JP2001053339A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

半導体発光素子およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 緑色から赤色領域に至る長波長の発光を確実
に得ることができる半導体発光素子と、電流ブロック構
造を確実且つ容易に形成することができる半導体発光素
子及びその製造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 基板に対して大なる格子定数を有する半
導体層と小なる格子定数を有する半導体層とを積層させ
た発光層を用いることによって基板と発光層との間の格
子定数の「ずれ」を緩和させることができる。この時
に、各層の膜厚を電子のド・ブロイ波の波長程度、ある
いは「臨界膜厚」以下とすれば、結晶欠陥を発生させる
ことなく各層に圧縮応力を印加してその格子定数を基板
のそれに近づけることができる。また、ｐ側電極の形成
領域の一部にｎ側電極材料を含む領域を形成してアニー
ル処理を施すと、これらの電極金属が反応して接触抵抗
の高い領域が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子及
びその製造方法に関する。
【０００２】より詳細には、本発明は、窒化ガリウム系
化合物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）やレー
ザーダイオード（ＬＤ）などの発光素子に係わるもの
で、長波長化、高輝度化、信頼性の向上が可能な半導体
発光素子に関する。
【０００３】また、本発明は、窒化ガリウム系化合物半
導体あるいはそれ以外の材料からなる発光ダイオード
（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの発光素
子に係わるもので、電流ブロック構造の形成が有利な半
導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００４】
【従来の技術】昨今、短波長領域の発光素子の材料とし
て、窒化ガリウム系化合物半導体が実用化され、これま
では困難とされていた発光強度の高い紫外光、青色、緑
色等の発光が可能となっている。さらに、窒化ガリウム
系化合物半導体は、材料物性の観点からは発光波長を６
３３ｎｍまで長波長化することもできるので赤色領域ま
で発光の可能性があり、従来のガリウム砒素（ＧａＡ
ｓ）系に代わって、全可視領域での発光を実現できる可
能性がある。
【０００５】ここで、本願において「窒化ガリウム系化
合物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌ ｚＧａ
（１−ｘ−ｙ−ｚ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦
ｚ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ
族元素としては、Ｎに加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）
などを含有する混晶も含むものとする。
【０００６】図８は、従来の窒化ガリウム系化合物半導
体発光素子の典型例を表す概略断面図である。すなわ
ち、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１００は、サ
ファイア基板１１８の上にＧａＮバッファ層（図示せ
ず）、ｎ型ＧａＮ層１１９、発光層１２０、ｐ型ＧａＮ
層１０５がこの順に積層された構成を有する。発光層１
２０およびｐ型ＧａＮ層１０５の一部はエッチング除去
されて、ｎ型ＧａＮ層１１９が露出されている。そし
て、ｐ型ＧａＮ層１０５の上にはｐ側透明電極１０６と
電流阻止用の絶縁膜１２１が設けられ、絶縁膜１２１の
上にｐ側透明電極１０６と接続されたｐ側ボンディング
電極１０７が設けられている。また、ｎ型ＧａＮ層の上
にはｎ側電極１０９が設けられている。
【０００７】このような構造では、ｐ側ボンディング電
極１０７を介して供給された電流は、導電性の良い透明
電極１０６で面内方向に拡げられ、ｐ型ＧａＮ層１０５
からＩｎＧａＮ発光層１２０に電流が注入されて発光
し、その光は透明電極１０６を通して素子の外部に取り
出される。
【０００８】ここで、図８に例示した従来の発光素子の
ひとつの特徴は、「格子非整合系」、すなわち基板と成
長層の格子定数が大きく異なることである。ＧａＮの格
子定数は、３．１９Ａ（オングストローム）であるのに
対して、基板１１８として用いているサファイアの格子
定数は、２．７５Ａであり、格子不整合Δａ／ａは１６
％にも達する。従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光
