JP2000049377A

JP2000049377A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2000049377A
Application number: JP21524498A
Authority: JP
Inventors: Yasunari Oku; 保成奥; Hidenori Kamei; 英徳亀井; Hidemi Takeishi; 英見武石; Shuichi Shinagawa; 修一品川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-07-30
Filing date: 1998-07-30
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｉｎ組成が高く、かつ結晶性が良好な活性層
と結晶性の良好なクラッド層とを有する窒化ガリウム系
化合物半導体発光素子の製造方法を提供すること。【解決手段】第１の成長温度でＩｎを含む活性層４を
成長させる工程と、第１のクラッド層５を成長させる工
程と、第１の成長温度よりも高い第２の成長温度でＡｌ
を含む第２のクラッド層６を成長させる工程と、を少な
くとも含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造
方法において、第１のクラッド層５を、活性層４の成長
完了時点からそのまま継続して結晶材料を活性層４の表
面に成長させることにより、活性層４を構成しているＩ
ｎや窒素等の蒸発を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオードや
レーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリ
ウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光
発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料と
して多用されるようになり、青色や緑色の発光ダイオー
ドの分野での実用化や青紫色のレーザダイオードの分野
での展開が進んでいる。

【０００３】この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた
発光素子の製造においては、有機金属気相成長法によっ
て窒化ガリウム系半導体薄膜を成長させるのが近来では
主流である。この有機金属気相成長法は、サファイアや
ＳｉＣまたはＧａＮ等からなる基板を設置した反応管の
中に、３族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス
（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と略称す
る。），トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と
略称する。），トリメチルインジウム（以下、「ＴＭ
Ｉ」と略称する。）等）と、５族元素の原料ガスとして
アンモニアやヒドラジン等を供給し、基板の温度をおよ
そ７００℃〜１１００℃の高温に保持して、基板の上に
ｎ型層と活性層とｐ型層とをそれぞれ成長させてこれら
を積層形成するというものである。そして、ｎ型層の成
長時にはｎ型不純物原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ
₄）やゲルマン（ＧｅＨ₄）等を、ｐ型層の成長時にはビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）等
を３族元素の原料ガスと同時に流しながら成長させる。
この成長形成の後、ｐ型層および活性層の一部の領域を
エッチングにより除去してｎ型層を露出させ、露出した
部分のｎ型層の表面およびｐ型層の表面のそれぞれにｎ
側電極およびｐ側電極を接合形成したものとして発光素
子が得られる。

【０００４】このような製造方法による発光素子は、近
来では、サファイアを用いた基板の上に窒化ガリウム系
化合物半導体の薄膜を積層したダブルヘテロ構造を含む
ものが主流とされている。ダブルヘテロ構造の発光素子
は、サファイアの基板上に、バッファ層と、窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）等からなるｎ型層と、窒化インジウムガリ
ウム（ＩｎＧａＮ）等からなる活性層と、窒化アルミニ
ウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等からなるｐ型クラッド層
と、ＧａＮ等からなるｐ型コンタクト層とを順次積層し
たものである。この窒化ガリウム系化合物半導体を利用
した発光素子の発光波長は、活性層にドープされるＺｎ
やＭｇ等のｐ型不純物またはＳｉやＧｅ等のｎ型不純物
のそれぞれまたは両方の種類やドープ量を変えるか、あ
るいは活性層を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を変える
ことによって変化させることができる。活性層のＩｎ組
成を変えて発光波長を変化させる場合、Ｉｎ組成を高く
していくと、より長波長の波長が得られるようになるこ
とは周知のとおりである。

