JP4833383B2 - 窒化物系半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）上に作成された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。

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、ＩＩＩ族元素としてＧａを含む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。

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。さらに、ＧａなどのＩＩＩ族元素で終端されている面は「＋ｃ面」または「（０００１）面」と呼ばれ、窒素などのＶ族元素で終端されている面は「−ｃ面」または「（０００−１）面」と呼ばれ、区別される。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原子と窒素原子が同一原子面上に存在しないため、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、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により、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、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面に垂直な方向に自発分極は発生しない。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。なお、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。

窒化物半導体を用いた発光素子は、ｃ面およびｍ面のいずれを主面に用いる場合も、同一の結晶成長面側にｐ側電極およびｎ側電極を配置させるタイプ（横型タイプ）と、窒化物半導体層を挟み込むように上下にｐ側電極およびｎ側電極を配置させるタイプ（縦型タイプ）との２つに分類できる。横型タイプは、ｐ型窒化物半導体層側から光を取り出す横型フェイスアップタイプと、ｎ型窒化物半導体層側から光を取り出す横型フェイスダウンタイプに、さらに分類される。

横型タイプの場合、ｐ側電極およびｎ側電極が横方向に大きく離れているために、ｐ側電極とｎ側電極とが最も近接する部分に電流が集中し、活性層への均一な電流注入が難しい。この電界集中によって、発光素子の耐圧が低くなるという課題もある。

一方、縦型タイプは張り合わせタイプとも呼ばれる。縦型タイプの窒化物系半導体発光素子では、ｐ型窒化物半導体層側が導電性基板に張り合わされた状態で、ｎ型窒化物半導体層側から光が取り出される。縦型タイプの場合、ｎ側電極が光の遮蔽物となるため、ｎ側電極をできるだけ小さく形成する必要がある。ｎ型窒化物半導体層では、ｎ側電極と接する位置に局所的に電子が注入されるため、ｎ型窒化物半導体層で電子が十分に拡散しなければ、活性層への均一な電流注入が難しい。活性層への均一な電流注入を実現するために、ｎ側電極として透明な電極を用いた構造も実用化されている。しかしながら、この構造では、透明電極で光の吸収が起こるという別の課題が生じてしまう。

以上のように、横型タイプ、縦型タイプのいずれの構造でも、ｎ型窒化物半導体層において横方向に十分に電子を拡散しなければ、電流電圧特性が劣化する（動作電圧が高くなる）という課題があった。

通常、横方向に電子を拡散させるためには、ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度を高めればよい。しかしながら、従来のｃ面上に形成されたｎ型窒化物半導体層において、不純物濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3を超えるような高い値にすると、結晶性が劣化するという問題があった（例えば、特許文献１参照）。そのため、実用化されている窒化物系半導体発光素子では、ｎ型窒化物半導体層の不純物濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることがほとんどである。

特許文献２は、低い順方向電圧（Ｖｆ）および高い発光出力を実現するために、ｎ型窒化物半導体層として、不純物濃度が異なるｎ型ＧａＮの多層膜層を含む構造を提案している。特許文献２には、ｃ面のサファイア基板を用いることが記載されているため、ｎ型窒化物半導体層の主面もｃ面であると考えられる。

図３は、特許文献２に開示された従来の窒化物系半導体発光素子を示す断面図である。図３に示す窒化物系半導体発光素子では、基板１０１上に、バッファ層１０２、下地ｎ型ＧａＮ層１０３、ｎ型コンタクト層１０４、活性層１０５、ｐ型クラッド層１０６、ｐ型コンタクト層１０７が配置されている。ｎ型コンタクト層１０４に接するようにｎ側パッド電極１０９が配置されている。ｐ型コンタクト層１０７に接するように透光性電極１０８が、透光性電極１０８に接するようにｐ側パッド電極１１０が配置されている。ｎ型コンタクト層１０４と活性層１０５との間には、活性層１０５に接するように多層膜窒化物半導体層１１１が配置されている。多層膜窒化物半導体層１１１は、第１窒化物半導体層１１１ａと第２窒化物半導体層１１１ｂとからなる積層構造が２以上繰り返された多層膜である。第１窒化物半導体層１１１ａはｎ型不純物を含む層であり、第２窒化物半導体層１１１ｂは第１窒化物半導体層１１１ａよりも少ない濃度でｎ型不純物を含む層またはアンドープ層である。特許文献２には、低い順方向電圧（Ｖｆ）を維持しつつ、発光出力を向上させることができることが開示されている。特許文献２では、発光出力が向上する理由の詳細は明らかではないが、活性層に注入されるキャリアの効率が上がるためと推測されている。

特許文献３は、高いドーピング濃度で、かつ結晶性の高いｎ型窒化物半導体層を提供するために、１×１０¹⁹ｃｍ^-3を超えるドーピング濃度を有するｎ型ＧａＮ層と、厚さ３０ｎｍ以上のドーピングされていないＧａＮ層とを複数含む積層構造を提案している。特許文献３には、ｎ型窒化物半導体層の主面の面方位についてなんら言及されていない。

図４は、特許文献３に開示された従来の窒化物系半導体発光素子を示す断面図である。図４に示す窒化物系半導体発光素子では、基板２０１上に、バッファ層２０２、ｎ型窒化物半導体層２０３、活性層２０４、ｐ型窒化物半導体層２０５が配置されている。ｎ型窒化物半導体層２０３に接するようにｎ側電極２０８が、ｐ型窒化物半導体層２０５に接するようにｐ側電極２０６が、ｐ側電極２０６上にはｐ側ボンディングパッド２０７が配置されている。ｎ型窒化物半導体層２０３は、ｎ型ＧａＮ層２０３ａとｕｎ−ＧａＮ層２０３ｂとが複数配置された積層構造を含む。特許文献３の構成によると、厚さ３０ｎｍ以上のドーピングされていないＧａＮ層を複数設けることで、高い不純物濃度によって劣化したｎ型半導体層の結晶性を回復することができる。

また、特許文献４は、「高濃度ドープ層」を開示しているが、ｎ型ＧａＮ基板については言及していないし、ｎ型ＧａＮ基板の上に接触して形成された電流拡散層と、その上に形成される半導体積層構造との結晶性についても、何ら言及していない。

米国特許第５７３３７９６号 特開２００７−２２１０５６号 特開２００９−０８８５０６号 特開２００５-２１７４０６号 特開２００８−２７０８０５号 特許第４３７５４９７号

特許文献２および３に記載の半導体積層構造を用いた構成では、各層の厚さおよび不純物濃度を正確に制御する必要があり、製造管理が困難になるという新たな課題が生じる。

また、ｃ面を主面とするＧａＮ基板と比較して、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板は、ｎ型不純物濃度を高くするのが困難であるという性質を有する。したがって、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板を用いた場合、ＧａＮ基板部分での横方向の電子の拡散がより起こりにくくなり、電流電圧特性が劣化するという課題は、より深刻化する。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、ｎ型半導体層の結晶性を損なうことなく、活性層への均一な電流注入を実現することができる半導体発光素子を提供することにある。

本発明の窒化物系半導体発光素子は、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板と、前記ｎ型ＧａＮ基板の上に接触して形成された電流拡散層と、前記電流拡散層の上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層に接するように形成されたｐ側電極と、前記ｎ型ＧａＮ基板または前記ｎ型窒化物半導体層に接するように形成されたｎ側電極とを備える窒化物系半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、かつ、前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の１０倍以上である。

ある実施形態において、前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、ｎ型ＧａＮ基板のドナー不純物濃度の１０倍以上である。

ある実施形態において、前記電流拡散層のドナー不純物濃度は、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。

ある実施形態において、前記ｎ型ＧａＮ基板のドナー不純物濃度が、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。

ある実施形態において、前記電流拡散層の厚さが２５ｎｍ以上２μｍ以下である。

ある実施形態において、前記電流拡散層のドナー不純物は、シリコンである。

ある実施形態において、前記電流拡散層のドナー不純物として、さらに、酸素がドーピングされている。

ある実施形態において、前記電流拡散層のドナー不純物濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である。

ある実施形態において、前記電流拡散層、前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層、前記ｐ型窒化物半導体層からなる半導体積層構造の一部には凹部が形成され、前記凹部の側面には、前記ｐ型窒化物半導体層および前記活性層が露出し、前記凹部の上面には前記ｎ型窒化物半導体層が露出し、前記ｎ型窒化物半導体層の上に前記ｎ側電極が設けられている。

