(57)【要約】【課題】量子井戸構造内の界面の急峻性に優れた半導体素子を提供する。【解決手段】半導体素子１は、量子井戸構造を有する活性領域３を含む。活性領域３は、井戸領域５とバリア領域７とを含む。井戸領域５は、窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。バリア領域７ａは、第１の半導体層９ａおよび第２の半導体層１１ａを有する。第１の半導体層９ａは、少なくとも窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。第２の半導体層１１ａは、少なくとも窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。第１の半導体層９ａは、第２の半導体層１１ａと井戸領域５との間に設けられている。第１の半導体層９ａのインジウム組成は、第２の半導体層１１ａのインジウム組成より小さい。第１の半導体層９ａのインジウム組成は、井戸領域５のインジウム組成より小さい。【選択図】  図２
2005268743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法であって、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を第１の温度で形成する工程と、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、
前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うこと無く温度を変更する工程と、
該温度の変化が完了した後に、III−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を前記第１の温度より大きい第２の温度で前記第１のバリア膜上に形成する工程と
を備え、
前記第１のバリア膜は、前記第１の温度以上であり前記第２の温度未満である第３の温度で形成され、
前記第１のバリア膜のインジウム組成は、前記井戸膜のインジウム組成より小さい、方法。
【請求項２】
第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する前記工程では、前記第１のバリア膜の少なくとも一部分は、温度を変更しながら形成される、請求項１に記載された方法。
【請求項３】
量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法であって、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を第１の温度で形成する工程と、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、
前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく温度を上昇する工程と、
III−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を第２の温度で前記第１のバリア膜上に形成する工程と
を備え、
前記第１のバリア膜の少なくとも一部は、前記第１の温度から第３の温度に昇温する期間中に形成され、
温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第３の温度から前記第２の温度に所定の期間で上昇され、
前記第１のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、
前記第１の温度から第３の温度への昇温時間が前記所定の期間よりも短い、方法。
【請求項４】
量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法であって、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を第１の温度で形成する工程と、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、
前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく第２の温度に温度を上昇する工程と、
前記第２のバリア膜を形成するに先立って、成膜を行うことなく所定の期間前記第２の温度を保持する工程と、
III−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を前記第２の温度で前記第１のバリア膜上に形成する工程と
を備え、
前記第１のバリア膜の少なくとも一部は、前記第２の温度より小さい第３の温度に前記第１の温度から昇温する期間中に形成され、
温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第３の温度から前記第２の温度に上昇され、
前記第１のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、
前記第１の温度から第３の温度への昇温時間が前記所定の時間よりも短い、方法。
【請求項５】
前記所定の期間は１分以上５分以下である請求項３または請求項４に記載された方法。
【請求項６】
第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する前記工程は、井戸膜を第１の温度で形成する前記工程に引き続いて行われる、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記第１のバリア膜はＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成り、Ｘ１はゼロより大きく１未満であり、
前記第２のバリア膜はＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成り、Ｘ２はゼロ以上１未満であり、
前記井戸膜はＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成り、Ｘ３はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ１より大きい、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法であって、
III−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を形成する工程と、
前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うこと無く温度を変更する工程と、
温度を変化する前記工程の後に、窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を前記第１のバリア膜上に形成する工程と、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を前記第２のバリア膜上に第１の温度で形成する工程と
を備え、
前記第１のバリア膜は、前記第１の温度より大きい第２の温度で形成されており、
前記第２のバリア膜は、前記第２の温度よりも小さく前記第１の温度以上である第３の温度で形成され、
前記第２のバリア膜のインジウム組成は、前記井戸膜のインジウム組成より小さい、方法。
【請求項９】
第２のバリア膜を前記第１のバリア膜上に形成する前記工程では、前記第２のバリア膜の少なくとも一部分は、前記第１の温度で形成される、請求項８に記載された方法。
【請求項１０】
井戸膜を前記第２のバリア膜上に第１の温度で形成する前記工程は、第２のバリア膜を前記第１のバリア膜上に形成する前記工程に引き続いて行われる、請求項８または請求項９に記載された方法。
【請求項１１】
前記第１のバリア膜はＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成り、Ｘ２はゼロ以上であり１未満であり、
前記第２のバリア膜はＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成り、Ｘ１はゼロより大きく１未満であり、
前記井戸膜はＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成り、Ｘ３はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ１より大きい、請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１２】
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−V窒化物半導体から成る第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、
前記第３のバリア膜を形成した後に、成膜を行うこと無く温度を変更する工程と、
温度を変化する前記工程の後に、第４のバリア膜を前記第３のバリア膜上に第２の温度で形成する工程と
を備え、
前記第３のバリア膜は、前記第２の温度未満であり前記第１の温度以上である第４の温度で形成され、
前記第３のバリア膜のインジウム組成は、前記井戸膜のインジウム組成より小さい、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１３】
第３のバリア膜を井戸膜上に形成する前記工程では、前記第３のバリア膜の少なくとも一部分は、温度を変更しながら形成される、請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、
前記第３のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく温度を上昇する工程と、
III−Ｖ窒化物半導体から成る第４のバリア膜を前記第２の温度で前記第３のバリア膜上に形成する工程と
を備え、
前記第３のバリア膜の少なくとも一部は、前記第２の温度より小さい第４の温度に前記第１の温度から昇温する期間中に形成され、
温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第４の温度から前記第２の温度に所定の期間で上昇され、
前記第３のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、
前記第１の温度から第４の温度への昇温時間が前記所定の期間よりも短い、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１５】
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、
前記第３のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく温度を上昇する工程と、
前記第４のバリア膜を形成するに先立って、成膜を行うことなく所定の期間前記第２の温度を保持する工程と、
III−Ｖ窒化物半導体から成る第４のバリア膜を前記第２の温度で前記第３のバリア膜上に形成する工程と
を備え、
前記第３のバリア膜の少なくとも一部は、前記第２の温度より小さい第４の温度に前記第１の温度から昇温する期間中に形成され、
温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第４の温度から前記第２の温度に上昇され、
