JP5047508B2 - 窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、トランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイス等に好適に適用される窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
ＬＥＤ素子を照明用光源、ディスプレイのバックライト等に使用する場合、発光効率が高く、かつ順方向電圧（以下、Ｖｆとも称する）を低下させることが必要となる。たとえば特許文献１においては、ｎ側の窒化物半導体層と、ｐ側の窒化物半導体層との間に活性層を有する窒化物半導体発光ダイオードにおいて、ｎ側の窒化物半導体層のｎ電極が形成されるｎ側コンタクト層上に、アンドープＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第１の窒化物半導体層と、アンドープＩｎyＧａ1-yＮ（０≦Ｙ＜１、Ｙ＜Ｘ）からなる第２の窒化物半導体層がそれぞれ少なくとも１層以上積層された合計３層以上からなるｎ側多層膜層を有することにより、発光出力の向上を可能とする窒化物半導体発光ダイオードが提案されている。
しかし特許文献１で提案される構成は、ｎ側コンタクト層上にＩｎＧａＮからなる三元混晶を成長させることにより、結晶中の欠陥や転位を誘発し、活性層での発光効率を悪化させる原因となる可能性がある。また、たとえばＬＤ素子のように高電流密度で動作させる発光素子においては、ＧａＮやＡｌＧａＮに比べてバンドギャップの小さなＩｎＧａＮ層を積層することは、注入キャリアのオーバーフローを招く原因のひとつとなり得るという問題がある。よって高い発光出力と順方向電圧（Ｖｆ）とを両立させる技術が依然望まれている。
特開平１１−３３０５５４号公報
本発明は上記の課題を解決し、高い発光出力を有しつつ順方向電圧（Ｖｆ）の低減が可能な窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、ｎ型窒化物半導体と、ｐ型窒化物半導体と、該ｎ型窒化物半導体と該ｐ型窒化物半導体との間に形成された活性層と、を少なくとも備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、ｎ型窒化物半導体はｎ型コンタクト層とｎ側ＧａＮ層とを少なくとも含み、ｎ側ＧａＮ層は単層または複層のアンドープ層および／またはｎ型層からなり、ｎ型コンタクト層と活性層との間にｎ側ＧａＮ層が形成されるように、有機金属気相成長法により、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内に設定してｎ側ＧａＮ層を形成する工程を含む、窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
本発明においては、ｎ側ＧａＮ層が、ｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むｎ型層からなることが好ましい。
本発明の製造方法により製造される窒化物半導体発光素子は、ｎ側ＧａＮ層と活性層とが接するように形成され、該ｎ型コンタクト層がｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むことが好ましい。
本発明においては、ｎ型窒化物半導体がアンドープまたはｎ型のＧａＮ層から構成されるが好ましい。
本発明においては、ｎ側ＧａＮ層の成長速度が２μｍ／ｈ以下とされることが好ましい。
本発明によれば、コンタクト層と活性層との間に低温でｎ側ＧａＮ層を形成することにより、高い発光出力を有しかつ順方向電圧（Ｖｆ）の低減が可能な窒化物半導体発光素子を得ることが可能である。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。以下の実施の形態では、本発明の窒化物半導体発光素子がＬＥＤ素子とされる場合を例に挙げ説明するが、本発明の窒化物半導体発光素子は半導体レーザー等に対しても適用可能である。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化物半導体と、ｐ型窒化物半導体と、該ｎ型窒化物半導体と該ｐ型窒化物半導体との間に形成された活性層と、を少なくとも備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、ｎ型窒化物半導体はｎ型コンタクト層とｎ側ＧａＮ層とを少なくとも含み、ｎ側ＧａＮ層は単層または複層のアンドープ層および／またはｎ型層からなる。本発明に係る製造方法は、ｎ型コンタクト層と活性層との間に該ｎ側ＧａＮ層が形成されるように、有機金属気相成長法により成長温度５００〜１０００℃の範囲内でｎ側ＧａＮ層を形成する工程を含む。本発明においては、５００〜１０００℃の範囲内という低温の成長温度でｎ側ＧａＮ層を形成することにより、高い発光出力を維持しつつＶｆの低減効果を得ることができる。Ｖｆ低減効果が得られる理由の詳細は明らかでないが、該ｎ側ＧａＮ層と活性層との界面におけるコンタクト抵抗が低減されることが一因である可能性がある。
また、本発明においては、ｎ側ＧａＮ層、すなわちＧａＮ層をコンタクト層と活性層との間に形成するため、たとえばＩｎＧａＮ層等の三元混晶を形成した場合に生じ易い結晶の欠陥や転位による発光出力の低下という問題が回避される点でも有利である。
図５は、従来の窒化物半導体発光素子の構成について説明する図である。図５においては、基板１の上に、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６、透光性電極７、ｎ側パッド電極８、ｐ側パッド電極９が形成されている。一方、図１は、本発明において得られる窒化物半導体発光素子の構成の一例を示す図である。図１においては、基板１の上に、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６、透光性電極７、ｎ側パッド電極８、ｐ側パッド電極９が形成されている。図１に示す構成においては、ｎ型コンタクト層３およびｎ側ＧａＮ層１０１が本発明のｎ型窒化物半導体を構成し、ｐ型クラッド層５およびｐ型コンタクト層６が本発明のｐ型窒化物半導体を構成し、該ｎ型窒化物半導体と該ｐ型窒化物半導体との間に活性層４が形成されている。
以下に、図１に示される構成を例に本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
＜基板１＞
基板１としてはたとえばサファイヤ（Ｃ面）を用いることができる。本発明においては、該基板１をＭＯＣＶＤ装置反応炉内にセットし、水素を流しながら、成長温度をたとえば１０５０℃まで上昇させることにより、基板１を予めクリーニングすることが好ましい。
基板１としてはたとえばサファイヤ（Ｃ面）を用いることができる。本発明においては、該基板１をＭＯＣＶＤ装置反応炉内にセットし、水素を流しながら、成長温度をたとえば１０５０℃まで上昇させることにより、基板１を予めクリーニングすることが好ましい。
＜バッファ層２＞
基板１の上にはバッファ層２が形成される。具体的には、成長温度をたとえば５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）をそれぞれ用い、基板１上にたとえばＧａＮよりなるバッファ層２をたとえば約２００Åの厚みで成長させる。
基板１の上にはバッファ層２が形成される。具体的には、成長温度をたとえば５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）をそれぞれ用い、基板１上にたとえばＧａＮよりなるバッファ層２をたとえば約２００Åの厚みで成長させる。
＜ｎ型窒化物半導体＞
（ｎ型コンタクト層３）
バッファ層２の上にはｎ型コンタクト層３が形成される。ｎ型コンタクト層３は、Ｓｉなどのｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むことが好ましい。この場合Ｖｆ低減の効果がより良好となる。該ｎ型不純物の濃度は、さらに５×１０18／ｃｍ3以上とされることが好ましい。
（ｎ型コンタクト層３）
バッファ層２の上にはｎ型コンタクト層３が形成される。ｎ型コンタクト層３は、Ｓｉなどのｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むことが好ましい。この場合Ｖｆ低減の効果がより良好となる。該ｎ型不純物の濃度は、さらに５×１０18／ｃｍ3以上とされることが好ましい。
