(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化ガリウム系化合物を成長する結晶成長方法において、
少なくとも開口部を有するマスク上に上記窒化ガリウム系化合物層を選択成長する工程と、
上記マスク上の非選択成長領域に予め結晶を形成しておき、その後、多層構造を有する活性層を、上記選択成長された窒化ガリウム系化合物層の傾斜結晶面上に成長する工程と
を有することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は窒化ガリウム系化合物からなることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項３】
上記活性層を多重量子井戸とすることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項４】
上記活性層は、ＭＯＣＶＤ法により成長させることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項５】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は、上記ＭＯＣＶＤ法におけるキャリアガスを窒素ガスにすることにより上記非成長領域に成長させることを特徴とする請求項４記載の結晶成長方法。
【請求項６】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は、上記ＭＯＣＶＤ法における成長温度を下げることにより上記非成長領域に成長させることを特徴とする請求項４記載の結晶成長方法。
【請求項７】
上記マスクの開口部に対応して上記活性層を選択的に成長させることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項８】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は、多結晶状であることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項９】
窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子であって
ｓ｛１−１０１｝面を斜面とした略六角錐台形状を有し、少なくともクラッド層、ガイド層及び多重量子井戸からなる活性層を有し、前記活性層が前記六角錐台形状の傾斜面に形成され、上記多重量子井戸を構成する各量子井戸の厚さがほぼ等しいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
少なくともクラッド層、ガイド層及び多層構造を有する活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子の製造方法において、
少なくとも開口部を有するマスク上に上記窒化ガリウム系化合物層を選択成長する工程と、
上記マスク上の非選択成長領域に予め結晶を形成しておき、その後、前記活性層を、上記選択成長された窒化ガリウム系化合物層の傾斜結晶面上に成長する工程と
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
上記結晶は窒化ガリウム系化合物からなることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
上記活性層を多重量子井戸とすることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
上記活性層は、ＭＯＣＶＤ法により成長させることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は、上記ＭＯＣＶＤ法におけるキャリアガスを窒素ガスにすることにより上記非成長領域に成長させることを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は、上記ＭＯＣＶＤ法における成長温度を下げることにより上記非成長領域に成長させることを特徴とする請求項１３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
上記マスクの開口部に対応して上記活性層を選択的に成長させることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
上記マスク上の上記非選択成長領域に予め形成される結晶は、多結晶状であることを特徴とする請求項１０記載の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】
本発明は選択成長を用いた結晶成長方法と、その結晶成長方法を利用して作製される半導体発光素子とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体は、半導体発光素子用の半導体材料として注目を集めており、様々な観点からデバイス設計、試作が進められている。ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長は、青、緑などの短波長領域であり、例えば赤色に発光するＧａＡｓ系半導体発光素子と組み合わせることにより、カラー画像表示が可能な画像表示装置の構築が可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ＧａＮ系半導体発光素子は、例えば、開口部を有するマスクをサファイア基板上に配し、前記開口部に選択的に窒化物を成長させて、その傾斜成長面上にクラッド層やガイド層、活性層を順次選択成長させることにより作製することができ、これにより発光効率に優れた発光素子を得ることができる。
