JP5332451B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明はIII族窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-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又はＴｌ、或いは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉで置換したものをも含むものとする。
紫乃至緑色の発光ダイオード又はレーザダイオードとして、発光層又は活性層が多重量子井戸構造となっているIII族窒化物系化合物半導体発光素子が汎用されている。
多重量子井戸構造は、原理的には発光の主体となるバンドギャップの最も狭い井戸層と、井戸層のバンドギャップよりもバンドギャップの広い障壁層との繰り返し構造を指すものである。しかし、例えば井戸層、保護層その他の層、障壁層の３層の繰り返しにより構成されるものもある。例えばIII族窒化物系化合物半導体発光素子においては、ＩｎＧａＮ井戸層、それと同じ温度で形成され、直下の層からのＩｎの蒸発を回避する層であるＧａＮから成る保護層、ＡｌＧａＮ障壁層の構成が挙げられる。
多重量子井戸構造は、原理的には発光の主体となるバンドギャップの最も狭い井戸層と、井戸層のバンドギャップよりもバンドギャップの広い障壁層との繰り返し構造を指すものである。しかし、例えば井戸層、保護層その他の層、障壁層の３層の繰り返しにより構成されるものもある。例えばIII族窒化物系化合物半導体発光素子においては、ＩｎＧａＮ井戸層、それと同じ温度で形成され、直下の層からのＩｎの蒸発を回避する層であるＧａＮから成る保護層、ＡｌＧａＮ障壁層の構成が挙げられる。
ここで、ＧａＮから成る保護層の役割は概ね次の通りである。
良く知られているようにＩｎを含む層を気相形成させる際には、例えば８５０℃以下、更には８００℃未満でエピタキシャル成長させることが好ましい。これは、高い温度ではＩｎ−Ｎの結合が容易に解離し、Ｉｎ原子が失われて所望の組成の層が形成できないことによる。例えば発光素子において井戸層の組成は発光波長を決定するものであるので、組成にＩｎを含む井戸層を発光層として形成する際には上記８００℃未満でエピタキシャル成長が行われる。
一方、Ａｌを含む層は、例えば８００℃未満では結晶性良くエピタキシャル成長ができない。例えば多重量子井戸構造の障壁層をＡｌを含む層で形成する場合には、井戸層にキャリアを閉じ込めるためのエネルギー障壁を十分に形成しなければならない。そこで例えば８５０℃以上で形成されることとなる。
良く知られているようにＩｎを含む層を気相形成させる際には、例えば８５０℃以下、更には８００℃未満でエピタキシャル成長させることが好ましい。これは、高い温度ではＩｎ−Ｎの結合が容易に解離し、Ｉｎ原子が失われて所望の組成の層が形成できないことによる。例えば発光素子において井戸層の組成は発光波長を決定するものであるので、組成にＩｎを含む井戸層を発光層として形成する際には上記８００℃未満でエピタキシャル成長が行われる。
一方、Ａｌを含む層は、例えば８００℃未満では結晶性良くエピタキシャル成長ができない。例えば多重量子井戸構造の障壁層をＡｌを含む層で形成する場合には、井戸層にキャリアを閉じ込めるためのエネルギー障壁を十分に形成しなければならない。そこで例えば８５０℃以上で形成されることとなる。
ところが、Ｉｎを含む井戸層を８００℃未満でエピタキシャル成長させ、続けてＡｌを含む層を８５０℃以上でエピタキシャル成長させようとすると、連続的に形成できず、間に昇温させるための時間が必要である。実はこの間に、先に形成したＩｎを含む井戸層の表面に分解が生じ、一旦所望の組成で形成されたＩｎを含む井戸層が、Ａｌを含む障壁層を形成する前に表面の組成が変化し、更には凹凸を形成するなど、発光素子の特性に重大な影響を与えることとなっていた。
そこで、Ｉｎを含む井戸層を８００℃未満でエピタキシャル成長させたのち、例えばＧａＮから成る保護層を同じ温度で形成することで、Ｉｎを含む井戸層からのＩｎの解離を回避することが一般的に行われていた。
特開２００１−２３７４５６号公報
特開２０００−２６１１０６号公報
そこで、Ｉｎを含む井戸層を８００℃未満でエピタキシャル成長させたのち、例えばＧａＮから成る保護層を同じ温度で形成することで、Ｉｎを含む井戸層からのＩｎの解離を回避することが一般的に行われていた。
例えば上記のような構成の量子井戸構造の、Ｉｎを組成に含む井戸層の直後に同温度でのエピタキシャル成長により形成される保護層として、ＧａＮから成る層を用いる場合、当該ＧａＮから成る保護層の膜厚が薄いと、先に形成したＩｎを含む井戸層からのＩｎの蒸発が回避できない。一方、ＧａＮから成る保護層の膜厚が厚いと、比較的低温で形成することから平坦性が悪化する。また、発光層である量子井戸構造中のＧａＮから成る保護層は、通常、不純物無添加であるため、当該保護層の膜厚の増加は抵抗を上げることとなる。
本発明者は上記問題を解決すると、井戸層へのキャリア閉じ込め効果が向上し、量子井戸構造の発光層等からの発光効率が大幅に向上することを見出し、本願発明を完成させた。
