JP2002222990A

JP2002222990A - 半導体発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP2002222990A
Application number: JP2001018915A
Authority: JP
Inventors: Hideto Sugawara; 原秀人菅
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】インジウムを含んだ窒化物半導体を用い発光
特性の優れた半導体発光素子及びその製造方法を提供す
ることを目的とする。【解決手段】第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒
化物半導体層の上に設けられ、第２の窒化物半導体層と
前記第２の窒化物半導体層の上に積層された第３の窒化
物半導体層とを有する複数の島状積層体と、前記複数の
島状積層体を埋め込んで前記第１の窒化物半導体層の上
に形成された第４の窒化物半導体層と、を備え、前記第
２の窒化物半導体層は、インジウムを含有し、前記第３
の窒化物半導体層は、アルミニウムを含有する半導体発
光素子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子及
びその製造方法に関し、より詳細には、窒化物半導体か
らなり紫外から赤色の波長領域において効率良く発光す
る半導体発光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）をはじめとする
窒化物半導体は、その光学遷移が直接遷移型であるため
高効率の発光再結合が可能であり、またその遷移エネル
ギーが組成に応じて１．８９〜６．２ｅＶと広く、短波
長半導体レーザ（ＬＤ）あるいは高輝度可視ＬＥＤ（li
ght emitting diode）などの発光素子の材料としてその
開発が行われている。

【０００３】なお、本願において「窒化物半導体」と
は、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{（１−ｘ−} _ｙ−ｚ）Ｎ（０≦
ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）なる組成式で表され
る全てのIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族
元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）な
どを含有する混晶も含むものとする。

【０００４】窒化物半導体は、基本構成２元半導体であ
るＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、及びＢＮの組み合わせとし
て捉えることができ、これらのなかでは、ＧａＮについ
ての開発が盛んに行われてきた。ＧａＮは、融点が１７
００℃以上と高く、また成長温度での窒素の平衡蒸気圧
が極めて高いことからバルク単結晶の成長が困難であ
る。このため、その単結晶成長には、ハイドライド気相
成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）
法が主として用いられている。なかでも、ＭＯＣＶＤ法
を用いた成長開発が盛んに行われ、ＧａＮにＩｎあるい
はＡｌを混ぜたＩｎ_ＸＧａ_ｌ−ＸＮやＡｌ_ＹＧａ_ｌ−Ｙ
Ｎなどの３元混晶が得られている。これら材料のヘテロ
接合を用いれば、発光効率の向上が可能となり、さらに
は注入キャリアの閉じ込めや光の閉じ込めに有効なダブ
ルヘテロ構造を形成することにより高輝度ＬＥＤや短波
長ＬＤを実現することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】インジウム・ガリウム
窒素（Ｉｎ_ＸＧａ_ｌ−ＸＮ）は、Ｉｎの組成比ｘ（III
族元素全体に対する原子数の割合）を変化させることに
よりバンドギャップエネルギをＧａＮの３．４ｅＶから
ＩｎＮの１．８９ｅＶまで変えることができ、可視光領
域の発光素子の活性層として用いることができる。この
３元混晶は、ＧａＮとＩｎＮの組み合わせとして構成す
ることができる。

【０００６】しかし、ＧａＮは、結晶品質を高めるため
に１０００℃以上の成長温度を必要とするのに対して、
比較的蒸気圧の高いＩｎを含むＩｎＮでは、ＧａＮより
も低い温度でのみ成長が可能である。このためインジウ
ム・ガリウム窒素（Ｉｎ_ＸＧａ_ｌ−ＸＮ）の成長におい
てもＩｎの組成比ｘを比較的高く形成するためには、成
長温度をＧａＮよりも低くする必要がある（Appl. Phy
s. Lett., 59, p2251(1991)）。これまでに、このＩｎ
_ＸＧａ_ｌ−ＸＮを活性層とする青色（ｘ＝０．２）ある
いは緑色（ｘ＝０．４５）発光型のＬＥＤが開発されつ
つある(Jpn. J. Appl. Phys., 34, L1332(1995)）。

