(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型電極と、
前記ｎ型電極の下面に形成されているＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層の下面に形成され、前記ＡｌＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層を提供するアンドープのＧａＮ層と、
前記アンドープのＧａＮ層の下面にｎ型窒化ガリウム層、活性層、ｐ型窒化ガリウム層が順次形成された窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物と、
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物の下面に形成されているｐ型電極と、
前記ｐ型電極の下面に形成されている導電性基板と、
を備え、
前記ｎ型電極と接する前記ＡｌＧａＮ層の表面が、Ｇａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧａ面構造を有することを特徴とする垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項２】
前記ｐ型電極又はｐ型電極と前記導電性基板との間の界面に形成された導電性接合層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項３】
前記ｐ型電極の下面に形成された反射膜をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項４】
前記アンドープのＧａＮ層が、５０〜５００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項５】
前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ含有量が、１０％〜５０％の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項６】
前記ＡｌＧａＮ層が、５０〜５００Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項７】
前記ＡｌＧａＮ層が、アンドープのＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項８】
前記ＡｌＧａＮ層が、ｎ型不純物のドープされたＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項９】
前記ＡｌＧａＮ層が、不純物としてシリコン又は酸素を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子。
【請求項１０】
サファイア基板上に窒化ガリウム系バッファ層を形成するステップと、
前記バッファ層上に、結晶性の確保のために、アンドープのＧａＮ層を形成するステップと、
前記アンドープのＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を形成するステップと、
前記ＡｌＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、前記ＡｌＧａＮ層上にアンドープのＧａＮ層を形成するステップと、
前記アンドープのＧａＮ層上にｎ型窒化ガリウム層、活性層、ｐ型窒化ガリウム層を順次形成することにより、窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物を形成するステップと、
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物上にｐ型電極を形成するステップと、
前記ｐ型電極上に導電性基板を接合するステップと、
前記サファイア基板及びバッファ層をＬＬＯ工程により除去した後、化学的機械的研磨工程によりアンドープのＧａＮ層を除去するステップと、
前記アンドープのＧａＮ層が除去されたＡｌＧａＮ層上にｎ型電極を形成するステップと、
を含み、
前記サファイア基板上に窒化ガリウム系バッファ層を形成するステップの前に、
前記サファイア基板上に基板上面と接触するバッファ層の表面がＧａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧａ面構造を有するように前処理を行うことを特徴とする垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項１１】
前記前処理工程が、前処理物質としてトリメチルガリウムを利用することを特徴とする請求項１０に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項１２】
前記トリメチルガリウムを利用した前処理が、３０秒〜１２０秒間行われることを特徴とする請求項１１に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ＡｌＧａＮ層を形成するステップの後に、酸素雰囲気中で前記ＡｌＧａＮ層をアニールするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ｐ型電極上に導電性基板を接合するステップの前に、