【０００５】ところで、ＩｎＧａＮ等のＩｎを含む窒化
ガリウム系化合物半導体は、成長時におけるＩｎの蒸気
圧が高いので、Ｉｎが蒸発しやすい。このため、Ｉｎを
含まない他の窒化ガリウム系化合物半導体のように成長
温度を約１０００℃以上に高くすることはできず、通常
では約６５０℃〜８００℃の比較的低い温度で成長させ
るという制約を受ける。一方、活性層の上に成長させる
ＡｌＧａＮ等のＡｌを含むクラッド層は、約９００℃以
下の成長温度では結晶性を良好に保って成長させること
はできないので、約１０００℃以上と高温で成長させる
ことが必要とされている。このようにＩｎを含む活性層
とＡｌＧａＮ等からなるクラッド層との間には成長に適
した温度に差があるので、活性層の成長後にクラッド層
の成長温度まで昇温させる間に、活性層が１０００℃以
上の温度雰囲気に曝されてＩｎ等が蒸発しやすい傾向に
ある。したがって、活性層の結晶性を良好に保つことが
できなくなるという問題があった。

【０００６】このような活性層の上にクラッド層を形成
するときのＩｎの蒸発を防ぐため、たとえば特開平８−
２９３６４３号公報に記載されているように、活性層を
成長した後にその表面に蒸発防止層を成長させ、この蒸
発防止層の上にクラッド層を成長させる方法が提案され
た。この方法によれば、蒸発防止層により、積層構造の
成長中に生じていた活性層のＩｎや窒素等の蒸発を防止
でき、活性層の結晶性を良好に保つことが可能であると
されている。

【０００７】なお、先の公報には、活性層の成長温度と
ほぼ同じ温度、活性層の成長温度よりも低い成長温度、
または活性層の成長温度よりも高くかつクラッド層の成
長温度よりも低い成長温度の３通りの異なる条件で蒸発
防止層を成長させることが開示されている。そして、こ
れらの成長温度を適宜選択することで、好適な蒸発防止
層が得られるとしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先の公
報に記載の蒸発防止層を用いる方法でも、次のような問
題がある。

【０００９】すなわち、蒸発防止層は活性層に接して成
長形成されるため、発光素子として用いられる場合では
この蒸発防止層は実質的にはクラッド層として作用す
る。ところが、蒸発防止層は前述の高温で成長させるＡ
ｌＧａＮ等のクラッド層よりも低い温度で成長させるの
で、クラッド層として十分に機能できるほど良好な結晶
性を得ることは非常に難しい。また、蒸発防止層を活性
層とほぼ同じ成長温度か、それよりも低い成長温度、ま
たはそれより高い成長温度のいずれかの成長温度で成長
させても、活性層を成長した後に蒸発防止層を成長させ
るまでの間に活性層のＩｎや窒素等が蒸発してしまうこ
とに変わりはなく、蒸発防止層によって確実に蒸発が抑
えられるとは限らない。

【００１０】このような結晶性の不良や蒸発の抑制の不
十分さは、特に青緑色や緑色等の発光色を得るためにＩ
ｎＧａＮからなる活性層のＩｎ組成を高くしようとする
場合に特に顕著である。したがって、結晶性が良好でし
かもＩｎ組成の高い活性層を得ることは依然として困難
であるという問題があった。

【００１１】本発明において解決すべき課題は、Ｉｎ組
成が高く、かつ結晶性が良好な活性層と結晶性の良好な
クラッド層とを有する窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子の製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ｉｎを含
む活性層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
において、活性層の結晶性を良好に保てるようにするた
め、この活性層に接して成長させるクラッド層について
鋭意検討した。その結果、活性層を成長させた後に連続
してクラッド層を成長させることで、活性層のＩｎ組成
を高く保つとともに、結晶性をも良好に保持できること
を見いだした。さらに、クラッド層の膜厚や成長速度及
び原料供給量等の成長条件を特定の範囲とすることによ
り、クラッド層の結晶性を良好に保てることを見いだし
た。

【００１３】すなわち、本発明は、第１の成長温度でＩ
ｎを含む活性層を成長させる工程と、前記活性層の表面
に第１のクラッド層を成長させる工程と、前記第１の成
長温度よりも高い第２の成長温度でＡｌを含む第２のク
ラッド層を成長させる工程と、を少なくとも含む窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、前
記第１のクラッド層を、前記活性層の成長完了時点から
そのまま継続して前記第１のクラッド層の結晶材料の成
長により形成することを特徴とする。

