JP4517770B2

JP4517770B2 - 窒化物半導体素子

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Publication number: JP4517770B2
Application number: JP2004238463A
Authority: JP
Inventors: 孝志向井
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: JP2004336080A

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、太陽電池、光センサーなどの発光素子、受光素子に使用される窒化物半導体素子（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X 、０≦Y 、X ＋Y ≦１）に関し、特に、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下の紫外領域に発光する窒化物半導体素子に関する。

近年、紫外ＬＥＤが実用レベルとなっている。例えば非特許文献１には、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層、ｎ型ＧａＮコンタクト層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、アンドープＩｎＧａＮの活性層（Ｉｎ組成はほとんど零）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、ｐ型ＧａＮコンタクト層が積層されてなる窒化物半導体素子が記載されている。この紫外ＬＥＤは、発光ピーク波長が３７１ｎｍの場合には、発光出力が５ｍＷとなるものである。

一方、公知の青色や緑色のＬＥＤは、発光効率が高く既に商品化されている。この青色及び緑色のＬＥＤは、格子定数が異なるサファイア基板上に成長されており、格子定数不一致による多くの貫通転位が存在するにもかかわらず良好な発光効率を有している。そして、紫外ＬＥＤは、青色及び緑色のＬＥＤと同様に、サファイア基板に成長されているが、発光効率が悪いために発光出力が低く、特に３７１ｎｍより短波長では極端に発光出力が低下する。

なお、特許文献１には、ＧａＮ系半導体発光素子の発光層の低転位化を実現するために、ベース基板と紫外線を発する発光層との間にマスク層を設け、このマスク層を用いた状態で窒化物半導体の横方向成長によってベース基板上に第２の窒化物半導体層を形成する技術が開示されている。

また、特許文献２の窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子には、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、窒化物半導体が成長しないかまたは成長しにくい材料からなる保護膜を部分的に形成し、その上から窒化物半導体をＥＬＯＧ成長（epitaxially laterally overgrown GaN 成長）させることにより、保護膜が形成されていない部分から窒化物半導体が成長し、成長を続けることにより保護膜上に向かって横方向に成長することにより厚膜の窒化物半導体を得る成長方法が開示されている。
国際公開９９／３０３７３号パンフレット特開平１１−１９１６５９号公報応用物理、第６８巻、第２号（１９９９）、（ｐ１５２〜１５５）

紫外ＬＥＤの応用の幅を広げるために、更に短波長化にすることが望まれるが、発光ピーク波長を３７１ｎｍより短波長にすると発光出力が急激に低くなる。この理由は定かではないが、Ｉｎの非常に少ない又はＩｎのない状態では、活性層の発光効率が極端に低下するためと考えられる。紫外ＬＥＤ、特に３７１ｎｍより短波長の発光ピーク波長を有するＬＥＤの発光効率を向上させることができれば、励起光源をはじめとして多くの応用が可能となる。

そこで、本発明の目的は、発光効率の高い、発光出力の良好な、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下の紫外領域に発光する窒化物半導体素子を提供することである。

本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上、あるいは、前記異種基板上に形成されたバッファ層上に成長された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に窒化物半導体の横方向成長を用いて形成された第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる複数の層が積層成長され、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下となる活性層を含む素子構造と、を具備し、前記異種基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、前記第１の窒化物半導体層は、表面に部分的にストライプ状に凹凸が形成されており、当該ストライプの方向は前記サファイア基板のＡ面の垂直方向に対して前記サファイア基板の主面内で０．１°〜１°の範囲内でずれた方向に形成されていることを特徴とする。
また、本発明の窒化物半導体素子は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上、あるいは、前記異種基板上に形成されたバッファ層上に成長された窒化物半導体から前記異種基板を除去して形成された窒化物半導体基板と、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体からなる複数の層が積層成長され、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下となる活性層を含む素子構造と、を具備する窒化物半導体素子であって、前記窒化物半導体基板は、表面に部分的にストライプ状の凹凸が形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に窒化物半導体の横方向成長を用いて形成され、前記凹凸の凸部上部および凹部内部から成長した第２の窒化物半導体層と、を有し、前記異種基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、
前記ストライプの方向は前記サファイア基板のＡ面の垂直方向に対して前記サファイア基板の主面内で０．１°〜１°の範囲内でずれた方向に形成されていることを特徴とする。

ここで、前記凹凸は、凹部の側面が前記異種基板に達していることが好ましい。また、転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下の窒化物半導体基板上に素子構造を形成することにより、良好な発光効率を有する発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下の窒化物半導体素子を提供することができる。

本発明の窒化物半導体素子は、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下の紫外領域に発光する窒化物半導体素子を、非常に転位密度の少ない窒化物半導体基板上に成長させることにより、発光効率を良好に向上させることができる。

本発明者は、前記したように発光効率が高い青色や緑色のＬＥＤと発光効率が悪い紫外ＬＥＤの発光効率の相違について種々検討の結果、活性層のＩｎ組成比により、発光のメカニズムに大きな違いがあるのではないかと考えた。この発光メカニズムの相違は、前記非特許文献１に記載されている。青色ＬＥＤでは順方向電流が増加するにつれてブルーシフトするが、紫外ＬＥＤでは順方向電流の増加に従いレッドシフトすることからも推測される。また、サファイア基板との格子定数不一致による貫通転位の部分では、活性層に注入されたキャリアが非発光再結合し、発光に関与しなくなる。青色や緑色ＬＥＤの場合には、恐らく、活性層でＩｎ組成不均一が生じ、Ｉｎが多く含まれる部分のバンドギャップエネルギーが小さくなってポテンシャルの谷が形成され、この谷に、活性層に注入されたキャリアが良好に閉じ込められ、そして、ポテンシャルンの谷に閉じ込められたキャリアは、良好に発光再結合するために、高発光効率を有するのではないかと考えられる。これに対して、紫外ＬＥＤの場合には、活性層のＩｎ含有量が非常に小さいため、Ｉｎ組成不均一で生じるポテンシャルの谷が浅く、更にポテンシャルの谷の密度が小さいなどの理由で、活性層に注入されたキャリアを閉じ込めておく効果が小さく、その結果、活性層に注入されたキャリアの一部が拡散により非発光再結合中心へ到達し非発光再結合するために発光効率が悪くなると考えられる。

