(57)【要約】【課題】ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層におけるｘの値を、確実に安定して所望の値とすることができるＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、無極性面である下地上に、（Ａ）第１導電型を有し、頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層、（Ｂ）ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成り、頂面がＡ面である活性層、及び、（Ｃ）第２導電型を有し、頂面がＡ面である第２ＧａＮ系化合物半導体層を、順次、結晶成長させる工程を具備し、活性層を、成長速度０．３ｎｍ／秒以上、好ましくは、成長速度０．６ｎｍ／秒以上にて結晶成長させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無極性面である下地上に、
（Ａ）第１導電型を有し、頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層、
（Ｂ）ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成り、頂面がＡ面である活性層、及び、
（Ｃ）第２導電型を有し、頂面がＡ面である第２ＧａＮ系化合物半導体層、
を、順次、結晶成長させる工程を具備したＧａＮ系半導体発光素子の製造方法であって、
活性層を、成長速度０．３ｎｍ／秒以上にて結晶成長させることを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
活性層を、成長速度０．６ｎｍ／秒以上にて結晶成長させることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
０．０５≦ｘ≦０．３であることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層を、順次、有機金属化学的気相成長法にて結晶成長させることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
活性層を有機金属化学的気相成長法にて結晶成長させる際、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりのＩｎ系原料ガスの供給量を５×１０-7モル・ｃｍ-2・分-1以上とすることを特徴とする請求項４に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
活性層を有機金属化学的気相成長法にて結晶成長させる際、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりのＧａ系原料ガスの供給量を７×１０-7モル・ｃｍ-2・分-1以上とすることを特徴とする請求項４に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
活性層を有機金属化学的気相成長法にて結晶成長させる際の下地の温度を、７００゜Ｃ乃至８００゜Ｃとすることを特徴とする請求項４に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
下地は、基板上に形成された、頂面がＡ面であるＧａＮ系化合物半導体から成る下地層から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
（ａ）サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層を、複数、離間して形成し、次いで、
（ｂ）ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、次いで、
（ｃ）シード層の上方に位置する第１下地層の頂面の部分に、マスク層を形成した後、
（ｄ）第１下地層の頂面上及びマスク層上において、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第２下地層を第１下地層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる、
各工程を更に具備し、
第２下地層が、前記下地層に相当することを特徴とする請求項８に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
下地は、頂面がＡ面であるＧａＮ基板から構成されていることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系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、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系半導体発光素子を製造する際、通常、サファイア基板上におけるＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、サファイア基板のＣ面が用いられる。そして、サファイア基板のＣ面上にエピタキシャル成長したＧａＮ系化合物半導体層は、その頂面がＣ面となり、側面がＡ面となる。即ち、ＧａＮ系化合物半導体層の頂面は、ＧａＮ系化合物半導体結晶の｛０００１｝面と平行となり、ＧａＮ系化合物半導体層の側面は、ＧａＮ系化合物半導体結晶の
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と平行となる。尚、このような結晶面を、便宜上、以下、｛１１−２０｝面と表記する。また、六方晶系における例えば以下に例示する結晶面の表記、
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を、便宜上、本明細書においては、｛ｈｋ−ｉｌ｝面、｛ｈ−ｋｉｌ｝面と表記し、以下に例示する方向の表記、
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を、便宜上、本明細書においては、＜ｈｋ−ｉｌ＞方向、＜ｈ−ｋｉｌ＞方向と表記する。
【０００３】
第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層（例えばｎ型ＧａＮ層）、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層、及び、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層（例えばｐ型ＧａＮ層）が積層された発光ダイオード（ＬＥＤ）を想定した場合、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ結晶の格子定数は、ＧａＮ結晶の格子定数よりも少し大きい。そして、それぞれの頂面がＣ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層、及び、第２ＧａＮ系化合物半導体層を積層した場合、活性層に圧縮圧力が加わる結果、活性層の厚さ方向にピエゾ自発分極が生じる。その結果、このような発光ダイオードからの発光波長にシフトが生じたり、発光効率の低下、動作電圧の上昇、輝度飽和といった現象が発生する。
【０００４】
