(57)【要約】【課題】活性層における発光効率を損なうことなく、長波長域の発光を容易に得ることができる構造の発光素子を提供する。【解決手段】ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面（たとえばｍ面）を持ち、紫外線を吸収して、緑色〜黄色の光を発生する。ＧａＮ基板１の一方主面に、III族窒化物半導体層２が形成されている。III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、多重量子井戸層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３、およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。多重量子井戸層２２は、第１量子井戸層２２１および第２量子井戸層２２２を有する。第１量子井戸層２２１は紫外領域光を発生し、第２量子井戸層２２２は青色光を発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線を吸収して発光するIII族窒化物半導体基板と、
このIII族窒化物半導体基板上に成長させられたIII族窒化物半導体からなり、ｐ型層、紫外領域の波長の光を発生する活性層およびｎ型層を有する発光ダイオード構造とを含む、発光素子。
【請求項２】
前記III族窒化物半導体基板が、非極性面または半極性面の主面を有し、この主面上に当該主面と同じ面方位の前記III族窒化物半導体が成長させられている、請求項１記載の発光素子。
【請求項３】
前記III族窒化物半導体基板が、紫外線を吸収して、ピーク波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの光を発生するものであり、
前記活性層が、紫外領域の波長の光を発生する第１量子井戸層と、５００ｎｍ未満の波長の可視光を発生する第２量子井戸層とを含む多重量子井戸構造を有する、請求項１または２記載の発光素子。
【請求項４】
前記III族窒化物半導体基板から発生する光と、前記第２量子井戸層から発生する光との偏光の程度が異なっている、請求項３記載の発光素子。
【請求項５】
前記III族窒化物半導体基板から発生する光が偏光しておらず、前記第２量子井戸層から発生する光が偏光している、請求項３記載の発光素子。
【請求項６】
前記III族窒化物半導体基板側から光を取り出すようになっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
【請求項７】
光取り出し側表面が鏡面になっている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体を用いて発光ダイオード構造を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、ｎ型層およびｐ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
【非特許文献１】T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
III族窒化物半導体で５００ｎｍ以上の長波長域の発光波長を持つ活性層を形成すると、このような活性層は、熱ダメージに弱いことが分かっている。具体的には、たとえば、ＧａＮ基板上にｎ型ＧａＮ半導体層を成長させ、これにIII族窒化物半導体からなる活性層を積層し、さらに、ｐ型ＧａＮ半導体層を成長させて発光ダイオード構造を形成する場合を例にとる。この場合、５００ｎｍ以上の発光波長とするためには、活性層にインジウムが取り込まれる必要がある。そのために、活性層の成長時の基板温度が、７００℃〜８００℃とされる。一方、活性層の上に形成されるｐ型ＧａＮ層のエピタキシャル成長時には、基板温度が８００℃以上とされる。このときに活性層が熱ダメージを受け、その発光効率が著しく損なわれることになる。したがって、５００ｎｍ以上の発光波長を実現することは、容易ではない。
【０００４】
そこで、III族窒化物半導体を用いて黄色や白色の発光ダイオードを作製する場合には、５００ｎｍ未満の発光波長の活性層を有する発光ダイオードチップの表面に蛍光体を塗布するようにしているが、その塗布作業が面倒である。
このように、III族窒化物半導体を用いて長波長域（たとえば、５００ｎｍ以上。緑色〜黄色の波長域）の発光を得ることは必ずしも容易ではなかった。
【０００５】
そこで、この発明の目的は、活性層における発光効率を損なうことなく、長波長域の発光を容易に得ることができる構造の発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、紫外線（波長４００ｎｍ以下）を吸収して発光（好ましくは、黄色その他の可視光を発光）するIII族窒化物半導体基板と、このIII族窒化物半導体基板上に成長させられたIII族窒化物半導体からなり、ｐ型層、紫外領域の波長の光を発生する活性層およびｎ型層を有する発光ダイオード構造とを含む、発光素子である。
【０００７】
この構成によれば、発光ダイオード構造の活性層に電流を注入することで紫外領域（短波長域）の光を発生させることができる。そして、発光ダイオード構造の活性層からの紫外領域の光がIII族窒化物半導体基板に入射して当該III族窒化物半導体基板を励起し、それによって、当該III族窒化物半導体基板からの発光が生じる。こうして、紫外領域の短波長光を活性層から発生させて、別の波長の光をIII族窒化物半導体基板から発生させることができるから、活性層における発光効率を損なうことなく、長波長の発光（たとえば、黄色発光）を容易に実現できる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、前記III族窒化物半導体基板が、非極性面または半極性面の主面を有し、この主面上に当該主面と同じ面方位の前記III族窒化物半導体が成長させられている、請求項１記載の発光素子である。
ｃ面III族窒化物半導体とは異なる材料である非極性面または半極性面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体を用いることによって、活性層での自発圧電分極によるキャリアの分離が抑制されるので、発光効率が増加する。非極性面はｍ面またはａ面であり、半極性面の例としては、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面を挙げることができる。
