(57)【要約】【課題】  発光層のＩｎ濃度に影響を与えないように平坦な発光層を成長させることを図ったIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。【解決手段】  この製造方法は、ｎ側超格子層１５０を形成するｎ側超格子層形成工程を有する。ｎ側超格子層形成工程では、ＩｎＧａＮ層１５１と、ＩｎＧａＮ層１５１の上のＧａＮ層１５２と、ＧａＮ層１５２の上のｎ型ＧａＮ層１５３と、を繰り返して形成する。ＩｎＧａＮ層１５１を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給する。ｎ型ＧａＮ層１５３を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第１の混合ガスを供給する。第１の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内である。【選択図】図４
2016092253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｎ型半導体層形成工程は、
ｎ側超格子層を形成するｎ側超格子層形成工程を有し、
前記ｎ側超格子層形成工程では、
少なくともＩｎＧａＮ層と、前記ＩｎＧａＮ層の上の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上の第２の半導体層と、を繰り返して形成し、
前記ＩｎＧａＮ層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給し、
前記第２の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第１の混合ガスを供給し、
前記第１の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、
体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｎ側超格子層形成工程では、
前記第１の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給すること
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】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｎ側超格子層形成工程では、
前記第１の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第２の混合ガスを供給し、
前記第２の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、
体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｎ側超格子層形成工程では、次式
０  ＜  Ａ  ≦  ０．７５
０．１６７×Ｂ  ＋  ０．０３３  ≦  Ａ
Ａ  ≦  ０．１６７×Ｂ  ＋  ０．３５０
Ａ：キャリアガスにおける水素ガスの混合比
Ｂ：半導体層の成長速度（ｎｍ／ｓ）
を満たすように、前記ｎ側超格子層を成長させること
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５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
キャリアガスとして水素ガスを供給せずに窒素ガスを供給すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、平坦な発光層を形成するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物半導体発光素子は、電子と正孔とが再結合することにより発光する発光層を有する。この発光層は、井戸層と、障壁層と、を有する。障壁層のバンドギャップは、井戸層のバンドギャップよりも大きい。そして、半導体発光素子には、井戸層と障壁層とを繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するものがある。
【０００３】
このように、発光層は、幾層にも積層された半導体層を有する。これらの発光層を構成する半導体層については、平坦であることが好ましい。発光層が平坦であるほど、好適な井戸層のポテンシャルが形成されるからである。そして、その井戸層で電子と正孔とがより好適に再結合する。つまり、発光層の平坦な発光素子ほど、その発光素子は明るい。
【０００４】
そのため、発光層の結晶性等を改善する技術が開発されてきている。例えば、特許文献１では、Ｉｎの偏析を抑制するために、井戸層と障壁層との成長中断時に水素を添加することにより結晶性を向上させる方法について記載されている（特許文献１の段落［０００６］参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１４１２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、発光層を形成する際に水素を用いることにより、Ｉｎの偏析を抑制することができる。しかし、水素は、Ｉｎをエッチングにより除去してしまうことがある。この場合には、発光層の井戸層におけるＩｎ濃度を変化させてしまう。その結果、発光素子の明るさの減少や、発光波長の変位を招くことがある。
【０００７】
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題は、発光層のＩｎ濃度に影響を与えないように平坦な発光層を成長させることを図ったIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。ｎ型半導体層形成工程は、ｎ側超格子層を形成するｎ側超格子層形成工程を有する。ｎ側超格子層形成工程では、少なくともＩｎＧａＮ層と、ＩｎＧａＮ層の上の第１の半導体層と、第１の半導体層の上の第２の半導体層と、を繰り返して形成する。ＩｎＧａＮ層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給する。第２の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第１の混合ガスを供給する。第１の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内である。
