JP2015173243A - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極形成が容易で、かつ、順方向電圧の低減し得る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を実現する。
【解決手段】ｍ面ＧａＮ基板と、前記ｍ面ＧａＮ基板のおもて面にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、前記発光構造の上面に形成された、金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極と、を備え、前記ｍ面ＧａＮ基板、前記発光構造及び前記ｐ側コンタクト電極に印加される順方向電流が２０ｍＡのときに、順方向電圧が４．７Ｖ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】ｍ面ＧａＮ基板と、前記ｍ面ＧａＮ基板のおもて面にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、前記発光構造の上面に形成された、金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極と、を備え、前記ｍ面ＧａＮ基板、前記発光構造及び前記ｐ側コンタクト電極に印加される順方向電流が２０ｍＡのときに、順方向電圧が４．７Ｖ以下であることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、ｍ面窒化物基板上に窒化物半導体で形成された発光構造を有するｍ面窒化物系半導体発光素子（以下、半導体発光素子と呼ぶ）に関する。
窒化物半導体は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体などとも呼ばれ、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）Ｎなどの一般式で表される化合物半導体であり、六方晶系に属する結晶構造を取ることが知られている。典型的な窒化物系ＬＥＤ（Light Emitting Diode）は、ダブルヘテロｐｎ接合型の発光構造を備え、その活性層は、ＩｎＧａＮ井戸層と（Ｉｎ）ＧａＮ障壁層とが交互積層された多層膜構造を有する多重量子井戸層である。
例えば、サファイア基板を用いた窒化物系ＬＥＤの実用化の過程では、順方向電圧を低減する目的のために、ｐ型コンタクト層（その表面にｐ側コンタクト電極が形成される窒化物半導体層）の結晶組成、添加する不純物の種類および濃度、層厚などの最適化が検討されている（例えば、特許文献１参照）。
また、窒化物半導体に添加したＭｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）などのｐ型不純物を活性化させるためのポストアニール処理（窒化物半導体を積層したウェハをエピタキシャル成長炉から取出した後、ＲＴＡ装置などを用いて行うアニール処理）を省略して、窒化物系ＬＥＤの製造を効率化する試みが以前より行われている。この目的のために、窒化物系ＬＥＤのｐ型コンタクト層（エピタキシャル成長工程の最後に形成される）の成長完了直後から基板温度を４００℃以下まで降下させる間の基板温度や成長炉内雰囲気の制御に関する様々な考案がなされている（例えば、特許文献２参照）。
さらに量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が誘起されないように、非極性基板であるｍ面ＧａＮ基板を用いてｎ型層、活性層およびｐ型層を六方晶のｍ軸方向に積層してダブルヘテロｐｎ接合構造を形成した、ｍ面窒化物系ＬＥＤの研究開発が行われている（例えば、非特許文献１参照）。
さらに、ｍ面窒化物基板上で成長させたＧａＮ系半導体素子のｐ側の電極として、Ｍｇ合金をコンタクト層としたものが検討されている。（例えば、特許文献３参照）。
Mathew C. Schmidt et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 7, 2007, pp. L126-L128。
しかしながら、特許文献１及び特許文献２の窒化物系ＬＥＤは、ｃ面窒化物基板の窒化物系ＬＥＤであり、ｃ面窒化物基板の窒化物系ＬＥＤを作成したプロセスを、そのままｍ面窒化物基板の窒化物系ＬＥＤに適用した場合には、コンタクト抵抗が高くなる（例えば、特許文献３参照）。すなわち、特許文献１及び特許文献２の窒化物系ＬＥＤは、順方向電圧が高くなり、その結果、電力消費量及び発熱量が高くなるという問題がある。
また、特許文献３のｍ面窒化物基板の窒化物系ＬＥＤは、ｐ側の電極として、Ｍｇ合金をコンタクト層としているが、Ｍｇは極めて酸素と反応しやすいため、変質しやすく、電極形成が困難であるという問題がある。また、特許文献３では、ｍ面上ｐ側コンタクト抵抗がｃ面に比較して高いことが問題であると記載されている。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、電極形成が容易で、かつ、電力消費量及び発熱量を低減し得る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供することを主たる目的とする。
上記の目的を達成するべく、本発明の半導体発光素子は、ｍ面ＧａＮ基板と、前記ｍ面ＧａＮ基板のおもて面にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、前記発光構造の上面に形成された、金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極と、を備え、前記ｍ面ＧａＮ基板、前記発光構造及び前記ｐ側コンタクト電極に印加される順方向電流が２０ｍＡのときに、順方向電圧が４．７Ｖ以下であることを特徴とする。
また、上記の目的を達成するべく、本発明の半導体発光素子の製造方法は、ｍ面ＧａＮ基板のおもて面にＧａＮ系半導体を用いて発光構造を形成する第１ステップと、前記第１ステップにおいて形成した前記発光構造を酸素の存在下で熱処理する第２ステップと、記第２ステップにおいて熱処理を行った前記発光構造の上面に金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極を形成する第３ステップと、を備えることを特徴とする。
従って、ｐ側コンタクト電極を、極めて酸素と反応しやすいＭｇを除いた、Ｎｉ（ニッケル）層やＡｕ（金）層のような一般的に取り扱いが容易な金属で形成することができると共に、半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）を著しく低減することができる。
本発明によれば、電極形成が容易で、かつ、順方向電圧の低減し得る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を実現することができる。
以下、図面及び表を参照し、本発明の実施の形態について、実施例及び変形例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例、比較例及び変形例の説明に用いる図面及び表は、いずれも本発明による半導体発光素子を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例、比較例及び変形例で用いる様々な数値及び数量は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
（本実施形態の半導体発光素子１の構成）
図１は、本実施形態に係る半導体発光素子１の模式図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。半導体発光素子１は、ｍ面窒化物基板上に窒化物半導体で形成された発光構造を有するｍ面窒化物系半導体発光素子である。図１（ｂ）に示すように、半導体発光素子１は、ｍ面ＧａＮ基板２の上にＧａＮ系半導体からなる半導体積層体３を有している。半導体積層体３は、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２Ａ上に配置されている。
