JP3630881B2 - ３族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は発光効率等の素子特性を向上させた３族窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３族窒化物半導体発光素子として、バルク構造の発光層の他に超薄膜多層構造の量子井戸構造を発光層とする発光素子が知られている。量子井戸構造の発光素子は、注入されたキャリア（電子及び正孔）が量子井戸層内に局在化し、キャリアの自由度が１つ減ることにより、キャリアは２次元的となり量子サイズ効果を生じる。この量子サイズ効果により発光効率等の素子特性が向上する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
バルク構造の発光層に比べれば、上記の量子井戸構造の発光効率は向上する。しかし、量子井戸構造は量子井戸層に電子及び正孔は２次元的に閉じ込められるに過ぎないために発光効率の向上には限界がある。そこで、発光効率の良い発光層の構造を与えることを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
また、請求項１に示すように、量子細線構造の発光層をもつ３族窒化物半導体発光素子の製造方法として、窒素をイオンインプランテーションすることによりストライプ状の高抵抗領域を形成し、その後熱処理により高抵抗領域を拡張して高抵抗領域に挟まれた非高抵抗領域を所定の幅に形成することにより発光層を量子細線構造にすることを特徴とする。
また、請求項２に示すように、量子箱構造の発光層をもつ３族窒化物半導体発光素子の製造方法として、窒素をイオンインプランテーションすることにより格子状の高抵抗領域を形成し、その後熱処理により高抵抗領域を拡張して高抵抗領域に囲まれた所定の大きさの非高抵抗領域を形成することにより発光層を量子箱構造にすることを特徴とする。
また、請求項３に示すように、一旦量子細線構造を形成してその後量子箱構造にすることを特徴とする。
【０００６】
また、請求項４に示すように、請求項１の製造方法において、窒素をイオンインプランテーションすることにより形成されるストライプ状の高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅を１００〜１０００ｎｍとし、その後熱処理をして拡張した高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅を１０ｎｍ以下とすることを特徴とする。
また、請求項５に示すように、請求項２の製造方法において、窒素をイオンインプランテーションすること形成される格子状の高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一辺は１００〜１０００ｎｍとし、その後熱処理をして拡張した高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一辺を１０ｎｍ以下とすることを特徴とする。
また、請求項６に示すように、一旦量子細線構造を形成してその後量子箱構造にすることを特徴とする。
【０００８】
【発明の作用及び効果】
３族窒化物半導体発光素子の発光層を量子細線構造にすることにより、注入されたキャリア（電子及び正孔）が量子細線構造となった量子井戸層内に局在化する。また、キャリアの自由度は量子井戸構造よりさらに１つ減ってキャリアは１次元的となり量子井戸構造よりも強く量子サイズ効果を生じる。そして、キャリアの局在化および量子サイズ効果により発光効率等の素子特性が向上する。
また、３族窒化物半導体発光素子の発光層を量子箱構造にすることにより、注入されたキャリア（電子及び正孔）が量子箱構造となった量子井戸層内に局在化する。また、キャリアの自由度が量子井戸構造より２つ減ってキャリアは０次元的となり量子井戸構造あるいは量子細線構造よりも強く量子サイズ効果を生じる。そして、キャリアの局在化および量子サイズ効果により発光効率等の素子特性が向上する。
【０００９】
請求項１に示すように、量子井戸構造の発光素子に窒素をイオンインプランテーションすることによりストライプ状の高抵抗領域を作製し、その後熱処理にて高抵抗領域を拡張することにより所定の幅の非高抵抗領域を作製することにより量子細線構造の発光層を形成することができる。
また、請求項２に示すように、量子井戸構造の発光素子に窒素をイオンインプランテーションすることにより格子状の高抵抗領域を作製し、その後熱処理にて高抵抗領域を拡張することにより所定の大きさの非高抵抗領域を作製することにより量子箱構造の発光層を形成することができる。
また、請求項３に示すように、一旦量子細線構造を形成してその後量子箱構造にすることができる。
【００１０】
