JP5068020B2 - 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）等の発光素子に対して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。
発光ダイオード（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という）が低いことが必要となる。特許文献１には、ｎ側コンタクト層に接して、ｎ型不純物がドープされている窒化物半導体層と、ｎ型不純物がドープされていないアンドープの窒化物半導体層との２種類の窒化物半導体層からなるペアを２以上有するｎ側第１多層膜層を形成することにより、ＬＥＤ素子の発光出力を向上させる技術が提案されている。さらに特許文献１には、該ｎ側第１多層膜層と活性層との間に、Ｉｎを含む第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層と組成の異なる第２の窒化物半導体層とが積層されたｎ側第２多層膜層とを有することによりＶｆを低下させる旨が記載されている。
しかしながら、ｎ型コンタクト層は、Ｖｆ低減を目的としたコンタクト抵抗低減のため、キャリア濃度を大きくするか、バンドギャップを小さくするかの少なくともどちらかの方法が選択されて形成されるため、転位、欠陥等を多く含む層となることが多い。このｎ型コンタクト層に接してｎ側第１多層膜層を積層させると、転位、欠陥等の影響を受け十分に発光出力向上の効果を得られないことが危惧される。さらに特許文献１の技術においてはｎ側第１多層膜層より活性層側に第２多層膜層を積層させているが、２種類の多層膜を成長させると、製造工程が複雑になり、製造コストが上がるほか、Ｉｎを含む窒化物半導体層を活性層のｎ側に積層させることは、Ｉｎの転位、欠陥等を誘発するため、活性層の結晶性に悪影響を及ぼし発光出力低下を招く原因となりうる。
特開２０００−２４４０７２号公報
本発明は上記の課題を解決し、低い順方向電圧（Ｖｆ）を有しつつ高い発光出力の発現が可能な窒化物半導体発光素子の製造方法の提供を目的とする。
本発明は、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを有機金属気相成長法により交互に成長することによって第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とからなる積層構造が２以上繰り返された多層膜窒化物半導体層を形成する工程と、多層膜窒化物半導体層に接するようにして活性層を形成する工程と、活性層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、第１窒化物半導体層は、ｎ型不純物を含む層であり、第２窒化物半導体層は、ｎ型不純物を第１窒化物半導体層よりも少ない濃度で含む層またはアンドープ層であって、第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のそれぞれの成長に用いられるキャリアガスが窒素であって、第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層はそれぞれＧａＮ層からなり、多層膜窒化物半導体層を形成する工程において、第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のそれぞれの成長温度は５００〜１０００℃である、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、第１窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は１×１０ 18 ／ｃｍ 3 より大きく、第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は１×１０ 18 ／ｃｍ 3 以下であることが好ましい。また、本発明においては、第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層の厚みがそれぞれ１００ｎｍ以下であることが好ましい。
また、本発明において、多層膜窒化物半導体層を形成する工程においては、最初に第２窒化物半導体層を成長させることが好ましい。また、本発明において、活性層を形成する工程においては、第１窒化物半導体層に接するようにして活性層を形成することが好ましい。また、本発明において、第１窒化物半導体層がｎ型ＧａＮ層からなり、第２窒化物半導体層がアンドープＧａＮ層からなることが好ましい。
本発明によれば、低い順方向電圧（Ｖｆ）を有しつつ高い発光出力を発現させた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。
本発明に係る窒化物半導体発光素子は、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、該ｎ型窒化物半導体は、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とからなる積層構造が２以上繰り返された多層膜窒化物半導体層を含み、該多層膜窒化物半導体層は、該活性層と接して形成され、該第１窒化物半導体層は、ｎ型不純物を含む層であり、該第２窒化物半導体層は、該ｎ型不純物を該第１窒化物半導体層よりも少ない濃度で含む層またはアンドープ層とされる。すなわち、本発明の窒化物半導体発光素子においては、ｎ型不純物の濃度が比較的高い層と、該ｎ型不純物の濃度が比較的低い層または該ｎ型不純物を含まない層と、が積層された多層膜窒化物半導体層を活性層に接して形成する。これにより、低いＶｆを維持しつつ窒化物半導体発光素子の発光出力を向上させることができる。発光出力が向上する理由の詳細は明らかでないが、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る。
図４は、従来の窒化物半導体発光素子について説明する図である。図４においては、基板１の上に、バッファ層２、下地ｎ型ＧａＮ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側パッド電極９、ｐ側パッド電極１０が形成されている。一方、図１は、本発明の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、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４、多層膜窒化物半導体層１０１、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側パッド電極９、ｐ側パッド電極１０が形成されている。図１に示す構成においては、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４、多層膜窒化物半導体層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６およびｐ型コンタクト層７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５が形成されている。
本発明の窒化物半導体発光素子は、多層膜窒化物半導体層を含むｎ型窒化物半導体を積層する工程と、活性層を形成する工程と、ｐ型窒化物半導体を積層する工程とを含む方法により製造されることができる。図１に示される構成を例に、本発明の窒化物半導体発光素子の典型的な構成および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＞
（下地ｎ型ＧａＮ層３）
バッファ層２の上には下地ｎ型ＧａＮ層３が形成される。具体的には、成長温度をたとえば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をたとえば１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層３を厚み６μｍ程度で成長させる。
（下地ｎ型ＧａＮ層３）
バッファ層２の上には下地ｎ型ＧａＮ層３が形成される。具体的には、成長温度をたとえば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をたとえば１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層３を厚み６μｍ程度で成長させる。
