JP2016111235A

JP2016111235A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法およびｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP2016111235A
Application number: JP2014248295A
Authority: JP
Inventors: 武彦藤田; Takehiko Fujita; 康弘渡邉; Yasuhiro Watanabe
Original assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Current assignee: Dowa Electronics Materials Co Ltd
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2016-06-20
Anticipated expiration: 2034-12-08
Also published as: JP6084196B2

Abstract

【課題】順方向電圧を維持しつつ発光出力を高めることができるIII族半導体発光素子の製造方法およびIII族半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型半導体層３２と、少なくともＡｌを含む井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の発光層４０と、ｐ型半導体層１５０とをこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子１を製造する方法において、ｐ型半導体層１５０を形成する工程は、発光層４０の上に障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層５１を形成する工程と、電子ブロック層５１の直上に、ＡｌＧａＮからなる第１のｐ型コンタクト層１５３を形成する工程と、第１のｐ型コンタクト層１５３の直上に、ＡｌＧａＮからなる第２のｐ型コンタクト層５４を形成する工程とを有し、第１ｐ型コンタクト層の形成は、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、第２ｐ型コンタクト層の形成は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行う。【選択図】図２

Description

本発明は、III族窒化物半導体発光素子の製造方法およびIII族窒化物半導体発光素子に関し、特に、順方向電圧を維持しつつ発光出力を高めることができるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法およびIII族窒化物半導体発光素子に関するものである。

従来、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等とＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、紫外光発光素子の材料として用いられている。中でも、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮからなるIII族窒化物半導体は、紫外発光素子や発光波長３００ｎｍ以下の深紫外光発光素子（ＤＵＶ−ＬＥＤ）に用いられている。

特許文献１には、量子井戸構造の発光層とｐクラッド層との間に、電子ブロック層と呼ばれる電子のエネルギー障壁となる層を形成することにより、発光効率を高めることが記載されている。

一般に、ｐ型半導体層５０に対してｐ型の導電性に制御することは困難である。半導体層の導電型をｐ型とするには、通常、ドーパントとしてＭｇやＺｎを用い、キャリアガスとして水素を用いて半導体層を形成した後、熱処理することにより行う（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、ＭｇやＺｎ等の不純物は、バンドギャップの深い位置に不純物準位を形成し、ホールが形成されにくい。またキャリアガスに含まれる水素が分解されて活性な水素が生成され、この活性な水素によって、ＭｇやＺｎのアクセプタへの活性化が阻害される。その結果、半導体層の導電型をｐ型に制御するのが困難である。近年、深紫外線を発光する素子に対する要求が高まっているが、Ａｌ組成を大きくするとバンドギャップがより大きくなるため、ｐ型の導電性への制御がより困難となる。

こうした背景の下、特許文献２には、ｐ型半導体層を形成するに際し、従来の水素ガスに代えて窒素ガスをキャリアガスとして用いることにより、熱処理を行うことなく高品質のｐ型半導体層を実現する技術について記載されている。

特開２０１０−２０５７６７号公報特開平１０−１３５５７５号公報

Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａｅｔａｌ．，"ＨｏｌｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰ−ｔｙｐｅＧａＮＦｉｌｍｓ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１（１９９２）１２５８

従来の技術では、素子の発光出力が不十分である問題があった。また、上記発光出力の改善は、順方向電圧を上昇させることなく実現することも重要である。そこで、本発明の目的は、順方向電圧を維持しつつ発光出力を高めることができるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法およびIII族窒化物半導体発光素子を提案することにある。

本発明者は、上記課題を解決する方途について鋭意検討した。その結果、図１に示したIII族窒化物半導体発光素子１００のｐ型半導体層５０において、ｐ型コンタクト層を少なくとも２層構造として、ｐ型クラッド層５２を無くして電子ブロック層の直上に、Ａｌの組成ｘが０≦ｘ≦０．１である第１のｐ型コンタクト層を、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて形成し、第１のｐ型コンタクト層の直上に、Ａｌの組成ｙが０≦ｙ≦０．１である第２のｐ型コンタクト層を、水素を主成分とするキャリアガスを用いて形成することが極めて有効であることを見出し、本発明を形成するに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）ｎ型半導体層と、少なくともＡｌを含む井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の発光層と、ｐ型半導体層とをこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子を製造する方法において、前記ｐ型半導体層を形成する工程は、前記発光層の上に前記障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程と、前記電子ブロック層の直上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）からなる第１のｐ型コンタクト層を形成する第１ｐ型コンタクト形成工程と、前記第１のｐ型コンタクト層の直上に、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦０．１）からなる第２のｐ型コンタクト層を形成する第２ｐ型コンタクト形成工程とを有し、前記第１ｐ型コンタクト形成工程は、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、前記第２ｐ型コンタクト形成工程は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行うことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。