一方、それぞれの頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層、及び、第２ＧａＮ系化合物半導体層を積層した場合、活性層には圧縮圧力が加わらない。従って、活性層の厚さ方向には、ピエゾ自発分極が生じない（例えば、特開２００３−１５８２９４参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５８２９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、頂面がＡ面であるＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層を結晶成長させる場合、一般に、活性層へのＩｎ原子の取り込みが悪く、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ組成における「ｘ」の値を所望の値とすることが困難である。即ち、頂面がＣ面である活性層にあっては、結晶成長中に、頂面に存在する１つのガリウム（Ｇａ）原子に対して３つの窒素（Ｎ）原子が結合し得るので、１つのＧａ原子に対して結合し得る３つのＮ原子の内のいずれかがＩｎ原子と置き換わる確率が高い。一方、頂面がＡ面である活性層にあっては、結晶成長中に、頂面に存在する１つのＧａ原子に対して２つのＮ原子しか結合し得ないので、１つのＧａ原子に対して結合し得る２つのＮ原子の内のいずれかがＩｎ原子と置き換わらなければならず、頂面がＣ面である活性層よりもＩｎ原子が置き換わる確率が低く、従って、活性層へのＩｎ原子の取り込みが悪い。そして、その結果、所望の発光波長を有する発光ダイオードを得ることができないといった問題がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、それぞれの頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層、及び、第２ＧａＮ系化合物半導体層を積層してＧａＮ系半導体発光素子を製造する際、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層における「ｘ」の値を、確実に、安定して所望の値とすることができるＧａＮ系半導体発光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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、
無極性面である下地上に、
（Ａ）第１導電型を有し、頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層、
（Ｂ）ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成り、頂面がＡ面である活性層、及び、
（Ｃ）第２導電型を有し、頂面がＡ面である第２ＧａＮ系化合物半導体層、
を、順次、結晶成長させる工程を具備したＧａＮ系半導体発光素子の製造方法であって、
活性層を、成長速度０．３ｎｍ／秒以上、好ましくは、成長速度０．６ｎｍ／秒以上にて結晶成長させることを特徴とする。
【０００８】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、活性層へのＩｎの取り込み効率が高く、しかも、その際、発光効率が高い状態を維持することができるかという観点から、活性層の成長速度の上限を決めている。ＩｎxＧａ(1-x)Ｎにおけるｘの値は、活性層の結晶成長温度を低くすることにより増加させることもできるが、この場合には、発光効率が下がってしまう。それ故、発光効率と、青色発光、緑色発光を得るためのＩｎ組成（例えば、ｘ＝０．１５〜０．２５）とを同時に達成できることを条件として、成長速度の上限を規定しており、例えば、０．６４ｎｍ／秒を例示することができる。
【０００９】
尚、六方晶系におけるＡ面及びＣ面、Ｒ面、並びに、Ｓ面を、それぞれ、図６の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す。尚、本明細書において、「頂面がＡ面である」という場合のＡ面には、オフ角±５（度）以内の面が含まれる。
【００１０】
化合物半導体はカチオン（例えばＧａ）とアニオン（例えばＮ）から成るが、Ｇａは＋３価であり、Ｎは＋５価あるいは−３価であると云える。そして、Ｇａ原子及びＮ原子が多く出現する部分、少なく出現する部分が存在する面を極性のある面と云う。例えば、Ｃ＋面では、ガリウム（Ｇａ）原子面と窒素（Ｎ）原子面が交互に現れて成長するが、この際、＋価のカチオンと−価のアニオンの間で面に垂直に方向性が現れる。これが極性である。これに対して、例えばＡ面では、Ｇａ原子とＮ原子の原子の配列の様子に対象性があり、片方の原子の偏りや、方向性が無いため無極性と云われ、このような面を無極性面と呼ぶ。そして、無極性面では、Ａ面等のように、カチオン、アニオンでの面に垂直な対称性が無い。より具体的には、本明細書における無極性面として、｛１１−２０｝面であるＡ面、｛１−１００｝面であるＭ面、及び、｛１１−２ｎ｝面を挙げることができる。但し 、｛１１−２ｎ｝面とは、ほぼＣ面に対して４０度を成す（横方向）無極性面を意味する。
【００１１】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、ｘの値として、０．０５≦ｘ≦０．３を挙げることができる。ｘの値が増加するに従い、ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長が長くなり、０．０５≦ｘ≦０．３の範囲において、ｘの値が増加すると、ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長は、例えば、約３７０ｎｍから約５６０ｎｍへと変化する。ｘの値が０．０５未満では、ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長が紫外線領域となってしまう場合があるし、ｘの値が０．３を越えるようなＩｎxＧａ(1-x)Ｎ組成を得ることは、発光効率を向上させるといった観点からは、現実的に困難である。
【００１２】
以上の好ましい形態を含む本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層を、順次、有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）にて結晶成長させることが好ましい。そして、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりのＩｎ系原料ガスの供給量を５×１０-7モル・ｃｍ-2・分-1以上とすることが望ましく、及び／又は、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりのＧａ系原料ガスの供給量を７×１０-7モル・ｃｍ-2・分-1以上とすることが望ましい。尚、Ｉｎ系原料ガスの供給量、Ｇａ系原料ガスの供給量を、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりを基準として、一種、正規化している。Ｉｎ系原料ガスの供給量、Ｇａ系原料ガスの供給量をこのような値に規定することで、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎにおける組成（ｘの値）を、より安定して、より確実に所望の組成（ｘの値）とすることができる。Ｉｎ系原料ガスの供給量が多くなり過ぎると、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際、Ｉｎ金属が析出してしまう虞があるし、Ｇａ系原料ガスの供給量が多くなり過ぎると、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際、Ｇａ金属が析出してしまう虞がある。また、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の下地の温度を、７００゜Ｃ乃至８００゜Ｃ、好ましくは、７３０゜Ｃ乃至８００゜Ｃとすることが望ましい。活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の下地の温度が７００゜Ｃ未満では、ＧａＮ系半導体発光素子の活性層が発光しない虞がある。活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の下地の温度を上昇させると、活性層における結晶性の向上を図ることができるが、温度が８００゜Ｃを越えると、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎにおける「ｘ」の値が減少する傾向にあり、その結果、ＧａＮ系半導体発光素子の発光波長が短くなる。尚、本来ならば、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の活性層の成長温度を規定すべきであるが、結晶成長中の活性層の温度を測定することには困難を伴うので、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の下地の温度を規定しているが、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の活性層の成長温度と活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の下地の温度とは等価であると考えられる。
【００１３】
また、以上に説明した種々の好ましい形態を含む本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、下地は、基板上に形成された、頂面がＡ面であるＧａＮ系化合物半導体から成る下地層から構成されている態様とすることができる。そして、この場合、
