JP2008294018A - 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】発光層より後に成長する全ての層の成長温度に起因して発光層に与えられる熱ダメージを低減させ、且つ、ホールの活性化率の高い高品質なｐ型層を作製し、光出力の高い発光素子を作製すること。
【解決手段】III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４１とｎ−ＧａＮ層１０４２との多重層から成るｎクラッド層４と、アンドープＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１０５１とアンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１０５２との多重層からなる発光層５と、アンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１０６１とｐ−Ｉｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ層１０６２との多重層から成るｐクラッド層６の形成に際し、キャリアガスは窒素のみとしてエピタキシャル成長温度（基板温度）を一定とした。
【選択図】図１

Description

本発明はIII族窒化物系化合物半導体を積層してなる発光素子の製造方法に関する。本明細書においてIII族窒化物系化合物半導体とは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ、Ｔｌ；Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。

本発明の目的とするところは、発光層より後に成長する全ての層の成長温度に起因して発光層に与えられる熱ダメージを低減させ、且つ、アクセプタの活性化率の高い高品質なｐ型層を作製し、光出力の高い発光素子を作製することである。
本明細書において熱ダメージとは、次の４点を含むものとする。
（１）アクセプタ不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）が、製造工程において熱拡散により発光層へ拡散することにより、発光層内に欠陥が形成され、光出力が低下すること。
（２）発光層中に窒素空孔が発生することにより、光出力が低下すること。
（３）インジウム（Ｉｎ）を含む層より後に成長させる層の成長温度が、当該インジウム（Ｉｎ）を含む層の成長温度より高いと、当該インジウム（Ｉｎ）を含む層においてＩｎ−Ｎの結合が切断され、結晶欠陥が生じることにより、光出力が低下すること。
（４）エピタキシャル成長基板と、多重層であるエピタキシャル層の熱膨張係数が異なる場合、各エピタキシャル層の成長時に成長温度の切替え（昇降温）があると、成長済みの各エピタキシャル層に歪が加わり、結晶欠陥が生じることにより、光出力が低下すること。

本発明に関連する先行技術文献として次の４つを挙げる。このうち、特許文献１には上記熱ダメージの（２）及び（３）について、特許文献４には上記熱ダメージの（４）について言及がある。
特許文献１においては、活性層よりも後に成長させる全ての層を、活性層の成長温度から２５０℃高い温度以下で成長させることにより、熱ダメージを低減させる技術が開示されている。
特許文献２においては、活性層よりも後に成長させるｐ層の成長温度と活性層の成長温度の差を小さくすることで、熱ダメージを低減し、且つｐ層を低温成長させることによるｐ層の結晶性の悪化とｐ層におけるアクセプタの活性化率の悪化を、窒素雰囲気で成長させることによって補償する技術が開示されている。
特許文献３においては、活性層よりも後に成長させる全ての層を、活性層の成長温度と同じ温度で成長させること、及び窒素雰囲気で成長させることによって、活性層への熱ダメージを低減させる技術が開示されている。
特開２００２−３１９７０２号公報 特開２００４−３６３４０１号公報 特開２０００−１７４３３６号公報 特開２００４−０４７８６７号公報

特許文献１の技術では、発光層より後に成長させる層の成長温度が、発光層の成長温度よりも高い条件では、発光層に与える熱ダメージは十分には低減できない。一方、発光層より後に成長させる全ての層の成長温度が、発光層の成長温度と一致する場合、そのような低温ではｐ層におけるアクセプタの活性化率が低いため、ホール濃度が低くなり、ｐ層のシート抵抗やｐ電極とのコンタクト抵抗が増加し、発光素子としての光出力が悪化する。
特許文献２の技術では、その実施例に記載された、発光層の井戸層よりもｐ型層成長温度よりも１２０℃以上高い場合は、熱ダメージは十分には低減できていない。また、特許文献２における熱ダメージを最も低減させる条件は、全てのｐ型層を低温成長とすることであり、低温成長におけるデメリットである、ｐ型層の結晶性の悪化とアクセプタ活性化率の悪化を、不活性ガスをキャリアガスとして用いることで補償している。しかし、低温成長したｐ型層のアクセプタ活性化率は、そのような不活性ガスをキャリアガスとして用いても不十分であり、ｐ型層のホール濃度は低く、ｐ層のシート抵抗やｐ電極とのコンタクト抵抗が増加し、発光素子としての光出力が悪化する。
特許文献３においては、活性層よりも後に成長させる全ての層を窒素リッチな雰囲気で低温成長する場合と、ｐクラッド層のみ窒素リッチな雰囲気で低温成長する場合が記載されている。しかし、全ての層を窒素リッチな雰囲気で低温成長する場合は、特許文献２と同様の理由で、ｐ層のシート抵抗やｐ電極とのコンタクト抵抗が増加し、発光素子としての光出力が悪化する。また、ｐクラッド層のみ窒素リッチな雰囲気で低温成長する場合は、高温成長させる層が厚いため、結果的に成長時間が長くなり、発光層に与える熱ダメージは十分には低減できない。

