(57)【要約】 【課題】インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を備える窒化物半導体発光素子において、活性層内に組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）及び／又は活性層表面に凹凸形状を設けることで、活性層での電子と正孔の散乱を積極的に行い、活性層の吸収端波長よりも長波長（＝低エネルギー）でＧａｉｎを獲得するにより、短波長化、高発光出力、低駆動電圧（低しきい値）化を実現した発光素子（ＬＥＤやＬＤ）を提供する。【解決手段】  インジウムを含まないＡｌｘＧａ１−ｘＮよりなる活性層を従来の結晶成長温度（１０４０℃から１１００℃）より低温の、９５０℃以下で、且つ３ｎｍ以上５００ｎｍ以下の膜厚で形成することにより、活性層表面に周期が６〜５００ｎｍの凹凸形状を形成する。  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を備える窒化物半導体発光素子であって、該活性層は層内に組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）及び／又は表面に凹凸を有することを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記活性層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層の表面の凹凸は、周期が６ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層の厚さは、３ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を備える窒化物半導体発光素子の製造方法であって、該活性層の結晶成長温度が９５０℃以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記活性層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記活性層の厚さは、３ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５及び請求項６に記載の窒化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、インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を備える窒化物半導体よりなる発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子に係り、特に発光出力、低駆動電圧（低しきい値）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、近紫外〜赤色の領域に発光する発光素子の材料として、インジウムを含む窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）よりなる材料が用いられ、紫色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、青緑色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ及び青紫ＬＤが実用化されている。そして、更なる高出力化、短波長化の研究開発が精力的に進められている。
【０００３】
本出願人は、結晶成長温度１０４０℃で、ＳｉドープしたＧａＡｌＮ層、ＧａＮ層、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ層を順じ形成、積層した構造からなるレーザダイオードを作製した（例えば、特許文献１を参照）。また、他の文献において、インジウムを含む活性層を有するレーザ素子ではあるが、活性層とクラッド層との界面に凹凸を有することで、量子箱、量子ディスクに基くエキシトン効果による高出力を実現している（例えば、特許文献２を参照）
【特許文献１】特開平４−２４２９８５号公報
【特許文献２】特開平９−３３１１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特に高出力を必要とするＬＤに関しては、Ｇａｉｎ獲得について、ＬＤを構成する層での吸収による効率の低下とのバランスを考慮する必要がある。インジウムを含む素子においては、インジウム組成に基く発振波長の揺らぎの問題があり、また、短波長化に問題があった。更には面発光レーザとしてのＧａｉｎ獲得が、従来の５ペア程度の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造では達成が難しく、活性層厚を大きくする場合、インジウムを多量に用いたＭＱＷ構造では、特に井戸ごとのインジウム組成のズレが大きくなるという問題を生じていた。
【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に、請求項１に記載の手段によれば、インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を備える窒化物半導体発光素子であって、該活性層は層内に組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）及び／又は表面に凹凸を有することを特徴とする。
【０００６】
このような構成を有する請求項１に記載の発明においては、活性層内に形成される組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）により活性層内に微小エネルギー領域を作り出し、励起子を束縛することができ、また、表面に凹凸を形成させることで、マクロ的に励起子の移動を妨げる及び励起子の存在位置を固定することができる。その結果、電子と正孔を積極的に散乱させることができ、活性層の吸収端波長よりも長波長（＝低エネルギー）でＧａｉｎを獲得し、効率のよい発光素子を得ることができる。
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項２に記載の手段によれば、前記活性層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする。
【０００８】
このような構成を有する請求項２に記載の発明においては、活性層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とすることにより、更なる短波長で発振若しくは発光する効率のよい発光素子を得ることができる。
【０００９】
上記の課題を解決するために、請求項３に記載の手段によれば、前記活性層の表面の凹凸は、周期が６ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
このような構成を有する請求項３に記載の発明においては、凹凸の周期を６ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることにより、活性層内に生じる組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）や表面の凹凸での電子と正孔の散乱を積極的に行うことができ、活性層の吸収端波長よりも長波長（＝低エネルギー）でＧａｉｎを獲得することができる。
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項４に記載の手段によれば、前記活性層の厚さは、３ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
