(57)【要約】【課題】ｐ型層の結晶性の向上。【解決手段】半導体発光素子1000は、サファイヤ基板100の上に、GaNバッファ層101、GaNから成るｎ型コンタクト層102、Al0.12Ga0.88Nから成るｎ層103、膜厚2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層を障壁層で挟んだ単一量子井戸構造(SQW)の発光層104、Al0.16Ga0.84Nから成るブロック層105、Al0.02Ga0.98Nから成るｐ型コンタクト層106と電極110、120、140、保護膜130及び反射膜150から成る。発光層に接するｐ側層（105）のエピタキシャル成長温度Ｔpと、発光層に接するｎ側層（103）のエピタキシャル成長温度Ｔn及び発光層106のエピタキシャル成長温度ＴL(800℃以上)の関係を、０＜Ｔn−Ｔp≦（Ｔn−ＴL）／５とすることで、ｐ側層の結晶性が向上し、発光素子1000の発光強度が向上する。【選択図】図１
2005183780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成された発光素子の製造方法において、
実質的に発光に寄与し、その組成に少なくともインジウム(In)を含む発光層の成長温度ＴL（但し８００℃以上）と、
発光層に接するｎ型半導体層の成長温度Ｔnと、
発光層に接するｐ型半導体層の成長温度Ｔpとが、
０＜Ｔn−Ｔp≦（Ｔn−ＴL）／３
を充たすことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
エピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成された発光素子の製造方法において、
実質的に発光に寄与し、その組成に少なくともインジウム(In)を含む発光層の成長温度ＴL（但し８００℃以上）と、
発光層に接するｎ型半導体層の成長温度Ｔnと、
発光層に接するｐ型半導体層の成長温度Ｔpとが、
０＜Ｔn−Ｔp≦（Ｔn−ＴL）／４
を充たすことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
エピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成された発光素子の製造方法において、
実質的に発光に寄与し、その組成に少なくともインジウム(In)を含む発光層の成長温度ＴL（但し８００℃以上）と、
発光層に接するｎ型半導体層の成長温度Ｔnと、
発光層に接するｐ型半導体層の成長温度Ｔpとが、
０＜Ｔn−Ｔp≦（Ｔn−ＴL）／５
を充たすことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
少なくとも前記発光層と、前記ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を、有機金属気相成長法により形成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記温度Ｔpが、１０００℃以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記発光層の発光波長のピークが、380nm以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記発光層は、単一量子井戸又は多重量子井戸であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合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族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。本発明は特に紫外線領域発光のIII族窒化物系化合物半導体発光素子に特に有効である。
【背景技術】
【０００２】
主として紫外線領域に発光波長が存在するような短波長の発光素子の開発が進められており、次のような出願がなされている。
【特許文献１】特開平６−２６８２５９
【特許文献２】特開２００１−０２４２２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造を有する発光素子において、障壁層を組成にアルミニウムを含むAlGaN、井戸層を組成にアルミニウム及びインジウムを含むAlInGaNで形成する際、当該発光層に接して形成されるｐ層の結晶性が悪いと、発光出力の向上が困難であることが分かった。
【０００４】
そこで本発明の目的は、発光層に接して形成されるｐ層の結晶性を向上させることにより、III族窒化物系化合物半導体発光素子の発光出力を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するため、本発明の特徴は、エピタキシャル成長によりIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成された発光素子の製造方法において、実質的に発光に寄与し、その組成に少なくともインジウム(In)を含む発光層の成長温度ＴL（但し８００℃以上）と、発光層に接するｎ型半導体層の成長温度Ｔnと、発光層に接するｐ型半導体層の成長温度Ｔpとが、
Ｔn−Ｔpが正で、且つＴn−ＴLの１／３以下、或いは１／４以下、或いは１／５以下とすることである（請求項１乃至３）。尚、ここで成長温度とは、エピタキシャル成長における基板の温度を言うものとする。
【０００６】
また、他の特徴は、少なくとも発光層と、前記ｎ型半導体層と、前記ｐ型半導体層を、有機金属気相成長法により形成することを特徴とする。或いは、温度Ｔpが、１０００℃以上であることを特徴とする。
【０００７】
また、他の特徴は、発光層の発光波長のピークが、380nm以下であることを特徴とする。更には、発光層は、単一量子井戸又は多重量子井戸であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
通常、ｎ型層は発光層直下までの各層はその結晶性を良くするため1000〜1150℃程度でエピタキシャル成長により形成されている。一方、発光層にインジウムを含む場合などは、ｐ型層のエピタキシャル成長を余り高温で行っていなかった。即ちｐ型層のエピタキシャル成長を余り高温で行うと、インジウムを含む発光層の結晶性が劣化し、また、ｐ型層を形成するためのマグネシウムなどのドーパントが発光層へ拡散することにより、発光層が著しく悪化すると考えられていたからである。発光層への影響を除けば、アルミニウムを組成に含むｐ型層は、その成長温度はできるだけ高く、即ち、ｎ側層と同じまで上げられ得る。