【０００７】しかし、インジウム・ガリウム窒素を活性
層に用いた発光素子においては、発光スペクトルが広
く、発光効率も十分に高いとは言えなかった。この傾向
は、特に、波長の長い領域つまりＩｎ組成の大きいイン
ジウム・ガリウム窒素において顕著であり、このような
長い波長領域での発光素子は実用に至っていない。これ
は、ＩｎＧａＮ（インジウム・ガリウム窒素）からなる
活性層と、この上に積層する半導体層（たとえばＡｌＧ
ａＮ）とを含めた成長方法が確立していないことによ
る。つまり、Ｉｎ組成の高いＩｎＧａＮは、熱に対する
耐性が弱いことから、上層の成長ではあまり成長温度を
上げることができず、高い成長温度が適しているＡｌＧ
ａＮとの組み合わせが困難となる。

【０００８】具体的には、ＡｌＧａＮの成長において平
坦面を形成するためには成長温度を約１０００℃以上と
することが必要されるが、Ｉｎ組成比（ｘ）が０．５以
上のＩｎ_ＸＧａ_ｌ−ＸＮは熱分解してしまい結晶品質を
保つことができなくなってしまう。

【０００９】以上説明したように、インジウムを含む窒
化物半導体を用いた発光素子は、紫外光から緑色よりも
長波長までの発光の可能性を秘めているにも関わらず、
その積層構造や結晶成長技術が確立していない。このた
めに、特に黄色から赤色の波長領域において、実用的な
発光素子が実現されていなかった。

【００１０】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものであり、その目的は、インジウムを含んだ窒
化物半導体を用い発光特性の優れた半導体発光素子及び
その製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体発光素子は、第１の窒化物半導体層
と、前記第１の窒化物半導体層の上に設けられ、第２の
窒化物半導体層と前記第２の窒化物半導体層の上に積層
された第３の窒化物半導体層とを有する複数の島状積層
体と、前記複数の島状積層体を埋め込んで前記第１の窒
化物半導体層の上に形成された第４の窒化物半導体層
と、を備え、前記第２の窒化物半導体層は、インジウム
を含有し、前記第３の窒化物半導体層は、アルミニウム
を含有することを特徴とする。

【００１２】ここで、前記第３の窒化物半導体層のアル
ミニウムの組成比は、前記第２の窒化物半導体層のアル
ミニウムの組成比よりも大きいものとすれば、島状に形
成された第３の窒化物半導体層をマスクとして第２の窒
化物半導体層を気相エッチングすることが容易となる。

【００１３】また、前記第３の窒化物半導体層のアルミ
ニウム組成比は、５％以上であるものとすれば、気相エ
ッチングにおけるエッチング速度を顕著に低下させてマ
スク効果を十分に得ることができる。

【００１４】また、前記第２の窒化物半導体層のインジ
ウムの組成比は、前記第３の窒化物半導体層のインジウ
ムの組成比よりも大きいものとすれば、第２の窒化物半
導体層のエッチング速度を相対的に大きくすることがで
きる。

【００１５】また、前記第１の窒化物半導体層は、アル
ミニウムを含有するものとすれば、この半導体層をエッ
チングストップ層として作用させることができる。

【００１６】また、前記第１の窒化物半導体層と前記第
２の窒化物半導体層との間に設けられた第５の窒化物半
導体層をさらに備え、前記第５の窒化物半導体層は、イ
ンジウムを実質的に含有しないものとすれば、第２の窒
化物半導体層をエッチングした後に残存するインジウム
ドロプレットをリフトオフすることが容易となる。

【００１７】また、前記第１の窒化物半導体層と前記第
３の窒化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層より
も大きなバンドギャップを有し、前記第２の窒化物半導
体層は、光を放出する活性層として作用するものとすれ
ば、いわゆるダブルヘテロ構成を得ることができる。

