JP2008288532A

JP2008288532A - 窒化物系半導体装置

Info

Publication number: JP2008288532A
Application number: JP2007134680A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tamai; 慎一玉井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】バリア層と井戸層との格子不整合に起因するピエゾ電界の増大を抑制可能な窒化物系半導体装置を提供する。
【解決手段】量子井戸構造を有する活性層３を備え、活性層３が、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１）からなる第１及び第２のバリア層３１１、３１２と、第１及び第２のバリア層３１１、３１２間に配置された、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなる井戸層３２とを備え、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の組成比が、井戸層３２より第１及び第２のバリア層３１１、３１２の方が高い。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体装置に係り、特にアルミニウムを含む活性層を有する窒化物系半導体装置に関する。

例えば半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）等に、III族窒化物半導体からなる発光素子が使用されている。III族窒化物半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等がある。代表的なIII族窒化物半導体は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。

III族窒化物半導体を用いた発光素子は、例えば、基板上にｎ型のIII族窒化物半導体層、活性層（発光層）及びｐ型のIII族窒化物半導体層を順に積層した構造を有し、活性層で発生した光を外部に出力する。活性層として、井戸層（ウェル層）を、井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層（障壁層）でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸(quantum well)構造が採用可能である（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−５５７１９号公報

従来の量子井戸構造の活性層を有する窒化物系半導体装置では、バリア層と井戸層との格子不整合に起因するピエゾ電界が、バリア層と井戸層の界面において積層方向に向かって発生する。特に、長波長の光を発生する発光素子では、一般にインジウム（Ｉｎ）の組成が大きいため、バリア層と井戸層との格子不整合が大きくなる。そのため、バリア層と井戸層の界面におけるピエゾ電界が増大して、電子と正孔（ホール）とが井戸層の両端に空間的に分離し、例えば半導体レーザの場合には、しきい値の上昇や発生効率（量子効率）の低下を引き起こすという問題があった。

上記問題点を鑑み、本発明は、バリア層と井戸層との格子不整合に起因するピエゾ電界の増大を抑制可能な窒化物系半導体装置を提供する。

本発明の一態様によれば、量子井戸構造を有する活性層を備えた窒化物系半導体装置であって、活性層が、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる複数のバリア層と、複数のバリア層間に配置された、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜ａ、０≦ｙ＜１かつｙ＜ｂ）からなる井戸層とを備える窒化物系半導体装置が提供される。

本発明によれば、バリア層と井戸層との格子不整合に起因するピエゾ電界の増大を抑制可能な窒化物系半導体装置を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る窒化物半導体装置は、図１に示すように、量子井戸構造を有する活性層３を備え、活性層３は、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１）からなる第１及び第２のバリア層３１１、３１２と、第１及び第２のバリア層３１１、３１２間に配置された、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜ａ、０≦ｙ＜１かつｙ＜ｂ）からなる井戸層３２とを有する。即ち、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の組成比は、井戸層３２より第１及び第２のバリア層３１１、３１２の方が高い。活性層３は、井戸層３２を、井戸層３２よりもバンドギャップの大きな第１のバリア層３１１と第２のバリア層３１２でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造である。

また、図１に示す窒化物半導体装置は、基板１、第１導電型の第１半導体層２と第２導電型の第２半導体層４とを備える。基板１には、例えばサファイア基板、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板、或いはＧａＮ単結晶基板等が採用可能である。第１半導体層２は、基板１上に配置され、第１半導体層２、活性層３、第２半導体層４は、この順で基板１上に積層される。図１に示すように、活性層３の第１のバリア層３１１が、第１半導体層２上に配置され、活性層３の第２のバリア層３１２上に第２導電型の第２半導体層が配置される。第１半導体層２は、第１導電型のキャリアを活性層３に供給し、第２半導体層４は、第２導電型のキャリアを活性層３に供給する。