【０００９】
これに対し本発明者は、ｐ型層のエピタキシャル成長温度をｎ型層のエピタキシャル成長温度よりは低くしつつ、その温度差が、ｎ型層のエピタキシャル成長温度と発光層のエピタキシャル成長温度との差の１／３以下、或いは１／４以下、或いは１／５以下とすることで発光出力が向上できることを見出した。これは、ｐ層の結晶性が向上することにより、ｐ層から発光層へのホールの注入が理想的となるからと考えられる。一方、発光層への影響、即ち発光層の結晶性の劣化やドーパントの拡散は、ｐ層の成長時間の短縮（薄膜化）により、ｐ層の結晶性が向上することに比較すれば大きな影響はなかった。
【００１０】
ｐ型層は一般的にアルミニウムを組成に含むので、例えば発光層への影響を除外すれば、その成長温度Ｔpは、ｎ型層の成長温度Ｔnに近いもので良い。一方、成長温度Ｔpの下限を示すものとして、発光層の成長温度をＴLとして、Ｔn−ＴpがＴn−ＴLの１／３を超えると、アルミニウムを組成に含むｐ型層は結晶性が悪くなり、発光素子の製造方法としては使用できないものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。
【００１２】
具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Si、SiC、ZnO、MgO或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）が好ましいが、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いても良い。
【００１３】
電極形成層その他のIII族窒化物半導体層は、少なくともAlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1)にて表される２元系、３元系若しくは４元系の半導体から成るIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。また、これらのIII族元素の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても良く、また、窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても良い。
【００１４】
更に、これらの半導体を用いてｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等を添加し、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等を添加することができる。
【００１５】
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の具体的な一実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１０００の断面図である。半導体発光素子１０００では、図１に示す様に、厚さ約100μmのサファイヤ基板１００の上に、窒化ガリウム(GaN)から成る膜厚約25nmのバッファ層１０１が成膜され、その上にシリコン(Si)をドープして電子濃度5×1018/cm3としたGaNから成る膜厚約4μmのｎ型コンタクト層１０２（高キャリヤ濃度ｎ+層）が形成されている。
【００１７】
また、このｎ型コンタクト層１０２の上には、シリコン(Si)をドープして電子濃度5×1018/cm3としたAl0.12Ga0.88Nから成る膜厚約200nmのｎ層１０３が形成されている。
【００１８】
ｎ層１０３の上には、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の発光層１０４が形成されている。単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の発光層１０４は、膜厚12nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４１と、膜厚2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層１０４２と、膜厚12nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４３とを積層して形成される。
【００１９】
単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の発光層１０４の上には、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度5×1017/cm3としたAl0.16Ga0.84Nから成る膜厚40nmのｐ型ブロック層１０５が形成されている。ｐ型ブロック層１０５の上には、マグネシウム(Mg)をドープしてホール濃度5×1017/cm3としたAl0.02Ga0.98Nから成る膜厚約60nmのｐ型コンタクト層１０６を形成した。
【００２０】
又、ｐ型コンタクト層１０６の上には金属蒸着による透光性薄膜ｐ電極１１０が、ｎ型コンタクト層１０２上にはｎ電極１４０が形成されている。透光性薄膜ｐ電極１１０は、ｐ型コンタクト層１０６に直接接合する膜厚約1.5nmのコバルト(Co)より成る第１層１１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６nmの金（Au）より成る第２層１１２とで構成されている。
【００２１】
厚膜ｐ電極１２０は、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１２１と、膜厚約15μmの金(Au)より成る第２層１２２と、膜厚約10nmのアルミニウム(Al)より成る第３層１２３とを透光性薄膜ｐ電極１１０の上から順次積層させることにより構成されている。
【００２２】
多層構造のｎ電極１４０は、ｎ型コンタクト層１０２の一部露出された部分の上から、膜厚約18nmのバナジウム(V)より成る第１層１４１と膜厚約100nmのアルミニウム(Al)より成る第２層１４２とを積層させることにより構成されている。
【００２３】