素子においては、このように格子定数が大きく異なる基
板上に多量の結晶欠陥を含むＧａＮ系結晶を成長させて
発光を生じさせていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図８に例示
したような窒化ガリウム系化合物半導体の材料系におい
て、緑色ないし赤色領域のように比較的長い波長帯での
発光を得るためには、発光層１２０を構成する材料とし
て、ＩｎＧａＮを用いる必要がある。このために、従来
は、発光層１２０をＩｎＧａＮの単層からなるものとす
るか、または、特開平１０−２７０７５８号公報におい
て開示されているように、ＩｎＧａＮウエル層と、Ｇａ
Ｎバリア層とを用いた多重量子井戸（multiple quantum
well：ＭＱＷ）を用いたものとしていた。そして、発
光波長を長波長化させるに従って、そのＩｎ（インジウ
ム）組成を高くする必要がある。
【００１０】しかし、ＩｎＮの格子定数は、約３．５５
Ａであり、ＩｎＧａＮにおいてＩｎ組成を上げると、サ
ファイア基板やＧａＮ層との格子定数の「ずれ」は、さ
らに大きくなる。つまり、従来の発光素子において、発
光層１２０のＩｎ組成を上げると、前述したような「格
子非整合系」であることに起因して、サファイア基板１
１８やＧａＮ層１０５、１１９との格子不整合の「ず
れ」がさらに大きくなり、発光層１２０の結晶性が極度
に悪化するという問題が生ずる。
【００１１】また、Ｉｎの平衡蒸気圧が高いために、発
光層１２０のＩｎ組成を高くすると、結晶成長の際に、
一度結晶成長した発光層が分離したり再蒸発してしまう
という問題もあった。
【００１２】このように、図８に例示したような構造の
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、発光
波長を長くするに従い、良質の結晶を成長させることが
困難となり、発光パワーが大きく低下するという問題が
ある。このために、従来の発光素子では、発光層１２０
を構成するＩｎｘ Ｇａ１−ｘ ＮのＩｎの含有量の上
限はせいぜいｘ＝０．３程度であり、波長に換算すると
４５０ｎｍの青色から緑色までの発光が限界であった。
【００１３】従来の発光素子において、さらに長波長化
するために、ＺｎとＳｉの両方をドープするなどして不
純物準位を介した発光を生じさせる方法もあるが、発光
した光の半値幅が広く単色性が悪いという欠点や、バン
ド端発光よりも発光パワーが小さい等の欠点がある。
【００１４】さらに、初期特性だけでなく、格子定数の
「ずれ」の大きいサファイア基板上にＧａＮ層を結晶成
長させると、バッファ層を介して成長しても結晶に大き
なストレスが加わり、多くの格子欠陥が発生して発光素
子の信頼性、すなわち寿命や各特性の長期的安定性も低
下させるという問題もあった。この問題は、特に高性能
の半導体レーザの実現のためには深刻である。
【００１５】フルカラーディスプレイには赤・青・緑の
発光が必要である。しかし、上述した各種の問題が存在
するために、従来は窒化ガリウム系材料を用いて高輝度
な長波長領域すなわち赤色発光を得ることが極めて困難
であった。
【００１６】一方、図８に例示したような従来の発光素
子では、基板１１８として用いるサファイアが導電性を
有しないために、ｐ側電極とｎ側電極をいずれも発光素
子の上側に形成する必要がある。そのため、必要とされ
るチップ面積が大きくなり、１枚のウェーハから得られ
る素子数が少なくなり、コストが高いという問題もあっ
た。
【００１７】一方、図８に例示したような従来の発光素
子では、電流をブロックするために、ボンディングパッ
ド１０７の下に絶縁膜１２１を設ける必要があり、構造
上及び製造工程上の観点から煩雑であるという問題もあ
った。
【００１８】本発明は、上述した種々の課題の認識に基
づいてなされたものである。すなわち、そのひとつの目
的は、結晶性の劣化を生じさせることなく、従来よりも
高いＩｎ組成を有する発光層を確実に成長させることに
よって、緑色から赤色領域に至る長波長の発光を確実に
得ることができる半導体発光素子を提供することにあ
る。
【００１９】また、本発明のもうひとつの目的は、電流
ブロック構造を確実且つ容易に形成することができる半
導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体発光素子は、基板と、前記基板の主
面上に設けられた発光層と、を備えた半導体発光素子で
あって、前記発光層は、前記基板よりも大なる格子定数
を有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の層
と、 前記基板よりも小なる格子定数を有する窒化ガリ
ウム系化合物半導体からなる第２の層と、を有し、前記
第１の層は、前記第２の層によって前記主面に平行な方
向に略弾性的に圧縮され前記基板との格子定数の差が減
少してなることを特徴とする。