前記第３のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、
前記第１の温度から第４の温度への昇温時間が前記所定の期間よりも短い、請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
前記所定の期間は１分以上５分以下である請求項１４または請求項１５に記載された方法。
【請求項１７】
第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する前記工程は、井戸膜を前記第２のバリア膜上に第１の温度で形成する前記工程に引き続いて行われる、請求項１２から請求項１６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１８】
前記第４のバリア膜はＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ半導体から成り、Ｘ５はゼロ以上であり１未満であり、
前記第３のバリア膜はＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ半導体から成り、Ｘ４はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ４より大きい、請求項１２から請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１９】
量子井戸構造を有する半導体素子であって、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸領域と、
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１の半導体層並びに窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第２の半導体層を有する第１のバリア領域と
を備え、
前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層と前記井戸領域との間に設けられており、
前記第１の半導体層のインジウム組成は、前記井戸領域のインジウム組成より小さい半導体素子。
【請求項２０】
インジウム偏析に起因した量子井戸内の欠陥密度が１×１０６ｃｍ−２以下である、請求項１９に記載された半導体素子。
【請求項２１】
窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第３の半導体層並びに窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第４の半導体層を有する第２のバリア領域を更に備え、
前記井戸領域は、前記第１のバリア領域と前記第２のバリア領域との間に設けられており、
前記第３の半導体層は、前記第４の半導体層と前記井戸領域との間に設けられており、
前記第３の半導体層のインジウム組成は、前記井戸領域のインジウム組成より小さい、請求項１９または請求項２０に記載された半導体素子。
【請求項２２】
前記第１の半導体層はＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成り、Ｘ１はゼロより大きく１未満であり、
前記第２の半導体層はＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成り、Ｘ２はゼロ以上１未満であり、
前記井戸領域はＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成り、Ｘ３はゼロより大きく１未満であり、
Ｘ３はＸ１より大きく、
Ｘ３−Ｘ１は０．０４以上である、請求項１９から請求項２１のいずれか一項に記載された半導体素子。
【請求項２３】
前記第１の半導体層の厚さは、１ナノメートル以上であり、
前記第１の半導体層の厚さは、５ナノメートル以下である、請求項１９から請求項２２のいずれか一項に記載された半導体素子。
【請求項２４】
前記第４の半導体層はＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ半導体から成り、Ｘ５はゼロ以上であり１未満であり、
前記第３の半導体層はＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ半導体から成り、Ｘ４はゼロより大きく１未満であり、
Ｘ３はＸ４より大きく、
Ｘ３−Ｘ４は０．０４以上である、請求項２１〜請求項２３のいずれか一項に記載された半導体素子。
【請求項２５】
前記第３の半導体層の厚さは、１ナノメートル以上であり、
前記第３の半導体層の厚さは、５ナノメートル以下である、請求項２１〜請求項２４のいずれか一項に記載された半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸構造を有する半導体素子、および半導体素子を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
文献１(特開２００１−１６８４７１号公報)には、窒化物半導体レーザ素子が記載されている。窒化物半導体レーザ素子では、量子井戸構造を有する活性層内の井戸層と障壁層との間のすべてに中間層を形成する。この中間層は、障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌdＧａ1-dＮ（０．３０≦ｄ≦１）からなる。中間層の追加によって、窒化物半導体レーザ素子の闘値電圧または駆動電圧を下げることができる。
この窒化物半導体レーザ素子では、インジウムを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層との間に障壁層よりバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＮからなる中間層を形成して、窒化物半導体発光素子の発光効率を良くしている。
【０００３】
文献２（特開平１０−８４１３２号公報）には、半導体レーザおよび発光ダイオードといった半導体発光素子が記載されている。この半導体発光素子は、超格子構造の発光層を備えており、この発光層が量子井戸層、バリア層およびバッファ層を含む。バッファ層は、量子井戸層とバリア層との間に形成される。量子井戸層とバッファ層との間の電位障壁が、量子井戸層とバリア層との間の電位障壁よりも小さい。バッファ層は、実質的なバリア層にならないように形成されている。バッファ層の格子定数が量子井戸層の格子定数とバリア層の格子定数の間にあるので、バリア層と量子井戸層との格子定数の差が緩和される。この半導体発光素子において、量子井戸層がＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ）からなり、バッファ層がＩｎYＧａ1-YＮ（０＜Ｙ＜Ｘ）からなる。バリア層へインジウムを配合すると量子井戸層とバリア層との電位障壁が小さくなるので、バリア層はＧａＮから形成されている。
【０００４】
文献３（特開平６−２６８２５７号公報）には、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が記載されている。この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、Ｘ値の異なるＩｎＸＧａ１−ＸＮ（但し、Ｘは０＜Ｘ＜１）層が交互に積層された多層膜層を発光層として具備する。多層膜層を構成するＩｎXＧａ1-XＮ層の各膜厚は５オングストローム〜５０オングストロームの範囲である。これによって、 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力をさらに向上させることができる。
【０００５】
文献４（特開２００２−４３６１８号公報）の窒化物半導体を製造する方法は、摂氏７５０度の温度で井戸層を成長した工程と、この工程の後に、バリア層を成長する工程とを有する。この方法では、バリア層は、温度を上昇しながら成長される第１の半導体層と、この成長の後に一定の温度で直ちに成長される第２の半導体層を行われる。
【特許文献１】特開２００１−１６８４７１号公報
【特許文献２】特開平１０−８４１３２号公報
【特許文献３】特開平６−２６８２５７号公報
【特許文献４】特開２００２−４３６１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
単一または多重の量子井戸構造では、井戸層とバリア層との界面において急峻性が求められる。
文献１に記載された半導体発光素子では、中間層と称される半導体層は、障壁層よりバンドギャップが大きくなるＡｌＧａＮ半導体から形成されている。文献１によれば、このＡｌＧａＮ半導体層（中間層）をＩｎＧａＮ半導体層（井戸層）に形成した後に、バリア層の成長温度まで昇温して井戸層内のインジウムの分解を生じさせている。この分解は、急峻な界面を有する量子井戸構造を形成することを難しくしている。
【０００７】
文献２に記載された半導体発光素子では、バッファ層と称される半導体層は、実質的なバリア層にならないように形成されている。バッファ層の格子定数が量子井戸層の格子定数とバリア層の格子定数との間にあるので、バリア層と量子井戸層との格子定数の差が緩和される。しかしながら、比較的大きな電位障壁を示す界面が、量子井戸層とバッファ層との間およびバッファ層とバリア層との間に形成される。バッファ層の格子定数は、バリア層の格子定数と井戸層の格子定数との中間にあり、障壁層間には、井戸層およびバッファ層が設けられている。量子井戸構造において、比較的大きな電位障壁を示す界面の数が増加する。
【０００８】
文献３に記載された半導体発光素子では、異なる組成のＩｎＧａＮ層を摂氏８００度において繰り返し成長することによって、発光領域を形成している。ＩｎＧａＮ層を摂氏８００度程度の温度で繰り返し成長すると、ＩｎＧａＮ層の平坦性が徐々に悪くなり、急峻な界面を有するＩｎＧａＮ層を得ることが難しい。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、量子井戸構造内に急峻な界面を提供できる半導体素子、半導体素子を形成する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面は、量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法に関する。この方法は、（ａ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を第１の温度で形成する工程と、（ｂ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、（ｃ）前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うこと無く温度を変更する工程と、（ｄ）該温度の変化が完了した後に、III−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を前記第１の温度より大きい第２の温度で前記第１のバリア膜上に形成する工程とを備え、前記第１のバリア膜は、前記第１の温度以上であり前記第２の温度未満である第３の温度で形成され、前記第１のバリア膜のインジウム組成は、前記井戸膜のインジウム組成より小さい。
