(57)【要約】【課題】単一材料からなる窒化物半導体層により、深紫外から赤外まで波長を変化させることが可能であるとともに、成膜時の制御を容易に行うことができる半導体発光素子を提供すること。【解決手段】基板上に発光層を含む窒化物半導体層が形成されてなる半導体素子であって、前記窒化物半導体層が、ＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶のみからなることを特徴とする半導体素子とする。【選択図】図１
2008277356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を含む窒化物半導体層が形成されてなる半導体素子であって、
前記窒化物半導体層が、ＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶のみからなることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記窒化物半導体層が、
前記基板上に形成された下地層と、
該下地層上に形成されたｎ型クラッド層と、
該ｎ型クラッド層上に形成された発光層と、
該発光層上に形成されたｐ型クラッド層と
を有していることを特徴とする請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記下地層中のＡｌ組成が、前記基板との界面側に比べて前記ｎ型クラッド層との界面側において少なく若しくは多くなっていることを特徴とする請求項２記載の半導体素子。
【請求項４】
前記下地層中のＡｌ組成が、減少と増加を繰り返しながら前記基板との界面側から前記ｎ型クラッド層との界面側に向けて次第に減少若しくは増加していることを特徴とする請求項３記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子に関し、より詳しくは、基板上にＡｌＩｎＮ混晶からなる窒化物半導体層を有する半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で高い発光効率を有する発光ダイオード等の半導体発光素子が大いに注目を集めており、既に様々な場面で実用化が図られている。
【０００３】
半導体発光素子としては、基板上に窒化物半導体層を形成した構造のものが周知であり、窒化物半導体層の材料としては、例えばＡｌＩｎＧａＮ混晶を用いたものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
しかしながら、窒化物半導体層にＡｌＩｎＧａＮ混晶を用いた場合、ＡｌＩｎＧａＮ混晶は４元系であるために成膜条件のパラメータが多くなり、成膜条件の制御が困難であるという問題があった。
【０００４】
他方、３元系の材料を用いた窒化物半導体層として、ＩｎＧａＮ混晶とＡｌＧａＮ混晶とを用いたものが知られている（例えば、下記特許文献２参照）。
しかしながら、窒化物半導体層にＩｎＧａＮ混晶とＡｌＧａＮ混晶とを用いた場合には、深紫外から紫外の波長にＡｌＧａＮ混晶を用い、紫外から赤外の波長にＩｎＧａＮ混晶を用いた発光層を形成する必要があるが、同一基板にこれら２種類の混晶を積層させる場合、必要な材料が異なるために材料供給の切り替えが必要となり、成膜時の材料供給の制御が困難であるという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５０２５４８号公報
【特許文献２】特開平９−２６６３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、単一材料からなる窒化物半導体層により、深紫外から赤外まで波長を変化させることが可能であるとともに、成膜時の制御を容易に行うことができる半導体発光素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、基板上に発光層を含む窒化物半導体層が形成されてなる半導体素子であって、前記窒化物半導体層が、ＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶のみからなることを特徴とする半導体素子に関する。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記窒化物半導体層が、前記基板上に形成された下地層と、該下地層上に形成されたｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型クラッド層とを有していることを特徴とする請求項１記載の半導体素子に関する。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記下地層中のＡｌ組成が、前記基板との界面側に比べて前記ｎ型クラッド層との界面側において少なく若しくは多くなっていることを特徴とする請求項２記載の半導体素子に関する。
【００１０】