【００２１】ここで、前記第１の層は、ＩｎｘＧａ
１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなり、前記第２の層は、Ａ
ｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０＜ｙ≦１，０≦ｚ≦
１，ｙ＋ｚ≦１）からなることを特徴とする。
【００２２】また、前記第１の層は、電子のド・ブロイ
波の波長程度の層厚を有することを特徴とする。
【００２３】また、前記基板は、ＧａＮと格子整合する
材料からなることを特徴とする。
【００２４】さらに具体的には、前記基板は、ＧａＮか
らなることを特徴とする。
【００２５】また、前記発光層は、複数の前記第１の層
と複数の前記第２の層とを交互に積層してなり、前記複
数の第１の層のうちの少なくともいずれかは、他の第１
の層とは異なるバンドギャップを有することを特徴とす
る。
【００２６】または、前記発光層は、複数の前記第１の
層と複数の前記第２の層とを交互に積層してなり、前記
複数の第１の層のうちの少なくともいずれかは、隣接す
る第２の層から受ける前記圧縮の量が他の第１の層とは
異なることによって、他の第１の層とは異なる波長の光
を放出することを特徴とする。
【００２７】さらに、前記複数の第１の層のそれぞれか
ら放出される光を合成することにより、白色光が得られ
ることを特徴とする。
【００２８】または、本発明の半導体発光素子は、第１
導電型の半導体と、前記第１導電型の半導体に接触して
設けられた電極と、を備え、前記半導体と前記電極との
接触部は、接触抵抗が低い第１の領域と、接触抵抗が高
い第２の領域と、を有し、前記第１の領域においては、
前記第１導電型の半導体に対してオーミック性接触が可
能な第１の金属が前記第１導電型の半導体に接触し、前
記第２の領域においては、前記第１の金属と、第２導電
型の半導体に対してオーミック性接触が可能な第２の金
属との混合体が前記第１導電型の半導体に接触してなる
ことを特徴とする。
【００２９】一方、本発明の半導体発光素子の製造方法
は、第１導電型の半導体の表面に前記第１導電型の半導
体に対してオーミック性接触が可能な第１の金属を堆積
する工程と、第１導電型の半導体の前記表面の一部に第
２導電型の半導体に対してオーミック性接触が可能な第
２の金属を堆積する工程と、前記第１の金属と前記第２
の金属とを反応させることにより前記第１導電型の半導
体に対して接触抵抗が高い領域を形成する工程と、を備
えたことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態によれ
ば、ＩｎＧａＮ層を含んだ発光層とＧａＮ層との間の格
子定数の「ずれ」を緩和させることができる。このため
の手段として、発光層のＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層と
積層させる。ＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子定数が大き
く、一方、ＡｌＧａＮはＧａＮよりも格子定数が小さ
い。従って、ＩｎＧａＮ層とＡｌＧａＮ層とを積層させ
た発光層は、その平均的な格子定数をＧａＮと極めて近
くなるように調節することが可能となる。この時に、Ｉ
ｎＧａＮ層の膜厚をある程度薄く、すなわち電子のド・
ブロイ波の波長程度、あるいは「臨界膜厚」以下とすれ
ば、結晶欠陥を発生させることなくＩｎＧａＮ層に圧縮
応力を印加してその格子定数をＧａＮに近づけることが
できる。
【００３１】この効果は、発光素子が、「格子整合系」
の構成を採る場合に極めて顕著となる。すなわち、Ｇａ
Ｎ基板またはＧａＮ層が格子整合可能な基板を採用する
ことにより、基板と成長層との格子定数の「ずれ」を極
めて小さくし、発光層を含めた各成長層に誘因される結
晶欠陥を大幅に低減することができる。そして、本発明
においては、このような「格子整合系」において、Ｉｎ
ＧａＮ層に誘因される結晶欠陥をさらに顕著に低減する
ことができる。
【００３２】一例としてＧａＮを基板とする場合につい
て説明する。この場合には、成長層のＡｌ組成が高くな
ると界面方向に引っ張り応力、それと垂直な方向には圧
縮応力が働き、Ｉｎ組成が高くなると界面方向に圧縮応
力、それと垂直な方向には引っ張り応力が働く。ＩｎＧ
ａＮ層は、ＡｌＧａＮ層によって面内方向の圧縮応力を
受け、結晶格子が弾性的に縮小してＧａＮ層と格子整合
する。つまり、本発明によれば、「格子整合系」の構成
において、さらに発光層のＩｎＧａＮの格子定数をＧａ
Ｎに近づけることができる。その結果として、発光層の
Ｉｎ組成を高くしても、結晶層や界面での結晶欠陥を大
幅に低減することができる。
【００３３】また、本発明によれば、薄膜のＩｎを含む
層と薄膜のＡｌを含む層とを交互に成長することによ
り、結晶成長の際の問題であるＩｎＧａＮ結晶の再蒸発
