(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数積層された半導体層の一部を発光層とする半導体発光素子において、前記発光層には複数の孔が、積層半導体層中の転位線が当該発光層を通過する部位を含む領域に形成されており、該複数の孔が該発光層の上に形成された半導体層により埋まっている半導体発光素子。
【請求項２】
前記の孔は発光層を貫通する孔である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
発光層はＧａＮ系半導体材料からなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
表面に微小孔を有する発光層を成長した後、反応炉から取り出し、前記微小孔の深さ及び径を拡張させて欠陥部上の発光層を除去し、更に、その上に他の半導体層を成長させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
発光層はＧａＮ系半導体材料からなることを特徴とする請求項４記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子の発光層の構造・製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系材料を用いた半導体発光素子は、近年高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）が実現されたのを機会に研究が活発に行われており、半導体レーザーの室温連続発振の報告も聞かれるようになっている。
一般的に、このような半導体発光素子は、基板としてサファイアの単結晶を用い、その上にＭＯＣＶＤ法により低温でバッファー層を成長し、その後ＧａＮ系発光部を形成するという手順で作成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に基板上に半導体層を成長させる場合、格子定数が合致していない（格子不整合）状態では転位などの欠陥が発生する事が知られている。また基板界面からの貫通転位以外にも、不純物の混入や多層膜界面での歪み等の要因によっても膜中に転位などの欠陥が生じることがある。これら欠陥部は発光特性や寿命に悪影響を及ぼすことも知られている。これら転位は結晶欠陥であるため非発光再結合中心として働いたり、そこが電流のパスとして働き漏れ電流の原因になるなど、発光特性や寿命特性を低下させる原因となる。特にＧａＡｓ系発光素子などでは、ダークスポットと呼ばれる暗点欠陥が発光特性や寿命特性を悪化させる原因となっている。
【０００４】
また、ＧａＮ系（ＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）の半導体発光素子、特にサファイアを基板として用いた発光素子においては、基板とＧａＮ系層との間に大きな格子不整合が存在するため貫通転位が１０10個cm-2以上も存在することが知られており、活性層にもこの数の転位が存在する。従ってＧａＮ系においてもこのような欠陥が発光特性や寿命特性の向上を阻害する要因となっていると考えられている。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑み、発光特性や寿命特性に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、複数積層された半導体層の一部を発光層とする半導体発光素子において、前記積層半導体層における低転位領域を発光層として用いたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、複数積層された半導体層の一部を発光層とする半導体発光素子において、前記発光層には多数の孔が形成されていることを特徴とする。
前記の孔は発光層を貫通する孔であってもよい。
また、前記の孔は積層半導体層中の転位線が発光層を通過する部位を含む領域に形成されていることが望ましい。
さらに、発光層はＧａＮ系半導体材料からなる場合に本発明は好適である。
【０００８】
また、本発明の半導体発光素子の製造方法は、表面に微小孔を有する発光層を成長し、前記微小孔の深さ及び径を拡張させた後、もしくは拡張させつつ、その上に他の半導体層を成長させることを特徴とするものである。
【０００９】
この場合、発光層はＧａＮ系半導体材料からなることが好ましく、また前記微小孔の拡張は水素含有雰囲気で行うことが望ましい。さらに、発光層成長、微小孔の拡張、及び他の半導体層の成長を水素含有量を変化させることで、反応炉から取り出すことなく、連続して行うことが望ましい。
一方、発光層を成長した後、反応炉から取り出し、欠陥部上の発光層を除去した後、その上に他の半導体層を成長させるようにしても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態及び作用】
本発明の半導体発光素子によれば、低転位領域を発光層として用いることにより、結果として高品質な結晶の部分のみを発光層として用いることとなるので、発光特性や寿命特性を向上させることができる。
【００１１】
