JP2012070016A - 窒化物系半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化物系半導体素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 表面がｍ面から１°以上５°以下の角度で傾斜した基板上で結晶成長させたＧａＮ系半導体素子におけるコンタクト抵抗を低減する。
【解決手段】 本発明の窒化物系半導体素子は、表面１２がｍ面から１°以上５°以下の角度で傾斜したｐ型半導体領域を有する半導体積層構造２０と、ｐ型半導体領域上に設けられた電極３０とを備える。ｐ型半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）層２６から形成されている。電極３０は、Ｚｎ層３２を含み、Ｚｎ層３２は、半導体積層構造２０におけるｐ型半導体領域の表面に接触している。
【選択図】図３

Description

本発明は、窒化物系半導体素子およびその製造方法に関する。特に、本発明は、紫外から青色、緑色、オレンジ色および白色などの可視域全般の波長域における発光ダイオード、レーザダイオード等のＧａＮ系半導体発光素子に関する。このような発光素子は、表示、照明および光情報処理分野等への応用が期待されている。また、本発明は、窒化物系半導体素子に用いる電極の製造方法にも関する。
Ｖ族元素として窒素（Ｎ）を有する窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから、短波長発光素子の材料として有望視されている。そのなかでも、窒化ガリウム系化合物半導体（ＧａＮ系半導体：ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）
の研究は盛んに行われ、青色発光ダイオード（ＬＥＤ）、緑色ＬＥＤ、ならびに、ＧａＮ系半導体を材料とする半導体レーザも実用化されている。
ＧａＮ系半導体は、ウルツ鉱型結晶構造を有している。図１は、ＧａＮの単位格子を模式的に示している。ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）半導体
の結晶では、図１に示すＧａの一部がＡｌおよび／またはＩｎに置換され得る。
図２は、ウルツ鉱型結晶構造の面を４指数表記（六方晶指数）で表すために一般的に用いられている４つの基本ベクトルａ1、ａ2、ａ3、ｃを示している。基本ベクトルｃは、
［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面（ｐｌａｎｅ）は「ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれている。なお、「ｃ軸」および「ｃ面」は、それぞれ、「Ｃ軸」および「Ｃ面」と表記される場合もある。
ＧａＮ系半導体を用いて半導体素子を作製する場合、ＧａＮ系半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板すなわち（０００１）面を表面に有する基板が使用される。しかしながら、ｃ面においてはＧａの原子層と窒素の原子層の位置がｃ軸方向に僅かにずれているため、分極（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が形成される。この
ため、「ｃ面」は「極性面」とも呼ばれている。分極の結果、活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸にはｃ軸方向に沿ってピエゾ電界が発生する。このようなピエゾ電界が活性層に発生すると、活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により、内部量子効率が低下し、半導体レーザであれば、しきい値電流の増大が引き起こされ、ＬＥＤであれば、消費電力の増大や発光効率の低下が引き起こされる。また、注入キャリア密度の上昇と共にピエゾ電界のスクリーニングが起こり、発光波長の変化も生じる。
そこで、これらの課題を解決するため、非極性面、例えば［１０−１０］方向に垂直な、ｍ面と呼ばれる（１０−１０）面を表面に有する基板（ｍ面ＧａＮ系基板）を使用することが検討されている。ここで、ミラー指数を表すカッコ内の数字の左に付された「−」は、「バー」を意味する。ｍ面は、図２に示されるように、ｃ軸（基本ベクトルｃ）に平行な面であり、ｃ面と直交している。ｍ面においてはＧａ原子と窒素原子は同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。その結果、ｍ面に垂直な方向に半導体積層構造を形成すれば、活性層にピエゾ電界も発生しないため、上記課題を解決することができる。ｍ面は、（１０−１０）面、（−１０１０）面、（１−１００）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面の総称である。
なお、本明細書では、六方晶ウルツ鉱構造のＸ面（Ｘ＝ｃ、ｍ）に垂直な方向にエピタキシャル成長が生じることを「Ｘ面成長」と表現する。Ｘ面成長において、Ｘ面を「成長面」と称し、Ｘ面成長によって形成された半導体の層を「Ｘ面半導体層」と称する場合がある。
特開２００１−３０８４６２号公報 特開２００３−３３２６９７号公報
上述のように、ｍ面基板上で成長させたＧａＮ系半導体素子は、ｃ面基板上で成長させたものと比較して顕著な効果を発揮し得るが、次のような問題がある。すなわち、ｍ面基板上で成長させたＧａＮ系半導体素子は、ｃ面基板上で成長させたものよりもコンタクト抵抗が高く、それが、ｍ面基板上で成長させたＧａＮ系半導体素子を使用する上で大きな技術的な障害となっている。
そのような状況の中、本願発明者は、非極性面であるｍ面上に成長させたＧａＮ系半導体素子が持つコンタクト抵抗が高いという課題を解決すべく、鋭意検討した結果、コンタクト抵抗を低くすることができる手段を見出した。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、ｍ面基板上で結晶成長させたＧａＮ系半導体素子におけるコンタクト抵抗を低減できる構造および製造方法を提供することにある。
本発明の窒化物系半導体素子は、ｐ型ＧａＮ系半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の主面上に形成された電極とを備え、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域における前記主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であり、前記電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面に接触したＺｎ層を含む。
ある実施形態において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ
＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成される。
ある実施形態において、前記電極は、前記Ｚｎ層と、前記Ｚｎ層の上に形成された金属層とを含み、前記金属層は、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属からなる。
ある実施形態において、前記窒化物系半導体積層構造は、ＡｌaＩｎbＧａcＮ層（ａ＋
ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０，ｂ≧０，ｃ≧０）を含む活性層を有し、前記活性層は光を発する。
ある実施形態において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ｐ型コンタクト層である。
ある実施形態において、前記Ｚｎ層の厚さは前記金属層の厚さ以下である。
ある実施形態において、前記窒化物系半導体積層構造を支持する半導体基板を有している。
ある実施形態において、前記Ｚｎ層の少なくとも一部が合金化している。
