(57)【要約】  実施形態の窒化物系半導体発光素子は、成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を備える。半導体積層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に位置する活性層とを備える。ｎ型半導体層の厚さに対する活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4であり、ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2であり、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上である。
2012157198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を備えた窒化物系半導体発光素子であって、
前記半導体積層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に位置する活性層とを備え、
前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4であり、
前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2であり、
外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上である、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4である、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦４×１０4μｍ2である、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層は、２×１０17ｃｍ-3以上の酸素濃度を有する、請求項１から３の何れかに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項５】
前記活性層の厚さは、０．０２７μｍ以上０．０４５μｍ以下である、請求項１から４の何れかに記載の窒化物系半導体素子。
【請求項６】
前記ｎ型半導体層は、ｎ型半導体から形成されている基板を含む、請求項１から５の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体積層構造は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されている、請求項１から６の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一つに記載の窒化物系半導体発光素子と、
前記窒化物系半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部と、
を備える光源。
【請求項９】
成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を形成する工程（ａ）と、
前記半導体積層構造上にｐ側電極を形成する工程（ｂ）と、
を含む窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、
前記工程（ａ）は、
ｎ型半導体層を形成する工程（ａ１）と、
前記工程（ａ１）の後、活性層を形成する活性層形成工程（ａ２）と、
前記工程（ａ２）の後、ｐ型半導体層を形成する工程（ａ３）と、
を含み、
前記工程（ａ１）および（ａ２）では、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上となるように、前記ｎ型半導体層および前記活性層を形成し、
前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4となるように前記活性層を形成し、
前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する、窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4となるように前記活性層を形成する、請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2μｍ2≦Ｓ≦４×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する、請求項９または１０に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記活性層は、２×１０17ｃｍ-3以上の酸素濃度を有する、請求項９から１１の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記活性層の厚さは、０．０２７μｍ以上０．０４５μｍ以下である、請求項９から１２の何れかに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ｎ型半導体層は、ｎ型半導体から形成されている基板を含む、請求項９から１３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体積層構造は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されている、請求項９から１４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、窒化物系半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。そのなかでも、窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体）の研究は盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、ならびに、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザも実用化されている（例えば、特許文献１、２参照）。ＧａＮ系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有している。図１は、ＧａＮの単位格子を模式的に示している。ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体の結晶では、図１に示すＧａの一部がＡｌおよび／またはＩｎに置換され得る。【０００３】
図２は、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指数表記（六方晶指数）で表すために一般的に用いられている４つの基本ベクトルａ１、ａ２、ａ３、ｃを示している。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。なお、「ｃ軸」および「ｃ面」は、それぞれ、「Ｃ軸」および「Ｃ面」と表記される場合もある。【０００４】
ＧａＮ系半導体を用いて半導体素子を作製する場合、ＧａＮ系半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板すなわち（０００１）面を表面に有する基板が使用される。しかしながら、ｃ面においてはＧａの原子層と窒素の原子層の位置がｃ軸方向に僅かにずれているため、分極（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が形成される。このため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれている。分極の結果、活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸にはｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。このようなピエゾ電界が活性層に発生すると、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、内部量子効率（ＩＱＥ：Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が低下する。このため、半導体レーザであれば、しきい値電流の増大が引き起こされる。ＬＥＤであれば、消費電力の増大や発光効率の低下が引き起こされる。また、注入キャリア密度の上昇と共にピエゾ電界のスクリーニングが起こり、発光波長の変化も生じる。【０００５】
そこで、これらの課題を解決するため、非極性面、例えば［１０−１０］方向に垂直な、ｍ面と呼ばれる（１０−１０）面を表面に有する基板を使用することが検討されている。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」は、「バー」を意味する。ｍ面は、図２に示されるように、ｃ軸（基本ベクトルｃ）に平行な面であり、ｃ面と直交している。ｍ面においてはＧａ原子と窒素原子は同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。その結果、ｍ面に垂直な方向に半導体積層構造を形成すれば、活性層にピエゾ電界も発生しないため、上記課題を解決することができる。【０００６】