や分解を防止することができ、良質な結晶を確実に得る
ことができる。その結果として、従来よりもＩｎ組成の
高い発光層を実現し、緑色やさらに長波長の赤色領域で
の高輝度な発光素子を実現できる。
【００３４】ＩｎＧａＮ量子井戸が単層の場合は、クラ
ッド層を障壁としてＡｌＧａＮ層を導入しても同等の効
果が得られる。発光層を多重量子井戸構造とする場合に
は、すべての障壁層をＡｌＧａＮで構成しても良いし、
ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの組合せで構成しても同等の効
果が得られる。また、さらに長波長での発光を得るため
には、ＡｌＧａＮ層ではさまれたＩｎＧａＮ層のＩｎ組
成を基板側から表面に行くに従って、増加させると結晶
性が悪化しない良好なＩｎＧａＮ層が実現できる。ま
た、ＧａＮなどの導電性基板上に成長層を形成すれば、
基板の裏面にも電極を形成することができるため、ウェ
ーハ面積を有効利用できる。
【００３５】一方、本発明の第２の実施の形態によれ
ば、いわゆる「電流ブロック構造」を確実且つ容易に形
成することができる。例えば、発光層において発光した
光を遮蔽するボンディングパッドの下部に電流を流さな
いための構造などを確実且つ容易に実現できる。すなわ
ち、ｐ側電極の形成領域の一部にｎ側電極材料を含む領
域を形成してアニール処理を施すと、これらの電極金属
が反応して接触抵抗の高い領域が形成される。この高抵
抗領域にボンディングパッドとなるオーバーコート電極
を形成すると、この部分は発光層に電流が注入されず、
発光しない。この構造の形成に際しては、ｐ側電極のオ
ーバーコート電極にｎ側電極材料を用いると効率的に製
造プロセスを進めることができる。この領域以外の部分
はｐ側電極と半導体層とが十分に低い接触抵抗で接触し
ており、発光層に対して電流注入され発光する。
【００３６】以下、具体的な実施例を参照しつつ、本発
明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００３７】（第１の実施例）まず、本発明の第１の実
施例について説明する。
【００３８】図１は、本発明にかかる半導体発光素子を
概念的に表す断面図である。すなわち、発光素子１０Ａ
は、ｎ−（ｎ型）ＧａＮ基板１１の上に、ｎ−ＧａＮバ
ッファ層１２、ＭＱＷ層（発光層）１３、ｐ−（ｐ型）
ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｐ−ＧａＮ層１５が順次積
層された構成を有する。各結晶層は、ＭＯＣＶＤ（Meta
l-Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学
気相成長）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子
線エピタキシー）法などの方法により成長させることが
できる。
【００３９】ＭＱＷ層１３は、図１の挿入拡大図に示し
たように、ＩｎＧａＮ層ウエル層１３ａとＡｌＧａＮ層
バリア層１３ｂとを交互に積層させた構成を有する。こ
こで、ＩｎＧａＮ層１３ａの層厚は２０オングストロー
ム程度、ＡｌＧａＮ層１３ｂの層厚は１０オングストロ
ーム程度とし、交互に５組程度結晶成長させると良い。
【００４０】図２は、ＧａＮとＩｎＮとＡｌＮのａ軸方
向の格子定数の関係を表すグラフ図である。
【００４１】また、図３は、ＧａＮ基板上にＭＱＷ層の
各層をエピタキシャル成長させた場合の格子整合の様子
を表す概念図である。すなわち、同図（ａ）は、ＧａＮ
基板１１とＩｎＧａＮ層１３ａの格子定数の関係を表
し、同図（ｂ）は、ＧａＮ基板１１とＡｌＧａＮ層１３
ｂの格子定数の関係を表す。これらの図面に表したよう
に、ＩｎＧａＮ層１３ａはＧａＮ基板１１よりも格子定
数が大きく、ＡｌＧａＮ層１３ｂはＧａＮ基板１１より
も格子定数が小さい。従って、これらの層をそのままＧ
ａＮ基板１１の上にエピタキシャル成長させると、格子
定数の「ずれ」に起因して、結晶層や界面に結晶欠陥が
発生する。
【００４２】これに対して、図３（ｃ）に表したよう
に、薄膜のＩｎＧａＮ層１３ａとＡｌＧａＮ層１３ｂと
を積層させると、ＩｎＧａＮ層１３ａには面内方向の圧
縮応力、ＡｌＧａＮ層１３ｂには面内方向の引っ張り応
力がそれぞれ印加される。そして、各層の格子定数をＧ
ａＮ基板１１に極めて近く調節することができる。この
時に、ＩｎＧａＮ層１３ａとＡｌＧａＮ層１３ｂは、そ
れぞれが、いわゆる「臨界膜厚」以下の膜厚、すなわち
弾性的に変形可能な膜厚となるようにすれば結晶欠陥の
発生を確実に抑止することができる。
【００４３】その結果として、図３（ｄ）に表したよう
に、ＧａＮ基板１１の上にエピタキシャル成長させた場
合にも、極めて良好な格子整合性を実現することができ
る。
【００４４】また、このように高濃度のＩｎを含む層１
３ａを極めて薄く成長した後に、薄膜のＡｌＧａＮ層１
