JP7101347B2 - 発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光素子の製造方法に関する。
特許文献１には、ｎ＋型にドーピングされた層と、このｎ＋型にドーピングされた層と隣接するｐ＋型にドーピングされた層とから成るｎｐ型トンネル接合部を、２つの光活性領域の間に設けた半導体発光ダイオードが開示されている。このような半導体発光ダイオードにおいては、トンネル接合部に用いる不純物が高濃度にドープされたｎ＋型層及びｐ＋型層の結晶性を良好に保ちつつトンネル接合部を形成することが望まれる。トンネル接合部における半導体層の結晶性の悪化は、トンネル接合部の上に積層される半導体層の結晶性を悪化させる要因になるおそれがある。
本発明は、半導体層を積層する際に生じる半導体層の結晶性の悪化を抑制できる発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、発光素子の製造方法は、第１ｎ型窒化物半導体層と、第１発光層と、第１ｐ型窒化物半導体層とを含む第１積層部と、前記第１積層部上に形成され、第２ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第２ｐ型窒化物半導体層とを含む第２積層部と、を有する発光素子の製造方法であって、炉内にガリウムを含むガスと、アンモニアガスと、ｐ型不純物を含むガスとを導入し、前記炉内を第１温度に加熱した状態で前記第１発光層の上に前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成した後、前記炉内の温度を前記第１温度から前記第１温度よりも低い第２温度に降温する工程と、前記炉内に第１流量のアンモニアガスを導入し、前記炉内の温度を前記第２温度から前記第２温度よりも高い第３温度に昇温する工程と、前記炉内を前記第３温度に加熱した状態で、前記炉内にガリウムを含むガスと、第２流量のアンモニアガスと、ｎ型不純物を含むガスとを導入し、前記第１ｐ型窒化物半導体層の上に前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、を有し、前記第１流量は、前記第２流量よりも小さい。
本発明の一態様によれば、発光素子の製造方法は、第１ｎ型窒化物半導体層と、第１発光層と、第１ｐ型窒化物半導体層とを含む第１積層部と、前記第１積層部上に形成され、第２ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第２ｐ型窒化物半導体層とを含む第２積層部と、を有する発光素子の製造方法であって、炉内にガリウムを含むガスと、アンモニアガスと、ｐ型不純物を含むガスとを導入し、前記炉内を第１温度に加熱した状態で前記第１発光層の上に前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記炉内を前記第１温度に保持した状態で、前記炉内に第１流量のアンモニアガスと、窒素ガスとを導入する工程と、その後、前記炉内にガリウムを含むガスと、第２流量のアンモニアガスと、ｎ型不純物を含むガスとを導入し、前記第１ｐ型窒化物半導体層の上に前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、を有し、前記第１流量は、前記第２流量よりも小さい。
本発明の一態様によれば、半導体層を積層する際に生じる半導体層の結晶性の悪化を抑制できる発光素子の製造方法を提供することができる。
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
図１は、本発明の一実施形態の発光素子１の模式断面図である。
本実施形態の発光素子１は、基板１０と、基板１０上に設けられた半導体積層体１００と、ｎ側電極８１と、ｐ側電極８２とを有する。
半導体積層体１００は、窒化物半導体からなる複数の半導体層が積層された積層体である。本明細書において「窒化物半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１－ｘ－ｙＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。
半導体積層体１００は、基板１０上に設けられた第１積層部１１と、第１積層部１１上に設けられた第２積層部１２とを有する。
基板１０の材料は、例えば、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどである。