ある実施形態において、前記Ｚｎ層はアイランド状である。
ある実施形態において、前記Ｚｎ層は、Ｚｎと、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属との合金から形成されている。
ある実施形態において、前記電極は、前記Ｚｎ層のみから構成され、前記Ｚｎ層は、Ｚｎと、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属との合金から形成されている。
本発明の光源は、窒化物系半導体発光素子と、前記窒化物系半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部とを備える光源であって、前記窒化物系半導体発光素子は、ｐ型ＧａＮ系半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の主面上に形成された電極とを備え、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域における前記主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であり、前記電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面に接触したＺｎ層を含む。
ある実施形態において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ
＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体からなる。
ある実施形態において、前記Ｚｎ層の少なくとも一部が合金化している。
本発明の窒化物系半導体素子の製造方法は、基板を用意する工程（ａ）と、主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であるｐ型ＧａＮ系半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造を前記基板上に形成する工程（ｂ）と、前記窒化物系半導体積層構造の前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面上に電極を形成する工程（ｃ）とを含み、前記工程（ｃ）は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面上に、Ｚｎ層を形成する工程を含む。
ある実施形態において、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ
＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体からなる。
ある実施形態において、前記工程（ｃ）は、前記Ｚｎ層を形成した後に、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属からなる金属層を形成する工程を含む。
ある実施形態の前記工程（ｃ）において、前記Ｚｎ層を加熱処理する工程を実行する。
ある実施形態において、前記加熱処理は、４００℃以上６５０℃以下の温度で実行される。
ある実施形態において、前記加熱処理は、４５０℃以上６００℃以下の温度で実行される。
ある実施形態は、前記工程（ｂ）を実行した後において、前記基板を除去する工程を含む。
ある実施形態において、前記Ｚｎ層の少なくとも一部が合金化している。
本発明の窒化物系半導体発光素子によれば、窒化物系半導体積層構造におけるｐ型ＧａＮ系半導体領域の表面（ｍ面）上の電極がＺｎ層を含み、そのＺｎ層がｐ型ＧａＮ系半導体領域の表面（ｍ面）に接触していることにより、そのコンタクト抵抗を低減することができる。本発明では、ｍ面から１°以上５°以下の角度で傾斜した面を主面とするｐ型ＧａＮ系半導体領域を用いた場合であっても、ｍ面ＧａＮ系半導体領域（ｍ面からの傾斜が１°未満の面を主面とするｐ型ＧａＮ系半導体領域）を用いた場合と同様の効果を奏する。
ＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図 ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ1、ａ2、ａ3、ｃを示す斜視図 （ａ）は、本発明の実施形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の断面模式図、（ｂ）はｍ面の結晶構造を表す図、（ｃ）はｃ面の結晶構造を表す図 （ａ）から（ｃ）は、電極におけるＺｎおよびＰｔの分布を模式的に示す図 Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極およびＺｎ／Ｐｔ層からなる電極の固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ2）の値を示すグラフ コンタクト抵抗について熱処理温度の依存性を示すグラフ Ｚｎ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの電流−電圧特性を示すグラフ、および、従来のＰｄ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの電流−電圧特性を示すグラフ 白色光源の実施形態を示す断面図 本発明の他の実施形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体発光素子１００ａを示す断面図 （ａ）は、ＧａＮ系化合物半導体の結晶構造（ウルツ鉱型結晶構造）を模式的に示す図であり、（ｂ）は、ｍ面の法線と、＋ｃ軸方向およびａ軸方向との関係を示す斜視図 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ＧａＮ系化合物半導体層の主面とｍ面との配置関係を示す断面図 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層の主面とその近傍領域を模試的に示す断面図 ｍ面から−ｃ軸方向に１°傾斜したｐ型半導体領域の断面ＴＥＭ写真 ｍ面から−ｃ軸方向に０°、２°、または５°傾斜したｐ型半導体領域の上にＭｇ/Ｐｔ層の電極を形成し、そのコンタクト抵抗（Ω・ｃｍ2）を測定した結果を示すグラフ
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
図３（ａ）は、本発明の実施形態に係る窒化物系半導体発光素子１００の断面構成を模式的に示している。図３（ａ）に示した窒化物系半導体発光素子１００は、ＧａＮ系半導体からなる半導体デバイスであり、窒化物系半導体積層構造を有している。
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００は、ｍ面を表面１２とするＧａＮ系基板（ＧａＮ基板）１０と、ＧａＮ系基板１０の上に形成された半導体積層構造２０と、半導体積層構造２０の上に形成された電極３０とを備えている。本実施形態では、半導体積層構造２０は、ｍ面成長によって形成されたｍ面半導体積層構造であり、その表面はｍ面である。ただし、ｒ面サファイア基板上にはａ面ＧａＮが成長するという事例もあることから、成長条件によっては必ずしもＧａＮ系基板１０の表面がｍ面であることが必須とならない。本発明の構成においては、少なくとも半導体積層構造２０のうち、電極と接触する半導体領域の表面がｍ面であればよい。
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００は、半導体積層構造２０を支持するＧａＮ系基板１０を備えているが、ＧａＮ系基板１０に代えて他の基板を備えていても良いし、基板が取り除かれた状態で使用されることも可能である。