本発明の目的とするところは、発光層より後に成長する全ての層の成長温度に起因して発光層に与えられる熱ダメージを低減させ、且つ、ホールの活性化率の高い高品質なｐ型層を作製し、光出力の高い発光素子を作製することである。

請求項１に係る発明は、発光層又は活性層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、発光層又は活性層をエピタキシャル成長させたのち、正電極を形成するｐコンタクト層までのｐ型層領域をエピタキシャル成長させる際、ｐ型層領域のうち、発光層又は活性層の直上からｐ型層領域の総膜厚の１／５乃至１９／２０までの下側領域を、発光層又は活性層の成長温度と実質的に同じ成長温度で、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成し、ｐ型層領域の表層である、ｐコンタクト層までのｐ型層領域の総膜厚の４／５乃至１／２０の上側領域を、発光層又は活性層の成長温度よりも高い成長温度で、且つキャリアガスを実質的に水素のみとして形成し、発光層又は活性層の成長温度と、ｐ型層領域の表層であるｐコンタクト層の形成終了時の成長温度との温度差が、２００℃以上３００℃以下であ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である。

ｐ型層領域は、ｐコンタクト層を含む。ｐ型層領域とは、ｐ型層が主として形成されている層構成を言うが、例えばアクセプタ不純物を意図的には添加していない層を任意層数形成することを排除するものではない。本発明の特徴は発光層又は活性層とｐ電極との間に形成するｐ型層領域の、発光層又は活性層の直上から所望の厚さまでを発光層又は活性層の成長温度と実質的に同じ成長温度で、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成する。更に、電極直下までのｐ型層領域の所望の厚さを、発光層又は活性層の成長温度よりも２００〜３００℃高い成長温度で、且つキャリアガスを実質的に水素のみとして形成することを特徴とするものである。
ｐ型層領域の上側領域の成長温度と、発光層又は活性層の成長温度の温度差は、２００℃未満になると、ｐ型層領域の下側領域のアクセプタ活性化率が低下するため、当該下側領域のホール濃度が低減し、シート抵抗率やコンタクト抵抗が増加して、発光素子の光出力が低下する。３００℃を上回ると、発光層又は活性層への熱ダメージ（上述）が大きくなり、光出力が低下する。
ｐ型層領域の総膜厚に対する上側領域の厚さの割合は、１／１０〜２／５であることが好ましく、１／１０〜３／１０であることがより好ましい。上側領域が厚くなるほど、ウエハ全体が高温にさらされる時間が長くなるため、発光層への熱ダメージが大きくなり、光出力を低下させる。逆に薄くなりすぎると、ウエハ全体が高温にさらされる時間が短くなるため、ｐ型領域のアクセプタ活性化率が低下し、発光素子の光出力を低下させる。つまり、ｐ型層領域の総膜厚に対する上側領域と下側領域のバランスが重要である。

請求項２に係る発明は、発光層又は活性層は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る単層、又は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る井戸層とそれとは組成が異なるIII族窒化物系化合物半導体から成る障壁層との多重層であって、当該井戸層の成長温度と当該障壁層の成長温度が実質的に同じであることを特徴とする。多重層である発光層又は活性層への熱ダメージ（上述）の低減を目的とするものである。

