JP4232837B2 - 窒化物半導体発光素子を作製する方法 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子を作製する方法に関する。
特許文献１には、良好な結晶品質の窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体デバイスが記載されている。半導体発光デバイスの窒化ガリウム支持基体の主面上に、窒化ガリウム系半導体層が設けられている。窒化ガリウム支持基体の主面の法線と窒化ガリウム支持基体のＣ軸とは角度（オフ角と称する）をなす。窒化ガリウム支持基体のオフ角がゼロ度に近づくにつれて、窒化ガリウム系半導体層の表面に六角錘状の突起が目立つようになる。また、この角度は、２度未満であることが好ましい。
特開２００５−１５９０４７号公報
発明者らの知見によれば、III族元素としてインジウムを含有する窒化ガリウム系半導体井戸層、例えばＩｎＧａＮ井戸層を含む活性層を窒化ガリウム基板上に作製するとき、これらの窒化ガリウム系半導体発光素子、例えば発光ダイオードの発光ピーク波長は分布する。同様の量子井戸構造の活性層を有する発光ダイオードをサファイア基板上に作製したとき、これらの発光ダイオードの発光ピーク波長は、あまり大きな分布幅を示さない。つまり、この比較によれば、窒化ガリウム基板を用いることによって、窒化ガリウム系半導体発光素子の発光ピーク波長の分布は広がっていた。
発明者らは、この分布の原因を調べるために様々な実験を行うと共に、この分布を小さくするための検討も行った。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、窒化ガリウム基板上に設けられた井戸層を含む活性層の発光波長の分布を縮小可能な構造の窒化物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する。
本発明の一側面に係る窒化ガリウム系エピタキシャルウエハは、（ａ）主面を有する窒化ガリウム基板と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板の前記主面上に成長された一または複数の窒化ガリウム系半導体膜と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体膜上に成長されており量子井戸構造を有する活性層とを備える。前記活性層は、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含んでおり、前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のＣ軸との成すオフ角は前記主面において分布すると共に、前記主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かい前記窒化ガリウム基板の前記主面の中心点を通る線分上において単調に変化している。前記主面上における第１の点におけるオフ角は、前記主面上における第２の点におけるオフ角より小さいと共に、前記第１の点上における井戸層の膜厚は、前記第２の点上における井戸層の膜厚より薄い。前記第１の点と前記第２の点は、互いに別の窒化物半導体発光素子に位置する。
また、本発明に係る別の側面は、窒化物半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）有機金属気相成長炉のサセプタ上に配置された複数の窒化ガリウム基板の主面上に窒化ガリウム系半導体膜を一括して成長する工程と、（ｂ）原料ガスを供給して、量子井戸構造を有する活性層を前記窒化ガリウム系半導体膜上に有機金属気相成長炉を用いて形成する工程とを備える。前記活性層は、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含んでおり、各窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のＣ軸との成すオフ角は前記主面に亘って分布すると共に、前記主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かい前記窒化ガリウム基板の前記主面の中心点を通る線分上において単調に変化しており、前記エッジ上の前記一点におけるオフ角は該エッジ上の前記他点におけるオフ角より大きく、前記井戸層の成長は、前記サセプタを回転させながら行われ、前記原料ガスの供給及び前記サセプタの回転により、当該原料ガス流の上流から下流に向かう流れ方向に応じた、前記活性層の前記井戸層の成長速度分布が生じており、前記エッジ上の前記一点が前記成長速度分布の大きい側に、且つ前記他点が前記成長速度分布の小さい側に位置し、前記主面上における第１の点におけるオフ角は、前記主面上における第２の点におけるオフ角より小さいと共に、前記第１の点上における井戸層の膜厚は、前記第２の点上における井戸層の膜厚より薄く、前記第１の点と前記第２の点は、互いに別の窒化物半導体発光素子に位置する。