図３（ｂ）は、表面がｍ面である窒化物系半導体の断面（基板表面に垂直な断面）における結晶構造を模式的に示している。Ｇａ原子と窒素原子は、ｍ面に平行な同一原子面上に存在するため、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。すなわち、ｍ面は非極性面であり、ｍ面に垂直な方向に成長した活性層内ではピエゾ電界が発生しない。なお、添加されたＩｎおよびＡｌは、Ｇａのサイトに位置し、Ｇａを置換する。Ｇａの少なくとも一部がＩｎやＡｌで置換されていても、ｍ面に垂直な方向に分極は発生しない。
ｍ面を表面に有するＧａＮ系基板は、本明細書では「ｍ面ＧａＮ系基板」と称される。ｍ面に垂直な方向に成長した窒化物系半導体積層構造を得るには、典型的には、ｍ面ＧａＮ基板を用い、その基板のｍ面上に半導体を成長させればよい。しかし、前述したように、基板の表面がｍ面である必要は無く、また、最終的なデバイスに基板が残っている必要もない。
参考のために、図３（ｃ）に、表面がｃ面である窒化物系半導体の断面（基板表面に垂直な断面）における結晶構造を模式的に示す。Ｇａ原子と窒素原子は、ｃ面に平行な同一原子面上に存在しない。その結果、ｃ面に垂直な方向に分極が発生する。ｃ面を表面に有するＧａＮ系基板を、本明細書では「ｃ面ＧａＮ系基板」と称する。
ｃ面ＧａＮ系基板は、ＧａＮ系半導体結晶を成長させるための一般的な基板である。ｃ面に平行なＧａ（又はＩｎ）の原子層と窒素の原子層の位置がｃ軸方向に僅かにずれているため、ｃ軸方向に沿って分極が形成される。
再び、図３（ａ）を参照する。ｍ面ＧａＮ系基板１０の表面（ｍ面）１２の上には、半導体積層構造２０が形成されている。半導体積層構造２０は、ＡｌaＩｎbＧａcＮ層（ａ
＋ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０，ｂ≧０，ｃ≧０）を含む活性層２４と、ＡｌdＧａeＮ層（ｄ＋ｅ＝１，ｄ≧０，ｅ≧０）２６とを含んでいる。ＡｌdＧａeＮ層２６は、活性層２４を基準にして表面１２の側とは反対の側に位置している。ここで、活性層２４は、窒化物系半導体発光素子１００における電子注入領域である。
本実施形態の半導体積層構造２０には、他の層も含まれており、活性層２４とＧａＮ系基板１０との間には、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１，ｕ≧０，ｖ≧０，ｗ≧０
）２２が形成されている。本実施形態のＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２は、第１導電型（ｎ型
）のＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２である。また、活性層２４とＡｌdＧａeＮ層２６との間に
、アンドープのＧａＮ層を設けてもよい。
ＡｌdＧａeＮ層２６において、Ａｌの組成比率ｄは、厚さ方向に一様である必要はない。ＡｌdＧａeＮ層２６において、Ａｌの組成比率ｄが厚さ方向に連続的または階段的に変化していても良い。すなわち、ＡｌdＧａeＮ層２６は、Ａｌの組成比率ｄが異なる複数の層が積層された多層構造を有していても良いし、ドーパントの濃度も厚さ方向に変化していてもよい。なお、コンタクト抵抗低減の観点から、ＡｌdＧａeＮ層２６の最上部（半導体積層構造２０の上面部分）は、Ａｌの組成比率ｄがゼロである層（ＧａＮ層）から構成されていることが好ましい。
半導体積層構造２０の上には、電極３０が形成されている。本実施形態の電極３０はＺｎ層３２を含む電極であり、Ｚｎ層３２の上には、Ｐｔからなる金属層３４が形成されている。電極３０におけるＺｎ層３２は、半導体積層構造２０のｐ型半導体領域に接触しており、ｐ型電極の一部として機能する。Ｚｎ層３２の少なくとも一部は合金化されていてもよい。すなわち、Ｚｎ層３２のうち金属層３４との境界に位置する部分のみが合金化されていてもよいし、Ｚｎ層３２の全体が合金化されていてもよい。
図４（ａ）から（ｃ）は、Ｚｎ層３２の合金化を説明するための図である。図４（ａ）は、Ｚｎ層３２の一部（上部）が合金化した状態を示している。電極３０Ａは、ＡｌdＧ
ａeＮ層２６に接するＺｎ層３２と、Ｚｎ層３２の上に存在する金属層３４とから構成さ
れている。Ｚｎ層３２の上部は、Ｚｎ-Ｐｔ合金層６１Ａから構成されている。
図４（ｂ）は、ＺｎとＰｔとの合金化がＡｌdＧａeＮ層２６に接する部分まで進行した状態を示している。図４（ｂ）に示す状態において、電極３０ＢにおけるＺｎ層３２（電極３０ＢのうちＡｌdＧａeＮ層２６と接触する部分）は、Ｚｎ−Ｐｔ合金から形成されている。図４（ｂ）に示す電極３０Ｂの例では、Ｚｎ層３２の上には、金属層３４が存在している。
図４（ｃ）に、Ｚｎ層およびＰｔ層の全体が合金化されている状態の電極３０Ｃを示す。この場合、電極３０Ｃは、Ｚｎ−Ｐｔ合金層６１Ｃのみから構成されている。
図４（ａ）から（ｃ）に示すＺｎ−Ｐｔ合金は、ＺｎおよびＰｔから構成されている（主成分がＺｎおよびＰｔである）。図４（ａ）から（ｃ）に示す構造は、Ｚｎ層の上に金属層を形成した後に、熱処理を行うことによって形成することができる。なお、図４（ｃ）に示す構造は、金属層３４を構成する金属とＺｎとの混合物または化合物を蒸着源として蒸着を行った後に熱処理を行うことによって形成してもよい。
本実施形態では、Ｚｎ層３２は、第２導電型（ｐ型）のドーパントがドープされたＡｌdＧａeＮ層２６に接触している。ＡｌdＧａeＮ層２６には、例えば、ドーパントとしてＭｇがドープされている。Ｍｇ以外のｐ型ドーパントとして、例えばＺｎ、Ｂｅなどがドープされていてもよい。
Ｚｎ層３２の表面に接触する金属層３４としては、Ｐｔ層の他、Ａｕに比べるとＺｎと合金を形成し難い金属（例えば、ＭｏやＰｄ）を用いることができる。すなわち、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属を用いればよい。逆に、Ｚｎ層３２と接触する金属層３４として、Ｚｎと合金を形成し易いＡｕ（金）は好ましくない。
なお、Ｚｎ層３２の少なくとも一部は、積層後の熱処理によってアイランド状（島状）に凝集を起こし、互いに間隔を置いて形成されていてもよい。このとき、金属層３４を構成するＰｔは各アイランド状Ｚｎの間に入り込んでいる。金属層３４の少なくとも一部がアイランド状に凝集していてもよい。
本実施形態の電極３０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。電極３０におけるＺｎ層３２は、金属層３４の厚さよりも薄い層であり、Ｚｎ層３２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。なお、ここでのＺｎ層３２の厚さは、熱処理後のＺｎ層の厚さである。Ｚｎ層３２の厚さが５０ｎｍ以下であれば、発光素子を作製するためのプロセスにおける電極剥がれを防止することができる。
金属層（例えば、Ｐｔ層）３４の厚さは、例えば１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。Ｚｎ層３２が金属層３４の厚さよりも薄い層であるのは、Ｚｎ層３２と金属層３４との歪みのバランスが崩れることによるＺｎ層３２とＡｌdＧａeＮ層２６との間での剥離が生じないようにするものである。
また、ｍ面の表面１２を有するＧａＮ系基板１０の厚さは、例えば、１００〜４００μｍである。これはおよそ１００μｍ以上基板厚であればウエハのハンドリングに支障が生じないためである。なお、本実施形態のＧａＮ系基板１０は、ＧａＮ系材料からなるｍ面の表面１２を有していれば、積層構造を有していても構わない。すなわち、本実施形態のＧａＮ系基板１０は、少なくとも表面１２にｍ面が存在している基板も含み、したがって、基板全体がＧａＮ系であってもよいし、他の材料との組み合わせであっても構わない。
本実施形態の構成では、ＧａＮ系基板１０の上に位置するｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ層
（例えば、厚さ０．２〜２μｍ）２２の一部に、電極４０（ｎ型電極）が形成されている。図示した例では、半導体積層構造２０のうち電極４０が形成される領域は、ｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の一部が露出するように凹部４２が形成されている。その凹部４２
