(57)【要約】【課題】クラックの抑制、さらには直列抵抗の低減を可能とする周期構造を備えた窒化物半導体発光デバイスを提供する。【解決手段】基板１上に、下から順に、膜厚８０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層２、膜厚４００ｎｍのＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造を有する周期層３、シリコンが１．０×１０１９ｃｍ−３添加された膜厚２００ｎｍのＧａＮ層からなるｎ型クラッド層４、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（膜厚３ｎｍ）／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（膜厚１０ｎｍ）の５周期構造で波長４７０ｎｍ程度の青色発光を供するＩｎＧａＮ系多層量子井戸層（膜厚６５ｎｍ）からなる活性層５、マグネシウムが添加された膜厚１６０ｎｍのＧａＮ層からなるｐ型クラッド層６、及びマグネシウムが添加された膜厚２０ｎｍのＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層７を形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなる第１の層と、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなり、前記第１の層の禁制帯幅よりも小さい禁制帯幅を有する第２の層とが周期的に形成されてなる周期層を含み、
前記第２の層には、炭素が添加されていることを特徴とする窒化物半導体デバイス。
【請求項２】
前記第１の層は、ＡｌＮ層よりなり、
前記第２の層は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１，０＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１）よりなることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項３】
前記第１の層は、アンドープであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項４】
前記第２の層に添加される炭素の濃度は、１．０×１０２０ｃｍ−３以上であって且つ１．０×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項５】
前記周期層には、シリコンが添加されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項６】
前記周期層に添加されるシリコンの濃度は、前記第２の層に添加される炭素の濃度よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項７】
前記第２の層の膜厚は、２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項８】
発光を取り出す面上に、凹凸構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項９】
前記周期層は、発光を供する活性層と前記発光を取り出す面との間に形成されており、
前記凹凸構造は、前記周期層における前記発光を取り出す面側の一部に入り込むように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１０】
前記凹凸構造は、周期的なパターンをもつように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１１】
前記凹凸構造は、フォトニック結晶効果を供するように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１２】
シリコン基板、Ａｌ２Ｏ３基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＳｉＯ２基板、及び金属板よりなる群のうちから選択される１種類又は複数種類よりなる保持基板をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１３】
前記保持基板は、導電性を有していることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１４】
前記周期層は、当該窒化物半導体デバイスの発光を透過することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１５】
量子井戸を有しており、
前記量子井戸の井戸層がＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）からなり、前記井戸層のＩｎ組成（ｘ１）が７％以上含まれることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１６】
前記量子井戸において、前記井戸層のＡｌ組成（ｙ１）が４％以上含まれることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１７】
前記量子井戸の障壁層がＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ（ｘ３＋ｙ３＝１，０＜ｘ３≦１，０≦ｙ３＜１）からなることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１８】
前記障壁層のＡｌ組成（ｙ３）が１０％以上含まれることを特徴とする請求項１７に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項１９】
前記量子井戸において、障壁層の格子定数が井戸層の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２０】
前記量子井戸と前記周期層の間にｎ型の伝導性を供する層を有し、前記ｎ型の伝導性を供する層がＡｌｘ４Ｇａｙ４Ｎ（ｘ４＋ｙ４＝１，０＜ｘ４≦１，０≦ｙ４＜１）からなることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２１】
前記ｎ型の伝導性を供する層はＳｉを含むことを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２２】
前記ｎ型の伝導性を供する層のＡｌ組成（ｙ４）が１０％以上含まれることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２３】
前記Ｓｉ基板とは反対側の前記量子井戸面上にｐ型の伝導性を供する層を有し、前記ｐ型の伝導性を供する層はＡｌｘ５Ｇａｙ５Ｎ（ｘ５＋ｙ５＝１，０＜ｘ５≦１，０≦ｙ５＜１）からなるＡｌＧａＮの多層構造であることを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２４】
前記ｐ型の伝導性を供する層はＭｇを含むことを特徴とする請求項２３に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２５】
前記ｐ型の伝導性を供する層のＡｌＧａＮの多層構造は、いずれの層もＡｌ組成（ｙ５）が１０％以上含まれることを特徴とする請求項２３に記載の窒化物半導体デバイス。
【請求項２６】
基板の上方に、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなる第１の層と、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなり、前記第１の層の禁制帯幅よりも小さい禁制帯幅を有する第２の層とが周期的に形成されてなる周期層を形成する工程と、
前記周期層の上方に、発光を供する活性層を形成する工程と、
前記活性層の上方に、第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極に接するように保持基板を張り合わせる工程と、
前記保持基板を張り合わせた後に、前記基板を除去する工程と、
