JP4558846B1 - 窒化物系半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

窒化物系半導体発光素子１００は、ｍ面１２を表面とするＧａＮ系基板１０と、ＧａＮ系基板１０のｍ面１２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。電極３０は、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金層３２を含み、Ｍｇ合金層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：Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（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（例えば、特許文献１、２参照）。

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。Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（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、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、「Ｍ面」と表記される場合もある。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 特開平８−６４８７１号公報 特開平１１−４０８４６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。

本発明の第１の窒化物系半導体素子は、表面がｍ面であるｐ型半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、前記ｐ型半導体領域上に設けられた電極とを備え、前記ｐ型半導体領域は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成され、前記電極は、前記ｐ型半導体領域の前記表面に接触し、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金層を含む。

ある実施形態において、前記電極は、前記Ｍｇ合金層と、前記Ｍｇ合金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のうち前記Ｍｇ合金層に含まれる金属から形成されている。

ある実施形態において、前記半導体積層構造は、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_cＮ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Ｍｇ合金層の厚さは０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

ある実施形態において、前記Ｍｇ合金層の厚さは前記Ｐｔ層の厚さ以下である。

ある実施形態において、前記Ｍｇ合金層中のＮ濃度はＧａ濃度よりも低い。

ある実施形態において、前記半導体積層構造を支持する半導体基板を有している。

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、表面がｍ面であるｐ型半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、前記ｐ型半導体領域上に設けられた電極とを備え、前記ｐ型半導体領域は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体からなり、前記電極は、前記ｐ型半導体領域の前記表面に接触し、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金層を含む。

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、表面がｍ面であるｐ型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、前記半導体積層構造の前記ｐ型半導体領域の前記表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型半導体領域の前記表面上に、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金層を形成する工程を含む。

ある実施形態において、前記Ｍｇ合金層を形成する工程は、前記ｐ型半導体領域の前記表面上に、Ｍｇ層を形成する工程と、前記Ｍｇ層の上に、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される導電層を形成する工程と、加熱処理を行なうことにより、前記Ｍｇ層と前記導電層の少なくとも一部とを合金化する工程とを含む。

ある実施形態において、前記加熱処理は、５００℃以上７００℃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、５５０℃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Ｍｇ層を形成する工程は、パルス的に電子ビームを照射することによってＭｇを前記ｐ型半導体領域の前記表面の上に蒸着させることを実行する。

ある実施形態において、前記Ｍｇ層は０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さで前記半導体積層構造の上に堆積される。

ある実施形態では、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Ｍｇ合金層を形成する工程は、Ｍｇと、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属との混合物または化合物を、前記ｐ型半導体領域の前記表面上に蒸着する工程と、加熱処理を行なう工程とを含む。

本発明の第２の窒化物系半導体素子は、表面がｍ面であるｐ型半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、前記ｐ型半導体領域上に設けられた電極とを備え、前記ｐ型半導体領域は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成され、前記電極は、前記ｐ型半導体領域の前記表面上に形成されたアイランド状Ｍｇ合金を含み、前記アイランド状Ｍｇ合金は、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成される。

ある実施形態において、前記電極は、前記アイランド状Ｍｇ合金と、前記アイランド状Ｍｇ合金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のうち前記アイランド状Ｍｇ合金に含まれる金属から形成されている。

本発明の窒化物系半導体素子によれば、半導体積層構造上の電極がＭｇ合金層を含み、そのＭｇ合金層がｐ型不純物領域の表面（ｍ面）に接触していることにより、コンタクト抵抗を低減することができる。

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 ２つのＰｄ／Ｐｔ電極をｐ型ＧａＮ層に接触させた場合の電流−電圧特性を示す図 ２つのＭｇ合金層電極をｐ型ＧａＮ層に接触させた場合の電流−電圧特性を示す図 上述のＰｄ／Ｐｔ電極、およびＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極を用いた場合のそれぞれにおける固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ²）を示すグラフ ＴＬＭ電極のパターン図 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 ＳＩＭＳ分析による電極構造（Ｍｇ／Ｐｔ）におけるＧａの深さ方向のプロファイル図 ＳＩＭＳ分析による電極構造（Ｍｇ／Ｐｔ）におけるＮの深さ方向のプロファイル図 （ａ）はＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極、Ｍｇ／Ｐｔ層からなる電極、およびＰｔ／Ｐｄ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、（ｂ）は発光ダイオードのコンタクト抵抗の値を示すグラフ （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極の表面の状態とＭｇ／Ｐｔ層からなる電極の表面状態を示す光学顕微鏡の図面代用写真 （ａ）は、Ａｕ層、および、ＭｇＡｕ合金／Ａｕ層からなる電極を用いた場合のコンタクト抵抗を示すグラフ、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれＭｇＡｕ合金／Ａｕ層およびＡｕ層の電極の表面を示す光学顕微鏡の図面代用写真 白色光源の実施形態を示す断面図

