ＧａＮ層３０３を約４μｍの厚さで成長させる（図１のｎ型ＧａＮ層成長期間１０４）。
【００３４】
その後、降温期間１０７（図１）に示すように、ＳｉＨ4とＴＭＧとの供給を停止し、キャリアガス（Ｎ2）とＮＨ3とを流しながら、発光素子の発光層３０６を結晶成長させるための発光層成長温度とするために、基板温度を約１０５０℃から約７００℃〜約８５０℃の範囲にまで低下させる。この発光層成長温度は、発光素子の発光波長を決定する一つのパラメータとなり、低温ほど発光波長が長くなる傾向を示す。上述の約７００℃〜約８５０℃の範囲の基板温度は、紫〜緑の波長の光を発する発光素子を作製するための温度である。紫〜緑の波長帯以外の波長の光が所望であれば、他の適切な基板温度を選択しても良い。例えば、インジウム（Ｉｎ）を含むＧａＮ系化合物半導体材料によって発光層を形成する場合には、発光層の成長温度は６５０℃以上８５０℃以下の温度範囲であり、この範囲内に基板温度を選択すれば良い。
【００３５】
本実施形態では、上記の降温期間１０７において、基板温度を約７３０℃まで低下させる。
【００３６】
基板温度が安定すると、障壁層成長期間１０２ａ（図１）に示すように、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給して、発光層３０６を構成するＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（図示せず）を、約５ｎｍの厚さで成長させる。障壁層の成長時には、ＳｉＨ4を５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ程度流しても良い。障壁層は、バンドキャップエネルギーが、次に形成する井戸層よりも大きい層である。
【００３７】
障壁層の成長終了後、井戸層成長期間１０３ａ（図１）に示すように、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加して、発光層３０６を構成するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層（図示せず）を約３ｎｍの厚さで成長させる。井戸層の成長時にも、障壁層の成長時と同様に、ＳｉＨ4を５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ程度流しても良い。ここで、基板温度を発光層の成長温度に維持した。
【００３８】
井戸層の成長終了後、成長中断期間１０１ａ（図１）に示すように、ＴＭＧ及びＴＭＩ（ならびにＳｉＨ4）の供給を停止して、成長中断を行う。このとき、キャリアガス（Ｎ2）とＮＨ3ガスとを継続して供給し、基板温度を発光層の成長温度に維持する。本発明においては、障壁層形成後に実施されるこの成長中断期間１０１ａは、好ましくは約１秒〜約１００秒間の範囲とする。
【００３９】
その後、第２の障壁層成長期間１０２ｂ（図１）に示すように、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ（並びにＳｉＨ4を５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）で再び供給して、第２の障壁層を約５ｎｍの厚さで成長させる。更に、第２の井戸層成長期間１０３ｂ（図１）に示すように、ＴＭＩの供給量を再び５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加して第２の井戸層を約３ｎｍの厚さで成長させる。第２の井戸層の成長後には、再び成長中断期間１０１ｂを設ける。
【００４０】
このようにして、障壁層の成長工程、井戸層の成長工程、及び成長中断工程を順に繰り返して、所定の層数の井戸層を含む多重量子井戸構造を形成し、最後に井戸層の上に障壁層を成長させる。これにより、井戸層と障壁層とからなり、かつ障壁層で終端された積層構造からなる発光層３０６が形成される。本実施形態では、図１を参照すると、障壁層成長期間１０２ａ、井戸層成長期間１０３ａ、成長中断期間１０１ａ、障壁層成長期間１０２ｂ、井戸層成長期間１０３ｂ、成長中断期間１０１ｂ、障壁層成長期間１０２ｃ、井戸層成長期間１０３ｃ、成長中断期間１０１ｃ、及び障壁層成長期間１０２ｄにおいて上述の工程を繰り返し、３つの井戸層と４つの障壁層とからなり且つ障壁層で終端された積層構造からなる発光層３０６を形成している。但し、井戸層の層数は、上記のような３層に限られるわけではない。
【００４１】
最後の障壁層成長期間１０２ｄの後には、成長中断期間を設けても良いし、或いは設けなくても構わない。但し、発光層を構成する井戸層の層数が２層以下である場合には、最後の障壁層成長期間１０２ｄの後に成長中断期間を設けるほうが、形成される発光素子の電流注入時の発光強度が高くなる。
【００４２】
上記のＩｎＧａＮ発光層３０６の成長後に、昇華防止層成長期間１０６（図１）に示すように、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びｐ型ドーピング原料としてＣｐ2Ｍｇを供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層３０７を約３０ｎｍの厚さで成長させる。このｐ型ＡｌＧａＮ層３０７は、ＩｎＧａＮ発光層３０６の昇華を防止する目的で設けられる。
【００４３】
その後、昇温期間１０８（図１）において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、及びＣｐ2Ｍｇの供給を停止して、基板温度を再び約１０５０℃まで昇温する。基板の昇温後、ｐ型ＧａＮ層成長期間１０５（図１）に示すように、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＣｐ2Ｍｇを供給し、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０を約０．５μｍの厚さで成長させる。成長終了後、ＴＭＧとＣｐ2Ｍｇの供給を停止し、基板加熱を終了する。
【００４４】
基板温度がほぼ室温になれば、上記により作製された基板を結晶成長装置から取りだして、反応性イオンエッチングを用いて、結晶成長方向に対して上面からｎ型ＧａＮ層３０３の途中までエッチングして、ｎ型ＧａＮ層３０３の露出面を形成する。その後に、所定の形状の絶縁層３１１を形成し、更に、ｐ型電極３１２ａ及びｎ型電極３１２ｂを蒸着法により形成する。
【００４５】
これにより、図３に示されるような構成を有するＧａＮ系化合物半導体発光ダイオード３００が完成される。
【００４６】
なお、上記において、反応性イオンエッチングを用いてｎ型ＧａＮ層３０３の露出面を形成しているのは、基板３０１として絶縁性のサファイア基板を使用しているためである。サファイア基板に代えて、ＧａＮ或いはＳｉＣのような導電性を有する材料で構成された基板を使用する場合には、上記のようにｎ型ＧａＮ層３０３の露出面を形成してその上にｎ型電極３１２ｂを形成する必要はなく、基板３０１の裏面に直接にｎ型電極３１２ｂを形成しても良い。
【００４７】
更に、上記の説明では、井戸層の成長終了後にのみ成長中断を行っているが、障壁層の成長終了後にも成長中断期間（図示せず）を設けて、同様に、ＴＭＧ及びＴＭＩ（ならびにＳｉＨ4）の供給を停止して成長中断を行えば、形成される発光素子の発光効率がより向上される。
【００４８】
以上のような製造工程において、発光層３０６の形成にあたって、成長温度を７８０℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を５秒、１５秒、及び２分に設定して、それぞれ発光ダイオードのサンプルを作製して（各サンプルの井戸層の数は何れも３層）、直径１μｍの顕微ＰＬを用いて、発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図４〜図６には、以上の測定の結果として、井戸層成長後の成長中断時間が５秒、１５秒、及び２分の各々の場合について、各発光波長で発光している発光部位の個数の分布（度数分布）を示している。なお、以降の説明では、図４〜図６に示されるような、各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数と発光波長との関係の分布（度数分布）をグラフ化して得られる曲線を、「発光波長分布曲線」とも称する。また、この発光波長部分布曲線の半値幅を、発光波長の半値幅とする。
