JP6561367B2 - ｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特 に、電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものである。

従来より、縦型の発光ダイオードや面発光レーザなどを構成する窒化物半導体発光素子は電流狭窄構造を備えている。縦型窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層上に活性層、ｐ型窒化物半導体層、および正側電極がこの順に積層され、ｎ型窒化物半導体層に負側電極が形成される基本構造を有している。ｐ型窒化物半導体からｎ型窒化物半導体へ電流を流すことに応じて発光する光を積層の上方向に取り出す構成である。ここで、電流狭窄構造を備えていない場合、ｐ型窒化物半導体層では、正側電極の直下領域を中心に電流が流れる。これは、ｐ型窒化物半導体から活性層までの最短の電流経路に電流が流れるからである。電流が集中した正側電極の直下領域を中心にして活性層で発光した光は、正側電極に遮られあるいは正側電極に吸収されて、縦型窒化物半導体発光素子の外部に放出される光量は減少してしまう。

そこで、電流の活性層での到達位置が電極の直下領域から外れる位置に集中するように構造的に電流経路を曲げる技術が考案されている。このような構造を電流狭窄構造という。例えば、正側電極をリング状に形成し、リングの内側に電流を狭窄する構成とする。活性層での発光はリングの内側に集中しリングの中心軸に沿って外部に放出される。このとき、光はリング状の正側電極に妨げられることなく、リングの内側を通って外部に放出される。この場合、正側電極からリングの中心軸に向かう電流経路、およびリングの中心軸とその周辺領域を活性層に向かう電流経路、の何れもが低抵抗とされる構成が提案されている。

一例として非特許文献１には、埋め込みトンネル接合を有する窒化物半導体発光ダイオードが示されている。トンネル接合は、いわゆるエサキダイオードなどとして知られている負性抵抗特性を有するトンネルダイオードに係る接合である。このトンネル接合では、通常のダイオードが示す整流特性と異なり、ｎ層からｐ層へ逆方向に電流を流すことができ、その電流電圧特性はオーミック的である。この逆方向のオーミック特性を利用するために、正側電極のリングの内側に、正側電極側をｎ型半導体層とし負側電極側をｐ型半導体層としてトンネル接合を電流経路に配置する。電流はトンネル接合に集中してトンネル効果により流れる。この時、トンネル接合を備えることにより、正側電極の下層をｐ型半導体層に代えてｎ型半導体層とすることで、正側電極からリングの中心軸に向かう電流経路の低抵抗化を図っている。

ところで。ｐ型窒化物半導体の活性化は熱アニール処理により行われる。一般に、ｐ型窒化物半導体として用いられるｐ型ＧａＮ結晶は、例えば、Ｍｇ元素などをアクセプタ不純物とすることにより構成される。ここで、製造工程で発生する水素元素は結晶内に取り込まれてＭｇ元素と結合し易い特性を有している。Ｍｇ元素が水素元素と結合すると、Ｍｇ元素は不活性化してしまいアクセプタとして機能しなくなる場合がある。その結果、ＧａＮ結晶はｐ型を示さなくなり導電性がなくなって高抵抗となってしまうおそれがある。熱アニール処理を行うことにより、水素元素とＭｇ元素との結合を断ち切り、水素元素の結晶外部への放出が行われる。これにより、Ｍｇ元素はアクセプタとして活性化され、導電性を有するｐ型ＧａＮ結晶を得ることができる。熱アニール処理は、製造工程において、発光ダイオードの素子構造を形成した後であって電極を形成する前の段階で行われることが示されている。

S. R. Jeon, et al,、"GaN tunnel junction as a current aperture in a blue surface-emitting light-emitting diode"、Applied Physics Letter、（米国）、2002年1月14日、Vol. 80, Number 11, p. 1933-1935

しかしながら、非特許文献１において作製された発光ダイオードでは、２ｋＡ／ｃｍ^２以上の電流注入でようやく発光し始めることが示されている。これ以下の電流注入では有効な発光が得られないという現象が確認されている。この現象は電流狭窄領域以外の領域に電流が流れ易い領域が形成され、そこにリーク電流が流れることを示唆している。ここで、リーク電流の原因の一つとして、熱アニール処理の影響が考えられる。熱アニール処理を発光ダイオードの素子構造を形成した後に行うため、ｐ型窒化物半導体層の全面が活性化される。つまり、電流が狭窄されるリングの内側の電流を本来流したい領域だけでなくリング直下およびリングの外側の電流を流したくない領域においても、ｐ型ＧａＮ結晶が活性化される。これにより、トンネル接合がないリング直下およびリングの外側の領域においてもｐ型ＧａＮ結晶が導電性を有することとなり、注入された電流がリークすることが考えられる。

非特許文献１などに記載されている従来の製造方法では、埋め込みトンネル接合を用いた電流狭窄構造において、電流狭窄領域以外のリーク電流など、正側電極の内側に存在する埋め込みトンネル接合領域に狭窄されない電流の存在により、発光効率の低下を招来する恐れがあり問題である。

