(57)【要約】【課題】  高品質でしかも低コストとされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を提供すること。【解決手段】  ｎ型コンタクト層３などの窒化化合物半導体と格子定数が近いとされるＺｎＯ単結晶からなる基板上にバッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７を順々に積層することで高品質の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を形成するようにした。このとき、ＺｎＯ単結晶の基板１１に導電性を持たせることで、基板１１にｎ型電極９を形成することができるため、ｎ型コンタクト層３上に、ｎ型電極９を形成する場合より、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面サイズを小さくすることができる。これにより、１枚の基板１１から取れる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の数を増やすことで製品コストを下げるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層からなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層される基板を酸化亜鉛単結晶により形成した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】
前記酸化亜鉛単結晶は、導電性を有す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】
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層からなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
酸化亜鉛単結晶により形成した基板上に、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、前記発光層、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、エッチングにより前記基板を除去するようにした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４】
ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層からなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
酸化亜鉛単結晶により形成した基板上に、前記ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、前記発光層、前記ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、
エッチングにより前記基板を除去する工程と、
を備え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の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば青色発光ダイオードや紫外線発光ダイオードなどの窒化ガリウム系化合物半導体発光素子と、その製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム系化合物半導体を利用した発光素子が各種提案されている（特許文献１〜特許文献４）。
【０００３】
図５は、例えば特許文献４に開示されている窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。
この図５に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（以下、単に「半導体発光素子」と表記する）は、サファイア、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｉＣ、Ｓｉ等からなる基板１０１上に、ｎ型コンタクト層３との格子不整合を緩和するバッファ層２が形成され、このバッファ層２上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４が順に積層される。そしてｎ型クラッド層４上に発光層であるｎ型活性層５が形成される。さらに、このｎ型活性層５上には、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成するｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７が順に積層される。
【０００４】
この場合、ｎ型コンタクト層３上には負電極とされるｎ型電極９が形成され、ｐ型コンタクト層７上には正電極とされるｐ型電極８が形成される。
【０００５】
このような半導体発光素子の各部の材料は、特許文献４などに以下のように記載されている。
先ず、ｎ型コンタクト層３は、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ（窒化ガリウムアルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＩｎＡｌＧａＮ（窒化インジウムアルミニウムガリウム）等のノンドープ（無添加）の窒化ガリウム系化合物半導体、またはノンドープの窒化ガリウム系化合物半導体に、例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｔｅ、Ｓｅなどのｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成長させた層を用いることができる。
【０００６】
ｎ型クラッド層４は、その組成がｎ型ＡｌYＧａ1-YＮによって示されるＩｎを含まない三元混晶の窒化ガリウムアルミニウムとする必要がある。これは、ｎ型クラッド層４に新たにインジウムを含有させると、ｎ型クラッド層４の結晶性が悪くなり、発光出力が低下することによるものとされる。
【０００７】
また、ｎ型クラッド層４は、そのＹ値を０＜Ｙ＜１の範囲に設定することにより、ｎ型クラッド層として好ましいダブルヘテロ構造とすることができる。さらに、このＹ値を０．５以下にすると格子欠陥が少なく結晶性のよいクラッド層とすることができる。
【０００８】
またｎ型クラッド層４は、上記同様、ノンドープのＡｌYＧａ1-YＮ、またはｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成長させたＡｌYＧａ1-YＮを用いることができる。
【０００９】
ｎ型活性層５は、例えばその組成がＩｎZＧａ1-ZＮによって示されるＡｌを含まない三元混晶の窒化インジウムガリウムとする必要がある。これはｎ型活性層５が発光層であり、この発光層にＡｌを含有させると深い準位の発光が現れ、ＩｎＧａＮのバンド間発光を阻害する傾向にあるため、活性層として好ましくないことによる。
