(57)【要約】【課題】コンタクト層での光吸収損失を低減することによって、発光効率を向上させることが可能な窒化物系半導体素子を提供する。【解決手段】この窒化物系半導体発光素子は、サファイア基板１上に形成されたｎ型コンタクト層４と、ｎ型コンタクト層４上に形成され、窒化物系半導体層からなるＭＱＷ活性層５と、ＭＱＷ活性層５上に形成されたｐ型クラッド層７と、ｐ型クラッド層７上に形成されたアンドープコンタクト層８と、アンドープコンタクト層８上に形成されたｐ側電極９とを備えている。【選択図】図１
2008182275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１導電型の第１窒化物系半導体層と、
前記第１窒化物系半導体層上に形成され、窒化物系半導体層からなる活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型の第２窒化物系半導体層と、
前記第２窒化物系半導体層上に形成されたアンドープコンタクト層と、
前記アンドープコンタクト層上に形成された電極とを備えた、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記アンドープコンタクト層のバンドギャップは、前記第２窒化物系半導体層のバンドギャップよりも小さい、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１導電型の第１窒化物系半導体層は、ｎ型の第１窒化物系半導体層であり、
前記第２導電型の第２窒化物系半導体層は、ｐ型の第２窒化物系半導体層である、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記アンドープコンタクト層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記アンドープコンタクト層は、前記活性層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、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記アンドープコンタクト層は、単一のアンドープの窒化物系半導体層により構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
少なくとも前記活性層と前記第２導電型の第２窒化物系半導体層との間に形成され、前記第２窒化物系半導体層よりもバンドギャップの小さい窒化物系半導体からなるアンドープの第３窒化物系半導体層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
前記アンドープの第３窒化物系半導体層は、前記活性層と、前記第１導電型の第１窒化物系半導体層および前記第２導電型の第２窒化物系半導体層との間のうち、前記活性層と前記第２窒化物系半導体層との間にのみ形成されている、請求項７に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層と前記第１導電型の第１窒化物系半導体層との間に形成された第４窒化物系半導体層をさらに備え、
前記第４窒化物系半導体層は、前記第３窒化物系半導体層の膜厚よりも小さい膜厚を有する、請求項７または８に記載の窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物系半導体発光素子に関し、特に、基板上に窒化物系半導体層が形成される窒化物系半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）からなる窒化物系半導体が用いられた窒化物系半導体発光ダイオード素子（ＬＥＤ）や窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤ）などの窒化物系半導体発光素子が実用化されている。
【０００３】
従来の窒化物系半導体発光素子の基本的な構造は、基板上に、ｎ型ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ≦１）からなるｎ型窒化物系半導体層と、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）からなる活性層と、ｐ型ＡｌＺＧａ１−ＺＮ（０≦Ｚ≦１）からなるｐ型窒化物系半導体層とが順次積層されたダブルへテロ構造である。そして、通常では、ｎ側電極とのオーミック接触を実現させるためのｎ型コンタクト層と、ｐ側電極とのオーミック接触を実現させるためのｐ型コンタクト層とをさらに備えている。また、窒化物系半導体レーザ素子の場合では、活性層を挟むように、ｎ型光ガイド層とｐ型光ガイド層とを形成することがある。
【０００４】
また、上記した窒化物系半導体発光素子のｎ型およびｐ型の窒化物系半導体各層は、窒化物系半導体にｎ型キャリア（電子）またはｐ型キャリア（正孔）を生成する不純物をドープすることによって形成される。そして、良好な発光効率を有する窒化物系半導体発光素子を得るには、窒化物系半導体各層において、光吸収を抑制することが必要不可欠となる。しかしながら、ｐ型窒化物系半導体を得るためにドープされる不純物は、活性化率が低いため、従来では、所定のキャリア濃度を有するｐ型窒化物系半導体を得るために、多量の不純物をドープする必要があった。この場合、ｐ型窒化物系半導体に多量の不純物を導入することにより形成される不純物準位によって、小さいバンドギャップを有するｐ型コンタクト層やｐ型光ガイド層では、光吸収が大きくなるという不都合があった。また、多量の不純物をドープすることにより発生する結晶欠陥によっても、光吸収が大きくなるという不都合があった。
【０００５】
そこで、従来では、ｐ型光ガイド層に代えて、活性層上にアンドープ光ガイド層を形成することにより不純物ドープに起因する光吸収を低減させることが可能な窒化物系半導体レーザ素子が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】「電子情報通信学会技術研究報告」電子情報通信学会、２００２年６月１５日、ｐｐ．６３−６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記提案された従来の窒化物系半導体レーザ素子では、ｐ型コンタクト層での光吸収を防止するための対策がなされていない。すなわち、ｐ型コンタクト層には、ｐ側電極とのオーミック接触を実現させるために、多量の不純物がドープされている。これにより、上述したアンドープ光ガイド層での光吸収が低減されたとしても、ｐ型コンタクト層での不純物ドープに起因する光吸収を抑制するのが困難である。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の発光効率を向上させるのが困難であるという問題点がある。また、ｐ型コンタクト層を通して光が放出される窒化物系半導体発光ダイオード素子では、ｐ型コンタクト層での光吸収が大きくなれば、窒化物系半導体発光ダイオード素子の発光特性に与える影響がより大きくなるという問題点がある。
【０００７】
一方、従来では、コンタクト層を、アンドープの窒化物系半導体層と不純物がドープされたｐ型の窒化物系半導体層とが交互に積層された変調ドープされた超格子構造にする技術も提案されている。この技術は、たとえば、特開２００１−６０７２０号公報に開示されている。
【０００８】
しかしながら、上記特開２００１−６０７２０号公報に開示された技術では、コンタクト層において、アンドープの窒化物系半導体層の両側（上下）に配置された不純物がドープされた窒化物系半導体層から、アンドープの窒化物系半導体層に不純物が拡散する場合がある。この場合、アンドープの窒化物系半導体層に不純物準位が形成されるので、コンタクト層での光吸収を抑制するのが困難になるという不都合が生じる。その結果、コンタクト層を、アンドープの窒化物系半導体層と不純物がドープされたｐ型の窒化物系半導体層との積層構造からなる変調ドープされた超格子構造にしたとしても、窒化物系半導体発光素子の発光効率を向上させるのが困難であるという問題点がある。
【０００９】
また、ｐ型コンタクト層での光吸収を抑制する方法として、バンドギャップの大きいｐ型窒化物系半導体層をｐ型コンタクト層として用いることによって、ｐ型コンタクト層での光吸収を生じにくくすることが考えられる。しかしながら、ｐ型コンタクト層のバンドギャップを大きくすることによって、ｐ側電極とｐ型コンタクト層との界面における障壁が大きくなるので、ｐ側電極とｐ型コンタクト層との間で良好なオーミック接触を実現するのが困難になる。これにより、発光効率がより低下するとともに、駆動電圧が高くなるという問題点が生じる。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、コンタクト層での光吸収損失を低減することによって、発光効率を向上させることが可能な窒化物系半導体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】
【００１１】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体発光素子は、基板上に形成された第１導電型の第１窒化物系半導体層と、第１窒化物系半導体層上に形成され、窒化物系半導体層からなる活性層と、活性層上に形成された第２導電型の第２窒化物系半導体層と、第２窒化物系半導体層上に形成されたアンドープコンタクト層と、アンドープコンタクト層上に形成された電極とを備えている。なお、本発明の「アンドープ」は、不純物を意図的にドープしていないことを意味する。したがって、不純物が全くドープされていない場合のみならず、意図しないで不純物が少量混入している場合も、本発明の「アンドープ」に該当する。