【００１４】このような構成によれば、Ｉｎ組成の高い
活性層を用いる場合でも、このＩｎ組成を高く保つとと
もに結晶性をも良好に保持することができ、同時に結晶
性の良好なクラッド層を成長させることが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の発明は、第１の
成長温度でＩｎを含む活性層を成長させる工程と、前記
活性層の表面に第１のクラッド層を成長させる工程と、
前記第１の成長温度よりも高い第２の成長温度でＡｌを
含む第２のクラッド層を成長させる工程と、を少なくと
も含む窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法
において、前記第１のクラッド層を、前記活性層の成長
完了時点からそのまま継続して前記第１のクラッド層の
結晶材料の成長により形成することを特徴とするもので
あり、Ｉｎを含む活性層の成長に連続して中断なくクラ
ッド層が成長されるので、活性層を構成するＩｎや窒素
等の蒸発が抑制されてＩｎ組成を高く保持することがで
きるという作用を有する。

【００１６】請求項２に記載の発明は、前記第１のクラ
ッド層を、前記第１の成長温度から前記第２の成長温度
までの範囲内で温度上昇させながら成長させることを特
徴とする請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子の製造方法であり、クラッド層の成長をより高温
で行うことができ、活性層のＩｎの蒸発を抑制する機能
を有するクラッド層を結晶性良く成長させることができ
るという作用を有する。

【００１７】請求項３に記載の発明は、前記第２の成長
温度に到達する前に、前記第１のクラッド層の層厚を３
０ｎｍ以上まで成長させることを特徴とする請求項２記
載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法で
あり、活性層を構成するＩｎ等の蒸発をより効果的に防
止することができるという作用を有する。

【００１８】請求項４に記載の発明は、前記第１のクラ
ッド層の成長速度を０．４ｎｍ／分〜４ｎｍ／分の範囲
に調整して成長させることを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子の製造方法であり、活性層を構成するＩｎ等の蒸発を
効果的に防止することができるとともに、クラッド層を
結晶性良く成長することができるという作用を有する。

【００１９】請求項５に記載の発明は、前記第１のクラ
ッド層の成長時の３族元素の供給量に対する５族元素の
供給量の比を２００００以上、５０００００以下とする
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であり、
活性層を構成する窒素等の蒸発をより効果的に防止する
ことができるとともに、クラッド層を結晶性良く成長す
ることができるという作用を有する。

【００２０】請求項６に記載の発明は、前記活性層はＩ
ｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、０．５≦ｘ≦１．０）である
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であり、
青緑色や緑色等のより長波長の発光が可能な活性層を得
ることができるという作用を有する。

【００２１】請求項７に記載の発明は、前記第１のクラ
ッド層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１か
ら６のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発
光素子の製造方法であり、活性層を構成するＩｎや窒素
等の蒸発を抑制することができ、結晶性を良好に保ちな
がら成長させることができるという作用を有する。

【００２２】以下に、本発明の実施の形態の具体例を、
図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の一実施
の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構
造を示す断面図を示す。

【００２３】図１において、発光素子は、サファイアか
らなる基板１の上に、バッファ層２と、ＧａＮからなる
ｎ型クラッド層３と、ＩｎＧａＮからなる活性層４と、
ＧａＮからなる第１のクラッド層５と、ＡｌＧａＮから
なる第２のクラッド層６と、ＧａＮからなるｐ型コンタ
クト層７とが順に積層され、ｎ型クラッド層３およびｐ
型コンタクト層７のそれぞれの表面にｎ側電極８および
ｐ側電極９を形成している。

【００２４】図２から図４は、図１に示した窒化ガリウ
ム系化合物半導体素子の製造工程を示す図であり、図５
は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子の製造方法に係る成長温度プロファイルお
よび原料供給プロファイルを示す図である。