そこで、本発明者は、活性層での発光効率の低下の原因が、貫通転位による非発光再結合中心の形成によるためでなはないかという考察をもとに、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下のＬＥＤの場合に非発光再結合中心となる貫通転位の極めて少ないかほとんど転位のない窒化物半導体を基板として用いることにより、キャリアが良好に発光再結合して発光効率を向上させることを達成している。なお、本発明において、転位密度の測定方法は、透過型電子顕微鏡による観察（ＴＥＭ法）である。このＴＥＭ法により転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下となる窒化物半導体基板を用いると、発光効率を良好に向上させることができる。転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下とは、転位密度がほとんど零か、転位が存在しない状態を示す。

また、本発明において、基板となる転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下の窒化物半導体が、窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板又は窒化物半導体基板上に、窒化物半導体の横方向の成長を利用してＥＬＯＧ成長させたものであると、転位密度を良好に低減させることができ、貫通転位部分での非発光再結合を防止し発光効率を向上させる点で好ましい。本発明の窒化物半導体素子は、少なくとも発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下であって、且つ、転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下の窒化物半導体基板上に成長されてなるものであれば特に限定されない。具体的な好ましい素子としては、例えば図１に示される素子を挙げることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施の形態である窒化物半導体素子を示す模式的断面図である。

図１に示す窒化物半導体素子は、転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下のＧａＮ基板１上に、バッファ層と、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜０．１）を含んでなるｎ型コンタクト層３と、Ａｌ_eＧａ_1-eＮ（０＜ｅ＜０．３）を含んでなるｎ型クラッド層４と、Ｉｎ_fＧａ_1-fＮ（０≦ｆ＜０．１）の活性層５と、Ａｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ＜０．４）を含んでなるｐ型クラッド層６と、Ａｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜０．１）を含んでなるｐ型コンタクト層７とを積層成長させてなり、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下である。前記ｎ型コンタクト層３にはｎ電極９、ｐ型コンタクト層７にはｐ電極８がそれぞれ形成されている。

以下に、素子構造を形成するための転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下の窒化物半導体基板について説明する。

［窒化物半導体基板１］本発明において、素子構造を形成するための窒化物半導体基板１としては、転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下であるＧａＮからなる窒化物半導体が挙げられる。転位密度が１０⁶／ｃｍ²以下となるＧａＮの成長方法としては、特に限定されず、少なくとも転位密度が少なくなるような成長方法であればよい。例えば好ましくは、窒化物半導体の縦方向の成長を少なくとも部分的に一時的止めて、横方向の成長を利用して転位を抑制することのできる成長方法（ＥＬＯＧ成長）をあげることができる。

例えばＥＬＯＧ成長の具体例としては、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、窒化物半導体が成長しないかまたは成長しにくい材料からなる保護膜を部分的に形成し、その上から窒化物半導体を成長させることにより、保護膜が形成されていない部分から窒化物半導体が成長し、成長を続けることにより保護膜上に向かって横方向に成長することにより厚膜の窒化物半導体（ＥＬＯＧ基板）が得られる成長方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１０−２７５８２６号、特願平１０−１１９３７７号、特願平１０−１４６４３１号、特願平１１−３７８２６号、各明細書に記載の方法が挙げられる。

また、その他のＥＬＯＧ成長の具体例としては、保護膜を用いない方法であり、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に成長させた窒化物半導体上に、凹凸を形成し、この上から再び窒化物半導体を成長させてなる窒化物半導体（ＥＬＯＧ基板）が得られる成長方法が挙げられる。また、保護膜を用いず、窒化物半導体の表面を部分的に改質して窒化物半導体の横方向の成長を意図的に行わせる方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１１−３７８２２７号、特願平１１−１６８０７９号、特願平１１−１４２４００号、各明細書に記載の方法が挙げられる。

更に、上記のようなＥＬＯＧ成長等により得られた窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体上に、上記に示したような保護膜を用いて行う又は凹凸を形成する等のＥＬＯＧ成長を繰り返して転位を良好に低減される窒化物半導体を得る成長方法が挙げられる。このような成長方法としては、例えば特願平１１−８０２８８号明細書に記載の方法が挙げられる。

上記したＥＬＯＧ成長として好ましくは保護膜を用いないで成長させる方法、及び窒化物半導体上にＥＬＯＧ成長させる方法である。このような方法で行うと転位の低減の点で好ましく、更には転位の低減されたＥＬＯＧ基板上に素子構造を形成すると、しきい値電流密度の低減及び寿命特性の向上の点で好ましい。上記に挙げたＥＬＯＧ成長方法についての詳細は、上記列記した各号明細書の記載の通りであるが、好ましい一例を以下に示す。しかし、本発明はこれに限定されない。

以下に、本発明に用いることのできる好ましいＥＬＯＧ成長の一実施の形態を図２を用いて説明する。図２（ａ−１〜ａ−４）は、窒化物半導体の成長方法の一実施の形態を段階的に示した模式図である。まず、図２（ａ−１）の第１の工程において、異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させ、図２（ａ−２）の第２の工程において、第１の窒化物半導体４２に凹凸を形成し、続いて図２（ａ−３）の第３の工程において、凹凸の形成された第１の窒化物半導体４２上に、常圧以上の圧力条件下で、第２の窒化物半導体４３を成長させる。

以下に上記各工程ごとに図２を用いて更に詳細に説明する。

（第１の工程）図２（ａ−１）は異種基板４１上に、第１の窒化物半導体４２を成長させる第１の工程を行った模式的段面図である。この第１の工程において、用いることのできる異種基板４１としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。異種基板としてサファイアを用いる場合、サファイアの主面をどの面にするかにより、凹凸を形成した時の凸部上部と凹部側面の窒化物半導体の面方位が特定される傾向があり、その面方位によって、窒化物半導体の成長速度がやや異なることから、凹部側面に成長し易い面方位がくるように主面を選択してもよい。

