(57)【要約】【課題】ｐ型半導体層のホール濃度を高めつつ、ＩｎＧａＮ層の劣化を抑制してＩｎＧａＮ層での発光を高めることが可能な窒化物半導体素子を提供する。【解決手段】  窒化物半導体素子１は、基板２上にｎ型半導体層３と、活性層４と、ｐ型半導体層５とが積層されている。活性層４は、井戸層であるｎ型ＩｎＧａＮ層１３と、バリア層であるｎ型ＧａＮ層１４が周期的に積層されている。ｐ型半導体層５は、低い成長温度で成長させても、ホール濃度が高いｐ型ＩｎＧａＮ層１５のみからなる。この窒化物半導体素子１の製造方法においては、活性層４を形成した後、低い成長温度（例えば、約８５０℃）でｐ型半導体層５を構成するｐ型ＩｎＧａＮ層１５を成長させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＧａＮ層を有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、
前記活性層の成長方向側の面には、ｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記活性層のＩｎＧａＮ層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≧０．１５）であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項３】
基板上にｎ型半導体層を成長させる第１工程と、
前記ｎ型半導体層上にＩｎＧａＮ層を含む活性層を成長させる第２工程と、
前記活性層上にｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層を成長させる第３工程とを備え、
前記第３工程における成長温度は、９００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項４】
基板上にｎ型半導体層を成長させる第１工程と、
前記ｎ型半導体層上にＩｎＧａＮ層を含む活性層を成長させる第２工程と、
前記活性層上にｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層を成長させる第３工程とを備え、
前記第３工程における成長温度は、前記第２工程の活性層を成長させる成長温度よりも１５０℃以下であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩｎＧａＮ層を有する活性層を備えた窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩｎＧａＮ層を有する活性層を備えた発光ダイオード等の窒化物半導体素子及び窒化物半導体素子の製造方法が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、基板上にバッファ層、ｎ型ＧａＮ層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型ＩｎＧａＮ層が順番に積層された窒化物半導体素子が開示されている。活性層は、ＩｎＧａＮ層からなる井戸層とＧａＮ層からなるバリア層が周期的に積層された多重量子井戸構造に構成されている。また、ｐ型クラッド層は、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＡｌＧａＮ層からなる。
【０００４】
上記窒化物半導体素子の製造方法は、基板上にバッファ層及びｎ型ＧａＮ層を成長させた後、成長温度７００℃で井戸層とバリア層とを含む活性層を成長させる。次に、成長温度を１０２５℃まで上昇させてｐ型ＧａＮ層を成長させ、その後、更に、成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。次に、成長温度を７００℃まで下降させて、ｐ型ＩｎＧａＮ層を成長させて、窒化物半導体素子を作製している。
【特許文献１】特開２００４−１４５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の窒化物半導体素子では、ＩｎＧａＮ層を含む活性層を成長させた後、成長温度を１０００℃以上にした状態で、ｐ型クラッド層を成長させている。このため、Ｉｎの固溶度が小さい活性層のＩｎＧａＮ層では、高い成長温度の熱によりＩｎが相分離されて劣化する。特に、活性層のＩｎＧａＮ層をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層とした場合、ｘ≧０．１５となる青色や緑色の光を発光させるための窒化物半導体素子のように、Ｉｎの組成比が高い窒化物半導体素子において、Ｉｎの相分離が顕著に表れる。この結果、活性層のＩｎＧａＮ層内の多くの領域で発光ができず、輝度の低下といった課題があった。
【０００６】