請求項４に係る発明は、前記下地層中のＡｌ組成が、減少と増加を繰り返しながら前記基板との界面側から前記ｎ型クラッド層との界面側に向けて次第に減少若しくは増加していることを特徴とする請求項３記載の半導体素子に関する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、基板上に発光層を含む窒化物半導体層が形成されてなる半導体素子において、窒化物半導体層が、ＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶のみから形成されているため、発光層におけるＡｌとＩｎの組成比を変化させることによって、ＡｌＩｎＮ混晶のみで深紫外から赤外までの波長を発光する素子を作製することができ、発光素子の波長制御を容易に行うことが可能である。
また、３元系のＡｌＩｎＮ混晶を用いるため、ＡｌＩｎＧａＮ混晶のような４元系の混晶を用いる場合に比べて成膜条件の制御が容易であり、成膜の質を向上させることができ、高性能の半導体素子を得ることが可能となる。
さらに、ＡｌＩｎＮ混晶のみを用いることから、成膜時において、ＩｎＧａＮ混晶とＡｌＧａＮ混晶等の複数種類の混晶を用いる場合のように材料供給の切り替えが不要であり、成膜時の材料供給の制御が容易である。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、窒化物半導体層が、基板上に形成された下地層と、該下地層上に形成されたｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型クラッド層とを有していることにより、発光層にキャリアを充分に閉じ込めることができ、発光効率の優れた半導体発光素子を得ることが可能となる。
【００１３】
請求項３に係る発明によれば、下地層中のＡｌ組成が、基板との界面側に比べてｎ型クラッド層との界面側において少なく若しくは多くなっていることによって、基板との界面で生じる窒化物半導体層中の転位を減少させることができる。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、下地層中のＡｌ組成が減少と増加を繰り返しながら基板との界面側からｎ型クラッド層との界面側に向けて次第に減少若しくは増加していることにより、下地層中の転位密度を基板との界面側からｎ型クラッド層との界面側に向けて確実に減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る半導体素子の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る半導体素子は、基板上に発光層を含む窒化物半導体層が形成されてなる半導体素子であって、窒化物半導体層がＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶のみからなるものであることを特徴とするものである。
【００１６】
図１は、本発明に係る半導体素子の主要部を示す概略断面図である。
本発明に係る半導体素子は、上述したように基板（１）の上にＡｌＩｎＮ混晶のみからなる窒化物半導体層（２）が形成されているものであって、該窒化物半導体層（２）は、基板（１）上に形成された下地層（３）と、該下地層（３）上に形成されたｎ型クラッド層（４）と、該ｎ型クラッド層（４）上に形成された発光層（５）と、該発光層（５）上に形成されたｐ型クラッド層（６）とを有している。
【００１７】
基板（１）としては、例えばサファイア、シリコン、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の単結晶基板を使用することができ、特にサファイア基板が好適に使用される。
但し、本発明に係る半導体素子において使用される基板（１）は、例示したものに限定されず、窒化物半導体層を有する半導体素子において用いられている他の材料（例えば、ＡｌＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＬｉＧａＯ２、ＬｉＡｌＯ２等）からなる基板を用いることも可能である。
基板（１）の厚みは、例えば２５〜６００μｍ程度とされる。
【００１８】
下地層（３）は、ＡｌＩｎＮ混晶におけるＡｌＩｎ混晶比が一定となっている層（以下、単位層という）が複数層積層された構造を有しており、各単位層（３１）、（３２）、（３３）、（３４）、・・・（３ｎ）はＡｌＩｎ混晶比が夫々異なっている。
下地層（３）を構成する単位層の数（ｎ）は特に限定されないが、例えば２０〜３０層程度とされる。また、各単位層の厚みは、例えば1原子層〜５０ｎｍ程度とされる。
【００１９】
下地層（３）中のＡｌ組成は、基板（１）との界面側に比べてｎ型クラッド層（４）との界面側において少なく若しくは多くなっている。
より具体的には、下地層（３）を構成する各単位層（３１）、（３２）、（３３）、（３４）、・・・（３ｎ）中のＡｌ組成は、減少と増加を繰り返しながら基板（１）との界面側からｎ型クラッド層（４）との界面側に向けて次第に減少若しくは増加している。
