(57)【要約】【課題】  III族窒化物半導体のバンドギャップに揺らぎを形成することにより、III族窒化物半導体系半導体素子の発光効率を増加させる。【解決手段】  半導体装置は、少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる３種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えている。活性層は、層内においてアルミニウムの組成の分布がばらついていることに基づくバンドギャップの空間的揺らぎを有している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる３種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えた半導体装置であって、
前記活性層は、
前記活性層内において前記アルミニウムの組成の分布がばらついていることに基づくバンドギャップの揺らぎを有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる３種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記活性層を形成する工程は、
前記活性層内において前記アルミニウムの組成の分布をばらつかせることにより、前記活性層のバンドギャップに揺らぎを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記活性層を形成する工程は、
前記活性層の構成元素を含むターゲットに対してレーザを照射して蒸発させることにより、前記活性層内において前記アルミニウムの組成の分布をばらつかせる工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ターゲットは、III族窒化物半導体、III族金属、又は、Ｖ族元素に対するIII属元素の組成比が１よりも大きい組成物よりなることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記活性層を形成する工程は、窒素雰囲気下にて行なわれることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
III族窒化物半導体層よりなる活性層を形成する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記活性層を形成する工程は、
下地層に対する被覆率が１未満となるように、前記活性層の構成元素を含む第１の原料を供給する工程と、
前記第１の原料を供給する工程の後に、前記第１の原料とは異なる原料であって且つ前記活性層の構成元素を含む第２の原料を供給する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第１の原料を供給する工程は、前記第１の原料を加熱分解して生じた粒子群を供給する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第２の原料を供給する工程は、前記第２の原料が加熱分解して生じた粒子群を供給する工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記粒子群は、構成元素としてアルミニウムを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記粒子群は、III族窒化物半導体よりなるターゲットに対してレーザ光を照射して蒸発させることにより形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記粒子群は、III族金属よりなるターゲットに対してレーザ光を照射して蒸発させることにより形成されることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記粒子群は、Ｖ族元素に対するIII属元素の組成比が１よりも大きい組成比を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記活性層を形成する工程は、窒素雰囲気中にて行なわれることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短波長半導体レーザ又は発光ダイオード等に用いられる窒化物系化合物半導体よりなる半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）で表されるIII族窒化物系化合物半導体（以下、単に窒化物系半導体という）は、赤色から紫外までの波長をカバーできる材料である。現在までに、青色発光ダイオード及び緑色発光ダイオードが実現されており、窒化物系半導体は、今後も更に広い波長範囲を実現し得る光デバイス材料として期待されている。
【０００３】
