JP2007324546A - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法、及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプ - Google Patents
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Abstract
【課題】井戸層を傷めることなく、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、且つ高出力の発光素子が得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法、及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプを提供する。
【解決手段】井戸層を成長温度Ｔ１で成長させ、障壁層を少なくとも成長温度Ｔ２で成長させることによって発光層を形成し、該発光層を形成した後、ｐ型半導体層を成長温度Ｔ３で成長させ、成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係としている。
【選択図】図１
【解決手段】井戸層を成長温度Ｔ１で成長させ、障壁層を少なくとも成長温度Ｔ２で成長させることによって発光層を形成し、該発光層を形成した後、ｐ型半導体層を成長温度Ｔ３で成長させ、成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係としている。
【選択図】図１
Description
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法に関し、特に、波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法、及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプに関する。
近年、短波長光発光素子として窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体発光素子が利用されている。この窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、サファイア単結晶をはじめ、種々の酸化物やＩＩＩ−Ｖ族化合物を基板として、この基板上に、有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によって形成される。
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子として、例えば、近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈する発光層を構成するため、インジウムを含有した窒化ガリウムインジウム（組成式ＧａＹＩｎｚＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）を発光層に用いたものがあり、緑色波長帯で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）等に利用されている。
また、発光層としては、窒化ガリウムからなる障壁層（バリア層）及び窒化ガリウムインジウムからなる井戸層（ウェル層）が交互に積層して形成される、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍａｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）が一般的に用いられている。このような発光層は、障壁層及び井戸層を順次、各々の成長温度に調節しながら交互に成長させてゆくことで形成される。
このような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子として、例えば、近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈する発光層を構成するため、インジウムを含有した窒化ガリウムインジウム（組成式ＧａＹＩｎｚＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）を発光層に用いたものがあり、緑色波長帯で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）等に利用されている。
また、発光層としては、窒化ガリウムからなる障壁層（バリア層）及び窒化ガリウムインジウムからなる井戸層（ウェル層）が交互に積層して形成される、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍａｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）が一般的に用いられている。このような発光層は、障壁層及び井戸層を順次、各々の成長温度に調節しながら交互に成長させてゆくことで形成される。
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４９０ｎｍ以上の長い波長とすることによって緑色の発光色を得ることができ、前記井戸層に含有されるインジウムの組成を大きくすることによって上記発光波長が得られる。
発光層に窒化ガリウムインジウムを用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法として、例えば、基板上に窒化インジウムガリウムの層を含む複数の半導体層を積層させる際に、発光層に用いる窒化インジウムガリウム層よりも上の層の材料系を特定のものに限定し、また、成長温度を所定の範囲に限定した方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
発光層に窒化ガリウムインジウムを用いた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法として、例えば、基板上に窒化インジウムガリウムの層を含む複数の半導体層を積層させる際に、発光層に用いる窒化インジウムガリウム層よりも上の層の材料系を特定のものに限定し、また、成長温度を所定の範囲に限定した方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、上述の方法で各層を成長させて製造することにより、窒化インジウムガリウム層の熱的劣化や、界面の劣化を抑制して高品質な窒化ガリウム系半導体発光素子を得ることができる。
特開平１０−３３５７００号公報
上述のようなＭＱＷ構造の発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子においては、井戸層に含有されるインジウムの組成が大きくなるのに伴って波長が長くなり、例えば、４９０ｎｍ以上の緑色発光波長が得られる。一方、井戸層中のインジウムの組成が大きくなると、発光層の結晶性や耐高温性が低下するという問題がある。
一般に、窒化ガリウムインジウムからなる井戸層を成長させる際、成長温度が低いほどインジウムの組成が大きくなる。これに対し、窒化ガリウムからなる障壁層は、井戸層の成長温度よりも高い温度で成長させる必要があるとともに、発光層上に形成されるｐ型半導体層は、前記障壁層の成長温度よりもさらに高い温度で成長させる必要がある。
一般に、窒化ガリウムインジウムからなる井戸層を成長させる際、成長温度が低いほどインジウムの組成が大きくなる。これに対し、窒化ガリウムからなる障壁層は、井戸層の成長温度よりも高い温度で成長させる必要があるとともに、発光層上に形成されるｐ型半導体層は、前記障壁層の成長温度よりもさらに高い温度で成長させる必要がある。
特許文献１に記載された製造方法によって窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の各層を成長させた場合、井戸層上に、窒化ガリウムからなる障壁層を高温で成長させて積層する際、井戸層に高い温度が加わり、また、発光層上にｐ型半導体を形成する際には、井戸層がさらに高い温度に曝される。このため、低い成長温度で形成され、耐高温性が低い井戸層が、障壁層やｐ型半導体層を成長させる際の高温によって破壊されてしまうという問題があった。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、井戸層を傷めることなく、波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、且つ高出力の発光素子が得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法、及び窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、並びにランプを提供することを目的とする。
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち、本発明は以下に関する。
即ち、本発明は以下に関する。
［１］ 基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層をこの順序で積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記発光層を形成する際、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層と、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層とを交互に繰り返して積層し、且つ、前記ｎ型半導体層側及び前記ｐ型半導体層側に前記障壁層を配する順で積層して形成し、前記井戸層を成長温度Ｔ１で成長させ、前記障壁層を少なくとも成長温度Ｔ２で成長させることによって前記発光層を形成し、該発光層を形成した後、前記ｐ型半導体層を成長温度Ｔ３で成長させるとともに、前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係とすることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２］ 前記成長温度Ｔ１、Ｔ２を、それぞれ６５０℃＜Ｔ１＜７８０℃、８０００℃＜Ｔ２＜１０００℃の範囲とすることを特徴とする［１］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［３］ 前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ７２０℃＜Ｔ１＜７５０℃、８７０℃＜Ｔ２＜９２０℃、９５０℃＜Ｔ３＜１０２０℃の範囲とすることを特徴とする［１］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［４］ 上記［１］〜［３］の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記障壁層を、少なくとも前記成長温度Ｔ２で成長させるとともに、前記井戸層を、前記成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、前記成長温度Ｔ１で成長させた後、前記障壁層を成長温度Ｔ４で成長させることによって前記発光層を形成し、前記成長温度Ｔ４が６００℃≦Ｔ４≦８００℃の範囲であるとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［５］ 