JP2007227494A - 発光素子形成用の積層構造体、発光素子、および発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外領域に発光波長を有する、高発光効率の発光素子を提供する。
【解決手段】サファイア上にＡｌＮがエピタキシャル形成されたエピタキシャル基板上に、波長が３００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のＡｌＧａＮからなるｎ型層と、紫外領域に発光波長を有する組成範囲のＡｌＧａＮからなる発光層と、ＡｌＧａＮからなるｐ型層とをＭＯＣＶＤにてこの順に積層形成する。その際、ｎ型層におけるＳｉ原子の濃度値に対する、Ｏ原子とＣ原子の濃度値の総和の比率が０．８以下となるようにする。これは例えば、１１００〜１２００℃の成長温度あるいは１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒの成長圧力で実現される。これにより、Ｓｉドナーの活性化率が向上し、比抵抗が１．５Ωｃｍ以下で、転位密度が１０¹⁰／ｃｍ²の高結晶品質のｎ型層が形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、紫外領域に発光波長を有する発光素子に関する。

III族窒化物半導体は、ワイドバンドギャップを有しバンド間遷移が直接遷移型であることから、短波長領域（青〜紫〜紫外）の発光波長を有する発光素子の構成材料として好適である。

このような発光素子の一例として、III族窒化物からなるｎ型層にＳｉドーパントを３×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の濃度範囲で添加することでキャリア濃度を制御し、該ｎ型層において高結晶品質と充分な移動度とが実現されており、かつ発光波長が紫外光領域の２００ｎｍである発光ダイオードおよび半導体レーザーがすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２７３３９８号公報

いわゆるＰＮ型の半導体発光素子であって、紫外領域に発光波長を有するものは、ＡｌリッチなＡｌＧａＮを用いてこれを構成することで実現される。その発光効率を高めるには、ｎ型層を、高い結晶品質を維持しつつ低抵抗化することが重要である。なぜならば、ｎ型層の比抵抗は、キャリア濃度と移動度との積に反比例する関係にあることから、ＡｌリッチなＡｌＧａＮを用いて形成したｎ型層において比抵抗の低減つまりは低抵抗化が実現されていれば、少なくともキャリア濃度の増加もしくは移動度の増加が生じていることになるからである。これらキャリア濃度の増加および移動度の増加はいずれも、発光効率の向上に寄与するものである。

特許文献１においては、Ａｌリッチな場合にｎ型層が高抵抗となることについての記載はあるが、係る場合のｎ型層の低抵抗化を実現する技術については具体的な開示はなされていない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、紫外領域に発光波長を有する、高発光効率の発光素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、所定の基板と、前記基板の上にエピタキシャル形成され、第１のIII族窒化物からなるｎ型層と、を備え、所定の機能層を上部に積層形成することで発光素子を得ることができる、発光素子形成用の積層構造体であって、前記第１のIII族窒化物が、波長が３００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、前記ｎ型層におけるＳｉ原子の濃度値に対する、前記ｎ型層における酸素原子と炭素原子の濃度値の総和の比率が、０．８以下である、ことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の積層構造体であって、前記ｎ型層が１１５０℃以上１２００℃以下の温度で形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の積層構造体であって、前記ｎ型層が１０Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下の圧力で形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の積層構造体であって、前記基板が、単結晶サファイアからなる基材と、前記基材上にＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）がエピタキシャル形成されてなる成長下地層と、からなり、前記成長下地層の上に前記下地層よりＡｌモル濃度が低い前記ｎ型層が形成されてなる、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、発光素子であって、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の積層構造体の上に、第２のIII族窒化物からなる発光層と第３のIII族窒化物からなるｐ型層とがこの順にエピタキシャル形成されてなり、前記第２のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）である、ことを特徴とする。

