JP2010087217A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ型層の透光性などを悪化させることなしにｎ電極の接触抵抗が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子を実現すること。
【解決手段】発光素子１のｎ型層１１は、サファイア基板１０上に第１ｎ型層１１１、第２ｎ型層１１２、第３ｎ型層１１３の順に積層された構造であり、Ｖ／Ａｌからなるｎ電極１６は第２ｎ型層１１２上に形成されている。第１ｎ型層１１１、第２ｎ型層１１２はｎ−ＧａＮであり、第３ｎ型層１１３はｎ−ＩｎＧａＮである。第２ｎ型層１１２のｎ型不純物濃度は、第１ｎ型層１１１、第３ｎ型層１１３のｎ型不純物濃度よりも高い。この構造によると、第２ｎ型層１１２が露出するまで正確にエッチングすることができ、ｎ型層１１の透光性などを悪化させることなくｎ電極１６の接触抵抗を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｎ電極の接触抵抗が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

III 族窒化物半導体発光素子の構造として、III 族窒化物半導体層をエッチングしてｎ型層を露出させ、その露出したｎ型層上にｎ電極を形成した構造が広く知られている。

特許文献１では、ｎ型層を基板側から第１層、第２層とする２層の構造とし、第２層のｎ型不純物濃度を第１層よりも高くし、ｎ電極を第２層上に設けることで、ｎ型層の接触抵抗を低減するとともに、ｎ型層にクラックが発生するのを抑制できることが示されている。

また、特許文献２には、ｎ型層を基板側から第１層、第２層、第３層の３層構造とし、中央の第２層のｎ型不純物濃度を他の２層よりも高くすることで電流の拡散性を向上させることができることが示されている。ｎ電極は第１層または第２層に設けることが示されている。

また、特許文献３には、エッチングマーカー層をＩｎを含むIII 族窒化物半導体とし、Ｉｎのプラズマ発光のスペクトルの変化によりエッチング深さを制御する方法が示されている。
特開平１１−１９１６３５ 特開２０００−３３２２９２ 特開２００１−２４４５６８

ｎ電極の接触抵抗を低減するためには、ｎ型層の不純物濃度が高いことが望ましいが、不純物濃度が高いと透光性、表面平坦性、結晶性が悪化しやすい。したがって、不純物濃度の高い層の厚さはなるべく薄いことが望まれる。

特許文献１ではこれを考慮して、ｎ型層を第１層と第２層の２層構造とし、第２層の不純物濃度を高くし、ｎ電極を第２層上に設ける構造としている。しかし、特許文献２に示された第２層では、接触抵抗の低減に十分な不純物濃度、薄さであるとは言い難い。

また、特許文献２では、不純物濃度の高い第２層を薄くしているが、必ずしもｎ電極を第２層上に設ける構造としているわけではなく、接触抵抗の低い構造となっているとは限らない。また、特許文献２中の実施例１〜３に示された構造では、第２層の厚さは第３層の厚さの１％以下となっており、ｎ型層を露出させる方法として一般的であるドライエッチングにおいて、エッチング装置の基板面内や基板ごとのエッチングレートのばらつき（通常、±３〜１０％）を考慮すると、第２層が露出した状態でエッチングを止めることはほぼ不可能である。

これらの問題から、不純物濃度が高く厚さが可能な限り薄いｎ型層を設けつつ、エッチングをそのｎ型層が露出した状態で確実に止めることのできる構造が望まれていた。

そこで本発明の目的は、ｎ型層の透光性や表面平坦性を悪化させることなくｎ電極の接触抵抗が低減されたIII 族窒化物半導体発光素子、およびその製造方法の提供である。

第１の発明は、成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層が順に積層され、エッチングにより露出したｎ型層上にｎ電極が形成され、ｐ型層上にｐ電極が形成された発光素子において、ｎ型層は、成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、第３ｎ型層の順に積層された構造であり、第２ｎ型層と第３ｎ型層の構成元素は異なり、第２層は第１ｎ型層および第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高く、ｎ電極は第２ｎ型層上に形成されている、ことを特徴とする発光素子である。

III 族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。ｎ型不純物としては、Ｓｉなどが用いられ、ｐ型不純物としてはＭｇなどが用いられる。

