JP6001627B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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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、高い発光出力と寿命を兼ね備えた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）として用いられている。
発光素子に要求される特性として、例えば高外部量子効率特性や低抵抗特性が挙げられる。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。
特許文献１の方法で作製された発光素子は、優れた発光出力を有しているものの、その寿命に改善の余地を有していた。そこで、本発明の目的は、高い発光出力と寿命を兼ね備えた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、電子ブロック層５１の上にｐ型クラッド層５２を設けずに電子ブロック層５１の直上にｐ型コンタクト層を設け、電子ブロック層５１は水素を主成分とするキャリアガスを用いて形成し、ｐ型コンタクト層は窒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、ＡｌaＧａ1-aＮ（０．３≦ａ≦０．８）からなる井戸層およびＡｌbＧａ1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）からなる障壁層による量子井戸構造を有する発光層と、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ＡｌyＧａ1-yＮ（ｂ＜ｙ≦１）からなる電子ブロック層を１層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、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）であるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程とを有し、前記電子ブロック層形成工程は、キャリアガスとして水素ガスを用いて行い、前記ｐ型コンタクト層形成工程は、キャリアガスとして窒素ガスを用いて行い、前記電子ブロック層形成工程と前記ｐ型コンタクト層形成工程との間に、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスに切り替えて、前記電子ブロック層を水素分圧を下げながらキャリアガスおよびV族元素ガスに晒すことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（１）ｎ型半導体層と、ＡｌaＧａ1-aＮ（０．３≦ａ≦０．８）からなる井戸層およびＡｌbＧａ1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）からなる障壁層による量子井戸構造を有する発光層と、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ＡｌyＧａ1-yＮ（ｂ＜ｙ≦１）からなる電子ブロック層を１層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、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）であるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程とを有し、前記電子ブロック層形成工程は、キャリアガスとして水素ガスを用いて行い、前記ｐ型コンタクト層形成工程は、キャリアガスとして窒素ガスを用いて行い、前記電子ブロック層形成工程と前記ｐ型コンタクト層形成工程との間に、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスに切り替えて、前記電子ブロック層を水素分圧を下げながらキャリアガスおよびV族元素ガスに晒すことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（２）前記電子ブロック層のＡｌ組成ｙは０．５≦ｙ≦１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）前記発光層から放射される光の中心波長が３００ｎｍ以下である、（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。
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Ａｌの組成ｘが０≦ｘ≦０．１であるｐ型コンタクト層を設け、電子ブロック層を、水素を主成分とするキャリアガスを用いて形成し、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するようにしたため、高い発光出力と寿命を兼ね備えたIII族窒化物半導体発光素子を製造することができる。
（III族窒化物半導体発光素子の製造方法）
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。
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ＡｌaＧａ1-aＮ（０．３≦ａ≦０．８）からなる井戸層およびＡｌbＧａ1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）からなる障壁層による量子井戸構造を有する発光層と、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ＡｌyＧａ1-yＮ（ｂ＜ｙ≦１）からなる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、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）であるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト形成工程とを有し、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、ｐ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うことが肝要である。
本発明者は、高い発光出力と寿命とを両立させるために、図１に示した従来例の発光素子１００におけるｐ型積層体５０に注目した。このｐ型積層体５０を構成する電子ブロック層５１、ｐ型クラッド層５２およびｐ型コンタクト層５３は、水素を主成分とするキャリアガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）等の原料ガスをチャンバに供給することにより形成するのが通例である。本発明者は、ｐ型クラッド層５２の機能効果の確認のため、電子ブロック層５１の上に、ｐ型クラッド層５２を形成せずに直接、水素を主成分とするキャリアガスを用いてｐ型コンタクト層５３を形成して発光素子を作製し、その発光特性を調べたところ、素子は発光しなかった（実施例の比較例１）。また、ｐ型クラッド層５２を形成せずに電子ブロック層５１の形成を、窒素を主成分とするキャリアガスで行った場合（同比較例４）、および電子ブロック層５１およびｐ型コンタクト層５３の双方の形成を、窒素を主成分とするキャリアガスで行った場合（同比較例５）についても、素子は発光しなかった。この段階では、ｐ型クラッド層５２は必要であると考えられた。
以上の結果を受けて、本発明者は、一端ｐ型クラッド層５２が有る状態に戻して、電子ブロック層５１とｐクラッド層５２を、水素ではなく窒素を主成分とするキャリアガスを用いて形成した（同比較例２）。しかし、得られた素子は発光しなかった。そのため、電子ブロック層５１とｐクラッド層５２およびｐ型コンタクト層５３のすべてを、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて形成したが、この場合にも素子は発光しなかった（同比較例３）。そこで、電子ブロック層５１とｐクラッド層５２は、水素を主成分とするキャリアガスを用いて形成し、ｐ型コンタクト層５３のみを窒素を主成分とするキャリアガスを用いて形成した。その結果、得られた素子は、特許文献１のものと同程度の発光出力を有して発光した。しかし、その寿命を評価したところ、特許文献１のものより著しく低下することが判明した（同比較例６）。