ある実施形態において、前記ｎ型ＧａＮ基板において前記電流拡散層と接する面と対向する面上に前記ｎ側電極が設けられている。

ある実施形態において、前記電流拡散層の厚さが２５ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。

本発明の他の窒化物系半導体発光素子は、ｎ型ＧａＮ基板と、前記ｎ型ＧａＮ基板の上に接触して形成された電流拡散層と、前記電流拡散層上に配置されたｎ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層上の活性層と、前記活性層上のｐ型窒化物半導体層と、前記ｐ型窒化物半導体層に接するように形成されたｐ側電極と、前記ｎ型ＧａＮ基板または前記ｎ型窒化物半導体層に接するように形成されたｎ側電極とを備える窒化物系半導体発光素子であって、前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の１０倍以上であり、かつ、前記ｎ型ＧａＮ基板における主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下である。

ある実施形態において、前記ｎ型ＧａＮ基板は、ｃ軸方向またはａ軸方向に傾斜している半導体層である。

ある実施形態において、前記電流拡散層は、原料ガスを供給しながら基板温度を上昇させることによって形成する。

本発明によると、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板とｎ型窒化物半導体層との間に電流拡散層を設けることにより、電流を横方向に拡散することが可能となる。これにより、ｎ型窒化物半導体層を通じて活性層に均一に電流が注入される。よって、電流電圧特性が改善され、低い電圧においても光出力が大きく電力変換効率が高い窒化物系半導体発光素子を実現することができる。また、均一に発光する窒化物系半導体発光素子を実現することができる。

さらに、ｐ側電極とｎ側電極とが最も近接する部分への電界集中が小さくなるため、耐圧特性に優れた窒化物系半導体発光素子を実現することができる。

本発明において、電流拡散層のドナー不純物濃度は、ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の１０倍以上と高い値を示す。電流拡散層の表面がｍ面であることにより、表面がｃ面の場合と比較して、電流拡散層の不純物濃度が高くても電流拡散層の結晶性の劣化が生じにくい。そのため、電流拡散層の上に形成されるｎ型窒化物半導体層等の半導体層の結晶性も高く保たれる。

一般に、ｍ面半導体層では、ｃ面半導体層と比較して、ｎ型不純物濃度を高くすることが困難である。しかしながら、本発明では、簡便な方法によって電流拡散層のｎ型不純物濃度を高めることができる。

ｍ面から１°以上の角度で傾斜した面を主面とするＧａＮ基板を用いた場合であっても同様の効果を奏する。

ＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図である。 ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ₁、ａ₂、ａ₃、ｃを示す斜視図である。 特許文献２に開示された窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 特許文献３に記載された窒化物系半導体発光素子の構造を示す断面図である。 本発明による実施形態の窒化物系半導体発光素子３１の構造を示す断面図である。 ｐ型窒化物半導体層４側から光を取り出すフェイスアップタイプの構成を有する半導体装置の構造を示す断面図である。 ｎ型窒化物半導体層２側から光を取り出すフェイスダウンタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。 本発明による実施形態の変形例である縦型タイプの半導体装置を示す断面図である。 シミュレーションに用いた窒化物系半導体素子の断面構造を示す。 本発明による実施形態の窒化物系半導体発光素子の電流電圧特性（シミュレーション結果）を示すグラフである。 本発明による実施形態の窒化物系半導体発光素子の光出力電圧特性（シミュレーション結果）を示すグラフである。 本発明による実施形態の窒化物系半導体発光素子の電流拡散層の膜厚と順方向電圧の関係（シミュレーション結果）を示すグラフである。 本発明による実施形態の窒化物系半導体発光素子の電流拡散層の膜厚と電力変換効率の関係（シミュレーション結果）を示すグラフである。 ｃ面基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層と、ｍ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層のフォトルミネッセンスの測定結果を示すグラフである。 （ａ）は、ＧａＮ基板の結晶構造（ウルツ鉱型結晶構造）を模式的に示す図であり、（ｂ）は、ｍ面の法線と、＋ｃ軸方向およびａ軸方向との関係を示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ＧａＮ基板の主面とｍ面との配置関係を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、ＧａＮ基板１の主面とその近傍領域を模式的に示す断面図である。 実施例の窒化物系半導体発光素子におけるシリコンおよび酸素の濃度をＳＩＭＳ分析によって測定した結果を示すグラフである。 実施例と比較例の窒化物系半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）を測定した結果を示すグラフである。 実施例と比較例について、窒化物系半導体発光素子の電力変換効率（ＷＰＥ）を測定した結果を示すグラフである。

（実施の形態）
以下、本発明による窒化物系半導体発光素子の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図５は、本実施形態の窒化物系半導体発光素子３１の構造を示す断面図である。窒化物系半導体発光素子３１は、ｐ側電極５およびｎ側電極６が同一の結晶成長面側に形成された構造（表面電極タイプ）を有する。

図５に示すように、本実施形態の窒化物系半導体発光素子３１は、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１と、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の上に形成された半導体積層構造１６とを備える。半導体積層構造１６は、電流拡散層７と、電流拡散層７の上に形成されたｎ型窒化物半導体層２と、ｎ型窒化物半導体層２の上に形成された活性領域３と、活性領域３の上に形成されたｐ型窒化物半導体層４とを備える。

ｐ型窒化物半導体層４には、ｐ側電極５が接触している。一方、ｎ型窒化物半導体層２は、ｎ側電極６に接触している。

本実施形態において、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度は、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。かつ、電流拡散層７のドナー不純物濃度は、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍以上である。

本実施形態では、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１とｎ型窒化物半導体層２との間に電流拡散層７を設けることにより、電流を横方向に拡散することが可能となる。これにより、ｎ型窒化物半導体層２を通じて活性層３に均一に電流が注入される。よって、電流電圧特性が改善され、低い電圧においても光出力を大きくすることができ、電力変換効率を高めることができる。また、均一な発光を実現することができる。

さらに、ｐ側電極５とｎ側電極６とが最も近接する部分への電界集中が小さくなるため、耐圧特性を向上させることができる。

なお、本明細書において、「ドナー不純物濃度」とは、層全体のドナー不純物の平均濃度である。したがって、電流拡散層７において、局所的に不純物の濃度がｎ型窒化物半導体層２の濃度の１０倍を下回る部分があったとしても、電子拡散層７の平均濃度がｎ型窒化物半導体層２の平均濃度の１０倍以上であればよい。

ここで、「電流拡散層７の平均濃度」は、具体的には、電流拡散層７の全体に含まれるドナー不純物量（単位：ａｔｏｍ）の合計を、電流拡散層７の体積で除することによって算出される。電流拡散層７の全体に含まれるドナー不純物量は、ＳＩＭＳ分析によって得ることができる。電流拡散層７の体積は、電流拡散層７の厚さと、スパッタリングされる面積とを乗ずることで得られる。ここで、電流拡散層７の厚さはＳＩＭＳ分析から得られる不純物プロファイルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ）で定義する。ＳＩＭＳ分析の際にスパッタリングされる面積は、ＳＩＭＳ分析装置の設定によって決まる。同様に、「ｎ型窒化物半導体層２の平均濃度」は、ｎ型窒化物半導体層２の全体に含まれるドナー不純物量（単位：ａｔｏｍ）の合計を、ｎ型窒化物半導体層２の体積で除することによって算出される。

本実施形態では、ドナーとしてシリコンが、ｎ型ＧａＮ基板１、電流拡散層７、ｎ型窒化物半導体層２に導入されている。本実施形態において、「ドナー不純物濃度」とはシリコンの濃度をいう。なお、ドナーとしては、シリコンの代わりに酸素が導入されていてもよい。この場合、「ドナー不純物濃度」とはシリコンおよび酸素を合計した濃度をいう。

図５において、半導体積層構造１６のうちｎ側電極６が形成される領域には、ｎ型窒化物半導体層２の一部が露出するように凹部２０が形成されている。その凹部２０の側面には、ｐ型窒化物半導体層４および活性層３が露出している。凹部２０の底面に露出するｎ型窒化物半導体層２の上に、ｎ側電極６が設けられている。

本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１の他に、ｍ面ＳｉＣ基板、ｍ面サファイア基板、γ−ＬｉＡｌＯ₂基板等、ＧａＮ基板以外の基板を用いてもよい。また、これらの基板の上に形成されたＧａＮ層などの半導体層をｎ型ＧａＮ基板１の代わりとして用いてもよい。

また、半導体積層構造１６として、ＧａＮ層を形成してもよいし、ＧａＮ層以外のＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層を形成してもよい。また、半導体積層構造１６が、単層構造を有している必要も無く、半導体積層構造１６が、組成の異なる複数の層から構成されていてもよい。

ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１による光吸収を小さくするため、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下にすることが好ましく、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下にすることがより好ましい。横型の発光素子をフェイスアップタイプで実装した場合（図６）、光はｐ型窒化物半導体層４側から取り出される。それに対して、横型の発光素子をフェイスダウンタイプで実装した場合（図７）、光はｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１側から取り出される。したがって、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度を低減する重要性は、フェイスアップタイプよりもフェイスダウンタイプのほうが高い。また、横型の発光素子ではｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１にあまり電流は流れないが、縦型の発光素子（図８）では、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１に多量の電流が流れる。したがって、縦型の発光素子では、光の吸収を抑制するという観点だけでなく、電流の拡散を促進するという観点から、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度を低くする必要がある。

ｎ型窒化物半導体層２は、主なドナー不純物としてシリコンがドーピングされたｎ型ＧａＮ層である。ドナー不純物は、シリコンであることが好ましいが、シリコンに加えて、酸素がドーピングされていてもよい。ｎ型窒化物半導体層２は、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、あるいはこれらの積層構造であってもよい。ｎ型窒化物半導体層２は、ｎ側電極６と接触する層としても機能する。横方向に電子を拡散させるためには、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度を高めればよい。しかしながら、不純物濃度を高くし過ぎると、結晶性が劣化するという問題が発生する。実際には、ドナー不純物濃度を、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、より好ましくは５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすることによって、結晶性を維持することができる。

電流拡散層７は、ドナー不純物が高濃度にドーピングされた、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ層である。電流拡散層７のドナー不純物濃度は、シミュレーション結果を用いて後に説明するように、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定することが好ましく、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下に設定することがより好ましい。

本実施形態において重要な点は、電流拡散層７とｎ型窒化物半導体層２の間に、十分に大きなドナー不純物濃度差が存在していることである。電流拡散層７のドナー不純物濃度がｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍以上である場合、電流拡散層７の抵抗率はｎ型窒化物半導体層２の１０分の１以下に十分に低くなる。電流拡散層７の抵抗率がｎ型窒化物半導体層２の抵抗率の１０分の１以下であれば、ｎ側電極６から注入された電子は、電流拡散層７において十分に広がる。そのため、ｐ側電極５とｎ側電極６とが最も近づく部分へ電流が集中しにくくなる。

電流拡散層７としては、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、あるいはこれらの積層構造を形成してもよい。電流拡散層７はｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のほぼ全面を覆うように形成され、かつ、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１に接するように形成されていることが好ましい。

さらに、電流拡散層７の厚さは、２５ｎｍ以上２μｍ以下に設定することが好ましい。詳細は、シミュレーション結果を用いて後述するが、電流拡散層７の厚さがこの範囲内にあることにより、結晶成長に要する時間が長くなることによる製造コストの増大を回避しつつ、十分に電流を拡散することができる。なお、半導体層の厚さが大きいほど、不純物濃度を高めることによる結晶性の劣化は顕著となる。電流拡散層７のドナー不純物濃度は、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍以上に高められるため、電流拡散層７の厚さは、結晶性の劣化を防止できる程度に薄く設定することが好ましい。具体的には、電流拡散層７の厚さは、２５ｎｍ以上４００ｎｍ以下に設定することがさらに好ましい。

ｎ型窒化物半導体層２の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層２の厚さが１μｍ以上であることが好ましいのは以下の２つの理由による。

まず１つ目の理由は、製造時の加工マージンを十分に確保できる点である。すなわち、横型タイプの半導体素子の場合、ｎ型電極６をｎ型窒化物半導体層２に接触させるために、図５に示すような凹部２０を形成する。凹部２０を形成する工程においては、ｐ型窒化物半導体層４および活性領域３の一部を確実に除去し、ｎ型窒化物半導体層２の一部を露出させる必要がある。この際、一般にドライエッチング法が用いられるが、ｎ型窒化物半導体層２が１μｍ未満と薄すぎる場合には、ドライエッチングの条件のばらつきによってｎ型窒化物半導体層２が全体的に除去され、電流拡散層７が露出してしまうおそれがある。

２つ目の理由は、良好な結晶性を確保できる点である。すなわち、結晶成長の初期段階では、結晶性が不十分な半導体が成長し易いので、結晶性を良くするためには、ある程度十分な膜厚（１μｍ以上）を確保する必要がある。このように、ｎ型窒化物半導体層２の厚さは１μｍ以上に設定することが好ましい。しかしながら、１μｍ以上に厚さを設定した場合、結晶性の劣化防止という観点からドナー不純物濃度を極端に高めることができない。そこで、本実施形態では、電流拡散層７を新たに設け、このドナー不純物濃度を高めることで活性層への均一な電流注入を実現した。

また、ｎ型窒化物半導体層２の厚さが１０μｍ以下であることにより、ｎ型窒化物半導体層２における光吸収を抑制できる。また、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１およびｎ型窒化物半導体層２の厚さの合計は、２μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。この厚さを有することにより、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１およびｎ型窒化物半導体層２における光吸収を抑制し、光取り出しを高めることができる。

なお、ｎ型窒化物半導体層２の伝導性を確保し、かつｎ型電極６とｎ型窒化物半導体層２の接触抵抗を下げるためには、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることが好ましい。同様に、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の伝導性を確保するためには、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることが好ましい。ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の下限値（１×１０¹⁷ｃｍ^-3）と電流拡散層７のドナー不純物濃度の上限値（５×１０¹⁹ｃｍ^-3）から、電流拡散層７のドナー不純物濃度は、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の５００倍以下であることが導かれる。

活性層３としては、ＩｎＧａＮ層を量子井戸とする単一量子井戸、あるいは多重量子井戸を用いることができる。活性層３における障壁層には、ＧａＮ層あるいはＩｎＧａＮ層を用いればよい。ＩｎＧａＮ量子井戸層の厚さは、２ｎｍ〜３０ｎｍ程度に設定すればよい。障壁層の厚さは５ｎｍ〜５０ｎｍ程度に設定すればよい。

ｐ型窒化物半導体層４は、主なアクセプタ不純物としてマグネシウムがドーピングされたｐ型ＧａＮ層である。ｐ型窒化物半導体層４は、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、あるいはこれらの積層構造であってもよい。特に図示しないが、電子のオーバーフローを抑制する目的で、ｐ型窒化物半導体層４中に厚さ１５ｎｍ〜３０ｎｍ程度のｐ型ＡｌＧａＮ層が挿入されていてもよい。

ｎ側電極６の電極材料は、ｎ型窒化物半導体層２と良好な接触抵抗を形成できる金属から選択することが好ましい。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、厚さは、１００〜２００ｎｍである。

ｐ側電極５の電極材料は、ｐ型窒化物半導体層４と良好な接触抵抗を形成できる金属から選択することが好ましいが、横型フェイスアップタイプ、横型フェイスダウンタイプ、縦型タイプの、各構造の違いを考慮して決定する必要がある。それぞれのタイプについて、以下に説明する。

（横型フェイスアップタイプの場合）
図６にｐ型窒化物半導体層４側から光を取り出すフェイスアップタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。図６では、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略している。

図６においては、本実施形態の窒化物系半導体発光素子３１が、ｐ型窒化物半導体層４を上にして、実装基板１０上に実装されている。実装基板１０としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウムなど、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。または、銅やアルミニウムと、その表面を覆う絶縁膜とを有する構造を用いてもよい。

ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１と実装基板１０との間には、反射膜１３が配置されている。反射膜１３としては、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎなど、またはこれらの金属の積層構造を用いることが好ましい。この場合、光の反射率が高いＡｇ、Ａｌ、Ｎｉなどの金属を、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１に接する位置に配置させるとよい。

ｐ側電極５およびｎ側電極６の表面には、Ａｕ等からなるパッド電極９が形成されている。実装基板１０上には配線１１が形成されており、パッド電極９と配線１１を電気的に接続するようにＡｕワイヤ１２が形成されている。このようなフェイスアップタイプの場合、ｐ側電極５を通じて光を取り出す必要がある。そのため、ｐ側電極５としては、ＩＴＯなどの透明電極、あるいは、Ｎｉなどの極薄膜を用いればよい。

（横型フェイスダウンタイプの場合）
図７にｎ型窒化物半導体層２側から光を取り出すフェイスダウンタイプの構成を有する半導体装置の断面構造を示す。図７では、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略している。

図７においては、本実施形態の窒化物系半導体発光素子３１が、ｐ型窒化物半導体層４を下にして、実装基板１０上に実装されている。実装基板１０としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウムなど、熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。銅やアルミニウムと、その表面を覆う絶縁膜とを有する構造を用いてもよい。

