JPH09186403A

JPH09186403A - 半導体発光素子及びその製造方法

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Publication number: JPH09186403A
Application number: JP34188095A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Yuasa; 貴之湯浅; Kazuhiko Inoguchi; 和彦猪口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-15
Anticipated expiration: 2015-12-27
Also published as: JP3875298B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｉｎを含む化合物半導体膜と、Ｉｎを含まな
い化合物半導体膜とのへテロ構造を有し、ヘテロ接合界
面での変質や転位等が少なく、特性の良好な半導体発光
素子１０１を得る。【解決手段】半導体積層構造１０１ａを構成する、Ｉ
ｎＧａＮからなる第１の化合物半導体層１２，１４と、
ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる第２の化合物半導体層
１３とを、有機ラジカルによるアシストを利用して成長
した構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子及び
その製造方法に関し、特に半導体発光素子における有機
金属気相成長法により成膜した窒素を含有するＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層を含む半導体積層構造、及び該窒素
を含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を形成するプロ
セスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から半導体発光素子として、ＧａＡ
ｓ系半導体材料を用いた発光ダイオード素子やレーザ素
子があり、これらの半導体発光素子の発光光の色（波
長）は、赤外から赤までの範囲である。

【０００３】ところが、レーザ光を用いて光ディスクの
情報を書き込みを行うような場合には、より高密度な情
報の書き込みを行おうとすると、レーザ光の波長によ
り、書き込まれる情報の密度が制約されてしまう。この
ようなことから、より波長の短いレーザ光を発生できる
半導体レーザ素子に対する要求が高まってきている。

【０００４】そこで、窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体材料（以下、窒化物系半導体材材料という。）は、
２ｅＶ以上の広いバンドギャップを有していることか
ら、窒素系半導体材料を用いた、燈色から紫外領域まで
幅の広い短波長発光素子の開発が進められている。

【０００５】ところで、現状における一般的な短波長発
光素子の製造方法としては、Ｉｎ、Ｇａ、及びＡｌのう
ち所要のものと窒素との混晶からなる、組成の異なった
半導体層を積層してみることにより、設計した波長の発
光が可能となるよう素子構造と各半導体層の組成を決定
し、このようにして決定した素子構造及び組成に基づい
て結晶成長を行って発光素子を作製するというのが通例
である。

【０００６】例えば、ＧａＮを主組成とする青色発光素
子を作製する際の結晶成長方法では、ＩＩＩ族原料とし
てトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧａと略記す
る。）、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡｌと略
記する。）、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩｎと
略記する。）等が使用され、Ｖ族原料としてはアンモニ
ア（ＮＨ₃）（例えば、ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎ
ａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ．
３０／Ｎｏ．１２Ａ（１９９１）ｐ１９９８参照）が使
用されている。

【０００７】具体的な例として、ＧａＮを主組成とする
青色発光素子は、活性層（発光層）がＩｎ_yＧａ_1-yＮ層
（０≦ｙ＜１）から構成され、その上下のクラッド層が
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層（０≦ｘ≦１）から構成された構造と
なる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＩＩＩ
族原料とアンモニアを使用して、結晶構造的にまたは光
学的に良好な化合物半導体膜を成長しようとする場合、
Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）の成長温度としては１０
００℃以上の温度が必要であるのに対し、Ｉｎ_yＧａ_1-y
Ｎ（０≦ｙ＜１）については、Ｉｎ原子の蒸発を抑える
ためにその成長温度を８００℃以下に抑える必要がある
（例えば、ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃＭａｔｅｒｉａｌｓ／Ｖｏｌ．２１／Ｎｏ．２（１
９９２）ｐ１５７参照）。

【０００９】従って、窒化物系半導体発光素子として有
効な構造である、Ｉｎを含む化合物半導体膜と、Ｉｎを
含まない化合物半導体膜とのへテロ構造を作製する場
合、これらの化合物半導体層の一方を成長した後、半導
体層の成長を一時中断し、成長温度を変える必要があ
る。このため、その待ち時間の間に熱の影響でヘテロ構
造の界面の変質や転位等の発生を招き、膜の特性が劣化
してしまうという問題があった。

【００１０】また、このような問題は、ＩｎＡｌＧａＮ
の４元系半導体材料からなる複数種類の化合物半導体層
を含む半導体積層構造を有する発光素子においても生ず
る。つまり、活性層を構成する４元系半導体材料と、ク
ラッド層を構成する４元系半導体材料とでは、エネルギ
ーバンドギャップが異なるものを用いることから、両者
ではＩｎの含有量が異なる。このため、活性層とクラッ
ド層とでは成長温度が異なることとなる。従って、Ｉｎ
ＡｌＧａＮの４元系半導体材料を用いた半導体発光素子
においても、これを構成する所定の半導体層を成長した
後、該半導体結晶の成長を一時中断し、成長温度を変え
る必要があり、このため、上記と同様にヘテロ構造の界
面での変質や転位等が生じて膜の特性が劣化してしまう
という問題がある。

【００１１】さらに、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ膜自体に関して
も、１０００℃を越える高温では膜自身の蒸気圧が高い
ため、その成長中に、熱によりかなりの量の膜の構成分
子が昇華しており、成長された膜の構造的、光学的、電
気的な結晶の特性が悪くなるという現象も生じた。

【００１２】また、水素と窒素の結合力は有機物とＩＩ
Ｉ族の金属元素との結合力に比べて強いため、アンモニ
アは窒化物半導体の成長条件では熱による分解の効率が
悪い。このようなことから、ＩＩＩ族原料に対して極端
に多くのアンモニアを供給しないと十分な量の窒素が得
られず、１００００程度の高いＶ／ＩＩＩ比（Ｖ族原料
とＩＩＩ族原料の供給比率）を必要とし、原料の使用効
率が非常に悪いという問題もあった。

【００１３】ところで、先行技術に関する文献（Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５９（１７）２１Ｏｃｔ
１９９１，ｐ．２１２４）には、ＧａＡｓ系半導体層の
成長に、ラジカル原料としてアゾターシャルブタンを用
いることにより、ＧａＡｓ系結晶の成長速度を大きくで
きる点が記載されている。この場合ＧａＡｓ系結晶の成
長温度も低下することとなるため、上記窒化物系半導体
に関する結晶成長温度が高いことによる弊害については
解決されている。

【００１４】ところが、ＧａＡｓ系半導体材料を用いた
半導体発光素子における半導体積層構造、例えば活性層
としてのＧａＡｓ層を、その両側からクラッド層として
のＡｌＧａＡｓ層で挟んだ構造では、その製造プロセス
でアゾターシャルブタンを用いても用いなくても、Ｇａ
Ａｓ層の成長温度とＡｌＧａＡｓ層の成長温度とはほぼ
同一であり、上記窒化物系半導体の結晶成長における特
有の課題、半導体の組成の違いによる成長温度の相違に
関する課題については解決されていない。

【００１５】さらに、上記窒化物系半導体の結晶成長に
おける、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の供給比率が非常に高
く、原料の使用効率が非常に悪いという課題についても
解決されていない。

【００１６】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、アンモニア原料と有機金属を用い
て半導体発光素子を製造する際、原料の使用効率を上
げ、かつ、該半導体発光素子を構成する各半導体層の成
長温度を８００℃程度まで引き下げて、各半導体層を同
一の温度で成長可能とする半導体発光素子の製造方法を
得ることを目的とする。

【００１７】また、本発明は、Ｉｎを含む化合物半導体
膜と、Ｉｎを含まない化合物半導体膜とのへテロ構造を
有し、接合界面での変質や転位等の発生が抑制された特
性の良好な半導体発光素子を得ることを目的とする。