【０００９】
とくに、ｍ面を結晶成長の主面とすれば、結晶成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やその他の結晶面を結晶成長の主面とする場合に比較して、結晶性を向上することができる。その結果、高性能の発光ダイオードの作製が可能になる。
前記III族窒化物半導体は、ｍ面を結晶成長のための再成長面とする窒化ガリウム単結晶基板上に結晶成長させたものであることが好ましい。転位密度の極めて低い（好ましくは全くない）窒化ガリウム単結晶基板を使用することで、発光ダイオード構造を形成するIII族窒化物半導体積層構造は、積層欠陥（面欠陥）や転位（線欠陥）の少ない高品質な結晶となる。これにより、高性能の発光ダイオードの作製が可能になる。特に、III族窒化物半導体積層構造を、III族窒化物半導体基板の再成長面より生じた積層欠陥または貫通転位を含まない結晶とすることができる。これにより、積層欠陥や転位による発光効率低下などの特性劣化の要因を抑制できる。
【００１０】
前記窒化ガリウム単結晶基板の主面は、ｍ面の面方位からのオフ角が±１°以内の面であることが好ましい。これにより、より確実に無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
請求項３記載の発明は、前記III族窒化物半導体基板が、紫外線を吸収して、ピーク波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの光を発生するものであり、前記活性層が、紫外領域の波長の光を発生する第１量子井戸層と、５００ｎｍ未満の波長の可視光を発生する第２量子井戸層とを含む多重量子井戸構造を有する、請求項１または２記載の発光素子である。
【００１１】
この構成により、第１量子井戸層から発生する紫外領域の光がIII族窒化物半導体基板に入射して、ピーク波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍの黄色光が発生する。その一方で、第２量子井戸層からは、５００ｎｍ未満の波長の可視光が発生する。これにより、黄色光と５００ｎｍ未満の波長の可視光（たとえば青色光）との混色発光を実現できる。たとえば、黄色光と青色光とを混合して白色発光を実現することができる。こうして、発光効率を損なうことなく、また、蛍光体塗布のような面倒な作業を必要とすることなく、白色発光の発光素子を実現できる。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記III族窒化物半導体基板から発生する光と、前記第２量子井戸層から発生する光との偏光の程度が異なっている、請求項３記載の発光素子である。この構成では、それぞれの波長ごとに偏光の程度が異なるので、たとえば、偏光フィルタ（たとえば偏光眼鏡）なしでは白色に見えるが、偏光フィルタを通すと黄色に見える、などといった発光装置を実現できる。また、発光素子から生じた光を、偏光状態を制御できる媒体に通すことにより、センシング用光源を構成することができる。センシング用光源とは、対象物質の偏光への応答の有無を調べる目的の光源である。
【００１３】
たとえば、成長主面を非極性面としたIII族窒化物半導体で活性層を形成すると、量子井戸層から偏光した発光が可能である。これに対して、紫外線を吸収して光るIII族窒化物半導体基板からの発光は点欠陥部からの発光となるので、ランダム偏光となる。こうして、波長に応じて偏光の程度の異なる発光を実現できる。
請求項５記載の発明は、前記III族窒化物半導体基板から発生する光が偏光しておらず、前記第２量子井戸層から発生する光が偏光している、請求項３記載の発光素子である。この構成により、５００ｎｍ未満の発光が偏光していて、５００ｎｍ以上の光が偏光していない状態で発光する発光素子が得られる。このような発光素子を用いて、請求項４の発明と同様な応用が可能である。
【００１４】
請求項６記載の発明は、前記III族窒化物半導体基板側から光を取り出すようになっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子である。この構成により、基板から発生される光を効率的に取り出すことができる。
請求項７記載の発明は、光取り出し側表面が鏡面になっている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光素子である。鏡面とは、発光波長（とくに偏光した光の波長）に比較して凹凸の小さい表面であり、偏光状態に対して実質的に影響を与えることのない表面を意味する。したがって、光取り出し側表面を鏡面としておくことにより、散乱による偏光の乱れを抑制または防止することができ、発生した光は、偏光状態をほとんど乱されることなく、外部に取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解的な断面図である。この窒化物半導体発光素子は、III族窒化物半導体基板の一例としてのＧａＮ（窒化ガリウム）基板１の一方の主面（図１では下面）上に発光ダイオード構造を形成するIII族窒化物半導体積層構造としてのIII族窒化物半導体層２を再成長させて構成されている。
【００１６】
III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、活性層（発光層）としての多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple-Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３、およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層２４層の表面には、アノード電極（ｐ型電極）３が形成されている。また、ｎ型コンタクト層２１にカソード電極（ｎ型電極）５が接合されている。ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４がｐ型層を形成し、ｎ型単タクト層２１がｎ型層を形成していて、多重量子井戸層２２がこれらに挟まれて配置されている。