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ｐ型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基板１０を備えているが、ＧａＮ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面基板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無い。

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、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_cＮ層（ａ＋ｂ＋ｃ＝１，ａ≧０，ｂ≧０，ｃ≧０）を含む活性層２４と、Ａｌ_dＧａ_eＮ層（ｄ＋ｅ＝１，ｄ≧０，ｅ≧０）２６とを含んでいる。Ａｌ_dＧａ_eＮ層２６は、活性層２４を基準にしてｍ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と基板１０との間には、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層２２は、第１導電型（ｎ型）のＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層２２である。また、活性層２４とＡｌ_dＧａ_eＮ層２６との間に、アンドープのＧａＮ層を設けてもよい。

Ａｌ_dＧａ_eＮ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無い。Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_dＧａ_eＮ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、ＰｔとＭｇから構成されるＭｇ合金層３２を含む電極であり、Ｍｇ合金層３２の上には、Ｐｔからなる金属層３４が形成されている。なお、「Ｍｇ合金層」とは、％オーダー（例えば１％）以上の濃度でＰｔ等の金属がＭｇ中に混和している層を意味する。本実施形態におけるＭｇ合金層３２には、金属層３４を構成する金属Ｐｔが％オーダーの濃度で混和している。

電極３０におけるＭｇ合金層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（ｐ側電極）の一部として機能する。本実施形態では、Ｍｇ合金層３２は、第２導電型（ｐ型）のドーパントがドープされたＡｌ_dＧａ_eＮ層２６に接触している。Ａｌ_dＧａ_eＮ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良い。

Ｍｇ合金層３２の表面に接触する金属層３４としては、Ｐｔ層の他、Ａｕ（金）に比べるとＭｇと合金を形成し難い金属の層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、Ｍｇ合金層３２と接触する金属層３４の材料として、Ｍｇと合金を形成し易いＡｕは好ましく無い。Ｐｔ、Ｍｏ、Ｐｄは、Ａｕに比べるとＭｇとの間で合金化しにくい金属であるが、後述する熱処理により、Ｍｇの一部と反応して合金層が形成され得る。

Ｍｇ合金層３２は、Ｍｇ層の上にＰｔなどの金属層を堆積した後に、熱処理を行なうことによって好適に形成される。熱処理の前に堆積した金属層が比較的厚ければ、熱処理によって形成されたＭｇ合金層３２の上に金属層３４が残る。一方、熱処理の前に堆積した金属層が比較的薄ければ、熱処理によって金属層３４の全てがＭｇと合金化する場合がある。この場合には、電極３０としてＭｇ合金層３２のみが存在する。

なお、Ｍｇ合金層３２は、金属層３４を構成する金属とＭｇ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。この場合、Ｍｇ合金層３２を蒸着した直後には、Ｍｇ合金層３２の上に金属層３４は存在していない。その後、Ｍｇ合金層３２の上に金属層３４を堆積せずに、電極３０をＭｇ合金層３２のみから構成させてもよいし、必要に応じて、Ｍｇ合金層３２の上に金属層３４を堆積してもよい。

Ｍｇ合金層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Ｍｇ合金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。

上記の各電極の上には、上述の金属層または合金層とは別に、これらの金属以外の金属または合金からなる電極層や配線層が形成されていても良い。

本実施形態の電極３０の厚さは、例えば、１〜２００ｎｍである。Ｍｇ合金層３２の上に金属層３４が設けられている場合には、Ｍｇ合金層３２は、金属層３４よりも薄い層であり、Ｍｇ合金層３２の厚さは、例えば、５ｎｍ以下（好ましくは０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下）である。熱処理の前に堆積したＭｇ層の厚さが５ｎｍよりも大きい場合には、熱処理を行った後に、Ｍｇ層の一部が合金化されず、Ｍｇ合金層３２とＡｌ_dＧａ_eＮ層２６との間にＭｇ層が残存することがある。これは、金属層３４を構成するＰｔなどの金属がＭｇと合金を形成しにくいことに起因する。Ｍｇ層が残存すると、下地の半導体積層構造２０との密着性が比較的低い場合がある。そのため、熱処理の前に堆積するＭｇ層の厚さは５ｎｍ以下であることが好ましく、熱処理によって形成されるＭｇ合金層３２の厚さも５ｎｍ以下であることが好ましい。