請求項３に係る発明は、ｐ型層領域の下側領域のエピタキシャル成長終了時から、ｐ型層領域の上側領域のエピタキシャル成長終了時までが１２分以下であることを特徴とする。この際、各層のエピタキシャル成長の間の、エピタキシャル成長が停止している時間を含むものとする。１２分を越えると、発光層又は活性層への熱ダメージが大きくなり、光出力が低下する。

請求項４に係る発明は、発光層又は活性層の成長温度が７００℃以上９５０℃以下であることを特徴とする。本発明では、発光層又は活性層の成長温度は８００℃以上９５０℃以下であることがより好ましい。発光層又は活性層を形成するＩｎを含む層のＩｎ組成と、それと同温度で成長させるｐ型層領域の下側領域の結晶性のバランスをとる必要がある。発光層又は活性層をＩｎ含有層で形成する場合はその層のＩｎ組成を高めるためにはより低い成長温度で形成しなければならない。一方、例えば、本検討によると、成長温度が９４０℃のとき、Ｉｎ組成約１％のＩｎＧａＮ層を成膜することができ、８７０℃のとき、Ｉｎ組成約９％のＩｎＧａＮ層を成膜することができる。これにより、７００℃未満ではｐ型層領域の結晶性を確保できず、９５０℃を越えるとＩｎを含むことができない。本発明において、より効果的な温度範囲は８００℃以上９５０℃以下であり、この範囲のなかでも９５０℃に近づくほど更に効果的である。つまり、Ｉｎ組成が小さい発光層又は活性層を有する素子において、より効果的である。

請求項５に係る発明は、ｐ型層領域の下側領域には、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る単層から成るｐクラッド層を発光層又は活性層に接して形成することを特徴とする。本発明はｐ型層領域の下側領域がｐクラッド層であり、発光層又は活性層と同じ温度で形成し且つ同じキャリアガスで形成するものである。発光層又は活性層と同じ温度で成長させることで熱ダメージを低減させる。また、同じキャリアガスを用いることで、活性層へのエッチングダメージを低減し、ｐクラッド層のアクセプタ活性化率を向上させる。
請求項６に係る発明は、ｐ型層領域の下側領域には、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含み、発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る単層から成るｐクラッド層を発光層又は活性層に接して形成することを特徴とする。本発明も請求項５に係る発明と同様の目的である。
請求項７に係る発明は、ｐ型層領域の下側領域には、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、且つ、バンドギャップの小さいIII族窒化物系化合物半導体から成る層との多重層から成るｐクラッド層を発光層又は活性層に接して形成することを特徴とする。本発明も請求項５に係る発明と同様の目的である。

請求項８に係る発明は、ｐクラッド層を構成する、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、且つ、バンドギャップの小さいIII族窒化物系化合物半導体から成る層のうち、一方にはアクセプタ不純物を添加して形成し、他方にはアクセプタ不純物を添加しないで形成することを特徴とする。
請求項９に係る発明は、ｐクラッド層を構成する、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、且つ、バンドギャップの小さいIII族窒化物系化合物半導体から成る層の、両方にアクセプタ不純物を添加して形成することを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、ｐコンタクト層は、アクセプタ不純物濃度が低く、下層であるｐ^-コンタクト層と、アクセプタ不純物濃度が高く、上層であるｐ⁺コンタクト層とから成り、下層であるｐ^-コンタクト層はｐ型層領域の下側領域に含まれることを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、発光層又は活性層をエピタキシャル成長させる前にエピタキシャル成長させる層のうち、少なくとも発光層又は活性層直下の層の成長温度を、発光層又は活性層の成長温度と実施的に同じとし、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成することを特徴とする。発光層又は活性層の下地層への熱ダメージが十分抑制された状態で発光層又は活性層を形成することができる。
請求項１２に係る発明は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、バンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層との多重層から成るｎクラッド層を、発光層又は活性層より先に、発光層又は活性層と同じ成長温度で、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成することを特徴とする。請求項１１に係る発明と比較して、下地層であるｎクラッド層にＩｎを含む場合はより効果的となる。