前記ｐ型電極上に反射膜を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の垂直構造の窒化ガリウム系発光ダイオード素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、垂直構造（垂直電極型）窒化ガリウム系（ＧａＮ）発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；以下、「ＬＥＤ」と記す）素子、及びその製造方法に関し、さらに詳細には、ＬＬＯ工程によりサファイア基板が除去されたｎ型窒化ガリウム層上にｎ型電極を接触させるとき、接触抵抗を減少させ、動作電圧を低くして、電流拡散効果の向上が可能な垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化ガリウム系ＬＥＤは、サファイア基板上に成長するが、このようなサファイア基板は、堅固で、電気的に不導体であり、熱伝導特性がよくないことから、窒化ガリウム系ＬＥＤの大きさを減らして製造原価を低減するか、光出力、ＥＳＤ（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）などのチップの特性を改善させるのに限界があった。特に、ＬＥＤの高出力化のためには、大電流の印加が必須であるため、ＬＥＤの熱放出問題を解決するのが極めて重要となる。このような問題を解決するための手段として、従来は、レーザーリフトオフ（Ｌａｓｅｒ  Ｌｉｆｔ−Ｏｆｆ；以下、「ＬＬＯ」と記す）を利用してサファイア基板を除去した垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が提案されていた。以下、図１及び図２を参照して、従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子について詳細に説明する。
【０００３】
図１及び図２は、従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【０００４】
まず、図１に示すように、サファイア基板１００上にバッファ層１１０、ｎ型窒化ガリウム層１２０、活性層１３０、ｐ型窒化ガリウム層１４０を順次に結晶成長させ、ｐ型窒化ガリウム層１４０上にｐ型電極又はｐ型電極及び反射膜１５０を形成した後、導電性接着層１６０を形成する。
【０００５】
次に、前記導電性接着層１６０に所定の温度と圧力を加えた後、前記導電性接着層１６０上にシリコン基板１７０を接合する。このとき、前記シリコン基板１７０は、タングステン銅（ＣｕＷ）基板などの金属基板（これは、「金属構造支持層」とも表現できる）に替えることができる。
【０００６】
その後、図２に示すように、ＬＬＯ工程により前記サファイア基板１００と前記バッファ層１１０を順次除去し、ｎ型窒化ガリウム層１２０の上面を露出させる。
【０００７】
そして、前記露出されたｎ型窒化ガリウム層１２０上にｎ型電極１８０を形成し、その後、レーザースクライブ、ウェットエッチング又はドライエッチング工程により、素子分離工程を行うか、又は素子分離工程後に前記ｎ型電極１８０を形成する。
【０００８】
ところが、上記のようなＬＬＯ工程を利用した垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子によれば、サファイア基板１００上にバッファ層１１０を成長させる前に、まず、サファイア基板１００の表面をアンモニア（ＮＨ3）ガスを利用して前処理させるため、前記ＬＬＯ工程後に、露出されるｎ型窒化ガリウム層１２０の表面は、ウルツ鉱型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）構造の［０００-１］方向を有するＧａＮ極性すなわち、Ｎ元素の垂直の最上層にＧａ元素が配置されるＮ面極性（Ｎ−ｆａｃｅ  ｐｏｌａｒｉｔｙ）を形成する（図３の（ａ）参照）。
【０００９】
このように、前記Ｎ面極性からなるｎ型窒化ガリウム層１２０の表面にｎ型電極１８０を形成する際、ｎ型電極がアルミニウム（Ａｌ）を含有している場合には、ｎ型窒化ガリウム層１２０とｎ型電極１８０との間の界面に圧電層の役割を果たすＡｌＮ層を形成する。
【００１０】
しかしながら、上記のように、ｎ型窒化ガリウム層１２０とｎ型電極１８０との間の界面にＡｌＮ層が形成されれば、圧電効果がｎ型電極を向くように形成されるため、接触抵抗が増加するという問題がある。これは、従来からいろいろな学術文献、例えば非特許文献１［「Ｔｉ／Ａｌ接点の自立ｎ−ＧａＮ基板への結晶極性依存性」アプライド・フィジクス・レターズ  第７９巻（２００１年）第３２５４〜３２５６頁（ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．７９（２００１），ｐｐ  ３２５４〜３２５６，「Ｃｒｙｓｔａｌ−ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｔｉ/Ａｌ  ｃｏｎｔａｃｔｓ  ｔｏ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ｎ−ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」］及び非特許文献２［「有機金属化学気相堆積法により成長させたＧａ面およびＮ面フィルムにおけるバンドの曲がりの特徴付け」アプライド・フィジクス・レターズ  第８０巻（２００２年）第３９５５〜３９５７頁（ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．８０（２００２），ｐｐ  ３９５５〜３９５７，「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂａｎｄ  ｂｅｎｄｉｎｇｓ  ｏｎ  Ｇａ−ｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｎ−ｆａｃｅ  ＧａＮ  ｆｉｌｍｓ  ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）］などを通じて当業者にとって自明に知られている。
