(57)【要約】【課題】発光波長に応じて発光層の障壁層のＡｌ組成比を最適化して、発光効率を向上させること。【解決手段】ＩｎＧａＮからなる井戸層、ＡｌＧａＮからなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を形成するに当たり、障壁層１３１のＡｌ組成比をｘ（％）、障壁層１３１のバンドギャップエネルギーと井戸層１３０のバンドギャップエネルギーとの差をｙ（ｅＶ）として、１２．９≦−２．８ｘ＋１００ｙ≦３７、かつ、０．６５≦ｙ≦０．８６、の範囲を満たすように井戸層１３０と障壁層１３１を形成する。あるいは、障壁層１３１のＡｌ組成比をｘ（％）、井戸層１３０のＩｎ組成比をｚ（％）として、１６２．９≦７．１ｘ＋１０ｚ≦２１６．１、かつ、３．１≦ｚ≦９．２、の範囲を満たすように形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、前記井戸層よりもバンドギャップが大きなＡｌを含むIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記障壁層のＡｌ組成比をｘ（％）、前記障壁層のバンドギャップエネルギーと前記井戸層のバンドギャップエネルギーとの差をｙ（ｅＶ）として、
１２．９≦−２．８ｘ＋１００ｙ≦３７、かつ、０．６５≦ｙ≦０．８６
を満たすよう前記井戸層および前記障壁層を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、前記井戸層よりもバンドギャップが大きなＡｌを含むIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記障壁層のＡｌ組成比をｘ（％）、前記井戸層のＩｎ組成比をｚ（％）として、
１６２．９≦７．１ｘ＋１０ｚ≦２１６．１、かつ、３．１≦ｚ≦９．２
を満たすよう前記井戸層および前記障壁層を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
発光波長が３８０〜４１０ｎｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記井戸層はＩｎＧａＮ、前記障壁層はＡｌＧａＮであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族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、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものであり、特にＭＱＷ層の形成方法に特徴を有するものである。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物半導体発光素子の発光層として、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層とが繰り返し積層されたＭＱＷ構造が従来知られている。
【０００３】
特許文献１には、井戸層と障壁層とが繰り返し積層されたＭＱＷ構造において、障壁層としてＡｌ組成比が３〜６％のＡｌＧａＮを用いることが示されている。また、発光波長は４６０〜４７０ｎｍであることが記載されている。しかし、障壁層のＡｌ組成比と発光波長との関連性については言及されていない。
【０００４】
また、特許文献２には、井戸層と障壁層とが繰り返し積層されたＭＱＷ構造において、井戸層としてＩｎ組成比５％のＩｎＧａＮ、障壁層としてＡｌ組成比１３％のＡｌＧａＮを用いた例が示されている。また、障壁層のＡｌ組成比は６〜１８％が望ましいことが示されている。発光波長に関しては特許文献２には特に記載されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３３２３６５
【特許文献２】特開２０００−９１６２９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ＭＱＷ構造の障壁層としてＡｌＧａＮを用いた場合、Ａｌの組成比が高いとキャリアの注入効率が悪化し、Ａｌの組成比が低いと閉じ込め効率が悪化するという問題があり、出力を低下させる要因となっていた。したがって、障壁層としての機能を損なわずに出力向上を図るためには、発光波長に応じてＡｌ組成比を選択する必要があった。なお、特許文献１、２のいずれも、発光波長に応じてＡｌ組成比を最適化しているわけではない。
【０００７】
そこで本発明の目的は、発光波長に応じてＭＱＷの障壁層のＡｌ組成比を最適化し、発光効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、井戸層よりもバンドギャップが大きなＡｌを含むIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、障壁層のＡｌ組成比をｘ（％）、障壁層のバンドギャップエネルギーと前記井戸層のバンドギャップエネルギーとの差をｙ（ｅＶ）として、１２．９≦−２．８ｘ＋１００ｙ≦３７、かつ、０．６５≦ｙ≦０．８６を満たすよう井戸層および障壁層を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【０００９】
