JP2004356522A

JP2004356522A - ３−５族化合物半導体、その製造方法及びその用途

Info

Publication number: JP2004356522A
Application number: JP2003154745A
Authority: JP
Inventors: Seiya Shimizu; 誠也清水; Makoto Sasaki; 誠佐々木; Yoshihiko Tsuchida; 良彦土田
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-16
Also published as: WO2004107460A1; DE112004000936T5; GB2419466B; KR101125408B1; KR20060015609A; GB0525436D0; CN1788358A; TWI360163B; US7754515B2; US20060243960A1; GB2419466A; CN1788358B; TW200428496A

Abstract

【課題】高輝度の発光素子となり得る３−５族化合物半導体を提供する。
【解決手段】〔１〕一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体であって、該障壁層と該量子井戸層とが、これを繰返し複数回有する多重量子井戸構造を形成した場合における、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該多重量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下となるように形成されてなることを特徴とする３−５族化合物半導体。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外、青色もしくは緑色の発光ダイオードまたは紫外、青色もしくは緑色のレーザダイオード等の発光素子の材料として、一般式Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_ｃＮ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表される３−５族化合物半導体が知られている。以下、この一般式中のａ、ｂおよびｃをそれぞれＩｎＮ混晶比、ＧａＮ混晶比およびＡｌＮ混晶比と称することがある。該３−５族化合物半導体において、特にＩｎＮを混晶比で５％以上含むものは、ＩｎＮ混晶比に応じて可視領域での発光波長を調整できるため、表示用途に特に重要である。
【０００３】
該３−５族化合物半導体はサファイア、ＧａＡｓ、ＺｎＯなどの種々の基板上に成膜することが試みられているが、格子定数や化学的性質が該化合物半導体と大きく異なるため、充分な高品質の結晶が得られていない。このため、該化合物半導体と格子定数、化学的性質がよく似ているＧａＮの結晶をまず成長し、この上に該化合物半導体を成長することで優れた結晶を得ることが試みられている（特許文献１）。
また、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_ｃＮ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）で表される半導体を量子井戸構造にすることにより、高効率の発光素子が実現できることが報告されている（特許文献２）が、輝度の点で必ずしも充分満足し得るものではない。
【０００４】
一方、ＳｉがドープされたＧａＮの上に、６６０〜７８０℃下で、ＩｎＧａＮ層を成長させ、５〜１０秒の成長中断後、ＧａＮを成長させ、この条件でＩｎＧａＮ層の成長とＧａＮの成長を繰り返すことにより多重量子井戸構造を形成し、ついで１０４０℃でｐ−ＧａＮ層を成長することにより、半導体を製造する方法も知られているが、ｐ−ＧａＮ層を成長する際に、ＩｎＧａＮ層が破壊され、Ｉｎ金属、あるいはＩｎＮ結晶が析出してしまい、これにより輝度が著しく低下してしまうことも知られている（非特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献２】
特許第３０６４８９１号公報
【非特許文献１】
ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース２４８、４９８（２００３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高輝度の発光素子となり得る３−５族化合物半導体、その製造方法及びその用途を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このような状況下に鋭意検討した結果、多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下であるという特定の平均ＩｎＮ混晶比を有する化合物半導体が、高輝度の発光素子となり得ることを見出すとともに、量子井戸層の成長終了後から次の障壁層成長開始までの成長中断を、量子井戸層の成長温度で１０分を超えた時間行うまたは量子井戸層の成長温度より高い温度という特定の条件下で行うことにより、高輝度の発光素子となり得る化合物半導体を製造し得ることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、〔１〕一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を少なくとも２つ含む多重量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体であって、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下であることを特徴とする３−５族化合物半導体を提供するものである。
【０００９】
また、本発明は、〔２〕一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる単一量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体であって、該障壁層と該量子井戸層とが、これを繰返し複数回有する多重量子井戸構造を形成した場合において、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該多重量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下となるように形成されてなることを特徴とする３−５族化合物半導体を提供するものである。
【００１０】
また、本発明は、〔３〕一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体を製造するに当り、量子井戸層の成長終了後から障壁層成長開始までの成長中断を、量子井戸の成長温度で１０分を超えた時間行うまたは量子井戸の成長温度以上の温度で行うことを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法、および〔４〕成長中断を、３族原料の供給停止下に実施することを特徴とする上記〔３〕の３−５族化合物半導体の製造方法を提供するものである。
【００１１】
また、本発明は、〔５〕上記〔１〕〜〔２〕の３−５族化合物半導体を又は〔３〕〜〔４〕の製造方法によって得られた３−５族化合物半導体を用いてなることを特徴とする３−５族化合物半導体発光素子を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を詳細に説明する。
本発明における３−５族化合物半導体は、一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を有するものである。
該量子井戸層は、その膜厚が通常５〜９０Åである。好ましくは、１０〜７０Å、より好ましくは１５〜６０Åである。
また該量子井戸層は、不純物がドープされていてもされていなくても良く、ドープされている場合は、その濃度が高すぎると結晶性を低下させることがあるので、通常１０^２１ｃｍ^３以下である。
【００１３】
また該障壁層としては、Ｉｎ_ａＧａ_ｂＡｌ_ｃＮ（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表される３−５族化合物半導体が通常用いられる。この層には、不純物がドープされていてもされていなくともよい。不純物としては、例えばＳｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｏなどの元素が挙げられる。これら複数の元素の元素がドープされていてもよい。不純物がドープされている場合、その量は、通常１０^１６ｃｍ^３〜１０^２１ｃｍ^３程度である。量子井戸層を挟む２つの障壁層は同一であっても異なっていても良い。
障壁層の膜厚は、通常３０〜１０００Åであり、好ましくは５０〜５００Å、より好ましくは１００〜３００Åである。
【００１４】
上記のような量子井戸層と、上記のような障壁層とから、量子井戸構造が構成されるが、本発明においては、量子井戸構造を少なくとも２つ含む多重量子井戸構造を有することが好ましい。もちろん単一の量子井戸構造を有していても良い。
