JP2002203798A - ｐ型窒化物半導体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成長後のアニーリングを行なうことなく良質
なｐ型窒化物半導体を得られるようにする。 【解決手段】基板上に６００℃より高い成長温度で形成
されたｐ型窒化物半導体層を有し、ｐ型窒化物半導体の
冷却直後の正孔キャリア濃度が、ｐ型窒化物半導体層を
形成する前記基板温度から６００℃まで冷却するのに要
する冷却時間と冷却後に得られる正孔キャリア濃度との
関係において、冷却時間０分における想定された正孔キ
ャリア濃度の３５〜１００％である構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、青色光等の短波長
光を発光する発光装置等に用いられるＧａＮ系III族窒
化物半導体のうちのｐ型窒化物半導体、特に、成長後の
アニーリング処理が不要なｐ型窒化物半導体及びその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ますます情報量が増大する光情報
処理装置等に用いられる短波長の発光素子の材料とし
て、比較的バンドギャップが大きいＧａＮ系III族窒化
物半導体が注目されている。これらダイオード素子やレ
ーザ素子等の発光素子にはその接合面の近傍でキャリア
を再結合させ、その再結合光を放射するｐｎ接合を有す
る構成が不可欠である。良く知られているように、マグ
ネシウム（Ｍｇ）等のアクセプタがドープされてなるｐ
型窒化物半導体は、マグネシウムの活性化率がドナーと
比べて著しく低いため、低抵抗のｐ型窒化物半導体を得
るのは容易でない。

【０００３】そこで、従来は、成長後に室温に戻しても
高抵抗であったｐ型窒化物半導体に対して熱処理（ポス
トアニーリング）を行なって、マグネシウムと水素とか
らなる複合体の水素をマグネシウムから解離させること
により、低抵抗のｐ型窒化物半導体を得る方法が一般に
行なわれている。しかしながら、生産性の向上を図るた
めにも、ポストアニーリングを行なわずに低抵抗のｐ型
窒化物半導体を得る研究が進められつつある。

【０００４】以下、特開平１０−１３５５７５号公報に
開示されている、ポストアニーリングが不要な従来のｐ
型窒化物半導体の製造方法について説明する。

【０００５】この公報には、有機金属気相成長（ＭＯＶ
ＰＥ）法を用いて、サファイアからなる基板上に、ＴＭ
Ｇ等のIII族源、アンモニア等の窒素源及びｐ型ドーパ
ントを含む有機マグネシウム化合物を、濃度が０．８容
量％〜２０容量％の水素ガスを含む窒素ガスをキャリア
ガスとして導入し、基板温度を１１００℃としてｐ型窒
化物半導体を成長させる方法を開示している。これによ
り、マグネシウムと水素とからなる複合体の形成が阻止
されることにより、成長時に低抵抗性を示すｐ型窒化物
半導体を得ている。さらに、冷却工程においては、約３
２容量％のアンモニアを含む窒素ガスの雰囲気で３５０
℃まで降温し、その後、アンモニアの導入を停止して室
温まで降下させる方法を開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来のポストアニーリングを行なわないｐ型窒化物半導体
の製造方法は以下のような問題がある。すなわち、前記
公報の発明者らがその後に公開した論文（Applied Phy
sics Letters,vol.72,(1998),p.1748）に示しているよ
うに、結晶成長工程における水素濃度が２．４％から
３．７％に増加しただけで大幅にマグネシウムの活性化
が劣り、非常に低い水素濃度で成長させなければ、成長
時にｐ型窒化物半導体を得ることができない。その上、
低い水素濃度でｐ型窒化物半導体を成長させると、表面
マイグレーションが不十分となるため、表面上の最適位
置に所定の原子が配置されず、良質な結晶が得られな
い。

【０００７】本発明は、前記従来の問題を解決し、ポス
トアニーリングを行なうことなく良質なｐ型窒化物半導
体を得られるようにすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明は、ｐ型窒化物半導体の製造方法を、成長工
程において低抵抗なｐ型窒化物半導体を形成し、冷却工
程において、冷却時間又は雰囲気を制御することによ
り、その低抵抗性をｐ型半導体として実用可能な範囲内
に維持する構成とする。

【０００９】第１のｐ型窒化物半導体の製造方法は、温
度が約６００℃を越える基板温度で保持された基板の上
に、ｐ型ドーパントを含む窒素源及びIII族源を導入す
ることにより、基板上に低抵抗のｐ型窒化物半導体層を
形成する半導体層形成工程と、ｐ型窒化物半導体層が形
成された基板を冷却する冷却工程とを備え、半導体層形
成工程は、雰囲気にｐ型ドーパントの不活性化を抑制で
きる程度の水素を含み、冷却工程は、ｐ型窒化物半導体
層の正孔キャリア濃度がその低抵抗性を維持できる程度
に減少する冷却時間でｐ型窒化物半導体層を冷却する。