にて露出したｎ型のＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の表面に電極４０が設けられている。電極
４０は、例えば、Ｔｉ層とＡｌ層とＰｔ層との積層構造から構成されており、電極４０の厚さは、例えば、１００〜２００ｎｍである。
また、本実施形態の活性層２４は、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ井戸層（例えば、厚さ９ｎｍ）とＧａＮバリア層（例えば、厚さ９ｎｍ）とが交互に積層されたＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造（例えば、厚さ８１ｎｍ）を有している。
活性層２４の上には、ｐ型のＡｌdＧａeＮ層２６が設けられている。ｐ型のＡｌdＧａeＮ層２６の厚さは、例えば、０．２〜２μｍである。なお、上述したように、活性層２４とＡｌdＧａeＮ層２６との間には、アンドープのＧａＮ層を設けてもよい。
加えて、ＡｌdＧａeＮ層２６の上に、第２導電型（例えば、ｐ型）のＧａＮ層を形成することも可能である。そして、そのＧａＮ層の上に、ｐ+−ＧａＮからなるコンタクト層
を形成し、さらに、ｐ+−ＧａＮからなるコンタクト層上に、Ｚｎ層３２を形成すること
も可能である。なお、ＧａＮからなるコンタクト層を、ＡｌdＧａeＮ層２６とは別の層で
あると考える代わりに、ＡｌdＧａeＮ層２６の一部であると考えることもできる。
次に、図５および図６を参照しながら、本実施形態の特徴あるいは特異性を更に詳細に説明する。
図５は、Ｐｄ／Ｐｔ電極、およびＺｎ／Ｐｔ電極の固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ2）
を示すグラフである。Ｐｄ／Ｐｔ電極としては、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上に厚さ４０ｎｍのＰｄ層と、厚さ３５ｎｍのＰｔ層とを堆積した後、５００℃で１０分間、窒素雰囲気中で熱処理を行うことによって形成した電極（ｍ面ＧａＮ（Ｐｄ／Ｐｔ））を用いた。Ｚｎ／Ｐｔ電極としては、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上に厚さ７ｎｍのＺｎ層と、厚さ７５ｎｍのＰｔ層とを堆積した後、５００℃で１０分間、窒素雰囲気中で熱処理を行なうことによって形成した電極（ｍ面ＧａＮ（Ｚｎ／Ｐｔ））を用いた。本願に開示している全ての実験例では、Ｚｎ層およびＰｔ層を通常の電子ビーム蒸着法によって堆積した。
Ｚｎ／Ｐｔ電極、およびＰｄ／Ｐｔ電極は、Ｍｇがドープされたｍ面ＧａＮ層に接触している。これらの電極が接触するｍ面ＧａＮ層では、表面から深さ２０ｎｍの領域（厚さ２０ｎｍの最表面領域）に７×１０19ｃｍ-3のＭｇがドープされている。また、ｍ面ＧａＮ層の表面からの深さが２０ｎｍを超える領域には、１×１０19ｃｍ-3のＭｇがドープされている。このように、ｐ型電極が接触するＧａＮ層の最表面領域においてｐ型不純物の濃度を局所的に高めると、コンタクト抵抗を最も低くすることができる。また、このような不純物ドーピングを行なうことにより、電流―電圧特性の面内ばらつきも低減するため、駆動電圧のチップ間ばらつきを低減できるという利点も得られる。このため、本願に開示している実験例では、いずれも、電極が接触するｐ型ＧａＮ層の表面から深さ２０ｎｍの領域に７×１０19ｃｍ-3のＭｇをドープし、それよりも深い領域には１×１０19ｃｍ-3のＭｇをドープしている。
固有コンタクト抵抗はＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｅｔｈｏｄ）法を用いて評価した。なお、縦軸に示した「１．０Ｅ−０１」は「１．０×１０-1」を意味し、「１．０Ｅ−０２」は「１．０×１０-2」を意味し、すなわち、「１．０Ｅ＋Ｘ」は、「１．０×１０X」の意味である。
コンタクト抵抗Ｒは、一般に、コンタクト面積Ｓ（ｃｍ2）に反比例する。ここで、コ
ンタクト抵抗をＲ（Ω）とすると、Ｒ＝Ｒｃ／Ｓの関係が成立する。比例定数のＲｃは、固有コンタクト抵抗と称され、コンタクト面積Ｓが１ｃｍ2のときのコンタクト抵抗Ｒに
相当する。すなわち、固有コンタクト抵抗の大きさは、コンタクト面積Ｓに依存せず、コンタクト特性を評価するための指標となる。以下、「固有コンタクト抵抗」を「コンタクト抵抗」と略記する場合がある。
図５に示すように、Ｐｄ／Ｐｔ電極のコンタクト抵抗よりも、Ｚｎ／Ｐｔ電極の固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ2）のほうが一桁近くも低くなっている。
なお、国際公開第２０１０／１１３４０６号には、Ｚｎを含む電極をｃ面ｐ型ＧａＮ層と接触させた場合には、Ｐｄ/Ｐｔ電極をｃ面ＧａＮ層と接触させた場合と同等または若
干高いコンタクト抵抗が得られることが開示されている。一方、接触面がｍ面の場合には、Ｚｎを含む電極は、Ｐｄ/Ｐｔ電極より顕著に低いコンタクト抵抗を示すことが開示さ
れている。この結果から、Ｚｎ／Ｐｔ電極を用いた本発明でも同様の傾向を示すと推測される。
また、本願発明者の検討によると、従来のＰｄ／Ｐｔ電極の電流−電圧特性はショットキー型の非オーミック特性（ショットキー電圧：約２Ｖ）であったが、Ｚｎ／Ｐｔ電極の
電流−電圧特性からはショットキー電圧が現れておらず、Ｚｎ／Ｐｔ電極はｐ型のｍ面ＧａＮ層とほぼオーミックコンタクトを形成することがわかった。ショットキー電圧の消失は、発光ダイオードやレーザダイオード等のデバイス動作電圧を低減する上で非常に重要である。
一般に、ｃ面ＧａＮに対してコンタクト抵抗の低い良好なｐ型電極を作製するには、仕事関数の大きい金属、例えばＰｄ（仕事関数＝５．１ｅＶ）やＰｔ（仕事関数＝５．６ｅＶ）を用いることが技術常識である。Ｚｎの仕事関数（４．３ｅＶ）は他のコンタクト電極材料の仕事関数に比べて小さい。
本願発明者は、比較のため、ｐ型のｃ面ＧａＮ層上にｐ型電極としてＺｎ層を形成して、ＴＬＭ法を用いてコンタクト抵抗を評価した。評価対象のＺｎ層としては、厚さ２００ｎｍで堆積されたＺｎ層に、窒素雰囲気中、５００℃で１０分間の熱処理を行ったものを用いた。その結果、ｃ面ＧａＮ層上に形成されたＺｎ層のコンタクト抵抗は、約３．０×１０-1Ω・ｃｍ2という非常に高い値となった。
以上に述べた理由から、Ｚｎ層をｍ面ＧａＮのｐ型コンタクト電極に使用しても、決して好ましいコンタクト特性を実現することはできないと予想される。本願発明者は、敢えてｐ型ＧａＮのｍ面にＺｎ層を接触させ、熱処理を行ったところ、適切な熱処理を行うことにより、コンタクト抵抗を大幅に低減できる現象を見出し、本発明を完成するに至った。コンタクト抵抗が減少する理由の詳細は不明であるが、後述するように、ｍ面ＧａＮの表面近傍におけるＧａ原子およびＮ原子の特異な挙動に起因すると推定される。
なお、本願発明者は、ｍ面ＧａＮの電極材料としてＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔなどの仕事関数の異なるさまざまな金属を用いて、コンタクト抵抗を測定した。その結果、ｍ面ＧａＮの場合にも、仕事関数が大きい金属（ＰｄやＰｔ）ほどコンタクト抵抗が低くなることを実験的に示した（国際公開第２０１０／０５２８１０号）。
次に、好ましい熱処理条件について述べる。図６は、Ｐｄ／Ｐｔ電極およびＺｎ／Ｐｔ電極の固有コンタクト抵抗の熱処理温度依存性を示すグラフである。Ｐｄ／Ｐｔ電極としては、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上に厚さ４０ｎｍのＰｄ層と、厚さ３５ｎｍのＰｔ層とを堆積した後、窒素雰囲気中でそれぞれの温度の熱処理を行うことによって形成した電極（ｍ面ＧａＮ（Ｐｄ／Ｐｔ））を用いた。Ｚｎ／Ｐｔ電極としては、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上に厚さ７ｎｍのＺｎ層と、厚さ７５ｎｍのＰｔ層とを堆積した後、窒素雰囲気中でそれぞれの温度の熱処理を行なうことによって形成した電極（ｍ面ＧａＮ（Ｚｎ／Ｐｔ））を用いた。