第１積層部１１は、基板１０上に設けられた第１ｎ型窒化物半導体層２０と、第１ｎ型窒化物半導体層２０上に設けられた第１発光層３０と、第１発光層３０上に設けられた第１ｐ型窒化物半導体層４０とを有する。
第１ｎ型窒化物半導体層２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、さらにｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされている。第１ｎ型窒化物半導体層２０は、その他に、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第１ｎ型窒化物半導体層２０のＳｉ濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下である。
第１ｐ型窒化物半導体層４０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、さらにｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。第１ｐ型窒化物半導体層４０は、その他に、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。
第１ｐ型窒化物半導体層４０は、第１発光層３０上に設けられた第１ｐ型層４１と、第１ｐ型層４１上に設けられた第２ｐ型層４２とを有する。第２ｐ型層４２のｐ型不純物濃度は、第１ｐ型層４１のｐ型不純物濃度よりも高い。第１ｐ型窒化物半導体層４０には、アンドープの窒化ガリウムからなる半導体層が含まれていてもよい。例えば、Ｍｇをｐ型不純物として含む第１ｐ型層４１のＭｇ濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上５×１０２０／ｃｍ３以下である。
第１発光層３０は、第１ｎ型窒化物半導体層２０と、第１ｐ型窒化物半導体層４０の第１ｐ型層４１との間に設けられている。第１発光層３０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層には、例えば、ＩｎＧａＮを用いる。複数の障壁層には、例えば、ＧａＮを用いる。
第２積層部１２は、第１ｐ型窒化物半導体層４０上に設けられた第２ｎ型窒化物半導体層５０と、第２ｎ型窒化物半導体層５０上に設けられた第２発光層６０と、第２発光層６０上に設けられた第２ｐ型窒化物半導体層７０とを有する。
第２ｎ型窒化物半導体層５０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、さらにｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）がドープされている。第２ｎ型窒化物半導体層５０は、その他に、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。
第２ｎ型窒化物半導体層５０は、第１積層部１１の第２ｐ型層４２上に設けられた第１ｎ型層５１と、第１ｎ型層５１上に設けられた第２ｎ型層５２とを有する。第１ｎ型層５１のｎ型不純物濃度は、第２ｎ型層５２のｎ型不純物濃度よりも高い。例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第２ｎ型層５２のＳｉ濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２×１０２１／ｃｍ３以下である。
第２ｐ型窒化物半導体層７０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、さらにｐ型不純物として例えばマグネシウム（Ｍｇ）がドープされている。第２ｐ型窒化物半導体層７０は、その他に、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。
第２ｐ型窒化物半導体層７０は、第２発光層６０上に設けられた第３ｐ型層７１と、第３ｐ型層７１上に設けられた第４ｐ型層７２とを有する。第４ｐ型層７２のｐ型不純物濃度は、第３ｐ型層７１のｐ型不純物濃度よりも高い。第２ｐ型窒化物半導体層７０には、アンドープの窒化ガリウムからなる半導体層が含まれていてもよい。例えば、Ｍｇをｐ型不純物として含む第３ｐ型層７１のＭｇ濃度は、１×１０１８／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下である。例えば、Ｍｇをｐ型不純物として含む第４ｐ型層７２のＭｇ濃度は、１×１０２０／ｃｍ３以上２×１０２１／ｃｍ３以下である。
