(57)【要約】【課題】  ｎ型導電性基板を用いたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、基板側より光を取り出す発光素子の不良率の低減および光り取り出し効率を向上させ、工業的規模でＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の量産を図る。【解決手段】  本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、導電性を有する透光性のｎ型半導体基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ｐ型電極とを備え、ｎ型半導体基板より光を取り出す発光素子であって、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の光取り出し方向と反対側の表面の少なくとも一部と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびｎ型半導体基板の側面の少なくとも一部に、絶縁性の保護膜を有することを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有する透光性のｎ型半導体基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ｐ型電極とを備え、ｎ型半導体基板より光を取り出す発光素子であって、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の光取り出し方向と反対側の表面の少なくとも一部と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびｎ型半導体基板の側面の少なくとも一部に、絶縁性の保護膜を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
側面上の保護膜は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の表面から１０μｍ以上で、ｎ型半導体基板の厚さ以下の領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
保護膜が形成されている側面は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜とｎ型半導体基板のエッチングまたはダイシングにより形成された側面である請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
ｎ型半導体基板は、４００ｎｍ以上の波長の光を透過する請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
ｎ型半導体基板は、ＩＩＩ族窒化物またはＳｉＣからなることを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板は、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であり、５×１０１９ｃｍ−３以下である請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
ＳｉＣ半導体基板は、キャリア濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上であり、１×１０１８ｃｍ−３以下である請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
ＩＩＩ族窒化物半導体基板は、エピタキシャル成長法により下地基板上に形成された後、下地基板の一部または全部を剥離、または研磨、またはエッチングにより除去して得られたものであることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
ｎ型半導体基板は、光取り出し面上にメッシュ形状のｎ型電極と、パッド電極を有することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
ｎ型電極は、透光性を有することを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
パッド電極は、ｎ型電極と接する部分が電流阻止構造を有することを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
ＩＩＩ族窒化物半導体膜は、ｐ型電極と接する部分が凹凸を有することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
