(57)【要約】  【課題】  Ｃ面ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体特有のピエゾ電界を解消し、発光効率の向上を図ることができるとともに、発光波長のシフトを防止することができる半導体発光素子の製造方法を提供する。  【解決手段】  基板１１上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１２を成長させ、これをストライプ形状にパターニングする。この第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１２をシードとし、５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１３を横方向成長させ、その上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１４を成長させる。その上に活性層１５および第２導電型の第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１６を順次成長させ、発光ダイオード構造を形成する。【選択図】        図３
2006186257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる前に上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をストライプ形状にパターニングする工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１００以上５０００以下で圧力が５０ｋＰａ以下の条件で横方向成長させることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
上記第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高く圧力が５ｋＰａ以上の条件で成長させることを特徴とする請求項１または３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
上記第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２導電型の第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させる工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の面方位がＡ面であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させた後、上記第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる前に、上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長マスクを形成し、この成長マスクにより覆われていない部分の上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第５のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる前に上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をストライプ形状にパターニングする工程をさらに有し、上記成長マスクが、上記ストライプ形状にパターニングされた上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と平行に形成されていることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる前に上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をストライプ形状にパターニングする工程をさらに有し、上記成長マスクが、上記ストライプ形状にパターニングされた上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と垂直方向に形成されていることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる前に上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をストライプ形状にパターニングする工程をさらに有し、上記成長マスクが、上記ストライプ形状にパターニングされた上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に対して３０〜４５°傾斜した方向に形成されていることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
上記基板がＲ面方位のサファイア基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする集積型半導体発光装置の製造方法。
【請求項１３】
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法。
【請求項１４】
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする照明装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体発光素子の製造方法、集積型半導体発光装置の製造方法、画像表示装置の製造方法および照明装置の製造方法に関し、特に、ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた発光ダイオードに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮ系発光ダイオードは、Ｃ面サファイア基板上に面方位がＣ面のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を成長させることにより製造するものが主流である。
なお、特許文献１には、表面を凹凸状に加工したサファイア基板上にＶ／ＩＩＩ比を１０００以下としてＩＩＩ族原料を供給しＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた後、ＩＩＩ族原料と窒素原料とを用いてＩＩＩ族窒化物半導体結晶を気相成長させる方法が提案されている。また、特許文献２には、平坦なサファイア基板上にＶ／ＩＩＩ比を１０００以下としてＩＩＩ族原料を供給しＩＩＩ族窒化物半導体を成長させた後、ＩＩＩ族原料と窒素原料とを用いてＩＩＩ族窒化物半導体結晶を気相成長させる方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−９６０２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、本発明者らの検討によれば、Ｃ面方位にＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた従来のＧａＮ系発光ダイオードは、Ｃ面ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体特有のピエゾ電界が存在するため、これが発光効率の低下をもたらしたり、活性層の設計により決まる発光波長がシフトしたりするなどの問題があった。
【０００４】