成長基板には、サファイア、ＳｉＣなどの異種基板や、ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体基板を用いることができる。

ｎ電極には、従来用いられているＴｉ／Ａｌ、Ｖ／Ａｌなど以外にも、Ａｇ、Ａｌ合金、高融点金属およびその窒化物や炭化物、導電性酸化物などを用いることができる。

ｎ型層は第１ｎ型層から第３ｎ型層の少なくとも３層構造であればよく、第３ｎ型層と活性層の間にｎ型クラッド層を有していてもよい。

第１ｎ型層と第３ｎ型層のｎ型不純物濃度、厚さなどの成長条件は同じでもよいし、異なっていてもよい。また、第２ｎ型層は超格子構造であってもよい。

第１ｎ型層および第３ｎ型層のｎ型不純物濃度は１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ 、第２ｎ型層のｎ型不純物濃度は１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³ であることが望ましい。この範囲であれば、ｎ電極の接触抵抗を十分に低減させることができ、ｎ型層の透光性や平坦性を悪化させることもない。第１ｎ型層および第３ｎ型層のｎ型不純物濃度が２×１０¹⁸〜６×１０¹⁸／ｃｍ³ 、第２ｎ型層のｎ型不純物濃度が２×１０¹⁹〜６×１０¹⁹／ｃｍ³ であればさらに望ましい。また第２ｎ型層の厚さは１μｍ以下であることが望ましい。１μｍよりも厚いと、透光性や平面平坦性などが悪化しすぎるためである。

第２の発明は、第１の発明において、第３ｎ型層はＧａＮであり、第２ｎ型層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする発光素子である。

第３の発明は、成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層が順に積層され、エッチングにより露出したｎ型層上にｎ電極が形成され、ｐ型層上にｐ電極が形成された発光素子において、ｎ型層は、成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、第３ｎ型層の順に積層され、前記第２ｎ型層と前記第３ｎ型層との間にエッチングマーカー層が形成された構造であり、エッチングマーカー層と第３ｎ型層の構成元素は異なり、第２ｎ型層は第１ｎ型層および第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高く、ｎ電極は第２ｎ型層上に形成されている、ことを特徴とする発光素子である。

第４の発明は、第３の発明において、第３ｎ型層はＧａＮであり、エッチングマーカー層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする発光素子である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、第１ｎ型層および第３ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ であり、第２ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³ であることを特徴とする発光素子である。

第６の発明は、成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層を順に積層する第１工程と、ｎ型層が露出するようドライエッチングする第２工程と、露出したｎ型層上にｎ電極を形成する第３工程と、を有する発光素子の製造方法において、第１工程は、成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、第３ｎ型層の順に積層することでｎ型層を形成し、第２ｎ型層と第３ｎ型層の構成元素が異なるよう形成し、第２ｎ型層は第１ｎ型層および第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高くなるよう形成する工程であり、第２工程は、第２ｎ型層と第３ｎ型層の構成元素の違いを検出するまでドライエッチングすることで第２ｎ型層を露出させる工程であり、第３工程は、第２工程により露出した第２ｎ型層上にｎ電極を形成する工程である、ことを特徴とする発光素子の製造方法である。

第２工程における構成元素の違いの検出は、たとえばプラズマ発光のスペクトルの変化により検出することができる。

第７の発明は、第６の発明において、第３ｎ型層はＧａＮであり、第２ｎ型層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする発光素子の製造方法である。

第８の発明は、成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層を順に積層する第１工程と、ｎ型層が露出するようドライエッチングする第２工程と、露出したｎ型層上にｎ電極を形成する第３工程と、を有する発光素子の製造方法において、第１工程は、成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、エッチングマーカー層、第３ｎ型層の順に積層することでｎ型層を形成し、エッチングマーカー層と第３ｎ型層の構成元素が異なるよう形成し、第２ｎ型層は、第１ｎ型層および第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高くなるよう形成する工程であり、第２工程は、エッチングマーカー層と第３ｎ型層の構成元素の違いを検出するまでドライエッチングすることでエッチングマーカー層を露出させ、その後さらに所定の深さドライエッチングすることで第２ｎ型層を露出させる工程であり、第３工程は、第２工程により露出した第２ｎ型層上にｎ電極を形成する工程である、ことを特徴とする発光素子の製造方法である。