上記［１］〜［４］の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈するものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［２］ 前記成長温度Ｔ１、Ｔ２を、それぞれ６５０℃＜Ｔ１＜７８０℃、８０００℃＜Ｔ２＜１０００℃の範囲とすることを特徴とする［１］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［３］ 前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ７２０℃＜Ｔ１＜７５０℃、８７０℃＜Ｔ２＜９２０℃、９５０℃＜Ｔ３＜１０２０℃の範囲とすることを特徴とする［１］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［４］ 上記［１］〜［３］の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記障壁層を、少なくとも前記成長温度Ｔ２で成長させるとともに、前記井戸層を、前記成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、前記成長温度Ｔ１で成長させた後、前記障壁層を成長温度Ｔ４で成長させることによって前記発光層を形成し、前記成長温度Ｔ４が６００℃≦Ｔ４≦８００℃の範囲であるとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［５］ 上記［１］〜［４］の何れかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈するものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
［６］ 請求項１〜５の何れか１項に記載の製造方法で得られ、基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層がこの順序で積層された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子あって、前記発光層は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層と、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層とが交互に繰り返して積層され、且つ、前記ｎ型半導体層側及び前記ｐ型半導体層側に前記障壁層が配される順で積層して形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［７］ 上記［６］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、発光波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈するものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［７］ 上記［６］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、発光波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈するものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
［８］ 上記［６］又は［７］に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法によれば、発光層を上記構成とし、該発光層を構成する障壁層及び井戸層の成長温度を上記範囲として形成することにより、障壁層やｐ型半導体層を形成する際に、井戸層が劣化するのを防止することができるとともに、４９０ｎｍ以上の長い発光波長が得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を効率良く製造することができる。
従って、高出力で安定した発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、且つ駆動電圧が低く抑えられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプを構成した場合には、発光特性に優れた緑色発光ランプが得られる。
従って、高出力で安定した発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、且つ駆動電圧が低く抑えられた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる。
また、本発明の製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプを構成した場合には、発光特性に優れた緑色発光ランプが得られる。
以下に、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法の一実施形態について、図１〜３を適宜参照しながら説明する。
本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、図２に示すような基板１１上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３、及びｐ型半導体層１４をこの順序で積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１の製造方法であって、発光層１３を、窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ）からなる障壁層１３ａと、インジウム（Ｉｎ）を含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１３ｂとを交互に繰り返して積層し、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成する。そして、図１のグラフに示す成長温度の例のように、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させ、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させる工程を必要回数繰り返して行なうことによって発光層１３を形成し、該発光層１３を形成した後、ｐ型半導体層１４を成長温度Ｔ３で成長させ、前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係とする。
［窒化ガリウム系化合物半導体発光素子］
以下に、本発明に係る製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構成について詳述する。
図２に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１は、基板１１上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１４がこの順序で積層され、発光層１３は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１３ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１３ｂとが交互に繰り返して積層され、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成され、概略構成されている。
また、図２に示す例では、ｐ型半導体層１４上に透光性正極１５が積層されるとともに該透光性正極１５上に正極ボンディングパッド１６が設けられ、ｎ型半導体層１２の、ｎコンタクト層１２ａの露出領域１２ｃには負極ボンディングパッド１７が設けられている。
以下に、本発明に係る製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の構成について詳述する。
図２に示す、本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１は、基板１１上に窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１４がこの順序で積層され、発光層１３は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１３ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１３ｂとが交互に繰り返して積層され、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成され、概略構成されている。
また、図２に示す例では、ｐ型半導体層１４上に透光性正極１５が積層されるとともに該透光性正極１５上に正極ボンディングパッド１６が設けられ、ｎ型半導体層１２の、ｎコンタクト層１２ａの露出領域１２ｃには負極ボンディングパッド１７が設けられている。
「基板」
本実施形態において用いる基板１１には、サファイア単結晶（Ａｌ２Ｏ３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ２などのホウ化物単結晶の公知の基板材料を含め、如何なる基板材料も何ら制限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶およびＳｉＣ単結晶の基板材料を用いることが好ましい。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、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。
本実施形態において用いる基板１１には、サファイア単結晶（Ａｌ２Ｏ３；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ２単結晶、ＬｉＧａＯ２単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ２などのホウ化物単結晶の公知の基板材料を含め、如何なる基板材料も何ら制限なく用いることができる。これらの中でも、サファイア単結晶およびＳｉＣ単結晶の基板材料を用いることが好ましい。
なお、基板の面方位は特に限定されない。また、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。
「窒化ガリウム系化合物半導体」
基板１１上に、通常、図示略のバッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４が積層される。使用する基板１１やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層が不要な場合もある。
