JP2002231997A - 窒化物系半導体発光素子 - Google Patents
窒化物系半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＧａＮ基板上に積層構造を形成する際、Ｇａ
Ｎ基板界面では、Ｎの高い蒸気圧のため、Ｎ抜けやＧａ
抜けが生じ欠陥密度が極めて多くなる。このため、同基
板上に上記製造方法で作製した窒化物系半導体発光素子
は、未だ結晶欠陥を多く含んでおり、これらの欠陥が非
発光再結合中心として働いたり、欠陥部分が電流のパス
として働き漏れ電流の原因となるため、駆動電圧が高
く、歩留りが悪いという問題点があった。 【解決手段】 ＧａＮ系基板を用いた窒化物系半導体発
光素子において、ＧａＮ基板形成後、基板を大気中に放
置することによって、基板にＯを吸着させ、その後、発
光素子構造を形成する。
Ｎ基板界面では、Ｎの高い蒸気圧のため、Ｎ抜けやＧａ
抜けが生じ欠陥密度が極めて多くなる。このため、同基
板上に上記製造方法で作製した窒化物系半導体発光素子
は、未だ結晶欠陥を多く含んでおり、これらの欠陥が非
発光再結合中心として働いたり、欠陥部分が電流のパス
として働き漏れ電流の原因となるため、駆動電圧が高
く、歩留りが悪いという問題点があった。 【解決手段】 ＧａＮ系基板を用いた窒化物系半導体発
光素子において、ＧａＮ基板形成後、基板を大気中に放
置することによって、基板にＯを吸着させ、その後、発
光素子構造を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子
（ＬＥＤ：発光ダイオード，ＬＤ：半導体レーザ等）の
構造であり、特に、低電圧で駆動出来、発光効率が高
く、長寿命の窒化物半導体の発光素子を歩留まり良く供
給する。
（ＬＥＤ：発光ダイオード，ＬＤ：半導体レーザ等）の
構造であり、特に、低電圧で駆動出来、発光効率が高
く、長寿命の窒化物半導体の発光素子を歩留まり良く供
給する。
【０００２】
【従来の技術】ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮまたは、これら
の混晶に代表される窒化物半導体材料は、バンドギャッ
プが直接遷移型であり、なかでもＩｎＧａＮの混晶は、
赤色から紫外光で発光させることが可能なため短波長の
材料として注目されてきた。すでに、同結晶を用いた紫
外から緑色に至る波長の発光ダイオードは実用化され、
また青紫レーザダイオードにおいても室温連続発振で１
万時間を越える寿命が達成されるなど、実用化へ向けて
急速に進歩している。この急速な進歩の要因の一つに選
択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ
Ｏｖｅｒ Ｇｒｏｗｔｈ；以下ＥＬＯＧとする）による
低転位化技術がある。近年、同技術をサファイア基板に
適用し、ハイドライドＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐ
ｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；以下ＨＶＰＥとす
る）法でのＧａＮの成長における転位削減にも有効であ
ることが見出された。同技術で成長したＧａＮ層中の貫
通転位等は少なく、同層上に作製したＬＤ素子において
長寿命化できることが報告されている。一方ＨＶＰＥ法
を用いて作製されたＧａＮを基板として用いることが提
案されている。ＧａＮ基板を使用することにより、有機
金属化学気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法とする）等で
同基板上に作製される窒化物系半導体層の結晶欠陥が低
減でき、窒化物系半導体発光素子の寿命の向上が期待さ
れる。
の混晶に代表される窒化物半導体材料は、バンドギャッ
プが直接遷移型であり、なかでもＩｎＧａＮの混晶は、
赤色から紫外光で発光させることが可能なため短波長の
材料として注目されてきた。すでに、同結晶を用いた紫
外から緑色に至る波長の発光ダイオードは実用化され、
また青紫レーザダイオードにおいても室温連続発振で１
万時間を越える寿命が達成されるなど、実用化へ向けて
急速に進歩している。この急速な進歩の要因の一つに選
択横方向成長（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ
Ｏｖｅｒ Ｇｒｏｗｔｈ；以下ＥＬＯＧとする）による
低転位化技術がある。近年、同技術をサファイア基板に
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ｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ；以下ＨＶＰＥとす
る）法でのＧａＮの成長における転位削減にも有効であ
ることが見出された。同技術で成長したＧａＮ層中の貫
通転位等は少なく、同層上に作製したＬＤ素子において
長寿命化できることが報告されている。一方ＨＶＰＥ法
を用いて作製されたＧａＮを基板として用いることが提
案されている。ＧａＮ基板を使用することにより、有機
金属化学気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法とする）等で
同基板上に作製される窒化物系半導体層の結晶欠陥が低
減でき、窒化物系半導体発光素子の寿命の向上が期待さ
れる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
ＧａＮ系基板は、ＥＬＯＧ技術等により転位欠陥が、あ
る程度低減されているが、他のＩＩＩ−Ｖ族系半導体用
基板、例えばＧａＡｓ基板と比較して、未だ転位密度は
極めて大きい。さらに、ＧａＮ基板中、特に基板界面
は、Ｎの高い蒸気圧のため、Ｎ抜けやＧａ抜けが生じる
ため、欠陥密度が極めて多い。このため、同基板上に上
記製造方法で作製した窒化物系半導体発光素子は、未だ
結晶欠陥を多く含んでおり、これらの欠陥が非発光再結
合中心として働いたり、欠陥部分が電流のパスとして働
き漏れ電流の原因となるため、駆動電圧が高く、歩留り
が悪いという欠点があった。特に、ＬＤ素子では、この
欠陥により閾値電流密度が増加し素子寿命が短くなるた
め、欠陥密度の低減は重要である。また、ＥＬＯＧ技術
を用いた場合、転位密度の疎密な部分が出来るため、ウ
エハ面内の発光出力のバラツキが大きいという欠点が生
じた。同一ウェハー内から作製された発光出力が２ｍＷ
の素子と０．５ｍＷの素子の発光パターンを観察したと
ころ、低出力の素子は、暗部と明部が混在した不均一発
光であった。更に、低出力の素子は寿命が短く、９０％
の素子が通電後すぐに発光停止に至る。この問題により
素子歩留りは約４５％と低かった。素子で低出力な部分
は、ＧａＮ基板の転位密度の密な部分上に作製されてお
り、ＧａＮ基板の欠陥が影響したためと考える。
ＧａＮ系基板は、ＥＬＯＧ技術等により転位欠陥が、あ
る程度低減されているが、他のＩＩＩ−Ｖ族系半導体用
基板、例えばＧａＡｓ基板と比較して、未だ転位密度は
極めて大きい。さらに、ＧａＮ基板中、特に基板界面
は、Ｎの高い蒸気圧のため、Ｎ抜けやＧａ抜けが生じる
ため、欠陥密度が極めて多い。このため、同基板上に上
記製造方法で作製した窒化物系半導体発光素子は、未だ
結晶欠陥を多く含んでおり、これらの欠陥が非発光再結
合中心として働いたり、欠陥部分が電流のパスとして働
き漏れ電流の原因となるため、駆動電圧が高く、歩留り
が悪いという欠点があった。特に、ＬＤ素子では、この
欠陥により閾値電流密度が増加し素子寿命が短くなるた
め、欠陥密度の低減は重要である。また、ＥＬＯＧ技術
を用いた場合、転位密度の疎密な部分が出来るため、ウ
エハ面内の発光出力のバラツキが大きいという欠点が生
じた。同一ウェハー内から作製された発光出力が２ｍＷ
の素子と０．５ｍＷの素子の発光パターンを観察したと
ころ、低出力の素子は、暗部と明部が混在した不均一発
光であった。更に、低出力の素子は寿命が短く、９０％
の素子が通電後すぐに発光停止に至る。この問題により
素子歩留りは約４５％と低かった。素子で低出力な部分
は、ＧａＮ基板の転位密度の密な部分上に作製されてお
り、ＧａＮ基板の欠陥が影響したためと考える。
【０００４】本発明は、上記事情を鑑みてなされたもの
であり、特に、発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体
の発光素子を歩留まり良く製造し得る方法を提供するこ
とを目的とするものである。
であり、特に、発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体
の発光素子を歩留まり良く製造し得る方法を提供するこ
とを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の窒化物系半導体
発光素子は、ＧａＮ系基板上に窒化物系半導体積層構造
が形成されている窒化物系化合物半導体発光素素子にお
いて、ＧａＮ基板と窒化物系半導体積層構造との界面近
傍にＯ元素が存在し、Ｏ元素の濃度は２×１０ 16≦ｎ≦
１０22ｃｍ-3の範囲内であることを特徴とする。
発光素子は、ＧａＮ系基板上に窒化物系半導体積層構造
が形成されている窒化物系化合物半導体発光素素子にお
いて、ＧａＮ基板と窒化物系半導体積層構造との界面近
傍にＯ元素が存在し、Ｏ元素の濃度は２×１０ 16≦ｎ≦
１０22ｃｍ-3の範囲内であることを特徴とする。
【０００６】本発明の窒化物系半導体発光素子は、前記
窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮ系基板がＣｌ
元素を含有することを特徴とする。
窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮ系基板がＣｌ
元素を含有することを特徴とする。
【０００７】本発明の窒化物系半導体発光素子は、前記
窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮ系基板がＯ元
素を含有することを特徴とする。
窒化物系半導体発光素子において、ＧａＮ系基板がＯ元
素を含有することを特徴とする。
【０００８】本発明の窒化物系半導体発光素子は、前記
窒化物系半導体発光素子において、窒化物系半導体積層
構造のうち、ＧａＮ系基板と接する層はＯ元素を含有す
ることを特徴とする。
窒化物系半導体発光素子において、窒化物系半導体積層
構造のうち、ＧａＮ系基板と接する層はＯ元素を含有す
ることを特徴とする。
【０００９】ここで、基板界面近傍へのドーピングにつ
いて図１を使用して説明する。
いて図１を使用して説明する。
【００１０】図１は、ＧａＮ基板とＭＯＣＶＤ成長層の
再成長界面に酸素をドーピングして作製した種々のＧａ
Ｎ基板のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）プロファイル
である。本発明における酸素ドーピングの効果は、再成
長界面に発生する歪を緩和しつつ、Ｎ抜けやＧａ抜け等
により再成長時に再成長界面の結晶性の悪化（特に抵抗
率の増大）を防止する効果がある。この場合、Ｏ元素を
ドーピングする領域の厚さは界面一層でも良いが、再成
長時にダメージを受ける結晶の範囲にＯ元素を添加する
ことが望ましく、具体的には界面近傍の１ｎｍ以上でそ
の効果が現われ、２０ｎｍ厚まで添加した場合にもっと
も大きな効果が得られた。なお、２０ｎｍ以上の厚さに
わたってＯ元素を添加しても良く、２０ｎｍ厚添加した
場合と同様な効果が観測された。
再成長界面に酸素をドーピングして作製した種々のＧａ