また多重量子井戸構造を有する場合は、複数の量子井戸層は同一であっても異なっていても良いし、複数の障壁層も同一であっても異なっていても良いが、同一の量子井戸層と同一の障壁層とが交互に繰返された構造を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の３−５族化合物半導体は、上記のような量子井戸構造を有するものであるが、多重量子井戸構造を有する場合は、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下であることを特徴とし、また単一量子井戸構造を有する場合は、該障壁層と該量子井戸層とが、これを繰返し複数回有する多重量子井戸構造を形成した場合における、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該多重量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下となるように形成されてなることを特徴とする。
多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比は、該３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４０％以下であることが好ましく、３５％以下であることがさらに好ましい。最も好ましくは３０％以下である。
【００１６】
ここで、ＩｎＮ混晶比の測定は、Ｘ線回折により行なう。例えば、多重量子井戸構造の超格子の衛星反射から測定されるＩｎＮ混晶比を、量子井戸層と障壁層の平均的なＩｎＮ混晶比とし、量子井戸層と障壁層の膜厚の割合から、量子層のＩｎＮ混晶比を算出する方法が挙げられる。
【００１７】
また電荷注入による発光波長から、量子井戸層におけるＩｎＮ混晶比の算出は、以下の方法で行なう。
一般に発光デバイスに用いられる半導体の発光波長λ（ｎｍ）は、該半導体のバンドギャップエネルギーをＥｇ（ｅＶ）とすると、
λ＝１２４０／Ｅｇ（１）
で表すことができる。
一方、化合物半導体の場合のバンドギャップエネルギーはその混晶比から算出することが可能である。例えば、ＩｎＮとＧａＮの混晶であるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの場合においては、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップエネルギーは３．４２ｅＶであるので、該化合物半導体のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は、
Ｅｇ＝０．８ｘ＋３．４２（１−ｘ）（２）
で表すことができる。従って、該化合物半導体のＩｎＮ混晶比ｘは、（１）と（２）より、
ｘ＝（３．４２−（１２４０／λ））／（３．４２−０．８）
と算出することができる。発光波長が４７０ｎｍの場合は、ｘ＝０．２９８となる。
【００１８】
上記のＩｎＮ混晶比を有する量子井戸構造は、熱処理することにより製造し得る。量子井戸層は、通常６５０〜８５０℃で、障壁層は、通常６５０〜１０００℃で成長するが、例えばこの量子井戸層の成長終了後から次の障壁層成長開始までの成長中断を、量子井戸層の成長温度で１０分を超えた時間行うまたは量子井戸層の成長温度より高い温度で行うことにより製造し得る。
該中断を量子井戸層の成長温度で行う場合、その中断時間は、好ましくは１２分以上、更に好ましくは１５分以上であり、上限は特に無いが通常６０分程度までである。
【００１９】
また該中断を量子井戸層成長温度より高い温度で行う場合は、量子井戸層の成長温度より１０℃程度以上高いことが好ましい。より好ましくは３０℃以上、最も好ましくは５０℃以上高いことが好ましい。上限は特に無いが、量子井戸層成長温度より、通常１００℃程度高い温度以下で実施される。その中断時間は、温度にもよるが、通常１分以上、好ましくは３分以上、より好ましくは５分以上、最も好ましくは７分以上であり、上限は特に無いが通常６０分程度である。かかる中断時間は、量子井戸層成長後の障壁層成長までの昇温時間であることが好ましい。
また成長中断時において、３族原料の供給は停止される。５族原料、キャリアガスは供給してもしなくても良いいが、５族原料は供給することが好ましく、この供給により量子井戸層における窒素の減少を防止し得る。
【００２０】
上記のような熱処理により、多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比を低減せしめることができ、上記のような特定のＩｎＮ混晶比を有する量子井戸構造を製造し得る。
該中断の条件以外は、公知の条件に準拠して、本発明の３−５族化合物半導体を製造し得る。
【００２１】
次に、本発明の３−５族化合物半導体を用いた素子の構造の１例を図１に示す。図１に示す例は、ｎ型ＧａＮ層１の上に、ノンドープのＧａＮ層２が積層され、さらに障壁層としてのＧａＮ層３と量子井戸層としてのＩｎＧａＮ層４が交互に５層積層された層とこの上に障壁層としてのＧａＮ層５（第１キャップ層）とからなる量子井戸構造と、ＭｇドープＡｌＧａＮ層７（第２キャップ層）、ｐ型ＧａＮ層７とをこの順に積層したものである。ｎ型ＧａＮ層１にｎ電極９、ｐ型ＧａＮ層７にｐ電極８を設け、順方向に電圧を加えることにより、電流が注入され量子井戸層から発光が得られる。