（ａ）サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層を、複数、離間して形成し、次いで、
（ｂ）ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、次いで、
（ｃ）シード層の上方に位置する第１下地層の頂面の部分に、マスク層を形成した後、
（ｄ）第１下地層の頂面上及びマスク層上において、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第２下地層を第１下地層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる、
各工程を更に具備し、
第２下地層が、前記下地層に相当する構成とすることができる。尚、このような構成を、本発明の第１の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法と呼ぶ。場合によっては、マスク層の形成は不要である。
【００１４】
ここで、横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガス（具体的には、例えばアンモニアガス）とを用いたＭＯＣＶＤ法によって行うことが好ましい。横方向エピタキシャル成長とは、ＥＬＯＧ成長法（Epitaxial Lateral OverGrowh 法）を意味する。
【００１５】
本発明の第１の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、更には、第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層の対向する側面が相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止し、第２下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層の対向する側面から更にＧａＮ系化合物半導体層（組成は第２下地層と同じであり、便宜上、第３下地層と呼ぶ）をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる形態とすることが好ましいが、これに限定するものではない。ここで、限定するものではないが、第１下地層の対向する側面の間の距離をＬ、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
０．５≦Ｌ／ＰS≦０．９９
好ましくは、
０．６≦Ｌ／ＰS≦０．８
を満足することが、欠陥を減らすといった観点、あるいは、サファイア基板からの下地層の剥離を防止するといった観点から望ましい。
【００１６】
そして、ＭＯＣＶＤ法に基づくＧａＮ系化合物半導体から成る第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガス（具体的には、例えばアンモニアガス）の有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3、望ましくは、１×１０2乃至１×１０3とする構成とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1、望ましくは、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至２×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａ、望ましくは、１×１０3Ｐａ乃至１×１０4Ｐａとすることが好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比、有機ガリウム源ガスの供給モル数、窒素源ガスを含む全体圧力を上述の範囲とすることによって、第１下地層の横方向エピタキシャル成長を、確実に、安定して行うことができる。尚、窒素源ガスを含む全体圧力とは、ＭＯＣＶＤ装置内における圧力（窒素ガスのみならず、水素ガス、アンモニアガス等の圧力を含んだ圧力）を指す。以下においても、「窒素源ガスを含む全体圧力」を同様の意味で用いる。
【００１７】
あるいは又、ＭＯＣＶＤ法に基づく第２下地層（及び第３下地層）の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガス（具体的には、例えばアンモニアガス）の有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3、望ましくは、１×１０2乃至１×１０3とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第２下地層（及び第３下地層）の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1、望ましくは、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至２×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第２下地層（及び第３下地層）の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａ、望ましくは、１×１０3Ｐａ乃至１×１０4Ｐａとすることが好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比、有機ガリウム源ガスの供給モル数、窒素源ガスを含む全体圧力を上述の範囲とすることによって、第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長を、確実に、安定して行うことができる。
【００１８】
帯状のシード層の延びる方向であるＸ方向を、＜１−１００＞方向と平行とすることが好ましい。
【００１９】
ＧａＮ系化合物半導体から成る帯状のシード層は、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体層（例えば、頂面がＡ面であるＧａＮ層）を形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこのＧａＮ系化合物半導体層をパターニングすることで、得ることができる。あるいは又、ＧａＮ系化合物半導体から成る帯状のシード層は、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体層（例えば、頂面がＡ面であるＧａＮ層）を形成し、更に、その上に、非成長層（ＧａＮ系化合物半導体層がその上では結晶成長しない層）を形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこの非成長層をパターニングし、ＧａＮ系化合物半導体層を帯状に露出させることで、得ることができる。尚、非成長層を構成する材料は、後述するマスク層を構成する材料から適宜、選択すればよい。また、シード層を構成するＧａＮ系化合物半導体層の形成方法として、ＭＯＣＶＤ法や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を例示することができる。
【００２０】
マスク層の平面形状は帯状であることが望ましい。そして、この場合、シード層の射影像とマスク層の射影像とは平行であることが望ましい。また、シード層の射影像は、マスク層の射影像に含まれることが望ましく、更には、シード層の幅をＷS、マスク層の幅をＷMとしたとき、
１＜ＷM／ＷS
好ましくは、
１＜M／ＷS≦２
を満足することが一層望ましい。また、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
０．０１≦ＷS／ＰS≦０．５
好ましくは、
０．１≦ＷS／ＰS≦０．３
を満足することが望ましい。１＜ＷM／ＷSを満足させることによって、得られた第２下地層における結晶欠陥密度を確実に低減させることができる。
【００２１】
マスク層上では、ＧａＮ系化合物半導体から成る第２下地層の結晶成長は生じない。第２下地層は、第１下地層の頂面上で結晶成長し始め、そして、マスク層上を延びていく。マスク層の具体的な構成として、酸化シリコン層（ＳｉＯx層）、窒化シリコン層（ＳｉＮy層）、Ｔａ2Ｏ5層、ＺｒＯ2層、ＡｌＮ層、Ａｌ2Ｏ3層、これらの層の積層構造（例えば、下から、酸化シリコン層、窒化シリコン層の積層構造）、Ｎｉ層やタングステン層といった高融点金属材料層を挙げることができ、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、あるいは、例えば真空蒸着法やスパッタリング法といった物理的気相成長法（ＰＶＤ法）にて形成することができる。
