JP2018129340A - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】順方向電圧Ｖｆの上昇を抑えつつ明るさを向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光層を成長させる前に、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を有するｎ側超格子層を成長させるｎ側超格子層成長工程を含む窒化物半導体発光素子製造方法であって、ｎ側超格子層成長工程は、１つのＩｎＧａＮ層を成長させるＩｎＧａＮ層成長工程と１つのＧａＮ層を成長させるＧａＮ層成長工程とを含む工程をｎサイクル繰り返すことを含み、ｎ側超格子層成長工程において、第１サイクル〜第ｍサイクルにおけるＧａＮ層成長工程を、Ｎ２ガスを含みＨ２ガスを含まないキャリアガスを用いて行い、第（ｍ＋１）サイクル〜第ｎサイクルにおけるＧａＮ層成長工程をキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
近年、発光ダイオード等の半導体発光素子が各種照明等の種々の用途に使用されている。これに伴い発光素子には低い駆動電圧で高輝度に発光させることが求められている。このような要求に応えるため、例えば、特許文献１には、明るく（高輝度に）発光させることができる発光素子の製造方法が開示されている。特許文献１の製造方法は、ｎ側の層にｎ側超格子層を含む窒化物半導体発光素子の製造方法であって、ｎ側超格子層形成工程として、ＩｎＧａＮ層１５１と、ＩｎＧａＮ層１５１の上のＧａＮ層１５２と、ＧａＮ層１５２の上のｎ型ＧａＮ層１５３と、を繰り返して形成することが開示されている。そして、ＩｎＧａＮ層１５１を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスを用い、ｎ型ＧａＮ層１５３を形成する際には、キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスとを混合した混合ガスを用いることが開示されている。
特開２０１６−９２２５３号公報
しかしながら、特許文献１の製造方法により作製された発光素子は、明るさを向上させる点においては一定の効果が得られるが、その一方で順方向電圧Ｖｆが上昇しやすい。
そこで、本発明では、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑えつつ明るさを向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために、本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、発光層を成長させる前に、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を有するｎ側超格子層を成長させるｎ側超格子層成長工程を含む窒化物半導体発光素子製造方法であって、
前記ｎ側超格子層成長工程は、１つのＩｎＧａＮ層を成長させるＩｎＧａＮ層成長工程と１つのＧａＮ層を成長させるＧａＮ層成長工程とを含む工程をｎサイクル繰り返すことを含み、
前記ｎ側超格子層成長工程において、第１サイクル〜第ｍサイクルにおけるＧａＮ層成長工程を、Ｎ２ガスを含みＨ２ガスを含まないキャリアガスを用いて行い、第（ｍ＋１）サイクル〜第ｎサイクルにおけるＧａＮ層成長工程をキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて行うことを特徴とする。
以上のように構成された本発明の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑えつつ明るさを向上させることができる窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
本発明に係る実施形態の発光素子の構成を示す断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態の窒化物半導体発光素子について説明する。
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、基板１と、基板１上に設けられた下地層２、ｎ側コンタクト層３、ｎ側超格子層４、活性層５、ｐ側クラッド層６及びｐ側コンタクト層７を含む。ｎ側超格子層４は、１つのＩｎＧａＮ層と１つのＧａＮ層とを含む単一ペアをｎペア含む。そして、ｎ側超格子層４において、下地層２側からｍペアまでのＧａＮ層４ａはキャリアガスとして水素を含まないＮ２ガスを用いて成長されており、活性層５側の（ｍ＋１）〜ｎペアのＧａＮ層４ｘはキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長されている。また、ｎ側超格子層４において、好ましくは、下地層２側からｋペアまでのＩｎＧａＮ層４ｂはｎ型不純物がドープされていないアンドープ層であり、（ｋ＋１）〜ｎペアのＩｎＧａＮ層４ｓは、ｎ型不純物を含む層である。