JP2006108586A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 III族窒化物系化合物半導体発光素子の多層積層構造の製造条件を最適化し、もって発光素子の発光効率向上を図る。
【解決手段】 Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、実質的に第1の層の成長温度で第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させ、第1の層の上に前記第2の層を所定の厚さに成長した後、キャリアガスに水素ガスを混入させる。
【選択図】 図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。

III族窒化物系化合物半導体発光素子はｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に活性層が挟まれる構成である。かかる発光素子において発光効率の増大を図るため、活性層を多重量子井戸構造とすることがある。ｎ型半導体層及びｐ型半導体層においても超格子構造が採用されることがある。ｎ型半導体層及びｐ型半導体層に超格子構造を採用することにより各層の抵抗が低下して、活性層に対するそれぞれの電子注入効率及びホール注入効率が向上する。
これら超格子構造や多重量子井戸構造においては、比較的バンドギャップの小さいＩｎを含む半導体層（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１））と比較的バンドギャップの大きい半導体層（Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１））とを繰り返し積層する構成とすることがある。
本発明に関連する文献として特許文献１〜特許文献５を参照されたい。

特開平１０−３２６９４３号公報 特開平１１−３４０５０９号公報 特開２００２−１９８３１４号公報 特開２００２−３１９７４３号公報 特開２００３−１７７４６号公報

しかしながら、Ｉｎを含む半導体層は熱的に劣化を来たしやすく、また雰囲気中に水素が存在すると、ＭＯＣＶＤ法による成長時にＩｎが取り込まれず、また成長後においても劣化を来たしてしまう。特にＩｎを含む半導体層で多層積層構造を構成する場合には、各半導体層の膜厚が薄くなるので、既述の熱や水素によるダメージが深刻になる。
他方、Ｉｎを含まないバンドギャップの比較的大きい半導体層Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）は、Ｉｎを含む半導体より高温で形成することにより良質な結晶が得られる。また、成長時の雰囲気に水素ガスを存在させることにより、低温であっても高品質な半導体層Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）を成長させることができる。
従って、Ｉｎを含む半導体層とＩｎを含まない半導体層とを繰り返し積層する場合には、各層の好適な製造条件が相反するものとなる。つまり、Ｉｎを含む半導体層の後にＩｎを含まない半導体層を結晶性良く成長させるためにその成長温度を高くし及び／又は水素ガスを導入すると、Ｉｎを含む半導体層にダメージを来たしてしまう。かかるＩｎを含む半導体層のダメージを防止するため、後者の半導体層を低温成長及び／又は水素非導入とすると、当該Ｉｎを含まない半導体層に高品質な結晶性を得られなくなる。

この発明はかかる課題を解決すべくなされたものである。即ち、
Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、
実質的に前記第1の層の成長温度で前記第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させ、
前記第1の層の上に前記第2の層が所定の厚さに成長した後、キャリアガスに水素ガスを混入させる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。

この発明のようにIII族窒化物系化合物半導体発光素子を製造すると、
（１）第1の層の上へ第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、実質的に第1の層の成長温度で第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させるので、当初より第2の層の成長に適した成長温度（第1の層の成長温度より高い）で第1の層の上に第2の層を成長させる場合に比べ、第1の層に加わる熱量が低減される。従って、第1の層における熱ダメージが低減する。他方、成長温度を上昇させることにより第2の層も高品質に成長可能となる。
かつ、（２）第1の層の上へ第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、先ず第1の層の上に第2の層が所定の厚さに成長させるので、この時点で試料の雰囲気に水素ガスが存在してもＩｎを含む第1の層に何らダメージが生じない。このように第1の層が第2の層の材料で被覆された後にキャリアガスへ水素ガスを混入させると、第2の層はより低い成長温度であっても高品質な結晶構造となる。第2の層の成長温度を低下させることにより第1の層へ加わる熱ダメージも小さくなる。
以上により、第1の層と第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造の結晶性が全体的に高品質になる。

この発明の他の局面によれば、上記第1の局面において、第2の層を所定の厚さに成長した後、該第2の層の成長温度を上昇させる。
これにより、第1の層へ加えられる熱量の制御が容易となる。また、第1の層へ加えられる熱量を抑制することができる。

この発明の他の局面によれば、 Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、
実質的に前記第1の層の成長温度で前記第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させる。