また、第１の工程において、異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させる前に、異種基板４１上にバッファ層を形成してもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１ｎｍで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板４１と第１の窒化物半導体４２との格子定数不正を緩和し、第１の窒化物半導体４２の結晶欠陥が少なくなる傾向にある。

第１の工程において、異種基板４１上に形成される第１の窒化物半導体４２としては、アンドープ（不純物をドープしない状態、undope）のＧａＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。第１の窒化物半導体４２は、高温、具体的には約９００℃より高温〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で異種基板４１上に成長される。このような温度で成長させると、第１の窒化物半導体４２は単結晶となる。第１の窒化物半導体４２の膜厚は特に限定しないが、凹部内部での縦方向の成長を抑えて、横方向の成長が促進できるように、凹凸の形状を調整することが可能な膜厚であることが好ましく、少なくとも５０ｎｍ以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上の膜厚で形成する。

（第２の工程）次に、図２（ａ−２）は異種基板４１上に第１の窒化物半導体４２を成長させた後、第１の窒化物半導体４２に部分的に凹凸を形成して、凹部側面に第１の窒化物半導体４２を露出させてなる模式的断面図である。

第２の工程において、部分的に凹凸を形成するとは、少なくとも凹部側面に第１の窒化物半導体４２が露出されるように、第１の窒化物半導体４２の表面から異種基板４１方向に窪みを形成してあればよく、第１の窒化物半導体４２にいずれの形状で凹凸を設けてもよく、例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤目状、ドット状に形成できる。好ましい形状としては、ストライプ状であり、この形状とすると、異常成長が少なく、より平坦に埋まり好ましい。第１の窒化物半導体４２に部分的に設けられた凹凸は、第１の窒化物半導体４２の途中まで、異種基板に達する深さまで、又は異種基板に達する深さまでエッチングしエッチング深さが５０〜３００ｎｍ（好ましくは１００〜２００ｎｍ）となる深さまでの形状で形成され、好ましくは異種基板が露出する程度の深さ、又は異種基板を上記の深さで削った形状であり、より好ましくは、異種基板を上記の深さで削った形状が好ましい。

凹凸の形状は、凹部側面の長さや、凸部上部の幅と凹部底部の幅などは、特に限定されないが、少なくとも凹部内での縦方向の成長が抑制され、凹部開口部から厚膜に成長する第２の窒化物半導体４３が凹部側面から横方向に成長したものとなるように調整されていることが好ましい。凹凸の形状をストライプ状とする場合、ストライプの形状として特に限定されないが、例えばストライプ幅（凸部上部の幅）を１〜２０μｍ、好ましくは１〜１０μｍであり、ストライプ間隔（凹部底部の幅）を１０〜４０μｍ、好ましくは１５〜３５μｍであるものを形成することができる。このようなストライプ形状を有していると、転位の低減と面状態を良好にする点で好ましい。凹部開口部から成長する第２の窒化物半導体４３の部分を多くするには、凹部底部の幅を広くし、凸部上部の幅を狭くすることで可能となり、このようにすると転位の低減された部分を多くすることができる。凹部底部の幅を広くした場合には、凹部の深さを深めにすることが、凹部底部から成長する可能性のある縦方向の成長を防止するのに好ましい。

第２の工程で凹凸を設ける方法としては、第１の窒化物半導体４２を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。エッチングにより、第１の窒化物半導体４２に部分的（選択的）に凹凸を形成する場合は、フォトリソグラフィー技術における種々の形状のマスクパターンを用いて、ストライプ状、碁盤目状等のフォトマスクを作製し、レジストパターンを第１の窒化物半導体２に形成してエッチングすることにより形成できる。フォトマスクは、エッチングして凹凸を形成後に除去される。また、ダイシングで行う場合は、例えば、ストライプ状や碁盤目状に形成できる。

第２の工程において窒化物半導体をエッチングする方法には、ウエットエッチング、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）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。また、エッチングによって凹凸を形成する場合、エッチング面（凹部側面）が、図２（ａ−２）に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは階段状になるように形成された形状等がある。好ましくは転位の低減や面状態の良好性などの点から、垂直、逆メサ、順メサであり、より好ましくは垂直である。

また、第２の工程において、凹凸の形状をストライプ状とする場合に、図５（ｂ）に示すように、オリフラ面を例えばサファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸（垂直方向）に対して左右どちらかに、つまり、サファイアの主面内で、θ＝０．１°〜１°、好ましくはθ＝０．１°〜０．５°ずらしてストライプを形成すると、成長面がより平坦な良好な結晶が得られ好ましい。ちなみに、図５（ｂ）のθが０°の場合は、表面が平坦にならない場合があり、このような状態の成長面に素子構造を形成すると、素子特性の低下が生じ易くなる傾向が見られる。表面が平坦であると歩留まりの向上の点でも好ましい。

（第３の工程）次に、図２（ａ−３）は、エッチングにより凹凸を有する第１の窒化物半導体４２上に、常圧以上の加圧条件下で、第２の窒化物半導体４３を成長させる第３の工程を行った模式的断面図である。第２の窒化物半導体４３としては、前記第１の窒化物半導体４２と同様のものを用いることができる。第２の窒化物半導体４３の成長温度は、第１の窒化物半導体４２を成長させる場合と同様であり、このような温度で成長させる第２の窒化物半導体４３は単結晶となる。また、第２の窒化物半導体４３を成長させる際に、不純物（例えばＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇ等）をドープして成長させる、または、窒化物半導体の原料となるＩＩＩ族とＶ族の成分のモル比（ＩＩＩ／Ｖのモル比）を調整して成長させる等により、横方向の成長を縦方向の成長に比べて促進させ転位を低減させる点で好ましく、更に第２の窒化物半導体４３の表面の面状態を良好にする点で好ましい。