ｎ側超格子層４において、図１に示すように、例えば、最も下地層２側の層は、ＧａＮ層４ａであり、最も活性層５側の層は、ＩｎＧａＮ層４ｓである。ｎ側超格子層４の上に形成される活性層５は、交互に設けられた井戸層と障壁層とを含み、例えば、ｎ側超格子層４における最も活性層５側のＩｎＧａＮ層４ｓに、障壁層が接するようにｎ側超格子層４上に設けられる。そして、活性層５の上には、ｐ側クラッド層６及びｐ側コンタクト層７が順に形成される。ここで、ｎは３以上の整数であり、ｍはｎよりも小さい１以上の整数であり、ｋはｎよりも小さい１以上の整数である。尚、本明細書において、（ｍ＋１）〜ｎペアというときには、ｍ＝ｎ−１の場合、すなわち、最も活性層５側のｎペアのみの場合も含む。また、本明細書において、（ｋ＋１）〜ｎペアというときには、ｋ＝ｎ−１の場合、すなわち、最も活性層５側のｎペアのみの場合も含む。
また、ｐ側コンタクト層７の表面の一部にはｐ電極８が設けられ、一部の領域のｐ側コンタクト層７、ｐ側クラッド層６及び活性層５を除去して露出させたｎ側コンタクト層３の表面（電極形成面）にはｎ電極８が設けられている。
本実施形態の窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体としては、III−Ｖ族窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１））が挙げられ、III族元素の一部にＢを用いたり、Ｖ族元素のＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂで置換した混晶であってもよい。これらの窒化物半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により形成することができる。
以上のように構成された窒化物半導体発光素子は、活性層を結晶性良く形成することができるので発光出力を高くでき、かつ順方向電圧Ｖｆの上昇を抑えることができる。特に、活性層５がＩｎを比較的多く含む井戸層を備えた発光ピーク波長が５００ｎｍ以上の窒化物半導体発光素子（例えば、ＩｎＧａＮで構成された井戸層のうち、Ｉｎの比率が２０．０〜２５．０％程度である緑色に発光する発光素子）において顕著な効果が得られる。ここで、本明細書において、数字を用いてＡ〜Ｂと記載するときは、数がＡである場合と数がＢである場合とを含むものとする。
以下、本実施形態の製造方法により得られる窒化物半導体発光素子における各構成要素について説明する。
（基板１）
半導体層を形成するための基板１は、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板を用いることができる。中でも、サファイア基板が好ましい。また、基板１として、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどを用いても良い。基板１は、最終的に取り除いてもよいし、取り除かなくてもよい。
（ｎ側コンタクト層３）
ｎ側コンタクト層３は、少なくともその一部分にｎ型不純物を含有し、電極形成面内及び発光層へのキャリアの供給、拡散を実現するためのものである。特に、ｎ電極８から活性層５に向かってキャリアを面内拡散して供給するために、比較的高濃度にｎ型不純物がドープされていることが好ましい。ｎ側コンタクト層３は、ＧａＮにより構成されることが好ましい。
（ｎ側超格子層４）
ｎ側超格子層４は、その上に形成される活性層５等の結晶性を良好にするために設ける層であり、上述したように、１つのＩｎＧａＮ層と１つのＧａＮ層とを含む単一ペアをｎペア含む。ここで、ペア数ｎは、例えば、１０〜４０の範囲、好ましくは、１５〜３５の範囲、さらに好ましくは、２５〜３５の範囲に設定される。例えば、活性層５における井戸層のＩｎの含有量が比較的小さい青色の光を発光する窒化物半導体発光素子では、２０ペア、活性層５における井戸層のＩｎの含有量が比較的大きい緑色の光を発光する窒化物半導体発光素子では、３０ペアに設定される。また、ＧａＮ層４ａ，４ｘは、好ましくは、１．５ｎｍ〜５ｎｍの厚さ、より好ましくは、２ｎｍ〜４ｎｍの厚さに設けられる。ＩｎＧａＮ層４ｂ，４ｓは、好ましくは、０．５ｎｍ〜３ｎｍの厚さ、より好ましくは、０．７ｎｍ〜２ｎｍの厚さに設けられる。ＧａＮ層４ａ，４ｘ及びＩｎＧａＮ層４ｂ，４ｓの厚さは、単位ペアごとに異なっていてもよく、例えば、ｎ側コンタクト層３側のＧａＮ層４ａと活性層５側のＧａＮ層４ｘとの間で異なっていてもよいし、ｎ側コンタクト層３側のＩｎＧａＮ層４ｂと活性層側５のＩｎＧａＮ層４ｓの間で異なっていてもよい。
