(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体または絶縁体基板上に、必要に応じて設けられるバッファ層、窒化物半導体からなるｎ型伝導性を示すｎ層および窒化物半導体からなるｐ型伝導性を示すｐ層を順次形成する第１の工程と、前記ｐ層の一部にイオン注入することにより高抵抗領域を形成して、電流の流れる領域を前記ｐ層の高抵抗領域でない部分に制限する第２の工程とを含むことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の工程で注入されるイオンはケイ素(Si)のイオンであることを特徴とする請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は３族窒化物半導体を用いた発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、青色や短波長領域の発光素子の材料としてＡｌＧａＩｎＮ  系の化合物半導体を用いたものが知られている。その化合物半導体は直接遷移型であることから発光効率が高いこと、光の３原色の１つである青色を発光色とすること等から注目されている。
【０００３】
最近、ＡｌＧａＩｎＮ  系半導体においても、Ｍｇをドープして電子線を照射したり、熱処理によりｐ型化できることが明らかになった。この結果、従来のｎ層と半絶縁層（ｉ層）とを接合させたＭＩＳ  型に換えて、ＡｌＧａＮ  のｐ層と、ＺｎドープのＩｎＧａＮ  の発光層と、ＡｌＧａＮ  のｎ層とを用いたダブルヘテロｐｎ接合を有する発光素子が提案されている。
【０００４】
こうしたダブルヘテロｐｎ接合を有する発光素子において、より高密度の光出力を得るためには、素子に流れる電流を発光層の一部分に集中させることにより、電子とホールの再結合発光を狭い領域に閉じ込め、誘導放出による光の増幅作用を促進させることが有効である。
そこで、従来は図６に示すように、ＡｌＧａＩｎＮ  系半導体上に一定の隙間を残して絶縁膜１２を付け、その上に一方の電極９を形成する方法が用いられている。すなわち、発光層５に対して垂直に流れる電流は、絶縁膜１２の隙間に対応した部分だけに流れるため、誘導放出による光の増幅利得が大きくなり、高密度の光出力が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上記の方法は、ＡｌＧａＩｎＮ  系半導体の層７、６、５で電流が横方向へ拡散してしまうため、電流を発光層５の一部分に、効果的に集中させることができない。したがって、光の増幅利得を下げ、発光素子から得られる光出力の密度が低下することになり、好ましくない。
また、上記の方法では、電極９がＡｌＧａＩｎＮ  系半導体の層７および絶縁膜１２上に形成されるため、電極９の密着性が悪く、電極９のはがれや、絶縁膜１２の段差部分での電極９の切れなどが発生しやすく、信頼性に乏しい。
そこで本発明は、高密度の光出力が得られ、しかも信頼性に優れる、３族窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、半導体または絶縁体基板上に、必要に応じて設けられるバッファ層、窒化物半導体からなるｎ型伝導性を示すｎ層および窒化物半導体からなるｐ型伝導性を示すｐ層を順次形成する第１の工程と、前記ｐ層の一部にイオン注入することにより高抵抗領域を形成して、電流の流れる領域を前記ｐ層の高抵抗領域でない部分に制限する第２の工程とを含むことを特徴とする。請求項２に記載の発明は、第２の工程で注入されるイオンはケイ素(Si)のイオンであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の作用及び効果】
本発明の製造方法により製造された発光素子は、ｐ層内に高抵抗領域が形成されている。高抵抗領域の深さは、ｐ層の厚さより大きくても良く、発光層あるいはｎ層に達していても良い。本発明の製造方法により製造された発光素子では、電流の流れる領域を、この高抵抗領域で制限することにより、一部分に集中させている。本発明の製造方法により製造された発光素子では、電流の横方向への広がりが抑えられるため、誘導放出による光の増幅利得が大きくなり、高密度の光出力が得られる。また絶縁膜が必要なく、電極は平坦なｐ層上に形成されるため、電極の密着性などがよく、信頼性に優れる。
【０００９】
本発明の３族窒化物半導体発光素子の製造方法では、イオン注入による高抵抗領域を形成しているので、発光素子作製過程における温度上昇や、発光素子駆動時の温度上昇あるいは周囲温度の変化などでも、高抵抗領域の電気的特性の変化による光出力密度の低下を引き起こしたりせず、信頼性に優れる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定されるものではない。
本発明の製造方法を用いて、図１に示す構造の発光素子を製造した。
