(57)【要約】【課題】長波長の発光を提供でき小さなブルーシフトを示す構造の発光素子を提供する。【解決手段】窒化物系発光ダイオード１１では、窒化ガリウム基板１３の主面１３ａは半極性を示しており、また該六方晶系窒化ガリウムの（０００−１）面に対して１８度以上２８度以下の角度θで所定の方向に傾斜している。活性層１９は量子井戸構造２３を有しており、量子井戸構造２３は、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．２＜Ｘ＜１）からなる井戸層２５ａと窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂとを含む。活性層１９は、５１０ｎｍ以上の波長範囲にピーク波長を有する光を生成する。井戸層２５ａは、井戸層２５ａのＩｎＸＧａ１−ＸＮの（０００−１）面に対して傾斜した所定の平面（Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面）に沿って延びている。【選択図】図１
2009266963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５１０ｎｍ以上の波長範囲にピーク波長を有する光を生成する窒化物系発光素子であって、
六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムの（０００−１）面に対して１８度以上２８度以下の角度で所定の方向に傾斜した半極性主面を有する窒化ガリウム基板と、
前記窒化ガリウム基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、
前記窒化ガリウム基板上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、
ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．２＜Ｘ）井戸層と窒化ガリウム系半導体障壁層とを含み、前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面上に設けられた活性層と
を備え、
前記活性層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、
前記活性層、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面に交差する軸の方向に積層された、ことを特徴とする窒化物系発光素子。
【請求項２】
前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面を覆うＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）層を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載された窒化物系発光素子。
【請求項３】
前記ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層のインジウム組成は０．３５以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された窒化物系発光素子。
【請求項４】
前記ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層の幅は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された窒化物系発光素子。
【請求項５】
前記活性層は、５４０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する光を生成するように前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面上に設けられる、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された窒化物系発光素子。
【請求項６】
前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられたｎ型ＩｎＧａＮ層を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された窒化物系発光素子。
【請求項７】
前記所定の方向は、該六方晶系窒化ガリウムのａ軸またはｍ軸のいずれかの方向である、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された窒化物系発光素子。
【請求項８】
５１０ｎｍ以上の波長範囲にピーク波長を有する光を生成する半導体発光素子を製造する方法であって、
（０００−１）面から１０度以上２８度以下の角度で傾斜した半極性主面を有する窒化ガリウム基板を準備する工程と、
ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．２＜Ｘ）井戸層を有する活性層を前記半極性主面上に成長する工程と
を備え、
前記井戸層のための成長温度が摂氏６００度以上摂氏７００度以下の範囲に含まれる、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系発光素子、及び半導体発光素子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、サファイア基板上に成長されたＮ面ＧａＮを有するテンプレート上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造が記載されている。非特許文献２には、発光ダイオードが記載されている。発光ダイオードは、ｍ面サファイア基板上に成長されたＧａＮ膜上にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構を有する。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構は、半極性（１０−１−３）面上に成長されている。半極性（１０−１−３）面は、Ｇａ面に対して３２度の角度で傾斜している。非特許文献３には、発光ダイオードが記載されている。発光ダイオードは、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する。このＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造は、半極性（１１−２２）面ＧａＮ基板上に成長される。（１１−２２）面は、Ｇａ面に対して５８．４度の角度で傾斜している。