Ｎ基板のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）プロファイル
である。本発明における酸素ドーピングの効果は、再成
長界面に発生する歪を緩和しつつ、Ｎ抜けやＧａ抜け等
により再成長時に再成長界面の結晶性の悪化（特に抵抗
率の増大）を防止する効果がある。この場合、Ｏ元素を
ドーピングする領域の厚さは界面一層でも良いが、再成
長時にダメージを受ける結晶の範囲にＯ元素を添加する
ことが望ましく、具体的には界面近傍の１ｎｍ以上でそ
の効果が現われ、２０ｎｍ厚まで添加した場合にもっと
も大きな効果が得られた。なお、２０ｎｍ以上の厚さに
わたってＯ元素を添加しても良く、２０ｎｍ厚添加した
場合と同様な効果が観測された。
【００１１】このように本発明においてＯ元素を１５ｎ
ｍ厚の範囲に添加した場合の再成長界面でのＯ元素の分
布を測定したＳＩＭＳプロファイルを図１のＡ、Ｂに示
す。実際のＯ元素の添加範囲より厚くＯが観測される
が、これはＳＩＭＳ測定上の厚さ分解能が２０ｎｍ以下
の厚さを正確に測定できないためである。
ｍ厚の範囲に添加した場合の再成長界面でのＯ元素の分
布を測定したＳＩＭＳプロファイルを図１のＡ、Ｂに示
す。実際のＯ元素の添加範囲より厚くＯが観測される
が、これはＳＩＭＳ測定上の厚さ分解能が２０ｎｍ以下
の厚さを正確に測定できないためである。
【００１２】ところで、図１中Ａのプロファイルは実際
には、それぞれＧａＮ基板上への素子作製時にＧａＮ基
板のすぐ上に形成されるＧａＮバッファ層へＯ元素をド
ーピングしたものであり、基板側にＯを故意にドーピン
グしてはいない。したがって、これは基板作製後および
素子作製中の基板加熱の熱履歴によりＯが熱拡散したも
のと考え、分解能の問題から基板側に深く拡散している
ように見えるだけと考える。同様に、図１中Ｂプロファ
イルはＧａＮ基板作製後大気放置した後に同基板上に素
子構造を作製したものであり、基板および基板上に作製
した素子構造層に、故意にＯドーピングをしてはいな
い。しかしながら、基板側、素子側それぞれにＯが検出
されており、これは熱履歴によりＯが熱拡散し、分解能
の問題から深く拡散しているように見えるだけと考え
る。
には、それぞれＧａＮ基板上への素子作製時にＧａＮ基
板のすぐ上に形成されるＧａＮバッファ層へＯ元素をド
ーピングしたものであり、基板側にＯを故意にドーピン
グしてはいない。したがって、これは基板作製後および
素子作製中の基板加熱の熱履歴によりＯが熱拡散したも
のと考え、分解能の問題から基板側に深く拡散している
ように見えるだけと考える。同様に、図１中Ｂプロファ
イルはＧａＮ基板作製後大気放置した後に同基板上に素
子構造を作製したものであり、基板および基板上に作製
した素子構造層に、故意にＯドーピングをしてはいな
い。しかしながら、基板側、素子側それぞれにＯが検出
されており、これは熱履歴によりＯが熱拡散し、分解能
の問題から深く拡散しているように見えるだけと考え
る。
【００１３】図２に、本発明者が測定したＨＶＰＥ法で
作製したＧａＮ基板にＯ元素のドーピング量を変化させ
た時の青色ＬＥＤ発光素子の発光出力の変化を示す。同
図によれば、Ｏドーピング量２×１０16ｃｍ-3で発光出
力１．２、それ以上で、急激に出力は増大し、ドーピン
グ量１０18ｃｍ-3付近で発光出力２．５で最大値を取っ
た後、緩やかに出力は減少し、ドーピング量１０22ｃｍ
-3でも発光出力１．１と、酸素をドーピングすることに
より発光出力が増加することが分かる。すなわち、Ｇａ
Ｎ系基板界面近傍もしくは、基板中にＯ元素をドーピン
グすることでＯ元素を故意にドーピングしない場合と比
較して最低でも２倍以上の発光出力が得られる。しかし
ながら、Ｏドーピング量１０16ｃｍ-3以下では発光出力
は０．６５以下であり、ドーピング量２×１０22ｃｍ-3
以上でも０．６以下と逆に低下した。これらの現象は、
下記する理由によるものである。
作製したＧａＮ基板にＯ元素のドーピング量を変化させ
た時の青色ＬＥＤ発光素子の発光出力の変化を示す。同
図によれば、Ｏドーピング量２×１０16ｃｍ-3で発光出
力１．２、それ以上で、急激に出力は増大し、ドーピン
グ量１０18ｃｍ-3付近で発光出力２．５で最大値を取っ
た後、緩やかに出力は減少し、ドーピング量１０22ｃｍ
-3でも発光出力１．１と、酸素をドーピングすることに
より発光出力が増加することが分かる。すなわち、Ｇａ
Ｎ系基板界面近傍もしくは、基板中にＯ元素をドーピン
グすることでＯ元素を故意にドーピングしない場合と比
較して最低でも２倍以上の発光出力が得られる。しかし
ながら、Ｏドーピング量１０16ｃｍ-3以下では発光出力
は０．６５以下であり、ドーピング量２×１０22ｃｍ-3
以上でも０．６以下と逆に低下した。これらの現象は、
下記する理由によるものである。
【００１４】ＧａＮ基板内部、特に基板界面近傍は、Ｎ
の高い蒸気圧により基板からＮが抜けていき、Ｎ空孔が
多数生成されるため、欠陥密度が極めて多く、故に、こ
の基板上に直にＭＯＣＶＤ等で窒化物半導体層を再成長
しても、その歪みを引き継ぎ、転位欠陥等が発生するの
は前述した通りである。ここで、Ｏをドーピングすると
Ｏ元素は、Ｎ元素より熱的に安定なので空孔を埋めるよ
うにＮサイトに入り込む。しかもＮとＯとの原子半径
は、ほぼ等しいため歪みを生じ難い。したがって、Ｏを
ドーピングすると欠陥密度が低減される。さらに、Ｏは
ＧａＮ結晶中でドナーとして作用するので、ＧａＮ結晶
が低抵抗化される。しかしながら、１０16ｃｍ-3以下の
Ｏドーピング量ではＮ空孔を埋めきれないため、欠陥低
減の効果は得られず、発光出力は低い。また、ＧａＮ結
晶の低抵抗化も期待出来ない。
の高い蒸気圧により基板からＮが抜けていき、Ｎ空孔が
多数生成されるため、欠陥密度が極めて多く、故に、こ
の基板上に直にＭＯＣＶＤ等で窒化物半導体層を再成長
しても、その歪みを引き継ぎ、転位欠陥等が発生するの
は前述した通りである。ここで、Ｏをドーピングすると
Ｏ元素は、Ｎ元素より熱的に安定なので空孔を埋めるよ
うにＮサイトに入り込む。しかもＮとＯとの原子半径
は、ほぼ等しいため歪みを生じ難い。したがって、Ｏを
ドーピングすると欠陥密度が低減される。さらに、Ｏは
ＧａＮ結晶中でドナーとして作用するので、ＧａＮ結晶
が低抵抗化される。しかしながら、１０16ｃｍ-3以下の
Ｏドーピング量ではＮ空孔を埋めきれないため、欠陥低
減の効果は得られず、発光出力は低い。また、ＧａＮ結
晶の低抵抗化も期待出来ない。
【００１５】一方、Ｏを基板内もしくは、基板界面近傍
に２×１０22ｃｍ-3以上ドーピングした場合、Ｎ原子と
置換されるだけでなく、逆に格子間に入り込むＯ原子が
増加してＧａＮ結晶を歪ませ、結果として転位欠陥を増
加させるため、発光出力はＯ元素のドーピング量に比例
して単調に増加せず、急激に減少する他に特にＨＶＰＥ
法で作製したＧａＮ基板ではＣｌ元素がＮサイト、もし
くは格子間に入り込んでおり、さらにこのＣｌとＮとの
原子半径差によりＧａＮ単結晶に歪みが生じている。こ
の基板上に直にＭＯＣＶＤ等で窒化物半導体層を成長す
ると、その歪みを引き継ぎ、転位欠陥等が発生する。と
ころで、Ｏ元素を基板内もしくは基板界面にドーピング
した場合、Ｏは反応性が高いため、Ｃｌより優先的にＧ
ａＮ結晶内のＮサイトに入り置換され、ドナーとして作
用する。ＮとＯとの原子半径はほぼ等しく、Ｃｌより少
ないため、転位欠陥等はＯをドーピングしない場合と比
較して緩和される。しかし、この場合においてもＯドー
ピング量が１０16ｃｍ-3以下ではＮ空孔を埋めきれない
ため欠陥低減の効果は得られず、また２×１０22ｃｍ-3
以上ドーピングしても逆に格子間に入り込むＯが増加し
て結晶を歪ませ，その結果として転位欠陥を増加させる
ため発光出力は低下する。
に２×１０22ｃｍ-3以上ドーピングした場合、Ｎ原子と
置換されるだけでなく、逆に格子間に入り込むＯ原子が
増加してＧａＮ結晶を歪ませ、結果として転位欠陥を増
加させるため、発光出力はＯ元素のドーピング量に比例
して単調に増加せず、急激に減少する他に特にＨＶＰＥ
法で作製したＧａＮ基板ではＣｌ元素がＮサイト、もし
くは格子間に入り込んでおり、さらにこのＣｌとＮとの
原子半径差によりＧａＮ単結晶に歪みが生じている。こ
の基板上に直にＭＯＣＶＤ等で窒化物半導体層を成長す
ると、その歪みを引き継ぎ、転位欠陥等が発生する。と
ころで、Ｏ元素を基板内もしくは基板界面にドーピング
した場合、Ｏは反応性が高いため、Ｃｌより優先的にＧ
ａＮ結晶内のＮサイトに入り置換され、ドナーとして作
用する。ＮとＯとの原子半径はほぼ等しく、Ｃｌより少
ないため、転位欠陥等はＯをドーピングしない場合と比
較して緩和される。しかし、この場合においてもＯドー
ピング量が１０16ｃｍ-3以下ではＮ空孔を埋めきれない
ため欠陥低減の効果は得られず、また２×１０22ｃｍ-3
以上ドーピングしても逆に格子間に入り込むＯが増加し
て結晶を歪ませ，その結果として転位欠陥を増加させる
ため発光出力は低下する。
【００１６】以上の理由により、本発明を実施したＧａ
Ｎ基板は転位欠陥等を低く抑えることができるので、結
晶欠陥が非常に少ない当該発光素子を作製できる。その
結果として、発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体の
発光素子を歩留まり良く得ることができる。また、結晶
欠陥の低減によるパス電流の減少並びに基板全体の抵抗
率を低減出来るため、発光素子の駆動電圧を下げること
ができる。
Ｎ基板は転位欠陥等を低く抑えることができるので、結
晶欠陥が非常に少ない当該発光素子を作製できる。その
結果として、発光効率が高く、長寿命の窒化物半導体の
発光素子を歩留まり良く得ることができる。また、結晶
欠陥の低減によるパス電流の減少並びに基板全体の抵抗
率を低減出来るため、発光素子の駆動電圧を下げること
ができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 （実施の形態１）図３は、本発明の第１の実施形態より
なる発光素子の構造を示す断面図であり、同図を使用し
て本実施の形態の素子構造を説明する。３０１は、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製
する。酸素は、ＧａＮ基板作製後、大気中に一定時間放
置し界面に酸素を吸着させることによりドーピングす
る。その後は、ＭＯＣＶＤ法にて素子構造を作製する。
３０２はＳｉドープｎ型ＧａＮ層である。３０５が発光
層であり、３０３のＳｉドープＩｎＧａＮ層と３０４の
ノンドープＧａＮ層からなるＤＱＷ（二重量子井戸）構
造とした。３０６はＡｌＧａＮの発光層蒸発防止層、３
０７はＭｇドープｐ型ＧａＮ層とした。最後に、ｎ型電
極３０８とｐ型透光性電極３０９とｐ型電極３１０を蒸
着法で作製する。
て説明する。 （実施の形態１）図３は、本発明の第１の実施形態より
なる発光素子の構造を示す断面図であり、同図を使用し
て本実施の形態の素子構造を説明する。３０１は、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製
する。酸素は、ＧａＮ基板作製後、大気中に一定時間放
置し界面に酸素を吸着させることによりドーピングす
る。その後は、ＭＯＣＶＤ法にて素子構造を作製する。
３０２はＳｉドープｎ型ＧａＮ層である。３０５が発光
層であり、３０３のＳｉドープＩｎＧａＮ層と３０４の
ノンドープＧａＮ層からなるＤＱＷ（二重量子井戸）構
造とした。３０６はＡｌＧａＮの発光層蒸発防止層、３
０７はＭｇドープｐ型ＧａＮ層とした。最後に、ｎ型電