【００１２】
この一の局面による窒化物系半導体素子では、上記のように、アンドープコンタクト層を設けることによって、アンドープコンタクト層には不純物準位が形成されないので、不純物準位に起因する光吸収を防止することができる。また、アンドープコンタクト層には、不純物のドープに起因する結晶欠陥がないので、アンドープコンタクト層は、良好な結晶性を有する。このため、アンドープコンタクト層の結晶欠陥に起因する光吸収も抑制することができる。これにより、アンドープコンタクト層での光吸収損失を低減することができるので、発光効率を向上させることができる。
【００１３】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、アンドープコンタクト層のバンドギャップは、第２窒化物系半導体層のバンドギャップよりも小さい。このように構成すれば、アンドープコンタクト層と電極との界面におけるエネルギ障壁が小さくなるので、アンドープコンタクト層と電極とのオーミック接触を実現しやすくすることができる。これにより、より発光効率を向上することができるとともに、駆動電圧を低くすることができる。
【００１４】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、第１導電型の第１窒化物系半導体層は、ｎ型の第１窒化物系半導体層であり、第２導電型の第２窒化物系半導体層は、ｐ型の第２窒化物系半導体層である。
【００１５】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、アンドープコンタクト層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する。このように構成すれば、アンドープコンタクト層と電極との間のコンタクト抵抗を低減することができるので、アンドープコンタクト層と電極との間で良好なオーミック接触を得ることができる。また、アンドープコンタクト層の抵抗を低減することができる。
【００１６】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、アンドープコンタクト層は、活性層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。なお、活性層が単一材料により構成される場合では、活性層のバンドギャップは、その材料のバンドギャップを意味する。また、量子井戸構造などの多層構造を有する活性層の場合では、活性層のバンドギャップは、伝導帯および価電子帯に形成される２つの量子準位（基底準位）間のエネルギ差を意味する。このように構成すれば、容易に、アンドープコンタクト層での光吸収を低減することができる。この場合、アンドープコンタクト層は、ＩｎＧａＮを含むのが好ましい。このように構成すれば、容易に、アンドープコンタクト層のバンドギャップを第２窒化物系半導体層よりも小さくすることができる。
【００１７】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、アンドープコンタクト層は、単一のアンドープの窒化物系半導体層により構成されている。このように構成すれば、アンドープの窒化物系半導体層と不純物がドープされた窒化物系半導体層とからなる変調ドープされた超格子構造のコンタクト層に比べて、アンドープコンタクト層に不純物が拡散するのを抑制することができる。
【００１８】
上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、少なくとも活性層と第２導電型の第２窒化物系半導体層との間に形成され、第２窒化物系半導体層よりもバンドギャップの小さい窒化物系半導体からなるアンドープの第３窒化物系半導体層をさらに備える。このように構成すれば、第３窒化物系半導体層により光の閉じ込め特性などの発光特性を制御することができるとともに、第３窒化物系半導体層での光吸収も抑制することができる。
【００１９】
この場合、好ましくは、アンドープの第３窒化物系半導体層は、活性層と、第１導電型の第１窒化物系半導体層および第２導電型の第２窒化物系半導体層との間のうち、活性層と第２窒化物系半導体層との間にのみ形成されている。このように構成すれば、活性層で生成される光の強度の高い領域が第２窒化物系半導体層側にずれるので、第１導電型の第１窒化物系半導体層での光吸収が抑制される。この場合、光強度の高い領域が第２窒化物系半導体層側にずれたとしても、第２窒化物系半導体層上のアンドープコンタクト層には不純物準位や結晶欠陥が形成されないので、光吸収が増大することがない。その結果、窒化物系半導体発光素子の発光効率の向上効果が大きくなる。
【００２０】
この場合、好ましくは、活性層と第１導電型の第１窒化物系半導体層との間に形成された第４窒化物系半導体層をさらに備え、第４窒化物系半導体層は、第３窒化物系半導体層の膜厚よりも薄い膜厚を有する。このように構成すれば、活性層で生成される光の強度の高い領域が第２窒化物系半導体層側にずれるので、第１導電型の第１窒化物系半導体層での光吸収が抑制される。この場合、光強度の高い領域が第２窒化物系半導体層側にずれたとしても、第２窒化物系半導体層上のアンドープコンタクト層には不純物準位や結晶欠陥が形成されないので、光吸収が増大することがない。その結果、窒化物系半導体発光素子の発光効率の向上効果が大きくなる。
【００２１】
なお、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、アンドープコンタクト層は、ＧａＮを含んでいてもよい。
【００２２】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、第２導電型の第２窒化物系半導体層は、凸部を有する第２導電型のクラッド層を含み、アンドープコンタクト層は、第２導電型のクラッド層の凸部の上面上に形成されており、第２導電型のクラッド層の凸部とアンドープコンタクト層とによってリッジ部が構成されている。このように構成すれば、容易に、電流通路領域としてのリッジ部を形成することができる。
【００２３】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、基板と第１導電型の第１窒化物系半導体層との間に形成されたアンドープの第５窒化物系半導体層をさらに備える。このように構成すれば、アンドープの第５窒化物系半導体層は、不純物のドープに起因する結晶欠陥がないので、第５窒化物系半導体層上に順次形成される窒化物系半導体各層（第１窒化物系半導体層、活性層、第２窒化物系半導体層およびアンドープコンタクト層）に結晶欠陥が発生するのをより抑制することができる。これにより、結晶欠陥がより低減された窒化物系半導体各層（第１窒化物系半導体層、活性層、第２窒化物系半導体層およびアンドープコンタクト層）を形成することができるので、結晶欠陥に起因する光吸収をより抑制することができる。その結果、より発光効率の高い窒化物系半導体発光素子を形成することができる。
【００２４】
この場合、好ましくは、アンドープの第５窒化物系半導体層は、選択横方向成長により形成された低転位の窒化物系半導体から構成されている。このように構成すれば、容易に、不純物のドープに起因する結晶欠陥のみならず、他の結晶欠陥も低減された低転位の第５窒化物系半導体層を得ることができるので、第５窒化物系半導体層上に順次形成される窒化物系半導体各層（第１窒化物系半導体層、活性層、第２窒化物系半導体層およびアンドープコンタクト層）に結晶欠陥が発生するのをさらに抑制することができる。
【００２５】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、第２導電型の第２窒化物系半導体層は、ＡｌＧａＮからなる第２導電型のクラッド層を含む。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層のバンドギャップを容易に大きくすることができるので、第２窒化物系半導体層からなるクラッド層における光吸収を低減することができる。
【００２６】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、アンドープコンタクト層は、複数のアンドープの窒化物系半導体層からなる超格子構造などの多層構造を有していてもよい。
【００２７】
この場合、好ましくは、第２導電型の第２窒化物系半導体層は、ＡｌＧａＮからなる第２導電型の第２窒化物系半導体層を含み、アンドープの第３窒化物系半導体層は、ＧａＮからなるアンドープの第３窒化物系半導体層を含む。このように構成すれば、容易に、第３窒化物系半導体層のバンドギャップを第２窒化物系半導体層のバンドギャップよりも小さくすることができる。
【００２８】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、活性層は、Ｉｎを含む窒化物系半導体からなる活性層を含み、活性層上に形成され、活性層のＩｎが脱離するのを防止するための窒化物系半導体からなる保護層をさらに備える。このように構成すれば、保護層により活性層のＩｎが脱離するのが防止されるので、活性層の結晶の劣化を防止することができる。