ｎ型コンタクト層３は、成長温度をたとえば１０００〜１１００℃、典型的には１０５０℃とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉをたとえば５×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３をたとえば厚み０．５μｍｍで成長させることにより形成される。
（ｎ側ＧａＮ層１０１）
ｎ型コンタクト層３の上にはｎ側ＧａＮ層１０１が形成される。本発明において形成されるｎ側ＧａＮ層１０１は、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内として形成される単層または複層のアンドープ層／またはｎ型層からなる。本発明においては、ｎ側ＧａＮ層が、ｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上、さらに５×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むｎ型層からなることが好ましく、この場合Ｖｆの低減効果が良好である。
ｎ型コンタクト層３の上にはｎ側ＧａＮ層１０１が形成される。本発明において形成されるｎ側ＧａＮ層１０１は、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内として形成される単層または複層のアンドープ層／またはｎ型層からなる。本発明においては、ｎ側ＧａＮ層が、ｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上、さらに５×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むｎ型層からなることが好ましく、この場合Ｖｆの低減効果が良好である。
該アンドープ層は、たとえば原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、キャリアガスとして窒素含有ガスをそれぞれ用いて形成されることができる。また、該ｎ型層は、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、キャリアガスとして水素および／または窒素を、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉのドープ濃度を１×１０18／ｃｍ3以上、典型的にはたとえば１×１０19／ｃｍ3の層として形成されることができる。
ｎ側ＧａＮ層１０１は、成長温度５００〜１０００℃の範囲内、すなわちＧａＮ層の最適成長温度よりも低温で成長される。これにより本発明のＶｆの低減効果が得られる。成長温度が５００〜１０００℃の範囲内とされる場合にＶｆが低減する理由としては、詳細は明らかでないが、ｎ側ＧａＮ層と活性層との間のコンタクト抵抗が下がることが考えられる。ｎ側ＧａＮ層の成長温度は７５０〜９００℃の範囲内とされることがより好ましい。
ｎ側ＧａＮ層の成長速度は２μｍ／ｈ以下とされることが好ましく、この場合Ｖｆ低減効果が特に良好である。該成長速度は、さらに１μｍ／ｈ以下、さらに０．５μｍ／ｈ以下とされることが好ましい。
ｎ側ＧａＮ層を形成するためのキャリアガスとしては、たとえば水素および／または窒素を使用できるが、キャリアガスとして窒素含有ガスを用いることが好ましく、この場合Ｖｆの低減効果が特に良好である。該窒素含有ガス中の窒素の流量比は、５０体積％以上であることがＶｆの低減効果の点で好ましく、さらに７０体積％以上、さらに８０体積％以上であることがより好ましい。最も好ましくは窒素のみからなるキャリアガスが用いられる。
ｎ側ＧａＮ層１０１は単層でも複層でも良く、またそれぞれの層はアンドープ層、ｎ型層のいずれでも良いが、たとえば複層とされる場合、ｎ側ＧａＮ層はドープ濃度が異なる２種のｎ型層を１周期または２周期以上の繰り返し周期で積層させた２元混晶とされることができる。この場合、高い結晶性を有するｎ側ＧａＮ層が得られ発光出力が向上される点で好ましい。具体的には、ｎ型不純物をドープしたｎ型層である第１ＧａＮ層と、アンドープ層または該第１ＧａＮ層よりも低い濃度でｎ型不純物をドープしたｎ型層である第２ＧａＮ層とを積層させたｎ側ＧａＮ層が例示できる。
図２は、本発明において得られる窒化物半導体発光素子の構成の別の例を示す図である。図２に示す構成においては、本発明におけるｎ側ＧａＮ層２０１として、第１ＧａＮ層２０２および第ＧａＮ層２０３がこの順に形成されている。なお図２におけるｎ側ＧａＮ層２０１以外の構造は図１と同一である。第１ＧａＮ層２０２および第２ＧａＮ層２０３はたとえば下記の方法で形成される。すなわち、成長温度５００〜１０００℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉ濃度ｘは１×１０18＜ｘ≦１×１０21／ｃｍ3、典型的にはたとえばｘ＝１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした第１ＧａＮ層２０２をたとえば厚み２００ｎｍ程度で成長させ、該第１ＧａＮ層２０２の上に第２ＧａＮ層２０３を成長させることができる。
第２ＧａＮ層２０３は、アンドープ層として、または第１ＧａＮ層２０２よりもｎ型不純物の濃度が低い層として形成されることができる。第２ＧａＮ層２０３がアンドープ層とされる場合には、成長温度５００〜１０００℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを用い、該アンドープ層を厚み２０ｎｍ程度で第１ＧａＮ層の上に形成する。また、第２ＧａＮ層２０３が第１ＧａＮ層２０２よりも不純物濃度の低いｎ型層とされる場合には、成長温度５００〜１０００℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉ濃度ｘは１×１０17≦ｘ≦５×１０18ｃｍ3、典型的にはたとえばｘ＝１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした該ｎ型層を、厚み２０ｎｍ程度で第１ＧａＮ層２０２の上に形成する。図２に示された構造において以上のような条件で積層する場合においても、図１に示された構造において上記のような条件で成長させた場合と同様のＶｆ低減効果が得られる。
ｎ側ＧａＮ層が第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とから構成される場合、図２に示すように、第１ＧａＮ層２０２と第２ＧａＮ層２０３とが１周期で積層されても良いが、たとえば第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とが交互に２周期以上の繰返し周期で積層されることが好ましく、この場合発光出力の向上効果が特に良好である。該繰り返し周期は、５以上がより好ましい。一方、該繰り返し周期が２０以下とされる場合、窒化物半導体発光素子の製造工程の複雑化による過度の製造コストの上昇を防止することができる点で好ましい
該繰り返し周期が２以上である場合、第１ＧａＮ層および第２ＧａＮ層の厚みがそれぞれ１００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合発光出力の向上効果が良好に得られる。第１ＧａＮ層および第２ＧａＮ層の厚みは、さらに２０ｎｍ以下とされることが好ましい。発光出力の向上効果を良好に得る点で、厚みが２０ｎｍ程度であれば本発明における発光出力向上効果が良好に確保される。ｎ型不純物濃度を第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とで十分変調させるために、第２ＧａＮ層の厚さは、ｎ型不純物が第１ＧａＮ層から第２ＧａＮ層全体に拡散しない程度の厚さ、具体的には２ｎｍ以上であることが好ましい。第１ＧａＮ層は１ｎｍ以上であることが好ましい。
該繰り返し周期が２以上である場合、第１ＧａＮ層および第２ＧａＮ層の厚みがそれぞれ１００ｎｍ以下であることが好ましい。この場合発光出力の向上効果が良好に得られる。第１ＧａＮ層および第２ＧａＮ層の厚みは、さらに２０ｎｍ以下とされることが好ましい。発光出力の向上効果を良好に得る点で、厚みが２０ｎｍ程度であれば本発明における発光出力向上効果が良好に確保される。ｎ型不純物濃度を第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とで十分変調させるために、第２ＧａＮ層の厚さは、ｎ型不純物が第１ＧａＮ層から第２ＧａＮ層全体に拡散しない程度の厚さ、具体的には２ｎｍ以上であることが好ましい。第１ＧａＮ層は１ｎｍ以上であることが好ましい。