【０００９】
このIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法では、ｎ側超格子層を平坦に成長させる。そのため、その上の発光層の各層も平坦に成長させることができる。このとき、発光層を成長させる際にキャリアガスに水素ガスを混合させる必要性は無い。水素ガスは、発光層のＩｎをエッチングしてしまうおそれがある。そのため、発光層を成長させる際にキャリアガスとして水素ガスを用いないほうが、発光素子の出力は高い。この製造方法では、発光層を成長させる際にキャリアガスとして水素ガスを用いることなく、発光層を平坦に成長させることができる。
【００１０】
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｎ側超格子層形成工程では、第１の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給する。
【００１１】
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｎ側超格子層形成工程では、第１の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第２の混合ガスを供給する。第２の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内である。
【００１２】
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｎ側超格子層形成工程では、次式
０  ＜  Ａ  ≦  ０．７５
０．１６７×Ｂ  ＋  ０．０３３  ≦  Ａ
Ａ  ≦  ０．１６７×Ｂ  ＋  ０．３５０
Ａ：キャリアガスにおける水素ガスの混合比
Ｂ：半導体層の成長速度（ｎｍ／ｓ）
を満たすように、ｎ側超格子層を成長させる。
【００１３】
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、発光層形成工程では、キャリアガスとして水素ガスを供給せずに窒素ガスを供給する。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書では、発光層のＩｎ濃度に影響を与えないように平坦な発光層を成長させることを図ったIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態における発光素子の構造を示す概略構成図である。
【図２】実施形態における発光素子の半導体層の積層構造を示す図である。
【図３】実施形態におけるｎ側超格子層のキャリアガスの供給量を示すタイミングチャートである。
【図４】実施形態における半導体層の成長速度とキャリアガスにおける水素ガスの混合比との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態における発光素子の製造方法を説明するための図（その１）である。
【図６】実施形態における発光素子の製造方法を説明するための図（その２）である。
【図７】実施形態における発光素子の製造方法においてｎ側超格子層形成工程における水素ガスの混合比と光の出力との関係を示すグラフである。
【図８】実施形態における発光素子の製造方法において発光層形成工程における水素ガスの混合比と光の出力との関係を示すグラフである。
【図９】実施形態の変形例におけるｎ側超格子層のキャリアガスの供給量を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みの比は、概念的に示したものであり、実際の厚みの比を示しているわけではない。
【００１７】
１．半導体発光素子
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。図２は、発光素子１００における半導体層の積層構造を示す図である。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。
【００１８】
図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側静電耐圧層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０と、透明電極１９０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側静電耐圧層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、半導体層Ｅｐ１である。ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側静電耐圧層１４０と、ｎ側超格子層１５０とは、ｎ型半導体層である。ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、ｐ型半導体層である。
【００１９】
基板１１０の主面上には、半導体層Ｅｐ１が、低温バッファ層１２０、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ側静電耐圧層１４０、ｎ側超格子層１５０、発光層１６０、ｐ型クラッド層１７０、ｐ型コンタクト層１８０の順に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。
【００２０】
基板１１０は、ＭＯＣＶＤ法により、主面上に上記の各半導体層を形成するための成長基板である。そして、その表面に凹凸加工がされていてもよい。基板１１０の材質は、サファイアである。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどの材質を用いてもよい。
【００２１】
低温バッファ層１２０は、基板１１０の結晶性を受け継ぎつつ、上層を形成するためのものである。そのため、低温バッファ層１２０は、基板１１０の主面上に形成されている。低温バッファ層１２０の材質は、例えばＡｌＮやＧａＮである。
