(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイアからなりかつ表面に凹凸が加工された結晶基板上に、該凹凸を覆って気相成長したＧａＮ系結晶層からなる積層構造が、バッファ層を介してまたは直接的に形成された素子構造を有するＧａＮ系半導体発光素子であって、
該積層構造には、前記結晶基板の凹凸上へ上面が平坦化するまで成長した結晶層と、その上に位置するＩｎＧａＮ系発光層とが含まれており、
前記上面が平坦化するまで成長した結晶層は、該結晶層の成長初期において前記凹凸の凸部上面と凹部底面のそれぞれにアンドープで成長された部分と、その後、該結晶層を平坦化させる時に不純物を添加して成長された部分とを有し、それに起因して、前記発光層に隣接する直下の層のキャリア濃度が該層の面拡張方向に不均一となっている、ＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項２】
上記不均一なキャリア濃度となっている層が、高いキャリア濃度領域を含む部位と、低いキャリア濃度領域を含む部位とが、面拡張方向に交互に存在する層であって、高いキャリア濃度領域のカソードルミネッセンス発光強度が、低いキャリア濃度領域のカソードルミネッセンス発光強度の１．５倍以上である、請求項１記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項３】
発光層の材料がＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦０．１５）である、請求項１または２記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項４】
上記上面が平坦化するまで成長した結晶層の上面から発光層下面までの厚さが３μｍ以下とされている、請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【請求項５】
上記凹凸が、直線状の凹溝または凸尾根が一定間隔で配列されたストライプ状の凹凸パターンであり、その凹溝または凸尾根の長手方向は、該凹凸を覆って成長するＧａＮ系結晶の＜１１−２０＞方向であり、該凹凸の断面形状は矩形波状であり、上記アンドープで成長した部分が断面三角形の結晶である、請求項１〜４のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系半導体発光素子（以下、ＧａＮ系発光素子）に関し、特に、紫外線を発し得る組成比のＩｎＧａＮ系材料が発光層の材料として用いられた紫外線発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）やＧａＮ系半導体レーザー（ＬＤ）などのＧａＮ発光素子のなかでも、ＩｎＧａＮを発光層に用いたもの（なかでも、高いＩｎ組成比の発光層を有する青・緑色発光素子）は、一般に高効率の発光が得られることが知られている。これは、Ｉｎ組成揺らぎによるキャリアの局在化のため、発光層に注入されたキャリアの内、非発光中心に捕獲されるものの割合が少なくなり、結果、高効率の発光が得られるからであると説明されている。
Ｉｎ組成揺らぎは、ＩｎＧａＮの熱力学的な不安定さによって、または、転移の周りでＩｎの取り込みが増えること（Ｉｎ組成比が高くなること）によって、または、臨界膜厚に近づき歪が蓄積することなどに起因して自然発生的に生じると考えられている。
【０００３】
上記青・緑色発光の場合のみならず、４２０ｎｍ以下の紫外線を発光させようとする場合にも、一般には発光層の材料としてＩｎＧａＮ（Ｉｎ組成比０．１５以下）が用いられる。
【０００４】
しかし、青・緑色発光素子における発光層の比較的高いＩｎ組成比に比べて、紫外線発光素子における発光層のＩｎ組成比は、上記のとおり０．１５以下に抑える必要がある。紫外線発光素子では、Ｉｎ組成比がこのように小さい為に、上述のＩｎ組成揺らぎによるキャリア局在化の効果が低減し、非発光再結合中心に捕獲されるキャリアの割合が増え、結果として高出力化の妨げとなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記問題を解決し、発光層のＩｎ組成比が小さくとも、従来より高出力の紫外線発光が可能なＧａＮ系発光素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の特徴を有するものである。
