(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ層と、ＧａＰ層、ＧａＡｓ層、またはＧａＡｓＰ層とを交互に積層した多層膜を形成するステップと、
熱処理を施すことにより前記多層膜を混晶化させて活性層を形成するステップと、
を含むことを特徴とするＧａＮ系発光素子の作成方法。
【請求項２】
前記ＧａＮ層は、前記ＧａＰ層、ＧａＡｓ層、またはＧａＡｓＰ層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系発光素子の作成方法。
【請求項３】
薄膜形成基板上に形成されたバッファ層上に第１の低抵抗層を形成するステップと、
前記第１の低抵抗層上に、少なくとも一つの開口部を形成するためのマスクを形成するステップと、
前記第１の低抵抗層および前記マスク上に、第２の低抵抗層を形成するステップと、
前記第２の低抵抗層上にクラッド層を形成するステップと、
を含み、前記クラッド層上に前記多層膜を形成することを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系発光素子の作成方法。
【請求項４】
前記第２の低抵抗層は、前記第１の低抵抗層よりも厚いことを特徴とする請求項３に記載のＧａＮ系発光素子の作成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体から構成される発光素子を作成するためのＧａＮ系発光素子の作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ（窒化ガリウム）は、周期律表を元にした化合物半導体の分類からすると、III−Ｖ族窒化物半導体に属する材料であり、その結晶構造は六方晶系のウルツ鉱型構造である。このIII−Ｖ族窒化物半導体に属する材料としては、他に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などがある。これらはすべてエネルギーバンド構造が直接遷移型なので、ＳｉＣなど間接遷移型に属する材料に比べると発光効率の点で本質的に優れた特性をもつ材料として知られている。
【０００３】
また、これらの混晶である（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎは、混晶比によってバンドギャップエネルギーＥｇを１．９５〜６．２８ｅＶと広い範囲で変えることができる。したがって、紫外から赤色まで可視領域の色のすべてを発色光として実現できる可能性をもっている。さらに、これらの材料に共通する高融点、高硬度、高熱伝導度などの特徴は、耐環境性に優れた信頼性の高いデバイスとなりうるため、発光デバイスの材料として特に有望視されている。
【０００４】
このようにＧａＮ系化合物半導体は、発光材料としての十分なポテンシャルをもっており、特に発色光として青色を有することから、紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の実現が可能である。よって、これに、既存の赤色および緑色のＬＥＤを組み合わせることで、ＬＥＤを用いたフルカラーディスプレイの実現も可能となる。
【０００５】
一般に、ＬＥＤやＬＤ（レーザダイオード）の作成にあたっては、エピタキシャル成長による薄膜を得るために、使用する基板としてその格子定数が発光材料と十分高い整合性を有するものが要求される。この要求を満たさない場合には、薄膜の結晶構造が基板の結晶構造と異なり、格子定数にミスマッチが生じるため、薄膜成長の初期に薄膜構造が乱れたものになりやすく、発光効率や寿命の低下を招いてしまう。
【０００６】
ところが、ＧａＮ系のＬＥＤの作成においては、市販のエピタキシャル成長用基板の中に格子定数の整合したものがなく、実際に成長用として使われているサファイア基板でも１５％近く格子定数がずれている。このことから、良質の結晶を成長させるのは大変困難であり、過去において長く、発光素子としての技術進展がみられなかった。
【０００７】
また、ＧａＮを成長するには、基板を約１０００℃まで加熱しなければならないが、この温度になると、ＧａＮの蒸気圧が高くなってしまうため、ＧａＮ膜の結晶性を向上させるのはきわめて難しく、さらに、ＧａＮにはｐ型結晶ができないという問題もあったため、ＧａＮ系発光素子の実現をより困難にしていた。
【０００８】
このような背景のもと、近年において、基板上にまずＡｌＮまたはＧａＮで薄いバッファ層を形成した後にＧａＮ膜を成長させると、結晶性が飛躍的に向上するということが見出され、これにより格子不整合による結晶性の問題が解決された。また、ＭｇをドープしたＧａＮ膜に対して、電子線の照射あるいは熱的アニーリング処理をおこなうと低抵抗のｐ型ＧａＮ膜が作成されるという知見も得られた。このような結果、現在においては、ＧａＮ系材料のｐｎ接合が実現可能となっており、上記したＩｎＧａＮ等の混晶膜も得ることができるようになった。