【００１８】また、本発明は、紫外から緑の範囲のレー
ザ光を容易に発振可能な半導体発光素子を得ることを目
的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明（請求項１）に
係る半導体発光素子は、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所
要のものと窒素との化合物からなる複数種類の半導体層
を有する半導体発光素子であって、該半導体層として、
ＩｎＧａＮからなる第１の化合物半導体層と、ＡｌＧａ
ＮまたはＧａＮからなる第２の化合物半導体層とを含む
半導体積層構造を備えている。そして、該第１及び第２
の化合物半導体層は、有機金属をＩＩＩ族原料とし、Ｎ
Ｈ₃をＶ族原料とし、熱により分解してラジカル状態に
なる有機原料を有機ラジカル源とする有機金属気相成長
処理により形成してなるものである。そのことにより上
記目的が達成される。

【００２０】この発明（請求項２）に係る半導体発光素
子は、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のものと窒素と
の化合物からなる複数種類の半導体層を有する半導体レ
ーザ素子であって、該半導体層として、ＩｎＧａＮから
なる第１の化合物半導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧａＮ
からなる第２の化合物半導体層とを含み、レーザ光を発
生するための半導体積層構造を備えている。そのことに
より上記目的が達成される。

【００２１】この発明（請求項３）に係る半導体発光素
子は、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のものと窒素と
の化合物からなる複数種類の半導体層を有する半導体発
光素子であって、該半導体層として、ＩｎＡｌＧａＮの
４元系材料からなる複数種類の化合物半導体層を含む半
導体積層構造を備えている。そして、該各化合物半導体
層は、有機金属をＩＩＩ族原料とし、ＮＨ₃をＶ族原料
とし、熱により分解してラジカル状態になる有機原料を
有機ラジカル源とする有機金属気相成長処理により形成
してなるものとなっている。そのことにより上記目的が
達成される。

【００２２】この発明（請求項４）に係る半導体発光素
子は、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のものと窒素と
の化合物からなる複数種類の半導体層を有する半導体レ
ーザ素子であって、該半導体層として、ＩｎＡｌＧａＮ
の４元系材料からなる複数種類の化合物半導体層を含
み、レーザ光を発生するための半導体積層構造を備えて
いる。そのことにより上記目的が達成される。

【００２３】この発明（請求項５）は、請求項１ないし
４のいずれかに記載の半導体発光素子において、前記半
導体積層構造を構成する化合物半導体層を、その伝導型
を規定するドーパントとして、Ｓｉ，Ｍｇ，及びＺｎの
うちの少なくとも１つを含む構造としたものである。

【００２４】この発明（請求項６）に係る半導体発光素
子の製造方法は、半導体発光素子を有機金属気相成長法
を用いて製造する方法であって、該半導体発光素子を構
成する、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のものと窒素
との化合物からなる半導体層を成膜する工程を含んでい
る。そして、該工程では該半導体層の成膜を行う際、該
成膜反応が行われる領域に、ＩＩＩ族原料として有機金
属を供給するとともにＶ族原料としてＮＨ₃を供給し、
かつ該成膜反応が行われる領域に、熱により分解してラ
ジカル状態になる有機原料を有機ラジカル源として供給
するようにしている。そのことにより上記目的が達成さ
れる。

【００２５】この発明（請求項７）は、請求項６記載の
半導体発光素子の製造方法において、前記有機原料とし
て、アゾターシャルブタンを用いるものである。

【００２６】この発明（請求項８）は、請求項７記載の
半導体発光素子の製造方法において、前記半導体層の成
膜工程では、ＩｎＧａＮからなる半導体層を成膜するも
のである。

【００２７】この発明（請求項９）は、請求項７記載の
半導体発光素子の製造方法において、前記半導体層の成
膜工程では、ＩｎＧａＮからなる半導体層と、ＡｌＧａ
Ｎからなる半導体層とをほぼ同一の成膜温度でもって成
膜するものである。

【００２８】以下、本発明の作用について説明する。

【００２９】この発明（請求項１，５）においては、半
導体積層構造を構成する、ＩｎＧａＮからなる第１の化
合物半導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる第２
の化合物半導体層とを、有機ラジカルによるアシストを
利用して成長した構造としたから、ＩｎＧａＮ結晶及び
ＡｌＧａＮまたはＧａＮ結晶が、低温で成長した特性の
良好なものとなる。また、ＩｎＧａＮ結晶及びＡｌＧａ
ＮまたはＧａＮ結晶が、同一の成長温度で形成可能なも
のとなり、上記第１及び第２の化合物半導体層のヘテロ
構造は、その接合部分でその界面での変質や転位等の発
生が抑制されたものとなる。さらに、上記ヘテロ構造を
有する発光素子では、その作製の際に、有機ラジカルに
よるアシストによりＶ族原料の分解効率が高まり、Ｖ族
原料のＩＩＩ族原料に対する供給量の比率が小さいもの
となる。

【００３０】この発明（請求項２，５）においては、レ
ーザ光を発生するための半導体積層構造を、ＩｎＧａＮ
からなる第１の化合物半導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧ
ａＮからなる第２の化合物半導体層とを含む構造とした
ので、第１及び第２の化合物半導体層の有機金属気相成
長の際、有機ラジカルによるアシストを行うことによ
り、第１及び第２の化合物半導体層の成長温度が低下
し、しかも該両半導体層の成長温度が同じになることに
より、両者のヘテロ接合界面を非常に良好なものとで
き、これにより、紫外から緑の範囲のレーザ光を発生可
能な半導体発光素子を実現できる。

【００３１】また、上記ヘテロ構造を有する発光素子で
は、上記と同様にしてその作製の際の、Ｖ族原料のＩＩ
Ｉ族原料に対する供給量の比率が小さいものとなる。

【００３２】この発明（請求項３，５）においては、半
導体積層構造を構成する、ＩｎＡｌＧａＮの４元系材料
からなる複数種類の化合物半導体層を、有機ラジカルに
よるアシストを利用して成長した構造としたから、請求
項１と同様にして、種類の異なる化合物半導体層のヘテ
ロ接合部分ではその界面での変質や転位等の発生が抑制
されることとなり、これにより素子特性を非常に良好な
ものとできる。

【００３３】またこのヘテロ構造を有する発光素子で
は、請求項１と同様、その作製の際の、Ｖ族原料のＩＩ
Ｉ族原料に対する供給量の比率が小さいものとなる。

【００３４】しかも４元系材料では、エネルギーバンド
ギャップは異なるが格子定数が同一である半導体層を形
成することができ、半導体積層構造における格子不整合
による素子特性の劣化を回避できる。

【００３５】この発明（請求項４，５）においては、レ
ーザ光を発生するための半導体積層構造を、ＩｎＡｌＧ
ａＮの４元系材料からなる複数種類の化合物半導体層を
含む構造としたので、上記化合物半導体層の有機金属気
相成長の際、有機ラジカルによるアシストを行うことに
より、上記と同様に種類の異なる化合物半導体層のヘテ
ロ接合界面を非常に良好なものとでき、これにより、紫
外から緑の範囲のレーザ光を発生可能な半導体発光素子
を実現できる。

【００３６】また、上記と同様、半導体発光素子は、そ
の作製の際の、Ｖ族原料のＩＩＩ族原料に対する供給量
の比率が小さいものとなり、しかも４元系材料では、エ
ネルギーバンドギャップは異なるが格子定数が同一であ
る半導体層を形成可能であることから、半導体積層構造
における格子不整合による素子特性の劣化を回避でき
る。

