(57)【要約】【課題】発光特性及び注入電流均一性に優れ、十分な耐性を有する窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】第一の主面１０１ａと第二の主面１０１ｂを有し、窒化物半導体基板１０１と、第一の主面１０１ａに接して形成された第一の窒化物半導体層１０２と、第一の窒化物半導体層１０２の第一の主面１０１ａと接する側とは反対側に形成された、ｎ型窒化物半導体層１０３、活性層１０４及びｐ型窒化物半導体層１０５を含む積層体と、ｎ型窒化物半導体層１０３に電気的に接続されたｎ側電極１０６と、ｐ型窒化物半導体層１０５に電気的に接続されたｐ側電極１０７とを備える。第一の窒化物半導体層１０２は、アンドープの窒化物半導体層である。また、第二の主面１０１ｂが光取り出し面とする窒化物半導体発光素子である。【選択図】図１
2011258843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の主面と第二の主面を有する窒化物半導体基板と、
前記第一の主面に接して形成された第一の窒化物半導体層と、
前記第一の窒化物半導体層の前記第一の主面と接する側とは反対側に形成された、ｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層を含む積層体と、
前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、
前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ側電極とを備え、
前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、
前記第二の主面が光取り出し面である
窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第一の窒化物半導体層が、アンドープのＧａＮ層である
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記ｎ型窒化物半導体層が、ｎ型のＡｌＧａＮ層を含む
請求項２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのＧａＮ層と前記ｎ型のＡｌＧａＮ層との間に、アンドープのＡｌＧａＮ層からなる第二の窒化物半導体層を含む
請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が、前記ｎ型窒化物半導体層に含まれるｎ型のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同じである、又は、当該ｎ型のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成よりも小さい
請求項３又は請求項４に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｎ型窒化物半導体層が、不純物としてＳｉを含有する
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記第一の窒化物半導体層に意図せずに含まれるＳｉ濃度が、１×１０17ｃｍ-3以下である
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記窒化物半導体基板が、ＳｉとＯの少なくともいずれか一方を不純物として含有するｎ型ＧａＮ基板である
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
第一の主面と第二の主面を有し、発光波長に対して透明な窒化物半導体基板を準備する工程と、
前記第一の主面に接して第一の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第一の窒化物半導体層に接してｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層の上に活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを順に形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されるｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されるｐ側電極とを形成する工程とを有し、
前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、
前記第二の主面が光取り出し面である
窒化物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】
本発明は、窒化物半導体基板上に窒化物半導体層を備える発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）に代表される発光素子、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来よりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた多くの発光素子が知られている。特に、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に形成されたＡｌＧａＡｓ系材料やＡｌＧａＩｎＰ系材料による赤色発光素子、燐化ガリウム（ＧａＰ）基板上に形成されたＧａＡｓＰ系材料による緑色発光素子、ＧａＡｓ基板上に形成されたＡｌＧａＩｎＰ系材料による橙色又は黄緑色発光素子などの発光素子が実現されてきた。一般的にこれらの材料系の発光素子では、基板とその上に形成される半導体層とは、格子定数や熱膨張係数などその特性が比較的近いものが選ばれる。
【０００３】
一方、基板としてサファイアを用いたＡｌＧａＩｎＮ系材料による紫外から紫色、青色、緑色、橙色にまでおよぶ広い波長範囲の発光ダイオードも実現されており、表示機器や交通信号など幅広い用途に応用され始めている。サファイア基板とその上に形成されるＡｌＧａＩｎＮ系材料とは、格子定数や熱膨張係数が大きく異なるため、その成膜が容易ではない。しかしながら、低温堆積緩衝層技術の開発により、転位などの結晶欠陥が多数存在するものの、平坦な膜を得ることができるようになってきた。この結果、ＡｌＧａＩｎＮ系材料を使用した発光素子が急激に進展した。なお、基板としては、サファイアの他に炭化珪素（ＳｉＣ）やＧａＡｓ、シリコン（Ｓｉ）なども用いられている。
【０００４】
また、最近、気相成長法を用いて転位密度の小さい窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を作製する技術が確立され、ＧａＮ基板を用いたＡｌＧａＩｎＮ系材料によるＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ  ｄｉｓｃ）などの高密度光記録用青紫色レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）や、レーザディスプレイ用青色レーザダイオードなどの実用化に適用されている。
【０００５】
近年の省エネルギー化への流れを受けてＡｌＧａＩｎＮ系材料を使用した発光素子の中で最も注目されているのは白色発光ダイオードである。この白色発光ダイオードは、青色発光ダイオード又は紫外発光ダイオードを励起光源として、蛍光体と組み合わせることで実現されている。白色発光ダイオードは液晶ディスプレイ用のバックライト光源として注目され、小型携帯電子機器から、大型の液晶テレビ用のバックライト光源として使用されている。さらに、白熱電球や蛍光灯を置き換える照明機器への展開が進められている。これら次世代の照明機器としての利用可能性が高い白色発光ダイオードの出力向上には、励起光源となる青色発光ダイオードや紫外発光ダイオードの高出力化、高効率化が極めて有効であり、これら開発の産業的意義は非常に高い。
【０００６】