また、請求項４に示すように、請求項１の製造方法において、窒素をイオンインプランテーションすることにより形成されるストライプ状の高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅は１００〜１０００ｎｍとし、その後熱処理にて高抵抗領域を拡張することにより形成される非高抵抗領域の幅は１０ｎｍ以下とすることにより量子細線構造の発光層を形成することができる。
また、請求項５に示すように、請求項２の製造方法において、窒素をイオンインプランテーションすることにより形成される格子状の高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一辺は１００〜１０００ｎｍとし、その後熱処理にて高抵抗領域を拡張することにより形成される非高抵抗領域の幅を１０ｎｍ以下とすることにより量子箱構造の発光層を形成することができる。
また、請求項６に示すように、一旦量子細線構造を形成してその後量子箱構造にすることができる。
よって、請求項１乃至請求項６の製造方法によって、量子細線構造又は量子箱構造の３族窒化物半導体発光素子を製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
図１は、第１の実施例である、発光層が量子細線構造である３族窒化物半導体発光素子１００の全体図を示す。発光素子１００は、サファイア基板１を有しており、そのサファイア基板１上に５０ｎｍのＡｌＮ バッファ層２が形成されている。
【００１２】
そのバッファ層２の上には、順に、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０^１８／ｃｍ^３ 、シリコン（Ｓｉ）濃度４×１０^１８／ｃｍ^３ のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ^＋ 層３、膜厚０．５μｍ、電子濃度５×１０^１７／ｃｍ^３ 、シリコン（Ｓｉ）濃度１×１０^１８／ｃｍ^３ のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成るｎ層４、全膜厚が３５ｎｍのＡｌＧａＮ 及びシリコン（Ｓｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）がそれぞれ５×１０^１８／ｃｍ^３ ドーピングされたＩｎＧａＮ から成る量子細線構造の発光層５、膜厚１０ｎｍ、ホール濃度２×１０^１７／ｃｍ^３ 、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０^１９／ｃｍ^３ のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ から成るｐ伝導形クラッド層７１、膜厚３５ｎｍ、ホール濃度３×１０^１７／ｃｍ^３ 、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０^１９／ｃｍ^３ のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ から成る第１コンタクト層７２、膜厚５ｎｍ、ホール濃度６×１０^１７／ｃｍ^３ 、マグネシウム（Ｍｇ）濃度１×１０^２０／ｃｍ^３ のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ から成る第２コンタクト層７３が形成されている。そして、第２コンタクト層７３上面全体にＮｉ／Ａｕ から成る透明電極９が形成され、その透明電極９の隅の部分にＮｉ／Ａｕ ら成るボンディングのためのパッド１０が形成されている。又、ｎ^＋ 層３上にはＡｌから成る電極８が形成されている。
【００１３】
発光層５は、図２に示すように、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ から成る厚さ５ｎｍのバリア層５１、シリコン（Ｓｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）がそれぞれ５×１０^１８／ｃｍ^３ ドーピングされたＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ から成る厚さ５ｎｍの井戸層５２が形成されている。高抵抗領域６は、窒素のイオンインプランテーション及びその後の熱処理によりバリア層５１及び井戸層５２にストライプ状に形成されている。高抵抗領域６は発光層５だけでなくｐ伝導形クラッド層７１及びｎ層４にも拡がっている。高抵抗領域６で挟まれた井戸層５２の中の非高抵抗領域の井戸層５２ａの幅ｗは１０ｎｍである。また、非高抵抗領域の井戸層５２ａの厚さｔは５ｎｍに形成されているので、非高抵抗領域の井戸層５２ａは量子細線構造を形成している。
【００１４】
次に、この構造の発光ダイオード１００の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード１００は、有機金属化合物気相成長法（以下「ＭＯＶＰＥ 」と示す）による気相成長により製造された。
