(57)【要約】【課題】発光層の保護機能を損なうことなしに発光効率を向上させること。【解決手段】発光層７に接して第１乃至第３の層から成る３層構造のｐ型層を設ける。第１の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９が保護層として働き、第３の層であるＧａＮ：Ｍｇ層１１がコンタクト層として働くと共に、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０がこれらの中間に設けられて中間層となり、この中間層を設けたことにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層９の層厚を薄くしてもＩｎＧａＮ層８をその上側の層の成長時の熱から充分に保護することができ、これによりＧａＮ：Ｍｇ層１１を発光層７に近づけて発光層７へのホールの注入効率を高め、発光効率を向上させることができるようにした。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐｎ接合を有するダブルへテロ構造の発光層を備えた化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板において、
前記発光層に接して設けられるｐ型層側の層構造が、前記発光層に接する層から順に、Ｉｎｘ　Ａｌｙ　Ｇａｚ　Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表されるｎ型の第１の層と、Ｉｎｕ　Ａｌｖ　Ｇａｗ　Ｎ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）で表されるｐ型の第２の層と、Ｉｎｐ　Ａｌｑ　Ｇａｒ　Ｎ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表されるｐ型の第３の層とを含み、かつこれら３つの層が互いに接して積層されていることを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板。
【請求項２】
前記第１の層の層厚ｄ１　（Å）が５≦ｄ１　≦２００の範囲内であり、前記第２の層の層厚ｄ２　（Å）が５≦ｄ２　≦３００００の範囲内である請求項１記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板。
【請求項３】
請求項１又は２記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造するための方法において、
前記第１の層の成長温度Ｔ１　と前記第２の層の成長温度Ｔ２　との間に、下式
Ｔ１　≦Ｔ２　
の関係が成り立つようにしたことを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項４】
前記第２の層の成長温度Ｔ２　（℃）と前記第２の層の層厚ｄ２　（Å）との間に、次式
５　≦　ｄ２　　≦　３００００　（９００　≦　Ｔ２　≦　１１５０）
Ｔ２　≧　０．４ｄ２　＋７００　　（７００　≦　Ｔ２　＜　９００）
で表される関係が満たされるようにして前記第２の層を成長させることを特徴とする請求項３記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項５】
前記第１の層の成長が終了した後、前記第２の層及び前記第３の層を再成長法により形成するようにした請求項３又は４記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を用いてなる発光素子。
【請求項７】
請求項３、４又は５記載の製造方法を用いて作製した発光素子。
【請求項８】
ｐｎ接合を有するダブルへテロ構造の発光層を備えた化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板において、
前記発光層に接して設けられるｐ型層側の層構造が、前記発光層に接する層から順に、Ｉｎｘ　Ａｌｙ　Ｇａｚ　Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表されるｎ型の第１の層と、Ｉｎｕ　Ａｌｖ　Ｇａｗ　Ｎ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）で表されるｎ型の第２の層と、Ｉｎｐ　Ａｌｑ　Ｇａｒ　Ｎ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表されるｐ型の第３の層とを含み、かつ、これら３つの層が互いに接して積層されていることを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板。
【請求項９】
前記第２の層のｐ型ドーパント濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下であり、且つ前記第２の層のｎ型キャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下である請求項８記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板。
【請求項１０】
前記第１の層の層厚ｄ１　（Å）が５≦ｄ１　≦２００の範囲内であり、前記第２の層の層厚ｄ２　（Å）が５≦ｄ２　≦５００の範囲内である請求項８又は９記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板。
【請求項１１】
請求項８、９又は１０記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造するための方法において、
前記第１の層の成長温度Ｔ１　と前記第２の層の成長温度Ｔ２　との間に、下式
Ｔ１　≦Ｔ２　