第９の発明は、第８の発明において、第３ｎ型層はＧａＮであり、エッチングマーカー層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする発光素子の製造方法である。

第１０の発明は、第６の発明から第９の発明において、第１ｎ型層および第３ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ であり、第２ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³ であることを特徴とする発光素子の製造方法である。

本発明によると、ｎ型層のうち第２ｎ型層のｎ型不純物濃度を第１ｎ型層、第３ｎ型層よりも高くし、第２ｎ型層にｎ電極を形成する構造としているため、ｎ型層の透光性や表面平坦性を悪化させることなくｎ電極の接触抵抗を低減させることができる。また、第２ｎ型層またはエッチングマーカー層と第３ｎ型層の構成元素が異なるようにしているため、第２ｎ型層が露出する深さまで正確にエッチングすることができる。

また、接触抵抗を低減することができる結果、従来は接触抵抗が高くて採用が困難であったＡｇ、Ａｌ合金、高融点金属およびその窒化物や炭化物、導電性酸化物などをｎ電極として適用することができる。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、III 族窒化物半導体からなる発光素子１の構造を示す図である。発光素子１は、成長基板であるサファイア基板１０上にバッファ層（図示せず）を介して、ｎ型層１１である第１ｎ型層１１１、第２ｎ型層１１２、第３ｎ型層１１３が積層され、ｎ型層１１上に、活性層１３、ｐ型層１５が順に積層され、これらの層の一部領域がエッチングされて露出した第２ｎ型層１１２上にＶ／Ａｌからなるｎ電極１６が形成され、ｐ型層１５上にｐ電極１７が形成された構造である。

第１ｎ型層１１１、第２ｎ型層１１２はｎ−ＧａＮであり、第３ｎ型層１１３はｎ−Ｉｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎである。このように、第３ｎ型層１１３は、第２ｎ型層１１２には含まれていないＩｎを構成元素として含んでいる。ｎ型不純物はＳｉであり、第１ｎ型層１１１、第３ｎ型層１１３のｎ型不純物濃度は２×１０¹⁸／ｃｍ³ であり、第２ｎ型層１１２のｎ型不純物濃度は２×１０¹⁹ｃｍ³ である。また、第１ｎ型層１１１の厚さは３μｍ、第２ｎ型層１１２の厚さは５０ｎｍ、第３ｎ型層１１３の厚さは７５ｎｍである。

なお、第１ｎ型層１１１、第２ｎ型層１１２、第３ｎ型層１１３のｎ型不純物濃度、および厚さはこれらの値に限定されるものではないが、第１ｎ型層１１１および第３ｎ型層１１３のｎ型不純物濃度は１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ 、第２ｎ型層１１２のｎ型不純物濃度は１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³ であることが望ましい。この範囲であれば、ｎ電極１６の接触抵抗を十分に低減させることができ、ｎ型層１１の透光性や平坦性を悪化させることもない。また、第１ｎ型層１１１の厚さは１〜１０μｍであることが望ましい。１μｍより薄いと、ｎ型層１１のシート抵抗が高くなるため望ましくなく、１０μｍよりも厚いと、ウェハの反りが発生するため望ましくない。

第１ｎ型層１１１を設けた理由は、直接サファイア基板１０上にｎ型不純物濃度の高い第２ｎ型層１１２を形成すると結晶性が悪くなってしまうからである。もう１つの理由は、第１ｎ型層１１１を設けない場合にｎ型層１１のシート抵抗が高くなるからである。

活性層１３は、たとえばＩｎＧａＮとＧａＮが繰り返し積層されたＭＱＷ構造などであり、厚さは５０ｎｍである。

ｐ型層１５は、ｐ−ＧａＮからなる層であり、厚さは１００ｎｍである。

ｐ電極１７には、Ｎｉ／Ａｕなどを用いる。ｐ電極１７は、ｐ型層１５上の全面にわたって形成されたＩＴＯなどの透明電極と透明電極上に形成されたパッド電極とで構成されていてもよい。また、フリップチップ型とする場合には、Ａｇなどの高光反射率で低コンタクト抵抗な金属を用いてもよい。

