JP6229609B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。さらに詳細には、駆動電圧の低いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものである。
III 族窒化物半導体発光素子においては、ｐ型コンタクト層、例えば、ｐ型ＧａＮ層と完全なオーミックコンタクトを実現可能な仕事関数をもつ電極材料は無い。そのため、ｐ型コンタクト層とｐ電極とはショットキー型のコンタクトを形成することとなる。コンタクト抵抗を低減させるためには、トンネル効果によりキャリアがショットキーバリアを超えやすくすることが好ましい。そのために例えば、ｐ型コンタクト層に高濃度のｐ型ドーパントをドープし、ショットキーバリアを薄くする。また、キャリアがショットキーバリアをよりトンネルしやすくするためには、ショットキーバリア内に適度な結晶欠陥を存在させるとよい。キャリアが結晶欠陥を介してトンネルしやすくなるからである。
例えば、特許文献１には、第２コンタクト層６２と、第２コンタクト層６２よりＭｇ濃度の高い第１コンタクト層６３と、を有する発光ダイオード１０が開示されている（特許文献１の段落［００１１］および図１参照）。これにより、駆動電圧の低い発光ダイオードが得られた旨が記載されている（特許文献１の段落［０００９］参照）。
特開平０８−０９７４７１号公報
このように、キャリアがショットキーバリアをトンネル効果により抜けやすくするためには、ｐ型コンタクト層にドープするｐ型ドーパント、例えばＭｇの濃度を高くすればよい。そのためには、ｐ型ドーパントガスの濃度を高くし、高濃度のｐ型ドーパントを半導体結晶中に取り込ませる必要がある。しかし、ｐ型ドーパントガスの供給開始直後には、成長中のｐ型コンタクト層のドーパント濃度は、所望のドーパント濃度よりも低い。そして、ｐ型コンタクト層のドーパント濃度は、膜厚の増加、すなわち成長時間の経過とともに増加する傾向にある。これにより、ｐ型コンタクト層におけるコンタクト表面付近におけるドーパント濃度を所望の濃度にすることができる。
ドーパントガスがメモリー効果によりチャンバーの内壁に吸着する。そのため、ｐ型ドーパントガスの供給開始直後ではガス濃度が安定しないと考えられる。したがって、供給開始直後では結晶成長表面で所望のガス濃度にならない。または、III 族窒化物半導体がｐ型ドーパントを取り込みにくいという性質によるものと考えられる。したがって、所望のｐ型ドーパント濃度を得るためには、ｐ型コンタクト層としてショットキーバリア以上の膜厚が必要となる。そのため、余分な直列抵抗成分の増大や意図しない結晶欠陥の導入により電気抵抗率が高くなる。そして、駆動電圧が上昇してしまう。したがって、電気抵抗の低い半導体発光素子を製造するためには、膜厚が薄く、かつ、ｐ型ドーパント濃度が高いｐ型コンタクト層を設けることが重要である。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、駆動電圧の低いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することである。
第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。ｐ型半導体層形成工程は、少なくともIII 族元素を含有する第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することにより発光層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することによりｐ型クラッド層の上にｐ型中間層を形成するｐ型中間層形成工程と、ｐ型中間層形成工程の後に、第１の原料ガスの供給を停止するとともにドーパントガスを供給するドーパントガス供給工程と、ドーパントガス供給工程の後に、第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することによりｐ型中間層の上に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、を有する。ドーパントガス供給工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比より大きい。ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比より大きい。ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスの流量は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスの流量より少ない。ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型中間層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。ｐ型コンタクト層の膜厚は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は１×１０ 20 ｃｍ -3 以上１×１０ 22 ｃｍ -3 以下である。ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度の変化率は５×１０ 18 ｃｍ -3 ・ｎｍ -1 以上１×１０ 20 ｃｍ -3 ・ｎｍ -1 以下である。
このIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｐ型コンタクト層を形成する前に、半導体装置の炉内および半導体結晶の表面付近のドーパントガスの濃度を高める。つまり、ｐ型コンタクト層を形成する直前の段階における成長基板の周辺には、ドーパントガスが十分に充満している。そのため、ｐ型コンタクト層の成長開始直後から、ｐ型コンタクト層の中にＭｇが急峻に取り込まれやすい。よって、Ｍｇ濃度が高いｐ型コンタクト層を薄い膜厚で実現可能となる。そのため、キャリアがトンネル効果により透過しやすいショットキーバリアを形成することができる。したがって、駆動電圧の低いIII 族窒化物半導体発光素子を製造することができる。
第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ドーパントガス供給工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型中間層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。
第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ドーパントガス供給工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量より少ない。
第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ドーパントガス供給工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。
第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ドーパントガス供給工程では、ドーパントガスの供給量を徐々に増加させる。
第６の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスの供給量を、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスの供給量と等しくする。
第７の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｐ型中間層形成工程およびｐ型コンタクト層形成工程では、窒素原子を含有する第３の原料ガスを供給し、ドーパントガス供給工程では、第３の原料ガスの供給を停止する。
第８の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｐ型中間層形成工程は、ｐ型クラッド層の上に第１のｐ型中間層を形成する第１のｐ型中間層形成工程と、第１のｐ型中間層の上に第２のｐ型中間層を形成する第２のｐ型中間層形成工程と、を有する。
第９の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ドーパントガス供給工程は、１秒以上６０秒以下の範囲内の実施期間を有する。
