JP2008109066A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な偏光状態の光を取り出すことができる、III族窒化物半導体を用いた発光素子を提供する。
【解決手段】非極性面または半極性面（たとえばｍ面）を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にIII族窒化物半導体層２が形成されている。III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に積層されたｎ型コンタクト層２１、量子井戸層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３、およびｐ型コンタクト層２４を有している。ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されている。III族窒化物半導体層２の表面（ｐ型コンタクト層２４の表面）２ａは鏡面であり、アノード電極３の表面３ａも鏡面である。
【選択図】図１

Description

この発明は、III族窒化物半導体を用いた発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）に関する。
III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができ、これを、「窒化ガリウム半導体」または「ＧａＮ半導体」ということにする。
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、ｎ型層およびｐ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に再成長されたＧａＮ半導体の主面はｃ面である。このｃ面から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い（効率は最大でも５０％）という問題がある。
この問題を解決するために、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の非極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を主面とするＧａＮ半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層によってｐ型層およびｎ型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、かつ、高輝度な表示を実現できる。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
一方、発光ダイオードでは、半導体層の光取り出し側表面や光取り出し側の電極の表面を粗面（砂ずり面）として、光を散乱させる技術が従来から用いられている。
しかし、非極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層を用いて偏光を発生させても、ＧａＮ半導体層の光取り出し側表面や光取り出し側の電極表面が粗面であると、この粗面の凹凸によって偏光が乱されてしまう。そのため、液晶パネルに適用した場合には、入射側偏光板での損失が大きくなり、エネルギー効率および表示輝度の向上が妨げられる。
むろん、同様の問題は、ＧａＮ半導体を用いた発光素子だけでなく、他のIII族窒化物半導体を用いた発光素子にも共通している。
そこで、この発明の目的は、良好な偏光状態の光を取り出すことができる、III族窒化物半導体を用いた発光素子を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層およびｐ型層を有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、このIII族窒化物半導体層の光取り出し側表面が鏡面になっている、発光素子である。
この構成によれば、III族窒化物半導体層の主面が非極性面または半極性面であるので、大きな偏光を有する光が発生する。そして、III族窒化物半導体層の光取り出し側表面が鏡面となっているので、その発生した光は、偏光状態をほとんど乱すことなく、外部に取り出すことができる。
したがって、この発光素子を液晶表示パネルの光源として適用した場合には、輝度に寄与しない光の割合が少なくなるので、エネルギー効率を向上できるとともに、表示輝度を向上することができる。
III族窒化物半導体層の光取り出し側表面を鏡面とするには、当該光取り出し側表面に対して化学的機械的研磨処理等の研磨処理を施す方法のほか、非極性面または半極性面を主面とする窒化ガリウム単結晶基板上にIII族窒化物半導体としての窒化ガリウム半導体を有機金属化学気相成長法によって成長主面が鏡面である結晶を成長させる方法を適用することができる。この場合に、III族元素原料（より具体的にはガリウム原料）に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が１０００以上（たとえば３０００以上）の条件を用い（好ましくは、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく）、前記窒化ガリウム単結晶基板の表面に（好ましくは、バッファ層を介在させることなく）、有機金属化学気相成長法によって窒化ガリウム半導体を（好ましくは０．１μｍ以上）成長させることが好ましい。この方法では、転位の極端に少ない（実質的に無転位の）窒化ガリウム半導体層を成長させることができるので、強く偏光した光を取り出すことができ、しかも、窒化ガリウム半導体の結晶性が良好であるので、高い外部量子効率を実現できる。
前記窒化ガリウム半導体層の成長に際しては、少なくとも窒素原料ガスを前記窒化ガリウム単結晶基板に供給しながら、当該窒化ガリウム単結晶基板の温度を１０００℃〜１１００℃まで上昇させることが好ましい。これにより、基板表面の荒れを抑制しつつ、その後の窒化ガリウム半導体結晶成長を行える。
さらにまた、前記窒化ガリウム単結晶基板の主面は、非極性面または半極性面であり、それぞれの面方位からのオフ角が±１°以内の面であることが好ましい。これにより、より確実に無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
請求項２記載の発明は、前記III族窒化物半導体層の光取り出し側表面に接する透明電極をさらに備え、この透明電極の光取り出し側表面が鏡面になっている、請求項１記載の発光素子である。この構成によれば、III族窒化物半導体層の光取り出し側表面だけでなく、この表面に接する透明電極の光取り出し側表面も鏡面になっている。これにより、偏光状態をほとんど乱すことなく、発生した光を外部に取り出すことができる。
請求項３記載の発明は、前記透明電極が、厚さが２００Å以下の遷移金属膜からなる、請求項２記載の発光素子である。遷移金属としては、Ｎｉ（屈折率１．８）、Ａｕ（屈折率１．６）、Ｐｄ、Ｐｔ（屈折率２．９）などを例示することができる。遷移金属膜は、たとえば、ＮｉおよびＡｕからなる膜であってもよい。より具体的には、遷移金属膜は、前述の遷移金属の単体または二種以上遷移金属の合金からなる単膜で構成されてもよいし、それらの積層構造膜で構成されてもよい。
請求項４記載の発明は、前記透明電極が、金属酸化物膜からなる、請求項２記載の発光素子である。金属酸化物としては、ＺｎＯ（屈折率２．０）およびＩＴＯ（屈折率２．１）を例示することができる。
請求項５記載の発明は、前記透明電極の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ／ｎ1（ただしｎ1は前記透明電極の屈折率）以下である、請求項２〜４のいずれか一項に記載の発光素子である。