図１は、本実施形態に係る半導体発光素子１の模式図である。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。半導体発光素子１は、ｍ面窒化物基板上に窒化物半導体で形成された発光構造を有するｍ面窒化物系半導体発光素子である。図１（ｂ）に示すように、半導体発光素子１は、ｍ面ＧａＮ基板２の上にＧａＮ系半導体からなる半導体積層体３を有している。半導体積層体３は、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２Ａ上に配置されている。
ｍ面ＧａＮ基板２は、ジャスト基板であってもよいし、オフ角が付与されたものであってもよい。オフ角は、通常１０度以内、好ましくは６度以内である。半導体積層体３の厚さ方向が、各層を構成するＧａＮ系半導体結晶のｍ軸との間でなす角度は、ｍ面ＧａＮ基板２のオフ角に等しい。また、ｍ面ＧａＮ基板２は、半導体積層体３を積層する表面がｍ面であれば良いが、一般に結晶性が良好な自立基板がより望ましい。
半導体積層体３は、ｍ面ＧａＮ基板２側から順に、第１のアンドープＧａＮ層３１、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２、第２のアンドープＧａＮ層３３、ｎ型ＧａＮクラッド層３４、活性層３５、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３６、ｐ型ＧａＮコンタクト層３７及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層３８を有している。
第１のアンドープＧａＮ層３１は、例えば、TMG（トリメチルガリウム）、アンモニアを原料として作製される。第１のアンドープＧａＮ層３１の厚さは、例えば、１〜１０００ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍである。第１のアンドープＧａＮ層３１の成長温度は、結晶品質を良好にするよう決められており、通常９００℃〜１１００℃程度である。第１のアンドープＧａＮ層３１は、ｍ面ＧａＮ基板２の表面を安定化し、その上面の半導体積層体の品質を良好にする働きがある。一方、第１のアンドープＧａＮ層３１は、厚さを厚くしすぎた場合には、当該第１のアンドープＧａＮ層３１からｍ面ＧａＮ基板２側に電流が流れにくくなるため、例えば、図１（ｂ）のような構造では、横方向電流がｍ面ＧａＮ基板２側に広がることができず、電圧が高くなるという問題がある。また、ｍ面ＧａＮ基板２のうら面にｎ側の電極を形成する縦型素子においても、電流系路上にアンドープ層が存在する場合、電気抵抗の増加につながるため、第１のアンドープＧａＮ層３１の厚みは小さいほうが好ましい。
ｎ型ＧａＮコンタクト層３２は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）のようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の厚さは、例えば、１〜６μｍ、好ましくは２〜４μｍであり、成長温度は第１のアンドープＧａＮ層３１と同様である。ｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０18〜２×１０19ｃｍ-3、好ましくは５×１０18ｃｍ-3以上、１×１０19ｃｍ-3以下である。
第２のアンドープＧａＮ層３３は、例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを原料として作製される。第２のアンドープＧａＮ層３３の厚さは、例えば、２０〜１０００ｎｍ、好ましくは５０〜２００ｎｍである。第２のアンドープＧａＮ層３３は、その上面の活性層３５と同じ低温成長を用いることで、活性層３５にかかる歪を軽減し、発光特性を向上させることができる。
ｎ型ＧａＮクラッド層３４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）のようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮクラッド層３４の厚さは、例えば、１０〜５０ｎｍ、好ましくは１０〜２０ｎｍであり、成長温度は第２のアンドープＧａＮ層３３と同様である。ｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０17〜２×１０18ｃｍ-3、好ましくは１×１０18ｃｍ-3以上、５×１０18ｃｍ-3以下である。上記の第２のアンドープＧａＮ層３３、ｎ型ＧａＮクラッド層３４は、場合によっては省略しても良い。すなわち、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の直上に活性層３５を設けることが可能である。
活性層３５は、ＩｎＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮからなる単層であってもよいが、好ましくは、障壁層と井戸層とが交互に積層された構造を有する多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層である。井戸層は、好ましくは、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、Ｉｎを含む窒化物半導体で形成される。井戸層の厚さは、例えば、２〜１５ｎｍ、好ましくは３〜１０ｎｍである。障壁層は、井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きな窒化物半導体で形成される。障壁層の厚さは、例えば、２〜３０ｎｍ、好ましくは１０〜２０ｎｍである。
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３６は、例えば、活性層１３０とｐ型ＧａＮコンタクト層３７のいずれに対してもより大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌyＧａ1-yＮ（好ましくは０．０８≦ｙ≦０.２）で形成される。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３６は、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）のようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３６の厚さは、例えば、１０〜２００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下であり、ｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０19〜５×１０20ｃｍ-3とされる。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３６は省略することができる。すなわち、活性層３５の直上にｐ型ＧａＮコンタクト層３７を設けることが可能である。
ｐ型ＧａＮコンタクト層３７は、Ｍｇ、Ｚｎのようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層３７のｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０19〜５×１０20ｃｍ-3であり、内部で不純物濃度を意図的に変化させることも行われる。ｐ型ＧａＮコンタクト層３７の厚さは、例えば、４０〜２００ｎｍである。ｐ型ＧａＮコンタクト層３７にAlを混入させて、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＮ（好ましくは０．０１≦ｘ≦０．０５）コンタクト層とすることも可能である。
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層３８は、例えば、ＩｎxＧａ1-xＮ（好ましくは０．０１≦ｘ≦０．０５）で形成され、Ｍｇ、Ｚｎのようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層３８の厚さは、例えば、１〜２０ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ以下、特に好ましくは５ｎｍ以下である。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層３８の組成は、好ましくは、そのバンドギャップエネルギーが活性層３５のバンドギャップエネルギー（活性層がＭＱＷの場合には、井戸層のバンドギャップエネルギー）よりも大きくなるように定められる。
ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の一部露出した表面にはｎ側メタル電極４１が形成されている。図１（ｂ）に示すように、ｎ側メタル電極４１は、接続部４１Ａ及び当該接続部４１Ａから延びる２本の延伸部４１Ｂとから構成されている。ｎ側メタル電極４１の延伸部４１Ｂは、屈曲したライン状を呈しており、ｎ側メタル電極４１は、全体として逆コの字状を呈している。
図１（ｂ）に示すように、ｐ型InＧａＮコンタクト層３８の上面には、ｐ側電極として、例えば、極めて酸素と反応しやすいMgを除く、Ｎｉ（ニッケル）やＡｕ（金）のような一般的に取り扱いが容易な金属を含むｐ側コンタクト電極４２が形成されている。ｐ側コンタクト電極４２は、例えば、ニッケル、プラチナ、チタン、タングステン、クロム、或いはこれら金属が含まれる合金であってもよい。また、ｐ側コンタクト電極４２上の一部には、ｐ側メタル電極４３が形成されている。
（本実施形態の半導体発光素子１の製造方法）
図２は、本実施形態に係る半導体発光素子１の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係る半導体発光素子１の製造方法では、まず、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２Ａ上に半導体積層体３を形成する（ステップＳＰ１）。
図２は、本実施形態に係る半導体発光素子１の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係る半導体発光素子１の製造方法では、まず、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２Ａ上に半導体積層体３を形成する（ステップＳＰ１）。
続いて、半導体発光素子１の製造方法では、半導体積層体３を形成したｍ面ＧａＮ基板２（以下、エピタキシャルウェハとも呼ぶ。）にメサ構造を形成する（ステップＳＰ２）。続いて、半導体発光素子１の製造方法では、メサ構造を形成したエピタキシャルウェハを大気中で熱処理する（ステップＳＰ３）。続いて、半導体発光素子１の製造方法では、大気中で熱処理したエピタキシャルウェハにｐ側コンタクト電極４２及びｐ側メタル電極４３を形成する（ステップＳＰ４）。
続いて、半導体発光素子１の製造方法では、ｐ側コンタクト電極４２及びｐ側メタル電極４３を形成したエピタキシャルウェハを窒素雰囲気中で熱処理（アロイ処理）する（ステップＳＰ５）。続いて、半導体発光素子１の製造方法では、窒素雰囲気中で熱処理したエピタキシャルウェハにｎ側メタル電極４１を形成する（ステップＳＰ６）。
（実施例）
以下に、本発明者等が行った実験の結果を記す。ただし、これらの実験で用いられた方法やサンプルの構造によって、本発明は何らの限定を受けるものではない。
以下に、本発明者等が行った実験の結果を記す。ただし、これらの実験で用いられた方法やサンプルの構造によって、本発明は何らの限定を受けるものではない。
（実施例１）
実施例１の半導体発光素子は、図１に示した半導体発光素子１と同じ構成である。実施例１の半導体発光素子は、次の手順に従い作製した。
実施例１の半導体発光素子は、図１に示した半導体発光素子１と同じ構成である。実施例１の半導体発光素子は、次の手順に従い作製した。
（エピタキシャル成長）
まず、縦×横×厚さが８ｍｍ×２０ｍｍ×３３０μｍのｍ面ＧａＮ基板をＭＯＶＰＥ装置内に準備した。このｍ面ＧａＮ基板はキャリア濃度が１．９×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角は０．０１°であった。上記準備したｍ面ＧａＮ基板の、ポリッシング仕上げされたおもて面上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて、半導体積層体をエピタキシャル成長させた。すなわち、ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上に、第１のアンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、第２のアンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ型InＧａＮコンタクト層を順次エピタキシャル成長させた。
まず、縦×横×厚さが８ｍｍ×２０ｍｍ×３３０μｍのｍ面ＧａＮ基板をＭＯＶＰＥ装置内に準備した。このｍ面ＧａＮ基板はキャリア濃度が１．９×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角は０．０１°であった。上記準備したｍ面ＧａＮ基板の、ポリッシング仕上げされたおもて面上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて、半導体積層体をエピタキシャル成長させた。すなわち、ｍ面ＧａＮ基板のおもて面上に、第１のアンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、第２のアンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ型InＧａＮコンタクト層を順次エピタキシャル成長させた。
第１のアンドープＧａＮ層は、基板温度を１０４０℃とし、原料にＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアを用いて、１０ｎｍの厚さに成長させた。ｎ型ＧａＮコンタクト層は、基板温度を１０４０℃とし、原料にＴＭＧ、アンモニア、シランを用いて、Ｓｉ濃度が約７×１０18ｃｍ-3、かつ、２０００ｎｍの厚さに成長させた。第２のアンドープＧａＮ層は、基板温度を８２０℃とし、原料にＴＭＧ、アンモニアを用いて、１００ｎｍの厚さに成長させた。ｎ型ＧａＮクラッド層は、基板温度を８２０℃とし、原料にＴＭＧ、アンモニア、シランを用いて、Ｓｉ濃度が約５×１０18ｃｍ-3、かつ、２０ｎｍの厚さに成長させた。
活性層は、原料にＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用いて、最下層および最上層が障壁層となるように、７層のＩｎＧａＮ障壁層と、６層のＩｎＧａＮ井戸層とを交互に成長させることにより形成した。成長温度はＩｎＧａＮ障壁層では８２０℃、ＩｎＧａＮ井戸層では７８０℃とし、井戸層の厚さは９ｎｍ、障壁層の厚さは１８ｎｍとした。活性層には不純物を添加しなかった。
以上の結晶成長は、キャリアガスとして窒素を用いて成長させた。
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、エピタキシャル成長させたｍ面ＧａＮ基板の温度を９６０℃とし、原料にＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、５０ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約１×１０19ｃｍ-3、である。ＴＭＧとＴＭＡの流量は、結晶組成がＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎとなるように調節した。
ｐ型ＧａＮコンタクト層は、原料にＴＭＧ、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、４０ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＧａＮコンタクト層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約７×１０19ｃｍ-3、である。ｐ型ＧａＮコンタクト層の成長時、ＭＯＣＶＤ装置内へのアンモニア供給レートは１０ＳＬＭ、エピタキシャル成長させたｍ面ＧａＮ基板の温度は１０００℃とした。このｐ型ＧａＮコンタクト層の成長が完了したら、直ちに、エピタキシャル成長させたｍ面ＧａＮ基板の加熱を停止して８２０℃までエピタキシャル成長させたｍ面ＧａＮ基板を冷却した。