（１）サファイアからなりかつ表面に凹凸が加工された結晶基板上に、該凹凸を覆って気相成長したＧａＮ系結晶層からなる積層構造が、バッファ層を介してまたは直接的に形成された素子構造を有するＧａＮ系半導体発光素子であって、
該積層構造には、前記結晶基板の凹凸上へ上面が平坦化するまで成長した結晶層と、その上に位置するＩｎＧａＮ系発光層とが含まれており、
前記上面が平坦化するまで成長した結晶層は、該結晶層の成長初期において前記凹凸の凸部上面と凹部底面のそれぞれにアンドープで成長された部分と、その後、該結晶層を平坦化させる時に不純物を添加して成長された部分とを有し、それに起因して、前記発光層に隣接する直下の層のキャリア濃度が該層の面拡張方向に不均一となっている、ＧａＮ系半導体発光素子。
（２）上記不均一なキャリア濃度となっている層が、高いキャリア濃度領域を含む部位と、低いキャリア濃度領域を含む部位とが、面拡張方向に交互に存在する層であって、高いキャリア濃度領域のカソードルミネッセンス発光強度が、低いキャリア濃度領域のカソードルミネッセンス発光強度の１．５倍以上である、上記（１）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（３）発光層の材料がＩｎx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦０．１５）である、上記（１）または（２）記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（４）上記上面が平坦化するまで成長した結晶層の上面から発光層下面までの厚さが３μｍ以下とされている、上記（１）〜（３）のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
（５）上記凹凸が、直線状の凹溝または凸尾根が一定間隔で配列されたストライプ状の凹凸パターンであり、その凹溝または凸尾根の長手方向は、該凹凸を覆って成長するＧａＮ系結晶の＜１１−２０＞方向であり、該凹凸の断面形状は矩形波状であり、上記アンドープで成長した部分が断面三角形の結晶である、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のＧａＮ系半導体発光素子。
【００１２】
本発明でいうＧａＮ系とは、ＩｎXＧａYＡｌZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）で示される化合物半導体であって、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどが重要な化合物として挙げられる。
また、ＩｎＧａＮ系とは、上記ＧａＮ系のなかでも、Ｉｎ組成、Ｇａ組成を必須に含む化合物半導体である。Ａｌ組成は必要に応じて加えられてもよい。ＩｎＧａＮ系のなかでも重要な化合物としては、ＩｎXＧａ1-XＮ（０＜Ｘ＜１、特に、波長４２０ｎｍ以下の紫外線を発し得るものとして０＜ｘ≦０．１５）が挙げられるが、なかでもＩｎ組成比ｘが０．０１５≦ｘ≦０．１０のものは、蛍光体と組み合わせた照明器具や表示装置などにおける紫外線光源としての用途が期待され、重要である。
【００１３】
当該発光素子は、ＬＥＤ、ＬＤなどであってよいが、以下に、ＬＥＤを例として挙げて本発明を説明する。
また、本明細書では、当該発光素子の構造を明確に説明するために、「結晶基板上」や「下層」などの上下方向を示す語句を用い、結晶基板を下側としているが、素子構造の絶対的な上下方向を限定するものではなく、また素子の実装方向（実装時の姿勢）を限定するものでもない。
【００１４】
ＧａＮ系結晶層からなる積層構造には、通常の発光素子構造では、ｐ型、ｎ型の層が含まれ、どちらが下側（結晶基板側）であってもよいが、ｐ型層を上側にする方が高いキャリア濃度が得られ、また、ｎ型層を下側にする方が発光層の結晶性が良い事から、ｎ型層を下側とする態様が好ましい。以下、ｎ型層を下側として素子構造を説明するがこれに限定されるものではない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の発光素子は、図１に素子構造の一例を示すように、結晶基板Ｂ１上に、ＧａＮ系結晶層からなる積層構造が形成された素子構造を有する。該積層構造には、ＩｎＧａＮ系発光層が含まれている。