（ｎ型コンタクト層４）
下地ｎ型ＧａＮ層３の上にはｎ型コンタクト層４が形成される。具体的には、下地ｎ型ＧａＮ層３と同様の条件で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４をたとえば厚み０．５μｍｍで成長させる。
下地ｎ型ＧａＮ層３の上にはｎ型コンタクト層４が形成される。具体的には、下地ｎ型ＧａＮ層３と同様の条件で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４をたとえば厚み０．５μｍｍで成長させる。
（多層膜窒化物半導体層１０１）
ｎ型コンタクト層４の上には多層膜窒化物半導体層１０１が形成される。本発明において形成される多層膜窒化物半導体層１０１がＧａＮ層からなる２元混晶とされる場合、高い結晶性が得られ、発光出力の向上効果がより良好に得られる点で好ましい。多層膜窒化物半導体層１０１を構成する第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層は、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ＧａＮ層からなる第１窒化物半導体層を成長させ、該ＧａＮ層の上に第２窒化物半導体層を成長させることができる。本発明における第２窒化物半導体層は、アンドープ層として、または第１窒化物半導体層よりもｎ型不純物の濃度が低い層として形成される。第２窒化物半導体層がアンドープ層とされる場合には、たとえば成長温度１０５０℃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を用い、アンドープＧａＮ層を厚み２０ｎｍ程度で第１窒化物半導体層の上に形成する。また、第２窒化物半導体層が第１窒化物半導体層よりも不純物濃度の低いｎ型層とされる場合には、たとえば成長温度１０５０℃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、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ＧａＮ層を厚み２０ｎｍ程度で第１窒化物半導体層の上に形成することにより、発光出力の向上効果がより良好に得られる点で好ましい。本発明において多層膜窒化物半導体層のキャリアガスとして窒素含有ガスが用いられ、成長温度が５００〜１０００℃の範囲内とされる場合、発光出力の向上効果とＶｆの低減効果が良好であり好ましい。キャリアガスとして窒素含有ガス、成長温度が５００〜１０００℃の範囲内である場合にＶｆが低減する理由としては、詳細は明らかでないが、活性層と多層膜窒化物半導体層との間のコンタクト抵抗が下がることが考えられる。成長温度は７５０〜９００℃の範囲内、キャリアガス条件はキャリアガスが窒素および水素の混合ガスとされる場合、混合ガスにおける窒素の流量比が５０体積％以上であることが好ましく、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型コンタクト層４の上には多層膜窒化物半導体層１０１が形成される。本発明において形成される多層膜窒化物半導体層１０１がＧａＮ層からなる２元混晶とされる場合、高い結晶性が得られ、発光出力の向上効果がより良好に得られる点で好ましい。多層膜窒化物半導体層１０１を構成する第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層は、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ＧａＮ層からなる第１窒化物半導体層を成長させ、該ＧａＮ層の上に第２窒化物半導体層を成長させることができる。本発明における第２窒化物半導体層は、アンドープ層として、または第１窒化物半導体層よりもｎ型不純物の濃度が低い層として形成される。第２窒化物半導体層がアンドープ層とされる場合には、たとえば成長温度１０５０℃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を用い、アンドープＧａＮ層を厚み２０ｎｍ程度で第１窒化物半導体層の上に形成する。また、第２窒化物半導体層が第１窒化物半導体層よりも不純物濃度の低いｎ型層とされる場合には、たとえば成長温度１０５０℃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、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ＧａＮ層を厚み２０ｎｍ程度で第１窒化物半導体層の上に形成することにより、発光出力の向上効果がより良好に得られる点で好ましい。本発明において多層膜窒化物半導体層のキャリアガスとして窒素含有ガスが用いられ、成長温度が５００〜１０００℃の範囲内とされる場合、発光出力の向上効果とＶｆの低減効果が良好であり好ましい。キャリアガスとして窒素含有ガス、成長温度が５００〜１０００℃の範囲内である場合にＶｆが低減する理由としては、詳細は明らかでないが、活性層と多層膜窒化物半導体層との間のコンタクト抵抗が下がることが考えられる。成長温度は７５０〜９００℃の範囲内、キャリアガス条件はキャリアガスが窒素および水素の混合ガスとされる場合、混合ガスにおける窒素の流量比が５０体積％以上であることが好ましく、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。
本発明において、第１窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3よりも大きく、かつ第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3以下であることが好ましい。第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度が上記の範囲内に設定される場合、発光出力の向上効果が良好に得られる。第１窒化物半導体層のｎ型不純物濃度はさらに５×１０18／ｃｍ3以上とされることが好ましい。
本発明においては、第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体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１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層の厚みは、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十分に確保される。ｎ型不純物濃度を第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とで十分変調させるために、第２窒化物半導体層の厚さは、ｎ型不純物が第１窒化物半導体層から第２窒化物半導体層全体に拡散しない程度の厚さ、具体的には２ｎｍ以上であればよい。第１窒化物半導体層は１ｎｍ以上であればよい。
本発明においては、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とからなる積層構造が２以上繰り返され、これにより発光出力の向上効果が得られる。該積層構造の繰り返し周期は、好ましくは５以上繰り返されることが好ましい。該繰り返し周期が5程度であれば本発明における発光出力の向上効果が十分に確保される。本発明においては、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。
なお、上記では、コンタクト層の上に第１窒化物半導体層、第２窒化物半導体層の順で積層する場合について説明したが、本発明の多層膜窒化物半導体層における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層の積層順序は上記に限定されず、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層との積層構造からなる多層膜窒化物半導体層が活性層に接して形成さされていれば良い。
＜活性層５＞