この局面のようにIII族窒化物系化合物半導体発光素子を製造すると、
（１）第1の層の上へ第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、実質的に第1の層の成長温度で第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させるので、当初より第2の層の成長に適した成長温度（第1の層の成長温度より高い）で第1の層の上に第2の層を成長させる場合に比べ、第1の層に加わる熱量が低減される。従って、第1の層における熱ダメージが低減する。他方、成長温度を上昇させることにより第2の層も高品質に成長可能となる。

この発明の他の局面によれば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、
前記第1の層の上に前記第2の層が所定の厚さに成長した後、キャリアガスに水素ガスを混入させる。

この局面のようにIII族窒化物系化合物半導体発光素子を製造すると、
第1の層の上へ第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、先ず第1の層の上に第2の層を所定の厚さに成長させるので、この時点で試料の雰囲気に水素ガスが存在してもＩｎを含む第1の層に何らダメージが生じない。このように第1の層が第2の層の材料で被覆された後にキャリアガスへ水素ガスを混入させると、第2の層はより低い成長温度であっても高品質な結晶構造となる。第2の層の成長温度を低下させることにより第1の層へ加わる熱ダメージも小さくなる。

以下、この発明を構成する各要素について詳細に説明する。
（第1の層、第2の層）
第1の層はＩｎを含むIII族窒化物系化合物半導体からなり、一般式ではＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）と表される。第2の層はＩｎを含まないIII族窒化物系化合物半導体からなり、一般式ではＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）と表される。
これらIII族窒化物系化合物半導体において、III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換してもよい。これらIII族窒化物系化合物半導体層には不純物をドープすることができ、例えばｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を用いることができる。ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能である。
III族窒化物系化合物半導体層の形成方法としてこの発明では有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて多層積層構造を形成する。発光素子の他の層は当該ＭＯＣＶＤ法のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。

第1の層と第2の層とは繰り返し積層されて多層積層構造を形成する。
当該多層積層構造がｐ型半導体層やｎ型半導体層を構成する超格子構造である場合には、第1の層及び第2の層の膜厚は１〜６ｎｍとすることが好ましく、更に好ましくは２〜５ｎｍである。第1の層と第2の層の積層繰り返し数は特に限定されるものではないが、４〜３０回とすることが好ましい。
超格子構造の場合、第1の層と第2の層とのバンドギャップに差があっても、無くてもよい。

第1の層と第2の層とによる多層積層構造が活性層の多重量子井戸構造の場合、第1の層及び第2の層の膜厚はそれぞれ１〜５ｎｍ、５〜２０ｎｍとすることが好ましく、更に好ましくはそれぞれ１．５〜３．５ｎｍ、７〜１５ｎｍである。第1の層と第2の層の積層繰り返し数は特に限定されるものではないが、３〜１０回とすることが好ましい。
多重量子井戸構造では第1の層が井戸層となり、第2の層がバリア層となるよう、第2の層のバンドギャップを第1の層のそれより大きくする。

