(57)【要約】【課題】発光層をｎクラッド層とｐクラッド層とで挟持する構成の発光素子では各層の格子定数の差等により発光層に応力歪みが生じてピエゾ電界が発生する。このピエゾ電界により内部量子効果の低減や、波長シフトの生じるおそれがある（シュタルク効果）。【解決手段】ｐクラッド層に応力緩和機能を持たせることにより、発光層に生じる応力歪みを緩和する。ｐクラッド層に応力緩和機能を持たせるため下記少なくとも１つの方策を採用する（１）ｐクラッド層を厚膜化する、（２）ｐクラッド層の低温成長させる、及び（３）ｐクラッド層を成長させるときのキャリアガスを選択する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層とｐコンタクト層との間にｐクラッド層を備えるIII族窒化物系化合物半導体からなる発光素子において、前記ｐクラッド層が応力緩和機能を有する、ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層はＩｎＧａＮ層を含み、前記ｐコンタクト層はＧａＮからなり、前記ｐクラッド層はＡｌＧａＮの単層又はＡｌＧａＮとＧａＮ若しくはＩｎＧａＮとを積層した超格子構造からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記ｐクラッド層は４０〜５０ｎｍの膜厚である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記発光層、ｐコンタクト層及びｐクラッド層はＭＯＣＶＤ法により形成され、前記ｐクラッド層は前記ｐコンタクト層より低い成長温度で形成されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子。
【請求項５】
前記発光層、ｐコンタクト層及びｐクラッド層はＭＯＣＶＤ法により形成され、前記ｐクラッド層を形成するときの主たるキャリアガスを窒素ガスとする、ことを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記ｐクラッド層は４０〜５０ｎｍの膜厚を有するか、及び／又は前記ｐクラッド層は前記ｐコンタクト層より低い成長温度で形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
発光層とｐコンタクト層との間にｐクラッド層を備えるIII族窒化物系化合物半導体からなる発光素子をＭＯＣＶＤ法により製造する方法において、
前記ｐクラッド層の主たるキャリアガスを窒素ガスとし、及び／又は前記ｐクラッド層を前記ｐコンタクト層より低い成長温度で成長させ、前記ｐクラッド層に応力緩和機能を持たせる、ことを特徴とする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からなる発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＧａＮ層からなる発光層１をｎクラッド層３とｐクラッド層５とで挟持する構成の発光素子では、理論的には図１（Ａ）に示すように、発光層を構成するIII族窒化物系化合物半導体の組成に基づくバンドギャップエネルギーに従い発光波長が定まる。
しかしながら、発光素子を形成するにあたり、組成の異なる複数のIII族窒化物系化合物半導体層を積層するので、それらの格子定数の差などに基づき発光層に応力歪みが発生し、これがピエゾ電界を発生させる。当該ピエゾ電界の影響により、図１（Ｂ）に示すように、電子と正孔が空間的に分離されて発光効率が小さくなることが知られている（量子閉込めシュタルク効果（Quantum Confined Stark Effect））。
【０００３】
本件に関連する文献として特許文献１〜３を参照されたい。
【特許文献１】特開２０００−２６１１０６号公報
【特許文献２】特開２００５−５７３０８号公報
【特許文献３】特開２００５−８５９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
かかるシュタルク効果は発光層におけるIn組成が大きな緑色系発光素子においてより顕著に現れ、その内部量子効率を低下させる。
シュタルク効果により電子と正孔とが空間的に分離されると、電流注入によりキャリアが発光層に蓄積されたとき、スクリーニング効果により大きな波長シフトを引き起こし、発光波長が長波長側にシフトするおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、次のように構成される。
即ち、発光層とｐコンタクト層との間にｐクラッド層を備えるIII族窒化物系化合物半導体からなる発光素子において、前記ｐクラッド層が応力緩和機能を有する、ことを特徴とする発光素子。
【発明の効果】
【０００６】
このように構成された発光素子によれば、ｐクラッド層が応力緩和機能を備えるので、発光層にかかる応力が軽減される。その結果、ピエゾ電界が小さくなって、電子と正孔との空間的な分離が小さくなる。
図２は、この発明により発光層にかかる応力が緩和された状態を示している。
このように空間的な分離が抑制され若しくは無くなると、内部量子効率が向上することはもとより、Ｉｎの空間分解効果が小さい場合、波長のシフトも小さくなるか若しくは実質的に無くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、上記発明の各要素について詳細に説明する。
発光層、ｐコンタクト層及びクラッド層はIII族窒化物系化合物半導体からなる。ここで、一般に、III族窒化物系化合物半導体とは、一般式としてＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）の四元系で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＮ及びＧａｘＩｎ１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部も  リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。また、発光層は任意のドーパントを含有するものであってもよい。
