JP3361964B2

JP3361964B2 - 半導体発光素子およびその製造方法

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Publication number: JP3361964B2
Application number: JP22660897A
Authority: JP
Inventors: 秀人菅原; 正行石川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 2003-01-07
Anticipated expiration: 2017-08-22
Also published as: JPH10144962A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体材料を
用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ等の半
導体発光素子の構造とその製造方法に係わり、特に窒化
ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなる半導体発光素子と
その製造方法に係わる。

【０００２】

【従来の技術】Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ等のＧａＮ系
半導体はその光学遷移型（エネルギーダイヤグラム）が
直接遷移型であるため高効率発光再結合が可能であり、
またその遷移エネルギーが２〜６．２ｅＶと広く、緑、
緑青色、青色〜紫外等の短波長半導体レーザあるいは高
輝度短波長ＬＥＤなどの高効率発光素子材料としてその
開発が行われている。

【０００３】４元系半導体であるＩｎ_xＡｌ_yＧａ
_1-x-yＮはその基本構成をなす２元系半導体、ＧａＮ、
ＡＩＮ、ＩｎＮの組み合わせにより構成されるものであ
るが、このなかでも、特にＧａＮについての開発が盛ん
に行われてきた。ＧａＮは融点が１７００℃以上と高
く、また成長温度での窒素の平衡蒸気圧が極めて高いこ
とから化学量論的組成（ストイキオメトリー）の制御が
困難で、バルク単結晶の成長が困難である。したがっ
て、現在のところ、その単結晶成長にはハイドライド気
相成長（ＨＶＰＥ）法や有機金属気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）法が主として用いられている。最近は、中でもＭＯ
ＣＶＤ法を用いた成長方法の開発が盛んに行われ、Ｇａ
ＮにＩｎあるいはＡｌを混ぜたＩｎ_xＧａ_1-xＮやＡｌ
_yＧａ_1-yＮの３元系混晶が得られている。これらＧａ
Ｎ系材料の複数の組み合わせからなるヘテロ接合構造を
用いれば発光効率の向上が可能となる。特に注入キャリ
アの閉じ込めや光の閉じ込めに有効なダブルヘテロ（Ｄ
Ｈ）構造を形成することにより高輝度短波長ＬＥＤや短
波長ＬＤを実現することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電流注入型の発光素子
を製造する場合、ｐｎ接合を基本とするため、ｐ型、ｎ
型半導体領域形成のための伝導型の制御は重要である。
ＧａＮ系半導体においては、ｎ型の伝導型制御はＳｉを
不純物原料として用いることにより比較的容易に行うこ
とができる。しかしながら、ｐ型半導体領域に対する伝
導型制御は一般には困難である。つまりｐ型に対しては
ＭｇあるいはＺｎが主なアクセプター不純物として用い
られているが、これらの不純物はその準位が深いことか
ら活性化率が低く、加えてＭＯＣＶＤ法による成長にお
いては原料ガスとして用いるアンモニア（ＮＨ₃）の分
解生成分である原子状水素による不活性化が起こるため
と考えられている（Ｊ．Ａ．ＶａｎＶｅｃｈｔｅｎ，
ｅｔａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１
（１９９２）３６６２）。

【０００５】つまりＭｇドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法
等により成長する際に、そのＭｇドープＧａＮ層の積層
後、基板温度を室温まで降温（この時ストイキオメトリ
ーを制御するため、すなわち成長層からのＮの解離が無
いように５族元素原料ガスであるＮＨ₃ガスは供給し続
けるのが一般的であるが、）すると、成長層に原子状水
素Ｈが取り込まれて、このＨによってアクセプターが不
活性化するためにＭｇドープＧａＮ層は高抵抗となって
しまう問題が知られている。たとえばＭｇを１×１０²⁰
ｃｍ^-3ドープしたＧａＮ層の場合、このＧａＮ層のＨの
不純物密度は５×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、同条件で成長し
たアンドープおよびｎ型ＧａＮ層に比べて１０倍以上の
Ｈの取り込まれが起こるのが一般的である。

【０００６】これに対し、ＭｇドーピングしたＧａＮに
対して電子線照射（Ｈ．Ａｍａｎｏ，ｅｔａｌ．Ｊｐ
ｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２８（１９８９）Ｌ２１
１２）や熱処理（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ，ｅｔａｌ．
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３１（１９９２）１
２５８）を行うことによって活性化率が向上することが
見いだされ、高効率発光素子の実現の可能性が広まりつ
つあるが、電子線照射や熱処理という複雑な工程の付加
が必要となる問題がある。さらに電子線照射の場合は高
価な電子線照射装置が必要であり製品のコストが高くな
るという問題もある。

【０００７】また、高効率のＬＥＤ素子を実現するため
には高い光取り出し効率が必要であり、このためにはＧ
ａ_xＡｌ_1-xＡｓやＧａＰ系の発光素子で用いられるよ
うな特殊な構造を実現する必要がある。具体的には電気
抵抗率が低く、厚膜で発光に対して透明な層を用い、素
子内部での発光領域を拡大し、電極に遮蔽されることな
く素子外部へ光を取り出す構造のものである。しかしな
がらＧａＮ系材料では、特にｐ型において低抵抗の結晶
を得ることは難しく、さらに高不純物密度にドーピング
することによる表面モホロジーの劣化は厚膜化によりさ
らに顕著になる。したがってＧａＮ系ＬＥＤでは光取り
出し効率を向上するために酸化膜を用いた電流狭窄構造
を形成し電極での光遮蔽を防ぐ方法が提案されている
が、酸化膜形成という付加的な工程が必要となり、工程
が複雑となるという問題がある。

【０００８】このように、従来のＧａＮ系発光素子にお
いては高い光取り出し効率を達成するためには、アクセ
プターの活性化のための特別な工程や酸化膜の形成とい
った煩雑な素子化プロセスが必要となっていた。これら
の複雑な工程やプロセスの付加は素子特性の再現性や信
頼性に対して大きく影響を与えるため、製品のコストの
増大や歩留りの低下等の重大な問題を生じていた。

【０００９】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的とするところはＧａＮ系発光素子の形成に
おいて、素子化プロセスの簡素化ができ、かつ特性の再
現性および信頼性の高い高輝度発光素子およびその製造
方法を提供することにある。

【００１０】より具体的には、電子線照射や熱処理等の
特別な処理を用いずにアクセプター不純物の活性化が可
能で、高い光取り出し効率を有した発光素子の構造を提
供すること、およびその簡便な製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１１】特に本発明の目的はｐ型伝導型制御が容易
で高い発光効率を得ることが可能なＧａＮ系半導体から
なる発光素子を簡単な構造で実現することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明による発光素子は、一般式Ｉｎ_xＡｌ_yＧ
ａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）で示されるＧａＮ系半導
体の積層構造を有する半導体発光素子であって、この積
層構造は、発光領域に電子および正孔を注入するための
ｎ型半導体領域およびｐ型半導体領域を少なくとも具備
し、ｐ型半導体領域の上部にｎ型キャップ層が形成され
ていることを第１の特徴とする。

【００１３】より具体的には、ｎ型のＧａＮ系半導体
（Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ）層の上にｐ型のＧａＮ系
半導体層を形成した発光素子構造において、このｐ型Ｇ
ａＮ系半導体層の上にｎ型のＧａＮ系半導体からなるキ
ャップ層が形成された構造であることを第１の特徴とす
る。ｐ型半導体層とｎ型半導体層でｐｎ接合を形成して
もよく、さらにはｉ層となるアンドープ半導体層を挾ん
で、ｐ型半導体層とｎ型半導体層でｐｉｎ接合を形成し
てもよい。また表面モホロジーや結晶性の改善のために
ｎ型半導体層と基板の間にバッファ層やアンドープ又は
ｎ^-型の半導体層を形成してもよい。バッファ層はｎ型
でもｐ型でもかまわない。またホモ接合，シングルヘテ
ロ（ＳＨ）構造，ダブルヘテロ（ＤＨ）構造のいずれで
あってもかまわない。