一般に、窒化物系半導体素子はサファイア基板上に作製されることが多い。この場合、窒化物系半導体とサファイアとの格子定数が大きく異なるので、窒化物系半導体の膜中には多くの転位が存在する。にもかかわらず、高効率発光を実現できるのは、窒化物系半導体が特有の性質を有するからである。すなわち、活性層として使用されているＩｎＧａＮを構成するＧａＮとＩｎＮとの間で大きな格子不整合が存在するので、ＧａＮとＩｎＮとが均一に混ざり合わず、局所的にＩｎの組成が大きな領域が形成されることにより、バンドギャップに空間的揺らぎ（以下、単に揺らぎという）が生じる（例えば、特許文献１参照）。このように、Ｉｎの組成が大きな領域では、その周辺の領域よりもポテンシャルが小さくなるので、電子又は正孔は、Ｉｎの組成が大きな領域に容易に閉じ込められる。電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光が可能になる。
【０００４】
また、このような窒化物系半導体素子は、通常、有機金属気相成長法又は分子線エピタキシャル成長法によって作製されている。
【０００５】
一方、基板上に膜を形成する方法としては、レーザアブレーション法が知られている（例えば、特許文献２参照）。レーザアブレーション法とは、レーザ光を材料に照射し、材料を蒸発させることにより、基板上に膜を形成する方法である。
【特許文献１】特開２００１−３４５４７８号公報
【特許文献２】特開平６−２９３９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、紫外光源として有望なＡｌＧａＮを活性層として用いた場合には、前述したＩｎＧａＮよりなる活性層の場合と異なり、バンドギャップに揺らぎが生じにくい。これは、ＡｌＧａＮ層において組成のばらつきが起こりにくいため、電子又は正孔は非発光センターにおいて発光に寄与することなく再結合するからである。したがって、活性層としてＡｌＧａＮを用いた場合には、バンドギャップに揺らぎが生じにくく、発光効率が低下する。
【０００７】
また、窒化物系半導体における組成のばらつきを容易に制御して、電子又は正孔が局在しやすいポテンシャル領域を形成すること（すなわち、バンドギャップの揺らぎを形成すること）はまだまだ困難である。
【０００８】
前記に鑑み、本発明の目的は、窒化物系半導体における組成のばらつきを容易に制御し、窒化物系半導体のバンドギャップに揺らぎを形成することを目的とする。これにより、窒化物系半導体素子の発光効率を増加させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本件本発明者は、種々の検討を加えた結果、レーザアブレーションによってＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮ等よりなる窒化物系半導体の混晶を作製すると、これらの混晶の組成にばらつきが生じて、バンドギャップに揺らぎを形成できることを見出した。
【００１０】
本発明は、前記の知見に鑑みてなされたものであり、具体的には、本発明に係る半導体装置は、少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる３種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えた半導体装置であって、活性層内においてアルミニウムの組成の分布がばらついていることに基づくバンドギャップの揺らぎを有していることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る半導体装置によると、III族窒化物半導体層においてアルミニウム組成の分布がばらついていることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎが形成されているので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。このため、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を得ることができる。
【００１２】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、少なくともアルミニウムを含み、互いに異なる３種以上の構成元素を有するIII族窒化物半導体層よりなる活性層を備えた半導体装置の製造方法であって、活性層を形成する工程は、活性層内においてアルミニウムの組成の分布をばらつかせることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎを形成する工程を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によると、III族窒化物半導体層においてアルミニウム組成の分布をばらつかせることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎを形成するので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。このため、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を製造することができる。
【００１４】
第１の半導体装置の製造方法において、活性層を形成する工程は、活性層の構成元素を含むターゲットに対してレーザを照射して蒸発させることにより、活性層内においてアルミニウムの組成の分布をばらつかせる工程を含むことが好ましい。
【００１５】
