(57)【要約】【課題】高効率GaN系光半導体素子の構造とその製造方法の提供。【解決手段】本発明の光半導体素子は通常用いられる{0001｝面の面方位±1°等とは異なる面方位への成長をおこなってピエゾ電界の少ない歪量子井戸を形成している。半導体層を多層用いる本発明の光半導体素子では歪量子井戸のみを前記面方位で成長させてもよい。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系光半導体素子を製造する方法であって、
基板上に、第１の半導体層を第１の面方位にて成長させるステップと、
前記第１の半導体層の上に引き続き成長する成長面が、第１の面方位とは異なる第２の面方位を有することとなるように前記第１の半導体層の面を変更するステップと、
前記面を変更するステップの後の面を覆うように歪量子井戸層を成長させるステップとを備え、
前記歪量子井戸層の少なくとも一部が第２の面方位を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の半導体層の面を変更するステップは、前記第１の半導体層を選択的にエッチングすることを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記歪量子井戸層を覆うように第２の半導体層を成長させるステップを含み、当該第２の半導体層を前記第１の面方位と同じ面方位で成長させるものである請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の半導体層の面を変更するステップは、前記第１の半導体層を選択的に成長させることを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記第２の面方位を、前記量子井戸層における電界の強さを減少させるように第２の面方位を選択するステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記量子井戸層は、ウルツ鉱型結晶構造を有し、前記第２の面方位は前記ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向から少なくとも１°傾いている、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の面方位は前記ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向から少なくとも１０°傾いている、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２の面方位が、前記ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向から、３０°から５０°の間、８０°から１００°の間、そして１３０°から１５０°の間から選択された角度だけ傾いている、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記量子井戸層は、閃亜鉛鉱型結晶構造を有し、前記第２の面方位は前記閃亜鉛鉱型結晶構造の｛００１｝方向から少なくとも１°傾いている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
歪量子井戸層を含んだ複数のＧａＮ系光半導体層を有する光半導体素子において、
前記歪量子井戸層は、その内部に強度が歪量子井戸層の成長時の方位に依存するピエゾ電界を有しており、
前記ピエゾ電界の強度を前記方位の関数として表したときの最大値の半分よりも小さい値のピエゾ電界となる方位で、前記歪量子井戸層を成長させたことを特徴とする光半導体素子。
【請求項１１】
前記ＧａＮ系光半導体層は、ウルツ鉱型結晶構造を有しており、前記歪量子井戸層の前記成長方位は、前記ウルツ鉱型結晶構造の｛０００１｝方向から少なくとも１０°傾いたものである、請求項１０に記載の光半導体素子。
【請求項１２】
前記ＧａＮ系光半導体層のうち少なくとも一つの他の層が、｛０００１｝方向の成長方位を有している、請求項１１に記載の光半導体素子。
【請求項１３】
前記歪量子井戸層は、｛０００１｝方向から４０°、９０°又は１４０°傾いたものである、請求項１１に記載の光半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において、発光素子と受光半導体素子とを総称して光半導体素子あるいは光半導体装置と呼ぶ。光半導体素子に付いて適用される条件は特に断らないときは発光素子と受光半導体素子の双方に適用できるものとする。
