JP2009111012A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、偏光比の大きな発光が可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】この発光ダイオードは、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を成長させて構成された素子本体を有している。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、ｎ型圧縮応力印加層２２、発光層としての多重量子井戸層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５およびｐ型コンタクト層２６を積層した積層構造を有している。ｎ型圧縮応力印加層２２は、ストレインフリーのＡｌＧａＮ層からなる。多重量子井戸層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５およびｐ型コンタクト層２６は、ｎ型圧縮応力印加層２２に対してコヒーレントにエピタキシャル成長された層である。
【選択図】図１

Description

この発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（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、Ａｌ_XＩｎ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１，０≦Ｘ＋Ｙ≦１）と表わすことができる。
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III族窒化物半導体の主面は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III族窒化物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III族窒化物半導体層によって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、高輝度な表示を実現できる。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 S. Ghosh et al., "Electronic band structure of wurtzite GaN under biaxial strain in the M plane investigated with photoreflectance spectroscopy", Physical Review B, Volume 65, 075202, 2002, The American Physical Society

たとえば、ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体で発光デバイスを作製すると、電場がｃ軸に平行な偏光成分と、電場がｃ軸に垂直な偏光成分とが生じる。これらの偏光成分の比（偏光比）が大きいほど、良好な偏光光源となる。
そこで、この発明の目的は、非極性面または半極性面を成長主面としたIII族窒化物半導体を用いて、偏光比の大きな発光が可能な半導体発光素子を提供することである。

前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成長主面としたストレインフリーのＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層と、このＡｌ_xＧａ_1-xＮ層上に、当該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層に対してコヒーレントに結晶成長され、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層から面内圧縮応力を受ける発光層とを含む、半導体発光素子である。
この構成によれば、非極性面または半極性面を成長主面とした半導体層を用いていることにより、発光層から偏光を生じさせることができる。Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層は、格子定数が小さいので、これに対してコヒーレントに結晶成長された発光層は、面内圧縮応力を受けることになる。面内圧縮応力を受けることにより、価電子帯のうち、電場に垂直な偏光を生じるエネルギー準位と、電場に平行な偏光を生じるエネルギー準位との差が大きくなる。その結果、偏光比が増大する。

また、面内圧縮応力は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層のＡｌ組成ｘに依存するため、このＡｌ組成ｘを変化させることによって、偏光比を制御することができる。
ストレインフリー（Strain Free）のＡｌ_xＧａ_1-xＮ層とは、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ本来の格子定数で結晶成長された層であり、したがって、下地層等からの面内方向応力を受けていない層をいう。

コヒーレントな成長とは、下地層からの格子の連続性を保って結晶成長させることをいう。エピタキシャル層の膜厚が充分に薄いときには、下地層との格子不整合は、エピタキシャル層の格子の歪みによって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。これがコヒーレントな成長である。この発明では、発光層は、その格子が歪むことにより、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層からの格子の連続性を保った状態で結晶成長されており、そのために、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層からの面内圧縮応力を受けている。

請求項２記載の発明は、前記発光層が、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層よりも格子定数の大きな量子井戸層を含む、請求項１記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層よりも格子定数の大きな量子井戸層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層からの圧縮応力を受ける。これにより、価電子帯のうち、電場に垂直な偏光を生じるエネルギー準位と、電場に平行な偏光を生じるエネルギー準位との差が大きくなるので、偏光比を大きくすることができる。

請求項３記載の発明は、前記量子井戸層が、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（ａ≧０、ｂ＞０、１−ａ−ｂ＜１）の混晶からなるものである、請求項１または２記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、量子井戸層がＩｎを含む組成となっている。Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮの混晶からなる量子井戸層がＡｌ_xＧａ_1-xＮ層から受ける圧縮歪みの大きさは、Ｉｎ組成に依存している。そのため、量子井戸層をＩｎを含む組成とすることによって、当該量子井戸層に対してＡｌ_xＧａ_1-xＮ層からの圧縮応力を効果的に印加できる。

請求項４記載の発明は、非極性面または半極性面を主面とし、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層とは組成の異なるIII族窒化物半導体層をさらに含み、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層は、前記III族窒化物半導体層の主面上に臨界膜厚以上の厚さで結晶成長された層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層を異種III族窒化物半導体層上に臨界膜厚以上の厚さで結晶成長してあるので、このＡｌ_xＧａ_1-xＮ層をストレインフリーとすることができる。

