(57)【要約】【課題】基板に窒化ガリウム系化合物半導体を用いた場合、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面をフラットにするための研磨を行うため、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面は物理的なダメージを受け、この上に形成した発光層から放射される光が不均一になるという課題を解決し、放射される光の均一性を向上させることを目的とする。【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板１１の上に、少なくともＩｎを含む第一のｎ型層１３と、発光層１５とが設けられ、第一のｎ型層１３は基板１１と発光層１５との間に形成されていることによって、放射される光の均一性を向上させることができる。【選択図】図２
2011091442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨された表面を有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板と、
前記研磨された表面上に少なくともＩｎを含む第一のｎ型層と、
発光層とを有しており、
前記第一のｎ型層は前記基板と前記発光層との間に形成され、前記第一のｎ型層と前記基板の間に基板側から第四のｎ型層と第五のｎ型層を有し、前記第五のｎ型層は前記第四のｎ型層よりキャリア濃度が高く、かつｎ側電極が形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【請求項２】
前記基板はＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【請求項３】
前記第四のｎ型層のキャリア濃度は１×１０17ｃｍ-3〜２×１０18ｃｍ-3であり、前記第五のｎ型層のキャリア濃度は２×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【請求項４】
前記第五のｎ型層の層厚は前記第四のｎ型層の層厚よりも小さく、１００〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【請求項５】
前記第四のｎ型層の層厚は１〜５μｍであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【請求項６】
前記第一のｎ型層の厚さは１０ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【請求項７】
前記第一のｎ型層はＩｎＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＮである、請求項１〜請求項６のいずれか一つに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
【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光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体は、可視から紫外に亘る波長帯で動作する発光デバイスや高出力及び高温で動作する電子デバイス用の半導体材料として多用されている（例えば、特許文献１）。窒化物半導体発光素子に用いられる基板として、サファイア基板のような絶縁性の基板に代わってＧａＮ基板のような導電性の基板が用いられるようになってきている。導電性の基板を用いた場合、基板に電流を流すことができるので電流通路の抵抗値を下げて消費電力や動作電圧を低減させることができるためと、静電耐圧を高めることができるためである。
【０００３】
図１に従来の窒化ガリウム系化合物半導体を示す。図１において、ｎ型のＧａＮからなる基板１の上に、ＧａＮからなるｎ型層２と、ＩｎＧａＮからなる発光層５と、ＡｌＧａＮからなるｐ型層６、が順次積層されている。ｐ型層６の表面上にはｐ側電極７が形成されており、ｐ型層６の表面側から、ｐ型層６と発光層５とｎ型層２の一部をエッチングにより除去して露出されたｎ型層２の表面上に、ｎ側電極８が形成されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６０７１９号公報
【特許文献２】特開２００１−３４５４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、基板にＧａＮ基板を用いた場合、ＧａＮ基板の表面をフラットにするための研磨を行うため、ＧａＮ基板の表面は物理的なダメージを受け、この上に形成した発光層から放射される光が不均一になるという課題があった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決したもので、放射される光の均一性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板と、少なくともＩｎを含む第一のｎ型層と、発光層とを有しており、第一のｎ型層は基板と発光層との間に形成されるように構成したものである。フラット化するために表面が研磨された窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板が有している、結晶の不均一な歪みやダメージを少なくともＩｎを含む第一のｎ型層が緩和する。
【０００８】