本願に開示される技術は上記の課題に鑑み提案されたものであって、埋め込みトンネル接合を用いた電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子において、良好な発光効率を得ることが可能なｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本願に開示される技術に係るｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法は、第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層を利用した電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法である。ｐ型窒化化合物層の上層に埋め込みトンネル接合層を積層するステップと、埋め込みトンネル接合層を、電流が狭窄して流れる領域を残して除去するステップと、埋め込みトンネル接合層の直下領域を含むｐ型窒化化合物層のｐ型活性化を行うステップと、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除くｐ型窒化化合物層をｐ型不活性化するステップと、第２のｎ型窒化化合物層を積層し、埋め込みトンネル接合層を埋め込むステップとを有している。
更に、ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化のステップは第１の熱アニール処理を含んで処理され、ｐ型窒化化合物層のｐ型不活性化のステップは第２の熱アニール処理を含んで処理されるものとしてもよい。この場合、第１の熱アニール処理は第２の熱アニール処理に比して、高い処理温度であるか長い処理時間であるかの少なくともいずれかの条件を含んで処理が行われる。

埋め込みトンネル接合層を第２のｎ型窒化化合物層で埋め込む前に、埋め込みトンネル接合層の下層に積層されているｐ型窒化化合物層のｐ型活性化を行う。この場合、埋め込みトンネル接合層の直下領域を含むｐ型窒化化合物層の全域をｐ型活性化する。

ここで、埋め込みトンネル接合層の直下領域のｐ型窒化化合物層と、埋め込みトンネル接合層の直下領域以外のｐ型窒化化合物層とでは、ｐ型活性化を行うための条件が異なっている。この製造段階では、埋め込みトンネル接合層の直下領域のｐ型窒化化合物層は、上層が第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層に覆われているのに対して、埋め込みトンネル接合層の直下領域以外のｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層の除去のステップにより雰囲気ガスに対して露出表面を有している。そのため、前者に比して後者の方が、ｐ型活性化が容易であり、具体的には短時間でｐ型活性化される。ｐ型活性化のステップでは、埋め込みトンネル接合層の直下領域以外のｐ型窒化化合物層が雰囲気ガスに対して露出表面を有している状態でｐ型活性化を行うものである。埋め込みトンネル接合層の直下領域以外の領域でのｐ型活性化に加えて、直下領域でのｐ型活性化も行い、ｐ型窒化化合物層の全域においてｐ型活性化を行う。

また、ｐ型活性化のステップの後に行われる埋め込みトンネル接合層の埋め込みのステップは、雰囲気ガスまたは原料中に水素元素が存在する状態で行われものとしてもよい。ここで、雰囲気ガスまたは原料中に存在する水素元素は、原料ガスまたは原料を輸送するキャリアガスとして水素ガスを使用することにより供給され、あるいは原料ガスまたは原料の化学反応の結果として生成されて供給されるものである。

本願に開示される技術に係るｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、ｐ型活性化のステップは、部分的に埋め込みトンネル接合層が除去されてｐ型窒化化合物層が雰囲気ガスに対して露出している製造工程の途中段階で行われる。ｐ型窒化化合物層が露出しているので効率よくｐ型活性化することができる。ｐ型窒化化合物層がｐ型活性化され電気的に低抵抗なｐ型窒化化合物層を効率よく得ることができる。

ここで、ｐ型活性化とは、ｐ型半導体結晶層においてアクセプタ不純物が活性化することである。これにより、ｐ型半導体結晶層はｐ型の導電性を示し電気的抵抗が低くなる。逆に、ｐ型不活性化とは、ｐ型半導体結晶層においてアクセプタ不純物が不活性化することである。これにより、ｐ型半導体結晶層は導電性が低くなり電気的抵抗が高くなる。

更に、ｐ型不活性化のステップを有することにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除いたｐ型窒化化合物層の領域が有効にｐ型不活性化される。ここで、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除くｐ型窒化化合物層の領域は、雰囲気ガスに対して表面が露出しているためｐ型不活性化を容易に行うことができる。これに対して、埋め込みトンネル接合層の直下領域にあるｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層により覆われているためｐ型不活性化を容易に行うことはできない。露出表面を有するｐ型窒化化合物層の領域を優先的にｐ型不活性化することができる。これにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域は、ｐ型活性化された状態に維持され電気的に低抵抗な領域として維持される。一方、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く領域は、ｐ型不活性化されて電気的に高抵抗な領域とされる。埋め込みトンネル接合層の直下領域を選択的に低抵抗領域とし、その他の領域を高抵抗領域とすることができる。埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く領域でのリーク電流を抑止して、埋め込みトンネル接合層の直下領域に電流を集中して有効に電流を狭窄させることができる。

ここで、熱アニール処理において、処理温度が高いほど、処理時間が長いほど、またはその両者の条件を含むほど、露出表面から遠い距離にあるｐ型窒化化合物層内においてｐ型活性化／不活性化をすることができる。ｐ型活性化のステップを、より高い処理温度、より長い処理時間の少なくともいずれか一方の条件を含んで行うことにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域を含むｐ型窒化化合物層の全面をｐ型活性化することができる。一方、ｐ型不活性化のステップを、より低い処理温度、より短い処理時間の少なくともいずれか一方の条件を含んで行うことにより、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く露出表面を有するｐ型窒化化合物層においてｐ型不活性化をすることができる。