発明者らの検討によれば、基板主面におけるオフ角の分布によりインジウム組成が影響を受ける。オフ角の影響は、窒化ガリウム系半導体を成長する際には不可避である。ところが、主面におけるオフ角の分布を制御した窒化ガリウム基板を準備することにより、オフ角の影響は原料ガスの流れの影響により部分的にうち消されることが、発明者らの実験から見出された。
窒化ガリウム系エピタキシャルウエハのための結晶成長を成長炉を用いて行うとき、原料ガスの流れの影響により、発光波長の分布が生じる可能性がある。しかしながら、発明者らの実験および検討の結果、このような要因は主要なものではないことが明らかになった。実験および検討の積み重ねの中でサファイア基板と窒化ガリウム基板との違いに着目したとき、次の事項が見出された。サファイア基板では主面の法線と該Ｃ軸の成すオフ角は、基板中心部のオフ角０．１５度に対してウェハ面内で−０．１度〜＋０．１度の範囲で分布する。しかしながら、窒化ガリウム基板では、その製造方法に起因して、窒化ガリウム基板の主面の法線と該Ｃ軸との成すオフ角は主面全体にわたって分布する。
制御されたオフ角分布と成長速度の分布を利用することにより、主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上においてオフ角が単調に変化する窒化ガリウム基板を用いて、基板主面上における第１の点におけるオフ角が第２の点におけるオフ角より小さくなると共に、第１の点上における井戸層の膜厚が第２の点上における井戸層の膜厚より薄くなるような構造を実現できる。
この窒化ガリウム系エピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム基板上の設けられた井戸層を含む活性層の発光波長の分布を縮小可能な構造の半導体素子を提供できる。
本発明に係る窒化ガリウム系エピタキシャルウエハでは、前記線分の向きは、＜１−１００＞および＜１１−２０＞のいずれか一の結晶方位に対応する。これらの結晶方位は、オフ角分布と井戸幅分布とを組み合わせに好適である。
本発明に係る窒化ガリウム系エピタキシャルウエハの好適な一形態では、前記窒化ガリウム基板は、オリエンテーションフラットと、実質的に円弧からなる縁を有しており、前記オリエンテーションフラットの方位は、＜１−１００＞および＜１１−２０＞のいずれか一の結晶方位に対応する。或いは、本発明に係る窒化ガリウム系エピタキシャルウエハの好適な別の形態では、前記窒化ガリウム基板は、実質的に円形の縁とを有しており、前記窒化ガリウム基板は、＜１−１００＞および＜１１−２０＞のいずれか一の結晶方位に対応するマーカを含む。
本発明に係る窒化ガリウム系エピタキシャルウエハでは、前記窒化ガリウム基板の前記主面の中心を通る軸に沿ったオフ角分布の最大値と最小値との差は、０．７度以下であることが好ましい。これらの範囲は、オフ角分布と井戸幅分布とを組み合わせに好適である。
また、本発明に係る作製方法の好適な一形態では、前記活性層を形成するための原料ガスは、前記有機金属気相成長炉のサセプタの主面の一端から他端を横切る方向に供給され、この原料ガスの供給により、前記流れ方向に応じた前記活性層の前記井戸層の成長速度分布が生じている。
この原料ガス流には、オフ角が主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上において単調に変化する窒化ガリウム基板を用いることができる。
本発明に係る作製方法は、前記窒化ガリウム基板を前記サセプタ上に配置する工程を更に備えることができる。各窒化ガリウム基板の前記線分は、所定の軸の方向に向きづけられている。
上記の向きづけで複数の窒化ガリウム基板を有機金属気相成長炉のサセプタ上に配置することによって、上記の原料ガスの流れに起因する影響を利用してオフ角分布の影響を縮小できる。
本発明に係る作製方法の好適な別の形態では、前記活性層を形成するための原料ガスは、前記サセプタの主面に交差する軸の方向に供給され、この原料ガスの供給により、当該原料ガス流の上流から下流に向かう流れ方向に応じた、前記活性層の前記井戸層の成長速度分布が生じている。
この原料ガス流には、オフ角が主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上において単調に変化する窒化ガリウム基板を用いることができる。
