半導体発光デバイスおよび半導体デバイスの製造方法
【課題】高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスを与える窒化物半導体デバイスの製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体デバイスの製造方法は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層２７を成長させるステップと、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の上にアルミニウム含有窒化物半導体層２６を５００℃以上の成長温度で成長させ、これによりＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７と窒化物半導体層２６との間の界面に電子ガス領域２８を形成させるステップとを含む。その後、上記アルミニウム含有窒化物半導体層を８００℃以上の温度でアニールする。この方法により、比較的低いアルミニウム濃度、例えば０．３以下のアルミニウム・モル分率等を持つアルミニウム含有窒化物半導体層２６を用いて、アルミニウム含有窒化物半導体層２６またはＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７をドープする必要なしに、６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることができる。
【解決手段】窒化物半導体デバイスの製造方法は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層２７を成長させるステップと、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の上にアルミニウム含有窒化物半導体層２６を５００℃以上の成長温度で成長させ、これによりＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７と窒化物半導体層２６との間の界面に電子ガス領域２８を形成させるステップとを含む。その後、上記アルミニウム含有窒化物半導体層を８００℃以上の温度でアニールする。この方法により、比較的低いアルミニウム濃度、例えば０．３以下のアルミニウム・モル分率等を持つアルミニウム含有窒化物半導体層２６を用いて、アルミニウム含有窒化物半導体層２６またはＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７をドープする必要なしに、６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイスに関し、特に、窒化物材料系、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系などで作製された半導体発光デバイスに関する。本発明は、半導体デバイスの製造方法に関し、より詳細には、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系等のような窒化物材料系による半導体デバイスの製造方法にも関する。本発明は、発光ダイオード（以下、適宜「ＬＥＤ」と略記する）やレーザーダイオード（以下、適宜「ＬＤ」と略記する）等に、あるいは、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等のような光半導体デバイスの製造に、適用できる。また、本発明は、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のような電子半導体デバイスにも適用できる。
【背景技術】
【０００２】
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１）で表される材料を含んでいる。本願明細書においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうちで、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムのモル分率が０でないものを「ＡｌＧａＩｎＮ」と記す。また、本願明細書においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうちで、アルミニウムのモル分率が０であるが、ガリウムおよびインジウムのモル分率が０でないものを「ＩｎＧａＮ」と記す。また、本願明細書においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうちで、インジウムのモル分率が０であるが、ガリウムおよびアルミニウムのモル分率が０でないものを「ＡｌＧａＮ」と記す。その他の種類の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系も同様に記す。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で作製されたデバイスは、スペクトルにおける青波長領域の光を発することができるので、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系による半導体発光デバイスの作製には、現在大きな関心が寄せられている。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で作製された半導体発光デバイスは、例えば特許文献１に記述されている。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系による、高性能トランジスタ等のような電子デバイスの製造にも、関心が寄せられている。
【０００３】
図１は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で作製された典型的な半導体レーザーデバイス（レーザーダイオード（ＬＤ）とも記す）１０の概略図である。上記半導体レーザーデバイスは、青波長領域の光を発することができる。
【０００４】
図１の半導体レーザーデバイス１０は、基板１上に成長されている。図１のレーザーダイオード１０では、基板１はサファイア基板である。バッファ層２、第１クラッド層３および第１光ガイド層４は、基板１上にこの順に成長されている。図１の実施形態において、バッファ層２はｎ型ＧａＮ層であり、第１クラッド層３はｎ型ＡｌＧａＮ層であり、第１光ガイド層４はｎ型ＧａＮ層である。
【０００５】
活性領域５は、第１光ガイド層４上に成長されている。
【０００６】
第２光ガイド層７、第２クラッド層８およびキャップ層９は、活性領域５上にこの順に成長されている。第２光ガイド層７および第２クラッド層８は、第１光ガイド層４および第１クラッド層３とは逆の導電型を持つ。図１のレーザーデバイス１０において、第１光ガイド層４および第１クラッド層３は、ｎ型である。したがって、第２光ガイド層７および第２クラッド層８は、ｐ型層である。図１のレーザーデバイス１０では、第２光ガイド層７はｐ型ＧａＮ層であり、第２クラッド層８はｐ型のＡｌＧａＮ層であり、キャップ層９はｐ型ＧａＮ層である。
【０００７】
レーザーデバイス１０の活性領域５の構造は、図１では詳細には示していない。しかしながら、一般に、活性領域５は、第１バリア層と第２バリア層との間に配置された１つの量子井戸層を有する一つの量子井戸（ＳＱＷ）活性領域、あるいは、各々（各量子井戸層）が２つのバリア層の間に配置されている２つ以上の量子井戸層を有する多量子井戸（ＭＱＷ）活性領域のいずれかであろう。量子井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＡｌＧａＩｎＮなどの層であってもよい。
【０００８】
高品質ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）および高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、典型的には、大きなシート電子密度（シートキャリア濃度）と高い電子移動度との組み合わせをチャネル領域内に必要とする。必要な電子シート濃度および電子移動度を得るための１つのアプローチは、デバイスに電子ガス領域を組み込むことである。電子ガス中の電子は、ホストまたはドーパント原子との相互作用（あるいは拡散）が小さい結果として、バルク半導体結晶中の電子よりもはるかに高い移動度を持つことができる。
【０００９】
また、後述するように、窒化物半導体光電子デバイスに電子ガス領域を組み込むことも望ましい。
【００１０】
既に知られているように、電子ガス領域は、例えば、電子が蓄積して電子ガスを形成することが可能なポテンシャル井戸で構成できる。電子ガス中の電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、量子井戸の面に垂直な方向に束縛され、量子井戸の面と平行な２次元の中でのみ自由に移動できる場合がある。この場合、電子ガスは、「２次元電子ガス」（以下、適宜「２ＤＥＧ」と略記する）と呼ばれる。また、電子ガスの電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、３次元全ての中で自由に移動できる場合もある。この場合、電子ガスは、「３次元電子ガス」（以下、適宜「３ＤＥＧ」と略記する）と呼ばれる。電子ガス中の電子は宿主またはドーパントの原子で、より少数の相互作用（あるいは散乱）の結果バルク半導体結晶中のものよりはるかに高い移動度を有することができる。
【００１１】
Ｊｅｇａｎａｔｈａｎらは、非特許文献１において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造が、ヘテロ構造を意図的にドープすることなしに最高５×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ２ＤＥＧを実現するのに使用できることを報告している。このシートキャリア濃度は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系等のような他のIII−Ｖ族系で達成可能なシートキャリア濃度よりもかなり大きい。また、これは、主として、ＡｌＧａＮ歪み層がＡｌＧａＡｓと比較して５倍大きな圧電分極を持つこと、およびウルツ鉱III族窒化物の中では他のIII−Ｖ族材料と比較して非常に大きな自発分極（ゼロ歪みでの分極）が生じることによる。しかしながら、Ｊｅｇａｎａｔｈａｎらの方法は、５×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ２ＤＥＧを得るためには、非常に高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層の使用を必要とし、場合によってはＡｌＮ層の使用さえ必要とする。これは、デバイス内の過度の歪み、転位の発生、および不要な不純物の取り込みを招く可能性があるので、高いアルミニウム・モル分率を備えた、ＡｌＮあるいはＡｌＧａＮの層をデバイスに組み込むことは、一般に望ましくない。
【００１２】
同時係属の特願２００４−３０４９４１号（英国特許出願第０３２５１００．６号に対応）の明細書及び図面は、窒化物材料系で作製され、基板の上に配置された活性領域を持つ半導体発光デバイスを開示している。上記活性領域は、活性領域の最下層を形成する第１のアルミニウム含有層（例えばＡｌＧａＮ層）、活性領域の最上層を形成する第２のアルミニウム含有層、および、上記第１のアルミニウム含有層と第２のアルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層を含んでいる。
【００１３】
Ｊｅｎａらは、非特許文献２の中で、選別されたアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層を、３次元電子ガスあるいは３次元電子スラブを生成させるために使用することを報告している。この方法は、最大９×１０１２ｃｍ−２のシート電子濃度を持つ電子ガスを生成させる。
【００１４】
Ｉｂｂｅｔｓｏｎらは、非特許文献３の中で、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面における電子ガス中の電子の供給源について議論している。Ｉｂｂｅｔｓｏｎらは、表面準位を電子の主な供給源と特定し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面における電子ガスについて最大４．８×１０１３ｃｍ−２のシート電子濃度（シートキャリア濃度）が得られると予測している。Ｉｂｂｅｔｓｏｎらは、表面準位を形成する方法に言及していない。
【００１５】
Ｍｋｈｏｖａｎらは、非特許文献４の中で、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系において約５×１０１３ｃｍ−２の電子シート濃度を持つ疑似２ＤＥＧを形成することを記述している。Ｍｋｈｏｖａｎらは、シート電子濃度、が分極誘導電荷に左右され、界面拡散によって影響を受ける、と述べている。Ｍｋｈｏｖａｎらは、２ＤＥＧがどのように形成されるかについて、あるいは２ＤＥＧのための電子の供給源についての詳細をほとんど示していない。
【００１６】
Ｊｅｇａｎａｔｈａｎらは、非特許文献１において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造が、ヘテロ構造を意図的にドープすることなしに最高５×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ２ＤＥＧを実現するのに使用できることを報告している。このシートキャリア濃度は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系等のような他のIII−Ｖ族系で達成可能なシートキャリア濃度よりもかなり大きい。また、これは、主として、ＡｌＧａＮ歪み層がＡｌＧａＡｓと比較して５倍大きな圧電分極を持つこと、およびウルツ鉱III族窒化物の中では他のIII−Ｖ族材料と比較して非常に大きな自発分極（ゼロ歪みでの分極）が生じることによる。しかしながら、上記非特許文献１には、電子ガス領域を形成すること、および、光電子デバイスの光効率を向上させるために、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を光電子デバイスに組み込むことは、教示されていない。
【００１７】
特許文献２は、光効率が向上するようにデバイスの活性領域にわたる如何なる分極誘導領域をも低減するために（界面選別あるいは界面ドープ等のような）双極子低減方法が使用される発光デバイスを開示している。しかしながら、本発明において、双極子および分極領域は、電子ガスを形成するために特別に導入されたものである。
【００１８】
特許文献３は、窒化物材料系で作製され、活性領域内におけるｐ型側に形成された（５×１０１３ｃｍ−２未満のシートキャリア濃度を持つ）２ＤＥＧを有する発光デバイスを開示している。２ＤＥＧ領域は、効率的な正孔組換えのための収集領域として機能する。対照的に、本発明においては、電子ガス領域は、活性領域の外部に位置し、活性領域のｎ型側にある。
【００１９】
特許文献４は、電子捕獲および活性領域中への電子の共鳴トンネリングのために活性領域の下に配置された広いＩｎＧａＮ層を含む発光デバイスを記述している。上記特許文献４には、デバイス内のいかなる場所にも電子ガスが形成されることは示されていない。
【００２０】
Ｋｉｍらは、非特許文献５の中で、光効率の向上のために窒化物ＬＥＤ中に電子トンネルバリアを使用することを報告している。上記電子トンネルバリアは、ＬＥＤの活性領域の中あるいは直下に配置された厚さ２ｎｍのＡｌＧａＮ層によって提供される。上記ＡｌＧａＮ層が、活性領域からの熱電子の流出を低減することが報告されている。ＡｌＧａＮトンネルバリアとその下にあるＧａＮとの間の界面に電子ガスを形成することは、Ｋｉｍらによって報告も示唆もされていない。非特許文献６におけるＳｍｏｒｃｈｏｖａらの報告によれば、そのような薄いＡｌＧａＮ層は、２ＤＥＧの形成をもたらさない。
【００２１】
Ｌｕｏらは、非特許文献７の中で、２ＤＥＧに連関されたＩｎＡｓ量子ドット（以下「ＱＤ」と略記する）からのフォトルミネセンス発光強度の向上を報告している。２ＤＥＧは、ＱＤと重なる２ＤＥＧ中の電子の波動関数によって、ＱＤのための電子溜めの機能を果たすと思われる。しかしながら、本発明においては、電子ガスが活性領域の外部にあり、したがって、電子ガス中の電子の波動関数は活性領域に連関されていない。
【特許文献１】米国特許第５，７７７，３５０号（１９９５年１１月３０日公開）
【特許文献２】米国特許第６，５１５，３１３号（２０００年１１月２８日公開）
【特許文献３】米国特許第６，５４１，７９７号（２００３年４月１日公開）
【特許文献４】米国特許第６，６１４，０６０号（２００３年９月２日公開）
【非特許文献１】K. Jeganathan et al., J. Appl. Phys. 94, p3260 (2003)
【非特許文献２】D. Jena et al., Appl. Phys. Lett. 81(23), p4395 (2002)
【非特許文献３】J. P. Ibbetson et al., Appl. Phys. Lett. 77(2), p250（2000)
【非特許文献４】K. A. Mkhoyan et al., Appl. Phys. 95(4), p1843 (2004)
【非特許文献５】K. C. Kim et al., Phys. Stat. Sol. (a) 201, p2663 (2004)
【非特許文献６】I. P. Smorchova et al., J. App. Phys. 86, p4520 (1999)
【非特許文献７】Y. H. Luo et al., J. Elec. Matl. 30(5), p459 (2001)
【非特許文献８】N. Maeda et al., Appl. Phys, Lett. 79(11), p1634 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、シート電子密度を持つ電子ガスを含む高性能の半導体デバイスおよびその製造方法、特に、高い光出力パワーを持つ半導体発光デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第一の面は、窒化物半導体デバイスを製造する方法であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を成長させるステップと、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上にアルミニウム含有窒化物半導体層を５００℃以上の成長温度で成長させるステップと、上記アルミニウム含有窒化物半導体層を８００℃以上の温度でアニールするステップとを含み、上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と上記アルミニウム含有窒化物半導体層との間の界面に電子ガス領域を形成させるような厚みである方法を提供する。
【００２４】
本願明細書で使用する「電子ガス領域」は、（デバイスの動作時に）電子ガスが生じうる領域を意味する。電子ガス中の電子は、ホストまたはドーパント原子との相互作用（あるいは拡散）が小さい結果として、バルク半導体結晶中の電子よりもはるかに高い移動度を持ちうる。
【００２５】
本願明細書で使用する用語「窒化物半導体デバイス」は、全ての半導体層が窒化物材料系の一種である半導体デバイスを意味する。上記窒化物材料系の一例は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系である。
【００２６】
アルミニウム含有窒化物半導体層を７５０℃以下の成長温度で成長させてもよい。
【００２７】
アルミニウム含有窒化物半導体層に対して比較的低い成長温度を用いた後、続いてアニールするステップを行うことによって、従来技術の方法によって得られる電子ガスのシート電子濃度より顕著に高いシート電子濃度を持つ電子ガスを電子ガス領域内で形成できることが見出された。本発明は、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることを可能にする。（本願明細書に記載の「シート電子濃度」は全て、印加電界または印加磁界が０の条件下でのシート電子濃度を指すものとする。）さらに、この高いシート電子濃度を持つ電子ガスは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層あるいは窒化物半導体層のいずれかを意図的にドープすることなく、比較的低いアルミニウム濃度を持つ窒化物半導体層を用いることによって、得ることができる。本発明は、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮまたはＡｌＧａＮの層の使用を必要としない。したがって、本発明は、III族窒化物半導体で作製された光電子デバイスおよび電子デバイス双方の効率および性能の向上をもたらすことができる。本発明によって達成されるシートキャリア濃度は、従来法による成長（例えば、非特許文献８に示された前田らの方法による成長）がなされ調節ドープされた２Ｄ電子ガスを持つＨＦＥＴで達成できるシートキャリア濃度よりも高い。
【００２８】
上記窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（ここで０＜ｙ≦１かつ０≦ｚ≦１）層であってもよい。
【００２９】
