(57)【要約】【課題】基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要のない縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法を提供する。【解決手段】基板上に発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有し、波長が２００ｎｍから１．３μｍの光を出力する縦型発光ダイオードであって、上記基板が、ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備え、かつ、厚みが１００μｍから５０００μｍであるｎ＋基板であるようにした。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有し、波長が２００ｎｍから１．３μｍの光を出力する縦型発光ダイオードであって、
前記基板が、ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備え、かつ、厚みが１００μｍから５０００μｍであるｎ＋基板である
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｎ＋基板にｎ型電極を形成した
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項３】
請求項１または２のいずれか１項に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｎ＋基板上に、バッファー層が形成され、
前記バッファー層上に、微小な穴を多数有するｎ型窒化物半導体層が形成され、
前記ｎ型窒化物半導体層上に、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有する
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項４】
請求項１、２または３のいずれか１項に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｎ＋基板は、厚みが１００μｍから５０００μｍのＳｉ基板である
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項５】
請求項１、２または３のいずれか１項に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｎ＋基板は、厚みが１００μｍから５０００μｍのＳｉＣ基板、Ｎｉ基板、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、ＡｌＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板またはＩｎＮ基板である
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５のいずか１項に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記バッファー層は、ｎ−ＡｌＮバッファー層であり、
前記微小な穴を多数有するｎ型窒化物半導体層は、ｎ−ＡｌＮ層であり、
前記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち前記ｎ−ＡｌＮ層上に形成された前記窒化物半導体層は、ｎ−ＡｌＧａＮ層であり、
前記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち前記発光層上に形成された前記窒化物半導体層は、ｐ−ＡｌＧａＮ層であり、
前記発光層は、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層であり、
波長が２００ｎｍから３６０ｎｍの光を出力する
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項７】
請求項６に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ層上にｐ−ＧａＮ層を形成し、
前記ｐ−ＧａＮ層上にストライプ形状のｐ型電極を形成し、
前記ｐ型電極側から波長が２００ｎｍから３６０ｎｍの光を出力する
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項８】
請求項１、２、３、４または５のいずか１項に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記バッファー層は、ｎ−ＧａＮバッファー層であり、
前記微小な穴を多数有するｎ型窒化物半導体層は、ｎ−ＧａＮ層であり、
前記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち前記ｎ−ＧａＮ層上に形成された前記窒化物半導体層は、ｎ−ＩｎＧａＮ層であり、
前記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち前記発光層上に形成された前記窒化物半導体層は、ｐ−ＩｎＧａＮ層であり、
前記発光層は、ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層であり、
波長が３６０ｎｍから１．３μｍの光を出力する
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項９】
請求項８に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｐ−ＩｎＧａＮ層上にｐ−ＧａＮ層を形成し、
前記ｐ−ＧａＮ層上にストライプ形状のｐ型電極を形成し、
前記ｐ型電極側から波長が３６０ｎｍから１．３μｍの光を出力する
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項１０】
請求項１、２、３、４、５、６、７、８または９のいずれか１項に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｎ＋−Ｓｉ基板を形成する際のｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）またはＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４である
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項１１】
請求項６に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｎ−ＡｌＮバッファー層、前記ｎ−ＡｌＮ層、前記ｎ−ＡｌＧａＮ層、前記ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層および前記ｐ−ＡｌＧａＮを形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８である
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項１２】
請求項７に記載の縦型発光ダイオードにおいて、
前記ｐ−ＧａＮ層を形成する際のＧａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８である
