(57)【要約】【課題】動作電圧を更に一層低減できるとともに発光出力を高くし得る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を得て屋外用ディスプレイ装置等への最適化を図ることを目的とする。【解決手段】基板１の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層３と発光層４とｐ型クラッド層４とを順に積層し、ｐ型クラッド層４は、禁制帯幅が発光層４に近い側から離れる側に向けて収斂するように、窒化ガリウム系化合物半導体の組成配分を層厚方向にほぼ一様な変化率または不連続な変化率で変化させて形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と発光層とｐ型クラッド層とを順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｐ型クラッド層は、禁制帯幅が前記発光層に近い側から離れる側に向けて収斂するように、窒化ガリウム系化合物半導体の組成配分を層厚方向に変化させてなることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
前記窒化ガリウム系化合物半導体の組成配分の層厚方向の変化傾向を、層厚方向にほぼ一様な変化率または不連続な変化率としてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層はＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ≦１）からなり、前記ｐ型クラッド層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｐ型クラッド層に接してｐ側電極が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型クラッド層に接してｐ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、かつｕ≦ｘ）からなるｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層に接してｐ側電極を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層の接合界面における価電子帯のエネルギー不連続の量が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードやレーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に係り、特に動作電圧を低減すると同時に発光効率を改善し得る半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム系化合物半導体は、可視光発光デバイスや高温動作電子デバイス用の半導体材料として多用されるようになり、特に青色や緑色の発光ダイオードや青紫色のレーザダイオードの分野での展開が進んでいる。
【０００３】
この窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子の製造方法は、サファイアやＳｉＣ等を基板とし、この基板の上に有機金属気相成長法によって窒化ガリウム系化合物半導体薄膜を成長させるというのがその基本である。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体の積層方法のより具体的な手法は、基板を装入して設置した反応管の中に、III族元素の原料ガスとして有機金属化合物ガス（トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」という）、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」という）、トリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」という）等）と、Ｖ族元素の原料ガスとしてアンモニアやヒドラジン等を供給し、基板の温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、基板上にｎ型層と発光層とｐ型層とを成長させてこれらを積層形成するというものである。そして、成長形成の後、フォトリソグラフィーや蒸着法等を用いて、ｎ型層及びｐ型層の表面のそれぞれにｎ側電極及びｐ側電極を接合形成したものとして発光素子を得ることができる。
【０００４】
窒化ガリウム系化合物半導体を用いるものも含めて、半導体発光素子においては、発光層を形成するための材料は所望の発光波長が得られるように選択される。そして、この発光層に対して、ｎ型層の側から電子を注入しｐ型層の側から正孔を注入することによって、発光層内で電子と正孔の再結合させることで所望の波長の発光が得られる。
【０００５】
窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子としては、ＧａＮやＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層と、ＩｎＧａＮからなる発光する活性層と、ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層とからなるダブルヘテロ構造を備えたものが近来では主流である。図５に従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図を示す。
【０００６】
図５において、サファイアからなる基板１１の上に、バッファ層１２を介して、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるｎ型層１３と、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）からなる発光層１４と、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるｐ型クラッド層１５とを形成してダブルヘテロ構造とし、更にＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６を積層している。そして、ｐ型コンタクト層１６上にはｐ側電極１７を形成し、ｐ型コンタクト層１６，ｐ型クラッド層１５及び発光層１４の３層の一部を除去してｎ型層１３を露出させ、この露出したｎ型層１３の表面上にｎ側電極１８を形成している。
