(57)【要約】  窒化物半導体から成る基板と、基板の上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、窒化物半導体から成る活性層と、第２導電型窒化物半導体層とを備え、基板の下面側又は前記第２導電型窒化物半導体層の上面側から発光を取り出す窒化物半導体発光ダイオードにおいて、基板と活性層の間に中間層を形成し、転位発生層を起点として転位を発生させて、活性層の発光領域に分布させる。
2010150809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体から成る基板と、前記基板の上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、前記第１導電型窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを備え、前記基板の下面側又は前記第２導電型窒化物半導体層の上面側から発光を取り出す窒化物半導体発光ダイオードであって、
前記基板と前記活性層の間に中間層が形成され、
前記中間層を起点として前記第１導電型窒化物半導体層内を上方に進行する転位が発生しており、
前記中間層で発生した転位の少なくとも一部が前記活性層に到達し、前記活性層の発光領域に分布していることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項２】
前記中間層で発生した転位が、前記活性層の発光領域内で一様に分布していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光ダイオード。  
【請求項３】
前記活性層の発光領域における平均の転位密度が、１×１０８ｃｍ−２よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項４】
前記基板の主面に垂直な断面において、前記中間層よりも下側では平均の転位密度が１×１０８ｃｍ−２よりも小さく、前記中間層よりも上側では平均の転位密度が１×１０８ｃｍ−２よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項５】
前記中間層から発生した転位に起因して、前記活性層にＶ字状のピットが発生していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項６】
前記中間層は、前記基板の主面に垂直な断面における形状が島状であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項７】
前記中間層が、アモルファス又は多結晶であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項８】
窒化物半導体から成る基板と、前記基板の上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、前記第１導電型窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを備え、前記基板の下面側又は前記第２導電型窒化物半導体層の上面側から発光を取り出す窒化物半導体発光ダイオードであって、
前記基板と前記活性層の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層が形成されており、
前記中間層は、前記基板の主面に垂直な断面における形状が島状であることを特徴とする窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項９】
前記中間層が、前記第１導電型窒化物半導体層の中に形成されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１０】
前記中間層よりも上側の第１導電型窒化物半導体層と、前記活性層と、前記第２導電型窒化物半導体層との合計膜厚が、前記第１導電型窒化物半導体層と、前記活性層と、前記第２導電型窒化物半導体層の合計膜厚の２／３以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１１】
前記中間層が、前記第１導電型窒化物半導体層の中で、前記基板よりも前記活性層に近い位置に形成されたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１２】
前記中間層よりも上側にある前記第１導電型窒化物半導体層の膜厚が、前記第１導電型窒化物半導体層の全膜厚の１／２以下であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１３】
前記中間層の平均膜厚が、５〜２０ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１４】
前記中間層が、Ａｌを含む窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１５】
前記基板の下面に、前記活性層から発した光の進行方向を変えるための周期的な凸部又は凹部が形成されたことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１６】
前記基板の側面が、上側から下側に向けて内側に傾斜した傾斜面であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１７】
前記基板の側面及び下面が連続して半球面となっていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１８】
少なくとも前記基板の下面に保護膜が形成され、前記保護膜の膜厚をｔ、前記活性層の発光波長をλ、λにおける前記保護膜の屈折率をｎ、Ａは自然数として、ｔ＝Ａλ／（４ｎ）の関係を充足することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光ダイオード。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれかに１項に記載した窒化物半導体発光ダイオードと、前記窒化物半導体発光ダイオードの発した光の一部を異なる波長に光に変換する波長変換部材とを備えた発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、窒化物半導体（ＡｌｘＩｎｙＧａ1-x-yＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）から成る基板上に形成された窒化物半導体発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いたレーザダイオードや発光ダイオード等の窒化物半導体発光素子は、紫外域から可視域に渡る広い波長範囲において高輝度な発光が可能であり、光ディスク用光源、バックライト用光源、照明光源などに幅広く利用されている。【０００３】
従来、窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体から成る基板の入手が困難であったため、サファイア等の異種基板上に窒化物半導体層を成長して製造するのが一般的であった。しかし、サファイア等の異種基板を用いて窒化物半導体層を成長した場合、基板と窒化物半導体との格子定数不整によって多数の貫通転位が発生するため、他の化合物半導体を用いた場合に比べて半導体層中における転位等の欠陥密度が極めて高くなる。特に、レーザダイオードの場合、レーザ発振を得る発光領域における半導体層中の転位密度が高いと素子寿命が顕著に低下するため、実用上大きな障害となる。【０００４】
このため転位等の欠陥密度が低く、結晶性の良好な窒化物半導体層を成長させて半導体発光素子を作製する方法が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、サファイア基板上に成長させた窒化物ガリウム系化合物半導体層の表面に部分的に保護膜を設け、その上に窒化物半導体を選択成長させ、窒化物半導体層中の転位密度を大巾に低減した後、２００〜９００℃で成長された第２のバッファ層を成長して面内の結晶性を均一にし、その上に結晶性の良い窒化物半導体から成るレーザダイオードを形成することが開示されている。【０００５】
また、特許文献２には、サファイア基板の上にハライド気相成長法によって窒化物半導体を厚膜成長させ、その後サファイア基板を除去することによって窒化物半導体基板を作製し、その上にレーザダイオードを形成することが開示されている。【０００６】
特許文献３には、ＧａＡｓ基板上にストライプや円形のマスクを形成し、その上にＧａＮ層を気相成長させた後でＧａＡｓ基板を除去してＧａＮ単結晶基板を作製し、その表面を研磨し、ＮＨ３ガスを含む混合ガス雰囲気で熱処理し、そのＧａＮ単結晶基板上に転位発生の抑制された窒化物半導体層を成長させてレーザダイオードや発光ダイオードを形成することが開示されている。【０００７】
さらに特許文献４には、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板１０の上に、ｎ型窒化物半導体層２８、活性層３２、ｐ型窒化物半導体層３４を成長し、ｐ型窒化物半導体層３４にリッジ３４ａを形成した半導体レーザ素子が開示されている。特許文献４では、ＧａＮ基板１０を用いることで素子全体として貫通転位密度を低減しているが、半導体層中にリッジストライプに平行なＶ溝１００を形成して転位４２を意図的に発生させることにより、Ｖ溝１００に沿って転位が集中した貫通転位集中領域１０２を設けることが提案されている。特許文献４によれば、活性層３２中に貫通転位集中領域１０２を設けることで、活性層３２に加わる圧縮歪が緩和され、その圧縮歪に起因する欠陥の発生を防止することができる。尚、この半導体レーザ素子では、リッジ３２ａの下方が発光領域となるが、発光領域は貫通転位集中領域１０２から離して形成されるため、発光領域の貫通転位密度はＧａＮ基板１０の採用によって低減される。【０００８】
【特許文献１】特開２０００―１７４３９２号公報
【特許文献２】特開２００２―２６１０１４号公報
【特許文献３】特開２００３―３２７４９７号公報
【特許文献４】特開２００６―２４７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の通り、従来よりＧａＮ基板等の窒化物半導体から成る基板を用いて窒化物半導体発光素子を形成する方法が種々提案されているが、いずれにおいてもレーザダイオードの発光領域における転位密度を低減し、寿命特性に優れたレーザダイオードを得ることが目的であった。しかし、ＧａＮ基板等の窒化物半導体から成る基板を用いて面発光タイプの発光ダイオードを形成すれば、結晶性の良好な窒化物半導体が利用できるだけではなく、活性層における発光の取り出し効率が大巾に向上するというレーザダイオードにはない利点が期待できる。【００１０】
即ち、図１０Ａのようにサファイア基板８上に成長した窒化物半導体層３５を持つ発光ダイオードでは、サファイア基板８や電極３６の屈折率が窒化物半導体層３５の屈折率よりも小さいため、窒化物半導体層３５の上下が屈折率の小さな層で挟まれた導波路のような構造となり、窒化物半導体層３５で生じた発光が窒化物半導体層３５の内部で多重反射し易い。窒化物半導体層３５の内部で多重反射した光は窒化物半導体層３５自身や電極３６による吸収ロスを受ける。しかも、窒化物半導体層３５の厚みは通常数μｍしかないのに対し、平面方向の素子寸法は数１００μｍもあるため、窒化物半導体層３５内の多重反射の回数は極めて多くなり、窒化物半導体発光ダイオードの外部量子効率を相当低下させてしまう。【００１１】
一方、図１０Ｂのように、サファイア等の異種基板８に代えて、ＧａＮ基板等の窒化物半導体から成る基板１０を用いて発光ダイオードを形成した場合、基板１０の屈折率と素子を構成する窒化物半導体層３５の屈折率がほぼ一致する。このため、薄い窒化物半導体層３５の内部における多重反射を解消し、窒化物半導体層３５や電極３６における吸収ロスを減少して外部量子効率を向上することができる。【００１２】
