(57)【要約】【課題】  歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子を提供する。【解決手段】  発光素子１０は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の（１００）、（８０１）または（０１０）の面にＧａＮバッファ層１２が形成され、このＧａＮバッファ層１２上にＧａＮ系化合物薄膜を成長され、Ｇａ２Ｏ３基板１１の下面にはｎ電極１８が設けられ、この下面に発光層１４からの発光光を反射する反射層１９が設けられている。Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（１００），（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断され、成長面が（０１０）面であれば（０１０）面であれば（１００）面または（００１）面に沿って劈開または切断される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、
前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。
【請求項２】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、
前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（０１０）であり、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、
前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（００１）であり、（１００）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子。
【請求項４】
前記化合物薄膜は、ＧａＮ系であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光素子。
【請求項５】
前記化合物薄膜は、Ｇａ２Ｏ３系であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子に関し、特に、歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光素子として、例えば、Ａｌ2Ｏ３からなるＡｌ2Ｏ３基板と、Ａｌ2Ｏ３基板の表面に形成されたＡｌＮ層と、ＡｌＮ層の上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によりエピタキシャル成長して形成されたＧａＮ成長層とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この発光素子によれば、Ａｌ2Ｏ３基板とＧａＮ成長層との間にＡｌＮ層を形成することにより、格子定数の不一致を低減して結晶品質の劣化を抑えることができる。
【特許文献１】特公昭５２−３６１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の半導体素子によれば、半導体基板を大型化、高品質化しようとすると、双晶化やクラッキングを生じさせないことが重要になるが、方位の定まっていないβ−Ｇａ2Ｏ３単結晶で基板を作製する場合、クラッキングが生じるため、劈開面（１００）以外の方位で切断することが難しい。β−Ｇａ2Ｏ３単結晶において半導体を成長させやすいのは、（００１）、（８０１）、（０１０）等の面であるが、上記したように、劈開面が（１００）面に限定されてしまうと、基板の外形を構成する面として利用できない面が生じる。また、劈開面が１つに限定されると、歩留りや量産性に限界が生じる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、歩留りおよび量産性の向上を可能にした発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（０１０）であり、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる基板と、前記基板上に形成された化合物薄膜とを有する発光素子において、前記基板は、前記化合物薄膜を成長させる面が、（００１）であり、（１００）面に沿って劈開または切断して形成されたことを特徴とする発光素子を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る発光素子によれば、化合物薄膜を成長させるのに適した複数の面に対し、それぞれの劈開面および切断面を広く選定できるようにしたため、歩留りや量産性の向上を可能にした発光素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図を示す。なお、図１においては、結晶面の構造を理解し易くするため、基板上の半導体部分は分離した状態で示している。この発光素子１０は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなるｎ型導電性を示すＧａ２Ｏ３基板１１の上に、ＧａＮからなる低温（ＬＴ）バッファ層としてのＧａＮバッファ層１２、ｎ型導電性を示すＧａＮからなるｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮを含む層からなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４（ただし、０≦ｘ≦１）、ｐ型導電性を示すＡｌｙＧａｘＮからなるｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ｐ型導電性を示すＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７を順次積層したものである。Ｇａ２Ｏ３基板１１の下面は、Ｇａ２Ｏ３基板１１に接してｎ電極１８が設けられ、最下層には、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４からの発光光を反射する反射層１９が設けられている。
