(57)【要約】【課題】駆動電圧が低下され、かつ、良好な発光出力が得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造に有用な窒化ガリウム系化合物半導体積層物を提供すること。【解決手段】基板上にｎ型層、発光層およびｐ型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がｎ型層とｐ型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物において、該多重量子構造を構成する井戸層は厚さが不均一な井戸層と厚さが均一な井戸層とからなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にｎ型層、発光層およびｐ型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がｎ型層とｐ型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物において、該多重量子構造を構成する井戸層は厚さが不均一な井戸層と厚さが均一な井戸層とからなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項２】
ｐ型層に最も近い井戸層は厚さが均一である請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項３】
ｎ型層に最も近い井戸層は厚さが均一である請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項４】
均一な厚さ井戸層の膜厚が１．８〜５ｎｍである請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項５】
不均一な厚さの井戸層の、薄膜部の膜厚が２．７ｎｍ以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項６】
多重量子井戸構造が、井戸層と障壁層とが３〜１０回積層された構造である請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項７】
障壁層が、ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよび井戸層を形成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮからなる群から選ばれた窒化ガリウム系化合物半導体である請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項８】
障壁層がＧａＮである請求項７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項９】
障壁層がドーパントを含む請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１０】
ドーパントが、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａの群から選ばれた少なくとも１種類である請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１１】
ドーパントの濃度が１×１０17ｃｍ-3から１×１０18ｃｍ-3である請求項９または１０に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１２】
障壁層の膜厚が７ｎｍ〜５０ｎｍである請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１３】
障壁層の膜厚が１４ｎｍ以上である請求項１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１４】
井戸層がＩｎを含む請求項１〜１３のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１５】
障壁層の少なくとも基板側の表面にＩｎを含まない薄層が存在する請求項１４に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物のｎ型層に負極を、ｐ型層に正極をそれぞれ設けたことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてなるランプ。
【請求項１８】
井戸層形成後、該井戸層の一部を分解または昇華させることによって、厚さが不均一な井戸層を形成することを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【請求項１９】
井戸層を形成する際の基板温度Ｔ１および井戸層の一部を分解または昇華させる際の基板温度Ｔ２がＴ１≦Ｔ２である請求項１８に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【請求項２０】
井戸層の一部の分解または昇華を、窒素源を含みかつＩＩＩ族金属源を含まない雰囲気下で行なう請求項１８または１９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【請求項２１】
井戸層の一部の分解または昇華を、障壁層の形成工程で行なう請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力の青色、緑色、あるいは紫外領域の光を発する発光素子の製造に有用な窒化ガリウム系化合物半導体積層物およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長の光を発光する発光素子用の半導体材料として、窒化物半導体材料が注目を集めている。一般に窒化物半導体は、サファイア単結晶を始めとする種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶およびＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶等を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）あるいは水素化物気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）等によって積層される。
【０００３】
現在、工業レベルで最も広く採用されている結晶成長方法は、基板としてサファイアやＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を用い、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて作製する方法で、前述の基板を設置した反応管内にＩＩＩ族の有機金属化合物とＶ族の原料ガスを用い、温度７００℃〜１２００℃程度の領域でｎ型層、発光層およびｐ型層を成長させる。
各半導体層の成長後、基板もしくはｎ型層に負極を形成し、ｐ型層に正極を形成することによって発光素子を得ることが出来る。
【０００４】
従来の発光層は、発光波長を調整するために組成を調整したＩｎＧａＮを用い、これをＩｎＧａＮよりバンドギャップの高い層で挟むダブルへテロ構造や、量子井戸効果を使う多重量子井戸構造が使われている。
【０００５】
多重量子井戸構造の発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、井戸層の膜厚を２〜３ｎｍとすると、良好な出力が得られる。しかし、駆動電圧が高いという問題点があった。反対に、井戸層の膜厚を２ｎｍ以下などとすると、駆動電圧は低下するが、良好な出力が得られない。
【０００６】
また、発光出力向上を目的に次のような発光層をドット状に形成した量子ドット構造が提案されている。
例えば、特許文献１および特許文献２等には、量子ドット構造の発光層を含む発光素子が開示され、量子ドット構造はアンチサーファクタント効果によって形成されている。特許文献２によれば、各発光体のサイズは０．５ｎｍ≦高さ≦５０ｎｍ、０．５ｎｍ≦幅≦２００ｎｍ、１０6≦密度≦１０13ｃｍ-2が好ましいとされており、実施例では高さ６ｎｍｘ幅４０ｎｍで作製されている。
【０００７】