また、本明細書では、慣行として数字に「上バー」を付して表記される結晶構造の指数を該数字に負号：「−」を前置して表記することとする。
さらに、「面方位ｓの面Ｓを該面方位ｓの方向に成長させる」ことを単に「面Ｓを成長させる」と記載することにする。面Ｓを成長面ともいう。
【０００２】
本発明は光半導体装置に関し、特にGaN 系半導体を用いて組立られる発光素子と受光半導体素子の効率を改善するための構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
最近半導体発光素子や受光半導体素子の高効率化がより一層求められている。特に、B,Al,Ga,In等のIII族元素と窒素の化合物であるBN,AlN,GaN,InN等、およびそれらの混晶半導体（以下GaN系半導体と総称する）を用いたGaN系光半導体素子においては焦眉の課題である。
【０００４】
GaN系光半導体素子にはGaInN/GaN 歪量子井戸あるいはGaInN/GaInN 歪量子井戸を発光層として用いた青・緑色LED （発光ダイオード）や短波長LD（レーザダイオード）がある。またGaN系光半導体を用いた短波長受光半導体素子への期待も大きい。
そして、通常GaN系結晶の(0001)面を成長させて組立てたGaN系半導体歪層、例えばGa0.9In0.1N歪層において約１MV/cm という非常に大きなピエゾ電界が発生することが分っている。（T.Takeuchi et al.,Jpn. J. Phys. Vol.36(1997) pp.L382-L385参照）。
【０００５】
一般に量子井戸内部に電界が存在すると、電界が大きくなるに従い、量子井戸層のエネルギー帯は大きく傾く。すると電子、正孔の波動関数の形状は互い違いに偏り、両波動関数の重なり積分は小さくなる。言い換えると、発光効率もしくは吸収効率が下がるという光学的特性の大きな変化（量子閉じこめシュタルク効果）が起こる（D.A.B.Miller et al.,Phys.Rev.Lett. 53(1984)2173.参照）。
【０００６】
したがって、GaN系半導体歪量子井戸においてはピエゾ電界が上記の現象（量子閉じこめシュタルク効果）を引き起こし、光学的特性がもともと大きく変化していると考えられた。しかしながら、このピエゾ電界を制御する方法が不明で、それぞれの素子に適した光学的特性を得ることは困難であった。
【０００７】
一方、ｃ面内に等方的歪を導入しても光学利得は増加しないが、(1-100)面を成長させたGaNについて計算したところ、c面内に異方性歪があると光学利得が増加するとの知見も得られている（K. Domen et al., Appl. Phys. Lett. 70(8), 24 February 1997 pp.987-989参照）。しかしながらいかなる面を結晶成長させてGaN系光半導体を組立てるのが適切であるかは依然として不明であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は結晶成長の面方位を制御して高効率を有するGaN系光半導体素子の構造とその製造方法を与えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するため本発明のGaN系光半導体素子は歪量子井戸層のピエゾ電界ができるだけ小さくなる面方位を選んで素子の形成をおこなって組立てられる。例えばウルツ鉱型（WZ）結晶では通常用いられる{0001｝面の面方位±1°以内とは異なる面方位の面を成長させて歪量子井戸を形成している。閃亜鉛鉱型（ZB)結晶では｛111｝面の面方位±１°以内とは異なる面方位の面を成長させて歪量子井戸を形成している。半導体層を多層用いる本発明の光半導体素子では歪量子井戸のみをピエゾ電界のより小さな面方位で成長させてもよい。
【実施例】
【００１０】
発明者等はGaN系半導体の成長面方位を変えてピエゾ電界を調べ、その歪量子井戸層内に発生するピエゾ電界が変化することを知り、成長面方位によってピエゾ電界を制御することとした。
図１に示すウルツ鉱型GaN（WZ-GaN）系半導体の結晶構造１0を参照して以下にその原理を説明する。図１の一点鎖線11に沿って面方位を[0001]方向すなわちｃ軸方向から[2-1-10]方向を通って[000-1]方向まで傾けた場合に、これらの面方向の面をGaN上に成長させたGa0.9In0.1N歪量子井戸層内に発生するピエゾ電界は図２のグラフに示すように変化する。
【００１１】