前記周期層における前記基板が除去された側に、第２の電極を形成する工程とを備え、
前記周期層を形成する工程は、少なくとも前記第２の層に炭素を添加する工程を含むことを特徴とする窒化物半導体デバイスの製造方法。
【請求項２７】
前記周期層を形成する工程よりも前に、前記基板上に凹凸を形成する工程をさらに備え、
前記基板の凹凸上に形成された前記周期層は、前記基板を除去する工程の後には、前記基板が除去された側に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項２６に記載の窒化物半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視域及び紫外域における発光ダイオード、半導体レーザ、及び電界効果トランジスタ等に適用可能な窒化物半導体デバイス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ及びこれらの混晶からなるいわゆる窒化物半導体は、可視域から紫外域の波長領域に対応するバンドギャップを有しており、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）や半導体レーザに応用され実用化されている。このように発光素子として幅広い応用が期待される窒化物半導体であるが、これまでは初期成長層の制御が容易で良好な結晶成長が実現できるサファイア基板や、格子定数が近く化学的に安定なＳｉＣ基板などが基板として用いられ、これらの基板上に有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition : ＭＯＣＶＤ）により発光デバイス構造が形成されてきた。一方で、より大面積で安価且つ高品質の基板が入手可能なＳｉ基板上の窒化物半導体発光デバイスについても検討され始めている。
【０００３】
ところで、Ｓｉ基板を用いた窒化物半導体発光デバイスの場合には、格子整合の差、いわゆる格子不整合や、特に熱膨張係数の差が原因となって、窒化物半導体中にクラックが入りやすいという問題がある。この問題を解決するために、Ｓｉ基板とＧａＮ系発光デバイス層との間にＧａＮ／ＡｌＮの周期構造を挿入することにより、膜中のストレスを緩和してクラックの発生を抑制するという技術が提案されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。この技術によると、ＡｌＮ層に引っ張り歪を与える一方でＧａＮ層に圧縮歪を与え、これらを多層化して制御することにより、全体のストレスを緩和してクラックの発生を抑制している。その結果、従来は困難であったＳｉ基板上に高輝度の青色又は緑色の発光ダイオードが実現される。
【０００４】
このように、Ｓｉ基板上で、従来のサファイア基板又はＳｉＣ基板上と同等の輝度を有する発光ダイオードが実現できれば、例えば発光ダイオードのさらなる低価格化と市場での普及が期待できる。
【特許文献１】特開２００３−６０２２８号公報
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 42(2003) pp.L226-L228
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ストレス制御のためにＳｉ基板上に挿入されたＧａＮ／ＡｌＮ周期構造を有する従来の窒化物半導体発光デバイスの場合、ＡｌＮ層の膜厚が５ｎｍ、ＧａＮの膜厚が２０ｎｍであるＧａＮ／ＡｌＮ周期構造を標準的に用いてきた。したがって、ストレスを緩和するために周期構造における周期数を増加させる場合には、例えば２０ペアで膜厚０．５μｍと周期構造のトータル膜厚が大きくなってしまう。このように、トータル膜厚が増加すると、ストレスも増大するため、クラックの抑制には限界があると共に、発光デバイスにおいて周期構造に対して垂直な方向に電流を流す場合の直列抵抗が増加するという問題がある。
【０００６】
一方で、周期構造のトータル膜厚を薄膜化するためには各層を薄膜化すればよいが、従来のＭＯＣＶＤ結晶成長条件では、初期成長及び平坦化にはある程度の膜厚が必要であった。特に、ＡｌＮ層の上に成長するＧａＮ層の場合、初期段階でアイランド状の成長が生じるので、平坦化を実現するためには、前述したように２０ｎｍ程度の膜厚が最低限必要であった。このように、ストレス制御のための周期構造のトータル膜厚を薄膜化し、クラックを抑制すると共に発光デバイスの直列抵抗を低減することには限界があった。
【０００７】
前記に鑑み、本発明は、クラックの抑制、さらには直列抵抗の低減を可能とする周期構造を備えた窒化物半導体発光デバイス及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなる第１の層と、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなり、第１の層の禁制帯幅よりも小さい禁制帯幅を有する第２の層とが周期的に形成されてなる周期層を含み、第２の層には、炭素が添加されている。
【０００９】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスによると、周期構造中の第２の層に炭素を添加していることにより、第２の層形成時における横方向成長（二次元成長）が促進されるため、より薄膜化が促進されて平坦化される。このため、ストレス抑制の目的で挿入される周期層の全体の膜厚を低減できることにより、クラックの発生を抑制し、且つ、発光素子の直列抵抗を低減することが可能となる。また、周期的に炭素を添加することにより、結晶性が向上するため、平坦化の制御が容易となる。
【００１０】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、第１の層は、ＡｌＮ層よりなり、第２の層は、Ａｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ（ｘ２＋ｙ２＝１，０＜ｘ２≦１，０≦ｙ２＜１）よりなることが好ましい。
【００１１】
このような構成により、ＧａＮとＡｌＮの２層構造の周期層をもつ従来の場合に比べて、ＡｌＮ層とＡｌｘ２Ｇａｙ２Ｎ層との格子定数差が低減し、横方向成長が促進されて平坦性が向上する。このため、薄膜化及び平坦化がより促進できるため、周期層の全体の膜厚を低減できる。これにより、クラックの発生をより抑制し、且つ、従来の周期層を有する場合に比べて結晶性及び発光輝度が向上する。
【００１２】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、第１の層は、アンドープであることが好ましい。このように、第２の層には炭素を添加し、第１の層には炭素を添加しない場合に、上記結晶性がより向上し、薄膜化及び平坦化がより向上する。
【００１３】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、第２の層に添加される炭素の濃度は、１．０×１０２０ｃｍ−３以上であって且つ１．０×１０１９ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１４】
このような構成により、周期層の結晶性が向上して、周期層の上に良好な結晶性を有する窒化物半導体層の形成が可能になる。
【００１５】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、周期層には、シリコンが添加されていることが好ましい。
【００１６】
このような構成により、周期層をｎ型の電気伝導性を有するように形成することができため、周期層に垂直な方向に電流を流すデバイス構造が可能となり、デバイスの直列抵抗を低減することが可能となる。
【００１７】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、周期層に添加されるシリコンの濃度は、第２の層に添加される炭素の濃度よりも高いことが好ましい。
【００１８】
このように、周期層中の炭素によって生じたアクセプタを十分に補償できるドナーを形成できるため、ｎ型の電気伝導性を有するように周期層３を形成し、周期層に垂直な方向に電流を流すデバイス構成が可能となり、デバイスの直列抵抗を低減することが可能となる。なお、仮に炭素濃度がシリコン濃度よりも高い場合は直列抵抗は高抵抗となる。また、周期層に電流を流すデバイスを構成する場合は、シリコン濃度は炭素濃度に比べて十分に高い必要があるため、安定的に動作させるにはシリコン濃度は炭素濃度の２倍以上が好ましい。