【００２２】
上記のような３−５族化合物半導体の製造方法としては、分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと記すことがある。）法、有機金属気相成長（以下、ＭＯＶＰＥと記すことがある。）法、ハイドライド気相成長（以下、ＨＶＰＥと記すことがある。）法などが挙げられる。これらの方法のなかでは、ＭＯＶＰＥ法が、大面積にわたり、均一な結晶成長が可能なため重要である。
【００２３】
またＭＯＶＰＥ法においては、以下のような原料を用いることができる。
３族原料としては、例えばトリメチルガリウム［（ＣＨ_３）_３Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある。］、トリエチルガリウム［（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｇａ、以下ＴＥＧと記すことがある。］等の一般式Ｒ_１Ｒ_２Ｒ_３Ｇａ（ここで、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルガリウム；トリメチルアルミニウム［（ＣＨ_３）_３Ａｌ、以下ＴＭＡと記すことがある］、トリエチルアルミニウム［（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがある。］、トリイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ_４Ｈ_９）_３Ａｌ］等の一般式Ｒ_１Ｒ_２Ｒ_３Ａｌ（ここで、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルアルミニウム；トリメチルアミンアラン［（ＣＨ_３）_３Ｎ：ＡｌＨ_３］；トリメチルインジウム［（ＣＨ_３）_３Ｉｎ、以下「ＴＭＩ」と記すことがある。］、トリエチルインジウム［（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｉｎ］等の一般式Ｒ_１Ｒ_２Ｒ_３Ｉｎ（ここで、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルインジウム、ジエチルインジウムクロライド［（Ｃ_２Ｈ_５）_２ＩｎＣｌ］などのトリアルキルインジウムから１ないし３つのアルキル基をハロゲン原子に交換したもの、インジウムクロライド［ＩｎＣｌ］など一般式ＩｎＸ（Ｘはハロゲン原子）で表わされるハロゲン化インジウム等が挙げられる。これらは、単独でまたは混合して用いられる。
【００２４】
次に、５族原料としては、例えばアンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、１，１−ジメチルヒドラジン、１，２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独でまたは混合して用いられる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは、分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
【００２５】
該３−５族化合物半導体を成長する基板としては、サファイア、ＺｎＯ、ＺｒＢ_２などの金属硼化物、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮを単独、あるいは複数の基板を積層して用いる事が可能である。
【００２６】
また化合物半導体のｐ型層としては、一般式Ｉｎ_ｇＧａ_ｈＡｌ_ｉＮ（ｇ＋ｈ＋ｉ＝１、０≦ｇ≦１、０≦ｈ≦１、０≦ｉ≦１）で表されれる３−５族化合物半導体にｐ型ドーパントをドープして形成する。ｐ型ドーパントとしてＭｇ、Ｚｎ、Ｃａなどの金属が用いられる。ｐ型ドーパントは有機金属の形で供給されるのが望ましい。
特に、ｐ型層にＩｎを含む一般式ｐ型Ｉｎ_ｊＧａ_ｋＮ（ｊ＋ｋ＝１、０＜ｊ≦１、０≦ｋ＜１）で表される３−５族半導体、は比較的低温例えば、６５０〜９５０℃で結晶成長可能であり、量子井戸構造の熱劣化を抑制することが容易である。
ｐ型層を成長した後、電極形成の前あるいは電極形成後に、電極との良好な接触抵抗を得るためにアニーリングを行なってもよい。アニーリングを行なう雰囲気は、不活性ガス中でもよい。また、実質的に水素を含むガスでもよいし、あるいは、これらのガスに酸素を含むガスを加えてもよい。アニーリングの温度は、通常２００〜１０００℃、好ましくは４００〜８００℃である。
【００２７】