ここで、第２ｎ型層１１２、第３ｎ型層１１３の厚さを上記のように設定した理由、および第１ｎ型層１１１、第３ｎ型層１１３を設けた理由について説明する。

ｎ電極１６の接触抵抗を低減するためには、ｎ型不純物濃度の高い第２ｎ型層１１２が確実に露出した状態でエッチングを止めることが必要となる。しかし、通常のドライエッチング装置では、エッチング深さに基板面内のばらつき、基板ごとのばらつきがあり、それぞれ±１０％以下のばらつきが生じる。これらのばらつきを考慮すると、ある目標の深さａまでエッチングに対して、０．８１ａ〜１．２１ａのエッチング深さになりうる。したがって、完全に深さａまでエッチングしようとすると、目標の深さを１００ａ／８１（≒１．２３ａ）としてエッチングすることになり、最大で１２１ａ／８１（≒１．５ａ）の深さまでエッチングされることになる。仮に第３ｎ型層１１３を設けない構造を考え、ｐ型層１５表面から第２ｎ型層１１２表面までの深さをａとすると、完全に第２ｎ型層１１２が露出し、かつ第１ｎ型層１１１が露出しないようにエッチングすることが可能な最小の第２ｎ型層１１２の厚さは、０．５ａである。

ここで、特許文献３に記載のプラズマ発光のスペクトルを検出してエッチング深さを制御する方法を用いれば、基板ごとのばらつきを考慮する必要がなく、基板面内のばらつきのみを考慮すればよくなり、第２ｎ型層１１２の厚さをより薄くすることができる。ところが、第２ｎ型層１１２上には活性層１３などの多層薄膜が形成されており、この多層薄膜のエッチング中においてプラズマ発光は安定せず、エッチングが第２ｎ型層１１２に達したことを検出するのが困難である。

そこで実施例１の発光素子１では、第２ｎ型層１１２とは構成元素の異なる第３ｎ型層１１３を設けている。第３ｎ型層１１３の厚さを０．５ａとすれば、完全に第３ｎ型層１１３が露出するまでエッチングすることが可能であり、その後、プラズマ発光のスペクトルの検出によるエッチング深さの制御により第２ｎ型層１１２が露出するまでエッチングすれば、第２ｎ型層１１２と第３ｎ型層１１３の構成元素の違いから容易にエッチングが第２ｎ型層１１２に達したことを検出することができる。また、ｐ型層１５表面から第３ｎ型層１１３表面までの深さ１．５ａに対し、基板面内のばらつきのみを考慮すれば、（１０／９）＊１．５ａ≒１．６７ａの深さを目標にエッチングすれば、最大で（１１／９）＊１．５ａ≒１．８３ａの深さまでエッチングされることになる。したがって、第３ｎ型層１１３を設けた場合は、完全に第２ｎ型層１１２が露出し、かつ第１ｎ型層１１１が露出しないようにエッチングすることが可能な最小の第２ｎ型層１１２の厚さは、ａ／３≒０．３３ａである。

発光素子１では、ｐ型層１５表面から第３ｎ型層１１３までの厚さは１５０ｎｍであるから、第３ｎ型層１１３の厚さを１５０＊０．５＝７５ｎｍとし、第２ｎ型層１１２の厚さを１５０＊０．３３≒５０ｎｍとすれば、最も第２ｎ型層１１２を薄くすることができることになる。

このように、第３ｎ型層１１３を設けることによって、第３ｎ型層１１３を設けない構造に比べて第２ｎ型層１１２を薄くすることができ、その結果透光性を良くすることができる。また、ｎ型不純物濃度の高い第２ｎ型層１１２を設けることで悪化する結晶性や表面平坦性を、ｎ型不純物濃度の低い第３ｎ型層１１３を設けることで回復することができ、その上に設ける活性層１３の特性を向上させることができる。

なお、ドライエッチング装置の性能について、エッチング深さの基板面内のばらつき、基板ごとのばらつきがそれぞれ±１０％以下であるとして考察したが、他の性能（たとえば、基板面内のばらつき、基板ごとのばらつきがそれぞれ±５％以下、など）のドライエッチング装置であっても、その性能に合わせて、同様の考察により最も第２ｎ型層１１２、第３ｎ型層１１３の厚さを決定することができる。