【００２９】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、第１導電型の第１窒化物系半導体層は、第１導電型のコンタクト層を含み、第１導電型のコンタクト層は、第１導電型のクラッド層としての機能も有する。
【００３０】
この場合、好ましくは、基板は、絶縁性基板を含む。このように構成すれば、クラッド層としての機能も有するコンタクト層上に電極を設けることにより、容易に、絶縁性基板を有する窒化物系半導体発光素子を得ることができる。
【００３１】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、アンドープコンタクト層上の電極は、くし状に形成されている。このように構成すれば、くし状に形成された電極を通して光を放出することができる。
【００３２】
上記の場合、好ましくは、基板上に所定の間隔を隔てて形成されたオーバーハング部を有する複数のマスク層をさらに備え、アンドープの第５窒化物系半導体層は、選択横方向成長を用いて、マスク層間を埋め込むように形成されている。このように構成すれば、成長初期の段階から、マスク層間の中央部付近に、三角形状の第５窒化物系半導体層が形成されるとともに、マスク層のオーバーハング部の下方に、マスク層間の中央部付近に位置する三角形状の第５窒化物系半導体層よりも小さい三角形状の第５窒化物系半導体層が形成される。このため、成長初期の段階から、第５窒化物系半導体層が横方向に成長するので、第５窒化物系半導体層に発生する転位が成長初期の段階から横方向に曲げられる。これにより、より薄い厚みで、転位密度が低減された第５窒化物系半導体層を形成することができる。
【００３３】
また、上記一の局面による窒化物系半導体発光素子において、好ましくは、基板は、第１導電型のＧａＮ基板である。このように構成すれば、容易に、第１導電型のＧａＮ基板を有する窒化物系半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（青色ＬＥＤチップ）を示した断面図であり、図２は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の上面図である。まず、図１および図２を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の構造について説明する。
【００３６】
第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図１に示すように、サファイア基板１の（０００１）面上に、約１０ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮからなる低温バッファ層２が形成されている。なお、サファイア基板１は、本発明の「基板」および「絶縁性基板」の一例である。そして、低温バッファ層２上には、約１μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる高温バッファ層３が形成されている。高温バッファ層３上には、約５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層４が形成されている。また、ｎ型コンタクト層４は、一部領域が除去されることによって、凸形状に形成されている。このｎ型コンタクト層４は、ｎ型クラッド層としての機能も有する。なお、ｎ型コンタクト層４は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００３７】
また、ｎ型コンタクト層４の凸部上のほぼ全面と接触するように、約５ｎｍの膜厚を有する６つのアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる障壁層５ａと、約５ｎｍの膜厚を有する５つのアンドープＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる井戸層５ｂとが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有するＭＱＷ活性層５が形成されている。なお、ＭＱＷ活性層５は、本発明の「活性層」の一例である。そして、ＭＱＷ活性層５上には、約１０ｎｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる保護層６が形成されている。この保護層６は、ＭＱＷ活性層５のＩｎが脱離するのを防止することによりＭＱＷ活性層５の結晶の劣化を防止する機能を有する。
【００３８】
ここで、第１実施形態では、保護層６上に、約０．１５μｍの膜厚を有するとともに、約３×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層７が形成されている。なお、ｐ型クラッド層７は、本発明の「第２窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。また、第１実施形態では、ｐ型クラッド層７上に、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８が形成されている。このＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８のバンドギャップは、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層７のバンドギャップよりも小さく、かつ、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５ＮとアンドープＩｎ０．３５Ｇａ０．６５ＮとからなるＭＱＷ活性層５のバンドギャップよりも大きい。なお、ＭＱＷ活性層５のバンドギャップは、伝導帯および価電子帯に形成される２つの量子準位（基底準位）間のエネルギ差を意味し、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５ＮとＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎとで構成されるＭＱＷ活性層５の量子準位間のエネルギ差は、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８のバンドギャップよりも小さくなる。
【００３９】
また、アンドープコンタクト層８の上面上には、下から上に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ膜と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ膜とから構成されるくし状のｐ側電極９が形成されている。なお、ｐ側電極９は、本発明の「電極」の一例である。
【００４０】
図３は、図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子において、コンタクト層の材料と厚みとを変化させた場合のｐ側電極とコンタクト層とのコンタクト抵抗を示したグラフである。この図３に示すグラフには、約１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたｐ型ＧａＮ層をコンタクト層として用いた場合のコンタクト抵抗との相対値が示されている。なお、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮは、コンタクト層に標準的に用いられる材料である。
【００４１】
図３に示すように、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８の膜厚を約１ｎｍ〜約１０ｎｍにすることによって、アンドープコンタクト層８のコンタクト抵抗を、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層のコンタクト抵抗に近づけることができることがわかる。また、アンドープＧａＮからなるアンドープコンタクト層を設けた場合でも、膜厚を約１ｎｍ〜約１０ｎｍにすることによって、ある程度コンタクト抵抗を小さくすることができることがわかる。ただし、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８の方が、アンドープＧａＮからなるアンドープコンタクト層よりもコンタクト抵抗をより小さくすることができる。上記の点を考慮して、第１実施形態では、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８を用いている。なお、アンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるアンドープコンタクト層では、膜厚を約１ｎｍ〜約１０ｎｍにしたとしても、コンタクト抵抗が大きいことがわかる。また、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型コンタクト層のコンタクト抵抗は、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層のコンタクト抵抗の約１０倍であり、高いことがわかる。
【００４２】