凹凸は、算術平均粗さで１０ｎｍ〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性半導体基板上に作製するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＧａＮなどに代表されるＩＩＩ族窒化物半導体は、その特性を利用して、発光素子およびハイパワーデバイスとして利用または研究されている。たとえば、発光素子を作製する場合、構成する組成を調整することにより、技術的には紫色から橙色までの幅の広い発光素子として利用することができる。近年、その特性を利用して、青色発光ダイオードまたは緑色発光ダイオードの実用化がなされ、半導体レーザ素子として青紫色半導体レーザが開発されている。本明細書において、ＩＩＩ族窒化物半導体とは、ＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体のうち、Ｖ族元素が窒素であるものをいい、たとえば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌαＧａ１−αＮ（０＜α＜１）、ＩｎＮ、ＩｎβＧａ１−βＮ（０＜β＜１）、ＩｎγＧａδＡｌ１−γ−δＮ（０＜γ＜１、（０＜δ＜１）などを指す（以下、「ＧａＮ系化合物半導体」ともいう）。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体膜を製造する際には、基板として、サファイア、ＳｉＣ、スピネル、Ｓｉ、ＧａＡｓなどの基板が使用される（特許文献１参照）。たとえば、基板としてサファイアを使用する場合には、ＧａＮ膜をエピタキシャル成長する前に、あらかじめ、５００℃〜６００℃の低温で、ＧａＮまたはＡｌＮのバッファ層を形成し、その後、基板を１０００℃〜１１００℃の高温に昇温して、ＧａＮ系化合物半導体膜のエピタキシャル成長を行なうと表面状態の良い、構造的および電気的に良好な結晶を得ることができ、基板が絶縁性であるために表面に２電極を形成することで発光素子が得られる。
【０００４】
また、ＳｉＣを基板として使用する場合には、エピタキシャル成長を行なう成長温度で、薄いＡｌＮ膜をバッファ層として使用すると良い結晶が得られ、ＳｉＣは導電性基板であることから、基板裏面とエピタキシャル成長面にそれぞれ電極を形成した発光素子が得られることが知られている。また、サファイア基板は紫色から橙色までの光に透明であることより、表面に２電極を形成し、基板よりの光取り出し構造（フリップチップ構造）も採用できることが知られている（特許文献２参照）。
【０００５】
一般に、ＧａＮ、ＳｉＣは、ｐ型の低抵抗が得られず、基板としてはｎ型に用いられている。ｎ型基板を用いてエピタキシャル成長により、ＧａＮ系化合物半導体発光素子を形成した場合には、成長終了面がｐ型になり、ＧａＮはｐ型の低抵抗膜が得られないため、透明（透光性）電極が用いられている。かかる透光性電極は、膜厚が２ｎｍから１０ｎｍ程度と薄く、条件の範囲が狭いため、オーミック特性を得にくく、作製された発光素子毎の電極の特性の均一性に関しても、良好ではない。さらに、電極の熱処理工程が入ることで、歩留りが低下するという問題がある。また、透光性電極は、発光した光の５０〜６０％の透過率であり、外部取り出し効率が良くない。そこで導電性基板を用いた場合においても基板側より光を取り出す試みが為されている。
【特許文献１】特開平１０−１１４６００号公報
【特許文献２】特開平１０−１５０２２０号公報
【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、ｐ型電極をステムなどに接続し、基板側より光を取り出す場合において、ＧａＮ系発光素子ではｐ型電極とｐｎ接合との位置が０.１μｍ以下と近いために、ｐｎ接合および基板を保護する必要がある。また、導電性基板を用いて、上下２電極にする場合には、表面２電極の場合に比べて、チップサイズを小さくできるが、電極（パッド電極など外部接続用電極）がチップサイズに比べて大きくなるから、電極による光取り出しの阻害を抑制し、外部量子効率を高める必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、導電性を有する透光性のｎ型半導体基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ｐ型電極とを備え、ｎ型半導体基板より光を取り出す発光素子であって、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の光取り出し方向と反対側の表面の少なくとも一部と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびｎ型半導体基板の側面の少なくとも一部に、絶縁性の保護膜を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ｎ型導電性基板を用いたＧａＮ系化合物半導体発光素子において、基板側より光を取り出す発光素子の不良率の低減および光り取り出し効率の向上が可能になり、工業的規模でＧａＮ系化合物半導体発光素子の量産が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、典型的には図１に示すように、ＧａＮ厚膜基板２などの導電性を有する透光性のｎ型半導体基板上に、ｎ型ＧａＮ層３、発光層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６などからなるＩＩＩ族窒化物半導体膜と、ｐ型電極１１とを備え、ｎ型半導体基板より光を取り出す発光素子であって、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の光取り出し方向と反対側の表面の少なくとも一部と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびｎ型半導体基板の側面の少なくとも一部に、絶縁性の保護膜１３を有することを特徴とする。かかる保護膜を設けることにより、ｐｎ接合および基板を保護することができ、発光素子の不良率を低減して、ＧａＮ系化合物半導体素子の量産が可能となる。