また、上述したように、ｎ側超格子層４において、下地層２側からｍペアまでのＧａＮ層４ａはキャリアガスとして水素を含まないＮ２ガスを用いて成長されており、活性層５側の（ｍ＋１）〜ｎペアのＧａＮ層４ｘはキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長されている。キャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長させる活性層５側のペア数（ｎ−ｍ）は、好ましくは１〜５、より好ましくは２〜４、さらに好ましくは２又は３とする。キャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長させる活性層５側のペア数（ｎ−ｍ）を１以上とすることで、ＧａＮ層４ａの表面が大きな凹み（Ｖピット）を有する表面となりにくく、より平坦な表面とすることができ、またＧａＮ層４ａの結晶性を良好にできるため、ＧａＮ層４ａの上面に形成される活性層５を良好に形成することができる。ここで、ＧａＮ層４ａの表面に大きな凹みが形成されにくくなった理由としては、ＧａＮ層４ａをキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを供給しつつ成長させたことで、ＧａＮ層４ａの横方向における成長が促され、ＧａＮ層４ａの表面に形成される凹みが大きくなることが抑制されたためであると考えられる。キャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長させる活性層５側のペア数（ｎ−ｍ）を５以下とすることで、順方向電圧Ｖｆを上昇させすぎることなく明るさを向上させることができる。
ここで、ｎ側超格子層４において、活性層５側ではなく下地層２側から数ペアまでのＧａＮ層４ａをキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスで成長させた場合、明るさはほとんど向上せず、順方向電圧Ｖｆが上昇する傾向にある。これは、ｎ側超格子層４ａにおいて、下地層２側のＧａＮ層４ａの表面状態を改善しても、活性層５が形成されるＧａＮ層４ａの表面状態は平坦な表面になっておらず、活性層５を効率よく形成することができないためであると考えられる。
また、上述したように、ｎ側超格子層４において、好ましくは、下地層２側からｋペアまでのＩｎＧａＮ層４ｂはｎ型不純物がドープされていないアンドープ層であり、（ｋ＋１）〜ｎペアのＩｎＧａＮ層４ｓは、ｎ型不純物を含む層である。ｎ型不純物を含むＩｎＧａＮ層４ｓを備えた活性層５側のペア数（ｎ−ｋ）は、好ましくは２〜５、より好ましくは３又は４とする。ｎ型不純物を含むＩｎＧａＮ層４ｓを備えた活性層５側のペア数（ｎ−ｋ）を、２以上とすることで、超格子層にｎ型不純物を含ませることによる順方向電圧Ｖｆを低減させる効果を効率よく得ることができ、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑制することができる。ｎ型不純物を含むＩｎＧａＮ層４ｓを備えた活性層５側のペア数（ｎ−ｋ）を、５以下とすることで、順方向電圧Ｖｆの上昇を抑制しつつ、ｎ型不純物を含ませることによる超格子層の結晶性の悪化を抑制し、静電耐圧特性を維持することができる。
ここで、ｎ側超格子層４において、活性層５側ではなく下地層２側から数ペアまでのＩｎＧａＮ層４ｂをｎ型不純物を含む層とした場合、静電耐圧特性は向上するが、順方向電圧Ｖｆ、明るさが悪化する傾向にある。これは、ｎ側超格子層４の活性層５側にｎ型不純物が含まれる層が形成されていないことで、活性層５へキャリアが注入しにくくなったためであると考えられる。
また、（ｋ＋１）〜ｎペアのＩｎＧａＮ層４ｓのｎ型不純物濃度は、好ましくは１×１０１８／ｃｍ３〜５×１０１８／ｃｍ３、より好ましくは２×１０１８／ｃｍ３〜４×１０１８／ｃｍ３とする。
さらに、ｎ側超格子層４において、ｎ型不純物を含むＩｎＧａＮ層４ｓを備えた活性層５側のペア数（ｎ−ｋ）は、キャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いてＧａＮ層を成長させる活性層５側のペア数（ｎ−ｍ）より多いことが好ましい。
以上のように構成されたｎ側超格子層を含む窒化物半導体発光素子は、活性層５の結晶性を良好にできることに加え、駆動時における電流の面内拡散が促進され、耐圧も向上させることができる。したがって、本実施形態の窒化物半導体発光素子によれば、順方向電圧Ｖｆを上昇させることなく明るさを向上させることができ、しかも静電耐圧特性を維持させることができる。
（活性層５）
活性層５としては、Ｉｎを含む窒化物半導体を用いことが好ましく、Ｉｎ比率を適宜設定することにより、紫外域から可視光（赤色光）の領域において発光が可能でかつ高い発光効率が得られる。例えば、井戸層をＩｎXＧａ1-XＮにより構成する場合には、所望の発光色が得られるようにＩｎ組成ｘを設定する。窒化物半導体発光素子の発光波長は、発光ピーク波長が４３０ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲、好ましくは５００ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲とする。また、障壁層は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ等により構成することができる。井戸層、障壁層は、Ｓｉ等のｎ型不純物及び／又はＭｇ等のｐ型不純物を含んでいても良いし、アンドープであってもよい。
（ｐ側クラッド層６）
ｐ側クラッド層６は、ｐ側クラッド層６は、キャリアを閉じ込めるために設けられる層であり、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むＧａＮ、ＡｌＧａＮ等により構成することができる。ｐ側クラッド層６は、例えば、１０ｎｍ〜３０ｎｍの厚さに設けられる。