しかし、量子ドットで覆われた部分以外は、ドット領域に比較して極端に低抵抗領域になるため優先的に電流が流れることになり、また、非ドット部は発光には寄与しないことになる。よって、ここで提案された量子ドット構造では、一つ一つの発光体の発光効率が向上したとしても、全体としては流した電流に対しての発光出力は低下するという問題点がある。
【０００８】
また、特許文献３は、Ｉｎを含む量子箱構造を開示している。この公報によれば、一旦形成した量子井戸構造を、水素中でアニールすることにより井戸層の昇華を引き起こし、量子箱構造としている。実施例では量子箱は２００Å以下の寸法を有し、例えば２０Å×２０Å×２０Åの寸法を有するとされている。発光体の密度は規定されていないが、掲載された図面からは、発光体で覆われる面積は隙間の面積と同等か隙間の方が大きい。
【０００９】
要するにこれらの技術では、量子ドットあるいは量子箱の形成されていない領域では、ドットあるいは箱は全く形成されていない構造とされており、故に、量子ドットあるいは量子箱の形成されている領域に比較して極端に低抵抗領域になるため、この部分に優先的に電流が流れることになる。
【００１０】
このような、ドットあるいは箱の覆わない領域で発光体が形成されていないという構造では、駆動電圧低下の効果は見られるものの、同時に発光出力の低下を招くという問題点があり、実際には使用に耐えない。
【００１１】
さらに、特許文献３では、通常の量子井戸構造を形成後、水素中でアニールして貫通転位上のＩｎＧａＮ結晶を分解させて量子箱構造を形成している。しかし、量子井戸構造を水素中でアニールすることは、残って量子箱構造となるべき部分でもＩｎ抜けを誘発し、発光波長を短波長化させるという不具合を生じる。
【００１２】
また、特許文献４では、高効率の発光を得るために、井戸層に膜厚のばらつきを持たせた多重量子井戸構造の発光層が提案されている。この明細書では、添付の図面を見る限り、全井戸層に膜厚のばらつきが設けられている。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−７９５０１号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４８３９号公報
【特許文献３】特開２００１−６８７３３号公報
【特許文献４】米国特許出願公開ＵＳ２００３／０１６０２２９Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、駆動電圧が低下され、かつ、良好な発光出力が得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造に有用な窒化ガリウム系化合物半導体積層物を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、以下の発明を提供する。
（１）基板上にｎ型層、発光層およびｐ型層を有し、該発光層が交互に井戸層と障壁層で積層された多重量子構造であり、かつ、該発光層がｎ型層とｐ型層で挟まれて配置された窒化ガリウム系化合物半導体積層物において、該多重量子構造を構成する井戸層は厚さが不均一な井戸層と厚さが均一な井戸層とからなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００１６】
（２）ｐ型層に最も近い井戸層は厚さが均一である上記１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００１７】
（３）ｎ型層に最も近い井戸層は厚さが均一である上記１または２項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００１８】
（４）均一な厚さ井戸層の膜厚が１．８〜５ｎｍである上記１〜３項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００１９】
（５）不均一な厚さの井戸層の、薄膜部の膜厚が２．７ｎｍ以下である上記１〜４項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２０】
（６）多重量子井戸構造が、井戸層と障壁層とが３〜１０回積層された構造である上記１〜５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２１】
（７）障壁層が、ＧａＮ、ＡｌＧａＮおよび井戸層を形成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮからなる群から選ばれた窒化ガリウム系化合物半導体である上記１〜６項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２２】
（８）障壁層がＧａＮである上記７項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。（９）障壁層がドーパントを含む上記１〜８項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２３】
（１０）ドーパントが、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａの群から選ばれた少なくとも１種類である上記９項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２４】
（１１）ドーパントの濃度が１×１０17ｃｍ-3から１×１０18ｃｍ-3である上記９または１０項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２５】
（１２）障壁層の膜厚が７ｎｍ〜５０ｎｍである上記１〜１１項いずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２６】
（１３）障壁層の膜厚が１４ｎｍ以上である上記１２項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２７】
（１４）井戸層がＩｎを含む上記１〜１３項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２８】
（１５）障壁層の少なくとも基板側の表面にＩｎを含まない薄層が存在する上記１４項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物。
【００２９】
（１６）上記１〜１５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物のｎ型層に負極を、ｐ型層に正極をそれぞれ設けた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【００３０】
（１７）上記１６項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてなるランプ。（１８）井戸層形成後、該井戸層の一部を分解または昇華させることによって、厚さが不均一な井戸層を形成することからなる上記１〜１５項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【００３１】
（１９）井戸層を形成する際の基板温度Ｔ１および井戸層の一部を分解または昇華させる際の基板温度Ｔ２がＴ１≦Ｔ２である上記１８項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【００３２】
（２０）井戸層の一部の分解または昇華を、窒素源を含みかつＩＩＩ族金属源を含まない雰囲気下で行なう上記１８または１９項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【００３３】
（２１）井戸層の一部の分解または昇華を、障壁層の形成工程で行なう上記１８〜２０項のいずれか一項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の製造方法。
【発明の効果】
【００３４】
発光層を形成する多重量子構造の井戸層に、厚さが不均一な井戸層と、厚さが均一な井戸層とを混在させることを骨子とする本発明によれば、良好な発光出力を得て、かつ、駆動電圧を低下させた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
【００３５】