そこで、この発明が解決しようとする課題は、Ｃ面ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体特有のピエゾ電界を解消し、発光効率の向上を図ることができるとともに、発光波長のシフトを防止することができる半導体発光素子の製造方法、集積型半導体発光装置の製造方法、画像表示装置の製造方法および照明装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、以下のことを見出した。すなわち、Ａ面成長によりＣ面ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に特有のピエゾ電界を解消することができ、それによって発光効率や発光波長のシフトなどを大幅に改善することができる。また、Ａ面成長は例えばサファイア基板Ｒ面に行うことができるが、その成長層は一般に極めて欠陥が多く、表面も凹凸となるため、そのままその上に活性層などのＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させると表面の凹凸がさらに拡大し、発光も極めて弱くなる。Ａ面成長を保って横方向成長を行うためには、圧力を５０ｋＰａ以下とする必要があるが、この条件で成長させたＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＮは黄色の発光が多く、バンド端発光が非常に弱い。また、ドーピングを行っても高いキャリア濃度が得られにくい。反面、Ａ面成長は起こりやすい。しかしながら、本発明者らは、欠陥のないＡ面上であれば、上記の成長条件でなくても平坦面で成長することを見出した。そして、この知見に基づいて、Ａ面上にまず、圧力を５０ｋＰａ以下として、あらかじめ形成したＡ面方位のシーズを用いてＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させ、次いでその上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００よりも高くしてＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させるという二段階の工程を用いることにより、Ａ面かつ高品質のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を得ることができることがわかった。
この発明は、以上の検討に基づいて案出されたものである。
【０００６】
すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
【０００７】
典型的には、第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させた後、第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる前に第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をストライプ形状にパターニングする工程をさらに有し、この場合には、このストライプ形状にパターニングされた第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとして第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる。第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる際の圧力は、５０ｋＰａ以下の範囲で必要に応じて選ばれるが、０ｋＰａ以上あるいは１ｋＰａ以上、典型的には３０ｋＰａ以下であり、成長原料のＶ／ＩＩＩ比は必要に応じて選ばれるが、例えば、１００以上５０００以下あるいは１００以上４０００以下あるいは１００以上１０００以下である。第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる際の成長原料のＶ／ＩＩＩ比は、１０００よりも高い範囲で必要に応じて選ばれるが、一般的には２０００００以下に選ばれ、圧力は必要に応じて選ばれるが、一般的には５０ｋＰａ以上で１５０ｋＰａ以下である。
第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の面方位は典型的にはＡ面であるが、例えばＳ面であってもよい。
この半導体発光素子の製造方法は、典型的には、第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２導電型の第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させる工程をさらに有する。これらの活性層および第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、好適には、第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と同様に、成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で成長される。
また、必要に応じて、第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させた後、第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる前に、第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長マスクを形成し、この成長マスクにより覆われていない部分の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第５のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程をさらに有してもよい。この工程は、複数回繰り返し行ってもよい。この成長マスクは、ストライプ形状にパターニングされた第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と平行に形成してもよいし、この第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と垂直方向に形成してもよいし、この第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に対して３０〜４５°傾斜した方向に形成してもよい。
【０００８】
活性層としては、一般的にはＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が用いられる。第１〜第５のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および活性層として用いられるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、最も一般的にはＡｌx Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ａｓu Ｎ1-u-v Ｐv （ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的にはＡｌx Ｂy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的にはＡｌx Ｇａ1-x-z Ｉｎz Ｎ（ただし、０≦ｘ＜１、０≦ｚ＜１、０≦ｘ＋ｚ＜１）からなる。これらのＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の具体例をいくつか挙げると、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどである。典型的には、第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は第１導電型（ｎ型またはｐ型）であり、第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は第２導電型（ｐ型またはｎ型）であり、これらの第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層および第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層により発光素子構造が形成される。
【０００９】
基板としては、第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としてＡ面方位で表面がほぼ平坦なものを成長させることができる限り、基本的にはどのような材料のものを用いてもよい。具体的には、サファイア（Ａｌ2 Ｏ3 ）（特にＲ面方位のもの）やＬｉＡｌＯ2 などからなる基板を用いることができる。