ｍ面は、（１０−１０）面、（−１０１０）面、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面の総称である。なお、本明細書において、「Ｘ面成長」とは、六方晶ウルツ鉱構造のＸ面（Ｘ＝ｃ、ｍ）に垂直な方向にエピタキシャル成長が生じることを意味するものとする。Ｘ面成長において、Ｘ面を「成長面」と称する場合がある。また、Ｘ面成長によって形成された半導体の層を「Ｘ面半導体層」と称する場合がある。【０００７】
特許文献１〜５は、ｍ面半導体層の積層構造を有する窒化物系半導体素子を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１３４０５号
【特許文献２】国際公開第２０１０／１１３４０６号
【特許文献３】国際公開第２０１０／１１３３９９号
【特許文献４】国際公開第２０１０／１０３８０４号
【特許文献５】国際公開第２０１０／０５２８１０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ｍ面でもさらなる発光効率の向上が求められていた。【００１０】
本発明の実施形態は、高発光効率の窒化物系半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様において、窒化物系半導体発光素子は、成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を備えた窒化物系半導体発光素子であって、前記半導体積層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に位置する活性層とを備え、前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4であり、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2であり、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上である。【００１２】
本発明の一態様において、光源は、上記何れかの窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部とを備える。【００１３】
本発明の一態様において、半導体発光素子の製造方法は、成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を形成する工程（ａ）と、前記半導体積層構造上にｐ側電極を形成する工程（ｂ）とを含む窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、前記工程（ａ）は、ｎ型半導体層を形成する工程（ａ１）と、前記工程（ａ１）の後、活性層を形成する活性層形成工程（ａ２）と、前記工程（ａ２）の後、ｐ型半導体層を形成する工程（ａ３）とを含み、前記工程（ａ１）および（ａ２）では、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上となるように、前記ｎ型半導体層および前記活性層を形成し、前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4となるように前記活性層を形成し、前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、成長面がｍ面である窒化物系半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図
【図２】ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ１、ａ２、ａ３、ｃを示す斜視図
【図３】（ａ）は、第１の実施形態の窒化物系半導体発光素子１００の断面模式図、（ｂ）はｍ面の結晶構造を表す図、（ｃ）はｃ面の結晶構造を表す図
【図４】（ａ）および（ｂ）は、ＳＩＭＳ分析による従来のｃ面およびｍ面窒化物系半導体発光素子における酸素、Ａｌ、Ｉｎの深さ方向のプロファイルを示すグラフ
【図５】内部量子効率（ＩＱＥ）の励起光密度依存性を示すグラフ
【図６】従来のｃ面およびｍ面ＬＥＤ構造における外部量子効率（ＥＱＥ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ  Ｑｕａｎｔｕｍ  ｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を示す表
【図７】注入電流密度のチップサイズ依存性を示すグラフ
【図８】外部量子効率のｎ型ＧａＮ系半導体領域厚さ依存性を示すグラフ
【図９】光出力のｎ型ＧａＮ系半導体領域厚さ依存性を示すグラフ
【図１０】ｎ型半導体層の厚さに対する活性層の厚さの比Ｄに対する外部量子効率のドループの依存性を示すグラフ
【図１１】各種ｃ面およびｍ面窒化物系半導体発光素子における外部量子効率を示すグラフ
【図１２】従来と本実施形態のｍ面窒化物系半導体発光素子における光出力を示すグラフ
【図１３】白色光源の実施形態を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
一般に、ｃ面ＬＥＤにおいては、大きな出力を得るために電流を増加すると、注入キャリアが活性層からオーバーフローするため、発光効率の低下を生じる。このオーバーフローを防ぐため、活性層の厚さを増加することによって活性層のキャリア密度を減らすことが考えられる。活性層に注入される電流が一定であれば、活性層の体積が増加するほど、活性層内部の単位体積に含まれるキャリアの数が減少し、オーバーフローが抑制されるからである。しかし、ｃ面ＬＥＤの場合、活性層の厚さを増加しても、ピエゾ電界が存在するため、逆に発光効率は低下してしまう。
【００１７】
したがって、従来のｃ面ＬＥＤでは、活性層の厚さを増加させる代わりにチップ面積を大きくし、それによって活性層内のキャリア密度を減らしている。チップ面積は、活性層の面積に対応するため、チップ面積を増加させると、活性層の体積を増加させることができる。チップ面積は、ＧａＮ系基板を用いる場合、通常、１ｍｍ2またはそれ以上の大きさに設定される。一方、ｍ面ＬＥＤでは、活性層内でピエゾ電界が生じないため、活性層の厚さを増加しても発光効率は低下しない。したがって、ｍ面ＬＥＤでは、チップ面積を増加させる代わりに活性層の厚さを増加し、それによって活性層の体積を増加することで、活性層内のキャリア密度を減らすことができる。そして、その結果、電流を増加した場合もキャリアのオーバーフローを低減して発光効率の低下を抑制することができる。
【００１８】
しかし、ｍ面ＬＥＤの新たな課題を発明者は見出した。すなわち、その課題とは、ｍ面半導体は酸素が混入されやすく、活性層内に非発光中心が多く存在することである。注入キャリア密度が低くなると、非発光中心の影響が強くなる。したがって、低電流密度の場合、注入キャリア密度が低くなり、非発光中心の影響で発光効率が低下することがわかった。特に、フリップチップ構造のような、ｐ電極もｎ電極も同じ成長面側に形成する構造では、この傾向は顕著となる。また、活性層の厚さを増して活性層の体積を増すと、注入キャリア密度がよりいっそう低下するため、ｍ面ＬＥＤの発光効率は低電流領域で更に低くなる。
【００１９】
実用上、理想的には低電流領域から高電流領域のどの電流領域においても高い発光効率が望まれる。したがって、低電流領域において発光効率が低下することが大きな課題となる。
【００２０】
そのような状況の中、本願発明者は、非極性面であるｍ面上に成長させたＧａＮ系半導体素子が持つ発光効率低下という課題を解決すべく検討した結果、低電流領域から高電流領域のどの電流領域においても高い効率を得ることができる構成を見出した。
【００２１】
本発明の一態様において、窒化物系半導体発光素子は、成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を備えた窒化物系半導体発光素子であって、前記半導体積層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に位置する活性層とを備え、前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4であり、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2であり、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上である。
【００２２】
ある実施形態において、前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4である。
【００２３】
ある実施形態において、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦４×１０4μｍ2である。
【００２４】
ある実施形態において、前記活性層は、２×１０17ｃｍ-3以上の酸素濃度を有する。
【００２５】
ある実施形態において、前記活性層の厚さは、０．０２７μｍ以上０．０４５μｍ以下である。
【００２６】