ことを特徴とする縦型発光ダイオード。
【請求項１３】
発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層を有する複数の層を基板上に結晶成長させる結晶成長方法において、
前記基板上にバッファー層を形成する際に、成長温度を９００℃から１１００℃とし、厚みを０．０１μｍから０．５μｍとする
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１４】
請求項１１に記載の結晶成長方法において、
前記バッファー層は、ｎ−ＡｌＮバッファー層であり、
前記ｎ−ＡｌＮバッファー層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはであり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１５】
請求項１３または１４のいずれか１項に記載の結晶成長方法において、
前記バッファー層上にｎ型窒化物半導体層を形成する際に、成長温度を９００℃から１１５０℃とし、厚みを０．３μｍから３．０μｍとする
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の結晶成長方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層は、ｎ−ＡｌＮ層であり、
前記ｎ−ＡｌＮ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはであり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１７】
請求項１３、１４、１５または１６のいずれか１項に記載の結晶成長方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層上に前記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層のうち前記ｎ型窒化物半導体層と前記発光層との間に形成されるｎ型窒化物半導体を形成する際に、成長温度を１０００℃から１１８０℃とし、厚みを０．８μｍから３．０μｍとする
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の結晶成長方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層と前記発光層との間に形成される前記ｎ型窒化物半導体は、ｎ−ＡｌＧａＮ層であり、
前記ｎ−ＡｌＧａＮ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１９】
請求項１３、１４、１５、１６、１７または１８のいずれか１項に記載の結晶成長方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層上に前記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層のうち前記発光層上に形成されるｐ型窒化物半導体を形成する際に、成長温度を１０００℃から１１００℃とし、厚みを０．１μｍから１．０μｍとする
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の結晶成長方法において、
前記発光層上に形成されるｐ型窒化物半導体は、ｐ−ＡｌＧａＮ層であり、
前記ｐ−ＡｌＧａＮ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２１】
請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９または２０のいずれか１項に記載の結晶成長方法において、
前記発光層を形成する際に、成長温度を１１００℃から１２００℃とし、厚みを０．１μｍから０．５μｍとする
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の結晶成長方法において、
前記発光層は、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層であり、
前記ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２３】
請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１または２２のいずれか１項に記載の結晶成長方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層上に前記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体を形成する際に、成長温度を９００℃から１０００℃とし、厚みを０．０２μｍから０．１μｍとする
ことを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の結晶成長方法において、
前記ｎ型窒化物半導体層上に前記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体は、ｐ−ＧａＮ層であり、
前記ｐ−ＧａＮ層を形成する際のＧａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８である
ことを特徴とする結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦型発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）および結晶成長方法に関し、さらに詳細には、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有する縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有する発光ダイオード、即ち、窒化物半導体を用いた電流注入型発光素子として、所謂、ｐ型電極とｎ型電極とが基板の上面側から配置された横型発光ダイオードと、ｐ型電極が基板の上面側から配置されるとともにｎ型電極が基板の下面側から配置された縦型発光ダイオードとが知られている。
【０００３】
ここで、図１には横型発光ダイオードの構造の一例が示されており、この図１に示す横型発光ダイオード１００は、深紫外波長域の光を出力するように構成された横型発光ダイオード、即ち、横型深紫外発光ダイオードである。
【０００４】
この横型発光ダイオード１００は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などを用いて、サファイア基板１０２上にバッファー層としてＡｌＮバッファー層１０４を結晶成長させ、さらにＡｌＮバッファー層１０４上にエピタキシャルに組成の異なるｎ型窒化物半導体層としてｎ−ＡｌＮ層１０６を結晶成長させ、さらにｎ−ＡｌＮ層１０６上にｎ型窒化物半導体層としてｎ−ＡｌＧａＮ層１０８を結晶成長させ、さらにｎ−ＡｌＧａＮ層１０８上に発光層としてＡｌＧａＮ  ＭＱＷ（多重量子井戸）層１１０を結晶成長させ、さらにＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層１１０上に組成の異なるｐ型窒化物半導体層としてｐ−ＡｌＧａＮ層１１２を結晶成長させ、さらにｐ−ＡｌＧａＮ層１１２上にｐ−ＧａＮ層１１４を結晶成長させて、多層膜の積層構造を有している。