【００２２】
ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１とオーミック接触をとるためのものである。ｎ型コンタクト層１３０は、低温バッファ層１２０の上に形成されている。また、ｎ型コンタクト層１３０の上には、ｎ電極Ｎ１が位置している。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型ＧａＮである。そのＳｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3 以上である。また、ｎ型コンタクト層１３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極Ｎ１とのオーミック性を向上させるためである。ｎ型コンタクト層１３０の厚みは、例えば、１μｍ以上５μｍ以下である。もちろん、これ以外の厚みを用いてもよい。
【００２３】
ｎ側静電耐圧層１４０は、各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層である。ｎ側静電耐圧層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ側静電耐圧層１４０は、ノンドープのｉ−ＧａＮとｎ型ＧａＮとを積層した半導体層である。ｎ側静電耐圧層１４０の膜厚は、例えば、３００ｎｍである。
【００２４】
ｎ側超格子層１５０は、発光層１６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。より具体的には、ｎ側超格子層１５０は、超格子構造を有する超格子層である。ｎ側超格子層１５０は、ｎ側静電耐圧層１４０の上に形成されている。図２に示すように、ｎ側超格子層１５０は、ＩｎＧａＮ層１５１と、ＧａＮ層１５２と、ｎ型ＧａＮ層１５３と、を積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。その繰り返し回数は、１０回以上２０回以下の範囲内である。ただし、これ以外の回数であってもよい。
【００２５】
ここで、ＧａＮ層１５２は、ＩｎＧａＮ層１５１の上の第１の半導体層である。ｎ型ＧａＮ層１５３は、第１の半導体層の上の第２の半導体層である。ＩｎＧａＮ層１５１の膜厚は、０．３ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。ＧａＮ層１５２の膜厚は、０．３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮ層１５３の膜厚は、０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。
【００２６】
発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１６０は、ｎ側超格子層１５０の上に形成されている。発光層１６０は、障壁層１６１と、井戸層１６２と、を積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。つまり、発光層１６０は、この単位積層体を繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するものである。
【００２７】
この積層の繰り返し回数は、例えば、５回である。もちろん、これ以外の回数であってもよい。障壁層１６１は、例えば、Ｉｎを含むＩｎＡｌＧａＮ層である。井戸層１６２は、例えば、ＩｎＧａＮ層である。これらは、あくまで例示である。ただし、井戸層１６２は、Ｉｎを含む層である。なお、障壁層１６１として、上記のＩｎを含むＩｎＡｌＧａＮ層以外の層を有していてもよい。例えば、ＡｌＧａＮ層である。
【００２８】
障壁層１６１の厚みは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。井戸層１６２の厚みは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。そのため、ここで挙げた数値範囲を用いてもよい。なお、発光層１６０の全体での厚みは、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内である。もちろん、これ以外の範囲内であってもよい。
【００２９】
また、井戸層１６２の上にキャップ層を有していてもよい。キャップ層は、例えば、ＧａＮ層である。キャップ層は、井戸層１６２を熱から保護するための保護層である。例えば、井戸層１６２のＩｎを昇華させないようにする役割を担っている。キャップ層の厚みは、０．２ｎｍ以上１．８ｎｍ以下の範囲内である。キャップ層の厚みは、少なくとも０．２ｎｍ以上であるとよい。
【００３０】
ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。図２に示すように、ｐ型クラッド層１７０は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層して形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１のＩｎ組成比は、０．０５以上０．１２以下の範囲内である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１の厚みは、２ｎｍである。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２のＡｌ組成比は、０．２５以上０．４以下の範囲内である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２の厚みは、２．５ｎｍである。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、異なる構成であってもよい。
【００３１】
ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０の厚みは、８０ｎｍである。ｐ型コンタクト層１８０では、Ｍｇが１×１０19／ｃｍ3 以上１×１０22／ｃｍ3 以下の範囲内でドープされている。
【００３２】