【００１９】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、第２の層の膜厚は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
このように周期層の全体の膜厚が低減されて、且つ、膜中のストレスを低減してクラックの抑制が可能な構造が実現される。
【００２１】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、発光を取り出す面上に、凹凸構造を備えていることが好ましい。
【００２２】
このような構成により、光取り出し面での反射による光損失を抑制し、光取り出し効率を向上させることが可能となる。
【００２３】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、周期層は、発光を行う活性層と発光を取り出す面との間に形成されており、凹凸構造は、周期層における発光を取り出す面側に入り込むように形成されていることが好ましい。
【００２４】
このような構成により、ストレスを低減してクラックを抑制しながら、光取出し効率を向上させることが可能になる。
【００２５】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、凹凸構造は、周期的なパターンをもつように形成されていることが好ましい。
【００２６】
このような構成により、光取り出し効果をさらに向上させることが可能となる。
【００２７】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、凹凸構造は、フォトニック結晶効果を供するように形成されていることが好ましい。
【００２８】
このような構成により、光回折の効果を利用でき、光取り出し効率をさらに向上させることが可能になる。該凹凸構造は、例えば、所定の間隔（例えば５０ｎｍ〜５００ｎｍ）で配置され且つ所定の深さ（５０ｎｍ〜２００ｎｍ）をもつように設計すればよい。
【００２９】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、シリコン基板、Ａｌ２Ｏ３基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＳｉＯ２基板、及び金属板よりなる群のうちから選択される１種類又は複数種類よりなる保持基板をさらに備えていることが好ましい。
【００３０】
このような構成により、放熱特性を向上させる、又は結晶性を向上させる、又はデバイスのコストを低減することが可能となる。
【００３１】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、保持基板は、導電性を有していることが好ましい。
【００３２】
このような構成により、周期層に垂直な方向に電極をデバイスの両面にて配置することでデバイスのチップサイズを小さくすることが可能となる。このため、より低コストであって且つ直列抵抗の小さいデバイスを提供することが可能になる。
【００３３】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、周期層は、当該窒化物半導体デバイスの発光を透過することが好ましい。
【００３４】
このような構成により、周期層中で吸収による光損失が低減し、より発光効率を向上させることが可能になる。例えば、発光波長に対して透明とは、窒化物半導体層の禁制帯幅が透過する光の波長よりも大きなエネルギーをもつ場合のことである。
【００３５】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、量子井戸を有しており、量子井戸の井戸層がＩｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）からなり、井戸層のＩｎ組成（ｘ１）が７％以上含まれることが好ましい。
【００３６】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、量子井戸において、井戸層のＡｌ組成（ｙ１）が４％以上含まれることが好ましい。
【００３７】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、量子井戸の障壁層がＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ（ｘ３＋ｙ３＝１，０＜ｘ３≦１，０≦ｙ３＜１）からなることが好ましい。
【００３８】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、障壁層のＡｌ組成（ｙ３）が１０％以上含まれることが好ましい。
【００３９】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、量子井戸において、障壁層の格子定数が井戸層の格子定数よりも小さいことが好ましい。
【００４０】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、量子井戸と周期層の間にｎ型の伝導性を供する層を有し、ｎ型の伝導性を供する層がＡｌｘ４Ｇａｙ４Ｎ（ｘ４＋ｙ４＝１，０＜ｘ４≦１，０≦ｙ４＜１）からなることが好ましい。
【００４１】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、ｎ型の伝導性を供する層はＳｉを含むことが好ましい。
【００４２】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、ｎ型の伝導性を供する層のＡｌ組成（ｙ４）が１０％以上含まれることが好ましい。
【００４３】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、Ｓｉ基板とは反対側の量子井戸面上にｐ型の伝導性を供する層を有し、ｐ型の伝導性を供する層はＡｌｘ５Ｇａｙ５Ｎ（ｘ５＋ｙ５＝１，０＜ｘ５≦１，０≦ｙ５＜１）からなるＡｌＧａＮの多層構造であることが好ましい。
【００４４】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、ｐ型の伝導性を供する層はＭｇを含むことが好ましい。
【００４５】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスにおいて、ｐ型の伝導性を供する層のＡｌＧａＮの多層構造は、いずれの層もＡｌ組成（ｙ５）が１０％以上含まれることが好ましい。
【００４６】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスの製造方法は、基板の上方に、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなる第１の層と、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａｚ１Ｎ（ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１，０≦ｘ１≦１，０≦ｙ１≦１，０≦ｚ１≦１）層よりなり、第１の層の禁制帯幅よりも小さい禁制帯幅を有する第２の層とが周期的に形成されてなる周期層を形成する工程と、周期層の上方に、発光を供する活性層を形成する工程と、活性層の上方に、第１の電極を形成する工程と、第１の電極に接するように保持基板を張り合わせる工程と、保持基板を張り合わせた後に、基板を除去する工程と、周期層における基板が除去された側に、第２の電極を形成する工程とを備え、周期層を形成する工程は、少なくとも第２の層に炭素を添加する工程を含む。
【００４７】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスの製造方法によると、周期層中の少なくとも第２の層に炭素を添加することで、第２の層の薄膜化及び平坦化を実現できるため、周期層の全体の膜厚を薄くできる。このため、クラックの発生を抑制し、且つ、発光素子の直列抵抗を低減することができる。さらに、基板を除去することで応力を低減し発光特性の優れた発光素子を低コストで作製することが可能になる。