【００２２】
あるいは又、以上に説明した種々の好ましい形態を含む本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、下地は、頂面がＡ面であるＧａＮ基板から構成されている態様とすることができる。このような構成を、本発明の第２の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法と呼ぶ。そして、このような構成は、例えば、ＧａＮ基板を、所謂、化学的／機械的研磨法（ＣＭＰ法）に基づき研磨することで得ることができるし、あるいは又、ＧａＮ基板をダイサーで切断することで得ることもできる。
【００２３】
以上の好ましい形態、構成を含む本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、第２ＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を形成することが好ましい。
【００２４】
ここで、本発明の第１の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、第２電極を、第１下地層の頂面上に形成された第２下地層の部分の上方に形成することが好ましい。更には、第２電極の射影像は、第１下地層の頂面上に形成された第２下地層の部分の射影像に含まれることが一層好ましく、この場合、シード層の平面形状を幅ＷSの帯状とし、マスク層の平面形状を幅ＷMの帯状とし、複数のシード層の形成ピッチをＰS、第２電極の幅をＷE2としたとき、
１＜ＷM／ＷS
好ましくは、
１＜ＷM／ＷS≦２
を満足し、且つ、
ＷE2／（ＰS−ＷM）＜１
好ましくは、
ＷE2／（ＰS−ＷM）＜０．５
を満足することが更に一層好ましい。１＜ＷM／ＷSを満足させることによって、得られた第２下地層における結晶欠陥密度を確実に低減させることができるし、ＷE2／（ＰS−ＷM）＜１を満足させることによって、一層結晶欠陥密度の少ない第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を設けることができる。
【００２５】
また、本発明の第１の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、第２ＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、シード層及び第１下地層（及び第３下地層）をサファイア基板のＲ面から剥離することが好ましく、更には、シード層及び第１下地層（及び第３下地層）をサファイア基板のＲ面から剥離した後、シード層及び第１下地層（第３下地層）、第２下地層（及び、マスク層）を除去し、第１ＧａＮ系化合物半導体層を露出させることが好ましく、更には、露出した第１ＧａＮ系化合物半導体層上に第１電極を形成することが一層好ましい。ここで、シード層及び第１下地層をサファイア基板のＲ面から剥離する方法として、サファイア基板を介して、サファイア基板とシード層及び第１下地層との界面にレーザ光（例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光）を照射する方法を挙げることができる。また、シード層及び第１下地層等を除去する方法として、シード層及び第１下地層等をエッチングする方法、研磨する方法、エッチング法及び研磨を組合せた方法を挙げることができる。一方、本発明の第２の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、頂面がＡ面であるＧａＮ基板の裏面に、第１電極を形成すればよい。
【００２６】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、第２導電型をｐ型とする場合、第２電極は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有していることが好ましく、あるいは又、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電材料を用いることもできるが、中でも、光を高い効率で反射させることができる銀（Ａｇ）を用いることが好ましい。一方、第１導電型をｎ型とする場合、第１電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを例示することができる。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて形成することができる。
【００２７】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層として、また、シード層、第１下地層、第２下地層及び第３下地層として、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、これらの化合物半導体層にホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子が含まれたＧａＮ系化合物半導体層を挙げることができる。また、活性層には、アルミニウム（Ａｌ）原子やホウ素（Ｂ）原子、タリウム（Ｔｌ）原子が含まれていてもよい。尚、活性層は、１層のＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層から構成されていてもよいし、単一量子井戸構造（ＱＷ構造）あるいは多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。
【００２８】
ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、第１導電型と第２導電型の組合せとして、ｎ型とｐ型の組合せ、若しくは、ｐ型とｎ型の組合せを挙げることができる。ここで、ｎ型ＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。また、ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ4ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウムを用いればよい。尚、ｎ型不純物として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｉを挙げることができるし、ｐ型不純物として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｏを挙げることができる。
【００２９】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に基づき得られる発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）を例示することができる。ＧａＮ系化合物半導体層の積層構造が発光ダイオード構造あるいはレーザ構造を有する限り、活性層を除き、ＧａＮ系化合物半導体の種類、組成に特に制約は無いし、ＧａＮ系化合物半導体層の構造、構成にも特に制約は無い。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、活性層の結晶成長速度を０．３ｎｍ／秒以上と、従来の活性層の結晶成長速度よりも格段に早くすることによって、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎにおける「ｘ」の値を、安定して、しかも、確実に制御することが可能となり、所望の発光波長を有する発光ダイオードを提供することができる。
【００３１】
しかも、本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に基づき得られた第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、及び、第２ＧａＮ系化合物半導体層の頂面はＡ面であり、側面（例えばＣ面）は活性層の界面に垂直な状態となる。従って、活性層にたとえピエゾ自発分極が生じた場合であっても、活性層の厚さ方向とは直角の方向にピエゾ自発分極が生じるので、発光波長にシフトが生じたり、ＱＣＳＥ効果（量子閉じ込めシュタルク効果）による発光効率の低下、動作電圧の上昇、輝度飽和といった現象が発生することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００３３】