また、図１および図２に示すように、ｐ側電極９の上面上の一部領域には、下から上に向かって、約３０ｎｍの膜厚を有するＴｉ膜と、約５００ｎｍの膜厚を有するＡｕ膜とから構成されるｐ側パッド電極１０が形成されている。また、ｎ型コンタクト層４の表面上の凸部以外の一部領域には、約５００ｎｍの膜厚を有するＡｌからなるｎ側電極１１が形成されている。
【００４３】
第１実施形態では、上記のように、アンドープコンタクト層８を設けることによって、アンドープコンタクト層８には不純物準位が形成されないので、不純物準位に起因する光吸収を防止することができる。また、アンドープコンタクト層８には、不純物のドープに起因する結晶欠陥がないので、アンドープコンタクト層８は、良好な結晶性を有する。このため、アンドープコンタクト層８の結晶欠陥に起因する光吸収も抑制することができる。これにより、アンドープコンタクト層８での光吸収損失を低減することができるので、窒化物系半導体発光ダイオード素子の発光効率を向上させることができる。
【００４４】
また、第１実施形態では、上記のように、アンドープコンタクト層８のバンドギャップをｐ型クラッド層７のバンドギャップよりも小さくすることによって、アンドープコンタクト層８とｐ側電極９との界面におけるエネルギ障壁が小さくなるので、アンドープコンタクト層８とｐ側電極９とのオーミック接触を実現しやすくすることができる。これにより、窒化物系半導体発光ダイオード素子の発光効率をより向上することができるとともに、駆動電圧を低くすることができる。
【００４５】
また、第１実施形態では、上記のように、アンドープコンタクト層８の膜厚を約１ｎｍ〜約１０ｎｍにすることによって、アンドープコンタクト層８とｐ側電極９との間のコンタクト抵抗を低減することができるので、アンドープコンタクト層８とｐ側電極９との間で良好なオーミック接触を得ることができる。また、アンドープコンタクト層８の抵抗を低減することができる。
【００４６】
また、第１実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層７をＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎにより形成することによって、ｐ型クラッド層７のバンドギャップを容易に大きくすることができるので、ｐ型クラッド層７における光吸収を低減することができる。さらに、第１実施形態では、アンドープコンタクト層８をＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎにより形成することによって、容易に、アンドープコンタクト層８のバンドギャップをｐ型クラッド層７よりも小さくすることができる。また、上記のように、アンドープコンタクト層８のバンドギャップがＭＱＷ活性層５のバンドギャップよりも大きくなるので、容易に、アンドープコンタクト層８での光吸収を低減することができる。
【００４７】
図４および図５は、図１および図２に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１、図２、図４および図５を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
【００４８】
まず、図４に示すように、ＭＯＶＰＥ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  
Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長法）を用いて、サファイア基板１上に、低温バッファ層２、高温バッファ層３、ｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ活性層５、保護層６、ｐ型クラッド層７およびアンドープコンタクト層８を順次成長させる。
【００４９】
具体的には、サファイア基板１を約６００℃の非単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約５０％）と、ＮＨ３、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）およびトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）からなる原料ガスとを用いて、サファイア基板１の（０００１）面上に、約１０ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮからなる低温バッファ層２を成長させる。
【００５０】
次に、基板温度を約１１５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約５０％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスとを用いて、約１μｍ／ｈの成長速度で、低温バッファ層２上に、約１μｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる高温バッファ層３を成長させる。
【００５１】
次に、基板温度を約１１５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約５０％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、高温バッファ層３上に、約５μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層４を成長させる。
【００５２】
次に、基板温度を約８５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）からなる原料ガスとを用いて、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、ｎ型コンタクト層４上に、約５ｎｍの膜厚を有する６つのアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる障壁層５ａと、約５ｎｍの膜厚を有する５つのアンドープＩｎ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなる井戸層５ｂとを交互に成長させる。これにより、ｎ型コンタクト層４上にＭＱＷ活性層５が形成される。続いて、ＭＱＷ活性層５上に、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、約１０ｎｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる保護層６を成長させる。
【００５３】
次に、基板温度を約１１５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約３％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）からなるドーパントガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、保護層６上に、約０．１５μｍの膜厚を有するとともに、約３×１０１９ｃｍ−３のドーピング量および約１×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層７を成長させる。
【００５４】
この際、キャリアガスのＨ２組成を約１％〜約３％と低くすることによって、アクセプタとしてのＭｇを活性化させることができるので、高いキャリア濃度を有するｐ型クラッド層７を得ることができる。
【００５５】
次に、基板温度を約８５０℃の単結晶成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、ｐ型クラッド層７上に、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるアンドープコンタクト層８を成長させる。
【００５６】
そして、図５に示すように、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法などを用いて、アンドープコンタクト層８、ｐ型クラッド層７、保護層６、ＭＱＷ活性層５およびｎ型コンタクト層４の一部領域を除去することにより、ｎ型コンタクト層４の一部領域を露出させる。
【００５７】
次に、図１および図２に示したように、真空蒸着法などを用いて、アンドープコンタクト層８の上面上に、下から上に向かって、約１００ｎｍの膜厚を有するＰｄ膜と、約１００ｎｍの膜厚を有するＡｕ膜とから構成されるくし状のｐ側電極９を形成する。そのｐ側電極９の上面上の一部領域に、下から上に向かって、約３０ｎｍの膜厚を有するＴｉ膜と、約５００ｎｍの膜厚を有するＡｕ膜とから構成されるｐ側パッド電極１０を形成する。また、ｎ型コンタクト層４の露出された表面上に、約５００ｎｍの膜厚を有するＡｌからなるｎ側電極１１を形成する。
【００５８】
その後、約６００℃の温度で熱処理することによって、ｐ側電極９およびｎ側電極１１を、それぞれ、アンドープコンタクト層８およびｎ型コンタクト層４にオーミック接触させる。
【００５９】
最後に、スクライブ、ダイシングおよびブレーキングなどの方法を用いて、たとえば、一辺の長さが約４００μｍのほぼ正方形のチップ形状になるように素子分離を行う。このようにして、第１実施形態の窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
【００６０】