【００１０】第１のｐ型窒化物半導体の製造方法による
と、ｐ型ドーパントの不活性化を抑制できる程度の水素
を含む雰囲気で、基板上に低抵抗のｐ型窒化物半導体層
を形成しておき、ｐ型窒化物半導体層の正孔キャリア濃
度がその低抵抗性を維持できる程度に減少する冷却時間
でｐ型窒化物半導体層を冷却するため、ポストアニーリ
ングを行なうことなく、結晶品質に優れるｐ型窒化物半
導体を得ることができる。

【００１１】第１のｐ型窒化物半導体の製造方法は、冷
却工程において、ｐ型窒化物半導体層の正孔キャリア濃
度の減少率が０％〜９５％程度であることが好ましい。
このようにすると、例えば、成長直後の正孔キャリア濃
度が２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3程度とすると、正孔キャリア
濃度が９５％減少したとしても１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3程
度の濃度が確保されるため、十分に実用に耐えるｐ型窒
化物半導体を得ることができる。

【００１２】第１のｐ型窒化物半導体の製造方法におい
て、冷却工程が、基板温度が成長温度から約６００℃ま
でを３０分以内で降下するように冷却する工程を含むこ
とが好ましい。このようにすると、ｐ型窒化物半導体層
の正孔キャリア濃度の実用に耐える程度の低抵抗性を確
実に維持できる。

【００１３】第１のｐ型窒化物半導体の製造方法におい
て、半導体層形成工程における雰囲気が容量比が５％〜
７０％程度の水素を含むことが好ましい。一般に、III
族源又はｐ型ドーパントとして有機金属材料を用いる場
合には、これらの分解効率を高めるために、また、表面
マイグレーションを促進するために雰囲気中に水素を含
ませている。しかしながら、添加する水素濃度が７０％
を越えると、水素によるアクセプタの不活性化（パッシ
ベーション）が顕著となるため、本発明のように５％〜
７０％程度の水素濃度とすると、ｐ型ドーパントの不活
性化を確実に抑制できる。

【００１４】第２のｐ型窒化物半導体の製造方法は、温
度が約６００℃を越える基板温度で保持された基板の上
に、ｐ型ドーパントを含む窒素源及びIII族源を導入す
ることにより、基板上に低抵抗のｐ型窒化物半導体層を
形成する半導体層形成工程と、ｐ型窒化物半導体層が形
成された基板を冷却する冷却工程とを備え、半導体層形
成工程は、雰囲気にｐ型ドーパントの不活性化を抑制で
きる程度の水素を含み、冷却工程は、ｐ型窒化物半導体
層の正孔キャリア濃度がその低抵抗性を維持できる程度
に減少する雰囲気でｐ型窒化物半導体層を冷却する。

【００１５】第２のｐ型窒化物半導体の製造方法による
と、ｐ型ドーパントの不活性化を抑制できる程度の水素
を含む雰囲気で、基板上に低抵抗のｐ型窒化物半導体層
を形成しておき、ｐ型窒化物半導体層の正孔キャリア濃
度がその低抵抗性を維持できる程度に減少する雰囲気で
ｐ型窒化物半導体層を冷却するため、ポストアニーリン
グを行なうことなく、結晶品質に優れるｐ型窒化物半導
体を得ることができる。

【００１６】第２のｐ型窒化物半導体の製造方法は、冷
却工程において、ｐ型窒化物半導体層の正孔キャリア濃
度の減少率が０％〜９５％程度であることが好ましい。

【００１７】第２のｐ型窒化物半導体の製造方法は、冷
却工程において、基板温度が成長温度から約６００℃に
まで降下する間の雰囲気に、容量比が０％〜５０％程度
の水素を含むことが好ましい。このようにすると、ｐ型
窒化物半導体層における水素によるパッシベーションを
抑制できるため、ｐ型窒化物半導体層の正孔キャリア濃
度の低抵抗性を確実に維持できる。

【００１８】第２のｐ型窒化物半導体の製造方法は、冷
却工程において、基板温度が成長温度から約６００℃に
まで降下する間の雰囲気にアンモニアを含むことが好ま
しい。このようにすると、成長したｐ型窒化物半導体の
表面からの窒素の脱離が抑制されるため、該表面の劣化
を防止できる。

【００１９】第２のｐ型窒化物半導体の製造方法におい
て、半導体層形成工程における雰囲気が、容量比が５％
〜７０％程度の水素を含むことが好ましい。

【００２０】本発明に係るｐ型窒化物半導体は、基板上
に温度が６００℃よりも高い成長温度で形成されたｐ型
窒化物半導体を対象とし、冷却直後の正孔キャリア濃度
が、成長温度における正孔キャリア濃度の５％〜１００
％程度である。

【００２１】本発明のｐ型窒化物半導体によると、成長
直後の正孔キャリア濃度が２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3程度で
あれば、冷却直後に正孔キャリア濃度が成長直後の５％
となったとしても１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3程度の濃度が確
保されるため、十分に実用に耐えるｐ型窒化物半導体と
なる。