【００４９】
図４〜図６の発光波長分布曲線の作成にあたって、発光波長は０．１２５ｎｍ刻みで換算しており、波長の小数点以下の数値が０．００以上０．１２５ｎｍ未満の場合には０．０６２５ｎｍ、０．１２５ｎｍ以上０．２５０ｎｍ未満の場合には０．１８７５ｎｍ、０．２５０ｎｍ以上０．３７５ｎｍ未満の場合には０．３１２５ｎｍ、０．３７５ｎｍ以上０．５００ｎｍ未満の場合には０．４３７５ｎｍ、０．５００ｎｍ以上０．６２５ｎｍ未満の場合には０．５６２５ｎｍ、０．６２５ｎｍ以上０．７５０ｎｍ未満の場合には０．６８７５ｎｍ、０．７５０ｎｍ以上０．８７５ｎｍ未満の場合には０．８１２５ｎｍ、０．８７５ｎｍ以上１．０００ｎｍ未満の場合には０．９３７５ｎｍと、換算した。
【００５０】
図４〜図６の結果より、成長中断時間を５秒間とした場合（図４）、及び２分間とした場合（図６）に比べて、成長中断時間を１５秒間とした場合（図５）に、発光波長の半値幅が最も狭くなり、単色性が増加している。
【００５１】
次に、上記で説明した製造工程において、発光層３０６の形成時の成長温度を７３０℃、７５０℃、及び７７０℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定して、それぞれ発光ダイオードのサンプルを作製して（各サンプルの井戸層の数は何れも３層）、上記と同様に直径１μｍの顕微ＰＬを用いて発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図７には、以上の測定の結果として、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。ここで、「発光波長分布曲線の半値幅の逆数」は、ＩｎＧａＮ量子ドットからの顕微ＰＬで測定された発光波長の分布のばらつきの度合いを示す値であり、この値が大きくなれば、半値幅の減少、すなわち、ＩｎＧａＮ量子ドットからの顕微ＰＬで測定された発光波長の分布のばらつきが小さくなっていることを意味する。
【００５２】
なお、図７では、発光層の成長温度を７７０℃に設定し且つ井戸層成長後の成長中断時間を２０秒とした場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、１と正規化している。
【００５３】
また、上記で説明した製造工程において、発光層３０６の形成時の成長温度を７３０℃、７５０℃、及び７７０℃とし且つ井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定してそれぞれ作製した発光ダイオードのサンプル（各サンプルの井戸層の数は何れも３層）について、２０ｍＡの電流を注入した場合に得られたピーク発光波長での発光強度と、井戸層成長後の成長中断時間との関係を、図８に示している。なお、図８の中の発光強度レベル１０における破線は、各々の成長温度において、発光層の形成時に成長中断を全く行わなかった場合（成長中断時間＝０秒の場合）に得られる、ピーク発光波長での発光強度レベルを示している。
【００５４】
更に、図９には、上記で説明した製造工程において、発光層３０６の形成時の成長温度を７７０℃、７９０℃、及び８１０℃とし且つ井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定してそれぞれ作製した発光ダイオードのサンプル（各サンプルの井戸層の数は何れも３層）について、図７と同様にして測定・作製した発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。なお、図９でも、発光層の成長温度を７７０℃に設定し且つ井戸層成長後の成長中断時間を２０秒とした場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、１と正規化している。
【００５５】
また、図１０には、上記で説明した製造工程において、発光層３０６の形成時の成長温度を７７０℃、７９０℃、及び８１０℃とし且つ井戸層成長後の成長中断時間を様々な値に設定してそれぞれ作製した発光ダイオードのサンプル（各サンプルの井戸層の数は何れも３層）について、図８と同様の２０ｍＡの電流注入時に得られたピーク発光波長での発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。なお、図１０においても、図中の発光強度レベル１０における破線は、各々の成長温度において、発光層の形成時に成長中断を全く行わなかった場合（成長中断時間＝０秒の場合）に得られる、ピーク発光波長での発光強度レベルを示している。
【００５６】
図７及び図９より、各成長温度に対して、成長中断時間が約１０秒〜約１００秒の範囲にある場合に、発光波長分布曲線の半値幅の逆数の値が大きくなっている。これは、半値幅の減少、すなわち、ＩｎＧａＮ量子ドットからの顕微ＰＬで測定された発光波長の分布のばらつきが小さくなっていることを意味しており、発光面全体として単色化が進んでいることを示している。一方、図８及び図１０より、成長中断時間が約１０秒〜約１００秒の範囲にある場合、すなわち上記で述べた単色化（ＩｎＧａＮ量子ドットの均一化）が生じている範囲で、ピーク発光波長における発光強度が増加していることがわかる。
【００５７】
上記のように、発光層の形成時に適切な時間長さの成長中断を行う本発明の製造プロセスによって、形成されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の発光特性が向上するメカニズムは、下記のように理解される。
【００５８】
インジウム（Ｉｎ）を含むＧａＮ系化合物半導体は、高温時には、化学的に不安定な状態で成長する。そのため、Ｉｎを含むＧａＮ系化合物半導体層は、その成長直後では結晶が不安定な状態にあり、結晶性が良好でない。しかし、このようなＩｎを含むＧａＮ系化合物半導体から形成された井戸層を、その成長後に、それぞれの成長温度範囲において所定の時間だけＮ2ガス雰囲気中で熱に曝すことにより、井戸層中で、量子効果を促進する量子サイズオーダのＩｎＧａＮドットが成長面内に均一に形成されて、各ドット間での発光波長のばらつきが抑制される。この結果、作製される発光素子で得られる発光波長の半値幅が小さくなり（すなわち単色化が実現されて）、発光波長における光学利得が増大して、発光効率が顕著に増加する。これに対して、成長中断時間が短すぎる場合には、ＩｎＧａＮのドットの形成が不十分且つ不均一になり、一方、成長中断時間が長すぎる場合には、成長面の表面近傍からのＩｎなどの離脱が生じて、成長面の表面が荒れるとともに、ＩｎＧａＮドットの分解が発生する。何れの場合にも、発光層からのピーク発光波長における発光効率は低下する。
【００５９】
なお、図７〜図１０の結果より、ＩｎＧａＮドットの均一化の度合いを示す発光波長分布曲線の半値幅に対する成長中断時間の影響をあらためて検討すると、成長温度によって若干の変動を示すものの、従来技術で行われていたような多重量子井戸構造に対する５秒間の成長中断を経て発光層を作製した場合の結果に比べて、１０秒以上１００秒以下の成長中断時間において、発光波長分布曲線の半値幅がより狭くなっており、ＩｎＧａＮドットの均一化がより進展することがわかる。
【００６０】
また、発光層の成長温度が高い場合には成長中断時間を短く設定し、一方、発光層の成長温度が低い場合には成長中断時間を長く設定することによって、より顕著な効果が得られる。より具体的に述べると、成長温度が７３０℃〜７５０℃の範囲にある場合には、成長中断時間を１０秒以上１００秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１５秒以上９０秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。成長温度が７５０℃〜７７０℃の範囲にある場合には、成長中断時間を１０秒以上１００秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１０秒以上８０秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。成長温度が７７０℃〜７９０℃の範囲にある場合には、成長中断時間を１０秒以上１００秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１０秒以上６０秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。更に、成長温度が７９０℃〜８１０℃の範囲にある場合には、成長中断時間を１０秒以上１００秒以下に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１０秒以上５０秒以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。