さらにＧａＮ基板等の窒化物半導体から成る基板を用いれば、熱伝導率がサファイアに比べて高いため、放熱効率の向上が可能であり、ＧａＮ基板の非極性／半極性面を用いたピエゾ電界の制御が可能になるなど、種々の点で発光ダイオードの性能向上が期待できる。【００１３】
しかしながら、本件発明者等が、実際に窒化物半導体から成る基板を用い、従来のサファイア基板の発光ダイオードと同様の半導体積層構造を持つ発光ダイオードを作製したところ、従来の予想に反し、サファイア基板上に形成した場合よりも発光ダイオードの電気光学特性が低くなる問題があることを見出した。例えば、ＧａＮ基板上に形成した発光ダイオードを、サファイア基板上に形成した発光ダイオードと比較すると、ＧａＮ基板上に形成した発光ダイオードの方が転位密度は小さく、半導体層の結晶性が良好であるにも関わらず、順方向電圧（以下、単に「Ｖｆ」）は約２０％も高くなり、出力は逆に約３０％も低くなる結果となった。ＧａＮ基板を用いれば、サファイア基板を用いた場合よりも光取り出し効率は５％程度向上する筈であり、出力が約３０％も低くなったということは、内部量子効率がそれ以上に低下したことを意味している。【００１４】
そこで本件発明は、ＧａＮ基板等の窒化物半導体から成る基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードにおいて、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制しながら、窒化物半導体から成る基板を用いることによる光取り出し効率の向上といった種々の利点を享受可能とし、それにより電気光学特性に優れた発光ダイオードを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本件発明の第１の側面における窒化物半導体発光ダイオードは、窒化物半導体から成る基板と、前記基板の上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、前記第１導電型窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを備え、前記基板の下面側又は前記第２導電型窒化物半導体層の上面側から発光を取り出す窒化物半導体発光ダイオードであって、
前記基板と前記活性層の間に中間層（＝転位発生層）が形成され、前記中間層を起点として前記第１導電型窒化物半導体層内を上方に進行する転位が発生しており、前記中間層で発生した転位の少なくとも一部が前記活性層に到達し、前記活性層の発光領域に分布していることを特徴とする。【００１６】
本件発明によれば、窒化物半導体から成る基板を用いるため、基板と窒化物半導体層の間に屈折率差や格子定数差がなくなり、基板界面での光反射が抑制されると共に、窒化物半導体層の品質も向上する。また、基板と活性層の間に転位の起点となる中間層を設けたため、活性層の発光領域における転位密度を適切な範囲に制御して、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制することができる。したがって、窒化物半導体から成る基板を使うことによる光取り出し効率の向上等の利点を享受しながら、窒化物半導体から成る基板を用いたことによるＶｆの増大や内部量子効率の低下を防止し、電気光学特性に優れた発光ダイオードが得られる。中間層で発生させた転位を活性層の発光領域に分布させることでＶｆや内部量子効率が顕著に改善する理由は必ずしも明らかではないが、転位がある程度の密度で活性層内に分布していることにより、キャリアの注入が容易になっていると考えられる。【００１７】
中間層で発生した転位は、活性層の発光領域内で一様に分布していることが好ましい。転位が平面方向に極端に偏って分布していたり、特定の方位に分布するなど強い異方性をもっていると、発光領域の面内におけるＶｆや内部量子効率が不均一となり、発光面に望ましくない強度分布ができる恐れがあるためである。【００１８】
Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制するために、活性層の発光領域における平均の転位密度が、１×１０８ｃｍ−２よりも大きいことが好ましい。一方、活性層３２の発光領域における転位密度が高すぎても発光効率の低下やリーク電流の増加につながるため、転位密度は５×１０９ｃｍ−２よりも小さなことが望ましい。これに対して、基板内における平均の転位密度は、活性層の発光領域における平均の転位密度よりも小さい方が、第１導電型窒化物半導体層など発光領域以外の部分での信頼性の向上や、結晶成長方向への意図しない転位密度勾配の形成による応力発生等を抑制できるため好ましい。また、基板の転位密度がある程度低い方が、基板自身を高い歩留まりで製造することができ、有利である。したがって、基板の主面に垂直な断面において、中間層よりも下側では平均の転位密度が１×１０８ｃｍ−２よりも小さく、中間層よりも上側では平均の転位密度が１×１０８ｃｍ−２よりも大きなことが好ましい。本件発明によれば、平均の転位密度が低い基板１０を用いた場合にも、中間層３０を形成することにより、活性層３０の発光領域における平均の転位密度を好ましい範囲に制御することができる。【００１９】
尚、中間層から発生した転位に起因して、活性層にＶ字状のピットが発生していることが好ましい。活性層にＶピットが形成されることにより、活性層へのキャリアの注入が容易になり、Ｖｆの低下や内部量子効率の向上に寄与していると考えられる。【００２０】
中間層は、基板の主面に垂直な断面における形状が島状であると、その島状部分から転位を発生し易くなる一方で、島状部分以外の部分では下地から良好な結晶性を引き継いで成長できるため、転位以外の欠陥発生は抑制しながら、転位密度を好ましい範囲に制御することができる。また、中間層が島状であると、第１導電型窒化物半導体層の中に中間層を挿入した場合も、第１導電型窒化物半導体層による電荷注入などの機能を阻害しにくくなるため好ましい。【００２１】
中間層は、アモルファス又は多結晶にすれば、転位の起点となり易いため好ましい。また、中間層を、Ａｌを含む窒化物半導体、特にＡｌＧａＮにすれば、転位密度を制御し易いため好ましい。また、中間層を周囲の窒化物半導体層と異なる格子定数の材料とすると転位を発生させ易い。
【００２２】
また、本件発明の第２の側面における窒化物半導体発光ダイオードは、窒化物半導体から成る基板と、前記基板の上に形成された第１導電型窒化物半導体層と、前記第１導電型窒化物半導体層の上に形成された窒化物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に形成された第２導電型窒化物半導体層とを備え、前記基板の下面側又は前記第２導電型窒化物半導体層の上面側から発光を取り出す窒化物半導体発光ダイオードであって、
前記基板と前記活性層の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層が形成されており、
前記中間層は、前記基板の主面に垂直な断面における形状が島状であることを特徴とする。【００２３】
即ち、本件発明の第２の側面によれば、ＧａＮ基板等の窒化物半導体から成る基板を用いた面発光タイプの窒化物半導体発光ダイオードにおいて、基板と活性層の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層を設け、その断面形状が島状となるような薄膜に中間層を成長することにより、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下といった問題が抑制される。【００２４】
中間層の断面形状が「島状」であるとは、中間層の膜厚の大きな部分と、膜厚が非常に小さいか中間層が存在しない部分とが交互に存在し、基板主面に垂直な断面において中間層が膜厚の一様な連続層ではなく、並んだ島のように見えることを指す。個々の島の断面形状は、どのようなものでも良い。また、基板主面に垂直な断面において中間層が島状であれば良く、平面でみたときの形状がドット状であっても、島同士がつながった網目状であっても良い。【００２５】
本件発明によれば、窒化物半導体から成る基板を使うことによる光取り出し効率の向上等の利点を享受しながら、窒化物半導体から成る基板を用いたことによるＶｆの増大や内部量子効率の低下を防止し、電気光学特性に優れた発光ダイオードが得られる。その理由は、以下の通りと考えられる。アモルファス又は多結晶である中間層の断面形状が島状であると、その島状部分から転位が発生し易くなる。一方で、島状部分以外では結晶性の良い下地層から良好な結晶性を引き継いで成長できるため、転位以外の欠陥発生は抑制され、第１導電型窒化物半導体層の結晶性は良好となる。このようにして中間層で発生した転位が活性層の発光領域に分布することによって、活性層へのキャリアの注入が容易になり、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下が抑制されたと考えられる。【００２６】
中間層は、基板と活性層の間にあれば良いが、特に第１導電型窒化物半導体層の中に形成すれば、中間層が活性層に近づくため、中間層で発生した転位が活性層の発光領域に到達し易くなる。また、窒化物半導体層の全体に占める高転位密度領域の割合を減少できるため、ウエハへの反り発生を抑制できる。すなわち、窒化物半導体層の熱膨張係数は転位密度に依存しており、転位密度が大きい程、熱膨張係数も大きくなる。基板の主面に垂直な断面から見て、中間層よりも上側の領域は転位密度が相対的に高くなり、中間層よりも下側の領域は転位密度が相対的に低くなる。このため窒化物半導体から成る基板の上に窒化物半導体層を成長していくと、基板の上から中間層までは熱膨張係数が基板とあまり変わらないためウエハの反りがあまり発生しないが、中間層から上の領域では熱膨張係数が大きいため、ウエハが凹状に反る傾向がある。この凹状の反りは、窒化物半導体層全体の中で高転位密度領域の割合が高くなるほど強くなる。ウエハの反りが大きくなると、窒化物半導体層にクラックが発生したり、ウエハ面内の波長分布が大きくなるなどの種々の問題が生じる。そこで中間層よりも上側の第１導電型窒化物半導体層と、前記活性層と、前記第２導電型窒化物半導体層との合計膜厚が、前記第１導電型窒化物半導体層と、前記活性層と、前記第２導電型窒化物半導体層の合計膜厚の２／３以下であることが好ましい。【００２７】
尚、熱膨張係数の違いによるウエハの反りは窒化物半導体層の成長温度にも依存する。特に活性層がＩｎを含む窒化物半導体から成る場合、Ｉｎが高温で脱離し易いため、活性層とその上に形成される第２導電型窒化物半導体層は、第１導電型窒化物半導体層よりも低温で成長される。このため相対的に高温で成長される第１導電型窒化物半導体層の成長中において、ウエハの反りがより強く発生し易い。したがって、第１導電型窒化物半導体層中での中間層の位置も重要となる。そこで中間層は、第１導電型窒化物半導体層の中で、基板よりも活性層に近い位置に形成されることが好ましい。すなわち、中間層よりも上側にある前記第１導電型窒化物半導体層の膜厚が、前記第１導電型窒化物半導体層の全膜厚の１／２以下であることが好ましい。【００２８】
中間層の平均膜厚が、５〜２０ｎｍであることが好ましい。中間層がこの範囲の膜厚であると、導入される転位の量が適正となり、Ｖｆと内部量子効率を効果的に改善することができ、第１導電型窒化物半導体層の中に挿入された場合も第１導電型窒化物半導体層による電荷注入などの機能を阻害しにくい。【００２９】