上記の常圧以上の加圧条件とは、常圧（意図的に圧力を加えない状態の圧力）から、装置などを調整し意図的に圧力を加えて加圧条件にした状態で反応を行うことである。具体的な圧力としては、常圧以上の圧力であれば特に限定されないが、好ましくは常圧（ほぼ１気圧）〜２．５気圧であり、好ましい圧力としては、常圧〜１．５気圧である。このような圧力の条件下で第２の窒化物半導体を成長させると、第２の窒化物半導体の表面の面状態を良好にする点で好ましい。

また、第３の工程において、凹部内部では凹部の側面から横方向に成長するものと、凹部底部から縦方向に成長するものとがあると思われるが、成長し続ける過程で、凹部側面から成長した第２の窒化物半導体同士が接合し、凹部底部からの成長を抑制する。その結果、凹部開口部から成長した第２の窒化物半導体には転位がほとんど見られない。凹部底部からの縦方向の成長は、凹部側面からの横方向の成長に比べ、成長速度が遅いと思われる。また、凹部底部の表面が、サファイアなどの異種基板であると、凹部底部からの第２の窒化物半導体の成長が抑制され、凹部側面からの第２の窒化物半導体の成長が良好となり、転位の低減の点で好ましい。

一方、凸部上部から成長した第２の窒化物半導体部分には、凹部開口部から成長するものに比べてやや多めの転位が見られるが、凸部上部に縦方向に成長を始める窒化物半導体も、縦方向に成長する速度よりも、凹部開口部に向かって横方向に成長する傾向があり、凹凸を形成しないで縦方向に成長させた場合に比べれば転位が低減する。また、本発明の第２及び第３の工程を繰り返すことで、凸部上部の転位をなくすことができる。また、凸部上部と凹部内部から成長した第２の窒化物半導体は、成長の過程で接合し、図２（ａ−４）のようになる。

更に、第３の工程において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、圧力を常圧以上の加圧条件に調整することにより、第２の窒化物半導体の表面が異常成長の少ない平坦な良好な面状態となる。

また、本発明において、第２及び第３の工程を繰り返す場合、図２（ｂ−１）に示すように、第１の窒化物半導体に形成した凹部上部に凸部が、第１の窒化物半導体に形成した凸部上部に凹部が、それぞれ位置するように第２の窒化物半導体に部分的に凹凸を形成する。そして凹凸を形成された第２の窒化物半導体上に第３の窒化物半導体４を成長させる。第３の窒化物半導体４は、全体的に転位の少ない窒化物半導体となり好ましい。第３の窒化物半導体としては第２の窒化物半導体と同様のものを成長させる。また、第２及び第３の工程を繰り返す場合、第２の窒化物半導体の膜厚を、繰り返さない場合に比べて、やや薄く成長させ、第２の窒化物半導体に形成される凹部底部がサファイアなどの異種基板面となるように第２の窒化物半導体をエッチングすると、転位のより少ない面状態の良好な第３の窒化物半導体が得られ好ましい。

また、第２の窒化物半導体４３は、この上に素子構造となる窒化物半導体を成長させるための基板となるが、素子構造を形成するには異種基板を予め除去してから行う場合と、異種基板等を残して行う場合がある。また、素子構造を形成した後で異種基板を除去する場合もある。異種基板等を除去する場合の第２の窒化物半導体５の膜厚は、５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、好ましくは５００μｍ以下である。この範囲であると異種基板及び保護膜等を研磨除去しても、第２の窒化物半導体４３が割れにくくハンドリングが容易となり好ましい。

また、異種基板等を残して行う場合の第２の窒化物半導体４３の膜厚は、特に限定されないが、１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下である。この範囲であると異種基板と窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止でき、更に素子基板となる第２の窒化物半導体４５の上に素子構造となる窒化物半導体を良好に成長させることができる。

本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１の窒化物半導体４２、及び第２の窒化物半導体４３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、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００μｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。また、膜厚が１００μｍ以下ではＨＶＰＥでは成長速度が速くてコントロールが難しい。

また、本発明において、第２の窒化物半導体４３上には、素子構造となる窒化物半導体を形成することができるので、明細書内において第２の窒化物半導体を素子基板又は窒化物半導体基板と言う場合がある。

また、第１の工程における前記異種基板となる材料の主面をオフアングルさせた基板、更にステップ状にオフアングルさせた基板を用いたほうが好ましい。オフアングルさせた基板を用いると、表面に３次元成長が見られず、ステップ成長があらわれ表面が平坦になり易い。更に、ステップ状にオフアングルされているサファイア基板のステップに沿う方向（段差方向）が、サファイアのＡ面に対して垂直に形成されていると、窒化物半導体のステップ面がレーザの共振器方向と一致し、レーザ光が表面粗さにより乱反射されることが少なくなり好ましい。

更に好ましい異種基板としては、（０００１）面［Ｃ面］を主面とするサファイア、（１１２−０）面[ Ａ面] を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするスピネルである。ここで異種基板が、（０００１）面［Ｃ面］を主面とするサファイアであるとき、前記第１の窒化物半導体等に形成される凹凸のストライプ形状が、そのサファイアの（１１２−０）面［Ａ面］に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）［Ｍ面］に平行方向にストライプを形成すること］が好ましく、また、オフアングルのオフ角θ（図７に示すθ）は０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°が好ましい。また、（１１２−０）面[ Ａ面] を主面とするサファイアであるとき、前記凹凸のストライプ形状はそのサファイアの（１１−０２）面［Ｒ面］に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また、（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記凹凸のストライプ形状はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。ここでは、凹凸がストライプ形状の場合について記載したが、本発明においてサファイアのＡ面及びＲ面、スピネルの（１１０）面に窒化物半導体が横方向に成長し易いので、これらの面に第１の窒化物半導体の端面が形成されるように第１の窒化物半導体２に段差を形成するために保護膜の形成を考慮することが好ましい。