本発明に係る作製方法は、前記窒化ガリウム基板を有機金属気相成長炉のサセプタ上に配置する工程を更に備えることができる。前記サセプタは、該サセプタの前記主面上に規定される円周上に設けられ窒化ガリウム基板のための複数のガイドを有しており、前記サセプタの前記主面において各窒化ガリウムの前記線分は、前記円周の接線と交差する方向に向きづけられている。交差角は、例えば直角である。
上記の向きづけで複数の窒化ガリウム基板を有機金属気相成長炉のサセプタ上に配置することによって、上記の原料ガスの流れに起因する影響を利用してオフ角分布の影響を縮小できる。
本発明に係る作製方法は、前記井戸層の成長は、前記サセプタを回転させながら行われる。サセプタの回転により、結晶成長の均一性を向上できる。また、サセプタの公転により、非対称或いは不均一な原料ガス流の影響を平均化できる。
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。
以上説明したように、本発明によれば、窒化ガリウム基板上に設けられた井戸層を含む活性層の発光波長の分布を縮小可能な構造の窒化ガリウム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、このような半導体素子を提供するための窒化ガリウム系エピタキシャルウエハが提供される。
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、本発明の窒化ガリウム系エピタキシャルウエハ、および窒化ガリウム系半導体発光素子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。
（第１の実施の形態）
図１は、サファイア基板を用いたＩｎＧａＮ活性層の成長を説明する図面である。図１（ａ）を参照すると、有機金属気相成長炉１１のサセプタ１３上に配置されたサファイア基板１５の配置が示されている。サファイア基板１５は、オリエンテーションフラット（以下、「ＯＦ」と記す）をサセプタ１３のエッジに向けて配置されている。図１（ｂ）を参照すると、サファイア基板１５の「ＯＦ」から中心点Ｃを通る軸上における５点の測定点でのインジウム組成およびＩｎＧａＮ層の成長速度が示されている。図１（ｂ）において、「ＡＯＦ」は、上記軸と基板エッジとの交点を示す。図１（ｂ）に示されるように、インジウム組成は、基板の中心点ＣからエッジＥに向けて僅かな増加が見られるが、基板主面上においてほぼ一定である。インジウム組成におけるこの振る舞いは、サファイア基板主面においてオフ角分布がないことに起因している。一方、ＩｎＧａＮの成長速度は、ＡＯＦからＯＦに向けて単調に増加している。成長速度におけるこの振る舞いは、成長炉における原料（フォローチャネルの上流から下流に流れる原料）の流れに関連しており、成長速度が速いとインジウムの取り込み量が増加する。このため、インジウム組成が増加する。
成長速度の増加は井戸層の厚みの増加に結びつく。井戸層の膜厚の増加およびインジウム組成の増加は、共にＰＬ波長を長波長にシフトさせる。
発明者らは、以下に説明するように、窒化ガリウム系半導体を用いて有機金属気相成長法により、例えば発光ダイオードといった発光素子を作製した。有機金属気相成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）用いた。有機金属気相成長炉１１のサセプタ１３上に以下のように基板を配置した。
エピタキシャル基板 基板の種類 基板の向き
Ｅ１：サファイア基板（０００１）ｎ−ＧａＮテンプレート ：通常
Ｅ２：ＧａＮ（０００１）基板、オフ角分布０．１−０．６度：通常
Ｅ３：ＧａＮ（０００１）基板、オフ角分布０．１−０．６度：通常から９０度回転
サファイア基板では、サファイア基板中心のオフ角に対して、基板面内のオフ角が−０．１度〜＋０．１度程度で非常によく制御されている。このため、オフ角（基板主面の法線とＣ軸との成す角）が主面内に亘って分布していない。ＧａＮ（０００１）基板では、基板表面を（０００１）面に合わせて基板主面を作製するけれども、オフ角が主面内に亘って分布する。このオフ角分布は、ＧａＮ結晶を作製法に由来する。
これらの基板のサーマルクリーニングを行う。このクリーニングは、例えば炉内の圧力を１０１ｋＰａに制御しながら、摂氏１０５０度において炉内にＮＨ３およびＨ２を供給して行う。クリーニング時間は、例えば１０分間である。
次いで、ＡｌＧａＮ膜の堆積を行う。ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を炉内に供給して、ｎ−ＡｌＧａＮ膜を基板上に成長する。膜厚は、例えば５０ｎｍであり、成膜温度は、例えば摂氏１０５０度である。このＡｌＧａＮ膜は、ＧａＮ基板の表面に存在する微視的なラフネスを平坦にすることができる。