【００２２】本発明に係る他のｐ型窒化物半導体は、基
板上に温度が６００℃よりも高い成長温度で順次形成さ
れたｐ型窒化物半導体を対象とし、ｐ型窒化物半導体は
その上面を露出しており、ｐ型窒化物半導体の上面近傍
の水素濃度は、ｐ型窒化物半導体の内部の水素濃度と等
しいか又は約１０倍以内である。

【００２３】従来のポストアニーリングを行なう製造方
法により得られるｐ型窒化物半導体の場合には、露出し
た上面近傍の水素濃度は、ｐ型窒化物半導体の内部の水
素濃度よりも１０倍以上大きい。しかしながら、本発明
のｐ型窒化物半導体によると、ｐ型窒化物半導体の上面
近傍の水素濃度が、該ｐ型窒化物半導体の内部の水素濃
度と等しいか又は約１０倍以内であるため、ｐ型ドーパ
ントの活性化率が向上しているｐ型窒化物半導体とな
る。

【００２４】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、基板上に
６００℃より高い成長温度で形成されたｐ型窒化物半導
体層を有し、前記ｐ型窒化物半導体の冷却直後の正孔キ
ャリア濃度が、前記ｐ型窒化物半導体層を形成する前記
基板温度から６００℃まで冷却するのに要する冷却時間
と冷却後に得られる正孔キャリア濃度との関係におい
て、前記冷却時間０分における想定された正孔キャリア
濃度の３５〜１００％であることを特徴とするｐ型窒化
物半導体とすることで、ポストアニーリングを行うこと
なく、良質なｐ型窒化物半導体を作製できるので、低電
圧で高出力の発光素子を得ることができる。

【００２５】請求項２記載の発明は、前記ｐ型窒化物半
導体層を形成する前記基板温度から６００℃まで冷却す
るのに要する冷却時間と冷却後に得られる正孔キャリア
濃度との関係において、前記冷却時間０分における想定
された正孔キャリア濃度の６０〜１００％であることを
特徴とする請求項５に記載のｐ型窒化物半導体とするこ
とで、ポストアニーリングを行うことなく、良質なｐ型
窒化物半導体を作製できるので、低電圧で高出力の発光
素子を得ることができる。

【００２６】請求項３記載の発明は、温度が６００℃を
超える基板温度で保持された基板の上に、ｐ型ドーパン
ト源と窒素源とIII族源とを導入することにより、前記
基板上にｐ型窒化物半導体層を形成する半導体層形成工
程と、前記ｐ型窒化物半導体層が形成された基板を冷却
する冷却工程とを備え、前記冷却工程において、前記ｐ
型窒化物半導体層が形成された基板を前記半導体形成工
程における基板温度から６００℃まで１０分以内に冷却
することを特徴とするｐ型窒化物半導体の製造方法とす
ることで、ポストアニーリングを行うことなく、良質な
ｐ型窒化物半導体を作製できるので、低電圧で高出力の
発光素子を得ることができる。

【００２７】請求項４記載の発明は、前記冷却工程にお
いて、前記ｐ型窒化物半導体層が形成された基板を前記
半導体形成工程における基板温度から６００℃まで５分
以内に冷却することを特徴とする請求項３に記載のｐ型
窒化物半導体の製造方法とすることで、ポストアニーリ
ングを行うことなく、良質なｐ型窒化物半導体を作製で
きるので、低電圧で高出力の発光素子を得ることができ
る。

【００２８】（実施の形態１）本発明の実施の形態１に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００２９】図１は本発明の実施の形態１に係るｐ型窒
化物半導体を示す構成断面図を示している。図１に示す
ように、サファイアからなる基板１１上には、窒化ガリ
ウム（ＧａＮ）からなり、基板１１上に成長させる所望
の半導体とサファイアとの結晶の格子不整合を緩和する
バッファ層１２と、ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層
１３とが順次形成されている。

【００３０】以下、前記のように構成されたｐ型窒化物
半導体層の製造方法を説明する。まず、鏡面状の主面を
持つ基板１１を反応管（図示せず）内の基板ホルダに保
持し、その後、基板１１の温度を約１０００℃として水
素ガスを基板１１上に導入しながら、基板１１を約１０
分間加熱することにより、基板１１の主面に付着してい
る有機物等の汚れや水分を除去する。

【００３１】次に、基板１１の温度を約５５０℃にまで
降下させ、キャリアガスとして流量が約１６Ｌ／分の窒
素ガスと、流量が約４Ｌ／分の窒素源としてのアンモニ
ア（ＮＨ₃）ガスと、流量が約４０μｍｏｌ／分のIII族
源としてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを基板１１
上に導入することにより、基板１１の主面上に、厚さが
２５ｎｍでＧａＮからなるバッファ層１２を成長させ
る。