【００１１】
この方法によれば、井戸膜上に第１のバリア膜を形成する工程の後に、成膜を行うこと無く温度を変更する期間がある。井戸膜を第１のバリア膜で覆った後に、第２の温度で第２のバリア膜を第１のバリア膜上に形成する。これ故に、量子井戸構造の平坦性が向上すると共に、井戸膜とバリア膜との間に急峻な界面が提供される。
【００１２】
本発明の方法では、井戸膜の形成に引き続く第１のバリア膜の形成では、前記第１のバリア膜の少なくとも一部分は、温度を変更しながら形成されるようにしてもよい。
この方法では、第１のバリア膜の一部は、第１の温度から第２の温度へ向けて温度を上昇しながら形成され、第１のバリア膜の結晶性を徐々に向上させることができると同時に、温度変更中に井戸膜が受けるダメージを減らすことができる。
【００１３】
本発明の別の側面は、量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法に関する。この方法は、（ａ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を第１の温度で形成する工程と、（ｂ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、（ｃ）前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく温度を上昇する工程と、（ｄ）III−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を第２の温度で前記第１のバリア膜上に形成する工程とを備え、前記第１のバリア膜の少なくとも一部は、前記第１の温度から第３の温度に昇温する期間中に形成され、温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第３の温度から前記第２の温度に所定の期間で上昇され、前記第１のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、前記第１の温度から第３の温度への昇温時間が前記所定の期間よりも短い。
【００１４】
第１のバリア膜を形成した後に成膜を行うことなく第２の温度に温度を上昇する期間で、第１のバリア膜が熱処理される。この期間に、第１のバリア膜上を原子がマイグレーションする。この結果、活性領域の結晶性が向上されると共に、第２のバリア膜を形成するために好適な下地面が提供される。
【００１５】
本発明の別の側面は、量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法に関する。この方法は、（ａ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を第１の温度で形成する工程と、（ｂ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、（ｃ）前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく第２の温度に温度を上昇する工程と、（ｄ）前記第２のバリア膜を形成するに先立って、成膜を行うことなく所定の期間前記第２の温度を保持する工程と、（ｅ）III−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を前記第２の温度で前記第１のバリア膜上に形成する工程とを備え、前記第１のバリア膜の少なくとも一部は、前記第２の温度より小さい第３の温度に前記第１の温度から昇温する期間中に形成され、温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第３の温度から前記第２の温度に上昇され、前記第１のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、前記第１の温度から第３の温度への昇温時間が前記所定の時間よりも短い。
【００１６】
第２のバリア膜を形成するに先立って成膜を行うことなく第２の温度を保持する期間で、第１のバリア膜が熱処理される。この期間に、第１のバリア膜上を原子がマイグレーションする。この結果、活性領域の結晶性が向上されると共に、第２のバリア膜を形成するために好適な下地面が提供される。
【００１７】
本発明に係る方法では、前記所定の期間は１分以上５分以下であることが好ましい。この方法によれば、成膜を行うこと無く温度を上昇する期間または成膜を行うこと無く温度を保持する期間が短い場合、マイグレーションが十分に起こらない。これらの期間が長い場合、成長表面に付着する不純物および／または活性層の結晶品質の劣化のため、発光素子の発光特性が向上しない。
【００１８】
本発明の方法では、第１のバリア膜を前記井戸膜上に形成する前記工程は、井戸膜を第１の温度で形成する前記工程に引き続いて行われることができる。
この方法では、第１のバリア膜を形成する工程は、井戸膜を形成する工程に実質的に連続的に行われるので、井戸膜と第１のバリア膜界面に不純物が堆積することを防ぐことができ、また引き続き行われる昇温工程で井戸膜が劣化することを効果的に低減することができる。
【００１９】
本発明の方法では、前記第１のバリア膜はＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成り、Ｘ１はゼロより大きく１未満であり、前記第２のバリア膜はＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成り、Ｘ２はゼロ以上１未満であり、前記井戸膜はＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成り、Ｘ３はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ１より大きい。
この方法によれば、ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成る井戸膜とＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成る第１のバリア膜との間に急峻な界面が提供される。
【００２０】
本発明の別の側面は、量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法に関する。この方法は、（ａ）III−Ｖ窒化物半導体から成る第１のバリア膜を形成する工程と、（ｂ）前記第１のバリア膜を形成した後に、成膜を行うこと無く温度を変更する工程と、（ｃ）温度を変化する前記工程の後に、窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第２のバリア膜を前記第１のバリア膜上に形成する工程と、（ｄ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸膜を前記第２のバリア膜上に第１の温度で形成する工程とを備え、前記第１のバリア膜は、前記第１の温度より大きい第２の温度で形成されており、前記第２のバリア膜は、前記第２の温度よりも小さく前記第１の温度以上である第３の温度で形成され、前記第２のバリア膜のインジウム組成は、前記井戸膜のインジウム組成より小さい。
【００２１】
この方法によれば、第１のバリア膜を形成する工程を行った後に成膜を行うこと無く温度を変更する期間がある。この後に、井戸膜の形成に先立って第１のバリア膜上に第２のバリア膜を形成して、第１のバリア膜を第２のバリア膜で覆う。これ故に、井戸膜とバリア膜との間に急峻な界面が提供される。
【００２２】
本発明の方法では、第２のバリア膜を第１のバリア膜上に形成する前記工程では、前記第２のバリア膜の少なくとも一部分は前記第１の温度で形成されるようにしてもよい。
この方法では、第２のバリア膜の一部は第１の温度で形成され、井戸膜の成膜温度に安定させるための期間中に第２のバリア膜を成長することで、温度を変更するために必要な期間を短縮できる。
【００２３】
本発明の方法では、井戸膜を第２のバリア膜上に形成する前記工程は、第２のバリア膜を前記第１のバリア膜上に第１の温度で形成する前記工程に引き続いて行われるようにしてもよい。
【００２４】
この方法では、井戸膜を形成する工程は、第２のバリア膜を形成する工程と実質的に連続して行われる。
この方法では、井戸膜を形成する工程は、第２のバリア膜を形成する工程と実質的に連続的に行われるので、井戸膜と第１のバリア膜界面に不純物が堆積することを防ぐことができる。
【００２５】
本発明の方法では、前記第１のバリア膜はＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成り、Ｘ２はゼロ以上であり１未満であり、前記第２のバリア膜はＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成り、Ｘ１はゼロより大きく１未満であり、前記井戸膜はＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成り、Ｘ３はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ１より大きい。
この方法によれば、ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成る井戸膜とＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成る第２のバリア膜との間に急峻な界面が提供される。
【００２６】
本発明の方法は、（ｅ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−V窒化物半導体から成る第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、（ｆ）前記第３のバリア膜を形成した後に、成膜を行うこと無く温度を変更する工程と、温度を変化する前記工程の後に、第４のバリア膜を前記第３のバリア膜上に第２の温度で形成する工程とを備え、前記第３のバリア膜は、前記第２の温度未満であり前記第１の温度以上である第４の温度で形成され、前記第３のバリア膜のインジウム組成は、前記井戸膜のインジウム組成より小さい。
【００２７】
この方法によれば、井戸膜上に第３のバリア膜を形成する工程の後に、成膜を行うこと無く温度を変更する期間を設けている。第２の温度で、第４のバリア膜を第３のバリア膜上に形成する前に、第３のバリア膜で井戸膜を覆っている。これ故に、井戸膜とバリア膜との間の界面が優れた急峻性を示す。
【００２８】
本発明の方法では、第３のバリア膜を井戸膜上に形成する前記工程では、前記第３のバリア膜の少なくとも一部分は、温度を変更しながら形成されるようにしてもよい。
この方法では、第３のバリア膜の一部または全てが温度を上昇しながら形成され、これによって第３のバリア膜の結晶性を徐々に向上させることができると同時に、温度変更中に井戸膜が受けるダメージを減らすことができる。
【００２９】