【００２５】図１の窒化ガリウム系化合物半導体発光素
子は、有機金属気相成長法を用いて、以下に示す工程に
より形成される。

【００２６】まず、反応管の中に十分に洗浄したサファ
イアの基板１を装入し、反応管内に水素ガスを流しなが
ら基板１を約１１００℃で１０分間加熱して、基板１の
表面をクリーニングする。

【００２７】次に、基板１の温度を６００℃まで降下さ
せ、この温度下で３族元素の原料ガスとしてＴＭＡ及び
５族元素の原料ガスとしてアンモニアをそれぞれ流して
ＡｌＮのバッファ層２を基板１の上に成長させる。

【００２８】なお、基板１としては、サファイアのほか
にＳｉＣ、ＧａＮ、スピネル等としてもよい。また、バ
ッファ層２としては、ＡｌＮのほかにＧａＮ、ＡｌＧａ
Ｎ、ＡｌＩｎＮ等を用いてもよく、これらの場合には３
族原料ガスを適宜選択して流して成長させればよい。

【００２９】バッファ層２の成長後、基板１の温度を１
０５０℃まで上昇させ、この温度下で３族元素の原料ガ
スとしてＴＭＧ、５族元素原料ガスとしてアンモニア及
びｎ型不純物原料ガスとしてＳｉＨ₄をそれぞれ流して
ｎ型ＧａＮのｎ型クラッド層３を成長させる。このとき
の積層状態を図２に示す。ここでは、ｎ型クラッド層３
をｎ型ＧａＮからなる単一の層としたが、ｎ型ＧａＮか
らなる層とｎ型ＡｌＧａＮからなる層との二重の層、ま
たはｎ型ＧａＮからなる層とｎ型ＡｌＧａＮからなる層
とｎ型ＧａＮからなる層との三重の層としてもよい。

【００３０】ｎ型クラッド層３を成長させた後、ＴＭＧ
とＳｉＨ₄とを止め、基板１の温度を７５０℃まで降下
させ、この温度下で主キャリアガスとして窒素を用い、
３族元素の原料ガスとしてＴＭＧとＴＭＩ及び５族元素
の原料ガスとしてアンモニアをそれぞれ流して、ＩｎＧ
ａＮからなる活性層４を成長させる。そして、活性層４
を成長させた後、ＴＭＩを止めてＴＭＧとアンモニアと
を流すとともに、基板１の温度を次の工程で成長させよ
うとする第２のクラッド層６の成長温度に向けて上昇さ
せながら、第１のクラッド層５を成長させる。このとき
の積層状態を図３に示す。

【００３１】ここで、ＩｎＧａＮのようにＩｎを含む活
性層を成長させた後、活性層の上に蒸発防止層を成長さ
せることでＩｎの蒸発が抑えられるのは、従来の技術の
項で述べたとおりである。そして、活性層を成長させた
後に蒸発防止層を成長させるまでの間に活性層の構成元
素であるＩｎ等が蒸発しやすいので、このため活性層を
結晶性良く成長させることが依然として困難であるとい
うのが従来の構成であった。

【００３２】これに対し、本発明においては、図５の成
長プロファイルおよび原料供給プロファイルに示すよう
に、ＴＭＧと、ＴＭＩと、図示しないアンモニアとを流
しながらＩｎＧａＮからなる活性層４を成長させた後、
ＴＭＩのみを止め、成長を中断させることなく連続して
第１のクラッド層５を成長させるようにしている。この
ように、活性層４の成長後に連続して第１のクラッド層
５を成長させることにより、Ｉｎ組成の大きい活性層４
を成長させた場合でも、活性層４からのＩｎや窒素等の
蒸発が抑制され、結晶性の良好な活性層４を成長させる
ことが可能となる。