ｐ側電極５およびｎ側電極６の表面には、Ａｕ等からなるパッド電極９が形成されている。実装基板１０上には配線１１が形成されており、パッド電極９と配線１１を電気的に接続するようにＡｕバンプ１４が形成されている。このようなフェイスダウンタイプの場合、光はＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１側から取り出されるため、ｐ側電極５には反射率の高い金属、たとえばＡｇを用いることが好ましい。

（縦型タイプ（張り合わせタイプ）の場合）
図８は、本発明による実施形態の変形例である縦型タイプの半導体装置を示す断面図である。図８では、図５と同じ機能を有する構成要素については同じ符号を用いている。

図８に示す窒化物系半導体発光素子３２も、図５、図６、図７に示す窒化物系半導体発光素子３１と同様に、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１と、電流拡散層７、ｎ型窒化物半導体層２、活性層３、ｐ型窒化物半導体層４からなる半導体積層構造１６とが配置された構造を有する。窒化物系半導体発光素子３２において窒化物系半導体発光素子３１と異なるのは、ｎ側電極６が、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のうち半導体積層構造１６と接する面とは反対側に設けられている点である。ｐ側電極５は、ｐ型窒化物半導体層４のうち半導体積層構造１６と接する面とは反対側の面を全体的に覆うように形成されている。

図８の窒化物系半導体発光素子３２において、光の取り出し方向は、ｎ型窒化物半導体層２側である。そのため、ｐ側電極５としては、反射率の高い金属、たとえばＡｇを用いることが好ましい。

窒化物系半導体発光素子３２は、ｐ型窒化物半導体層４を下にして、伝導性支持基板１５に張り合わされている。伝導性支持基板１５には、電気伝導性を有し、かつ熱伝導率が高い材料を用いるとよい。例えば、伝導性支持基板１５には、シリコン、ゲルマニウム、銅、アルミニウムなどを用いるとよい。

縦型タイプの場合、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の電気伝導性の有無が重要である。例えば、ｎ型ＧａＮ基板１の代わりにｍ面サファイア基板上に形成されたｍ面ＧａＮ層を用いる場合、ｍ面サファイア基板が絶縁性を有しているため、ｍ面サファイア基板を備えたままの状態では縦型タイプの構造を採用することはできない。しかしながら、ｍ面サファイア基板を剥離し、ｍ面ＧａＮ層のみの状態にすれば、縦型タイプの構造を採用することが可能となる。このように、縦型タイプでは、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の電気伝導性が確保されている状態で、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の裏面にｎ側電極６が配置されている。

窒化物系半導体発光素子３２においては、ｎ側電極６から注入された電子は、まずｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１に流れ、その後電流拡散層７およびｎ型窒化物半導体層２を通って活性層３へと注入される。したがって、活性層３に注入される電流を均一にするためには、電流拡散層７とｎ型窒化物半導体層２とのドナー不純物濃度の関係に加えて、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１と電流拡散層７とのドナー不純物濃度の関係が重要となる。

そのため、窒化物系半導体発光素子３２では、電流拡散層７のドナー不純物濃度を、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度の１０倍以上高くすることが好ましい。この場合には、ｎ側電極６から注入された電子を横方向に拡散させることができる。

かつ、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、より好ましくは５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

縦型タイプの窒化物系半導体発光素子３２においても、ｎ型窒化物半導体層２および電流拡散層７のドナー不純物濃度の関係は、図５に示す窒化物系半導体発光素子３１における関係と同様である。

＜シミュレーション結果に基づいた本発明の効果の説明＞
本発明では、電流拡散層７のドナー不純物濃度と膜厚は、シミュレーション結果に基づいて算出された。以下、そのシミュレーション結果を説明する。

図９には、シミュレーションに用いた窒化物系半導体素子の断面構造を示す。シミュレーションは、横型タイプの窒化物半導体素子で行った。図９において、図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、詳細な説明は省略する。ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の厚さは２．５μｍ、不純物濃度は４×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。ｎ型窒化物半導体層２は、厚さが２．５μｍ、不純物濃度が４×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＧａＮ層である。活性層３は、厚さ１５ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ量子井戸層と、厚さが３０ｎｍのＧａＮ障壁層とからなる三重量子井戸である。ｐ型窒化物半導体層４は、厚さ１５０ｎｍ、不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ型ＧａＮである。ｐ型窒化物半導体層４中には、電子のオーバーフローを抑制する目的で、厚さ１５０ｎｍ、不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層８を設けている。ｐ側電極５の大きさは３００μｍ、ｎ側電極６の大きさは９０μｍ、ｐ側電極５とｎ側電極６との間隔は２５μｍである。電流拡散層７のドナー不純物濃度および膜厚をパラメータとして、シミュレーションを行った。光取り出しは１００％と仮定している。

図１０は、厚さの異なる電流拡散層７の電流−電圧特性をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。図１０のシミュレーションは、電流拡散層７のドナー不純物濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3の一定の値にし、電流拡散層７の厚さを２ｎｍから１μｍまで変化させて行った。図１０に示すように、電流拡散層７の厚さが大きいほど、より低い電圧から電流が流れやすくなっている（動作電圧が下がる）ことがわかる。この結果から、電流拡散層７が、電流を流れやすくしていることがわかる。

図１１は、厚さの異なる電流拡散層７の電圧−光出力特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図１１のシミュレーションは、電流拡散層７のドナー不純物濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3の一定の値にし、電流拡散層７の厚さを２ｎｍから１μｍまで変化させて行った。図１１に示すように、電流拡散層７の厚さが大きいほど、光出力が向上していることがわかる。これは、図１０から分かるように電流拡散層７が厚くなるほど動作電圧が下がるため、同じ電圧を印加しても電流値が増加することに起因する。

図１０、図１１のシミュレーション結果から、電流拡散層７を設けることにより、電流値が増大し、光出力が増加することがわかった。

図１２は、電流拡散層７のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3、１×１０¹⁹ｃｍ^-3、５×１０¹⁹ｃｍ^-3の３水準の場合における電流拡散層７の厚さと順方向電圧Ｖｆとの関係をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。このシミュレーションは、電流拡散層７のドナー不純物濃度を、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１およびｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍以上に設定して行った。ここで、順方向電圧Ｖｆは、電流値が１００［ｍＡ／ｍｍ²］に到達するときの電圧値とした。

図１２に示すように、いずれのドナー不純物濃度の場合にも、電流拡散層７の厚さが２５ｎｍ程度から順方向電圧Ｖｆの低下が顕著になり、電流拡散層７の厚さが２μｍ程度から順方向電圧Ｖｆは一定の値に収束し始める。

図１３は、電流拡散層７のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3、１×１０¹⁹ｃｍ^-3、５×１０¹⁹ｃｍ^-3の３水準の場合における電流拡散層７の膜厚と電力変換効率（Ｗａｌｌ Ｐｌｕｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＷＰＥ）との関係をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。シミュレーションでは、ｐ側電極の接触抵抗は１×１０^-3Ωｃｍ²、ｎ側電極の接触抵抗は１．２×１０^-4Ωｃｍ²とした。光取り出しは１００％で計算した。電力変換効率は、電流値が１００［ｍＡ／ｍｍ²］に到達する値で計算されている。市販されている窒化物系半導体発光素子の電力変換効率よりも極めて高いシミュレーション結果になっている理由は、光取り出しを１００％で計算しているためである。

図１３に示すように、いずれのドナー不純物濃度の場合にも、電流拡散層７の厚さが２５ｎｍ程度からＷＰＥの増加が顕著になり、電流拡散層７の厚さが２μｍ程度からＷＰＥの値が飽和し始める。

図１２、１３に示すシミュレーション結果では、電流拡散層７のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3から５×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲において、順方向電圧Ｖｆの低下およびＷＰＥの向上が可能となっている。これらの結果から、電流拡散層７のドナー不純物濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3から５×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲内が好ましいことが導かれる。

図１２、１３に示すシミュレーション結果から、電流拡散層７のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3から５×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲においては、電流拡散層７の厚さが２５ｎｍ以上の場合に、電流拡散層７を設けない場合と比較して、順方向電圧Ｖｆの低下およびＷＰＥの向上が顕著になる。この傾向は、電流拡散層７が２μｍ以下になるまで続く。これらの結果から、電流拡散層７の厚さが２５ｎｍ以上であれば、電流拡散層７によって、電子を十分に横方向に拡散できることがわかる。また、電流拡散層７の厚さが２μｍより大きくなっても得られる効果に大きな変化はないと考えられるため、結晶成長時間の短縮化の観点からは、電流拡散層７の厚さは２μｍ以下であることが好ましい。