第１０の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、第１の原料ガスは、III 族元素として、ガリウム原子を含有するガスである。また、ドーパントガスは、マグネシウム原子を含有するガスである。ガリウム原子を含有するガスとして、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧ）が挙げられる。マグネシウム原子を含有するガスとして、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）やビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2 Ｍｇ：Ｍｇ（Ｃ2 Ｈ5 Ｃ5 Ｈ4 ）2 ）が挙げられる。
第１１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、ｐ型中間層形成工程では、キャリアガスとして少なくとも窒素ガスを供給する。そして、キャリアガスに占める窒素ガスはモル比で３０％以上８０％以下の範囲内である。
本明細書では、駆動電圧の低いIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法が提供されている。
実施形態に係る発光素子の構造を示す概略構成図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の周辺の構造を示す図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の第１の形成方法を説明するための図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の第２の形成方法を説明するための図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の第３の形成方法を説明するための図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の第４の形成方法を説明するための図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の第５の形成方法を説明するための図である。 実施形態に係る発光素子のｐ型コンタクト層の第６の形成方法を説明するための図である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための図（その１）である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための図（その２）である。 実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための図（その３）である。 第２の供給工程（第２の期間）の長さと駆動電圧との関係を示すグラフである。 第２の供給工程（第２の期間）の長さと静電耐圧性の評価による歩留りとの関係を示すグラフである。 ｐ型コンタクト層の膜厚とｐ型コンタクト層のＭｇ濃度の測定値との間の関係を示すグラフである。
以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。
（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ側超格子層１７０と、ｐ型中間層１８０と、ｐ型コンタクト層１９０と、ｐ電極Ｐ１と、ｎ電極Ｎ１と、を有している。
基板１１０の主面上には、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ側超格子層１７０と、ｐ型中間層１８０と、ｐ型コンタクト層１９０とが、この順序で形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１９０の上に形成されている。ここで、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０とは、ｎ型半導体層である。ｐ側超格子層１７０と、ｐ型中間層１８０と、ｐ型コンタクト層１９０とは、ｐ型半導体層である。ただし、これらの層は、ノンドープの層を部分的に含んでいる場合がある。このように、発光素子１００は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｐ型半導体層の上のｐ電極Ｐ１と、ｎ型半導体層の上のｎ電極Ｎ１と、を有する。
基板１１０は、ＭＯＣＶＤ法により、主面上に上記の各半導体層を形成するための成長基板である。そして、その主面に凹凸加工がされているとよい。基板１１０の材質は、サファイアである。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮ、ＡｌＮなどの材質を用いてもよい。
バッファ層１２０は、基板１１０の主面上に形成されている。バッファ層１２０は、基板１１０に高密度の結晶核を形成するためのものである。これにより、平坦な表面を有する半導体結晶の成長が促進される。バッファ層１２０の材質として、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＢＮ、ＴｉＮが挙げられる。
ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１と接触をしている。また、ｎ型コンタクト層１３０は、バッファ層１２０の上に形成されている。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型ＧａＮである。ｎ型コンタクト層１３０のＳｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3 以上である。また、ｎ型コンタクト層１３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ型コンタクト層１３０の厚みは、例えば、１０００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の範囲内である。もちろん、これ以外の厚みを用いてもよい。
ｎ側ＥＳＤ層１４０は、半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層である。ｎ側ＥＳＤ層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ側ＥＳＤ層１４０は、ノンドープのｉ−ＧａＮから成るｉ−ＧａＮ層と、Ｓｉをドープされたｎ型ＧａＮから成るｎ型ＧａＮ層とを積層したものである。ｉ−ＧａＮ層の膜厚は、例えば、５ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮ層の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、１×１０18／ｃｍ3 以上５×１０19／ｃｍ3 以下の範囲内である。これらの数値範囲は、例示であり、これ以外の値を用いてもよい。
ｎ側超格子層１５０は、発光層１６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。より具体的には、ｎ側超格子層１５０は、超格子構造を有する。ｎ側超格子層１５０は、ＩｎＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層とを繰り返し積層したものである。その繰り返し回数は、３回以上２０回以下の範囲内である。ただし、これ以外の回数であってもよい。ｎ側超格子層１５０のＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、例えば、２％以上２０％以下の範囲内である。ｎ側超格子層１５０におけるＩｎＧａＮ層の厚みは、例えば、０．２ｎｍ以上９ｎｍ以下の範囲内である。ｎ側超格子層１５０におけるｎ型ＧａＮ層の厚みは、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内である。
発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１６０は、ｎ側超格子層１５０の上に形成されている。発光層１６０は、少なくとも井戸層と、障壁層とを有している。井戸層として、例えば、ＩｎＧａＮ層もしくはＧａＮ層を用いることができる。障壁層として、例えば、ＧａＮ層もしくはＡｌＧａＮ層を用いることができる。これらは例示であり、その他のＡｌＩｎＧａＮ層を用いてもよい。
