(57)【要約】【課題】III族窒化物系化合物半導体発光素子のＭＱＷ発光層においてＡｌＧａＮバリア層を薄くするとその発光出力が増大する傾向にあるが、薄くし過ぎると結晶性が低下して表面荒れやＩｒ特性の低下が生じる。【解決手段】この発明の一の態様では、バリア層をＡｌＧａＮからなる第１のバリア層とＧａＮからなる第２のバリア層との２層構造とする。第１のバリア層の膜厚は３ｎｍ以下とすることが好ましい。この第１のバリア層が直接ＩｎＧａＮ井戸層に接するようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリア層と井戸層とが交互に積層される多重量子井戸構造の発光層を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、
前記バリア層はＡｌＧａＮからなる第１のバリア層とアルミニウムを実質的含まないIII族窒化物系化合物半導体からなる第２のバリア層とを含んでいる、ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記井戸層はＩｎＧａＮからなり、前記バリア層はＡｌＧａＮからなる前記第１のバリア層とＧａＮからなる前記第２のバリア層とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記井戸層に前記第１のバリア層が直接接触する、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】
前記第１のバリア層は１〜３ｎｍであり、前記第２のバリア層は１〜３ｎｍである、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の発光素子。
【請求項５】
ＩｎＧａＮからなる井戸層とその上にキャップ層を第１の温度で形成する井戸層形成ステップと、
前記キャップ層の上にＧａＮからなる第２のバリア層を、前記第１の温度より高温の第２の温度で形成し、該第２の温度を維持したまま前記第２のバリア層の上にＡｌＧａＮからなる第１のバリア層を形成するバリア層形成ステップと、含み、
前記井戸層形成ステップと前記バリア層形成ステップとを繰り返して、多重量子井戸構造の発光層を形成する、ことを特徴とするIII族窒化物系化合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】
高い発光効率を確保するため、III族窒化物系化合物半導体発光素子の発光層は多重量子井戸構造を持つことが多い。この多重量子井戸構造では、井戸層をバリア層でサンドイッチにして、電子及び正孔を井戸層に閉じ込めている。
上記多重量子井戸構造においてバリア層の構成が発光効率に影響することが知られており、バリア層に関して各種の改良がなされている。
例えば特許文献１では、ＩｎＧａＮからなる井戸層をＧａＮからなるバリア層とＡｌＧａＮからなるバリア層で挟んでいる。
また、特許文献２では、ＩｎＡｌＮ／ＡｌＧａＮの２層構造のバリア層が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６０２３１号公報
【特許文献２】特開２００１−２３７４５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは、多重量子井戸構造におけるバリア層について鋭意検討を重ねてきた結果、ＡｌＧａＮからなるバリア層を採用することにより井戸層の歪が緩和されて発光効率が向上することを見出している（特願２００５−１５４３８２号参照）。
本発明者らは、ＡｌＧａＮのみからなるバリア層につき、更に検討を重ねた結果、当該ＡｌＧａＮバリア層を薄くすることによりｎ型層やｐ型層から電荷や正孔が多重量子井戸層全体に効率よく供給され、もって発光出力の向上が図れることを見出した。
【０００５】
しかしながら、ＡｌＧａＮバリア層の成長温度は比較的低温（８５０〜９００℃程度）であるため、薄いＡｌＧａＮ層に良好な結晶性を保つことは困難である。その結果、ＡｌＧａＮ層を薄くし過ぎると効率よく井戸中に電子や正孔を閉込めることができず、発光効率の低下をきたす。また、表面荒れが発生し、結晶中に転移が発生してＩｒ特性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、次のように規定される。即ち、
バリア層と井戸層とが交互に積層される多重量子井戸構造の発光層を備えるIII族窒化物系化合物半導体発光素子であって、
前記バリア層はＡｌＧａＮからなる第１のバリア層とアルミニウムを実質的含まないIII族窒化物系化合物半導体からなる第２のバリア層とを含んでいる、ことを特徴とする発光素子。
このように構成された発光素子によれば、ＡｌＧａＮからなる第１のバリア層を薄くすることによる高出力化を達成しつつ、低温成長温度においてＡｌＧａＮよりも良好な結晶品質の得られるＧａＮその他のアルミニウムを含まないIII族窒化物系化合物半導体からなる第２のバリア層を導入することで、表面あれの少ない良好な結晶性を維持可能となる。また、Ｉｒ特性も良好に維持できる。
【０００７】
この発明の第２の局面によれば、ＩｎＧａＮからなる井戸層に対して、バリア層の組成は、第１のバリア層がＡｌＧａＮからなるものとし、第２のバリア層はＧａＮからなるものとすることが好ましい。
かかる構成を採用することにより、確実に高出力化を達成できる。
【０００８】
また、この発明の第３の局面によれば、ＡｌＧａＮからなる第１のバリア層が井戸層に直接接するようにする。
ＡｌＧａＮからなる第１のバリア層が井戸層に確実に接するようにするため、バリア層の最上層を当該ＡｌＧａＮ層とする。バリア層の上に次の井戸層が形成されるので、この点においてＡｌＧａＮ層が井戸層へ直接接することとなる。
なお、ＩｎＧａＮ井戸層の上には、通常、ＧａＮからなるキャップ層がＩｎＧａＮ層と同じ成長温度で形成される。キャップ層はバリア層を形成する際ＩｎＧａＮ井戸層が消失しないようにするためのものであり、換言すれば、バリア層の形成時に、ＩｎＧａＮ井戸層の代りに当該キャップ層の全部又は一部が飛散消失する。しかしながら、成長条件の如何によっては、キャップ層がＩｎＧａＮ井戸層とバリア層との間に残存する場合がある。従って、井戸層の上にＡｌＧａＮバリア層を形成し、更にその上にＧａＮバリア層を形成すると、ＡｌＧａＮバリア層は井戸層に直接接することができない場合がある。この場合、ＡｌＧａＮ層の障壁としてパフォーマンスが低下するので好ましくない。
【０００９】