【０００７】
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｎ側電極１８に対して負の極性及びｐ側電極１７に対して正の極性となるように電圧を印加すると、ｎ型層１３の側から電子が発光層１４に注入され同時にｐ型クラッド層１５の側から正孔が発光層１４に注入される。これにより、発光層１４を構成している半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当するエネルギーを有する光が発光層１４から発せられる。
【０００８】
このようにダブルヘテロ構造を含む構成とすることにより、従来のＭＩＳ（金属−絶縁体−半導体）構造の発光素子に比べると、発光出力と動作電圧の大幅な改善が図られたことは周知のとおりである。
【特許文献１】特開平６−２６８２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような発光出力及び動作電圧の改善により、例えば屋外用のディスプレイ装置の分野においても、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が用いられるようになった。
【００１０】
しかしながら、屋外用のものも含め、大型のディスプレイ装置では特に昼間の陽光が素子の発光に干渉しやすくなる。したがって、視認性を高めて鮮明な画像表示とするためには、従来のものよりも更に一層高い発光出力が必要であるというのが実状である。また、屋外用のディスプレイのように装置が大型となると消費電力が大きくなるため、これを低減するために発光素子の動作電圧の低減が望まれている。
【００１１】
ところで、発光層への電子の注入効率が高くなるほど、発光素子の発光出力は向上する。そして、発光層への電子の注入効率についても、電子のｐ型層へのオーバーフローを抑制することが有効であることはよく知られている。このｐ型層への電子のオーバーフローを抑制するためには、ダブルヘテロ構造を構成するｐ型クラッド層の伝導帯におけるエネルギー障壁を高めることで対応できる。たとえば、図５に示した窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子では、ＡｌＧａＮの組成のｐ型クラッド層１５においてＡｌの組成比を大きく設定すれば、伝導帯におけるエネルギー障壁を高めることができる。
【００１２】
ところが、ｐ型クラッド層１５のＡｌの組成比を大きくすると、図６に示すバンド構造から明らかなように、ｐ型クラッド層１５とＧａＮからなるｐ型コンタクト層１６との接合界面の価電子帯における正孔に対するエネルギー障壁も高くなる傾向にある。このようにｐ型クラッド層１５とｐ型コンタクト層１６との接合界面において正孔に対するエネルギー障壁が高くなると、発光のための駆動電圧を印加したとき、このエネルギー障壁を低下させるために過剰な電圧降下が生じることになる。したがって、発光素子の動作電圧が高くなってしまうという問題がある。
【００１３】
本発明において解決すべき課題は、動作電圧を更に一層低減できるとともに発光出力を高くし得る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を得て屋外用ディスプレイ装置等への最適化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者等は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子について、その動作電圧を低減すると同時に発光出力の向上を図るため、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層について鋭意検討した。その結果、ｐ型クラッド層の組成について、禁制帯幅の変化が特定の分布となるようにすれば、発光出力が向上し、かつ動作電圧の低減が図れることを見いだした。また、このようなｐ型クラッド層に接して形成されるｐ型コンタクト層を特定の窒化ガリウム系化合物半導体により形成することで、動作電圧を更に一層低減できることも知見によって得た。
【００１５】
すなわち、本発明は、基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と発光層とｐ型クラッド層とを順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｐ型クラッド層は、禁制帯幅が前記発光層に近い側から離れる側に向けて収斂するように、窒化ガリウム系化合物半導体の組成配分を層厚方向に変化させてなることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、電子のオーバーフローに対するエネルギー障壁を高くできると同時にｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層の接合界面における過剰な電圧降下を低減できるので、発光出力が向上し、かつ、動作電圧の低減された発光素子が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明では、ｐ型クラッド層における電圧降下を低減できるので、発光素子の動作電圧を低減することができ、消費電力の削減が可能となる。
【００１８】
請求項２の発明では、ｐ型クラッド層において価電子帯における正孔に対するエネルギー障壁をなだらかに変化させることができ、ｐ型クラッド層における電圧降下を低減することができる。
【００１９】
請求項３の発明では、発光層とｐ型クラッド層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体の組成を特定することで、電子のオーバーフローに対するエネルギー障壁を高く維持できるので、消費電力を削減することができることに加え、発光効率を高く維持することが可能となる。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、ｐ型クラッド層に直接ｐ側電極を形成することで、ｐ型層における過剰な電圧降下を低減させることができる。
【００２１】
