(57)【要約】【課題】  成長面に対する垂直性が高く、反応性イオンによるダメージに起因する欠陥がなく、高い光反射率を有するレーザ共振面を備えた発光素子を提供すること。【解決手段】  発光素子は、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１の一主面に形成された、化学式ＸＢ２（但し、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部１２と、前記一主面の導電層部１２間に形成された、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ａと、ＩｎＧａＮ単結晶層１３ａ上に形成されたＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１４ａと、発光層１４ａ上に形成されたＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ａを有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部と、前記一主面の前記導電層部間に形成された、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層と、前記ＩｎＧａＮ単結晶層上に形成されたＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、前記発光層上に形成されたＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とを有していることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記発光層の側面がレーザ共振面とされていることを特徴とする請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部を形成し、
次に前記一主面及び前記導電層部の上に化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＩｎＧａＮ単結晶層を形成することによって、前記一主面の前記導電層部間にＧａ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を形成するとともに、前記複数の導電層部上にそれぞれＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を形成し、
次にＧａ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層上にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成するとともにＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層上にＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成し、
次にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る前記発光層上にＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するとともにＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る前記発光層上にＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、
次にＮ極性の前記第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＮ極性の前記発光層とＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項４】
Ｎ極性の前記第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＮ極性の前記発光層とＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を選択的にエッチング除去するためのエッチャントがＫＯＨ溶液から成ることを特徴とする請求項３記載の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、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子、及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ），窒化インジウム（ＩｎＮ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の窒化ガリウム系化合物半導体は、直接遷移型の化合物半導体であり、また広いバンドギャップ（ワイドバンドギャップ）を持つため、青色光、青紫色光または紫色光の発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）等の発光素子、フォトディテクターや火炎センサー等の受光素子として利用されている。
【０００３】
また、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor  ＦＥＴ）、ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor  ＦＥＴ）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）等の電子素子において、窒化ガリウム系化合物半導体はＧａＡｓに近いキャリア輸送特性を有し、ワイドバンドギャップを持ち、破壊電界が高いことから、高周波及び高出力トランジスタの材料として有望視されている。
【０００４】
特に、近年では、青色光発光素子、紫色光発光素子、紫外光発光素子等の窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光素子からの発光を受け、光を発する蛍光体及び燐光体を設けた白色光の照明装置の製品開発が進んでいる。このような照明装置では、蛍光体及び燐光体の発光効率を向上させることと、発光素子の発光効率を向上させることが重要課題となっている。
【０００５】
発光素子の発光効率を向上させるためには内部量子効率を向上させることが重要であり、そのためには非発光再結合中心となる結晶欠陥を低減した窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる必要がある。
【０００６】
窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長には、窒化ガリウム系化合物半導体と格子整合性の高い良質な基板が実現していないため、サファイアや炭化珪素（ＳｉＣ）等の異種材料（窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性が低い材料）の単結晶からなる基板を用いている。因みに、サファイア基板とＧａＮでは格子不整合が１３．８％、熱膨張係数差が３．２×１０-6／Ｋであり、６Ｈ−ＳｉＣ基板とＧａＮでは格子不整合が３．４％、熱膨張係数差が１．７×１０-6／Ｋである。