請求項６の発明は、発光素子の製造方法であって、所定の基板の上に第１のIII族窒化物からなるｎ型層をエピタキシャル形成するｎ型層形成工程と、前記ｎ型層の上に、第２のIII族窒化物からなる発光層をエピタキシャル形成する発光層形成工程と、前記発光層の上に、第３のIII族窒化物からなるｐ型層をエピタキシャル形成する形成するｐ型層形成工程と、を備え、前記第１のIII族窒化物が波長が３００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、前記第２のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）であり、前記ｎ型層形成工程においては、１１５０℃以上１２００℃以下の温度で前記ｎ型層を形成する、ことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載の発光素子の製造方法であって、前記ｎ型層形成工程においては、１０Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下の圧力で前記ｎ型層を形成する、ことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項６または請求項７に記載の発光素子の製造方法であって、前記基板が、単結晶サファイアからなる基材と、前記基材上にＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）がエピタキシャル形成されてなる成長下地層と、からなり、前記ｎ型層形成工程においては、前記成長下地層の上に前記下地層よりＡｌモル濃度が低い前記ｎ型層を形成する、ことを特徴とする。

請求項１ないし請求項８の発明によれば、ｎ型層において低抵抗と高い結晶品質とが実現されてなる、発光効率に優れた、紫外領域に発光波長を有する発光素子を実現することができる。

＜発光素子の構成概要＞
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子１０の断面構造の一例を模式的に示す図である。発光素子１０は、基板１の上に、ｎ型層２と、発光層３と、ｐ型層４とがこの順にエピタキシャル形成されてなる積層構造体である。ここで、基板１は、基材１ａと、その上にエピタキシャル形成されてなる成長下地層１ｂとからなる、いわゆるエピタキシャル基板である（あるいはテンプレート基板とも称される）。また、発光素子１０においては、ｐ型層４の上に、Ａｕ／Ｎｉなどでｐ型電極５が形成されてなる。さらに、発光層３およびｐ型層４の一部をエッチング等にて除去することにより露出させたｎ型層２の上に、Ａｌ／Ｔｉなどのｎ型電極６が形成されてなる。なお、図示の都合上、図１の図面における各層の厚みの比率および縦横の比率は、実際の比率を反映したものではない。

発光素子１０は、いわゆるＰＮ型の半導体発光素子である。ｐ型電極５とｎ型電極６との間の電圧印加による発光層３へのキャリア閉じ込めとその再結合によって、所定波長の光を発光するものである。発光波長は、発光層３の組成などによって定まる。本実施の形態に係る発光素子１０は、紫外領域に発光波長を有するよう構成される。

基材１ａは、その上に形成する成長下地層１ｂの有無に関わらず、その上に形成される層を含む各層の形成手法に応じて適宜に選択される。例えば、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やサファイアなどの基板を用いる。あるいは、ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ₂、ＬｉＧａＯ₂、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、（ＬａＳｒ）（ＡｌＴａ）Ｏ₃、ＮｄＧａＯ₃、ＭｇＯといった各種酸化物材料、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃといった各種ＩＶ族単結晶、ＳｉＧｅといった各種IV−IV族化合物、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮといった各種III−Ｖ族化合物およびＺｒＢ₂といった各種ホウ化物の単結晶から適宜選択して用いてもよい。

ただし、紫外領域に発光波長を有することから、基材１ａとしては、当該領域の波長の光に対し透明な材料を用いることが望ましい。次述する成長下地層１ｂを構成するIII族窒化物の結晶構造との相性から鑑みると、基材１ａとしてはサファイアが最も好適である。（０００１）面を主面とするIII族窒化物結晶を成長下地層１ｂとして得る場合には、例えば（１１−２０）面及び（０００１）面サファイアを基材１ａとして用いることができる。また、（１１−２０）面を主面とするIII族窒化物結晶を成長下地層１ｂとして得る場合には、例えば（１０−１２）面サファイアを基材１ａとして用いることができる。基材１ａの厚みには特段の材質上の制限はないが、取り扱いの便宜上、数百μｍ〜数ｍｍの厚みのものが好適である。

成長下地層１ｂは、例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＨＶＰＥ法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ここでいうIII族窒化物結晶とは、例えばＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０＜ｐ≦１）である。好ましくはＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）である。より好ましくはＡｌＮである。ここで、ＡｌＮは単一組成で形成できるため、組成分布等の問題がなく、最も好ましい形態であるが、Ａｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）とすることにより、ＡｌＮに物性が近似し、結晶品質、物性の面からほぼ同等の効果を有する。なお、ＭＯＣＶＤ法には、ＰＡＬＥ法（パルス原子層エピタキシ法；Pulsed Atomic Layer Epitaxy）、プラズマアシスト法やレーザーアシスト法などが併用できる。ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法に関しても、同様の技術を併用可能である。ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法及びＨＶＰＥ法といった成長方法は、製造条件を高精度に制御することができるので、高品質な結晶を成長させることに適している。これらの成長方法に関しては、以降の各層の形成についても同様である。