本件発明では、基板と活性層の間に中間層を形成することにより、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制しながら、窒化物半導体から成る基板を用いることによる光取り出し効率の向上など種々の利点を生かすことができる。すなわち、図１０Ｂに示すように、窒化物半導体から成る基板の上に窒化物半導体層３５を成長して半導体発光ダイオードを形成した場合、半導体層３５で生じた光を発光ダイオードの外部に取り出す際に問題となる光の反射ロスは、主として基板１０の裏面（下面）１０ａと外部（空気等）との界面で起きる。したがって、基板１０の裏面（下面）１０ａに種々の加工を施すことで、光の反射ロスを減らし、光取り出し効率を飛躍的に高めることも可能となる。例えば、基板の下面に、活性層から発した光の進行方向を変えるための周期的な凸部又は凹部が形成することが好ましい。別の態様では、基板の側面を、上側から下側に向けて内側に傾斜した傾斜面としても良い。さらに別の態様では、基板の側面及び下面が連続して半球面としても良い。尚、基板の少なくとも下面に保護膜を形成し、保護膜の膜厚をｔ、活性層の発光波長をλ、λにおける保護膜の屈折率をｎ、Ａは自然数として、ｔ＝Ａλ／（４ｎ）の関係を充足するようにすれば、基板の裏面における反射ロスを一層低減することができる。【００３０】
本件発明の窒化物半導体発光ダイオードと、窒化物半導体発光ダイオードの発した光の一部を異なる波長に光に変換する波長変換部材とを組み合わせれば、発光ダイオードの発光と波長変換部材の発光の混色により、所望の色を発光可能な発光装置を得ることができる。【００３１】
尚、本件明細書において、「上」側とは発光ダイオードの基板の２つの主面のうち素子を構成する半導体層が形成された側を指し、「下」側とはその逆側を指す。また、本件明細書において、活性層中の「発光領域」とは、基板主面に平行な面内で活性層をみたときに、発光ダイオードから取り出されるべき発光が生じている領域を指す。「第１導電型窒化物半導体層」及び「第２導電型窒化物半導体層」は、ｎ型又はｐ型のいずれかの導電型を持ち、互いに導電型が逆である窒化物半導体層を指す。即ち、第１導電型窒化物半導体層がｎ型であれば、第２導電型窒化物半導体層はｐ型である。或いは、その逆の組み合わせでも良い。「第１導電型窒化物半導体層」及び「第２導電型窒化物半導体層」は、各々が複数の層から成っていても良く、その場合に複数の層が全体として所定の導電型として機能すれば、複数の層の一部に別の導電型の層が介在していても良い。例えば、導電型がｎ型である第１導電型窒化物半導体層が複数の層から成る場合、その複数の層が全体としてｎ型として振舞えば、ｐ型やｉ型の薄い層が介在していても構わない。
【発明の効果】
【００３２】
以上の通り、本件発明の第１の側面によれば、窒化物半導体から成る基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードにおいて、基板と活性層の間に中間層を形成し、その中間層を起点として上方に進行する転位を発生させることにより、活性層の発光領域に転位を分布させたため、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制しながら、窒化物半導体から成る基板を用いることによる光取り出し効率の向上など種々の利点を生かし、電気光学特性に優れた発光ダイオードを実現できる。【００３３】
また、本件発明の第２の側面によれば、窒化物半導体から成る基板を用いた窒化物半導体発光ダイオードにおいて、基板と活性層の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層を設けて、その断面形状を島状とすることにより、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制できる。したがって、窒化物半導体から成る基板を用いることによる光取り出し効率の向上など種々の利点を生かし、電気光学特性に優れた発光ダイオードを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体発光ダイオードを示す模式断面図である。
【図２】図２は、活性層に発生したＶピットを示す模式断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る窒化物半導体発光ダイオードにおける転位発生の様子を示す模式断面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体発光ダイオードを示す模式断面図である。
【図５】図５は、ウエハの反りを示す模式断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体発光ダイオードの基板を模式的に示す斜視図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体発光ダイオードを示す模式断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態５に係る窒化物半導体発光ダイオードの基板と窒化物半導体層の形状を模式的に示す斜視図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態６に係る窒化物半導体発光ダイオードランプの模式断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、サファイア基板上に形成した窒化物半導体発光ダイオードにおける光の進路を模式的に示す断面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、ＧａＮ基板上に形成した窒化物半導体発光ダイオードにおける光の進路を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、特許文献４に開示された窒化物半導体発光レーザの模式断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本件発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。各図面は模式図であり、そこに示された配置、寸法、比率、形状等は実際と異なる場合がある。また、各実施形態において他の実施形態と同一の符号を用いた部材は、同一又は対応する部材を表しており、説明を省略する場合がある。【００３６】
実施の形態１
図１は、本件発明の実施の形態１における窒化物半導体発光ダイオード１を示す模式断面図である。窒化物半導体から成る基板１０の上に、ｎ型窒化物半導体層２８（＝第１導電型窒化物半導体層）と、活性層３２と、ｐ型窒化物半導体層３４（＝第２導電型窒化物半導体層）とから成るダブルへテロ構造の半導体層が形成されている。ｐ型窒化物半導体層３４と活性層３２の一部を除去して露出したｎ型窒化物半導体層２８の表面に外部と通電するためのｎ側電極４０が形成されている。また、ｐ型窒化物半導体層３４とオーミック接触をとるためにｐ型窒化物半導体層３４のほぼ全面に透光性であるｐ側電極３６が形成され、さらにｐ側電極３６の上にｐ側電極３６の一部を覆ってｐ側パッド電極３８が形成されている。【００３７】
本実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード１は、窒化物半導体から成る基板１０のほぼ全面に渡って基板１０の主面に平行に中間層３０が形成されており、中間層３０を起点として上方に進行する転位４２が発生している。また、中間層３０は、アモルファスまたは多結晶である窒化物半導体から成り、断面形状が島状になっている。サファイア等の異種基板と異なり、窒化物半導体から成る基板１０は、ｎ型窒化物半導体層２８との間に大きな格子定数差を持たない。例えば、基板１０がＧａＮから成り、ｎ型窒化物半導体層２８もＧａＮから成る場合、両者間の格子定数差はなくなる。このため、従来は、窒化物半導体から成る基板１０の上に直接ｎ型窒化物半導体層２８を成長するのが通常であった。その場合、基板１０とｎ型窒化物半導体層２８との界面で新たな転位の発生が基本的にないため、ｎ型窒化物半導体層２８における転位密度は基板１０のそれと基本的に同一となり、低転位密度の窒化物半導体層が得られる。例えば、ＧａＮ基板１０の転位密度は１×１０８ｃｍ−２未満にでき、低い場合には１０６ｃｍ−２のオーダにまで低減できるが、ｎ型窒化物半導体層２８もそれと同程度の転位密度を持つことになる。【００３８】
窒化物半導体発光ダイオードにおける転位は非発光再結合中心となるため、一般には、窒化物半導体層の転位密度が低下するほど発光ダイオードの電気光学特性も向上すると期待されていた。ところが、本件発明者等は、ＧａＮ基板の上に従来のサファイア基板上と同様の積層構造を形成した発光ダイオードにおいて、窒化物半導体層の転位密度を１０８ｃｍ−２台から低減していくに従い、発光ダイオードのＶｆが上昇し、出力が低下する傾向があることを見出した。例えば、ＧａＮ基板上に形成され、転位密度が２×１０６ｃｍ−２である窒化物半導体層を有する発光ダイオードを、サファイア基板上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２である窒化物半導体層を有する発光ダイオードと比較すると、ＧａＮ基板上に形成した発光ダイオードの方がＶｆは約２０％も高くなり、出力は約３０％も低くなる結果となった。ＧａＮ基板を用いれば、サファイア基板を用いた場合よりも光取り出し効率は５％程度向上する筈であり、出力が約３０％も低くなったということは、内部量子効率がそれ以上に低下したことを意味している。【００３９】
そこで本実施の形態の窒化物半導体発光ダイオード１は、窒化物半導体から成る基板１０上に中間層３０を形成し、中間層３０を起点として上方に進行する転位４２を発生させることにより、活性層３２の発光領域の全体に転位４２を分布させている。これによって、窒化物半導体から成る基板１０を使うことによる光取り出し効率の向上等の利点を享受しながら、窒化物半導体から成る基板１０を用いたことによるＶｆの増大や内部量子効率の低下を防止し、電気光学特性に優れた発光ダイオードが得られる。中間層３０で発生させた転位４２を活性層３２の発光領域に分布させることでＶｆや内部量子効率が顕著に改善する理由は必ずしも明らかではないが、転位４２がある程度の密度で活性層内に分布していることにより、キャリアの注入が容易になっていると考えられる。【００４０】
例えば、転位に伴って活性層にＶ字状のピット（以下、単に「Ｖピット」）が形成されるが、このＶピットがキャリアの注入を容易にして、Ｖｆの低下や内部量子効率の向上に寄与しているとも考えられる。Ｖピットとは、転位４２を中心として窒化物半導体層が逆六角錐状或いはコーン状に成長した部分を指す。転位４２を中心に発生したＶピットは、窒化物半導体層を順次成長する際に上に成長する層に引き継がれていき、図２に示すように活性層３２にもＶピット４４が形成される。図２に示す通り、活性層３２が井戸層３２ａを障壁層３２ｂで挟んだ量子井戸構造の場合、Ｖピット４４の部分で障壁層３２ｂの膜厚が薄くなる。また、Ｖピット４４によってｐ型窒化物半導体層３４が活性層３２に陥入するため、Ｖピット４４がキャリアの注入口のようになる。したがって、Ｖピット４４の形成によって活性層３２へのキャリア注入が容易になっていると考えられる。尚、図２では、図面の簡単のため、１層の井戸層３２ａとそれを挟む２層の障壁層３２ｂだけを示している。【００４１】
中間層３０を起点に発生した転位４２は、活性層３２の発光領域の全体に一様に分布していることが好ましい。尚、中間層で発生した転位が、活性層の発光領域内で一様に分布しているとは、平面内における転位の分布に極端な偏りや異方性がないことを指す。転位の分布に極端な偏りや極端な異方性がなければ、転位同士の間隔に多少の疎密があっても構わない。転位４２が平面方向に極端に偏って分布していたり、特定の方位に分布するなど強い異方性をもっていると、発光領域の面内におけるＶｆや内部量子効率が不均一となり、発光面に望ましくない強度分布ができる恐れがあるためである。【００４２】
