JP2010003913A - 窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設置された窒化物半導体活性層とを含み、窒化物半導体活性層は井戸層と中間層と障壁層との積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を有し、障壁層はＩｎを含む窒化物半導体層であり、中間層は障壁層よりもＩｎの混晶比が小さい窒化物半導体層であって、中間層が積層構造間にも設置されている窒化物半導体発光ダイオード素子とその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光ダイオード素子およびその製造方法に関し、特に、高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法に関する。

たとえば、特許第３７０５０４７号公報（特許文献１）には、従来の窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層として、図１３の模式的拡大断面図に示すような構成の活性層１１７が開示されている（たとえば特許文献１の図２等参照）。

ここで、活性層１１７は、ｎ型クラッド層１１５とｐ型クラッド層１１６との間に設置されており、ｎ型クラッド層１１５側から障壁層１１３と井戸層１１１と中間層１１２とがこの順序で積層された積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を有するとともに、最もｐ型クラッド層１１６の近くに位置する中間層１１２上に障壁層１１３を有している。また、中間層１１２は、障壁層１１３よりもバンドギャップエネルギが大きいＡｌＧａＮからなる構成とされている。

また、非特許文献１には、活性層が多重量子井戸構造を有する場合に、活性層を構成する井戸層のうち最もｐ型窒化物半導体層側に位置する井戸層からの発光が支配的であることが報告されている。
特許第３７０５０４７号公報 A.David et al., "Carrier distribution in (0001)InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes", Applied Physics Letters 92, 053502 (2008)

従来から、窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層に障壁層と井戸層との積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を採用することにより量子効果で高い発光効率が得られることが知られている。

しかしながら、非特許文献１によれば、多重量子井戸構造を有する活性層における発光に際しては、複数存在する井戸層からすべて均一に発光されているわけではなく、ｐ型窒化物半導体層側の井戸層に偏った発光となっていることが報告されている。

その結果、発光効率がピークとなるときに窒化物半導体発光ダイオード素子に注入される電流の電流密度が小さくなるため、窒化物半導体発光ダイオード素子に高い電流密度で電流を注入したときの発光効率が低下する要因となっている。

高い電流密度で電流を注入して窒化物半導体発光ダイオード素子を駆動させることによって、発光面積あたりの光量を増やすことができ、その結果として窒化物半導体発光ダイオード素子を小型化することができる。また、窒化物半導体発光ダイオード素子の単価も下げることができる。

したがって、高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法が要望されている。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を提供することにある。

本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に設置された窒化物半導体活性層とを含み、窒化物半導体活性層は井戸層と中間層と障壁層との積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を有し、障壁層はＩｎを含む窒化物半導体層であり、中間層は障壁層よりもＩｎの混晶比が小さい窒化物半導体層であって、中間層が積層構造間にも設置されている窒化物半導体発光ダイオード素子である。

ここで、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、障壁層はＩｎＧａＮ層であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、中間層の厚さは４ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、中間層はＩｎの混晶比が３％以下のＩｎＧａＮ層であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、中間層はＡｌの混晶比が５％以下のＡｌＧａＮ層であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、中間層はＧａＮ層であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、障壁層の厚さは４ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、障壁層のＩｎの混晶比は井戸層のＩｎの混晶比よりも小さいことが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、障壁層のＩｎの混晶比は５％以上１５％以下であることが好ましい。

また、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子において、井戸層のうちｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に設置されている井戸層とｐ型窒化物半導体層との間に、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方が含まれることが好ましい。

また、本発明は、上記のいずれかの窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法であって、井戸層を形成する工程と、井戸層上に中間層を形成する工程と、中間層上に障壁層を井戸層よりも高い成長温度で形成する工程とを含む窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法である。