本発明者らの検討によれば、この発明の第４の局面として規定されるように、ＡｌＧａＮからなる第１のバリア層は１〜３ｎｍとすることが好ましい。第１のバリア層が１ｎｍ未満であると充分な結晶性が得られないため井戸層に電荷を確実に閉込めることができない。また、３ｎｍを超えて第１のバリア層を厚くすることも可能であるが、発光出力の低下をきたす。
ＧａＮからなる第２のバリア層は１〜３ｎｍとすることが好ましい。第２のバリア層の膜厚が１ｎｍ未満であると充分な結晶性が得られない。また、３ｎｍを超えて第２のバリア層を厚くすることも可能であるが、発光出力の低下をきたす。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施例及び比較例を説明する。
図１に実施例の発光素子１を示す。
この発光素子１の各層のスペックは次の通りである。
層          ：  組成
ｐコンタクト層１１    ：  ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ  １００ｎｍ
ｐクラッド層９        ：  ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ：Ｍｇ  ３．５〜１０．５ペア
ＭＱＷ発光層７        ：  ＩｎＧａＮ／（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）  ３〜８ペア
ｎクラッド層６        ：  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ：Ｓｉ  ５〜２０ペア
ＥＳＤ層５            ：  ｉ−ＧａＮ／ｎ−ＧａＮ
ｎコンタクト層４      ：  ｎ−ＧａＮ：Ｓｉ
基板２                ：  サファイア
【００１１】
上記において、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。
ｎ型層としてはＧａＮが例示されているが、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮ、その他のIII族窒化物系化合物半導体を用いることができる。ここに、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。
また、ｎ型層にドープされるｎ型不純物としてＳｉの他、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることもできる。
ｐ型層も同様にIII族窒化物系化合物半導体で形成することができる。ｐ型層にドープされるｐ型不純物としてＭｇの他に、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもできる。
【００１２】
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。
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。
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青色系の発光（波長：４６０ｎｍ）が得られる。
【００１３】
上記構成の発光素子において、多重量子井戸構造の発光層７は、定法のＭＯＣＶＤ成長方法に従い、７７０℃の成長温度（第１の温度）でＩｎＧａＮからなる井戸層を３ｎｍの膜厚に成長させた後、当該成長温度を維持した状態でＧａＮからなるキャップ層７２を２ｎｍの膜厚に成長させる。
その後、成長温度を８８０℃（第２の温度）まで昇温し、ＧａＮからなる第２のバリア層７３（３ｎｍ）とＡｌＧａＮからなる第１のバリア層７４（３ｎｍ以下）とを形成した。当該バリア層７４を形成する際に、キャップ層７２の全部若しくは一部は井戸層７１の上から消失する。
【００１４】
上記構成において、ＡｌＧａＮからなる第１のバリア層７４の膜厚を変化させたときの出力の変化を図２に示す。また、同様に第１のバリア層７４の膜厚を変化させたときのＩｒの変化を図３に示す。
図２及び図３の結果より、ＡｌＧａＮからなる第１のバリア層７４の膜厚を３ｎｍ以下にすると出力が向上するものの、Ｉｒ特性は維持されていることが確認できる。これは、ＡｌＧａＮの薄膜化により発光層全体に電荷が効率よく供給される一方で結晶性も維持されていることによると考えられる。
【００１５】
図４には、比較例の発光素子２１を示す。なお、図４において図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
比較例の発光素子２１ではその発光層８０においてバリア層８１がＡｌＧａＮの一層構造である。
かかる発光素子２１によれば、ＡｌＧａＮバリア層８１の膜厚が４ｎｍを超えると出力が低下する（図５参照）。また、その膜厚を４ｎｍ以下とすると、Ｉｒ特性が低下して逆電流が流れやすくなる（図６参照）。
以上の比較結果より、この発明の実施例の発光素子のように多重量子井戸層のバリア層をＡｌＧａＮからなる第１のバリア層とＧａＮからなる第２のバリア層との２層構造とすることにより、高い発光効率が確保できることがわかる。
【００１６】
上記の説明では、バリア層を第１のバリア層と第２のバリア層とからなる２層構造としているが、バリア層が第３の層を含むことを妨げるものではない。
また、多重量子井戸構造を構成する全部又は一部のバリア層がこの発明の構成を具備すればよい。
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】
【００１７】
【図１】この発明の実施例の発光素子の構成を示す模式図である。
【図２】同じく第１のバリア層の膜厚と出力との関係を示すグラフである。
【図３】同じく第１のバリア層の膜厚とＩｒとの関係を示すグラフである。
【図４】この発明の比較例の発光素子の構成を示す模式図である。
【図５】同じく第１のバリア層の膜厚と出力との関係を示すグラフである。
【図６】同じく第１のバリア層の膜厚とＩｒとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１８】
１、２１  発光素子
７、８０  発光層
７１  井戸層
７２  キャップ層
７３  第２のバリア層
７４  第１のバリア層
８１  比較例のバリア層
【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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【図６】
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