JP2008117902A - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライエッチングによるダメージの発生を防止するとともに、ドライエッチングの自由度の大きい窒化物半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体素子１０の製造方法は、第１形成工程と、第２形成工程と、ドライエッチングを行なう工程とを備えている。第１形成工程では、基板１１上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を少なくとも一層含む窒化物半導体層を形成する。第２形成工程では、窒化物半導体層上に、被加工層を形成する。ドライエッチングを行なう工程では、被加工層にドライエッチングを行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体素子の製造方法に関し、詳細にはドライエッチングによるダメージの発生を防止する窒化物半導体素子の製造方法に関するものである。

窒化物半導体は、青色発光の発光ダイオードやレーザダイオードに実用化されるなど、幅広いバンドギャップをもつ発光素子材料として期待されている。このような窒化物半導体素子を製造する場合には、一般的に、その素子の構造やその素子の形状を形成するために、窒化物物半導体層をエッチングにより加工している。

窒化物半導体素子の製造方法としては、ドライエッチングを行なったにも関わらずダメージ層が形成されていない窒化物半導体素子を製造することを目的として、たとえば特開２００５−２１００８９号公報（特許文献１）に窒化物系化合物半導体素子の製造方法が開示されている。特許文献１に開示の窒化物系化合物半導体素子の製造方法では、ドライエッチングで形成されるダメージ層をウエットエッチングで除去する方法が開示されている。この方法では、窒化物半導体は少なくとも１層のアルミニウムを含む層を備えており、ドライエッチングでは、アルミニウムを含む層に対して行なわれる。

また、ＧａＮ系半導体層へのドライエッチング時のダメージの発生を抑制可能なドライエッチング方法を提供することを目的として、特開２００５−３１７６８４号公報（特許文献２）にドライエッチング方法および半導体装置が開示されている。特許文献２では、ドライエッチングのダメージを低減するために、高速の第１プロセスと低速の第２プロセスとの２段階に分けてエッチングを行なう方法が開示されている。
特開２００５−２１００８９号公報 特開２００５−３１７６８４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の窒化物系化合物半導体素子の製造方法では、ダメージ層を除去するためにウエットエッチングを行なっているが、たとえばドライエッチングするアルミニウムを含む層近傍に発光層を備えている場合には、発光層にダメージが入ってしまう。その後、発光層にウエットエッチングを行なうことはできない。

また、上記特許文献２に開示のドライエッチング方法では、エッチング速度を低速としてもダメージを完全に低減できない。

それゆえ本発明の目的は、ドライエッチングによるダメージの発生を防止するとともに、ドライエッチングの自由度の大きい窒化物半導体素子の製造方法を提供することである。

本発明にしたがった窒化物半導体素子の製造方法は、第１形成工程と、第２形成工程と、ドライエッチングを行なう工程とを備えている。第１形成工程では、基板上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を少なくとも一層含む窒化物半導体層を形成する。第２形成工程では、窒化物半導体層上に、被加工層を形成する。ドライエッチングを行なう工程では、被加工層にドライエッチングを行なう。なお、上記「Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層」のｘは、０＜ｘ＜１という条件を満たす。

本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のＡｌとＮとの結合が強いことから、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層がドライエッチングの保護層となり、ドライエッチングを行なう工程を実施しても、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層より下層への欠陥の導入が抑制されて、ダメージを低減できる。そのため、ダメージを受けることを防止することが必要とされる層の上にＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を配置することにより、ドライエッチングによるダメージの発生を防止するとともに、ドライエッチングの自由度の大きい窒化物半導体素子を製造できる。

上記窒化物半導体素子の製造方法において好ましくは、ドライエッチングを行なう工程は、被加工層を部分的に除去することによりフォトニック結晶構造とする工程を含んでいる。

これにより、フォトニック結晶構造を有する窒化物半導体素子をＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層より下層へのドライエッチングによるダメージの発生を防止して製造することができる。

上記窒化物半導体素子の製造方法において好ましくは、被加工層が絶縁体または窒化物半導体からなる。これにより、優れた特性の窒化物半導体素子を製造できる。

上記窒化物半導体素子の製造方法において好ましくは、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のアルミニウムの組成ｘが０．０５以上０．４０以下である。

ｘを０．０５以上とすることによって、ＡｌとＮとのボンドがより強くなり、下層へのダメージを低減できる。一方、ｘを０．４０以下とすることによって、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の結晶品質を良好に維持できる。