多層膜窒化物半導体層１０１の上には活性層５が形成される。具体的には、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、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５を形成することができる。
多層膜窒化物半導体層１０１の上には活性層５が形成される。具体的には、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、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５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６）
活性層５の上にはｐ型クラッド層６が形成される。具体的には、成長温度をたとえば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６を厚み約３０ｎｍ程度で成長させる。
（ｐ型クラッド層６）
活性層５の上にはｐ型クラッド層６が形成される。具体的には、成長温度をたとえば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６を厚み約３０ｎｍ程度で成長させる。
（ｐ型コンタクト層７）
ｐ型クラッド層６の上にはｐ型コンタクト層７が形成される。具体的には、成長温度をたとえば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、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６の上にはｐ型コンタクト層７が形成される。具体的には、成長温度をたとえば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、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、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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７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７側からエッチングを行ない、ｎ型コンタクト層４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Ｐｄを含む透光性電極８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１０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４の表面には、ＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極９を形成する。以上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７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７側からエッチングを行ない、ｎ型コンタクト層４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Ｐｄを含む透光性電極８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１０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４の表面には、ＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極９を形成する。以上により本発明の窒化物半導体発光素子であるＬＥＤ素子を得ることができる。
＜ｎ型窒化物半導体層＞
本発明においては、多層膜窒化物半導体層１０１をｎ型コンタクト層と離して形成することがより好ましく、ｎ型不純物濃度ｘを５×１０17≦ｘ≦１×１０18／ｃｍ3としてｎ型窒化物半導体層を成長させることで、Ｖｆを上昇させることなく、より多層膜窒化物半導体層１０１の発光出力向上の効果を高めることができる。図２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。多層膜窒化物半導体層とコンタクト層とを離して形成する方法としては、たとえば図２に示すように、ｎ型コンタクト層４と多層膜窒化物半導体層１０１との間にたとえばＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０１を形成する方法が挙げられる。なおこの場合でも多層膜窒化物半導体層１０１と活性層５とは接して形成される。
本発明においては、多層膜窒化物半導体層１０１をｎ型コンタクト層と離して形成することがより好ましく、ｎ型不純物濃度ｘを５×１０17≦ｘ≦１×１０18／ｃｍ3としてｎ型窒化物半導体層を成長させることで、Ｖｆを上昇させることなく、より多層膜窒化物半導体層１０１の発光出力向上の効果を高めることができる。図２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。多層膜窒化物半導体層とコンタクト層とを離して形成する方法としては、たとえば図２に示すように、ｎ型コンタクト層４と多層膜窒化物半導体層１０１との間にたとえばＧａＮからなるｎ型窒化物半導体層２０１を形成する方法が挙げられる。なおこの場合でも多層膜窒化物半導体層１０１と活性層５とは接して形成される。
ｎ型窒化物半導体層２０１としては、たとえば、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、不純物ガスにシランをそれぞれ用いた。たとえば、ｎ型コンタクト層４としてＳｉを５×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮ層を用い、多層膜窒化物半導体層１０１がｎ型窒化物半導体層２０１の上に第１窒化物半導体層、第２窒化物半導体層とをこの順で積層した積層構造を２以上繰り返すことにより形成され、かつ該第１窒化物半導体層としてＳｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮ層を用いる場合において、ｎ型窒化物半導体層２０１として、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした厚み０．１μｍ程度のＧａＮ層を形成する態様が例示できる。
図３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３を参照して説明する。図３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７、ｐ型クラッド層６、活性層５、多層膜窒化物半導体層１０１、ｎ型窒化物半導体層１６、ｎ型コンタクト層１５、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なる。ｐ型コンタクト層７およびｐ型クラッド層６が本発明のｐ型窒化物半導体を構成し、多層膜窒化物半導体層１６，ｎ型コンタクト層１５が本発明のｎ型窒化物半導体を構成する。
図３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および図２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型コンタクト層１５）
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５×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１５を厚み０．２μｍ程度で成長させる。
（ｎ型コンタクト層１５）
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５×１０18／ｃｍ3の濃度でドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１５を厚み０．２μｍ程度で成長させる。
（ｎ型窒化物半導体層１６）
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層を厚み６μｍ程度で成長させ、ｎ型窒化物半導体層１６とする。その後、多層膜窒化物半導体層１０１を成長させる。