【００６１】
なお、本実施形態の上記の説明では、発光層に含まれる井戸層の層数が３層である場合を説明しているが、井戸層の数はこれに限られるわけではない。特に、井戸層の数が２層から２０層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の傾向の特性が得られ、ピーク発光波長における発光強度に対する発光層の成長温度及び発光層形成工程での成長中断時間の影響は、ほぼ同様の傾向を示した。
【００６２】
発光層の量子井戸構造において、１番目の井戸層の下（外側）に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上（外側）に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【００６３】
先に説明した図３の構成では、低温バッファ層としてＧａＮ膜を用いたが、これに代えて、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層或いはＺｎＯ層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【００６４】
また、本実施形態においては、基板として（０００１）面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてＧａＮ基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びＧａＮ層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、ＧａＮ基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとＮＨ3雰囲気中で昇温し、その後、ＴＭＧ及び／或いはＳｉＨ4を供給して、下層のｎ型ＧａＮ層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【００６５】
（第２の実施形態）
本実施形態では、基板としてサファイアを用い、成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いて製造したＧａＮ系化合物半導体発光素子（具体的には半導体レーザ）を例にとって、本発明を説明する。以下の説明では、発光層の成長温度を７３０℃とし、発光層を構成する井戸層の成長後に１５秒間の成長中断を実施しているが、これらの値を含めたプロセスパラメータ、更には、使用し得る基板材料及び結晶成長法は、以下で言及されているものに限定されるものではない。
【００６６】
本実施形態でも、第１の実施形態で図２を参照して説明したＭＯＣＶＤ装置を、成長装置として使用する。このＭＯＣＶＤ装置に関する説明は、ここでは省略する。
【００６７】
本実施形態で、図２の構成を有するＭＯＣＶＤ装置を用いてＧａＮ系化合物半導体レーザを形成する結晶成長手順について、第１の実施形態で参照した図１を再び参照するとともに、新たに図１１を参照して、以下に説明する。この図１１は、本実施形態で形成されるＧａＮ系化合物半導体レーザ３５０の構成を模式的に示す概略断面図である。
【００６８】
まず、（０００１）面を有するサファイア基板３０１を洗浄して、ＭＯＣＶＤ装置の内部（図２における参照番号２０１の位置）に、設置する。次いで、水素雰囲気中で（すなわち、キャリアガスとして水素を流して）、温度約１１００℃で約１０分間にわたって基板３０１を熱処理し、その後、温度を約５００℃〜６００℃、例えば約５５０℃まで降温する。温度が一定になると、キャリアガスを水素から窒素に替えて、窒素ガス（Ｎ2）を全流量１０リットル／ｍｉｎで流し、Ｖ族原料としてアンモニア（ＮＨ3）を約３リットル／ｍｉｎで供給し、数秒遅れて、これに加えてIII族原料としてＴＭＧを約２０μｍｏｌ／ｍｉｎで約１分間供給する。これによって、ＧａＮ低温バッファ層３０２を約３０ｎｍの厚さで成長させる。ここで、III族原料としてのＴＭＧの供給開始を、Ｖ族原料としてのアンモニアの供給開始から数秒遅らせるのは、アンモニア雰囲気が安定していない状態のところに、成長を律速するIII族原料を流すことを防止するためである。
【００６９】
その後、ＴＭＧの供給を停止して、温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、再びＴＭＧを約５０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給するとともに、ｎ型ドーピング原料としてＳｉＨ4ガスを約１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎで供給して、ｎ型ＧａＮ層３０３を約４μｍの厚さで成長させる。
【００７０】
次に、キャリアガス、アンモニア、ＴＭＧ、及びＳｉＨ4ガスの供給に加えて、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給して、ｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉じ込め層３０４を約０．５μｍの厚さで成長させる。
【００７１】
次に、図１のｎ型ＧａＮ層成長期間１０４に示すように、ＴＭＡの供給を停止して、ｎ型ＧａＮ光ガイド層３０５を約０．１μｍ厚さで成長させる。
【００７２】
その後、降温期間１０７（図１）に示すように、ＳｉＨ4とＴＭＧとの供給を停止し、キャリアガス（Ｎ2）とＮＨ3とを流しながら、発光素子の発光層３０６を結晶成長させるための発光層成長温度とするために、基板温度を約７３０℃まで低下させる。第１の実施形態で説明したように、この発光層成長温度は、発光素子の発光波長を決定する一つのパラメータとなり、低温ほど発光波長が長くなる傾向を示すものであって、所望の光の波長に応じて適宜設定すればよい。
【００７３】
基板温度が安定すると、障壁層成長期間１０２ａ（図１）に示すように、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給して、発光層３０６を構成するＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層（図示せず）を、約５ｎｍの厚さで成長させる。障壁層の成長時には、ＳｉＨ4を５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ程度流しても良い。障壁層は、バンドキャップエネルギーが井戸層よりも大きい層である。
【００７４】
障壁層の成長終了後、井戸層成長期間１０３ａ（図１）に示すように、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加して、発光層３０６を構成するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層（図示せず）を約３ｎｍの厚さで成長させる。井戸層の成長時にも、障壁層の成長時と同様に、ＳｉＨ4を５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ程度流しても良い。ここで、基板温度を発光層の成長温度（７３０℃）に維持した。
【００７５】
井戸層の成長終了後、成長中断期間１０１ａ（図１）に示すように、ＴＭＧ及びＴＭＩ（ならびにＳｉＨ4）の供給を停止して、２０秒間に渡って成長中断を行う。このとき、キャリアガス（Ｎ2）とＮＨ3ガスとを継続して供給し、基板温度を障壁層の成長温度すなわち発光層の成長温度に維持する。
【００７６】