また、請求項６記載の発明は、前記III族窒化物半導体層の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ／ｎ2（ただしｎ2は前記III族窒化物半導体層の屈折率）以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子である。
窒化ガリウムの屈折率は２．５程度であり、透明電極の材料の屈折率は前述のとおりであるため、たとえば、発光波長が４００〜５００ｎｍの場合には、光取り出し側表面の凹凸を１００ｎｍ以下としておくことにより、この光取り出し側の表面は鏡面となる。すなわち、III族窒化物半導体層で発生した光の偏光状態にほとんど影響を与えない程度の平坦度を有する表面となる。
請求項７記載の発明は、非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層およびｐ型層を有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、このIII族窒化物半導体層の表面に電極が具備されている、発光素子である。この構成により、良好な偏光状態の光を発生させることができる。
請求項８記載の発明は、前記電極がｐ側電極である、請求項７記載の発光素子である。
請求項９記載の発明は、非極性面または半極性面からの発光層の光出力について、ｃ軸方向への光出力がａ軸方向への光出力に比べて、５倍以上である、請求項７または８に記載の発光素子である。たとえば、発光層がｍ面を成長主面としたIII族窒化物半導体層からなるとき、ａ軸方向の偏光強度の強い光が生成される。ａ軸方向の偏光成分は、ｃ軸方向へと伝搬するので、ｃ軸方向への光出力はａ軸方向への光出力の５倍以上となる。これを利用して、ｃ軸方向を光取り出し方向とした効率の良い発光素子を構成することができる。より具体的には、ｃ軸方向に沿って導波路を形成した高効率の半導体レーザダイオードを構成することができる。
請求項１０記載の発明は、前記電極がストライプ状に形成されている、請求項７〜９のいずれか一項に記載の発光素子である。この構成によれば、電極がストライプ状に形成されていることにより、電流を狭窄して集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。
請求項１１記載の発明は、前記電極がｃ軸方向に沿うストライプ状に形成されている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の発光素子である。この構成により、ｃ軸方向に伝搬する光を取り出すことができる。また、たとえば、半導体レーザダイオードを構成する場合に、レーザ発振に寄与する自然発光成分を効率よく発生させることができる。
請求項１２記載の発明は、前記発光素子が、ｃ面に平行な一対の端面を持つレーザダイオードである、請求項１１記載の発光素子である。この構成によれば、ｃ軸方向への光出力が高いので、発振に寄与する発光成分を効率よく利用できる。
請求項１３記載の発明は、前記端面が劈開面である、請求項１２記載の発光素子である。この構成によれば、劈開によって個別素子を作製でき、また、良好な端面が得られるので、量産性に優れたレーザダイオードを実現できる。また、ｃ面は、対称面であるので、劈開性が良く、良好な端面を得ることができる。この利点は、同じく対称面であるａ面を共振器端面とする場合、すなわち、電極をａ軸方向に沿うストライプ状に形成した場合にも得られる。
請求項１４記載の発明は、前記電極とIII族窒化物半導体層との間に絶縁膜を持つ、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の発光素子である。この構成により、電極とIII族窒化物半導体層との接触面積を絶縁膜によって制限でき、これにより、電流狭窄が可能になる。また、電極全体の面積は大きくとることができるので、配線または外部回路に対する接続を良好に行える。
請求項１５記載の発明は、前記III族窒化物半導体層の主面がｍ面である、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の発光素子である。この構成によれば、III族窒化物半導体層を高いＶ／III比で成長させることができ、しかも、平坦性およびミクロな結晶性を向上できる。
請求項１６記載の発明は、前記ｐ側電極は、前記III族窒化物半導体層への接触領域を２個以上有する、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の発光素子である。この構成により、複数個のストライプ構造で同時にレーザ発振を生じさせたり、また、個々のストライプ構造でレーザ発振を起こさせたりすることができる。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板１上にIII族窒化物半導体層としてのIII族窒化物半導体層２を再成長させて構成されている。III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、発光層としての量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３、およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されており、さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
ＧａＮ単結晶基板１は、支持基板（配線基板）１０に接合されている。支持基板１０の表面には、配線１１，１２が形成されている。そして、接続部４と配線１１とがボンディングワイヤ１３で接続されており、カソード電極５と配線１２とがボンディングワイヤ１４で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ１３，１４とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。
ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０18cm-3とされる。
量子井戸層２２は、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。この量子井戸層２２と、ｐ型電子阻止層２３との間に、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層される。
ｐ型電子阻止層２３は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3とされる。
ｐ型コンタクト層２４は、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０20cm-3とされる。ｐ型コンタクト層２４の表面はIII族窒化物半導体層２の表面２ａをなし、この表面２ａは鏡面となっている。より具体的には、表面２ａの凹凸は、１００ｎｍ以下である。ＧａＮの屈折率をｎ2（ｎ2≒２．５）とし、発光波長をλとすると、表面２ａの凹凸がλ／ｎ2以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面２ａは、量子井戸層２２で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