（ｐ側コンタクト層７）
ｐ側コンタクト層７は、上面に電極が形成される層であり、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物を含むＧａＮ、ＡｌＧａＮ等により構成することができる。ｐ側コンタクト層７は、例えば、１００ｎｍ〜１５０ｎｍの厚さに設けられる。
以下、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
（下地層形成工程）
まず、例えば、サファイアからなる基板１のＣ面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によりバッファ層を介して下地層２を形成する。
ここで、バッファ層は、例えば、６００℃以下の低温で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニア等を用いて、基板上にＡｌＧａＮを成長させることにより形成する。
また、下地層２は、例えば、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、バッファ層の上にＧａＮを成長させることにより形成する。この下地層２は、例えば、１０５０℃の温度で成長させた第１層と１１５０℃の温度で成長させた第２層を含む複数の層により形成してもよい。
（ｎ側コンタクト層形成工程）
次に、例えば、原料ガスとしてＴＭＧ、アンモニアを用い、ｎ型不純物ガスとしてモノシランを用い、例えば、１１５０℃の温度で、例えば、Ｓｉからなるｎ型不純物を含むｎ型ＧａＮを成長させることにより、ｎ側コンタクト層３を形成する。
（ｎ側超格子層形成工程）
次に、温度をｎ側コンタクト層３を成長させるときの温度より低い、例えば、温度を８６０℃にして、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを交互に成長させてｎ側超格子層４を形成する。
各ペアにおいて、ＧａＮ層を成長させる際、ｎ側コンタクト層３側からｍペアを形成する第１サイクル〜第ｍサイクルでは、原料ガスにＴＥＧ、アンモニア、キャリアガスとしてＮ２ガスを用いてＧａＮ層を成長させ、活性層５側の（ｎ−ｍ）ペアを形成する第（ｍ＋１）サイクル〜第ｎサイクル（最終サイクル）では、原料ガスにＴＥＧ、アンモニア、キャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いてＧａＮ層を成長させる。第（ｍ＋１）サイクル〜第ｎサイクルのＧａＮ層を成長に用いるキャリアガスは、Ｈ２ガスのみであることが好ましい。これにより、ＧａＮ層４ａにおいて、Ｖピットが大きくなることを抑制するなどの上記効果を得やすい。尚、本明細書において、第（ｍ＋１）サイクル〜第ｎサイクルというときには、ｍ＝ｎ−１の場合、すなわち、最終サイクルのみの場合も含む。
各ペアにおいて、ＩｎＧａＮ層を成長させる際、ｎ側コンタクト層３側からｋペアを形成する第１サイクル〜第ｋサイクルでは、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニア、キャリアガスとしてＮ２ガスを用い、ｎ型不純物ガスを供給せずにＩｎＧａＮ層４ｂを成長させ、活性層５側の（ｎ−ｋ）ペアを形成する第（ｋ＋１）サイクル〜第ｎサイクル（最終サイクル）では、原料ガスであるＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアにさらにｎ型不純物ガスを供給して、キャリアガスとしてＮ２ガスを用いてＩｎＧａＮ層４ｓを成長させる。ここで、ＩｎＧａＮ層４ｂ，４ｓを成長させる際、ｎ型不純物ガスの濃度は、ＩｎＧａＮ層４ｂ、４ｓのうち、Ｉｎの比率が、好ましくは、１％〜１０％、より好ましくは、１％〜３％になるように設定する。尚、本明細書において、第（ｋ＋１）サイクル〜第ｎサイクルというときには、ｋ＝ｎ−１の場合、すなわち、最終サイクルのみの場合も含む。
（活性層５）
次に、例えば、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、例えば、温度を９５０℃にしてＧａＮよりなる障壁層を成長させ、温度を８００℃にしてＩｎＧａＮよりなる井戸層を成長させる。これらの障壁層と井戸層とを交互に成長させ、最後にＧａＮよりなる障壁層を成長させることにより活性層５を形成する。
（ｐ側クラッド層６）
次に、例えば、原料ガスとしてＴＥＧ、アンモニアを用い、ｐ型不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇからなるｐ型不純物を含むｐ型ＡｌＧａＮを成長させることにより、ｐ側クラッド層６を形成する。
（ｐ側コンタクト層７）
