(57)【要約】      （修正有）【課題】発光出力性能が向上するように構造が改良された窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】基板上に順次に積層されたｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を備え、前記活性層は、前記ｎ型半導体層上に第１障壁層、前記第１障壁層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤でドープされた第１拡散防止層、前記第１拡散防止層上に量子井戸層、前記量子井戸層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤でドープされた第２拡散防止層、および前記第２拡散防止層上に、第２障壁層を備え、前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層により、前記量子井戸層と、前記第１障壁層および前記第２障壁層との間のインジウム元素の相互拡散を抑制する。【選択図】図１
2008021986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に順次に積層されたｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を備える窒化物系半導体発光素子であって、
前記活性層は、
前記ｎ型半導体層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）から形成される第１障壁層と、
前記第１障壁層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）から形成される第１拡散防止層と、
前記第１拡散防止層上に、ＩｎｚＧａ１（１−ｚ）Ｎ（ただし、０．２５≦ｚ≦０．３５）から形成される量子井戸層と、
前記量子井戸層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）から形成される第２拡散防止層と、
前記第２拡散防止層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）から形成される第２障壁層と、
を備え、前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、前記量子井戸層と、前記第１障壁層および前記第２障壁層との間のインジウム元素の相互拡散を抑制することを特徴とする、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記欠陥抑制剤として用いられる窒素元素のドーピング濃度は、１×１０３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記欠陥抑制剤として用いられるシリコン元素のドーピング濃度は、１×１０３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記欠陥抑制剤としてドープされる窒素元素は、モノメチルヒドラジンおよびジメチルヒドラジンからなる群より選択される少なくとも１種の窒素源物質から供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記欠陥抑制剤としてドープされるシリコン元素は、シラン、ジシラン、メチルシラン、ジメチシラン、ジエチルシラン、トリメチルシラン、トリエチルシラン、テトラメチルシラン、およびテトラエチルシランからなる群より選択される少なくとも１種のシリコン源物質から供給されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、０．２〜６ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記活性層が、前記第２障壁層と前記ｐ型半導体層との間に順次に繰り返し積層される別途の第１拡散防止層、別途の量子井戸層、別途の第２拡散防止層、および別途の第２障壁層をさらに備え、前記活性層が多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
基板上に順次に積層されたｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を備える窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、
前記活性層を形成する方法は、
前記ｎ型半導体層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）を用いて第１障壁層を形成する工程と、
前記第１障壁層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）を用いて第１拡散防止層を形成する工程と、
前記第１拡散防止層上に、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ただし、０．２５≦ｚ≦０．３５）を用いて量子井戸層を形成する工程と、
前記量子井戸層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）を用いて第２拡散防止層を形成する工程と、
前記第２拡散防止層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）を用いて第２障壁層を形成する工程と、
