JP4032704B2 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体素子及びその成長方法に関し、特にＹＡＧ基板を用いた白色発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
白色光を発する発光素子は、液晶や照明、表示装置等に有用である。現在、白色発光素子は青色ＬＥＤチップをＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２（以下、ＹＡＧと示す。）系蛍光粉末を混合した樹脂でモールドすることにより形成されている。これはＬＥＤチップから放射された光の一部がＹＡＧ系蛍光粉末の粒子に当たり、発光した黄色光をＬＥＤチップからの青色光と混ざり会わせて白色光とするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す方法で白色光の均一性を得るのは非常に困難である。その理由としては、樹脂に混入させるＹＡＧ系蛍光粉末の粒径を均一にすることが難しい。さらには粉末が沈降するためである。また、蛍光体粉末表面での反射散乱が起こるため光の取り出し効率の低下が考えられる。
【０００４】
そこで、本発明は白色等の任意色において上記の問題点を克服した発光素子を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体素子は、（１１１）面を主面とするＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を基板とし、該基板上にＩｎ _ｘ Ａｌ _ｙ Ｇａ _{1- ｘ - ｙ} Ｎ（０．２≦ｘ≦０．９、０≦ｙ≦０．５、０．２≦ｘ＋ｙ≦０．９）からなるバッファ層を有し、該バッファ層上に少なくともＩｎを含む発光層を備えた窒化物半導体層を有することを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体層はＩｎ _ｘ Ａｌ _ｙ Ｇａ _{1- ｘ - ｙ} Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなることを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体層は、前記バッファ層と前記発光層との間にＩｎを含有するｎ型窒化物半導体層を有することを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体素子において、前記バッファ層の膜厚は、１０Å以上０．５μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体素子において、前記発光層からの主発光ピーク波長は、３８０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体素子において、前記Ｙ _３ Ａｌ _５ Ｏ _１２ 基板には凹凸が形成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の窒化物半導体素子は、前記Ｙ _３ Ａｌ _５ Ｏ _１２ 基板を発光面としてフェイスダウン実装されることを特徴とする。
【０００６】
（１１１）面を主面とするＹＡＧは他の基板（サファイア、ＺｎＯ等）に比べて格子定数が大きい。そのため、この基板上に窒化物半導体層を成長させることは困難であった。そのため、窒化物半導体層にＩｎを混晶することで格子定数を大きくし、格子不整合を緩和させることとした。ＹＡＧは立方晶系に属するため、（１１１）方位からの投影面を考えた場合に六角形がとれる。よって、ＧａＮの六方晶系と一致させることができる。

【０００７】
また前記ＹＡＧ基板において、Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものである。例えば、ＹＡＧ中でＹの一部をＧｄで置換すれば４６０ｎｍ以上の長波長域の励起発光効率を高くすることができる。Ｇｄの置換量を増加させれば、発光ピーク波長が長波長に移動し全体の発光波長も長波長側にシフトする。そのため、赤色の強い発光色が必要な場合には有効である。また、Ｙの一部をＧｄで置換すれば、発光波長は短波長側にシフトする。そのため、以上に示す元素でＹＡＧ基板を置換すれば発光波長を変化させることで任意の発光色を提供することができる。さらに同色内でも微調整が可能となる。
【０００８】
また窒化物半導体層内に形成されている発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）や単一量子井戸構造（ＳＱＷ）等の量子井戸構造をするが、半導体構造をＭＩＳ接合、ＰＩＮ接合やｐｎ接合などを有するホモ構造、ヘテロ構造あるいはダブルヘテロ構造としてもよい。発光層にはＩｎを含有するため下地層にＩｎを混晶すれば安定な発光層とすることができる。白色発光をさせるには発光層からの主発光ピークは３８０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下であり、好ましくは４００ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。
【０００９】