続いて、例えば、原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用いて、アンドープのＧａＮからなる層を成長させる。その後、このアンドープのＧａＮからなる層上に原料ガスとしてＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、ｐ型不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、Ｍｇからなるｐ型不純物を含むｐ型ＧａＮを成長させることにより、ｐ側コンタクト層７を形成する。ｐ側コンタクト層７の不純物濃度は、ｐ側クラッド層６よりも高くすることが好ましい。
成長終了後、窒素雰囲中、ウェハを反応容器内において、例えば、７００℃程度の上記各層を成長させる温度より低い温度でアニーリングを行い、ｐ側クラッド層６及びｐ側コンタクト層７を低抵抗化する。
アニーリング後、一部の領域のｐ側コンタクト層７、ｐ側クラッド層６及び活性層５を除去して、ｎ電極８を形成するための表面（電極形成面）を露出させる。
最後に、ｐ側コンタクト層７表面の一部及び電極形成面にそれぞれｐ電極９及びｎ電極８を形成する。
以上のような工程を経て、窒化物半導体発光素子は作製される。
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１．
以下に説明する製造方法により窒化物半導体発光素子を作製した。
（基板１）
基板１として、サファイアよりなる基板を用い、最初に、ＭＯＣＶＤ反応容器内において、窒化物半導体を成長させるサファイア（Ｃ面）を水素雰囲気中、１０５０℃の温度でクリーニングした。
（バッファ層）
温度を５５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、基板上にＡｌＧａＮよりなるバッファ層を約１２ｎｍの膜厚に成長させた。
（下地層２）
温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、バッファ層上にＧａＮを約１μｍの膜厚に成長させた。続いて、温度を１１５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、ＧａＮを約１μｍの膜厚に成長させた。このように成長させた２層のＧａＮをまとめて下地層２とする。
（ｎ側コンタクト層３）
次に、１１５０℃の温度でＴＭＧ、アンモニア、モノシランを用い、Ｓｉを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層３を６μｍの膜厚に成長させて形成した。
（ｎ側超格子層４）
次に、温度を８６０℃にして、以下のようにしてＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを一層ずつ成長させる工程を３０サイクル繰り返してｎ側超格子層４を形成した。
まず、原料ガスにＴＥＧ、アンモニアを用い、キャリアガスとしてＮ２ガスを用いてＧａＮ層４ａを３ｎｍの厚さに成長させた（Ａ１工程）。なお、本実施例において、キャリアガスとして一種のガスしか記載していない場合は、キャリアガスは実質的にその一種のガスのみからなり、他の種類のガスを実質的に含まないことを意味する。つまり、Ａ１工程では、キャリアガスは実質的にＮ２ガスのみからなる。
次に、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、キャリアガスとしてＮ２ガスを用いてＩｎＧａＮ層４ｂを１ｎｍの厚さに成長させた（Ｂ１工程）。
このＡ１工程とＢ１工程とを１サイクルとして、第１〜第２７サイクルまで２７サイクル繰り返した。
第２８サイクルでは、原料ガスにＴＥＧ、アンモニアを用い、キャリアガスとしてＨ２ガスを用いてＧａＮ層４ｘを３ｎｍの厚さに成長させた（Ａ２工程）。ここで、Ｈ２ガスの流量を８０ｓｌｍとした。なお、本実施例では、各層を成長する際に、基板の成長面における原料ガスとキャリアガスの混合ガスの流れを制御するために、基板の成長面の斜め上方からＮ２ガスからなる制御ガスを流している。このため、ＭＯＣＶＤ反応容器内には原料ガス、キャリアガス、制御ガスが混在することになるが、基板の成長面に主として吹き付けられるのは原料ガスを含むキャリアガスであり、制御ガスではない。したがって、Ｎ２からなる制御ガスを用いたとしても、キャリアガスとしてＨ２を用いていれば、ＧａＮ層４ｘの成長を制御することができる。本実施例におけるＡ２工程では、キャリアガスであるＨ２ガスの流量を８０ｓｌｍ、制御ガスであるＮ２ガスの流量を１５０ｓｌｍとした。つまり、Ｈ２ガスの流量とＮ２ガスの流量とを合わせたガスの流量に対して、Ｈ２ガスの流量の割合を約３５％とした。
次に、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、ｎ型不純物ガスにモノシランを用い、キャリアガスとしてＮ２ガスを用いてＳｉが３×１０１８／ｃｍ３ドープされたＩｎＧａＮ層４ｓを成長させた（Ｂ２工程）。
このＡ２程とＢ２工程とをそれぞれ第２８サイクル〜第３０サイクルまで３サイクル繰り返した。
以上のようにして、それぞれＧａＮ層を３０層、ＩｎＧａＮ層を３０層を含む超格子層を形成した。つまり、ｎを３０、ｍ及びｋを２７としてｎ側超格子層４を形成した。
（活性層５）