さらに、本発明は、上記のいずれかの窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法であって、第１の井戸層を形成する工程と、第１の井戸層上に第１の中間層を形成する工程と、第１の中間層上に障壁層を形成する工程と、障壁層上に第２の中間層を形成する工程と、第２の中間層上に第２の井戸層を形成する工程とを含み、第２の中間層の成長温度が、第２の井戸層の成長温度よりも高い窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法である。

本発明によれば、高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

図１に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例の模式的な断面図を示す。図１に示す窒化物半導体発光ダイオード素子は、基板１と、基板１上に形成されたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２上に形成された窒化物半導体活性層３と、窒化物半導体活性層３上に形成されたｐ型窒化物半導体層４と、ｐ型窒化物半導体層４上に形成された電流拡散層５とを有している。

また、窒化物半導体発光ダイオード素子の電流拡散層５の表面上にはｐ側パッド電極６が形成されており、ｎ型窒化物半導体層２の表面上にはｎ側パッド電極７が形成されている。

ここで、基板１としては、たとえば従来から公知のサファイア基板、炭化ケイ素基板または窒化ガリウム基板などを用いることができる。

また、ｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば従来から公知のｎ型窒化物半導体を用いることができ、たとえば、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_z1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｎ型不純物をドーピングして形成された層の単層または複数層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｘ１はＡｌの混晶比を示し、ｙ１はＩｎの混晶比を示し、ｚ１はＧａの混晶比を示す。また、ｎ型不純物としては、たとえばシリコンおよび／またはゲルマニウムなどを用いることができる。

また、窒化物半導体活性層３は、井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を有しているとともに、井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造間に設置されている中間層３ｃを有する構成となっている。

図２に、図１に示す窒化物半導体活性層３の模式的な拡大断面図を示す。図３に示すように、窒化物半導体活性層３は、ｎ型窒化物半導体層２からｐ型窒化物半導体層４に向かって、井戸層３ａ、中間層３ｃ、障壁層３ｂ、中間層３ｃ、井戸層３ａ、中間層３ｃおよび障壁層３ｂの順に積層された構成を有している。そして、最もｎ型窒化物半導体層２に近い位置に設置されている積層構造（井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造）上に中間層３ｃが形成されており、その中間層３ｃ上に再度積層構造（井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造）が形成される構成が順次繰り返されており、井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造が中間層３ｃを介して２周期以上繰り返される構成とされている。

なお、窒化物半導体活性層３に含まれる複数の井戸層３ａは、それぞれ同一の材質の窒化物半導体層から構成されていてもよく、その少なくとも一部が材質の異なる窒化物半導体層から構成されていてもよい。

また、障壁層３ｂとしては、Ｉｎを含む窒化物半導体層が用いられるが、なかでも、Ｉｎ_y3Ｇａ_z3Ｎ（０＜ｙ３＜１、０＜ｚ３＜１、０＜ｙ３＋ｚ３＜１）の式で表わされるＩｎＧａＮ層を用いることが好ましい。障壁層３ｂにＩｎ_y3Ｇａ_z3Ｎ（０＜ｙ３＜１、０＜ｚ３＜１、０＜ｙ３＋ｚ３＜１）の式で表わされるＩｎＧａＮ層を用いた場合には、井戸層３ａとのバンドオフセットを小さくして、各井戸層３ａに分配されるキャリアの偏りを低減することができる傾向にあるため、電流密度の大きい電流を注入したときの発光効率がより向上した窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる傾向にある。またさらに、動作電圧を低減することもできる傾向にある。なお、上記の式において、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｙ３はＩｎの混晶比を示し、ｚ３はＧａの混晶比を示す。

また、障壁層３ｂにおける発光を防止する観点からは、障壁層３ｂのＩｎの混晶比を井戸層３ａのＩｎの混晶比よりも小さくすることが好ましい。

また、障壁層３ｂにおけるＩｎの混晶比は、５％以上１５％以下であることが好ましい。障壁層３ｂにおけるＩｎの混晶比が５％以上である場合には、各井戸層３ａに分配されるキャリアの偏りを低減することができる傾向にあるため、電流密度の大きい電流を注入したときの発光効率がより向上した窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる傾向にある。また、障壁層３ｂにおけるＩｎの混晶比が１５％以下である場合には、障壁層３ｂの結晶性の悪化を抑制することができる傾向にあるため、結晶性の悪化に起因する窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を有効に抑止することができる傾向にある。