その後、第２の障壁層成長期間１０２ｂ（図１）に示すように、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＴＭＩを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ（並びにＳｉＨ4を５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）で再び供給して、第２の障壁層を約５ｎｍの厚さで成長させる。更に、第２の井戸層成長期間１０３ｂ（図１）に示すように、ＴＭＩの供給量を再び５０μｍｏｌ／ｍｉｎに増加して第２の井戸層を約３ｎｍの厚さで成長させる。第２の井戸層の成長後には、再び成長中断期間１０１ｂを設ける。
【００７７】
このようにして、障壁層の成長工程、井戸層の成長工程、及び成長中断工程を順に繰り返して、所定の層数の井戸層を含む多重量子井戸構造を形成し、最後に井戸層の上に障壁層を成長させる。これにより、井戸層と障壁層とからなり、かつ障壁層で終端された積層構造からなる発光層３０６が形成される。本実施形態では、図１を参照すると、障壁層成長期間１０２ａ、井戸層成長期間１０３ａ、成長中断期間１０１ａ、障壁層成長期間１０２ｂ、井戸層成長期間１０３ｂ、成長中断期間１０１ｂ、障壁層成長期間１０２ｃ、井戸層成長期間１０３ｃ、成長中断期間１０１ｃ、及び障壁層成長期間１０２ｄにおいて上述の工程を繰り返し、３つの井戸層と４つの障壁層とからなり且つ障壁層で終端された積層構造からなる発光層３０６を形成している。但し、井戸層の数は、上記のように３層に限られるわけではなく、他の数であっても良い。
【００７８】
最後の障壁層成長期間１０２ｄの後には、成長中断期間を設けても良いし、或いは設けなくても構わない。但し、発光層を構成する井戸層の層数が２層以下である場合には、最後の障壁層成長期間１０２ｄの後に成長中断期間を設けるほうが、形成される発光素子の電流注入時の発光強度が高くなる。
【００７９】
上記のＩｎＧａＮ発光層３０６の成長後に、昇華防止層成長期間１０６（図１）に示すように、ＴＭＧを１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びｐ型ドーピング原料としてＣｐ2Ｍｇを供給して、ｐ型ＡｌＧａＮ層３０７を約３０ｎｍの厚さで成長させる。このｐ型ＡｌＧａＮ層３０７は、ＩｎＧａＮ発光層３０６の昇華を防止する目的で設けられる。
【００８０】
その後、昇温期間１０８（図１）において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、及びＣｐ2Ｍｇの供給を停止して、基板温度を再び約１０５０℃まで昇温する。基板の昇温後、ｐ型ＧａＮ層成長期間１０５（図１）に示すように、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及びＣｐ2Ｍｇを供給し、ｐ型ＧａＮ光ガイド層３０８を約０．１μｍの厚さで成長させる。
【００８１】
次に、ＴＭＡを１０μｍｏｌ／ｍｉｎで供給し、ｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉じ込め層３０９を約０．５μｍの厚さで成長させる。その後、ＴＭＡの供給を停止し、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０を約０．５μｍの厚さで成長させる。成長終了後、ＴＭＧとＣｐ2Ｍｇの供給を停止し、基板加熱を終了する。
【００８２】
基板温度がほぼ室温になれば、上記により作製された基板を結晶成長装置から取りだして、熱処理炉の中に設置し、Ｎ2雰囲気中で温度８００℃にて２０分間加熱し、成長膜の中のマグネシウム（Ｍｇ）を活性化させる。次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング技術を用いて、成長したｐ型ＧａＮコンタクト層３１０のＧａＮ系結晶の＜１−１００＞方向に平行に、所定の領域におけるｐ型ＧａＮコンタクト層３１０の表面からｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎ光閉じ込め層３０９の表面までをエッチングで除去して、幅３０μｍ及び長さ６００μｍのメサ形状を作製する。
【００８３】
次に、上記のようにエッチングで所定の形状にパターニングされたｐ型ＧａＮコンタクト層３１０を覆うように、所定の形状の絶縁層３１１（例えばＳｉＯ2膜）を形成する。続いて、結晶成長方向に対して上面からｎ型ＧａＮコンタクト層３０３の途中に達する領域をエッチングで除去して、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０３の露出面を形成する。その後に、例えば蒸着法によって、ｎ型ＧａＮコンタクト層３０３の露出面の上には、Ｔｉ／Ａｕからなるｎ型電極３１２ｂを、一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層３１０の上には、幅２μｍ及び長さ６００μｍで接合するｐ型電極３１２ａを、それぞれ形成する。
【００８４】
更に、成長したＧａＮ系結晶を（１−１００）面で劈開して、光を取り出すための端面を形成し、長さ６５０μｍのレーザ共振器を形成する。共振器の前端面には、反射率１２％のシリコン窒化膜を形成し、一方、裏端面には、酸化チタン膜と弗化マグネシウム膜とからなり反射率７０％を有する誘電体多層膜を、それぞれ形成する。最後に、スクライブによって、個々のチップに分割する。
【００８５】
これにより、図１１に示されるような構成を有するＧａＮ系化合物半導体レーザ３５０が完成される。
【００８６】
なお、上記において、エッチングを用いてｎ型ＧａＮ層３０３の露出面を形成しているのは、基板３０１として絶縁性のサファイア基板を使用しているためである。サファイア基板に代えて、ＧａＮ或いはＳｉＣのような導電性を有する材料で構成された基板を使用する場合には、上記のようにｎ型ＧａＮ層３０３の露出面を形成してその上にｎ型電極３１２ｂを形成する必要はなく、基板３０１の裏面に直接にｎ型電極３１２ｂを形成しても良い。
【００８７】
また、上記の説明では、基板３０１に近い側からｎ型層、発光層、ｐ型層の順に結晶成長して積層構造を形成しているが、これとは逆に、基板３０１に近い側からｐ型層、発光層、ｎ型層の順に結晶成長して積層構造を形成しても構わない。
【００８８】
更に、上記の説明では、井戸層の成長終了後にのみ成長中断を行っているが、障壁層の成長終了後にも成長中断期間（図示せず）を設けて、同様に、ＴＭＧ及びＴＭＩ（ならびにＳｉＨ4）の供給を停止して成長中断を行えば、形成される発光素子の発光効率がより向上される。障壁層形成後の成長中断も、例えば約１秒〜約６０分間の範囲とする。また、この際にも、井戸層形成後の成長中断と同様に、キャリアガスとＮＨ3ガスとを継続して供給し、基板温度を障壁層の成長温度すなわち発光層の成長温度に維持する。
【００８９】
以上のようにして作製された本実施形態の半導体レーザの動作特性を測定したところ、室温での動作時に、発振閾値電流が３０ｍＡ、微分発光効率が０．９８Ｗ／Ａであり、低閾値で発光効率の高いレーザ連続発振が得られた。また、光出力３５ｍＷの室温での動作電流値は６１ｍＡ、動作電圧は４．２Ｖであり、このときの投入電力は２５６．２ｍＷとなった。この投入電力の値は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に５秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力３５ｍＷの室温動作時に必要とされる値（８２６．５ｍＷ）の３１．０％であり、また、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に２分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力３５ｍＷの室温動作時に必要とされる値（３２６．４ｍＷ）の７８．５％である。これより、本発明に従って作製された半導体レーザ素子において、素子の動作性能が大きく向上していることが、確認された。
【００９０】