上記窒化物半導体素子の製造方法において好ましくは、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の厚みは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。厚みを５ｎｍ以上とすることによって、ＡｌとＮとのボンドの強さを効果的にして、下層へのダメージを低減できる。５０ｎｍ以下とすることによって、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の結晶品質を良好に維持できる。

上記窒化物半導体素子の製造方法において好ましくは、第１形成工程では、基板とＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層との間に量子井戸構造からなる発光層を形成する工程を含んでいる。

発光層がＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の下層に配置されているので、ドライエッチングを行なう工程の実施により生じる発光層へのダメージを防ぐことができる。

このように、本発明によれば、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層がドライエッチングの保護層となるので、ドライエッチングによるダメージの発生を防止するとともに、ドライエッチングの自由度の大きい窒化物半導体素子を製造できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体素子を示す断面図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における窒化物半導体素子について説明する。実施の形態１における窒化物半導体素子１０は、基板１１と、基板１１上に形成されるＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を少なくとも一層含む窒化物半導体層１０Ａと、窒化物半導体層１０Ａ上に形成される被加工層とを備えている。窒化物半導体素子１０は、たとえばフォトニック結晶を共振器とした面発光レーザである。なお、フォトニック結晶とは、屈折率が異なる２の物質が、光の波長程度の周期で規則正しく繰り返し並んだ固体である。

具体的には、図１に示すように、実施の形態１における窒化物半導体素子１０は、基板１１と、ｎ型層１２と、発光層１３と、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４と、フォトニック結晶層１５と、ｎ型電極１６と、ｐ型電極１７とを備えている。実施の形態１では、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を少なくとも一層含む窒化物半導体層１０Ａは、ｎ型層１２と、発光層１３と、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４とを備えている。被加工層は、フォトニック結晶層１５の柱部１５ａである。Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の下に配置されている発光層１３などの層は、欠陥の導入が抑制されている。

基板１１は、たとえばＧａＮからなり、厚みはたとえば１００〜５００μｍである。
ｎ型層１２は、基板１１上に形成されている。ｎ型層１２は、１または複数の層からなる。ｎ型層１２は、たとえばｎ型クラッド層であり、厚みはたとえば０．５〜３μｍである。

発光層１３は、ｎ型層１２上に形成されている。発光層１３の厚みは、たとえば０．０３〜０．１５μｍである。発光層１３は、量子井戸構造からなることが好ましい。発光層１３は、たとえばＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造により構成されている。なお、発光層１３は、単一の半導体材料よりなっていてもよい。発光層１３は、フォトニック結晶層１５に沿って設けられ所定の方向に伸びる複数の量子細線として形成でき、また、フォトニック結晶層１５に沿って設けられ複数の量子箱として形成される。各量子細線は、その長手方向と直交する２方向に関して電子のエネルギー準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。また、各量子箱は、互いに直交する３方向に関して電子のエネルギー準位が離散的になるような寸法（たとえば数十ｎｍ程度）を有する。このような量子構造を備えると状態密度が大きくなるので、発光効率が高められると共に、発光スペクトルが先鋭化される。

Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４は、発光層１３の最上部の表面と接するように発光層１３上に形成されている。Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の厚みは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４のアルミニウムの組成ｘは、０．０５以上０．４０以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．０８以上０．１８以下である。Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４は、たとえばｐ型電子ブロック層である。

フォトニック結晶層１５は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４と接するように形成されており、柱部１５ａと、ｐ型層１５ｂとを含んでいる。柱部１５ａは、たとえば絶縁体であるＳｉＯ₂からなる。ｐ型層１５ｂは、たとえばｐ型ＧａＮからなる。フォトニック結晶層１５の厚み（ｐ型層１５ｂの厚み）は、０．２〜０．８μｍであり、柱部１５ａの厚みは０．０３〜０．２μｍである。

フォトニック結晶層１５において、柱部１５ａの屈折率（たとえばＳｉＯ₂の場合１．５）は低屈折率であり、ｐ型層１５ｂの屈折率（たとえばＧａＮの場合２．５４）は柱部１５ａの屈折率よりも高い。このように屈折率の差をとると、ｐ型層１５ｂの屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。なお、フォトニック結晶層１５は、屈折率が異なっていれば特にこれに限定されない。

ｎ型電極１６は、基板１１の裏面に形成されている。ｐ型電極１７は、フォトニック結晶層１５の表面上に形成されている。ｎ型電極１６は、たとえばＴｉ（チタン）／Ａｌ（アルミニウム）など、ｐ型電極１７は、たとえばＮｉ（ニッケル／Ａｕ（金）などよりなっている。