図１の素子構造例を具体的に示すと、結晶基板Ｂ１上面に後述の転位密度低減化のための凹凸が加工され、該凹凸上にＧａＮ低温成長バッファ層Ｂ２を介して、ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型クラッド層を兼ねている）１、（ＩｎＧａＮ系井戸層／ＧａＮ障壁層）ペアの多重量子井戸（ＭＱＷ）構造２、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層３、ｐ型ＧａＮコンタクト層４が、順に気相成長し積層構造となっている。該積層構造は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１が部分的に露出するようエッチングされ、該露出部分にｎ型電極Ｐ１が設けられ、ｐ型コンタクト層上にはｐ型電極Ｐ２が設けられている。
【００１６】
ここで、当該発光素子の重要な特徴は、発光層（図ではＭＱＷ構造２中の井戸層）と結晶基板との間に位置するＧａＮ系結晶層（図では、ｎ型ＧａＮコンタクト層１）のキャリア濃度が、同図中にハッチングを施して示すように、該層の面拡張方向に不均一となっている点である。
【００１７】
発光層と結晶基板との間に位置する層、特に、発光層に隣接する直下の層のキャリア濃度を面拡張方向に不均一とすることによって、その上に成長させたＩｎＧａＮ系発光層（ＭＱＷ構造では井戸層）中のＩｎ組成は、下層のキャリア濃度の不均一に応じて面拡張方向に変調を受けることになる。即ち、ＩｎＧａＮ系発光層には人工的にＩｎ組成揺らぎが導入（増長）されることになる。
これによって、Ｉｎ組成比の小さい材料からなる発光層であっても、Ｉｎ組成揺らぎを人工的に増長させることによって、キャリアの局在化も増長され、従来よりも高い紫外線発光出力を得ることができるようになる。
【００１８】
層の面拡張方向とは、層の下面（または上面）が拡張する方向、即ち、層厚方向に垂直な方向（所謂、ラテラル方向、横方向）である。
キャリア濃度が層の面拡張方向に不均一であるとは、図１の層１に模式的に示すように、高いキャリア濃度となっている領域を含む高キャリア濃度部位（ハッチングを施した部位）と、低いキャリア濃度となっている領域を含む低キャリア濃度部位とが、面拡張方向に交互に存在することを意味する。ここでいうキャリア濃度の高低は、互いに相手の部位に対する相対的な表現である。
両部位の境界は明確でなくともよく、高いキャリア濃度の領域から無段階的に低いキャリア濃度の領域へと変化していてもよい。
【００１９】
キャリア濃度の不均一さは、ＩｎＧａＮ系発光層にＩｎ組成揺らぎを新たに導入し得るものであればよいが、発光層のＩｎ組成比が低くとも従来に無い強いＩｎ組成揺らぎを生じさせ得る好ましい不均一さとしては、高いキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-2以上、２×１０19ｃｍ-2以下であり、また、低いキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-2以上、２×１０19ｃｍ-2以下であることが望ましい。ただし、Ｉｎ組成ゆらぎを効果的に誘起させるためにはキャリア濃度に相対的な差異があることが重要であり、これらの高低の値に絶対的に限定されるものではない。
また、高キャリア濃度部位と、低キャリア濃度部位とが、面拡張方向に交互に存在する際の周期（１つの高キャリア濃度部位の中心部分と、それに隣接する低キャリア濃度部位の中心部分との間の距離）は、０．２μｍ〜５０μｍ程度であることが好ましい。発光素子、とくにＬＥＤのチップサイズは、通常３００μｍ角程度である為、５μｍ程度の周期が好ましい値である。
【００２０】
このキャリア濃度の不均一さは、例えば図１に示す素子断面が見えるようにチップを縦に切断し、その断面をカソードルミネッセンス法（ＣＬ法）によって測定することによって容易に判定する事ができる。ＣＬ法により断面を観察すると、キャリア濃度の高低が発光強度の強弱となって現われる。
高いキャリア濃度領域のＣＬ発光強度が、低いキャリア濃度領域のＣＬ発光強度の１．５倍以上、より好ましくは３倍以上であることが、良好な不均一さである。下層にこのような不均一さを形成できた場合には、発光層のＩｎ組成に不均一なゆらぎを生じさせる事ができる。