そこで、本発明者は、ｐ型クラッド層５２を再度無くした状態で、ｐ型コンタクト層５３の形成を、キャリアガスとして窒素を主成分とするガスを使用して行ったところ、得られた素子は発光し、その発光出力は特許文献１のものに匹敵する上に、寿命が大きく向上することが判明し、本発明を完成させ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：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）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、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ＡｌaＧａ1-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：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）で構成することができる。井戸層４１のＡｌ組成ａは、例えば０．３５〜０．８である。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０．４〜０．９５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ＡｌaＧａ1-aＮ材料（０．３≦ａ≦０．８）で形成する場合、ＡｌＧａＮ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。
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ｙ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ＡｌyＧａ1-yＮ材料（ｂ＜ｙ≦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。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ＡｌyＧａ1-yＮ材料（ｂ＜ｙ≦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。ここで、「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。また、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ＡｌyＧａ1-yＮ材料（ｂ＜ｙ≦１）で形成する場合、ＡｌyＧａ1-yＮ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。
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、電子ブロック層５１上に、ｐ型コンタクト層１５３を形成する。その際、ｐ型コンタクト層１５３は、窒素を主成分とするキャリアガスを用いて行う。ここで、「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。
ｐ型コンタクト層１５３は、ｐ型のＡｌxＧａ1-xＮ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ｘは０≦ｘ≦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ｐ型コンタクト層１５３を形成する。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。
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。
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型電極６０を、ｐ型コンタクト層１５３上にｐ型電極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型電極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型電極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、高い発光出力と寿命を兼ね備えたものである。
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、高い発光出力と寿命を兼ね備えたものである。
こうして、高い発光出力と寿命を兼ね備えた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。
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、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎからなる層厚１μｍのアンドープＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ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、Ａｌ０.62Ｇａ0.38Ｎからなり、Ｓｉドープした層厚２μｍのｎ型Ａｌ0.62Ｇａ0.38Ｎ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、Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ｎからなる層厚３ｎｍの井戸層およびＡｌ0.65Ｇａ0.35Ｎ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、Ａｌ0.68Ｇａ0.32Ｎ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１８０ｎｍ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。なお、層厚１８０ｎｍのうち電極に接する厚さ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。最後に、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、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。
（従来例）
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層上にｐ型クラッド層（厚み：５０ｎｍ）を形成し、このｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を形成した。また、ｐ型コンタクト層の形成は、水素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層上にｐ型クラッド層（厚み：５０ｎｍ）を形成し、このｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を形成した。また、ｐ型コンタクト層の形成は、水素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
（比較例１）
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、ｐ型コンタクト層の形成は、水素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、ｐ型コンタクト層の形成は、水素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
（比較例２）
従来例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層の形成は、窒素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は従来例と全て同じである。