この発明の効果が顕著となるのは、発光層がＩｎＧａＮを含み、ｐコンタクト層はＧａＮからなり、ｐクラッド層はＡｌＧａＮの単層又はＡｌＧａＮとＧａＮ若しくはＩｎＧａＮとを積層した超格子構造からなる場合である。
【０００８】
発光層は量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
ｐコンタクト層はＭｇ等のｐ型不純物がドープされており、ＭＯＣＶＤ法により形成される場合においては、水素ガスをキャリアとして通常１０００℃以上の温度でほぼ１００ｎｍ程度の膜厚にエピタキシャル成長される。その結果、ｐコンタクト層には良好な結晶構造が得られている。
【０００９】
ｐクラッド層についても、従来では、上記ｐコンタクト層と同様な成長条件を実行していた。その結果、ｐクラッド層にも良好な結晶構造が得られていた。他方、発光層からみてｐクラッド層と反対側のｎクラッド層及びｎコンタクト層の結晶構造も良好なものであった。つまり、良好な結晶構造で比較的硬質なｐ型層（ｐクラッド層とｐコンタクト層）とｎ型層（ｎクラッド層とｎコンタクト層）との間にＩｎＧａＮを含むため比較的柔らかな発光層が挟持された構造となる。その結果、ｐ型層とｎ型層との格子定数の違い等に基づく応力歪みが発光層に生じることとなる。
これに対し、この発明によれば、ｐクラッド層に応力緩和機能を持たせているので、ｐ型層とｎ型層との格子定数の違い等に基づく応力がｐクラッド層で緩和吸収されて、発光層にまで及ばないか、若しくはその影響が小さくなる。よって、シュタルク効果が緩和されて内部量子効率が向上するとともに波長シフトを抑制できる。
【００１０】
ｐクラッド層に応力緩和機能を持たせる方策として、次の（１）〜（３）の方策の少なくとも１つを採用することができる。
（１）  ｐクラッド層を厚くする。
ｐクラッド層を厚くすることにより内部量子効率が向上し、波長シフトも抑制できることが確認された。
図３はｐクラッド層の膜厚と発光素子におけるＶＦとの関係を示している。
なお、図３の結果は下記構成の発光素子においてｐクラッド層の膜厚を変更したときのＶＦの変化を測定したものである。図３の結果より、ｐクラッド層の膜厚化に従いＶＦが向上することがわかる。
層            ：  組成
ｐコンタクト層      ：  ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ  １００ｎｍ
ｐクラッド層        ：  ＡｌＧａＮ：Ｍｇ／ＩｎＧａＮ：Ｍｇ  ペア数を調整（２５〜５２ｎｍ）
ＭＱＷ発光層        ：  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ
ｎクラッド層        ：  ｎ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ：Ｓｉ  １０ペア（５０ｎｍ）
ｎコンタクト層      ：  ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（４μｍ）
バッファ層          ：  ＡｌＮ
基板                ：  サファイア
【００１１】
図４は、同じく、ｐクラッド層の膜厚と発光素子の出力（光度）との関係を示している。図４の結果より、ｐクラッド層の厚膜化に従い出力が向上することがわかる。なお、本発明者らの検討によれば、ｐクラッド層が５０ｎｍを超えて厚膜化されても光度の上昇が頭打ちになるか、若しくは減少する。これは、成長時間が長くなることにより、発光層へのダメージが大きくなる為と考えられる。
【００１２】
図５は、同じく、ｐクラッド層の膜厚と低電流時（１ｍＡ）及び定格電流時（２０ｍＡ）のドミナント波長差との関係を示している。図５の結果より、ｐクラッド層の厚膜化に従い当該ドミナント波長差が小さくなっている。これは、発光層にかかるピエゾ電界の影響が小さくなっていることを示唆している。
以上より、ｐクラッド層の膜厚を厚く、但し５０ｎｍ以下、とすることが好ましいことがわかる。本発明者らの検討によれば、発光素子においてｐクラッド層を４０〜５０ｎｍとすることが好適であった。
【００１３】
（２）  ｐクラッド層を低温成長させる。
上記に例示したIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成するにあたり、バッファ層を除く各半導体層はその結晶性が良好になるように成長条件が選択される。一般的に、ｐクラッド層とｐコンタクト層とは、層組成が近似しているので、例えばＭＯＣＶＤ法を実行するときの成長温度は両層とも１０００℃以上とすることが多い。これにより、結晶性が良好なｐクラッド層及びｐコンタクト層が得られていた。
この発明では、ｐクラッド層の成長温度をｐコンタクト層の成長温度より低くする。ｐクラッド層の成長温度を低くすると、ｐクラッド層の結晶性が低下する。これにより、ｐクラッド層の剛性が低下するので当該ｐクラッド層で応力を緩和し、シュタルク効果を低減することが可能になる。より具体的には、ｐクラッド層の成長温度を８００℃〜９５０℃としたとき、発光素子に充分な出力を確保しつつ、シュタルク効果を低減することができる。
なお、このときのｐクラッド層の膜厚は４０〜５０ｎｍとすることが好ましい。
【００１４】
（３）  キャリアガスとして窒素ガスの選択
ＡｌＧａＮやＧａＮをＭＯＣＶＤ法で成長する際のキャリアガスは一般に水素ガスが用いられ、窒素ガスを用いるとその結晶性が低下する。
この発明ではｐクラッド層を構成するＡｌＧａＮ及びＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法で成長させる際の主たるキャリアガスに窒素ガスを採用する。ここに主たるキャリアガスとはキャリアガスの全ガス成分において最も多いガス成分をいう。
ｐクラッド層を形成する際のキャリアガスに窒素を用いると、ｐクラッド層の結晶性は低下する。これにより、ｐクラッド層の剛性が低下するので当該ｐクラッド層で応力を緩和し、シュタルク効果を低減することが可能になる。より具体的には、ｐクラッド層を成長するときのキャリアガスの５０体積％以上を窒素ガスとしたとき、発光素子に充分な出力を確保しつつ、シュタルク効果を低減することができる。
なお、このときのｐクラッド層の膜厚は４０〜５０ｎｍとすることが好ましく、その成長温度も８００〜９５０℃とすることが好ましい。