次に、温度を９３０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、ｎ型不純物ガスにモノシランを用い、Ｓｉが４×１０１８／ｃｍ３ドープされた膜厚が６ｎｍのＧａＮ層を成長させ、その上に膜厚が３ｎｍのアンドープのＧａＮ層を成長させた。さらにその上に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて成長させたＩｎ０．２５Ｇａ0.７５Ｎよりなる膜厚が３ｎｍの井戸層と、温度９６０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、アンモニアを用いて成長させたＧａＮよりなる膜厚が１９ｎｍの障壁層とを交互に９ペア成長させた。さらにその上に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いて成長させたＩｎ０．２５Ｇａ0.７５Ｎよりなる膜厚が３ｎｍの井戸層と、温度を９６０℃にして、原料ガスにＴＥＧ、アンモニアを用いて成長させたＧａＮよりなる膜厚が１６ｎｍの障壁層とを交互に３ペア成長させ活性層５を形成した。
（ｐ側クラッド層６）
次に、９３０℃の温度にして、原料ガスにＴＥＧ、ＴＭＡ、アンモニアを用い、ｐ型不純物ガスにＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを２×１０２０／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．１3Ｇａ０．８7Ｎよりなるｐ側クラッド層６を１１ｎｍの膜厚に形成した。
（ｐ側コンタクト層７）
続いて、温度８５０℃〜１０００℃程度で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮからなる層を約８０ｎｍの膜厚で成長させ、その上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを５×１０20／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなる層を約４０ｎｍの膜厚で成長させて、ｐ側コンタクト層７を形成した。
成長終了後、窒素雰囲中、窒化物半導体が形成された基板１を反応容器内において、７００℃の温度でアニーリングを行い、ｐ側クラッド層６及びｐ側コンタクト層７を低抵抗化した。
アニーリング後、一部の領域のｐ側コンタクト層７、ｐ側クラッド層６活性層５を除去して、ｎ電極８を形成するための表面（電極形成面）を露出させた。
最後に、ｐ側コンタクト層７表面の一部及び電極形成面にそれぞれｐ電極９及びｎ電極８を形成した。
以上のように作製した実施例１の窒化物半導体発光素子は、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．３０Ｖであり、ＶＬは１０７．３１であった。また、平均発光ピーク波長は５３２．９ｎｍであった。ここでＶＬとは、窒化物半導体発光素子の明るさを示す指標であり、その値が大きければ明るいことを、小さければ暗いことを意味する。ＶＬは、本実施形態において、プローバーを用い、基板１上に形成された窒化物半導体発光素子のｐ電極とｎ電極との間に電流を流すことにより発光させ、放射された光をフォトダイオードで受光することにより、測定している。また、本明細書において、ＶＬの値は、基板１上に形成された複数の窒化物半導体発光素子におけるＶＬの値を平均した平均値である。
実施例２．
実施例２の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例２では、第１〜第２６サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２７サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２７〜第３０サイクルまでＡ２工程を行い、第２８〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２６、ｋを２７としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例２の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．３８Ｖであり、ＶＬは１０６．９７であった。また、平均発光ピーク波長は５３１．６ｎｍであった。
実施例３．
実施例３の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例３では、第１〜第２５サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２７サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２６〜第３０サイクルまでＡ２工程を行い、第２８〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２５、ｋを２７としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例３の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．４９Ｖであり、ＶＬは１０９．５２であった。また、平均発光ピーク波長は５３２．２ｎｍであった。