また、組成の違いによるエッチングレートの違いを利用することで、さらに第２ｎ型層１１２の厚さを小さくすることも可能である。

以上のように、この発光素子１の構造によると、ｎ型不純物濃度が高いのはｎ型層１１の一部領域である第２ｎ型層１１２のみであり、第２ｎ型層１１２は十分に薄いため、ｎ型層１１の透光性や表面平坦性を悪化させることはない。また、第２ｎ型層１１２が確実に露出するようエッチングされており、ｎ電極１６はｎ型不純物濃度が高い第２ｎ型層１１２に設けられているため、接触抵抗が低減されている。

次に、発光素子１の製造工程について図２を参照に説明する。

まず、サファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってバッファ層を形成し、バッファ層上に第１ｎ型層１１１、第２ｎ型層１１２、第３ｎ型層１１３、活性層１３、ｐ型層１５を順に積層する（図２（ａ））。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、Ｇａ源にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ源にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ源にはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｎ源にはアンモニア、Ｓｉ源にはシラン、ｐ型不純物であるＭｇ源とにはＣｐ₂ Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、キャリアガスには窒素を用いる。ここで、第３ｎ型層１１３を形成する際、できるだけ平坦性や結晶性がよくなるよう成長条件を調整するとよい。

次に、ＣＶＤ法によりｐ型層１５上にマスク１８を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状にパターニングする（図２（ｂ））。なお、レジストをマスクとして用いてもよい。

次に、マスク１８が形成されていない領域をドライエッチングにより第２ｎ型層１１２が露出する深さまでエッチングする（図２（ｃ））。ここで、第３ｎ型層１１３には第２ｎ型層１１２には含まれないＩｎを構成元素として含むため、Ｉｎの有無を検出することで第２ｎ型層１１２が露出する深さまで正確にエッチングすることができる。Ｉｎの検出は、たとえばプラズマ発光のスペクトルの変化により検出することができる。第３ｎ型層１１３をエッチングしている段階ではＩｎに対応した発光スペクトルのピークが現れるが、エッチング深さが第２ｎ型層１１２に達すると、Ｉｎに対応した発光スペクトルのピークが消えるので、このピークの有無によりエッチングが第２ｎ型層１１２に達したことを判断することができる。なお、ＧａＮとＩｎＧａＮでエッチングレートが異なる場合、エッチングレートの変化によりＧａもしくはＮに対応した発光の強度が変化するため、これにより第２ｎ型層１１２に達したことを判断してもよい。

次に、ｐ型層１５上にｐ電極１７、エッチングにより露出した第２ｎ型層１１２上にｎ電極１６を蒸着法によって形成する。これにより図１に示す発光素子１が製造される。

次に、発光素子１と比較例１、２の発光素子について発光出力、駆動電圧を比較した結果について述べる。比較例１の発光素子は、発光素子１の３層構造のｎ型層１１に替えて、ｎ型不純物濃度が２×１０¹⁸／ｃｍ³ のｎ−ＧａＮからなり、厚さ３μｍのｎ型層が形成された発光素子であり、比較例２の発光素子は、発光素子１のｎ型層１１に替えてｎ型不純物濃度が２×１０¹⁹／ｃｍ³ のｎ−ＧａＮからなり、厚さ３μｍのｎ型層が形成された発光素子である。

比較例２の発光素子は、２０ｍＡでの駆動電圧は発光素子１および比較例１の発光素子よりも低かったものの、発光出力については発光素子１、比較例１の発光素子に比べて著しく低下していた。

また、発光素子１と比較例１の発光素子を比較すると、２０ｍＡでの駆動電圧は発光素子１の方が０．０２Ｖ低く、さらに電流量を増加させた場合の駆動電圧の増加も発光素子１の方が低かった。また、発光出力は発光素子１と比較例１の発光素子はほぼ等しく、その差は測定誤差の範囲内である。