【非特許文献１】S. Kelier et al. Appl. Phys. Lett. Vol. 90 pp.191908, (2007)
【非特許文献２】R. Sharma et al. Appl. Phys. Lett. Vol. 87 pp.231110, (2005)
【非特許文献３】Mitsuru Funato et al. Jpn. J Appl. Phys.  Vol. 45 No. 26、 2005、 pp.L659-L662
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１及び２の発光素子は、サファイア基板上に設けられたテンプレートを用いており、ＧａＮ基板を用いていない。故に、低い転位密度のエピタキシャル膜が得られない。
【０００４】
発光素子がｃ面（極性面）窒化ガリウム基板上に作製されるとき、Ｇａ面及びＮ面であるかに関係なく、大きなブルーシフトが観測される。ブルーシフトの原因の一つは、ピエゾ電界である。発光素子がｍ面又はａ面（非極性面）窒化ガリウム基板上に作製されるとき、ピエゾ電界によるブルーシフトは生じない。
【０００５】
非特許文献１の量子井戸構造は、Ｎ極性面上に形成されているので、大きなブルーシフトを示す。また、非特許文献２及び３の発光ダイオードは、半極性面上に作製しているけれども、これらの半極性面は、ｃ面から大きな角度で傾斜しているので、大口径な半導体ウエハを用いて作製することに不向きである。しかしながら、小さなブルーシフトを示す発光素子が求められている。
【０００６】
また、半極性面上へのＩｎＧａＮの成長は、極性面上へのＩｎＧａＮの成長と異なっている。同じ成膜条件でＩｎＧａＮの成長を行うとき、半極性面に成長されたＩｎＧａＮのＩｎ組成は、極性面に成長されたＩｎＧａＮのＩｎ組成よりも小さくなる。ところが、長波長の発光の発光素子が求められている。このためには、大きなインジウム組成のＩｎＧａＮ層を成長することが必要である。
【０００７】
さらに、発光素子の作製を考慮するとき、発光素子は、大口径のウエハを用いて作製可能な構造を有することが好ましい。このためには、比較的小さいオフ角を有するウエハを用いることによって、入手可能なＧａＮウエハを作製する結晶成長技術を利用することが好適である。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、長波長の発光を提供でき小さなブルーシフトを示す構造の窒化物系発光素子を提供することを目的とし、またこの半導体発光素子を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面に係る窒化物系発光素子は、５１０ｎｍ以上の波長範囲にピーク波長を有する光を生成する窒化物系発光素子であって、（ａ）六方晶系窒化ガリウムからなり、該六方晶系窒化ガリウムの（０００−１）面に対して１８度以上２８度以下の角度で所定の方向に傾斜した半極性主面を有する窒化ガリウム基板と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板上に設けられたｎ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム基板上に設けられたｐ型窒化ガリウム系半導体領域と、（ｄ）ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．２＜Ｘ）井戸層と窒化ガリウム系半導体障壁層とを含み、前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面上に設けられた活性層とを備える。前記活性層は、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域と前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられ、前記活性層、前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域および前記ｐ型窒化ガリウム系半導体領域は、前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面に交差する軸の方向に積層された。
【００１０】
この窒化物系発光素子によれば、１８度以上２８度以下の角度で傾斜した半極性主面上にＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層が設けられ、またこのＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層が該ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層の（０００−１）面に対して傾斜した所定の平面に沿って延びる。故に、発光素子のブルーシフトを小さくできる。また、半極性面がＧａ面ではなくＮ面から傾斜されているので、Ｇａ面からの傾斜により提供される半極性面に比べて、Ｉｎ組成の取り込む量を増大できる。さらに、ｃ面に対して小さい傾斜角の半極性面を用いるので、この発光素子は、大口径のウエハを用いて作製できる。
【００１１】
