(57)【要約】【課題】  薄いＧａＮ基板にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成する際に歪緩和層での転位の発生を抑制することを図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。【解決手段】  発光素子１００は、支持基板１０と、ＧａＮ基板２０と、ｎ型コンタクト層３０と、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）と、発光層５０と、ｐ型クラッド層６０と、ｐ型コンタクト層７０とを、有している。ＧａＮ基板２０の厚みは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比Ｘは、０％より大きく３％以下の範囲内である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板を支持する支持基板と、
発光層と、
前記ＧａＮ基板と前記発光層との間に形成された第１導電型半導体層と、
前記発光層を挟んで前記第１導電型半導体層の反対側に形成された第２導電型半導体層と、
を有するIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記ＧａＮ基板の厚みは、
１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内であり、
前記第１導電型半導体層は、
ＩｎＧａＮ層を含むものであり、
前記ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比Ｘは、０％より大きく３％以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記ＩｎＧａＮ層は、ｎ型ＩｎＧａＮ層であり、
前記ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比Ｘは、０．１％以上２％以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子において、
前記ＧａＮ基板の厚みは、
１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子。
【請求項４】
ＧａＮ基板を支持基板に固定するＧａＮ基板固定工程と、
ＩｎＧａＮ層を含む第１導電型半導体層を形成する第１導電型半導体層形成工程と、
発光層を形成する発光層形成工程と、
第１導電型半導体層とは異なる極性の第２導電型半導体層を形成する第２導電型半導体層形成工程と、
を有し、
前記ＧａＮ基板固定工程では、
厚みが１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内のＧａＮ基板を用い、
前記第１導電型半導体層形成工程では、
Ｉｎ組成比Ｘが０％より大きく３％以下の範囲内であるＩｎＧａＮ層を形成するものであることを
を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記第１導電型半導体層形成工程では、
前記ＩｎＧａＮ層としてｎ型ＩｎＧａＮ層を形成し、
前記ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比Ｘを、０．１％以上２％以下の範囲内とすること
を特徴とするIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、
前記ＧａＮ基板の厚みが、
１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内のＧａＮ基板を用いること
を特徴とするIII 族窒化物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、III 族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関する。さらに詳細には、ＧａＮ基板にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成するIII 族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体結晶を作成する方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）やハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスドスパッタデポジション法（ＰＳＤ）、そして、液相エピタキシー法などがある。
【０００３】
例えば、ＭＯＣＶＤ法により、III 族窒化物系化合物半導体を形成する場合には、成長基板の上に、各半導体層が形成されることとなる。成長基板として、例えば、バッファ層を形成したサファイア基板（例えば、特許文献１の段落［００２０］および図１参照）やＧａＮ自立基板（例えば、特許文献１の段落［０１１６］および図４参照）が用いられることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３３５７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、厚みの厚く、強度の十分なＧａＮ自立基板を製造することは容易ではない。そのため、そのようなＧａＮ自立基板は、高価である。そこで、厚みの薄いＧａＮ基板を厚みの十分な支持基板に貼り付けた基板が用いられることがある。この場合には、薄いＧａＮ基板からIII 族窒化物系化合物半導体を成長させるのである。
【０００６】
ところで、本発明者らの鋭意研究の結果、薄いＧａＮ基板を成長基板としてｎ型ＩｎＧａＮ層（歪緩和層）を成長させる場合には、そのｎ型ＩｎＧａＮ層から転位が生じやすいことが分かった。その詳細については後述する。この転位の増加により、窒化物系化合物半導体発光素子の結晶は悪いものとなる。そのため、薄いＧａＮ基板を成長基板として用いる場合には、転位の発生を抑制する技術が必要である。