ある実施形態において、前記ｎ型半導体層は、ｎ型半導体から形成されている基板を含む。
【００２７】
ある実施形態において、前記半導体積層構造は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されている。
【００２８】
本発明の一態様において、光源は、上記何れかの窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部と、を備える。
【００２９】
本発明の一態様において、半導体発光素子の製造方法は、成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を形成する工程（ａ）と、前記半導体積層構造上にｐ側電極を形成する工程（ｂ）とを含む窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、前記工程（ａ）は、ｎ型半導体層を形成する工程（ａ１）と、前記工程（ａ１）の後、活性層を形成する活性層形成工程（ａ２）と、前記工程（ａ２）の後、ｐ型半導体層を形成する工程（ａ３）とを含み、前記工程（ａ１）および（ａ２）では、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上となるように、前記ｎ型半導体層および前記活性層を形成し、前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4となるように前記活性層を形成し、前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する。
【００３０】
ある実施形態において、前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4となるように前記活性層を形成する。
【００３１】
ある実施形態において、前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2μｍ2≦Ｓ≦４×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する。
【００３２】
ある実施形態において、前記活性層は、２×１０17ｃｍ-3以上の酸素濃度を有する。
【００３３】
ある実施形態において、前記活性層の厚さは、０．０２７μｍ以上０．０４５μｍ以下である。
【００３４】
ある実施形態において、前記ｎ型半導体層は、ｎ型半導体から形成されている基板を含む。
【００３５】
ある実施形態において、前記半導体積層構造は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されている。
【００３６】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００３７】
図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の断面構成を模式的に示している。図３（ａ）に示した窒化物系半導体発光素子１００は、窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体）から形成されている半導体積層構造２０を有する半導体デバイスである。
【００３８】
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００は、ｍ面を表面（主面）１２とするＧａＮ系基板１０と、ＧａＮ系基板１０の上に積層された複数の半導体層とを有する半導体積層構造２０、ならびに半導体積層構造２０の上に形成されたｐ側電極３０およびｎ側電極４０を備えている。この例において、半導体積層構造２０は、ＧａＮ系基板１０、およびＧａＮ系基板１０上に積層された複数の半導体層によって構成される。なお、ＧａＮ系基板１０に代えて、半導体以外の材料（例えば絶縁材料）から形成された基板が使用される。そのような場合において、半導体積層構造２０は、基板を含まず、基板上に積層された半導体層によって構成される。
【００３９】
ＧａＮ系基板１０はｎ型半導体の性質を持つ。例えば、ＧａＮ系基板１０の厚さは２５〜４５０μｍであってもよい。さらには、ＧａＮ系基板１０の厚さは５０〜１００μｍであってもよい。ＧａＮ系基板１０の厚さが５０μｍ以上であれば、高駆動電流での効率低下が抑制されることがわかった。この点については、後述する。またＧａＮ系基板１０の厚さが１００μｍ以下であれば、ＬＥＤをチップに分離する際に割りやすく、分離歩留が向上する。
【００４０】
半導体積層構造２０は、ＧａＮ系半導体から形成されている。より具体的には、本実施形態における半導体積層構造２０のうち基板１０以外の部分は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から形成され、組成比率ｘ、ｙ、ｚが基板１０の主面１２の法線方向に階段状または連続的に変化している。半導体積層構造２０のうち基板１０以外の部分は、ｍ面成長によって形成されたｍ面半導体積層構造であり、その成長面はｍ面である。なお、ｒ面サファイア基板上にはａ面ＧａＮが成長するという事例もあることから、成長条件によっては必ずしもＧａＮ系基板１０の表面がｍ面であることが必須とならない。本実施形態の構成においては、少なくとも半導体積層構造２０のうち、ｐ側電極と接触するｐ型半導体領域の成長面がｍ面であればよい。
【００４１】
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００は、積層された半導体層を支持するＧａＮ基板１０を備えているが、ＧａＮ基板１０に代えて他の基板を備えていても良いし、基板が取り除かれた状態で使用されることも可能である。
【００４２】
図３（ｂ）は、成長面がｍ面である窒化物系半導体の断面（基板表面に垂直な断面）における結晶構造を模式的に示している。Ｇａ原子と窒素原子は、ｍ面に平行な同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。すなわち、ｍ面は非極性面であり、ｍ面に垂直な方向に成長した活性層内ではピエゾ電界が発生しない。なお、添加されたＩｎおよびＡｌは、Ｇａのサイトに位置し、Ｇａを置換する。Ｇａの少なくとも一部がＩｎやＡｌで置換されていても、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。
【００４３】
ｍ面を表面に有するＧａＮ系基板は、本明細書では「ｍ面ＧａＮ系基板」と称される。ｍ面に垂直な方向に成長したｍ面窒化物系半導体の積層体を得るには、典型的には、ｍ面ＧａＮ基板を用い、その基板のｍ面上に半導体を成長させればよい。ＧａＮ系基板の表面の面方位が、半導体積構造の面方位に反映されるからである。しかし、前述したように、基板の表面がｍ面である必要は必ずしもなく、また、最終的なデバイスに基板が残っている必要も無い。
【００４４】
参考のために、図３（ｃ）に、成長面がｃ面である窒化物系半導体の断面（基板表面に垂直な断面）における結晶構造を模式的に示す。Ｇａ原子と窒素原子は、ｃ面に平行な同一原子面上に存在しない。その結果、ｃ面に垂直な方向に分極が発生する。ｃ面を表面に有するＧａＮ系基板を、本明細書では「ｃ面ＧａＮ系基板」と称する。
【００４５】
ｃ面ＧａＮ系基板は、ＧａＮ系半導体結晶を成長させるための一般的な基板である。ｃ面に平行なＧａの原子層と窒素の原子層の位置がｃ軸方向に僅かにずれているため、ｃ軸方向に沿って分極が形成される。
【００４６】
再び、図３（ａ）を参照する。
【００４７】
半導体積層構造２０は、それぞれがＧａＮ系半導体から形成されている第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を備えている。例えば、第１導電型半導体層はｎ型半導体層であり、第２導電型半導体層はｐ型半導体層である。ｐ型半導体層の厚さは０．０５〜２μｍであってもよい。さらには、ｐ型半導体層の厚さは０．１〜０．３μｍであってもよい。ｐ型半導体層の厚さが０．１μｍ以上であれば、活性層へのホールキャリアの注入効率を充分に向上させることができる。ｐ型半導体層の厚さが０．３μｍ以下であれば、ｐ型のＭｇ不純物による光吸収の影響を小さくできる。また、ｎ型半導体層の厚さは０．５〜５μｍであってもよい。さらには、ｎ型半導体層の厚さは１〜３μｍであってもよい。ｎ型半導体層の厚さが１μｍ以上であれば、基板１０との界面で発生する欠陥や不純物の影響を小さくすることができる。ｎ型半導体層の厚さが３μｍ以下であれば、エピタキシャル成長のスループットを向上し、製造コストを抑制できる。なお、基板１０がｎ型半導体から形成されているとき、半導体積層構造２０に含まれる「ｎ型半導体層」は、ｎ型半導体から形成された基板１０を含むことになる。この場合、半導体積層構造２０に含まれる「ｎ型半導体層」の厚さは、上述した０．５〜５μｍまたは１〜３μｍの厚さと基板１０の厚さとの合計値を有する。
【００４８】
活性層の厚さは０．０１〜０．１μｍであってもよい。「活性層の厚さ」とは、活性層が有する量子井戸構造の井戸層（例えばＩｎＧａＮ層）が１層の場合は、その井戸層の厚さであり、井戸層が複数ある場合は、それぞれの井戸層の厚さを加えたトータルの厚さである。活性層２４の厚さは０．０２７〜０．０４５μｍであってもよい。活性層２４の厚さがこの範囲にあれば、電子のキャリアのオーバーフローを低減し、かつ活性層内のキャリアの分布の不均一を生じさせないようにできる。