また、キャリア濃度の差異（ＣＬ発光強度の差異）は取り込まれた不純物の量に起因するが、不純物の種類によっても生じる。このような場合もＩｎ組成ゆらぎが生じることとなる。
【００２１】
ＣＬ法によるキャリア濃度の測定には、カソードルミネッセンス装置を用いる。切断した試料をサンプルホルダーに設置し、例えば、加速電圧３ＫＶ、波長３６５ｎｍで断面観察すると、キャリア濃度の量に応じて発光強度の強弱が観測できる。また、不純物の種類が異なる場合、測定波長を変化させると発光強度分布の変化が観測できる。
【００２２】
発光に係る通常の構造としては、電流注入によって光を発生し得るようにｎ型層とｐ型層とが設けられる構造が挙げられる。好ましい発光構造としては、量子井戸構造（単一量子井戸（ＳＱＷ）構造、ＭＱＷ構造、ＳＱＷ構造が積層されたものなど）や、ＤＨ構造が挙げられる。ＤＨ構造にはＳＱＷ構造に含まれるものもある。量子井戸構造では井戸層が発光層であり、ＤＨ構造（ｎ型クラッド層／活性層／ｐ型クラッド層）では、活性層が発光層である。
紫外線高出力化のための好ましい発光部の構造としては、量子井戸構造、特にＭＱＷ構造が挙げられる。量子井戸構造の場合、ｎ型クラッド層上に直接井戸層を形成せず、先ず障壁層を形成してもよい。
また、図１に示すように、ｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層とを別個に形成してもよいが、後述のように、キャリア濃度の均一化を避けるために、両者を兼ねる構造が好ましい。
【００２３】
発光層と結晶基板との間に位置するＧａＮ系結晶層のキャリア濃度を、面拡張方向に不均一とする方法に限定は無く、例えば、後述の転位密度低減手法の１つとしてストライプ状のＳｉＯ2マスク層を用いた選択成長法を実施することによって、成長層中へＳｉを部分的にドープさせる方法や、ＧａＮ系結晶層にＳｉを部分的に接触させる方法などであってもよい。
【００２４】
キャリア濃度を面拡張方向に不均一とする方法の中でも、特に好ましい方法としては、結晶基板面に凹凸を形成し、該凹凸上に、バッファ層を介してまたは直接的に、ＧａＮ系結晶層を気相成長させる方法が挙げられる。
より詳しい凹凸の構成、作用効果については後述するが、該凹凸を覆うようにＧａＮ系結晶層を成長させることによって、ＧａＮ系結晶中に取り込まれるドーパントの量は、下地の凹凸の影響を受けて異なる。これによって、成長するＧａＮ系結晶層のキャリア濃度を面拡張方向に不均一となる。また、凹凸を覆うようにＧａＮ系結晶層を成長させることによって、転位密度を局所的に低減させる効果も得られ、該効果もキャリア濃度の不均一に寄与する。
【００２５】
キャリア濃度を不均一とし得、かつ転位密度を好ましく低減し得る凹凸としては、例えば次のものが挙げられる。
（い）従来公知の選択成長法（ＥＬＯ法）を実施し得るように、結晶基板上にマスク層（ＳｉＯ2などが用いられる）をストライプパターンなどとして形成した、アディティブな凹凸構造。
（ろ）ＧａＮ系結晶がラテラル成長やファセット成長をし得るように、結晶基板上に、ドット状、ストライプ状の凹部（凹状溝）加工を施すことによって形成した、サブトラクティブな凹凸構造。
これらの構造とバッファ層とは、適宜組合せてよい。
【００２６】
これらの凹凸構造のなかでも、上記（ろ）は、複雑なマスク層の形成工程が不要な好ましい構造である。以下、これについて説明する。
結晶基板面への凹凸の加工方法としては、例えば、通常のフォトリソグラフイ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、ＲＩＥ技術等を使ってエッチング加工を施して目的の凹凸を得る方法などが例示される。
【００２７】
凹凸の配置パターンは、ドット状の凹部（または凸部）が配列されたパターン、直線状または曲線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔・不定の間隔で配列された、ストライプ状や同心状のパターンなどが挙げられる。凸尾根が格子状に交差したパターンは、ドット状（角穴状）の凹部が規則的に配列されたパターンとみることができる。また、凹凸の断面形状は、矩形（台形を含む）波状、三角波状、サインカーブ状などが挙げられる。
【００２８】
これら種々の凹凸態様の中でも、直線状の凹溝（または凸尾根）が一定間隔で配列された、ストライプ状の凹凸パターンは、図２、図３に示すように凹凸の断面が矩形波状を呈するものであって、その作製工程を簡略化できると共に、パターンの作製が容易であり好ましい。