【００１０】
このようなＩｎZＧａ1-ZＮで示されるｎ型活性層５は、そのＺ値を０＜Ｚ＜１の範囲に設定すると、発光波長を紫色から赤色まで変換することができる。
またｎ型活性層５は、上記同様、ノンドープのＩｎZＧａ1-ZＮ層、またはｎ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成長させたＩｎZＧａ1-Z層を用いることができる。
さらに、ｎ型活性層５は、発光中心としてＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａなどのｐ型ドーパントをドープしてｎ型特性を示すように成長させたＩｎＧａＮ層を使用することもできる。これらのドーパントをドープしてｎ型とすることにより、発光色の色純度を良くして発光出力を向上させることができる。
【００１１】
ｐ型クラッド層６は、上記ｎ型クラッド層４と同様、その組成式にＩｎを含まない三元混晶の窒化ガリウムアルミニウムとする必要がある。
これは先においても述べたように、インジウムを含有させると、ｐ型クラッド層６の結晶性が悪くなり、ｐ型特性を示しにくくなるためである。
【００１２】
また、ＡｌXＧａ1-XＮによって示されるｐ型クラッド層６は、そのＸ値を０＜Ｘ＜０．５の範囲に設定する必要がある。Ｘ値を「０」より大きくすると、ｐ型クラッド層６として好ましいダブルヘテロ構造とすることができる。またＸ値を０．５より小さくすると、より格子欠陥が少なく結晶性のよいクラッド層とすることができる。
【００１３】
なお、ｐ型クラッド層６のＸ値を０．５以上にすると、ｐ型クラッド層６上に積層するｐ型コンタクト層７の結晶性が悪くなり、ｐ型コンタクト層７とｐ型電極８とのオーミック接触が得られなくなるため、Ｘ値を０．５未満に設定することが好ましい。
【００１４】
さらに、ｐ型クラッド層６の膜厚は、１０Å（オングストローム）以上、０．２μｍ以下の範囲にすることが好ましい。これは、ｐ型クラッド層６の膜厚が１０Åより薄いと、その下に積層する活性層５と電気的に短絡しやすくなり、クラッド層として作用しにくくなり、また０．２μｍよりも厚いと結晶にクラックが入りやすくなり、結晶性が悪くなる傾向にあるためである。
【００１５】
さらに、ｐ型クラッド層６において重要なことは、ｐ型ドーパントをＭｇとして、このＭｇによりｐ型特性を得ることにある。Ｍｇのかわりに他のｐ型ドーパント、例えばＺｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ等のｐ型ドーパントをドープすると、ｐ型特性が得られにくくなり、発光出力が低下する傾向にある。
【００１６】
ｐ型コンタクト層７は、その組成をＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶の窒化ガリウムとする必要がある。これはインジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含有させると、ｐ型電極８とオーミック接触が得られにくくなり、発光効率が低下するからである。
【００１７】
特に、ｐ型コンタクト層７は、その膜厚を１０Å以上、０．５μｍ以下に調整することが好ましい。１０Åよりも薄いと、ｐ型クラッド層６と電気的に短絡しやすくなり、コンタクト層として作用しにくくなる。
また、三元混晶（ＧａＡｌＮ）のｐ型クラッド層６の上に、組成の異なる二元混晶（ＧａＮ）のｐ型コンタクト層７を積層するようにしているため、その膜厚を０．５μｍよりも厚くすると、結晶間のミスフィットによる格子欠陥がｐ型コンタクト層７中に発生しやすく結晶性が低下する傾向にある。
【００１８】
なお、ｐ型コンタクト層７は、その膜厚が薄いほど、発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）を低下させ発光効率を向上させることができる。
また、ｐ型コンタクト層７のｐ型ドーパントはＭｇとする必要がある。Ｍｇのかわりに他のｐ型ドーパントをドープするとｐ型特性が得られにくくなる傾向にあり、またオーミック接触が得られにくい傾向にある。
【００１９】
また、ｎ型コンタクト層３とオーミックが得られやすいｎ型電極９の電極材料にはＴｉとＡｌを含む金属材料が好ましく、ｐ型コンタクト層７とオーミック接触が得られやすいｐ型電極８の電極材料にはＮｉとＡｕを含む金属材料が好ましい。
【００２０】
【特許文献１】特許第２７７０７２０号
【特許文献２】特許第２７３５０５７号
【特許文献３】特許第２７４８８１８号
【特許文献４】特許第２７７８４０５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ところで、上記したような半導体発光素子では、上記特許文献４などに基板１０１として、サファイアやＳｉＣ、Ｓｉの他にＺｎＯを用いることができる旨が記載されている。
しかしながら、実際には、これまで高品質とされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製に不可欠な２インチ程度の大きさを有するＺｎＯ単結晶は存在しないものであった。このため、ＺｎＯ単結晶を用いて半導体発光素子の基板１０１を作製することはできない。
【００２２】
また、基板１０１の基板材料は絶縁材料とされるため、ｎ型コンタクト層３にｎ型電極９を形成するには、ｐ型コンタクト層７のｐ型電極８と同一面側に形成せざるを得ない。このため、図４に示したような半導体発光素子を形成するにあたっては、ｎ型コンタクト層３にｎ型電極９を形成するだけのスペースが必要になり、半導体発光素子のチップサイズが大きくなる。
これにより、１枚の基板（ウェファー）上に形成できる発光素子数が少なくなり、これがコストアップの要因になっていた。
【００２３】
そこで、本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、高品質とされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の提供を目的とする。また、高品質でしかも低コストとされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子とその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を達成するため、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層からなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層される基板を酸化亜鉛単結晶により形成するようにした。
そして酸化亜鉛単結晶は導電性を有することとした。
【００２５】
また本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層からなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、酸化亜鉛単結晶により形成した基板上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、エッチングにより基板を除去するようにした。