基板１１上に、通常、図示略のバッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４が積層される。使用する基板１１やエピタキシャル層の成長条件によっては、バッファ層が不要な場合もある。
窒化ガリウム系化合物半導体としては、例えば一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知の窒化ガリウム系化合物半導体を含めて一般式ＡｌＸＧａＹＩｎＺＮ１−ＡＭＡ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる窒化ガリウム系化合物半導体を何ら制限なく用いることができる。
窒化ガリウム系化合物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
これらの窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）等、窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ２）または窒素（Ｎ２）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ４）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ３）４Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ２Ｈ５）４Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を用いる。
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層１２は、通常、図示略の下地層、ｎコンタクト層１２ａ及びｎクラッド層１２ｂから構成される。ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。
下地層はＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。下地層の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌＸＧａ１―ＸＮ層が得られやすい。
下地層にはｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
ｎ型半導体層１２は、通常、図示略の下地層、ｎコンタクト層１２ａ及びｎクラッド層１２ｂから構成される。ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。
下地層はＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。下地層の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌＸＧａ１―ＸＮ層が得られやすい。
下地層にはｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０１７／ｃｍ３）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃が好ましく、１０００〜１２００℃の範囲に調整することがより好ましい。この温度範囲内で成長させれば、結晶性の良い下地層が得られる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は１５〜４０ｋＰａに調整することが好ましい。
ｎコンタクト層１２ａとしては、下地層と同様にＡｌＸＧａ１―ＸＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０１９／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、負極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。成長温度は下地層と同様である。
下地層及びｎコンタクト層１２ａを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を１〜２０μｍ、好ましくは２〜１５μｍ、さらに好ましくは３〜１２μｍの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間には、ｎクラッド層を設けることが好ましい。ｎクラッド層１２ｂを設けることにより、ｎコンタクト層１２ａの最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできる。ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層１３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
ｎクラッド層１２ｂの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍの範囲であり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍの範囲である。
また、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
また、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の範囲である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
（ｐ型半導体層）
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。
ｐクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層およびｐコンタクト層から構成される。しかし、ｐコンタクト層がｐクラッド層を兼ねてもよい。
ｐクラッド層としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｄＧａ１−ｄＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
ｐコンタクト層としては、少なくともＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０≦ｅ＜０．５、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。
また、ｐ型ドーパントを１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲である。
ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
また、ｐ型ドーパントを１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましく、より好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲である。
ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、好ましくはＭｇが挙げられる。
ｐコンタクト層の膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
（発光層）
発光層１３は、ｎ型半導体層１２上に積層されるとともにｐ型半導体層１４がその上に積層される層であり、図２に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１３ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１３ｂとが交互に繰り返して積層され、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成される。
また、図２に示す例では、発光層１３は、６層の障壁層１３ａと５層の井戸層１３ｂとが交互に繰り返して積層され、発光層１３の最上層及び最下層に障壁層１３ａが配され、各障壁層１３ａ間に井戸層１３ｂが配される構成とされている。
発光層１３は、ｎ型半導体層１２上に積層されるとともにｐ型半導体層１４がその上に積層される層であり、図２に示すように、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１３ａと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１３ｂとが交互に繰り返して積層され、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成される。
また、図２に示す例では、発光層１３は、６層の障壁層１３ａと５層の井戸層１３ｂとが交互に繰り返して積層され、発光層１３の最上層及び最下層に障壁層１３ａが配され、各障壁層１３ａ間に井戸層１３ｂが配される構成とされている。
障壁層１３ａとしては、例えば、インジウムを含有した窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層１３ｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）等の窒化ガリウム系化合物半導体を、好適に用いることができる。
また、井戸層１３ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
また、井戸層１３ｂには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ｇａ１−ｓＩｎｓＮ（０＜ｓ＜０．４）等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、井戸層１３ｂにインジウムが含有された発光層１３が備えられていることにより、発光波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を、高出力で安定して得ることができる。
発光波長が４９０ｎｍ以上の長い波長になると、発光色が緑色系となる。例えば、発光波長が５０５ｎｍ付近であると、信号機等に用いられるような青緑色を呈する。また、発光波長が５２５ｎｍ付近では、例えばディスプレイ等の３原色光源として用いられるような、純緑色が得られる。また、発光波長が５６０ｎｍ付近であると、例えばパイロットランプ等に用いられるような黄緑色が得られ、発光波長が５７０ｎｍになると発光色が黄色に近い色調となる。
このため、緑色発光を得るためには、発光波長が４９０ｎｍ以上である必要がある。また、発光波長が４９０〜５７０ｎｍの範囲であることが、良好な緑色発光が得られる点からより好ましい。
このため、緑色発光を得るためには、発光波長が４９０ｎｍ以上である必要がある。また、発光波長が４９０〜５７０ｎｍの範囲であることが、良好な緑色発光が得られる点からより好ましい。
また、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、発光波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を得るためには、井戸層１３ｂに含有されるインジウムの濃度を高くする必要があるが、インジウムは、高温によって組成が低下し、結晶性を保つのが難しいという問題がある。