【０００５】
また、ｎ型電極１１６は、ｎ−ＡｌＧａＮ層１０８上に形成されており、一方、ｐ型電極１１８は、ｐ−ＧａＮ層１１４上に形成されている。
【０００６】
なお、ｎ型電極１１６ならびにｐ型電極１１８の表面には、金パッドを形成するようにしてもよい。
【０００７】
こうした横型発光ダイオード１００は、上記において説明した構造を備えており、ｎ型電極１１６とｐ型電極１１８とに電流を流すことにより発光し、サファイア基板１０２の下面側から深紫外波長域の光Ｌ１が出力される。
【０００８】
なお、ｎ型電極１１６を形成する際には、サファイア基板１０２が絶縁性基板であるため、結晶成長によりｐ−ＧａＮ層１１４まで各層がサファイア基板１０２上に形成された結晶を、上方向から部分的にｎ型窒化物半導体層たるｎ−ＡｌＧａＮ層１０８が露出するまでエッチングし、部分的に表面に露出したｎ−ＡｌＧａＮ層１０８上にｎ型電極１１６を形成する。
【０００９】
また、この横型発光ダイオード１００を作製する際における結晶成長においては、サファイア基板１０２とｎ型窒化物半導体層との結晶格子不整合を緩和させて良質のｎ型窒化物半導体層を結晶成長させるために、上記において説明したように、サファイア基板１０２上にバッファー層としてＡｌＮバッファー層１０４を設けており、また、ｐ−ＡｌＧａＮ層１１２上には良質のｐ接合を得るために接合層としてｐ−ＧａＮ層１１４を結晶成長させて形成している。
【００１０】
次に、図２には横型発光ダイオードの構造の他の例が示されており、この図２に示す横型発光ダイオード２００は、白色光を出力するように構成されている。
【００１１】
この横型発光ダイオード２００は、有機金属気相成長法あるいは分子線エピタキシー法などを用いて、サファイア基板２０２上にバッファー層としてＧａＮバッファー層２０４を結晶成長させ、さらにＧａＮバッファー層２０４上に窒化物半導体層としてＩｎＧａＮ層２０６を結晶成長させ、さらにＩｎＧａＮ層２０６上にｎ型窒化物半導体層としてｎ−ＩｎＧａＮ層２０８を結晶成長させ、さらにｎ−ＩｎＧａＮ層２０８上に発光層としてＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層２１０を結晶成長させ、さらにＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層２１０上に組成の異なるｐ型窒化物半導体層としてｐ−ＩｎＧａＮ層２１２を結晶成長させ、さらにｐ−ＩｎＧａＮ層２１２上にｐ−ＧａＮ層２１４を結晶成長させて、多層膜の積層構造を有している。
【００１２】
また、ｎ型電極２１６は、ｎ−ＩｎＧａＮ層２０８上に形成されており、一方、ｐ型電極２１８は、ｐ−ＧａＮ層２１４上に形成されている。
【００１３】
なお、ｎ型電極２１６ならびにｐ型電極２１８の表面には、金パッドを形成するようにしてもよい。
【００１４】
こうした横型発光ダイオード２００は、上記において説明した構造を備えており、ｎ型電極２１６とｐ型電極２１８とに電流を流すことにより発光し、サファイア基板２０２の下面側から白色の光Ｌ２が出力される。
【００１５】
なお、ｎ型電極２１６を形成する際には、サファイア基板２０２が絶縁性基板であるため、結晶成長によりｐ−ＧａＮ層２１４まで各層がサファイア基板２０２上に形成された結晶を、上方向から部分的にｎ型窒化物半導体層たるｎ−ＩｎＧａＮ層２０８が露出するまでエッチングし、部分的に表面に露出したｎ−ＩｎＧａＮ層２０８上にｎ型電極２１６を形成する。
【００１６】
また、この横型発光ダイオード２００を作製する際における結晶成長においては、サファイア基板２０２とｎ型窒化物半導体層との結晶格子不整合を緩和させて良質のｎ型窒化物半導体層を結晶成長させるために、上記において説明したように、サファイア基板２０２上にバッファー層としてＧａＮバッファー層２０４を設けており、また、ｐ−ＩｎＧａＮ層２１２上には良質のｐ接合を得るために接合層としてｐ−ＧａＮ層２１４を結晶成長させて形成している。
【００１７】
しかしながら、上記において説明したような各種の横型発光ダイオードにおいては、ｎ型電極を形成するために結晶を一部エッチングする必要があるので、その製作工程が煩雑かつ複雑なものとなっていた。
【００１８】
即ち、横型発光ダイオードの作製にあたっては、ｐ型窒化物半導体層よりなる接合層まで結晶成長によりサファイア基板上に各層が形成された結晶に対し、例えば、以下の第１工程から第２０工程に示す２０ほどの工程を行う必要があった。
第１工程：ダイシング／ マーキング
第２工程：基板洗浄
第３工程：ｐ型活性化アニール
第４工程：フォトリソグラフィー
第５工程：反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）
ｎ型電極を形成するために結晶の一部をｎ型窒化物半導体層が露出する
までエッチングする。
第６工程：レジスト除去（例えば、アセトンや剥離液１０６を使用する。）
第７工程：洗浄
第８工程：酸化膜除去
第９工程：フォトリソグラフィー
第１０工程：アッシング
第１１工程：ｎ型電極蒸着
第１２工程：リフトオフ
第１３工程：シンタリング
第１４工程：フォトリソグラフィー
第１５工程：ｐ型電極蒸着
第１６工程：リフトオフ
第１７工程：シンタリング
第１８工程：フォトリソグラフィー
第１９工程：ｎ型電極上およびｐ型電極上へ金パッド形成
第２０工程：リフトオフ
【００１９】
上記したように、横型発光ダイオードの作製にあたっては、極めて煩雑かつ複雑なデバイスプロセスが必要であるため、作製に際しての歩留まりが低下するとともに、作製コストが上昇するという問題点が指摘されていた。
【００２０】
上記した横型発光ダイオードにおける問題点に鑑みて、近年においては、ｐ型電極が基板の上面側から配置されるとともにｎ型電極が基板の下面側から配置された縦型発光ダイオードが提案されている。
【００２１】
ここで、図３には縦型発光ダイオードの構造の一例が示されており、この図３に示す縦型発光ダイオード３００は、白色光を出力するように構成されている。
【００２２】
なお、図３に示す縦型発光ダイオード３００において、図２に示す横型発光ダイオード２００の構成と同一または相当する構成については、図２において用いた符号と同一の符号を付して示すことにより、その詳細な構成ならびに作用の説明は省略する。
【００２３】
即ち、縦型発光ダイオード３００は、横型発光ダイオード２００の場合と同様にｐ型窒化物半導体層よりなる接合層であるｐ−ＧａＮ層２１４まで結晶成長によりサファイア基板２０２上に各層が形成された結晶について、絶縁体であるサファイア基板２０２をレーザー剥離などの技術を用いて剥離するとともに、ＧａＮバッファー層２０４およびＩｎＧａＮ層２０６をエッチングしてｎ型窒化物半導体層であるｎ−ＩｎＧａＮ層２０８を露出させて、露出したｎ−ＩｎＧａＮ層２０８の表面にストライプ状にｎ型電極３０２を形成している。
【００２４】
即ち、サファイア基板２０２の下面側からｎ型窒化物半導体層たるｎ−ＩｎＧａＮ層２０８にｎ型電極３０２を形成するようにして、ＬＥＤ構造を構成したものである。
【００２５】
なお、ｐ型電極２１８については、上記した横型発光ダイオード２００と同様な構成を備えているものである。
【００２６】
