(57)【要約】【課題】信頼性に優れた加工基板ＬＥＤ、とりわけ、短時間の通電による逆耐圧の著しい低下が発生することのない加工基板ＬＥＤを提供する。【解決手段】  結晶成長面に凹部が形成された異種材料基板１の上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体を含む窒化ガリウム系半導体層である第１の層２と、窒化ガリウム系半導体からなる多重量子井戸構造の活性層３と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層４とをこの順に含む積層体が、ＭＯＶＰＥ法により成長されてなる窒化ガリウム系発光ダイオードであって、第１の層２は、前記凹部を埋め込むとともに、その上面が平坦面となるように成長しており、かつ、少なくともその最上部に、０．１μｍ〜１μｍの厚さに成長した、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる第２の層２２を含んでおり、活性層３は、井戸層にのみインジウムが添加されており、かつ、第２の層２２に接して成長している。【選択図】図１
2007036174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶成長面に凹部が形成された異種材料基板の上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体を含む窒化ガリウム系半導体層である第１の層と、窒化ガリウム系半導体からなる多重量子井戸構造の活性層と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層とをこの順に含む積層体が、ＭＯＶＰＥ法により成長されてなる窒化ガリウム系発光ダイオードであって、
前記第１の層は、前記凹部を埋め込むとともに、その上面が平坦面となるように成長しており、かつ、少なくともその最上部に、０．１μｍ〜１μｍの厚さに成長した、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる第２の層を含んでおり、
前記活性層は、井戸層にのみインジウムが添加されており、かつ、前記第２の層に接して成長している、窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項２】
前記凹部の深さが０．１μｍ以上である、請求項１に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項３】
前記第２の層の厚さが０．２μｍ以上である、請求項１または２に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項４】
前記第２の層が、インジウム組成が０．０１以上であり、かつ、前記井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する窒化ガリウム系半導体からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項５】
前記第１の層が、前記凹部を埋め込んで成長したＧａＮ層と、その上に接して成長した前記第２の層とからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
【請求項６】
活性層を横切って流れる電流の平均的な電流密度が１μＡ／μｍ２となる条件で、順方向に１２時間連続通電した後において、逆方向に１０μＡの電流を流すのに要する電圧の絶対値が５Ｖ以上である、請求項１〜５のいずれかに記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化ガリウム系発光ダイオードに関し、特に、結晶成長面に凹部が形成された異種材料基板の上に、該凹部を埋め込んで、ｐｎ接合型の発光素子構造を備える窒化ガリウム系半導体層が成長されてなる、窒化ガリウム系発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学式ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）で決定される組成を有する、３族窒化物系化合物半導体が知られている。以下、この化学式におけるａをＡｌ組成、ｂをＩｎ組成、１−ａ−ｂをＧａ組成とも呼ぶ。３族窒化物系化合物半導体は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなど、任意の組成のものを含み、また、上記化学式において、３族元素の一部をホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）などで置換したもの、また、Ｎ（窒素）の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）などで置換したものも、３族窒化物系化合物半導体に含まれる。
本明細書では、窒化ガリウム系半導体（以下「ＧａＮ系半導体」ともいう。）を、Ｇａ組成が０．５以上の３族窒化物系化合物半導体と定義する。
本明細書では、また、ＧａＮ系半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能な基板であって、ＧａＮ系半導体とは異なる材料からなる基板を、異種材料基板と定義する。
本明細書では、また、チップ化したＬＥＤ素子に、逆方向に１０μＡの電流を流すのに要する電圧の絶対値を、逆耐圧と定義する。
【０００３】
近年、ｎ型ＧａＮ系半導体とｐ型ＧａＮ系半導体とで、ＧａＮ系半導体からなる活性層を挟んでなる、ｐｎ接合型の発光素子構造を有する窒化ガリウム系発光ダイオード（以下「ＧａＮ系ＬＥＤ」という。）が実用化されている。
特に優れた発光効率を有するＧａＮ系ＬＥＤとして、結晶成長面にエッチングなどの方法で凹部が形成された異種材料基板（以下「加工基板」ともいう。）の上に、該凹部を埋め込んで、上記の発光素子構造を含むＧａＮ系半導体層が成長されたＧａＮ系ＬＥＤ（以下「加工基板ＬＥＤ」ともいう。）が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