基板と第一のｎ型層との間に窒化ガリウム系化合物半導体からなる第二のｎ型層を形成することにより、窒化ガリウム系化合物半導体基板が持っている微視的な凸凹を埋め込むことができる。また、基板から発光層までの距離を遠ざけることができるため、基板の表面が不純物などによって汚染されているというような界面の影響を受けにくくなる。更に、基板と略同じ格子定数を持つ第二のｎ型層を基板の上に成長させることにより、新たな歪みを生じさせずに第二のｎ型層を形成できるので、第二のｎ型層の上に成長する第一のｎ型層が安定に形成できる。また、基板から発光層までの距離を遠ざけるためにＩｎを含む層を厚くすると、クラックが入ってしまうが、第二のｎ型層を厚く成長させるならば、クラックが入ることも防ぐことができる。
【０００９】
第一のｎ型層と発光層との間に窒化ガリウム系化合物半導体からなる第三のｎ型層を形成することにより、基板から発光層までの距離を遠ざけることができるため、基板の表面が不純物などによって汚染されているというような界面の影響を受けにくくなる。また、基板から発光層までの距離を遠ざけるためにＩｎを含む層を厚くすると、クラックが入ってしまうが、第三のｎ型層を厚く成長させるならば、クラックが入ることも防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、少なくともＩｎを含む第一のｎ型層が窒化ガリウム系化合物半導体基板が持っている不均一な歪みやダメージを緩和するため、発光特性のウェハ面内均一性が向上し、歩留まりがよくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の発明を実施するための形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す断面図
【図３】本発明の発明を実施するための形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態１に係る窒化ガリウム系化合物半導体素子の構造を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下本発明の実施例について添付図面を参照して説明する。
【００１３】
図２において、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板１１の上に、窒化ガリウム系半導体からなる第二のｎ型層１２と、少なくともＩｎを含む第一のｎ型層１３と、クラッド層１４と、発光層１５と、ｐ型層１６、が順次積層されている。ｐ型層１６の表面上にはｐ側電極１７が形成されており、ｐ型層１６の表面側から、ｐ型層１６と発光層１５とクラッド層１４と第一のｎ型層１３と第二のｎ型層１２の一部をエッチングにより除去して露出された第二のｎ型層１２の表面上に、ｎ側電極１８が形成されている。
【００１４】
基板１１には、ｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎaＡｌbＧａ1-a-bＮ（但し、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１））を使用することができるが、良好な結晶性が得られやすいＡｌcＧａ1-cＮ（但し、０≦ｃ≦１）が望ましい。中でも製造が比較的容易で、かつ最も良好な結晶性が得られるＧａＮからなるものを使用することが最も好ましい。基板１１にはＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされてなくてもよいが、ドープされていた方が素子抵抗を小さくすることができる。ドープする際には、その電子濃度を概略１×１０17ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3の範囲に制御されたものを用いる。電子濃度が１×１０17ｃｍ-3よりも低くなると、抵抗率が高くなり、基板１１に注入された電子が基板１１で広がりにくくなる傾向にあるからであり、１×１０20ｃｍ-3よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して基板１１の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。
【００１５】
第二のｎ型層１２には、基板と略同じ格子定数をもつｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。これにより、窒化ガリウム系半導体からなる基板が持っている微視的な凸凹を埋め込むことができる。また、基板１１から発光層１５までの距離を遠ざけることができるため、基板１１の表面が不純物などによって汚染されているというような界面の影響を受けにくくなる。更に基板１１と略同じ格子定数を持つ第二のｎ型層１２を基板１１の上に成長させることにより、新たな歪みを生じさせずに第二のｎ型層１２を形成できるので、第二のｎ型層１２の上に成長する第一のｎ型層１３が安定に形成できる。また、基板１１から発光層１５までの距離を遠ざけるためにＩｎを含む層を厚くすると、クラックが入ってしまうが、第二のｎ型層１２を厚く成長させるならば、クラックが入ることも防ぐことができる。第二のｎ型層１２には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。第二のｎ型層１２には、基板と略同じ格子定数をもつｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体がよいが、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮであってもＩｎの組成が小さければ、基板との格子定数は近くなるので、用いることができる。