上記ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ層は、０＜ｙ＜０．３を満たすものであってもよい。そのような低いアルミニウム・モル分率を持つ（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を使用すると、６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスの生成が可能であり、また、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮ層あるいは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層の使用に関連する不都合を回避でき、その結果、良質のデバイスを得ることができる。
【００３０】
上記窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層であってもよい。
【００３１】
上記窒化物半導体層の厚さは、５ｎｍ以上であってもよく、また、５０ｎｍ未満であってもよい。上記窒化物半導体層の厚さは、電子ガスが形成されるかどうかを決める１つの要素である。上記窒化物半導体層の厚さをこれらの範囲内にすることは、高いシート電子濃度を持つ電子ガスの形成を可能にする。上記窒化物半導体層の厚さが、５ｎｍより著しく薄いか、あるいは５０ｎｍより著しく厚い場合、電子ガスが形成されない可能性が高い。
【００３２】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、ＧａＮの層であってもよい。
【００３３】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、２０ｎｍ以上の厚さを有していてもよく、また、３μｍ未満の厚さを有していてもよい。上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の厚さが２０ｎｍより著しく薄い場合、上記電子ガス領域内に蓄積する電子ガスを含むことができない可能性が高い。
【００３４】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、意図的にドープされていないものであってもよい。また、上記窒化物半導体層も、意図的にドープされていないものであってもよい。本発明の方法は、層をドープすることに依存することなく、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得るためのものである。これは、高濃度にドープされた層の使用に依存して高いシート電子濃度を持つ電子ガスを提供する従来技術の方法に対して、利点を与える。なぜなら、高濃度にドープされた層をデバイス構造内に設けることは、デバイスの他の層内への不純物の拡散に起因して、デバイスの性能を低下させたり、デバイスの性能の経時変化を招いたりする可能性があるからである。
【００３５】
あるいは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、ドープされたｎ型であってもよい。これは、上記電子ガス領域内での電子ガスの形成に必要ではない。しかし、それは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の電気抵抗を低減し、それゆえに、上記デバイスの電気抵抗を過度に上昇させることなく、厚いＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を上記デバイス構造に組み込むことを可能にする。上記窒化物半導体層は、典型的に薄層であり、それゆえに意図的にドープされなかった場合でさえ低い抵抗を持つので、上記窒化物半導体層のドープはそれほど重要ではないが、上記窒化物半導体層は、ドープされたｎ型であってもよい。適切なｎ型ドーパントの一例は、シリコンである。
【００３６】
上記方法は、上記窒化物半導体層をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に直接成長するステップを含んでいてもよい。
【００３７】
上記方法は、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層および上記窒化物半導体層を成長室内で成長させるステップを含んでいてもよい。また、上記方法は、上記窒化物半導体層を上記成長室内でアニールするステップを含んでいてもよい。これは、"in-situ"（室内）アニールとして知られており、アニールを実行するために上記窒化物半導体層を成長室から取り除く必要を避けることができる。これは、上記窒化物半導体層の上に他の層を成長させることが望ましい場合に、特に利点となる。上記窒化物半導体層のアニールは、上記窒化物半導体層を成長させた直後であって、他の層を成長させる前に、行うことが好ましい。
【００３８】
あるいは、上記窒化物半導体層を成長室の外部でアニールするために、上記層構造を成長室から取り除いてもよい（これは"ex-situ"（室外）アニールとして知られている）。窒化物半導体層を成長させた直後であって、他の層を成長させる前に、上記層構造をアニールのために成長室から取り除くことが好ましい。
【００３９】
上記方法は、上記窒化物半導体層の上に１つまたはそれ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を成長させるステップを含んでいてもよい。さらに、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を成長させる前に、１つまたはそれ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を成長させてもよい。これは、ＬＥＤ、ＬＤ、ＨＥＭＴ、あるいはＨＦＥＴ等のような、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子デバイスあるいは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光電子デバイスの構造に電子ガス領域を組み込むことを可能にする。
【００４０】
３００Ｋの温度で、６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度、あるいは１×１０１４ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスが、上記電子ガス領域内に生成しうる。
【００４１】
上記窒化物半導体層をアニールするステップの継続時間は、１０分以下であってもよい。
【００４２】
本発明の第二の面は、窒化物材料系で作製され、発光のための活性領域と、活性領域のｎ型側に配置された電子ガス領域とを含み、上記電子ガス領域は、使用時（デバイスの動作時）に、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度を持つ電子ガスを含む半導体発光デバイスを提供する。
【００４３】
デバイスの動作時に、電子が、電子ガス領域に蓄積し、電子ガスを形成する。電子ガスは、活性領域の外部における、活性領域のｎ側境界あるいはその近傍に、高濃度の電子荷電領域を形成し、活性領域へキャリアを供給するための電子溜めとして機能する。このようにしてデバイス中における電子ガス領域の形成はデバイスの活性領域への電子の注入を改善し、それによって、発光デバイスの光効率（光効率は、デバイスの消費電力に対するデバイスの光出力パワーの割合として定義される）を向上させる。
【００４４】
電子ガス領域は、例えば、電子が蓄積することで電子ガスを形成しうるポテンシャル井戸からなっていてもよい。電子ガス中の電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、量子井戸の面に垂直な方向に束縛され、量子井戸の面と平行な２次元の中でのみ自由に移動できる場合がある。この場合、電子ガスは、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）として知られている。また、電子ガスの電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、３次元全ての中で自由に移動できる場合もある。この場合、電子ガスは３次元電子ガス（３ＤＥＧ）として知られている。
【００４５】
上記デバイスは、上記活性領域のｎ型側に配置された第１層と、上記デバイスの活性領域の一部をなし、かつ、上記第１層に近接する(adjacent to)ように配置された第２層とを含み、上記第２層は、第１層とは異なる組成を持ち、それによって第１層と第２層との間の界面に電子ガス領域が形成されている構成であってもよい。第１層は、活性領域の一部をなさない。また、電子ガス領域は、活性領域の外部に（活性領域のｎ側に）ある。
【００４６】
上記第１層は、第２層に直接隣接して(immediately adjacent to）配置されていてもよい。これは、電子ガス領域をできるだけ活性領域に近い位置に配置し、それによって活性領域への電子の注入を最大限に増進させ、その結果、デバイスの光効率を最大限に向上させることができる。
【００４７】
上記電子ガス領域は、使用時（デバイスの動作時）に、２次元電子ガスまたは３次元電子ガスを含んでいてもよい。
【００４８】
上記第１層は、ＧａＮ層であってもよく、ＩｎＧａＮ層であってもよい。上記第２層は、ＡｌＧａＮ層であってもよい。
【００４９】
上記電子ガス領域は、意図的にドープされていないものであってもよい。電子ガス領域が上述した第１層および第２層を含む場合、これは、第１層および第２層が意図的にドープされないことを必要とする。
【００５０】
また、上記電子ガス領域は、ドープされたｎ型であってもよい。電子ガス領域が上述した第１層および第２層を含む場合、これは、第１層および第２層の少なくとも１つがドープされたｎ型であることを必要とする。シリコンは、適切なドーパントの一例である。
【００５１】
上記デバイスは、発光ダイオードであってもよく、半導体レーザーデバイスであってもよい。
【００５２】
本発明の好ましい特徴は、以下の添付図面を参照した具体例に基づく説明によって分かるであろう。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、シート電子密度を持つ電子ガスを含む高性能の半導体デバイスおよびその製造方法、特に、高い光出力パワーを持つ半導体発光デバイスおよびその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
図２は、本発明の一態様に係る発光デバイスの伝導帯の概略図である。上記デバイスは、光放出のための活性領域を有している。上記活性領域は、複数の量子井戸層１１を含み、互いに隣接する量子井戸層１１の対の各々の間にバリア層１２が配置されている。図２は、活性領域を３つの量子井戸層１１と２つのバリア層１２とを有しているものとして示している。しかしながら、本発明における活性領域は、この特定の構造の活性領域に限定されない。
【００５５】
上記活性領域は、一番下の量子井戸層１１の直下に配置された第１バリア層１５、および一番上の量子井戸層１１の直上に配置された第２バリア層１６をさらに含む。図２の例では、第１バリア層１５および第２バリア層１６は各々、ＡｌＧａＮ層である。
【００５６】
図２中で活性領域１０の左に位置するデバイスの部分は、デバイスのｎ型側であり、図２中で活性領域１０の右に位置するデバイスの部分は、デバイスのｐ型側である。ｎ型コンタクト（図示しない）は、デバイスのｎ型側に配設され、ｐ型のコンタクト（図示しない）は、デバイスのｐ型側に配設されている。
【００５７】
本発明によれば、電子ガス領域１３は、上記デバイスにおいて、活性領域１０のｎ型側で、かつ、活性領域の外部に設けられている。デバイスが動作中であるときには、６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度を持つ電子ガスが、電子ガス領域１３内に発生する。図２の実施形態では、上記デバイスは、活性領域１０のｎ型側に配置された第１層１４を含む。上記第１層１４は、好ましくは第１バリア層１５に直接隣接している。第１層１４は、第１バリア層１５とは異なる組成を持っている。第１バリア層１５の伝導帯レベルは、第１層１４との組成の相違のために第１層１４の伝導帯レベルと等しくなく、その結果、よく知られているように、ポテンシャル井戸が、第１層１４と第１バリア層１５との間の界面で形成される。ポテンシャル井戸は電子ガス領域１３を形成する。デバイスが動作中であるとき、電子が、第１層１４と第１バリア層１５の間の界面でポテンシャル井戸に蓄積し、それによって電子ガスが上記界面に形成される。ポテンシャル井戸の面に垂直な方向（すなわち図２中の左から右に向かう方向）における電子ガスの電子の束縛は、井戸の幅によって決まり、井戸が十分に狭ければ、井戸中の電子ガスは２次元電子ガス（２ＤＥＧ）になるであろう。
【００５８】
第１バリア層１５は、好ましくは比較的薄い。これは、電子ガスと活性領域の量子井戸との間の分離ができるだけ小さく（第２の層１５の厚さと等しく）なることを保証し、それによって、電子ガスから活性領域の量子井戸内への最大限に効率的な電子の注入をもたらし、その結果としてデバイスの光効率の最大限に増大させる。
【００５９】
図２のデバイスは、窒化物材料系で作製される。例として、デバイスは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎで作製されうる。この場合、量子井戸層１１がＩｎＧａＮ層であり、バリア層１２がＧａＮ層であってもよい。電子ガス領域１３を定める第１層１４および第１バリア層１５は、図２に示すようにそれぞれＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層であってもよく、それぞれＩｎＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層であってもよい。第１層１４がＩｎＧａＮ層である場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ中のインジウム・モル分率ｘの好ましい範囲は、０≦ｘ≦０．１である。
【００６０】
第２バリア層１６は、例えばｐ型ドープされたＡｌＧａＮで形成されうる。
【００６１】
第１バリア層１５のアルミニウム濃度は、好ましくは０．３以下である。すなわち、第１バリア層１５は、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ここで０＜ｘ≦０．３）の組成を持つ。そのような比較的低いアルミニウム濃度の使用は、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮ層あるいはＡｌＧａＮ層の使用に関連する不都合を回避し、良質のデバイスを得ることを可能にする。特に、０．３以下のアルミニウム・モル分数を持つＡｌＧａＮ層は、デバイス内の顕著な歪みの発生も、著しい数の転位の発生も、不要な不純物の顕著な混入も引き起こさない。第２バリア層１６も、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ここで０＜ｘ≦０．３）の組成を持つ。
【００６２】
第１バリア層１５の厚さは、第１バリア層１５と第１層１４との間の界面に電子ガス領域が形成されるように選択されている。これを達成するために、第１バリア層１５の厚さは、好ましくは５ｎｍ以上であり、また好ましくは５０ｎｍ未満である。この範囲の厚さは、デバイスの最大限の光出力パワーを与える。第１層１４の厚さは第１バリア層１５の厚さほど重要ではないが、第１層１４の厚さは、（電子ガス領域内での電子の効果的な束縛を与えるために）２０ｎｍより厚く、かつ、３μｍ未満であることが好ましい。これらの厚さの範囲は、高いシート電子濃度（シートキャリア濃度）を持つ電子ガスを得るのに好適であることが分かっている。特に、第１バリア層１５の厚さが、５ｎｍより著しく薄いか、あるいは５０ｎｍより著しく大きければ、電子ガスを得ることができないであろう。
【００６３】
電子ガス領域１３内に発生する電子ガスが、２次元電子ガスになるか３次元電子ガスになるかは、主として第１バリア層１５の厚さによって決まる。第１バリア層１５の厚さが約２０ｎｍより薄い場合、２ＤＥＧが電子ガス領域１３内に発生する可能性が高い。一方、第１バリア層１５の厚さが約２０ｎｍより厚い場合、３ＤＥＧが電子ガス領域１３内に発生する可能性が高い。
【００６４】
図２のデバイス構造の第１層１４および第１バリア層１５は、意図的にドープされていないものであってもよい。デバイスが後述する方法に従って作製された場合、図２のデバイスの第１層１４および第１バリア層１５が両方とも意図的に（名目上）ドープされていない場合であっても、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができる。これは、利点である。なぜなら、デバイス構造内に高濃度にドープされた層を設けることは、デバイスの他の層内へのドーパントの不要な拡散に起因してデバイスの性能の低下を引き起こす可能性があるからである。
【００６５】
また、必要に応じて、図２のデバイス構造の第１層１４および第１バリア層１５の一方または両方を、意図的にドープされたｎ型としてもよい。例えば、第１層１４が厚い層である場合、その電気抵抗を低減するために第１層をドープすることが望ましいであろう。電子ガス領域１３内での電子ガスの形成は、第１層１４のドーピングレベルには顕著な影響を受けない。
【００６６】
図３は、本発明を具現化した半導体レーザーダイオードの概略断面図である。レーザーダイオード１７は、基板１８と、基板１８の上に成長されたバッファ層１９とを有している。図３の例では、基板１８はＧａＮ基板であり、バッファ層１９は２５０ｎｍの厚さを持つｎ型のＧａＮ層である。シリコンは、適切なドーパントである。
【００６７】
ｎ型クラッド領域２０は、バッファ層１９の上に配置されている。図３の例において、ｎ型クラッド領域２０は、超格子構造を有しており、ＧａＮの層と交互に配置された０．１２のアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮの層からなる。図３のクラッド領域は、９００ｎｍの厚さを持つ。しかしながら、レーザーデバイスは、図３に示す特定の形や厚さを持つｎ型クラッド領域に限定されるものではない。
【００６８】
第１層１４は、ｎ型クラッド層２０の上に成長されている。図３の実施形態では、第１層１４は、１００ｎｍの厚さを持つｎ型ドープされたＧａＮ層である。シリコンが、ドーパントとして使用される。
【００６９】
活性領域１０は、第１層１４の上に成長されている。図３の例において、第１バリア層１５は、１５ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層である。量子井戸層１１の各々は、２ｎｍ厚のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層である。中間のバリア層１２の各々は、１５ｎｍ厚のＧａＮ層である。また、第２バリア層１６は、５ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎの層である。図３の実施形態では、活性領域１０の各層は意図的にドープされていない。
【００７０】
光ガイド領域２１は、活性領域の上に成長されている。図３の実施形態において、光ガイド領域２１は、ドープされたｐ型であり、１００ｎｍの厚さを持つＧａＮの層である。マグネシウムは、適切なｐ型ドーパントである。
【００７１】
ｐ型のクラッド領域２２は、光ガイド領域２１上に設けられている。図３の例において、ｐ型のクラッド領域２２は、超格子構造を有しており、ＧａＮの層と交互に配置された０．１２のアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮの層からなる。図３のｐ型のクラッド・領域の厚さは５００ｎｍである。しかしながら、レーザーデバイスは、図３に示す特定の形や厚さを持つｐ型のクラッド領域に限定されない。
【００７２】
ｐ型キャップ層２３は、ｐ型のクラッド領域２２の上に設けられている。図３の実施形態では、キャップ層２３は、２０ｎｍ厚のドープされたｐ型のＧａＮ層である。マグネシウムは、適切なドーパントである。
【００７３】
金属コンタクト（図３には示さない）は、活性領域１０のｎ側およびｐ側に設けられている。この金属コンタクトは、簡便には、基板１８の下側およびキャップ層２３の上面上に設けることができる。
【００７４】
図４は、本発明を具現化したＬＥＤ２４を示す。ＬＥＤ２４は、基板１８を有している。図４の実施形態では、上記基板は、（０００１）表面をその最上部に持つサファイア基板である。
【００７５】
バッファ層１９は、基板１８上に成長されている。図４の実施形態では、バッファ層１９は、は、４μｍの厚さを持つｎ型ドープされたＧａＮ層である。
シリコンは、適切なドーパントである。
【００７６】
活性領域１０は、バッファ層１８上に成長されている。図４のＬＥＤの活性領域は、図３のレーザーダイオードの活性領域と同一であるので、その説明は省略する。
【００７７】
図４のＬＥＤ２４は、活性領域１０上に成長されたキャップ層２５をさらに含んでいる。図４では、キャップ層２５は、３００ｎｍの厚さを持つｐ型ドープされたＧａＮ層である。マグネシウムは、適切なドーパントである。
【００７８】
金属コンタクト（図４には示さない）は、活性領域１０のｎ側およびｐ側に設けられている。この金属コンタクトは、簡便には、基板１８の下側およびキャップ層２５の上面上に設けることができる。
【００７９】
図５は、本発明の電子ガス領域を含むＬＥＤの光出力パワーが、電子ガス領域の電子ガスの（３００Ｋでの）シートキャリア密度（シートキャリア濃度）にどのように依存するかを示す。図５中に示す出力の値は、図４に示す一般的な構造を持っているが、異なるシート電子濃度の電子ガスを含んでいるＬＥＤから得られたものである。シート電子濃度の値は、ＡｌＧａＮ層２６とＧａＮ層２７との界面に電子ガス領域２８が発生するように、ＧａＮ層２７上にＡｌＧａＮ層２６が配置された図６に示す構造２９を使用し、等価電子ガスについてホール効果測定を行うことにより得られた。特定の電子ガスを持つＬＥＤによって発生される出力の測定には、その特定の電子ガスのシート電子濃度の値を得るのに使用した図６の構造２９のＧａＮ層２７およびＡｌＧａＮ層２６と同じ組成および厚さを有する第１層１４および第１バリア層１５を使用した。したがって、図５中の各データ点を得るために２つの別個の構造を使用した。