透明電極１９０は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。透明電極１９０の材質は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 、ＳｎＯ2 のいずれかであるとよい。。
【００３３】
ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の側から、Ｎｉ、Ａｕを順に形成したものである。
【００３４】
ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。もちろん、これらに限らない。
【００３５】
また、発光素子１００は、半導体層Ｅｐ１等を保護する保護膜を有していてもよい。
【００３６】
２．ｎ側超格子層形成工程
本実施形態は、ｎ側超格子層形成工程に特徴点を有する。ｎ側超格子層形成工程では、ＩｎＧａＮ層１５１に影響の出ない範囲で、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いる。キャリアガスに水素ガスが混合されていることにより、成長させる半導体層、すなわち、ｎ側超格子層１５０の平坦性が向上する。
【００３７】
ここで、図３に示すように、ＩｎＧａＮ層１５１およびＧａＮ層１５２を成長させる際には、キャリアガスは窒素ガスである。このとき、窒素ガスの供給量は、Ｊ１である。水素ガスの供給量は、ゼロである。ｎ型ＧａＮ層１５３を成長させる際には、キャリアガスは窒素ガスと水素ガスとの混合ガスである。このとき、窒素ガスの供給量は、Ｊ２である。水素ガスの供給量は、Ｋ１である。ここで、Ｊ１の値は、Ｊ２の値より大きい。Ｋ１は、正の量である。
【００３８】
このように、ＩｎＧａＮ層１５１およびＧａＮ層１５２を成長させる際には、キャリアガスとして水素ガスを用いない。そして、ｎ型ＧａＮ層１５３を成長させる際には、キャリアガスとして水素ガスを用いる。これは、水素ガスが半導体層のＩｎをエッチングしてしまうおそれがあるからである。そのため、ＩｎＧａＮ層１５１およびＩｎＧａＮ層１５１を保護するＧａＮ層１５２を成長させる際には、キャリアガスとして水素ガスを用いないのである。
【００３９】
２−１．ｎ側超格子層形成工程におけるキャリアガスの水素濃度
本実施形態では、前述したように、ｎ型ＧａＮ層１５３を成長させる際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いる。キャリアガスにおける水素ガスの混合比Ａは、０％より大きく７５％以下の範囲内である。つまり、次式で表される。
０  ＜  Ａ  ≦  ０．７５                    ………（１）
Ａ：キャリアガスにおける水素ガスの混合比
この範囲は、図４における領域Ｈ１に該当する。領域Ｈ１は、図４中の線Ｌ１および線Ｌ２により挟まれた領域である。
【００４０】
また、キャリアガスにおける水素ガスの混合比Ａは、０％より大きく５０％以下の範囲内であるとなおよい。この領域は、線Ｌ１および線Ｌ３により挟まれた領域である。キャリアガスにおける水素ガスの混合比Ａは、０％より大きく４０％以下の範囲内であるとさらによい。この領域は、線Ｌ１および線Ｌ４により挟まれた領域である。
【００４１】
２−２．ｎ側超格子層形成工程におけるキャリアガスの水素濃度と成長速度との関係
水素ガスは、Ｇａ等の原材料原子のマイグレーションを促進する。そのため、水素ガスは、成長させる半導体層の表面を平坦にする。成長速度が速い場合には、半導体層の表面を平坦にする間もなく、半導体層が成長する。したがって、成長速度が速い場合には、水素ガスの濃度も高くすることが好ましい。
【００４２】
また、ｎ側超格子層１５０を成長させる際のキャリアガスの水素濃度と成長速度との関係について、図４に示す領域Ｒ１の範囲を採用するとなおよい。領域Ｒ１は、次式で表される。
０  ＜  Ａ  ≦  ０．７５                    ………（１）
０．１６７×Ｂ  ＋  ０．０３３  ≦  Ａ      ………（２）
Ａ  ≦  ０．１６７×Ｂ  ＋  ０．３５０      ………（３）
Ａ：キャリアガスにおける水素ガスの混合比
Ｂ：半導体層の成長速度（ｎｍ／ｓ）
このように、ｎ側超格子層形成工程では、式（１）−（３）を満たすようにｎ側超格子層１５０を成長させるとよい。
【００４３】
領域Ｒ１は、図４中の線Ｌ１、線Ｌ２、線Ｌ５、線Ｌ６により囲まれた領域である。線Ｌ５は、式（２）において等号が成り立つ場合を示す線である。線Ｌ６は、式（３）において等号が成り立つ場合を示す線である。この場合には、半導体層の成長速度に即して、半導体層の表面を平坦にできる。また、線Ｌ１、線Ｌ２、線Ｌ５、線Ｌ７により囲まれた領域であってもよい。線Ｌ７は、次式により表される。
Ａ  ＝  ０．１６７×Ｂ  ＋  ０．２２５
そのため、式（３）の代わりに次式を用いる。
Ａ  ≦  ０．１６７×Ｂ  ＋  ０．２２５
【００４４】
また、半導体層の成長速度は、次式を満たすとよい。
０．８ｎｍ／ｍｉｎ  ≦  Ｂ                  ………（４）
Ｂ：半導体層の成長速度（ｎｍ／ｓ）
半導体発光素子の生産性がよいからである。式（４）において等号が成り立つ場合の線を図４中の線Ｌ８に示す。
【００４５】
２−３．ｎ側超格子層形成工程の効果
本実施形態では、ｎ側超格子層１５０を平坦に成長させる。そのため、その上の発光層１６０の各層も平坦に成長させることができる。つまり、発光層１６０を成長させる際にキャリアガスに水素ガスを混合させることなく、発光層１６０を平坦に成長させることができる。水素ガスは、Ｉｎをエッチングしてしまうおそれがある。そのため、ＩｎＧａＮ層等を含む発光層１６０を形成する際に、水素ガスを用いないことが好ましい。本実施形態では、ｎ側超格子層１５０を平坦にすることにより、発光層１６０を平坦にする。また、発光層１６０を成長させる際に水素ガスを用いない。
【００４６】
また、ＩｎＧａＮ層１５１の上のＧａＮ層１５２に対しても、水素ガスを用いない。ＩｎＧａＮ層１５１の表面のＩｎをエッチングすることを好適に抑制することができるからである。つまり、ＧａＮ層１５２は、ＩｎＧａＮ層１５１の表面を保護する保護層としての役割を担う。
【００４７】