臨界膜厚とは、歪みエネルギーを緩和するためのミスフィット転位（misfit dislocation）が生じて、当該層の本来の格子定数となる最小膜厚である。すなわち、膜厚が小さいとコヒーレント成長となるが、臨界膜厚に達すると歪みエネルギーを緩和するためにミスフィット転位が生じて格子緩和が起こり、当該層の本来の格子定数の値に近づく。したがって、臨界膜厚以上の厚さで結晶成長されたＡｌ_xＧａ_1-xＮ層は、下地層からの面内方向歪みを受けていないストレインフリーな層となる。

請求項５記載の発明は、非極性面または半極性面を主面とするＡｌＧａＮ基板をさらに含み、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層は、前記ＡｌＧａＮ基板の主面上に結晶成長された層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、ＡｌＧａＮ基板上にＡｌ_xＧａ_1-xＮ層を形成しているので、両者間に実質的な格子不整合がない。したがって、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層をストレインフリーの状態とすることができる。

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族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層２を成長させて構成された素子本体を有している。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、ｎ型圧縮応力印加層２２、発光層としての多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５、およびｐ型コンタクト層２６を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層２６層の表面には、透明電極としてのｐ型電極（アノード電極）３が形成されており、さらに、このｐ型電極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、ｎ型電極（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、ｎ型電極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。
ｎ型圧縮応力印加層２２は、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層からなる。その膜厚は、臨界膜厚以上とされ、たとえば、１μｍとされる。ｎ型圧縮応力印加層２２は、Ａｌを含む組成であるため、下地層のｎ型ＧａＮコンタクト層２１よりも格子定数が小さい。しかし、このｎ型圧縮応力印加層２２は、臨界膜厚以上の膜厚を有しているので、ＡｌＧａＮ本来の格子定数を有しており、ｎ型コンタクト層２１からの面内方向応力を受けていないストレインフリーの層となっている。

多重量子井戸層２３は、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（量子井戸層：たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（バリア層：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。この多重量子井戸層２３と、ｐ型電子阻止層２５との間に、ＧａＮファイナルバリア層２４（たとえば４０ｎｍ厚）が積層される。
ｐ型電子阻止層２５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２６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２６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。この表面２ａは、多重量子井戸層２３で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。

多重量子井戸層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５およびｐ型コンタクト層２６は、いずれも、ｎ型圧縮応力印加層２２に対してコヒーレントにエピタキシャル成長させたものである。すなわち、ｎ型圧縮応力印加層２２よりも上の構成層２３〜２６は、ｎ型圧縮応力印加層２２から格子の連続性を保った状態で結晶成長されている。

ｐ型電極３は、Ｎｉ層とＡｕ層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ｐ型電極３の表面３ａ（光取り出し側表面）も鏡面となる。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ｐ型電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面であるので、多重量子井戸層２３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、ｐ型電極３側へと取り出されることになる。

ｎ型電極５は、Ｔｉ層とＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ単結晶基板１は、非極性面（この実施形態ではｍ面）を主面とするＧａＮ単結晶からなる基板である。より具体的には、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。したがって、ＧａＮ単結晶基板１上に結晶成長させられたIII族窒化物半導体層２の成長主面は、ＧａＮ単結晶基板１の主面と同じ面、すなわち、非極性面（この実施形態ではｍ面）となっている。

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。

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、ｍ面を主面とするＧａＮ結晶について、遷移エネルギー（Transition energy）の歪み依存性を調べたグラフである。このグラフは、非特許文献２の報告に基づいて、ｍ面ＧａＮの遷移エネルギー歪み依存性（図３では、ｍ軸方向歪みε_yyに対する依存性）を求めたものである。

