(57)【要約】【課題】発光部と基板との間に光反射多層膜を設けた構造で、発光波長４００nm以下での高い発光出力を可能とする、製品歩留りの良い、窒化物系化合物半導体発光素子用のエピタキシャルウェハの構造を得る。【解決手段】基板１上に、組成がＧａＮから成る第一の窒化物系化合物半導体層２を積層し、その上に超格子からなる半導体多層膜反射鏡層３を形成し、その上に、組成がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から成るｐ型およびｎ型のクラッド層を有する発光素子構造４を形成した発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記半導体多層膜反射鏡層３が、４００nm以下の発光波長に対する反射波長帯域を持つべく、少なくとも２種類以上の反射波長の異なる超格子の積層体からなり、各超格子が、それぞれ屈折率および光吸収係数が異なり、組成がＡｌxＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である２種類の半導体層を一対とする複数層から構成されている構造とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、組成がＧａＮから成る第一の窒化物系化合物半導体層を積層し、その上に超格子からなる半導体多層膜反射鏡層を形成し、その上に、組成がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から成るｐ型およびｎ型のクラッド層を有する発光素子構造を形成した発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
上記半導体多層膜反射鏡層が、４００nm以下の発光波長に対する反射波長帯域を持つべく、少なくとも２種類以上の反射波長の異なる超格子の積層体からなり、各超格子が、それぞれ屈折率および光吸収係数が異なり、組成がＡｌxＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である２種類の半導体層を一対とする複数層から構成されていることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
上記第一の窒化物系化合物半導体層の転位密度が７．０×１０8cm-2以下であることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
上記半導体多層膜反射鏡層の各超格子がＡｌＧａＮとＧａＮを一対とする複数層から成ることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子用エピタキシャルウェハ、特に発光波長４００nm以下の発光出力の高い半導体発光素子が得られる発光素子用エピタキシャルウェハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮなどの窒化物系化合物半導体は、赤色から紫外線の発光が可能な発光素子材料として注目を集めている。
【０００３】
半導体エピタキシャル成長において最も簡単な方法は、成長する半導体と同一材料からなる単結晶基板上にエピタキシャル成長させることである。しかしながら、窒化物系化合物半導体の単結晶基板を得ることが困難であったり、コストの面で産業的に用いられない等の理由により、異種材料基板上へ成長せざるを得ない状況が続いている。窒化物系化合物半導体の成長に用いる異種材料基板としては、サファイア、炭化珪素などが一般的であり、異種材料基板を用いることから窒化物系化合物半導体結晶中に結晶欠陥が発生する。
【０００４】
窒化物系化合物半導体よりなる、レーザダイオード素子（ＬＤ）および発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の発光素子の輝度は、発光部の発光効率や素子外部への光の取り出し効率等に依存し、これらの効率をより高くすることでより高い輝度の発光素子を得ることができる。
【０００５】
このうち、素子外部への光の取り出し効率を高める手段としては、光反射多層膜を設けることが最も有効なものの１つである（例えば、特許文献１、４参照）。発光部からの光は、光出射面に向かうものもあるが基板へ向かうものもあり、基板へ向かった光の多くは基板により吸収される。そこで、発光部と基板との間に光反射多層膜を設けることにより基板へ向かう光を反射させて出射面へと向かわせることが可能となる（例えば、特許文献１参照）。この光反射多層膜は異なる屈折率を有する２種類の材料膜を一対として適切な厚みで交互に積層したものからなる。
【０００６】