【０００９】
以下に、活性層をｎ型のＧａＮ層としたＧａＮ系ＬＥＤの代表的な作成方法について説明する。ＧａＮ系ＬＥＤは、薄膜の多層構造として提供されるが、ここでは、その薄膜の作成方法としてＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ‐Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法を採用した場合について説明する。
【００１０】
まず、ＧａＮ系ＬＥＤを作成するにあたって、半絶縁性のサファイア基板または導電性のＳｉＣ基板上に、アンモニア（ＮＨ3）およびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、ＡｌＮバッファ層を成長させる。
【００１１】
さらにその上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）およびシラン（ＳｉＨ4）をガス原料として、成長温度１０５０℃のもと、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層を成長させる。さらにその上に、上記原料にＴＭＡを加えて、成長温度１０５０℃のもと、クラッド層として機能するｎ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。そしてその上に、ＴＭＧ、ＮＨ3およびＳｉＨ4をガス原料として、同温度で、活性層となるｎ型のＧａＮ層を形成する。
【００１２】
さらにその上に、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣｐＭｇ）をドーパントとして、同温度で、もう一方のクラッド層となるｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。そして最後に、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂＣｐＭｇ）をドーパントとして、同温度のもと、ｐ型ＧａＮ層を成長させる。
【００１３】
このように、ＬＥＤを構成する積層膜は、サファイア基板の上に低温で堆積されたバッファ層、ｎ型低抵抗層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型低抵抗層の順とするのが一般的である。
【００１４】
上記薄膜の積層後、電極を形成するためのパターニングをおこなうために、ＳｉＯ2等をその表面にプラズマＣＶＤ装置を用いて堆積させた後、ｎ型電極を形成するためにフォトレジストおよび化学エッチング等を用いてエッチングしパターニングする。この場合、上記したｎ型ＧａＮの一部までがエッチングされ、その上面にＴｉ／Ａｌ等の金属を蒸着することで、ｎ型電極を形成する。一方、ｐ型電極は、上記したｐ型ＧａＮの上面に、Ａｕ／Ｎｉ等の金属を蒸着することで形成する。
【００１５】
このように、ＧａＮを活性層としたＧａＮ系ＬＥＤは、その作成方法が確立されており、十分大きな輝度の発光素子として機能できるが、ＧａＮ層には多量の格子欠陥が存在するという問題を有している。特に窒素の空孔に基づく格子欠陥が多量に存在し、非発光中心として大きな問題であった。
【００１６】
そこで、ＩｎＧａＮを活性層としたＧａＮ系ＬＥＤが、その作成方法も確立されており、さらに、Ｉｎの添加による発光中心の形成によって高輝度の発光が得られることから、実際の製品として市場に多く出回っている。ところが、このＩｎＧａＮを活性層としたＬＥＤでは、青紫色の発光は十分な実用を満たすものの、Ｉｎのドープ量を変化させることで他の発色を実現しようとした場合、長波長側においてせいぜい橙色までの発光が確認されるだけであり、ＲＧＢの基本色の一つである赤色の発光は実現されていないのが現状である。すなわち、ＩｎＧａＮを活性層としたＬＥＤのみで、そのドープ率を変化させることによるＲＧＢ全基本色の発光は、実現されていなかった。
【００１７】
ところが、近年、燐（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を添加したＧａＮ系材料も青色ＬＥＤの材料として有望であることがわかってきた。これら添加物をドープしたＧａＮＰやＧａＮＡｓは、その添加物のドープ量に応じて、紫外から赤色まで幅広い発色が可能であり、ＲＧＢ全基本色の発光が実現されるものと期待されている。特に、ＧａＮ中に添加されたＡｓ、ＰはＧａＮ中の格子欠陥を減らすとともに発光中心としての働きを持ち、ＧａＮのバンド端発光を高めるのに効果がある。
【００１８】
例えば、ＧａＮＡｓは、１０％以内のＡｓの添加により、紫外から赤色までの発色が可能であり、ＧａＮＰは、１５％以内のＰの添加により、紫外から赤外までの発色が可能である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＰやＧａＡｓがＰやＡｓのドープ量に対して略線形の変化範囲の小さなエネルギーギャップを有する一方で、ＧａＮＡｓやＧａＮＰは、上記したようにＰやＡｓのドープ量に対してエネルギーギャップの変化が大きく、その変化の形態も非線形であるので制御しにくいという問題があった。