価電子帯には、エネルギー遷移の生じる３つの準位がある。これらと伝導体との間の遷移は、歪みが生じていないときには、遷移エネルギーの小さいものから順に「Ａ遷移」、「Ｂ遷移」、「Ｃ遷移」と呼ばれ、歪みが生じているときには小さいものから順に「Ｅ１遷移」，「Ｅ２遷移」，「Ｅ３遷移」と呼ばれる。
歪みがないか、または歪みが小さいときには、Ａ遷移またはＥ１遷移から生じる光は、偏光方向（電場Ｅの方向）がｃ軸に垂直な偏光成分が支配的であり、Ｂ遷移またはＥ２遷移から生じる光は、偏光方向がｃ軸に垂直な偏光成分が支配的であり、Ｃ遷移またはＥ３遷移から生じる光は、偏光方向がｃ軸に平行な偏光成分が支配的である。

これに対して、歪みが０．１％以上の領域では、Ｅ１遷移から生じる光は、偏光方向がｃ軸に垂直な成分が支配的であるのに対して、Ｅ２遷移から生じる光は、偏光方向がｃ軸に平行な成分が支配的になり、Ｅ３遷移から生じる光は、偏光方向がｃ軸に垂直な成分が支配的になる。
さらに、歪みが大きくなるにしたがって、Ｅ１遷移、Ｅ２遷移間の遷移エネルギーの差、ならびにＥ２遷移およびＥ３遷移間の遷移エネルギーの差がそれぞれ大きくなっていることがわかる。このことは、Ｅ１遷移およびＥ２遷移間の遷移エネルギーの差の歪み依存性を表す図４に表れている。

遷移エネルギーの小さい方が遷移確率が高いので、Ｅ１遷移およびＥ２遷移間の遷移エネルギー差が大きくなれば、Ｅ１遷移の確率とＥ２遷移の確率との差が大きくなる。このことは、Ｅ２遷移から生じるｃ軸平行偏光に対するＥ１遷移から生じるｃ軸垂直偏光の比が大きくなることを意味する。すなわち、偏光比が高くなる。
このことから、ＩｎＧａＮについても同様に、歪みを印加することによって、偏光比が高まると予測できる。

図５は、ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層における面内圧縮歪みのＩｎＮモル分率依存性を示すグラフである。この図５から、ＩｎＮモル分率（InN molar fraction）を増やすことによって、ａ軸方向圧縮歪みε_xxおよびｃ軸方向圧縮歪みε_yy、ならびにｍ軸方向伸張ε_zz歪みが増大することが分かる。また、ａ軸方向圧縮歪みε_xxおよびｃ軸方向圧縮歪みε_yyの差がＩｎＮモル分率の増大に伴って大きくなっていることがわかる。すなわち、ＩｎＮモル分率の増大に伴い、面内方向の異方性圧縮歪みが大きくなることが分かる。

一方、本願発明者らの実験によれば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層のＩｎＮモル分率を多くすることによって、偏光比が増大することが確認されている。これは、ＩｎＮモル分率を多くした結果、面内方向に印加される異方性圧縮歪みが大きくなり、その結果、Ｅ１遷移とＥ２遷移との遷移エネルギー差が増大した結果であると考えるのが妥当である。

この実施形態では、多重量子井戸層２３に隣接してｎ型圧縮応力印加層２２が配置されており、このｎ型圧縮応力印加層２２から多重量子井戸層２３に面内圧縮歪みが印加されている。ｎ型圧縮応力印加層２２は、ストレインフリーのＡｌ_xＧａ_1-xＮ層からなるので、その格子定数はＡｌＧａＮ本来の値であり、ＧａＮまたはＩｎＧａＮよりも小さい。そのため、ｎ型圧縮応力印加層２２は、多重量子井戸層２３に対して効果的に面内圧縮歪みを印加する。したがって、多重量子井戸層２３内のＩｎＧａＮ量子井戸層は、Ｅ１遷移とＥ２遷移との遷移エネルギーの差が大きい状態となっているので、ここから発生する光は、大きな偏光比を有することになる。

図６は、III族窒化物半導体層２を構成する各層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III族窒化物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、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を開いた状態で、さらに、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、トリメチルアルミニ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ＡｌＧａＮ層からなるｎ型圧縮応力印加層２２が成長する。

次に、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸層２３の成長が行われる。多重量子井戸層２３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（量子井戸層）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（バリア層）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２４が形成される。多重量子井戸層２３およびＧａＮファイナルバリア層２４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２５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２５が形成されることになる。このｐ型電子阻止層２５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２６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２６が形成されることになる。ｐ型コンタクト層２６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、ｎ型圧縮応力印加層２２、多重量子井戸層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５およびｐ型コンタクト層２６を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、多重量子井戸層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５およびｐ型コンタクト層２６をメサ形に整形するものであってもよい。