なお、第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とからなる積層構造が２以上繰り返される場合、該第１ＧａＮ層と該第２ＧａＮ層との積層順序は特に限定されない。
＜活性層４＞
ｎ側ＧａＮ層１０１の上には活性層４が形成される。具体的には、成長温度をたとえば６５０〜８００℃、典型的には７００℃に下げ、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＧ，およびＴＭＩをそれぞれ用い、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ、ＧａＮをそれぞれ厚み２．５ｎｍ程度および厚み１８ｎｍ程度で交互に６周期成長させ、多重量子井戸構造とした活性層４を形成することができる。
ｎ側ＧａＮ層１０１の上には活性層４が形成される。具体的には、成長温度をたとえば６５０〜８００℃、典型的には７００℃に下げ、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＧ，およびＴＭＩをそれぞれ用い、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75Ｎ、ＧａＮをそれぞれ厚み２．５ｎｍ程度および厚み１８ｎｍ程度で交互に６周期成長させ、多重量子井戸構造とした活性層４を形成することができる。
＜ｐ型窒化物半導体＞
（ｐ型クラッド層５）
活性層４の上にはｐ型クラッド層５が形成される。具体的には、成長温度をたとえば９００〜１０００℃、典型的には９５０℃に上げ、キャリガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＡ，およびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をそれぞれ用い、Ｍｇをたとえば５×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなるｐ型クラッド層５を厚み約３０ｎｍ程度で成長させる。
（ｐ型クラッド層５）
活性層４の上にはｐ型クラッド層５が形成される。具体的には、成長温度をたとえば９００〜１０００℃、典型的には９５０℃に上げ、キャリガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＡ，およびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をそれぞれ用い、Ｍｇをたとえば５×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなるｐ型クラッド層５を厚み約３０ｎｍ程度で成長させる。
（ｐ型コンタクト層６）
ｐ型クラッド層５の上にはｐ型コンタクト層６が形成される。具体的には、成長温度をたとえば９００〜１０００℃、典型的には９５０℃とし、キャリガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇをそれぞれ用い、たとえばＭｇを１×１０20／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層６を厚み０．１μｍ程度で成長させる。
ｐ型クラッド層５の上にはｐ型コンタクト層６が形成される。具体的には、成長温度をたとえば９００〜１０００℃、典型的には９５０℃とし、キャリガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇをそれぞれ用い、たとえばＭｇを１×１０20／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層６を厚み０．１μｍ程度で成長させる。
＜アニーリング＞
次に、成長温度をたとえば７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素を用い、アニーリングを行なう。以上の方法により、基板１上に、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６が形成されたウエハーを得ることができる。
次に、成長温度をたとえば７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素を用い、アニーリングを行なう。以上の方法により、基板１上に、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６が形成されたウエハーを得ることができる。
＜電極形成＞
上記の方法で得られたウエハーを反応炉から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層６の表面に、所定の形状にパターニングされたマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層６側からエッチングを行ない、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６のほぼ全面にたとえばＰｄを含む透光性電極７を厚み７ｎｍ程度、その上の所定の位置にＡｕよりなるｐ側パッド電極９を厚み０．５μｍ程度でそれぞれ形成する。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、たとえばＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極８を形成する。以上により本発明の製造方法において窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を得ることができる。
上記の方法で得られたウエハーを反応炉から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層６の表面に、所定の形状にパターニングされたマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層６側からエッチングを行ない、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６のほぼ全面にたとえばＰｄを含む透光性電極７を厚み７ｎｍ程度、その上の所定の位置にＡｕよりなるｐ側パッド電極９を厚み０．５μｍ程度でそれぞれ形成する。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、たとえばＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極８を形成する。以上により本発明の製造方法において窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を得ることができる。
図３は、本発明において得られる窒化物半導体発光素子の構成の別の例を示す図である。図３に示すように、本発明においては、バッファ層２の上に、下地ｎ型ＧａＮ層１６、ｎ＋コンタクト層１７がこの順に形成されている。なお図３に示す構成は、図１におけるｎ型コンタクト層３が下地ｎ型ＧａＮ層１６およびｎ＋コンタクト層１７に置き換えられている点を除いて図１に示す構成と同一である。すなわち、図３に示す構成の窒化物半導体発光素子は、図１に示す構成におけるｎ型コンタクト層３の形成工程を下記のような下地ｎ型ＧａＮ層１６およびｎ＋コンタクト層１７の形成工程に置き換える他は図１に示す構成において上記したような方法により形成できるため、下地ｎ型ＧａＮ層１６およびｎ＋コンタクト層１７以外の層の形成方法についての説明はここでは繰り返さない。以下に下地ｎ型ＧａＮ層１６およびｎ＋コンタクト層１７の形成方法について説明する。
（下地ｎ型ＧａＮ層１６）
図３に示す下地ｎ型ＧａＮ層１６は、たとえば成長温度１０００〜１１００℃、典型的には１０５０℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした、厚み５μｍ程度の層として形成される。
図３に示す下地ｎ型ＧａＮ層１６は、たとえば成長温度１０００〜１１００℃、典型的には１０５０℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした、厚み５μｍ程度の層として形成される。
（ｎ＋コンタクト層１７）
上記で形成した下地ｎ型ＧａＮ層１６の上に、たとえば成長温度１０００〜１１００℃、典型的には１０５０℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層１７を、厚み１μｍ程度で成長させる。該ｎ＋コンタクト層１７の上に、本発明におけるｎ側ＧａＮ層１０１を形成させる。