【００４８】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイスの製造方法において、周期層を形成する工程よりも前に、基板上に凹凸を形成する工程をさらに備え、基板の凹凸上に形成された周期層は、基板を除去する工程の後には、基板が除去された側に凹凸が形成されていることが好ましい。
【００４９】
このような構成により、エッチングによって周期層に対して凹凸構造を形成する場合にダメージを与えることなく、周期層に光取り出し効率を向上させる凹凸構造を形成することができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明の一側面に係る窒化物半導体デバイス及びその製造方法によると、薄膜でより平坦な窒化物半導体層を形成できる。ストレス抑制のために挿入する周期構造の膜厚を薄膜化し、よりクラックを生じにくくさせることができ、また、発光素子に適用した場合には直列抵抗を低減し、動作電圧を低減する効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイス及び製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００５２】
＜窒化物半導体デバイス及びその製造方法＞
図１（ａ）及び（ｂ）、図２（ａ）及び（ｂ）、図３（ａ）及び（ｂ）、並びに図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を工程順に示す要部断面図であり、また、図１（ｃ）は、周期層の断面構造図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の斜視図である。
【００５３】
まず、図１（ａ）に示すＳｉ（１１１）基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、原料として、例えば、Ｔ
ＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ３（アンモニアガス）、及びＳｉＨ４（シランガス）を用いて、図１（ｂ）に示す層構造を有する窒化物半導体層を形成する。つまり、基板１上に、下から順に、膜厚８０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層２、膜厚４００ｎｍのＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造を有する周期層３（後述で詳述する）、シリコンが１．０×１０１９ｃｍ−３添加された膜厚２００ｎｍのＧａＮ層からなるｎ型クラッド層４、Ｉｎ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ（膜厚３ｎｍ）／Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ（膜厚１０ｎｍ）の５周期構造で波長４７０ｎｍ程度の青色発光を供するＩｎＧａＮ系多層量子井戸層（膜厚６５ｎｍ）からなる活性層５、マグネシウムが添加された膜厚１６０ｎｍのＧａＮ層からなるｐ型クラッド層６、及びマグネシウムが添加された膜厚２０ｎｍのＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層７を形成する。なお、周期層３は、Ｓｉ基板１と窒化物半導体層との間におけるストレスを抑制する、つまり、応力吸収層としての機能を有している。
【００５４】
ここで、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ周期層３について、図１（ｃ）を参照しながら具体的に説明する。
【００５５】
図１（ｃ）に示すように、周期層３は、膜厚５ｎｍのＡｌＮからなる第１の層１２と、膜厚１５ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２の層１３との周期構造によって構成されており、第１の層１２及び第２の層１３からなるペア数は２０であり、周期層３のトータル膜厚は４００ｎｍであり、周期層３は全体としてｎ型を供している。
【００５６】
膜厚５ｎｍのＡｌＮからなる第１の層１２は、ＭＯＣＶＤ法により、成長圧力６００Ｔｏｒｒ（約７．９８×１０４Ｐａ）以下、成長温度１０００℃〜１２００℃（代表的には１１００℃）、及び成長時間２０秒の条件下、２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．０６０ｍｏｌ／ｍｉｎのＮＨ３ガス、及び０．０００１２ｍｏｌ／ｍｉｎのＳｉＨ４を同時に供給することによって得られる。
【００５７】
また、膜厚１５ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２の層１３は、ＭＯＣＶＤ法により、成長圧力６００Ｔｏｒｒ（約７．９８×１０４Ｐａ）以下、成長温度１０００℃〜１２００℃（代表的には１１００℃）、及び成長時間９０秒の条件下、１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、３μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．０６０ｍｏｌ／ｍｉｎのＮＨ３ガスを、０．００００９ｍｏｌ／ｍｉｎのＳｉＨ４を同時に供給することによって得られる。
【００５８】
このように、ＡｌＮからなる第１の層１２及びＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２の層１３には、２．０×１０１９ｃｍ−３のシリコンが自発的に添加されていると共に、１．０×１０１９ｃｍ−３の炭素が自発的に添加されている。なお、第１の層１２及び第２の層１３に対する炭素の添加は、ＣＢｒ４等のドーピングガスを用いて炭素濃度を周期的に制御するようにしてもよい。また、ここでは、ＡｌＮからなる第１の層１２にも炭素を自発的に添加する場合についても説明したが、後述するように、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２の層１３だけに炭素が添加されるようにすることが好ましい。
【００５９】
以上のように、周期層３がＡｌＧａＮ（第２の層１３）／ＡｌＮ（第１の層１２）の周期構造を有し、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２の層１３に炭素が添加されるように成長条件を最適化することにより、第２の層１３は膜厚１５ｎｍ又はそれ以下の薄膜として形成されると共に平坦化される。このため、従来のＧａＮ／ＡｌＮ周期構造を有する周期層の場合と比較して、周期層３のトータル膜厚をより薄膜化できる。その結果、クラックを抑制できると共に、直列抵抗の低減及び動作電圧の低減ができる構造が実現される。
【００６０】
また、Ｘ線回折パターンにより、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ周期層３上に形成されたＧａＮ層からなるｎ型クラッド層４の結晶性を測定したところ、従来のＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ周期層の場合に比べて優れており、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ周期層３を用いることでｎ型クラッド層４の結晶性を向上させることができる。その結果、窒化物半導体発光デバイスとしての輝度が向上する。さらに、従来のＧａＮ層に代えて可視光の透過率が高いＡｌＧａＮをＡｌＮとの周期構造に用いたことで、ｎ型クラッド層４の結晶性の向上と相俟って、窒化物半導体発光デバイスの輝度はより優れたものになる。
【００６１】
次に、図２（ａ）に示すように、ｐ型コンタクト層７の上に接するように、Ａｇ／Ｐｔ／Ａｕからなる第１の電極としてのｐ型オーミック電極８を形成する。なお、ｐ型オーミック電極８の材料としては、４７０ｎｍ波長に対して高反射率を実現できる限りにおいて、例えばＲｈ又はＰｂ等を用いてもよい。
【００６２】