【００８０】
図５から分かるように、電子ガスのシートキャリア濃度が増加するにしたがって、ＬＥＤの光出力パワーは増加する。電子ガス領域のない従来のデバイスは、約５０μＷ（０．０５ｍＷ）の出力パワーを持つと予測される。電子ガスのシートキャリア濃度の増加に伴う光出力の増加は、初期は比較的低い。しかし、図５の曲線は、約４．５×１０１３ｃｍ−２から約６×１０１３ｃｍ−２までの範囲に（３００Ｋでの）シート電子濃度の「肘部（急激に曲がっている部分）」を有している。３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２を越えるシート電子濃度では、ＬＥＤの光出力は、電子ガスのシート電子濃度の増加にしたがって急激に増加する。したがって、電子ガス領域１３の電子ガスは、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子濃度を有していることが望ましい。
【００８１】
本発明の発光デバイスにおける光出力パワーと電子ガスのシート電子濃度との関係は、常に図５に示す普遍的な形態を持つものと思われる。特に、光出力パワーとシート電子濃度との関係は、それ以上であれば電子ガスのシート電子濃度の増加にしたがってデバイスの光出力が急激に増加する「肘部（elbow）」を有すると予想される。したがって、使用時に、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度（シートキャリア濃度）を持つ電子ガスを含む電子ガス領域を組み込むことは、高い光出力パワーを持つデバイスを与えるはずである。
【００８２】
図２のデバイス構造を製造する１つの方法をここで述べる。図２の半導体層構造を成長させるために、適切な基板（図２には示さない）は、任意の適切な方法で用意され清浄された後、成長装置の成長室内に導入される。適切な１つの基板は、サファイア基板上に成長されたｎ型ドープされたＧａＮ層からなるテンプレート基板である。しかしながら、本発明は、いかなる特定の基板にも限定されない。本発明は、いかなる特定の成長装置に限定されるものではなく、上記デバイスは、任意の従来の半導体成長技術、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシー）やＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）などによって作製可能である。
【００８３】
１つあるいはそれ以上の層、例えばバッファ層やｎ型クラッド層等が、レーザーダイオードの場合にはさらにｎ型光ガイド層が、上記基板の上に成長される。これらの層の成長は、本発明の一部をなすものではないので、これ以上説明しない。
【００８４】
次に、第１層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）１４が成長される。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４は、５００℃以上の成長温度で成長される。（一般に基板は成長プロセス中に加熱され、「成長温度」は基板の温度として定義される。）
【００８５】
次に、ＡｌＧａＮ層１５が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４の上に直接成長される。ＡｌＧａＮ層１５は、５００℃以上の成長温度で成長される。ＡｌＧａＮ層１５の成長温度は、原則的にはＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４の成長温度とは異なる。比較的低い成長温度は、その後にアニールすることで、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを与えるので、ＡｌＧａＮ層１５の成長温度は、好ましくは７５０℃未満である。このようにして、例えば、６×１０１３ｃｍ−２より大きい（３００Ｋでの）シート電子濃度を持つ電子ガスが得られ、１×１０１４ｃｍ−２までの（３００Ｋでの）シート電子濃度を持つ電子ガスでさえ得ることができる。３００Ｋで１×１０１４ｃｍ−２より大きいシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができる成長方法の一例が、後段で表１の実施例１を参照して述べる成長方法である。
【００８６】
続いて、ＡｌＧａＮ層１５は、その成長温度より少なくとも５０℃以上高い温度である８００℃以上の温度でアニールされる。アニールは、成長プロセスを停止し、成長室内の温度をＡｌＧａＮ層１５のアニールに適した温度まで上昇させることで、成長装置の成長室内で行うもの（これは「in situ（室内）アニール」として知られている）であってもよい。あるいは、基板を成長室から取り除くことで、成長室の外部でアニールが行えるようにしてもよい（これは「ex situ（室外）アニール」として知られている）。上述したように、電子ガス領域は、ＡｌＧａＮ層１５とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４との間の界面に設けられる。また、アニールステップの効果は、電子ガス領域内に発生する電子ガスのシート電子濃度を増加させることである。アニールステップの他の詳細については後述する。
【００８７】
アニールステップが、ex situ（室外）アニールステップである場合には、アニールステップが完了した後に、基板が成長室に戻される。
【００８８】
次に、量子井戸層１１およびバリア層１２が成長され、これにより、活性領域１０が形成される。次に、ｐ型層１６が活性領域１０の上に成長される。
【００８９】
その後に、キャップ層および／またはｐ型コンタクト層などのような他の層が、ｐ型層１６の上に成長され、これによりデバイスが完成される。後に行われるこれら層の成長は、本発明の一部をなすものではないので、これ以上説明しない。
【００９０】
最後に、基板が、個々のデバイスに分離されるようにダイシングされ、コンタクトが設けられる（ウェーハをダイシングするステップ、およびコンタクトを形成するステップは、本発明の一部を形成するものではないので、これ以上説明しない）。
【００９１】
上述した図２の例では、第１バリア層１５はＡｌＧａＮ層であった。しかしながら、本発明は第１バリア層としてＡｌＧａＮ層を用いたものに限定されるものではなく、第１バリア層は、原則的に任意の適切なアルミニウムを含む窒化物半導体、例えばＡｌＧａＩｎＮの層であってもよい。
【００９２】
上述した実施形態において、第１層１４は、第１バリア層１５に近接している。必要に応じて、第１層１４と第１バリア層１５との間に薄い中間層を成長させても、本発明に係る高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることが可能である。例えば、第１層１４と第１バリア層１５との間にＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させることができ、そのような層の典型的な厚みは、約１０ｎｍである。他の例として、第１層１４と第１バリア層１５との間にシリコン層（デルタ層として知られている）を成長させることができ、シリコンデルタ層の典型的な厚みは、０.５ｎｍである。
【００９３】
アニールステップのさらなる詳細について、図６を参照して説明する。前述したように、図６の半導体層構造２９は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層２７の上に成長されたＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｘ≦１）層２６を含んでいる。電子ガス領域２８は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７との間の界面に作成される。図６において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７は、ＧａＮ層である。しかしながら、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７は、０でないインジウム・モル分率を有していてもよい。インジウム・モル分率は、好ましくは、０≦ｘ≦０．０５の範囲内である。
【００９４】
図６の半導体層構造２９を成長させるために、適切な基板（図６には示していない）を任意の適切な方法で用意し洗浄した後、成長装置の成長室内へ導入する。適切な１つの基板は、サファイアベースの基板上に成長されたｎ型ドープされたＧａＮ層からなるテンプレート基板である。しかし、本発明は、いかなる特定の基板にも限定されない。さらに、本発明は、いかなる特定の成長装置にも限定されるものではなく、本発明は、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシー）やＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）等のような任意の従来の半導体成長技術によって実施できる。
【００９５】
その後、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７を、上記基板の上に成長させる。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７は、５００℃以上の成長温度で、好ましくは６００℃以上の成長温度で成長させる。（一般に、基板は成長プロセス中に加熱され、「成長温度」は基板の温度として定義される。）
【００９６】
図６の層構造２９をデバイス構造に組み込む場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７を成長させる前に、１つまたはそれ以上の層を基板上に成長させてもよい。いかなるそのような介在層の成長も、本発明の一部を形成しないので、これ以上説明しない。
【００９７】
その後、アルミニウム含有窒化物半導体層２６（この実施形態ではＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の上に成長させ、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、少なくとも５００℃の成長温度、および好ましくは少なくとも６００℃の成長温度で成長する。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の成長温度は、原則としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の成長温度とは異なる。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、一実施形態においては、２０ｎｍの厚さを持ち、０．１のアルミニウム・モル分率を持つ。しかしながら、本発明は、この特定の厚さやアルミニウム・モル分率を持つＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６に限定されない。
【００９８】
さらに、窒化物半導体層２６の成長温度は、後述する理由から、７５０℃以下であることが好ましい。
【００９９】
上記窒化物半導体層は、上記窒化物半導体層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７との間に介在層が存在しないように、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の上に直接成長されることが好ましい。しかしながら、本発明の方法によれば、薄い中間層が上記窒化物半導体層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層との間に成長されていても、高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることができる。
【０１００】
本発明によれば、続いて、窒化物半導体層２６（この実施形態においてはＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）を、８００℃以上であり、かつ、その成長温度より高い温度で、アニールする。窒化物半導体層２６をアニールする温度は、好ましくは、窒化物半導体層２６の成長温度より５０℃以上高い温度である。既に知られているように、上記電子ガス領域は、窒化物半導体層２６とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７との間の界面に形成される。また、本発明のアニールステップの効果は、電子ガス領域内に発生する電子ガスのシート電子濃度を増大させることにある。
【０１０１】
上記アニールステップの典型的な継続時間は、１分間である。注意すべきは、基板中、あるいは基板の上に成長された層中に、顕著な熱応力が発生することを避けるために、基板温度を望ましいアニール温度まで上昇する速度、およびアニールステップの後に基板温度を低下させる速度は、低くするべきである、ということである。これは、in-situアニールおよびex-situアニールの両方に当てはまる。in-situアニールには４０〜５０℃／分以下の温度変更（上昇または下降）速度が適していることが分かったが、ex-situアニールには１００℃／分までの温度変更速度を使用できる（用語「in-situアニール」および「ex-situアニール」は後述する）。ここで使用する「アニールステップの継続時間」という用語は、アニール温度にある時間であり、温度をアニール温度まで上昇させるのに必要な時間、およびそれに続いて温度を下降させるのに必要な時間を含んでいない。したがって、例えば、アニールステップの継続時間自体は典型的な１分間あるいは数分間であっても、in-situアニールの場合には、基板温度を５００℃の成長温度から８００℃のアニール温度まで上昇させるのに、およそ６〜１０分間かかり、アニールステップの後に基板温度を次の層の成長に適した温度まで上昇させるのに、さらに６〜１０分間かかるであろう。
【０１０２】
図６の層構造２９をデバイス構造に組み込む場合、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の上への１つまたはそれ以上の層の成長、および／または、ＧａＮ層２７を成長させる前の１つまたはそれ以上の層の成長を行ってもよい。例えば、活性領域を層構造２９の上に成長させてもよい。あるいは、図２を参照して上述した一般的なタイプのデバイスが得られるように、他の層を、窒化物半導体層２６（ただしＧａＮ層２７ではない）を含む発光のための活性領域を形成するために層構造２９の上に成長させてもよい。いかなるそのような他の層の成長も、本発明の一部を形成しないので、これ以上説明しない。
【０１０３】
上記アニールステップは、成長装置の成長室内で行う"in-situ"アニールステップであってもよく、層構造を成長室から取り除いた後にアニールステップを行う"ex-situ"アニールステップであってもよい。両方の場合において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を成長させた直後にアニールステップを行ってもよく、１つあるいはそれ以上の他の層をＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の上に成長させた後にアニールステップを行ってもよい。図６の層構造をデバイス構造に組み込む場合、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を成長させた直後にアニールステップを行うことは、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の上に成長されるいかなる層もアニールされないという利点がある。これに対し、完全な層構造を成長させた後にアニールを行うことは、デバイスの全ての層がアニールされるであろうことを意味する。しかしながら、図６の層構造をデバイス構造に組み込む場合、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を成長した直後にアニールステップを行うことは、アニールステップを行うことを可能にするために、成長プロセスを停止しなければならないという欠点を有している。ex-situアニールステップは、例えばデバイスを大量生産する際に多数群のウェーハをアニールする場合には、好ましい。
【０１０４】
本発明の結果を、表１中に示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
表１の中の第１項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を６３０℃の成長温度で成長し、８８０℃の成長温度でin-situアニールする本発明の方法によって成長された半導体層構造に関する。表１中の第２項および第３項は、比較例に関する。第２項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を６３０℃の成長温度で成長したが、アニールしなかった例に関する。第３項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を９００℃という、より高い成長温度で成長したが、アニールしなかった例に関する。
【０１０７】
表１の第１項は、ドープされていないＧａＮテンプレート基板を有する半導体層構造を用いて製造されたものである。アンモニア蒸気下、ＭＢＥ室（チャンバ）内で、名目上ドープされていない１μｍ厚のＧａＮ層を９００℃の成長温度で、上記基板の上に成長させた。その後、成長温度を６３０℃まで低下させ、名目上ドープされていない２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を９００℃の成長温度で成長させた。試料の温度を、１０分間かけて８８０℃まで上昇させ、１分間８８０℃に保持した。その後、上記試料を１５分間かけて２００℃未満の温度まで冷却した。
【０１０８】
表１から分かるように、本発明の方法は、比較例の成長方法を使用して得られる電子ガスのシート電子濃度と比較して顕著に高いシート電子濃度を持つ電子ガスを与える。表１中の第１項に示す成長温度およびアニール温度を用いた本発明の方法によって得られた電子ガスのシート電子濃度は、１×１０１４ｃｍ−２（３００Ｋの温度で測定）である。表１中の第２項および第３項で示される比較例の成長方法は、たったの１×１０１３ｃｍ−２あるいは２×１０１３ｃｍ−２（３００Ｋで測定）のシート電子濃度を持つ電子ガスをそれぞれ発生させるだけである。本発明によってこのようなシート電子濃度の増大が起こる機構として考えられるのは、アニールステップの間に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６および／またはその表面に窒素空孔が作成されることである。上記空孔は、電子ガスに追加の電子を与え、その結果、電子ガスの高いシートキャリア濃度をもたらす。
【０１０９】
本発明の方法によって得られた電子ガスの電子移動度が、表１の第２項および第３項に示される比較例の方法によって得られた電子ガスの電子移動度よりわずかに低いことが分かるであろう。しかしながら、電子移動度が低下する率は、シート電子濃度が増大する率と比較して顕著に小さい。
【０１１０】
表１の結果は、図６に示す層構造を用いて得たものである。アルミニウム含有窒化物層２６は、０．１のアルミニウム・モル分率および２０ｎｍの厚さを持つＡｌＧａＮ層であり、ＡｌＧａＮ層の成長の直後に、続いてアニールを行ったものである。ＧａＮ層の成長温度もその厚さも、得られる電子ガスの電子濃度には顕著な影響を与えないはずであるが、ＧａＮ層は、９００℃の温度で成長され、１μｍの厚さを有していた。
【０１１１】
表１に示すように、表１の第１項の結果は８８０℃のアニール温度を用いて得たものである。（ex-situアニールステップではより高いアニール温度を使用することができるが）in-situアニールステップについては、アニール温度は、８００℃から１０００℃までの温度範囲内にあることが好ましい。in-situアニールステップの場合には、約８８０℃のアニール温度が最も高いシート電子濃度をもたらし、約８８０℃より顕著に高いかあるいは低いアニール温度の使用はより低いシートキャリア濃度をもたらすことが分かった。したがって、in-situアニールを使用する場合、アニール温度は、ほぼ８８０℃であることが特に好ましい。
【０１１２】
表１の第１項の結果は、継続時間が１分間であるアニールステップを用いて得られた結果である。アニールステップは、この継続時間に限定されない。また、アニールステップの継続時間は、１分間より短くてもよく、１分間より長くてもよい。一般に、（in-situアニールおよびex-situアニールの両方について）アニール温度が高くなるほど、必要なアニール時間は短くなる。
【０１１３】
アニールステップの長い継続時間が、シートキャリア濃度の減少を招くことが分かった。これは、おそらく表面の粗面化に起因するものである。したがって、アニールステップの継続時間は、in-situアニールおよびex-situアニールの両方について、１時間未満であることが好ましい。多くの場合において、１時間よりかなり短いアニール時間が使用できる。多くのアニール温度において、１０分間以内のアニール時間で、あるいは２分間以内のアニール時間でさえ、高いシートキャリア濃度が得られるであろう。
【０１１４】
表２は、アルミニウム含有窒化物層（この例においてもＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）２６をex-situアニールした場合の、本発明の結果を示す。
【０１１５】
【表２】
【０１１６】