以下では、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である場合を例示的に説明する。即ち、活性層３に、第１半導体層２から電子が供給され、第２半導体層４から正孔が供給される。供給された電子及び正孔が活性層３で再結合することにより、光が発生する。ただし、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としてもよいことは勿論である。

活性層３で発生する光の波長は、活性層３におけるＩｎの組成比を調整することによって、例えば４００ｎｍ〜５５０ｎｍに設定できる。図２に、活性層３の構造例を示す。図２に示した活性層３は、波長４７０ｎｍで発光する青色発光素子の活性層として採用される構造であり、第１のバリア層３１１及び第２のバリア層３１２がＡｌ_0.37Ｉｎ_0.25Ｇａ_0.38Ｎからなり、井戸層３２がＡｌ_0.09Ｉｎ_0.19Ｇａ_0.72Ｎからなる。ここで、第１のバリア層３１１及び第２のバリア層３１２の膜厚は、例えばそれぞれ７〜１６ｎｍ程度であり、井戸層３２の膜厚は、例えば３ｎｍ程度である。

また、図１に示した第１半導体層２は、基板１０上に配置された第１コンタクト層２１と、第１コンタクト層２１上に積層された超格子層２２を有する。例えば、第１コンタクト層２１は、膜厚１〜５μｍ程度の第１導電型（ｎ型）のＧａＮ層からなり、超格子層２２は、第１導電型のＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ層からなる。超格子層２２は、格子定数差の大きいＡｌＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の応力を緩和し、活性層３を成長させやすくするものであり、例えば、Ｓｉドーピング濃度が１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3で膜厚１ｎｍ程度のＡｌ_0.01Ｉｎ_0.05ＧａＮ層と、同様のＳｉドーピング濃度で膜厚２ｎｍ程度のＧａＮ層とを交互に１０周期程度積層した構成が用いられる。

第２半導体層４は、活性層３上に配置された電子ブロック層４１と、電子ブロック層４１上に積層された第２コンタクト層４２を有する。電子ブロック層４１は、活性層３からの電子の流出を防いで、活性層３における電子と正孔の再結合効率を高める。例えば、電子ブロック層４１は、膜厚２０ｎｍ程度の第２導電型（ｐ型）のＡｌＧａＮ層であり、第２コンタクト層４２は、膜厚０．２〜１μｍ程度の第２導電型ＧａＮ層である。

更に、図１に示す窒化物半導体装置は、第１半導体層２に電圧を印加する第１電極１０１と、第２半導体層４に電圧を印加する第２電極１０２を備える。図１に示すように、第２半導体層４、活性層３、及び第１半導体層２の一部領域をメサエッチングして露出させた第１コンタクト層２１の表面に、第１電極１０１が配置される。第２電極１０２は、第２コンタクト層４２上に配置される。第１電極１０１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜からなり、第２電極１０２は、例えばＡｌ膜、或いはパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜からなる。そして、第１電極１０１は第１半導体層２に、第２電極１０２は第２半導体層４に、それぞれオーミック接続される。

図１は、活性層３が井戸層３２を１つだけ有する量子井戸構造である場合を例示的に表しているが、活性層３は、それぞれがバリア層で挟まれた複数の井戸層を有する多重量子井戸（ＭＱＷ)構造であってもよい。図３に、活性層３が３つの井戸層、即ち第１の井戸層３２１、第２の井戸層３２２及び第３の井戸層３２３を有する例を示す。図３に示す活性層３において、第１の井戸層３２１は第１のバリア層３１１と第２のバリア層３１２の間に配置され、第２の井戸層３２２は第２のバリア層３１２と第３のバリア層３１３の間に配置され、第３の井戸層３２３は第３のバリア層３１３と第４のバリア層３１４の間に配置される。第１のバリア層３１１は第１半導体層２上に配置され、第４のバリア層３１４上に第２半導体層４が配置される。