なお、III族窒化物系化合物半導体発光素子のｐ型半導体層及び活性層を多層積層構造としたときには、それらを構成する各層は次の要件を満足することが好ましい。
ｐ型半導体層はＡｌを含む第1の層と該第1の層と組成の異なる第2の層とを繰り返し積層してなる超格子構造である。
超格子構造とすることによりｐ型半導体層の抵抗が小さくなり、また結晶性も向上するので発光素子の発光効率増大に寄与する。
第1の層は少なくともIII族元素としてＡｌを含む。第2の層は一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）で表される。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換してもよい。
この第2の層は第1の層と組成が異なるものとする。第1の層と第2の層とのバンドギャップエネルギーは同一であっても異なっていてもよい。
ｐ型半導体層の超格子構造において、活性層に最も近い第1の層（好ましくは活性層に接している）のＡｌ組成を他の第1の層のそれに比べて低くする。前者のＡｌ組成は後者のそれの１０〜８０％とすることが好ましい。より好ましくは３０〜６０％である。
また、活性層の最上層がＧａＮからなり、このＧａＮ層に既述の第1の層（活性層に最も近い層）が接するとき、第1の層のＡｌ組成は５〜２５％とすることが好ましい。これにより活性層と当該活性層に最も近い第1の層との間の格子不整合が実質的無くなり、当該第1の層を高い結晶性で形成可能となる。
活性層に最も近い第1の層におけるｐ型不純物のドープ量は活性層に対するｐ型不純物の拡散防止の見地から、ゼロ、即ちノンドープとすることが好ましい。なお、当該第1の層をノンドープで形成したとしても、これに接する他のｐ型半導体層からｐ型不純物が拡散するおそれがあり、その結果、当該活性層に最も近い第1の層がドープ状態になることがある。この場合においても当該活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ濃度は他の第1の層のそれに比べて低くなる。勿論、意図的に当該活性層に最も近い第1の層のｐ型不純物ドープ濃度を他の第1の層のそれに比べて低くするようにしてもよい。
ｐ型不純物として、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を用いることができる。なお、ｐ型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことも可能である。
活性層に最も近い第1の層の成長温度を他の第1の層の成長温度より高くする。これにより、この第1の層が結晶性良く成長する結果として、その後に形成される他の第1の層を比較的低い温度で形成してもその結晶品質が充分なものとなる。また、他の第1の層を比較的低い温度で形成することにより、活性層にあたえる熱ダメージが小さくなる。
実施例では第1の層としてＡｌＧａＮが採用され、第2の層としてＩｎＧａＮが採用されている。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
（活性層）
活性層の構造は特に限定されないが、発光効率の見地から多重量子井戸構造を採用することが好ましい。勿論活性層は多重量子井戸構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。また、単一量子井戸構造を採用することもできる。
活性層はIII族窒化物系化合物半導体層から形成することができる。III族窒化物系化合物半導体は一般式としてＩｎ_ＸＧａ_ＹＡｌ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表され、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮのいわゆる２元系、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ、Ｉｎ_ｘＡｌ_１−ｘＮ及びＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（以上において０＜ｘ＜１）のいわゆる３元系を包含する。III族元素の一部をボロン（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等で置換しても良く、また、窒素（Ｎ）の一部もリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置換できる。III族窒化物系化合物半導体層の形成方法は特に限定されないが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）のほか、周知の分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法、電子シャワー法等によっても形成することができる。
活性層を多重量子井戸構造とした場合、その井戸層をＩｎＧａＮとし、そのバリア層をＧａＮとすることが好ましい。即ち、活性層にはＡｌが含まれなくなる。その結果、当該活性層の上に形成されるｐ型の超格子構造において最初のＡｌを含む層（第1の層）におけるＡｌ組成を小さくすることにより、半導体組成を出来る限り近似させて当該半導体層間の格子不整合を出来る限り小さくする。
多重量子井戸構造からなる活性層においてｐ型半導体層に近いバリア層を他のバリア層に比べて薄膜にする。好ましくは前者の膜厚を後者のそれの１０〜８０％とする。更に好ましくは２０〜６０％とする。なお、バリア層がその機能を奏するためには３ｎｍ程度の膜厚が必要である。
これによりｐ型半導体層からのホール注入効率が向上する。なお、このようにバリア層の薄膜化が可能になったのは、活性層に最も近い第1の層（好ましくは活性層に接している）のｐ型不純物ドープ量を低減若しくはゼロとすることによりｐ型半導体層から活性層に対するｐ型不純物の拡散が無くなるからである。

（第１の層及び第２の層の成長温度）
第１の層をその好適成長温度Ａで成長させた後、材料ガスを切り替えて第２の層を形成する。このとき、第2の層の成長温度は、図１に示すように、当初（時間ｔ０）、第1の層の成長温度Ａと等しくする。その後、所定の時間ｔ１まではその温度Ａが維持される。所定の時間ｔ１は任意に設定可能であるが、時間ｔ１までに成長した第２の層の材料で被覆された第１の層に雰囲気中の水素ガスが影響しなくなるようにすることが好ましい。時間ｔ１経過後は第２の層の成長温度を漸増させて第２の層の好適な成長温度Ｂに維持する。
第２の層が完成した後水素ガスの供給を停止するとともに試料を第１の層の好適成長温度Ａまで放冷する。

図２の例では、第２の層は当初第１の層の成長温度Ａと等しくするが、すぐにその温度を上昇させて第２の層の好適成長温度Ｂに維持する。
図２の例では、試料の温度が第２の層の好適成長温度Ｂに達した時点で水素ガスを導入している。水素ガスの導入のタイミングは、第１の層に対する第２の層による保護が充分であれば特に限定されない。
図１及び図２の例とも、水素の導入自体を行わないようにすることもできる。
図１及び図２の例とも、第２の層の好適成長温度Ｂは水素ガスが雰囲気中に存在することを条件としたものであり、水素ガスの存在しない条件では第２の層の好適成長温度は温度Ｂより高くなる（水素不存在雰囲気のおける好適成長温度Ｃ：図３参照）。