成長下地層１ｂは、数百ｎｍ〜数μｍ程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。下地層１ｂの表面形態については、例えば、ＥＬＯ成長を促進するために加工された凹凸形状を有するもの、下地層１ｂの形成時にテキスチャー構造を有するもの、原子レベルで平坦な面を有するものなどを得ることができるが、好適な一例として、作製条件を適宜に定めることにより、最表面の表面粗さが０．３ｎｍ以下の成長下地層１ｂを有する基板１を得ることができる。すなわち、原子レベルの平坦性が実現されてなる基板１が得られる。本願においては、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）によって評価される５μｍ×５μｍの正方形領域における算術平均粗さＲａを表面粗さとしている。

ＭＯＣＶＤ法にて成長下地層１ｂを形成する場合、基材１ａの加熱温度を１３００℃〜１４００℃の範囲に設定し、反応管内の圧力は１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒに設定して作製するのが、好適な一例である。

なお、成長下地層１ｂは、一般的には１×１０¹⁰／ｃｍ²程度ないしはそれ以上の転位を含んでいる。III族窒化物結晶においては、らせん転位および刃状転位という二種類の転位が存在しうるが、成長下地層１ｂにおいては刃状転位が主に存在する。なお、本実施の形態において、転位密度は平面ＴＥＭによって評価している。また、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（０００２）面の半値幅は１５０秒以下であり、（１０−１２）面の半値幅は１５００秒以下である。

成長下地層１ｂの厚みは、特に限定されるものではなく、最終的に利用されるデバイス構造あるいは使用形態に最適な膜厚を選択する。例えば、数ｎｍ〜数ｍｍ程度の膜厚が想定される。また、成長下地層１ｂの組成は、平均組成を示しており、必ずしも組成を全て均一である必要はなく、例えば、傾斜組成にしたり、異なる組成の応力緩和層を挿入したりすることも可能である。

また、成長下地層１ｂ内には、成長下地層１ｂを形成する際に不可避的に含まれてしまうＨ、Ｃ、Ｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｉｎ、遷移金属等の不純物が存在する場合もあるし、導電率制御のために意図的に導入される、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄといった不純物を含んでいてもよい。

ｎ型層２は、上述のような基板１の上に、例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ただし、ここでいうIII族窒化物結晶とは、具体的には、波長が３００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）である。係る要件をみたす場合、発光層３から発せられる紫外光は吸収されることなくｎ型層を透過するので、発光素子１０において高い発光効率が実現される。少なくとも、ｘ＞０．５であればこの要件をみたすことが、本発明の発明者によって確認されている。ｘ＝０．６がその好適な一例である。

また、ｎ型層２には、Ｓｉがｎ型のドーパントとして所定の濃度でドープされてなる。ＭＯＣＶＤ法にてｎ型層２を作製する場合であれば、III族窒化物形成用の原料ガスの供給に併せて、シラン（ＳｉＨ₄）ガスを所定の供給流量で流すことにより、係るドープが実現される。また、一方で、ｎ型層２には、Ｃ原子、Ｏ原子その他の不純物も不可避的に存在する。

ｎ型層２は、１〜５μｍ程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。作製条件を適宜に定めることにより、転位密度が１×１０¹⁰／ｃｍ²以下で、Ｘ線ロッキングカーブ測定による（０００２）面の半値幅が３００秒以下であり、かつ（１０−１２）面の半値幅が１２００秒以下である、結晶品質の良いｎ型層２を得ることができる。これにより、その上に形成する発光層３およびｐ型層４においても良好な結晶品質を得ることが可能となる。

ｎ型層２の比抵抗には、作製条件によって違いが生じる。本実施の形態においては、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合に、成長温度を１１５０℃〜１２００℃と設定し、成長圧力を１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒとすることが、ｎ型層２の低抵抗化およびキャリア濃度の増加を実現するうえで好適であることが、本発明の発明者によって確認されている。その詳細については後述する。

発光層３は、ｎ型層２の上に、例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ただし、ここでいうIII族窒化物結晶とは、具体的には、紫外領域に発光波長を有する組成範囲のＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）である。例えば、ｙ＝０．５であれば、紫外領域に属する波長２６０ｎｍの発光が実現される。発光層３は、５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。なお、発光層３はＩｎやＢを含んでいてもよく、複数周期の量子井戸構造とすることもできる。

