JP4244542B2

JP4244542B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP4244542B2
Application number: JP2001257306A
Authority: JP
Inventors: 康博川田; 慎一長濱
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: JP2003069075A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はサファイア基板上に一般式ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X＜１、０≦Y＜１）で表される窒化ガリウム系化合物半導体が積層されてなる窒化ガリウム系化合物半導体素子からサファイア基板を除去した窒化ガリウム系化合物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体は直接遷移を有し、バンドギャップが１．９５ｅＶ〜６ｅＶまで変化し、その発光色は紫外から赤色にまで及ぶため、発光ダイオード、レーザダイオード等、発光素子の材料として有望視されている。その窒化ガリウム系化合物半導体よりなる発光素子は、一般にＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ法等の気相成長法を用いてサファイア基板上にｎ型及びｐ型、あるいはｉ型に成長して積層し、電極を形成すべき層から電極を取り出した後、チップ状としてリードフレームに固定し、最後にエポキシ等の樹脂で封止することによって得られる。
【０００３】
しかしながら、その窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記のようにサファイア基板の上に、窒化ガリウム系化合物半導体という全く異なる材料を積層するいわゆるヘテロエピタキシャル構造であるため、他のＧａＡｓ、ＧａＰ等、同一材料の上に積層される発光素子に比して、基板とエピタキシャル膜との屈折率の違いにより外部量子効率が悪くなるという欠点を有している。具体的にはサファイア基板と窒化ガリウム系化合物半導体との屈折率の違い、および窒化ガリウム系化合物半導体素子とそれを封止する樹脂との屈折率の違いにより、窒化ガリウム系化合物半導体の発光がそれらの界面で多重反射されて干渉し、反射光は窒化ガリウム系化合物半導体内部で吸収されてしまい、発光を効率よく外部に取り出せないという問題がある。特に、屈折率の違いはフリップチップボンディングの場合に致命的でフリップチップボンディングにすると発光面積が増加するにもかかわらず、サファイア付だと発光効率が上がらない。この問題はサファイア上に窒化ガリウム系化合物半導体を厚く積層し、その後素子構造を積層し、サファイアを研磨・除去することで向上した。サファイアの研磨・除去は素子構造を積層する前でも良い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒化ガリウム系化合物半導体基板と窒化ガリウム系化合物半導体素子、および封止樹脂との多重反射を抑制し、干渉をより少なくすることができれば、外部量子効率を向上させて、発光効率を向上させることができる。従って、本発明はこのような事情を鑑み成されたものであり、その目的とするところは、窒化ガリウム系化合物半導体内部の光の多重反射により起こる干渉を抑えることにより、窒化ガリウム系化合物半導体素子の外部量子効率を向上させることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
我々は窒化ガリウム系化合物半導体内部の多重反射を抑制し、外部量子効率を上げるため数々の実験を行ったところ、内部で反射する光を窒化ガリウム系化合物半導体の表面で乱反射させることにより、上記問題が解決できることを新たに見いだした。よって、第１の主面と、該第１の主面に対向する第２の主面と、を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板と、前記第１の主面上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された素子構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、前記基板がｃ軸成長されたものであって、該成長表面にＣ面の前記第１の主面が設けられ、前記窒化ガリウム系化合物半導体が該第１の主面上にｃ軸成長されたものであり、前記第２の主面が、複数の凹部を有する凹凸を有し、該凹部が、斜面及び階段形状を有し、前記基板の結晶面と該結晶面に等価な結晶面からなる群から選択される複数の結晶面を側面に有することを特徴とする。これにより光取り出し面方向に放射された光の取り出し面における全反射が抑制され、光の取り出し効率がよくなる。また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子は、前記凹凸がドライエッチング、及び／又は、ウェットエッチングにより形成されている。サファイア基板を研磨・除去してからエッチングするのであるが、サファイア基板と窒化ガリウム系化合物半導体との界面は応力・歪・転位等が存在し、他の面よりもエッチングレートが早い。特に転位密度が高く、結晶性が悪い部分はエッチングのレートが早いため、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面に凹凸が形成される（図７）。また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、前記凹凸が図６の第２の面及びそれと等価な面（以下、第２の面群）、又は図５の第２の面群と第１の面がステップ状に表れているピット５である。