例えば、ここでｐ型活性化の状態とは、結晶から水素元素が離脱して結晶中に存在する水素元素が少なくなることによりアクセプタ不純物が活性化している状態である。また、ｐ型不活性化の状態とは、結晶に水素元素が取り込まれ結晶中に水素元素が存在することによりアクセプタ不純物が活性化していない状態である。埋め込みトンネル接合層の直下領域にあるｐ型窒化化合物層は、埋め込みトンネル接合層に第１のｎ型窒化化合物層を含むため、水素元素の導入が阻止される。これにより、ｐ型不活性化を容易に行うことはできない。これに対して、埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く領域は、表面にｐ型窒化化合物層が露出しており、水素元素の導入を阻止するｎ型窒化化合物層は介在しない。このため、この領域を優先的にｐ型不活性化することができる。

また、ｐ型活性化のステップの後に行われる埋め込みのステップが、雰囲気ガスまたは原料中に水素元素が存在する状態で行われることにより、埋め込み成長が開始するまでの時間に、ｐ型窒化化合物層の露出表面に水素元素を注入することができる。ここで、埋め込み成長が開始するまでの時間とは、雰囲気温度を埋め込み成長に係る設定温度まで変更する時間、雰囲気ガスを置換する時間、原料ガスまたは原料流などが安定するまでの時間等の成長反応の開始に先立つ準備時間である。結晶内に水素元素が少ないほどｐ型活性化が進み、多いほどｐ型不活性化が進むことが知られている。埋め込みのステップにおいて、雰囲気ガス中に水素元素が存在することにより、水素元素が結晶中に取り込まれてｐ型不活性化が行われることとなる。

第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第１段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第２段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第３段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの製造工程の第４段階での断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの断面構造を示す図である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの電流−光出力特性である。 第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの近視野像の数値データである。（ａ）は発光領域のメサ径が１０μｍの場合、（ｂ）は１５μｍの場合、（ｃ）は２０μｍの場合である。 第２実施形態の断面構造を示す図である。

第１実施形態では、埋め込みトンネル接合を有する窒化物半導体発光ダイオードについて説明する。まず、製造工程について説明する。図１〜図４に製造工程の各段階における断面構造を示す。ＧａＮ結晶基板１００に各窒化物半導体層を積層した構造を有している。ＧａＮ結晶基板１００は、サファイア基板上に低温堆積バッファ層を介してＧａＮ結晶層を成膜した基板である。また、ＧａＮ結晶基板１００上への各窒化物半導体層の成膜には有機金属気相成長（以下、ＭＯＣＶＤと略記する）法を用いる。

まず、図１に示す製造工程の第１段階における断面構造について説明する。表面をＧａ面としたＧａＮ結晶基板１００を、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。その後、反応炉内に水素ガスとアンモニアガスとを流しながら昇温することで、ＧａＮ結晶基板１００の表面を清浄化するサーマルクリーニングを行う。次に、基板温度を、例えば１０５０℃などといった高温に昇温した上で、キャリアガスである水素ガスと共に、原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびアンモニアガスを反応炉内に供給し、ＧａＮ結晶基板１００上に、＋ｃ軸に配向した不純物をドーピングしないアンドープＧａＮ結晶層１０１を、例えば約２μｍ成長させる。次に、原料ガスとしてＳｉＨ_４（シラン）ガスを追加して反応炉内に供給し、アンドープＧａＮ結晶層１０１上に下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を、例えば約２μｍ成長させる。ここで、ＳｉＨ_４ガスはＳｉ元素をｎ型不純物とするための原料ガスである。不純物濃度は、例えば約５×１０^１８ｃｍ^−３とする。

次に、成長温度を７８０℃に降温しながら、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスへ切り替え、基板温度が安定した後に、原料であるＴＭＧａ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、およびアンモニアガスを反応炉内に供給し、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２上にＧａＩｎＮ結晶層１０３を、例えば約２．５ｎｍ成長させる。続いて、原料ガスをＴＭＧａガスおよびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ＧａＩｎＮ結晶層１０３上にＧａＮ結晶層１０４を、例えば約１０ｎｍ成長させる。以後、ＧａＩｎＮ結晶層１０３の成膜とＧａＮ結晶層１０４の成膜とを交互に繰り返し、ＧａＩｎＮ結晶層１０３およびＧａＮ結晶層１０４を１ペアとして５ペア成膜する。これが量子井戸活性層３０１である。

次に、原料をＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧａ、ＣＰ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、量子井戸活性層３０１上にｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５を、例えば約２０ｎｍ成長させる。ここで、ＣＰ_２ＭｇはＭｇ元素をｐ型不純物とするための原料である。不純物濃度は、例えば約２×１０^１９ｃｍ^−３とする。

次に、成長温度を１０００℃に昇温しながら、キャリアガスを窒素ガスから水素ガスへ切り替え、その後、原料をＴＭＧａ、ＣＰ_２Ｍｇ、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５上にｐ型ＧａＮ結晶層１０６を、例えば約６０ｎｍ成長させる。ｐ型不純物であるＭｇ元素の不純物濃度は、例えば約２×１０^１９ｃｍ^−３とする。