ｐ型層４は、発光層３の上に、例えばＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法などの公知の成膜手法によって形成された、III族窒化物結晶からなるエピタキシャル膜である。ここでいうIII族窒化物結晶とは、例えばＡｌ_zＧａ_1-zＮ（０≦ｚ≦１）である。ｚ＝０．６がその一例である。

また、ｐ型層４には、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｃｄなどがｐ型のドーパントとして所定の濃度でドープされてなる。ｐ型層４は、０．１〜０．３μｍ程度の厚みに形成されるのが好適な一例である。

基板１上へのｎ型層２、発光層３、およびｐ型層４の形成は、その全て、あるいは一部について、同一のＭＯＣＶＤ装置やＭＢＥ装置などを用いて、連続的に行う態様であってもよい。また、基板１がエピタキシャル基板である場合、基材１ａ上への成長下地層１ｂの形成からｐ型層４の形成に至るまでを、同一装置で行う態様であってもよい。

＜ｎ型層の低抵抗化＞
次に、上述したｎ型層２の低抵抗化を実現する好適な作製条件について説明する。図２、図３、図４、および図５はこれを説明するための図である。ここでは、基材１ａとしてサファイアを用い、成長下地層１ｂとしてＡｌＮを形成してなる基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法によって、種々の条件でｎ型層２を形成した場合について示す。原料ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、およびＮＨ₃を用い、それぞれの毎分の供給流量比が１：１：４０００となるように供給している。また、Ｓｉドープのためのシランガスは、ｎ型層２中のＳｉ濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ²となるように供給している。

図２および図３はそれぞれ、成長温度を種々に変えてｎ型層２を形成した場合の、成長温度と生成されたｎ型層２の比抵抗の関係、および成長温度とｎ型層２のキャリア濃度との関係を示す図である。その際の圧力は１５Ｔｏｒｒである。なお、比抵抗は、渦電流抵抗測定器によって得られた値である。キャリア濃度は、水銀プローブを用いたＣＶ測定によって得られた値である。また、成長温度とは、基板１の加熱温度を指し示しており、ＭＯＣＶＤ装置を用いる場合であれば、基板１を設置するトレー（例えば耐腐食性コーティング付カーボン部材（４ｍｍ厚）で構成される）に近接する熱電対により測定される。圧力とは、ＭＯＣＶＤ装置の反応管内の圧力を指し示している。これは図４および図５の場合についても同様である。

図４および図５はそれぞれ、同じくＭＯＣＶＤ法によって、種々の成長圧力を与えてｎ型層２を形成した場合の成長温度と生成されたｎ型層２の比抵抗との関係、および成長圧力とｎ型層２のキャリア濃度の関係を示す図である。その際の温度は１２００℃である。

図２および図３より、成長温度が１１５０℃〜１２００℃の場合に、高いキャリア濃度が得られ、かつ、１．５Ωｃｍ以下という顕著な低抵抗が実現されてなることが確認される。また、図４および図５より、圧力が１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒの範囲で、高いキャリア濃度が得られ、やはり１．０Ωｃｍ以下という低抵抗な状態が実現されてなる。これらより、成長温度を１１５０℃〜１２００℃と設定し、成長圧力を１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒとすることが、ｎ型層２の低抵抗化およびキャリア濃度の増加を実現するうえで好適であるといえる。なお、これらの低抵抗な状態のｎ型層２において、良好な結晶品質が実現されているのは、上述の通りである。

図２ないし図５の結果によれば、ｎ型層２の抵抗値が成長温度および圧力に対して単調に変化せず、いずれに対してもある値のところで減少から増加に転じている。つまりは、極小の状態が存在することになる。係る結果を生じさせると考えられる因子について、以下に示す。