【００２９】
凹凸のパターンをストライプ状とする場合、そのストライプの長手方向は任意であってよいが、これを埋め込んで成長するＧａＮ系結晶にとってストライプの長手方向を〈１−１００〉方向にした場合、図２（ａ）に示すように、凸部の上部から成長を開始したＧａＮ系結晶１ａは、横方向成長をエンハンスさせ、図２（ｂ）に示すように、凹部を空洞として残した状態でＧａＮ系結晶層１となる。ただし、ストライプの長手方向を〈１−１００〉方向にした場合であっても、ファセット面が形成されやすい成長条件を選ぶ事により、後述の〈１１−２０〉方向の場合と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
上記〈１−１００〉方向のストライプの場合、凸部上の結晶はＣ軸方向（層厚方向）に成長したものであるのに対し、凹部を空洞としてその上を覆う結晶は凸部から横方向に成長したものである。このため、両者は結晶中に取り込まれる不純物（Ｓｉ、Ｃ、Ｏなど）の量が互いに異なる。また、結晶基板と接しているか否かによって、凸部上と凹部上とでは、結晶層中に残存する応力が異なる。さらに、凸部上と凹部上とでは転位密度が異なり、凹部上に転位密度が低減された部位が存在する。これらの違いがあるため、凹凸を覆って成長したＧａＮ系結晶層は、横方向（面拡張方向）にキャリア濃度が不均一となり、図２（ｂ）にハッチングで示すように、凸部の上方に高キャリア濃度が現われる。
【００３１】
一方、ストライプの長手方向を、成長するＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合、横方向成長が抑制され、｛１−１０１｝面などの斜めファセットが形成され易くなり、図３（ａ）に示すように、凸部上面・凹部底面に、断面三角形の結晶が成長する。この時点で、以降の成長で平坦化が促進するような条件を選び（例えば成長温度を高くする）、さらに成長を継続させると、図３（ｂ）に示すように、各結晶同士がつながって一体化し、さらに、図３（ｃ）に示すように、上面が平坦化した結晶層１が得られる。基板側からＣ軸方向に伝搬した転位は、図３（ａ）に示す三角形の斜面（ファセット面）で横方向に曲げられ、上方に伝搬し難くなる。よって、図３（ｃ）に示す結晶層中には、低転位密度領域が形成されることになる。
【００３２】
上記〈１１−２０〉方向のストライプの場合、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、成長初期に三角形を呈するファセットを形成し平坦化させるという成長プロセスは、転位密度低減効果のみならず、キャリア濃度を不均一化する手法としても、極めて重要である。
これは、ファセット形成の成長条件と平坦化の成長条件とが異なることに起因して、ファセット部と平坦化部のキャリア濃度が互いに異なり、その結果、次に述べるように、ファセット部から平坦化表面（層上面）までの距離の影響によって、平坦化表面のキャリア濃度を不均一にすることが可能となるからである。
例えば、ファセット形成をアンドープで成長し、平坦化させる時にＳｉなど不純物を添加した場合、図３（ｃ）に示すように、平坦化した結果の結晶層１の断面をみると、成長初期のファセット部分（破線で示した三角形部分）はキャリア濃度が低く、該ファセット部分よりもそれを覆う平坦化部分の方がキャリア濃度が高くなる。よって、ファセット部分から層上面までの距離の長短の差がキャリア濃度の高低に強く影響し、ファセット部分の谷の上方に相当する部分が高キャリア濃度領域（図３（ｃ）にハッチングで示す部分）として現われ、ピーク部分の上方が低キャリア濃度領域として現われる。
さらに、図３（ｃ）から明らかなとおり、ファセット上部であっても結晶基板の凹部上と凸部上とでは平坦化表面までの距離が異なる。このこともキャリア濃度の不均一化のためには重要な要素である。即ち、結晶基板表面に設ける凹凸の凹部深さを変化させることによっても、キャリア濃度の不均一さを制御することが可能である。
なお、不純物添加量を変化させることで、高キャリア濃度領域を自由に形成することが可能である。
【００３３】
凹凸を図４に示すような断面矩形波状を呈するストライプ状とする場合、転位密度を低減させ、かつキャリア濃度の不均一さをより増長させ得る寸法範囲は、次に示すとおりである。
