(57)【要約】【課題】  成長プロセスの複雑化を抑えながら発光効率を増大したＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。【構成】  ｎ型ＧａＮクラッド層３の上にＡｌＮ凹凸層４を形成し、ＡｌＮ凹凸層４の上に活性層（ＩｎＧａＮ井戸層５）を形成することにより活性層を凹凸の形状にする。Ａｌ凹凸層４は、ｎ型ＧａＮクラッド層３の上に１０Å程度の膜厚のＡｌＮ層を形成し、８３０℃程度の熱処理を施すことによりＡｌＮ層を凝集させて形成する。その結果、活性層の面積が増大し、活性層に組成不均一が生ずる。【選択図】      図１
2005093682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型層とｐ型層の間に活性層を配置したＧａＮ系半導体発光素子において、
前記ｎ型層と前記活性層の間に配置されたＡｌＮ凹凸層を備え、
前記活性層は、前記ＡｌＮ凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項２】
ｎ型層とｐ型層の間に活性層を配置したＧａＮ系半導体発光素子において、
前記ｎ型層と前記活性層の間に配置され、所定の温度で形成されたＧａＮ系半導体層を前記所定の温度より大なる温度で熱処理することによって形成されたＧａＮ系半導体凹凸層を備え、
前記活性層は、前記ＧａＮ系半導体凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項３】
前記ＧａＮ系半導体凹凸層は、ＡｌＮ凹凸層によって形成され、
前記活性層は、複数のＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項４】
基板上にｎ型ＧａＮ系半導体層を形成し、
前記ｎ型ＧａＮ系半導体層上に所定の温度でアモルファス状のＧａＮ系半導体層を形成し、
前記ＧａＮ系半導体層に前記所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより前記ＧａＮ系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のＧａＮ系半導体凹凸層を形成し、
前記ＧａＮ系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成し、
前記凹凸状活性層上にｐ型ＧａＮ系半導体層を形成することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記ＧａＮ系半導体凹凸層の形成は、ＡｌＮ凹凸層の形成であり、
前記凹凸状活性層の形成は、複数のＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であることを特徴とする請求項４記載のＧａＮ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ＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、成長プロセスの複雑化を抑えながら発光効率を増大したＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＧａＮ系半導体発光素子として、例えば、特許文献１に記載されているものがある。
【０００３】
特許文献１に記載されているＧａＮ系半導体発光素子は、例えば、ｎ型光ガイド層の表面をエッチング等によって凹凸にし、その凹凸にした表面にＩｎＧａＮ活性層を凹凸に形成することによって構成されている。
【０００４】
この構成によれば、活性層を凹凸に形成することによって活性層にＩｎプアー領域とＩｎリッチ領域を形成し、その結果、活性層に量子ドット効果、量子箱効果を付与することによって発光効率を増大させることができると記載している。
【特許文献１】特開平１０−２１５０２９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、従来のＧａＮ系半導体発光素子によれば、各半導体層の成長過程、例えば、気相成長中にｎ型光ガイド層をエッチングするエッチング工程を挿入しなければならないため、成長プロセスが複雑化するという不都合がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、成長プロセスの複雑化を抑えながら発光効率を増大したＧａＮ系半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、ｎ型層とｐ型層の間に活性層を配置したＧａＮ系半導体発光素子において、
前記ｎ型層と前記活性層の間に配置されたＡｌＮ凹凸層を備え、
前記活性層は、前記ＡｌＮ凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【０００８】
また、本発明によると、ｎ型層とｐ型層の間に活性層を配置したＧａＮ系半導体発光素子において、
前記ｎ型層と前記活性層の間に配置され、所定の温度で形成されたＧａＮ系半導体層を前記所定の温度より大なる温度で熱処理することによって形成されたＧａＮ系半導体凹凸層を備え、
前記活性層は前記ＧａＮ系半導体凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されていることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子を提供する。
【０００９】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子において、前記ＧａＮ系半導体凹凸層は、ＡｌＮ凹凸層のよって形成され、
前記活性層は、複数のＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造を有することが好ましい。
【００１０】
更に、本発明によると、
基板上にｎ型ＧａＮ系半導体層を形成し、
前記ｎ型ＧａＮ系半導体層上に所定の温度でアモルファス状のＧａＮ系半導体層を形成し、
前記ＧａＮ系半導体層に前記所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより、前記ＧａＮ系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のＧａＮ系半導体凹凸層を形成し、
前記ＧａＮ系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成し、