図２の横軸は注目面の面方位が[0001]方向となす角を示し、0°が[0001]方向を、180°が[000-1]方向を示す。縦軸はピエゾ電界の大きさを表わし、[0001]方向あるいは[000-1]方向において発生するピエゾ電界が最大となることが分る。一方、[0001]方向と約40°、90°または約140°をなす方向では歪層内においてもピエゾ電界が全く発生しないことが判明した。この[0001]方向から[000-1]方向に傾ける際どの方向に向かって傾けても（例えば図１の一点鎖線1２などに沿っても）同じ結果となった。すなわち、ピエゾ電界は[0001]方向と当該面の面方位との角度差によって一意に決定される。言い換えると、動径rがｃ軸（[0001]方向）からの俯角θと[0001]方向の回り方位角φを有する球座標表示を採用すると、ピエゾ電界はφによらずθのみによって決定されるといえる。動径rが成長面の面方位を示している。
【００１２】
したがって、例えば量子井戸組立においてピエゾ電界が発生しない低指数面としては、[0001]方向と90°をなすものとして、{2-1-10}（A面）、{0-110}(M面)などが、約40°、140°をなすものとして{2-1-14}、{01-12}（R面）などが挙げられる。また、これらの面に等価なすべての面についても同様の結果となる。
Ga0.9In0.1N歪量子井戸層の組成比によりピエゾ電界の大きさは変化するが変化の様相はほとんど同じである。特にピエゾ電界が０になる[0001]方向から測った面方位90°は組成比によらず、他の二つの面方位も40°や140°から高々5°変化するにすぎない。
【００１３】
WZ-GaN系半導体の歪量子井戸層の場合と同様にGaN上に成長させた閃亜鉛鉱型GaN(ZB-GaN)系半導体層：Ga0.9In0.1N歪量子井戸層の場合を調べると以下のとおりであった。まず、ZB-GaN系半導体の結晶構造20を図３に示す。上記と同様に動径rが[001]方向からの俯角θ（傾きθ）と[001]方向の回りの方位角φを有する球座標表示を採用する。図３には、方位角φを一定とし、俯角θを変える動径rの第１、第２の経路が一点鎖線21,22で示されている。
第１の経路21を通る動径rの方向を成長面の方位とする歪量子井戸層内のピエゾ電界の動径の俯角θに対する変化は図４に示すとおりである。図４には、動径が[001]方向（θ＝0°）から[111]方向（θ＝54.7°）、[110]方向（θ＝90°）、[11-1]方向（θ＝125.3°）を通って[00-1]（θ＝180°）に至るφ＝45°の範囲がプロットしてある。縦軸はピエゾ電界の大きさE（θ）を表わし、[111]方向(θが約55°）あるいは[11-1]方向（θが約125°）において発生するピエゾ電界が最大となる。
【００１４】
一方、図５には[001]（θ＝0°）方向から出発し[011]（θ＝45°）方向、[010]（θ＝90°）方向、[01-1]（θ＝135°）方向をとおり[00-1]（θ＝180°）方向に至るφ＝90°の経路（第２の経路）の傾き（俯角）θを成長面の面方位とするGa0.9In0.1N歪量子井戸層のピエゾ電界がプロットしてある。この経路ではどの角θの値においてもピエゾ電界が全く発生しない。従って、ZB-GaN系半導体の歪量子井戸層の結晶では｛001｝面や｛011}面をはじめとして、経路２上の角θを面方位とする面およびその等価面を成長面とする歪量子井戸層はピエゾ電界をほとんど発生しない。また等価な面を有する歪量子井戸層は同じピエゾ電界を有する。
上記の知見に基づき発光素子と受光半導体素子を作成する方法に付いてのべる。まずWZ-GaN系半導体を使用する実施例について延べ、次いでZB-GaN系半導体を使用する実施例について簡単に補足する。
【００１５】
１  発光素子の作成
発光素子においては、発光強度をたかめるためには波動関数の重なり積分をできるだけ大きくしてやればよい。そのためには発光層である量子井戸層内のピエゾ電界はできるだけ小さいほうがよい。重なり積分はピエゾ電界によっており、図６にピエゾ電界に対する重なり積分の大きさを示す。図２の場合と同じ組成の量子井戸層でその幅を３nmとした場合（Ａ）、および６nmとした場合（Ｂ）が示してある。しかし、通常作製される素子のほとんどは[0001]方向を成長面方位としているため、ピエゾ電界が最大となり、発光強度が最低になる素子構造を持っていることが判明した。そこで、発明者等は発生するピエゾ電界がより小さな面を成長面方位として選択して発光素子を組立てることとした。それらの面のうちピエゾ電界が殆ど発生しない面である[0001]方向と約40°、90°あるいは約140°をなす方位を持つ面（{2-1-10}、{0-110}、{2-1-14}、{01-12}面など）を成長面に選んで発光強度の大幅な増大を達成することが特に望ましい。