また、活性層のＩｎＧａＮ層の劣化を防ぐために、ｐ型クラッド層の成長温度を、例えば、１０００℃以下に下げた場合、ｐ型ＧａＮ層の残留電子濃度が高くなり、ｐ型ＧａＮ層のホール濃度が低くなるといった課題があった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、ｐ型半導体層のホール濃度を高めつつ、ＩｎＧａＮ層の劣化を抑制してＩｎＧａＮ層での発光を高めることが可能な窒化物半導体素子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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＩｎＧａＮ層を有する活性層を備えた窒化物半導体素子において、前記活性層の成長方向側の面には、ｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子である。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、前記活性層のＩｎＧａＮ層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≧０．１５）であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子である。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、基板上にｎ型半導体層を成長させる第１工程と、前記ｎ型半導体層上にＩｎＧａＮ層を含む活性層を成長させる第２工程と、前記活性層上にｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層を成長させる第３工程とを備え、前記第３工程における成長温度は、９００℃以下であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法である。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、基板上にｎ型半導体層を成長させる第１工程と、前記ｎ型半導体層上にＩｎＧａＮ層を含む活性層を成長させる第２工程と、前記活性層上にｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層を成長させる第３工程とを備え、前記第３工程における成長温度は、前記第２工程の活性層を成長させる成長温度よりも１５０℃以下であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＩｎＧａＮ層を含む活性層の成長方向側の面、即ち、活性層の後に成長が行われる面には、低い成長温度で成長させても、高いホール濃度を実現可能なｐ型ＩｎＧａＮ層のみからなるｐ型半導体層を形成しているので、ｐ型半導体層のホール濃度を高めつつ、ｐ型半導体層を成長させる際の高い成長温度に起因する活性層内のＩｎＧａＮ層の相分離を抑制することができる。これによって、活性層内のＩｎＧａＮ層の劣化を防ぐことができ、ＩｎＧａＮ層の多くの領域で発光させることができるので、輝度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明による窒化物半導体素子の断面構造を示す。
【００１４】
窒化物半導体素子１は、基板２上にｎ型半導体層３と、活性層４と、ｐ型半導体層５とが積層されている。尚、詳しくは後述するが、基板２上にｎ型半導体層３、活性層４、ｐ型半導体層５が順に成長されるものとする。また、ｎ型半導体層３及びｐ型半導体層５には、外部と接続されるｎ側電極及びｐ側電極がそれぞれ形成されるが、図示を省略する。
【００１５】
基板２は、サファイア基板、ＧａＮ基板、若しくは、ＳｉＣ基板等からなる。
【００１６】
ｎ型半導体層３は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１１と、ｎ型ＧａＮ層１２が積層されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層１１は、ｎ型の不純物であるＳｉがドーピングされると共に、Ａｌの組成比が約１０％以下になるように構成されている。尚、ｎ型ＡｌＧａＮ層１１は、クラックを防止するために、厚みは約１．２μｍ以下が好ましい。ｎ型ＧａＮ層１２は、ｎ型の不純物であるＳｉがドーピングされている。尚、ｎ型ＧａＮ層１２の代わりにＩｎの組成比が約３％以下のｎ型ＩｎＧａＮ層を適用してもよい。
【００１７】
活性層４は、井戸層であるｎ型ＩｎＧａＮ層１３と、バリア層であるｎ型ＧａＮ層１４が周期的に複数層（例えば、３層）積層された多重井戸構造である。
【００１８】
井戸層であるｎ型ＩｎＧａＮ層１３は、ｎ型半導体層３よりもバンドギャップが小さい。このｎ型ＩｎＧａＮ層１３は、厚みが約３０Åであり、ｎ型の不純物であるＳｉがドーピングされている。
【００１９】
ここで、活性層４のｎ型ＩｎＧａＮ層１３におけるＩｎの組成比は、特に限定されるものではないが、活性層４のｎ型ＩｎＧａＮ層１３をＩｎｘＧａ１−ｘＮとした場合、青色を発光させる場合には、ｘ≒０．１５程度が好ましく、緑色を発光させる場合には、ｘ≒０．２０程度が好ましい。
【００２０】
ｎ型ＧａＮ層１４は、井戸層を構成するｎ型ＩｎＧａＮ層１３よりもバンドギャップが大きく、井戸層にキャリアを閉じ込めるためのものである。また、ｎ型ＧａＮ層１４には、ｎ型の不純物であるＳｉがドーピングされている。
【００２１】
ｐ型半導体層５は、活性層４の成長方向側の面に形成されている。ｐ型半導体層５は、ｐ型の不純物であるＭｇがドーピングされたｐ型ＩｎＧａＮ層１５のみからなる。ｐ型ＩｎＧａＮ層１５は、Ｉｎの組成比が約３％以下となるように構成されている。尚、ｐ型ＩｎＧａＮ層１５は、孔（ピット）形成されることを防ぐために、厚みは約０．５μｍ以下が好ましい。