また、Ｍｇ合金層３２の上に位置する金属層（例えば、Ｐｔ層）３４の厚さは、例えば、２００ｎｍ以下（好ましくは１ｎｍ〜２００ｎｍ）である。Ｍｇ合金層３２が金属層３４よりも薄い層であるのは、Ｍｇ合金層３２と金属層３４との歪みのバランスが崩れることによるＭｇ合金層３２とＡｌ_dＧａ_eＮ層２６との間での剥離が生じないようにするためである。金属層３４は、Ｍｇ合金層３２の酸化防止などにおいて重要な役割を担うが、必ずしも必要というわけではない。

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以上の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、基板１０の上に位置するｎ型のＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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。

本実施形態の活性層２４は、Ｇａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ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Ａｌ_dＧａ_eＮ層２６が設けられている。ｐ型のＡｌ_dＧａ_eＮ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Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ｍｇ合金層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、Ａｌ_dＧａ_eＮ層２６とは別の層であると考える代わりに、Ａｌ_dＧａ_eＮ層２６の一部であると考えることもできる。

図４Ａは、２つのＰｄ／Ｐｔ電極をｐ型ＧａＮ層に接触させた場合の電流−電圧特性を、図４Ｂは、２つのＭｇ合金層電極をｐ型ＧａＮ層に接触させた場合の電流−電圧特性を示す。Ｐｄ／Ｐｔ電極としては、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上にＰｄ層およびＰｔ層をこの順に形成した後、窒素雰囲気中で熱処理を行なうことにより形成した電極（ｍ面ＧａＮ（Ｐｄ／Ｐｔ））を用いた。Ｍｇ合金層電極としては、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上に、Ｍｇ層およびＰｔ層をこの順に蒸着した後、窒素雰囲気中で熱処理を行なうことによって合金化された電極（ｍ面ＧａＮ（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ））を用いた。これらの電極の構成および熱処理条件は以下の表１に示す通りである。

本実施形態では、表１に示す熱処理を行なうことによって、ｐ型ＧａＮ層上に接するＭｇ層とＰｔ層の一部（Ｍｇ層に接する側）とを合金化させ、さらにＭｇ合金層がｐ型ＧａＮ層と接した状態で加熱されることにより、良好なＭｇ合金層電極（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極）を形成することができる。

図４Ａ、図４Ｂに示す電流−電圧特性の各曲線は、図４Ｄに示すＴＬＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｅｔｈｏｄ）電極パターンの電極間距離に対応したものである。図４Ｄは、１００μｍ×２００μｍの複数の電極が、８μｍ、１２μｍ、１６μｍ、２０μｍだけ間隔を空けて配置された状態を示している。

図４Ｃは、上述のＰｄ／Ｐｔ電極、およびＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極を用いた場合のそれぞれにおける固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ²）を示すグラフである。コンタクト抵抗はＴＬＭ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、「１．０×１０^X」の意味である。

Ｐｄはｐ型電極として従来用いられてきた仕事関数の大きな金属である。Ｐｄ／Ｐｔ電極ではＰｄがｐ型ＧａＮ層に接触しており、図４Ａのグラフ（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）を示している。一方、図４Ｂのグラフ（Ｍｇ合金層電極の電流−電圧特性）にはショットキー電圧が現れておらず、このＭｇ合金層電極は、ｐ型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る。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。

さらに、図４Ｃに示すように、Ｐｄ／Ｐｔ電極よりもＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極のほうが一桁近くも低い固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ²）を示す。本実施形態では、仕事関数の大きな金属を用いるという従来のｐ型電極のアプローチでは得ることのできない非常に顕著な効果を得ることに成功している。

なお、Ｍｇ/Ｐｔ電極をｃ面ｐ型ＧａＮ層と接触させた場合には、Ｐｄ／Ｐｔ電極の場合よりも若干低いコンタクト抵抗が得られる。接触面がｍ面の場合には、Ｍｇ/Ｐｔ電極は、Ｐｄ／Ｐｔ電極より顕著に低いコンタクト抵抗を示す（特願２００９−５３６５５４号参照）。ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極を用いた本発明でも同様の結果が得られると推測される。

次に、コンタクト抵抗について熱処理温度の依存性を説明する。

図５は、ｐ型のＧａＮ層のｍ面上に、Ｍｇ層およびＰｔ層をこの順に蒸着した後、窒素雰囲気中で熱処理を行なうことによって合金化させた電極（すなわち、ｍ面ＧａＮ（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ））の結果を示している。また、対比として、ｐ型のｍ面ＧａＮ層上にＰｄ層およびＰｔ層をこの順に形成した後、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（Ｐｄ／Ｐｔ））の結果も示している。

図５に示すデータは、パルス蒸着法を用いてＭｇ層を堆積したサンプルから得たものである。パルス蒸着法については、後述する。本願明細書における本発明の実験例では、いずれも、Ｍｇ層をパルス蒸着法によって堆積し、Ｍｇ以外の金属（Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ）は、通常の電子ビーム蒸着法によって堆積している。