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層及びｐ型ＧａＮコンタクト層の結晶成長は、キャリアガスとして水素及び窒素の混合ガスを用いて成長させた。
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層は、エピタキシャル成長させたｍ面ＧａＮ基板の温度を８２０℃に保った状態で、原料にＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニア、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いて、１ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度は表面層のため不明である。
ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層の結晶成長は、キャリアガスとして窒素を用いて成長した。
結晶成長が終了すると、直ちに、半導体積層体をエピタキシャル成長させたｍ面ＧａＮ基板（以下、エピタキシャルウェハとも呼ぶ）の加熱を停止して冷却し、５００℃に達した時点でアンモニアを遮断した。キャリアガスとしてはｍ面ＧａＮ基板が冷却するまで窒素フローを継続させた。
表１は、実施例１の半導体積層体の各層の構成、成長させた際のキャリアガス、基板温度、厚さ及びドーパントを示している。
（メサ形成）
上記手順により得たエピタキシャルウェハを、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングし、その後、ＲＩＥドライエッチング装置により、ｎ型ＧａＮコンタクト層に達するまでエッチングして、メサを形成した。
上記手順により得たエピタキシャルウェハを、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングし、その後、ＲＩＥドライエッチング装置により、ｎ型ＧａＮコンタクト層に達するまでエッチングして、メサを形成した。
ここで、メサを形成したエピタキシャルウェハを１／２に分割し、その片側についてプロセスを継続した。
（大気中での熱処理）
続いて、大気中（酸素の存在下）で石英製加熱炉を用いて、メサを形成したエピタキシャルウェハを５２０℃で２０分間熱処理した。ここでは、あらかじめ温度を一定にしておいた石英製加熱炉に、サセプタに載せたエピタキシャルウェハを挿入し、所定の時間挿入した後、大気中で熱処理したエピタキシャルウェハを取り出した。なお、熱処理する温度は、４００℃以上７００℃以下が望ましい。
続いて、大気中（酸素の存在下）で石英製加熱炉を用いて、メサを形成したエピタキシャルウェハを５２０℃で２０分間熱処理した。ここでは、あらかじめ温度を一定にしておいた石英製加熱炉に、サセプタに載せたエピタキシャルウェハを挿入し、所定の時間挿入した後、大気中で熱処理したエピタキシャルウェハを取り出した。なお、熱処理する温度は、４００℃以上７００℃以下が望ましい。
（ｐ側電極の形成）
次に、大気中で熱処理したエピタキシャルウェハの表面上にフォトリソグラフィー法を用いて、電極パターンのフォトレジストマスクを形成し、その後、ｐ型InＧａＮコンタクト層上にｐ側コンタクト電極として、メサ全面に厚さ３０ｎｍのＮｉ層及び厚さ３００ｎｍのＡｕ層を、電子ビーム蒸着装置により形成した。その後、リフトオフ法を用いて、ｐ側コンタクト電極を形成したエピタキシャルウェハにＴｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含むｐ側メタル電極を形成し、その後、熱処理炉を用いて、窒素雰囲気中において５００℃で１分間熱処理（アロイ処理）した。
次に、大気中で熱処理したエピタキシャルウェハの表面上にフォトリソグラフィー法を用いて、電極パターンのフォトレジストマスクを形成し、その後、ｐ型InＧａＮコンタクト層上にｐ側コンタクト電極として、メサ全面に厚さ３０ｎｍのＮｉ層及び厚さ３００ｎｍのＡｕ層を、電子ビーム蒸着装置により形成した。その後、リフトオフ法を用いて、ｐ側コンタクト電極を形成したエピタキシャルウェハにＴｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含むｐ側メタル電極を形成し、その後、熱処理炉を用いて、窒素雰囲気中において５００℃で１分間熱処理（アロイ処理）した。
（ｎ側電極の形成）
次に、ｐ側コンタクト電極及びｐ側メタル電極を形成したエピタキシャルウェハにおいて、メサ形成により部分的に露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層２の表面に、メタル製のｎ側メタル電極を形成した。このｎ側メタル電極は、Ｔｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含む積層膜とした。ｎ側メタル電極のパターニングは、通常のリフトオフ法により行った。
次に、ｐ側コンタクト電極及びｐ側メタル電極を形成したエピタキシャルウェハにおいて、メサ形成により部分的に露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層２の表面に、メタル製のｎ側メタル電極を形成した。このｎ側メタル電極は、Ｔｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ３００ｎｍ）をこの順に含む積層膜とした。ｎ側メタル電極のパターニングは、通常のリフトオフ法により行った。
最後に、ダイヤモンドスクライバを用いてｎ側メタル電極を形成したエピタキシャルウェハを５００μｍ×５５０μｍ角に分断することにより、実施例１の半導体発光素子を得た。
（評価）
上記手順により得た実施例１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、２．８３Ｖという極めて低い値であった。また、実施例１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．０９Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．４８Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．００Ｖという極めて低い値であった。
上記手順により得た実施例１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、２．８３Ｖという極めて低い値であった。また、実施例１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．０９Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．４８Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．００Ｖという極めて低い値であった。
なお、測定に際して、実施例１の半導体発光素子への電流供給は、ｐ側メタル電極及びｎ側メタル電極のそれぞれに接続したＡｕワイヤを通して行った。
また、実施例１の半導体発光素子では、ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層上のほぼ全体にｐ側コンタクト電極を形成したので、ｐ側コンタクト電極側から光を取り出すことはできない。従って、実施例１の半導体発光素子として動作させるときには、実施例１の半導体発光素子の上下を逆にして、フリップチップ構造とし、ｍ面ＧａＮ基板側から光を取り出すことが望ましい。
（比較例１）
比較例１の半導体発光素子は、メサ形成後に大気中での熱処理を行っていない点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。比較例１の半導体発光素子は、実施例１の半導体発光素子の作製で使用した残りの１／２のエピタキシャルウェハを使用して作製した。