請求項５に記載の発明では、ｐ型コンタクト層の組成を特定することで、ｐ型クラッド層との接合界面におけるエネルギー障壁を低減でき、同時にｐ側電極とｐ型コンタクト層の接触抵抗を低減できるので、過剰な電圧降下を低減させることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との接合界面における価電子帯のエネルギー不連続の量を特定することで、ｐ型層における過剰な電圧降下をさらに効果的に低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
請求項１に記載の発明は、基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型クラッド層と発光層とｐ型クラッド層とを順に積層した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、前記ｐ型クラッド層は、禁制帯幅が前記発光層に近い側から離れる側に向けて収斂するように、窒化ガリウム系化合物半導体の組成配分を層厚方向に変化させてなるものであり、伝導帯における電子のオーバーフローに対するエネルギー障壁を発光層に近い側で高くできるとともに、ｐ型クラッド層において価電子帯における正孔に対するエネルギー障壁をなだらかに変化させることができるので、発光層への電子の注入効率を向上させることができるとともに、ｐ型クラッド層における電圧降下を低減できるという作用を有する。
【００２４】
請求項２に記載の発明は、前記窒化ガリウム系化合物半導体の組成配分の層厚方向の変化傾向を、層厚方向にほぼ一様な変化率または不連続な変化率としてなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、ｐ型クラッド層の禁制帯幅が発光層に近い側から層厚方向にほぼ一様な変化率または不連続な変化率で変化させることによりｐ型クラッド層において価電子帯における正孔に対するエネルギー障壁をなだらかに変化させることができるという作用を有する。
【００２５】
請求項３に記載の発明は、前記発光層はＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ≦１）からなり、前記ｐ型クラッド層はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、発光層とｐ型クラッド層を構成する窒化ガリウム系化合物半導体の組成を特定することで、発光層とｐ型クラッド層との間の伝導帯におけるエネルギー障壁を効果的に高くできるという作用を有する。
【００２６】
請求項４に記載の発明は、前記ｐ型クラッド層に接してｐ側電極が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との接合界面でエネルギー障壁が生じないので、この接合界面における電圧降下をなくすことができるという作用を有する。
【００２７】
請求項５に記載の発明は、前記ｐ型クラッド層に接してｐ型ＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、かつｕ≦ｘ）からなるｐ型コンタクト層が形成され、前記ｐ型コンタクト層に接してｐ側電極を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、ｐ型コンタクト層に特定の組成の窒化ガリウム系化合物半導体を選択することにより、ｐ型コンタクト層とｐ側電極との接触抵抗を小さくし、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間のエネルギー障壁を小さくできるという作用を有する。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、前記ｐ型クラッド層と前記ｐ型コンタクト層の接合界面における価電子帯のエネルギー不連続の量が０．１ｅＶ以下であることを特徴とする請求項５に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であり、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との接合界面において過剰な電圧降下が生じないようにできるという作用を有する。
【００２９】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００３０】
図１は本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【００３１】
図１において、基板１の上にバッファ層２が形成され、このバッファ層２の表面には下から順にｎ型クラッド層３，発光層４，ｐ型クラッド層５がそれぞれ積層形成されている。
【００３２】
このような積層構造において、基板１としてはサファイアやＳｉＣ等を用いることができ、バッファ層２としては、ＧａＮまたはＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＩｎＮ等を用いることができる。また、ｎ型クラッド層３としては、ＡｌＧａＮやＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができる。なお、ｎ型クラッド層３は、ＧａＮ等からなる第１のｎ型クラッド層とＡｌＧａＮ等からなる第２のクラッド層との二重層構造とし、第１のｎ型クラッド層を電極を形成するためのｎ型コンタクト層としてもよい。
【００３３】
ｎ型クラッド層３及びｐ型クラッド層５には、それぞれｎ側電極８及びｐ側電極７が形成されている。ｎ側電極８の材料としてはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）等が利用でき、ｐ側電極７の材料としてはニッケル（Ｎｉ）や白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），タンタル（Ｔａ），アルミニウム（Ａｌ）等の金属を用いることができる。これらのｐ側電極７及びｎ側電極８のそれぞれはいずれもフォトリソグラフィーと金属の蒸着法によって形成される。
【００３４】