この後に、炉内温度を摂氏１１００度に変更する。そして、ＧａＮ膜の堆積を行う。この膜の成長のために、ＴＭＧａ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を炉内に供給して、ｎ−ＧａＮ膜を基板上に成長する。膜厚は、例えば２０００ｎｍであり、平均の成膜速度は、例えば毎時４マイクロメートルである。このＧａＮ膜は、例えばクラッド層またはバッファ層として機能する。
続いて、量子井戸構造を形成する。量子井戸構造のためにＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ３を炉内に供給して、ＩｎＧａＮ膜を基板上に成長する。ＩｎＧａＮ障壁層およびＩｎＧａＮ井戸層を交互に成長する。ＩｎＧａＮ障壁層は、例えば１５ｎｍであり、その組成は例えばＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎである。ＩｎＧａＮ井戸層は、例えば３ｎｍであり、その組成は例えばＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎである。量子井戸構造は例えば６周期からなる。
次いで、ＡｌＧａＮ膜の堆積を行う。ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを炉内に供給して、ｐ−ＡｌＧａＮ膜を基板上に成長する。膜厚は、例えば２０ｎｍであり、成膜温度は、例えば摂氏１０００度である。このＭｇドープＡｌＧａＮ膜は、クラッド層または電子ブロック層として機能することができる。また、ＧａＮ膜の堆積を行う。ＴＭＧａ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを炉内に供給して、ｐ−ＧａＮ膜を基板上に成長する。膜厚は、例えば５０ｎｍであり、成膜温度は、例えば摂氏１０００度である。このＭｇドープＧａＮ膜は、コンタクト層として機能することができる。
上記のように形成されたエピタキシャル基板Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長の分布を測定した。この測定には、ＰＬマッパー装置を用いた。
図２は、中心を通り点ＯＦと点ＡＯＦとを結ぶ線分上における、エピタキシャル基板Ｅ１のＰＬ波長の分布を示す図面である。サファイア基板の主面におけるオフ角は、ほぼ一定であり、例えば０．１５度である。図３は、ＰＬマッパー装置を用いて測定されたＰＬ分布と、ＰＬ分布のヒストグラムを示す図面である。ヒストグラムは、測定点の波長とサンプル数の関係を示す。ＰＬ波長の平均値は４４８．８７ｎｍであり、標準偏差は２．８４ｎｍである。サファイア基板主面においてオフ角分布は無いけれども、ＰＬ波長の分布は、比較的大きな井戸層の膜厚の分布と比較的小さなインジウム組成の分布との重なりにより生じる。
図４は、中心Ｃを通りエッジ上の点ＡＰ点と点ＢＰ点とを結ぶ線分上における、エピタキシャル基板Ｅ２のＰＬ波長の分布を示す図面である。ＧａＮ基板の主面におけるオフ角は、上記線分に沿って単調に変化しており、例えば最小値０．２度、最大値０．４度である。図５は、ＰＬマッパー装置を用いて測定されたＰＬ分布と、ＰＬ分布のヒストグラムを示す図面である。ヒストグラムは、測定点の波長とサンプル数の関係を示す。ＰＬ波長の平均値は４６９．１７ｎｍであり、標準偏差は４．５５ｎｍである。ＧａＮ基板主面においてオフ角分布が不可避的に存在しており、このオフ角分布により、量子井戸構造におけるＩｎＧａＮ層のインジウム組成は影響を受け、オフ角が大きいとインジウム組成は小さい。また、この影響に加えて、フローチャネルの上流から下流に向かう原料の流れにより、量子井戸構造におけるＩｎＧａＮ層の膜厚は影響を受ける。
図６は、中心Ｃを通りエッジ上の点ＡＰ点と点ＢＰ点とを結ぶ線分上における、エピタキシャル基板Ｅ３のＰＬ波長の分布を示す図面である。ＧａＮ基板の主面におけるオフ角は、上記線分に沿って単調に変化しており、例えば最小値０．２度、最大値０．４度である。図７は、ＰＬマッパー装置を用いて測定されたＰＬ分布と、ＰＬ分布のヒストグラムを示す図面である。ヒストグラムは、測定点の波長とサンプル数の関係を示す。ＰＬ波長の平均値は４６６．９１ｎｍであり、標準偏差は２．７６ｎｍである。ＧａＮ基板主面に不可避的に存在するオフ角分布により、量子井戸構造におけるＩｎＧａＮ層のインジウム組成は影響を受ける。また、この影響に加えて、フローチャネルの上流から下流に向かう原料の流れにより量子井戸構造におけるＩｎＧａＮ層の膜厚は影響を受け、オフ角が大きい領域では膜厚が大きい。