発光ダイオードの高出力化には、発光ダイオードの外部量子効率の改善が必須である。外部量子効率とは、発光ダイオードに与えた電気エネルギーと、その電気エネルギーが発光ダイオード内部で光エネルギーに変換され最終的に外部に取り出された光エネルギーとの比である。このため、外部量子効率の改善には、発光ダイオードの活性層における内部量子効率の向上と、発生した光エネルギーを発光ダイオードから取り出す光取り出し効率の向上とが必要である。
【０００７】
光取り出し効率の向上に有効な構造としてはフリップチップ構造が一般に知られている。このフリップチップ構造では、基板の表面上に所望の発光を生じる半導体層を積層し、半導体層の基板側とは反対側に電流注入用のｎ側電極及びｐ側電極を形成し、基板の裏面を光取り出し方向とする。このため、発光素子から出る光が電極によって遮られることなく、また、電極を光の反射面として使用可能であるために、光取り出し効率が向上する。さらに、基板裏面（光取り出し面）に適当なパターニングを施すことによって、内部への光の反射を抑制し、光取り出し効率を向上することができる。
【０００８】
内部量子効率の向上には、加えられた電気エネルギーを活性層で効率的に光エネルギーに変換するための、活性層構造の最適化と、欠陥の少ない高品質な成膜技術の確立が重要である。欠陥の少ない結晶を得るためには成長条件の調整と合わせて、低転位の基板を使用することが効果的であり、レーザダイオードで使用しているＧａＮ基板を発光ダイオードの作製にも使用することが望ましい。
【０００９】
さらに、これらとは別に、発光ダイオードの出力向上としては、素子の大型化と投入電力の増大も効果が高く、一般的に行われる。しかしながら、素子を大型化した場合には、発光強度及び発光波長の均一性並びに注入電流の均一性の確保が必須となり、また、投入電力を増大した場合には、増大した電力に対する耐性の確保が必須となる。
【００１０】
上記活性層構造の最適化は、消費電力を抑制することができ、動作中の発熱も低減できることから、投入電力を増大することに対しても非常に効果的である。また、これら技術は発光ダイオードに限定した内容ではなく、レーザダイオードでも同様の改善が必要であることは言うまでもない。
【００１１】
ここで、出力を向上させると共に消費電力を低減することができるサファイア基板を用いた窒化物半導体発光素子が、特許文献１に開示されている。
【００１２】
特許文献１に開示された窒化物半導体発光素子は、サファイア基板と活性層との間に、少なくとも一方にはｎ型不純物が添加された第１と第２の窒化物半導体層を含む複数の層が積層されてなるｎ側コンタクト層として作用する超格子層を備える。そして、特許文献１には、サファイア基板と超格子層との間にアンドープ窒化物半導体層を形成することが開示されている。
【００１３】
ｎ側コンタクト層はｎ電極を形成するために高キャリア濃度の層で構成される必要があるが、不純物濃度の大きい厚膜の層は結晶性が悪くなる傾向にある。結晶性の悪い層の上に、活性層等の他の窒化物半導体を成長させても、結晶欠陥を他の層が引き継ぐことになって結晶性の向上が望めず、結果として出力の高い発光素子を実現することは出来ない。そこで、特許文献１では、ｎ側コンタクト層を成長する前に、不純物濃度が小さい、結晶性の良いバッファ層としてアンドープの窒化物半導体層を成長することにより、キャリア濃度が高く結晶性の良いｎ側コンタクト層を形成している。なお、このバッファ層としてのアンドープ窒化物半導体層の膜厚は、０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．５μｍ以上、最も好ましくは１μｍ以上、２０μｍ以下に調整することが望ましいことが開示されている。アンドープ窒化物半導体層の膜厚が０．１μｍよりも薄いと、不純物濃度の大きいｎ側コンタクト層を厚く成長させなければならず、ｎ側コンタクト層の結晶性の向上があまり望めない傾向にあるからである。また、アンドープ窒化物半導体層の膜厚が２０μｍよりも厚いと、アンドープ窒化物半導体層自体に結晶欠陥が多くなりやすい傾向にあるからである。
【００１４】
さらに、特許文献１によれば、超格子層は、ｎ電極を形成するｎ側コンタクト層として、また、活性層に対して大きいバンドギャップエネルギーを有するクラッド層として作用することが示されている。超格子層内において第１の層と第２の層では、バンドギャップエネルギーの大きい方の層のｎ型不純物濃度を大きくすることが望ましい。バンドギャップエネルギーの大きな層の方に多くのｎ型不純物を添加した超格子層をｎ層側のコンタクト層として形成した場合、ｎ型不純物が添加されたバンドギャップエネルギーの大きい第１の層とバンドギャップエネルギーが小さいアンドープの第２の層とを積層した超格子層は、ｎ型不純物を添加した層とアンドープの層とのヘテロ接合界面で、バンドギャップエネルギーの大きな層側が空乏化し、バンドギャップエネルギーの小さな層側の厚さ前後の界面に電子（二次元電子ガス）が蓄積する。このように、二次元電子ガスがバンドギャップエネルギーの小さな層側に蓄積されることにより、電子が走行するときに不純物による散乱を受けないので、超格子層の電子の移動度が高くなり、抵抗率が低下し、例えば、レーザダイオードでは、さらに閾値電圧、閾値電流が低下する傾向にあることが論じられている。なお、基板には、サファイア基板の他、窒化物半導体基板を用いることが窒化物半導体の結晶性を良くする上で非常に好ましく、この窒化物半導体基板を基板とする場合にはバッファ層としてのアンドープ窒化物半導体層を特に成長させる必要はないことも明示されている。
【００１５】
また、別の文献（特許文献２）では、発光の均一性を向上することができる半導体発光素子が開示されている。特許文献２によれば、ＧａＮ基板上に、バッファ層として厚み２μｍのアンドープＧａＮ層を形成し、次いで光均一化層としてアンドープＩｎＧａＮ（膜厚３ｎｍ）とアンドープＧａＮ（膜厚１２ｎｍ）の積層（２０層）構造を、その中心に含むアンドープＧａＮの膜厚が４μｍとなるように形成する。次いで、第一導電型（ｎ型）第二クラッド層としてＳｉドープＧａＮ層を４μｍの膜厚で形成し、第一導電型（ｎ型）コンタクト層としてＳｉドープＧａＮ層を０．５μｍの膜厚でに形成し、さらに第一導電型（ｎ型）第一クラッド層としてＳｉドープのＡｌＧａＮ層を０．１μｍの膜厚で形成する。その上にさらに活性層構造を形成することが明示されている。光均一化層は基板とｎ側クラッド層の間に形成され、光取り出し面から出射する発光強度の均一性を向上させる機能を有する。
【００１６】
さらに別の文献（非特許文献１）では、最近の当該分野における技術動向が示されている。非特許文献１には、サファイア基板上への標準的なフリップチップ構造発光ダイオードの作製技術と、この作製後、レーザアシストリフトオフプロセスによりサファイア基板を剥離して、薄膜型フリップチップ構造を形成する技術とが示されている。非特許文献１の技術によれば、サファイア基板剥離後の裏面加工と高い熱伝導率のサブマウントへのフリップチップ実装で、高い光取り出し効率と発熱の抑制を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０００−０６８５９４号公報
【特許文献２】特開２００７−３２９４６３号公報
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８９，０７１１０９  （２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ＧａＮ基板を利用して発光ダイオードなどの窒化物半導体発光素子を形成する場合、ＧａＮ基板上に形成される窒化物半導体層については、その結晶性のみならず、その表面平坦性も良好とする必要があることは言うまでもない。
【００２０】
特許文献１で示されるように、サファイア基板上を用いて作製する発光ダイオード素子の高性能化には、低温バッファ層上に結晶性を改善するためのアンドープ窒化物半導体層を形成することは非常に効果的である。
【００２１】