【００１７】
アノード電極３は、支持基板１０上の配線層１１に接合金属層（たとえば銀層）１７を介して接合（ダイボンディング）されている。また、III族窒化物半導体層２は、支持基板１０側からｎ型コンタクト層２１が露出するまでエッチング（たとえばプラズマエッチング）されていて、凹部７が形成されている。この凹部７に、ｎ型コンタクト層２１に接するカソード電極５が形成されている。このカソード電極５と支持基板１０上の配線１２とが、金属ポスト（たとえば、銀ポスト）１８によって接続されている。
【００１８】
ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０18cm-3とされる。より具体的には、ｎ型コンタクト層２１は、ＧａＮ基板１上に結晶成長させられたｎ型ＧａＮ半導体からなる。
多重量子井戸層２２は、たとえば、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）からなる量子井戸層とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）からなるバリア層とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。この実施形態では、多重量子井戸層２２は、異なる発光波長の第１量子井戸層２２１および第２量子井戸層２２２を有している。第１量子井戸層２２１は波長３００ｎｍ〜４００ｎｍ（たとえば３７０ｎｍ）の紫外領域光を発生し、一方、第２量子井戸層２２２は波長４００ｎｍ〜５００ｎｍ（たとえば４６０ｎｍ）の青色光（可視光）を発生する。すなわち、第１量子井戸層２２１を構成するＩｎＧａＮ層は、第２量子井戸層２２２を構成するＩｎＧａＮ層よりもバンドギャップが大きくされている。バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。インジウムの組成比を大きくするほど、バンドギャップが小さくなり、発光波長が大きくなる。
【００１９】
多重量子井戸層２２と、ｐ型電子阻止層２３との間には、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層されている。多重量子井戸層２２は、ｎ型コンタクト層２１とｐ型コンタクト層２４との間に挟まれて発光ダイオード構造を形成する。
ｐ型電子阻止層２３は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3とされる。
【００２０】
ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０20cm-3とされる。
アノード電極３は、ＮｉとＡｕとから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。
【００２１】
カソード電極は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ基板１は、紫外線（波長４００ｎｍ以下）の照射によって、その紫外線を吸収し、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ（たとえば５６０ｎｍ）の黄色光を発光するものである。また、ＦｅやＣｕや希土類金属などの金属を含むことで、さらに異なる発光波長を得ることも可能である。
【００２２】
このＧａＮ基板１から発生する光は、主として、III族窒化物半導体層２とは反対側の主面である光取り出し面１ａから外部に取り出される。このＧａＮ基板１は、ｃ面以外の結晶面を主面とするＧａＮからなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。好ましくは、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面を主面とするＧａＮ単結晶基板である。III族窒化物半導体層２の各層の積層主面は、ＧａＮ基板１の主面の結晶面に従う。すなわち、III族窒化物半導体層２の構成層の主面は、いずれも、ＧａＮ基板１の主面の結晶面と同じ結晶面を有する。
【００２３】
ＧａＮ基板１ａの光取り出し面１ａは、鏡面となっている。すなわち、光取り出し面１ａには、化学的機械的研磨等の研磨処理（鏡面処理）が施されている。ＧａＮの屈折率をｎ1（ｎ1≒２．５）とし、発光波長をλとすると、光取り出し面１ａの凹凸がλ／ｎ1以下であれば、この光取り出し面１ａは光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。
【００２４】
配線１１，１２から、アノード電極３およびカソード電極５間に順方向電圧を印加すると、多重量子井戸層２２は、電流注入によって励起されて発光する。このとき、第１量子井戸層２２１からは紫外光が発生し、第２量子井戸層２２２からは青色光が発生する。発光メカニズムは、ダイオード発光であってもよいし、ＰＬ（フォトルミネッセンス）発光であってもよい。
【００２５】
一方、第１量子井戸層２２１から発生した紫外領域の光がＧａＮ基板１に入射すると、このＧａＮ基板１は光励起されて黄色発光することになる。したがって、ＧａＮ基板１から発生した黄色光と、第２量子井戸層２２２から発生した青色光とが、ＧａＮ基板１の光取り出し面（図１の上面）から主として取り出され、これらが見かけ上混合されて観測されることになる。したがって、見かけ上、白色の光を発生することができる。
【００２６】
図２は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などである。
【００２７】
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であることが分かる。このように分極の少ない結晶面（非極性面または半極性面）を主面として結晶成長した発光層からは、偏光度の強い光が発生される。たとえば、ｍ面を成長主面として多重量子井戸層２２を形成すると、ａ軸方向に強く偏光した光が得られる。
【００２８】
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
【００２９】