次に、図２〜図７を参照して、本発明の実施の形態１における窒化物半導体素子１０の製造方法について説明する。なお、図２は、本発明の実施の形態１における窒化物半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態１における第１形成工程を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態１における第２形成工程を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態１におけるドライエッチングを行なう工程を示す断面図である。図６は、本発明の実施の形態１におけるドライエッチングを行なう工程を実施した後の状態を示す断面図である。図７は、本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層を形成した状態を示す断面図である。

図２に示すように、まず、基板１１上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を少なくとも一層含む窒化物半導体層１０Ａを形成する第１形成工程（Ｓ１０）を実施する。第１形成工程（Ｓ１０）では、まず、基板１１上を準備する。そして、基板１１上にｎ型層１２をたとえばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長）法によりエピタキシャル成長させる。そして、ｎ型層１２上に発光層１３を、たとえばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。そして、発光層１３上にＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を、たとえばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。なお、窒化物半導体とは、たとえばＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＴＩＮなどのＩＩＩ族原子とＶ族である窒素との化合物である。

第１形成工程（Ｓ１０）では、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４のアルミニウムの組成ｘが０．０５以上０．４０以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．０８以上０．１８以下である。ｘを０．０５以上とすることによって、ＡｌとＮとのボンドがより強くなり、後述するドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）による下層（発光層１３など）へのダメージをより低減できる。ｘを０．０８以上とすることによって、下層へのダメージをより一層低減できる。一方、ｘを０．４０以下とすることによって、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の結晶品質を良好に維持でき、ＡｌＧａＮの大きなバンドギャップを考慮しても電気抵抗が高くなりすぎず、キャリア濃度を増加させて発光層１３へのキャリア注入効率を良好に保つことができる。ｘを０．１８以下とすることによって、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の結晶品質をより良好に維持できる。

また、第１形成工程（Ｓ１０）では、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の厚みは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。厚みを５ｎｍ以上とすることによって、ＡｌとＮとのボンドの強さを効果的にして、下層へのダメージを低減できる。厚みを５０ｎｍ以下とすることによって、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の電気特性を良好に維持できるなど結晶品質を良好に維持できるとともに、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の成長時間を短くでき、発光層１３の劣化を防止できる。なお、下層へのダメージを低減できるとともに結晶品質を良好に維持できる観点から、厚みは２０ｎｍが最も好ましい。

第１形成工程（Ｓ１０）では、基板１１とＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４との間に量子井戸構造からなる発光層１３を形成する工程を含んでいることが好ましい。発光層１３がＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の下層に配置されているので、後述するドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施することによる発光層１３へのダメージを防ぐことができる。

次に、図４に示すように、窒化物半導体層１０Ａ上に、被加工層１５Ａを形成する第２形成工程（Ｓ２０）を実施する。実施の形態１では、第２形成工程（Ｓ２０）は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４上に絶縁層である被加工層１５Ａを、たとえばＣＶＤ法で成膜する。絶縁層は、たとえばＳｉＯ₂からなる。

次に、被加工層１５Ａにドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施する。ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）では、マスク層１８を形成する工程（Ｓ３１）と、露光を行なう工程（Ｓ３２）と、現像を行なう工程（Ｓ３３）と、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３４）とを実施する。工程（Ｓ３０）を実施することにより、フォトニック結晶層１５の柱部１５ａを形成できる。具体的には、以下のような処理を行なう。

まず、図５に示すように、被加工層１５Ａ上にマスク層を形成する工程（Ｓ３１）を実施する。この工程（Ｓ３１）では、マスク層としては、たとえば、ＥＢ（電子ビーム）露光用レジスト（日本ゼオン（株）製 ＺＥＰ５２０）を用いる。なお、この工程（Ｓ３１）では、マスク層としてＥＢ露光用レジストを用いているが、特にこれに限定されない。たとえば、ＳｉＮなどの絶縁膜などにＥＢ描写パターンをエッチング転写してマスクとすることもできる。また、多層のマスクを用いることもできる。

次に、露光を行なう工程（Ｓ３２）を実施する。露光は、たとえば、ＥＢ（電子ビーム）露光によって被加工層１５Ａ上に塗布された露光用レジストに直接レジストマスクパターンを描写する。このレジストマスクパターンは所定形状とし、実施の形態１では、たとえば略同一形状で一定の方向に整列した円形としている。