の関係が成り立つようにしたことを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１２】
前記第２の層の成長温度Ｔ２　（℃）と層厚ｄ２　（Å）との間に、次式
Ｔ２　　≧　０．４ｄ２　＋　７００　（５　≦　ｄ２　≦５００）
１１５０　≧　Ｔ２　　≧　７００
で表される関係が満たされるようにして前記第２の層を成長させることを特徴とする請求項１１記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１３】
前記第１の層の成長が終了した後、前記第２の層及び前記第３の層を再成長法により形成するようにした請求項１１又は１２記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項８、９又は１０記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を用いてなる発光素子。
【請求項１５】
請求項１１、１２又は１３の製造方法を用いて作製した発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系３−５族化合物半導体薄膜を積層して成る化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板及びその製造方法並びに発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
紫外、青色もしくは緑色の発光ダイオードまたは紫外、青色もしくは緑色のレーザダイオード等の発光素子の材料として、一般式Ｉｎｘ　Ｇａｙ　Ａｌｚ　Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される３−５族化合物半導体が知られている。以下、この一般式中のｘ、ｙ及びｚをそれぞれＩｎＮ混晶比、ＧａＮ混晶比およびＡｌＮ混晶比と記すことがある。該３−５族化合物半導体において、特にＩｎＮを混晶比で１０％以上含むものは、ＩｎＮ混晶比に応じて可視領域での発光波長を調整できるため、表示用途に特に重要である。
【０００３】
ところで、該化合物半導体は混晶比により大きく物性が変化することが知られている。たとえば、Ｉｎを含まないＧａＡｌＮ系混晶は、熱的な安定性に優れ、良好な結晶を得るために１０００℃以上の成長温度を用いることができる。他方、Ｉｎを含むＩｎＧａＡｌＮ系では、ＩｎＮ混晶比にもよるが、熱的な安定性が十分でなく、８００℃程度の該化合物半導体としては比較的低い温度で成長することが一般的に行われている。このため、可視光領域の発光素子の発光層を構成する成長層として重要なＩｎＧａＡｌＮ系混晶の成長層は低い温度で成長させており、熱的安定性において十分でない場合が多い。
【０００４】
一方、発光層の成長後にはこの上にｐ型層を成長させることになるが、ｐ型層の成長はより高い成長温度にする必要があるため、この高い成長温度から熱的に不安定である発光層を護る目的で耐熱性の大きな保護層を発光層の上に一旦成長させ、この保護層の上にｐ型層を高い成長温度で成長させる方法が従来から採用されている。
【０００５】
この保護層は、上述した発光層の保護作用のみでなく発光素子の発光特性に大きな影響を与える重要な層である。すなわち、保護層の上に形成されたｐ型層から発光層にホールを有効に注入し、発光層の下側から発光層に注入される電子と該ホールとによって発光再結合を引き起こす作用に深く関与しているものである。したがって、ｐ型層側から発光層へのホールの注入効率を高めるために、保護層はｐ型伝導性またはキャリア濃度の低いｎ型伝導性を有することが望ましいのである。
【０００６】
しかしながら、Ａｌを含む保護層を発光層の成長温度と同じ温度で成長する場合には、保護層の結晶性が十分でなく、結晶欠陥を多数含んで通常キャリア濃度の高いｎ型伝導性を示す。このため、発光層へのホールの注入効率が低下し、高い発光効率が得られにくいという問題点を有している。
【０００７】
すなわち、保護層及びｐ型層の各成長条件は、保護機能の強化とホールの注入効率維持の２つの観点から最適化する必要があるので、保護層には、発光層を熱的に保護すると共に、高い結晶品質を保ったままｐ型層から発光層へのホール注入を効率良く行わせるべく伝導性を制御することが要求されている。
【０００８】
この要求を解決するため、従来において、（１）ＡｌＧａＮ保護層を成長させた後、ｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）の成長温度まで昇温してからｐ型ＧａＮ層を成長させる方法、（２）保護層をＡｌを含まない低温成長で済むＧａＮ層とし、これにより保護層の結晶性を向上させ、バックグラウンド型キャリア濃度をやや低めにするようにした方法等が公知である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、（１）の従来方法によると、ｐ型ＧａＮ層（コンタクト層）の成長中における熱劣化を防ぐために保護層には一定以上の膜厚が必要とされ、これによる膜厚の増大によりｐｎ接合界面が発光層から離れ、発光層へのホールの注入効率が低下するという問題点を有している。
【００１０】
また、Ａｌ組成が低下するにつれて、ＡｌＧａＮ層の保護層としての働きが低下するので、（２）のＧａＮを保護層とする従来方法による場合には、やはりその膜厚を厚くしなければならず、発光効率の向上を期待することができない。
【００１１】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる、化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板及びその製造方法並びにこれらを用いた発光素子を提供することにある。
【００１２】