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層を厚み６μｍ程度で成長させ、ｎ型窒化物半導体層１６とする。その後、多層膜窒化物半導体層１０１を成長させる。
図３においては、ｎ型コンタクト層１５と多層膜窒化物半導体層１０１との間にｎ型窒化物半導体層１６を設ける場合について示しており、該ｎ型窒化物半導体層１６が設けられることによりという利点が得られるが、本発明においては、ｎ型コンタクト層１５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。
（多層膜窒化物半導体層１０１）
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２窒化物半導体層をたとえば厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層とし、第１窒化物半導体層を、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２窒化物半導体層および第１窒化物半導体層からなる積層構造をこの順で５周期成長させ、ｎ型の多層膜窒化物半導体層１０１とする。その後、該多層膜窒化物半導体層１０１の上に活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７を成長させる。なお、上記の方法において、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内とし、キャリアガスとして窒素含有ガスを用いた場合には、Ｖｆの低減効果が良好に得られる。
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２窒化物半導体層をたとえば厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層とし、第１窒化物半導体層を、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２窒化物半導体層および第１窒化物半導体層からなる積層構造をこの順で５周期成長させ、ｎ型の多層膜窒化物半導体層１０１とする。その後、該多層膜窒化物半導体層１０１の上に活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７を成長させる。なお、上記の方法において、成長温度を５００〜１０００℃の範囲内とし、キャリアガスとして窒素含有ガスを用いた場合には、Ｖｆの低減効果が良好に得られる。
＜電極形成＞
上記の方法で基板上にバッファ層、ｎ型コンタクト層１５、ｎ型窒化物半導体層１６、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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７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型コンタクト層１５、ｎ型窒化物半導体層１６、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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７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。
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型コンタクト層１５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型コンタクト層１５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２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２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。
（下地ｎ型ＧａＮ層３）
次に、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ＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層３を厚み６μｍで成長させた。
次に、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ＧａＮよりなる下地ｎ型ＧａＮ層３を厚み６μｍで成長させた。
（ｎ型コンタクト層４）
次に、下地ｎ型ＧａＮ層３と同様の条件でＳｉのドープ濃度を５×１０18／ｃｍ3にしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を厚み０．５μｍで成長させた。
次に、下地ｎ型ＧａＮ層３と同様の条件でＳｉのドープ濃度を５×１０18／ｃｍ3にしたＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を厚み０．５μｍで成長させた。
（ｎ型窒化物半導体層２０１）
ｎ型コンタクト層４を成長させた後、成長温度１０５０℃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、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層を厚み０．１μｍで成長させ、ｎ型窒化物半導体層２０１とした。
ｎ型コンタクト層４を成長させた後、成長温度１０５０℃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、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層を厚み０．１μｍで成長させ、ｎ型窒化物半導体層２０１とした。
（多層膜窒化物半導体層１０１）
次に、成長温度１０５０℃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、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、ｎ型の多層膜窒化物半導体層１０１とした。
次に、成長温度１０５０℃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、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、ｎ型の多層膜窒化物半導体層１０１とした。
（活性層５）
次に、成長温度を７００℃に下げ、キャリアガスとして窒素、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、多層膜窒化物半導体層１０１の上に多重量子井戸構造の活性層５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、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、多層膜窒化物半導体層１０１の上に多重量子井戸構造の活性層５を形成した。
（ｐ型クラッド層６）
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７）