【００１６】
図７は、本発明の好適実施例の一つである発光素子30の簡略構造を示す。結晶成長方位を除けば、堆積される各層の組成は従来の発光素子の場合と同様である。
発光素子30の組立では、まずサファイア、SiC、GaN等の基板31にn型GaNコンタクト層33、n型AlGaNクラッド層34、多重歪量子井戸層35、p型AlGaNクラッド層36、ｐ型GaNコンタクト層37を順次堆積して形成する。その後n型GaNコンタクト層33とｐ型GaNコンタクト層37とのそれぞれには、それぞれの電極となるn電極38とp電極39とが形成されている。
多重歪量子井戸層35はGaInN/GaN多重歪量子井戸層あるいはGaInN/GaInN多重歪量子井戸層が普通に用いられる。
【００１７】
本実施例において、上記各層がピエゾ電界を殆ど発生しないように{2-1-10}面を成長させて形成する場合は、基板31の成長面はサファイア基板のとき{01-12}面、SiC基板とき{2-1-10｝面などが用いられる。特にSiC基板では{2-1-10｝基板が良好であった。この場合基板31の他の層は{2-1-10}面を成長させる。
本実施例の発光素子の性能Ａと、(0001)面を成長させて組立てた従来素子の性能Bとを図８に対比して示す。
{01-10}面を成長させて歪量子井戸を形成する場合は、基板31の成長面はサファイアやSiCでは{01-10}面を選択するのがよい。
図８には歪量子井戸の量子井戸幅に対する重なり積分＜Fh(x)Fe(x)>2の値を各素子につきプロットしてある。ここでFh(x)、Fe(x)はそれぞれ面の成長方向ｘの関数として表わした正孔と電子の波動関数である。図８から本実施例の素子は従来素子に比べ、少なくとも約２倍の重なり積分の値を有し、発光強度も略２倍に増大できることがわかる。
【００１８】
素子構造の別の例としては本願出願人による特許出願：特願平09-5339号の明細書に開示された端面発光型窒化物半導体レーザとすることもできる。該端面発光型窒化物半導体レーザは、サファイア基板にGaNバッファ層を堆積しその上にn型GaNコンタクト層、n型AlGaNクラッド層、GaN光導波路層、InGaN多重量子井戸層、p型GaN光導波路層、p型AlGaNクラッド層、ｐ型GaNコンタクト層を順次堆積して形成したものである。n型GaNコンタクト層とｐ型GaNコンタクト層とのそれぞれには、それぞれの電極となるn電極とp電極とが形成されている。
【００１９】
２  受光半導体素子の作成
従来多く考えられた｛0001｝面を成長させて組立てる素子は、ピエゾ電界が大きく、重なり積分が小さな歪量子井戸を有する。無入力では大きなピエゾ電界によりエネルギー帯が大きく傾いているが、入射光により量子井戸の伝導度が大きくなり、傾いていたエネルギー帯が次第にその傾きを減じ重なり積分の値は大きくなり吸収が増加する。それにしたがって吸収端は短波長側に遷移して波長範囲が狭くなる。
すなわち入射光の増加により効率（光電変換率）が増加する。
【００２０】
一方、本発明の素子のようにピエゾ電界が無いか小さな歪量子井戸を用いる構成では、ピエゾ電界の変化の影響がほとんど無く、入射光の増加に伴う効率の増加や波長範囲の低下は起こらない。吸収すなわち受光半導体素子の効率も電子および正孔の波動関数の重なりに比例するので、図８から明らかなように、受光半導体素子の効率を高めるためには{0001}面とは別の面を選ぶ事が有利となるわけである。
素子の成長方法は発光素子の場合と同様であるが、一般に発光素子に比べ入射光の吸収をよくするため歪量子井戸の井戸幅広めにとる。
自己の発光した光の受光を同一素子でおこなう場合は、用途に応じた最適井戸幅が選べよう。
【００２１】
３  第２の実施例について
現時点の製造技術の恩恵を十分に受けるために、歪量子井戸を除く部分は{0001}面を成長させ、専ら発光、吸収に係わる部分のみを所望の面方位とする製造方法で組立てた本発明の第２の実施例の光半導体素子50の断面を図９に示す。まず、従来技術によりSiC、GaN等の基板51上にn型GaNコンタクト層53、n型AlGaNクラッド層54を{0001}面方向に成長させ、その後、選択成長あるいは選択エッチングにより{2-1-14}面や{01-12}面を形成する。その後再結晶成長により今形成された面方位を持つGaInN/GaNあるいはGaInN/GaInN多重歪量子井戸層55を形成する。
【００２２】