【００３３】さらに、本発明においては、活性層４の上
に成長させる第１のクラッド層５を、活性層４を成長さ
せた後に温度を上昇させながら成長させるので、活性層
４の成長温度に近い比較的低い成長温度で成長させる部
分の割合を小さくしつつ、より高い温度での成長を可能
とすることができる。すなわち、第１のクラッド層５の
うち、活性層４に接して、より低温で成長される結晶性
の比較的悪い部分の割合を小さくし、かつより高い温度
で成長させる部分の割合を大きくすることで、第１のク
ラッド層５の結晶性を良好に保持できる。これによっ
て、活性層４の構成元素であるＩｎ等の蒸発防止の効果
を保持しつつ、活性層４とともにダブルヘテロ構造を構
成するクラッド層としての効果を兼ね備えた層を成長さ
せることができる。

【００３４】ここでは、活性層４としてＩｎＧａＮから
なる単一の層を用いたが、ＩｎＧａＮからなる井戸層と
ＩｎＧａＮからなる障壁層、またはＩｎＧａＮからなる
井戸層とＧａＮからなる障壁層とを交互に積層させた多
重量子井戸構造からなる活性層とする場合でも、本実施
の形態と同様の効果が得られる。

【００３５】なお、活性層４の成長に連続して第１のク
ラッド層５を成長させるということは、活性層４を成長
させた後に基板１の表面への３族元素および５族元素の
供給が連続してなされていて成長が継続しているという
ことと同義である。例えば、原料ガスの流量変更や原料
ガスの種類の切り替え等により一時的に（例えば、数秒
間）反応管への原料ガスの供給が停止されても、活性層
４上での成長が継続していれば実質的に本発明の思想の
範囲内である。

【００３６】第１のクラッド層５の成長後、基板１の温
度が第２のクラッド層６の成長温度である１０５０℃に
まで到達したら、３族元素の原料ガスとしてＴＭＧとＴ
ＭＡ、５族元素原料ガスとしてアンモニア、ｐ型不純物
の原料ガスとしてＣｐ₂Ｍｇを流してＡｌＧａＮからな
る第２のクラッド層６を成長させる。この後、引き続き
３族元素の原料ガスとしてＴＭＧ、５族元素原料ガスと
してアンモニア、ｐ型不純物の原料ガスとしてＣｐ₂Ｍ
ｇを流してＧａＮからなるｐ型コンタクト層７を成長さ
せる。このときの積層構造を図４に示す。

【００３７】ｐ型コンタクト層７の成長後、基板１の温
度を室温程度まで降下させて、反応管からウェハーを取
り出す。そして、フォトリソグラフィと蒸着法等を用い
てｎ型クラッド層３およびｐ型コンタクト層７に接続さ
せるｎ側電極８およびｐ側電極９をそれぞれ接合形成さ
せる。この後、ウェハーをスクライブ等によりチップ状
に分離する工程を経て、図１に示した断面構造を持つ発
光素子が得られる。

【００３８】本発明者らの知見によれば、第１のクラッ
ド層５は、成長温度が第２のクラッド層６の成長温度に
到達する前に、その膜厚を少なくとも３０ｎｍ以上に成
長させることが望ましい。その理由は、第１のクラッド
層５は活性層４の構成元素であるＩｎ等の蒸発を防止す
る機能を持つものの、活性層４よりも高い温度で成長さ
せる第２のクラッド層６の成長温度に到達する前に十分
な厚さの膜厚で成長させなければ、Ｉｎ等の蒸発防止効
果が損なわれてしまうからである。

【００３９】さらに、第１のクラッド層５は、その成長
速度を０．４ｎｍ／分〜４ｎｍ／分に調整して成長させ
ることが望ましい。すなわち、第１のクラッド層５の成
長速度が０．４ｎｍ／分よりも小さいとＩｎ等の蒸発防
止効果が低くなり、緑色等のより長波長側の発光の活性
層４を得ることが困難となる。また、第１のクラッド層
５の成長速度が４ｎｍ／分よりも大きいと、第１のクラ
ッド層５のうち低温で成長される部分の割合が大きくな
るため、第１のクラッド層５の結晶性が悪くなる。した
がって、活性層４との界面および第１のクラッド層５自
身の結晶性を良好に保持することができなくなる。