用いられたガスは、ＮＨ_３ とキャリアガスＨ_２又はＮ_２とトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＧ 」と記す）とトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＡ 」と記す）とトリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）（以下「ＴＭＩ 」と記す）とシラン（ＳｉＨ_４）とジエチル亜鉛（Ｚｎ）（Ｚｎ（Ｃ_２Ｈ_５）_２ ）（以下「ＤＥＺ 」と記す）とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ_５Ｈ_５）_２） （以下「ＣＰ_２Ｍｇ 」と記す）である。
【００１５】
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をＭＯＶＰＥ 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でＨ_２を流速２ｌｉｔｅｒ／分で約３０分反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１をベーキングした。
【００１６】
次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＡ を１．８×１０^−５モル／分で約９０秒間供給してＡｌＮ のバッファ層２を約５０ｎｍの厚さに形成した。
次に、サファイア基板１の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．７×１０^−４モル／分、Ｈ_２ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン（ＳｉＨ_４）を２０×１０^−８モル／分で４０分導入し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度１×１０^１８／ｃｍ^３ 、シリコン（Ｓｉ）濃度４×１０^１８／ｃｍ^３ のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ からなる高キャリア濃度ｎ^＋ 層３を形成した。
【００１７】
上記の高キャリア濃度ｎ^＋ 層３を形成した後、続いて温度を１１００℃に保持し、Ｈ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を１．１２×１０^−４モル／分、Ｈ_２ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン（ＳｉＨ_４）を１０×１０^−９モル／分で３０分導入し、膜厚０．５μｍ、電子濃度５×１０^１７／ｃｍ^３ 、シリコン（Ｓｉ）濃度１×１０^１８／ｃｍ^３ のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ からなるｎ層４を形成した。
【００１８】
その後、サファイア基板１の温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．５×１０^−４モル／分、ＴＭＡ を０．８×１０^−５モル／分で０．５分導入して、膜厚約５ｎｍのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ から成るバリア層５１を形成した。続いて、温度を８００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．５×１０^−４モル／分、ＴＭＩ を１．６×１０^−４モル／分、Ｈ_２ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン（ＳｉＨ_４）を０．１５×１０^−８モル／分、ＤＥＺ を０．２×１０^−６モル／分で１．５分間供給して、シリコン（Ｓｉ）と亜鉛（Ｚｎ）がそれぞれ５×１０^１８／ｃｍ^３ ドーピングされた膜厚約５ｎｍのＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ から成る井戸層５２を形成した。このような手順の繰り返しにより、図３に示すように、バリア層５１と井戸層５２とを交互に３周期だけ積層した多重量子井戸構造で全体の厚さが３５ｎｍの発光層５を形成した。この時点では、発光層において量子細線構造は形成されていない。
【００１９】
続いて、温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．５×１０^−４モル／分、ＴＭＡ を０．４７×１０^−５モル／分、Ｃｐ_２Ｍｇ を２×１０^−７モル／分で１分間導入して、マグネシウム（Ｍｇ）が５×１０^１９／ｃｍ^３ ドーピングされた、膜厚約５ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ からなるクラッド層７１を形成した。この時点ではクラッド層７１はまだ、抵抗率１０^８ Ωｍ以上の絶縁体である。
【００２０】