【００１６】
第二のｎ型層１２は、少なくともｎ側電極１８が形成される層において、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０17ｃｍ-3以上で１×１０20ｃｍ-3未満とすることが望ましい。電子濃度が１×１０17ｃｍ-3よりも低くなると、ｎ側電極１８とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、１×１０20ｃｍ-3よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して第二のｎ型層１２の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。
【００１７】
第二のｎ型層１２の層厚は、１００ｎｍ以上とすることが望ましい。１００ｎｍよりも薄いとエッチングにより第二のｎ型層１２内にｎ側電極１８を形成するための露出面を形成する際のエッチング精度が非常に厳しくなるからである。第二のｎ型層１２の層厚の上限は特にはないが、露出面を形成する際のエッチング精度を緩和するとともに、第二のｎ型層１２の形成時間を不必要に長くならないようにするため、５μｍ以下程度とすることが望ましい。
【００１８】
少なくともＩｎを含む第一のｎ型層１３には、ＩｎＧａＮやＩｎＡｌＧａＮやＩｎＡｌＮからなる単層、またはこれらのＩｎを含む層を少なくとも一層含む多層膜層、またはこれらのＩｎを含む層のうちの一層とＧａＮやＡｌＧａＮ等のＩｎを含まない層を交互に積層した多層膜層を使用することができる。Ｉｎを含む半導体層が相対的に軟らかいので、基板のダメージに由来する不均一な歪みを緩和することができる。その中でも製造がし易いＩｎＧａＮが望ましいが、Ａｌが含まれているとバンドギャップを大きくできるため、発光層１５から放射された光が吸収されにくくなるので、特に青から紫外発光領域においては、ＩｎＡｌＧａＮを用いることもできる。第一のｎ型層１３にはＩｎが少なくとも含まれていればよいが、Ｉｎ組成が０．０１〜０．１０が望ましい。０．０１より多ければ、軟らかいという効果がより一層でてくるため、基板のダメージに由来する不均一な歪みを吸収し易い。０．１０より少ないとＩｎ組成が大きくなることにより第一のｎ型層１３自体に生じる圧縮歪みを小さくできるので、この層自体に欠陥が生じない。従って、結晶性が悪くならない。また、Ｉｎ組成は０．０２〜０．０７が特に好ましい。上記の効果がより顕著であるからである。第一のｎ型層１３の厚さは１０ｎｍ〜１μｍが望ましい。第一のｎ型層１３の厚さが１０ｎｍより大きいと、ウェハ面内で発光特性を均一化できるという効果が安定して得られる。１μｍより薄いと第一のｎ型層の結晶性の劣化を防止することができ、また第一のｎ型層１３の製造時間の短縮化が図れる。特に、２０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。第一のｎ型層１３の厚さが２０ｎｍより大きいと、ウェハ面内で発光特性を均一化できるという効果がより一層安定して得られる。１００ｎｍより薄いと第一のｎ型層の結晶性の劣化をより一層防止することができ、また第一のｎ型層１３の製造時間の短縮化がより一層図れる。また、第一のｎ型層１３にはノンドープでも構わないが、ｎ型不純物がドープされていることが望ましい。特にＳｉやＧｅが好ましい。面内での電流の広がりをよくすることができる。ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０17ｃｍ-3以上で１×１０20ｃｍ-3未満とすることが望ましい。
【００１９】
クラッド層１４には、ＧａＮやＡｌＧａＮを使用することができる。クラッド層１４を第一のｎ型層よりバンドギャップが大きい窒化ガリウム系化合物半導体とすることにより、発光層からの正孔のオーバーフローを効果的に抑制することができる。また、クラッド層１４にはｎ型不純物がドープされていても、ｎ型不純物がドープされていなくてもよい。クラッド層１４は第二もしくは第一のｎ型層よりもキャリア濃度が小さい方がよい。このような構成にすることにより、ｎ型層内で電子が一時的に発光層１５側へ流れにくくなり、ｎ型層の面内で電子が均一に広がり、これにより発光層１５への均一な電子の注入が実現できるため、発光層１５における発光分布が均一となり、その結果、基板１１の裏面側の主発光面で均一な面発光が得られるからである。クラッド層１４の厚さは、１０ｎｍ以上で２００ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。１０ｎｍよりも薄いと電流広がりの効果が小さくなる傾向にあり、２００ｎｍよりも厚くなると発光素子の直列抵抗が高くなって動作電圧が高くなるからである。
【００２０】
発光層１５には、第二のｎ型層１２並びにｐ型層１６のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。特に、Ａｌを含まないＩｎＧａＮやＧａＮを用いると、紫外から緑色の波長域での発光強度を高くすることができる。発光層１５がＩｎを含む場合は、膜厚を１０ｎｍよりも薄くして単一量子井戸層とすると、発光層１５の結晶性を高めることができ、発光効率をより一層高めることができる。
【００２１】