図６に示すように、ｍ面ＧａＮ（Ｐｄ／Ｐｔ）電極の場合、ｍ面ＧａＮのコンタクト抵抗は、５００℃の熱処理の前後で、ほとんど変化しなかった。さらに、５００℃を超える熱処理温度においては、コンタクト抵抗の上昇が見られた。
一方、ｍ面ＧａＮ（Ｚｎ／Ｐｔ）電極の場合は、４００℃を超えた温度になると、コンタクト抵抗は急に低下した。そして、５００℃の温度ではさらにコンタクト抵抗は低下した。さらに昇温して６００℃の温度では、コンタクト抵抗は５００℃の温度のときよりも上昇するものの、従来のｍ面ＧａＮ（Ｐｄ／Ｐｔ）の電極の場合のコンタクト抵抗よりは小さかった。
したがって、ｍ面ＧａＮ（Ｚｎ／Ｐｔ）の熱処理温度としては、例えば、４００℃以上が好ましい。７００℃を超えて所定温度（例えば８００℃）以上になると、電極やＧａＮ層の膜質の劣化が進むため、上限は７００℃以下が好ましく、そして、４００℃以上６５
０℃以下の温度範囲であることがさらに好ましい。４５０℃以上６００℃以下がより好適な熱処理温度である。
本実施の形態における電極構造（Ｚｎ／Ｐｔ）をｍ面ＧａＮ上に配置させた場合にコンタクト抵抗が飛躍的に下がるのは、熱処理によって、Ｇａ原子のみが電極側に拡散し、Ｎ原子は電極側に拡散していないためと推測される。ＧａＮのうちＧａのみが電極側に拡散するため、Ｚｎ層では、Ｎ濃度がＧａ濃度よりも低くなっていると推測される。
ｐ型ＧａＮにおいてＧａが電極側に拡散すると、ｐ型ＧａＮの最表面でＧａ原子が不足する状態、すなわちＧａ空孔が形成される。Ｇａ空孔はアクセプター的性質を有するため、電極とｐ型ＧａＮとの界面の近傍でＧａ空孔が増加すると、この界面のショットキー障壁を正孔がトンネリングによって通過しやすくなる。これにより、ｍ面を表面とするｐ型ＧａＮ層と接するようにＺｎ層を形成した場合には、コンタクト抵抗が低減されると考えられる。
これに対し、Ｇａ原子とともにＮ原子も電極側に拡散すると、ｐ型ＧａＮの最表面にＮが不足する状態、すなわちＮ空孔も形成される。Ｎ空孔はドナー的性質を有するため、ｐ型ＧａＮの最表面では、Ｇａ空孔とＮ空孔との間で電荷補償が起こる。また、Ｎ原子が抜けることによってＧａＮ結晶の結晶性は悪化すると考えられる。そのため、Ｇａ原子とともにＮ原子も電極側に拡散した場合には、ｐ型ＧａＮ層と電極との間のコンタクト抵抗は高い。
なお、このような各元素（Ｇａ、Ｎ）の挙動は、Ｚｎ層が接触するＧａＮ層において、Ｇａの一部がＡｌやＩｎで置換されていても同様に生じると推定される。また、Ｚｎ層が接触するＧａＮ系半導体層中にドーパントとしてＭｇ以外の元素がドープされている場合でも同様であると推定される。
次に、再び図３（ａ）を参照しながら、本実施形態の構成をさらに詳述する。
図３（ａ）に示すように、本実施形態の発光素子１００では、ｍ面ＧａＮ系基板１０と、ＧａＮ系基板１０上に形成されたＡｌuＧａvＩｎwＮ層（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１，ｕ≧０，ｖ
≧０，ｗ≧０）２２とが形成されている。この例では、ｍ面ＧａＮ系基板１０は、ｎ型ＧａＮ基板（例えば、厚さ１００μｍ）であり、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２は、ｎ型ＧａＮ
層（例えば、厚さ２μｍ）である。ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の上には活性層２４が形成
されている。言い換えると、ｍ面ＧａＮ系基板１０の上には、少なくとも活性層２４を含む半導体積層構造２０が形成されている。
半導体積層構造２０において、ＡｌxＧａyＩｎzＮ層２２の上には、ＡｌaＩｎbＧａcＮ層（ａ＋ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０，ｂ≧０，ｃ≧０）を含む活性層２４が形成されている。活性層２４は、例えば、Ｉｎ組成比が約２５％のＩｎＧａＮ井戸層とＧａＮバリア層で構成され、井戸層の厚さは９ｎｍ、バリア層の厚さは９ｎｍ、井戸層周期は３周期である。活性層２４の上には、第２導電型（ｐ型）のＡｌdＧａeＮ層（ｄ＋ｅ＝１，ｄ≧０，ｅ≧０）２６が形成されている。第２導電型（ｐ型）のＡｌdＧａeＮ層（ｄ＋ｅ＝１，ｄ≧０，ｅ≧０）２６は例えば、Ａｌ組成比が１０％のＡｌＧａＮ層で厚さは０．２μｍである。本実施形態のＡｌdＧａeＮ層２６には、ｐ型のドーパントとして、Ｍｇがドープされている。ここでＭｇは、ＡｌdＧａeＮ層２６に対して、例えば、１０18ｃｍ-3程度ドープされている。またこの例では、活性層２４とＡｌdＧａeＮ層２６との間に、アンドープのＧａＮ層（不図示）が形成されている。
さらに、この例においては、ＡｌdＧａeＮ層２６の上には、第２導電型（例えば、ｐ型
）のＧａＮ層（不図示）が形成されている。さらに、ｐ+−ＧａＮからなるコンタクト層
上には、Ｚｎ層３２が形成されており、その上に金属層３４が形成されている。このＺｎ層３２と金属層３４の積層構造が電極（ｐ型電極）３０となる。
なお、半導体積層構造２０には、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の表面を露出させる凹部（
リセス）４２が形成されており、凹部４２の底面に位置するＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２に
は、電極（ｎ型電極）４０が形成されている。凹部４２の大きさは、例えば、幅（または径）２０μｍであり、深さは１μｍである。電極４０は、例えば、Ｔｉ層とＡｌ層とＰｔ層（例えば、厚さはそれぞれ、５ｎｍ、１００ｎｍ、１０ｎｍ）の積層構造から成る電極である。
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００によれば、動作電圧（Ｖｏｐ）を、従来のＰｄ／Ｐｔ電極を用いたｍ面ＬＥＤの場合よりも約２．０Ｖ低減させることができ、その結果、消費電力を低減できることがわかった。
次に、引き続き図３（ａ）を参照しながら、本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００の製造方法を説明する。
まず、ｍ面ＧａＮ系基板１０を用意する。本実施形態では、ＧａＮ系基板１０として、ＧａＮ基板を用いる。本実施形態のＧａＮ基板は、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて得られる。
例えば、まずｃ面サファイア基板上に数ｍｍオーダの厚膜ＧａＮを成長する。その後、厚膜ＧａＮをｃ面に垂直方向、ｍ面で切り出すことによりｍ面ＧａＮ基板が得られる。ＧａＮ基板の作製方法は、上記に限らず、例えばナトリウムフラックス法などの液相成長やアモノサーマル法などの融液成長方法を用いてバルクＧａＮのインゴットを作製し、それをｍ面で切り出す方法でも良い。
基板としては、ＧａＮ基板の他、例えば、酸化ガリウム、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、サファイア基板などを用いることができる。基板上にｍ面から成るＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長するためには、ＳｉＣやサファイア基板の面方位もｍ面である方が良い。ただし、ｒ面サファイア基板上にはａ面ＧａＮが成長するという事例もあることから、成長条件によっては必ずしも成長用表面がｍ面であることが必須とならない場合もあり得る。少なくとも半導体積層構造２０の表面がｍ面であれば良い。本実施形態では、ＧａＮ系基板１０の上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により結晶層を順次形成していく。