第２発光層６０は、第２ｎ型窒化物半導体層５０の第２ｎ型層５２と、第２ｐ型窒化物半導体層７０の第３ｐ型層７１との間に設けられている。第２発光層６０は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを有する多重量子井戸構造を有する。第２発光層６０における井戸層および障壁層には、上述した第１発光層３０と同様の半導体層を用いる。
第２ｐ型窒化物半導体層７０の第４ｐ型層７２上にｐ側電極８２が設けられ、ｐ側電極８２は第４ｐ型層７２に電気的に接続している。
第１ｎ型窒化物半導体層２０は、第１発光層３０、第１ｐ型窒化物半導体層４０、第２ｎ型窒化物半導体層５０、第２発光層６０、および第２ｐ型窒化物半導体層７０が設けられていないｎコンタクト面２０ａを有する。そのｎコンタクト面２０ａ上にｎ側電極８１が設けられ、ｎ側電極８１は第１ｎ型窒化物半導体層２０に電気的に接続している。
ｐ側電極８２とｎ側電極８１との間に、順方向電圧を印加する。このとき、第１積層部１１の第１ｐ型窒化物半導体層４０と第１ｎ型窒化物半導体層２０との間には順方向電圧が印加され、第１発光層３０にホールおよび電子が供給されることで第１発光層３０が発光する。第２積層部１２の第２ｐ型窒化物半導体層７０と第２ｎ型窒化物半導体層５０との間にも順方向電圧が印加され、第２発光層６０にホールおよび電子が供給されることで第２発光層６０が発光する。つまり、ｐ側電極８２とｎ側電極８１との間に上述した電位を印加することで、第１発光層３０および第２発光層６０が発光する。
第１発光層３０の発光ピーク波長、および第２発光層６０の発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。第１発光層３０、第２発光層６０は、青色光や緑色光を発する。第１発光層３０上に第２発光層６０を積層することで、１つの発光層を有する発光素子に比べて、単位面積当たりの出力を高くすることができる。第１発光層３０の発光ピーク波長と、第２発光層６０の発光ピーク波長とは異なっていてもよい。
ｐ側電極８２に正電位が、ｎ側電極８１にｐ側電極８２よりも低い電位（例えば負電位）が印加されたとき、第１積層部１１の第２ｐ型層４２と、第２積層部１２の第１ｎ型層５１との間には逆方向電圧が印加されることになる。そのため、第２ｐ型層４２と第１ｎ型層５１との間の電流はトンネル効果を利用する。つまり、第２ｐ型層４２の価電子帯に存在する電子を、第１ｎ型層５１の伝導帯にトンネリングさせることで電流を流す。
このようなトンネル効果を得るために、高濃度でｐ型不純物がドープされた第２ｐ型層４２と、高濃度でｎ型不純物がドープされた第１ｎ型層５１とによりｐｎ接合を形成する。そして、第２ｐ型層４２と第１ｎ型層５１とが形成する空乏層の電位の傾きを急峻にしてその空乏層の幅を狭くする。このような構造とすることで、第２ｐ型層４２の価電子帯の電子が第２ｐ型層４２と第１ｎ型層５１とが形成する空乏層をトンネリングし、第１ｎ型層５１の伝導帯に移動させることができる。
例えば、Ｓｉをｎ型不純物として含む第１ｎ型層５１のＳｉ濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上２×１０２１／ｃｍ３以下である。Ｍｇをｐ型不純物として含む第２ｐ型層４２のＭｇ濃度は、１×１０２０／ｃｍ３以上５×１０２１／ｃｍ３以下である。このような第１ｎ型層５１と第２ｐ型層４２とが形成する空乏層の幅は、例えば、５ｎｍ以上８ｎｍ以下である。
本実施形態の発光素子１は、半導体積層体１００に第１発光層３０と第２発光層６０の２つの発光層が積層されているため、発光層が１つである発光素子に比べて単位面積当たりの出力を高くすることできる。
図２～図１１は、本実施形態の発光素子１の製造方法を示す模式断面図である。半導体積層体１００の前述した各層は、圧力および温度の調整が可能な炉内においてＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により、基板１０上にエピタキシャル成長される。