上記に示すように、ＹＡＧ基板はＩｎを含有した窒化物半導体と格子定数が近く、またＩｎには歪み緩和作用もあるため本発明においてＩｎを含有した窒化物半導体をＹＡＧ基板上に成長すれば結晶性を向上させることができる。
【００１０】
前記窒化物半導体素子は、前記ＹＡＧ基板にはＣｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有することを特徴とする。このような付活剤は発光効果を有し、中でもＣｅはＣｅ^３＋とすることで黄色発光を示す。Ｔｂ^２＋、Ｔｂ^３＋については緑色発光となりＥｕ^２＋、Ｅｕ^３＋については赤色を示す。そのため窒化物半導体体を用いた青色発光素子との組み合わせで例えば白色光のように任意の色を発光させることができる。
【００１１】
前記ＹＡＧ基板は、（１１１）面となす角が１０°以内であることを特徴とする。ＹＡＧ基板の表面傾斜を１０°以内とすることで、この基板上に成長させる窒化物半導体のステップ成長が促進される。そのため、モフォロジーの良好な窒化物半導体とすることができる。
以上に示す構成により、例えば発光層からの青色発光（波長４０５ｎｍ）とＹＡＧ基板の黄色発光から均一な白色発光を提供することができる。
【００１２】
【００１３】
バッファ層、ｎ型窒化物半導体層にＩｎを含有することで歪み緩和を実現でき、臨界膜厚を改善することができる。過度の歪みによって発生していた発光効率の低下、及びより長波長（Ｉｎ高混晶）での信頼性の低下を改善することができる。
【００１４】
以上に示す構成により、例えば発光層からの青色発光（波長４０５ｎｍ）とＹＡＧ基板の黄色発光から均一な白色発光を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体素子は、（１１１）面を主面とするＹＡＧを基板とし、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る窒化物半導体層を少なくとも一層を形成した窒化物半導体素子である。前記ＹＡＧ基板は、Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものである。また、このＹＡＧ基板にはＣｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有する。前記ＹＡＧ基板は、（１１１）面となす角が１０°以内であるのが好ましい。
【００１６】
本発明の窒化物半導体素子の成長方法は、（１１１）面を主面とするＹＡＧを基板として、この上に少なくともＩｎを含んだバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層上にＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成る窒化物半導体層を少なくとも一層を形成する工程を備えたものである。
【００１７】
本発明の作用効果としては、蛍光体を用いた白色と比べてより均一な白色光源となることである。蛍光体では粒径を均一にする必要があり、さらには蛍光体の沈殿等による色ムラが課題とされていた。しかしながら、本発明ではこのような課題にＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板を用いることで解決するものである。
【００１８】
上記に示す蛍光体はＹＡＧ系蛍光体の本来の蛍光機能を害することなく、その他の元素及び付活剤を添加することができる。このＹＡＧ系単結晶は立方晶ガーネット構造を示し、立法晶系に属するため、（１１１）方位からの投影面を考えた場合に六角形がとれる。そのため、このＹＡＧ系単結晶に窒化物半導体を成長させる基板とすることができる。またＹＡＧ基板の上に窒化物半導体をエピタキシャル成長させるにはＹＡＧ基板上に少なくともＩｎを含んだＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）から成るバッファ層を形成することでＬＥＤ素子構造やＬＤ素子構造を形成することができる。好ましくはＡｌの組成比ｙが０．５以下であり、さらに好ましくはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）バッファ層を形成するものである。Ａｌをバッファ層に含有すれば、後に成長する窒化物半導体を平坦に形成することができる。しかしながら、Ａｌの組成比が高ければ結晶性の低下を招くため、上記に示す組成範囲とする。また、バッファ層上にＥＬＯＧ法により形成した窒化物半導体層を介してもよい。
【００１９】
（基板１）
Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板はＥＦＧ法、ヘム法、キプロス法等の方法で結晶を育成することができる。その中でもＣＺ法は組成均一であり、添加物の偏積がないため基板の成長法には好ましい。更には任意の角度で引き上げた基板を切り出せることから窒化物半導体の成長面である（１１１）面を容易に形成することができる。本実施形態においては、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板の膜厚は８０μｍ以上２ｍｍ以下とする。
【００２０】
