(57)【要約】【課題】  貫通転位を意図的に発生させることなく、順方向電圧を低減させ得ると共に光出力を向上させ得るエピタキシャルウエハを提供する。【解決手段】  本発明のエピタキシャルウエハは、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、を備え、前記量子井戸層の層数は３〜６層である。【選択図】図２
2016143771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面ＧａＮ基板と、
前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、
前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、
を備え、
前記量子井戸層の層数は３〜６層である
ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記第１中間層はアンドープである
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記第１中間層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第２中間層をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記第２中間層はシリコンドープされている
ことを特徴とする請求項３に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記第１中間層の厚さは１５０〜２５０ｎｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記第２中間層の厚さは１５〜２５ｎｍである
ことを特徴とする請求項３に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記第２中間層のシリコンドープ濃度は１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３である
ことを特徴とする請求項４に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項８】
前記第１中間層の表面は畝状構造である
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項９】
前記第１中間層の炭素濃度は１×１０１６〜２×１０１７ｃｍ−３である
ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、
前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、
前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、
を備え、
前記量子井戸層の層数は３〜６層である
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、
前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、
前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、
を有し、
前記量子井戸層の層数は３〜６層である半導体発光素子と、
前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、
を備えることを特徴とする発光装置。
【請求項１２】
ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を形成する第１ステップと、
前記第１ステップにおいて形成した前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に量子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層からなる発光層を形成する第２ステップと、
を備え、
前記第２ステップでは、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に、ＧａＮ層からなる第１中間層を形成すると共に、前記量子井戸層の層数を３〜６層形成する
ことを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料は、半導体発光素子（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子を作製するために現在広く用いられている。従来の青色発光素子では、主としてサファイア基板を用いてｃ（＋）方向（[０００１]軸方向）にｎ型層、ｐ型層を形成し、当該ｎ型層及びｐ型層間にＩｎＧａＮ系量子井戸発光層を作製したものが用いられてきた。このようにして作製された発光素子は、例えば、白色光源に応用されており、より高効率な光源を実現するために以下のような課題を解決することが求められている。
【０００３】
サファイア基板を用いた発光素子は、サファイア基板とＧａＮ系材料との格子定数のミスマッチのために、貫通転位の発生が避けられないという課題を有している。さらに、サファイア基板を用いた発光素子は、ＧａＮ系材料であるエピタキシャル層とサファイア基板の屈折率差が大きいために、発生した光がエピタキシャル層外に放射されずに、エピタキシャル層内部で多重反射を生じて光損失につながるという課題もある。
【０００４】
さらに、サファイア基板を用いたＬＥＤは、サファイア基板が絶縁性であるため、ｐ電極及びｎ電極の両方ともエピタキシャル層側に形成する必要がある。この場合、印加する電流を増加させるにつれて、電極間の距離に対応する経路の抵抗が無視できなくなり、順方向電圧（Ｖｆ）が増加しやすいという課題がある。
【０００５】
このような課題を解決するためには、貫通転位密度の小さい自立窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いることが有効であると考えられてきた。また、自立ＧａＮ基板の屈折率はエピタキシャル層と同等であるので、発光層で発生した光は容易に自立ＧａＮ基板内に広がる。さらに、光の取出しには表面の粗面化を行う必要があるが、自立ＧａＮ基板では表面としてチップ側面も活用することが可能であるため、光取出しについてもサファイア基板に対して有利であると考えられる。
【０００６】
また、自立ＧａＮ基板を用いた発光素子は、自立ＧａＮ基板側及びエピタキシャル層側に電極を形成することも可能であるため、上下に電流を流すことで電流経路を短くでき、抵抗が低下する。さらに、自立ＧａＮ基板を用いた発光素子は、ｐ電極及びｎ電極の両方ともエピタキシャル層側に形成する場合であっても、電極間を流れる電流経路が基板内部まで広がることが可能であるため、抵抗が低下する。