こうした縦型発光ダイオード３００は、上記において説明した構造を備えており、ｎ型電極３０２とｐ型電極２１８とに電流を流すことにより発光し、ｎ−ＩｎＧａＮ層２０８の下面側から白色の光Ｌ３が出力される。
【００２７】
上記において説明したような縦型発光ダイオードは、大面積化ならびに高出力化が期待され、可視光の波長領域においては一部実用化されつつある。
【００２８】
しかしながら、上記した従来の縦型発光ダイオードは、絶縁体である基板をレーザー剥離などの技術を用いて剥離したり、バッファー層などをエッチングする必要があり、この際の剥離やエッチングによりｎ型窒化物半導体層に欠陥が生成されるという問題点が指摘されていた。
【００２９】
なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明は、従来の技術の上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要のない縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために、本発明は、発光層を挟むようにして窒化物半導体層を積層する基板として、ｎ型不純物を高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えたｎ＋基板、例えば、ｎ＋シリコン（Ｓｉ）基板などを用いるようにしたものである。
【００３２】
即ち、本発明によれば、基板としてｎ＋基板を用いているので、ｎ型電極をｎ＋基板の表面に直接形成することができるため、基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要がない。
【００３３】
従って、基板の剥離やバッファー層などのエッチングによるｎ型窒化物半導体層への欠陥生成の恐れがなくなるとともに、素子作製プロセスがきわめて簡易になり、作製に際しての歩留まりの向上を図ることができるとともに、作製コストを低減することができるようになる。
【００３４】
ここで、ｎ＋基板、例えば、ｎ＋−Ｓｉ基板上での窒化物半導体のエピタキシャル結晶成長は、Ｓｉと窒化物半導体との格子定数の差の大きさが、サファイアと窒化物半導体との格子定数の差に比べ大変大きく、さらにＳｉと窒化物半導体との熱膨張係数の差も大きいため、窒化物半導体にクラックが入るなどその結晶成長は大変困難であった。
【００３５】
本発明は、ｎ＋−Ｓｉ基板などのｎ＋基板上に形成するバッファー層上に積層する窒化物半導体層に微小な穴を多数形成し、その穴によって結晶成長中に発生するひずみを緩和して、当該窒化物半導体層上に積層される窒化物半導体層にクラックが入らないようにしたものである。
【００３６】
即ち、本発明は、基板上に発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有し、波長が２００ｎｍから１．３μｍの光を出力する縦型発光ダイオードであって、上記基板が、ｎ型不純物を高濃度でドーピングされて抵抗率が１００Ω以下の導電性を備え、かつ、厚みが１００μｍから５０００μｍであるｎ＋基板であるようにしたものである。
【００３７】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ＋基板にｎ型電極を形成したものである。
【００３８】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ＋基板上に、バッファー層が形成され、上記バッファー層上に、微小な穴を多数有するｎ型窒化物半導体層が形成され、上記ｎ型窒化物半導体層上に、発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層を有するようにしたものである。
【００３９】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ＋基板は、厚みが１００μｍから５０００μｍのＳｉ基板であるようにしたものである。
【００４０】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ＋基板は、厚みが１００μｍから５０００μｍのＳｉＣ基板、Ｎｉ基板、Ｇｅ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＯ基板、ＡｌＡｓ基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板またはＩｎＮ基板であるようにしたものである。
【００４１】
また、本発明は、上記した発明において、上記バッファー層は、ｎ−ＡｌＮバッファー層であり、上記微小な穴を多数有するｎ型窒化物半導体層は、ｎ−ＡｌＮ層であり、上記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち上記ｎ−ＡｌＮ層上に形成された上記窒化物半導体層は、ｎ−ＡｌＧａＮ層であり、上記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち上記発光層上に形成された上記窒化物半導体層は、ｐ−ＡｌＧａＮ層であり、上記発光層は、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層であり、波長が２００ｎｍから３６０ｎｍの光を出力するようにしたものである。
【００４２】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｐ−ＡｌＧａＮ層上にｐ−ＧａＮ層を形成し、上記ｐ−ＧａＮ層上にストライプ形状のｐ型電極を形成し、上記ｐ型電極側から波長が２００ｎｍから３６０ｎｍの光を出力するようにしたものである。
【００４３】
また、本発明は、上記した発明において、上記バッファー層は、ｎ−ＧａＮバッファー層であり、上記微小な穴を多数有するｎ型窒化物半導体層は、ｎ−ＧａＮ層であり、上記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち上記ｎ−ＧａＮ層上に形成された上記窒化物半導体層は、ｎ−ＩｎＧａＮ層であり、上記発光層を挟むようにして積層された窒化物半導体層のうち上記発光層上に形成された上記窒化物半導体層は、ｐ−ＩｎＧａＮ層であり、上記発光層は、ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層であり、波長が３６０ｎｍから１．３μｍの光を出力するようにしたものである。
【００４４】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｐ−ＩｎＧａＮ層上にｐ−ＧａＮ層を形成し、上記ｐ−ＧａＮ層上にストライプ形状のｐ型電極を形成し、上記ｐ型電極側から波長が３６０ｎｍから１．３μｍの光を出力するようにしたものである。
【００４５】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ＋−Ｓｉ基板を形成する際のｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）またはＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４であるようにしたものである。