次に、成長温度を７６０℃に降温しながら、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスへ切り替え、基板温度が安定した後に、原料をＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＣＰ_２Ｍｇ、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６上に高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７を、例えば約３ｎｍ成長させる。ｐ型不純物であるＭｇ元素の不純物濃度は、例えば５×１０^１９ｃｍ^−３〜１×１０^２１ｃｍ^−３程度が好ましく、更に好ましくは約１×１０^２０ｃｍ^−３〜３×１０^２０ｃｍ^−３程度である。

次に、原料ガスをＴＭＧａガス、ＳｉＨ_４ガス、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７上に高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８（第１のｎ型窒化化合物層）を、例えば約７．５ｎｍ成長させる。ｎ型不純物であるＳｉ元素の不純物濃度は、例えば１×１０^２０ｃｍ^−３〜１×１０^２１ｃｍ^−３程度が好ましく、更に好ましくは約３×１０^２０ｃｍ^−３〜６×１０^２０ｃｍ^−３程度である。

高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７と高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８とによりトンネル接合層３０２が形成される。以下の説明では、図１で示す積層構造をウエハと称する場合がある。

ここで、トンネル接合層３０２は、いわゆるエサキダイオードのような特性を示すｐｎ接合である。すなわち、このｐｎ接合の逆方向には、逆バイアス電圧が小さな電圧値から低抵抗状態で電流が流れ低抵抗素子のような特性を示す。窒化物半導体発光ダイオードにおいて、トンネル接合層３０２を備える領域で低抵抗領域を形成するとともに、それ以外の領域では通常のｐｎ接合の整流特性が示すように、逆バイアスの下では電流がブロックされる。

次に、図２に示す製造工程の第２段階における断面構造について説明する。成膜を一旦終了し、ウエハを反応炉から取り出す。フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術などとにより、注入電流が狭窄されて発光領域となる平面視で円形の領域（以下、電流狭窄領域と称する）１を残し、その外側の領域ではｐ型ＧａＮ結晶層１０６の表面が露出するまでエッチングを行う。第１実施形態では、電流狭窄領域Ａの径を１０μｍ、１５μｍ、２０μｍの３種類としてサンプルを作製した。エッチングの深さは５０ｎｍ程度である。これにより、電流狭窄領域Ａが形成される。

その後ウェハに対して、２段階の熱アニール処理を行う。最初に行われる第１の熱アニール処理は、雰囲気ガスとして、例えば酸素ガスを使用し、アニール温度７２５℃、アニール時間は１５分の条件で処理を行う。第１の熱アニール処理の次に行われる第２の熱アニール処理は、雰囲気ガスとして、例えばアンモニアガスを使用し、アニール温度７００℃、アニール時間３分の条件で処理を行う。

ここで、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の成膜では、水素ガスをキャリアガスをとして使用し、原料であるＴＭＧａ、ＣＰ_２Ｍｇ、およびアンモニアガスを反応させて成膜を行う。また、Ｍｇ元素をｐ型不純物とする。成膜の過程では、キャリアガスである水素ガスが分解し、または／および原料ガスの反応により水素元素が生成される場合があり、生成された水素ガスの一部は結晶内に取り込まれる。Ｍｇ元素は結晶内において水素元素と結合しやすい性質を有しており、結晶内に取り込まれた水素元素はＭｇ元素と結合する。Ｍｇ元素と結合した水素元素は、Ｍｇ元素がアクセプタ不純物として機能することを阻害してｐ型不活性化の作用を奏することが知られている。水素元素によりＭｇ元素のｐ型不活性化が生ずることで、結晶はｐ型の導電性を奏することができなくなり高抵抗化することが知られている。以下に説明するように、第１および第２熱アニールの処理によりリーク電流のない有効な電流狭窄構造を形成する。

先ず、第１の熱アニール処理について説明する。第１の熱アニール処理により、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の全域から、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のアクセプタであるＭｇ元素に結合している水素元素をＭｇ元素から切り離し外部に脱離させる。これにより、水素元素が結合しているＭｇ元素の割合が小さくなり多くのＭｇ元素が活性化する。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の全域でアクセプタが活性化され、Ｍｇ元素のイオン化に伴いｐ型の導電性を有することとなる。この時点で、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は全域が低抵抗となる。

この場合、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のうち、電流狭窄領域Ａ以外の領域では、表面が雰囲気ガスに対して露出しており、この広い露出表面から水素元素は容易に脱離することができる。前段の成膜により取り込まれた水素元素は露出表面から例えば０．１μｍ程度の浅い領域に存在するものと考えられるからである。

一方、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のうち電流狭窄領域Ａの領域に存在する部分では、その上層にトンネル接合層３０２があり高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８が積層されている。ここで一般に、水素元素はｎ型半導体中を移動できないことが知られている。このため、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６および高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７内に存在してアクセプタを不活性化している水素元素は高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８を越えて表面から脱離することができない。一方で、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６および高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７は、電流狭窄領域Ａ形成のためのエッチングにより、そのエッチング側壁が露出する。従って、電流狭窄領域Ａに存在する水素は、基板垂直方向ではなく、基板水平方向に電流狭窄領域Ａの外側まで移動した上でエッチング側壁から外部に放出されることとなる。