【００３７】この発明（請求項６，７）においては、Ｇ
ａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のものと窒素との化合物
からなる半導体層を成膜する際、該成膜反応が行われる
領域に、ＩＩＩ族原料として有機金属を供給するととも
にＶ族原料としてＮＨ₃を供給し、かつ該成膜反応が行
われる領域に、熱により分解してラジカル状態になる有
機原料を有機ラジカル源として供給するようにしている
ので、ラジカル状態になった有機原料の効果により、成
膜原料の分解効率を促進させることができる。これによ
り、窒素系化合物半導体を構成材料とする種々の半導体
層の成長温度を下げることができ、しかも種々の半導体
層の成長温度の低下により、これらの半導体層を同一の
成長温度で成長可能となる。また、ＮＨ₃の分解促進に
より、ＮＨ₃の供給量を少なくできる。

【００３８】この発明（請求項８）においては、上記半
導体発光装置の製造方法において、ラジカル状態になる
有機原料としてアゾターシャルブタンを用いて、ＩｎＧ
ａＮからなる半導体層を成膜するので、ＩｎＧａＮ層を
低温でしかもＮＨ₃の供給量を抑えて成膜することがで
きる。

【００３９】この発明（請求項９）は、請求項７記載の
半導体発光素子の製造方法において、前記半導体層の成
膜工程では、ＩｎＧａＮからなる半導体層と、ＡｌＧａ
Ｎからなる半導体層とをほぼ同一の成膜温度でもって成
膜するようにしたので、これらの半導体層を低温でしか
もＮＨ₃の供給量を抑えて成膜することができるだけで
なく、これらの膜を、途中で中断することなく連続して
成膜することができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】まず、本発明の基本原理について
説明する。

【００４１】本発明では、熱により分解してラジカル状
態になる有機原料を、成膜原料とともに反応管内に供給
し、ラジカル状態になった有機原料の効果により、成膜
原料の分解反応を促進させるようにしており、これによ
り成膜温度を低下させるとともに、組成や構成元素の異
なる半導体結晶を同一の温度で成長でき、しかもＶ／Ｉ
ＩＩ比を約１／３０程度まで減少できる。この結果、経
済的に有効で、良質のヘテロ構造を有する半導体発光素
子を作製できる。

【００４２】以下詳述すると、有機ラジカル原料は、成
膜原料であるアンモニアや有機金属よりも低温で分解
し、Ｃ，Ｈよりなる有機ラジカルを発生する。例えば、
アゾターシャルブタンを有機ラジカル原料として使用し
た場合、２００〜３００℃程度の温度で分解が始まり、
安定なＮ₂と、ターシャルブチルラジカル（ｔ−Ｃ₄Ｈ₉r
adicals ）を発生する。ターシャルブチルラジカルは活
性化しており、有機金属の金属とアルキル基とへの分解
を促進するほか、アンモニア（ＮＨ₃）のＮ−Ｈ結合の
分解促進に寄与する。

【００４３】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、Ｖ／ＩＩＩ比
及び成長温度を変化させてＧａＮ膜を成長した場合の膜
の状態を示している。図８（ａ）はアゾターシャルブタ
ンとＩＩＩ族原料の比が０である場合、図８（ｂ）はア
ゾターシャルブタンとＩＩＩ族原料の比が０．５である
場合、図８（ｃ）はアゾターシャルブタンとＩＩＩ族原
料の比が１である場合に対応しており、これらの図にお
いて、○印は表面が平坦で透明な膜ができる点、△印は
表面は平坦であるが茶褐色に着色した膜ができる点、×
印は表面は凸凹でありしかも茶褐色に着色した膜ができ
る点を示している。

【００４４】通常の成長において、良好な表面状態を有
する膜を得るためには、成長温度が１０００℃以上、Ｖ
／ＩＩＩ比が２０００以上必要なのに対して、ターシャ
ルブチルラジカルを使用した場合、Ｖ／ＩＩＩ比が一桁
程度、成長温度が２００℃以上低い条件でも、良好な表
面状態の膜が成長できることがわかる。なお、膜が茶褐
色になる理由は、未分解の原料がＣ，Ｈを含んだまま、
膜中に取り込まれるためであり、表面が凸凹になる理由
は、十分な条件で成長していないため、二次元成長しな
いことによる。

【００４５】また、図９はＧａＮ膜中にＩｎＧａＮから
なる量子井戸層を作製してなる半導体層構造におけるＰ
Ｌ（フォトルミネッセンス）発光のスペクトルを示す図
である。実線は、アゾターシャルブタンを、成膜材料で
ある有機金属材料に対し、１：１の比率で供給して作製
した試料ＡからのＰＬ発光に対応するもの、点線は、ア
ゾターシャルブタンを用いずに作製した試料ＢからのＰ
Ｌ発光に対応するものである。

【００４６】いずれの試料も、Ｖ族原料及びＩＩＩ族原
料の供給量、成長時間は同じであるが、アゾターシャル
ブタンを用いる場合は、成長温度を８００℃に保持し
て、下側のＧａＮ層，ＩｎＧａＮ量子井戸層，上側のＧ
ａＮ層を連続成長した。一方、アゾターシャルブタンを
用いない場合は、１０００℃で下側のＧａＮ層を成長し
た後、一旦結晶成長を中断し成長温度を降温してこれが
８００℃で安定するのを確認し、その後ＩｎＧａＮ層の
成長を行った。そして該ＩｎＧａＮ膜の膜厚が所定の膜
厚に達した後成長を中断し、成長温度の昇温を行い、こ
れが１０００℃で安定するのを待ってから、上側のＧａ
Ｎ膜の成長を行った。

【００４７】図９において、ＩｎＧａＮ量子井戸層から
のＰＬ発光（波長４５０ｎｍ付近）を、アゾターシャル
ブタンを用いて作製した試料Ａと、これを用いないで作
製した試料Ｂとで比較すると、試料ＡではＰＬ発光の半
値幅Ｗ_Aは約５０ｍｅＶと小さいのに対し、試料Ｂでは
ＰＬ発光の半値幅Ｗ_Bは１００ｍｅＶと大きな値を示し
ている。これは、試料Ｂでは、結晶成長を一旦中断する
ので、その間に熱の影響でＩｎＧａＮ膜の状態が変化し
たことに起因している。なお、波長３７０ｎｍ付近のＰ
Ｌ発光は、ＧａＮ層からのものである。

【００４８】このように本発明では、ＧａＡｓ系半導体
材料の結晶成長において有機ラジカル材料を用いたもの
とは異なり、単に結晶成長の速度を増大させるだけでな
く、従来は低温での良好な結晶成長が不可能であった窒
素系半導体材料を、低温での結晶成長が可能となり、し
かもこの際、組成や構成元素の違いにより成膜温度の異
なる異なるＩｎを含む窒素系半導体材料を同一の温度で
成長可能となる。

【００４９】（実施形態１）図１は本発明の実施形態１
による半導体発光素子及びその製造方法を説明するため
の断面図であり、上記半導体発光素子としての発光ダイ
オードの構造の一例を示している。

【００５０】図において、１０１は本実施形態１による
発光ダイオードであり、その表面の面方位が（０００
１）面であるサファイア基板１１と、該基板１１上に下
クラッド層１２，活性層１３，及び上クラッド層１４を
順次積層してなる半導体積層構造１０１ａとを有してい
る。ここで、上記下クラッド層１２は、Ｓｉをキャリア
濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3となるようドーピングした厚さ
２μｍのｎ型ＧａＮ層からなり、活性層１３は厚さ０．
０１μｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層からなり、上クラッド層
１４は、Ｍｇ及びＺｎの少なくとも一方を、ここではＭ
ｇをキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようドーピ
ングした２μｍ厚のｐ型ＧａＮ層から構成されている。

【００５１】上記半導体積層構造１０１ａは、その一部
に下クラッド層１２が露出する断面構造となっており、
該下クラッド層１２の露出部分には、金属電極１６が形
成されており、また上クラッド層１４の表面には金属電
極１５が形成されている。