この形状は、ドライエッチングでも作製可能であるが、ウエットエッチングの方が作製しやすい。ドライエッチングの場合、ＲＩＥ等条件にもよるであろうが、エッチング力が強すぎ、安定面・準安定面関係なく、エッチングしてしまう場合が多い。一方、ウエットエッチングはエッチング力が弱いため、安定面・準安定面に沿ってエッチングされる。もっと言うと、安定面はエッチングされにくく、準安定面は安定面に比べてエッチングされやすいため、準安定面が現れる。エッチング溶液で窒化ガリウム系化合物半導体素子を処理すると、サファイア基板を研磨・除去した面のみが著しくエッチングされる。これはサファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体は積層する際、格子定数の不整合により安定面である（０００１）面と準安定面である第２の面群とが同時に成長し、ある程度の膜厚まで成長すると、（０００１）面のみ成長すると考察できる。これらから勘案するとサファイア基板上への窒化ガリウム系化合物半導体の成長条件とエッチングの条件の組み合わせによっては凹凸の形状はいろいろでき、最適値を選択することができる。図４に示す第２の面群のみが連続的に現れるようにエッチングすることもできるし、第２の面群がまばらに存在するようにもでき、もちろんサイズも好適値が選べる。図２に示す第２の面群と第１の面がステップ状に表れているピット５であってもよい。このように、単に表面を荒らし、粗面にし、凹凸をつけるのではなく、特定の面を出すことにより、指向性・視野角等様々な特性が向上する。また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体素子の前記窒化ガリウム系化合物半導体基板はｎ型不純物、及び／又は、ｐ型不純物がドープされている。このようにドーピングすることにより、基板に導電性を持たせることができ、裏面に電極を形成するなどデバイスの構造にバリエーションが増える（図１、図３）。
【０００６】
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における前記ｎ型不純物が、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓの少なくとも１を含む。周期律表におけるIV族、VI族元素を添加することによって窒化ガリウム系化合物半導体がｎ型化するためである。
また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子における前記ｐ型不純物が、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｂｅの少なくとも１を含む。周期律表におけるIIＡ族、IIＢ族元素を添加することによって窒化ガリウム系化合物半導体がｐ型化するためである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【０００８】
本発明における窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法としては、基板上に第１の窒化ガリウム系化合物半導体から成る核、又は層を成長させ、その上にハイドライド気相エピタキシャル成長法により第２の窒化ガリウム系化合物半導体と、第３の窒化ガリウム系化合物半導体とを成長させるものである。
【０００９】
本発明では、基板にＣ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、又は窒化ガリウム系化合物半導体等を基板とする。
【００１０】
これらの基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化ガリウム系化合物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、基板に凹凸、斜面、階段形状を有するものであってもよい。
【００１１】
次にバッファー層（図示されていない。）を基板上に成長させることにより、基板との格子定数不整合を緩和させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイアとの格子不整合は約１６％と非常に大きいため、表面モフォロジーの良好な結晶性を有する基板を得るのは困難であった。バッファー層にはこの格子定数の違いを緩和させる効果があり、具体例としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮが挙げられる。キャリアガスに水素、原料ガスにはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム等を用い、３００℃以上９００℃以下の温度、１０オングストローム以上０．５μｍ以下の膜厚で成長させる。尚、このバッファー層は基板の種類等により省略することもできる。
【００１２】
次に、第１の窒化ガリウム系化合物半導体から成る核、又は層を成長させる。成長方法としては、特に限定されないが、結晶の核密度の均一性や配向特性、及び大きさ、層の厚みの制御にはＭＯＣＶＤ法を用いるのが好ましい。
【００１３】
第１の窒化ガリウム系化合物半導体としては核、又は薄膜から成る層など特に限定されないが、第１の窒化ガリウム系化合物半導体は第２の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させるためにＣ軸配向特性の優れたものが好ましい。
【００１４】
第１の窒化ガリウム系化合物半導体の成長条件としては、キャリアガス、及び原料ガスはバッファー層と同様でもよく、キャリアガスには水素、原料ガスにはトリメチルガリウム等を用い、成長温度は９００℃〜１１００℃でありバッファー層より高温で成長させ、核として成長させるものは途中で成長を止め核とし、層とするものは更に成長を続けることでミラーを形成させる。