【００２０】
また、薄膜の形成においては、基板や薄膜の表面に衝突した原子・分子は、一部反射し、他は表面上に留まることが知られている。表面上に留まった原子・分子は、自らの持つエネルギーと基板の温度によるエネルギーで表面拡散（マイグレーション）をし、一部は再蒸発（脱離）し、他はポテンシャルの谷に落ち着く（吸着）。すなわち、薄膜が形成されるには、材料原子・分子の脱離を低減させ、基板全体亘る十分なマイグレーションと吸着が必要とされる。
【００２１】
しかしながら、ＧａＮＰやＧａＮＡｓをＭＯＣＶＤ法等で成膜する場合、基板が１０００℃程度の高温状態では、ＰまたはＡｓが脱離しやすく、高品質のＧａＮＰやＧａＮＡｓが得られにくいという問題があった。そのため、良質な活性層が得られず、発光効率が小さいという問題が生じていた。
【００２２】
この脱離の発生は、ＧａＮＰやＧａＮＡｓの結晶構造とサファイア基板等の結晶構造との整合性が悪いため、バッファ層が介在したとしても、上記したような１０００℃程度の比較的高温状態にある基板上では、ＰやＡｓは長時間定位置にとどまっていられないことを起因としていた。なお、以下において、マイグレーションとは、ＧａＮＰやＧａＮＡｓ等の所望の混晶を得るために必要とされる表面吸着の状態を意味するものとする。
【００２３】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ＧａＮＰやＧａＮＡｓを活性層とした良質なＧａＮ系発光素子の作成方法を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、ＧａＮ層とＧａＰ層とが交互に積層した多層膜に対して熱処理を施すことにより混晶化されたＧａＮＰ層を活性層とした構造であることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、ＧａＮ層とＧａＰ層との積層により構成される多層膜に対して熱処理を施した後の状態を、活性層として機能するＧａＮＰ層としているので、十分多くのＰが添加されたＧａＮＰ層による多波長発光を可能とする。
【００２６】
また、この発明は、ＧａＮ層とＧａＡｓ層とが交互に積層した多層膜に対して熱処理を施すことにより混晶化されたＧａＮＡｓ層を活性層とした構造であることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、ＧａＮ層とＧａＡｓ層との積層により構成される多層膜に対して熱処理を施した後の状態を、活性層として機能するＧａＮＡｓ層としているので、十分多くのＡｓが添加されたＧａＮＡｓ層による多波長発光を可能とする。
【００２８】
また、この発明は、ＧａＮ層とＧａＡｓ層とが交互に積層した多層膜に対して熱処理を施すことにより混晶化されたＧａＮＡｓ層を活性層とした構造であることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、ＧａＮ層とＧａＡｓＰ層との積層により構成される多層膜に対して熱処理を施した後の状態を、活性層として機能するＧａＮＡｓＰ層としているので、十分多くのＡＳおよびＰが添加されたＧａＮＡｓＰ層による多波長発光を可能とする。
【００３０】
また、この発明は、上記発明に記載のＧａＮ系発光素子において、前記ＧａＮ層は、当該ＧａＮ層とともに前記多層膜を構成する他方のＧａ混晶層の厚みよりも大きいことを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、ＧａＰ等のＧａ混晶層を極薄く形成するので、熱処理を施した際に、Ｇａ混晶層の分解が促進され、それに含まれるＶ族原子が拡散し、混晶化を促進することができる。
【００３２】
また、この発明は、ＧａＮ系発光素子を気相成長法により薄膜の積層構造として作成するＧａＮ系発光素子の作成方法において、薄膜形成基板上に形成されたバッファ層上に第１の低抵抗層を形成するステップと、前記第１の低抵抗層上に、少なくとも一つの開口部を形成するためのマスクを形成するステップと、前記第１の低抵抗層および前記マスク上に、第２の低抵抗層を形成するステップと、前記第２の低抵抗層上にクラッド層を形成するステップと、を含んだことを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、バッファ層上に形成される低抵抗層を、下地となる第１の低抵抗層と、マスクによる選択的に成長される第２の低抵抗層と、で構成するので、第２の低抵抗層において転位の発生が低減され、この第２の低抵抗層を電極を設けるための低抵抗層として使用することで、より品質のよいＧａＮ系発光素子を得ることができる。
【００３４】