ＭｇＰｔ合金／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。

熱処理前における各層の厚さは、以下の表２に示す通りである。

まず、Ｐｄ／Ｐｔ電極の場合、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。熱処理温度が５００℃を超えると、コンタクト抵抗の上昇が見られた。

一方、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極の場合は、熱処理温度が５００℃以上になると、コンタクト抵抗は急に低下した。本実施形態では、熱処理前にｐ型のｍ面ＧａＮ層に接するのはＭｇ層であるのに対し、５００℃以上の温度で熱処理を行なうことによってＭｇ層がＰｔ層と合金化し、熱処理後にｐ型のｍ面ＧａＮ層に接するのはＭｇ合金層になる。図５から、ｍ面ＧａＮ（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ）電極の場合、熱処理温度が６００℃になると、コンタクト抵抗はさらに低下していることがわかる。さらに昇温して７００℃の熱処理を行なうと、コンタクト抵抗は６００℃の熱処理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、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極の熱処理温度としては、例えば、５００℃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℃以下が好ましい。加えて、さらにコンタクト抵抗が低くなる、５５０℃以上６５０℃以下の温度範囲であることがさらに好ましい。

図６は、電極構造（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ）においてＧａの深さ方向のプロファイルを、ＳＩＭＳを用いて得た結果を示す。熱処理前におけるＭｇ層厚は２ｎｍであり、Ｐｔ層厚は７５ｎｍであった。熱処理によってＭｇ合金層厚は２ｎｍとなった。熱処理は、窒素雰囲気中６００℃で１０分間行なった。グラフの縦軸は原子濃度と比例関係にある、ＳＩＭＳの検出器の信号強度を示す。図６における横軸の距離０μｍはｐ型ＧａＮ層とＭｇ合金層との界面の位置にほぼ相当する。なお、横軸の原点（０μｍ）は、Ｇａピークの位置に合わせた。横軸の数値が「−」の領域は電極側であり、「＋」の領域はｐ型ＧａＮ側である。縦軸は、ａｓ−ｄｅｐｏ（熱処理前）のＧａＮ結晶中のＧａ濃度を１として規格化している。また母体の原子密度から算定すると、縦軸の強度の１×１０^-3は濃度として１×１０¹⁹ｃｍ^-3にほぼ相当する。

図６に示すように、熱処理後には、熱処理前と比べて、Ｍｇ合金層中のＧａ濃度が増加している。この結果から、熱処理によって、Ｍｇ合金層中にＧａが拡散していることがわかる。さらに、５００℃以上の温度で熱処理を行なった試料ではコンタクト抵抗が低くなることから、その原因の詳細は不詳であるが、Ｍｇ合金層中のＧａ拡散量とコンタクト抵抗との間の相関があることが確認された。そして、最も低いコンタクト抵抗が得られた試料では、Ｍｇ合金層中のＧａ濃度は１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることが確認された。

図７は、電極構造（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ）における窒素原子の深さ方向プロファイルを、ＳＩＭＳを用いて得た結果を示す。熱処理前におけるＭｇ層厚は２ｎｍであり、Ｐｔ層厚は７５ｎｍである。熱処理によってＭｇ合金層厚は２ｎｍとなった。熱処理は、窒素雰囲気中６００℃で１０分間行なった。図７のグラフの縦軸はＮ強度であり、横軸は深さ方向の距離である。１×１０^-3のＮ強度は１×１０¹⁹ｃｍ^-3のＮ濃度にほぼ相当する。横軸の数値が「−」の領域は電極側であり、「＋」の領域はｐ型ＧａＮ側である。縦軸は、ａｓ−ｄｅｐｏ（熱処理前）のＧａＮ結晶中のＮ濃度を１として規格化している。横軸の原点（０μｍ）は、ｐ型ＧａＮ層とＭｇ層との界面の位置にほぼ相当する。図７から明らかなように、熱処理後の電極構造においても、Ｍｇ合金層中にＮの拡散はみられない。

以上のように、本願発明者は、Ｍｇ合金層がｍ面を表面とするｐ型ＧａＮ層と接するように熱処理（窒素雰囲気中６００度１０分間）を行なうと、ｐ型ＧａＮ層のＧａ原子は電極側へ拡散するが、Ｎ原子は電極側へほとんど拡散しないということを見出した。その結果、ｐ型ＧａＮ層の最表面では、Ｇａ原子が不足し、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層の界面の近傍で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Ｍｇ合金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。