また、発光層１５は、ＩｎＧａＮやＧａＮからなる量子井戸層と、この量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等からなる障壁層とを交互に積層させた多重量子井戸構造とすることもできる。
【００２２】
ｐ型層１６には、発光層１５よりもバンドギャップの大きいｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。これにより、ｐ型層１６にｐ型クラッド層としての機能を付与できる。ｐ型層１６には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。特に、発光層１５に接する側のｐ型層としてＡｌＧａＮを用いると、発光層１５への電子の閉じ込めを効率的に行うことができ、発光効率を高くすることができるので好ましい。
【００２３】
ｐ型層１６は、ｐ型不純物がドープされて、ｐ型伝導とされている。ｐ型不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ等を用いることができるが、比較的容易にｐ型とすることができるＭｇを用いることが好ましい。ｐ型不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3以上で５×１０20ｃｍ-3未満とすることが望ましい。ｐ型不純物濃度が１×１０19ｃｍ-3よりも低くなると、ｐ側電極１７とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、５×１０20ｃｍ-3よりも高くなると、ｐ型不純物を高濃度にドープしたことに起因してｐ型層１６の結晶性が悪くなる傾向になるとともに、発光層１５へのｐ型不純物の拡散が顕著になり、発光効率が低下するからである。
【００２４】
ｐ型層１６に比較的高い濃度のｐ型不純物をドープする際は、ｐ型不純物の発光層１５への過剰な拡散を抑制するために、発光層１５とｐ型層１６の間に、中間層を導入することもできる。この中間層には、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができるが、特に、ＧａＮやＡｌＧａＮを用いると、発光層１５との界面の結晶性を良好に保つことができるので好ましい。中間層は、発光層１５の方向に拡散するｐ型不純物の吸収層としての役目を果たすために、アンドープであることが好ましい。中間層の層厚は、１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。１ｎｍよりも薄いとｐ型不純物の発光層１５への拡散を抑制する効果が小さくなり、５０ｎｍよりも厚くなると発光層１５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下するようになるからである。
【００２５】
ｐ型層１６の層厚は、５０ｎｍ以上で５００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。５０ｎｍよりも薄いとｐ側電極１７の構成金属がエレクトロマイグレーション等による発光層１５への侵入により、発光素子の寿命が低下しやすくなり、５００ｎｍよりも厚くなると電流（正孔）がｐ型層１６を通過する際の電圧降下が増大し、発光素子の動作電圧が高くなるからである。
【００２６】
ｐ型層１６のｐ側電極１７に接する側は、バンドギャップの比較的小さいＧａＮやＩｎＧａＮとすることができる。これにより、ｐ側電極１７との接触抵抗を小さくでき、動作電圧の低減を効果的に行うことができる。
【００２７】
ｐ側電極１７には、ＡｕやＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ等の単体金属、あるいはそれらの合金や積層構造を用いることができる。特に、発光波長に対する反射率が高いＡｇ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ等の金属を用いると、発光層１５からｐ側電極１７の側へ向かう光を反射させて、基板１１の裏面側から取り出すことができるので、発光強度向上の面で好ましい。
【００２８】
ｎ側電極１８は、第二のｎ型層１２の上に形成された第一のｎ型層１３とクラッド層１４と発光層１５とｐ型層１６からなる積層構造の表面側からこれらの一部を除去させて露出させた第二のｎ型層１２の表面に接して形成される。ｎ側電極１８をこのように配置する構成とすることにより、基板１１の前記積層構造を形成していない裏面側を主発光面とすることができ、主発光面において均一な面発光が得られる。
【００２９】
ｎ側電極１８には、ＡｌやＴｉ等の単体金属、またはＡｌやＴｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ等を含む合金、若しくはそれらの積層構造を用いることができる。
【００３０】
また、基板１１の電子キャリア濃度が第二のｎ型層１２の電子キャリア濃度と同等かそれより高い場合は、ｎ側電極１８は、第二のｎ型層１２の上に形成された第一のｎ型層１３とクラッド層１４と発光層１５とｐ型層１６からなる積層構造の表面側からこれらの一部を除去させて露出させた基板１１の表面に接して形成してもよい。電子キャリア濃度が高い基板１１にｎ側電極１８を設けることにより、ｎ側電極１８のオーミック接触抵抗を小さくできるので、動作電圧を低くできる。
【００３１】
また、ｎ側電極１８は、基板１１の発光層１５とは反対側の表面に接して形成してもよい。ｎ側電極１８をこのように配置する構成とすることにより、ｎ側電極を形成するスペースを省略することができるので、チップサイズを小さくすることができる。