【００５２】ここで、上記両クラッド層１２，１４及び
活性層１３は、有機金属をＩＩＩ族原料とし、アンモニ
アをＶ族原料とし、熱により分解してラジカル状態にな
る有機原料を有機ラジカル源とする有機金属気相成長処
理により形成してなるものである。また、上記各金属電
極１５及び１６は、それぞれ上クラッド層１４及び下ク
ラッド層１２を構成するｐ型及びｎ型ＧａＮとの間でオ
ーミック性接触が形成される金属材料から構成されてい
る。

【００５３】図２は上記実施形態１の半導体発光素子の
製造方法に使用する結晶成長装置の断面構造を概略的に
示す図である。

【００５４】図において、２０１は結晶成長装置であ
り、成膜反応を行うための石英製の反応管２６を有して
おり、該反応管２６は、その上部に形成したガス導入管
２１から、反応管２６内に原料ガス等が導入され、反応
管下端部に形成したガス排気口２２を通じて排気ガス２
２ａが反応管２６から排気されるようになっている。

【００５５】また、上記反応管２６内にはカーボン製の
サセプタ２３が配設されており、基板１１はこのサセプ
タ２３上の、上記ガス導入管２１の直下部分に配置され
るようになっている。

【００５６】また、上記反応管２６の上部壁面に沿っ
て、上記サセプタ２３を誘導加熱する高周波加熱コイル
２５が配設されており、また、該サセプタ２３内には、
熱電対２４が挿入され、サセプタ２３上の基板１１の温
度を検出可能になっている。

【００５７】また、上記結晶成長装置２０１は、Ｈ₂ガ
スの供給源２０１ａ、Ｎ₂ガスの供給源２０１ｂ、ＮＨ₃
ガスの供給源２０１ｃ、ＴＭＧａの供給源２０１ｄ、Ｓ
ｉＨ₄ガスの供給源２０１ｆ、及び有機Ｍｇの供給源２
０１ｇを有するとともに、有機ラジカル源となる有機原
料の供給源２０１ｅを有しており、各ガス供給源から
は、それぞれのガスがガス導入管２１を介して反応管２
６に送られるようになっている。

【００５８】また、上記有機原料の供給源２０１ｅは、
有機原料としての液体状のアゾーターシャルブタンを満
たした容器２０１ｅ₁と、Ｈ₂ガスの供給源２０１ｅ₂と
を有し、上記容器２０１ｅ₁内の液体状のアゾーターシ
ャルブタンをＨ₂ガスによりバブリングして上記反応管
２６に供給する構成となっている。

【００５９】次に製造方法について説明する。

【００６０】まず、表面を清浄化したサファイア基板１
１を上記サセプタ２３上に載置し、反応管２６内部の雰
囲気を高純度の水素により置換する。次いで、水素及び
窒素ガスの少なくとも一方を反応炉２６に搬送するとと
もに、該反応炉２６から排気を行う。この時、反応管２
６に供給されるガス量と、反応管から排気されるガス量
とのバランスにより、反応管内の圧力を１００Ｔｏｒｒ
程度になるよう調整する。

【００６１】その後、高周波加熱コイル２５によりサセ
プタ２３を誘導加熱し、基板１１を温度１１００〜１２
００℃で約１０分間保持して基板の清浄化を行い、その
後、基板温度を１１００℃まで下げ、この状態でＶ族原
料ガスを反応管２６内に導入する。この状態を３０分間
維持して基板１１の窒化を行う。

【００６２】次いで、基板を成長温度（８００℃）に設
定し、この状態でＩＩＩ族ガスを上記Ｖ族原料ガスとと
もに、反応管２６内に導入して結晶成長を開始する。こ
の時、ＩＩＩ族原料と同時に反応管２６内に有機ラジカ
ル源となる有機原料を導入する。これにより上記基板１
１上にＧａＮ層からなる下クラッド層１２を形成する。
ここでは、上記Ｖ族原料としてアンモニア、ＩＩＩ族原
料としてＴＭＧａ、ｎ型ドーパントの原料ガスとしてＳ
ｉＨ₄ガスを使用し、Ｖ族／ＩＩＩ族の供給比率が８０
００になる条件で、ＧａＮ層の結晶成長を行う。また、
有機ラジカル源として、アゾーターシャルブタン（（ｔ
−Ｃ₄Ｈ₉）₂Ｎ₂）を使用し、ＩＩＩ族原料（ＴＭＧａ）
の供給モル数に対して、モル比で１の割合で、アゾータ
ーシャルブタンを反応管２６内に投入する。このアゾー
ターシャルブタンは熱分解により容易に（ｔ−Ｃ₄Ｈ₉ラ
ジカル）を発生することが知られている。

【００６３】次に、上記下クラッド層１２上にＩｎＧａ
Ｎからなる活性層１３の成長を行う。

【００６４】ここでは、成長温度を８００℃のまま維持
し、ＩＩＩ族原料ガスとして、ＴＭＧａに加えてＴＭＩ
ｎ（トリメチルインジウム）を供給する。また、有機ラ
ジカル源としては、アゾーターシャルブタンを使用し、
ＩＩＩ族原料の供給モル数（ＴＭＩｎ＋ＴＭＧａ）に対
して、モル比で１の割合で、アゾーターシャルブタンを
反応管２６内に供給する。

【００６５】次に、上記活性層１３上に上記下クラッド
層１２と同様にして、ＧａＮからなる上クラッド層１４
を形成する。但し、ここでは該上クラッド層１４はｐ型
の伝導型を有するため、伝導型を規定するドーパントの
原料として、ｎ型ドーパントの原料ガス（ＳｉＨ₄ガ
ス）に代えて、ｐ型ドーパントの原料であるＥｔＣｐ₂
Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウ
ム）を用いる。

【００６６】その後、上記上クラッド層１４の表面から
下クラッド層１２内の所定位置まで選択的なエッチング
を行い、上記下クラッド層１２の露出部分にオーミック
電極１６を形成するとともに、上記上クラッド層１４の
表面にオーミック電極１５を形成し、基板を所定の大き
さに分割して半導体発光素子（ＬＥＤチップ）１０１を
完成する。

【００６７】次に作用効果について説明する。

【００６８】この実施形態１では、上記半導体発光素子
を構成する下クラッド層１２、活性層１３、及び上クラ
ッド層１４を、全て成長温度８００℃で連続して形成す
るので、各層界面での成長待ち時間の熱の影響による損
傷はなく、界面から発生する転位も少なくすることがで
きた。

【００６９】従って、本発明は、Ｉｎを有する層と、Ｉ
ｎを有していない層の多層構造を有する発光素子を作製
する際に極めて有効となる。

【００７０】また、Ｍｇをドーピングした際、その層
は、ｐ型化が容易であった。これは製造膜中のＭｇ原子
と水素原子との結合が少ないことを意味するため、製造
膜中への水素原子の混入が有機ラジカルの効果により押
さえられていることがわかる。

【００７１】さらに、ＧａＮ及びＩｎＧａＮの結晶成長
における有機ラジカルの効果を確かめる試験について説
明する。

【００７２】ここでは、ＴＭＧａ量に対してモル比で
０、０．５、１の割合で、有機ラジカルになる有機原料
を投入して試料の作製を行った。図３は、このようにし
て試料の作製を行った場合の、ＧａＮ膜の成長速度と成
長温度の関係を、有機原料の投入量をパラメータとして
グラフで示している。