【００１８】また、前記第２の窒化物半導体層から放出
される光とは異なる波長を有する光を放出する第２の活
性層をさらに備えたものとすれば、両方の活性層からの
光による混光効果を得ることができる。

【００１９】一方、本発明の半導体発光素子製造方法
は、基板上に第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層の上に、第２の窒化物半導体
層を形成する工程と、前記第２の窒化物半導体層の上
に、第３の窒化物半導体層を島状に形成する工程と、前
記島状に形成された前記第３の窒化物半導体層の間に露
出している前記第２の窒化物半導体層をエッチングする
工程と、前記島状に形成された前記第３の窒化物半導体
層を埋め込むように第４の窒化物半導体層を形成する工
程と、を備えたことを特徴とする。

【００２０】ここで、前記第２の窒化物半導体層は、イ
ンジウムを含有し、前記第３の窒化物半導体層は、アル
ミニウムを含有するものとすれば、第３の窒化物半導体
層を島状に形成し、且つ島状に形成された第３の窒化物
半導体層をマスクとして第２の窒化物半導体層を気相エ
ッチングすることが容易となる。

【００２１】また、前記エッチングする工程は、水素を
含有する雰囲気中において前記第２の窒化物半導体層を
気相エッチングするものとすれば、製造工程が簡略化で
きる。

【００２２】また、前記第１の窒化物半導体層を形成す
る前記工程から前記第４の窒化物半導体層を形成する前
記工程までを、ひとつの結晶成長室内において実施する
ものとすれば、製造工程が容易となり、界面に不純物や
変成層などを形成することなく半導体発光素子を得るこ
とができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
実施の形態について説明する。

【００２４】図１は、本発明の実施の形態に関わる窒化
物半導体発光素子の要部の断面構造を例示する概念図で
ある。すなわち、同図に例示した発光素子は、下地の窒
化物半導体層１０１の上に、第１の窒化物半導体層１０
２が積層され、この半導体層１０２の上に第２の窒化物
半導体層１０３と第３の窒化物半導体層１０４とからな
る複数の島状積層体が形成されている。さらにこれらを
埋め込むように第４の窒化物半導体層１０５が形成され
ている。

【００２５】下地の窒化物半導体層１０１は、例えばｎ
型コンタクト層であり、ｎ型ＧａＮにより形成すること
ができる。

【００２６】第１の窒化物半導体層１０２は、例えばク
ラッド層として作用し、例えばｎ型ＡｌＧａＮにより形
成することができる。

【００２７】第２の窒化物半導体層１０３は活性層とし
て作用し、インジウムを含む窒化物半導体により形成さ
れる。この層は、Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝
１、０．５≦Ｘ）を含むＭＱＷ（multiple quantum wel
l：多重量子井戸）などの多層構造としても良い。この
点に関しては後に詳述する。

【００２８】第３の窒化物半導体層１０４はマスク層と
して作用し、クラッド層の一部を兼ねることもできる。
この層は、Ａｌを含む窒化物半導体により形成され、例
えばｐ型ＡｌＧａＮとすることができる。

【００２９】第４の窒化物半導体層１０５は、埋め込み
層であり、コンタクト層あるいはクラッド層の一部を兼
ねることもできる。この層は、例えば、ｐ型ＧａＮによ
り形成することができる。

【００３０】図１に例示した積層構造は、サファイアや
ＳｉＣ、ＧａＮなどの各種の基板上あるいは他の窒化物
半導体層などの上にバッファ層などを介して形成するこ
とができるが、これらの要素は同図においては省略し
た。同様に、図１に例示した積層構造の上には、コンタ
クト層や保護層あるいは電極などの図示しない要素が必
要に応じて設けられる。

【００３１】図１に例示した構造のひとつの特徴点は、
インジウムを含有した第２の窒化物半導体層１０３とア
ルミニウムを含有した第３の窒化物半導体層１０４から
なる積層体が島（アイランド）状に形成されている点に
ある。