【００１０】
ｐ型成長層よりｎ型半導体基板にかけて有効に保護する膜を形成する必要があるため、側面上の保護膜は、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の表面から１０μｍ以上形成することが好ましく、１５μｍ以上形成するとより好ましい。一方、側面はエッチングなどにより形成し、形成された穴の側面に保護膜を形成する。したがって、深過ぎると形成が難しくなるため、側面上の保護膜は、ｎ型半導体基板の厚さ以下の領域とすることが好ましく、基板の厚さの１／２以下がより好ましい。また、保護膜の厚さは、ｐｎ接合および基板を有効に保護するため０．１〜０．７μｍが好ましく、０．２〜０．５μｍがより好ましい。保護膜を形成する材料は、十分な強度および絶縁性を有する点で、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮなどが好適である。保護膜を電気絶縁性とすることにより、発光素子側面のリーク電流を抑制することができる。保護膜は、たとえば、ｎ型半導体基板上に、ＩＩＩ族窒化物半導体膜を形成した後、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の表面からｎ型半導体基板にかけて、エッチングまたはダイシングにより溝を形成し、溝の端面にプラズマＣＶＤなどにより容易に形成することができる。
【００１１】
本発明の発光素子は、ｎ型半導体基板より光を取出すため、ｎ型半導体基板は透光性を有するものを使用するが、透光性を有する材料の中でも、４００ｎｍ以上の波長の光を透過するものが好ましい。４００ｎｍ未満の波長の光は、紫外線またはＸ線などの放射線に該当するが、本発明は、青色〜橙色などに発光するレーザ素子の提供を主たる目的とするからである。また、本発明の発光素子に使用するｎ型半導体基板は導電性を有する必要があるため、ＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物またはＳｉＣからなる基板が好ましく使用される。ＩＩＩ族窒化物半導体基板は、エピタキシャル成長法により下地基板上に形成した後、下地基板の一部または全部を剥離、または研磨、またはエッチングにより除去し、容易に作製することができる。
【００１２】
ｎ型半導体基板としてＩＩＩ族窒化物半導体基板を使用するときは、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上であり、５×１０１９ｃｍ−３以下であるものが好ましい。キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満であると、動作電圧が高くなる傾向がある。一方、キャリア濃度が５×１０１９ｃｍ−３より大きくなると、発光出力が基板によって吸収されるため、発光出力が低下する傾向がある。同様に、ｎ型半導体基板として、ＳｉＣ半導体基板を使用するときは、動作電圧を低減するため、キャリア濃度が５×１０１６ｃｍ−３以上の基板が好ましく、また発光出力を高めるため、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３以下の基板が好ましい。
【００１３】
ｎ型半導体基板は、キャリア濃度が低く、基板のみで電流を有効に広げられないので、光取り出し面上にメッシュ形状のｎ型電極を有するものが好ましく、光取り出し面に、外部接続用のパッド電極を有するものが好ましい。また、光の取り出しを阻害しないようにするため、ｎ型電極は透光性を有するものが好ましい。透光性と導電性を有する材料としては、たとえばＩＴＯ、ＩＤＩＸＯ、ＺｎＯなどがあり、かかる材料は、ｎ型電極用の材料として好適である。一方、パッド電極は、ｎ型電極と接する部分が電流阻止構造を有する態様が好ましい。かかる態様とすることにより、パッド電極直下の発光が少なくなり、パッド電極による光取り出し阻害効果を低減し、発光効率を高めることができる。パッド電極を電流阻止構造とするには、たとえば、ｎ型電極と接する部分に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮなどの絶縁膜を形成する態様のほか、ｐｎ接合による電流阻止構造とする態様にしても同様の効果が得られる。また、電流阻止層の挿入位置は、基板の直上としても有効である。
【００１４】