図１０から図１３のシミュレーションでは、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１およびｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度は４×１０¹⁷ｃｍ^-3で一定とした。ドナー不純物濃度がこの値とは異なった値である場合にも、電流拡散層７のドナー不純物濃度がｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度に対して十分に高く設定されていれば、電流拡散層７によって電流を十分に拡散できる。

図１０、図１１のシミュレーションは、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度を４×１０¹⁷ｃｍ^-3、電流拡散層７のドナー不純物濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3に設定して行った。一方、図１２、図１３のシミュレーションは、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度を４×１０¹⁷ｃｍ^-3、電流拡散層７のドナー不純物濃度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3、１×１０¹⁹ｃｍ^-3、５×１０¹⁹ｃｍ^-3に設定して行った。これらのシミュレーションでは、全て、電流拡散層７のドナー不純物濃度がｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍以上に設定されている。これらの結果から、電流拡散層７のドナー不純物濃度の目安としては、ｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍以上になるように設定すればよいことが導かれる。このように、電流拡散層７とｎ型窒化物半導体層２との間に１０倍以上の不純物濃度差が存在している場合、電流拡散層７の抵抗率はｎ型窒化物半導体層２の１０分の１以下に十分に小さくなる。そのため、ｎ側電極６から注入された電子は抵抗が十分に低い電流拡散層７を主として流れることになる。

シミュレーションは図６および図７に示す横型タイプで実施したが、図８に示す縦型タイプの構造においても、電流拡散層７のドナー不純物の濃度および膜厚が前記範囲であれば、電子を十分に横方向に拡散すると推測できる。縦型タイプでは、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１にも電流が流れる。そのため、電流拡散層７のドナー不純物濃度は、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１のドナー不純物濃度に対しても１０倍以上であることが好ましい。

また、シミュレーションでは、電流拡散層７が１層の場合の計算結果を示したが、電流拡散層７が複数存在していても、本発明の効果が得られる。電流拡散層が多層の場合には、電流拡散層の合計の厚さが２５ｎｍ以上２μｍ以下の範囲にあれば、電子を十分に横方向に拡散することができると共に、多層化によって結晶劣化抑制することが可能となり、より高品質な電流拡散層が実現できる。

また、シミュレーションでは３００μｍ角のチップサイズを想定したが、チップサイズが大きくなると、本願の効果はより顕著に現れると考えられる。

＜半導体層の結晶性について＞
図１４はｃ面基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層と、ｍ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層のフォトルミネッセンスの測定結果を示すグラフである。いずれのｎ型ＧａＮ層も有機金属気相成長法を用いて成長させ、ドナー不純物としてはシリコンを用いた。ｎ型ＧａＮ層のドナー不純物濃度はいずれも１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さはいずれも１００ｎｍとした。図１４における横軸は波長、縦軸は相対強度を示している。縦軸の値は、ＧａＮバンド端近傍の発光強度で規格化した値である。

図１４に示すように、ｃ面基板上、ｍ面基板上のいずれに形成されたｎ型ＧａＮ層においても、発光波長３６０ｎｍ付近に発光の鋭いピークを有する発光が観測されている。これは、ＧａＮの伝導体と価電子帯とのエネルギーバンドギャップにほぼ対応するピークであり、このピークに、それぞれのｎ型ＧａＮ層の間で大きな差は見られない。

一方、ｃ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層では、４５０ｎｍから７００ｎｍの発光波長にかけて、ブロードなピークを有する発光が観測されている。この発光は、「Ｙｅｌｌｏｗ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＹＬ）」と呼ばれ、深い不純物準位に起因した発光と考えられている。ＹＬは、ＧａＮ層中のＧａやＮが抜けることにより生じると考えられており、ＹＬの値が大きいほど、ＧａＮ層の結晶性が低いと考えられている。

一方、ｍ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層では、１×１０¹⁹ｃｍ^-3という高い不純物濃度を有するにもかかわらず、ＹＬの発光強度がｃ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層の場合よりも十分に低い。この結果から、ｍ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層では、高い濃度の不純物が添加された場合にも、ｃ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層よりも良好な結晶性が保たれることが分かる。

本実施形態では、電流拡散層７は、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下という高い不純物濃度を有している。図１４に示す結果から、このような高い濃度の不純物を含むｃ面ＧａＮ層では結晶性の劣化が進むことがわかる。しかしながら、本実施形態の電流拡散層７はｍ面を表面に有しているため、高い濃度の不純物を含んでいても、結晶性が高く保たれる。

ｃ面とｍ面でこのような違いが生じる理由は解明されていないが、本願発明者は、ｃ面ＧａＮとｍ面ＧａＮという結晶の面方位の違いに起因していると考えている。ｎ型ドーパントとして用いられるＩＶ族元素のシリコン原子は、ガリウム原子と同じ格子位置を占める。そのため、窒素原子と結合することになる。結晶成長の際、ｃ面ＧａＮ表面では窒素原子には３つの結合手、ｍ面ＧａＮ表面では窒素原子には２つの結合手が存在している。このような結合手は、それぞれの深い準位の形成過程に影響を与えていると考えられる。一般に、ＹＬ発光はＧａ空孔や残留Ｃなどによる深い準位と、浅いドナー準位との間の発光であると考えられており、深い準位の状態の違いが、ｍ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層とｃ面ＧａＮ基板上に形成されたｎ型ＧａＮ層とのＹＬ発光の違いを生み出していると考えられる。

なお、図１４に示す測定は、厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＮ層を用いて行った。厚さが１００ｎｍ程度であれば、１×１０¹⁹ｃｍ^-3の不純物を含んでいても、図１４に示す結果からわかるように、ｍ面ｎ型ＧａＮ層の結晶性は良好に保たれている。一方、図５のｎ型窒化物半導体層２の厚さは例えば２．５μｍである。半導体層の厚さが大きいほど、不純物濃度を高めることによる結晶性の劣化と、その半導体層による光吸収が起こりやすくなる。したがって、ｎ型窒化物半導体層２では、不純物濃度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下にする必要がある。

＜半導体装置の製造方法＞
次に、実施形態の製造方法について、図５、図６、図７、図８を用いて説明する。

窒化物半導体層の形成方法として、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）が知られている。ここでは、有機金属気相成長法を用いた製造方法について説明する。

（ｎ型ＧａＮ基板１を反応室内に配置する工程（Ｓ１））
ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板１の表面を洗浄し、ＭＯＣＶＤ装置内に配置させる。洗浄には、有機溶剤を用いた洗浄、弗酸を用いた洗浄などを行う。

（電流拡散層を形成する工程（Ｓ２））
ｎ型ＧａＮ基板１を、ＭＯＣＶＤ装置内にてｎ型窒化物半導体層２の結晶成長温度である７５０℃〜１１５０℃まで加熱する。その際、窒素原料ガス、ＩＩＩ族元素原料ガス、ドナー不純物ガスを供給しながら、基板温度を上昇させることが好ましい。このように原料ガスを供給しながら基板温度を上昇させることによって、電流拡散層７を形成することができる。

上述のとおり、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板１では、ｃ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板と比較してｎ型不純物濃度を高めるのが難しい。しかしながら、ｍ面を主面とする窒化物半導体では、結晶成長温度が低いほど不純物の取り込みが大きくなる傾向がある。したがって、基板の温度が窒化物半導体の結晶成長に適した９００℃〜１１５０℃に到達する前、例えば７００℃から、流量３３０ｍｍｏｌ／ｍｉｎの窒素原料ガス、流量７３．５μｍｏｌ／ｍｉｎのＩＩＩ族元素原料ガス、流量１．７８ｎｍｏｌ／ｍｉｎのドナー不純物ガスを基板表面に供給することによって、ドナー不純物が窒化物半導体に高い濃度で取り込まれる。この方法によって、高不純物濃度を有し、かつ結晶性が良好な電流拡散層７が実現できる。電流拡散層７を形成する工程（Ｓ２）において、常に、窒素原料ガス、ＩＩＩ族元素原料ガスおよびドナー不純物ガスが反応室内に供給され続ける必要は無く、反応室の雰囲気中に窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガスおよびドナー不純物ガスが含まれていればよい。したがって、電流拡散層を形成する工程（Ｓ２）中において、窒素原料ガス、ＩＩＩ族元素原料ガス、ドナー不純物ガスの供給が周期的または一時的に中断しても、反応室の雰囲気中に十分な量の窒素原料ガス、ＩＩＩ族元素原料ガス、ドナー不純物ガスが存在すればよい。本発明で使用する窒素原料ガスは、典型的にはアンモニアである。また、ＩＩＩ族元素原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などの有機金属ガスある。有機金属ガスは、窒素ガスや水素ガスをキャリアガスとして混合された状態で反応室に供給されることが好ましい。ドナー不純物ガスは、シリコンをドーピングする場合にはシラン、酸素をドーピングする場合にはＣＯや水蒸気などである。なお、反応室には、これらの原料ガスに加えて、別途、窒素ガスや水素ガスを供給してもよい。