図３（ａ）の例では第１の層の形成が終了したのち、次の様にして第２の層を形成する。まず、水素不在雰囲気における好適成長温度Ｃにより第２の層を形成し、当該第２の層が所定の厚さになって第１の層に対する水素ガスの影響を防止できるものとなった時間ｔ２において水素ガスを導入する。その後、試料の温度を温度Ｂ（水素存在雰囲気における好適成長温度）まで低下させ、第２の層の形成を続行する。第２の層の形成が完成した時点で水素ガスの供給を止め、試料を第１の温度まで放冷する。
この例では、時間ｔ２後に成長温度を低下させることにより、第１の層に対する熱の影響が低減させている。
図３（ａ）の例では水素導入後に試料の温度を低下させているが、これをそのまま維持してもよい（図３（ｂ）参照）。

以下、この発明の実施例について説明をする。

この実施例は発光ダイオード１であり、その構成を図４に示す。
基板２にはサファイアを採用し、そのａ面へIII族窒化物系化合物半導体層を積層させた。基板材料としてサファイアの他、ＳｉＣ（炭化シリコン）及びＧａＮ（窒化ガリウム）等の六方晶材料、Ｓｉ（シリコン）やＧａＰ（リン化ガリウム）、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）などの立方晶材料を用いることが出来る。

サファイア基板２の上へスパッタによりＡｌＮバッファ層３が形成されている。このバッファ層３をＭＯＣＶＤ法等の他の方法で形成することもできる。また、ＡｌＮの他ＧａＮ等の他のIII族窒化物系化合物半導体材料でバッファ層を形成することもできる。
このバッファ層３の上に、図１に示すIII族窒化物系化合物半導体層を常法（ＭＯＣＶＤ法）に従い形成する。この成長法においては、アンモニアガスとIII族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ)、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。

ｎ型半導体層はｎ型コンタクト層４とｎ型クラッド層５とからなる。
ｎ型コンタクト層４は厚膜のｎ+ＧａＮ層４１の上にＧａＮ層４２とｎ-ＧａＮ層４３を順次積層したものである。
ｎクラッド層５はＩｎＧａＮ層５１とｎ-ＧａＮ層５２を繰り返し積層した構成である。

活性層６はＩｎＧａＮからなる井戸層６１とＧａＮからなるバリア層とを繰り返し積層した構成である。なお、活性層６においてｐ型半導体層に接するバリア層６３（膜厚：４ｎｍ）は他のバリア層６１（１３ｎｍ）より薄膜に形成されている。これにより、ｐ型層からのホール注入効率が向上し、活性層における発光効率が向上する。

ｐ型半導体層はｐ型クラッド層７とｐ型コンタクト層８とからなる。
ｐ型クラッド層７において活性層６に接する層はノンドープのＡｌＧａＮ層７１とされ、その上にｐ-ＩｎＧａＮ層７２及びｐ-ＡｌＧａＮ層７３が繰り返し積層される。活性層７に接するＡｌＧａＮ層７１をノンドープとすることにより、ｐ型半導体層に含まれるｐ型不純物（Ｍｇ）が活性層６内へ拡散しなくなる。よって、活性層６の結晶品質が安定する。

ｐクラッド層７においてノンドープのＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成（１５％）は他のＡｌＧａＮ層７３のＡｌ組成（３０％）に比べて小さい。活性層６の最上層はＧａＮ層６３であるので、これに接するＡｌＧａＮ層７１のＡｌ組成を小さくすることにより、ＧａＮ層６３とＡｌＧａＮ層７１との格子不整合が緩和される。もってＡｌＧａＮ層７１の結晶性が向上し、その結果その上に形成される半導体層の結晶性も向上する。

ｐ型クラッド層７の上にはｐ型コンタクト層８が積層される。この実施例のｐ型コンタクト層８はｐ-ＧａＮ層８１とｐ+ＧａＮ層８２の2層構造とした。符号９は透光性電極であり金を含む透明な導電性金属からなる。この透光性電極９はｐ型クラッド層８のほぼ全面を被覆して積層される。ｐ型電極１０も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極９の上に形成される。
ｎ電極１１はエッチングにより露出されたｎ−ＧａＮ層４１の面へ蒸着により形成される。