さらに、上記のように形成された第１実施形態の窒化物系半導体発光ダイオード素子（青色ＬＥＤチップ）をフレーム（図示せず）に固定した後、それらを覆うように、樹脂を２００℃前後の温度で硬化させることによって、第１実施形態の青色ＬＥＤチップを含むＬＥＤランプを作製してもよい。
【００６１】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。図６を参照して、この第２実施形態では、窒化物系半導体発光ダイオード素子に本発明を適用した第１実施形態と異なり、窒化物系半導体レーザ素子に本発明を適用した例について説明する。
【００６２】
この第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図６に示すように、（０００１）Ｇａ面を表面とする酸素がドープされた導電性のｎ型ＧａＮ基板２１上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層２２が形成されている。ｎ型ＧａＮ層２２上には、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型クラッド層２３が形成されている。なお、ｎ型ＧａＮ基板２１は、本発明の「基板」の一例であり、ｎ型ＧａＮ層２２およびｎ型クラッド層２３は、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。
【００６３】
また、ｎ型クラッド層２３上には、約１００ｎｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層２４が形成されている。そして、ｎ型光ガイド層２４上には、約１５ｎｍの膜厚を有する４つのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる障壁層２５ａと、約４ｎｍの膜厚を有する３つのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる井戸層２５ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有するＭＱＷ活性層２５が形成されている。
【００６４】
ここで、第２実施形態では、ＭＱＷ活性層２５上に、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる保護層２６が形成されている。この保護層２６は、ＭＱＷ活性層２５のＩｎが脱離するのを防止することによりＭＱＷ活性層２５の結晶の劣化を防止する機能を有する。また、保護層２６上には、約１００ｎｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる光ガイド層２７が形成されている。そして、アンドープＧａＮからなる光ガイド層２７は、後述するＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型クラッド層２８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。なお、光ガイド層２７は、本発明の「第３窒化物系半導体層」の一例である。
【００６５】
そして、光ガイド層２７上には、約２８０ｎｍの膜厚を有するとともに、中央部付近に約１．５μｍの幅を有するストライプ状の凸部を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型クラッド層２８が形成されている。なお、ｐ型クラッド層２８は、本発明の「第２窒化物系半導体層」および「クラッド層」の一例である。
【００６６】
ここで、第２実施形態では、ｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型クラッド層２８の凸部上に、約５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるアンドープコンタクト層２９が形成されている。そして、ｐ型クラッド層２８の凸部とアンドープコンタクト層２９とによって、電流通路領域となるリッジ部が構成されている。このアンドープコンタクト層２９のバンドギャップは、ｐ型クラッド層２８のバンドギャップよりも小さく、かつ、ＭＱＷ活性層２５のバンドギャップよりも大きい。なお、ＭＱＷ活性層２５のバンドギャップは、伝導帯および価電子帯に形成される２つの量子準位（基底準位）間のエネルギ差を意味し、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５ＮとＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとで構成されるＭＱＷ活性層２５の量子準位間のエネルギ差は、Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるアンドープコンタクト層２９のバンドギャップよりも小さくなる。
【００６７】
また、ｐ型クラッド層２８の表面とアンドープコンタクト層２９の側面とを覆うように、ＳｉＯ２からなる絶縁膜３０が形成されている。そして、アンドープコンタクト層２９上には、下から上に向かって、Ｐｄ膜と、Ｐｔ膜と、Ａｕ膜とから構成されるｐ側電極３１が形成されている。なお、ｐ側電極３１は、本発明の「電極」の一例である。また、絶縁膜３０の表面とｐ側電極３１の表面とを覆うように、ｐ側パッド電極３２が形成されている。そして、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面上には、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面に近い側から、Ｔｉ膜と、Ｐｔ膜と、Ａｕ膜とから構成されるｎ側電極３３が形成されている。
【００６８】
第２実施形態では、上記のように、アンドープコンタクト層２９を設けることによって、アンドープコンタクト層２９には不純物準位が形成されないので、不純物準位に起因する光吸収を防止することができる。また、アンドープコンタクト層２９には、不純物のドープに起因する結晶欠陥がないので、良好な結晶性を有する。このため、アンドープコンタクト層２９の結晶欠陥に起因する光吸収も抑制することができる。これにより、アンドープコンタクト層２９での光吸収損失を低減することができるので、窒化物系半導体レーザ素子の発光効率を向上させることができる。
【００６９】
また、第２実施形態では、上記のように、アンドープコンタクト層２９のバンドギャップをｐ型クラッド層２８のバンドギャップよりも小さくすることによって、アンドープコンタクト層２９とｐ側電極３１との界面におけるエネルギ障壁が小さくなるので、アンドープコンタクト層２９とｐ側電極３１とのオーミック接触を実現しやすくすることができる。
【００７０】
また、第２実施形態では、上記のように、ｐ型クラッド層２８をＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎにより形成することによって、ｐ型クラッド層２８のバンドギャップを容易に大きくすることができるので、ｐ型クラッド層２８における光吸収を容易に低減することができる。さらに、第２実施形態では、アンドープコンタクト層２９をＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎにより形成することによって、容易に、アンドープコンタクト層２９のバンドギャップをｐ型クラッド層２８よりも小さくすることができる。また、上記のように、アンドープコンタクト層２９のバンドギャップがＭＱＷ活性層２５のバンドギャップよりも大きくなるので、容易に、アンドープコンタクト層２９での光吸収を低減することができる。
【００７１】
また、第２実施形態では、上記のように、ＭＱＷ活性層２５とｐ型クラッド層２８との間に、ｐ型クラッド層２８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アンドープの光ガイド層２７を設けることによって、光ガイド層２７により光の閉じ込め特性などの発光特性を制御することができるとともに、光ガイド層２７での光吸収も抑制することができる。
【００７２】
図７〜図９は、図６に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図６〜図９を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【００７３】
まず、図７に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、（０００１）Ｇａ面を表面とする酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板２１上に、ｎ型ＧａＮ層２２、ｎ型クラッド層２３、ｎ型光ガイド層２４、ＭＱＷ活性層２５、保護層２６、光ガイド層２７、ｐ型クラッド層２８およびアンドープコンタクト層２９を順次成長させる。
【００７４】
具体的には、ｎ型ＧａＮ基板２１を約１１５０℃の成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約５０％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、（０００１）Ｇａ面を表面とする酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板２１上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型ＧａＮ層２２を成長させる。