次に、第１のバリア層３１１及び第２のバリア層３１２と、井戸層３２の格子定数について説明する。以下において、活性層３に含まれるすべてのバリア層を総称して「バリア層３１」という。また、活性層３が複数の井戸層を含む多重量子井戸構造の場合に、それらの井戸層を総称する場合も単に「井戸層３２」という。

Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮからなる窒化物系半導体では、Ｉｎの組成比ｙが高くなると格子定数が増大し、Ａｌの組成比ｘが高くなると格子定数が減少する。したがって、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮからなる窒化物系半導体のＩｎとＡｌの組成比を調整することによって、Ｉｎの組成比ｙが互いに異なる２つの窒化物系半導体の格子定数を一致させることができる。即ち、活性層３のバリア層３１と井戸層３２の格子定数が一致するＩｎとＡｌの組成比の組み合わせを設定可能である。

図４に、窒化物系半導体の格子定数ｄとバンドギャップＥｇの関係を示す。図４にハッチングで示した領域が、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮからなる窒化物系半導体がとりうる格子定数ｄとバンドギャップＥｇの範囲である。図４において、点Ａは、窒化物系半導体がＡｌＮ、即ちｘ＝１且つｙ＝０の場合を示し、格子定数は０．３１１である。点Ｂは、窒化物系半導体がＧａＮ、即ちｘ＝０且つｙ＝０の場合を示し、格子定数は０．３１９である。点Ｃは、窒化物系半導体がＩｎＮ、即ちｘ＝０且つｙ＝１の場合を示し、格子定数は０．３５５である。

図４において、格子定数ｄが一致し、且つ、バリア層３１のバンドギャップＥｇ（Ｂａｒｒｉｅｒ）が井戸層３２のバンドギャップＥｇ（ＷｅＬＬ）より大きくなるように、バリア層３１のＩｎとＡｌの組成比、及び井戸層３２のＩｎとＡｌの組成比をそれぞれ調整する。例えば、図４に示したように、格子定数がｄ１＝０．３２５の場合に、Ｅｇ１≦Ｅｇ（ＷｅＬＬ）＜Ｅｇ（Ｂａｒｒｉｅｒ）≦Ｅｇ２となるように、バリア層３１のＩｎとＡｌの組成比、及び井戸層３２のＩｎとＡｌの組成比を調整することによって、活性層３の量子井戸構造を維持しつつ、バリア層３１と井戸層３２の格子定数を一致させられる。

図５に、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮからなる窒化物系半導体のバンドギャップＥｇとＩｎの組成比ｙの関係を示す。なお、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮからなる窒化物系半導体のバンドギャップＥｇは、以下の式（１）を用いて算出される：

Ｅｇ =ｘ×Ｅｇ(AlN) ＋ｙ×Ｅｇ(InN)＋(1−x−y)×Ｅｇ(GaN)
−Ｃ×ｘ×(1−x−y)−Ｃ’×y×(1−x−y) ・・・（１）

式（１）で、ＡｌＮのバンドギャップＥｇ(AlN)＝６．２ｅＶ、ＩｎＮのバンドギャップＥｇ(InN)＝０．７７ｅＶ、ＧａＮのバンドギャップＥｇ(GaN)＝３．４ｅＶ、ボーイングパラメータＣ、Ｃ’＝２．６ｅＶである。

図５に示すように、バンドギャップＥｇが極小値となるＩｎの組成比ｙ０＝０．１７が存在する。したがって、井戸層３２のＩｎの組成比を０．１７に設定することによって、バリア層３１のＩｎの設定可能な組成比の自由度を高くできる。ただし、バリア層３１がＡｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮからなる窒化物系半導体であり、井戸層３２がＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮからなる井戸層である場合、ｙ＜ｂ、即ち井戸層３２よりバリア層３１のＩｎの組成比の方が大きい必要がある。そのため、井戸層３２のＩｎの組成比を０．１７に設定した場合、バリア層３１のＩｎの組成比を０．１７より大きく設定する。