しかしながら、さらに高出力化を実現するためには、低転位密度の窒化物半導体基板を使用することが必須となるが、特許文献１には、窒化物半導体基板を使用する際に生じる課題やその解決策に関しては明示されていない。
【００２２】
また、特許文献２には、窒化物半導体基板を使用することが開示されているが、特許文献２にも窒化物半導体基板を使用する際に生じる課題やその解決策についての明確な開示はない。
【００２３】
ＧａＮ基板に代表される窒化物半導体基板は、一般に作製や加工が非常に困難であるため、既に市販されてはいるものの、現状でも基板自身に多くの課題を抱えている。例えば、気相成長法によるヘテロ成長で結晶作製されたＧａＮ基板は、貫通転位密度が１×１０5〜１×１０6ｃｍ-3程度と他の化合物半導体結晶基板と比べて２〜３桁も高く、貫通転位が集合した欠陥集合領域（通常「コア」と呼ばれる）も面内に多数存在する。これは、ヘテロ成長で結晶作製を行っているからであり、基板には、大きな残留歪み、及び、この残留歪みに起因した反りや結晶軸の面内分布が存在する。
【００２４】
このような欠陥集合領域を有する窒化物半導体基板を用いて、発光素子形成のためにｎ型の窒化物半導体層のエピタキシャル形成を行った場合、基板とエピタキシャル層との界面における成長方法を何ら工夫しなければ表面平坦性を悪化させることになり、発光特性の低下を招いて実用化レベルの発光素子を実現できないという問題がある。
【００２５】
また、低抵抗の導電層として高濃度にドナー不純物を添加した窒化物半導体層（１×１０18ｃｍ-3以上）を窒化物半導体基板上に形成する。しかし、基板側（活性層とは反対側）を光取り出し面とするフリップチップ型の素子構造の場合には、高濃度にドナー不純物を添加した窒化物半導体層によってフリーキャリアロスが発生し、光出力が低下するという問題がある。
【００２６】
本発明はこのような問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化物半導体基板上に平坦性及び結晶性に優れた窒化物半導体層を形成し、発光強度及び発光波長の均一性並びに注入電流の均一性に優れ、高い投入電力においても十分な耐性を有する窒化物半導体発光素子とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様は、第一の主面と第二の主面を有し、窒化物半導体基板と、前記第一の主面に接して形成された第一の窒化物半導体層と、前記第一の窒化物半導体層の前記第一の主面と接する側とは反対側に形成された、ｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層を含む積層体と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ側電極とを備え、前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、前記第二の主面が光取り出し面である。
【００２８】
この構成により、平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。また、窒化物半導体基板に接してアンドープの窒化物半導体層を形成することにより、平坦性に優れる窒化物半導体膜を薄膜で実現することができるので、原料の消費量を低減でき、窒化物半導体層の製造コストを低減することができる。
【００２９】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層が、アンドープのＧａＮ層であることが好ましい。
【００３０】
この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。
【００３１】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記ｎ型窒化物半導体層が、ｎ型のＡｌＧａＮ層を含むことが好ましい。
【００３２】
この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、特に高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。さらに、ｎ型のＡｌＧａＮ層がバリア層兼キャリア供給層として作用し、バンドギャップエネルギーの小さな層である前記アンドープの窒化物半導体層の界面に二次元電子ガスを蓄積することができる。そして、この領域を電子が走行する領域として使用することで、素子面内における電子の分布を均一化でき、活性層への電子の注入をさらに均一にすることができる。さらに、抵抗率を低下させることもできるので動作電圧を低減することもできる。
【００３３】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのＧａＮ層と前記ｎ型のＡｌＧａＮ層との間に、アンドープのＡｌＧａＮ層からなる第二の窒化物半導体層を含むことが好ましい。
【００３４】
この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、特に高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。
【００３５】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層であるアンドープのＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が、前記ｎ型窒化物半導体層に含まれるｎ型のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と同じである、又は、当該ｎ型のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成よりも小さいことが好ましい。
【００３６】
この構成により、ｎ型のＡｌＧａＮ層がバリア層兼キャリア供給層として作用し、また、アンドープのＡｌＧａＮ層がスペーサ層として作用するので、アンドープＧａＮ層の第一の窒化物半導体層の界面において効率的に二次元電子ガスを生成し蓄積することができる。そして、この領域を電子が走行する領域として使用することで、素子面内における電子の分布を均一化して活性層への電子の注入を均一にすることができる。さらに、抵抗率を低下させることもできるので動作電圧も低減することができる。
【００３７】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記ｎ型半導体層が、不純物としてＳｉを含有することが好ましい。
【００３８】
この構成により、効率的に電子を生成することができるので、注入電流の均一性と動作電圧の低減を実現することができる。
【００３９】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記第一の窒化物半導体層に意図せずに含まれるＳｉ濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００４０】
この構成により、電流を注入した場合に、不純物散乱による抵抗の増加を抑制できるため注入電流の均一性と動作電圧の低減を実現することができる。
【００４１】
さらに、本発明に係る窒化物半導体発光素子の一態様において、前記窒化物半導体基板が、ＳｉとＯの少なくともいずれか一方を不純物として含有するｎ型ＧａＮ基板であることが好ましい。
【００４２】
この構成により、ｎ型窒化物半導体層からだけでなくｎ型ＧａＮ基板側からも、アンドープの窒化物半導体層に電子が供給されるため、大きな注入電流状態においても注入電流の均一性と動作電圧の低減を実現することができる。
【００４３】