本発明に係る窒化物系発光素子は、前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面を覆うＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）層を更に備えることができる。この窒化物系発光素子によれば、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層がＧａ面に比べて熱的に不安定な性質の上記半極性面を覆うので、発光素子のためのエピタキシャル成長が、Ｎ面的な性質の半極性面上に行うのではなく、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層上に行われる。
【００１２】
本発明に係る窒化物系発光素子は、前記活性層と前記ｎ型窒化ガリウム系半導体領域との間に設けられたｎ型ＩｎＧａＮ層を更に備えることができる。この窒化物系発光素子によれば、高いＩｎ組成の活性層とＧａＮ基板との間の格子定数差の影響を低減できる。
【００１３】
本発明に係る窒化物系発光素子では、前記所定の方向は、該六方晶系窒化ガリウムのａ軸またはｍ軸のいずれかの方向であることができる。この窒化物系発光素子によれば、半極性面における結晶成長が良好になる。
【００１４】
本発明に係る窒化物系発光素子では、前記活性層は、５４０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する光を生成するように前記窒化ガリウム基板の前記半極性主面上に設けられることができる。この窒化物系発光素子によれば、いわゆる緑色の波長領域の光を発生する発光素子を提供できる。
【００１５】
本発明に係る窒化物系発光素子では、前記ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層のインジウム組成は０．３５以下であることができる。また、本発明に係る窒化物系発光素子では、前記ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層の幅は５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることができる。窒化物系発光素子によれば、ピエゾ電界が小さいので、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層の幅を広げることができる。ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層の幅が２０ｎｍ以下であれば、格子緩和が生じない。
【００１６】
本発明に係る別の側面は、５１０ｎｍ以上の波長範囲にピーク波長を有する光を生成する方法である。この方法は、（ａ）（０００−１）面から１０度以上２８度以下の角度で傾斜した半極性主面を有する窒化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．２＜Ｘ）井戸層を有する活性層を前記半極性主面上に成長する工程とを備える。前記井戸層のための成長温度が摂氏６００度以上摂氏７００度以下の範囲に含まれる。
【００１７】
この方法によれば、１８度以上２８度以下の角度で傾斜した半極性主面上にＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層が形成され、またこのＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層が該ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層の（０００−１）面に対して傾斜した所定の平面に沿って延びる。故に、発光素子のブルーシフトを小さくできる。また、半極性面がＧａ面ではなくＮ面から傾斜されているので、Ｇａ面からの傾斜により提供される半極性面に比べて、Ｉｎ組成の取り込む量を増大できる。さらに、ｃ面に対して小さい傾斜角の半極性面を用いるので、この発光素子は、大口径のウエハを用いて作製できる。
【００１８】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、長波長の発光を提供でき小さなブルーシフトを示す構造の窒化物系発光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物系発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。窒化物系発光素子の例としては、例えば発光ダイオード、半導体レーザ等がある。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオードの一構造を概略的に示す図面である。図１には、直交座標系Ｓが示されている。該六方晶系窒化ガリウムのｃ軸の方向を示すベクトルＶＣが示されており、また代表的なｃ面Ｃが破線で描かれている。また、結晶軸の方向を示すために、結晶座標系ＣＲが示されており、互いに直交するａ軸、ｍ軸及びｃ軸が描かれている。窒化物系発光ダイオード１１は、窒化ガリウム基板１３と、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５と、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７と、活性層１９とを備える。窒化ガリウム基板１３は、六方晶系窒化ガリウムからなる。また、窒化ガリウム基板１３の主面１３ａは、半極性を示しており、また該六方晶系窒化ガリウムの（０００−１）面に対して１８度以上２８度以下の角度θで所定の方向に傾斜している。この傾斜により、ピエゾ電界の影響を低減可能な半導体発光素子を作製できる。角度θは、例えば（θＭ２＋θＡ２）１／２によって規定される。角度成分θＡは六方晶系窒化ガリウムのａ軸方向に対する傾斜角成分であり、角度成分θＭは六方晶系窒化ガリウムのｍ軸方向に対する傾斜角成分である。好ましくは、所定の方向は、ａ軸またはｍ軸のいずれかの方向であることができる。