比較例１の半導体発光素子は、メサ形成後に大気中での熱処理を行っていない点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。比較例１の半導体発光素子は、実施例１の半導体発光素子の作製で使用した残りの１／２のエピタキシャルウェハを使用して作製した。
（評価）
上記手順により得た比較例１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．７９Ｖという高い値であった。また、比較例１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．３９Ｖという高い値であった。さらに、比較例１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．８３Ｖという高い値であった。さらに、比較例１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、６．０９Ｖという高い値であった。
上記手順により得た比較例１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．７９Ｖという高い値であった。また、比較例１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．３９Ｖという高い値であった。さらに、比較例１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．８３Ｖという高い値であった。さらに、比較例１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、６．０９Ｖという高い値であった。
（比較例２）
比較例２の半導体発光素子は、メサ形成後に窒素雰囲気中で熱処理した点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。熱処理温度及び熱処理時間は、実施例１の半導体発光素子と同じである。比較例２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．３２×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が−０．０１°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
比較例２の半導体発光素子は、メサ形成後に窒素雰囲気中で熱処理した点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。熱処理温度及び熱処理時間は、実施例１の半導体発光素子と同じである。比較例２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．３２×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が−０．０１°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
（評価）
上記手順により得た比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．５２Ｖという高い値であった。また、比較例２の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．９８Ｖという高い値であった。さらに、比較例２の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．３２Ｖという高い値であった。さらに、比較例２の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．４１Ｖという高い値であった。
上記手順により得た比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．５２Ｖという高い値であった。また、比較例２の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．９８Ｖという高い値であった。さらに、比較例２の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．３２Ｖという高い値であった。さらに、比較例２の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．４１Ｖという高い値であった。
（実施例２）
実施例２の半導体発光素子は、ｐ側コンタクト電極を、厚さ３０ｎｍのＮｉ層及び厚さ３００ｎｍのＡｇ（銀）層で形成した点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。実施例２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．３２×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が−０．０５°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
実施例２の半導体発光素子は、ｐ側コンタクト電極を、厚さ３０ｎｍのＮｉ層及び厚さ３００ｎｍのＡｇ（銀）層で形成した点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。実施例２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．３２×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が−０．０５°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
（評価）
上記手順により得た実施例１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．０９Ｖという極めて低い値であった。
上記手順により得た実施例１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．０９Ｖという極めて低い値であった。
（測定結果）
表２は、実施例１、比較例１、比較例２及び実施例２の半導体発光素子に順方向電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）の測定結果を示している。
表２は、実施例１、比較例１、比較例２及び実施例２の半導体発光素子に順方向電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）の測定結果を示している。
実施例１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）は２．８３Ｖである一方、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はそれぞれ４．７９Ｖ、４．５２Ｖであり、実施例１の半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は１．８〜２．０Ｖと著しく低減した。
また、実施例１及び実施例２の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はいずれも３．０９Ｖである一方、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はそれぞれ５．３９Ｖ、４．９８Ｖであり、実施例１の半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は２．０〜２．３Ｖと著しく低減した。
さらに、実施例１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）は３．４８Ｖである一方、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はそれぞれ５．８３Ｖ、５．３２Ｖであり、実施例１の半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は１．８〜２．４Ｖと著しく低減した。