上記〈１−１００〉方向のストライプの場合では、凹溝の幅Ｗ１は、０．２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜１５μｍであり、凸部の幅Ｗ２は、０．２μｍ〜５０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜１５μｍであり、凹凸の振幅（凹溝の深さ）ｄは、０．２μｍ〜１０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜５μｍである。
また、上記〈１１−２０〉方向のストライプの場合では、凹溝の幅Ｗ１は、０．２μｍ〜２０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜１０μｍであり、凸部の幅Ｗ２は、０．２μｍ〜２０μｍ程度、より好ましくは０．５μｍ〜１０μｍであり、凹凸の振幅ｄは、０．１μｍ〜５μｍ程度、より好ましくは０．１μｍ〜３μｍである。
【００３４】
上記凹凸上へ層上面が平坦化するまで結晶成長させて、キャリア濃度が不均一な結晶層を得た後、さらに結晶成長を不必要に継続して厚膜化すると、先に得られた不均一なキャリア濃度が厚膜化部分で均一化してしまう可能性がある。
従って、これを避けるため、凹凸を覆って成長する結晶層の上面が平坦化した時点から後は、できる限り厚膜化や他の層の形成は行わず、発光層を形成することが好ましい。
上記凹凸を覆って成長した結晶層の上面が平坦化した時点の該層上面から発光層下面までの厚さは、概ね５μｍ以下とすればよいが、３μｍ以下が好ましく、１μｍ以下が特に好ましい。
本発明では、この制限を実際の素子構造に適用するために、ｎ型コンタクト層とｎ型クラッド層とを兼用することを推奨している。これによって、凹凸から発光層までの層厚が減少し、キャリア濃度の不均一さを維持することができる。
【００３５】
また、上記〈１１−２０〉方向のストライプとしてＧａＮ系結晶をファセット成長させる場合には、凹部および凸部の幅のうち大きい方の幅（等しい場合はどちらでもよい）をＷ〔μｍ〕とし、凹部の深さをｄ１〔μｍ〕として、該凹凸の凹部底面から発光層下面までの厚さｔ〔μｍ〕を、式ｔ≦（（３1/2）×Ｗ／２）＋ｄ１＋２〔μｍ〕を満たすように決定することによって、過度の厚膜化が抑制されキャリア濃度の均一化を未然に防ぐことができるようになる。前記式中、３1/2は、３の平方根である。
例えば、下記実施例のように、凹凸の寸法がＷ＝５μｍ、ｄ１＝２とした場合には、凹部底面から発光層下面までの厚さｔは、約８．３μｍ以下とすることが好ましい。
【００３６】
当該発光素子の形成に用いられる結晶基板は、ＧａＮ系結晶が成長可能なものであればよい。好ましい結晶基板としては、例えば、サファイア（Ｃ面、Ａ面、Ｒ面）、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＧａＮ、ＡｌＮ、Ｓｉ、スピネル、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＮＧＯなどが挙げられる。また、これらの結晶を表層として有する基材であってもよい。なお、基板の面方位は特に限定されず、更にジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００３７】
結晶基板とＧａＮ系結晶層との間には、必要に応じてバッファ層を介在させてよい。好ましいバッファ層としては、ＧａＮ系低温成長バッファ層が挙げられる。バッファ層の材料、形成方法、形成条件は、公知技術を参照すればよいが、ＧａＮ系低温成長バッファ層材料としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどが例示され、成長温度としては、３００℃〜６００℃が挙げられる。バッファ層の厚さは１０ｎｍ〜５０ｎｍ、特に２０ｎｍ〜４０ｎｍが好ましい。なお、結晶基板としてＧａＮや、ＡｌＮ結晶などからなる基板を用いる場合には、バッファ層は必須では無い。
【００３８】
ＧａＮ系結晶層の成長方法としては、ＨＶＰＥ法、ＭＯＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。厚膜を作製する場合はＨＶＰＥ法が好ましく、薄膜を形成する場合はＭＯＶＰＥ法やＭＢＥ法が好ましい。
【００３９】
【実施例】
実施例１