この窒化物系発光ダイオード１１によれば、半極性面における結晶成長が良好になる。ａ軸方向への傾斜によれば、ｍ軸方向にステップが並ぶという利点があり、ｍ軸方向への傾斜によれば、ａ軸方向にステップが並ぶという利点がある。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１９及びｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は、窒化ガリウム基板１３の主面１３ａ上に設けられている。また、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５、活性層１９およびｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は主面１３ａに交差する軸（例えば、図１に示されるＺ軸）の方向に配置されている。活性層１９は、５１０ｎｍ以上の波長範囲にピーク波長を有する光を生成するように設けられている。活性層１９は、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５とｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７との間に設けられている。活性層１９は量子井戸構造２３を有しており、量子井戸構造２３は、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０．２＜Ｘ＜１）からなる井戸層２５ａと窒化ガリウム系半導体からなる障壁層２５ｂとを含む。井戸層２５ａ及び障壁層２５ｂは、Ｚ軸の方向に交互に配列されている。井戸層２５ａは、井戸層２５ａのＩｎＸＧａ１−ＸＮの（０００−１）面に対して傾斜した所定の平面（Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面）に沿って延びている。
【００２２】
この窒化物系発光ダイオード１１によれば、１８度以上２８度以下の角度で傾斜した主面１３ａ上に井戸層２５ａが設けられ、またこの井戸層２５ａが該ＩｎＸＧａ１−ＸＮの（０００−１）面に対して傾斜したＸＹ平面に沿って延びる。故に、発光ダイオード１１のブルーシフトを小さくできる。また、傾斜角θがＧａ面ではなくＮ面から規定されるので、Ｇａ面からの傾斜により提供される半極性面に比べて、Ｉｎ組成の取り込む量を増大できる。さらに、ｃ面に対して小さい傾斜角の半極性面を用いるので、この発光素子は、大口径のウエハを用いて作製できる構造を有する。
【００２３】
活性層１９では、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層２５ａのインジウム組成Ｘは０．２０以上であることができ、これによって発光波長を長波長化できる。ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層２５ａのインジウム組成Ｘは０．３５以下であることができ、これによって発光波長を緑の範囲に伸ばすことができる。また、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層２５ａの幅ＤＷは５ｎｍ以上であることが好ましく、これによって発光強度を上げることができる。また、幅ＤＷは２０ｎｍ以下であることができ、これによって発光強度を上げつつ歪みによる格子緩和を抑制できる。発光ダイオード１１が半極性面１３ａを用いるので、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層２５ａ内のピエゾ電界が小さい。これ故に、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層２５ａの幅を広げることができる。ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層２５ａの幅ＤＷが２０ｎｍ以下であれば、格子緩和が生じない。
【００２４】
活性層１９では、障壁層２５ｂは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等といった窒化ガリウム系半導体からなることができる。障壁層２５ｂの幅ＤＢは、例えば５ｎｍ以上であり、また２０ｎｍ以下であることができる。
【００２５】
窒化物系発光ダイオード１１は、窒化ガリウム基板１３の主面１３ａを覆うＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ＜１）層２７を更に備えることができる。ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層２７がＧａ面に比べて熱的に不安定な性質の上記半極性面１３ａを覆うので、発光ダイオード１１のためのエピタキシャル成長が、熱的に不安定なＮ面的な性質の半極性面１３ａ上に行われることなく、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層２７上に行われる。ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層２７のアルミニウム組成Ｙは、０．０１以上であることが好ましく、０．１以下であることが好ましい。また、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ層２７の膜厚ＤＡｌは、５ｎｍ以上であることが好ましく、膜厚ＤＡｌは、２０ｎｍ以下であることが好ましく、これによって、結晶性の低下を伴うことなく初期表面を平坦化できる。
【００２６】