また、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の一態様は、第一の主面と第二の主面を有し、発光波長に対して透明な窒化物半導体基板を準備する工程と、前記第一の主面に接して第一の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第一の窒化物半導体層に接してｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層の上に活性層と、ｐ型窒化物半導体層とを順に形成する工程と、前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されるｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されるｐ側電極とを形成する工程とを有し、前記第一の窒化物半導体層が、アンドープの窒化物半導体層であり、前記第二の主面が光取り出し面である。
【００４４】
この構成により、非常に平坦な表面を有する窒化物半導体発光素子の積層構造が実現できるため、組成や厚みにムラのない、面内で均一な成膜が可能となり、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法によれば、窒化物半導体基板上に形成する窒化物半導体層の平坦性が向上するため、特に活性層の組成や厚みにムラのない成膜が可能となり、素子面内で高い内部量子効率と発光強度及び発光波長並びに注入電流の均一性を実現することが可能となる。また、平坦性に優れる素子構造を、薄膜で実現することができるため、原料の消費量を削減することができ、製造コストを大幅に低減することができる。さらに、二次元電子ガスを用いた電子の供給が実現できるため抵抗率が低下し、活性層へのキャリアの注入を更に均一化でき、動作電圧も低減するという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の第１の実施形態に係るフリップチップ型の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図３】比較例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図４】（ａ）本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子における表面モフォロジー写真、（ｂ）比較例１に係る窒化物半導体発光素子における表面モフォロジー写真、（ｃ）比較例２に係る窒化物半導体発光素子における表面モフォロジー写真
【図５】本発明の第１の実施形態及び比較例に係る窒化物半導体発光素子で用いたｎ型ＧａＮ基板の表面モフォロジー写真
【図６】ｎ型ＧａＮ基板の表面粗さを示す図及びｎ型ＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ層における膜厚と表面粗さとの関係を示す図
【図７】本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法について詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、その一例を示すものであって、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るフリップチップ型の窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００４９】
本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１００は、窒化物半導体発光ダイオードであって、図１に示すように、第一の主面（表面）１０１ａと第二の主面（裏面）１０１ｂを有する窒化物半導体基板１０１と、窒化物半導体基板１０１の第一の主面１０１ａ上に順次形成された、第一の窒化物半導体層１０２、第一導電型（ｎ型）のｎ型窒化物半導体層１０３、活性層１０４、及び、第一導電型とは異なる導電型である第二導電型（ｐ型）のｐ型窒化物半導体層１０５とを備える。
【００５０】
窒化物半導体基板１０１は、活性層１０４が発光する発光波長に対して透明な基板であり、第二の主面１０１ｂから光を取り出すことができる。ここで、「発光波長」とは、活性層１０４に供給された電子及び正孔の再結合によって生成された光の波長のことを意味する。本実施形態において、窒化物半導体基板１０１としては、第一の主面１０１ａの最表面が（０００１）面に対して＜１１−００＞の方向に０．３°傾斜したｎ型のＧａＮ基板を用いた。また、窒化物半導体基板１０１にはドナー不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加した。
【００５１】
第一の窒化物半導体層１０２は、窒化物半導体基板１０１の第一の主面１０１ａに接して形成されたアンドープ層の窒化物半導体層である。本実施形態において、第一の窒化物半導体層１０２は、アンドープのＧａＮ層で構成した。ここで、アンドープとは意図的な不純物の添加を行わないという意味である。
【００５２】
ｎ型窒化物半導体層１０３は、ｎ型クラッド層であり、第一の窒化物半導体層１０２における窒化物半導体基板１０１の第一の主面１０１ａと接する側の面とは反対側の面に接するように形成されている。本実施形態において、ｎ型窒化物半導体層１０３は、ｎ型のＡｌＧａＮ層であり、例えば、ｎ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎで構成することができる。
【００５３】
活性層１０４は、ｎ型窒化物半導体層１０３における第一の窒化物半導体層１０２と接する側の面とは反対側の面に接するように形成されている。本実施形態において、活性層１０４としては、多重量子井戸構造の活性層を用いており、例えば、膜厚が３ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるウェル層と、このウェル層を挟むように形成された膜厚が６．０ｎｍのＧａＮからなるバリア層との三重量子井戸構造の活性層を用いることができる。
【００５４】
ｐ型窒化物半導体層１０５は、ｐ型クラッド層であり、活性層１０４におけるｎ型窒化物半導体層１０３と接する側の面とは反対側の面に形成されている。本実施形態において、ｐ型窒化物半導体層１０５は、ｐ型のＡｌＧａＮ層であり、例えば、ｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎで構成することができる。
【００５５】
また、図１に示すように、ｐ型窒化物半導体層１０５、活性層１０４及びｎ型窒化物半導体層１０３の一部にはエッチングが施されており、ｎ型窒化物半導体層１０３の表面が露出するように構成されている。なお、図１では、ｎ型窒化物半導体層１０３の表面が露出するように構成したが、第一の窒化物半導体層１０２の表面が露出するように、第一の窒化物半導体層１０２までエッチングするようにしても構わない。
【００５６】
そして、ｐ型窒化物半導体層１０５のエッチングされていない表面上には、ｐ側電極１０７が形成されている。また、表面が露出したｎ型窒化物半導体層１０３上には、ｎ側電極１０６が形成されている。なお、第一の窒化物半導体層１０２を露出させた場合は、表面が露出した第一の窒化物半導体層１０２上にｎ側電極１０６が形成される。
【００５７】
ｎ側電極１０６は、ｎ型窒化物半導体層１０３に電気的に接続されており、本実施形態では、Ｔｉ／Ａｕによって構成されている。また、ｐ側電極１０７は、ｐ型窒化物半導体層１０５に電気的に接続されており、本実施形態では、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｇによって構成されている。
【００５８】
さらに、図２に示すように、ｎ側電極１０６及びｐ側電極１０７のそれぞれとサブマウント１０９との間に金属はんだ１０８を設け、窒化物半導体発光素子１００をサブマウント１０９上に実装することにより、窒化物半導体基板１０１の第二の主面側（裏面側）から光を取り出すフリップチップ実装型の発光ダイオードである窒化物半導体発光素子１０を作製することができる。なお、光取り出し面である窒化物半導体基板１０１の第二の主面には、光取り出し効率を向上させるために微小凹凸構造が形成されている。
【００５９】
次に、図１及び図２に示した窒化物半導体発光素子の製造方法について、図１及び図２を参照して詳述する。