実施例１は、本発明の第１の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に関する。以下、サファイア基板等の模式的な一部端面図である図１の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。尚、以下の説明においてガス流量（単位：ＳＬＭ）にて基づき説明を行う場合があるが、このガス流量に係数を乗ずることで、ガスの供給モル数（単位：１０-6モル・ｃｍ-2・分-1）を得ることができる。ここで、ガス流量１ＳＬＭは４．５×１０-2モル・分-1であり、係数は、更に、この値を等価面積（下地の実質的な面積）Ｓで除することで得ることができる、実施例１において、等価面積Ｓを４２ｃｍ2とした。
【００３４】
［工程−１００］
先ず、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層１１を、複数、離間して形成する（図１の（Ａ）参照）。ここで、サファイヤ基板１０のＲ面とは、｛１−１０２｝面である。具体的には、サファイヤ基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、サファイア基板１０の表面をサーマルクリーニングした後、有機ガリウム源ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニア（ＮＨ3）ガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を適切に選択することでピット等が出来る限り発生しないように鏡面に成長する結晶成長条件で、厚さ約２μｍの平坦なＧａＮ系化合物半導体層をサファイヤ基板１０のＲ面上に結晶成長させる。具体的には、頂面がＡ面であるＧａＮ層をサファイヤ基板１０のＲ面上に結晶成長させる。但し、このＧａＮ系化合物半導体層には、積層欠陥等の高密度の欠陥が存在している。そこで、次いで、サファイヤ基板１０をＭＯＣＶＤ装置から搬出し、リソグラフィ技術及びＲＩＥ技術に基づき、このＧａＮ系化合物半導体層を、平面形状が帯状となるようにパターニングすることで、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成することができる。ここで、シード層１１が延びるＸ方向を、＜１−１００＞方向と平行とする。また、シード層１１の平面形状を幅ＷSの帯状とし、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
ＷS＝１０μｍ
ＰS＝４０μｍ
である。
【００３５】
［工程−１１０］
次いで、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図１の（Ｂ）参照）。実施例１にあっては、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触した時点で、第１下地層１２の横方向エピタキシャル成長を中止する。具体的には、サファイア基板１０を、再び、ＭＯＣＶＤ装置に搬入し、有機ガリウム源ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニア（ＮＨ3）ガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面であり、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成る第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。結晶成長条件を、以下の表１に例示する。
【００３６】
［表１］
Ｖ／ＩＩＩ比               ：約５００
有機ガリウム源ガスの供給量 ：４．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1
窒素源ガス（ＮＨ3）の供給量：１ＳＬＭ
正味の成長速度             ：１２μｍ／ｈｒ
窒素源ガスの圧力           ：１×１０4Ｐａ
【００３７】
尚、窒素源ガスの圧力を９×１０4Ｐａとしたところ、第１下地層１２の頂面は、Ｓ面，｛１−１０１｝面となった。
【００３８】
［工程−１２０］
次いで、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置から搬出し、シード層１１の上方に位置する第１下地層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成する（図１の（Ｃ）参照）。マスク層１３は、下から、酸化シリコン層、窒化シリコン層の積層構造を有し、プラズマＣＶＤ法、リソグラフィ技術、及び、ウエットエッチング技術に基づき形成することができる。Ｘ方向に延び、平面形状が帯状のマスク層１３の幅ＷMを１６μｍとする。即ち、シード層１１の射影像は、マスク層１３の射影像に含まれ、ＷM／ＷS＝１．６である。
【００３９】
シード層１１の射影像とマスク層１３の射影像とは平行である。シード層１１の中心線の真上にマスク層１３の中心線が位置していてもよいし、シード層１１の中心線の真上以外の位置にマスク層１３の中心線が位置していてもよい。即ち、第１下地層１２の結晶成長条件によっては、シード層１１の上に位置する第１下地層１２の部分における結晶欠陥が、シード層１１の中心線よりも第１下地層１２の＜０００１＞方向に多く発生する場合があり、あるいは又、＜０００−１＞方向に多く発生する場合があり、このような場合には、シード層１１の中心線の真上以外の位置にマスク層１３の中心線を位置させて、シード層１１の上に位置する第１下地層１２の部分における結晶欠陥を出来る限り覆うようにマスク層１３の位置を調整して、マスク層１３を形成する。
【００４０】
また、シード層１１の上に位置する第１下地層１２の部分における結晶欠陥を識別し難い場合、以下の表２に例示する結晶成長条件にて、例えば、厚さ１μｍ程度の第１下地層１２を更に結晶成長させると、第１下地層１２の結晶欠陥部分にピットが発生し易くなり、結晶欠陥を容易に識別することが可能となる。
【００４１】
［表２］
Ｖ／ＩＩＩ比      ：約８０００
窒素源ガスの供給量：６ＳＬＭ
横方向成長速度    ：４μｍ／ｈｒ
窒素源ガスの圧力  ：９×１０4Ｐａ
【００４２】
［工程−１３０］
その後、第１下地層１２の頂面１２Ａ上及びマスク層１３上において、頂面１４ＡがＡ面であり、側面１４ＢがＣ面である第２下地層１４を第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図１の（Ｄ）参照）。具体的には、サファイア基板１０を、再び、ＭＯＣＶＤ装置に搬入し、有機ガリウム源ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、頂面１４ＡがＡ面であり、側面１４ＢがＣ面であり、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成る第２下地層１４を、第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。結晶成長条件は、表１と同様とすればよい。
【００４３】
こうして、第２下地層１４から成り、無極性面である下地を得ることができる。
【００４４】
［工程−１４０］
次に、同じＭＯＣＶＤ装置内で、サファイア基板１０を低い温度に降温することなく、第２下地層１４上に、第１導電型（具体的には、ｎ型）を有し、頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層（具体的には、例えば、Ｓｉをドーピングした厚さ約１μｍのＧａＮ層）、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成り、頂面がＡ面である活性層（具体的には、例えば、厚さ２．５ｎｍのＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層／厚さ７．５ｎｍのＧａＮから成る障壁層が積層された多重量子井戸構造［ＭＱＷ構造］であり、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層は５層）、第２導電型（具体的には、ｐ型）を有し、頂面がＡ面である第２ＧａＮ系化合物半導体層（具体的には、例えば、Ｍｇをドーピングした厚さ５〜２０ｎｍのＡｌＧａＮ層と、Ｍｇをドーピングした厚さ１００ｎｍのＧａＮ層）を、順次、ＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる。尚、第１ＧａＮ系化合物半導体層は、結晶欠陥の少なくなる以下の表３に示す結晶成長条件で結晶成長させることが望ましい。また、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の結晶成長条件を表４に示す。尚、試験のため、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の成長速度を、
