JP2010098338A - 半導体発光素子、半導体基板および窒化物基板 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層における自然発生電界が低減され、高輝度化が可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、ｎ型クラッド層３と、ｎ型クラッド層３上に設けられたｐ型クラッド層７と、ｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層７との間に設けられており、窒化物からなる活性層５とを備え、ｎ型クラッド層３と活性層５との界面に直交する軸と活性層５におけるｃ軸とのなす角度、及び活性層５とｐ型クラッド層７との界面に直交する軸と活性層５におけるｃ軸とのなす角度が、それぞれゼロより大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。

近年、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）や紫外ＬＥＤといった比較的短波長の半導体発光素子が盛んに開発されている。このような半導体発光素子では、比較的バンドギャップが大きいＩｎＧａＮやＡｌＧａＮといったIII−V族化合物、或いはＺｎＯといったII−VI族化合物が好適に用いられている。このような半導体発光素子の一例としては、ＡｌＧａＮを含むｎ型クラッド層と、同じくＡｌＧａＮを含むｐ型クラッド層との間に、ＩｎＧａＮを含む活性層が配置されたものがある。また、他の一例としては、ＭｇＺｎＯを含むｎ型クラッド層と、同じくＭｇＺｎＯを含むｐ型クラッド層との間に、ＺｎＯを含む活性層が配置されたものがある。

特開２００２−１４５７００号公報 特開２０００−２２３７４３号公報 特開２００２−２７０５２５号公報 特開２００１−４４５００号公報

ＩｎＧａＮなどのIII−V族化合物やＺｎＯなどのII−VI族化合物からなる結晶は、六方晶を構成する場合が多い。このような六方晶系化合物からなる活性層を有する半導体発光素子では、活性層のヘテロ界面においてピエゾ電界といった自然発生電界が生じることが知られている。この自然発生電界が大きいほど、活性層における電子と正孔との波動関数の重なり部分が狭くなり、電子と正孔との再結合確率が低下する。従って、自然発生電界が大きくなるほど、発光効率が低下することとなる。自然発生電界は活性層が厚くなるほど大きくなるので、自然発生電界による発光効率の低下を抑えるために活性層（特に、量子井戸構造における井戸層）の厚さが制限され、半導体発光素子の高輝度化を阻む一因となっていた。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、活性層における自然発生電界が低減され、高輝度化が可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による半導体発光素子は、六方晶系化合物からなる第１導電型半導体層と、六方晶系化合物からなり第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられており、六方晶系化合物からなる活性層とを備え、活性層の第１導電型半導体層側の界面に直交する軸、及び活性層の第２導電型半導体層側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層におけるｃ軸とのなす角度が、ゼロより大きいことを特徴とする。

また、本発明による半導体発光素子は、第１導電型窒化物半導体層と、第１導電型窒化物半導体層上に設けられた第２導電型窒化物半導体層と、第１導電型窒化物半導体層と第２導電型窒化物半導体層との間に設けられており、窒化物からなる活性層とを備え、活性層の第１導電型窒化物半導体層側の界面に直交する軸、及び活性層の第２導電型窒化物半導体層側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層におけるｃ軸とのなす角度が、ゼロより大きいことを特徴とする。

活性層が窒化物半導体などの六方晶系化合物からなる場合、活性層を挟む２つの界面に直交する軸と活性層におけるｃ軸とが一致するとき（すなわち、活性層がｃ面上に成長したとき）に、活性層において発生する自然発生電界が最も大きくなる。上記したいずれかの半導体発光素子によれば、活性層の第１導電型半導体層（または第１導電型窒化物半導体層）側の界面に直交する軸、及び活性層の第２導電型半導体層（または第２導電型窒化物半導体層）側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層におけるｃ軸とのなす角度が、ゼロより大きい（すなわち、活性層を挟む２つの界面がｃ面とは異なる）ことによって、活性層における自然発生電界を低減することができる。これによって、活性層において電子と正孔との波動関数の重なり部分が広くなり、再結合確率が高まるので、活性層をより厚くでき、さらなる高輝度化が可能になる。

また、本発明による半導体発光素子は、六方晶系化合物からなり主面を有する基板と、六方晶系化合物からなり基板の主面上にエピタキシャル成長された第１導電型半導体層と、第１導電型半導体層上にエピタキシャル成長され、六方晶系化合物からなる活性層と、六方晶系化合物からなり活性層上にエピタキシャル成長された第２導電型半導体層とを備え、基板の主面に直交する軸と基板のｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことを特徴とする。

また、本発明による半導体発光素子は、III族窒化物からなり主面を有する窒化物基板と、窒化物基板の主面上にエピタキシャル成長された第１導電型窒化物半導体層と、第１導電型窒化物半導体層上にエピタキシャル成長され、窒化物からなる活性層と、活性層上にエピタキシャル成長された第２導電型窒化物半導体層とを備え、窒化物基板の主面に直交する軸と窒化物基板のｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことを特徴とする。