【０００７】
本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、薄いＧａＮ基板にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成する際に歪緩和層での転位の発生を抑制することを図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子は、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板を支持する支持基板と、発光層と、ＧａＮ基板と発光層との間に形成された第１導電型半導体層と、発光層を挟んで第１導電型半導体層の反対側に形成された第２導電型半導体層と、を有するものである。また、ＧａＮ基板の厚みは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。また、第１導電型半導体層は、ＩｎＧａＮ層を含むものである。そして、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比Ｘは、０％より大きく３％以下の範囲内である。
【０００９】
このIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、成長基板として厚みの薄いＧａＮ基板を用いて製造されたものである。このIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比の値が小さい。このため、薄いＧａＮ基板とＩｎＧａＮ層との間の格子定数の差が小さい。したがって、格子定数の差に起因する応力の集中を緩和することができる。ゆえに、応力集中に起因する転位の発生を抑制することができる。すなわち、薄いＧａＮ基板を用いても、ＩｎＧａＮ層で歪に起因する転位はほとんど発生していない。
【００１０】
第２の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ層は、ｎ型ＩｎＧａＮ層である。また、ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比Ｘは、０．１％以上２％以下の範囲内である。この範囲のときに、ＩｎＧａＮ層での転位の発生をより抑制することができるからである。
【００１１】
第３の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、ＧａＮ基板の厚みは、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内である。ＧａＮ基板の厚みが薄くても、ＩｎＧａＮ層での転位の発生をより抑制することができるからである。
【００１２】
第４の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ基板を支持基板に固定するＧａＮ基板固定工程と、ＩｎＧａＮ層を含む第１導電型半導体層を形成する第１導電型半導体層形成工程と、発光層を形成する発光層形成工程と、第１導電型半導体層とは異なる極性の第２導電型半導体層を形成する第２導電型半導体層形成工程と、を有する方法である。また、ＧａＮ基板固定工程では、厚みが１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内のＧａＮ基板を用いる。そして、第１導電型半導体層形成工程では、Ｉｎ組成比Ｘが０％より大きく３％以下の範囲内であるＩｎＧａＮ層を形成する。
【００１３】
このIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法では、成長基板として厚みの薄いＧａＮ基板を用いる。そして、ＩｎＧａＮ層を形成するにあたって、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比の値が小さいものとする。このため、薄いＧａＮ基板とＩｎＧａＮ層との間の格子定数の差が小さい。したがって、格子定数の差に起因する応力の集中を緩和することができる。ゆえに、応力集中に起因する転位の発生を抑制することができる。すなわち、薄いＧａＮ基板を用いても、ＩｎＧａＮ層で歪に起因する転位はほとんど発生していない。
【００１４】
第５の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法において、第１導電型半導体層形成工程では、ＩｎＧａＮ層としてｎ型ＩｎＧａＮ層を形成する。そして、ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比Ｘを、０．１％以上２％以下の範囲内とする。この範囲のときに、ＩｎＧａＮ層での転位の発生をより抑制することができるからである。
【００１５】
第６の態様におけるIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法では、ＧａＮ基板の厚みが、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内のＧａＮ基板を用いる。ＧａＮ基板の厚みが薄くても、ＩｎＧａＮ層での転位の発生をより抑制することができるからである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、薄いＧａＮ基板にIII 族窒化物系化合物半導体層を形成する際に歪緩和層での転位の発生を抑制することを図ったIII 族窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子を説明するための図である。