一方、本願発明者は、Ｍｇ合金層がｍ面ではなくｃ面を表面とするｐ型ＧａＮ層と接するように熱処理（窒素雰囲気中６００度１０分間）を行なうと、Ｇａ原子だけでなくＮ原子も電極側へ拡散することを見いだした。また、この場合にはコンタクト抵抗が高いことを確認した。Ｇａ原子だけでなくＮ原子も電極側へ拡散すると、ｐ型ＧａＮ層の最表面では、ドナー的性質を有するＮ空孔も形成される。その結果、ｐ型ＧａＮ層の最表面では、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。これらの原因から、ｃ面を表面とするＧａＮと接するようにＭｇ合金層を形成した場合には、コンタクト抵抗が高いと考えられる。

この発見は、原子間結合力や表面状態などの物理的性質がｍ面ＧａＮとｃ面ＧａＮの両者において全く異なることを示すものである。

なお、このような各元素（Ｇａ、Ｎ）の挙動は、Ｍｇ合金層が接触する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、Ｍｇ合金層が接触する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基板１０と、基板１０上に形成されたＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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基板１０は、ｎ型ＧａＮ基板（例えば、厚さ１００μｍ）であり、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層２２は、ｎ型ＧａＮ層（例えば、厚さ２μｍ）である。Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ層２２の上には、Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_cＮ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Ａｌ_dＧａ_eＮ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Ａｌ_dＧａ_eＮ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Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_dＧａ_eＮ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Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ｍｇ合金層３２が形成されており、その上にＰｔ層３４が形成されている。このＭｇ合金層３２とＰｔ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、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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）は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１．３Ｖ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面基板１０を用意する。本実施形態では、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１０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のは、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、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基板１０の上に、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層２２を形成する。Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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Ｇａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ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。Ｇａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎ井戸層を形成する際には、Ｉｎの取り込みを行なうために、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、Ａｌ_dＧａ_eＮ層２６を形成する。Ａｌ_dＧａ_eＮ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−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎを形成する。

次に、Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_dＧａ_eＮ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、Ａｌ_xＧａ_yＩｎｚＮ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、ｎ型電極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、Ｍｇ層（厚さ２ｎｍ）を形成し、さらにＭｇ層上にＰｔ層（厚さ７５ｎｍ）を形成する。その後、窒素雰囲気下、６００℃で１０分間の熱処理を行なうことによって、Ｐｔ層のうちＭｇ層側に配置する部分がＭｇ層へ進入し、Ｍｇ合金層３２が形成される。Ｐｔ層のうちＭｇ層と合金を形成しなかった部分は、Ｍｇ合金層３２の上にＰｔ層３４として残る。本実施形態の熱処理は、Ｍｇ合金層形成のための熱処理とｐ型ＧａＮ層のＧａ原子を電極側へ拡散させるための熱処理とを兼ねている。

本実施形態では、Ｍｇ層の形成に原料金属をパルス的に蒸発させながら蒸着を行なう手法（パルス蒸着法）を用いている。より具体的には、真空中に保持したるつぼ中のＭｇ金属に、パルス的に電子ビームを照射し、パルス的に原料金属を蒸発させる。その原料金属分子または原子がｐ−ＧａＮコンタクト層に付着し、Ｍｇ層が形成される。パルスは例えばパルス幅０．５秒、繰り返し１Ｈｚである。このような手法により、Ｍｇ層として緻密で良好な品質の膜が形成された。Ｍｇ層が緻密になる理由は、パルス的な蒸着を行なうことにより、ｐ−ＧａＮコンタクト層に衝突するＭｇ原子またはＭｇ原子クラスタの運動エネルギーが増加するためであると考えられる。

一般にＭｇは水や空気との接触により酸化されやすい元素である。しかし、本実施形態のパルス蒸着法を用いると、酸化されにくく、耐水、耐酸素性に優れたＭｇ層が得られる。

なお、本実施形態では、原料金属（Ｍｇ金属）をパルス的に蒸発させながら蒸着を行なう手法を採用しているが、Ｍｇ層を形成できるのであれば、他の手法を採用することも可能である。緻密で良質なＭｇ層を形成する他の手法としては、例えばスパッタリング、熱ＣＶＤ法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ）などを採用することが可能である。

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、基板１０、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層２２の一部までを除去してもよい。この場合、基板１０のみを除去してもよいし、基板１０およびＡｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層２２の一部だけを選択的に除去してもよい。もちろん、基板１０、Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ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、ｎ型電極４０とｐ型電極３０との間に電圧を印加すると、ｐ型電極３０から活性層２４に向かって正孔が、ｎ型電極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８（ａ）に、ｍ面ＧａＮ上にＭｇＰｔ合金／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を同じで、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオード（従来例）、およびＭｇ／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。これらの発光ダイオードにおける電極の構成および熱処理条件は、以下の表３に示す通りである。