本発明に係る方法は、（ｅ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、（ｆ）前記第３のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく温度を上昇する工程と、（ｇ）III−Ｖ窒化物半導体から成る第４のバリア膜を前記第２の温度で前記第３のバリア膜上に形成する工程とを備え、前記第３のバリア膜の少なくとも一部は、前記第１の温度から第４の温度に昇温する期間中に形成され、温度を上昇する前記工程では、前記温度は、前記第４の温度から前記第２の温度に所定の期間で上昇され、前記第３のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、前記第１の温度から第４の温度への昇温時間が前記所定の期間よりも短いようにしてもよい。
【００３０】
第３のバリア膜を形成した後に成膜を行うことなく第２の温度に温度を上昇する期間に、第３のバリア膜が熱処理される。この期間に、第３のバリア膜上を原子がマイグレーションする。この結果、活性領域の結晶性が向上されると共に、第４のバリア膜を形成するために好適な下地面が提供される。
【００３１】
また、本発明に係る方法は、（ｅ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する工程と、（ｆ）前記第３のバリア膜を形成した後に、成膜を行うことなく温度を上昇する工程と、（ｇ）前記第４のバリア膜を形成するに先立って、成膜を行うことなく所定の期間前記第２の温度を保持する工程と、（ｈ）III−Ｖ窒化物半導体から成る第４のバリア膜を前記第２の温度で前記第３のバリア膜上に形成する工程とを備え、前記第３のバリア膜の少なくとも一部は、前記第２の温度より小さい第４の温度に前記第１の温度から昇温する期間中に形成され、温度を上げる前記工程では、前記温度は、前記第４の温度から前記第２の温度に上昇され、前記第３のバリア膜のインジウム組成は前記井戸膜のインジウム組成よりも小さく、前記第１の温度から第４の温度への昇温時間が前記所定の期間よりも短いようにしてもよい。
【００３２】
第４のバリア膜を形成するに先立って成膜を行うことなく第２の温度を保持する期間に、第３のバリア膜が熱処理される。この期間に、第３のバリア膜上を原子がマイグレーションする。この結果、活性領域の結晶性が向上されると共に、第４のバリア膜を形成するために好適な下地面が提供される。
【００３３】
本発明に係る方法では、前記所定の期間は１分以上５分以下であることが好ましい。この方法によれば、成膜すること無く温度を上昇する期間または成膜すること無く温度を保持する期間が短い場合、マイグレーションが十分に起こらない。これらの期間が長い場合、成長表面に付着する不純物および／または活性層の結晶品質の劣化のため、発光素子の発光特性が向上しない。
【００３４】
本発明の方法では、第３のバリア膜を前記井戸膜上に形成する前記工程は、井戸膜を前記第２のバリア膜上に第１の温度で形成する前記工程に引き続いて行われるようにしてもよい。
この方法では、第３のバリア膜を形成する工程は、井戸膜を形成する工程に実質的に連続的に行われるので、井戸膜と第３のバリア膜界面に不純物が堆積することを防ぐことができ、また引き続き行われる昇温工程で井戸膜が劣化することを効果的に低減することができる。
【００３５】
本発明の方法では、前記第４のバリア膜はＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ半導体から成り、Ｘ５はゼロ以上であり１未満であり、前記第３のバリア膜はＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ半導体から成り、Ｘ４はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ４より大きいようにすることができる。
【００３６】
この方法によれば、ＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成る井戸膜とＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ半導体から成る第３のバリア膜との間に急峻な界面が提供される。
【００３７】
本発明の更なる別の側面によれば、量子井戸構造を有する半導体素子は、（ａ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る井戸領域と、（ｂ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第１の半導体層並びに窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第２の半導体層を有する第１のバリア領域とを備え、前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層と前記井戸領域との間に設けられており、前記第１の半導体層のインジウム組成は、前記井戸領域のインジウム組成より小さい。
【００３８】
この半導体素子によれば、第１のバリア領域の第１の半導体層のインジウム組成は井戸領域のインジウム組成より小さく、また第１の半導体層が第２の半導体層と井戸領域との間に設けられている。第１の半導体層を用いると、バリア領域と井戸領域との間に急峻な界面を有する量子井戸構造が実現される。
【００３９】
本発明に係る半導体素子では、インジウム偏析に起因した量子井戸内の欠陥密度が１×１０６ｃｍ−２以下であることが好ましい。バリア領域の第２の半導体層を井戸層よりも高温で成長することで活性層の結晶性が向上し、Ｉｎ偏析欠陥の発生層を抑制することができる。
【００４０】
本発明の半導体素子は、（ｃ）窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第３の半導体層並びに窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る第４の半導体層を有する第２のバリア領域を更に備え、前記井戸領域は、前記第１のバリア領域と前記第２のバリア領域との間に設けられており、前記第３の半導体層は、前記第４の半導体層と前記井戸領域との間に設けられており、前記第３の半導体層のインジウム組成は、前記井戸領域のインジウム組成より小さい。
【００４１】
この半導体素子によれば、第２のバリア領域の第３の半導体層のインジウム組成は井戸領域のインジウム組成より小さく、また第３の半導体層が第４の半導体層と井戸領域との間に設けられている。第３の半導体層によれば、バリア領域と井戸領域との間に急峻な界面を有する量子井戸構造が実現される。
【００４２】
本発明の半導体素子では、前記第１の半導体層はＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成り、Ｘ１はゼロより大きく１未満であり、前記第２の半導体層はＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成り、Ｘ２はゼロ以上１未満であり、前記井戸領域はＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成り、Ｘ３はゼロより大きく１未満であり、Ｘ３はＸ１より大きく、Ｘ３−Ｘ１は０．０４以上である。
【００４３】
本発明によれば、ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成る第１の半導体層とＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成る井戸領域との間のインジウム組成の差は０．０４以上であるので、井戸領域と第２の半導体層との間にインジウムを含む第１の半導体層が設けられても、第１の半導体層はバリア層として機能し、井戸領域にキャリアを閉じ込めることができる。
【００４４】
本発明に係る半導体素子の好適な実施の形態では、前記第１の半導体層の厚さは１ナノメートル以上であることが好ましい。この範囲の膜厚によれば、井戸領域が基板上に設けられておりこの井戸領域上に第１のバリア領域が設けられて積層構造を形成している場合、第２の半導体層の形成中に井戸領域の表面を保護することができる。本発明に係る半導体素子の好適な実施の形態では、前記第１の半導体層の厚さは５ナノメートル以下であることが好ましい。この範囲の膜厚によれば、第２のバリア層が十分な厚さを有することができ、第１のバリア領域の結晶性が向上する。
【００４５】
本発明によれば、前記第４の半導体層はＩｎＸ５Ｇａ１−Ｘ５Ｎ半導体から成り、Ｘ５はゼロ以上１未満であり、前記第３の半導体層は、ＩｎＸ４Ｇａ１−Ｘ４Ｎ半導体から成り、Ｘ４はゼロより大きく１未満である。
この半導体素子によれば、第３の半導体層と井戸領域との間のインジウム組成の差Ｘ３−Ｘ４は０．０４以上であるので、インジウムを含む第３の半導体層が井戸領域と第４の半導体層との間に設けられても、第３の半導体層はバリア層として機能し、井戸領域にキャリアを閉じ込めることができる。
【００４６】
本発明に係る半導体素子の好適な実施の形態では、前記第３の半導体層の厚さは１ナノメートル以上であることが好ましい。この範囲の膜厚によれば、第２のバリア領域が基板上に設けられておりこの第２のバリア領域上に井戸領域が設けられて積層構造を形成している場合、第４の半導体層の上の井戸領域に好ましい表面を形成することができる。本発明に係る半導体素子の好適な実施の形態では、前記第３の半導体層の厚さは５ナノメートル以下であることが好ましい。この範囲の膜厚によれば、第４の半導体層が十分な厚さを有することができ、第２のバリア領域の結晶性が向上する。
【００４７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００４８】
以上説明したように、本発明の半導体素子によれば、量子井戸構造内に急峻な界面を提供でき、また本発明に係る方法によれば、量子井戸構造内に急峻な界面を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体光素子といった半導体素子、および半導体素子を形成する方法に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００５０】
（第１の実施の形態）
図１は、半導体光素子を示す図面である。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、活性領域のいくつかの例を示す図面である。半導体素子１は、量子井戸構造を有する活性領域３を含む。活性領域３は、井戸領域５とバリア領域７とを含む。井戸領域５は、窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る。バリア領域７は、窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る。
【００５１】
図２（Ａ）に示されるように、バリア領域７ａは、第１の半導体層９ａおよび第２の半導体層１１ａを有する。第１の半導体層９ａは、少なくとも窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。第２の半導体層１１ａは、少なくとも窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成り、インジウムを含むことができる。第１の半導体層９ａは、第２の半導体層１１ａと井戸領域５ａとの間に設けられている。第１の半導体層９ａのインジウム組成は、井戸領域５ａ、５ｂのインジウム組成より小さい。もし含まれている場合には、第２の半導体層１１ａのインジウム組成は、第１の半導体層９ａのインジウム組成より小さい。