また、中間層３０を起点として発生した転位４２が上方に進行して活性層３２に到達する結果、活性層３２の発光領域における平均の転位密度は基板１０内における転位密度よりも高くなる。活性層３２の発光領域における平均の転位密度は、１×１０８ｃｍ−２、より好ましくは２×１０８ｃｍ−２、さらに好ましくは４×１０８ｃｍ−２よりも大きなことが望ましい。一方、活性層３２の発光領域における転位密度が高すぎても発光効率の低下やリーク電流の増加につながるため、転位密度は５×１０９ｃｍ−２、より好ましくは２×１０９ｃｍ−２、さらに好ましくは１×１０９ｃｍ−２よりも小さなことが望ましい。【００４３】
基板１０内における平均の転位密度は、活性層３２の発光領域における平均の転位密度よりも小さなことが好ましく、基板１０内における転位密度が１×１０８ｃｍ−２以下、より好ましくは５×１０７ｃｍ−２以下、さらに好ましくは１×１０７ｃｍ−２以下であることが望ましい。基板１０における転位密度が低い方が好ましいのは、特にｎ型窒化物半導体層など発光領域以外の部分での信頼性の向上や、結晶成長方向への意図しない転位密度勾配の形成による応力発生等を抑制できるためである。また、基板１０の転位密度がある程度低い方が、基板１０自身を高い歩留まりで製造することができ、有利である。【００４４】
活性層の発光領域や基板１０における平均の転位密度は、断面ＴＥＭ観察を行うことによって測定することができる。例えば、電界放出型の透過電子顕微鏡（ＪＥＯＬ社製ＪＥＭ−２０１０Ｆ）を用い、ＴＥモードで、加速電圧２００ｋＶ、倍率１０，０００倍程度で観察して、活性層を通過する転位の本数を数える。そして、その転位の本数を、観察試料の厚みと観察領域の幅に基づいて計算した活性層の面積で割れば良い。【００４５】
中間層３０を起点として発生した転位４２は、結晶の成長に伴って上方に進行するが、多少斜めに進行しても結果的に活性層に到達できれば良く、必ずしも基板主面に対して垂直に進行する必要はない。例えば、中間層３０で発生した転位４２が、中間層３０に近い部分ではほぼ垂直に進行するが、そこから上では斜めに進行する場合もある（その場合、図１に示すように、転位４２をある断面で観察すると途中で途切れて見える。）本件発明では、中間層３０で発生した転位４２が全て活性層に到達する必要はなく、相当の割合の転位４２が上方に進行して活性層３２に到達し、活性層３２における転位密度が適当な範囲になれば良い。【００４６】
また、本実施の形態を別の側面から考えれば、窒化物半導体から成る基板１０と活性層３２の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層３０を形成することにより、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下を抑制できるとも言える。Ｖｆや内部量子効率の改善効果は、中間層３０の膜厚に依存しており、中間層３０の断面形状が島状となるような薄膜に形成することによってＶｆの増大や内部量子効率の低下が効果的に抑制される。一般に結晶は、成長初期には島が点在したようなモホロジとなり、さらに成長を続けると島同士がつながって平坦な膜となる。したがって、中間層３０の膜厚を薄く制御することによって断面形状を島状とすることができる。【００４７】
窒化物半導体から成る基板１０と活性層３２の間にアモルファス又は多結晶である窒化物半導体から成る中間層３０を、その断面形状が島状となるような薄膜に形成することによってＶｆの増大や内部量子効率の低下を抑制できる理由は、以下の通りと考えられる。図１に示すように、アモルファス又は多結晶である中間層３０の断面形状が島状であると、その島状部分３０ａから転位が発生し易くなる。本実施の形態では、窒化物半導体から成る基板１０上に中間層３０を形成しているが、中間層３０を起点として上方に進行する転位４２が発生し、活性層３２の発光領域の全体に分布する。一方で、島状部分３０ａ以外の部分では下地のＧａＮ基板１０（又は結晶性の良い下地層）から良好な結晶性を引き継いで成長できるため、転位以外の欠陥発生は抑制され、ｎ型窒化物半導体層２８の結晶性は良好となる。このようにして中間層３０で発生した転位が活性層３２の発光領域に分布することによって、活性層３２へのキャリアの注入が容易になり、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下が抑制されたと考えられる。尚、活性層中の「発光領域」とは、基板主面に平行な面内で活性層をみたときに、発光ダイオードから取り出されるべき発光が生じている領域を指す。【００４８】
尚、中間層３０によって導入される転位の量は、中間層３０の膜厚に依存しており、ある程度の膜厚までは膜厚が大きくなるに従って転位の量も増加する。但し、中間層３０の全ての島状部分３０ａから転位が発生するとは限らない。図３に示すように、中間層３０の中でも、島状部分３０ａは転位が発生し易いが、その島状部分３０ａの中でも特に転位の発生し易い条件が整った部分から転位が発生する。【００４９】
以下、本実施の形態における発光ダイオードの各構成要素について詳細に説明する。
（中間層３０）
中間層３０の組成は、特に限定されないが、窒化物半導体層であることが好ましい。中間層３０を窒化物半導体層とすれば、発光ダイオードを構成する窒化物半導体の積層構造に余計な不純物を導入しないで済むため好ましい。窒化物半導体の中でも、Ａｌを含んだ窒化物半導体が好ましく、より好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）、さらに好ましくはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）が望ましい。Ａｌを含む窒化物半導体、特にＡｌＧａＮを中間層３０として用いれば、転位密度を制御し易いため好ましい。また、中間層３０を周囲の窒化物半導体層と異なる格子定数の材料とすると転位を発生させ易い。【００５０】
また、中間層３０は、２００〜７００℃の低温で成長した窒化物半導体とすることが好ましい。中間層３０を、低温成長した窒化物半導体層とすると、アモルファス又は多結晶として成長するため、転位の起点となり易い。中間層３０が、アモルファス又は多結晶であることは、Ｘ線回折法や電子線回折法によって確認することができる。【００５１】
中間層３０は、図３に示すように、基板主面に垂直な断面における形状が島状であることが好ましい。ここで中間層の断面形状が「島状」であるとは、中間層の膜厚の大きな部分と、膜厚が非常に小さいか中間層が存在しない部分とが交互に存在し、基板主面に垂直な断面において中間層３０が膜厚の一様な連続層ではなく、並んだ島のように見えることを指す。個々の島の断面形状は、どのようなものでも良い。また、基板主面に垂直な断面において中間層３０が島状であれば良く、平面でみたときの形状がドット状であっても、島同士がつながった網目状であっても良い。【００５２】
中間層３０が島状であると、その島状部分３０ａから転位を発生し易くなる一方で、島状部分３０ａ以外の部分では下地のＧａＮ基板１０（又は結晶性の良い下地層）から良好な結晶性を引き継いで成長できるため、転位以外の欠陥発生は抑制しながら、転位密度を好ましい範囲に制御することができる。また、中間層３０が島状であると、ｎ型窒化物半導体層２８の間に挿入された場合も、ｎ型窒化物半導体層２８による電荷注入などの機能を阻害しにくくなるため好ましい。尚、中間層３０の断面形状を島状にした場合、全ての島状部分３０ａから転位が発生している必要はない。一部の島状部分３０ａのみから転位が発生していても、活性層３２に到達する転位の密度が好ましい範囲にあれば良い。図３に示すように、中間層３０の中でも、島状部分３０ａは転位が発生し易いが、その島状部分３０ａの中でも特に転位の発生し易い条件が整った部分から転位が発生する。【００５３】
中間層３０が島状である場合、島の平均外径は、１０ｎｍ以上、より好ましくは２０ｎｍ以上であり、５００ｎｍ以下、より好ましくは２５０ｎｍ以下であることが望ましい。尚、ある島の外径は、高さの中央付近における最大の外径として規定する。また、島の外径は、島ごとに異なっていても良く、その場合は外径の平均値が好ましい範囲に入っていれば良い。島の平均高さは、５ｎｍ以上、より好ましくは１０ｎｍ以上であり、５０ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以下であることが望ましい。また、面内における島の平均密度は、５×１０７個／ｃｍ―２以上、より好ましくは１×１０８個／ｃｍ−２以上であり、２×１０10個／ｃｍ―２以下、より好ましくは１×１０10個／ｃｍ−２以下であることが望ましい。島の寸法や密度がこの範囲内であると、Ｖｆの増大や内部量子効率の低下をより効果的に抑制できる。島の平均外径や平均高さ、密度は断面ＴＥＭ観察を行うことにより測定できる。尚、中間層３０が、断面形状が島状であるが、平面形状が網目状である場合、島の平均外径や密度は、中間層３０を構成する網線の平均幅や網目の密度として考えれば良い。【００５４】
中間層３０の断面形状を島状にするためには、例えば中間層３０の膜厚を非常に薄く制御すれば良い。一般に結晶は、成長初期には島が点在したようなモホロジとなり、さらに成長を続けると島同士がつながって平坦な膜となる。したがって、中間層の膜厚を薄く制御することによって断面形状を島状とすることができる。また、島状部分３０ａの寸法や密度も中間層３０として成長する窒化物半導体層の成長膜厚によって制御することができる。中間層３０の膜厚が厚くなるほど、島状部分３０ａの寸法が大きく、島の密度も高くなる傾向にある。また、中間層３０によって導入される転位の量も、中間層３０の膜厚によって制御することができ、ある程度の膜厚までは膜厚が大きくなるに従って転位の量も増加する。尚、中間層３０の膜厚の他に、中間層３０の成長温度、組成、中間層３０成長後の昇温過程によっても、導入する転位の量を制御できる。【００５５】
中間層３０の平均膜厚は、５ｎｍ以上、より好ましくは７ｎｍ以上、さらに好ましくは１０ｎｍ以上であることが望ましい。また、中間層３０の平均膜厚は、２０ｎｍ以下、より好ましくは１８ｎｍ以下、さらに好ましくは１６ｎｍ以下であることが望ましい。中間層３０がこの範囲の膜厚であると、ｎ型窒化物半導体層２８の間に挿入された場合も、ｎ型窒化物半導体層２８による電荷注入などの機能を阻害しないため好ましい。また、導入される転位の量が適正となり、Ｖｆと内部量子効率を効果的に改善することができる。尚、中間層３０の「平均膜厚」とは、基板主面に垂直な断面で測定した平均の膜厚を指す。中間層３０の断面形状が島状である場合には、島のある部分とない部分の平均の膜厚を指す。中間層３０の平均膜厚は、例えば、中間層３０を気相成長させる場合は中間層３０の原料ガスを流す際の流量と時間で制御することができる。【００５６】
中間層３０は、活性層３２に転位を導入できるように基板１０と活性層３２の間に形成すれば良く、その位置は特に限定されない。本実施の形態のように、基板１０とｎ型窒化物半導体層２８の界面に形成しても良いし、ｎ型窒化物半導体層２８の途中に介在させても良い。中間層３０は、少なくとも活性層３２の発光領域の全面に形成することが好ましい。【００５７】
尚、中間層３０は、上記のものに限らず、基板１０の主面に平行に形成され、その上に成長する窒化物半導体の結晶中に転位を生じさせるものであれば、どのようなものでも良い。例えば、酸化物、高融点金属などにより微細パターンを含む層や、ｎ型窒化物半導体層の主たる結晶型とは異なる結晶型の半導体層、格子定数の異なる半導体層などを中間層３０とすることができる。【００５８】
（基板１０）