【０００７】
以上のことから、自立窒化ガリウム基板を用いることで、内部量子効率及び光取出し効率を両方とも高くでき、さらに順方向電圧も低下できるため、高効率な発光素子を実現できることが期待できる。
【０００８】
しかしながら、特許文献１によれば、自立ＧａＮ基板を用いるだけでは良好な特性を得ることができていない。順方向電圧は約２０％も高くなり、出力は逆に約３０％も低くなる結果となっている。
【０００９】
そこで、特許文献１の筆者らは、貫通転位に伴って発生するＶピットが電流注入を効率化させていると考え、順方向電圧低減のために意図的に自立ＧａＮ基板に貫通転位を発生
させている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１５０８０９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１のように、貫通転位を意図的に発生させることは、結晶品質の面から望ましいものではない。また、貫通転位密度が高い場合には、発光層の信頼性が低下するおそれがある。特に、発光層のＩｎ組成が少ない場合には、貫通転位による悪影響が大きくなる。さらに、貫通転位密度が高い場合には、ｐ型層の品質も低下するおそれがあり、その結果、ｐ型層中の抵抗が大きくなりｐ型層の電気特性が劣化するおそれがある。
【００１２】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、貫通転位を意図的に発生させることなく、順方向電圧を低減させ得ると共に光出力を向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハは、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、を備え、前記量子井戸層の層数は３〜６層である。
【００１４】
また、前記の目的を達成するべく、本発明の半導体発光素子は、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、を備え、前記量子井戸層の層数は３〜６層である。
【００１５】
さらに、前記の目的を達成するべく、本発明の発光装置は、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、を有し、前記量子井戸層の層数は３〜６層である半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。
【００１６】
さらに、前記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を形成する第１ステップと、前記第１ステップにおいて形成した前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に量子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層からなる発光層を形成する第２ステップと、を備え、前記第２ステップでは、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に、ＧａＮ層からなる第１中間層を形成すると共に、前記量子井戸層の層数を３〜６層形成する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、貫通転位を意図的に発生させることなく、順方向電圧を低減させ得ると共に光出力を向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る発光層の断面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係る半導体発光素子の模式図である。図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【図４】図４は、本実施形態に係る発光装置の模式図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートである。
【図６】図６は、本実施例に係る半導体発光素子の上面図である。
【図７】図７は、本実施例に係るエピタキシャルウエハの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図８】図８は、本実施例に係る半導体発光素子の上面図である。
【図９】図９は、本実施例に係るエピタキシャルウエハの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本実施例に係るアンドープＧａＮ中間層の主表面の状態を示す写真である。
【図１１】図１１は、本実施例に係るアンドープＧａＮ中間層の主表面の状態を示す写真である。
【図１２】図１２は、サファイア基板上でのアンドープＧａＮ中間層の主表面の状態を示す写真である。
【図１３】図１３は、本実施例に係るエピタキシャルウエハのＭＱＷ付近の断面透過電子顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面及び表を参照し、本発明の実施形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態及び実施例は、本発明を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。さらに、実施形態及び実施例で用いる様々な数値及び数量は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。さらに、各実施形態及び各実施例に記載されている構成は、適宜組み合わせることが可能である。
【００２０】
（本実施形態に係るエピタキシャルウエハの構成）
図１は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。エピタキシャルウエハ１は、例えば、２インチの円盤型のウエハである。エピタキシャルウエハ１は、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、を備え、前記量子井戸層の層数は３〜６層である。なお、主表面上とは、必ずしも直上という意味でなく、当該主表面の上側に位置していれば良いという意味である。
【００２１】
具体的に、エピタキシャルウエハ１は、図１に示すように、ｃ面ＧａＮ基板２、高温アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮクラッド層（ｎ型導電層）４、アンドープＧａＮ中間層（第１中間層）５、ｎ型ＧａＮ中間層（第２中間層）６、多重量子井戸発光層（発光層）
７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型導電層）９を有している。ｃ面ＧａＮ基板２及び各層３〜９は前記に記載されている順に積層されている。