【００１４】より具体的には、本発明のｐ型のＧａＮ系
半導体層はＭｇあるいはＺｎ等のアクセプター不純物を
含むＧａＮ系半導体であり、このｐ型の半導体層上にｎ
型の電気的特性を示すキャップ層を積層したことを第１
の特徴とする。キャップ層はＩｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ
（０＜ｕ，ｖ＜１）で形成することが好ましい。より好
ましくはキャップ層を電流狭窄構造に用いて半導体発光
素子を構成したことを特徴とする。

【００１５】図２（ａ）は図１で示した本発明の第１の
特徴の積層構造に対して２次イオン質量分析器（ＳＩＭ
Ｓ）を用いて、ｎ型キャップ３０５の最上層から深さ方
向に測定したＭｇの不純物密度プロファイルを示す。ｎ
型キャップ層３０５中のＭｇの不純物プロファイルは実
線で示すｎ型キャップ層３０５とｐ型半導体層３０４の
間の成長中断時間が１秒の場合と破線で示す成長中断時
間が３０秒の場合の２通りについて示している。ここで
「成長中断」とは基板温度を成長温度に保ったまま、特
定のガスのみを流すステップを言う。図２（ａ）からわ
かるように、成長中断ステップにより積層界面でのＭｇ
の急峻な不純物密度プロファイルが得られている。図２
（ｂ）はｐ型半導体層３０４中のＨの不純物密度のｎ型
キャップ層の厚さに対する依存性を示す。ｎ型キャップ
層３０５の厚さを１μｍ以上とすれば、Ｈの不純物密度
は５×１０¹⁸ｃｍ^-3となることがわかる。図２（ｂ）に
は従来のＧａＮ系発光素子に見られるｎ型キャップ層の
積層を行わない構造の場合のＨの不純物密度も同時に示
す。○印で示す従来技術におけるＨの不純物密度は５×
１０¹⁹ｃｍ^-3であり、同一成長条件で成長したアンドー
プおよびｎ型ＧａＮ層に比べてｐ型ＧａＮ層は１０倍以
上のＨの取り込まれが起っていることが知られている。
これに対し、本発明の第１の特徴のｎ型キャップ構造で
は図２（ｂ）から明らかなようにＭｇドープＧａＮ層３
０４におけるＨの不純物密度はアンドープ又はｎ型Ｇａ
Ｎ層と同等の値にまで低下している。ｎ型キャップ層３
０５又はｐ型半導体層３０４の不純物密度等を変えれ
ば、一定の場合においてはｎ型キャップ層の厚さが０．
１μｍ以上あれば、Ｈの取込みは抑制できる場合もあ
る。しかしｎ型キャップ層の厚さを１μｍ以上にすれば
確実にＨの取込みが抑制できる。なお後述するようにｎ
型キャップ層３０５およびｐ型半導体層３０４の不純物
密度、ｎ型キャップ層３０５の厚さ、ｐ型半導体層３０
４とｎ型キャップ層３０５との間の成長中断条件の４つ
のパラメータは相互に関連しており、本発明はその最適
条件を見い出した点に最大の特徴を有する。かかる最適
化を行った図１に示す構造の連続成長後に上層のｎ型Ｇ
ａＮキャップ層３０５を取り除いてＭｇドープＧａＮ層
３０４の電気的特性を測定したところ、低抵抗（抵抗率
１Ω−ｃｍ）でｐ型（１×１０¹⁸ｃｍ^-3）特性が得られ
た。つまり本発明の第１の特徴によればｐ型ＧａＮ系半
導体層３０４の活性化率が従来のＭｇドープＧａＮ層を
熱アニールによって活性化（低抵抗化）させた場合と同
等の値が熱アニールなしで得られるのである。また、両
者の結晶中に含まれるＨの不純物密度も図２（ｂ）に示
すように熱アニールしたものと同等であった。したがっ
て、図１又は図３に示す本発明の第１の特徴の積層構造
とすることによって、Ｍｇドープ層へのＨの取り込まれ
を抑制でき、熱アニール等の活性化処理や電子線照射等
の特別な工程を付加することなくｐ型ＧａＮ層を得るこ
とができる。一度Ｈの取り込まれが抑制できれば、その
後ｎ型キャップ層３０５を除去してもよい。図３は最初
はｐ型クラッド層３０４の上部全面にｎ型キャップ層３
０５が形成されていたが、その後ｎ型キャップ層３０５
の一部を選択的に除去した構造である。このように後の
工程でｎ型キャップ層３０５の一部を除去してもアクセ
プターの活性化率を高くする効果は同じであり、良好な
ｐ型伝導型における不純物密度のプロファイルの制御が
できる。

【００１６】本発明の第２の特徴は、ＧａＮ系半導体発
光素子の製造方法に係る。具体的にはｎ型のＧａＮ系半
導体層、ｐ型のＧａＮ系半導体層からなる積層構造によ
り所定の波長の光を発光する半導体発光素子であって、
ｐ型のＧａＮ系半導体層に接してｎ型のＩｎ_uＡｌ_vＧ
ａ_1-u-vＮ（０＜ｕ，ｖ＜１）からなるキャップ層を１
μｍ以上の厚みに成長する工程を少なくとも含むことで
ある。

【００１７】本発明の第２の特徴によれば、気相エピタ
キシャル成長工程の一連の過程において、ｎ型のＩｎ_u
Ａｌ_vＧａ_1-u-vＮキャップ層を形成するという単純な
改良を行うことのみで、アクセプターの活性化率を向上
させることができ、ｐ型のＧａＮ系半導体層の抵抗が下
がる。その結果半導体発光素子の発光効率が向上する。

【００１８】また本発明の第２の特徴によれば、煩雑か
つ時間のかかる特別な工程を付加する必要がない。この
ため、ｐ型のＧａＮ系半導体層の低抵抗化に際し素子化
プロセスを簡略化することが出来るので製造歩留りが高
くなり、生産性が向上する。さらに短時間で製品を製造
できるので実質的な生産コストが下がり、工業的価値は
大きい。特にｎ型のＩｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮキャップ
層を用いることでキャップ層の下地とのエッチング選択
比が向上するので、キャップ層の加工が容易となる。ま
たキャップ層の厚みを１μｍ以上とすることで、キャッ
プ層の下地となるｐ型のＧａＮ系半導体層のアクセプタ
不純物の活性化率が高くできる。

【００１９】本発明の第３の特徴は、ＧａＮ系半導体発
光素子の製造方法に係る。具体的にはｎ型のクラッド
層、活性層、ｐ型のクラッド層、ｎ型のＩｎ_uＡｌ_vＧ
ａ_1-u- _vＮキャップ層（０＜ｕ，ｖ＜１）からなる積層
構造をこの順番で同一成長室内で連続的に成長する工程
を少なくとも含む製造方法である。ｎ型のＩｎ_uＡｌ_v
Ｇａ_1-u-vＮ層は１μｍ以上積層する。ここで「連続的
に」とは上記各層の成長を「途中で大気に晒すことな
く」という意味である。すなわち、前述した、途中でソ
ースガスの一部の供給を止めるような「成長中断」が含
まれていてもかまわない概念である。むしろ本発明にお
いては「成長中断」は連続成長の一つのステップとして
含まれることが好ましい。