第２の発明は、Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体からなる井戸層、井戸層よりもバンドギャップが大きなＡｌを含むIII 族窒化物半導体からなる障壁層、が順に繰り返し形成されたＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、障壁層のＡｌ組成比をｘ（％）、井戸層のＩｎ組成比をｚ（％）として、１６２．９≦７．１ｘ＋１０ｚ≦２１６．１、かつ、３．１≦ｚ≦９．２を満たすよう井戸層および障壁層を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１０】
第１、２の発明において、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される化合物半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。ｎ型不純物にはＳｉ、ｐ型不純物にはＭｇが通常用いられる。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。
【００１１】
井戸層と障壁層との間に、井戸層の成長温度と同じ成長温度で形成させるキャップ層を設けてもよい。障壁層を形成する際の昇温時に井戸層からのＩｎの離脱が防止されるため、発光効率を向上させることができる。特に、Ａｌ組成比が０より大きく障壁層のＡｌ組成比以下であるキャップ層を設けるとよい。キャップ層においてキャリアが再結合してしまうのを低減することができ、発光効率をより向上させることができる。このようなキャップ層を設けた場合、キャップ層の厚さは１〜８分子層とするのが望ましい。この範囲であれば、発光効率のキャップ層厚さ依存性が低減され、再現性、生産性、歩留まりをより向上させることができる。
【００１２】
ＭＱＷ構造の周期数は、３〜１０であることが望ましい。３より少ないと、ＭＱＷ構造とすることによる発光効率向上効果が十分でなく、１０よりも多いと発光効率を低下させてしまうからである。
【００１３】
井戸層にはＩｎＧａＮ、障壁層にはＡｌＧａＮを用いることができる。障壁層は単層でもよいし、複数の層で構成されていてもよい。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、発光波長が３８０〜４１０ｎｍであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１５】
第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、井戸層はＩｎＧａＮ、障壁層はＡｌＧａＮであることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、発光波長に応じてＭＱＷ構造の障壁層のＡｌ組成比を最適化することができ、キャリアの注入効率と閉じ込め効率を最適化することができる。その結果、III 族窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。特に本発明は、発光波長が３８０〜４１０ｎｍのIII 族窒化物半導体発光素子に適している。発光波長がこの範囲のIII 族窒化物半導体発光素子は、従来、発光効率が低かったが、本発明により発光効率を効果的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図。
【図２】発光層１３の構成を示した図。
【図３】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について示した図。
【図４】バンドギャップエネルギー差と障壁層１３１のＡｌ組成比の関係を示した図。
【図５】井戸層１３０のＩｎ組成比と障壁層１３１のＡｌ組成比の範囲を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１９】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成を示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、サファイア基板１０上に、ｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１１、ｉ−ＧａＮとｉ−ＩｎＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｎ型クラッド層１２、ＭＱＷ構造の発光層１３、ｐ−ＩｎＧａＮとｐ−ＡｌＧａＮが交互に繰り返し形成された超格子構造であるｐ型クラッド層１４、ｐ−ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１５が順に積層され、ｐ型コンタクト層１５上にｐ電極１６が形成され、ｐ型コンタクト層１５表面側からｎ型コンタクト層１１に達する深さまで一部がエッチングされることにより露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１７が形成された構造である。ｎ型コンタクト層１１とｎ型クラッド層１２との間にｉ−ＧａＮとｎ−ＧａＮからなるＥＳＤ層を設け、静電耐圧特性を高めるようにしてもよい。また、ｐ電極１６とのコンタクトを良好とするため、ｐ型コンタクト層１５は、Ｍｇ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。同じく、ｎ電極１７とのコンタクトを良好とするため、ｎ型コンタクト層１１は、Ｓｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよい。