発光ダイオード１１は、活性層１９とｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５との間に設けられたＩｎＺＧａ１−ＺＮ（０＜Ｚ＜１）層２９を更に備えることができる。このＩｎＧａＮ層２９によれば、高い平均Ｉｎ組成の活性層１９とＧａＮ基板１３との間の格子定数差の影響を低減できる。ＩｎＺＧａ１−ＺＮ層２９のインジウム組成Ｚは、０．２５以上であることが好ましく、０．３５以下であることが好ましい。また、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ層２９の膜厚ＤＩｎは、５ｎｍ以上であることが好ましい。膜厚ＤＩｎは、２０ｎｍ以下であることが好ましく、これによって、格子緩和させずに発光波長を長波長化しつつ発光強度を上げることができる。
【００２７】
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５は、活性層１９に電子を提供するためにｎ型窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７は、例えば電子ブロック層３１及びｐ型コンタクト層３３を含むことができる。ｐ型コンタクト層３３上には、第１の電極３５が設けられている。第１の電極３５はｐ型コンタクト層３３に良好なオーミック接触を成す。ＧａＮ基板１３の裏面１３ｂには、第２の電極３７が設けられている。第２の電極３７はＧａＮ基板１３に良好なオーミック接触を成す。
【００２８】
発光ダイオード１１では、活性層１９からの光Ｌは、第１の電極３５を介して出射される。このため、第１の電極３５は、活性層１９からの光が透過可能なように設けられる。活性層１９は、５４０ｎｍ以下の範囲のピーク波長を有する光を生成するように窒化ガリウム基板１３の半極性主面１３ａ上に設けられる。この発光ダイオード１３によれば、いわゆる緑色の波長領域の光を発生する。
【００２９】
一例の発光ダイオードは、以下の構造を有する。
窒化ガリウム基板１３：オフ角１８度、厚さ４００マイクロメートル
ＡｌＧａＮ層２７：Ｓｉ添加Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ、厚さ１０ｎｍ
ｎ型窒化ガリウム系半導体領域１５：Ｓｉ添加ＧａＮ、２０００ｎｍ
活性層１９：Ｉｎ０．３Ｇａ０．７Ｎ／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ、厚さ３ｎｍ／１５ｎｍ
ｐ型窒化ガリウム系半導体領域１７：電子ブロック層３１及びｐ型コンタクト層３３
電子ブロック層３１：Ｍｇ添加Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ、厚さ２０ｎｍ
ｐ型コンタクト層３３：Ｍｇ添加ＧａＮ、厚さ５０ｎｍ。
【００３０】
図２は、本実施の形態に係る発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程Ｓ１０１では、図３（ａ）に示されるように、Ｎ面ＳＮから傾斜した主面を有するＧａＮウエハ４０を準備する。ＧａＮウエハ４０の主面４０ａは、Ｎ面からのオフ角が１８度以上２８度以下の範囲の角度で傾斜している。工程Ｓ１０２では、図３（ｂ）に示されるように、ＧａＮウエハ４０を成長炉Ｒに配置して、ＧａＮウエハ４０の熱処理を行う。熱処理は、アンモニア及び水素を含む雰囲気中で行われる。Ｎ面のための熱処温度は、例えば摂氏９００度である。
【００３１】
工程Ｓ１０３では、図３（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮウエハ４０の主面４０ａを覆ってｎ型ＡｌＧａＮ層４１をエピタキシャル成長する。成長温度は、例えば摂氏１０００度であり、また摂氏９５０度以上１０５０度以下の範囲であることができる。ｎ型ＡｌＧａＮ層４１の厚さは、例えば１０ｎｍ程度であり、また５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００３２】
工程１０４では、図３（ｄ）に示されるように、ｎ型ＡｌＧａＮ層４１の主面４１ａを覆ってｎ型ＧａＮ層４２をエピタキシャル成長する。成長温度は、例えば摂氏９５０度であり、また摂氏９００度以上１０５０度以下の範囲であることができる。ｎ型ＧａＮ層４２の厚さは、例えば２０００ｎｍ程度であり、また５００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００３３】
工程１０５では、図３（ｅ）に示されるように、ｎ型ＧａＮ層４２の主面４２ａを覆ってｎ型ＩｎＧａＮ層４３をエピタキシャル成長する。成長温度は、例えば摂氏７５０度であり、また摂氏７００度以上８５０度以下の範囲であることができる。ｎ型ＩｎＧａＮ層４３の厚さは、例えば５０ｎｍ程度であり、また１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であることができる。
【００３４】
工程Ｓ１０６では、図４（ａ）に示すように、活性層４４をｎ型ＩｎＧａＮ層４３上に形成する。活性層４４は、Ｉｎを含む一又は複数のIII族窒化物半導体層を有する。工程Ｓ１０７では、ｎ型ＩｎＧａＮ層４３上に障壁層４４ａを成長する。成長温度は、例えば摂氏７５０度であり、また摂氏７００度以上８００度以下の範囲であることができる。工程Ｓ１０８では、障壁層４４ａ上に井戸層４４ｂを成長する。成長温度は、例えば摂氏６５０度であり、また摂氏５５０度以上７００度以下の範囲であることができる。工程Ｓ１０９では、活性層が完成するまで、障壁層４４ａ及び井戸層４４ｂの成長を繰り返す。活性層４４の井戸層４４ｂはＩｎＧａＮからなることができ、障壁層４４ａはＩｎＧａＮまたはＧａＮからなることができる。井戸層の厚さは２０ｎｍ以下であり、また５ｎｍ以上であることができる。障壁層の厚さは例えば１５ｎｍである。ｎ型ＧａＮ半導体層４２上に低温成長ＩｎＧａＮ緩衝層４３を設けているので、活性層４４におけるＩｎＧａＮ井戸層４４ｂの歪みの影響が低減される。また、前述したように、井戸層４４ｂのｃ面もＮ面から１８度以上２８度以下の範囲のオフ角で傾斜している。
【００３５】