上記したいずれかの半導体発光素子によれば、基板（または窒化物基板）の主面に直交する軸と基板（窒化物基板）のｃ軸とのなす角度がゼロより大きい（すなわち、基板（窒化物基板）の主面がｃ面とは異なる）ことによって、この主面上にエピタキシャル成長される活性層の２つの界面がｃ面とは異なるので、活性層における自然発生電界を低減することができる。これによって、活性層をより厚くでき、さらなる高輝度化が可能になる。

また、半導体発光素子は、基板（または窒化物基板）の主面が、該基板（窒化物基板）の｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面のうち何れかの面を含むことを特徴としてもよい。これによって、活性層の２つの界面がこれらのうち何れかの面を含むこととなり、活性層における自然発生電界を効果的に低減することができる。なお、ここでいう｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面は、それぞれ等価な面の集合を意味する。例えば、｛１０−１０｝面には、（１０−１０）面、（０１−１０）面、（−１１００）面、（−１０１０）面、（０−１１０）面、及び（１−１００）面が含まれるものとする。

また、半導体発光素子は、基板（または窒化物基板）の裏面上に設けられ、基板（窒化物基板）とオーミック接触された第１の電極と、第２導電型半導体層（または第２導電型窒化物半導体層）上に設けられ、第２導電型半導体層（第２導電型窒化物半導体層）とオーミック接触された第２の電極とをさらに備えることを特徴としてもよい。このように、半導体発光素子の両面に電極が設けられることによって、活性層へ電子及び正孔を効率よく注入できるので、半導体発光素子をさらに高輝度化できる。

また、半導体発光素子は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び活性層の六方晶系化合物が、II族原子及びVI族原子を含むことを特徴としてもよい。II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物結晶は六方晶を構成するので、活性層の第１導電型半導体層側の界面に直交する軸、及び活性層の第２導電型半導体層側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層におけるｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことにより、活性層における自然発生電界を効果的に低減することができる。この場合、半導体発光素子は、II族原子が亜鉛原子であることを特徴としてもよく、或いは六方晶系化合物がＺｎＯ系化合物であることを特徴としてもよい。

また、半導体発光素子は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層、及び活性層の六方晶系化合物がIII族原子及びV族原子を含むことを特徴としてもよい。III族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物結晶は六方晶を構成するので、活性層の第１導電型半導体層側の界面に直交する軸、及び活性層の第２導電型半導体層側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層におけるｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことにより、活性層における自然発生電界を効果的に低減することができる。この場合、半導体発光素子は、V族原子が窒素原子であることを特徴としてもよく、或いは六方晶系化合物がＧａＮ系化合物であることを特徴としてもよい。

また、半導体発光素子は、窒化物基板の主面における転位密度が１×１０⁸ｃｍ^-2以下であることを特徴としてもよい。このように、主面における転位密度が比較的小さな窒化物基板を半導体発光素子が備えることによって、第１導電型窒化物半導体層を貫通して活性層に達する転位の密度が低く抑えられ、発光効率をさらに高めることができる。

また、半導体発光素子は、活性層が、井戸層と、該井戸層を挟んで該井戸層に電位障壁を提供するバリア層とを含む量子井戸構造を有し、井戸層の厚さが３ｎｍよりも大きいことを特徴としてもよい。従来、上述した自然発生電界によって、量子井戸構造における井戸層の厚さは３ｎｍ以下に制限されていた。これに対し、上記各半導体発光素子によれば、井戸層における自然発生電界を低減できるので、井戸層を従来よりも厚くすることが可能となる。

また、半導体発光素子は、井戸層が、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなることを特徴としてもよい。このように、井戸層がインジウム（Ｉｎ）を組成に含む場合には、Ｉｎの組成比が大きいほど自然発生電界が顕著になる。これに対し、上記各半導体発光素子によれば、井戸層における自然発生電界を低減できるので、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなる井戸層を備える半導体発光素子であっても高輝度化が可能となる。

本発明による半導体発光素子によれば、活性層における自然発生電界が低減され、高輝度化が可能となる。

図１は、実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。 図２（Ａ）は、実施形態における基板を示す斜視図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す基板における結晶方位を説明するための図である。 図３は、実施形態における活性層をさらに詳細に説明するための、半導体発光素子の側面断面図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、実施形態の基板を製造する方法を説明するための断面図である。 図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、基板を用いて半導体発光素子を製造する方法を説明するための断面図である。 図６は、｛０００１｝面、｛１０−１０｝面、及び｛１１−２４｝面のそれぞれにＭｇＺｎＯ結晶を成長させたときの、ＭｇＺｎＯ結晶中の残留電子濃度（ノンドープの場合）及びｐ型キャリア濃度（窒素ドープの場合）を示す図表である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。図１に示された半導体発光素子は、発光ダイオードといった面発光素子に好適な構造である。

図１を参照すると、半導体発光素子１は、支持基体１１と、ｎ型クラッド層３と、活性層５と、ｐ型クラッド層７と、ｐ型コンタクト層１７と、カソード電極２１と、アノード電極２３とを備える。