ｎ型半導体基板上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体膜は、ｐ型電極と接する部分が凹凸を有するものが好ましい。ｐ型電極と接する部分に凹凸を設けることにより、光の散乱が生じて、光の取り出し効率が向上する。凹凸は、算術平均粗さで１０ｎｍ〜５００ｎｍが好ましい。１０ｎｍ未満では、光の散乱効果が小さく、発光出力が十分に増加しない。一方、５００ｎｍより大きいと、凹凸が大き過ぎるため、ｐ型電極との良好なオーミック接触が得られない。なお、ｐ電極は、コモン電極として用いることができる。
【００１５】
実施例１
本実施例では、サファイア基板上に、Ｈ−ＶＰＥ法を用いて成長した厚膜のＧａＮを基板として使用した。まず、(０００１)面を有するサファイア基板を洗浄し、ＭＯＣＶＤ法を用いて、以下の手順で、約３μｍの厚さのアンドープＧａＮ膜を下地層として成長した。洗浄したサファイア基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｈ２雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行なった。その後、降温して、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を１０Ｌ／ｍ流しながら、６００℃でＮＨ３とトリメチルガリウム（ＴＭＧ）をそれぞれ５Ｌ／ｍ、２０ｍｏｌ／ｍ導入して、約２０ｎｍの厚さのＧａＮ低温バッファ層を成長した。
【００１６】
その後、一旦ＴＭＧの供給を停止し、再び約１０５０℃まで昇温して、ＴＭＧを約１００ｍｏｌ／ｍ導入し、１時間で約３μｍの厚さのアンドープＧａＮ膜を成長した。その後、ＴＭＧおよびＮＨ３の供給を停止し、室温まで降温し、アンドープＧａＮ下地層を成長したサファイア基板を取り出した。低温バッファ層としては、ＧａＮに限らず、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ＴＭＧ、ＮＨ３を使用して、ＡｌＮ膜またはＧａＡｌＮ膜を用いてもよい。
【００１７】
つぎに、上記方法で作製したアンドープＧａＮ下地層を成長したサファイア基板上に、厚膜を成長する際にクラックが生じないようにするため、厚さ２０００Åで、幅７μｍ、間隔１０μｍのストライプ状の成長抑制膜を形成し、その上にＨ−ＶＰＥ法で選択成長を行ない、平坦なＧａＮ厚膜を成長した。本実施例では、成長抑制膜として、電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）により蒸着したＳｉＯ２膜をフォトリソグラフィを用いてエッチングしたものを使用した。
【００１８】
続いて、以下の方法で、Ｈ−ＶＰＥ法によりＧａＮ厚膜を成長した。上述した方法で作製したストライプ状の成長抑制膜を有するアンドープＧａＮ下地層を成長したサファイア基板を、Ｈ−ＶＰＥ装置内に導入した。Ｎ２キャリアガスとＮＨ３を、それぞれ５Ｌ／ｍ流しながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温した。その後、基板上にＧａＣｌを１００ｃｃ／ｍ導入してＧａＮの厚膜の成長を開始した。ＧａＣｌは約８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成させた。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて、不純物ガスを流すことにより、任意に成長中に不純物のドーピングを行なった。
【００１９】
本実施例では、Ｓｉをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ４）を２００ｎｍｏｌ／ｍ流し、ＳｉドープＧａＮ層（Ｓｉ不純物濃度：３.８×１０１８ｃｍ−３）を成長し、３時間の成長で３５０μｍのＧａＮ厚膜を得た。なお、Ｓｉのドーピングに関しては、ＳｉＨ４に限らず、モノクロロシラン（ＳｉＨ３Ｃｌ）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）など、他の原料を使用してもよい。
【００２０】
成長後、研磨によりサファイア基板、ＭＯＣＶＤ法によるアンドープＧａＮ膜、ＳｉＯ２膜を除去し、ＧａＮ厚膜基板２を得た（以下、「ＧａＮ基板」ともいう。）。以上のようにして得られたＧａＮ厚膜を基板として、ＭＯＣＶＤ法により発光素子構造を成長した。以下、ＧａＮ基板上のＧａＮ系化合物半導体のＬＥＤの成長方法について記述する。
【００２１】
図１に、本実施例の方法により、作製されたＧａＮ系化合物半導体のＬＥＤの断面図を示す。ＧａＮ基板を、下地除去面とは反対の面をエピタキシャル成長するように、ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｎ２とＮＨ３をそれぞれ５Ｌ／ｍ流しながら約１０５０℃まで昇温した。温度が上がれば、キャリアガスをＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍ、ＳｉＨ４を１０ｎｍｏｌ／ｍ導入して、ｎ型ＧａＮ層３を約４μｍ成長した。その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスをＨ２からＮ２に再び代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍ導入し、Ｉｎ０.０５Ｇａ０.９５Ｎよりなる４ｎｍ厚の障壁層を成長した。その後、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍに増加し、Ｉｎ０.２Ｇａ０.８Ｎよりなる２ｎｍ厚の井戸層を成長した。井戸層は合計３層、同様の手法で成長を行ない、井戸層と井戸層との間および両側には合計４層の障壁層が存在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）の発光層４を成長した。