【００２６】
また本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層からなる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、酸化亜鉛単結晶により形成した基板上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を順次積層して窒化ガリウム系化合物半導体層を形成する工程と、エッチングにより基板を除去する工程とを備えることとした。
【発明の効果】
【００２７】
上記したような本発明によれば、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層が積層される基板に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層と格子定数が近い酸化亜鉛単結晶を用いたことで、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶品質を高めることができ、高品質の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を実現することができる。
【００２８】
また、酸化亜鉛単結晶に導電性を持たせることで、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極を基板に形成することが可能になる。この場合、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層に対して電極を形成するより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の平面サイズを小さくすることができる。
これにより、１枚の基板から取れる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の数を増やすことができ、製品コストを下げることができる。
【００２９】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、酸化亜鉛単結晶により形成した基板上に、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、基板をエッチングにより除去するようにしている。これにより、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極を、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極の反対面側に形成することが可能になる。
このようにすれば、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極を、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層の電極と同一面側に形成するより、平面サイズを小さくすることができる。これにより、１枚の基板から取れる取れる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の数を増やすことができ、製品コストを下げることができる。
【００３０】
また、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、基板を酸化亜鉛単結晶により形成しているので、エッチングにより基板を容易に除去することができる。従って、基板を除去することにより窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を容易に薄型化すること可能になる。
【００３１】
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、酸化亜鉛単結晶により形成した基板上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、エッチングより基板を除去することができるので、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を容易に製造することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態としての窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。なお、上記図５と同一部位には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００３３】
この図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体発光素子（以下、単に「半導体発光素子」と表記する）は、酸化亜鉛単結晶からなるＺｎＯ単結晶基板１上に窒化ガリウム系化合物半導体層（以下、単に「半導体層」と表記する）を形成するようにしている。
この場合、ＺｎＯ単結晶基板１上には、先ず、半導体層を構成しているｎ型コンタクト層３との格子不整合を緩和するためのバッファ層２が積層されている。
【００３４】
バッファ層２上には、ｎ型コンタクト層３とｎ型クラッド層４とが順に積層されて、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されている。
そして、ｎ型クラッド層４上には、ｎ型活性層５が積層されて発光層が形成されている。
さらに、ｎ型活性層５上には、ｐ型クラッド層６とｐ型コンタクト層７とが順に積層されて、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層が形成されている。
この場合、ｎ型コンタクト層３には、図示するように、負電極とされるｎ型電極９が形成されている。また、ｐ型コンタクト層７には、正電極とされるｐ型電極８が形成されている。
【００３５】
なお、本実施の形態のように、ＺｎＯ単結晶基板１を用いて半導体発光素子を形成する場合は、基板とｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層との格子定数が比較的近くなるため、必ずしもバッファ層２を形成する必要はない。
【００３６】
このように、図１に示す半導体発光素子は、窒化物半導体との間で、サファイアより格子定数が近いとされる酸化亜鉛（ＺｎＯ）単結晶から作製した基板上にＰＮ接合型の半導体層を形成するようにしている。このようにして半導体発光素子を形成すると、格子定数の不一致による格子欠陥がほとんど無く、結晶品質が極めて高いｎ型コンタクト層３を形成することが可能になる。
【００３７】
また、この場合は、例えば半導体表面に絶縁膜を挟んで金属電極を対向させた、いわゆるＭＩＳ構造の発光素子に比べて格段に発光出力を向上させることができる。
【００３８】