支持基体１１は、基板１３と、該基板１３の主面１３ａ上にエピタキシャル成長されたｎ型バッファ層１５とを含んで構成される。基板１３の主面１３ａ上には、ｎ型バッファ層１５を介して、ｎ型クラッド層３、活性層５、ｐ型クラッド層７、及びｐ型コンタクト層１７が順次積層されている。基板１３は、III族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物や、II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物といった六方晶系化合物を含んで構成されている。具体的には、基板１３として、例えばV族原子として窒素原子（Ｎ）を含むIII族窒化物（例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物）からなる窒化物基板や、或いはII族原子として亜鉛原子（Ｚｎ）を含む化合物（例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）系化合物）からなる基板を用いることができる。

基板１３は、例えば厚さ３００μｍ以上、平面寸法１０ｍｍ×１０ｍｍ以上といった矩形の板状を呈している。また、基板１３は、例えばシリコン（Ｓｉ）といったｎ型ドーパントが添加されることによりｎ型の導電性を有する。基板１３における好適なｎ型ドーパント濃度は、例えば１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。また、基板１３は、活性層５において発生した光が該基板１３を好適に透過するように、波長４５０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の光に対する吸収係数が２ｃｍ^-1以上１００ｃｍ^-1以下であることが好ましい。

ここで、図２（Ａ）は、本実施形態における基板１３を示す斜視図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す基板１３における結晶方位を説明するための図である。本実施形態における基板１３の主面１３ａは、該主面１３ａの少なくとも一部に垂直な軸Ａと基板１３の単位格子におけるｃ軸方向（すなわち＜０００１＞方向）とのなす角がゼロより大きくなるように形成されている。特に、主面１３ａは、軸Ａが、図２（Ｂ）に示すように基板１３の単位格子における＜１０−１０＞方向に沿うように形成されていることが好ましい。換言すれば、基板１３の主面１３ａの少なくとも一部は、基板１３の単位格子における｛１０−１０｝面（図２（Ｂ）の面３１）を含むことが好ましい。なお、ここで、「｛１０−１０｝面を含んでいる」とは、主面１３ａの少なくとも一部が｛１０−１０｝面と厳密に一致している場合に限られるものではなく、例えば主面１３ａの少なくとも一部と｛１０−１０｝面とのなす角の絶対値が１０°以下であれば、主面１３ａの少なくとも一部が｛１０−１０｝面と厳密に一致している場合とほぼ同等の作用効果を得ることができる。

或いは、主面１３ａは、基板１３の単位格子における＜１１−２４＞方向や＜１１−２０＞方向に軸Ａが沿うように形成されることが好ましい。換言すれば、基板１３の主面１３ａの少なくとも一部は、基板１３の単位格子における｛１１−２４｝面や｛１１−２０｝面を含むことが好ましい。

また、図２（Ｂ）に示した基板１３の単位格子は、ｃ軸方向（すなわち［０００１］方向）の寸法が５．１８５１±０．０００５Åの範囲内であり、ａ₁軸（［２−１−１０］方向）、もしくはａ₂軸（［−１２−１０］方向）、ａ₃軸（［−１−１２０］方向）の寸法が３．１８９１±０．０００５Åの範囲内であることが好ましい。或いは、基板１３の主面１３ａにおける単位面積（１ｍｍ×１ｍｍ）をＸ線回折法によって測定したＸ線ロッキングカーブのピーク半値幅（Full Width Half Maximum、ＦＷＨＭ）が、１０００［ａｒｃｓｅｃ］以下であることが好ましい。基板１３が上記いずれかの特徴を備えれば、基板１３の結晶性が良好であるといえる。また、このような基板１３は、後述する製造方法によって好適に実現される。

また、基板１３がIII族窒化物からなる窒化物基板である場合、基板１３の主面１３ａにおける転位密度は、１×１０⁸ｃｍ^-2以下といった比較的小さな値であることが好ましい。このような基板１３もまた、後述する製造方法によって好適に実現される。このように、基板１３の主面１３ａにおける転位密度を比較的小さく抑えることにより、非発光中心として働き活性層５に形成される貫通転位の密度を低減できる。

ｎ型バッファ層１５は、基板１３と同じ材料、すなわちＳｉといったｎ型ドーパントが添加された、III族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物や、II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物といった六方晶系化合物を含んで構成されている。

再び図１を参照する。ｎ型クラッド層３は、本実施形態における第１導電型半導体層であり、III族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物や、II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物といった六方晶系化合物半導体を含んで構成されている。具体的には、ｎ型クラッド層３は、例えばV族原子として窒素原子（Ｎ）を含むIII族窒化物（例えばＡｌ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１≦１）などのＧａＮ系化合物）からなる第１導電型窒化物半導体層であってもよく、或いはII族原子として亜鉛原子（Ｚｎ）を含む化合物（例えばＭｇ_Ｙ１Ｚｎ_１−Ｙ１Ｏ（０≦Ｙ１＜１）などのＺｎＯ系化合物）からなる半導体層であってもよい。ｎ型クラッド層３には、例えばシリコンといったｎ型ドーパントが添加されている。ｎ型クラッド層３は、支持基体１１上すなわちｎ型バッファ層１５上にエピタキシャル成長されてなる。