例えば、最下層の単位層（３１）のＡｌ組成をａ％、その上の単位層（３２）のＡｌ組成をｂ％、更にその上の単位層（３３）のＡｌ組成をｃ％、更にその上の単位層（３４）のＡｌ組成をｄ％とすると、Ａｌ組成が次第に減少する場合、ａ＞ｃ＞ｂ＞ｄの関係が成り立つ。逆にＡｌ組成が次第に増加する場合、ｄ＞ｂ＞ｃ＞ａの関係が成り立つ。
【００２０】
基板（１）を構成するサファイア等と窒化物半導体層（２）を構成するＡｌＩｎＮ混晶とは格子定数が異なることから、基板（１）との界面付近において窒化物半導体層（２）に転位が生じる。
しかし、本発明では、下地層（３）中のＡｌ組成が、基板（１）との界面側に比べてｎ型クラッド層（４）との界面側において少なく若しくは多くなっていることにより、基板（１）との界面において下地層（３）と基板（１）の格子定数の差を小さくすることができ、結果として窒化物半導体層（２）中の転位を減少させることができる。
尚、Ａｌ組成を少なくするか多くするかは、基板の格子定数とｎ型クラッド層の格子定数の大小関係により決定する。具体的には、基板の方がｎ型クラッド層に比べて格子定数が大きい場合、Ａｌ組成は基板側よりｎ型クラッド層側の方を少なくする。逆に、基板の方がｎ型クラッド層に比べて格子定数が小さい場合、Ａｌ組成は基板側よりｎ型クラッド層側の方を多くする。
【００２１】
また、下地層（３）を構成する複数の単位層において、下層の単位層（３１）よりも上層の単位層（３２）のＡｌ組成が小さくなると格子定数が増加する。すると、単位層間に応力が発生し、この応力が大きいと転位が生じ易くなる。そこで、Ａｌ組成が大きい単位層（３３）を更に積層すると逆向きの応力が作用して最初に発生した応力が相殺緩和される。その結果、単位層間において転位が生じにくくなり、結果として転位密度が減少することとなる。
逆に、下層の単位層（３１）よりも上層の単位層（３２）のＡｌ組成が大きくなると格子定数が減少する。この場合も単位層間に応力が発生し、この応力が大きいと転位が生じ易くなる。そこで、Ａｌ組成が小さい単位層（３３）を更に積層すると逆向きの応力が作用して最初に発生した応力が相殺緩和される。その結果、単位層間において転位が生じにくくなり、結果として転位密度が減少することとなる。
従って、下地層（３）中のＡｌ組成が、減少と増加を繰り返しながら基板（１）との界面側からｎ型クラッド層（４）との界面側に向けて次第に減少若しくは増加する構造を採ることにより、下地層（３）中の転位密度を基板との界面側からｎ型クラッド層との界面側に向けて確実に減少させることが可能となる。
【００２２】
本発明において、上記したような、下地層（３）中のＡｌ組成が減少と増加を繰り返しながら次第に減少若しくは増加する構造を採用する場合、Ａｌ組成が全体として単調に減少若しくは増加するようにしてもよいし、全体として非単調に減少若しくは増加するようにしてもよい。
ここで、Ａｌ組成が全体として単調に減少若しくは増加するとは、１つおきの単位層（例えば単位層（３１）、（３３））のＡｌ組成に着目した場合に、当該Ａｌ組成が単調に減少若しくは増加していることを意味し、Ａｌ組成が全体として非単調に減少若しくは増加するとは、１つおきの単位層のＡｌ組成に着目した場合に、当該Ａｌ組成が非単調に減少若しくは増加していることを意味する。
【００２３】
図３は、下地層中のＡｌ組成が全体として非単調に減少若しくは増加する場合を示しており、下地層中のＡｌ組成と基板からの距離（垂直方向距離）の関係を示すグラフである。
図３（ａ）は、下地層中のＡｌ組成が全体として非単調に減少する場合を示す図であり、基板界面側のＡｌ組成に比べてｎ型クラッド層界面側のＡｌ組成の方が少ない場合である。
図３（ｂ）は、下地層中のＡｌ組成が全体として非単調に増加する場合を示す図であり、基板界面側のＡｌ組成に比べてｎ型クラッド層界面側のＡｌ組成の方が多い場合である。
【００２４】
本発明において、基板（１）が発光波長に対して不透明な場合には、下地層（３）中に光反射効果をもたせるための層が入れられる。
【００２５】
図示例の半導体素子は、発光層（５）がｎ型クラッド層（４）とｐ型クラッド層（６）により挟まれたダブルヘテロ接合構造となっている。
発光層（５）、ｎ型クラッド層（４）、ｐ型クラッド層（６）は、いずれもＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶から形成されているが、ｎ型クラッド層（４）及びｐ型クラッド層（６）は、発光層（５）よりも大きなバンドギャップエネルギーを有するように形成されている。
ＡｌＩｎＮ混晶において、バンドギャップエネルギーを大きくするには、Ｉｎに比べてＡｌの組成を大きくすればよいので、ｎ型クラッド層（４）及びｐ型クラッド層（６）は、発光層（５）よりもＡｌの組成が大きくなっている。
【００２６】
このような大きいバンドギャップエネルギーを有するｎ型クラッド層（４）及びｐ型クラッド層（６）で発光層（５）を挟んだ構造とすることにより、発光層（５）に注入されたキャリアがｎ型クラッド層（４）及びｐ型クラッド層（６）との間に生成されるエネルギー障壁により閉じ込められるため、発光効率の優れた半導体素子を得ることができる。