【００４６】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ−ＡｌＮバッファー層、上記ｎ−ＡｌＮ層、上記ｎ−ＡｌＧａＮ層、上記ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層および上記ｐ−ＡｌＧａＮを形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８であるようにしたものである。
【００４７】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｐ−ＧａＮ層を形成する際のＧａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８であるようにしたものである。
【００４８】
また、本発明は、発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層を有する複数の層を基板上に結晶成長させる結晶成長方法において、上記基板上にバッファー層を形成する際に、成長温度を９００℃から１１００℃とし、厚みを０．０１μｍから０．５μｍとするようにしたものである。
【００４９】
また、本発明は、上記した発明において、上記バッファー層は、ｎ−ＡｌＮバッファー層であり、上記ｎ−ＡｌＮバッファー層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはであり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４であるようにしたものである。
【００５０】
また、本発明は、上記した発明において、上記バッファー層上にｎ型窒化物半導体層を形成する際に、成長温度を９００℃から１１５０℃とし、厚みを０．３μｍから３．０μｍとするようにしたものである。
【００５１】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層は、ｎ−ＡｌＮ層であり、上記ｎ−ＡｌＮ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはであり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４であるようにしたものである。
【００５２】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層上に上記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層のうち上記ｎ型窒化物半導体層と上記発光層との間に形成されるｎ型窒化物半導体を形成する際に、成長温度を１０００℃から１１８０℃とし、厚みを０．８μｍから３．０μｍとするようにしたものである。
【００５３】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層と上記発光層との間に形成される上記ｎ型窒化物半導体は、ｎ−ＡｌＧａＮ層であり、上記ｎ−ＡｌＧａＮ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｎ型ドーパントのＳｉは、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉ（ＯＣＨ３）４であるようにしたものである。
【００５４】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層上に上記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層のうち上記発光層上に形成されるｐ型窒化物半導体を形成する際に、成長温度を１０００℃から１１００℃とし、厚みを０．１μｍから１．０μｍとするようにしたものである。
【００５５】
また、本発明は、上記した発明において、上記発光層上に形成されるｐ型窒化物半導体は、ｐ−ＡｌＧａＮ層であり、上記ｐ−ＡｌＧａＮ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８であるようにしたものである。
【００５６】
また、本発明は、上記した発明において、上記発光層を形成する際に、成長温度を１１００℃から１２００℃とし、厚みを０．１μｍから０．５μｍとするようにしたものである。
【００５７】
また、本発明は、上記した発明において、上記発光層は、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層であり、上記ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層を形成する際のＡｌの原料は、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣまたはＥＡＤＣであり、Ｇａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であるようにしたものである。
【００５８】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層上に上記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体を形成する際に、成長温度を９００℃から１０００℃とし、厚みを０．０２μｍから０．１μｍとするようにしたものである。
【００５９】
また、本発明は、上記した発明において、上記ｎ型窒化物半導体層上に上記発光層を挟むようにして積層される窒化物半導体層上にｐ型窒化物半導体は、ｐ−ＧａＮ層であり、上記ｐ−ＧａＮ層を形成する際のＧａの原料は、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａまたはＧａＣｌ３であり、Ｎの原料は、ＮＨ３であり、ｐ型ドーパントのＭｇは、ＭｇまたはＣＰ２ＭＧであり、ｐ型ドーパントの亜鉛は、ＺｎまたはＤＥＺｎであり、ｐ型ドーパントのカドミウムは、Ｃｄであり、ｐ型ドーパントのカルシウムは、Ｃａであり、ｐ型ドーパントのベリリウムは、Ｂｅまたは［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］であり、ｐ型ドーパントの炭素は、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６またはＣ３Ｈ８であるようにしたものである。
【発明の効果】
【００６０】
本発明は、以上説明したように構成されているので、基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要のない縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法を提供することができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、深紫外波長域の光を出力する従来の横型発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図２】図２は、白色光を出力する従来の横型発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図３】図３は、白色光を出力する従来の縦型発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図４】図４は、深紫外波長域の光を出力する本発明の実施の形態の一例による縦型発光ダイオードの断面構造の一例を示す構成説明図である。