本発明の目的は、保護層による発光層の保護機能を損なうことなく、発光層へのホールの注入効率を充分なものとすることができるようにした化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板及びその製造方法並びに発光素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、保護層とｐ型層との間に中間層を挿入することにより、保護層の層厚を薄くしても十分な保護機能が得られるようにし、これによりｐ型層を発光層に近づけてホールの注入効率を高めて発光効率を向上させるようにしたものである。
【００１４】
請求項１の発明によれば、ｐｎ接合を有するダブルへテロ構造の発光層を備えた化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板において、前記発光層に接して設けられるｐ型層側の層構造が、前記発光層に接する層から順に、Ｉｎｘ　Ａｌｙ　Ｇａｚ　Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表されるｎ型の第１の層と、Ｉｎｕ　Ａｌｖ　Ｇａｗ　Ｎ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）で表されるｐ型の第２の層と、Ｉｎｐ　Ａｌｑ　Ｇａｒ　Ｎ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表されるｐ型の第３の層とを含み、かつこれら３つの層が互いに接して積層されていることを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板が提案される。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記第１の層の層厚ｄ１　（Å）が５≦ｄ１　≦２００の範囲内であり、前記第２の層の層厚ｄ２　（Å）が５≦ｄ２　≦３００００の範囲内である化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板が提案される。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造するための方法において、
前記第１の層の成長温度Ｔ１　と前記第２の層の成長温度Ｔ２　との間に、下式
Ｔ１　≦Ｔ２　
の関係が成り立つようにしたことを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法が提案される。
【００１７】
請求項４の発明によれば、請求項３の発明において、前記第２の層の成長温度Ｔ２　（℃）と前記第２の層の層厚ｄ２　（Å）との間に、次式
５　≦　ｄ２　　≦　３００００　（９００　≦　Ｔ２　≦　１１５０）
Ｔ２　≧　０．４ｄ２　＋７００　　（７００　≦　Ｔ２　＜　９００）
で表される関係が満たされるようにして前記第２の層を成長させることを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法が提案される。
【００１８】
請求項５の発明によれば、請求項３又は４の発明において、前記第１の層の成長が終了した後、前記第２の層及び前記第３の層を再成長法により形成するようにした化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法が提案される。
【００１９】
請求項６の発明によれば、請求項１又は２記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を用いてなる発光素子が提案される。
【００２０】
請求項７の発明によれば、請求項３、４又は５記載の製造方法を用いて作製した発光素子が提案される。
【００２１】
請求項８の発明によれば、ｐｎ接合を有するダブルへテロ構造の発光層を備えた化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板において、
前記発光層に接して設けられるｐ型層側の層構造が、前記発光層に接する層から順に、Ｉｎｘ　Ａｌｙ　Ｇａｚ　Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表されるｎ型の第１の層と、Ｉｎｕ　Ａｌｖ　Ｇａｗ　Ｎ（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１）で表されるｎ型の第２の層と、Ｉｎｐ　Ａｌｑ　Ｇａｒ　Ｎ（ｐ＋ｑ＋ｒ＝１、０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１）で表されるｐ型の第３の層とを含み、かつ、これら３つの層が互いに接して積層されていることを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板が提案される。
【００２２】
請求項９の発明によれば、請求項８の発明において、前記第２の層のｐ型ドーパント濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下であり、且つ前記第２の層のｎ型キャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３以下である化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板が提案される。
【００２３】
請求項１０の発明によれば、請求項８又は９の発明において、前記第１の層の層厚ｄ１　（Å）が５≦ｄ１　≦２００の範囲内であり、前記第２の層の層厚ｄ２　（Å）が５≦ｄ２　≦５００の範囲内である化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板が提案される。
【００２４】