電流拡散層を形成する工程（Ｓ２）における基板温度の上昇レート（昇温速度）は、例えば２０℃／分から１００℃／分の範囲に設定され得る。昇温速度は、一定である必要は無く、昇温工程中に、基板温度が一時的に一定値に保持されたり、一時的に低下することがあってもよい。

結晶成長速度を安定化させ、窒化物系半導体発光素子を歩留まり良く形成するという理由から、窒素原料ガスの供給レート（供給量）は、電流拡散層を形成する工程（Ｓ２）と成長工程（Ｓ３）との間でほぼ一定に維持されることが好ましい。

電流拡散層を形成する工程（Ｓ２）におけるＶ／ＩＩＩ比は、次に説明する成長工程（Ｓ３）におけるＶ／ＩＩＩ比よりも大きく設定されることが好ましい。電流拡散層を形成する工程（Ｓ２）におけるＶ／ＩＩＩ比は、例えば４０００以上に設定される。

ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の表面のサーマルクリーニングを行う場合には、サーマルクリーニングの温度は６００℃〜９００℃の範囲に設定する。このような温度範囲に設定することで、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の表面の清浄化を行うことができる。サーマルクリーニングは、アンモニア、水素、窒素、あるいはこれらの混合ガス雰囲気中で行うことが好ましい。

例えば、サーマルクリーニングを７００℃、ｎ型窒化物半導体層２の成長温度を１０００℃とした場合、７００℃から１０００℃までの昇温工程中にＭＯＣＶＤ装置内をＴＭＧ原料ガスおよびアンモニアガスおよびシランガス雰囲気とすることで、高濃度のｎ型ＧａＮ層（電流拡散層７）の結晶成長が可能である。

（電流拡散層上に窒化物半導体層を成長させる成長工程（Ｓ３））
ｎ型窒化物半導体層２、活性層３そしてｐ型窒化物半導体層４からなる半導体積層構造１６の結晶成長は、７５０℃〜１１５０℃の範囲で行う。これらの窒化物半導体層はＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶であればよく、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩの各三族原料ガスの供給比で組成を制御することができる。

（電極形成）
ここからは、横型フェイスアップタイプ、横型フェイスダウンタイプ、縦型タイプの各構造に分けて、製造方法を説明する。

（横型フェイスアップタイプの場合）
半導体積層構造１６の結晶成長後、リソグラフィおよび塩素ガスを用いたドライエッチングによって、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４の一部を除去し、ｎ型窒化物半導体層２の一部を露出させる凹部２０（図５に示す）を形成する。

次に、ｎ型窒化物半導体層２の露出した箇所に、ＴｉやＡｌなどの金属を用いたｎ側電極６を形成する。ｎ側電極６は、蒸着法とリフトオフ法によって作製が可能である。

次に、ｐ型窒化物半導体層４の上部に、ＩＴＯなどの透明電極、あるいは、Ｎｉなどの極薄膜を用いたｐ側電極５を形成する。ＩＴＯはスパッタ法など、Ｎｉ極薄膜は蒸着法などによって作製することができる。以上の工程により、図５の構造が完成する。

次に、図６に示す構造を得るための実装を行う。ｐ側電極５およびｎ側電極６の表面に、Ａｕなどの金属を用いたパッド電極９を形成する。パッド電極９は、蒸着法あるいはメッキ法などによって作製できる。

次に、前記の構造の裏面側、すなわち基板側に、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎなど、あるいはこれらの金属の積層構造である反射膜１３を形成する。反射膜１３は蒸着法などによって作製できる。

次に、チップボンダを用いて、前記の構造を実装基板１０上に実装する。前記構造と実装基板１０の接合には、Ａｕ−Ａｕ接合あるいはＡｕ−Ｓｎ接合などを用いることができる。

最後に、ワイヤボンダを用いてパッド電極９にＡｕワイヤを形成し、図６に示す横型フェイスアップタイプの窒化物系半導体発光素子が完成する。

（横型フェイスダウンタイプの場合）
半導体積層構造１６の結晶成長後、リソグラフィおよび塩素ガスを用いたドライエッチングによって、活性層３およびｐ型窒化物半導体層４の一部を除去し、ｎ型窒化物半導体層の一部を露出させる凹部２０（図５に示す）を形成する。

次に、ｎ型窒化物半導体層の露出した箇所に、ＴｉやＡｌなどの金属を用いたｎ側電極６を形成する。ｎ側電極６は、蒸着法とリフトオフ法によって作製できる。

次に、ｐ型窒化物半導体層４の上部に、Ａｇを用いたｐ側電極５を形成する。Ａｇの表面に、さらにＷ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎなどの金属、あるいはこれらの積層構造を形成してもよい。ｐ側電極は蒸着法とリフトオフ法によって作製できる。以上の工程により、図５に示す構造が完成する。

次に、図７に示す構造を得るための実装を行う。ｐ側電極５およびｎ側電極６の表面に、Ａｕなどの金属を用いたパッド電極９を形成する。パッド電極９は、蒸着法あるいはメッキ法などによって作製できる。

次に、Ａｕバンプボンダを用いてパッド電極９上にＡｕバンプ１４を形成する。

最後に、フリップチップボンダを用いて前記の構造を実装基板１０上に実装することで、図７に示す横型フェイスダウンタイプの窒化物系半導体発光素子が完成する。

（縦型タイプの場合）
半導体積層構造１６の結晶成長後、ｐ型窒化物半導体層４の表面に、Ａｇを用いたｐ側電極５を形成する。Ａｇの表面に、さらにＷ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎなどの金属、あるいはこれらの積層構造を形成してもよい。ｐ側電極５は蒸着法によって作製できる。

次に、前記構造を、図８に示す伝導性支持基板１５に張り合わせる。貼り合わせには、Ａｕ−Ａｕ接合あるいはＡｕ−Ｓｎ接合などを用いることができる。

次に、ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の裏面に、ｎ側電極６を形成する。ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１は、電気伝導性を有しているため、ｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）１の裏面に接するようにｎ側電極６を形成すればよい。一方、ｎ型ＧａＮ基板１の代わりにサファイア基板などを用いる場合、サファイア基板は電気伝導性を有していないため、例えば、レーザーリフトオフ法を用いてｍ面サファイア基板を剥離した後、ｎ型ＧａＮ層に接するように、ｎ側電極６を形成すればよい。ｎ側電極６は、ＴｉやＡｌなどの金属を用いて蒸着法とリフトオフ法によって作製できる。以上の工程により、図８に示す縦型タイプの窒化物系半導体発光素子が完成する。

なお、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度より大きく±１°未満）だけ傾斜していても良い。表面がｍ面に対して完全に平行な表面を有する基板や半導体層を形成することは、製造技術の観点から困難である。このため、現在の製造技術によってｍ面基板やｍ面半導体層を形成した場合、現実の表面は理想的なｍ面から傾斜してしまう。傾斜の角度および方位は、製造工程によってばらつくため、表面の傾斜角度および傾斜方位を正確に制御することは難しい。

なお、基板や半導体の表面（主面）をｍ面から１°以上の角度で傾斜させることを意図的に行う場合がある。以下に説明する実施形態では、ＧａＮ基板についても、その上に形成される窒化物半導体層についても、その表面（主面）をｍ面から１°以上の角度で意図的に傾斜させている。

（他の実施形態）
本実施形態では、ｍ面ＧａＮ基板にかえて、ｍ面から１°以上の角度で傾斜させた面を主面とするＧａＮ基板（オフ基板）を用いている。本実施形態では、図５（または図８）のＧａＮ基板１にかえて、その表面がｍ面から１°以上の角度で傾斜したＧａＮ基板を用いている。このようなＧａＮ基板は、一般に「オフ基板」と称される。オフ基板は、単結晶インゴットから基板をスライスし、基板の表面を研磨する工程で、意図的にｍ面から特定方位に傾斜した面を主面とするように作製され得る。このＧａＮ基板上に、図５または図８に示す半導体積層構造１６を形成すると、それぞれの層の表面（主面）もｍ面から傾斜する。