基板１０は、窒化物半導体から成る半導体基板であれば、どのようなものでも良い。基板１０が窒化物半導体から成ることにより、図１０Ａ及び図１０Ｂを用いて説明した通り、基板の下面側又は半導体層の上面側から光を取り出す面発光タイプの発光ダイオードにおける多重反射を抑制し、光取り出し効率を大巾に向上できるという効果が得られる。また、図１０Ｂに示されるように、窒化物半導体から成る基板１０の上に窒化物半導体層３５を成長して半導体発光ダイオードを形成した場合、半導体層３５で生じた光を発光ダイオードの外部に取り出す際に問題となる光の反射ロスは、半導体層３５と基板１０の界面では殆ど起きず、主として基板１０の裏面（下面）１０ａと外部（空気等）との界面で起きる。したがって、実施の形態３乃至５に示すように、基板１０の裏面（下面）１０ａに凹凸を形成したり、基板１０の裏面（下面）１０ａをドーム状に加工することで光の反射ロスを減らし、光取り出し効率を飛躍的に高めることも可能となる。【００５９】
窒化物半導体から成る基板１０としては、特に窒化ガリウムから成るＧａＮ基板が好ましい。ＧａＮ基板は、熱伝導率がサファイアに比べて高いため放熱効率の向上が可能であり、ＧａＮ基板の非極性／半極性面を用いたピエゾ電界の制御が可能になるなど、種々の点で発光ダイオードの性能向上が期待できる。また、ＧａＮ基板は、転位だけでなく、種々の欠陥を低減して結晶性を良好にすることができるため、半導体結晶の品質を高める上で好ましい。尚、基板１０による光吸収を極力減らすため、基板１０の不純物量は少ない方が好ましい。基板１０の不純物濃度は、１×１０18ｃｍ−３以下、より好ましくは５×１０１７ｃｍ−３以下、さらに好ましくは１×１０１７ｃｍ−３以下が望ましい。【００６０】
前述の通り、基板１０の転位密度は、活性層３２の発光領域における転位密度よりも小さなことが好ましく、基板１０内における転位密度が１×１０８ｃｍ−２以下、より好ましくは５×１０７ｃｍ−２以下、さらに好ましくは１×１０７ｃｍ−２以下であることが望ましい。基板１０における転位密度が低い方が好ましいのは、特にｎ型窒化物半導体層など発光領域以外の部分での信頼性の向上や、結晶成長方向への意図しない転位密度勾配の形成による応力発生などを抑制できるためである。なお、基板１０の転位密度は、窒化物半導体層を成長すべき主面における転位密度で考える。基板１０の転位密度は、基板１０の製造方法を適切に選択することによって制御できる。【００６１】
基板１０としては、種々の方法で製造したものを使用できる。例えば、サファイア等の異種基板上にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等によって窒化物半導体層を厚膜に成長した後、異種基板を除去して窒化物半導体から成る基板を得ても良い。また、サファイア等の異種基板上に窒化物半導体層を成長させる際、公知の横方向成長方法を用いて窒化物半導体の転位密度を低減しても良い。この場合、基板１０内の転位密度は必ずしも均一にならないが、基板１０の窒化物半導体を成長すべき主面における平均の転位密度が好ましい範囲内にあれば良い。さらに、適切な種結晶を用いて成長させた窒化物半導体結晶のインゴットから切り出したウエハを基板１０としても良い。【００６２】
（ｎ型窒化物半導体層２８）
ｎ型窒化物半導体層２８としては、ｎ側電極４０を形成するコンタクト層としての機能や、活性層３２に電子を供給する機能、活性層３２にキャリアや光を閉じ込める機能などを持つ構造とすることが好ましい。尚、窒化物半導体から成る基板１０の裏面にｎ側電極４０を形成する場合は、ｎ型窒化物半導体層２８にコンタクト層としての機能が不要であることは言うまでもない。【００６３】
本実施の形態では、図１に示すように、ｎ側電極４０を形成するためのｎ型コンタクト層１４が２〜３０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍの厚膜に形成されている。ｎ型コンタクト層１４には、他の領域より高濃度にｎ型不純物がドープされることが好ましい。好ましくは、シリコン等のｎ型不純物を１×１０18〜５×１０19ｃｍ−２の濃度でドープする。このように厚膜で高濃度にｎ型不純物がドープされたｎ型コンタクト層を形成することにより、ｎ側電極４０から注入された電流を面内に拡散させて活性層３２に供給することができる。また、図１のようにｐ型窒化物半導体層３４と活性層３２の一部を除去してｎ型コンタクト層１４を露出させる場合、製造時に除去深さが多少ばらついても安定してｎ型コンタクト層１４を露出させられるように、ｎ型コンタクト層１４自身が厚膜であることが好ましい。【００６４】
電荷供給と面内拡散を行うｎ型コンタクト層１４の他に、活性層３２に向かって積層方向にキャリアを移動・供給させる介在層や、キャリアを活性層３２に閉じこめるクラッド層などを設けることが好ましい。また、ｎ型コンタクト層１４と活性層３２の間に、ｎ型コンタクト層１４より低濃度のｎ型不純物を含むか若しくはアンドープの低不純物濃度層（単層でも多層膜でも良い）を設けることも好ましい。これは不純物濃度の高いｎ型コンタクト層１４で悪化した結晶性を回復させて、その上に成長させるｎ型窒化物半導体層や活性層の結晶性を良好にする作用をもつ。また駆動時にあっては、ｎ型コンタクト層１４などの高不純物濃度層に隣接して低不純物濃度層を設けることでキャリアの面内拡散を促進させ、また、静電耐圧も向上させることができる。本実施の形態では、ｎ型コンタクト層１４の上に、アンドープのｎ型窒化物半導体層１６、２０、２４とｎ型不純物をドープしたｎ型窒化物半導体層１８、２２を交互に積層し、最後に超格子構造を持つｎ型窒化物半導体層２６をクラッド層として形成している。【００６５】
超格子構造のｎ型窒化物半導体層２６は、少なくとも２種の層を交互に積層させたような周期構造とすることが好ましい。具体的には、Ｉｎを含む窒化物半導体層とそれとは異なる組成の層の周期構造とすることが好ましい。例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｘ＜ｙ＜１）を繰り返した周期構造を持つ多層膜を形成すれば、活性層の結晶性を向上できる。この効果は、特にＩｎを含む窒化物半導体層を井戸層として用いた活性層について顕著である。また多層膜としては、組成が異なる層による周期構造の他、組成傾斜構造であっても良い。また、これらの構造において不純物濃度を変調させたり、膜厚を変動させても良い。多層膜は２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１０ｎｍ以下の膜厚の層を積層した構造とすれば活性層の結晶性向上に有利である。【００６６】
また、図１に示すように、ｎ型コンタクト層１４よりも下側に下地層１２を形成しても良い。この下地層１２は、素子の動作部に含めても良いが、通常は素子構造を結晶性よく成長させる目的で、素子として機能しない非動作部として設けられる。下地層１２は、単結晶となる温度で成長させ、５ｎｍ〜０．１μｍ程度の膜厚で形成することが好ましい。【００６７】
（活性層３２）
活性層３２は、量子井戸構造であることが好ましい。量子井戸構造としては、井戸層が１つの単一量子井戸構造や、複数の井戸層が障壁層を介して積層した多重量子井戸構造がある。いずれの場合も井戸層が発光層となる。単一量子井戸構造の場合、井戸層の両側を障壁層で挟んだ構造としても良い。量子井戸構造の井戸層に限らず、発光層としてはＩｎを含む窒化物半導体が好ましい。Ｉｎを含む窒化物半導体を発光層に用いれば、紫外域から可視光（赤色光）の領域において好適な発光効率が得られる。特に発光層にＩｎＧａＮ層を用いること、Ｉｎの混晶比を変化させて所望の発光波長を得ることができ好ましい。このほかＧａＮ、ＡｌＧａＮなどのＩｎＧａＮよりもバンドギャップの広い窒化物半導体を発光層に用いて、紫外域を発光する発光素子としても良い。【００６８】
また、量子井戸構造の活性層３２において、障壁層は井戸層よりバンドギャップが広い層である。例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを障壁層として設けることが好ましい。障壁層の膜厚は、３ｎｍ以上、より好ましくは４ｎｍ以上とすることが望ましく、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下とすることが望ましい。井戸層は薄い方が好ましく、１０ｎｍ以下とすることが望ましい。これによって量子効率に優れた活性層が得られる。また、井戸層や障壁層に、ｎ型又はｐ型不純物がドープされていても良い。障壁層は、井戸層間に一層以上設けても良い。尚、多重量子井戸構造を持つ活性層３２のバンドギャップの大きさを他の層と対比する場合には、活性層中３２の井戸層のバンドギャップで考える。【００６９】
（ｐ型窒化物半導体層３４）
ｐ型窒化物半導体層３４としては、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体であれば、その組成は特に問わないが、ＧａＮ、Ａｌ比率０．２以下のＡｌＧａＮ、Ｉｎ比率０．２以下のＩｎＧａＮとすることができ、より好ましくはＧａＮとするとｐ側電極３６の材料と好ましいオーミック接触が得られやすい。【００７０】
（ｐ側電極３６）
ｐ側電極３６は、ｐ型窒化物半導体層３４とオーミック接触が取れる材料で構成し、好ましくはｐ型窒化物半導体層３４のほぼ全面に形成する。ｐ型窒化物半導体層３４の側から発光を取り出す場合には、ｐ側電極３６は、活性層３２の発光に対して透光性であることが好ましい。ｐ側電極３６としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｗ、Ｔｉから選択される少なくとも１種を含む導電性の酸化物、具体的には、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２及びこれらの複合酸化物が挙げられる。また、ＮｉとＡｕを含む金属薄膜等も好適に用いることができる。一方、基板１０の下面側から発光を取り出す場合には、ｐ側電極３６は、活性層３２の発光を反射する材料とすることが好ましく、Ａｇ、Ａｌ、Ｒｈなどを用いることができる。また、ｐ側電極３６として、前記の透光性電極とＡｇ、Ａｌ、Ｒｈなどの反射膜、誘電体ミラー等の組み合わせによる反射構造なども好適に用いることができる。【００７１】
（ｐ側パッド電極３８）
ｐ側パッド電極３８は、ｐ側電極３６と低抵抗な状態で接続できるように材料が選択される。ｐ側パッド電極３８を積層構造で設ける場合、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせとすることができる。具体例として、ｐ側電極３６と接続する側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈなどを用いて構成することができる。【００７２】
（ｎ側電極４０）
本実施の形態では、ｐ型窒化物半導体層３４と活性層３２の一部を除去してｎ型窒化物半導体層２８を露出させ、その露出したｎ型窒化物半導体層２８にｎ側電極４０を形成している。この場合、ｎ側電極４０には、ｐ側パッド電極３８と同様の材料を使うことができる。即ち、ｎ側電極４０を積層構造で設ける場合、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉのいずれかの金属またはこれらの合金やそれらの組み合わせとすることができる。具体例として、ｎ型窒化物半導体層２８と接続する側からＴｉ／Ｒｈ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｒｈ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｒｈなどを用いて構成することができる。ｎ側電極４０の材料をｐ側パッド電極３８と同一にすれば、ｎ側のｐ側の電極を同時に形成できるため有利である。【００７３】