を含み、前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、前記量子井戸層と、前記第１障壁層および前記第２障壁層との間のインジウム元素の相互拡散を抑制することを特徴とする、窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、有機金属気相成長法により、６００〜９００℃の温度範囲で、トリメチルガリウムおよびアンモニアを含む反応ガスと、窒素源物質およびシリコン源物質の少なくとも一方を含むドーピングガスとを反応させることによって形成されることを特徴とする、請求項８に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記反応ガスが、トリメチルインジウムをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記窒素源物質は、モノメチルヒドラジンおよびジメチルヒドラジンからなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項９または１０に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記ジメチルヒドラジンの供給量は、０＜（ジメチルヒドラジン／トリメチルガリウム）＜２０（モル比）の条件を満足するように制御されることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記欠陥抑制剤として用いられる窒素元素のドーピング濃度は、１×１０３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲に制御されることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記シリコン源物質は、シラン、ジシラン、メチルシラン、ジメチルシラン、ジエチルシラン、トリメチルシラン、トリエチルシラン、テトラメチルシラン、およびテトラエチルシランからなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記欠陥抑制剤として用いられるシリコン元素のドーピング濃度は、１×１０３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲に制御されることを特徴とする、請求項１４に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、０．２〜６ｎｍの厚さに形成されることを特徴とする、請求項８〜１５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第１障壁層および前記第２障壁層は、有機金属気相成長法により６００〜９００℃の温度範囲で、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを反応させて形成されることを特徴とする、請求項８〜１６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記量子井戸層は、有機金属気相成長法により６００〜９００℃の温度範囲で、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、およびアンモニアを反応させて形成されることを特徴とする、請求項８〜１７のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第１障壁層、前記第１拡散防止層、前記量子井戸層、前記第２拡散防止層、および前記第２障壁層が、インサイチュ法により順次に形成されることを特徴とする、請求項８〜１８のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
前記活性層が、前記第２障壁層と前記ｐ型半導体層との間に順次に繰り返し積層される、別途の第１拡散防止層、別途の量子井戸層、別途の第２拡散防止層、および別途の第２障壁層をさらに備え、前記活性層が多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項８〜１９のいずれか１項に記載の窒化物系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、窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関し、さらに詳細には、発光出力性能が向上するように構造が改良された窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物系半導体素子は、融点が高く、比較的熱に強いという特性を有する。窒化物系半導体素子は温度依存性が小さいため、青色／緑色発光ダイオードおよびレーザダイオードなどの発光素子および高速スイッチング素子および高出力素子である電子素子に用いられている。従来、窒化物系半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）および窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）などのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体が注目を集めており、これらの半導体物質から形成される発光素子が開発されている。
【０００３】