次いで、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、ｐ型電極３、接続部４、ｎ型電極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）上でのIII族窒化物半導体層２の構成層２１〜２６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７は、この発明の他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的な断面図である。前述の実施形態の構成におけるＧａＮ単結晶基板１に代えて、非極性面（この実施形態ではｍ面）を主面とするｎ型ＡｌＧａＮ基板１Ａが用いられている。このＡｌＧａＮ基板１Ａの主面に、III族窒化物半導体層２がエピタキシャル成長させられている。ただし、この実施形態では、ｎ型ＧａＮコンタクト層２１が省かれており、前述の実施形態におけるｎ型コンタクト層２１およびｎ型圧縮応力印加層２２を兼ねるｎ型ＡｌＧａＮ層２７（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）からなるもの）が設けられている。このｎ型ＡｌＧａＮ層２７に、ｎ型電極５がオーミック接触している。

多重量子井戸層２３、ＧａＮファイナルバリア層２４、ｐ型電子阻止層２５およびｐ型コンタクト層２６は、いずれも、ｎ型ＡｌＧａＮ層２７に対してコヒーレントにエピタキシャル成長させたものである。すなわち、ｎ型ＡｌＧａＮ層２７上の構成層２３〜２６は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２７から格子の連続性を保った状態で結晶成長されている。
ｎ型ＡｌＧａＮ層２７は、その下地のｎ型ＡｌＧａＮ基板１Ａと格子整合しているので、膜厚の大小によらずに、面内方向の応力を受けていないストレインフリーのＡｌＧａＮ層である。したがって、このｎ型ＡｌＧａＮ層２７は、その上に積層される多重量子井戸層２３に対して、効果的に圧縮応力を印加することができる。

このような構成によっても、前述の第１の実施形態の場合と同様に、偏光比の高い発光が可能になる。
以上、この発明の２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、前述の実施形態では、一つの非極性面であるｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造を有する発光ダイオードを例にとったが、別の非極性面であるａ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。さらには、非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成した場合にも、優れた偏光比を得ることができる。

また、前述の実施形態では、発光ダイオードにこの発明が適用された例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対してもこの発明を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。 ｍ面を主面とするＧａＮ結晶について、遷移エネルギーの歪み依存性を調べたグラフである。 Ｅ１遷移およびＥ２遷移間の遷移エネルギーの差の歪み依存性を表す図である。 ｍ面ＧａＮ基板上にコヒーレントに成長させたＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸層における面内圧縮歪みのＩｎＮモル分率依存性を示すグラフである。 III族窒化物半導体層を構成する各層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。 この発明の他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的な断面図である。

符号の説明

１ ＧａＮ単結晶基板
２ III族窒化物半導体層
３ ｐ型電極
４ 接続部
５ ｎ型電極
７ 凹部
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
２１ ｎ型コンタクト層
２２ ｎ型圧縮応力印加層
２３ 多重量子井戸層
２４ ＧａＮファイナルバリア層
２５ ｐ型電子阻止層
２６ ｐ型コンタクト層
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

Claims (5)

1. 非極性面または半極性面を成長主面としたストレインフリーのＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層と、
   このＡｌ_xＧａ_1-xＮ層上に、当該Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層に対してコヒーレントに結晶成長され、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層から面内圧縮応力を受ける発光層とを含む、半導体発光素子。
2. 前記発光層が、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層よりも格子定数の大きな量子井戸層を含む、請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記量子井戸層が、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_1-a-bＮ（ａ≧０、ｂ＞０、１−ａ−ｂ＜１）の混晶からなるものである、請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 非極性面または半極性面を主面とし、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層とは組成の異なるIII族窒化物半導体層をさらに含み、
   前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層は、前記III族窒化物半導体層の主面上に臨界膜厚以上の厚さで結晶成長された層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 非極性面または半極性面を主面とするＡｌＧａＮ基板をさらに含み、
   前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層は、前記ＡｌＧａＮ基板の主面上に結晶成長された層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

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