【００７３】また、Ｖ族原料としてアンモニア、ＩＩＩ
族原料としてＴＭＧａを使用し、Ｖ族／ＩＩＩ族比が８
０００になる条件で結晶成長を行った。ここでの試料の
作製では、有機ラジカル源として、アゾーターシャルブ
タン（（ｔ−Ｃ₄Ｈ₉）₂Ｎ₂）を使用した。図３から明ら
かなように、有機ラジカル源の投与により、低温での成
長速度が速くなっていることがわかる。

【００７４】図５は、Ｉｎを組成に含むＩｎＧａＮ混晶
について、Ｉｎ原料の供給比と製造膜中のＩｎの組成比
との関係を測定した結果を示す。Ｉｎ原料としては、Ｔ
ＭＩｎを使用した。また、この測定を行うためのＩｎＧ
ａＮの成長は、基板の表面上にて行った。なお、基板の
窒化処理は、上記実施形態１で説明したものと同条件で
行った。

【００７５】また、成長温度は８００℃に固定し、ＩＩ
Ｉ族原料の供給モル数を一定にして、ＴＭＩｎ／（ＴＭ
Ｉｎ＋ＴＭＧａ）値を変化させて、製造膜中のＩｎ含有
量を測定した。さらに、有機ラジカル源としては、アゾ
ーターシャルブタンを使用し、ＩＩＩ族原料の供給モル
数（ＴＭＩｎ＋ＴＭＧａ）に対して、モル比で０、０．
５、１の割合で、アゾーターシャルブタンを投入した。
図から明らかなように、アゾーターシャルブタン投入が
ない場合、製造膜中のＩｎ量は、ＴＭＩｎ／（ＴＭＩｎ
＋ＴＭＧａ）値が０．９程度で急激に増加し、組成の制
御性が極めて難しくなっているのに対して、アゾーター
シャルブタンを投入した場合、曲線の立ち上がりが滑ら
かで、組成の制御性が向上していることがわかる。

【００７６】上記実施形態１におけるＧａＮ成長の条件
で、成長温度を１０００℃に固定し、ＩＩＩ族原料の供
給量を変えずに、Ｖ／ＩＩＩ比を減少させる実験を行っ
た。

【００７７】アゾーターシャルブタン供給量が０の場
合、Ｖ／ＩＩＩ比≦１０００で製造膜が黄色く着色し、
ＰＬ測定によるバンド端発光量が極力減少してくるとい
う現象を生じたのに対し、アゾーターシャルブタンをＩ
ＩＩ族原料の供給モル数に対して、モル比で１の割合量
を投入した場合、Ｖ／ＩＩＩ比＝１００程度までは製造
膜の色、及び、ＰＬのバンド端発光強度にほとんど影響
は認められなかった。

【００７８】図６は、Ｖ／ＩＩＩ比が１０００である条
件で成膜したＧａＮ膜のＰＬ強度を、アゾーターシャル
ブタンを使用した場合と、これを使用しない場合とで比
較して示している。

【００７９】この図から、アゾーターシャルブタンを使
用した場合は、Ｖ／ＩＩＩ比が小さいにもかかわらず、
発光素子作製に必要なバンド端の発光強度は強いことが
わかる。

【００８０】なお、上記実施形態１では、上下のクラッ
ド層を、ＧａＮの結晶成長により形成した構造を示した
が、上下のクラッド層は、ＡｌＧａＮ結晶により構成し
てもよい。

【００８１】（実施形態２）次に本発明の実施形態２と
して、活性層がＩｎＧａＮ結晶からなり、上下のクラッ
ド層がＡｌＧａＮ結晶からなる半導体発光素子（発光ダ
イオード）について説明する。

【００８２】この実施形態２の半導体発光素子は、実施
形態１の半導体発光素子における上クラッド層を、厚さ
２μｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ結晶から構成し、下クラ
ッド層を、厚さ２μｍのｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ結晶から
構成したものである。ここで上下の各クラッド層を構成
するＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ結晶は、有機金属をＩＩＩ族原料
とし、アンモニアをＶ族原料とし、熱により分解してラ
ジカル状態になる有機原料を有機ラジカル源とする有機
金属気相成長処理により形成してなるものである。ここ
で、上記下クラッド層は、Ｓｉをｎ型ドーパントとして
キャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようドーピング
したものであり、上記上クラッド層は、Ｍｇをｐ型ドー
パントとしてキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3となるよ
うドーピングしたものである。

【００８３】この実施形態２の半導体発光素子の製造方
法は、上下のクラッド層を形成する工程のみ上記実施形
態１と異なっている。また各半導体層の結晶成長には、
上記実施形態１と同様、図２に示す結晶成長装置を用い
る。但しこの場合の該結晶成長装置の構成は、ＴＭＡｌ
（トリメチルアルミニウム）の供給源を図２に示す構成
に付加したものとなる。

【００８４】すなわち、実施形態１と同様に、基板の清
浄化及び基板の窒化を行った後、基板を成長温度（８０
０℃）に設定し、この状態でＩＩＩ族ガスを反応管２６
内に導入して結晶成長を開始する。この時、ＩＩＩ族原
料と同時に反応管２６内に有機ラジカル源となる有機原
料を導入する。これにより上記基板上にＡｌＧａＮ層か
らなる下クラッド層を形成する。ここでは、上記Ｖ族原
料としてアンモニア、Ｇａ原料としてはＴＭＧａ、Ａｌ
原料としてはＴＭＡｌ、ｎ型ドーパントの原料ガスとし
てＳｉＨ₄ガスを使用する。

【００８５】また、ＴＭＧａとＴＭＡｌとの導入比は、
成長されるＡｌＧａＮ混晶のＡｌ組成が２０％となるよ
う調整し、また、ＩＩＩ族原料の供給モル数（ＴＭＧａ
＋１／２ＴＭＡｌ）を一定にしている。さらに、Ｖ族／
ＩＩＩ族の供給比率は８０００になる条件で、ＡｌＧａ
Ｎ層の結晶成長を行うようにしている。また、有機ラジ
カル源として、アゾーターシャルブタン（（ｔ−Ｃ
₄Ｈ₉）₂Ｎ₂）を使用し、ＩＩＩ族原料（ＴＭＧａ）の供
給モル数に対して、モル比で１の割合で、アゾーターシ
ャルブタンを反応管２６内に投入する。

【００８６】次に、上記下クラッド層上に上記実施形態
１と同様にして、ＩｎＧａＮからなる活性層の成長を行
い、さらに該活性層上に上記下クラッド層と同様にし
て、ＡｌＧａＮからなる上クラッド層を形成する。但
し、この上クラッド層はｐ型の伝導型を有するため、伝
導型を規定するドーパントの原料としては、ｎ型ドーパ
ントの原料ガス（ＳｉＨ₄）に代えて、ｐ型ドーパント
の原料であるＥｔＣｐ₂Ｍｇを用いる。

【００８７】その後、上記実施形態１と同様にして、下
クラッド層の露出部分にオーミック電極を形成するとと
もに、上記上クラッド層の表面にオーミック電極を形成
し、基板を所定の大きさに分割して半導体発光素子（Ｌ
ＥＤチップ）を完成する。

【００８８】次に作用効果について説明する。

【００８９】この実施形態２においても、上記実施形態
１と同様、上記半導体発光素子を構成する下クラッド
層、活性層、及び上クラッド層を、全て成長温度８００
℃で連続して形成するので、各層界面での成長待ち時間
の熱の影響による損傷はなく、界面から発生する転位も
少なくすることができた。