本発明は、多重量子井戸構造の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において、当該多重量子井戸構造の、井戸層と井戸層よりもバンドギャップの広い障壁層との間に、障壁層よりもバンドギャップの広い層を保護層として形成した発光素子を特徴とする。或いは、当該保護層を、井戸層の形成温度と同じ温度で形成することを特徴とするものである。
請求項１に係る発明は、多重量子井戸構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、多重量子井戸構造は、組成にインジウムを含む井戸層と、井戸層に接して正電極側に形成された、井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１の保護層と、第１の保護層に接して正電極側に形成され、組成にアルミニウムを含み、第１の保護層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の保護層と、第２の保護層に接して正電極側に形成され、第１の保護層のバンドギャップよりも広く、第２の保護層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する障壁層との繰り返し構造から成ることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、第１の保護層の厚さは２Å以上１８Å以下であり、第２の保護層の厚さは２Å以上１８Å以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、第１の保護層の厚さと第２の保護層の厚さの和は１８Å以下であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明において、井戸層の厚さは１５Å以上５０Å以下であり、障壁層の厚さは１５Å以上５０Å以下であることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、第１の保護層の厚さは２Å以上１８Å以下であり、第２の保護層の厚さは２Å以上１８Å以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、第１の保護層の厚さと第２の保護層の厚さの和は１８Å以下であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明において、井戸層の厚さは１５Å以上５０Å以下であり、障壁層の厚さは１５Å以上５０Å以下であることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、多重量子井戸構造を有する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、多重量子井戸構造を形成する際に、第１の温度で、組成にインジウムを含む井戸層を形成し、第１の温度を保持したまま、井戸層に接して正電極側に位置し、組成にアルミニウムを含み、井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１の保護層を形成し、第１の温度を保持したまま、第１の保護層に接して正電極側に位置する、第１の保護層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の保護層を形成し、第１の温度よりも１０度以上高く、第１の温度よりも２００度以上の高くない第２の温度で、第２の保護層に接して正電極側に位置する、第１の保護層のバンドギャップよりも広く、第２の保護層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する障壁層を形成することを所定回数繰り返すことを特徴とする。
本発明によれば、Ｉｎを含む井戸層の直後に障壁層よりもバンドギャップの広いIII族窒化物系化合物半導体から成る保護層を形成する。例えば障壁層がＡｌＧａＮから成るのであれば、保護層は当該障壁層よりもＡｌ組成の高い層を用いる。こうして、障壁層を形成するために、井戸層の形成温度よりも高温にする際、保護層がＡｌ組成の高い層であるので、従来のＧａＮから成る保護層よりもＩｎを含む井戸層の保護が強力になる。これは、Ｇａ原子とＮ原子の結合よりもＡｌ原子とＮ原子の結合の方が強いからである。また、これにより、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮから成る保護層の膜厚は、従来のＧａＮから成る保護層の膜厚に比較して薄くすることができる。これは、量子井戸構造の発光層又は活性層全体の、抵抗の低下に寄与する。即ち、発光素子として動作させるための順方向に閾値電圧を低下させることができる。また、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＮから成る保護層の膜厚は、従来のＧａＮから成る保護層の膜厚に比較して薄くすることができるので、Ｉｎを含む井戸層と同じ温度である比較的低温で保護層を形成しても、表面の平坦性が悪化しない。更には、障壁層よりもバンドギャップが広いので、障壁層の作用を補助する効果もある。
これらにより、量子井戸構造の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、光取り出し効率を向上させることができる。
これらにより、量子井戸構造の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、光取り出し効率を向上させることができる。