発光層又は活性層より後に成長させる全ての層の成長温度の高さが起因して発光層に与える熱ダメージ（上述）を完全に低減させるために、ｐ型層領域の最上層からの一部を除く全てのｐ型層領域を発光層又は活性層と同温度ある低温で成長させ、且つ、ｐ型層領域の低温成長が原因で不足する当該領域のホール濃度を、キャリアガスに窒素を用いることと、ｐ型層領域の最上層からの一部を発光層又は活性層に熱ダメージが入らない程度に高温度且つ短時間で成長させることで十分補償することにより、ｐ型層領域のシート抵抗やコンタクト電極とのコンタクト抵抗の増加を抑制し、且つ発光素子の光出力を向上させることができる。ｐ型層領域の最上層からの一部を高温成長させる際、キャリアガスとして水素を用いる。

尚、上述の熱ダメージは、発光層又は活性層のみに影響するものではない。上述の熱ダメージ（２）及び（４）は発光層又は活性層の直下の層からｐコンタクト層までの全層、上述の熱ダメージ（３）はＩｎを含む全ての層に影響する。

本発明においては、発光層又は活性層とその直上から一定領域を、キャリアガスとして実質窒素のみとし、エピタキシャル成長温度（基板温度）を一定に保つ他は、基本的に任意の層構造を形成するものとして良い。即ち、各層が単層であっても、多重層であっても良く、またｐ型層領域と呼ぶ領域に、不純物無添加の層が１乃至任意層数形成されていても良く、ｐ型層の間に一部ｎ型層が形成されているものであっても良い。また、電流狭窄その他の構造を付加しても良い。

特にｐクラッド層の形成においては、アクセプタ不純物が添加されていない層と、アクセプタ不純物が添加されている層との多重層を用いても良い。この際、各々の膜厚は任意であり、アクセプタ不純物を添加しない層の方が、アクセプタ不純物を添加した層よりも膜厚が厚くても良く、アクセプタ不純物を添加しない層の方が、アクセプタ不純物を添加した層よりも膜厚が薄くても良い。

本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラその他の任意の発光素子として良い。尚、本発明の構成は、半導体受光素子にも適用することができる。特に本発明に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイア、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＺｎＯ、ＭｇＯ或いは、III族窒化物系化合物単結晶等を用いることができる。III族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等が有効である。

電極形成層等のIII族窒化物半導体層は、任意組成のＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体を用いて良く、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加して良い。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ、Ｔｌ；Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置き換えても良い。

具体的にはｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等を添加し、ｐ型不純物としては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等を添加することができる。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

図１は、以下の実施例における、III族窒化物系化合物半導体発光素子（発光ダイオード）１００の構成を示す断面図である。厚さ約３００μｍのサファイア基板１の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層２が成膜され、その上にシリコン（Ｓｉ）を１×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたＧａＮから成る膜厚約４μｍのｎコンタクト層３が形成されている。

また、このｎコンタクト層３の上には、膜厚２ｎｍのアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４１と膜厚２ｎｍのＳｉ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ−ＧａＮ層１０４２とを２０回繰り返し積層した総膜厚８０ｎｍのｎクラッド層４が形成されている。

ｎクラッド層４の上には、膜厚８ｎｍのアンドープＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１０５１と膜厚３ｎｍのアンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１０５２とを３回繰り返して積層し、その上に膜厚８ｎｍのアンドープＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１０５１を更に１層積層した層膜厚４１ｎｍの多重量子井戸構造の発光層５が形成されている。

発光層５の上には、膜厚３ｎｍのアンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１０６１と膜厚１．５ｎｍのＭｇ濃度１×１０²⁰ｃｍ^-3のＩｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ層１０６２とを５回繰り返して積層しその上に膜厚３ｎｍのアンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１０６１を更に１層積層した層膜厚２５．５ｎｍのｐクラッド層６が形成されている。