図２は、従来の加工基板ＬＥＤの断面構造の一例を示す模式図であり、サファイアからなる加工基板１００の上に、ｎ型ＧａＮ層２００、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層とが交互に積層されてなるＭＱＷ（多重量子井戸）構造の活性層３００、ｐ型ＡｌＧａＮ層４０１、ｐ型ＧａＮ層４０２が順次積層され、ｎ型ＧａＮ層２００の表面にｎ側電極Ｐ１００が形成され、ｐ型ＧａＮ層５００の表面にｐ側電極Ｐ２００が形成されている。加工基板１００の表面に形成された凹部は、ｎ型ＧａＮ層２００により平坦に埋め込まれている。ｎ型ＧａＮ層２００は、好ましくは、ＧａＮ系半導体材料からなる低温成長バッファ層（図示せず）を介して、加工基板１００の上に成長される。
加工基板１００とｎ型ＧａＮ層２００との間に形成される凹凸状の屈折率界面（屈折率の異なる物質間を隔てる界面領域）によって、活性層３００で生じる横方向（基板の厚さ方向と直交する方向）の光の進行方向が変化し、素子外部に取り出される光の量が増加するために、この加工基板ＬＥＤは高い発光効率を示す。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８０６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
加工基板ＬＥＤは、発光効率が高いことから照明用途に適しているが、該用途においては、特に、長時間使用した時の劣化が小さいことが要求される。
しかしながら、本発明者等が、図２に示す構造を有する加工基板ＬＥＤを試作し、通電劣化試験を行ったところ、短時間のうちに逆耐圧の著しい低下が生じる場合があることが判明した。具体的には、一辺の長さが０．３５ｍｍの正方形状のＬＥＤチップに対して、順方向に２０ｍＡの電流を連続的に流したとき、１０００時間の通電により逆耐圧が５Ｖ未満に低下する場合があった。
ＧａＮ系ＬＥＤは、通常、ＬＥＤ駆動回路に接続された状態で使用されるが、種々の原因でＬＥＤ駆動回路に発生する異常電圧によって故障することがないように、少なくとも５Ｖ以上の逆耐圧を有していることが望ましいとされている。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みなされたものであり、信頼性に優れた加工基板ＬＥＤ、とりわけ、短時間の通電による逆耐圧の著しい低下が発生することのない加工基板ＬＥＤを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、従来の加工基板ＬＥＤにおいて、通電によって短時間のうちに逆耐圧が著しく低下する原因について、次のように考察した。
加工基板の結晶成長面に形成された凹部を埋め込んで、かつ、その上面が平坦となるまで成長したＧａＮ系半導体層（以下、「埋め込み層」という。）は、変形し難い、硬い結晶層となる。これは、埋め込み層の成長面が平坦化する過程で、横方向の成長成分を含む結晶成長モードが発生し、それによって結晶中の転位の伝播方向が横方向に曲げられるために、該埋め込み層に含まれる転位の密度が低くなるからである。その結果、高温で結晶成長を行うＭＯＶＰＥ法を用いて、埋め込み層の直上に活性層を形成した場合、その成長温度から室温に降温された活性層は、強いストレスを受けることになる。これは、加工基板と活性層とが、固い埋め込み層によって連結された状態となるために、両者の熱膨張率差に起因して活性層が受ける熱応力が緩和されないからである。
また、埋め込み層は加工基板の凹部を埋め込んで成長していることから、変形の自由度が低くなっており、このことも、活性層が受けるストレスの緩和を妨げる要因となる。
また、埋め込み層と加工基板との間にも熱膨張率差があるために、これに起因して埋め込み層も熱応力を受けることになるが、この熱応力も活性層にストレスを与える要因となる。
また、活性層が硬い結晶層からなる場合には、当該活性層のストレスを、当該活性層自体の変形により緩和することができない。
このようなことから、従来の加工基板ＬＥＤに連続通電を行うと、活性層の内部において、通電による発熱とストレスの作用によって、欠陥の生成または増殖が生じ、そのために素子の逆耐圧が低下すると考えられる。
【０００９】
本発明者等は、上記考察に基づき研究した結果、井戸層にのみインジウム（Ｉｎ）を添加した活性層の直下に、活性層のストレスを緩和することを目的として、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体層を設けたところ、従来の加工基板ＬＥＤにおいて発生していた前述の問題が改善されることを見出し、本発明を完成させるに至った。
本発明は、次の特徴を有する。
【００１０】
（１）結晶成長面に凹部が形成された異種材料基板の上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体を含む窒化ガリウム系半導体層である第１の層と、窒化ガリウム系半導体からなる多重量子井戸構造の活性層と、ｐ型窒化ガリウム系半導体層とをこの順に含む積層体が、ＭＯＶＰＥ法により成長されてなる窒化ガリウム系発光ダイオードであって、前記第１の層は、前記凹部を埋め込むとともに、その上面が平坦面となるように成長しており、かつ、少なくともその最上部に、０．１μｍ〜１μｍの厚さに成長した、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体からなる第２の層を含んでおり、前記活性層は、井戸層にのみインジウムが添加されており、かつ、前記第２の層に接して成長している、窒化ガリウム系発光ダイオード。
（２）前記凹部の深さが０．１μｍ以上である、前記（１）に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
（３）前記第２の層の厚さが０．２μｍ以上である、前記（１）または（２）に記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
（４）前記第２の層が、インジウム組成が０．０１以上であり、かつ、前記井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する窒化ガリウム系半導体からなる、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
（５）前記第１の層が、前記凹部を埋め込んで成長したＧａＮ層と、その上に接して成長した前記第２の層とからなる、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