本発明者の実験によれば、保護層のＡｌ組成が高い場合には、井戸層との格子不整合に基づく歪による悪影響が生ずるものと考えられる。そこで、保護層を２層とし、例えばＧａＮから成る第１の保護層を井戸層直上に形成し、その上にＡｌＧａＮから成る第２の保護層を形成することで本発明の効果を十分に引き出すことも可能である。
本発明の実施には、上記本発明の範囲において、III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する公知の又は任意の技術を組み合わせて良いが、例えば本発明の特徴である多重量子井戸構造の発光層又は活性層については次のようにすると良い。
井戸層としてはＩｎxＧａ1-xＮから成るIII族窒化物系化合物半導体が好ましい。Ｉｎの組成比は、上記組成式においてｘが０．０５〜０．３の範囲内であることが好ましい。膜厚は１５〜５０Åが好ましく、より好ましくは２０〜３０Åである。井戸層の形成温度は、Ｉｎの分解及び離脱を回避するため、８５０℃以下が好ましく、より好ましくは８００℃未満である。
障壁層（バリア層）としてはＡｌxＧａ1-xＮから成るIII族窒化物系化合物半導体が好ましい。Ａｌの組成比は、組成式としてｘが０．０５〜０．１の範囲内であることが好ましい。膜厚は５〜５０Åが好ましく、より好ましくは２０〜３０Åが好ましい。障壁層の形成温度は８００℃以上が好ましく、より好ましくは８５０℃以上である。これは、Ａｌが組成に含まれる場合、比較的低温でエピタキシャル成長させるとその結晶性が極端に悪化することによる。しかし、形成温度は９５０℃以下が好ましく、より好ましくは９００℃以下である。これは、障壁層の形成中に下層に形成済みの井戸層の分解を回避するためである。
障壁層（バリア層）の形成温度と、井戸層、単層又は複層の保護層の形成温度との差は、１０℃以上２００℃未満が好ましい。１０℃未満では、井戸層の分解の回避が回避できないか、障壁層の結晶性が向上しない。２００℃以上では、障壁層を形成するために温度を上昇させる間に井戸層内部で分解等の結晶性の劣化が生ずる。
井戸層としてはＩｎxＧａ1-xＮから成るIII族窒化物系化合物半導体が好ましい。Ｉｎの組成比は、上記組成式においてｘが０．０５〜０．３の範囲内であることが好ましい。膜厚は１５〜５０Åが好ましく、より好ましくは２０〜３０Åである。井戸層の形成温度は、Ｉｎの分解及び離脱を回避するため、８５０℃以下が好ましく、より好ましくは８００℃未満である。
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障壁層（バリア層）の形成温度と、井戸層、単層又は複層の保護層の形成温度との差は、１０℃以上２００℃未満が好ましい。１０℃未満では、井戸層の分解の回避が回避できないか、障壁層の結晶性が向上しない。２００℃以上では、障壁層を形成するために温度を上昇させる間に井戸層内部で分解等の結晶性の劣化が生ずる。
本発明の特徴である、保護層を単層とする場合は、ＡｌxＧａ1-xＮから成るIII族窒化物系化合物半導体を用いると良い。Ａｌの組成比は、上記組成式としてｘが０．０５〜０．５の間が好ましい。膜厚は２〜１８Åが好ましい。
保護層を第１の保護層と第２の保護層の２層とする場合、第１の保護層としては膜厚が２〜１８ÅのＧａＮ層が好ましい。第２の保護層としては膜厚が２〜１８ÅのＡｌxＧａ1-xＮが好ましい。Ａｌの組成比は、上記組成式としてｘが０．０５〜０．５の間が好ましい。
本発明の特徴である保護層を形成する際には、直下に形成される井戸層の形成温度から温度変化を生じさせずに、且つ連続的に行うことが好ましい。保護層を第１の保護層と第２の保護層の２層とする場合も、井戸層の形成から第１の保護層、第２の保護層の順に形成が終了するまで、温度変化を生じさせずに、且つ連続的に行うことが好ましい。
保護層を第１の保護層と第２の保護層の２層とする場合、第１の保護層としては膜厚が２〜１８ÅのＧａＮ層が好ましい。第２の保護層としては膜厚が２〜１８ÅのＡｌxＧａ1-xＮが好ましい。Ａｌの組成比は、上記組成式としてｘが０．０５〜０．５の間が好ましい。
本発明の特徴である保護層を形成する際には、直下に形成される井戸層の形成温度から温度変化を生じさせずに、且つ連続的に行うことが好ましい。保護層を第１の保護層と第２の保護層の２層とする場合も、井戸層の形成から第１の保護層、第２の保護層の順に形成が終了するまで、温度変化を生じさせずに、且つ連続的に行うことが好ましい。
図１．Ａは、本発明の効果を評価するために形成した、具体的な８つの実施例及び比較例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００の構成を示す断面図である。III族窒化物系化合物半導体発光素子１００は、サファイア基板１０の上に図示しない窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層が設けられ、その上にシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮから成る膜厚約４μｍのｎコンタクト層１１が形成されている。このｎコンタクト層１１の上には、静電耐圧改善層１１０として、膜厚３００ｎｍのアンドープのＧａＮ層と膜厚３０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮ層との積層構造が形成されている。この静電耐圧改善層１１０の上には、アンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9ＮとアンドープのＧａＮとシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮを１組として１０組積層した多重層から成る膜厚約７４ｎｍのｎクラッド層１２が形成されている。