表２の第１項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６をアニールしない比較例に関する。また、第２項、第３項、および第４項は、１０００℃、１０５０℃、および１１００℃のそれぞれの温度でのex-situアニールステップの効果を示す。表２から分かるように、アニールステップの効果は、得られる電子ガスのシート電子濃度を（アニールステップなしで得られたシート電子濃度と比較して）増大させることである。アニールステップの温度が高いほど、得られる電子ガスのシート電子濃度が大きくなり、１１００℃のアニール温度は、６．０×１０１３ｃｍ−２のシート電子濃度を持つ電子ガスを発生させる。シート電子濃度の増大は、おそらくＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の表面に生成されている窒素空孔の結果として生じるものである。
【０１１７】
表２の結果は、表１と同じ層構造を用い、アルミニウム含有層２６として２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を用いて得られたものである。ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層は各々、９００℃の温度で成長させた。アニールステップを行った場合の各々において、そのステップの継続時間を１分間とした。
【０１１８】
表２の第４項は、ドープされていないＧａＮテンプレート基板を有する半導体層構造を用いて得られたものである。アンモニア蒸気下、ＭＢＥ室内で、名目上ドープされていない１μｍ厚のＧａＮ層を９００℃の成長温度で、上記基板の上に成長させ、次いで、名目上ドープされていない２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を９００℃の成長温度で成長させた。その後、上記試料を、１５分間かけて２００℃未満の温度まで冷却し、ＭＢＥ室から取り除き、急速熱アニール装置に挿入した。この急速熱アニール装置内で、試料を窒素雰囲気下で１分間かけて１１００℃まで加熱し、窒素雰囲気下で１分間、１１００℃でアニールした。次に、上記試料を窒素雰囲気下で１分間かけて３００℃以下の温度まで冷却した。
【０１１９】
表２のシートキャリア濃度が表１のものより低いことが分かるであろう。この結果が生じたのは、表１（６３０℃）と比較して、表２（９００℃）におけるＡｌＧａＮ層の成長温度が高いことに起因する。上述したように、窒化物半導体層の成長温度は、好ましくは７５０℃以下であり、特に好ましくは７００℃以下である。他のすべての因子を一定に保ったまま、窒化物半導体層の成長温度を５００〜７５０℃の範囲にすることが、得られる電子ガスに最高のシート電子濃度をもたらすことが分かった。（しかしながら、注目すべきは、アニール温度を十分に高くした場合、電子移動度は５００℃〜７５０℃の範囲の成長温度で得られる値よりも低下する可能性があるものの、５００℃より高い任意の窒化物半導体層成長温度で、３００Ｋで６×１０１１ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることができることである。上述したように、本発明によって得られる高いシート電子濃度は、アニールステップの間に窒化物半導体層２６内および／またはその表面に生成される窒素空孔に起因すると考えられる。さらに、５００℃〜７５０℃の範囲の窒化物半導体層の成長温度は、高密度の窒素空孔を与えるものと考えられる。
【０１２０】
さらに、ex-situアニールに用いる窒素圧を下げれば、特定のex-situアニール温度でより高いシートキャリア濃度を得ることができるであろうと期待される。高いシート電子濃度を持つ電子ガスを形成するためにはＡｌＧａＮ層内に窒素空孔を生成することが必要であり、ex-situアニールに用いる窒素圧を下げれば、より多くの窒素空孔を生成されるであろうと思われる。ex-situアニールに用いる窒素圧を下げれば、１１００℃未満のex-situアニール温度で６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができるものと期待される。
【０１２１】
本発明の方法において、窒化物半導体層（すなわち図６の実施形態におけるＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６）の厚さは、好ましくは、５ｎｍを超え５０ｎｍ未満である。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の厚さは、好ましくは、２０ｎｍを超え３μｍ未満である。これらの厚さ範囲は、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得るのに適していることが分かった。窒化物半導体層の厚さが、５０ｎｍから５ｎｍの範囲から著しく外れている場合、電子ガスが得られない可能性が高い。また、２０ｎｍより著しく薄い厚みを有している場合、恐らくＩｎＧａＮ層２７が有効に電子ガスを形成できない。窒化物半導体層の厚さは、電子ガスが２次元電子ガスになるか３次元の電子ガスになるかを決める。窒化物半導体層の厚さが約２０ｎｍを超える場合には、電子ガスが３次元電子ガスとなる可能性が高い。一方、窒化物半導体層の厚さが約２０ｎｍ未満である場合には、電子ガスが２次元電子ガスとなる可能性が高い。
【０１２２】
本発明の方法において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、０．３以下のアルミニウム・モル分率ｙを持つことが好ましい。そのような低いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層を使用すると、本発明の方法による６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスの生成が可能であり、また、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮ層あるいはＡｌＧａＮ層の使用に関連する不都合を回避でき、その結果、良質のデバイスを得ることができる。特に、０．３以下のアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層は、デバイス内での顕著な歪みの発生も、顕著な数の転位の発生も、不要な不純物の顕著な取り込みも引き起こさない。
【０１２３】
図６の層構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、意図的にドープされていないものであってもよい。本発明の方法は、層のドープに依存しない。本発明の方法は、図６の層構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の両方共が意図的に（名目上）ドープされていない場合であっても、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができる。このことは、図６の層構造を電子デバイスまたは光電子デバイスの構造に組み込む場合に、特に利点となる。なぜなら、デバイス構造内に高濃度にドープされた層を設けることは、デバイスの他の層内へのドーパントの不要な拡散に起因してデバイスの性能を劣化させる可能性があるからである。
【０１２４】
しかしながら、望みであれば、図６の層構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の一方または両方を意図的にドープしてもよい。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の一方または両方をドープしｎ型とすることを望む場合、１つの適切なドーパントはシリコンである。例えば、もし厚いＧａＮ層が、ドープされず、高い電気抵抗を有するであろう場合、厚いドープされていないＧａＮ層をデバイス構造に組み込むと、高い抵抗を持つデバイスが得られるであろう。したがって、ＧａＮ層を、その抵抗を低減するためにドープすることが望ましい。
【０１２５】
図６の例において、アルミニウム含有窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮの層である。本発明は、これに限定されるものではなく、アルミニウム含有窒化物半導体層は、例えば、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０＜ｙ≦１、０≦ｚ≦１）の層であってもよい。アルミニウム・モル分率（ｙ）は、０．３未満であることが好ましい。
【０１２６】
上述したように、ＩｎＧａＮ層２７およびアルミニウム含有窒化物半導体層２６の成長温度は、５００℃以上であることが好ましい。５００℃の成長温度は、ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮ等のような材料のＭＢＥ成長のための下限温度である。また、５００℃より低い成長温度で成長された層は、良好な材料品質を持たない可能性が高い。
【０１２７】
１０５０℃の温度は、ＡｌＧａＮのＭＯＣＶＤ成長のための概算の上限温度である。
したがって、図６の層構造の層２６および２７に対して、約５００℃から約１０５０℃までの範囲内の成長温度を用いることは、用いる成長技術にかかわらず良好な材料品質をもたらすはずである。例外的に、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＩｎＮ等のようなインジウム含有材料の成長のための概算の温度上限は、８５０℃の温度である。これは、８５０℃より著しく大きな温度ではインジウムを材料に含ませることが困難であるためである。インジウムを含む層の成長については、例えば層２７がＩｎＧａＮ層である場合、あるいはアルミニウム含有窒化物層２６がＡｌＧａＩｎＮ層である場合には、約５００℃から約８５０℃までの範囲内の成長温度を用いることが、用いる成長技術にかかわらず良好な材料品質をもたらすはずである。
【０１２８】
さらに、アルミニウム含有窒化物層の成長温度は５５０℃〜７００℃の範囲内であることが好ましい。これは、最高のシートキャリア濃度を持つ電子ガスを与える温度であることが見出された。これは、この温度範囲では、原子窒素へのアンモニア転化が乏しいために、成長に利用されうる原子窒素の濃度が低く、この温度での成長の間に窒素空孔が形成されることに起因しているものと考えられる。
【０１２９】
図７は、図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、より低いＡｌＧａＮバリア層１５の成長温度の関数として示す。図７から、より低いＡｌＧａＮバリア層１５に用いられた３つの成長温度（６００℃、６３０℃、および６５０℃）の全てが高い光出力パワーを与え、６３０℃の成長温度が最高の光出力パワーを与えることが分かる。これは、３つの成長温度全てにおいて高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスが形成されること、また、より低いＡｌＧａＮバリア層１５については６３０℃の成長温度が最高のシートキャリア濃度を電子ガスに与えることを示している。
【０１３０】
最高のシートキャリア濃度を与えるアニール温度は、アルミニウム含有窒化物層の厚みに依存することが分かった。これは、層再結晶化と表面窒素空孔の形成との組み合わせが起こったことに起因すると考えられる。本願明細書で述べたアルミニウム含有窒化物層の典型的な厚みでは、８５０℃〜９５０℃の範囲内のアニール温度が最高のシートキャリア濃度を与えることが分かった。
【０１３１】
図８は、図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、アニール温度の関数として示す。図８から、８２５℃〜９２５℃の範囲内のアニール温度が高い光出力パワーを与え、８７０℃〜９００℃の範囲内のアニール温度で最高の光出力パワーが得られることが分かる。これは、図８の全てのアニール温度で高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスが形成されること、また、８７０℃〜９００℃の範囲内のアニール温度が最高のシートキャリア濃度を電子ガスに与えることを示している。
【０１３２】
図７および図８の結果は、上述した表１の第１項の構造および成長条件を用い、ＡｌＧａＮ層の成長温度またはアニール温度を図に示すように変化させることで得られたものである。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等のような半導体発光デバイスや、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のような半導体電子デバイスなどの製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系で作製された公知の半導体レーザーデバイスの概略断面図である。
【図２】本発明に係るデバイスの伝導帯の概略図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係る半導体レーザーデバイスの概略断面図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係る発光ダイオードの概略断面図である。
【図５】本発明の発光ダイオードの光出力パワーを示す図である。
【図６】図５の結果を得るために使用された半導体構造を示す図である。
【図７】図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、より低いＡｌＧａＮバリア層の成長温度の関数として示す図である。
【図８】図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、アニール温度の関数として示す図である。
【符号の説明】
【０１３５】
２６ アルミニウム含有窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）
２７ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ＧａＮ層）
２８ 電子ガス領域
２９ 半導体層構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光デバイスに関し、特に、窒化物材料系、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系などで作製された半導体発光デバイスに関する。本発明は、半導体デバイスの製造方法に関し、より詳細には、例えば（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系等のような窒化物材料系による半導体デバイスの製造方法にも関する。本発明は、発光ダイオード（以下、適宜「ＬＥＤ」と略記する）やレーザーダイオード（以下、適宜「ＬＤ」と略記する）等に、あるいは、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等のような光半導体デバイスの製造に、適用できる。また、本発明は、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のような電子半導体デバイスにも適用できる。
【背景技術】
【０００２】
（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系は、一般式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ここで０≦ｘ≦１かつ０≦ｙ≦１）で表される材料を含んでいる。本願明細書においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうちで、アルミニウム、ガリウム、およびインジウムのモル分率が０でないものを「ＡｌＧａＩｎＮ」と記す。また、本願明細書においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうちで、アルミニウムのモル分率が０であるが、ガリウムおよびインジウムのモル分率が０でないものを「ＩｎＧａＮ」と記す。また、本願明細書においては、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系のうちで、インジウムのモル分率が０であるが、ガリウムおよびアルミニウムのモル分率が０でないものを「ＡｌＧａＮ」と記す。その他の種類の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系も同様に記す。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で作製されたデバイスは、スペクトルにおける青波長領域の光を発することができるので、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系による半導体発光デバイスの作製には、現在大きな関心が寄せられている。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で作製された半導体発光デバイスは、例えば特許文献１に記述されている。（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系による、高性能トランジスタ等のような電子デバイスの製造にも、関心が寄せられている。
【０００３】
図１は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系で作製された典型的な半導体レーザーデバイス（レーザーダイオード（ＬＤ）とも記す）１０の概略図である。上記半導体レーザーデバイスは、青波長領域の光を発することができる。
【０００４】
図１の半導体レーザーデバイス１０は、基板１上に成長されている。図１のレーザーダイオード１０では、基板１はサファイア基板である。バッファ層２、第１クラッド層３および第１光ガイド層４は、基板１上にこの順に成長されている。図１の実施形態において、バッファ層２はｎ型ＧａＮ層であり、第１クラッド層３はｎ型ＡｌＧａＮ層であり、第１光ガイド層４はｎ型ＧａＮ層である。
【０００５】
活性領域５は、第１光ガイド層４上に成長されている。
【０００６】
第２光ガイド層７、第２クラッド層８およびキャップ層９は、活性領域５上にこの順に成長されている。第２光ガイド層７および第２クラッド層８は、第１光ガイド層４および第１クラッド層３とは逆の導電型を持つ。図１のレーザーデバイス１０において、第１光ガイド層４および第１クラッド層３は、ｎ型である。したがって、第２光ガイド層７および第２クラッド層８は、ｐ型層である。図１のレーザーデバイス１０では、第２光ガイド層７はｐ型ＧａＮ層であり、第２クラッド層８はｐ型のＡｌＧａＮ層であり、キャップ層９はｐ型ＧａＮ層である。
【０００７】
レーザーデバイス１０の活性領域５の構造は、図１では詳細には示していない。しかしながら、一般に、活性領域５は、第１バリア層と第２バリア層との間に配置された１つの量子井戸層を有する一つの量子井戸（ＳＱＷ）活性領域、あるいは、各々（各量子井戸層）が２つのバリア層の間に配置されている２つ以上の量子井戸層を有する多量子井戸（ＭＱＷ）活性領域のいずれかであろう。量子井戸層は、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＡｌＧａＩｎＮなどの層であってもよい。
【０００８】
高品質ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）および高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、典型的には、大きなシート電子密度（シートキャリア濃度）と高い電子移動度との組み合わせをチャネル領域内に必要とする。必要な電子シート濃度および電子移動度を得るための１つのアプローチは、デバイスに電子ガス領域を組み込むことである。電子ガス中の電子は、ホストまたはドーパント原子との相互作用（あるいは拡散）が小さい結果として、バルク半導体結晶中の電子よりもはるかに高い移動度を持つことができる。
【０００９】
また、後述するように、窒化物半導体光電子デバイスに電子ガス領域を組み込むことも望ましい。
【００１０】
既に知られているように、電子ガス領域は、例えば、電子が蓄積して電子ガスを形成することが可能なポテンシャル井戸で構成できる。電子ガス中の電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、量子井戸の面に垂直な方向に束縛され、量子井戸の面と平行な２次元の中でのみ自由に移動できる場合がある。この場合、電子ガスは、「２次元電子ガス」（以下、適宜「２ＤＥＧ」と略記する）と呼ばれる。また、電子ガスの電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、３次元全ての中で自由に移動できる場合もある。この場合、電子ガスは、「３次元電子ガス」（以下、適宜「３ＤＥＧ」と略記する）と呼ばれる。電子ガス中の電子は宿主またはドーパントの原子で、より少数の相互作用（あるいは散乱）の結果バルク半導体結晶中のものよりはるかに高い移動度を有することができる。
【００１１】
Ｊｅｇａｎａｔｈａｎらは、非特許文献１において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造が、ヘテロ構造を意図的にドープすることなしに最高５×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ２ＤＥＧを実現するのに使用できることを報告している。このシートキャリア濃度は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系等のような他のIII−Ｖ族系で達成可能なシートキャリア濃度よりもかなり大きい。また、これは、主として、ＡｌＧａＮ歪み層がＡｌＧａＡｓと比較して５倍大きな圧電分極を持つこと、およびウルツ鉱III族窒化物の中では他のIII−Ｖ族材料と比較して非常に大きな自発分極（ゼロ歪みでの分極）が生じることによる。しかしながら、Ｊｅｇａｎａｔｈａｎらの方法は、５×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ２ＤＥＧを得るためには、非常に高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層の使用を必要とし、場合によってはＡｌＮ層の使用さえ必要とする。これは、デバイス内の過度の歪み、転位の発生、および不要な不純物の取り込みを招く可能性があるので、高いアルミニウム・モル分率を備えた、ＡｌＮあるいはＡｌＧａＮの層をデバイスに組み込むことは、一般に望ましくない。