前記凹凸状活性層上にｐ型ＧａＮ系半導体層を形成することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を提供する。
【００１１】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、
前記ＧａＮ系半導体凹凸層の形成は、ＡｌＮ凹凸層の形成であり、
前記凹凸状活性層の形成は、複数のＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子によると、活性層はＡｌＮ凹凸層の形状に基づいて凹凸に形成されているため、活性層の面積を大にし、活性層の組成を不均一にし、それによって発光効率を増大することができる。
【００１３】
また、本発明のＧａＮ系半導体発光素子によると、活性層はＧａＮ系半導体凹凸層形状に基づいて凹凸に形成されているため、活性層の面積を大にし、活性層の組成を不均一にし、それによって発光効率を増大することができる。
【００１４】
また、本発明のＧａＮ系半導体発光素子によると、ＧａＮ系半導体凹凸層は、ＡｌＮ凹凸層によって形成され、
活性層は、複数のＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造であるため、凝集による凹凸の形成が容易になり、また、制御されたピーク波長において発光出力を大にすることができる。
【００１５】
更に、本発明によると、
ＧａＮ系半導体層に所定の温度より高い温度の熱処理を施すことにより、
前記ＧａＮ系半導体層の凝集に基づいて多結晶状のＧａＮ系半導体層凹凸層を形成し、
前記ＧａＮ系半導体凹凸層上に活性層を成長させることにより凹凸状活性層を形成するため、成長プロセスの複雑化を抑えながら、面積が大きく、組成の不均一な活性層を提供することができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によると、ＧａＮ系半導体凹凸層の形成は、ＡｌＮ凹凸層の形成であり、
凹凸状活性層の形成は、複数のＩｎＧａＮ井戸層を含む多重量子井戸構造の形成であるため、凹凸の形成が容易になり、ピーク波長の制御と発光出力の向上の実現が容易になるＧａＮ系半導体発光素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子を示す。このＧａＮ系半導体発光素子は、サファイア基板１上に低温成長のＡｌＮバッファ層２を形成し、その上にＳｉドープのｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層（コンタクト層）３を形成する。次に、ｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層３の上にＡｌＮ凹凸層４を形成し、この上に凹凸の形状を有する３層のＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５と凹凸の形状を有する２層のＧａＮ障壁層６を交互に配置したＭＱＷ７を形成する。更に、その上にＭｇドープのｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎクラッド層８を形成し、その上にＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層９を形成する。次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層９、ｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎクラッド層８、ＭＱＷ７、及びｎ型ＧａＮクラッド層３の一部をエッチングしてｎ型ＧａＮクラッド層３を露出し、露出した表面にｎ型電極１２を形成し、更に、ｐ型コンタクト層９の表面に透明電極１０及びパッド電極１１を形成する。
【００１８】
以上の構成において、パッド電極１１及びｎ型電極１２にボンディングされた図示しないボンディングワイヤを介して順方向の電圧を印加すると、Ｉｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５においてホール及びエレクトロンのキャリア再結合が発生して発光し、出力光が透明電極１０を介して外部へ放射される。
【００１９】
ここで、Ｉｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５が凹凸に形成されているので、Ｉｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５の組成の不均一化と面積の増加が実現され、その結果、発光効率が増加する。
【実施例１】
【００２０】
以下に、本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。
【００２１】
図１及び図２（ａ）において、（０００１）面を結晶成長面とするサファイア基板１を有機洗浄の後、サファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置内の成長炉のサセプタ上に設置する。成長炉を真空排気の後、水素を供給して１２００℃程度まで昇温する。これによりサファイア基板上１の表面に付着していた炭化水素ガスがある程度取り除かれる。
【００２２】
次に、サファイア基板１の温度を６００℃程度まで降温し、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）及びＮＨ3（アンモニア）を供給してサファイア基板１上に５０ｎｍ程度の膜厚の低温ＡｌＮバッファ層２を形成する。
【００２３】
次に、ＴＭＡの供給を止め、基板温度を１０００℃まで上げ、ＮＨ3、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＳｉＨ4（シラン）を供給してキャリア濃度５×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層（コンタクト層）３を形成する。
【００２４】
次に、サファイア基板１の温度を４００℃程度まで降温し、ＴＭＡ及びＮＨ3を１０秒程度供給してｎ型ＧａＮクラッド層３の上に１０Å程度の膜厚のＡｌＮ層４０を形成する（図２（ａ））。
【００２５】
次に、原料ガスの供給を止めながらサファイア基板１の温度を８３０℃程度まで上げると、ＡｌＮ層４０は熱処理を受けて凝集し、その結果、ＡｌＮ凹凸層４が形成される（図２（ｂ））。
【００２６】