次に、クラッド層７１まで形成されたサファイア基板１上の半導体素子に対して窒素のイオンインプランテーションを行った。これは、イオン注入装置により窒素イオンを加速してクラッド層７１に打ち込むことによって行われた。クラッド層７１に打ち込まれたイオンは原子核との衝突や電子との相互作用により次第にエネルギを失いながら発光層５に到達する。そして、図２に示すようにイオンを打ち込まれた領域は高抵抗化し、高抵抗化領域６を形成する。イオン注入制御を行うことによって、発光層５における隣合う高抵抗領域６の間隔ｗ、即ち非高抵抗領域の井戸層５２ａの幅ｗが５００ｎｍとなる高抵抗領域６を形成した。
【００２１】
イオン注入終了後、７００℃にて５分間熱処理を行った。これにより熱拡散をするので高抵抗領域６は拡張する。拡張した高抵抗領域６により、隣合う高抵抗領域６の間隔ｗを１０ｎｍ、即ち非高抵抗領域の井戸層５２ａの幅ｗが１０ｎｍとなるようにする。井戸層５２の厚さｔも５ｎｍなので、図２（ｂ）に示すように高抵抗領域６とバリア層５１（図２（ｂ）には図示されていないが非高抵抗領域の井戸層５２ａの上下に存在する）に囲まれた非高抵抗領域の井戸層５２ａの幅が１０ｎｍ、厚さが５ｎｍとなり量子細線構造が形成される。
【００２２】
次に、クラッド層７１の再成長を行う。先程と同じように温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．５×１０^−４モル／分、ＴＭＡ を０．４７×１０^−５モル／分、Ｃｐ_２Ｍｇ を２×１０^−７モル／分で１分間導入して、マグネシウム（Ｍｇ）が５×１０^１９／ｃｍ^３ ドーピングされた、膜厚約５ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ からなるクラッド層７１を形成した。イオンインプランテーション前に形成したクラッド層とあわせて膜厚約１０ｎｍのクラッド層７１を形成した。この時点ではクラッド層７１はまだ、抵抗率１０^８ Ωｍ以上の絶縁体である。
【００２３】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．５×１０^−４モル／分、及び、Ｃｐ_２Ｍｇ を２×１０^−８モル／分で４分間導入して、マグネシウム（Ｍｇ）が５×１０^１９／ｃｍ^３ ドーピングされた、膜厚約３５ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ からなる第１コンタクト層７２を形成した。この時点では、第１コンタクト層７２はまだ、抵抗率１０^８ Ωｍ以上の絶縁体である。
【００２４】
次に、温度を１１００℃に保持し、Ｎ_２又はＨ_２を２０ｌｉｔｅｒ／分、ＮＨ_３ を１０ｌｉｔｅｒ／分、ＴＭＧ を０．５×１０^−４モル／分、Ｃｐ_２Ｍｇ を４×１０^−８モル／分で１分間導入して、マグネシウム（Ｍｇ）が１×１０^２０／ｃｍ^３ ドーピングされた、膜厚約５ｎｍのマグネシウム（Ｍｇ）ドープのＧａＮ からなる第２コンタクト層７３を形成した。この時点では、第１コンタクト層７３はまだ、抵抗率１０^８ Ωｍ以上の絶縁体である。
【００２５】
次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２及びクラッド層７１に一様に電子線を照射した。電子線の照射条件は、加速電圧約１０ｋＶ、試料電流１μＡ、ビームの移動速度０．２ｍｍ／ｓｅｃ、ビーム径６０μｍφ、真空度５．０×１０^−５Ｔｏｒｒである。この電子線の照射により、第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２及びクラッド層７１はそれぞれ、ホール濃度６×１０^１７／ｃｍ^３ 、３×１０^１７／ｃｍ^３ 、２×１０^１７／ｃｍ^３ 、抵抗率２Ωｃｍ、１Ωｃｍ、０．７Ωｃｍのｐ伝導型半導体となった。このようにして多層構造のウエハを形成することができた。
【００２６】
次に、図４に示すように、第２コンタクト層７３の上に、スパッタリングによりＳｉＯ_２層１１を２００ｎｍの厚さに形成し、そのＳｉＯ_２層１１上にフォトレジスト１２を塗布した。そして、フォトリソグラフにより、図４に示すように、第２コンタクト層７３上において、高キャリア濃度ｎ^＋ 層３に対する電極形成部位Ａ’のフォトレジスト１２を除去した。次に、図５に示すように、フォトレジスト１２によって覆われていないＳｉＯ_２層１１をフッ化水素酸系エッチング液で除去した。
【００２７】
次に、フォトレジスト１２及びＳｉＯ_２層１によって覆われていない部位の第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２、クラッド層７１、発光層５、ｎ層４を真空度０．０４Ｔｏｒｒ、高周波電力０．４４Ｗ／ｃｍ^２ 、ＢＣｌ_３ガスを１０ｍｌ／分の割合で供給しドライエッチングし、その後Ａｒでドライエッチングした。この工程で、図６に示すように、高キャリア濃度ｎ^＋ 層３に対する電極取り出しのための孔Ａが形成された。その後、フォトレジスト１２およびＳｉＯ_２層１１を除去した。