本発明に従った製造方法による半導体レーザ素子の動作性能の向上を確認する目的で、発光層形成の上の蒸発防止層までを先述のプロセスで形成したサンプル（この構造は顕微ＰＬ評価が容易である）を作製し、顕微ＰＬによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、５秒間の成長中断で作成したサンプルにおける値の３３％、２分間の成長中断で作成したサンプルにおける値の７５％であり、単色性の向上が確認された。これは、第１の実施形態で説明した発光ダイオードの場合と同様に、発光層を構成する井戸層の成長後に成長中断を行って、所定の成長温度範囲で、それに対応した最適な時間だけＮ2雰囲気中で井戸層を熱に曝すことによって、井戸層中で、量子効果を促進する量子サイズオーダのＩｎＧａＮドットが成長面内に均一に形成され、各ドット間での発光波長のばらつきが抑制されるためである。この結果、作製される発光素子で得られる発光波長の半値幅が小さくなり、発光波長における光学利得が増大して、低閾値で且つ発光効率が高い半導体レーザが実現される。
【００９１】
なお、以上の説明では、発光層に含まれる井戸層の層数が３層である場合を説明しているが、井戸層の数はこれに限られるわけではない。特に、井戸層の数が２層から２０層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【００９２】
発光層の量子井戸構造において、１番目の井戸層の下（外側）に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上（外側）に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【００９３】
また、先に説明した図１１の構成では、低温バッファ層としてＧａＮ膜を用いたが、これに代えて、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層或いはＺｎＯ層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【００９４】
また、本実施形態においては、基板として（０００１）面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてＧａＮ基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びＧａＮ層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、ＧａＮ基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとＮＨ3雰囲気中で昇温し、その後、ＴＭＧ及び／或いはＳｉＨ4を供給して、下層のｎ型ＧａＮ層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【００９５】
更に、上記では、ｎ型電極３１２ｂとｐ型電極３１２ａとの両方が発光素子の上面に配設された窒素化合物半導体レーザ３５０について記載したが、サファイア基板のかわりにＧａＮ或いはＳｉＣなどの導電性材料からなる基板を用いて、図１５に示すような、一方の電極（例えばｎ型電極３１２ｂ）が基板３０１の裏面に設けられた構成の窒素化合物半導体レーザ３６０を作製しても良い。また、成長層との間で適切なレベルの格子整合が得られる材料からなる基板を用いる場合には、バッファ層を設ける必要はない。なお、図１５の半導体レーザ３６０において、図１１に示した半導体レーザ３５０の構成における構成部材に対応する構成部材は、同じ参照符号を付しており、それらの説明はここでは省略する。
【００９６】
このように他の構成を有する半導体レーザを作製する場合にも、本発明を適用することによって、上述したような効果を得ることができる。
【００９７】
（第３の実施形態）
本実施形態では、成長温度を第２の実施形態と同じく約７３０℃とし、且つ井戸層形成後の成長中断時間を９０秒間として発光層を形成して、半導体レーザを作成した。
【００９８】
このような本実施形態における半導体レーザの動作特性を測定したところ、室温での動作時に、発振閾値電流が３４ｍＡ、微分発光効率が０．９６Ｗ／Ａであり、低閾値で発光効率の高いレーザ連続発振が得られた。また、顕微ＰＬによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に５秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の２９％、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に２分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の７０％であり、単色性の向上が確認された。
【００９９】
更に、本実施形態の半導体レーザでは、光出力３５ｍＷの室温動作時に必要な投入電力は２４８．０ｍＷとなった。この投入電力の値は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に５秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力３５ｍＷの室温動作時に必要とされる値（８２６．５ｍＷ）の３０．０％であり、また、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に２分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における、同様の光出力３５ｍＷの室温動作時に必要とされる値（３２６．４ｍＷ）の７６．０％である。
【０１００】
このように、本発明に従って作製された半導体レーザ素子においては、単色性の向上、すなわちＩｎＧａＮ量子ドットの均一性の向上によって、素子の動作性能が大きく向上していることが確認された。
【０１０１】
なお、以上の説明と同様に発光層の成長温度を約７３０℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を１０秒〜１００秒として作成した発光層を有する半導体レーザにおいても、５秒或いは２分間という従来技術に従った成長中断を行って作製したサンプルに比べて、上記と同様の動作特性の向上が確認された。
【０１０２】
（第４の実施形態）
本実施形態では、成長温度を第２及び第３の実施形態とは異なる約７５０℃とし、且つ井戸層形成後の成長中断時間を１０秒間として発光層を形成して、半導体レーザを作成した。
【０１０３】
このような本実施形態における半導体レーザは、室温でレーザ連続発振した。また、顕微ＰＬによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に５秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の６１．５％、従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に２分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子における値の８５．１％であり、単色性の向上が確認された。また、このような単色性の向上に伴って、発光効率も向上した。
【０１０４】
一方、上記と同じく成長温度を約７５０℃とし、井戸層形成後の成長中断時間を９０秒間として発光層を形成して、半導体レーザを作成したところ、得られた半導体レーザは、同様に室温でレーザ連続発振した。また、この半導体レーザについて、顕微ＰＬによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成したところ、得られた発光波長分布曲線の半値幅は、従来技術に従って多重量子井戸構造を有する発光層の形成時に５秒間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子、及び従来技術に従って単一量子井戸構造を有する発光層の形成時に２分間の成長中断を行って作製した半導体レーザ素子の双方における値よりも小さくなっており、素子特性の向上が確認された。また、このような単色性の向上に伴って、発光効率も向上した。
【０１０５】
また、以上の説明と同様に発光層の成長温度を約７５０℃とし、井戸層成長後の成長中断時間を１０秒〜１００秒として作成した発光層を有する半導体レーザにおいても、５秒或いは２分間という従来技術に従った成長中断を行って作製したサンプルに比べて、上記と同様の動作特性の向上が確認された。
【０１０６】
更に、発光層の成長温度を約７７０℃、約７９０℃、或いは約８１０℃とし、井戸層成長後の成長中断時間をそれぞれ１０秒〜１００秒の範囲で様々に変化させて作製した発光層を有する半導体レーザにおいても、５秒或いは２分間という従来技術に従った成長中断を行って作製したサンプルに比べて、上記と同様に、動作特性の顕著な向上が確認された。