極３０８とｐ型透光性電極３０９とｐ型電極３１０を蒸
着法で作製する。
【００１８】次に、本実施の形態の発光素子の製造方法
について記述する。まずＧａＮ基板３０１の作製方法を
図４に基づいて説明する。図４は本発明に係わるＧａＮ
系基板の製造工程における基板温度プロセス図である。
について記述する。まずＧａＮ基板３０１の作製方法を
図４に基づいて説明する。図４は本発明に係わるＧａＮ
系基板の製造工程における基板温度プロセス図である。
【００１９】ＧａＮ系基板の成長にはＨＶＰＥ法を使用
する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタル
を８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣｌ
3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用す
る。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4（シラ
ン）もしくはＴＥＯＳ（化学式：Ｓｉ（ＯＣ
2Ｈ5）4）、ｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇ
（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）または、エ
チルＣｐ2Ｍｇビスエチルシクロペンタジエニルマグネ
シウムを使用する。ＧａＮ系基板を成長させる母体基板
にはサファイア基板を使用した。
する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタル
を８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣｌ
3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用す
る。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4（シラ
ン）もしくはＴＥＯＳ（化学式：Ｓｉ（ＯＣ
2Ｈ5）4）、ｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇ
（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）または、エ
チルＣｐ2Ｍｇビスエチルシクロペンタジエニルマグネ
シウムを使用する。ＧａＮ系基板を成長させる母体基板
にはサファイア基板を使用した。
【００２０】まずプロセス４０１でサファイア基板を１
１７５℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で
熱クリーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５
５０℃に下げ、プロセス４０４で基板温度を安定させた
後、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバッファ
層を成長させる。その後、プロセス４０６で基板温度を
１１２５℃まで上げ、プロセス４０７で厚さ３１０μｍ
のＳｉドープＧａＮ層を成長速度６０μｍ／ｈで成長さ
せる。成長後、ウェハーは研削装置にてサファイア基板
側をラッピングしサファイア基板とＧａＮバッファ層を
除去する。その後、細かいダイヤモンド研磨剤にてポリ
ッシングを行い、厚さ３００μｍのＳｉドープＧａＮ基
板を得る。
１７５℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で
熱クリーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５
５０℃に下げ、プロセス４０４で基板温度を安定させた
後、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバッファ
層を成長させる。その後、プロセス４０６で基板温度を
１１２５℃まで上げ、プロセス４０７で厚さ３１０μｍ
のＳｉドープＧａＮ層を成長速度６０μｍ／ｈで成長さ
せる。成長後、ウェハーは研削装置にてサファイア基板
側をラッピングしサファイア基板とＧａＮバッファ層を
除去する。その後、細かいダイヤモンド研磨剤にてポリ
ッシングを行い、厚さ３００μｍのＳｉドープＧａＮ基
板を得る。
【００２１】上述手法で得たＧａＮ基板は、大気中に放
置暴露し界面に酸素を吸着させることによりＯを再成長
界面にドーピングする。図５は、ＧａＮ基板を使用して
作製した発光素子のＳＩＭＳプロファイルである。図中
１Ａが本実施例で得たＧａＮ基板界面に含まれていた酸
素のプロファイルであり、１．３×１０18ｃｍ-3のＯ元
素がＧａＮ基板界面に含まれていた。故意に酸素をドー
ピングしなかった場合、ＳＩＭＳで酸素は検出されず、
検出限界以下となる。なお、本実施例ではＧａＮ基板中
にＣｌ元素は検出されなかった。これは、ＧａＮ基板の
成長温度を高めに設定して成長したため、Ｃｌの蒸気圧
が高くなった結果である。ＧａＮ基板の成長温度を低め
に設定して成長した場合は、基板中にＣｌ元素が検出さ
れるが同様な効果が得られた。
置暴露し界面に酸素を吸着させることによりＯを再成長
界面にドーピングする。図５は、ＧａＮ基板を使用して
作製した発光素子のＳＩＭＳプロファイルである。図中
１Ａが本実施例で得たＧａＮ基板界面に含まれていた酸
素のプロファイルであり、１．３×１０18ｃｍ-3のＯ元
素がＧａＮ基板界面に含まれていた。故意に酸素をドー
ピングしなかった場合、ＳＩＭＳで酸素は検出されず、
検出限界以下となる。なお、本実施例ではＧａＮ基板中
にＣｌ元素は検出されなかった。これは、ＧａＮ基板の
成長温度を高めに設定して成長したため、Ｃｌの蒸気圧
が高くなった結果である。ＧａＮ基板の成長温度を低め
に設定して成長した場合は、基板中にＣｌ元素が検出さ
れるが同様な効果が得られた。
【００２２】次に、当該ＧａＮ基板を使用した発光素子
の製造方法を説明する。
の製造方法を説明する。
【００２３】発光素子の成長にはＭＯＣＶＤ法（有機金
属気相成長法）を使用する。まず、上述の手法を用いて
得たＳｉドープのｎ型ＧａＮ基板３０１をＮＨ3を含ん
だ水素雰囲気中でＳｉドープＧａＮ層３０２の成長温度
まで上昇させる。これにより昇温中のＮ抜けを防ぐこと
ができる。また、上記雰囲気ガス中には、０．０５ｐｐ
ｂ以上の酸素もしくは水分が含まれており、この酸素分
圧により、基板界面に付着させた酸素が還元されずに成
長界面に制御性よく取り込ませることができ、歪みの少
ない成長界面を得ることができる。次に層厚０．５μｍ
のＳｉドープｎ型ＧａＮ層３０２を成長させる。次に層
厚２ｎｍのＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層３０３
及び層厚２０ｎｍのノンドープＧａＮバリア層３０４で
周期数２（発光層２、バリア層１）の多重量子井戸構造
の発光層３０５を成長させた後、層厚２５ｎｍのＭｇド
ープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＩｎＧａＮ蒸発防止層３０
６を順次成長させる。次に層厚０．５μｍのＭｇドープ
ｐ型ＧａＮ層３０７を成長させる。作製したウェーハ
は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面にＴｉ／Ａ
ｌのｎ型電極３０８、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層３０７の
表面にＰｄのｐ型透光性電極３０９及びＰｄ／Ａｕのｐ
型電極３１０を蒸着する。その後ウエハーをチップに分
割して樹脂モールドを行い、図３に示したＬＥＤ素子と
する。なお、ｐ型透光性電極３０９、ｐ型電極３１０を
それぞれＮｉ、Ｎｉ／Ａｕとしても同様の効果が得られ
た。
属気相成長法）を使用する。まず、上述の手法を用いて
得たＳｉドープのｎ型ＧａＮ基板３０１をＮＨ3を含ん
だ水素雰囲気中でＳｉドープＧａＮ層３０２の成長温度
まで上昇させる。これにより昇温中のＮ抜けを防ぐこと
ができる。また、上記雰囲気ガス中には、０．０５ｐｐ
ｂ以上の酸素もしくは水分が含まれており、この酸素分
圧により、基板界面に付着させた酸素が還元されずに成
長界面に制御性よく取り込ませることができ、歪みの少
ない成長界面を得ることができる。次に層厚０．５μｍ
のＳｉドープｎ型ＧａＮ層３０２を成長させる。次に層
厚２ｎｍのＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層３０３
及び層厚２０ｎｍのノンドープＧａＮバリア層３０４で
周期数２（発光層２、バリア層１）の多重量子井戸構造
の発光層３０５を成長させた後、層厚２５ｎｍのＭｇド
ープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＮのＩｎＧａＮ蒸発防止層３０
６を順次成長させる。次に層厚０．５μｍのＭｇドープ
ｐ型ＧａＮ層３０７を成長させる。作製したウェーハ
は、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面にＴｉ／Ａ
ｌのｎ型電極３０８、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層３０７の
表面にＰｄのｐ型透光性電極３０９及びＰｄ／Ａｕのｐ
型電極３１０を蒸着する。その後ウエハーをチップに分
割して樹脂モールドを行い、図３に示したＬＥＤ素子と
する。なお、ｐ型透光性電極３０９、ｐ型電極３１０を
それぞれＮｉ、Ｎｉ／Ａｕとしても同様の効果が得られ
た。
【００２４】この素子は順方向電流２０ｍＡで電圧２．
５Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
６ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにおける
ピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ内に
おけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室温連
続２０ｍＡの通電テストの寿命は２００００時間以上で
あった。ＧａＮ基板作製中故意に酸素をドーピングしな
かったＧａＮ基板、つまりＳＩＭＳ解析において、酸素
が検出されなかったＳｉドープＧａＮ基板上に作製した
図３と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡで
電圧３．４Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発
光出力は３ｍＷであった。またピーク波長シフトは５ｎ
ｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１００００時
間であった。したがって、ＧａＮ基板界面にＯをドーピ
ングすることにより、ＧａＮ基板界面及びＧａＮ基板上
に作製した窒化物半導体層の結晶欠陥を低減出来た結果
として発光出力を改善できた。さらに、Ｏをドーピング
することにより、電気的特性が改善された結果として動
作電圧を低減できた。
５Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
６ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにおける
ピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ内に
おけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室温連
続２０ｍＡの通電テストの寿命は２００００時間以上で
あった。ＧａＮ基板作製中故意に酸素をドーピングしな
かったＧａＮ基板、つまりＳＩＭＳ解析において、酸素
が検出されなかったＳｉドープＧａＮ基板上に作製した
図３と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡで
電圧３．４Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発
光出力は３ｍＷであった。またピーク波長シフトは５ｎ
ｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１００００時
間であった。したがって、ＧａＮ基板界面にＯをドーピ
ングすることにより、ＧａＮ基板界面及びＧａＮ基板上
に作製した窒化物半導体層の結晶欠陥を低減出来た結果
として発光出力を改善できた。さらに、Ｏをドーピング
することにより、電気的特性が改善された結果として動
作電圧を低減できた。
【００２５】以上より、本発明の実施により出力で２
倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は１
／２に低減され、寿命は倍以上に改善された。また、動
作電圧も３．４Ｖから２．５Ｖへ低減出来た。 （実施の形態２）素子構造は、ＧａＮ系基板へのＯドー
ピング方法およびその作製温度を変更した以外、実施例
１の図３と同構造の素子を作製した。３０１は、Ｏドー
プｎ型ＧａＮ基板とし、ＨＶＰＥ法を用いて作製する。
酸素は、成長開始初期から酸素の原材料ガスを反応炉内
に流し、ＧａＮ基板内に一様にドーピングする。
倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は１
／２に低減され、寿命は倍以上に改善された。また、動
作電圧も３．４Ｖから２．５Ｖへ低減出来た。 （実施の形態２）素子構造は、ＧａＮ系基板へのＯドー
ピング方法およびその作製温度を変更した以外、実施例
１の図３と同構造の素子を作製した。３０１は、Ｏドー
プｎ型ＧａＮ基板とし、ＨＶＰＥ法を用いて作製する。
酸素は、成長開始初期から酸素の原材料ガスを反応炉内
に流し、ＧａＮ基板内に一様にドーピングする。
【００２６】以下、本実施の形態の発光素子の製造方法
について記述する。
について記述する。
【００２７】まずＧａＮ基板３０１の作製方法を図４に
基づいて説明する。ＧａＮ系基板の成長には、ＨＶＰＥ
法を使用する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧ
ａメタルを８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させた
ＧａＣｌ3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を
使用する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4も
しくはＴＥＯＳ（化学式：Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）、ｐ型
ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇまたは、エチル
Ｃｐ2Ｍｇを使用する。Ｏ元素のドーパントには、Ｏ2も
しくはＴＥＯＳを使用する。ＧａＮ系基板を成長させる
母体基板にはサファイア基板を使用した。
基づいて説明する。ＧａＮ系基板の成長には、ＨＶＰＥ
法を使用する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧ
ａメタルを８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させた
ＧａＣｌ3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を
使用する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4も
しくはＴＥＯＳ（化学式：Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）、ｐ型
ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇまたは、エチル
Ｃｐ2Ｍｇを使用する。Ｏ元素のドーパントには、Ｏ2も
しくはＴＥＯＳを使用する。ＧａＮ系基板を成長させる
母体基板にはサファイア基板を使用した。
【００２８】プロセス４０１でサファイア基板を１１０
０℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で熱ク
リーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５５０
℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバ
ッファ層を成長させる。その後、プロセス４０６で基板
温度を１０５０℃まで上げ、プロセス４０７でｎ型ドー
パントとしてＯ2ガスを供給し、厚さ３１０μｍのＯド
ープｎ型ＧａＮ層を成長速度６０μｍ／ｈで成長させ
る。成長後、ウェハーは研削装置にてサファイア基板側
をラッピングしサファイア基板とＧａＮバッファ層を除
去する。その後、細かいダイヤモンド研磨剤にてポリッ
シングを行い、厚さ３００μｍのＯドープｎ型ＧａＮ基
板を得る。
０℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で熱ク
リーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５５０
℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバ
ッファ層を成長させる。その後、プロセス４０６で基板
温度を１０５０℃まで上げ、プロセス４０７でｎ型ドー
パントとしてＯ2ガスを供給し、厚さ３１０μｍのＯド
ープｎ型ＧａＮ層を成長速度６０μｍ／ｈで成長させ
る。成長後、ウェハーは研削装置にてサファイア基板側
をラッピングしサファイア基板とＧａＮバッファ層を除
去する。その後、細かいダイヤモンド研磨剤にてポリッ
シングを行い、厚さ３００μｍのＯドープｎ型ＧａＮ基
板を得る。
【００２９】上述した手法で得たＧａＮ基板のＳＩＭＳ
プロファイルを図６のサンプルＡに示す。サンプルＡの
プロファイルＡ１が本実施例で得たＧａＮ基板中に含ま
れていた酸素のプロファイルであり、１．２×１０21ｃ
ｍ-3のＯ元素がＧａＮ基板裏面から表面まで一様に含ま
れていた。また、プロファイルＡ２としてＣｌが検出さ
れている。これは、基板の成長温度を実施例１と比較し
て低くしたためＣｌが結晶中に取り込まれやすくなった
ものと考えられ、５×１０17ｃｍ-3の濃度のＣｌが検出
された。このＣｌ元素は、実施例１と同様高温で基板を
成長した場合や、Ｏドーピング量を増加させることによ
り検出されなくなり、発光出力は１．５倍程度向上する
ことを確認している。他、ｎ型ドーパントとしてＴＥＯ
Ｓを用いた場合は、図６中サンプルＢに示すプロファイ
ルが得られた。プロファイルＢ１で示されるＯ元素とプ
ロファイルＢ２で示されるＳｉ元素が、それぞれ３．５
×１０19ｃｍ-3と２．１×１０18ｃｍ-3の濃度でＧａＮ
基板裏面から表面まで一様に含まれていることがわか
る。これは、ＴＥＯＳに含まれるＯ元素とＳｉ元素が一
緒にドーピングされたものである。さらに、一例として
図中サンプルＣに示した変調ドーピングを行っても同様
の効果が得られている。
プロファイルを図６のサンプルＡに示す。サンプルＡの
プロファイルＡ１が本実施例で得たＧａＮ基板中に含ま
れていた酸素のプロファイルであり、１．２×１０21ｃ
ｍ-3のＯ元素がＧａＮ基板裏面から表面まで一様に含ま
れていた。また、プロファイルＡ２としてＣｌが検出さ
れている。これは、基板の成長温度を実施例１と比較し
て低くしたためＣｌが結晶中に取り込まれやすくなった
ものと考えられ、５×１０17ｃｍ-3の濃度のＣｌが検出
された。このＣｌ元素は、実施例１と同様高温で基板を
成長した場合や、Ｏドーピング量を増加させることによ
り検出されなくなり、発光出力は１．５倍程度向上する
ことを確認している。他、ｎ型ドーパントとしてＴＥＯ
Ｓを用いた場合は、図６中サンプルＢに示すプロファイ
ルが得られた。プロファイルＢ１で示されるＯ元素とプ
ロファイルＢ２で示されるＳｉ元素が、それぞれ３．５
×１０19ｃｍ-3と２．１×１０18ｃｍ-3の濃度でＧａＮ
基板裏面から表面まで一様に含まれていることがわか
る。これは、ＴＥＯＳに含まれるＯ元素とＳｉ元素が一
緒にドーピングされたものである。さらに、一例として
図中サンプルＣに示した変調ドーピングを行っても同様
の効果が得られている。
【００３０】次に、上述手法を用いて得たＯドープのｎ
型ＧａＮ基板３０１上に実施例１と同様にしてＭＯＣＶ
Ｄ法で図３に示した窒化物半導体層と電極構造を作製し
た後、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行い
ＬＥＤ素子とした。
型ＧａＮ基板３０１上に実施例１と同様にしてＭＯＣＶ
Ｄ法で図３に示した窒化物半導体層と電極構造を作製し
た後、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行い
ＬＥＤ素子とした。
【００３１】この素子は順方向電流２０ｍＡで電圧２．
０Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
５ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにおける
ピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ内に
おけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室温連
続２０ｍＡの通電テストの寿命は２５０００時間以上で
あった。ＧａＮ基板作製中故意に酸素をドーピングしな
かったＧａＮ基板、つまりＳＩＭＳ解析においても、酸
素が検出されなかったＳｉドープＧａＮ基板上に作製し
た図３と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡ
で電圧３．４Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で
発光出力は３ｍＷであった。またピーク波長シフトは５
ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１００００
時間であった。したがって、ＧａＮ基板内つまりは基板
界面近傍にＯをドーピングすることにより、ＧａＮ基板
及びＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体層の結晶欠陥
を低減出来た結果として発光出力を改善できた。さら
に、Ｏをドーピングすることにより、電気的特性が改善
された結果として動作電圧を低減できた。また、本実施
例から分かるように、ｎ型ドーパントにＴＥＯＳを用い
た場合、Ｓｉも同時にドーピングされるが同様な効果が
得られる。他、本実施例と実施例１においては、ＧａＮ