ｐクラッド層６の上には、Ｍｇ濃度１×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ−ＧａＮ層から成る膜厚５０ｎｍのｐ^-コンタクト層７が形成されており、その上には、Ｍｇ濃度２×１０²⁰ｃｍ^-3のｐ−ＧａＮ層から成る膜厚１５ｎｍのｐ⁺コンタクト層８が形成されている。
ここにおいて、ｐ型層領域であるｐクラッド層６、ｐ^-コンタクト層７、ｐ⁺コンタクト層８の総膜厚は約９０．５ｎｍであ。ｐ型層領域の総膜厚約９０．５ｎｍに対するｐクラッド層６の膜厚２５．５ｎｍの比は約０．２８２、ｐ型層領域の総膜厚約９０．５ｎｍに対するｐ⁺コンタクト層８の膜厚１５ｎｍの比は約０．１６６である。

又、ｐ⁺コンタクト層８の上には金属蒸着による透光性薄膜ｐ電極１０が、ｎコンタクト層４上にはｎ電極４０が形成されている。透光性薄膜ｐ電極１０は、ｐ⁺コンタクト層８に直接接合する膜厚約１．５ｎｍのコバルト（Ｃｏ）より成る第１層１１と、このコバルト膜に接合する膜厚約６ｎｍの金（Ａｕ）より成る第２層１２とで構成されている。

厚膜ｐ電極２０は、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）より成る第１層２１と、膜厚約１５μｍの金（Ａｕ）より成る第２層２２と、膜厚約１０ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る第３層２３とを透光性薄膜ｐ電極１０の上から順次積層させることにより構成されている。

多層構造のｎ電極４０は、ｎコンタクト層３の一部露出された部分の上から、膜厚約１８ｎｍのバナジウム（Ｖ）より成る第１層４１と膜厚約１００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る第２層４２とを積層させることにより構成されている。

また、最上部には、ＳｉＯ₂膜より成る保護膜３０が形成されている。サファイア基板１の底面に当たる外側の最下部には、膜厚約５００ｎｍのアルミニウム（Ａｌ）より成る反射金属層５０が、金属蒸着により成膜されている。尚、この反射金属層５０は、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｗ等の金属の他、ＴｉＮ、ＨｆＮ等の窒化物で形成しても良い。

図１のようなIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００を、下記の通りの条件で製造し、実施例１〜５、比較例１〜３とした。
まず、ｎクラッド層４の、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４１とｎ−ＧａＮ層１０４２の形成、発光層５の、アンドープＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１０５１とアンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１０５２の形成、ｐクラッド層６の、アンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１０６１とｐ−Ｉｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ層１０６２の形成、即ち、ｎクラッド層４からｐクラッド層６までの全ての層のエピタキシャル成長温度（基板温度）を一定とし、且つｎクラッド層４からｐクラッド層６までの全ての層のキャリアガスをＮ₂とした。
この条件で、実施例１〜５及び比較例１〜３を、表１に示すような条件、即ち、ｎクラッド層４、発光層５、ｐクラッド層６、ｐ^-コンタクト層７、ｐ⁺コンタクト層８のエピタキシャル成長時の成長温度（表１でＴｅｍｐ）とキャリアガス種（表１でｇａｓ）とで製造し、ＥＬ光出力を比較した。また、実施例１及び２、比較例２については、発光層５における、ｐ型層領域から拡散したマグネシウム（Ｍｇ）の濃度を測定し、実施例２における濃度を基準として比較した。