【００７５】
次に、基板温度を約１１５０℃の成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約５０％）と、ＮＨ３、ＴＭＧａおよびＴＭＡｌからなる原料ガスと、ＳｉＨ４からなるドーパントガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、ｎ型ＧａＮ層２２上に、約１μｍの膜厚を有するＳｉがドープされたｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型クラッド層２３を成長させる。続いて、ｎ型クラッド層２３上に、約３μｍ／ｈの成長速度で、約１００ｎｍの膜厚を有するｎ型ＧａＮからなるｎ型光ガイド層２４を成長させる。
【００７６】
次に、基板温度を約８５０℃の成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスとを用いて、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、ｎ型光ガイド層２４上に、約１５ｎｍの膜厚を有する４つのアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる障壁層２５ａと、約４ｎｍの膜厚を有する３つのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる井戸層２５ｂとを交互に成長させる。これにより、ｎ型光ガイド層２４上に、ＭＱＷ活性層２５が形成される。続いて、ＭＱＷ活性層２５上に、約０．４ｎｍ／ｓの成長速度で、約２０ｎｍの膜厚を有するアンドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎからなる保護層２６を成長させる。
【００７７】
次に、基板温度を約１１５０℃の成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約３％）と、ＮＨ３およびＴＭＧａからなる原料ガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、保護層２６上に、約１００ｎｍの膜厚を有するアンドープＧａＮからなる光ガイド層２７を成長させる。さらに、ＴＭＡｌからなる原料ガスを加えるとともに、Ｃｐ２Ｍｇからなるドーパントガスを加えて、光ガイド層２７上に、約３μｍ／ｈの成長速度で、約２８０ｎｍの膜厚を有するＭｇがドープされたｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｐ型クラッド層２８を成長させる。
【００７８】
この際、キャリアガスのＨ２組成を約１％〜約３％と低くすることによって、アクセプタとしてのＭｇを活性化させることができるので、高いキャリア濃度を有するｐ型クラッド層２８を得ることができる。
【００７９】
次に、基板温度を約８５０℃の成長温度に保持した状態で、Ｈ２およびＮ２からなるキャリアガス（Ｈ２：約１％〜約５％）と、ＮＨ３、ＴＥＧａおよびＴＭＩｎからなる原料ガスとを用いて、約３μｍ／ｈの成長速度で、ｐ型クラッド層２８上に、約５ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるアンドープコンタクト層２９を成長させる。
【００８０】
そして、図８に示すように、真空蒸着法およびリソグラフィ技術を用いて、アンドープコンタクト層２９上の中央部付近に、下から上に向かって、Ｐｄ膜と、Ｐｔ膜と、Ａｕ膜とから構成されるｐ側電極３１を、約１．５μｍの幅を有するストライプ状に形成する。
【００８１】
この後、図９に示すように、反応性イオンビームエッチング法などを用いて、ｐ側電極３１をマスクとして、アンドープコンタクト層２９およびｐ型クラッド層２８の一部領域を除去する。これにより、電流注入領域となる凸部（リッジ部）が形成される。
【００８２】
次に、プラズマＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学的気相堆積法）を用いて、ｐ型クラッド層２８の表面とアンドープコンタクト層２９の表面とｐ側電極３１の表面とを覆うように、ＳｉＯ２からなる絶縁膜（図示せず）を形成した後、ｐ側電極３１の表面上の絶縁膜を除去することによって、図６に示すような形状を有する絶縁膜３０が得られる。そして、絶縁膜３０の表面とｐ側電極３１の表面とを覆うように、ｐ側パッド電極３２を形成する。
【００８３】
最後に、ｎ型ＧａＮ基板２１を所定の厚み（たとえば、約１００μｍ）になるまで研磨した後、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面上に、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面に近い側から、Ｔｉ膜と、Ｐｔ膜と、Ａｕ膜とから構成されるｎ側電極３３を形成する。このようにして、第２実施形態の窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【００８４】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（青色ＬＥＤチップ）を示した断面図である。図１０を参照して、この第３実施形態では、上記第１実施形態において形成された高温バッファ層３に代えて、より低転位のアンドープＧａＮ層４４を形成した例について説明する。なお、その他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００８５】
すなわち、第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子では、図１０に示すように、サファイア基板４１の（０００１）面上に、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの膜厚を有するＳｉＮからなる断面が逆メサ形状（逆台形状）のマスク層４２が、約７μｍの周期でストライプ状（細長状）に形成されている。なお、サファイア基板４１は、本発明の「基板」および「絶縁性基板」の一例である。そして、マスク層４２は、隣接するマスク層４２間の最短距離が、マスク層４２間に露出したサファイア基板４１の幅よりも小さくなるように形成されている。
【００８６】
また、マスク層４２間に露出したサファイア基板４１上には、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層４３が形成されている。そして、低温バッファ層４３上およびマスク層４２上には、選択横方向成長を用いて、マスク層４２間を埋め込むように、約２μｍの膜厚を有する低転位のアンドープＧａＮ層４４が形成されている。なお、アンドープＧａＮ層４４は、本発明の「第５窒化物系半導体層」の一例である。
【００８７】
そして、アンドープＧａＮ層４４上に形成されているｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ活性層５、保護層６、ｐ型クラッド層７、アンドープコンタクト層８、ｐ側電極９、ｐ側パッド電極１０およびｎ側電極１１の膜厚および組成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００８８】
第３実施形態では、上記のように、第１実施形態の高温バッファ層３（図１参照）よりも低転位のアンドープＧａＮ層４４上に、窒化物系半導体各層（４〜８）を形成することによって、窒化物系半導体各層（４〜８）に結晶欠陥が発生するのをより抑制することができる。これにより、結晶欠陥がより低減された窒化物系半導体各層（４〜８）を形成することができるので、結晶欠陥に起因する光吸収をより抑制することができる。その結果、より発光効率の高い青色ＬＥＤチップを形成することができる。
【００８９】
なお、第３実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。
【００９０】
図１１〜図１３は、図１０に示した第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１０〜図１３を参照して、第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスについて説明する。
【００９１】
まず、図１１に示すように、サファイア基板４１上の全面にＳｉＮ膜（図示せず）を形成した後、そのＳｉＮ膜の所定領域上にレジスト（図示せず）を形成する。そして、そのレジストをマスクとして、ＳｉＮ膜をウェットエッチングすることによって、ストライプ状のマスク層４２を形成する。このマスク層４２は、オーバーハング部４２ａを有するように、逆メサ形状（逆台形状）に形成されている。また、マスク層４２の開口部は、たとえば、サファイア基板４１の［１１−２０］方向またはサファイア基板４１の［１−１００］方向に形成するのが好ましい。この後、マスク層４２間に露出したサファイア基板４１上に、約５００℃〜約７００℃の成長温度で、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる低温バッファ層４３を選択成長させる。
【００９２】