尚、多重層構造のｎクラッド層１２の積層は、２０組以下であれば良く、総膜厚は５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下で構成して良い。
尚、多重層構造のｎクラッド層１２の積層は、２０組以下であれば良く、総膜厚は５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下で構成して良い。
そしてｎクラッド層１２の上には、膜厚約３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１３２ｗと、保護層１３３ｃと膜厚３ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂとが７組積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１３が形成されている。発光層１３の上にはｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとｐ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎの多重層から成る膜厚約３３ｎｍのｐクラッド層１４が形成されている。更に、ｐクラッド層１４の上には、マグネシウム濃度の異なる２層のｐ型ＧａＮの積層構造から成る膜厚約８０ｎｍのｐコンタクト層１５が形成されている。
また、ｐコンタクト層１５の上には酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から成る透光性電極２０が、ｎコンタクト層１１の露出面上には電極３０が形成されている。電極３０は膜厚約２０ｎｍのバナジウム（Ｖ）と、膜厚約２μｍのアルミニウム（Ａｌ）で構成されている。透光性電極２０上の一部には、金（Ａｕ）合金から成る電極パッド２５が形成されている。
図１のIII族窒化物系化合物半導体発光素子１００は次のようにして形成された。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ3）、キャリアガス（Ｈ2，Ｎ2）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、シラン（ＳｉＨ4）とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）である。
用いられたガスは、アンモニア（ＮＨ3）、キャリアガス（Ｈ2，Ｎ2）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、シラン（ＳｉＨ4）とシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）である。
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とした単結晶のサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ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Ｈ2を流速２Ｌ／分（Ｌはｌｉｔｅｒ）で約３０分間反応室に流しながら温度１１００℃でサファイア基板１０をベーキングした。
次に、温度を４００℃まで低下させて、Ｈ2を２０Ｌ／分、ＮＨ3を１０Ｌ／分、ＴＭＡを１．８×１０-5モル／分で約１分間供給してＡｌＮバッファ層を約１５ｎｍの厚さに形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ2を２０Ｌ／分、ＮＨ3を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１．７×１０-4モル／分、Ｈ2ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを２０×１０-8モル／分で４０分間供給し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０18／ｃｍ3、シリコン濃度４×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＮから成るｎコンタクト層１１を形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を８５０℃に保持し、キャリアを窒素に切り替えて、厚さ３００ｎｍのｉ−ＧａＮ層と、厚さ３０ｎｍ、シリコン濃度４×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＮ層とを順に積層して、２重層から成る静電耐圧改善層１１０を形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を１１５０℃に保持し、Ｈ2を２０Ｌ／分、ＮＨ3を１０Ｌ／分、ＴＭＧを１．