【００２０】
サファイア基板１０以外には、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮなどを基板として用いることができる。また、基板にはストライプ状、ドット状などの凹凸加工が施されていてもよい。
【００２１】
発光層１３は、図２に示すように、ＩｎＧａＮからなる井戸層１３０、ＡｌＧａＮからなる障壁層１３１が順に８回繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。井戸層１３０の厚さは３ｎｍ、障壁層１３１の厚さは２〜３ｎｍである。
【００２２】
なお、ＭＱＷ構造の周期数は上記８に限るものではなく、３〜１０であればよい。３より少ないと、ＭＱＷ構造とすることによる発光効率向上効果が十分でなく、１０よりも多いと発光効率を低下させてしまうからである。より望ましくは８〜１０である。また、井戸層１３０および障壁層１３１の厚さは上記範囲に限るものではなく、井戸層１３０の厚さは２〜４ｎｍ、障壁層１３１の厚さは２〜８ｎｍであればよい。この範囲であれば発光効率を効果的に向上させることができる。より望ましいのは、井戸層１３０の厚さを３〜４ｎｍ、障壁層１３１の厚さを２〜４ｎｍとすることである。
【００２３】
井戸層１３０と障壁層１３１との間に、井戸層１３０の成長温度と同じ成長温度で形成させるキャップ層を設けてもよい。障壁層１３１を形成する際の昇温時に井戸層１３０からのＩｎの離脱が防止されるため、発光効率を向上させることができる。特に、Ａｌ組成比が０より大きく障壁層１３１のＡｌ組成比以下であるキャップ層を設けるとよい。キャップ層においてキャリアが再結合してしまうのを低減することができ、発光効率をより向上させることができる。最も望ましいのは、キャップ層のＡｌ組成比と障壁層１３１のＡｌ組成比を同一とすることである。キャップ層の厚さは１〜８分子層とするのが望ましい。１分子層はIII 族窒化物半導体のｃ軸の格子定数の１／２であり、ＧａＮの場合は約２．５９Åである。キャップ層の厚さが１〜８分子層の範囲であれば、発光効率のキャップ層厚さ依存性が低減され、再現性、生産性、歩留まりをより向上させることができる。キャップ層は複数の層で構成されていてもよい。
【００２４】
ｐ電極１６は、フェイスアップ型とする場合には、たとえばｐ型コンタクト層１５上にほぼ全面にわたって形成されたＩＴＯ電極と、ＩＴＯ電極上に配線状に形成されたＮｉ／Ａｕからなる配線電極とで構成された電極であり、フリップチップ型とする場合は、たとえばＡｇ、Ｒｈなどの高反射な金属材料からなる電極である。また、ｎ電極１７は、たとえばＴｉ／Ａｌなどである。
【００２５】
次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について説明する。
【００２６】
まず、サファイア基板１０を水素雰囲気中で加熱し、サーマルクリーニングを行う。次に、サファイア基板１０上に、バッファ層（図示しない）を介してＭＯＣＶＤ法によりｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２を順に形成する（図３（ａ））。キャリアガスには水素と窒素を用い、窒素源にはアンモニア、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ドーパントガスにはＳｉＨ4 （シラン）を用いる。
【００２７】
次に、成長温度７５０〜８５０℃で厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮからなる井戸層１３０を形成する工程、井戸層１３０上に成長温度８５０〜９５０℃で厚さ２〜３ｎｍのＡｌＧａＮからなる障壁層１３１を形成する工程、を順に８回繰り返して、ｎ型クラッド層１２上にＭＱＷ構造の発光層１３を形成する（図３（ｂ））。井戸層１３０、障壁層１３１のいずれの層もＭＯＣＶＤ法によって形成し、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）を用い、キャリアガスや他の原料ガスはｎ型コンタクト層１１、ｎ型クラッド層１２の形成時と同様である。
【００２８】
ここで、井戸層１３０と障壁層１３１は、障壁層１３１のＡｌ組成比をｘ（％）、障壁層１３１のバンドギャップエネルギーと井戸層１３０のバンドギャップエネルギーとの差をｙ（ｅＶ）として、１２．９≦−２．８ｘ＋１００ｙ≦３７、かつ、０．６５≦ｙ≦０．８６、の範囲を満たすように形成する。あるいは、障壁層１３１のＡｌ組成比をｘ（％）、井戸層１３０のＩｎ組成比をｚ（％）として、１６２．９≦７．１ｘ＋１０ｚ≦２１６．１、かつ、３．１≦ｚ≦９．２、の範囲を満たすように形成する。なお、この範囲とすることで発光波長は３８０〜４１０ｎｍとなる。
【００２９】
次に、発光層１３上にｐ型クラッド層１４、ｐ型コンタクト層１５を順に形成する（図３（ｃ））。Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ｐ型ドーパント源にはＣｐ2 Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いる。キャリアガスや他の原料ガスはｎ型コンタクト層１１などの形成時と同様である。