ここで、電流狭窄領域Ａの径は１０〜２０μｍ程度であり、露出表面下の０．１μｍ程度の深さに比して長距離を移動する必要がある。第１の熱アニール処理の処理条件（アニール温度７２５℃、アニール時間１５分）は、電流狭窄領域Ａ以外の領域にある水素元素はもちろんのこと、電流狭窄領域Ａの領域にある水素元素を外部に放出するのに十分な条件である。

第２の熱アニール処理では、逆に、外部よりｐ型ＧａＮ結晶層１０６に水素元素を取り込ませる。水素元素は、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のうち、電流狭窄領域Ａ以外の領域にある露出表面から取り込まれる。第２の熱アニール処理の処理条件（アニール温度７００℃、アニール時間３分）は、第１の熱アニール処理の処理条件（アニール温度７２５℃、アニール時間１５分）より、アニール温度が低くアニール時間も短時間である。これにより、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の露出表面から取り込まれる水素元素の結晶内での移動距離は第１のアニール処理より短くなる。緩いアニール条件であるため、露出表面から水素元素は取り込まれるものの、エッチング側壁から取り込まれた水素元素がｐ型ＧａＮ結晶層１０６等内を水平方向に侵入して電流狭窄領域Ａの領域内にまで広がることはない。すなわち、露出表面下の領域にのみ選択的に水素元素を注入することができる。これにより、結晶中に水素元素が取り込まれＭｇ元素と結合する割合が大きくなり多くのＭｇ元素の活性化が妨げられる。露出表面を有するｐ型ＧａＮ結晶層１０６ではアクセプタが不活性化されｐ型の導電性が抑制される。

したがって、水素元素は、電流狭窄領域Ａ以外の領域に選択的に取り込まれ、電流狭窄領域Ａの領域では水素元素が脱離した状態に維持される。これにより、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６には２つの領域が形成される。一つは電流狭窄領域Ａの領域である。この領域では、Ｍｇ元素は水素元素が結合しておらずアクセプタとして活性化されており、抵抗値の低い活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａが形成される（図３参照）。他の一つは電流狭窄領域Ａ以外の領域である。この領域では、露出表面から水素元素が取り込まれＭｇ元素に結合する。Ｍｇ元素はアクセプタとして不活性化され、抵抗値の高い不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂが形成される（図３参照）。

この結果、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は、電流狭窄領域Ａにおいて導電性を有する活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａとなり、それ以外の領域で導電性が低い不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとなる。注入電流を電流狭窄領域Ａに効率よく集中させ、その他の領域でのリーク電流を抑止する構造とすることができる。

その後、製造工程の第３段階における断面構造（図３）に示すように、原料ガスをＳｉＨ_４ガス、ＴＭＧａガス、およびアンモニアガスとして反応炉内に供給し、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９を、例えば約１００ｎｍ成長させる。不純物濃度は、例えば約５×１０^１８ｃｍ^−３とする。これにより、トンネル接合層３０２をｎ型ＧａＮ結晶層１０９（第２のｎ型窒化化合物層）で埋め込む。

次に、製造工程の第４段階における断面構造（図４）に示すように、ウエハを反応炉から取り出し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術などとにより、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２が露出するまでエッチングし、電流狭窄領域Ａを中心とするメサ径が約１００μｍのメサ形状を形成する。

次に、正側電極１０および負側電極１１を形成する。電極材料にはＴｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｕ（金）などを用い、Ｔｉ、Ａｌ、ＴｉおよびＡｕをこの順で積層して形成する。正側電極１０は、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９の上に電流狭窄領域Ａを内側下方に含むリング状に形成される。負側電極１１は、エッチングにより露出した下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２の上にメサ形状を囲むように形成される。ｎ型ＧａＮ結晶層１０９は正側電極１０からの電流を電流狭窄領域Ａに導く導通経路を構成する。

次に、第１実施形態の製造工程により製造した窒化物半導体発光ダイオードにおける電流狭窄構造の機能および効果に関して説明する。図５に窒化物半導体発光ダイオードの断面構造を示す。図１〜図４と同じ層には同一の符号を付しており、ここでの説明は省略する。下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２はクラッド層である。電子を量子井戸活性層３０１へ供給することができるように量子井戸活性層３０１より大きなバンドギャップを有して構成されている。量子井戸活性層３０１は、井戸層であるＧａＩｎＮ結晶層１０３および障壁層であるＧａＮ結晶層１０４を交互に積層した構造を有している。ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５およびｐ型ＧａＮ結晶層１０６はクラッド層である。正孔を量子井戸活性層３０１へ供給することができるように量子井戸活性層３０１より大きなバンドギャップを有して構成されている。