この発光ダイオードの構成は、ｍ面ＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ井戸層（３層）とＧａＮバリア層（２層）とが交互に積層された活性層、ｐ型ＧａＮ層が積層されたものである。さらにｐ型ＧａＮ層上にはｐ型電極として、Ｍｇ／Ｐｔ電極またはＰｄ／Ｐｔ電極を設けている。ｎ型電極は、ｐ型ＧａＮ層、活性層をエッチングし、ｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｎ型ＧａＮ層上に形成している。

まず、従来の電極（Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極）と本実施形態の電極（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極）とを比較する。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３．２Ｖであるのに対し、ＭｇＰｔ合金／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であり、本実施形態の立ち上がり電圧は従来よりも小さい値である。また、電流値２０ｍＡでの動作電圧で比較すると、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードでは、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードよりも１．３Ｖ以上小さくなっていることがわかる。このように、本実施形態の電極を用いた発光ダイオードでは、従来と比較して動作電圧の大幅な低減が可能である。

次に、本実施形態の電極（ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極）とＭｇ／Ｐｔ層からなる電極とを比較すると、本実施形態の電極を用いた発光ダイオードの立ち上がり電圧および電流値２０ｍＡでの動作電圧の値は、Ｍｇ／Ｐｔ層からなる電極を用いた発光ダイオードの値よりもやや大きい。

図８（ｂ）はＭｇＰｔ合金／Ｐｔ電極、Ｐｄ／Ｐｔ電極およびＭｇ／Ｐｔ電極の各々のコンタクト抵抗を比較して示すグラフである。いずれのサンプルでも、電極はｐ型ＧａＮ層に接触している。

熱処理前における各層の厚さは、以下の表４に示す通りである。

また、熱処理温度および熱処理時間は以下の表５に示す通りである。

図８（ｂ）に示すように、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極のコンタクト抵抗は、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極のコンタクト抵抗よりも低下している。また、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極のコンタクト抵抗は、Ｍｇ／Ｐｔ層からなる電極のコンタクト抵抗よりもやや高い値である。

図８（ａ）、（ｂ）に示す結果から、本実施形態の電極の電気特性（立ち上がり電圧および動作電圧の特性）およびコンタクト抵抗は、Ｍｇ／Ｐｔ層からなる電極よりもやや劣る値となっている。しかしながら、密着性という点では、本実施形態の電極はＭｇ／Ｐｔ層よりも優れた特性を示し、本実施形態の電極は信頼性という点で優れているといえる。

図９（ａ）はＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極を有する発光素子における電極表面の光学顕微鏡の図面代用写真であり、図９（ｂ）はＭｇ／Ｐｔ層からなる電極を有する発光素子における電極表面の光学顕微鏡の図面代用写真である。ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層からなる電極を有する発光素子では、図９（ａ）に示すようにｐ型電極３０の剥がれは全く生じていなかったが、Ｍｇ／Ｐｔ層からなる電極を有する発光素子では、図９（ｂ）に示すようにｐ型電極１３０の端の一部に剥がれが生じているものもあった。なお、図９（ｂ）は、形成した発光素子のうち電極に剥がれが見られるものを選んで撮影したものであり、Ｍｇ／Ｐｔ層からなる電極を有するデバイスにおいても、高い確率で電極の剥がれが生じるわけではない。

次に、図１０を参照しながら、Ａｕ層、および、ＭｇＡｕ合金／Ａｕ層からなる電極を用いた例（比較例）について説明する。図１０（ａ）は、ｍ面のＧａＮ層の上に、Ａｕ層、または、ＭｇＡｕ合金／Ａｕ層の電極を形成し、その固有コンタクト抵抗（Ω・ｃｍ²）を測定した結果を示している。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。ＭｇＡｕ合金／Ａｕ層の電極は、Ｍｇ層とＡｕ層とを積層した後に温度６００℃で１０分間の熱処理を行なうことによって形成した。熱処理によりＭｇとＡｕとは容易に合金化するため、Ｍｇ層およびＡｕ層は、熱処理後にはＭｇＡｕ合金とＡｕ層との積層（すなわちＭｇＡｕ合金／Ａｕ層）になっていると考えられる。

図１０（ａ）の結果からわかるように、Ａｕ層の電極に比べ、ＭｇＡｕ合金／Ａｕ層の電極を用いた場合の方が固有コンタクト抵抗の特性は悪化する。なお、Ａｕ層の電極のコンタクト抵抗は、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極のコンタクト抵抗とほぼ等しいことを確認しており、図１０（ａ）の結果から、Ｐｄ／Ｐｔ層からなる電極よりもＭｇＡｕ合金／Ａｕ層からなる電極のほうが高いコンタクト抵抗を示すことがわかる。この点、本実施形態の電極（例えば、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層）の構成における特性向上の結果と顕著に相違する。なお、上述したように、Ｍｇは水や空気との接触により酸化されやすい元素であるので、Ｍｇ層の単独での電極では無くＡｕ層の積層体（熱処理後はＭｇＡｕ合金／Ａｕ層）として使用される構成は検討候補の一つに成り得る。しかしながら、実際には、Ａｕ層と比較してＭｇＡｕ合金／Ａｕ層のコンタクト抵抗は高くなるがゆえに、コンタクト特性は悪い。換言すると、本実施形態の構成（例えば、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ層）のコンタクト抵抗の特性が優れていることは、ＭｇＡｕ合金とＡｕ層からなる電極の測定結果が悪かったことを鑑みると、当業者にとって予見できない効果を有していたと思われる。