【００１５】
第１の窒化ガリウム系化合物半導体は鏡面を有する層として成長させた場合の膜厚としては、５００オングストローム〜５０μｍであり、結晶欠陥を減らす効果を有する。
【００１６】
次に、第１の窒化ガリウム系化合物半導体上に、ハイドライド気相エピタキシャル成長（ＨＶＰＥ）法により第２の窒化ガリウム系化合物半導体と、第３の窒化ガリウム系化合物半導体とを成長させることにより窒化ガリウム系化合物半導体基板とする。
ハライド気相エピタキシャル成長法は、短時間で厚膜を成長させることができるため、窒化ガリウム系化合物半導体の厚膜成長や、異種基板を剥離した窒化ガリウム系化合物半導体の単体基板の形成に有効である。
【００１７】
以下にＨＶＰＥ装置を用いた成長工程、及び成長条件を示す。
【００１８】
ＨＶＰＥ装置内に、Ｇａメタルを入れた石英ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に基板を設置する。次にＧａメタルと反応させるハロゲンガスの供給管と、ハロゲンガス供給管とは別に、Ｎ源供給管を設ける。
【００１９】
ハロゲンガスとしてはＨＣｌ等があり、キャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。このハロゲンガスとＧａ等の金属が反応することにより３族元素のハロゲン化物を生成させ、さらに、Ｎ源供給管より流したアンモニアガスと反応することにより窒化ガリウム系化合物半導体を基板上に成長させる。
【００２０】
第２の窒化ガリウム系化合物半導体の成長条件としては、成長速度が０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上であり、より好ましくは１〜１０ｍｍ／ｈｏｕｒである。
【００２１】
また、第２の窒化ガリウム系化合物半導体の膜厚としては特に限定されないが、好ましくは３００μｍ以上であり、常圧又は微減圧で成長させる。３００μｍ以上無ければ、サファイア基板等を研磨・除去することが難しいからである。
【００２２】
第２の窒化ガリウム系化合物半導体としては、アンドープのＧａＮ、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも１種類をドープしたＧａＮ、又はｐ型不純物をドープしたＧａＮ等を用いることができる。
次に第２の窒化ガリウム系化合物半導体を成長後、この上に第３の窒化ガリウム系化合物半導体を以下の条件で成長させる。
【００２３】
第３の窒化ガリウム系化合物半導体は第２の窒化ガリウム系化合物半導体と同温、又はそれ以上の温度で成長させるのが好ましく、１０００℃以上とする。ただし、第２の窒化ガリウム系化合物半導体と第３の窒化ガリウム系化合物半導体との温度差が大きければ基板に反りが発生するため温度差が少ない方が好ましい。また、第３の窒化ガリウム系化合物半導体の膜厚としては、最上面が鏡面になれば特に限定されず３０μｍ以上であればよい。そのため、第３の窒化ガリウム系化合物半導体は膜厚を３０μｍ程度の成長が可能な気相成長法であればＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等でも行うことができる。
【００２４】
第３の窒化ガリウム系化合物半導体としては、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉ等のｎ型不純物、又は、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。
【００２５】
第２の窒化ガリウム系化合物半導体、及び第３の窒化ガリウム系化合物半導体の組成式としては、特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。
【００２６】
但し、これらは互いに異なる組成であってもよく、アンドープ、ｎ型不純物ドープ、及び／又はｐ型不純物をドープさせた窒化ガリウム系化合物半導体でもよい。また、ｎ型不純物をしては、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳ等であり、ｐ型不純物としてはＭｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ等が挙げられる。
【００２７】
上記の成長方法により得られた窒化ガリウム系化合物基板は、最上面が平坦であり、且つ鏡面となる低欠陥部分を広範囲で有する窒化ガリウム系化合物半導体基板と成る。
【００２８】
なお、本発明による素子は窒化ガリウム系化合物半導体を用いたものであれば発光素子でも電子デバイスでもよい。
【００２９】
本発明は上記の成長方法により得られた窒化ガリウム系化合物基板をサファイア基板から研磨・除去した後にエッチングするのであるが、順序は▲１▼発光素子をエピタキシャル成長させた後、サファイア基板を除去し、エッチングしても良いし、▲２▼サファイア基板を除去して、発光素子をエピタキシャル成長させた後、エッチングしても良いし、▲３▼サファイア基板を除去して、エッチングした後に、発光素子をエピタキシャル成長してもいい。
【００３０】
これらの図に示すように窒化ガリウム系化合物半導体の裏面を非鏡面、即ち微細な凹凸が形成された状態とするには、成長後窒化ガリウム系化合物半導体基板を化学的または物理的方法によって非鏡面とする方法とがある。方法は、鏡面を有する裏面の窒化ガリウム系化合物半導体表面をエッチングするか、または研磨することにより、微細な凹凸を設けて非鏡面とする方法である。エッチングには例えばリン酸＋硫酸の混酸を用いるウエットエッチングと、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等の装置を用いるドライエッチングとの二種類の方法があるがいずれの方法でもよい。研磨は適当な研磨剤を選択することにより、モース硬度がほぼ９と非常に硬い窒化ガリウム系化合物半導体でも研磨してその表面を非鏡面とすることができる。