また、最上部には、SiO2膜より成る保護膜１３０が形成されている。
サファイヤ基板１００の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約500nmのアルミニウム（Al）より成る反射金属層１５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層１５０は、Rh、Ti、W等の金属の他、TiN、HfN等の窒化物でも良い。
【００２４】
上記の構成の発光素子１０００は次のように製造された。発光素子１０００は、有機金属気相成長法（以下「MOVPE」と略す）にり製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)、キャリアガス(H2及びN2)、トリメチルガリウム(Ga(CH3)3)（以下「TMG」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)（以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム(In(CH3)3)（以下「TMI」と記す）、シラン(SiH4)とシクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C5H5)2)（以下「CP2Mg」と記す）である。
【００２５】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したＣ面を主面とした単結晶の基板１００をMOVPE装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を反応室に流しながら温度1100℃で基板１００をベーキングした。
次に、基板１００の温度を500℃まで低下させて、H2、NH3及びTMGを供給してGaNのバッファ層１０１を約25nmの膜厚に形成した。
【００２６】
次に、基板１００の温度を1075℃に保持し、H2、NH3、TMG、シランを供給して、膜厚約4μm、キャリア濃度5×1018/cm3のGaNから成るｎ型コンタクト層１０２を形成した。この後、H2、NH3、TMG、TMA、シランの供給量を制御しながら、電子濃度5×1018/cm3としたAl0.12Ga0.88Nから成る膜厚約200nmのｎ層１０３を形成した。
【００２７】
次に、基板１００の温度を825℃にまで低下させて、N2又はH2、NH3、TMG、TMA及びTMIの供給量を制御して、膜厚12nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４１と、膜厚2nmのノンドープのAl0.005In0.045Ga0.95Nから成る井戸層１０４２と、膜厚12nmのノンドープのAl0.13Ga0.87Nから成る障壁層１０４３とを順次積層し、単一量子井戸構造の発光層１０４を形成した。
【００２８】
次に、基板１００の温度を1025℃に保持し、N2又はH2、NH3、TMG、TMA及びCP2Mgを制御しながら供給して、マグネシウム(Mg)をドープしたAl0.16Ga0.84Nから成る膜厚40nmのｐ型ブロック層１０５、マグネシウム(Mg)をドープしたAl0.02Ga0.98Nから成る膜厚約60nmのｐ型コンタクト層１０６を順次形成した。
【００２９】
この後、ｐ側層であるｐ型ブロック層１０５及びｐ型コンタクト層１０６をｐ型化して、各々ホール濃度を5×1017/cm3、5×1017/cm3のｐ型層としたのち、各電極（１１０、１２０、１４０）及び保護膜１３０及び反射金属層１５０を形成した。
【００３０】
上記実施例において、ｐ側層であるｐ型ブロック層１０５及びｐ型コンタクト層１０６のエピタキシャル成長における成長温度を、975℃、1000℃、1025℃、1050℃と変えて、発光素子１０００を形成し、そのエレクトロルミネッセンス強度を測定した。これを図２に示す。図２に示されるように、ｐ側層のエピタキシャル成長温度を975℃とした場合は、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度がばらつき、且つＥＬ強度が小さい。ｐ側層のエピタキシャル成長温度を1000℃、1025℃、1050℃と高くするにつれて、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度のばらつきが小さくなり、且つＥＬ強度が大きくなっていく。この時、発光層１０４のエピタキシャル成長温度ＴLが825℃、ｎ側層のエピタキシャル成長温度Ｔnが1075℃であるので、Ｔn−ＴLは250℃である。ｐ側層のエピタキシャル成長温度Ｔpが1000℃のときは、Ｔn−Ｔpは75℃でＴn−ＴLの1/3以下である。ｐ側層のエピタキシャル成長温度Ｔpが1025℃のときは、Ｔn−Ｔpは50℃でＴn−ＴLの1/5以下である。ｐ側層のエピタキシャル成長温度Ｔpが1050℃のときは、Ｔn−Ｔpは25℃でＴn−ＴLの1/8以下である。これは、ｎ側層と同様の温度でｐ側層をエピタキシャル成長させることにより、ｐ側層の結晶性が向上し、発光強度が向上することを意味する。この現象の技術的理由としては、ｐ層の結晶性が向上することにより、ｐ層から発光層へのホールの注入が理想的となるからと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、紫外線領域に発光波長が存在するような短波長の発光素子に好適である。短波長の発光素子の用途としては、光励起触媒を用いる光化学分野、蛍光体を励起させるために用いる照明分野、誘蛾灯に代表されるバイオ関連分野の他、蛍光ランプに用いてブラックライトに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例に係る半導体発光素子１０００の断面図。
【図２】ｐ側層の成長温度と、発光強度の関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
【００３３】
１０００：半導体発光素子
１００：サファイヤ基板
１０１：バッファ層
１０２：ｎ型コンタクト層
１０３：ｎ層
１０４：単一量子井戸発光層（ＳＱＷ）
１０５：ｐ型ブロック層
１０６：ｐ型コンタクト層
１１０：透光性薄膜ｐ電極
１２０：ｐ電極
１３０：保護膜
１４０：ｎ電極
１５０：反射金属層
【図１】
2005183780.tif 000003
【図２】
2005183780.tif 000004