上記で形成した下地ｎ型ＧａＮ層１６の上に、たとえば成長温度１０００〜１１００℃、典型的には１０５０℃で、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層１７を、厚み１μｍ程度で成長させる。該ｎ＋コンタクト層１７の上に、本発明におけるｎ側ＧａＮ層１０１を形成させる。
＜ｎ型窒化物半導体層＞
本発明においては、ｎ側ＧａＮ層とｎ型コンタクト層との間、もしくはｎ側ＧａＮ層と活性層との間に、キャリア閉じ込め効果向上のためのｎ型窒化物半導体層を設けても良い。ｎ型窒化物半導体層としては、たとえばＡｌＧａＮ層等が挙げられる。ＡｌＧａＮ層の好ましい組成としては、Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ〜Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ｎが挙げられ、このような組成とされる場合特にキャリア閉じ込め効果が良好である。
本発明においては、ｎ側ＧａＮ層とｎ型コンタクト層との間、もしくはｎ側ＧａＮ層と活性層との間に、キャリア閉じ込め効果向上のためのｎ型窒化物半導体層を設けても良い。ｎ型窒化物半導体層としては、たとえばＡｌＧａＮ層等が挙げられる。ＡｌＧａＮ層の好ましい組成としては、Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ〜Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ｎが挙げられ、このような組成とされる場合特にキャリア閉じ込め効果が良好である。
ＡｌＧａＮ層がｎ側ＧａＮ層とｎ型コンタクト層との間に形成される場合、成長温度をたとえば１０００〜１１００℃、典型的には１０５０℃とし、キャリガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＡ，およびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、たとえば、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなり、ｎ型不純物としてＳｉが１×１０18/ｃｍ3の濃度でドープされ、層厚が３０ｎｍ程度とされたＡｌＧａＮ層を形成することができる。
また、ＡｌＧａＮ層がｎ側ＧａＮ層と活性層との間に形成される場合、成長温度をたとえば５００〜１０００℃、典型的には７５０℃とし、キャリアガスとして窒素を用い、原料ガスは上記と同様のものを用い、たとえば、Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなり、ｎ型不純物としてＳｉが１×１０18/ｃｍ3の濃度でドープされ、層厚が３０ｎｍ程度とされたＡｌＧａＮ層を形成することができる。
本発明においては、ｎ側ＧａＮ層、すなわちＧａＮ層をコンタクト層と活性層との間に形成するため、たとえばＩｎＧａＮ層等の三元混晶を形成した場合に生じ易い結晶の欠陥や転位による発光出力の低下という問題が回避される点でも有利である。本発明において得られる窒化物半導体発光素子においては、ｎ型窒化物半導体を構成する層がアンドープまたはｎ型のＧａＮ層のみから構成されることも好ましい。この場合、ｎ型窒化物半導体がＩｎＧａＮ等からなる層を含まず良好な結晶性を有するため、発光出力がより良好になるとともにＶｆの低減効果がより良好に得られる。
本発明においては、ｎ側ＧａＮ層と活性層とが接するように形成され、ｎ型コンタクト層がｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含むことが好ましく、この場合Ｖｆ低減効果がより良好になる。さらにこの場合、ｎ型コンタクト層がｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含み、かつｎ側ＧａＮ層がｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上で含む層を少なくとも有することがより好ましい。
図４は、本発明の窒化物半導体発光素子の構成の別の例を示す図である。以下に、支持基板として導電性基板を用いた場合における本発明の窒化物半導体発光素子の構成の例ついて図４を参照して説明する。図４に示す構成においては、導電性基板２２の上に、第１のオーミック電極２３、第１の接着用金属層２４、第２の接着用金属層２１、保護層２０、反射層１９、第２のオーミック電極１８、ｐ型コンタクト層６、ｐ型クラッド層５、活性層４、ｎ側ＧａＮ層１０１、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ＋コンタクト層２７、透明導電体電極２５、ボンディングパッド電極２６がこの順に形成されている。ｐ型コンタクト層６およびｐ型クラッド層５が本発明のｐ型窒化物半導体を構成し、ｎ側ＧａＮ層１０１、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ＋コンタクト層２７が本発明のｎ型窒化物半導体を構成する。
図４に示すような構成の窒化物半導体発光素子を形成する方法について以下に説明する。ｎ型窒化物半導体および電極の形成を除く工程は、図１〜３を参照して前述した方法と同様の方法で行なわれることができ、ここでは説明を繰り返さない。以下に、ｎ型窒化物半導体および電極の形成方法について説明する。
＜ｎ型窒化物半導体＞
（ｎ＋コンタクト層２７）
表面にバッファ層を形成したサファイヤ基板（図示せず）の上に、成長温度を１０００〜１１００℃の範囲内、典型的には１０５０℃とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層２７を、厚み０．１μｍ程度で成長させる。
（ｎ＋コンタクト層２７）
表面にバッファ層を形成したサファイヤ基板（図示せず）の上に、成長温度を１０００〜１１００℃の範囲内、典型的には１０５０℃とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層２７を、厚み０．１μｍ程度で成長させる。
（下地ｎ型ＧａＮ層２８）
次に、成長温度を１０００〜１１００℃の範囲内、典型的には１０５０℃とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層２８を、厚み６μｍ程度で成長させる。
次に、成長温度を１０００〜１１００℃の範囲内、典型的には１０５０℃とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層２８を、厚み６μｍ程度で成長させる。
図４においては、ｎ＋コンタクト層２７とｎ側ＧａＮ層１０１との間に下地ｎ型ＧａＮ層２８を設ける場合について示している。該下地ｎ型ＧａＮ層２８が設けられることにより結晶性向上という利点が得られるが、本発明においては、ｎ＋コンタクト層２７の上に直接多層膜窒化物半導体層１０１を成長させても構わない。
（ｎ側ＧａＮ層１０１）
次に、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２ＧａＮ層をたとえば厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層とし、第１ＧａＮ層を、たとえばＳｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層とし、第２ＧａＮ層および第１ＧａＮ層からなる積層構造をこの順で５周期成長させ、ｎ側ＧａＮ層１０１とする。
次に、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内とし、キャリアガスとして水素および／または窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２ＧａＮ層をたとえば厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層とし、第１ＧａＮ層を、たとえばＳｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層とし、第２ＧａＮ層および第１ＧａＮ層からなる積層構造をこの順で５周期成長させ、ｎ側ＧａＮ層１０１とする。