次に、ｍ面ＧａＮ系基板１０の上に、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２を形成する。ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２として、例えば、厚さ３μｍのＡｌＧａＮを形成する。ＧａＮを形成する場合には、ｍ面ＧａＮ系基板１０の上に、１１００℃でＴＭＧ（Ｇａ（ＣＨ3）3）、ＴＭＡ（Ａｌ（ＣＨ3）3）およびＮＨ3を供給することによってＧａＮ層を堆積する。
次に、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の上に、活性層２４を形成する。この例では、活性層
２４は、厚さ９ｎｍのＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ井戸層と、厚さ９ｎｍのＧａＮバリア層が交互に積層された厚さ８１ｎｍのＧａＩｎＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行うために、成長温度を８００℃に下げることが好ましい。
次に、活性層２４の上に、例えば厚さ３０ｎｍのアンドープＧａＮ層を堆積する。次いで、アンドープＧａＮ層の上に、ＡｌdＧａeＮ層２６を形成する。ＡｌdＧａeＮ層２６と
して、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ3、ＴＭＡ、ＴＭＩおよびｐ型不純物としてＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を供給することにより、厚さ７０ｎｍのｐ−Ａｌ0.14Ｇａ0.86Ｎを形成する。
次に、ＡｌdＧａeＮ層２６の上に、例えば厚さ０．５μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層を堆積する。ｐ−ＧａＮコンタクト層を形成する際には、ｐ型不純物としてＣｐ2Ｍｇを供
給する。
その後、塩素系ドライエッチングを行なうことにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層、ＡｌdＧａeＮ層２６、アンドープＧａＮ層および活性層２４の一部を除去して凹部４２を形成し、ＡｌxＧａyＩｎzＮ層２２のｎ型電極形成領域を露出させる。次いで、凹部４２の底
部に位置するｎ型電極形成領域の上に、電極４０として、Ｔｉ／Ｐｔ層を形成する。
さらに、ｐ−ＧａＮコンタクト層の上には、通常の真空蒸着法（抵抗加熱法、電子ビーム蒸着法など）を行なうことによってＺｎ層３２を形成し、さらにＺｎ層３２上に金属層３４を形成する。これにより、電極３０を形成する。Ｚｎ層３２を形成する方法としては、真空蒸着法のほかに、スパッタリング、熱ＣＶＤ法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）を行なってもよい。
なお、その後、レーザリフトオフ、エッチング、研磨などの方法を用いて、ＧａＮ系基板１０、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の一部までを除去してもよい。このとき、ＧａＮ系基
板１０のみを除去してもよいし、ＧａＮ系基板１０およびＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２の一
部だけを選択的に除去してもよい。もちろん、ＧａＮ系基板１０、ＡｌuＧａvＩｎwＮ層
２２を除去せずに残してもよい。以上の工程により、本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００が形成される。
本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００において、電極４０と電極３０との間に電圧を印加すると、電極３０から活性層２４に向かって正孔が、電極４０から活性層２４に向かって電子が注入され、例えば４５０ｎｍ波長の発光が生じる。
ここで、図７に、Ｚｎ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの電流−電圧特性を示す。比較のため、発光ダイオードの窒化物系半導体の構造が同じで、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの特性も示す。熱処理前における各層の厚さは、Ｚｎ／Ｐｔ電極におけるＺｎ層が７ｎｍ、Ｐｔ層が７５ｎｍであり、Ｐｄ／Ｐｔ電極におけるＰｄ層が４０ｎｍ、Ｐｔ層が３５ｎｍである。Ｚｎ／Ｐｔ電極に対しては５００℃で１０分間の熱処理を行ない、Ｐｄ／Ｐｔ電極に対しては５００℃で１０分間の熱処理を行なった。
Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの立ち上がり電圧は約３．７Ｖである。これに対し、Ｚｎ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの立ち上がり電圧は、約２．７Ｖとなり、立ち上がり電圧の大幅な低減が見られる。電流値２０ｍＡでの動作電圧で比較すると、Ｚｎ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードでは、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極よりも２．０Ｖ以上小さくなっていることがわかる。
本実施形態では、ｐ型電極の材料として、Ｐｄよりも地球上に豊富に存在するＺｎを用いている。Ｚｎは、Ｍｇと比較して酸化されにくい性質を有し、Ｚｎ層は通常の蒸着法によって形成することができるという利点がある。また、ｍ面ＧａＮ層とＺｎ層との間の密着性は良好であることを確認した。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではな
く、勿論、種々の改変が可能である。
上記の発光素子は、そのまま光源として使用されても良い。しかし、本発明に係る波長変換のための蛍光物質を備える樹脂などと組み合わせれば、波長帯域の拡大した光源（例えば白色光源）として好適に使用され得る。
図８は、このような白色光源の一例を示す模式図である。図８の光源は、図３（ａ）に示す構成を有する窒化物系半導体発光素子１００と、この窒化物系半導体発光素子１００から放射された光の波長を、より長い波長に変換する蛍光体（例えばＹＡＧ：Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｎｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）が分散された樹脂層２００とを備えている。窒化物系半導体発光素子１００は、表面に配線パターンが形成された支持部材２２０上に搭載されており、支持部材２２０上には窒化物系半導体発光素子１００を取り囲むように反射部材２４０が配置されている。樹脂層２００は、窒化物系半導体発光素子１００を覆うように形成されている。
なお、本発明におけるコンタクト構造は、Ｚｎ層と接触するｐ型半導体領域がＧａＮ系半導体、すなわちＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導
体からなる場合に前述の優れた効果を発揮する。このようなコンタクト抵抗低減の効果は、当然に、ＬＥＤ以外の発光素子（半導体レーザ）や、発光素子以外のデバイス（例えばトランジスタや受光素子）においても得ることが可能である。
実際のｍ面半導体層の表面（主面）は、ｍ面に対して完全に平行な面である必要は無く、ｍ面から僅かな角度（０度より大きく±１°未満）で傾斜していても良い。表面がｍ面に対して完全に平行な表面を有する基板や半導体層を形成することは、製造技術の観点から困難である。このため、現在の製造技術によってｍ面基板やｍ面半導体層を形成した場合、現実の表面は理想的なｍ面から傾斜してしまう。傾斜の角度および方位は、製造工程によってばらつくため、表面の傾斜角度および傾斜方位を正確に制御することは難しい。なお、基板や半導体の表面（主面）をｍ面から１°以上の角度で傾斜させることを意図的に行う場合がある。以下に説明する実施形態における窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、ｍ面から１°以上の角度で傾斜した面を主面とするｐ型半導体領域を備えている。