次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型オーミック電極８の表面に、ＡｕＳｎを含んだ接着層９を形成した後に、低抵抗ｐ型Ｓｉ（１００）基板よりなる保持基板１０を接着層９に張り合わせる。なお、保持基板１０の材料としては、Ｓｉ（１００）基板の他にも、Ａｌ２Ｏ３基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＳｉＯ２基板、Ｃｕ基板、ＣｕＷ基板等を用いてもよい。発光ダイオードの低コスト化という観点からすると、シリコン等のより安価な基板が望まし一方で、放熱を改善し且つ高出力発光ダイオードを実現するという観点からすると、ＳｉＣ又はＡｌＮ等のセラミック基板が望ましい。また、直列抵抗を低減するという観点からすると、金属板等の導電性基板が望ましい。
【００６３】
次に、図３（ａ）に示すように、エッチングにより、基板１を選択的に除去する。これにより、表面にはバッファ層２のＡｌＮ層が露出する。
【００６４】
次に、図３（ｂ）に示すように、ドライエッチングにより、周期層３の途中までバッファ層２及び周期層３の一部を選択的に除去して凹凸構造３ａを形成する。また、ここで、凹凸構造３ａは、フォトニック結晶効果を備えるように周期及び深さが設計されている。つまり、凹凸構造３ａは、間隔５０ｎｍ〜５００ｎｍで且つ深さ５０ｎｍ〜２００ｎｍのの凹部を有している。なお、ここでは、ドライエッチングにより、凹凸構造３ａを形成する場合について説明したがえ、例えば、基板１上に凹凸を予め形成しておいた後に、以降同様に、図１（ｂ）並びに図２（ａ）及び（ｂ）で説明したようにバッファ層２、及び周期層３等を順に形成し、図３（ａ）で説明したように基板１を除去すると、周期層３における基板１が除去された側に凹凸が形成されるようにしてもかまわない。このようにすると、エッチングによって周期層に対して凹凸構造３ａを形成する場合にダメージを与えることなく、周期層３に光取り出し効率を向上させる凹凸構造３ａを形成することができる。
【００６５】
次に、図４（ａ）に示すように、さらにエッチングによって所定の位置に形成した凹部の底部に露出する周期層３上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるパッド形状のｎ型電極１１を形成する。ここで、図４（ｂ）は、図４（ｂ）に示す断面構造を斜視図に示したものである。以上の工程を経て、図４（ａ）及び（ｂ）に示す構造を有する窒化物半導体デバイスが得られる。
【００６６】
以下に、上述した本実施形態に係る窒化物半導体デバイスにおけるＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造の結晶成長及び材料評価結果について詳細に説明する。
【００６７】
＜周期層３における周期的な炭素添加の有無と周期層３の平坦性との関係＞
図５（ａ）は、実験に用いた試料Ａ及びＢの断面構造を示しており、（ｂ）は、実験に用いた試料Ａ及びＢにおける周期層中の炭素添加の有無を説明するための図を示している。
【００６８】
まず、試料Ａ及びＢとして、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、膜厚８０ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層２の上に形成したＡｌＧａＮ／ＡｌＮの２０周期の周期構造をもつ周期層３を用い、試料Ａは第１の層１２に炭素を添加している周期層３をもつ試料であり、試料Ｂは第１の層１２に炭素を添加していない周期層３をもつ試料である。この試料Ａ及びＢについて比較実験を行った。なお、第２の層１３については、いずれの試料においても炭素を添加した。また、ＡｌＮからなる第１の層１２の膜厚を５ｎｍとすると共に、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる第２の層１３の膜厚を１５ｎｍとした。
【００６９】
図６（ａ）は、上記実験に用いた試料Ａ及びＢについて、ＳＩＭＳ測定による炭素濃度とシリコン濃度とを示しており、（ｂ）は、試料Ａ及びＢの断面ＳＥＭ像の斜視図を示している。
【００７０】
まず、図６（ａ）には、試料Ａ及びＢに対して、二次イオン質量分析装置（Secondary Ion Mass Spectroscopy : ＳＩＭＳ）評価による炭素濃度及びシリコン濃度の深さ方向の分布を示している。図６（ａ）から明らかなように、試料Ａでは、第１の層１２及び第２の層１３共に炭素が添加されており、試料Ｂでは、第１の層１２には炭素が添加されていないが第２の層１３には炭素が添加されていることが分かる。
【００７１】
図６（ｂ）から明らかなように、試料Ａは平坦化しておらず、試料Ｂは平坦化していることが分かる。このことから、第１の層１２には炭素を添加しないが第２の層１３には炭素を添加した周期層３、つまり周期的に炭素が添加されている周期層３の試料Ｂは、平坦性が明らかに向上している。この試料Ａ及び資料Ｂについて、Ｘ線回折ロッキングカーブ評価、ここでは、第１の層１２であるＡｌＮ層のロッキングカーブ（０００２）面のピーク半値幅を測定し比較したところ、試料Ａのピーク半値幅は５２４５秒であり、試料Ｂのピーク半値幅は２２８２秒であった。この結果から分かるように、第１の層１２のＡｌＮ層に炭素が添加された試料Ａでは結晶性が低く、炭素が添加されなかった試料Ｂでは試料Ａと比較して結晶性が良い。したがって、試料Ａは第１の層１２であるＡｌＮ層に炭素を添加したことが起因して試料Ｂよりも結晶性が低く、結晶性の低さから格子定数又は面方位の不均一化などによって平坦性が低くなっていると考えられる。ただし、第１の層１２であるＡｌＮ層の結晶性を下げずに炭素を添加することができれば、第１の層１２であるＡｌＮ層に炭素を添加してもかまわない。
【００７２】
＜周期層３に周期的に添加する炭素の濃度と周期層３の平坦性との関係＞
図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ）及び（ｂ）は、周期層３において周期的に添加する炭素の濃度による効果の差異を説明するための図を示している。
【００７３】
まず、図７（ａ）には、実験に用いた試料の断面構造を示しており、図５（ａ）と同様であるが、ここでは、図６（ｂ）の結果に基づいて、周期層３における膜厚５ｎｍのＡｌＮ層からなる第１の層１２には炭素は添加されておらず、膜厚１５ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなる第２の層１３には炭素が添加されている。そして、上記した成長条件又はＣＢｒ４などのドーピングガスを用いて第２の層１３に添加する炭素濃度を制御しながら、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）にて、周期層３の表面
粗さＲＭＳ値を測定した。
【００７４】
図７（ｂ）から明らかなように、第２の層１３に添加する炭素の濃度が増加するに伴い、平坦性が向上していることが分かる。つまり、周期層３における第２の層１３に一定量以上の炭素を添加することにより、平坦化が改善することが分かる。
【００７５】
図７（ｃ）は、第２の層１３に添加した炭素濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３であるとき（図７（ｂ）におけるポイントＡ）と、炭素濃度が８．０×１０１８ｃｍ−３であるとき（図７（ｂ）におけるポイントＢ）とについてのＡＦＭ像を示している。
【００７６】
図７（ｃ）から明らかなように、炭素濃度が８．０×１０１８ｃｍ−３であるときには（Ｂ）、表面が荒れてピットが発生しており、平坦性が十分に進行していないことが分かる。一方で、炭素濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３であるときには（Ａ）、平坦性が十分に実現できていることが分かる。これは、第２の層１３に炭素を添加し、そして炭素濃度を増加することにより、第２の層１３であるＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層の横方向成長が促進されたためであると考えられる。
【００７７】
図８（ａ）は、第２の層１３に添加した炭素濃度が５．０×１０１９ｃｍ−３であるときのＳＩＭＳ評価を示しており、（ｂ）は、第２の層１３に添加した炭素濃度が８．０×１０１８ｃｍ−３であるときのＳＩＭＳ評価を示している。