まず、図２に示すように、基板１０上に第１ｎ型窒化物半導体層２０が形成される。図３に示すように、第１ｎ型窒化物半導体層２０上に第１発光層３０が形成される。図４に示すように、第１発光層３０上に第１ｐ型層４１が形成される。図５に示すように、第１ｐ型層４１上に第２ｐ型層４２が形成される。図６に示すように、第２ｐ型層４２上に第１ｎ型層５１が形成される。図７に示すように、第１ｎ型層５１上に第２ｎ型層５２が形成される。図８に示すように、第２ｎ型層５２上に第２発光層６０が形成される。図９に示すように、第２発光層６０上に第３ｐ型層７１が形成される。図１０に示すように、第３ｐ型層７１上に第４ｐ型層７２が形成される。このようにして、基板１０上に第１積層部１１および第２積層部１２が形成される。
この後、半導体積層体１００の一部を除去して、図１１に示すように、第１ｎ型窒化物半導体層２０の一部を露出させ、ｎコンタクト面２０ａを形成する。
その後、図１に示すように、第４ｐ型層７２上にｐ側電極８２が形成され、ｎコンタクト面２０ａ上にｎ側電極８１が形成される。
次に、第１ｐ型窒化物半導体層４０と第２ｎ型窒化物半導体層５０の形成方法について詳しく説明する。
第１発光層３０を形成した後、炉内に、キャリアガスと、ガリウム（Ｇａ）を含むガスと、アンモニア（ＮＨ３）ガスと、ｐ型不純物としてマグネシウムを含むガスとを導入し、炉内を第１温度に加熱した状態で、第１発光層３０の上に、第１ｐ型窒化物半導体層４０として、マグネシウムがドープされたＧａＮ層を形成する。
第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成するときにおいて、ガリウムを含むガスは、例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、またはＴＥＧ（トリエチルガリウム）ガスである。キャリアガスは、例えば、窒素（Ｎ２）ガスである。第１温度（設定値または実測値）は、例えば、９００℃以上１０００℃以下である。
第１ｐ型窒化物半導体層４０として、第１ｐ型層４１と、第１ｐ型層４１よりもｐ型不純物濃度が高い第２ｐ型層４２とが、第１発光層３０上に順に形成される。
第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成した後、炉内の温度を、第１温度から、第１温度よりも低い第２温度に降温する。第２温度は、例えば、室温である。
炉内の温度を第１温度から第２温度に降温した後、第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成するときに炉内に導入されたガスを、窒素ガスに置換する。これにより、炉内に残留していたｐ型不純物（Ｍｇ）を含むガスが炉内から除去される。
その後、炉内に、窒素ガスに加えてさらにアンモニアガスを導入し、炉内の温度を、第２温度から、第２温度よりも高い第３温度に昇温する。第３温度（設定値または実測値）は、例えば、９００℃以上１０００℃以下である。
炉内を第２温度から第３温度に昇温する期間においては、炉内に、ガリウムを含むガス、ｎ型不純物を含むガス、およびｐ型不純物を含むガスは導入されず、窒素ガスと、アンモニアガスとが導入される。このときのアンモニアガスの流量（第１流量）は、窒素ガスの流量よりも小さい。炉内を第２温度から第３温度に昇温する期間において、例えば、アンモニアガスの第１流量は２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下であり、窒素ガスの流量は３０ｓｌｍ以上４００ｓｌｍ以下である。例えば、第１流量のアンモニアガスの炉内におけるアンモニアガスと窒素ガスの総量に対する割合は、０．５％以上１０％以下であることが好ましく、１％以上５％以下であることがさらに好ましい。
続けて、炉内を第３温度に加熱した状態で、炉内に、キャリアガスと、ガリウムを含むガスと、アンモニアガスと、ｎ型不純物としてシリコンを含むガスとを導入し、第１ｐ型窒化物半導体層４０の上に、第２ｎ型窒化物半導体層５０として、シリコンがドープされたＧａＮ層を形成する。
第２ｎ型窒化物半導体層５０を形成するときにおいて、ガリウムを含むガスは、例えば、ＴＭＧガス、またはＴＥＧガスであり、キャリアガスは、例えば、窒素ガスである。
第２ｎ型窒化物半導体層５０として、第１ｎ型層５１と、第１ｎ型層５１よりもｎ型不純物濃度が低い第２ｎ型層５２とが、第２ｐ型層４２上に順に形成される。第２ｐ型層４２と第１ｎ型層５１はｐｎ接合を形成する。例えば、第２ｐ型層４２の厚さは１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。例えば、第１ｎ型層５１の厚さは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