７×１０-4モル／分、Ｈ2ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランを２０×１０-8モル／分で４０分間供給し、膜厚約４．０μｍ、電子濃度２×１０18／ｃｍ3、シリコン濃度４×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＮから成るｎコンタクト層１１を形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を８５０℃に保持し、キャリアを窒素に切り替えて、厚さ３００ｎｍのｉ−ＧａＮ層と、厚さ３０ｎｍ、シリコン濃度４×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＮ層とを順に積層して、２重層から成る静電耐圧改善層１１０を形成した。
次に、Ｎ2又はＨ2を１０Ｌ／分、ＮＨ3を１０Ｌ／分で供給し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、Ｈ2ガスにより０．８６ｐｐｍに希釈されたシランの供給量を切り替えて、サファイア基板１０の温度を８００℃に保持してアンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9ＮとアンドープのＧａＮを、サファイア基板１０の温度を８４０℃としてシリコン（Ｓｉ）ドープのＧａＮを、これらを１０組積層した多重層から成る膜厚約７４ｎｍのｎクラッド層１２を形成した。
上記のｎクラッド層１２を形成した後、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡの供給量を切り替えて次のように、量子井戸構造の発光層１３を形成した。
まず、サファイア基板１０の温度を８８５℃として膜厚約３ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂを形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を７７０℃として膜厚約３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１３２ｗと、保護層１３３ｃを形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を８８５℃として膜厚約３ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂを形成した。
こうして、１層のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂの上に、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１３２ｗと保護層１３３ｃとＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂの３層の組から成る積層構造が７組積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１３を形成した（図１．Ｂ）。
尚、保護層については、単層又は複層とし、それらの厚さ及び組成については１つの比較例と８つの実施例で異なるものを用い、合計９個の発光素子１００を形成した。この点は後に詳述する。
まず、サファイア基板１０の温度を８８５℃として膜厚約３ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂを形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を７７０℃として膜厚約３ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１３２ｗと、保護層１３３ｃを形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を８８５℃として膜厚約３ｎｍのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂを形成した。
こうして、１層のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂの上に、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎから成る井戸層１３２ｗと保護層１３３ｃとＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る障壁層１３１ｂの３層の組から成る積層構造が７組積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の発光層１３を形成した（図１．Ｂ）。
尚、保護層については、単層又は複層とし、それらの厚さ及び組成については１つの比較例と８つの実施例で異なるものを用い、合計９個の発光素子１００を形成した。この点は後に詳述する。
次に、サファイア基板１０の温度を８４０℃に保持し、Ｎ2又はＨ2を１０Ｌ／分、ＮＨ3を１０Ｌ／分で供給し、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ、Ｃｐ2Ｍｇの供給量を切り替えて、ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎとｐ型Ｉｎ0.08Ｇａ0.92Ｎの多重層から成る膜厚約３３ｎｍのｐクラッド層１４を形成した。