エピタキシャル基板Ｅ２、Ｅ３のＧａＮ基板は共に、同じオフ角分布を有しているけれども、エピタキシャル基板Ｅ３のＰＬ波長の標準偏差（２．７６ｎｍ）は、エピタキシャル基板Ｅ２のＰＬ波長の標準偏差（４．５５ｎｍ）に比べて非常に小さい。これは、ＧａＮ基板主面におけるオフ角分布および原料の流れによる成長速度分布を利用して、ＰＬ波長の分布を小さくしているからである。
図８は、本発明の実施の形態のための窒化ガリウム系エピタキシャルウエハを示す図面である。この窒化ガリウム系エピタキシャルウエハＥ４は、窒化ガリウム基板４１と、一または複数の窒化ガリウム系半導体膜４３と、活性層４５とを備える。窒化ガリウム系半導体膜４３は、窒化ガリウム基板主面４１ａ上に成長されている。活性層４５は、窒化ガリウム系半導体膜上に成長されており、また量子井戸構造４７を有する。量子井戸構造４７は、交互に配置された井戸層４７ａおよび障壁層４７ｂを含む。井戸層４７ａは、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる。井戸層４７ａの膜厚は主面４１ａの全体に亘って分布している。ＧａＮ基板の窒化ガリウムのＣ軸とＧａＮ基板主面の法線との成すオフ角は、基板主面４１ａにおいて分布すると共に、図６に示されるように、基板主面４１ａのエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上において単調に変化している。基板主面４１ａ上における第１の点Ｐ１におけるオフ角（ＴＨＥＴＡ１）は、基板主面４１ａ上における第２の点Ｐ２におけるオフ角（ＴＨＥＴＡ２）より小さく（ＴＨＥＴＡ２＞ＴＨＥＴＡ１）、また第１の点Ｐ１上における井戸層４１ａの膜厚Ｄ１は第２の点Ｐ２上における井戸層４７ａの膜厚Ｄ２より薄い（Ｄ１＜Ｄ２）。窒化ガリウム系半導体膜４３は、例えばｎ型クラッド層またはバッファ層であることができる。必要な場合には、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハＥ４は、活性層４５上に設けられた一または複数の窒化ガリウム系半導体膜を含むことができ、窒化ガリウム系半導体膜は、例えばｐ型クラッド層４９およびｐ型コンタクト層５１を含むことができる。
既に説明したように、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハのための結晶成長を成長炉を用いて行うとき、原料ガスの流れの影響により発光波長の分布が生じる。サファイア基板と窒化ガリウム基板との違いに着目したとき、サファイア基板の主面には均一な結晶面が現れるけれども、窒化ガリウム基板ではオフ角が主面全体にわたって分布する。
発明者らの検討によれば、このオフ角の分布によりＧａＮ系半導体のインジウム組成が影響を受ける。オフ角の影響は、窒化ガリウム系半導体を作製する際には不可避である。ところが、主面におけるオフ角の分布を制御した窒化ガリウム基板を準備することにより、オフ角の影響は原料ガスの流れの影響により部分的にうち消されることが、発明者らの実験から見出された。
すなわち、主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上においてオフ角が単調に変化する窒化ガリウム基板を用いて、主面上における第１の点におけるオフ角が第２の点におけるオフ角より小さくなると共に、第１の点上における井戸層の膜厚が第２の点上における井戸層の膜厚より薄くなるような構造を実現できる。
この窒化ガリウム系エピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム基板上の設けられた井戸層を含む活性層の発光波長の分布を縮小可能な構造の半導体素子を提供できる。
窒化ガリウム系エピタキシャルウエハでは、線分の向きは、＜１−１００＞および＜１１−２０＞のいずれか一の結晶方位に対応する。これらの結晶方位は、オフ角分布と井戸幅分布とを組み合わせる際に好適である。
窒化ガリウム系エピタキシャルウエハの好適な一形態では、窒化ガリウム基板は、オリエンテーションフラットと、実質的に円弧からなる縁とを有しており、オリエンテーションフラットの方位は、＜１−１００＞および＜１１−２０＞のいずれか一の結晶方位に対応する。或いは、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハの好適な別の形態では、窒化ガリウム基板は、実質的に円形の縁を有しており、窒化ガリウム基板は、＜１−１００＞および＜１１−２０＞のいずれか一の結晶方位に対応するマーカを含む。