このような構成を有する請求項４に記載の発明においては、活性層の厚さを３ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることで、低しきい値と高出力の双方を満足する発光素子を得ることができる。
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項５に記載の手段によれば、インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を備える窒化物半導体発光素子の製造方法であって、該活性層の結晶成長温度が９５０℃以下であることを特徴とする。
【００１４】
このような構成を有する請求項５に記載の発明においては、インジウムを含まない窒化物半導体よりなる活性層を９５０℃以下で成長することで、活性層内に組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）や表面に凹凸を形成することができる。
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項６に記載の手段によれば、前記活性層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする。
【００１６】
このような構成を有する請求項６に記載の発明においては、表面に凹凸が形成された活性層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とすることにより、更なる短波長で発振若しくは発光する効率のよい発光素子を得ることができる。
【００１７】
上記課題を解決するために、請求項７に記載の手段によれば、前記活性層の厚さは、３ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
このような構成を有する請求項７に記載の発明においては、活性層の厚さを３ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることで、低しきい値と高出力の双方を満足する発光素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１乃至請求項７の発明は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを活性層に用い、その結晶成長温度を９５０℃以下とすることで、活性層内に組成不均一（Ａｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ）を形成し、また、活性層表面に凹凸を形成させ、更に、凹凸の周期や活性層の膜厚を調整することで、短波長化と同時にＧａｉｎを獲得し、効率のよい発光素子が実現する。したがって、その利用価値は高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る窒化物半導体発光素子１の断面図であり、具体的にはレーザ（ＬＤ）素子の構造を示している。このレーザ素子は、サファイアからなる基板１１の上に、ＡｌＮからなるバッファ層１２と、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなるコンタクト層１３と、Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるクラッド層１４と、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなる光ガイド層１５と、表面に凹凸形状を有するＧａＮからなる活性層１６と、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなる光ガイド層１７と、Ｍｇをドープしたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるクラッド層１８と、Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１９が順に積層された構造を有しており、ｐ型コンタクト層１９にはストライプ状の正電極２０が、ｎ型コンタクト層１３には、正電極と平行な負電極２１が設けられている。図２は、図１における活性層１６表面の凹凸形状の模式図である。
【００２１】
次に、本発明に係る窒化物半導体発光素子１の製造方法を詳説する。洗浄したサファイアＡ面よりなる基板１１を結晶成長装置のサセプタ部（図示せず）にセットし、基板の温度を１１００℃まで上昇させ、基板表面を水素でクリーニングする。基板にはサファイアＡ面の他に、サファイアにおけるＣ面、Ｒ面等の別方位基板、また、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮ等の単結晶よりなる、公知の基板も適用可能である。
【００２２】
次に、基板温度を４００℃まで下げ、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を用いて、４００℃で基板１０１上にＡｌＮからなるバッファ層１２を４００オングストローム成長させる。バッファ層１２は基板と次に成長する窒化物半導体との格子定数差を緩和するために設けられるものである。バッファ層には、ＡｌＮの他にＧａＮ、ＡｌＧａＮが通常用いられる。なお、バッファ層は基板との格子定数差の緩和するもの故、その機能を有していれば１０００℃程度の高温で形成しても良い。また、窒化物半導体と格子定数の整合した基板を用いる場合は、省略することもできる。
【００２３】
次に、バッファ層１２成長後、基板温度を１１００℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）とアンモニアガス、不純物ガスにＳｉＨ４（シラン）ガスを用いて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３を４μｍの膜厚で成長させる。ｎ型コントクト層１３は、負電極２１と良好なオーミック接合が形成できれば、他の窒化物半導体（ＡｌＧａＩｎＮ）でもよい。
次に、基板温度を１１００℃に維持したまま、原料ガスにＴＭＧとＴＭＡとアンモニアガス、不純物ガスにＳｉＨ４（シラン）ガスを用いて、ＳｉをドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるｎ型クラッド層１４を６００ｎｍの膜厚で成長させる。なお、ＳｉをドープしたＡｌｘＧａ1-ｘＮを用いる場合は、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層を兼ねることができる。この場合には、負電極とのオーミック特性とクラッド層としての光閉じ込め機能を確保する観点より、基板側のＡｌ組成比が小さく、次に成長させる活性層側の組成比が大きい、即ち組成傾斜構造とすることが望ましい。
【００２４】
次に、基板温度を１１００℃に維持したまま、原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、不純物ガスにＳｉＨ４（シラン）ガスを用いて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型光ガイド層１５を５０ｎｍの膜厚で成長させる。
次に、基板温度を８５０℃に下げ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用いて、ノンドープのＧａＮからなる活性層１６を５００ｎｍの膜厚で成長させる。基板温度が８５０℃においては、活性層１６の表面に約１３０ｎｍ〜２００ｎｍの周期２２を有する凹凸が形成される。