さらに、本発明によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、逆方向耐圧特性の劣化が少ない。
また、厚さが不均一な井戸層を窒素源の存在下で形成することによって、井戸層から発生する光の短波長化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のｎ型層、発光層およびｐ型層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体として、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ+ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型層、発光層およびｐ型層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ+ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００３７】
基板には、サファイア、ＳｉＣなどを用いることができるほか、ＧａＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮなど従来公知の基板を何ら制限なく用いることができる。
【００３８】
ＧａＮ基板を除いて、原理的には窒化ガリウム系化合物とは格子整合しないこれらの基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層するために、特許第３０２６０８７号公報や特開平４−２９７０２３号公報に開示されている低温バッファ法や特開２００３−２４３３０２号公報などに開示されているＳＰ（Seeding Process）法と呼ばれる格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いることができる。特に、ＧａＮ系結晶を作製することが可能な程度の高温でＡｌＮ結晶膜を作製するＳＰ法は、生産性の向上などの観点で優れた格子不整合結晶エピタキシャル成長技術である。
【００３９】
低温バッファやＳＰ法などの格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いた場合、その上に積層する下地としての窒化ガリウム系化合物半導体は、アンドープかもしくは５×１０17ｃｍ-3程度の低ドープのＧａＮであることが望ましい。下地層の膜厚は、１〜２０μｍであることが望ましく、５〜１５μｍであることが更に好適である。その上に、ｎ型層、発光層およびｐ型層が順次積層される。
【００４０】
本発明において発光層を形成する多重量子井戸構造の井戸層は厚さが均一な井戸層と厚さが不均一な井戸層が必ず混在している。本発明において「厚さが均一」とは、膜厚がどこにおいても平均膜厚の±１０％以内に入っていることをいう。±７％以内に入っていることが好ましい。「厚さが不均一」とは、膜厚が平均膜厚の±１０％以内に入っていない部分があることをいう。「平均膜厚」とは、その膜の最大膜厚と最小膜厚を算術平均した膜厚をいう。厚さが不均一な井戸層において、平均膜厚よりも厚い部分を「厚膜部」といい、薄い部分を「薄膜部」という。
【００４１】
各井戸層の厚さが均一であるか不均一であるかの判定および測定は、窒化ガリウム系化合物半導体の断面ＴＥＭ写真によってできる。例えば、２００，０００倍から２，０００，０００倍のＴＥＭ写真で断面を観察すると、各井戸層の膜厚変化を測定することができる。図３から図１０は実施例１によって作製したチップの倍率１，０００，０００倍の断面ＴＥＭ写真である。倍率を考慮してその膜厚を算出することができる。各図の横に付した表に、各井戸層のその図における最大膜厚と最小膜厚が記載されている。これらの８つの図を総合して求めた各井戸層の最大膜厚と最小膜厚から、各井戸層が厚さの均一な井戸層か不均一な井戸層か判定できる。最大膜厚と最小膜厚を算術平均して求めた平均膜厚よりも厚い部分が厚膜部であり薄い部分が薄膜部である。図中、Ａが厚膜部であり、Ｂが薄膜部である。各井戸層の最大膜厚と最小膜厚は、断面ＴＥＭ写真を複数箇所、例えば隣り合わせから２０μｍの間隔で少なくとも８箇所観察して求める。
【００４２】
発光層を形成する多重量子井戸構造中の全ての井戸層において厚さが不均一である場合、全ての井戸層において厚さが均一である場合に比較して、駆動電圧は低下するが、発光出力も低下するかまたは同等である。ところが、全ての井戸層の厚さを不均一にせずに、井戸層の一部を均一な厚さにすると、その理由はよく分からないが、駆動電圧が低下し、発光出力が増大する。特に、ｐ型層またはｎ型層に最も近い井戸層の厚さが均一である場合に、発光出力の増大効果は大きい。ｐ型層に最も近い井戸層とｎ型層に最も近い井戸層の両者の厚さが均一である場合、発光出力の増大効果は最大となるが、駆動電圧の低下効果も減少する。従って、厚さが均一な井戸層は、ｐ型層に最も近い井戸層とｎ型層に最も近い井戸層の両者を含んでもよいが、どちらか一方を含むことが好ましい。厚さが均一な井戸層として、ｐ型層に最も近い井戸層を含むことが特に好ましい。
【００４３】
厚さの均一な井戸層の数が増大すると、駆動電圧の低下効果は減少する。従って、厚さの均一な井戸層の数は１以上で、井戸層全体の数の６０％以下が好ましい。井戸層全体の数の４０％以下がさらに好ましい。
【００４４】
厚さが均一な井戸層の厚さは１．８〜５ｎｍが好ましい。この範囲以外の厚さにすると、発光出力の低下を招く。更に好ましくは、２．０〜３．５ｎｍの領域である。
【００４５】
厚さが不均一な井戸層の厚膜部の厚みは、１．８ｎｍから５ｎｍ程度であることが好ましい。厚膜部を、この範囲以外の厚みとすると、発光出力の低下を招く。更に好ましくは、２．３ｎｍから３．５ｎｍの領域が好適である。また、厚膜部の幅は１０〜５０００ｎｍであることが好ましい。更に、２０〜１０００ｎｍが好適である。
【００４６】
厚膜部の比率は井戸層全体に対して３０〜９０％であることが好ましく、駆動電圧の低減と出力の増大の両方を実現できる。更に好ましくは、６０〜９０％である。この厚膜部および薄膜部の比率も、断面ＴＥＭ写真から求めた幅の測定値に基づいて算出できる。
【００４７】
薄膜部の幅は、１〜２００ｎｍが好ましい。さらに好ましくは５〜１５０ｎｍが好適である。
この厚膜部の最大膜厚と薄膜部の最小膜厚の差は１〜３ｎｍ程度が好ましい。薄膜部の膜厚としては１．０〜２．７ｎｍが好ましい。
【００４８】
薄膜部は膜厚が０である領域、即ち井戸層が全くない領域を含んでも良いが、発光出力低下の原因になるので、その領域は少ない方が良い。井戸層全体に対して３０％以下が好ましく、２０％以下がさらに好ましく、１０％以下だと特に好ましい。この比率は断面ＴＥＭ写真における幅の測定値に基づいて算出できる。
【００４９】
井戸層はＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、厚膜部および薄膜部を有する構造となりやすい結晶系であり、また、青色の波長領域の発光を強い強度で発光することができる。
【００５０】
障壁層は、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。
【００５１】
障壁層は複数の層が積層された構造でもよい。井戸層がＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体である場合、障壁層の少なくとも基板側の井戸層と接する表面にはＩｎを含まない薄層を設けることが好ましい。この薄層を設けることにより、井戸層中のＩｎの分解昇華を抑制し、発光波長の安定制御が可能となり、好適である。この薄層は、井戸層の成長温度と同程度の基板温度で設けられることが好ましい。
【００５２】
障壁層にドーパントをドープすると、駆動電圧が低下するので好ましい。ドーパント元素としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａなどが挙げられる。中でもＳｉやＧｅが好ましく、Ｓｉがもっとも好ましい。
【００５３】
ドーパントの濃度は、５×１０16ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3が好ましい。５×１０16ｃｍ-3未満では駆動電圧の低下効果が減少する。１×１０18ｃｍ-3を超えると逆方向電圧特性が悪くなる傾向がある。更に好ましくは１×１０17ｃｍ-3〜５×１０17ｃｍ-3である。