【０００４】
ところで、上記活性層の選択成長に際しては、活性層を低温成長させる必要があるが、膜厚の増加に伴って成長速度が下がり、再現性も悪くなるという問題がある。例えば、活性層を多層構造とし多重量子井戸とする場合、次第に活性層の成長速度が低下し、量子井戸の厚さが次第に薄くなるという現象が見られる。多重量子井戸においては、各量子井戸の厚さは同じであることが好ましく、これによってはじめて良好な発光特性が得られる。上記のように量子井戸の厚さが次第に薄くなると、例えば発光波長ピークにおいて半値幅が大きくなる等、特性の劣化は避けられず、再現性も低下する。
【０００５】
本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものである。すなわち、本発明は、活性層の成長速度の変動による特性の劣化を解消し得る結晶成長方法を提案することを目的とする。また、本発明は、例えば発光波長ピークにおける半値幅を減少する等、特性の向上を実現し得る半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上述の目的を達成するべく様々な検討を重ねてきた。その結果、次のような事実を知見するに至った。
【０００７】
選択成長において、低温成長で活性層を成長させる場合、低温層である活性層の膜厚を増加させるに伴って、活性層の非成長領域であるマスク上へのデポジションが増加する。このマスク上へのデポジションが増加するに伴って、デバイス成長領域（すなわち活性層の選択成長領域）への原料供給量が減少する。したがって、マスク上に全くデポジションの無い状態で活性層の成長をはじめると次第に成長速度が下がり、その結果、量子井戸の厚さは次第に薄くなる。また、再現性も低くなる。
【０００８】
本発明は、このような知見を基に案出されたものである。すなわち、本発明の結晶成長方法は、基板上に窒化ガリウム系化合物を成長する結晶成長方法において、少なくとも開口部を有するマスク上に上記窒化ガリウム系化合物層を選択成長する工程と、上記マスク上の非選択成長領域に予め結晶を形成しておき、その後、多層構造を有する活性層を、上記選択成長された窒化ガリウム系化合物層の傾斜結晶面上に成長する工程とを有することを特徴とするものである。
【０００９】
上記の通り、非成長領域上（マスク上）にデポジション（結晶）が存在すると、この領域に供給された原料が結晶に取り込まれ、活性層の選択成長領域への原料供給量が減少する。したがって、非成長領域にデポジションが無い状態で活性層の成長をはじめると、初期にはほとんど全ての原料が活性層の選択成長領域に供給されるために原料供給量が多く、時間の経過と共に非成長領域にデポジションが形成されて原料が取り込まれ、選択成長領域への原料供給量が減少する。これに対して、はじめから非成長領域上にデポジションを形成しておけば、成長の初期から非成長領域の原料がデポジションに取り込まれ、上記選択成長領域への原料供給量はほぼ一定に保たれる。その結果、活性層の成長速度が一定に保たれ、活性層の膜厚変動が解消される。
【００１０】
また、本発明の半導体発光素子は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子であってｓ｛１−１０１｝面を斜面とした略六角錐台形状を有し、少なくともクラッド層、ガイド層及び多重量子井戸からなる活性層を有し、上記多重量子井戸を構成する各量子井戸の厚さがほぼ等しいことを特徴とするものである。さらに、本発明の半導体発光素子の製造方法は、少なくともクラッド層、ガイド層及び多層構造を有する活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子の製造方法において、少なくとも開口部を有するマスク上に上記窒化ガリウム系化合物層を選択成長する工程と、上記マスク上の非選択成長領域に予め結晶を形成しておき、その後、前記活性層を選択成長された窒化ガリウム系化合物層に成長する工程とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体発光素子は、選択成長された活性層が多重量子井戸からなり、多重量子井戸を構成する各量子井戸の厚さがほぼ等しいことから、優れた発光特性、例えば発光波長ピークの半値幅の減少等が実現される。また、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、前記のような発光特性に優れた半導体発光素子が製造される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した結晶成長方法である選択成長方法、半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
活性層を選択成長する例としては、例えば図１に示すような構造の半導体発光素子の製造プロセスを挙げることができる。図１は本製造プロセスが適用される素子の一例としての半導体発光素子の構造を示すものであり、図１の（ａ）が素子断面図であり、図１の（ｂ）が平面図である。この発光素子はＧａＮ系の発光ダイオードであり、たとえばサファイア基板上に結晶成長される素子である。このようなＧａＮ系の発光ダイオードでは、基板を透過するレーザ照射によってレーザアブレーションが生じ、ＧａＮの窒素が気化する現象にともなってサファイア基板とＧａＮ系の成長層の間の界面で膜剥がれが生じ、素子分離を容易なものにできる特徴を有している。