【００５２】
この半導体素子１によれば、第１のバリア領域７ａにおいて、第１の半導体層９ａおよび井戸領域が共にインジウムを含み、また第１の半導体層９ａが第２の半導体層１１ａと井戸領域５との間に設けられているので、井戸領域とバリア領域との界面が急峻である量子井戸構造が実現される。
【００５３】
また、図２（Ｂ）に示されるように、バリア領域７ｂは、第３の半導体層１３ｂおよび第２の半導体層１１ｂを有する。第３の半導体層１３ｂは、少なくとも窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。第２の半導体層１１ｂは、少なくとも窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成り、インジウムを含むことができる。第３の半導体層１３ｂは、第２の半導体層１１ｂと井戸領域５ｂとの間に設けられている。もし含まれているならば、第２の半導体層１１ｂのインジウム組成は、第３の半導体層１３ｂのインジウム組成より小さい。第３の半導体層１３ｂのインジウム組成は、井戸領域５ａ、５ｂのインジウム組成より小さい。
【００５４】
この半導体素子１によれば、井戸領域５ｂおよび第３の半導体層１３ｂが共にインジウムを含み、また第３の半導体層１３ｂが第２の半導体層１１ｂと井戸領域５との間に設けられているので、井戸領域とバリア領域との間の界面が急峻である量子井戸構造が実現される。
【００５５】
図２（Ｃ）に示されるように、バリア領域７ｃは、第１の半導体層９ｃ、第２の半導体層１１ｃおよび第３の半導体層１３ｃを有する。第１の半導体層９ｃは、少なくとも窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。第２の半導体層１１ｃは、少なくとも窒素およびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成り、インジウムを含むことができる。第３の半導体層１３ｃは、少なくとも窒素、インジウムおよびガリウムを含むIII−Ｖ化合物半導体から成る。第１の半導体層９ｃは、第２の半導体層１１ｃと井戸領域５ａとの間に設けられている。第３の半導体層１３ｃは、第２の半導体層１１ｃと井戸領域５ｂとの間に設けられている。もし含まれているならば、第２の半導体層１１ｃのインジウム組成は、第１の半導体層９ｃおよび第３の半導体層１３ｃのインジウム組成より小さい。第１および第３の半導体層９ｃ、１３ｃのインジウム組成は、井戸領域５ａ、５ｂのインジウム組成より小さい。
【００５６】
この半導体素子１によれば、第１および第３の半導体層９ｃ、１３ｃ並びに井戸領域５ａ、５ｂが共にインジウムを含み、また第１および第３の半導体層９ｃ、１３ｃが第２の半導体層１１ｃと井戸領域５ａ、５ｂとの間に設けられているので、バリア領域７ｃと井戸領域５ａおよび５ｂとの間の界面が急峻である量子井戸構造が実現される。
【００５７】
図１を参照すると、半導体光素子１では、活性領域３は、支持基体１５の主面１５ａ上に設けられている。支持基体１５としては、例えば窒化ガリウム基板を用いることができ、支持基体１５は窒化ガリウム基板と該基板上に設けられた窒化ガリウム層とを含むことができる。半導体光素子１は第１導電型半導体層１７および第２導電型半導体層１９を含むことができる。活性領域３は、第２導電型半導体層１９と第１導電型半導体層１７との間に設けられている。半導体光素子１は第２導電型コンタクト層２１を含むことができる。第２導電型半導体層１９は、第２導電型コンタクト層２１と活性領域３との間に設けられている。半導体光素子１では、電極２０ａがコンタクト層２１を覆って設けられており、電極２０ｂが支持基体１５の裏面１５ｂ上に設けられている。
【００５８】
活性領域３において、図２（Ａ）（および図２（Ｃ））に示されるように、バリア領域７ａ（７ｃ）の第２の半導体層１１ａ（１１ｃ）を覆って、第１の半導体層９ａ（９ｃ）が設けられている。また、バリア領域７ａ（７ｃ）上には、井戸領域５ａ（５ａ）が設けられている。バリア領域７ａ（７ｃ）の第２の半導体層１１ａ（１１ｃ）を形成した後に井戸領域５ａ（５ａ）を形成するに先だって、第２の半導体層１１ａ（１１ｃ）と組成が異なる第１の半導体層９ａ（９ｃ）を形成している。また、第１の半導体層９ａ（９ｃ）の構成元素は井戸領域５ａ（５ａ）の構成元素と実質的に同じであれば、第１の半導体層９ａ（９ｃ）は井戸領域５ａ（５ａ）のための好適な下地を提供することができる。
【００５９】
また、活性領域３において、図２（Ｂ）（および図２（Ｃ））に示されるように、井戸領域５ｂ（５ｂ）上には、バリア領域７ｂ（７ｃ）が設けられている。井戸領域５ｂ（５ｂ）を覆って、第３の半導体層１３ｂ（１３ｃ）が設けられている。井戸領域５ｂ（５ｂ）を形成した後にバリア領域７ｂ（７ｃ）の第２の半導体層１１ｂ（１１ｃ）を形成するに先だって、第２の半導体層１１ｂ（１１ｃ）と組成が異なる第３の半導体層１３ｂ（１３ｃ）を形成することができる。第３の半導体層１３ｂ（１３ｃ）の構成元素は井戸領域５ｂ（５ｂ）の構成元素と実質的に同じにすれば、第２の半導体層１１ｂ（１１ｃ）の形成中に第３の半導体層１３ｂ（１３ｃ）を用いて井戸領域５ｂ（５ｂ）を保護することができる。
【００６０】
一実施例の半導体光素子では、バリア領域の第２の半導体層１１ａ、１１ｂ、１１ｃはＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ半導体から成ることができる。ここで、Ｘ２はゼロ以上１未満である。バリア領域の第１および第３の半導体層９ａ、９ｃ、１３ｂ、１３ｃはＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成ることができる。ここで、Ｘ１はゼロより大きく１未満である。井戸領域５ａ、５ｂはＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成ることができる。ここで、Ｘ３はゼロより大きく１未満である。また、Ｘ３はＸ２より大きく、Ｘ１はＸ２より大きい（０≦Ｘ２＜Ｘ１＜Ｘ３）。
【００６１】
好適な実施例では、ＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ半導体から成る第１および第３の半導体層９ａ、９ｃ、１３ｂ、１３ｃとＩｎＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎ半導体から成る井戸領域５ａ、５ｂの間のインジウム組成の差（Ｘ３−Ｘ１）は０．０４以上である。このような範囲であれば、第１および第３の半導体層はバリア層として機能し、井戸層にキャリアを閉じ込めることができる。
Ｘ１−Ｘ２は、０．０２以下であることが好ましく、この範囲であれば、第１および第３の半導体層がバリア領域として機能し、井戸領域へのキャリア閉じ込め効果が有効になる。
【００６２】
好適な実施例では、第１および第３の半導体層９ａ、９ｃ、１３ｂ、１３ｃの厚さは１ナノメートル以上であることが好ましい。この範囲の膜厚によれば、第２の半導体層１１ｂ、１１ｃの形成中に井戸領域５ｂを保護することができ、また井戸領域５ａの形成に好適な表面を第２の半導体層１１ａの上に提供することができる。また、好適な実施の形態では、第１および第３の半導体層９ａ、９ｃ、１３ｂ、１３ｃの厚さは５ナノメートル以下であることが好ましい。この範囲の膜厚によれば、第２の半導体層１１ａ、１１ｂ、１１ｃが十分な厚さを有することができ、バリア領域の結晶性が向上する。
【００６３】
また、バリア領域の厚さは、５ナノメートル以上であることが好ましい。この範囲であれば、少なくととも２層の半導体層を形成することができる。バリア領域の厚さは、３０ナノメートル以下であることが好ましい。この範囲を越えると、駆動電圧が高くなり、素子寿命が短くなる。
【００６４】
本実施の形態の半導体光素子の一例として、発光ダイオードを下記に示す：
基板：窒化ガリウム基板
ｎ型クラッド層：ＳｉドープＧａＮ半導体層
バリアＡ層：アンドープＧａＮ層  １５ナノメータ
下記の４層を５回繰り返し
バリアＢ層：アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層  ３ナノメータ
量子井戸層：アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層  ２．５ナノメータ
バリアＣ層：アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層  ３ナノメータ
バリアＡ層：アンドープＧａＮ層  １５ナノメータ
ｐ型クラッド層：ＭｇドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ半導体層
ｐ型コンタクト層：ＭｇドープＧａＮ半導体層
という構造を有する。
【００６５】
図４、図５および図６は、いくつかの変形例の活性領域の電位障壁を示す図面である。
図４を参照すると、バリア領域７の第２の半導体層１１と井戸領域５との間には、第３の半導体層１３が設けられている。第３の半導体層１３と井戸領域５との間に比較的大きな電位障壁が形成されている。井戸領域５と第２の半導体層１１との間の第３の半導体層１３においては、電位障壁が単調に変化している。活性領域３においては、井戸領域５、第３の半導体層１３および第２の半導体層１１が周期的に配列されている。バリア領域が、互いに組成の異なる複数の半導体層を有しているので、活性領域３における周期性が向上される。第２の半導体層１１のバリア障壁Ｂ２は、第３の半導体層１３のバリア障壁Ｂ３より大きい。
【００６６】
図５を参照すると、バリア領域７の第２の半導体層１１と井戸領域５との間には、第３の半導体層１３が設けられており、第２の半導体層１１と別の井戸領域５との間には、第１の半導体層９が設けられている。第１および第３の半導体層９、１３と井戸領域５との間には、比較的大きな電位障壁が形成されている。井戸領域５と第２の半導体層１１との間の第１および第３の半導体層９、１３においては、電位障壁が単調に変化している。活性領域３においては、井戸領域５、第１の半導体層９、第２の半導体層１１および第３の半導体層１３が周期的に配列されている。バリア領域が、互いに組成の異なる複数の半導体層を有しているので、活性領域３における周期性が向上される。第２の半導体層１１のバリア障壁Ｂ２は、第１の半導体層９のバリア障壁Ｂ１より大きい。第２の半導体層１１のバリア障壁Ｂ２は、第３の半導体層１３のバリア障壁Ｂ３より大きい。
【００６７】
図６を参照すると、バリア領域７の第２の半導体層１１と井戸領域５との間には、第３の半導体層１３が設けられており、第２の半導体層１１と別の井戸領域５との間には、第１の半導体層９が設けられている。第１および第３の半導体層９、１３と井戸領域５との間に大きな電位障壁が形成されている。井戸領域と第２の半導体層１１との間の第３の半導体層１３においては、電位障壁が単調に変化している。井戸領域と第２の半導体層１１との間の第１の半導体層９においては、電位障壁がほぼ一定である。活性領域３においては、井戸領域５、第１の半導体層９、第２の半導体層１１および第３の半導体層１３が周期的に配列されている。バリア領域が、互いに組成の異なる複数の半導体層を有しているので、活性領域３における周期性が向上される。第２の半導体層１１のバリア障壁Ｂ２は、第１の半導体層９のバリア障壁Ｂ１より大きい。第２の半導体層１１のバリア障壁Ｂ２は、第３の半導体層１３のバリア障壁Ｂ３より大きい。