【００１２】
同時係属の特願２００４−３０４９４１号（英国特許出願第０３２５１００．６号に対応）の明細書及び図面は、窒化物材料系で作製され、基板の上に配置された活性領域を持つ半導体発光デバイスを開示している。上記活性領域は、活性領域の最下層を形成する第１のアルミニウム含有層（例えばＡｌＧａＮ層）、活性領域の最上層を形成する第２のアルミニウム含有層、および、上記第１のアルミニウム含有層と第２のアルミニウム含有層との間に配置された少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層を含んでいる。
【００１３】
Ｊｅｎａらは、非特許文献２の中で、選別されたアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層を、３次元電子ガスあるいは３次元電子スラブを生成させるために使用することを報告している。この方法は、最大９×１０１２ｃｍ−２のシート電子濃度を持つ電子ガスを生成させる。
【００１４】
Ｉｂｂｅｔｓｏｎらは、非特許文献３の中で、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面における電子ガス中の電子の供給源について議論している。Ｉｂｂｅｔｓｏｎらは、表面準位を電子の主な供給源と特定し、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面における電子ガスについて最大４．８×１０１３ｃｍ−２のシート電子濃度（シートキャリア濃度）が得られると予測している。Ｉｂｂｅｔｓｏｎらは、表面準位を形成する方法に言及していない。
【００１５】
Ｍｋｈｏｖａｎらは、非特許文献４の中で、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系において約５×１０１３ｃｍ−２の電子シート濃度を持つ疑似２ＤＥＧを形成することを記述している。Ｍｋｈｏｖａｎらは、シート電子濃度、が分極誘導電荷に左右され、界面拡散によって影響を受ける、と述べている。Ｍｋｈｏｖａｎらは、２ＤＥＧがどのように形成されるかについて、あるいは２ＤＥＧのための電子の供給源についての詳細をほとんど示していない。
【００１６】
Ｊｅｇａｎａｔｈａｎらは、非特許文献１において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造が、ヘテロ構造を意図的にドープすることなしに最高５×１０１３ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ２ＤＥＧを実現するのに使用できることを報告している。このシートキャリア濃度は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系等のような他のIII−Ｖ族系で達成可能なシートキャリア濃度よりもかなり大きい。また、これは、主として、ＡｌＧａＮ歪み層がＡｌＧａＡｓと比較して５倍大きな圧電分極を持つこと、およびウルツ鉱III族窒化物の中では他のIII−Ｖ族材料と比較して非常に大きな自発分極（ゼロ歪みでの分極）が生じることによる。しかしながら、上記非特許文献１には、電子ガス領域を形成すること、および、光電子デバイスの光効率を向上させるために、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造を光電子デバイスに組み込むことは、教示されていない。
【００１７】
特許文献２は、光効率が向上するようにデバイスの活性領域にわたる如何なる分極誘導領域をも低減するために（界面選別あるいは界面ドープ等のような）双極子低減方法が使用される発光デバイスを開示している。しかしながら、本発明において、双極子および分極領域は、電子ガスを形成するために特別に導入されたものである。
【００１８】
特許文献３は、窒化物材料系で作製され、活性領域内におけるｐ型側に形成された（５×１０１３ｃｍ−２未満のシートキャリア濃度を持つ）２ＤＥＧを有する発光デバイスを開示している。２ＤＥＧ領域は、効率的な正孔組換えのための収集領域として機能する。対照的に、本発明においては、電子ガス領域は、活性領域の外部に位置し、活性領域のｎ型側にある。
【００１９】
特許文献４は、電子捕獲および活性領域中への電子の共鳴トンネリングのために活性領域の下に配置された広いＩｎＧａＮ層を含む発光デバイスを記述している。上記特許文献４には、デバイス内のいかなる場所にも電子ガスが形成されることは示されていない。
【００２０】
Ｋｉｍらは、非特許文献５の中で、光効率の向上のために窒化物ＬＥＤ中に電子トンネルバリアを使用することを報告している。上記電子トンネルバリアは、ＬＥＤの活性領域の中あるいは直下に配置された厚さ２ｎｍのＡｌＧａＮ層によって提供される。上記ＡｌＧａＮ層が、活性領域からの熱電子の流出を低減することが報告されている。ＡｌＧａＮトンネルバリアとその下にあるＧａＮとの間の界面に電子ガスを形成することは、Ｋｉｍらによって報告も示唆もされていない。非特許文献６におけるＳｍｏｒｃｈｏｖａらの報告によれば、そのような薄いＡｌＧａＮ層は、２ＤＥＧの形成をもたらさない。
【００２１】
Ｌｕｏらは、非特許文献７の中で、２ＤＥＧに連関されたＩｎＡｓ量子ドット（以下「ＱＤ」と略記する）からのフォトルミネセンス発光強度の向上を報告している。２ＤＥＧは、ＱＤと重なる２ＤＥＧ中の電子の波動関数によって、ＱＤのための電子溜めの機能を果たすと思われる。しかしながら、本発明においては、電子ガスが活性領域の外部にあり、したがって、電子ガス中の電子の波動関数は活性領域に連関されていない。
【特許文献１】米国特許第５，７７７，３５０号（１９９５年１１月３０日公開）
【特許文献２】米国特許第６，５１５，３１３号（２０００年１１月２８日公開）
【特許文献３】米国特許第６，５４１，７９７号（２００３年４月１日公開）
【特許文献４】米国特許第６，６１４，０６０号（２００３年９月２日公開）
【非特許文献１】K. Jeganathan et al., J. Appl. Phys. 94, p3260 (2003)
【非特許文献２】D. Jena et al., Appl. Phys. Lett. 81(23), p4395 (2002)
【非特許文献３】J. P. Ibbetson et al., Appl. Phys. Lett. 77(2), p250（2000)
【非特許文献４】K. A. Mkhoyan et al., Appl. Phys. 95(4), p1843 (2004)
【非特許文献５】K. C. Kim et al., Phys. Stat. Sol. (a) 201, p2663 (2004)
【非特許文献６】I. P. Smorchova et al., J. App. Phys. 86, p4520 (1999)
【非特許文献７】Y. H. Luo et al., J. Elec. Matl. 30(5), p459 (2001)
【非特許文献８】N. Maeda et al., Appl. Phys, Lett. 79(11), p1634 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、シート電子密度を持つ電子ガスを含む高性能の半導体デバイスおよびその製造方法、特に、高い光出力パワーを持つ半導体発光デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第一の面は、窒化物半導体デバイスを製造する方法であって、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を成長させるステップと、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上にアルミニウム含有窒化物半導体層を５００℃以上の成長温度で成長させるステップと、上記アルミニウム含有窒化物半導体層を８００℃以上の温度でアニールするステップとを含み、上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と上記アルミニウム含有窒化物半導体層との間の界面に電子ガス領域を形成させるような厚みである方法を提供する。
【００２４】
本願明細書で使用する「電子ガス領域」は、（デバイスの動作時に）電子ガスが生じうる領域を意味する。電子ガス中の電子は、ホストまたはドーパント原子との相互作用（あるいは拡散）が小さい結果として、バルク半導体結晶中の電子よりもはるかに高い移動度を持ちうる。
【００２５】
本願明細書で使用する用語「窒化物半導体デバイス」は、全ての半導体層が窒化物材料系の一種である半導体デバイスを意味する。上記窒化物材料系の一例は、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ材料系である。
【００２６】
アルミニウム含有窒化物半導体層を７５０℃以下の成長温度で成長させてもよい。
【００２７】
アルミニウム含有窒化物半導体層に対して比較的低い成長温度を用いた後、続いてアニールするステップを行うことによって、従来技術の方法によって得られる電子ガスのシート電子濃度より顕著に高いシート電子濃度を持つ電子ガスを電子ガス領域内で形成できることが見出された。本発明は、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることを可能にする。（本願明細書に記載の「シート電子濃度」は全て、印加電界または印加磁界が０の条件下でのシート電子濃度を指すものとする。）さらに、この高いシート電子濃度を持つ電子ガスは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層あるいは窒化物半導体層のいずれかを意図的にドープすることなく、比較的低いアルミニウム濃度を持つ窒化物半導体層を用いることによって、得ることができる。本発明は、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮまたはＡｌＧａＮの層の使用を必要としない。したがって、本発明は、III族窒化物半導体で作製された光電子デバイスおよび電子デバイス双方の効率および性能の向上をもたらすことができる。本発明によって達成されるシートキャリア濃度は、従来法による成長（例えば、非特許文献８に示された前田らの方法による成長）がなされ調節ドープされた２Ｄ電子ガスを持つＨＦＥＴで達成できるシートキャリア濃度よりも高い。
【００２８】
上記窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（ここで０＜ｙ≦１かつ０≦ｚ≦１）層であってもよい。
【００２９】
上記ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ層は、０＜ｙ＜０．３を満たすものであってもよい。そのような低いアルミニウム・モル分率を持つ（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を使用すると、６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスの生成が可能であり、また、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮ層あるいは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層の使用に関連する不都合を回避でき、その結果、良質のデバイスを得ることができる。
【００３０】
上記窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層であってもよい。
【００３１】
上記窒化物半導体層の厚さは、５ｎｍ以上であってもよく、また、５０ｎｍ未満であってもよい。上記窒化物半導体層の厚さは、電子ガスが形成されるかどうかを決める１つの要素である。上記窒化物半導体層の厚さをこれらの範囲内にすることは、高いシート電子濃度を持つ電子ガスの形成を可能にする。上記窒化物半導体層の厚さが、５ｎｍより著しく薄いか、あるいは５０ｎｍより著しく厚い場合、電子ガスが形成されない可能性が高い。
【００３２】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、ＧａＮの層であってもよい。
【００３３】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、２０ｎｍ以上の厚さを有していてもよく、また、３μｍ未満の厚さを有していてもよい。上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の厚さが２０ｎｍより著しく薄い場合、上記電子ガス領域内に蓄積する電子ガスを含むことができない可能性が高い。
【００３４】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、意図的にドープされていないものであってもよい。また、上記窒化物半導体層も、意図的にドープされていないものであってもよい。本発明の方法は、層をドープすることに依存することなく、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得るためのものである。これは、高濃度にドープされた層の使用に依存して高いシート電子濃度を持つ電子ガスを提供する従来技術の方法に対して、利点を与える。なぜなら、高濃度にドープされた層をデバイス構造内に設けることは、デバイスの他の層内への不純物の拡散に起因して、デバイスの性能を低下させたり、デバイスの性能の経時変化を招いたりする可能性があるからである。
【００３５】
あるいは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、ドープされたｎ型であってもよい。これは、上記電子ガス領域内での電子ガスの形成に必要ではない。しかし、それは、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の電気抵抗を低減し、それゆえに、上記デバイスの電気抵抗を過度に上昇させることなく、厚いＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を上記デバイス構造に組み込むことを可能にする。上記窒化物半導体層は、典型的に薄層であり、それゆえに意図的にドープされなかった場合でさえ低い抵抗を持つので、上記窒化物半導体層のドープはそれほど重要ではないが、上記窒化物半導体層は、ドープされたｎ型であってもよい。適切なｎ型ドーパントの一例は、シリコンである。
【００３６】
上記方法は、上記窒化物半導体層をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に直接成長するステップを含んでいてもよい。
【００３７】
上記方法は、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層および上記窒化物半導体層を成長室内で成長させるステップを含んでいてもよい。また、上記方法は、上記窒化物半導体層を上記成長室内でアニールするステップを含んでいてもよい。これは、"in-situ"（室内）アニールとして知られており、アニールを実行するために上記窒化物半導体層を成長室から取り除く必要を避けることができる。これは、上記窒化物半導体層の上に他の層を成長させることが望ましい場合に、特に利点となる。上記窒化物半導体層のアニールは、上記窒化物半導体層を成長させた直後であって、他の層を成長させる前に、行うことが好ましい。
【００３８】
あるいは、上記窒化物半導体層を成長室の外部でアニールするために、上記層構造を成長室から取り除いてもよい（これは"ex-situ"（室外）アニールとして知られている）。窒化物半導体層を成長させた直後であって、他の層を成長させる前に、上記層構造をアニールのために成長室から取り除くことが好ましい。
【００３９】
上記方法は、上記窒化物半導体層の上に１つまたはそれ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を成長させるステップを含んでいてもよい。さらに、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を成長させる前に、１つまたはそれ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を成長させてもよい。これは、ＬＥＤ、ＬＤ、ＨＥＭＴ、あるいはＨＦＥＴ等のような、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ電子デバイスあるいは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ光電子デバイスの構造に電子ガス領域を組み込むことを可能にする。
【００４０】
３００Ｋの温度で、６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度、あるいは１×１０１４ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスが、上記電子ガス領域内に生成しうる。
【００４１】
上記窒化物半導体層をアニールするステップの継続時間は、１０分以下であってもよい。
【００４２】
本発明の第二の面は、窒化物材料系で作製され、発光のための活性領域と、活性領域のｎ型側に配置された電子ガス領域とを含み、上記電子ガス領域は、使用時（デバイスの動作時）に、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度を持つ電子ガスを含む半導体発光デバイスを提供する。
【００４３】
デバイスの動作時に、電子が、電子ガス領域に蓄積し、電子ガスを形成する。電子ガスは、活性領域の外部における、活性領域のｎ側境界あるいはその近傍に、高濃度の電子荷電領域を形成し、活性領域へキャリアを供給するための電子溜めとして機能する。このようにしてデバイス中における電子ガス領域の形成はデバイスの活性領域への電子の注入を改善し、それによって、発光デバイスの光効率（光効率は、デバイスの消費電力に対するデバイスの光出力パワーの割合として定義される）を向上させる。
【００４４】
電子ガス領域は、例えば、電子が蓄積することで電子ガスを形成しうるポテンシャル井戸からなっていてもよい。電子ガス中の電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、量子井戸の面に垂直な方向に束縛され、量子井戸の面と平行な２次元の中でのみ自由に移動できる場合がある。この場合、電子ガスは、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）として知られている。また、電子ガスの電子は、ポテンシャル井戸の形状および厚さによって、３次元全ての中で自由に移動できる場合もある。この場合、電子ガスは３次元電子ガス（３ＤＥＧ）として知られている。
【００４５】
上記デバイスは、上記活性領域のｎ型側に配置された第１層と、上記デバイスの活性領域の一部をなし、かつ、上記第１層に近接する(adjacent to)ように配置された第２層とを含み、上記第２層は、第１層とは異なる組成を持ち、それによって第１層と第２層との間の界面に電子ガス領域が形成されている構成であってもよい。第１層は、活性領域の一部をなさない。また、電子ガス領域は、活性領域の外部に（活性領域のｎ側に）ある。
【００４６】
上記第１層は、第２層に直接隣接して(immediately adjacent to）配置されていてもよい。これは、電子ガス領域をできるだけ活性領域に近い位置に配置し、それによって活性領域への電子の注入を最大限に増進させ、その結果、デバイスの光効率を最大限に向上させることができる。
【００４７】
上記電子ガス領域は、使用時（デバイスの動作時）に、２次元電子ガスまたは３次元電子ガスを含んでいてもよい。
【００４８】
上記第１層は、ＧａＮ層であってもよく、ＩｎＧａＮ層であってもよい。上記第２層は、ＡｌＧａＮ層であってもよい。
【００４９】
上記電子ガス領域は、意図的にドープされていないものであってもよい。電子ガス領域が上述した第１層および第２層を含む場合、これは、第１層および第２層が意図的にドープされないことを必要とする。
【００５０】
また、上記電子ガス領域は、ドープされたｎ型であってもよい。電子ガス領域が上述した第１層および第２層を含む場合、これは、第１層および第２層の少なくとも１つがドープされたｎ型であることを必要とする。シリコンは、適切なドーパントの一例である。
【００５１】
上記デバイスは、発光ダイオードであってもよく、半導体レーザーデバイスであってもよい。
【００５２】
本発明の好ましい特徴は、以下の添付図面を参照した具体例に基づく説明によって分かるであろう。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、シート電子密度を持つ電子ガスを含む高性能の半導体デバイスおよびその製造方法、特に、高い光出力パワーを持つ半導体発光デバイスおよびその製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