【００４９】
ｐ側電極の面積は、１×１０2μｍ2以上９×１０4μｍ2以下である。ｐ側電極の面積は４×１０2ｍ2以上４×１０4μｍ2以下であってもよい。ｐ側電極の面積をこの範囲にすることにより、活性層に高い密度の電流を均一に注入できる。この理由の詳細は後述する。
【００５０】
半導体積層構造２０は、図３（ａ）に示されるように、例えば、ｎ型のＧａＮ系半導体層であるｎ−ＡｌuＧａvＩｎwＮ層（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１， ｕ≧０，ｖ≧０， ｗ≧０）２２と、ＡｌaＩｎbＧａcＮ層（ａ＋ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０， ｂ≧０， ｃ≧０）を含む活性層２４と、ｐ型のＧａＮ系半導体層であるｐ−ＡｌdＧａeＮ層（ｄ＋ｅ＝１， ｄ≧０， ｅ≧０）２５とを含んでいる。活性層２４は、窒化物系半導体発光素子１００における電子注入領域である。活性層２４は、例えば３周期のＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ井戸層（例えば、３周期の合計の厚さ１５ｎｍ）とＧａＮバリア層（例えば、２層の合計の厚さ３０ｎｍ）とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し得る。
【００５１】
活性層２４とｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５との間には、アンドープのＧａＮ層を設けてもよい。このようなアンドープＧａＮ層の厚さは、例えば、０．００５〜０．０５μｍである。アンドープＧａＮ層の厚さが０．００５μｍ以上であれば、活性層へＭｇが拡散することを防ぐことが可能である。アンドープＧａＮ層の厚さが０．０５μｍ以下であれば、電子のキャリアがアンドープＧａＮ層とｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５との界面に蓄積されることを防止できる。活性層２４と基板１０との間には、ｎ型のＧａＮ系半導体層であるｎ−ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２が形成されている。半導体積層構造２０は、上記以外の層を含んでいてもよい。
【００５２】
ｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５において、Ａｌの組成比率ｄは、厚さ方向に一様である必要は無い。ＡｌdＧａeＮ層２５において、Ａｌの組成比率ｄが厚さ方向に連続的または階段的に変化していても良い。すなわち、ｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５は、Ａｌの組成比率ｄが異なる複数の層が積層された多層構造を有していても良いし、ドーパントの濃度も厚さ方向に変化していてもよい。
【００５３】
ｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５は、その成長面側に、ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６を含んでいる。ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６の厚さは例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。ｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５のうちｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６以外の領域２７の厚さは例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。この領域２７のＭｇ濃度は例えば１×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６は、ｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５のうちのｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６以外の領域２７よりも、高いＭｇ濃度を有する。ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６のＭｇ濃度は、具体的には、４×１０19ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下であり、１×１０20ｃｍ-3以下であり得る。
【００５４】
本実施形態のｐ側電極３０は、例えば、Ａｇ層を含んでいる。ｐ側電極３０のＡｇ層は、半導体積層構造２０のｐ型半導体層、具体的にはｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６に接触しており、ｐ側電極３０として機能する。
【００５５】
図４（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ｃ面およびｍ面の窒化物系半導体発光素子におけるＳＩＭＳ分析による酸素、Ａｌ、Ｉｎの深さ方向のプロファイルを示している。Ｉｎが含まれている層がＩｎＧａＮ活性層の領域に相当する。ｍ面の窒化物系半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ活性層の酸素含有濃度がｃ面と比較して高くなっていることがわかる。図４の例では、ｍ面の窒化物系半導体発光素子の活性層の酸素含有濃度がｃ面の窒化物系半導体発光素子の活性層の酸素含有濃度の約１０倍になっている。これはｍ面ＩｎＧａＮ結晶が酸素を混入しやすいことを示している。これがｍ面の窒化物系半導体発光素子の課題となる。
【００５６】
その理由を以下に示す。
【００５７】
図５は、ｍ面の窒化物系半導体発光素子を光励起したときの内部量子効率（ＩＱＥ）と励起パワー密度（Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）との関係を示す。この関係は測定によって得られた。横軸は励起パワー密度を示す。縦軸はＩＱＥを示す。図５に示すデータポイント群（ａ）とデータポイント群（ｂ）は、それぞれ、室温（ＲＴ）と低温（ＬＴ：１０Ｋ）におけるＩＱＥと励起パワー密度との関係を示す。低温においては、低励起パワー密度でもＩＱＥの低下は見られない。これは励起され活性層に注入されたキャリアの拡散長が低温においては小さいため、非発光中心が存在してもトラップされず、ほとんどのキャリアが発光に寄与するためである。室温においては、低励起パワー密度でＩＱＥの低下が見られる。これは前述の酸素の混入に起因した非発光中心が活性層に存在し、注入キャリアがこれに消費されることによると考えられる。すなわち、ｍ面の窒化物系半導体発光素子では、非発光センターがｃ面の窒化物系半導体発光素子よりも多いため、注入キャリア密度が低い場合（例えば、励起パワー密度が１ｋＷ／ｃｍ2以下の場合）にＩＱＥが低下する。一方、励起パワー密度を０．０１ｋＷ／ｃｍ2から０．１ｋＷ／ｃｍ2、さらに１ｋＷ／ｃｍ2へと増加すると共にＩＱＥは増加を示す。これは注入されたキャリアによって非発光中心が埋まり、非活性化されることによるものである。このように、ｍ面の窒化物系半導体発光素子では、酸素が高い濃度で混入するため、低電流密度領域では効率が低くなるという、ｍ面特有の課題を本発明者は発見した。
【００５８】
本実施形態では、例えば、活性層の酸素濃度を２×１０17ｃｍ-3以上８×１０17ｃｍ-3以下とする。さらに、活性層の酸素濃度を１×１０17ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下としてもよい。
【００５９】
図６は従来のｃ面およびｍ面の窒化物系半導体発光素子における外部量子効率（ＥＱＥ）の比較を示す。前述した光励起と同様に、窒化物系半導体発光素子への電流注入の場合においても酸素混入の影響を調べた。ｃ面の窒化物系半導体発光素子と比較し、ｍ面の窒化物系半導体発光素子では低電流領域の外部量子効率が低下していることが確認された。これは光励起の場合と同様に、酸素による非発光中心に起因した現象と考えられる。すなわち、３００Ａ／ｃｍ2の大電流密度で外部量子効率がほぼ同等のｃ面とｍ面の窒化物系半導体発光素子を比較した場合、ｃ面では１０Ａ／ｃｍ2の低電流密度で外部量子効率が大きくなっているが、ｍ面では、非発光センターである酸素に起因して、低電流密度で外部量子効率が小さくなっている。
【００６０】
そこで発明者はｍ面窒化物系半導体発光素子に適正なｐ側電極の面積（これが活性層の成長面の面積またはチップ面積を決める）、適正なｎ型ＧａＮ系半導体層の厚さと活性層の厚さとの比率を見出し、本課題を解決した。以下、ｍ面窒化物系半導体発光素子の半導体積層構造の成長面の面積をチップ面積、一辺の長さをチップ長さと呼ぶ場合がある。
【００６１】