次いで、現像を行なう工程（Ｓ３３）を実施する。この工程（Ｓ３３）では、ＥＢで露光された部分を溶かす。実施の形態１では、上記レジストマスクの形状から、略同一で一定の方向に整列した平面形状が円形の複数の柱を有するマスク層が形成されている。

次いで、図５に示すように、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３４）を実施する。この工程（Ｓ３４）は被加工層１５Ａを部分的に除去することによりフォトニック結晶構造とする工程を含んでいる。工程（Ｓ３４）では、たとえば、Ｃｌ（塩素）系ガスまたはＨＩ（ヨウ化水素酸）系ガスの雰囲気下で上述したマスク層をマスクとして、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：反応性イオンエッチング）を行なう。実施の形態１のように被加工層１５Ａが絶縁体からなる場合には、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、およびＣ₂Ｆ₆などのフッ素系ガスを用いてドライエッチングすることが好ましい。

なお、工程（Ｓ２４）は、ドライエッチングを行なうことができればＲＩＥに特に限定されず、たとえば、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）などのドライエッチングを行なってもよい。

工程（Ｓ２４）では、円形の柱が形成されたマスク層により、マスク層に覆われていない部分においてエッチングが進行し、図６に示すように、略同一で一定の方向に整列した円柱１５ａを形成できる。

ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）でドライエッチングを行なうと、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４は発光層１３などの下層へのダメージを防止する保護層の役割を果たすとともに、実施の形態１ではエッチングストップ層としての役割を果たしている。

次に、フォトニック結晶層１５を形成する工程を実施する。この工程では、たとえば通常のＧａＮのエピタキシャル成長の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件、すなわち、たとえばアンモニアガスが多い条件で、エピタキシャル成長させる。すると、柱部１５ａの上部や側面からはエピタキシャル成長せず、露出しているＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４の表面からのみｐ型層１５ｂが選択的にエピタキシャル成長する。これにより、図７に示すように、柱部１５ａの間の空間をｐ型層１５ｂで埋めた構造のフォトニック結晶層１５が得られる。なお、発光層１３がドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）によるダメージをあまり受けないので、ウエットエッチングを行なう必要がなく、柱部１５ａの内部にｐ型層１５ｂを埋め込み再成長を行なうことができる。

次に、ｎ型電極１６およびｐ型電極１７を形成する工程を実施する。この工程では、ｎ型電極１６を基板１１におけるｎ型層１２が形成された面と反対の面（裏面）上に、ｐ型電極１７をフォトニック結晶層１５上に、たとえばＥＢ蒸着法などにより形成する。

以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）を実施することにより、図１に示すような実施の形態１における窒化物半導体素子１０を製造できる。

次に、実施の形態１における窒化物半導体素子１０の発光方法について説明する。ｐ型電極１７に正電圧を印加すると、発光層１３へ正孔が注入され、ｎ型層１２から発光層１３へ電子が注入される。発光層１３へ正孔および電子（キャリア）が注入されると、キャリアの再結合が起こり、光が発生される。発生される光の波長は、発光層１３が備える半導体層のバンドギャップによって規定される。

発光層１３において発生された光は、ｎ型層１２およびＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４によって発光層１３内に閉じ込められるが、一部の光はエバネッセント光としてフォトニック結晶層１５に到達する。フォトニック結晶層１５に到達したエバネッセント光の波長と、フォトニック結晶層１５が有する所定の周期とが一致する場合には、その周期に対応する波長において光は回折を繰り返し、定在波が発生し、位相条件が規定される。フォトニック結晶層１５によって位相が規定された光は、発光層１３内の光にフィードバックされ、やはり定在波を発生させる。この定在波は、フォトニック結晶層１５において規定される光の波長および位相条件を満足している。

このような現象は、発光層１３およびフォトニック結晶層１５が２次元的に広がりをもって形成されているので、ｐ型電極１７を中心にした領域およびその付近において生じうる。十分な量の光がこの状態に蓄積された場合、波長および位相条件の揃った光が、フォトニック結晶層１５の主面に垂直な方向（たとえば図１における上下方向）、つまり光放出面から誘導放出される。