図２は、本発明の一態様に係る発光デバイスの伝導帯の概略図である。上記デバイスは、光放出のための活性領域を有している。上記活性領域は、複数の量子井戸層１１を含み、互いに隣接する量子井戸層１１の対の各々の間にバリア層１２が配置されている。図２は、活性領域を３つの量子井戸層１１と２つのバリア層１２とを有しているものとして示している。しかしながら、本発明における活性領域は、この特定の構造の活性領域に限定されない。
【００５５】
上記活性領域は、一番下の量子井戸層１１の直下に配置された第１バリア層１５、および一番上の量子井戸層１１の直上に配置された第２バリア層１６をさらに含む。図２の例では、第１バリア層１５および第２バリア層１６は各々、ＡｌＧａＮ層である。
【００５６】
図２中で活性領域１０の左に位置するデバイスの部分は、デバイスのｎ型側であり、図２中で活性領域１０の右に位置するデバイスの部分は、デバイスのｐ型側である。ｎ型コンタクト（図示しない）は、デバイスのｎ型側に配設され、ｐ型のコンタクト（図示しない）は、デバイスのｐ型側に配設されている。
【００５７】
本発明によれば、電子ガス領域１３は、上記デバイスにおいて、活性領域１０のｎ型側で、かつ、活性領域の外部に設けられている。デバイスが動作中であるときには、６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度を持つ電子ガスが、電子ガス領域１３内に発生する。図２の実施形態では、上記デバイスは、活性領域１０のｎ型側に配置された第１層１４を含む。上記第１層１４は、好ましくは第１バリア層１５に直接隣接している。第１層１４は、第１バリア層１５とは異なる組成を持っている。第１バリア層１５の伝導帯レベルは、第１層１４との組成の相違のために第１層１４の伝導帯レベルと等しくなく、その結果、よく知られているように、ポテンシャル井戸が、第１層１４と第１バリア層１５との間の界面で形成される。ポテンシャル井戸は電子ガス領域１３を形成する。デバイスが動作中であるとき、電子が、第１層１４と第１バリア層１５の間の界面でポテンシャル井戸に蓄積し、それによって電子ガスが上記界面に形成される。ポテンシャル井戸の面に垂直な方向（すなわち図２中の左から右に向かう方向）における電子ガスの電子の束縛は、井戸の幅によって決まり、井戸が十分に狭ければ、井戸中の電子ガスは２次元電子ガス（２ＤＥＧ）になるであろう。
【００５８】
第１バリア層１５は、好ましくは比較的薄い。これは、電子ガスと活性領域の量子井戸との間の分離ができるだけ小さく（第２の層１５の厚さと等しく）なることを保証し、それによって、電子ガスから活性領域の量子井戸内への最大限に効率的な電子の注入をもたらし、その結果としてデバイスの光効率の最大限に増大させる。
【００５９】
図２のデバイスは、窒化物材料系で作製される。例として、デバイスは（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎで作製されうる。この場合、量子井戸層１１がＩｎＧａＮ層であり、バリア層１２がＧａＮ層であってもよい。電子ガス領域１３を定める第１層１４および第１バリア層１５は、図２に示すようにそれぞれＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層であってもよく、それぞれＩｎＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層であってもよい。第１層１４がＩｎＧａＮ層である場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ中のインジウム・モル分率ｘの好ましい範囲は、０≦ｘ≦０．１である。
【００６０】
第２バリア層１６は、例えばｐ型ドープされたＡｌＧａＮで形成されうる。
【００６１】
第１バリア層１５のアルミニウム濃度は、好ましくは０．３以下である。すなわち、第１バリア層１５は、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ここで０＜ｘ≦０．３）の組成を持つ。そのような比較的低いアルミニウム濃度の使用は、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮ層あるいはＡｌＧａＮ層の使用に関連する不都合を回避し、良質のデバイスを得ることを可能にする。特に、０．３以下のアルミニウム・モル分数を持つＡｌＧａＮ層は、デバイス内の顕著な歪みの発生も、著しい数の転位の発生も、不要な不純物の顕著な混入も引き起こさない。第２バリア層１６も、好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ここで０＜ｘ≦０．３）の組成を持つ。
【００６２】
第１バリア層１５の厚さは、第１バリア層１５と第１層１４との間の界面に電子ガス領域が形成されるように選択されている。これを達成するために、第１バリア層１５の厚さは、好ましくは５ｎｍ以上であり、また好ましくは５０ｎｍ未満である。この範囲の厚さは、デバイスの最大限の光出力パワーを与える。第１層１４の厚さは第１バリア層１５の厚さほど重要ではないが、第１層１４の厚さは、（電子ガス領域内での電子の効果的な束縛を与えるために）２０ｎｍより厚く、かつ、３μｍ未満であることが好ましい。これらの厚さの範囲は、高いシート電子濃度（シートキャリア濃度）を持つ電子ガスを得るのに好適であることが分かっている。特に、第１バリア層１５の厚さが、５ｎｍより著しく薄いか、あるいは５０ｎｍより著しく大きければ、電子ガスを得ることができないであろう。
【００６３】
電子ガス領域１３内に発生する電子ガスが、２次元電子ガスになるか３次元電子ガスになるかは、主として第１バリア層１５の厚さによって決まる。第１バリア層１５の厚さが約２０ｎｍより薄い場合、２ＤＥＧが電子ガス領域１３内に発生する可能性が高い。一方、第１バリア層１５の厚さが約２０ｎｍより厚い場合、３ＤＥＧが電子ガス領域１３内に発生する可能性が高い。
【００６４】
図２のデバイス構造の第１層１４および第１バリア層１５は、意図的にドープされていないものであってもよい。デバイスが後述する方法に従って作製された場合、図２のデバイスの第１層１４および第１バリア層１５が両方とも意図的に（名目上）ドープされていない場合であっても、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができる。これは、利点である。なぜなら、デバイス構造内に高濃度にドープされた層を設けることは、デバイスの他の層内へのドーパントの不要な拡散に起因してデバイスの性能の低下を引き起こす可能性があるからである。
【００６５】
また、必要に応じて、図２のデバイス構造の第１層１４および第１バリア層１５の一方または両方を、意図的にドープされたｎ型としてもよい。例えば、第１層１４が厚い層である場合、その電気抵抗を低減するために第１層をドープすることが望ましいであろう。電子ガス領域１３内での電子ガスの形成は、第１層１４のドーピングレベルには顕著な影響を受けない。
【００６６】
図３は、本発明を具現化した半導体レーザーダイオードの概略断面図である。レーザーダイオード１７は、基板１８と、基板１８の上に成長されたバッファ層１９とを有している。図３の例では、基板１８はＧａＮ基板であり、バッファ層１９は２５０ｎｍの厚さを持つｎ型のＧａＮ層である。シリコンは、適切なドーパントである。
【００６７】
ｎ型クラッド領域２０は、バッファ層１９の上に配置されている。図３の例において、ｎ型クラッド領域２０は、超格子構造を有しており、ＧａＮの層と交互に配置された０．１２のアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮの層からなる。図３のクラッド領域は、９００ｎｍの厚さを持つ。しかしながら、レーザーデバイスは、図３に示す特定の形や厚さを持つｎ型クラッド領域に限定されるものではない。
【００６８】
第１層１４は、ｎ型クラッド層２０の上に成長されている。図３の実施形態では、第１層１４は、１００ｎｍの厚さを持つｎ型ドープされたＧａＮ層である。シリコンが、ドーパントとして使用される。
【００６９】
活性領域１０は、第１層１４の上に成長されている。図３の例において、第１バリア層１５は、１５ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層である。量子井戸層１１の各々は、２ｎｍ厚のＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ層である。中間のバリア層１２の各々は、１５ｎｍ厚のＧａＮ層である。また、第２バリア層１６は、５ｎｍ厚のＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎの層である。図３の実施形態では、活性領域１０の各層は意図的にドープされていない。
【００７０】
光ガイド領域２１は、活性領域の上に成長されている。図３の実施形態において、光ガイド領域２１は、ドープされたｐ型であり、１００ｎｍの厚さを持つＧａＮの層である。マグネシウムは、適切なｐ型ドーパントである。
【００７１】
ｐ型のクラッド領域２２は、光ガイド領域２１上に設けられている。図３の例において、ｐ型のクラッド領域２２は、超格子構造を有しており、ＧａＮの層と交互に配置された０．１２のアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮの層からなる。図３のｐ型のクラッド・領域の厚さは５００ｎｍである。しかしながら、レーザーデバイスは、図３に示す特定の形や厚さを持つｐ型のクラッド領域に限定されない。
【００７２】
ｐ型キャップ層２３は、ｐ型のクラッド領域２２の上に設けられている。図３の実施形態では、キャップ層２３は、２０ｎｍ厚のドープされたｐ型のＧａＮ層である。マグネシウムは、適切なドーパントである。
【００７３】
金属コンタクト（図３には示さない）は、活性領域１０のｎ側およびｐ側に設けられている。この金属コンタクトは、簡便には、基板１８の下側およびキャップ層２３の上面上に設けることができる。
【００７４】
図４は、本発明を具現化したＬＥＤ２４を示す。ＬＥＤ２４は、基板１８を有している。図４の実施形態では、上記基板は、（０００１）表面をその最上部に持つサファイア基板である。
【００７５】
バッファ層１９は、基板１８上に成長されている。図４の実施形態では、バッファ層１９は、は、４μｍの厚さを持つｎ型ドープされたＧａＮ層である。
シリコンは、適切なドーパントである。
【００７６】
活性領域１０は、バッファ層１８上に成長されている。図４のＬＥＤの活性領域は、図３のレーザーダイオードの活性領域と同一であるので、その説明は省略する。
【００７７】
図４のＬＥＤ２４は、活性領域１０上に成長されたキャップ層２５をさらに含んでいる。図４では、キャップ層２５は、３００ｎｍの厚さを持つｐ型ドープされたＧａＮ層である。マグネシウムは、適切なドーパントである。
【００７８】
金属コンタクト（図４には示さない）は、活性領域１０のｎ側およびｐ側に設けられている。この金属コンタクトは、簡便には、基板１８の下側およびキャップ層２５の上面上に設けることができる。
【００７９】
図５は、本発明の電子ガス領域を含むＬＥＤの光出力パワーが、電子ガス領域の電子ガスの（３００Ｋでの）シートキャリア密度（シートキャリア濃度）にどのように依存するかを示す。図５中に示す出力の値は、図４に示す一般的な構造を持っているが、異なるシート電子濃度の電子ガスを含んでいるＬＥＤから得られたものである。シート電子濃度の値は、ＡｌＧａＮ層２６とＧａＮ層２７との界面に電子ガス領域２８が発生するように、ＧａＮ層２７上にＡｌＧａＮ層２６が配置された図６に示す構造２９を使用し、等価電子ガスについてホール効果測定を行うことにより得られた。特定の電子ガスを持つＬＥＤによって発生される出力の測定には、その特定の電子ガスのシート電子濃度の値を得るのに使用した図６の構造２９のＧａＮ層２７およびＡｌＧａＮ層２６と同じ組成および厚さを有する第１層１４および第１バリア層１５を使用した。したがって、図５中の各データ点を得るために２つの別個の構造を使用した。
【００８０】
図５から分かるように、電子ガスのシートキャリア濃度が増加するにしたがって、ＬＥＤの光出力パワーは増加する。電子ガス領域のない従来のデバイスは、約５０μＷ（０．０５ｍＷ）の出力パワーを持つと予測される。電子ガスのシートキャリア濃度の増加に伴う光出力の増加は、初期は比較的低い。しかし、図５の曲線は、約４．５×１０１３ｃｍ−２から約６×１０１３ｃｍ−２までの範囲に（３００Ｋでの）シート電子濃度の「肘部（急激に曲がっている部分）」を有している。３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２を越えるシート電子濃度では、ＬＥＤの光出力は、電子ガスのシート電子濃度の増加にしたがって急激に増加する。したがって、電子ガス領域１３の電子ガスは、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子濃度を有していることが望ましい。
【００８１】
本発明の発光デバイスにおける光出力パワーと電子ガスのシート電子濃度との関係は、常に図５に示す普遍的な形態を持つものと思われる。特に、光出力パワーとシート電子濃度との関係は、それ以上であれば電子ガスのシート電子濃度の増加にしたがってデバイスの光出力が急激に増加する「肘部（elbow）」を有すると予想される。したがって、使用時に、３００Ｋで６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度（シートキャリア濃度）を持つ電子ガスを含む電子ガス領域を組み込むことは、高い光出力パワーを持つデバイスを与えるはずである。
【００８２】
図２のデバイス構造を製造する１つの方法をここで述べる。図２の半導体層構造を成長させるために、適切な基板（図２には示さない）は、任意の適切な方法で用意され清浄された後、成長装置の成長室内に導入される。適切な１つの基板は、サファイア基板上に成長されたｎ型ドープされたＧａＮ層からなるテンプレート基板である。しかしながら、本発明は、いかなる特定の基板にも限定されない。本発明は、いかなる特定の成長装置に限定されるものではなく、上記デバイスは、任意の従来の半導体成長技術、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシー）やＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）などによって作製可能である。
【００８３】
１つあるいはそれ以上の層、例えばバッファ層やｎ型クラッド層等が、レーザーダイオードの場合にはさらにｎ型光ガイド層が、上記基板の上に成長される。これらの層の成長は、本発明の一部をなすものではないので、これ以上説明しない。
【００８４】
次に、第１層（ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層）１４が成長される。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４は、５００℃以上の成長温度で成長される。（一般に基板は成長プロセス中に加熱され、「成長温度」は基板の温度として定義される。）
【００８５】
次に、ＡｌＧａＮ層１５が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４の上に直接成長される。ＡｌＧａＮ層１５は、５００℃以上の成長温度で成長される。ＡｌＧａＮ層１５の成長温度は、原則的にはＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４の成長温度とは異なる。比較的低い成長温度は、その後にアニールすることで、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを与えるので、ＡｌＧａＮ層１５の成長温度は、好ましくは７５０℃未満である。このようにして、例えば、６×１０１３ｃｍ−２より大きい（３００Ｋでの）シート電子濃度を持つ電子ガスが得られ、１×１０１４ｃｍ−２までの（３００Ｋでの）シート電子濃度を持つ電子ガスでさえ得ることができる。３００Ｋで１×１０１４ｃｍ−２より大きいシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができる成長方法の一例が、後段で表１の実施例１を参照して述べる成長方法である。
【００８６】
続いて、ＡｌＧａＮ層１５は、その成長温度より少なくとも５０℃以上高い温度である８００℃以上の温度でアニールされる。アニールは、成長プロセスを停止し、成長室内の温度をＡｌＧａＮ層１５のアニールに適した温度まで上昇させることで、成長装置の成長室内で行うもの（これは「in situ（室内）アニール」として知られている）であってもよい。あるいは、基板を成長室から取り除くことで、成長室の外部でアニールが行えるようにしてもよい（これは「ex situ（室外）アニール」として知られている）。上述したように、電子ガス領域は、ＡｌＧａＮ層１５とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層１４との間の界面に設けられる。また、アニールステップの効果は、電子ガス領域内に発生する電子ガスのシート電子濃度を増加させることである。アニールステップの他の詳細については後述する。
【００８７】
アニールステップが、ex situ（室外）アニールステップである場合には、アニールステップが完了した後に、基板が成長室に戻される。
【００８８】
次に、量子井戸層１１およびバリア層１２が成長され、これにより、活性領域１０が形成される。次に、ｐ型層１６が活性領域１０の上に成長される。
【００８９】
その後に、キャップ層および／またはｐ型コンタクト層などのような他の層が、ｐ型層１６の上に成長され、これによりデバイスが完成される。後に行われるこれら層の成長は、本発明の一部をなすものではないので、これ以上説明しない。
【００９０】
最後に、基板が、個々のデバイスに分離されるようにダイシングされ、コンタクトが設けられる（ウェーハをダイシングするステップ、およびコンタクトを形成するステップは、本発明の一部を形成するものではないので、これ以上説明しない）。
【００９１】
上述した図２の例では、第１バリア層１５はＡｌＧａＮ層であった。しかしながら、本発明は第１バリア層としてＡｌＧａＮ層を用いたものに限定されるものではなく、第１バリア層は、原則的に任意の適切なアルミニウムを含む窒化物半導体、例えばＡｌＧａＩｎＮの層であってもよい。
【００９２】
上述した実施形態において、第１層１４は、第１バリア層１５に近接している。必要に応じて、第１層１４と第１バリア層１５との間に薄い中間層を成長させても、本発明に係る高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることが可能である。例えば、第１層１４と第１バリア層１５との間にＩｎＧａＮ量子井戸層を成長させることができ、そのような層の典型的な厚みは、約１０ｎｍである。他の例として、第１層１４と第１バリア層１５との間にシリコン層（デルタ層として知られている）を成長させることができ、シリコンデルタ層の典型的な厚みは、０.５ｎｍである。
【００９３】
アニールステップのさらなる詳細について、図６を参照して説明する。前述したように、図６の半導体層構造２９は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層２７の上に成長されたＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｘ≦１）層２６を含んでいる。電子ガス領域２８は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７との間の界面に作成される。図６において、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７は、ＧａＮ層である。しかしながら、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７は、０でないインジウム・モル分率を有していてもよい。インジウム・モル分率は、好ましくは、０≦ｘ≦０．０５の範囲内である。
【００９４】
図６の半導体層構造２９を成長させるために、適切な基板（図６には示していない）を任意の適切な方法で用意し洗浄した後、成長装置の成長室内へ導入する。適切な１つの基板は、サファイアベースの基板上に成長されたｎ型ドープされたＧａＮ層からなるテンプレート基板である。しかし、本発明は、いかなる特定の基板にも限定されない。さらに、本発明は、いかなる特定の成長装置にも限定されるものではなく、本発明は、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシー）やＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシー）等のような任意の従来の半導体成長技術によって実施できる。
【００９５】
その後、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７を、上記基板の上に成長させる。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７は、５００℃以上の成長温度で、好ましくは６００℃以上の成長温度で成長させる。（一般に、基板は成長プロセス中に加熱され、「成長温度」は基板の温度として定義される。）
【００９６】
図６の層構造２９をデバイス構造に組み込む場合、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７を成長させる前に、１つまたはそれ以上の層を基板上に成長させてもよい。いかなるそのような介在層の成長も、本発明の一部を形成しないので、これ以上説明しない。
【００９７】