【０００７】
これらの窒化ガリウム系化合物半導体との格子不整合性が大きい基板を用いた窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長においては、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間に歪み緩衝層（バッファ層）を形成する技術が用いられている。具体的には、サファイアから成る基板上にＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる場合、低温（４００〜８００℃）でＡｌＮもしくはＧａＮから成るバッファ層を成長させた後に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる方法が採られている。この場合、サファイアから成る基板上に低温堆積させたＡｌＮもしくはＧａＮから成るバッファ層は、ほとんどアモルファス状態で堆積する。
【０００８】
その後、バッファ層は昇温過程において結晶化し、柱状組織を形成する。次に、柱状組織が形成されたＡｌＮもしくはＧａＮから成るバッファ層の上に、窒化ガリウム系化合物半導体が隣接する柱状構造を埋め込むように成長し、平坦な表面を持つ窒化ガリウム系化合物半導体が成長する。
【０００９】
このような窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を用いて、ｎ−ＧａＮバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＮガイド層、ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造からなる発光層、ｐ−ＡｌＧａＮガイド層、ｐ−ＧａＮクラッド層を順次積層し、発光素子である半導体レーザ素子を作製する。
【００１０】
この場合、前述の通り、窒化ガリウム系化合物半導体はサファイアから成る基板上に成長されることが多い。しかしながら、サファイアは劈開性がほとんどないため、サファイアから成る基板の劈開性を利用して、その劈開面を窒化ガリウム系化合物半導体のレーザ共振面とすることは難しい。
【００１１】
そこで、特許文献1に記載されているように、窒化ガリウム系化合物半導体に反応性イオンエッチング法等のドライエッチング法を施すことにより、レーザ共振面を形成する方法がある。しかしながら、ドライエッチング法によって形成されたレーザ共振面は、基板の成長面に対する垂直性が低く、良好なレーザ共振面とならないため、安定したレーザ発振ができない。また、レーザ共振面が反応性イオンによるダメージを受けて欠陥が発生し、レーザ共振面での光反射率が低下し、レーザ発振閾値が高くなる。更に、レーザ共振面で光が吸収されるため、発熱が生じ、半導体レーザ素子に劣化をもたらすという問題点がある。
【００１２】
また、特許文献１には、レーザ共振面に誘電体多層膜を形成する方法が記載されている。しかしながら、光の吸収が少ないＴｉＯ２，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２等の酸化物膜は、成膜条件により、酸素のモル分量が化学量論的組成からずれる。このため、これらの酸化物膜の屈折率を制御するのは難しく、容易に高反射率の誘電体多層膜を形成することはできない。
【００１３】
そこで、特許文献２に記載されているように、サファイア基板をＳｉ基板に貼り合わせ、貼り合わせたサファイア基板を研削、研磨して鏡面加工を行った後、サファイア基板の鏡面上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ、Ｓｉ基板の劈開面を利用して、窒化ガリウム系化合物半導体の劈開面を得る方法がある。
【００１４】
この場合、立方晶系のＳｉ基板の特定の結晶方位と、六方晶系のサファイア基板の特定の結晶方位を合わせて貼り合わせているため、結晶方位の位置合わせの精度が要求される。また、異種基板同士の貼り合わせは界面の化学反応を利用した熱融着であるため、貼り合わせ基板のサファイア基板の鏡面上に窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるときの熱処理の際に、貼り合わせた界面から両基板が剥離することがあり、窒化ガリウム系化合物半導体を良好に成長できないという問題点があった。
【００１５】
また、Ａｕ（金），Ｐｔ（白金），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ａｌ（アルミニウム）等の金属から成る電極を用いて窒化ガリウム系化合物半導体と電気接触をとる。しかしながら、これらの電極は窒化ガリウム系化合物半導体に対するコンタクト抵抗が高いため、電流注入時に電極部分での電圧降下が大きい。そのため、発光素子の動作電圧が高くなり、発光素子の発熱量が大きくなり、電極の金属反応が生じて電極劣化が起きる。
【特許文献１】特開平８−１９１１７１号公報
【特許文献２】特開平８−２５０８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述したように、窒化ガリウム系化合物半導体は、ほとんどの場合サファイアから成る基板のように劈開性が低い基板上に結晶成長されているため、基板の劈開面を利用してレーザ共振面を形成することは難しい。
【００１７】
また、ドライエッチング法によりレーザ共振面を形成すると、レーザ共振面の基板の成長面に対する垂直性が低く、安定したレーザ発振はできない。また、レーザ共振面は反応性イオンによるダメージを受けて欠陥が生じ、レーザ発振閾値が高くなり、発熱が生じ、半導体レーザ素子の劣化をもたらす。
【００１８】
また、レーザ共振面に誘電体多層膜を形成する方法においては、誘電体膜に光吸収が少ない酸化物膜を用いると、成膜条件により酸素のモル分量が化学量論的組成からずれるため、屈折率を制御するのが難しく、高反射率のレーザ共振面は容易に形成できない。
【００１９】
さらに、Ｓｉ基板上にサファイア基板を熱融着によって貼り合わせた基板を用いて、窒化ガリウム系化合物半導体を成長すると、成長時の熱処理によって貼り合わせた界面から両基板が剥離し、窒化ガリウム系化合物半導体を良好に成長することができない。
【００２０】
また、Ａｕ（金），Ｐｔ（白金），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ａｌ（アルミニウム）等の金属から成る電極を用いた場合、発光素子の発熱による金属反応が生じて、電極劣化が起きるという問題点がある。
【００２１】
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、成長面に対する垂直性が高く、反応性イオンによるダメージに起因する欠陥がなく、高い光反射率を有するレーザ共振面を備えた発光素子、及びその製造方法を提供することにある。また、発光素子の発熱による電極の金属反応を防ぎ、電極劣化のない発光素子、及び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】