【００６０】
図１に示すように、まず、窒化物半導体基板１０１として、例えば最表面が（０００１）面に対して＜１１−００＞の方向に０．３°傾斜し、ドナー不純物としてＳｉが、そのＳｉ濃度が１×１０18ｃｍ-3程度含まれるｎ型ＧａＮ基板を準備する。
【００６１】
本実施形態では、以降、この窒化物半導体基板１０１上に、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法により、窒化物半導体積層の積層構造を形成する。なお、本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法で窒化物半導体積層の成膜を実施したが、適切な成長条件を調整すれば、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などのどんな成膜装置を用いてもよく、また、使用する原料についても問わない。
【００６２】
窒化物半導体層の積層構造を成長させる前に、窒化物半導体基板１０１に対して、キャリアガスとして水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）を供給するとともに、基板からの窒素の分解脱離を抑制するためのガスとしてＶ族原料ガスであるアンモニア（ＮＨ3）を供給した状態で１０分間の熱処理を行う。この熱処理は、ＧａＮ基板の表面を洗浄化するために、及び表面研磨時等の加工変質層を除去するために行われる。
【００６３】
その後、１０８０℃の温度で、窒化物半導体基板１０１の第一の主面１０１ａ上に、第一の窒化物半導体層１０２として、膜厚が２．０μｍのアンドープＧａＮ層を形成する。なお、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、Ｎ原料としてはＮＨ3を用いた。ここで、アンドープとは、上述のとおり、意図的な不純物の添加を行わないという意味である。本実施形態において、アンドープＧａＮ層の残留ドナー濃度は１×１０16ｃｍ-3から１×１０17ｃｍ-3であり、残留ドナーの起源となるのは成膜装置の部材から意図的ではなく混入したＳｉ等によるものである。
【００６４】
続いて、第一の窒化物半導体層１０２上に、ｎ型窒化物半導体層１０３として、膜厚が５０ｎｍのｎ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層を形成する。なお、ドナー不純物としてＳｉを用い、Ｓｉ濃度が５×１０18ｃｍ-3程度となるようにした。また、Ｓｉ原料としてはモノシラン（ＳｉＨ4）を用い、Ａｌ原料としてはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いた。
【００６５】
次に、ｎ型窒化物半導体層１０３上に、活性層１０４として、膜厚が３ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎウェル層と膜厚が６．０ｎｍのＧａＮバリア層とで構成される三重量子井戸からなる多重量子井戸構造の活性層を形成する。続いて、活性層１０４上に、ｐ型窒化物半導体層１０５として、膜厚が１４０ｎｍのｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｐ型クラッド層を形成する。
【００６６】
ここで、本実施形態では、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎウェル層の成長時は成長温度を７２０℃とし、キャリアガスもＨ2は使用せずＮ2だけに変更した。また、ＧａＮバリア層の成長時、及び、ｐ型クラッド層の成長時は成長温度を９６０℃に設定した。また、ｐ型クラッド層であるｐ型窒化物半導体層１０５にはアクセプター不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が８×１０19ｃｍ-3程度含まれており、ｐ型窒化物半導体層１０５は、キャリアに対してクラッド層として作用するだけではなく、コンタクト層としても作用する。なお、Ｍｇ原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。
【００６７】
上記各窒化物半導体層の結晶成長が終了した後、９２０℃まで温度が低下した段階で、Ｖ族原料ガスであるＮＨ3の供給を停止するとともに、キャリアガスのＨ2の供給も停止し、Ｎ2キャリアガスのみで引き続き室温まで降温する。このようにすることで、正孔濃度が４〜５×１０17ｃｍ-3であり、抵抗率が２〜３Ωｃｍのｐ型クラッド層を、ＭＯＣＶＤ炉の外での特別な活性化熱処理を施すことなく再現性良く形成することができる。
【００６８】
続いて、ｐ型窒化物半導体層１０５の表面全面に、膜厚が２００ｎｍのＳｉＯ2を堆積し、標準的なフォトリソグラフィ及びＲＩＥ（反応性イオンエッチング  ：  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるドライエッチングにより、ｎ側電極１０６を形成するためのパターン状のＳｉＯ2からなるマスクを形成する。
【００６９】
その後、ＳｉＯ2をマスクとしてＣｌ2ガスなどによるＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）ドライエッチングにより、表面から約０．２μｍの深さで窒化物半導体層をエッチングし、図１に示すように、ｎ型窒化物半導体層１０３を面内で部分的に露出させる。
【００７０】
次に、マスクに用いたＳｉＯ2膜をフッ酸溶液（ＨＦ）などで除去した後、再び全面にＳｉＯ2膜を１００ｎｍ堆積する。そして、フォトリソグラフィ及び緩衝フッ酸溶液（ＢＨＦ）によるウェットエッチングにより、ｐ側電極１０７を堆積するための開口部を形成し、その開口部に電子線蒸着により、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｇからなるｐ側電極１０７を形成する。さらに、続いて、ｐ型窒化物半導体層１０５、活性層１０４及びｎ型窒化物半導体層１０３の一部にエッチングを施すことにより、ｎ側電極１０６を堆積するための開口部を形成し、その開口部に、Ｔｉ／Ａｕからなるｎ側電極１０６を形成する。
【００７１】
その後、窒化物半導体基板１０１の第二の主面（裏面）１０１ｂを研磨し、基板の厚さが約８０μｍになるまで薄膜化する。研磨した基板の裏面に対しては、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液を用いたエッチング処理を施すことにより、数μｍの微細な凹凸を有するテクスチャ構造を形成する。このテクスチャ構造は、光取り出し面における反射による光取り出し効率の低下を抑制する効果があり、テクスチャ構造を形成しない場合と比べて光取り出し効率を向上させることができる。
【００７２】
次に、窒化物半導体基板の第二の主面（裏面）側からダイシングを行うことにより、１．０ｍｍ角のチップ形状とする。これにより、窒化物半導体発光素子１００が完成する。
【００７３】
その後、図２に示すように、ｎ側電極１０６とサブマウント１０９の金属配線との間及びｐ側電極１０７とサブマウント１０９の金属配線との間に金属はんだ１０８を設け、ｎ側電極１０６及びｐ側電極１０７とサブマウント１０９とを接合する。これにより、窒化物半導体発光素子１００をサブマウント１０９上に実装することができ、窒化物半導体基板１０１の裏面側から光が出射するフリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードが完成する。
【００７４】
次に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の作用効果について、図３〜図６を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子と比較するために作製した、比較例に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００７５】
