(57)【要約】【課題】ＭＱＷ構造の発光層におけるキャップ層でのキャリアロスを低減することで発光効率を向上させること。【解決手段】発光層１３は、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３１、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１３２、ＡｌＧａＮからなる障壁層１３３が順に３〜５回繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層１３１、キャップ層１３２は同温度で成長させ、障壁層１３３は井戸層１３１、キャップ層１３２よりも高い温度で成長させた。キャップ層１３２のＡｌ組成比は、０よりも大きく、障壁層１３３のＡｌ組成比以下とし、キャップ層１３２の厚さは１〜８分子層とした。このようにキャップ層１３２を構成すると、発光効率を向上させることができ、発光効率のキャップ層１３２の厚さ依存性が低減されるので、再現性、生産性、歩留まりも向上させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなるキャップ層、前記井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有し、前記井戸層と前記キャップ層の成長温度が等しく、前記障壁層の成長温度が前記井戸層および前記キャップ層の成長温度よりも高いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記障壁層をＡｌＧａＮとし、
前記キャップ層をＡｌ組成比が０よりも大きく、前記障壁層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮとする、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記キャップ層は、前記障壁層のＡｌ組成比と等しいＡｌＧａＮとする、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記キャップ層の厚さを１〜８分子層とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものであり、特にＭＱＷ層の形成方法に特徴を有するものである。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物半導体発光素子の発光層として、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造が従来より知られている。このような発光層において良好な結晶性を得るために、障壁層の成長温度は井戸層の成長温度よりも高くする必要がある。しかし、障壁層形成時に温度を上げることで井戸層のＩｎが離脱してしまい、結晶性を悪化させてしまう。
【０００３】
そこで、井戸層と障壁層の間に、井戸層の成長温度と同じ成長温度で形成されるＧａＮからなるキャップ層を設け、障壁層形成時の昇温による井戸層のＩｎの離脱を防止する構造が提案されている（たとえば特許文献１）。この特許文献１では、障壁層の厚さと発光効率との関係については検討されているものの、キャップ層については厚さが２ｎｍであるとの記載があるのみで、キャップ層の厚さと発光効率との関係については検討されていない。また、キャップ層の材料についても、ＧａＮを用いるとの記載があるのみであり、他のIII 族窒化物半導体材料の検討はされていない。
【０００４】
また、特許文献２では、井戸層と障壁層との間に、厚さ２ｎｍ以下のＡｌＧａＮからなる中間層を設けることが示されており、中間層のバンドギャップを障壁層のバンドギャップ以上とすることで、障壁層の結晶性が改善されて発光出力が向上することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０１１４６
【特許文献２】特開平１１−３３０５５２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、井戸層と障壁層との間に、障壁層よりもバンドギャップが小さいキャップ層を設けると、井戸層にキャリアが落ち込む前にキャップ層でキャリアが再結合したり不純物準位にトラップされてしまう場合があり、キャリア注入効率が低下し、発光効率を低下させてしまう問題があった。これは、特に駆動電流密度が高い場合に顕著である。
【０００７】
そこで発明者らは、ＧａＮからなるキャップ層の厚さによって発光効率の向上を図れないか検討したが、発光効率はキャップ層の厚さに強く依存し、厚さを正確に制御する必要があるため再現性、生産性、歩留まりの面で問題があることがわかった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、ＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、井戸層と障壁層の間のキャップ層による発光効率の低下を抑制し、かつ再現性、生産性、歩留まりを向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなるキャップ層、井戸層よりもバンドギャップが大きいIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有し、井戸層とキャップ層の成長温度が等しく、障壁層の成長温度が井戸層およびキャップ層の成長温度よりも高いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、障壁層をＡｌＧａＮとし、キャップ層をＡｌ組成比が０よりも大きく、障壁層のＡｌ組成比以下であるＡｌＧａＮとする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１０】
ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。ｎ型不純物にはＳｉ、ｐ型不純物にはＭｇが通常用いられる。
【００１１】
キャップ層と障壁層のＡｌ組成比は等しいことが望ましい。ここで言う「等しい」は厳密に等しいことを意味するのではなく、キャップ層のＡｌ組成比と障壁層のＡｌ組成比との差が−３〜＋３％の範囲であってもよい。キャップ層のＡｌ組成比をこのようにすることで、キャップ層のバンドギャップと障壁層のバンドギャップが等しくなり、キャップ層においてキャリアが再結合してしまうことがなくなるので、発光効率をより向上させることができる。また、キャップ層および障壁層のＡｌの組成比は５〜４０％であることが望ましい。Ａｌ組成比が５％より小さいと、井戸層とのバンドギャップ差が小さすぎ、キャップ層、障壁層として機能させることが難しくなるので望ましくなく、４０％より大きいと格子歪みの影響で発光効率が低下してしまうので望ましくない。
【００１２】
キャップ層の厚さは、１〜８分子層とすることが望ましい。厚さがこの範囲であれば、発光効率の厚さ依存性がより低減されるので、厚さの厳密な制御を要求されなくなり、再現性、生産性、歩留まりをより向上させることができる。
【００１３】
井戸層をＩｎＧａＮとする場合、Ｉｎの組成比は０より大きく、０．３５以下であることが望ましい。また、障壁層やキャップ層は単層であってもよいし、複層であってもよい。
【００１４】
井戸層、キャップ層、障壁層の繰り返し回数は、３〜１０回であることが望ましい。３回より少ないと、ＭＱＷ構造とすることによる発光効率向上効果が十分でなく、１０回よりも多いと発光効率を低下させてしまうからである。
【００１５】
井戸層およびキャップ層の成長温度は、７００〜９００℃であることが望ましい。また、障壁層の成長温度は、８５０〜１１００℃であることが望ましい。また、井戸層の厚さは１〜４ｎｍであることが望ましい。また、障壁層の厚さは１〜６ｎｍであることが望ましい。
【００１６】
また、井戸層とキャップ層の成長温度が等しい、とは厳密に等しいものである必要はなく、キャップ層の形成時に井戸層のＩｎが離脱しない程度の温度差であればよい。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、キャップ層は、障壁層のＡｌ組成比と等しいＡｌＧａＮとする、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１８】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、キャップ層の厚さを１〜８分子層とすることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１９】
１分子層は、III 族窒化物半導体のｃ軸の格子定数の１／２であり、ＧａＮの場合は約２．５９Åである。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明のようにしてキャップ層を形成すると、発光効率を向上させることができるとともに、発光効率のキャップ層の厚さ依存性が、キャップ層としてＧａＮを用いた場合に比べて十分に低減させることができる。その結果、厚さの厳密な制御が必要なくなり、再現性、生産性、歩留まりを向上させることができる。
【００２１】
また、第２の発明のように、キャップ層のＡｌ組成比を障壁層のＡｌ組成比と等しくすることで、キャップ層のバンドギャップと障壁層のバンドギャップが等しくなるので、キャップ層においてキャリアが再結合してしまうことがなくなり、発光効率をより向上させることができる。
【００２２】
また、第３の発明のように、キャップ層の厚さを１〜８分子層とすれば、この厚さの範囲で発光効率のキャップ層の厚さ依存性がより低減されるので、再現性、生産性、歩留まりをより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１の発光素子１の構成を示した図。
【図２】発光層１３の構成を示した図。
【図３】発光素子１の製造工程について示した図。
【図４】キャップ層１３２の厚さと光出力との関係を示したグラフ。
【図５】キャップ層１３２のＡｌ組成比と光出力との関係を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