次に、本発明に用いられる異種基板について図を用いて更に詳細に説明する。図３はサファイアの結晶構造を示すユニットセル図である。まず、本発明の方法において、Ｃ面を主面とするサファイアを用い、凹凸はサファイアＡ面に対して垂直なストライプ形状とする場合について説明する。例えば、図５（ａ）は主面側のサファイア基板の平面図である。この図はサファイアＣ面を主面とし、オリエンテーションフラット（オリフラ）面をＡ面としている。この図に示すように凹凸のストライプをＡ面に対して垂直方向で、互いに平行なストライプを形成する。図５（ａ）に示すように、サファイアＣ面上に窒化物半導体を選択成長させた場合、窒化物半導体は面内ではＡ面に対して平行な方向で成長しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向にある。従って、Ａ面に対して垂直な方向でストライプを設けると、ストライプとストライプの間の窒化物半導体がつながって成長しやすくなり、図２に示したような結晶成長が容易に可能となると考えられるが詳細は定かではない。更に、前記第２の工程において図５（ｂ）を参照して説明したように、サファイアのＡ面（オリフラ面）の垂直方向に対して左右どちらかにわずかにずらすと面状態が良好となり好ましい。

次に、Ａ面を主面とするサファイア基板を用いた場合、上記Ｃ面を主面とする場合と同様に、例えばオリフラ面をＲ面とすると、Ｒ面に対して垂直方向に、互いに平行なストライプを形成することにより、ストライプ幅方向に対して窒化物半導体が成長しやすい傾向にあるため、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができる。

また、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）に対しても、窒化物半導体の成長は異方性があり、窒化物半導体の成長面を（１１１）面とし、オリフラ面を（１１０）面とすると、窒化物半導体は（１１０）面に対して平行方向に成長しやすい傾向がある。従って、（１１０）面に対して垂直方向にストライプを形成すると窒化物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上部でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。なお、スピネルは四方晶であるため特に図示していない。

以下に、オフアングルされたサファイア基板のステップに沿う方向が、サファイア基板のＡ面に対して垂直に形成されてなる場合について図４を用いて説明する。ステップ状にオフアングルしたサファイアなどの異種基板は、図４に示すようにほぼ水平なテラス部分Ａと、段差部分Ｂとを有している。テラス部分Ａの表面凹凸は少なく、ほぼ規則正しく形成されている。このようなオフ角θを有するステップ状部分は、基板全体にわたって連続して形成されていることが望ましいが、特に部分的に形成されていてもよい。なお、オフ角θとは、図４に示すように、複数の段差の底部を結んだ直線と、最上層のステップの水平面との角度を示すものとする。また、異種基板はオフ角が０．１°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°である。オフ角を上記範囲とすると、第１の窒化物半導体４２表面は細かな筋状のモフォロジーとなり、エピタキシャル成長表面（第２の窒化物半導体４３表面）は波状のモフォロジーとなり、この基板を用いて得られる窒化物半導体素子は平滑で、特性も長寿命、高効率、高出力、歩留まりの向上したものが得られる。

更に、上記のＥＬＯＧ成長等により得られた窒化物半導体基板上に更にＥＬＯＧ成長を行って得られる窒化物半導体を素子構造の基板とすると、転位の低減及び反りの低減などが良好となり、本発明の効果を得るのに好ましい。この好ましい一実施の形態としては、特願平１１−８０２８８号明細書に記載されている内容が挙げられる。例えば好ましい一例として、上記の図２に示された工程により得られた第２の窒化物半導体４３上に更に、例えばＨＶＰＥなどによって厚膜、例えば８０〜５００μｍの第３の窒化物半導体を成長させ、その後、異種基板などを除去して第３の窒化物半導体のみとし、この第３の窒化物半導体の異種基板除去面とは反対の面上に、ＨＶＰＥ等により第４の窒化物半導体を成長させる。第４の窒化物半導体の膜厚は、第３の窒化物半導体の膜厚と第４の窒化物半導体の膜厚の合計が、例えば好ましくは４００〜８０μｍ程度の膜厚となるように調整される。このような第３及び第４の窒化物半導体からなる窒化物半導体上にＥＬＯＧ成長を繰り返すと、転位が良好に低減された窒化物半導体基板を得ることができ、本発明の効果を得るのに好ましい。

上記のような転位の少ない窒化物半導体を基板とし、この基板上に素子構造を形成すれば、結晶性の良好な素子が得られ、発光効率の向上の点で好ましい。更に、しきい値電流密度の低減及び寿命特性の向上の点でも好ましい。

以下に、図１に示される素子構造について説明する。しかし、本発明は、発光ピーク波長が３８０ｎｍとなるような活性層を有する素子構造であれば特に限定されない。

［ｎ型コンタクト層３］本発明において、ｎ型コンタクト層３としては、少なくともＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ＜０．５、好ましくは０＜ａ＜０．５、より好ましくは０．０１＜ａ＜０．０５）を含んでなる窒化物半導体層である。ｎ型コンタクト層がＡｌを含み更にＡｌ組成比が上記範囲であると、自己吸収の防止と共に、結晶性とオーミック接触の点で好ましい。更に前記ｎ型コンタクト層３は、ｎ型不純物を１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹／ｃｍ³、好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³の濃度で含有していると、オーミック接触の維持、クラック発生の防止、結晶性の維持の点で好ましい。このようにｎ型コンタクト層を構成するＡｌ組成比とｎ型不純物濃度を組み合わせると、自己吸収を防止できると共に、オーミック接触やクラック防止の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられ、好ましくはＳｉである。ｎ型コンタクト層３の膜厚は、特に限定されないが、０．１〜２０μｍが好ましく、より好ましくは１〜１０μｍである。膜厚がこの範囲であると、界面付近（例えばｎ型クラッド層との界面付近）の結晶性（下地として）と抵抗率の低下の点で好ましい。