工程Ｓ１１０では、図４（ｂ）に示されるように、ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層４５を活性層４４上にエピタキシャル成長する。ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層４５は例えば電子ブロック層である。ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層４５の厚さは、例えば２０ｎｍであり、またｐ型ＡｌＧａＮ半導体層４５にはＭｇが添加されている。
【００３６】
工程Ｓ１１１では、図４（ｃ）に示されるように、ｐ型コンタクト層４６をｐ型ＡｌＧａＮ半導体層４５上にエピタキシャル成長する。ｐ型コンタクト層４６の厚さは、例えば５０ｎｍである。ｐ型コンタクト層４６は、例えばｐ型ＧａＮまたはｐ型ＡｌＧａＮであることができ、またｐ型コンタクト層４６にはＭｇが添加されている。これらの工程により。エピタキシャルウエハＥが作製される。
【００３７】
次いで、エピタキシャルウエハＥのｐ型コンタクト層４６上に第１の電極（アノード電極）を形成すると共に、ＧａＮウエハ４０の裏面４０ｂ上に第２の電極（カソード電極）を形成する。第１の電極は、例えば半透明電極であることができる。
【００３８】
（実施例）
ＩｎＧａＮ活性層が内包する格子不整歪みに起因したピエゾ電界を小さくするために、半極性基板を用いる。発明者による実験では、１８度から２８度の合成角オフ角の範囲では、（０００１）Ｇａ極性面からの傾斜によりも、（０００−１）Ｎ極性面からの傾斜の半極性面が、より多くのＩｎを取り込める。これは、半極性の表面に現れるボンドの違いに起因すると考えられる。オフ角が９０度に近づくにつれ、非極性面（表裏に差がない）の性質に近づく。このため、表面ボンドの差違による影響が少なくなり、Ｉｎ取り込みの差違が小さくなる。
【００３９】
また、表面の全てに窒素ボンドが現れているジャストＮ面に比べて、上記のオフ角の半極性面では、ウエハ表面の熱的及び化学的な安定性が改善され、エピタキシャル膜の表面荒れが低減される。
【００４０】
さらに、成長開始時にＡｌを含む窒化ガリウム系半導体層で半極性面を覆うことによって、エピタキシャル膜の表面におけるヒロックの発生を低減できる。これは、以下のように理解される：窒素（Ｎ）ステップ端に結合力の強いアルミニウムが結合すると共に、結合したアルミニウムを基点として引き続きステップフロー的の成長が進むので、エピタキシャル膜の平坦性が改善される。
【００４１】
Ｎ面からオフ角を有するＧａＮウエハ上へＩｎＧａＮエピタキシャル膜の成長を行った。（０００−１）Ｎ面から小さいオフ角で傾斜した窒化ガリウム面上に成長条件ではインジウムの取り込み量が少なく、さらに大きなオフ角の範囲では、さらにインジウムの取り込み量が少なくなった。例えば、（０００−１）面では、ＩｎＧａＮ活性層の成長温度は摂氏７６０度であり、成長速度は０．１５μｍ／ｈであった。この成長条件により、Ｉｎ０．２３Ｇａ０．７７Ｎエピタキシャル膜が得られ、このインジウム組成では青緑色のＰ発光が可能になる。しかしながら、同じ成長条件を用いて、Ｎ面からのオフ角を有するＧａＮウエハ上にＩｎＧａＮエピタキシャル膜を成長した。オフ角１８度においてインジウム組成は１４％であり、オフ角２８度においてインジウム組成は１１％であった。一方、（０００１）Ｇａ面への成長では、オフ角１８度においてインジウム組成は１０％であり、オフ角２８度においてインジウム組成は７％であった。Ｎ面から傾斜したＧａＮウエハを用いることは、取り込み可能なインジウム量を増加するために有効であった。
【００４２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した。ａ軸方向にオフ角１８度で傾斜したＧａＮウエハを準備した。アンモニア及び水素を含む雰囲気中で摂氏１０００度において、ＧａＮウエハを熱処理した。この後に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニアを成長炉で供給して、ｎ型ＡｌＧａＮ膜をＧａＮウエハ上に成長した。ｎ型ＡｌＧａＮ膜は、厚さ１０ｎｍである。成長条件では、ＴＭＧの流量は４．９ｓｃｃｍであり、ＴＭＡの流量は１１．５ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は２４ｓｌｍであった。
【００４３】
次いで、ＴＭＧ及びアンモニアを成長炉で供給して、ｎ型ＧａＮ膜をＡｌＧａＮ膜上に成長した。ｎ型ＧａＮ膜は、厚さ２０００ｎｍであった。成長条件では、ＴＭＧの流量は４０ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は２４ｓｌｍであった。
【００４４】
この後に、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びアンモニアを成長炉で供給して、ｎ型ＩｎＧａＮ膜をｎ型ＧａＮ膜上に成長した。ｎ型ＩｎＧａＮ膜は、厚さ５０ｎｍである。成長条件では、ＴＭＧの流量は３．０ｓｃｃｍであり、ＴＭＩの流量は１．８ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は２９．６ｓｌｍであった。
【００４５】
活性層の成長において、ＩｎＧａＮ井戸層の成長条件は、以下のものである：成長温度は摂氏６５０度であり、ＴＭＧの流量は６．０ｓｃｃｍであり、ＴＭＩの流量は３．２ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は１００ｓｌｍであった。また、成長速度は０．０８μｍ／ｈであった。インジウム組成は０．３であった。ＩｎＧａＮ障壁層の成長条件は、以下のものであった：成長温度は摂氏７５０度であり、ＴＭＧの流量は４．９ｓｃｃｍであり、ＴＭＩの流量は７．４ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は１４．７ｓｌｍであった。
【００４６】