図３に示すように、比較例に係る窒化物半導体発光素子１０Ａ、１００Ａは、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０、１００と基本的な構造は同じである。比較例に係る窒化物半導体発光素子１０Ａと本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０とが異なる点は第一の窒化物半導体層であり、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０における第一の窒化物半導体層１０２はアンドープのＧａＮ層であったのに対し、比較例に係る窒化物半導体発光素子１０Ａにおける第一の窒化物半導体層１０２Ａは、ＳｉドープのＧａＮ層である。なお、比較例に係る窒化物半導体発光素子１０Ａは、以下に示す方法で作製した。
【００７６】
まず、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０と同一の窒化物半導体基板１０１を用意し、窒化物半導体層の積層構造を成長させる前に、窒化物半導体基板１０１に対して、キャリアガスとしてＨ2とＮ2を供給するとともに、基板からの窒素の分解脱離を抑制するためのガスとしてＮＨ３を供給した状態で１０分間の熱処理を行う。その後、１０８０℃の温度で、窒化物半導体基板１０１上に、ドナー不純物としてＳｉを５×１０18ｃｍ-3の濃度で含まれるよう添加してＳｉドープＧａＮ層からなる第一の窒化物半導体層１０２Ａを、２．０μｍの膜厚で形成する。それ以降は、第１の実施形態と同様の方法で、膜厚が５０ｎｍのｎ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型クラッド層であるｎ型窒化物半導体層１０３を第一の窒化物半導体層１０２Ａに接するように形成する。次に、膜厚が３ｎｍのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるウェル層と膜厚が６．０ｎｍのＧａＮからなるバリア層とで構成される三重量子井戸からなる活性層１０４、膜厚が１４０ｎｍのｐ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｐ型クラッド層であるｐ型窒化物半導体層１０５を順次形成する。その後、第１の実施形態と同様の方法で、ｎ側電極１０６及びｐ側電極１０７を形成し、その後、１．０ｍｍ角のチップ形状となるようにダイシングした後でサブマウント１０９に実装することで、フリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードが完成する。
【００７７】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と比較例に係る窒化物半導体発光素子におけるＧａＮ基板上に形成されたＧａＮ層（第一の窒化物半導体層）の表面モフォロジー写真である。
【００７８】
図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０における表面モフォロジー写真であり、ｎ型ＧａＮ基板上に形成した膜厚が２．０μｍのアンドープＧａＮ層（第一の窒化物半導体層１０２）の表面モフォロジーを示している。また、図４（ｂ）は、比較例１に係る窒化物半導体発光素子１０Ａにおける表面モフォロジー写真であり、Ｓｉ濃度が５×１０17ｃｍ-3で膜厚が２．０μｍのＳｉドープＧａＮ層の表面モフォロジーを示している。また、図４（ｃ）は、比較例２に係る窒化物半導体発光素子１０Ａにおける表面モフォロジー写真であり、Ｓｉ濃度が５×１０18ｃｍ-3で膜厚が２．０μｍのＳｉドープＧａＮ層の表面モフォロジーを示している。なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）は、いずれもｎ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなるｎ型窒化物半導体層１０３を形成する直前の状態を示している。
【００７９】
図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０におけるＧａＮ層は平坦性及び結晶性が極めて優れており、不純物濃度が高くなるに従って平坦性及び結晶性が劣化していくことが分かる。このように、ＧａＮ基板上に形成するＧａＮ層としては、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０のように、アンドープＧａＮ層とすることが好ましいことが分かる。すなわち、ＧａＮ基板上に形成するＧａＮ層を本発明のようにアンドープ層とすることにより、平坦性及び結晶性に優れたＧａＮ層を形成することができる。以下、このことについて考察する。
【００８０】
従来、化合物半導体を用いた発光素子を作製する場合、基板上に形成する半導体層は基板と同じ導電型とし、ドーピングを施しながらエピタキシャル成長することが一般的である。しかしながら、本願の発明者らが鋭意検討した結果、ｎ型ＧａＮ基板を用いた場合には、ドーピングを施すことにより表面モフォロジーが大幅に悪化し、面内において均一な膜を有する活性層を形成することができず、実用レベルの発光素子を作製することができないことが判明した。
【００８１】
本願の発明者らは、この表面モフォロジーの荒れという課題の原因を詳細に調べたところ、基板とエピタキシャル膜との界面に多量のドナー不純物であるＳｉが吸着し、結晶中に取り込まれていることを見出した。このことについて、図５を用いて説明する。
【００８２】
図５は、本発明の第１の実施形態及び比較例に係る窒化物半導体発光素子で用いたｎ型ＧａＮ基板のＧａＮ層成膜前の表面モフォロジー写真である。
【００８３】
窒化物半導体は材料自身の非常に堅牢な特性のために、加工が困難であることが一般に知られている。これは窒化物半導体基板の作製においても同様で、図５に示すように、窒化物半導体基板の表面には、表面研磨時に生じた傷である多くのスクラッチ痕、又は、表面研磨時に形成された点欠陥が多数存在する層としての加工変質層が残留している。このような加工変質層を除去するために、窒化物半導体層の積層構造を成長させる前に、ｎ型ＧａＮ基板に対して熱処理を施すのであるが、この熱処理により上記のスクラッチ痕が顕在化し、表面モフォロジーが大きく悪化することが分かった。この表面モフォロジーが悪化した状態のｎ型ＧａＮ基板上に、ドーピングを施しながらＳｉドープＧａＮ層を形成すると、上述のように基板とエピタキシャル膜との界面に多量のドナー不純物であるＳｉが取り込まれることになり、スクラッチ痕をそのまま残した形状で成膜が進んでしまい、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、ＧａＮ層の表面モフォロジーも悪化してしまう。
【００８４】
本願の発明者らは、その後種々検討することにより、図５に示すようなスクラッチ痕を有するＧａＮ基板であったとしても、当該ＧａＮ基板上にアンドープＧａＮ層を形成することにより、基板とエピタキシャル膜との界面におけるＳｉ等の不純物の取り込みを抑制して、ＧａＮ層の表面モフォロジーを改善することができることを突き止めた。
【００８５】
図６は、図５に示すｎ型ＧａＮ基板の表面粗さ、及び、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すＧａＮ層における膜厚と表面粗さとの関係を示す図である。図６において、横軸はＧａＮ層の膜厚を示している。但し、ｎ型ＧａＮ基板については、表面粗さのみ示している（膜厚は０μｍとして図示）。また、図６において、縦軸は表面粗さのＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）値を示している。ＲＭＳ値は、走査型白色干渉計を用いて数値化した結果を示している。また、ＲＭＳ値は、ＧａＮ基板及びＧａＮ層の表面における、およそ３００μｍの矩形の範囲で測定した結果である。
【００８６】