活性層５は、半導体発光素子１における発光領域である。活性層５は、III族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物や、II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物といった六方晶系化合物を含んで構成されている。具体的には、活性層５は、例えばV族原子として窒素原子（Ｎ）を含むIII族窒化物（例えばＡｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）などのＧａＮ系化合物）や、或いはII族原子として亜鉛原子（Ｚｎ）を含む化合物（例えばＺｎＯなどのＺｎＯ系化合物）からなる。活性層５は、ｎ型クラッド層３上にエピタキシャル成長されてなる。

ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層１７は、本実施形態における第２導電型半導体層であり、III族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物や、II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物といった六方晶系化合物半導体を含んで構成されている。具体的には、ｐ型クラッド層７は、例えばV族原子として窒素原子（Ｎ）を含むIII族窒化物（例えばＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１）などのＧａＮ系化合物）からなる第２導電型窒化物半導体層であってもよく、或いはII族原子として亜鉛原子（Ｚｎ）を含む化合物（例えばＭｇ_Ｙ２Ｚｎ_１−Ｙ２Ｏ（０≦Ｙ２＜１）などのＺｎＯ系化合物）からなる半導体層であってもよい。ｐ型クラッド層７がIII−V族化合物を含む場合、ｐ型クラッド層７にはｐ型ドーパントとして例えばマグネシウム（Ｍｇ）が添加されている。また、ｐ型クラッド層７がII−VI族化合物を含む場合、ｐ型クラッド層７にはｐ型ドーパントとして例えば窒素（Ｎ）が添加されている。ｐ型クラッド層７は、活性層５上にエピタキシャル成長されてなる。すなわち、活性層５は、ｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層７との間に設けられている。

ｎ型クラッド層３は活性層５に電子を供給し、ｐ型クラッド層７は活性層５に正孔を供給する。また、活性層５がＡｌＩｎＧａＮやＺｎＯを含み、ｎ型クラッド層３及びｐ型クラッド層７がそれぞれＡｌＧａＮやＭｇＺｎＯからなることによって、ｎ型クラッド層３及びｐ型クラッド層７の電位障壁（バンドギャップ）が活性層５の電位障壁よりも高くなっている。従って、活性層５に供給されたキャリア（電子および正孔）が、ｎ型クラッド層３及びｐ型クラッド層７の働きによって活性層５内部に閉じ込められ、活性層５における再結合が促進されて光が効率よく発生する。

ここで、ｎ型バッファ層１５、ｎ型クラッド層３、活性層５、及びｐ型クラッド層７は、それぞれ基板１３の主面１３ａ上に順にエピタキシャル成長されて成るので、活性層５のｎ型クラッド層３側の界面、及び活性層５のｐ型クラッド層７側の界面の面方位は、それぞれ主面１３ａの面方位が反映される。すなわち、活性層５のｎ型クラッド層３側の界面に垂直な軸、及び活性層５のｐ型クラッド層７側の界面に垂直な軸のそれぞれと活性層５のｃ軸方向とのなす角度は、ゼロより大きくなる。例えば、主面１３ａの少なくとも一部が｛１０−１０｝面を含む場合、活性層５を挟む２つの界面も｛１０−１０｝面を含むこととなる。なお、活性層５を挟む２つの界面は、主面１３ａと同様に、活性層５における｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面のうちいずれかの面を含むことが好ましい。

ｐ型コンタクト層１７は、ｐ型クラッド層７とアノード電極２３とを電気的に接続するための層であり、ｐ型ドーパントが添加された六方晶系化合物半導体からなる。例えば、本実施形態ではｐ型コンタクト層１７は、マグネシウムがドープされた窒化ガリウムなどの窒化物半導体や、或いは窒素がドープされた酸化亜鉛などのＺｎＯ系化合物半導体からなる。ｐ型コンタクト層１７は、ｐ型クラッド層７上に形成されている。

カソード電極２１は、本実施形態における第１の電極である。カソード電極２１は、基板１３の裏面１３ｂ上に設けられている。本実施形態では、カソード電極２１は基板１３の裏面１３ｂの一部分（略中央部分）上に設けられている。カソード電極２１は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ａｕといった金属が順次積層されてなり、基板１３の裏面１３ｂとの間にオーミック接触が実現されている。

アノード電極２３は、本実施形態における第２の電極である。アノード電極２３は、ｐ型コンタクト層１７上に設けられている。本実施形態では、アノード電極２３は、ｐ型コンタクト層１７上の全面にわたって設けられている。アノード電極２３は、例えばＮｉ／Ａｕ／Ａｌ／Ａｕといった金属が順次積層されてなり、ｐ型コンタクト層１７との間にオーミック接触が実現されている。また、アノード電極２３は、活性層５において発生した光を反射する機能も有している。

ここで、図３は、本実施形態における活性層５をさらに詳細に説明するための、半導体発光素子１の側面断面図である。図３に示すように、活性層５は、一または複数の井戸層（例えば井戸層２５ａ〜２５ｃ）および複数のバリア層（例えばバリア層２７ａ〜２７ｄ）を有している。本実施形態では、井戸層２５ａ〜２５ｃそれぞれの厚さｔが３ｎｍよりも大きくなるように、井戸層２５ａ〜２５ｃが形成されている。