【００２２】
ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍ、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍ流し、２０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎクラッド層５を成長し、最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０.１μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層６の成長を行ない、発光素子構造の成長を終了した。成長が終了すると、ＴＭＧおよびＣｐ２Ｍｇの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出した。
【００２３】
その後、ドライエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層６をｎ型ＧａＮ層３までエッチングを行ない、メサを形成した。その後、ｐ−ＧａＮ部分にＰｄを１５０Å、Ａｕを１０００Å蒸着して、ｐ型電極１１を形成した。また、基板温度を２００℃程度に保ち、ＧａＮ厚膜基板２の裏面に、Ｔｉを厚さ１５０Å、Ａｌを１０００Å蒸着し、ｎ型電極２１をそれぞれ形成した。ｎ型電極２１の形状は、線幅５０μｍの格子状に形成した。加えて、ｎ型電極２１の一部にＡｕを３０００Å蒸着して、パッド電極２２を形成した。
【００２４】
つぎに、ダイシング装置を用い、エピタキシャル表面より、ＧａＮ厚膜基板２にまで溝１２を形成した。溝の深さは２０μｍ、巾は５０μｍとした。続いてエピタキシャル表面および溝部分にプラズマＣＶＤ装置を用いて、厚さ０．３μｍの酸化珪素（ＳｉＯ２）からなる絶縁性の保護膜１３を形成した。その結果、図１に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の光取り出し方向と反対側の表面の一部と、ＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびｎ型半導体基板の側面の一部に、絶縁性の保護膜１３が形成された。最後に、劈開あるいはダイシング法を用いて溝１２の中央を、溝１２より細い切断刃（厚さ３０μｍ）で素子長が約２００μｍとなるように分離した。作製したＬＥＤは、ｐ電極をステムに導電性接着剤を用い接続し、ｎ型電極にワイヤーボンドを用いて電気的接続を形成し、使用した。
【００２５】
本実施形態で作製したＬＥＤは、動作電圧が２.９Ｖ、発光波長が４７０ｎｍ，発光出力２．５ｍＷであり、約５０００時間の寿命試験を実施したが、光出力の低下は１０％以下であり、良好な結果が得られた。また、ステム載置での不良率は５％以下に押さえられた。
【００２６】
比較例１
比較例１として、保護膜を形成しない構造のＬＥＤを作製した。作製方法は、実施例１と同様の方法で、溝を形成せず、メサ形成部分を切断し素子分離を行なった。この素子の場合、動作電圧が２.９Ｖ、発光波長が４７０ｎｍ，発光出力２．５ｍＷであり、特性に変化はないが、導電性接着剤の回り込みが原因で、ステム載置での不良率は５０％あり、素子間の特性のばらつきも１０％以上あった。
【００２７】
実施例２
本実施例では、キャリア濃度を変えたＧａＮ基板を用いて、ＬＥＤを作製した。実施例１と同様にＨ−ＶＰＥ法により成長し、サファイア基板を剥離したＧａＮ厚膜（Ｓｉドープ、キャリア濃度：５×１０１７ｃｍ−３、厚さ３５０μｍ）を基板として用いた以外は、実施例１と同様にして発光素子を作製した。この素子は、発光波長４７０ｎｍ、光出力２．２ｍＷであり変化はないが、動作電圧が３.３Ｖと高くなった。
【００２８】
実施例３
本実施例では、ＧａＮ厚膜（Ｓｉドープ、キャリア濃度：７×１０１９ｃｍ−３、厚さ３５０μｍ）を基板として用いた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。この素子は、動作電圧３.１Ｖ、発光波長４７０ｎｍと変化しないが、発光出力が２．０ｍＷであり、光出力が基板による吸収のために低下した。
【００２９】
実施例４
本実施例では、ＩＩＩ族窒化物半導体基板を、エピタキシャル成長技術により下地基板上に形成した後、下地基板の一部を除去して作製した発光素子の例を示す。図２に、本実施例の方法により、作製されたＧａＮ系化合物半導体のＬＥＤの断面図を示す。図２に示すように、このＬＥＤは、下地基板であるサファイア基板２０１上に、ＧａＮ厚膜基板２０２、ｎ型ＧａＮ層２０３、発光層２０４、ｐ型クラッド層２０５、ｐ型コンタクト層２０６、ｐ型電極２１１がこの順に形成され、ｐ型コンタクト層２０６の表面の一部とＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびＧａＮ厚膜基板の側面の一部に、ＳｉＯ２からなる保護膜２１３が形成されている。また、サファイア基板２０１の光取り出し面側には、ｎ型電極２２１と、パッド電極２２２が形成された構造を有する。保護膜２１３は、ｐ型コンタクト層２０６の表面からＧａＮ厚膜基板２０２にかけて溝２１２を形成した後、溝の端面に形成した。