［ｎ型クラッド層４］本発明において、ｎ型クラッド層４としては、活性層５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層５へのキャリアの閉じ込めが可能であれば特に限定されないが、好ましい組成としては、Ａｌ_eＧａ_1-eＮ（０＜ｅ＜０．３、好ましくは０．１＜ｅ＜０．２）のものが挙げられる。ｎ型クラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、活性層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｎ型クラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．１μｍであり、より好ましくは０．０３〜０．０６μｍである。ｎ型クラッド層のｎ型不純物濃度は、特に限定されないが、好ましくは１×１０¹⁷〜１×１０²⁰／ｃｍ³であり、より好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹／ｃｍ³である。不純物濃度がこの範囲であると、抵抗率及び結晶性の点で好ましい。

ｎ型クラッド層は、上記のような単一層の他に、多層膜層（超格子構造を含む）とすることもできる。多層膜層の場合は、上記のＡｌ_eＧａ_1-eＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよいが、例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、Ｉｎ_hＧａ_1-hＮ（０≦ｈ＜１）、Ａｌ_jＧａ_1-jＮ（０≦ｊ＜１、ｅ＞ｊ）が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、特に限定されないが、超格子構造の場合は、一層の膜厚が１０ｎｍ以下、好ましくは７ｎｍ以下、より好ましくは１〜４ｎｍと、超格子構造を形成しない単一層の場合は、上記の組成からなる層とすることができる。また、ｎ型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にｎ型不純物をドープさせてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。

［活性層５］本発明において、活性層５としては、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下、好ましくは発光ピーク波長が３７０ｎｍ以下となるような組成の窒化物半導体が挙げられる。好ましくはＩｎ_fＧａ_1-fＮ（０≦ｆ＜０．１）の窒化物半導体が挙げられる。活性層のＩｎ組成比は、発光ピーク波長が短波長となるに従いＩｎ組成比を小さくしていくが、Ｉｎ組成比はほとんど零に近く、また、波長によっては零でもよい。活性層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚が挙げられ、例えば好ましくは０．００１〜０．０１μｍであり、より好ましくは０．００３〜０．００７μｍである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。また、活性層は、上記のような単一量子井戸構造の他に、上記Ｉｎ_fＧａ_1-fＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きい組成からなる障壁層とからなる多重量子井戸構造としてもよい。また、活性層には、不純物をドープしてもよい。

また、活性層のＩｎ組成比の調整としては、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下となるＩｎ組成比であれば特に限定されず、具体的な値としては、例えば下記の理論値の計算式から求められる値を近似的な値として挙げることができる。しかし、実際に発光させて得られる波長は、量子井戸構造をとる量子準位が形成されるため、波長のエネルギー（Ｅλ）がＩｎＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）よりも大きくなり、図７に示すように計算式などから求められる発光波長より、短波長側へシフトする傾向がある。

［理論値の計算式］
Ｅｇ＝（１−χ）３．４０＋１．９５χ−Ｂχ（１−χ）
波長（ｎｍ）＝１２４０／Ｅｇ
Ｅｇ：ＩｎＧａＮ井戸層のバンドギャップエネルギー
χ：Ｉｎの組成比
３．４０（ｅＶ）：ＧａＮのバンドギャップエネルギー
１．９５（ｅＶ）：ＩｎＮのバンドギャップエネルギー
Ｂ：ボーイングパラメーターを示し、１〜６ｅＶとする。

このようにボーイングパラメータが変動するのは、最近の研究では、ＳＩＭＳ分析などから、従来は結晶に歪みがないと仮定して１ｅＶとされていたが、Ｉｎ組成比の割合や膜厚が薄い場合等により歪みの生じる程度が異なり、１ｅＶ以上となることが明らかとなってきているためである。

上記のように井戸層のＳＩＭＳ分析などから求められる具体的なＩｎ組成比から考えられる発振波長と、実際に発振させたときの発振波長とには、やや相違があるものの、実際の発振波長が所望する波長となるように調整される。

［ｐ型クラッド層６］本発明において、ｐ型クラッド層６としては、活性層５のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、活性層５へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、Ａｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１５≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐ型クラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、活性層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐ型クラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．１５μｍであり、より好ましくは０．０４〜０．０８μｍである。ｐ型クラッド層のｐ型不純物濃度は、特に限定されないが、好ましくは１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³であり、より好ましくは１×１０¹⁹〜１×１０²⁰／ｃｍ³である。ｐ型不純物濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させる点で好ましい。

ｐ型クラッド層は、上記のような単一層の他に、多層膜層（超格子構造を含む）とすることもできる。多層膜層の場合は、上記のＡｌ_dＧａ_1-dＮと、それよりバンドギャップエネルギーの小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよいが、例えばバンドギャップエネルギーの小さい層としては、ｎ型クラッド層の場合と同様に、Ｉｎ_hＧａ_1-hＮ（０≦ｈ＜１）、Ａｌ_jＧａ_1-jＮ（０≦ｊ＜１、ｅ＞ｊ）が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、特に限定されないが、超格子構造の場合は、一層の膜厚が１０ｎｍ以下、好ましくは７ｎｍ以下、より好ましくは１〜４ｎｍと、超格子構造を形成しない単一層の場合は、上記の組成からなる層とすることができる。また、ｐ型クラッド層がバンドギャップエネルギーの大きい層と、バンドギャップエネルギーの小さい層からなる多層膜層である場合、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の少なくともいずれか一方にｐ型不純物をドープさせてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層及び小さい層の両方にドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。

［ｐ型コンタクト層７］本発明において、ｐ型コンタクト層７としては、少なくともＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０≦ｂ＜０．５、好ましくは０＜ｂ＜０．１、より好ましくは０．０１≦ｂ≦０．０５）を含んでなる窒化物半導体層である。ｐ型コンタクト層のＡｌ組成比が上記範囲であると、ｎ型コンタクト層の場合と同様に自己吸収の防止と共に、結晶性とオーミック接触の点で好ましい。更に、前記ｐ型コンタクト層７は、ｐ型不純物を１×１０¹⁸〜１×１０²¹／ｃｍ³、好ましくは５×１０¹⁹〜５×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で含有していると、オーミック接触、クラック発生の防止、結晶性、バルク抵抗の点で好ましい。このようにｐ型コンタクト層を構成するＡｌ組成比とｎ型不純物濃度を組み合わせると、自己吸収を防止できると共に、オーミック接触やクラック防止の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。ｐ型コンタクト層７の膜厚は、特に限定されないが、０．０３〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．１〜０．１５μｍである。膜厚がこの範囲であると、理由は定かではないが、光の取り出し効率及び発光出力の点で好ましい。