【００３２】次に、反応管へのＴＭＧの供給をいったん
止めて、基板温度を約１０５０℃にまで昇温した後、流
量が約１３Ｌ／分の窒素ガス及び流量が約３Ｌ／分の水
素ガスをキャリアガスとし、流量が約４Ｌ／分のアンモ
ニアガスと、流量が約８０μｍｏｌ／分のＴＭＧと、流
量が約０．２μｍｏｌ／分でｐ型ドーパントであるマグ
ネシウムを含むビスシクロペンタジエニルマグネシウム
（Ｃｐ₂Ｍｇ）とを基板１１上に約６０分間導入するこ
とにより、バッファ層１２上に、厚さが２μｍでＭｇが
ドープされたＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層１３を
成長させる。ここでいう水素ガスの流量には、ＴＭＧと
Ｃｐ₂Ｍｇとを気化させるための水素ガスをも含めてい
る。

【００３３】次に、反応管へのＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇとの
供給を停止した後、雰囲気ガスとして、流量が約１３Ｌ
／分の窒素ガス、流量が約３Ｌ／分の水素ガス及び流量
が約４Ｌ／分のアンモニアガスを基板１１上に導入しな
がら、基板１１を成長温度から室温にまで冷却する。冷
却後、ｐ型窒化物半導体層１３が形成された基板１１を
反応管から取り出す。

【００３４】以下、ｐ型窒化物半導体層１３が形成され
た基板１１に対する本願発明の冷却方法の特徴を説明す
る。

【００３５】図２は本発明の実施の形態１に係るｐ型窒
化物半導体の製造方法の冷却工程における正孔キャリア
濃度に対する冷却時間依存性を示すグラフ。ここでは、
基板温度を成長温度の１０５０℃付近から６００℃にま
で降下させる場合の冷却時間として、５分から４０分ま
での間を５種類に分けて、ｐ型窒化物半導体層１３の正
孔キャリア濃度を測定している。正孔キャリア濃度は、
５種類の測定用のサンプルとして基板１１から５ｍｍ角
の大きさのチップを切り出し、それぞれ切り出されたチ
ップのホール効果を測定することにより行なっている。

【００３６】図２に示すように、５種類のサンプルの導
電型はすべてｐ型を示しているが、成長温度から６００
℃までの冷却時間が長くなるに連れて、正孔キャリア濃
度が低下していることが分かる。また、図２に示す直線
を冷却時間が０分となるｙ切片として外挿することによ
り、本実施の形態に係るｐ型窒化物半導体層１３は、成
長直後の正孔キャリア濃度が約２×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ導
電型を示すといえる。

【００３７】また、図２に示すように、冷却時間が５分
の場合の正孔キャリア濃度は１．２×１０¹⁷ｃｍ^-3を示
し、冷却時間が２０分の場合の正孔キャリア濃度は冷却
前の濃度の約７％に相当する３．０×１０¹⁶ｃｍ^-3を示
し、冷却時間が３０分の場合は冷却前の濃度の５％に相
当する１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3を示す。冷却時間が３０分
の場合は、デバイスに用いるｐ型層としての下限に近
い。さらに、冷却時間が４０分の場合はその濃度が２．
２×１０¹⁵ｃｍ^-3を示し、デバイスには不充分のキャリ
ア濃度となる。

【００３８】（実施の形態１の第１変形例）以下、第１
の実施形態の第１変形例に係るｐ型窒化物半導体層の製
造方法を説明する。

【００３９】まず、図１に示すように、実施の形態１と
同様の方法を用いて、基板１１上にバッファ層１２、及
び正孔キャリア濃度が約２×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型窒化物
半導体層１３を順次形成する。

【００４０】次に、第１変形例に係る冷却工程における
正孔キャリア濃度に対する雰囲気ガス中の水素ガス濃度
依存性について説明する。ここでは、雰囲気ガス中の水
素ガス濃度を０％、３０％、５０％及び７０％と４種類
に分けて正孔キャリア濃度の測定を行なっている。いず
れの場合も、雰囲気中のアンモニアガス濃度を約２０％
とし、残りを窒素ガスとしている。基板温度の降温条件
は、成長温度の約１０５０℃から約６００℃までを約５
分間で冷却している。

【００４１】測定結果を以下に示す。

【００４２】１）水素濃度が０％の雰囲気の場合、 成長直後と同値の約２×１０¹⁷ｃｍ^-3 ２）水素濃度が３０％の雰囲気の場合、 ４．２×１０¹⁶ｃｍ^-3 ３）水素濃度が５０％の雰囲気の場合、 成長直後の約５％である約１×１０¹⁶ｃｍ^-3 ４）水素濃度が７０％の雰囲気の場合、 成長直後の約１％である約２．５×１０¹⁵ｃｍ^-3 このように、水素濃度が７０％の雰囲気中で冷却する
と、６００℃までを５分間で降温しても、デバイスに用
いるｐ型層として不充分となる。