以上説明したように、本発明の実施の形態１における窒化物半導体素子１０の製造方法によれば、基板上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を少なくとも一層含む窒化物半導体層１０Ａを形成する第１形成工程（Ｓ１０）と、窒化物半導体層１０Ａ上に、被加工層１５Ａを形成する第２形成工程（Ｓ２０）と、被加工層１５Ａにドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）とを備えている。ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施すると、一般的にはイオン衝撃による結晶の乱れにより活性層などの他の層がダメージを受ける。実施の形態１では、ＡｌとＮとの結合が強いＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を備えていることから、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層がドライエッチングの保護層となり、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施しても、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４より下層に配置されている発光層１３への結晶欠陥の導入が抑制されて、ダメージを低減できる。そのため、発光層１３は、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）による発光効率の劣化を抑制できる。よって、ダメージを受けることを防止したい発光層１３などの層の上にＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を配置することにより、発光層１３などの層の近傍の層にドライエッチングを行なっても、ドライエッチングによるダメージの発生を防止することができる。

また、基板１１とＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４との間に量子井戸構造からなる発光層１３を形成する工程を備えることにより、発光層１３の上にＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を配置すれば、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）において、任意のドライエッチングを実施しても、ドライエッチングによるダメージを発光層１３は受けにくい。そのため、被加工層１５Ａをたとえばフォトニック結晶構造など加工する形状を良好にする条件を選択して、ドライエッチングを行なうことができる。よって、ドライエッチングの自由度の大きい窒化物半導体素子１０を製造できる。

（実施の形態２）
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２における窒化物半導体素子２０について説明する。なお、図８は、本発明の実施の形態２における窒化物半導体素子を示す断面図である。

実施の形態２における窒化物半導体素子２０は、基本的には実施の形態１における窒化物半導体素子１０と同様の構成を備えるが、フォトニック結晶層の構成についてのみ図１に示す窒化物半導体素子１０と異なる。

詳細には、図８に示すように、窒化物半導体素子２０は、基板１１と、ｎ型層１２と、発光層１３と、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４と、フォトニック結晶層２５とを備えている。

フォトニック結晶層２５は、ｐ型層２５ａと、孔部２５ｂとを含んでいる。ｐ型層２５ａは、たとえばｐ型ＧａＮからなる。孔部２５ｂは、たとえば空気からなる。フォトニック結晶層２５において、ｐ型層２５ａは第１の屈折率（ＧａＮの場合２．５４）を有し、孔部２５ｂは第２の屈折率（空気の場合１）を有する。なお、孔部２５ｂにはｐ型層２５ａと異なる物質を埋め込むこともできる。実施の形態２は、第１の屈折率と第２の屈折率との差を大きくとるために、孔部２５ｂには何も埋め込まない状態（気体、たとえば空気が存在する状態）としている。このように屈折率の差を大きくとると、第１の屈折率の媒質内に光を閉じ込めることができる。なお、孔部２５ｂを充填する材料としてはｐ型層２５ａと孔部２５ｂとの屈折率が異なっていれば特にこれに限定されない。

次に、図２、図３、および図８〜１２を参照して、実施の形態２における窒化物半導体素子２０の製造方法について説明する。実施の形態２における窒化物半導体素子２０の製造方法は、実施の形態１における窒化物半導体素子１０の製造方法と基本的には同様であるが、第２形成工程（Ｓ２０）およびフォトニック結晶層を形成する工程においてのみ異なる。なお、図９は、本発明の実施の形態２における第２形成工程を示す断面図である。図１０は、本発明の実施の形態２におけるドライエッチングを行なう工程を示す断面図である。図１１は、本発明の実施の形態２におけるドライエッチングを行なう工程を実施した後の状態を示す断面図である。図１２は、本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶層を形成した状態を示す断面図である。

詳細には、図２に示すように、基板１１上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を少なくとも一層含む窒化物半導体層１０Ａを形成する第１形成工程（Ｓ１０）を実施する。第１形成工程（Ｓ１０）は、実施の形態１の第１形成工程（Ｓ１０）と同様であるので、その説明は繰り返さない。

次に、図９に示すように、窒化物半導体層１０Ａ上に、被加工層２５Ａを形成する第２形成工程（Ｓ２０）を実施する。第２形成工程（Ｓ２０）では、窒化物半導体からなる被加工層２５Ａを形成する点においてのみ、実施の形態１における第２形成工程（Ｓ２０）と異なる。窒化物半導体からなる被加工層２５Ａは、たとえばＭＯＣＶＤ法でＧａＮからなる層を形成する。

次に、被加工層２５Ａにドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施する。この工程（Ｓ３０）は、実施の形態１の被加工層１５Ａにドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）と同様である。詳細には、図５に示すように、マスク層１８を形成する工程（Ｓ３１）と、露光を行なう工程（Ｓ３２）と、現像を行なう工程（Ｓ３３）と、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３４）とを実施する。工程（Ｓ３０）を実施することにより、図１１に示すように、被加工層２５Ａを部分的に除去して、ドライエッチングされない部分である柱部２５Ａ１を形成できる。