【００２２】
本発明の発光素子は、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部と、前記一主面の前記導電層部間に形成された、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層と、前記ＩｎＧａＮ単結晶層上に形成されたＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、前記発光層上に形成されたＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とを有していることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の発光素子は好ましくは、前記発光層の側面がレーザ共振面とされていることを特徴とする。
【００２４】
本発明の発光素子の製造方法は、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部を形成し、次に前記一主面及び前記導電層部の上に化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＩｎＧａＮ単結晶層を形成することによって、前記一主面の前記導電層部間にＧａ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を形成するとともに、前記複数の導電層部上にそれぞれＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を形成し、次にＧａ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層上にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成するとともにＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層上にＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成し、次にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る前記発光層上にＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するとともにＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る前記発光層上にＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、次にＮ極性の前記第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＮ極性の前記発光層とＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、Ｎ極性の前記第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＮ極性の前記発光層とＮ極性の前記ＩｎＧａＮ単結晶層を選択的にエッチング除去するためのエッチャントがＫＯＨ溶液から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の発光素子は、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部と、前記一主面の導電層部間に形成された、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層と、ＩｎＧａＮ単結晶層上に形成されたＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層と、発光層上に形成されたＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とを有していることから、以下の効果を奏する。
【００２７】
即ち、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部は、結晶構造が窒化ガリウム系化合物半導体と同じ六方晶であり、導電性を有している。例えば、導電層部としてＺｒＢ２単結晶から成るものを用いた場合、その格子定数はａ＝３．１７０Åであり、六方晶系であるウルツァイト構造のＧａＮの格子定数ａ＝３．１８９Åとの格子不整合が０．５７％であり、熱膨張係数の差も２．７×１０-6／Ｋである。その結果、窒化ガリウム系化合物半導体との整合性が極めて高い。
【００２８】
従って、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面に形成された二硼化物単結晶から成る複数の導電層部上に、高い整合性でもって窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層等をエピタキシャル成長することができるため、導電層部とその上下の窒化ガリウム系化合物半導体層との界面での電子の界面散乱が無い。電子の界面散乱が無いので、発光層に対する電子注入の効率が向上し、発光効率が高くなる。
【００２９】
また、ＺｒＢ２の仕事関数は約３．７ｅＶであり、ＧａＮの電子親和力は約３．４ｅＶと非常に近い。このため、第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層と二硼化物単結晶から成る導電層部のコンタクト抵抗を低くすることができ、発光素子の動作電圧を下げることができ、発光素子の発熱を低減できる。
【００３０】
更に、ＺｒＢ２の融点は約３４００℃であり、Ａｕ（金），Ｐｔ（白金），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ａｌ（アルミニウム）等の金属から成る従来の電極に比べて高い融点を有する。このため、二硼化物単結晶から成る導電層部を電極として使用した場合、発光素子の発熱による電極の金属反応を抑制し、電極劣化のない発光素子を得ることができる。
【００３１】
また、本発明の発光素子は好ましくは、発光層の側面がレーザ共振面とされていることから、以下の効果を奏する。
【００３２】
即ち、二硼化物単結晶から成る導電層部上には、高い整合性でもって窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長することができる。二硼化物単結晶自体は、窒化ガリウム系化合物半導体に対して無極性である。しかかしながら、例えばＺｒＢ２単結晶から成る導電層部上に窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた場合、エネルギー的に安定なＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層が成長する。
【００３３】