【００２２】
ｃ面ＧａＮ基板２は、０°のＧａＮ基板であってもよいし、オフ角が付与されたＧａＮ基板であってもよい。オフ角は、通常５°以内、好ましくは１°以内である。ｃ面ＧａＮ基板２上に形成された各層の厚さ方向と、各層を構成するＧａＮ系半導体のｃ軸との間でなす角度は、ｃ面ＧａＮ基板２のオフ角に等しい。また、ｃ面ＧａＮ基板２は、一般に結晶性が良好な自立基板がより望ましい。
【００２３】
高温アンドープＧａＮ層３は、例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ3（アン
モニア）を原料として作製される。高温アンドープＧａＮ層３の厚さは、例えば、１〜１０００ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍである。高温アンドープＧａＮ層３の成長温度は、通常９００℃〜１１００℃程度である。高温アンドープＧａＮ層３は、ｃ面ＧａＮ基板２の表面を安定化し、その上面の各層の品質を良好にする働きがある。
【００２４】
ｎ型ＧａＮクラッド層４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）のようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮクラッド層４は、例えば、ＳｉＨ4（シラ
ン）、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。ｎ型ＧａＮクラッド層４の厚さは、例え
ば、１〜６μｍ、好ましくは２〜４μｍであり、成長温度は高温アンドープＧａＮ層３と同様である。キャリアガスはＨ２を主体としたＨ２とＮ２の混合ガスを用いる。ｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3、好ましくは２×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。
【００２５】
アンドープＧａＮ中間層５は、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。アン
ドープＧａＮ中間層５の厚さは、例えば、５０〜３００ｎｍ、好ましくは１５０〜２５０ｎｍである。アンドープＧａＮ中間層５の成長温度は、通常６００℃〜８００℃程度である。キャリアガスはＮ２を用いるが、有機金属原料のバブリングにＨ２を用いるため、５％未満のＨ２が混合している。アンドープＧａＮ中間層５は、下地のＳｉの影響を一旦リセットして結晶性を良好に保ち、成長表面を変化させることで下部層とＭＱＷが接する表面積を増やし、キャリア注入を促進する効果があり、その程度はＭＱＷ層数が６周期程度まで効果がみられる。アンドープではあるものの、炭素取り込みが生じる成長条件であるためｎ型を示し、また、ｐｎ接合内部にある層であるため、３００ｎｍ程度まではこの層があることで抵抗が上昇することはない。炭素濃度は主として有機金属原料の分解生成物から取り込まれ、その範囲は例えば、１×１０16〜２×１０17ｃｍ-3、好ましくは１×１０16ｃｍ-3以上５×１０16ｃｍ-3以下である。なお、アンドープＧａＮ中間層は、少量のＩｎを含む構造であっても良い。
【００２６】
ｎ型ＧａＮ中間層６は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅのようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮ中間層６は、例えば、ＳｉＨ4、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。ｎ型ＧａＮ中間層６の厚さは、例えば、２〜１００ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍである。ｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3、好ましくは５×１０18ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である。ｎ型ＧａＮ中間層６は、アンドープＧａＮ中間層で得られた成長表面を同等に保ち、さらに少量のＳｉをドープすることでＭＱＷへのキャリア注入をより促進させる効果がみられる。また、一般にＧａＮ基板を用いる場合には絶縁性で静電気を生じやすいサファイア基板を使用した素子よりもＥＳＤ耐性が高いが、ＭＱＷ下部にｎ型ＧａＮ中間層を導入することで、ｐｎ構造をコンデンサとみたとき、より静電気を蓄積しにくいものとなり、さらにＥＳＤ耐性が向上する。なお、ｎ型ＧａＮ中間層６は、少量のＩｎを含む構造であっても良い。
【００２７】
なお、高温アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮ中間層６は、場合によっては省略しても
良い。すなわち、ｃ面ＧａＮ基板２の直上にｎ型ＧａＮクラッド層４を設けることが可能であり、アンドープＧａＮ中間層５の直上に多重量子井戸発光層７を設けることが可能である。
【００２８】
図２は、本実施形態に係る発光層７の断面図である。多重量子井戸発光層７は、量子井戸層７Ａと障壁層７Ｂとが交互に積層された多重量子井戸層を含む多重量子井戸発光層である。多重量子井戸発光層７の量子井戸層７Ａは、好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体で形成される。多重量子井戸発光層７の障壁層７Ｂは、好ましくは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、ＧａＮ系半導体で形成される。
【００２９】
量子井戸層７ＡのＩｎ組成は、目的とする発光波長により調整される。例えば、青色（発光波長４５０ｎｍ）の場合、１６％程度である。量子井戸層７Ａは、例えば、アンドープである。量子井戸層７Ａは、例えば、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される
。ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａの厚さは、例えば、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍである。
【００３０】
障壁層７Ｂは、例えば、Ｓｉ、Ｇｅのようなｎ型不純物でドープされている。障壁層７Ｂは、例えば、ＳｉＨ4、ＴＭＧ、ＮＨ3を原料として作製される。障壁層７Ｂの厚さは、例えば、２〜３０ｎｍ、好ましくは４〜２０ｎｍである。ｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０1６〜１×１０1８ｃｍ-3、好ましくは８×１０1６ｃｍ-3以上５×１０1７ｃｍ-3以下である。
【００３１】