アノード電極３は、Ｎｉ（屈折率１．８）とＡｕ（屈折率は１．６）とから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。III族窒化物半導体層２の表面２ａが鏡面であるので、この表面２ａに接して形成されるアノード電極３の表面３ａ（光取り出し側表面）も鏡面となる。すなわち、この表面３ａの凹凸は、たとえば１００ｎｍ以下である。アノード電極３の屈折率をｎ1（ｎ1は１．６〜１．８）とし、発光波長をλとすると、表面３ａの凹凸がλ／ｎ1以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。このように、III族窒化物半導体層２の光取り出し側表面２ａおよびアノード電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面であるので、量子井戸層２２から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、アノード電極３側へと取り出されることになる。
カソード電極５は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ単結晶基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮ単結晶からなる基板である。より具体的には、非極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、ＧａＮ単結晶基板１の主面は、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面である。
図２は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。
＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、非極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
非極性面 このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が成長させられる。
図３は、III族窒化物半導体層２を構成する各相を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧力（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型コンタクト層２１が成長する。
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、量子井戸層２２の成長が行われる。量子井戸層２２の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮファイナルバリア層２５が形成される。量子井戸層２２およびＧａＮファイナルバリア層２５の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
次いで、ｐ型電子阻止層２３が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子阻止層２３が形成されることになる。このｐ型電子阻止層２３の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、ｐ型コンタクト層２４が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型コンタクト層２４が形成されることになる。ｐ型コンタクト層２４の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体層２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、ｎ型コンタクト層２１を露出させるための凹部７が形成される。凹部７は、量子井戸層２２、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、量子井戸層２２、ｐ型電子阻止層２３およびｐ型コンタクト層２４をメサ形に整形するものであってもよい。
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極３、接続部４、カソード電極５が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード素子が作製される。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体層２の構成層２１〜２４の成長に際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、３０００以上の高い値に維持される。このような高いＶ／III比は、ｃ面を主面とするＧａＮ結晶の成長には適用されてきたが、ｃ面以外の面を主面とするIII族窒化物半導体層の成長に適用した報告はなされていない。
この実施形態では、このような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とIII族窒化物半導体層２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体層２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、本願発明者によるデバイス作製例を示す顕微鏡写真である。この例では、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を主面とするIII族窒化物半導体層２が成長させられている。図４Ａおよび図４Ｂは、ａ面に沿う断面を示す電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）写真であり、写真の左右方向はｃ軸に平行である。図４Ｂは量子井戸層２２付近の拡大写真である。また、図４Ｃは、アノード電極３を形成する前のｎ型コンタクト層２１の表面を撮影した光学顕微鏡写真である。これらの図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃからは、転位の存在を表す条線が見られず、かつ、表面状態が平坦（この例では鏡面）であることがわかる。このように、無転位でかつ平坦な表面状態をもつｍ面III族窒化物半導体層２を成長させることができる。その際に、従来から必要とされてきた、低いＶ／III比は不要であることがわかる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は前述の範囲に制御されなければならない。III族窒化物半導体層２の表面２ａが平坦であるので、この表面２ａ上に形成されるアノード電極３の表面３ａもまた平坦な表面となる。
図５は、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長した場合の表面の状態を撮影した光学顕微鏡写真である。ＧａＮ結晶がテラス状に成長しており、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができない。
図６は、この実施形態の構成の発光ダイオード素子について、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）特性を測定した結果を示す。図６において、曲線Ｌ１は種々の持続波（ＣＷ）駆動電流（Forward Current）に対するＥＬ出力パワー(Output Power)を示し、曲線Ｌ２は種々の持続波駆動電流に対する外部量子効率（External Quantum Efficiency）を示す。
たとえば、駆動電流が２０ｍＡ（駆動電圧５Ｖ）のとき、ＥＬ出力パワーは１．７９ｍＷであり、このときの外部量子効率は３．１％である。このＥＬ出力パワーは、たとえば、非特許文献２で報告されている値（駆動電流２０ｍＡで２４０μＷ）に比較して７倍も大きな値である。このような高いＥＬ出力パワーは、転位の削減によってもたらされたものと考えられる。
また、曲線Ｌ１に見られるように、１００ｍＡまでの駆動電流の増加に対して、ＥＬ出力パワーは良好な線形性（リニアリティ）を示している。