[他の実施形態]
図９は、本実施形態の窒化物系半導体発光素子１００ａを示す断面図である。ｍ面から１°以上の角度で傾斜した面を主面とするｐ型半導体領域を形成するため、本実施形態に係る窒化物系半導体発光素子１００ａは、ｍ面から１°以上の角度で傾斜した面を主面とするＧａＮ系基板１０ａを用いている。主面がｍ面から１°以上の角度で傾斜している基板は、一般に「オフ基板」と称される。オフ基板は、単結晶インゴットから基板をスライスし、基板の表面を研磨する工程で、意図的にｍ面から特定方位に傾斜した面を主面とするように作製され得る。このＧａＮ系基板１０ａ上に、半導体積層構造２０ａを形成する。図９に示すＡｌuＧａvＩｎwＮ層２２ａ、活性層２４ａおよびＡｌdＧａeＮ層２６ａは
主面がｍ面から１°以上の角度で傾斜している。これは傾斜した基板の主面上に、各種半導体層が積層されると、これらの半導体層の表面（主面）もｍ面から傾斜するからである。ＧａＮ系基板１０ａの代わりに、例えば、ｍ面から特定方向に傾斜した面を表面とするサファイア基板やＳｉＣ基板を用いてもよい。また、本実施形態の構成においては、半導体積層構造２０ａのうち、少なくとも電極３０ａと接触するｐ型半導体領域の表面がｍ面から１°以上の角度で傾斜していればよい。
次に、図１０〜図１４を参照しながら、本実施形態におけるｐ型半導体領域の傾斜について詳細を説明する。
図１０（ａ）は、ＧａＮ系化合物半導体の結晶構造（ウルツ鉱型結晶構造）を模式的に示す図であり、図２の結晶構造の向きを９０°回転させた構造を示している。ＧａＮ結晶のｃ面には、＋ｃ面および−ｃ面が存在する。＋ｃ面はＧａ原子が表面に現れた（０００１）面であり、「Ｇａ面」と称される。一方、−ｃ面はＮ（窒素）原子が表面に現れた（０００−１）面であり、「Ｎ面」と称される。＋ｃ面と−ｃ面とは平行な関係にあり、いずれも、ｍ面に対して垂直である。ｃ面は、極性を有するため、このように、ｃ面を＋ｃ面と−ｃ面に分けることができるが、非極性面であるａ面を、＋ａ面と−ａ面に区別する意義はない。
図１０（ａ）に示す＋ｃ軸方向は、−ｃ面から＋ｃ面に垂直に延びる方向である。一方、ａ軸方向は、図２の単位ベクトルａ2に対応し、ｍ面に平行な［−１２−１０］方向を
向いている。図１０（ｂ）は、ｍ面の法線、＋ｃ軸方向、およびａ軸方向の相互関係を示す斜視図である。ｍ面の法線は、[１０−１０]方向に平行であり、図１０（ｂ）に示されるように、＋ｃ軸方向およびａ軸方向の両方に垂直である。
ＧａＮ系化合物半導体層の主面がｍ面から１°以上の角度で傾斜するということは、この半導体層の主面の法線がｍ面の法線から１°以上の角度で傾斜することを意味する。
次に、図１１を参照する。図１１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ＧａＮ系化合物半導体層の主面およびｍ面の関係を示す断面図である。この図は、ｍ面およびｃ面の両方に垂直な断面図である。図１１には、＋ｃ軸方向を示す矢印が示されている。図１１に示したように、ｍ面は＋ｃ軸方向に対して平行である。従って、ｍ面の法線ベクトルは、＋ｃ軸方向に対して垂直である。
図１１（ａ）および（ｂ）に示す例では、ＧａＮ系化合物半導体層における主面の法線ベクトルが、ｍ面の法線ベクトルからｃ軸方向に傾斜している。より詳細に述べれば、図１１（ａ）の例では、主面の法線ベクトルは＋ｃ面の側に傾斜しているが、図１１（ｂ）の例では、主面の法線ベクトルは−ｃ面の側に傾斜している。本明細書では、前者の場合におけるｍ面の法線べクトルに対する主面の法線ベクトルの傾斜角度（傾斜角度θ）を正の値にとり、後者の場合における傾斜角度θを負の値にとることにする。いずれの場合でも、「主面はｃ軸方向に傾斜している」といえる。
本実施形態では、ｐ型半導体領域の傾斜角度が１°以上５°以下の範囲、および、傾斜角度が−５°以上−１°以下の範囲にあるので、ｐ型半導体領域の傾斜角度が０°より大きく±１°未満の場合と同様に本発明の効果を奏することができる。以下、図１２を参照しながら、この理由を説明する。図１２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１１（ａ）および（ｂ）に対応する断面図であり、ｍ面からｃ軸方向に傾斜したｐ型半導体領域における主面の近傍領域を示している。傾斜角度θが５°以下の場合には、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、ｐ型半導体領域の主面に複数のステップが形成される。各ステップは、単原子層分の高さ（２．７Å）を有し、ほぼ等間隔（３０Å以上）で平行に並んでいる。このようなステップの配列により、全体としてｍ面から傾斜した主面が形成されるが、微視的には多数のｍ面領域が露出していると考えられる。
図１３は、ｍ面から−ｃ軸方向に１°傾斜したｐ型半導体領域の断面ＴＥＭ写真である。ｐ型半導体領域の表面には、ｍ面が明確に表出しており、傾斜は原子ステップによって形成されていることが確認される。主面がｍ面から傾斜したＧａＮ系化合物半導体層の表面がこのような構造となるのは、ｍ面がもともと結晶面として非常に安定だからである。同様の現象は、主面の法線ベクトルの傾斜方向が＋ｃ面および−ｃ面以外の面方位を向いていても生じると考えられる。主面の法線ベクトルが例えばａ軸方向に傾斜していても、傾斜角度が１°以上５°以下の範囲にあれば同様であると考えられる。以上より、ｐ型窒
化ガリウム系化合物半導体層の表面（主面）をｍ面から１°以上の角度で傾斜している場合であっても、ｐ型電極に接触する面は多数のｍ面領域が露出しているため、コンタクト抵抗は傾斜角に依存しないものと考えられる。
図１４は、ｍ面から−ｃ軸方向に０°、２°、または５°傾斜したｐ型半導体領域の上にＭｇ/Ｐｔ層の電極を形成し、そのコンタクト抵抗（Ω・ｃｍ2）を測定した結果を示すグラフである。グラフの縦軸は固有コンタクト抵抗、横軸は傾斜角度（ｍ面の法線とｐ型半導体領域における表面の法線とが形成する角度）θである。なお、この固有コンタクト抵抗は、電極を形成して熱処理を行った後の固有コンタクト抵抗の値である。図１４の結果から分かるように、傾斜角度θが５°以下であれば、コンタクト抵抗は、ほぼ一定の値となる。Ｚｎ層の電極を用いた場合にも、ｍ面からの傾斜角度θが５°以下であれば、コンタクト抵抗は、ほぼ一定の値となると考えられる。
以上から、ｐ型半導体領域の表面の傾斜角度θが５°以下であれば、本発明の構成によりコンタクト抵抗は低減されると考えられる。
なお、傾斜角度θの絶対値が５°より大きくなると、ピエゾ電界によって内部量子効率が低下する。このため、ピエゾ電界が顕著に発生するのであれば、ｍ面成長により半導体発光素子を実現することの意義が小さくなる。したがって、本発明では、傾斜角度θの絶対値を５°以下に制限する。しかし、傾斜角度θを例えば５°に設定した場合でも、製造ばらつきにより、現実の傾斜角度θは５°から±１°程度ずれる可能性がある。このような製造ばらつきを完全に排除することは困難であり、また、この程度の微小な角度ずれは、本発明の効果を妨げるものでもない。
本発明の窒化物系半導体素子は、主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であるｐ型半導体領域とｐ型電極との間のコンタクト抵抗を低減することができるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）として特に好適に利用される。
１０、１０ａ 基板（ＧａＮ系基板）
１２、１２ａ 基板の表面（ｍ面）
２０、２０ａ 半導体積層構造
２２、２２ａ ＡｌuＧａvＩｎwＮ層
２４、２４ａ 活性層
２６、２６ａ ＡｌdＧａeＮ層
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ ｐ型電極
３２ Ｚｎ層
３４ 金属層（Ｐｔ層）
４０、４０ａ ｎ型電極
４２、４２ａ 凹部
６１Ａ、６１Ｃ Ｚｎ-Ｐｔ合金層