活性層上に、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びアンモニアを成長炉で供給して、電子ブロック層のためのｐ型ＡｌＧａＮ膜を成長した。ｐ型ＡｌＧａＮ膜は、厚さ２０ｎｍである。成長条件では、ＴＭＧの流量は３．４ｓｃｃｍであり、ＴＭＡの流量は３．９ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は１９．６ｓｌｍであった。
【００４７】
ｐ型ＡｌＧａＮ膜上に、ＴＭＧ及びアンモニアを成長炉で供給して、コンタクト層のためのｐ型ＧａＮ膜を成長した。ｐ型ＧａＮ膜は、厚さ５０ｎｍであった。成長条件では、ＴＭＧの流量は２７ｓｃｃｍであり、アンモニアの流量は１９．４ｓｌｍであった。これによってエピタキシャルウエハが完成した。
【００４８】
エピタキシャルウエハ上に電極を形成した後に、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した。図５は上記実施形態に係る製造方法により得られる半導体発光素子の電流−ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）特性の一例であり、横軸は供給電流値（ｍＡ）を示し、縦軸はＥＬ強度（μＷ）を示している。また、図６は上記実施形態に係る製造方法により得られる半導体発光素子の発光スペクトルの一例であり、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は光強度（分光器の出力、単位はｍＶ）を示している。ピーク波長は５２０ｎｍの緑色発光であった。発光波長のブルーシフトは、２０ｍＡ〜２００ｍＡの印加電流において、６ｎｍであった。一方、Ｎ面ＧａＮウエハ上に同様にエピタキシャルウエハを作製した。エピタキシャルウエハ上に電極を形成した後に、ＥＬスペクトルを測定した。ピーク波長は５１１ｎｍであった。発光波長のブルーシフトは、２０ｍＡ〜２００ｍＡにおいて、２７ｎｍであった。
【００４９】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、ｃ面を主面とするＧａＮウエハを使用した場合と比較してピエゾ電界が小さく、且つ高いＩｎ組成を有する活性層においてブルーシフトが抑えられた緑色発光の半導体発光素子を作製できる。また、２インチサイズといった大口径の半極性ＧａＮウエハを用いて、緑発光のＬＥＤが作製できる。
【００５０】
図５は、活性層の成長の具体例を詳細に説明する図面である。図５（ａ）を参照すると、活性層４４を成長する際におけるＧａＮウエハ４０の温度の遷移が示されている。図５（ｂ）を参照すると、原料ガスの供給のプロファイルが示されている。まず、期間Ｔ１において井戸層となるＩｎＧａＮ結晶を成長させる。井戸層を成長させる工程においては、井戸層の成長温度は、摂氏５５０度以上であることができ、また摂氏７００度以下であることができる。一般的に、極性面上にＩｎＧａＮ結晶を成長する温度は、十分な結晶品質を得るために摂氏７８０度程度に設定される。しかしながら、本実施形態における井戸層の成長では、これより低い温度が用いられる。好適な成長温度は例えば摂氏６５０度である。
【００５１】
また、井戸層を成長する工程においては、Ｖ族元素の原料ガス（例えばアンモニア）の流量ＱＶ（ｍｏｌ／分）とＩｎ原料ガス（例えばトリメチルインジウム）の流量ＱＩｎ（ｍｏｌ／分）とのモル流量比（ＱＶ／ＱＩｎ）は、９０００以上であることが好ましく、また３００００以下であることが好ましい。一般的に、ＩｎＧａＮ結晶を成長させる際の上記モル流量比は、ドロップレットの発生を防止するため４００００程度に調整される。これよりも、本実施形態におけるモル流量比は低い。つまり、モル流量比はＩｎ原料ガスの割合が多い。好適なモル流量比は、例えば２４０００である。
【００５２】
また、井戸層を成長する工程においては、当該井戸層の成長速度は、０．０１（μｍ／時）以上であることが好ましく、０．１（μｍ／時）以下であることが好ましい。一般的に、ＩｎＧａＮ結晶の成長速度は０．１５（μｍ／時）程度に調整される。これよりも、本実施形態における井戸層の成長速度は遅い。好適な成長速度は、例えば０．０８（μｍ／時）である。
【００５３】
続いて、期間Ｔ２では、ＧａＮ結晶からなる障壁層を成長する。障壁層を成長する工程では、Ｉｎの原料ガスであるトリメチルインジウムの供給を停止するとともに、ＧａＮウエハ４０の温度を、例えば摂氏８００度に上昇した後に、ＧａＮ結晶を成長する。障壁層がＩｎＧａＮからなるときは、トリメチルインジウムの供給量を期間Ｔ１から低下させつつＧａＮウエハ４０の温度を例えば摂氏７５０度に上昇させることが好ましい。
【００５４】
活性層４４の成長では、期間Ｔ２の後の期間Ｔ３〜Ｔ６において、井戸層および障壁層を交互に成長する。すなわち、期間Ｔ２後の期間Ｔ３および期間Ｔ５では、期間Ｔ１と同じ成長条件を用いて井戸層を成長する。期間Ｔ３後の期間Ｔ４及び期間Ｔ５後の期間Ｔ６では、期間Ｔ２と同じ成長条件を用いて障壁層を成長する。
【００５５】
以上に述べた製造方法により得られる作用効果について、本発明者が解決課題を得、その解決に至った過程と併せて説明する。まず、ＩｎＧａＮ井戸層を含む活性層において緑色の発光を可能にするＩｎＧａＮ成長の条件を決定するために、Ｎ面に対する傾斜角が異なる複数のＧａＮウエハ上にＩｎＧａＮ結晶を同じ成長条件で成長した。このとき、ｃ面のＮ面に対するオフ角によってＩｎＧａＮにおけるＩｎ組成比が異なっていた。傾斜角が比較的小さいオフ角の範囲では、オフ角の増加に伴って、Ｉｎ組成比が低下した。しかしながら、この低下は、ｃ面のＧａ面から傾斜した半極性面上へのＩｎＧａＮ成長に比べて、小さいことが判明した。つまり、Ｎ面から傾斜した半極性面は、Ｇａ面から傾斜した半極性面に比べてＩｎの取り込み易い。
【００５６】