【００２０】本発明の第３の特徴によれば、連続した気
相エピタキシャル成長工程の一連の過程においてｎ型の
Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮキャップ層を形成することに
よりアクセプターの活性化率を向上させることができ、
ｐ型のクラッド層の抵抗が下がる。その結果半導体発光
素子の発光効率が向上する。また、連続的なエピタキシ
ャル成長による積層構造を用いて電流狭窄構造が容易に
実現できるのでさらに発光効率が向上する。また本発明
の第３の特徴によれば、素子化プロセスを簡略化するこ
とが出来るので製造歩留りが高くなり、生産性が向上す
る。さらに短時間で製品を製造できるので実質的な生産
コストが下がる。特に結晶の柔らかなｎ型のＩｎ_uＡｌ
_vＧａ_1-u-vＮキャップ層を用いているので、その厚み
を１μｍ以上としてもその後の加工が容易で、アクセプ
タ不純物の活性化率の向上を、より確実に可能とする。

【００２１】特に、本発明の第３の特徴における成長方
法としてＭＯＣＶＤ法が好ましく、この際、Ｍｇ等のア
クセプター不純物を含むｐ型ＧａＮ系半導体層の上に、
ＮＨ₃ガスとキャリアガスのみを供給した「成長中断」
ステップを経て、ｎ型のＩｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮから
なるキャップ層を連続成長することが望ましい。

【００２２】本発明の第４の特徴は、ＧａＮ系半導体素
子の製造方法に係る。具体的にはサファイア基板等の所
定の基板の上部にｎ型のＧａＮ系半導体層、ｐ型のＧａ
Ｎ系半導体層等からなる積層構造を気相エピタキシャル
成長法で成長し、その積層構造の最上層を形成後、ＴＭ
Ｇ等の３族元素原料ガスとＮＨ₃等の５族元素原料ガス
の供給を停止し、キャリアガスの雰囲気中で、基板温度
を成長温度から室温まで降温することである。この際の
キャリアガスとしてはＮ₂，Ａｒ，Ｈｅ等の不活性ガス
が好ましく、特にＮの解離（再蒸発）に伴う化学量論的
組成の変化を考慮するとＮ₂又はＮ₂を含むキャリアガ
スが好ましい。

【００２３】また基板温度の降温時の操作の煩雑性を避
ける点からは、気相エピタキシャル成長時のキャリアガ
スを降温時と同じ不活性ガスとしておくことが好まし
い。降温時に不活性ガス雰囲気とすることで、従来技術
のようなＮＨ₃の分解した原子状水素がエピタキシャル
成長層に取り込まれることがなくなり、アクセプタ不純
物の活性化率が高まる。

【００２４】本発明の第５の特徴はサファイア基板等の
基板の上にｎ型ＧａＮ系半導体層、ｐ型のＧａＮ系半導
体層等からなる積層構造を、全体の厚みが最終的に必要
な厚みよりも厚くなるように気相エピタキシャル成長法
で成長し、基板温度を成長温度から室温まで降温する際
に水素（Ｈ₂）又は水素を含むキャリアガス中で行な
い、積層構造の最上層の気相エッチングを行ない、最終
的に所望の膜厚のエピタキシャル成長層を得ることであ
る。基板を気相エッチングしながら降温することによっ
ても原子状水素（Ｈ）のエピタキシャル成長層中への取
り込まれが抑制され、アクセプタ不純物の活性化率が向
上する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態を説明する。

【００２６】（第１の実施の形態）まず最初に本発明の
第１の実施の形態の基本技術となるＧａＮ系半導体（Ｉ
ｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ）の積層技術についてＧａＮの
連続成長を例に説明する。

【００２７】図１は本発明の第１の実施の形態の基本技
術に係わるＧａＮ系半導体の積層構造の断面図である。
図中３０１はサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）基板であり、こ
のサファイア基板３０１の一主表面上にＳｉドープのｎ
型ＧａＮ層３０２、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層３０４、
Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層（ｎ型キャップ層）３０５、
が順次積層されている。これらの層の成長はＭＯＣＶＤ
法等の気相エピタキシャル成長法を用いて積層し、５族
元素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ₃）、３族元素原
料ガスとしてＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）、ＴＥＧ（Ｇ
ａ（Ｃ₂Ｈ₅）₃）等、ドーパントガスとしてビスシク
ロペンタジイエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）、モノ
シラン（ＳｉＨ₄）等を用い、雰囲気ガス（キャリアガ
ス）としてＨ₂／Ｎ₂の混合ガス等を用いればよい。各
層の膜厚は以下のとおりである。ｎ型ＧａＮ層３０２・・・・２．０μｍｐ型ＧａＮ層３０４・・・・１．０μｍｎ型ＧａＮ層３０５・・・・１．０μｍ例えば、ｐ型ＧａＮ層のドーパントガスとしてＣｐ₂Ｍ
ｇを用い、アクセプター不純物としてＭｇを用いた場
合、Ｍｇ原料（Ｃｐ₂Ｍｇ）のメモリー効果により結晶
界面でのＭｇの急峻なプロファイルを得ることが難し
い。つまり、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＮ層３０４上に他
の層を連続成長した場合、上層にもＭｇがドーピングさ
れてしまうため、ｐ型層の上にｎ型層を成長することが
難しくなる。本発明においてはＭｇのメモリー効果を防
ぐために、Ｍｇ原料（Ｃｐ₂Ｍｇ）を他原料とは別配管
により単独で供給すると共に、その上に成長するｎ型層
３０５との界面における「成長中断」を行う。「成長中
断」はＮＨ₃ガスとキャリアガスのみを流し、成長温度
に基板温度を維持しながら１〜１０分程度行なえばよ
い。

【００２８】このＭｇのメモリー効果を抑制し、本発明
の目的とするＭｇの活性化率を高めるためには、以下の
ようにｐ型ＧａＮ層３０４中のＭｇ（アクセプター不純
物）の不純物密度、ｎキャップ層３０５中のＳｉ（ドナ
ー不純物）の不純物密度，ｎキャップ層３０５の厚さ、
および上記成長中断の条件の最適化を行うことが必要で
ある。

【００２９】ＭｇおよびＳｉのドーピング量は、ドーピ
ング層の表面モホロジーとの関係においてその上限が存
在する。例えば、ＧａＮ結晶中のＭｇおよびＳｉの不純
物密度がそれぞれ２×１０²⁰、５×１０¹⁹ｃｍ^-3を越え
ると表面モホロジーに荒れが見られるようになり、界面
の急峻性を考慮した場合に望ましくなくなる。また、Ｇ
ａＮ結晶中のＭｇおよびＳｉの電気的活性化率はそれぞ
れ〜１０％、≧９０％である。このため、特にＭｇドー
ピングにおいてはｐ型高キャリア密度化を図るためには
Ｍｇの高濃度ドーピングが必要となる。これらの関係か
ら本発明では、ｐ型ＧａＮ層のＭｇの不純物密度を実質
的に１×１０²⁰ｃｍ^-3としている。「実質的」にとは正
確に１×１０²⁰ｃｍ^-3とする必要はなく５×１０¹⁹〜
１．５×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲程度で多少増減があっても
かまわないという意味である。つまり、表面モホロジー
の荒れが生じない最大の不純物密度と同意義に解してよ
い。