【００４３】（実施の形態１の第２変形例）以下、実施
の形態１の第２変形例に係るｐ型窒化物半導体層の製造
方法を説明する。

【００４４】まず、図１に示すように、実施の形態１と
同様の方法を用いて、基板１１上にバッファ層１２、及
び正孔キャリア濃度が約２×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型窒化物
半導体層１３を順次形成する。

【００４５】次に、第２変形例の冷却工程における正孔
キャリア濃度に対する雰囲気ガス中のアンモニアガス濃
度依存性について説明する。雰囲気中の水素ガス濃度は
約１５％とし、残りは窒素ガスとする。また、基板温度
の降温条件は、成長温度の約１０５０℃から６００℃ま
でを約５分間で冷却している。

【００４６】測定の結果、アンモニアガス濃度を変化さ
せても、冷却工程における正孔キャリア濃度の減少率
は、アンモニアガス濃度が２０％の場合とほとんど違い
がないことを確認している。なお、アンモニアガス濃度
が０％〜０．５％の範囲では、ｐ型窒化物半導体層１３
の表面から窒素が脱離することにより、結晶性が劣化す
る。

【００４７】（実施の形態１の第３変形例）以下、実施
の形態１の第３変形例に係るｐ型窒化物半導体層の製造
方法を説明する。本変形例は、図１に示すｐ型窒化物半
導体層１３の形成工程における正孔キャリア濃度に対す
るキャリアガス中の水素ガス濃度依存性について説明す
る。実施の形態１においては、キャリアガス中の水素ガ
スの濃度は約１５％としている。本変形例においては、
キャリアガス中の水素ガスの濃度を０％〜２０％までは
５％ごとの５種類とし、２０％〜８０％までの範囲は１
０％ごとの６種類とし、併せて１１種類に分けている。
なお、水素ガス濃度が０％の場合は、ＴＭＧ及びＣｐ₂
Ｍｇは窒素ガスを用いてそれぞれの気化を行なってい
る。

【００４８】測定の結果、水素ガス濃度が５％〜７０％
程度の範囲で成長したｐ型窒化物半導体層１３におい
て、図２と同様に、冷却時間を０分として外挿すること
により求めた値は、成長直後の正孔キャリア濃度とし
て、それぞれが１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であり、ｐ型を示
している。より具体的には、水素ガス濃度が５％〜５０
％程度の場合は正孔キャリア濃度が約５×１０¹⁶ｃｍ^-3
以上となり、水素ガス濃度が１０％〜２０％程度の場合
は正孔キャリア濃度が約１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上となる。
なかでも、水素ガス濃度を１５％で成長させた場合は、
成長直後の正孔キャリア濃度が最も高くなり、その値は
２×１０¹⁷ｃｍ^-3を示す。

【００４９】一方、結晶性の目安となるＸ線回折による
ロッキングカーブの半値幅は、水素ガス濃度の増加と共
に小さくなり、水素ガス濃度が１０％以上の場合は半値
幅は３００秒以下を示す。ところが、水素ガス濃度が０
％で成長した場合は、Ｘ線回折によるロッキングカーブ
の半値幅は５００秒となり、大幅に結晶性が悪化する。
また、高抵抗であるため正孔キャリア濃度の測定は不可
能となる。

【００５０】同様に、水素ガス濃度が約８０％で成長し
た場合も、高抵抗であり、正孔キャリア濃度の測定は不
可能となる。これは、成長中にＧａＮ結晶中に取り込ま
れる水素原子の量が多くなり、マグネシウムの活性化率
が低くなったためと考えられる。

【００５１】なお、本実施形態においては、窒素源とし
てアンモニアを用いたが、例えば、ヒドラジン（Ｎ
₂Ｈ₄）やエチルアジド（Ｃ₂Ｈ₅ＮＨ₂）等の有機窒素原
料であればよい。

【００５２】（実施の形態２）以下、本発明の実施の形
態２について図面を参照しながら説明する。

【００５３】図３は本発明の実施の形態２に係る窒化物
半導体発光素子を示す構成断面図を示している。図３に
示すように、本実施の形態２に係る窒化物半導体発光素
子のエピタキシャル層は、サファイアからなる基板２１
上に、ノンドープのＧａＮからなるバッファ層２２と、
シリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＮからなるｎ型コ
ンタクト層２３と、ノンドープのＩｎＧａＮからなる発
光層２４と、ノンドープのＧａＮからなる第１のクラッ
ド層２５と、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮか
らなるｐ型の第２のクラッド層２６と、マグネシウムが
ドープされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層２７とが
順次積層されて構成されている。ｐ型コンタクト層２７
上には、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）とがこの順に積
層されてなる透光性のｐ側電極２８が形成されており、
ｎ型コンタクト層２３が露出された領域上にアルミニウ
ム（Ａｌ）からなるｎ側電極２９が形成されている。こ
のように、本発光素子は、ノンドープの発光層２４及び
第１のクラッド層２５を介在させ、ｎ型コンタクト層２
３と第２のクラッド層２６とのｐｎ接合を持つ発光ダイ
オード素子である。