請求項１１の発明によれば、請求項８、９又は１０記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造するための方法において、
前記第１の層の成長温度Ｔ１　と前記第２の層の成長温度Ｔ２　との間に、下式
Ｔ１　≦Ｔ２　
の関係が成り立つようにしたことを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法が提案される。
【００２５】
請求項１２の発明によれば、請求項１１の発明において、前記第２の層の成長温度Ｔ２　（℃）と層厚ｄ２　（Å）との間に、次式
Ｔ２　　≧　０．４ｄ２　＋　７００　（５　≦　ｄ２　≦５００）
１１５０　≧　Ｔ２　　≧　７００
で表される関係が満たされるようにして前記第２の層を成長させることを特徴とする化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法が提案される。
【００２６】
請求項１３の発明によれば、請求項１１又は１２の発明において、前記第１の層の成長が終了した後、前記第２の層及び前記第３の層を再成長法により形成するようにした化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板の製造方法が提案される。
【００２７】
請求項１４の発明によれば、請求項８、９又は１０記載の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を用いてなる発光素子が提案される。
【００２８】
請求項１５の発明によれば、請求項１１、１２又は１３の製造方法を用いて作製した発光素子が提案される。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態の一例を示す発光素子の層構造図である。図１に示す発光素子は、本発明による化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を用いて製作されたものである。
【００３１】
発光素子２０の層構造について説明すると、サファイア基板１上には、低温ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層３、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４、及びＧａＮ層５がＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法によるエピタキシャル成長により順次積層されて形成されている。ＧａＮ層５の上にはＡｌＧａＮ層６が形成され、ＡｌＧａＮ層６の上には発光層７が形成されている。ＡｌＧａＮ層６及び発光層７もまた、ＭＯＶＰＥ法によるエピタキシャル成長により順次積層されたものである。
【００３２】
なお、本実施の形態では、基板としてサファイア基板を用いたが、使用する基板に関して特に制限はなく、サファイアの他、例えば、ＳｉＣ、埋め込み成長により転位密度を低減させたＧａＮ基板、Ｓｉ上ＧａＮ基板、フリースタンディングＧａＮ基板、ＡｌＮ基板等を用いることができる。また、バッファ層は低温ＧａＮバッファ層に限定されるものでなく、例えば、低温ＡｌＮバッファ、低温ＡｌＧａＮバッファ、低温ＩｎＧａＡｌＮバッファ等を用いることができる。
【００３３】
発光層７は、ＩｎＧａＮ層７ＡとＧａＮ層７Ｂとを繰り返し４組成長させてなる多重量子井戸構造の上にＩｎＧａＮ層８を成長させて成る、ｐｎ接合を有するダブルへテロ構造となっている。ＩｎＧａＮ層８の成長温度は７８０℃である。発光層７の上には、第１の層、第２の層及び第３の層からなる３層構造のｐ型層側の層が発光層７に接して設けられている。すなわち、本実施の形態では、発光層７に接して設けられるｐ型層側の層構造が、発光層７に接する層から順に、ｎ型ＡｌＧａＮ層（第１の層）９、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層（第２の層）１０、及びＧａＮ：Ｍｇ層（第３の層）１１から成っており、且つこれら３つの層が図示の如く接して積層されている。
【００３４】
ここで、第１の層はＩｎＧａＮ層８の成長温度である７８０℃と同じ温度でＭＯＶＰＥ法により結晶成長させたｎ型ＡｌＧａＮ層９である。第２の層はＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０であり、ｎ型ＡｌＧａＮ層９の成長温度よりも高い１０００℃でＭＯＶＰＥ法により結晶成長させたものである。第３の層はＧａＮ：Ｍｇ層１１であり、ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０の成長温度よりもさらに高い１０４０℃でＭＯＶＰＥ法により結晶成長させたものである。
【００３５】
本実施の形態では、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０及び第３の層であるＧａＮ：Ｍｇ層１１は、低抵抗のｐ型層とされている。そして、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４にはオーミックｎ電極１２が設けられており、ＧａＮ：Ｍｇ層１１にはオーミックｐ電極１３が設けられている。
【００３６】
発光素子２０は、以上説明した層構造を有しているが、発光素子２０は、サファイア基板１の上に上述の如き層構造が形成された化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を先ず製作し、このエピタキシャル基板を用いて、図１に示すような形態に作製されたものである。
【００３７】