実施例１〜５及び比較例１〜３の内容と結果は次の通りである。
実施例１では、ｐ型層領域（ｐクラッド層６、ｐ^-コンタクト層７、ｐ⁺コンタクト層８）のうち、ｐクラッド層６とｐ^-コンタクト層７の合計膜厚７５．５ｎｍを、発光層５と同一の条件である、窒素雰囲気８５０℃で形成した。また、膜厚１５ｎｍのｐ⁺コンタクト層８を、水素雰囲気１０８０℃で形成した。
実施例２では、ｐ型層領域（ｐクラッド層６、ｐ^-コンタクト層７、ｐ⁺コンタクト層８）のうち、膜厚２５．５ｎｍのｐクラッド層６を、発光層５と同一の条件である、窒素雰囲気８５０℃で形成した。また、ｐ^-コンタクト層７とｐ⁺コンタクト層８の合計膜厚６５ｎｍを、水素雰囲気１０８０℃で形成した。
実施例３〜５では、実施例１の膜厚１５ｎｍのｐ⁺コンタクト層８を水素雰囲気１０６０〜１１３０℃で形成した。
比較例１では、ｐ型層領域（ｐクラッド層６、ｐ^-コンタクト層７、ｐ⁺コンタクト層８）のうち、膜厚２５．５ｎｍのｐクラッド層６を、窒素雰囲気９００℃で形成した。また、ｐ^-コンタクト層７とｐ⁺コンタクト層８の合計膜厚６５ｎｍを、水素雰囲気１０８０℃で形成した。
比較例２では、ｐ型層領域（ｐクラッド層６、ｐ^-コンタクト層７、ｐ⁺コンタクト層８）のうち、膜厚２５．５ｎｍのｐクラッド層６を、発光層５と同一の条件である窒素雰囲気８５０℃で、膜厚５０ｎｍのｐ^-コンタクト層７を水素雰囲気８５０℃で、膜厚１５ｎｍのｐ⁺コンタクト層８を、水素雰囲気１０８０℃で形成した。
比較例３では、実施例１の膜厚１５ｎｍのｐ⁺コンタクト層８を水素雰囲気１０１０℃で形成した。

表１から、次のことが分かる。
まず、ｐクラッド層６の成長温度を発光層５の成長温度よりも５０℃高い温度で行った比較例１に比べて、ｎクラッド層４、発光層５及びｐクラッド層６の成長を、発光層５の成長温度と同一の温度で行った実施例２の方が得られた発光素子１００の光出力が向上した。即ち、発光層５の直上層であるｐクラッド層６の成長を発光層５の成長温度と同一の温度で行うことにより、アクセプタ不純物であるマグネシウムの発光層への拡散濃度が低減される等の発光層への熱ダメージが低減されていることが考えられる。

更に、実施例１及び２の比較から、ｎクラッド層４、発光層５及びｐクラッド層６に加え、ｐ^-コンタクト層７までキャリアガスを窒素とし、且つ発光層５の成長温度と同一の温度で行った実施例１のほうが、ｐ^-コンタクト層７を水素雰囲気で１０８０℃で成長させた実施例２よりも光出力が高かった。これは、発光層への熱ダメージが低減されたことが大きな要因であると考えられる。

ｐ^-コンタクト層７形成時のキャリアガスに窒素を用いることによって、成長温度の低温下に伴うアクセプタ不純物の活性化率の悪化が抑えられる。例えば、比較例２では、ｐ^-コンタクト層７をｎクラッド層４、発光層５及びｐクラッド層６と同様に発光層と同一温度で成長させた場合であっても、水素雰囲気で成長させると、発光強度が低下した。これは、キャリアガスに窒素を用いることで、８５０℃程度の低温成長であっても、従来技術の欄において述べたように、十分にアクセプタが活性化し、十分なホール濃度が得られるためであると考えられる。一方、キャリアガスに水素を用いると、低温成長では十分なホール濃度が得られない。

次に、ｐ⁺コンタクト層８の形成温度の比較を行う。
実施例１、３乃至５と比較例３は、ｐ⁺コンタクト層８の成長温度が異なる他は全く同一の条件で各層が形成されている。
比較例３のように、ｐ⁺コンタクト層８を１０１０℃で形成すると、得られた発光素子１００の発光強度が低下した。これは、ｐ型層領域の下側領域のアクセプタ不純物活性化率が、キャリアガスに窒素を用いたとしても不十分であり、１０１０℃では補えなかったためと考えられる。
一方ｐ⁺コンタクト層８を１０６０〜１１３０℃で水素雰囲気で形成した実施例１、３乃至５は、得られた発光素子１００の発光強度が向上した。これは、ｐ型層領域の下側領域の不十分なアクセプタ活性化率を発光層への熱ダメージが入らない程度の短時間で十分補えたためであると考えられる。