【００５４】以下、前記のように構成された発光ダイオ
ード素子の製造方法について説明する。

【００５５】まず、鏡面状の主面を持つ基板２１を反応
管（図示せず）内の基板ホルダに保持し、その後、基板
２１の温度を約１０００℃として水素ガスを基板２１上
に導入しながら、基板２１を約１０分間加熱する。これ
により、基板２１の主面に付着している有機物等の汚れ
や水分を除去して清浄面を得る。

【００５６】次に、基板２１の温度を約５５０℃にまで
降下させ、キャリアガスとして流量が約１６Ｌ／分の窒
素ガスと、流量が約４Ｌ／分の窒素源としてのアンモニ
アガスと、流量が約４０μｍｏｌ／分のIII族源として
のＴＭＧとを基板２１上に導入することにより、基板２
１の主面上に、厚さが２５ｎｍでＧａＮからなるバッフ
ァ層２２を成長させる。ここでは、キャリアガスに含ま
れる水素ガスの流量は、ＴＭＧ又はＣｐ₂Ｍｇを気化さ
せるために用いる水素ガスをも含んでいる。

【００５７】次に、反応管へのＴＭＧの供給をいったん
止めて、基板温度を約１０５０℃にまで昇温した後、流
量が約１３Ｌ／分の窒素ガス及び流量が約３Ｌ／分の水
素ガスをキャリアガスとし、流量が約４Ｌ／分のアンモ
ニアガスと、流量が約８０μｍｏｌ／分のＴＭＧと、流
量が約１０ｃｃ／分でｎ型ドーパントであるシリコンを
含む１０ｐｐｍのモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスとを基板
２１上に約６０分間導入することにより、バッファ層２
２上に、厚さが２μｍでＳｉがドープされたＧａＮから
なるｎ型コンタクト層２３を成長させる。

【００５８】次に、ＴＭＧ及びＳｉＨ₄ガスの供給を停
止した後、基板温度を約７５０℃にまで降温させる。こ
の成長温度で、キャリアガスとして流量が約１４Ｌ／分
の窒素ガスと、流量が約６Ｌ／分のアンモニアガスと、
流量が約４μｍｏｌ／分のＴＭＧと、流量が約５μｍｏ
ｌ／分の別のIII族源であるトリメチルインジウム（Ｔ
ＭＩ）とを基板２１上に導入することにより、ｎ型コン
タクト層２３上に、厚さが３ｎｍのＩｎＧａＮからなる
単一量子井戸構造の発光層２４を成長させる。この場
合、発光層２４のＩｎ組成は約０．２となる。

【００５９】次に、ＴＭＩの供給を停止した後、キャリ
アガスの窒素ガス、窒素源のアンモニアガス及びIII族
源のＴＭＧをそのままの流量で基板２１に導入し、基板
温度が約１０５０℃にまで昇温するまでの間に、発光層
２４上に厚さが１０ｎｍのＧａＮからなる第１のクラッ
ド層２５を成長させる。

【００６０】次に、基板温度が約１０５０℃に達した
後、流量が約１３Ｌ／分の窒素ガス及び流量が約３Ｌ／
分の水素ガスをキャリアガスとし、流量が約４Ｌ／分の
アンモニアガスと、流量が約４０μｍｏｌ／分のＴＭＧ
と、流量が約６μｍｏｌ／分の別のIII族源であるトリ
メチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、流量が約０．１μｍ
ｏｌ／分のＣｐ₂Ｍｇとを基板２１上に導入することに
より、第１のクラッド層２５上に、厚さが０．２μｍで
Ｍｇがドープされたｐ型ＡｌＧａＮからなる第２のクラ
ッド層２６を成長させる。

【００６１】次に、ＴＭＡの供給を停止した後、基板温
度は約１０５０℃のままで、流量が約１３Ｌ／分の窒素
ガス及び流量が約３Ｌ／分の水素ガスをキャリアガスと
し、流量が約４Ｌ／分のアンモニアガスと、流量が約８
０μｍｏｌ／分のＴＭＧと、流量が約０．２μｍｏｌ／
分のＣｐ₂Ｍｇとを基板２１上に導入することにより、
第２のクラッド層２６上に、厚さが０．３μｍでＭｇが
ドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２７
を成長させる。

【００６２】次に、ｐ型コンタクト層２７を形成した
後、雰囲気ガスとして、流量が約１３Ｌ／分の窒素ガ
ス、流量が約３Ｌ／分の水素ガス及び流量が約４Ｌ／分
のアンモニアガスとを反応管に導入しながら、基板温度
を成長温度から室温にまで冷却し、これら複数の窒化物
半導体層からなる積層体（エピタキシャル層）が形成さ
れた基板２１を反応管から取り出す。このとき、雰囲気
ガス中の水素ガス濃度は約１５％、アンモニアガス濃度
は約２０％である。ここでは、基板２１を成長温度の約
１０５０℃から６００℃にまで冷却する冷却時間を５分
としている。