【図５】図５は、図４に示す縦型発光ダイオードを作製する際の原料ならびに結晶の成長条件の一例を示す図表である。
【図６】図６は、本発明による結晶成長の様子を模式的に示す説明図ならびに電子顕微鏡写真である。
【図７】図７は、本発明による結晶成長の様子を模式的に示す説明図である。
【図８】図８は、本発明による結晶成長方法によりｎ−ＡｌＮ層に形成された穴の状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図９】図９は、図４に示す縦型発光ダイオードの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）および電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を測定するための測定システムの説明図ならびに電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）および電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）の測定結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、ｎ−ＡｌＮバッファー層、ｎ−ＡｌＮ層、ｎ−ＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層、ｐ−ＡｌＧａＮ層ならびにｐ−ＧａＮ層を形成する際のＡｌ、ＧａならびにＮの原料の一例を示す図表である。
【図１１】図１１は、ｎ＋−Ｓｉ基板、ｎ−ＡｌＮバッファー層、ｎ−ＡｌＮ層ならびにｎ−ＡｌＧａＮ層を形成する際のｎ型ドーパントの一例を示す図表である。
【図１２】図１２は、ｐ−ＡｌＧａＮ層ならびにｐ−ＧａＮ層を形成する際のｐ型ドーパントの一例を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による縦型発光ダイオードおよび結晶成長方法の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００６３】
ここで、図４には本発明の実施の形態の一例による縦型発光ダイオードの構造の一例が示されており、また、図５には図４に示す縦型発光ダイオードを作製する際の原料ならびに結晶の成長条件を示す表が示されている。
【００６４】
なお、図４に示す縦型発光ダイオード１０は、深紫外波長域の光を出力するように構成された縦型発光ダイオード、即ち、縦型深紫外発光ダイオードである。
【００６５】
この縦型発光ダイオード１０は、発光層を挟むようにして窒化物半導体層を積層する基板として、ｎ型不純物を高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えたｎ＋シリコン基板（ｎ＋−Ｓｉ基板）１２を用いている。
【００６６】
そして、このｎ＋−Ｓｉ基板１２の厚さは、例えば、１００μｍから５０００μｍとすることが好ましい。
【００６７】
そして、縦型発光ダイオード１０は、有機金属気相成長法あるいは分子線エピタキシー法などを用いて、図５に示す原料ならびに結晶の成長条件により、ｎ＋−Ｓｉ基板１２上にバッファー層としてｎ型窒化物半導体層であるｎ−ＡｌＮバッファー層１４を結晶成長させ、さらにｎ−ＡｌＮバッファー層１４上にエピタキシャルに組成の異なるｎ型窒化物半導体層としてｎ−ＡｌＮ層１６を結晶成長させ、さらにｎ−ＡｌＮ層１６上にｎ型窒化物半導体層としてｎ−ＡｌＧａＮ層１８を結晶成長させ、さらにｎ−ＡｌＧａＮ層１８上に発光層としてＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０を結晶成長させ、さらにＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０上に組成の異なるｐ型窒化物半導体層としてｐ−ＡｌＧａＮ層２２を結晶成長させ、さらにｐ−ＡｌＧａＮ層２２上にｐ−ＧａＮ層２４を結晶成長させて、多層膜の積層構造を有している。
【００６８】
より詳細には、ｎ−ＡｌＮバッファー層１４を結晶成長させるときには、原料としてＴＭＡｌ、ＮＨ３およびＴＥＳｉを用い、９００℃から１１００℃の温度で厚み０．０１μｍから０．５μｍに結晶成長させることが好ましい。
【００６９】
また、ｎ−ＡｌＮ層１６を結晶成長させるときには、原料としてＴＭＡｌ、ＮＨ３およびＴＥＳｉを用い、９００℃から１１５０℃の温度で厚み０．３μｍから３．０μｍに結晶成長させることが好ましい。
【００７０】
また、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８を結晶成長させるときには、原料としてＴＭＡｌ、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＥＳｉを用い、１０００℃から１１８０℃の温度で厚み０．８μｍから３．０μｍに結晶成長させることが好ましい。
【００７１】
また、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０を結晶成長させるときには、原料としてＴＭＡｌ、ＮＨ３およびＴＭＧａを用い、１１００℃から１２００℃の温度で厚み０．１μｍから０．５μｍに結晶成長させることが好ましい。
【００７２】
また、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２を結晶成長させるときには、原料としてＴＭＡｌ、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＣｐ２Ｍｇを用い、１０００℃から１１００℃の温度で厚み０．１μｍから１．０μｍに結晶成長させることが好ましい。
【００７３】
また、ｐ−ＧａＮ層２４を結晶成長させるときには、原料としてＮＨ３、ＴＭＧａおよびＣｐ２Ｍｇを用い、９００℃から１０００℃の温度で厚み０．０２μｍから０．１μｍに結晶成長させることが好ましい。
【００７４】
なお、図１０に示すように、上記したｎ−ＡｌＮバッファー層１４、ｎ−ＡｌＮ層１６、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２ならびにｐ−ＧａＮ層２４を形成する際のＡｌの原料としては、例えば、Ａｌ、ＴＭＡｌ、ＴＥＡｌ、ＡｌＣｌ３、ＤＥＡＣ、ＥＡＳＣ、ＥＡＤＣなどを用いることができ、また、Ｇａの原料としては、例えば、Ｇａ、ＴＭＧａ、ＴＥＧａ、ＧａＣｌ３などを用いることができ、また、Ｎの原料としては、例えば、ＮＨ３などを用いることができる。
【００７５】
また、図１１に示すように、ｎ＋−Ｓｉ基板１２、ｎ−ＡｌＮバッファー層１４、ｎ−ＡｌＮ層１６ならびにｎ−ＡｌＧａＮ層１８を形成する際のｎ型ドーパントのＳｉとしては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＨＣｌ３、Ｒ３ＳｉＯ−（Ｒ２ＳｉＯ）ｎ−ＳｉＲ３、ＴＭＳ、ＳｉＨ（ＣＨ３）３、ＣＨ３ＳｉＨ３、ＳｉＨ２（ＣＨ３）２、Ｓｉ２Ｈ６、Ｈ８Ｓｉ３、ＳｉＨ４、ＳｉＨ３（ＣＨ３）、ＳｉＨ２Ｃｌ２、Ｓｉ（ＯＣＨ３）４などを用いることができる。
【００７６】