波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザによる光励起によって内部量子効率（１２Ｋでの発光強度に対する３００Ｋでの発光強度の比）を測定したところ、５．５％であった。
図７には、種々の駆動電流に対するＥＬスペクトルが示されている。横軸は波長(Wavelength)、縦軸は任意単位でのＥＬ強度(EL Intensity)である。駆動電流２０ｍＡにおけるピーク波長は４３５ｎｍ（青色領域）である。駆動電流１ｍＡにおけるピーク波長は４３７ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおけるピーク波長は４３４ｎｍである。すなわち、駆動電流によるピーク波長の変動は３ｎｍである。III族窒化物半導体層２の表面２ａおよびアノード電極３の表面３ａの凹凸は、前述のとおり、１００ｎｍ以下であるので、前記波長域の光の偏光に対して、ほとんど影響を与えることがない。
前記ＥＬ発光の偏光方向が、ｃ軸に対して直交している（ａ軸方向に偏光している）ことも確認された。偏光比は、駆動電流１ｍＡのとき、０．７７であった。偏光比とは、ｃ軸に直交する偏光強度Ｉo（ａ軸方向の偏光強度）およびｃ軸に平行な偏光強度Ｉpにより、（Ｉo−Ｉp）／（Ｉo＋Ｉp）で与えられる値である。一般に、光は、偏光の方向に対して垂直な方向へと伝搬するので、ａ軸方向の偏光成分はｃ軸方向に伝搬する。その結果、ｃ軸方向への光出力は、ａ軸方向への光出力の５倍以上となる。
図８は、この発明の第２の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。この図８において、前述の図１に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板１上にIII族窒化物半導体層２が成長させられた後、ＧａＮ単結晶基板１が研削処理等によって除去される。これにより、ｎ型コンタクト層２１が露出している。この露出したコンタクト層２１の表面（下面）に、カソード電極５が形成されている。このカソード電極５は、支持基板１０上の配線１２に接合（ダイボンディング）されている。これにより、発光ダイオード構造が支持基板１０に固定されている。一方、III族窒化物半導体層２の光取り出し側の表面２ａに接して形成されたアノード電極（透明電極）３は、接続部４を介して、ボンディングワイヤ１３によって支持基板１０上の配線１１に接続されている。
このような構成においても、ＧａＮ半導体２の光取り出し側表面２ａおよびアノード電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面となるので、III族窒化物半導体層２から発生した光を、その偏光状態をほとんど乱すことなくアノード電極３側に取り出すことができる。
図９は、この発明の第３の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。この図９において、前述の図１に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実施形態においても、前述の第２の実施形態の場合と同様に、ＧａＮ単結晶基板１が研削処理等によって除去されることにより、ｎ型コンタクト層２１が露出させられる。さらに、この実施形態では、このｎ型コンタクト層２１の表面２１ａに対して、化学的機械的研磨等の研磨処理（鏡面処理）が施され、これにより、この表面２１ａが鏡面とされる。すなわち、この表面２１ａは、その凹凸が１００ｎｍ以下とされる。ＧａＮの屈折率をｎ2（ｎ2≒２．５）とし、発光波長をλとすると、表面２１ａの凹凸がλ／ｎ2以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面２１ａは、支持基板１０とは反対側に向けられ、光取り出し面となる。
ｐ型コンタクト層２４の表面に形成されたアノード電極３は、支持基板１０上の配線１１に接合（ダイボンディング）されている。これにより、発光ダイオード構造は、図１や図８の場合とは反転した姿勢で支持基板１０に固定されている。この場合、アノード電極３は、透明電極である必要はない。
一方、ｎ型コンタクト層２１の表面２１ａには、その一部の領域に接合してカソード電極５が形成されている。このカソード電極５は、ボンディングワイヤ１４によって支持基板１０上の配線１２に接続されている。
この実施形態の構成においても、III族窒化物半導体層２の光取り出し側の表面２１ａが鏡面となっているので、量子井戸層２２から発生した光の偏光状態にほとんど影響を与えることなく、当該光を外部に取り出すことができる。
図１０は、この発明の第４の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。この図１０において、図９に示された各部に対応する部分には、図９の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態の構造は、第３の実施形態の構造と類似していて、ｎ型コンタクト層２１と支持基板１０上の配線１２との接続構造が異なる。
すなわち、ｎ型コンタクト層２１の支持基板１０とは反対側に位置する表面２１ａ（光取り出し側表面）は、第３の実施形態の場合と同様に、鏡面に仕上げられている。その一方、ＧａＮ半導体２は、支持基板１０側からｎ型コンタクト層２１が露出するまでエッチング（たとえばプラズマエッチング）されていて、凹部１７が形成されている。この凹部１７に、ｎ型コンタクト層２１に接するカソード電極５が形成されている。このカソード電極５と、支持基板１０上の配線１２とが、金属ポスト１８によって接続されている。
この実施形態の構成においても、III族窒化物半導体層２の光取り出し側の表面２１ａが鏡面となっているので、量子井戸層２２から発生した光の偏光状態にほとんど影響を与えることなく、当該光を外部に取り出すことができる。
図１１は、この発明の第５の実施形態に係る発光素子である半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図１２は、その縦断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板７１と、基板７１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造７２と、基板７１の裏面（III族窒化物半導体積層構造７２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ側電極７３と、III族窒化物半導体積層構造７２の表面に接触するように形成されたｐ側電極７４とを備えたファブリペロー型のものである。
基板７１は、この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板で構成されている。この基板７１は、ｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造７２が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造７２は、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体からなる。
III族窒化物半導体積層構造７２は、発光層８０と、ｎ型半導体層８１と、ｐ型半導体層８２とを備えている。ｎ型半導体層８１は発光層８０に対して基板７１側に配置されており、ｐ型半導体層８２は発光層８０に対してｐ側電極７４側に配置されている。こうして、発光層８０が、ｎ型半導体層８１およびｐ型半導体層８２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層８０には、ｎ型半導体層８１から電子が注入され、ｐ型半導体層８２から正孔が注入される。これらが発光層８０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