【００９０】また、この実施形態２においても上記上ク
ラッド層は、Ｍｇのドーピングによりｐ型化を容易に行
うことができた。

【００９１】さらに、ＡｌＧａＮの結晶成長における有
機ラジカルの効果を確かめる試験について説明する。

【００９２】図４は、Ａｌを含むＡｌＧａＮ混晶につい
て、成長温度と成長速度の関係を、有機原料の投入量を
パラメータとしてグラフで示している。

【００９３】Ｇａ原料としてはＴＭＧａ、Ａｌ原料とし
ては、ＴＭＡｌを使用した。製造される混晶のＡｌ組成
が２０％となるようにＴＭＧａ、ＴＭＡｌ導入比を調整
し、また、ＩＩＩ族原料の供給モル数（ＴＭＧａ＋１／
２ＴＭＡｌ）を一定にした。

【００９４】さらにＶ族原料としてアンモニアを使用
し、Ｖ族／ＩＩＩ族比が８０００になる条件で結晶成長
を行った。有機ラジカル源としては、アゾーターシャル
ブタンを使用し、ＩＩＩ族原料の供給モル数（ＴＭＧａ
＋１／２ＴＭＡｌ）に対して、モル比で０、０．５、１
の割合で、アゾーターシャルブタンを投入した。

【００９５】図４から明らかなように、有機ラジカル源
の投与により、ＴＭＧａ単独での導入時同様、低温での
成長速度が速くなっていることがわかる。

【００９６】続いて、アゾーターシャルブタンを使用し
たことによる、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮのへテロ接合界
面における効果について説明する。

【００９７】まず、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮのへテロ接
合構造を形成し、その界面の状態を観察する実験を行っ
た。

【００９８】アゾーターシャルブタンを使用する場合
は、成長温度を８００℃にしてＩｎＧａＮ層とＡｌＧａ
Ｎ層を連続成長した。一方、アゾーターシャルブタンを
使用しない場合は、８００℃でＩｎＧａＮ膜を成長し、
その後、一旦結晶成長を中断して成長温度を１０００℃
まで昇温し、この状態でＡｌＧａＮ膜を再成長させた。

【００９９】アゾーターシャルブタンを使用してＩｎＧ
ａＮ層とＡｌＧａＮ層を連続成長した場合のヘテロ界面
は、凹凸が確認できないほど平坦であった。これに対
し、アゾターシャルブタンを使用せずにＩｎＧａＮ層と
ＡｌＧａＮとを順次成長した場合のへテロ界面は、所々
で平坦性を大きく欠いており、界面から発生している欠
陥はアゾターシャルブタンを使用した場合の１０倍以上
観測された。

【０１００】なお、クラッド層及び活性層の構成材料
は、上記実施形態１及び２で示したものに限らず、Ｉｎ
ＧａＡｌＮ四元混晶の多層構造でもよく、この場合も有
機ラジカルを使用することにより、Ｉｎの組成制御性を
良好なものとできる。また、４元系材料では、図１１に
示すように、格子定数を一定にしたままでエネルギーバ
ンドギャップを変化させることができる。このため、４
元系材料（図１１の斜線で示す領域における組成）で
は、エネルギーバンドギャップは異なるが格子定数が同
一である半導体層を形成することにより、半導体積層構
造における格子不整合による素子特性の劣化を回避でき
る。

【０１０１】また、上記各実施形態では、サファイア基
板上への半導体層の成長について記したが、本発明は理
論上基板の影響を考える必要のないものであるため、Ｓ
ｉＣ基板やＧａＮ基板等他の基板にも有効に適用でき、
半導体層の形成プロセスに本発明を適用した半導体発光
素子では電流注入により強い発光を示した。

【０１０２】さらに上記各実施形態２では、活性層を構
成するＩｎ_xＧａ_1-xＮ結晶のＩｎ組成ｘが０．２であ
り、Ａｌ_yＧａ_1-yＮのＡｌ組成ｙが０．２である発光素
子を示したが、発光層（活性層）を構成するＩｎ_xＧａ
_1-xＮ結晶のＩｎ組成ｘは０≦ｘ＜１の範囲で特に有効
であり、クラッド層を構成するＡｌ_yＧａ_1-yＮのＡｌ組
成ｙは０≦ｙ≦０．３の範囲で特に有効であることが確
認されている。

【０１０３】また、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌを含む４元混晶Ｉ
ｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（ｘ＋ｙ＜１）においても同様
に、Ｉｎ組成ｘが０≦ｘ＜１の範囲であり、Ａｌ組成ｙ
が０≦ｙ≦０．３の範囲であれば、結晶の特性が向上
し、組成制御が容易であった。

【０１０４】（実施形態３）図７は本発明の実施形態３
による半導体レーザ素子を説明するための図であり、該
半導体レーザ素子の断面構造を示している。

【０１０５】図において、１０３は本実施形態３の半導
体レーザ素子であり、その表面の面方位が（０００１）
面である６Ｈ−ＳｉＣ基板３１と、該基板３１上にＡｌ
Ｎバッファ層３２を介して形成され、誘導放出光（レー
ザ光）を発生するための半導体積層構造１０３ａとを有
している。該半導体積層構造は、下クラッド層３３，活
性層３４，及び上クラッド層３５を順次積層してなる構
造となっている。

【０１０６】ここで、上記ＳｉＣ基板３１は、Ｎをｎ型
ドーパントとしてキャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3とな
るようドーピングしたものである。また、上記下クラッ
ド層３３は、Ｓｉをキャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3と
なるようドーピングした厚さ１μｍのｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎ層からなり、活性層３４は厚さ７ｎｍのＩｎ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｎ層からなり、上クラッド層３５は、Ｍｇをキャ
リア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようドーピングした
厚さ１μｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層から構成されてい
る。また、上記両クラッド層３３，３５及び活性層３４
は、有機金属をＩＩＩ族原料とし、アンモニアをＶ族原
料とし、熱により分解してラジカル状態になる有機原料
を有機ラジカル源とする有機金属気相成長処理により形
成してなるものである。

【０１０７】さらに上記上クラッド層３５は断面凸形状
となっており、その突出部分上にはオーミック電極３６
が形成され、該突出部分の両側には高抵抗膜３８が形成
されている。また上記基板３１の裏面にはオーミック電
極３７が形成されている。

【０１０８】次に製造方法について説明する。

【０１０９】ここでは、上記実施形態１と同様、図２に
示す構造のＭＯＣＶＤ装置を用いて各半導体層の成長を
行う。

【０１１０】まず、基板３１を上記ＭＯＣＶＤ装置の反
応管２６内に装填し、１０００℃のＮＨ₃中で１０分間
窒化処理を行い、その後、基板温度を８００℃まで降下
し、ＴＭＡｌとターシャルブチルアミンを所定量反応管
２６内に供給し、約２０ｎｍの厚さのＡｌＮバッファ層
３２を形成する。

【０１１１】その後、ＴＭＧａの供給を開始し、ＴＭＡ
ｌの供給量を調整し、さらにｎ型ドーパントの原料ガス
であるＳｉＨ₄を反応管２６内に供給しつつ、ｎ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層３３を１μｍの厚さに成長する。

【０１１２】次にＴＭＡｌの供給を停止し、ＴＭＩｎの
供給を開始し、さらにＴＭＧａの供給量を調整して、厚
さ７ｎｍのＩｎＧａＮ活性層３４を形成する。その後、
ＴＭＩｎの供給を停止し、ＴＭＡｌとｐ型ドーパントの
原料ガスであるＥｔＣｐ₂Ｍｇを反応管内に供給し、Ｔ
ＭＧａの供給量を調整して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３５を１μｍの厚さに成長する。

【０１１３】このように結晶成長処理を施した基板を、
ＭＯＣＶＤ装置の反応管から取り出し、最表面のＡｌＧ
ａＮ層３５をフォトリソグラフィ技術を用いて、その断
面形状が凸形状となるよう選択的にエッチングし、高抵
抗膜３８を該ＡｌＧａＮ層の表面に形成する。そして該
高抵抗膜３８の、該ＡｌＧａＮ層３５の突出部分に対応
する部分を除去して、該突出部分にｐ型ＡｌＧａＮ層３
５に対するオーミック電極３６を蒸着する。