【００１１】
また、前記従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子のｎ型窒化ガリウム層１２０は、アンドープのＧａＮ層にＳｉなどのｎ導電型の不純物を注入して形成するため、高いドーピング濃度を有する。
【００１２】
【非特許文献１】「Ｔｉ／Ａｌ接点の自立ｎ−ＧａＮ基板への結晶極性依存性」アプライド・フィジクス・レターズ  第７９巻（２００１年）第３２５４〜３２５６頁（ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．７９（２００１），ｐｐ  ３２５４〜３２５６，「Ｃｒｙｓｔａｌ−ｐｏｌａｒｉｔｙ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  Ｔｉ/Ａｌ  ｃｏｎｔａｃｔｓ  ｔｏ  ｆｒｅｅｓｔａｎｄｉｎｇ  ｎ−ＧａＮ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ」
【非特許文献２】「有機金属化学気相堆積法により成長させたＧａ面およびＮ面フィルムにおけるバンドの曲がりの特徴付け」アプライド・フィジクス・レターズ  第８０巻（２００２年）第３９５５〜３９５７頁（ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  Ｖｏｌ．８０（２００２），ｐｐ  ３９５５〜３９５７，「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂａｎｄ  ｂｅｎｄｉｎｇｓ  ｏｎ  Ｇａ−ｆａｃｅ  ａｎｄ  Ｎ−ｆａｃｅ  ＧａＮ  ｆｉｌｍｓ  ｇｒｏｗｎ  ｂｙ  ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記ｎ型窒化ガリウム層１２０が高いドーピング濃度を有する場合、前記ｎ型窒化ガリウム層１２０と接する前記ｎ型電極１８０の下方部のみに電流集中（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｒｏｗｄｉｎｇ）現象が発生して、電流が活性層１３０の全体に拡散できず、ＬＥＤ素子の光生成効率を低下させ、素子の寿命を短縮させるという問題がある。
【００１４】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｎ型電極と接触する窒化ガリウム系半導体層の表面極性を制御して、接触抵抗及び動作電圧を低くし、電流分散効果を向上させて、高出力特性を確保する垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、上記の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子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】
【００１６】
上記目的を達成すべく、本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子によれば、ｎ型電極と、前記ｎ型電極の下面に形成されているＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層の下面に形成され、前記ＡｌＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層を提供するアンドープのＧａＮ層と、前記アンドープのＧａＮ層の下面にｎ型窒化ガリウム層、活性層、ｐ型窒化ガリウム層が順次形成された窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物と、前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物の下面に形成されているｐ型電極と、前記ｐ型電極の下面に形成されている導電性基板と、を備える。
【００１７】
また、上記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記ｎ型電極と接する前記ＡｌＧａＮ層の表面が、Ｇａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧａ面（Ｇａ−ｆａｃｅ）構造を有することが好ましい。これにより、前記ｎ型電極の接触抵抗を下げることができるのみならず、圧電効果がｎ型電極の反対方向である前記ＡｌＧａＮ層を向くように形成され、前記ＡｌＧａＮ層下に形成された２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）の電流拡散効果を大きく向上させることができる。
【００１８】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記ｐ型電極又はｐ型電極と前記導電性基板との間の界面に形成された導電性接合層をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記アンドープのＧａＮ層が、５０〜５００Åの範囲の厚さを有し、前記ＡｌＧａＮ層が、結晶性を考慮して、Ａｌの含有量が１０〜５０％の範囲となるように形成されることが好ましい。この場合、前記ＡｌＧａＮ層が、２次元電子ガス層の形成のために、５０〜５００Åの範囲の厚さを有するように形成する。
【００２０】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記ＡｌＧａＮ層が、アンドープのＡｌＧａＮ層又はＳｉのようなｎ型不純物でドープされたＡｌＧａＮ層であることが好ましい。