図１において、発光素子１０は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に５００  ÅのＡｌＮ  のバッファ層２が形成されている。そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約２．５  μｍ、電子濃度２  ×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層３、膜厚約０．５  μｍ、電子濃度  ２×１０１８／ｃｍ３のシリコンドープの（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ｎ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層４、膜厚約０．１  μｍの（Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２）ｙ２Ｉｎ１−ｙ２Ｎ  から成る活性層５、膜厚約１．０  μｍ、ホール濃度５  ×１０１７／ｃｍ３のマグネシウムドープの（Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３）ｙ３Ｉｎ１−ｙ３Ｎ  から成るｐ層６、膜厚約０．２  μｍ，  ホール濃度５  ×１０１７／ｃｍ３のマグネシウムドープのＧａＮ  から成るｐ層７が形成されている。さらにｐ層６、７の一部に形成された高抵抗領域８、そして、ｐ層７に接続する金属電極９と高キャリア濃度ｎ＋  層４に接続する金属電極１１とが形成されている。
【００１１】
次に、この構造の発光素子１０の製造方法について説明する。
上記発光素子１０は、有機金属化合物気相成長法（  以下「Ｍ０ＶＰＥ  」と記す）  による気相成長により製造された。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ３  ）とキャリアガス（Ｎ２又はＨ２）とトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＧ  」と記す）  とトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＡ」と記す）  とトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ３）３）（以下「ＴＭＩ  」と記す）  と、シラン（ＳｉＨ４）とジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ２Ｈ５）２）  （以下「ＤＥＺ  」と記す）  シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ５Ｈ５）２）（以下「ＣＰ２Ｍｇ  」と記す）である。
【００１２】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする単結晶のサファイア基板１をＭ０ＶＰＥ  装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ２を流速２  ｌｉｔｅｒ／分で反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１を気相エッチングした。
【００１３】
次に、温度を  ４００℃まで低下させて、Ｈ２を２０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ  を  １．８×１０−５モル／分で供給してＡｌＮ  のバッファ層２が約  ５００Åの厚さに形成された。次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、膜厚約２．５  μｍ、電子濃度  ２×１０１８／ｃｍ３のシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層３を形成した。
【００１４】
以下、発光層５（アクティブ層）及びｐ層（クラッド層）４、６の組成比及び結晶成長条件の実施例を記す。上記の高キャリア濃度ｎ＋  層３を形成した後、続いて、サファイア基板１の温度を８５０  ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を０．４７×１０−４モル／分、ＴＭＩ  を０．１  ×１０−４モル／分、及び、シランを１０×１０−９モル／分を約６０分間導入し、膜厚約０．１  μｍ、濃度１  ×１０１８／ｃｍ３のシリコンドープの（Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３）０．９Ｉｎ０．１Ｎ  から成る高キャリア濃度ｎ＋  層４を形成した。
【００１５】
続いて、温度を８５０  ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．５３×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を０．４７×１０−４モル／分、ＴＭＩ  を０．０２×１０−４モル／分を約７分間導入し、膜厚約０．１  μｍの（Ａｌ０．０９Ｇａ０．９１）０．９９Ｉｎ０．０１Ｎ  から成る発光層５を形成した。