また、図１２に示すように、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２ならびにｐ−ＧａＮ層２４を形成する際のｐ型ドーパントのＭｇとしては、例えば、Ｍｇ、ＣＰ２ＭＧなどを用いることができ、また、ｐ型ドーパントの亜鉛としては、例えば、Ｚｎ、ＤＥＺｎなどを用いることができ、また、ｐ型ドーパントのカドミウムとしては、例えば、Ｃｄなどを用いることができ、また、ｐ型ドーパントのカルシウムとしては、例えば、Ｃａなどを用いることができ、また、ｐ型ドーパントのベリリウムとしては、例えば、Ｂｅ、［（ＭｅＯｐ）Ｂｅ］などを用いることができ、また、ｐ型ドーパントの炭素としては、例えば、Ｃ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８などを用いることができる。
【００７７】
そして、ｎ型電極２６は、ｎ＋−Ｓｉ基板１２の下面に直接形成され、ｐ型電極２８は、ｐ−ＧａＮ層２４上に形成される。
【００７８】
ここで、縦型発光ダイオード１０においては、後述するようにｎ＋−Ｓｉ基板１２の上方側から光を取り出すために、上記のようにして多層膜の積層構造を作製した後に、ｐ−ＧａＮ層２４がストライプ状を形成するようにエッチングされており、こうしたストライプ形状のｐ−ＧａＮ層２４上にｐ型電極２８が形成される。
【００７９】
なお、ｎ型電極２６ならびにｐ型電極２８の表面には、金パッドを形成するようにしてもよい。
【００８０】
また、縦型発光ダイオード１０においては、ｎ＋−Ｓｉ基板１２上にバッファー層としてｎ−ＡｌＮバッファー層１４を設けており、また、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２上には良質のｐ接合を得るために接合層としてｐ−ＧａＮ層２４を結晶成長させて形成している。
【００８１】
こうした縦型発光ダイオード１０は、上記において説明した構造を備えており、ｎ型電極２６とｐ型電極２８とに電流を流すことにより発光し、ｎ＋−Ｓｉ基板１２の上面側から深紫外波長域の光Ｌ４が出力される。
【００８２】
上記した縦型発光ダイオード１０において、Ｘ線解析によりＡｌＧａＮ（００２）の半値幅は８３２であり、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８の組成比はｎ−Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎであり、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２の組成比はｐ−Ａｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎであり、縦型発光ダイオード１０の量子井戸は３１０ｎｍでの発光を前提に設計されている。
【００８３】
また、上記した縦型発光ダイオード１０においては、ＡｌとＧａとの組成比を変えることにより、出力される光の波長を深紫外領域である２００ｎｍから３６０ｎｍまで変えることができるようになる。
【００８４】
ここで、図６乃至図８を参照しながら説明すると、図５に示す厚みと温度に関する成長条件により作製された縦型発光ダイオード１０においては、ｎ＋−Ｓｉ基板１２上に、微小な突起を備えたｎ−ＡｌＮバッファー層１４が形成される。
【００８５】
そして、ｎ−ＡｌＮバッファー層１４上には、例えば、約２．３×１０７個／ｃｍ２の密度で厚さ方向（上下方向）に貫通した微小な穴が多数形成されたｎ−ＡｌＮ層１６が積層される。
【００８６】
このようにｎ−ＡｌＮ層１６に穴を形成することにより、その穴によって結晶成長中に発生するひずみが緩和されて、ｎ−ＡｌＮ層１６上に積層される窒化物半導体層であるｎ−ＡｌＧａＮ層１８、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２およびｐ−ＧａＮ層２４にクラックが入ることがなく、極めて高品質の結晶を作製することができる。
【００８７】
なお、ｎ＋−Ｓｉ基板１２などのｎ＋基板上に形成されたバッファー層上に積層される窒化物半導体層に穴が形成されていない従来の技術によれば、穴が形成されていない窒化物半導体層上に積層される各窒化物半導体層にクラックが入り、品質の高い結晶を作製することができないことが知られている。
【００８８】
次に、上記した縦型発光ダイオード１０の作製にあたっては、ｐ型窒化物半導体層よりなる接合層であるｐ−ＧａＮ層２４まで結晶成長によりｎ＋−Ｓｉ基板１２上に各層が形成された結晶に対し、例えば、以下の第１工程から第９工程に示す僅か９つの工程を行うだけでよい。
第１工程：ダイシング／ マーキング
第２工程：基板洗浄
第３工程：ｐ型活性化アニール
第４工程：反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃ
ｈｉｎｇ）
光取り出しのためにｐ−ＡｌＧａＮ層２２の一部をエッチングする。
第５工程：酸化膜除去
第６工程：シンタリング
第７工程：ｐ型電極蒸着
第８工程：シンタリング
第９工程：ｎ型電極上蒸着
【００８９】
上記したように、縦型発光ダイオード１０の作製にあたっては、僅か９工程という短い工程を行えばよく、基板の剥離やバッファー層などのエッチングによるｎ型窒化物半導体層への欠陥生成の恐れがなくなるとともに、素子作製プロセスがきわめて簡易になり、作製に際しての歩留まりの向上を図ることができるとともに、作製コストを低減することができるようになる。
【００９０】
特に、上記において説明した従来の技術による横型発光ダイオードの作製プロセスと比較すると、本発明による手法によれば、一番時間のかかるフォトリソグラフィープロセスが一切必要でなくなり、また、それに伴うリフトオフプロセスも一切必要でなくなるので、作製時間の大幅な短縮化を図ることが可能となる。
【００９１】
また、反応性イオンエッチングプロセスについても、従来の技術による横型発光ダイオードの作製プロセスでは１μｍ程度掘る必要があったが、本発明による手法ではｐ−ＡｌＧａＮ層の厚さである２０ｎｍ程度掘ればよいので、極めて短時間で処理が可能となる。
【００９２】
こうしたことより、従来の技術による横型発光ダイオードの作製プロセスでは通常４日程度かかって完成していたところを、本発明による縦型発光ダイオード１０の作製プロセスでは１日で完成できるようになる。
【００９３】
次に、本願発明者によって、上記した縦型発光ダイオード１０を用いて測定された電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）および電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）について説明する。
【００９４】
ここで、図９には、図４に示す縦型発光ダイオードの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）および電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を測定するための測定システムの説明図ならびに電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）および電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）の測定結果を示すグラフが示されている。
【００９５】
この図９に示す電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）のグラフからは、ヘテロ構造に由来するｐ−ｎ接合特性が確認される。
【００９６】