本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、詳細を後述する製造方法により、発光層１３を構成する障壁層１３ａ及び井戸層１３ｂ、並びに発光層１３上に積層されるｐ型半導体層１４の各層の成長温度範囲、及び各温度の関係を規定している。これにより、障壁層１３ａ及びｐ型半導体層１４を成長させる際、井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂに含有されるインジウム組成が低下したり、井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。
従って、井戸層１３ｂに含有されるインジウムを高い濃度で維持することができ、発光波長４９０ｎｍ以上の安定した緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる
本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子では、詳細を後述する製造方法により、発光層１３を構成する障壁層１３ａ及び井戸層１３ｂ、並びに発光層１３上に積層されるｐ型半導体層１４の各層の成長温度範囲、及び各温度の関係を規定している。これにより、障壁層１３ａ及びｐ型半導体層１４を成長させる際、井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂに含有されるインジウム組成が低下したり、井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。
従って、井戸層１３ｂに含有されるインジウムを高い濃度で維持することができ、発光波長４９０ｎｍ以上の安定した緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が得られる
なお、本発明のような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光波長は、上記波長よりも高い波長とすることも可能であるが、実際には、構造上及び実用上の面から、５８０〜６００ｎｍ程度の波長が上限と考えられる。
また、発光層１３において、交互に繰り返して積層される井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａの形成数は、井戸層１３ｂの形成数Ｄ１が２〜２０の範囲とされ、障壁層１３ａの形成数Ｄ２が３〜２１（Ｄ１＋１）の範囲とされていることが好ましい。図２に示す例では、井戸層１３ｂの形成数Ｄ１が５とされ、障壁層１３ａの形成数Ｄ２が６とされている。
交互に繰り返して積層される井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａの形成数が少なすぎると、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力が低下し、形成数が多すぎると、駆動電圧が上昇する傾向となる。
交互に繰り返して積層される井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａの形成数が少なすぎると、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力が低下し、形成数が多すぎると、駆動電圧が上昇する傾向となる。
また、発光層１３全体の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が好ましい。例えば、発光層１３の膜厚は、１〜５００ｎｍの範囲であることが好ましく、１００ｎｍ前後の膜厚であればより好ましい。膜厚が上記範囲であると、発光出力の向上に寄与する。
「透光性正極」
透光性正極１５の材質としては、特に限定されず、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺｎＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）等の材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
透光性正極１５の材質としては、特に限定されず、ＩＴＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２）、ＡＺｎＯ（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３）、ＩＺｎＯ（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（ＺｎＯ−ＧｅＯ２）等の材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。また、その構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
透光性正極１５は、ｐ型半導体層１４上のほぼ全面を覆うように形成しても構わないし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成しても良い。透光性正極１５を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
「正極ボンディングパッド及び負極ボンディングパッド」
正極ボンディングパッド１６は、透光性正極１５上に設けられる。
正極ボンディングパッド１６の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１６の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１６の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
正極ボンディングパッド１６は、透光性正極１５上に設けられる。
正極ボンディングパッド１６の材料としては、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＣｕ等を用いた各種構造が周知であり、これら周知の材料、構造のものを何ら制限無く用いることができる。
正極ボンディングパッド１６の厚さは、１００〜１０００ｎｍの範囲内であることが好ましい。また、ボンディングパッドの特性上、厚さが大きい方が、ボンダビリティーが高くなるため、正極ボンディングパッド１６の厚さは３００ｎｍ以上とすることがより好ましい。さらに、製造コストの観点から５００ｎｍ以下とすることが好ましい。
負極ボンディングパッド１７は、基板１１上に、ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４が順次積層された窒化ガリウム系化合物半導体において、ｎ型半導体層１２のｎコンタクト層１２ａに接するように形成される。
このため、負極ボンディングパッド１７を形成する際は、発光層１３、ｐ型半導体層１４、及びｎ型半導体層１２のｎクラッド層１２ｂの一部を除去してｎコンタクト層１２ａの露出領域１２ｃを形成し、この上に負極ボンディングパッド１７を形成する。
負極ボンディングパッド１７の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
このため、負極ボンディングパッド１７を形成する際は、発光層１３、ｐ型半導体層１４、及びｎ型半導体層１２のｎクラッド層１２ｂの一部を除去してｎコンタクト層１２ａの露出領域１２ｃを形成し、この上に負極ボンディングパッド１７を形成する。
負極ボンディングパッド１７の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
［窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法］
本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、上述したように、図２に示すような基板１１上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３、及びｐ型半導体層１４をこの順序で積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１の製造方法であって、発光層１３を、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１３ａと、インジウムを含有する窒化ガリウムインジウムからなる井戸層１３ｂとを交互に繰り返して積層し、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成する。そして、図１のグラフに示す成長温度の例のように、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させ、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させる工程を必要回数繰り返して行なうことによって発光層１３を形成し、該発光層１３を形成した後、ｐ型半導体層１４を成長温度Ｔ３で成長させ、前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係とする。
本実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、上述したように、図２に示すような基板１１上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層１２、発光層１３、及びｐ型半導体層１４をこの順序で積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１の製造方法であって、発光層１３を、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層１３ａと、インジウムを含有する窒化ガリウムインジウムからなる井戸層１３ｂとを交互に繰り返して積層し、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層して形成する。そして、図１のグラフに示す成長温度の例のように、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させ、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させる工程を必要回数繰り返して行なうことによって発光層１３を形成し、該発光層１３を形成した後、ｐ型半導体層１４を成長温度Ｔ３で成長させ、前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係とする。
また、本実施形態では、図３のグラフに示すように、障壁層１３ａを、少なくとも成長温度Ｔ２で成長させるとともに、井戸層１３ｂを、成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、成長温度Ｔ１で成長させた後、障壁層１３ｂを成長温度Ｔ４で成長させることによって発光層１３を形成し、成長温度Ｔ４が６００℃≦Ｔ４≦８００℃の範囲であるとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とされた方法とすることができる。