【００３０】図２（ａ）は図１の構造においてｐ型Ｇａ
Ｎ層１０３のＭｇの不純物密度を１×１０²⁰ｃｍ^-3とし
たもののＳＩＭＳによるＭｇの膜厚方向の不純物密度プ
ロファイルを示す。図２（ａ）は２通りの成長中断条件
の場合の結果を示すが、成長中断条件によりｎ型キャッ
プ層３０５中のＭｇメモリー効果によるＭｇの不純物密
度が変化することが見られる。すなわち、実線はｎ型キ
ャップ層３０５との界面における成長中断時間を１秒と
したものであり、破線は成長中断時間を３０秒としたも
のである。この成長中断は上述したようにキャリアガス
とＮＨ₃ガスのみ供給し、基板温度は成長温度のままと
するものである。図２（ａ）に示すように成長中断時間
を長くすることによりＭｇのメモリー効果を低減できる
ことがわかる。更なる実験を繰り返した結果、３０秒以
上の成長中断によってその効果は徐々に高まり、その後
飽和する傾向にあることがわかった。また３０分以上の
成長中断では結晶中からのＮの脱離が顕著になりｎ型キ
ャップ層３０５を成長した場合の表面モホロジーが著し
く荒れてしまうことがわかった。従って本発明における
成長中断時間は、３０分未満の比較的長い時間とするこ
とが望ましい。また、本構造の効果を引き出すためには
上記したようにキャップ層３０５をｎ型にする必要があ
り、従ってＭｇのメモリー効果の状況によりｎ型キャッ
プ層３０５中のＳｉドーピング量、キャップ層３０５の
膜厚の調整が必要である。例えば、図２（ａ）に示した
３０秒の成長中断条件では、上記したＭｇおよびＳｉの
電気的活性化率を考慮すると、Ｓｉの不純物密度を１×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上とすることによりその条件を実現でき
る。また、ＭｇとＳｉ高濃度ドーピングによる表面モホ
ロジー荒れを考慮すると、ｎキャップ層のＳｉの不純物
密度は２×１０¹⁸〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3とすることにより
その条件を十分満たすことができる。

【００３１】図２（ｂ）にｎ型キャップ層３０５の膜厚
とＭｇドーピングされたＧａＮ層３０４中のＨの不純物
密度の関係について示す。ここでｎ型キャップ層３０５
中のＳｉの不純物密度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｍｇドープ
ＧａＮ層３０４中のＭｇの不純物密度は１×１０²⁰ｃｍ
^-3である。図２（ｂ）には従来技術におけるｎ型キャッ
プ層３０５が無い場合の結果も○印で示している。つま
りＭｇドープＧａＮ層３０４の積層後、ｎ型キャップ層
３０５を形成せずに基板温度を室温まで降温（この時成
長層からのＮの解離が無いように５族原料ガスであるＮ
Ｈ₃ガスは供給し続ける）したときのＨの不純物密度は
５×１０¹⁹ｃｍ^-3である。一方ｎ型キャップ層を形成し
た場合はｎ型キャップ層３０５の膜厚増加とともにＨの
不純物密度が減少し、ｎ型キャップ層３０５の厚さを１
μｍとすればＨの取り込まれは５×１０¹⁸ｃｍ^-3まで低
下し、さらにｎ型キャップ層３０５の厚さを増大して
も、この値で飽和することがわかる。この５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3というＨの取り込まれはアンドープもしくはｎ型ド
ープのＧａＮ層の成長時における値と同等である。ま
た、図１に示した構造を連続エピタキシャル成長し、そ
の後上層のｎ型ＧａＮキャップ層３０５を取り除いてＭ
ｇドープＧａＮ層の電気特性を測定したところ、低抵抗
（抵抗率１Ω−ｃｍ）でｐ型（１×１０¹⁸ｃｍ^-3）特性
を示した。この特性は、従来技術におけるＭｇドープＧ
ａＮ層を熱アニールによって活性化（低抵抗化）させた
場合のものと同等である。また、両者の結晶中に含まれ
るＨの不純物密度も同等である。したがって、図１に示
したようなｎ型キャップ構造とすることによって、Ｍｇ
ドープ層へのＨの取り込まれを抑制でき、熱アニールや
電子線照射等の特別な活性化処理を行うことなく活性化
率の高い、すなわち低抵抗のｐ型ＧａＮ層を得ることが
できる。以上は組成ｘ＝ｙ＝０の場合であるが、より一
般的にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮの積層構造に適用でき
ることはもちろんである。

【００３２】図３（ａ）は本発明の第１の実施の形態に
係るＧａＮ系材料を用いたＬＥＤの概略を示す断面構造
図で、図３（ｂ) はその鳥瞰図である。このＬＥＤ構造
はサファイア基板３０１上にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_{1-x -y}Ｎ
層，ＧａＮ層およびＩｎ_xＧａ_1-xＮ層を積層して構成
され、それぞれの膜厚は以下に示すようである。

【００３３】ｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_{1-x -y}Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１）バッファ層３３１・・・・５０ｎｍアンドープ（又はｎ^-型）ＧａＮ層３３２・・・・０．５μｍｎ型ＧａＮクラッド層３０２・・・・４．０μｍアンドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ活性層３０３・・・・０．１μｍｐ型ＧａＮクラッド層３０４・・・・０．５μｍｎ型ＧａＮキャップ層３０５・・・・０．１μｍここでｎ型ＧａＮキャップ層３０５はｐ型ＧａＮクラッ
ド層３０４の上部の一部に形成され、ｎ型ＧａＮキャッ
プ層３０５の上部およびキャップ層３０５が形成されて
いないｐ型ＧａＮクラッド層３０４の上部には光が透過
可能な透明電極層となる薄膜金属（導電性光透過膜）層
３０６が形成されている。電流注入用のｎ側電極３０７
およびｐ側電極３０８はそれぞれｎ型ＧａＮクラッド層
３０２の表面の一部およびｎ型ＧａＮキャップ層３０５
の上方に位置する薄膜金属層３０６の表面の一部に形成
されている。またｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮバッフ
ァ層３３１はサファイア基板３０１とその上に形成する
エピタキシャル成長層３３２，３０３，３０４，３０５
との間の格子不整合を緩和させるための層である。バッ
ファ層３３１は、ｐ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層でも
かまわない。層３３２はアンドープであることが好まし
いが、上層のｎ型ＧａＮクラッド層３０２よりも低不純
物密度ならば、一定の効果を得ることができる。つまり
アンドープ又は低不純物密度のＧａＮ層３３２を形成す
ることにより、その上に形成するｎ型ＧａＮクラッド層
３０２の不純物密度を高くしても、表面モホロジーの荒
れが生じないようにできる。たとえば、バッファ層３３
１の上に直接ｎ型ＧａＮ層を成長した場合はＳｉの不純
物密度が５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度が表面モホロジーの荒れ
を生じさせないための闘値であるが、アンドープ又はｎ
^-型ＧａＮ層３３２を形成することによりｎ型不純物密
度を８×１０¹⁹ｃｍ^-3まで高くすることができる。

【００３４】本発明のｎ型ＧａＮキャップ層３０５は製
造工程の途中においては、ｐ型ＧａＮクラッド層３０４
の上部全面に最終設計膜厚よりも厚めに（１．０μｍ）
形成され、アクセプターとなるＭｇの不活性化を防いで
いる。しかし、最終的には図３（ａ）および（ｂ）に示
すようにｎ型ＧａＮキャップ層３０５はｐ型ＧａＮクラ
ッド層３０４の上部の一部にのみ形成され電流ブロック
層として機能している。またその厚みもエピタキシャル
成長直後の厚みよりも薄くされている。すなわちこのｎ
型ＧａＮキャップ層３０５を用いて電流狭窄構造を作成
できることもまた、本発明の優れたところである。つま
り、素子表面上部に形成するｐ側電極３０８は光の取り
出しを妨げるものであり、このｐ側電極３０８直下への
電流注入は外部発光に寄与しない無効電流となってしま
うが、電流狭窄構造によりこの無効成分を低減すること
ができ、全体として発光効率を向上させることができる
からである。従来構造ではエピタキシャル成長後に、Ｃ
ＶＤ炉等を用いて酸化膜（ＳｉＯ₂膜）等を堆積し、こ
の酸化膜等を電流ブロック層として形成してこの無効電
流を低減していたが、本発明による構造では、ｎ型Ｇａ
Ｎキャップ層３０５をこの電流狭窄層としてそのまま用
いることができる。従来技術のようにＳｉＯ₂のＣＶＤ
を行うには、基板の洗浄等の前処理工程も当然必要とな
り、一工程増加することは付帯的に数工程が増えること
にもなる。したがって本発明によればプロセスを簡略化
でき、簡単かつ短時間で優れた電流注入／光取り出し構
造を作成することができる。