その後、該ｎ側ＧａＮ層１０１の上に活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を成長させる。なお、上記の方法において、キャリアガスを窒素含有ガスとした場合にはＶｆの低減効果が特に良好に得られる。
＜電極形成＞
上記の方法で基板上にバッファ層、ｎ＋コンタクト層２７、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を形成して得られたウエハーをアニーリングし、ｐ型コンタクト層６の上に、第２のオーミック電極１８、反射層１９、保護層２０、第２の接着用金属層２１を順次ＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）により形成する。ここで第２のオーミック電極１８としてはたとえば厚さ３ｎｍのＰｄ層、反射層１９としてはたとえば厚さ１５０ｎｍのＡｇ層、保護層２０としてはたとえば厚さ５０ｎｍのＭｏ層、第２の接着用金属層２１としてはたとえば厚さ３μｍのＡｕ層を形成することができる。
上記の方法で基板上にバッファ層、ｎ＋コンタクト層２７、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を形成して得られたウエハーをアニーリングし、ｐ型コンタクト層６の上に、第２のオーミック電極１８、反射層１９、保護層２０、第２の接着用金属層２１を順次ＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）により形成する。ここで第２のオーミック電極１８としてはたとえば厚さ３ｎｍのＰｄ層、反射層１９としてはたとえば厚さ１５０ｎｍのＡｇ層、保護層２０としてはたとえば厚さ５０ｎｍのＭｏ層、第２の接着用金属層２１としてはたとえば厚さ３μｍのＡｕ層を形成することができる。
次に、別途用意した支持基板である導電性基板２２の上に、第１のオーミック電極２３および第１の接着用金属層２４をこの順でＥＢ蒸着法により形成する。ここで導電性基板２２としては、たとえば厚さ１２０μｍのＳｉ基板、第１のオーミック電極２３としては、たとえば、厚さ１５ｎｍのＴｉと厚さ１５０ｎｍのＡｌとをこの順で形成したＴｉ／Ａｌ複合層、第１の接着用金属層２４としては、たとえば、厚さ１００ｎｍのＡｕと厚さ３μｍのＡｕＳｎとをこの順で形成したＡｕ／ＡｕＳｎ複合層がそれぞれ形成され得る。
次に、第２の接着用金属層２１と第１の接着用金属層２４とが接合するように第２の接着用金属層２１を形成する。第２の接着用金属層２１としてはたとえば厚み１００ｎｍのＡｕ層が形成され得る。典型的には、第１の接着用金属層２４を構成するＡｕ／ＡｕＳｎ複合層におけるＡｕ層と、第２の接着用金属層２１を構成するＡｕ層とを対向させ、共晶接合法により第１の接着用金属層２４と第２の接着用金属層２１とを接合させる。接合温度はたとえば２５０〜３５０℃の範囲内とされる。
次に、上記のサファイヤ基板およびバッファ層（図示せず）を除去する。具体的には、波長３５５ｎｍのＹＡＧ（イットリウム アルミニウム ガーネット）−ＴＨＧ（第３高調波）レーザーを、裏面が鏡面研磨された状態のサファイヤ基板側から照射し、サファイヤ基板上に形成されたバッファ層（図示せず）とｎ型コンタクト層１５との界面部分を熱分解することによりサファイヤ基板およびバッファ層の除去を行なう。
上記の方法により露出したｎ＋コンタクト層２７の上に、透明導電体電極２５としてたとえばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）層を形成する。典型的には、該透明導電体電極２５としてＳｎドープＩｎ2Ｏ3層をｎ＋コンタクト層２７上のほぼ全面に形成し、さらに該透明導電体電極２５の中心部にボンディングパッド電極２６としてｎ型ボンディングパッド電極を形成する。ボンディングパッド電極２６としては、たとえばＡｕ／Ｔｉ複合層が形成され得る。
［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
本実施例においては、図１に示す構成を有する窒化物半導体発光素子を形成した。
本実施例においては、図１に示す構成を有する窒化物半導体発光素子を形成した。
（バッファ層２）
まず、サファイヤ（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＣＶＤ装置反応炉内にセットし、水素を流しながら、成長温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行なった。次に、成長温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）をそれぞれ用い、基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層２を厚み約２００Åで成長させた。
まず、サファイヤ（Ｃ面）よりなる基板１をＭＯＣＶＤ装置反応炉内にセットし、水素を流しながら、成長温度を１０５０℃まで上昇させ、基板のクリーニングを行なった。次に、成長温度を５１０℃まで下げ、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧ（トリメチルガリウム）をそれぞれ用い、基板１の上にＧａＮよりなるバッファ層２を厚み約２００Åで成長させた。
（ｎ型コンタクト層３）
次に、成長温度を１０５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を厚み６μｍで成長させた。
次に、成長温度を１０５０℃まで上昇させ、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層３を厚み６μｍで成長させた。
（ｎ側ＧａＮ層１０１）
ｎ型コンタクト層３を成長させた後、成長温度７５０℃で、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるよう原料ガスのモル濃度を調整し、アンドープ層であるｎ側ＧａＮ層１０１を厚み２００ｎｍで成長させた。
ｎ型コンタクト層３を成長させた後、成長温度７５０℃で、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるよう原料ガスのモル濃度を調整し、アンドープ層であるｎ側ＧａＮ層１０１を厚み２００ｎｍで成長させた。
（活性層４）
次に、成長温度を７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＧ，およびＴＭＩをそれぞれ用い、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75ＮおよびＧａＮをそれぞれ厚み２．５ｎｍおよび厚み１８ｎｍで交互に６周期成長させ、多重量子井戸構造の活性層４を形成した。
次に、成長温度を７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＧ，およびＴＭＩをそれぞれ用い、Ｉｎ0.25Ｇａ0.75ＮおよびＧａＮをそれぞれ厚み２．５ｎｍおよび厚み１８ｎｍで交互に６周期成長させ、多重量子井戸構造の活性層４を形成した。
（ｐ型クラッド層５）
次に、成長温度を９５０℃に上げ、キャリガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＡ，およびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をそれぞれ用い、Ｍｇを５×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなるｐクラッド層５を厚み約３０ｎｍで成長させた。
次に、成長温度を９５０℃に上げ、キャリガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニア，ＴＭＡ，およびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）をそれぞれ用い、Ｍｇを５×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎよりなるｐクラッド層５を厚み約３０ｎｍで成長させた。
（ｐ型コンタクト層６）
次に、成長温度を９５０℃のまま保持し、キャリガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇをそれぞれ用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層６を厚み０．１μｍで成長させた。