本実施形態の製造方法では、発光層を上記条件で形成することにより、発光波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈する、発光特性に優れた窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することができる。
以下、本発明に係る製造方法で規定する各成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３について詳述する。
成長温度Ｔ１は、６００℃以上８００℃以下の範囲であることが好ましい。
成長温度Ｔ１をこの範囲とし、この温度で井戸層１３ｂを成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ１を６００℃未満とし、この温度で井戸層１３ｂを成長させると、発光素子の発光強度が低下してしまう。また、成長温度Ｔ１が８００℃を超えた場合に半導体発光素子に与える影響は明らかでは無いが、本発明者が鋭意研究したところ、井戸層１３ｂのインジウムの組成が低下することから、上述の緑色発光波長が得られにくくなるものと考えられる。
成長温度Ｔ１は、６００℃以上８００℃以下の範囲であることが好ましい。
成長温度Ｔ１をこの範囲とし、この温度で井戸層１３ｂを成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ１を６００℃未満とし、この温度で井戸層１３ｂを成長させると、発光素子の発光強度が低下してしまう。また、成長温度Ｔ１が８００℃を超えた場合に半導体発光素子に与える影響は明らかでは無いが、本発明者が鋭意研究したところ、井戸層１３ｂのインジウムの組成が低下することから、上述の緑色発光波長が得られにくくなるものと考えられる。
また、成長温度Ｔ１は、６５０℃以上７８０℃以下の範囲であることがより好ましく、７２０℃以上７５０℃以下の範囲であることが最も好ましい。成長温度Ｔ１を６５０℃以上７８０℃以下の範囲とすることにより、高い発光出力が得られるとともに、目的とする緑色発光波長を再現性良く得ることができる。さらに、成長温度Ｔ１を、本発明者等が見出した最も好ましい温度である７２０℃以上７５０℃以下の範囲とすることにより、上述したような発光特性をバランス良く得ることができる。
成長温度Ｔ２は、７５０℃以上１０００℃以下の範囲であることが好ましい。
成長温度Ｔ２をこの範囲として障壁層１３ａを成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ２を７５０℃未満として障壁層１３ａを成長させると、発光素子の発光強度が低下してしまう。また、成長温度Ｔ２を１０００℃超として障壁層１３ａを成長させると、エージングによる劣化が発生するため、好ましくない。
成長温度Ｔ２をこの範囲として障壁層１３ａを成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ２を７５０℃未満として障壁層１３ａを成長させると、発光素子の発光強度が低下してしまう。また、成長温度Ｔ２を１０００℃超として障壁層１３ａを成長させると、エージングによる劣化が発生するため、好ましくない。
また、成長温度Ｔ２は、８００℃以上９７０℃以下の範囲であることがより好ましく、８７０℃以上９２０℃以下の範囲であることが最も好ましい。成長温度Ｔ２を８００℃以上９７０℃以下の範囲とすることにより、井戸層１３ｂへの熱ダメージが抑制され、高い発光出力が得られるとともに、エージングによる逆方向リーク電流（Ｉｒ）の劣化を防止することができる。さらに、成長温度Ｔ２を、最も好ましい温度である８７０℃以上９２０℃以下の範囲とすることにより、順方向の駆動電圧（Ｖｆ）を低く保つことができる。
成長温度Ｔ３は、９００℃以上１０５０℃以上の範囲であることが好ましい。
成長温度Ｔ３をこの範囲としてｐ型半導体層１４を成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ３を９００℃未満としてｐ型半導体層１４を成長させると、半導体発光素子の駆動電圧が上昇してしまう。また、成長温度Ｔ３を１０５０℃超としてｐ型半導体層１４を成長させると、半導体発光素子の発光強度が低下するため、好ましくない。
成長温度Ｔ３をこの範囲としてｐ型半導体層１４を成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ３を９００℃未満としてｐ型半導体層１４を成長させると、半導体発光素子の駆動電圧が上昇してしまう。また、成長温度Ｔ３を１０５０℃超としてｐ型半導体層１４を成長させると、半導体発光素子の発光強度が低下するため、好ましくない。
また、成長温度Ｔ３は、９８０℃以上１０２０℃以下の範囲であることがより好ましい。成長温度Ｔ３をこの範囲とすることにより、順方向の駆動電圧（Ｖｆ）を低く保ちながら、発光層１３への熱ダメージが抑制され、高い発光出力を得ることができる。
また、本実施形態の製造方法では、上述したように、各成長温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の関係が、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３で表される関係とされている。
成長温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の温度を上記範囲としたうえで、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３で表される関係とすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する際、井戸層１３ｂを破壊することなく各層を積層することができる。これにより、波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を、高効率で製造することが可能となる。
成長温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の温度を上記範囲としたうえで、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３で表される関係とすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する際、井戸層１３ｂを破壊することなく各層を積層することができる。これにより、波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を、高効率で製造することが可能となる。
以下に、上記温度条件で、井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａを成長させて発光層１３を形成し、その上にｐ型半導体層１４を成長させて窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１を製造する手順について、図１〜２を用いて詳述する。
本実施形態の製造方法では、発光層１３を、基板１１上に積層されたｎ型半導体層１２上に積層して形成した後、発光層１３上にｐ型半導体層１４を積層して形成する。この際、図１のグラフに示す例のように、まず、ｎ型半導体層１２上に障壁層１３ａを、少なくとも上記範囲の成長温度Ｔ２で成長させて積層する。次いで、この障壁層１３ａ上に井戸層１３ｂを、上記範囲の成長温度Ｔ１で成長させて積層する。これら障壁層１３ａと井戸層１３ｂとを交互に繰り返して積層してゆき、最上層として障壁層１３ａを積層することによって発光層１３が形成される。
本実施形態の製造方法では、発光層１３を、基板１１上に積層されたｎ型半導体層１２上に積層して形成した後、発光層１３上にｐ型半導体層１４を積層して形成する。この際、図１のグラフに示す例のように、まず、ｎ型半導体層１２上に障壁層１３ａを、少なくとも上記範囲の成長温度Ｔ２で成長させて積層する。次いで、この障壁層１３ａ上に井戸層１３ｂを、上記範囲の成長温度Ｔ１で成長させて積層する。これら障壁層１３ａと井戸層１３ｂとを交互に繰り返して積層してゆき、最上層として障壁層１３ａを積層することによって発光層１３が形成される。
これにより、発光層１３は、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で形成され、障壁層１３ａの形成数が、井戸層１３ｂの形成数よりも１層多い構成とされる。図２に示す例では、井戸層１３ｂの形成数が５とされ、障壁層１３ａの形成数が６とされている。
そして、最上層が障壁層１３ａとされた発光層１３上に、ｐ型半導体層１４を上記範囲の成長温度Ｔ３で成長させて形成する。
そして、最上層が障壁層１３ａとされた発光層１３上に、ｐ型半導体層１４を上記範囲の成長温度Ｔ３で成長させて形成する。
ｐ型半導体層１４上には、上述したような透光性正極１５を形成し、該透光性正極１５上に正極ボンディングパッド１６を形成する。また、ｎ型半導体層１２の、ｎコンタクト層１２ａの露出領域１２ｃに、上述した負極ボンディングパッド１７を形成し、図２に示すような窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１が得られる。
なお、障壁層１３ａを成長させる際の温度条件は、上述したような図１のグラフに示す形態には限定されない。
例えば、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させるとともに、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、成長温度Ｔ１で成長させた後、障壁層１３ｂを成長温度Ｔ４で成長させることによって発光層１３を形成する方法とすることができる。図３のグラフ（図２も参照）に示す例では、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させるとともに、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び成長温度Ｔ１で成長させた後に、障壁層１３ｂを、成長温度Ｔ１よりも低い成長温度Ｔ４で成長させることによって発光層１３を形成している。そして、発光層１３の形成後、その上に成長温度Ｔ３でｐ型半導体層１４を成長させている。
例えば、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させるとともに、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、成長温度Ｔ１で成長させた後、障壁層１３ｂを成長温度Ｔ４で成長させることによって発光層１３を形成する方法とすることができる。図３のグラフ（図２も参照）に示す例では、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させるとともに、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び成長温度Ｔ１で成長させた後に、障壁層１３ｂを、成長温度Ｔ１よりも低い成長温度Ｔ４で成長させることによって発光層１３を形成している。そして、発光層１３の形成後、その上に成長温度Ｔ３でｐ型半導体層１４を成長させている。