発光素子２０は、発光層７に接して、第１〜第３の層から成る３層構造のｐ型層側の構造を設け、これにより、第１の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９が保護層として働き、第３の層であるＧａＮ：Ｍｇ層１１がコンタクト層として働くと共に、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０がこれらの中間に設けられて中間層となり、この中間層を設けたことにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層９の層厚を薄くしてもＩｎＧａＮ層８をその上側の層の成長時の熱から充分に保護することができ、これによりＧａＮ：Ｍｇ層１１を発光層７に近づけて発光層７へのホールの注入効率を高め、発光効率を向上させることができるようにしたものである。
【００３８】
なお、図１に示した実施の形態では、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０の伝導性をｐ型としたが、第２の層の伝導性はｐ型に限定されるものではなく、ｎ型としてもよい。第２の層をｎ型の化合物半導体層とすることは、成長条件を変更することで可能である。第２の層として、ｐ型のＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０の代わりにｎ型のＡｌＧａＮ：Ｍｇ層を用いた場合であっても、図１に示した実施の形態の場合と同様にして、ＩｎＧａＮ層７Ａ及び８をその上側の層の成長時の熱から効果的に保護することができ、発光層７へのホールの注入効率を高めて発光効率を向上させることができる。
【００３９】
次に、第１〜第３の層を含んで構成されるｐ型層側の各層について一般的に説明する。
【００４０】
第１の層は、発光層７のｐ型層の側に設けられる層であるから、本来は発光効率を向上させるためにｐ型または低濃度のｎ型の伝導性を有することが望ましい。しかし、第１の層の成長温度は耐熱性の低いＩｎを含む発光層７の結晶性を劣化させないように通常は、発光層７と同じ比較的低い温度（本実施の形態では７８０℃）とするため、ドーピングを行わずとも結晶欠陥に由来すると考えられるｎ型キャリアによるｎ型の導電性を有する。ｐ型ドーパントを利用してｎ型電荷の補償を行ない低濃度のｎ型あるいはｐ型の層にすることは、低い成長温度のため実際上は非常に困難である。
【００４１】
またｐ型ドーパント原料は反応炉に残留しやすく、ｐ型ドーパント原料を用いた成長よりも後の成長で作製する発光層の品質に悪影響を及ぼす場合があることがいわゆるメモリー効果として知られている。したがってｐ型ドーパントのメモリー効果の小さい反応炉の設計や、ｐ型ドーパント原料を使用する炉と、主に発光層までを成長するためのｐ型ドーパント原料を使用しない炉の複数の炉を利用して結晶成長を行なうことが有効である。第１の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９は発光層７の次に成長する保護層であるからｐ型ドーパント原料を使用しない炉で成長するのが好ましい。ｐ型ドーパント原料を使用しないと上記の理由で第１の層はｎ型になりやすいため、本実施の形態においては、第１の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９をｎ型としている。しかし、上記説明から判るように、結晶成長条件によっては第１の層の伝導性をｐ型とすることもできる。
【００４２】
第１の層のＡｌ組成は、高すぎると表面平坦性などの結晶性を損ない、低すぎると保護機能が低下して必要な層厚が厚くなり発光効率を損なうため、好ましい範囲がある。そのＡｌ組成は、概ね０〜０．５の範囲内とするのが好ましい。好ましいＡｌ組成の範囲は、第１の層の層厚、第２の層の成長温度に依存し、第１の層の層厚が薄いほど、第２の層の成長温度が高くなるほど、Ａｌ組成を高くして保護機能を強化する必要がある。
【００４３】
第１の層の層厚は、厚すぎると結晶性を損ない、また、ホールの注入効率が低下するので発光効率が低下し、薄すぎると保護機能が低下して発光層が劣化するため、好ましい範囲がある。第１の層の層厚は、概ね５Å〜２００Åの範囲内であるのが好ましい。この好ましい層厚の範囲は、第１の層のＡｌ組成、第２の層の成長温度に依存し、第１の層のＡｌ組成が小さいほど十分な保護機能を発現させるために層厚を厚くする必要があり、第２の層の成長温度が高くなるほど、発光層の高温による劣化を防ぐために層厚を厚くする必要がある。
【００４４】
次に第２の層について説明する。第２の層のＡｌ組成は、キャリア閉じ込めを有効にして発光特性向上をする観点からは、発光層に対して伝導帯におけるポテンシャル障壁を大きくできるように、高い方が良い。しかし第２の層のＡｌ組成が高すぎると結晶性を損ない、ｐ型化あるいは低濃度のｎ型の実現が難しくなり、ホールの注入効率を損なう。したがって第２の層のＡｌ組成には好ましい範囲がある。第２の層のＡｌ組成は、概ね０．００１〜０．３の範囲内であるのが好ましい。この好ましいＡｌ組成の範囲は、成長温度、ｐ型ドーパント供給量、層厚に依存する。成長温度を低くするほど、結晶欠陥によりｎ型化しやすくなり、ホールの注入効率が低下するので、これを防止するためにＡｌ組成を小さくして結晶性を良好に保つ必要がある。同様にｐ型ドーパント供給量を小さくするほど、ｎ型化しやすくなりホールの注入効率が低下するので、これを防止するために、Ａｌ組成を小さくして結晶のｎ型化を抑制する必要がある。層厚が厚いほど格子不整合による歪の増大により結晶性低下のおそれがあるので、これを防止するためにＡｌ組成を小さくする必要がある。
【００４５】
次に、第２の層の層厚について説明する。第２の層は、発光層７のｐ型層の側に設けられる、３層構造のｐ型層の第２の層を構成するものであり、この第２の層の伝導性はｎ型、ｐ型のいずれでもよいことは既に説明した通りである。したがって、ここでは、第２の層の伝導性がｎ型である場合とｐ型である場合とに場合を分けながら第２の層の層厚について説明する。