【００２１】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子において、前記ＡｌＧａＮ層が、不純物としてシリコン又は酸素を含む。前記酸素は、Ｓｉのようなドナーとして作用でき、このような酸素は、自然酸化により含有され得るが、故意にＡｌＧａＮ層を酸素雰囲気中でアニールすることによって充分な酸素含有量を確保するのが好ましい。
【００２２】
また、本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法によれば、サファイア基板上に窒化ガリウム系バッファ層を形成するステップと、前記バッファ層上に、結晶性の確保のために、アンドープのＧａＮ層を形成するステップと、前記アンドープのＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を形成するステップと、前記ＡｌＧａＮ層の接合界面に２次元電子ガス層が形成されるように、前記ＡｌＧａＮ層上にアンドープのＧａＮ層を形成するステップと、前記アンドープのＧａＮ層上にｎ型窒化ガリウム層、活性層、ｐ型窒化ガリウム層を順次形成することにより、窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物を形成するステップと、前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物上にｐ型電極を形成するステップと、前記ｐ型電極上に導電性基板を接合するステップと、前記サファイア基板及びバッファ層をＬＬＯ工程により除去した後、化学的機械的研磨工程によりアンドープのＧａＮ層を除去するステップと、前記アンドープのＧａＮ層が除去されたＡｌＧａＮ層上にｎ型電極を形成するステップと、を含む。
【００２３】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記サファイア基板上に窒化ガリウム系バッファ層を形成するステップの前に、前記サファイア基板上に基板上面と接触するバッファ層の表面がＧａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧ面構造を有するように前処理を行うことが好ましい。これは、前記ｎ型電極と接する前記ＡｌＧａＮ層の表面がＧａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧ面構造を持たせるためである。
【００２４】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を利用した前処理が、３０秒〜１２０秒間行われることが好ましい。
【００２５】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ＡｌＧａＮ層を形成するステップ後に、酸素雰囲気中で前記ＡｌＧａＮ層をアニールするステップをさらに含むことが好ましい。
【００２６】
また、前記本発明の垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法において、前記ｐ型電極上に導電性基板を接合するステップの前に前記ｐ型電極上に反射膜を形成するステップをさらに含むことが好ましい。
【００２７】
このように、本発明は、ｎ型電極と接触する窒化ガリウム半導体層の接触抵抗を低くするために、ｎ型窒化ガリウム層上に２次元電子ガス２ＥＤＧ層構造を採用する。特に、２ＤＥＧ構造の最上層であるＡｌＧａＮ層の上部表面すなわち、ｎ型電極と接触するＡｌＧａＮ層の表面がＧ面を有するようにして、圧電効果がｎ型電極の反対方向である前記ＡｌＧａＮ層を向くようにすることで、接触抵抗を低くすると共に、電流拡散効果も大きく改善させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ｎ型電極とｎ型窒化ガリウム層との間に、ＡｌＧａＮ／アンドープのＧａＮの異種接合構造を採用して、２次元電子ガス層を形成することによって、ｎ型窒化ガリウム層の接触抵抗を最小化し、垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の動作電圧を低くし、電流拡散効果の向上が可能であるという利点がある。
【００２９】
また、本発明は、２次元電子ガス層により、高いキャリア移動度とキャリア濃度の保障が可能であるため、電流注入の効率面において顕著な効果を発揮する。
【００３０】
また、本発明は、ｎ型電極と接触するＡｌＧａＮ層の表面をウルツ鉱構造の［０００１］方向を有するＧ面極性を有するように形成し、ｎ型電極の接触抵抗をさらに低くすると共に、Ｇ面極性による圧電現象により、２次元電子ガス層の濃度を増加させて電流拡散効果をさらに向上させることによって、高出力特性を確保する垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を提供できる。
【００３１】
したがって、本発明は、垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の特性及び信頼性の向上が可能であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３３】
図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。明細書全体を通じて類似の部分に対しては、同じ図面符号を付する。
【００３４】
以下、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子、及びその製造方法について、添付図面に基づき詳細に説明する。
【００３５】
＜垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造＞