また、井戸層２５ａ〜２５ｃおよびバリア層２７ａ〜２７ｄは交互に積層されており、活性層５において量子井戸構造を構成している。活性層５がIII族窒化物からなる場合、井戸層２５ａ〜２５ｃは、例えばＡｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなり、バリア層２７ａ〜２７ｄは、例えばＡｌ_Ｘ３Ｉｎ_Ｙ３Ｇａ_{（１−Ｘ３−Ｙ３）}Ｎ（０≦Ｘ３＜１，０≦Ｙ３＜１）からなる。量子井戸構造は、バリア層２７ａ〜２７ｄのバンドギャップが井戸層２５ａ〜２５ｃのバンドギャップよりも大きくなるように構成され、従ってバリア層２７ａ〜２７ｄは井戸層２５ａ〜２５ｃに対する電位障壁を提供する。なお、本実施形態における活性層５は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有するが、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造であってもよい。

また、井戸層２５ａ〜２５ｃ及びバリア層２７ａ〜２７ｄは、それぞれ交互にエピタキシャル成長されて成るので、井戸層２５ａ〜２５ｃとバリア層２７ａ〜２７ｄとの界面の面方位は、それぞれ基板１３の主面１３ａの面方位が反映される。すなわち、井戸層２５ａ〜２５ｃとバリア層２７ａ〜２７ｄとの界面に垂直な軸と、井戸層２５ａ〜２５ｃ及びバリア層２７ａ〜２７ｄのｃ軸方向とのなす角度は、ゼロより大きくなる。井戸層２５ａ〜２５ｃとバリア層２７ａ〜２７ｄとの界面は、主面１３ａと同様に、｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面のうちいずれかの面を含むことが好ましい。

なお、半導体発光素子１では、比較的大きな輝度を得るために、活性層５の厚さ方向と交差する断面の面積は０．１ｍｍ²以上あることが好ましい。また、発光効率を高く維持するために、活性層５の上記断面積のうちキャリアが注入されて発光領域となる面積の割合が９０％以上であることが好ましい。

以上の構成を有する半導体発光素子１の動作は以下のとおりである。アノード電極２３とカソード電極２１との間に駆動電圧が印加されると、電子及び正孔が活性層５内の井戸層２５ａ〜２５ｃに集中する。そして、井戸層２５ａ〜２５ｃ内において電子と正孔が再結合することにより光が発生する。活性層５において発生した光のうち、アノード電極２３へ向かった光はアノード電極２３において反射する。そして、光は、基板１３の裏面１３ｂから半導体発光素子１の外部へ出射される。

ここで、以上に説明した本実施形態の半導体発光素子１の製造方法について説明する。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、本実施形態の基板１３（図２（Ａ）参照）を製造する方法を説明するための断面図である。また、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、基板１３を用いて半導体発光素子１を製造する方法を説明するための断面図である。なお、以下の説明では基板１３が窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる場合について説明するが、基板１３が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる場合も以下と同様の方法によって製造可能である。

まず、図４（Ａ）に示すように、｛１１１｝面を主面４１ａとするＧａＡｓウェハ４１を用意する。そして、以下に説明するエピタキシャルラテラルオーバーグロース（Epitaxial Lateral Overgrowth：ＥＬＯ）と呼ばれる方法によってＧａＡｓウェハ４１の主面４１ａ上にＧａＮを成長させる。ＥＬＯでは、まず、ＧａＡｓウェハ４１の主面４１ａ上に窓付きマスク４３を形成する。この窓付きマスク４３の材料としては、その材料の上にＧａＮが直接に成長しないようなものを用いるとよい。

続いて、図４（Ｂ）に示すように、ＧａＡｓウェハ４１の主面４１ａ上に、窓付きマスク４３の窓を通してＧａＮをエピタキシャル成長させることにより、ＧａＮインゴット４５を形成する。このとき、ＧａＮはｃ軸方向に成長する。また、このとき、ＧａＡｓとＧａＮとの格子不整合に起因する結晶欠陥（転位など）が発生するが、ＧａＮはＧａＡｓウェハ４１の直上に成長した後、窓付きマスク４３上を主面４１ａに沿った方向に成長するので、結晶欠陥も同様の方向に成長する。そして、結晶欠陥は、主面４１ａに沿った方向に成長したＧａＮ同士がぶつかる位置に集まり、面状欠陥となる。このように、ＧａＮ内部において分散して発生する結晶欠陥がＥＬＯによって面状欠陥に集約されることにより、例えば転位密度が１×１０⁸ｃｍ^-2以下といった低転位密度のＧａＮインゴット４５を好適に得ることができる。