なお、障壁層３ｂにおけるＩｎの混晶比が５％以上１５％以下であるとは、障壁層３ｂを構成するＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＧａおよびＩｎ）の総原子数に対するＩｎの原子数の割合（原子％）が５％以上１５％以下であることを意味し、たとえば上記のＩｎ_y3Ｇａ_z3Ｎの式においては、ｙ３が０．０５≦ｙ３≦０．１５の範囲内の数値であればよい。

また、障壁層３ｂの厚さｈ１は４ｎｍ以下であることが好ましい。障壁層３ｂの厚さｈ１が４ｎｍ以下である場合、障壁層３ｂの結晶性の悪化を抑制することができる傾向にあるため、結晶性の悪化に起因する窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率の低下を有効に抑止することができる傾向にある。

なお、窒化物半導体活性層３に含まれる複数の障壁層３ｂも、それぞれ同一の材質の窒化物半導体層から構成されていてもよく、その少なくとも一部が材質の異なる窒化物半導体層から構成されていてもよい。

また、中間層３ｃとしては、障壁層３ｂよりもＩｎの混晶比が小さい窒化物半導体層（中間層３ｃがＩｎを含まない窒化物半導体層である場合も含む。）が用いられる。このような中間層３ｃを、上記の積層構造中および上記の積層構造間にそれぞれ設けることによって、２つの中間層３ｃの間に井戸層３ａを挟んだ構成とすることができる。このような構成とした場合には、井戸層３ａの下側に位置する中間層３ｃはその上の井戸層３ａの結晶性の向上に寄与させることができるとともに、井戸層３ａの上側に位置する中間層３ｃはその下の井戸層３ａがＩｎを含む窒化物半導体層からなる場合にその井戸層３ａからのＩｎの蒸発を有効に防止することができるようになる。

ここで、中間層３ｃとしては、たとえば従来から公知の窒化物半導体を用いることができ、なかでも、Ｉｎ_y4Ｇａ_z4Ｎ（０＜ｙ４≦０．０３、０＜ｚ４＜１、０＜ｙ４＋ｚ４＜１）の式で表わされるＩｎの混晶比が３％以下のアンドープのＩｎＧａＮ層を用いることが好ましい。中間層３ｃにＩｎ_y4Ｇａ_z4Ｎ（０＜ｙ４≦０．０３、０＜ｚ４＜１、０＜ｙ４＋ｚ４＜１）の式で表わされるＩｎの混晶比が３％以下のアンドープのＩｎＧａＮ層を用いた場合には、中間層３ｃの結晶性が高くなる傾向にあり、それに伴って窒化物半導体活性層３の結晶性も高くなる傾向にあるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率をより高くすることができる傾向にある。なお、上記の式において、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｙ４はＩｎの混晶比を示し、ｚ４はＧａの混晶比を示す。

また、中間層３ｃの結晶性を高くする観点からは、中間層３ｃとして、Ａｌ_x5Ｇａ_z5Ｎ（０＜ｘ５≦０．０５、０＜ｚ５＜１、０＜ｘ５＋ｚ５＜１）の式で表わされるＡｌの混晶比が５％以下のアンドープのＡｌＧａＮ層を用いることも好ましい。

また、中間層３ｃの結晶性を高くする観点からは、中間層３ｃとして、アンドープのＧａＮ層を用いることが最も好ましい。

また、中間層３ｃの厚さｈ２は４ｎｍ以下であることが好ましい。中間層３ｃの厚さｈ２が４ｎｍ以下である場合、中間層３ｃでキャリアがトンネリングしやすくなり、井戸層３ａの結晶性も高くなり、さらには障壁層３ｂで井戸層３ａとの間のバンドオフセットを小さくすることができる傾向にあるため、電流密度の大きい電流を注入したときの発光効率がより向上した窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる傾向にある。