さらに、実施例１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）は４．００Ｖである一方、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はそれぞれ６．０９Ｖ、５．４１Ｖであり、実施例１の半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は１．４〜２．１Ｖと著しく低減した。
（考察）
表３は、実施例１、比較例１、比較例２及び実施例２のプロセス条件の違いを示している。
表３は、実施例１、比較例１、比較例２及び実施例２のプロセス条件の違いを示している。
実施例１、比較例１、比較例２及び実施例２のプロセス条件の違いを考察すると、メサ形成後に大気中（酸素の存在下）で熱処理を行うことによって、順方向電圧（Ｖｆ）が著しく低下したことは明白である。また、ｐ側コンタクト電極の構成の違いによっては、順方向電圧（Ｖｆ）には差異が生じないことが分かった。さらに、ｐ側コンタクト電極を、極めて酸素と反応しやすいMgを除いた、Ｎｉ（ニッケル）層やＡｕ（金）層のような一般的に取り扱いが容易な金属で形成したことによって、容易にｐ側コンタクト電極を形成することができた。
（実施例３）
実施例３では、ＴＬＭ(Transmission Line Methode)測定を行った。ＴＬＭ測定によれば、電極間のコンタクト抵抗とシート抵抗の導出が可能になる。
実施例３では、ＴＬＭ(Transmission Line Methode)測定を行った。ＴＬＭ測定によれば、電極間のコンタクト抵抗とシート抵抗の導出が可能になる。
まず、実施例３では、実施例１と同様のｍ面ＧａＮ基板の、ポリッシング仕上げされたおもて面上に、常圧ＭＯＶＰＥ法を用いて、アンドープＧａＮ層、ｐ型ＧａＮコンタクト層及びｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層を順次エピタキシャル成長させてエピタキシャルウェハを作製した。
アンドープＧａＮ層は、実施例１のｎ型ＧａＮコンタクト層にＳｉをドープしない条件で２０００ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＧａＮコンタクト層は、実施例１のｐ型ＧａＮコンタクト層と同様の条件で６５ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型ＧａＮコンタクト層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度が約１．３×１０20ｃｍ-3、である。ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層は、実施例１のｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層と同様の条件で１ｎｍの厚さに成長させた。ｐ型InＧａＮコンタクト層は、Ｍｇでドープされており、Ｍｇ濃度は表面層のため不明である。
続いて、大気中（酸素の存在下）で石英製加熱炉を用いて、上記手順により作製したエピタキシャルウェハを５２０℃で２０分間熱処理した。
続いて、大気中で熱処理したエピタキシャルウェハの表面上にフォトリソグラフィー法を用いて、実施例１のｐ側コンタクト電極と同様の条件でｐ側コンタクト電極として厚さ３０ｎｍのＮｉ層及び厚さ３００ｎｍのＡｕ層を形成した。ｐ側コンタクト電極は、ＴＬＭパターンで形成した。ＴＬＭパターンのパッドサイズは、２００×３００μｍとし、ＴＬＭパターンのパッド間隔は、２〜１８μｍとした。ＴＬＭパターンを含む領域は、基板面方向の電流拡がりを防止するために、ＲＩＥドライエッチング装置によりエッチングして、メサを形成した。
図３は、ｐ側コンタクト電極のコンタクト間隔が１０μｍのときのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。ｐ側コンタクト電極は、図３に示すように、順方向電圧の上昇に従って順方向電流が線形的に増加しており、オーミック性に近づいていることが分かった。
図４は、ｐ側コンタクト電極におけるコンタクト抵抗の温度特性を示すグラフである。ｐ側コンタクト電極は、図４に示すように、温度上昇に従ってコンタクト抵抗が指数関数的に減少していた。このことから、ｐ側コンタクト電極とｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層とコンタクト界面では、熱電子電界放出（ＴＦＥ）が支配していると考えられる。すなわち、ｐ側コンタクト電極については、界面のショットキー障壁が電子が熱励起される高さまで減少していると推察される。この原因については、Ｎｉ蒸着後の大気中アニールによるＧａ空孔の形成や界面におけるＮｉＯの形成が考えられるが、現状は不明である。
以上から、ｐ側コンタクト電極は、オーミック特性を示していることが判明した。逆に言うと、デバイス温度を上げたときにコンタクト抵抗が低下する状況となれば、その電極はオーミック性を有しており、良質な電極が形成されていると考えることができる。
（実施例４）
実施例４では、大気中での熱処理温度を一定としたときの熱処理時間依存性を調査した。まず、実施例４では、実施例３と同様の手順によりエピタキシャルウェハを４枚作製した。続いて、大気中（酸素の存在下）で石英製加熱炉を用いて、上記手順により作製した各エピタキシャルウェハについて、熱処理温度を５２０℃と一定とし、熱処理時間を１分間、２０分間、６０分間、１２０分間としてそれぞれ熱処理した。
実施例４では、大気中での熱処理温度を一定としたときの熱処理時間依存性を調査した。まず、実施例４では、実施例３と同様の手順によりエピタキシャルウェハを４枚作製した。続いて、大気中（酸素の存在下）で石英製加熱炉を用いて、上記手順により作製した各エピタキシャルウェハについて、熱処理温度を５２０℃と一定とし、熱処理時間を１分間、２０分間、６０分間、１２０分間としてそれぞれ熱処理した。
続いて、大気中で熱処理した各エピタキシャルウェハの表面上にフォトリソグラフィー法を用いて、実施例３のｐ側コンタクト電極と同様の条件でそれぞれｐ側コンタクト電極を形成した。
表４は、大気中での熱処理温度を５２０℃と一定とし、熱処理時間を１分間、２０分間、６０分間、１２０分間としてそれぞれ熱処理したときのエピタキシャルウェハにおけるｐ側コンタクト電極のコンタクト抵抗を示している。
熱処理時間を１分間としたときのコンタクト抵抗は１×１０9Ωｃｍ2と非常に高く、導電性は得られなかった。これに対して、熱処理時間を２０分間、６０分間、１２０分間としたときのコンタクト抵抗はそれぞれ５．５０×１０-3Ωｃｍ2、４．２０×１０-3Ωｃｍ2、６．００×１０-3Ωｃｍ2と著しく低減し、順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）（計算値）はそれぞれ、３．５９Ｖ、３．４０Ｖ、３．６６Ｖであった。従って、熱処理温度を５２０℃としたときの熱処理時間は、１０分間以上が好ましい。
以上から、大気中での熱処理条件は、５２０℃１０分間以上の条件が必要であることが判明した。一方、大気中での熱処理条件は、活性層にダメージを与えることが懸念されるため、ダメージ低減の観点からは低温、短時間が望ましいと考えられる。
（実施例５）
実施例５−１の半導体発光素子は、（エピタキシャル成長）→（大気中での熱処理）→（メサ形成）の手順で作製した点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。実施例５−２の半導体発光素子は、（エピタキシャル成長）→（メサ形成）→（ｐ側電極の形成）の手順で作製し、ｐ側電極の形成後に窒素雰囲気中で熱処理せずに（大気中での熱処理）を行った点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。実施例５−１及び実施例５−２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．３２×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が０．０５°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