一般的に、半導体発光素子は、電流を光に変える活性層を備える。青色の波長以上の波長を有する窒化物系半導体発光素子の活性層を構成する主要物質は、ＩｎＧａＮである。ＩｎＧａＮ中のインジウムの組成比を変えることによって、バンドギャップエネルギーは変わり、それにより発光の波長領域が制御される。前記活性層は、量子井戸層および障壁層が一対をなして形成され、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。前記多重量子井戸構造は、小さな電流であっても効率良く発光を起こし、単一量子井戸構造に比べて高い発光出力を有する。
【０００４】
ＩｎＧａＮを基盤とする活性層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮの構造で積層された量子井戸層および障壁層を含む。量子井戸層のインジウム組成比が高いほど、バンドギャップエネルギーは小さくなる。その結果、長波長領域の光が発光されうる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−６４３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、量子井戸層と障壁層との間のインジウム組成比の違いが大きい場合、温度に対する不安定性および化学的な不安定性が、前記量子井戸層と前記障壁層との間のインジウム元素の相互拡散を引き起こし、それにより前記活性層の発光出力が低下するという問題があった。また、このようなインジウム元素の拡散は、前記活性層の薄膜特性を低下させるという問題があった。
【０００６】
本発明は、前記のような問題を解決するためのものであって、その目的は、発光出力性能が向上するように構造が改良された窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、基板上に順次に積層されたｎ型半導体層、活性層およびｐ型半導体層を備える窒化物系半導体発光素子であって、前記活性層は、前記ｎ型半導体層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）から形成される第１障壁層と、前記第１障壁層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）から形成される第１拡散防止層と、前記第１拡散防止層上に、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ただし、０．２５≦ｚ≦０．３５）から形成される量子井戸層と、前記量子井戸層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）から形成される第２拡散防止層と、前記第２拡散防止層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）から形成される第２障壁層と、を備え、前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、前記量子井戸層と、前記第１障壁層および前記第２障壁層との間のインジウム元素の相互拡散を抑制することを特徴とする、窒化物系半導体発光素子を提供する。
【０００８】
また、本発明は、基板上に順次に積層されたｎ型半導体層、活性層、およびｐ型半導体層を備える窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、前記活性層を形成する方法は、前記ｎ型半導体層上にＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）を用いて第１障壁層を形成する工程と、前記第１障壁層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）を用いて第１拡散防止層を形成する工程と、前記第１拡散防止層上に、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ただし、０．２５≦ｚ≦０．３５）用いて量子井戸層を形成する工程と、前記量子井戸層上に、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）を用いて第２拡散防止層を形成する工程と、前記第２拡散防止層上に、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）を用いて第２障壁層を形成する工程と、を含み、前記第１拡散防止層および前記第２拡散防止層は、前記量子井戸層と、前記第１障壁層および前記第２障壁層との間のインジウム元素の相互拡散を抑制することを特徴とする、窒化物系半導体発光素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、窒化物系半導体発光素子の活性層は、量子ウェル層と、それに隣接する障壁層との間でインジウム元素の拡散を抑制する拡散防止層を含み、前記活性層の光出力および発光特性が改良されうる。特に、本発明によれば、前記拡散防止層は、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされ、３０％以上の高いインジウム組成比を有する活性層に用いられると十分な拡散抑制効果を有する、高性能および高品質の拡散防止層が提供される。また、前記欠陥防止剤のドーピングは、拡散防止層の表面粗さなどの膜特性を改良させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を詳細に説明する。図面において、層および領域の厚さは、明細書を明確にするために誇張されている。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の断面概略図である。