【００３２】
また、ｎ側電極１８は、第一のｎ型層１３の上に形成されたクラッド層１４と発光層１５とｐ型層１６からなる積層構造の表面側からこれらの一部を除去させて露出させた第一のｎ型層１３の表面に接して形成してもよい。バンドギャップの小さい第一のｎ型層１３にｎ側電極１８を形成することで、ｎ側電極１８のオーミック接触抵抗を小さくできる。
【００３３】
また、発光層１５とｐ型層１６との間にｐ型クラッド層が形成されていてもよい（図示せず）。ｐ型クラッド層は、発光層１５のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体で形成され、特にＭｇ等のｐ型不純物がドープされたＡｌuＧａ1-uＮ（但し、０≦ｕ＜１）で形成されることが好ましい。通常、ｐ型クラッド層は、結晶性良く形成させるために、発光層１５の成長に適した温度よりも高い成長温度で形成されることが多く、このため、発光層１５の成長後、ｐ型クラッド層の成長温度にまで昇温させる間において、発光層１５を構成するインジウムや窒素等の構成元素の解離等により発光層１５の結晶性の劣化が生じることがある。そこで、ｐ型クラッド層の発光層１５に接する側の一部を、発光層１５を成長後に昇温させながら連続して成長形成し、ｐ型クラッド層の成長温度において、引き続いて残りのｐ型クラッド層を成長させると、発光層１５の結晶性の劣化を効果的に防止することが可能となる。このとき、昇温させながら成長させるｐ型クラッド層の一部は、ＡｌvＧａ1-vＮ（但し、０≦ｖ＜１、ｖ≦ｕ）で形成されることが好ましい。発光層１５に接して形成されクラッド層としての作用を十分達成することができると同時に、発光層１５の構成元素の解離等による結晶性の劣化を防止する効果を高めることができるからである。
【００３４】
また、図３に示すように、ｎ型層は基板１１側からキャリア濃度の低い第四のｎ型層３１とキャリア濃度の高い第五のｎ型層３２を含む積層構造を持ってもよい。すなわち、基板１１側にキャリア濃度の低い第四のｎ型層３１を形成した後、この第四のｎ型層３１の上にキャリア濃度の高い第五のｎ型層３２を形成し、この第五のｎ型層３２の上にｎ側電極１８を形成したものである。
【００３５】
このようなキャリア濃度が異なる第四のｎ型層３１及び第五のｎ型層３２を基板１１側から順に形成した積層構造とすることによって、第四のｎ型層３１のｎ型不純物ドープ量を小さくしてキャリア濃度を低くしても、第四のｎ型層３１の層厚を厚く形成することができるので、この第四のｎ型層３１における抵抗の増加とクラックの発生を同時に抑制することができる。そして、第四のｎ型層３１の上に、ｎ型不純物のドープ量を第四のｎ型層３１よりも大きくしてキャリア濃度を高くした第五のｎ型層３２にｎ側電極１８を形成することで、第五のｎ型層３２とｎ側電極１８の間の接触抵抗を低減することができるので、発光素子の動作電圧を下げることができ、消費電力の削減が可能となる。
【００３６】
このように、第四及び第五のｎ型層３１、３２のそれぞれのキャリア濃度の差を持たせることが、動作電圧の低減及びクラック発生防止の両面での最適化を促すことができる。そして、それぞれのキャリア濃度の具体的な数値の特定は、本発明者等の知見によれば、以下のとおりである。
【００３７】
まず、第四のｎ型層３１のキャリア濃度は、１×１０17ｃｍ-3〜２×１０18ｃｍ-3の範囲とすることが望ましい。この第四のｎ型層３１のキャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3よりも小さくなると、第四のｎ型層３１自身における直列抵抗が大きくなって素子の動作電圧が高くなる傾向があり、キャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3よりも大きくなると、クラックが発生しやすくなる傾向があるためである。
【００３８】
第四のｎ型層３１よりもキャリア濃度の高い第五のｎ型層３２のキャリア濃度は、２×１０18ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3とすることが望ましい。この第五のｎ型層３２のキャリア濃度が２×１０18ｃｍ-3よりも小さくなると、ｎ側電極１８との間の接触抵抗を十分に低減することは困難になり、１×１０19ｃｍ-3よりも大きくなると、この層の結晶性が悪くなる傾向があり、この上に成長させる発光層やｐ型層の結晶性が悪くなって発光出力が低下する恐れがある。
【００３９】
また、第五のｎ型層３２は第四のｎ型層３１の層厚よりも小さくし、特に１００〜５００ｎｍの範囲とすることが好ましい。１００ｎｍよりも薄くなると、ｐ型層１６と発光層１５とクラッド層１４と第一のｎ型層１３と第五のｎ型層３２の一部を除去してｎ型層の表面を露出させるとエッチングの深さを制御することが困難になる。また、５００ｎｍよりも厚くなると、第五のｎ型層３２の結晶性が悪くなり、この第五のｎ型層３２の上に成長させる第一のｎ型層１３やクラッド層１４や発光層１５やｐ型層１６の結晶性が悪くなって発光出力が低下する恐れがある。
【００４０】