実施の形態２では、被加工層２５Ａは窒化物半導体からなるため、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃などの塩素系ガスで行なうことが好ましい。なお、実施の形態１では被加工層１５Ａは絶縁体からなり、実施の形態２では被加工層２５Ａは窒化物半導体からなるが、特にこれに限定されない。

なお、実施の形態２のドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）は実施の形態１のドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）と同様に、ドライエッチングを行なう際に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４は発光層１３などの下層へのダメージを防止する保護層の役割を果たすとともに、実施の形態１ではエッチングストップ層としての役割を果たしている。

次に、フォトニック結晶層２５を形成する工程を実施する。この工程では、たとえば通常のＧａＮのエピタキシャル成長の条件よりもＶ族原料ガス／ＩＩＩ族原料ガスの比の高い条件、すなわち、たとえばアンモニアガスが多い条件で、エピタキシャル成長させる。すると、孔部２５ｂの内周面からはエピタキシャル成長せず、露出している柱部２５Ａ１の上部表面からのみｐ型層２５ａが選択的にエピタキシャル成長する。これにより、図１２に示すように、孔部２５ｂの形状を維持したままｐ型層２５ａを柱部２５Ａ１および孔部２５ｂの上にｐ型層２５ａを形成し、柱部２５Ａ１からのびてｐ型層２５ａと一体となる構造のフォトニック結晶層２５が得られる。

次に、実施の形態１と同様に、ｎ型電極１６およびｐ型電極１７を形成する工程を実施する。以上の工程（Ｓ１０〜Ｓ３０）を実施することにより、実施の形態２における窒化物半導体素子２０を形成できる。

実施の形態２における窒化物半導体素子２０の発光方法は、実施の形態１における窒化物半導体素子１０の発光方法と同様であるので、その説明は繰り返さない。

以上説明したように、本発明の実施の形態２における窒化物半導体素子２０の製造方法によれば、基板１１上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４を少なくとも一層含む窒化物半導体層を形成する第１形成工程（Ｓ１０）と、窒化物半導体層上に、絶縁体からなる被加工層２５Ａを形成する第２形成工程（Ｓ２０）と、被加工層２５Ａにドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）とを備えている。被加工層２５Ａが絶縁体からなる場合であっても、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４のＡｌとＮとの結合が強いことから、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層がドライエッチングの保護層となり、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施しても、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層１４より下層に配置されている発光層１３への欠陥の導入が抑制されて、ダメージを低減できる。そのため、ドライエッチングによるダメージの発生を防止するとともに、ドライエッチングの自由度の大きい窒化物半導体素子２０を製造できる。

［実施例１］
実施例１では、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層がドライエッチングによりダメージを防止する効果について確認した。以下、本発明例１，２、および比較例１の窒化物半導体素子の製造方法について説明する。

（本発明例１の窒化物半導体素子の製造方法）
まず、基板３１上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を少なくとも一層含む窒化物半導体層を形成する第１形成工程（Ｓ１０）を実施した。第１形成工程（Ｓ１０）では、まず、厚みが４００μｍでありサファイヤからなる基板３１を準備した。そして基板３１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮを成長させ、Ｓｉを不純物として混入してｎ型とし、厚みが４．４μｍのｎ型ＧａＮ層３２を形成した。そしてｎ型ＧａＮ層３２上に、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮを成長させ、Ｓｉを不純物として混入してｎ型とし、ｘが０．０７となるようにｎ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３３を形成した。また、ｎ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３３の厚みは６００ｎｍとなるように形成した。そしてｎ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３３上に、ＭＯＣＶＤ法により発光層３４を形成した。発光層３４は、厚みが１５ｎｍでＩｎ_0.01ＧａＮからなるバリア層３４ａと、厚みが３ｎｍでＩｎ_0.07ＧａＮからなる井戸層３４ｂとを交互に積層し、厚みが６９ｎｍの３周期の多量子井戸構造とした。そして発光層３４上に、ＭＯＣＶＤ法により厚みが１０ｎｍのＧａＮからなるアンドープＧａＮ層３５を形成した。そしてアンドープＧａＮ層３５上に、ＭＯＣＶＤ法によりＡｌＧａＮを成長させ、Ｍｇを不純物として混入してｐ型とし、をｘが０．０８となるようにｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６を形成した。ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６は、厚みが２０ｎｍとなるように形成した。