活性層１５成長後、基板温度を１１００℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、不純物ガスにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型光ガイド層１７を５０ｎｍの膜厚で成長させる。
次に、基板温度を１１００℃に維持したまま、原料ガスにＴＭＧとＴＭＡとアンモニアガス、不純物ガスにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇをドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるｐ型クラッド層１８を５００ｎｍの膜厚で成長させる。
次に、基板温度を１１００℃に維持したまま、原料ガスにＴＭＧとアンモニアガス、不純物ガスにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コンタクト層１９を２００ｎｍの膜厚で成長させる。
以上のようにして窒化物半導体を積層したウエハを結晶成長装置から取出し、図１に示すように、最上層のｐ型コンタクト層１９から選択エッチングを行い、負電極を形成すべきｎ型コンタクト層１３の表面を露出させる。さらに、ｐ型コンタクト層側からエッチングし、ストライプ状のリッジ形状を形成した後、リッジに平行な位置に正電極２０と負電極２１とをストライプ状に形成してレーザ素子１を作製した。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第1の実施の形態におけるノンドープのＧａＮからなる活性層１６を量子井戸構造で形成したもので、ノンドープのＧａＮからなる６ｎｍの井戸層１６１とノンドープのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる５ｎｍの障壁層１６２の積層構造で形成される。ちなみに、ノンドープのＧａＮからなる６ｎｍの井戸層１６１のみの場合は、第1の実施の形態と同じ構造となるが、量子効果を生じる点で、第1の実施の形態と異なる。井戸層１６１のみの場合を単一量子井戸構造と呼び、井戸層１６１と障壁層１６２の積層構造の場合を多重量子井戸構造と呼ぶ。いずれの場合も、井戸層１６１を形成する時の基板温度は、８５０℃であり、障壁層１６２を形成する時の基板温度は１１００℃である。井戸層／障壁層／・・・／井戸層／障壁層で形成され、活性層１６の最上層は障壁層１６２である。図３は、第２の実施の形態における活性層１６近辺の領域を拡大して部分的に示す模式断面図である。
第1の実施の形態、第２の実施の形態を通じて、活性層１６のＧａＮ層を通常の結晶成長温度より低温で形成することで、活性層１６内に自然的に発生するＡｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒ及び表面に凹凸形状のモフォロジーとなる。特に６００℃以上９５０℃以下の温度で形成することで、その凹凸形状の周期２２が６ｎｍ〜５００ｎｍとなり、かつ、内部にＡｌｌｏｙ−Ｄｉｓｏｒｄｅｒを十分に含むようになる。この結果、活性層１６での電子―正孔対の散乱確率が増大し、活性層の吸収端波長よりも長波長（＝低エネルギー）でＧａｉｎを獲得することができる。なお、凹凸形状の周期２２については、散乱対象の励起子の半径がほぼ３ｎｍであることから、６ｎｍ以上であれば、本発明の効果を生ずることができるが、更に制御するという観点からは、転移間距離相当程度の１００ｎｍ以上（５００ｎｍ以下）が望ましい。
第1の実施の形態、第２の実施の形態を通じて、活性層１６の膜厚は３ｎｍ〜５００ｎｍが好ましく、更には６ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。３ｎｍより薄い場合は、電子−正孔対が安定して入り込むことができず、量子効果を生ぜず、活性層としての機能を有しない。また、５００ｎｍより厚くなると、低温成長に起因するＧａＮ層の歪み分布が大きくなり、発振波長のズレが発生する。出力との関係については、しきい値を下げる観点からは、薄い方がよく、出力を向上させる観点からは、厚い方がよい。６ｎｍ〜２００ｎｍが更に好ましいのは、トレードオフにある低しきい値と高出力の双方を満足するからである。
第２の実施の形態における障壁層を形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのＡｌの組成ｘは、０．０５〜０．３が望ましい。０．０５を未満では電子と正孔の閉じ込めが困難となり、０．３より大きい場合は、結晶品質が低下し、レーザ素子としての特性が悪化するからである。
第1の実施の形態、第２の実施の形態を通じて、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３とｐ型コンタクト層１９の電子濃度と正孔濃度を均一にすることが望ましい。窒化物半導体においては、一般的にアクセプタ（本発明での実施例ではＭｇ）の活性化率がドナー（本発明の実施例ではＳｉ）より低いため、素子としては、ｎ型コンタクト層１３の電子濃度＞ｐ型コンタクト層１９の正孔濃度の関係となっている。したがって、本発明においては、ｎ型コンタクト層１３の電子濃度を下げるようなドーピングの調整を行うことが望ましい。例えば、一般的な窒化物半導体のｐ型ＧａＮ層にＭｇをドープした場合の正孔濃度は、５×１０１７／ｃｍ３程度と言われているので、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３のＳｉドープ量を５×１０１７／ｃｍ３程度に調整することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第1の実施の形態における窒化物半導体発光素子１の断面図
【図２】第1の実施の形態における活性層１６表面の凹凸形状の模式図である。
【図３】第２の実施の形態における活性層１６近辺の領域を拡大して部分的に示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      窒化物半導体発光素子
１１    サファイアからなる基板１１
１２    ＡｌＮからなるバッファ層
１３    Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなるコンタクト層
１４    Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるクラッド層
１５    Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮからなる光ガイド層
１６    ＧａＮからなる活性層
１７    Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなる光ガイド層
１８    Ｍｇをドープしたｎ型Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるクラッド層
１９    Ｍｇをドープしたｐ型ＧａＮからなるコンタクト層
２０    正電極
２１    負電極
２２    凹凸形状の周期
１６１  ＧａＮからなる井戸層
１６２  Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる障壁層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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