また、二硼化物単結晶から成る導電層部上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層が、化学式ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ただし、０＜ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体層である場合、その上のＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層と導電層部との間の結合力や歪み応力に変調が加わることにより、ＡｌｙＧａ１−ｙＮで表される窒化ガリウム系化合物半導体層はＧａ極性を呈する。一方、導電層部上に化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体層を成長した場合、その窒化ガリウム系化合物半導体層はＮ極性を呈する。
【００３４】
このようにして、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層上にはＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層が形成され、導電層部上にはＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層が形成される。その後、Ｇａ極性及びＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層のそれぞれの上に、順次発光層、第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することにより、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子と、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に成長できる。そして、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の部分を選択的に除去することにより、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子が得られる。Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の発光層の側面は結晶面から形成されており、発光層の側面は成長面に対する垂直性も高く、高い光反射率を有するレーザ共振面となる。従って、発振効率の高い半導体レーザとして用いることのできる発光素子を得ることができる。
【００３５】
本発明の発光素子の製造方法は、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部を形成し、次に前記一主面及び導電層部の上に化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＩｎＧａＮ単結晶層を形成することによって、前記一主面の導電層部間にＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層を形成するとともに、複数の導電層部上にそれぞれＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層を形成し、次にＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層上にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成するとともにＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層上にＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を形成し、次にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層上にＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するとともにＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層上にＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、次にＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＮ極性の発光層とＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層を選択的にエッチング除去することにより、以下の効果を奏する。
【００３６】
即ち、一つのＧａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の一主面上に、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子と、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に形成して、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に除去することによって、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を残すとともに、残った発光素子の発光層の側面を、成長面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面とすることができる。
【００３７】
また、Ｇａ極性の第1導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層と導電層部の界面での電子の界面散乱が無いため、それらの間のコンタクト抵抗を低くすることができ、発光素子の動作電圧を低くして発光素子の発熱を低減できる。また、導電層部を電極として用いた場合、発光素子の発熱による金属反応を抑制した電極を形成することができる。
【００３８】
従って、発振効率の高い半導体レーザとして使用可能な発光素子を製造することができる。
【００３９】
また、本発明の発光素子の製造方法は好ましくは、Ｎ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層とＮ極性の発光層とＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層を選択的にエッチング除去するためのエッチャントがＫＯＨ溶液から成ることにより、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子の部分を容易に除去することができる。また、残ったＧａ極性の発光素子の発光層の側面を、成長面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面として形成することができる。
【００４０】