なお、窒化物半導体活性層３に含まれる複数の中間層３ｃも、それぞれ同一の材質の窒化物半導体層から構成されていてもよく、その少なくとも一部が材質の異なる窒化物半導体層から構成されていてもよい。

また、井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造の周期数は大きいほど大きい電流密度の電流を注入したときに高い発光効率の窒化物半導体発光ダイオード素子を得ることができる点で好ましいが、井戸層３ａと障壁層３ｂとの間のバンドオフセットおよびホールの拡散長により、その周期数はある程度の限度があると考えられる。

また、窒化物半導体活性層３の井戸層３ａのうちｐ型窒化物半導体層４に最も近い位置に設置されている井戸層３ａとｐ型窒化物半導体層４との間にＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方が含まれることが好ましい。このＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層はそれぞれｐ型窒化物半導体層４の形成時における窒化物半導体活性層３からのＩｎの蒸発を抑制することができる蒸発防止層として機能する傾向にある。

また、ｐ型窒化物半導体層４としては、たとえば従来から公知のｐ型窒化物半導体を用いることができ、たとえば、Ａｌ_x6Ｉｎ_y6Ｇａ_z6Ｎ（０≦ｘ６≦１、０≦ｙ６≦１、０≦ｚ６≦１、ｘ６＋ｙ６＋ｚ６≠０）の式で表わされる窒化物半導体結晶にｐ型不純物をドーピングして形成された層の単層または複数層などを用いることができる。なお、上記の式において、Ａｌはアルミニウムを示し、Ｉｎはインジウムを示し、Ｇａはガリウムを示し、ｘ６はＡｌの混晶比を示し、ｙ６はＩｎの混晶比を示し、ｚ６はＧａの混晶比を示す。また、ｐ型不純物としては、たとえばマグネシウムおよび／または亜鉛などを用いることができる。

また、電流拡散層５としては、たとえば従来から公知のＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電膜を用いることができる。

また、ｐ側パッド電極６およびｎ側パッド電極７としては、たとえば、従来から窒化物半導体発光ダイオード素子のｎ側パッド電極およびｐ側パッド電極にそれぞれ用いられている金属などを用いることができる。

以下に、図１に示す構成の本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子は製造方法の一例について説明する。

まず、基板１の表面上に、たとえば従来から公知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、ｎ型窒化物半導体層２、窒化物半導体活性層３およびｐ型窒化物半導体層４をこの順序で結晶成長させる。

ここで、窒化物半導体活性層３は、たとえば図２に示すように、ｎ型窒化物半導体層２上に、ＭＯＣＶＤ法により、井戸層３ａ、中間層３ｃ、障壁層３ｂおよび中間層３ｃをこの順序で繰り返して結晶成長させることにより形成することができる。

なお、障壁層３ｂは、井戸層３ａが形成され、その形成された井戸層３ａ上に中間層３ｃが形成された後の中間層３ｃ上に形成されるが、障壁層３ｂは井戸層３ａよりも高い成長温度で形成されることが好ましい。この場合には、障壁層３ｂの結晶性を向上させることができ、ひいては窒化物半導体活性層３の結晶性を向上させることができるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率をより向上させることができる傾向にある。

また、窒化物半導体活性層３の形成においては、たとえば、井戸層３ａ（第１の井戸層）、中間層３ｃ（第１の中間層）、障壁層３ｂ、中間層３ｃ（第２の中間層）および井戸層３ａ（第２の井戸層）の順に結晶成長が行なわれるが、中間層３ｃ（第２の中間層）の成長温度は、井戸層３ａ（第２の井戸層）の成長温度よりも高いことが好ましい。この場合には、中間層３ｃ（第２の中間層）および井戸層３ａ（第２の井戸層）の結晶性を向上させることができ、ひいては窒化物半導体活性層３全体の結晶性を向上させることにつながるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の発光効率をより向上させることができる傾向にある。