続いて、ＧａＮインゴット４５からＧａＮウェハ４７を切り出す。このとき、例えばＧａＮウェハ４７の主面４７ａがＧａＮインゴット４５のｃ軸方向と平行になるように切り出すことによって、｛１０−１０｝面または｛１１−２０｝面を主面４７ａに含むＧａＮウェハ４７を好適に得ることができる（図４（Ｃ））。或いは、例えばＧａＮウェハ４９の主面４９ａがＧａＮインゴット４５のｃ軸方向と斜めに交差するように切り出すことによって、｛１１−２４｝面を主面４９ａに含むＧａＮウェハ４９を好適に得ることができる。なお、以下の説明では、｛１０−１０｝面を主面４７ａに含むＧａＮウェハ４７を切り出した場合について説明する。

続いて、図５（Ａ）に示すように、ＧａＮウェハ４７の主面４７ａ上にｎ型バッファ層５１、ｎ型クラッド層５３、活性層５５、ｐ型クラッド層５７、及びｐ型コンタクト層５９を順にエピタキシャル成長させる。これらの材料は、それぞれ上述したｎ型バッファ層１５、ｎ型クラッド層３、活性層５、ｐ型クラッド層７、及びｐ型コンタクト層１７の材料と同じである。続いて、図５（Ｂ）に示すように、ｐ型コンタクト層５９上にアノード電極６１を蒸着等により形成する。また、ＧａＮウェハ４７の裏面４７ｂ上に所定パターンのマスクを施し、カソード電極材料を蒸着させた後にマスクを除去することにより、複数のカソード電極２１を形成する。

続いて、ＧａＮウェハ４７及び各層を厚さ方向に切断することによって、図５（Ｃ）に示すように、ＧａＮからなる基板１３、ｎ型バッファ層１５、ｎ型クラッド層３、活性層５、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層１７、アノード電極２３、及びカソード電極２１を備える半導体発光素子１が完成する。

なお、基板１３が酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなる場合には、インゴット成長方法が窒化ガリウムとは異なるが、インゴットから基板を切り出す工程以降の上記製造方法と同様の方法によって半導体発光素子１を製造できる。この場合、まず、導電性酸化亜鉛（ＺｎＯ）結晶からＺｎＯウェハを切り出す。このとき、例えばＺｎＯウェハの主面がＺｎＯ結晶のｃ軸方向と平行になるように切り出すことによって、｛１０−１０｝面または｛１１−２０｝面を主面に含むＺｎＯウェハを得ることができる。或いは、例えばＺｎＯウェハの主面がＺｎＯ結晶のｃ軸方向と斜めに交差するように切り出すことによって、｛１１−２４｝面を主面に含むＺｎＯウェハを得ることができる。

続いて、例えば分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用い、ｎ型のＺｎＯからなるｎ型バッファ層及びｎ型のＭｇＺｎＯからなるｎ型クラッド層をＺｎＯウェハ上にそれぞれ１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さに順次成長させ、その上にアンドープのＺｎＯからなる活性層を１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さに成長させ、その上にｐ型のＭｇＺｎＯからなるｐ型バッファ層及びｐ型のＺｎＯからなるｐ型コンタクト層をそれぞれ１０ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さに順次成長させる。そして、ＺｎＯウェハの裏面上及びｐ型コンタクト層上にそれぞれオーミック電極を形成し、ＺｎＯウェハ及びＺｎＯウェハ上の各層を厚さ方向に切断することによって、半導体発光素子が完成する。

以上に説明した本実施形態による半導体発光素子１の効果について説明する。通常、III族窒化物半導体やＺｎＯ系半導体を製造する際には、基板のｃ面上に活性層などの半導体層を成長させることが多い。これは、III族窒化物やＺｎＯ系化合物をｃ軸方向に成長させたほうが、結晶表面の平坦性やフォトルミネッセンス（ＰＬ）特性にとって好ましいとされているためである。

しかしながら、活性層を挟む２つの界面（ヘテロ界面）に直交する軸と活性層におけるｃ軸とが一致するとき（すなわち、活性層がｃ面上に成長したとき）に、活性層のヘテロ界面において発生するピエゾ電界といった自然発生電界が最も大きくなる。本実施形態による半導体発光素子１では、活性層５のｎ型クラッド層３側の界面に直交する軸、及び活性層５のｐ型クラッド層７側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層５におけるｃ軸とのなす角度が、ゼロより大きくなるように（すなわち、活性層５を挟む２つのヘテロ界面がｃ面とは異なるように）活性層５が形成されている。これによって、活性層５における自然発生電界を低減することができる。そして、活性層５において電子と正孔との波動関数の重なり部分が広くなり、再結合確率が高まるので、活性層５を従来よりも厚くすることが可能となり、半導体発光素子を高輝度化することができる。

また、本実施形態による半導体発光素子１では、基板１３の主面１３ａに直交する軸Ａ（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）参照）と基板１３のｃ軸とのなす角度がゼロより大きくなるように（すなわち、基板１３の主面１３ａがｃ面とは異なるように）主面１３ａが形成されている。これによって、主面１３ａ上にエピタキシャル成長される活性層５の２つのヘテロ界面がｃ面とは異なるので、活性層５における自然発生電界を低減することができる。また、活性層５を従来よりも厚くすることが可能となり、半導体発光素子を高輝度化することができる。