量子井戸層７ＡとＧａＮ障壁層７Ｂの繰り返し周期数は、３周期から６周期までの範囲が用いられる。繰り返し周期数を３周期から６周期までとしたのは、少なすぎると発光領域のボリュームが不足し、逆に多すぎると量子井戸間のキャリア分布が不均一となり、逆に発光効率が低下するためである。
【００３２】
多重量子井戸発光層７の量子井戸層と障壁層の作製時には、ガリウム原料として、ＴＭＧの替わりにＴＥＧ（トリエチルガリウム）、もしくはＴＭＧとＴＥＧの混合ガスを用いてもよい。また、障壁層は、量子井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きなＧａＮ系半導体であればよく、ＧａＮ層あるいは、Ｉｎ組成が量子井戸層より小さいＩｎＧａＮ層などを用いることができる。
【００３３】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は、例えば、多重量子井戸発光層７とｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９のいずれに対してもより大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌyＧａ1-yＮ（好ましくは０．０４≦ｙ≦０.２）で形成される。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は
、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）のようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さは、例えば、１０〜２００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。ｐ型不純物濃度は、例えば、２×１０18〜５×１０20ｃｍ-3である。
【００３４】
なお、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は省略することができる。すなわち、多重量子井戸発光層７の直上にｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９を設けることが可能である。
【００３５】
ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９は、Ｍｇ、Ｚｎのようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９の厚さは、例えば、４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０19〜５×１０20ｃｍ-3であり、内部で不純物濃度を意図的に変化させることも行われる。
【００３６】
（本実施形態に係る半導体発光素子の構成）
図３は、本実施形態に係る半導体発光素子２０の模式図である。図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。
【００３７】
半導体発光素子２０は、上述したエピタキシャルウエハ１に対して、エッチング、電極形成、素子分離等の処理を行って作成したものである。半導体発光素子２０は、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層からなる発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に形成された、ＧａＮ層からなる第１中間層と、を備え、前記量子井戸層の層数は３〜６層である。
【００３８】
具体的に、半導体発光素子２０は、図３（ｂ）に示すように、ｃ面ＧａＮ基板２、高温アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮクラッド層４、アンドープＧａＮ中間層５、ｎ型ＧａＮ中間層６、多重量子井戸発光層７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型導電層）９、ｎ側コンタクト電極２１、ｎ側メタル電極２２、ｐ側コンタクト電極２３及びｐ側メタル電極２４を有している。なお、ｃ面ＧａＮ基板２は、剥離等により除去されていても良い。
【００３９】
ｎ側コンタクト電極２１は、ｎ型ＧａＮクラッド層４の一部露出した表面に形成されている。ｎ側メタル電極２２は、パッド電極として、ｎ側コンタクト電極２１上の上面に形成されている。ｐ側コンタクト電極２３は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９の上面に形成されている。ｐ側メタル電極２４は、パッド電極として、ｐ側コンタクト電極２２上の一部に形成されている。ｎ側コンタクト電極２１及びｐ側コンタクト電極２３は、例えば、ＩＴＯ、ニッケル、プラチナ、チタン、銀、タングステン、クロム、或いはこれら金属が含まれる合金であってもよい。
【００４０】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子２０は、ｎ型ＧａＮクラッド層４の一部露出した表面にｎ側コンタクト電極２１及びｎ側メタル電極２２を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、ｃ面ＧａＮ基板２の他方側の主表面や、ｃ面ＧａＮ基板２の剥離後のｎ型ＧａＮクラッド層４の他方側の主表面にｎ側コンタクト電極２１及びｎ側メタル電極２２を形成しても良く、この他種々の半導体発光素子に適用することができる。
【００４１】
（本実施形態に係る発光装置の構成）
図４は、本実施形態に係る発光装置３０の断面図である。発光装置３０は、上述した半導体発光素子２０と、当該半導体発光素子２０が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質とを備える。具体的に、発光装置３０は、半導体発光素子２０、半導体発光素子２０を収容するパッケージ３１、透光性材料３２及び波長変換部３３を有している。
【００４２】
半導体発光素子２０は、本実施形態に係る半導体発光素子２０と同様の構成であり、例えば、発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の近紫外光〜青色光を発する半導体発光素子である。
【００４３】
パッケージ３１は、公知のパッケージであり、例えば、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の耐熱性樹脂をリードフレームと一体成形したタイプの他、種々のタイプのパッケージを適用することができる。透光性材料３２は、例えば、シリコーン樹脂やガラスなどを用いることができる。また、透光性材料３２は、省略しても良く、半導体発光素子２０及び波長変換部３３間は空洞であって良い。
【００４４】