【００６３】以上のようにして得られた窒化物半導体
層、特に、ｐ型の第２のクラッド層２６及びｐ型コンタ
クト層２７は、実施の形態１と同様の成長方法及び冷却
方法によって形成されている。従って、第２のクラッド
層２６及びｐ型コンタクト層２７にドープされたマグネ
シウムを活性化させるためのポストアニーリングを行な
わなくても、低抵抗で且つ良質なｐ型半導体層が形成さ
れている。

【００６４】次に、例えばＣＶＤ法を用いて、ｐ型コン
タクト層２７上にシリコン酸化膜を堆積させ、その後、
フォトリソグラフィ法を用いて、堆積したシリコン酸化
膜に対して所定形状のパターニングを行なって、シリコ
ン酸化膜からなるエッチング用のマスクパターンを形成
する。続いて、このマスクパターンを用いてエピタキシ
ャル層に対して、ｎ型コンタクト層２３が露出するまで
反応性イオンエッチングを行なう。

【００６５】次に、例えば蒸着法を用いて、露出したｎ
型コンタクト層２３上にｎ側電極２９を選択的に形成
し、同様にしてｐ型コンタクト層２７上にｐ側電極２８
を選択的に形成する。

【００６６】次に、基板２１のエピタキシャル層と反対
側の面（裏面）を基板２１の厚さが１００μｍ程度にな
るまで研磨し、スクライブによってチップ状に分離す
る。分離された個々のチップを素子形成面側を上向きに
して、電極を有するステム上に固着し、続いて、チップ
上のｐ側電極２８とｎ側電極２９とをそれぞれステムの
電極にワイヤにより結線し、その後、チップを樹脂封止
して発光ダイオード素子を得る。

【００６７】このようにして得られた発光ダイオード素
子に対して、２０ｍＡの順方向電流により駆動すると、
ピーク波長が４７０ｎｍの青色光が出力されることを確
認している。このときの発光出力は２．０ｍＷであり、
順方向動作電圧は４．０Ｖである。

【００６８】（実施の形態２の第１変形例）本実施の形
態２に係る冷却工程において、エピタキシャル層が形成
された基板２１を成長温度の約１０５０℃から６００℃
にまで冷却する冷却時間を２５分として、図３に示す構
成の発光ダイオード素子を形成する。このようにして形
成された発光ダイオード素子に対して、２０ｍＡの順方
向電流で駆動すると、ピーク波長が４７０ｎｍの青色光
が出力されることを確認している。この場合の発光出力
は０．５ｍＷで、順方向動作電圧は５．０Ｖである。

【００６９】（比較例）本実施の形態に係る冷却工程に
おいて、エピタキシャル層が形成された基板２１を成長
温度の約１０５０℃から６００℃にまで冷却する冷却時
間を４０分として、図３に示す構成の発光ダイオード素
子を形成する。このようにして形成された発光ダイオー
ド素子に対して、２０ｍＡの順方向電流で駆動したとこ
ろ、高抵抗で電流が流れず、発光しないことを確認して
いる。

【００７０】図４は本発明の実施の形態２、その第１変
形例及び比較例に係る窒化物半導体発光素子における表
面から深さ方向の水素濃度分布を表わすグラフであり，
ＳＩＭＳの分布による結果である。前記の３通りの異な
る冷却時間で測定した場合の水素濃度を表わしている。
ここで、図４において、図３に示す半導体層と対応する
領域には同一の符号を付している。また、成長温度の１
０５０℃付近から６００℃にまで冷却する冷却時間は、
曲線１Ａが本実施形態の５分の場合を、曲線１Ｂがその
一変形例である２５分の場合を、曲線１Ｃが比較例であ
る４０分の場合を示している。

【００７１】図４の曲線１Ａから分かるように、冷却時
間が５分の場合は、表面付近の水素濃度は約３．０×１
０¹⁹ｃｍ^-3であり、表面から基板方向（ｎ型コンタクト
層２３方向）に向かうにつれて減少し、第２のクラッド
層２６においては水素濃度はほぼ一定の約１．０×１０
¹⁹ｃｍ^-3を示している。また、第１のクラッド層２５、
発光層２４及びｎ型コンタクト層２は、検出下限の２．
０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。

【００７２】第１変形例に係る曲線１Ｂに示す冷却時間
が２５分の場合は、表面付近の水素濃度は約１．０×１
０²⁰ｃｍ^-3であり、表面から基板方向に向かうにつれて
減少し、第２のクラッド層２６において水素濃度はほぼ
一定の約１×１０¹⁹ｃｍ^-3を示すことが分かる。