ここで、本発明においては、ｐ型クラッド層５は、発光層４に近い側では禁制帯幅が広くて発光層４に遠い側では禁制帯幅が狭くなるような組成分布として形成する。すなわち、ｐ型クラッド層５はＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の組成とそれぞれの配分関係とし、発光層４に近い側で禁制帯幅が広くなるように、かつ発光層４に遠い側で禁制帯幅が狭くなるように、Ａｌ組成ｘ及びＩｎ組成ｙを同時にあるいは別々に連続的に変化させて成長形成させたものである。
【００３５】
ｐ型クラッド層５の中で発光層４に近い側の禁制帯幅が広くなるようにすることで、ｎ型クラッド層３の側から発光層４に注入された電子のｐ型の層の側へのオーバーフローを効果的に抑制することができる。これによって、発光層４への電子の注入効率を向上させることができる。
【００３６】
一方、従来構造のように、ｐ型クラッド層５を単一の組成の窒化ガリウム系化合物半導体で構成した場合では、図６で示したように禁制帯幅の広さは発光層４の接合域からｐ側電極７を接合しているｐ型コンタクト層との接合域まで一様であり、ｐ型コンタクト層との間での正孔に対するエネルギー障壁は高い。これに対し、本発明では、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の組成においてｘ，ｙの値を変化させるとで、Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａの配分比を変えることができる。
【００３７】
すなわち、Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａのそれぞれの組成を連続的に変化させて配分比を操作することで、図２のバンド構造に示すように、発光層４から遠くなるにつれて禁制帯幅がなだらかに狭くなるようなｐ型クラッド層５を得ることができる。このように正孔が注入される側の禁制帯幅を狭くすることによって、正孔に対するエネルギー障壁は低くなり、正孔はｐ型クラッド層５の内部でスムーズに輸送されて発光層４に注入される。したがって、ｐ型クラッド層５における過剰な電圧降下が生じることはなく、動作電圧の低減が可能となる。
【００３８】
さらに、発光層４から遠い側で禁制帯幅を狭くなるｐ型クラッド層５とすることで、このｐ型クラッド層５の表面に電極を形成するとき、金属との接触抵抗が極端に大きくはならない。このため、ｐ型クラッド層５の表面に直にｐ側電極７を形成することで、このｐ型クラッド層５は電極を形成すべきコンタクト層としても兼用できる。したがって、従来の構造のように、ｐ型クラッド層５の上にｐ型コンタクト層を形成する必要がないので、ｐ型コンタクト層における電圧降下をなくすことができる。
【００３９】
ここで、発光層４はＩｎａＧａ１−ａＮ（０＜ａ≦１）であって、Ａｌを含まない組成とする。その１つの理由は、Ａｌを含むと結晶性が低下しやすい傾向があり、発光効率が低下するからである。また、ｐ型クラッド層５とＩｎａＧａ1-ａＮ（０＜ａ≦１）組成の発光層４とでヘテロ界面を構成することにより、発光層４に近い側でｐ型クラッド層５の伝導帯における電子のエネルギー障壁を効果的に高くできる。したがって、発光層４への電子の注入がより効率的に行われ、これによっても発光効率を向上させることができる。
【００４０】
図３は本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図である。なお、図１の例と同じ部材については共通の符号で指示し、詳細な説明は省略する。
【００４１】
この例では、ｐ型クラッド層５のＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の組成配合を、発光層４から遠ざかるにつれて禁制帯幅が階段状に収斂する方向に変化するようにした点と、ｐ型クラッド層５とｐ側電極８との間にはｐ型コンタクト層６が形成されている点が図１の構成と相違する。
【００４２】
ｐ型コンタクト層６はＡｌｕＩｎｖＧａ１−ｕ−ｖＮ（０≦ｕ＜１、０≦ｖ＜１、かつｕ≦ｘ）の組成配合としたもので、特にｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６の接合界面における価電子帯のエネルギー不連続の量が０．１ｅＶ以下となるように、ｐ型コンタクト層６のＡｌ組成ｕ及びＩｎ組成ｖを選択して形成される。ｐ型クラッド層５とｐ型コンタクト層６の接合界面における価電子帯のエネルギー不連続が０．１ｅＶよりも大きくなると、ｐ型コンタクト層から注入された正孔に対する障壁が大きくなり、この接合界面における過剰な電圧降下が生じることとなり、素子の動作電圧が大きくなる原因となる。
【００４３】
なお、図３の例において示したｐ型コンタクト層６を、上記の図１の例で示した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のｐ型クラッド層５とｐ側電極８との間に形成しても良い。
【００４４】
また、図４のバンド図に示すように、ｐ型クラッド層５はその禁制帯幅が発光層４から遠くなるにつれ階段状に収斂していくように組成を変化させている。このとき、階段状に変化しているｐ型クラッド層５のステップの価電子帯におけるエネルギー不連続は、室温の熱エネルギー（約０．０２６ｅＶ）と同等かこれよりも小さい量とすることが望ましい。これは、ｐ型クラッド層５の中におけるエネルギー不連続を小さくすると、ｐ型クラッド層５の中における正孔の輸送がよりスムーズに行われるからである。
【００４５】
なお、禁制帯幅がなだらかに狭くなるように構成することにより、正孔はｐ型クラッド層５の内部でスムーズに輸送されて発光層４に注入されるので、ｐ型クラッド層５における過剰な電圧降下が生じないことは、図１に示す発光素子のようにｐ型クラッド層５の組成を連続的に変化させた場合と同様の効果によるものである。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明の半導体発光素子の具体的な製造方法に基づいて説明する。本実施例は、有機金属気相成長法を用いた窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法を示すものであり、先に示した図１及び図３を参照しながら説明する。
【００４７】
（実施例１）
まず、表面を鏡面に仕上げられたサファイアの基板１を反応管内の基板ホルダーに設置した後、基板１の表面温度を１１００℃に１０分間保ち、水素ガスを流しながら基板１を加熱することにより、基板１の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くためのクリーニングを行う。