次に、ＭＯＶＰＥ法を用いて、マスク層４２を選択成長マスクとして、低温バッファ層４３上に、約９５０℃〜約１２００℃の成長温度で、アンドープＧａＮ層４４（図１３参照）を横方向成長させる。この場合、露出された低温バッファ層４３の上面上において、アンドープＧａＮ層４４は、まず、上方向に成長する。これにより、図１２に示すように、成長初期の段階から、マスク層４２間の中央部付近に、断面が三角形状のファセット構造のアンドープＧａＮ層４４ａが成長される。また、マスク層４２のオーバーハング部４２ａの下方には、アンドープＧａＮ層４４ａよりも小さいファセット構造のアンドープＧａＮ層４４ｂが形成される。さらに、アンドープＧａＮ層４４ａおよび４４ｂからなるファセットの成長が進むと、各アンドープＧａＮ層４４ａおよび４４ｂは、横方向に成長して合体するとともに、マスク層４２上にも成長される。これにより、図１３に示すように、約２μｍの膜厚を有する上面が平坦な連続膜からなるアンドープＧａＮ層４４が形成される。
【００９３】
このように、アンドープＧａＮ層４４は、成長初期の段階から横方向に成長するので、アンドープＧａＮ層４４に発生する転位が成長初期の段階から横方向に曲げられる。これにより、より薄い厚みで、転位密度が約７×１０７ｃｍ−２に低減されたアンドープＧａＮ層４４を形成することができる。
【００９４】
この後、第１実施形態と同様の製造プロセスを用いて、アンドープＧａＮ層４４上に、図１０に示したような、ｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ活性層５、保護層６、ｐ型クラッド層７およびアンドープコンタクト層８を順次形成した後、ｎ型コンタクト層４からアンドープコンタクト層８の一部領域を除去する。そして、アンドープコンタクト層８上に、ｐ側電極９およびｐ側パッド電極１０を順次形成する。この後、ｎ型コンタクト層４の露出された表面上に、ｎ側電極１１を形成する。
【００９５】
最後に、スクライブ、ダイシングおよびブレーキングなどの方法を用いて、たとえば、一辺の長さが約４００μｍのほぼ正方形のチップ形状になるように素子分離を行う。このようにして、第３実施形態の窒化物系半導体発光ダイオード素子が形成される。
【００９６】
（第４実施形態）
図１４は、本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。図１４を参照して、この第４実施形態では、上記第２実施形態において形成されたｎ型光ガイド層２４を設けない例について説明する。なお、その他の構成は、第２実施形態と同様である。
【００９７】
すなわち、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子では、図１４に示すように、（０００１）Ｇａ面を表面とする酸素がドープされた導電性のｎ型ＧａＮ基板２１上に、第２実施形態と同様の膜厚および組成を有するｎ型ＧａＮ層２２およびｎ型クラッド層２３が順次形成されている。
【００９８】
ここで、第４実施形態では、ｎ型クラッド層２３の直上に、第２実施形態と同様の膜厚および組成を有する４つの障壁層２５ａと３つの井戸層２５ｂとが交互に積層されたＭＱＷ活性層２５が形成されている。すなわち、この第４実施形態では、ｎ型クラッド層２３とＭＱＷ活性層２５との間には、ｎ型光ガイド層が設けられていない。
【００９９】
そして、ＭＱＷ活性層２５上に形成されている保護層２６、光ガイド層２７、ｐ型クラッド層２８、アンドープコンタクト層２９、絶縁膜３０、ｐ側電極３１およびｐ側パッド電極３２の膜厚および組成は、図６に示した第２実施形態と同様である。また、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面上に形成されているｎ側電極３３の膜厚および組成も、図６に示した第２実施形態と同様である。
【０１００】
第４実施形態では、上記のように、ｎ型クラッド層２３とＭＱＷ活性層２５との間にｎ型光ガイド層を設けないことによって、ＭＱＷ活性層２５で生成された光の強度の高い領域がｐ側にずれるので、ｎ型クラッド層２３での光吸収が抑制される。この場合、光強度の高い領域がｐ側にずれたとしても、アンドープコンタクト層２９にはドーピングに起因する不純物準位や結晶欠陥が形成されないので、光吸収が増大することがない。その結果、窒化物系半導体レーザ素子の発光効率の向上効果が大きくなる。
【０１０１】
なお、第４実施形態のその他の効果は、第２実施形態と同様である。
【０１０２】
図１５〜図１７は、図１４に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１４〜図１７を参照して、第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスについて説明する。
【０１０３】
まず、図１５に示すように、ＭＯＣＶＤ法を用いて、（０００１）Ｇａ面を表面とする酸素がドープされたｎ型ＧａＮ基板２１上に、ｎ型ＧａＮ層２２およびｎ型クラッド層２３を順次成長させる。次に、第４実施形態では、ｎ型クラッド層２３の直上に、４つの障壁層２５ａと３つの井戸層２５ｂとを交互に成長させることによって、ＭＱＷ活性層２５を形成する。その後、ＭＱＷ活性層２５上に、保護層２６、光ガイド層２７、ｐ型クラッド層２８およびアンドープコンタクト層２９を順次成長させる。なお、ｎ型ＧａＮ層２２、ｎ型クラッド層２３、ＭＱＷ活性層２５、保護層２６、光ガイド層２７、ｐ型クラッド層２８およびアンドープコンタクト層２９を成長させる際の基板温度および導入ガスは、それぞれ、第２実施形態の基板温度および導入ガスと同様である。
【０１０４】
次に、図１６に示すように、第２実施形態と同様、真空蒸着法およびリソグラフィ技術を用いて、アンドープコンタクト層２９上の中央部付近に、ストライプ状のｐ側電極３１を形成する。この後、反応性イオンビームエッチング法などを用いて、ｐ側電極３１をマスクとして、アンドープコンタクト層２９およびｐ型クラッド層２８の一部領域を除去することによって、図１７に示すような電流通路領域となる凸状のリッジ部を形成する。
【０１０５】
最後に、図１４に示したように、第２実施形態と同様、プラズマＣＶＤ法を用いて、ｐ型クラッド層２８の表面とアンドープコンタクト層２９の側面とを覆うように、絶縁膜３０を形成した後、絶縁膜３０の表面とｐ側電極３１の表面とを覆うように、ｐ側パッド電極３２を形成する。この後、ｎ型ＧａＮ基板２１を所定の厚みになるまで研磨した後、真空蒸着法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板２１の裏面上に、ｎ側電極３３を形成することによって、第４実施形態の窒化物系半導体レーザ素子が形成される。
【０１０６】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【０１０７】
たとえば、上記第１〜第４実施形態では、基板として、サファイア基板およびｎ型ＧａＮ基板を用いるようにしたが、本発明はこれに限らず、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、ＩｎＰ基板、水晶基板およびＺｒＢ２基板などを用いてもよい。
【０１０８】
また、上記第１〜第４実施形態では、アンドープＩｎＧａＮの単層からなるアンドープコンタクト層を形成するようにしたが、本発明はこれに限らず、図１８に示すように、活性層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アンドープＩｎＧａＮなどからなる層を少なくとも１層含む複数のアンドープ層からなる超格子構造などの多層構造のｐ側コンタクト層４９を形成するようにしてもよい。なお、ｐ側コンタクト層４９は、本発明の「アンドープコンタクト層」の一例である。この場合の超格子の構成としては、数ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる層と数ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＹＧａ１−ＹＮ（Ｘ＞Ｙ＞０）からなる層との積層構造や、数ｎｍの膜厚を有するアンドープＩｎＧａＮからなる層と数ｎｍの膜厚を有するアンドープＡｌＧａＮ（ＧａＮを含む）からなる層との積層構造などが考えられる。
【０１０９】
また、上記第１〜第４実施形態では、窒化物系半導体の各層の表面が（０００１）面になるように積層したが、本発明はこれに限らず、窒化物系半導体の各層の表面が他の方向になるように積層してもよい。たとえば、窒化物系半導体の各層の表面が（１−１００）や（１１−２０）面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）面になるように積層してもよい。この場合、ＭＱＷ活性層内にピエゾ電場が発生しないので、井戸層のエネルギバンドの傾きに起因する正孔と電子との再結合確率の低下を抑制することができる。その結果、ＭＱＷ活性層の発光効率を向上することができる。
【０１１０】
また、上記第１〜第４実施形態では、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、量子効果を有しない厚膜の単層または単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
【０１１１】