図４〜図６を参照して、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造について、詳細に説明する。
【００３６】
図４は、本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図であり、図５は、図４に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合バンドの構造を示すエネルギーバンド図であり、図６は、ウルツ鉱構造のＧａＮ極性に応じる電界方向と２次元電子ガス層の位置を示す図である。
【００３７】
まず、図４に示すように、本発明に係る垂直構造窒化物系半導体ＬＥＤの最上部には、Ｔｉ/Ａｌなどからなるｎ型電極１８０が形成されている。
【００３８】
前記ｎ型電極１８０の下面には、異種物質であるＡｌＧａＮ層２１０とアンドープのＧａＮ層２２０が下に順次積層されているＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造が形成されている。これは、前記ｎ型電極１８０の接触抵抗を低くし、電流分散効果を向上させるためのものである。
【００３９】
以下、図５を参照して、上述したように、異種物質であるＡｌＧａＮ層２１０とアンドープのＧａＮ層２２０が下に順次積層されているＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造について、さらに詳細に説明する。
【００４０】
図５に示すように、前記アンドープのＧａＮ層２２０は、ＡｌＧａＮ層２１０とのエネルギーバンド不連続性により、その界面に２次元電子ガス層２３０を有する。したがって、前記２次元電子ガス層２３０においては、高いキャリア移動度（約１５００ｃｍ2／Ｖｓ）が保障されるので、電流分散効果をさらに大きく改善させることができる。
【００４１】
このような２次元電子ガス層２３０の好ましい形成条件は、前記アンドープのＧａＮ層２２０とＡｌＧａＮ層２１０の各厚（図４のｔ１、ｔ２参照）と、前記ＡｌＧａＮ層２１０のＡｌ含有量にて説明できる。
【００４２】
さらに詳細に、前記アンドープのＧａＮ層２２０の厚さｔ１は、約５０〜５００Åの範囲であることが好ましく、本実施の形態では、８０〜２００Åの範囲の厚さを有するように形成している。
【００４３】
また、前記ＡｌＧａＮ層２１０の厚さｔ２は、Ａｌの含有量によって変更できるが、Ａｌ含有量の多い場合には、結晶性が低下する恐れがあるので、前記ＡｌＧａＮ層２１０のＡｌ含有量は、１０〜５０％の範囲に限定することが好ましく、このようなＡｌ含有量条件において、前記ＡｌＧａＮ層２１０の厚さは、約５０〜５００Åの範囲であることが好ましく、本実施の形態では、５０〜３５０Åの範囲の厚さを有するように形成している。
【００４４】
また、本発明において、２次元電子ガス層２３０の形成のためのＡｌＧａＮ層２１０としては、ｎ型ＡｌＧａＮ層だけでなく、アンドープのＡｌＧａＮ層も採用できる。このとき、ｎ型ＡｌＧａＮ層を形成する場合には、ｎ型不純物としてＳｉを使用することができる。
【００４５】
また、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮ層構造による２次元電子ガス層２３０は、比較的高いシートキャリア濃度（約１０１３／ｃｍ2）が保障されるが、さらに高いキャリア濃度のために、追加的に酸素を不純物として採用できる。
【００４６】
このように、本発明では、ｎ型電極１８０の下面とｎ型窒化ガリウム層１２０の上面との間にＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造を採用することによって、２次元電子ガス層２３０を利用した電流拡散により、電流集中の問題を大きく改善できる。
【００４７】
一方、一般に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合構造において、ＧａＮ上にＡｌＧａＮを成長させる場合、ＧａＮよりＡｌＧａＮの格子常数が小さいため、ＡｌＧａＮ層は、格子不整合による引張力（ｔｅｎｓｉｌｅ  ｓｔｒａｉｎ）を受け、それによって圧電効果（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ）により分極が発生する。
【００４８】
ところが、前記圧電効果により発生した分極の方向は、ＧａＮとＡｌＧａＮの結晶方向すなわち、ＧａＮの極性に応じて変化し、これは前記２次元電子ガス層２３０の電子分布方向も変化させる。
【００４９】
すると、以下、図６及び上述の図３を参照して、前記ｎ型電極と接触する前記ＡｌＧａＮ層の表面のＧａＮ極性すなわち、Ｎ面（Ｎ−ｆａｃｅ）及びＧａ面に応じるＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合構造の特性について、さらに詳細に説明する。
【００５０】
まず、図３に示すように、ウルツ鉱構造のＧａＮ極性は、（ａ）のように、Ｎ元素の垂直の最上層にＧａ元素が配置される［０００-１］方向の構造を有するＮ面と、（ｂ）のように、Ｇａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置される［０００１］方向の構造を有するＧ面とに分けられる。このとき、［０００１］方向の構造を有するＧ面は、その反対の結晶成長方向である［０００-１］方向の構造を有するＮ面に比べて、表面平坦度が優れている。
【００５１】
また、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合構造は、図６に示すように、ｎ型電極と接触するＡｌＧａＮ層の表面極性に応じて、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）の形成位置が変わる。さらに詳細には、ＡｌＧａＮ層の表面がＮ面を有している場合には、（ａ）のように、２次元電子ガス層がＡｌＧａＮ層上に形成され、ＡｌＧａＮ層の表面がＧａ面を有している場合には、（ｂ）のように、２次元電子ガス層がＡｌＧａＮ層下に形成される。