【００１４】
先ず、その構造については、ＧａＮ系半導体層からなる下地成長層１上に選択成長された六角錐形状のＧａＮ層２が形成されている。なお、下地成長層１上には図示しない絶縁膜が存在し、六角錐形状のＧａＮ層２は当該絶縁膜をマスクとしてその開口した部分にＭＯＣＶＤ法等によって形成される。このＧａＮ層２は、成長時に使用されるサファイア基板の主面をＣ面とした場合にＳ面（１−１０１面）で覆われたピラミッド型の成長層であり、シリコンをドープさせた領域である。このＧａＮ層２の傾斜したＳ面の部分はダブルへテロ構造のクラッドとして機能する。ＧａＮ層２の傾斜したＳ面を覆うようにＩｎＧａＮからなる活性層３が形成されている。この活性層３は、単層であってもよいし、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とすることも可能であるが、後者である場合に本製造プロセスを適用することの意義が大きい。多重量子井戸構造とする場合には、活性層３は、例えばＩｎＧａＮ層を量子井戸とし、Ｉｎを含まないＧａＮ層をバリアとし、これらを繰り返し積層することにより構成することができる。このときの各量子井戸、バリアの厚さは任意（通常は数ｎｍ程度）であり、繰り返し数も任意である。
【００１５】
さらに、その外側にマグネシウムドープのＧａＮ層４が形成される。このマグネシウムドープのＧａＮ層４もクラッドとして機能する。
【００１６】
このような発光ダイオードには、ｐ電極５とｎ電極６が形成されている。ｐ電極５はマグネシウムドープのＧａＮ層４上にＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｄ）／Ｐｔ／Ａｕ等の金属材料を蒸着して形成される。ｎ電極６は前述の図示しない絶縁膜を開口した部分でＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ等の金属材料を蒸着して形成される。なお、下地成長層１の裏面側からｎ電極取り出しを行う場合は、ｎ電極６の形成は下地成長層１の表面側には不要となる。
【００１７】
上記の半導体発光素子を作製するには、図２（ａ）に示すように、サファイヤ基板などの成長基板１０上に、ｎ型ＧａＮ層１１を下地成長層として例えばＭＯＣＶＤ法などにより形成する。このとき、ｎ型ＧａＮ層１１は最初からｎ型である必要はなく、最上面がｎ型であれば良い。一例として、シリコンをドープすることでｎ型のＧａＮ層１１を形成することができる。
【００１８】
次に図２（ｂ）に示すように、ＣＶＤなどによりシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはタングステン膜などからなる成長阻害膜としてのマスク層１２をｎ型のＧａＮ層１１上の全面に形成し、さらに素子を形成する領域に対応してマスク層１２を除去して六角形状の窓領域１３を複数形成する。
【００１９】
続いて、図２（ｃ）に示すように、選択成長を行い、窓領域１３から結晶成長により結晶成長層であるｎ型ＧａＮ層１４を形成する。このｎ型ＧａＮ層１４はクラッド層としても機能し、略六角錐形状を呈している。傾斜した側面はＳ面である。
【００２０】
この傾斜した側面に対してさらに活性層（ＩｎＧａＮ層）とｐ型ＧａＮ層を積層形成するが、本製造プロセスでは、活性層の成膜に先立って、図２（ｄ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層１４が結晶成長されていないマスク層１２の表面に予め多結晶状の結晶１５を結晶成長しておく。
【００２１】
上記結晶１５の成長は、例えば先のＧａＮ層１４と同様の原料ガスを用い、マスク層１２上に結晶成長するような条件に変更して行えばよい。マスク層１２上に結晶成長するような条件としては、例えば、ＧａＮをＭＯＣＶＤ法により成長させる際にキャリアガスを窒素ガスに変更する方法、ＭＯＣＶＤ法の際の成長温度を下げる方法等を挙げることができる。
【００２２】
この結晶１５のマスク層１２上への結晶成長の後、図２（ｅ）に示すように、活性層１６やｐ型ＧａＮ層１７をｎ型ＧａＮ層１４のＳ面上に結晶成長する。その結果、活性層（ＩｎＧａＮ層）１６は結晶成長層であるＧａＮ層１４のＳ面に沿って成長基板１０の主面に平行でなく傾斜して延在され、その活性層１６の面積Ｓは、窓領域１３の面積や結晶成長層の写像面積よりは大きくなり、十分な広がりを以って形成される。
【００２３】
上記の製造プロセスにおいては、活性層１６の結晶成長に先立って予めマスク層１２上に結晶１５を成長しておくことが重要であり、これによって結晶成長の初期と後期の膜厚差を解消することができる。図３は、結晶１５の有無によってどのように原料ガスの供給の様子が相違するかを模式的に示したものである。
【００２４】