【００３２】以下、この構造について、その製造方法を
参照しつつ説明する。

【００３３】この構造は、例えばＭＯＣＶＤ法により形
成することができる。その場合、Ｖ族元素（窒素）の原
料としてはアンモニアを用い、III族元素の原料として
は、ガリウム、アルミニウム、またはインジウム有機金
属化合物を用いることができる。また、キャリアガスと
しては、水素と窒素を適宜用いることができる。

【００３４】図２は、本発明の半導体発光素子の製造方
法の要部を表す工程断面図である。

【００３５】まず、同図（ａ）に表したように、図示し
ない基板の上に、下地の窒化物半導体層１０１、第１の
窒化物半導体層１０２、第２の窒化物半導体層１０３を
成長し、さらに第３の窒化物半導体層１０４を島状に形
成する。

【００３６】具体的には、例えば、ＧａＮ層（下地の窒
化物半導体層）１０１の上に、キャリアガスに水素を用
い成長原料としてアンモニア、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を供給し、
１１００℃の成長温度でＡｌ _０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層
（第１の窒化物半導体層）１０２を成長する。

【００３７】次に、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎバリア層１
０３ＡとＩｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎウエル層１０３Ｂとを
交互に積層したＭＱＷ多層構造（第２の窒化物半導体
層）１０３を成長する。ここでＩｎ組成比ｘ１とｘ２
は、それぞれ０．０５、０．７程度とし、バリア層１０
３Ａでウエル層１０３Ｂを挟んだ積層構造として、バリ
ア層１０３Ａを６層、ウエル層１０３Ｂを５層とするこ
とができる。また、バリア層１０３Ａの層厚は約７ｎ
ｍ、ウエル層１０３Ｂの層厚は約３ｎｍとすることがで
きる。

【００３８】この多層構造１０３の成長は、Ａｌ
_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層１０２の上に、キャリアガス
に窒素を用い成長原料としてアンモニア、ＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）を供給し７００℃の成長温
度で成長する。

【００３９】次に、この多層構造１０３上に、Ａｌ
_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層（第３の窒化物半導体層）１
０４をキャリアガスに水素を用い成長原料としてアンモ
ニア、ＴＭＧ、ＴＭＡを供給し、９００℃の成長温度で
成長する。その層厚は、数１０ｎｍ乃至１００ｎｍ程度
とすることができる。ここで、成長温度が９００℃と低
いことから、Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層１０４は連
続的な薄膜層にはならず、島（アイランド）状に結晶成
長が進行する。

【００４０】図３は、第３の窒化物半導体層が島状に形
成された状態を例示する平面図である。すなわち、同図
の例においては、ＩｎＧａＮ層１０３の上に、ＡｌＧａ
Ｎ層１０４が、６角形状のパターンで島状に形成されて
いる。これは、サファイアの（０００１）面にエピタキ
シャル成長させることにより、６方晶のＣ軸に沿ってア
イランド状成長が生じた場合を例示する。また、図３の
具体例においては、それぞれの島の寸法は、数μｍ〜数
１０μｍ程度である。

【００４１】しかし、第３の窒化物半導体層１０４の島
の形状や平均の寸法、分布の平均間隔、分布の平均密度
などは、図３には限定されない。例えば、半導体層１０
４の組成や成長温度、あるいは、キャリアガスに窒素を
使用したり、あるいは水素／窒素の混合ガスとしてその
流量比を変化させたり、あるいは基板の面方位などに応
じて制御することができる。

【００４２】但し、インジウムを含有した第２の窒化物
半導体層１０３は熱に対して弱いため、第３の窒化物半
導体層１０４の成長温度は、その成長初期の段階では９
００度以下にすることが望ましい。