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７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７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、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４、ｎ型窒化物半導体層２０１、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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７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７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４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７のほぼ全面に、Ｐｄを含む透光性電極８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１０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４の表面には、ＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極９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７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７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４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７のほぼ全面に、Ｐｄを含む透光性電極８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１０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４の表面には、ＴｉとＡｌとを含むｎ側パッド電極９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５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであった。
＜比較例１＞
本比較例においては、図４に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。すなわち、ｎ型コンタクト層４と活性層５との間にｎ型窒化物半導体層２０１および多層膜窒化物半導体層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４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４と活性層５との間にｎ型窒化物半導体層２０１および多層膜窒化物半導体層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４ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖ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よりも発光出力が向上しており、本発明による発光出力の向上効果が得られていることが分かる。
＜比較例２＞
図５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４と活性層５との間に多層膜窒化物半導体層１０１およびｎ側直下層５０１を積層させたこと以外は比較例１と同様の方法で、窒化物半導体発光素子を形成した。
＜比較例２＞
図５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４と活性層５との間に多層膜窒化物半導体層１０１およびｎ側直下層５０１を積層させたこと以外は比較例１と同様の方法で、窒化物半導体発光素子を形成した。
（多層膜窒化物半導体層１０１）
比較例１と同様の方法で、基板１の上にバッファ層２、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４を成長させた後、成長温度１０５０℃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、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、多層膜窒化物半導体層１０１とした。
比較例１と同様の方法で、基板１の上にバッファ層２、下地ｎ型ＧａＮ層３、ｎ型コンタクト層４を成長させた後、成長温度１０５０℃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、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、多層膜窒化物半導体層１０１とした。
（ｎ側直下層５０１）
次に、多層膜窒化物半導体層１０１の上にｎ側直下層５０１を形成した。成長温度１０５０℃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、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層を厚み０．１μｍで成長させ、ｎ側直下層５０１とした。続いて、比較例１と同様の方法で、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側パッド電極９、ｐ側パッド電極１０を成長させた。
次に、多層膜窒化物半導体層１０１の上にｎ側直下層５０１を形成した。成長温度１０５０℃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、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層を厚み０．１μｍで成長させ、ｎ側直下層５０１とした。続いて、比較例１と同様の方法で、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側パッド電極９、ｐ側パッド電極１０を成長させた。
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４ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、比較例１と同様の素子特性であって、本発明多層膜窒化物半導体層１０１は活性層に接して形成されない場合、発光効率向上の効果がないことが明らかになった。
＜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。すなわち、図２におけるｎ型窒化物半導体層２０１を形成しない以外は実施例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。すなわち、図２におけるｎ型窒化物半導体層２０１を形成しない以外は実施例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４．７ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１と比べると光出力が減少したが、比較例１と比べて発光出力は向上しており、本発明による発光出力の向上効果は十分得られていることが分かる。
＜実施例３＞
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。多層膜窒化物半導体層１０１の第２窒化物半導体層として、アンドープＧａＮ層に代えて、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍの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２に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。多層膜窒化物半導体層１０１の第２窒化物半導体層として、アンドープＧａＮ層に代えて、Ｓｉを１×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍの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。
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５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１と同様の特性を示した。
力５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１と同様の特性を示した。