次に、成長温度を９５０℃のまま保持し、キャリガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてＣＰ２Ｍｇをそれぞれ用い、Ｍｇを１×１０20／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｐ型コンタクト層６を厚み０．１μｍで成長させた。
上記の方法で、基板１上に、バッファ層２、ｎ型コンタクト層３、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６がこの順で形成されたウエハーを得た。
（アニーリング）
次に、成長温度を７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素を用い、上記で得られたウエハーのアニーリングを行なった。
次に、成長温度を７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素を用い、上記で得られたウエハーのアニーリングを行なった。
（電極形成）
アニーリング後のウェハーを反応炉から取り出し、最上層であるｐ型コンタクト層６の表面に、所定の形状にパターニングされたマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層６側からエッチングを行なうことによって、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させた。エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層６のほぼ全面に、Ｐｄを含む透光性電極７を厚み７ｎｍで形成し、その上の所定の位置に、Ａｕよりなるｐ側パッド電極９を厚み０．５μｍで形成した。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、ＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極８を形成した。以上の方法により、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を得た。
アニーリング後のウェハーを反応炉から取り出し、最上層であるｐ型コンタクト層６の表面に、所定の形状にパターニングされたマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ型コンタクト層６側からエッチングを行なうことによって、ｎ型コンタクト層３の表面を露出させた。エッチング後、最上層にあるｐ型コンタクト層６のほぼ全面に、Ｐｄを含む透光性電極７を厚み７ｎｍで形成し、その上の所定の位置に、Ａｕよりなるｐ側パッド電極９を厚み０．５μｍで形成した。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、ＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極８を形成した。以上の方法により、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を得た。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力４．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．４Ｖであった。
＜比較例１＞
本比較例においては、図５に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。すなわち、ｎ型コンタクト層３と活性層４との間にｎ側ＧａＮ層１０１を形成しない以外は実施例１と同様の方法で、窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本比較例においては、図５に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。すなわち、ｎ型コンタクト層３と活性層４との間にｎ側ＧａＮ層１０１を形成しない以外は実施例１と同様の方法で、窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力４．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．７Ｖであった。
実施例１と比較例１との結果から、実施例１においては比較例１よりもＶｆが小さく、本発明によるＶｆ低減効果が得られていることが分かる。
＜実施例２＞
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図１におけるｎ側ＧａＮ層１０１を形成する際のキャリアガスを窒素とした他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図１におけるｎ側ＧａＮ層１０１を形成する際のキャリアガスを窒素とした他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力４．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１よりもさらに良好なＶｆ低減効果が得られた。
＜実施例３＞
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図１におけるｎ側ＧａＮ層１０１を下記の方法で形成した他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図１におけるｎ側ＧａＮ層１０１を下記の方法で形成した他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
（ｎ側ＧａＮ層１０１）
ｎ型コンタクト層３を形成した後、成長温度を７５０℃に下げ、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層であるｎ側ＧａＮ層１０１を厚み２００ｎｍで成長させた。
ｎ型コンタクト層３を形成した後、成長温度を７５０℃に下げ、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層であるｎ側ＧａＮ層１０１を厚み２００ｎｍで成長させた。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力４．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．５Ｖであり、実施例１，２よりもさらに良好なＶｆ低減効果が得られた。
＜実施例４＞
本実施例においては、図２に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図１におけるｎ側ＧａＮ層１０１に代えて図２に示す第１ＧａＮ層２０２と第２ＧａＮ層２０３とからなるｎ側ＧａＮ層２０１を以下の方法で形成した他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例においては、図２に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図１におけるｎ側ＧａＮ層１０１に代えて図２に示す第１ＧａＮ層２０２と第２ＧａＮ層２０３とからなるｎ側ＧａＮ層２０１を以下の方法で形成した他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
（ｎ側ＧａＮ層２０１）
成長温度を７５０℃とし、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層である第１ＧａＮ層２０２を厚み２００ｎｍで成長させた。
成長温度を７５０℃とし、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層である第１ＧａＮ層２０２を厚み２００ｎｍで成長させた。
次に、成長温度を７５０℃とし、キャリアガスとして窒素を、原料ガスにアンモニアおよびＴＭＧをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、アンドープ層である第２ＧａＮ層２０３を厚み２０ｎｍで成長させた。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力４．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．５Ｖであり、実施例３と同様の良好なＶｆ低減効果が得られた。
＜実施例５＞