また、本発明において、ｐ電極及びｎ電極は、種々のものを用いることができ、公知の電極材料等から適宜選択して用いる。電極としての具体例は、後述の実施例に記載されているものが挙げられる。

また、本発明の素子は、ｐ側層をｐ型化して低抵抗とするために、アニーリング処理を行っている。アニーリング処理としては、特許第２５４０７９１号に記載されているように、気相成長法により、ｐ型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体を成長させた後、実質的に水素を含まない雰囲気中、４００℃以上の温度で熱処理を行い、ｐ型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体から水素を出すことによりｐ型にする方法が挙げられる。

以下に、本発明の一実施の形態である実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。しかし、本発明はこれに限定されない。また、発明の詳細な説明に記載したように、Ｉｎ組成比の理論値の計算式の値と、量子井戸構造をとる量子準位の形成による短波長へのシフトなどによる実際の発振波長とは異なるために、実施例の活性層のＩｎ組成比は近似的な値である。

［実施例１］実施例１として、図１に示される本発明の一実施の形態である窒化物半導体発光素子を作製する。

異種基板４１として、図４に示すようにステップ状にオフアングルされたＣ面を主面とし、オフアングル角θ＝０．１５°、ステップ段差およそ２ｎｍ、テラス幅Ｗおよそ８０ｎｍであり、オリフラ面をＡ面とし、ステップがＡ面に垂直であるサファイア基板を用意する。このサファイア基板を反応容器内にセットし、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ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板上にＧａＮよりなる低温成長のバッファ層（図示されていない）を２０ｎｍの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮからなる第１の窒化物半導体層４２を２μｍの膜厚で成長させる。次に、第１の窒化物半導体層４２を積層したウェーハ上にストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅（凸部の上部になる部分）５μｍ、ストライプ間隔（凹部底部となる部分）１０μｍにパターニングされたＳｉＯ2 膜を形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりＳｉＯ2膜の形成されていない部分の第１の窒化物半導体層４２を全てエッチングし更にサファイアを１２０ｎｍの深さまでエッチングして凹凸を形成することにより、凹部側面に第１の窒化物半導体層４２を露出させる。凹凸を形成後に、凸部上部のＳｉＯ2 膜を除去する。なお、ストライプ方向は、図５（ｂ）に示すように、オリフラ面に対して０．３°ずらして形成する。次に、反応容器にセットし、常圧で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層４３を１５μｍの膜厚で成長させ窒化物半導体基板１とする。得られた窒化物半導体を窒化物半導体基板１として以下の素子構造を積層成長させる（図２）。得られた窒化物半導体基板１の表面の転位をＴＥＭ法により観測すると、凹部上部には転位がほとんど見られなく、凸部上部にはやや多めの転位が観測された。この窒化物半導体基板上１に、下記の各層を成長させる。

（ｎ型コンタクト層３）次に、得られた窒化物半導体基板１上に、１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニア、シラン（ＳｉＨ₄）を用い、Ｓｉを５×１０¹⁸／ｃｍ³ドープしたｎ型Ａｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎよりなるｎ型コンタクト層３を４μｍの膜厚で成長させる。

（ｎ型クラッド層４）次に、１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、シランを用い、Ｓｉを５×１０¹⁷／ｃｍ³ドープしたｎ型Ａｌ_0.18Ｇａ_0.82Ｎよりなるｎ型クラッド層４を４０ｎｍの膜厚で形成する。

（活性層５）次に、窒素雰囲気中、７００℃でＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＩｎＧａＮよりなる活性層を５．５ｎｍの膜厚で成長させる。Ｉｎ組成比は、測定不可能な程度に微量（ほとんど零又は零）である。

（ｐ型クラッド層６）次に、水素雰囲気中、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１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなるｐ型クラッド層６を６０ｎｍの膜厚で成長させる。

（ｐ型コンタクト層７）続いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂Ｍｇで、Ｍｇを１×１０²⁰／ｃｍ³ドープしたＡｌ_0.04Ｇａ_0.96Ｎよりなるｐ型コンタクト層７を０．１２μｍの膜厚で成長させる。

成長終了後、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型層を更に低抵抗化した後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層７の表面に所定の形状のマスクを形成し、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、図１に示すようにｎ型コンタクト層３の表面を露出させる。

エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層７のほぼ全面に膜厚２０ｎｍのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極８と、そのｐ電極８の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極１０を０．２μｍ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３の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極９を形成する。最後にｐ電極８の表面を保護するためにＳｉＯ₂よりなる絶縁膜を形成した後、ウェーハをスクライブにより分離して３５０μｍ角のＬＥＤ素子とする。但し、ＬＥＤは、発光する活性層が窒化物半導体基板１の転位のほとんどない凹部の上部に位置し、更に凹部の中心部分を避け、例えば図１のような位置になるように作製される。

このＬＥＤ素子は順方向電圧１０ｍＡにおいて、発光ピーク波長が３７１ｎｍを示し、Ｖｆは３．５Ｖ、出力は２．０ｍＷである。実施例１のＬＥＤの発光効率は、５．７％となる。また、このデータを図６中に黒丸印としてプロットする。

［実施例２］実施例１において、発光ピーク波長が、３６０ｎｍ、３７７ｎｍとなるように活性層のＩｎ組成比を調節する他は同様にしてＬＥＤを作製する。得られたＬＥＤの発光効率は、発光ピーク波長が３６０ｎｍの場合は０．５９％、発光ピーク波長が３７７ｎｍの場合は５．８５％となる。また、これらのデータを図６中に黒丸印としてプロットする。