なお、窒化ガリウム系化合物半導体の結晶はｃ軸に沿ってＧａとＮの配列が非対称な構造を持つ、Ｇａ極性とＮ極性の２種類の極性がある。これらは、結晶構造に差異は無いが、結晶の向きが異なる。具体的には、Ｇａ極性ではＧａ原子の４個の結合手のうち３個が基板側に向き、１個が表面側に向いている。従って、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体は、表面に現れる１つのＮ原子は、飛来する３つのＧａ原子と結合するため、成長中に飛来するＧａ原子に対してＮ原子の結合手が３本あることとなり、その結果結合力が強くなるとともに成長速度が速くなる。
【００４１】
Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体はＧａ極性と逆であり、Ｎ原子の４個のボンドのうち３個が基板側に向き、１個が表面側に向いている。従って、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体は、表面に現れる１つのＮ原子は、飛来する１つのＧａ原子と結合するため、成長中に飛来するＧａ原子に対してＮ原子の結合手が１本あることとなり、その結果結合力が弱くなるとともに成長速度が遅くなる。
【００４２】
これらの特性の違いは表面モフォロジーにあらわれ、Ｇａ極性では平坦性の表面になっているのに対して、Ｎ極性では六角形状のファセット面を呈した表面になっている。また、窒化ガリウム系化合物半導体の成長における成長速度も、Ｇａ極性の成長に対してＮ極性の成長速度は遅い。以上のことから、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層は発光素子や電子デバイスへの応用には不適であり、結晶性が高品質の窒化ガリウム系化合物半導体層の実現には、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する必要がある。
【００４３】
また、本発明の発光素子の製造方法は、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を、一つのＧａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層上に、一括的に多数個形成できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の発光素子及びその製造方法について、実施の形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００４５】
本発明の発光素子は、図１に示すように、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１の一主面に形成された、化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部１２と、前記一主面の導電層部１２間に形成された、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ａと、ＩｎＧａＮ単結晶層１３ａ上に形成されたＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１４ａと、発光層１４ａ上に形成されたＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ａとを有している構成である。
【００４６】
最下層であるＧａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１は、例えば基板１０上に形成される。その基板１０の材料としては、サファイア，炭化珪素（ＳｉＣ），二硼化物単結晶等がある。窒化ガリウム系化合物半導体との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ＺｒＢ２単結晶から成る基板１０を使用することが好ましい。また、ＺｒＢ２単結晶から成る基板１０において、Ｚｒの一部がＭｇ，Ａｌ，Ｈｆ等に置換されているものであってもよい。また、ＺｒＢ２単結晶から成る基板１０において、その結晶性及び格子定数が大きく変化しない程度に、不純物としてＭｇ，Ａｌ，Ｈｆ等を含んでいても構わない。
【００４７】
Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１は、例えばＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎ層等である。Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１の厚みは１〜２μｍ程度である。また、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１は、１００〜３００μｍ程度の厚いものであれば、それ自体を発光素子製造用の基板として用いることができる。
【００４８】
化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部１２は、厚みが２０〜５００ｎｍ程度であることがよい。２０ｎｍ未満では、結晶性の良い二硼化物単結晶層が成長できず、５００ｎｍを超えると、その上に成長する窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性に変化は見られないため、これ以上の膜厚は必要ない。また、導電層部１２の大きさ（平面視における大きさ）は、四角形のものであれば４００μｍ×３００μｍ程度である。
【００４９】
導電層部１２間の間隔は、１５０〜３００μｍ程度がよい。１５０μｍ未満では、発光素子に第１導電型の電極を形成したときに、電極同士の間隔が狭くなり、発光素子をワイヤーボンディング実装、フリップチップ実装等するためのボンディングパッドとして電極を使用しづらくなり、発光素子の実装が難しくなる。３００μｍを超えると、一枚の基板から取れる発光素子数が少なくなりコストの点で適さないものとなる。
【００５０】
導電層部１２間に形成された、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層は、例えばＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ単結晶層等である。Ｇａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層の厚みは１５〜２０ｎｍ程度であることがよい。１５ｎｍ未満では、安定したＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶が成長せず、２０ｎｍを超えると、ＩｎＧａＮ単結晶層の結晶性が低下する。
【００５１】
ＩｎＧａＮ単結晶層上に形成されたＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層は、例えばＩｎＧａＮ層、ＧａＮ層を交互に積層した多重量子井戸構造からなる。発光層の厚みは２０〜１００ｎｍ程度がよい。２０ｎｍ未満では、量子準位がきっちり形成された量子井戸が作製できず、１００ｎｍを超えると、発光素子の抵抗値の増大を引き起こす。
【００５２】