成長温度Ｔ４は、成長温度Ｔ１と同様、６００℃以上８００℃以下の範囲であることが好ましい。
成長温度Ｔ４をこの範囲とし、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、成長温度Ｔ１で成長させた後、障壁層１３ｂを成長温度Ｔ４で成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ４を６００℃未満とし、この温度で障壁層１３ａを成長させると、発光素子の発光強度が低下してしまう。また、成長温度Ｔ４を８００℃超として障壁層１３ａを成長させると、成長温度Ｔ２を８００℃超とした場合と同様、エージングによる劣化が発生するため、好ましくない。
成長温度Ｔ４をこの範囲とし、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、成長温度Ｔ１で成長させた後、障壁層１３ｂを成長温度Ｔ４で成長させることにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が、高い発光強度で得られる半導体発光素子を製造することができる。
成長温度Ｔ４を６００℃未満とし、この温度で障壁層１３ａを成長させると、発光素子の発光強度が低下してしまう。また、成長温度Ｔ４を８００℃超として障壁層１３ａを成長させると、成長温度Ｔ２を８００℃超とした場合と同様、エージングによる劣化が発生するため、好ましくない。
また、上述したように、前記各成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３は、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３で表される関係とされているが、さらに、前記各成長温度Ｔ２、Ｔ４が、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とされている。
成長温度Ｔ４を上記範囲としたうえで、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する際、井戸層１３ｂが特性劣化することなく各層を積層することができる。これにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を、高効率で製造することが可能となる。
成長温度Ｔ４を上記範囲としたうえで、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とすることにより、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造する際、井戸層１３ｂが特性劣化することなく各層を積層することができる。これにより、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を、高効率で製造することが可能となる。
図３のグラフに示す例では、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前、及び後に、成長温度Ｔ１よりも低い成長温度Ｔ４で障壁層１３ａを成長させている。このような成長温度の関係とすれば、井戸層１３ｂが高温で加熱され、該井戸層１３ｂ中のインジウムの組成が低下するのを防止することができ、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光が安定して得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することが可能となる。
また、障壁層１３ａを少なくとも成長温度Ｔ２で成長させるとともに、成長温度Ｔ４で成長させる形態としては、図３のグラフに示す例には限定されない。
例えば、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前のみ、又は成長後のみに、障壁層１３ａを成長温度Ｔ４で成長させる方法としても良い。
また、図３のグラフに示す例では、障壁層１３ａを成長させる成長温度Ｔ４を、井戸層１３ｂを成長させる成長温度Ｔ１よりも低い温度としているが、成長温度Ｔ４は、６００℃≦Ｔ４≦８００℃の範囲であるとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係の範囲内であれば適宜設定することができ、例えば、成長温度Ｔ１より高い温度であっても良い。また、成長温度Ｔ４は、上述のようにＴ１と異なる温度であっても良いし、同じ温度であっても良い。
さらに、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前に障壁層１３ｂを成長させる成長温度Ｔ４と、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させた後に障壁層１３ｂを成長させる成長温度Ｔ４とが異なる温度であっても良い。
例えば、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前のみ、又は成長後のみに、障壁層１３ａを成長温度Ｔ４で成長させる方法としても良い。
また、図３のグラフに示す例では、障壁層１３ａを成長させる成長温度Ｔ４を、井戸層１３ｂを成長させる成長温度Ｔ１よりも低い温度としているが、成長温度Ｔ４は、６００℃≦Ｔ４≦８００℃の範囲であるとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３であって、Ｔ１≠Ｔ３であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係の範囲内であれば適宜設定することができ、例えば、成長温度Ｔ１より高い温度であっても良い。また、成長温度Ｔ４は、上述のようにＴ１と異なる温度であっても良いし、同じ温度であっても良い。
さらに、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させる前に障壁層１３ｂを成長させる成長温度Ｔ４と、井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させた後に障壁層１３ｂを成長させる成長温度Ｔ４とが異なる温度であっても良い。
また、成長温度Ｔ４は、上述したように、成長温度Ｔ１と同様、６００℃以上８００℃以下の範囲であることが好ましいが、６５０℃以上７８０度以下の範囲であることがより好ましく、７２０℃以上７５０℃以下の範囲であることが最も好ましい。成長温度Ｔ４をこの範囲とすることにより、高い発光出力が得られるとともに、順方向の駆動電圧（Ｖｆ）を低く保つことができる。
成長温度Ｔ４を、上記範囲を下回る温度とした場合、井戸層１３ｂへの熱ダメージが抑制され、発光出力を高くすることができるものの、障壁層１３ａの結晶性が安定しないために抵抗率が下がらず、順方向の駆動電圧（Ｖｆ）が高くなってしまう。
また、成長温度Ｔ４を、上記範囲を超える温度とした場合、井戸層１３ｂへの熱ダメージが大きくなり、再現性良く高出力を得ることが困難になるとともに、インジウムの分解が生じ、目的とする緑色発光波長を安定して得ることが困難となる。
また、成長温度Ｔ４を、上記範囲を超える温度とした場合、井戸層１３ｂへの熱ダメージが大きくなり、再現性良く高出力を得ることが困難になるとともに、インジウムの分解が生じ、目的とする緑色発光波長を安定して得ることが困難となる。
本実施形態の製造方法では、発光層１３を形成する際の、交互に繰り返して積層する井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａの形成周期数は、井戸層１３ｂの形成周期Ｎ１が２〜２０の範囲であり、障壁層１３ａの形成周期Ｎ２が３〜２１（Ｎ１＋１）の範囲であることが好ましい。図２に示す半導体発光素子の例では、上述したように、井戸層１３ｂの形成周期Ｎ１を５とし、障壁層１３ａの形成周期Ｎ２を６として形成している。
交互に繰り返して積層する井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａの形成数が少なすぎると、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力が低下し、形成数が多すぎると、駆動電圧が上昇してしまう。
交互に繰り返して積層する井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａの形成数が少なすぎると、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光出力が低下し、形成数が多すぎると、駆動電圧が上昇してしまう。
本発明に係る製造方法で規定された上記成長温度条件で窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することにより、障壁層と井戸層とを交互に繰り返して形成する際に、井戸層が高温によって特性劣化するのを防止することができるとともに、井戸層中のインジウム組成が低下するのを防止することができる。
例えば、図１、及び図３のグラフ（図２も参照）に示すように、ｎ型半導体層１２上の障壁層１３ａの上に積層して井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させて形成した後、この井戸層１３ｂ上にさらに障壁層１３ａを成長させる際、障壁層１３ａを成長させる成長温度Ｔ２、Ｔ４を上記成長温度条件とすれば、形成済みの井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。また、最上層の障壁層１３ａを積層して形成が完了した発光層１３上に更にｐ型半導体層１４を積層する際にも、ｐ型半導体層１４を成長させる成長温度Ｔ３を上記成長温度条件とすれば、各井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。また、図２に示す例のように、発光層１３の最上層及び最下層に障壁層１３ａが配され、各障壁層１３ａ間に井戸層１３ｂが配される構成とすることにより、発光層１３上にｐ型半導体層１４を形成する際、井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。
従って、高い発光出力で安定した発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、且つ駆動電圧が低く抑えられた、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することができる。
例えば、図１、及び図３のグラフ（図２も参照）に示すように、ｎ型半導体層１２上の障壁層１３ａの上に積層して井戸層１３ｂを成長温度Ｔ１で成長させて形成した後、この井戸層１３ｂ上にさらに障壁層１３ａを成長させる際、障壁層１３ａを成長させる成長温度Ｔ２、Ｔ４を上記成長温度条件とすれば、形成済みの井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。また、最上層の障壁層１３ａを積層して形成が完了した発光層１３上に更にｐ型半導体層１４を積層する際にも、ｐ型半導体層１４を成長させる成長温度Ｔ３を上記成長温度条件とすれば、各井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。また、図２に示す例のように、発光層１３の最上層及び最下層に障壁層１３ａが配され、各障壁層１３ａ間に井戸層１３ｂが配される構成とすることにより、発光層１３上にｐ型半導体層１４を形成する際、井戸層１３ｂに対し、該井戸層１３ｂが特性劣化するような高温が加わることが無い。