量子井戸層とｐ型層の間にキャップ層として一般式Ｉｎ_ｌＧａ_ｍＡｌ_ｎＮ（ｌ＋ｍ＋ｎ＝１、０≦ｌ≦１、０≦ｍ≦１、０≦ｎ≦１）を含んだ層を１層または２層以上形成してもよい。特にＡｌＮ混晶を含むと耐熱性が向上し、発光層の相分離などの熱劣化を抑制することがある。該キャップ層には、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａなどのｐ型ドーパントおよび／または、Ｓｉ，Ｏ，Ｓ，Ｓｅなどのｎ型ドーパントをドープしてもよい。
【００２８】
本発明の３−５族化合物半導体を製造するに当り、好ましく用いられるＭＯＶＰＥ法による結晶成長装置としては、公知の構造のものを用いることができる。具体的には、基板の上部から原料ガスを吹き付けるもの、基板の側方から原料を吹き付けるものなどを挙げることができる。これらは、基板をおおよそ上向きに配置したものであるが、逆に基板を下向きに配置したものも用いることができる。この場合、原料を基板の下部から供給するもの、または基板の側方から吹き付けるものが挙げられる。これらの反応炉で、基板の角度は、正確に水平を向いている必要はなく、ほとんど垂直、または完全に垂直な場合も含まれる。また、これらの基板とガス供給の配置を応用した、複数枚の基板を同時に処理できる成長装置についても同様である。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳しく説明するが、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
【００３０】
実施例１
サファイアＣ面上に、ＴＭＧとアンモニアを原料とし、キャリアガスとして水素を用いて４９０℃にて、ＧａＮ低温成長バッファ層を約５０ｎｍ成長した。次に、ＴＭＧの供給を一旦停止し、１０９０℃まで昇温し、ＴＭＧとアンモニアとシランを原料とし、キャリアガスとして水素を用いて、ｎ型ＧａＮ層を約３μｍ成長し、シランの供給を停止しノンドープＧａＮ層を約０．３μｍ成長した。次いでＴＭＧの供給を停止し、７２０℃まで降温した後、ＴＥＧとＴＭＩとアンモニアを原料とし、キャリアガスとして窒素を用いて、１５ｎｍのＧａＮ層と３ｎｍのＩｎＧａＮ層を５回繰り返して成長した。詳しい成長の手順は、アンモニアとＴＥＧを供給して、ノンドープＧａＮ層を１５ｎｍ成長したのち、ＴＥＧの供給を停止し、アンモニアとキャリアガスのみ供給し成長中断を３分間実施した。その後ＴＭＩと再びＴＥＧを供給し、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍ成長した。この後、ＴＭＩとＴＥＧの供給を停止し、アンモニアとキャリアガスのみ供給し、成長中断を１５分実施した。
【００３１】
このＧａＮ層成長、ＧａＮ層の成長中断、ＩｎＧａＮ層成長、ＩｎＧａＮ層の成長を５回繰り返した後、ＴＥＧとアンモニアを供給し、ノンドープＧａＮ層を１８ｎｍ成長した。このノンドープのＧａＮ層を成長後、８００℃まで昇温し、ＴＭＡとＴＥＧおよびアンモニアとｐ型ドーパント原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを供給し、ＡｌＧａＮ層を２５ｎｍ成長した。ＡｌＧａＮ層を成長後、ＴＭＡ、ＴＥＧおよびビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムの供給を停止し、１０５０℃まで昇温し、ＴＭＧとアンモニアとｐ型ドーパント原料としてビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウムを供給し、ｐ型ＧａＮを２００ｎｍ成長した。次いで、基板を反応炉から取り出し、アンモニアと酸素を含んだ窒素気流下において、８００℃で４８秒間アニールすることにより３−５族化合物半導体を製造した。
【００３２】
Ｘ線回折による多重量子井戸構造の衛星反射を評価したところ、ＩｎＮ混晶比は、多重量子井戸全体の平均では１．９６％であり、このことからＩｎＧａＮ活性層のＩｎＮ混晶比は、１１．７６％であることが示された。
【００３３】
得られた試料に、ＮｉＡｕのｐ電極、Ａｌのｎ電極を形成した。こうして得られたＬＥＤ試料に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、どの試料も明瞭な青色発光を示した。輝度は１７９５ｍｃｄであり、発光波長は４７０．８ｎｍであった。この発光波長から、ＩｎＧａＮ活性層中における、ＩｎＮ混晶比は２９．８％と算出された。
【００３４】
実施例２
実施例１において、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍ成長した後の成長中断を、１５分から２０分に変更する以外は、実施例１に準拠することにより、３−５族化合物半導体を製造した。
【００３５】