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体光素子によれば、量子井戸構造内の井戸領域とバリア領域との間に急峻な界面が実現される。
【００６８】
（第２の実施の形態）
次いで、量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法を説明する。図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、本発明に係る第２の実施の形態の半導体素子を形成する方法を示す図面である。
【００６９】
図７（Ａ）に示されるように、基板を準備する。基板としては、例えば、窒化ガリウム単結晶ウエハを利用することができる。必要な場合には、このウエハ上に窒化ガリウム膜を形成することができる。この窒化ガリウム膜、および引き続く製造工程において形成されるIII−V窒化物半導体膜は、例えば有機金属気相成長法を用いて作製される。引き続いて、窒化ガリウム基板２１を用いて半導体素子を形成する方法を説明する。窒化ガリウム基板２１上に、窒化ガリウム層２３といったIII−Ｖ窒化物半導体膜が形成される。窒化ガリウム膜２３はｎ導電型を有する。一実施例では、窒化ガリウム膜２３はクラッド層として使用される。
【００７０】
図７（Ｂ）を参照すると、窒化ガリウム層２３上に、活性領域２５が形成されて、エピタキシャルウエハといった半導体基板生産物Ｅ１が提供される。活性領域２５は、井戸膜およびバリア半導体膜を含む量子井戸構造を有している。図８（Ａ）は、井戸膜およびバリア半導体膜を形成するための温度プロファイルを示す図面である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示された温度プロファイルＰを用いて作製される量子井戸構造を示す図面である。図８（Ｂ）を参照すると、バリアＡ膜２６、バリアＢ膜２７、井戸膜２８、バリアＣ膜２９が窒化ガリウム層２３上に形成される。図８（Ａ）に示されるように、時刻ｔ０において、有機金属気相成長装置は、摂氏１０００度といった温度ＴBに設定されている。バリアＡ膜のために原料ガスを用いて温度ＴBでバリアＡ膜２６を形成する。バリアＡ膜２６は、例えば、アンドープＧａＮ膜またはアンドープＩｎＧａＮ膜といったIII−Ｖ窒化物半導体膜であることができる。時刻ｔ１と時刻ｔ２との間で、バリアＡ膜２６が形成された。時刻ｔ２で原料ガスの供給を停止してバリアＡ膜２６の形成が完了する。時刻ｔ３において、温度の変更を開始する。時刻ｔ４では温度ＴWである。温度の変更を開始した後に、バリアＢ膜のために原料ガスを用いてバリアＢ膜２７を形成する。時刻ｔ４と時刻ｔ５との間で、井戸膜２８の形成に先立ってバリアＢ膜２７が形成される。バリアＢ膜２７は、例えば、アンドープＩｎＧａＮ膜といった窒素、インジウムおよびガリウムを少なくとも含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る。バリアＢ膜２７の一部または全部を温度ＴWで形成するようにしてもよい。好適な実施例では、バリアＢ膜２７は温度ＴWで形成される。時刻ｔ５において、有機金属気相成長装置は、井戸膜を形成するために好適な温度ＴW（例えば摂氏８２０度）である。原料ガスを、バリアＢ膜２７のための原料ガスから井戸膜２８のための原料ガスに切り替える。井戸膜２８は温度ＴWで形成される。井戸膜２８は、窒素、インジウムおよびガリウムを少なくとも含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る。好適な実施例では、バリアＢ膜２７上に形成する工程に引き続いて井戸膜２８の形成を行われ、バリアＢ膜２７の形成に実質的に連続して井戸層２８の形成が行われる。
【００７１】
この方法によれば、バリアＡ膜２６を形成する工程を行った後に成膜を行うこと無く温度を変更する期間がある。この後に、井戸膜２８の形成に先立ってバリアＡ膜２６上にバリアＢ膜２７を形成する。これ故に、井戸膜２８とバリアＢ膜２７との間に急峻な界面が形成される。バリアＡ膜２６は、温度ＴＷより大きい温度ＴＢで形成される。バリアＢ膜２７の少なくとも一部は、温度ＴＷで形成される。バリアＢ膜２７のインジウム組成は、井戸膜２８のインジウム組成より小さい。バリアＡ膜２６は、例えばアンドープＧａＮ膜であることができ、バリアＢ膜２７は、例えばアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜であることができ、井戸膜２８は、例えばアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜であることができる。
【００７２】
時刻ｔ６において、有機金属気相成長装置は、井戸膜を形成するために好適な摂氏８２０度といった温度ＴWである。次いで、本実施例では、時刻ｔ６において、バリアＣ膜のための原料ガスを供給して、バリアＣ膜２９を井戸膜２８上に形成する。例えば、井戸膜のための原料ガスを切り替えてバリアＣ膜のための原料ガスにする。バリアＣ膜２９は、窒素、ガリウムおよびインジウムを含むIII−Ｖ窒化物半導体から成る。バリアＣ膜２９の形成は温度ＴＷで開始される。バリアＣ膜２９の形成の開始と同時に、あるいは、バリアＣ膜２９の形成の開始の後に、ある時刻ｔ７（ｔ６≦ｔ７）において、温度の変更を開始する。温度の変更を開始した後に、バリアＣ膜のための原料ガスの供給を停止する。時刻ｔ６と時刻ｔ８との間で、バリアＣ膜２９が形成される。時刻ｔ８と時刻ｔ９との間で、成膜を行うこと無く温度を変更する期間がある。時刻ｔ９で、有機金属気相成長装置の温度はＴBになる。つまり、バリアＣ膜２９は、温度ＴBよりも小さく温度ＴＷ以上である温度で形成されており、バリアＣ膜２９のインジウム組成は、井戸膜２８のインジウム組成より小さい。バリアＣ膜２９は、例えばアンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜であることができる。
【００７３】
この方法によれば、井戸膜２８を形成した後に成膜を行うこと無く温度を変更する工程に先立ってバリアＣ膜２９を形成する工程を有する。これ故に、井戸膜２８とバリアＣ膜との間に急峻な界面が形成される。
【００７４】
図９（Ａ）は、井戸膜およびバリア半導体膜を形成するための温度プロファイルを示す図面である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示された温度プロファイルＰを用いて作製される量子井戸構造を示す図面である。図９（Ｂ）を参照すると、さらに、バリアＡ膜３０、バリアＢ膜３１、井戸膜３２、バリアＣ膜３３がバリアＣ膜２９上に形成される。これらの窒化物半導体膜を形成するために、図９（Ａ）に示されるようなシーケンスＳ１が準備され、このシーケンスが所望の回数だけ繰り返される。本実施の形態では、シーケンスＳ１は、シーケンスＳ０と実質的に同じであり、シーケンスＳ０における時刻ｔ１からｔ９が、シーケンスＳ０における時刻ｔ１０からｔ１８にそれぞれ対応している。
これらの繰り返しの後に、バリアＡ膜３４が時刻ｔ１９と時刻ｔ２０との間でバリアＣ膜３３上に形成される。これによって、活性領域２５が形成された。
【００７５】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、本発明に係る第２の実施の形態の半導体素子を形成する方法を示す図面である。
図１０（Ａ）に示されるように、活性領域２５上に、窒素、アルミニウムおよびガリウムを少なくとも含むIII−Ｖ窒化物膜３５が形成されて、エピタキシャルウエハといった半導体基板生産物E２が提供される。III−Ｖ窒化物膜３５はｐ導電型を有する。一実施例では、III−Ｖ窒化物半導体膜３５はクラッド層として使用され、例えば、ＡｌＧａＮ半導体から成る。次いで、図１０（Ｂ）に示されるように、III−Ｖ窒化物半導体膜３５上に、窒素およびガリウムを少なくとも含むIII−Ｖ窒化物半導体膜３７が形成されて、エピタキシャルウエハといった半導体基板生産物E３が提供される。III−Ｖ窒化物半導体膜３７はｐ導電型を有する。一実施例では、III−Ｖ窒化物半導体膜３７はコンタクト層として使用され、ＧａＮ半導体から成る。
【００７６】
この実施の形態では、バリアＡ膜、バリアＢ膜およびバリアＣ膜を有するバリア領域を形成しているけれども、この実施の形態の説明に基づいて、バリアＡ膜およびバリアＢ膜を有するバリア領域を形成することができ、また、バリアＡ膜およびバリアＣ膜を有するバリア領域を形成することができる。
【００７７】
バリアＢ膜およびバリアＣ膜は、アルミニウムを含まないIII−Ｖ窒化物から成るので、バリアＢ膜およびバリアＣ膜のバンドギャップは、バリアＡ膜のバンドギャップより大きくない。よって、バリアＢ膜およびバリアＣ膜の結晶性は、摂氏８００度程度で成長されるＡｌＧａＮ膜の結晶性より良好であり、また井戸膜に加わる歪みも小さい。井戸膜の下にバリアＢ膜を形成しているので、バリアＡ膜の成膜温度から井戸膜の成長温度に温度を変更している途中にバリアＡ膜の表面に生じるコンタミネーションが井戸膜に接することがない。井戸膜の上側にバリアＣ膜を形成するので、井戸膜の成膜温度からバリアＡ膜の成長温度に温度を変更している途中に、井戸膜からインジウムが分解することを防ぐことができる。バリアＢ膜およびバリアＣ膜が、井戸膜のインジウム組成より小さいインジウム組成を有するので、成膜装置の温度を変更している中では、バリアＣ膜で覆われている井戸膜からインジウムが分解することがない。これ故に、良質な井戸層が得られる。バリアＡ膜の厚さより薄いバリアＢ膜およびバリアＣ膜を井戸膜とバリアＡ膜との間に設けたので、高温で良好な結晶性を示すバリアＡ膜を得ることができる。
【００７８】
窒化ガリウム層といったバリアＡ膜は、キャリアガスＨ２を用いてステップフロー成長できる。好適な実施例では、バリアＡ膜の成長温度は摂氏９００度以上である。また、バリアＡ膜の成長温度は摂氏１２００度以下であることが好ましい。バリア半導体膜の結晶性および平坦性が向上する。
好適な実施例では、井戸膜の成長温度は、所望のインジウム組成に応じて、摂氏６００度以上であることが好ましく、また摂氏９００度以下であることが好ましい。
バリアＢ膜およびバリアＣ膜の一部または全部は、温度変更中に行うことができる。これによって、活性領域を形成するために必要な時間を短縮できる。この結果、井戸領域がその成膜温度より高い温度の下に置かれる時間が短縮される。
【００７９】
ＩｎＧａＮから成る井戸層とＧａＮ（またはＩｎＧａＮ）から成るバリア層を含む量子井戸構造では、井戸層およびバリア層を同じ温度および同じ雰囲気で形成している。以上説明したように、バリア層の最適な堆積温度は、井戸層の最適な堆積温度より高い。バリア層は井戸層の堆積温度より高温で成長すると、バリア層の結晶性が向上する。一方、井戸層をその堆積温度より高い温度にさらすと、井戸層から構成元素が分解してその表面から構成元素、例えばインジウムが脱離する。この脱離のため、界面急峻さに優れた量子井戸構造を得ることが難しく、低温度でバリア層を形成すると、結晶欠陥が発生しやすい。
【００８０】