波長変換部３３は、例えば、黄色蛍光体を含有しており、半導体発光素子２０が発する青色光の一部を黄色光に変換する。そして、波長変換部３３は、表面青色光と黄色光が混成して生じる白色光を外部に向けて放出する。波長変換部３３は、その他、緑色蛍光体、赤色蛍光体、青色蛍光体等、この他種々の蛍光体を用いることができる。
【００４５】
本実施形態に係る発光装置３０の用途は、照明、ディスプレイ、液晶表示装置のバックライト、インジケータ等を含むが、これらに限定されるものではない。
【００４６】
（本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法）
図５は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法は、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を形成する第１ステップと、前記第１ステップにおいて形成した前記ｎ型導電層の一方側の主表面上に量子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層からなる発光層を形成する第２ステップと、を有し、前記第２ステップでは、前記ｎ型導電層と前記障壁層との間に、ＧａＮ層からなる第１中間層を形成すると共に、前記量子井戸層の層数を３〜６層形成する。
【００４７】
具体的に、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、まず、ｃ面ＧａＮ基板２の一方側の主表面上に高温アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮクラッド層（ｎ型導電層）４を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ１）。
【００４８】
続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ｎ型ＧａＮクラッド層上に、アンドープＧａＮ中間層５、ｎ型ＧａＮ中間層６を、有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ２）。
【００４９】
続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ｎ型ＧａＮ中間層６の一方側の主表面上に、量子井戸層の層数が３〜６層となるように、量子井戸層７Ａ及び障壁層７Ｂの繰り返し構造を有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させて、多重量子井戸発光層７を形成する（ステップＳＰ３）。
【００５０】
続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、多重量子井戸発光層７の一方側の主表面上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９を、有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ４）。
【実施例】
【００５１】
以下に、本発明者等が行った様々な実施例を記す。ただし、これらの実施例で用いられた方法やサンプルの構造によって、本発明は何らの限定を受けるものではない。
【００５２】
（実施例１）
（エピタキシャル成長）
まず、縦×横×厚さが１８ｍｍ×１８ｍｍ×４００μｍのｃ面ＧａＮ基板をＭＯＶＰＥ装置内に準備した。このｃ面ＧａＮ基板は、キャリア濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３〜５．０×１０１７ｃｍ−３の範囲内であり、オフ角は、ｍ軸方向、ａ軸方向ともに１°以内であった。貫通転位密度は５．０×１０１６ｃｍ−２以下である。また、全面において極性反転領域は見られない。前記準備したｃ面ＧａＮ基板のポリッシング仕上げされたおもて面上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて半導体積層体をエピタキシャル成長させた。すなわち、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に、高温アンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、アンドープＧａＮ中間層、ｎ型ＧａＮ中間層、多重量子井戸発光層、ｐ型ＡｌＧ
ａＮクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を順次エピタキシャル成長させた。
【００５３】
高温アンドープＧａＮ層は、基板温度を１１００℃とし、原料にＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、２０ｎｍの厚さに成長させた。このときの成長速度は３０ｎｍ／分である。さらに、ｎ型ＧａＮクラッド層は、基板温度を１１００℃に保ったままで、原料にＴＭＧ、ＮＨ３、シランを用いて、Ｓｉ濃度が約５×１０１８ｃｍ−３、かつ、４０００ｎｍの厚さに成長させた。この時の成長速度は４５ｎｍ／分であった。アンドープＧａＮ中間層は、基板温度を７６０℃とし、原料にＴＭＧ、ＮＨ３を用いて、１００ｎｍの厚さに成長させた。この時の成長速度は１２ｎｍ／分であった。キャリアガスはＮ２を用いたが、有機金属原料のバブリングにＨ２を用いたため、約１％のＨ２が混合している。ｎ型中間層は、基板温度を７６０℃に保ったままで、原料にＴＭＧ、ＮＨ３、シランを用いて、Ｓｉ濃度が約１×１０１８ｃｍ−３、かつ、２０ｎｍの厚さに成長させた。この時の成長速度は１２ｎｍ／分であった。キャリアガスはＮ２を用いたが、有機金属原料のバブリングにＨ２を用いたため、約１％のＨ２が混合している。
【００５４】
その後、基板温度を７６０℃に保ったままで、ＴＭＧ、ＮＨ３およびシランを供給して、Ｓｉ濃度が１×１０１７ｃｍ−３、膜厚１６ｎｍのｎ型ＧａＮからなる障壁層を形成した。この時の成長速度は２ｎｍ／分であった。引き続き、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を供給して、膜厚２．５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮからなる量子井戸層を形成した。この時の成長速度は０．６７ｎｍ／分であった。これを繰り返し、障壁層、量子井戸層をこの順に各３層形成し（ＱＷ周期が３周期）、最後に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびシランを供給して、膜厚１６ｎｍのｎ型ＧａＮからなる最上部障壁層を形成し、障壁層、量子井戸層から構成される、多重量子井戸発光層を形成した。