【００３０】
実施例１と同様の方法により、サファイア基板上にＨ−ＶＰＥ法で３５０μｍのＧａＮ厚膜２０２を成長した。続いて、サファイアがついたままのＧａＮ厚膜２０２上にＭＯＣＶＤ法を用いて実施例１と同様に発光素子構造（ｐ型ＧａＮコンタクト層２０６まで）を形成した。その後、ドライエッチング装置を用いて、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０６をｎ型ＧａＮ層２０３までエッチングを行ない、メサを形成した。
【００３１】
その後、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０６上にＰｄを、１５０Å、Ａｕを１０００Å蒸着して、ｐ型電極２１１を形成した。つぎに、サファイア基板の一部にＳｉＯ２マスクを形成し，ドライエッチング装置を用いて、サファイア基板を裏面よりＧａＮ厚膜基板２０２までエッチングにより除去した。続いて、ＧａＮ厚膜基板２０２のエッチング面およびサファイア基板２０１上に、Ｔｉを厚さ３００Å、Ａｌを１０００Å蒸着し、ｎ型電極２２１を形成した。ｎ型電極２２１は、線幅５０μｍの格子状に形成した。加えて、ｎ型電極２２１の一部に、Ａｕを３０００Å蒸着してパッド電極２２２を形成した。
【００３２】
本実施例で作製したＬＥＤは、動作電圧２.９Ｖ、発光波長４７０ｎｍ，発光出力２．８ｍＷであり、約５０００時間の寿命試験を実施したが、光出力の低下は１０％以下であり、良好な結果が得られた。また、ステム載置での不良率は５％以下に押さえられた。本実施例では、パッド電極を絶縁体であるサファイア基板上に形成したこと、またｎ型電極をＧａＮ厚膜基板の一部に形成したことによる狭窄効果のため、光出力の向上が図れた。
【００３３】
実施例５
本実施例では、実施例１で示す方法で作製したＬＥＤにおいて、ｐ型ＧａＮコンタクト層の表面に凹凸を形成した場合のＬＥＤ特性について記述する。図３に、本実施例の方法により、作製されたＧａＮ系化合物半導体のＬＥＤの断面図を示す。このＬＥＤは、図３に示すように、ＧａＮ厚膜基板３０２上に、ｎ型ＧａＮ層３０３、発光層３０４、ｐ型クラッド層３０５、ｐ型コンタクト層３０６、ｐ型電極３１１がこの順に形成され、ｐ型コンタクト層３０６の表面には凹凸３０６ｂを有し、またｐ型コンタクト層３０６の表面の一部とＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびｎ型半導体基板の側面の一部に、ＳｉＯ２からなる保護膜３１３が形成されている。また、ＧａＮ厚膜基板３０２の光取り出し面側には、ｎ型電極３２１と、パッド電極３２２が形成された構造を有する。保護膜３１３は、ｐ型コンタクト層３０６からＧａＮ厚膜基板３０２にかけて溝３１２を形成した後、溝の端面に形成した。
【００３４】
実施例１で示す方法により、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０６までの各層を形成した。続いて、研磨装置を用い、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０６の表面を荒らし、表面に凹凸３０６ｂを形成した。凹凸の形成には、粒径３μｍダイアモンド砥粒を用い、算術平均粗さで１００ｎｍの凹凸を形成した。その後、実施例１と同様にして、ＬＥＤを作製した。
【００３５】
本実施例で作製したＬＥＤは、動作電圧２.９Ｖ、発光波長４７０ｎｍ、発光出力３．０ｍＷであり、約５０００時間の寿命試験を実施したが、光出力の低下は１０％以下であり、良好な結果が得られた。また、素子間の特性のばらつきも２％以下に押さえられた。ｐ型ＧａＮコンタクト層３０６の表面を荒らすことにより、光の散乱による取り出し効率が向上し、発光出力が増加することがわかった。
【００３６】
実施例６
本実施例では、ｎ型半導体基板をＳｉＣ基板にし、パッド電極の下部に電流阻止用の酸化膜を形成し、ｎ型電極を透明電極にした場合のＬＥＤ特性について記述する。図４に、本実施例の方法により、作製されたＧａＮ系化合物半導体のＬＥＤの断面図を示す。このＬＥＤは、図４に示すように、ＳｉＣ基板４０２ｂ上に、バッファ層４０７、ｎ型ＧａＮ層４０３、発光層４０４、ｐ型クラッド層４０５、ｐ型コンタクト層４０６、ｐ型電極４１１がこの順に形成され、ｐ型コンタクト層４０６の表面の一部とＩＩＩ族窒化物半導体膜の側面およびＳｉＣ基板の側面の一部に、ＳｉＯ２からなる保護膜４１３が形成されている。また、ＳｉＣ基板４０２ｂの光取り出し面側には、ｎ型電極４２１ｂ、電流阻止層４２３、パッド電極４２２が形成された構造を有する。保護膜は、ｐ型コンタクト層４０６からＳｉＣ基板４０２ｂにかけて溝４１２を形成した後、溝の端面に形成した。以下、ＳｉＣ基板上に形成したＧａＮ系化合物半導体からなるＬＥＤの成長方法について記述する。