３．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。この製造方法は、基板にｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。ｎ型半導体層形成工程は、ｎ側超格子層を形成するｎ側超格子層形成工程を有する。
【００４８】
半導体層を形成する際には、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる。これにより、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。ここで用いるキャリアガスは、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）を用いる。
【００４９】
３−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、基板１１０の主面上に低温バッファ層１２０を形成する。その後に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、１０８０℃以上１１４０℃以下の範囲内である。ドープするＳｉのＳｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3 以上である。
【００５０】
３−２．ｎ側静電耐圧層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ側静電耐圧層１４０を形成する。このときの基板温度は、７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。
【００５１】
３−３．ｎ側超格子層形成工程
次に、ｎ側静電耐圧層１４０の上にｎ側超格子層１５０を形成する。まずは、ｎ側静電耐圧層１４０の上にＩｎＧａＮ層１５１から形成する。次に、図２に示すように、ＩｎＧａＮ層１５１の上にＧａＮ層１５２を形成する。ＧａＮ層１５２の上にｎ型ＧａＮ層１５３を形成する。そして、ＩｎＧａＮ層１５１と、ＧａＮ層１５２と、ｎ型ＧａＮ層１５３と、を単位積層体として、この単位積層体を繰り返し形成する。
【００５２】
ＩｎＧａＮ層１５１を成長させる際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給する。ＧａＮ層１５２を成長させる際には、キャリアガスとして窒素ガスを供給する。ここで、ＧａＮ層１５２は、ＩｎＧａＮ層１５１の上の第１の半導体層である。ｎ型ＧａＮ層１５３を成長させる際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第１の混合ガスを供給する。ここで、ｎ型ＧａＮ層１５３は、第１の半導体層の上の第２の半導体層である。
【００５３】
このときの第１の混合ガスに占める水素ガスの混合比は、体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内である。つまり、式（１）を満たす。また、式（２）、（３）を満たすとなおよい。式（４）を満たすとさらによい。
【００５４】
３−４．発光層形成工程
次に、ｎ側超格子層１５０の上に発光層１６０を形成する。そのために、障壁層１６１と、井戸層１６２とを、この順序で積層した単位積層体を繰り返し積層する。つまり、発光層形成工程は、障壁層１６１を形成する障壁層形成工程と、障壁層１６１の上に井戸層１６２を形成する井戸層形成工程と、を有する。そして、これらの工程を繰り返し行う。障壁層１６１を成長させる際の基板温度を、８００℃以上９８０℃以下の範囲内とする。井戸層１６２を成長させる際の基板温度を、７３０℃以上８５０℃以下の範囲内とする。ここで、発光層形成工程では、キャリアガスとして水素ガスを供給せずに窒素ガスを供給する。
【００５５】
３−５．ｐ型クラッド層形成工程
次に、発光層１６０の上にｐ型クラッド層１７０を形成する。ここでは、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層する。
【００５６】
３−６．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ型クラッド層１７０の上にｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度を、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内とする。これにより、基板１１０に各半導体層が積層されることとなる。このとき、各半導体層は、図５に示すように積層されている。
【００５７】
３−７．透明電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上に透明電極１９０を形成する。そのために、スパッタリングや蒸着を用いればよい。
【００５８】
３−８．電極形成工程
次に、図６に示すように、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１８０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。そして、透明電極１９０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程とは、いずれを先に行ってもよい。
【００５９】
３−９．その他の工程
また、上記の工程の他、透明絶縁膜を形成する工程、熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１に示した発光素子１００が製造される。
【００６０】
４．実験
４−１．水素ガスの混合比
図７は、ｎ側超格子層１５０を成長させる際のキャリアガスに水素ガスを用いた場合を示すグラフである。図７の横軸は、キャリアガスにおける水素ガスの割合である。図７の縦軸は、発光素子１００における全放射束Ｐｏである。この全放射束Ｐｏは、水素ガスの割合が１％の場合を基準である１としてある。また、図７における半導体層の成長速度は、１ｎｍ／ｍｉｎである。そのため、成長速度が速くなれば、ピークは、図７中の右側に移動すると考えられる。図７に示すように、ｎ側超格子層１５０を成長させる際には、窒素ガスに水素ガスを混合させるとよい。そして、キャリアガスに占める水素ガスの混合比が０％より大きく７５％以下の場合に、その発光素子１００は明るい。また、キャリアガスに占める水素ガスの混合比が１％以上５０％以下の場合に、その発光素子１００はより明るい。