【００５５】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、基板温度を１０３０℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＡ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム、ＮＨ３を用いて、１４０ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約４×１０１９ｃｍ−３である。ＴＭＧとＴＭＡの流量は、結晶組成がＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎとなるように調節した。
【００５６】
ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層は、基板温度を１０６０℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、６０ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約２×１０２０ｃｍ−３である。ｐ型ＧａＮコンタクト層の成長が完了したら、直ちに、ＮＨ３の流量を５０ｃｃまで低下させ、基板加熱も停止した。基板温度が９００℃まで冷却されたのち、ＮＨ３の供給を停止した。
【００５７】
以上の結晶成長で使用したキャリアガスは、多重量子井戸構造ではＮ２のみとし、それ以外の層ではＨ２とＮ２の混合ガスとした。これにより実施例１のエピタキシャルウエハを作成した。結晶成長が終了すると、直ちに、エピタキシャルウエハの加熱を停止して冷却し、エピタキシャルウエハが冷却するまで、キャリアガスとして窒素のフローを継続させた。このウエハについてはＭｇを活性化させるための、アニーリング処理は不要であり、実施しなかった。
【００５８】
表１は、実施例１のエピタキシャルウエハの各層の組成、膜厚、ドーパント及びドーピング濃度を示している。
【００５９】
【表１】
2016143771.tif 000003
【００６０】
（ＧａＮ系発光素子の作製）
上記手順により得たエピタキシャルウエハの、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の全面に、ｐ側コンタクト電極として厚さ２１０ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）層を形成した。その後、ＩＴＯの透明度を上げ、コンタクト特性を安定化させるために石英加熱炉を用いて、大気雰囲気中において５２０℃で２０分間熱処理を行った。
【００６１】
次に、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側からエッチングし、ｎ型ＧａＮコンタクト層を露出させた。部分的に露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層の表面に、ｎ側コンタクト電極を形成した。ｎ側コンタクト電極は、Ａｌ層（厚さ１００ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含む積層膜とした。
【００６２】
次に、ｎ側コンタクト電極とｐ側コンタクト電極上に、Ｔｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）の順からなる、ｎ側メタル電極及びｐ側メタル電極を形成した。
【００６３】
最後に、エピタキシャルウエハを３５０μｍ×３５０μｍ角に分断することにより、実施例１のＧａＮ系発光素子（半導体発光素子）を作成した。図６は、本実施例に係る半導体発光素子の上面図である。ｎ側メタル電極及びｐ側メタル電極は、図６に示す形状で形成されている。
【００６４】
（実施例２）
実施例２のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、障壁層、量子井戸層を各４層形成し（ＱＷ周期が４周期）、最後に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびシランを供給して、膜厚１６ｎｍのｎ型ＧａＮからなる最上部障壁層を形成し、障壁層、量子井戸層から構成される、多重量子井戸発光層を形成した点を除いて、実施例１と同様に作成した。
【００６５】
（比較例１）
比較例１のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、障壁層、量子井戸層を各２層形成し（ＱＷ周期が２周期）、最後に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびシランを供給して、膜厚１６ｎｍのｎ型ＧａＮからなる最上部障壁層を形成し、障壁層、量子井戸層から構成される、多重量子井戸発光層を形成した点を除いて、実施例１と同様に作成した。
【００６６】
（比較例２）
比較例２のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、障壁層、量子井戸層を各８層形成し（ＱＷ周期が８周期）、最後に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびシランを供給
して、膜厚１６ｎｍのｎ型ＧａＮからなる最上部障壁層を形成し、障壁層、量子井戸層から構成される、多重量子井戸発光層を形成した点を除いて、実施例１と同様に作成した。
【００６７】
（評価）
図７は、本実施例に係るエピタキシャルウエハの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【００６８】
図７からもわかるように、ＱＷ周期が増加するほど順方向電圧（Ｖｆ）が高くなる。また、ＱＷ周期が増加するほどＩ−Ｖ特性が非線形性となる。実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のエピタキシャルウエハは、いずれも、順方向電流（Ｉｆ）が１〜６０ｍＡ程度までは、順方向電圧がカーブを描いて上昇する。また、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のエピタキシャルウエハは、いずれも、順方向電流が１００ｍＡ以上では、順方向電圧の傾きがほぼ一定となり、一般的なオン状態でのダイオード特性を示した。
【００６９】
さらに、順方向電圧の傾きが一定になった領域での傾き（微分抵抗に対応する）は、ＱＷ周期が増加するほど小さくなっている。表１は、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のエピタキシャルウエハの１ｍＡでの順方向電圧、１〜６０ｍＡでの順方向電圧の上昇分及び１００〜１２０ｍＡでの微分抵抗を示している。
【００７０】
【表２】
2016143771.tif 000004
【００７１】