図１は、実施例１の発光素子１の構成を示した図である。発光素子１は、サファイア基板１０上に、ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１、ｉ−ＧａＮとｉ−ＩｎＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｎ型クラッド層１２、ＭＱＷ構造の発光層１３、ｐ−ＩｎＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｐ型クラッド層１４、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１５が順に積層され、ｐ型コンタクト層１５上にｐ電極１６が形成され、ｐ型コンタクト層１５表面側からｎ型コンタクト層１１に達する深さまで一部がエッチングされることにより露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１７が形成された構造である。ｎ型コンタクト層１１とｎ型クラッド層１２との間にｉ−ＧａＮとｎ−ＧａＮからなるＥＳＤ層を設け、静電耐圧特性を高めるようにしてもよい。
【００２６】
サファイア基板１０以外には、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮなどを基板として用いることができる。また、基板にはストライプ状、ドット状などの凹凸加工が施されていてもよい。
【００２７】
発光層１３は、図２に示すように、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３１、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１３２、ＡｌＧａＮからなる障壁層１３３が順に３〜５回繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。キャップ層１３２のＡｌ組成比は０よりも大きく、障壁層１３３のＡｌ組成比以下である。井戸層１３１の厚さは１〜４ｎｍ、障壁層１３３の厚さは１〜６ｎｍである。キャップ層１３２の厚さは、１〜８分子層である。１分子層はIII 族窒化物半導体のｃ軸の格子定数の１／２であり、ＧａＮの場合は約２．５９Åである。
【００２８】
キャップ層１３２のＡｌ組成比は、障壁層１３３のＡｌ組成比と等しいことが望ましい。キャップ層１３２のバンドギャップと障壁層１３３のバンドギャップが等しくなり、キャップ層１３２におけるキャリアの再結合がなくなり、発光効率を向上させることができる。
【００２９】
ｐ電極１６は、フェイスアップ型とする場合には、たとえばｐ型コンタクト層１５上にほぼ全面にわたって形成されたＩＴＯ電極と、ＩＴＯ電極上に配線状に形成されたＮｉ／Ａｕからなる配線電極とで構成された電極であり、フリップチップ型とする場合は、たとえばＡｇ、Ｒｈなどの高反射な金属材料からなる電極である。また、ｎ電極１８は、たとえばＴｉ／Ａｌなどである。
【００３０】
次に、発光素子の製造方法について図３を参照に説明する。まず、サファイア基板１０上に、バッファ層（図示しない）を介してＭＯＣＶＤ法によりｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２を順に形成する（図３（ａ））。キャリアガスには水素と窒素を用い、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ドーパントガスにはＳｉＨ4 （シラン）を用いる。
【００３１】
次に、成長温度７５０〜８００℃で厚さ１〜４ｎｍのＩｎＧａＮ（Ｉｎの組成比が０．０５〜０．１５％）からなる井戸層１３１を形成する工程、井戸層１３１上にその井戸層１３１形成時の成長温度を維持して厚さが１〜８分子層のＡｌＧａＮからなるキャップ層１３２を形成する工程、キャップ層１３２上に成長温度８５０〜９５０℃で厚さ１〜６ｎｍのＡｌＧａＮからなり、Ａｌ組成比がキャップ層１３２のＡｌ組成比以上である障壁層１３３（すなわち、キャップ層１３２のＡｌ組成比が障壁層１３３のＡｌ組成比以下となるようなＡｌ組成比の障壁層１３３）を形成する工程、の３つの工程を順に３〜５回繰り返して、ｎ型クラッド層１２上にＭＱＷ構造の発光層１３を形成する（図３（ｂ））。井戸層１３１、キャップ層１３２、障壁層１３３のいずれの層もＭＯＣＶＤ法によって形成し、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、キャリアガスや他の原料ガスはｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２の形成時と同様である。キャップ層１３２は、７５０〜８００℃から８５０〜９５０℃に昇温して障壁層１３３を形成する時に、井戸層１３１のＩｎの離脱を防止するために設けたものである。キャップ層１３２はＡｌＧａＮであり、低温で成長するため、その結晶性はキャップ層１３２としてＧａＮを用いる場合に比べて低いが、厚さを１〜８分子層と非常に薄くしているため結晶性の低さが発光効率に影響を及ぼすことはない。
【００３２】