また、この発明は、上記発明に記載のＧａＮ系発光素子の作成方法において、前記第２の低抵抗層が、前記第１の低抵抗層よりも厚いことを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、第２の低抵抗層が、第１の低抵抗層よりも厚いので、品質のよい低抵抗層をより多く取得することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるＧａＮ系発光素子およびその作成方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３７】
実施の形態１．
まず、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子およびその作成方法について説明する。特に、実施の形態１は、ガスソースＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法にしたがった方法により作成されたＧａＮ系発光素子を示すものである。
【００３８】
図１は、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の断面図である。特に、図１に示すＧａＮ系発光素子は、ダブルへテロ接合により積層され、活性層をＧａＮＰとしたＬＥＤ構造を示している。図１に示すように、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子は、活性層となるＧａＮＰ多層膜３０’の上下に、それぞれクラッド層としてｎ型のＡｌＧａＮ層２６とｐ型のＡｌＧａＮ層２５とが積層され、さらに、これらクラッド層上にそれぞれｎ型のＧａＮ層２７とｐ型のＧａＮ層２４が積層されている。
【００３９】
また、ｎ型ＧａＮ層２７の上面には、ｎ型電極１１が形成され、ｐ型ＧａＮ層２４の上面には、ｐ型電極１２が形成されている。よって、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子は、巨視的にみれば、ｎ型低抵抗層、ｎ型クラッド層、ノンドープの活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型低抵抗層が順に積層された構造であり、従来のＧａＮ系発光素子の活性層をノンドープのＧａＮＰ層に置き換えた構造にすぎないが、上述したようにＧａＮとＰとの混晶は困難である。そこで、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子は、そのノンドープのＧａＮＰ層、すなわちＧａＮＰ多層膜３０’の形成にあたって、上記した混晶化の困難性を回避するための工夫を施している。
【００４０】
つぎに、図１に示したＧａＮ系発光素子の作成手順について、上記したＧａＮＰ多層膜３０’に施された工夫を含めて説明する。図２は、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の作成手順を示すフローチャートである。また、図３および図６は、図２に示すフローチャートにしたがって作成されるＧａＮ系発光素子を説明するための断面図である。なお、ガスソースＭＢＥ装置としては、成長室とパターニング室を有する超高真空装置を用いることとする。
【００４１】
まず、サファイア基板、ＳｉＣまたはシリコン基板等の結晶基板を成長室のサセプタ上に設置する。なお、ここでは、結晶基板としてシリコン基板を用いることとする。そして、この状態において、シリコン基板の温度を６４０℃に維持し、ｐ型のＧａＮバッファ層の形成を開始する（ステップＳ１０１）。
【００４２】
このｐ型ＧａＮバッファ層２１は、蒸気圧５×１０-5Ｔｏｒｒのジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）と、蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、Ｍｇとの各分子線を用いて、シリコン基板２０上に、Ｍｇがドープされた厚み５０Åの結晶構造として形成される（図３（ａ））。
【００４３】
つづいて、基板温度を８５０℃に維持し、ｐ型のＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０２）。このｐ型ＧａＮ層２２は、蒸気圧５×１０-6Ｔｏｒｒのアンモニア（ＮＨ3）と蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、Ｍｇとの分子線を用いて、上記したｐ型ＧａＮバッファ層２１上に、Ｍｇがドープされた厚み１μｍのＧａＮ層として得られる（図３（ｂ））。ここで、このｐ型ＧａＮ層２２を第１のｐ型ＧａＮ層と称する。
【００４４】
ここで、上記したｐ型ＧａＮ層２２を含め、低抵抗層として機能するｎ型ＧａＮ層は、電極の形成等の理由から一般的にその厚みを比較的大きくする必要があるため、その成長時において、下地となる結晶構造の格子欠陥を引きずる、いわゆる転位が発生すると、その上に積層されるクラッド層に影響を与えるのみならず、クラッド層へのキャリア注入が十分におこなわれないといった発光素子の品質を大きく左右する要因となる。