発光層上に形成されたＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層は、例えばＡｌＧａＮ層、ＧａＮ層等である。Ｇａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層の厚みは５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度がよい。５０ｎｍ未満では、発光層から電子のオーバーフローがあり、発光効率が低下し易くなり、２００ｎｍを超えると、発光素子の抵抗値の増大を引き起こす。
【００５３】
本発明の発光素子は、発光層の側面がレーザ共振面とされていることがよい。レーザ共振面は、成長面に対して高い垂直性を有する面となっている。また、レーザ共振面の光反射率は９６％以上であることがよく、９６％未満では、レーザ発振の閾値が高くなり、スロープ効率が低下する。
【００５４】
このような、成長面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面は、例えば、一つのＧａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１の一主面上に、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子と、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を選択的に形成して、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を、ＫＯＨ溶液によって選択的にエッチング除去することにより形成することができる。
【００５５】
また、Ｎ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を除去した後、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光素子を個々に分離して、１チップずつ使用してもよい。
【００５６】
本発明の発光素子の製造方法の各製造工程における発光素子の断面図を図２に示す。
【００５７】
発光素子を構成する窒化ガリウム系化合物半導体層の成長方法としては、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法，有機金属エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法等を用いるとよい。
【００５８】
本発明の発光素子の製造方法は、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１の一主面上に化学式ＸＢ２（ただし、ＸはＺｒ，Ｔｉ及びＨｆから選択される１種以上の元素である。）で表される二硼化物単結晶から成る複数の導電層部１２を形成し、次に前記一主面及び導電層部１２の上に化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＩｎＧａＮ単結晶層１３を形成することによって、前記一主面の導電層部１２間にＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ａを形成するとともに、複数の導電層部１２上にそれぞれＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ｂを形成し、次にＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ａ上にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１４ａを形成するとともにＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ｂ上にＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１４ｂを形成し、次にＧａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１４ａ上にＧａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ａを形成するとともにＮ極性の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層１４ｂ上にＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ｂを形成し、次にＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ｂとＮ極性の発光層１４ｂとＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ｂを選択的にエッチング除去することによって、Ｇａ極性の発光層１４ａの側面をレーザ共振面とする構成である。
【００５９】
図２（ａ）に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体の成長用の基板１０の主面上に、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１を成長する。Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１は、例えば３族元素であるＧａ，Ａｌ，Ｉｎのうちの少なくとも１種とＮ元素から成るが、基板１０がＺｒＢ２単結晶から成る場合には、基板１０との格子整合性から、Ａｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎ層が好適である。また、本実施の形態では、第１導電型とはｎ型であり、窒化ガリウム系化合物半導体をｎ型とするには、元素周期律表において４族元素であるシリコン（Ｓｉ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
【００６０】
次に、図２（ｂ）に示すように、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１上に、化学式ＸＢ２で表される二硼化物単結晶から成る導電層２２をエピタキシャル成長する。導電層２２は、例えばＺｒＢ2単結晶，ＴｉＢ2単結晶，ＨｆＢ2単結晶，ＭｇＢ2単結晶等からなるが、Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１との格子整合性及び熱膨張係数の整合性の点で優れていることを考慮すると、ＺｒＢ２単結晶からなるものが好ましい。
【００６１】
また、ＺｒＢ２単結晶から成る導電層２２において、Ｚｒの一部がＭｇ，Ａｌ，Ｈｆ等に置換されているものであってもよい。また、ＺｒＢ２単結晶から成る導電層２２において、その結晶性また格子定数が大きく変化しない程度に不純物としてＭｇ，Ａｌ，Ｈｆ等を含んでいても構わない。導電層２２を成長するための原料は、化学式Ｚｒ（ＢＨ４）４，Ｈｆ（ＢＨ４）４，Ｍｇ（ＢＨ４）２で表されるメタル・ボロヒドレード原料が供給効率の点から好ましい。
【００６２】
図２（ｃ）に示すように、導電層２２上にフォトリソグラフィー技術を用いてパターンを形成し、ＨＮＯ３とＨＦの混合液からなるエッチング液を用いて、導電層２２を部分的にエッチングし、二硼化物単結晶から成る複数の導電層部１２を形成する。