【００１６】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＴＭＡ  を０．４７×１０−４モル／分、ＴＭＩ  を０．１  ×１０−４モル／分、及び、ＣＰ２Ｍｇ  を２  ×１０−４モル／分を約１２０  分間導入し、膜厚約１．０  μｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープの（Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３）０．９Ｉｎ０．１Ｎ  から成るｐ層６を形成した。ｐ層６のマグネシウムの濃度は１  ×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、ｐ層６は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１７】
次に、温度を８５０  ℃に保持し、Ｎ２又はＨ２を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ３  を１０  ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ  を１．１２×１０−４モル／分、ＣＰ２Ｍｇ  を２  ×１０−４モル／分を約３０分間導入し、膜厚約０．２  μｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ  から成るｐ層７を形成した。ｐ層７のマグネシウムの濃度は１  ×１０２０／ｃｍ３である。この状態では、ｐ層７は、まだ、抵抗率１０８  Ωｃｍ以上の絶縁体である。
【００１８】
次に、電子線照射装置を用いて、ｐ層７、ｐ層６、発光層５に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約２０ＫＶ、資料電流１  μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ  、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０  ×１０−５Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、ｐ層７、ｐ層６、発光層５は、それぞれ、ホール濃度  ２×１０１７／ｃｍ３、  ５×１０１７／ｃｍ３、  ５×１０１７／ｃｍ３、抵抗率  ２、０．８  、０．８  Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして、図２に示すような多層構造のウエハが得られた。
【００１９】
以下に述べられる図３から図６は、ウエハ上の１つの素子のみを示す断面図であり、実際は、この素子が連続的に繰り返されたウエハについて、処理が行われ、その後、各素子毎に切断される。
【００２０】
図３に示すように、ｐ層７の上にフォトレジスト１２を塗布した後、フォトリソグラフにより、ｐ層７上において、高抵抗領域８に対応する部位のフォトレジストを除去した。
【００２１】
次に、イオン注入装置を用いて、Ｓｉ＋  イオンを加速エネルギー３１０ＫｅＶ、注入量５．４  ×１０１３ｉｏｎ／ｃｍ２  で注入した。こうして図４に示すように、ｐ層６、７内に高抵抗領域８が形成された。高抵抗領域８におけるＳｉ＋  イオンのピーク値濃度は５  ×１０１８／ｃｍ３、ピーク値深さは約０．２  μｍである。
【００２２】
次に、フォトレジスト１２を除去した後、図５に示すように、電極１１形成部分において、ｐ層７、ｐ層６、発光層５、ｎ＋  層４を、エッチングにより除去した。次に、図１に示すように、ｐ層７の電極９、ｎ＋  層３の電極１１を形成した。
【００２３】
その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され、図１に示す構造の発光素子を得た。この発光素子は駆動電流２０ｍＡで駆動電圧４Ｖであり、発光ピーク波長は３６０ｎｍ  であった。
【００２４】
尚、上記実施例では高抵抗領域８を形成するのにＳｉ＋  イオンを注入したが、その他、Ｎ  ＋  イオンを注入しても良い。
上記実施例の発光素子はレーザダイオードとしたが、発光ダイオードでも良い。発光ダイオードの場合には発光層５にはシリコンと亜鉛とをドープすることで、ドナーとアクセプタレベル間の遷移による青色の発光も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光素子の構成を示した構成図。
【図２】同実施例の発光素子の製造工程を示した断面図。
【図３】同実施例の発光素子の製造工程を示した断面図。
【図４】同実施例の発光素子の製造工程を示した断面図。
【図５】同実施例の発光素子の製造工程を示した断面図。
【図６】従来の発光素子の構成を示した構成図。
【符号の説明】
１０…発光素子
１…サファイア基板
２…バッファ層
３…高キャリア濃度ｎ＋  層
４…高キャリア濃度ｎ＋  層（クラッド層）
５…発光層
６…ｐ層（クラッド層）
７…ｐ層
８…高抵抗領域
９，１１…電極
【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】
0003556343.tif 000006
【図６】
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