【図２】実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その１）である。
【図３】実施形態に係るIII 族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その２）である。
【図４】薄いＧａＮ基板に組成比６．５％のＩｎＧａＮ層を形成した発光素子におけるＴＥＭ写真である。
【図５】薄いＧａＮ基板に各半導体層を形成した発光素子においてＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を変化させた場合の全放射束を示すグラフである。
【図６】発光素子に流す電流と発光波長のシフト量との関係を示すグラフである。
【図７】発光素子に流す電流と全放射束との関係を示すグラフである。
【図８】ｎ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を０．８％とした発光素子におけるｎ型ＩｎＧａＮ層の転位を示すカソードルミネッセンス写真である。
【図９】ｎ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を０．８％とした発光素子におけるｐ型ＡｌＧａＮ層の転位を示すカソードルミネッセンス写真である。
【図１０】ｎ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を６．５％とした発光素子におけるｎ型ＩｎＧａＮ層の転位を示すカソードルミネッセンス写真である。
【図１１】ｎ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を６．５％とした発光素子におけるｐ型ＡｌＧａＮ層の転位を示すカソードルミネッセンス写真である。
【図１２】薄いＧａＮ基板に各半導体層を形成した発光素子においてＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を０．８％とした場合のフォトルミネッセンス写真である。
【図１３】薄いＧａＮ基板に各半導体層を形成した発光素子においてＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を３．０％とした場合のフォトルミネッセンス写真である。
【図１４】薄いＧａＮ基板に各半導体層を形成した発光素子においてＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を６．５％とした場合のフォトルミネッセンス写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、具体的な実施形態について、図を参照しつつ説明する。しかし、これらは例示であり、これらの実施形態に限定されるものではない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。
【００１９】
１．半導体発光素子
実施形態に係る発光素子１００を図１により説明する。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る半導体発光素子である。図１に示すように、発光素子１００は、支持基板１０と、ＧａＮ基板２０と、ｎ型コンタクト層３０と、歪緩和層４０と、発光層５０と、ｐ型クラッド層６０と、ｐ型コンタクト層７０と、を有している。発光素子１００には、ｎ型コンタクト層３０を露出させるための非貫通孔が各層の厚み方向に形成されている。そして、ｎ型コンタクト層３０には、ｎ電極Ｎ１が形成されている。ｐ型コンタクト層７０には、ｐ電極Ｐ１が形成されている。そして、ｎ型層は、ＧａＮ基板２０と発光層５０との間に形成されており、ｐ型層は、発光層５０を挟んでｎ型層の反対側に形成されている。
【００２０】
支持基板１０は、発光素子１００に強度を持たせるためのものである。そして、支持基板１０は、ＧａＮ基板２０を支持するためのものである。また、ＧａＮ基板２０は、その上層にIII 族窒化物半導体層を形成するための成長基板である。ＧａＮ基板２０は、支持基板１０に貼り付けられている。
【００２１】
ｎ型コンタクト層３０は、ｎ電極Ｎ１に実際に接触する層である。ｎ型コンタクト層３０は、ｎ型ＧａＮから成る層である。そのＳｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3 以上である。また、ｎ型コンタクト層３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極とのオーミック性を向上させるためである。
【００２２】
歪緩和層４０は、発光層５０に加わる応力を緩和するための層である。歪緩和層４０は、ｎ型ＩｎＧａＮ層である。歪緩和層４０におけるＩｎ組成比については、後で詳しく説明する。Ｓｉをドープする際には、キャリア濃度を１×１０17／ｃｍ3 以下となるようにするとよい。
【００２３】
発光層５０は、電子と正孔とが再結合することで、光を発する層である。発光層５０は、単位積層構造を繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）である。ここで、単位積層構造は、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層とを、下層からこの順序で積層したものである。この単位積層構造の繰り返し回数は、９回である。この繰り返し回数は、５回以上１２回以下の範囲内で変えてもよい。もちろん、これ以外の回数を用いてもよい。また、単位積層構造における各層の積層順序を変えてもよい。単位積層構造自体も、上記のものとは異なるも単位積層構造を用いることができる。その際に、ＧａＮと、ＩｎＧａＮと、ＡｌＧａＮと、ＡｌＩｎＧａＮとを、自由に組み合わせてよい。
【００２４】