基板上に直にＭＯＣＶＤ法でＳｉドープＧａＮ層５０２
を成長したが、バッファ層を成長してからＳｉドープＧ
ａＮ層５０２を成長しても良く、同様な効果が得られ
る。
０Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
５ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにおける
ピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ内に
おけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室温連
続２０ｍＡの通電テストの寿命は２５０００時間以上で
あった。ＧａＮ基板作製中故意に酸素をドーピングしな
かったＧａＮ基板、つまりＳＩＭＳ解析においても、酸
素が検出されなかったＳｉドープＧａＮ基板上に作製し
た図３と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡ
で電圧３．４Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で
発光出力は３ｍＷであった。またピーク波長シフトは５
ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１００００
時間であった。したがって、ＧａＮ基板内つまりは基板
界面近傍にＯをドーピングすることにより、ＧａＮ基板
及びＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体層の結晶欠陥
を低減出来た結果として発光出力を改善できた。さら
に、Ｏをドーピングすることにより、電気的特性が改善
された結果として動作電圧を低減できた。また、本実施
例から分かるように、ｎ型ドーパントにＴＥＯＳを用い
た場合、Ｓｉも同時にドーピングされるが同様な効果が
得られる。他、本実施例と実施例１においては、ＧａＮ
基板上に直にＭＯＣＶＤ法でＳｉドープＧａＮ層５０２
を成長したが、バッファ層を成長してからＳｉドープＧ
ａＮ層５０２を成長しても良く、同様な効果が得られ
る。
【００３２】以上より、本発明の実施により出力で１．
７倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は
１／２に低減され、寿命は倍以上に改善された。また、
動作電圧も３．４Ｖから２．０Ｖへ低減出来た。 （実施の形態３）図７は、本発明の第３の実施形態より
なる発光素子の構造を示す断面図であり、同図を使用し
て本実施の形態の素子構造を説明する。７０１は、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製
する。酸素は、ＭＯＣＶＤ法で素子のＧａＮバッファ層
成長時に酸素の原材料ガスを反応炉内に流し、基板界面
近傍にドーピングする。７０２は酸素ドープｎ型ＧａＮ
バッファ層、７０３はＳｉドープｎ型ＧａＮ層、７０６
が発光層であり、７０４のＳｉドープＩｎＧａＮ層と７
０５のノンドープＧａＮ層からなるＤＱＷ（二重量子井
戸）構造とした。７０７はＡｌＧａＮの発光層蒸発防止
層、７０８はＭｇドープｐ型ＧａＮ層とした。最後に、
ｎ型電極７０９とｐ型透光性電極７１０とｐ型電極７１
１を蒸着法で作製する。
７倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は
１／２に低減され、寿命は倍以上に改善された。また、
動作電圧も３．４Ｖから２．０Ｖへ低減出来た。 （実施の形態３）図７は、本発明の第３の実施形態より
なる発光素子の構造を示す断面図であり、同図を使用し
て本実施の形態の素子構造を説明する。７０１は、Ｓｉ
ドープｎ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製
する。酸素は、ＭＯＣＶＤ法で素子のＧａＮバッファ層
成長時に酸素の原材料ガスを反応炉内に流し、基板界面
近傍にドーピングする。７０２は酸素ドープｎ型ＧａＮ
バッファ層、７０３はＳｉドープｎ型ＧａＮ層、７０６
が発光層であり、７０４のＳｉドープＩｎＧａＮ層と７
０５のノンドープＧａＮ層からなるＤＱＷ（二重量子井
戸）構造とした。７０７はＡｌＧａＮの発光層蒸発防止
層、７０８はＭｇドープｐ型ＧａＮ層とした。最後に、
ｎ型電極７０９とｐ型透光性電極７１０とｐ型電極７１
１を蒸着法で作製する。
【００３３】次に、本実施の形態の発光素子の製造方法
について記述する。まずＧａＮ基板７０１の作製方法を
図４に基づいて説明する。
について記述する。まずＧａＮ基板７０１の作製方法を
図４に基づいて説明する。
【００３４】ＧａＮ系基板の成長には、ＨＶＰＥ法を使
用する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタ
ルを８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣ
ｌ3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用す
る。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4、ｐ型ド
ーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇまたは、エチルＣ
ｐ2Ｍｇを使用する。ＧａＮ系基板を成長させる母体基
板にはサファイア基板を使用した。
用する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタ
ルを８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣ
ｌ3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用す
る。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4、ｐ型ド
ーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇまたは、エチルＣ
ｐ2Ｍｇを使用する。ＧａＮ系基板を成長させる母体基
板にはサファイア基板を使用した。
【００３５】プロセス４０１でサファイア基板を１１０
０℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で熱ク
リーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５５０
℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバ
ッファ層を成長させる。その後、プロセス４０６で基板
温度を１０５０℃まで上げ、プロセス４０７で成長速度
６０μｍ／ｈで厚さ３１０μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ
層を成長させる。成長後、ウェハーは研削装置にてサフ
ァイア基板側をラッピングしサファイア基板とＧａＮバ
ッファ層を除去する。その後、細かいダイヤモンド研磨
剤にてポリッシングを行い、厚さ３００μｍのＳｉドー
プｎ型ＧａＮ基板７０１を得る。
０℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で熱ク
リーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５５０
℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバ
ッファ層を成長させる。その後、プロセス４０６で基板
温度を１０５０℃まで上げ、プロセス４０７で成長速度
６０μｍ／ｈで厚さ３１０μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ
層を成長させる。成長後、ウェハーは研削装置にてサフ
ァイア基板側をラッピングしサファイア基板とＧａＮバ
ッファ層を除去する。その後、細かいダイヤモンド研磨
剤にてポリッシングを行い、厚さ３００μｍのＳｉドー
プｎ型ＧａＮ基板７０１を得る。
【００３６】次に、当該ＧａＮ基板を使用した発光素子
の製造方法を説明する。まず、上述手法を用いて得たＳ
ｉドープｎ型ＧａＮ基板７０１を実施例１と同様ＮＨ3
ガスを含んだ水素雰囲気中で熱クリーニングした後、Ｏ
2ガスを使用しＯ元素をドープした層厚３５ｎｍのＯド
ープｎ型ＧａＮバッファ層７０２を成長させる。この様
にしてドーピングしたＯ元素は以下の各窒化物半導体層
作製時の熱履歴によりＯ元素が拡散され、基板界面近傍
にＯ元素がドープされる。次に層厚０．５μｍのＳｉド
ープｎ型ＧａＮ層７０３を成長させる。次に層厚２ｎｍ
のＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層７０４及び層厚
２０ｎｍのノンドープＧａＮバリア層７０５で周期数２
（発光層２、バリア層１）の多重量子井戸構造の発光層
７０６を成長させた後、層厚２５ｎｍのＭｇドープｐ型
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの発光層蒸発防止層７０７を順次成長
させる。次に層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層
７０８を成長させる。作製したウェーハは、Ｓｉドープ
ｎ型ＧａＮ基板７０１の裏面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極７
０９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層７０８の表面にＰｄのｐ
型透光性電極７１０及びＰｄ／Ａｕのｐ型電極７１１を
蒸着する。その後ウエハーをチップに分割して樹脂モー
ルドを行い、図７に示したＬＥＤ素子とする。なお、ｐ
型透光性電極７１０、ｐ型電極７１１をそれぞれＮｉ、
Ｎｉ／Ａｕとしても同様の効果が得られた。
の製造方法を説明する。まず、上述手法を用いて得たＳ
ｉドープｎ型ＧａＮ基板７０１を実施例１と同様ＮＨ3
ガスを含んだ水素雰囲気中で熱クリーニングした後、Ｏ
2ガスを使用しＯ元素をドープした層厚３５ｎｍのＯド
ープｎ型ＧａＮバッファ層７０２を成長させる。この様
にしてドーピングしたＯ元素は以下の各窒化物半導体層
作製時の熱履歴によりＯ元素が拡散され、基板界面近傍
にＯ元素がドープされる。次に層厚０．５μｍのＳｉド
ープｎ型ＧａＮ層７０３を成長させる。次に層厚２ｎｍ
のＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層７０４及び層厚
２０ｎｍのノンドープＧａＮバリア層７０５で周期数２
（発光層２、バリア層１）の多重量子井戸構造の発光層
７０６を成長させた後、層厚２５ｎｍのＭｇドープｐ型
Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの発光層蒸発防止層７０７を順次成長
させる。次に層厚０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層
７０８を成長させる。作製したウェーハは、Ｓｉドープ
ｎ型ＧａＮ基板７０１の裏面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極７
０９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層７０８の表面にＰｄのｐ