【００２８】
次に、一様にＮｉ／Ａｕ の２層を蒸着し、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形成した。そして、その透明電極９の一部にＮｉ／Ａｕ の２層を蒸着してパッド１０を形成した。一方、ｎ^＋ 層３に対しては、アルミニウムを蒸着して電極８を形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され図１に示す構造の発光ダイオードを得た。この発光素子は駆動電流２０ｍＡ、発光ピーク４００ｎｍ、発光強度２０００ｍＣｄであった。従来構造のＬＥＤに比べて発光強度は２倍になった。
【００２９】
この製造方法にて作製された量子細線構造は、半導体を積層する方向に対しては、従来の量子井戸構造であり、量子効果により量子井戸層にミニゾーンが形成される。また、積層方向と垂直な方向に対しては、発光層である非高抵抗領域の井戸層の幅が狭いことにより生じる量子効果として離散的な量子準位が形成される。ただし、積層方向と垂直な方向におけるバリア層にあたる高抵抗領域が広いことにより量子トンネル効果は生じないためにミニゾーンは形成されない。しかし、量子細線構造であることによりキャリアの自由度が１つ減ることにより遷移確率が向上するために発光効率は向上する。また、ミニゾーンは形成されなくても離散的な量子準位が形成されているので、発光スペクトルの半値幅が狭くなる効果もある。
【００３０】
図７は、第２の実施例である、発光層が量子箱構造である３族窒化物半導体発光素子２００の全体図を示す。発光素子２００は、サファイア基板２１を有しており、そのサファイア基板１上に５０ｎｍのＡｌＮ バッファ層２２が形成されている。
【００３１】
そのバッファ層２２の上には、順に、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０^１８／ｃｍ^３ 、シリコン（Ｓｉ）濃度４×１０^１８／ｃｍ^３ のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成る高キャリア濃度ｎ^＋ 層２３、膜厚０．５μｍ、電子濃度５×１０^１７／ｃｍ^３ 、シリコン（Ｓｉ）濃度１×１０^１８／ｃｍ^３ のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮ から成るｎ層２４、全膜厚が３５ｎｍのＡｌＧａＮ 及びシリコン（Ｓｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）がそれぞれ５×１０^１８／ｃｍ^３ ドーピングされたＩｎＧａＮ から成る量子箱構造の発光層２５、膜厚１０ｎｍ、ホール濃度２×１０^１７／ｃｍ^３ 、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０^１９／ｃｍ^３ のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ から成るｐ伝導形クラッド層２７１、膜厚３５ｎｍ、ホール濃度３×１０^１７／ｃｍ^３ 、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０^１９／ｃｍ^３ のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ から成る第１コンタクト層２７２、膜厚５ｎｍ、ホール濃度６×１０^１７／ｃｍ^３ 、マグネシウム（Ｍｇ）濃度１×１０^２０／ｃｍ^３ のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮ から成る第２コンタクト層２７３が形成されている。そして、第２コンタクト層２７３上面全体にＮｉ／Ａｕ から成る透明電極２９が形成され、その透明電極２９の隅の部分にＮｉ／Ａｕ ら成るボンディングのためのパッド２１０が形成されている。又、ｎ^＋ 層２３上にはＡｌから成る電極２８が形成されている。
【００３２】
発光層２５は、図８に示すように、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ から成る厚さ５ｎｍのバリア層２５１、シリコン（Ｓｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）がそれぞれ５×１０^１８／ｃｍ^３ ドーピングされたＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ から成る厚さ５ｎｍの井戸層２５２が形成されている。高抵抗領域２６は、窒素のイオンインプランテーション及びその後の熱処理によりバリア層２５１及び井戸層２５２に格子状に形成されている。高抵抗領域２６は発光層２５だけでなくｐ伝導形クラッド層２７１及びｎ層２４にも拡がっている。高抵抗領域２６で囲まれた井戸層２５２の中の非高抵抗領域の井戸層２５２ａの幅ｗは１０ｎｍである。また、非高抵抗領域の井戸層２５２ａの奥行Ｄは１０ｎｍである。さらに、非高抵抗領域の井戸層２５２ａの厚さｔは５ｎｍに形成されているので、非高抵抗領域の井戸層２５２ａは量子箱構造を形成している。