本実施例では、Ｃ面サファイア基板上に、成長するＧａＮ系結晶に関して〈１−１００〉方向のストライプ状の凹凸を形成してその上にＧａＮ系結晶層を成長させて、ｎ型クラッド層（コンタクト層と兼用）のキャリア濃度を不均一とし、かつ該ｎ型クラッド層の厚さを制限してキャリア濃度の不均一さを維持させ、発光部を（Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層、ＧａＮ障壁層）ペアを有するＭＱＷ構造として、発光波長３８０ｎｍの紫外線発光素子を製作した。
素子形成プロセスは次のとおりである。
【００４０】
Ｃ面サファイア基板上にフォトレジストによるストライプ状のパターニング（幅（凸部幅となる）５μｍ、周期（凸部幅＋凹部幅となる）１０μｍ、ストライプ方位：ストライプの長手方向が、基板上に成長するＧａＮ系結晶にとって〈１−１００〉方向）を行い、ＲＩＥ装置で深さｄ１＝２μｍまで断面方形となるようエッチングし、表面がストライプ状パターンの凹凸となった基板を得た。
【００４１】
フォトレジストを除去後、ＭＯＶＰＥ装置に該基板を装着し、水素雰囲気下で１１００℃まで昇温し、サーマルエッチングを行った。温度を５００℃まで下げ、III族原料トリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）と、Ｎ原料アンモニアを流し、厚さ３０ｎｍのＧａＮ低温成長バッファ層を成長させた後ＴＭＧ供給を停止した。該ＧａＮ低温成長バッファ層は、図１に示すように、凸部の上面、凹部の底面にのみ形成された。
【００４２】
続いて温度を１０００℃に昇温し、ＴＭＧ、ｎ型ドーパントとなるＳｉＨ4を流し、凸部上面から測定した厚さが３μｍのｎ型ＧａＮクラッド層（コンタクト層）を成長させた。この厚さは専ら凸部から成長したＧａＮが横方向に成長し、凹部中央部で合体し、上面が平坦化する厚さである。
【００４３】
上記ｎ型ＧａＮクラッド層成長後、温度を７５０℃に下げトリメチルインジウム（以下ＴＭＩ）、ＴＭＧ、ＮＨ3を供給し、厚さ３ｎｍのＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層を６周期重積し、ＭＱＷ構造とした。ＴＭＩ、ＴＭＧ供給を止めた後、温度を１０００℃に上げ、トリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、ＴＭＧを供給し、厚さ５０ｎｍのｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎクラッド層を形成した。
【００４４】
さらに、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を順に形成して、紫外ＬＥＤウエハとし、さらに、電極形成、素子分離を行い、ＬＥＤ素子とした。
【００４５】
ウエハ全体で採取された各ＬＥＤ素子（ベアチップ状態）の出力（波長３８２ｎｍ、通電２０ｍＡ）を測定したところ、１０ｍＷであった。また、発光のスペクトルを測定したところ、発光波長３８２ｎｍ、半値幅１１ｎｍであった。
【００４６】
このＬＥＤ素子を縦に切断したところ、基板の凹部にもｎ型ＧａＮ結晶が充填されており、空洞は形成されていなかった。該断面をＣＬ法にて観察したところ、凸部から横方向成長した膜が優先となる為、凹部上に横方向成長した部位には転位に関係するダークライン等は観測されなかったが、ＣＬの発光強度は弱かった。これはこの領域の不純物濃度が少ない為である。一方、凸部の上方ではＣＬ発光強度は強く、凹部上方でのＣＬ発光強度の３倍であった。
次にＣＬ観察を表面から行い発光層の状態を見た所、発光強度の分布が観測された。
一方、観測時の波長を３８２ｎｍから３８０ｎｍへ変えると、発光強度の強かった場所が逆に弱くなり、発光強度の弱かった場所が強くなった。これは発光層下部のキャリア濃度分布により、ＩｎＧａＮ発光層のＩｎ組成にゆらぎが生じた結果と考えられる。このため、Ｉｎ組成の多い場所が３８２ｎｍの発光に相当し、Ｉｎ組成の少ない所が３８０ｎｍとなったため、発光強度の分布変化となって現われたものと考えられる。
【００４７】
実施例２
本実施例では、Ｃ面サファイア基板上に加工するストライプ状の凹凸の方向を、成長するＧａＮ系結晶に関して〈１１−２０〉方向とし、ＧａＮクラッド層を成長させたこと意外は、上記実施例と同様に、紫外線発光素子を製作した。
凹凸の寸法仕様は、凸部幅５μｍ、周期１０μｍ、凹部深さ１μｍである。