【００３１】
本発明の効果を得るにはウエットエッチングが最も適しており、次がドライエッチング、最後に研磨の順である。どの方法を用いるにしても、前述したようにサファイア基板を研磨・除去してからエッチングするのであるが、サファイア基板と窒化ガリウム系化合物半導体との界面は応力・歪・転位等が存在し、他の面よりもエッチングレートが早い。特に転位密度が高く、結晶性が悪い部分はエッチングのレートが早いため、窒化ガリウム系化合物半導体基板の表面に凹凸が形成される。また、本発明にかかる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、前記凹凸が第２の面群又は第２の面群と第１の面がステップ状に表れているピット５である。この形状は、ドライエッチングや研磨でも作製可能であるが、ウエットエッチングの方が作製しやすい。ドライエッチングの場合、ＲＩＥ等条件にもよるであろうが、エッチング力が強すぎ、安定面・準安定面関係なく、エッチングしてしまう場合が多い。また、研磨は研磨剤の粒子や硬度等の選択を誤れば、単に窒化ガリウム系化合物半導体基板の裏面を粗面にするに終わってしまい、第２の面群、又は第２の面群と第１の面がステップ状に表れない。単なる粗面でも効果はあるが上記の特定面からなるピットを形成するとさらに効果が大きい。一方、ウエットエッチングはエッチング力が弱いため、安定面・準安定面に沿ってエッチングされる。もっと言うと、安定面はエッチングされにくく、準安定面は安定面に比べてエッチングされやすいため、準安定面が現れる。エッチング溶液で窒化ガリウム系化合物半導体素子を処理すると、サファイア基板を研磨・除去した面のみが著しくエッチングされる。これはサファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体は積層する際、格子定数の不整合により安定面である（０００１）面と準安定面である第２の面群とが同時に成長し、ある程度の膜厚まで成長すると、（０００１）面のみ成長すると考察できる。これらから勘案するとサファイア基板上への窒化ガリウム系化合物半導体の成長条件とエッチングの条件の組み合わせによっては凹凸の形状はいろいろでき、最適値を選択することができる。第２の面群のみが連続的に現れるようにエッチングすることもできるし、第２の面群がまばらに存在するようにもでき、もちろんサイズも好適値が選べる。第２の面群と第１の面がステップ状に表れているピット５であってもよい。このように、単に表面を荒らし、粗面にし、凹凸をつけるのではなく、特定の面を出すことにより、指向性・視野角等様々な特性が向上する。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
［実施例１］
基板としてＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００３３】
次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウムを用い、ＧａＮより成るバッファー層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００３４】
その後、第１の窒化ガリウム系化合物半導体としてＧａＮから成り平坦性を有する層を成長温度１０５０℃で膜厚２０μｍで形成した。本実施例では、成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを５Ｌ／分、トリメチルガリウムを２５ｃｃ／分間、流した。
【００３５】
第１の窒化ガリウム系化合物半導体を成長後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ_３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた。
【００３６】
第２の窒化ガリウム系化合物半導体の成長温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚３００μｍで成長させた。次に、第２の窒化ガリウム系化合物半導体上に、第３の窒化ガリウム系化合物半導体をハイドライド気相エピタキシャル成長法装置において成長させた。
【００３７】
この時の成長条件としては、成長温度を第２の窒化ガリウム系化合物半導体と同温とし、第３の窒化ガリウム系化合物半導体の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は５０μｍで成長させた。平坦性を有し鏡面である。
【００３８】
以上により得られた第３の窒化ガリウム系化合物半導体の表面は平坦かつ鏡面となり、ＣＬ観察によると貫通転位密度は約１×１０^６ｃｍ^−２であり、低欠陥である窒化ガリウム系化合物半導体基板を提供することができる。上記方法によって得られた窒化ガリウム系化合物半導体基板をＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、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。
（バッファ層）
続いて、温度を５１０℃まで下げ、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）とを用い、基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を約１００オングストロームの膜厚で成長させる。
（アンドープＧａＮ層）
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型コンタクト層）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層を２．２６５μｍの膜厚で成長させる。