図１〜図４において説明した電流狭窄領域Ａを含む電流狭窄構造を形成することにより、正側電極１０から注入される電流は、正側電極１０の直下およびその外側の領域に流れるリーク電流（矢印３）が有効に抑制され、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９を下方に流れるに従いリングの内側に曲げられ、電流狭窄領域Ａに狭窄される（矢印１）。正側電極１０の直下およびその外側の領域では、不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとｎ型ＧａＮ結晶層１０９とによりｐｎ接合が逆バイアスに印加されており逆方向に流れるリーク電流は僅かであるのに対して、正側電極１０のリングの内側では、トンネル接合層３０２によりｐｎ接合が逆バイアスであっても低抵抗の状態となり電流が流れる状態にあるからである。さらに、前者では、直下の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂが高抵抗であるのに対して、後者では、直下の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａが低抵抗であるからである。これにより、リングの内側に位置する量子井戸活性層３０１に電流が狭窄され、この領域で集中的に発光が行われる。発光した光は正側電極１０に妨げられることなく、正側電極１０のリングの内側において外部に放出される（矢印２）。これにより、光を効率よく取り出すことができる。

この場合、正側電極１０から電流狭窄領域Ａに至るまで経路が曲げられる電流経路は、一般的には、正側電極１０に接続される結晶層でありｐ型である。しかしながら、トンネル接合層３０２を備えることでｎ型ＧａＮ結晶層１０９とすることができる。ｐ型ＧａＮ結晶層に比してｎ型ＧａＮ結晶層１０９であれば、１／１００程度に抵抗値を低減することができ、この電流経路における抵抗値を抑制することができる。

これにより、注入される電流のうち発光に供しない電流を最小限に抑制して有効に電流狭窄領域Ａに流すことができ、良好な発光効率を得ることができる。

図６、図７は、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの発光特性を示す。図６は発光領域のメサ径が１０μｍである場合の電流−光出力特性である。横軸は電流密度、縦軸は光出力である。第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの特性を実線で示す。参考として従来技術の窒化物半導体発光ダイオードの特性を破線で示す。従来技術の窒化物半導体発光ダイオードでは、電流密度の低い領域では光出力がほとんど得られないことが示されている。これに対して、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードでは、電流密度の低い領域から良好な光出力が得られる。また、電流密度の全域においても、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオードの特性が従来技術の窒化物半導体発光ダイオードの特性に勝っており、従来技術に比して改善された発光効率を有していることが示されている。

図７には、発光領域のメサ径を１０μｍ、１５μｍ、２０μｍとした窒化物半導体発光ダイオードのサンプルについて、近視野像の数値データを示す。横軸はメサ形状の中心からの位置、縦軸は光出力である。メサ径の大きさと略同じ径で有効に発光していることがわかる。

第２実施形態では、第１実施形態の製造工程を使用しながら、窒化物半導体多層膜反射鏡を備える面発光レーザについて例示する。図８に面発光レーザの断面構造を示す。以下に製造工程について説明する。まず、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオード(図１〜図４)の場合と同様に、ＧａＮ結晶基板１００上に、アンドープＧａＮ結晶層１０１、および下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を、この順に積層する。

次に、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２の上に、窒化物半導体多層膜反射鏡層５０３を積層する。約４１０ｎｍを反射中心波長とする窒化物半導体多層膜反射鏡層である。基板温度すなわち成長温度を８１５℃とし、キャリアガスである窒素ガスと共に、原料であるアンモニアガス、ＴＭＡｌ、およびＴＭＩｎを反応炉内に供給する。これにより、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２上にＡｌＩｎＮ結晶層５０１を積層する。この時、ＡｌＩｎＮ結晶層５０１におけるＩｎ元素のモル分率は１８％程度である。このＡｌＩｎＮ結晶層５０１の膜厚は約５０ｎｍである。すなわち、反射中心波長４１０ｎｍに対する１／４波長光学膜厚の成長を行う。次に、基板温度を８１５℃に維持したまま、ＴＭＧａを反応炉内に供給することで、ＡｌＩｎＮ結晶層５０１上にＧａＮ結晶層を約１０ｎｍ積層する。この後、ＴＭＧａガスの供給を一旦中止し結晶成長を中断する。その後、基板温度を１０５０℃まで昇温し、再度ＴＭＧａを供給してＧａＮ結晶層を約３０ｎｍ成長する。これにより、反射中心波長４１０ｎｍに対する１／４波長光学膜厚を有するＧａＮ結晶層５０２が積層される。このＡｌＩｎＮ結晶層５０１とＧａＮ結晶層５０２とを交互に４０．５ペア積層させて、窒化物半導体多層膜反射鏡層５０３を下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２上に形成する。

窒化物半導体多層膜反射鏡層５０３上には、約１０００ｎｍのｎ型ＧａＮ結晶層５０４を成長する。ｎ型不純物原料ガスにはＳｉＨ_４（シラン）ガスを用いる。ｎ型ＧａＮ結晶層５０４中には、ｎ型不純物であるＳｉ元素を１×１０^１９ｃｍ^−３程度の濃度でドーピングする。その後、ｎ型ＧａＮ結晶層５０４上に、量子井戸活性層３０１を形成する。量子井戸活性層３０１は、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオード（図１〜図４）と同様の製造工程により積層される。但し、各層の膜厚と積層ペア数は第１実施形態とは異なる構成とする。例えば、約３ｎｍのＧａＩｎＮ結晶層１０３と約６ｎｍのＧａＮ結晶層１０４とを１ペアとして、２．５ペア積層する。また、Ｉｎ元素のモル分率を約０．１０とする。これにより、４０５〜４１０ｎｍの波長で発光する。