（２）前記第１のｐ型コンタクト層の厚みは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、前記（１）に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。

（３）前記障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）であり、前記電子ブロック層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｂ＜ｚ≦１）である、前記（１）または（２）に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。

（４）前記発光層から放射される光の中心波長が３００ｎｍ以下である、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。

（５）前記電子ブロック層形成工程は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、前記電子ブロック層形成工程後に、有機金属ガスを流さないで窒素を主成分とするキャリアガスを流す工程を含む、前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。

（６）前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の方法によって製造されたIII族窒化物半導体発光素子。

本発明によれば、ｐ型半導体層において、ｐ型コンタクト層を２層構造として、電子ブロック層の直上に、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて第１のｐ型コンタクト層を形成し、この第１のｐ型コンタクト層の直上に、水素を主成分とするキャリアガスを用いて第２のｐ型コンタクト層を形成するようにしたため、順方向電圧を維持しつつ発光出力を高めることができる。

従来例のIII族窒化物半導体発光素子の模式断面図である。本発明の好適な実施形態に従うIII族半導体発光素子の製造方法のフローチャートである。

（III族窒化物半導体発光素子）
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、サファイア基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。

本発明の一実施形態に従うIII族半導体発光素子の製造方法は、ｎ型半導体層と、少なくともＡｌを含む井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の発光層と、ｐ型半導体層とをこの順に有するIII族半導体発光素子を製造する方法である。ここで、上記ｐ型半導体層を形成する工程は、発光層の上に障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程と、電子ブロック層の直上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）からなる第１のｐ型コンタクト層を形成する第１ｐ型コンタクト形成工程と、第１のｐ型コンタクト層の直上にＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦０．１）からなる第２のｐ型コンタクト層を形成する第２ｐ型コンタクト形成工程とを有し、第１ｐ型コンタクト形成工程は、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、第２ｐ型コンタクト形成工程は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行うことが肝要である。

本発明者は、順方向電圧を維持しつつ発光出力を高める方途について鋭意検討した結果、ｐ型コンタクト層を２層構造として、電子ブロック層５１の直上に、Ａｌの組成ｘが０≦ｘ≦０．１である第１のｐ型コンタクト層を窒素を主成分とするキャリアガスを用いて形成し、第１のｐ型コンタクト層の直上に、Ａｌの組成ｙが０≦ｙ≦０．１である第２のｐ型コンタクト層を水素を主成分とするキャリアガスを用いて形成することが極めて有効であることを見出し、本発明を形成するに至ったのである。

このように、本発明は、発光層４０上に設けられたｐ型半導体層５０の形成に特徴を有するものであり、このｐ型半導体層５０の下方に設けられたサファイア基板１１、ＡｌＮ層２１、アンドープ層２２、ｎ型半導体層３２および発光層４０の具体的な構成は何ら限定されない。

図２は、本発明の好適な実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子の製造方法のフローチャートを示している。まず、図２（Ａ）に示すように、サファイア基板１１を用意する。サファイア基板１１の主面１１Ａは、オフ角θを設けるための傾斜方向の結晶軸方位は、ｍ軸方向またはａ軸方向のいずれでもよく、上述の通りオフ角θの有無は任意であるが、例えば特願２０１４−２２４６３７号に記載のようにＣ面が０．５度のオフ角θで傾斜した面とすることができる。

次に、図２（Ｂ）に示すように、サファイア基板１１上にＡｌＮ層２１をエピタキシャル成長させる。ＡｌＮ層２１は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。

ＡｌＮ層２１のＡｌ源としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができる。また、Ｎ源としては、アンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いることができる。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスを用いることにより、ＡｌＮ層２１を形成することができる。