【００１２】
図１に示すように、窒化物系半導体発光素子は、基板１０、前記基板１０上に順次に積層されたｎ型半導体層２０、活性層３０、およびｐ型半導体層４０を備える。前記活性層３０は、前記ｎ型半導体層２０上に順次に積層された第１障壁層３２、第１拡散防止層３４、量子井戸層３５、第２拡散防止層３６、および第２障壁層３８を備える。ｎ−電極５０およびｐ−電極６０は、前記ｎ型半導体層２０のエッチング面上および前記ｐ型半導体層４０上に、それぞれ形成されている。
【００１３】
図１の窒化物系半導体発光素子において、前記ｎ−電極５０と前記ｐ−電極６０との間に所定の電圧が印加されると、前記ｎ型半導体層２０および前記ｐ型半導体層４０から、電子および正孔がそれぞれ前記活性層３０内の量子井戸層３５に流入する。量子井戸層３５内の正孔および電子が再結合することによって、量子井戸層３５から光が発せられる。
【００１４】
半導体発光素子から緑色の波長領域を有する光を得るために、前記量子井戸層３５のインジウム組成比は、２５〜３５％の範囲であることが好ましい。前記量子井戸層３５のインジウム組成比によって、前記第１障壁層３２および前記第２障壁層３８のインジウム組成比は、１〜５％の範囲で選択されることが好ましい。具体的には、前記量子井戸層３５は、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ただし、０．２５≦ｚ≦０．３５）から形成され、前記第１障壁層３２および前記第２障壁層３８は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）から形成され、緑色の波長領域を有する光の抽出が期待されうる。前記量子井戸層３５は、０．５〜２０ｎｍの厚さを有することが好ましい。前記第１障壁層３２および前記第２障壁層３８は、１０〜３０ｎｍの厚さを有することが好ましい。前記量子井戸層３５の厚さ、前記第１障壁層３２の厚さ、および前記第２障壁層３８の厚さは、本発明の範囲を制限するものではない。
【００１５】
ＩｎＧａＮから形成された量子井戸層３５、ならびにＧａＮから形成された第１障壁層３２および第２障壁層３８が積層される場合、ＧａＮはＩｎＧａＮに比べて相対的に大きなエネルギーバンドギャップを有するため、量子井戸層３５に流入したキャリアを効果的に拘束できる量子井戸構造が提供されうる。しかし、前記量子井戸層３５と、前記第１障壁層３２および前記第２障壁層３８とのインジウム組成比の違いは、これらの間のインジウム元素の相互拡散を引き起こす。このような拡散現象は、発光出力によって温度が上昇すると、さらに活発になる。その結果、前記量子井戸層３５の界面特性および薄膜特性を低下させるだけでなく、発光出力をも低下させうる。特に、前記量子井戸層３５と、前記第１障壁層３２および前記第２障壁層３８とのインジウム組成比の違いが大きい場合、この問題はさらに深刻になる。
【００１６】
この問題を解決するために、本発明の一実施形態による活性層３０は、前記量子井戸層３５と前記第１障壁層３２および前記第２障壁層３８との間のインジウム元素の相互拡散を抑制する第１拡散防止層３４および第２拡散防止層３６をさらに備える。前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６は、従来と比べて、活性層３０の発光出力および発光特性を改良しうる。
【００１７】
前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６は、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤がドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）から形成される。
【００１８】
通常、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とアンモニア（ＮＨ３）とを反応させることによって、ＧａＮ層が形成されうる。高品質のＧａＮ層を形成するためには、１０００℃以上の高い成長温度が必要とされるが、発光素子を構成する他の物質層または基板に起こる熱的損傷などを防止するために、６００〜９００℃の低い温度範囲での膜成長を行うことが好ましい。しかし、７００℃の温度でＧａＮ層が形成される場合、アンモニア（ＮＨ３）の分解率が１０％以下に低くなり、そのために窒素元素の不足が起こり、高品質のＧａＮ層が形成されない場合がある。このため、ＧａＮ層内に穴などの欠陥が発生し、ＧａＮ層の表面が粗くなり、ＧａＮから形成される拡散防止層の上部に形成される量子井戸層や第２障壁層の薄膜品質も低下する。その結果、活性層の発光効率が低下しうる。したがって、本発明では、拡散防止層に欠陥が発生することを抑制するために、拡散防止層に欠陥抑制剤をドープする。
【００１９】