１００、１００ａ 窒化物系半導体発光素子
２００ 波長を変換する蛍光体が分散された樹脂層
２２０ 支持部材
２４０ 反射部材

Claims (23)

  1. ｐ型ＧａＮ系半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、
    前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の主面上に形成された電極と
    を備え、
    前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域における前記主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であり、
    前記電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面に接触したＺｎ層を含む、窒化物系半導体素子。
  2. 前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成される、請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
  3. 前記電極は、前記Ｚｎ層と、前記Ｚｎ層の上に形成された金属層とを含み、
    前記金属層は、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属からなる、請求項１または２に記載の窒化物系半導体素子。
  4. 前記窒化物系半導体積層構造は、
    ＡｌaＩｎbＧａcＮ層（ａ＋ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０，ｂ≧０，ｃ≧０）を含む活性層を有し、前記活性層は光を発する、請求項１、２または３に記載の窒化物系半導体素子。
  5. 前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ｐ型コンタクト層である、請求項１から４の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子。
  6. 前記Ｚｎ層の厚さは前記金属層の厚さ以下である、請求項３に記載の窒化物系半導体素子。
  7. 前記窒化物系半導体積層構造を支持する半導体基板を有している、請求項１から６の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子。
  8. 前記Ｚｎ層の少なくとも一部が合金化している、請求項１から７の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子。
  9. 前記Ｚｎ層はアイランド状である請求項１から８の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子。
  10. 前記Ｚｎ層は、Ｚｎと、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属との合金から形成されている、請求項１から９の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子。
  11. 前記電極は、前記Ｚｎ層のみから構成され、
    前記Ｚｎ層は、Ｚｎと、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属との合金から形成されている、請求項１０に記載の窒化物系半導体素子。
  12. 窒化物系半導体発光素子と、
    前記窒化物系半導体発光素子から放射された光の波長を変換する蛍光物質を含む波長変換部と
    を備える光源であって、
    前記窒化物系半導体発光素子は、
    ｐ型ＧａＮ系半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、
    前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の主面上に形成された電極と
    を備え、
    前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域における前記主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であり、
    前記電極は、前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面に接触したＺｎ層を含む、光源。
  13. 前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体からなる、請求項１２に記載の光源。
  14. 前記Ｚｎ層の少なくとも一部が合金化している、請求項１２または１３に記載の光源。
  15. 基板を用意する工程（ａ）と、
    主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下であるｐ型ＧａＮ系半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造を前記基板上に形成する工程（ｂ）と、
    前記窒化物系半導体積層構造の前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面上に電極を形成する工程（ｃ）と
    を含み、
    前記工程（ｃ）は、
    前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域の前記主面上に、Ｚｎ層を形成する工程を含む、窒化物系半導体素子の製造方法。
  16. 前記ｐ型ＧａＮ系半導体領域は、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体からなる、請求項１５に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  17. 前記工程（ｃ）は、
    前記Ｚｎ層を形成した後に、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属からなる金属層を形成する工程を含む、請求項１５または１６に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  18. 前記工程（ｃ）において、前記Ｚｎ層を加熱処理する工程を実行する、請求項１５、１６または１７に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  19. 前記加熱処理は、４００℃以上６５０℃以下の温度で実行される、請求項１８に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  20. 前記加熱処理は、４５０℃以上６００℃以下の温度で実行される、請求項１９に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  21. 前記工程（ｂ）を実行した後において、前記基板を除去する工程を含む、請求項１５から２０の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  22. 前記Ｚｎ層の少なくとも一部が合金化している、請求項１５から２１の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
  23. 前記工程（ｃ）は、
    前記Ｚｎ層を形成した後に、Ｐｔ，ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される少なくとも１種の金属からなる金属層を形成する工程を含む、請求項１５または１６に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
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