このように、発光素子１はｎ電極１５の接触抵抗が低減されていながら、ｎ型層の透光性などを悪化させていないことがわかる。

図３は、実施例２の発光素子２の構造を示す図である。発光素子２は、成長基板であるサファイア基板２０上にバッファ層（図示せず）を介して、ｎ型層２１である第１ｎ型層２１１、第２ｎ型層２１２、第３ｎ型層２１３が積層され、ｎ型層２１上に、ｎ型クラッド層２２、活性層２３、ｐ型クラッド層２４、ｐ型層２５が順に積層され、これらの層の一部領域がエッチングされて露出した第２ｎ型層２１２上にＷ／Ａｕからなるｎ電極２６が形成され、ｐ型層２５上にｐ電極２７が形成された構造である。ｎ電極２６形成後の熱処理は、ｎ電極１６形成後の熱処理よりも２００度低い温度で実施した。

第１ｎ型層２１１、第３ｎ型層２１３はｎ−ＧａＮであり、第２ｎ型層２１２はｎ−Ｉｎ_0.04Ｇａ_0.96Ｎである。このように、第２ｎ型層２１２は、第３ｎ型層２１３には含まれていないＩｎを構成元素として含んでいる。ｎ型不純物はＳｉであり、第１ｎ型層２１１、第３ｎ型層２１３のｎ型不純物濃度は６×１０¹⁸／ｃｍ³ であり、第２ｎ型層２１２のｎ型不純物濃度は５×１０¹⁹ｃｍ³ である。また、第１ｎ型層２１１の厚さは４μｍ、第２ｎ型層２１２の厚さは２００ｎｍ、第３ｎ型層２１３の厚さは３００ｎｍである。

ｎ型クラッド層２２、ｐ型クラッド層２４は超格子構造である。たとえばｎ型クラッド層２２は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ／ｎ−ＧａＮが複数回繰り返し積層された層であり、ｐ型クラッド層２４は、ｐ−ＩｎＧａＮ／ｐ−ＡｌＧａＮが複数回繰り返し積層された層である。

ｐ型層２５表面から第３ｎ型層２１３表面までの厚さは６００ｎｍである。エッチング深さの基板面内のばらつき、基板ごとのばらつきが、それぞれ±１０％以下であるとすると、実施例１での考察により、第２ｎ型層２１２の厚さを２００ｎｍ、第３ｎ型層３１３の厚さを３００ｎｍとした場合が、確実に第２ｎ型層２１２を露出させることができる最も薄い第２ｎ型層２１２の厚さであり、実際に発光素子２の第２ｎ型層２１２の厚さはこの値に形成されている。

発光素子２では、実施例１の発光素子１とは逆に、第２ｎ型層２１２が、第３ｎ型層２１３には含まれていないＩｎを構成元素として含んでいる。したがって、第２ｎ型層２１２を露出させるエッチングにおいて、Ｉｎの発光スペクトルのピークが検出されれば、エッチング深さが第２ｎ型層２１２に達したと判断することができ、正確に第２ｎ型層２１２が露出するまでエッチングすることができる。

次に、発光素子２、比較例１、３の発光素子について、駆動電圧を比較した結果について述べる。比較例３の発光素子は、発光素子２の３層構造のｎ型層２１に替えて、ｎ型不純物濃度が２×１０¹⁸／ｃｍ³ のｎ−ＧａＮからなり、厚さ３μｍのｎ型層が形成された発光素子である。

比較例３の発光素子は、比較例１の発光素子に比べて２０ｍＡでの駆動電圧が０．３Ｖ高かったが、発光素子２の２０ｍＡでの駆動電圧は、比較例１の発光素子に比べてわずか０．０３Ｖ高いだけで、ほぼ同等の駆動電圧であった。

このように、発光素子２の構造は、発光素子１と同様に、ｎ型層１１の透光性などを悪化させることなくｎ電極の接触抵抗を低減できる構造であるため、従来は接触抵抗が高く採用が困難であったＷ／Ａｕをｎ電極として採用しても、Ｖ／Ａｌをｎ電極として採用した従来構造の比較例１の発光素子と同等の素子特性を得ることができる。

図４は、実施例２の発光素子３の構造を示す図である。発光素子２との違いは、ｎ型層２１に替えて、以下に説明するｎ型層３１を設けたことと、ｎ電極２６に替えて発光素子１と同様のｎ電極１６を設けたことである。それ以外の構造は発光素子１と同様である。