上記低転位領域を発光層として用いる具体的手段として、発光層に多数の孔を形成させる方法が挙げられる。この孔は発光層における欠陥部に対応して設けられることを目的としており、これにより発光層は欠陥の部分を除去した場所、つまり低転位領域のみとすることができる。したがって、この孔を発光層に多数存在させることで、発光層を低転位化することが可能となる。
【００１２】
孔の形成は発光層の形成中、形成後、いずれであっても良い。なお、発光層に孔が形成された後、その上に別の半導体層を形成されたことにより、該孔が埋まってしまっていても構わない。この孔を発光層に存在させることが上記目的を得ることにつながるからである。
【００１３】
前記孔について特に制限はないが、特に発光層の下部層に至るような貫通孔であると厚さ方向の欠陥部を完全に除去できるため望ましい。また、孔の形成箇所は、ランダムな形成であってもある程度欠陥を除去できるのでそれでも良いが、特に積層半導体中の転位線が発光層を通過する部位を含む領域に形成すると、発光層全体の欠陥を除去できるため好ましい。
【００１４】
とりわけ、ＧａＮ系（ＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）の半導体発光素子では、サファイアを基板として用いることが多く、大きな格子不整合が原因の貫通転位等の欠陥が生じやすいことから、前記した孔を発光層に設けることの利点が大きい。
また、サファイア以外の基板、例えばＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＬＧＯ、ＬＡＯなどの基板を用いた場合でも、前記孔の効果は同じである。
【００１５】
一方本発明者らは、発光層にＩｎＧａＮを用いた場合、発光層に存在する微小孔を拡張させつつ、発光層を覆うような成長が容易に行い得ることを見出した。なおここでいう微小孔とは、発光層を成長した段階ですでに存在する孔のことを意味し、拡張により拡げた孔と区別するために微小と表現しており、特に大きさについて限定をするものではない。
【００１６】
かかる現象は次の作用によると考えている。即ち、ＧａＮ系材料を気相成長する場合、ドロップレット（金属リッチな部分が生じる）生成、成膜、下地層をエッチング、の３つのケースがあることが言われている。前記気相エッチングを行う場合、微小孔は貫通転位などに起因した欠陥であるため結晶性が悪いことが推測され、微小孔のないところに比べ微小孔の部分が先にエッチングされる。このエッチングにより微小孔を拡張させた後に、もしくは拡張させつつ成膜する条件にすることで、発光層は貫通転位などの欠陥の部分を除去した場所、つまり低転位領域のみとなる。
【００１７】
なお、上記説明では望ましい例としてＩｎＧａＮの場合について記載したが、程度の差はあるもののＧａＮやＡｌＮにも平衡状態の３つのケースが存在するため、低転位な発光層としてＧａＮ系材料（ＩｎX ＧａY ＡｌZ Ｎ：０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）何れでも良い。
【００１８】
また、前記のエッチングの傾向は成長の雰囲気によっても異なり、特に水素の含有率が多い場合はエッチングの進行が促進されるため好ましい。エッチングの促進を考えると水素の含有量は１００％雰囲気でも良いが、含有量が多すぎると発光層全体がエッチングされる可能性があるため、０．１〜２０％程度が好ましく、特に１〜１０％が好ましい。
【００１９】
上記の水素含有量を変化させることで、発光層の成長・微小孔の拡張・及び他の半導体層の成長を反応炉から取り出すことなく、連続して行うことができる。これにより本発明の半導体発光素子の効率的な製造が達成できる。
【００２０】
上記では反応炉から取り出すことなく、連続的に行う場合について述べたが、発光層を成長後一旦成長装置から取り出し、ウエットエッチングなどの方法により、微小孔を拡張し、その後再び半導体層を成長させる方法でも良い。ウェットエッチングを用いた場合、すでに存在する貫通転位などに起因した欠陥である微小孔以外の転位や欠陥が内在する場所も優先的にエッチングされるため、エッチングで残った部分はより低転位な場所となるためより好ましい。
【００２１】
前述の気相成長方法としてはＭＯＣＶＤ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法など何れの方法でもよく、特にＭＯＣＶＤ法では成長した膜の結晶性が良いものが出来る点からもっとも望ましい。またウエットエッチングは、熱アルカリ中につける方法やアルカリ中につけた状態で紫外線を照射する方法などが挙げられる。微小孔を拡張する方法としては上述のウエットエッチング以外にも、例えば気相や液相でのエッチングでもよい。
【００２２】
本発明でいう発光層とは、ダブルへテロ接合構造の場合は活性層を意味し、シングルへテロ接合構造、ホモ接合構造の場合は発光に関与する層のことを意味する。
【００２３】
【実施例】
次に本発明の具体的な実施例を説明する。
（実施例−１）
図１は本発明を説明するための一実施例である。図において、１は基板、２はバッファー層、３はｎ型ＧａＮクラッド層、４はＩｎＧａＮ活性層、５はｐ型ＧａＮクラッド層をそれぞれ示している。なお６はｎ電極、７はｐ電極を示している。