（ｎ型第１多層膜層）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層を２０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮからなる中間層を３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層を５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層を成長させる。
（ｎ型第２多層膜層）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ｎよりなる第３の窒化物半導体層を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第４＋第３の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる第４の窒化物半導体層を４０オングストローム成長させた超格子構造の多層膜よりなるｎ型第２多層膜層を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
（活性層）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ_0.4Ｇａ_0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層を成長させる。
（中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層）
次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを５×１０¹⁹／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる第１の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用いＭｇを５×１０¹⁹／cm³ドープしたＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎよりなる第２の窒化物半導体層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第１＋第２の順で交互に５層ずつ積層し、最後に第１の窒化物半導体層を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
（低濃度ドープのｐ型低濃度ドープ層）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型低濃度ドープ層を２０００オングストロームの膜厚で成長させる。この低濃度ドープ層は、成長時はアンドープとして成長させるが、中濃度ドープの多層膜ｐ型クラッド層にドープされているＭｇが、低濃度ドープ層を成長する間に拡散し、さらに下記の高濃度ドープのｐ型コンタクト層を成長させる際にＭｇが拡散し、低濃度ドープ層はｐ型を示す。
【００３９】
この低濃度ドープ層のＭｇ濃度は、最も濃度が低い部分では、２×１０¹⁸／ｃｍ³となる。また低濃度ドープ層のＭｇ濃度の変化は、ｐ型クラッド層に接している部分ではｐ型クラッド層のＭｇ濃度とほぼ同様の値を示すが、ｐ型クラッド層から離れるに従い徐々に減少し、ｐ型コンタクト層と接近している付近（ｐ型コンタクト層を成長させる直前）でのＭｇ濃度がほぼ最低値を示す。
【００４０】
（高濃度ドープのｐ型コンタクト層）
続いて、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４１】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００４２】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、サファイア基板を研磨・除去し、窒化ガリウム系化合物半導体基板１の裏面側をエッチングする。
（窒化ガリウム系化合物半導体基板１のエッチング処理）
リン酸＋硫酸の混酸を使用する。リン酸：硫酸＝（１．７：５．９）のモル比で混合する。リン酸は８．５ｍｏｌ／ｌ、硫酸は９．８ｍｏｌ／ｌの濃度のものを使用し、１５分間エッチング処理すると第２の面群と第１の面がステップ状に現れる１０μｍ幅のピット５ができる。
【００４３】
エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性の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。一方、エッチングにより露出させた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素子とした。
【００４４】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示した。
【００４５】
［実施例２］
実施例１において、窒化ガリウム系化合物半導体基板のエッチング処理をドライエッチングで行った以外は同様に作製した。特性もほぼ同程度であった。
［実施例３］