炉内を第２温度から第３温度に昇温するときに炉内に導入されるアンモニアガスの流量（第１流量）は、第２ｎ型窒化物半導体層５０を形成するときに炉内に導入されるアンモニアガスの流量（第２流量）よりも小さい。
また、アンモニアガスの第１流量は、第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成するときに炉内に導入されるアンモニアガスの流量（第３流量）よりも小さい。
例えば、第１流量は２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下である。例えば、第２流量は５ｓｌｍ以上８０ｓｌｍであり、好ましくは、１０ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下である。例えば、第３流量は、５ｓｌｍ以上４０ｓｌｍ以下であり、好ましくは、１０ｓｌｍ以上３０ｓｌｍ以下である。
本実施形態の発光素子１のように、トンネル効果を利用し２つの発光層を有する半導体積層体１００を形成する場合、第２ｐ型層４２を形成した後の前述した降温後の昇温工程において、第２ｐ型層４２は熱ダメージを受け表面の平坦性が悪化しやすい。第２ｐ型層４２の平坦性が悪化すると、第２ｐ型層４２を下地として成長される第１ｎ型層５１の結晶性が悪化する。第２ｐ型層４２と第１ｎ型層５１のトンネル接合部の結晶性の悪化は、発光素子１の駆動電圧が高くなる原因となる。さらに、トンネル接合部の結晶性が悪化することで、第２ｐ型層４２および第１ｎ型層５１の上に成長される第２発光層６０の結晶性も悪化し、発光素子１の出力が低くなる原因となる。
第２ｐ型層４２を成長させるとき、第２ｐ型層４２の表面に生じるピットの側面は結晶成長面が他の半導体層とは異なるため、結晶品質の悪いＧａＮが形成されやすい。この第２ｐ型層４２の表面に形成された結晶品質の悪いＧａＮが上記昇温時に分解されて除去される結果、第２ｐ型層４２の表面の平坦性が悪化すると推測される。
本実施形態によれば、炉内を第２温度から第３温度に昇温するときに、炉内に第１流量のアンモニアガスを導入することで、第２ｐ型層４２の表面の平坦性の悪化を抑制することができる。これは、昇温時に炉内に導入されるアンモニアガスによって上記結晶品質の悪いＧａＮが除去されることが抑制されるためであると推測される。
第２ｎ型窒化物半導体層５０を形成するときには、上記昇温時の第１流量よりも大きい第２流量のアンモニアガスを炉内に導入する。そして、そのアンモニアガスから熱分解した窒素と、ＴＭＧガスまたはＴＥＧガスから熱分解したガリウムとが結合したＧａＮからなる第２ｎ型窒化物半導体層５０を成長させる。
第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成するときにおいても、上記昇温時の第１流量よりも大きい第３流量のアンモニアガスを炉内に導入する。そして、そのアンモニアガスから熱分解した窒素と、ＴＭＧガスまたはＴＥＧガスから熱分解したガリウムとが結合したＧａＮによりピット内が埋め込まれやすいを良くした状態で第１ｐ型窒化物半導体層４０を成長させる。
ここで、比較例として、炉内を第２温度から第３温度に昇温するときに、炉内に第２流量のアンモニアガスを導入し、炉内が第３温度に昇温した後、そのまま炉内に導入するアンモニアガスの第２流量は変えずに、第２ｎ型窒化物半導体層５０を形成することが考えられる。しかしながら、上記昇温時に炉内に導入するアンモニアガスの流量が半導体層の成膜時のように比較的多いと、アンモニアから熱分解した水素によって、ピット内の上記結晶品質の悪いＧａＮの分解が促進され、第２ｐ型層４２の表面の平坦性が悪化しやすくなる。逆に、昇温時に炉内に導入するアンモニアガスの流量が少ないと、アンモニアガスによる窒素の供給が不十分となり、ピット内の上記結晶品質の悪いＧａＮの分解が促進され、第２ｐ型層４２の表面の平坦性が悪化しやすくなる。そのため、炉内を第２温度から第３温度に昇温するときに炉内に導入されるアンモニアガスの第１流量は、例えば、２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下が好ましく、２ｓｌｍ以上３ｓｌｍ以下であることがさらに好ましい。