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ側ＧａＮ層１０１として、第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とからなる積層構造が９周期繰り返されたＧａＮ層を形成した他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ側ＧａＮ層１０１として、第１ＧａＮ層と第２ＧａＮ層とからなる積層構造が９周期繰り返されたＧａＮ層を形成した他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
（ｎ側ＧａＮ層１０１）
成長温度を７５０℃とし、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層である第１ＧａＮ層を４ｎｍで成長させ、該第１ＧａＮ層の上に、不純物ガスを用いない他は該第１ＧａＮ層と同一の条件でアンドープ層である第２ＧａＮ層を２０ｎｍで成長させ、該第１ＧａＮ層と該第２ＧａＮ層とを交互に９周期積層した。
成長温度を７５０℃とし、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるように原料ガスのモル濃度を調整し、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層である第１ＧａＮ層を４ｎｍで成長させ、該第１ＧａＮ層の上に、不純物ガスを用いない他は該第１ＧａＮ層と同一の条件でアンドープ層である第２ＧａＮ層を２０ｎｍで成長させ、該第１ＧａＮ層と該第２ＧａＮ層とを交互に９周期積層した。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力５．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．５Ｖであり、実施例３と同様の良好なＶｆ低減効果が得られ、さらに発光出力が実施例３、比較例１と比べて向上した。
＜実施例６＞
本実施例では、図３に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ型コンタクト層３に代えて下記の方法で成長させた下地ｎ型ＧａＮ層１６およびｎ＋コンタクト層１７を形成した他は実施例５と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例では、図３に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ型コンタクト層３に代えて下記の方法で成長させた下地ｎ型ＧａＮ層１６およびｎ＋コンタクト層１７を形成した他は実施例５と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
（下地ｎ型ＧａＮ層１６）
バッファ層２を成長させた後、成長温度を１０５０℃まで上げ、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした下地ｎ型ＧａＮ層１６を厚み５μｍで成長させた。
バッファ層２を成長させた後、成長温度を１０５０℃まで上げ、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした下地ｎ型ＧａＮ層１６を厚み５μｍで成長させた。
（ｎ＋コンタクト層１７）
次に、成長温度を１０５０℃とし、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層１７を厚み１μｍで成長させた。
次に、成長温度を１０５０℃とし、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層１７を厚み１μｍで成長させた。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力５．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．３Ｖで、実施例５よりもさらに良好なＶｆ低減効果が得られた。
＜実施例７＞
本実施例においては、図４に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ型窒化物半導体および電極の形成を除く工程は実施例１と同様の方法で行なったため、ここでは説明を繰り返さない。以下に、本実施例におけるｎ型窒化物半導体および電極の形成方法について説明する。
本実施例においては、図４に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ型窒化物半導体および電極の形成を除く工程は実施例１と同様の方法で行なったため、ここでは説明を繰り返さない。以下に、本実施例におけるｎ型窒化物半導体および電極の形成方法について説明する。
（ｎ＋コンタクト層２７）
表面にバッファ層を形成したサファイヤ基板（図示せず）の上に、成長温度を１０５０℃とし、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層２７を、厚み０．１μｍで成長させた。
表面にバッファ層を形成したサファイヤ基板（図示せず）の上に、成長温度を１０５０℃とし、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ＋コンタクト層２７を、厚み０．１μｍで成長させた。
（下地ｎ型ＧａＮ層２８）
次に、成長温度を１０５０℃とし、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層２８を、厚み６μｍで成長させた。
次に、成長温度を１０５０℃とし、キャリアガスとして水素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層２８を、厚み６μｍで成長させた。
（ｎ側ＧａＮ層１０１）
下地ｎ型ＧａＮ層２８を成長させた後、成長温度を７５０℃に下げ、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるよう原料ガスのモル濃度を調整し、第２ＧａＮ層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１ＧａＮ層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層である厚み４ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に９周期成長させ、ｎ側ＧａＮ層１０１とした。次に、実施例１と同様の方法で活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を成長させた。
下地ｎ型ＧａＮ層２８を成長させた後、成長温度を７５０℃に下げ、キャリアガスとして窒素を、原料ガスとしてアンモニアおよびＴＭＧを、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、成長速度が０．１μｍ／ｈとなるよう原料ガスのモル濃度を調整し、第２ＧａＮ層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１ＧａＮ層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたｎ型層である厚み４ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に９周期成長させ、ｎ側ＧａＮ層１０１とした。次に、実施例１と同様の方法で活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６を成長させた。
（電極形成）
上記の方法で、基板１上に、バッファ層２、ｎ＋コンタクト層２７、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６がこの順で形成されたウエハーを実施例１と同様の方法でアニーリングした。
上記の方法で、基板１上に、バッファ層２、ｎ＋コンタクト層２７、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ側ＧａＮ層１０１、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６がこの順で形成されたウエハーを実施例１と同様の方法でアニーリングした。
アニーリング後、ｐ型コンタクト層６上に第２のオーミック電極１８、反射層１９、保護層２０、第２の接着用金属層２１を順次ＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）により形成した。ここで第２のオーミック電極１８としては厚さ３ｎｍのＰｄ層、反射層１９としては厚さ１５０ｎｍのＡｇ層、保護層２０としては厚さ５０ｎｍのＭｏ層、第２の接着用金属層２１としては厚さ３μｍのＡｕ層を形成した。