一方、ｎ側電極４０を窒化物半導体から成る基板１０の下面に形成しても良い。ｎ側電極４０を基板１０の下面に形成すれば、ｐ側電極３６からｎ側電極４０に向けて窒化物半導体層の全面に均一な電流を流しやすくなる。また、ｐ型窒化物半導体層３４の側から発光を取り出す場合、図１のように窒化物半導体層側にｎ側電極４０が形成されているとｎ側電極４０によって発光が遮られるため、発光の取り出し効率が低下する。したがって、ｎ側電極４０を基板１０の下面に形成することで、ｎ側電極４０による遮光の問題をなくし、発光の取り出し効率を向上することができる。ｎ側電極４０を基板１０の下面に形成する場合、基板１０の下面側から、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｗ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｖ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／ＴｉＮ／Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｉのような複数の金属を含む多層膜で構成することができる。また、ｎ側電極４０をオーミック電極とパッド電極とに分けて構成してもよい。【００７４】
実施の形態２
図４は、本件発明の実施の形態２に係る窒化物半導体発光ダイオード１を示す模式断面図である。本実施の形態では、中間層３０がｎ型窒化物半導体層２８の中に形成されている。その他の点は、実施の形態１と同様である。【００７５】
図４に示す通り、中間層３０で発生した転位は、窒化物半導体層の成長に伴って上方に進行する。このため、基板１０の主面に垂直な断面から見て、ｎ型窒化物半導体層２８と活性層３２とｐ型窒化物半導体層３４を含む窒化物半導体層全体のうち、中間層３０よりも上側の領域は転位密度が相対的に高くなり（以下、「高転位密度領域５２」）、中間層３０よりも下側の領域は転位密度が相対的に低くなる（以下、「低転位密度領域５０」）。窒化物半導体から成る基板１０とｎ型窒化物半導体層２８の界面では新たな転位がほとんど発生しないため、低転位密度領域５０の転位密度は基板１０内の転位密度と同程度となる。本実施の形態のように、中間層３０をｎ型窒化物半導体層２８の中に形成すれば、窒化物半導体層の全体に占める高転位密度領域５２の割合を減少させられるため好ましい。高転位密度領域５２の割合を減少させれば、後述する通り、ウエハへの反りの発生を抑制することができる。また、中間層３０をｎ型窒化物半導体層２８の中に形成すれば、中間層３０が活性層３２に近づくため、中間層３０で発生した転位が活性層３２の発光領域に到達し易くなる。【００７６】
ここで中間層３０の位置と反りの関係について説明する。窒化物半導体層の熱膨張係数は転位密度に依存しており、転位密度が大きい程、熱膨張係数も大きくなる。このため窒化物半導体から成る基板１０の上に窒化物半導体層を成長していくと、基板１０の上から中間層３０まで、即ち、低転位密度領域５０では熱膨張係数が基板１０とあまり変わらないためウエハの反りがあまり発生しないが、中間層３０から上の高転位密度領域５２では熱膨張係数が大きいため図５に示すようにウエハが凹状に反る傾向がある。この凹状の反りは、窒化物半導体層全体の中で高転位密度領域５２の割合が高くなるほど強くなる。ウエハの反りが大きくなると、窒化物半導体層にクラックが発生したり、ウエハ面内の波長分布が大きくなるなどの種々の問題が生じる。【００７７】
したがって、中間層３０をｎ型窒化物半導体層２８の中に形成する場合、高転位密度領域５２の窒化物半導体層全体に占める割合、即ち、中間層３０よりも上側のｎ型窒化物半導体層２８と活性層３２とｐ型窒化物半導体層３４との合計膜厚が、ｎ型窒化物半導体層２８と活性層３２とｐ型窒化物半導体層３４の合計膜厚に対する割合が２／３以下、より好ましくは１／２以下、さらに好ましくは１／３以下であることが望ましい。また、高転位密度領域５２の厚さが、クラックの発生する臨界膜厚以下となることが必要であり、４μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下であることが望ましい。【００７８】
尚、熱膨張係数の違いによるウエハの反りは窒化物半導体層の成長温度にも依存する。熱膨張係数差が同じ程度であっても、窒化物半導体層の成長温度が高いほど、ウエハの反りは大きくなる。特に活性層３２がＩｎを含む窒化物半導体から成る場合、活性層３２とその上に形成されるｐ型窒化物半導体層３４は、ｎ型窒化物半導体層２８よりも低温で成長される。このため相対的に高温で成長されるｎ型窒化物半導体層２８の成長中において、ウエハの反りがより強く発生し易い。したがって、窒化物半導体層全体の中での中間層３０の位置に加えて、ｎ型窒化物半導体層２８中での中間層３０の位置も重要となる。ｎ型窒化物半導体層の中でも、基板１０よりも活性層３２に近い位置に中間層３０形成することが好ましい。中間層３０よりも上側にあるｎ型窒化物半導体層２８の膜厚が、ｎ型窒化物半導体層２８の全膜厚の１／２以下、より好ましくは１／３以下、さらに好ましくは１／４以下となる位置に中間層３０を形成することが望ましい。【００７９】
ｎ型窒化物半導体層２８が複数の層から成る場合であっても、上記の考慮に基づいて中間層３０の好ましい位置を決めれば良い。本実施の形態では、図４に示すように、ｎ型窒化物半導体層２８中の最も厚いｎ型コンタクト層１４の内部に中間層３０が形成されている。ｎ型コンタクト層１４の内部であれば、残りのコンタクト層を成長しつつ成長面の平坦性を一旦回復させることが可能であり、別途結晶性回復層のようなものを設けずとも以降のエピ構造を高品質に形成することができ生産性がよい。また本実施の形態のように低温で成長した窒化物半導体から成る中間層は導電性が比較的高いため、コンタクト層中での電流拡散においても有利に作用する。【００８０】
また、基板１０の主面に垂直な断面において、低転位密度領域５０、即ち中間層３０よりも下側では平均の転位密度が１×１０８ｃｍ−２よりも小さく、高転位密度領域５２、即ち、中間層３０よりも上側では平均の転位密度が１×１０８ｃｍ−２よりも大きいことが好ましい。基板１０の主面に垂直な面内において、上下方向の位置で転位密度が変わる場合、低転位密度領域５０における平均の転位密度は中間層３０の直下で規定し、高転位密度領域５２における平均の転位密度は中間層３０の直上で規定すればよい。【００８１】
実施の形態３
本実施の形態では、窒化物半導体から成る基板１０の下面に光の進行方向を変えて多重反射を抑制するための凹凸を形成することにより、発光の取り出し効率を高める。その他の点は、実施の形態１又は２と同様である。【００８２】
図６は、本実施の形態において基板１０に形成する凹凸の一例を示す斜視図である。便宜のため、基板１０の下面を上側にして基板１０のみを図に表している。図６の例では、基板１０の下面に四角錐状の凸部５４を縦横２方向に正方配列している。このような凸部５４を形成することにより、発光ダイオードの光取り出し効率が大巾に向上する。基板１０の下面に凹凸を形成した場合には、発光ダイオード１をフェースダウン実装して、基板１０の下面から光を取り出すことが好ましい。【００８３】
凸部又は凹部の形状は、光の進行方向を変えて多重反射を抑制できる形状であれば特に限定されないが、先端に平坦部がない形状が好ましい。例えば、四角錐などの角錐、円錐、半球、ドーム形状（変形した半球を含む）などである。また、凸部又は凹部の外寸は、０．１μｍ以上、より好ましくは０．２μｍ以上であることが望ましく、２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下であることが望ましい。尚、凸部又は凹部の外寸は、基板主面に平行な方向における最大の寸法で規定する。また、凸部又は凹部のピッチは、０．１μｍ以上、より好ましくは０．２μｍ以上であることが望ましく、２０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下であることが望ましい。尚、凸部又は凹部のピッチは、凸部又は凹部の中心同士の距離である。方位によってピッチが異なる場合、最大のピッチを上記範囲内とすることが好ましい。凸部又は凹部の寸法やピッチが上記範囲にあることで、光取り出し効率を効果的に向上することができる。【００８４】
基板１０の下面に凹凸を形成するには、ドライエッチングを用いてもウェットエッチングを用いてもどちらでも形成可能である。ただし、例えば、凸部の先端に平坦部が無い形状（曲面や先端の尖った形状など）や、凸部と隣の凸部との基端を隣接させる形態を得るためには、ウェットエッチングが好ましい。ウェットエッチングの溶液としては、異方性のエッチング溶液として、ＫＯＨ水溶液、４メチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ：Tetramethyl ammonium hydroxide水酸化テトラメチルアンモニウム）やエチレンジアミン・ピロカテコール（ＥＤＰ：Ethylene diamine pyrocatechol）などを用いることができる。またエッチング前に、研磨、研削、酸素プラズマによるアッシング、ブラスト処理などの前処理を行ってもよい。凸部又は凹部の形状、寸法、ピッチなどは、ウェットエッチング液の選択、ウェットエッチングの温度、濃度、時間などによって制御することができる。【００８５】
実施の形態４
本実施の形態では、窒化物半導体から成る基板１０と窒化物半導体層（ｎ型窒化物半導体層２８、活性層３２、ｐ型窒化物半導体層３４）の側面を逆メサ形状とすること、即ち、上側から下側に向けて内側に傾斜した傾斜面とすることにより、発光の取り出し効率を高める。その他の点は、実施の形態１又は２と同様である。【００８６】
図７は、本実施の形態に係る窒化物半導体発光ダイオード１を示す模式断面図である。図７に示すように、窒化物半導体から成る基板１０と窒化物半導体層（ｎ型窒化物半導体層２８、活性層３２、ｐ型窒化物半導体層３４）の側面５６は、上側から下側に向けて内側に傾斜した傾斜面となっている。このような傾斜面５６は、窒化物半導体層と基板を構成する半導体の特定の結晶面として形成した場合には、傾斜面の傾斜角度の精度が結晶構造によって規制されるため、安定した傾斜面を形成することができる。結晶面はエッチング法によって形成することができる。結晶をエッチングすると、その結晶構造に依存してエッチングレートが異なり、特定の結晶面を形成することができる。とりわけウェットエッチング法により特定の結晶面を高精度に形成することができる。一方、ｎ側電極４０の形成面を露出するための切欠部５８は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等で形成され、その側面６０が傾斜していない垂直面となっている。【００８７】
本実施の形態に係る発光ダイオード１は、以下のように動作することで発光の取り出し効率が向上する。ここでは発光ダイオード１がフェースアップ実装され、ｐ型窒化物半導体層３４から光が取り出される場合について説明する。発光ダイオード１に電流が印可されると活性層３２からランダムな方向に光が放出される。活性層３２から放出され、観測面方向である上方向に進行する光線は、透光性のｐ側電極３６を透過して外部に取り出される。活性層３２から放出され、下方向に進行する光線は、発光ダイオード１の実装面６２で反射され、窒化物半導体発光ダイオード内を横方向に伝播する。しかし、横方向に伝播した光は、発光ダイオードの外周に設けられた傾斜面５６で上方向（観測面方向）に反射され、ｐ側電極３６を透過して外部に取り出される。また、活性層３２から横方向に放出され、あるいは発光ダイオード内を導波して、切欠部５８に向かって進行する光は、略垂直に形成された側面６０に到達し、その一部は側面６０出射される。残りの光は反射して発光ダイオード内に戻るが、発光ダイオードの外周に達すると傾斜面５６で上方向に反射され、外部に取り出される。このようにして、発光ダイオード内を横方向に伝播する光を上方向に向かわせることで、発光の取り出し効率が向上する。【００８８】