第四のｎ型層３１の層厚は、１〜５μｍの範囲とすることが好ましい。１μｍよりも薄くなると、素子の直列抵抗が大きくなって動作電圧が高くなる傾向があり、５μｍより厚くなると、クラックが発生しやすくなる傾向があるためである。また、上記説明を行ったように、基板１１と第一のｎ型層１３との間に第四のｎ型層３１と第五のｎ型層３２が形成され、第一のｎ型層１３と発光層１５との間に、キャリア濃度の低いｎ型層とキャリア濃度の高いｎ型層を含む積層構造が形成されていてもよい。更に、図示はしないが、第一のｎ型層１３と発光層１５との間のみに、キャリア濃度の低いｎ型層とキャリア濃度の高いｎ型層を含む積層構造が形成されていてもよい。
【００４１】
（実施の形態１）
次に本発明における実施の形態１を説明する。本実施の形態１と上述した発明を実施するための形態との間で異なる点は、少なくともＩｎを含む層の上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる第三のｎ型層が形成されていることである。すなわち、少なくともＩｎを含む層は、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層に挟まれた構造となる。これ以外については、特に説明しない限りは基本的には発明を実施するための形態と同様である。
【００４２】
図４に示す、第三のｎ型層１９には、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０17ｃｍ-3〜１×１０20ｃｍ-3とすることが望ましい。電子濃度が１×１０17ｃｍ-3よりも低くなると、ｎ側電極１８とのオーミック接触抵抗が高くなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、１×１０20ｃｍ-3よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して第二のｎ型層１２の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。
【００４３】
第三のｎ型層１９の層厚は、１００ｎｍ以上とすることが望ましい。１００ｎｍよりも薄いとエッチングにより第三のｎ型層１９内にｎ側電極１８を形成するための露出面を形成する際のエッチング精度が非常に厳しくなるからである。第三のｎ型層１９の層厚の上限は特にはないが、露出面を形成する際のエッチング精度を緩和するとともに、第三のｎ型層１９の形成時間を不必要に長くならないようにするため、５μｍ以下程度とすることが望ましい。また、ｎ側電極１８は第三のｎ型層１９上に形成される。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の具体例について図面を参照しながら説明する。以下の実施例は、主として有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであるが、成長方法はこれに限定されるものではなく、分子線エピタキシー法や有機金属分子線エピタキシー法等を用いることも可能である。
【００４５】
（実施例１）
図２は本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００４６】
本実施例においては、図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を作製した。
【００４７】
まず、ハライド気相成長法によりサファイア基板の表面に約３７０μｍの厚さで成長したＧａＮ単結晶膜を、サファイア基板の裏面から波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザ光を照射することでサファイア基板から剥離した。次に剥離したＧａＮ単結晶膜を剥離した側の面を下にして円盤に貼り付け、研磨装置を用いてダイヤモンドの微粒子を含む砥粒により表面を平坦且つ鏡面に研磨した。この後、ＧａＮ単結晶膜を円盤から剥がして有機溶剤及び酸溶液により洗浄した。こうしてＧａＮ単結晶膜からなる厚さ約３５０μｍ、直径約５０ｍｍのＧａＮ基板１１を得た。
【００４８】
次に、基板１１を反応管内の基板ホルダーに載置した後、基板１１の温度を１０６０℃に１０分間保ち、水素ガスを７リットル／分、窒素ガスを７リットル／分、アンモニアを６リットル／分で流しながら基板１１を加熱することにより、基板１１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行った。
【００４９】
次に、基板１１の温度を１０６０℃に保持したままで、キャリアガスとして窒素ガスを７リットル／分及び水素ガスを７リットル／分で流しながら、アンモニアを６リットル／分、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと略称する。）を８０μｍｏｌ／分、１０ｐｐｍ希釈のモノシランを３０ｃｃ／分、で供給して、ＳｉをドープしたＧａＮからなる第二のｎ型層１２を２μｍの厚さで成長させた。この第二のｎ型層１２の電子濃度は３×１０18ｃｍ-3であった。
【００５０】
第二のｎ型層１２を成長後、ＴＭＧとモノシランとの供給を止め、基板１１の温度を７６０℃まで降下させ、この温度に維持して、キャリアガスとして窒素ガスを１４リットル／分で流しながら、アンモニアを６リットル／分、ＴＭＧを１２μｍｏｌ／分、トリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと略称する。）を１μｍｏｌ／分、モノシランを１．５ｃｃ／分、で供給して、ＳｉドープのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなる第一のｎ型層１３を５０ｎｍの厚さで成長させた。第一のｎ型層１３の電子濃度は１×１０18ｃｍ-3であった。