このように、レーザ照射によると、活性層内においてアルミニウムの組成の分布を数ナノメートルオーダーで容易にばらつかせることができる。
【００１６】
第１の半導体装置の製造方法において、ターゲットは、III族窒化物半導体、III族金属、又は、Ｖ族元素に対するIII属元素の組成比が１よりも大きい組成物よりなることが好ましい。
【００１７】
このようにすると、活性層内におけるアルミニウムの組成の分布を容易にばらつかせることができる。
【００１８】
第１の半導体装置の製造方法において、活性層を形成する工程は、窒素雰囲気下にて行なわれることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によると、III族窒化物半導体層よりなる活性層を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、活性層を形成する工程は、下地層に対する被覆率が１未満となるように、活性層の構成元素を含む第１の原料を供給する工程と、第１の原料を供給する工程の後に、第１の原料とは異なる原料であって且つ活性層の構成元素を含む第２の原料を供給する工程とを備えることを特徴とする。
【００２０】
第２の半導体装置の製造方法によると、第１の原料の供給によって下地層に対する被覆率が１未満である主面上に、第２の原料の供給を行なうので、活性層内において組成の分布を容易にばらつかせることができる。このため、活性層のバンドギャップに揺らぎを形成できるので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。したがって、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を製造することができる。なお、ここで、被覆率とは、下地層の面積に対する該下地層上に堆積された堆積物の面積の比をいう。
【００２１】
第２の半導体装置の製造方法において、第１の原料を供給する工程は、第１の原料を加熱分解して生じた粒子群を供給する工程を含むことが好ましい。
【００２２】
このようにすると、原料の供給が容易であり、結晶性に優れた膜を形成できる。
【００２３】
第２の半導体装置の製造方法において、第２の原料を供給する工程は、第２の原料を加熱分解して生じた粒子群を供給する工程を含むことが好ましい。
【００２４】
このようにすると、原料の供給が容易であり、結晶性に優れた膜を形成できる。
【００２５】
第２の半導体装置の製造方法において、粒子群は、構成元素としてアルミニウムを含むことが好ましい。
【００２６】
第２の半導体装置の製造方法において、粒子群は、III族窒化物半導体よりなるターゲットに対してレーザ光を照射して蒸発させることにより形成されることが好ましい。
【００２７】
第２の半導体装置の製造方法において、粒子群は、III族金属よりなるターゲットに対してレーザ光を照射して蒸発させることにより形成されることが好ましい。
【００２８】
第２の半導体装置の製造方法において、粒子群は、Ｖ族元素に対するIII属元素の組成比が１よりも大きい組成比を有することが好ましい。
【００２９】
第２の半導体装置の製造方法において、活性層を形成する工程は、窒素雰囲気中にて行なわれることが好ましい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、III族窒化物半導体層においてアルミニウム組成の分布がばらついていることにより、活性層のバンドギャップに揺らぎが形成されているので、バンドギャップの小さい領域に電子又は正孔を閉じ込めることができる。このため、電子又は正孔が局所的に一旦閉じ込められると、転位等に起因する非発光センターに捕獲されにくくなるので、高効率の発光を実現できる半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
まず、ここで、以下で説明する各実施形態に係る半導体装置の製造方法を適用できる具体的な装置について、一例として図１を参照しながら説明する。
【００３３】
図１は、紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）についての一般的な構造断面図を示している。
【００３４】
図１に示すように、サファイア基板１上には、ＧａＮ層２が形成されている。ＧａＮ層２の上には、ｎ−ＡｌＧａＮ層よりなるクラッド層３、ＡｌＧａＮよりなる活性層４、ｐ−ＡｌＧａＮよりなるクラッド層５が順に形成されている。クラッド層５の上には、ｐ型電極６が形成されている。また、ＧａＮ層２の上に形成されたクラッド層３の上には、ｎ型電極７が形成されている。
【００３５】
このように、図１に示した発光ダイオードは、ＡｌＧａＮの多層構造を有している。同様の構造を有する素子としては、ＬＥＤの他に、半導体レーザ素子（ＬＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、又はバイポーラトランジスタ等がある。以下で説明する半導体装置の製造方法は、これらの素子の製造方法に適用できるものであって、前述したＡｌＧａＮよりなる活性層４の製造方法に関わるものである。
【００３６】
以下に、具体的に各実施形態について説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