【００４８】
次に、基板１の表面温度を６００℃にまで降下させ、主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、アンモニアを５リットル／分、ＴＭＡを含むＴＭＡ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら、ＡｌＮからなるバッファ層２を２５ｎｍの厚さで成長させる。
【００４９】
次に、ＴＭＡのキャリアガスのみを止めて１０５０℃まで昇温させた後、主キャリアガスとして、窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９５リットル／分で流し、新たにＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｓｉ源である１０ｐｐｍのＳｉＨ4（モノシラン）ガスを１０ｃｃ／分で流しながら６０分間成長させて、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型クラッド層３を２μｍの厚さで成長させる。
【００５０】
ｎ型クラッド層３を成長形成した後、ＴＭＧ用のキャリアガスとＳｉＨ4ガスを止め、基板表面温度を７５０℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、ＴＭＩ用のキャリアガスを２００ｃｃ／分で流しながら１００秒間成長させて、ＩｎＧａＮからなる発光層４を１０ｎｍの厚さで成長させる。
【００５１】
発光層４を成膜後、ＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止めて基板温度を１０５０℃まで上昇させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガス、Ｍｇ源であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（以下、「Ｃｐ2Ｍｇ」と記す）用のキャリアガスを６０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、ＭｇをドープしたＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。このとき、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分から０．１ｃｃ／分まで流量をリニアに変化させながら流して供給する。このようにして、発光層４に近い側から発光層４に遠い側にかけて組成をＡｌ0.15Ｇａ0.85ＮからＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎまで変化させたＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層５が形成される。
【００５２】
成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＡ用のキャリアガスとＣｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。
【００５３】
このようにして形成したｐ−ｎ接合を含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる積層構造に対して、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型クラッド層５と発光層４の一部を約０．１５μｍの深さで除去して、ｎ型クラッド層３の表面を露出させ、このｎ型クラッド層３の露出した表面の上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ型クラッド層５の表面上にＮｉとＡｕからなるｐ側電極７を形成する。
【００５４】
この後、サファイアの基板１の裏面を研磨して１００μｍ程度にまで薄くし、スクライブによりチップ状に分離する。このようにして、図１に示すような発光素子が得られる。
【００５５】
以上の製造方法によって得られたＧａＮ系化合物半導体発光素子をその電極形成面側を上向きにしてステムに接着した後、チップのｎ側電極８とｐ側電極７をそれぞれステム上の電極にワイヤで結線し、その後樹脂モールドして発光ダイオードを作製した。そして、この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４７０ｎｍの青色に発光し、スペクトル半値幅は１７ｎｍであり、発光出力は１１５０μＷ、順方向動作電圧は３．４Ｖであった。
【００５６】
（実施例２）
実施例１と同様にして、基板１の上にＡｌＮからなるバッファ層２とＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型クラッド層３とＩｎＧａＮからなる発光層４とを積層形成させる。
【００５７】
発光層４を成膜後、ＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止めて基板温度を１０５０℃まで上昇させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガス、ＴＭＩ用のキャリアガス、Ｍｇ源であるＣｐ2Ｍｇ用のキャリアガスを６０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、ＭｇをドープしたＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。このとき、ＴＭＡ用のキャリアガスを６ｃｃ／分から０．１ｃｃ／分まで、ＴＭＩ用のキャリアガスを０．１ｃｃ／分から０．５ｃｃ／分までそれぞれ流量をステップ状に変化させながら流して供給する。このようにして、発光層４に近い側から発光層４に遠い側にかけて組成をＡｌ0.15Ｉｎ0.01Ｇａ0.84ＮからＡｌ0.01Ｉｎ0.05Ｇａ0.94Ｎまで階段状に変化させたＡｌＩｎＧａＮからなるｐ型クラッド層５が形成される。
【００５８】