【００４６】
第２の層の層厚は、ｎ型の場合には層厚が厚すぎると、結晶品質が低下しやすく、ホールの発光層７への注入効率が低下して発光効率を損なう場合があるため基本的には薄い方が良く、好ましい層厚の範囲がある。第２の層がｐ型の場合にも、層厚が厚すぎると結晶品質を損なうので好ましい層厚の範囲がある。ただしｐ型の場合には発光効率に対する影響がｎ型の場合ほど顕著ではないので好ましい層厚の範囲は広い。ｎ型の場合の好ましい層厚ｄ２　の範囲は概ね５Å〜５００Åである。ｐ型の場合の好ましい層厚ｄ２　の範囲は概ね５Å〜３００００Åである。ここで、層厚ｄ２　の厚さが薄すぎると製造上再現性を確保するのが難しくなるので、概ね５Å程度の厚さは必要と考えられる。ｎ型の場合の上限値は、ホールの注入効率の低下による光出力の低下が大きくならない範囲として実験的に求められる。ｐ型の場合の上限値は結晶品質の低下を生じない限度、あるいは生産効率を低下させない範囲という要件から決められる。
【００４７】
第２の層の好ましい層厚の範囲は、第２の層の成長温度、Ａｌ組成、ｐ型ドーパント供給量に依存する。ｎ型の場合には、成長温度が低いほど、ｐ型ドーパント供給量が少ないほど、Ａｌ組成が高いほど、ｎ型キャリア濃度が高くなり、発光層へのホールの注入効率が低下し、発光効率が低下する場合があるのでこれを防ぐために層厚を薄くする必要がある。ｘ軸を第２の層の層厚ｄ２　、ｙ軸を第２の層の成長温度Ｔ２　とすると、次式で示される領域が、ｎ型の場合の第２の層の層厚と成長温度の好ましい範囲である。
５　≦　ｄ２　≦　５００
Ｔ２　≧　０．４ｄ２　＋７００
１１５０≧　Ｔ２　≧　７００
【００４８】
ｐ型の場合には、成長温度が低いほど、Ａｌ組成が高いほど、結晶品質が低下する場合があるので、発光効率を低下させないために層厚を薄くする必要がある。ｘ軸を第２の層の層厚ｄ２　、ｙ軸を第２の層の成長温度Ｔ２　とすると、次式で示される領域が、ｐ型の場合の第２の層の層厚と成長温度の好ましい範囲である。
０．４ｄ２　＋７００　≦　Ｔ２　≦１１５０　（５≦ｄ２　≦５００）
９００　≦　Ｔ２　≦　１１５０　　（５００≦ｄ２　≦３００００）
ｐ型の場合の第２の層の層厚と成長温度のより好ましい範囲は、次式で示される領域である。
０．４ｄ２　＋７００　≦　Ｔ２　≦１１００　（５≦ｄ２　≦５００）
９００　≦　Ｔ２　≦　１１００　　（５００≦ｄ２　≦３００００）
【００４９】
次に、第２の層の伝導性制御とキャリア濃度、及び成長温度について説明する。ここでも、第２の層の層厚についての説明の場合と同様の理由で、必要に応じて、第２の層の伝導性がｎ型である場合とｐ型である場合とに場合を分けながら第２の層の伝導性制御とキャリア濃度、及び成長温度について説明する。
【００５０】
第２の層の伝導性は、ｐ型でもｎ型でもよいことは既述の通りである。第２の層の伝導性がｐ型の場合には、キャリア濃度の好ましい範囲は特になく、技術的に実現可能な範囲であればよく、概ね１×１０１６ｃｍ３　〜１×１０２０ｃｍ３　である。第２の層の伝導性がｎ型の場合には、キャリア濃度の好ましい範囲はホールの注入効率を損なわないためにできるだけ小さい方が良く、概ね１×１０１４ｃｍ３　〜１×１０１９ｃｍ３　、好ましくは１×１０１４ｃｍ３　〜１×１０１８ｃｍ３　である。
【００５１】
キャリア濃度の制御は、成長温度、ＩＩ／ＩＩＩ　比（ｐ型ドーパントとＩＩＩ　族原料の供給比、ＩＩＩ　族原料供給量を一定の場合はｐ型ドーパント供給量）、Ｖ／ＩＩＩ　比（ＩＩＩ　族原料とＶ族原料の比）の制御により行うことができる。
【００５２】
第２の層がｐ型の場合でもｎ型の場合でも、成長温度が高いほど、結晶品質が向上するためキャリア濃度の制御が容易になる。特にｎ型の場合には、成長温度が高いほど、伝導性制御に必要なｐ型ドーパント供給量が少なくてすむ。
【００５３】
好ましいＩＩ／ＩＩＩ　比、好ましいＶ／ＩＩＩ　比の範囲に関しては、反応炉の形状、サイズ、原料ガスの流れのパターン、成長温度、圧力などの条件に依存して大きく変化するため一般的な数値限定をすることは意味がない。一般的な傾向として、成長温度が高いほど好ましいＩＩ／ＩＩＩ　比の範囲は小さい側に広がる。
【００５４】
次に、第２の層の成長温度についてより詳しく説明する。第２の層の成長温度は、第１の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９の保護機能を保ち発光層７に害を与えないために発光層７の成長温度に近いほど良いが、一方第２の層の結晶品質の向上、伝導性制御のためには高い成長温度の方が良く、従って第２の層の成長温度には好ましい温度範囲がある。好ましい温度範囲は概ね７００℃から１１５０℃である。
【００５５】
第２の層の好ましい成長温度範囲は第１の層の層厚及びＡｌ組成、第２の層のＡｌ組成、ｐ型ドーパント供給量に依存して変化する。第１の層の層厚が厚いほどまた第１の層のＡｌ組成が大きいほど発光層を保護する機能が高まるので第２の層の好ましい成長温度範囲を高い側にシフトさせ、第２の層をより高品質の結晶にすることができる。一方、第２の層のＡｌ組成が高いほど伝導性制御が困難になるので、第２の層のＡｌ組成が高くなるにつれて、第２の層の好ましい成長温度の範囲は、伝導性制御がより容易になる高い成長温度側にシフトさせる必要がある。また第２の層のｐ型ドーパント供給量を少なくするほど第２の層においてｐ型が得にくくなるため、ｐ型あるいは低濃度のｎ型を得るために第２の層の好ましい成長温度を高くする必要がある。
【００５６】
３−５族化合物半導体を用いて発光素子を作製する場合、ｐ型ドーパントのドーピング工程は必要不可欠な工程である。しかし、ｐ型ドーパント原料は反応炉内に残留しいわゆるメモリー効果を引き起こし、次の成長に悪影響を与える。具体的には、反応炉内に新しい基板をセットして次のエピタキシャル成長工程を実施する場合、前工程で残留しているｐ型ドーパント原料のためにこの基板上に形成される発光層の結晶性を損なうほか、ｐ型濃度の制御を困難にするなどの不具合を生じさせることになる。