第１〜第５のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および活性層として用いられるＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の成長方法としては、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシャル成長またはハライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）などを用いることができる。
【００１０】
第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層および第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層としてＡｌu Ｇａ1-u-v Ｉｎv Ｎ層（ただし、０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）を用い、活性層にＴｌx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ1-x-y-z Ｎ（ただし、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を用いることにより、高い発光効率を得ながら、発光波長として６００ｎｍまでの半導体発光素子を得ることができる。Ｔｌx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ1-x-y-z Ｎは、典型的には、Ｔｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）である。Ｔｌx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ1-x-y-z ＮまたはＴｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎにおいて、典型的には０＜ｘ≦０．２である。活性層は、典型的には、Ｔｌx Ｉｎy Ｇａ1-x-y Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなる井戸層とＡｌp Ｇａ1-p-q Ｉｎq Ｎ（ただし、０≦ｐ＜１、０≦ｑ＜１、０≦ｐ＋ｑ＜１）からなる障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造を有する。この場合、好適には、障壁層の成長温度は井戸層の成長温度より５０℃以上高くする。活性層の成長の際には、好適には、Ｔｌ原料として金属Ｔｌを用いる。また、活性層の成長後に行う他の層の成長の際の成長温度は、活性層の劣化を防止するため、好適には、９００℃以下にする。なお、上記のように活性層にＴｌx Ｉｎy Ａｌz Ｇａ1-x-y-z Ｎを用いることにより得られる利点は、第１の発明の製造方法に限定されるものではない。
【００１１】
第２の発明は、
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする集積型半導体発光装置の製造方法である。
ここで、集積型半導体発光装置はその用途を問わないが、典型的な用途を挙げると、画像表示装置や照明装置などである。この集積型半導体発光装置においては、典型的には、複数の半導体発光素子がアレイ状に配列され、それらが配線により接続される。
【００１２】
第３の発明は、
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法である。
【００１３】
第４の発明は、
基板上に面方位がＣ面と異なる第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程と、
上記第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で面方位がＡ面の第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させる工程と、
上記第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で面方位がＡ面の第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させる工程とを有する
ことを特徴とする照明装置の製造方法である。
【００１４】
第２〜第４の発明においては、その性質に反しない限り、第１の発明に関連して説明したことが成立する。
上述のように構成されたこの発明によれば、第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をシードとし、圧力が５０ｋＰａ以下の条件で第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を横方向成長させると、面方位がＡ面のものが得られるが、この第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は通常、第１のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の上方の部分の点欠陥が多い。そこで、この第２のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に成長原料のＶ／ＩＩＩ比が１０００よりも高い条件で第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を成長させると、点欠陥がなく面方位がＡ面のものが、実用上十分な面積にわたって表面が平坦な状態で得られる。したがって、この点欠陥がなく面方位がＡ面で平坦な表面の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に活性層および第２導電型の第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を順次成長させることにより、面方位がＡ面で平坦な表面のものが得られる。こうして、発光素子構造を構成する第１導電型の第３のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、活性層および第２導電型の第４のＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層はいずれもＡ面方位となるため、ピエゾ電界の問題が本質的に存在しない。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、発光素子構造を構成する層がＡ面方位でしかも良質なものとして得られるためＣ面ＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体特有のピエゾ電界を解消することができ、発光効率の向上を図ることができるとともに、発光波長のシフトを防止することができ、信頼性および特性に優れた半導体発光素子を得ることができる。そして、このような半導体発光素子を用いることにより、信頼性および特性に優れた集積型半導体発光装置、画像表示装置および照明装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１〜図５はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を工程順に示す断面図である。
【００１７】
この第１の実施形態においては、図１Ａに示すように、まず、例えば主面がＲ面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、平坦なＡ面のＧａＮ層１２を成長させる。このＧａＮ層１２は、可能な限り結晶欠陥、特に貫通転位が少ないものが望ましく、その厚さは例えば２μｍ程度とする。低欠陥のＧａＮ層１２の形成方法としては種々の方法があるが、一般的な方法として、サファイア基板１１上に、まず例えば５００℃程度の低温でＧａＮバッファ層やＡｌＮバッファ層（図示せず）を成長させ、その後１０００℃程度まで昇温して結晶化してから、その上にＧａＮ層１２を成長させる方法がある。このＧａＮ層１２の成長時の原料のＶ／ＩＩＩ比は、ピットなどが発生しないように、鏡面に成長する条件で行うのが望ましい。このＧａＮ層１２の成長条件の一例を挙げると、圧力１０ｋＰａ、トリメチルガリウム（（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、ＴＭＧ）４４ｓｃｃｍ（１７０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＮＨ3 １ｌｍ、原料のＶ／ＩＩＩ比２６０、成長温度１０５０℃、成長時間８４００ｓである。