この実施例では、ｎ型クラッド層５及び活性層６を構成する多層積層構造にはＩｎＧａＮが含まれる。このＩｎＧａＮ層は熱的に劣化しやすい。従って比較的低温で成長させる必要がある。また雰囲気中の水素ガスの影響も受け易い。
他方、各多層積層構造においてＩｎＧａＮ層とペアになるＧａＮ層は比較的高温で成長させることが好ましく。また、ＭＯＣＶＤ法を実行するときのキャリアガスに水素を混入することにより、より低温で良質な結晶が得られることとなる。
そこでこの実施例では、ｎクラッド層５を構成する超格子構造においてＩｎＧａＮ層５１の上へｎ−ＧａＮ層５２を形成するとき、図５に示すとおり、当初ＩｎＧａＮ層の成長温度８００℃を維持し、ｎ−ＧａＮ層５２の材料でＩｎＧａＮ層５１を被覆する（ステップ１）。この実施例ではｔ０−ｔ１間を約１分とし、これにより約１ｎｍのｎ−ＧａＮ層が形成された。このｎ−ＧａＮ層５２は雰囲気中の水素がＩｎＧａＮ層５１へ悪影響を及ぼすことを防止する。従って、時間ｔ１の時点で水素ガスをキャリアガス（窒素ガス）中へ導入する。水素ガスの導入量は特に限定されるものではないが、窒素ガス：水素ガス＝３〜４：１とすることが好ましい。その後、試料の温度を８４０℃まで上昇させ当該成長温度にて所望膜厚のｎ−ＧａＮ層５２を形成する。ｎ−ＧａＮ層５２の形成が完了したら水素の導入を停止して、試料を放冷する。

活性層６の多層積層構造は次のように形成した。量子井戸層となるＩｎＧａＮ層６１の上へバリア層となるＧａＮ層６２を形成するとき、図６に示すとおり、当初ＩｎＧａＮ層７１の成長温度７７０℃を維持し、ＧａＮ層６２の材料でＩｎＧａＮ層６１を被覆する（ステップ１）。この実施例ではｔ０−ｔ１間を約１分とし、これにより約１ｎｍのＧａＮ層が形成された。このＧａＮ層６２は雰囲気中の水素がＩｎＧａＮ層６１へ悪影響を及ぼすことを防止する。従って、時間ｔ１の時点で水素ガスをキャリアガス（窒素ガス）へ導入する。水素ガスの導入量は特に限定されるものではないが、窒素ガス：水素ガス＝３〜４：１とすることが好ましい。その後、試料の温度を８４０℃まで上昇させ当該成長温度にて所望膜厚のＧａＮ層６２を形成する。ＧａＮ層６２が完成したら水素の供給を止めて試料を放冷する。

図７に比較例の発光素子を示す。図７において、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、図７に示す比較例の発光素子１０１においては、活性層１０６においてｐ型クラッド層１０７に接する最終バリア層の膜厚を１３ｎｍとして他のバリア層６２と同一構成とした。また、ｐ型クラッド層１０７において活性層１０６に接するＡｌＧａＮ層も他のＡｌＧａＮ層７３と同一構成及び同一成長温度とした。
ｎクラッド層１０５のｎ−ＧａＮ層１５２及び活性層１０６のＧａＮ層１６２、１６３は一定の温度で形成されている。

図８の実施例１は図４に示す発光素子１において、活性層６のＧａＮ層を形成するに当たり、途中での水素ガスの導入を行わなかったものである。また、ｎクラッド層５においてもＧａＮ層を一定温度（８４０℃）で形成し、かつ途中での水素ガス導入も行われていない。
図８の結果から、活性層６の多重量子井戸構造を構成するＧａＮ層の成長温度へ図６に示すような温度傾斜を持たせることにより、発光素子の発光出力が増大することがわかる。

図９の実施例２は図４に示す発光素子１において、活性層６のＧａＮ層を形成するに当たり、成長温度を一定温度（８４０℃）として途中での水素ガスの導入のみを行なったものである（図１０参照）。水素ガスの導入のタイミングは図４の例と同一である。また、ｎクラッド層５においてもＧａＮ層を一定温度（８４０℃）で形成し、かつ途中での水素ガス導入も行われていない。
図９の結果から、活性層６の多重量子井戸構造を構成するＧａＮ層を成長させるにあたり、途中で水素ガスを導入することにより、発光素子の発光出力が増大することがわかる。これは、途中で水素ガスを導入することより、ＩｎＧａＮ層に何らダメージを与えることなくＧａＮ層の結晶性が向上したためと考えられる。