ｐ側超格子層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。ｐ側超格子層１７０は、ｐ型クラッド層である。ｐ側超格子層１７０は、例えば、ｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型ＩｎＧａＮ層とを積層した積層体を、繰り返し形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＧａＮ層の厚みは、０．５ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、５％以上４０％以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚みは、０．５ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、１％以上２０％以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＩｎＧａＮ層の厚みは、０．５ｎｍ以上７ｎｍ以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、異なる構成であってもよい。
ｐ型中間層１８０は、ｐ側超格子層１７０の上に形成されている。ｐ型中間層１８０は、第１のｐ型ＧａＮ層１８１と、第２のｐ型ＧａＮ層１８２と、を有している。第１のｐ型ＧａＮ層１８１は、第１のｐ型中間層である。第２のｐ型ＧａＮ層１８２は、第２のｐ型中間層である。第１のｐ型ＧａＮ層１８１および第２のｐ型ＧａＮ層１８２は、いずれもＭｇをドープされたＧａＮから成る層である。第１のｐ型ＧａＮ層１８１は、ｐ側超格子層１７０の上に形成されている。第２のｐ型ＧａＮ層１８２は、第１のｐ型ＧａＮ層１８１の上に形成されている。そして、第２のｐ型ＧａＮ層１８２は、ｐ型コンタクト層１９０と接触している。
ｐ型コンタクト層１９０は、ｐ電極Ｐ１と電気的に接続された半導体層である。そのため、ｐ型コンタクト層１９０は、ｐ電極Ｐ１と接触している。ｐ型コンタクト層１９０は、ｐ型中間層１８０の第２のｐ型ＧａＮ層１８２の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１９０は、Ｍｇをドープされたｐ型ＧａＮから成る層である。
ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１９０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１９０と接触している。ｐ電極Ｐ１の材質は、ＩＴＯである。また、ＩＴＯの他に、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 の透明な導電性酸化物を用いることができる。また、ｐ電極Ｐ１の上に、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｉｎ等の金属から成る金属電極を形成してもよい。もしくは、ｐ電極Ｐ１の上にその他の電極を形成してもよい。
ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０と接触している。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。また、Ｔｉ、Ａｕを順に形成してもよい。
２．ｐ型ＧａＮ層およびｐ型コンタクト層
２−１．ｐ型コンタクト層の周辺の構造
図２は、ｐ型コンタクト層１９０の周辺を示す拡大図である。図２に示すように、ｐ型コンタクト層１９０は、第１面１９０ａと第２面１９０ｂとを有している。ｐ型コンタクト層１９０の第１面１９０ａは、ｐ電極Ｐ１と接触している。ｐ型コンタクト層１９０の第２面１９０ｂは、第２のｐ型ＧａＮ層１８２と接触している。
２−２．ｐ型中間層
第１のｐ型ＧａＮ層１８１と、第２のｐ型ＧａＮ層１８２とは、Ｍｇをドープされたｐ型ＧａＮである。ただし、Ｍｇ濃度は、第１のｐ型ＧａＮ層１８１と、第２のｐ型ＧａＮ層１８２とで、異なっている。第１のｐ型ＧａＮ層１８１のＭｇ濃度は、１×１０18／ｃｍ3 以上４×１０19／ｃｍ3 以下の範囲内である。第２のｐ型ＧａＮ層１８２のＭｇ濃度は、５×１０19／ｃｍ3 以上１×１０20／ｃｍ3 以下の範囲内である。第１のｐ型ＧａＮ層１８１の膜厚は、５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲内である。第２のｐ型ＧａＮ層１８２の膜厚は、５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲内である。
２−３．ｐ型コンタクト層
ｐ型コンタクト層１９０のＭｇ濃度は、１×１０20／ｃｍ3 以上１×１０22／ｃｍ3 以下の範囲内である。ｐ型コンタクト層１９０の膜厚は、０．５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲内である。好ましくは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。より好ましくは、１ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲内である。
２−４．ｐ型コンタクト層におけるＭｇ濃度の変化率
ｐ型コンタクト層１９０では、後述するように、第１のｐ型ＧａＮ層１８１の側からｐ電極Ｐ１の側に近づくほど、Ｍｇ濃度が高い。ｐ型コンタクト層１９０におけるＭｇ濃度の変化率Ｘは、次式で与えられる。
Ｘ＝（Ｄ１−Ｄ２）／Ｔｈ１ ………（１）
Ｄ１：ｐ型コンタクト層におけるＭｇ濃度（第１面１９０ａ側）
Ｄ２：ｐ型コンタクト層におけるＭｇ濃度（第２面１９０ｂ側）
Ｔｈ１ ：ｐ型コンタクト層の膜厚
このように、Ｍｇ濃度の変化率Ｘは、ｐ型コンタクト層１９０におけるｐ型中間層１８０との接触面からｐ電極Ｐ１との接触面までにかけてのＭｇ濃度の変化率である。
そして、Ｍｇ濃度の変化率Ｘは、次式を満たすことが好ましい。
５×１０18 ≦ Ｘ ≦ １×１０20 ………（２）
Ｘ： Ｍｇ濃度の変化率（ｃｍ-3・ｎｍ-1）
これにより、ｐ型コンタクト層１９０では、膜厚が薄く、Ｍｇ濃度が好適である。
好ましくは、Ｍｇ濃度の変化率Ｘは、次式を満たすとよい。
５×１０18 ≦ Ｘ ≦ ５×１０19 ………（３）
Ｘ： Ｍｇ濃度の変化率（ｃｍ-3・ｎｍ-1）
より好ましくは、Ｍｇ濃度の変化率Ｘは、次式を満たすとよい。
５×１０18 ≦ Ｘ ≦ ２×１０19 ………（４）
Ｘ： Ｍｇ濃度の変化率（ｃｍ-3・ｎｍ-1）
３．ｐ型中間層およびｐ型コンタクト層の形成方法
ここで、ｐ型ＧａＮ層およびｐ型コンタクト層を形成する工程について説明する。ｐ型コンタクト層形成工程は、ＭＯＣＶＤ法等の気相成長法を用いてｐ型コンタクト層１９０を形成する工程である。このｐ型コンタクト層形成工程は、多数のバリエーションがある。これらの形成方法について、順に説明する。
各形成方法において、原料ガスとして共通のものを用いることができる。原料ガスは、第１の原料ガスと、第２の原料ガスと、第３の原料ガスと、を有する。第１の原料ガスは、ガリウム原子（Ｇａ）を含有する原料ガスである。第１の原料ガスとして、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリエチルガリウム（ＴＥＧ）が挙げられる。第２の原料ガスは、Ｍｇ原子を含有するドーパントガスである。第２の原料ガスとして、例えば、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）やビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2 Ｍｇ：Ｍｇ（Ｃ2 Ｈ5 Ｃ5 Ｈ4 ）2 ）が挙げられる。第３の原料ガスは、窒素原子（Ｎ）を含有する原料ガスである。第３の原料ガスとして、例えば、アンモニア（ＮＨ3 ）やヒドラジン（Ｎ2 Ｈ4 ）が挙げられる。
３−１．第１の形成方法
図３は、第１の形成方法のｐ型コンタクト層形成工程における原料ガスの供給量を示すタイミングチャートである。そのため、図３に示す以外に、窒素ガスや水素ガス等のキャリアガスを用いる。
図３に示すように、ｐ型コンタクト層形成工程は、第１の供給工程（ｐ型中間層形成工程）と、第２の供給工程（ドーパントガス供給工程）と、第３の供給工程（ｐ型コンタクト層形成工程）と、を有する。第１の供給工程（ｐ型中間層形成工程）は、ｐ型中間層１８０の第２のｐ型ＧａＮ層１８２を形成するための工程である。第２の供給工程（ドーパントガス供給工程）は、半導体を成長させるためのチャンバーの内部、すなわち、半導体結晶の表面上に、ドーパントガスを充満させるための工程である。第３の供給工程（ｐ型コンタクト層形成工程）は、ｐ型コンタクト層１９０を形成するための工程である。