【００５４】
障壁層の膜厚は、７ｎｍ以上であることが好ましく、さらに好ましくは１４ｎｍ以上である。障壁層の膜厚が薄いと、井戸層における厚膜部と薄膜部の厚さの差を埋めきらず、井戸層における厚膜部および薄膜部の形成を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、膜厚が厚すぎると、駆動電圧の上昇や発光出力の低下を引き起こす。このため、障壁層の膜厚は５０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００５５】
多重量子井戸構造における積層の回数は３回から１０回程度が好ましく、３回から６回程度がさらに好ましい。各井戸層および障壁層において、組成および構造を変化させてもよい。
【００５６】
ｎ型層は通常１〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍ程度の厚さで、負極を形成するためのｎコンタクト層と発光層よりもバンドギャップが大きく発光層に接しているｎクラッド層からなる。ｎコンタクト層とｎクラッド層は兼ねてもよい。ｎコンタクト層としてはＳｉまたはＧｅを高濃度にドープすることが好ましい。これらのドーパントをドープして形成したｎ型層は、キャリア濃度が５×１０18ｃｍ-3から２×１０19ｃｍ-3程度に調整されていることが好適である。
【００５７】
ｎクラッド層は、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどで形成することが可能であるが、ＩｎＧａＮとする場合には発光層のＩｎＧａＮのバンドギャップよりも大きい組成とすることが望ましいことは言うまでもない。ｎクラッド層のキャリア濃度は、ｎコンタクト層と同じでも良いし、大きくても小さくても良い。その上に形成される発光層の結晶性をよくするために、成長速度、成長温度、成長圧力、ドープ量などの成長条件を適宜調節して、平坦性の高い表面とすることが好ましい。
【００５８】
またｎクラッド層は、組成や格子定数の異なる層を、交互に複数回積層して形成しても良い。その際、積層する層によって組成のほか、ドーパントの量や膜厚などを変化させても良い。
【００５９】
ｐ型層は通常０．０１〜１μｍの厚さで、発光層に接しているｐクラッド層と正極を形成するためのｐコンタクト層からなる。ｐクラッド層とｐコンタクト層は兼ねることができる。ｐクラッド層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮなどを用いて形成し、ｐドーパントとしてＭｇをドープする。電子のオーバーフローを防ぐため、発光層の材料よりも大きなバンドギャップを有する材料で形成することが望ましい。また、効率的に発光層にキャリアを注入できるように、高キャリア濃度の層として形成することが望ましい。
【００６０】
ｐクラッド層に関しても、組成や格子定数の異なる層を、交互に複数回積層して形成しても良い。その際、積層する層によって組成のほか、ドーパントの量や膜厚などを変化させても良い。
【００６１】
ｐコンタクト層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどを用いることができ、不純物としてＭｇをドープする。Ｍｇをドープした窒化ガリウム系化合物半導体は、通常反応炉から取り出したままでは高抵抗であるが、アニール処理、電子線照射処理、マイクロ波照射処理など、活性化の処理を施すことでｐ伝導性を示すとされている。
【００６２】
また、ｐコンタクト層としてｐ型不純物をドープした燐化ホウ素を用いることもできる。ｐ型不純物をドープした燐化ホウ素は、上記のようなｐ型化のための処理を一切行わなくてもｐ導電性を示す。
【００６３】
これらのｎ型層、発光層およびｐ型層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥなどの周知の方法を周知の条件で用いることができる。中でも、ＭＯＣＶＤ法が好ましい。
【００６４】
原料には、窒素源としてアンモニア、ヒドラジン、アジ化物などを用いることができる。また、ＩＩＩ族有機金属としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）などを用いることができる。また、ドーパント源としてシラン、ジシラン、ゲルマン、有機ゲルマニウム原料、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、その他有機金属類や水素化物などを用いることができる。キャリアガスには窒素および水素を使用できる。
【００６５】
厚さが不均一な井戸層は、井戸層を所定の厚さまで成長させた後、その一部を分解または昇華させることよって形成することが好ましい。Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は分解または昇華し易いので好ましい。
【００６６】
Ｉｎを含む井戸層の成長は、基板温度を６５０〜９００℃の範囲で行なうことが望ましい。それ以下の温度では結晶性の良い井戸層が得られないし、それ以上の温度では井戸層に取り込まれるＩｎの量が少なくなり、意図する波長を発光する素子を作製することができないことがある。
【００６７】
Ｉｎを含むＩＩＩ族金属源および窒素源を供給しつつ、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層を所定の厚さまで成長させた後、ＩＩＩ族金属源の供給を停止した状態で、基板温度をそのまま維持または昇温させることによって、その一部を分解または昇華させることができる。キャリアガスは窒素が好ましい。分解または昇華は、基板温度を上記成長温度から７００〜１０００℃の範囲に昇温してまたは昇温させつつ行なうことが好ましい。
【００６８】
障壁層の成長は、井戸層の成長よりも高い基板温度で行なうことが好ましい。その温度領域は、７００〜１０００℃程度が好適であり、かつ、井戸層を成長させる温度をＴ１、障壁層を成長する温度をＴ２とすると、Ｔ１≦Ｔ２である。井戸層の成長後、Ｔ１からＴ２への昇温の過程で、窒素を含むキャリアガスと窒素源の供給は続けながら、ＩＩＩ族原料の供給を停止する工程を含むことで、井戸層に厚膜部と薄膜部を効果的に形成し、厚さが不均一な井戸層とすることができる。この際、キャリアガスの変更などは必要ない。キャリアガスを水素に切り替えることは、発光の波長を短波長化させる。波長の変化の程度は安定的に制御することが難しいため、製品の生産性を低下させる。
【００６９】
Ｔ１からＴ２への昇温速度は、１〜２００℃／分程度が望ましい。更に望ましくは、５〜１５０℃／分程度である。また、Ｔ１からＴ２への昇温に要する時間は３０秒から１０分程度が望ましい。更に望ましくは、１分から５分程度である。
【００７０】
障壁層の成長は、成長温度の異なる複数のステップで構成しても良い。つまり、井戸層上にＴ２の温度で障壁層を所定の膜厚で積層した後、成長温度をＴ３として更に障壁層を積層しても良い。Ｔ３がＴ２よりも低い温度であると、エージングによる特性の劣化などを抑える効果を付与することができて、より好適である。Ｔ３はＴ１と同じ温度であっても良い。
【００７１】
また、前述した如く、Ｉｎを含む井戸層の場合は障壁層の基板側表面にＩｎを含まない薄層を設けることが好ましいが、その場合は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層を温度Ｔ１で成長させた後、同じ基板温度でＩｎ源のみ供給を停止して、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層を温度Ｔ１で先ず成長させればよい。
【００７２】
負極は、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限なく用いることができる。ｎコンタクト層と接する負極用のコンタクト材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕなどのほか、Ｃｒ、Ｗ、Ｖなどを用いることができる。負極全体を多層構造としてボンディング性などを付与することができることは言うまでもない。
【００７３】
正極も、各種組成および構造の正極が周知であり、これら周知の正極を何ら制限なく用いることができる。