結晶１５を形成しない場合、活性層１６の結晶成長の初期には、図３（ａ）に示すように、非成長領域であるマスク層１２上に供給された原料ガスは、矢印方向にそのまま流れ、Ｓ面上の活性層１６の結晶成長に寄与する。したがって、活性層１６の結晶成長の初期には、活性層１６の結晶成長に寄与する原料ガスの量が多い。一方、活性層１６の結晶成長が進行すると、マスク層１２上にも結晶１５が成長する。その結果、非成長領域であるマスク層１２上に供給された原料ガスは、図３（ｂ）に示すように、この結晶１５の結晶成長に寄与したり、あるいは結晶１５に吸着され、Ｓ面上には供給されなくなる。したがって、活性層１６の結晶成長の後期には、活性層１６の結晶成長に寄与する原料ガスの量は少なくなる。この結晶成長初期と後期の原料ガスの供給量の相違が、活性層１６の膜厚差につながる。
【００２５】
これに対して、本製造プロセスのように、活性層１６の結晶成長に先立って結晶１５を結晶成長しておけば、結晶成長の初期から後期まで図３（ｂ）に示す状態となり、Ｓ面上への原料ガスの供給量は、ほぼ一定に保たれる。したがって、活性層１６の膜厚差が解消される。
【００２６】
本発明者らは、上記の効果を実験により確認している。確認実験においては、活性層１６を多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とし、ＩｎＧａＮからなる各量子井戸（ＱＷ）やバリア（ＧａＮ）の膜厚分布を測定した。なお、上記多重量子井戸構造は、量子井戸５層及びバリア５層を交互に積層することにより形成することとした。
【００２７】
先ず、下記の表１は、マスク層１２上に予め結晶１５を結晶成長させずに活性層１６を構成する各量子井戸、バリアを成膜した場合（従来例に相当する。）の膜厚分布を示すデータである。このときの原料ガス［トリメチルＧａ（ＴＭＧａ）及びトリメチルＩｎ（ＴＭＩｎ）］は、図４に示すようなタイミングで供給し、各量子井戸ＱＷは、７５０℃で結晶成長させた。この場合には、量子井戸やバリアの膜厚が次第に減少しており、１番目の量子井戸と５番目の量子井戸とでは、０．５ｎｍもの膜厚差が生じてしまっている。
【００２８】
【表１】
0003912117.tif 000002
一方、下記の表２は、マスク層１２上に予め結晶１５を結晶成長させて活性層１６を構成する各量子井戸、バリアを成膜した場合（従来例に相当する。）の膜厚分布を示すデータである。このときの原料ガス［トリメチルＧａ（ＴＭＧａ）及びトリメチルＩｎ（ＴＭＩｎ）］は、図５に示すようなタイミングで供給し、最初の４００秒間でマスク層１２上に結晶１５を成長させた。なお、各量子井戸ＱＷは、先の例と同様、７５０℃で結晶成長させた。この場合には、量子井戸やバリアの膜厚の減少はほとんど見られず、膜厚の減少が確実に抑制されたことがわかる。
【００２９】
【表２】
0003912117.tif 000003
次に、本発明を適用することが可能な半導体発光素子の例について説明する。これらの半導体発光素子の活性層の結晶成長の際に、本発明の選択成長方法を適用することが可能である。勿論、本発明を適用することが可能な半導体発光素子が、これらの例に限定されるものでないことは言うまでもない。
【００３０】
本発明を適用することが可能な半導体発光素子の代表例としては、基板上に該基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面（例えばＳ面）を有する結晶層を形成し、前記傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を前記結晶層に形成してなる半導体発光素子を挙げることができる。
【００３１】
ここで、用いられる基板は、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する結晶層を形成し得るものであれば特に限定されず、種々のものを使用できる。例示すると、基板として用いることができるのは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３、Ａ面、Ｒ面、Ｃ面を含む。）ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む。）ＧａＮ、Ｓｉ、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＭｇＯ、ＧａＡｓ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＩｎＡｌＧａＮなどからなる基板であり、好ましくはこれらの材料からなる六方晶系基板または立方晶系基板であり、より好ましくは六方晶系基板である。例えば、サファイヤ基板を用いる場合では、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体の材料を成長させる場合に多く利用されているＣ面を主面としたサファイヤ基板を用いることができる。この場合の基板主面としてのＣ面は、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。基板自体は製品としての発光素子には含まれない構造も可能であり、製造の途中で素子部分を保持させるために使用され、完成前に取り外しされる構造であっても良い。
【００３２】