その後、アルミニウム含有窒化物半導体層２６（この実施形態ではＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の上に成長させ、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、少なくとも５００℃の成長温度、および好ましくは少なくとも６００℃の成長温度で成長する。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の成長温度は、原則としては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の成長温度とは異なる。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、一実施形態においては、２０ｎｍの厚さを持ち、０．１のアルミニウム・モル分率を持つ。しかしながら、本発明は、この特定の厚さやアルミニウム・モル分率を持つＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６に限定されない。
【００９８】
さらに、窒化物半導体層２６の成長温度は、後述する理由から、７５０℃以下であることが好ましい。
【００９９】
上記窒化物半導体層は、上記窒化物半導体層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７との間に介在層が存在しないように、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の上に直接成長されることが好ましい。しかしながら、本発明の方法によれば、薄い中間層が上記窒化物半導体層とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層との間に成長されていても、高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることができる。
【０１００】
本発明によれば、続いて、窒化物半導体層２６（この実施形態においてはＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）を、８００℃以上であり、かつ、その成長温度より高い温度で、アニールする。窒化物半導体層２６をアニールする温度は、好ましくは、窒化物半導体層２６の成長温度より５０℃以上高い温度である。既に知られているように、上記電子ガス領域は、窒化物半導体層２６とＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７との間の界面に形成される。また、本発明のアニールステップの効果は、電子ガス領域内に発生する電子ガスのシート電子濃度を増大させることにある。
【０１０１】
上記アニールステップの典型的な継続時間は、１分間である。注意すべきは、基板中、あるいは基板の上に成長された層中に、顕著な熱応力が発生することを避けるために、基板温度を望ましいアニール温度まで上昇する速度、およびアニールステップの後に基板温度を低下させる速度は、低くするべきである、ということである。これは、in-situアニールおよびex-situアニールの両方に当てはまる。in-situアニールには４０〜５０℃／分以下の温度変更（上昇または下降）速度が適していることが分かったが、ex-situアニールには１００℃／分までの温度変更速度を使用できる（用語「in-situアニール」および「ex-situアニール」は後述する）。ここで使用する「アニールステップの継続時間」という用語は、アニール温度にある時間であり、温度をアニール温度まで上昇させるのに必要な時間、およびそれに続いて温度を下降させるのに必要な時間を含んでいない。したがって、例えば、アニールステップの継続時間自体は典型的な１分間あるいは数分間であっても、in-situアニールの場合には、基板温度を５００℃の成長温度から８００℃のアニール温度まで上昇させるのに、およそ６〜１０分間かかり、アニールステップの後に基板温度を次の層の成長に適した温度まで上昇させるのに、さらに６〜１０分間かかるであろう。
【０１０２】
図６の層構造２９をデバイス構造に組み込む場合、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の上への１つまたはそれ以上の層の成長、および／または、ＧａＮ層２７を成長させる前の１つまたはそれ以上の層の成長を行ってもよい。例えば、活性領域を層構造２９の上に成長させてもよい。あるいは、図２を参照して上述した一般的なタイプのデバイスが得られるように、他の層を、窒化物半導体層２６（ただしＧａＮ層２７ではない）を含む発光のための活性領域を形成するために層構造２９の上に成長させてもよい。いかなるそのような他の層の成長も、本発明の一部を形成しないので、これ以上説明しない。
【０１０３】
上記アニールステップは、成長装置の成長室内で行う"in-situ"アニールステップであってもよく、層構造を成長室から取り除いた後にアニールステップを行う"ex-situ"アニールステップであってもよい。両方の場合において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を成長させた直後にアニールステップを行ってもよく、１つあるいはそれ以上の他の層をＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の上に成長させた後にアニールステップを行ってもよい。図６の層構造をデバイス構造に組み込む場合、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を成長させた直後にアニールステップを行うことは、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の上に成長されるいかなる層もアニールされないという利点がある。これに対し、完全な層構造を成長させた後にアニールを行うことは、デバイスの全ての層がアニールされるであろうことを意味する。しかしながら、図６の層構造をデバイス構造に組み込む場合、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を成長した直後にアニールステップを行うことは、アニールステップを行うことを可能にするために、成長プロセスを停止しなければならないという欠点を有している。ex-situアニールステップは、例えばデバイスを大量生産する際に多数群のウェーハをアニールする場合には、好ましい。
【０１０４】
本発明の結果を、表１中に示す。
【０１０５】
【表１】
【０１０６】
表１の中の第１項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６を６３０℃の成長温度で成長し、８８０℃の成長温度でin-situアニールする本発明の方法によって成長された半導体層構造に関する。表１中の第２項および第３項は、比較例に関する。第２項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を６３０℃の成長温度で成長したが、アニールしなかった例に関する。第３項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層を９００℃という、より高い成長温度で成長したが、アニールしなかった例に関する。
【０１０７】
表１の第１項は、ドープされていないＧａＮテンプレート基板を有する半導体層構造を用いて製造されたものである。アンモニア蒸気下、ＭＢＥ室（チャンバ）内で、名目上ドープされていない１μｍ厚のＧａＮ層を９００℃の成長温度で、上記基板の上に成長させた。その後、成長温度を６３０℃まで低下させ、名目上ドープされていない２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を９００℃の成長温度で成長させた。試料の温度を、１０分間かけて８８０℃まで上昇させ、１分間８８０℃に保持した。その後、上記試料を１５分間かけて２００℃未満の温度まで冷却した。
【０１０８】
表１から分かるように、本発明の方法は、比較例の成長方法を使用して得られる電子ガスのシート電子濃度と比較して顕著に高いシート電子濃度を持つ電子ガスを与える。表１中の第１項に示す成長温度およびアニール温度を用いた本発明の方法によって得られた電子ガスのシート電子濃度は、１×１０１４ｃｍ−２（３００Ｋの温度で測定）である。表１中の第２項および第３項で示される比較例の成長方法は、たったの１×１０１３ｃｍ−２あるいは２×１０１３ｃｍ−２（３００Ｋで測定）のシート電子濃度を持つ電子ガスをそれぞれ発生させるだけである。本発明によってこのようなシート電子濃度の増大が起こる機構として考えられるのは、アニールステップの間に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６および／またはその表面に窒素空孔が作成されることである。上記空孔は、電子ガスに追加の電子を与え、その結果、電子ガスの高いシートキャリア濃度をもたらす。
【０１０９】
本発明の方法によって得られた電子ガスの電子移動度が、表１の第２項および第３項に示される比較例の方法によって得られた電子ガスの電子移動度よりわずかに低いことが分かるであろう。しかしながら、電子移動度が低下する率は、シート電子濃度が増大する率と比較して顕著に小さい。
【０１１０】
表１の結果は、図６に示す層構造を用いて得たものである。アルミニウム含有窒化物層２６は、０．１のアルミニウム・モル分率および２０ｎｍの厚さを持つＡｌＧａＮ層であり、ＡｌＧａＮ層の成長の直後に、続いてアニールを行ったものである。ＧａＮ層の成長温度もその厚さも、得られる電子ガスの電子濃度には顕著な影響を与えないはずであるが、ＧａＮ層は、９００℃の温度で成長され、１μｍの厚さを有していた。
【０１１１】
表１に示すように、表１の第１項の結果は８８０℃のアニール温度を用いて得たものである。（ex-situアニールステップではより高いアニール温度を使用することができるが）in-situアニールステップについては、アニール温度は、８００℃から１０００℃までの温度範囲内にあることが好ましい。in-situアニールステップの場合には、約８８０℃のアニール温度が最も高いシート電子濃度をもたらし、約８８０℃より顕著に高いかあるいは低いアニール温度の使用はより低いシートキャリア濃度をもたらすことが分かった。したがって、in-situアニールを使用する場合、アニール温度は、ほぼ８８０℃であることが特に好ましい。
【０１１２】
表１の第１項の結果は、継続時間が１分間であるアニールステップを用いて得られた結果である。アニールステップは、この継続時間に限定されない。また、アニールステップの継続時間は、１分間より短くてもよく、１分間より長くてもよい。一般に、（in-situアニールおよびex-situアニールの両方について）アニール温度が高くなるほど、必要なアニール時間は短くなる。
【０１１３】
アニールステップの長い継続時間が、シートキャリア濃度の減少を招くことが分かった。これは、おそらく表面の粗面化に起因するものである。したがって、アニールステップの継続時間は、in-situアニールおよびex-situアニールの両方について、１時間未満であることが好ましい。多くの場合において、１時間よりかなり短いアニール時間が使用できる。多くのアニール温度において、１０分間以内のアニール時間で、あるいは２分間以内のアニール時間でさえ、高いシートキャリア濃度が得られるであろう。
【０１１４】
表２は、アルミニウム含有窒化物層（この例においてもＡｌｙＧａ１−ｙＮ層）２６をex-situアニールした場合の、本発明の結果を示す。
【０１１５】
【表２】
【０１１６】
表２の第１項は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６をアニールしない比較例に関する。また、第２項、第３項、および第４項は、１０００℃、１０５０℃、および１１００℃のそれぞれの温度でのex-situアニールステップの効果を示す。表２から分かるように、アニールステップの効果は、得られる電子ガスのシート電子濃度を（アニールステップなしで得られたシート電子濃度と比較して）増大させることである。アニールステップの温度が高いほど、得られる電子ガスのシート電子濃度が大きくなり、１１００℃のアニール温度は、６．０×１０１３ｃｍ−２のシート電子濃度を持つ電子ガスを発生させる。シート電子濃度の増大は、おそらくＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の表面に生成されている窒素空孔の結果として生じるものである。
【０１１７】
表２の結果は、表１と同じ層構造を用い、アルミニウム含有層２６として２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を用いて得られたものである。ＧａＮ層およびＡｌＧａＮ層は各々、９００℃の温度で成長させた。アニールステップを行った場合の各々において、そのステップの継続時間を１分間とした。
【０１１８】
表２の第４項は、ドープされていないＧａＮテンプレート基板を有する半導体層構造を用いて得られたものである。アンモニア蒸気下、ＭＢＥ室内で、名目上ドープされていない１μｍ厚のＧａＮ層を９００℃の成長温度で、上記基板の上に成長させ、次いで、名目上ドープされていない２０ｎｍ厚のＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎ層を９００℃の成長温度で成長させた。その後、上記試料を、１５分間かけて２００℃未満の温度まで冷却し、ＭＢＥ室から取り除き、急速熱アニール装置に挿入した。この急速熱アニール装置内で、試料を窒素雰囲気下で１分間かけて１１００℃まで加熱し、窒素雰囲気下で１分間、１１００℃でアニールした。次に、上記試料を窒素雰囲気下で１分間かけて３００℃以下の温度まで冷却した。
【０１１９】
表２のシートキャリア濃度が表１のものより低いことが分かるであろう。この結果が生じたのは、表１（６３０℃）と比較して、表２（９００℃）におけるＡｌＧａＮ層の成長温度が高いことに起因する。上述したように、窒化物半導体層の成長温度は、好ましくは７５０℃以下であり、特に好ましくは７００℃以下である。他のすべての因子を一定に保ったまま、窒化物半導体層の成長温度を５００〜７５０℃の範囲にすることが、得られる電子ガスに最高のシート電子濃度をもたらすことが分かった。（しかしながら、注目すべきは、アニール温度を十分に高くした場合、電子移動度は５００℃〜７５０℃の範囲の成長温度で得られる値よりも低下する可能性があるものの、５００℃より高い任意の窒化物半導体層成長温度で、３００Ｋで６×１０１１ｃｍ−２のシートキャリア濃度を持つ電子ガスを得ることができることである。上述したように、本発明によって得られる高いシート電子濃度は、アニールステップの間に窒化物半導体層２６内および／またはその表面に生成される窒素空孔に起因すると考えられる。さらに、５００℃〜７５０℃の範囲の窒化物半導体層の成長温度は、高密度の窒素空孔を与えるものと考えられる。
【０１２０】
さらに、ex-situアニールに用いる窒素圧を下げれば、特定のex-situアニール温度でより高いシートキャリア濃度を得ることができるであろうと期待される。高いシート電子濃度を持つ電子ガスを形成するためにはＡｌＧａＮ層内に窒素空孔を生成することが必要であり、ex-situアニールに用いる窒素圧を下げれば、より多くの窒素空孔を生成されるであろうと思われる。ex-situアニールに用いる窒素圧を下げれば、１１００℃未満のex-situアニール温度で６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができるものと期待される。
【０１２１】
本発明の方法において、窒化物半導体層（すなわち図６の実施形態におけるＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６）の厚さは、好ましくは、５ｎｍを超え５０ｎｍ未満である。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７の厚さは、好ましくは、２０ｎｍを超え３μｍ未満である。これらの厚さ範囲は、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得るのに適していることが分かった。窒化物半導体層の厚さが、５０ｎｍから５ｎｍの範囲から著しく外れている場合、電子ガスが得られない可能性が高い。また、２０ｎｍより著しく薄い厚みを有している場合、恐らくＩｎＧａＮ層２７が有効に電子ガスを形成できない。窒化物半導体層の厚さは、電子ガスが２次元電子ガスになるか３次元の電子ガスになるかを決める。窒化物半導体層の厚さが約２０ｎｍを超える場合には、電子ガスが３次元電子ガスとなる可能性が高い。一方、窒化物半導体層の厚さが約２０ｎｍ未満である場合には、電子ガスが２次元電子ガスとなる可能性が高い。
【０１２２】
本発明の方法において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、０．３以下のアルミニウム・モル分率ｙを持つことが好ましい。そのような低いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層を使用すると、本発明の方法による６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスの生成が可能であり、また、高いアルミニウム・モル分率を持つＡｌＮ層あるいはＡｌＧａＮ層の使用に関連する不都合を回避でき、その結果、良質のデバイスを得ることができる。特に、０．３以下のアルミニウム・モル分率を持つＡｌＧａＮ層は、デバイス内での顕著な歪みの発生も、顕著な数の転位の発生も、不要な不純物の顕著な取り込みも引き起こさない。
【０１２３】
図６の層構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６は、意図的にドープされていないものであってもよい。本発明の方法は、層のドープに依存しない。本発明の方法は、図６の層構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の両方共が意図的に（名目上）ドープされていない場合であっても、高いシート電子濃度を持つ電子ガスを得ることができる。このことは、図６の層構造を電子デバイスまたは光電子デバイスの構造に組み込む場合に、特に利点となる。なぜなら、デバイス構造内に高濃度にドープされた層を設けることは、デバイスの他の層内へのドーパントの不要な拡散に起因してデバイスの性能を劣化させる可能性があるからである。
【０１２４】
しかしながら、望みであれば、図６の層構造のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の一方または両方を意図的にドープしてもよい。ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層２７およびＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２６の一方または両方をドープしｎ型とすることを望む場合、１つの適切なドーパントはシリコンである。例えば、もし厚いＧａＮ層が、ドープされず、高い電気抵抗を有するであろう場合、厚いドープされていないＧａＮ層をデバイス構造に組み込むと、高い抵抗を持つデバイスが得られるであろう。したがって、ＧａＮ層を、その抵抗を低減するためにドープすることが望ましい。
【０１２５】
図６の例において、アルミニウム含有窒化物半導体層は、ＡｌＧａＮの層である。本発明は、これに限定されるものではなく、アルミニウム含有窒化物半導体層は、例えば、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０＜ｙ≦１、０≦ｚ≦１）の層であってもよい。アルミニウム・モル分率（ｙ）は、０．３未満であることが好ましい。
【０１２６】
上述したように、ＩｎＧａＮ層２７およびアルミニウム含有窒化物半導体層２６の成長温度は、５００℃以上であることが好ましい。５００℃の成長温度は、ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮ等のような材料のＭＢＥ成長のための下限温度である。また、５００℃より低い成長温度で成長された層は、良好な材料品質を持たない可能性が高い。
【０１２７】
１０５０℃の温度は、ＡｌＧａＮのＭＯＣＶＤ成長のための概算の上限温度である。
したがって、図６の層構造の層２６および２７に対して、約５００℃から約１０５０℃までの範囲内の成長温度を用いることは、用いる成長技術にかかわらず良好な材料品質をもたらすはずである。例外的に、ＩｎＧａＮやＡｌＧａＩｎＮ等のようなインジウム含有材料の成長のための概算の温度上限は、８５０℃の温度である。これは、８５０℃より著しく大きな温度ではインジウムを材料に含ませることが困難であるためである。インジウムを含む層の成長については、例えば層２７がＩｎＧａＮ層である場合、あるいはアルミニウム含有窒化物層２６がＡｌＧａＩｎＮ層である場合には、約５００℃から約８５０℃までの範囲内の成長温度を用いることが、用いる成長技術にかかわらず良好な材料品質をもたらすはずである。
【０１２８】
さらに、アルミニウム含有窒化物層の成長温度は５５０℃〜７００℃の範囲内であることが好ましい。これは、最高のシートキャリア濃度を持つ電子ガスを与える温度であることが見出された。これは、この温度範囲では、原子窒素へのアンモニア転化が乏しいために、成長に利用されうる原子窒素の濃度が低く、この温度での成長の間に窒素空孔が形成されることに起因しているものと考えられる。
【０１２９】
図７は、図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、より低いＡｌＧａＮバリア層１５の成長温度の関数として示す。図７から、より低いＡｌＧａＮバリア層１５に用いられた３つの成長温度（６００℃、６３０℃、および６５０℃）の全てが高い光出力パワーを与え、６３０℃の成長温度が最高の光出力パワーを与えることが分かる。これは、３つの成長温度全てにおいて高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスが形成されること、また、より低いＡｌＧａＮバリア層１５については６３０℃の成長温度が最高のシートキャリア濃度を電子ガスに与えることを示している。