３ｂを直ちに積層してキャップすると、ＩｎＧａＮ層１
３ａの分解や再蒸発が防止され、Ｉｎの高濃度化が可能
となった。
【００４５】このようにして形成したＭＱＷ層１３すな
わち発光層は、ＩｎＧａＮ層１３ａのＩｎ組成を高く設
定しても、結晶欠陥の発生を顕著に抑制することができ
る。その結果として従来よりも長波長の領域において高
輝度且つ長寿命の発光素子を得ることができる。
【００４６】再び図１に戻って説明すると、ＧａＮ基板
１１の上に各結晶層１２〜１５をエピタキシャル成長さ
せた後に、ｐ−ＧａＮ層１５の表面に蒸着法によりＮｉ
層とＡｕ層とをこの順に積層させた透明電極１６を形成
し、さらに熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を堆積し、ＰＥ
Ｐ（Photo Engraving Process）法を用いてパターニン
グすることにより保護膜１８を形成する。さらに、保護
膜１８の開口部に露出している透明電極１６の上にｐ側
ボンディングパッド１７としてｎ側電極の材料であるＴ
ｉ層を積層させて蒸着し、さらにＡｕ層などを積層す
る。ボンディングパッド１７のパターニングは、例え
ば、レジストを用いたリフトオフ法により行うことがで
きる。ＧａＮ基板１１の裏面を研磨後にＴｉ層とＡｕ層
からなるｎ側電極１９を形成し、８００℃、２０分間程
度のフラッシュアニールを施す。
【００４７】このような方法で素子を作製すると、ｎ側
電極１９のフラッシュアニールの際にｐ側においてＮｉ
／Ａｕ透明電極１６とＴｉ／Ａｕボンディングパッド１
７とが電極反応を起こしｐ−ＧａＮ層１５に対する接触
抵抗が大きくなる。従ってボンディングパッド１７の下
方には電流が流れ難くなり発光が生じない。一方、ボン
ディングパッド１７以外の透明電極１６においては電流
が面内に広がってｐ−ＧａＮ層１５に流れるため均一な
発光が得られる。つまり、遮光体であるボンディングパ
ッド１７の下部における発光を効果的に抑制して、光の
外部取り出し効率を改善することができる。
【００４８】図４は、本実施例による発光素子の電流−
光パワー特性を表すグラフ図である。ここでは、発光層
１３のＩｎＧａＮ層１３ａのＩｎ組成を６０％とした。
また、図４においては、比較例として、図８に例示した
従来の構造の発光素子の特性も表した。本発明の発光素
子は、電流値２０ｍＡのとき、電圧３．５Ｖ、光出力
２．７ｍＷ、発光波長は５５０ｎｍが得られた。従来例
に比べて、注入電流２０ｍＡにおける光パワーは約３倍
であった。
【００４９】なお、本実施例においては、ｐ側電極の一
部を高抵抗領域としたが、上述の製造方法は、ｐ側電極
に限定されず、ｎ側電極についても同様に適用が可能で
ある。つまり、ｎ側電極の形成領域の一部にｐ側電極の
材料を積層させ、適度に熱処理を施すと、ｎ側電極材料
とｐ側電極材料とが合金化して発光素子のｎ側に高抵抗
領域を形成することができる。
【００５０】また、図８に例示した従来例のように基板
の表面側にｐ側電極とｎ側電極の両方が形成されている
場合にも本発明は同様に適用することができる。この場
合には、Ａｕなどのオーバーコート電極とｎ側電極との
材料を同一にすれば効率的にプロセスが行なえる。
【００５１】また、本実施例では、発光層１３をＩｎＧ
ａＮウエル層１３ａとＡｌＧａＮバリア層１３ｂとから
なるＭＱＷ構造で構成する例について説明したが、この
構成において、各層のＩｎやＡｌの組成は必ずしも同一
である必要はない。すなわち、ＩｎＧａＮウエル層１３
ａに対する歪量やＩｎ組成を変化させれば、色々な波長
の発光を得ることができる。
【００５２】（第２の実施例）次に、本発明の第２の実
施例について説明する。
【００５３】図５は、本発明の第２の実施例にかかる半
導体発光素子を概念的に表す断面図である。同図に関し
ては、図１において前述した部分と同一の部分には同一
の符合を付して詳細な説明は省略する。本実施例にかか
る発光素子１０Ｂにおいては、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド
層２０が設けられている。また、発光層を構成するウエ
ル層１３ａが１層であり、その両側あるいは片側に歪を
与えるためのＡｌＧａＮ層１３ｂ、１３ｂが設けられて
いる。なお、図５においては、ウエル層１３ａの両側に
ＡｌＧａＮ層１３ｂが設けられている場合を例示した。
【００５４】これらの層１３ａ、１３ｂは、それぞれ不
純物をドーピングしても良く、またはアンドープとして
も良い。このような構成では、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド
層２０と、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４と、ＩｎＧａ
Ｎ発光層１３ａに歪を与えるためのＡｌＧａＮ層１３
ｂ、１３ｂのＡｌ組成とＩｎＧａＮ発光層１３ａのＩｎ