この基板上に形成される結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有している。この結晶層は後述の基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面に第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を形成可能な材料層であれば良く、特に限定されるものではないが、その中でもウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。このような結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物半導体やＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは、必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、Ｓ面や（１１−２２）面に実質的に等価な面とは、Ｓ面や（１１−２２）面に対してそれぞれ５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。
【００３３】
この結晶層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＣＶＤ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＣＶＤ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。一般的なＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００３４】
結晶層を形成する前に、下地成長層を基板上に形成することが好ましい。この下地成長層は例えば窒化ガリウム層や窒化アルミニウム層からなり、下地成長層は低温バッファ層と高温バッファ層との組合せ或いはバッファ層と結晶種として機能する結晶種層との組合せからなる構造であっても良い。この下地成長層も結晶層と同様に、種々の気相成長法で形成することができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などの気相成長法を用いることができる。結晶層の成長を低温バッファ層から始めるとマスク上にポリ結晶が析出しやすくなって、それが問題となる。そこで、結晶種層を含んでからその上に基板と異なる面を成長することで、さらに結晶性のよい結晶が成長できる。また、選択成長を用いて結晶成長を行うには結晶種層がないとバッファ層から形成する必要があるが、もしバッファ層から選択成長を行うと成長の阻害された成長しなくても良い部分に成長が起こりやすくなる。従って、結晶種層を用いることで、成長が必要な領域に選択性良く結晶を成長させることができることになる。バッファ層は基板と窒化物半導体の格子不整合を緩和するという目的もある。したがって、窒化物半導体と格子定数の近い基板、格子定数が一致した基板を用いる場合にはバッファ層が形成されない場合もある。たとえば、ＳｉＣ上にはＡｌＮを低温にしないでバッファ層をつけることもあり、Ｓｉ基板上にはＡｌＮ、ＧａＮをやはり低温にしないでバッファ層として成長することもあり、それでも良質のＧａＮを形成できる。また、バッファ層を特に設けない構造であっても良く、ＧａＮ基板を使用しても良い。
【００３５】
そして、本例の半導体発光素子においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を形成するために、選択成長法を用いることができる。基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面は、その基板主面の選択にも依存するが、ウルツ鉱型の（０００１）面[Ｃ面]を基板主面とした場合では、（１−１００）面[Ｍ面]、（１−１０１）面[Ｓ面]、（１１−２０）面[Ａ面]、（１−１０２）面[Ｒ面]、（１−１２３）面[Ｎ面]、（１１−２２）面およびこれらに等価な結晶面のうちから選ばれた傾斜結晶面を挙げることができ、特にＳ面や（１１−２２）面およびでこれらに等価な結晶面で用いることが好ましい。これらに等価な結晶面とは前述のように、５乃至６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。特にＳ面はＣ＋面の上に選択成長した際に見られる安定面であり、比較的得やすい面であって六方晶系の面指数では（１−１０１）である。Ｃ面にＣ＋面とＣ−面が存在するのと同様に、Ｓ面についてはＳ＋面とＳ−面が存在するが、本明細書においては、特に断らない場合は、Ｃ＋面ＧａＮ上にＳ＋面を成長しており、これをＳ面として説明している。なお、Ｓ面についてはＳ＋面が安定面である。またＣ＋面の面指数は（０００１）である。このＳ面については、前述のように窒化ガリウム系化合物半導体で結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、ＧａからＮへのボンド数が２または３とＣ面の次に多くなる。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることができないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。例えば、Ｃ面を主面に有するサファイア基板に窒化物を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ＋面になるが、選択成長を利用することでＳ面を形成することができ、Ｃ面に平行な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから一本のボンドで結合しているのに対し、傾いたＳ面では少なくとも一本以上のポンドで結合することになる。従って、実効的にＶ／III 比が上昇することになり、積層構造の結晶性の向上に有利である。また、基板と異なる方位に成長すると基板から上に伸びた転位が曲がることもあり、欠陥の低減にも有利となる。