なお、ＡｌＮ層２１の成長温度としては、１２７０℃以上１３５０℃以下が好ましく、１２９０℃以上１３３０℃以下がより好ましい。この温度範囲であれば、続く熱処理工程の後にＡｌＮ層２１の結晶性を向上することができる。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば５Ｔｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、８Ｔｏｒｒ〜１５Ｔｏｒｒである。

また、ＮＨ₃ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）については、例えば１３０以上１９０以下とすることができる。より好ましくは１４０以上１８０以下である。なお、成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましい。

続いて、上述のようにして得られた、サファイア基板１１上のＡｌＮ層２１に対して、このＡｌＮ層２１の成長温度よりも高温で熱処理を施すことが好ましい。この熱処理工程は、公知の熱処理炉を用いて行うことができる。かかる熱処理を行うことにより、ＡｌＮ層２１の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅を４００秒以下とし、高い結晶性を実現することができる（図２（Ｃ））。

その後、図２（Ｄ）に例示するように、ＡｌＮ層２１上に、アンドープ層２２およびｎ型半導体層３２をこの順に有する積層構造を形成することができる。

次に、図２（Ｅ）に示すように、発光層４０を形成する。この発光層４０は、少なくともＡｌを含み、例えばＡｌ_aＧａ_1-aＮ材料（０＜ａ≦１）で形成することができる。ここで、Ａｌの組成は、所望の波長の光を発光するように適切に設定するが、Ａｌ組成ａが０．３５以上の場合、発光層４０から放射される光の中心波長が３００ｎｍ以下となり、最終的に作製されるIII族窒化物半導体発光素子１はＤＵＶ−ＬＥＤとなる。

この発光層４０は、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮからなる井戸層４１と障壁層４２とを繰り返し形成した多重量子井戸（ＭＱＷ：ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）で構成することができる。井戸層４１のＡｌ組成ａは、例えば０．３〜０．８であり、障壁層４２のＡｌ組成ｂは、井戸層４１のＡｌ組成ａより大きく、例えば０．４０〜０．９５である。また、井戸層４１および障壁層４２の繰り返し回数は、例えば１〜１０回である。さらに、井戸層４１の厚みは、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、障壁層４２の厚みは、３ｎｍ〜３０ｎｍである。

発光層４０をＡｌＧａＮ材料で形成する場合、Ａｌ源としてはＴＭＡ、Ｇａ源としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ源としてはＮＨ₃ガスを用いることができる。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスを用いてチャンバ内に供給することにより、発光層４０を形成することができる。発光層４０をＭＱＷ構造とする場合には、Ａｌ源の流量とＧａ源の流量の比を適切に変更することにより、ＭＱＷ構造を有する発光層４０を形成することができる。

発光層４０をＡｌ_aＧａ_1-aＮ材料（０＜ａ≦１）で形成する場合、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ材料の成長温度としては、１０００℃以上１４００℃以下が好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下がより好ましい。

また、ＮＨ₃ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）については、例えば１００以上１０００００以下とすることができる。より好ましくは３００以上３００００以下である。成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましいのはＡｌＮ層２１の場合と同様である。

続いて、図２（Ｆ）に示すように、発光層４０の上にｐ型半導体層１５０を形成する。上述のように、本発明においては、ｐ型半導体層１５０が、図１に示したｐ型クラッド層５２に対応する層を含まず、電子ブロック層５１と、該電子ブロック層５１の直上に設けられたｐ型コンタクト層１５３とを有するように構成する。また、ｐ型コンタクト層１５３は、第１のｐ型コンタクト層５４と第２のｐ型コンタクト層５５とからなる２層構造とする。