【００４５】
そこで、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子においては、上記したｐ型ＧａＮ層２２上に複数の開口部を形成するためのＳｉＯ2マスクを形成し（ステップＳ１０３）、その開口部上に第２のｐ型ＧａＮ層を再成長させる（ステップＳ１０４）。
【００４６】
なお、ＳｉＯ2マスク２３は、上記したシリコン基板２０、ｐ型ＧａＮバッファ層２１および第１のｐ型ＧａＮ層２２から構成される積層基板を、成長室からパターニング室へと移動させ、そのパターニング室において、フォトリソグラフィ技術とエッチング処理により形成される（図３（ｃ））。
【００４７】
ＳｉＯ2のマスク形成が完了すると、ＳｉＯ2が形成された積層基板を、パターニング室から成長室へと移動させ、再度、成長室において、第２のｐ型ＧａＮ層を成長させる。この第２のｐ型ＧａＮ層２４は、蒸気圧５×１０-6ＴｏｒｒのＮＨ3と蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、Ｍｇとの分子線を用いて、上記したｐ型ＧａＮ層２２およびＳｉＯ2マスク２３上に、Ｍｇがドープされた厚み５０μｍのＧａＮ層として得られる（図３（ｄ））。
【００４８】
このように、開口部を設けて部分的にｐ型ＧａＮ層を再成長させることにより、下地の第１のｐ型ＧａＮ層２２が有する格子欠陥の影響を低減することができ、結果的に転位の発生を減らすことが可能となる。
【００４９】
つぎに、クラッド層として機能するｐ型のＡｌＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０５）。このｐ型ＡｌＧａＮ層２５は、蒸気圧５×１０-6Ｔｏｒｒのアンモニア（ＮＨ3）と、蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、蒸気圧１×１０-7ＴｏｒｒのＡｌとの各分子線を用いて、上記したｐ型ＧａＮ層２４上に、Ｍｇがドープされた厚み１０００ÅのＡｌＧａＮ層として得られる（図３（ｅ））。
【００５０】
そして、このｐ型ＡｌＧａＮ層２５の上に、活性層となるＧａＮ／ＧａＰ多層膜を形成する（ステップＳ１０６）。図４は、このＧａＮ／ＧａＰ多層膜の作成手順を示すフローチャートである。また、図５は、図４に示すフローチャートにしたがって作成されるＧａＮ／ＧａＰ多層膜を説明するための断面図である。
【００５１】
ＧａＮ／ＧａＰ多層膜は、ＧａＰ層とＧａＮ層とが交互に積層された構造であることを特徴としている。そこでまず、上記したｐ型ＡｌＧａＮ層２５上に、ＧａＰ層を形成する（ステップＳ１２１）。このＧａＰ層３１は、蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、蒸気圧５×１０-6Ｔｏｒｒのターシャルブチルフォスフィンとの各分子線を用いて、１〜２分子程度の厚みのＧａＰ層として得られるものである（図５（ｆ））。
【００５２】
つづいて、このＧａＰ層３１上に、ＧａＮ層を形成する（ステップＳ１２２）。このＧａＮ層３２は、蒸気圧５×１０-6Ｔｏｒｒのアンモニア（ＮＨ3）と、蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａとの各分子線を用いて、１０分子程度の厚みのＧａＰ層として得られるものである（図５（ｇ））。
【００５３】
そして、このＧａＰ層３１とＧａＮ層３２とから構成される組を５回繰り返すして（ステップＳ１２３）、ＧａＰ層３１とＧａＮ層３２とが複数回交互に積層されたＧａＮ／ＧａＰ多層膜３０を得る（図５（ｈ））。
【００５４】
ＧａＮ／ＧａＰ多層膜３０の形成が完了すると、つづいて、もう一方のクラッド層として機能するｎ型のＡｌＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０７）。このｎ型ＡｌＧａＮ層２６は、蒸気圧５×１０-6ＴｏｒｒのＮＨ3と、蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、蒸気圧１×１０-7ＴｏｒｒのＡｌと、蒸気圧１×１０-8ＴｏｒｒのＳｉとの各分子線を用いて、上記したＧａＮ／ＧａＰ多層膜３０上に、Ｓｉがドープされた厚み１０００ÅのＡｌＧａＮ層として得られる（図６（ｉ））。
【００５５】
そして最後に、ｎ型のＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０８）。このｎ型ＧａＮ層２７は、蒸気圧５×１０-5ＴｏｒｒのＮＨ3と、蒸気圧５×１０-7ＴｏｒｒのＧａと、蒸気圧１×１０-8ＴｏｒｒのＳｉとの各分子線を用いて、上記したｎ型ＡｌＧａＮ層２６上に、Ｓｉがドープされた厚み１０００ÅのＧａＮ層として得られる（図６（ｊ））。