【００５７】
メモリー効果によって引き起こされるこれらの不具合を回避するため、ｐ型ドーパント原料を使用する反応炉とｐ型ドーパント原料を使用しない反応炉の２つを利用して図１に示す如き発光素子構造エピタキシャル基板を成長させる方法、所謂再成長法を用いることができる。
【００５８】
具体的に説明すると、図１に示す層構造の化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造する場合、第１の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９を成長した後で、一旦基板を反応炉から取り出し、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０以降の成長をｐ型ドーパント原料を使用する別の反応炉で成長することによりメモリー効果を回避し、安定して特性のよいエピタキシャル基板を作製することができる。
【００５９】
第３の層として形成されたＧａＮ：Ｍｇ層１１は、ｎ型ＧａＮ層１３とオーミックコンタクトを取るためのｐ型の層である。ＩｎＧａＮ層８の上に３層構造のｐ型層を設けることの本発明による意義は、上記した説明の通り、第１の層及び第２の層であるｎ型ＡｌＧａＮ層９及びＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０の構造、成長条件を規定するところにあり、第３の層以降に形成される層に関しては任意の構造でよい。従って、例えばＧａＮ：Ｍｇ層１１に関しては１層構造でもよいが、ｐ型キャリア濃度を変化させた複数の層からなる積層構造や組成を変化させた複数の層からなる積層構造でも良い。また複数の層の最表面を高濃度のｐ型薄膜層にした積層構造であっても良い。
【００６０】
【実施例】
（実施例１）
図１に示した層構造の発光素子を、サファイア基板上でＭＯＶＰＥ法を用いた結晶成長による成膜を行って、次のようにして製作した。先ず、サファイア基板１を用意し、化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造する。サファイア基板１をＭＯＶＰＥ成長炉内にセットし、サファイア基板１上に、ＮＨ３　およびＭＯ（ＴＭＧ）、シランを原料に用いると共に、Ｈ２　をキャリアガスとして用い、ＧａＮの薄膜層を低温ＧａＮバッファ層２として成長させ、つづいて１０４０℃でｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層３を成長した。
【００６１】
しかる後、サファイア基板１を一旦ＭＯＶＰＥ成長炉から取り出し、所定の検査を行った後再びＭＯＶＰＥ成長炉に戻し、ＮＨ３　およびＭＯ（ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ）、シランを原料に用い、Ｈ２　をキャリアガスとして用いることにより、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層３上に１０４０℃の成長温度でｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４を形成し、さらに、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉ層４上にアンドープＧａＮ層５を形成した。アンドープＧａＮ層５の形成後、反応炉温度を下げて７８０℃とし、Ｎ２　をキャリアガスとしてＡｌＧａＮ層６を形成すると共に、さらに、ＩｎＧａＮ層７ＡとＧａＮ層７Ｂとを４組積層した上にＩｎＧａＮ層８を成長させて発光層７を形成した。ＩｎＧａＮ層８の成長後、第１の層としてＡｌ組成０．１５のｎ型ＡｌＧａＮ層９（アンドープであるがｎ型の層）を１１０Å成長させ、基板をＭＯＶＰＥ成長炉から取り出した。
【００６２】
次に、この基板を別のＭＯＶＰＥ成長炉にセットし、ＮＨ３　およびＭＯを原料に用い、Ｎ２　をキャリアガスとし、Ａｌ組成０．０５のＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１１を第２の層として成長させた。ここで、Ｍｇ原料のＥｔＣｐ２Ｍｇの供給量を６００ｓｃｃｍとし、１０００℃にて２５０Å成長させた後、反応炉温度を１０４０℃に上げて、第３の層としてＧａＮ：Ｍｇ層１１を成長させ、これにより化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板とし、これを成長炉から取りだした。
【００６３】
上述の如くして製造された化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板をＮ２　雰囲気下８００℃で２０分の熱処理を行ないＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０（第２の層）、及びＧａＮ：Ｍｇ層１１（第３の層）を低抵抗のｐ型層にした。
【００６４】
次に表面にフォトリソグラフィによりｐ電極用パタ−ンを形成し、ＮｉＡｕを真空蒸着により堆積し、リフトオフにより電極パターンを形成した後、熱処理してオーミックｐ電極１３を作製した。次にフォトリソグラフィによりマスクパターンを形成し、ドライエッチングによりｎ層が露出するようにエッチングを行った。マスクを除去した後、ドライエッチング面上にフォトリソグラフィによりｎ電極用パターンを形成し、真空蒸着によりＡｌを堆積した後、リフトオフにより電極パターンを形成しｎ電極１２とした。なおｐ電極１３の電極面積は３．１４×１０−４ｃｍ２　である。
【００６５】