【００５２】
上述のように、ＡｌＧａＮ層の表面がＮ面を有する場合（図６の（ａ）参照）には、圧電効果がｎ型電極と接触するＡｌＧａＮ層の上部方向に形成されるため、２次元電子ガス層の濃度を減少させるという逆効果を引き起こす。
【００５３】
これにより、本実施の形態では、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮ異種接合構造をなすＡｌＧａＮ層２１０の表面が、Ｇａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧ面を有するように形成されていることが好ましく、それによって、２次元電子ガス層の濃度を増加させることができるため、電流拡散効果をさらに向上させることができる。
【００５４】
前記ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造をなすアンドープのＧａＮ層２２０の下面には、ｎ型窒化ガリウム層１２０と、活性層１３０及びｐ型窒化ガリウム層１４０が下に順次積層されている窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物が形成されている。
【００５５】
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のうち、ｎ型又はｐ型窒化ガリウム層１２０、１４０は、各導電型不純物がドープされたＧａＮ層又はＧａＮ／ＡｌＧａＮ層であってもよく、活性層１３０は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ層で構成された多重量子井戸構造（Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）であってもよい。
【００５６】
前記窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物のｐ型窒化ガリウム層１４０の下面には、ｐ型電極１５０が形成されている。一方、図示していないが、前記ｐ型窒化ガリウム層１４０の下面には、ｐ型電極及び反射膜が下へ順次積層されている構造を有することができ、反射膜を備えていない場合には、ｐ型電極が反射膜の役割を果たす。
【００５７】
前記ｐ型電極１５０の下面には、導電性接合層１６０により導電性基板１７０が接合されている。このとき、前記導電性基板１７０は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての役割を果たすものであって、シリコン（Ｓｉ）基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板又は金属層などからなる。ここで、前記金属層は、電解メッキ、無電解メッキ、熱蒸着（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、電子線蒸着（ｅ−ｂｅａｍ  ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、スパッタ（Ｓｐｕｔｔｅｒ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）などの方式を介して形成されたものが使用可能である。
【００５８】
＜垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法＞
本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法について、図７Ａ〜図７Ｄを参照して詳細に説明する。
【００５９】
図７Ａ〜図７Ｄは、本発明の一実施の形態に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を説明するために順次に示した工程を説明するための断面図である。
【００６０】
まず、図７Ａに示すように、基板１００の表面にＴＭＧａ［Ｔｒｉｍｅｔｈｙｌｇａｌｌｉｕｍ（トリメチルガアリウム）］を利用して、前処理（ｐｒｅ−ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）工程を行う。前記前処理工程は、基板１００の表面にＴＭＧａを３０秒〜１２０秒間噴射して行うことが好ましい。これは、後続工程により前記基板１００と接触する窒化ガリウム系バッファ層の表面が、Ｇａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置されるＧ面構造を有するようにするためである。このとき、前記基板１００は、窒化物半導体単結晶を成長させるのに適した基板であって、サファイア基板及びシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板のような異種基板又は窒化物基板のような同種基板であってもよい。
【００６１】
次に、図７Ｂに示すように、前記ＴＭＧａで前処理された基板１００上に、ＭＯＣＶＤ及びＭＢＥ工程のような公知の窒化物蒸着工程により、窒化ガリウム系バッファ層１１０とアンドープのＧａＮ層（図示せず）を結晶させる。このとき、前記バッファ層１１０上に形成されたアンドープのＧａＮ層は、後続工程により結晶成長される層に対する結晶性を確保するためのものである。
【００６２】
その後に、前記アンドープのＧａＮ層上（図示せず）に、ＡｌＧａＮ層２１０とアンドープのＧａＮ層２２０が順次積層されている異種接合構造を形成する。
【００６３】