次に、図１５を参照しながら、本実施形態におけるＧａＮ基板の傾斜について詳細を説明する。

図１５（ａ）は、ＧａＮ基板の結晶構造（ウルツ鉱型結晶構造）を模式的に示す図であり、図２の結晶構造の向きを９０°回転させた構造を示している。

ＧａＮ結晶のｃ面には、＋ｃ面および−ｃ面が存在する。＋ｃ面はＧａ原子が表面に現れた（０００１）面であり、「Ｇａ面」と称される。一方、−ｃ面はＮ（窒素）原子が表面に現れた（０００−１）面であり、「Ｎ面」と称される。＋ｃ面と−ｃ面とは平行な関係にあり、いずれも、ｍ面に対して垂直である。ｃ面は、極性を有するため、このように、ｃ面を＋ｃ面と−ｃ面に分けることができるが、非極性面であるａ面を、＋ａ面と−ａ面に区別する意義はない。

図１５（ａ）に示す＋ｃ軸方向は、−ｃ面から＋ｃ面に垂直に延びる方向である。一方、ａ軸方向は、図２の単位ベクトルａ₂に対応し、ｍ面に平行な［−１２−１０］方向を向いている。図１５（ｂ）は、ｍ面の法線、＋ｃ軸方向、およびａ軸方向の相互関係を示す斜視図である。ｍ面の法線は、[１０−１０]方向に平行であり、図１５（ｂ）に示されるように、＋ｃ軸方向およびａ軸方向の両方に垂直である。

ＧａＮ基板の主面がｍ面から１°以上の角度で傾斜するということは、このＧａＮ基板の主面の法線がｍ面の法線から１°以上の角度で傾斜することを意味する。

次に、図１６を参照する。図１６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、ＧａＮ基板の主面およびｍ面の関係を示す断面図である。この図は、ｍ面およびｃ面の両方に垂直な断面図である。図１６には、＋ｃ軸方向を示す矢印が示されている。図１５に示したように、ｍ面は＋ｃ軸方向に対して平行である。従って、ｍ面の法線ベクトルは、＋ｃ軸方向に対して垂直である。

図１６（ａ）および（ｂ）に示す例では、ＧａＮ基板における主面の法線ベクトルが、ｍ面の法線ベクトルからｃ軸方向に傾斜している。より詳細に述べれば、図１６（ａ）の例では、主面の法線ベクトルは＋ｃ面の側に傾斜しているが、図１６（ｂ）の例では、主面の法線ベクトルは−ｃ面の側に傾斜している。本明細書では、前者の場合におけるｍ面の法線べクトルに対する主面の法線ベクトルの傾斜角度（傾斜角度θ）を正の値にとり、後者の場合における傾斜角度θを負の値にとることにする。いずれの場合でも、「主面はｃ軸方向に傾斜している」といえる。

本実施形態では、傾斜角度が１°以上５°以下の範囲にある場合、および、傾斜角度が−５°以上−１°以下の範囲にあるので、傾斜角度が０°より大きく±１°未満の場合と同様に本発明の効果を奏することができる。以下、図１７を参照しながら、この理由を説明する。図１７（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１６（ａ）および（ｂ）に対応する断面図であり、ｍ面からｃ軸方向に傾斜したＧａＮ基板１における主面の近傍領域を示している。傾斜角度θが５°以下の場合には、図１７（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＮ基板１の主面には、複数のステップが形成されている。各ステップは、単原子層分の高さ（２．７Å）を有し、ほぼ等間隔（３０Å以上）で平行に並んでいる。このようなステップの配列により、ＧａＮ基板１の主面は全体としてｍ面から傾斜しているが、微視的には多数のｍ面領域が露出していると考えられる。主面がｍ面から傾斜したＧａＮ基板１の表面がこのような構造となるのは、ｍ面がもともと結晶面として非常に安定だからである。

このようなＧａＮ基板１の上にＧａＮ系化合物半導体層を形成すると、ＧａＮ系化合物半導体層の主面にも、ＧａＮ基板１の主面と同様の形状が現れる。すなわち、ＧａＮ系化合物半導体層の主面には複数のステップが形成され、ＧａＮ系化合物半導体層の主面は、全体としてｍ面から傾斜する。

同様の現象は、主面の法線ベクトルの傾斜方向が＋ｃ面および−ｃ面以外の面方位を向いていても生じると考えられる。主面の法線ベクトルが例えばａ軸方向に傾斜していても、傾斜角度が１°以上５°以下の範囲にあれば同様であると考えられる。

図１０から図１３に結果を示すシミュレーションは、ｍ面ＧａＮ層（ｍ面からの傾きが１°未満）を用いる場合を想定している。しかしながら、上述したように、ｍ面からの傾斜角度が１°以上５°以下の面においては、微視的には多数のｍ面領域が露出していると考えられるため、シリコンや酸素などの不純物の取り込みはｍ面と同様と考えられる。したがって、ｍ面からの傾斜角度が１度以上５度以下の面を主面として有するＧａＮ層でも、ｍ面ＧａＮ層と同様に、電流拡散層７によって電流を拡散できると推測される。

上述したように、図１４に示すフォトルミネッセンスの測定結果において、ｃ面ＧａＮ層と比較してｍ面ＧａＮ層のＹＬの発光強度が低いのは、表面に露出する結合手の影響であると考えられる。ｍ面からの傾斜角度が１度以上５度以下の面に露出する結合手は、ｍ面からの傾斜角度が１度未満の面に露出する結合手と大きな差はないと考えられる。そのため、本実施形態においても、電流拡散層７と、その上に形成される半導体積層構造１６との結晶性は高いと推測される。

なお、傾斜角度θの絶対値が５°より大きくなると、ピエゾ電界によって内部量子効率が低下する。このため、ピエゾ電界が顕著に発生するのであれば、ｍ面成長により半導体発光素子を実現することの意義が小さくなる。したがって、本発明では、傾斜角度θの絶対値を５°以下に制限する。しかし、傾斜角度θを例えば５°に設定した場合でも、製造ばらつきにより、現実の傾斜角度θは５°から±１°程度ずれる可能性がある。このような製造ばらつきを完全に排除することは困難であり、また、この程度の微小な角度ずれは、本発明の効果を妨げるものでもない。

（実施例）
以下、本発明の方法を用いてｍ面ｎ型ＧａＮ基板上に製作した窒化物系半導体発光素子を説明する。

まず、ｍ面ｎ型ＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置内に配置し、アンモニア、水素、窒素の混合ガス雰囲気中で、基板温度８５０℃、１０分間の熱処理を行った。ｍ面ＧａＮ基板のドナー不純物濃度は４×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。

次に、アンモニア、水素、窒素、トリメチルガリウム、シランの雰囲気中で基板温度を８５０℃から１０９０℃まで昇温させることによって、高濃度ｎ型ＧａＮ層からなる電流拡散層を形成した。昇温中のＶ族原料とＩＩＩ族原料の供給比（Ｖ／ＩＩＩ比）は４６００程度である。電流拡散層の厚さは１００ｎｍ程度、ドナー不純物濃度は１．７×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とした。基板温度が１０９０℃に到達した後、トリメチルガリウムの供給レートを増加させ、アンモニア、水素、窒素、トリメチルガリウム、シランの混合ガス雰囲気中で、厚さ２．０μｍのｎ型ＧａＮ層の結晶成長を行った。ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度は１．５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度とした。ｎ型窒化物半導体層の結晶成長時のＶ／ＩＩＩ比は２３００程度とした。

続けて、成長温度を７８０℃まで降温し、厚さ９ｎｍのＩｎＧａＮ活性層と、厚さ１５ｎｍのＧａＮバリア層からなる活性層を形成した。降温時にはＩＩＩ族原料の供給は停止した。Ｉｎ原料には、トリメチルインジウムを用いた。活性層の発光波長は４７０ｎｍ程度である。

次に、アンモニア、水素、窒素、トリメチルガリウムの雰囲気中で成長温度を９９５℃まで昇温した。昇温中に結晶成長したアンドープＧａＮ層の膜厚は、計算上８０ｎｍ程度であった。さらに、厚さ５ｎｍのｐ型ＧａＮ層と、厚さ２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層と、厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮ層とをｐ型窒化物半導体層として順次結晶成長させた。アクセプタ不純物にはＭｇを用いた。ｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は１５％程度とした。