【０１１４】次に、基板をその厚さが約７０μｍとなる
まで裏面側から研磨し、該基板の裏面にｎ−ＳｉＣに対
するオーミック電極３７を蒸着する。その後基板を劈開
等により分割して共振器端面を形成し、さらにチップに
分割して半導体レーザ素子を完成する。

【０１１５】このように本実施形態では、ＡｌＧａＮ層
及びＩｎＧａＮ層の結晶成長の際、熱により分解して有
機ラジカルを発生するターシャルブチルアミンを反応管
内に導入するようにしているため、上下のＡｌＧａＮク
ラッド層及びＩｎＧａＮ活性層を、低温でしかも同一の
成長温度で連続して形成することができ、これにより活
性層とクラッド層との界面を平坦にできる。この結果、
活性層の光学的特性が良好となり、紫外から緑までの波
長の光を容易に発振可能な半導体レーザ素子を実現する
ことができる。

【０１１６】なお、本実施形態３では、基板として６Ｈ
−ＳｉＣ基板を用いたが、他の材料からなる基板を用い
てもよく、この場合も上記実施形態３と同様の効果が得
られる。

【０１１７】また、上記実施形態３では、クラッド層を
ＡｌＧａＮ結晶から、活性層をＩｎＧａＮ結晶から構成
した半導体レーザ素子を示したが、上記クラッド層及び
活性層は組成の異なる、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌを含む４元混
晶Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ結晶から構成してもよい。こ
の場合も上記実施形態３と同様に、活性層の光学的特性
が良好であって、紫外から緑までの波長の光を容易に発
振可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

【０１１８】さらに、上記各実施形態１〜３では、結晶
成長装置として、有機ラジカル源としての有機原料を、
他の原料ガスと共に１つのガス導入管を介して反応管内
に供給する構成のものを示したが、有機ラジカル源とな
る有機原料は熱により分解しやすいため、ラジカル状態
が基板上部まで維持できるよう、かつ他の原料どうしの
前反応を抑さえられるよう、有機ラジカル源としての有
機原料を専用のガス導入管を通して基板の上部領域に導
入することが好ましい。

【０１１９】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ＩＩＩ
族原料、Ｖ族原料、及び有機原料を別々のガス導入通路
を介して反応管内の基板の上部領域に導入するための構
成を概念的に示している。

【０１２０】図１０（ａ）は、図２に示す結晶成長装置
のガス導入管を多重構造としたものの断面構造を示して
いる。例えば、ＩＩＩ族原料、Ｖ族原料、及び有機原料
に対して別々のガス導入通路を設けるのであれば、図１
０（ａ）に示すガス導入管２１ａのように、口径の異な
る大，中，小のガス導入管２１ａ₁，２１ａ₂，２１ａ₃
を同心円状に重ねた構造とし、最も内側のガス導入管２
１ａ₃からはＶ族原料を供給し、内側のガス導入管２１
ａ₃と中間のガス導入管２１ａ₂との間の隙間からは、Ｉ
ＩＩ族原料を供給し、さらに中間のガス導入管２１ａ₂
と外側のガス導入管２１ａ₁との間の隙間からは、有機
ラジカル原料を供給するようにすればよい。

【０１２１】また、図１０（ｂ）は、ＩＩＩ族原料、Ｖ
族原料、及び有機原料に対応する３本のガス導入管を有
する横型の結晶成長装置を概念的に示している。この横
型の結晶成長装置３００は、上記図２に示す縦型の結晶
成長装置と同様、サセプタ２３上に基板１１を載置し
て、結晶成長を行うようになっており、上，中，下の３
本のガス導入管３０１，３０２，３０３からは、それぞ
れ有機ラジカル材料、ＩＩＩ族ガス、Ｖ族ガスがチャン
バ３０４内に供給されるようになっている。

【０１２２】また、上記実施形態では、有機ラジカル源
としてアゾーターシャルブタンを使用した場合について
のみ記したが、一般にアゾ基を有する有機源はＮ₂を放
出して有機ラジカルを作りやすいために、他のアゾ基を
有する原料においても同様の効果が得られる。事実、ア
ゾメタン等においても同様の効果が確認できた。

【０１２３】また、アゾ基を有する化合物に限らず、ア
ジゾ基を有する化合物や、ヒドラジン系の化合物等ラジ
カル状態になる有機化合物においても同様の効果は期待
できる。

【０１２４】つまり、本発明では、有機ラジカル源とし
ては、基本的には、熱により分解して有機ラジカルを発
生するものであればどのようなものでもよいが、実用
上、有機ラジカル材料は、図２に示すように、容器内に
蓄えられた液体状のものをバブリングにより反応管に供
給するので、その蒸気圧が有機金属の気相成長に使いや
すい範囲のものを選ぶ必要がある。具体的には、有機ラ
ジカル材料の蒸気圧が高すぎると、少しのバブリングに
より大量の有機ラジカル材料が反応管に供給されること
となり、有機ラジカル材料の供給量の制御が困難とな
る。また、有機ラジカル材料の蒸気圧が低くすぎると、
いくらバブリングを行っても十分が量の有機ラジカル材
料が反応管に供給されないといったこととなる。

【０１２５】

【発明の効果】以上のように本発明（請求項１，５）に
よれば、半導体積層構造を構成する、ＩｎＧａＮからな
る第１の化合物半導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧａＮか
らなる第２の化合物半導体層とを、有機ラジカルによる
アシストを利用して成長した構造としたので、ＩｎＧａ
Ｎ結晶及びＡｌＧａＮまたはＧａＮ結晶の成長温度の低
下によりこれらの窒素系化合物半導体層の特性を向上で
きる。

【０１２６】また、ＡｌＧａＮまたはＧａＮ結晶の成長
温度の低下により、ＩｎＧａＮ結晶及びＡｌＧａＮまた
はＧａＮ結晶を同じ成長温度で連続成長可能となる。こ
れにより第１及び第２の化合物半導体層のヘテロ構造
を、その接合部分でその界面での変質や転位等の発生が
抑制されたものとできる。

【０１２７】さらに、上記ヘテロ構造を有する発光素子
では、有機ラジカルによるアシストによりＶ族原料の分
解効率が高まり、その作製の際の、Ｖ族原料のＩＩＩ族
原料に対する供給量の比率が小さいものとなる。

【０１２８】この発明（請求項２，５）によれば、レー
ザ光を発生するための半導体積層構造を、ＩｎＧａＮか
らなる第１の化合物半導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧａ
Ｎからなる第２の化合物半導体層とを含む構造としたの
で、第１及び第２の化合物半導体層の有機金属気相成長
の際、有機ラジカルによるアシストを行うことにより、
ＩｎＧａＮ結晶及びＡｌＧａＮまたはＧａＮ結晶の成長
温度が低下して、これらの結晶が連続成長可能となる。
これによりヘテロ接合界面を非常に良好なものとでき、
紫外から緑の範囲のレーザ光を発生可能な半導体発光素
子を実現できる。また、有機ラジカルによるアシストに
より、Ｖ族原料の分解効率が高まり、Ｖ族原料のＩＩＩ
族原料に対する供給量の比率が小さいものとなる。

【０１２９】この発明（請求項３，５）によれば、半導
体積層構造を構成する、ＩｎＡｌＧａＮの４元系材料か
らなる複数種類の化合物半導体層を、有機ラジカルによ
るアシストを利用して成長した構造としたので、上記請
求項１の効果に加えて、４元系材料では、エネルギーバ
ンドギャップは異なるが格子定数が同一である半導体層
を形成することができ、半導体積層構造における格子不
整合による素子特性の劣化を回避できる効果がある。