〔実施例のまとめ〕
以上の表１の結果をまとめると、次のことが導かれる。
実施例１及び２から、発光層の直上から２５．５ｎｍ〜７５．５ｎｍまでのｐ型層領域の下側領域を発光層と同一の８５０℃、窒素雰囲気で形成し、ｐ型層領域の上側領域である６５〜１５ｎｍを１０８０℃、水素雰囲気で形成することで、得られる発光素子の発光強度が大きく向上した。ここに実施例３乃至５の結果を合わせると、発光層の直上から２５．５ｎｍ〜７５．５ｎｍまでのｐ型層領域の下側領域を発光層と同一の８５０℃、窒素雰囲気で形成し、ｐ型層領域の上側領域である６５〜１５ｎｍを１０６０〜１１３０℃、好ましくは１０８０〜１１３０℃、水素雰囲気で形成することで、得られる発光素子の発光強度が大きく向上すると言える。これをｐ型層領域の総膜厚に対する比率とすると、発光層の直上から０．２８２〜０．８３４までのｐ型層領域の下側領域を発光層と同一の８５０℃、窒素雰囲気で形成し、ｐ型層領域の上側領域である０．７１８〜０．１６６を１０６０〜１１３０℃好ましくは１０８０〜１１３０℃、水素雰囲気で形成することで、得られる発光素子の発光強度が大きく向上すると言える。

また、本実施例においては、次の構成の多重層を設けている。
ｎクラッド層４としては、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層１０４１とｎ−ＧａＮ層１０４２の積層構造とした。
発光層５としては、アンドープＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層１０５１とアンドープＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層１０５２の積層構造とした。
ｐクラッド層６としては、アンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ層１０６１とｐ−Ｉｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎ層１０６２の積層構造とした。
これらは任意構成として良いが、ｐ型層領域の上側領域形成時に１０６０〜１１３０℃の高温とすることから、例えば発光層はインジウムを含む層と含まない層との積層構造が好ましい。この際、インジウムを含む層のインジウム組成はIII族元素の０．０１〜０．２が好ましい。インジウムを含まない層において、アルミニウム組成はIII族元素の０〜０．３が好ましい。これにより井戸層と障壁層の結晶性の良好さを両立できる。同じ観点から、ｎクラッド層としてはインジウムを含む層と含まない層との積層構造が好ましい。この際、インジウムを含む層のインジウム組成はIII族元素の０．０１〜０．１が好ましい。インジウムを含まない層はＧａＮ層が好ましい。インジウムを含む層を積層構造に含むことで、ｎクラッド層が歪緩和層としても働く。
一方、ｐクラッド層は、インジウムを含む層と含まない層との積層構造が好ましい。この際、インジウムを含む層のインジウム組成はIII族元素の０．００１〜０．１が好ましい。インジウムを含まない層において、アルミニウム組成はIII族元素の０．１〜０．５が好ましい。この際、アクセプタ不純物は、インジウムを含む層にのみ添加すると良い。

本発明は、上記実施例に限定されるものではなく他に様々な変形が考えられる。
まず、ｎクラッド層を、発光層及びｐクラッド層と同一の温度且つ窒素雰囲気で形成しなくても良い。本発明の本質は発光層へのｐ型層領域の形成時における熱ダメージを低減させ、且つ、熱ダメージ低減手法を利用したｐ型層領域の下側領域の低温成長下での、アクセプタ活性化率の悪化を、キャリアガスとｐ型層領域の上側領域の高温短時間成長により補うことである。勿論、ｎクラッド層を、発光層及びｐクラッド層と同一の温度且つ窒素雰囲気で形成した方が好ましい。
また、ｎクラッド層及びｐクラッド層を多重層とせずに、単層構造としても良い。あるいは発光層を多重量子井戸構造とせずに、単一量子井戸層或いは単層としても良い。
また、ｎクラッド層、発光層及びｐクラッド層のうち所望の層について、インジウムを含む層を有しない多重層（量子井戸構造）としても良い。或いは単層構造とした際にインジウムを含まない層としても良い。

或いは例えば、各III族窒化物系化合物半導体層として、任意の混晶比の２元乃至４元系のＡｌＧａＩｎＮとしても良い。また、上記実施例では保護膜３０を形成したが、保護膜３０は省略しても良い。また、本例ではサファイア基板裏面に反射金属層を形成し、ｐ電極側に透光性薄膜ｐ電極を設けたが、フリップチップタイプとする目的で、サファイア基板裏面から光を取り出す構造とするために、サファイア基板裏面の反射金属層を形成せず、ｐ電極側に光反射層を兼ねる電極層を設けても良い。