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、III族窒化物半導体層２を成長させることができる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体層２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体層２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、多重量子井戸層２２、とくに量子井戸層２２１，２２２のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を小さくすることができる。
【００３０】
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
【００３１】
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層１０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能の発光ダイオード構造を作製できる。
【００３２】
また、この実施形態では、基板１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体層２は、転位の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能の発光ダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体層２を成長させることにより、このIII族窒化物半導体層２は基板１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、積層欠陥（面欠陥）や転位（線欠陥）に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
【００３３】
図３は、III族窒化物半導体層２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ基板１を構成する、たとえば、ＧａＮ単結晶ウエハである。
【００３４】
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコン原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
【００３５】
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
【００３６】
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層２１が成長する。
【００３７】
ｎ型コンタクト層２１を形成した後には、次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸層２２の成長が行われる。多重量子井戸層２２の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮファイナルバリア層２５が形成される。ただし、第１量子井戸層２２１の形成時と、第２量子井戸層２２２の形成時とでは、発光波長に応じたインジウム組成が得られるように、インジウム原料ガス、ガリウム原料ガスおよび窒素原料ガスの流量比を異ならせる必要がある。多重量子井戸層２２およびＧａＮファイナルバリア層２５の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
【００３８】
次いで、ｐ型電子阻止層２３が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子阻止層２３が形成されることになる。このｐ型電子阻止層２３の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃以上（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００３９】
次に、ｐ型コンタクト層２４が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４が形成されることになる。ｐ型コンタクト層２４の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃以上（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００４０】
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体層２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、ｎ型コンタクト層２１を露出させるための凹部７が形成される。凹部７は、多重量子井戸層２２、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、多重量子井戸層２２、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４をメサ形に整形するものであってもよい。
【００４１】
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極３、およびカソード電極５が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、接合金属層１７および導電性材料１８を介して、支持基板１０上の配線１１，１２に接合される。
【００４２】
以上のように、この実施形態によれば、多重量子井戸層２２（活性層）は、５００ｎｍ未満（より好ましくは４００ｎｍ未満）の波長域の光を発生するものであるので、ダメージに強く、発光効率が高い。そして、多重量子井戸層２２で発生する紫外光を受けて発光するＧａＮ基板１は、その内部の点欠陥部から黄色発光するため色安定性がよい。こうして、発光効率が高い、白色発光素子を実現できる。しかも、発光ダイオードチップを組み立てた後に発光体を塗布するような面倒な作業は不要であり、発光ダイオードチップを組み立てるだけで、白色発光素子を得ることができる。
【００４３】