ＣＺ法では原料融液に種結晶を基に結晶方位の揃った単結晶を育成する。回転させた種結晶を原料融液に接触させ、先端が溶けるほどの温度に保持した後、種結晶を上昇させて融液との間に温度勾配を作り冷却していく。その後、結晶育成は大きく３つの工程に分けられる。結晶の直径を太くする型作り工程、一定径の結晶を得る直胴部育成工程、融液から結晶を切り離す工程からなる。原料は所望の組成比の割合で秤量して混合すればよい。Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｔｂ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３等を混合して用意する。秤量、混合された原料はルツボ中に充填される。Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２は融点が２０００℃近くの高温であることからルツボ材にはＩｒ製のものが用いられる。結晶育成炉は、炉内に耐火材で構成された高温部の中に原料を充填Ｉｒルツボに配置する。ここで付活剤は共沈等により添加するものとする。
【００２１】
（バッファ層２）
次に、前記基板１上にバッファ層２を形成する。このバッファ層としては、少なくともＩｎを含むものであり、一般式はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。好ましくはＡｌの組成比ｙが０．５以下であり、さらに好ましくはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）である。最も好ましくはＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．２≦ｘ≦０．９）である。Ｉｎを含むことで歪み緩和の効果を有する。また、ＩｎＮは不安定であるからＧａを含むことが再現性の点で好ましい。そのため、ＩＩＩ族元素の組成比はＧａを少なくとも０．１以上とする。バッファ層の成長温度は３００℃以上１０００℃以下、好ましくは４００℃以上９００℃以下の範囲に調整する。バッファ層が良好な多結晶として形成すると、この多結晶を種結晶としてバッファ層の上に結晶性の良好な窒化物半導体を形成することができる。バッファ層の膜厚は１０Å以上０．５μｍ以下で成長される。この範囲に調整すればＹＡＧ基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和することができるため、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。
【００２２】
（アンドープ窒化物半導体層３）
次に、バッファ層上にアンドープ窒化物半導体層を成長させる。アンドープ窒化物半導体層３の上に形成するｎ側コンタクト層の結晶性を良好にすることができる。アンドープ窒化物半導体層３、ｎ型コンタクト層４及びｎ側第１多層膜層５の合計の膜厚が２〜２０μｍの範囲に調整できるように設定すれば、静電耐圧を向上させることができる。そのため、アンドープ窒化物半導体層３の膜厚は限定されず、省略することもできる。
【００２３】
（ｎ型コンタクト層４）
次に、ｎ型不純物を含むｎ型コンタクト層は、ｎ型不純物を１×１０^１７／ｃｍ^３以上、好ましくは３×１０^１８／ｃｍ^３以上の濃度で含有する。このようにｎ型不純物を多くドープすることで、ＬＥＤ素子を形成する場合にはＶｆ（順方向電圧）を低下させることができ、ＬＤ素子を形成する場合には閾値を低下させることができる。
ｎ型コンタクト層としての機能を保持しうる限界としては５×１０^２１／ｃｍ^３以下とすることが望ましい。本発明における不純物濃度の測定は二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ；Secondary Ion Mass Spectrometry）によるものである。ｎ型コンタクト層は、２μｍ以上の厚膜で積層する場合には結晶の抵抗率、及び表面モフォロジーの観点よりＧａＮ又はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．２）が好ましい。ｎ型コンタクト層の膜厚が２μｍ未満であれば、ＩｎＡｌＧａＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）であって組成比は特に限定されない。また、ｎ型コンタクト層はｎ電極を形成するための層であり、抵抗値を低くし発光素子のＶｆを低くするために、ｎ型コンタクト層の膜厚は１〜１０μｍとすることが好ましい。
【００２４】
（ｎ側第１多層膜層）
次に、ｎ側第１多層膜層５は、基板１側から、アンドープの下地５ａ、ｎ型不純物ドープの中間層５ｂ、アンドープの上層５ｃの３層から構成されている。尚、ｎ側第１多層膜層は前記３層以外の層を含んでもよい。またｎ側第１多層膜５は、活性層と接していても、活性層との間に他の層を介してもよい。このｎ側第１多層膜層を形成すると、発光出力と共に静電耐圧を向上させることができる。これらの３層を構成する窒化物半導体としては、ＩｎＡｌＧａＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される種々の組成の窒化物半導体を用いることができる。この組成は互いに同一でも異なっていてもよい。
【００２５】