【００３５】次に図３に示した本発明の第１の実施の形
態のＧａＮ系ＬＥＤの製造方法を図３および図４（ａ）
〜（ｃ）を用いて説明する。

【００３６】（ａ）サファイア基板３０１の上にＭＯ−
ＣＶＤ法等を用いて図４（ａ）に示すように厚さ５０ｎ
ｍのｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮバッファ層３３１，
厚さ０．５μｍのアンドープ（又はｎ^-型）ＧａＮ層３
３２，厚さ４．０μｍのｎ型ＧａＮクラッド層３０２、
厚さ０．１μｍのアンドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ層３０
３、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮクラッド層３０４、厚
さ１．０μｍのｎ型ＧａＮキャップ層３０５を連続成長
する。たとえば、高周波（ＲＦ）誘導加熱方式の減圧Ｃ
ＶＤ炉又は常圧ＣＶＤ炉で、所定の温度で、有機金属化
合物等の３族元素原料ガス及びアンモニア（ＮＨ₃）等
の５族元素原料ガスを導入して成長すればよい。具体的
には、８５０℃〜１２００℃の基板温度において３族元
素原料ガスとしてＧａ（ＣＨ₃）₃、Ｉｎ（Ｃ
Ｈ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃及び５族元素原料ガスとし
てＮＨ₃を用いればよい。通常はこれらの原料ガスは水
素や窒素等からなるキャリアガスと共に導入する。成長
圧力はたとえば約１ｋ〜１００ｋＰａとすればよい。こ
のようにして、ｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮバッファ
層３３１〜ｎ型ＧａＮキャップ層３０５までの窒化ガリ
ウム系半導体の連続成長を行ない、この成長の途中で反
応ガスの夫々の成分比率を切り替えて（あるいは一部の
ソースガスの供給を完全に停止し）、Ｉｎ_XＡｌ_yＧａ
_1-x-yＮ，ＧａＮ又はＩｎ_xＧａ_1-xＮの各層の成分を
調節する。特にｐ型ＧａＮクラッド層３０４を成長後、
キャリアガスとＮＨ₃のみを供給し、１〜２０分間の
「成長中断」を基板温度を温度成長温度に保ったまま行
ない、その後ｎ型キャップ層を成長する。又、不純物を
添加するために、適宜ＳｉＨ₄やＣＰ₂Ｍｇ等を導入
し、ｎ型及びｐ型の所定の不純物密度に制御する。

【００３７】（ｂ）次にその上部にｎ型バッファ層３３
１〜ｎ型キャップ層３０５が連続的に堆積したサファイ
ア基板３０１をＣＶＤ炉から取り出し、ｎ型ＧａＮキャ
ップ層３０５の厚さをエッチング又はＣＭＰ（化学的機
械研磨）等を用いて、０．１μｍの厚さまで薄くする。
そして図４（ｂ）に示すようにｎ型ＧａＮクラッド層３
０２に達するＵ溝３３３を形成し、さらにｎ型ＧａＮキ
ャップ層３０５の一部を図４（ｂ）に示すようにパター
ニングする。Ｕ溝３３３は後にｎ側電極３０７をその底
部に形成するための溝である。図４（ｂ）の形状は周知
のフォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ等のエッチング
技術により実現できる。

【００３８】（ｃ）続いて、金属薄膜やＩＴＯ膜等の透
明電極層３０６をスパッタリング、真空蒸着、あるいは
ＣＶＤ法等により堆積し、フォトリソグラフィ技術によ
り図４（ｃ）に示すようにパターニングする。パターニ
ングはいわるリフトオフを用いてもよい。

【００３９】（ｄ）次に図３に示すようにＵ溝３３３の
底部にｎ側電極３０７を、ｎ型ＧａＮキャップ層３０５
の上方に位置する透明電極層３０６の上にｐ側電極３０
８を形成する。ｎ側電極３０７、ｐ側電極３０８の形成
もリフト・オフ法を用いればよい。すなわちｎ側電極３
０７形成予定部分以外をフォトレジストでカバーし、Ａ
ｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ等の金属材料をスパッタリング法
又は真空蒸着法で堆積し、その後フォトレジストを除去
すれば、Ｕ溝３３３の底部の所定の位置のみにｎ側電極
３０７が形成できる。ｐ側電極についても同様である。

【００４０】（ｅ）このようにして、ＧａＮ系ＬＥＤの
基本構造が完成した後、ダイシング工程を行う。すなわ
ちダイアモンドカッターで前もってメサエッチングされ
たスクライブ・ライン上を切断し、適当な大きさに切り
分けて多数のチップを得る。そしてこれらのチップを所
定のステム（ワイヤーフレーム）にマウントし、ワイヤ
ボンディング後モールディングすれば本発明のＧａＮ系
ＬＥＤが完成する。

【００４１】なお、サファイア基板３０１の厚さは６０
〜１００μｍがよく、この厚さに選ぶことにより歩留
り、素子特性が向上する。

【００４２】本発明の第１の実施の形態の奏する製造方
法の従来技術に対する優位性は上記したように、プロセ
スの簡略化ができることにある。つまり、本発明の第１
の実施の形態によれば従来技術の連続エピタキシャル成
長の最後にｎ型ＧａＮキャップ層３０５を形成する工程
を追加するという単純な工程の改良でｐ型ＧａＮクラッ
ド層３０４のＨの取り込みに起因した不活性化を抑える
ことができる（したがって実質的な工程数の増大はな
い）。このことは従来技術においてｐ型ＧａＮクラッド
層の活性化に必要とされていた電子線照射や熱処理等の
複雑なプロセスをなくすことができる点で顕著な工程簡
略化を可能とするものである。また上述したようにｎ型
キャップ層３０５を用いて電流狭窄構造を作成できるこ
ともまた、本発明の製造方法の優れたところである。つ
まり、本発明によれば電流狭窄構造を実現するためにＣ
ＶＤ法やスパッタリング法を用いて酸化膜形成等の付加
的な工程を用いる必要もない。したがって、優れた電流
注入／光取り出し特性を簡単な工程で得ることができ
る。

【００４３】本発明の第１の実施の形態による素子構造
を用い、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ活性層のＩｎ組成Ｘを０から
０．６まで変化させることにより紫外光から可視光（紫
色から緑色）波長までの発光が実現できる。発光はｎ型
ＧａＮキャップ層のない素子表面部全域から放射できる
ので、高輝度、高発光効率のＬＥＤ特性が実現できる。

【００４４】図５は本発明の第１の実施の形態の変形例
に係るＧａＮ系材料を用いたＬＥＤの概略を示す断面構
造図である。このＬＥＤ構造はサファイア基板３０１上
にＩｎ_xＡｌ_yＧａ_{1-x -y}Ｎ層，ＧａＮ層およびＩｎ_x
Ｇａ_1-xＮ層を積層して構成され、それぞれの膜厚は以
下に示すようである。