前記欠陥抑制剤は、穴などの欠陥を抑制して、成長したＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層の表面粗さを改良する役割を果たすだけではなく、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層内の空孔などの点欠陥を最小化する役割を果たす。前記ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層内に発生する穴または空孔などの欠陥は、ドープされた窒素元素またはシリコン元素によって満たされ、発生した欠陥が除去されうる。前記欠陥抑制剤として用いられる窒素元素およびシリコン元素のドーピング濃度は、１×１０３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３にすることが好ましい。窒素元素およびシリコン元素のドーピング濃度が１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３を超えると、窒素元素を含む窒素源物質の副反応およびシリコン元素により、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層の膜特性が低下する場合がある。前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６は、０．２〜６ｎｍの厚さに形成されることが好ましい。前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６の厚さが０．２ｎｍより薄い場合、前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６のインジウム元素の拡散を抑制することが不十分となる場合があり、前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６の厚さが６ｎｍより厚い場合、前記第１拡散防止層３４および前記第２拡散防止層３６が、前記量子井戸層３５に流入されるキャリアの流れを妨害する場合がある。
【００２０】
前記欠陥抑制剤としてドープされる窒素元素は、モノメチルヒドラジン（ＭＭＨｙ）およびジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）からなる群より選択される少なくとも１種の窒素源物質から供給されることが好ましい。前記の窒素源物質は、５００℃以下の低温で容易に分解されうる。したがって、低い成長温度によって起こる窒素元素の不足は、ＧａＮ層の形成時に補われ、ＧａＮ層内の窒素空孔の濃度を下げうるだけでなく、ＧａＮ層の二次元成長を促進させることによって表面粗さを改良させ、ＧａＮから形成される拡散防止層の質が改良される。
【００２１】
前記欠陥抑制剤としてドープされるシリコン元素は、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、メチルシラン（ＣＨ３ＳｉＨ３）、ジメチルシラン（（ＣＨ３）２ＳｉＨ２）、ジエチルシラン（（Ｃ２Ｈ５）２ＳｉＨ２）、トリメチルシラン（（ＣＨ３）３ＳｉＨ）、トリエチルシラン（（Ｃ２Ｈ５）３ＳｉＨ）、テトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、およびテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）からなる群より選択される少なくとも１種のシリコン源物質から供給されることが好ましい。前記シリコン源物質は、５００℃以下の低温で容易に分解されうる。したがって、前記シリコン元素は、ＧａＮ層内のガリウム空孔の濃度を下げうるだけでなく、ＧａＮ層の二次元成長を促進することによって表面粗度を改良させ、ＧａＮから形成される拡散防止層の質が改良される。
【００２２】
図１では、前記活性層３０が単一量子井戸構造を有しているが、本発明の範囲が、この構造に制限されるものではない。前記活性層３０は、前記第２障壁層３８と前記ｐ型半導体層４０との間に順次に繰り返し積層された別途の第１拡散防止層、別途の量子井戸層、別途の第２拡散防止層、および別途の第２障壁層をさらに備え、前記活性層３０が多重量子井戸構造を有していてもよい。
【００２３】
前記基板１０は、シリコン（Ｓｉ）基板、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、およびサファイア基板のいずれか１種であることが好ましい。前記ｎ型半導体層２０は、ＡｌＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体物質から形成されるが、特に、ｎ−ＧａＮから形成することが好ましい。前記ｐ型半導体層４０は、ｐ−ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体物質から形成されるが、特に、ｐ−ＧａＮ、またはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成されることが好ましい。
【００２４】
前記ｎ−電極５０および前記ｐ−電極６０は、導電性物質、例えば、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、および銀（Ａｇ）などの金属物質または透明導電性酸化物から形成されることが好ましい。前記透明導電性酸化物は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ：インジウムスズ酸化物）、ＺＩＴＯ（Ｚｉｎｃ−ｄｏｐｅｄ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｚｉｎｃ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ；インジウム亜鉛酸化物）、ＧＩＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｏｘｉｄｅ）、ＺＴＯ（Ｚｉｎｃ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、およびＺｎ（１−ｍ）ＭｇｍＯ（ただし、０≦ｍ≦１）からなる群より選択されるいずれか１種であることが好ましい。さらに具体的な例としては、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５、ＧａＩｎＯ３、ＺｎＳｎＯ３、Ｆ−ｄｏｐｅｄ  ＳｎＯ２、Ａｌ−ｄｏｐｅｄ  ＺｎＯ、Ｇａ−ｄｏｐｅｄ  ＺｎＯ、ＭｇＯ、またはＺｎＯなどが好ましく挙げられる。