【０１３０】
最高のシートキャリア濃度を与えるアニール温度は、アルミニウム含有窒化物層の厚みに依存することが分かった。これは、層再結晶化と表面窒素空孔の形成との組み合わせが起こったことに起因すると考えられる。本願明細書で述べたアルミニウム含有窒化物層の典型的な厚みでは、８５０℃〜９５０℃の範囲内のアニール温度が最高のシートキャリア濃度を与えることが分かった。
【０１３１】
図８は、図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、アニール温度の関数として示す。図８から、８２５℃〜９２５℃の範囲内のアニール温度が高い光出力パワーを与え、８７０℃〜９００℃の範囲内のアニール温度で最高の光出力パワーが得られることが分かる。これは、図８の全てのアニール温度で高いシートキャリア濃度を持つ電子ガスが形成されること、また、８７０℃〜９００℃の範囲内のアニール温度が最高のシートキャリア濃度を電子ガスに与えることを示している。
【０１３２】
図７および図８の結果は、上述した表１の第１項の構造および成長条件を用い、ＡｌＧａＮ層の成長温度またはアニール温度を図に示すように変化させることで得られたものである。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等のような半導体発光デバイスや、ヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）や高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等のような半導体電子デバイスなどの製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ系で作製された公知の半導体レーザーデバイスの概略断面図である。
【図２】本発明に係るデバイスの伝導帯の概略図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係る半導体レーザーデバイスの概略断面図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係る発光ダイオードの概略断面図である。
【図５】本発明の発光ダイオードの光出力パワーを示す図である。
【図６】図５の結果を得るために使用された半導体構造を示す図である。
【図７】図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、より低いＡｌＧａＮバリア層の成長温度の関数として示す図である。
【図８】図４に示す全体構造を持つＬＥＤの光出力パワーを、アニール温度の関数として示す図である。
【符号の説明】
【０１３５】
２６ アルミニウム含有窒化物半導体層（ＡｌＧａＮ層）
２７ ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層（ＧａＮ層）
２８ 電子ガス領域
２９ 半導体層構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体デバイスを製造する方法であって、
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を成長させるステップと、
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上にアルミニウム含有窒化物半導体層を５００℃以上の成長温度で成長させるステップと、
上記アルミニウム含有窒化物半導体層を８００℃以上の温度でアニールするステップとを含み、
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と上記アルミニウム含有窒化物半導体層との間の界面に電子ガス領域を形成させるような厚みである窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層を７５０℃以下の成長温度で成長させる請求項１記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（ここで０＜ｙ≦１かつ０≦ｚ≦１）層である請求項１または２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
上記ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ層は、０＜ｙ＜０．３を満たす請求項３記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層が、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層である請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、５ｎｍ以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、５０ｎｍ未満である請求項６記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、ＧａＮの層である請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の厚さが、２０ｎｍ以上である請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、３μｍ未満の厚さを持つ請求項９記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、意図的にドープされていない請求項１〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、ドープされたｎ型である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層が、意図的にドープされていない請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層が、ドープされたｎ型である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に直接成長させるステップを含む請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層および上記アルミニウム含有窒化物半導体層を成長室内で成長させるステップを含み、かつ、
上記アルミニウム含有窒化物半導体層を成長室内でアニールするステップを含む請求項１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１７】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の上に１つまたはそれ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を成長させるステップを含む請求項１〜１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１８】
上記電子ガス領域内には、使用時に、３００Ｋの温度で６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスが発生する請求項１〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１９】
上記電子ガス領域内には、使用時に、３００Ｋの温度で１×１０１４ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスが発生する請求項１８記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２０】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層をアニールするステップの継続時間が、１０分間以内である請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２１】
窒化物材料系で作製された半導体発光デバイスであって、
発光のための活性領域と、
上記活性領域のｎ型側に配置された電子ガス領域とを含み、
上記電子ガス領域は、使用時に６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度を持つ電子ガスを含む半導体発光デバイス。
【請求項２２】
上記活性領域のｎ型側に配置された第１層と、上記半導体発光デバイスの上記活性領域の一部をなし、かつ、上記第１層に近接するように配置された第２層とを含み、上記第２層は、上記第１層とは異なる組成を持ち、それによって上記第１層と上記第２層との間の界面に上記電子ガス領域が形成されている請求項２１記載の半導体発光デバイス。
【請求項２３】
上記第１層が、上記第２層に直接隣接するように配置されている請求項２２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２４】
上記電子ガス領域が、使用時に２次元電子ガスを含むことを特徴とする請求項２１、２２または２３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２５】
上記電子ガス領域が、使用時に３次元電子ガスを含む請求項２１、２２または２３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２６】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第１層が、ＧａＮ層である半導体発光デバイス。
【請求項２７】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２５のいずれか１項に記載のデバイスであって、
上記第１層が、ＩｎＧａＮ層である半導体発光デバイス。
【請求項２８】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第２層が、アルミニウムを含む窒化物層である半導体発光デバイス。
【請求項２９】
上記第２層が、ＡｌＧａＮ層である請求項２８記載の半導体発光デバイス。
【請求項３０】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第１層が、意図的にドープされていない半導体発光デバイス。
【請求項３１】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第１層が、ドープされたｎ型である半導体発光デバイス。
【請求項３２】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜３１のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第２層が、意図的にドープされていない半導体発光デバイス。
【請求項３３】
請求項２２、または請求項２２に直接あるいは間接的に従属する場合の請求項２３〜３１のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第２層が、ドープされたｎ型である半導体発光デバイス。
【請求項３４】
上記半導体発光デバイスが、発光ダイオードである請求項２１〜３３のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３５】
上記半導体発光デバイスが、半導体レーザーデバイスである請求項２１〜３４のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３６】
上記窒化物半導体デバイスが、発光デバイスである請求項１〜２０のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３７】
上記窒化物半導体デバイスが、発光ダイオードである請求項３６記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３８】
上記窒化物半導体デバイスが、半導体レーザーデバイスである請求項３６記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１】
窒化物半導体デバイスを製造する方法であって、
ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層を成長させるステップと、
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の上にアルミニウム含有窒化物半導体層を５００℃以上の成長温度で成長させるステップと、
上記アルミニウム含有窒化物半導体層を８００℃以上の温度でアニールするステップとを含み、
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層と上記アルミニウム含有窒化物半導体層との間の界面に電子ガス領域を形成させるような厚みである窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層を７５０℃以下の成長温度で成長させる請求項１記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層は、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（ここで０＜ｙ≦１かつ０≦ｚ≦１）層である請求項１または２に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
上記ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ層は、０＜ｙ＜０．３を満たす請求項３記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層が、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層である請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、５ｎｍ以上である請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の厚さが、５０ｎｍ未満である請求項６記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、ＧａＮの層である請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層の厚さが、２０ｎｍ以上である請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、３μｍ未満の厚さを持つ請求項９記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、意図的にドープされていない請求項１〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層が、ドープされたｎ型である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層が、意図的にドープされていない請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層が、ドープされたｎ型である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層をＩｎｘＧａ１−ｘＮ層上に直接成長させるステップを含む請求項１〜１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１６】
上記ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層および上記アルミニウム含有窒化物半導体層を成長室内で成長させるステップを含み、かつ、
上記アルミニウム含有窒化物半導体層を成長室内でアニールするステップを含む請求項１〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１７】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層の上に１つまたはそれ以上の他の（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎ層を成長させるステップを含む請求項１〜１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１８】
上記電子ガス領域内には、使用時に、３００Ｋの温度で６×１０１３ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスが発生する請求項１〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項１９】
上記電子ガス領域内には、使用時に、３００Ｋの温度で１×１０１４ｃｍ−２以上のシートキャリア濃度を持つ電子ガスが発生する請求項１８記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２０】
上記アルミニウム含有窒化物半導体層をアニールするステップの継続時間が、１０分間以内である請求項１〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２１】
窒化物材料系で作製された半導体発光デバイスであって、
発光のための活性領域と、
上記活性領域のｎ型側に配置された電子ガス領域とを含み、
上記電子ガス領域は、使用時に６×１０１３ｃｍ−２以上のシート電子密度を持つ電子ガスを含む半導体発光デバイス。
【請求項２２】
上記活性領域のｎ型側に配置された第１層と、上記半導体発光デバイスの上記活性領域の一部をなし、かつ、上記第１層に近接するように配置された第２層とを含み、上記第２層は、上記第１層とは異なる組成を持ち、それによって上記第１層と上記第２層との間の界面に上記電子ガス領域が形成されている請求項２１記載の半導体発光デバイス。
【請求項２３】
上記第１層が、上記第２層に直接隣接するように配置されている請求項２２に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２４】
上記電子ガス領域が、使用時に２次元電子ガスを含むことを特徴とする請求項２１、２２または２３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２５】
上記電子ガス領域が、使用時に３次元電子ガスを含む請求項２１、２２または２３に記載の半導体発光デバイス。
【請求項２６】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第１層が、ＧａＮ層である半導体発光デバイス。
【請求項２７】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２５のいずれか１項に記載のデバイスであって、
上記第１層が、ＩｎＧａＮ層である半導体発光デバイス。
【請求項２８】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第２層が、アルミニウムを含む窒化物層である半導体発光デバイス。
【請求項２９】
上記第２層が、ＡｌＧａＮ層である請求項２８記載の半導体発光デバイス。
【請求項３０】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第１層が、意図的にドープされていない半導体発光デバイス。
【請求項３１】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜２９のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第１層が、ドープされたｎ型である半導体発光デバイス。
【請求項３２】
請求項２２、または請求項２２に直接もしくは間接的に従属する場合の請求項２３〜３１のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第２層が、意図的にドープされていない半導体発光デバイス。
【請求項３３】
請求項２２、または請求項２２に直接あるいは間接的に従属する場合の請求項２３〜３１のいずれか１項に記載の半導体発光デバイスであって、
上記第２層が、ドープされたｎ型である半導体発光デバイス。
【請求項３４】
上記半導体発光デバイスが、発光ダイオードである請求項２１〜３３のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３５】
上記半導体発光デバイスが、半導体レーザーデバイスである請求項２１〜３４のいずれか１項に記載の半導体発光デバイス。
【請求項３６】
上記窒化物半導体デバイスが、発光デバイスである請求項１〜２０のいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３７】
上記窒化物半導体デバイスが、発光ダイオードである請求項３６記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項３８】
上記窒化物半導体デバイスが、半導体レーザーデバイスである請求項３６記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３１０８６４（Ｐ２００６−３１０８６４Ａ）
【公開日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２４４８５（Ｐ２００６−１２４４８５）
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月９日（２００６．１１．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]