図６中の「○」で示すように、ｎ型ＧａＮ基板には多数のスクラッチ痕が存在するものの、ｎ型ＧａＮ基板の熱処理前のＲＭＳ値は１．４ｎｍで非常に小さい。一方、熱処理を施すことによりスクラッチ痕が顕在化し、ｎ型ＧａＮ基板のＲＭＳ値は増大して６ｎｍを超えることが分かる。
【００８７】
熱処理を施したｎ型ＧａＮ基板の上に、膜厚を変えながらアンドープＧａＮ層を形成すると、図６中の「●」で示すように、膜厚の増加とともにいったんＲＭＳ値は減少し、０．３μｍ成膜した状態でほぼ最小となり、ＲＭＳ値は２ｎｍ程度となる。その後、膜厚の増加とともにＲＭＳ値はもう一度増大する。これは、膜厚の増加とともに、ステップバンチングが促進し、マクロステップ化するための現象である。実用上ＲＭＳ値は３ｎｍ以下にすることが望ましく、アンドープＧａＮ層を用いる場合、膜厚は０．３μｍ以上、２μｍ以下にすることが好ましい。
【００８８】
一方、図６中の「▲」又は「■」で示すように、ＳｉドープＧａＮ層を用いた場合は、結晶中に含まれるＳｉ濃度により表面粗さは異なり、Ｓｉ濃度が高くなるにつれＲＭＳ値は大きくなることが分かる。また、いずれにしても、ＳｉドープＧａＮ層を用いた場合は、実用上必要なＲＭＳ値３ｎｍ以下を再現性良く実現することは困難である。
【００８９】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０、１００によれば、窒化物半導体基板１０１上に、アンドープの窒化物半導体層である第一の窒化物半導体層１０２を形成することにより、平坦性及び結晶性に優れた第一の窒化物半導体層１０２を得ることができる。その結果、第一の窒化物半導体層１０２上に形成される各種窒化物半導体層についても面内均一性に優れた半導体層とすることができる。これにより、活性層のＩｎ組成や厚みにムラのない成膜が可能となり、量子井戸からなる活性層を素子面内で均一に形成することができるため、高い内部量子効率と発光強度及び発光波長の均一化を実現することが可能となる。また、Ｉｎ組成が均一であるために素子面内でのバンドギャップ不均一を低減することもでき、活性層への均一な電流注入を実現することも可能となる。
【００９０】
また、ＧａＮ基板には貫通転位が集合したコアと呼ばれる欠陥集合領域が面内に多数存在するが、このコアの周辺とそれ以外の部分とでは面内でドナー不純物濃度や抵抗率が異なり、コアの周辺部においては、ドナー不純物濃度が高く、抵抗率が低くなりやすい。この場合、ｎ型ＧａＮ基板に電流を供給すると、抵抗の低いコアの周辺部に電流が流れやすく、結果として、活性層への電流注入が不均一になりやすい。しかも、欠陥集合領域であるコア周辺に電流が集中することにより欠陥の増殖が進行し、リーク電流が増加することで耐圧も低下する。しかしながら、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０、１００によれば、窒化物半導体基板１０１上にアンドープの窒化物半導体層である第一の窒化物半導体層１０２を形成するので、ｎ型ＧａＮ基板には電流が印加されることがない。これにより、上記リーク電流の増加を抑制することができ、結果として耐圧も高くでき、窒化物半導体発光ダイオードの素子サイズを大型化しても歩留まりの低下が発生することがなく、発光出力のさらなる向上を実現することができる。
【００９１】
なお、本実施形態において、窒化物半導体基板１０１としては、（０００１）面に対して＜１１−００＞の方向に０．３°傾斜し、ドナー不純物としてＳｉが含まれるｎ型ＧａＮ基板を使用したが、これに限らない。例えば、窒化物半導体基板１０１として、ＧａＮ以外に、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどからなる全ての窒化物半導体基板を用いることができる。また、ドナー不純物としても、Ｓｉ以外に、酸素（Ｏ）やセレン（Ｓｅ）を用いることもできる。さらに、基板の面方位についても、極性面の（０００１）面に限定されるものではなく、（０００−１）面でも、非極性面の｛１−１００｝面や｛１１−２０｝面、半極性面の｛１１−２２｝面、｛１０−１−３｝面、｛１０−１−１｝面などのすべてに適用することができ、基板表面の結晶軸の傾斜方向や傾斜角度も上記のものに限定されない。
【００９２】
また、本実施形態において、アンドープＧａＮ層には意図的な不純物の添加を行っていないが、ドナー不純物としてＳｉが残留不純物として１×１０17ｃｍ-3以下であれば同様の効果が得られる。従って、本実施形態では、ドライエッチングにより部分的に露出したｎ型窒化物半導体層１０３にｎ側電極１０６を形成したが、ｎ側電極１０６は、同様の手段で露出させたアンドープＧａＮ層である第一の窒化物半導体層１０２に形成してもよい。これは、ＧａＮ層は意図的に不純物の添加を行わないで作製してもｎ型の導電性を示すからであり、ｎ側電極１０６の堆積条件を適切に選択することで抵抗の低いオーミック接触電極を形成することが可能であり、この構造にすることでもｎ型窒化物半導体層１０３に電気的に接続するｎ側電極１０６として作用させることが可能である。この場合、アンドープＧａＮ層からなる第一の窒化物半導体層１０２の膜厚は薄く設定することが好ましい。これにより、ｎ型ＧａＮ基板である窒化物半導体基板１０１に含まれるドナー不純物からも電子が供給される。
【００９３】
また、本実施形態では、窒化物半導体基板１０１としては、ドナー不純物としてＳｉを用い、そのＳｉ濃度が１×１０18ｃｍ-3程度含まれるｎ型ＧａＮ基板を使用したが、ｎ側の電流が流れる電子の走行する領域としてはアンドープのＧａＮ層が用いられるので、窒化物半導体基板としてはＳｉ濃度が１×１０18ｃｍ-3以下のｎ型ＧａＮ基板を用いてもよい。これにより、フリップチップ型の素子構造において、光取り出し面側において、高濃度にドナー不純物が添加された領域を低減することができる。従って、フリーキャリアロスによる光出力の低下を抑制することができるので、発光出力を向上させることができる。
【００９４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について説明する。
【００９５】
本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と基本的な構成は同じである。従って、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の説明においては、図１及び図２を用い、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成要素と同じ符号を用いる。
【００９６】
本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子とが異なる点は、第一の窒化物半導体層１０２の膜厚である。それ以外の構成要素は同じである。
【００９７】
本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、アンドープＧａＮ層である第一の窒化物半導体層１０２の膜厚を０．３〜１．０μｍとしている。特に、本実施形態では、第一の窒化物半導体層１０２の膜厚を０．５μｍとした。なお、第１の実施形態では、第一の窒化物半導体層１０２の膜厚は２．０μｍとしていた。
【００９８】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、第１の実施形態と同一の方法で製造することができる。これにより、アンドープＧａＮ層の膜厚を０．５μｍとしたフリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。
【００９９】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、アンドープＧｓＮ層である第一の窒化物半導体層１０２の膜厚を０．３〜１．０μｍとしたものである。これにより、図６からも分かるように、ＲＭＳ値が約２以下という、ＲＭＳ値が小さくて非常に平坦なアンドープＧａＮ層を再現性良く作製することができる。
【０１００】