【００２５】
図２は、本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子のＰＬ（Ｐｈｏｔｏ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ピーク強度を示すグラフである。図２では、４本の棒が示されている。第１の棒は、欠陥抑制剤がドープされていない拡散防止層を有する発光素子のＰＬピーク強度を示す第２の棒は、拡散防止層の形成時にジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を供給して、窒素元素のみがドープされた拡散防止層を有する発光素子のＰＬピーク強度を示す。第３の棒は、拡散防止層の形成時にシラン（ＳｉＨ４）を供給して、シリコン元素のみがドープされた拡散防止層を備えた発光素子のＰＬピーク強度を示す。第４の棒は、拡散防止層の形成時にＤＭＨｙおよびＳｉＨ４を両方とも供給して、窒素元素およびシリコン元素の両方がドープされた拡散防止層を備えた発光素子のＰＬピーク強度を示す。窒素元素およびシリコン元素のいずれか一方がドープされた拡散防止層を備えた発光素子の場合、何もドープされていない拡散防止層を備えた発光素子に比べてＰＬピーク強度が２倍高い。窒素元素およびシリコン元素の両方がドープされた拡散防止層を備えた発光素子の場合、何もドープされていない拡散防止層を備えた発光素子に比べてＰＬピーク強度が４倍高い。
【００２６】
図３Ａ〜図３Ｆは、本発明に係る窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。ここで、それぞれの物質層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ：Ｈａｌｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、液相エピタキシー法（ＬＰＥ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）、化学気相成長法（ＣＶＤＣｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、またはスパッタリング法などの様々な真空蒸着法により形成されうる。
【００２７】
図３Ａに示すように、あらかじめ準備された基板１０、例えば、Ｓｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、またはサファイア基板上に、同種の物質（例えば、ＧａＮ基板上にＧａＮ系結晶層を成長させる）または異種の物質（例えば、サファイア基板上にＧａＮ系結晶層を成長させる）を用いて、積層法によりｎ型半導体層２０を形成する。前記ｎ型半導体層２０は、ＡｌＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体物質から形成されることが好ましく、特に、ｎ−ＧａＮから形成されることが好ましい。
【００２８】
図３Ｂに示すように、前記ｎ型半導体層２０上に第１障壁層３２、第１拡散防止層３４、および量子井戸層３５が順次に形成される。ここで、前記第１拡散防止層３４は、前記量子井戸層３５と第１障壁層３２との間でのインジウム元素の相互拡散を抑制する役割を果たし、これは、本発明の特徴でもある。
【００２９】
前記第１障壁層３２は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし、０．０１≦ｘ≦０．０５）から形成される。具体的には、前記第１障壁層３２は、ＭＯＣＶＤにより、好ましくは６００〜９００℃でトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、およびアンモニア（ＮＨ３）を反応させることによって形成されることが好ましい。また、前記第１障壁層３２は、１０〜３０ｎｍの厚さで形成されることが好ましい。
【００３０】
次いで、前記第１障壁層３２上に、第１拡散防止層３４が形成される。前記第１拡散防止層３４は、窒素元素およびシリコン元素の少なくとも一方を含む欠陥抑制剤でドープされたＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）から形成される。具体的には、前記第１拡散防止層３４は、ＭＯＣＶＤにより、好ましくは６００〜９００℃の温度範囲で、ＴＭＧａおよびＮＨ３を含む反応ガスと、窒素源物質およびシリコン源物質の少なくとも一方を含むドーピングガスとを反応させることにより形成されることが好ましい。この場合、前記第１拡散防止層３４は、ＧａＮから形成される。前記反応ガスはＴＭＩをさらに含んで、第１拡散防止層３４を形成してもよく、この場合、前記第１拡散防止層３４は、ＩｎＧａＮから形成される。
【００３１】