なお、図１０（ａ）に示す結果では、Ａｕ電極（またはＰｄ／Ｐｔ電極）におけるコンタクト抵抗の絶対値が比較的低い（３×１０^-3Ω・ｃｍ²以下）。これは、本実験で用いたｍ面ＧａＮ層では、Ｍｇドープ量が最適化されているためである。しかし、２つのＡｕ電極（またはＰｄ／Ｐｔ電極）をｐ型ＧａＮ層に接触させて電流−電圧特性を測定すると、ショットキー電圧が観測された。このように、Ａｕは、ｍ面を表面とするｐ型ＧａＮ層に接触させる電極の材料として好ましくない。一方、ｍ面ＧａＮ層を用いて本実施形態の電極（例えば、ＭｇＰｔ合金／Ｐｔ）を作製してコンタクト抵抗を測定したところ、５×１０^-4Ω・ｃｍ²以下の値が測定された。また、本実施形態の電極をｐ型ＧａＮ層に接触させて電流−電圧特性を測定すると、ショットキー電圧は観測されず、本実施形態の電極はｍ面を表面とするｐ型ＧａＮ層とオーミックコンタクトを形成することがわかった。

また、図１０（ｂ）は、熱処理後のＭｇＡｕ合金／Ａｕ層の電極の表面を示す図面代用写真であり、一方、図１０（ｃ）は、熱処理後のＡｕ層の電極の表面を示す図面代用写真である。両者を比べると、ＭｇＡｕ合金／Ａｕ層の電極の方の膜質が悪いことがわかった。

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無く、勿論、種々の改変が可能である。

なお、本発明の実施形態と本質的に構成を異にするものであるが、関連する構造が特許文献３、４に開示されている。しかしながら、特許文献３および４には、窒化ガリウム系半導体層の結晶面がｍ面であることの記載は一切無く、したがって、これらの文献の開示はｃ面の窒化ガリウム系半導体層の上に電極を形成した技術に関するものである。特に、特許文献３は、Ｍｇ層の上にＡｕ層を積層した構成に関するものであり、その積層構造の電極を仮にｍ面上に形成したとしても、本実施形態の電極の効果が得られるものでは無い。また、特許文献４は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇからなる金属層に言及しているが、開示されている実施例はＮｉ層を下層にした電極構造を有しているもののみである。特許文献３、４とも、ｃ面の窒化ガリウム系半導体層の上に形成された電極構造に関するものであり、ｍ面の窒化ガリウム系半導体層に対するコンタクト抵抗に関する問題も解決策も教示されていない。

また、本願発明者は、先願（特願２００９−０３０１４７号）において、ｍ面を表面とするｐ型ＧａＮ層にＭｇ層が接触している電極構造（Ｍｇ電極）が低いコンタクト抵抗を示すことを開示した。本願発明のＭｇ合金層電極のコンタクト抵抗は、上記先願の電極のコンタクト抵抗よりも高い値である。しかし、従来のＰｄ／Ｐｔ電極と比較すると、本願発明のＭｇ合金層電極を用いた発光ダイオードの動作電圧の低減効果は顕著であることは図８（ａ）で示した通りである。また、Ｍｇ合金層はＭｇ層と比較して半導体積層構造との密着性が強いため、量産過程における歩留まり向上やデバイス信頼性向上において前記Ｍｇ電極よりも優位であるといえる。Ｍｇ合金層と半導体積層構造との密着性が強い要因としてはＭｇにＰｔ（あるいはＭｏ、Ｐｄ）を加えることにより酸化されにくくなること、硬度が向上することにより歪みによる反り返りが抑制されること、さらにはＭｇ合金層中のＰｔ（あるいはＭｏ、Ｐｄ）が半導体積層構造と接することでＭｇ単体のときよりも密着性が強化されることなどが考えられる。

本発明に係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、本発明に係る発光素子は、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１１は、このような白色光源の一例を示す模式図である。図１１の光源は、図３（ａ）に示す構成を有する発光素子１００と、この発光素子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。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、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、Ｍｇ層と接触するｐ型半導体領域がＧａＮ系半導体、すなわちＡｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（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。