次に、発光層１３上にｐ型クラッド層１４、ｐ型コンタクト層１５を順に形成する（図３（ｃ））。Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｐ型ドーパント源にはＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。キャリアガスや他の原料ガスはｎ型コンタクト層１１などの形成時と同様である。
【００３３】
次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１５表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１１に達する溝を形成する。そして、ｐ型コンタクト層１５上にｐ電極１７を形成し、ドライエッチングによる溝底面に露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１８を形成する。以上により、図１に示す発光素子１が作製される。
【００３４】
図４は、キャップ層１３２の厚さと光出力との関係を示したグラフである。障壁層１３３のＡｌ組成比は１２％とし、キャップ層１３２のＡｌ組成比は、０％（つまりＧａＮ）、１２％、１８％とした。以下、Ａｌ組成比０％の場合を比較例１、１８％の場合を比較例２、１２％の場合を実施例１とする。横軸はキャップ層１３２の厚さで、１分子層を単位としている。縦軸の光出力は、キャップ層１３２をＧａＮとし、その厚さを１２分子層としたときを１とする相対値である。図４のように、キャップ層１３２をＧａＮとする比較例１の場合には、厚さの増加に伴い光出力がほぼ線形に減少し、光出力のキャップ層１３２の厚さ依存性が強いことがわかる。一方、Ａｌ組成比を１２％とする実施例１、１８％とする比較例２の場合には、キャップ層１３２の厚さの２〜８分子層の間での変化に対して光出力はほとんど変化しておらず、比較例２の場合には、光出力は約１．０２でほぼ一定となっており、実施例１の場合には、光出力は約１．０５でほぼ一定となっている。このことから、キャップ層１３２としてＡｌＧａＮを用いると、発光効率のキャップ層１３２の厚さ依存性が低減される、ということが推察される。ただし、キャップ層１３２を８分子層よりも厚くすると、ＡｌＧａＮの結晶性の悪さや、格子歪みの影響が出て発光効率も低下するものと考えられる。したがって、発光効率のキャップ層１３２の厚さ依存性が低減され、光出力がほぼ一定となるのは、１〜８分子層の厚さの範囲であると推察される。
【００３５】
図５は、キャップ層１３２のＡｌ組成比と光出力との関係を示したグラフである。障壁層１３３のＡｌ組成比は１２％とし、キャップ層１３２の厚さは４分子層、８分子層、１２分子層とした。また、縦軸の光出力は、図４の場合と同様に、キャップ層１３２をＧａＮとし、その厚さを１２分子層としたときを１とする相対値である。図５のように、キャップ層１３２の厚さを４分子層とする場合には、Ａｌ組成比が１２％までは光出力は約１．０５でほぼ一定であるが、１２％を越えると光出力が低下している。また、キャップ層１３２の厚さを８分子層とした場合には、Ａｌ組成比が１２％まではＡｌ組成比の増加に伴い光出力が増加するが、１２％を越えると光出力が低下していることがわかる。このことから、キャップ層１３２のＡｌ組成比が障壁層１３３のＡｌ組成比を越えると、発光効率が低下してしまう、ということが推察される。これは、Ａｌ組成比が高くなることで井戸層１３１や障壁層１３３への歪みが大きくなるためであると考えられる。
【００３６】
以上の図４、５から、ＡｌＧａＮからなるキャップ層１３２のＡｌ組成比を、０より大きく、障壁層１３３のＡｌ組成比以下の範囲とし、キャップ層１３２の厚さを１〜８分子層とすれば、発光素子１の発光効率を向上させることができ、さらに発光効率のキャップ層１３２の厚さ依存性を低減できることがわかる。厚さ依存性を低減できる結果、キャップ層１３２の厳密な厚さ制御を必要としないので、再現性、生産性、歩留まりを向上させることができる。
【００３７】
なお、実施例１、２のいずれもキャップ層、障壁層を単層としたが、複層としてもよい。
【００３８】
また、本発明はIII 族窒化物半導体発光素子の発光層の製造工程に特徴を有するものであるから、発光層以外のIII 族窒化物半導体発光素子の構造、およびその製造工程については、従来より知られている種々の構造、製造工程を採用可能である。たとえば、基板として導電性の材料を用いるなどし、上下に電極を設けて基板に垂直な方向に導通を取る構造の発光素子に対しても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によって得られるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに用いることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０：サファイア基板
１１：ｎ型コンタクト層
１２：ｎ型クラッド層
１３、２３：発光層
１４：ｐ型クラッド層
１５：ｐ型コンタクト層
１６：ｐ電極
１７：ｎ電極
１３１：井戸層
１３２：キャップ層
１３３：障壁層
【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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