また、図９に示す電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）のグラフならびに目視による発光観察からは、電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）に見合った発光が確認された。
【００９７】
以上において説明したように、本発明によれば、発光層を挟むようにして窒化物半導体層を積層する基板として、ｎ型不純物を高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えたｎ＋基板を用いているので、ｎ型電極をｎ＋基板の表面に直接形成することができるため、基板を剥離したりバッファー層などをエッチングしたりする必要がなく、基板の剥離やバッファー層などのエッチングによるｎ型窒化物半導体層への欠陥生成の恐れがなくなるとともに、素子作製プロセスがきわめて簡易になり、作製に際しての歩留まりの向上を図ることができるとともに、作製コストを低減することができるようになる。
【００９８】
また、本発明による結晶成長方法によれば、ｎ型不純物を高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えたｎ＋基板上に形成するバッファー層上に積層する窒化物半導体層に微小な穴を多数形成し、その穴によって結晶成長中に発生するひずみを緩和して、当該窒化物半導体層上に積層される窒化物半導体層にクラックが入らないようにすることができ、極めて高品質な結晶を作製することができる。
【００９９】
〔他の実施の形態〕
（１）上記した実施の形態においては、ｎ＋基板としてｎ＋Ｓｉ基板を用いた例について説明したが、本発明においてｎ＋基板として用いることのできる基板はｎ＋Ｓｉ基板に限られるものではなく、ｎ型不純物が高濃度（例えば、１×１０１６ｃｍ−３から１×１０２１ｃｍ−３）でドーピングされた導電性（例えば、抵抗率が０．００００１Ωから１００Ω）を備えた各種材料よりなる基板、例えば、ＳｉＣ、Ｎｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＯ、ＧａＯ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮあるいはＩｎＮなどの基板を用いることができる。
【０１００】
また、上記した各種材料よりなる基板の厚みは、１００μｍから５０００μｍとすることが好ましい。
【０１０１】
（２）上記した実施の形態においては、波長が深紫外領域の光を出力する場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではないことは勿論である。
【０１０２】
即ち、出力される光の波長領域が可視ならびにそれより長波長とするためには、図４に示す層の構成において、ｎ−ＡｌＮバッファー層１４をｎ−ＧａＮバッファー層に変え、ｎ−ＡｌＮ層１６をｎ−ＧａＮ層に変え、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８をｎ−ＩｎＧａＮ層に変え、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０をＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層に変え、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２をｐ−ＩｎＧａＮ層に変えればよい。なお、ｐ−ＧａＮ層２４は、変更することなくそのまま用いればよい。
【０１０３】
そして、ＩｎとＧａとの組成比を変えることにより、出力される光の波長を３６０ｎｍから１．３μｍまで変えることができるようになる。
【０１０４】
また、図４に示す層の構成において、ｎ−ＡｌＮ層１４をｎ−ＧａＮ層に変え、ｎ−ＡｌＮ層１６をｎ−ＧａＮ層に変え、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８をｎ−ＩｎＧａＮ層に変え、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０をＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層に変え、ｐ−ＡｌＧａＮ層２２をｐ−ＩｎＧａＮ層に変える際の結晶成長条件の厚みおよび温度については、それぞれ対応するｎ−ＡｌＮ層１４、ｎ−ＡｌＮ層１６、ｎ−ＡｌＧａＮ層１８、ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層２０ならびにｐ−ＡｌＧａＮ層２２を結晶成長させる際の結晶成長条件の厚みおよび温度（図５を参照する。）を用いればよい。
【０１０５】
（３）上記した実施の形態においては、キャリアブロック層については特に言及していないが、キャリアブロック層については設けるようにしてもよいし設けなくてもよく、キャリアブロック層の有無については素子設計者が適宜に選択すればよい。
【０１０６】
（４）上記した実施の形態においては、ｎ−ＡｌＮ層１６に形成される穴の密度が約２．３×１０７個／ｃｍ２となるように結晶成長させたが、ｎ−ＡｌＮ層１６に形成される穴の密度はこれに限られるものではなく、例えば、１×１０７個／ｃｍ２を基準として１×１０６個／ｃｍ２から１×１０９個／ｃｍ２の範囲で適宜に設定すればよい。
【０１０７】
（５）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（４）に示す他の実施の形態は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、深紫外領域から可視ならびにそれより長波長の各種波長域の光を出力する発光素子として多様な用途で利用することができるものである。
【符号の説明】
【０１０９】
１０      縦型発光ダイオード
１２      ｎ＋シリコン基板（ｎ＋−Ｓｉ基板）
１４      ｎ−ＡｌＮバッファー層
１６      ｎ−ＡｌＮ層
１８      ｎ−ＡｌＧａＮ層
２０      ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層
２２      ｐ−ＡｌＧａＮ層
２４      ｐ−ＧａＮ層
２６      ｎ型電極
２８      ｐ型電極
１００      横型発光ダイオード
１０２      サファイア基板
１０４      ＡｌＮバッファー層
１０６      ｎ−ＡｌＮ層
１０８      ｎ−ＡｌＧａＮ層
１１０      ＡｌＧａＮ  ＭＱＷ層
１１２      ｐ−ＡｌＧａＮ層
１１４      ｐ−ＧａＮ層
１１６      ｎ型電極
１１８      ｐ型電極
２００      横型発光ダイオード
２０２      サファイア基板
２０４      ＧａＮバッファー層
２０６      ＩｎＧａＮ層
２０８      ｎ−ＩｎＧａＮ層
２１０      ＩｎＧａＮ  ＭＱＷ層
２１２      ｐ−ＩｎＧａＮ層
２１４      ｐ−ＧａＮ層
２１６      ｎ型電極
２１８      ｐ型電極
３００      縦型発光ダイオード
３０２      ｎ型電極
【図５】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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