【００３６】
上記半導体発光素子においては、結晶層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面を有する構造を有しているが、特に、結晶層はＳ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐形状の斜面をそれぞれ構成する構造であっても良く、或いは、Ｓ面または該Ｓ面に実質的に等価な面が略六角錐台形状の斜面をそれぞれ構成する共にＣ面または該Ｃ面に実質的に等価な面が前記略六角錐台形状の上平面部を構成する構造、所謂略六角錐台形状であっても良い。これら略六角錐形状や略六角錐台形状は、正確に六角錐であることを必要とせず、その中の幾つかの面が消失したようなものも含む。好適な一例においては傾斜結晶面は六面でほぼ対称となるように配設される。ほぼ対称とは、完全に対称形状になっている場合の他、多少対称形状よりずれている場合も含む。また、結晶層の結晶面間の稜線は必ずしも直線でなくとも良い。また、略六角錐形状や略六角錐台形状は直線状に延在された形状であっても良い。
【００３７】
具体的な選択成長法としては、そのような選択成長は下地成長層の一部を選択的に除去することを利用して行われたり、あるいは、選択的に前記下地成長層上にまたは前記下地成長層形成前に形成されたマスク層の開口された部分を利用して行われる。例えば、前記下地成長層がバッファ層と結晶種層とからなる場合、バッファ層上の結晶種層を点在する１０μｍ径程度の小領域に細分化し、それぞれの部分からの結晶成長によってＳ面等を有する結晶層を形成することが可能である。例えば、細分化された結晶種層は、発光素子として分離するためのマージンを見込んで離間するように配列することができ、個々の小領域としては、帯状、格子状、円形状、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形およびこれらの変形形状などの形状にすることができる。下地成長層の上にマスク層を形成し、そのマスク層を選択的に開口して窓領域を形成することでも、選択成長が可能である。マスク層は例えば酸化シリコン層或いは窒化シリコン層によって構成することができる。前述のような略六角錐台形状や略六角錐形状が直線状に延在された形状である場合、一方向を長手方向とするような角錐台や角錐形状はマスク層の窓領域を帯状にしたり、結晶種層を帯状にすることで可能である。
【００３８】
選択成長を用いマスク層の窓領域を１０μｍ程度の円形（或いは辺が１−１００方向の六角形、または辺が１１−２０方向の六角形など）にすることでその約２倍程度の選択成長領域まで簡単に作製できる。またＳ面が基板と異なる方向であれば転位を曲げる効果、および転位を遮蔽する効果があるために、転位密度の低減にも役立つ。
【００３９】
本発明者らの行った実験において、カソードルミネッセンスを用いて成長した六角錐台形状を観測してみると、Ｓ面の結晶は良質でありＣ＋面に比較して発光効率が高くなっていることが示されている。特にＩｎＧａＮ活性層の成長温度は７００〜８００°Ｃであるため、アンモニアの分解効率が低く、よりＮ種が必要とされる。またＡＦＭで表面を見たところステップが揃ってＩｎＧａＮ取り込みに適した面が観測された。さらにその上、Ｍｇドープ層の成長表面は一般にＡＦＭレベルでの表面状態が悪いが、Ｓ面の成長によりこのＭｇドープ層も良い表面状態で成長し、しかもドーピング条件がかなり異なることがわかっている。また、顕微フォトルミネッセンスマッピングを行うと、０. ５〜１μｍ程度の分解能で測定することができるが、Ｃ＋面の上に成長した通常の方法では、１μｍピッチ程度のむらが存在し、選択成長でＳ面を得た試料については均一な結果が得られた。また、ＳＥＭで見た斜面の平坦性もＣ＋面より滑らかに成っている。
【００４０】
また、選択成長マスクを用いて選択成長する場合であって、選択マスク開口部の上だけに成長する際には横方向成長が存在しないため、マイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長させ窓領域より拡大した形状にすることが可能である。このようなマイクロチャネルエピタキシーを用いて横方向成長をした方が貫通転位を避けやすくなり、転位が減ることがわかっている。またこのような横方向成長により発光領域も増大し、さらに電流の均一化、電流集中の回避、および電流密度の低減を図ることができる。
【００４１】
本例の半導体発光素子においては、基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在する第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を結晶層に形成する。第１導電型はｐ型又はｎ型のクラッド層であり、第２導電型はその反対の導電型である。