図２は、第２の実施の形態としての半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。なお、上記図１及び図５と同一部位には同一番号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図２に示す半導体発光素子は、導電性を有する導電性ＺｎＯ単結晶基板１１上に半導体層が形成されている。
導電性ＺｎＯ単結晶基板１１上には、上記同様、バッファ層２、ｎ型クラッド層４、ｎ型活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７が順次積層される。
この場合、ｐ型電極８は、上記同様、ｐ型コンタクト層７上に形成されているが、ｎ型電極９は、図示するように、導電性ＺｎＯ単結晶基板１１の反対面側、つまり、半導体層が積層されていない面側に形成されている。
【００４０】
なお、上記したような導電性ＺｎＯ単結晶基板１１は、例えばＺｎＯ単結晶を育成する際に、例えばインジウムなどをドープすれば、つまり不純物を加えれば、形成することができる。
【００４１】
このようにして基板１１を構成すれば、例えばサファイア基板やＺｎＯ単結晶などの絶縁基板のように、ｎ型電極９をｎ型コンタクト層３上でｐ型コンタクト層７のｐ型電極８と同一面側に形成する必要がないため、それだけ、半導体発光素子のチップサイズを小型化することが可能になる。
【００４２】
この結果、１枚の基板から作製できる半導体発光素子の数を増やすことができので、それだけ製品コストを下げることができるという効果が得られる。
またｎ型電極９を形成するためのｎ型コンタクト層３も不要になるため、製造工程の簡略化を図ることができ、この点からも製品コストを下げることができる。
【００４３】
図３は、第３の実施の形態としての半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。なお、上記図１及び図５と同一部位には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
この図３に示す半導体発光素子は、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７を順次積層したうえで、ｐ型コンタクト層７上にｐ型電極８を形成し、バッファ層２の下側にｎ型電極９を形成するようにしている。
つまり、この図３に示す半導体発光素子は、ベースとなる基板を取り除いた構造となっている。そして、このよう構造の半導体発光素子では、基板が無い分、これまでより半導体発光素子の厚さを薄くでき、より一層の小型化を図ることが可能になる。
【００４５】
ここで、上記図３に示した半導体発光素子の製造手順を図４を用いて簡単に説明しておく。
先ず、図４（ａ）に示すように、ＺｎＯ単結晶基板１の上に、バッファ層２として、例えば０．２μｍ程度の膜厚の窒化ガリウム（ＧａＮ）を積層する。
次に、図４（ｂ）に示すように、ｎ型のＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３、ｎ型の窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）よりなるｎ型クラッド層４、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）よりなるｎ型活性層５、ｐ型のＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層６、ｐ型のＧａＮよりなるｐ型コンタクト層７を順に積層していく。これにより、ＺｎＯ単結晶基板１上に半導体層を形成するようにしている。
【００４６】
次いで、上記半導体層が形成されたＺｎＯ単結晶基板１を、例えば塩酸などの酸性のエッチング溶液に浸すことにより、ＺｎＯ単結晶基板１を除去することで、図４（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板１を取り除いた半導体層を得るようにしている。
【００４７】
この後、図４（ｄ）に示すように、ｐ型コンタクト層７の表面にＮｉとＡｕを含む電極材料を蒸着してｐ型電極８を形成すると共に、バッファ層２の表面にＴｉとＡｌを含む電極材料を蒸着してｎ型電極９を形成することで、上記図３に示したような半導体発光素子を構成することができる。
【００４８】
このような図４に示す半導体発光素子の製造方法は、ベースとなる基板をＺｎＯ単結晶基板１により形成したことで実現されるものである。
これは、ベースとなる基板をＺｎＯ単結晶により形成すると、例えば酸性のエッチング溶液によりＺｎＯ単結晶を簡単に除去することができ、上記図４に示したような製造手順で、図３に示した半導体発光素子を容易に作製することができるからである。
【００４９】
因みに、半導体発光素子のベースとなる基板をサファイアとした場合、サファイアは硬度が高く、またエッチング等により除去することができないため、基板と、基板上に形成された半導体層とを分離することが非常に困難とされる。
このため、上記図４に示したような製造方法では、図３に示したような半導体発光素子を作製することはできないことを付記しておく。
【００５０】
なお、これまで説明した本実施の形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構造はあくまでも一例であり、窒化ガリウム系化合物半導体層が、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層、発光層、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層から構成したものであれば、他の構造の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子にも適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施の形態とされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。
【図２】第２の実施の形態とされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。
【図３】第３の実施の形態とされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。
【図４】第３の実施の形態とされる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造手順を模式的に示した図である。
【図５】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  ＺｎＯ単結晶基板、２  バッファ層、３  ｎ型コンタクト層、４  ｎ型クラッド層、５  ｎ型活性層、６  ｐ型クラッド層、７  ｐ型コンタクト層、８  ｐ型電極、９  ｎ型電極、１１  導電性ＺｎＯ単結晶基板
【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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