図５から、井戸層３２のＩｎの組成比を０．１５〜０．２とすることにより、バリア層３１のＩｎの組成比を０．２より大きく、かつバリア層３１と井戸層３２の格子定数が一致する値に設定して、バリア層３１と井戸層３２との格子不整合に起因するピエゾ電界の増大を抑制されると同時に、活性層３を量子井戸構造にできる。より好ましくは、井戸層３２のＩｎの組成比を０．１６〜０．１８とすることにより、バリア層３１のＩｎの設定可能な組成比の自由度が高くなり、バリア層３１のＩｎの組成比を０．１８より大きくする。

なお、活性層３が発生する光の所望の波長に応じて、バリア層３１及び井戸層３２のＩｎとＡｌの組成比が設定されるのは勿論である。図２に示した例では、バリア層３１のＡｌの組成比ａ＝０．３７、Ｉｎの組成比ｂ＝０．２５で、Ｅｇ（Ｂａｒｒｉｅｒ）＝３．１８である。そして、井戸層３２のＡｌの組成比ｘ＝０．０９、Ｉｎの組成比ｙ＝０．１９であり、Ｅｇ（Ｗｅｌｌ）＝２．６３である。なお、ＩｎＮの格子定数０．３５５、ＧａＮの格子定数０．３１９、ＡｌＮの格子定数０．３１１から得られる係数４．６６、−０．７９を用いて、ａ＝４．６６ｂ−０．７９、及びｘ＝４．６６ｙ−０．７９の関係式を用いている。既に述べたように、図２に示した組成比の活性層３は、波長４７０ｎｍの青色の光を発生する。

以下に、図１に示した窒化物系半導体装置の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる窒化物系半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここで、基板１にサファイア基板を適用するとする。サファイア基板のｒ面上にＧａＮを結晶成長させると、その成長面はａ面となり、ノンポーラ面を成長面とする窒化物系半導体装置が形成される。なお、サファイア基板のセミポーラ面上にＧａＮを結晶成長させると、この面が引き継がれてＧａＮの成長面もセミポーラ面となる。

製造方法としては、良く知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等でサファイア基板上にＧａＮを成長させる。例えば、基板１をサーマルクリーニングした後、基板温度を１０００°Ｃ程度に上げて、基板１のｒ面上に、シリコン（Ｓｉ）ドープの第１導電型（ｎ型）の第１コンタクト層２１を１〜５μｍ程度成長させる。第１コンタクト層２１は、第１電極１０１とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層であり、第１コンタクト層２１に、例えばｎ型ドーパントとしてのシリコン（Ｓｉ）イオンを、３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の高濃度でドープする。

次に基板温度を７００℃〜８００℃に下げて、Ｓｉドープの超格子層２２、及び活性層３を順次形成する。超格子層２２は、既に説明したように、Ｓｉドーピング濃度が１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3で膜厚１ｎｍ程度のＡｌ_0.01Ｉｎ_0.05ＧａＮ層と、同様のＳｉドーピング濃度で膜厚２ｎｍ程度のＧａＮ層とを交互に１０周期程度積層した構成が用いられる。活性層３の形成方法の詳細は後述する。

その後、基板温度を９５０℃〜１０００℃程度まで上げて、マグネシウム（Ｍｇ）ドープの電子ブロック層４１を形成し、次にＭｇドープのｐ型ＧａＮコンタクト層５を０．２〜１μｍ程度積層する。電子ブロック層４１は、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層に、５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のドーピング濃度でｐ型ドーパントとしてＭｇをドープすることにより、ｐ型半導体として形成される。第２コンタクト層４２は、第２電極１０２とのオーミックコンタクトを取るための低抵抗層であり、ＧａＮ層にｐ型ドーパントとしてのマグネシウム（Ｍｇ）を、例えば３×１０¹⁹ｃｍ^-3の高濃度でドープする。