【００４３】次に、図２（ｂ）に表したように、第２の
窒化物半導体層１０３を選択的に除去する。具体的に
は、Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層１０４の成長後に連
続して水素雰囲気中に晒すことにより、第２の窒化物半
導体層を気相エッチングする。つまり、成長中や成長中
断時にはＶ族原料（ここではアンモニア）を供給しなが
ら高温保持するのが通常であるが、このＶ族原料の供給
を停止し、活性ガス（ここでは水素）を含む雰囲気に結
晶を晒すことにより、エッチング作用が得られる。

【００４４】本発明者の実験の結果、この気相エッチン
グによるエッチング速度は、活性ガスの流量や時間や温
度により制御できる他、結晶の混晶比によっても制御で
きることがわかった。例えば、水素を１０％含有した窒
素雰囲気にＧａＮを晒して温度を９００℃に保持する
と、ＧａＮはおよそ毎秒０．００２μｍの速度でエッチ
ングされる。また、水素雰囲気中で温度を１０００℃に
保持すると、ＧａＮはおよそ毎秒０．４μｍの速度でエ
ッチングされる。これに対して、Ａｌを５％以上含んだ
ＡｌＧａＮ結晶では水素中で１０００℃程度まで昇温し
ても殆どエッチングが進まないことが判明した。

【００４５】したがって、図２（ａ）の構造を水素雰囲
気に９００℃で晒すことによりインジウムを含有した第
２の窒化物半導体層１０３を高い選択比でエッチングす
ることができる。

【００４６】より一般的には、本エッチング工程におい
て、第２の窒化物半導体層１０３のエッチング速度が第
３の窒化物半導体層のエッチング速度よりもある程度大
きければ良い。水素ガスを含む雰囲気中での気相エッチ
ングの速度は、窒化物半導体層のインジウムの組成が大
きくなるにつれて増大する。また、窒化物半導体層のア
ルミニウムの組成が大きくなるにつれて減少し、アルミ
ニウムの組成比が５％を越えると顕著に小さくなる。

【００４７】従って、第３の窒化物半導体層１０４がエ
ッチングマスクとして作用するためには、第３の窒化物
半導体層１０４のアルミニウム組成が第２の窒化物半導
体層１０３のアルミニウム組成よりも大きいか、若しく
は、第３の窒化物半導体層１０４のインジウム組成が第
２の窒化物半導体層１０３のインジウム組成よりも小さ
ければ良い。両者の半導体層の組成の差が大きい程、エ
ッチング速度の選択比を大きくできる。

【００４８】しかし、仮に、第２の窒化物半導体層１０
３と第３の窒化物半導体層１０４のエッチング速度が同
程度であったとしても、第３の窒化物半導体層１０４の
方が十分に厚い層厚を有する場合には、エッチングマス
クとして作用させることが可能である。

【００４９】但し、上述の如く、窒化物半導体層のアル
ミニウム組成が５％を越えると気相エッチングにおける
エッチング速度が顕著に低下する傾向が認められるの
で、第３の窒化物半導体層１０４のアルミニウム組成を
５％以上とすることが望ましい。

【００５０】また、この際に第１の窒化物半導体層（Ａ
ｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ層）１０２のアルミニウム組
成を適度に調節することにより、エッチングストップ層
として利用することもできる。

【００５１】次に、図２（ｃ）に表したように、第４の
窒化物半導体層１０５を成長する。具体的には、水素キ
ャリアガスに加えて成長原料としてアンモニア、ＴＭＧ
を供給し、９００℃の成長温度でＧａＮ層１０５を成長
し、第３及び第３の窒化物半導体層１０３、１０４を埋
め込む。

【００５２】この後、図示しない上側の層の形成、パタ
ーニング、電極形成などの工程を経て、本発明の窒化物
半導体発光素子が完成する。

【００５３】本発明の半導体発光素子が従来と異なる点
は、第２の窒化物半導体層１０３のインジウム組成比が
例えば７０％と極めて高いような場合であっても、その
結晶品質を熱劣化させることなく、アルミニウムを含有
した第３の窒化物半導体層をその上に積層でき、さら
に、面内方向での発光素子の特性分布の「ばらつき」を
なくすことができる点にある。