また、従来のサファイア基板上にエピタキシャル成長で作製した窒化物系化合物半導体素子では、まずサファイア基板上に高品質のＧａＮ層を形成し、その上に直ちに発光素子構造を形成するか（例えば、特許文献２参照）、あるいはバッファ層（低温成長層）の上に多層膜反射層が形成される（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００３−１０７２４１号公報（段落番号００４０、図４）
【特許文献２】特開２０００−２６１０３７号公報（段落番号００３６、図１）
【特許文献３】特開２００３−１０１１４１号公報（段落番号００３７、００４６、図１）
【特許文献４】特開平９−２３２６３１号公報（段落番号０００６、００３８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来のサファイア基板上にエピタキシャル成長で作製した窒化物系化合物半導体素子では、多くの場合、まずサファイア基板上に高品質のＧａＮ層を形成し、その上に発光素子構造を形成していた。しかし、発光波長が４００nm以下になると光がＧａＮ層で吸収され、外部量子効率が低下してしまう。
【０００８】
また、サファイア基板上に４００nm以下において光吸収の影響を抑える為に、サファイア基板上にＡｌＧａＮ等の４００nm以下の発光波長においても吸収の起こらないより高いバンドギャップエネルギーを有する層を形成することも可能であるが、ＡｌＧａＮ層をサファイア基板上にエピタキシャル成長すると結晶欠陥がＧａＮ層よりも多数発生する。サファイア基板上に高品質のＡｌＧａＮ層を成長させる研究もなされているが、ＡｌＧａＮ結晶中の欠陥を低減する為に複雑なプロセス工程を必要とする。また、サファイア基板上に結晶欠陥の少ないＧａＮを成長させ、その上にＡｌＧａＮを成長させ発光素子構造を形成した後に、レーザ剥離や研磨等によってサファイア基板／ＧａＮ層を発光素子から剥がす方法も行なわれているが、複雑なプロセスを有する為にコストがかかり産業的に不向きである。
【０００９】
そこで、従来のサファイア基板上の窒化物系化合物半導体素子に対して、高い発光出力を有し、且つ複雑なプロセスを要さずに、発光波長４００nm以下の窒化物系化合物半導体発光素子を製造し得る発光素子用エピタキシャルウェハの構造が望まれる。
【００１０】
この要請の解決には、素子外部への光の取り出し効率を高める手段として、上記光反射多層膜を設けることが最も有効であり、発光部と基板との間に光反射多層膜を設けることにより基板へ向かう光を反射させて出射面へと向かわせることが可能となる。
【００１１】
この光反射多層膜は異なる屈折率を有する２種類の材料膜を一対として適切な厚みで交互に積層したものからなるが、全ての層を単一の周期で積層するとその反射スペクトルが狭帯域となって反射波長領域が狭くなる。反射波長領域が狭くなると、結晶成長速度等の変動により反射波長が発光波長からずれやすくなって製品歩留りが悪くなる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光部と基板との間に光反射多層膜を設けた構造で、発光波長４００nm以下での高い発光出力を可能とする、製品歩留りの良い、窒化物系化合物半導体発光素子用のエピタキシャルウェハの構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１４】
請求項１の発明は、基板上に、組成がＧａＮから成る第一の窒化物系化合物半導体層を積層し、その上に超格子からなる半導体多層膜反射鏡層を形成し、その上に、組成がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から成るｐ型およびｎ型のクラッド層を有する発光素子構造を形成した発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記半導体多層膜反射鏡層が、４００nm以下の発光波長に対する反射波長帯域を持つべく、少なくとも２種類以上の反射波長の異なる超格子の積層体からなり、各超格子が、それぞれ屈折率および光吸収係数が異なり、組成がＡｌxＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である２種類の半導体層を一対とする複数層から構成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記第一の窒化物系化合物半導体層の転位密度が７．０×１０8cm-2以下であることを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記半導体多層膜反射鏡層の各超格子がＡｌＧａＮとＧａＮを一対とする複数層から成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハは、サファイア等の基板上に成長した高品質なＧａＮ層上に、超格子構造からなる半導体反射鏡を少なくとも２種類以上形成し、それらの半導体反射鏡上に窒化物系化合物半導体からなる発光素子構造を形成したものであり、基板側へ出力された４００nm以下の発光波長を有効に反射することができ、基板での吸収がなくなるため、発光出力の高い半導体発光素子を得ることができるものである。