次いで、第２コンタクト層４２〜第１コンタクト層２１の途中までを反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去し、第１コンタクト層２１表面を露出させる。その後、露出した第１コンタクト層２１表面に第１電極１０１を蒸着により形成し、第２コンタクト層４２上に第２電極１０２を蒸着により形成する。

次に、活性層３の形成方法を説明する。活性層３は、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなるバリア層３１、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜ａ、０≦ｙ＜１かつｙ＜ｂ）からなる井戸層３２を、交互に積層して形成する。

具体的には、活性層３を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層３１と井戸層３２を交互に連続して成長させ、バリア層３１と井戸層３２が積層してなる活性層３が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することにより、バリア層３１及び井戸層３２のＩｎとＡｌの組成比を所定の値に調整しながら成長させて、井戸層３２よりバリア層３１のバンドギャップが大きく、かつ格子定数が一致するようにバリア層３１及び井戸層３２を形成する。図６に、図３に示した３つの井戸層３２を有する活性層３を形成する製造方法の例を示す。

図６に示す基板温度Ｔａで第１〜第４のバリア層３１１〜３１４が形成され、基板温度Ｔｂで第１〜第３の井戸層３２１〜３２３が形成される。即ち、基板温度がＴａに設定された時刻ｔ０〜ｔ１において第１のバリア層３１１が形成される。次いで、時刻ｔ１で基板温度がＴｂに設定され、時刻ｔ１〜時刻ｔ２において第１の井戸層３２１が形成される。その後も同様に、時刻ｔ２〜ｔ３において基板温度Ｔａで第２のバリア層３１２が形成され、時刻ｔ３〜時刻ｔ４において基板温度Ｔｂで第２の井戸層３２２が形成される。そして、時刻ｔ４〜ｔ５において基板温度Ｔａで第３のバリア層３１３が形成され、時刻ｔ５〜時刻ｔ６において基板温度Ｔｂで第３の井戸層３２３が形成される。最後に、時刻ｔ６〜ｔ７において基板温度Ｔａで第４のバリア層３１４が形成され、活性層３が完成する。

第１〜第４のバリア層３１１〜３１４を形成する場合は、原料ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを３００ｓｃｃｍ（standard cc/min）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを５ｓｃｃｍ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを７ｓｃｃｍ、アンモニア（ＮＨ₃）ガスを２０ｓｌｍ（standard L/min）の流量でそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、第１〜第３の井戸層３２１〜３２３を形成する場合は、原料ガスとして、ＴＭＧガスを３００ｓｃｃｍ、ＴＭＩガスを２８０ｓｃｃｍ、ＴＭＡガスを２ｓｃｃｍ、ＮＨ₃ガスを２０ｓｌｍ（standard L/min）の流量でそれぞれ処理装置に供給する。なお、ＴＭＧガスはＧａ原子の原料ガス、ＴＭＩガスはＩｎ原子の原料ガス、ＴＭＡガスはＡｌ原子の原料ガス、ＮＨ₃ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。

なお、成長条件の一例を示せば、基板温度Ｔａを１０５０℃とし、基板温度Ｔｂを８００℃とした場合に、第１〜第４のバリア層３１１〜３１４がそれぞれ形成される時間、即ち基板温度がＴａに設定される時間ｍ１を５分とし、第１〜第３の井戸層３２１〜３２３がそれぞれ形成される時間、即ち基板温度がＴｂに設定される時間ｍ２を１分として、活性層３が形成される。このとき、第１〜第４のバリア層３１１〜３１４の膜厚はそれぞれ１０ｎｍとなり、第１〜第３の井戸層３２１〜３２３の膜厚はそれぞれ３ｎｍとなる。また、第１〜第４のバリア層３１１〜３１４のＡｌ及びＩｎの組成比は、それぞれＡｌ：Ｉｎ＝７：５であり、第１〜第３の井戸層３２１〜３２３のＡｌ及びＩｎの組成比は、それぞれＡｌ：Ｉｎ＝１：２である。