次に、サファイア基板１の温度を７３０℃まで降温し、ＮＨ3、ＴＭＧ、及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を供給して膜厚３０ÅのＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５を形成する。このＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５は、Ａｌ凹凸層４の形状に基づいて凹凸に形成される。
【００２７】
次に、サファイア基板１の温度８８０℃まで上げ、ＮＨ3及びＴＭＧを供給して１７０Åの膜厚のＧａＮ障壁層６を形成する。このＧａＮ障壁層６は、その下のＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５の凹凸形状に基づいて凹凸に形成される。
【００２８】
次に、上記したＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５及びＧａＮ障壁層６の成長条件に基づいて２層のＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５及び１層のＧａＮ障壁層６を形成して合計３層のＩｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５と合計２層のＧａＮ障壁層６より成るＭＱＷ７を形成する。このＭＱＷ７は、図１に示すように、全体として凹凸の形状を有している。
【００２９】
次に、サファイア基板１の温度を１０００℃まで上げ、ＴＭＡ，ＴＭＧ、ＮＨ3、及びＣｐ2Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を供給して２００Åの膜厚のマグネシウムドープのｐ型Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎクラッド層８を形成する。
【００３０】
次に、サファイア基板１の温度を１０００℃に維持したまま、ＮＨ3、ＴＭＧ、及びＣｐ2Ｍｇを供給してマグネシウムドープのｐ型ＧａＮコンタクト層９を形成する。
【００３１】
次に、所定のエッチャントを使用してｐ型ＧａＮコンタクト層９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ＭＱＷ７、及びｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層３の一部を除去してｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層３を露出させる。
【００３２】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層９の上に透明電極１０とパッド電極１１を形成し、露出したｎ型ＧａＮ：Ｓｉクラッド層３の上にｎ型電極１２を形成する。
【００３３】
以上の成長プロセスを経て製造されたＧａＮ系半導体発光素子は、Ｉｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５の形状が凹凸にされるため、Ｉｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５の面積が増大し、また、Ｉｎ0.25Ｇａ0.85Ｎ井戸層５に組成不均一が生ずる。その結果、発光効率の増大が図れる。
【００３４】
図３は、本発明のＧａＮ系半導体発光素子と従来のものとの波長対輝度特性の対比を示す。
【００３５】
図３において、曲線（１）はＡｌＮ層４０を成長温度４００℃、成長時間１０秒で成長させた後、８３０℃の熱処理を施してＡｌＮ凹凸層４を形成した前記実施例のＧａＮ系半導体発光素子の波長対輝度特性である。
【００３６】
曲線（２）はＡｌＮ層４０を成長温度４００℃、成長時間１５秒で成長させた後、８３０℃の熱処理を施してＡｌＮ凹凸層４を形成した本発明の別のＧａＮ系半導体発光素子の波長対輝度特性である。
【００３７】
曲線（３）はＡｌＮ凹凸層４を有しない従来のＧａＮ系半導体発光素子の波長対輝度特性であり、輝度は１０倍にして表示されている。
【００３８】
図３の曲線（１）、（２）及び（３）の対比から明らかなように、本発明のＧａＮ系半導体発光素子は発光効率が増大している。
【００３９】
また、これを実現するために形成されるＡｌＮ凹凸層４は、通常の成長プロセスに熱処理を付加するだけで形成されるので、成長プロセスの複雑化を抑えることができる。
【００４０】
図４は、本発明の成長プロセスによって製造されたＧａＮ系半導体発光素子において、ＡｌＮ層４０の熱処理時間に対する輝度変化を示す曲線（１）と、ＡｌＮ層４０の熱処理時間に対するピーク波長変化を示す曲線（２）を表わす。
【００４１】
図４より明らかな通り、ＡｌＮ層４０に熱処理を施してＡｌＮ凹凸層４にする熱処理時間は１０秒前後が好ましく、２０秒を超える必要はない。
【００４２】
尚、凹凸層４は、ＡｌＮによって限定されるものではなく、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮによって置換されても良い。
【００４３】
また、ＡｌＮ凹凸層４はドット状に分散的に配置して形成されるものとして説明したが、これに限定されることはなく、底部において相互に連結された形状であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態におけるＧａＮ系半導体発光素子の模式図。
【図２】（ａ）はＡｌＮ凹凸層を形成する前の状態を示す模式図、（ｂ）はＡｌＮ凹凸層を形成した後の状態を示す模式図。
【図３】ＧａＮ系半導体発光素子の波長対輝度のグラフ。
【図４】ＧａＮ系半導体発光素子のＡｌＮの加熱時間対輝度、及びＡｌＮの加熱時間対ピーク波長のグラフ。
【符号の説明】
【００４５】
１：サファイア基板
２：ＡｌＮバッファ層
３：シリコンドープのｎ型ＧａＮクラッド層（コンタクト層）
４：ＡｌＮ凹凸層
５：ＩｎＧａＮ井戸層
６：ＧａＮ障壁層
７：ＭＱＷ
８：マグネシウムドープのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
９：マグネシウムドープのｐ型ＧａＮコンタクト層
１０：透明電極
１１：パッド電極
１２：ｎ型電極
４０：熱処理前のＡｌＮ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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