【００３３】
次に、この構造の発光ダイオード２００の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード２００は、第１の実施例である量子細線構造の発光ダイオードと同様の方法で、サファイア基板２１、バッファ層２２、ｎ^＋ 層２３、ｎ層２４、多重量子井戸構造である発光層２５、クラッド層２７１までを形成する。
【００３４】
次に、クラッド層２７１まで形成されたサファイア基板２１上の半導体素子に対して窒素のイオンインプランテーションを行う。これは、イオン注入装置により窒素イオンを加速してクラッド層２７１に打ち込むことによって行われる。クラッド層２７１に打ち込まれたイオンは原子核との衝突や電子との相互作用により次第にエネルギを失いながら発光層２５に到達する。図８に示すようにイオンを打ち込まれた領域は高抵抗化し、高抵抗領域６を形成する。イオン注入制御を行うことによって、隣合う高抵抗領域６の幅ｗ及び奥行Ｄが、、即ち非高抵抗領域の井戸層２５２ａの幅ｗ及び奥行Ｄが５００ｎｍとなるように高抵抗領域６を形成した。
【００３５】
イオン注入終了後、７００℃にて５分間熱処理を行った。これにより熱拡散をするので高抵抗領域２６は拡がる。その結果、隣合う高抵抗領域２６との幅ｗ及び奥行Ｄ、即ち非高抵抗領域の井戸層２５２ａの幅ｗ及び奥行Ｄが１０ｎｍとなるようにした。井戸層２５２の厚さも５ｎｍなので、高抵抗領域２６とバリア層２５１に囲まれた非高抵抗領域の井戸層２５２ａは一辺が１０ｎｍの量子箱構造となった。
【００３６】
量子箱構造の発光層２５の形成後は、第１の実施例にて量子細線構造５を形成後と同様の方法で作製される。つまり、クラッド層７１の再成長、第１コンタクト層７２の形成、第２コンタクト層７３の形成をおこなう。次に、電子線照射装置を用いて、第２コンタクト層７３、第１コンタクト層７２及びクラッド層７１をｐ伝導型半導体にする。そして、第２コンタクト層７３の上に透明電極９を形成し、その透明電極９の上にパッド１０の形成し、ｎ^＋ 層３に対して電極８を形成した。その後、上記のごとく処理されたウエハは、各素子毎に切断され図７に示す構造の発光ダイオードを得た。この発光素子は駆動電流２０ｍＡ、発光ピーク３９０ｎｍ、発光強度２０００ｍＣｄであった。従来構造のＬＥＤに比べて発光強度は２倍になった。
【００３７】
この製造方法にて作製された量子箱構造は第１の実施例である量子細線構造と同様に、半導体を積層する方向に対しては、従来の量子井戸構造であり、量子効果により量子井戸層にミニゾーンが形成される。また、積層方向と垂直な方向に対しては、非高抵抗領域である発光層の幅及び奥行が狭いことにより生じる量子効果として離散的な量子準位が形成される。ただし、バリア層にあたる高抵抗領域が広いことにより量子トンネル効果は生じないためにミニバンドは形成されない。しかし、キャリアの自由度が量子井戸構造に比べて２つ、量子細線構造に比べて１つ減ることにより遷移確率が向上するので発光効率は向上する。また、離散的な量子準位が形成されることにより発光スペクトルの半値幅が狭くなる効果もある。
【００３８】
上記実施例において、発光層は多重量子井戸構造から量子細線構造及び量子箱構造を作製しているが、単一量子井戸構造から量子細線構造及び量子箱構造を作製してもよい。さらに、発光層は３元系のＩｎＧａＮ やＡｌＧａＮ でなくその他の３族窒化物半導体、例えば、ＧａＮ 、４元系のＩｎＡｌＧａＮ によって井戸層、バリア層が構成されていてもよい。
また、発光層にドナー不純物やアクセプタ不純物が添加されされていなくてもよい。発光層にドナー不純物やアクセプタ不純物が添加され手いる場合はアクセプタ不純物として２族元素のベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、水銀（Ｈｇ）を用いても良い。２族元素をアクセプタ不純物として用いる場合は、ドナー不純物として４族元素の炭素（Ｃ） 、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）を用いることがてきる。又、４族元素をアクセプタ不純物として用いる場合は、ドナー不純物として６族元素の硫黄（Ｓ） 、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）を用いることができる。
【００３９】
発光層５のシリコン（Ｓｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）の濃度はそれぞれ、１×１０^１７〜１×１０^２０／ｃｍ^３ が望ましい。１×１０^１７／ｃｍ^３ 以下であると、発光中心不足により発光効率が低下し、１×１０^２０／ｃｍ^３ 以上になると、結晶性が悪くなり、又、オージェ効果が発生するので望ましくない。さらに好ましくは、１×１０^１８〜１×１０^１９／ｃｍ^３ の範囲が良い。又、シリコン（Ｓｉ）濃度は亜鉛（Ｚｎ）に比べて１０倍〜１／１０が好ましく、さらに好ましくは１〜１／１０の間か、少ない程度が望ましい。