ｐ型クラッド層５を成長させた後、ＴＭＡ用のキャリアガスとＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止め、基板温度を８００℃まで降下させ、新たに主キャリアガスとしての窒素ガスを１０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを２ｃｃ／分、ＴＭＩ用のキャリアガスを５０ｃｃ／分、Ｃｐ2Ｍｇ用のキャリアガスを２０ｃｃ／分で流しながら５分間成長させて、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎからなるｐ型コンタクト層６を０．２μｍの厚さで成長させる。
【００５９】
成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＡ用のキャリアガスとＣｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。
【００６０】
このようにして形成したｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物半導体からなる積層構造に対して、その表面上にＣＶＤ法によりＳｉＯ2膜を堆積させた後、フォトリソグラフィーにより所定の形状にパターンニングしてエッチング用のマスクを形成する。そして、反応性イオンエッチング法により、ｐ型コンタクト層６とｐ型クラッド層５と発光層４の一部を約０．３５μｍの深さで除去して、ｎ型クラッド層３の表面を露出させ、このｎ型クラッド層３の露出した表面の上にＡｌからなるｎ側電極８を蒸着形成する。さらに、同様にしてｐ型クラッド層５の表面上にＮｉとＡｕからなるｐ側電極７を形成する。
【００６１】
この後、実施例１と同様にして研磨、チップ分離等を行うと、図３に示すような発光素子が得られる。さらに、実施例１と同様にして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４７０ｎｍの青色に発光し、スペクトル半値幅は１８ｎｍであり、発光出力は１１００μＷ、順方向動作電圧は３．３Ｖであった。
【００６２】
なお、上記の実施例においては、ｐ型クラッド層５を成長させる際にIII族原料ガスであるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ用のキャリアガスの供給量をステップ状に変化させることにより、組成が階段状に変化するｐ型クラッド層５を形成したが、実施例１と同様にIII族原料ガスをリニアに変化させることにより、組成が連続的に変化するｐ型クラッド層５を形成することもできる。
【００６３】
（比較例）
比較例として、実施例２と同様にして基板１の上にバッファ層２とｎ型クラッド層３と発光層４とを積層形成させた。発光層４を成膜後、ＴＭＩ用のキャリアガスとＴＭＧ用のキャリアガスを止め、基板１の表面温度を１０５０℃まで上昇させ、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、ＴＭＡ用のキャリアガスを７ｃｃ／分、Ｃｐ2Ｍｇ用のキャリアガスを６０ｃｃ／分で流しながら４分間成長させて、ＭｇをドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐ型クラッド層５を０．１μｍの厚さで成長させる。
【００６４】
ｐ型クラッド層５を成長形成した後、ＴＭＡ用のキャリアガスと、ＴＭＧ用のキャリアガスと、Ｃｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとを止め、引き続き１０５０℃にて、新たに主キャリアガスとして窒素ガスを９リットル／分、水素ガスを０．９０リットル／分と、ＴＭＧ用のキャリアガスを４ｃｃ／分、Ｃｐ2Ｍｇ用のキャリアガス１００ｃｃ／分で流しながら３分間成長させ、ＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型コンタクト層６を０．１μｍの厚さで成長させる。
【００６５】
成長後、原料ガスであるＴＭＧ用のキャリアガスとＴＭＡ用のキャリアガスとＣｐ2Ｍｇ用のキャリアガスとアンモニアを止め、窒素ガスと水素ガスをそのままの流量で流しながら室温まで冷却した後、ウェハーを反応管から取り出す。
【００６６】
この後、実施例２と同様にして、ｎ型クラッド層３の表面上にＡｌからなるｎ側電極８を、ｐ型コンタクト層６の表面上にＮｉとＡｕからなるｐ側電極７を形成する。このようにして、図５に示すような従来構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
【００６７】
さらに、実施例２と同様にして発光ダイオードを作製した。この発光ダイオードを２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、波長４７０ｎｍの青色に発光し、スペクトル半値幅は２１ｎｍであり、発光出力は８２０μＷ、順方向動作電圧は４．１Ｖであった。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、発光ダイオードやレーザダイオード等の光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の一実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のバンド構造を示す図
【図３】本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図４】本発明の他の実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のバンド構造を示す図
【図５】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図
【図６】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のバンド構造を示す図
【符号の説明】
【００７０】
１  基板
２  バッファ層
３  ｎ型クラッド層
４  発光層
５  ｐ型クラッド層
６  ｐ型コンタクト層
７  ｎ側電極
８  ｐ側電極
【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６】
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