通常、ＭＯＣＶＤにより、ＴＭＧａとＮＨ３とを反応させることによってＧａＮ層が形成されうる。高品質のＧａＮ層を形成するためには、１０００℃以上の高い成長温度が必要とされるが、発光素子を構成する他の物質層または基板に起こる熱的損傷などを防止するために、６００〜９００℃の低い温度範囲での膜成長を行うことが好ましい。しかし、７００℃の温度でＧａＮ層が形成される場合、ＮＨ３の分解率が１０％以下に低くなり、そのために窒素元素の不足が起こり、高品質のＧａＮ層が形成されなくなる。このため、ＧａＮ層内に穴などの欠陥が発生し、ＧａＮ層の表面が粗くなり、ＧａＮから形成される拡散防止層の上部に形成される量子井戸層や第２障壁層の薄膜品質も低下する。その結果、活性層の発光効率が低下しうる。したがって、本発明では、拡散防止層に欠陥が発生することを抑制するために、拡散防止層に欠陥抑制剤をドープする。
【００３２】
前記欠陥抑制剤は、穴などの欠陥を抑制して、成長したＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層の表面粗さを改良する役割を果たすだけではなく、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層内の空孔などの点欠陥を最小化する役割を果たす。前記ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層内に発生する穴または空孔などの欠陥は、ドープされた窒素元素またはシリコン元素によって満たされ、発生した欠陥が除去されうる。
【００３３】
前記欠陥抑制剤として用いられる窒素元素を供給する窒素源物質は、ＭＭＨｙおよびＤＭＨｙからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。このとき、前記のＤＭＨｙの供給量は、０＜（ＤＭＨｙ／ＴＭＧａ）＜２０（モル比）の条件を満足するように制御されることが好ましい。ＤＭＨｙ／ＴＭＧａの比率が２０より大きくなる場合、供給されたＤＭＨｙから予測し得ない他の副反応が起こる場合があり、このような副反応は、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層の膜特性の低下を引き起こす場合がある。
【００３４】
前記の窒素源物質は、５００℃以下の低温で容易に分解されうる。したがって、低い成長温度によって起こる窒素元素の不足が補われて、ＧａＮ層内の窒素空孔の濃度を下げうるだけでなく、ＧａＮ層の二次元成長を促進することによって表面粗さを改良して、ＧａＮから形成される拡散防止層の質を改良する。
【００３５】
また、前記欠陥抑制剤として用いられるシリコン元素を供給するシリコン源物質は、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、ＣＨ３ＳｉＨ３、（ＣＨ３）２ＳｉＨ２、（Ｃ２Ｈ５）２ＳｉＨ２、（ＣＨ３）３ＳｉＨ、（Ｃ２Ｈ５）３ＳｉＨ、ＴＭＳｉ、およびＴＥＳｉからなる群より選択された少なくとも１種であることが好ましい。同様に、前記シリコン元素のドーピング濃度は、１×１０３〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲にすることが好ましい。前記シリコン元素のドーピング濃度が１×１０２０を超える場合、過剰なシリコン元素により、ＩｎｙＧａ（１−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｙ＜０．０１）層の膜特性が低下する場合がある。
【００３６】
前記のシリコン源物質も５００℃以下の低温で容易に分解されうる。前記シリコン元素は、ＧａＮ層内のガリウム空孔の濃度を下げうるだけでなく、ＧａＮ層の二次元成長を促進することによって表面粗さを改良して、ＧａＮから形成される拡散防止層の質を改良する。
【００３７】
前記第１拡散防止層３４は、０．２〜６ｎｍの厚さに形成されることが好ましい。前記第１拡散防止層３４の厚さが０．２ｎｍより薄い場合、インジウム元素の拡散を抑制することが不十分となる場合があり、前記第１拡散防止層３４の厚さが６ｎｍより厚い場合、前記第１拡散防止層３４が、前記量子井戸層３５に流入されるキャリアの流れを妨害する場合がある。
【００３８】
次いで、前記第１拡散防止層３４上に、量子井戸層３５が、ＩｎｚＧａ（１−ｚ）Ｎ（ただし、０．２５≦ｚ≦０．３５）から形成される。具体的には、前記量子井戸層３５は、ＭＯＣＶＤにより、好ましくは６００〜９００℃の温度範囲で、ＴＭＧａ、ＴＭＩ、およびＮＨ３を反応させることにより形成されることが好ましく、０．５〜２０ｎｍの厚さに形成されることが好ましい。
【００３９】
図３Ｃに示すように、前記量子井戸層３５上に、ＭＯＣＶＤにより、第２拡散防止層３６および第２障壁層３８が順次に形成される。前記第２拡散防止層３６および前記第２障壁層３８の形成物質および形成方法は、前述の第１拡散防止層３４および第１障壁層３２の形成物質および形成方法と同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００４０】
図３Ｄに示すように、前記第１障壁層３２、前記第１拡散防止層３４、前記量子井戸層３５、前記第２拡散防止層３６、および前記第２障壁層３８を備える活性層３０上に、ｐ型半導体層４０が形成される。前記ｐ型半導体層４０は、ｐ−ＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体物質から形成されることが好ましく、特に、ｐ−ＧａＮまたはｐ−ＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成することが好ましい。