本発明において、ｎ側第１多層膜の膜厚は、Ｖｆを最適化し静電耐圧を向上させるために、１７５〜１２０００Åとする。好ましくは２０００〜６０００Åとする。第１多層膜の膜厚は、各膜厚を適宜調整することにより、総膜厚を上記の範囲とする。これにより、発光出力及び静電耐圧を著しく向上させることができる。
【００２６】
アンドープの下層５ａの膜厚は、１００〜１００００Å、好ましくは１０００〜５０００Åとする。アンドープの下層５ａは、膜厚を厚くすれば静電耐圧が上昇していくが、１０００Å付近でＶｆが急上昇し、一方膜厚を薄くしていくと、Ｖｆは低下していくが、静電耐圧の低下が大きくなり、１００Å未満では静電耐圧の低下に伴い歩留まりの低下が大きくなる傾向が見られる。また、下層５ａは、ｎ型不純物を含むｎ側コンタクト層の低下による影響を改善する機能を有しているため、結晶性を改善する機能を効果的に発揮させる観点からは、５００〜８０００Å程度の膜厚で成長させるのが好ましい。
【００２７】
ｎ型不純物ドープの中間層５ｂの膜厚はｎ型コンタクト層の膜厚よりも小さいことが好ましく、５０〜１０００Å、好ましくは１００〜５００Åとする。
この不純物がドープされた中間層５ｂは、キャリア濃度を十分高くして発光出力を比較的大きくする機能を有する層であり、この層を有する発光素子は、形成しない発光素子に比べて発光出力が低下する。
【００２８】
また、膜厚が１０００Åを超えると逆に発光出力が低下する。一方、静電耐圧のみを考慮すると、中間層５ｂの膜厚は５０Åより厚いと静電耐圧は良好にできるが、これよりも薄ければ静電耐圧を低下させてしまう。
【００２９】
アンドープの上層５ｃの膜厚はアンドープの下層５ａの膜厚よりも小さいことが好ましく、２５〜１０００Åとする。このアンドープの上層５ｃは、第１多層膜の中で活性層に接して、あるいは最も接近して形成され、リーク電流の防止に大きく関与する層であるが、上層５ｃの膜厚が２５Å未満ではリーク電流の増加を効果的に防止することができない。また、上層５ｃの膜厚が１０００Åを超えるとＶｆが上昇し静電耐圧も低下する。
【００３０】
上記の範囲で下層５ａ〜上層５ｃ各層の膜厚を形成することにより、素子特性のバランスが良好であり、特に発光出力及び静電耐圧が良好とすることができる。
【００３１】
第１の多層膜層を構成する各層の組成は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表される組成で構成することができ、各層の組成は同一でも異なっていても構わない。また、第１の多層膜層における ｎ型不純物のドープ量は、好ましくは、３×１０^１８／ｃｍ^３以上の濃度とする。上限は、５×１０^２１／ｃｍ^３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、第ＶＩＢ族元素を選択する。第１多層膜の上に活性層を形成する場合において、その第１の多層膜層のうちの活性層と接する上層５ｃを、例えば、ＧａＮを用いて形成することにより、活性層における障壁層として機能させることができる。第１多層膜層は上記組成式で示される２層構造としてもよく、単一のアンドープ層としてもよい。
【００３２】
（ｎ側第２多層膜層６）
次に、ｎ側第２多層膜層は、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、その第１の窒化物半導体層と異なる組成を有する第２の窒化物半導体層とを積層することにより構成する。このｎ側第２多層膜層において、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層はそれぞれ少なくとも一層以上形成し、好ましくはそれぞれ少なくとも２層以上積層し合計で４層以上積層することが望ましい。このｎ側第２多層膜層の膜厚は、少なくとも一方の膜厚を１００Å以下とし、好ましくは両方の膜厚を１００Å以下とする。
少なくとも一方の膜厚が１００Å以下であれば、その一方の薄膜層が弾性臨界膜厚以下となって結晶性を良くすることができ、多層膜層全体の結晶性を良くすることができる。両方の膜厚を１００Å以下とすれば、ｎ側第２多層膜層が超格子構造となり、ｎ側第２多層膜層はバッファ層の作用効果を有するため、その多層膜層の結晶性を良くすることができ、出力をより向上させることができる。ｎ側第２多層膜層において、第１の窒化物半導体層はＩｎを含む窒化物半導体とし、好ましくは３元混晶のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ_１＜１）とし、好ましくはｘ値を０．５以下とする。第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層と組成が異なる窒化物半導体であればよく、２元混晶や３元混晶のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ_２＜１、ｘ_２＜ｘ_１）とする。また、ｎ側第２多層膜層はアンドープ、いずれか一方に不純物がドープされてもよい。この不純物はｎ型不純物であり、変調ドープとすることが好ましい。変調ドープとすれば、出力を高くすることができる。ｎ型不純物のドープ量は、好ましくは、３×１０^１８／ｃｍ^３以上の濃度とする。上限は、５×１０^２１／ｃｍ^３以下が望ましい。ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓ、Ｏ等の周期律表第ＩＶＢ族、第ＶＩＢ族元素を選択する。