条件−１：０．０４ｎｍ／秒
条件−２：０．１６ｎｍ／秒
条件−３：０．３２ｎｍ／秒
条件−４：０．６４ｎｍ／秒
条件−５：１．２８ｎｍ／秒
の５点としている。
【００４５】
［表３］
Ｖ／ＩＩＩ比    ：１０００以上
窒素源ガスの圧力：５×１０4Ｐａ以上
【００４６】
［表４］
2007048869.tif 000006
【００４７】
［工程−１５０］
その後、第２導電型（具体的には、ｐ型）を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を形成する。第２電極は、Ｎｉ層／Ａｇ層／Ａｕ層の積層構造を有し、真空蒸着法にて形成することができる。尚、第２電極を、第１下地層１２の頂面１２Ａ上に形成された第２下地層１４の部分の上方に形成する。第２電極の射影像は、第１下地層１２の頂面１２Ａ上に形成された第２下地層１４の部分の射影像に含まれる。第２電極の平面形状は、帯状、円形、楕円形等とすることができ、第２電極の幅ＷE2（マスク層１３の幅と同じ方向の幅である）を、１４μｍとする。尚、第２電極は、マスク層１３の上方に位置する第２下地層１４の部分に形成しないことが好ましく、更には、第２下地層１４と第２下地層１４との接合部を跨がないように形成することが一層好ましい。
【００４８】
［工程−１６０］
次いで、全面に支持層を形成し、あるいは、全面に支持体を接着した後、シード層１１、第１下地層１２をサファイア基板１０のＲ面から剥離する。具体的には、サファイア基板１０を介して、サファイア基板１０とシード層１１、第１下地層１２との界面にレーザ光（例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光）を照射すればよい。その後、シード層１１、第１下地層１２、マスク層１３、第２下地層１４を、エッチング法及び研磨法を組合せた方法によって除去し、第１ＧａＮ系化合物半導体層を露出させる。次に、露出した第１ＧａＮ系化合物半導体層上に第１電極を形成する。第１電極は、Ｔｉ層／Ａｕ層の積層構造を有する。更に、第１電極に接続されたＩＴＯから成る透明電極を形成する。
【００４９】
［工程−１７０］
その後、第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層から成る積層構造を劈開、切断してＬＥＤチップとし、透明電極が上になるようにマウントし、配線を行い、樹脂モールドを行うことで、砲弾型のＬＥＤデバイスから成るＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【００５０】
こうして得られたＧａＮ系半導体発光素子の動作電圧は、５０Ａ／ｃｍ2程度の電流密度にて２．８ボルトと極めて低い値であった。
【００５１】
活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の成長速度と、得られたＧａＮ系半導体発光素子（ＬＥＤデバイス）における発光波長との関係、及び、「ｘ」の値との関係を、表４に示し、更には、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に図示する。下地の温度が７１０゜Ｃにあっては、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の成長速度が０．３ｎｍ／秒以上、好ましくは０．６ｎｍ／秒以上で、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層における「ｘ」の値が概ね安定する。
【００５２】
［工程−１４０］において、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層を結晶成長させるときのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス供給量を０から６０×１０-6モル・分-1（１．４×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1）まで変化させたときの、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層における「ｘ」の値の変化を調べた結果を、図３の（Ａ）に示す。結晶成長におけるその他の条件を、表５に「条件−Ａ」として示す。図３の（Ａ）の横軸の値の単位は「×１０-6モル・分-1」であり、この値を「４２ｃｍ2」で除すると、「×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1」を単位とした、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりのＩｎ系原料ガスの供給量（正規化された供給量）を得ることができる。図３の（Ａ）から、１分当たりのＩｎ系原料ガスの供給量が２０×１０-6モル・分-1以上の場合、即ち、下地１ｃｍ2当たり、１分当たりのＩｎ系原料ガスの供給量が５×１０-7モル・ｃｍ-2・分-1以上の場合、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層における「ｘ」の値が概ね安定することが判る。
【００５３】
また、活性層を結晶成長させるときの下地の温度と発光強度の関係を調べた。発光効率は、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層をＫｒレーザによって直接励起したときの発光強度（フォトルミネッセンス強度）を測定することで評価した。評価に使用した試料における活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の結晶成長条件は、表５に示した「条件−Ａ」と同じであり、下地の温度と発光強度の測定結果を、図３の（Ｂ）に示す。図３の（Ｂ）から、下地の温度を高くすると、発光強度が増加することが判る。また、下地の温度が７００゜Ｃ未満では、ＧａＮ系半導体発光素子の活性層が発光せず、下地の温度を上昇させると、発光効率が増加することが判る。
【００５４】
［表５］
2007048869.tif 000007
【００５５】
更には、種々の試験により、活性層の成長速度を一定としたとき、下地の温度が１０゜Ｃ上昇すると、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎにおける「ｘ」の値が減少し、得られたＬＥＤデバイスから成るＧａＮ系半導体発光素子における発光波長が約４０ｎｍ、短くなることが判明した。従って、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の成長速度を０．３ｎｍ／秒以上、好ましくは０．６ｎｍ／秒以上とし、且つ、下地の温度を適切に選択、制御することで、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層における「ｘ」の値を安定させ、且つ、所望の発光波長を有するＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。尚、活性層をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる際の雰囲気圧力（ＭＯＣＶＤ装置内の圧力）を１×１０3Ｐａから９×１０4Ｐａまで、種々、変化させ、それ以外の結晶成長条件を上記の条件−４として、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層を結晶成長させたが、得られたＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層における「ｘ」の値に、殆ど、変化はなかった。
【００５６】
一般に、頂面がＡ面であるＧａＮ系化合物半導体層の結晶成長はサファイア基板のＲ面上で行うことができるが、得られたＧａＮ系化合物半導体層は結晶欠陥を極めて多く含んでおり、表面には凹凸が存在する。それ故、そのまま、このＧａＮ系化合物半導体層上にＧａＮ系化合物半導体から成る活性層等を形成すると、凹凸が更に拡大し、得られたＧａＮ系半導体発光素子の発光も極めて弱くなる。
【００５７】