【００１８】
ＧａＮ系半導体発光ダイオードにおいては、反射波長帯域の広い半導体多層膜反射鏡層を形成することが困難な為、２種類以上の半導体多層膜反射鏡層を形成することが有効である。また、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハは、剥離等の複雑な工程を含まないので、生産歩留り良く製造することができる。
【００１９】
要するに、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハによれば、ＧａＮ層で吸収の起こる３６５nm以下の波長で、内部量子効率および外部量子効率の高い発光素子を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２１】
上記構成の発光素子用エピタキシャルウェハの断面の概略を図１に示す。この発光素子用エピタキシャルウェハは、基板１上に、組成がＧａＮから成る第一の窒化物系化合物半導体層２を積層し、その上に超格子からなる半導体多層膜反射鏡層３を形成し、その上に、組成がＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ≦１）から成るｐ型およびｎ型のクラッド層を有する発光素子構造４を形成した構造となっている。そして、上記半導体多層膜反射鏡層３は、４００nm以下の発光波長に対する反射波長帯域を持つべく、少なくとも２種類以上の反射波長の異なる超格子の積層体からなり、各超格子が、それぞれ屈折率および光吸収係数が異なり、組成がＡｌxＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である２種類の半導体層を一対とする複数層から構成されている。
【００２２】
この発光素子用エピタキシャルウェハは、次のような（ａ）〜（ｃ）の３工程にて製造することができる。
【００２３】
工程（ａ）では、基板１上に、組成がＧａＮから成る第一の窒化物系化合物半導体層２を積層させる。この第一の窒化物系化合物半導体層２の最終的な転位密度は７．０×１０8cm-2以下とする。
【００２４】
工程（ｂ）では、上記第一の窒化物系化合物半導体層２上に、屈折率および光吸収係数が異なり、組成がＡｌxＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である２種類の半導体層を一対とする複数層から成る超格子を、少なくとも２種類以上積層して、半導体多層膜反射鏡層３を構成する。
【００２５】
工程（ｃ）では、上記半導体多層膜反射鏡層３上に、組成がＡｌxＧａ1-x-yＮ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）から成るｐ型およびｎ型のクラッド層を有する発光素子構造４を形成する。
【実施例】
【００２６】
次に、上記発光素子用エピタキシャルウェハ及びこれを用いた窒化物系化合物半導体発光素子の製造する実施例について説明する。なお、以下の実施例は図１の基板１としてサファイア基板５を用いているが、基板１として窒化物系化合物半導体、炭化珪素、珪素、あるいは酸化物材料等からなる単結晶基板を用いた場合においても同様の結果を得ている。
【００２７】
Ｇａ、Ａｌの原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を使用した。また、ｎ型およびｐ型のドーパントであるＳｉ、Ｍｇについて、それぞれモノシランガス、シクロペンタジエニルマグネシウム（ＣｐＭｇ）、Ｎ原料としてアンモニア（ＮＨ3）を使用し、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）装置を用いてエピタキシャル成長を行った。
［実施例１］
まず、図２（ａ）に示すように、第一の窒化物系化合物半導体層として良質のｎ型ＧａＮ層６を４．０μｍ成長さた。その際のｎ型ＧａＮ層６のエピタキシャルウェハ表面での転位密度は、３．４×１０8cm-2であった。
【００２８】
さらに図２（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層６上に、４００nm以下の発光波長に対する反射波長帯域を持つべく、反射波長の異なる２種類の超格子を積層して半導体多層膜反射鏡層７を構成した。この半導体多層膜反射鏡層７の一方の超格子は、ｎ型ＡｌＧａＮとｎ型ＧａＮの対（Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ（３２．５nm）／ＧａＮ（３１．４nm））を３０ペア積層した多層膜とし、他方の超格子はｎ型ＡｌＧａＮとｎ型ＧａＮの対（Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ（３４．４nm）／ＧａＮ（３３．３nm））を３０ペア積層した多層膜とした。