【実施例】
【００１５】
実施例の発光素子のスペックは次の通りである。
層            ：  組成
ｐコンタクト層      ：  ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ  １００ｎｍ
ｐクラッド層        ：  ｐ−ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ：Ｍｇ  １０ペア（５０ｎｍ）
ＭＱＷ発光層        ：  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ    ４〜６ペア（１８ｎｍ）
第３のｎクラッド層  ：  ｎ−ＩｎＧａＮ／ＧａＮ：Ｓｉ  １０ペア（５０ｎｍ）
第２のｎクラッド層  ：  ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ  （３０ｎｍ）
第１のｎクラッド層  ：  i−ＧａＮ  （３００ｎｍ）
ｎコンタクト層      ：  ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ（４μｍ）
バッファ層          ：  ＡｌＮ
基板                ：  サファイア
【００１６】
基板の上にはバッファ層を介してｎ型層を形成する。ここで、基板にはサファイアを用いたが、これに限定されることはなく、サファイア、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶等を用いることができる。さらにバッファ層はＡｌＮを用いてＭＯＣＶＤ法で形成されるがこれに限定されることはなく、材料としてはＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができ、製法としては分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体を基板として用いた場合は、当該バッファ層を省略することができる。
さらに基板とバッファ層は半導体素子形成後に、必要に応じて、除去することもできる。
【００１７】
ｎ型層はｎコンタクト層、第１のｎクラッド層、第２のｎクラッド層、第３のｎクラッド層を順次積層してなる。
ここでｎ型層はＧａＮが例示されているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮを用いることができる。
また、ｎ型層にドープされるｎ型不純物としてＳｉが例示されているが、このほかにｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
【００１８】
発光層は量子井戸構造（多重量子井戸構造、若しくは単一量子井戸構造）を含んでいてもよく、また発光素子の構造としてはシングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどでもよい。
発光層はｐ型層の側にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体層を含むこともできる。これは発光層中に注入された電子がｐ型層に拡散するのを効果的に防止するためである。
【００１９】
発光層の上にｐクラッド層が形成されている。この実施例ではＡｌＧａＮ（２ｎｍ）／ＧａＮ（２．５ｎｍ）の５〜１０ペアからなる超格子構造とした。その結果ｐクラッド層の膜厚は２５〜５０ｎｍとなった。
また、このｐクラッド層は８４０℃でＭＯＣＶＤ法により成長され、そのときのキャリアガスには窒素を採用した。
【００２０】
ｐクラッド層の上に同じくＭＯＣＶＤ法により形成されるｐコンタクト層の成長温度は１０００℃であり、キャリアガスは水素である。
ｐ型不純物としてはＭｇの他に、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。
上記構成の発光素子において、各III族窒化物系化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法を実行して形成されている。そのほか、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド系気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等の方法で形成することもできる。
【００２１】
ｐ型層、発光層、ｎクラッド層及びｎコンタクト層の一部がエッチングされて、ｎコンタクト層にｎ電極が蒸着により形成される。このｎ電極はＡｌとＶの２層で構成される。
ｐコンタクト層の全面に金を含む薄膜の透光性電極が積層される。透光性電極の上に蒸着により金を含むｐ電極が形成される。
上記の工程により各半導体層及び各電極を形成した後、各チップの分離工程を行う。
【００２２】
このように構成された実施例の発光素子に電流を印加すると緑色系の発光（波長：５２０ｎｍ）が得られる。当該発光素子へ低電流（１ｍＡ）を印加したときのドミナント波長と定格電流（２０ｍＡ）を印加したときのドミナント波長とにほとんど差がみられない。これは、ｐクラッド層が応力緩和層として機能し、その結果、ピエゾ電界の影響が小さくなったものと考えられる。
【００２３】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の発光素子のバンドギャップエネルギーの模式図である。
【図２】本発明の発光素子のバンドギャップエネルギーの模式図である。
【図３】この発明の試験例の発光素子におけるｐクラッド層の膜厚とＶＦとの関係を示すグラフである。
【図４】同じくｐクラッド層の膜厚と出力との関係を示すグラフである。
【図５】同じくｐクラッド層の膜厚と低電流時（１ｍＡ）及び定格電流時（２０ｍＡ）のドミナント波長差との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１  発光層
３  ｎクラッド層
５  ｐクラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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