【０１０７】
（第５の実施形態）
本実施形態では、障壁層及び井戸層からなる発光層の成長時に、障壁層形成後の所定の一定時間の成長中断（第１の成長中断）を行うと共に、井戸層形成後にも一定時間の成長中断（第２の成長中断）を行って、ＧａＮ系化合物半導体発光素子（具体的には発光ダイオード）を作製した。そして、作製された発光ダイオードにおいて、顕微ＰＬによる観測によって成長面内における発光波長分布曲線を作成し、得られた発光波長分布曲線の半値幅と障壁層形成後の成長中断期間の長さ（成長中断時間）との関係を検討した。
【０１０８】
発光ダイオードの作製プロセスは、第１の実施形態において実施したプロセスに類似している。
【０１０９】
具体的には、まず、（０００１）面を有するサファイア基板の上に、第１の実施形態と同様にして、ＧａＮ低温バッファ層及びｎ型ＧａＮ層を順次形成する。
【０１１０】
次に、ｎ型ＧａＮ層の上に発光層を形成する。まず、キャリアガス及びＮＨ3ガスを流しながら、基板温度を所定の温度になるように調節する。基板温度が安定した時点で、キャリアガス（Ｎ2比率１００％、全流量１０リットル／ｍｉｎ）及びＮＨ3ガス（３リットル／ｍｉｎ）に加えて、ＴＭＧ（１０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＴＭＩ（１０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、及びＳｉＨ4（５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）を供給し、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層を約５ｎｍの平均厚さで成長させた。障壁層の形成後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＳｉＨ4の供給を一旦停止し、キャリアガス及びＮＨ3ガスを継続して供給して、所定の基板温度を維持した状態で、所定の時間長さの成長中断（第１の成長中断）を行った。その後、再びＴＭＧ（１０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＴＭＩ（５０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、及びＳｉＨ4（５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ）を供給し、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層を約５ｎｍの平均厚さで成長させた。井戸層の形成後は、ＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＳｉＨ4の供給を一旦停止し、キャリアガス及びＮＨ3ガスを継続して供給し、所定の基板温度を維持した状態で、所定の期間（例えば２０秒間）の成長中断（第２の成長中断）を行った。その後、ＴＭＩの供給量を１０μｍｏｌ／ｍｉｎに減少させ、その他の原料の供給量を維持して、再びＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層を約５ｎｍの平均厚さで成長させた。その後、上記と同様にして、所定の期間の第１の成長中断工程、井戸層成長工程、所定の期間の第２の成長中断工程、障壁層成長工程を繰り返し、最後に障壁層を成長させて、障壁層で終端された積層構造からなる発光層を形成した。
【０１１１】
次に、第１の実施形態と同様にして、発光層の上にｐ型ＡｌＧａＮ昇華防止層を約３０ｎｍの厚さで成長させた。ここで、発光層を終端するＩｎＧａＮ障壁層の成長工程とｐ型ＡｌＧａＮ昇華防止層の成長工程との間に成長中断を行うかどうかは任意である。但し、発光層を構成する井戸層の層数が２層以下である場合には、最後の障壁層成長期間１０２ｄの後に、ｐ型ＡｌＧａＮ昇華防止層の成長工程に先立って成長中断期間を設けるほうが、形成される発光素子の電流注入時の発光強度が高くなる。
【０１１２】
次に、第１の実施形態と同様にしてｐ型ＧａＮ層及び所定の形状の絶縁層を形成し、ｐ型電極及びｎ型電極を形成した。これにより、発光ダイオードが作製された。
【０１１３】
以上のような製造工程によって作製した発光ダイオードについて、直径１μｍの顕微ＰＬを用いて、発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図１２には、以上の測定の結果として、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。図１２では、各々の成長温度における井戸層成長後の成長中断時間が０秒である場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、１０としている（縦軸の「１０」の位置に引かれている破線に相当する）。
【０１１４】
図１２の結果より、ＩｎＧａＮドットの均一化の度合いを示す発光波長分布曲線の半値幅に対する、障壁層成長後の成長中断時間の影響を検討すると、成長温度によって若干の変動を示すものの、成長温度７３０℃の場合には１秒以上約６０分以下の成長中断時間において、成長温度７７０℃の場合には１秒以上約１５分以下の成長中断時間において、成長温度８１０℃の場合には１秒以上約５分以下の成長中断時間において、それぞれ発光波長分布曲線の半値幅が、障壁層の成長後に成長中断を実施しない場合に比べて狭くなっており、ＩｎＧａＮドットの均一化が進展することがわかる。このような発光波長分布曲線の半値幅の減少（すなわちＩｎＧａＮ量子ドットの均一性の向上）とともに、ピーク発光波長におけ発光強度が増加して、発光素子の動作性能が大きく向上していることが確認された。
【０１１５】
また、発光層の成長温度が高い場合には成長中断時間を短く設定し、一方、発光層の成長温度が低い場合には成長中断時間を長く設定することによって、より顕著な効果が得られる。より具体的に述べると、成長温度が７３０℃の場合には、成長中断時間を約１秒〜約６０分に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１秒以上１０分以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。成長温度が７７０℃の場合には、成長中断時間を１秒〜１５分に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１秒以上５分以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。更に、成長温度が８１０℃の場合には、成長中断時間を１秒〜５分に設定することで効果が得られ、特に、成長中断時間を１秒以上２分以下に設定することで、より顕著な効果が得られる。
【０１１６】
上記のような結果は、以下のようなメカニズムで達成されたものと考えられる。ＧａＮ系化合物半導体から形成された障壁層を、その成長後に、その成長温度範囲において所定の時間だけＮ2ガス雰囲気中で熱に曝すと、障壁層の表面が平坦化される。このため、障壁層の上に形成される井戸層の結晶性が向上して、量子効果を促進する量子サイズオーダのＩｎＧａＮドットが、井戸層内に均一に形成されるようになり、各ドット間での発光波長のばらつきが抑制される。この結果、作製される発光素子で得られる発光波長の半値幅が小さくなり（すなわち単色化が実現されて）、発光波長における光学利得が増大して、発光効率が顕著に増加する。成長中断時間が長すぎる場合には、成長面の表面近傍からのＩｎなどの離脱が生じて成長面の表面が荒れて、その上に形成される井戸層の結晶性をむしろ乱すことになり、結果的に、発光層からのピーク発光波長における発光効率は低下する。
【０１１７】
上記の結果は、発光層を構成する井戸層の層数が特定の値の場合に限られるわけではない。特に、井戸層の数が２層から２０層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【０１１８】
発光層の量子井戸構造において、１番目の井戸層の下（外側）に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上（外側）に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【０１１９】