【００１８】
次に、ＧａＮ層１２をリソグラフィーおよびエッチングによりストライプ形状にパターニングする。このストライプの方向は〈１−１００〉方向とする。エッチングは、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により行う。このストライプ形状のＧａＮ層１２の幅は一般的には４〜１０μｍ（例えば、１０μｍ）、ピッチは一般的には１５〜５０μｍ（例えば、３０μｍ）である。
次に、図１Ｂに示すように、このストライプ形状のＧａＮ層１２をシードとして、サファイア基板１１上にＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１３を横方向成長させる。例えば、このＧａＮ層１３の成長時の原料のＶ／ＩＩＩ比は１０００以下とし、かつ３０ｋＰａ以下の減圧下で成長を行う。このＧａＮ層１３は、ＧａＮ層１２の上面および側面に成長する。このＧａＮ層１３の上面はＡ面、側面はＣ面である。このＧａＮ層１３の成長条件の一例を挙げると、圧力１０ｋＰａ、ＴＭＧ４４ｓｃｃｍ（１７０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＮＨ3 １ｌｍ、原料のＶ／ＩＩＩ比２６０、成長温度１０００℃、成長時間８４００ｓである。なお、ＧａＮ層１３の成長時の原料のＶ／ＩＩＩ比を例えば３０００程度にすると、このＧａＮ層１３にはＳ面が出やすくなり、平坦なＡ面は得にくい。
【００１９】
成長時の原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００以下として成長させたＧａＮ層１３は平坦なＡ面が得られるが、一般に点欠陥が多くて黄色の発光が強く、バンド端発光が非常に弱い。図１Ｂにおいて、この点欠陥が多い部分を符号１３ａで示す。そこで、図２Ａに示すように、例えば、成長時の原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００より大きくし、かつ５０ｋＰａ以上の圧力下でＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１３上に、ｎ型不純物としてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。こうして成長されるｎ型ＧａＮ層１４は欠陥がほとんどなく、周辺に角がなければＳ面が出にくく、表面はＡ面となる。図２Ａにおいては、ＧａＮ層１３の角の近傍のｎ型ＧａＮ層１４にのみＳ面が形成されている。このｎ型ＧａＮ層１４の成長条件の一例を挙げると、圧力９０ｋＰａ、ＴＭＧ１４．８ｓｃｃｍ（５７μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＮＨ3 ６ｌｍ、原料のＶ／ＩＩＩ比４７００、成長温度１０００℃、成長時間９００ｓである。
【００２０】
次に、図２Ｂに示すように、成長時の原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００より大きくし、かつ５０ｋＰａ以上の圧力下でＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＮ層１４上に、例えばＩｎＧａＮ系の活性層１５およびｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層１６を順次成長させる。活性層１５は、例えば厚さが２．５ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる井戸層とＩｎ組成がより大きく例えば厚さが７ｎｍのＩｎＧａＮ層からなる障壁層とを交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、井戸数は３である。活性層１５の井戸層および障壁層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は発光波長に応じて選ばれるものであり、例えば青色または緑色の発光が可能である。一例を挙げると、井戸層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は例えば０．１４、障壁層を構成するＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は例えば０．０２である。ｐ型ＧａＮ層１６の厚さは例えば１００ｎｍである。活性層１５の成長条件の一例を挙げると、圧力９０ｋＰａ、トリエチルガリウム（（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、ＴＥＧ）１３０．４ｓｃｃｍ（４０μｍｏｌ／ｍｉｎ）、トリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩｎ）２００ｓｃｃｍ（２９μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＮＨ3 ７．５ｌｍ、原料のＶ／ＩＩＩ比８３６０、成長温度７２０℃である。ｐ型ＧａＮ層１６の成長条件の一例を挙げると、圧力９０ｋＰａ、ＴＭＧ１７．４ｓｃｃｍ（６７μｍｏｌ／ｍｉｎ）、ＮＨ3 ６ｌｍ、原料のＶ／ＩＩＩ比４０００、成長温度８５０℃、成長時間７８ｓである。ｐ型ＧａＮ層１６を成長させた後には、ｐ型不純物の活性化のために、例えば、６００℃で１０分間アニールを行う。
【００２１】
上記のＧａＮ系半導体層の成長において、ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばシラン（ＳｉＨ4 ）を、ｐ型ドーパントとしては例えばビス＝メチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいはビス＝シクロペンタジエニルマグネシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）を用いる。
また、上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮ層１４はＮ2 とＨ2 との混合ガス、活性層１５はＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＧａＮ層１６はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、活性層１５の成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、Ｉｎが脱離するのを抑えることができ、活性層１５の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ層１６の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、これらのｐ型ＧａＮ層１６を良好な結晶性で成長させることができる。
【００２２】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＮｉ膜、Ａｇ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、その上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＮｉ膜、Ａｇ膜およびＡｕ膜をエッチングする。これによって、図３に示すように、ｐ型ＧａＮ層１６のうち、ＧａＮ層１２の上方の部分から離れた部位の、平坦で結晶性も特に良好な部分の上にＮｉ／Ａｇ／Ａｕ多層膜からなるｐ側電極１７が形成される。このように、このｐ側電極１７は、平坦で結晶性も特に良好な部分のｐ型ＧａＮ層１６上に形成されているため、通電に伴う電流リークを有効に防止することができる。このｐ側電極１７は例えば直径が１０μｍの円形である。