図１１の実施例３は図４に示す発光素子１において、活性層６においては温度傾斜及び水素ガスの途中導入を行うものの、ｎクラッド層５のＧａＮ層を一定温度（８４０℃）で形成し、かつ途中での水素ガス導入も行っていないものである。
図１１の結果から、活性層６の多重量子井戸構造を構成するＧａＮ層を成長するにあたり、その成長温度に図６に示すような温度傾斜を持たせることにより、かつ途中で水素ガスを導入することにより、発光素子の発光出力が増大することがわかる。

図１２の実施例４は図４に示す発光素子１において、ｎ型クラッド層５において温度傾斜及び水素ガスの途中導入を行うものの、活性層６のＧａＮ層６２を一定温度（８４０℃）で形成し、かつ途中での水素ガス導入も行っていないものである。
図１２の結果から、ｎ型クラッド層５の超格子構造を構成するｎ−ＧａＮ層を成長するにあたり、そのｎ−ＧａＮ層の成長温度に図５に示すような温度傾斜を持たせることにより、かつ途中で水素ガスを導入することにより、発光素子の発光出力が増大することがわかる。

図１３の実施例５は図４に示す発光素子１である。即ち、ｎ型クラッド層５及び活性層６においてともに温度傾斜及び水素ガスの途中導入を行っている。
図１３の結果から、図４に示す実施例５の発光素子１によればｎ型クラッド層５の超格子構造を構成するｎ−ＧａＮ層を成長するにあたり、そのｎ−ＧａＮ層の成長温度に図５に示すような温度傾斜を持たせることにより、かつ途中で水素ガスを導入することにより、更には、活性層６の多重量子井戸構造を構成するＧａＮ層を成長するにあたり、その成長温度に図６に示すような温度傾斜を持たせることにより、かつ途中で水素ガスを導入することにより、発光素子の発光出力が増大することがわかる。

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１はこの発明における多層積層構造の形成方法の一例を示すチャートである。 図２はこの発明における発光素子の多層積層構造の形成方法の他の一例を示すチャートである。 図３はこの発明における発光素子の多層積層構造の形成方法の他の一例を示すチャートである。 図４はこの発明の実施例のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す模式図である。 図５は実施例の発光素子におけるｎクラッド層の形成方法を示すチャートである。 図６は実施例の発光素子における活性層の形成方法を示すチャートでるあ。 図７は比較例のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す模式図である。 図８は活性層におけるＧａＮ層の形成時に温度傾斜のみを実行したとき（実施例１）と比較例との発光出力の相違を示すグラフである。 図９は活性層におけるＧａＮ層の形成時に途中水素導入のみを実行したとき（実施例２）と比較例との発光出力の相違を示すグラフである。 図１０は実施例２における活性層の形成方法を示すチャートである。 図１１は活性層におけるＧａＮ層の形成時に温度傾斜及び途中水素導入を実行したとき（実施例３）と比較例との発光出力の相違を示すグラフである。 図１２はｎクラッド層におけるｎ−ＧａＮ層の形成時に温度傾斜及び途中水素導入を実行したとき（実施例４）と比較例との発光出力の相違を示すグラフである。 図１３は活性層におけるＧａＮ層の形成時に温度傾斜及び途中水素導入を実行し、かつｎクラッド層におけるｎ−ＧａＮ層の形成時に温度傾斜及び途中水素導入を実行したとき（実施例５）と比較例との発光出力の相違を示すグラフである。

符号の説明

１、１０１ 発光素子
２ サファイア基板
３ バッファ層
４ ｎ型コンタクト層
５ ｎ型クラッド層
６、１０６ 活性層
７、１０７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型コンタクト層

Claims (4)

1. Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
   前記第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、
   実質的に前記第1の層の成長温度で前記第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させ、
   前記第1の層の上に前記第2の層が所定の厚さに成長した後、キャリアガスに水素ガスを混入させる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
2. 前記第2の層が所定の厚さ成長した後、該第2の層の成長温度を上昇させる、ことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
3. Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
   前記第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、
   実質的に前記第1の層の成長温度で前記第2の層の成長を開始して、その後成長温度を上昇させる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
4. Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜（ｘ＋ｙ）≦１）からなる第1の層とＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなる第2の層とを繰り返し積層してなる多層積層構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
   前記第1の層の上へ前記第2の層をＭＯＣＶＤ法により形成する際に、
   前記第1の層の上に前記第2の層が所定の厚さに成長した後、キャリアガスに水素ガスを混入させる、ことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。