透光性の正極材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏなどを含んでも良い。また、その一部が酸化されている構造とすることで、透光性が向上することが知られている。反射型の正極材料としては、上記の材料の他に、Ｒｈ、Ａｇ，Ａｌなどを用いることができる。
【００７４】
これらの正極は、スパッタリングや真空蒸着などの方法で形成することができる。特にスパッタリングを用いると、スパッタリングの条件を適切に制御することで、電極膜を形成した後にアニール処理を施さなくともオーミック接触を得ることができ、好適である。
【００７５】
発光素子の構造としては、反射型の正極を備えたフリップチップ型の素子としても良いし、透光性の正極や格子型、櫛型の正極を備えたフェイスアップ型の素子としても良い。
【００７６】
厚膜部と薄膜部を有する不均一な厚さの井戸層では、厚膜部から薄膜部に変わる境界領域で、材料の異なる井戸層と障壁層との界面が基板面に対して斜めになるので、基板面に対して垂直方向への光の取出し量が増大し、特に、反射電極を備えたフリップチップ型の素子構造とすることにより、発光強度が一層増大する。
【００７７】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いることで、駆動電圧をある程度自由に低下させることが可能である。しかしながら、あまりに電圧を下げてしまうと、それに従って発光出力の低下が見られる。発光出力の低下を引き起こさない駆動電圧とは、素子にした場合に２０ｍＡの電流を流した際の電圧が２．５Ｖ以上、更に望ましくは２．９Ｖ以上である。しかし、装置に組み込んだ際にあまりに電圧が高いことは不利となるので、同時に３．５Ｖ以下である必要もある。
【００７８】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いたことによる効果として、ダイオード特性の一つである、電流と電圧の相関において、電圧に対して電流が急激に上昇するテイクオフ電圧が低下することが上げられる。しかしながら、テイクオフ電圧に関しても、あまりに下げてしまうと、発光出力の低下が見られる。発光出力の低下を引き起こさないテイクオフ電圧とは、素子にした場合に２０ｍＡの電流を流した際の電圧が２．３Ｖ以上、更に望ましくは２．５Ｖ以上である。しかし、装置に組み込んだ際にあまりに電圧が高いことは不利となるので、同時に３．４Ｖ以下である必要もある。
【００７９】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を、発光ダイオードやレーザダイオード等の作製に用いることができる。
【００８０】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物から半導体発光素子を作製し、例えば当業界周知の手段により透明カバーを設けてランプを作製できる。また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と蛍光体を有するカバーを組み合わせて白色のランプを作製することもできる。
【００８１】
ひいては、高い発光強度の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を得るに貢献できる。この手法によって高輝度のＬＥＤランプを作製することができる。更に、この手法によって作製したチップを組み込んだ携帯電話、ディスプレイ、パネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータ、ゲーム機、などの機械装置類は、低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、自動車部品などの、バッテリ駆動させる機器類において、省電力の効果を発揮する。
【実施例】
【００８２】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
【００８３】
（実施例１）
図１は本実施例で作製した半導体発光素子用の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の模式図である（但し、発光層中の井戸層と障壁層は省略している）。図１に示すとおり、ｃ面を有するサファイア基板上に、格子不整合結晶のエピタキシャル成長方法によってＡｌＮからなるＳＰ層を積層し、その上に基板側から順に、厚さ８μｍのアンドープＧａＮ下地層、約１×１０19ｃｍ-3の電子濃度を持つ厚さ２μｍの高Ｇｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層、１×１０18ｃｍ-3の電子濃度を持つ厚さ２０ｎｍのＳｉドープｎ型Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎクラッド層、６層の厚さ１５ｎｍの３×１０17ｃｍ-3のＳｉをドープしたＧａＮ障壁層と５層の厚さ３ｎｍのアンドープのＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎの薄層で構成される井戸層とからなる多重量子井戸構造の発光層、厚さ１６ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層、８×１０17ｃｍ-3の正孔濃度を持つ厚さ０．２μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層を順に積層した構造である。
【００８４】
上記の窒化ガリウム系化合物半導体積層物の作製は、ＭＯＣＶＤ法を用いて以下の手順で行った。
先ず、サファイア基板を、誘導加熱式ヒータでカーボン製のサセプタを加熱する形式の多数枚の基板を処理できるステンレス製の反応炉の中に導入した。サセプタは、それ自体が回転する機構を持ち、基板を自転させる機構を持つ。サファイア基板は、窒素ガス置換されたグローブボックスの中で、加熱用のカーボン製サセプタ上に載置した。試料を導入後、窒素ガスを流通して反応炉内をパージした。
【００８５】
窒素ガスを８分間に渡って流通した後、誘導加熱式ヒータを作動させ、１０分をかけて基板温度を６００℃に昇温し、同時に炉内の圧力を１５kPa（１５０ｍbar）とした。基板温度を６００℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させながら２分間放置して、基板表面のサーマルクリーニングを行なった。
サーマルクリーニングの終了後、窒素キャリアガスのバルブを閉とし、反応炉内へのガスの供給を水素のみとした。
【００８６】
キャリアガスの切り替え後、基板の温度を１１５０℃に昇温させた。１１５０℃で温度が安定したのを確認した後、ＴＭＡｌの配管のバルブを切り替え、ＴＭＡｌの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給して、これを反応炉の内壁に着いた付着物の分解により生じるＮ原子と反応させて、サファイア基板上にＡｌＮを付着させる処理を開始した。
【００８７】
７分３０秒間の処理の後、ＴＭＡｌの配管のバルブを切り替え、ＴＭＡｌの蒸気を含む気体を反応炉内へ供給を停止した。そのままの状態で４分待機し、炉内に残ったＴＭＡｌ蒸気が完全に排出されるのを待った。続いて、アンモニアガスの配管のバルブを切り替え、炉内にアンモニアガスの供給を開始した。
４分の後、アンモニアの流通を続けながら、基板温度を１０４０℃に降温し、同時に炉内の圧力を４０ｋＰａ（４００ｍbar）とした。基板温度の降温中、ＴＭＧａの配管の流量調整器の流量を調節した。
【００８８】
基板温度が１０４０℃になったのを確認した後、温度の安定を待ち、その後ＴＭＧａのバルブを切り替えてＴＭＧａの炉内への供給を開始し、アンドープのＧａＮの成長を開始し、約４時間に渡って上記のＧａＮ層の成長を行なった。
このようにして、約８μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮ下地層を形成した。
【００８９】
更に、このアンドープＧａＮ下地層上に高Ｇｅドープのｎ型ＧａＮコンタクト層を成長させた。アンドープＧａＮ下地層の成長後、ＴＭＧａの炉内への供給を停止し、その後１分間で基板温度を１０８０℃に昇温させ、３分間保持し温度を安定化させた。その間、ＴＭＧｅ流通量を調節した。流通させる量は事前に検討してあり、ＧｅドープＧａＮコンタクト層の電子濃度が約２×１０19ｃｍ-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