以下、ｐ側電極が「正方形」である例について説明する。このため、以下の説明において、（ｐ側電極の長さ）×（ｐ側電極の長さ）＝（ｐ側電極の面積）の関係が成立する。本発明は、ｐ側電極が「正方形」である場合に限定されない。ｐ側電極が「正方形」ではない場合、「ｐ側電極の面積」の平方根が本明細書における「ｐ側電極の長さ」に相当する。なお、ｎ側電極が設けられている部分および半導体積層構造の成長面において電極が設けられていない部分の面積は微小であり、ｐ側電極面積は、近似的にはチップ面積に等しい。例えば、チップ面積は、ｐ側電極面積の１倍を超え、１．１倍以下となる。ｎ側電極のコンタクト抵抗はｐ側電極のコンタクト抵抗に比べて低く、一般的に、１０分の１以下であるので、ｎ側電極の面積は、ｐ側電極の面積の１０分の１以下にしてもよい。以下説明では、半導体積層構造の成長面が「正方形」であって、チップ面積＝ｐ側電極面積、チップ長さ＝ｐ側電極長さの関係が成立するとして説明を行う。
【００６２】
図７は、図３（ａ）に示した構造のｍ面窒化物系半導体発光素子の注入電流密度とｐ側の電極面積との関係を示す。この関係はシミュレーションによって得られたものである。図７におけるグラフの横軸はｐ側電極３０（正方形）の一辺の長さＬａ、縦軸は活性層への注入電流密度Ｊａを示す。注入電流密度Ｊａは２．９Ｖのバイアス電圧を電極間に印加したときの値である。
【００６３】
図７の曲線（ａ）および曲線（ｂ）は、それぞれ、ｎ型電極とｐ側電極とを半導体積層構造の成長面に投影した場合の電極間距離Ｌａｃが５μｍの場合と１０μｍの場合のシミュレーション結果を示す。
【００６４】
なお、シミュレーションに用いた構造において、ｎ型ＧａＮ系半導体層２２の厚さは３μｍである。基板１０は、１×１０18ｃｍ-3のｎ型キャリア濃度を有し、１００μｍの厚さを有している。従って、基板１０およびｎ型ＧａＮ系半導体層２２によって構成されるｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さは、１０３μｍである。一方、ｐ型半導体領域の厚さ、すなわち、ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６を含むｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５２６の厚さは１００ｎｍである。活性層は３周期のＩｎＧａＮ井戸層（合計厚さ:１５ｎｍ＝５ｎｍ×
３）、２つのＧａＮの障壁層（合計厚さ:３０ｎｍ＝１５ｎｍ×２）の多重量子井戸からなり、活性層の合計厚さは４５ｎｍである。
【００６５】
図７からわかるように、ｐ側電極３０の長さＬａを３００μｍより短くすると、活性層への注入電流密度は大きく増加しはじめる。２×１０17ｃｍ-3以上８×１０17ｃｍ-3以下の酸素が混入したｍ面窒化物系半導体発光素子では、その酸素濃度に相当する非発光中心をすべて埋めるのに必要なキャリアは、シミュレーションによると、０．８Ａ／ｍｍ2以上の注入電流密度Ｊａによって得ることができる。この注入電流密度Ｊａは、ｐ側電極３０が３００μｍよりも小さければ達成できることが図７からわかる。さらに、注入電流密度Ｊａは、ｐ側電極３０の長さＬａを２００μｍより短くすると急激に増加する。ｐ側電極３０の長さＬａを１００μｍより短くすると増加率は小さくなりはじめ、５０μｍでピークとなり、それ以下では注入電流密度Ｊａは減少する。
【００６６】
以上のことからわかるように、ｍ面窒化物系半導体発光素子のｐ側電極３０の長さ（チップ長さ）を１０μｍ以上、３００μｍ以下とすることにより、高い注入電流密度が得られ、１０μｍ以上、２００μｍ以下とすることにより、さらに高い注入電流密度が得られ、２０μｍ以上１００μｍ以下とすることにより、さらに高い注入電流密度が得られる。これによってチップサイズを縮小することにより、活性層に酸素が混入している場合においても、酸素による非発光中心を高注入のキャリアによって埋めることができ、低電流においても高効率が達成できる。
【００６７】
なお、ｐ側電極３０の長さを２乗することにより、ｐ側電極３０の面積が求まる。すなわち、本実施形態のｐ側電極３０の面積は、１００μｍ2以上、９００００μｍ2以下であってもよい。さらに、本実施形態のｐ側電極３０の面積は、１００μｍ2以上、４００００μｍ2以下であってもよい。さらに、本実施形態のｐ側電極３０の面積は、４００μｍ2以上、１００００μｍ2以下であってもよい。チップの分離加工の歩留、ハンドリングの容易さを考慮すればｐ側電極３０の面積は、２５００μｍ2以上、９００００μｍ2以下であってもよい。
【００６８】
本発明の実施形態によれば、ｐ側電極３０の面積を１００μｍ2以上、９００００μｍ2以下にすることによって、活性層の注入電流密度を向上でき、酸素による効率低下を抑制し、少なくとも低電流密度において高効率が実現できる。
【００６９】
尚、図７の縦軸Ｊａは電流密度であり、電圧を２．９Ｖにバイアス印加した時に流れる電流値をｐ側電極３０の面積で割った値である。図７に示すＪａは、ｎ側電極から離れる方向のｐ側電極の一辺の長さＬａとＬａｃが与えれば一義的に決まり、図３に示すｐ側電極３０の奥行きの長さ（ｎ側電極の一辺と平行な方向のｐ側電極の一辺の長さ）に依存しない。一般的にはｐ側電極３０の形状は正方形が用いられることが多いが、正方形に限定されず、例えば、長方形であっても良い。電流値は、ｎ側電極から離れる方向のｐ側電極の一辺の長さＬａとＬａｃで決まる電流密度Ｊａにｐ側電極３０の面積（ｐ側電極３０の奥行きの長さ×Ｌａ）をかけた値となる。従って、最適な面積の値は電極形状には依存しない。以下、Ｌａｃが５μｍの場合を説明するが、Ｌａｃは５μｍ以上、１０μｍ以下であれば同等の効果を得ることができる。また、電圧を２．９Ｖにバイアス印加した時のＪａが０．８Ａ／ｍｍ2以上とれば、ｐ側電極の形状、レイアウトにかかわらず、所望の特性が得られる。また、ｐ電極およびｎ電極の形状、レイアウトは本実施形態のような長方形のｎ側電極と正方形のｐ側電極が２つ並んだ構成だけではなく、１つまたは複数のｎ電極の周囲の一部または全部がｐ電極に囲まれた構成など様々な種類の構成が考えられるが、その場合もＪａのｐ電極の面積に対する依存性は同等であり、電極の形状、レイアウトに依存しない。
【００７０】
図８は、ｍ面窒化物系半導体発光素子の外部量子効率（ＥＱＥ）の電流密度依存性とｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さとの関係のシミュレーション結果を示す。横軸はチップの駆動電流、縦軸は外部量子効率を示す。図８の曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、それぞれ、ｎ型ＧａＮ基板の厚さがそれぞれ５μｍ、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍおよび１００μｍの場合を示す。曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）の例において、活性層の厚さとｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さとの比は、それぞれ、５．６３×１０-3，１．６１×１０-3，８．４９×１０-4，５．７７×１０-4，４．３７×１０-4である。
【００７１】
図８のシミュレーションにおいて、ｐ側電極３０の面積は、９００００μｍ2（一辺３００μｍの正方形）である。このような小面積のｐ側電極３０によれば、高電流注入によって酸素による非発光中心を埋めることができ、また、低電流でも高効率の発光を実現できる。ｐ型ＡｌdＧａeＮ層２５とｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６との総膜厚は１００ｎｍである。活性層は３周期のＩｎＧａＮ井戸層１５ｎｍ、ＧａＮの障壁層３０ｎｍの多重量子井戸からなり、総活性層厚さは４５ｎｍである。ｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さは３μｍである。基板のｎ型キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3であり、基板の厚さを変化させることにより、シミュレーションを行い、図８の曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）を示す結果を得た。
【００７２】
なお、ｎ型ＧａＮ系半導体領域は、ｎ型半導体から形成されている基板も含んでいる。すなわち曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）の例におけるｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さは、それぞれ８μｍ、２８μｍ、５３μｍ、７８μｍおよび１０３μｍである。  本実施形態のようにｐ側電極の面積が小さい場合、低電流領域での外部量子効率は高い値を維持できる。一方で大電流領域での外部量子効率の低下の傾向も見られる。さらに、ｎ型ＧａＮ系半導体領域が薄い場合、低電流領域での外部量子効率の最大値は厚い場合と同等であるが、電流の増加と共に効率低下が大きくなる。しかし、ｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さを増加すると、外部量子効率が低下し始める電流値が高くなり効率低下が抑制される。ｎ型ＧａＮ基板の厚さが５０μｍ以上、すなわちｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さが５３μｍ以上になると、外部量子効率‐電流値特性の変化は小さくなった。さらに、ｎ型ＧａＮ基板の厚さが１００μｍ以上、すなわちｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さが１０３μｍ以上になると、外部量子効率‐電流値特性の変化はさらに小さくなった。