【００４８】
凹凸上へのＧａＮ結晶成長プロセスについては、ＧａＮ低温成長バッファ層の形成後、温度を１０００℃とし、原料としてＴＭＧ、アンモニア、ドーパントＳｉＨ4を流し、ｎ型ＧａＮクラッド（コンタクト）層を、平坦な基板で２μｍに相当する時間成長させた後、成長温度を１０５０℃に上げ、平坦な基板で４μｍに相当する時間成長させた。
このときのＧａＮ層の成長は、図３（ａ）に示すように、凸部の上面、凹部の底面から、断面三角形でファセット面を含む尾根状となり、その後の成長温度変更により２次元成長が促進され、図３（ｃ）に示すように平坦化した。
凹部底面からｎ型ＧａＮクラッド層の上面までの厚さｔは、３．５μｍであり、式ｔ≦（（３1/2）×５／２）＋１＋２〔μｍ〕を満たしていた。
【００４９】
その後、実施例１同様の手順を行った。ｎ型ＧａＮ結晶層（クラッド層）の成長は、上面が平坦化した時点で停止し、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ井戸層の形成を開始し、素子構造の完成までのプロセスを行った。
【００５０】
ウエハ全体で採取された各ＬＥＤ素子（ベアチップ状態）の出力を測定したところ、実施例１と同様、１０ｍＷであり、発光のスペクトルは、発光波長３８２ｎｍ、半値幅１１ｎｍであった。
【００５１】
このＬＥＤ素子を、縦に切断し、該断面をＣＬ法にて観察したところ、成長過程で観察されるファセット（断面三角形状に成長する部分）に対応した領域のＣＬの発光強度は弱く、ファセットの谷に当たる場所のＣＬ発光強度は強かった。その強度比は３倍であった。凸部上では、ファセットから層上面までの厚みが薄く、一方凹部上では厚い。このため、凹部上の方がＣＬ発光強度の強い領域の割合が多かった。
【００５２】
比較例
本比較例では、実施例１におけるｎ型ＧａＮクラッド層（凸部上面から測定した厚さが３μｍであり、コンタクト層と兼用する層）を、ｎ型コンタクト層専用とし、該層と発光層との間に、専用のｎ型ＧａＮクラッド層を３．５μｍ形成した以外は実施例２と同じとした。
ウエハ全体で採取された各ＬＥＤ素子（ベアチップ状態）の出力（波長３８２ｎｍ、通電２０ｍＡ）を測定したところ、８ｍＷであった。スペクトルを測定した所、発光波長３８０ｎｍ、半値幅９ｎｍであった。発光波長が２ｎｍ短くなったこと及び、半値幅が狭くなったことからＩｎ組成ゆらぎが抑制されたものと考えられる。このため、非発光再結合中心で、再結合を起こすキャリアの割合が増えた結果、発光出力が若干低下したと考えられる。
【００５３】
このＬＥＤ素子の断面ＣＬ観察をするとｎ型ＧａＮ層の凹部の発光強度は弱く、凸部は強かった。一方、ｎ型ＧａＮ層の途中から発光強度分布は観測されなかった。次にＣＬ観察を表面から行い発光層の状態を見た所、発光強度の分布は観測されるものの、実施例２にくらべ、強度差が弱かった。これはＩｎＧａＮ発光層のＩｎ組成にゆらぎの程度が実施例２よりも少なくなった為と考えられる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のとおり、発光層の下層のキャリア濃度を不均一とすることによって、発光層のＩｎ組成比が小さくとも、従来より高出力の紫外線発光が可能なＧａＮ系発光素子を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の構成を示す模式図である。ハッチングは、領域の区別を目的としている（他の図も同様である）。同図では、電極、高キャリア濃度部分にのみハッチングを施している。
【図２】ストライプの長手方向を、ＧａＮ系結晶にとって〈１−１００〉方向とした場合の、凹凸上でのＧａＮ系結晶の成長の状態を示す模式図である。
【図３】ストライプの長手方向を、ＧａＮ系結晶にとって〈１１−２０〉方向とした場合の、凹凸上でのＧａＮ系結晶の成長の状態を示す模式図である。
【図４】結晶基板に形成した凹凸の各部の寸法を説明する図である。
【符号の説明】
Ｂ１  結晶基板
１    ｎ型コンタクト層
２    発光に係る構造（図１では多重量子井戸構造）
３    ｐ型クラッド層
４    ｐ型コンタクト層
Ｐ１  ｎ型電極
Ｐ２  ｐ型電極
【図１】
0003756831.tif 000002
【図２】
0003756831.tif 000003
【図３】
0003756831.tif 000004
【図４】
0003756831.tif 000005