【００９０】
３分間の温度安定化の後、厚さ１０ｎｍのＧｅドープｎ型ＧａＮと厚さ１０ｎｍのアンドープＧａＮとの薄膜をこの順序で交互に１００周期成長させ、約２μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層を成長させた。ＧｅドープＧａＮ層はＴＭＧａとテトラメチルゲルマニウム（ＴＭＧｅ）を炉内に供給することで作製し、アンドープＧａＮ層はＴＭＧａを供給することで作製した。これにより、平均キャリア濃度約１×１０19ｃｍ-3のｎ型ＧａＮコンタクト層を形成した。
【００９１】
最後のアンドープＧａＮ層を成長させた後、ＴＭＧａのバルブを切り替えて、ＴＭＧａの炉内への供給を停止した。アンモニアはそのまま流通させながら、バルブを切り替えてキャリアガスを水素から窒素へ切り替えた。その後、基板の温度を１０８０℃から７２０℃へ低下させた。
【００９２】
炉内の温度の変更を待つ間に、ＳｉＨ4の供給量を設定した。流通させる量は事前に検討してあり、Ｓｉドープｎ型ＩｎＧａＮクラッド層の電子濃度が１×１０18ｃｍ-3となるように調整した。アンモニアはそのままの流量で炉内へ供給し続けた。
【００９３】
その後、炉内の状態が安定するのを待って、ＴＭＩｎとＴＥＧａとＳｉＨ4のバルブを同時に切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。所定の時間だけ供給を継続し、２０ｎｍの膜厚を有するＳｉドープＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎクラッド層を形成した。その後、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａおよびＳｉＨ4のバルブを切り替え、これらの原料の供給を停止した。原料供給を停止した後、ＳｉＨ4の供給量の設定を変更した。流通させる量は事前に検討してあり、ＳｉドープＧａＮ障壁層の電子濃度が３×１０17ｃｍ-3となるように調整した。ＳｉドープＧａＮ障壁層の形成を下記の如く行なった。
【００９４】
基板温度は７２０℃のままでＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を開始し、所定の時間、ＳｉをドープしたＧａＮからなる薄層の障壁層Ａを形成し、ＴＥＧａとＳｉＨ4の供給を停止した。その後、成長を中断した状態で基板温度を９２０℃に昇温した。温度が安定したのち、炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧａとＳｉＨ4のバルブを切り替えてＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を再開し、そのまま基板温度９２０℃にて、規定の時間の障壁層Ｂの成長を行なった。続いて基板温度を７２０℃に下げ、そのままＴＥＧａとＳｉＨ4の供給をし続け、障壁層Ｃの成長を行なった後、再びバルブを切り替えてＴＥＧａとＳｉＨ4の供給を停止してＧａＮ障壁層の成長を終了した。これにより、Ａ、ＢおよびＣからなる３層構造の障壁層で総膜厚が１５ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層を形成した。
【００９５】
ＧａＮ障壁層の成長終了後、３０秒間に渡ってＴＥＧａとＳｉＨ4の供給を停止した後、基板温度や炉内の圧力、アンモニアガスおよびキャリアガスの流量や種類はそのままで、ＴＥＧａとＴＭＩｎのバルブを切り替えてＴＥＧａとＴＭＩｎの炉内への供給を行ない、井戸層の形成を行なった。あらかじめ決めた時間の間ＴＥＧａとＴＭＩｎの供給を行なった後、再びバルブを切り替えてＴＭＩｎの供給のみを停止してＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層の成長を終了した。この時点では、３ｎｍの膜厚を成すＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層が形成された。引き続いて、ＳｉＨ4の供給を再開し、２層目の障壁層の形成に入った。
【００９６】
このような手順を５回繰り返し、５層のＳｉドープＧａＮ障壁層と５層のＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層を形成した。これらの井戸層、障壁層の作製工程では、７２０℃にて障壁層Ａを形成した後、障壁層Ｂを形成するために９２０℃へ昇温する工程ではＩＩＩ族原料の供給を停止することによって半導体層の成長を中断した。
【００９７】
５層目のＩｎ0.08Ｇａ0.92Ｎ井戸層と形成した後、引き続いて６層目の障壁層の形成に入った。６層目の障壁層の形成においては、ＳｉＨ4の供給を再開し、ＳｉドープＧａＮからなる薄層の障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温し、そのまま基板温度９２０℃にて規定の時間障壁層Ｂの成長を行なった。続いて基板温度を７２０℃に下げ、そのままＴＥＧａとＳｉＨ4の供給をし続け、障壁層Ｃの成長を行なった後、再びバルブを切り替えてＴＥＧａとＳｉＨ4の供給を停止してＧａＮ障壁層の成長を終了した。これにより、Ａ、ＢおよびＣからなる３層構造の障壁層で総膜厚が１５ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層を形成した。
【００９８】
以上の手順にて、厚さが不均一な井戸層（１〜４層目）と厚さが均一な井戸層（５層目）を含んだ多重量子井戸構造の発光層を形成した。
【００９９】
このＳｉドープＧａＮ障壁層で終了する発光層上に、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層を形成した。
ＴＥＧａとＳｉＨ4の供給を停止して、ＳｉドープＧａＮ障壁層の成長を終了させた後、基板の温度を１０００℃へ昇温し、キャリアガスの種類を水素に切り替え、炉内の圧力を１５kPa（１５０ｍbar）に変更した。炉内の圧力が安定するのを待って、ＴＭＧａとＴＭＡｌとＣｐ2Ｍｇのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。その後、約３分間に渡って成長を行なった後、ＴＥＧａとＴＭＡｌとＣｐ2Ｍｇの供給を停止し、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層の成長を停止した。これにより、１６ｎｍの膜厚を有するＭｇドープのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95クラッド層を形成した。
【０１００】
このＭｇドープのｐ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層上に、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層を形成した。
ＴＭＧａとＴＭＡｌとＣｐ2Ｍｇの供給を停止して、ＭｇドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎクラッド層の成長を終了させた後、炉内の圧力を２０kPa（２００ｍbar）に変更した。炉内の圧力が安定するのを待って、ＴＭＧａとＴＭＡｌとＣｐ2Ｍｇのバルブを切り替え、これらの原料の炉内への供給を開始した。Ｃｐ2Ｍｇを流通させる量は事前に検討してあり、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層の正孔濃度が８×１０17ｃｍ-3となるように調整した。その後、約１２分間に渡って成長を行なった後、ＴＭＧａとＴＭＡｌとＣｐ2Ｍｇの供給を停止し、Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層の成長を停止した。これにより、約０．２μｍの膜厚を成すＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層を形成させた。
【０１０１】
Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層の成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板の温度を室温まで２０分をかけて降温した。降温中は、反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成した。その後、基板温度が室温まで降温したのを確認して、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を大気中に取り出した。
【０１０２】
以上のような手順により、半導体発光素子用の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。ここでＭｇドープｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎコンタクト層は、ｐ型キャリアを活性化するためのアニール処理を行なわなくてもｐ型を示した。
【０１０３】
次いで、上記の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて半導体発光素子の一種である発光ダイオードを作製した。
作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層の表面上に、当業界周知の方法によって、コンタクト層側から順にＰｔ、ＲｈおよびＡｕを積層した構造を持つ反射性の正極を作製した。
【０１０４】
更にその後窒化ガリウム系化合物半導体積層物にドライエッチングを行ない、高Ｇｅドープのｎ型ＧａＮコンタクト層の負極形成部分を露出させ、露出した部分にコンタクト層側から順にＴｉおよびＡｌを積層して負極を作製した。これらの作業により、図２に示すような形状を持つ電極を作製した。
【０１０５】
このようにして正極および負極を形成した窒化ガリウム系化合物半導体積層物について、サファイア基板の裏面を研削、研磨してミラー状の面とした。その後、該窒化ガリウム系化合物半導体積層物を３５０μｍ角の正方形の個々のチップに切断し、電極が下になるようにサブマウント上に配置した。更にそのサブマウントをリードフレーム上に載置し、金線でリードフレームへ結線して発光ダイオードとした。
【０１０６】
上記のようにして作製した発光ダイオードの正極および負極間に順方向電流を流したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧（駆動電圧）は３．２Ｖであった。また、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１０．８ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
また、電流３０ｍＡにて１００時間の通電を行なった前後において、電流１０μＡにおける逆方向電圧を測定し、比較したところ、逆方向電圧の変化率は０％であった。
【０１０７】
また、得られたチップの一つについて、断面ＴＥＭにて倍率１０００，０００倍で観察した写真の一例が図３から図１０である。観察は、ある断面について２０μｍ間隔で配置した８部位で行なった。井戸層の番号は窒化物半導体積層構造の表面側（半導体側）から数えた番号順に１から５としている。すなわち、井戸層１はｐ型層側、井戸層５はｎ型層側に位置する。図中、Ａは厚膜部であり、Ｂは薄膜部である。また、図３から図１０にはその部位における各井戸層の最大膜厚と最小膜厚を表にして記載してある。
【０１０８】
図３から図１０に示された８つの部位を総合して、各井戸層の最大膜厚、最小膜厚、平均膜厚および最大膜厚ならびに最小膜厚の平均膜厚からの差の割合を求めた結果を表１に示す。
【０１０９】
【表１】
2006310819.tif 000002
【０１１０】
表１から、井戸層１は膜厚の範囲が平均膜厚から±５．１％であり、１０％以内であるから本発明における厚さが均一の井戸層であることが分かる。また、井戸層２〜５は膜厚の範囲が平均膜厚からそれぞれ±２８．０％、±２４．０％、±３１．９％および±３０．６％であり、全て１０％を超えており、本発明における厚さが不均一の井戸層であることが分かる。井戸層２〜５において、それぞれの平均膜厚よりも厚い部分が厚膜部であり、薄い部分が薄膜部である。
【０１１１】
図３〜図１０から障壁層は約１５ｎｍの膜厚であった。障壁層は井戸層の薄膜部と厚膜部との膜厚の差を完全に埋めていた。
【０１１２】
図１１から図１８は、図３から図１０における部位の近傍を倍率２００，０００倍に変更して観察したＴＥＭ写真である。全ての図において、井戸層１は均一な厚さであることが分かる。
【０１１３】
これらのＴＥＭ写真において、井戸層２から５の厚膜部の幅および薄膜部の幅を測定し、その分布を評価した。なお、各井戸層における厚膜部および薄膜部の判定は、図３〜図１０から求めた上記の各井戸層の平均厚さに基づいて行なった。その結果を表２に示す。例えば、図１１のＴＥＭ写真における井戸層２では、ＴＥＭ写真の視野の左側から厚膜部が幅２５０ｎｍあり、続いて薄膜部が６０ｎｍの幅にわたってあり、続いて厚膜部が１０５ｎｍあり、続いて薄膜部が３５ｎｍあり、続いて厚膜部が７５ｎｍあったが、表中に厚膜部（２５０ｎｍ）−薄膜部（６０ｎｍ）−厚膜部（１０５ｎｍ）−薄膜部（３５ｎｍ）−厚膜部（７５ｎｍ）と記入されている。
【０１１４】
【表２】
2006310819.tif 000003
【０１１５】
この表から、各井戸層の薄膜部および厚膜部の幅の分布状態を求めると、薄膜部は井戸層２が３０〜１００ｎｍ、井戸層３が３０〜１００ｎｍ、井戸層４が３０〜１００ｎｍ、井戸層５が３５〜１００ｎｍであった。また、厚膜部は井戸層２が２０〜４５０ｎｍ、井戸層３が６０〜５８０ｎｍ、井戸層４が６０〜５８０ｎｍ、井戸層５が６５〜６００ｎｍであった。
【０１１６】
（比較例１）
本比較例では、全ての井戸層を厚さが均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、１〜５層目の障壁層においても、６層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１１７】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．９Ｖであった。また、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は９ｍＷを示した。
また、１０μＡの逆方向電圧の初期値と、電流３０ｍＡにて１００時間の通電を行った後の１０μＡの逆方向電圧値を比較したところ、逆方向電圧の変化率はマイナス０．５％であった。
【０１１８】
（比較例２）
本比較例では、全ての井戸層を厚さが不均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、６層目の障壁層においても、１〜５層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を停止して、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１１９】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．１５Ｖであった。また、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は９ｍＷを示した。
また、１０μＡの逆方向電圧の初期値と、電流３０ｍＡにて１００時間の通電を行った後の１０μＡの逆方向電圧値を比較したところ、逆方向電圧の変化率はマイナス７％であった。
【０１２０】
（実施例２）
本実施例では、ｎ型層に最も近い井戸層のみを厚さが均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、２層目の障壁層において、実施例１の６層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温したこと、および６層目の障壁層において、実施例１の１〜５層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を停止して、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１２１】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．３Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１０．８ｍＷを示した。