【００７８】
図８（ａ）及び（ｂ）を比較すると明らかなように、（ａ）の評価結果と（ｂ）の評価結果との間で炭素濃度の変化が確認できるため、炭素濃度と平坦性との相関関係が存在することが裏付けられる。
【００７９】
以上に得られた結果から、平坦化に必要な炭素添加の濃度に最適値が存在し、第１の層１２であるＡｌＮ層の膜厚が５ｎｍであって第２の層１３であるＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層の膜厚が１５ｎｍである場合に、炭素濃度が８．０×１０１８ｃｍ−３よりも高ければ、平坦性として十分な値が実現されることになる。つまり、第２の層１３に８．０×１０１８ｃｍ−３の炭素を添加することにより、第２の層１３は膜厚として１５ｎｍあれば平坦化が実現されるため、周期層における第２の層としてのＧａＮ層の膜厚が２０ｎｍ必要であった場合の従来に比べて大幅に薄膜平坦化が実現される。
【００８０】
＜周期層３における第２の層１３の平坦性と膜厚との関係＞
まず、図９（ａ）には、実験に用いた試料の断面構造を示しており、図５（ａ）と同様であるが、ここでは、周期層３におけるＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなる第２の層１３として、炭素が添加されている試料と添加されていない試料との２種類について、第２の層１３の膜厚１３を変化させながら、第２の層１３の平坦性としてＡＦＭによる表面荒さＲＭＳ値を測定した。なお、炭素の添加濃度は、前述した図７（ｂ）の結果に基づいて５．０×１０１９ｃｍ−３としている。また、いずれの試料においても、第１の層１２には炭素は添加されていない。
【００８１】
図９（ｂ）から明らかなように、第２の層１３への炭素添加の有無によって平坦性に差が生じていることが分かる。ここでは、第２の層１３へ炭素を添加することにより、第２の層１３がどのような膜厚を有する場合でも、第２の層１３へ炭素を添加していない場合に比べて平坦性が向上していることが分かる。また、同図に示すように、炭素の添加が無い試料では、第２の層１３の膜厚が２５ｎｍ以上あれば平坦性として優れた値が実現でき、炭素の添加がある試料では、第２の層１３の膜厚が６〜７ｎｍ以上で平坦性として優れた値が実現できる。ただ、実際には、クラックの発生の主な原因となり得るピットの発生を考慮すると、炭素の添加がある試料では、第２の層１３の膜厚が１５ｎｍ以上でピットの発生がなくなっていたので、炭素の添加がある試料では、第２の層１３の膜厚として１５ｎｍ以上であることが望ましい。
【００８２】
以上に得られた結果から、第１の層１２がＡｌＮ層で、第２の層１３がＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層である周期構造に、炭素を周期的に添加することにより、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎの膜厚が１５ｎｍでクラックの発生しない平坦化が可能となるため、従来の周期層における第２の層としてのＧａＮ層の膜厚が２０ｎｍ必要であった場合に比べて大幅に薄膜平坦化が実現される。
【００８３】
＜周期層３の上に形成されるＧａＮ層の結晶性＞
まず、図１０（ａ）及び（ｂ）は、実験に用いた試料の断面構造を示しており、炭素が添加されていないＡｌＮ層からなる第１の層１２及び炭素を添加しているＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなる第２の層１３の周期構造をもつ周期層３の上（基板１側とは反対側の面上）に、膜厚２００ｎｍのＧａＮ層（ｎ型クラッド層４）を成長させた試料Ａについて、ＧａＮ層の結晶性について測定した。また、比較例として、従来のＡｌＮからなる第１の層及びＧａＮからなる第２の層の周期構造をもつ周期層の上（基板側とは反対側の面上）に、ＧａＮ層（ｎ型クラッド層）を成長させた試料Ｂについても、ＧａＮ層の結晶性について測定した。
【００８４】
図１１（ａ）には、試料Ａ及びＢについてＸ線回折ロッキングカーブを評価した結果を示している。図１１（ａ）に示す結果から、試料ＡのＧａＮ層（ｎ型クラッド層４）及びＢのＧａＮ層（ｎ型クラッド層）についてロッキングカーブ（０００２）面のピーク半値幅を測定したところ、図１１（ｂ）に示すように、試料ＢのＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ場合が１９７３ａｒｃｓｅｃ、試料ＡのＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ場合が１６３１ｓｒｃｓｅｃであり、試料Ａの方が試料Ｂよりも結晶性が優れていることが分かる。
【００８５】
以上に得られた結果から、ＡｌＮ層からなる第１の層及びＧａＮ層からなる第２の層の周期構造をもつ従来構造に対し、ＧａＮ層に代えて第２の層１３としてＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層を用いた周期構造をもつ本発明の周期層３とすることで、結晶性が向上し、発光ダイオードの高輝度化が実現できる。また、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層は、可視光に対する透過率がＧａＮ層よりも高いため、より一層の高輝度が実現される。
【００８６】
＜周期層３におけるシリコンの添加濃度と炭素の添加濃度との関係＞
まず、図１２（ａ）は、実験に用いた試料の断面構造を示しており、基板１上のＡｌＮ層からなるバッファ層２の上に形成された、膜厚５ｎｍのＡｌＮ層からなる第１の層１２及び膜厚１５ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなる第２の層１３の周期構造をもつ周期層３である。また、第１の層１２及び第２の層１３には共にシリコンが２．０×１０１９ｃｍ−３添加されており、さらに、第１の層１２には炭素は添加されておらず、第２の層１３には炭素が添加されている。この場合に、添加するシリコン濃度を２．０×１０１９ｃｍ−３で一定とし、第２の層１３に添加する炭素の濃度を変化させながら、試料の抵抗率を測定した。
【００８７】
図１２（ｂ）から明らかなように、第２の層１３に添加する炭素の濃度を低下させると抵抗率が低減することが分かる。このように、炭素濃度によって抵抗率が影響するのは、炭素によってアクセプタが生じることで、シリコンによって供給されるドナーを補償するためである。ｎ型の電気伝導性を有するように周期層３を形成し、周期構造に垂直な方向に電流を流すデバイス構成とする場合には、炭素濃度は低いほうが望ましい。同図に示すように、シリコン濃度として２．０×１０１９ｃｍ−３添加させた場合は、炭素濃度は１．０×１０１９ｃｍ−３程度が望ましいことが分かる。つまり、シリコン濃度として炭素濃度の２倍以上でシリコンを添加すると抵抗率が十分に低下すると言える。
【００８８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイス及び製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００８９】
本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスを図１３（ａ）及び（ｂ）に示している。本実施形態の窒化物半導体デバイスは、活性層２５、ｎ型クラッド層２４、ｐ型クラッド層２６、及びｐ型コンタクト層２７の構成が異なる以外、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの構成と実質的に同一である。また、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスは、第１の実施形態と同様、図１（ａ）及び（ｂ）、図２（ａ）及び（ｂ）、図３（ａ）及び（ｂ）、並びに図４（ａ）に示す工程順に製造される。本発明の第１の実施形態と実質的に製造方法が同一の部分はその説明を省略する。
【００９０】