【００２９】
次に、図２（ｃ）に示すように、半導体多層膜反射鏡層７上に、発光素子構造４を構築した。すなわち、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．１）コンタクト層兼クラッド層８（厚さ１μｍ）、ＧａＮ／ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．１）多重量子井戸活性層９（ＧａＮの厚さ２nm、Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎの厚さ４nm）、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．１）クラッド層１０（厚さ０．５μｍ）を順次形成した。
【００３０】
上記により得られた発光素子用エピタキシャルウェハに対し、図２（ｄ）に示すように、その表面をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により部分的に除去し、ｎ型ＡｌＧａＮコンタクト層兼クラッド層８の一部を露出させて電極１１を形成し、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０上に電極１２を形成して、発光ダイオード（ＬＥＤ）Ａ（実施例１）を作製した。
【００３１】
また比較のため、上記発光ダイオードＡにおいて半導体多層膜反射鏡層７を有さない発光ダイオードＢ（比較例１）も同様に作製した（図３）。
【００３２】
また更なる比較のため、図４に示すように、第一の窒化物系化合物半導体層としてｎ型ＧａＮ層６の代わりにｎ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎ層１６を５．０μｍ成長させた後、上記発光ダイオードＡと同様の構造で発光ダイオードＣ（比較例２）を作製した。その際の第一の窒化物半導体層であるＡｌＧａＮ層１６の転位密度は５．０×１０9cm-2であった。
【００３３】
以上のチップサイズの同じ発光ダイオードＡ、Ｂ、Ｃそれぞれについて２０ｍＡの電流を通電したところ、発光波長が３５４nmで、発光出力がそれぞれ、発光ダイオードＡ（実施例１）は１．５ｍＷ、発光ダイオードＢ、Ｃ（比較例１、２）は０．０１０ｍＷ、０．０６５ｍＷであった。
【００３４】
発光ダイオードＢ（比較例１）の発光出力が低い理由は、発光ダイオードＢでは半導体多層膜反射鏡層７を有していない為、第一の半導体層のｎ型ＧａＮ層６において光の吸収が起こり、外部へ取り出される光の効率が低下した為であると考えられる（外部量子効率の低下）。
【００３５】
また発光ダイオードＣ（比較例２）の発光出力が低い理由は、次のように考えられる。すなわち発光ダイオードＣ（比較例２）では、サファイア基板５上に直接にｎ型ＡｌＧａＮ層１６を成長させている為に、ｎ型ＡｌＧａＮ層１６内に結晶欠陥である転位が５．０×１０9cm-2と多数発生してしまった。結晶内の転位は非発光再結合中心として働くことが知られている。その結果、発光素子内の活性層（発光層）である多重量子井戸活性層９で電子が発光に寄与せずに非発光再結合し、発光出力が低下したものと考えられる（内部量子効率の低下）。
【００３６】
それらに対して、本発明の発光ダイオードＡ（実施例１）では、１．５ｍＷという高い発光出力が得られている。その理由として、半導体多層膜反射鏡層７を有することで、光を半導体多層膜反射鏡層７で４００nm以下の発光波長を有効に反射して外部へ光を取り出すことによって、第一の半導体層のｎ型ＧａＮ層６における光の吸収を低減し、外部量子効率を向上させている。また、サファイア基板５上に高品質（低転位密度）のｎ型ＧａＮ層６を成長し、その上に、半導体多層膜反射鏡層７、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多重量子井戸活性層９、ｐ型Ａｌ0.10Ｇａ0.90Ｎクラッド層１０と積層してＬＥＤ構造を形成している。高品質なｎ型ＧａＮ層６の結晶性は、その上に成長する各層へも受け継がれる為に、多重量子井戸活性層（発光層）９での転位も少なく発光に寄与しない電子を低減し、内部量子効率を向上させている。その結果、発光ダイオードＡでは、高い発光出力が得られたものと考えられる。
【００３７】