【００４０】
また、非高抵抗領域の井戸層５１ａの幅あるいは非高抵抗領域の井戸層２５１ａの幅及び奥行は、上記実施例にて１０ｎｍとしたが２〜１０ｎｍの範囲にすることができる。１０ｎｍ以上になると量子効果による量子準位の形成が困難になり、２ｎｍ以下になると膜厚の制御が困難になるからである。また、非高抵抗領域の井戸層２５１ａの幅と奥行は上記実施例では同じ寸法てあるが２〜１０ｎｍの範囲であれば異なっていてもよい。
また、イオンインプランテーション後の非高抵抗領域の幅及び奥行は上記実施例にて５００ｎｍとしたが、１００〜１０００ｎｍの範囲で良い。イオンインプランテーション後の非高抵抗領域の幅を１０００ｎｍ以上にすると熱処理にて非高抵抗領域の幅が１０ｎｍ以下にならなくなり量子細線構造あるいは量子箱構造を作製することができず、また、１００ｎｍ以下にすると熱処理でイオンが拡散して高抵抗となるからである。
【００４１】
又、ｎ^＋ 層３の電子濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０／ｃｍ^３ が望ましい。電子濃度が１×１０^２０／ｃｍ^３ 以上になると、不純物濃度が高くなり結晶性が低下し発光効率が低下するので望ましくなく、１×１０^１６以下となると、直列抵抗が高くなりすぎるので望ましない。
ｎ層４の電子濃度は１×１０^１４〜１×１０^１８／ｃｍ^３ が望ましい。電子濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３ 以上になると、不純物濃度が高くなり結晶性が低下し発光効率が低下するので望ましくなく、１×１０^１４以下となると、直列抵抗が高くなりすぎるので望ましない。
【００４２】
クラッド層７１のホール濃度は１×１０^１７〜１×１０^１８／ｃｍ^３ が望ましい。ホール濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３ 以上となると、不純物濃度が高くなり結晶性が低下し発光効率が低下するので望ましくなく、１×１０^１７／ｃｍ^３ 以下となると、直列抵抗が高くなりすぎるので望ましくない。
【００４３】
又、コンタクト層は上記実施例にて２層構造としたが１層構造でもよい。
２層構造の場合、第１コンタクト層７２は、マグネシウム（Ｍｇ）濃度が１×１０^１９〜５×１０^２０／ｃｍ^３ の範囲で第２コンタクト層７３のマグネシウム（Ｍｇ）濃度より低濃度に添加されｐ伝導型を示す層にすることで、その層のホール濃度を３×１０^１７〜８×１０^１７／ｃｍ^３ と最大値を含む領域とすることができる。これにより、発光効率を低下させることがない。
【００４４】
第２コンタクト層７３はマグネシウム（Ｍｇ）濃度を１×１０^２０〜１×１０^２１／ｃｍ^３ とする場合が望ましい。マグネシウム（Ｍｇ）が１×１０^２０〜１×１０^２１／ｃｍ^３ 添加されたｐ伝導型を示す層は、金属電極に対しオーミック性を向上させることができるが、ホール濃度が１×１０^１７〜８×１０^１７／ｃｍ^３ とやや低下する。（駆動電圧を５Ｖ以下にできる範囲を含む。オーミック性の改善からマグネシウム（Ｍｇ）濃度が上記の範囲が良い。）
【００４５】
上記実施例において、イオンインプランテーションは窒素を用いて行ったが、アルミニウムで行ってもよい。また、イオンインプランテーションは集束イオンビームにより注入する方法を行うこともできる。
また、イオンインプランテーション後の熱処理の温度は７００℃としたが、６００〜９００℃の範囲ならば良い。９００℃以上では結晶が劣悪となり、６００℃以下では注入イオンが熱拡散し難いからである。また、熱処理の時間は、５分としたが、１〜８分の範囲ならば良い。８分以上では結晶が劣悪となり、１分以下ではイオンの熱拡散が困難となるからである。
また、クラッド層及びコンタクト層を電子線照射によりｐ型化したが、熱アニーリング、Ｎ_２プラズマガス中での熱処理、レーザ照射によって行ってもよい。
【００４６】
また、上記実施例では発光ダイオードについてであるが、レーザダイオードに用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図
【図２】同実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した構成図
【図３】同実施例のイオンインプランティング後の発光ダイオードの発光層の構成を示した構成図
【図４】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図
【図５】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図
【図６】同実施例の発光ダイオードの製造工程を示した断面図
【図７】本発明の具体的な第２実施例に係る発光ダイオードの構成を示した構成図