次に、ｐ型窒化物半導体層４の表面上に、たとえば従来から公知のＥＢ（Electron Beam）蒸着法などによって、ＩＴＯなどの透明導電膜からなる電流拡散層５を形成する。

その後、電流拡散層５の表面上にｐ側パッド電極６を形成した後のウエハの一部を電流拡散層５側からｎ型窒化物半導体層２の表面の一部が露出するまでエッチングする。そのエッチングにより露出したｎ型窒化物半導体層２の表面上にｎ側パッド電極７を形成し、ｎ側パッド電極７の形成後のウエハを複数に分割することによって、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子とすることができる。

図３に、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図を示す。図３に示す窒化物半導体発光ダイオード素子においては、基板１に導電性基板を用いており、基板１の裏面にｎ側パッド電極７を形成している点に特徴がある。

図３に示すような上下電極構造の構成とすることにより、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子を小型化することができる。また、このような構成とすることにより、１枚のウエハから得られる窒化物半導体発光ダイオード素子の数を増加させることができるとともに、上記で説明したようなｎ型窒化物半導体層２の表面の一部を露出させるエッチング工程が必要なくなるため、窒化物半導体発光ダイオード素子の製造効率を向上させることができる。その他の説明は上記と同様である。

以上のように、本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、窒化物半導体活性層３が井戸層３ａと中間層３ｃと障壁層３ｂとの積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を有し、障壁層３ｂがＩｎを含む窒化物半導体層からなり、中間層３ｃが障壁層３ｂよりもＩｎの混晶比が小さい窒化物半導体層からなり、さらには中間層３ｃが上記の積層構造間に設置されていることによって、高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を従来よりも向上させることができる。

（実施例１）
まず、図４の模式的断面図に示すような構成のサファイア基板１１を用意し、サファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。

次に、その反応炉内に水素を流しながらサファイア基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させることによってサファイア基板１１の表面（Ｃ面）のクリーニングを行なう。

次に、サファイア基板１１の温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流すことによって、図５の模式的断面図に示すように、ＧａＮからなるバッファ層４１をＭＯＣＶＤ法によりサファイア基板１１の表面（Ｃ面）上に約２０ｎｍの厚さで形成する。

次に、サファイア基板１１の温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランを反応炉内に流すことによって、図６の模式的断面図に示すように、Ｓｉ（シリコン）がドーピングされたＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層１２ａ（キャリア濃度：１×１０¹⁸／ｃｍ³）をＭＯＣＶＤ法によりバッファ層４１上に６μｍの厚さで形成する。

次に、図７の模式的断面図に示すように、キャリア濃度が５×１０¹⁸／ｃｍ³となるようにＳｉをドーピングすること以外はｎ型窒化物半導体下地層１２ａと同様にして、ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂをＭＯＣＶＤ法によりｎ型窒化物半導体下地層１２ａ上に０．５μｍの厚さで形成する。

以上により、ｎ型窒化物半導体下地層１２ａとｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂとの積層体からなるｎ型窒化物半導体層１２を形成する。

次に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃ、４ｎｍの厚さのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる障壁層１３ｂおよび２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成し、さらにその上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。ここで、窒化物半導体活性層１３の形成時において、ＧａＮからなる中間層１３ｃを形成する際にはＴＭＩを反応炉内に流していないことは言うまでもない。

次に、サファイア基板１１の温度を７００℃に保持し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを反応炉内に流すことによって、図８の模式的断面図に示すように、１０ｎｍの厚さのＧａＮからなる蒸発防止層４２をＭＯＣＶＤ法により形成する。