【００５６】
そして、上記したＧａＮ系発光素子を構成する積層膜が一通り形成されると、上記したＧａＮ／ＧａＰ多層膜３０中において、ＧａＮＰの混晶を生成するための熱処理をおこなう（ステップＳ１０９）。この熱処理は、基板を９５０℃で３０分間加熱することによりおこなう。
【００５７】
この熱処理によって、ＧａＮ／ＧａＰ多層膜３０中のＰに熱エネルギーを与えることができ、このＰとＧａＮとの混晶化が実現される。これは、Ｇａ、ＰＨ3およびＮＨ3の各分子線により直接に薄膜を成長させようとした場合には、Ｐのマイグレーションの困難性より、ＧａＮＰの形成は望めないが、このようにＧａＮ／ＧａＰの多層膜３０’を作成することで、ＧａＮＰ３０の混晶化が実現されることを意味する（図６（ｋ））。
【００５８】
すなわち、ＧａＮおよびＧａＰは、それぞれ独立した薄膜として安定に形成することができるため、このように一旦、ＰをＧａＮ層間にＧａＰとして閉じ込めた多層膜を形成し、その後に与える熱エネルギーによって、ＧａＰからＰを分解するとともに、分解されたＰと、近接したＧａＮ層との混晶化を達成することができる。
【００５９】
特に、ＧａＰ層の厚みを、ＧａＮ層の厚みに対して十分薄くしているため、熱エネルギーによるＧａＰ層の中のＰの分解および取り出しが容易となっており、ＧａＮとＰとの混晶化の促進が図られている。
【００６０】
このようにしてＧａＮＰ３０の混晶化が完了すると、上記積層膜上に電極を形成する（ステップＳ１１０）。図７は、電極形成を説明するためのＧａＮ系発光素子の断面図である。図４に示すように、この電極作成は、まず、積層基板をパターニング室に移動させ、シリコン基板２０、ｐ型ＧａＮバッファ層２１および第１のｐ型ＧａＮ層２２と、第２のｐ型ＧａＮ層２４の一部（ＳｉＯ2マスク２３が形成された厚み部分）とをエッチング処理により排除する（図６（ｌ））。
【００６１】
つづいて、露出したｐ型ＧａＮ層２４とｎ型ＧａＮ層２７の各表面に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、ＳｉＯ2等のパターニングマスクを堆積させた後、図７（ｍ）に示すように、フォトレジストおよび化学エッチング等を用いて、ｎ型電極１１およびｐ型電極１２を形成するためのマスクパターンをそれぞれ形成する。
【００６２】
そして、ｎ型ＧａＮ層２７の表面にＴｉ／Ａｌ／Ａｕ等の金属を蒸着することでｎ型電極１１を形成し、ｐ型ＧａＮ層２４の表面にＡｕ／Ｎｉ等の金属を蒸着することでｐ型電極１２を形成する。
【００６３】
このようにして作成されたＧａＮ系発光素子に電圧を印加して発光を調べたところ、印加電圧４Ｖでバンド端３８０ｎｍに著しく強い発光ピークが観察された。また、その他のピークは観察されなかった。すなわち、高輝度の紫外ＬＥＤが作成されていることが確認された。
【００６４】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子によれば、ガスソースＭＢＥ法に従ってそのＧａＮ系発光素子を作成する際に、ＧａＰ層とＧａＮ層とを交互に積層させた多層膜を活性層とし、これに熱処理を施すことでＧａＮＰの混晶化をおこなうので、Ｐの気相による添加では混晶化が困難とされるＧａＮＰを、発光効率等の十分大きなものとして得ることができる。
【００６５】
また、積層順が下位に位置する低抵抗層のｐ型ＧａＮ層を、比較的薄い第１のＧａＮ層と、その第１のＧａＮ層上に、ＳｉＯ2等のマスクにより設けられた複数の開口部を介して、部分的に再成長させた第２のＧａＮ層と、によって構成しているので、転位の発生を低減することができ、結果的に発光素子の劣化を防止することができる。
【００６６】
なお、上述した例では、活性層をＧａＮＰとした場合を示したが、ＧａＮＡｓについても、同様にＧａＮ／ＧａＡｓ多層膜を形成し、その後の熱処理によってＧａＮＡｓの混晶化を達成することができる。
【００６７】
実施の形態２．
つぎに、実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子およびその作成方法について説明する。実施の形態２は、実施の形態１がガスソースＭＢＥ法を用いてＧａＮ系発光素子を作成したのに対し、ＭＯＣＶＤ法を用いて同構成のＧａＮ系発光素子を形成したことを特徴とする。最終的に得られるＧａＮ系発光素子の構造は、図１に示したものと同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００６８】
図８は、実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子の作成手順を示すフローチャートである。ＭＯＣＶＤ法において、まず、シリコン基板等の結晶基板を成長室のサセプタ上に設置する。そして、この状態において、シリコン基板の温度を６４０℃に維持し、ｐ型のＧａＮバッファ層の形成を開始する（ステップＳ２０１）。
【００６９】