実施例５−１の半導体発光素子は、（エピタキシャル成長）→（大気中での熱処理）→（メサ形成）の手順で作製した点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。実施例５−２の半導体発光素子は、（エピタキシャル成長）→（メサ形成）→（ｐ側電極の形成）の手順で作製し、ｐ側電極の形成後に窒素雰囲気中で熱処理せずに（大気中での熱処理）を行った点を除いて、実施例１の半導体発光素子と同じ手順で作製した。実施例５−１及び実施例５−２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．３２×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が０．０５°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
（評価）
上記手順により得た実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、２．６４Ｖという極めて低い値であった。また、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、２．９４Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．３７Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．１３Ｖという極めて低い値であった。
上記手順により得た実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、２．６４Ｖという極めて低い値であった。また、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、２．９４Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．３７Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．１３Ｖという極めて低い値であった。
また、実施例１の半導体発光素子の発光出力は４７（相対値）、実施例５−１の半導体発光素子の発光出力は４８（相対値）であった。
上記手順により得た実施例５−２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．１２Ｖという極めて低い値であった。また、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、３．６４Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流１００ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、４．２７Ｖという極めて低い値であった。さらに、実施例５−１の半導体発光素子に順方向電流３５０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）を測定したところ、５．１９Ｖという値であった。
また、実施例１の半導体発光素子の発光出力は４７（相対値）、実施例５−２の半導体発光素子の発光出力は４９（相対値）であった。
（測定結果）
表５は、実施例１、実施例５−１及び実施例５−２の半導体発光素子に順方向電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）及び発光出力の測定結果を示している。
表５は、実施例１、実施例５−１及び実施例５−２の半導体発光素子に順方向電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）及び発光出力の測定結果を示している。
実施例５−１の半導体発光素子の順方向電流は、実施例１の半導体発光素子の順方向電流と同等であり、実施例５−１の半導体発光素子の発光出力は、実施例１の半導体発光素子の発光出力と同等であった。
また、実施例５−２の半導体発光素子に順方向電流は、実施例１の半導体発光素子に比してやや高くなっているが、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に比して著しく低減した。実施例５−２の半導体発光素子の発光出力は、実施例１の半導体発光素子の発光出力と同等であった。
以上より、実施例５−１及び実施例５−２の半導体発光素子は、実施例１の半導体発光素子の工程の順序を変更したものだが、順方向電圧が比較例１及び比較例２の半導体発光素子に比して著しく低減し、発光出力が実施例１の半導体発光素子とほぼ変わらないことが分かった。
（実施例６）
実施例６の半導体発光素子は、実施例３と同じＴＬＭ構造である。ただし、電極依存性を調査するためにｐ側コンタクト電極のＮｉ層を他の金属に変更した。実施例６−１の半導体発光素子は、Ｎｉ層をＰｔ層に変更した。実施例６−２の半導体発光素子は、Ｎｉ層をＡｌ層に変更した。実施例６−１及び実施例６−２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．９５×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が−０．２６°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
実施例６の半導体発光素子は、実施例３と同じＴＬＭ構造である。ただし、電極依存性を調査するためにｐ側コンタクト電極のＮｉ層を他の金属に変更した。実施例６−１の半導体発光素子は、Ｎｉ層をＰｔ層に変更した。実施例６−２の半導体発光素子は、Ｎｉ層をＡｌ層に変更した。実施例６−１及び実施例６−２の半導体発光素子は、キャリア濃度が１．９５×１０17ｃｍ-3で、＋ｃ方向へのオフ角が−０．２６°であるｍ面ＧａＮ基板を使用して作製した。基板サイズは、実施例１のｍ面ＧａＮ基板と同じである。
（評価）
上記手順により得た実施例６−１の半導体発光素子は、コンタクト抵抗が１．０×１０-2Ωｃｍ2と極めて低い値であり、順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）（計算値）が４．２３Ｖという極めて低い値であった。
上記手順により得た実施例６−１の半導体発光素子は、コンタクト抵抗が１．０×１０-2Ωｃｍ2と極めて低い値であり、順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）（計算値）が４．２３Ｖという極めて低い値であった。
上記手順により得た実施例６−２の半導体発光素子は、コンタクト抵抗が１．３×１０-2Ωｃｍ2と極めて低い値であり、順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）（計算値）が４．６６Ｖという極めて低い値であった。
（測定結果）
表６は、実施例６−１及び実施例６−２の半導体発光素子のコンタクト抵抗の測定結果及び順方向電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）の計算値を示している。
表６は、実施例６−１及び実施例６−２の半導体発光素子のコンタクト抵抗の測定結果及び順方向電流を印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）の計算値を示している。
実施例６−１の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）は、４．２３Ｖである一方、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はそれぞれ５．３９Ｖ、４．９８Ｖであり、実施例１の半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は０．８〜１．２Ｖと著しく低減した。なお、比較例１の条件でＰｔ層の半導体発光素子を作製した場合には、さらに順方向電圧（Ｖｆ）は高くなるものと考えられる。従って、実施例６−１の半導体発光素子と比較例１の条件で作製したＰｔ層の半導体発光素子との差異は、さらに顕著なものとなる。