量子井戸活性層３０１の上には、第１実施形態の窒化物半導体発光ダイオード（図１〜図４）と同様に、ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層１０５、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６、およびトンネル接合層３０２を構成する高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層１０７および高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層１０８をこの順に積層する。

また、その後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術などとにより、電流狭窄領域Ａを残し、その外側をｐ型ＧａＮ結晶層１０６が露出するまでエッチングする工程、２段階の熱アニール処理により、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６を、電流狭窄領域Ａの領域にある低抵抗の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａと電流狭窄領域Ａ以外の領域にある高抵抗の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとの２つの領域とする工程、およびこれらの構造をｎ型ＧａＮ結晶層１０９で埋め込む工程についても、第１実施形態と同様である。

次に、電流注入を行う為の正側、負側電極を以下に示すように形成する。まず、周知のフォトリソグラフィ及びドライエッチングプロセスにより、電流狭窄領域Ａを中心とする５０μｍ径程度のメサを形成する（不図示）。この時、メサ以外の部分は、ｎ型ＧａＮ結晶層５０４の表面が露出するまでドライエッチングを行う。続いて、ウエハの全面に、蒸着又はスパッタリングにより、ＳｉＯ_２膜５０５を約２０ｎｍ堆積する。その際、リフトオフにより、メサ上において電流狭窄領域Ａを取り囲むようにＳｉＯ_２膜５０５を開口しリング状の開口部を形成する（不図示）。また、メサの外周部のｎ型ＧａＮ結晶層５０４上にＳｉＯ_２膜５０５を開口しリング状の開口部を形成する（不図示）。それぞれの開口部に、正側電極、負側電極を形成する。

最後に、正側電極上に、約４１０ｎｍを反射中心波長とする８ペアのＳｉＯ_２層５０６／ＺｒＯ_２層５０７の誘電体多層膜反射鏡層５０８を積層する。以上により、４０５乃至４１０ｎｍの波長で発光する青紫色窒化物半導体面発光レーザが作製される。

ここで、トンネル接合層３０２は、埋め込みトンネル接合層の一例である。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は、ｐ型窒化化合物層の一例である。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６のアクセプタであるＭｇ元素に結合している水素元素をＭｇ元素から切り離し外部に脱離させＭｇ元素をアクセプタとして機能させることが、ｐ型活性化の一例である。また、外部よりｐ型ＧａＮ結晶層１０６に水素元素を取り込ませＭｇ元素と結合させてＭｇ元素がアクセプタ不純物として機能することを阻害することが、ｐ型不活性化の一例である。ｎ型ＧａＮ結晶層１０９は、ｎ型窒化化合物層の一例である。

以上、詳細に説明したように、本願に開示される技術の第１実施形態によれば、ｎ型ＧａＮ結晶層１０９によりトンネル接合層３０２が埋め込まれる工程に先立って、第１および第２の熱アニール処理が行われる。部分的にトンネル接合層３０２が除去されてｐ型ＧａＮ結晶層１０６が雰囲気ガスに対して露出している製造工程の途中段階で行われる２段階の熱アニール処理により、結晶中の水素元素の存在割合の高低が制御され、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の活性化および不活性化が制御される。これにより、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６は、トンネル接合層３０２の直下領域で活性化され低抵抗の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａとなり、それ以外の領域では不活性化され高抵抗の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとなる。ｐ型ＧａＮ結晶層１０６を活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａと不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとの２つの領域に分離することができる。電流狭窄領域Ａ以外でのリーク電流を抑止しながら電流狭窄領域Ａに効率よく電流を狭窄することができる。

また、第２実施形態の面発光レーザの製造工程では、第１実施形態の場合と同様に製造工程の途中段階で２段階の熱アニール処理を行う。これにより、発光の際に注入される電流について、電流狭窄領域Ａ以外でのリーク電流が抑制され、電流狭窄領域Ａに効率よく電流を流すことができる。良好な発光効率を有する青紫色面発光レーザを作製することができる。

尚、本願に開示される技術は前記実施形態に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、本実施形態では、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６を、低抵抗の活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ａと高抵抗の不活性ｐ型ＧａＮ結晶層１０６ｂとに分離するために、第１の熱アニール処理と第２の熱アニール処理の２段階の熱アニール処理を行うことにより実現する場合を例示して説明した。
しかしながら、本願はこれに限定されるものではない。熱アニール処理の後の製造工程であるｎ型ＧａＮ結晶層１０９の成膜を第２の熱アニール処理の代わりとすることも可能である。ｎ型ＧａＮ結晶層１０９の成膜は、原料をＳｉＨ_４ガス、ＴＭＧａ、およびアンモニアガスとして行われる。このため、原料の化学反応により雰囲気中に水素元素が生成される場合がある。また、原料を輸送するためのキャリアガスとして水素ガスを使用することにより雰囲気中に水素元素を生成することもできる。こうした水素元素の存在下でｎ型ＧａＮ結晶層１０９の成膜を行うことにより、温度やガス流が安定するのを待つ成膜の前段階あるいは成膜の初期段階において、ｐ型ＧａＮ結晶層１０６の露出表面に十分に水素元素が取り込まれるように成膜の条件を調整することができる。これにより、熱アニール処理は第１の熱アニール処理の１段階の処理を行うことで足り、製造工程の簡略化を図ることができる。