次に、半導体多層膜反射鏡層７を備える図２の発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、第一の窒化物系化合物半導体層であるｎ型ＧａＮ層６の転位密度を変化させ、転位密度が、３．４×１０8cm-2（実施例１記載の発光ダイオードＡ）、５．２×１０8cm-2、７．１×１０8cm-2、８．３×１０8cm-2、１．１×１０9cm-2である時のＬＥＤの発光出力を調べた。これらのＬＥＤに２０ｍＡ通電した際の発光出力と窒化物系化合物半導体層（ｎ型ＧａＮ層６）の転位密度との関係を図５に示す。
【００３８】
図５から、第一の窒化物系化合物半導体層（ｎ型ＧａＮ層６）の転位密度が減るにつれて転位密度が６．５〜８．０×１０8cm-2の範囲で急激に発光出力が向上していることが分かった。たとえ半導体多層膜反射鏡層７によって外部量子効率を向上させたとしても、第一の窒化物系化合物半導体層（ｎ型ＧａＮ層６）で高品質な結晶が得られないと、その上に成長するＬＥＤの各層においても転位が多く結晶中に含まれることによって、多重量子井戸活性層（発光層）９での非発光再結合が支配的になり（内部量子効率の低下）、発光出力が低下したと考えられる。
【００３９】
よって、第一の窒化物系化合物半導体層２の最終的な転位密度は５．０×１０8cm-2以下であることが良いことが分かる。
［実施例２］
実施例１記載の発光ダイオードＡにおける半導体多層膜反射鏡層７として、図６に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮとｎ型ＧａＮの対からなる多層膜を、第一の半導体多層膜層７１（（３２．５nm）／ＧａＮ（３１．４nm））と、第二の半導体多層膜層７２（Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ（３４．４nm）／ＧａＮ（３３．３nm））と、第三の半導体多層膜層７３（Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ｎ（３６．３nm）／ＧａＮ（３５．１nm））の３種類とし、それぞれ３０ペア積層した。
【００４０】
そのようにして作製した発光ダイオードＤ（実施例２）に２０ｍＡの電流を通電したところ、発光波長３５４nmで発光出力がそれぞれ、２．２ｍＷと、発光ダイオードＡよりも発光効率が向上した。
【００４１】
ＧａＮ系半導体においてＡｌＧａＮ／ＧａＮの対で半導体多層膜反射層を作成する場合、ＧａＮ層上に成長したＡｌＧａＮ層の臨界膜厚の関係上、ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成を小さくしなければならない。ＡｌＧａＮ層中のＡｌ組成が小さいと、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層の屈折率差が小さくなり反射波長帯域が狭くなるという問題点がある。その問題点に対して、本実施例２においては、発光ダイオード内に３種類の狙いとなる波長の異なる半導体多層膜反射鏡層を形成し、反射波長帯域を広くした結果、発光効率が向上したものと考えられる。ＧａＮ系半導体発光ダイオードにおいては、反射波長帯域の広い半導体多層膜反射鏡層を形成することが困難な為、本発明のように２種類以上の超格子から成る半導体多層膜反射鏡層を形成することが有効であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における発光素子用エピタキシャルウェハの構造を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例に係る発光ダイオードの製造工程を示す図である。
【図３】比較例１の発光ダイオードの断面構造を示す概略図である。
【図４】比較例２の発光ダイオードの断面構造を示す概略図である。
【図５】発光ダイオードにおける転位密度と発光出力の関係を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例に係る発光ダイオードの断面構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  基板
２  第一の窒化物系化合物半導体層
３  半導体多層膜反射鏡層
４  発光素子構造
５  サファイア基板
６  ｎ型ＧａＮ層
７  半導体多層膜反射鏡層
８  コンタクト層兼クラッド層
９  多重量子井戸活性層
１０  クラッド層
１１、１２  電極
７１  半導体多層膜層
７２  半導体多層膜層
７３  半導体多層膜層
１６  ｎ型ＡｌＧａＮ層
【図１】
2005203419.tif 000003
【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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