順方向電圧の内訳は、まず、半導体バンドギャップに対応するビルトイン電圧、次に低電流領域における非線形的な電圧上昇、そして、高電流領域における線形的なオーミック抵抗による電圧上昇分である。図７及び表２からわかるように、ＭＱＷ周期数が異なる場合の電圧の変化は主に低電流領域（１−６０ｍＡ）における非線形的な電圧上昇である。ここでは比較例２でその要因が大きく、極めて高いＶｆの原因となっている。逆に微分抵抗は周期数が大きくなるほど小さいが、この理由は後述する。
【００７２】
表３は、実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のエピタキシャルウエハの順方向電圧と発光出力（２０ｍＡを印加した場合の全放射束）を示している。波長はドミナント波長で４５０ｎｍであった。
【００７３】
【表３】
2016143771.tif 000005
【００７４】
表３からもわかるように、２０ｍＡの電流を注入したとき、発光出力は、実施例１及び
実施例２では高いが、比較例１及び比較例２では低い。またＶｆについては、比較例２では上昇してしまい、効率の低下を招くと考えられる。
【００７５】
ＱＷ周期が３ＱＷの時に最も全放射束が高くなっている。この理由は以下のように考えられる。結晶性の良いｃ面ＧａＮ基板では、少ないＭＱＷ周期数で大きな発光出力が得られる。しかし、２ＱＷでは結晶性の良いｃ面ＧａＮ基板であっても、発光層の領域が少なすぎる。周期数が多い部分で発光出力が低下する理由は、Ｖｆの上昇とメカニズムは同じである。つまり、量子井戸層と障壁層の間のバンドラインナップのスパイクが大きいＧａＮ基板上の場合、キャリアの移動が阻害されやすい。そこで、周期数が多くなるとホールと電子の分布が不均一となり、再結合確率（＝発光効率）が低下する。８ＱＷはそのために発光出力が低下していると考えられる。以上からｃ面ＧａＮ基板上ではサファイア基板と異なり、ＭＱＷ周期数がより少ない条件が望ましく、この条件では成長時間が短縮でき、結果的に生産性が向上する。
【００７６】
以上より、ｃ面ＧａＮ基板上のＬＥＤの電圧上昇は、ＭＱＷ周期数に大きく依存し、８周期以上では効率の低下につながることが分かった。また、光出力は周期数が多くても少なくても低下するため、２周期、８周期では出力低下し、やはり効率が低下することが分かった。
【００７７】
このような特徴は、サファイア基板上ＬＥＤには見られず、ｃ面ＧａＮ基板特有のものである。サファイア基板では、一般に、１０周期以上の多周期のＭＱＷが使用される。我々も、サファイア基板を用いてＭＱＷ周期数依存性を調査したが、周期数に応じてＶｆが上昇する傾向は見られず、光出力はｃ面ＧａＮ基板上には及ばないが、周期数が大きくなる程高出力であった。
【００７８】
ｃ面ＧａＮ基板上でＶｆがＭＱＷ周期に大きく依存する理由、及び、比較的少ないＭＱＷ周期数で発光出力が最も高くなる理由は以下のとおりである。電圧に関して、比較例２でみられたＬＥＤの電圧上昇の要因は、上述したように、１−６０ｍＡといった低電流域でのＩ−Ｖカーブ上で非線形な電圧の上昇分が大きいことである。つまり、Ｖｆ上昇がＭＱＷの周期数に依存することと、その要因が非線形な成分であることは実験結果から判明している。一方、ｃ面ＧａＮ基板上では、極性の影響でＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層の障壁層及び量子井戸層間でのバンドラインナップ上にスパイクが生じていると考えられる。つまり、低電流域の非線形な抵抗成分はＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層のバンドスパイクによるものと考えられる。
【００７９】
一般的に、ｃ面ＧａＮ基板上では、ピエゾ電界の影響により、障壁層及び量子井戸層間のバンドラインナップ上にスパイクが発生する。ところが、例えば、サファイア基板上の貫通転位の多い結晶では、結晶中に欠陥が多く、界面準位密度が高いため、フェルミ準位のピニングが生じ、ＩｎＧａＮ量子井戸層と障壁層の境界部分に発生するスパイク高さが減少する。つまり、バンドラインナップ上の非線形な抵抗成分は、ピエゾ電界の影響と界面準位とのバランスで決定すると考えられる。言い換えると、自立ＧａＮ基板のように欠陥が少ないほど、ピエゾ電界がダイレクトに影響して、スパイク高さが高くなる。このような非線形な電圧上昇は今まで広く検討されてきたサファイア基板では考慮されてこなかったもので、結晶性の良いｃ面ＧａＮ基板特有の現象である。
【００８０】
また、大電流領域でＭＱＷ周期数が高いほど微分抵抗が低く見えることの理由を述べる。次に述べる複数の理由が考えられ、それらの相乗効果で微分抵抗がより低く見える。ＭＱＷ周期数が大きいと低電流ですでにかなり高い駆動電圧が必要になる。そのため、チップ自体の発熱が大きく、その結果、一般的な半導体の特性として、抵抗が低くなる。また、ＭＱＷ周期数が多い場合には、発光に寄与するキャリアは界面で生じたスパイクを越え
る熱エネルギーを有する。そのようなキャリアの特性から微分抵抗が小さく見える。また、界面のスパイクが高すぎる場合には、素子構造上、逆バイアス的にキャリアの移動を阻害する。そのような構造では、サイリスタに近い特性を持つため、一旦電流が流れ始めてサイリスタ特性としてＯＮの状態になると、より電流が流れやすく、抵抗が低下する。以上のような理由が考えられるが、８ＱＷでの微分抵抗が低い点は低電流域の抵抗が高すぎることからくる見かけ上のものであり、実質的にＶｆ低下には結びつかず、効率向上の要因にはなりえない。
【００８１】
（実施例３）
実施例３のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、障壁層、量子井戸層を各６層形成（ＱＷ周期が６周期）した点、ｎ側メタル電極及びｐ側メタル電極の形状を変更した点、エピタキシャルウエハを１ｍｍ×１ｍｍ角に分断することにより半導体発光素子を作成した点を除いて、実施例１と同様に作成した。図８は、本実施例に係る半導体発光素子の上面図である。ｎ側メタル電極及びｐ側メタル電極は、図８に示す形状で形成されている。
【００８２】
（比較例３）
比較例３のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、アンドープＧａＮ中間層を形成しない点を除いて、実施例３と同様に作成した。
【００８３】
（評価）
図９は、本実施例に係るエピタキシャルウエハの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示すグラフである。
【００８４】
図９からもわかるように、中間層のない比較例３では電圧が大幅に増加し、効率が低下する。特に低電流領域において、Ｖｆの立ち上がりが大きい。
【００８５】
表４は、実施例３及び比較例３のエピタキシャルウエハの１ｍＡでの順方向電圧、１〜６０ｍＡでの順方向電圧の上昇分及び１００〜１２０ｍＡでの微分抵抗を示している。
【００８６】
【表４】
2016143771.tif 000006