ついで、さらに残りのp型AlGaNクラッド層56、ｐ型GaNコンタクト層57を順次堆積して形成する。p型AlGaNクラッド層56、ｐ型GaNコンタクト層57は井戸層55の面方位から{0001}面方位方向に結晶構造を変えて成長し、所定厚さの層となる。n型GaNコンタクト層53とｐ型GaNコンタクト層57とのそれぞれには、それぞれの電極となるn電極58とp電極59とが形成される。GaInN多重歪量子井戸層55の両側の成長面５５Ａ，５５Ｂが{01-12}面や{2-1-14}面となっている。p型AlGaNクラッド層56とｐ型GaNコンタクト層57は成長面を平坦にして次のプロセスを容易にするため数μm厚にするのがよい。
また前記従来例と同様に基板51にAlNバッファ層52等を成長させるのがより好ましい。
【００２３】
４  ZB-GaN系光半導体素子
上記説明ではWZ--GaN系光半導体素子について述べたが、ZB-GaN系光半導体素子についても同じ技術思想が用いられる。こんどは図４に示すような成長面とピエゾ電界の関係を考慮して成長面の方位が選択される。現在{001}面を成長させたZB-GaN系光半導体層が結晶品質も良くピエゾ電界もほとんど発生しないので歪量子井戸層の成長面として好もし選択である。
【００２４】
上記いずれの実施例でも、歪量子井戸層をピエゾ電界が略０になる面方位に成長させるとしているが、結晶成長方法や他の回路との整合を考えたときは必ずしもピエゾ電界が０となる面方位を選ばずに、他の条件との兼ね合いでよりピエゾ電界の小さな面方位を選択するのが実際的なこともある。
また、AlN等のGaNとは異なる化合物半導体に基づく素子の場合も、結晶構造の型が同じであればピエゾ電界の面方位依存性はほとんど同じであり（ピエゾ電界が０となる面方位傾きθは高々１０°程度の変化である）、前記実施例の説明で開示した技術思想を用いて当業者は容易に光半導体素子を製造できよう。
第２の実施例では歪量子井戸層の上下の層は同じ面方位の面を成長させたが、互いに異なる面方位の面を成長させることもできる。現在{0001}面の成長が容易であり、上記実施例では{0001}面が双方の成長面として採用された。
【００２５】
本発明の光半導体素子は効率が高く発光素子の小電力化、長素子寿命化が可能となる。また受光半導体素子を含む装置のが雑音指数の低減が可能となる。また動作中の波長範囲の変動が少ないので素子設計および該素子を用いた回路の設計が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】WZ-GaN系半導体の結晶構造を示す図である。
【図２】WZ--GaN系半導体量子井戸の成長面面方位に対する量子井戸に発生するピエゾ電界の大きさの変化を示すグラフである。
【図３】ZB-GaN系半導体の結晶構造を示す図である。
【図４】ZB-GaN系半導体量子井戸の成長面面方位の第１の経路に対する量子井戸に発生するピエゾ電界の大きさの変化を示すグラフである。
【図５】ZB-GaN系半導体量子井戸の成長面面方位の第２の経路に対する量子井戸に発生するピエゾ電界の大きさの変化を示すグラフである。
【図６】量子井戸に発生するピエゾ電界に対する重なり積分の値を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施例の光半導体素子の断面図である。
【図８】本発明の光半導体素子と従来技術による半導体素子における量子井戸での波動関数の重なり積分を井戸幅の関数としてプロットしたグラフである。
【図９】本発明の第２の実施例の光半導体素子の断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
10  WZ-GaN系半導体素子の結晶構造
20  ZB-GaN系半導体素子の結晶構造
30、50  光半導体素子
31、51  基板
52  AlNバッファ層
33、53  n型GaNコンタクト層
34、54  n型AlGaNクラッド層
35、55  歪量子井戸層
36、56  p型AlGaNクラッド層
37、57  ｐ型GaNコンタクト層
38、58  n電極
39、59  p電極
55A、55B  GaInN多重歪量子井戸層55の両側の成長面
【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８】
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【図９】
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