実施例１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、先ず、シード層から、第１下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させるので、基本的には、結晶欠陥密度の極めて低い第１下地層を得ることができる。但し、シード層上に成長した第１下地層の部分における結晶欠陥密度は高い。それ故、シード層上に成長した第１下地層の結晶欠陥密度の高い部分の頂面をマスク層で覆った状態で、第１下地層の頂面上に第２下地層を形成する。その結果、得られた第２下地層における結晶欠陥密度は、全体として、極めて低くなる。
【００５８】
しかも、こうして得られた第２下地層の頂面はＡ面であり、側面はＣ面等である。従って、下地に相当する第２下地層の上に順次形成される、第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層にあっても、これらの頂面はＡ面であり、側面（例えばＣ面）は界面に垂直な状態となる。従って、活性層にたとえピエゾ自発分極が生じた場合であっても、活性層の厚さ方向とは直角の方向にピエゾ自発分極が生じるので、発光波長にシフトが生じたり、発光効率の低下、動作電圧の上昇、輝度飽和といった現象が発生することを抑制することができる。
【００５９】
尚、実施例１の変形例として、マスク層１３を形成しないＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を採用することもできる。この場合には、上述した［工程−１１０］の後、［工程−１２０］を実行することなく、直ちに、［工程−１３０］以降を実行すればよい。この場合にあっては、シード層１１の上方に位置する第２下地層１４の部分に結晶欠陥が生じる場合があるので、係る第２下地層１４の部分の上方に相当する第２ＧａＮ系化合物半導体層の部分の上に、例えば、ＳｉＯ2から成る被覆層を設け、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層の係る部分の上には第２電極を形成しない構造とし、係る第２下地層１４の部分の上方に位置する、第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層のそれぞれの部分に電流を流さない構成とすることが望ましい。
【実施例２】
【００６０】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例１にあっては、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触した時点で、第１下地層１２の横方向エピタキシャル成長を中止する。ところで、ＧａＮ系化合物半導体結晶におけるｃ軸方向の熱膨張係数は、サファイア基板の熱膨張係数よりも極めて小さい。従って、温度の大きな変化に起因して、シード層１１や第１下地層１２がサファイア基板１０から剥離する虞がある。
【００６１】
実施例２にあっては、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程において、第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する。また、実施例１の［工程−１３０］と同様の工程において、第２下地層１４をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層１２の対向する側面１２Ｂから第３下地層１５をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。これによって、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程において、マスク層１３を形成するためにサファイア基板１０を降温したときに熱膨張係数の相違によって第１下地層１２やシード層１１がサファイア基板１０から剥離することを、確実に防止することができる。
【００６２】
以下、サファイア基板等の模式的な一部端面図である図４の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例２のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。
【００６３】
［工程−２００］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様にして、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成する（図４の（Ａ）参照）。
【００６４】
［工程−２１０］
次いで、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図４の（Ｂ）参照）。実施例２にあっては、第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する。具体的には、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程を実行する。但し、結晶成長の時間を、実施例１よりは短くする。
【００６５】
［工程−２２０］
次いで、実施例１の［工程−１２０］と同様にして、シード層１１の上方に位置する第１下地層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成する（図４の（Ｃ）参照）。
【００６６】
［工程−２３０］
その後、実施例１の［工程−１３０］と同様にして、第２下地層１４を第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層１２の対向する側面１２Ｂから第３下地層１５をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図４の（Ｄ）参照）。
【００６７】
こうして、第２下地層１４から成り、無極性面である下地を得ることができる。
【００６８】
［工程−２４０］
その後、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【００６９】
実施例２にあっては、［工程−２１０］において、第１下地層を、各シード層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層の対向する側面が相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する形態を採用するので、例えば、マスク層を形成するためにサファイア基板を降温したときに熱膨張係数の相違によってＧａＮ系化合物半導体から成るシード層や第１下地層がサファイア基板から剥離することを、確実に防止することができる。
【実施例３】
【００７０】
実施例３は実施例２の変形である。実施例３が実施例２と相違する主たる点は、第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させるときの結晶成長条件、特に、窒素源ガス（具体的には、アンモニアガス）の供給量を増加させた点にある。
【００７１】
［工程−３００］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様にして、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成する。尚、実施例３においては、
ＷS＝  ６μｍ
ＰS＝２４μｍ
とする。
【００７２】
［工程−３１０］
次いで、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、実施例２の［工程−２１０］と同様にして、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。実施例３にあっても、第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する。具体的には、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程を実行する。但し、結晶成長の時間を、実施例１よりは短くする。また、表１の結晶成長条件では、場合によっては、得られた第１下地層１２に点欠陥が多く存在し、また、有機ガリウム源ガス中の炭素が第１下地層１２に多く含まれ、黄色の発光が増えてしまう場合がある。それ故、実施例３にあっては、表１における窒素源ガス（具体的には、アンモニアガス）の供給量を１ＳＬＭから２ＳＬＭへと変更した。尚、実施例１に示した第１下地層１２の結晶成長条件では、横方向成長速度が速く、窒素源ガス流量が少ないこともあり、第１下地層１２が褐色に着色する場合があるが、実施例３の第１下地層１２の結晶成長条件では、第１下地層１２が着色せず、透明となる。しかも、窒素源ガス流量を２ＳＬＭとすることで、横方向成長速度が相対的に遅くなり、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触し難くなる傾向にある。