＜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。多層膜窒化物半導体層１０１の第２窒化物半導体層として、アンドープＧａＮ層に代えて、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍの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２に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。多層膜窒化物半導体層１０１の第２窒化物半導体層として、アンドープＧａＮ層に代えて、Ｓｉを３×１０18／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍの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。
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、２ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、比較例1に対し、発光出力が上昇したものの、実施例1に対しては減少した。
＜実施例５＞
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。多層膜窒化物半導体層１０１の積層構造の繰り返し周期を５周期から２周期に変えた他は実施例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。多層膜窒化物半導体層１０１の積層構造の繰り返し周期を５周期から２周期に変えた他は実施例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４．５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１と比べ若干劣るが比較例１に比べると良好な発光出力を示した。
＜比較例３＞
本比較例では、図２に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。多層膜窒化物半導体層１０１の積層構造の繰り返し周期を５周期から１周期に変えた他は実施例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。
本比較例では、図２に示す構成の窒化物半導体発光素子を形成した。多層膜窒化物半導体層１０１の積層構造の繰り返し周期を５周期から１周期に変えた他は実施例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４．０ ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、比較例１と同様の特性であった。
＜実施例６＞
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。多層膜窒化物半導体層１０１における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のそれぞれの厚みを２０ｎｍから１００ｎｍに変えた他は実施例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。多層膜窒化物半導体層１０１における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のそれぞれの厚みを２０ｎｍから１００ｎｍに変えた他は実施例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４．５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１と比べ若干劣るが比較例１に比べると良好な発光出力を示した。
＜実施例７＞
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。多層膜窒化物半導体層１０１における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のそれぞれの厚みを２０ｎｍから５ｎｍに変えた他は実施例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。多層膜窒化物半導体層１０１における第１窒化物半導体層および第２窒化物半導体層のそれぞれの厚みを２０ｎｍから５ｎｍに変えた他は実施例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５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが４．０Ｖであり、実施例１と同様の特性を示した。
＜実施例８＞
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。多層膜窒化
物半導体層１０１の形成方法を下記の通りにした他は実施例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。すなわち、ｎ型窒化物半導体層２０１を成長させた後、成長温度を８５０℃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用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、多層膜窒化物半導体層１０１とした。
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。多層膜窒化
物半導体層１０１の形成方法を下記の通りにした他は実施例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。すなわち、ｎ型窒化物半導体層２０１を成長させた後、成長温度を８５０℃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用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、多層膜窒化物半導体層１０１とした。
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５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．５Ｖであり、実施例１と比べてＶｆがさらに低減されていた。
＜実施例９＞
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。多層膜窒化物半導体層１０１の成長温度を５００℃とした他は実施例８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。多層膜窒化物半導体層１０１の成長温度を５００℃とした他は実施例８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４．５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．８Ｖであり、実施例８と比べてＶｆが若干劣り、実施例１と比べて発光出力が若干劣るものの、比較例１と比べると発光出力が向上しているとともにＶｆが低減されており、本発明による発光出力の向上効果およびＶｆの低減効果が十分得られ、良好な素子特性が得られていることが分かる。またＶｆについては実施例１よりさらに良好な低減効果が得られた。
＜実施例１０＞
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。多層膜窒化物半導体層１０１の成長温度を１０００℃とした他は実施例８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。多層膜窒化物半導体層１０１の成長温度を１０００℃とした他は実施例８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５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．８Ｖであり、比較例１と比べて発光出力が向上しているとともにＶｆが低減されており、本発明による発光出力の向上効果およびＶｆの低減効果が十分得られ、良好な素子特性が得られていることが分かる。なおＶｆの低減効果は、実施例８と比べれば若干劣るものの、実施例１と比べればより低減されていた。