組成との関係に応じて加わる歪量が変わる。この様にす
ると、よりきめこまかく与える歪量のコントロールが可
能となる。また、ＡｌＧａＮ層は厚い場合にクラックが
生じやすいが、本実施例によれば、トータルの厚さを薄
くできるメリットもある。
【００５５】なお、図５においては、ＩｎＧａＮ層１３
ａのｐ側とｎ側にそれぞれ一層のみのＡｌＧａＮ歪層１
３ｂ、１３ｂを設けているが、これらのＡｌＧａＮ層を
それぞれ複数の異なるＡｌ組成の層からなるものとして
も良い。
【００５６】（第３の実施例）次に、本発明の第３の実
施例について説明する。
【００５７】図６は、本発明の第３の実施例にかかる半
導体発光素子を概念的に表す断面図である。同図に関し
ては、図１、図５において前述した部分と同一の部分に
は同一の符合を付して詳細な説明は省略する。本実施例
にかかる発光素子１０Ｃにおいては、ウエル層１３ａが
３層であり、それぞれのＩｎ組成を変えることにより発
光波長を変えて、表面側からそれぞれ６４０、５４０、
４６０ｎｍの赤・緑・青の発光を生じさせて、白色光を
得ることができる。長波長側では明るい発光が得にくい
ため、より表面側から発光させる構成である。
【００５８】しかし、これとは逆に、長波長側のウエル
層、すなわち、Ｉｎ組成が高いウエル層を基板１１に近
い側に設けても良い。すなわち、３層のウエル層が基板
側から順にバンドギャップが大きくなるように配置す
る。このようにすれば、基板側のウエル層からの発光が
上側のウエル層により吸収されるという事態を防ぐこと
ができる。
【００５９】また、発光素子からの紫外発光を蛍光体に
あてて色変換を（例えば明るい発光の得られ難い赤色）
行なった光と各ウエルからの発光とを組合わせて白色光
を実現することもできる。一例として、この場合のウエ
ル層のＩｎ組成を表面からそれぞれＩｎ＝０．０２、
０．３、０．５とすると、発光波長はそれぞれ３７０、
４６０、５４０ｎｍとなる。これらのうちの３７０ｎｍ
の紫外光を蛍光体に当てて赤色光に変換したものと、各
ウエルからの青、緑の発光とにより白色光を得ることも
可能である。
【００６０】（第４の実施例）次に、本発明の第４の実
施例について説明する。
【００６１】図７は、本発明の第４の実施例にかかる半
導体発光素子を概念的に表す断面図である。同図に関し
ては、図１、図５、図６において前述した部分と同一の
部分には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。本
実施例にかかる発光素子１０Ｄは半導体レーザである。
すなわち、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層２０の上には、ｎ
−ＧａＮガイド層２４、ＭＱＷ型の発光層１３、ｐ−Ａ
ｌＧａＮ層２５、ｐ−ＧａＮガイド層２６が、この順に
設けられ、その上に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、
ｐ−ＧａＮ層１５が積層されている。
【００６２】発光層１３は、例えば、図１に表したよう
なＭＱＷ型の構造を有するものとすることができる。こ
の場合に、ＩｎＧａＮ層１３ａのＩｎ組成は０．２、Ａ
ｌＧａＮ層１３ｂのＡｌ組成は０．０２とすることがで
きる。
【００６３】また、ｐ−ＧａＮ層１５の上には、発光層
に対してストライプ状に電流を注入するために、ストラ
イプ状の開口が設けられた絶縁膜２７が設けられ、その
上に、ｐ側電極２８が設けられている。
【００６４】本実施例によれば、従来よりも長波長且つ
高パワーのレーザ光を安定して得ることが可能となる。
【００６５】なお、絶縁膜２７の代わりに、第１実施例
において説明したように、ｎ側電極材料を設けても良
い。すなわち、ｐ−ＧａＮ層１５の上に、ストライプ状
の開口を有するｎ側電極材料を形成し、この上全面にｐ
側電極を積層させて熱処理を施すことにより、ストライ
プの外側の領域を高抵抗化することが可能である。
【００６６】以上、具体的な実施例を参照しつつ本発明
の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。
【００６７】例えば、本発明において用いる基板は、Ｇ
ａＮには限定されず、これ以外にも、ＧａＮとの格子不
整合が小さい材料であれば同様の効果を得ることができ
る。例えば、基板材料として、ＭｎＯ、ＮｄＧａＯ３、
ＺｎＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２などを用いた場合
には、ＧａＮ層との格子不整合を約２％以内に抑えるこ
とが可能である。従って、これらの材料からなる基板を
用いると、ＧａＮ層との格子整合性が良好であり、本発
明の効果を顕著に得ることができる。
【００６８】また、本発明の第２の実施の形態として前
述した電極形成に関する方法は、窒化ガリウム系の半導