【００４５】ｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_{1-x -y}Ｎ（０≦ｘ，ｙ≦１）バッファ層３３１・・・・５０ｎｍアンドープ（又はｎ^-型）ＧａＮ層３３２・・・・０．５μｍｎ型ＧａＮクラッド層３０２・・・・４．０μｍアンドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ活性層３０３・・・・０．１μｍｐ型ＧａＮクラッド層３０４・・・・０．５μｍｎ型Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０＜ｕ，ｖ＜１）キャップ層３５５・・・・０．１μｍここでｎ型Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０＜ｕ，ｖ＜
１）キャップ層（以下において「ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキ
ャップ層」という）３５５はｐ型ＧａＮクラッド層３０
４の上部の一部に形成され、ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャッ
プ層３５５の上部およびｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層
３５５が形成されていないｐ型ＧａＮクラッド層３０４
の上部には光が透過可能な透明電極層となる薄膜金属
（導電性光透過膜）層３０６が形成されている。電流注
入用のｎ側電極３０７およびｐ側電極３０８はそれぞれ
ｎ型ＧａＮクラッド層３０２の表面の一部およびｎ型Ｉ
ｎＡｌＧａＮキャップ層３５５の上方に位置する薄膜金
属層３０６の表面の一部に形成されている。またｎ型Ｉ
ｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮバッファ層３３１はサファイア
基板３０１とその上に形成するエピタキシャル成長層３
３２，３０３，３０４，３０５との間の格子不整合を緩
和させるための層であるが、ｐ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ
_1-x-yＮ層であってもよい。すなわちバッファ層３３１
の導電型は問わない。層３３２はアンドープであること
が好ましいが、表面モホロジー荒れを生じさせなくする
ための層であり、上層のｎ型ＧａＮクラッド層３０２よ
りも低不純物密度ならばよい。

【００４６】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る
ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５は製造工程の途中
においては、ｐ型ＧａＮクラッド層３０４の上部全面に
最終設計膜厚よりも厚めに（１．５μｍ）形成され、ア
クセプターとなるＭｇの不活性化を防いでいる。すなわ
ち図２（ｂ）に示すようにＩｎＡｌＧａＮキャップ層３
５５の厚みを１．０μｍ以上とすることで有効なＭｇ不
活性化防止を達成している。しかし、最終的には図５に
示すようにｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５はｐ型
ＧａＮクラッド層３０４の上部の一部にのみ形成され電
流ブロック層として機能している。またその厚みもエピ
タキシャル成長直後の厚みよりも薄くされている。すな
わち図３と同様にこのｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３
５５を用いて電流狭窄構造を作成している。したがって
優れた発光効率を簡単に達成することができる。

【００４７】次に図５に示した本発明の第１の実施の形
態の変形例に係るＧａＮ系ＬＥＤの製造方法を図６
（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

【００４８】（ａ）サファイア基板３０１の上にＭＯ−
ＣＶＤ法等を用いて図６（ａ）に示すように厚さ５０ｎ
ｍのｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮバッファ層３３１，
厚さ０．５μｍのアンドープ（又はｎ^-型）ＧａＮ層３
３２，厚さ４．０μｍのｎ型ＧａＮクラッド層３０２、
厚さ０．１μｍのアンドープＩｎ_xＧａ_1-xＮ層３０
３、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮクラッド層３０４、厚
さ１．０μｍのｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５を
連続成長する。上述したようにバッファ層３３１はｐ型
Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層であってもよいが、連続成
長の際ドーパントガスの切り換えを考えれば、ｎ型の方
が便利である。この連続エピタキシャル成長において、
特にｐ型ＧａＮクラッド層３０４を成長後、キャリアガ
スとＮＨ₃のみを供給し、１〜２０分間の「成長中断」
を基板温度を温度成長温度に保ったまま行ない、その後
ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５を１．５μｍ成長
する。

【００４９】（ｂ）次にその上部にｎ型バッファ層３３
１〜ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５が連続的に堆
積したサファイア基板３０１をＣＶＤ炉から取り出し、
ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５の厚さをエッチン
グ又はＣＭＰ（化学的機械研磨）等を用いて、０．１μ
ｍの厚さまで薄くする。そして図６（ｂ）に示すように
ｎ型ＧａＮクラッド層３０２に達するＵ溝３３３を形成
し、さらにｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５の一部
を図６（ｂ）に示すようにパターニングする。結果が柔
らかなＩｎＡｌＧａＮはＧａＮに対するエッチングの選
択比が大きいので、このパターニングはオーバーエッチ
ングを伴うことなく、正確かつ容易に実現できる。Ｕ溝
３３３は後にｎ側電極３０７をその底部に形成するため
の溝である。図６（ｂ）の形状は周知のフォトリソグラ
フィ技術およびＲＩＥ等のエッチング技術により実現で
きる。

【００５０】図６（ｃ）に示す透明電極層３０６の形成
工程や、その後のｎ型電極３０７、ｐ型電極３０８の形
成工程は前述した図４（ｃ）以降の工程と同様であるの
で説明を省略する。

【００５１】なお、上記においては電流狭窄構造の場合
について説明したが、連続エピタキシャル成長後ｎ型Ｉ
ｎＡｌＧａＮキャップ層３５５を完全に除去してもかま
わない。ｎ型ＩｎＡｌＧａＮ層３５５はＩｎ組成ｕ＝
０．１程度あれば、下地のｐ型ＧａＮクラッド層３０４
に対してＲＩＥ時のエッチング選択比を１：１，３程度
に出来るため、オーバーエッチングすることを防止でき
る。組成ｕをさらに大きくすれば、選択比はさらに大き
くなることはもちろんである。又、ＲＩＥ時の反応生成
物を赤外分光法、ラマン分光法又は質量分析法等により
モニタリングすることによってもエンドポイントモニタ
ができる。このようにＩｎＡｌＧａＮは結晶が柔らかい
ため加工が容易である上にエンドポイントモニタリング
が容易であるため、１μｍ以上堆積しても容易に除去で
きる。したがってＭｇ不活性化の防止がより確実にな
る。２μｍ以上ｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層３５５を
堆積してもよいことはもちろんである。

【００５２】なお、本発明の第１の実施の形態は上記変
形例を含めた構造や上記製造方法に限られるものではな
い。すなわち、より一般的なＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ
層を有したＧａＮ系ＬＥＤや半導体レーザにも適用でき
るものである。ｎ型キャップ層としてＧａＮおよびＩｎ
ＡｌＧａＮについて説明したが、電気的特性がｎ型を示
すものであればよく他の半導体材料によっても同様の効
果が得られる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施可能である。

【００５３】（第２の実施の形態）図７（ａ）は本発明
の第２の実施の形態に係わるＧａＮ系半導体の積層構造
の断面図である。図７（ａ）にすようにサファイア（Ａ
ｌ₂Ｏ₃）基板３０１の一主表面上にＳｉドープのｎ型
ＧａＮ層３０２、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層３１４、が
順次積層されている。これらの層の成長はＭＯＣＶＤ法
等の気相エピタキシャル成長法を用いて積層し、５族元
素原料ガスとしてＮＨ₃、３族元素原料ガスとしてＴＭ
Ｇ、ＴＥＧ等，ドーパントガスとしてＣｐ₂Ｍｇ、Ｓｉ
Ｈ₄等を用い、雰囲気ガス（キャリアガス）としてＨ₂
／Ｎ₂の混合ガス等を用いればよい。成長時の基板温度
としては、たとえば１０５０℃が好ましい。各層の膜厚
は以下のとおりである。