次に、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ＧａＮ層１２から上の部分を剥離する。この際、樹脂などでｐ側電極１７側を固定してから剥離を行うのが望ましい。こうしてサファイア基板１１の剥離を行った時点で、図４に示すように、各ＧａＮ層１２に沿って延在するダイオードバーに分離される。
【００２３】
次に、図５に示すように、このダイオードバーのＧａＮ層１２、１３の裏面に例えばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明電極からなるｎ側電極１８を形成する。この透明電極からなるｎ側電極１８は、ＧａＮ層１２、１３の裏面にＴｉ／Ａｕ膜を形成してからその上に形成してもよい。
次に、ダイオードバーを劈開などによりチップ化する。こうしてＧａＮ系発光ダイオードチップが得られる。このＧａＮ系発光ダイオードチップにおいては、透明電極からなるｎ側電極１８を通して光が取り出される。
【００２４】
図６および図７に、ｐ型ＧａＮ層１６まで成長を行った試料の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。ただし、図６に示す試料のＧａＮ層１２の幅は５μｍ、ピッチは２０μｍ、図７に示す試料のＧａＮ層１２の幅は５μｍ、ピッチは４０μｍである。成長条件は上記のとおりである。図６および図７において、凹凸が見られるストライプ状の部分はシードとなるＧａＮ層１２の上方の部分である。
【００２５】
図８は、図７に示す試料についてＫｒ励起顕微フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を室温で行った結果を示す。ただし、測定は、図７中の矢印に沿ってＫｒレーザーによる波長３２５ｎｍのレーザー光を１００回スキャンすることにより行った。得られたＰＬスペクトルを図９に示す。シードであるＧａＮ層１２の上方の部分からは通常は発光が起きないが、図７からわかるように、ＧａＮ層１２の上方の部分でも凹凸がない領域もあり、そのような領域のため、ＧａＮ層１２の上方の部分でもやや発光が見られる。凹凸がある領域についてもＰＬ測定を行ったが、そのようなところでは発光が見られなかった。
図９および図１０はそれぞれ、スキャン方向に対するピーク波長プロファイルおよびピーク強度プロファイルを示す。
【００２６】
以上のように、この第１の実施形態によれば、Ｒ面のサファイア基板１１上にＡ面で表面が平坦なＧａＮ層１２をストライプ形状に形成し、このＧａＮ層１２をシードとして、原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００以下とし、かつ３０ｋＰａ以下の減圧下でＡ面方位で表面が平坦なＧａＮ層１３を横方向成長させ、次いでその上に、原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００より大きくし、かつ５０ｋＰａ以上の圧力下でｎ型ＧａＮ層１４を成長させていることにより、点欠陥がなく面方位がＡ面のｎ型ＧａＮ層１４を、実用上十分な面積にわたって表面が平坦な状態で得ることができる。そして、このｎ型ＧａＮ層１４上に、原料のＶ／ＩＩＩ比を１０００より大きくし、かつ５０ｋＰａ以上の圧力下で活性層１５およびｐ型ＧａＮ層１６を成長させることにより、面方位がＡ面で平坦な表面のものが得られる。こうして、ｎ型ＧａＮ層１４、活性層１５およびｐ型ＧａＮ層１６からなる発光ダイオード構造はＡ面方位で高品質なものとなるため、ピエゾ電界の問題は本質的に存在せず、発光効率の向上を図ることができ、波長シフトも生じない。以上により、信頼性および特性に優れたＧａＮ系発光ダイオードを得ることができる。
【００２７】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
図１１〜図１４はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を工程順に示す断面図である。
この第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様に工程を進めてＧａＮ層１３の成長まで行うが、この場合、ＧａＮ層１３の成長時間を長くすることにより、図１１Ｂに示すように、隣接するＧａＮ層１２をシードとして成長するＧａＮ層１３同士が会合して連続膜となるようにする。
【００２８】
次に、図１１Ｂに示すように、ＧａＮ層１２の上方の部分におけるＧａＮ層１３上に、このＧａＮ層１３より幅が広いストライプ状の成長マスク１９を形成する。この成長マスク１９は、例えばＳｉＯ2 膜やＳｉＮ膜により形成する。次に、この成長マスク１９が形成されたＧａＮ層１３上にＧａＮ層２０を横方向成長させる。このＧａＮ層２０の成長条件は、例えば、ＧａＮ層１３の成長条件と同じにする。このＧａＮ層２０の表面は平坦となる。
次に、図１２Ａに示すように、ＧａＮ層２０上にｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。このｎ型ＧａＮ層１４の成長条件は、例えば、第１の実施形態と同様とする。第１の実施形態と異なり、このｎ型ＧａＮ層１４の表面は平坦であることが大きな特徴である。
【００２９】
次に、図１２Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮ層１４上に活性層１５およびｐ型ＧａＮ層１６を順次成長させる。これらの活性層１５およびｐ型ＧａＮ層１６の成長条件は、例えば、第１の実施形態と同様とする。ｐ型ＧａＮ層１６を成長させた後には、ｐ型不純物の活性化のためにアニールを行う。このアニールの条件は、例えば、第１の実施形態と同様とする。
次に、図１３Ａに示すように、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ側電極１７を形成する。このｐ側電極１７は例えばＮｉ／Ａｇ／Ａｕ多層膜により形成する。
【００３０】
次に、図１３Ｂに示すように、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ＧａＮ層１２から上の部分を剥離する。この際、樹脂などでｐ側電極１７側を固定してから剥離を行うのが望ましい。
次に、図１４Ａに示すように、ＧａＮ層１２、１３の裏面側から化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を行うことによりＧａＮ層２０まで除去する。
次に、図１４Ｂに示すように、ｎ型ＧａＮ層１４の裏面に透明電極からなるｎ側電極１８を形成する。
次に、こうして得られたダイオードウェハーを劈開などによりチップ化し、ＬＥＤチップを得る。このＬＥＤチップにおいては、透明電極からなるｎ側電極１８を通して光が取り出される。
この第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な利点を得ることができる。
【００３１】
ところで、これまでのＧａＮ系発光ダイオードにおいては、活性層にＩｎＧａＮが用いられているため、発光波長としては紫外域から琥珀色（アンバー）の長波長帯まで得られる。しかしながら、発光波長が長くなるにつれて発光効率が下がってしまう。そこで、これを解決するためにこれまでに様々な試みが行われてきた。例えば、活性層のＩｎＧａＮなどにＡｓやＰなどを混ぜて緑の発光の効率向上を図る試みがあるが、深いエネルギー準位で発光することや、ＡｓやＰなどが十分に入らないこと、また相分離が起こりやすいことなどのため、これらの試みは成功していない。
【００３２】