なお、ＧａＮ基板１の主面をｍ面とする場合、多重量子井戸層２２から発生する青色光はａ軸方向に強く偏光した光である。これに対して、ＧａＮ基板１からの発生する黄色光は、点欠陥部からの発光であるため、ランダム偏光となっている。
図４は、多重量子井戸層２２から青色の偏光光が生じ、ＧａＮ基板１からは黄色のランダム偏光光が生じることを利用した装置の一例を示す図解図である。この装置は、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子６０と、偏光制御媒体６１と、偏光フィルタ６２とを備えている。
【００４４】
窒化物半導体発光素子６０と偏光フィルタ６２とが対向配置されており、これらの間に、偏光制御媒体６１が配置されている。偏光フィルタ６２は、通過偏光方向Ｓに沿う偏光成分を通過させ、他の偏光成分を減衰させて実質的に遮断する。一方、窒化物半導体発光素子６０から発生する青色光は、偏光方向Ｐに偏光している。そして、偏光方向Ｐと偏通過偏光方向Ｓが平行になるように、窒化物半導体発光素子６０および偏光フィルタ６２が配置されている。
【００４５】
偏光制御媒体６１は、入射光の偏光状態を乱す状態と、入射光の偏光を乱さずに通過させる状態とで制御可能な媒体である。このような偏光制御媒体６１の例としては、液晶を挙げることができる。
偏光制御媒体６１が偏光を乱さない状態のとき、窒化物半導体発光素子６０が発生する青色偏光光は、その偏光状態を保持したまま偏光制御媒体６１を通過して偏光フィルタ６２に至る。したがって、偏光フィルタ６２でほとんど減衰されることなく、この偏光フィルタ６２を通過する。一方、偏光制御媒体６１が偏光を乱す状態のときには、窒化物半導体発光素子６０が発生する青色偏光光は、その偏光状態が偏光制御媒体６１で乱され、ランダム偏光となって偏光フィルタ６２に至る。そのため、その光は偏光フィルタ６２で大きく減衰されることになる。
【００４６】
たとえば、偏光制御媒体６１が偏光を乱さない状態に制御されているときに、偏光フィルタ６２を通過する青色光と黄色光との光量比が１：１であるとすると、このとき、白色光が観測される。同じ条件で、偏光制御媒体６１が偏光を乱す状態に制御されると、青色光が大きく減衰し、青色光と黄色光との光量比は、たとえば０．１：１などとなる。これにより、実質的に黄色光が観測されることになる。このようにして、偏光制御媒体６１の状態を制御することによって、青色と黄色とに発光色を切り換えることができる。
【００４７】
偏光フィルタ６２は、観測者が装着する偏光眼鏡であってもよい。この場合でも、前述の説明と同様の動作が可能である。
また、偏光制御媒体６１が偏光を乱さない状態に制御されているときは、偏光眼鏡を装着しているときとしていないときとで、観測される光の色が２色に変化することになる。もっとも、このような使い方の場合には、偏光制御媒体６１を設ける必要はない。
【００４８】
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、多重量子井戸層２２から紫外光および青色光を発生させることにより、青色光と黄色光との混合による白色発光を行わせているが、多重量子井戸層２２から紫外光のみを発生させるようにして、ＧａＮ基板１から緑色〜黄色の波長域の光を発生させ、その色光を取り出すようにしてもよい。
【００４９】
また、前述の実施形態では、主としてｍ面を主面とするＧａＮ基板１を用いた例について説明したが、ａ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。また、（１０−１１）面、（１０−１３）面、（１１−２２）などといった半極性面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。
さらに、前述の実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ基板１上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる例について説明したが、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法などの他のエピタキシャル成長法が適用されてもよい。
【００５０】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解的な断面図である。
【図２】III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。
【図３】ＧａＮ半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【図４】多重量子井戸層から青色の偏光光が生じ、ＧａＮ基板からは黄色のランダム偏光光が生じることを利用した装置の一例を示す図解図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    ＧａＮ基板
２    III族窒化物半導体層
３    アノード電極
５    カソード電極
７    凹部
１０    支持基板
１１，１２    配線
１７    接合金属層
１８    導電性材料
２１    ｎ型コンタクト層
２２    多重量子井戸層
２２１  第１量子井戸層
２２２  第２量子井戸層
２３    ｐ型電子阻止層
２４    ｐ型コンタクト層
２５    ファイナルバリア層
３０    処理室
３１    ヒータ
３２    サセプタ
３３    回転軸
３４    回転駆動機構
３５    ウエハ
３６    排気配管
４０    原料ガス供給路
４１    窒素原料配管
４２    ガリウム原料配管
４３    アルミニウム原料配管
４４    インジウム原料配管
４５    マグネシウム原料配管
４６    シリコン原料配管
５１    窒素原料バルブ
５２    ガリウム原料バルブ
５３    アルミニウム原料バルブ
５４    インジウム原料バルブ
５５    マグネシウム原料バルブ
５６    シリコン原料バルブ
６０    窒化物半導体発光素子
６１    偏光制御媒体
６２    偏光フィルタ
【図１】
2008235804.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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