上述の如くして、先ず化合物半導体発光素子用エピタキシャル基板を製造してから、このエピタキシャル基板を用いて化合物半導体発光素子を製作し、こうして得られた発光素子に電圧を印加してウェハ状態で発光特性を調べたところ、順方向に２０ｍＡで光度１５０５ｍｃｄ、逆方向バイアスが５Ｖでリーク電流０．２５ｎＡであり優れた発光特性を示した。
【００６６】
上記条件で成長した第２の層の伝導性を評価するために、サファイア基板上にアンドープＧａＮを約３μ成長した試料の上に、上記と同一成長条件の第２の層を約０．３μｍ成長した。この試料の伝導型とキャリア濃度を電解液を利用したＣＶ測定法により評価したところｐ型で９×１０１８ｃｍ−３であった。
【００６７】
（実施例２〜８、比較例１〜３）
ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層の成長条件の中で成長温度、層厚、Ａｌ組成、Ｍｇ供給量を種々変化させたことを除いて実施例１と同じ方法で発光素子を作製した。これらの発光素子の成長条件と特性を図２にまとめて示した。
実施例４、６、７、８では、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇにｐ型ドーパントをドーピングしているが、ｎ型の導伝性を示し、ｎ型キャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下となっており、請求項９の内容となっている。
【００６８】
ここで、比較例１は、第２の層の層厚ｄの値を好適な範囲外の７５０Åとしたもので、このときの光度は、層厚を除いた他の条件が同一である実施例４と比較して著しく劣っているのが判る。すなわち第２の層の層厚を２５０Åから７５０Åと３倍にすることで、光度は約１／４に低下してしまうことが判る。
【００６９】
比較例２も、その層厚を７５０Åと厚くしたもので、層厚以外の成長条件が同一である実施例５の場合と比較すると、光度が約１／４程度に低下していることが判る。
【００７０】
比較例３も、その層厚を７５０Åと厚くしたもので、層厚以外の成長条件が同一である実施例６の場合と比較すると、光度が約１／４程度に低下していることが判る。
【００７１】
図３は、図２に示すデータのうち、Ｍｇ供給量が６００ｓｃｃｍでＡｌ組成が０．０５の場合のデータの光度を、横軸に層厚（Å）をとり、縦軸に成長温度（℃）をとってグラフにしたものである。丸の中の数字は光度（ｍｃｄ）である。
【００７２】
実施例２の光度は４０５ｍｃｄであり、実施例６の光度は３３４ｍｃｄであり、略等しく、この２つの測定点を結んだ線分を含むその上方の領域のデータは光度が実用に耐える程度に高く、この線分より下の領域にあるデータは実用的でない光度となっている。したがって、成長温度をＴ、層厚をｄとしたときのこの線分を含む上方の領域を示す実験式は
Ｔ−８００　≧　２（ｄ−２５０）／５
となる。よって、Ｔとｄとの間の関係を
Ｔ　≧　０．４ｄ＋７００
で表すことができる。
【００７３】
すなわち、第２の層を、その成長温度が、層厚ｄの０．４倍に７００を加えた値以上で成長させることが、良好な光度を確保するために必要であることを示している。
【００７４】
（実施例９〜１６）
次に、本発明の実施例９〜１６について説明する。実施例９〜１６は、第１の層としてＡｌ組成が０のＡｌＧａＮ層９を用いており、第１の層がｎ型ＧａＮ層でその層厚が１８０Åとされていること、及び第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇ層１０の成長条件のうち、成長温度、Ａｌ組成、Ｍｇ供給量を種々変化させたことを除いて、実施例１の場合と同一の条件で作製された発光素子の例である。
【００７５】
図４には、実施例９〜１６のそれぞれについての第２の層の成長条件（成長温度（℃）、膜厚（Å）、Ａｌ組成、Ｍｇ供給量（ｓｃｃｍ））、及び第２の層の特性（伝導型及びキャリア濃度（ｃｍ−３））が示されると共に、各実施例についての発光特性（光度（ｍｃｄ））の測定値が示されている。実施例９〜１６において、第２の層は、その成長温度が層厚ｄの０．４倍に７００を加えた値以上になるように成長させた。実施例１３〜１６では、第２の層であるＡｌＧａＮ：Ｍｇにｐ型ドーパントをドーピングしているが、ｎ型導電性を示し、ｎ型キャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３以下となっており、請求項９の内容となっている。実施例９〜１６について測定された各発光特性データから、これらはいずれも実用上充分な光度が得られていることが理解される。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、発光層に接して設けられるｐ型層の層構造を、保護層（第１の層）とｐ型層（第３の層）との間に中間層（第２の層）を挿入した３層構造とすることにより層構造の最適化を図ると共に、それらの成長条件を最適化することで、発光層を保護する機能を損なわずにｐｎ接合付近の結晶性を向上させ、ホールを注入しやすくすることができるので、保護層の層厚を薄くしても十分な保護機能が得られ、ホールの注入効率を高めて発光効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す層構造図。
【図２】本発明の実施例１〜８及び比較例１〜３のデータを示す図。
【図３】図２に示したデータに基づく第２の層の層厚と成長温度と発光特性との間の関係を示すグラフ。
【図４】本発明の実施例９〜１６のデータを示す図。
【符号の説明】
１　サファイア基板
７　発光層
９　ｎ型ＡｌＧａＮ層
１０　ＡｌＧａＮ：Ｍｇ層
１１　ＧａＮ：Ｍｇ層
２０　発光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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