傾斜面５６の形成方法について具体的に説明する。ここではサファイア基板上に厚膜のＧａＮ系化合物半導体層を成長して窒化物半導体基板１０とし、その上に素子構造を構成するＧａＮ系化合物半導体層を形成し、最後のサファイア基板を除去して発光ダイオードを作製する場合を例に説明する。サファイア基板のＣ面上に有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法） によってＧａＮ系化合物半導体結晶を成長させると、半導体結晶のＮ極性面である（０００−１）面をサファイア基板との界面とし、ｃ軸方向に成長した半導体結晶を形成することができる。次に、ＳｉＯ２等の適当なマスクを用いて反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングによってＧａＮ系半導体層をサファイア基板が露出するまでエッチングし、発光ダイオード１の側面を形成する。こうして形成された発光ダイオード１の側面は垂直面となる。前の工程におけるマスクを残したまま、発光ダイオード１をピロリン酸液、水酸化カリウム水溶液等を用いたエッチング液に浸漬することにより、マスクの形成されていない外周側面がウェットエッチングされ、半導体結晶の結晶性に応じた結晶面が形成され、傾斜面５６となる。半導体としてＧａＮ系化合物半導体を用い、サファイア基板と接する界面を（０００−１）面、すなわちＮ 極性面として形成した場合には、Ｎ極性面側の方がエッチングレートが早いため、エッチングが進行するほど、積層構造の下側が内側に削られ、逆傾斜面５６が形成される。さらに、エッチングを進めることにより、エッチング面は｛１−１０２｝面、３０°回転Ｒ面を形成するようになる。ここでエッチングを終了することにより、｛１−１０２｝面からなる傾斜面５６が形成される。エッチングの後、フッ酸を用いたエッチング等によりマスクを除去することで、図７に示すような発光ダイオード１が得られる。このようにして形成した半導体結晶の側面は、｛１−１０２｝面（Ｒ面）、若しくは当該面からｃ軸で３０°回転した面となる。｛１−１０２｝面は（１−１０２）面と同価な６つの面の集合であり、傾斜面５６となる。十分な時間をかけてエッチングを行うことにより、窒化物半導体の積層構造は、六角錐台若しくは、上記３０°回転したＲ面を加えた十二角錐台の形状、若しくはその一部形状となる。傾斜面５６は、半導体結晶の｛１−１０２｝面又は３０ °回転Ｒ面に属する。このように傾斜面５６を半導体結晶の結晶構造によって規制することにより、精度の安定した傾斜面５６を形成することができる。尚、傾斜面５６を形成した半導体結晶の立体形状は、六角錐台や十二角錐台に限られない。四角錐台や円錐台であっても良い。【００８９】
また、本実施の形態では、発光ダイオードをフェースアップ実装する場合について説明したが、フェースダウン実装をしても構わない。また、基板１０が窒化物半導体層に比べて十分に厚い場合には、基板１０の側面だけを傾斜面としても良い。【００９０】
実施の形態５
本実施の形態では、図８に示すように、窒化物半導体層（ｎ型窒化物半導体層２８、活性層３２、ｐ型窒化物半導体層３４）の側面と基板１０の側面と基板１０の下面とを連続した半球面とすることにより、発光の取り出し効率を向上させる。或いは、基板１０の側面と下面とを連続した半球面としても良い。尚、図８では、図面の簡単のため、具体的な素子構造は省略して示している。また、基板１０の下面を上側にして表している。その他の点は、実施の形態１又は２と同様である。このような形状にすることで、活性層３２の発光をさらに効率良く取り出すことができる。窒化物半導体層の側面と基板１０の側面と基板１０の下面とを連続した半球面とするには、機械研磨などの方法を用いることができる。【００９１】
また、上記の半球面を覆うように、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＭｇＦ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５等絶縁性の透光性保護膜又はＳｎＯ２、ＩＴＯのような導電性の透光性保護膜を形成し、この層を無反射コート（ＡＲコート）膜とすることが好ましい。例えば、保護膜の膜厚をｔ、窒化ガリウム系化合物半導体の発光波長をλ、λにおける保護膜の屈折率をｎとすると、ｔ＝Ａλ／（４ｎ）（但し、Ａは自然数）の関係で形成することが好ましい。この膜厚で保護膜を形成することにより、発光波長λの光に対し無反射コートの条件を満たし、界面で反射すること無く、光を透過させることができる。Ａ値は特に限定するものではないが、５以下の自然数を選択する方が膜厚を薄く形成でき、発光が吸収される量が少なくなるため、さらに好ましい。保護膜は、単層でも多層でも良い。また、導電性の保護膜を用いる場合、短絡を防止するため、ｎ型窒化物半導体層２８、活性層３２、及びｐ型窒化物半導体層３４の側面に連続して保護膜を設けないようにする。【００９２】
例えば、半球面をＳｎＯ2よりなる保護膜で覆い、発光ダイオードの全体をエポキシ樹脂によって封止する。窒化物半導体の屈折率がおよそ２、エポキシ樹脂の屈折率がおよそ１．５であり、ＳｎＯ2膜の屈折率が１．９であるので、ＳｎＯ2膜が緩衝層となり、界面での光の反射を少なくすることができる。特に、ＳｎＯ2膜の膜厚ｔをｔ＝λ／（４ｎ）の厚さに設定することにより、ＳｎＯ2膜は無反射コートとして作用し、反射をほとんど無くすることができる。【００９３】
実施の形態６
本実施の形態では、実施の形態１〜５の発光ダイオード１を用いた発光ダイオードランプ（発光装置）について説明する。発光ダイオード１は、例えば図９に示すようなパッケージに実装されて発光ダイオードランプとなる。図９の例では、基板１０の下面側から発光を取り出せるように、発光ダイオード１をサブマウント上にフェースダウン実装（又はフリップチップ実装）している。図９では、発光ダイオード１が図１等とは上下逆に示されている。【００９４】
図９の発光ダイオードランプでは、発光ダイオード１はサブマウント６６上にフェースダウン実装され、ｐ電極及びｎ電極がサブマウント内の電極７４にはんだバンプ７２を介して接続されている。サブマウント６６上に固定された発光ダイオード１は、封止樹脂６８で覆われており、封止樹脂内には発光ダイオード１の発光の一部を波長変換する波長変換部材７０が分散されている。これにより、発光ダイオード１からの出射光と、波長変換部材７０で波長変換された光との加色混合により、所望の色の光を発光可能な発光ダイオードランプとできる。サブマウント６６は、適当な接着剤を用いて支持体７６に固定され、サブマウントの電極７４は支持体７６に形成された電極７８とワイヤ８０で接続されている。そして、サブマウント６６と発光ダイオード１と封止樹脂６８の全体を覆うように、中空ドーム状の樹脂レンズ８２が支持体７６に接着されている。【００９５】
波長変換部材７０としては、封止樹脂６８に分散された蛍光体を用いることができる。この他に、蛍光体の結晶自身から成る板状部材を波長変換部材７０としても良い。蛍光体としては、銅で付括された硫化カドミ亜鉛、セリウムで付括されたＹＡＧ系蛍光体、及びＬＡＧ系蛍光体等が挙げられる。特に、高輝度且つ長時間の使用時においては（Ｒｅ1-xＳｍx）3（Ａｌ1-yＧａy）5Ｏ12：Ｃｅ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１、但し、Ｒｅは、Ｙ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｌｕ、Ｔｂからなる群より選択される少なくとも一種の元素である。）等が好ましい。またＹＡＧ、ＬＡＧ、ＢＡＭ、ＢＡＭ：Ｍｎ、ＣＣＡ、ＳＣＡ、ＳＣＥＳＮ、ＳＥＳＮ、ＣＥＳＮ、ＣＡＳＢＮ及びＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕからなる群から選択される少なくとも１種を含む蛍光体が使用できる。【００９６】
尚、本実施の形態では、発光ダイオード１をフェースダウン実装する例について説明したが、フェースアップ実装でも構わない。但し、発光ダイオード１をフェースダウン実装すれば、光の取り出し効率をより高め、高輝度の発光ダイオードランプとすることができる。フェースダウン実装する場合、特に実施の形態３又は実施の形態５に示した発光ダイオード１を用いることが有利である。【００９７】
尚、上記実施形態１〜６では、窒化物半導体基板１０の上に、ｎ型窒化物半導体層２８、活性層３２、ｐ型窒化物半導体層３４の順に形成する実施形態について説明したが、逆に、基板１０の上に、ｐ型窒化物半導体層３４、活性層３２、ｎ型窒化物半導体層２８の順に積層された構造でも良い。後者の場合、ｐ型窒化物半導体層３４が第１導電型窒化物半導体層となり、ｎ型窒化物半導体層２８が第２導電型窒化物半導体層となる。また、上記実施形態のｎ型窒化物半導体層２８と中間層３０の関係に関する説明を、適宜、ｐ型窒化物半導体層３４と中間層３０の関係に置き換えれば良い。
【実施例】
【００９８】
（実施例１）
図１に示す構造の発光ダイオード１を以下のよう作製した。
（基板１０）
基板１０として、転位密度が４×１０６ｃｍ−２であるＧａＮ基板を用いた。Ｃ面を主面とするＧａＮ基板１０をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、基板の温度を１１４０℃まで上昇させ、水素と窒素をキャリアガスとし、アンモニアを流しながら基板のクリーニングを行った。    【００９９】
（中間層３０）
次に、温度を５１０℃に下げ、水素と窒素をキャリアガスとし、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニアを流しながら、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る中間層３０を均一な層ができている場合に９ｎｍの見込み膜厚（＝単結晶である場合の見込みの膜厚）となるだけの時間成長させた。【０１００】
（下地層１２）
温度を１１４０℃まで上昇させ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層からなる下地層１２を約１．５μｍの膜厚で成長させた。【０１０１】
（ｎ型コンタクト層１４）
１１４０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５Ｘ１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１４を４．１６μｍの膜厚で成長させた。【０１０２】
（第１のｎ型層１６）
１１００℃で、シランガスのみを止めてアンドープＧａＮ層からなる第１のｎ型層１６を約１４５ｎｍの膜厚で成長させた。【０１０３】
（第２のｎ型層１８）
１１００℃で、シランガスを用いＳｉを５Ｘ１０１７／cm３ドープしたＳｉドープＧａＮ層からなる第２のｎ型層１８を約１０ｎｍの膜厚で成長させた。【０１０４】
（第３のｎ型層２０）
１１００℃で、シランガスのみを止めてアンドープＧａＮ層からなる第３のｎ型層２０を約１４５ｎｍの膜厚で成長させた。【０１０５】
（第４のｎ型層２２）
１１００℃で、シランガスを用いＳｉを１Ｘ１０１９／cm３ドープしたＳｉドープＧａＮ層からなる第４のｎ型層２２を約３０ｎｍの膜厚で成長させた。【０１０６】
（第５のｎ型層２４）
１１００℃で、ＴＭＧ、アンモニアを用いてアンドープＧａＮ層からなる第５のｎ型層２４を約５ｎｍの膜厚で成長させた。【０１０７】
尚、第５のｎ型層２４は、Ａｌ比率が０．２以下のＡｌＧａＮ、またはＩｎ比率が０．１以下のＩｎＧａＮ、より好ましくはＧａＮとすると好ましい。また、第１のｎ型層１６〜第５のｎ型層２４はそれぞれが異なる組成でもよいが、同一組成であることが好ましく、より好ましくはＧａＮとすることができる。また、第５のｎ型層２４におけるｎ型不純物濃度は、１Ｘ１０１８／cm3以下、好ましくは５Ｘ１０１７／cm3以下、より好ましくは１Ｘ１０１７／cm3以下とすることができる。これらのｎ型不純物濃度範囲はそれぞれがアンドープを含むものとする。第２のｎ型層１８および第４のｎ型層２２のｎ型不純物濃度は、第５のｎ型層２４の不純物濃度よりも高くすることができる。第５のｎ型層２４の膜厚は、１〜１００ｎｍ、好ましくは１．５〜５０ｎｍ、より好ましくは２．５〜１５ｎｍであり、よりいっそう好ましくは３〜８ｎｍとすることができる。第５のｎ型層２４の膜厚が１ｎｍ未満では静電耐圧が低下し、一方、１００ｎｍを超えるとＶｆが上昇するばかりでなく静電耐圧も低下する傾向がある。【０１０８】