窒化ガリウム系エピタキシャルウエハでは、窒化ガリウム基板の主面の中心を通る軸に沿ったオフ角分布の最大値と最小値との差は、０．７度以下であることが好ましい。これらの範囲は、オフ角分布と井戸幅分布とを組み合わせに好適である。
（第２の実施の形態）
図９は、本発明の実施の形態に係る、窒化物半導体発光素子を作製する方法の主要な工程を含むフローチャートを示す。フローチャート１００を参照すると、工程Ｓ１０１では、既に説明されたようなオフ角分布を有するＧａＮ基板を準備する。オフ角は、主面において分布すると共に、主面のエッジ上のある一点から中心点を通り該エッジ上の他点に向かう線分上において単調に変化している。オフ角の極小点および極大点が基板主面内に存在しない。ある値のオフ角の等しい点を結ぶ等オフ角線は、ＧａＮ基板のエッジの一点から他点まで伸びており、また曲線および／または線分である。一実施例では、等オフ角線の曲率半径は、ＧａＮ基板の外形の曲率半径のよりも大きいことが好ましい。これ故に、主面におけるオフ角分布は非常に緩やかに変化する。
図１０は、好適な一形態の有機金属気相成長炉を概略的に示す図面である。工程Ｓ１０３では、有機金属気相成長炉のサセプタ上に所定の配置でＧａＮ基板２７ａ、２７ｂ、２７ｃを置く。図１０（ａ）に示されるように、基板主面のエッジ上のある一点から該エッジ上の他点に向かう上記線分が、同じ方向に向けづけられている。
有機金属気相成長炉２１では、フローチャネル２３に原料ガスが流れる。サセプタ２５の主面２５ａ上には、複数のＧａＮ基板２７ａ〜２７ｃが配置されている。これらのＧａＮ基板２７ａ〜２７ｃは、主面２５ａのガイドに置かれている。原料ガス（例えば、活性層を形成するための原料ガス）は、有機金属気相成長炉２１のサセプタ２５の主面２５ａの一端から他端を横切る方向（矢印Ａの方向）に供給される。この原料ガスの供給により、図１０（ｂ）に示されるように、成長される半導体層の原料の流れ方向に応じた成長速度分布が生じる。オリエンテーションフラットは、成長速度分布に関連づけて向きづけられている。
半導体層の成長は、サセプタ２５を回転させながら行われる。サセプタ２５の回転により、結晶成長の均一性を向上できる。また、サセプタ２５の回転により、非対称或いは不均一な原料ガス流の影響を平均化できる。この回転により、図１０（ｂ）に示されるような成長速度分布は、図１０（ｃ）に示されるような実効的な成長速度分布になる。
この原料ガス流には、基板主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上においてオフ角が単調に変化する窒化ガリウム基板２７ａ〜２７ｃを用いることができる。各窒化ガリウム基板２７ａ〜２７ｃの線分は、所定の軸の方向に向きづけられている。この向きづけで複数の窒化ガリウム基板２７ａ〜２７ｃを有機金属気相成長炉２１のサセプタ２５上に配置することによって、上記の原料ガスの流れによる影響を利用してオフ角分布の影響を縮小できる。
工程Ｓ１０５では、ＧａＮ基板上には、ＧａＮ系半導体膜を成長する。このＧａＮ系半導体膜は、量子井戸構造の形成に先立って行われるものであり、ＧａＮ系半導体膜として、例えばバッファ層またはクラッド層のためのｎ型半導体が堆積される。この半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を使用できる。
工程Ｓ１０７では、量子井戸構造を形成する。量子井戸構造の形成のために、工程Ｓ１０７ａでは井戸層を成長すると共に、工程Ｓ１０７ｂでは障壁層を成長する。必要な場合には、工程Ｓ１０７ｃでは井戸層および障壁層の成長を繰り返す。井戸層は、III族としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体を成長することができ、この窒化ガリウム系半導体は、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等である。また、障壁層は、III族としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体で成長されることができ、この窒化ガリウム系半導体は、例えばＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等である。原料ガスの流れに起因する影響により、井戸層の膜厚は主面において分布しており、インジウム組成はオフ角分布の影響により分布している。
既に説明したように、このオフ角の分布により結晶成長速度が影響を受ける。オフ角の影響は、窒化ガリウム系半導体を作製する際には不可避である。ところが、主面におけるオフ角の分布を制御した窒化ガリウム基板を準備することにより、オフ角の影響は原料ガスの流れの影響により部分的にうち消される。