【００１１】
Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（１００）面または（８０１）面であり、（００１）面に沿って劈開または切断されている。なお、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（０１０）面である場合、（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断してもよい。また、ＧａＮバッファ層１２の成長面が（００１）面である場合、（１００）面に沿って劈開または切断してもよい。ここで、切断は、ダイシングまたはスクライビングにより行なう。
【００１２】
ＧａＮバッファ層１２は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置を用いてＧａ２Ｏ３基板１１上に形成する。
【００１３】
Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４は、例えば、不純物を添加していないノンドープＩｎＧａＮからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をなしている。ＩｎとＧａの組成比を調節したり、ｐ型あるいはｎ型の導電性とすることにより、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。
【００１４】
ｐ電極１７は、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。ｐ電極１７の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｂｅ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｎ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｚｎ合金、Ａｕ−Ｂｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ｎｉ／Ａｕ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。このｐ電極１７は、透明であることが好ましい。
【００１５】
ｎ電極１８の材料として、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｂ等の金属単体、これらのうち少なくとも２種の合金（例えば、Ａｕ−Ｇｅ合金）、これらを２層構造に形成するもの（例えば、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏ）、あるいはＩＴＯ等を用いることができる。
【００１６】
＜基板の形成方法＞
次に、Ｇａ２Ｏ３基板１１の形成方法について説明する。まず、Ｇａ２Ｏ３基板１１の素材となるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶を作成する。このβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶は、ＦＺ（フローティングゾーン）法により製造される。最初に、β−Ｇａ２Ｏ３種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材を準備する。
【００１７】
β−Ｇａ２Ｏ３種結晶は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶から劈開面の利用等により切り出した断面正方形の角柱状を有し、その軸方向は、ａ軸＜１００＞方位、ｂ軸＜０１０＞方位、あるいはｃ軸＜００１＞方位にある。
【００１８】
β−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材は、例えば、純度４ＮのＧａ２Ｏ３粉末をゴム管に充填し、それを５００ＭＰａで冷間圧縮した後、１５００℃で１０時間焼結することにより得られる。
【００１９】
次に、石英管中において、全圧が１〜２気圧の窒素と酸素の混合気体（１００％窒素から１００％酸素の間で変化）の雰囲気の下、β−Ｇａ２Ｏ３種結晶とβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。溶解したβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶をβ−Ｇａ２Ｏ３種結晶の軸方向と同じ方向（ａ軸、ｂ軸、あるいはｃ軸の方向）に成長させる。さらに、種結晶から遠ざかる方向にβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ｇａ２Ｏ３多結晶を冷却していき、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶を得る。
【００２０】
β−Ｇａ２Ｏ３単結晶は、ｂ軸＜０１０＞方位に結晶成長させる場合は、（１００）面の劈開性が強くなるので、（１００）面に平行な面と垂直な面、例えば、（００１）面に沿った面で劈開または切断してβ−Ｇａ２Ｏ３基板を作製する。これにより、クラック等の発生を低減することが可能になる。
【００２１】
このようにして作製したＧａ２Ｏ３基板１１の比抵抗を測定した結果、室温で０．１Ω・ｃｍ以下の値が得られた。
【００２２】
なお、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、β−Ｇａ２Ｏ３からなることを基本とするが、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群から選ばれる１種以上を添加したＧａを主成分とした酸化物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、（ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ））２Ｏ３（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるガリウム酸化物基板を得ることができる。
【００２３】