本実施の形態に係る方法では、井戸膜の成長に先立って追加のバリア半導体膜を形成しているので、井戸膜の結晶性が向上する。また、井戸膜の成長の後に追加のバリア半導体膜を形成しているので、井戸膜の結晶性および井戸膜とバリア膜との間の界面急峻性を損なうこと無く、バリア半導体膜の結晶性が向上する。これは、ＸＲＤ評価のプロファイルにより高次のサテライトピークが現れることによって実証される。この方法により形成された発光ダイオードといった半導体発光素子は、良好な発光特性を示す。
【００８１】
いくつかの実施の形態を説明してきたが、図１１（Ａ）は、本実施の形態に係る発光ダイオードを示す図面である。発光ダイオード５１の作製を説明する。アンモニア（ＮＨ３）および水素（Ｈ２）を含む雰囲気中で、摂氏１０５０度程度、１０分程度、ＧａＮ基板５３の前処理（サーマルクリーニング）を行う。この前処理の後に、ＧａＮ基板５３上に、シリコンを添加しながらＧａＮ半導体を摂氏１１５０度で成長して、例えば２マイクロメートルのｎ型ＧａＮ膜５５を形成する。次いで、摂氏９００度の温度でＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば１５ナノメートルのアンドープ（以下、“ｕｄ”と記す）Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜５７を得る。この後に温度を変更する。摂氏８２０度でＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば３ナノメートルのｕｄ−Ｉｎ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ膜５９を得る。ｕｄ−Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜５７およびｕｄ−Ｉｎ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ膜５９は、下部クラッド層６１として働く。
【００８２】
続いて、摂氏８２０度の温度でＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば２．５ナノメートルのｕｄ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜６５を得る。ｕｄ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜６５は井戸領域として働く。
ｕｄ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜６５を形成した後に、摂氏８２０度から摂氏９００度に温度を変更する。この温度変更中にＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば３ナノメートルのｕｄ−ＩｎＵＧａ１−ＵＮ膜６７を形成する。この半導体膜６７のインジウム組成は、井戸膜から離れるにつれて減少している。ｕｄ−ＩｎＵＧａ１−ＵＮ膜６７は、バリア領域７３の一部を構成する。一実施例では、摂氏８２０度においてＩｎ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ膜が形成されるガス流量比が用いられる。
【００８３】
温度が安定して摂氏９００度になった後に、該温度でＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば１２ナノメートルのｕｄ−Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜６９を得る。ｕｄ−Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜６９はバリア領域７３の一部を構成する。
ｕｄ−Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜６９を形成した後に、摂氏９００度から摂氏８２０度に温度を変更する。温度が安定して摂氏８２０度になった後に、該温度でＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば３ナノメートルのｕｄ−Ｉｎ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ膜７１を得る。ｕｄ−Ｉｎ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ膜７１はバリア領域７３の一部を構成する。
【００８４】
これらの工程を繰り返して、最終的に、５つの井戸領域６５および４つのバリア領域７３が形成される。これらの井戸領域６５およびバリア領域７３が形成された後に、上部クラッド層６３を形成する。摂氏８２０度から摂氏９００度に温度を変更する。この温度変更中にＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば３ナノメートルのｕｄ−ＩｎＶＧａ１−ＶＮ膜７２を形成する。この半導体膜７２のインジウム組成は、井戸膜から離れるにつれて減少している。ｕｄ−ＩｎＶＧａ１−ＶＮ膜７２は、上部クラッド層６３の一部を構成する。一実施例では、摂氏８２０度においてＩｎ０．０１５Ｇａ０．９８５Ｎ膜が形成されるガス流量比が用いられる。温度が安定して摂氏９００度になった後に、該温度でＩｎＧａＮ半導体を成長して、例えば１５ナノメートルのｕｄ−Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜７５を得る。ｕｄ−Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ膜７５は上部クラッド層６３の一部を構成する。
【００８５】
続けて、摂氏１１００度の温度でマグネシウムドープのＡｌＧａＮ半導体を成長して、例えば２０ナノメートルのｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜７７を形成する。ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ膜７７は、第２クラッド層として機能する。次いで、マグネシウムドープのＧａＮ半導体を成長して、例えば５０ナノメートルのｐ型ＧａＮ膜７９を形成する。ｐ型ＧａＮ膜７９はコンタクト層として機能する。
次いで、基板５３の裏面上にＴｉ／Ａｌから成るカソード電極８１を形成し、Ｎｉ／Ａｕから成る半透明電極８３をコンタクト層上に形成する。Ｔｉ／Ａｕから成るパッド電極８５を半透明電極８３上に形成する。
【００８６】
図１１（Ｂ）は、別の構造を有する発光ダイオードを示す図面である。発光ダイオード９１の作製を説明する。発光ダイオード９１では、特に、下部クラッド層９３、井戸領域９５、バリア領域９７および上部クラッド層９９は、同じ温度、例えば、摂氏８２０度で形成される。
【００８７】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、それぞれ、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）の構造における原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図面である。これらの原子間力顕微鏡写真は、ｐ−ＡｌＧａＮ層およびｐ−ＧａＮ層を成長すること無く、量子井戸構造の表面を撮影した像（１０マイクロメートル×１０マイクロメートルのエリア）を示す。図１２（Ｂ）に示された原子間力顕微鏡像は、井戸層とバリア層は同じ温度で形成された発光ダイオードに対応しており、インジウム偏析に起因する４個の欠陥を示している。一方、図１２（Ａ）に示された原子間力顕微鏡像は、バリア層は井戸層の成膜温度より高い温度で形成された発光ダイオードに対応しており、インジウム偏析に起因する欠陥は無い。良好なＭＱＷ表面では１０マイクロメートル×１０マイクロメートルのディメンジョンで１個以下の欠陥密度であるとすると、欠陥密度は平方センチメートル当たり１×１０６個（1x106cm-2）以下であることが望ましい。図１２（Ｂ）に現れる欠陥はＩｎ偏析に起因しており、ＩｎＧａＮの成長温度が比較的低い場合、ＩｎＧａＮのＩｎ組成が比較的高い場合、ＩｎＧａＮ成長時において［Ｖ族ガスのモル濃度］／[III族ガスのモル濃度]が比較的低い場合などに発生しやすい。バリア層を井戸層よりも高温で成長することにより活性層の結晶性が向上し、この欠陥の発生を抑制できる。
【００８８】
図１３（Ａ）は、図１１（Ａ）に示された発光ダイオードのためのエピタキシャル層の表面の蛍光顕微鏡像を示す図面であり、図１３（Ｂ）は、図１１（Ｂ）に示された発光ダイオードのためのエピタキシャル層の表面の蛍光顕微鏡像を示す図面である。これらの観察に際して、励起波長３６５ナノメートルが用いられている。
図１３（Ａ）を参照すると、バリア領域が井戸領域と異なる温度で形成されているので、バリア膜の結晶性が良好である。発光ダイオード５１はほぼ均一に発光している。一方、図１３（Ｂ）を参照すると、バリア領域が井戸領域と同じ温度で形成されているので、バリア膜の結晶性があまり良好でない。井戸領域の膜質が不均一であり、発光ダイオード９１には非発光領域が現れている。
発光波長４５０ナノメートルにおいて、発光ダイオード５１の光パワーは、発光ダイオード９１の光パワーの２．５倍である。
【００８９】
（第３の実施の形態）
次いで、量子井戸構造を有する半導体素子を形成する方法を説明する。図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、本発明に係る第３の実施の形態の半導体素子を形成する方法を示す図面である。この方法は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示された実施の形態と次の点で異なる。つまり、時刻ｔ７と時刻ｔ９との間において温度が上昇され、時刻ｔ９と時刻ｔ２１（時刻ｔ１０の代わりに）との間の期間Ｍ１で温度ＴＢが保持されており、時刻ｔ２１と時刻ｔ１１との間でバリアＡ膜３０ａが形成される。時刻ｔ１６と時刻ｔ１８との間において温度が上昇され、時刻ｔ１８と時刻ｔ２２（時刻ｔ１９の代わりに）との間の期間Ｍ１で温度ＴＢが保持されており、時刻ｔ２２と時刻ｔ２０との間でバリアＡ膜３４ａが形成される。
この実施例では、先のバリア形成後に、成膜を行うことなく期間Ｍ１で温度ＴＢを保持する工程を設けている。この期間Ｍ１に、井戸膜の成膜温度および昇温期間中の温度より高い温度ＴＢにおいて、成膜されたバリア膜表面の原子がマイグレーションすることができる。これ故に、バリア膜表面の平坦性、既に成膜された活性領域の結晶性が向上し、また後のバリア成膜に好適な下地を提供することができる。
【００９０】
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）は、本発明に係る第３の実施の形態の半導体素子を形成する方法の一変形例を示す図面である。この方法は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示された実施の形態と次の点で異なる。つまり、時刻ｔ７と時刻ｔ２４との間において温度が上昇され、時刻ｔ６と時刻ｔ２３（時刻ｔ８の代わりに）との間でバリアＣ膜２９ｂが形成される。時刻ｔ２３と時刻ｔ２４との間の期間Ｍ２において成膜すること無く温度が上昇され、温度が安定した後に時刻ｔ２５（時刻ｔ１０の代わりに）と時刻ｔ１１との間でバリアＡ膜３０ｂが形成される。また、時刻ｔ１６と時刻ｔ２７との間において温度が上昇され、時刻ｔ１５と時刻ｔ２６（時刻ｔ１７の代わりに）との間でバリアＣ膜３３ｂが形成される。時刻ｔ２６と時刻ｔ２７との間の期間Ｍ２において成膜すること無く温度が上昇され、温度が安定になった後に時刻ｔ２８（時刻ｔ１９の代わりに）と時刻ｔ２０との間でバリアＡ膜３４ｂが形成される。