図１２Ａは、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについての駆動電圧Ｖｆを比較したグラフである。図１２Ａにおける駆動電圧Ｖｆは、各サンプルＡ～Ｄに順方向電流１２０ｍＡを流すために必要な駆動電圧［Ｖ］を表す。図１２Ｂは、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄについての出力Ｐｏを比較したグラフである。なお、図１２Ｂにおける出力Ｐｏは、ｎ側電極８１とｐ側電極８２との間に電圧を印加し、順方向電流１２０ｍＡを流したときの各サンプルＡ～Ｄの明るさを測定した値を表す。
サンプルＡは、図１に示す構造において、第２積層部１２がない構造である。すなわち、サンプルＡは、発光層が第１発光層３０だけであり、トンネル接合部を有さない。
サンプルＢ～Ｄは、図１に示すように基板１０上に第１積層部１１および第２積層部１２を有する構造であり、第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成した後、炉内を第２温度から第３温度に昇温するときに炉内に導入されるアンモニアガスの第１流量のみが異なる。また、サンプルＢ～Ｄにおいて基板１０上に第１積層部１１を形成する条件はサンプルＡと同じである。
具体的に、サンプルＡにおける第１積層部１１は、以下に説明するように形成した。
基板１０にはサファイア基板を用いた。そのサファイア基板上に、ＡｌＧａＮからなるバッファ層を形成した。バッファ層上に、第１ｎ型窒化物半導体層２０として、アンドープのＧａＮ層、ＳｉをドープしたＧａＮ層、Ｓｉを変調してドープした複数のＧａＮ層を含む変調ドープ層、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を交互に積層した第１超格子層、および第１バリア層を順に形成した。変調ドープ層として、アンドープのＧａＮ層とＳｉをドープしたＧａＮ層と交互に積層し、それらのペアを４ペア形成し、さらにＳｉをドープしたＧａＮ層を形成した。第１超格子層として、膜厚が約２ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層と、膜厚が約１ｎｍ程度のアンドープのＩｎＧａＮ層とを交互に積層し、それらのペアを２０ペア形成した。第１バリア層として、ＳｉをドープしたＩｎＧａＮ層とアンドープのＧａＮ層を順に形成した。第１ｎ型窒化物半導体層２０におけるＳｉをドープしたＧａＮ層のＳｉ濃度は、１×１０１９／ｃｍ３である。
第１ｎ型窒化物半導体層２０上に、第１発光層３０として、アンドープのＩｎＧａＮ層とアンドープのＧａＮ層とを交互に積層し、それらのペアを９ペア形成した。
第１発光層３０上に、第１ｐ型窒化物半導体層４０として、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、およびＭｇをドープしたＧａＮ層を順に形成した。サンプルＡにおいて、第１ｐ型窒化物半導体層４０におけるＭｇをドープしたＧａＮ層のＭｇ濃度は、３×１０２０／ｃｍ３である。
サンプルＢ～Ｄにおいては、第１積層部１１上に、以下に説明するようにして第２積層部１２をさらに形成した。
第１積層部１１の第１ｐ型窒化物半導体層４０上に、第２ｎ型窒化物半導体層５０として、ＳｉをドープしたＧａＮ層、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を交互に積層した第２超格子層、および第２バリア層を順に形成した。第２超格子層として、膜厚が約２ｎｍ程度のアンドープのＧａＮ層と、膜厚が約１ｎｍ程度のアンドープＩｎＧａＮ層とを交互に積層し、それらのペアを２０ペア形成した。第２バリア層として、ＳｉをドープしたＩｎＧａＮ層とアンドープのＧａＮ層を順に形成した。第２ｎ型窒化物半導体層５０におけるＳｉをドープしたＧａＮ層はＳｉを高ドープしたＧａＮ層と、Ｓｉを低ドープしたＧａＮ層を含む。Ｓｉを高ドープしたＧａＮ層のＳｉ濃度は、１×１０２０／ｃｍ３である。
第２ｎ型窒化物半導体層５０上に、第２発光層６０として、アンドープのＩｎＧａＮ層とアンドープのＧａＮ層とを交互に積層し、それらのペアを９ペア形成した。
第２発光層６０上に、第２ｐ型窒化物半導体層７０として、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮ層、アンドープのＧａＮ層、およびＭｇをドープしたＧａＮ層を順に形成した。第２ｐ型窒化物半導体層７０におけるＭｇをドープしたＧａＮ層のＭｇ濃度は、３×１０２０／ｃｍ３である。