以下に、本発明に係る半導体装置の製造方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、レーザアブレーション装置の構造を示す概略図である。また、図３は、本発明に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【００３８】
まず、レーザアブレーション装置について説明する。
【００３９】
図２に示すように、チャンバー１１内には、基板設置用のサセプタ１２が設置されていると共に、基板加熱用のヒーター１３が設置されている。また、サセプタ１２と対向する位置には、ステンレス製のターゲット保持用円盤１４が複数設置されている。外部から石英製光学窓１５を介してレーザ光１６を収束してターゲット１７に照射することにより、ターゲット１７から原料を放出される。なお、ターゲット１７を載せるターゲット保持用円盤１４はその中心を軸に回転する機構を有している。
【００４０】
次に、レーザアブレーション装置を用いた本発明に係る半導体装置の製造方法について、前記図２及び図３を参照しながら具体的に説明する。
【００４１】
まず、レーザアブレーション装置のチャンバー１１内のサセプタ１２の上に、直径２インチのＣ面を主面とするサファイア基板２０を設置する（図２参照）。次に、真空ポンプでチャンバー１１内を十分に排気した後、サファイア基板２０を１０５０℃まで加熱する。次に、チャンバー１１内に窒素を導入して、チャンバー１１内の真空度を６．６５×１０-4Ｐａに保つ。レーザアブレーション用のレーザには、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ、エネルギー密度１Ｊ／ｃｍ2 、周波数１００Ｈｚ）を使用する。
【００４２】
次に、ＧａＮよりなるターゲット１７にレーザ光１６を照射する（図２参照）。この場合、ＧａＮよりなるターゲット１７の表面がレーザ光１６によって局所的に急激に加熱されるので、電子、原子、分子、又はイオン等よりなるプルーム１８と呼ばれる粒子群が生成される。生成されたプルーム１８は、雰囲気中の窒素と衝突及び反応しながらターゲット１７と対向している位置に設置されたサファイア基板２０に到達し、再凝縮することによってＧａＮ層２１が成膜される。すなわち、サファイア基板２０の上に、膜厚が１μｍであるＧａＮ層２１を形成する（図３(a) 参照）。なお、サファイア基板２０の上にＧａＮ層２１を形成する前に、サファイア基板２０の上に、ＡｌＮ又はＧａＮよりなるバッファ層を形成した後に、該バッファ層の上にＧａＮ層２１を形成してもよい。
【００４３】
次に、ヒーター１３を加熱して、サファイア基板２０の温度を１２００℃まで上昇させた後に、ターゲット１７として、ＧａＮターゲットから、Ａｌ組成が２０％であるＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮターゲットに交換する。その後、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるターゲット１７にレーザ光１６を照射し、ｎ型ＡｌＧａＮを蒸発させることにより、ＧａＮ層２１の上に、膜厚が５００ｎｍであるｎ型ＡｌＧａＮ層２２を形成する（図３(b) 参照）。
【００４４】
次に、ターゲット１７として、Ａｌ組成が２０％であるＳｉドープのｎ型ＡｌＧａＮターゲットから、ＡｌターゲットとＡｌ組成が１０％であるＡｌＧａＮターゲットとが各々半分に分割して配置されたターゲットに交換する。その後、１分間に１２０回転の速度でターゲット１７を回転させながら、レーザ光１６をターゲット１７に照射することにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層２２の上に、活性層となる膜厚が３０ｎｍであるアンドープのＡｌＧａＮ層２３ａを形成する（図３(c) 参照）。
【００４５】
ここで、ＡｌＧａＮ層２３ａについて、詳細に説明する。
【００４６】
ターゲット１７の半分を構成しているＡｌターゲットにレーザ光１６が照射されると、Ａｌターゲットから飛散したプルーム１８は、その周囲から雰囲気中の窒素と反応して、Ａｌ過剰のＡｌＮx （０＜ｘ＜１）を形成する。一方、ターゲット１７の残りの半分を構成しているＡｌＧａＮターゲットにレーザ光１６が照射されると、ＡｌＧａＮターゲットからはその組成を反映したＡｌＧａＮが形成される。このため、ｎ型ＡｌＧａＮ層２２の上には、Ａｌ過剰の領域がナノオーダーで膜中に存在するアンドープのＡｌＧａＮ層２３ａが成膜される。Ａｌ過剰の領域の近傍においては、局所的にＡｌＧａＮのバンドギャップが大きくなるので、ＡｌＧａＮ層２３ａのバンドギャップに揺らぎが生じることになる。このようにして、ＡｌＧａＮ層２３ａ内にＡｌ組成の分布のばらつきをナノオーダーで形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ａのバンドギャップに揺らぎを生じさせる。
【００４７】