このように、本実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードは、平坦性に非常に優れたアンドープＧａＮ層を形成することができるので、第１の実施形態に係る窒化物半導体発光ダイオードと比べて活性層成長時の表面モフォロジーをさらに改善することができる。これにより、高い内部量子効率を再現性良く実現することができるので、歩留まりを向上することができる。また、原料の消費量を低減することができるとともに、成長時間を短縮することができる。従って、ＭＯＣＶＤ設備のスループットを向上することができるので、窒化物半導体発光ダイオードの製造コストを低減することができる。
【０１０１】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。なお、図７において、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成要素と同じ構成要素については、同じ符号を付しており、その詳しい説明は省略する。
【０１０２】
図７に示す本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２０が、図２に示す本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０と異なる点は、第一の窒化物半導体層１０２上に形成されるｎ型窒化物半導体層の構成である。なお、それ以外の構成は、第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０と同じである。
【０１０３】
図７に示すように、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２０は、アンドープ層である第一の窒化物半導体層１０２上に、アンドープ層とドープ層との複数層からなるｎ型クラッド層であるｎ型窒化物半導体層２０３が形成されている。ｎ型窒化物半導体層２０３は、アンドープ層である第二の窒化物半導体層２０３ａと、ドープ層である窒化物半導体層２０３ｂと、アンドープ層である第三の窒化物半導体層２０３ｃとの三層構造からなる。本実施形態において、第二の窒化物半導体層２０３ａ及び第三の窒化物半導体層２０３ｃはアンドープのＡｌＧａＩｎ層であり、窒化物半導体層２０３ｂはｎ型のＡｌＧａＮ層である。
【０１０４】
具体的には、ＧａＮ基板からなる窒化物半導体基板１０１上に膜厚が０．５μｍのアンドープＧａＮ層からなる第一の窒化物半導体層１０２が形成されている。また、第一の窒化物半導体層１０２の上には、膜厚が１０ｎｍのアンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる第二の窒化物半導体層２０３ａと、Ｓｉ濃度が５×１０18ｃｍ-3で膜厚が３０ｎｍのｎ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる窒化物半導体層２０３ｂと、膜厚が１０ｎｍのアンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる第三の窒化物半導体層２０３ｃとからなる三層構成のｎ型クラッド層であるｎ型窒化物半導体層２０３が形成されている。
【０１０５】
なお、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子２０は、第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子１０と同様の方法によって製造することができる。これにより、フリップチップ実装型の窒化物半導体発光ダイオードを得ることができる。
【０１０６】
本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２０、２００は、第２の実施形態と同様に、アンドープＧａＮ層からなる第一の窒化物半導体層１０２の膜厚を薄くしているので、第１の実施形態に比べて活性層成長時の表面モフォロジーをさらに改善することができ、高い内部量子効率を再現性良く実現することができる。
【０１０７】
さらに、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子２０は、上記三層構造のｎ型クラッド層であるｎ型窒化物半導体層２０３を備えているので、アンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎの第二の窒化物半導体層２０３ａをスペーサ層として作用させるとともに、ｎ−Ａｌ0.03Ｇａ0.97Ｎの窒化物半導体層２０３ｂをバリア層兼キャリア供給層として作用させることができる。これにより、アンドープＧａＮ層の第一の窒化物半導体層１０２の界面において効果的に二次元電子ガスを蓄積することができる。そして、この領域を電子が走行する領域として使用することで、素子面内における電子の分布を均一化して素子面内における活性層へのキャリアの注入をさらに均一にすることができ、さらに、抵抗率を低下させることもできるので動作電圧も低減することができる。
【０１０８】
なお、アンドープＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎの第二の窒化物半導体層２０３ａは、スペーサ層として作用するとともに、電子に対しては活性層へのバリア層として作用するので、第二の窒化物半導体層２０３ａの膜厚としては、キャリア供給層として作用する窒化物半導体層２０３ｂに添加されたドナー不純物であるＳｉによる不純物散乱の影響を低減でき、かつ、活性層への電流注入における抵抗の増加が生じない範囲に設定することが望ましい。また、第二の窒化物半導体層２０３ａのＡｌ組成については、第二の窒化物半導体層２０３ａを不純物散乱の影響を低減できるスペーサとして作用させるために、第一の窒化物半導体層１０２よりも高く、かつ、活性層への電流注入における抵抗の増加が生じないように、第三の窒化物半導体層２０３ｃのＡｌ組成と同じかそれ以下の範囲に設定することが望ましい。
【０１０９】
以上、本発明に係る窒化物半導体発光素子よびその製造方法について、実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。
【０１１０】
例えば、本発明に係る窒化物半導体発光素子において、上述のとおり、窒化物半導体基板は、ＧａＮ基板だけに限定されるものではなく、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどの全ての窒化物半導体基板を用いることができ、これらの窒化物半導体基板上に所望の窒化物半導体層を形成することができる。また、窒化物半導体基板の作製方法は、気相成長法によるものだけではなく、液相成長法、高圧合成法など全ての方法で作製された基板に適用できる。また、基板面方位も、その極性に関わらず、全ての面方位において適用できる。
【０１１１】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明は、表示装置用、照明用、あるいは、液晶ディスプレイのバックライト用に用いられる光源その他の発光装置として、特に大電流を印加して動作させるＧａＮ基板上に窒化物半導体層を備える発光ダイオードとして、又は、光ディスク装置用に用いられる半導体レーザダイオード等として有用である。
【符号の説明】
【０１１３】
１０、１０Ａ、２０、１００、１００Ａ、２００  窒化物半導体発光素子
１０１  窒化物半導体基板
１０１ａ  第一の主面
１０１ｂ  第二の主面
１０２、１０２Ａ  第一の窒化物半導体層
１０３、２０３  ｎ型窒化物半導体層
１０４  活性層
１０５  ｐ型窒化物半導体層
１０６  ｎ側電極
１０７  ｐ側電極
１０８  金属はんだ
１０９  サブマウント
２０３ａ  第二の窒化物半導体層
２０３ｂ  窒化物半導体層
２０３ｃ  第三の窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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