【００３０】
次に、熱処理によってＭｇを活性化した後、ｐ型コンタクト層１５表面側からドライエッチングを行ってｎ型コンタクト層１１に達する溝を形成する。そして、ｐ型コンタクト層１５上にｐ電極１６を形成し、ドライエッチングによる溝底面に露出したｎ型コンタクト層１１上にｎ電極１７を形成する。以上により、図１に示すIII 族窒化物半導体発光素子が作製される。
【００３１】
井戸層１３０と障壁層１３１について、上記範囲を満たすように形成した理由を以下に説明する。図４は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子と同一構成のIII 族窒化物半導体発光素子において、バンドギャップエネルギー差（単位ｅＶ）と障壁層１３１のＡｌ組成比（単位％）とを示したグラフである。ここで、バンドギャップエネルギー差は、障壁層１３１のバンドギャップエネルギーと井戸層１３０のバンドギャップエネルギーとの差を示している。このバンドギャップエネルギー差は、電子に対する障壁層の高さと、ホールに対する障壁層の高さとを合わせたものである。図４において点線または実線で示した斜線は、その線上が同一の発光波長であることを示している。また、斜線の間隔は５ｎｍの波長の違いを示していて、最も左側（Ａｌ組成比が小さい側）の斜線は発光波長４１０ｎｍ、最も右側の斜線は発光波長３８０ｎｍである。また、図４中の三角のプロットは、発光波長が３８０〜３８５ｎｍのIII 族窒化物半導体発光素子において、Ａｌ組成比を変化させた場合を示している。また、丸のプロットは、発光波長が４００〜４１０ｎｍのIII 族窒化物半導体発光素子において、Ａｌ組成比を変化させた場合を示している。また、各プロットに矢印をもって付記した数値は、そのＡｌ組成比での相対出力を示している。
【００３２】
なお、バンドギャップエネルギー差を算出するに当たって、井戸層１３０のバンドギャップエネルギーは、λ＝１２４０／ΔＥ（λ：発光波長、ΔＥ：バンドギャップエネルギー）によって算出し、障壁層１３１のバンドギャップエネルギーは、次の各値を元にベガード則から算出した。ＧａＮのバンドギャップエネルギー、３．３９ｅＶ。ＡｌＮのバンドギャップエネルギー、６．２ｅＶ。ＩｎＮのバンドギャップエネルギー、０．６５ｅＶ。
【００３３】
図４のように、発光波長に応じて、最適な障壁層１３１のＡｌ組成比の値が変動している様子が見て取れる。また、図４から、発光効率が向上している範囲は、バンドギャップエネルギー差が０．６５〜０．８６の範囲で、かつ、３８０ｎｍの斜線と４１０ｎｍの斜線に挟まれた領域である。すなわち、障壁層１３１のＡｌ組成比をｘ（％）、障壁層１３１のバンドギャップエネルギーと井戸層１３０のバンドギャップエネルギーとの差をｙ（ｅＶ）として、１２．９≦−２．８ｘ＋１００ｙ≦３７、かつ、０．６５≦ｙ≦０．８６、の範囲である。すなわち、頂点の座標が、（１０，０．６５）、（１８．６，０．６５）、（２６．１，０．８６）、（１７．５，０．８６）である平行四辺形の内部領域である。この範囲に含まれるように、発光波長に応じて障壁層１３１のＡｌ組成比を調整すれば、高い発光効率のIII 族窒化物半導体発光素子が得ることができる。
【００３４】
図５は、図４を用いて示した上述の範囲について、バンドギャップエネルギー差を井戸層１３０のＩｎ組成比（単位％）に換算して示したグラフである。図４における３８０ｎｍの斜線は、井戸層１３０のＩｎ組成比が９．２％の場合に対応し、４１０ｎｍの斜線は、井戸層１３０のＩｎ組成比が３．１％の場合に対応している。そのため、上述の範囲は、図５のように、障壁層のＡｌ組成比をｘ（％）、井戸層のＩｎ組成比をｚ（％）として、１６２．９≦７．１ｘ＋１０ｚ≦２１６．１、かつ、３．１≦ｚ≦９．２の範囲となる。すなわち、頂点の座標が（１８．６，３．１）、（２６．１，３．１）、（１７．５，９．２）、（１０，９．２）である平行四辺形の内部領域である。この範囲に含まれるように、発光波長に応じて障壁層１３１のＡｌ組成比を調整すれば、高い発光効率のIII 族窒化物半導体発光素子を得ることができる。
【００３５】
なお、本発明はIII 族窒化物半導体発光素子の発光層の製造工程に特徴を有するものであり、発光層以外のIII 族窒化物半導体発光素子の構造、およびその製造工程については、従来知られている種々の構造、製造工程を採用可能である。たとえば、基板として導電性の材料を用いるなどし、上下に電極を設けて基板に垂直な方向に導通を取る構造の発光素子に対しても、本発明は適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明によって得られるIII 族窒化物半導体発光素子は、照明装置などに用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０：サファイア基板
１１：ｎ型コンタクト層
１２：ｎ型クラッド層
１３：発光層
１４：ｐ型クラッド層
１５：ｐ型コンタクト層
１６：ｐ電極
１７：ｎ電極
１３０：井戸層
１３１：障壁層
【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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