すなわち、レーザアブレーション法によると、石英製光学窓１５を通してチャンバー１１の外部から収束したレーザ光１６を導入し、チャンバー１１内に設置された固体原料表面（ターゲット１７の表面）に照射することによって、原料が気相に放出されて、原料表面がレーザ光１６により局所的に急激に加熱し蒸発する。このため、飛散原子の組成比が、ターゲット１７を構成する各原子の蒸気圧等にほとんど依存することなく、ターゲット１７の組成比を反映したものになる。したがって、活性層（ＡｌＧａＮ層２３ａ）を構成する元素の組成制御が容易となり、組成分布のばらつきを容易に作り出すことができるので、活性層（ＡｌＧａＮ層２３ａ）のバンドギャップに揺らぎを容易に形成することができる。また、レーザアブレーション法に用いる原料は、複数個の装置内に充填できるので、原料の変更が容易であり、相互の汚染の発生を防止することができる。
【００４８】
また、ここで、ＡｌＧａＮ層２３ａ内にＡｌ組成の分布のばらつきを形成する方法として、次のような方法も考えられる。
【００４９】
すなわち、ＡｌＧａＮ層２３ａを構成する元素、例えばＡｌを含む原料を、下地層であるｎ型ＡｌＧａＮ層２２に対する被覆率が１未満となるように、ｎ型ＡｌＧａＮ層２２の上に供給する。次に、ＡｌＧａＮを含む原料を供給して、ＡｌＧａＮ層２３を形成する。このように、ＡｌＧａＮ層２３ａ内にＡｌ組成の分布のばらつきをナノオーダーで形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ａのバンドギャップに揺らぎを生じさせることもできる。
【００５０】
次に、ターゲット１７として、ＡｌターゲットとＡｌ組成が１０％であるＡｌＧａＮターゲットとが各々半分に分割して配置されたターゲットから、Ａｌ組成が２０％であるｐ型ＡｌＧａＮよりなるターゲットに交換する。ｐ型ＡｌＧａＮターゲットにレーザ光１６を照射し、ｐ型ＡｌＧａＮを蒸発させることにより、ＡｌＧａＮ層２３ａの上に、膜厚が５００ｎｍであるｐ型ＡｌＧａＮ層２４を形成する（図３(d) 参照）。以上のようにして、図３(d) に示すようなダブルへテロ構造が作製される。
【００５１】
図３(d) に示したようなダブルへテロ構造を有する素子に、前記図１に示したような電極を形成した後に、電圧を印加したところ、ＡｌＧａＮ層２３ａ内にＡｌ過剰の領域が形成されていない場合と比較して、約１０倍の発光強度を得ることができた。
【００５２】
以上のように、本発明に係る第１の実施形態によると、活性層としてのＡｌＧａＮ層２３ａ内でＡｌ組成の分布をばらつかせることにより、ＡｌＧａＮ層２３ａのバンドギャップに揺らぎが生じる。このため、電子又は正孔は、バンドギャップの揺らぎにおけるポテンシャルの低いところに局在するので、非発光センターに捕獲されにくくなる。したがって、発光効率の改善を実現できる。また、レーザアブレーション法を用いて、ＡｌＧａＮ層２３ａを形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ａ内でＡｌ組成の分布を容易にばらつかせることができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、ＡｌＧａＮ層２３ａを形成する際、ターゲット１７としてＡｌターゲットとＡｌＧａＮターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いたが、ＧａターゲットとＡｌＧａＮターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いてもよい。この場合は、ＡｌＧａＮ層内にナノオーダーでＧａ過剰の領域が形成され、Ｇａ過剰の領域の近傍においては、ＡｌＧａＮ層のバンドギャップが局所的に小さくなる。このように、ＧａターゲットとＡｌＧａＮターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いた場合であっても、ＡｌＧａＮ層のバンドギャップに揺らぎを形成することができる。また、ターゲット１７の半分を構成する金属ターゲットとして、Ａｌターゲット又はＧａターゲットを用いることを示したが、金属ターゲットは１種類に限定されるものではなく、ＡｌとＧａとの両方の金属を用いてもよい。
【００５４】
また、本実施形態では、ＡｌＧａＮ層２３ａを形成する際、２種類のターゲットを半分に分割して配置したターゲットを用いたが、分割する割合は均等でなくてもよく、割合を変えることにより過剰領域の密度を変化させることもできる。
【００５５】
また、ＡｌＧａＮ層２３ａを形成する際、窒素雰囲気ガスの希釈度を調整することにより、Ａｌ過剰の領域の密度を変化させることも可能である。すなわち、Ｈｅ又はＮｅ等の希ガスの割合を増加させることで、金属原子を窒素雰囲気ガスと反応させることなく供給することが可能となる。完全な希ガス雰囲気中においては、金属原子はそのまま供給されるので、膜中に金属ドロップレットが形成される。
【００５６】
（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、前記図２及び図３(a) 〜(d) を参照しながら説明する。
【００５７】
まず、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前述の第１の実施形態と同様に、レーザアブレーション法によって、サファイア基板２０の上に、ＧａＮ層２１、及びｎ型ＡｌＧａＮ層２２を順に形成する（図３(a) 及び(b) 参照）。
【００５８】