次に、活性層３がＡｌを含む窒化物系半導体である利点について説明する。ＧａＮからなる発光素子等では、例えば、クラッド層にＡｌＧａＮやＧａＮ等が、コンタクト層にはＧａＮ等が用いられる。ＩｎＧａＮを含む活性層の結晶成長を行う場合、Ｉｎの蒸気圧が高いため、活性層の成長温度を６５０〜８００℃程度にする必要がある。しかし、活性層の成膜後にｐ型半導体層を成膜する場合は、ｐ型ＧａＮ層やｐ型ＡｌＧａＮ層の結晶品質を高めるために、一般に活性層の成長温度よりも２００℃〜３００℃高い温度となる１０００℃付近の成長温度でｐ型半導体層をエピタキシャル成長させており、成膜時間は通常１５〜６０分程度かかる。そのため、活性層を成長させた後、活性層上にｐ型のＧａＮ層等を成膜する場合、ＧａＮ層の成長温度が高いために、活性層が熱によるダメージを受け、発光特性が著しく悪化する。

特に、４５０ｎｍ以上の長波長のＧａＮ系半導体発光素子を作製する場合、通常、井戸層のＩｎ組成比が１０％を超えるが、Ｉｎ組成比が高くなるほど、高温状態に置かれたＩｎが昇華して壊れやすくなり、発光効率が極端に低下する。更に、活性層が熱によるダメージを受け続けると、Ｉｎが分離して発光素子を形成するウェハが黒色化する場合もある。このように、井戸層のＩｎ組成比が１０％を超える場合には、ｐ型半導体層の成長温度が高いことにより、活性層が劣化して発光特性が著しく悪くなる。

しかし、井戸層のＩｎ組成比が１０％を超える活性層を有し、４５０ｎｍ以上の長波長の発光を行うＧａＮ系半導体発光素子においても、以下に説明するように、少なくとも井戸層にＡｌを添加したＡｌＩｎＧａＮを採用することによって活性層の耐熱性が向上する。そのため、活性層よりも後に成長させる半導体層の形成工程での加熱による活性層の劣化を抑制することができる。

図１に示した窒化物系半導体装置を製造する工程において、基板１上に超格子層２２を形成した後、既に説明した方法と同様に、活性層３としてＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層３２とＡｌＧａＮからなるバリア層３１とを５周期形成した後、アニール処理を行ない、そのアニール温度（熱処理温度）とＡｌの組成比に依存して活性層３の表面が黒色化しているかどうかを検査した。なお、Ａｌの組成比は、井戸層３２とバリア層３１とで共通である。

図７は、上記検査のデータの一部を示すもので、活性層３表面の画像データを、縦軸を活性層３のＡｌ組成比（Ａｌ／Ｇａ供給比）、横軸を熱処理温度（アニール温度）として表示したものである。活性層３には、バリア層３１としてアンドープＧａＮ層を用い、井戸層３２のＩｎ組成比は２０％程度とし、各アニール温度での熱処理は窒素雰囲気中で行ない、熱処理時間は３０分とした。

また、活性層３にＡｌを添加したものと比較するために、活性層３を従来のＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる活性層とし、超格子層２２をＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる超格子層とした構成で、上記と同様の条件で熱処理を行った。なお、ＩｎＧａＮからなる井戸層３２のＩｎ組成比は上記同様２０％程度とした。活性層３を従来のＩｎＧａＮ／ＧａＮで形成した場合の検査結果は、図７の上側に示した。