【００４１】
図３Ｅおよび図３Ｆに示すように、前記ｐ型半導体層４０の上面の所定領域から、ｎ型半導体層２０の所定深さまでエッチングして、前記ｎ型半導体層２０にエッチング面を形成する。次いで、前記ｎ型半導体層２０のエッチング面および前記ｐ型半導体層４０上に導電性物質、例えばＡｕ、Ａｌ、およびＡｇなどの金属物質または透明導電性酸化物から、ｎ−電極５０およびｐ−電極６０が形成される。前記透明導電性酸化物は、ＩＴＯ、ＺＩＴＯ、ＺＩＯ、ＧＩＯ、ＺＴＯ、ＦＴＯ、ＡＺＯ、ＧＺＯ、Ｉｎ４Ｓｎ３Ｏ１２、およびＺｎ（１−ｍ）ＭｇｍＯ（ただし、０≦ｍ≦１）からなる群より選択されるいずれか１種であることが好ましい。さらに具体的な例としては、Ｚｎ２Ｉｎ２Ｏ５、ＧａＩｎＯ３、ＺｎＳｎＯ３、Ｆ−ｄｏｐｅｄ  ＳｎＯ２、Ａｌ−ｄｏｐｅｄ  ＺｎＯ、Ｇａ−ｄｏｐｅｄ  ＺｎＯ、ＭｇＯ、またはＺｎＯなどが好ましく挙げられる。
【００４２】
前記のような工程を通じて、本発明による窒化物系半導体発光素子が製造されうる。本発明の実施形態において、前記第１障壁層３２、前記第１拡散防止層３４、前記量子井戸層３５、前記第２拡散防止層３６、および前記第２障壁層３８は、インサイチュ法により順次に積層されることが好ましい。これらの層が、ＭＯＣＶＤ装置内で、インサイチュ法で形成される場合、工程がさらに単純化され、高品質の膜が得られる。
【００４３】
図３Ｆでは、前記活性層３０が単一量子井戸構造を有しているが、本発明は、このような構造に制限されるものではない。例えば、第２障壁層３８とｐ型半導体層４０との間に、別途の第１拡散防止層、別途の量子井戸層、別途の第２拡散防止層、および別途の第２障壁層３８が順次に繰り返し積層されて、前記活性層３０が多重量子井戸構造を有するように形成されてもよい。
【００４４】
図４は、ＤＭＨｙの供給量の増加に対するＧａＮ拡散防止層の表面粗さの改良を示す、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の写真である。図４の（ａ）は、ＤＭＨｙを添加せずに、ＭＯＣＶＤによりＴＭＧａとＮＨ３とを反応させて形成されたＧａＮ拡散防止層の写真である。図４の（ｂ）および図４の（ｃ）は、それぞれ、ＤＭＨｙを、ＤＭＨｙ／ＴＭＧａ＝０．１（モル比）およびＤＭＨｙ／ＴＭＧａ＝１（モル比）で添加して形成したＧａＮ拡散防止層の写真である。表面粗さの変化を明確に観察するために、それぞれのサンプルは、２０ｎｍの厚さに形成されている。図４の（ａ）において、ＧａＮ層の全面にわたって穴が相当量観察されるが、図４の（ｂ）および図４の（ｃ）において、穴の数が著しく減少したことが観察される。図４の（ａ）、図４の（ｂ）、および図４の（ｃ）に示すＡＦＭによる観察結果において、各ＧａＮ薄膜の表面粗さを表す二乗平均平方根（ＲＭＳ：Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）は、それぞれ１．４ｎｍ、１．０ｎｍ、および０．８ｎｍである。
【００４５】
以上、本発明の理解を助けるために、いくつかの模範的な実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者であれば、本発明の思想および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において多様な変形が可能であるという点が理解できるであろう。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、窒化物系半導体発光素子に関連した分野に好適に用いられうる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の断面概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子のＰＬ強度を示すグラフである。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。
【図３Ｅ】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。
【図３Ｆ】本発明の一実施形態による窒化物系半導体発光素子の製造方法を示す断面概略図である。
【図４】ＤＭＨｙの供給量の増加による、ＧａＮ拡散防止層の表面粗さの改良を示すＡＦＭ写真である。
【符号の説明】
【００４８】
１０    基板、
２０    ｎ型半導体層、
３０    活性層、
３２    第１障壁層、
３４    第１拡散防止層、
３５    量子井戸層、
３６    第２拡散防止層、
３８    第２障壁層、
４０    ｐ型半導体層、
５０    ｎ−電極、
６０    ｐ−電極。
【図１】
2008021986.tif 000003
【図２】
2008021986.tif 000004
【図３Ａ】
2008021986.tif 000005
【図３Ｂ】
2008021986.tif 000006
【図３Ｃ】
2008021986.tif 000007
【図３Ｄ】
2008021986.tif 000008
【図３Ｅ】
2008021986.tif 000009
【図３Ｆ】
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【図４】
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