なお、井戸層の成長後の成長中断を行わずに、障壁層の成長後のみに成長中断を行った場合には、ピーク発光波長における発光強度が最大で約２．５倍に増加するにとどまり、図１２に示したような顕著な効果は確認されなかった。
【０１２０】
なお、本実施形態の構成では、低温バッファ層としてＧａＮ膜を用いたが、これに代えて、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層或いはＺｎＯ層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【０１２１】
また、本実施形態においては、基板として（０００１）面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてＧａＮ基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びＧａＮ層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、ＧａＮ基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとＮＨ3雰囲気中で昇温し、その後、ＴＭＧ及び／或いはＳｉＨ4を供給して、下層のｎ型ＧａＮ層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【０１２２】
（第６の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明した方法に従ってＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードを作製するにあたって、形成された発光ダイオードの動作時（電流注入時）の発光強度と、井戸層形成後の成長中断期間に流すキャリアガスにおけるＮ2ガスとＨ2ガスとの混合比との関係を、説明する。
【０１２３】
具体的には、本実施形態では、発光層を構成する井戸層の成長後の成長中断期間に流すキャリアガスとして、Ｎ2ガスとＨ2ガスとの混合比を様々に変更した（但し、キャリアガスの総量は一定とした）以外は、第１の実施形態での製造方法とほぼ同様にして、発光素子（発光ダイオード）を作製した。なお、発光層の成長時の成長温度は７５０℃に設定し、井戸層成長後の成長中断時間を３０秒に設定した。
【０１２４】
図１３は、このようにして作製された発光ダイオードについて、２０ｍＡの電流を注入した場合のピーク発光波長（白丸プロット）、及びそのピーク発光波長における発光強度（黒丸プロット）の、キャリアガスにおけるＮ2ガスとＨ2ガスとの混合比に対する変化を示している。
【０１２５】
図１３より、キャリアガスにおけるＮ2ガスの比率が減少するにつれて、発光波長は短波長化し、また、そのピーク発光波長における発光強度も減少する傾向にある。これは、Ｎ2ガスの減少に伴って、井戸層内におけるＩｎＧａＮ量子ドットの形成が抑制されることによって、量子効果の発現や量子ドットからの発光波長の単色化の効果が十分に得られなるためと考えられる。従って、井戸層成長後の成長中断期間に流すキャリアガスとしては、窒素ガス（Ｎ2ガス）を主体とするガスを流すことにより、ピーク発光波長が長波長化され、また、そのピーク発光波長における発光強度が増加する。
【０１２６】
なお、図１３の結果は、発光層の成長温度が７５０℃の場合であるが、成長温度が約８００℃程度とより高温に設定した場合や、約７００℃程度とより低温に設定した場合にも、同様の傾向が観測された。
【０１２７】
また、井戸層の成長後だけではなく障壁層の成長後に成長中断期間を設ける場合にも、上記と同様に窒素ガス（Ｎ2ガス）を主体とするキャリアガスを流すことにより、ピーク発光波長が長波長化され、また、そのピーク発光波長における発光強度が増加する傾向を示す。
【０１２８】
上記の結果は、発光層を構成する井戸層の層数が特定の値の場合に限られるわけではない。特に、井戸層の数が２層から２０層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【０１２９】
発光層の量子井戸構造において、１番目の井戸層の下（外側）に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上（外側）に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【０１３０】
なお、本実施形態の構成では、低温バッファ層としてＧａＮ膜を用いたが、これに代えて、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層或いはＺｎＯ層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【０１３１】
また、本実施形態においては、基板として（０００１）面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてＧａＮ基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びＧａＮ層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、ＧａＮ基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとＮＨ3雰囲気中で昇温し、その後、ＴＭＧ及び／或いはＳｉＨ4を供給して、下層のｎ型ＧａＮ層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【０１３２】
（第７の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明した方法に従ってＧａＮ系化合物半導体発光ダイオードを作製するにあたって、形成された発光ダイオードの動作時（電流注入時）の発光強度と、井戸層形成後の成長中断期間に流すアンモニアガス（ＮＨ3ガス）の導入量及び成長中断期間の長さ（成長中断時間）との関係を、説明する。
【０１３３】
具体的には、本実施形態では、発光層を構成する井戸層の成長後の成長中断期間に流すアンモニアガス（ＮＨ3ガス）の導入量及び成長中断時間を様々に変更した以外は、第１の実施形態での製造方法とほぼ同様にして、発光素子（発光ダイオード）を作製した。なお、発光層の成長時の成長温度は７７０℃に設定した。また、アンモニアガス（ＮＨ3ガス）の導入量は、５リットル／分、３リットル／分、及び０リットル／分（すなわち導入せず）に設定した。
【０１３４】
以上のような製造工程によって作製した発光ダイオードについて、直径１μｍの顕微ＰＬを用いて、発光層からの発光波長の面内分布を測定した。図１４には、以上の測定の結果として、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示している。なお、図１４では、アンモニアガス（ＮＨ3ガス）の導入量が３リットル／分である場合に得られた発光波長分布曲線における半値幅の逆数を、１と正規化している。
【０１３５】
図１４を参照すると、成長中断期間に成長リアクタ内にＮＨ3ガスを導入しない場合にも、ＩｎＧａＮ量子ドットの均一化に起因する量子ドットからの発光波長の単色化（すなわち発光波長分布曲線の半値幅の増加）が確認されたが、成長中断期間にＮＨ3ガスを導入することによって、ＩｎＧａＮ量子ドットの均一化に起因する発光波長の単色化の効果が、より顕著に現れている。また、成長中断期間にリアクタ内にＮＨ3ガスを導入することによって、成長中断時間をより長くしても上記の効果が実現されることから、成長中断時間をより長く設定して、製造プロセスを容易にすることが可能になる。
【０１３６】
図１４の結果は、発光層の成長温度が７７０℃の場合であるが、成長温度が約８００℃程度とより高温に設定した場合や、約７００℃程度とより低温に設定した場合にも、同様の傾向が観測された。また、井戸層の成長後だけではなく障壁層の成長後に成長中断期間を設ける場合にも、上記と同様の傾向が観測された。
【０１３７】
上記の結果は、発光層を構成する井戸層の層数が特定の値の場合に限られるわけではない。特に、井戸層の数が２層から２０層の範囲内である多重量子井戸に対して、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【０１３８】