従来例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層の形成は、窒素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は従来例と全て同じである。
（比較例３）
従来例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層およびｐ型コンタクト層の形成の双方を、窒素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は従来例と全て同じである。
従来例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層およびｐ型コンタクト層の形成の双方を、窒素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は従来例と全て同じである。
（比較例４）
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層の形成は、窒素ガスをキャリアガスとして用い、ｐ型コンタクト層の形成は、水素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層の形成は、窒素ガスをキャリアガスとして用い、ｐ型コンタクト層の形成は、水素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
（比較例５）
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層の形成は、窒素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層の形成は、窒素ガスをキャリアガスとして用いて行った。その他の条件は発明例と全て同じである。
（比較例６）
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層上にｐ型クラッド層（厚み：５０ｎｍ）を形成し、このｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を形成した。その他の条件は発明例と全て同じである。
発明例と同様にIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ただし、電子ブロック層上にｐ型クラッド層（厚み：５０ｎｍ）を形成し、このｐ型クラッド層上にｐ型コンタクト層を形成した。その他の条件は発明例と全て同じである。
＜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Ｖfをそれぞれ測定したところ、２．９ｍＷ、７．８Ｖであった。同様に、従来例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３．１ｍＷ、７．７Ｖであった。これに対して、比較例１〜５については発光しなかった。また、発光した比較例６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、従来例に比べて、同程度の発光出力および順方向電圧を実現できていることが分かる。一方、比較例６は、発光出力は従来例と同程度であったが、順方向電圧が大きく上昇した。得られた結果を表１に示す。
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Ｖfをそれぞれ測定したところ、２．９ｍＷ、７．８Ｖであった。同様に、従来例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３．１ｍＷ、７．７Ｖであった。これに対して、比較例１〜５については発光しなかった。また、発光した比較例６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、従来例に比べて、同程度の発光出力および順方向電圧を実現できていることが分かる。一方、比較例６は、発光出力は従来例と同程度であったが、順方向電圧が大きく上昇した。得られた結果を表１に示す。
＜発光寿命の評価＞
III族窒化物半導体発光素子の寿命特性を測定するために、発明例の６時間通電後の残存出力（６時間通電後の出力／初期発光出力）を測定したところ、初期の出力に対して９４％であった。これに対して、従来例および比較例６についても、同様に６時間経過後の残存出力の測定を行ったところ、残存出力は、８９％（従来例）、８２％（比較例６）であった。このように、発明例では、従来例および比較例に対して発光寿命が大きく向上していることが分かる。得られた結果を表１に示す。
このように、発明例は、発光出力および順方向電圧を維持しつつ、寿命が大きく向上していることが分かる。
III族窒化物半導体発光素子の寿命特性を測定するために、発明例の６時間通電後の残存出力（６時間通電後の出力／初期発光出力）を測定したところ、初期の出力に対して９４％であった。これに対して、従来例および比較例６についても、同様に６時間経過後の残存出力の測定を行ったところ、残存出力は、８９％（従来例）、８２％（比較例６）であった。このように、発明例では、従来例および比較例に対して発光寿命が大きく向上していることが分かる。得られた結果を表１に示す。
このように、発明例は、発光出力および順方向電圧を維持しつつ、寿命が大きく向上していることが分かる。
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Ａｌの組成ｘが０≦ｘ＜０．１であるｐ型コンタクト層を設け、電子ブロック層を水素を主成分とするキャリアガスを用いて形成し、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するようにし、高い発光出力と寿命を兼ね備えたIII族窒化物半導体発光素子を製造することができるため、光電変換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
２１ ＡｌＮ層
２２ アンドープ層
３２ ｎ型半導体層
４０ 発光層
４１ 井戸層
４２ 障壁層
５０，１５０ ｐ型半導体層
５１ 電子ブロック層
５２ ｐ型クラッド層
５３，１５３ ｐ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
６０ ｎ型電極
７０ ｐ型電極
１１ サファイア基板
１１Ａ 基板の主面
２１ ＡｌＮ層
２２ アンドープ層
３２ ｎ型半導体層
４０ 発光層
４１ 井戸層
４２ 障壁層
５０，１５０ ｐ型半導体層
５１ 電子ブロック層
５２ ｐ型クラッド層
５３，１５３ ｐ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
６０ ｎ型電極
７０ ｐ型電極
Claims (3)
- ｎ型半導体層と、ＡｌaＧａ1-aＮ（０．３≦ａ≦０．８）からなる井戸層およびＡｌbＧａ1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）からなる障壁層による量子井戸構造を有する発光層と、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ＡｌyＧａ1-yＮ（ｂ＜ｙ≦１）からなる電子ブロック層を１層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、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）であるｐ型コンタクト層を形成するｐ型コンタクト層形成工程と、
を有し、
前記電子ブロック層形成工程は、キャリアガスとして水素ガスを用いて行い、
前記ｐ型コンタクト層形成工程は、キャリアガスとして窒素ガスを用いて行い、
前記電子ブロック層形成工程と前記ｐ型コンタクト層形成工程との間に、キャリアガスを水素ガスから窒素ガスに切り替えて、
前記電子ブロック層を水素分圧を下げながらキャリアガスおよびV族元素ガスに晒すことを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記電子ブロック層のＡｌ組成ｙは０．５≦ｙ≦１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。
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