［比較例１］実施例１において、発光ピーク波長が４７０ｎｍ、５２０ｎｍとなるように活性層のＩｎ組成比を調整する他は同様にしてＬＥＤを作製する。得られたＬＥＤの発光効率はそれぞれ６．０％、３．０％となる。また、これらのデータを図６中に黒丸印としてプロットする。

［比較例２］更に実施例１において、窒化物半導体基板１の代わりに、サファイア基板を用い、更にサファイア基板上に、５５０℃でＧａＮからなるバッファ層を３０ｎｍ成長させ、このバッファ層上に、実施例１と同様のコンタクト層などの複数層からなる素子構造を成長させる他は同様にして、ＬＥＤを作製する。但し、活性層のＩｎ組成比を調整して、発光ピーク波長が３６０ｎｍ、３７１ｎｍ、３７７ｎｍ、４７０ｎｍ、５２０ｎｍとなる比較のＬＥＤを作製する。得られた比較のＬＥＤの各発光効率は、それぞれ０．２５％、４．８％、５．１％、６．０％、３．０％となる。これらのデータを図６中に黒四角印としてプロットする。

（実施例と比較例のＬＥＤの発光効率の比較）図６は、窒化物半導体基板を用いてなる実施例のＬＥＤの発光ピーク波長の変化による発光効率の値（黒丸印で示す）と、サファイア基板を用いてなる比較例のＬＥＤの発光ピーク波長の変化による発光効率の値（黒四角印で示す）とをプロットしたグラフである。以下には、図６に示されている上記実施例及び比較例で得られた値（波長と発光効率のデータ）を一覧表にまとめる。

[表１]
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
波長（ｎｍ）発光効率（％）
窒化物半導体基板サファイア基板
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
３６００．５９０．２５
３７１５．７０４．８０
３７７５．８５５．１０
４７０６．００６．００
５２０３．００３．００
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
図６を用いて、基板の相違と、発光ピーク波長の相違による発光効率の変化について以下に考察する。まず、発光ピーク波長が４７０ｎｍ及び５２０ｎｍの場合には、窒化物半導体基板を用いてなる比較例１のＬＥＤの特性（黒丸印）と、サファイア基板を用いてなる比較例２のＬＥＤの特性（黒四角印）とは、同じ発光効率を有する。そして、これらのＬＥＤは、発光ピーク波長が４７０ｎｍから３８０ｎｍに向かって変化すると、発光効率が緩やかに低下する。このような緩やかな低下は、サファイア基板を用いた比較例２のＬＥＤに比べて、転位の少ない窒化物半導体基板を用いた比較例１のＬＥＤの方が低下の割合が小さい。このことは、窒化物半導体基板を用いた比較例１のＬＥＤの方が高い発光効率を維持し易いことを示している。更に、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下となると両者とも、発光効率が急激に低下する傾向を示す。

しかし、サファイア基板を用いてなる比較例２のＬＥＤに比べて、窒化物半導体基板を用いてなる比較例１のＬＥＤは、発光効率が高い。例えば、発光ピーク波長が３６０ｎｍの場合には、窒化物半導体基板を用いてなる実施例のＬＥＤの方が、サファイア基板を用いてなる比較例のＬＥＤに対して、２．３６倍もの発光効率を示す。

以上のように、紫外領域の発光を示す紫外ＬＥＤの場合には、特に転位密度の少ない窒化物半導体基板を用いると、発光効率が良好に向上する。そして、発光効率が向上することで、発光出力の向上も達成することができる。

本発明の一実施の形態であるＬＥＤの模式的断面図。本発明で用いることのできるＥＬＯＧ成長の一実施の形態の各工程の構造を示す模式的断面図。サファイアの面方位を示すユニットセル図。オフアングルした異種基板の部分的な形状を示す模式的断面図。凹凸のストライプ方向を説明するための基板主面側の平面図。実施例及び比較例のＬＥＤの発光効率と波長の関係を示すグラフ。活性層の井戸層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）と、量子準位の形成による発振波長のエネルギー（Ｅλ）とを示した模式的断面図。

符号の説明

１…基板、３…ｎ型コンタクト層、４…ｎ型クラッド層、５…活性層、６…ｐ型クラッド層、７…ｐ型コンタクト層、８…ｐ電極、９…ｎ電極、１０…ｐパッド電極。

Claims

窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上、あるいは、前記異種基板上に形成されたバッファ層上に成長された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に窒化物半導体の横方向成長を用いて形成された第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に窒化物半導体からなる複数の層が積層成長され、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下となる活性層を含む素子構造と、
を具備し、
前記異種基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、
前記第１の窒化物半導体層は、表面に部分的にストライプ状に凹凸が形成されており、当該ストライプの方向は前記サファイア基板のＡ面の垂直方向に対して前記サファイア基板の主面内で０．１°〜１°の範囲内でずれた方向に形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板上、あるいは、前記異種基板上に形成されたバッファ層上に成長された窒化物半導体から前記異種基板を除去して形成された窒化物半導体基板と、
前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体からなる複数の層が積層成長され、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以下となる活性層を含む素子構造と、
を具備する窒化物半導体素子であって、
前記窒化物半導体基板は、表面に部分的にストライプ状の凹凸が形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に窒化物半導体の横方向成長を用いて形成され、前記凹凸の凸部上部および凹部内部から成長した第２の窒化物半導体層と、を有し、
前記異種基板は、Ｃ面を主面とするサファイア基板であり、
前記ストライプの方向は前記サファイア基板のＡ面の垂直方向に対して前記サファイア基板の主面内で０．１°〜１°の範囲内でずれた方向に形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。
前記凹凸は、凹部の側面が前記異種基板に達していることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
前記第２の窒化物半導体層の転位密度は、１０⁶／ｃｍ²以下であ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。
前記異種基板の主面は、オフアングルしてい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。
前記オフアングルしている異種基板のオフ角が０．１°〜０．５°の範囲内であることを特徴とする請求項５記載の窒化物半導体素子。
前記活性層は、Ｉｎ_fＧａ_1-fＮ（０≦ｆ＜０．１）を用いてな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。