【００２２】
窒化物半導体素子１では、ｎ側電極及びｐ側電極を介してｎ型半導体層３とｐ型半導体層５との間に電圧が印加されると、ｎ型半導体層３から活性層４には電子が注入されると共に、ｐ型半導体層５から活性層４にはホールが注入される。そして、活性層４に注入された電子とホールは、井戸層であるｎ型ＩｎＧａＮ層１３で結合して光を発光する。
【００２３】
次に、図２を参照して、ＭＯＣＶＤ法による、上記窒化物半導体素子の製造方法について説明する。図２は、本発明による窒化物半導体素子の各層を成長させる際の成長温度と時間との関係を示した図である。
【００２４】
まず、基板２を成長室に導入した後、成長室の温度を約１０５０℃に設定して、微量のＮ２を含むＨ２雰囲気中で基板２をクリーニングする。
【００２５】
次に、基板２上にｎ型半導体層３を成長させる（第１工程）。具体的には、まず、成長温度（基板２の温度、以下同様）を約１０５０℃に維持した状態で、成長室にＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＳｉＨ４を供給して、ｎ型ＡｌＧａＮ層１１を成長させる。次に、成長温度を約１０００℃まで下げた後、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＭＧ、ＳｉＨ４を供給して、ｎ型ＧａＮ層１２を成長させる。
【００２６】
次に、ｎ型半導体層３上に活性層４を成長させる（第２工程）。具体的には、成長温度を約７５０℃まで下げた後、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＥＧ、ＴＭＩｎ、ＳｉＨ４を供給して井戸層であるｎ型ＩｎＧａＮ層１３を成長させる。次に、成長温度を約７５０℃に維持した状態で、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＭＧ、ＳｉＨ４を供給して、バリア層であるｎ型ＧａＮ層１４を成長させる。この後、成長温度を約７５０℃に保ったまま、ｎ型ＩｎＧａＮ層１３とｎ型ＧａＮ層１４とを交互に周期的に所望の回数ずつ成長させる。
【００２７】
次に、活性層４上にｐ型半導体層５を成長させる（第３工程）。具体的には、成長温度を約８５０℃まで上げた後、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＭＧ、ＴＭＩｎ、Ｃｐ２Ｍｇを供給して、ｐ型ＩｎＧａＮ層１５を成長させる。
【００２８】
最後に、ｐ型ＩｎＧａＮ層１５を成長させた後、成長温度を徐々に下げることにより、窒化物半導体素子１が完成する。
【００２９】
上述したように、ｎ型ＩｎＧａＮ層１３を含む活性層４の上面（成長方向側の面）には、低い成長温度で成長させることが可能なｐ型ＩｎＧａＮ層１５のみからなるｐ型半導体層５を形成している。このため、ｐ型ＧａＮ層等でｐ型半導体層を構成した場合において、ｐ型ＧａＮ層を成長させる際の高い成長温度（約９５０℃以上）に起因する活性層４内のｎ型ＩｎＧａＮ層１３の相分離を抑制することができる。これにより、活性層４内のｎ型ＩｎＧａＮ層１３の劣化を防ぐことができる。従って、活性層４のｎ型ＩｎＧａＮ層１３の多くの領域で発光させることができるので、窒化物半導体素子１の輝度を向上させることができる。
【００３０】
また、低温で成長させてもホール濃度を高くすることが可能なｐ型ＩｎＧａＮ層１５によりｐ型半導体層５を構成することにより、上述したような低い成長温度（約８５０℃）でｐ型ＩｎＧａＮ層１５を成長させても、ｐ型半導体層５を高いホール濃度を維持することができる。
【００３１】
次に、上述の効果を証明するために行った実験について説明する。
【００３２】
まず、本発明による窒化物半導体素子１と比較するために作製した比較用の窒化物半導体素子５１について、図３及び図４を参照して説明する。
【００３３】
図３は、比較用の窒化物半導体素子の断面構造を示した図である。図４は、比較用の窒化物半導体素子の各層を成長させる際の成長温度と時間との関係を示した図である。
【００３４】
図３に示すように、比較用の窒化物半導体素子５１は、基板５２上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層６１とｎ型ＧａＮ層６２を含むｎ型半導体層５３と、井戸層であるｎ型ＩｎＧａＮ層６３とバリア層であるｎ型ＧａＮ層６４を含む活性層５４と、ｐ型半導体層５５とが積層されている。ｐ型半導体層５５は、ｐ型の不純物であるＭｇがドーピングされたｐ型ＧａＮ層６５によって構成されている。尚、基板５２、ｎ型半導体層５３、活性層５４は、本発明による窒化物半導体素子１の基板２、ｎ型半導体層３、活性層４と同じ構成である。
【００３５】
図４に示すように、比較用の窒化物半導体素子５１の製造方法では、活性層５４までは、上述した本発明による窒化物半導体素子１と同様に作製した。そして、活性層５４を形成した後、成長温度を約９５０℃まで上げた状態で、ＮＨ３、Ｈ２、Ｎ２、ＴＥＧ、Ｃｐ２Ｍｇを供給して、ｐ型ＧａＮ層６５を成長させて、比較用の窒化物半導体素子５１を作製した。
【００３６】
次に、図５を参照して、上述した本発明による窒化物半導体素子１のｐ型半導体層５のｐ型ＩｎＧａＮ層１５のホール濃度と、比較用の窒化物半導体素子５１のｐ型半導体層５５のｐ型ＧａＮ層６５のホール濃度を比較した結果について説明する。