次に、窒化物半導体層上に、被加工層を形成する第２形成工程（Ｓ２０）を実施した。第２形成工程（Ｓ２０）では、ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮを成長させ、Ｍｇを不純物として混入してｐ型とし、ｐ型ＧａＮ層３７を形成した。

次に、被加工層であるｐ型ＧａＮ層３７にドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）を実施した。この工程（Ｓ３０）では、ＩＣＰにより、流量が５０ｓｃｃｍのＣＦ₄をエッチングガスとし、２０Ｗおよび５０Ｗのバイアスパワーで、プラズマ曝露時間を１５秒として行なった。これにより、図１３に示す窒化物半導体素子３０を製造した。なお、図１３は、本発明の実施例１における窒化物半導体素子３０の断面図である。

なお、実施例１のドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）で用いたエッチングガスは、一般的にＳｉＯ₂からなる絶縁層をエッチングするためのガスを用いた。そのため、工程（Ｓ３０）では、被加工層であるｐ型ＧａＮ層３７において、ドライエッチングはほとんど進行しなかった。

（本発明例２の窒化物半導体素子の製造方法）
本発明例２の窒化物半導体素子の製造方法は、基本的には本発明例１の窒化物半導体素子の製造方法と同様の構成を備えるが、第１形成工程（Ｓ１０）においてｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘを０．１８として、窒化物半導体素子を製造した点においてのみ異なる。

（比較例１の窒化物半導体素子の製造方法）
比較例１の窒化物半導体素子の製造方法は、基本的には本発明例１の窒化物半導体素子の製造方法と同様の構成を備えるが、第１形成工程（Ｓ１０）においてｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘを０（ｐ型ＧａＮ層）として、窒化物半導体素子を製造した点においてのみ異なる。

（評価方法）
本発明例１，２、および比較例１の窒化物半導体素子についてそれぞれＰＬ強度変化率を測定した。ＰＬ強度変化率は、ドライエッチングを行なう前後において、ウエハから切り出した約５ｍｍ角のサンプルの中央付近にななめ方向から励起用レーザを入射させ、ＰＬ強度を測定した。そして、ドライエッチング後のＰＬ強度の値をドライエッチング前のＰＬ強度の値で割った値をＰＬ強度変化率とした。その結果を図１４に示す。図１４は、本発明の実施例１におけるＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のアルミニウムの割合に対するドライエッチングによるダメージを示す図である。図１４中、縦軸はＰＬ強度変化率（単位：なし）を示し、横軸はｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６におけるＡｌの組成ｘを示す。なお、ＰＬ強度は、発光再結合率と禁制帯内準位を介した非発光再結合率との競合の結果定まる値であり、ＰＬ強度変化率は、その値が１に近いほど、ダメージを受けていないことを示す。

（評価結果）
図１４に示すように、本発明例１，２では、被加工層であるｐ型ＧａＮ層３７にドライエッチングを行なっても、ドライエッチングの前後でのＰＬ強度の変化が少なく、ダメージが抑制されていることが分かった。特にｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘが０．０８以上である本発明例１，２については、ＰＬ強度変化率が１となり、ドライエッチングによるダメージを非常に抑制できることがわかった。

一方、ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６の代わりにＡｌを含まないＧａＮ層とした比較例１は、バイアスパワーが２０Ｗで約４割、バイアスパワーが５０Ｗで約２割まで、ＰＬ強度が低下した。これはドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）でプラズマ曝露によるイオン衝撃で発光層中に欠陥が導入されたためと考えられる。

以上説明したように、本発明の実施例１によれば、第１形成工程（Ｓ１０）で形成されるｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６は保護層として機能するため、その下層に配置される発光層３４などに与えられるダメージを抑制できることが確認できた。

［実施例２］
実施例２では、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層がドライエッチングによりダメージを防止することの効果についてさらに確認した。

（本発明例３の窒化物半導体素子の製造方法）
本発明例３の窒化物半導体素子の製造方法は、基本的には本発明例１の窒化物半導体素子３０の製造方法と同様であるが、ドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）においてのみ異なる。

具体的には、本発明例３における第１形成工程（Ｓ１０）では、ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘは、０．０８とした。また、被加工層であるｐ型ＧａＮ層３７にドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）では、エッチングガスとしてＣｌ₂を、流量が２５ｓｃｃｍで、５０Ｗのバイアスパワーで、プラズマ曝露時間を２０秒として、ＩＣＰにより行なった。