（６）活性層を横切って流れる電流の平均的な電流密度が１μＡ／μｍ２となる条件で、順方向に１２時間連続通電した後において、逆方向に１０μＡの電流を流すのに要する電圧の絶対値が５Ｖ以上である、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の窒化ガリウム系発光ダイオード。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の窒化ガリウム系発光ダイオードは、結晶成長面に凹部が形成された異種材料基板の上に、ｎ型窒化ガリウム系半導体を含む窒化ガリウム系半導体層である第１の層と、窒化ガリウム系半導体からなり、井戸層にのみＩｎが添加された多重量子井戸構造の活性層が、ＭＯＶＰＥ法によって、この順に成長した構造を有する。第１の層は、上記基板表面の凹部を埋め込んで、その上面が平坦となるまで成長しており、かつ、その最上部に、０．１μｍ以上の厚さに成長した、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる第２の層を含んでいる。そして、活性層は、この第２の層に接して成長している。このような構成によって、この窒化ガリウム系発光ダイオードは、短時間の通電によって逆耐圧が著しく低下する問題のない、信頼性に優れたものとなる。
その理由について、本発明者等は、次のように考えている。すなわち、Ｉｎは、アルミニウム（Ａｌ）やガリウム（Ｇａ）よりも大きな原子半径を有するので、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体結晶は、Ｉｎを含まないものに比べて変形し易い、柔らかい結晶になるといわれている。一方、井戸層にのみＩｎが添加された活性層は、硬い結晶層となるために、基板と該活性層との熱膨張率差や、基板と第１の層との熱膨張率差に起因して受けるストレスを、該活性層自体の変形により緩和することができない。しかし、該活性層の直下に、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる第２の層を、０．１μｍ以上の厚さに設けることにより、このストレスが緩和される。その結果、通電によって活性層で発熱が生じても、活性層内部での欠陥の生成または増殖が抑制され、逆耐圧の急速な低下が防止される。
【００１２】
本発明に係るＧａＮ系ＬＥＤは、加工基板を用いた構成によって高い発光効率を有することに加え、短時間の通電によって逆耐圧が著しく低下する問題のない、信頼性に優れたＬＥＤとなるので、照明用途などに好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を用いて、本発明の具体的な実施形態を説明する。
なお、以下の説明では、ｎ型ＧａＮ系半導体層を単にｎ型層、ｐ型ＧａＮ系半導体層を単にｐ型層とも呼ぶ。
図１は、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの断面図である。図１において、１はサファイアからなる加工基板である。２は第１の層であって、加工基板の凹部を埋め込んで成長した、ケイ素（Ｓｉ）ドープＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１と、その上に０．２μｍの厚さに成長した、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる第２の層２２と、からなっている。３は７層のＧａＮ障壁層（膜厚：１０ｎｍ）と６層のＩｎＧａＮ井戸層（膜厚：３ｎｍ、発光波長：４００ｎｍ）が、最上層および最下層がＧａＮ障壁層となるように交互に積層されてなる、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層である。４はｐ型層であり、マグネシウム（Ｍｇ）ドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層４１と、ＭｇドープＧａＮからなるｐ型コンタクト層４２と、からなっている。Ｐ１はチタン（Ｔｉ）とＡｌからなるｎ側電極であり、Ｐ２はニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）からなるｐ側電極である。
以下、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤの各部位について、更に詳細に説明する。
【００１４】
加工基板１は、一方の表面に、複数のストライプ状凹部Ａが、６μｍの周期（ｐ）で平行に形成されたＣ面サファイア基板である。ストライプ状凹部は、深さｄが１μｍ、幅ｗが３μｍである。なお、図１は、このストライプ状凹部の長手方向に垂直な断面を見た図となっている。このような凹部Ａが形成されることによって、加工基板１の表面Ｓは、凹部Ａと凸部Ｂが交互に並んだ凹凸面となっている。
加工基板１の表面Ｓの上には、バッファ層（図示せず）を介して、第１の層２が、凹部Ａを埋め込むとともに、その上面が平坦面となるように成長している。
第１の層のうち、加工基板の凹部を埋め込んでいるのは、ｎ型コンタクト層２１であるが、サファイアとＧａＮとは屈折率が異なるために、加工基板と第１の層との間には屈折率界面が形成される。この屈折率界面は、加工基板の表面Ｓの形状に即した凹凸面となっているために、活性層３で発生される光が、該屈折率界面で散乱され、それによって、素子内部での多重反射が抑制されるため、このＬＥＤは良好な発光効率を示す。
【００１５】
ｎ型コンタクト層２１には露出面が形成されており、その露出面上にｎ側電極Ｐ１が形成されている。ｎ側電極Ｐ１からｎ型コンタクト層２１に注入される電流は、このｎ型コンタクト層２１によって横方向に拡散され、活性層３に供給されることになる。そのために、ｎ型コンタクト層２１は、シート抵抗が十分低くなるように、キャリア濃度を、好ましくは１×１０１８ｃｍ−３以上、より好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上とし、膜厚（加工基板１の凸部の上方における膜厚）を、好ましくは２μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上、更に好ましくは４μｍ以上とする。
【００１６】
アンドープのＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる第２の層２２は、活性層３のストレスを緩和するために設ける層である。この第２の層の膜厚が小さ過ぎると、活性層のストレスを緩和する効果が十分に生じないことから、第２の層は、膜厚を０．１μｍ以上とし、より好ましくは、０．２μｍ以上とする。
【００１７】
活性層３は、第１の層２の直上に成長しており、その下面は、第２の層２２に接している。この活性層３は、ＩｎＧａＮからなる井戸層を有するために発光効率が高く、また、かかる井戸層が、ＧａＮからなる障壁層によって挟まれることにより、障壁層と井戸層との境界でバンドギャップが急峻に変化しているために、鋭い発光ピークを有する、スペクトル純度の高い光を発生する。
一方で、この活性層は、ＧａＮ障壁層の膜厚が１０ｎｍ、ＩｎＧａＮ井戸層の膜厚が３ｎｍと、その大部分が、Ｉｎを含まないＧａＮ結晶で占められているために、変形し難い、硬い結晶層となっており、当該活性層自体の変形によって、自らが受けるストレスを緩和することができない。そこで、直下にＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎからなる第２の層を設けることによって、このストレスを緩和している。
【００１８】
活性層３の上に成長しているｐ型クラッド層４１は、好ましくは、膜厚が２ｎｍ〜１００ｎｍとされ、Ｍｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３とされる。その上に成長しているｐ型コンタクト層４２は、好ましくは、膜厚が２ｎｍ〜２００ｎｍとされ、Ｍｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３とされる。
【００１９】
ｎ型コンタクト層２１の露出面上に形成されたｎ側電極Ｐ１は、ＴｉとＡｌを、ｎ型コンタクト層と接する側がＴｉとなるように積層したものである。
ｐ型コンタクト層４２の上面に形成されたｐ側電極Ｐ２は、ＮｉとＡｕを、ｐ型コンタクト層と接する側がＮｉとなるように積層したものである。ｐ側電極Ｐ２は、ｐ型コンタクト層の上面を略全面的に覆うように形成し、目的に応じて、透光性としたり、反射性とする。透光性とする方法としては、ＮｉとＡｕの積層体からなる電極膜を、光が透過し得る程度に薄く、例えば、２０ｎｍ以下の膜厚に形成する方法や、電極膜に光が透過し得る開口部を設ける方法がある。
ｎ側電極Ｐ１およびｐ側電極Ｐ２の上には、必要に応じて、ボンディングパッドを形成してもよい。
【００２０】
次に、図１に示すＧａＮ系ＬＥＤの製造方法を説明する。
加工基板１は、ＧａＮ系ＬＥＤの製造に通常用いられるＣ面サファイア基板を出発材料として作製すればよく、凹部は、エッチングによって、該基板の表層を部分的に除去することにより形成することができる。凹部をストライプ状に形成するには、基板の表面に、ストライプ状のエッチングマスクをライン・アンド・スペースのパターンに形成し、その上からエッチングを行えばよい。
ストライプ状凹部は、その長手方向が、加工基板上に成長するＧａＮ系半導体結晶の＜１１−２０＞方向と平行となるように形成すると、ｎ型コンタクト層を成長させたときに、該長手方向と直交する方向の横方向成長が抑制されるため、該ｎ型コンタクト層によって凹部を埋め込むうえで都合がよい。
エッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよいが、好ましくはプラズマを利用したドライエッチングであり、中でも反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が好ましい。エッチングガスとしては、塩素、フッ素などのハロゲン元素を含むガスを好ましくい用いることができ、塩素ガス（Ｃｌ２）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）、臭化水素（ＨＢｒ）、六フッ化イオウ（ＳＦ６）、トリフロロメタン（ＣＨＦ３）、テトラフロロメタン（ＣＦ４）などのガスを単独で、または混合して用いることができる。これらのガスを、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスと混合して用いることもできる。
エッチングマスクとしては、フォトレジストの他、酸化ケイ素などの無機膜、Ｎｉなどの金属膜を用いることができる。エッチングマスクのパターニングは、フォトリソグラフィ法やインプリント法により行うことができる。
【００２１】
第１の層２、活性層３、ｐ型層４の形成には、高品質のＧａＮ系半導体結晶を、実用上十分な成長速度で成長させることができる、ＭＯＶＰＥ法を用いる。
ＭＯＶＰＥ法により、ＧａＮ系半導体層を成長する方法は公知であり、ＭＯＶＰＥ装置や、ＧａＮ系半導体の原料、成長条件等に限定はなく、制御系、配管系、成長炉、有機金属原料、ガス原料、キャリアガス、サブフローガス、基板の加熱方法、原料・ガスの供給条件、成長温度条件、その他については、従来技術を適宜参照することができる。
【００２２】
第１の層２を成長させる前に、加工基板１の表面の有機汚染を除去するために、該加工基板を水素雰囲気中で１１００℃以上に加熱することが好ましい。第１の層は、加工基板の表面上に直接成長させることもできるが、好ましくは、先にバッファ層を成長させたうえで、成長させる。サファイア基板上にＧａＮ系半導体結晶を成長させるうえで好適に用い得る、種々のバッファ層が公知となっている。好ましいバッファ層としては、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮなどの、３族窒化物半導体材料を用いた低温成長バッファ層が挙げられる。
【００２３】
ｎ型コンタクト層２１を、加工基板１の凹部を埋め込んで成長させるには、結晶の横方向成長速度が大きくなり過ぎない成長条件を用いる。横方向成長速度が大き過ぎると、加工基板の凹部の底部から成長する結晶が、凸部の上方から成長する結晶と合体する前に、凸部の上方から横方向に成長する結晶同士の合体が起こって、凹部が塞がれてしまい、凹部内への原料ガスの供給が遮断されるために、凹部の底部から成長した結晶と、凸部の上方から成長した結晶との合体が起こらなくなり、凹部を埋め込むことができない。
ｎ型コンタクト層を、加工基板の凹部を埋め込んで成長させるには、前記特許文献１に開示されたファセット成長法を用いてもよい。