第１の供給工程は、第１の期間ＴＡ１に、ＴＭＧと、ＮＨ3 と、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 と、を供給する。第２の供給工程は、第２の期間ＴＡ２に、ＴＭＧの供給を停止するとともに、ＮＨ3 と、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 と、を供給する。第３の供給工程は、第３の期間ＴＡ３に、ＴＭＧと、ＮＨ3 と、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 と、を供給する。
３−１−１．第１の供給工程（ｐ型中間層形成工程）
図３に示すように、第１の期間ＴＡ１では、ＴＭＧと、ＮＨ3 と、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 と、を供給する。これにより、Ｍｇがドープされた第２のｐ型ＧａＮ層１８２が成長する。第１の期間ＴＡ１では、ＴＭＧを供給量ＳＡ１だけ供給する。また、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給量ＳＢ１だけ供給する。そして、ＮＨ3 を供給量ＳＣ１だけ供給する。
３−１−２．第２の供給工程（ドーパントガス供給工程）
第２の期間ＴＡ２では、ＴＭＧの供給を停止するとともに、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給する。つまり、ＴＭＧの供給量は、０である。第２の期間ＴＡ２では、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給量ＳＢ２だけ供給する。この供給量ＳＢ２の値は、第１の期間ＴＡ１における供給量ＳＢ１の値よりも大きい。つまり、ドーパントガス供給工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスの比は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスの比より大きい。また、第３の期間ＴＡ３におけるドーパントガスの供給量は、第２の期間ＴＡ２と同じである。したがって、ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスの比は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスの比より大きい。また、ＮＨ3 を供給量ＳＣ１だけ供給する。
ＴＭＧが供給されないため、この第２の期間ＴＡ２では、ＧａＮ層が成長しない。そして、チャンバーの内部にＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 が充満することとなる。そして、基板１１０の周辺におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の濃度は、ある程度高くなる。このＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の充満の度合いは、第２の期間ＴＡ２の時間や、第２の期間ＴＡ２でのＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の単位時間当たりの供給量に依存する。また、チャンバーの容積にも依存すると考えられる。例えば、第２の期間ＴＡ２の時間は、１秒以上６０秒以下である。好ましくは、３秒以上３０秒以下である。より好ましくは、５秒以上２０秒以下である。ただし、これらは、ガスの流量やチャンバーの容積による。
３−１−３．第３の供給工程（ｐ型コンタクト層形成工程）
第３の期間ＴＡ３では、再び、ＴＭＧの供給を開始する。第３の期間ＴＡ３では、ＴＭＧを供給量ＳＡ２だけ供給する。第２の期間ＴＡ２では、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給量ＳＢ２だけ供給する。また、ＮＨ3 を供給量ＳＣ１だけ供給する。このＴＭＧの供給量ＳＡ２の値は、第１の期間ＴＡ１における供給量ＳＡ１の値よりも小さい。このように、第３の期間ＴＡ３におけるＴＭＧの供給量は、第１の期間ＴＡ１におけるＴＭＧの供給量よりも少ない。
そのため、第３の期間ＴＡ３の成膜速度は、第１の期間ＴＡ１の成膜速度よりも遅い。これにより、第３の供給工程では、狙いどおりの薄い膜厚でｐ型コンタクト層１９０を形成することができる。また、第３の期間ＴＡ３におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量は、第１の期間ＴＡ１におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量よりも多い。そのため、第２の期間ＴＡ２でチャンバー内にＭｇ原料が充満される。よって、Ｍｇ濃度の高いＧａＮ層を堆積させることができる。
また、第３の供給工程では、第１の原料ガスに対する第２の原料ガスの比は、第１の供給工程における第１の原料ガスに対する第２の原料ガスの比より大きい。つまり、第３の期間ＴＡ３におけるＴＭＧに対するＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の比は、第１の期間ＴＡ１におけるＴＭＧに対するＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の比より大きい。
そして、ドーパントガス供給工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型中間層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。また、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型中間層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。
なお、ｐ型コンタクト層形成工程における基板温度は、８００℃以上１２００℃以下の範囲内である。基板温度について、第１の期間ＴＡ１から第３の期間ＴＡ３まで、この温度範囲内で一定の温度に保持すればよい。
３−２．第２の形成方法
図４は、第２の形成方法のｐ型コンタクト層形成工程における原料ガスの供給量を示すタイミングチャートである。第２の形成方法は、第１の形成方法と同様に、第１の供給工程と、第２の供給工程と、第３の供給工程と、を有する。ここで、第２の形成方法における第１の供給工程および第３の供給工程については、第１の形成方法と同じである。
第１の形成方法と異なる点は、第２の供給工程におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量である。第２の供給工程では、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給量ＳＢ１だけ供給する。つまり、第１の期間ＴＡ１と第２の期間ＴＡ２とで、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量ＳＢ１は、共通である。そして、第２の形成方法における第２の供給工程のＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量ＳＢ１の値は、第１の形成工程の場合に比べて小さい。
そして、ドーパントガス供給工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量より少ない。また、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型中間層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。
３−３．第３の形成方法
図５は、第３の形成方法のｐ型コンタクト層形成工程における原料ガスの供給量を示すタイミングチャートである。第３の形成方法は、第１の形成方法と同様に、第１の供給工程と、第２の供給工程と、第３の供給工程と、を有する。ここで、第３の形成方法における第１の供給工程および第３の供給工程については、第１の形成方法と同じである。