図６は、ｎ型層２に存在するＳｉ原子の濃度に対する、該ｎ型層２に不純物として存在するＯ原子とＣ原子の濃度の比（これらを不純物濃度比と称する）と、成長温度との関係について示す図である。また、図６には、Ｏ原子とＣ原子の濃度の総和についても、不純物濃度比を示している（これを特に、総和不純物濃度比と称することがある）。また、図７は同様に、不純物濃度比と圧力との関係について示す図である。なお、各原子の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析装置）によって測定している。ＳＩＭＳ測定にはＰｈｙｓｉｃａｌ Ｅｌeｃｔｒｏｎｉｃｓ社製の四重極型ＳＩＭＳ装置を用い、一次イオン（セシウムイオン）を加速電圧５ｋｅＶ、入射角６０°で入射して測定を行った。また、絶対値校正用標準試料としてＡｌＮとＧａＮを用いた。

図６における不純物濃度の成長温度に対する変化と、図２における比抵抗の変化とを比較すると、図６におけるＯ原子とＣ原子それぞれについての不純物濃度比の温度に対する変化は、必ずしも、図２における比抵抗の変化と一致していない。しかしながら、総和不純物濃度比の成長温度に対する変化、具体的には、成長温度が１２００℃までは成長温度が高いほど総和不純物濃度比が減少するが、１２００℃より高温になると増加に転じるという変化、つまりは極小が存在するという変化は、比抵抗の成長温度に対する変化とよく一致している。図７における不純物濃度比の成長圧力に対する変化と、図４における比抵抗の変化とを比較してみても、同様のことがいえる。

これらを鑑みると、ｎ型層２における比抵抗の大小と、不純物であるＯ原子とＣ原子についての総和不純物濃度比との間には、相関があるものと判断される。その一方で、成長条件の変化に対する不純物濃度比の変化の挙動はＯ原子とＣ原子とで異なることから、これらを個別に制御するよりもむしろ、総和不純物濃度比を制御することが、ｎ型層２の低抵抗化には有効であるといえる。例えば、総和不純物濃度比が概ね０．８以下であれば、１．５Ωｃｍ以下という、比抵抗が充分に小さいｎ型層２の形成が実現されることになる。具体的には、上述したように、成長温度が１１５０℃〜１２００℃であり、成長圧力が１０Ｔｏｒｒ〜５０Ｔｏｒｒである場合に、係る低比抵抗のｎ型層２の形成が実現される。

図８は、こうした総和不純物濃度比と比抵抗との相関の持つ意味について補足的に説明すべく示す、発光素子１０においてドナーとして作用するＳｉ原子の活性化率と、総和不純物濃度比との関係を示す図である。図８からは、総和不純物濃度比が０．８より小さい領域では、高い活性化率が得られることが分かる。活性化率が高いほどキャリア濃度は高くなることから、上述のような低抵抗状態の実現は、つまりはキャリア濃度の増加をもたらしているものと解される。また、図８は、Ｏ原子およびＣ原子をそれぞれ単独に減少させようとするよりもむしろ、その総和を減少させることが、キャリア濃度の増加にとって有効であること、つまりは発光効率の向上にとって有効であることを意味している。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、紫外領域に発光波長を有する、高発光効率の発光素子が実現される。具体的には、低抵抗かつ高結晶品質で紫外領域の光に対する吸収能を持たないｎ型層を有する発光素子が実現できる。特に、低抵抗に関しては、ｎ型層におけるＳｉ原子の濃度値に対する、酸素原子と炭素原子の濃度値の総和の比率を０．８以下とすることで、１．５Ωｃｍ以下という、充分に小さい比抵抗が実現される。

＜変形例＞
上述したような、基材１ａとその上にIII族窒化物結晶膜がエピタキシャル形成されてなる成長下地層１ｂとから構成される基板１を用いて発光素子１０を形成する場合、ｎ型層２の形成に先立って、基板１を、所定の処理装置によって少なくとも１２５０℃以上に、好ましくは１５００℃以上に加熱する熱処理を行ってもよい。これにより、成長下地層１ｂを構成するIII族窒化物結晶の結晶品質の改善が実現される。係る熱処理は、特に成長下地層１ｂの転位の低減や表面におけるピットの解消に対して有効である。例えば、転位密度は、おおよそ１／１０以下にまで減少する。特に、刃状転位を効果的に合体消失させることができる。上述の実施の形態において述べたように、成長下地層１ｂにおいては１×１０¹⁰／ｃｍ²程度ないしはそれ以上の転位を含んでいるが、ｎ型層２の形成に先立って、熱処理を適宜に行うことにより、成長下地層１ｂの転位は熱処理前よりも１オーダー程度減少する。また、熱処理せずに形成したｎ型層２においては、１×１０¹⁰／ｃｍ²以下という転位密度が実現されてなるが、係る熱処理後に形成したｎ型層２においても、やはり、熱処理しない場合よりも転位密度が１オーダー程度減少することが、本発明の発明者によって確認されている。また、ｎ型層２における転位の進行方向を、膜厚成長方向に平行に貫通する方向から、傾きを生じせしめ、転位密度の合体消失を促進するという効果も有する。併せて、ｎ型層２をＡｌＮの格子定数にコヒーレントに成長させ大きな圧縮応力を生じさせることも確認されている。