型透光性電極７１０及びＰｄ／Ａｕのｐ型電極７１１を
蒸着する。その後ウエハーをチップに分割して樹脂モー
ルドを行い、図７に示したＬＥＤ素子とする。なお、ｐ
型透光性電極７１０、ｐ型電極７１１をそれぞれＮｉ、
Ｎｉ／Ａｕとしても同様の効果が得られた。
【００３７】上述した手法で得た素子の基板界面近傍の
ＳＩＭＳプロファイルを図８に示す。図中３Ａが本実施
例で得たＧａＮ基板界面近傍に含まれていた酸素のプロ
ファイルである。本実施例で得た素子では、基板界面近
傍素子側に１．１×１０20ｃｍ-3のＯ元素が含まれてい
た。
ＳＩＭＳプロファイルを図８に示す。図中３Ａが本実施
例で得たＧａＮ基板界面近傍に含まれていた酸素のプロ
ファイルである。本実施例で得た素子では、基板界面近
傍素子側に１．１×１０20ｃｍ-3のＯ元素が含まれてい
た。
【００３８】この素子は順方向電流２０ｍＡで電圧２．
８Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
５．３ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにお
けるピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ
内におけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室
温連続２０ｍＡの通電テストの寿命は１９０００時間以
上であった。ＧａＮバッファ層中に故意に酸素をドーピ
ングしなかった場合、つまりＳＩＭＳ解析においても、
酸素が検出されなかったＧａＮバッファ層上に作製した
図７と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡで
電圧３．７Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発
光出力は２．７ｍＷであった。またピーク波長シフトは
５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１２００
０時間であった。したがって、ＧａＮバッファ層中、つ
まり基板界面近傍にＯをドーピングすることにより、Ｇ
ａＮ基板及びＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体層の
結晶欠陥を低減出来た結果として発光出力を改善でき
た。さらに、Ｏをドーピングすることにより、電気的特
性が改善された結果として動作電圧を低減できた。
８Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
５．３ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにお
けるピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ
内におけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室
温連続２０ｍＡの通電テストの寿命は１９０００時間以
上であった。ＧａＮバッファ層中に故意に酸素をドーピ
ングしなかった場合、つまりＳＩＭＳ解析においても、
酸素が検出されなかったＧａＮバッファ層上に作製した
図７と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡで
電圧３．７Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発
光出力は２．７ｍＷであった。またピーク波長シフトは
５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１２００
０時間であった。したがって、ＧａＮバッファ層中、つ
まり基板界面近傍にＯをドーピングすることにより、Ｇ
ａＮ基板及びＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体層の
結晶欠陥を低減出来た結果として発光出力を改善でき
た。さらに、Ｏをドーピングすることにより、電気的特
性が改善された結果として動作電圧を低減できた。
【００３９】以上より、本発明の実施により出力で１．
４倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は
１／２に低減され、寿命は１．５倍以上に改善された。
また、動作電圧も３．７Ｖから２．８Ｖへ低減出来た。 （実施の形態４）図９は、本発明の第４の実施形態より
なる発光素子の構造を示す断面図であり、同図を使用し
て本実施の形態の素子構造を説明する。９０１は、Ｍｇ
ドープｐ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製
する。酸素は、成長終了前に酸素の原材料ガスを反応炉
内に流し、ドーピングする。その後は、ＭＯＣＶＤ法に
て素子構造を作製する。９０２はＭｇドープｐ型ＡｌＧ
ａＮクラッド層である。９０５が発光層であり、３周期
からなる９０３のＳｉドープＩｎＧａＮ層と２周期から
なる９０４のＳｉドープＧａＮバリア層からなるＭＱＷ
（多重量子井戸）構造とした。９０６はＳｉドープｎ型
ＡｌＧａＮの発光層蒸発防止層、９０７はＳｉドープｎ
型ＧａＮ層とした。最後に、ｎ型電極９０８とｐ型透光
性電極９０９とｐ型電極９１０を蒸着法で作製する。
４倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は
１／２に低減され、寿命は１．５倍以上に改善された。
また、動作電圧も３．７Ｖから２．８Ｖへ低減出来た。 （実施の形態４）図９は、本発明の第４の実施形態より
なる発光素子の構造を示す断面図であり、同図を使用し
て本実施の形態の素子構造を説明する。９０１は、Ｍｇ
ドープｐ型ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法を用いて作製
する。酸素は、成長終了前に酸素の原材料ガスを反応炉
内に流し、ドーピングする。その後は、ＭＯＣＶＤ法に
て素子構造を作製する。９０２はＭｇドープｐ型ＡｌＧ
ａＮクラッド層である。９０５が発光層であり、３周期
からなる９０３のＳｉドープＩｎＧａＮ層と２周期から
なる９０４のＳｉドープＧａＮバリア層からなるＭＱＷ
（多重量子井戸）構造とした。９０６はＳｉドープｎ型
ＡｌＧａＮの発光層蒸発防止層、９０７はＳｉドープｎ
型ＧａＮ層とした。最後に、ｎ型電極９０８とｐ型透光
性電極９０９とｐ型電極９１０を蒸着法で作製する。
【００４０】次に、本実施の形態の発光素子の製造方法
について記述する。まずＧａＮ基板９０１の作製方法を
図３に基づいて説明する。
について記述する。まずＧａＮ基板９０１の作製方法を
図３に基づいて説明する。
【００４１】ＧａＮ系基板の成長にはＨＶＰＥ法を使用
する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタル
を８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣｌ
3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用す
る。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4もしくは
ＴＥＯＳ、ｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇ
または、エチルＣｐ2Ｍｇを使用する。Ｏ元素のドーパ
ントには、Ｏ2もしくはＴＥＯＳを使用する。ＧａＮ系
基板を成長させる母体基板にはサファイア基板を使用し
た。
する。３族元素の輸送ガスとして反応炉内でＧａメタル
を８５０℃で加熱してＨＣｌガスと反応させたＧａＣｌ
3を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用す
る。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4もしくは
ＴＥＯＳ、ｐ型ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇ
または、エチルＣｐ2Ｍｇを使用する。Ｏ元素のドーパ
ントには、Ｏ2もしくはＴＥＯＳを使用する。ＧａＮ系
基板を成長させる母体基板にはサファイア基板を使用し
た。
【００４２】プロセス４０１でサファイア基板を１１０
０℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で熱ク
リーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５５０
℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバ
ッファ層を成長させる。その後、プロセス４０６で成長
雰囲気を窒素に切り換えて基板温度を１０５０℃まで上
げ、プロセス４０７で厚さ３１０μｍのＭｇドープｐ型
ＧａＮ層を窒素雰囲気中で成長速度６０μｍ／ｈで成長
させる。この時、ドーパントとしてＯ2ガスを使用し、
成長途中からＯをドーピングした。ＯはＧａＮ内でｎ型
キャリアになるため、Ｏドーピング量は抑える。ＳＩＭ
Ｓプロファイルを図１０に示す。図中４Ａが本実施例で
得たＧａＮ基板中に含まれていた酸素のプロファイルで
あり、ＧａＮ基板表面近傍に、７．８×１０17ｃｍ-3の
酸素が含まれていた。成長後、ウェハーは研削装置にて
サファイア基板側をラッピングしサファイア基板とＧａ
Ｎバッファ層を除去する。その後、細かいダイヤモンド
研磨剤にてポリッシングを行い、厚さ３００μｍのＭｇ
ドープｐ型ＧａＮ基板を得る。
０℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲気中で熱ク
リーニングした後、プロセス４０３で基板温度を５５０
℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍのＧａＮのバ
ッファ層を成長させる。その後、プロセス４０６で成長
雰囲気を窒素に切り換えて基板温度を１０５０℃まで上
げ、プロセス４０７で厚さ３１０μｍのＭｇドープｐ型
ＧａＮ層を窒素雰囲気中で成長速度６０μｍ／ｈで成長
させる。この時、ドーパントとしてＯ2ガスを使用し、
成長途中からＯをドーピングした。ＯはＧａＮ内でｎ型
キャリアになるため、Ｏドーピング量は抑える。ＳＩＭ
Ｓプロファイルを図１０に示す。図中４Ａが本実施例で
得たＧａＮ基板中に含まれていた酸素のプロファイルで
あり、ＧａＮ基板表面近傍に、７．８×１０17ｃｍ-3の
酸素が含まれていた。成長後、ウェハーは研削装置にて
サファイア基板側をラッピングしサファイア基板とＧａ
Ｎバッファ層を除去する。その後、細かいダイヤモンド
研磨剤にてポリッシングを行い、厚さ３００μｍのＭｇ
ドープｐ型ＧａＮ基板を得る。
【００４３】次に、当該ＧａＮ基板を使用した発光素子
の製造方法を図１１に基づいて説明する。
の製造方法を図１１に基づいて説明する。
【００４４】発光素子の成長にはＭＯＣＶＤ法を使用す
る。３族元素の輸送ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリ
メチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウ
ム）を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用