次に、サファイア基板１０の温度を９００℃に保持し、Ｎ2又はＨ2を２０Ｌ／分、ＮＨ3を１０Ｌ／分で供給し、ＴＭＧとＣｐ2Ｍｇの供給量を切り替えて、マグネシウム（Ｍｇ）濃度５×１０19／ｃｍ3とマグネシウム（Ｍｇ）濃度１×１０20／ｃｍ3の、マグネシウム濃度の異なる２つのＧａＮ層から成る合計膜厚８０ｎｍのｐコンタクト層１５を形成した。
次に、ｐ型ＧａＮ層１５の上にフォトレジストの塗布、フォトリソグラフにより所定領域に窓を形成して、マスクで覆われていない部分のｐ型ＧａＮ層１５、ｐクラッド層１４、発光層１３、ｎクラッド層１２、ｎ型ＧａＮ層１１の一部を塩素を含むガスによる反応性イオンエッチングによりエッチングして、ｎ型ＧａＮ層１１の表面を露出させた。次に、レジストマスクを除去した後、以下の手順で、ｎ型ＧａＮ層１１に対するｎ電極３０ｎと、ｐ型ＧａＮ層１５に対するｐ電極２０を形成した。
ウエハ全面に、透光性電極２０を厚さ２００ｎｍに形成した。次に、フォトレジストの塗布、フォトリソグラフによりｐ電極２０のマスクをパターニングした後、ドライエッチングによりｐ電極２０を所望の形状に成形した。
次にフォトレジストの塗布、フォトリソグラフにより所定領域に窓を形成したのち、１０-6Ｔｏｒｒオーダ以下の高真空にてｎ型ＧａＮ層１１に対するｎ電極３０を真空蒸着法により形成した。
次に、フォトレジストをリフトオフにより除去し、ｎ電極３０は所望の形状に形成された。この後、窒素を含む雰囲気下６００℃５分間の加熱処理によりｎ電極３０のｎ型ＧａＮ層１１に対する合金化と、ｐ型ＧａＮ層１５及びｐクラッド層１４の低抵抗化を行った。
次に、フォトレジストをリフトオフにより除去し、ｎ電極３０は所望の形状に形成された。この後、窒素を含む雰囲気下６００℃５分間の加熱処理によりｎ電極３０のｎ型ＧａＮ層１１に対する合金化と、ｐ型ＧａＮ層１５及びｐクラッド層１４の低抵抗化を行った。
上記III族窒化物系化合物半導体発光素子１００において、保護層の構成を９通り変えて実施した。この結果を表１に示す。表１の左端欄で、ｒｅｆと示したものは従来例に当たるものであり、保護層をＧａＮ層の単層とした場合である。表１の左端欄でｅｘ１〜ｅｘ８と示したものが本願発明の実施例１〜実施例８に当たる。
表１では、保護層を構成する、ＧａＮ層の膜厚（ＡｌＧａＮ単層の場合は０Åと記載）、ＡｌＧａＮ層の膜厚とＡｌ組成（ａｔｏｍ％）、ただし比較例の場合はいずれも×印を記載した。
実施例３、７及び８（ｅｘ３、７及び８）が本願発明において保護層をＡｌＧａＮ単層とした場合であり、実施例１、２、４乃至６（ｅｘ１、２、４乃至６）が本願発明において保護層をＧａＮから成る第１の保護層とＡｌＧａＮから成る第２の保護層とした場合である。
表１においては、比較例（ｒｅｆ）との相対値によって、実施例１〜８（ｅｘ１〜８）の放射光の強度、放射光の全放射束、閾値電圧である順電圧、逆バイアスを印加したときの逆電流を示した。放射光の強度と、放射光の全放射束は相対値が大きいほど特性が良く、順電圧と逆電流は小さいほど特性が良い。
実施例３、７及び８（ｅｘ３、７及び８）が本願発明において保護層をＡｌＧａＮ単層とした場合であり、実施例１、２、４乃至６（ｅｘ１、２、４乃至６）が本願発明において保護層をＧａＮから成る第１の保護層とＡｌＧａＮから成る第２の保護層とした場合である。
表１においては、比較例（ｒｅｆ）との相対値によって、実施例１〜８（ｅｘ１〜８）の放射光の強度、放射光の全放射束、閾値電圧である順電圧、逆バイアスを印加したときの逆電流を示した。放射光の強度と、放射光の全放射束は相対値が大きいほど特性が良く、順電圧と逆電流は小さいほど特性が良い。
〔結果の考察〕
表１の結果から、次の通り結論付けられる。
ＩｎＧａＮ井戸層／保護層／ＡｌＧａＮ障壁層の３層の繰り返し構造から成るＭＱＷ構造において、ＩｎＧａＮ井戸層と同温度で形成される保護層は単層である場合、ＧａＮ層よりもＡｌＧａＮ層の方が好ましい。
即ち比較例（表１でｒｅｆ）で示した１８Å厚のＧａＮ単層から成る保護層よりも、実施例１〜３（表１でｅｘ１〜３）に示された通り、６ÅのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層を少なくとも有する保護層の方が、相対強度、全放射束、順電圧、逆電流全て良好であり、６ÅのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層よりも先に、即ちＩｎＧａＮ井戸層を形成すぐにＧａＮ層を第１保護層として形成する意味は小さい。
表１の結果から、次の通り結論付けられる。
ＩｎＧａＮ井戸層／保護層／ＡｌＧａＮ障壁層の３層の繰り返し構造から成るＭＱＷ構造において、ＩｎＧａＮ井戸層と同温度で形成される保護層は単層である場合、ＧａＮ層よりもＡｌＧａＮ層の方が好ましい。
即ち比較例（表１でｒｅｆ）で示した１８Å厚のＧａＮ単層から成る保護層よりも、実施例１〜３（表１でｅｘ１〜３）に示された通り、６ÅのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層を少なくとも有する保護層の方が、相対強度、全放射束、順電圧、逆電流全て良好であり、６ÅのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎ層よりも先に、即ちＩｎＧａＮ井戸層を形成すぐにＧａＮ層を第１保護層として形成する意味は小さい。