次に、サファイア基板１１の温度を９５０℃に上昇させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を反応炉内に流すことによって、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなるｐ型窒化物半導体クラッド層を、ＭＯＣＶＤ法により、蒸発防止層４２上に約２０ｎｍの厚さで形成する。

次に、サファイア基板１１の温度を９５０℃に保持し、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流すことによって、Ｍｇが１×１０²⁰／ｃｍ³の濃度でドーピングされたＧａＮからなるｐ型窒化物半導体コンタクト層をＭＯＣＶＤ法によりｐ型窒化物半導体クラッド層上に８０ｎｍの厚さで形成する。

以上により、図９の模式的断面図に示すように、蒸発防止層４２上に、ｐ型窒化物半導体クラッド層とｐ型窒化物半導体コンタクト層との積層体からなるｐ型窒化物半導体層１４を形成する。

次に、サファイア基板１１の温度を７００℃まで低下させて、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流してアニーリングを行なう。

次に、上記のアニーリング後のウエハを反応炉内から取り出し、図１０の模式的断面図に示すように、そのウエハの最上層を構成しているｐ型窒化物半導体層１４上にＥＢ蒸着によりＩＴＯからなる電流拡散層１５を１００ｎｍの厚さに形成する。

次に、電流拡散層１５の表面上に所定の形状に開口部を有するようにパターニングされたマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置で、電流拡散層１５側からウエハのエッチングを行ない、図１１の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂの表面の一部を露出させる。

次に、図１２の模式的断面図に示すように、電流拡散層１５の表面上およびｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂの表面上の所定の位置にそれぞれＴｉとＡｌとを含むｐ側パッド電極１６およびｎ側パッド電極１７をそれぞれ形成する。その後、ｐ側パッド電極１６およびｎ側パッド電極１７の形成後のウエハを分割することにより、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を得る。

この実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、たとえば５０Ａ／ｃｍ²以上の高い電流密度の電流を注入したときの発光効率が従来よりも向上する。また、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、駆動電圧が低く、電力効率に優れている。

（実施例２）
実施例２においては、窒化物半導体活性層１３の形成条件を変更すること以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

すなわち、実施例２においては、ｎ型窒化物半導体層１２の形成後に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃ、ＴＭＩのＴＭＧに対する流量を調節することによってＩｎの混晶比を０％よりも大きく２０％以下までの範囲内の任意の値に調節して４ｎｍの厚さのＩｎＧａＮからなる障壁層１３ｂ、および２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成する。さらにその上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。それ以外は、実施例１と同様にして実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、たとえば５０Ａ／ｃｍ²以上の高い電流密度の電流を注入したときの発光効率は、障壁層１３ｂにおけるＩｎの混晶比が５％以上１５％以下の範囲内にあるときに高くなり、１０％のときに最も高くなる。

（実施例３）
実施例３においても、窒化物半導体活性層１３の形成条件を変更すること以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

ここで、実施例３においては、ｎ型窒化物半導体層１２の形成後に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃ、結晶成長時間を調節することによって厚さを１ｎｍ〜８ｎｍまでの範囲内の任意の値に調節してＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる障壁層１３ｂ、および２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成する。さらにその上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。それ以外は、実施例１と同様にして実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、たとえば５０Ａ／ｃｍ²以上の高い電流密度の電流を注入したときの発光効率は、障壁層１３ｂの厚さが４ｎｍ以下となるときに高くなり、２ｎｍのときにはさらに発光効率が高くなる。

（実施例４）
実施例４においても、窒化物半導体活性層１３の形成条件を変更すること以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

ここで、実施例４においては、ｎ型窒化物半導体層１２の形成後に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、結晶成長時間を調節することによって厚さを１ｎｍ〜６ｎｍまでの範囲内の任意の値に調節してＧａＮからなる中間層１３ｃ、４ｎｍの厚さのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる障壁層１３ｂ、および結晶成長時間を調節することによって厚さを１ｎｍ〜６ｎｍまでの範囲内の任意の値に調節してＧａＮからなる中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成する。さらにその上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。それ以外は、実施例１と同様にして実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、たとえば５０Ａ／ｃｍ²以上の高い電流密度の電流を注入したときの発光効率は、井戸層１３ａの上方および下方に位置する中間層１３ｃのそれぞれの厚さが４ｎｍ以下となるときに高くなり、２ｎｍとなるときにはさらに発光効率が高くなる。