ｎ型コンタクト層により埋め込まれた凹部の内部において、ｎ型コンタクト層と基板表面との間にはボイドが残っていてもよい。このようなボイドが散在していると、活性層で発生される光の散乱が促進されるため、多重反射の抑制による発光効率の向上効果が期待できる。また、加工基板の凹部内は、ボイドを残すことなく、ＧａＮ結晶により完全に充填してもよいが、そのような場合には、加工基板とｎ型コンタクト層の接触面積が最大となるので、活性層が受けるストレスも大きくなり、よって、本発明の効果が顕著に現れることになる。
【００２４】
ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１は、成長時の基板温度が高い程、結晶品質が良好となり、また、原料ガスの分解速度が大きくなるために、結晶成長が速くなるという利点がある。前述のように、この層は２μｍ以上の厚さに成長させることが好ましいことから、成長速度を大きくすることは、製造効率向上のうえで極めて重要である。
一方で、基板温度を高くし過ぎた場合には、装置が損傷を受け易くなり、また、５族原料として用いられるアミン系ガスが腐食性を有するために、基板加熱用ヒータの劣化が速くなるといった問題もある。
このようなことから、ｎ型コンタクト層の成長温度は、９５０℃〜１２００℃とすることが好ましく、とりわけ、１０００℃〜１１００℃とすることが好ましい。
【００２５】
次に、第２の層２２として、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を成長させるが、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体結晶は、混晶成分であるＩｎＮの分解温度が低いことから、成長時の基板温度が高すぎると、Ｉｎが結晶中に取り込まれなくなる。一方、基板温度が低すぎると、成長速度が下がり、製造効率が低下する問題が生じる。従って、第２の層を成長させる際の基板温度は６５０℃〜８５０℃とすることが好ましく、７００℃〜８００℃とすることがより好ましい。
また、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体結晶は、雰囲気の水素ガス（Ｈ２）分圧が高すぎると、上記温度範囲において成長よりも分解が優勢となる。従って、第２の層の成長時には、ＭＯＶＰＥ装置の成長炉内に供給する水素ガスの量をゼロに近くすることが好ましいが、基板温度が低く、かつ、水素ガス分圧も低い条件では、有機金属原料が分解し難くなるために、第２の層の成長速度は、前述のｎ型コンタクト層の成長速度と比べてかなり低くなる。よって、製造効率の観点から、第２の層の厚さは、１μｍ以下とすることが好ましく、０．５μｍ以下とすることがより好ましく、０．３μｍ以下とすることが特に好ましい。
【００２６】
活性層３は、障壁層がＧａＮからなるのに対し、井戸層がＩｎＧａＮからなるために、それぞれの最適な成長条件が異なっている。しかし、ＩｎＧａＮ結晶のＩｎ組成（これが発光波長を決定する）は、成長時の基板温度によって極めて敏感に影響されるために、障壁層と井戸層とを異なる基板温度で成長させようとすると、障壁層の成長後、基板温度を井戸層成長時の温度に戻す度に、精密な温度制御が必要となり、製造効率が大きく低下する。そこで、活性層成長時の基板温度は、井戸層成長時を基準に設定し、障壁層の成長も同じ基板温度にて行うことが好ましい。更に、先に行う第２の層の成長時の基板温度も、このようにして設定した活性層の成長時の基板温度と同じにすると、製造効率改善のうえで好ましい。
一方で、活性層成長時の基板温度を、井戸層の成長にとっての最適温度とすると、該基板温度は、障壁層にとっては、最適成長温度よりも低温となる。それによる障壁層の結晶品質の低下を抑えるうえで、障壁層を２元結晶のＧａＮで形成することは有効である。
【００２７】
ｐ型層４の各層を成長させる際の基板温度については、ｎ型コンタクト層２１の場合と同様の理由から、９００℃〜１２００℃とすることが好ましく、とりわけ、１０００℃〜１１００℃とすることが好ましい。
結晶成長工程が終了した後は、得られたウェハに対して、必要に応じて、アニーリング処理や電子線照射処理を行い、ｐ型層にドープしたｐ型不純物を活性化させる。
【００２８】
ｎ型コンタクト層２１にｎ側電極Ｐ１を形成するには、塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法によって、ｐ型層４の表面側から、ｐ型層４、活性層３、第２の層２２の一部を除去し、ｎ型コンタクト層２１の露出面を形成する。この露出面上へのｎ側電極Ｐ１の形成は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法など、通常の金属薄膜形成法を用いて行うことができる。ｐ型コンタクト層４２に対するｐ側電極Ｐ２の形成についても同様である。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの構成および製造方法ついて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
加工基板の出発材料としては、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）基板の他、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）基板、ＡｌＮ基板、Ｓｉ基板、スピネル基板、ＺｎＯ基板、ＧａＡｓ基板、ＮＧＯ基板、ＬＧＯ基板、ＬＡＯ基板、ＺｒＢ２基板またはＴｉＢ２基板など、ＧａＮ系半導体結晶の成長に使用可能な異種材料基板を限定なく用いることができる。また、サファイア、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯ、ＬＧＯ、ＬＡＯ、ＺｒＢ２、ＴｉＢ２などからなる単結晶層を表層として有する、多層構造の異種材料基板も使用可能である。これらの中でも、サファイア基板は、その上に成長するＧａＮ系半導体結晶の品質が良好であり、かつ、高品質のものが安価で入手できることから、最も好ましい基板である。サファイアとＧａＮ系半導体とは熱膨張率差が大きいことから、サファイア基板を用いたとき、本発明の効果は顕著に現れる。
【００３１】