実施例４．
実施例４の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例４では、第１〜第２８サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２７サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２９〜第３０サイクルまでＡ２工程を行い、Ｂ２工程を第２８〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２８、ｋを２７としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例４の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．２８Ｖであり、ＶＬは１０５．５３であった。また、平均発光ピーク波長は５３０．３ｎｍであった。
実施例５．
実施例５の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例５では、第１〜第２９サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２７サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第３０サイクルでＡ２工程を行い、第２８〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２９、ｋを２７としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例５の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．２６Ｖであり、ＶＬは１０２．９５であった。また、平均発光ピーク波長は５２９．５ｎｍであった。
実施例６．
実施例６の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例６では、第１〜第２７サイクルまでＢ２工程を行い、第１〜第２８サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２８〜第３０サイクルまでＡ２工程を行い、第２９〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２７、ｋを２８としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例６の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．３７Ｖであり、ＶＬは１０６．９２であった。また、平均発光ピーク波長は５２８．１ｎｍであった。
実施例７．
実施例７の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例７では、第１〜第２７サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２６サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２８〜第３０サイクルまでＡ２工程を行い、第２７〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２７、ｋを２６としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例７の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．３０Ｖであり、ＶＬは１０８．４６であった。また、平均発光ピーク波長は５２８．８ｎｍであった。
実施例８．
実施例８の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例８では、第１〜第２７サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２５サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２８〜第３０サイクルまでＡ２工程を行い、第２６〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２７、ｋを２５としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例２の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．２９Ｖであり、ＶＬは１０９．７５であった。また、平均発光ピーク波長は５２７．１ｎｍであった。
実施例９．
実施例９の窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層４を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