また、本発明者らは、ｃ軸方向を成長方向としてII−VI族化合物結晶を成長させるよりも、他の成長方向でII−VI族化合物結晶を成長させたほうが良好な半導体特性が得られることを見出した。ここで、図６は、｛０００１｝面、｛１０−１０｝面、及び｛１１−２４｝面のそれぞれにＭｇＺｎＯ結晶を成長させたときの、ＭｇＺｎＯ結晶中の残留電子濃度（ノンドープの場合）及びｐ型キャリア濃度（窒素ドープの場合）を示す図表である。図６に示すように、｛０００１｝面にＭｇＺｎＯ結晶を成長させた場合（すなわちｃ軸方向を成長方向としてＺｎＯ結晶を成長させた場合）、アンドープ時の残留電子濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3と大きく、また、窒素ドープ時のｐ型キャリア濃度が測定不能、すなわちｐ型の導電性を示していないことがわかる。これに対し、｛１０−１０｝面にＭｇＺｎＯ結晶を成長させた場合、アンドープ時の残留電子濃度が８×１０¹⁴ｃｍ^-3と小さくなり、窒素ドープ時のｐ型キャリア濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3といった大きな値にできる。同様に、｛１１−２４｝面にＭｇＺｎＯ結晶を成長させた場合、アンドープ時の残留電子濃度が２×１０¹⁵ｃｍ^-3と小さくなり、窒素ドープ時のｐ型キャリア濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3といった大きな値にできる。

このように、ｃ軸から傾斜した方向を成長方向としてＭｇＺｎＯ結晶を成長させることにより、所望の不純物濃度を実現でき、良好な半導体特性が得られる。これは、ｃ軸方向を成長方向としてＭｇＺｎＯ結晶を成長させた場合、結晶内部における亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とのバランスが乱れ易く、結晶欠陥が多く生じて電気的に不安定になるためと考えられる。本実施形態の半導体発光素子１によれば、基板１３の主面１３ａに垂直な軸と基板１３のｃ軸方向とのなす角がゼロより大きくなるように主面１３ａが形成されているので、その上に成長するｐ型半導体層（ｐ型クラッド層７及びｐ型コンタクト層１７）の不純物濃度を所望の値に容易に制御できる。なお、ＭｇＺｎＯ結晶にカドミウム原子（Ｃｄ）を混入させることにより、ＭｇＺｎＯ結晶の結晶性を更に良くすることができる。

また、本実施形態のように、基板１３の主面１３ａは、基板１３の｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面のうち何れかの面を含むことが好ましい。これによって、活性層５の２つのヘテロ界面がこれらのうち何れかの面を含むこととなり、活性層５における自然発生電界を効果的に低減することができる。

また、本実施形態のように、基板１３の裏面１３ｂ上にカソード電極２１が、ｐ型コンタクト層１７上にアノード電極２３が、それぞれ設けられることが好ましい。このように、半導体発光素子１の両面に電極が設けられることによって、活性層５へ電子及び正孔を効率よく注入できるので、半導体発光素子１をさらに高輝度化できる。

また、本実施形態のように、基板１３の主面１３ａにおける転位密度は１×１０⁸ｃｍ^-2以下であることが好ましい。このように、基板１３の主面１３ａにおける転位密度が比較的小さいことによって、ｎ型バッファ層１５及びｎ型クラッド層３を貫通して活性層５に達する転位の密度が低く抑えられ、発光効率をさらに高めることができる。

また、本実施形態のように、活性層５は、井戸層２５ａ〜２５ｃと、井戸層２５ａ〜２５ｃを挟んで井戸層２５ａ〜２５ｃに電位障壁を提供するバリア層２７ａ〜２７ｄとを含む量子井戸構造を有し、井戸層２５ａ〜２５ｃの厚さが３ｎｍよりも大きいことが好ましい。従来、量子井戸構造における井戸層のヘテロ界面に生じる自然発生電界によって、井戸層の厚さは３ｎｍ以下に制限されていた。本実施形態による半導体発光素子１によれば、上述したように井戸層２５ａ〜２５ｃにおける自然発生電界を低減できるので、井戸層２５ａ〜２５ｃを従来よりも厚く（３ｎｍよりも厚く）することが可能となる。

また、本実施形態のように、井戸層２５ａ〜２５ｃは、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなってもよい。井戸層２５ａ〜２５ｃがインジウム（Ｉｎ）を組成に含む場合にはＩｎの組成比が大きいほど自然発生電界が顕著になるが、本実施形態による半導体発光素子１では井戸層２５ａ〜２５ｃにおける自然発生電界を低減できるので、井戸層２５ａ〜２５ｃがＩｎを組成に含む場合であっても高輝度化が可能となる。