第１の形成方法と異なる点は、第２の供給工程におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量である。第２の供給工程では、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給量ＳＢ３だけ供給する。この供給量ＳＢ３の値は、第３の期間ＴＡ３におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量ＳＢ２の値よりも大きい。つまり、ドーパントガス供給工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスの比は、ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスの比より大きい。また、この供給量ＳＢ３の値は、第１の形成方法における第２の供給工程のＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量ＳＢ２の値より大きい。
したがって、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 およびそれらの反応ガスのより多くをチャンバーの内部に充満させることができる。そして、第２のｐ型コンタクト層形成工程の開始時における基板１１０の周辺のＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 およびそれらの反応ガスの濃度は、充分に高い。
ドーパントガス供給工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。また、ｐ型コンタクト層形成工程におけるドーパントガスの流量は、ｐ型中間層形成工程におけるドーパントガスの流量より多い。
３−４．第４の形成方法
図６は、第４の形成方法のｐ型コンタクト層形成工程における原料ガスの供給量を示すタイミングチャートである。第４の形成方法は、第１の形成方法と同様に、第１の供給工程と、第２の供給工程と、第３の供給工程と、を有する。ここで、第４の形成方法における第１の供給工程および第３の供給工程については、第１の形成方法と同じである。
第１の形成方法と異なる点は、第２の供給工程におけるＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量である。第２の供給工程では、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給量ＳＢ１から供給量ＳＢ２にかけて徐々に増やす。つまり、ドーパントガス供給工程では、ドーパントガスの供給量を時間の経過とともに徐々に増加させる。このような場合であっても、好適にｐ型コンタクト層１９０を形成することができる。
図６では、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 は、第２の供給工程の終期に供給量ＳＢ２で供給されている。しかし、第２の期間ＴＡ２の開始の後にＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量を徐々に増やすとともに、第２の期間ＴＡ２の途中から第２の期間ＴＡ２の終期に至るまで、一定の供給量ＳＢ２でＭｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 を供給してもよい。
３−５．第５の形成方法
図７は、第５の形成方法のｐ型コンタクト層形成工程における原料ガスの供給量を示すタイミングチャートである。第５の形成方法は、第１の形成方法と同様に、第１の供給工程と、第２の供給工程と、第３の供給工程と、を有する。ここで、第５の形成方法における第１の供給工程および第２の供給工程については、第１の形成方法と同じである。
第１の形成方法と異なる点は、第３の供給工程におけるＴＭＧの供給量である。第３の供給工程では、ＴＭＧを供給量ＳＡ１だけ供給する。つまり、第３の供給工程におけるＴＭＧの供給量ＳＡ１は、第１の供給工程におけるＴＭＧの供給量ＳＡ１と同じである。そのため、第３の供給工程における成膜速度は、第１の供給工程における成膜速度とほぼ等しい。つまり、ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスの供給量を、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスの供給量と等しくする。
３−６．第６の形成方法
図８は、第６の形成方法のｐ型コンタクト層形成工程における原料ガスの供給量を示すタイミングチャートである。第６の形成方法は、第１の形成方法と同様に、第１の供給工程と、第２の供給工程と、第３の供給工程と、を有する。ここで、第６の形成方法における第１の供給工程および第３の供給工程については、第１の形成方法と同じである。
第１の形成方法と異なる点は、第２の供給工程におけるＮＨ3 の供給量である。第６の形成方法では、第２の供給工程、すなわち第２の期間ＴＡ２に、ＮＨ3 を供給しない。第２の供給工程では、ｐ型ＧａＮを成長させないため、ＮＨ3 の供給を停止してよい。つまり、ｐ型中間層形成工程およびｐ型コンタクト層形成工程では、Ｎを含有する第３の原料ガスを供給し、ドーパントガス供給工程では、第３の原料ガスの供給を停止する。これにより、ＮＨ3 の使用量を減らすことができる。つまり、ｐ型中間層形成工程およびｐ型コンタクト層形成工程では、窒素原子を含有する第３の原料ガスを供給し、ドーパントガス供給工程では、第３の原料ガスの供給を停止する。
３−７．第１の形成方法から第６の形成方法まで
以上説明した第１の形成方法から第６の形成方法までにおいては、ドーパントガス供給工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比より大きい。また、ｐ型コンタクト層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比は、ｐ型中間層形成工程における第１の原料ガスに対するドーパントガスのモル比より大きい。
４．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。本実施形態では、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。そのため、この製造方法は、ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、ｐ型半導体層の上にｐ電極を形成するｐ電極形成工程と、ｎ型半導体層の上にｎ電極を形成するｎ電極形成工程と、を有する。ｐ型半導体層形成工程は、少なくともIII 族元素を含有する第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することにより発光層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することによりｐ型クラッド層の上にｐ型中間層を形成するｐ型中間層形成工程と、ｐ型中間層形成工程の後に、第１の原料ガスの供給を停止するとともにドーパントガスを供給するドーパントガス供給工程と、ドーパントガス供給工程の後に、第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することによりｐ型中間層の上に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、を有する。
ｐ型半導体層形成工程は、少なくともＧａを含有する第１の原料ガスおよびＭｇを含有するドーパントガスを供給することによりｐ型ＧａＮ層を形成するｐ型中間層形成工程と、第１の原料ガスの供給を停止するとともにドーパントガスを供給するドーパントガス供給工程と、少なくとも第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することにより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、を有する。
ここで用いるキャリアガスとして、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）が挙げられる。後述する各工程において、特に言及がない場合には、これらのいずれを用いてもよい。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＧ」）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＩ」）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：「ＴＭＡ」）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ：以下、「Ｃｐ２Ｍｇ」ということがある）を用いる。