電子ブロック層５１は、通常、発光層とｐ型クラッド層との間に設けることにより、電子を堰止めして、電子を発光層４０（ＭＱＷの場合には井戸層４１）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層である。特に、発光層４０のＡｌ組成が高い場合には、ｐ型半導体層のホール濃度が低いため、ホールを発光層４０に注入しにくく、一部の電子がｐ型半導体層側に流れてしまうが、電子ブロック層５１を設けることにより、こうした電子の流れを防止することができる。なお、本発明において、「電子ブロック層」のＡｌ組成ｚは、発光層４０を構成する障壁層４２のＡｌ組成ｂよりも大きく、バンドギャップが大きな層を意味している。対して、「クラッド層」のＡｌ組成は、電子ブロック層のＡｌ組成よりも０．１を超えて小さく、ｐ型コンタクト層よりも０．１を超えて大きいものを指す。なお、中心波長が３００ｎｍ以下において使用されるｐ型のＡｌＧａＮはＡｌ組成が大きいほど電流が流れにくいため、従来クラッド層として使用されるＡｌ組成は障壁層のＡｌ組成以下であることが多い。このため、本発明における電子ブロック層と従来技術におけるクラッド層とは障壁層のＡｌ組成を基準としても区別できる。

電子ブロック層５１は、例えばｐ型のＡｌ_zＧａ_1-zＮ材料（ｂ＜ｚ≦１）で形成することができる。障壁層４２のＡｌ組成にもよるが、例えばこの電子ブロック層５１のＡｌ組成は、０．５以上１．０以下とすることが好ましい。これにより、井戸層４１への電子の注入効率を高めることができる。また、電子ブロック層５１の厚みは、例えば６ｎｍ〜６０ｎｍであることが好ましい。電子ブロック層５１の厚さが６ｎｍより薄くても６０ｎｍを超えても、出力の大幅な減少がみられるためである。なお、障壁層の厚みよりは厚いことが好ましい。

この電子ブロック層５１をｐ型とするためのドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いることができる。Ｍｇ源としては、シクロペンタジニエルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を用いることができ、Ｚｎ源としては、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂）を用いることができる。

電子ブロック層５１をｐ型のＡｌ_zＧａ_1-zＮ材料（ｂ＜ｚ≦１）で形成する場合、電子ブロック層５１の形成は、キャリアガスとして水素を主成分とするガスを用い、原料ガスであるＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ₃ガス、ならびに不純物ガスである、例えばＣＰ₂Ｍｇをチャンバ内に供給することにより行うことができる。なお、電子ブロック層５１の形成に最初から窒素を主成分とするガスを用いた場合は、発光しなくなる。

電子ブロック層５１をＡｌ_zＧａ_1-zＮ材料（ｂ＜ｚ≦１）で形成する場合、Ａｌ_bＧａ_1-bＮ材料の成長温度としては、１０００℃以上１４００℃以下が好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、２０Ｔｏｒｒ〜３８０Ｔｏｒｒである。

続いて、電子ブロック層５１上に、２層構造を有するｐ型コンタクト層１５３を形成する。その際、電子ブロック層５１の直上に形成される第１のｐ型コンタクト層５４は、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、第１のｐ型コンタクト層５４の直上に形成される第２のｐ型コンタクト層５５は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行う。

なお、本発明において、「窒素を主成分とするキャリアガス」とは、キャリアガス全体の体積に対する窒素ガスの体積の比が６０％以上であるキャリアガスを意味している。より好ましくは８５％以上である。また、「水素を主成分とするキャリアガス」とは、キャリアガス全体の体積に対する水素ガスの体積の比が６０％以上であるキャリアガスを意味している。より好ましくは８５％以上である。なお、半導体製造用として市販される純度を有するガスを用いればよい。なお、ここでのキャリアガスの体積比は、チャンバ内に供給されウェーハ近傍の空間を通るガスを対象としており、ヒーターやチャンバ内壁のパージを主目的としてウェーハ近傍の空間を通らずに排気されるガスは含めない。つまり、ヒーターやチャンバ内壁に水素を大流量流して排気していても、ウェーハ近傍には実質的に窒素を流している場合には、窒素を主成分とするキャリアガスとなる。

ｐ型コンタクト層１５３は、ｐ型のＡｌ_cＧａ_1-cＮ材料で形成する。ｐ型コンタクト層１５３は、この上に形成されるｐ型電極７０と電子ブロック層５１との間の接触抵抗を低減するための層である。そのため、このｐ型コンタクト層１５３のＡｌ組成ｃは０≦ｃ≦０．１とする。つまり、第１のｐ型コンタクト層５４（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）のＡｌ組成ｘを０≦ｘ≦０．１とし、第２のｐ型コンタクト層５５（Ａｌ_yＧａ_1-yＮ）のＡｌ組成ｙを０≦ｙ≦０．１とする。これにより、ｐ型コンタクト層１５３上に形成されるｐ型電極７０との接触抵抗を十分に低減することができる。特に、ｘ＝０およびｙ＝０とすることが好ましい。