図１（ａ）に示すＳｉ（１１１）基板１上に、図１（ｂ）に示す層構造を有する窒化物半導体層を形成する。ここで、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスは、基板１上に、下から順に、膜厚８０ｎｍのＡｌＮ層からなるバッファ層２、膜厚４００ｎｍのＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造を有する周期層３（本発明の第1の実施形態で詳述）、シリコンが１．０×１０１９ｃｍ−３添加された膜厚２００ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなるｎ型クラッド層２４、Ｉｎ０．１０Ａｌ０．０７Ｇａ０．８３Ｎ（膜厚３ｎｍ）／Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（膜厚１０ｎｍ）の５周期構造で波長３５０ｎｍ程度の紫外発光を供するＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層（膜厚６５ｎｍ）からなる活性層２５、マグネシウムが添加された膜厚１６０ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなるｐ型クラッド層２６、及びマグネシウムが添加された膜厚２０ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなるｐ型コンタクト層２７を形成する。
【００９１】
図１１に示すＸ線回折によるロッキングカーブ測定の結果より明らかなように、ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ周期層３を用いることでＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層からなるｎ型クラッド層２４の結晶性を向上させることができる。その結果、紫外発光を供するＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層は本発明の第1の実施形態に係る青色発光を供するＩｎＧａＮ系多層量子井戸層と比較して輝度向上の効果がさらに大きい。それは、以下の理由による。
【００９２】
すなわち、Ａｌを含まないＩｎＧａＮ材料を用いた活性層と比較してＡｌＧａＮ材料を用いた活性層は層内における組成のゆらぎが少ない。組成のゆらぎは局在励起子を発生させ、局在励起子は転位などの結晶欠陥にとらわれる前に発光するので、発光効率が著しく伸びる効果を持つ。逆に、結晶性の悪い活性層においては結晶欠陥、特に転位による非発光再結合が起きやすくなる。活性層の結晶性はその下地となっているｎ型クラッド層２４の結晶性に大きく依存するので、結晶性の悪いすなわちＸ線ロッキングカーブ測定において大きな半値幅を示すクラッド層の上に結晶成長された活性層の結晶性は悪くなり、活性層において非発光再結合が起きやすくなる。逆に結晶性のよいクラッド層の上に結晶成長された活性層はその結晶性がよく、活性層において非発光再結合が起きにくくなるので紫外発光の輝度が著しく大きくなる。これが紫外発光を供するＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層は本発明の第1の実施形態に係る青色発光を供するＩｎＧａＮ系多層量子井戸層と比較して輝度向上の効果がさらに大きくなる理由である。
【００９３】
図１４に、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による断面図を示している。
【００９４】
図１４に示すように、同図はＡｌＧａＮ／ＡｌＮ周期構造をもつ周期層３とＳｉ基板からなる基板１との界面部分であり、転位密度は２×１０１０ｃｍ−２である。ＴＥＭ像からＳｉ基板界面初期から平坦性のよい層が得られている。
【００９５】
図１５に、本発明のＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層からなる活性層２５の井戸層であるＩｎＡｌＧａＮのＡｌとＩｎの組成と、同じく井戸層にＩｎＡｌＧａＮを用いている他の研究グループの組成との比較を示している。
【００９６】
図１５において、白抜きの円（Ｂ）が他の研究グループで、黒丸（Ａ）が本実施形態の組成を示している。また、実線はバルクのＩｎＡｌＧａＮの場合のバンド端発光波長（＝バンドギャップ）を示し、間隔は１０ｎｍ刻みで示されている。本実施形態の活性層２５の井戸層の組成は（ａ）Ａｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ、（ｂ）Ｉｎ０．０３Ａｌ０．０４Ｇａ０．９３Ｎ、（ｃ）Ｉｎ０．０７Ａｌ０．０４Ｇａ０．８９Ｎ、（ｄ）Ｉｎ０．１０Ａｌ０．０５Ｇａ０．８５Ｎである。（ａ）は組成から明らかのように従来用いてきたＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層の井戸層組成で、（ｂ）以降は徐々に井戸層のＩｎの組成を増やしている。他の研究グループとの比較による本実施形態の井戸層の特徴は、図に示すように、低Ａｌ組成、高Ｉｎ組成であることが分かる。
【００９７】
図１６は、図１５にて説明した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同じ組成の井戸層を用い、バリア層はＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎで共通で、ＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層からなる活性層２５のＰＬ強度温度依存性データである。また、測定温度範囲は１０Ｋから３００Ｋで行い、１０ＫでのＰＬ強度測定は転位などによる非発光再結合の影響は無く、１０Ｋで内部量子効率（Internal Quantum Efficiency (IQE)）は１００％であるものとする。
【００９８】
測定の結果によると、それぞれの室温での内部量子効率を見積もると、（ａ）１％、（ｂ）２％、（ｃ）１０%、（ｄ）１５％であった。活性層２５の井戸層のＩｎ組成が多いほど内部量子効率が向上し、従来用いてきた（ａ） ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層に比較して最大１５倍も改善していることが分かる。
【００９９】
図１７は、図１５にて説明した（ａ）及び（ｄ）と同じ組成の井戸層を用い、バリア層はＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎである活性層２５において、室温ＣＬ（カソードルミネッセンス：Cathodoluminescence）像である。図において、電子線で励起したときの蛍光強度が強い領域ほど、白く表示されている。図に示すように、Ｉｎ組成の多い（ｄ）の強度が強いことが分かる。なお、まだらな発光は転位の影響と予想される。
【０１００】
図１８は、図１５にて説明した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同じ組成の井戸層を用い、バリア層はＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎである上述した図１３（ａ）に記載のＬＥＤ構造において、直流電流１００ｍＡを注入した時の室温におけるＥＬ発光スペクトルを示している。
【０１０１】
図１８に示すように、ＥＬスペクトルのピーク波長は（ａ）３５４ｎｍ、（ｂ）３５１ｎｍ、（ｃ）３５２ｎｍ及び（ｄ）３４８ｎｍ、ＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum）は（ａ）８ｎｍ（７７ｍｅＶ）、（ｂ）９ｎｍ（８３ｍｅＶ）、（ｃ）１２ｎｍ（１０７ｍｅＶ）及び（ｄ）１１ｎｍ（１１０ｍｅＶ）である。
【０１０２】
図１９は、図１５にて説明した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）と同じ組成の井戸層を用い、バリア層はＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎで共通である上述した図１３（ａ）に記載のＬＥＤ構造で、光出力−電流特性の変化を示している。図示するように、井戸層のＩｎ組成が最も高い（ｄ）で、最もＥＬ光出力が高いことが分かる。