【００４０】図６は第１のクラッド層５の成長速度を変
えて成長させた発光素子の発光スペクトルを示すもので
ある。

【００４１】図６に示すように、第１のクラッド層５の
成長速度を１ｎｍ／分として成長させた場合では、ピー
ク発光波長が５２５ｎｍの緑色の発光が得られるのに対
し、第１のクラッド層５の成長速度を５ｎｍ／分として
成長させた場合では、ピーク発光波長は５３８ｎｍであ
る。すなわち、長波長化したものの、発光強度が１ｎｍ
／分で成長させたときの約３０％程度に低下しており、
スペクトル幅も広くなる傾向にある。一方、第１のクラ
ッド層５の成長速度を０．３ｎｍ／分で成長させた場合
では、発光強度については１ｎｍ／分で成長させたとき
とほぼ同等であるが、ピーク発光波長は４８５ｎｍであ
り青色の発光となる。

【００４２】また、第１のクラッド層５の成長時の３族
元素の供給量に対する５族元素の供給量の比、すなわち
Ｖ／ＩＩＩ比を、２００００以上、５０００００以下と
することが好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比が２００００よりも
小さい場合、３族元素の供給量に対して５族元素の供給
量が小さくなり、活性層４の構成元素のうちで特に窒素
の蒸発の防止効果が劣化してしまう。一方、Ｖ／ＩＩＩ
比が５０００００よりも大きくなると、活性層４の構成
元素のＩｎの蒸発の防止効果が低下する。これは、成長
中にアンモニアが分解して生成された水素が過剰とな
り、活性層４のＩｎの蒸発を促進するためと考えられ
る。すなわち、従来から知られているように、水素雰囲
気中でＩｎＧａＮを成長させるとＩｎが容易に蒸発して
しまい、安定成長が困難であることからも明らかであ
る。このように第１のクラッド層５の成長時のＶ／ＩＩ
Ｉ比を特定することで、活性層４のＩｎ等の蒸発を防止
する効果を良好に保持できるので、その上に成長される
第１のクラッド層５をも結晶性良く成長させることがで
きる。

【００４３】上述した本発明の窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子の製造方法は、活性層４をＩｎｘＧａ１
−ｘＮ（但し、０．５≦ｘ≦１．０）としたときに、
特に顕著な効果が得られる。すなわち、従来の技術の製
造方法による場合、活性層４の結晶性を良好に保ったま
まＩｎ組成を高くしようとしても、Ｉｎ組成はｘ＝０．
４程度とすることしかできなかった。これは、活性層４
を成長させた後にＩｎ等が蒸発してしまうことに原因が
あり、青色発光の発光波長を得ることはできても、長波
長化は困難である。これに対し、本発明では、同じ成長
条件による活性層４を成長させた場合でも、この成長の
後に連続して第１のクラッド層５を結晶性良く成長させ
ることができるので、成長直後のＩｎ等の蒸発を効果的
に抑えることができる。したがって、活性層４のＩｎ組
成を従来では困難とされていたｘ＝０．５以上とするこ
とができるようになり、青緑色や緑色等のより長波長側
の発光波長でも高輝度な発光が得られるようになる。

【００４４】また、第１のクラッド層５は、二元化合物
のＧａＮとすることが好ましい。すなわち、第１のクラ
ッド層５は、活性層４に接していて活性層４の成長に連
続して形成されるため、ＩｎＧａＮ等のＩｎを含む３元
化合物で構成される場合、成長中に第１のクラッド層５
自体の構成元素であるＩｎ等が蒸発してしまい、結晶性
を良好に保ったまま成長させることはできない。また、
ＡｌＧａＮ等のＡｌを含む３元化合物またはＡｌＧａＩ
ｎＮ等の４元化合物で構成される場合、Ａｌを含む層
は、活性層４のように蒸発しやすいＩｎを含む層の成長
温度で成長させると、結晶性の良好な層を成長させるこ
とはできない。