４−１．ｎ型半導体層形成工程
４−１−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、水素ガスを用いて基板１１０をクリーニングする。次に、基板１１０の主面上にバッファ層１２０を形成する。その後に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、１０００℃以上１２００℃以下の範囲内である。
４−１−２．ｎ側ＥＳＤ層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ側ＥＳＤ層１４０を形成する。ｉ−ＧａＮ層を形成するため、シラン（ＳｉＨ4 ）の供給を停止する。このときの基板温度は、７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮを形成するため、再びシラン（ＳｉＨ4 ）を供給する。このときの基板温度は、ｉ−ＧａＮ層を形成する温度と同じ温度、すなわち７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。
４−１−３．ｎ側超格子層形成工程
次に、ｎ側ＥＳＤ層１４０の上にｎ側超格子層１５０を形成する。例えば、ＩｎＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層と、を繰り返し積層する。その際の基板温度は、７００℃以上９５０℃以下の範囲内である。
４−２．発光層形成工程
次に、ｎ側超格子層１５０の上に発光層１６０を形成する。例えば、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層と、を繰り返し積層する。このときの基板温度を、７００℃以上９００℃以下の範囲内とする。
４−３．ｐ型半導体層形成工程
４−３−１．ｐ側超格子層形成工程（ｐ型クラッド層形成工程）
次に、発光層１６０の上にｐ側超格子層１７０を形成する。例えば、ｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型ＩｎＧａＮ層と、を繰り返し積層する。ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）を用いればよい。これにより、図９に示す積層体が得られる。
４−３−２．ｐ型中間層形成工程
このｐ型中間層形成工程およびｐ型コンタクト層形成工程では、前述の第１の形成方法から第６の形成方法までのいずれかの方法を用いる。ｐ型中間層形成工程は、ｐ側超格子層１７０の上に第１のｐ型中間層を形成する第１のｐ型中間層形成工程と、第１のｐ型中間層の上に第２のｐ型中間層を形成する第２のｐ型中間層形成工程と、を有する。
この工程では、ｐ側超格子層１７０の上に第１のｐ型ＧａＮ層１８１を形成する。第１のｐ型ＧａＮ層１８１を形成する際には、ｐ型ドーパントガスを供給しない。しかし、ｐ側超格子層形成工程で使用したドーパントガスのメモリー効果により、第１のｐ型ＧａＮ層１８１にＭｇがドーピングされていてもよい。そして、第１のｐ型ＧａＮ層１８１の上に第２のｐ型ＧａＮ層１８２を形成する。第２のｐ型ＧａＮ層１８２を形成する際には、ｐ型ドーパントガスを供給する。
そして、これらのｐ型中間層１８０を形成するにあたって、キャリアガスとして少なくとも窒素ガスを供給する。例えば、Ｈ2 とＮ2 との混合ガスを用いる。このキャリアガスに占める窒素ガスは、モル比で２０％以上８０％以下の範囲内である。好ましくは、モル比で３０％以上８０％以下の範囲内である。より好ましくは、モル比で４０％以上７０％以下の範囲内である。
ここで、水素ガスは、構成原子のマイグレーションを促進する。そのため、層の表面平坦性が向上する。その代わりに、水素原子が結晶中に取り込まれて、Ｍｇと結合することがある。この場合には、Ｍｇの活性化を阻害する。一方、窒素ガスは、結晶の分解を阻害する。つまり、結晶中から窒素原子が脱離することを防止できる。
４−３−３．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ型中間層１８０の上にｐ型コンタクト層１９０を形成する。また、キャリアガスとして、少なくとも水素ガスを供給する。これにより、ｐ型コンタクト層１９０の表面平坦性は向上する。基板温度を、８００℃以上１２００℃以下の範囲内とする。これにより、図１０に示すように、基板１１０に各半導体層が積層されることなる。
４−４．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１９０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。そして、図１１に示すように、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１９０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
４−５．その他の工程
また、上記の工程の他、絶縁膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１の発光素子１００が製造される。
５．本実施形態の効果
本実施形態の発光素子１００の製造方法では、第１の期間ＴＡ１と第３の期間ＴＡ３との間に、半導体層の成膜を停止するとともにドーパントガスを供給する第２の期間ＴＡ２を有する。そのため、この製造方法により製造された発光素子１００のｐ型コンタクト層１９０では、薄い膜厚で高いＭｇ濃度を実現できる。これにより、ｐ型コンタクト層１９０とｐ電極Ｐ１との間では、障壁の厚さが薄く、トンネルしやすいショットキーバリアが形成されると考えられる。すなわち、発光素子１００の駆動電圧は、従来の発光素子に比べて低い。
また、本実施形態の発光素子１００の製造方法では、第３の供給工程の成膜速度を十分に遅くすることができる。そのため、発光素子１００のｐ型コンタクト層１９０の膜厚を制御しやすい。したがって、ロット毎の駆動電圧のばらつきが、従来に比べて小さい。
６．変形例
６−１．組み合わせ
本実施形態では、ｐ型コンタクト層形成工程について第１の形成方法から第６の形成方法まで説明した。これらについて、自由に組み合わせてもよい。
６−２．基板温度
本実施形態では、ｐ型コンタクト層形成工程における基板温度を一定とした。しかし、ｐ型コンタクト層形成工程の途中で、基板温度を上昇させてもよい。例えば、第２の期間ＴＡ２の途中で、基板温度を上昇させる。これにより、ｐ型コンタクト層１９０にＭｇが入りやすくなる。ただし、基板温度は、８００℃以上１２００℃以下の範囲内であることが好ましい。
６−３．ｐ型コンタクト層の周辺構造の繰り返し形成
本実施形態の第１のｐ型ＧａＮ層１８１と、第２のｐ型ＧａＮ層１８２と、ｐ型コンタクト層１９０と、を繰り返し形成してもよい。繰り返し回数は、２回以上１００回以下の範囲内である。
６−４．フリップチップ型、基板リフトオフ型
本実施形態では、フェイスアップ型の発光素子１００について適用した。しかし、もちろん、その他の半導体発光素子についても適用することができる。例えば、基板側に光取り出し面を有するフリップチップや、成長基板を除去した基板リフトオフ型の半導体発光素子についても、当然に適用することができる。
６−５．ｐ型中間層の層数
本実施形態では、ｐ型中間層１８０の層数を第１のｐ型ＧａＮ層１８１と、第２のｐ型ＧａＮ層１８２と、を積層した２層とした。しかし、１層であってもよい。また、３層以上であってもよい。
６−６．ｐ型中間層の種類
本実施形態では、ｐ型中間層１８０として、第１のｐ型ＧａＮ層１８１と、第２のｐ型ＧａＮ層１８２と、を積層した。しかし、ｐ型中間層１８０として、ｐ型ＧａＮ以外のその他のｐ型III 族窒化物半導体を適用してもよい。
７．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００は、薄く、なおかつ、Ｍｇ濃度の高いｐ型コンタクト層１９０を有している。そのため、ｐ電極Ｐ１とｐ型コンタクト層１９０との間の接触抵抗が小さい。よって、駆動電圧の低い半導体発光素子が実現されている。
また、本実施形態の半導体発光素子の製造方法は、第２の期間ＴＡ２を有する。そして、第２の期間ＴＡ２の時間の長さもしくはその時間におけるＴＭＧの供給量を調整することにより、ｐ型コンタクト層１９０のＭｇ濃度を制御しやすい。
なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。