そこで、本発明者らは、通常用いられてきたＩｎＧａＮに適度の量のＴｌを混ぜ、これを活性層とすることにより、高効率を維持したまま長波長の発光を得ることを考えた。また、これまでのＧａＮ系発光ダイオードのほとんどがとっているダブルヘテロ接合構造、具体的にはＡｌＧａ（Ｉｎ）Ｎ層でＩｎＧａＮ活性層を挟んだ構造において、活性層にＴｌを含ませることで発光波長の長波長化を図ることができる。Ｔｌを含んだ構造においては、そのＴｌの脱離を防ぐためにその活性層の上にＡｌを含む層を設けるのが望ましい。また、Ｔｌを含む層のバンドギャップは小さいため、その層を薄く形成すると電子が通過しやすくなることもあるため、電子に対する障壁を設けるために、ＡｌＧａＮ層を入れるのが望ましい。一方、Ｔｌを含む層を活性層とする素子の場合、活性層の成長温度は、Ｔｌの蒸気圧が低いことから、ＩｎＧａＮ成長の成長温度よりも低くなる。そこで、成長層の成長温度は低く抑えるが（例えば、６５０℃）、障壁層の成長温度は、結晶性を向上させるために７５０℃程度に下げてもよい。それにより、活性層全体の特性が良好に保たれる。また、Ｔｌを含む活性層の場合、その後に行う成長の際の成長温度を高く設定すると活性層が分解しやすくなり、発光効率が低減してしまうため、その後のｐ層の成長温度を極力抑えて成長を行うのが望ましい。また、成長面方位が（０００１）面の場合、これまでの発光ダイオードと同様、特性の良好な発光ダイオードを得ることができる。また、成長面方位が（１−１０１）面、（１−１００）面、（１１−２２）面、（１１−２０）面のいずれかであれば、（０００１）面に比較してピエゾ効果が低減し、ピエゾ効果のために下がっていた発光効率を回復させることができる。
【００３３】
Pauling の共有結合半径と、既に求められているＴｌＰの格子定数の値とを用いて、ＴｌＮの予想される格子定数は０．２１６ｎｍであるが、これはＩｎＮの格子定数０．２１４ｎｍとかなり近いものである（図１５参照）。ＴｌＮの実質的バンドギャップエネルギー（Ｅ0 ）はほぼゼロと考え、ＩｎＧａＮの代わりにＴｌＧａＮを用いたときのＴｌ組成を考える。本発明者らの実験データでは、ＩｎＧａＮ活性層（井戸層）の厚さが２．５ｎｍのときに、４５０〜４６０ｎｍの波長の青色発光を得ようとするときはＩｎ組成１８％程度、５１０〜５３０ｎｍの波長の緑色発光を得ようとするときはＩｎ組成２３％程度となっている。ところが、電流密度３０Ａ／ｃｍ2 で駆動して波長５２０ｎｍの緑色発光が得られる状態から電流密度を５倍にしたところ、波長シフトは１０〜２０ｎｍと非常に大きくなっている。これに対して、青色発光の際の波長シフトは同じ条件で１ｎｍ以下にすぎない。したがって、この実験データから、Ｉｎ組成２０％程度を境に混晶の局在性が強くなっており、そのために好ましくない波長シフトをもたらしているものと考えられる。このため、波長シフトをなくした構造として、活性層（井戸層）の厚さ２．５ｎｍ程度でＴｌＧａＮを用いてそのバンドギャップエネルギーから得られる組成を推定したところ、青色、緑色に対してそれぞれ１３％、１６％となり、どちらの組成でも局在性が強くなる２０％を超えないで、青色発光、緑色発光の発光ダイオードを得ることができる。
【００３４】
そこで、以下においては、Ｔｌを含む活性層を用いたＧａＮ系発光ダイオードの例について説明する。
図１６および図１７は第１の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を示す断面図である。また、図１８はこのＧａＮ系発光ダイオードを構成するＧａＮ系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長させる際の成長温度シーケンスを示す。
【００３５】
図１６に示すように、まず、例えば主面がＣ面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１２を成長させる。このＧａＮ層１２は、可能な限り結晶欠陥、特に貫通転位が少ないものが望ましく、その厚さは例えば１μｍ程度とする。低欠陥のＧａＮ層１２の形成方法としては種々の方法があるが、一般的な方法として、サファイア基板１１上に、まず例えば５００℃程度の低温でＧａＮバッファ層やＡｌＮバッファ層（図示せず）を成長させ、その後１０００℃程度まで昇温して結晶化してから、その上にＧａＮ層１２を成長させる方法がある。
次に、ＧａＮ層１２上に、ＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でｎ型不純物としてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。このｎ型ＧａＮ層１４の厚さは例えば２μｍ程度とする。
【００３６】
次に、ｎ型ＧａＮ層１４上に活性層１５およびｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層１６を順次成長させる。活性層１５は、例えば厚さが２．５ｎｍのＴｌＩｎＧａＮ層（Ｔｌ組成は０よりも大きく０．２以下）からなる井戸層と例えば厚さが７．５ｎｍのＧａＮ層からなる障壁層とを交互に積層したＭＱＷ構造を有し、井戸数は５〜２０である。活性層１５の井戸層を構成するＴｌＩｎＧａＮ層の組成は発光波長に応じて選ばれる。活性層１５の成長温度は、発光波長に応じて５５０〜７５０℃程度の範囲の温度とすることができる。また、活性層１５のＴｌＩｎＧａＮ層からなる井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とは最適成長温度が互いに異なるため、最適な成長を行うために、それぞれの最適成長温度に近い温度で成長を行うのが望ましい。このために、例えば、井戸層の成長温度を６００℃としたとき、障壁層の成長温度は７００℃とする。ｐ型ＧａＮ層１６の厚さは例えば０．２μｍ、成長温度は例えば８５０℃程度とする。ｐ型ＧａＮ層１６を成長させた後には、ｐ型不純物の活性化のためにアニールを行う。このアニールは、例えば、６００℃で１０分間行う。
【００３７】
上記のＧａＮ系半導体層の成長原料は、例えば、Ｇａの原料としてはＴＭＧやＴＥＧ、Ａｌの原料としてはＴＭＡ、Ｉｎの原料としてはＴＥＩｎやトリメチルインジウム（（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、ＴＭＩｎ）、Ｎの原料としてはＮＨ3 を用いる。Ｔｌの原料としては、金属Ｔｌを蒸発させたものを用いてもよいが、通常はシクロペンタジエニルタリウムを用いることが多い。ドーパントについては、ｎ型ドーパントとしては例えばＳｉＨ4 を、ｐ型ドーパントとしては例えば（ＣＨ3 Ｃ5 Ｈ4 ）2 Ｍｇ）あるいは（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇを用いる。
【００３８】
また、上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮ層１４はＮ2 とＨ2 との混合ガス、活性層１５はＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＧａＮ層１６はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、活性層１５の成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、Ｉｎが脱離するのを抑えることができ、活性層１５の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＧａＮ層１６の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、ｐ型ＧａＮ層１６を良好な結晶性で成長させることができる。
【００３９】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＮｉ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、その上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＮｉ膜およびＡｕ膜をエッチングする。こうして、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ側電極１７が形成される。
次に、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ＧａＮ層１２から上の部分を剥離する。この際、樹脂などでｐ側電極１７側を固定してから剥離を行うのが望ましい。
次に、ＧａＮ層１２をＣＭＰやエッチングなどにより除去してｎ型ＧａＮ層１４を露出させ、図１７に示すように、このｎ型ＧａＮ層１４上に透明電極からなるｎ側電極１８を形成する。
次に、こうして得られた発光ダイオードウェハーを劈開などによりチップ化する。これによって、ＧａＮ系発光ダイオードチップが得られる。