本発明者は、ＧａＮウエハの半極性面上に成長したＩｎを含むIII族窒化物半導体層のフォトルミネッセンススペクトルをさらに長波長にシフトさせるために、Ｉｎ組成比を増大させるための方法を検討した。その結果、従来からの成長条件と比較して当該III族窒化物半導体層の成長温度および成長速度を下げると共にＩｎ原料ガスのモル流量比を高めることによって、また、Ｎ面からのオフ角を有するＧａＮウエハを用いることによって、更なる長波長の発光を得ることができることを見出した。
【００５７】
本発明者は、Ｇａ面ではなくＮ面からの傾斜が１８度以上２８度以下の範囲のオフ角の半極性主面を有するＧａＮウエハを用い、Ｉｎの付着率を高めるために従来の成長条件と比べてIII族窒化物半導体層の成長温度をより低くすると共に成長速度も低くすることによって、Ｉｎの取り込み割合を増加させる。具体的には、上記オフ角を有するＧａＮウエハ上にIII族窒化物半導体層を成長する際に、以下の条件を用いた。
成長温度：摂氏６００度以上７００度以下、
モル流量比（ＱＶ／ＱＩｎ）：９０００以上３００００以下、
Ｖ族元素（例えば、アンモニア）の原料ガスの流量ＱＶ（ｍｏｌ／分）とＩｎの原料ガスの流量ＱＩｎ（ｍｏｌ／分）
III族窒化物半導体層の成長速度：０．０１（μｍ／時）以上０．１（μｍ／時）］以下。
これによって、良好な結晶性を維持したままＩｎの取り込み割合を高め得ることができる。
【００５８】
また、本実施形態では活性層４４を多重量子井戸構造とし、ＩｎＧａＮ井戸層の上に成長するＧａＮ障壁層の成長温度をＩｎＧａＮ井戸層の成長温度より高い摂氏８００度としている。これにより、ＧａＮ障壁層を成長させる際にＩｎＧａＮ井戸層に対するアニール効果も得ることができる。
【００５９】
また、上記方法により得られるIII族窒化物半導体層のＩｎ組成を調べるため、厚さ５０（ｎｍ）のＩｎＧａＮ単層を上記方法によりＧａＮウエハ上に成長した。このとき、当該層の表面に直径数１０ｎｍの粒状物が観察された。この粒状物をＸ線回折および組成分析により特定した結果、Ｉｎドロップレットであることがわかった。しかし、上記方法によりＧａＮウエハ上に厚さ３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を成長させた場合には、ＴＥＭ観察によれば、Ｉｎドロップレットは生じていない。上記方法により成長させるＩｎＧａＮ層の厚さが極めて薄い（例えば２０ｎｍ以下）とき、Ｉｎドロップレットが生じる前に成長が完了すると考えられる。
【００６０】
このように、上記方法に係る成長条件は、例えば厚さ５０ｎｍといった厚いＩｎＧａＮ層の成長で、Ｉｎドロップレットができる程度に多量のＩｎ原料ガスの供給を行う。オフ角を有するＧａＮウエハの主面では、表面ステップ密度が大きく且つｃ面テラス幅が小さいので、Ｉｎ原料ガスの供給量が多いことによりＩｎがサーファクタントとして作用して、ＩｎＧａＮ結晶中に多く取り込まれるようになったものと考えられる。また、小さなテラス幅のＧａＮウェハの主面をサーファクタントとしてＩｎ原子がマイグレーションするので、当該ＩｎＧａＮ結晶の成長温度が低くても結晶品質の低下が抑制されたものと考えられる。
【００６１】
厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＮ単層を成長させる際、Ｉｎ原料ガスのモル流量比を低下させると、Ｉｎドロップレットは次第に観察されなくなったが、Ｉｎ組成比が低下して発光波長が短くなり、緑色発光を実現できなかった。また、比較のためｃ面を主面とするＧａＮウエハを用いて上記方法に係る成長条件でＩｎＧａＮ結晶を成長させたところ、Ｉｎドロップレットの発生状況は、オフ角を有するＧａＮウエハを使用した場合と同等となった。しかし、厚膜の成長でもＩｎドロップレットが生じない程度にＩｎ原料ガスのモル流量比を低下させた成長条件では、十分な発光強度は得られなかった。
【００６２】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る窒化物系発光ダイオードの一構造を概略的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る発光ダイオードを作製する方法の主要な工程を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本実施の形態に係る発光ダイオードを作製する方法の主要な工程における生産物を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る発光ダイオードを作製する方法の主要な工程における生産物を示す図面である。
【図５】図５は、実施形態に係る製造方法により得られる半導体発光素子の電流−ＥＬ特性を示す図面である。
【図６】図６は、実施形態に係る製造方法により得られる半導体発光素子の発光スペクトルを示す図面である。
【図７】図７は、活性層の成長におけるＧａＮウェハの温度の遷移及び原料ガスの供給状態を示す図面である。
【符号の説明】
【００６４】
１１…発光ダイオード、１３…窒化ガリウム基板、１５…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、１７…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域、１９…活性層、２３…量子井戸構造、２５ａ…ＩｎＸＧａ１−ＸＮ井戸層、２５ｂ…窒化ガリウム系半導体からなる障壁層、２７…ＡｌＧａＮ層、３１…電子ブロック層、３３…ｐ型コンタクト層、４０…ＧａＮウエハ、４１…ｎ型ＡｌＧａＮ層、４２…ｎ型ＧａＮ層、
４３…ｎ型ＩｎＧａＮ層、４４…活性層、４４ａ…障壁層、４４ｂ…井戸層、４５…ｐ型ＡｌＧａＮ半導体層、４６…ｐ型コンタクト層
【図１】
2009266963.tif 000003
【図２】
2009266963.tif 000004
【図３】
2009266963.tif 000005
【図４】
2009266963.tif 000006
【図５】
2009266963.tif 000007
【図６】
2009266963.tif 000008
【図７】
2009266963.tif 000009