【００５１】
第一のｎ型層１３を成長後、ＴＭＩの供給を止め、キャリアガスとして窒素を１４リットル／分、アンモニアを６リットル／分、ＴＭＧを２μｍｏｌ／分で供給して、基板１１の温度を１０６０℃に向けて昇温させながら、引き続きアンドープのＧａＮ（図示せず）を３ｎｍの厚さで成長させ、基板１１の温度が１０６０℃に達したら、キャリアガスとして窒素ガスを８リットル／分及び水素ガスを８リットル／分で流しながら、アンモニアを４リットル／分、ＴＭＧを４０μｍｏｌ／分、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと略称する。）を３μｍｏｌ／分、で供給して、アンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるクラッド層１４を３０ｎｍの厚さで成長させた。このクラッド層１４の電子濃度は５×１０16ｃｍ-3であった。
【００５２】
クラッド層１４を成長後、ＴＭＧとＴＭＡの供給を止め、基板１１の温度を７００℃にまで降下させ、この温度に維持して、キャリアガスとして窒素を１２リットル／分、アンモニアを８リットル／分、ＴＭＧを４μｍｏｌ／分、ＴＭＩを５μｍｏｌ／分、で供給して、アンドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる量子井戸構造の井戸層（図示せず）を２ｎｍの厚さで成長させた。
【００５３】
井戸層を成長後、ＴＭＩの供給を止め、キャリアガスとして窒素を１２リットル／分、アンモニアを８リットル／分、ＴＭＧを２μｍｏｌ／分で供給して、基板１１の温度を１０６０℃に向けて昇温させながら、引き続きアンドープのＧａＮ障壁層（図示せず）を３ｎｍの厚さで成長させ、基板１１の温度が１０６０℃に達したら、キャリアガスとして窒素と水素を各々７リットル／分と７リットル／分で流しながら、アンモニアを６リットル／分、ＴＭＧを４０μｍｏｌ／分、で供給して、引き続きアンドープのＧａＮ障壁層（図示せず）を１２ｎｍの厚さで成長させた。こうしてアンドープのＧａＮからなる厚さ１５ｎｍの障壁層を形成した。そして、ＴＭＧの供給を止め、基板温度を再度７００℃まで降下させ、井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）の製法と同様の手順を繰り返すことにより、井戸層（図示せず）、障壁層（図示せず）、井戸層（図示せず）、障壁層（図示せず）、井戸層（図示せず）を形成した。
【００５４】
最後の井戸層（図示せず）を成長後、ＴＭＩの供給を止め、キャリアガスとして窒素を１４リットル／分、アンモニアを６リットル／分、ＴＭＧを２μｍｏｌ／分、ＴＭＡを０．１５μｍｏｌ／分で供給して、基板１１の温度を１０６０℃に向けて昇温させながら、引き続きアンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ（図示せず）を３ｎｍの厚さで成長させた。
【００５５】
このようにして、４層の井戸層からなるＭＱＷを形成した。
【００５６】
次に、基板温度が１０６０℃に達したら、キャリアガスとして窒素ガスを１０リットル／分及び水素ガスを６リットル／分で流しながら、アンモニアを４リットル／分、ＴＭＧを４０μｍｏｌ／分、ＴＭＡを３μｍｏｌ／分、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、Ｃｐ2Ｍｇと略称する。）を０．１μｍｏｌ／分、で供給して、ＭｇをドープしたＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型層１６を２００ｎｍの厚さで成長させた。このｐ型層１６のＭｇ濃度は１×１０20ｃｍ-3であった。
【００５７】
ｐ型層１６を成長後、ＴＭＧとＴＭＡとＣｐ2Ｍｇの供給を止め、窒素ガスを１８リットル／分、アンモニアを２リットル／分で流しながら、基板１１の温度を室温程度にまで冷却させて、基板１１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを反応管から取り出した。
【００５８】
このウェハーを励起光源として波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ光を用いたフォトルミネッセンスマッピング装置により１ｍｍピッチでフォトルミネッセンス強度のウェハー面内分布を測定したところ、直径５０ｍｍのウェハー内で標準偏差は４．１％であった。
【００５９】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、別途アニールを施すことなく、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーとウェットエッチングにより略方形状にパターンニングしてエッチング用のＳｉＯ2マスクを形成させた。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型層１６と発光層１５とクラッド層１４と第一のｎ型層１３と第二のｎ型層１２の一部を約５００ｎｍの深さで積層方向と逆の方向に向かって除去させて、第二のｎ型層１２の表面を露出させた。そして、フォトリソグラフィーと蒸着法により、露出させた第二のｎ型層１２の表面上の一部に、１００ｎｍ厚のＴｉと５００ｎｍ厚のＡｕを積層したｎ側電極１８を蒸着形成させた。さらに、エッチング用のＳｉＯ2マスクをウェットエッチングにより除去させた後、フォトリソグラフィーと蒸着法により、ｐ型層１６の表面上のほぼ全面に、５ｎｍのＰｔと、５００ｎｍのＲｈと、１００ｎｍのＴｉと、５００ｎｍ厚のＡｕとからなるｐ側電極１７を蒸着形成させた。