【０１３０】この発明（請求項４，５）によれば、レー
ザ光を発生するための半導体積層構造を、ＩｎＡｌＧａ
Ｎの４元系材料からなる複数種類の化合物半導体層を含
む構造としたので、上記請求項３の効果に加えて、４元
系材料では、エネルギーバンドギャップは異なるが格子
定数が同一である半導体層を形成可能であることから、
半導体積層構造における格子不整合による素子特性の劣
化を回避できる効果がある。

【０１３１】この発明（請求項６，７）に係る半導体発
光素子の製造方法によれば、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのう
ち所要のものと窒素との化合物からなる半導体層を成膜
する際、該成膜反応が行われる領域に、ＩＩＩ族原料と
して有機金属を供給するとともにＶ族原料としてＮＨ₃
を供給し、かつ該成膜反応が行われる領域に、熱により
分解してラジカル状態になる有機原料を有機ラジカル源
として供給するようにしているので、ラジカル状態にな
った有機原料の効果により、成膜原料の分解効率を促進
させることができる。これにより、窒素系化合物半導体
を構成材料とする種々の半導体層の成長温度を下げるこ
とができ、しかもＡｌＧａＮまたはＧａＮ結晶の成長温
度の低下により、ＩｎＧａＮ結晶及びＡｌＧａＮまたは
ＧａＮ結晶を同じ成長温度で連続成長可能となる。ま
た、ＮＨ₃の分解促進により、ＮＨ₃の供給量を少なくで
きる。

【０１３２】この発明（請求項８）によれば、上記半導
体発光装置の製造方法において、有機原料としてアゾタ
ーシャルブタンを用いて、ＩｎＧａＮからなる半導体層
を成膜するので、ＩｎＧａＮ層を低温でしかもＮＨ₃の
供給量を抑えて成膜することができる。

【０１３３】この発明（請求項９）によれば、請求項７
記載の半導体発光素子の製造方法において、前記半導体
層の成膜工程では、ＩｎＧａＮからなる半導体層と、Ａ
ｌＧａＮからなる半導体層とをほぼ同一の成膜温度でも
って成膜するようにしたので、これらの半導体層を低温
でしかもＮＨ₃の供給量を抑えて成膜することができる
だけでなく、これらの膜を、途中で中断することなく連
続して成膜することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１による半導体発光素子及び
その製造方法を説明するための断面図であり、上記半導
体発光素子としての発光ダイオードの構造の一例を示し
ている。

【図２】上記実施形態１の半導体発光素子の製造方法に
使用する気相成長装置の断面構造を概略的に示す図であ
る。

【図３】ＧａＮ結晶の成長温度と成長速度とについて有
機ラジカル量に対する依存性を示す特性図である。

【図４】ＡｌＧａＮ混晶の成長温度と成長速度について
有機ラジカル量に対する依存性を示す特性図である。

【図５】ＩｎＧａＮ混晶のＴＭＩ量と製造膜中のインジ
ウム含有量とについて有機ラジカル量に対する依存性を
示す特性図である。

【図６】Ｖ／ＩＩＩ比が１０００である条件で成膜した
ＧａＮ膜のＰＬ強度を、アゾーターシャルブタンを使用
した場合と、これを使用しない場合とで比較して示す図
である。

【図７】本発明の実施形態３による半導体レーザ素子を
説明するための図であり、該半導体レーザ素子の断面構
造を示している。

【図８】本発明の基本原理を説明するための図であり、
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、Ｖ／ＩＩＩ比及び成長温度
を変化させてＧａＮ膜を成長した場合の膜の状態を示し
ている。

【図９】本発明の基本原理を説明するための図であり、
ＧａＮ膜中にＩｎＧａＮからなる量子井戸層を作製して
なる半導体層構造におけるＰＬ（フォトルミネッセン
ス）発光のスペクトルを示している。

【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、ＩＩＩ族
原料、Ｖ族原料、及び有機原料を別々のガス導入通路を
介して、反応管内の基板の上部領域に導入するための構
成を概念的に示す図である。

【図１１】Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_1-x-yＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）
について、格子定数とエネルギーバンドギャップＥｇと
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１１基板１２ｎ型ＧａＮクラッド層１３ＩｎＧａＮ活性層１４ｐ型ＧａＮクラッド層１５，１６，３６，３７オーミック電極３３ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３４ＩｎＧａＮ活性層３５ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３８高抵抗膜１０１半導体発光素子（発光ダイオード）１０１ａ，１０３ａ半導体積層構造１０３半導体発光素子（半導体レーザ素子）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のもの
と窒素との化合物からなる複数種類の半導体層を有する
半導体発光素子であって、該半導体層として、ＩｎＧａＮからなる第１の化合物半
導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる第２の化合
物半導体層とを含む半導体積層構造を備え、該第１及び第２の化合物半導体層は、有機金属をＩＩＩ
族原料とし、ＮＨ₃をＶ族原料とし、熱により分解して
ラジカル状態になる有機原料を有機ラジカル源とする有
機金属気相成長処理により形成してなるものである半導
体発光素子。
【請求項２】Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のもの
と窒素との化合物からなる複数種類の半導体層を有する
半導体発光素子であって、該半導体層として、ＩｎＧａＮからなる第１の化合物半
導体層と、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる第２の化合
物半導体層とを含み、レーザ光を発生するための半導体
積層構造を備えた半導体発光素子。
【請求項３】Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のもの
と窒素との化合物からなる複数種類の半導体層を有する
半導体発光素子であって、該半導体層として、ＩｎＡｌＧａＮの４元系材料からな
る複数種類の化合物半導体層を含む半導体積層構造を備
え、該各化合物半導体層は、有機金属をＩＩＩ族原料とし、
ＮＨ₃をＶ族原料とし、熱により分解してラジカル状態
になる有機原料を有機ラジカル源とする有機金属気相成
長処理により形成してなるものである半導体発光素子。
【請求項４】Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎのうち所要のもの
と窒素との化合物からなる複数種類の半導体層を有する
半導体発光素子であって、該半導体層として、ＩｎＡｌＧａＮの４元系材料からな
る複数種類の化合物半導体層を含み、レーザ光を発生す
るための半導体積層構造を備えた半導体発光素子。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の半
導体発光素子において、前記半導体積層構造を構成する化合物半導体層は、その
伝導型を規定するドーパントとして、Ｓｉ，Ｍｇ，及び
Ｚｎのうちの少なくとも１つを含むものである半導体発
光素子。
【請求項６】半導体発光素子を有機金属気相成長法を
用いて製造する方法であって、該半導体発光素子を構成する、Ｇａ、Ａｌ、及びＩｎの
うち所要のものと窒素との化合物からなる半導体層を成
膜する工程を含み、該工程では該半導体層の成膜を行う際、該成膜反応が行
われる領域に、ＩＩＩ族原料として有機金属を供給する
とともにＶ族原料としてＮＨ₃を供給し、かつ該成膜反
応が行われる領域に、熱により分解してラジカル状態に
なる有機原料を有機ラジカル源として供給する半導体発
光素子の製造方法。
【請求項７】請求項６記載の半導体発光素子の製造方
法において、前記有機原料は、アゾターシャルブタンである半導体発
光素子の製造方法。
【請求項８】請求項７記載の半導体発光素子の製造方
法において、前記半導体層の成膜工程では、ＩｎＧａＮからなる半導
体層を成膜する半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】請求項７記載の半導体発光素子の製造方
法において、前記半導体層の成膜工程では、ＩｎＧａＮからなる半導
体層と、ＡｌＧａＮからなる半導体層とをほぼ同一の成
膜温度でもって成膜する半導体発光素子の製造方法。