（実施例５）
実施例５においては、窒化物半導体活性層１３の形成条件を変更すること以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

すなわち、実施例５においては、ｎ型窒化物半導体層１２の形成後に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、ＴＭＩのＴＭＧに対する流量を調節することによってＩｎの混晶比を０％以上５％以下までの範囲内の任意の値に調節して２ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ（Ｉｎの混晶比が０％のときはＧａＮ）からなる中間層１３ｃ、４ｎｍの厚さのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる障壁層１３ｂ、およびＴＭＩのＴＭＧに対する流量を調節することによってＩｎの混晶比を０％以上５％以下までの範囲内の任意の値に調節して２ｎｍの厚さのＩｎＧａＮ（Ｉｎの混晶比が０％のときはＧａＮ）からなる中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成する。さらにその上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。それ以外は、実施例１と同様にして実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例５の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、たとえば５０Ａ／ｃｍ²以上の高い電流密度の電流を注入したときの発光効率は、井戸層１３ａの上方および下方に位置する中間層１３ｃのそれぞれがＩｎの混晶比が３％以下のＩｎＧａＮからなるときに高くなり、Ｉｎの混晶比が０％のＧａＮからなるときにはさらに発光効率が高くなる。

（実施例６）
実施例６においては、窒化物半導体活性層１３の形成条件を変更すること以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

すなわち、実施例６においては、ｎ型窒化物半導体層１２の形成後に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアとともに、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＴＭＡの少なくとも１種を適宜反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、ＴＭＡのＴＭＧに対する流量を調節することによってＡｌの混晶比を０％以上１０％以下までの範囲内の任意の値に調節して２ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ（Ａｌの混晶比が０％のときはＧａＮ）からなる中間層１３ｃ、４ｎｍの厚さのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる障壁層１３ｂ、およびＴＭＡのＴＭＧに対する流量を調節することによってＡｌの混晶比を０％以上１０％以下までの範囲内の任意の値に調節して２ｎｍの厚さのＡｌＧａＮ（Ａｌの混晶比が０％のときはＧａＮ）からなる中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成する。さらにその上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。それ以外は、実施例１と同様にして実施例６の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例６の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、たとえば５０Ａ／ｃｍ²以上の高い電流密度の電流を注入したときの発光効率は、井戸層１３ａの上方および下方に位置する中間層１３ｃのそれぞれがＡｌの混晶比が５％以下のＡｌＧａＮからなるときに高くなり、Ａｌの混晶比が０％のＧａＮからなるときにはさらに発光効率が高くなる。

（実施例７）
実施例７においては、窒化物半導体活性層１３の形成条件を変更すること以外は実施例１と同様にして窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

すなわち、実施例７においては、ｎ型窒化物半導体層１２の形成後に、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下し、キャリアガスとして窒素、原料ガスとしてアンモニアとともに、ＴＭＧおよびＴＭＩを反応炉内に流すことによって、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、図８の模式的断面図に示すように、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１２ｂ上に、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａ、２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃを形成する。そして、サファイア基板１１の温度を７３０℃に上げ、４ｎｍの厚さのＩｎ_0.10Ｇａ_0.90Ｎからなる障壁層１３ｂ、２ｎｍの厚さのＧａＮからなる中間層１３ｃを形成する。その後、サファイア基板１１の温度を７００℃に低下させる。