【００４０】
図１９に、ｐ型ＧａＮ層１６の成長後に行うｐ型不純物の活性化のためのアニールの温度に対する発光強度の変化を示す。また、図２０に、このアニールの温度を６００℃としたときのｐ型ＧａＮ層１６の成長温度に対する発光強度の変化を示す。図１９より、アニールの温度は６００〜７００℃が望ましいことがわかる。また、図２０より、ｐ型ＧａＮ層１６の成長温度が９００℃以上になると発光強度が急激に減少していることがわかり、これはＴｌＩｎＧａＮ層からなる井戸層を含む活性層１５が劣化しているためであると考えられる。
この第１の例によれば、ＴｌＩｎＧａＮ層からなる井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とを交互に積層したＭＱＷ構造の活性層１５を用いているため、発光波長が６００ｎｍまでのＧａＮ系発光ダイオードを実現することができる。このＧａＮ系発光ダイオードは、従来のＩｎＧａＮ系活性層を用いたＧａＮ系発光ダイオードに比べて発光波長を長波長化することができる。また、このＧａＮ系発光ダイオードは高効率である。
【００４１】
次に、第２の例によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。このＧａＮ系発光ダイオードはＴｌを含む活性層を用いたものである。
図２１および図２２はこのＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を示す断面図である。
【００４２】
図２１に示すように、まず、例えば主面がＣ面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１２を成長させる。このＧａＮ層１２は、可能な限り結晶欠陥、特に貫通転位が少ないものが望ましく、その厚さは例えば１μｍ程度とする。低欠陥のＧａＮ層１２の形成方法としては種々の方法があるが、一般的な方法として、サファイア基板１１上に、まず例えば５００℃程度の低温でＧａＮバッファ層やＡｌＮバッファ層（図示せず）を成長させ、その後１０００℃程度まで昇温して結晶化してから、その上にＧａＮ層１２を成長させる方法がある。
次に、ＧａＮ層１２上に、ＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でｎ型不純物としてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。このｎ型ＧａＮ層１４の厚さは例えば２μｍ程度とする。
【００４３】
次に、ｎ型ＧａＮ層１４上に活性層１５、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層１６およびｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２を順次成長させる。活性層１５は、例えば厚さが３ｎｍのＴｌＩｎＧａＮ層（Ｔｌ組成は０よりも大きく０．２以下）からなる井戸層と例えば厚さが２０ｎｍのＧａＮ層からなる障壁層とを交互に積層したＭＱＷ構造を有し、井戸数は５〜１０である。活性層１５の井戸層を構成するＴｌＩｎＧａＮ層の組成は発光波長に応じて選ばれる。活性層１５の成長温度は、発光波長に応じて５５０〜７５０℃程度の範囲の温度とすることができる。また、活性層１５のＴｌＩｎＧａＮ層からなる井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とは最適成長温度が互いに異なるため、最適な成長を行うために、それぞれの最適成長温度に近い温度で成長を行うのが望ましい。このために、例えば、井戸層の成長温度を６８０℃とし、障壁層の成長温度は７５０℃とする。ｐ型ＡｌＧａＮ層２１のＡｌ組成は例えば０．１５、厚さは例えば２０ｎｍとする。ｐ型ＧａＮ層１６の厚さは例えば０．２μｍとする。これらのｐ型ＡｌＧａＮ層２１およびｐ型ＧａＮ層１６の成長温度は例えば８５０℃程度とする。ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２の厚さは例えば２ｎｍとする。ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ側電極１７を形成するのではなく、ｐ型ＧａＮ層１６上にｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２を成長させ、その上にｐ側電極１７を形成することで、発光ダイオードの動作電圧を約１Ｖ低減することができる。これは、ＴｌＮの価電子帯端のエネルギーが比較的高いため、金属の仕事関数と適合しやすく、ｐ側電極１７の接触がよりオーミック接触に近づくからである。ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２を成長させた後には、ｐ型不純物の活性化のためにアニールを行う。このアニールは、例えば、６００℃で１０分間行う。
【００４４】
上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮ層１４はＮ2 とＨ2 との混合ガス、活性層１５はＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型ＧａＮ層１６およびｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、活性層１５の成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、Ｉｎが脱離するのを抑えることができ、活性層１５の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型ＧａＮ層１６およびｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１、ｐ型ＧａＮ層１６およびｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２を良好な結晶性で成長させることができる。
【００４５】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＮｉ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、その上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＮｉ膜およびＡｕ膜をエッチングする。こうして、ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２１上にｐ側電極１７が形成される。
次に、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ＧａＮ層１２から上の部分を剥離する。この際、樹脂などでｐ側電極１７側を固定してから剥離を行うのが望ましい。
次に、ＧａＮ層１２をＣＭＰやエッチングなどにより除去してｎ型ＧａＮ層１４を露出させ、図２２に示すように、このｎ型ＧａＮ層１４上に透明電極からなるｎ側電極１８を形成する。
【００４６】
次に、こうして得られた発光ダイオードウェハーを劈開などによりチップ化する。これによって、ＧａＮ系発光ダイオードチップが得られる。
この第２の例によれば、第１の例と同様に、発光波長が６００ｎｍまでのＧａＮ系発光ダイオードを実現することができる。これに加えて、このＧａＮ系発光ダイオードは、ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２１上にｐ側電極１７を形成しているため低動作電圧である。
【００４７】
次に、第３の例によるＧａＮ系発光ダイオードについて説明する。このＧａＮ系発光ダイオードはＴｌを含む活性層を用いたものである。
図２３および図２４はこのＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を示す断面図である。
図２３に示すように、まず、例えば主面がＲ面であるサファイア基板１１を用意し、サーマルクリーニングなどによりその表面を清浄化した後、このサファイア基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ層１２を表面がｍ面となるように成長させる。