加工基板の表面に設けられる凹部は、ストライプ状凹部（溝）に限定されるものではなく、ドット状凹部（窪み）であってもよい。ドット状凹部の形状（結晶成長面の上方から見たときの形状）は任意であり、三角形、四角形、六角形、円形などが例示される。また、加工基板の結晶成長面は、ドット状の凸部を有する凹凸面とすることもできる。かかる凹凸面においては、それぞれのドット状凸部を隔てる空間が、凹部となる。凸部をドット状とする場合の形状も任意であり、三角柱状、四角柱状、六角柱状、円柱状、円錐状、ドーム状などが例示される。また、前記特許文献１には、各種の凹凸パターンが表面に加工された基板が例示されているが、該文献に例示された凹凸パターンは任意に採用することができる。
凹部の形成方法は、エッチング法に限定されるものではなく、ダイシングやスクライビングなどの機械的な方法や、レーザ加工法であってもよいが、エッチング法は凹部を一様な深さに形成することができ、また、深さの制御も容易であるため、最も好ましい方法である。その他、加工基板の結晶成長面は、出発材料とする基板の表層をなす単結晶層の表面に、該単結晶層と同じ材料からなる凸部をエピタキシャル成長によって付加することによって、凹凸面としたものであってもよい。
【００３２】
加工基板と第１の層の間の屈折率界面による光散乱効果を強くするためには、加工基板の凹部の深さを０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることがより好ましく、１μｍ以上とすることが更に好ましい。また、凹部と凸部とがなすパターンを周期的パターンとする場合には、その周期を２０μｍ以下とすることが好ましく、１０μｍ以下とすることがより好ましい。
このように、凹部の深さを大きく、また、凹部と凸部とがなす周期的パターンの周期を小さくする程、加工基板と第１の層との接触面積が大きくなることから、第１の層の変形の自由度が低くなり、また、加工基板との熱膨張率差により第１の層が受ける熱応力が大きくなるので、活性層が受けるストレスが大きくなる傾向が生じる。よって、本発明の効果が顕著に現れるようになる。
【００３３】
第１の層は、当該第１の層と、活性層およびｐ型層とで、ｐｎ接合型の発光素子構造が形成されるように、その内部にｎ型層を設ける。このｎ型層は、その一部に第２の層を含んでいてもよいし、第２の層と一致していてもよく、また、第２の層の中に含まれていてもよい。また、第１の層は、このｎ型層の上や下に、アンドープ層を含んでいてもよい。また、本発明の効果を損なわない限りで、第１の層にはｐ型不純物をドープした層を含めることもできる。
第１の層の内部には、ｎ型コンタクト層だけでなく、更に、キャリアの閉じ込めや光の閉じ込めを目的とする層、光を横方向に導波させるための層、光を反射させるための層、電流の通路を限定するための層、結晶の転位密度を低減させるための層など、各種の機能を有する機能層を設けることができる。これらの機能層の構成については、従来技術を適宜参照してよい。図１に示す例では、加工基板が絶縁性のサファイアからなるために、ｎ型コンタクト層を第１の層の内部に設けているが、導電性を有する加工基板を用いる場合には、該加工基板にｎ側電極を形成することができるので、第１の層からｎ型コンタクト層を省略することもできる。
【００３４】
第２の層を構成するＧａＮ系半導体は、Ｉｎを含むものであればよく、ＩｎＧａＮに限定されない。Ｉｎの効果が十分に生じるように、好ましくは、Ｉｎ組成が０．０１以上のものを用いる。該ＧａＮ系半導体の結晶組成は、第２の層の厚さ方向に一様である必要はなく、連続的または不連続的に変化していてもよい。好ましくは、活性層で発生される光を第２の層が強く吸収することのないよう、該ＧａＮ系半導体のバンドギャップエネルギーが、井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなるように、その結晶組成を定める。また、該ＧａＮ系半導体のバンドギャップエネルギーを、井戸層のバンドギャップエネルギーより小さくすることもできるが、その場合は、第２の層の膜厚を大きくし過ぎないようにする（好ましくは０.３μｍ以下とする。）。
また、第２の層はアンドープ層（不純物を意図的にドープしない層）に限定されるものではなく、第２の層へのｎ型不純物のドーピングは任意に行うことができる。例えば、第２の層は、その全体にｎ型不純物をドープしてもよく、また、厚さ方向にｎ型不純物をドープした部分とドープしない部分を一層ずつ、もしくは交互に積層した構成としてもよい。また、ｎ型不純物をドープした部分においては、その濃度が一様であってもよいし、または、厚さ方向に濃度の高い部分と低い部分とが１層ずつ、もしくは交互に積層された部分や、厚さ方向に濃度が段階的または連続的に変化する部分が存在していてもよい。第２の層には、本発明の効果が生じる範囲で、ｐ型不純物をドープすることもできる。
【００３５】
本発明の一実施形態においては、第１の層２と第２の層２２とが一致していてもよい。すなわち、活性層と加工基板の間に形成されたＧａＮ系半導体層が、全て、Ｉｎを含む組成を有しているものであってもよい。ただし、前述のように、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体は成長速度を高くすることが難しいので、製造効率を考慮すると、実用的には、第１の層のうち、第２の層を除く部分については、インジウムを含まないＧａＮ系半導体で形成することが好ましい。また、第１の層は、活性層の下地となる層であることから、活性層の品質を良好なものとするためには、第１の層のうち、第２の層を除く部分は、２元混晶のＧａＮで形成することが好ましい。
【００３６】
活性層は、膜厚０．１ｎｍ〜１０ｎｍの井戸層と、該井戸層よりもバンドギャップの大きい障壁層とを交互に積層した多重量子井戸構造とする。井戸層の膜厚は、好ましくは５ｎｍ以下であり、井戸層の数は、好ましくは４層〜１５層である。障壁層の膜厚は、井戸層よりも大きく、かつ、３０ｎｍ以下であり、好ましくは、１０ｎｍ〜２０ｎｍ以下である。活性層の最下層および最上層は、障壁層であってもよいし、井戸層であってもよいが、好ましくは、両方とも障壁層とする。