ｐ型クラッド層６０は、電子がｐ型コンタクト層７０に拡散するのを防止するためのものである。ｐ型クラッド層６０は、ｐ型ＡｌＧａＮから成る層である。または、ｐ型ＩｎＧａＮから成る層と、ｐ型ＡｌＧａＮから成る層とを単位構造として、その単位構造を繰り返して形成した層としてもよい。その繰り返し回数は、例えば、７回である。また、その繰り返し回数を３〜１５回の範囲としてもよい。
【００２５】
ｐ型コンタクト層７０は、ｐ電極Ｐ１とオーミックコンタクトをとるための層である。ｐ型コンタクト層７０は、第１のｐ型コンタクト層７１と、第２のｐ型コンタクト層７２とを有している。第１のｐ型コンタクト層７１と、第２のｐ型コンタクト層７２とは、いずれもＭｇをドープしたｐ型ＧａＮから成る層である。これらのうち、第１のｐ型コンタクト層７１は、第２のｐ型コンタクト層７２よりも下層に位置する。そして、実際にｐ電極Ｐ１と接触するのは、第２のｐ型コンタクト層７２である。
【００２６】
ここで、第１のｐ型コンタクト層７１におけるＭｇドープ量は、１×１０19／ｃｍ3 以上１×１０20／ｃｍ3 以下の範囲内である。このＭｇの濃度範囲は、結晶性を低下させることなく、高い正孔濃度が得られる範囲である。そして、第２のｐ型コンタクト層７２におけるＭｇドープ量は、１×１０20／ｃｍ3 以上１×１０22／ｃｍ3 以下の範囲内である。このように、第２のｐ型コンタクト層７２におけるＭｇドープ量は、第１のｐ型コンタクト層７１におけるＭｇドープ量よりも多い。
【００２７】
２．半導体発光素子における各層の厚み
続いて、各層の厚みについて説明する。支持基板１０の厚みは、例えば、２ｍｍである。この厚みは、１ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲で変えてもよい。ＧａＮ基板２０の厚みは、例えば、１５０ｎｍである。その厚みは、１０ｎｍ以上１０μｍ以下の範囲内である。また、１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内で変えてもよい。ｎ型コンタクト層３０の厚みは、２００００Åである。もちろん、これ以外の値であってもよい。
【００２８】
歪緩和層４０の厚みは、１５００Åである。もちろん、これ以外の値であってもよい。歪緩和層４０の厚みを１５００Åとしたときの全放射束（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｐｏ）の値を１００％とする。この全放射束を基準値とすると、その基準値の９５％以上の全放射束を得るためには、歪緩和層４０の厚みを５００Å〜２５００Åの範囲内とするとよい。また、その基準値の９９％以上の全放射束を得るためには、歪緩和層４０の厚みを１０００Å〜２０００Åの範囲内とするとよい。
【００２９】
発光層５０では、ＩｎＧａＮ層の厚みが３２Åであり、ＧａＮ層の厚みが１５Åであり、ＡｌＧａＮ層の厚みが２２．５Åである。ｐ型クラッド層６０の厚みは、１００Åである。第１のｐ型コンタクト層７１の厚みは、８００Åである。第２のｐ型コンタクト層７２の厚みは、５０Åである。もちろん、これ以外の値であってもよい。
【００３０】
３．歪緩和層（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比
ここで、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比について説明する。歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比は、表１に示すように、０％より大きく３％以下の範囲内であるとよい。そして、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比は、表２に示すように、０．１％以上２．０％以下の範囲内であるとより好ましい。歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比が、表３に示すように、０．５％以上１．５％以下の範囲内であるとさらに好ましい。これらの範囲については、後に詳しく説明する。
【００３１】
［表１］
歪緩和層のＩｎ組成比Ｘ            ０％  ＜  Ｘ  ≦  ３．０％
【００３２】
［表２］
歪緩和層のＩｎ組成比Ｘ        ０．１％  ≦  Ｘ  ≦  ２．０％
【００３３】
［表３］
歪緩和層のＩｎ組成比Ｘ        ０．５％  ≦  Ｘ  ≦  １．５％
【００３４】
４．半導体発光素子の製造方法
続いて、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３５】
４−１．（Ａ）ＧａＮ基板固定工程
まず、支持基板１０にＧａＮ基板２０を貼り付ける。そのためには、例えば、接着剤を用いればよい。これにより、図２に示したように、支持基板１０にＧａＮ基板２０を貼り付けることにより固定された基板体８０が得られる。
【００３６】
４−２．（Ｂ）半導体層形成工程
次に、上記の各層の結晶をエピタキシャル成長させる。そのエピタキシャル成長の方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いる。また、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、そして、液相エピタキシー法などを用いてもよい。
【００３７】
ここで用いるキャリアガスは、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いることができる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＧ」という。）を用いることができる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＩ」という。）を用いることができる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＡ」という。）を用いることができる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いることができる。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ：以下、「ＣＰ2 Ｍｇ」という。）を用いることができる。