【００６１】
４−２．成長速度と水素ガスの混合比
図４は、成長速度とキャリアガスにおける水素ガスの混合比との関係を示すグラフである。図４の横軸は、成長速度である。図４の縦軸は、キャリアガスにおける水素ガスが占める割合（水素ガスの混合比）である。
【００６２】
図４の菱形のシンボルは、発光素子１００の明るさが最大出力の９８％以上１００％以下の範囲内であることを示している。そして、図４に示す領域Ｒ１では、発光素子１００の明るさが最大出力の９８％以上１００％以下の範囲内である。
【００６３】
バツ形状のシンボルは、発光素子１００の明るさが最大出力の９５％以上９８未満の範囲内であることを示している。図４に示すように、キャリアガスにおける水素ガスの占める割合が０％より大きく７５％以下の範囲内である場合に、発光素子１００の明るさは最大出力の９５％以上である。
【００６４】
このように、領域Ｈ１の条件で製造した発光素子１００は明るい。そして、領域Ｒ１の条件で製造した発光素子１００はさらに明るい。
【００６５】
４−３．他の発光素子との比較
比較例として、ここでは、発光層１６０を成長させる際に、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスをキャリアガスとして用いる場合を例に挙げる。発光素子では、発光層１６０の井戸層１６２は、Ｉｎを含有する。そのため、水素ガスが井戸層１６２のＩｎをエッチングしてしまう。実際に、図８に示すように、発光層１６０を成長させる際に、水素ガスを窒素ガスに混合した場合には、発光素子の光出力は、やや低い。
【００６６】
本実施形態の発光素子１００の発光層１６０は、比較例の発光素子の発光層よりも平坦である。また、本実施形態の発光素子１００の発光層１６０は、好適な井戸層１６２を有している。したがって、本実施形態の発光素子のほうが、比較例の発光素子よりも明るく発光する。
【００６７】
５．変形例
５−１．発光素子の種類
本実施形態では、フェイスアップ型の発光素子１００を例に挙げて説明した。しかし、本実施形態以外にも、フリップチップ型の発光素子や基板リフトオフ型の発光素子に対しても、本実施形態を適用することができる。これらの場合であっても、ｎ側超格子層１５０を成長させる際に窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いればよい。
【００６８】
５−２．ｎ側超格子層の構成
本実施形態では、ｎ側超格子層１５０として、ＩｎＧａＮ層１５１、ＧａＮ層１５２、ｎ型ＧａＮ層１５３を単位積層体として繰り返し形成する構造を採用している。ここで、ＧａＮ層１５２の代わりに、ＡｌＧａＮ層を用いてもよい。もしくは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮを用いてもよい。また、ｎ型ＧａＮ層１５３の上に別の窒化物半導体層を形成してもよい。このように、ｎ側超格子層１５０の半導体層であってＩｎＧａＮ層１５１およびそのすぐ上の半導体層以外の半導体層を形成する際に、窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いることとすればよい。
【００６９】
５−３．ｎ側超格子層のＧａＮ層への水素ガスの供給
本実施形態では、第１の半導体層であるＧａＮ層１５２を形成する際に、キャリアガスとして窒素ガスを用いる。しかし、図９に示すように、ｎ側超格子層形成工程では、第１の半導体層を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した第２の混合ガスを供給してもよい。第２の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、体積比で０％より大きく７５％以下の範囲内である。もちろん、第２の混合ガスにおける水素ガスの混合比は、第２の半導体層を成長させる際と同様に、種々の混合比であってもよい。この場合には、ｎ側超格子層１５０におけるＩｎＧａＮ層１５１以外の半導体層を成長させる際に、水素ガスをキャリアガスとして用いることとなる。ただし、この場合には、水素ガスがｎ側超格子層１５０のＩｎＧａＮ層１５１にわずかにダメージを与えるおそれがある。
【００７０】
５−４．組み合わせ
以上の変形例を自由に組み合わせてもよい。
【００７１】
６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００では、キャリアガスとして窒素ガスを用いて、ｎ側超格子層１５０のＩｎＧａＮ層１５１およびＧａＮ層１５２を成長させる。また、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いて、ｎ側超格子層１５０のｎ型ＧａＮ層１５３を成長させる。これにより、ｎ側超格子層１５０を平坦に成長させる。そのため、その上の発光層１６０の各層も平坦に成長させることができる。このとき、発光層１６０を成長させる際にキャリアガスに水素ガスを混合させる必要性は無い。このように、発光層１６０を平坦に成長させるとともに、発光層１６０のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比に影響を与えないIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法が実現されている。
【００７２】
なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ｎ側静電耐圧層
１５０…ｎ側超格子層
１５１…ＩｎＧａＮ層
１５２…ＧａＮ層
１５３…ｎ型ＧａＮ層
１６０…発光層
１７０…ｐ型クラッド層
１８０…ｐ型コンタクト層
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図４】
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【図８】
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