JPH10107320A - ３族窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】３族窒化物半導体を用いた発光素子の素子特性
を向上させること。 【解決手段】発光層５は、膜厚約５ｎｍのAl_0.05Ga_0.95
N から成る４層のバリア層５１と膜厚約５ｎｍのシリコ
ンと亜鉛がそれぞれ５×１０¹⁸／ｃｍ³ の濃度に添加さ
れているIn_0.20Ga_0.80N から成る３層の井戸層５２とが
交互に積層された多重量子井戸構造である。この発光層
５に窒素のイオンインプランテーションを行うことによ
りストライプ状の高抵抗領域６を形成し、その後熱処理
をすることにより高抵抗領域６に挟まれた非高抵抗領域
の井戸層５２ａを所定の幅より狭くすることにより量子
細線構造の発光層を作製したために、発光効率が向上
し、又、発光スペクトルの半値幅が狭くなった。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に示すように、
３族窒化物半導体発光素子の発光層を量子細線構造にし
たことを特徴とする。また、請求項２に示すように、３
族窒化物半導体発光素子の発光層を量子箱構造にしたこ
とを特徴とする。

【０００５】また、請求項３に示すように、請求項１に
示された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４に示すように、請求項２に示された構造の発光層
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。

【０００６】また、請求項５に示すように、請求項３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６に示すように、請求項４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。

【０００７】また、請求項７の発明は、請求項３、４、
５又は６の製造方法においてイオンインプランテーショ
ンは窒素の代わりにアルミニウムにて行うことを特徴と
する。

【０００８】

【発明の作用及び効果】請求項１に示すように、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、請求項２に示すように、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３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４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。

【００１０】また、請求項５に示すように、請求項３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６に示すように、請求項４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７は請求
項３、４、５又は６にて示したイオンインプランテーシ
ョンを窒素の代わりにアルミニウムにて実施することに
より、非高抵抗領域の幅が１０ｎｍ以下の量子細線構
造、あるいは非高抵抗領域の一辺の長さが１０ｎｍ以下
の量子箱構造の発光層を形成することができる。よっ
て、請求項３、４、５、６又は７の製造方法によって、
請求項１に記載した量子細線構造又は請求項２に記載し
た量子箱構造の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１０
０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２×１０¹⁸／ｃｍ³ 、シリコン(S
i)濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³ 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５×１０¹⁷／ｃｍ³ 、シリコン(Si)濃度１×１０¹⁸
／ｃｍ³ 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５×１０¹⁸／ｃｍ³ 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２×１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)濃度５×
１０¹⁹／ｃｍ³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３×１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)濃度５
×１０¹⁹／ｃｍ³ 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×
１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)濃度１×１０²⁰／ｃ
ｍ³ 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(S
i)及び亜鉛(Zn)がそれぞれ５×１０¹⁸／ｃｍ³ ドーピン
グされたIn_0.20Ga_0.80N から成る厚さ５ｎｍの井戸層５
２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５２
ａ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、NH₃ とキャリアガスH₂又はN₂とトリメチルガリウム
(Ga(CH₃)₃)（以下「TMG 」と記す）とトリメチルアルミ
ニウム(Al(CH₃)₃)（以下「TMA」と記す）とトリメチル
インジウム(In(CH₃)₃)（以下「TMI 」と記す）とシラン
(SiH₄)とジエチル亜鉛(Zn)（Zn(C₂H₅)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
₅H₅)₂) （以下「CP₂Mg 」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H₂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、H₂
を２０liter/分、NH₃ 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、H₂を２０liter/分、
NH₃ を１０liter/分、TMG を１．７×１０^-4モル／分、
H₂ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン(SiH₄)を
２０×１０^-8モル／分で４０分導入し、膜厚約４．０μ
ｍ、電子濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³ 、シリコン(Si)濃度４
×１０¹⁸／ｃｍ³ 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、H₂を２０liter/
分、NH₃ を１０liter/分、TMG を１．１２×１０^-4モル
／分、H₂ガスにて０．８６ｐｐｍに希釈されたシラン(S
iH₄)を１０×１０^-9モル／分で３０分導入し、膜厚０．
５μｍ、電子濃度５×１０¹⁷／ｃｍ³ 、シリコン(Si)濃
度１×１０¹⁸／ｃｍ³ 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１１０
０℃に保持し、N₂又はH₂を２０liter/分、NH₃ を１０li
ter/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、N₂又はH₂を２０liter/
分、NH₃ を１０liter/分、TMG を０．５×１０^-4モル／
分、TMI を１．６×１０^-4モル／分、H₂ガスにて０．８
６ｐｐｍに希釈されたシラン(SiH₄)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／ｃｍ³ 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、N₂又
はH₂を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を０．
５×１０^-4モル／分、TMA を０．４７×１０^-5モル／
分、Cp₂Mg を２×１０^-7モル／分で１分間導入して、マ
グネシウム(Mg)が５×１０¹⁹／ｃｍ³ 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１０⁸ 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５０
０ｎｍ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１０
ｎｍ、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、N₂又はH₂を
２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を０．５×１
０^-4モル／分、TMA を０．４７×１０^-5モル／分、Cp₂M
g を２×１０^-7モル／分で１分間導入して、マグネシウ
ム(Mg)が５×１０¹⁹／ｃｍ³ 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１０⁸ Ωｍ以上の絶縁体である。