Ｘ線回折による多重量子井戸構造の衛星反射を評価したところ、ＩｎＮ混晶比は、多重量子井戸全体の平均では１．９１５％であり、このことからＩｎＧａＮ活性層のＩｎＮ混晶比は、１１．４９％であることが示された。
【００３６】
得られた試料に、ＮｉＡｕのｐ電極、Ａｌのｎ電極を形成した。こうして得られたＬＥＤ試料に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、どの試料も明瞭な青色発光を示した。輝度は１１７５ｍｃｄであり、発光波長は４７６ｎｍであった。この発光波長から、ＩｎＧａＮ活性層中における、ＩｎＮ混晶比は３１．１％と算出された。
【００３７】
実施例３
実施例１に準拠して、ＧａＮ低温成長バッファ層を約５０ｎｍ、ｎ型ＧａＮ層を約３μｍ、ノンドープＧａＮ層を約０．３μｍ成長した。次いで、ＴＭＧの供給を停止した後に、７７０℃まで降温したのち、ＴＥＧとＴＭＩとアンモニアを原料とし、キャリアガスとして窒素を用いて、１５ｎｍのＧａＮ層と、７２０℃にて３ｎｍのＩｎＧａＮ層を成長し、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層を５回繰り返して成長した。詳しい成長の手順は、７７０℃にてアンモニアとＴＥＧを供給して、ノンドープＧａＮ層を１５ｎｍ成長したのち、ＴＥＧの供給を停止しアンモニアとキャリアガスのみ供給し、５分間成長中断した。この成長中断中に７２０℃まで降温し、その後ＴＭＩと再びＴＥＧを供給し、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍ成長した
【００３８】
。この後、ＴＭＩとＴＥＧの供給を停止し、アンモニアとキャリアガスのみ供給し、１５分間成長中断した。この成長中断中に７７０℃に再び昇温し、再びＧａＮ層を成長した。
このＧａＮ層成長、ＧａＮ層の成長中断（降温）、ＩｎＧａＮ層の成長、ＩｎＧａＮ層の成長中断（昇温）を５回繰り返した後、実施例１に準拠してノンドープＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層を成長することにより３−５族化合物半導体を製造した。
【００３９】
Ｘ線回折による多重量子井戸構造の衛星反射を評価したところ、ＩｎＮ混晶比は、多重量子井戸全体の平均では１．５３％であり、このことからＩｎＧａＮ活性層のＩｎＮ混晶比は、９．１８％であることが示された。
【００４０】
得られた試料に、ＮｉＡｕのｐ電極、Ａｌのｎ電極を形成した。こうして得られたＬＥＤ試料に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、どの試料も明瞭な青色発光を示した。輝度は３５４８ｍｃｄであり、発光波長は４８２．９ｎｍであった。この発光波長から、ＩｎＧａＮ活性層中における、ＩｎＮ混晶比は３２．５％と算出された。
【００４１】
比較例１
実施例１において、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍ成長した後の成長中断を、１５分から５分に変更する以外は、実施例１に準拠することにより、３−５族化合物半導体を製造した。
【００４２】
Ｘ線回折による多重量子井戸構造の衛星反射を評価したところ、ＩｎＮ混晶比は、多重量子井戸全体の平均では３．２９％であり、このことからＩｎＧａＮ活性層のＩｎＮ混晶比は、１９．７４％であることが示された。
【００４３】
得られた試料に、ＮｉＡｕのｐ電極、Ａｌのｎ電極を形成した。こうして得られたＬＥＤ試料に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、どの試料も明瞭な青色発光を示した。輝度は４６ｍｃｄであり、発光波長は４８０ｎｍであった。この発光波長から、ＩｎＧａＮ活性層中における、ＩｎＮ混晶比は３１．９％と算出された。
【００４４】
比較例２
実施例１において、ＩｎＧａＮ層を３ｎｍ成長した後の成長中断を、１５分から１０分に変更する以外は、実施例１に準拠することにより、３−５族化合物半導体を製造した。
【００４５】
Ｘ線回折による多重量子井戸構造の衛星反射を評価したところ、ＩｎＮ混晶比は、多重量子井戸全体の平均で２．２６％でありＩｎＧａＮ発光層のＩｎＮ混晶比は、１３．５６％であることが示された。
【００４６】
得られた試料に、ＮｉＡｕのｐ電極、Ａｌのｎ電極を形成した。こうして得られたＬＥＤ試料に２０ｍＡの順方向電流を流したところ、どの試料も明瞭な青色発光を示した。輝度は１６３ｍｃｄであり、発光波長は４６４ｎｍであった。この発光波長から、ＩｎＧａＮ発光層中における、ＩｎＮ混晶比は２８．５％と算出された。
【００４７】