このｐ型コンタクト層１５３をｐ型とするためのドーパントとしては、電子ブロック層５１の場合と同様、マグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いることができる。Ｍｇ源としては、シクロペンタジニエルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を用いることができ、Ｚｎ源としては、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂）を用いることができるのも同様である。

以下に、本実施形態におけるガスの切り替え方法の一例を説明する。電子ブロック層５１形成後、有機金属ガス（III族元素ガスおよびドーパント源ガス）を一旦チャンバ内からベントに切り替えた上で、チャンバ内に流れるキャリアガスを水素から窒素に切り替え、完全に窒素に切り替わった後に、有機金属ガスをチャンバ内に供給して、電子ブロック層５１上に第１のｐ型コンタクト層５４を形成する。次いで、再度有機金属ガスの流路を一旦チャンバ内からベントに切り替えた上でチャンバ内に流れるキャリアガスを水素ガスに切り替えた後、有機金属ガスをチャンバ内に供給して、第２のｐ型コンタクト層５５を形成することにより行うことが好ましい。ベントへ切り替えずにキャリアガスを変えた場合は、ガスの流れが急変するため異常な成長を起こす恐れがある。なお、V族元素ガスは電子ブロック層からV族元素が分離しないようにチャンバ内へ流したままとする。また、上記のように有機金属ガスを一旦チャンバ内からベントに切り替えることで電子ブロック層５１上への結晶成長を中断し、電子ブロック層５１上の雰囲気を水素から窒素に入れ替えて窒素雰囲気となる間の時間、電子ブロック層５１は水素分圧が下がりがりながらキャリアガスおよびV族元素ガスに晒された状態で加熱される。これが電子ブロック層５１とｐ型コンタクト層１５３との界面付近のキャリア密度向上に好ましい効果を及ぼしたとも考えられる。完全に窒素に切り替わった後に、有機金属ガスをチャンバ内に供給するまでに、１秒以上の時間を空けることも好ましい様態である。

ｐ型コンタクト層１５３の成長温度としては、８００℃以上１４００℃以下が好ましく、９００℃以上１３００℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、２０Ｔｏｒｒ〜６００Ｔｏｒｒである。

特に、第１のｐ型コンタクト層５３の厚みを５ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、結晶性の高い第２のコンタクト層５４が、順方向電圧を維持しつつ、発光出力を向上させることができる。基本的に、ｐ型コンタクト層１５３のキャリアガスとしては、水素の方が好ましい。これは、水素ガスの方が結晶性のよい窒化物半導体層が形成されるためである。

こうした結晶性のよい膜とすることにより、ｐ型不純物であるＭｇが欠陥に偏析したり補償されたりすることが少なく、ｐ型キャリアが供給され、キャリア注入効率が向上して光出力が増大し、また順方向電圧も良好に保たれる。

しかし、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層（電子ブロック層５１）上にＧａＮ薄膜（第１のｐ型コンタクト層５４）を成長開始させる場合には、ＧａＮ薄膜に対して大きな圧縮歪みが印加されることになる。本発明者は、そのような状況においてキャリアガスとして水素を用いると、歪みエネルギーの掛かったＧａＮ成長核を水素が除去して開放してしまい、核密度が低下する。すると、少ない密度の核同士が成長して融合する段階で、大きな欠陥が生じたり、表面が荒れたりしてしまう。このような欠陥が生じることで、Ｍｇが補償され、光出力の低下や順方向電圧の上昇につながってしまうと考えた。

そこで、第１のｐ型コンタクト層５４のキャリアガスとして窒素を用いると共に、厚みを上記範囲とすることにより、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層（電子ブロック層５１）上のＧａＮ成長核の維持と、結晶性の向上とを両立するこが可能となり、光出力の向上と順方向電圧の保持が実現可能となる。