発光層の量子井戸構造において、１番目の井戸層の下（外側）に障壁層が無い場合や、最後の井戸層の上（外側）に障壁層が無い場合についても、上記と同様の効果が得られる。また、各井戸層の成長条件は同一でなくても良く、各障壁層の成長条件も同一でなくても良い。
【０１３９】
なお、本実施形態の構成では、低温バッファ層としてＧａＮ膜を用いたが、これに代えて、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層或いはＺｎＯ層を使用しても良く、これらの場合にも上記と同様の効果が得られている。
【０１４０】
また、本実施形態においては、基板として（０００１）面を有するサファイア基板を用いているが、発光強度を向上させる効果に対して面方位が特に大きな影響を与えることはなく、サファイア基板のかわりに、ＧａＮ、ＳｉＣ、スピネル、或いはマイカなどからなる他の基板を用いても、同様の効果が得られることが確認されている。また、基板としてＧａＮ基板を使用する場合には、水素雰囲気中での熱処理による前処理、及びＧａＮ層をエピタキシャル成長させるための低温バッファ層を設ける必要がない。すなわち、ＧａＮ基板を使用する場合には、不活性ガスを主とするキャリアガスとＮＨ3雰囲気中で昇温し、その後、ＴＭＧ及び／或いはＳｉＨ4を供給して、下層のｎ型ＧａＮ層の成長から開始して発光素子を作製することができる。この場合にも、以上に説明したものと同様の効果が得られる。
【０１４１】
なお、以上の幾つかの実施形態で説明したような本発明の製造プロセスに従って作製される発光ダイオードは、その発光層３０６から発生した光が、基板３０１の上に積層された窒化物成長層をその積層方向に透過して外部に出射されるタイプであっても良く、或いは、基板３０１の側面或いは裏面から光を外部に向けて透過させて使用するタイプであっても良い。更に、基板３０１として導電性基板を使用すれば、基板３０１の裏面に片方の電極（例えばｎ型電極３１２ｂ）が形成されている発光ダイオードを作製することが、可能になる。いずれの場合にも、これまでに説明したものと同様の効果が得られる。
【０１４２】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、インジウムを含むＧａＮ系化合物半導体材料から構成されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の作製にあたって、発光層を構成する井戸層及び障壁層の成長過程にて実施する成長中断工程において、適切な成長時間を設定することによって、高い発光効率を有する発光素子を、基板面内で均一性良く作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法における、発光層とその近傍の半導体層の成長時の成長温度及び各原料の供給量の変化を示す、タイミングチャートである。
【図２】本発明の各実施形態で使用する結晶成長装置（ＭＯＣＶＤ装置）の構成を模式的に示す概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態において、本発明に従って形成されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の一例としての発光ダイオードの構成を模式的に示す概略断面図である。
【図４】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７８０℃及び井戸層成長後の成長中断時間を５秒間に設定した作製した発光ダイオードにおける、発光波長と各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数との関係（発光波長分布曲線）を示す図である。
【図５】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７８０℃及び井戸層成長後の成長中断時間を１５秒間に設定した作製した発光ダイオードにおける、発光波長と各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数との関係（発光波長分布曲線）を示す図である。
【図６】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７８０℃及び井戸層成長後の成長中断時間を２分間に設定した作製した発光ダイオードにおける、発光波長と各発光波長で発光している発光層内の発光部位の個数との関係（発光波長分布曲線）を示す図である。
【図７】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７３０℃、７５０℃、及び７７０℃として作製された発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図８】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７３０℃、７５０℃、及び７７０℃として作製された発光ダイオードにおける、ピーク発光波長における発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図９】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７７０℃、７９０℃、及び８１０℃として作製された発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図１０】第１の実施形態において、発光層の成長温度を７７０℃、７９０℃、及び８１０℃として作製された発光ダイオードにおける、ピーク発光波長における発光強度と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態において、本発明に従って形成されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の一例としての半導体レーザの構成を模式的に示す概略断面図である。
【図１２】第５の実施形態において、発光層の成長温度を７３０℃、７７０℃、及び８１０℃として作製された発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図１３】第６の実施形態において作製される発光ダイオードに関して、成長中断期間に供給されるガスにおけるＮ2ガスの比率とピーク発光波長及びピーク発光波長における発光強度との関係を示す図である。
【図１４】第７の実施形態において、成長中断期間に供給されるガスにおけるＮＨ3ガスの導入量を変化させて作製し発光ダイオードにおける、発光波長分布曲線の半値幅の逆数と井戸層成長後の成長中断時間との関係を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態において、本発明に従って形成されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の一例としての半導体レーザの他の構成を、模式的に示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ  井戸層形成後の成長中断期間
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ  障壁層成長期間
１０３ａ、１０３ｂ，１０３ｃ  井戸層成長期間
１０４  ｎ型ＧａＮ層成長期間
１０５  ｐ型ＧａＮ層成長期間
１０６  昇華防止層成長期間
１０７  降温期間
１０８  昇温期間
【図１】
0003710339.tif 000002
【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８】
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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１４】
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【図１５】
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