【００２３】次に、温度を１１００℃に保持し、N₂又は
H₂を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を０．５
×１０^-4モル／分、及び、Cp₂Mg を２×１０^-8モル／分
で４分間導入して、マグネシウム(Mg)が５×１０¹⁹／ｃ
ｍ³ 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１０⁸ Ωｍ以上の絶縁体である。

【００２４】次に、温度を１１００℃に保持し、N₂又は
H₂を２０liter/分、NH₃ を１０liter/分、TMG を０．５
×１０^-4モル／分、Cp₂Mg を４×１０^-8モル／分で１分
間導入して、マグネシウム(Mg)が１×１０²⁰／ｃｍ³ 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７
１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６×１０¹⁷／ｃ
ｍ³ 、３×１０¹⁷／ｃｍ³ 、２×１０¹⁷／ｃｍ³ 、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SiO₂層１１を２０
０ｎｍの厚さに形成し、そのSiO₂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SiO₂
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SiO₂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／
ｃｍ² 、BCl₃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SiO₂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４００ｎ
ｍ、発光強度２０００ｍＣｄであった。従来構造のＬＥ
Ｄ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２×１０¹⁸／ｃｍ³ 、シリコン
(Si)濃度４×１０¹⁸／ｃｍ³ 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５×１０¹⁷／ｃｍ³、シリコン(Si)濃度１×１
０¹⁸／ｃｍ³ のシリコン(Si)ドープGaN から成るｎ層２
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５×１０¹⁸／ｃｍ³ 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１０ｎ
ｍ、ホール濃度２×１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)
濃度５×１０¹⁹／ｃｍ³ 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３×１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウ
ム(Mg)濃度５×１０¹⁹／ｃｍ³ 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６×１０¹⁷／ｃｍ³ 、マグネシウム(Mg)濃度
１×１０²⁰／ｃｍ³ 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２
８が形成されている。

【００３２】発光層２５は、図８に示すように、Al_0.05
Ga_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５×１０¹⁸／ｃｍ³ 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５ｎ
ｍに形成されているので、非高抵抗領域の井戸層２５２
ａ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２
２、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２５
２の厚さも５ｎｍなので、高抵抗領域２６とバリア層２
５１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(B
e)、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(P
b)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、１×１０¹⁷〜１×１０²⁰／ｃｍ³ が望ま
しい。１×１０¹⁷／ｃｍ³ 以下であると、発光中心不足
により発光効率が低下し、１×１０²⁰／ｃｍ³ 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、１×１０¹⁸〜１
×１０¹⁹／ｃｍ³ 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１×１０¹⁶〜１
×１０²⁰／ｃｍ³ が望ましい。電子濃度が１×１０²⁰／
ｃｍ³ 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、１×１０¹⁶
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１×１０¹⁴〜１×１０¹⁸／ｃｍ
³ が望ましい。電子濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³ 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、１×１０¹⁴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１×１０¹⁷
〜１×１０¹⁸／ｃｍ³ が望ましい。ホール濃度が１×１
０¹⁸／ｃｍ³ 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×
１０¹⁷／ｃｍ³ 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１×１０¹⁹
〜５×１０²⁰／ｃｍ³ 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３×１０¹⁷
〜８×１０¹⁷／ｃｍ³ 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１×１０²⁰〜１×１０²¹／ｃｍ³ とする場合が望
ましい。マグネシウム(Mg)が１×１０²⁰〜１×１０²¹／
ｃｍ³ 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１×１０¹⁷〜８×１０¹⁷／ｃｍ³ 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７
００℃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、N₂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 (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発光層を量子細線構造としたことを特徴と
   する３族窒化物半導体発光素子。
2. 【請求項２】発光層を量子箱構造としたことを特徴とす
   る３族窒化物半導体発光素子。
3. 【請求項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、 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を特徴とする請求
   項１に記載の３族窒化物半導体発光素子の製造方法。
4. 【請求項４】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を特徴とする
   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。
5. 【請求項５】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。
6. 【請求項６】請求項４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。
7. 【請求項７】請求項３、４、５又は６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、 前記イオンインプランテーションは窒素に代えてアルミ
   ニウムにて実施することを特徴とする３族窒化物半導体
   を製造する方法。