実施例９では、第１〜第２７サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第３０サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２８〜第３０サイクルまでＡ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを２７、ｋを３０としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した実施例９の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．６８Ｖであり、ＶＬは１０７．３０であった。また、平均発光ピーク波長は５３０．３ｎｍであった。
比較例１
比較例に係る窒化物半導体発光素子は、ｎ側超格子層を以下のように形成した以外は、実施例１と同様にして作製した。
（ｎ側超格子層４）
比較例１では、第１〜第３０サイクルまでＡ１工程を行い、第１〜第２７サイクルまでＢ１工程を行った。さらに、第２８〜第３０サイクルまでＢ２工程を行った。つまり、ｎを３０、ｍを３０、ｋを２７としてｎ側超格子層４を形成した。
以上のようにして作製した比較例１の窒化物半導体発光素子において、順方向電流６５ｍＡを流すために必要な順方向電圧Ｖｆは３．２３Ｖであり、ＶＬは９７．６０であった。
以上の実施例と比較例のｎ側超格子層の構成と評価結果を表１に示す。
Figure 2018129340
表１に示す結果から以下のことが理解できる。
（１）ｎ側超格子層４における活性層５側のＧａＮ層をキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長させることにより、明るさを向上させることができる（実施例１〜９と比較例１との比較）。
（２）ｎ側超格子層４における活性層５側のＩｎＧａＮ層にｎ型不純物をドープすることにより、順方向電圧Ｖｆを低くすることができる（実施例１〜８と実施例９との比較）。
以上の実施例に示すように、本実施例の窒化物半導体発光素子によれば、ｎ側超格子層４における活性層５側のＧａＮ層をキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて成長させることにより明るさを向上させることができる。さらに、ｎ側超格子層４における活性層５側のＩｎＧａＮ層にｎ型不純物をドープすることにより、順方向電圧Ｖｆを低く抑えつつ明るさを向上させることができる。
１ 基板
２ 下地層
３ ｎ側コンタクト層
４ ｎ側超格子層
４ａ ＧａＮ層
４ｘ ＧａＮ層
４ｂ ＩｎＧａＮ層
４ｓ ＩｎＧａＮ層
５ 活性層
６ ｐ側クラッド層
７ ｐ側コンタクト層
１００ 窒化物半導体発光素子

Claims (7)

  1. 発光層を成長させる前に、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層を有するｎ側超格子層を成長させるｎ側超格子層成長工程を含む窒化物半導体発光素子製造方法であって、
    前記ｎ側超格子層成長工程は、１つのＩｎＧａＮ層を成長させるＩｎＧａＮ層成長工程と１つのＧａＮ層を成長させるＧａＮ層成長工程とを含む工程をｎサイクル繰り返すことを含み、
    前記ｎ側超格子層成長工程において、第１サイクル〜第ｍサイクルにおける前記ＧａＮ層成長工程を、Ｎ２ガスを含みＨ２ガスを含まないキャリアガスを用いて行い、第（ｍ＋１）サイクル〜第ｎサイクルにおける前記ＧａＮ層成長工程をキャリアガスとしてＨ２ガスを含むガスを用いて行うことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
  2. 前記ｎ側超格子層成長工程において、第１サイクル〜第ｋサイクルにおけるＩｎＧａＮ層成長工程をｎ型不純物ガスを供給せずに行い、第（ｋ＋１）サイクル〜第ｎサイクルにおけるＩｎＧａＮ層成長工程をｎ型不純物ガスを供給して行う請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  3. 前記窒化物半導体発光素子は、発光ピーク波長が５００〜５７０ｎｍの範囲にある請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  4. ｎが２０以上４０以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  5. （ｎ−ｍ）が１以上４以下である請求項４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  6. （ｎ−ｋ）が２以上５以下である請求項４又は５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  7. ｍの値がｋの値よりも大きい請求項１〜６のいずれか１つに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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