次に、塩素ガスを用いたドライエッチング装置によってｎ型窒化物半導体層の一部を露出させた後、ｎ型窒化物半導体層が露出した箇所にＴｉとＡｌからなるｎ側電極を、ｐ型窒化物半導体層の上部にＰｄとＰｔからなるｐ側電極を形成した。

次に、ｎ側電極およびｐ側電極の表面に厚さ１μｍのＡｕパッドを形成した。

次に、ｍ面ｎ型ＧａＮ基板を裏面側から厚さが１００μｍになるまで研磨した後、８００μｍ角のチップにダイシングした。

最後に、アルミナ製のセラミック実装基板上にフリップチップ実装を行い、窒化物系半導体発光素子を作製した。

このような窒化物系半導体発光素子（実施例）を３個作製し、電気的特性を調べた。さらに比較のため、同様の製造方法を用いて、電流拡散層を有しない窒化物系半導体発光素子（比較例）を３個作製した。

図１８は、実施例の窒化物系半導体発光素子におけるシリコンおよび酸素の濃度をＳＩＭＳ分析によって測定した結果を示すグラフである。図１８のグラフにおいて、電流拡散層を示すピークよりも深さが浅い側がｎ型窒化物半導体層に相当する領域である。このグラフでは、ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度は１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の値を示す。一方、電流拡散層のドナー不純物濃度は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3より大きい。この結果から、電流拡散層のドナー不純物濃度はｎ型窒化物半導体層２のドナー不純物濃度の１０倍であることがわかる。

このＳＩＭＳ結果から、電流拡散層は基板と窒化物半導体界面に意図せず形成されてしまうパイルアップ層とは異なり、膜厚および不純物濃度が制御可能な層であることがわかる。

なお、図１８のグラフでは、電子拡散層に相当する領域の酸素濃度も高くなっている。これは、低温でｍ面ＧａＮ層が形成された場合には、不純物が取り込まれやすいことに起因している。

図１９は、実施例と比較例の窒化物系半導体発光素子の順方向電圧（Ｖｆ）を測定した結果を示すグラフである。順方向電圧（Ｖｆ）は、１０ｍＡに到達する電圧値とした。図１９に示すように、電流拡散層を設けた実施例においては、電流拡散層がない比較例に比べてＶｆが１Ｖ程度低下している。

図１２に示すシミュレーション結果では、実施例の窒化物半導体素子と同様の条件（電流拡散層の厚さは１００ｎｍ、ドナー不純物濃度は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3）において、電流拡散層がある場合には、電流拡散層がない場合と比較して、順方向電圧（Ｖｆ）は０．０５Ｖ程度低減している。それに対して本実施例では、電流拡散層がある場合には、電流拡散層がない場合と比較して、Ｖｆは１Ｖ程度低減している。このようにシミュレーション結果よりも実施例の効果が大きい理由は、素子のサイズに依存していると考えられる。シミュレーションの素子は３００μｍ角であったが、実施例および比較例の素子は８００μｍ角である。そのため、素子サイズが２倍以上、面積で６倍以上も大きく、電流の集中は３００μｍのサイズの場合よりも生じやすい。そのため、順方向電圧（Ｖｆ）の低減効果が顕著に現れたと考えられる。このことは、素子サイズが大きな（例えば、８００μｍ角以上）窒化物系半導体発光素子ほど、本願の効果が顕著に現れることを意味している。

図２０は、実施例と比較例の電力変換効率（ＷＰＥ）を測定した結果を示すグラフである。電力変換効率（ＷＰＥ）は、電流値が１０ｍＡのときの値とした。図２０に示すグラフのＷＰＥが図１３に示すシミュレーション結果と大きく異なるのは、実施例および比較例の素子は樹脂などによって被覆されていないため光取り出しが不十分であることに加え、電極の反射率が不十分であることが原因と考えられる。図２０に示すように、電流拡散層を設けた実施例においては、電流拡散層がない比較例に比べてＷＰＥが０．５％程度向上した。

本発明は、低消費電力化が望まれる照明機器や、液晶ディスプレイのバックライト等として有用である。

１ ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板（またはＧａＮ層）
２ ｎ型窒化物半導体層
３ 活性層
４ ｐ型窒化物半導体層
５ ｐ側電極
６ ｎ側電極
７ 電流拡散層
８ ＡｌＧａＮ層
９ パッド電極
１０ 実装基板
１１ 配線
１２ Ａｕワイヤ
１３ 反射膜
１４ Ａｕバンプ
１５ 伝導性支持基板
１６ 窒化物半導体層
３１ 窒化物系半導体発光素子
３２ 窒化物系半導体発光素子
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ 下地ｎ型ＧａＮ層
１０４ ｎ型コンタクト層
１０５ 活性層
１０６ ｐ型クラッド層
１０７ ｐ型コンタクト層
１０８ 透光性電極
１０９ ｎ側パッド電極
１１０ ｐ側パッド電極
１１１ 多層膜窒化物半導体層
１１１ａ 第１窒化物半導体層
１１１ｂ 第２窒化物半導体層
２０１ 基板
２０２ バッファ層
２０３ ｎ型窒化物半導体層
２０３ａ ｎ型ＧａＮ層
２０３ｂ ｕｎ−ＧａＮ層
２０４ 活性層
２０５ ｐ型窒化物半導体層
２０６ ｐ側電極
２０７ ｐ側ボンディングパッド
２０８ ｎ側電極

Claims (14)

1. ｍ面を主面とするｎ型ＧａＮ基板と、
   前記ｎ型ＧａＮ基板の上に接触して形成された電流拡散層と、
   前記電流拡散層の上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
   前記ｎ型窒化物半導体層の上に形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成されたｐ型窒化物半導体層と、
   前記ｐ型窒化物半導体層に接するように形成されたｐ側電極と、
   前記ｎ型ＧａＮ基板または前記ｎ型窒化物半導体層に接するように形成されたｎ側電極とを備える窒化物系半導体発光素子であって、
   前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、かつ、
   前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の１０倍以上である窒化物系半導体発光素子。
2. 前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、ｎ型ＧａＮ基板のドナー不純物濃度の１０倍以上である請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
3. 前記電流拡散層のドナー不純物濃度は、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である請求項１または２に記載の窒化物系半導体発光素子。
4. 前記ｎ型ＧａＮ基板のドナー不純物濃度が、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
5. 前記電流拡散層の厚さが２５ｎｍ以上２μｍ以下である請求項１から４のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
6. 前記電流拡散層のドナー不純物は、シリコンである請求項１から５のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
7. 前記電流拡散層のドナー不純物として、さらに、酸素がドーピングされている請求項１から６のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
8. 前記電流拡散層のドナー不純物濃度は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である請求項１から７のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。
9. 前記電流拡散層、前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層、前記ｐ型窒化物半導体層からなる半導体積層構造の一部には凹部が形成され、
   前記凹部の側面には、前記ｐ型窒化物半導体層および前記活性層が露出し、前記凹部の上面には前記ｎ型窒化物半導体層が露出し、前記ｎ型窒化物半導体層の上に前記ｎ側電極が設けられている、請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
10. 前記ｎ型ＧａＮ基板において前記電流拡散層と接する面と対向する面上に前記ｎ側電極が設けられている、請求項２に記載の窒化物系半導体発光素子。
11. 前記電流拡散層の厚さが２５ｎｍ以上４００ｎｍ以下である請求項５に記載の窒化物系半導体発光素子。
12. ｎ型ＧａＮ基板と、
    前記ｎ型ＧａＮ基板の上に接触して形成された電流拡散層と、
    前記電流拡散層上に配置されたｎ型窒化物半導体層と、
    前記ｎ型窒化物半導体層上の活性層と、
    前記活性層上のｐ型窒化物半導体層と、
    前記ｐ型窒化物半導体層に接するように形成されたｐ側電極と、
    前記ｎ型ＧａＮ基板または前記ｎ型窒化物半導体層に接するように形成されたｎ側電極とを備える窒化物系半導体発光素子であって、
    前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、
    前記電流拡散層のドナー不純物濃度が、前記ｎ型窒化物半導体層のドナー不純物濃度の１０倍以上であり、かつ、
    前記ｎ型ＧａＮ基板における主面の法線とｍ面の法線とが形成する角度が１°以上５°以下である、窒化物系半導体発光素子。
13. 前記ｎ型ＧａＮ基板は、ｃ軸方向またはａ軸方向に傾斜している半導体層である請求項１２に記載の窒化物系半導体発光素子。
14. 前記電流拡散層は、原料ガスを供給しながら基板温度を上昇させることによって形成する請求項１から１３のいずれかに記載の窒化物系半導体発光素子。

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