【０１０３】
図２０は、図１５にて説明した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、及び（ｄ）と同じ組成の井戸層を用い、バリア層はＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎで共通である上述した図１３（ａ）に記載のＬＥＤ構造で、光出力と井戸層In組成の変化を示している。図示するように、井戸層のＩｎ組成が最も高い（ｄ）で、最もＥＬ光出力が高いことが分かる。
【０１０４】
以上の本発明の第１及び第２の実施形態では、窒化物半導体発光デバイスとして発光ダイオードを例にして説明したが、例えば半導体レーザでもよく、また、周期構造にシリコンをドープせずにその上にＡｌＧａＮ／ＡｌＮへテロ構造を形成した電界効果トランジスタであってもかまわない。結晶成長に用いるＳｉ基板は（１１１）面以外の面方位か主面よりオフアングルのついたものでもかまわない。結晶性及び平坦性が改善される限りはＳｉＣ基板等、他の単結晶基板を用いてもよい。
【０１０５】
また、以上の本発明の第１及び第２の実施形態では、周期層３には炭素を添加する場合について説明したが、炭素に限定されるものではなく、薄膜化及び平坦化が可能になれば、サーファクタントとして働く原子などを用いてもかまわない。炭素以外にも、Ｍｇなどを用いることが考え得る。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、窒化物半導体よりなる発光ダイオード、半導体レーザ等の窒化物半導体発光デバイスの高輝度化又は低コスト化にとって極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を工程順に説明する要部断面図であり、（ｃ）は、本発明に係る第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスにおける周期層の断面構造を示した図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を工程順に説明する要部断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を工程順に説明する要部断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの製造方法を工程順に説明する要部断面図及び斜視図であって、且つ、本発明に係る第１の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの構造を示す要部断面図及び斜視図でもある。
【図５】（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態における実験に用いた試料の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、実験に用いた試料の周期構造の差異を示す図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る第１の実施形態における周期層において炭素を周期的に添加することによる効果を説明するための図であり、（ａ）は、実験に用いた試料について、ＳＩＭＳ測定による炭素濃度とシリコン濃度を示しており、（ｂ）は、実験に用いた試料の断面ＳＥＭ像の斜視図である。
【図７】（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態における実験に用いた試料の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、炭素濃度とＲＭＳ値との関係図であり、（ｃ）は、周期層の表面のＡＦＭ像である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ＳＩＭＳ測定による炭素濃度とシリコン濃度とを示す図である。
【図９】（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態における実験に用いた試料の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、第２の層における炭素添加が有る場合と無い場合とについて、第２の層の膜厚とＲＭＳ値との関係図である。
【図１０】（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態における実験に用いた試料の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、実験に用いた試料における周期構造の差異を示す図である。
【図１１】（ａ）は、実験に用いた試料についてＸ線回折ロッキングカーブを評価した結果図であり、（ｂ）は、実験に用いた試料について、ロッキングカーブ（０００２）面のピーク半値幅の測定結果図である。
【図１２】（ａ）は、本発明に係る第１の実施形態における実験に用いた試料の断面構造を示す図であり、（ｂ）は、実験に用いた試料について、シリコン濃度を一定とした場合における炭素濃度と抵抗率との関係図である。
【図１３】（ａ）は、本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの断面図であり、（ｂ）は、同斜視図である。
【図１４】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、透過電子顕微鏡による断面図である。
【図１５】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、井戸層であるＩｎＡｌＧａＮのＡｌとＩｎの組成と、同じく井戸層にＩｎＡｌＧａＮを用いる他の研究グループの組成との比較を示す図である。
【図１６】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、バリア層はＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎで共通で、ＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多層量子井戸層からなる活性層のＰＬ強度温度依存性を示す図である。
【図１７】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、室温カソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す図である。
【図１８】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、エレクトロルミネッセンズ（ＥＬ）発光スペクトルを示す図である。
【図１９】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、光出力-電流特性の変化を示す図である。
【図２０】本発明に係る第２の実施形態に係る窒化物半導体デバイスの、光出力-井戸層In組成の変化を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１  Ｓｉ（１１１）基板
２  バッファ層  
３  周期層
４、２４  ｎ型クラッド層
５、２５  活性層
６、２６  ｐ型クラッド層
７、２７  ｐ型コンタクト層
８  ｐ型電極
９  接着層
１０  保持基板
１１  ｎ型電極
１２  第１の層
１３  第２の層
【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１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図６】
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【図７】
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【図１４】
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【図１７】
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