【００４５】なお、本実施の形態の説明においては、窒
化ガリウム系化合物半導体の成長方法として有機金属気
相成長法を用いたが、これに代えてＭＢＥ（分子線エピ
タキシー）法やＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシ
ー）法を用いることもできる。このように窒化ガリウム
系化合物半導体の成長方法として様々な手法を用いる場
合でも、本発明の技術思想の範囲内で使用材料や成長条
件等の変更を加えることで対応できる。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の製造方法の具体例について図１を参照しなが
ら説明する。以下の実施例は、有機金属気相成長法を用
いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すもの
である。

【００４７】まず、表面を鏡面に仕上げられたサファイ
アの基板１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基
板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガス
を流しながら基板１を加熱することにより、基板１の表
面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くため
のクリーニングを行う。

【００４８】次に、基板１の表面温度を６００℃にまで
降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リッ
トル／分、アンモニアを５リットル／分、ＴＭＡを含む
ＴＭＡ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら、
ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さで成長さ
せる。

【００４９】次に、ＴＭＡのキャリアガスのみを止めて
１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、
窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リット
ル／分で流しながら、新たにＴＭＧを含むＴＭＧ用のキ
ャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳ
ｉＨ₄（モノシラン）ガスを１０ｃｃ／分で流しながら
６０分間成長させる。そして、ＳｉをドープしたＧａＮ
からなるｎ型クラッド層３を２μｍの厚さで成長させて
ｎ型クラッド層３を成長形成後、ＴＭＧ用のキャリアガ
スとＳｉＨ₄ガスを止め、基板１の表面温度を７５０℃
まで降下させる。その後、新たに主キャリアガスとして
窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガス
を２ｃｃ／分、ＴＭＩ用のキャリアガスを１００ｃｃ／
分で流しながら２０秒間成長させて、アンドープのＩｎ
ＧａＮからなる活性層４を２ｎｍの厚さで成長させる。
この活性層４のＩｎ組成はｘ＝０．５５であった。

【００５０】活性層４の成長後、ＴＭＩ用のキャリアガ
スのみを止め、主キャリアガスとアンモニアとをそのま
まの流量で流し、ＴＭＧ用のキャリアガスを０．５ｃｃ
／分で流すとともに、基板１の表面温度を１０５０℃に
向けて上昇させながら、活性層４の成長に連続してＧａ
Ｎからなる第１のクラッド層５を成長させる。このとき
の第１のクラッド層５の成長速度は１ｎｍ／分、Ｖ／Ｉ
ＩＩ比は１０００００である。そして、第１のクラッド
層５の膜厚が４０ｎｍに達したら、ＴＭＧ用のキャリア
ガスを止め、そのまま基板１の温度を１０５０℃まで上
昇させる。

【００５１】基板１の温度が１０５０℃に達したら、新
たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、
水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリア
ガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／
分、Ｍｇ源であるＣｐ₂Ｍｇ用のキャリアガスを５０ｃ
ｃ／分で流しながら４分間成長させて、Ｍｇをドープし
たｐ型のＡｌＧａＮからなる第２のクラッド層６を０．
１μｍの厚さで成長させる。

【００５２】引き続き、ＴＭＡ用のキャリアガスのみを
止め、１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒
素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル
／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ₂
Ｍｇ用のキャリアガスを１００ｃｃ／分で流しながら３
分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コ
ンタクト層７を０．１μｍの厚さで成長させる。

【００５３】ｐ型コンタクト層７の成長後、原料ガスで
あるＴＭＧ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素
ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで
冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。

【００５４】このようにして形成した窒化ガリウム系化
合物半導体からなる量子井戸構造を含む積層構造に対し
て、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を堆積させ
た後、フォトリソグラフィにより所定の形状にパターン
ニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、
反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層７
とｐ型クラッド層すなわち第１及び第２のクラッド層
５，６と活性層４の一部を約０．２５μｍの深さで除去
して、ｎ型クラッド層３の一部の表面を露出させる。そ
して、フォトリソグラフィーと蒸着法により露出させた
ｎ型クラッド層２の表面上にＡｌからなるｎ側電極８を
蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ型コンタクト層７
の表面上にＮｉとＡｕとからなるｐ側電極７を蒸着形成
する。