実施例６−２の半導体発光素子に順方向電流２０ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）は、４．６６Ｖである一方、比較例１及び比較例２の半導体発光素子に順方向電流１ｍＡを印加したときの順方向電圧（Ｖｆ）はそれぞれ５．３９Ｖ、４．９８Ｖであり、実施例１の半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）は０．３〜０．６Ｖと著しく低減した。なお、比較例１の条件でＡｌ層の半導体発光素子を作製した場合には、さらに順方向電圧（Ｖｆ）は高くなるものと考えられる。従って、実施例６−２の半導体発光素子と比較例１の条件で作製したＡｌ層の半導体発光素子との差異は、さらに顕著なものとなる。
以上より、実施例１の半導体発光素子は、Ｎｉ層をＭｇ以外の他の金属に変更したとしても、順方向電圧を比較例に比して低減できることが分かった。なお、実施例６−１及び実施例６−２の半導体発光素子では、順方向電流が２０ｍＡのときの順方向電圧は、４．７Ｖ以下が望ましく、より望ましくは４．３Ｖ以下、さらに望ましくは４．０Ｖ以下である。
図５は、Ｎｉ層、Ｐｔ層及びＡｌ層のｐ側コンタクト電極におけるコンタクト抵抗の温度特性を示すグラフである。Ｎｉ層のｐ側コンタクト電極は、上述のように、温度上昇に従ってコンタクト抵抗が指数関数的に減少していた。このことから、ｐ側コンタクト電極とｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層とコンタクト界面では、熱電子電界放出（ＴＦＥ）が支配していると考えられる。すなわち、ｐ側コンタクト電極については、界面のショットキー障壁が電子が熱励起される高さまで減少していると推察される。
Ｐｔ層のｐ側コンタクト電極は、図５に示すように、温度上昇に伴ってコンタクト抵抗がわずかに上昇した。この場合、界面の伝導特性は熱電子電界放出（ＴＦＥ）ではなく、界面のショットキー障壁を通過するトンネル電流が主体となっていると考えられる。
Ａｌ層のｐ側コンタクト電極は、図５に示すように、温度上昇に伴ってコンタクト抵抗がわずかに上昇した。この場合、界面の伝導特性は熱電子電界放出（ＴＦＥ）ではなく、界面のショットキー障壁を通過するトンネル電流が主体となっていると考えられる。
（本実施形態の半導体発光素子１の作用・効果）
このようにして、本実施形態の半導体発光素子１では、ｍ面ＧａＮ基板２と、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２ＡにＧａＮ系半導体を用いて形成された半導体積層体３と、半導体積層体３の上面に形成された、金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極４２と、を備え、ｍ面ＧａＮ基板２、半導体積層体３及びｐ側コンタクト電極４２に印加される順方向電流が２０ｍＡのときに、順方向電圧が４．７Ｖ以下である。
このようにして、本実施形態の半導体発光素子１では、ｍ面ＧａＮ基板２と、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２ＡにＧａＮ系半導体を用いて形成された半導体積層体３と、半導体積層体３の上面に形成された、金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極４２と、を備え、ｍ面ＧａＮ基板２、半導体積層体３及びｐ側コンタクト電極４２に印加される順方向電流が２０ｍＡのときに、順方向電圧が４．７Ｖ以下である。
なお、本実施形態の半導体発光素子１では、順方向電流が２０ｍＡのときの順方向電圧は、４．７Ｖ以下が望ましく、より望ましくは４．３Ｖ以下、さらに望ましくは４．０Ｖ以下である。また、４．０Ｖ以下が望ましく、より望ましくは３．６Ｖ以下、さらに望ましくは３．２Ｖ以下である。また、本実施形態の半導体発光素子１では、順方向電流が１ｍＡのときの順方向電圧は、４．３Ｖ以下が望ましく、より望ましくは３．９Ｖ以下、さらに望ましくは３．５Ｖ以下である。さらに、本実施形態の半導体発光素子１では、順方向電流が１００ｍＡのときの順方向電圧は、４．７Ｖ以下が望ましく、より望ましくは４．３Ｖ以下、さらに望ましくは３．９Ｖ以下である。さらに、本実施形態の半導体発光素子１では、順方向電流が３５０ｍＡのときの順方向電圧は、５．２Ｖ以下が望ましく、より望ましくは４．８Ｖ以下、さらに望ましくは４．４Ｖ以下である。
また、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法では、ｍ面ＧａＮ基板２のおもて面２ＡにＧａＮ系半導体を用いて半導体積層体３を形成する第１ステップと、第１ステップにおいて形成した半導体積層体３を酸素の存在下で熱処理する第２ステップと、第２ステップにおいて熱処理を行った半導体積層体３の上面に金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極４２を形成する第３ステップと、を備える。
従って、ｐ側コンタクト電極４２を、極めて酸素と反応しやすいＭｇを除いた、Ｎｉ（ニッケル）層やＡｕ（金）層のような一般的に取り扱いが容易な金属で形成することができると共に、半導体発光素子１の順方向電圧（Ｖｆ）を著しく低減することができる。このように半導体発光素子１の順方向電圧（Ｖｆ）が低減したのは、電気特性としての表面のショットキーバリア高さが変化したからであると考えられる。
また、明細書中では全てp層の再表面はＭｇドープＩｎＧａＮ層としていたが、この層を省略して、最表面をＭｇドープＧａＮ層としても本手法により同様の低い電圧を得ることができる。また、最表面をＧａＮではなくＭｇドープＡｌＧａＮとした場合も検討したが、この場合についてもＡｌ組成が低い場合には問題なく電圧を下げることができることを確認している。その場合、最表面のＡｌ組成は概ね６％以下が望ましい。また、明細書中では、エピタキシャル成長の終了後ヒーターへの通電を切断し、５００Ｃまで冷却された時点でＮＨ3ガスの供給をストップしたが、筆者らの検討の中で、エピタキシャル成長の終了後、ヒーター通電の終了と同時にＮＨ3を遮断することも検討したが、結果に大きな差は見られなかった。
１……半導体発光素子、２……ｍ面ＧａＮ基板、３……半導体積層体、３１……第１のアンドープＧａＮ層、３２……ｎ型ＧａＮコンタクト層、３３……第２のアンドープＧａＮ層、３４……ｎ型ＧａＮクラッド層、３５……活性層、３６……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、３７……ｐ型ＧａＮコンタクト層、３８……ｐ型ＩｎＧａＮコンタクト層、４１……ｎ側メタル電極、４２……ｐ側コンタクト電極、４３……ｐ側メタル電極
Claims (5)
- ｍ面ＧａＮ基板と、
前記ｍ面ＧａＮ基板のおもて面にＧａＮ系半導体を用いて形成された発光構造と、
前記発光構造の上面に形成された、金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極と、
を備え、
前記ｍ面ＧａＮ基板、前記発光構造及び前記ｐ側コンタクト電極に印加される順方向電流が２０ｍＡのときに、順方向電圧が４．７Ｖ以下である
ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記ｐ側コンタクト電極は、少なくともニッケル、プラチナ又はアルミニウムを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。 - ｍ面ＧａＮ基板のおもて面にＧａＮ系半導体を用いて発光構造を形成する第１ステップと、
前記第１ステップにおいて形成した前記発光構造を酸素の存在下で熱処理する第２ステップと、
前記第２ステップにおいて熱処理を行った前記発光構造の上面に金属（マグネシウムを除く）からなるｐ側コンタクト電極を形成する第３ステップと、
を備える
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第２ステップでは、前記発光構造を大気中で熱処理する
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 前記第２ステップでは、前記発光構造を４００℃以上７００℃以下で熱処理する
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
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