【００２７】
本発明において、ｎ型クラッド層（４）とｐ型クラッド層（６）とは同じ組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。ｎ型クラッド層（４）及びｐ型クラッド層（６）の厚みは、例えば０．１〜５μｍ程度とされる。
また、本発明に係る半導体素子は、必ずしもダブルヘテロ接合構造を採る必要はなく、シングルへテロ接合構造やホモ接合構造であってもよい。
【００２８】
発光層（５）は、上述した通り、ＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で表されるＡｌＩｎＮ混晶から形成されている。
ここで、ＡｌＮのバンドギャップが６．２ｅＶであり、ＩｎＮのバンドギャップが０．７ｅＶであることから、ＡｌＩｎＮ混晶におけるＡｌとＩｎの組成比を変化させる、即ちＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）のｘの値を変化させることにより、深紫外から赤外までの波長を発光する素子を作製することができ、発光の波長制御を容易に行うことが可能となる。
尚、発光層（５）は、通常ノンドープで形成されるが、ｐ型層もしくはｎ型層としてもよい。発光層（５）の厚みは、例えば５０〜２００ｎｍ程度とされる。
【００２９】
本発明に係る半導体素子は、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用して製造することができる。
より具体的には、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内にサファイア等からなる基板（１）を載置し、反応室内を１〜１０００Ｔｏｒｒ程度の反応室圧力とした後、基板（１）を５００〜１４００℃程度に加熱する。
【００３０】
次いで、キャリアガスであるＨ２と、Ａｌの原料ガスとして有機金属ガスである（ＣＨ３）３Ａｌと、Ｉｎの原料ガスとして有機金属ガスである（ＣＨ３）３Ｉｎと、Ｎの原料ガスとしてＮＨ３とを所望の比率となるように夫々の流量で反応室内に導入することにより、基板（１）の上に、ＡｌＩｎＮ混晶からなる下地層（３）、ｎ型クラッド層（４）、発光層（５）、ｐ型クラッド層（６）を順次成長させる。
ここで、ＡｌＩｎＮ混晶におけるＡｌとＩｎの組成比を変化させる場合には、（ＣＨ３）３Ａｌと（ＣＨ３）３Ｉｎとの導入比率を変化させる。
【００３１】
以上により図１に示すような構造が得られるので、その後これに電極を形成する。
基板（１）がサファイア等の絶縁性材料からなる場合、ドライエッチングにより、ｎ型クラッド層（４）の一部を露出させるように、該ｎ型クラッド層（４）の上層を部分的に除去する。そして、ｎ型クラッド層（４）の露出面上にｎ電極（８）を形成し、ｐ型クラッド層（６）の上面にｐ電極（７）を形成する（図２参照）。
基板（１）が導電性材料からなる場合には、図示していないが、周知の如く基板（１）の裏面にｎ電極（８）を形成すればよい。
また、必要に応じて、電極とこれに接する部分との界面に、接触抵抗を低減するためのコンタクト層を設けてもよい。
【００３２】
尚、本発明に係る半導体素子の製造方法において、窒化物半導体層（２）の形成に際しては、生産性において優れているＭＯＣＶＤ法を用いることが最も好ましいが、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相エピタキシャル法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル法）、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相エピタキシャル法）等の他の公知の方法を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明に係る半導体素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の半導体発光素子として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る半導体素子の主要部を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る半導体素子の全体構成を示す概略断面図である。
【図３】下地層中のＡｌ組成が非単調に減少若しくは増加する場合において、下地層中のＡｌ組成と基板からの距離の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１      基板
２      窒化物半導体層
３      下地層
３１    単位層
３２    単位層
３３    単位層
３４    単位層
３ｎ    単位層
４      ｎ型クラッド層
５      発光層
６      ｐ型クラッド層
【図１】
2008277356.tif 000003
【図２】
2008277356.tif 000004
【図３】
2008277356.tif 000005