現実のｍ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〜±１°）だけ傾斜していても良い。

本発明によれば、ｍ面基板上で結晶成長させたＧａＮ系半導体素子、または、ｍ面を表面とするＧａＮ系半導体積層構造体において、そのコンタクト抵抗を低減することができる。したがって、従来、コンタクト抵抗の特性の悪さから積極的な利用が困難であった、ｍ面基板上で結晶成長させたＧａＮ系半導体素子（または、ｍ面を表面とするＧａＮ系半導体積層構造体）の産業上の利用可能性が向上する。

１０ 基板（ＧａＮ系基板）
１２ 基板の表面（ｍ面）
２０ 半導体積層構造
２２ Ａｌ_uＧａ_vＩｎ_wＮ層
２４ 活性層
２６ Ａｌ_dＧａ_eＮ層
３０ ｐ型電極
３２ Ｍｇ合金層
３４ 金属層（Ｐｔ層）
４０ ｎ型電極
４２ 凹部
１００ 窒化物系半導体発光素子
２００ 樹脂層
２２０ 支持部材
２４０ 反射部材

Claims (19)

1. 表面がｍ面であるｐ型半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、
   前記ｐ型半導体領域上に設けられた電極と
   を備え、
   前記ｐ型半導体領域は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成され、前記電極は、前記ｐ型半導体領域の前記表面に接触し、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金層を含む、窒化物系半導体素子。
2. 前記電極は、前記Ｍｇ合金層と、前記Ｍｇ合金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のうち前記Ｍｇ合金層に含まれる金属から形成されている、請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
3. 前記半導体積層構造は、
   Ａｌ_aＩｎ_bＧａ_cＮ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に記載の窒化物系半導体素子。
4. 前記ｐ型半導体領域はｐ型コンタクト層である、請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
5. 前記Ｍｇ合金層の厚さは０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下である、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Ｍｇ合金層の厚さは前記金属層の厚さ以下である、請求項２に記載の窒化物系半導体素子。
7. 前記Ｍｇ合金層中のＮ濃度はＧａ濃度よりも低い、請求項１に記載の窒化物系半導体素子。
8. 前記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に記載の窒化物系半導体素子。
9. 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、
   表面がｍ面であるｐ型半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、
   前記ｐ型半導体領域上に設けられた電極とを備え、
   前記ｐ型半導体領域は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体からなり、
   前記電極は、前記ｐ型半導体領域の前記表面に接触し、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金層を含む、光源。
10. 基板を用意する工程（ａ）と、
    表面がｍ面であるｐ型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、
    前記半導体積層構造の前記ｐ型半導体領域の前記表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型半導体領域の前記表面上に、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成されるＭｇ合金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。
11. 前記Ｍｇ合金層を形成する工程は、
    前記ｐ型半導体領域の前記表面上に、Ｍｇ層を形成する工程と、
    前記Ｍｇ層の上に、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される導電層を形成する工程と、
    加熱処理を行なうことにより、前記Ｍｇ層と前記導電層の少なくとも一部とを合金化する工程とを含む、請求項１０に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
12. 前記加熱処理は、５００℃以上７００℃以下の温度で実行される、請求項１１に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
13. 前記加熱処理は、５５０℃以上６５０℃以下の温度で実行される、請求項１２に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
14. 前記Ｍｇ層を形成する工程は、パルス的に電子ビームを照射することによってＭｇを前記ｐ型半導体領域の前記表面の上に蒸着させることを実行する、請求項１１から１３の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
15. 前記Ｍｇ層は０．１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さで前記半導体積層構造の上に堆積される、請求項１１から１４の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
16. 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１０から１５の何れか一つに記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
17. 前記Ｍｇ合金層を形成する工程は、
    Ｍｇと、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属との混合物または化合物を、前記ｐ型半導体領域の前記表面上に蒸着する工程と、
    加熱処理を行なう工程とを含む、請求項１０に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
18. 表面がｍ面であるｐ型半導体領域を有する窒化物系半導体積層構造と、
    前記ｐ型半導体領域上に設けられた電極と
    を備え、
    前記ｐ型半導体領域は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，ｘ≧０，ｙ≧０，ｚ≧０）半導体から形成され、
    前記電極は、前記ｐ型半導体領域の前記表面上に形成されたアイランド状Ｍｇ合金を含み、前記アイランド状Ｍｇ合金は、Ｐｔ、ＭｏおよびＰｄからなる群から選択される金属とＭｇとから構成される、窒化物系半導体素子。
19. 前記電極は、前記アイランド状Ｍｇ合金と、前記アイランド状Ｍｇ合金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のうち前記アイランド状Ｍｇ合金に含まれる金属から形成されている、請求項１８に記載の窒化物系半導体素子。

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