【００５４】ｎ型ＧａＮ層３０２・・・・２．０μｍｐ型ＧａＮ層３１４・・・・１．０μｍこの積層構造の成長後、基板温度を成長温度から室温ま
で降温する過程で結晶成長層を有する基板の雰囲気をＮ
₂にする。通常、結晶成長後に基板温度を下げる過程で
は結晶成長層からのＮの脱離を防ぐため５族原料ガスで
あるＮＨ₃を供給し続けるが、このＮＨ₃が熱分解する
ことで生じる原子状水素が降温過程に結晶中に閉じ込め
られアクセプタ不活性化させる。つまり本発明の第２の
実施の形態では基板温度の降温時にＮＨ₃の供給を停止
することにより原子状水素の生成を防ぎ、引いてはアク
セプタの活性化率を高めることができる。実際に、本発
明の第２の実施の形態の手法を用いて作成したＭｇドー
プＧａＮ層３１４のＣ−Ｖ法を用いた実効キャリア密度
の測定からは結晶中のアクセプタ不純物の約１０％が活
性化していることが確認されており、従来技術における
ＮＨ₃雰囲気における降温プロセスを用いた場合の活性
化率（１％）を大きく上回っていた。成長時にキャリア
ガスとしてＨ₂／Ｎ₂混合ガスを用いた場合には、成長
終了時の３族および５族の原料ガスの供給停止と同時に
キャリアガスをＮ₂のみに調整して降温を行えばよい。
あるいは、キャリアガスのＨ₂／Ｎ₂の混合比をＮ₂９
０％以上のＮ₂リッチとしてもよい。この場合Ｈ₂によ
るエッチング効果を考慮する必要がある。

【００５５】基板温度の降温時にキャリアガスをＮ₂又
はＮ₂リッチのＨ₂／Ｎ₂混合ガスへの切り換え・調整
を行うことの操作の便宜を考慮すれば、ｎ型ＧａＮ層３
０２、ｐ型ＧａＮ層３１４のエピタキシャル成長時のキ
ャリアガスをＮ₂又はＮ₂リッチのＨ₂／Ｎ₂混合ガス
としておくことが好ましい。エピタキシャル成長時のキ
ャリアガスをＮ₂等の不活性ガスとしておくことによ
り、そのまま降温過程に移行できるので本発明の第２の
実施の形態はより効果的になる。

【００５６】また、降温時のＮＨ₃の供給停止は結晶成
長時の基板温度から４００℃の間で行えば良く、結晶中
からのＮ脱離を考慮すると９００から４００℃の間で行
うこが更に望ましい。更に、原子状水素の生成量はＮＨ
₃量によるためＮＨ₃を微量に添加してもかまわない。
結晶成長時の１０％程度の供給量であれば降温時のＮの
脱離を抑制できるので、ＮＨ₃を微量に添加したＮ₂等
の不活性ガス雰囲気で降温してもよい。

【００５７】また、第１の実施の形態と同様に、図７
（ｂ）に示すようにｐ型ＧａＮ層３１４の上にｎ型キャ
ップ層３１５を形成し、Ｎ₂又はＮ₂リッチのキャリア
ガス中で成長温度から室温まで降温してもよい。ｎ型キ
ャップ層３１５としてはｎ型ＩｎＡｌＧａＮキャップ層
を１μｍ以上の厚みに堆積することがより好ましい。ま
たｎ型Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ層やアンドープ（又は
ｎ^-型）ＧａＮ層を形成してから、その上にｎ型ＧａＮ
層３０２を形成してもよいことはもちろんである。

【００５８】本発明の第２の実施の形態の有する従来技
術に対する優位性は、プロセスの簡略化ができることに
ある。つまり、本発明の第２の実施の形態によれば従来
技術の連続エピタキシャル成長の最後においてＮ₂又は
Ｎ₂リッチのキャリアガスのみを流し、このキャリアガ
スの雰囲気中で降温するという単純な工程の改良でｐ型
ＧａＮクラッド層３０４のＨの取り込みに起因した不活
性化を抑えることができる（したがって実質的な工程数
の増大はない）。このことは従来技術においてｐ型Ｇａ
Ｎクラッド層の活性化に必要とされていた電子線照射や
熱処理等の複雑なプロセスをなくすことができる点で顕
著な工程簡略化を可能とするものである。

【００５９】なお、本発明の第２の実施の形態は図７
（ａ）および７（ｂ）に示した構造に限定されるもので
はない。図７（ｂ）においてｎ型キャップ層としてＧａ
Ｎ層３１５を用いたが、電気的特性がｎ型を示すもので
あればよく上述したｎ型ＩｎＡｌＧａＮ等他の半導体材
料によっても同様の効果が得られる。また、本発明の第
２の実施の形態は発光ダイオードに限らず半導体レーザ
に適用することも可能である。また、降温過程の雰囲気
ガスとしてＮ₂及びＮ₂リッチのＨ₂／Ｎ₂を用いた
が、ＡｒやＨｅ等他の不活性ガス、またはそれらの混合
ガスでも同様の効果が得られる。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

【００６０】（第３の実施の形態）図８（ａ）は本発明
の第３の実施の形態に係わるＧａＮ系半導体の積層構造
の断面図である。図８（ａ）においてサファイア（Ａｌ
₂Ｏ₃）基板３０１の一主表面上にＳｉドープのｎ型Ｇ
ａＮ層３０２、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層３２４が順次
積層されている。これらの層の成長はＭＯＣＶＤ法等の
気相エピタキシャル成長法を用いて積層し、５族元素原
料ガスとしてＮＨ₃、３族元素原料ガスとしてＴＭＧ、
ＴＥＧ等、ドーパントガスとしてＣｐ₂Ｍｇ、ＳｉＨ₄
等を用い、雰囲気ガス（キャリアガス）としてＨ₂／Ｎ
₂の混合ガス等を用いればよい。成長時の基板温度とし
てはたとえば１０５０℃が好ましい。各層の膜厚は以下
のとおりである。

【００６１】ｎ型ＧａＮ層３０２・・・・２．０μｍｐ型ＧａＮ層３２４・・・・２．０μｍ本発明の第３の実施の形態において最終的に所望のｐ型
ＧａＮ層の厚みは１．０μｍであるが、図８（ａ）に示
すようにｐ型ＧａＮ層３２４は所望の厚みよりも厚く
２．０μｍまで堆積する。本発明の第３の実施の形態は
第２の実施の形態と異なり成長終了後の基板温度の降温
過程において雰囲気ガスをＨ₂１０％以上のＨ₂／Ｎ₂
混合ガスとしている。成長層を温度が高い状態でＨ₂中
に晒すとそのエッチング作用により膜厚が薄くなり、ま
た長時間の放置では結晶が消失してしまう。そこで従来
技術においてはＮＨ₃を同時に供給しそのエッチング効
果を抑制している。しかしながら、ＮＨ₃の供給では原
子状水素の生成が起こるため望ましくない。そこで本発
明の第３の実施の形態では予めＨ₂のエッチング効果を
考慮して成長時の膜厚を厚く設定することで、Ｈ₂ある
いはＨ₂濃度１０％以上のＨ₂／Ｎ₂混合ガス中での降
温を可能にし、引いては原子状水素によるアクセプタの
不活性化を抑制できる。つまり、本発明の第３の実施の
形態では図８（ａ）に示した積層構造の結晶成長終了後
の降温時にＮＨ₃の供給を停止してＨ₂濃度１０％のＨ
₂／Ｎ₂混合ガスを供給し、その降温速度を５０℃／分
で降温する。その結果、図８（ｂ）に示すようにＭｇド
ープＧａＮ層３２４ａが約１μｍ気相エッチングされ、
１μｍのＭｇドープＧａＮ層３２４が残る。この残った
ＭｇドープＧａＮ層３２４ｂはＣ−Ｖ法を用いた実効キ
ャリア密度の測定において結晶中のアクセプタ不純物の
約８％が活性化していることが確認されている。つまり
本発明の第３の実施の形態によれば、従来技術のＮＨ₃
供給しながらの降温過程を用いた場合の活性化率（１
％）よりも高い活性化率が得られる。