ｎ型層３１は、サファイア基板２０側から第１ｎ型層３１１、第２ｎ型層３１２、エッチングマーカー層３１４、第３ｎ型層３１３の順に積層された構造である。ｎ電極１６は、実施例１と同様に第２ｎ型層３１２に設けられている。第１ｎ型層３１１、第２ｎ型層３１２、第３ｎ型層３１３はいずれもｎ−ＧａＮであり、エッチングマーカー層３１４はｎ−Ｉｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ｎである。第１ｎ型層３１１、第３ｎ型層３１３、エッチングマーカー層３１４のｎ型不純物濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³ であり、第２ｎ型層３１２のｎ型不純物濃度は３×１０¹⁹ｃｍ³ である。第１ｎ型層３１１の厚さは４μｍ、第２ｎ型層３１２の厚さは２５０ｎｍ、エッチングマーカー層３１４の厚さは５０ｎｍ、第３ｎ型層３１３の厚さは３００ｎｍである。

次に、発光素子３の製造工程を図５を参照に説明する。

まず、サファイア基板２０上にＭＯＣＶＤ法によってバッファ層を形成し、バッファ層上に第１ｎ型層３１１、第２ｎ型層３１２、エッチングマーカー層３１４、第３ｎ型層３１３、ｎクラッド層２２、活性層２３、ｐクラッド層２４、ｐ型層２５を順に積層する（図５（ａ））。

次に、ＣＶＤ法によりｐ型層２５上にマスク２８を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状にパターニングする（図５（ｂ））。

次に、マスク２８が形成されていない領域をドライエッチングによりエッチングマーカー層３１４が露出する深さまでエッチングする（図５（ｃ））。ここで、エッチングマーカー層３１４には第３ｎ型層３１３には含まれないＩｎを構成元素として含むため、Ｉｎを検出することでエッチングマーカー層３１４が露出する深さまで正確にエッチングすることができる。

次に、エッチングマーカー層３１４が露出した段階からさらにドライエッチングをし、第２ｎ型層３１２を露出させる（図５（ｄ））。ここで、第２ｎ型層３１２が露出するまでのエッチング深さは少ないため、その深さの誤差は小さくなり、エッチングレートにより正確に第２ｎ型層３１２の深さまでエッチングすることができる。

次に、ｐ型層２５上にｐ電極２７、エッチングにより露出した第２ｎ型層３１２上にｎ電極１６を蒸着法によって形成する。これにより図４に示す発光素子３が製造される。

この発光素子３もまた、実施例２の発光素子２と同様に、ｎ型不純物濃度が高いのはｎ型層３１の一部領域である第２ｎ型層３１２のみであり、第２ｎ型層３１２は十分に薄く、ｎ電極１６はｎ型不純物濃度が高い第２ｎ型層３１２に設けられた構造であるため、ｎ型層３１の透光性や表面平坦性を悪化させることなくｎ電極１６の接触抵抗が低減されている。

なお、実施例１では第３ｎ型層をＩｎＧａＮ、実施例２では第２ｎ型層をＩｎＧａＮ、実施例３ではエッチングマーカー層をＩｎＧａＮとし、Ｉｎを検出することでエッチング深さを制御しているが、Ｉｎに限らず第２ｎ型層またはエッチングマーカー層と第３ｎ型層との構成元素が異なればよい。たとえば第２ｎ型層、第３ｎ型層やエッチングマーカー層をＡｌＧａＮやＡｌＧａＩｎＮとし、Ａｌの有無を検出することで、もしくはＡｌとＩｎの双方の有無を検出することでエッチング深さを制御してもよい。

また、本発明の構造によるとｎ電極の接触抵抗を低減することができるため、実施例２のＷ／Ａｕのように従来採用が困難であった材料でもｎ電極に採用することができる。たとえば、Ａｇ、Ａｌ合金、高融点金属およびその窒化物や炭化物、導電性酸化物などをｎ電極に採用することができる。

また、いずれの実施例も成長基板としてサファイアを用いているが、サファイア以外の異種基板や、ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体基板を用いてもよい。