上記の井戸層１３ａ、中間層１３ｃ、障壁層１３ｂおよび中間層１３ｃの積層構造を１周期として５周期形成し、さらにその上に、サファイア基板１１の温度が７００℃で、２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ｎからなる井戸層１３ａをＭＯＣＶＤ法による結晶成長により形成することによって多重量子井戸構造を有する窒化物半導体活性層１３を形成する。それ以外は、実施例１と同様にして実施例７の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製する。

この実施例７の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、障壁層１３ｂの結晶性が向上することにより、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子よりも発光効率を高くすることができる。なお、実施例７においては、井戸層１３ａの上方に形成された中間層１３ｃは、井戸層１３ａのＩｎの蒸発防止層として機能する。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、高い電流密度の電流を注入したときの発光効率を向上させることができる窒化物半導体発光ダイオード素子およびその窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法を提供することができる。

本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の一例の模式的な断面図である。 図１に示す窒化物半導体活性層３の模式的な拡大断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の他の一例の模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 本発明の窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法の一例の製造工程の一部を図解する模式的な断面図である。 従来の窒化物半導体発光ダイオード素子の活性層の模式的な拡大断面図である。

符号の説明

１ 基板、２，１２ ｎ型窒化物半導体層、３，１３ 窒化物半導体活性層、３ａ，１３ａ，１１１ 井戸層、３ｂ，１３ｂ，１１３ 障壁層、３ｃ，１３ｃ，１１２ 中間層、４，１４ ｐ型窒化物半導体層、５，１５ 電流拡散層、６，１６ ｐ側パッド電極、７，１７ ｎ側パッド電極、１１ サファイア基板、１２ａ ｎ型窒化物半導体下地層、１２ｂ ｎ型窒化物半導体コンタクト層、４１ バッファ層、４２ 蒸発防止層、１１５ ｎ型クラッド層、１１６ ｐ型クラッド層、１１７ 活性層。

Claims (12)

1. ｎ型窒化物半導体層と、
   ｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に設置された窒化物半導体活性層とを含み、
   前記窒化物半導体活性層は、井戸層と中間層と障壁層との積層構造を２周期以上含む多重量子井戸構造を有し、
   前記障壁層は、Ｉｎを含む窒化物半導体層であり、
   前記中間層は、前記障壁層よりもＩｎの混晶比が小さい窒化物半導体層であって、
   前記中間層は、前記積層構造間にも設置されている、窒化物半導体発光ダイオード素子。
2. 前記障壁層は、ＩｎＧａＮ層であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
3. 前記中間層の厚さは、４ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
4. 前記中間層は、Ｉｎの混晶比が３％以下のＩｎＧａＮ層であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
5. 前記中間層は、Ａｌの混晶比が５％以下のＡｌＧａＮ層であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
6. 前記中間層は、ＧａＮ層であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
7. 前記障壁層の厚さは、４ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
8. 前記障壁層のＩｎの混晶比は、前記井戸層のＩｎの混晶比よりも小さいことを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
9. 前記障壁層のＩｎの混晶比は、５％以上１５％以下であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
10. 前記井戸層のうち前記ｐ型窒化物半導体層に最も近い位置に設置されている井戸層と前記ｐ型窒化物半導体層との間に、ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層の少なくとも一方が含まれることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法であって、
    井戸層を形成する工程と、
    前記井戸層上に中間層を形成する工程と、
    前記中間層上に障壁層を前記井戸層よりも高い成長温度で形成する工程とを含む、窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法。
12. 請求項１から１０のいずれかに記載の窒化物半導体発光ダイオード素子を製造する方法であって、
    第１の井戸層を形成する工程と、
    前記第１の井戸層上に第１の中間層を形成する工程と、
    前記第１の中間層上に障壁層を形成する工程と、
    前記障壁層上に第２の中間層を形成する工程と、
    前記第２の中間層上に第２の井戸層を形成する工程とを含み、
    前記第２の中間層の成長温度が、前記第２の井戸層の成長温度よりも高いことを特徴とする、窒化物半導体発光ダイオード素子の製造方法。

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