（本発明例４の窒化物半導体素子の製造方法）
本発明例４の窒化物半導体素子の製造方法は、基本的には本発明例３の窒化物半導体素子の製造方法と同様の構成を備えるが、第１形成工程（Ｓ１０）においてｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘを０．１８とした点のみ異なる。

（比較例２の窒化物半導体素子の製造方法）
比較例２の窒化物半導体素子の製造方法は、基本的には本発明例３の窒化物半導体素子の製造方法と同様の構成を備えるが、第１形成工程（Ｓ１０）においてｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘを０（ｐ型ＧａＮ層）とした点においてのみ異なる。

（評価方法）
本発明例３，４、および比較例２の窒化物半導体素子の製造方法により製造された窒化物半導体素子について、実施例１と同様にＰＬ強度変化率を測定した。その結果を図１５に示す。図１５は、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のアルミニウムの組成に対するドライエッチングによるダメージを示す図である。図１５中、縦軸はＰＬ強度変化率（単位：なし）を示し、横軸はｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６におけるＡｌの組成ｘを示す。

（評価結果）
図１５に示すように、被加工層であるｐ型ＧａＮ層３７にドライエッチングを行なっても、ドライエッチングの前後でのＰＬ強度の変化が少なく、ダメージが抑制されていることが分かった。特にｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘが０．０８以上である本発明例３，４については、ＰＬ強度変化率が０．７以上となり、ドライエッチングによるダメージを非常に抑制できることがわかった。また、ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６のＡｌの組成ｘが大きくなるほどＰＬ強度変化率は大きくなることがわかった。

一方、ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６の代わりにＡｌを含まないＧａＮ層とした比較例２は、約２割までＰＬ強度が低下した。これはドライエッチングを行なう工程（Ｓ３０）でプラズマ曝露によるイオン衝撃で発光層中に欠陥が導入されたためと考えられる。

以上説明したように、本発明の実施例２によれば、第１形成工程（Ｓ１０）で形成されるｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層３６は保護層として機能するため、その下層に配置される発光層３４などに与えられるダメージを抑制できることが確認できた。また、実施例１および実施例２によれば、第１形成工程（Ｓ１０）でＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を含むことによって、ドライエッチングの条件に関わらず、ダメージを低減できるため、ドライエッチングの自由度が大きいことが確認できた。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態における窒化物半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における窒化物半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１における第１形成工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１における第２形成工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるドライエッチングを行なう工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるエッチングを行なう工程を実施した後の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるフォトニック結晶層を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における窒化物半導体素子を示す断面図である。 本発明の実施の形態２における第２形成工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるドライエッチングを行なう工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるドライエッチングを行なう工程を実施した後の状態を示す断面図である。 本発明の実施の形態２におけるフォトニック結晶層を形成した状態を示す断面図である。 本発明の実施例１における窒化物半導体素子の断面図である。 本発明の実施例１におけるＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のアルミニウムの組成に対するドライエッチングによるダメージを示す図である。 本発明の実施例２におけるＡｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のアルミニウムの組成に対するドライエッチングによるダメージを示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０ 窒化物半導体素子、１０Ａ 窒化物半導体層、１１，３１ 基板、１２ ｎ型層、１３，３４ 発光層、１４ Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層、１５，２５ フォトニック結晶層、１５Ａ，２５Ａ 被加工層、１５ａ，２５Ａ１ 柱部、１５ｂ，２５ａ ｐ型層、１６ ｐ型電極、１７ ｎ型電極、１８ マスク層、２５ｂ 孔部、３２ ｎ型ＧａＮ層、３３ ｎ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層、３４ａ バリア層、３４ｂ 井戸層、３５ アンドープＧａＮ層、３６ ｐ型Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層、３７ ｐ型ＧａＮ層。

Claims (6)

1. 基板上に、Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層を少なくとも一層含む窒化物半導体層を形成する第１形成工程と、
   前記窒化物半導体層上に、被加工層を形成する第２形成工程と、
   前記被加工層にドライエッチングを行なう工程とを備える、窒化物半導体素子の製造方法。
2. 前記ドライエッチングを行なう工程は、前記被加工層を部分的に除去することによりフォトニック結晶構造とする工程を含む、請求項１に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
3. 前記被加工層が絶縁体または窒化物半導体からなる、請求項１または２に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
4. 前記Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層のアルミニウムの組成ｘが０．０５以上０．４０以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
5. 前記Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層の厚みは５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。
6. 前記第１形成工程では、前記基板と前記Ａｌ_xＧａ_(1-x)Ｎ層との間に量子井戸構造からなる発光層を形成する工程を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化物半導体素子の製造方法。

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