する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4をｐ型
ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇまたは、エチル
Ｃｐ2Ｍｇを使用する。
る。３族元素の輸送ガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリ
メチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウ
ム）を使用し、５族元素の輸送ガスとしてＮＨ3を使用
する。ｎ型ドーパントの輸送ガスとしてＳｉＨ4をｐ型
ドーパントの輸送ガスとしてＣｐ2Ｍｇまたは、エチル
Ｃｐ2Ｍｇを使用する。
【００４５】まず、プロセス１１０１で基板温度を１１
００℃まで昇温する。プロセス１１０２で上述手法を用
いて得たＭｇドープのｐ型ＧａＮ基板９０１を窒素雰囲
気中１１００℃で熱クリーニングした後、プロセス１１
０３で基板温度を１０５０℃に下げ、プロセス１１０４
で層厚２５ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラ
ッド層９０２を成長させる。次にプロセス１１０５にて
基板温度を８００℃まで下げて、プロセス１１０６で温
度を安定させる。次に、プロセス１１０７で層厚２ｎｍ
のＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層９０３及び層厚
２０ｎｍのＳｉドープＧａＮバリア層９０４で周期数３
（発光層３、バリア層２）の多重量子井戸構造の発光層
９０５を成長させ、その後、プロセス１１０８で層厚２
５ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9ＮのＩｎＧａＮ
蒸発防止層９０６を順次成長させる。次にプロセス１１
０９で基板温度を１０５０℃まで上げ、プロセス１１１
０で層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層９０７を成長
させる。
００℃まで昇温する。プロセス１１０２で上述手法を用
いて得たＭｇドープのｐ型ＧａＮ基板９０１を窒素雰囲
気中１１００℃で熱クリーニングした後、プロセス１１
０３で基板温度を１０５０℃に下げ、プロセス１１０４
で層厚２５ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラ
ッド層９０２を成長させる。次にプロセス１１０５にて
基板温度を８００℃まで下げて、プロセス１１０６で温
度を安定させる。次に、プロセス１１０７で層厚２ｎｍ
のＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層９０３及び層厚
２０ｎｍのＳｉドープＧａＮバリア層９０４で周期数３
（発光層３、バリア層２）の多重量子井戸構造の発光層
９０５を成長させ、その後、プロセス１１０８で層厚２
５ｎｍのＳｉドープｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9ＮのＩｎＧａＮ
蒸発防止層９０６を順次成長させる。次にプロセス１１
０９で基板温度を１０５０℃まで上げ、プロセス１１１
０で層厚４μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層９０７を成長
させる。
【００４６】成長ウエハーは、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ基
板９０１の裏面にＰｄのｐ型透光性電極９０９及びＰｄ
／Ａｕのｐ型電極９１０、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層９０
７の表面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極９０８を蒸着する。最
後に、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行
い、図９に示したＬＥＤ素子とする。
板９０１の裏面にＰｄのｐ型透光性電極９０９及びＰｄ
／Ａｕのｐ型電極９１０、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層９０
７の表面にＴｉ／Ａｌのｎ型電極９０８を蒸着する。最
後に、ウエハーをチップに分割して樹脂モールドを行
い、図９に示したＬＥＤ素子とする。
【００４７】この素子は順方向電流２０ｍＡで電圧３．
０Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
５．８ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにお
けるピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ
内におけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室
温連続２０ｍＡの通電テストの寿命は２００００時間以
上であった。ＳＩＭＳ解析において、酸素が検出されな
かったｐ型ＧａＮ基板上に作製したＬＥＤ素子では、順
方向電流２０ｍＡで電圧３．８Ｖ、発光ピーク波長は４
７０ｎｍの青色で発光出力は２．５ｍＷであった。また
ピーク波長シフトは５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎ
ｍ、寿命は１１０００時間であった。したがって、Ｇａ
Ｎ基板表面にＯをドーピングすることにより、ｐ型Ｇａ
Ｎ基板表面及びＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体層
の結晶欠陥を低減出来た結果として発光出力を改善でき
た。
０Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で発光出力は
５．８ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡにお
けるピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウエハ
内におけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。室
温連続２０ｍＡの通電テストの寿命は２００００時間以
上であった。ＳＩＭＳ解析において、酸素が検出されな
かったｐ型ＧａＮ基板上に作製したＬＥＤ素子では、順
方向電流２０ｍＡで電圧３．８Ｖ、発光ピーク波長は４
７０ｎｍの青色で発光出力は２．５ｍＷであった。また
ピーク波長シフトは５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎ
ｍ、寿命は１１０００時間であった。したがって、Ｇａ
Ｎ基板表面にＯをドーピングすることにより、ｐ型Ｇａ
Ｎ基板表面及びＧａＮ基板上に作製した窒化物半導体層
の結晶欠陥を低減出来た結果として発光出力を改善でき
た。
【００４８】以上より、本発明の実施により出力で２．
３倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は
１／２に低減され、寿命は１．８倍以上に改善された。
また、動作電圧も３．８Ｖから３．０Ｖへ低減出来た。 （実施の形態５）素子構造は、サファイア基板上にＧａ
Ｎ結晶成長後、サファイア母体基板とＧａＮバッファ層
をラッピング除去しない以外、実施例１−４と同構造の
素子を作製した。ここでは、例として図１２の素子作製
方法について説明する。これは、サファイア基板を残し
たことにより基板裏面からｎ電極を取れないため、表面
にｎ電極を作製した以外は図３の素子と同構造である。
１２１はサファイア母体基板、１２２はＳｉドープＧａ
Ｎ層基板、１２３はＳｉドープｎ型ＧａＮ層、１２６が
発光層であり、１２４のＳｉドープＩｎＧａＮ層と１２
５のノンドープＧａＮ層からなるＤＱＷ（二重量子井
戸）構造とした。１２７はＡｌＧａＮの発光層蒸発防止
層、１２８はＭｇドープｐ型ＧａＮ層、１２９はｎ型電
極、１３０はｐ型透光性電極、１３１はｐ型電極であ
る。なお、図示してないが、サファイア母体基板１２１
とＳｉドープＧａＮ基板１２２の間には、バッファ層が
形成されている。
３倍、ピーク波長シフトは１／５、ピーク波長の分布は
１／２に低減され、寿命は１．８倍以上に改善された。
また、動作電圧も３．８Ｖから３．０Ｖへ低減出来た。 （実施の形態５）素子構造は、サファイア基板上にＧａ
Ｎ結晶成長後、サファイア母体基板とＧａＮバッファ層
をラッピング除去しない以外、実施例１−４と同構造の
素子を作製した。ここでは、例として図１２の素子作製
方法について説明する。これは、サファイア基板を残し
たことにより基板裏面からｎ電極を取れないため、表面
にｎ電極を作製した以外は図３の素子と同構造である。
１２１はサファイア母体基板、１２２はＳｉドープＧａ
Ｎ層基板、１２３はＳｉドープｎ型ＧａＮ層、１２６が
発光層であり、１２４のＳｉドープＩｎＧａＮ層と１２
５のノンドープＧａＮ層からなるＤＱＷ（二重量子井
戸）構造とした。１２７はＡｌＧａＮの発光層蒸発防止
層、１２８はＭｇドープｐ型ＧａＮ層、１２９はｎ型電
極、１３０はｐ型透光性電極、１３１はｐ型電極であ
る。なお、図示してないが、サファイア母体基板１２１
とＳｉドープＧａＮ基板１２２の間には、バッファ層が
形成されている。
【００４９】酸素はＧａＮ基板作製後、大気中に一定時
間放置し界面に酸素を吸着させることによりドーピング
する。その後は、ＭＯＣＶＤ法にて素子構造を作製す
る。
間放置し界面に酸素を吸着させることによりドーピング
する。その後は、ＭＯＣＶＤ法にて素子構造を作製す
る。
【００５０】ＧａＮ系基板の成長には、ＨＶＰＥ法を使
用する。ＧａＮ基板の作製方法について、図４に基づい
て説明する。まず、プロセス４０１でサファイア母体基
板を１１７５℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲
気中で熱クリーニングした後、プロセス４０３で基板温
度を５５０℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍの
ＧａＮバッファ層を成長させる。その後、プロセス４０
６で基板温度を１１２５℃まで上げ、プロセス４０７で
厚さ３１０μｍのＳｉドープＧａＮ層を成長速度６０μ
ｍ／ｈで成長させ、厚さ３００μｍのＳｉドープＧａＮ
基板１２２を得る。
用する。ＧａＮ基板の作製方法について、図４に基づい
て説明する。まず、プロセス４０１でサファイア母体基
板を１１７５℃まで加熱し、プロセス４０２で水素雰囲
気中で熱クリーニングした後、プロセス４０３で基板温
度を５５０℃に下げ、プロセス４０５で層厚５０ｎｍの
ＧａＮバッファ層を成長させる。その後、プロセス４０
６で基板温度を１１２５℃まで上げ、プロセス４０７で
厚さ３１０μｍのＳｉドープＧａＮ層を成長速度６０μ
ｍ／ｈで成長させ、厚さ３００μｍのＳｉドープＧａＮ
基板１２２を得る。
【００５１】次に実施例１と同様にしてＬＥＤ素子構造
を作製した。作製したウェハーは、図１２に示す断面図
に示されているようにフォトリソグラフィとドライエッ
チングの手法を利用してＳｉドープＧａＮ基板１２２表
面の一部が露出するまでエッチングした。このエッチン
グにより露出したＳｉドープＧａＮ基板１２２の表面に
Ｔｉ／Ａｌのｎ型電極１２９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層