【００７３】
［工程−３２０］
次いで、実施例１の［工程−１２０］と同様にして、シード層１１の上方に位置する第１下地層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成する。尚、平面形状が帯状のマスク層１３の幅ＷMを９μｍとする。即ち、シード層１１の射影像は、マスク層１３の射影像に含まれ、ＷM／ＷS＝１．５である。
【００７４】
［工程−３３０］
その後、実施例１の［工程−１３０］と同様にして、第２下地層１４を第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層１２の対向する側面１２Ｂから第３下地層１５をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。
【００７５】
こうして、第２下地層１４から成り、無極性面である下地を得ることができる。
【００７６】
［工程−３４０］
その後、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【実施例４】
【００７７】
実施例４は、本発明の第２の構成に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に関する。以下、実施例４のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。
【００７８】
［工程−４００］
先ず、ＧａＮ基板をダイサーで切断することで、頂面がＡ面であるバルク状のＧａＮ基板を準備し、次いで、例えばＣＭＰ法に基づきＧａＮ基板の頂面を研磨することで、頂面がＡ面であり、しかも、平滑なバルク状のＧａＮ基板を、下地として得ることができる。尚、ＧａＮ基板の表面に極性が反転している領域などがあれば、その部分を避けてＧａＮ系半導体発光素子を製造することが望ましい。
【００７９】
［工程−４１０］
そして、このＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、実施例１の［工程−１４０］と同様にして、第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層（具体的には、例えば、Ｓｉをドーピングした厚さ約１μｍのＧａＮ層）、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎから成る活性層（具体的には、例えば、実施例１において説明した活性層と同じ構成、構造を有する）、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層（具体的には、例えば、Ｍｇをドーピングした厚さ５〜２０ｎｍのＡｌＧａＮ層と、Ｍｇをドーピングした厚さ１００ｎｍのＧａＮ層）を、順次、ＭＯＣＶＤ法にて、ＧａＮ基板の頂面（Ａ面）上に結晶成長させる。
【００８０】
［工程−４２０］
その後、実施例１の［工程−１５０］と同様にして、第２導電型（具体的には、ｐ型）を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を形成する。第２電極は、Ｎｉ層／Ａｇ層／Ａｕ層の積層構造を有し、真空蒸着法にて形成することができる。次に、ＧａＮ基板の裏面に、第１電極を形成する。第１電極は、Ｔｉ層／Ａｕ層の積層構造を有し、真空蒸着法にて形成することができる。更に、第１電極に接続されたＩＴＯから成る透明電極を形成する。その後、ＧａＮ基板を劈開することで、個々のＧａＮ系半導体発光素子に分離する。こうして、ＧａＮ系半導体発光素子（ＬＥＤ）を得ることができる。そして、得られたＬＥＤチップを、透明電極が上になるようにマウントし、配線を行い、樹脂モールドを行うことで、砲弾型のＬＥＤデバイスから成るＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【００８１】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例で説明した基板、活性層、各種ＧａＮ系化合物半導体層の種類、組成、膜厚、構成、構造等は例示であり、適宜変更することができる。また、実施例において説明した条件や各種数値、使用した材料等は例示であり、適宜変更することができる。
【００８２】
実施例１〜実施例３にあっては、ＧａＮ系化合物半導体から成るシード層１１の形成方法を、サファイア基板１０のＲ面上に、頂面がＡ面であるＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこのＧａＮ系化合物半導体層をパターニングする方法としたが、シード層１１の形成方法はこのような方法に限定するものではない。図５にサファイア基板１０等の模式的な一部端面図を示すように、ＧａＮ系化合物半導体から成るシード層１１１は、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体層１１１Ａ（例えば、頂面がＡ面であるＧａＮ層）を形成し、更に、その上に、非成長層（ＧａＮ系化合物半導体層がその上では成長しない層）１１１Ｂを形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこの非成長層１１１Ｂをパターニングし、Ｘ方向（より具体的には、＜１−１００＞方向）に延びる帯状のＧａＮ系化合物半導体層１１１Ａを露出させることで、得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１の（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明するためのサファイア基板等の模式的な一部端面図である。
【図２】図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の成長速度と「ｘ」の値との関係、及び、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層の成長速度と、得られたＧａＮ系半導体発光素子における発光波長との関係を示すグラフである。
【図３】図３の（Ａ）は、実施例１のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法における［工程−１４０］において、活性層を構成するＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層を結晶成長させるときのＴＭＩガス供給量を０から６０×１０-6モル・分-1（１．４×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1）まで変化させたときの、ＩｎxＧａ(1-x)Ｎ層における「ｘ」の値の変化を調べた結果を示すグラフであり、図３の（Ｂ）は、活性層を結晶成長させるときの下地の温度と発光強度の関係を調べた結果を示すグラフである。
【図４】図４の（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例２のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明するためのサファイア基板等の模式的な一部端面図である。
【図５】図５は、実施例１〜実施例３のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法におけるシード層の形成方法の変形を説明するためのサファイア基板等の模式的な一部端面図である。
【図６】図６の（Ａ）〜（Ｃ）は、六方晶系の結晶におけるＡ面、Ｃ面、Ｒ面等を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８４】
１０・・・サファイア基板、１１・・・シード層、１２・・・第１下地層、１３・・・マスク層、１４・・・第２下地層、１５・・・第３下地層、１１１・・・シード層、１１１Ａ・・・ＧａＮ系化合物半導体層、１１１Ｂ・・・非成長層
【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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