実施例２と実施例４乃至６（表１でｅｘ２とｅｘ４〜６）から、膜厚６Åの第１保護層を形成した後に６Åの第２保護層を形成する場合、第２保護層のＡｌ組成が大きくなるほど、放射強度と全放射束が向上することが分かる。順電圧はほとんど変化しないが、逆電流は比較例の２倍程度に増加する。
膜厚６ÅのＧａＮから成る第１保護層を形成した後に６ÅのＡｌＧａＮから成る第２保護層を形成する場合と、膜厚１２ÅのＡｌＧａＮ単層から成る保護層を形成する場合を比較すると、次の通りである。
Ａｌ組成が６％と小さい場合は、実施例２と実施例７（表１でｅｘ２，７）の比較からは、放射強度の大きなけ向上が見られるが逆電流が大幅に増加することが分かる。
Ａｌ組成が２４％と大きい場合は、実施例６と実施例８（表１でｅｘ６，８）の比較からは、放射強度、全放射束、順電圧はほとんどは変化しないが、逆電流の増加が見られる。
Ａｌ組成が６％と小さい場合は、実施例２と実施例７（表１でｅｘ２，７）の比較からは、放射強度の大きなけ向上が見られるが逆電流が大幅に増加することが分かる。
Ａｌ組成が２４％と大きい場合は、実施例６と実施例８（表１でｅｘ６，８）の比較からは、放射強度、全放射束、順電圧はほとんどは変化しないが、逆電流の増加が見られる。
このように、ＩｎＧａＮ井戸層と同温度で直上に形成される保護層は、６Å、即ち単位結晶格子の基本ベクトルｃの長さ程度の膜厚のＡｌＧａＮ層で十分に効果を生ずる。保護層は、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の２層構造でも良いが、ＧａＮ層の膜厚が厚いと効果が小さくなってしまう。ただし、保護層としてアルミニウム組成の高いＡｌＧａＮを用いる場合は、保護層を２層構造とし、井戸層と当該ＡｌＧａＮから成る第２保護層の間にＧａＮから成る第１保護層を設けた方が良い。
１００：III族窒化物系化合物半導体発光素子（青色ＬＥＤ）
１３：量子井戸構造の発光層
１３１ｂ：障壁層（バリア層）
１３２ｗ：井戸層
１３３ｃ：保護層
１３：量子井戸構造の発光層
１３１ｂ：障壁層（バリア層）
１３２ｗ：井戸層
１３３ｃ：保護層
Claims (5)
- 多重量子井戸構造を有するIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記多重量子井戸構造は、
組成にインジウムを含む井戸層と、
前記井戸層に接して正電極側に形成された、前記井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１の保護層と、
前記第１の保護層に接して正電極側に形成され、組成にアルミニウムを含み、前記第１の保護層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の保護層と、
前記第２の保護層に接して正電極側に形成された、前記第１の保護層のバンドギャップよりも広く、前記第２の保護層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する障壁層との繰り返し構造から成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。 - 前記第１の保護層の厚さは、２Å以上１８Å以下であり、
前記第２の保護層の厚さは、２Å以上１８Å以下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。 - 前記第１の保護層の厚さと前記第２の保護層の厚さの和は、１８Å以下であることを特徴とする請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 前記井戸層の厚さは１５Å以上５０Å以下であり、
前記障壁層の厚さは１５Å以上５０Å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。 - 多重量子井戸構造を有する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、
前記多重量子井戸構造を形成する際に、
第１の温度で、組成にインジウムを含む井戸層を形成し、
前記第１の温度を保持したまま、前記井戸層に接して正電極側に位置する、前記井戸層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第１の保護層を形成し、
前記第１の温度を保持したまま、前記第１の保護層に接して正電極側に位置し、組成にアルミニウムを含み、前記第１の保護層のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有する第２の保護層を形成し、
前記第１の温度よりも１０度以上高く、前記第１の温度よりも２００度以上の高くない第２の温度で、前記第２の保護層に接して正電極側に位置する、前記第１の保護層のバンドギャップよりも広く、前記第２の保護層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する障壁層を形成することを所定回数繰り返すことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
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