すなわち、このような熱処理を行った上でｎ型層２を形成することで、ｎ型層の結晶品質をさらに良好なものとすることができる。また、このような熱処理を加えた場合、Ｏ原子・Ｃ原子の不純物の取り込みを抑制するという効果も確認されている。

なお、加熱温度を少なくとも１２５０℃以上とするのは、一般に、ＭＯＣＶＤ法などで成長下地層１ｂを形成する際の基板自体の温度が１２５０℃以下であることから、それ以上の温度で加熱を行うことで、少なくとも転位の低減という効果が得られるからである。ＭＯＣＶＤ法などの成膜手法は、一般に非平衡反応によって成膜を行う手法であるので、形成されるエピタキシャル膜には、熱平衡状態において存在する数よりも多くの結晶欠陥（転位など）が、いわば凍結されたような状態で存在していると考えられるが、１２５０℃以上に加熱することで、熱平衡状態に近づき、転位が低減されるものと推察される。ただし、これは、ＭＯＣＶＤ法による成長下地層１ｂの形成温度を１２５０℃以下に限定するものではなく、それ以上の温度で形成するものであっても良い。Ａｌを主成分とするIII族窒化物、特にＡｌＮの場合、ＭＯＣＶＤ法による形成温度を１２５０℃以上に高くすることが想定される。もちろん、１２５０℃以上の基板温度で成膜した場合においても、基板温度以上の温度で加熱処理を行うことにより、転位低減の効果は得られる。

なお、このような加熱処理による結晶品質の改善は、成長下地層１ｂを構成するIII族窒化物において全III族元素におけるＡｌの割合が８０モル％以上である場合に特に有効であり、なかでもＡｌＮの場合に有効である。III族窒化物がＡｌＮの場合、組成揺らぎ等のばらつきの問題が無いので、品質管理上はこの場合が最も望ましいが、全III族元素におけるＡｌの割合が８０モル％以上であれば、ＡｌＮの場合と同じ温度の加熱処理において、同様の結晶品質の改善効果が確認され、加熱処理前の成長下地層１ｂの品質もＡｌＮの場合とほぼ同程度の品質が得られる。全III族元素におけるＡｌの割合が８０％未満の場合、ＡｌＮの場合と同じ温度で加熱処理を行うと、他のIII族元素、例えばＧａ成分の蒸発によるピットの発生が問題となり、表面平坦性が損なわれる場合がある。

熱処理中の雰囲気に関しては、III族窒化物の分解を防ぐためにも窒素元素を含有する雰囲気であるのが望ましい。例えば、窒素ガス、アンモニアガスを含む雰囲気を用いることができる。熱処理時の圧力条件に関しては、減圧から加圧までどの圧力で行っても結晶品質が改善されることが、確認されている。

なお、係る熱処理は、単結晶である基材１ａの結晶配列の規則性を利用して、その上に形成された成長下地層１ｂの結晶品質の改善を行うものでもある。そのため、基材１ａとして用いる材料は、結晶品質の改善のために行う熱処理の温度帯で分解、融解しないもの、あるいは、成長下地層１ｂを形成するIII族窒化物結晶と強く反応しないものが望ましい。ただし、熱処理により基材１ａと成長下地層１ｂとの界面において全体的にあるいは局所的に極薄の反応生成物が生成されることは、本発明からは除外されない。転位の低減等のためのバッファ層的な役割を果たすなど、こうした極薄の反応生成物が存在した方がむしろ好ましい場合もある。