本発明の発光素子は、表示装置や照明装置などに用いることができる。

発光素子１の構造を示す図。 発光素子１の製造工程を示す図。 発光素子２の構造を示す図。 発光素子３の構造を示す図。 発光素子３の製造工程を示す図。

符号の説明

１０、２０：サファイア基板
１１、２１、３１：ｎ型層
２２：ｎクラッド層
１３、２３：活性層
２４：ｐクラッド層
１５、２５：ｐ型層
１６、２６：ｎ電極
１７、２７：ｐ電極
１１１、２１１、３１１：第１ｎ型層
１１２、２１２、３１２：第２ｎ型層
１１３、２１３、３１３：第３ｎ型層
３１４：エッチングマーカー層

Claims (10)

1. 成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層が順に積層され、エッチングにより露出した前記ｎ型層上にｎ電極が形成され、前記ｐ型層上にｐ電極が形成された発光素子において、
   前記ｎ型層は、前記成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、第３ｎ型層の順に積層された構造であり、
   前記第２ｎ型層と前記第３ｎ型層の構成元素は異なり、
   前記第２ｎ型層は、前記第１ｎ型層および前記第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高く、
   前記ｎ電極は、前記第２ｎ型層上に形成されている、
   ことを特徴とする発光素子。
2. 前記第３ｎ型層は、ＧａＮであり、前記第２ｎ型層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層が順に積層され、エッチングにより露出した前記ｎ型層上にｎ電極が形成され、前記ｐ型層上にｐ電極が形成された発光素子において、
   前記ｎ型層は、前記成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、第３ｎ型層の順に積層され、前記第２ｎ型層と前記第３ｎ型層との間にエッチングマーカー層が形成された構造であり、
   前記エッチングマーカー層と前記第３ｎ型層の構成元素は異なり、
   前記第２ｎ型層は、前記第１ｎ型層、前記第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高く、
   前記ｎ電極は、前記第２ｎ型層上に形成されている、
   ことを特徴とする発光素子。
4. 前記第３ｎ型層はＧａＮであり、前記エッチングマーカー層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
5. 前記第１ｎ型層および前記第３ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ であり、前記第２ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³ であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
6. 成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層を順に積層する第１工程と、前記ｎ型層が露出するようドライエッチングする第２工程と、露出した前記ｎ型層上にｎ電極を形成する第３工程と、を有する発光素子の製造方法において、
   前記第１工程は、前記成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、第３ｎ型層の順に積層することで前記ｎ型層を形成し、前記第２ｎ型層と前記第３ｎ型層の構成元素が異なるよう形成し、前記第２ｎ型層は前記第１ｎ型層および前記第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高くなるよう形成する工程であり、
   前記第２工程は、前記第２ｎ型層と前記第３ｎ型層の構成元素の違いを検出するまでドライエッチングすることで前記第２ｎ型層を露出させる工程であり、
   前記第３工程は、前記第２工程により露出した前記第２ｎ型層上にｎ電極を形成する工程である、
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
7. 前記第３ｎ型層は、ＧａＮであり、前記第２ｎ型層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする請求項６に記載の発光素子の製造方法。
8. 成長基板上にIII 族窒化物半導体からなるｎ型層、活性層、ｐ型層を順に積層する第１工程と、前記ｎ型層が露出するようドライエッチングする第２工程と、露出した前記ｎ型層上にｎ電極を形成する第３工程と、を有する発光素子の製造方法において、
   前記第１工程は、前記成長基板に近い側から第１ｎ型層、第２ｎ型層、エッチングマーカー層、第３ｎ型層の順に積層することで前記ｎ型層を形成し、前記エッチングマーカー層と前記第３ｎ型層の構成元素が異なるよう形成し、前記第２ｎ型層は、前記第１ｎ型層および前記第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が高くなるよう形成する工程であり、
   前記第２工程は、前記エッチングマーカー層と前記第３ｎ型層の構成元素の違いを検出するまでドライエッチングすることで前記エッチングマーカー層を露出させ、その後さらに所定の深さドライエッチングすることで前記第２ｎ型層を露出させる工程であり、
   前記第３工程は、前記第２工程により露出した前記第２ｎ型層上にｎ電極を形成する工程である、
   ことを特徴とする発光素子の製造方法。
9. 前記第３ｎ型層はＧａＮであり、前記エッチングマーカー層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＩｎＮであることを特徴とする請求項８に記載の発光素子の製造方法。
10. 前記第１ｎ型層および前記第３ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³ であり、前記第２ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³ であることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。

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