【００３３】
（活性層７）
次に量子井戸構造の活性層を形成する。活性層はアンドープの他に、ｎ型不純物とｐ型不純物のいずれか一方をドープしたものや、双方をドープしたものとする。活性層にｎ型不純物をドープするとアンドープのものに比べてバンド間発光強度を強くすることができる。活性層にｐ型不純物をドープすればバンド間発光のピーク波長よりも約０．５ｅＶ低いエネルギー側にピーク波長をシフトさせることができるが、半値幅は広くなる。結晶性のよい活性層を成長させるには、アンドープが最も好ましい。活性層は単一量子井戸構造としてもよいが、多重量子井戸構造とすれば発光出力が高い、静電耐圧の良好な特性が得られる。活性層の障壁層と井戸層との積層順は、井戸層から積層して井戸層で終わる、井戸層から積層して障壁層で終わる、障壁層から積層して障壁層で終わる、また障壁層から積層して井戸層で終わってもよい。
【００３４】
井戸層の膜厚としては１００Å以下とし、膜厚の下限は、１原子層以上、好ましくは１０Å以上とする。なお、複数の井戸層を有する場合には、最もｎ側第２多層膜層に近い井戸層をｎ型不純物のドープ層から形成し、他の井戸層をアンドープとすればＶｆを低下させることができる。このｎ型不純物はＳｉが好ましく、５×１０^２１／ｃｍ^３以下に調整する。一方、障壁層の膜厚は２０００Å以下、好ましくは５００Å以下とし、膜厚の下限は、１原子層以上、好ましくは１０Å以上に調整する。この範囲の膜厚とすれば出力を向上させることができる。活性層に接している層は活性層における最初の層（井戸層、若しくは障壁層）として機能する場合もある。
【００３５】
（ｐ型クラッド層８）
次に活性層の上にはｐ型不純物をドープしたｐ型クラッド層が形成される。ｐ型クラッド層は多層膜構造（超格子構造）または単一膜構造である。まず、ｐ型クラッド層が多層膜構造（超格子構造）とした場合について以下に説明する。
【００３６】
ｐ型クラッド層を構成する多層膜としては、第３の窒化物半導体層と、その第３の窒化物半導体層と組成の異なる第４の窒化物半導体層とが積層され、少なくとも一方にｐ型不純物を含有したものが挙げられる。第３の窒化物半導体層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とし、第４の窒化物半導体層はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）とする。ｐ型多層膜層のＡｌやＩｎの組成比は本発明における他の多層膜と同様に平均値を示すものとする。またｐ型クラッド層を超格子構造とすると、結晶性が良く、抵抗率を低くできるので、Ｖｆを低くすることができる。ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択する。
【００３７】
次に、ｐ型クラッド層を単一層とした場合について以下に説明する。このｐ型クラッド層はｐ型不純物を含有したＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）とする。Ａｌを含有することで発光出力が向上し、また静電耐圧についてもＧａＮと同等に良好である。
【００３８】
（ｐ型低濃度ドープ層９）
ｐ型クラッド層を形成後、ｐ型低濃度ドープ層を形成する。このｐ型低濃度ドープ層はｐ型クラッド層よりもｐ型不純物濃度を低くすればよく、多層膜としてもよい。効果としては、発光出力の向上と共に、静電耐圧を良好にすることができる。また、ｐ型低濃度ドープ層はｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層内のｐ型不純物濃度によっては省略することができる。
【００３９】
（ｐ型コンタクト層１０）
次にｐ型クラッド層の上にｐ型コンタクト層を形成する。ｐ型コンタクト層は、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ＜１）で表され、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープしたものとする。Ａｌを含まないＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる窒化物半導体とすることで、ｐ電極とのオーミック接触をより良好にでき、発光効率を向上させることができる。ｐ型コンタクト層の膜厚は、特に限定されないが１０００Å程度である。
【００４０】
また、ｎ電極はｎ型コンタクト層上に、ｐ電極はｐ型コンタクト層上に、それぞれ形成される。例えばｎ電極にはＷ／Ａｌ、ｐ電極としてはＮｉ／Ａｕなどを用いることができる。その後、フェイスダウン構造のＬＥＤチップとする。
【００４１】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の方法を適用できる。
【００４２】
また、ＹＡＧ基板、及び窒化物半導体に凹凸を形成する場合にはウェットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することによりエッチングすることができる。
【００４３】
【実施例】
［実施例１］
（１１１）面を主面とし、膜厚が４００μｍであるＹＡＧ基板１を準備する。次に、基板とＭＯＣＶＤ装置に移す。
【００４４】