ｎ型半導体層８１は、基板７１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＧａＮガイド層８５（たとえば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層８２は、発光層８０の上に、順に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８６（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＮガイド層８７（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。
ｎ型ＧａＮコンタクト層８３およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９は、それぞれｎ側電極７３およびｐ側電極７４とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層８３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層８９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、発光層８０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４は、ｎ型ＧａＮガイド層８５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、ｐ型ＧａＮガイド層８７よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。
ｎ型ＧａＮガイド層８５およびｐ型ＧａＮガイド層８７は、発光層８０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層８０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＧａＮガイド層８５は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＧａＮガイド層８７は、ＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）ことによってｐ型半導体とされている。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８６は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）して形成されたｐ型半導体であり、発光層８０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
発光層８０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(multiple-quantum well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層８０は、具体的には、ＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層８０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。前記ＭＱＷ構造は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下とされることが好ましい。
ｐ型半導体層７２は平坦な上面を有している。このｐ型半導体層７２の平坦な上面に、幅方向（ａ軸方向）のほぼ中央に、ｃ軸方向に沿うストライプ状（直線状）のｐ側電極７４が形成されている。したがって、このｐ側電極７４は、ｃ軸方向に沿うストライプ状の接触領域７４ａでｐ型半導体層１２の表面（ｍ面）に接触している。ｐ型電極７４のストライプ幅は、たとえば、１〜１００μｍとされる。
III族窒化物半導体積層構造７２は、ストライプ状のｐ側電極７４の長手方向（ストライプの方向。ｃ軸方向）両端における劈開により形成された一対の端面９１，９２（劈開面）を有している。この一対の端面９１は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直（すなわちち、ストライプの方向に垂直）である。こうして、ｎ型ＧａＮガイド層８５、発光層８０およびｐ型ＧａＮガイド層８７によって、一対の端面９１，９２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層８０で発生した光は、共振器端面９１，９２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面９１，９２からレーザ光として素子外に取り出される。
ｎ側電極７３は、たとえばＡｌ金属からなり、ｐ側電極７４は、たとえばＰｄ／Ａｕ合金からなり、それぞれｐ型コンタクト層８９および基板７１にオーミック接続されている。ｐ側電極７４がストライプ状に形成されていることにより、電流を狭窄して集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。
さらに、ｐ型半導体層８２の表面はｍ面となっていて、このｍ面にｐ側電極７４が形成されている。そして、ｎ側電極７３が形成されている基板７１の裏面もｍ面である。このように、ｐ側電極７４およびｎ側電極７３のいずれもがｍ面に形成されているので、レーザの高出力化や高温動作に十分に耐えられる信頼性を実現できる。
共振器端面９１，９２は、それぞれ絶縁膜９３，９４（図１１では図示を省略した。）によって被覆されている。共振器端面９１は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面９２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面９１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面９２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜９４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。
図１３に図解的に示すように、＋ｃ面である共振器端面９１を被覆するように形成された絶縁膜９３は、たとえばＺｒＯ2の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面９２に形成された絶縁膜９４は、たとえばＳｉＯ2膜とＺｒＯ2膜とを交互に複数回（図１３の例では５回）繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。絶縁膜９３を構成するＺｒＯ2の単膜は、その厚さがλ／２ｎ1（ただし、λは発光層８０の発光波長。ｎ1はＺｒＯ2の屈折率）とされている。一方、絶縁膜９４を構成する多重反射膜は、膜厚λ／４ｎ2（但しｎ2はＳｉＯ2の屈折率）のＳｉＯ2膜と、膜厚λ／４ｎ1のＺｒＯ2膜とを交互に積層した構造となっている。
このような構造により、＋ｃ軸側端面９１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面９２における反射率が大きくなっている。より具体的には、たとえば、＋ｃ軸側端面９１の反射率は２０％程度とされ、−ｃ軸側端面９２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、＋ｃ軸側端面９１から、より大きなレーザ出力が出射されることになる。すなわち、この半導体レーザダイオード７０では、＋ｃ軸側端面９１が、レーザ出射端面とされている。