第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成した後、炉内を第２温度から第３温度に昇温するときにおいて、サンプルＢはアンモニアガスの第１流量を４ｓｌｍをとし、サンプルＣはアンモニアガスの第１流量を２ｓｌｍとし、サンプルＤはアンモニアガスの第１流量を０．５ｓｌｍとした。
図１２Ａの結果より、サンプルＡのＶｆは３．０２Ｖ、サンプルＢのＶｆは９．４４Ｖ、サンプルＣのＶｆは９．１２Ｖ、サンプルＤのＶｆは９．８７Ｖであった。２層の発光層を有する構造（サンプルＢ～Ｄ）の中では、サンプルＢおよびサンプルＣの駆動電圧Ｖｆが、サンプルＤの駆動電圧Ｖｆよりも低くなった。
図１２Ｂの結果より、サンプルＢおよびサンプルＣの出力Ｐｏは、サンプルＡおよびサンプルＤの出力Ｐｏよりも高くなった。
図１２Ａおよび図１２Ｂの結果より、駆動電圧Ｖｆの上昇を抑えつつ、高い出力Ｐｏを実現するために、上記第１流量は２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下が好ましい。
炉内を第１温度に加熱した状態で第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成した後、降温および昇温せずに、炉内を第１温度に保持した状態で、炉内に第１流量のアンモニアガスと、窒素ガスとを導入し、炉内に残留していたｐ型不純物（Ｍｇ）を含むガスを炉内から除去してもよい。
その後、炉内を第１温度から第３温度に昇温又は降温し、炉内にガリウムを含むガスと、第２流量のアンモニアガスと、ｎ型不純物を含むガスとを導入し、第１ｐ型窒化物半導体層４０の上に第２ｎ型窒化物半導体層５０を形成する。なお、第１温度を保持した状態で、上記同様のガスを炉内に導入し、第１ｐ型窒化物半導体層４０の上に第２ｎ型窒化物半導体層５０を形成してもよい。
この場合でも、第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成した後の、第１ｐ型窒化物半導体層４０を形成するときに炉内に導入されたガスを炉内から除去する期間において、炉内に第１流量のアンモニアガスを導入する。これにより、第２ｐ型層４２の表面の平坦性の悪化を抑制することができる。その結果、積層される半導体層の結晶性の悪化を抑制でき、発光素子１の駆動電圧の上昇を抑えつつ、高い出力を実現することができる。この場合も、図１２Ａおよび図１２Ｂの結果を鑑み、アンモニアガスの第１流量は、２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下が好ましいと考えられる。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態及び実施例について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
１…発光素子、１０…基板、１１…第１積層部、１２…第２積層部、２０…第１ｎ型窒化物半導体層、３０…第１発光層、４０…第１ｐ型窒化物半導体層、５０…第２ｎ型窒化物半導体層、６０…第２発光層、７０…第２ｐ型窒化物半導体層、８１…ｎ側電極、８２…ｐ側電極、１００…半導体積層体
Claims (9)
- 第１ｎ型窒化物半導体層と、第１発光層と、第１ｐ型窒化物半導体層とを含む第１積層部と、前記第１積層部上に形成され、第２ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第２ｐ型窒化物半導体層とを含む第２積層部と、を有する発光素子の製造方法であって、
炉内にガリウムを含むガスと、アンモニアガスと、ｐ型不純物を含むガスとを導入し、前記炉内を第１温度に加熱した状態で前記第１発光層の上に前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成した後、前記炉内の温度を前記第１温度から前記第１温度よりも低い第２温度に降温する工程と、
前記炉内に第１流量のアンモニアガスを導入し、前記炉内の温度を前記第２温度から前記第２温度よりも高い第３温度に昇温する工程と、
前記炉内を前記第３温度に加熱した状態で、前記炉内にガリウムを含むガスと、第２流量のアンモニアガスと、ｎ型不純物を含むガスとを導入し、前記第１ｐ型窒化物半導体層の上に前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記第１流量は、前記第２流量よりも小さい発光素子の製造方法。 - 前記炉内の温度を前記第１温度から前記第２温度に降温した後、前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成するときに前記炉内に導入されたガスを、窒素ガスに置換する工程を有し、