体発光素子に限定されず、その他のあらゆる材料からな
る半導体発光素子に対して同様に適用して同様の効果を
得ることができる。例えば、ＧａＰ系、ＧａＡｓＰ系、
ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＡｌＰ系、ＩｎＰ系、ＩｎＧａ
Ａｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系など各種の半導体からなる半
導体発光素子について同様に適用することができる。
【００６９】
【発明の効果】本発明は、以上説明した形態で実施され
以下に詳述する効果を奏する。
【００７０】まず、本発明によれば、基板に対して大な
る格子定数を有する半導体層と小なる格子定数を有する
半導体層とを積層させた発光層を用いることによって基
板と発光層との間の格子定数の「ずれ」を緩和させるこ
とができる。この時に、各層の膜厚を電子のド・ブロイ
波の波長程度、あるいは「臨界膜厚」以下とすれば、結
晶欠陥を発生させることなく各層に圧縮応力を印加して
その格子定数を基板のそれに近づけることができる。
【００７１】本発明のこの効果は、発光素子が、「格子
整合系」の構成を採る場合に極めて顕著となる。すなわ
ち、窒化ガリウム系においては、ＧａＮ基板またはＧａ
Ｎ層が格子整合可能な基板を採用することにより、従来
のサファイア基板用いた場合と比較して基板と成長層と
の格子定数の「ずれ」を極めて小さくし、発光層を含め
た各成長層に誘因される結晶欠陥を大幅に低減すること
ができる。そして、本発明においては、このような「格
子整合系」において、ＩｎＧａＮ層に誘因される結晶欠
陥をさらに顕著に低減することができる。従って、「格
子整合系」が有する効果をより顕著にすることができ
る。
【００７２】その結果として、発光層のＩｎ組成を高く
しても、結晶層や界面での結晶欠陥を大幅に低減するこ
とができる。
【００７３】また、本発明によれば、薄膜のＩｎを含む
層と薄膜のＡｌを含む層とを交互に成長することによ
り、結晶成長の際の問題であるＩｎＧａＮ結晶の再蒸発
や分解を防止することができ、良質な結晶を確実に得る
ことができる。その結果として、従来よりもＩｎ組成の
高い発光層を実現し、緑色やさらに長波長の赤色領域で
の高輝度な発光素子を実現できる。
【００７４】また、さらに長波長での発光を得るために
は、ＡｌＧａＮ層ではさまれたＩｎＧａＮ層のＩｎ組成
を基板側から表面に行くに従って、増加させると結晶性
の悪化しない良好なＩｎＧａＮ層が実現できる。特に、
各ウエル層のＩｎ組成を変えて、赤・青・緑の発光をさ
せると結果的に白色の発光が得られる。各ウエル層に対
する歪み量をコントロールする事によってもある程度の
波長のコントロールができる事が実験的に知られてお
り、Ｉｎ組成と格子歪みを調節することで赤・青・緑の
発光をさせて結果的に白色の発光を得ることもできる。
【００７５】また、本発明によれば、ＧａＮなどの導電
性基板上に成長層を形成すれば、基板の裏面にも電極を
形成することができるため、ウェーハ面積を有効利用で
きるという効果も得られる。
【００７６】一方、本発明の第２の実施の形態によれ
ば、いわゆる「電流ブロック構造」を確実且つ容易に形
成することができる。本発明のこの効果は、窒化ガリウ
ム系化合物半導体を用いた発光素子に限定されず、その
他のあらゆる材料を用いた発光素子に対して同様に適用
して同様に得ることができる。
【００７７】以上詳述したように、本発明によれば、緑
色から赤色領域に至る長波長の発光を確実に得ることが
でき、また、電流ブロック構造を確実且つ容易に形成す
ることができる半導体発光素子及びその製造方法を提供
することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半導体発光素子を概念的に表す
断面図である。
【図２】ＧａＮとＩｎＮとＡｌＮのａ軸方向の格子定数
の関係を表すグラフ図である。
【図３】ＧａＮ基板上にＭＱＷ層の各層をエピタキシャ
ル成長させた場合の格子整合の様子を表す概念図であ
る。
【図４】第１実施例による発光素子の電流−光パワー特
性を表すグラフ図である。
【図５】本発明の第２の実施例にかかる半導体発光素子
を概念的に表す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例にかかる半導体発光素子
を概念的に表す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施例にかかる半導体発光素子
を概念的に表す断面図である。
【図８】従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の
典型例を表す概略断面図である。