【図８】同実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した構成図
【図９】同実施例の発光ダイオードの発光層の構成を示した構成図
【符号の説明】
１００、２００…発光ダイオード
１、２１…サファイア基板
２、２２…バッファ層
３、２３…高キャリア濃度ｎ層
４、２４…ｎ層
５、２５…発光層
６、２６…高抵抗領域
５１、２５１…バリア層（高抵抗領域６、非高抵抗領域共に含む）
５２、２５２…井戸層（高抵抗領域６、非高抵抗領域共に含む）
５１ａ、２５１ａ…非高抵抗領域のバリア層
５２ａ…量子細線構造の井戸層（非高抵抗領域の井戸層）
２５２ａ…量子箱構造の井戸層（非高抵抗領域の井戸層）
７１、２７１…クラッド層
７２、２７２…第１コンタクト層
７３、２７３…第２コンタクト層
８、２８…電極
９、２９…透明電極
１０、２１０…パッド

Claims (6)

1. 発光層が量子井戸構造である３族窒化物半導体発光素子において、
   窒素のイオンインプランテーションにより前記発光層にストライプ状の高抵抗領域を形成し、
   熱処理によって前記高抵抗領域を拡張することにより所定の幅の非高抵抗領域を形成することで発光層を量子細線構造とすることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
2. 発光層が量子井戸構造である３族窒化物半導体発光素子において、
   窒素のイオンインプランテーションにより前記発光層に格子状の高抵抗領域を形成し、
   熱処理によって前記高抵抗領域を拡張することにより所定の大きさの非高抵抗領域を形成することで発光層を量子箱構造とすることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
3. 発光層が量子井戸構造である３族窒化物半導体発光素子において、
   第１の窒素のイオンインプランテーションにより前記発光層にストライプ状の高抵抗領域を形成し、
   第１の熱処理によって前記高抵抗領域を拡張することにより所定の幅の非高抵抗領域を形成することで発光層を量子細線構造としたのち、
   第２の窒素のイオンインプランテーションにより量子細線構造の前記発光層に部分的に高抵抗領域を形成し、
   第２の熱処理によって前記高抵抗領域を拡張することにより所定の大きさの非高抵抗領域を形成することで発光層を量子箱構造とすることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
4. 請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記窒素のイオンインプランテーションにより形成されるストライプ状の高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅は１００〜１０００ｎｍであり、
   前記熱処理により拡張される高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅は１０ｎｍ以下であることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
5. 請求項２に記載の３族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記窒素のイオンインプランテーションにより形成される格子状の高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一辺は１００〜１０００ｎｍであり、
   前記熱処理により拡張される高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一辺が１０ｎｍ以下であることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
6. 請求項３に記載の３族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
   前記第１の窒素のイオンインプランテーションにより形成されるストライプ状の高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅は１００〜１０００ｎｍであり、
   前記第１の熱処理により拡張される高抵抗領域に挟まれる非高抵抗領域の幅は１０ｎｍ以下であり、
   前記第２の窒素のイオンインプランテーションにより量子細線構造の前記発光層に部分的に形成される高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一方の辺は１００〜１０００ｎｍであり、
   前記第２の熱処理により拡張される高抵抗領域に囲まれる非高抵抗領域の一辺が１０ｎｍ以下であることを特徴とする３族窒化物半導体発光素子の製造方法。

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