【００５４】従来は、ＡｌＧａＮ層１０４を平坦成長す
ることが前提とされていたために、１０００℃以上の成
長温度にすることが必要とされ、インジウムを含む窒化
物半導体層１０３の熱劣化との間でトレードオフの関係
にあった。また、インジウムを含む半導体層１０３の熱
劣化を防ぐために、仮にＡｌＧａＮ層１０４の成長温度
を１０００℃以下に抑えたとしても、上述の如く島状の
成長になってしまい、これをそのままＧａＮ層１０５で
埋め込んだ構造では、ＡｌＧａＮ層１０４が存在する場
所とそうでない場所とができてしまい、例えば電流注入
を行う発光素子を作成した場合には注入電流に分布が生
じて「発光班」ができてしまう等の問題が生ずる。本発
明者の検討によれば、この構造では上部にＡｌＧａＮ層
１０４が存在する部分の下のＩｎＧａＮ多層膜部１０３
は高い発光効率が得られるが、ＡｌＧａＮ層１０４が存
在しない場所では発光効率が低く非発光再結合成分が多
く存在することが判明している。このことからも、Ａｌ
ＧａＮ層１０４の下部分のみ残し第２の窒化物半導体層
１０３の残部を除去する本発明の構造は有用である。

【００５５】なお、図２においては、第２の窒化物半導
体層１０３を結晶成長装置内において水素ガスによる気
相エッチングによりエッチングする具体例を挙げたが、
これ以外にも、例えば、結晶成長装置から一旦取り出し
て、ドライエッチングあるいはウエットエッチングなど
の方法によりエッチングしても良い。

【００５６】この場合には、結晶成長装置から取り出
し、エッチングし、再び結晶成長装置にウェーハを導入
して第４の窒化物半導体層１０５を成長するという手順
が必要とされる。

【００５７】次に、本発明の半導体発光素子の全体構成
について説明する。

【００５８】図４は、本発明の窒化物半導体発光素子の
全体構成を例示する断面図である。同図においては、図
１乃至図３に例示したものと同様の要素には同一の符号
を付した。

【００５９】すなわち、本具体例においては、サファイ
ア基板３０１の上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０１、
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド／エッチングストップ層１０
２、ＩｎＧａＮ系活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッ
ド／エッチングブロック層１０４、ｐ型ＧａＮコンタク
ト層１０５が積層されている。また、コンタクト層１０
１の上にはｎ側電極３０６が形成され、コンタクト層１
０５の上にはｐ側電極３０７が形成されている。

【００６０】ここで、ｎ型の不純物としてはＳｉ（シリ
コン）、ｐ型の不純物としてはＭｇ（マグネシウム）を
それぞれ用いることができる。また、ＩｎＧａＮ系活性
層１０３は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎバリア層１０３Ａ
／Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎウエル層１０３ＢのＭＱＷ構
造とすることができる。例えば、Ｉｎ組成比ｘ１および
ｘ２は、それぞれ０．０５、０．７とし、ＩｎＧａＮバ
リア層１０３ＡでＩｎＧａＮウエル層１０３Ｂを挟み込
んだ積層構造としてバリア層１０３Ａを６層、ウエル層
１０３Ｂを５層とすることができる。

【００６１】本具体例の半導体発光素子の場合、電極３
０６、３０７にバイアスを加えて電流注入を行ったとこ
ろ、ＩｎＧａＮ活性層１０３からの黄色の発光が得られ
た。発光ピーク波長は５９０ｎｍ、スペクトル半値幅は
３０ｎｍ、動作電流２０ｍＡにおける光出力は３ｍＷで
あった。

【００６２】図５は、本発明の窒化物半導体発光素子の
変形例を表す断面図である。本変形例が図４の構造と異
なる点は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１０２とＩｎＧａＮ系発光
層１０３との間に、ＧａＮエッチング層４０１を設けた
点にある。また、ＭＱＷ活性層のＩｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２
Ｎウエル層１０３ＢのＩｎ組成比を０．９とし、この上
層１０４の成長温度およびそれに続く層１０３のエッチ
ング温度はいずれも８８０℃とした。