（超格子構造のｎ型多層膜２６）
ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮ層を約３．５ｎｍ成長させ、続いて温度を下げ、その上にＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いてアンドープＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を約１．５ｎｍ成長させた。そしてこれらの操作を繰り返し、交互に１０層づつ積層し、最後にアンドープＧａＮ層を約３．５ｎｍ成長させた超格子構造よりなるｎ型多層膜２６を成長させた。【０１０９】
ｎ型多層膜層２６は、組成の異なる少なくとも２種類以上の窒化物半導体から構成されていればよく、好ましい組成としては、Ａｌ比率０．１以下のＡｌＧａＮ（ＧａＮ含む）とＩｎ比率が０．１以下のＩｎＧａＮとの２種類の組成が挙げられる。超格子構造のｎ型多層膜２６を構成する単一層の膜厚は、特に限定されないが、１０ｎｍ以下、好ましくは７ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下とする。これにより出力が向上する傾向にある。また超格子構造のｎ型多層膜２６を構成する単一層はそれぞれ、アンドープでも、ｎ型不純物がドープされていてもよいが、好ましくは全層をアンドープとすることができる。また、ここでは第５のｎ型層２４と活性層３２の間に超格子構造のｎ型多層膜２６を用いたが、超格子構造のｎ型多層膜２６のかわりに、たとえば膜厚１０ｎｍ以上の厚膜からなる単一層を設けることもできる。【０１１０】
（活性層３２）
アンドープＧａＮよりなる障壁層を２０ｎｍの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる井戸層を２ｎｍの膜厚で成長させた。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層４層交互に積層して、総膜厚１０８ｎｍの多重量子井戸構造よりなる活性層３２を成長させた。【０１１１】
（ｐ型窒化物半導体層３４）
８７０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１Ｘ１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型窒化物半導体層３４を１００ｎｍの膜厚で成長させた。【０１１２】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウエハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型窒化物半導体層３４をさらに低抵抗化した。アニーリング後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型窒化物半導体層３４の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型窒化物半導体層３４側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ型コンタクト層１４の表面を露出させた。【０１１３】
エッチング後、最上層にあるｐ型窒化物半導体層３４のほぼ全面にＩＴＯよりなる透光性のｐ側電極３６と、その上にボンディング用のＴｉ／Ｒｈ／Ａｕから成るｐ側パッド電極３８を形成した。一方、エッチングにより露出させたｎ型コンタクト層１４の表面にはｐ側パッド電極３８と同一工程にて同じ部材からなるｎ側電極４０を形成した。【０１１４】
最終的に３２０μｍ角のチップにカットして発光ダイオード１を得た。発光ダイオード１内の中間層３０は、平均厚さが１５ｎｍの島状であった。島の平均外径と平均高さは、各々１２０ｎｍ、１９ｎｍあった。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察したところ、中間層３０の島状部分３０ａからａ軸ベクトルを持つ転位が発生しており、基板面に垂直に進行した後、基板から約１．７μｍのところで２〜７度傾斜していた。転位は、全てａ軸ベクトルをもつ刃状転位であった。また、島状部分３０ａから発生した転位を詳細に見ると、５〜１０ｎｍの間隔で並んだ２本の転位Ａ、Ｂがペアになっていた。転位Ａ、Ｂは、ｃ軸を中心として鏡面対象な{１−１０１}面をすべり面として、<１１−２３>方向に約１０ｎｍ伝播した後、（１−１００）面をすべり面として〔０００１〕方向に伝播していた。基板１０の表面に段差が存在しており、その上の中間層３０から転位が発生していた。中間層３０から１μｍだけ上の位置における平均の転位密度は、３．３×１０９ｃｍ−２であった。また、中間層３０の島状部分には、積層欠陥が多数存在していた。中間層３０で発生した転位が活性層３２を通過する部分にはＶピットが発生していた。活性層の発光領域における平均転位密度は、４．３×１０８ｃｍ−２であった。【０１１５】
この発光ダイオード１を、ワイヤーボンディングによりフェースアップ実装して得られる発光ダイオードランプは、Ｖｆが３．０Ｖ、光出力φｅが２４．３ｍＷであった。【０１１６】
（比較例１）
中間層３０を形成しない他は、実施例１と同様にして発光ダイオードランプを形成した。得られた発光ダイオードランプは、Ｖｆが３．７Ｖ、光出力φｅが１８．３ｍＷであった。【０１１７】
（実施例２）
基板１０として、実施例１とは異なるメーカ製のＧａＮ基板（転位密度２×１０６ｃｍ−２、厚さ４００μｍ）を用い、図１に示すように基板１０に中間層３０を直接形成したサンプルＡと、図４に示すようにｎ型コンタクト層１４の途中に中間層３０を形成したサンプルＢを作成した。サンプルＡは、基板１０を変え、中間層３０を見込み膜厚が１６ｎｍとなるだけの時間成長した他は、実施例１と同様にして作成した。サンプルＢは、基板１０を変え、中間層３０を下記のようにして形成した他は、実施例１と同様にして作成した。尚、サンプルＡ、Ｂ共に、窒化物半導体層のエピタキシャル成長の後にＧａＮ基板を研磨し、総厚を２００μｍとした。【０１１８】
（ｎ型コンタクト層１４（１））
１１４０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５Ｘ１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１４を３．１６μｍの膜厚で成長させた。【０１１９】
（中間層３０）
次に、温度を５１０℃に下げ、水素と窒素をキャリアガスとし、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニアを流しながら、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る中間層３０を均一な層ができている場合に１３ｎｍの見込み膜厚となるだけの時間成長させた。【０１２０】
（ｎ型コンタクト層１４（２））
温度を１１４０℃に上げ、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを５Ｘ１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１４を１μｍの膜厚で再成長させた。【０１２１】
サンプルＡとサンプルＢのウエハ面内の波長分布を測定したところ、サンプルＢの波長分布はサンプルＡに比べて大幅に改善していた。具体的には、サンプルＡでは、２インチウエハ面内で主波長が４４５．２ｎｍ〜５１７．２ｎｍの間に分布していたのに対し、サンプルＢでは、２インチウエハ面内で主波長が４４２．１ｎｍ〜４６３．７ｎｍに分布していた。また、サンプルＡでは、主波長の標準偏差が１８．８ｎｍであったのに対し、サンプルＢでは、主波長の標準偏差が４．４８ｎｍであった。【０１２２】
サンプルＢを用いて、上記以外は実施例１と同様にして発光ダイオード１を作製し、ワイヤーボンディングによりフェースアップ実装して発光ダイオードランプを得たところ、Ｖｆが２．９８Ｖ、光出力φｅが２７．３ｍＷであった。【０１２３】
（実施例３）
実施例２のサンプルＢにおいて、ｐ側電極３６であるＩＴＯの上に、絶縁膜としてＳｉＯ２を形成し、その上に第１反射層としてＮｂ２Ｏ３とＳｉＯ２との誘電体多層膜を形成し、さらに第２反射層としてＡｌを設けた。そして、これらの反射層に設けた貫通孔を通じてＩＴＯと通電するようにＴｉ／Ｒｈから成るｐ側パッド電極３８を設けた。このウエハを１ｍｍ角のチップに分割し、図９示すようなフェースダウン実装したところ、電流値が３５０ｍＡのとき、Ｖｆが３．１６Ｖ、光出力φｅが５４８．９ｍＷであった。【０１２４】
（実施例４）
実施例３の基板１０の裏面に、図６に示すように四角錐状の凸部を正方配列する。凸部は、底面の大きさを１００×１００μｍ、高さを５０μｍとする。これによって光取り出し効率が実施例３に比べて３３％向上する。【０１２５】
（実施例５）
実施例３において、図７に示すように、ＧａＮ基板１０とその上の窒化物半導体層の側面を３０°傾斜させる。これによって光取り出し効率が実施例３に比べて５１％向上する。【０１２６】
（実施例６）
実施例３において、図８に示すように、ＧａＮ基板１０とその上の窒化物半導体層を半球状に加工する。これによって光取り出し効率が実施例３に比べて７０％向上する【０１２７】
（実施例７）
実施例６において、ＧａＮ基板１０とその上の窒化物半導体層を半球状に加工した後、その表面に膜厚ｔがｔ＝λ／（４ｎ）となるＳｎＯ2の無反射コートを行う。これによって光取り出し効率が実施例３に比べて８４％向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本件発明は、窒化物半導体（ＡｌｘＩｎｙＧａ1-x-yＮ：０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）から成る基板上に形成された窒化物半導体発光ダイオードに適用することができ、バックライト用光源、照明光源など種々の光源として幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【０１２９】
１  窒化物半導体発光ダイオード
８  サファイア基板
１０  ＧａＮ基板（窒化物半導体から成る基板）
１２  下地層
１４  ｎ型コンタクト層
１６  第１のｎ型層
１８  第２のｎ型層
２０  第３のｎ型層
２２  第４のｎ型層
２４  第５のｎ型層
２６  超格子構造のｎ型多層膜
２８  ｎ型窒化物半導体層（第１導電型窒化物半導体層）
３０  中間層
３０ａ  島状部分
３２  活性層
３４  ｐ型窒化物半導体層（第２導電型窒化物半導体層）
３４ａ  リッジ部
３５  窒化物半導体層
３６  ｐ側電極
３８  ｐ側パッド電極
４０  ｎ側電極
４２  転位
４４  Ｖピット
４６  段差（ステップ）
５０  低転位密度領域
５２  高転位密度領域
５４  凸部
５６  傾斜面
５８  切欠部
６０  垂直面
６２  実装面
６４  凹凸構造
６４ａ  凸部
６４ｂ  凹部
６６  サブマウント
６８  封止樹脂
７０  波長変換部材
７２  はんだバンプ
７４  電極
７６  支持体
７８  電極
８０  ワイヤ
８２  樹脂レンズ
【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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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