このような構成によって、ｎ側電極７３およびｐ側電極７４を電源に接続し、ｎ型半導体層８１およびｐ型半導体層８２から電子および正孔を発光層８０に注入することによって、この発光層８０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面９１，９２の間をガイド層８５，８７に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面９１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板７１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造７２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造７２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、発光層８０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板７１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層８０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。
さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む発光層８０（活性層）には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、量子バンド構造が、ｃ面を主面として結晶成長された活性層とは異なるものとなる。したがって、ｃ面を成長主面とした活性層の場合とは異なる利得が得られ、レーザ特性が向上する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
発光層８０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。
換言すれば、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、ｃ軸方向とａ軸方向とに物性の異方性が生じる。さらに、Ｉｎを含む発光層８０は、格子歪みによる２軸性応力によって、ｃ面を結晶成長の主面とした場合とは異なる量子井戸バンド構造が生じる。その結果、ｃ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体の場合とは異なる利得が得られ、それにより、レーザ特性を向上することができる。
さらにまた、前述のとおり、ｍ面は非極性面であるので、量子井戸層での分極が抑制され、その結果、発光効率が増加する。これによっても、閾値の低下およびスロープ効率増加の効果を得ることができる。そして、分極がないことにより、発光波長の電流依存性が抑制されるので、安定した発振波長を実現することができる。
一方、ｍ面を結晶成長の主面とすることによって、III族窒化物半導体の結晶成長を極めて安定に行うことができるので、ｃ面やａ面を結晶成長の主面とする場合に比較して、III族窒化物半導体積層構造７２の結晶性を向上することができる。これにより、高性能の半導体レーザダイオードを実現することができる。
また、この実施形態では、基板７１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造７２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造７２は基板７１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
前述のとおり、III族窒化物半導体積層構造７２の結晶成長主面をｍ面としていることによりレーザ発振効率が高められており、そのため、ｐ型半導体層８２をリッジ形状に整形しなくとも、ｐ側電極７４とｐ型半導体層８２との接触領域７４ａをストライプ状として電流狭窄を行うことにより、レーザ発振が可能である。すなわち、光の発生の仕方そのものより、横方向の閉じ込めをしなくても、自ずとｃ軸方向に伝搬する光の割合が多いので、レーザ発振が容易となる。したがって、図１１の構造を採用することにより、半導体レーザダイオードの製造工程を簡単にすることができ、量産性に優れた半導体レーザダイオードを提供することができる。
III族窒化物半導体積層構造７２を構成する各層は、前述の図３に示された構成の処理装置を用いて成長させることができる。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層８３が成長する。
次に、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６に加えて、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウム、シランおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４がエピタキシャル成長させられる。
次いで、アルミニウム原料バルブ５３を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６を開く。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４上にｎ型ガイド層がエピタキシャル成長させられる。
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の発光層８０（活性層）の成長が行われる。発光層８０の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを、たとえば、５回に渡って繰り返し行う。発光層８０の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。このとき、成長圧力は７００torr以上とすることが好ましく、これにより、耐熱性を向上することができる。
次いで、ｐ型電子ブロック層８６が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型電子ブロック層８６が形成されることになる。このｐ型電子ブロック層８６の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたｐ型ＧａＮ層からなるガイド層８７が形成されることになる。このｐ型ＧａＮガイド層８７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次いで、再び、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされてｐ型とされたＡｌＧａＮ層からなるクラッド層８８が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、ｐ型コンタクト層８９が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層８９が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層８９の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