【００６２】本発明の第３の実施の形態の奏する従来技
術に対する優位性は、プロセスの簡略化ができることに
ある。つまり、本発明の第３の実施の形態によれば従来
技術の連続エピタキシャル成長において積層膜厚を若干
厚めに成長し、Ｈ₂雰囲気で降温するという単純な工程
の改良でｐ型ＧａＮクラッド層３２４ｂへのＨの取り込
みに起因した不活性化を抑えることができる（したがっ
て実質的な工程数の増大はない）。このことは従来技術
においてｐ型ＧａＮクラッド層の活性化に必要とされて
いた電子線照射や熱処理等の複雑なプロセスをなくすこ
とができる点で顕著な工程簡略化を可能とするものであ
る。

【００６３】本発明の第３の実施の形態は図８（ａ），
（ｂ）に示した構造に限定されるものではない。図３
（ａ）と同様にサファイア基板３０１の上にｎ型Ｉｎ_x
Ａｌ_yＧａ_1-x-yＮバッファ層やアンドープ（又はｎ^-
型）ＧａＮ層を形成してからｎ型ＧａＮ層３０２を形成
してもよいことはもちろんである。ＤＨ発光ダイオード
や半導体レーザ等にも適用可能であり、その他の本発明
の趣旨を変更しない範囲での種々の実施の形態が可能で
ある。

【００６４】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、気相エ
ピタキシャル成長工程の一連の過程における単純な改良
を行うことのみで、煩雑かつ時間のかかる特別な工程を
付加することなく、アクセプターの活性化率を向上させ
ることができ、ｐ型半導体領域の抵抗が下がる。その結
果半導体発光素子の発光効率が向上する。

【００６５】特にｎ型のＩｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０
＜ｕ，ｖ＜１）キャップ層を用いることにより、キャッ
プ層の下地となるｐ型半導体領域とのエッチング選択比
を大きくし、エンドポイントモニタリングを容易にする
ことができる。このためキャップ層を１μｍ以上の厚さ
に十分厚くして、アクセプタ不純物の活性化率の向上を
より確実なものとできる。

【００６６】また、本発明によれば電流狭窄構造形成が
容易であるのでさらに発光効率が向上する。

【００６７】また本発明によれば、素子化プロセスを簡
略化することが出来るので製造歩留りが高くなり、生産
性が向上する。さらに短時間で製品を製造できるので迅
速な製品供給を可能とすると共に実質的な生産コストが
下がり、工業的価値は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施の形態に係る窒化ガリウム系
半導体発光素子の基本技術（原理）を説明するための断
面図である。

【図２】図２（ａ）は図１に示した積層構造の２次イオ
ン質量分析（ＳＩＭＳ）によるＭｇの膜厚方向の不純物
密度プロファイルで、図２（ｂ）はＨの不純物密度のｎ
キャップ層の厚さに対する依存性を示す図である。

【図３】図３（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係わ
る窒化ガリウム系半導体ＬＥＤの断面図で、図３（ｂ）
はその鳥瞰図である。

【図４】図３のＬＥＤの製造工程を説明する図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例に係わる窒
化ガリウム系半導体ＬＥＤの断面図である。

【図６】図５のＬＥＤの製造工程を説明する図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る積層構造を示
す図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態に係る積層構造を示
す図である。

【符号の説明】

３０１サファイア基板３０２ｎ型ＧａＮ層３０３アンドープＩｎＧａＮ活性層３０４，３１４，３２４，３２４ａ，３２４ｂｐ型Ｇ
ａＮ層３０５，３１５ｎ型ＧａＮキャップ層３０６導電性薄膜３０７ｎ側電極３０８ｐ側電極３３１Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮバッファ層３３２アンドープ（又はｎ^-型）ＧａＮ層３３３Ｕ溝３５５ｎ型Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０＜ｕ，ｖ＜
１）キャップ層

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、ｙ
≦１）からなるｎ型クラッド層の上に活性層を成長する
工程と、該活性層の上に、マグネシウムを５×１０¹⁹ｃｍ^-3〜
１．５×１０²⁰ｃｍ^-3含むＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ
（０≦ｘ、ｙ≦１）からなるｐ型クラッド層を成長する
工程と、該ｐ型クラッド層の成長後に、アンモニア（ＮＨ₃ ）ガ
スとキャリアガスのみを、３０秒以上、３分以下供給し
続ける成長中断ステップと、該成長中断ステップ後に、前記ｐ型クラッド層の上に、
厚さ１μｍ以上で、ドナーを２×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１
０¹⁹ｃｍ^-3含むｎ型Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０＜
ｕ，ｖ＜１）からなるキャップ層を成長する工程とを含
むことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】前記ｎ型クラッド層、前記活性層、前記
ｐ型クラッド層及び前記キャップ層は、サファイア基板
上にＭＯＣＶＤ法で形成することを特徴とする請求項１
に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】前記キャップ層を成長する工程の後に、
前記キャップ層の一部を選択的に除去し、前記ｐ型クラ
ッド層を露出させる工程を更に有することを特徴とする
請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】前記キャップ層の上に、透明電極層を形
成する工程を更に有することを特徴とする請求項１〜３
のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】前記ｐ型クラッド層を露出させる工程の
後に、前記露出したｐ型クラッド層の一部、及び前記活
性層の一部を選択的に除去し、前記ｎ型クラッド層の一
部を露出させる工程を更に有することを特徴とする請求
項３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】前記ｎ型クラッド層、前記活性層、前記
ｐ型クラッド層及び前記キャップ層を、不活性ガスをキ
ャリアガスとして用いた気相エピタキシャル成長法で形
成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素
子の製造方法。
【請求項７】前記キャップ層を成長する工程の後に、
３族元素原料ガスと５族元素原料ガスの供給を停止し、
キャリアガスの雰囲気中で、基板温度を成長温度から室
温まで降温する工程を更に有することを特徴とする請求
項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造
方法。
【請求項８】Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、ｙ
≦１）からなるｎ型クラッド層と、該ｎ型クラッド層の上部の活性層と、該活性層の上部に配置され、マグネシウムが５×１０¹⁹
ｃｍ^-3〜１．５×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲で、一定の不純物
密度に添加されたＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ、
ｙ≦１）からなるｐ型クラッド層と、該ｐ型クラッド層の上部に配置され、ドナーが２×１０
¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲で一定の不純物密度
に添加され、且つ前記ｐ型クラッド層との界面から次第
に減少し、前記ｐ型クラッド層との界面から０．３μｍ
の厚さにおいて、１．７×１０¹⁸ｃｍ^-3以下となる不純
物密度プロファイルで、前記マグネシウムが添加された
Ｉｎ_uＡｌ_vＧａ_1-u-vＮ（０＜ｕ，ｖ＜１）からなる
ｎ型キャップ層とを含むことを特徴とする半導体発光
素子。
【請求項９】前記ｎ型キャップ層は前記ｐ型クラッド
層の上部の一部に選択的に形成されていることを特徴と
する請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】前記ｎ型キャップ層の上部および前記
ｎ型キャップ層の形成されていない部分のｐ型クラッド
層の上部に透明電極層が形成されていることを特徴とす
る請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１１】前記ｎ型キャップ層の上部に前記透明
電極層を挾んでｐ側電極層が形成されていることを特徴
とする請求項１０記載の半導体発光素子。
【請求項１２】前記ｎ型クラッド層、前記活性層、前
記ｐ型クラッド層及び前記キャップ層は、サファイア基
板上に積層されていることを特徴とする請求項８記載の
半導体発光素子。