ＭＯＣＶＤ装置内において、水素を流しながら、基板の温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行う。
【００４５】
（バッファ層）
続いて、温度を５００℃とし、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）とを用い、ＹＡＧ基板１上にＩｎ_０．８Ｇａ_０．２Ｎよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させる。
【００４６】
（アンドープ窒化物半導体層）
バッファ層を成長後、温度を９００℃まで上昇させ、原料ガスをＴＭＧ、アンモニアガスとしてアンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎを１．０μｍで成長させる。
【００４７】
（ｎ型コンタクト層）
次に、原料ガスをＴＭＧ、アンモニアガスに不純物ガスであるシランガスを加えＳｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を２．２５μｍで成長させる。
【００４８】
（ｎ側第１多層膜層）
次に、シランガスのみを止めて、アンドープＧａＮからなる下層５ａを３０００Åの膜厚で成長させ、続いてシランガスを追加してＳｉを４．５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなる中間層５ｂを３００Åの膜厚で成長させ、その後、アンドープＧａＮからなる上層５ｃを５０Åの膜厚で成長させｎ側第１多層膜層とする。
【００４９】
（ｎ側第２多層膜層）
次に、（４０Å膜厚ＧａＮ／２０Å膜厚Ｉｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ）の順で交互に１０層ずつ積層させ、最後に４０Å膜厚でアンドープＧａＮを形成する。
【００５０】
（活性層）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００Åの膜厚で成長させ、続いてアンドープＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなる井戸層を３０Åの膜厚で成長させる。これを障壁層＋井戸層＋障壁層＋・・・＋障壁層の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０Åの多重井戸量子井戸構造よりなる活性層とする。
【００５１】
（ｐ型クラッド層）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を４０Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇを用いＭｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０３Ｇａ_０．９７Ｎよりなる第４の窒化物半導体層を２５Åの膜厚で成長させる。これらの操作を繰り返し、交互に５層ずつ積層し、超格子構造の多層膜とする。
【００５２】
（ｐ型コンタクト層）
次に、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１２００Åの膜厚で成長させる。
【００５３】
反応終了後、窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、基板を反応装置から取り出し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層側からエッチングを行い、ｎ型コンタクト層の表面を露出させる。エッチング後、最上面にあるｐ型コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００ÅのＮｉとＡｕを含む透明性のｐ電極と、そのｐ電極の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極を０．５μｍの膜厚で形成する。さらに、ｎ型コンタクト層の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極を形成してＬＥＤ素子とする。得られたＬＥＤ素子は、４７０ｎｍの純青色発光を示す。このＬＥＤ素子の青色発光と、それによって励起されるＹＡＧ基板からの黄色発光との混合光を白色光とすることができる。また、順方向電流２０ｍＡにおいて、Ｖｆは３．５である。
【００５４】
［実施例２］
実施例１で得られたＬＥＤ素子を有するＹＡＧ基板をフェイスダウン構造とすることでＬＥＤチップを形成する。単結晶蛍光体であるＹＡＧ基板の上に窒化物半導体素子を成長させることで蛍光体基板を発光面として使用することにより光の取り出し効率を向上させることができる。
【００５５】
［実施例３］
実施例１において、ＹＡＧ基板に凹凸の加工を形成する他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を形成する。その結果、発光効率を向上させたＬＥＤ素子を得ることができる。
【００５６】
［実施例４］
実施例１において、ＹＡＧ基板に付活剤としてＣｅを加える他は実施例１と同様にしてＬＥＤ素子を形成する。（１１１）面を主面とするＹＡＧ：Ｃｅ_{０．０３５}基板を４００μｍの膜厚で準備する。ここで得られるＬＥＤ素子は高輝度及び高出力で均一な白色光となる。