【０１２２】
（実施例３）
本実施例では、ｐ型層から数えて３番目の井戸層のみを厚さが均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、４層目の障壁層において、実施例１の６層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温したこと、および６層目の障壁層において、実施例１の１〜５層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を停止して、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１２３】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．２Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は９．７ｍＷを示した。
【０１２４】
（実施例４）
本実施例では、ｐ型層に最も近い井戸層とｎ型層に最も近い井戸層の二つを厚さが均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、２層目の障壁層においても、６層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１２５】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．４５Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１１．４ｍＷを示した。
【０１２６】
（実施例５）
本実施例では、ｐ型層から数えて１番目と２番目の二つの井戸層を厚さが均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、５層目の障壁層においても、６層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１２７】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．２Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１０．２ｍＷを示した。
【０１２８】
（実施例６）
本実施例では、ｐ型層から数えて１〜３番目の三つの井戸層を厚さが均一な井戸層としたことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。即ち、４層目および５層目の障壁層においても、６層目と同様に障壁層Ａを形成した後、ＴＥＧａとＳｉＨ4の炉内への供給を続けたまま、基板温度を９２０℃に昇温したことを除いて、実施例１と同様に窒化ガリウム系化合物半導体積層物を作製した。
【０１２９】
この窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例１と同様に発光ダイオードを作製して評価した。その結果、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．３５Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は１０．２ｍＷを示した。
【０１３０】
（実施例７）
本実施例では、実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物に実施例１と同様に正極および負極を設けたが、正極の構造はｐ−ＡｌＧａＮコンタクト層の表面から順にＡｕおよびＮｉＯを積層した透明電極とその上に順にＴｉ、Ａｕ、ＡｌおよびＡｕを積層したパッド電極からなる構造とした。
【０１３１】
この発光ダイオードを実施例１と同様に性能を評価したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．２Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は５．５ｍＷを示した。このような発光ダイオードの特性は、作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物のほぼ全面から作製された発光ダイオードについて、ばらつきなく得られた。
【０１３２】
（比較例３）
本比較例では、比較例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例７と同じ電極構造を有する発光ダイオードを作製した。
実施例１と同様に性能を評価したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．９Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は５ｍＷを示した。
【０１３３】
（比較例４）
本比較例では、比較例２で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて、実施例７と同じ電極構造を有する発光ダイオードを作製した。
実施例１と同様に性能を評価したところ、電流２０ｍＡにおける順方向電圧は３．１５Ｖであり、発光波長は４６０ｎｍであり、発光出力は５ｍＷを示した。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体積層物を用いて得られる発光素子は、低い駆動電圧と高い発光出力を有するので、その産業上の利用価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】実施例および比較例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面を示した模式図である。
【図２】実施例および比較例で作製した発光ダイオードの電極構造を示した模式図である。
【図３】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の一例である。
【図４】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図５】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図６】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図７】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図８】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図９】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１０】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１１】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１２】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１３】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１４】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１５】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１６】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１７】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【図１８】実施例１で作製した窒化ガリウム系化合物半導体積層物の断面ＴＥＭ写真の別の一例である。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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