次に、ターゲット１７として、ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．００９５）ターゲットとＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０１）ターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットを用いる。そして、１分間に１２０回転の速度でターゲット１７を回転させながら、レーザ光１６を照射することにより、ｎ型ＡｌＧａＮ層２２の上に、膜厚が３０ｎｍであるアンドープのＡｌＧａＮ層２３ｂを形成する（図３(c) 参照）。組成が異なる２種類の窒化物系半導体よりなるターゲット１７を用いることにより、２種類の窒化物系半導体が混合されたアンドープのＡｌＧａＮ層２３ｂを形成することができる。すなわち、ＡｌＧａＮ層２３ｂは、ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．００９５）とＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０１）とが混合された層であり、局所的に組成が異なる領域がナノオーダーで形成されているので、ＡｌＧａＮ層２３ｂは、２種類の窒化物系半導体のバンドギャップを反映したバンドギャップの揺らぎを有している。このようにして、ＡｌＧａＮ層２３ｂ内にＡｌ組成の分布のばらつきを形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ｂのバンドギャップに揺らぎを生じさせる。
【００５９】
次に、ターゲット1７として、ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．００９５）ターゲットとＡｌyＧａ1-yＮ（ｙ＝０．０１）ターゲットとを各々半分に分割して配置したターゲットから、Ａｌ組成が２０％であるｐ型ＡｌＧａＮよりなるターゲットに交換する。ｐ型ＡｌＧａＮターゲットにレーザ光１６を照射し、ｐ型ＡｌＧａＮを蒸発させることにより、ＡｌＧａＮ層２３ｂの上に、膜厚が５００ｎｍであるｐ型ＡｌＧａＮ層２４を形成する（図３(d) 参照）。以上のようにして、図３(d) に示すダブルへテロ構造が作製される。
【００６０】
ここで、以上のようなダブルへテロ構造を有する素子に、前記図１に示したような電極を形成した後に、電圧を印加したところ、ターゲット１７として１種類のＡｌＧａＮターゲットを用いた場合と比較して、約１０倍の発光強度を得ることができた。これは、活性層としてのアンドープのＡｌＧａＮ層２３ｂ中に局所的なバンドギャップの揺らぎが生じるので、電子又は正孔が局在化し、非発光センターに捕獲されにくくなり、発光効率が上がるためである。
【００６１】
以上のように、本発明に係る第２の実施形態によると、活性層としてのＡｌＧａＮ層２３ｂ内でＡｌ組成の分布をばらつかせることにより、ＡｌＧａＮ層２３ｂのバンドギャップに揺らぎが生じる。このため、電子又は正孔は、バンドギャップの揺らぎにおけるポテンシャルの低いところに局在するので、非発光センターに捕獲されにくくなる。したがって、発光効率の改善を実現できる。また、レーザアブレーション法を用いて、ＡｌＧａＮ層２３ｂを形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ｂ内でＡｌ組成の分布を容易にばらつかせることができる。
【００６２】
また、本実施の形態では、ＡｌＧａＮ層２３ｂを形成する際、２種類のターゲットを半分に分割して配置したターゲットを用いたが、分割する割合は均等でなくてもよく、割合を変えることにより過剰領域の密度を変化させることもできる。
【００６３】
また、ＡｌＧａＮ層２３ｂを形成する際、窒素雰囲気ガスの希釈度を調整することにより、Ａｌ過剰の領域の密度を変化させることも可能である。すなわち、Ｈｅ又はＮｅ等の希ガスの割合を増加させることで、金属原子を窒素雰囲気ガスと反応させることなく供給することが可能となる。完全な希ガス雰囲気中においては、金属原子はそのまま供給されるので、膜中に金属ドロップレットが形成される。
【００６４】
（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、前記図２及び図３(a) 〜(d) を参照しながら説明する。
【００６５】
まず、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、前述の第１の実施形態と同様に、レーザアブレーション法によって、サファイア基板２０の上に、ＧａＮ層２１、及びｎ型ＡｌＧａＮ層２２を順に形成する（図３(a) 及び(b) 参照）。
【００６６】