【００６０】
この後、基板１１の裏面を研磨して１００μｍ程度の厚さに調整し、スクライブによりチップ状に分離した。このようにして、図２に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られた。
【００６１】
この発光素子を、電極形成面側を下向きにして、正負一対の電極を有するＳｉツェナーダイオードの上にＡｕバンプにより接着させた。このとき、発光素子のｐ側電極１７およびｎ側電極１８が、それぞれＳｉツェナーダイオードの負電極および正電極と接続されるようにして発光素子を搭載する。この後、発光素子を搭載させたＳｉツェナーダイオードを、Ａｇペーストによりステム上に載置し、Ｓｉツェナーダイオードの正電極をステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長が約４７０ｎｍの青色で発光し、基板１１の裏面側から均一な面発光が得られた。このときの発光出力は個々の発光ダイオード間でばらつきが小さく、約６ｍＷであった。また、順方向動作電圧は約３．０Ｖであった。
【００６２】
（実施例２）
実施例２においては、上記実施例１において、第二のｎ型層１２を成長する前に、ＧａＮ基板１１の表面を反応性イオンエッチング法によりエッチングした以外は、上記実施例１と同様の手順で発光ダイオードを作製した。
【００６３】
具体的には、上記実施例１と同様の手順で表面を平坦且つ鏡面に研磨したＧａＮ基板１１を準備した後、ＧａＮ基板１１を反応性イオンエッチング装置内にセットし、プロセスガスとして塩素ガスを１０ｓｃｃｍ流し、高周波パワーを１００Ｗ、基板温度を５０℃として、ＧａＮ基板１１の表面を約１００ｎｍの厚さだけエッチングした。
【００６４】
この後、上記実施例１と同様の手順で、ＧａＮ基板１１の表面に第二のｎ型層１２、第一のｎ型層１３、クラッド層１４、発光層１５、ｐ型層１６を順次成長して、基板１１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを形成した。
【００６５】
次に、上記実施例１と同様の手順で、フォトルミネッセンス強度のウェハー面内分布を測定したところ、直径５０ｍｍのウェハー内で標準偏差は３．０％であった。
【００６６】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、上記実施例１と同様の手順で、電極を形成し、さらに実装して発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長が約４７０ｎｍの青色で発光し、基板１１の裏面側から均一な面発光が得られた。このときの発光出力は個々の発光ダイオード間でばらつきが小さく、約６ｍＷであった。また、順方向動作電圧は約３．０Ｖであった。
【００６７】
（比較例）
比較例においては、上記実施例１において、第一のｎ型層１３を形成しなかった以外は、上記実施例１と同様の手順で発光ダイオードを作製した。
【００６８】
具体的には、上記実施例１において、第二のｎ型層１２を成長後、基板１１の温度を１０６０℃に維持しながら、上記実施例１と同様の手順でアンドープのＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるクラッド層１４を成長させ、引き続き発光層１５、ｐ型層１６を順次成長して、基板１１の上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層されたウェハーを形成した。
【００６９】
次に、上記実施例１と同様の手順で、フォトルミネッセンス強度のウェハー面内分布を測定したところ、直径５０ｍｍのウェハー内で標準偏差は３２．９％であった。
【００７０】
このようにして形成した窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、上記実施例１と同様の手順で、電極を形成し、さらに実装して発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長が約４７０ｎｍの青色で発光した。このときの発光出力は個々の発光ダイオード間でばらつきが大きく、３ｍＷから６ｍＷの範囲でばらついた。また、順方向動作電圧は３．０Ｖから３．３Ｖの範囲でばらついた。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、少なくともＩｎを含む第一のｎ型層がＧａＮ基板が持っている不均一な歪みやダメージを緩和するため、発光特性のウェハ面内均一性が向上し、歩留まりがよくなるという効果を有し、製造コストの低い発光ダイオード、レーザダイオードを実現可能とする。
【符号の説明】
【００７２】
１  ｎ型のＧａＮからなる基板
２  ｎ型層
５  発光層
６  ｐ型層
７  ｐ側電極
８  ｎ側電極
１１  基板
１２  第二のｎ型層
１３  第一のｎ型層
１４  クラッド層
１５  発光層
１６  ｐ型層
１７  ｐ側電極
１８  ｎ側電極
１９  第三のｎ型層
３１  第四のｎ型層
３２  第五のｎ型層
【図１】
2011091442.tif 000003
【図２】
2011091442.tif 000004
【図３】
2011091442.tif 000005
【図４】
2011091442.tif 000006