１．駆動電圧
１−１．サンプルの作製
実施形態で説明した第１の形成方法により、ｐ型中間層１８０およびｐ型コンタクト層１９０を形成した。具体的には、第２の供給工程における第２の期間ＴＡ２の長さを変えて、半導体発光素子を製造した。そして、第２の期間ＴＡ２の長さを変えて製造した発光素子に対して、駆動電圧を測定した。
１−２．実験結果
図１２は、第２の供給工程の時間の長さと駆動電圧との関係を示すグラフである。図１２の横軸は、第２の供給工程の時間の長さである。図１２の縦軸は、駆動電圧である。図１２では、第２の供給工程の時間が０秒である場合の駆動電圧を基準の１として、相対値をプロットした。
図１２に示すように、第２の供給工程の時間の長さを１０秒とした場合には、駆動電圧は、０．９９３であった。つまり、第２の供給工程を１０秒だけ実施することにより、駆動電圧は、０．７％低くなった。また、第２の供給工程の時間の長さを２０秒とした場合には、駆動電圧は、０．９９８であった。つまり、つまり、第２の供給工程を２０秒だけ実施することにより、駆動電圧は、０．２％低くなった。このように、第２の供給工程を実施することにより、駆動電圧は改善する。
図１２では、第２の供給工程を２０秒だけ実施した発光素子のほうが、第１の供給工程を１０秒だけ実施したものより、駆動電圧が高かった。これは、第２の供給工程の第２の期間ＴＡ２の長さを長くすると、ｐ型コンタクト層１９０のＭｇ濃度が高くなり、かえって結晶品質が悪くなるためと考えられる。ｐ型コンタクト層１９０中のＭｇ濃度は、第１の供給工程の第１の期間ＴＡ１の長さだけでなく、第１の供給工程におけるＭｇを含有するドーパントガスの供給濃度や、ｐ型コンタクト層形成工程におけるＭｇを含有するドーパントガスの供給濃度に、依存する。したがって、ｐ型コンタクト層１９０において所望のＭｇ濃度を実現させるためには、第２の期間ＴＡ２や、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量ＳＢ２、ＳＢ３等を適切に制御すればよい。なお、これらの数値は、特定の数値に限定されない。ただし、サイクルタイムの短縮と生産効率の向上のためには、第２の期間ＴＡ２の時間は、１秒以上６０秒以下であるとよい。好ましくは、３秒以上３０秒以下である。より好ましくは、５秒以上２０秒以下である。
２．静電耐圧性
２−１．サンプルの作製
上記の駆動電圧についての実験と同様に実験用サンプルを作製した。
２−２．実験結果
図１３は、第２の供給工程の時間の長さと静電耐圧性の評価による歩留りとの関係を示すグラフである。図１３の横軸は、第２の供給工程の時間の長さである。図１３の縦軸は、静電耐圧性の評価による歩留りである。
図１３に示すように、第２の供給工程の時間の長さを０秒とした場合には、静電耐圧性の評価による歩留りは、０．８９７であった。第２の供給工程の時間の長さを１０秒とした場合には、静電耐圧性の評価による歩留りは、０．９８２であった。第２の供給工程の時間の長さを２０秒とした場合には、静電耐圧性の評価による歩留りは、０．９７４であった。
このように、第２の供給工程の時間の長さを１０秒とした場合には、静電耐圧性の評価による歩留りは、０．０８５（８．５％）改善した。このように、第２の供給工程の時間の長さを２０秒とした場合には、静電耐圧性の評価による歩留りは、０．０７７（７．７％）改善した。
このように、静電耐圧性の試験においては、第２の供給工程の時間の長さを１０秒としても、第２の供給工程の時間の長さを２０秒としても、同程度に改善した。ただし、第２の供給工程の時間の長さを１０秒とした発光素子のほうが、第２の供給工程の時間の長さを２０秒とした発光素子よりも改善した。
第２の供給工程の第２の期間ＴＡ２の長さを長くすると、ｐ型コンタクト層１９０のＭｇ濃度が高くなる。これにより、ｐ型コンタクト層１９０の結晶性が悪くなるため、かえって静電耐圧性が低下するものと考えれる。これは、第２の供給工程の第２の期間ＴＡ２の長さを長くすると、ｐ型コンタクト層１９０のＭｇ濃度が高くなり、かえって結晶品質が悪くなるためと考えられる。ｐ型コンタクト層１９０中のＭｇ濃度は、第１の供給工程の第１の期間ＴＡ１の長さだけでなく、第１の供給工程におけるＭｇを含有するドーパントガスの供給濃度や、ｐ型コンタクト層形成工程におけるＭｇを含有するドーパントガスの供給濃度に、依存する。したがって、ｐ型コンタクト層１９０において所望のＭｇ濃度を実現させるためには、第２の期間ＴＡ２や、Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 の供給量ＳＢ２、ＳＢ３等を適切に制御すればよい。なお、これらの数値は、特定の数値に限定されない。ただし、サイクルタイムの短縮と生産効率の向上のためには、第２の期間ＴＡ２の時間は、１秒以上６０秒以下であるとよい。好ましくは、３秒以上３０秒以下である。より好ましくは、５秒以上２０秒以下である。
３．ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度
３−１．サンプルの作製
まず、サファイア基板の上に、バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ側超格子層１７０と、に相当する半導体層を形成した。そしてその上に、実施形態で説明した第１の形成方法により、ｐ型中間層１８０と、ｐ型コンタクト層１９０と、に相当する半導体層を形成した。具体的には、第２の供給工程における第２の期間ＴＡ２の長さを１０秒としたもの（実施例）と、０秒としたもの（比較例）と、を製造した。そして、第３の期間ＴＡ３の長さを変えた。これにより、ｐ型コンタクト層の膜厚を変えた複数のサンプルを作製した。なお、第３の期間ＴＡ３を変えることは、すなわち、ｐ型コンタクト層の膜厚を変えることである。
３−２．測定方法
そして、第２の期間ＴＡ２および第３の期間ＴＡ３を変えて作成したこれらのサンプルについて、グロー放電発光表面分析装置（ＧＤＳ）を用いてｐ型コンタクト層に含まれるＭｇ濃度を測定した。
３−３．実験結果
表１に、実験結果を示す。実施例では、ドーパントガス供給工程（第２の供給工程）を実施した。比較例では、ドーパントガス供給工程（第２の供給工程）を実施しなかった。そして、ＧＤＳにより測定したＭｇ濃度について、実施例１の場合を基準値である１とした。実施例１は、ｐ型コンタクト層の膜厚を２１Åとするとともに、ドーパントガス供給工程（第２の供給工程）を１０秒実施したものである。
表１に示すように、実施例１−４では、Ｍｇ濃度（相対値）は、１以上であった。一方、比較例１−６では、Ｍｇ濃度（相対値）は、１未満であった。つまり、ドーパントガス供給工程を実施した実施例１−４では、比較例１−６に比べてＭｇ濃度が高い。つまり、ドーパントガス供給工程を実施することにより、ｐ型コンタクト層へのＭｇの取り込みの度合いは向上している。
図１４は、表１のｐ型コンタクト層の膜厚と、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度との関係を示すグラフである。図１４に示すように、比較例では、ｐ型コンタクト層の膜厚が薄い領域では、Ｍｇ濃度がそれほど高くない。そして、ｐ型コンタクト層の膜厚を厚くするにしたがって、Ｍｇ濃度が上昇する。比較例においては、ｐ型コンタクト層形成工程の初期で、Ｍｇはｐ型コンタクト層に取り込まれにくい。そして、成長が進行して、膜厚が増加することにより、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度が上昇する。
比較例では、ｐ型コンタクト層の膜厚が１００Å以下の場合には、ｐ型コンタクト層の膜厚のわずかな違いがＭｇ濃度に影響を与える。そのため、製造条件によっては、ｐ型コンタクト層の特性にばらつきが生じやすい。このように、比較例では、ｐ型コンタクト層の膜厚が１００Å以下の場合には、Ｍｇ濃度を制御することが困難である。このばらつきの結果、デバイス特性の不安定化を招くおそれがある。また、図１４に示すように、Ｍｇ濃度の高いｐ型コンタクト層を得るためにはある程度の膜厚が必要である。そのため、Ｍｇ濃度の十分なｐ型コンタクト層を得るためには、ｐ型コンタクト層の膜厚を厚く設計せざるを得ない。ｐ型コンタクト層の膜厚を厚くすると、ｐ型コンタクト層の電気抵抗は高くなる。