【００８７】
表４からもわかるように、比較例ではビルトイン電圧、立ち上がり電圧の両方が実施例に比較して大幅に高く、駆動電圧の上昇に結びついている。微分抵抗が低い原因は前述した比較例２と同じで、実質的に効率上昇につながるものではない。
【００８８】
表５は、実施例３及び比較例３のエピタキシャルウエハの順方向電圧と発光出力（２０ｍＡを印加した場合の全放射束）を示している。波長はドミナント波長で４５０ｎｍであった。
【００８９】
【表５】
2016143771.tif 000007
【００９０】
表５からもわかるように、中間層のない比較例３は、Ｖｆが極めて高いだけではなく、発光出力も低く効率が低い。発光出力が低い原因は、キャリア注入が阻害されているためと、Ｖｆが高いことによる発熱が影響していると考えられる。
【００９１】
以上より、ｃ面ＧａＮ基板上のＬＥＤではＭＱＷの下部に中間層を形成することで、Ｖｆの大幅な低減、発光出力の向上を得ることができた。以下、その理由を説明する。
【００９２】
一般にサファイア基板では、ＭＱＷ発光層の下部に短周期超格子構造を形成することで、Ｖピットを形成し、それが発光出力を向上させる役割を果たしている。ここでの短周期超格子構造と本願の中間層は、層構造中の位置が同じであり、同一視されやすいが、効果は大きく異なる。本願の中間層の効果の最も大きなものは、Ｖｆの低減である。実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２で見たように、ｃ面ＧａＮ基板上のＬＥＤ構造でのＶｆ上昇原因は、サファイアでは影響の少ない、ＭＱＷ界面のバンドラインナップ上のスパイクであり、その根本原因は、結晶性がよいことによる界面準位が少ないことにあった。中間層を除いた場合、図９にみられるように、顕著に立ち上がり時の電圧が上昇する。すなわち、界面準位がさらに減少し、バンドラインナップ上のスパイクが高くなっていることがわかる。言い換えると、ここでの中間層の役割は、適切な界面準位を形成して極性の影響を軽減し、ＭＱＷ構造におけるキャリア注入を促進することにある。そのメカニズムを探るためにＳＩＭＳ分析とＡＦＭで中間層を評価した。
【００９３】
アンドープ中間層部分の不純物をＳＩＭＳ分析で評価したところ、炭素濃度は１．５×１０１６ｃｍ−３でｎ型ＧａＮクラッド層の１．５倍、酸素濃度は１．６×１０１６ｃｍ−３でｎ型ＧａＮクラッド層の１．６倍、水素濃度は１．３×１０１８ｃｍ−３でｎ型ＧａＮクラッド層と同等、さらにＳｉ濃度は１．８×１０１６ｃｍ−３であった。さらに中間層の表面状態を評価するために、ｃ面ＧａＮ基板上にアンドープ中間層までの層構造を形成して結晶成長装置から取出し、表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で評価したものを図１０及び図１１に示す。
【００９４】
図１０及び図１１は、本実施例に係るアンドープＧａＮ中間層の主表面の状態を示す写真である。
【００９５】
図１０及び図１１からもわかるように、アンドープ中間層の表面は、深さ数ｎｍで幅が均一な畝状の構造となっている。畝状構造の表面は、単原子層の２重ステップとなっており、その重なりは畝の上面と側面でずれていることが分かった。その下部にあるｎ型ＧａＮクラッド層の表面は、このような畝構造は見られず平坦であることから、この構造は、中間層の成長条件で得られた特有のものである。また、転位部分はＶピットとなっているが、その密度は非常に低く、３×１０６ｃｍ−２程度であり、基板の貫通転位密度と同等である。つまり、アンドープ中間層を含むＭＯＣＶＤエピタキシャル層によって転位密度を増加させているわけではない。
【００９６】
比較のためにサファイア基板上に同様の構造を形成したものをＡＦＭで評価した。ここではサファイア基板上に一般的に用いられる低温バッファ層を形成し、ｎ型クラッド層を積層したのちに、アンドープ中間層を形成したものである。ｎ型クラッド層以降の結晶成
長条件は表１と同様とし、アンドープ中間層を形成した後、成長装置から取出し、表面を観察したものである。結果を図１２に示すが、表面はＶピットによって覆われており、ｃ面ＧａＮ基板で得られた中間層とは全く異なっていた。
【００９７】
以上の結果から、アンドープ中間層により欠陥を形成せずに表面状態を変化させることによって、適切な凹凸を形成し、それがＭＱＷの界面準位に影響してキャリア注入を促進させているものと考えられる。また、ドナーとなる炭素を適切に含むことで、アンドープであるものの電気伝導性は保たれ、抵抗が上昇することはない。しかし、炭素濃度が例えば１８乗を越えるほど高い場合には、結晶性が劣化して炭素起因のイエローバンド発光が生じる。このようなケースではＬＥＤ発光自体が内部で吸収されてしまい、発光効率が低下する。
【００９８】
さらにｃ面ＧａＮ基板上ＬＥＤ断面のＴＥＭ写真を図１３に示すが、アンドープ中間層の凹凸に対応して、ｗｅｌｌの一部に凹みがみられる。上部に行くほど、その凹みは小さくなって徐々に平坦化する。ＭＱＷ周期数が６ＱＷ程度までは実施例３によって中間層の効果は明らかであるが、それよりも周期数が増加すると、アンドープ中間層の影響が及びにくくなり、Ｖｆが急激に上昇する。以上から、ｃ面ＧａＮ基板上にＬＥＤを形成する場合には、表面に微小な凹凸を有し、適切な炭素濃度を含む中間層を形成し、その上部に３〜６周期のＭＱＷ構造を形成することがＶｆ低減に有効である。
【００９９】
アンドープ中間層が発光出力向上に与える影響については、その主なものは、Ｖｆを低減することにより、発熱を抑制することにある。また、キャリア注入を促進させることはそのまま発光効率の向上につながっていることは明らかである。つまり、ｃ面ＧａＮ基板上のＬＥＤから高い発光出力を得るには、ＭＱＷの品質は容易に良質なものが得られることから、発光の阻害要因、高Ｖｆによる発熱をさげ、キャリア注入効率を向上させることが効果的である。
【符号の説明】
【０１００】
１……エピタキシャルウエハ、２……ｃ面ＧａＮ基板、３……アンドープＧａＮ層、４……ｎ型ＧａＮコンタクト層、５……アンドープＧａＮ中間層、６……ｎ型ＧａＮ中間層、７……多重量子井戸発光層、７Ａ……量子井戸層、７Ｂ……障壁層、８……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、９……ｐ型ＧａＮコンタクト層、２０……半導体発光素子、２１……ｎ側メタル電極、２２……ｐ側コンタクト電極、２３……ｐ側メタル電極、３０……発光装置、３１……パッケージ、３２……透光性材料、３３……波長変換部
【図１】
2016143771.tif 000008
【図２】
2016143771.tif 000009
【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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