前記ＡｌＧａＮ層２１０とアンドープのＧａＮ層２２０は、上述した窒化物層の蒸着工程が行われるチャンバー内で連続して行われることができる。また、２次元電子ガス層２３０の形成のために、アンドープのＧａＮ層２２０の厚さは、５０〜５００Åの範囲にし、前記ＡｌＧａＮ層２１０は、好ましいＡｌ含有量を考慮し、５０〜５００Åの範囲にすることが好ましい。前記ＡｌＧａＮ層２１０は、好ましいＡｌ含有量を考慮し、過度なＡｌ含有量による結晶性の低下を防止するために、１０〜５０％の範囲に限定することが好ましい。
【００６４】
追加的に、前記ＡｌＧａＮ層２１０は、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型ＡｌＧａＮ物質であるが、これに限定されず、アンドープのＡｌＧａＮ層を使用することもできる。
【００６５】
次に、前記異種接合構造をなすアンドープのＧａＮ層２２０上に、Ｎ型窒化ガリウム層１２０、活性層１３０、ｐ型窒化ガリウム層１４０を順次に結晶成長させ、窒化ガリウム系ＬＥＤ構造物を形成する。このとき、前記基板１００と接するバッファ層１１０の表面は、基板１００の表面がＴＭＧａで前処理されているため、Ｇａ元素の垂直の最上層にＮ元素が配置される［０００１］方向の構造のＧ面を有する（図３（ｂ）参照）。
【００６６】
次に、前記ｐ型窒化ガリウム層１４０上にｐ型電極１５０を形成し、このとき、前記ｐ型電極１５０は、反射膜の役割を果たすことが可能である。一方、前記ｐ型電極１５０上に別の反射役割を果たす反射膜（図示せず）を形成することができる。
【００６７】
その後、前記ｐ型電極１５０上に導電性接合層１６０を形成する。このとき、前記導電性接合層１６０は、導電性基板１７０を共融（ｅｕｔｅｃｔｉｃ）接合法で付着するために形成するものである。
【００６８】
次に、前記導電性接合層１６０に所定の温度と圧力を加えて、前記導電性接合層１６０上に前記導電性基板１７０を接合する。このとき、前記導電性基板１７０は、最終的なＬＥＤ素子の支持層及び電極としての役割を果たすものであり、シリコン（Ｓｉ）基板、ＧａＡｓ基板、Ｇｅ基板又は金属層などを使用することができる。ここで、前記金属層は、電解メッキ、無電解メッキ、熱蒸着、電子線蒸着、スパッタ、化学気相蒸着などの方式により形成できる。
【００６９】
次に、図７Ｃに示すように、ＬＬＯ工程により前記サファイア基板１００とバッファ層１１０を除去した後、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）工程により結晶性の確保のために成長させたアンドープのＧａＮ層（図示せず）を除去することによって、ＡｌＧａＮ層２１０の表面を露出させる。このとき、露出された前記ＡｌＧａＮ層２１０の表面は、前記ＴＭＧａで前処理された基板１００上に形成され、基板１００と接触する表面がＧ面極性を有するバッファ層１１０上に結晶成長させ形成されるので、バッファ層１１０と同様に、Ｇ面極性を有する。
【００７０】
次に、図７Ｄに示すように、前記露出されたＡｌＧａＮ層２１０上にｎ型電極１８０を形成し、後にレーザースクライブ、ウェットエッチング又はドライエッチング工程により、素子分離工程を行うか、又は素子分離工程後に前記ｎ型電極１８０を形成することによって、垂直型構造を有する窒化ガリウム系ＬＥＤ素子を形成する。
【００７１】
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図２】従来の技術に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図３】ウルツ鉱型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）構造のＧａＮ極性を示す結晶構造図である。
【図４】本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の構造を示す断面図である。
【図５】図４に示された垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子に採用されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合バンドの構造を示すエネルギーバンド図である。
【図６】ウルツ鉱型構造のＧａＮ極性に応じる電界方向と２次元電子ガス層の位置を示す図である。
【図７Ａ】本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図７Ｂ】本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図７Ｃ】本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【図７Ｄ】本発明に係る垂直構造の窒化ガリウム系ＬＥＤ素子の製造方法を順次に示す工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１００    基板
１１０    バッファ層
１２０    ｎ型窒化ガリウム層
１３０    活性層
１４０    ｐ型窒化ガリウム層
１５０    ｐ型電極又はｐ型電極及び反射膜
１６０    導電性接合層
１７０    導電性基板
１８０    ｎ型電極
２１０    ＡｌＧａＮ層
２２０    アンドープのＧａＮ層
２３０    ２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）
【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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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