また、本実施形態のように、ｎ型クラッド層３、活性層５、及びｐ型クラッド層７の六方晶系化合物は、II族原子及びVI族原子を含んでもよく、或いはIII族原子及びV族原子を含んでもよい。II族原子及びVI族原子を含むII−VI族化合物結晶やIII族原子及びV族原子を含むIII−V族化合物結晶はそれぞれ六方晶を構成するので、活性層５のｎ型クラッド層３側の界面に直交する軸、及び活性層５のｐ型クラッド層７側の界面に直交する軸のそれぞれと活性層５におけるｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことにより、活性層５における自然発生電界を効果的に低減することができる。

本発明による半導体発光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他にも様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、半導体発光素子として発光ダイオードといった面発光半導体素子を説明しているが、本発明はレーザダイオードに対しても適用することができる。

１…半導体発光素子、３…ｎ型クラッド層、５…活性層、７…ｐ型クラッド層、１１…支持基体、１３…基板、１３ａ…主面、１３ｂ…裏面、１５…ｎ型バッファ層、１７…ｐ型コンタクト層、２１…カソード電極、２３…アノード電極、２５ａ〜２５ｃ…井戸層、２７ａ〜２７ｄ…バリア層。

Claims (17)

1. 六方晶系化合物からなる第１導電型半導体層と、
   六方晶系化合物からなり前記第１導電型半導体層上に設けられた第２導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層と第２導電型半導体層との間に設けられており、六方晶系化合物からなる活性層と
   を備え、
   前記活性層の前記第１導電型半導体層側の界面に直交する軸、及び前記活性層の前記第２導電型半導体層側の界面に直交する軸のそれぞれと前記活性層におけるｃ軸とのなす角度が、ゼロより大きいことを特徴とする、半導体発光素子。
2. 六方晶系化合物からなり主面を有する基板と、
   六方晶系化合物からなり前記基板の前記主面上にエピタキシャル成長された第１導電型半導体層と、
   前記第１導電型半導体層上にエピタキシャル成長され、六方晶系化合物からなる活性層と、
   六方晶系化合物からなり前記活性層上にエピタキシャル成長された第２導電型半導体層と
   を備え、
   前記基板の前記主面に直交する軸と前記基板のｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことを特徴とする、半導体発光素子。
3. 前記基板の前記主面が、該基板の｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面のうち何れかの面を含むことを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記基板の裏面上に設けられ、前記基板とオーミック接触された第１の電極と、
   前記第２導電型半導体層上に設けられ、前記第２導電型半導体層とオーミック接触された第２の電極と
   をさらに備えることを特徴とする、請求項２または３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１導電型半導体層、前記第２導電型半導体層、及び前記活性層の前記六方晶系化合物が、II族原子及びVI族原子を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
6. 前記II族原子が亜鉛原子であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記六方晶系化合物がＺｎＯ系化合物であることを特徴とする、請求項５に記載の半導体発光素子。
8. 前記第１導電型半導体層、前記第２導電型半導体層、及び前記活性層の前記六方晶系化合物がIII族原子及びV族原子を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
9. 前記V族原子が窒素原子であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記六方晶系化合物がＧａＮ系化合物であることを特徴とする、請求項８に記載の半導体発光素子。
11. 第１導電型窒化物半導体層と、
    前記第１導電型窒化物半導体層上に設けられた第２導電型窒化物半導体層と、
    前記第１導電型窒化物半導体層と第２導電型窒化物半導体層との間に設けられており、窒化物からなる活性層と
    を備え、
    前記活性層の前記第１導電型窒化物半導体層側の界面に直交する軸、及び前記活性層の前記第２導電型窒化物半導体層側の界面に直交する軸のそれぞれと前記活性層におけるｃ軸とのなす角度が、ゼロより大きいことを特徴とする、半導体発光素子。
12. III族窒化物からなり主面を有する窒化物基板と、
    前記窒化物基板の前記主面上にエピタキシャル成長された第１導電型窒化物半導体層と、
    前記第１導電型窒化物半導体層上にエピタキシャル成長され、窒化物からなる活性層と、
    前記活性層上にエピタキシャル成長された第２導電型窒化物半導体層と
    を備え、
    前記窒化物基板の前記主面に直交する軸と前記窒化物基板のｃ軸とのなす角度がゼロより大きいことを特徴とする、半導体発光素子。
13. 前記窒化物基板の前記主面が、該窒化物基板の｛１０−１０｝面、｛１１−２４｝面、及び｛１１−２０｝面のうち何れかの面を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の半導体発光素子。
14. 前記窒化物基板の裏面上に設けられ、前記窒化物基板とオーミック接触された第１の電極と、
    前記第２導電型窒化物半導体層上に設けられ、前記第２導電型窒化物半導体層とオーミック接触された第２の電極と
    をさらに備えることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の半導体発光素子。
15. 前記窒化物基板の前記主面における転位密度が１×１０⁸ｃｍ^-2以下であることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
16. 前記活性層が、井戸層と、該井戸層を挟んで該井戸層に電位障壁を提供するバリア層とを含む量子井戸構造を有し、前記井戸層の厚さが３ｎｍよりも大きいことを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
17. 前記井戸層が、Ａｌ_ＸＩｎ_ＹＧａ_{（１−Ｘ−Ｙ）}Ｎ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなることを特徴とする、請求項１６に記載の半導体発光素子。

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