【００７３】比較例に係る曲線１Ｃに示す冷却時間が４
０分の場合は、表面付近の水素濃度は約３．０×１０²⁰
ｃｍ^-3であり、表面から基板方向に向かうにつれて減少
し、第２のクラッド層２６において水素濃度はほぼ一定
の約１×１０¹⁹ｃｍ^-3を示している。

【００７４】また、図４に示すように、冷却時間が２５
分以下の場合は、ｐ型コンタクト層２７の上面の水素濃
度は第２のクラッド層２６の水素濃度の１０倍以内であ
ることが分かる。

【００７５】以上説明したように、本実施の形態及びそ
の第１変形例によると、ｐ型の第２のクラッド層２６及
びｐ型コンタクト層２７の成長時におけるキャリアガス
に、約５容量％〜約７０容量％、好ましくは約１５容量
％の水素ガスを含めて成長させることにより、成長直後
に低抵抗で且つ高品質のｐ型半導体層を得ることができ
る。

【００７６】さらに、冷却工程において、６００℃以上
の成長温度から６００℃程度にまで冷却する冷却時間を
約３０分以内、好ましくは５分程度とし、雰囲気ガスを
約５０容量％以下の水素ガス及び約０．５容量％以上の
アンモニアガスとから構成することにより、ｐ型半導体
層の正孔キャリア濃度の減少率を０％〜９５％程度に抑
えることができる。その結果、低電圧で高出力の窒化物
半導体発光素子を実現できる。

【００７７】

【発明の効果】本発明に係るｐ型窒化物半導体の製造方
法によると、ｐ型ドーパントの不活性化を抑制できる程
度の水素を含む雰囲気で基板上に低抵抗のｐ型窒化物半
導体層を形成しておき、ｐ型窒化物半導体層の正孔キャ
リア濃度がその低抵抗性を維持できる程度に減少する冷
却時間又は雰囲気でｐ型窒化物半導体層を冷却するた
め、ポストアニーリングを行なうことなく、結晶品質に
優れるｐ型窒化物半導体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係るｐ型窒化物半導体
を示す構成断面図

【図２】本発明の実施の形態１に係るｐ型窒化物半導体
の製造方法の冷却工程における正孔キャリア濃度に対す
る冷却時間依存性を示すグラフ

【図３】本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体発光
素子を示す構成断面図

【図４】本発明の実施の形態２、その第１変形例及び比
較例に係る窒化物半導体発光素子における表面から深さ
方向の水素濃度分布を表わすグラフ

【符号の説明】

１１ 基板 １２ バッファ層 １３ ｐ型窒化物半導体層 ２１ 基板 ２２ バッファ層 ２３ ｎ型コンタクト層 ２４ 発光層 ２５ 第１のクラッド層 ２６ 第２のクラッド層 ２７ ｐ型コンタクト層 ２８ ｐ側電極 ２９ ｎ側電極

フロントページの続き (72)発明者 武石 英見 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA04 CA12 CA34 CA40 5F045 AA04 AB14 AC08 AC12 AD14 AF09 BB16 CA09 DA53 DA60 DA66 EJ02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に６００℃より高い成長温度で形成
   されたｐ型窒化物半導体層を有し、前記ｐ型窒化物半導
   体の冷却直後の正孔キャリア濃度が、前記ｐ型窒化物半
   導体層を形成する前記基板温度から６００℃まで冷却す
   るのに要する冷却時間と冷却後に得られる正孔キャリア
   濃度との関係において、前記冷却時間０分における想定
   された正孔キャリア濃度の３５〜１００％であることを
   特徴とするｐ型窒化物半導体。
2. 【請求項２】前記ｐ型窒化物半導体層を形成する前記基
   板温度から６００℃まで冷却するのに要する冷却時間と
   冷却後に得られる正孔キャリア濃度との関係において、
   前記冷却時間０分における想定された正孔キャリア濃度
   の６０〜１００％であることを特徴とする請求項１に記
   載のｐ型窒化物半導体。
3. 【請求項３】温度が６００℃を超える基板温度で保持さ
   れた基板の上に、ｐ型ドーパント源と窒素源とIII族源
   とを導入することにより、前記基板上にｐ型窒化物半導
   体層を形成する半導体層形成工程と、 前記ｐ型窒化物半導体層が形成された基板を冷却する冷
   却工程とを備え、 前記冷却工程において、前記ｐ型窒化物半導体層が形成
   された基板を前記半導体形成工程における基板温度から
   ６００℃まで１０分以内に冷却することを特徴とするｐ
   型窒化物半導体の製造方法。
4. 【請求項４】前記冷却工程において、前記ｐ型窒化物半
   導体層が形成された基板を前記半導体形成工程における
   基板温度から６００℃まで５分以内に冷却することを特
   徴とする請求項３に記載のｐ型窒化物半導体の製造方
   法。