【００３７】
ＳｉＣ基板４０２ｂ（キャリア濃度：１×１０１７ｃｍ−３）を、ＭＯＣＶＤ装置内に導入し、Ｎ２とＮＨ３をそれぞれ５Ｌ／ｍ流しながら、約１０５０℃まで昇温した。温度が上がれば、キャリアガスをＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍ、ＳｉＨ４を１０ｎｍｏｌ／ｍ導入して、ＡｌＧａＮ膜４０７バッファ層を５０ｎｍ成長した。続いて、ＴＭＧを１００μｍｏｌ／ｍ、ＳｉＨ４を１０ｎｍｏｌ／ｍ導入して、ｎ型ＧａＮ層４０３を約４μｍ成長した。その後、ＴＭＧの供給を停止して、キャリアガスをＨ２からＮ２に再び代えて、７００℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を１０μｍｏｌ／ｍ、ＴＭＧを１５μｍｏｌ／ｍ導入し、Ｉｎ０.０５Ｇａ０.９５Ｎよりなる４ｎｍ厚の障壁層を成長した。その後、ＴＭＩの供給量を５０μｍｏｌ／ｍに増加し、Ｉｎ０.２Ｇａ０.８Ｎよりなる２ｎｍ厚の井戸層を成長した。井戸層は合計３層、同様の手法で成長を行ない、井戸層と井戸層との間および両側には合計４層の障壁層が存在するような多重量子井戸（ＭＱＷ）の発光層４０４を成長した。
【００３８】
ＭＱＷの成長が終了すると、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、再び１０５０℃まで昇温し、キャリアガスを再びＮ２からＨ２に代えて、ＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍ、ＴＭＡを３０μｍｏｌ／ｍ、ｐ型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍ流し、２０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ０.２Ｇａ０.８Ｎクラッド層４０５を成長し、最後に、ＴＭＧの供給を１００μｍｏｌ／ｍに調整して、ＴＭＡの供給を停止し、０.１μｍ厚のｐ型ＧａＮコンタクト層４０６の成長を行なった。成長が終了すると、ＴＭＧおよびＣｐ２Ｍｇの供給を停止して降温し、室温でＭＯＣＶＤ装置より取り出した。
【００３９】
つぎに、実施例１で示す方法により、ｐ型電極４１１を形成した。続いて、スパッタ装置を用いて、透明で導電性を有する酸化スズ膜（ＩＴＯ膜）４２１ｂを、ＳｉＣ基板４０２ｂの全面に形成した。膜厚は０．３μｍであった。続いて、スパッタ装置を用いて、ＩＴＯ膜４２１ｂ上の一部に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電流阻止層４２３を膜厚０．１μｍとなるように形成した。つぎに、蒸着により、電流阻止層４２３上にＡｕを３０００Å蒸着して、ｎ型電極のパッド電極４２２を形成した。その後、実施例１と同様にしてＬＥＤを作製した。
【００４０】
本実施例で作製したＬＥＤは、動作電圧３.０Ｖ、発光波長４７０ｎｍ、発光出力２．８ｍＷであり、約５０００時間の寿命試験を実施したが、光出力の低下は１０％以下であり、良好な結果が得られた。発光パターンの観察により、パッド電極直下の発光が少なくなり、パッド電極による光取り出し阻止作用を低減することができ、取り出し効率が向上し、発光出力が増加することがわかった。
【００４１】
今回開示された実施の形態および実施例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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明によれば、発光素子の不良率を低減できるから、工業的規模で窒化ガリウム系化合物半導体を量産することができるようになり、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）の市場規模の拡大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１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模式図である。
【図２】実施例４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模式図である。
【図３】実施例５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模式図である。
【図４】実施例６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模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
２  ＧａＮ厚膜基板、３  ｎ型ＧａＮ層、４  発光層、５  ｐ型クラッド層、６  ｐ型コンタクト層、１１  ｐ型電極、１２  溝、１３  保護膜、２１  ｎ型電極、２２  パッド電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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