窒化ガリウム系エピタキシャルウエハのための結晶成長を成長炉２１を用いて行うとき、原料ガスの流れの影響により、発光波長の分布が生じる。この発光波長分布を、基板主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上においてオフ角が単調に変化する窒化ガリウム基板を用いて、基板主面全体にわたるオフ角分布を原料ガスの流れの影響と組み合わせることによって低減できる。この結果、基板主面上における第１の点におけるオフ角が第２の点におけるオフ角より小さくなると共に、第１の点上における井戸層の膜厚が第２の点上における井戸層の膜厚より薄くなるような構造を実現できる。したがって、この窒化ガリウム系エピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム基板上の設けられた井戸層を含む活性層の発光波長の分布を縮小可能な構造の半導体素子を提供できる。
工程Ｓ１０９では、量子井戸構造上には、ＧａＮ系半導体膜を成長する。ＧａＮ系半導体膜として、例えばクラッド層およびコンタクト層のためのｐ型半導体が堆積される。この半導体としては、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等を使用できる。
工程Ｓ１１１では、例えばアノードといった第１の電極をコンタクト層上に形成すると共に、例えばカソードといった第２の電極をＧａＮ基板の裏面上に形成する。
図１１は、好適な別の形態の有機金属気相成長炉を概略的に示す図面である。工程Ｓ１０３では、有機金属気相成長炉のサセプタ上に所定の配置でＧａＮ基板３７ａ、３７ｂ、３７ｃを置く。図１１（ａ）に示されるように、基板主面のエッジ上のある一点から該エッジ上の他点に向かう線分が、原料ガスの流れの方向に向けづけられている。ＧａＮ基板３７ａ、３７ｂ、３７ｃの各々の向き付けは、図１１（ａ）に示される例では、オリエンテーションフラットの向きにより示されている。
有機金属気相成長炉３１では、フローチャネル３３に原料ガスが流れる。サセプタ３５の主面３５ａ上には、複数のＧａＮ基板３７ａ〜３７ｃが配置されている。これらのＧａＮ基板３７ａ〜３７ｃは、主面３５ａのガイドに置かれている。原料ガス（例えば、活性層を形成するための原料ガス）は、サセプタ３５の主面３５ａに交差する軸Ｂ（矢印Ｃの方向）に沿って供給される。この原料ガスの供給により、当該原料ガス流の上流から下流に向かう流れ方向に応じて井戸層の成長速度分布が生じている。この原料ガスの供給により、図１１（ｂ）に示されるように、成長される半導体層の原料の流れ方向に応じた成長速度分布が生じる。オリエンテーションフラットは、成長速度分布に関連づけて向きづけられている。
半導体層の成長は、サセプタ３５を回転させながら行われる。サセプタ３５の回転により、結晶成長の均一性を向上できる。また、サセプタ３５の回転により、非対称或いは不均一な原料ガス流の影響を平均化できる。この回転により、図１１（ｂ）に示されるような成長速度分布は、図１１（ｃ）に示されるような実効的な成長速度分布になる。
この原料ガス流には、基板主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かう線分上においてオフ角が単調に変化する窒化ガリウム基板３７ａ〜３７ｃを用いることができる。サセプタ３５は、該サセプタ３５の主面３５ａ上に規定される円周Ｄ上に設けられ窒化ガリウム基板のための複数のガイドを有する。サセプタ３５の主面３５において各窒化ガリウム３７ａ〜３７ｃの線分は、円周Ｄの接線に交差する線分の方向に向きづけられている。
上記の向きづけで複数の窒化ガリウム基板３７ａ〜３７ｃを有機金属気相成長炉のサセプタ上に配置することによって、上記の原料ガスの流れに起因する影響を利用してオフ角分布の影響を縮小できる。この向きづけで複数の窒化ガリウム基板３７ａ〜３７ｃを有機金属気相成長炉３１のサセプタ３５上に配置することによって、上記の原料ガスの流れに起因する影響を利用してオフ角分布の影響を縮小できる。
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。また、本実施の形態では、サセプタに３枚の基板を配置している例について説明しているけれども、これより多数の基板をサセプタに配置することもできる。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。