ｐ型半導体層８２を構成する各層は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長させられることが好ましい。これにより、発光層８０への熱ダメージを低減できる。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造７２の構成層８０，８３〜８９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。より具体的には、ｎ型クラッド層８４から最上層のｐ型コンタクト層８９までにおいて、Ｖ／III比の平均値が１０００以上であることが好ましい。これにより、ｎ型クラッド層８４、発光層８０およびｐ型クラッド層８８の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。
この実施形態では、上記のような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板７１とIII族窒化物半導体積層構造７２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体積層構造７２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。このIII族窒化物半導体積層構造７２は、ＧａＮ単結晶基板７１の主面から生じる積層欠陥や貫通転位を有していない。
次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層８９にオーミック接触するｐ側電極７４がｃ軸方向に沿うストライプ状に形成され、基板１７にオーミック接触するｎ側電極７３が形成される。これらの電極７３，７４の形成は、たとえば、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって行うことができる。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をストライプ状のｐ側電極７４に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。ストライプｐ側電極７４に平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、ストライプｐ側電極７４に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面９１と、−ｃ面からなる共振器端面９２とが形成される。
次に、共振器端面９１，９２に、それぞれ前述の絶縁膜９３，９４が形成される。この絶縁膜９３，９４の形成は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法によって行うことができる。
図１４は、この発明の第６の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図であり、図１５は、その縦断面図である。これらの図１４および図１５において、前述の図１１〜図１３に示された各部に相当する部分には、同一の参照符号を付して示す。
この実施形態の半導体レーザダイオード１００では、ストライプ状のｐ側電極７４がａ軸方向に平行に形成されており、したがって、共振器端面９１，９２は、いずれもａ面となっている。これらの共振器端面９１，９２も、劈開によって形成された劈開面である。
III族窒化物半導体積層構造８２をエピタキシャル成長する際に生じる積層欠陥は、ｃ面に平行に発生する。そのため、前述の第５の実施形態の構成では、積層欠陥と導波路とが交差することになる。これに対して、この実施形態では、ストライプ方向をａ軸に平行にしてあり、したがって、導波路はａ軸と平行になっている。そして、ａ軸はｃ面と平行であるので、ｃ面と平行に発生する積層欠陥が導波路と交差することがなくなる。これによって、積層欠陥による光導波の妨害やリーク電流の増加を回避することができる。
図１６は、この発明の第７の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための図解的な斜視図である。この図１６において、前述の図１１に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
この半導体レーザダイオード１１０では、ｐ型半導体層７２の平坦な上面は、絶縁膜７６によって覆われている。絶縁膜７６は、屈折率が１よりも大きな絶縁材料、たとえば、ＳｉＯ2やＺｒＯ2で構成することができる。
この絶縁膜７６は、幅方向（ａ軸方向）のほぼ中央に、ｃ軸方向に沿うストライプ状（直線状）の開口部７６ａを有している。ｐ側電極７４は、開口部７６ａ内および絶縁膜７６上の領域に渡って形成されており、開口部７６ａ内のストライプ状の接触領域７４ａにおいてｐ型半導体層８２の表面（ｍ面）に接触している。そして、ストライプ状の接触領域７４ａのストライプの方向（ｃ軸方向）に垂直に一対の共振器端面９１（９２）が形成されている。開口部７６ａのストライプ幅（すなわち、接触領域７４ａのストライプ幅）は、たとえば、１〜１００μｍとされる。
この構成により、絶縁膜７６により、ｐ側電極７４とｐ型半導体層８２との接触領域７４ａをストライプ状に制限して電流狭窄を行うことができるので、前記第５の実施形態の場合と同じく、レーザ発振を行わせることができる。そればかりでなく、ｐ側電極７４の全体の面積が大きくなるので、外部回路などとの配線接続が容易である。また、ｐ側電極７４をストライプ状に整形しなくてもよいので、製造工程が簡単であり、量産性に優れている。
この半導体レーザダイオード１１０の製造に際しては、ウエハ上にIII族窒化物半導体積層構造７２を成長させた後、このウエハの表面（正確にはIII族窒化物半導体積層構造７２の表面）に絶縁膜７６が形成される。絶縁膜７６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ウエハの全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層８９を露出させるようにして、ストライプ状開口部７６ａを有する絶縁膜７６を形成できる。
以上、この発明の７つの実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、図１７に示すように、ｐ型半導体層８２の平坦な上面（ｍ面）にａ軸方向に間隔を開けた複数本のストライプ状ｐ側電極７４をｃ軸方向に沿って平行に形成して、ストライプ状ｐ側電極７４の部分でレーザ発振を同時に、または個別に起こさせることができるようにしてもよい。
図１８に示すように、図１６の実施形態についても同様の変形が可能であり、絶縁膜７６にａ軸方向に間隔を開けた複数本のストライプ状開口部７６ａをｃ軸方向に沿って平行に形成してもよい。これにより、ｐ側電極７４は、複数本のストライプ状接触領域７４ａでｐ側半導体層８２に接触することになり、各接触領域７４ａの部分でレーザ発振を同時に起こさせることができる。
また、図１６〜図１８の構成において、ストライプ構造（接触領域７４ａの方向）の方向を、前記第６の実施形態（図１４）のようにとることもできる。
さらにまた、III族窒化物半導体積層構造７２を構成する各層の層厚や不純物濃度等は一例であり、適宜適切な値を選択して用いることができる。また、クラッド層８４，８８は、ＡｌＧａＮの単層である必要はなく、ＡｌＧａＮ感層とＧａＮ層とで構成された超格子によりクラッド層を構成することもできる。
また、III族窒化物半導体積層構造７２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板７１を除去し、基板７１のない半導体レーザダイオードとすることもできる。
さらにまた、前述の発光ダイオードの実施形態では、透明電極としてのアノード電極３をＮｉ／Ａｕ膜で構成した例について説明したが、ＺｎＯやＩＴＯのような金属酸化物膜からなる透明電極をアノード電極３に適用してもよい。