【００６３】本変形例の発光素子においては、ウエル層
１０３ＢのＩｎ組成比が高くなったことによりエッチン
グ温度を低くする必要があり、このことから活性層１０
３のエッチング後にＩｎドロップレットが残ることがあ
る。このため、エッチングストップ層１０２の上層にＩ
ｎを含まないＧａＮエッチング層４０１を積層すること
によって、そのＩｎドロップレットをリフトオフ（除
去）することができ、平坦なエッチング面を作成するこ
とができる。

【００６４】こうして得られた本変形例の発光素子に電
流を注入したところ、発光ピーク波長６３０ｎｍの赤色
の発光が観測された。

【００６５】図６は、本発明の半導体発光素子の第２の
変形例を表す断面図である。本変形例が図４の構造と異
なる点は、ｎ型ＧａＮ層１０１とＡｌＧａＮエッチング
ストップ層１０２との間に、第２の発光層５０１を設け
た点と、ＡｌＧａＮエッチングストップ層１０２をアン
ドープした点にある。

【００６６】第２の発光層５０１は、例えば、ＺｎとＳ
ｉとをドープしたＩｎＧａＮにより形成することができ
る。Ｚｎ／ＳｉドープＩｎＧａＮ層５０１のＩｎ組成比
は例えば０．０８として、ドーピングされたＺｎ及びＳ
ｉの発光センターを介して４５０ｎｍの発光をするよう
に調整することが可能である。

【００６７】こうして得られた本変形例の発光素子に電
流を注入したところ、ＩｎＧａＮ活性層１０３からの黄
色の発光が得られ、さらに第２の発光層であるＺｎ／Ｓ
ｉドープＩｎＧａＮ層５０１からは青色の発光が得ら
れ、この両方の発光の混色によって発光素子からの発光
は白色に観測された。この白色光は色温度８０００Ｋで
光度２００ｍｃｄであった。

【００６８】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例及び変形例に限定されるものではない。

【００６９】例えば、窒化物半導体を気相エッチングす
る条件は、半導体の組成、デバイスの構造、エッチング
工程の前後の製造工程の内容などに応じて適宜決定する
ことができ、気相エッチングの温度を上限させたり雰囲
気にアンモニア（ＮＨ_３）などのガスを添加したりする
ことができる。

【００７０】また、活性層としての役割を有する第２の
窒化物半導体層１０３の積層構造や組成は、必要とされ
る光の波長に応じて適宜調節することができる。一例を
挙げると、発光波長として３７０ｎｍの短波長光が必要
な場合には、第２の窒化物半導体層１０３を、層厚１５
ｎｍのＧａ_０．９７Ａｌ_０．０３Ｎバリア層１０３Ａと
層厚５ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９５Ａｌ_０．０３Ｎ
ウエル層１０３Ｂとを５周期積層したＭＱＷ構造とすれ
ば良い。つまり、６層のバリア層１０３Ａの間にそれぞ
れウエル層１０３Ｂを挟んだ構成とする。この場合、第
１乃至第４の窒化物半導体層の組成は図１に関して前述
した具体例と同様でも良い。

【００７１】さらに、第２の窒化物半導体層１０３は、
その他のＩｎ組成比の低い青色や緑色のＩｎＧａＮ系の
単層あるいは積層構造でも良く、さらにはＩｎＧａＡｌ
Ｎ系から選ばれる種々の混晶を用いることもできる。

【００７２】一方、本発明の半導体発光素子は、ＬＥＤ
のみならず、面発光型のレーザ素子にも同様に適用する
ことができる。さらに、発光素子作成において用いる結
晶成長用基板はサファイアに限るものではなく、Ｓｉ
Ｃ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＧａＡｓなどでも同様の効果は得ら
れる。