次に、別途用意した支持基板である導電性基板２２上に、第１のオーミック電極２３および第１の接着用金属層２４をこの順でＥＢ蒸着法により形成した。ここで導電性基板２２としては、厚さ１２０μｍのＳｉ基板、第１のオーミック電極２３としては、厚さ１５ｎｍのＴｉ層および厚さ１５０ｎｍのＡｌ層をこの順で形成したＴｉ／Ａｌ複合層、第１の接着用金属層２４としては、厚さ１００ｎｍのＡｕ層および厚さ３μｍのＡｕＳｎ層をこの順で形成したＡｕ／ＡｕＳｎ複合層を形成した。
次に、第２の接着用金属層２１と第１の接着用金属層２４とを接合させた。具体的には、第１の接着用金属層２４を構成するＡｕ／ＡｕＳｎ複合層におけるＡｕ層と、第２の接着用金属層２１を構成するＡｕ層とを対向させ、共晶接合法により接合させた。接合時の温度は２９０℃とした。次に、サファイヤ基板およびバッファ層を除去した。具体的には、ＹＡＧ（イットリウム アルミニウム ガーネット）−ＴＨＧ（第３高調波）レーザ（波長３５５ｎｍ）を、裏面を鏡面研磨したサファイヤ基板側から照射し、サファイヤ基板上に形成されたバッファ層とｎ＋コンタクト層２７との界面部分を熱分解することにより行なった。
次に、基板およびバッファ層が除去され露出したｎ＋コンタクト層２７上に、透明導電体電極２５としてＳｎドープＩｎ2Ｏ3層をほぼ全面に形成し、該透明導電体電極２５の中心部に、ボンディングパッド電極２６として、Ａｕ／Ｔｉ複合層からなるｎ型ボンディングパッド電極を形成した。以上の方法により本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力１０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．３Ｖであり、後述の比較例２と比べてＶｆが低減されているとともに発光出力の向上も見られたことにより、本発明によるＶｆ低減効果に加えて発光出力の向上効果も得られていることが分かる。
＜比較例２＞
図６は、比較例２において形成された窒化物半導体発光素子の構成を示す図である。本比較例においては、図６に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図４におけるｎ＋コンタクト層２７、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ側ＧａＮ層１０１に代えてｎ型コンタクト層３を形成した他は実施例７と同様の方法で、窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
図６は、比較例２において形成された窒化物半導体発光素子の構成を示す図である。本比較例においては、図６に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。図４におけるｎ＋コンタクト層２７、下地ｎ型ＧａＮ層２８、ｎ側ＧａＮ層１０１に代えてｎ型コンタクト層３を形成した他は実施例７と同様の方法で、窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力８．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．５Ｖであり、実施例７と比べてＶｆが高く発光出力においても劣っていた。
＜実施例８＞
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ側ＧａＮ層１０１の成長温度を１０００℃とした他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ側ＧａＮ層１０１の成長温度を１０００℃とした他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力４．０ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．５Ｖであり、Ｖｆは、実施例１よりは若干高いものの比較例１よりは低く、本発明によるＶｆ低減効果が得られていることが分かる。
＜実施例９＞
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ側ＧａＮ層１０１の成長温度を５００℃とした他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
本実施例においては、図１に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。ｎ側ＧａＮ層１０１の成長温度を５００℃とした他は実施例１と同様の方法で、本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を形成した。
得られたＬＥＤ素子では、順方向電流２０ｍＡにおいて、発光波長４６０ｎｍ、発光出力３．７ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．５Ｖであり、Ｖｆは、実施例１よりは若干高いものの比較例１よりは低く、本発明によるＶｆ低減効果が得られていることが分かる。また発光出力は比較例１より若干低いものの大きな低下は生じていないことが分かる。
これらの結果から、本発明において成長温度５００〜１０００℃の範囲内でｎ側ＧａＮ層を形成することによるＶｆ効果が確認された。またキャリアガスを窒素とした場合には特に良好なＶｆ低減効果が得られることも確認された。さらにｎ側ＧａＮ層がｎ型不純物濃度の異なる層の積層構造を有する場合には発光出力の向上効果も得られることが分かった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明において得られる窒化物半導体発光素子は、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子に対して好適に適用され得る。
１ 基板、１０１，２０１ ｎ側ＧａＮ層、２ バッファ層、２０２ 第１ＧａＮ層、２０３ 第２ＧａＮ層、３ ｎ型コンタクト層、４ 活性層、５ ｐ型クラッド層、６ ｐ型コンタクト層、７ 透光性電極、８ ｎ側パット電極、９ ｐ側パット電極、１６，２８ 下地ｎ型ＧａＮ層、１７，２７ ｎ＋コンタクト層、１８ 第２のオーミック電極、１９ 反射層、２０ 保護層、２１ 第２の接着用金属層、２２ 導電性基板、２３ 第１のオーミック電極、２４ 第１の接着用金属層、２５ 透明導電体電極、２６ ボンディングパッド電極。
Claims (5)
- ｎ型窒化物半導体と、ｐ型窒化物半導体と、前記ｎ型窒化物半導体と前記ｐ型窒化物半導体との間に形成された活性層と、を少なくとも備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
前記ｎ型窒化物半導体はｎ型コンタクト層とｎ側ＧａＮ層とを少なくとも含み、
前記ｎ側ＧａＮ層は、アンドープ層もしくはｎ型層からなる単層、または、アンドープ層およびｎ型層からなる複層であり、
前記ｎ型コンタクト層と前記活性層との間に前記ｎ側ＧａＮ層が形成されるように、有機金属気相成長法により、成長温度を７５０〜９００℃の範囲内に設定して前記ｎ側ＧａＮ層を形成する工程を含み、
前記ｎ側ＧａＮ層を形成する工程において、キャリアガスとして窒素が用いられる、窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記ｎ側ＧａＮ層が、ｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含む前記ｎ型層か
らなる、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記ｎ側ＧａＮ層と前記活性層とが接するように形成され、前記ｎ型コンタクト層がｎ型不純物を１×１０18／ｃｍ3以上の濃度で含む、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ｎ型窒化物半導体がアンドープまたはｎ型のＧａＮ層から構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記ｎ側ＧａＮ層の成長速度が２μｍ／ｈ以下とされる、請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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