【符号の説明】 １０Ａ〜Ｄ 半導体発光素子 １１ 基板 １２ ｎ−ＧａＮバッファ層 １３ ＭＱＷ発光層 １３ａ ＩｎＧａＮ層 １３ｂ ＡｌＧａＮ層 １４ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層 １５ ｐ−ＧａＮ層 １６ 透明電極 １７ ボンディングパッド １８ 保護膜 １９ ｎ側電極 ２０ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層 ２４ ｎ−ＧａＮガイド層 ２５ ｐ−ＡｌＧａＮ層 ２６ ｐ−ＧａＮガイド層 ２７ 絶縁膜 ２８ ｐ側電極

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板と、 前記基板の主面上に設けられた発光層と、 を備えた半導体発光素子であって、 前記発光層は、 前記基板よりも大なる格子定数を有する窒化ガリウム系
    化合物半導体からなる第１の層と、 前記基板よりも小なる格子定数を有する窒化ガリウム系
    化合物半導体からなる第２の層と、 を有し、 前記第１の層は、前記第２の層によって前記主面に対し
    て平行な方向に略弾性的に圧縮され前記基板との格子定
    数の差が減少してなることを特徴とする半導体発光素
    子。
  2. 【請求項２】前記第１の層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０
    ≦ｘ≦１）からなり、 前記第２の層は、ＡｌｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０＜
    ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｙ＋ｚ≦１）からなることを特徴
    とする請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 【請求項３】前記第１の層は、電子のド・ブロイ波の波
    長程度の層厚を有することを特徴とする請求項１または
    ２に記載の半導体発光素子。
  4. 【請求項４】前記基板は、ＧａＮと略格子整合する材料
    からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つ
    に記載の半導体発光素子。
  5. 【請求項５】前記基板は、ＧａＮからなることを特徴と
    する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素
    子。
  6. 【請求項６】前記発光層は、複数の前記第１の層と複数
    の前記第２の層とを交互に積層してなり、 前記複数の第１の層のうちの少なくともいずれかは、他
    の第１の層とは異なるバンドギャップを有することを特
    徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発
    光素子。
  7. 【請求項７】前記発光層は、複数の前記第１の層と複数
    の前記第２の層とを交互に積層してなり、 前記複数の第１の層のうちの少なくともいずれかは、隣
    接する第２の層から受ける前記圧縮の量が他の第１の層
    とは異なることによって、他の第１の層とは異なる波長
    の光を放出することを特徴とする請求項１〜５のいずれ
    か１つに記載の半導体発光素子。
  8. 【請求項８】前記複数の第１の層のそれぞれから放出さ
    れる光を合成することにより、白色光が得られることを
    特徴とする請求項６または７に記載の半導体発光素子。
  9. 【請求項９】第１導電型の半導体と、 前記第１導電型の半導体に接触して設けられた電極と、 を備え、 前記半導体と前記電極との接触部は、接触抵抗が低い第
    １の領域と、接触抵抗が高い第２の領域と、を有し、 前記第１の領域においては、前記第１導電型の半導体に
    対してオーミック性接触が可能な第１の金属が前記第１
    導電型の半導体に接触し、 前記第２の領域においては、前記第１の金属と、第２導
    電型の半導体に対してオーミック性接触が可能な第２の
    金属との混合体が前記第１導電型の半導体に接触してな
    ることを特徴とする半導体発光素子。
  10. 【請求項１０】第１導電型の半導体の表面に前記第１導
    電型の半導体に対してオーミック性接触が可能な第１の
    金属を堆積する工程と、 第１導電型の半導体の前記表面の一部に第２導電型の半
    導体に対してオーミック性接触が可能な第２の金属を堆
    積する工程と、 前記第１の金属と前記第２の金属とを反応させることに
    より前記第１導電型の半導体に対して接触抵抗が高い領
    域を形成する工程と、 を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
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