最後に、図２（Ｇ）に示すように、発光層４０およびｐ型半導体層１５０の一部をエッチング等により除去し、露出したｎ型半導体層３２上にｎ側電極６０を、第２のｐ型コンタクト層５４上にｐ側電極７０をそれぞれ形成する。こうして、本発明の好適な実施形態に係る窒化物半導体発光素子１を作製することができる。

ここで、ｎ側電極６０は、例えばＴｉ含有膜およびこのＴｉ含有膜上に形成されたＡｌ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。また、ｐ側電極７０についても、例えばＮｉ含有膜およびこのＮｉ含有膜上に形成されたＡｕ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。

（III族窒化物半導体発光素子）
また、本発明の一実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子は、上で説明したIII族窒化物半導体発光素子の製造方法によって製造されたものである。得られたIII族窒化物半導体発光素子１は、低い順方向電圧で高い出力の光を発光できるものである。

こうして、順方向電圧を維持しつつ発光出力を高めることができるIII族窒化物半導体発光素子を製造することができる。

（発明例）
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図２に示したフローチャートに従って、III族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板（直径２インチ、厚さ：４３０μｍ、面方位：（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．５度、テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．２０ｎｍ）を用意した（図２（Ａ））。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上に中心膜厚０．６０μｍ（平均膜厚０．６１μｍ）のＡｌＮ層を成長させ、ＡｌＮテンプレート基板とした（図２（Ｂ））。その際、ＡｌＮ層の成長温度は１３００℃、チャンバ内の成長圧力は１０Ｔｏｒｒであり、V/III比が１６３となるようにアンモニアガスとＴＭＡガスの成長ガス流量を設定した。V族元素ガス（ＮＨ₃）の流量は２００ｓｃｃｍ、III族元素ガス（ＴＭＡ）の流量は５３ｓｃｃｍである。なお、ＡｌＮ層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機（ナノスペックM6100A；ナノメトリックス社製）を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。

次いで、上記ＡｌＮテンプレート基板を熱処理炉に導入し、１０Ｐａまで減圧後に窒素ガスを常圧までパージすることにより炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してＡｌＮテンプレート基板に対して熱処理を施した（図２（Ｃ））。その際、加熱温度は１６５０℃、加熱時間は４時間とした。

続いて、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープ層として、Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎからなる層厚１μｍのアンドープＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を形成した。次に、アンドープ層上に、ｎ型半導体層として、Ａｌ０_.62Ｇａ_0.38Ｎからなり、Ｓｉドープした層厚２μｍのｎ型Ａｌ_0.62Ｇａ_0.38Ｎ層を上記ＡｌＮ層上に形成した（図２（Ｄ））。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型半導体層のＳｉ濃度は１．０×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である。

続いて、ｎ型半導体層上に、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎからなる層厚３ｎｍの井戸層およびＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎからなる層厚７ｎｍの障壁層を交互に３．５組繰り返して積層した発光層を形成した（図２（Ｅ））。３．５組の０．５は、発光層の最初と最後を障壁層としたことを表す。

その後、発光層上に、水素ガスをキャリアガスとして、Ａｌ_0.68Ｇａ_0.32Ｎからなり、Ｍｇドープした層厚４０ｎｍの電子ブロック層を形成した。次いで、窒素ガスをキャリアガスとして、ＧａＮからなり、Ｍｇドープした層厚３０ｎｍの第１のｐ型コンタクト層を形成した。その際、チャンバ内の成長圧力は３００ｍｂａｒであった。また、キャリアガスである窒素ガス、ＮＨ₃ガス、ＴＭＧ、Ｃｐ₂Ｍｇの流量は、それぞれ３０ｓｌｍ、３０ｓｌｍ、１５０ｓｃｃｍおよび１０００ｓｃｃｍであった。続いて、キャリアガスを水素ガスに切り替えた後、Ｍｇドープした層厚１５０ｎｍの第２のｐ型コンタクト層を形成した。キャリアガスである水素ガスの流量は、３０ｓｌｍとし、その他の条件は第１のｐ型コンタクト層の形成と同じにした。なお、層厚１５０ｎｍの内の電極に接する厚さ３０ｎｍの領域においては、ＴＭＧガスの流量を減らしてＭｇの存在確率を上げ、かつ、成長速度を落とすことにより高Ｍｇ濃度の層とした。その後、第２のｐ型コンタクト層の上にマスクを形成してドライエッチングによるメサエッチングを行い、ｎ型半導体層を露出させた。次いで、第２のｐ型コンタクト層上に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ型電極を形成し、露出したｎ型半導体層上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型電極を形成した。なお、ｐ型電極のうち、Ｎｉの厚みは５０Åであり、Ａｕの厚みは１５００Åである。また、ｎ型電極のうち、Ｔｉの厚みは２００Åであり、Ａｌの厚みは１５００Åである。最後に５５０℃でコンタクトアニール（ＲＴＡ）を行って、電極を形成した。こうして発明例に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。