図１４に示すように、実施例１−４では、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、ｐ型コンタクト層の膜厚に依存せず、ほぼ一定である。そして、実施例１−４におけるｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、比較例１−６に比べて十分に高い。ｐ型コンタクト層の膜厚が５Å以上１００Å以下の領域では、実施例と比較例との間で差異が生じている。ｐ型コンタクト層の膜厚が５Å以上８０Å以下の領域では、実施例と比較例との差異はある程度大きい。ｐ型コンタクト層の膜厚が５Å以上５０Å以下の領域では、実施例と比較例との差異は非常に大きい。
したがって、実施形態で説明した半導体発光素子の製造方法を用いることにより、十分に薄く、かつ、高いＭｇ濃度を備えるｐ型コンタクト層を形成することができる。このため、実施形態の発光素子１００の駆動電圧は、十分に低い。
Figure 0006229609
３−４．Ｍｇ濃度の変化率
比較例におけるｐ型コンタクト層のＭｇ濃度の変化率は、１×１０18（ｃｍ-3・ｎｍ-1）程度であった。一方、実施例におけるｐ型コンタクト層のＭｇ濃度の変化率は、５×１０18（ｃｍ-3・ｎｍ-1）程度であった。また、ドーパントガス供給工程およびｐ型コンタクト層形成工程の条件を変えることにより、Ｍｇ濃度の変化率を１×１０20（ｃｍ-3・ｎｍ-1）程度まで制御することが可能である。Ｍｇ濃度の変化率を上昇させる条件として、例えば、第２の期間ＴＡ２を長くすることと、ドーパントガスの供給量ＳＢ２、ＳＢ３の増加と、ＴＭＧの供給量ＳＡ２の減少と、が挙げられる。なお、ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は、１×１０20／ｃｍ3 以上１×１０22／ｃｍ3 以下の範囲内である。
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ｎ側ＥＳＤ層
１５０…ｎ側超格子層
１６０…発光層
１７０…ｐ側超格子層
１８０…ｐ型中間層
１８１…第１のｐ型ＧａＮ層
１８２…第２のｐ型ＧａＮ層
１９０…ｐ型コンタクト層
１９０ａ…第１面
１９０ｂ…第２面
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極

Claims (11)

  1. ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
    前記ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
    前記発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、
    を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ｐ型半導体層形成工程は、
    少なくともIII 族元素を含有する第１の原料ガスおよびドーパントガスを供給することにより前記発光層の上にｐ型クラッド層を形成するｐ型クラッド層形成工程と、
    前記第１の原料ガスおよび前記ドーパントガスを供給することにより前記ｐ型クラッド層の上にｐ型中間層を形成するｐ型中間層形成工程と、
    前記ｐ型中間層形成工程の後に、前記第１の原料ガスの供給を停止するとともに前記ドーパントガスを供給するドーパントガス供給工程と、
    前記ドーパントガス供給工程の後に、前記第１の原料ガスおよび前記ドーパントガスを供給することにより前記ｐ型中間層の上に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、
    前記ドーパントガス供給工程における前記第１の原料ガスに対する前記ドーパントガスのモル比は、
    前記ｐ型中間層形成工程における前記第１の原料ガスに対する前記ドーパントガスのモル比より大きく、
    前記ｐ型コンタクト層形成工程における前記第１の原料ガスに対する前記ドーパントガスのモル比は、
    前記ｐ型中間層形成工程における前記第１の原料ガスに対する前記ドーパントガスのモル比より大きく、
    前記ｐ型コンタクト層形成工程における前記第１の原料ガスの流量は、
    前記ｐ型中間層形成工程における前記第１の原料ガスの流量より少なく、
    前記ｐ型コンタクト層形成工程における前記ドーパントガスの流量は、
    前記ｐ型中間層形成工程における前記ドーパントガスの流量より多く、
    前記ｐ型コンタクト層の膜厚は０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、
    前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は１×１０ 20 ｃｍ -3 以上１×１０ 22 ｃｍ -3 以下であり、
    前記ｐ型コンタクト層のＭｇ濃度の変化率は５×１０ 18 ｃｍ -3 ・ｎｍ -1 以上１×１０ 20 ｃｍ -3 ・ｎｍ -1 以下であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  2. 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において、
    前記ドーパントガス供給工程における前記ドーパントガスの流量は、
    前記ｐ型中間層形成工程における前記ドーパントガスの流量より多いこと
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  3. 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において、
    前記ドーパントガス供給工程における前記ドーパントガスの流量は、
    前記ｐ型コンタクト層形成工程における前記ドーパントガスの流量より少ないこと
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  4. 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において、
    前記ドーパントガス供給工程における前記ドーパントガスの流量は、
    前記ｐ型コンタクト層形成工程における前記ドーパントガスの流量より多いこと
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ドーパントガス供給工程では、
    前記ドーパントガスの供給量を徐々に増加させること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ｐ型コンタクト層形成工程における前記第１の原料ガスの供給量を、
    前記ｐ型中間層形成工程における前記第１の原料ガスの供給量と等しくすること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ｐ型中間層形成工程および前記ｐ型コンタクト層形成工程では、
    窒素原子を含有する第３の原料ガスを供給し、
    前記ドーパントガス供給工程では、
    前記第３の原料ガスの供給を停止すること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ｐ型中間層形成工程は、
    前記ｐ型クラッド層の上に第１のｐ型中間層を形成する第１のｐ型中間層形成工程と、
    前記第１のｐ型中間層の上に第２のｐ型中間層を形成する第２のｐ型中間層形成工程と、
    を有すること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ドーパントガス供給工程は、
    １秒以上６０秒以下の範囲内の実施期間を有すること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記第１の原料ガスは、
    前記III 族元素として、ガリウム原子を含有するガスであり、
    前記ドーパントガスは、
    マグネシウム原子を含有するガスであること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
  11. 請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記ｐ型中間層形成工程では、
    キャリアガスとして少なくとも窒素ガスを供給し、
    キャリアガスに占める窒素ガスはモル比で３０％以上８０％以下の範囲内であること
    を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
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