このｐ型ＧａＮバッファ層は、２００ｓｃｃｍ程度のジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）と、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、３ｓｃｃｍ程度のシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣｐＭｇ）を供給することで、上記したシリコン基板上に、厚さ５０Åの結晶構造として形成される。
【００７０】
つづいて、基板温度を８５０℃に維持し、第１のｐ型のＧａＮ層を形成する（ステップＳ２０２）。この第１のｐ型ＧａＮ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、３ｓｃｃｍ程度のビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂＣｐＭｇ）の原料ガスを、上記したｐ型ＧａＮバッファ層上に成長させ、Ｍｇがドープされた厚み１０００ÅのＧａＮ層として得られる。
【００７１】
つぎに、上記したｎ型ＧａＮ層２２上に複数の開口部を形成するためのＳｉＯ2マスクを形成し（ステップＳ２０３）、その開口部上に第２のｐ型ＧａＮ層を再成長させる（ステップＳ２０４）。なお、ＳｉＯ2マスクの作成およびその効果については、実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００７２】
この第２のｐ型ＧａＮ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、３ｓｃｃｍ程度のｂＣｐＭｇの原料ガスを、上記した第１のｐ型ＧａＮ層およびＳｉＯ2マスク上に成長させ、Ｍｇがドープされた厚み５０μｍのＧａＮ層として得られる。
【００７３】
つぎに、クラッド層として機能するｐ型のＡｌＧａＮ層を形成する（ステップＳ２０５）。このｐ型ＡｌＧａＮ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、３ｓｃｃｍ程度のシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣｐＭｇ）と、５ｓｃｃｍ程度のＴＭＡの原料ガスを、上記したｐ型ＧａＮ層上に成長させ、Ｍｇがドープされた厚み１０００ÅのＡｌＧａＮ層として得られる。
【００７４】
そして、このｐ型ＡｌＧａＮ層上に、活性層となるＧａＮ／ＧａＰ多層膜を形成する（ステップＳ２０６）。ＧａＮ／ＧａＰ多層膜は、まず、上記したｐ型ＡｌＧａＮ層上に、ＧａＰ層を形成し、つづいてその上にＧａＮ層を形成し、さらにこれらＧａＰ層およびＧａＮ層からなる組を５回程度繰り返し形成することで得られる。
【００７５】
なお、この場合のＧａＰ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、５００ｓｃｃｍ程度のフォスフィン（ＰＨ3）の原料ガスを１〜２分子程度の厚みのＧａＰ層として成長させて得られる。また、ＧａＮ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3の原料ガスを１０分子程度の厚みのＧａＮ層として成長させて得られる。
【００７６】
ＧａＮ／ＧａＰ多層膜の形成が完了すると、つづいて、もう一方のクラッド層として機能するｎ型のＡｌＧａＮ層を形成する（ステップＳ２０７）。このｎ型ＡｌＧａＮ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、２ｓｃｃｍ程度のＳｉＨ4と、５ｓｃｃｍ程度のＴＭＡの原料ガスを、上記したＧａＮ／ＧａＰ多層膜上に成長させ、Ｓｉがドープされた厚み１０００ÅのＡｌＧａＮ層として得られる。
【００７７】
そして最後に、ｎ型のＧａＮ層を形成する（ステップＳ２０８）。このｎ型ＧａＮ層は、２０ｓｃｃｍ程度のＴＭＧと、１５００ｓｃｃｍ程度のＮＨ3と、２ｓｃｃｍ程度のＳｉＨ4の原料ガスを、上記したｎ型ＡｌＧａＮ層上に成長させ、Ｓｉがドープされた厚み１０００ÅのＧａＮ層として得られる。
【００７８】
そして、上記したＧａＮ系発光素子を構成する積層膜が一通り形成されると、上記したＧａＮ／ＧａＰ多層膜中において、ＧａＮＰの混晶を生成するための熱処理をおこなう（ステップＳ２０９）。この熱処理は、基板を９５０℃で３０分間加熱することによりおこなう。この熱処理によって、ＰとＧａＮとの混晶化が実現され、ＧａＮＰが生成される。
【００７９】
このようにしてＧａＮＰの混晶化が完了すると、上記積層膜上に電極を形成する（ステップＳ２１０）。電極形成についても実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００８０】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子によれば、ＭＯＣＶＤ法に従ってそのＧａＮ系発光素子を作成する際においても、実施の形態１に示した効果と同様の効果を享受することができる。