【００７３】
本発明の実施形態ようにｐ側電極の面積が小さい場合、低電流領域での外部量子効率は高い値を維持できるものの、一方で大電流領域での外部量子効率が低下する傾向は、次のようなメカニズムによると考えられる。
【００７４】
図３（ａ）に示すような構成を有する実施形態では、ｎ側電極４０およびｐ側電極３０が基板１０に対して同じ側に位置するため、電子も正孔も半導体層の同じ側の面から注入される。半導体発光素子を動作させると、ｎ側電極４０からｎ型半導体層（ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２および基板１０）に注入された電子が、ｎ型半導体層を横方向に流れ、ｐ側電極３０の下方に位置する活性層２４に注入される。ｎ型半導体層が薄いと、このｎ型半導体層を横方向に流れるための断面積が小さくなり、電気抵抗が上昇する。そのため、ｎ型半導体層で大きな電圧降下が発生してしまい、活性層２４に印加される実効的な電圧が減少することになる。その結果、活性層２４への電子注入量が減少し、外部量子効率の低下が起こる。一方、ｐ側電極３０の面積が小さくなると、ｐ型半導体層２５の電気抵抗が増加するため。ｐ側電極３０の面積が小さくなっても、キャリア注入量が低下して外部量子効率が低下することになる。また、それだけではなく、ｐ側電極３０の面積が小さくなると、活性層２４に印加される電圧は、ｎ電極４０とｐ電極３０との間に位置する領域に主として印加され、電流もその領域に集中する。
【００７５】
本発明は、側電極３０の面積およびｎ型半導体層の厚さを所定の範囲内に調整することにより、電流量の広い範囲で高い発光効率を実現することができる。
【００７６】
図９は、ｍ面窒化物系半導体発光素子の光出力とｎ型ＧａＮ基板の厚さとの関係を示す。この関係は、シミュレーションによって求められた。ｐ側電極の面積は、９００００μｍ2（一辺３００μｍの正方形）であり、総活性層の厚さは４５ｎｍである。曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、図８と同様に、ｎ型ＧａＮ基板の厚さがそれぞれ５μｍ、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍおよび１００μｍの場合を示す。
【００７７】
前述した外部量子効率の傾向を反映して、ｎ型ＧａＮ系基板の厚さを増加することによって光出力のリニアリティーも改善し、高い出力が得られることが分かる。ｎ型ＧａＮ系基板の厚さが５０μｍ以上になると、光出力‐電流値特性の変化は非常に小さくなった。
【００７８】
尚、本シミュレーションでは、活性層の厚さは４５ｎｍであるが、ｎ型ＧａＮ基板の厚さが１００μｍで活性層の厚さ２７ｎｍ（Ｄ＝２．６２×１０-4）まで検討を行った。その結果、同様な効果が得られるＤの下限が２７ｎｍ（Ｄ＝２．６２×１０-4）であることが確認された。
【００７９】
これらの結果により、ｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4であり、かつｐ側電極の面積Ｓが１００μｍ2≦Ｓ≦９００００μｍ2であることにより、ｍ面窒化物系半導体発光素子特有の課題を解決できる。さらに、４．３７×１０-4≦Ｄ≦５．７７×１０-4とすることにより、高い発光効率を得ることができる。また、２５００μｍ2≦Ｓ≦９００００μｍ2とすることによりさらに高い発光効率を得ることができる。
【００８０】
図１０は、ｎ型ＧａＮ系半導体領域の厚さに対する活性層の厚さの比Ｄに対する外部量子効率のドループの依存性を示すグラフである。図８に示すようにＬＥＤの駆動電流密度を増加すると共に外部量子効率が低下する。図１０は、最大の時の８８％以上の外部量子効率が得られる最大電流密度を、Ｄを変化させてプロットした結果を示している。すなわち各Ｄについて電流密度を増加させていき、ＬＥＤのドループによって外部量子効率が８８％に低減した時の電流密度をプロットした結果である。図１０の曲線上で電流密度が高いほど、高電流密度まで外部量子効率の低下、すなわちドループの発生が抑制されていることを示す。この結果は、シミュレーションによるものである。
【００８１】
外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上であれば、所望の特性を得ることができる。Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4であれば、この最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上となる。
【００８２】
図１０の線（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、ｐ側電極の面積がそれぞれ１００、９００００、１６００００、３６００００μｍ2の時の依存性を示す。ｐ側電極の面積が１００μｍ2以上９００００μｍ2以下の範囲では、高い電流密度まで外部量子効率の低下が少ないことがわかる。言い換えると、高い電流密度までドループが小さい。また、ｐ側電極の面積が１００μｍ2以上９００００μｍ2以下の範囲の中で、Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4の範囲で高い電流密度まで外部量子効率の低下が少ないことも確認された。
【００８３】
本実施形態のｍ面窒化物系半導体発光素子を実験的に検証した。図１１は各種ｃ面およびｍ面窒化物系半導体発光素子における外部量子効率の比較を示す。図１１の曲線（ａ）は、本実施形態のｍ面窒化物系半導体発光素子であって、一辺が０．３ｍｍの正方形のＬＥＤサイズ（ｐ側電極の面積が８１０００μｍ2）を有し０．０４５μｍの総厚さの活性層と、１０３μｍのｎ型ＧａＮ系半導体領域（Ｄ＝４．３７×１０-4）と、を備える場合を示す。曲線（ｂ）は、比較例のｍ面窒化物系半導体発光素子であって、一辺が０．３ｍｍの正方形のＬＥＤサイズ（ｐ側電極の面積が８１０００μｍ2）を有し０．０６μｍの厚さの活性層と、５３μｍのｎ型ＧａＮ系半導体領域（Ｄ＝１．１３×１０-3）と、を備える場合を示す。曲線（ｃ）は、比較例のｃ面窒化物系半導体発光素子であって、一辺が、０．３ｍｍ正方形のＬＥＤサイズ（ｐ側電極の面積が８１０００μｍ2）を有し０．０６μｍ厚さの活性層と、８μｍのｎ型ＧａＮ系半導体領域（Ｄ＝７．５×１０-3）と、サファイア基板と、を備える場合を示す。曲線（ｄ）は、比較例のｃ面窒化物系半導体発光素子であって、一辺が１ｍｍの正方形のＬＥＤサイズ（ｐ側電極の面積が９０００００μｍ2）を有し０．０６μｍの厚さの活性層と、８μｍのｎ型ＧａＮ系半導体領域（Ｄ＝７．５×１０-3）と、を備える場合を示す。
【００８４】
本実施形態のｍ面の窒化物系半導体発光素子は低電流領域においても、高電流領域においても高い効率を示すことが確認された。これによって全電流領域に渡って高い外部量子効率が実現できた。
【００８５】
これに対し、図１１の曲線（ｂ）に示した比較例のｍ面窒化物系半導体発光素子は、特に低電流密度で効率が低くなった。また、曲線（ｃ）、（ｄ）に示した比較例のｃ面窒化物系半導体発光素子は、高電流密度で効率が低くなった。
【００８６】
図１２は、比較例のｍ面窒化物系半導体発光素子の出力と本実施形態のｍ面窒化物系半導体発光素子の出力との比較を示す。図１２の曲線（ａ）は、一辺が０．３ｍｍの正方形のＬＥＤサイズ（ｐ側電極の面積が８１０００μｍ2）を有し０．０４５μｍの厚さの活性層と、１０３μｍのｎ型ＧａＮ系半導体領域（Ｄ＝４．３７×１０-4）と、を備えるｍ面窒化物系半導体発光素子の出力を示し、曲線（ｂ）は、比較例の一辺が０．３ｍｍの正方形のＬＥＤサイズ（ｐ側電極の面積が８１０００μｍ2）を有し０．０６μｍの厚さの活性層と、５３μｍのｎ型ＧａＮ系半導体領域（Ｄ＝１．１３×１０-3）と、を備えるｍ面窒化物系半導体発光素子の出力を示す。図１１で示した結果を反映して、本実施形態の素子では高い電流密度においてもリニアリティーは良好で高い光出力が得られた。
【００８７】
次に、引き続き図３（ａ）を参照しながら、本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００の製造方法を説明する。
【００８８】
まず、ｍ面基板１０を用意する。本実施形態では、基板１０として、ＧａＮ基板を用いる。本実施形態のＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて得られる。
【００８９】
例えば、まずｃ面サファイア基板上に５〜２０ｍｍオーダの厚膜ＧａＮを成長する。その後、厚膜ＧａＮをｃ面に垂直方向、ｍ面で切り出すことによりｍ面ＧａＮ基板が得られる。ＧａＮ基板の作製方法は、上記に限らず、例えばナトリウムフラックス法などの液相成長やアモノサーマル法などの融液成長方法を用いてバルクＧａＮのインゴットを作製し、それをｍ面で切り出す方法でも良い。