また、上記第１〜第４実施形態では、ＩｎＧａＮからなるアンドープコンタクト層をｐ側に設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、ＧａＮからなるアンドープコンタクト層をｐ側に設けるようにしてもよい。たとえば、第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の構造において、ＩｎＧａＮからなるアンドープコンタクト層に代えて、ＧａＮからなるアンドープコンタクト層を設けた場合には、図１９に示すような構造となる。すなわち、第２実施形態と異なり、ｐ型クラッド層２８の凸部上には、ＧａＮからなるアンドープコンタクト層５９が形成されている。このように、ＧａＮからなるアンドープコンタクト層５９を設けた場合においても、光吸収を抑制することができるなどの第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
また、上記第２実施形態では、ｎ側およびｐ側に、それぞれ、同じ膜厚（約１００ｎｍ）を有するｎ型光ガイド層２４および光ガイド層２７を設けるようにしたが、本発明はこれに限らず、図２０に示すように、光ガイド層２７の膜厚よりも小さい膜厚（たとえば、約５０ｎｍ）を有するｎ型光ガイド層６４を設けるようにしてもよい。この場合には、ｎ型光ガイド層を設けない第４実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、ｎ型光ガイド層６４の膜厚がｐ側の光ガイド層２７の膜厚よりも小さい分、光強度の高い領域がｐ側にずれるので、ｎ型クラッド層２３での光吸収が抑制される。また、この場合には、第４実施形態と同様、ドーピングに起因する不純物準位や結晶欠陥が形成されないアンドープコンタクト層２９で光吸収が増大することがないので、窒化物系半導体レーザ素子の発光効率の向上効果が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（青色ＬＥＤチップ）を示した断面図である。
【図２】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の上面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子において、コンタクト層の材料と厚みとを変化させた場合のｐ側電極とコンタクト層とのコンタクト抵抗を示したグラフである。
【図４】図１および図２に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図５】図１および図２に示した第１実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。
【図７】図６に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図８】図６に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図９】図６に示した第２実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子（青色ＬＥＤチップ）を示した断面図である。
【図１１】図１０に示した第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１２】図１０に示した第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１３】図１０に示した第３実施形態による窒化物系半導体発光ダイオード素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。
【図１５】図１４に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１６】図１４に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１７】図１４に示した第４実施形態による窒化物系半導体レーザ素子の製造プロセスを説明するための断面図である。
【図１８】第２実施形態の変形例による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。
【図１９】第２実施形態の変形例による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。
【図２０】第２実施形態の変形例による窒化物系半導体レーザ素子（ＬＤチップ）を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１、４１  サファイア基板（基板）
４  ｎ型コンタクト層（第１窒化物系半導体層）
５、２５  ＭＱＷ活性層（活性層）
７、２８  ｐ型クラッド層（第２窒化物系半導体層、クラッド層）
８、２９、５９  アンドープコンタクト層
９、３１  ｐ側電極（電極）
２１  ｎ型ＧａＮ基板（基板）
２２  ｎ型ＧａＮ層（第１窒化物系半導体層）
２３  ｎ型クラッド層（第１窒化物系半導体層）
２４、６４  ｎ型光ガイド層
２７  光ガイド層（第３窒化物系半導体層）
４９  ｐ側コンタクト層（アンドープコンタクト層）
【図１】
2008182275.tif 000003
【図２】
2008182275.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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【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１４】
2008182275.tif 000016
【図１５】
2008182275.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2008182275.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年5月14日(2008.5.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１導電型の第１窒化物系半導体層と、
前記第１窒化物系半導体層上に形成され、窒化物系半導体層からなる活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型の第２窒化物系半導体層と、
前記第２窒化物系半導体層上に形成された窒化物系半導体からなるアンドープコンタクト層と、
前記アンドープコンタクト層上に形成された電極とを備えた、窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記アンドープコンタクト層のバンドギャップは、前記第２窒化物系半導体層のバンドギャップよりも小さい、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１導電型の第１窒化物系半導体層は、ｎ型の第１窒化物系半導体層であり、
前記第２導電型の第２窒化物系半導体層は、ｐ型の第２窒化物系半導体層である、請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記アンドープコンタクト層は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記アンドープコンタクト層は、前記活性層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、請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記アンドープコンタクト層は、単一のアンドープの窒化物系半導体層により構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
少なくとも前記活性層と前記第２導電型の第２窒化物系半導体層との間に形成され、前記第２窒化物系半導体層よりもバンドギャップの小さい窒化物系半導体からなるアンドープの第３窒化物系半導体層をさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
前記アンドープの第３窒化物系半導体層は、前記活性層と、前記第１導電型の第１窒化物系半導体層および前記第２導電型の第２窒化物系半導体層との間のうち、前記活性層と前記第２窒化物系半導体層との間にのみ形成されている、請求項７に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層と前記第１導電型の第１窒化物系半導体層との間に形成された第４窒化物系半導体層をさらに備え、
前記第４窒化物系半導体層は、前記第３窒化物系半導体層の膜厚よりも小さい膜厚を有する、請求項７または８に記載の窒化物系半導体発光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による窒化物系半導体発光素子は、基板上に形成された第１導電型の第１窒化物系半導体層と、第１窒化物系半導体層上に形成され、窒化物系半導体層からなる活性層と、活性層上に形成された第２導電型の第２窒化物系半導体層と、第２窒化物系半導体層上に形成された窒化物系半導体からなるアンドープコンタクト層と、アンドープコンタクト層上に形成された電極とを備えている。なお、本発明の「アンドープ」は、不純物を意図的にドープしていないことを意味する。したがって、不純物が全くドープされていない場合のみならず、意図しないで不純物が少量混入している場合も、本発明の「アンドープ」に該当する。