【００３８】
４−２−１．（Ｂ−１）ｎ型コンタクト層形成工程
次に、ＧａＮ基板２０の上にｎ型コンタクト層３０を形成する（図３参照）。ここで、キャリアガスを水素ガスとし、アンモニアガスを流しながら、基板温度を１１００℃まで上昇させる。そして、基板温度が１１００℃になったところで、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを供給する。これにより、ｎ型コンタクト層３０が形成される。
【００３９】
４−２−２．（Ｂ−２）歪緩和層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層３０の上に歪緩和層４０を形成する。歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比は、前述したように、表１から表３に示した範囲内であるとよい。ｎ型ＩｎＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８３０℃として、シランガス、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給する。
【００４０】
４−２−３．（Ｂ−３）発光層形成工程
続いて、歪緩和層４０の上に発光層５０を形成する。そのために、単位積層構造を繰り返し形成する。その繰り返し回数は、前述のとおりである。単位積層構造を、ＩｎＧａＮ層と、ＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層とを、下層からこの順序で積層する。ＩｎＧａＮ層を、成長温度７５０〜８００℃の範囲内の温度で成長させる。そのために、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給する。ＡｌＧａＮ層を、成長温度８５０〜９５０℃の範囲内の温度で成長させる。そのために、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給する。      
【００４１】
４−２−４．（Ｂ−４）ｐ型クラッド層形成工程
次に、発光層５０の上にｐ型クラッド層６０を形成した。ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８５５℃として、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給する。ｐ型クラッド層６０は、ｐ型ＩｎＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層との繰り返し構造としてもよい。その場合には、ｐ型ＩｎＧａＮ層を形成する際に、基板温度を８５５℃として、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを供給すればよい。
【００４２】
４−２−５．（Ｂ−５）ｐ型コンタクト層形成工程
続いて、ｐ型クラッド層６０の上にｐ型コンタクト層７０を形成する（図３参照）。ｐ型コンタクト層７０は、ｐ型ＧａＮである。キャリアガスとして、窒素と水素の混合気体を用いるとよい。そして、原料ガスとして、ＣＰ2 Ｍｇ、ＴＭＧ、アンモニアを用いる。ここで、結晶を成長させる温度は、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内である。そして、第１のｐ型コンタクト層７１を形成した後に、第２のｐ型コンタクト層７２を形成する。これにより、図３に示した半導体層９０が得られる。
【００４３】
４−３．（Ｃ）電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層７０の表面側からドライエッチングを行って、ｎ型コンタクト層３０の途中まで達する溝を形成する。そして、ｐ型コンタクト層７０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。ｐ電極Ｐ１として、ｐ型コンタクト層７０の上に、ＩＴＯから成る層を形成する。ＩＴＯの他に、他の材質を用いてもよい。また、ｐ電極Ｐ１を粗面化してもよい。また、露出させたｎ型コンタクト層３０の上にｎ電極Ｎ１を形成する。ｎ電極Ｎ１として、ｎ型コンタクト層３０の上に、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順番で形成する。これらの電極の材料は、例示であり、上記のものに限らない。これにより、図１に示した発光素子１００が製造される。
【００４４】
５．実験
５−１．薄い成長基板を用いた場合に発生する転位
ここで、薄い成長基板を用いた発光素子における転位について説明する。まず、成長基板として薄いＧａＮ基板を用いた場合について説明する。図４は、薄いＧａＮ基板にＩｎ組成比が６．５％であるｎ型ＩｎＧａＮ層を形成した場合におけるＴＥＭ写真である。図４に示すように、ｎ型ＩｎＧａＮ層から転位が発生している。一方、厚いＧａＮ基板を用いた場合には、上記の転位は発生していなかった。つまり、薄いＧａＮ基板を用いると、ＩｎＧａＮ層から転位が発生しやすい。その理由を次に説明する。
【００４５】
転位密度が低いＧａＮ基板では、格子欠陥が少ない。そのため、格子欠陥による応力の緩和の程度も小さい。したがって、成長基板であるＧａＮ基板が薄い場合には、ＧａＮ基板のＧａＮと、ＩｎＧａＮ層との間の格子定数の差を、埋めることが困難である。よって、緩和しきれなかった歪により、転位が発生する。