従って、高い発光出力で安定した発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、且つ駆動電圧が低く抑えられた、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を製造することができる。
［ランプ］
以上、説明したような本発明に係る製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けて緑色発光を呈するランプを構成することができる。
例えば、図４に示すように、本発明に係る製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、従来公知の方法を用いてなんら制限無くＬＥＤランプとして構成することができる。ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。例えば、フェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例のように、２本のフレーム２１、２２の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１を樹脂などで接着し、正極ボンディングパッド１６及び負極ボンディングパッド１７を金等の材質からなるワイヤー２３、２４用いて、それぞれフレーム２１、２２に接合する。その後、透明樹脂で素子周辺をモールドすることにより（図４のモールド２５参照）、砲弾型のランプ２０を作製することができる。
以上、説明したような本発明に係る製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、例えば、当業者周知の手段により、透明カバーを設けて緑色発光を呈するランプを構成することができる。
例えば、図４に示すように、本発明に係る製造方法によって得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、従来公知の方法を用いてなんら制限無くＬＥＤランプとして構成することができる。ランプとしては、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等、何れの用途にも用いることができる。例えば、フェイスアップ型の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を砲弾型に実装する場合、図示例のように、２本のフレーム２１、２２の一方に窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１を樹脂などで接着し、正極ボンディングパッド１６及び負極ボンディングパッド１７を金等の材質からなるワイヤー２３、２４用いて、それぞれフレーム２１、２２に接合する。その後、透明樹脂で素子周辺をモールドすることにより（図４のモールド２５参照）、砲弾型のランプ２０を作製することができる。
本発明の製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を用いてランプを構成した場合には、発光特性に優れた高効率の緑色発光ランプを実現することが可能となる。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
［実施例１］
図２に、本実験例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図を示す。
図２に、本実験例で作製した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の断面模式図を示す。
（窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の作製）
サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなる図示略のバッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層および厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層１２と、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる障壁層１３ａ及び厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる井戸層１３ｂを５回積層し、最後に障壁層１３ａを設けた多重量子井戸構造の発光層１３と、厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層と厚さ０．１８μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎコンタクト層がこの順序で積層されたｐ型半導体層１４とからなり、各層をこの順で積層して形成した。なお、光取り出し面は半導体層側とした。
サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなる図示略のバッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した。この窒化ガリウム系化合物半導体層は、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層、厚さ２μｍのＧｅドープｎ型ＧａＮコンタクト層および厚さ０．０２μｍのｎ型Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層がこの順序で積層されたｎ型半導体層１２と、厚さ１６ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる障壁層１３ａ及び厚さ２．５ｎｍのＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる井戸層１３ｂを５回積層し、最後に障壁層１３ａを設けた多重量子井戸構造の発光層１３と、厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎクラッド層と厚さ０．１８μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎコンタクト層がこの順序で積層されたｐ型半導体層１４とからなり、各層をこの順で積層して形成した。なお、光取り出し面は半導体層側とした。
また、上記方法にて発光層１３を形成する際の成長温度条件は、図３のグラフに示すような条件とし、井戸層１３ｂを成長させる際の成長温度Ｔ１及びＴ４を７４０℃、障壁層１３ａを成長させる際の成長温度Ｔ２を９２０℃、ｐ型半導体層１４を成長させる際の成長温度Ｔ３を９９０℃とした。
上記窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図２の符号１２、１３、１４）は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
上記窒化ガリウム系化合物半導体層の積層（図２の符号１２、１３、１４）は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
そして、この窒化ガリウム系化合物半導体層に、負極を形成する領域のｎ型ＧａＮコンタクト層を反応性イオンエッチング法により露出させた。この際、まず、レジストをｐ型半導体層の全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、負極形成領域からレジストを除去した。そして、真空蒸着装置内にセットして、圧力４×１０−４Ｐａ以下でＮｉおよびＴｉをエレクトロンビーム法により膜厚がそれぞれ約５０ｎｍおよび３００ｎｍとなるように積層した。その後リフトオフ技術により、負極形成領域以外の金属膜をレジストとともに除去した。
次いで、反応性イオンエッチング装置のエッチング室内の電極上に半導体積層基板を載置し、エッチング室を１０−４Ｐａに減圧した後、エッチングガスとしてＣｌ２を供給してｎ型ＧａＮコンタクト層が露出するまでエッチングした。エッチング後、反応性イオンエッチング装置より取り出し、上記エッチングマスクを硝酸およびフッ酸により除去した。
次に、公知のフォトリソグラフィー技術及びリフトオフ技術を用いて、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型半導体層１４）上の正極を形成する領域にのみ、厚さ１ｎｍのＮｉコンタクトメタル層、及び厚さ１μｍのＩＴＯからなる電流拡散層を積層して形成した。電流拡散層は、まず、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を真空スパッタ装置内に入れ、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上にＩＴＯを１μｍ積層することによって形成した。そして、真空室から窒化ガリウム系化合物半導体層を積層した基板を取り出した後、透明化のための熱処理を施すことにより、ｐ型半導体層１４上に透光性正極１５を形成した。
（ボンディングパッドの形成）
次に、正極ボンディングパッド１６および負極ボンディングパッド１７を、以下のような手順で形成した。
まず、通常、リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに、同様の積層方法により、ＩＴＯ膜上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、５層構造の正極ボンディングパッド１７を形成した。ここで、Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる各層の厚さは、それぞれ、５０／２０／１０／１００／２００ｎｍとした。
次に、正極ボンディングパッド１６および負極ボンディングパッド１７を、以下のような手順で形成した。
まず、通常、リフトオフと呼ばれる周知の手順に則って処理し、さらに、同様の積層方法により、ＩＴＯ膜上の一部にＡｕからなる第１の層、Ｔｉからなる第２の層、Ａｌからなる第３の層、Ｔｉからなる第４の層、Ａｕからなる第５の層を順に積層し、５層構造の正極ボンディングパッド１７を形成した。ここで、Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕからなる各層の厚さは、それぞれ、５０／２０／１０／１００／２００ｎｍとした。
次に、負極ボンディングパッド１７を、上述した反応性イオンエッチング法により露出したｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型半導体層１２）上に、以下の手順により形成した。