【００９０】
基板１０としては、ＧａＮ基板の他、例えば、酸化ガリウム、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板などを用いることができる。基板上にｍ面から成るＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長するためには、ＳｉＣやサファイア基板の面方位もｍ面である方が良い。ただし、ｒ面サファイア基板上にはａ面ＧａＮが成長するという事例もあることから、成長条件によっては必ずしも成長用表面がｍ面であることが必須とならない場合もあり得る。少なくとも半導体積層構造２０の成長面がｍ面であれば良い。本実施形態では、基板１０の上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により結晶層を順次形成していく。
【００９１】
具体的には、ｍ面ＧａＮ基板１０の上に、ｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２を形成する。ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２として、例えば、厚さ３μｍのＧａＮを形成する。ＧａＮを形成する場合には、ｍ面ＧａＮ基板１０の上に、１１００℃でＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3）3）、ＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ3）3）およびＮＨ3を供給することによってＧａＮ層を堆積する。
【００９２】
次に、ｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の上に、活性層２４を形成する。本実施形態では、ｎ型半導体層の最終的な厚さ（ＧａＮ基板１０の厚さとＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の厚さとの合計）に対する活性層２４の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4となるように活性層２４を形成する。さらに、２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4としてもよい。この例では、活性層２４は、３周期の厚さ１５ｎｍのＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ井戸層と、厚さ３０ｎｍのＧａＮバリア層が交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行なうために、成長温度を８００℃に下げてもよい。
【００９３】
次に、活性層２４の上に、例えば厚さ３０ｎｍのアンドープＧａＮ層を堆積する。次いで、アンドープＧａＮ層の上に、ＡｌdＧａeＮ層２５を形成する。ＡｌdＧａeＮ層２５として例えば厚さ０．０５μｍのｐ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎを形成する場合には、９５０℃の成長温度で、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＴＭＡ、およびｐ型不純物としてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を供給する。
【００９４】
次に、ｐ−ＡｌdＧａeＮ層２５の上部に、例えば厚さ５０ｎｍのｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６を形成する。このとき、Ｃｐ２Ｍｇの供給量を増加させることにより、ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６のＭｇ濃度をＡｌdＧａeＮ層２５の他の部分のＭｇ濃度よりも高くする。
【００９５】
ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６として、４×１０19ｃｍ-3のＭｇ濃度を有する厚さ５０ｎｍのＧａＮ層を形成する場合には、例えば成長温度を９５０℃に保ち、流量８ｓｃｃｍのＴＭＧ、流量７．５ｓｌｍのＮＨ3、および流量４００ｓｃｃｍのＣｐ２Ｍｇを供給すればよい。例えば、原料ガス（結晶および不純物の原料ガス）の流量の合計に対するＭｇの原料ガスの流量の比が５％以上であれば、ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６の不純物濃度を４×１０19ｃｍ-3以上にすることができる。
【００９６】
ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６の成長温度は、９００℃以上１０００℃以下であり得る。成長温度が９００℃よりも低ければ成長レート低下による結晶性の低下という問題点があり、１０００℃よりも高ければ、窒素の脱離によって表面荒れを起こす。
【００９７】
その後、塩素系ドライエッチングを行うことにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ＡｌdＧａeＮ層２５、アンドープＧａＮ層および活性層２４の一部を除去して凹部４２を形成し、ＡｌxＧａyＩｎzＮ層２２のｎ側電極形成領域を露出させる。次いで、凹部４２の底部に位置するｎ側電極形成領域の上に、ｎ側電極４０として、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。
【００９８】
さらに、ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６の上に、Ａｇ層を形成する。これにより、ｐ側電極３０を形成する。その後、６００℃の温度で１０分間の熱処理を行う。ここで、ｐ側電極３０の面積は１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2または２．５×１０ｍ2≦Ｓとする。
【００９９】
なお、その後、レーザリフトオフ、エッチング、研磨などの方法を用いて、基板１０、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の一部までを除去してもよい。この場合、基板１０のみを除去してもよいし、基板１０およびＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の一部だけを選択的に除去してもよい。もちろん、基板１０、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２を除去せずに残してもよい。
【０１００】
上記の半導体積層構造を形成する工程は、複数の半導体発光素子の基板１０が分割される前の１枚のウェハを形成している状態で実行される。この後、ウェハ状の半導体積層構造を分割することにより、個々のチップに分割する。本実施形態では、分割後における活性層２４の成長面の面積Ｓが１×１０2μｍ2＜Ｓ≦９．９×１０4μｍ2となるように半導体積層構造を分割する。また、Ｓ≦２．８×１０ｍ2とすることにより、分割が容易となる。
【０１０１】
以上の工程により、本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００が形成される。
【０１０２】
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００において、ｎ側電極４０とｐ側電極３０との間に電圧を印加すると、ｐ側電極３０から活性層２４に向かって正孔が、ｎ側電極４０から活性層２４に向かって電子が注入され、例えば４５０ｎｍ波長の発光が生じる。
【０１０３】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態に係る上記の発光素子は、そのまま光源として使用されても良い。しかし、本実施形態に係る発光素子は、波長変換のための蛍光物質を備える樹脂などと組み合わせれば、波長帯域の拡大した光源（例えば白色光源）として好適に使用され得る。
【０１０４】
図１３は、このような白色光源の一例を示す模式図である。図１３の光源は、図３（ａ）に示す構成を有する発光素子１００と、この発光素子１００から放射された光の波長を、より長い波長に変換する蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｎｉｎｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）が分散された樹脂層２００とを備えている。発光素子１００は、表面に配線パターンが形成された支持部材２２０上に搭載されており、支持部材２２０上には発光素子１００を取り囲むように反射部材２４０が配置されている。樹脂層２００は、発光素子１００を覆うように形成されている。
【０１０５】