井戸層は、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体で形成すると、Ｉｎが濃縮された部分が自発的に生じ、該部分が発光中心として働くために、発光効率が高くなる。Ｉｎの含有量が少ないと、この効果が小さくなるので、波長３８０ｎｍ未満の紫外光を発生させる場合には、井戸層をＡｌＩｎＧａＮで形成することが好ましい。Ａｌは、Ｉｎの添加により狭くなるバンドギャップを広げるために添加する。また、青色〜緑色の光を発生させる場合には、井戸層をＩｎＧａＮで形成することが好ましい。紫外光と青色光の間の波長の光を発生させる場合には、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮのいずれも好適に使用できる。発光波長が３８０ｎｍ以上の場合、障壁層は、結晶品質の向上の観点から、２元結晶のＧａＮで形成することが好ましい。
井戸層および障壁層には、ｎ型不純物、ｐ型不純物のドーピングを任意に行うことができる。
【００３７】
ｐ型層は、第１の層および活性層とで、ｐｎ接合型の発光素子構造を構成するものであればよく、前記例示に係る構造に限定されない。ｐ型層の上下または内部には、更に、光の閉じ込めを目的とする層、光を横方向に導波させるための層、光を反射させるための層、電流の通路を限定するための層、不純物の拡散を防止するための層など、各種の機能を有する機能層を設けることができる。これらの機能層の構成については、従来公知の技術を参照してよい。また、ｐ型層の上に、更に、トンネル接合を介してｎ型層を形成し、このｎ型層にｐ側電極を形成することもできる。
【００３８】
ｎ側電極、ｐ側電極については、従来公知のＧａＮ系ＬＥＤで用いられているｎ側電極、ｐ側電極を任意に用いることができる。
【実施例】
【００３９】
実施例１
図１に示す構造のＧａＮ系ＬＥＤを以下に記す手順により作製し、逆耐圧特性を評価した。
【００４０】
直径２インチのＣ面サファイア基板の一方の主面上に、フォトレジスト膜をライン＆スペースのパターンに形成した。パターニングには通常のフォトリソグラフィ技法を用いた。ストライプ状のフォトレジスト膜の幅および、隣接するフォトレジスト膜間の間隔は、いずれも３μｍとし、ストライプの長手方向がサファイアの＜１−１００＞方向と平行になるようにした。これは、Ｃ面サファイア基板上に成長するＧａＮ系半導体結晶の＜１１−２０＞方向に平行な方向である。
次に、反応性イオンエッチング装置を用いて、基板表面の、フォトレジスト膜に覆われていない部分を、１μｍの深さまでエッチングすることにより、断面が逆台形状で幅約３μｍのストライプ状の凹部を形成した。その後、フォトレジスト膜を除去して、複数の該凹部が等間隔で平行に並んだ凹凸を表面に有する加工基板１を得た。
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、凹部の底面は実質的に平坦で、また、その側壁面の傾斜は約７０°であった。
【００４１】
上記作製した加工基板１の、凹凸が形成された表面上に、公知のＭＯＶＰＥ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて、ＧａＮ系半導体層を成長した。
まず、加工基板１をＭＯＶＰＥ装置の成長炉内にセットし、水素雰囲気下で基板温度を１１００℃まで上昇させ、表面のクリーニングを行った。
続いて、基板温度を５００℃まで下げ、キャリアガスに水素ガス、３族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、５族原料にアンモニア（ＮＨ３）を用いて、加工基板１の表面にＧａＮよりなる低温バッファ層を、凸部上面および凹部底面における膜厚が０．０３μｍとなるように成長させた。
次に、基板温度を１０００℃に上げ、ｎ型コンタクト層２１を成長させた。その際、まず、キャリアガスに水素ガス、３族原料にＴＭＧ、５族原料にアンモニアを用いて、アンドープのＧａＮ結晶を、平坦な基板上における２μｍの成長に相当する時間だけ成長させ、続いて、更に、Ｓｉ（ケイ素）原料としてシランを供給して、Ｓｉを濃度が５×１０１８ｃｍ−３となるようにドープしたＧａＮ結晶を、平坦な基板上における４μｍの成長に相当する時間だけ成長させた。加工基板１の表面の凹凸は、このＳｉドープＧａＮ結晶の成長途中で、平坦に埋め込まれた（ＳｉドープＧａＮ結晶の成長面が略平坦となった。）。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察すると、加工基板１の表面の凹部は、ｎ型コンタクト層２１によって、ボイドを残すことなく略完全に埋め込まれていた。
【００４２】
次に、基板温度を７５０℃に下げ、キャリアガスに窒素ガス（Ｎ２）、３族原料にＴＭＧおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、５族原料にアンモニアを用いて、第２の層２２として、アンドープＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層を、０．２μｍ成長させた。
続いて、同じ条件で、ＴＭＩの供給と停止を繰り返すことにより、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層とを交互に成長させて、活性層３を形成した。ＩｎＧａＮ井戸層を成長する際のＴＭＩの供給量は、活性層３の発光波長が４００ｎｍとなるように調節した。
活性層３の成長後、基板温度を１０５０℃に上げるとともに、再びキャリアガスを水素ガスに変えて、３族原料にＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、５族原料にアンモニア、Ｍｇ（マグネシウム）原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いて、Ｍｇを濃度が５×１０１９ｃｍ−３となるようにドープした、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるｐ型クラッド層４１を０．０３μｍ成長させた。
続いて、ＴＭＡの供給を停止し、Ｍｇを濃度が１×１０２０ｃｍ−３となるようにドープした、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層４２を０．１５μｍ成長させた。
ｐ型コンタクト層４２の成長終了後、基板加熱を停止するとともに、アンモニア以外のガスの供給を停止し、基板温度を室温まで降下させた。