【００７３】その他本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々変形して実施可能である。

【００７４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、島
状に形成した窒化物半導体層をマスクとしてその下層の
インジウムを含有する窒化物半導体層をエッチングする
ことにより、Ｉｎ組成比ｘが高い窒化物半導体層を積層
構造中に結晶品質劣化することなく作成することがで
き、その結果、紫外線から黄色さらに赤色波長領域にお
いて高い効率で均一に発光可能な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】本発明の実施の形態に関わる窒化物半導体発光
素子の要部の断面構造を例示する概念図である。

【図２】本発明の半導体発光素子の製造方法の要部を表
す工程断面図である。

【図３】第３の窒化物半導体層が島状に形成された状態
を例示する平面図である。

【図４】本発明の窒化物半導体発光素子の全体構成を例
示する断面図である。

【図５】本発明の窒化物半導体発光素子の変形例を表す
断面図である。

【図６】本発明の半導体発光素子の第２の変形例を表す
断面図である。

【符号の説明】

１０１下地の窒化物半導体層１０２第１の窒化物半導体層１０３第２の窒化物半導体層１０３Ａバリア層１０３Ｂウエル層１０４第３の窒化物半導体層１０５第４の窒化物半導体層３０１基板３０６ｎ側電極３０７ｐ側電極４０１エッチング層５０１第２の発光層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に設けられ、第２の窒化
物半導体層と前記第２の窒化物半導体層の上に積層され
た第３の窒化物半導体層とを有する複数の島状積層体
と、前記複数の島状積層体を埋め込んで前記第１の窒化物半
導体層の上に形成された第４の窒化物半導体層と、を備え、前記第２の窒化物半導体層は、インジウムを含有し、前記第３の窒化物半導体層は、アルミニウムを含有する
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記第３の窒化物半導体層のアルミニウム
の組成比は、前記第２の窒化物半導体層のアルミニウム
の組成比よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の
半導体発光素子。
【請求項３】前記第３の窒化物半導体層のアルミニウム
組成比は、５％以上であることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記第２の窒化物半導体層のインジウムの
組成比は、前記第３の窒化物半導体層のインジウムの組
成比よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいず
れか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】前記第１の窒化物半導体層は、アルミニウ
ムを含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか
１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】前記第１の窒化物半導体層と前記第２の窒
化物半導体層との間に設けられた第５の窒化物半導体層
をさらに備え、前記第５の窒化物半導体層は、インジウムを実質的に含
有しないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つ
に記載の半導体発光素子。
【請求項７】前記第１の窒化物半導体層と前記第３の窒
化物半導体層は、前記第２の窒化物半導体層よりも大き
なバンドギャップを有し、前記第２の窒化物半導体層は、光を放出する活性層とし
て作用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１
つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】前記第２の窒化物半導体層から放出される
光とは異なる波長を有する光を放出する第２の活性層を
さらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか
１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】基板上に第１の窒化物半導体層を形成する
工程と、前記第１の窒化物半導体層の上に、第２の窒化物半導体
層を形成する工程と、前記第２の窒化物半導体層の上に、第３の窒化物半導体
層を島状に形成する工程と、前記島状に形成された前記第３の窒化物半導体層の間に
露出している前記第２の窒化物半導体層をエッチングす
る工程と、前記島状に形成された前記第３の窒化物半導体層を埋め
込むように第４の窒化物半導体層を形成する工程と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】前記第２の窒化物半導体層は、インジウ
ムを含有し、前記第３の窒化物半導体層は、アルミニウムを含有する
ことを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子の製造
方法。
【請求項１１】前記エッチングする工程は、水素を含有
する雰囲気中において前記第２の窒化物半導体層を気相
エッチングすることを特徴とする請求項９または１０に
記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】前記第１の窒化物半導体層を形成する前
記工程から前記第４の窒化物半導体層を形成する前記工
程までを、ひとつの結晶成長室内において実施すること
を特徴とする請求項９〜１１のいずれか１つに記載の半
導体発光素子の製造方法。