まず、レジストを、ｎ型ＧａＮコンタクト層の露出した領域全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去した。そして、通常用いられる真空蒸着法により、半導体側から順に、Ｔｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍの厚さとされた負極ボンディングパッド１７を形成した。その後、レジストを公知の方法により除去した。
まず、レジストを、ｎ型ＧａＮコンタクト層の露出した領域全面に一様に塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いて、露出したｎ型ＧａＮコンタクト層上の負極形成部分からレジストを除去した。そして、通常用いられる真空蒸着法により、半導体側から順に、Ｔｉが１００ｎｍ、Ａｕが２００ｎｍの厚さとされた負極ボンディングパッド１７を形成した。その後、レジストを公知の方法により除去した。
このようにして、正極および負極を形成したウエーハを、基板１１裏面を研削・研磨することにより、基板１１の板厚を８０μｍまで薄くして、レーザスクライバを用いて半導体積層側から罫書き線を入れた後、押し割って３５０μｍ角に切断し、実施例１の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のチップを得た。
（素子特性の評価）
上述のようにして得られたチップを、プローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧（駆動電圧：Ｖｆ）の測定をしたところ３．４Ｖであった。
また、上記チップをＴＯ−１８缶パッケージに実装して、テスターによって発光出力を計測したところ、印加電流２０ｍＡにおける発光出力（Ｐｏ）は７ｍＷを示した。
また、上記チップの発光波長を測定したところ、５２５ｎｍであり、その発光面が、全面で緑色に発光しているのが確認できた。
上述のようにして得られたチップを、プローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧（駆動電圧：Ｖｆ）の測定をしたところ３．４Ｖであった。
また、上記チップをＴＯ−１８缶パッケージに実装して、テスターによって発光出力を計測したところ、印加電流２０ｍＡにおける発光出力（Ｐｏ）は７ｍＷを示した。
また、上記チップの発光波長を測定したところ、５２５ｎｍであり、その発光面が、全面で緑色に発光しているのが確認できた。
［実施例２〜１１］
成長温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４を下記表１に示す条件とした点を除き、実験例１と同様の方法で実施例２〜１１の半導体発光素子のチップを作製し、実施例１と同様の方法で評価した。
成長温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４を下記表１に示す条件とした点を除き、実験例１と同様の方法で実施例２〜１１の半導体発光素子のチップを作製し、実施例１と同様の方法で評価した。
［比較例１〜５］
発光層１３を形成する際の成長温度条件を図１のグラフに示すような条件とし、各成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を下記表１に示す条件とした点を除き、実験例１と同様の方法で、比較例１〜５の半導体発光素子のチップを作製し、実施例１と同様の方法で評価した。
発光層１３を形成する際の成長温度条件を図１のグラフに示すような条件とし、各成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を下記表１に示す条件とした点を除き、実験例１と同様の方法で、比較例１〜５の半導体発光素子のチップを作製し、実施例１と同様の方法で評価した。
各実施例及び比較例の製造条件（成長温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４）、並びに評価結果の一覧を表１に示す。
表１に示すように、本発明で規定された成長温度条件で製造された実施例１〜１１の半導体発光素子は、発光出力（Ｐｏ）が、全て６ｍＷ以上（６〜９．５ｍＷ）であり、高い発光出力を安定して得ることができた。また、駆動電圧（Ｖｆ）は、全て３．５Ｖ以下（３．３〜３．５Ｖ）であり、低い電圧で駆動することが可能であるとともに、全てのサンプルにおいて緑色系の発光（波長：５０５〜５５０ｍＷ）が得られた。
これに対し、比較例１の半導体発光素子は、井戸層を成長させる際の成長温度Ｔ１が５８０℃と本発明で規定する範囲を下回っており、発光出力が１ｍＷと非常に低く、また、井戸層が破壊されているのが確認された。
また、比較例２の半導体発光素子では、障壁層を成長させる際の成長温度Ｔ２が１０２０℃と本発明で規定する範囲を超えており、また、ｐ型半導体層を成長させる際の成長温度Ｔ３が１０００℃であるため、本発明で規定するＴ１≦Ｔ２≦Ｔ３の関係式から外れている。比較例２の半導体発光素子は、成長温度Ｔ２が高いため、エージングによって逆方向電圧（Ｖｒ）が劣化していることが確認された。
また、比較例３の半導体発光素子では、障壁層を成長させる際の成長温度Ｔ２が９２０℃であり、また、ｐ型半導体層を成長させる際の成長温度Ｔ３が同じく９２０℃であり、何れも本発明で規定する温度範囲内となっているものの、本発明で規定するＴ１≦Ｔ２≦Ｔ３の関係式から外れており、駆動電圧が４．０Ｖと高くなっている。
また、比較例４の半導体発光素子では、発光層上にｐ型半導体層を成長させる際の成長温度Ｔ３が１１００℃と本発明で規定する範囲を超えており、発光出力が２ｍＷと低く、また、井戸層が破壊しているのが確認された。
また、比較例５の半導体発光素子では、障壁層を成長させる際の成長温度Ｔ２が７４０℃と本発明で規定する範囲を下回っており、また、井戸層を成長させる際の成長温度Ｔ１が７４０℃であるため、本発明で規定するＴ１≦Ｔ２≦Ｔ３の関係式から外れている。比較例５の半導体発光素子は、発光出力が２ｍＷと低くなっており、また、駆動電圧が４．２Ｖと非常に高くなっている。
以上の結果により、本発明の製造方法で得られる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈し、発光出力が高く、且つ駆動電圧が低く抑えられ、高い素子特性を有していることが明らかである。
１…窒化ガリウム系化合物半導体発光素子、１１…基板、１２…ｎ型半導体層、１３…発光層、１４…ｐ型半導体層、１５…透光性正極、１５ａ…障壁層、１５ｂ…井戸層、１６…正極ボンディングパッド、１７…負極ボンディングパッド、２０…ランプ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４…成長温度
Claims (8)
- 基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層をこの順序で積層する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記発光層を形成する際、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層と、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層とを交互に繰り返して積層し、且つ、前記ｎ型半導体層側及び前記ｐ型半導体層側に前記障壁層を配する順で積層して形成し、
前記井戸層を成長温度Ｔ１で成長させ、前記障壁層を少なくとも成長温度Ｔ２で成長させることによって前記発光層を形成し、該発光層を形成した後、前記ｐ型半導体層を成長温度Ｔ３で成長させるとともに、
前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ６００℃＜Ｔ１＜８００℃、７５０℃＜Ｔ２＜１０００℃、９００℃＜Ｔ３＜１０５０℃の範囲とするとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）で表される関係とすることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 前記成長温度Ｔ１、Ｔ２を、それぞれ６５０℃＜Ｔ１＜７８０℃、８００℃＜Ｔ２＜１０００℃の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記成長温度Ｔ１、Ｔ２、及びＴ３を、それぞれ７２０℃＜Ｔ１＜７５０℃、８７０℃＜Ｔ２＜９２０℃、９５０℃＜Ｔ３＜１０２０℃の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１〜３の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記障壁層を、少なくとも前記成長温度Ｔ２で成長させるとともに、
前記井戸層を、前記成長温度Ｔ１で成長させる前、及び／又は、前記成長温度Ｔ１で成長させた後、前記障壁層を成長温度Ｔ４で成長させることによって前記発光層を形成し、
前記成長温度Ｔ４が６００℃≦Ｔ４≦８００℃の範囲であるとともに、Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３（但し、Ｔ１≠Ｔ３）であり、且つ、Ｔ４≦Ｔ２で表される関係とされていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項１〜４の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法であって、
前記窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈するものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 請求項１〜５の何れか１項に記載の製造方法で得られ、基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型半導体層、発光層、及びｐ型半導体層がこの順序で積層された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子あって、
前記発光層は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層と、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層とが交互に繰り返して積層され、且つ、前記ｎ型半導体層側及び前記ｐ型半導体層側に前記障壁層が配される順で積層して形成されていることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。 - 請求項６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子であって、発光波長が４９０ｎｍ以上の緑色発光を呈するものであることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
- 請求項６又は７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が用いられてなるランプ。
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