例えばＳ面を構成する結晶層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成した場合では、ｎ型クラッド層をシリコンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型クラッド層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合物半導体層を形成してダブルヘテロ構造をとることができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で挟む構造とすることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであっても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造となり、素子の発光特性を良くすることができる。さらにこのＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であるＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすることで、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光照射などで活性化する方法もある。
【００４２】
これら第１導電型層、活性層、及び第２導電型層は基板の主面に対して傾斜した傾斜結晶面に平行な面内に延在されるが、このような面内への延在は傾斜結晶面が形成されているところで続けて結晶成長させれば容易に行うことができる。結晶層が略六角錐形状や略六角錐台形状となり、各傾斜結晶面がＳ面等とされる場合では、第１導電型層、活性層、及び第２導電型層からなる発光領域を全部又は一部のＳ面上に形成することができる。略六角錐台形状の場合には、基板主面に平行な上面上にも第１導電型層、活性層、及び第２導電型層を形成できる。傾斜したＳ面を利用して発光させることで、平行平板では多重反射により光が減衰していくが、傾いた面があると光は多重反射の影響を免れて半導体の外にでることができるという利点がある。第１導電型層すなわちクラッド層はＳ面を構成する結晶層と同じ材料で同じ導電型とすることができ、Ｓ面を構成する結晶層を形成した後、連続的に濃度を調整しながら形成することもでき、また他の例として、Ｓ面の構成する結晶層の一部が第１導電型層として機能する構造であっても良い。また、基板に対して面が垂直でない方が光取出しが改善されることになる。
【００４３】
本例の半導体発光素子では、傾斜した傾斜結晶面の結晶性の良さを利用して、発光効率を高めることができる。特に、結晶性が良いＳ面にのみ電流を注入すると、Ｓ面はＩｎの取り込みもよく結晶性も良いので発光効率を高くすることができる。また、活性層の実質的なＳ面に平行な面内に延在する面積は該活性層を基板又は前記下地成長層の主面に投影した場合の面積より大きいものとすることができる。このように活性層の面積を大きなものとすることで、素子の発光する面積が大きくなり、それだけで電流密度を低減することが出来る。また、活性層の面積を大きくとることで、輝度飽和の低減に役立ち、これにより発光効率を上げることが出来る。
【００４４】
六角錐形状の結晶層を考えた場合、Ｓ面の特に頂点近く部分がステップの状態が悪くなり、頂点部は発光効率が低くなっている。これは六角錐形状の素子では、それぞれの面のほぼ中心部分を中心に頂点側、側辺左側、側辺右側、底面側に4 箇所に区分され、特に頂点側部分は最もステップの状態が波打っていて、頂上付近になると異常成長が起こりやすくなっているためである。これに対して、側辺側の二箇所はどちらもステップがほぼ直線状でしかもステップが密集しており極めて良好な成長状態になっており、また、底面に近い部分はやや波打つステップであるが、頂点側ほどの異常成長は起こっていない。そこで本発明の半導体発光素子では、活性層への電流注入は頂点近傍側で周囲側よりも低密度となるように制御することが可能である。このような頂点近傍側で低密度の電流を流すためには、電極を斜面の側部には形成するが、頂点部分では電極を形成しないような構造としたり、或いは頂点部分に電極形成前に電流ブロック領域を形成する構造とすることができる。
【００４５】
結晶層と第２導電型層には、それぞれ電極が形成される。接触抵抗を下げるために、コンタクト層を形成し、その後で電極をコンタクト層上に形成しても良い。これらの電極を蒸着法により形成する場合、ｐ電極、ｎ電極が結晶層とマスクの下に形成された結晶種層との双方に付着してしまうと短絡してしまうことがあり、それぞれ精度よく蒸着することが必要となる。
【００４６】
上記半導体発光素子は、複数個を並べて画像表示装置や照明装置を構成することが可能である。例えば、各素子を３原色分揃え、走査可能に配列することで、Ｓ面を利用して電極面積を抑えることができるため、少ない面積でディスプレイとして利用できる。
【００４７】
次に、上記半導体発光素子の代表的な形状例について説明する。先ず、第１番目の例は、ストライプ状の結晶成長層２４を成長基板２０上に形成する例であり、図６に示すように、成長基板２０上形成された下地成長層２１上のマスク層２２の窓領域からストライプ状の結晶成長層２４が形成されている。ストライプ状の結晶成長層２４はその側面２６がＳ面とされ、傾斜した側面２６にも活性層２５が延在されていることから、活性層２５の面積は結晶成長層２４の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【００４８】