なお、電極３０と接触するｐ型半導体領域がＧａＮ、もしくはＡｌＧａＮから構成される場合について説明したが、Ｉｎを含む層、例えばＩｎＧａＮであってもよい。この場合、Ｉｎの組成を例えば０．２とした「Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ」を、電極３０と接するコンタクト層に用いることができる。ＧａＮにＩｎを含ませることにより、ＡｌａＧａｂＮ（ａ＋ｂ＝１，ａ≧０，ｂ＞０）のバンドギャップをＧａＮのバンドギャップよりも小さくできるため、コンタクト抵抗を低減することができる。以上のことから、電極３０が接するｐ型半導体領域（ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６）は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されていればよい。
【０１０６】
なお、実際のｍ面半導体の成長面または主面は、ｍ面に対して完全に平行な面である必要はなく、ｍ面から所定の角度で傾斜していてもよい。傾斜角度は、窒化物半導体層における実際の成長面の法線とｍ面（傾斜していない場合のｍ面）の法線とが形成する角度により規定される。実際の成長面は、ｍ面（傾斜していない場合のｍ面）から、ｃ軸方向およびａ軸方向によって表されるベクトルの方向に向って傾斜することができる。傾斜角度θの絶対値は、ｃ軸方向において５°以下、好ましくは１°以下の範囲であればよい。また、ａ軸方向において５°以下、好ましくは１°以下の範囲であればよい。
【０１０７】
すなわち、本発明においては、「ｍ面」は、±５°の範囲内でｍ面（傾斜していない場合のｍ面）から所定の方向に傾斜している面を含む。このような傾斜角度は、窒化物半導体層の成長面は全体的にｍ面から傾斜しているが、微視的には多数のｍ面領域が露出している場合を含む。これにより、ｍ面から絶対値で５°以下の角度で傾斜している面は、ｍ面と同様の性質を有すると考えられる。なお、傾斜角度θの絶対値が５°より大きくなると、ピエゾ電界によって内部量子効率が低下する。したがって、傾斜角度θの絶対値を５°以下に設定することが望ましい。
【０１０８】
なお、第１、第２の実施形態では、ＡｌdＧａeＮ層２５およびｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層２６のｐ型不純物として、Ｍｇがドープされていた。本発明では、Ｍｇ以外のｐ型ドーパントとして、例えばＺｎ、Ｂｅなどがドープされていてもよい。
【０１０９】
上述した実施形態によれば、ｍ面基板上で結晶成長させたＧａＮ系半導体素子、または、ｍ面を主面とするＧａＮ系半導体積層構造体において、キャリアオーバーフローを抑え、かつ広範囲の電流密度で安定した高い発光効率が得られる。すなわち、出力のリニアリティーが得られる。したがって、従来、低電流領域で高効率が難しいため積極的な利用が困難であったｍ面基板上で結晶成長させたＧａＮ系半導体素子、またはｍ面を主面とするＧａＮ系半導体積層構造体の積極的な利用を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明の実施形態は、紫外から青色、緑色、オレンジ色および白色などの可視域全般の波長域における発光ダイオード、レーザダイオード等のＧａＮ系半導体発光素子およびその製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１０  基板（ＧａＮ系基板）
１２  基板の表面（ｍ面）
２０  半導体積層構造
２２ＡｌuＧａvＩｎwＮ層
２４  活性層
２５ＡｌdＧａeＮ層
２６  ｐ−ＡｌdＧａeＮコンタクト層
３０  ｐ側電極
４０  ｎ側電極
１００、１０１  窒化物系半導体発光素子
２００  樹脂層
２２０  支持部材
２４０  反射部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年6月21日(2012.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を備えた窒化物系半導体発光素子であって、
前記半導体積層構造は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に設けられたｐ側電極と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に位置する活性層とを備え、
前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4であり、
前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2であり、
外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上である、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型半導体層の厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4である、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦４×１０4μｍ2である、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記活性層は、２×１０17ｃｍ-3以上の酸素濃度を有する、請求項１から３の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層の厚さは、０．０２７μｍ以上０．０４５μｍ以下である、請求項１から４の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型半導体層は、ｎ型半導体から形成されている基板を含む、請求項１から５の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体積層構造は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されている、請求項１から６の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１から７の何れか一つに記載の窒化物系半導体発光素子と、
前記窒化物系半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部と、
を備える光源。
【請求項９】
成長面がｍ面であってＧａＮ系半導体から形成されている半導体積層構造を形成する工程（ａ）と、
前記半導体積層構造上にｐ側電極を形成する工程（ｂ）と、
を含む窒化物系半導体発光素子の製造方法であって、
前記工程（ａ）は、
ｎ型半導体層を形成する工程（ａ１）と、
前記工程（ａ１）の後、活性層を形成する活性層形成工程（ａ２）と、
前記工程（ａ２）の後、ｐ型半導体層を形成する工程（ａ３）と、
を含み、
前記工程（ａ１）および（ａ２）では、外部量子効率が最大時の８８％になる最大電流密度が２Ａ／ｍｍ2以上となるように、前記ｎ型半導体層および前記活性層を形成し、
前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが１．８×１０-4≦Ｄ≦１４．１×１０-4となるように前記活性層を形成し、
前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦９×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する、窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ａ２）では、前記ｎ型半導体層の最終的な厚さに対する前記活性層の厚さの比Ｄが２．６２×１０-4≦Ｄ≦８．４９×１０-4となるように前記活性層を形成する、請求項９に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記工程（ｂ）では、前記ｐ側電極の面積Ｓが１×１０2μｍ2≦Ｓ≦４×１０4μｍ2となるように前記ｐ側電極を形成する、請求項９または１０に記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記活性層は、２×１０17ｃｍ-3以上の酸素濃度を有する、請求項９から１１の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記活性層の厚さは、０．０２７μｍ以上０．０４５μｍ以下である、請求項９から１２の何れかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ｎ型半導体層は、ｎ型半導体から形成されている基板を含む、請求項９から１３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記半導体積層構造は、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成されている、請求項９から１４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子の製造方法。
【国際調査報告】
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2012157198.tif 000017
2012157198.tif 000018