【００６３】
次に、図２（ｄ）に示すように、複数の導電層部１２に、化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ｂを、前記一主面の導電層部１２間に化学式ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ＜１）で表されるＧａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ａを成長する。ＩｎＧａＮ単結晶１３ａ，１３ｂは、その禁制帯幅を次に成長する発光層１４ａ，１４ｂの禁制帯幅よりも大きくすることにより、発光層１４ａ，１４ｂに電子と正孔とを閉じ込めて、これらの電子と正孔を効率良く再結合させて強い発光強度で発光させることができる。
【００６４】
次に、図２（ｅ）に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなるＧａ極性及びＮ極性の発光層１４ａ，１４ｂ、Ｇａ極性及びＮ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ａ，１５ｂを順次成長する。発光層１４ａ，１４ｂは、ＩｎＧａＮ単結晶層１３ａ，１３ｂと、第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１４ａ，１４ｂの禁制帯幅に対して、禁制帯幅を小さくする元素であるＩｎを含有させてもよい。また、発光層１４ａ，１４ｂは、所望の発光波長となるように、Ａｌをより多く含有させるとともに、Ａｌ，Ｉｎ及びＧａの組成比を適当に設定することができる。また、発光層１４ａ，１４ｂは、禁制帯幅の広い障壁層と禁制帯幅の狭い井戸層から成る量子井戸構造が複数回繰り返し規則的に積層された超格子である多層量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）であってもよい。
【００６５】
本実施の形態において第２導電型はｐ型であり、窒化ガリウム系化合物半導体をｐ型とするには、元素周期律表において２族の元素であるマグネシウム（Ｍｇ）等をドーパントとして窒化ガリウム系化合物半導体に混入させればよい。
【００６６】
発光層１４ａ，１４ｂ、第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ａ，１５ｂは、Ｎ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ｂ上には、Ｎ極性の発光層１４ｂ、Ｎ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ｂが成長する。Ｇａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ａ上には、Ｇａ極性の発光層１４ａ、Ｇａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ａが成長し、一つの基板１０及び一つのＧａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１１上に、Ｇａ極性の発光素子とＮ極性の発光素子を選択的に形成することができる。
【００６７】
次に、エッチング法によって、Ｎ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層１５ｂ、Ｎ極性の発光層１４ｂ及びＮ極性のＩｎＧａＮ単結晶層１３ｂを、選択的に除去する。このとき、エッチャント（エッチング液）としてＫＯＨ溶液を用いることが好ましい。ＫＯＨ溶液を用いることにより、Ｇａ極性の窒化ガリウム系化合物半導体層を侵食することなく、容易にエッチング除去することができる。その結果、残ったＧａ極性の発光素子において、発光層１４ａの側面が、成主面に対する垂直性が高く、高い光反射率を有するレーザ共振面となる。
【００６８】
そして、一つの基板１０上に形成された複数の発光素子を、ダイシング法等によって個々に切断することにより、一個々に独立した発光素子を複数個製造することができる。
【００６９】
また、一つの基板１０上に複数の発光素子が形成された構成、または切断された個々の発光素子が導電層部１２を備えた構成として、発光素子を使用する場合、導電層部１２を電極として用いることが好ましい。この場合、二硼化物単結晶から成る導電層部１２は、Ａｕ（金），Ｐｔ（白金），Ｎｉ（ニッケル），Ｔｉ（チタン），Ａｌ（アルミニウム）等の金属から成る従来の電極に比べて高い融点を有するため、発光素子の発熱による電極の金属反応を抑制し、電極劣化のない発光素子を得ることができる。
【００７０】
本発明の発光素子は、ＣＤ，ＤＶＤ等の光記録媒体の光ピックアップ用の光源としての半導体レーザに適用できるものであり、波長３５０〜４００ｎｍ程度の紫外光〜近紫外光や紫光を用いることにより、高記録密度で長時間の記録・再生が可能な光記録媒体を製造、使用することができる。このような光ピックアップは、周知の構成のものでよく、例えば、本発明の発光素子と、発光素子から発光した光の光軸上に設置されたビームスプリッタや偏光ビームスプリッタ，プリズム，反射鏡，回折格子，スリット，集光レンズ等とを組み合わせることにより、容易に構成することができる。
【００７１】
また、本発明の発光素子は照明装置に利用できるものであり、その照明装置は、本発明の発光素子と、発光素子からの発光を受けて光を発する蛍光体及び燐光体の少なくとも一方とを具備している構成である。この構成により、輝度及び照度の高い照明装置を得ることができる。この照明装置は、本発明の発光素子を透明樹脂等で覆うか内包するようにし、その透明樹脂等に蛍光体や燐光体を混入させた構成とすればよく、蛍光体や燐光体によって発光素子の紫外光〜近紫外光を白色光等に変換するものとすることができる。また、集光性を高めるために透明樹脂等に凹面鏡等の光反射部材を設けることもできる。このような照明装置は、従来の蛍光灯等よりも消費電力が小さく、小型であることから、小型で高輝度の照明装置として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の発光素子について実施の形態の一例を示す要部拡大断面図である。
【図２】本発明の発光素子の製造方法について実施の形態の一例を示し、（ａ）〜（ｆ）は各製造工程における発光素子の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０：基板
１１：Ｇａ極性の第１導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層
１２：導電層部
１３ａ：Ｇａ極性のＩｎＧａＮ単結晶層
１３ｂ：Ｎ極性のＩｎＧａＮ単結晶層
１４ａ：Ｇａ極性の発光層
１４ｂ：Ｎ極性の発光層
１５ａ：Ｇａ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層
１５ｂ：Ｎ極性の第２導電型の窒化ガリウム系化合物半導体層
２２：導電層
【図１】
2008263115.tif 000003
【図２】
2008263115.tif 000004