【００５７】
［実施例５］
実施例１において、ＹがＧｄで約２０％置換された（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_{２．９６５}Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ_{０．０３５}基板を形成する。この基板上にＬＥＤ素子を形成したものは、ＣＩＥの色度表でｘ、ｙ＝（０．３３、０．３３）となる光を得ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、ＹＡＧ蛍光体粉末を樹脂に混合してＬＥＤ封止樹脂として白色ＬＥＤとするのではなく、ＹＡＧ基板上に直接ＬＥＤ等の素子形成をすることができる。そのため、均一な発光となり、外部量子効率に優れる白色ＬＥＤを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＬＥＤ素子の構造を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るＬＥＤチップの構造を示す模式的断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板
２・・・バッファ層
３・・・ｎ型コンタクト層
４・・・ｎ側第１多層膜層
５・・・ｎ側第２多層膜層
６・・・活性層
７・・・ｐ型クラッド層
８・・・ｐ型コンタクト層

Claims (13)

1. （１１１）面を主面とするＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２を基板とし、該基板上にＩｎ _ｘ Ａｌ _ｙ Ｇａ _{1- ｘ - ｙ} Ｎ（０．２≦ｘ≦０．９、０≦ｙ≦０．５、０．２≦ｘ＋ｙ≦０．９）からなるバッファ層を有し、該バッファ層上に少なくともＩｎを含む発光層を備えた窒化物半導体層を有することを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板は、Ｙの一部をＬｕ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｓｍのいずれかにより置換及び／又はＡｌの一部をＩｎ、Ｂ、Ｔｌ、Ｇａのいずれかにより置換したものであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
3. 前記Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板にはＣｅ、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｄｙ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉから選ばれる少なくとも一種を付活剤として含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
4. 前記ＣｅはＣｅ^３＋であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記ＴｂはＴｂ^２＋であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
6. 前記ＥｕはＥｕ^２＋であることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体素子。
7. 前記Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２基板は、（１１１）面となす角が１０°以内であることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
8. 前記窒化物半導体層は、Ｉｎ _ｘ Ａｌ _ｙ Ｇａ _{1- ｘ - ｙ} Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
9. 前記窒化物半導体層は、前記バッファ層と前記発光層との間にＩｎを含有するｎ型窒化物半導体層を有することを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
10. 前記バッファ層の膜厚は、１０Å以上０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
11. 前記発光層からの主発光ピーク波長は、３８０ｎｍ以上５３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
12. 前記Ｙ _３ Ａｌ _５ Ｏ _１２ 基板には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。
13. 前記Ｙ _３ Ａｌ _５ Ｏ _１２ 基板を発光面としてフェイスダウン実装されることを特徴とする請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の窒化物半導体素子。

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