【００２４】
基板１としてはサファイアＣ面を用いた。まずこのサファイア基板１をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。その後、温度を５００℃まで下げＡｌ原料としてトリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、Ｎ原料としてアンモニアを流し、ＡｌＮ低温バッファー層２を成長した。つづいて温度を１０００℃に昇温しＧａ原料としてトリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）を、Ｎ原料としてアンモニアを、ドーパントとしてシランを流し、３μｍ厚のｎ型のＧａＮクラッド層３を得た。
その後、成長雰囲気を水素から窒素に変えアンモニアを流した条件下で７００℃まで成長温度を下げた。７００℃に安定した後Ｉｎ原料としてのトリメチルインジュウム（以下ＴＭＩ）とＴＭＧ、アンモニアを流し、１００ｎｍ厚のＩｎＧａＮ活性層４を得た。なおこのときのＴＭＧ、ＴＭＩのバブリングは窒素で行った。
しかる後、雰囲気中に流量比で１０％の水素を加え１０００℃まで昇温した。この後ＴＭＧ、アンモニア及びドーパント原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下Ｃｐ２Ｍｇ）を流し、０．５μｍ厚のｐ型ＧａＮクラッド層５を得た。
【００２５】
このようにして得られたサンプルをドライエッチングによりｐ型層と発光層の一部をエッチング除去し、ｎ型層を露出させ、ｎ型電極６、ｐ型電極７を形成しＬＥＤを作成した。このＬＥＤをＴｏ−１８ステム台にマウントし、光度の測定を行ったところ、２０ｍＡで２５ｍｃｄのものが得られた。
なお得られたサンプルの表面を光学顕微鏡で観測したところピット状の孔が観測された。更に詳しく見るため走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭ）で観察したところ拡張された孔が多数存在していた。
【００２６】
（実施例−２）
実施例−１のうち、活性層の厚みを１０ｎｍとした以外は実施例−１と同じにしてＬＥＤを作製した。このＬＥＤをＴｏ−１８ステム台にマウントし、光度の測定を行ったところ、２０ｍＡで３０ｍｃｄのものが得られた。
また、これにより得られたサンプルの表面を光学顕微鏡で観測したところ非常に綺麗な面が観測された。更に詳しく見るためＳＥＭで３万倍で観察したが、フラットな表面が得られていることが観測された。更に詳しく見るため透過型電子顕微鏡（以下ＴＥＭ）で活性層部を観察したところ１０ｎｍオーダーの孔が多数存在していた。
このことから、活性層上の半導体層の成長により活性層の孔が埋め込まれていても、活性層に孔が開いていれば本発明の目的が達せられることが判った。
【００２７】
（実施例−３）
実施例−１と同様にして発光層を成長した後、一旦成長を中断し、ＭＯＣＶＤ装置からサンプルを取り出した。このサンプルをアルカリ溶液であるＫＯＨ中につけ、Ｈｅ−Ｘｅランプを照射し、エッチング処理を行った。この後再びＭＯＣＶＤ装置内に配置し、窒素とアンモニアのみの雰囲気で１０００℃まで昇温した。その後ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを流しｐ型ＧａＮクラッド層を得た。これにより得られたサンプルの表面を光学顕微鏡で観測したところ全体的にややあれた感じがし、ピット状の孔が観測された。更に詳しく見るためＳＥＭで観察したところ、全体的に凹凸があり、エッチングで拡張された孔が多数観測された。またＬＥＤを作成し、光度を測定したところ、２８ｍｃｄであった。
【００２８】
（比較例−１）
上記した実施例−１のプロセスの内、発光層成長後の孔の拡張処理を行わなかったこと以外には実施例−１と同様としてサンプルを作成した。
これにより得られたサンプルの表面を光学顕微鏡で観測したところ非常に綺麗な面が観測された。更に詳しく見るためＳＥＭで観察したところ、孔らしい痕跡はあるものの埋め込まれたような状態になっておりフラットな表面に近いものが得られていることが観測された。またＬＥＤを作成し、光度を測定したところ、１５ｍｃｄであった。
【００２９】
上記の実施例ではダブルへテロ接合構造について説明したが、シングルへテロ、ホモ接合構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）など他の構造についても適用可能であり、発明を活用できるものすべての構造において適用であることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明を用いることで、低転位な領域を発光層として用いることができ、発光・寿命特性に優れた半導体発光素子を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１      サファイア基板
２      ＡｌＮバッファー層
３      ｎ−ＧａＮクラッド層
４      ＩｎＧａＮ発光層
５      ｐ−ＧａＮクラッド層
６      ｎ電極
７      ｐ電極
【図１】
0003958818.tif 000002