＜バッファ層の形成方法＞
次にＧａＮからなるＧａＮバッファ層１２の形成方法を説明する。まず、化合物薄膜を形成する面が上になるようにして、Ｇａ２Ｏ３基板１１を反応容器内に保持する。そして、Ｇａ２Ｏ３基板１１の表面の温度が５８０℃±５０℃となるように反応容器内の温度を調節する。反応容器内を１００ｔｏｒｒまで減圧し、反応容器内にＧａ供給原料としてのＴＭＧ（トリメチルガリウム）と窒素源としてのＮＨ３を供給して、ＧａＮバッファ層１２を形成する。ＧａＮバッファ層１２が形成されるＧａ２Ｏ３基板１１の面方位は、（１００）面に対して±２０°である。なお、ＧａＮバッファ層１２は、低温バッファ層であるため、平坦性のあるバッファ層１２の形成が期待できる。また、ＧａＮバッファ層１２の代わりに、ＡｌＮからなるバッファ層１２を形成してもよい。また、成長面は、（１００）面以外の面であってもよい。
【００２４】
＜ＧａＮ系化合物薄膜の形成方法＞
ＧａＮ系化合物からなるＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４、ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、ＧａＮバッファ層１２の形成と同様にＭＯＣＶＤ法により形成する。ＩｎＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧおよびＮＨ３を用い、ＡｌＧａＮ薄膜を形成するために、原料ガスとしてＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ３を用いる。キャリアガスは、バッファの形成方法と同様にＨｅを用いる。なお、ＧａＮ薄膜を形成するためには、前述したバッファ層１２の形成方法と同様の原料ガスおよびキャリアガスを用いる。
【００２５】
なお、ＧａＮ系化合物は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ等のIII族元素等の添加物を含むものである。例えば、ＡｌとＩｎの元素を添加することにより、一般式ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるＧａＮ系化合物薄膜を得ることができる。
【００２６】
＜キャリア濃度が異なる薄膜の形成＞
ＭＯＣＶＤ装置により、ｎ−ＧａＮクラッド層１３およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６のように、ＧａＮのキャリア濃度を変えるには、ＧａＮに添加するｎ型ドーパントあるいはｐ型ドーパントの量を変えることにより行う。
【００２７】
ＭＯＣＶＤ装置によりキャリア濃度の異なる薄膜、例えば、ｎ−ＧａＮクラッド層１３，ｐ−ＧａＮコンタクト層１６を形成するには、以下のように行う。まず、反応容器内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてＧａ２Ｏ３基板１１を保持する。そして、反応容器中の温度を１０８０℃として、ＴＭＧを５４×１０−６モル/ｍｉｎ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を６×１０−６モル／ｍｉｎ、モノシラン（ＳｉＨ４）を２２×１０−１１モル／ｍｉｎで流して、６０分問成長させ、ＳｉドープＧａ０．９Ａｌ０．１Ｎ（ｎ−ＧａＮクラッド層１３）を３μｍの膜厚で成長させる。
【００２８】
また、反応容器中の温度を１０８０℃として、ＴＭＧを５４×１０―６モル／ｍｉｎでビスジクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）とともに流して、ＭｇドープＧａＮ（ｐ−ＧａＮコンタクト層１６）を１μｍの膜厚で成長させる。
【００２９】
この実施の形態に係る発光素子１０において、一般式ＧａｘＡｌｙＩｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表わされるｐ型およびｎ型の導電性を有する物質からなる薄膜は、それぞれ１層以上形成される。
【００３０】
なお、ｎ−ＧａＮクラッド層１３の代わりに、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮあるいはＩｎＧａＡｌＮからなる層を成長させてもよい。ＩｎＧａＮおよびＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮバッファ層１２との格子定数をほぼ一致させることができ、ＩｎＡｌＧａＮの場合は、ＧａＮバッファ層１２との格子定数を一致させることが可能である。
【００３１】
＜第１の実施の形態の効果＞
この第１の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（１００）面または（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断し、また、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（０１０）面であれば（１００）面または（００１）面に沿って劈開または切断することにより、クラック等の発生が抑制され、歩留りおよび量産性を向上させることができる。
（ロ）Ｇａ２Ｏ３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層１２上に積層されるＧａＮ系化合物からなる薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
（ハ）Ｇａ２Ｏ３基板１１上に結晶品質の良好なＧａＮ系化合物からなる薄膜を成長させることができるため、４１０ｎｍ付近をピークとして強く発光する。
（ニ）β−Ｇａ２Ｏ３による基板１１は、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子１０全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができるので、発光素子１０の寿命を長くすることができる。
（ホ）反射層１９は、ｎ電極１８に到達した発光光をｐ電極１７側に反射させて、発光光をｐ電極１７側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