【００８１】
なお、実施の形態１および２に示した気相成長法以外にも、原料に塩化ガリウム等の塩化物を用いるクロライド系または水素化物を用いるハライド系の気相成長を用いることで、本発明にかかるＧａＮ系発光素子を作成することもできる。
【００８２】
また、以上に説明した実施の形態１および２においては、活性層をＧａＮＰやＧａＮＡｓの混晶化を例にして説明したが、ＧａＡｓＰ／ＧａＮ等の他のＧａＮ多元系化合物半導体の組み合わせにより多層膜を形成した場合にも、本発明を適用できることはいうまでもない。
【００８３】
さらに、以上に説明した実施の形態１および２においては、ダブルヘテロ型の構造を有する発光素子を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、シングルヘテロ接合を有するものや、ｐｎ接合を有するもの、あるいは単数または複数の量子井戸構造を有するものなどについて同様に適用することができ、上述した効果を同様に享受することができる。
【００８４】
【発明の効果】
以上に説明したようにこの発明によれば、ＧａＮ層とＧａＰ層との積層により構成される多層膜に対して熱処理を施した後の状態を、活性層として機能するＧａＮＰ層としているので、十分多くのＰが添加されたＧａＮＰ層本来の発光特性を得ることができるという効果を奏する。
【００８５】
また、この発明によれば、ＧａＮ層とＧａＡｓ層との積層により構成される多層膜に対して熱処理を施した後の状態を、活性層として機能するＧａＮＡｓ層としているので、十分多くのＡｓが添加されたＧａＮＡｓ層本来の発光特性を得ることができるという効果を奏する。
【００８６】
また、この発明によれば、ＧａＮ層とＧａＡｓＰ層との積層により構成される多層膜に対して熱処理を施した後の状態を、活性層として機能するＧａＮＡｓＰ層としているので、十分多くのＡｓおよびＰが添加されたＧａＮＡｓＰ層本来の発光特性を得ることができるという効果を奏する。
【００８７】
また、この発明によれば、ＧａＰ等のＧａ混晶層を極薄く形成するので、熱処理を施した際に、Ｇａ混晶層の分解が促進され、それに含まれるＶ族原子が拡散するので、混晶化の促進を図ることができるという効果を奏する。
【００８８】
また、この発明によれば、バッファ層上に形成される低抵抗層を、下地となる第１の低抵抗層と、マスクによる選択的に成長される第２の低抵抗層と、で構成するので、第２の低抵抗層において転位の発生が低減され、この第２の低抵抗層を、電極を設けるための低抵抗層として使用することで、発光効率や寿命等についてより好ましい特性を有するＧａＮ系発光素子を得ることができるという効果を奏する。
【００８９】
また、この発明によれば、第２の低抵抗層が、第１の低抵抗層よりも厚いので、品質のよい低抵抗層をより多く取得することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の断面図である。
【図２】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の作成手順を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の作成方法にしたがって作成されるＧａＮ系発光素子を説明するための断面図である。
【図４】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子において、ＧａＮ／ＧａＰ多層膜の作成手順を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の作成方法にしたがって作成されるＧａＮ／ＧａＰ多層膜を説明するための断面図である。
【図６】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子の作成方法にしたがって作成されるＧａＮ系発光素子を説明するための断面図である。
【図７】実施の形態１にかかるＧａＮ系発光素子において、電極形成を説明するためのＧａＮ系発光素子の断面図である。
【図８】実施の形態２にかかるＧａＮ系発光素子の作成手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１１  ｎ型電極
１２  ｐ型電極
２０  シリコン基板
２１  バッファ層
２２，２４  ｐ型ＧａＮ層
２３  ＳｉＯ2マスク
２５  ｐ型ＡｌＧａＮ層
２６  ｎ型ＡｌＧａＮ層
２７  ｎ型ＧａＮ層
３０  ＧａＰ／ＧａＮ多層膜
３０’  ＧａＮＰ層
３１  ＧａＮ層
３２  ＧａＰ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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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