図７では、検査結果を分かりやすくするために、ウェハの黒色化が始まる境界線を点線で示した。図７からわかるように、従来のＡｌを含まないＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる活性層３では、９５０℃以上でウェハの黒色化が見られる。しかし、ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮからなる活性層３では、Ａｌ組成比が０．５％の場合、ウェハの黒色化が見られるのは熱処理温度が１０００℃以上の場合である。更にＡｌ組成比を増加させてＡｌ組成比が１．０％の場合には、１０５０℃の熱処理温度にならないと、ウェハは黒色化せず、１０００℃でも活性層３に問題は発生しない。Ａｌ組成比を２．０％まで増加させた場合は、Ａｌ組成比１．０％の場合とウェハの状態は変わらず、耐熱性で差は見られない。

図８は、フォトルミネセンス（ＰＬ）測定の結果を示す。図８の縦軸はＰＬ強度（任意単位）、横軸は熱処理温度である。図７に示した検査の場合と同様に、図１の構成でサファイア基板上に、活性層３としてＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層３２とＡｌＧａＮからなるバリア層３１、又は、ＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層３２とＧａＮからなるバリア層３１とを５周期程度形成した後、アニール温度を変化させて窒素雰囲気中で時間３０分間の熱処理を行ない、その後室温で発光スペクトル（ＰＬ強度分布）を測定し、各温度のＰＬ強度分布の積分値を求めた。

図８で、曲線Ａ１は、活性層３がＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層３２とＡｌＧａＮからなるバリア層３１のＭＱＷ構造で、Ａｌの組成比が０．２５％の場合を示す。曲線Ａ２は、活性層３を従来構造としたもので、ＩｎＧａＮからなる井戸層３２及びＧａＮからなるバリア層３１のＭＱＷ構造の場合を示す。曲線Ａ３は、活性層３がＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層３２及びＧａＮからなるバリア層３１のＭＱＷ構造で、Ａｌの組成比が１％の場合を示す。曲線Ａ４は、活性層３がＡｌＩｎＧａＮからなる井戸層３２及びＡｌＧａＮからなるバリア層３１のＭＱＷ構造で、Ａｌの組成比が１％の場合を示す。

図８に示すように、活性層３を従来構造とした曲線Ａ２では、９５０℃の熱処理を行うと、ＰＬ強度が激減し、活性層３の劣化が見られる。これは、図７の結果とも対応している。一方、Ａｌの組成比が０．２５％の曲線Ａ１の場合は、９５０℃付近で良好なＰＬ強度を示し、１０００℃の熱処理でＰＬ強度が低下する。したがって、井戸層３２及びバリア層３１にＡｌを添加した曲線Ａ１の場合の方が、従来構造の活性層３を採用した曲線Ａ２の場合よりもＴ℃（図８では５０℃）耐熱性が向上する。また、曲線Ａ３の場合では井戸層３２にのみＡｌが１％添加されているが、１０００℃になるとＰＬ強度が低下しており、耐熱性は曲線Ａ１の場合とほとんど変わらないが、Ａｌ組成比の増加にともないＰＬ強度は低下する。一方、井戸層３２とバリア層３１の両方にＡｌを１％添加した曲線Ａ４では、図７を参照すればわかるように耐熱性は曲線Ａ１や曲線Ａ３の場合よりも向上するが、ＰＬ強度は曲線Ａ３の場合よりも低下する。

上記のように、図７、図８に示された検査結果から、活性層３にＡｌが少しでも添加されれば、活性層３の耐熱性が向上する。その結果、活性層３が成膜された後に、活性層３の成膜時の処理温度より高い温度でｐ型のＧａＮ層を成膜する場合でも、活性層３の熱によるダメージが低減され、発光特性の低下を抑制できる。

以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体装置によれば、ＩｎとＡｌの組成比を調整することによって、井戸層３２よりもバリア層３１のバンドギャップが大きいという関係の量子井戸構造を維持しつつ、Ｉｎの組成比が異なるバリア層３１と井戸層３２の格子定数を一致させることができる。その結果、バリア層３１と井戸層３２との格子不整合に起因するピエゾ電界の増大を抑制可能な窒化物系半導体装置を提供できる。更に、図１に示した窒化物系半導体装置の活性層３のバリア層３１及び井戸層３２がＡｌを含むため、活性層３の熱によるダメージが低減され、発光特性の低下を抑制できる。