本発明の実施例１に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の断面図。

符号の説明

１００：半導体発光素子
１：サファイア基板
２：バッファ層
３：ｎコンタクト層
４：多重層から成るｎクラッド層
５：発光層
６：多重層から成るｐクラッド層
７：ｐ^-コンタクト層
８：ｐ⁺コンタクト層
１０：透光性薄膜ｐ電極
２０：ｐ電極
３０：保護膜
４０：ｎ電極
５０：反射金属層

Claims (12)

1. 発光層又は活性層を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
   前記発光層又は活性層をエピタキシャル成長させたのち、正電極を形成するｐコンタクト層までのｐ型層領域をエピタキシャル成長させる際、
   前記ｐ型層領域のうち、前記発光層又は活性層の直上から前記ｐ型層領域の総膜厚の１／５乃至１９／２０までの下側領域を、前記発光層又は活性層の成長温度と実質的に同じ成長温度で、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成し、
   前記ｐ型層領域の表層である、前記ｐコンタクト層までの前記ｐ型層領域の総膜厚の４／５乃至１／２０の上側領域を、前記発光層又は活性層の成長温度よりも高い成長温度で、且つキャリアガスを実質的に水素のみとして形成し、
   前記発光層又は活性層の成長温度と、前記ｐ型層領域の表層である前記ｐコンタクト層の形成終了時の成長温度との温度差が、２００℃以上３００℃以下であ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. 前記発光層又は活性層は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る単層、又は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る井戸層とそれとは組成が異なるIII族窒化物系化合物半導体から成る障壁層との多重層であって、当該井戸層の成長温度と当該障壁層の成長温度が実質的に同じであ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. 前記ｐ型層領域の下側領域のエピタキシャル成長終了時から、前記ｐ型層領域の上側領域のエピタキシャル成長終了時までが１２分以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２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。
4. 前記発光層又は活性層の成長温度が７００℃以上９５０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
5. 前記ｐ型層領域の下側領域には、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、前記発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る単層から成るｐクラッド層を前記発光層又は活性層に接して形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
6. 前記ｐ型層領域の下側領域には、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含み、前記発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る単層から成るｐクラッド層を前記発光層又は活性層に接して形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
7. 前記ｐ型層領域の下側領域には、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、前記発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、且つ、バンドギャップの小さいIII族窒化物系化合物半導体から成る層との多重層から成るｐクラッド層を前記発光層又は活性層に接して形成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
8. 前記ｐクラッド層を構成する、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、前記発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、且つ、バンドギャップの小さいIII族窒化物系化合物半導体から成る層のうち、一方にはアクセプタ不純物を添加して形成し、他方にはアクセプタ不純物を添加しないで形成することを特徴とする請求項７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。
9. 前記ｐクラッド層を構成する、少なくともアルミニウム（Ａｌ）を含み、前記発光層又は活性層を構成する全ての層よりもバンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、且つ、バンドギャップの小さいIII族窒化物系化合物半導体から成る層の、両方にアクセプタ不純物を添加して形成することを特徴とする請求項８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。
10. 前記ｐコンタクト層は、アクセプタ不純物濃度が低く、下層であるｐ^-コンタクト層と、アクセプタ不純物濃度が高く、上層であるｐ⁺コンタクト層とから成り、
    下層である前記ｐ^-コンタクト層は前記ｐ型層領域の下側領域に含まれることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
11. 前記発光層又は活性層をエピタキシャル成長させる前にエピタキシャル成長させる層のうち、少なくとも前記発光層又は活性層直下の層の成長温度を、前記発光層又は活性層の成長温度と実施的に同じとし、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
12. 少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むIII族窒化物系化合物半導体から成る層と、それとは組成が異なり、バンドギャップの大きいIII族窒化物系化合物半導体から成る層との多重層から成るｎクラッド層を、前記発光層又は活性層より先に、前記発光層又は活性層と同じ成長温度で、且つキャリアガスを実質的に窒素のみとして形成することを特徴とする請求項１１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。

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