【００４６】
５−２．歪緩和層（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比と全放射束の関係
図５に、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成比（ＧａＩｎＮ：Ｓｉ膜のＩｎＮモル分率（％））と、全放射束（Ｐｏ（ａ．ｕ．））との関係を示す。図５の横軸は、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比である。図５の縦軸は、発光素子１００の全放射束（Ｐｏ）である。測定点のうち、ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比が０．８％のときに、全放射束（Ｐｏ）が最も大きい値をとる。この点をＡとする。
【００４７】
図５に示すように、Ｉｎが含まれていない場合には、Ｉｎ組成比が０．８％のとき（点Ａ）に比べてやや全放射束が下がっている。Ｉｎが含まれていないと、ＩｎＧａＮ層による歪を緩和する効果が得られない。
【００４８】
一方、Ｉｎ組成比が３％より大きいと、全放射束は小さい。これは、Ｉｎ組成比が大きすぎることにより、成長させる半導体発光素子の結晶性が悪いからと考えられる。この原因として、もちろん、図４のところで説明したように、ＩｎＧａＮ層で転位が発生している可能性が挙げられる。
【００４９】
図５における領域Ｒ１は、表１のＩｎ組成比の範囲（０％＜Ｘ≦３．０％）に相当する。この領域Ｒ１の範囲内における全放射束は、点Ａにおける全放射束の９８％以上である。図５における領域Ｒ２は、表２のＩｎ組成比の範囲（０．１％≦Ｘ≦２．０％）に相当する。この領域Ｒ２の範囲内における全放射束は、点Ａにおける全放射束の９９％以上である。図５における領域Ｒ３は、表３のＩｎ組成比の範囲（０．５％≦Ｘ≦１．５％）に相当する。この領域Ｒ３の範囲内における全放射束は、点Ａにおける全放射束の９９．５％以上である。
【００５０】
５−３．電流と波長のシフト量との関係
図６は、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成比を０．８％とした発光素子１００における発光波長のシフト量の電流依存性を示すグラフである。図６の横軸は、発光素子１００に流れる電流（ＩＦ（ｍＡ））である。図６の縦軸は、発光素子１００における発光波長のシフト量（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｓｈｉｆｔ（ｎｍ））である。
【００５１】
図６には、歪緩和層４０を、ｎ型ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比：０．８％）とした場合とＧａＮ層（Ｉｎ組成比：０％）とした場合とが示されている。図６に示すように、歪緩和層をＧａＮ層とした場合の方が、発光波長のシフト量が大きい。そしてもちろん、歪緩和層をｎ型ＩｎＧａＮ層とした場合の方が、発光波長のシフト量は小さい。したがって、歪緩和層をｎ型ＩｎＧａＮ層としたほうが、発光波長にむらが生じない。これは、歪緩和層をｎ型ＩｎＧａＮ層とすることにより、歪が緩和されるとともに、歪緩和層での転位の発生を抑制されていることを示唆している。つまり、前述のとおり、半導体発光素子における結晶性はよい。
【００５２】
５−４．電流と全放射束との関係
図７は、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成比を０．８％とした発光素子１００における全放射束（Ｐｏ）の電流依存性を示すグラフである。図７の横軸は、発光素子１００に流れる電流（ＩＦ（ｍＡ））である。図７の縦軸は、発光素子１００における全放射束（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｐｏ（ａ．ｕ．））である。
【００５３】
図７には、歪緩和層４０を、ｎ型ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比：０．８％）とした場合とＧａＮ層（Ｉｎ組成比：０％）とした場合とが示されている。図７に示すように、歪緩和層をｎ型ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比：０．８％）とした場合の方が、全放射束（Ｐｏ）の電流依存性はよい。つまり、全放射束（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｐｏ）が電流にほぼ比例している。
【００５４】
例えば、電流ＩＦ（ｍＡ）と、全放射束（Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｐｏ）とが比例関係にあるとすると、電流ＩＦ（ｍＡ）の調整により、発光素子１００の明るさを制御することができる。図７では、電流ＩＦ（ｍＡ）が約４０〜７０ｍＡの領域において、Ｉｎ組成比が０．８％の方が、Ｉｎ組成比０％の場合に比べて、比例直線からのずれが小さい。つまり、Ｉｎ組成比が０．８％の方が、Ｉｎ組成比０％の場合に比べて、発光素子１００の明るさを制御する上で優れている。
【００５５】
したがって、歪緩和層をｎ型ＩｎＧａＮ層としたほうが、大電流を流した場合の明るさを制御しやすい。この結果も、歪緩和層をｎ型ＩｎＧａＮ層とすることにより、歪が緩和されるとともに、歪緩和層での転位の発生を抑制されていることを示唆している。つまり、前述のとおり、半導体発光素子における結晶性はよい。
【００５６】
５−５．カソードルミネッセンス写真
５−５−１．Ｉｎ組成比０．８％