＜変形例＞
本発明の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置は、図９に示すように、基板１の下に第１電極１０１が配置されることが、図１と異なる点である。その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態と同様である。

図９に示した窒化物系半導体装置では、基板１に導電性の第１導電型のＳｉＣ基板を採用し、ＧａＮ層を基板１上に結晶成長させ、第１電極１０１と第２電極１０２を対向するように配置したＬＥＤを構成できる。図１に示した窒化物系半導体装置の構成では、基板１にサファイア基板を採用した場合に、サファイア基板の熱伝導が約０．５Ｗ／（ｃｍ・Ｋ）と悪く、プリント基板上の金属配線等と接続するボンディングワイヤーも第１電極１０１側と第２電極１０２側の両方必要となる。しかし、図９に示した構造では、基板１にＳｉＣ基板を採用する場合に、熱伝導はサファイア基板の１０倍（約４．９Ｗ／（ｃｍ・Ｋ））と放熱性が良く、第１電極１０１を金属配線に直接ボンディングできるため、必要なボンディングワイヤーが第２電極１０２側の１本でよいという利点がある。その他の構成については、図１に示す実施の形態と同様である。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施の形態の説明においては、第２コンタクト層４２上に第２電極１０２を形成する例を示したが、第２コンタクト層４２上に例えばＺｎＯ電極等の透明電極を積層した後、第２電極１０２を形成するようにしても良い。この場合、ＧａドープＺｎＯ電極を、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法やパルスレーザ堆積（ＰＬＤ）法によって、第２コンタクト層４２上に形成する。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る窒化物系半導体装置の構成例を示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態に係る活性層の構成例を示す模式的な断面図である。本発明の実施の形態に係る活性層の他の構成例を示す模式的な断面図である。窒化物系半導体の格子定数とバンドギャップの関係を示すグラフである。窒化物系半導体のバンドギャップとＩｎの組成比の関係を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る活性層の結晶成長におけるガスフローパターンを示す模式図である。活性層へのＡｌ添加割合と熱処理温度に対する活性層の黒色化の変化を示す図である。活性層の熱処理温度とＰＬ強度の関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の変形例に係る窒化物系半導体装置の構成例を示す模式的な断面図である。

符号の説明

１…基板
２…第１半導体層
３…活性層
４…第２半導体層
５…コンタクト層
１０…基板
２１…第１コンタクト層
２２…超格子層
３１…バリア層
３２…井戸層
４１…電子ブロック層
４２…第２コンタクト層
１０１…第１電極
１０２…第２電極

Claims

量子井戸構造を有する活性層を備えた窒化物系半導体装置であって、
前記活性層が、
Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１）からなる複数のバリア層と、
前記複数のバリア層間に配置された、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなる井戸層
とを備え、アルミニウム（Ａｌ）及びインジウム（Ｉｎ）の組成比が、前記井戸層より前記バリア層の方が高いことを特徴とする窒化物系半導体装置。
前記バリア層と前記井戸層のそれぞれのアルミニウム及びインジウムの組成比が、前記バリア層と前記井戸層の格子定数が等しくなる組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体装置。
前記井戸層を複数備え、該複数の前記井戸層がそれぞれ複数の前記バリア層間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系半導体装置。
前記バリア層と前記井戸層が異なる成長温度で形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体装置。
前記活性層に第１導電型のキャリアを供給する第１半導体層と、
前記活性層に第２導電型のキャリアを供給する第２半導体層
とを更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体装置。
前記第１半導体層、前記活性層、前記第２半導体層がこの順に積層されることを特徴とする請求項５に記載の窒化物系半導体装置。
前記井戸層のインジウムの組成比が０．１５以上、かつ０．２以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体装置。