２番目の例は、長方台形状の結晶成長層３４を成長基板３０上に形成する例であり、図７に示すように、成長基板３０上形成された下地成長層３１上のマスク層３２の窓領域からストライプ状で且つ長方台形状の結晶成長層３４が形成されている。長方台形状の結晶成長層３４はその側面３３ＳがＳ面とされ、長手方向の端部の面は（１１−２２）面とされる。結晶成長層３４の上面３３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略しているが、傾斜した側面３３Ｓ、面３４、上面３３Ｃにも延在され、活性層の面積は結晶成長層３４の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【００４９】
３番目の例は、図８に示すように、四角台形状の結晶成長層４４を成長基板４０上に形成する例であり、成長基板４０上形成された下地成長層４１上のマスク層４２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで四角錐台形状の結晶成長層４３が形成されている。四角錐台形状の結晶成長層４３はその傾斜した一側面４３ＳがＳ面とされ、他の傾斜した一側面４４は（１１−２２）面とされる。結晶成長層４３の上面４３Ｃは基板主面と同じＣ面とされる。活性層は図示を省略しているが、傾斜した側面４３Ｓ、面４４、上面４３Ｃにも延在され、活性層の面積は結晶成長層４３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【００５０】
４番目の例は、図９に示すように、六角錐形状の結晶成長層５３を成長基板５０上に形成する例であり、成長基板５０上形成された下地成長層５１上のマスク層５２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで六角錐形状の結晶成長層５３が形成されている。六角錐形状の結晶成長層５３はその傾斜した各側面がＳ面とされ、活性層は図示を省略しているが、傾斜した各Ｓ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層５３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【００５１】
５番目の例は、図１０に示すように、六角錐台形状の結晶成長層６３を成長基板６０上に形成する例であり、成長基板６０上形成された下地成長層６１上のマスク層６２の窓領域からマトリクス状に配列されたパターンで六角錐台形状の結晶成長層６３が形成されている。六角錐形状の結晶成長層６３はその傾斜した各側面６３ＳがＳ面とされ、上面６３Ｃが基板主面と同じＣ面とされている。また、六角錐形状の結晶成長層６３の底面側にはＭ面（１−１００）面も低い高さで形成される。活性層は図示を省略しているが、傾斜した各Ｓ面およびＣ面に沿って延在され、活性層の面積は結晶成長層６３の写像面積よりも大きなサイズとなる。従って、有効に輝度飽和を緩和することができ、素子の信頼性を改善できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、活性層の成長速度をほぼ一定に保つことができ、活性層の膜厚変動を解消し特性の劣化を解消することが可能である。また、本発明によれば、例えば多重量子井戸を構成する各量子井戸の厚さがほぼ等しく、優れた発光特性（例えば発光波長ピークの半値幅の減少等）を有する半導体発光素子を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体発光素子の一例を示す図面であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は概略平面図である。
【図２】半導体発光素子の製造プロセスの一例を示す図面であり、（ａ）は下地成長層形成工程を示す概略断面図、（ｂ）はマスク層形成工程を示す概略断面図、（ｃ）は結晶成長層の選択成長工程を示す概略断面図、（ｄ）はマスク層上への結晶成長工程を示す概略断面図、（ｅ）は活性層及びｐ型ＧａＮ層の選択成長工程を示す概略断面図である。
【図３】活性層を選択成長する際の原料ガスの供給の様子を模式的に示すものであり、（ａ）はマスク上に結晶が成長されていない場合の原料ガス供給の様子を示す模式図、（ｂ）はマスク上に結晶が成長されている場合の原料ガス供給の様子を示す模式図である。
【図４】比較例における原料ガス供給のタイミングチャートである。
【図５】実施例における原料ガス供給のタイミングチャートである。
【図６】半導体発光素子の一形状例を示す概略斜視図である。
【図７】半導体発光素子の他の形状例を示す概略斜視図である。
【図８】半導体発光素子のさらに他の形状例を示す概略斜視図である。
【図９】半導体発光素子のさらに他の形状例を示す概略斜視図である。
【図１０】半導体発光素子のさらに他の形状例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１，１１  下地成長層、２  ＧａＮ層、３，１６  活性層、１２  マスク層、１３  窓領域、１５  結晶
【図１】
0003912117.tif 000004
【図２】
0003912117.tif 000005
【図３】
0003912117.tif 000006
【図４】
0003912117.tif 000007
【図５】
0003912117.tif 000008
【図６】
0003912117.tif 000009
【図７】
0003912117.tif 000010
【図８】
0003912117.tif 000011
【図９】
0003912117.tif 000012
【図１０】
0003912117.tif 000013