従って、熱処理は、基材１ａの融点を超えない温度範囲で、あるいは、基材１ａと成長下地層１ｂとの反応生成物の生成が顕著に起こらない温度範囲つまりは過度な反応による成長下地層１ｂの結晶品質の劣化が生じない温度範囲で行うことが望ましい。特に、基材１ａとしてサファイアを用い、成長下地層１ｂをＡｌを含むIII族窒化物にて形成する場合には、両者の界面にγ−ＡＬＯＮが顕著に形成されない温度範囲で熱処理を行うことが好ましい。γ−ＡＬＯＮが顕著に形成されてしまうと、成長下地層１ｂの表面粗さが大きくなり、デバイス応用が困難となってしまうからである。

発光素子１０の断面構造を模式的に示す図である。 ｎ型層２の成長温度と比抵抗との関係を示す図である。 ｎ型層２の成長温度とキャリア濃度との関係を示す図である。 ｎ型層２の成長圧力と比抵抗との関係を示す図である。 ｎ型層２の成長圧力とキャリア濃度との関係を示す図である。 ｎ型層２の不純物濃度比と成長温度との関係を示す図である。 ｎ型層２の不純物濃度比と成長圧力との関係を示す図である。 Ｓｉ原子の活性化率と総和不純物濃度比との関係を示す図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ 基材
１ｂ 成長下地層
２ ｎ型層
３ 発光層
４ ｐ型層
５ ｐ型電極
６ ｎ型電極
１０ 発光素子

Claims (8)

1. 所定の基板と、
   前記基板の上にエピタキシャル形成され、第１のIII族窒化物からなるｎ型層と、
   を備え、
   所定の機能層を上部に積層形成することで発光素子を得ることができる、発光素子形成用の積層構造体であって、
   前記第１のIII族窒化物が、波長が３００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、
   前記ｎ型層におけるＳｉ原子の濃度値に対する、前記ｎ型層における酸素原子と炭素原子の濃度値の総和の比率が、０．８以下である、
   ことを特徴とする発光素子形成用の積層構造体。
2. 請求項１に記載の積層構造体であって、
   前記ｎ型層が１１５０℃以上１２００℃以下の温度で形成されてなる、
   ことを特徴とする発光素子形成用の積層構造体。
3. 請求項１または請求項２に記載の積層構造体であって、
   前記ｎ型層が１０Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下の圧力で形成されてなる、
   ことを特徴とする発光素子形成用の積層構造体。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の積層構造体であって、
   前記基板が、
   単結晶サファイアからなる基材と、
   前記基材上にＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）がエピタキシャル形成されてなる成長下地層と、
   からなり、
   前記成長下地層の上に前記下地層よりＡｌモル濃度が低い前記ｎ型層が形成されてなる、
   ことを特徴とする発光素子形成用の積層構造体。
5. 発光素子であって、
   請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の積層構造体の上に、第２のIII族窒化物からなる発光層と第３のIII族窒化物からなるｐ型層とがこの順にエピタキシャル形成されてなり、
   前記第２のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）である、
   ことを特徴とする発光素子。
6. 発光素子の製造方法であって、
   所定の基板の上に第１のIII族窒化物からなるｎ型層をエピタキシャル形成するｎ型層形成工程と、
   前記ｎ型層の上に、第２のIII族窒化物からなる発光層をエピタキシャル形成する発光層形成工程と、
   前記発光層の上に、第３のIII族窒化物からなるｐ型層をエピタキシャル形成する形成するｐ型層形成工程と、
   を備え、
   前記第１のIII族窒化物が波長が３００ｎｍ以下の光に対する吸収能を有さない組成範囲のＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、
   前記第２のIII族窒化物が紫外領域に発光波長を有する組成範囲のＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦１）であり、
   前記ｎ型層形成工程においては、１１５０℃以上１２００℃以下の温度で前記ｎ型層を形成する、
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
7. 請求項６に記載の発光素子の製造方法であって、
   前記ｎ型層形成工程においては、１０Ｔｏｒｒ以上５０Ｔｏｒｒ以下の圧力で前記ｎ型層を形成する、
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の発光素子の製造方法であって、
   前記基板が、
   単結晶サファイアからなる基材と、
   前記基材上にＡｌ_pＧａ_1-pＮ（０．８≦ｐ≦１）がエピタキシャル形成されてなる成長下地層と、
   からなり、
   前記ｎ型層形成工程においては、前記成長下地層の上に前記下地層よりＡｌモル濃度が低い前記ｎ型層を形成する、
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
   

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