図２に実施例１〜３および比較例１〜２における発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比（百分率）を縦軸に、多重量子井戸構造のＸ線回折により測定されるＩｎＮ混晶比（百分率）を横軸にプロットした。実施例と比較例のプロットは、電荷注入による発光波長より算出されるＩｎＮ混晶比が、Ｘ線回折より得られるＩｎＮ混晶比の４２．５％であるラインにより、明瞭に区別されることがわかる。
【００４８】
図３に実施例１〜２および、比較例１〜２における量子井戸層の成長終了後から次の障壁層成長開始までの成長中断時間を横軸に、多重量子井戸構造の量子井戸層のＸ線回折より測定されるＩｎＮ混晶比と電荷注入により発光する発光波長を縦軸にプロットした。驚くべきことに、Ｘ線回折より得られるＩｎ混晶比が減少するにもかかわらず、電荷注入により発光する発光波長はほとんど変化のないことことが示された。このことは、Ｘ線回折で測定される活性層中のＩｎＮ混晶比をコントロールすることで発光波長を変化させずに高輝度化することが可能であることが明瞭に示されている。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の３−５族化合物半導体は、Ｘ線回折により測定される多重量子井戸構造のＩｎＮ混晶比が、電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下であるが故に、高輝度の発光素子となり得る。
また本発明によれば、量子井戸層の成長終了後から次の障壁層成長開始までの成長中断を、量子井戸層の成長温度で１０分を超えた時間行うまたは量子井戸層の成長温度より高い温度で行うという特定の条件下で実施することにより、高輝度の発光素子となり得る３−５族化合物半導体を製造し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る素子の構造を示す断面図である。
【図２】Ｘ線回折より算出した発光層のＩｎＮ混晶比と電荷注入による発光波長より算出したＩｎＮ混晶比の関係を示した図である。破線は、発光波長より求めた窒化インジウム混晶比とＸ線回折より求めた窒化インジウム混晶比との比が０．４２５となるラインである。
【図３】成長中断時間とＸ線回折より算出した発光層のＩｎＮ混晶比、および成長中断時間と電荷注入による発光波長より算出したＩｎＮ混晶比の関係を示した図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＮ層
２ノンドープＧａＮ層
３ＧａＮ層（障壁層）
４ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）
５ＧａＮ層（障壁層、第１キャップ層）
６ＭｇドープＡｌＧａＮ層（第２キャップ層）
７ｐ型ＧａＮ層
８ｐ電極
９ｎ電極

Claims

一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を少なくとも２つ含む多重量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体であって、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下であることを特徴とする３−５族化合物半導体。
一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる単一量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体であって、該障壁層と該量子井戸層とが、これを繰返し複数回有する多重量子井戸構造を形成した場合における、該多重量子井戸構造のＸ線回折により測定される量子井戸層における平均ＩｎＮ混晶比が、該多重量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体への電荷注入により発光する発光波長から算出されるＩｎＮ混晶比に対し４２．５％以下となるように形成されてなることを特徴とする３−５族化合物半導体。
一般式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）で表される量子井戸層と、該量子井戸層を挟む２つの障壁層とからなる量子井戸構造を有する３−５族化合物半導体を製造するに当り、量子井戸層の成長終了後から障壁層成長開始までの成長中断を、量子井戸層の成長温度で１０分を超えた時間行うまたは量子井戸層の成長温度より高い温度で行うことを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法。
成長中断を、３族原料の供給停止下に実施することを特徴とする請求項４記載の３−５族化合物半導体の製造方法。
請求項１〜２記載の３−５族化合物半導体又は請求項３〜４記載の製造方法によって得られた３−５族化合物半導体を用いてなることを特徴とする３−５族化合物半導体発光素子。