次に、ターゲット１７として、窒素欠乏によりストイキオメトリがずれたＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ0.98ターゲットを用いる。すなわち、通常、Ｖ族原子に対するIII族原子の化学組成比は１であるが、窒素が欠乏しているために、Ｖ族原子に対するIII族原子の化学組成比が１よりも小さくなる。１分間に１２０回転の速度でこのターゲット１７を回転させながら、レーザ光１６を照射することにより、膜厚が３０ｎｍであるアンドープのＡｌＧａＮ層２３ｃを形成する。この場合、ターゲット１７にレーザ光１６が照射されて発生したプルーム１８は、その先端から雰囲気中ガスの窒素と反応し、窒素の欠乏分を補う。一方、プルーム１８の中心部は、雰囲気ガスからシールドされた状態であるので、窒素が欠乏した状態のままである。したがって、ＡｌＧａＮ層２３ｃは、窒素の欠乏分が補われた領域と窒素が欠乏した領域とが混在した膜として形成される。このようにして、ＡｌＧａＮ層２３ｃ内にＡｌ組成の分布のばらつきをナノオーダーで形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ｃのバンドギャップに揺らぎを生じさせる。
【００６７】
次に、窒素欠乏によりストイキオメトリがずれたＡｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ0.98ターゲットから、Ａｌ組成が２０％であるｐ型ＡｌＧａＮよりなるターゲットに交換する。ｐ型ＡｌＧａＮターゲットにレーザ光１６を照射し、ｐ型ＡｌＧａＮを蒸発させることにより、ＡｌＧａＮ層２３ｃの上に、膜厚が５００ｎｍであるｐ型ＡｌＧａＮ層２４を形成する（図３(d) 参照）。以上のようにして、図３(d) に示すダブルへテロ構造が作製される。
【００６８】
ここで、以上のようなダブルへテロ構造を有する素子に、前記図１に示したような電極を形成した後に、電圧を印加したところ、ターゲット１７としてストイキメトリにずれがない通常のＡｌＧａＮターゲットを用いた場合と比較して、約１０倍の発光強度を得ることができた。これは、活性層としてのＡｌＧａＮ層２３ｃ中に局所的なバンドギャップの揺らぎが生じるので、電子又は正孔が局在化し、非発光センターに捕獲されにくくなり、発光効率が上がるためである。
【００６９】
以上のように、本発明に係る第３の実施形態によると、活性層としてのＡｌＧａＮ層２３ｃ内でＡｌ組成の分布をばらつかせることにより、ＡｌＧａＮ層２３ｃのバンドギャップに揺らぎが生じる。このため、電子又は正孔は、バンドギャップの揺らぎにおけるポテンシャルの低いところに局在するので、非発光センターに捕獲されにくくなる。したがって、発光効率の改善を実現できる。また、レーザアブレーション法を用いて、ＡｌＧａＮ層２３ｃを形成することにより、ＡｌＧａＮ層２３ｃ内でＡｌ組成の分布を容易にばらつかせることができる。
【００７０】
なお、以上の各実施形態では、レーザアブレーション法によって一連の成膜を行なう場合について説明したが、他の成膜方法を用いてもよく、例えばＭＯＶＰＥ法又はＭＢＥ法を用いると共に原料を交互に供給するようにしても、本発明は同様に実施可能である。
【００７１】
また、レーザアブレーション用のレーザとして、ＡｒＦエキシマレーザを用いる場合について説明したが、他の紫外光レーザであってもよい。例えば、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）若しくはＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）等のエキシマレーザ、又はＹＡＧレーザの第４高調波（波長２６６ｎｍ）を用いてもよい。
【００７２】
また、活性層としてＡｌＧａＮ層を用いた場合について説明したが、ＢxＡｌyＧａzＩｎ1-x-y-zＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）よりなる活性層であっても、本発明は同様に実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上に説明したように、本発明は、窒化物系半導体の多層構造を有する半導体装置、例えば、ＬＥＤ、半導体レーザ素子（ＬＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、又はバイポーラトランジスタ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の各実施形態に係る半導体装置の製造方法を適用可能な半導体装置の一例としての紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造断面図である。
【図２】本発明の各実施形態に係る半導体装置の製造方法で利用されるレーザアブレーション装置の概略断面図である。
【図３】本発明の各実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す要部工程断面図である。
【符号の説明】
【００７５】
１    サファイア基板
２    ＧａＮ層
３    ｎ−クラッド層
４    活性層
５    クラッド層
６    ｐ型電極
７    ｎ型電極
１１  チャンバー
１２  サセプタ
１３  ヒーター
１４  ターゲット保持用円盤
１５  石英製光学窓
１６  レーザ光
１７  ターゲット
２０  サファイア基板
２１  ＧａＮ層
２２  ｎ型ＡｌＧａＮ層
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ  アンドープのＡｌＧａＮ層
２４  ｐ型ＡｌＧａＮ層
【図１】
2005012193.tif 000003
【図２】
2005012193.tif 000004
【図３】
2005012193.tif 000005