【００５５】この後、サファイアの基板１の裏面を研磨
して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチ
ップ状に分離する。このチップを電極形成面側を上向き
にしてステムに接着した後、チップのｎ側電極８とｐ側
電極９をそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、そ
の後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この
発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したとこ
ろ、ピーク発光波長５２５ｎｍの緑色で発光した。

【００５６】これに対し、比較例として、第１のクラッ
ド層５を成長させる工程において、活性層４の成長温度
よりも５０℃高い８００℃において第１のクラッド層５
を成長させた後、ＴＭＧ用のキャリアガスを止め、１０
５０℃まで基板１の温度を上昇させる以外は、上記実施
例と同様にして発光ダイオードを作製した。この発光ダ
イオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、実
施例と同様の条件で活性層を成長したにもかかわらず、
実施例よりも短波長であるピーク発光波長４２２ｎｍの
紫色で発光した。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、Ｉｎを含む活性層に連
続して第１のクラッド層を成長させるため、活性層を構
成するＩｎや窒素等の蒸発を防止するとともに活性層を
結晶性良く成長させることが可能となり、青緑色や緑色
等のより長波長の発光が得られるＩｎ組成の活性層でも
高輝度な発光が可能となる。このため、発光素子の発光
出力を大幅に向上させることができるという有利な効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化
合物半導体発光素子の構造を示す断面図

【図２】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体素子の
製造工程を示す図

【図３】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体素子の
製造工程を示す図

【図４】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体素子の
製造工程を示す図

【図５】図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体素子の
成長温度プロファイルおよび原料供給プロファイルを示
す図

【図６】第１のクラッド層の成長速度を変えて成長させ
た発光素子の発光スペクトルを示す図

【符号の説明】

１基板２バッファ層３ｎ型クラッド層４活性層５第１のクラッド層６第２のクラッド層７ｐ型コンタクト層８ｎ側電極９ｐ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者武石英見大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者品川修一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA40 CA34 CA40 CA64 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AC01 AC08 AC12 AC19 AD10 AD11 AD14 AF09 BB12 CA10 CA12 DA53 DA55 EB15 EE12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の成長温度でＩｎを含む活性層を成長
させる工程と、前記活性層の表面に第１のクラッド層を
成長させる工程と、前記第１の成長温度よりも高い第２
の成長温度でＡｌを含む第２のクラッド層を成長させる
工程と、を少なくとも含む窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の製造方法において、前記第１のクラッド層
を、前記活性層の成長完了時点からそのまま継続して前
記第１のクラッド層の結晶材料の成長により形成するこ
とを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の
製造方法。
【請求項２】前記第１のクラッド層を、前記第１の成長
温度から前記第２の成長温度までの範囲内で温度上昇さ
せながら成長させることを特徴とする請求項１記載の窒
化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】前記第２の成長温度に到達する前に、前記
第１のクラッド層の層厚を３０ｎｍ以上まで成長させる
ことを特徴とする請求項２記載の窒化ガリウム系化合物
半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】前記第１のクラッド層の成長速度を０．４
ｎｍ／分〜４ｎｍ／分の範囲に調整して成長させること
を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ガ
リウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】前記第１のクラッド層の成長時の３族元素
の供給量に対する５族元素の供給量の比を２００００以
上、５０００００以下とすることを特徴とする請求項１
から４のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の製造方法。
【請求項６】前記活性層はＩｎｘＧａ１−ｘＮ（但し、
０．５≦ｘ≦１．０）であることを特徴とする請求項１
から５のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体
発光素子の製造方法。
【請求項７】前記第１のクラッド層はＧａＮからなるこ
とを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の窒化
ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。