その後、ＧａＮ系半導体層が成長された加工基板１をＭＯＶＰＥ装置から取出し、ｐ型クラッド層４１およびｐ型コンタクト層４２にドープしたＭｇを活性化させるために、ラピッドサーマルアニーリング（ＲＴＡ）装置を用いて、窒素雰囲気中、９００℃、１分間の熱処理を行った。
このようにして、発光波長４００ｎｍのＬＥＤウエハを得た。
【００４３】
ｎ型コンタクト層２１に対するｎ側電極Ｐ１の形成、ｐ型コンタクト層４２に対するｐ側電極Ｐ２の形成と、電極形成後のウェハのチップへの分離を、この技術分野でよく知られた慣用の手段を用いて行った。
このようにして、図１に示す断面構造を有する、０．３５ｍｍ角のＧａＮ系ＬＥＤを得た。
なお、このＧａＮ系ＬＥＤに含まれる活性層３の面積は９．４×１０４μｍ２であった。
【００４４】
上記作製したＧａＮ系ＬＥＤに対して、順方向に２０ｍＡの電流を連続的に流す通電劣化試験を行い、１０００時間が経過した時の逆耐圧を測定した。その結果、得られた逆耐圧の値は、連続通電を開始する前と略同じ値であり、１０００時間の連続通電を行った後も、初期の逆耐圧特性が維持されていた。
【００４５】
次に、上記作製したＧａＮ系ＬＥＤについて、加速劣化条件の下での通電劣化試験を行い、逆耐圧特性を評価した。以下、この試験を加速通電試験と呼ぶことにする。
この加速通電試験では、ＬＥＤに流す順方向の電流値は１００ｍＡとし、１時間毎に逆耐圧を測定しながら、１２時間が経過するまで連続通電を行った。
ＬＥＤに１００ｍＡの電流を流したとき、活性層３を横切って流れる電流の平均的な電流密度は、１００ｍＡを上記断面積値で除すことにより、約１μＡ／μｍ２と計算される。３５０μｍ角のＧａＮ系ＬＥＤの標準的な駆動電流は２０ｍＡであるため、この通電劣化試験は、加速劣化条件での試験ということができる。
【００４６】
実施例２
第２の層２２のＩｎ組成を０．０２としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００４７】
実施例３
第２の層２２のＩｎ組成を０．０３としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００４８】
実施例４
第２の層２２のＩｎ組成を０．０４としたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００４９】
実施例５
第２の層２２を成長する際に、Ｓｉを濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにドープしたこと以外は、実施例４と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００５０】
実施例６
第２の層２２を成長する際に、最初の０．１８μｍはアンドープで成長させ、残りの０．０２μｍを成長する際に、Ｓｉを濃度が５×１０１８ｃｍ−３となるようにドープしたこと以外は、実施例４と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００５１】
実施例７
第２の層２２の膜厚を０．１μｍとするとともに、該第２の層２２を成長する際に、Ｓｉを濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるようにドープしたこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００５２】
比較例１
第２の層２２を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００５３】
比較例２
第２の層２２に代えて、膜厚０．２μｍのアンドープＧａＮ層を基板温度１０００℃で成長したこと以外は、実施例１と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００５４】
参考例
第２の層２２と活性層３の間に、基板温度１０００℃で成長した膜厚０．０５μｍのアンドープＧａＮ層を挿入したこと以外は、実施例４と同様にして、ＧａＮ系ＬＥＤを作製し、加速通電試験を行った。
【００５５】
上記加速通電試験により得られた、逆耐圧の初期値と、３時間通電後、６時間通電後、１２時間通電後の値を、表１にまとめて示す。
【００５６】
【表１】
2007036174.tif 000003
【００５７】
上記加速通電試験の結果から、次のことがいえる。
（ａ）実施例および比較例のいずれも、１２時間以内の通電により、逆耐圧が一定の値に収束する傾向を示している。実施例１〜７では、１２時間通電後の逆耐圧が５Ｖ以上であるのに対し、比較例１および２では５Ｖ未満の低い値となっていることから、第２の層には、逆耐圧特性の劣化防止効果がある。
（ｂ）実施例１〜４（いずれも、第２の層がアンドープで、膜厚が０．２μｍ）で、１２時間通電後の逆耐圧が同じレベルであることから、第２の層のＩｎ組成が０．０１以上であるとき、逆耐圧特性の劣化防止効果に対する、第２の層のＩｎ組成の影響は小さい。
（ｃ）実施例４〜６（いずれも、第２の層の膜厚が０．２μｍで、Ｉｎ組成が０．０４）で、１２時間通電後の逆耐圧が同じレベルであることから、逆耐圧特性の劣化防止効果に対する、第２の層へのｎ型不純物のドーピングの影響は小さい。
（ｄ）実施例７（第２の層のＩｎ組成が０．０１で、膜厚が０．１μｍ）においても、１２時間通電後に、５Ｖ以上の逆耐圧が得られた。一方で、この値は実施例１〜６で得られた値と比較すると、半分程度である。よって、第２の層の膜厚は０．１μｍ以上とすればよいが、好ましくは、０．２μｍ以上とすべきである。
（ｅ）参考例によれば、実施例４のＧａＮ系ＬＥＤにおいて、第２の層と活性層の間にアンドープＧａＮ層を挿入することによって、１２時間通電後の逆耐圧が半分程度となる。よって、活性層は第２の層に接して成長させるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態に係るＧａＮ系ＬＥＤの断面構造を示す模式図である。
【図２】従来のＧａＮ系ＬＥＤの断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  加工基板
２  第１の層
２１  ｎ型コンタクト層
２２  第２の層
３  活性層
４  ｐ型層
４１  ｐ型クラッド層
４２  ｐ型コンタクト層
Ｐ１  ｎ側電極
Ｐ２  ｐ側電極
【図１】
2007036174.tif 000004
【図２】
2007036174.tif 000005