【００３７】
図５は、本発明の窒化物半導体素子のｐ型ＩｎＧａＮ層のホール濃度と、比較用の窒化物半導体素子のｐ型ＧａＮ層のホール濃度を示すグラフである。図５において、四角でプロットしたものが、本発明の窒化物半導体素子１のｐ型ＩｎＧａＮ層１５のホール濃度を示し、菱形でプロットしたものが、比較用の窒化物半導体素子５１のｐ型ＧａＮ層６５のホール濃度を示す。尚、本発明の窒化物半導体素子１のｐ型ＩｎＧａＮ層１５は、Ｉｎの組成比が３．５％であり、厚みが約０．１７μｍである。また、比較用の窒化物半導体素子５１のｐ型ＩｎＧａＮ層６５の厚みは約０．３９μｍである。
【００３８】
図５に示すように、比較用の窒化物半導体素子５１のｐ型ＧａＮ層６５におけるホール濃度は、約７．０５×１０１７／ｃｍ３以下であったのに対し、本発明による窒化物半導体素子１のｐ型ＩｎＧａＮ層１５におけるホール濃度は、約１１．１×１０１７／ｃｍ３以上の高い値を示した。このように、本発明による窒化物半導体素子１のｐ型ＩｎＧａＮ層１５は、低い成長温度（約８５０℃）でｐ型ＩｎＧａＮ層１５を成長させたにも関わらず、高い成長温度（約９５０℃）で成長させた比較用の窒化物半導体素子５１のｐ型ＩｎＧａＮ層６５よりも、ホール濃度を高くすることができた。
【００３９】
次に、上述した本発明による窒化物半導体素子１と比較用の窒化物半導体素子５１に電圧を印加した状態での発光の状態を比較した実験結果について説明する。
【００４０】
図６は、電圧が印加された本発明による窒化物半導体素子を蛍光顕微鏡で観察した像である。図７は、電圧が印加された比較用の窒化物半導体素子を蛍光顕微鏡で観察した像である。
【００４１】
図６に示すように、本発明による窒化物半導体素子１を観察した像は、全ての領域で発光していることがわかる。尚、実際に観察されたカラーの像では、黄色又は緑色の光の発光が観察された。
【００４２】
一方、図７に示すように、比較用の窒化物半導体素子５１を観察した像は、ほとんどの領域で発光が観察されず、発光が観察された領域でも弱い光が観察されるのみである。尚、実際に観察されたカラーの像は、発光している領域でも暗い黄色や暗い緑色の発光のみが観察された。
【００４３】
これらの結果より、本発明による窒化物半導体素子１では、活性層４を形成した後、ｐ型半導体層５を構成するｐ型ＩｎＧａＮ層１５を低い成長温度（約８５０℃）で成長させることにより、活性層４のｎ型ＩｎＧａＮ層１３の相分離を抑制することができたので、活性層４の多くの領域で発光させることができたと考えられる。
【００４４】
一方、比較用の窒化物半導体素子５１では、活性層５４を形成した後、ｐ型半導体層５５を構成するｐ型ＧａＮ層６５を高い成長温度（約９５０℃）で成長させたので、活性層５４のｎ型ＩｎＧａＮ層６５の相分離が多くの領域で生じた。このため、活性層５４のほとんどの領域で発光させることができなかったと考えられる。
【００４５】
以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。
【００４６】
例えば、上述した実施形態では、ｐ型半導体層５のｐ型ＩｎＧａＮ層１５を約８５０℃の成長温度で成長させたが、ｐ型ＩｎＧａＮ層１５の成長温度は、約８５０℃に限定されるものではなく、約９００℃以下ならば上述した効果を奏することができる。
【００４７】
また、上述した実施形態では、活性層４の成長温度（約７５０℃）とｐ型半導体層５の成長温度（約８５０℃）との差が、約１００℃であったが、この２つの成長温度の差は約１００℃に限定されるものではなく、２つの成長温度の差は約１５０℃以下であれば、上述した効果を奏することができる。
【００４８】
また、上述した窒化物半導体素子１の各層の構成は適宜変更可能である。
【００４９】
また、上述した窒化物半導体素子１の製造工程は適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による窒化物半導体素子の断面構造を示す。
【図２】本発明による窒化物半導体素子の各層を成長させる際の成長温度と時間との関係を示した図である。
【図３】比較用の窒化物半導体素子の断面構造を示す。
【図４】比較用の窒化物半導体素子の各層を成長させる際の成長温度と時間との関係を示した図である。
【図５】本発明の窒化物半導体素子のｐ型ＩｎＧａＮ層のホール濃度と、比較用の窒化物半導体素子のｐ型ＧａＮ層のホール濃度を示すグラフである。
【図６】電圧が印加された本発明による窒化物半導体素子を蛍光顕微鏡で観察した像である。
【図７】電圧が印加された比較用の窒化物半導体素子を蛍光顕微鏡で観察した像である。
【符号の説明】
【００５１】
１    窒化物半導体素子
２    基板
３    ｎ型半導体層
４    活性層
５    ｐ型半導体層
１１  ｎ型ＡｌＧａＮ層
１２  ｎ型ＧａＮ層
１３  ｎ型ＩｎＧａＮ層
１４  ｎ型ＧａＮ層
１５  ｐ型ＩｎＧａＮ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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【図７】
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