（比較例１）
発明例と同様に窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、ｐ型コンタクト層を１層構造（厚み：１８０ｎｍ）とし、窒素をキャリアガスとしてｐ型コンタクト層を形成した。すなわち、ｐ型電極側に水素をキャリアガスとして用いて形成した領域を設けなかった。その他の条件は発明例と全て同じである。

（比較例２）
Ａｌ_0.68Ｇａ_0.32Ｎからなる電子ブロック層とｐ型コンタクト層との間に、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎからなるクラッド層を形成した以外は、比較例１と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層とｐ型クラッド層の２つの層は、水素をキャリアガスとして用いて形成した。その他の条件は比較例１と全て同じである。

＜発光特性および順方向電圧の評価＞
発明例について、作製したフリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子を、積分球により電流２０ｍＡのときの発光出力Ｐｏ（ｍＷ）および順方向電圧Ｖ_fをそれぞれ測定したところ、２．９ｍＷ、８．７Ｖであった。これに対して、比較例１について発光出力および順方向電圧を測定したところ、それぞれ２．０ｍＷ、８．７Ｖであった。同様に、比較例２について発光出力および順方向電圧を測定したところ、それぞれ３．０ｍＷ、９．１Ｖであった。このように、発明例は、比較例１に比べて、順方向電圧を維持しつつ、発光出力を大きく向上できることが分かる。比較例２は、比較例１より発光出力が向上したものの、順方向電圧が上昇した。得られた結果を表１に示す。

本発明によれば、ｐ型半導体層において、電子ブロック層の直上にｐ型コンタクト層を設け、このｐ型コンタクト層を２層構造として、電子ブロック層の直上に、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて第１のｐ型コンタクト層を形成し、この第１のｐ型コンタクト層の直上に、水素を主成分とするキャリアガスを用いて第２のｐ型コンタクト層を形成するようにし、順方向電圧を維持しつつ発光出力を高めることができるため、発光素子の製造業において有用である。

１，１００ III族窒化物半導体素子
１１サファイア基板
１１Ａ基板の主面
２１ＡｌＮ層
２２アンドープ層
３２ｎ型半導体層
４０発光層
４１井戸層
４２障壁層
５０，１５０ｐ型半導体層
５１電子ブロック層
５２ｐ型クラッド層
５３，１５３ｐ型コンタクト層
５４第１のｐ型コンタクト層
５５第２のｐ型コンタクト層
６０ｎ側電極
７０ｐ側電極

Claims

ｎ型半導体層と、少なくともＡｌを含む井戸層と障壁層とを有する量子井戸構造の発光層と、ｐ型半導体層とをこの順に備えるIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記ｐ型半導体層を形成する工程は、
前記発光層の上に前記障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程と、
前記電子ブロック層の直上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）からなる第１のｐ型コンタクト層を形成する第１ｐ型コンタクト形成工程と、
前記第１のｐ型コンタクト層の直上に、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０≦ｙ≦０．１）からなる第２のｐ型コンタクト層を形成する第２ｐ型コンタクト形成工程と、
を有し、
前記第１ｐ型コンタクト形成工程は、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、
前記第２ｐ型コンタクト形成工程は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行うことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記第１のｐ型コンタクト層の厚みは５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である、請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）であり、前記電子ブロック層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｂ＜ｚ≦１）である、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記発光層から放射される光の中心波長が３００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
前記電子ブロック層形成工程は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて行い、前記電子ブロック層形成工程後に、有機金属ガスを流さないで窒素を主成分とするキャリアガスを流す工程を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法によって製造されたIII族窒化物半導体発光素子。