また、第１実施形態では、ＧａＮ結晶基板１００として、サファイア基板上に低温堆積バッファ層を介してＧａＮ結晶層を成膜する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。ＧａＮ結晶の自立基板や、ＳｉＣ上にＧａＮ結晶を成膜した基板や、ＺｎＯ上にＧａＮ結晶を成膜した基板、ＡｌＮ基板等を用いても良い。
また、各層を構成する窒化物半導体結晶層として、ＧａＮ結晶層の他、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮなどの３元混晶結晶層を例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。これ以外の多元混晶でもよく、例えばＡｌＧａＩｎＮ結晶層、ＡｌＩｎＢＮ結晶層等の４元混晶や、ＡｌＧａＩｎＢＮ結晶層等の５元混晶であっても良い。
また、窒化物半導体多元混晶をＭＯＣＶＤ法により成膜する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法、スパッタリング法等で成膜しても良い。
また、本願では、応用として第２実施形態において青紫色面発光レーザを例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、他の発光デバイスやＧａＮ／ＡｌＩｎＮヘテロ接合構造を用いたＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）などのその他の電子デバイスにも応用することができる。
また、III族元素の原料ガスとしてＴＭＡｌやＴＭＩｎを使用する場合について説明し
たが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、ＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）やＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）等を用いても良い。
また、Ｎ元素の原料ガスとしてアンモニアを使用して成膜する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。窒素ガスやその他の窒素化合物を使用することもできる。
また、本願では、アクセプタ不純物としてＭｇ元素を用いる場合を例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａなどの元素を用いることもできる。また、ドナー不純物としてＳｉ元素を用いる場合を例示して説明したが、本願はこれに限定されるものではない。Ｇｅなどの元素を用いることもできる。
また、ＧａＮ結晶としてアンドープのＧａＮ結晶層１０１の上に下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を積層する場合について説明したが、本願はこれに限定されるものではない。例えば、下部ｎ型ＧａＮ結晶層１０２を積層しない構成とすることも考えられる。
また、窒化物半導体多元混晶を＋ｃ軸方向に配向させて成膜したが、これに限らず、ａ軸方向やｍ軸方向など、他の結晶軸に配向させて成膜しても良い。
また、本願の技術に係る各窒化物半導体結晶層の成膜について、成長温度やその他の成長条件、また各結晶層の成長膜厚、積層数・積層ペア数等は、本実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

１００ ＧａＮ結晶基板
１０１ アンドープＧａＮ結晶層
１０２ 下部ｎ型ＧａＮ結晶層
１０３ ＧａＩｎＮ結晶層
１０４ ＧａＮ結晶層
１０５ ｐ型ＡｌＧａＮ結晶層
１０６ ｐ型ＧａＮ結晶層１０６
１０６ａ 活性ｐ型ＧａＮ結晶層
１０６ｂ 不活性ｐ型ＧａＮ結晶層
１０７ 高濃度ｐ型ＧａＩｎＮ結晶層
１０８ 高濃度ｎ型ＧａＮ結晶層
１０９ ｎ型ＧａＮ結晶層
３０１ 量子井戸活性層
３０２ トンネル接合層
Ａ 電流狭窄領域

Claims (3)

1. 第１のｎ型窒化化合物層を含む埋め込みトンネル接合層を利用した電流狭窄構造を有するｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
   ｐ型窒化化合物層の上層に前記埋め込みトンネル接合層を積層するステップと、
   前記埋め込みトンネル接合層を、電流が狭窄して流れる領域を残して除去するステップと、
   前記埋め込みトンネル接合層の直下領域を含む前記ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化を行うステップと、
   前記埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く前記ｐ型窒化化合物層をｐ型不活性化するステップと、
   第２のｎ型窒化化合物層を積層し、前記埋め込みトンネル接合層を埋め込むステップとを有し、
   前記ｐ型窒化化合物層のｐ型活性化のステップは、前記埋め込みトンネル接合層の直下領域を含む前記ｐ型窒化化合物層をｐ型活性化する第１の熱アニール処理を含み、
   前記ｐ型窒化化合物層のｐ型不活性化のステップは、前記埋め込みトンネル接合層の直下領域を除く前記ｐ型窒化化合物層をｐ型不活性化する第２の熱アニール処理を含み、
   前記第１の熱アニール処理は前記第２の熱アニール処理に比して、高い処理温度および長い処理時間の条件で行われることを特徴とするｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記埋め込みトンネル接合層の埋め込みのステップでは、雰囲気ガスまたは原料中に水素元素が存在することを特徴とする請求項１に記載のｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。
3. 前記雰囲気ガス中の水素元素は、原料を輸送するキャリアガスとして水素ガスを使用することにより、あるいは前記原料の化学反応で生成されることにより、供給されることを特徴とする請求項２に記載のｎｐｎ型窒化物半導体発光素子の製造方法。

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