次に、ＧａＮ層１２上に、ＭＯＣＶＤ法により例えば１０００℃の成長温度でｎ型不純物としてＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。このｎ型ＧａＮ層１４の厚さは例えば２μｍ程度とする。
【００４８】
次に、ｎ型ＧａＮ層１４上に活性層１５、ｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮ層２１およびｐ型不純物として例えばＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層１６を順次成長させる。活性層１５は、例えば厚さが３ｎｍのＴｌＩｎＧａＮ層（Ｔｌ組成は０よりも大きく０．２以下）からなる井戸層と例えば厚さが２０ｎｍのＧａＮ層からなる障壁層とを交互に積層したＭＱＷ構造を有し、井戸数は５〜１０である。活性層１５の井戸層を構成するＴｌＩｎＧａＮ層の組成は発光波長に応じて選ばれる。活性層１５の成長温度は、発光波長に応じて５５０〜７５０℃程度の範囲の温度とすることができる。また、活性層１５のＴｌＩｎＧａＮ層からなる井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とは最適成長温度が互いに異なるため、最適な成長を行うために、それぞれの最適成長温度に近い温度で成長を行うのが望ましい。このために、例えば、井戸層の成長温度を６８０℃とし、障壁層の成長温度は７５０℃とする。ｐ型ＡｌＧａＮ層２１のＡｌ組成は例えば０．１５、厚さは例えば２０ｎｍとする。ｐ型ＧａＮ層１６の厚さは例えば０．２μｍとする。これらのｐ型ＡｌＧａＮ層２１およびｐ型ＧａＮ層１６の成長温度は例えば８５０℃程度とする。ｐ型ＧａＮ層１６を成長させた後には、ｐ型不純物の活性化のためにアニールを行う。このアニールは、例えば、６００℃で１０分間行う。
【００４９】
上記のＧａＮ系半導体層の成長時のキャリアガス雰囲気としては、ｎ型ＧａＮ層１４はＮ2 とＨ2 との混合ガス、活性層１５はＮ2 ガス雰囲気、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層１６はＮ2 とＨ2 との混合ガスを用いる。この場合、活性層１５の成長ではキャリアガス雰囲気をＮ2 雰囲気としており、キャリアガス雰囲気にＨ2 が含まれないので、Ｉｎが脱離するのを抑えることができ、活性層１５の劣化を防止することができる。また、ｐ型ＡｌＧａＮ層２１およびｐ型ＧａＮ層１６の成長時にはキャリアガス雰囲気をＮ2 とＨ2 との混合ガス雰囲気としているので、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６およびｐ型ＧａＮ層１６を良好な結晶性で成長させることができる。
【００５０】
次に、上述のようにしてＧａＮ系半導体層を成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出す。
次に、基板全面に例えば真空蒸着法によりＮｉ膜およびＡｕ膜を順次形成した後、その上にリソグラフィーにより所定形状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＮｉ膜およびＡｕ膜をエッチングする。こうして、ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２１上にｐ側電極１７が形成される。
次に、サファイア基板１１の裏面側から例えばエキシマーレーザなどによるレーザビームを照射することにより、サファイア基板１１から、ＧａＮ層１２から上の部分を剥離する。この際、樹脂などでｐ側電極１７側を固定してから剥離を行うのが望ましい。
次に、ＧａＮ層１２をＣＭＰやエッチングなどにより除去してｎ型ＧａＮ層１４を露出させ、図２４に示すように、このｎ型ＧａＮ層１４上に透明電極からなるｎ側電極１８を形成する。
次に、こうして得られた発光ダイオードウェハーを劈開などによりチップ化する。これによって、ＧａＮ系発光ダイオードチップが得られる。
この第３の例によれば、第１の例と同様な利点を得ることができる。
【００５１】
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１および第２の実施形態において挙げた数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、構造、形状、基板、原料、プロセスなどを用いてもよい。
【００５２】
具体的には、例えば、必要に応じて、活性層１５とｎ型ＧａＮ層１４との間や活性層１４とｐ型ＧａＮ層１６との間に光導波層を設けてもよい。
さらに、ｐ側電極１７としては、Ａｇ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄなどの単層膜または多層膜を用いてもよい。また、ｎ側電極１８を構成する透明電極としては、ＩＴＯのほかに、ＺｎＯやＡＺＯなどを用いてもよい。
また、ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層２２の代わりに、ｐ型ＴｌＩｎＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層とを交互に積層したｐ型ＴｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図３】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための図面代用写真である。
【図７】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための図面代用写真である。
【図８】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための略線図である。
【図９】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための略線図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための略線図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１４】この発明の第２の実施形態によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１５】格子定数とバンドギャップエネルギーとの関係を示す略線図である。
【図１６】第１の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１７】第１の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図１８】第１の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法において用いる成長温度シーケンスを示す略線図である。
【図１９】第１の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための略線図である。
【図２０】第１の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための略線図である。
【図２１】第２の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図２２】第２の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図２３】第３の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【図２４】第３の例によるＧａＮ系発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１１…サファイア基板、１２、１３…ＧａＮ層、１４…ｎ型ＧａＮ層、１５…活性層、１６…ｐ型ＧａＮ層、１７…ｐ側電極、１８…ｎ側電極
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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