図８および図９は、薄いＧａＮ基板を成長基板とした発光素子についての実験結果である。図８は、ｎ型ＩｎＧａＮ層のカソードルミネッセンス写真である。この場合におけるｎ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、０．８％である。図８より、ｎ型ＩｎＧａＮ層の転位密度は、２×１０6 ｃｍ-2であった。図９は、ｐ型ＡｌＧａＮ層のカソードルミネッセンス写真である。ここで、このｐ型ＡｌＧａＮ層の下層には、Ｉｎ組成比０．８％のｎ型ＩｎＧａＮ層がある。図９より、ｐ型ＡｌＧａＮ層の転位密度は、２×１０6 ｃｍ-2であった。このように、ｎ型ＩｎＧａＮ層の転位密度と、ｐ型ＡｌＧａＮ層の転位密度とは、同程度である。つまり、ｎ型ＩｎＧａＮ層からｐ型ＡｌＧａＮ層にかけて、転位の増加はみられなかった。
【００５７】
５−５−２．Ｉｎ組成比６．５％
図１０および図１１は、薄いＧａＮ基板を成長基板とした発光素子についての実験結果である。図１０は、ｎ型ＩｎＧａＮ層のカソードルミネッセンス写真である。この場合におけるｎ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、６．５％である。図１０より、ｎ型ＩｎＧａＮ層の転位密度は、２×１０6 ｃｍ-2であった。図１１は、ｐ型ＡｌＧａＮ層のカソードルミネッセンス写真である。ここで、このｐ型ＡｌＧａＮ層の下層には、Ｉｎ組成比６．５％のｎ型ＩｎＧａＮ層がある。図１１より、ｐ型ＡｌＧａＮ層の転位密度は、４×１０6 ｃｍ-2であった。このように、ｐ型ＡｌＧａＮ層の転位密度は、ｎ型ＩｎＧａＮ層の転位密度の２倍程度であった。つまり、ｎ型ＩｎＧａＮ層以降の半導体層で転位が増加している。この結果は、図４のところで説明したように、ｎ型ＩｎＧａＮ層で転位が発生している場合と矛盾しない。
【００５８】
５−６．フォトルミネッセンス写真
図１２から図１４に、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎ組成比を変化させた場合におけるフォトルミネッセンス写真を示す。図１２は、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成比を０．８％としたときのｎ型ＩｎＧａＮ層のフォトルミネッセンス写真である。この場合には、暗点はほとんどみられなかった。
【００５９】
図１３は、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成比を３．０％としたときのｎ型ＩｎＧａＮ層のフォトルミネッセンス写真である。この場合には、わずかではあるものの、暗点がみられた。その暗点密度は、６．０×１０5 ／ｃｍ2 であった。
【００６０】
図１４は、歪緩和層４０（ｎ型ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成比を６．５％としたときのｎ型ＩｎＧａＮ層のフォトルミネッセンス写真である。この場合には、やや、暗点がみられた。その暗点密度は、１．２０×１０6 ／ｃｍ2 であった。つまり、図１４の場合における暗点密度は、図１３の場合における暗点密度の倍である。
【００６１】
６．変形例
本実施形態では、歪緩和層４０をｎ型ＩｎＧａＮ層とした。しかし、歪緩和層４０を超格子構造としてもよい。超格子構造として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮやＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ（ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮの場合も含む）等がある。ＩｎＧａＮ／ＧａＮの場合には、超格子構造における平均Ｉｎ組成比Ｙ０を、０％＜Ｙ０≦３％（表１の範囲）の範囲内としてもよい。また、表２や表３の範囲としてもよい。ＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮの場合には、その超格子構造におけるａ軸もしくはｃ軸の格子定数について、ＧａＩｎＮの平均Ｉｎ組成比Ｙ１を、０％＜Ｙ１≦３％（表１の範囲）の範囲内で調整してもよい。また、表２や表３の範囲で調整してもよい。
【００６２】
７．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、成長基板として厚みの薄いＧａＮ基板を用いて製造されたものである。このIII 族窒化物系化合物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比の値が小さい。このため、薄いＧａＮ基板とＩｎＧａＮ層との間の格子定数の差が小さい。したがって、格子定数の差に起因する応力の集中を緩和することができる。ゆえに、応力集中に起因する転位の発生を抑制することができる。すなわち、薄いＧａＮ基板を用いても、ＩｎＧａＮ層で歪に起因する転位はほとんど発生していない。
【００６３】
なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本実施形態では、エピタキシャル成長の方法として、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることとした。しかし、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、そして、液相エピタキシー法などを用いてもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１０…支持基板
２０…ＧａＮ基板
３０…ｎ型コンタクト層
４０…歪緩和層
５０…発光層
６０…ｐ型クラッド層
７０…ｐ型コンタクト層
７１…第１のｐ型コンタクト層
７２…第２のｐ型コンタクト層
１００…発光素子
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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