（へ）Ｇａ２Ｏ３基板１１がβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなるため、結晶性の高いｎ型導電性を示す基板１１を形成することができる。
（ト）この発光素子１０は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎ（ｌ−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光光率が大幅に向上する。
【００３２】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る発光素子を示す。この発光素子１０は、Ｇａ２Ｏ３基板１１の一部の上に、ＧａＮからなる低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２、ｎ型導電性を示すＧａＮからなるｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮを含む層からなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有するＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４（ただし０≦ｘ≦１）、ｐ型導電性を示すＡｌｙＧａｘＮからなるｐ−ＡｌｙＧａｘＮ層クラッド１５（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ｐ型導電性を示すＧａＮからなるｐ−ＧａＮコンタクト層１６、ｐ電極１７、および反射層１９を順次積層し、Ｇａ２Ｏ３基板１１のＧａＮバッファ層１２が形成されていない上面には、ｎ電極１８が形成されている。
【００３３】
ＧａＮバッファ層１２のＧａ２Ｏ３基板１１の成長面、およびＧａ２Ｏ３基板１１の劈開面は、第１の実施の形態と同じである。
【００３４】
この発光素子１０は、フリップチップ型であって、Ｇａ２Ｏ３基板１１のＧａＮバッファ層１２の成長していない面から発光光を出射するように実装される。
【００３５】
ＧａＮバッファ層１２、およびＧａＮ系化合物薄膜である、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４、ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５、およびｐ−ＧａＮコンタクト層１６は、第１の実施の形態と同様にＭＯＣＶＤ法により形成する。
【００３６】
この発光素子１０の動作について説明する。Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４による発光光の一部は、ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層１５、ｐ−ＧａＮコンタクト層１６、およびｐ電極１７を通して反射層１９の表面に到達し、この反射層１９の表面で反射してＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４側へ戻される。Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４側へ戻された発光光は、ｎ−ＧａＮクラッド層１３、ＧａＮバッファ層１２、Ｇａ２Ｏ３基板１１を順次通過して外部に出射される。
【００３７】
＜第２の実施の形態の効果＞
この第２の実施の形態に係る発光素子１０によれば、以下の効果を奏する。
（イ）Ｇａ２Ｏ３基板１１は、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（１００）面または（８０１）面であれば（００１）面に沿って劈開または切断し、また、ＧａＮバッファ層１２の形成面が（０１０）面であれば（１００）面、（００１）面、または（１００）面および（００１）面に沿って劈開または切断することにより、クラックの発生が抑制され、歩留りを向上させることができる。
（ロ）Ｇａ２Ｏ３基板１１に低温バッファ層であるＧａＮバッファ層１２を形成しているため、平坦性が良好である。そのため、ＧａＮバッファ層１２上に積層されるＧａＮ系化合物からなる薄膜の結晶品質の劣化を抑えることができるので、発光効率を高めることができる。
（ハ）反射層１９は、ｐ電極１７に到達した発光光をＧａ２Ｏ３基板１１側に反射させて、基板１１側から出射させるので、発光光を効率よく出射させることができる。
（ニ）この発光素子は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがＩｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層１４に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光効率が大幅に向上する。
【００３８】
［他の実施の形態］
なお、本発明に係る発光素子１０は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。
【００３９】
また、本発明に係る発光素子１０においては、Ｇａ２Ｏ３基板１１は、Ｇａ２Ｏ３系化合物から構成されていてもよい。Ｇａ２Ｏ３基板１１上に形成される半導体は、ＧａＮ系またはＧａ２Ｏ３系の半導体素子や発光素子であってもよい。半導体の形成面および劈開面を上記したように選定することにより、クラック等が低減され、歩留りや量産性に優れる半導体素子や発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る発光素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  発光素子
１１  Ｇａ２Ｏ３基板
１２  ＧａＮバッファ層
１３  ｎ−ＧａＮクラッド層
１４  Ｉｎ（１−ｘ）ＧａｘＮ発光層
１５  ｐ−ＡｌｙＧａｘＮクラッド層
１６  ｐ−ＧａＮコンタクト層
１７  ｎ電極
１８  ｐ電極
１９  反射層
【図１】
2006032738.tif 000003
【図２】
2006032738.tif 000004