実施例１において、窒化ガリウム系化合物半導体基板のエッチング処理を研磨で行った以外は同様に作製した。研磨に使用する定盤に錫、錫鉛、樹脂錫、樹脂銅等を使用し、研磨剤にダイヤを使用した。特性としては実施例１とほぼ同程度であった。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の窒化ガリウム系化合物半導体素子はその裏面を特定形状としていることにより、窒化ガリウム系化合物半導体層内の多重反射による光の干渉を抑えることができる。従って、窒化ガリウム系化合物半導体の発光を有効に外部に取り出すことができ、発光素子の外部量子効率が向上する。また、発光スペクトルに、目的とする発光ピーク以外の干渉によるピークが出現してこないため、窒化ガリウム系化合物半導体を用いて青色発光ダイオードを作製した場合にその色純度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体の模式断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体の部分斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体の模式断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体の部分斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体のピット部分の拡大写真である。
【図６】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体のピット部分の拡大写真である。
【図７】本発明の一実施の形態を示す窒化ガリウム系化合物半導体のピット部分の拡大写真である。
【符号の説明】
１・・・窒化ガリウム系化合物半導体基板
２・・・発光素子構造部
３・・・第１の電極
４・・・第２の電極
５・・・ピット

Claims

第１の主面と、該第１の主面に対向する第２の主面と、を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板と、前記第１の主面上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された素子構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、
前記基板がｃ軸成長されたものであって、該成長表面にＣ面の前記第１の主面が設けられ、前記窒化ガリウム系化合物半導体が該第１の主面上にｃ軸成長されたものであり、
前記第２の主面が、複数の凹部を有する光反射の凹凸を有し、
該凹部が、斜面及び階段形状を有し、前記基板の結晶面と該結晶面に等価な結晶面からなる群から選択される複数の結晶面を側面に有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記結晶面の群が、前記第２の主面をウエットエッチングして得られる窒化ガリウム系化合物半導体の結晶面である請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記凹部が、連続する前記複数の結晶面からなる請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記凹部が、前記複数の結晶面が連続した側面と、前記第２の主面と同じ結晶面と、をステップ状に有する請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記積層された窒化ガリウム系化合物半導体の表面上に、透光性の電極を有し、前記発光素子の光取り出し面方向の光を前記凹凸で反射させる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記窒化ガリウム系化合物半導体基板は、サファイア基板のＣ面（０００１）上に成長された後、前記サファイア基板が除去されて設けられ、
前記第２の主面は、前記サファイア基板が除去された側の主面である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記窒化ガリウム系化合物半導体基板はｎ型不純物、及び／又は、ｐ型不純物がドープされている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
前記凹凸を有する第２の主面に電極を有する請求項７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子。
第１の主面と、該第１の主面に対向する第２の主面と、を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板と、前記第1の主面上に窒化ガリウム系化合物半導体が積層された素子構造を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、
窒化ガリウム系化合物半導体をｃ軸成長させて、該成長表面のＣ面を第１の主面とする窒化ガリウム系化合物半導体を基板とする第１の工程と、
前記基板の第１の表面のＣ面上に、窒化ガリウム系化合物半導体を積層して素子構造を形成する第２の工程と、
前記素子構造を備えた発光素子をウエットエッチングして、前記基板の第２の主面が他の面よりも高いレートでエッチングされて、該第２の主面に該エッチングによる結晶面の側面を備えた凹凸を形成する第３の工程と、
を具備する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記第３の工程において、前記素子構造を備えた発光素子をウエットエッチングして、前記第２の主面のみに凹凸を設ける請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記第１の工程において、前記窒化ガリウム系化合物半導体の成長が、該窒化ガリウム系化合物半導体と異なる異種基板の上に成長させるものであり、
前記異種基板を除去して前記第２の主面を露出させる露出工程を具備する請求項９又は１０に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
前記凹凸は、前記凹部の側面が前記複数の結晶面が連続して構成されている、又は凹部が前記複数の結晶面が連続した側面と前記第２の主面とをステップ状に有する請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。