１２８の表面にＰｄのｐ型透光性電極１３０及びＰｄ／
Ａｕのｐ型電極１３１を蒸着する。その後、ウェハーを
チップに分割して樹脂モールドを行い、図１２に示した
ＬＥＤ素子とする。なお、ｐ型透光性電極１３０、ｐ型
電極１３１をそれぞれＮｉ、Ｎｉ／Ａｕとしても同様の
効果が得られた。
を作製した。作製したウェハーは、図１２に示す断面図
に示されているようにフォトリソグラフィとドライエッ
チングの手法を利用してＳｉドープＧａＮ基板１２２表
面の一部が露出するまでエッチングした。このエッチン
グにより露出したＳｉドープＧａＮ基板１２２の表面に
Ｔｉ／Ａｌのｎ型電極１２９、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層
１２８の表面にＰｄのｐ型透光性電極１３０及びＰｄ／
Ａｕのｐ型電極１３１を蒸着する。その後、ウェハーを
チップに分割して樹脂モールドを行い、図１２に示した
ＬＥＤ素子とする。なお、ｐ型透光性電極１３０、ｐ型
電極１３１をそれぞれＮｉ、Ｎｉ／Ａｕとしても同様の
効果が得られた。
【００５２】この素子は順方向電流２０ｍＡで電圧２．
７Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で、発光出力
は５．５ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡに
おけるピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウェ
ハ内におけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。
室温連続２０ｍＡの通電テストの寿命は２００００時間
以上であった。ＧａＮ基板作製中故意に酸素をドーピン
グしなかったＧａＮ基板、つまりＳＩＭＳ解析において
酸素が検出されなかったＳｉドープＧａＮ基板上に作製
した図８と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍ
Ａで電圧３．６Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色
で、発光出力は２．９ｍＷであった。またピーク波長シ
フトは５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１
３０００時間であった。したがって、ＧａＮ基板内にＯ
をドーピングすることにより、ＧａＮ基板及びＧａＮ基
板上に作製した窒化物半導体層の結晶欠陥を低減できた
結果として発光出力を改善できた。さらに、Ｏをドーピ
ングすることにより、電気的特性が改善された結果とし
て動作電圧を低減できた。なお、図１２の１２２をノン
ドープＧａＮ基板、フォトリソグラフィとドライエッチ
ングによりエッチングを行い、露出させる部分をＳｉド
ープＧａＮ層１２３とし、その上ＳｉドープＧａＮ層上
にｎ型電極を形成した素子構造において、同様な結果が
得られることを確認している。
７Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色で、発光出力
は５．５ｍＷであった。順方向電流５ｍＡ−２０ｍＡに
おけるピーク波長シフトは１ｎｍ以下であり、同一ウェ
ハ内におけるピーク波長の分布は５ｎｍ以下であった。
室温連続２０ｍＡの通電テストの寿命は２００００時間
以上であった。ＧａＮ基板作製中故意に酸素をドーピン
グしなかったＧａＮ基板、つまりＳＩＭＳ解析において
酸素が検出されなかったＳｉドープＧａＮ基板上に作製
した図８と同構造のＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍ
Ａで電圧３．６Ｖ、発光ピーク波長は４７０ｎｍの青色
で、発光出力は２．９ｍＷであった。またピーク波長シ
フトは５ｎｍ、ピーク波長の分布は１０ｎｍ、寿命は１
３０００時間であった。したがって、ＧａＮ基板内にＯ
をドーピングすることにより、ＧａＮ基板及びＧａＮ基
板上に作製した窒化物半導体層の結晶欠陥を低減できた
結果として発光出力を改善できた。さらに、Ｏをドーピ
ングすることにより、電気的特性が改善された結果とし
て動作電圧を低減できた。なお、図１２の１２２をノン
ドープＧａＮ基板、フォトリソグラフィとドライエッチ
ングによりエッチングを行い、露出させる部分をＳｉド
ープＧａＮ層１２３とし、その上ＳｉドープＧａＮ層上
にｎ型電極を形成した素子構造において、同様な結果が
得られることを確認している。
【００５３】以上より、サファイア基板を残したままで
も本発明の実施により、出力で１．９倍、ピーク波長シ
フトは１／５、ピーク波長の分布は１／２に低減され、
寿命は倍以上に改善された。また、動作電圧も３．６Ｖ
から２．７Ｖへ低減できた。
も本発明の実施により、出力で１．９倍、ピーク波長シ
フトは１／５、ピーク波長の分布は１／２に低減され、
寿命は倍以上に改善された。また、動作電圧も３．６Ｖ
から２．７Ｖへ低減できた。
【００５４】
【発明の効果】本発明によれば、ＧａＮ基板とその上の
窒化物半導体層の界面近傍にＯを含有させることによっ
て、窒化物半導体層の結晶欠陥を低減することができ、
その結果、発光出力、面内分布の改善並びに動作電圧を
下げることが可能となった。
窒化物半導体層の界面近傍にＯを含有させることによっ
て、窒化物半導体層の結晶欠陥を低減することができ、
その結果、発光出力、面内分布の改善並びに動作電圧を
下げることが可能となった。
【図１】ＧａＮ基板界面近傍に酸素をドーピングした素
子のＳＩＭＳプロファイルである。
子のＳＩＭＳプロファイルである。
【図２】ＧａＮ基板内および界面への酸素ドーピング量
に対する発光出力の変化である。
に対する発光出力の変化である。
【図３】本発明に係わる窒化物半導体発光素子の構造概
略断面図である。
略断面図である。
【図４】本発明に係わるＧａＮ基板の製造工程における
基板温度プロセス図である。
基板温度プロセス図である。
【図５】本発明に係わるＧａＮ基板における界面近傍も
しくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイルで
ある。
しくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイルで
ある。
【図６】本発明に係わるＧａＮ基板における界面近傍も
しくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイルで
ある。
しくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイルで
ある。
【図７】本発明に係わる窒化物半導体発光素子の構造概
略断面図である。
略断面図である。
【図８】本発明に係わるＧａＮ基板における界面近傍も
しくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイルで
ある。
しくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイルで
ある。
【図９】本発明に係わる窒化物半導体発光素子の構造概
略断面図である。
略断面図である。
【図１０】本発明に係わるＧａＮ基板における界面近傍
もしくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイル
である。
もしくはＧａＮ基板中内の酸素のＳＩＭＳプロファイル
である。
【図１１】窒化物半導体発光素子の製造工程における基
板温度プロセス図である。
板温度プロセス図である。
【図１２】本発明に係わる窒化物半導体発光素子の構造
概略断面図である。
概略断面図である。
３０１…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板 ３０２…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層 ３０３…ＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層 ３０４…ノンドープＧａＮバリア層 ３０５…発光層 ３０６…発光層蒸発防止層 ３０７…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層 ３０８…ｎ型電極 ３０９…ｐ型透光性電極 ３１０…ｐ型電極 ７０１…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板 ７０２…Ｏドープｎ型ＧａＮバッファ層 ７０３…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層 ７０４…ＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層 ７０５…ノンドープＧａＮバリア層 ７０６…発光層 ７０７…発光層蒸発防止層 ７０８…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層 ７０９…ｎ型電極 ７１０…ｐ型透光性電極 ７１１…ｐ型電極 ９０１…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ基板 ９０２…Ｍｇドープｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層 ９０３…ＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層 ９０４…ＳｉドープＧａＮバリア層 ９０５…発光層 ９０６…発光層蒸発防止層 ９０７…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層 ９０８…ｎ型電極 ９０９…ｐ型透光性電極 ９１０…ｐ型電極 １２１…サファイア母体基板 １２２…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ基板 １２３…Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層 １２４…ＳｉドープＩｎ0.35Ｇａ0.65Ｎ発光層 １２５…ノンドープＧａＮバリア層 １２６…発光層 １２７…蒸発防止層 １２８…Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層 １２９…ｎ型電極 １３０…ｐ型透光性電極 １３１…ｐ型電極
Claims (4)
- 【請求項１】 ＧａＮ系基板上に窒化物系半導体積層構
造が形成されている窒化物系化合物半導体発光素素子に
おいて、 ＧａＮ基板と窒化物系半導体積層構造との界面近傍にＯ
元素が存在し、Ｏ元素の濃度は２×１０16≦ｎ≦１０22
ｃｍ-3の範囲内であることを特徴とする窒化物系半導体
発光素子。 - 【請求項２】 前記窒化物系半導体発光素子において、
ＧａＮ系基板がＣｌ元素を含有することを特徴とする請
求項１に記載の窒化物半導体素子。 - 【請求項３】 前記窒化物系半導体発光素子において、
ＧａＮ系基板がＯ元素を含有することを特徴とする請求
項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記窒化物系半導体発光素子において、
窒化物系半導体積層構造のうち、ＧａＮ系基板と接する
層はＯ元素を含有することを特徴とする請求項１または
２に記載の窒化物系半導体発光素子。
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