図１は、サファイア基板を用いたＩｎＧａＮ活性層を成長を説明する図面である。 図２は、ＯＦとＡＯＦとを結ぶ線分上における、エピタキシャル基板Ｅ１のＰＬ波長の分布を示す図面である。 図３は、ＰＬマッパー装置を用いて測定されたＰＬ分布と、ＰＬ分布のヒストグラムを示す図面である。 図４は、中心Ｃを通りエッジ上のＡ点とＢ点とを結ぶ線分上における、エピタキシャル基板Ｅ２のＰＬ波長の分布を示す図面である。 図５は、ＰＬマッパー装置を用いて測定されたＰＬ分布と、ＰＬ分布のヒストグラムを示す図面である。 図６は、中心Ｃを通りエッジ上のＡ点とＢ点とを結ぶ線分上における、エピタキシャル基板Ｅ３のＰＬ波長の分布を示す図面である。 図７は、ＰＬマッパー装置を用いて測定されたＰＬ分布と、ＰＬ分布のヒストグラムを示す図面である。 図８は、本発明の実施の形態のための窒化ガリウム系エピタキシャルウエハを示す図面である。 図９は、本発明の実施の形態に係る、窒化物半導体発光素子を作製する方法の主要な工程を含むフローチャートを示す。 図１０は好適な一形態の有機金属気相成長炉を概略的に示す図面である。 図１１は好適な別の形態の有機金属気相成長炉を概略的に示す図面である。
符号の説明
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３…エピタキシャルウエハ、Ｅ４…窒化ガリウム系エピタキシャルウエハ、１１…有機金属気相成長炉、１３…サセプタ、１５…サファイア基板、４１…窒化ガリウム基板、４１ａ…窒化ガリウム基板主面、４３…窒化ガリウム系半導体膜、４５…活性層、４７…量子井戸構造、４７ａ…井戸層、４７ｂ…障壁層、４９…ｐ型クラッド層、５１…ｐ型コンタクト層、２１…有機金属気相成長炉、２３…フローチャネル、２５…サセプタ、２５ａ…サセプタ主面、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…ＧａＮ基板、３１…有機金属気相成長炉、３３…フローチャネル、３５…サセプタ、３５ａ…サセプタ主面、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ…ＧａＮ基板

Claims (5)

  1. 窒化物半導体発光素子を作製する方法であって、
    有機金属気相成長炉のサセプタ上に配置された複数の窒化ガリウム基板の主面上に窒化ガリウム系半導体膜を一括して成長する工程と、
    原料ガスを供給して、量子井戸構造を有する活性層を前記窒化ガリウム系半導体膜上に有機金属気相成長炉を用いて形成する工程と
    を備え、
    前記活性層は、III族元素としてインジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含んでおり、
    各窒化ガリウム基板の前記主面の法線と前記窒化ガリウム基板のＣ軸との成すオフ角は、前記主面に亘って分布すると共に、前記主面のエッジ上の一点から該エッジ上の他点に向かい前記窒化ガリウム基板の前記主面の中心点を通る線分上において単調に変化しており、前記エッジ上の前記一点におけるオフ角は該エッジ上の前記他点におけるオフ角より大きく、
    前記井戸層の成長は、前記サセプタを回転させながら行われ、
    前記原料ガスの供給及び前記サセプタの回転により、当該原料ガス流の上流から下流に向かう流れ方向に応じた、前記活性層の前記井戸層の成長速度分布が生じており、前記エッジ上の前記一点が前記成長速度分布の大きい側に、且つ前記他点が前記成長速度分布の小さい側に位置し、
    前記主面上における第１の点におけるオフ角は前記主面上における第２の点におけるオフ角より小さいと共に、前記第１の点上における井戸層の膜厚は前記第２の点上における井戸層の膜厚より薄く、前記第１の点と前記第２の点は、互いに別の窒化物半導体発光素子に位置する、ことを特徴とする方法。
  2. 前記活性層を形成するための原料ガスは、前記サセプタの主面の一端から他端を横切る方向に供給される、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
  3. 前記活性層を形成するための原料ガスは、前記サセプタの主面に交差する軸の方向に供給される、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
  4. 前記サセプタは、該サセプタの前記主面上に規定される円周上に設けられ窒化ガリウム基板のための複数のガイドを有しており、
    前記サセプタの前記主面において各窒化ガリウムの前記線分は、前記円周の接線と交差する方向に向きづけられている、ことを特徴とする請求項３に記載された方法。
  5. 前記窒化ガリウム基板を前記サセプタ上に配置する工程を更に備える、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。
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