さらに、前述の実施形態では、III族窒化物半導体としてＧａＮ半導体を用いた例を説明したが、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮで記述されるIII族窒化物半導体を用いた発光素子に対して、この発明を同様に適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。 III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。 ＧａＮ半導体層を構成する各相を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。 本願発明者によるデバイス作製例を示す電子顕微鏡写真であり、ａ面に層断面を示す。 本願発明者によるデバイス作製例を示す電子顕微鏡写真であり、ａ面に層断面を拡大して示す。 本願発明者によるデバイス作製例を示す光学顕微鏡写真であり、ＧａＮ半導体層の表面を示す。 オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長した場合の表面の状態を撮影した光学顕微鏡写真である。 この実施形態の構成の発光ダイオード素子について、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）特性を測定した結果を示す。 前記発光ダイオード素子における、種々の駆動電流に対するＥＬスペクトルが示されている。 この発明の第２の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。 この発明の第３の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。 この発明の第４の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。 この発明の第５の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。 図１１の半導体レーザダイオードの縦断面図である。 共振器端面に形成された絶縁膜の構成を説明するための図解的な断面図である。 この発明の第６の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である。 図１４の半導体レーザダイオードの縦断面図である。 この発明の第７の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための図解的な斜視図である。 この発明の第８の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための図解的な斜視図である。 この発明の第９の実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための図解的な斜視図である。
符号の説明
１ ＧａＮ単結晶基板
２ III族窒化物半導体層
２ａ ＧａＮ半導体層の表面（鏡面）
３ アノード電極（透明電極）
３ａ アノード電極の表面（鏡面）
４ 接続部
５ カソード電極
７ 凹部
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
１８ 金属ポスト
２１ ｎ型コンタクト層
２１ａ ｎ型コンタクト層の表面（ＧａＮ半導体層の表面：鏡面）
２２ 量子井戸層
２３ ｐ型電子阻止層
２４ ｐ型コンタクト層
２５ ファイナルバリア層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ ウエハ
３６ 排気配管
４０ 原料ガス供給路
４１ 窒素原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ 窒素原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ
７１ 基板（ＧａＮ単結晶基板）
７２ III族窒化物半導体積層構造
７３ ｎ側電極
７４ ｐ側電極
７４ａ 接触領域
７６ 絶縁層
７６ａ 開口部
８０ 発光層
８１ ｎ型半導体層
８２ ｐ型半導体層
８３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
８４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
８５ ｎ型ＧａＮガイド層
８６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
８７ ｐ型ＧａＮガイド層
８８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
８９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
９１ 端面
９２ 端面
９３ 絶縁膜
９４ 絶縁膜
７０，１００，１１０ 半導体レーザダイオード

Claims (16)

  1. 非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層およびｐ型層を有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、このIII族窒化物半導体層の光取り出し側表面が鏡面になっている、発光素子。
  2. 前記III族窒化物半導体層の光取り出し側表面に接する透明電極をさらに備え、この透明電極の光取り出し側表面が鏡面になっている、請求項１記載の発光素子。
  3. 前記透明電極が、厚さが２００Å以下の遷移金属膜からなる、請求項２記載の発光素子。
  4. 前記透明電極が、金属酸化物膜からなる、請求項２記載の発光素子。
  5. 前記透明電極の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ／ｎ1（ただしｎ1は前記透明電極の屈折率）以下である、請求項２〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
  6. 前記III族窒化物半導体層の光取り出し側表面の凹凸が、発光波長λに対して、λ／ｎ2（ただしｎ2は前記III族窒化物半導体層の屈折率）以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
  7. 非極性面または半極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層およびｐ型層を有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、このIII族窒化物半導体層の表面に電極が具備されている、発光素子。
  8. 前記電極はｐ側電極である、請求項７記載の発光素子。
  9. 非極性面または半極性面からの発光層の光出力について、ｃ軸方向への光出力がａ軸方向への光出力に比べて、５倍以上である、請求項７または８に記載の発光素子。
  10. 前記電極がストライプ状に形成されている、請求項７〜９のいずれか一項に記載の発光素子。
  11. 前記電極がｃ軸方向に沿うストライプ状に形成されている、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の発光素子。
  12. 前記発光素子が、ｃ面に平行な一対の端面を持つレーザダイオードである、請求項１１記載の発光素子。
  13. 前記端面が劈開面である、請求項１２記載の発光素子。
  14. 前記電極とIII族窒化物半導体層との間に絶縁膜を持つ、請求項７〜１３のいずれか一項に記載の発光素子。
  15. 前記III族窒化物半導体層の主面がｍ面である、請求項７〜１４のいずれか一項に記載の発光素子。
  16. 前記ｐ側電極は、前記III族窒化物半導体層への接触領域を２個以上有する、請求項８〜１５のいずれか一項に記載の発光素子。
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