前記炉内の温度を前記第２温度から前記第３温度に昇温するときに、前記窒素ガスに加えてさらに前記アンモニアガスを前記炉内に導入する請求項１記載の発光素子の製造方法。 - 前記第２温度よりも高い前記第３温度に昇温する工程において、前記第１流量を２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下とする請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。
- 第１ｎ型窒化物半導体層と、第１発光層と、第１ｐ型窒化物半導体層とを含む第１積層部と、前記第１積層部上に形成され、第２ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第２ｐ型窒化物半導体層とを含む第２積層部と、を有する発光素子の製造方法であって、
炉内にガリウムを含むガスと、アンモニアガスと、ｐ型不純物を含むガスとを導入し、前記炉内を第１温度に加熱した状態で前記第１発光層の上に前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記炉内を前記第１温度に保持した状態で、前記炉内に第１流量のアンモニアガスと、窒素ガスとを導入する工程と、
その後、前記炉内にガリウムを含むガスと、第２流量のアンモニアガスと、ｎ型不純物を含むガスとを導入し、前記第１ｐ型窒化物半導体層の上に前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記第１流量は、前記第２流量よりも小さい発光素子の製造方法。 - 前記第１流量を２ｓｌｍ以上４ｓｌｍ以下とする請求項４記載の発光素子の製造方法。
- 前記第１流量は、前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成するときに前記炉内に導入される前記アンモニアガスの流量よりも小さい請求項１～５のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
- 前記ｐ型不純物はマグネシウムであり、
前記第１ｐ型窒化物半導体層のマグネシウム濃度は、５×１０１９／ｃｍ３以上５×１０２１／ｃｍ３以下である請求項１～６のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。 - 前記ｎ型不純物はシリコンであり、
前記第２ｎ型窒化物半導体層のシリコン濃度は、５×１０ １９ ／ｃｍ３以上２×１０２１／ｃｍ３以下である請求項１～７のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。 - 第１ｎ型窒化物半導体層と、第１発光層と、第１ｐ型窒化物半導体層とを含む第１積層部と、前記第１積層部上に形成され、第２ｎ型窒化物半導体層と、第２発光層と、第２ｐ型窒化物半導体層とを含む第２積層部と、を有する発光素子の製造方法であって、
炉内にガリウムを含むガスと、アンモニアガスと、ｐ型不純物を含むガスとを導入し、前記炉内を第１温度に加熱した状態で前記第１発光層の上に前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成した後、前記炉内の温度を前記第１温度から前記第１温度よりも低い第２温度に降温する工程と、
前記炉内の温度を前記第１温度から前記第２温度に降温した後、前記第１ｐ型窒化物半導体層を形成するときに前記炉内に導入されたガスを、窒素ガスに置換する工程と、
前記炉内に前記窒素ガスに加えてさらに第１流量のアンモニアガスを導入し、前記炉内の温度を前記第２温度から前記第２温度よりも高い第３温度に昇温する工程と、
前記炉内を前記第３温度に加熱した状態で、前記炉内にガリウムを含むガスと、第２流量のアンモニアガスと、ｎ型不純物を含むガスとを導入し、前記第１ｐ型窒化物半導体層の上に前記第２ｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
を有し、
前記第１流量は、前記第２流量よりも小さい発光素子の製造方法。
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