この変形例では、先のバリア形成後に、成膜を行うことなく温度を変更する工程を設けている。この工程により、成膜されたバリア膜表面の原子がマイグレーションすることができる。これによって、バリア膜表面の平坦性、既に成膜された活性領域の結晶性が向上し、後のバリア成膜に好適な下地を提供することができる。
【００９１】
図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）は、本発明に係る第３の実施の形態の半導体素子を形成する方法の一変形例を示す図面である。この方法は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示された実施の形態と次の点で異なる。つまり、時刻ｔ６と時刻ｔ２９（時刻ｔ８の代わりに）との間でバリアＣ膜２９ｃが形成され、時刻ｔ２９と時刻ｔ３０との間において、成膜すること無く温度が上昇される共に、時刻ｔ３０と時刻ｔ３１との間において温度ＴＢが保持される。温度が安定になった後に、時刻ｔ３１（時刻ｔ１０の代わりに）と時刻ｔ１１との間でバリアＡ膜３０ｃが形成される。また、時刻ｔ１５と時刻ｔ３２（時刻ｔ１７の代わりに）との間でバリアＣ膜３３ｃが形成され、時刻ｔ３２と時刻ｔ３３との間において、成膜すること無く温度が上昇される共に、時刻ｔ３３と時刻ｔ３４との間において温度ＴＢが保持される。温度が安定になった後に、時刻ｔ３４（時刻ｔ１９の代わりに）と時刻ｔ２０との間でバリアＡ膜３４ｃが形成される。
この変形例では、先のバリア形成後に、成膜を行うことなく温度を変更すると共に、この後に温度を保持する工程を設けている。この工程により、成膜されたバリア膜表面の原子がマイグレーションすることができる。これによって、バリア膜表面の平坦性、既に成膜された活性領域の結晶性が向上し、後のバリア成膜に好適な下地を提供することができる。
【００９２】
また、以上説明したように、これらの実施例および変形例では、期間Ｍ１（例えば時刻ｔ９と時刻ｔ２１との間の期間）、Ｍ２、Ｍ３において成膜が行われることなく成長済み半導体膜に熱処理が施される。この期間に、第３のバリア膜上を原子がマイグレーションする。十分な量の原子のマイグレーションを生じさせるためには、例えば、熱処理が摂氏８６０度を超える温度ＴＭで行われることが好ましい。
【００９３】
期間Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は１分以上５分以下であることが好ましい。この方法によれば、成膜することなく温度を上昇する期間または成膜することなく温度を保持する期間が短い場合、マイグレーションが十分に起こらない。この期間が長い場合、成長表面に付着する不純物および／または活性層の結晶品質の劣化のため、発光素子の発光特性が向上しない。
【００９４】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）は、発光ダイオードの発光像を示す図面である。これらの発光ダイオードの構造は、図１１（Ａ）に示された構造と実質的に同じである。図１７（Ａ）に示された発光ダイオードの作製では、温度を変更しながら成長するＩｎＧａＮ層６７と７２を３０秒で形成した後に、摂氏９００度までの昇温時間と温度安定化のためにの保持時間とを合わせて２分を設ける。図１７（Ｂ）に示された発光ダイオードの作製では、井戸膜６５、７１を形成した後に、直ちに第１のバリア層を摂氏９００度まで２分３０秒で昇温しながら成長しており、図１７（Ａ）に示された発光ダイオードの作製と異なり「成膜することなく温度を変更する期間」がない。これらの発光ダイオードでは、成長速度を制御することにより、第１バリア層の膜厚は同じになっている。
【００９５】
これらの発光素子の発光強度は同等である。図１７（Ａ）を参照すると、発光素子は均一に発光しているのに対し、図１７（Ｂ）を参照すると、発光面に輝点が見られる。輝点の発生は、昇温しながら成膜したバリア層の結晶性に起因している。バリア層の結晶性は、井戸層に近い領域で悪く、それが回復することなく次の井戸層成長に悪影響を与えているものと考えられる。井戸層は、Ｉｎ組成が高いＩｎＧａＮからなるので、下地の結晶性が悪いと品質が劣化しやすい。
図１７（Ａ）に示された発光ダイオードの作製では、成膜を行うことなく温度を変更する期間で、第１のバリア膜の表面付近で原子のマイグレーションがおこり、第１のバリア膜の結晶性および平坦性が良好になる。つまり、井戸層よりも高温でバリアを成長することに加えて、上記の成長中断を設けることにより、活性層の結晶性を回復することができ、活性層品質をさらに高めることができる。
【００９６】
文献４では、井戸膜上にバリア層が２つあり、第1のバリア層を昇温しながら成長し、温度が高温で一定になってから第２のバリア層を成長している。第２のバリア層を形成するときには、成長速度を大きくし、水素（Ｈ２）分圧を増やし、Ｖ／IIIモル比を小さくするといった成長件が変更される。文献４では、第１のバリア層を昇温しながら成長しており、第１バリア層および第２バリア層を連続して成膜している。この方法では第１のバリア層の結晶性は徐々に向上していると考えられ、井戸層に近い領域の結晶性が不十分である。井戸層に近い領域の結晶性が悪い結果、その上に形成される膜の品質も良好になること無く、活性層の全厚みが増えるに従い不十分な結晶性の影響は顕在化する。よって、高輝度化に最も重要なＭＱＷの表面の膜質の向上にも限界がある。
【００９７】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、本発明の実施の形態においては、発光ダイオードといった半導体発光素子を説明したけれども、本発明は発光層のために用いられる量子井戸構造に限定されるものではなく、また、本発明は半導体発光素子だけでなく、量子井戸構造を有する他の半導体デバイスにも用いることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１は、半導体光素子を示す図面である。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、活性領域のいくつかの構成を示す図面である。
【図３】図３（Ａ）は、同じ温度で形成した５周期の井戸層およびバリア層を有する量子井戸構造の（０００２）面の測定結果を示すＸＲＤプロファイルである。図３（Ｂ）は、５周期の井戸層およびバリア層Ａ、Ｂ、Ｃを含む量子井戸構造の（０００２）面の測定結果を示すＸＲＤプロファイルである。
【図４】図４は、第１の実施の形態の変形例の活性領域の電位障壁を示す図面である。
【図５】図５は、第１の実施の形態の活性領域の電位障壁を示す図面である。
【図６】図６は、第１の実施の形態の変形例の活性領域の電位障壁を示す図面である。
【図７】図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、本発明に係る第２の実施の形態の半導体素子を形成する方法を示す図面である。
【図８】図８（Ａ）は、井戸層およびバリア層を形成するための温度プロファイルを示す図面である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示された温度プロファイルＰを用いて作製される量子井戸構造を示す図面である。
【図９】図９（Ａ）は、井戸層およびバリア層を形成するための温度プロファイルを示す図面である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示された温度プロファイルＰを用いて作製される量子井戸構造を示す図面である。
【図１０】図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、本発明に係る第２の実施の形態の半導体素子を形成する方法を示す図面である。
【図１１】図１１（Ａ）は、本実施の形態に係る発光ダイオードを示す図面である。図１１（Ｂ）は、別の構造を有する発光ダイオードを示す図面である。
【図１２】図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、それぞれ、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）の構造における原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図面である。
【図１３】図１３（Ａ）は、図１１（Ａ）に示された発光ダイオードのためのエピタキシャル層の表面の蛍光顕微鏡像を示す図面であり、図１３（Ｂ）は、図１１（Ｂ）に示された発光ダイオードのためのエピタキシャル層の表面の蛍光顕微鏡像を示す図面である。
【図１４】図１４（Ａ）は、本発明に係る第３の実施の形態の半導体素子を形成する方法における成膜温度のプロファイルを示す図面である。図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示された作製方法による半導体素子の構造を示す図面である。
【図１５】図１５（Ａ）は、第３の実施の形態の半導体素子を形成する方法の一変形例における成膜温度のプロファイルを示す図面である。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示された作製方法による半導体素子の構造を示す図面である。
【図１６】図１６（Ａ）は、第３の実施の形態の半導体素子を形成する方法の別の変形例における成膜温度のプロファイルを示す図面である。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）に示された作製方法による半導体素子の構造を示す図面である。
【図１７】図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）は、発光ダイオードの発光像を示す図面である。
【符号の説明】
【００９９】
１…半導体素子、３…活性領域、５…井戸領域、７…バリア領域、７ａ…バリア領域、７ｂ…バリア領域、７ｃ…バリア領域、９…第１の半導体層、９ａ…第１の半導体層、９ｃ…第１の半導体層、１１…第２の半導体層、１１ａ…第２の半導体層、１１ｂ…第２の半導体層、１１ｃ…第２の半導体層、１３…第３の半導体層、１３ｂ…第１の半導体層、１３ｃ…第３の半導体層、１５…支持基体、１７…第１導電型半導体層、１９…第２導電型半導体層、２１…コンタクト層、２０ａ…電極、２０ｂ…電極、２１…窒化ガリウム基板、２３…窒化ガリウム層、２５…活性領域、２６…バリアＡ膜、２７…バリアＢ膜、２８…井戸膜、２９…バリアＣ膜、３０…バリアＡ膜、３１…バリアＢ膜、３２…井戸膜、３３…バリアＣ膜、Ｓ１…シーケンス、Ｓ０…シーケンス、３５…III−Ｖ窒化物半導体膜、３７…III−Ｖ窒化物半導体膜、E１、E２、E３…半導体基板生産物  
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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