＜実施例１１＞
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。キャリアガスとして、流量比が水素：窒素＝１：１とされた水素および窒素の混合ガスを用いた他は実施例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。キャリアガスとして、流量比が水素：窒素＝１：１とされた水素および窒素の混合ガスを用いた他は実施例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５ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．８Ｖであり、比較例１と比べて発光出力が向上しているとともにＶｆが低減されており、本発明による発光出力の向上効果およびＶｆの低減効果が十分得られ、良好な素子特性が得られていることが分かる。なおＶｆの低減効果は、実施例８と比べれば若干劣るものの、実施例１に比べればより低減されていた。
＜実施例１２＞
本実施例においては、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３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型コンタクト層１５）
サファイヤ基板の上にバッファ層を形成した後、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１５を厚み０．２μｍで成長させた。
サファイヤ基板の上にバッファ層を形成した後、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１５を厚み０．２μｍで成長させた。
（ｎ型窒化物半導体層１６）
次に、成長温度１０５０℃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、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層を厚み６μｍで成長させ、ｎ型窒化物半導体層１６とした。その後、多層膜窒化物半導体層１０１を成長させた。
次に、成長温度１０５０℃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、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層を厚み６μｍで成長させ、ｎ型窒化物半導体層１６とした。その後、多層膜窒化物半導体層１０１を成長させた。
（多層膜窒化物半導体層１０１）
ｎ型窒化物半導体層１６を成長させた後、成長温度１０５０℃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、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、多層膜窒化物半導体層１０１とした。次に実施例１と同様の方法で活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７を成長させた。
ｎ型窒化物半導体層１６を成長させた後、成長温度１０５０℃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、不純物ガスとしてシランをそれぞれ用い、第２窒化物半導体層としての厚み２０ｎｍのアンドープＧａＮ層と、第１窒化物半導体層としての、Ｓｉを１×１０19／ｃｍ3の濃度でドープした厚み２０ｎｍのＧａＮ層と、をこの順で交互に５周期成長させ、多層膜窒化物半導体層１０１とした。次に実施例１と同様の方法で活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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型コンタクト層１５、ｎ型窒化物半導体層１６、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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型コンタクト層１５、ｎ型窒化物半導体層１６、多層膜窒化物半導体層１０１、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型コンタクト層７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７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型コンタクト層１５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。
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３．７Ｖであり、比較例４に対し光出力高く、この構造においても本発明による光出力向上の効果が確認できた。
＜比較例４＞
図６は、比較例４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３におけるｎ型窒化物半導体層１６および多層膜窒化物半導体層１０１を形成しない他は実施例１２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４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３におけるｎ型窒化物半導体層１６および多層膜窒化物半導体層１０１を形成しない他は実施例１２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８ｍＷ、順方向電圧Ｖｆが３．７Ｖであり、実施例１２と比べて発光出力において劣っていた。
これらの結果から、本発明において活性層に接して多層膜窒化物半導体層を形成することによる発光出力の向上効果が確認された。また成長温度を５００〜１０００℃の範囲内とし、キャリアガスとして窒素含有ガスを用いた場合にはＶｆ低減効果が得られることも確認された。
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。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子の製造に対して好適に適用され得る。
１ 基板、１０１ 多層膜窒化物半導体層、２ バッファ層、１６，２０１ ｎ型窒化物半導体層、３ 下地ｎ型ＧａＮ層、４，１５ ｎ型コンタクト層、５ 活性層、５０１
ｎ側直下層、６ ｐ型クラッド層、７ ｐ型コンタクト層、８ 透光性電極、９ ｎ側パッド電極、１０ ｐ側パッド電極、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。
ｎ側直下層、６ ｐ型クラッド層、７ ｐ型コンタクト層、８ 透光性電極、９ ｎ側パッド電極、１０ ｐ側パッド電極、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 (6)
- 第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層とを有機金属気相成長法により交互に成長することによって前記第１窒化物半導体層と前記第２窒化物半導体層とからなる積層構造が２以上繰り返された多層膜窒化物半導体層を形成する工程と、
前記多層膜窒化物半導体層に接するようにして活性層を形成する工程と、
前記活性層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程と、を含み、
前記第１窒化物半導体層は、ｎ型不純物を含む層であり、前記第２窒化物半導体層は、前記ｎ型不純物を前記第１窒化物半導体層よりも少ない濃度で含む層またはアンドープ層であって、
前記第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層のそれぞれの成長に用いられるキャリアガスが窒素であって、
前記第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層はそれぞれＧａＮ層からなり、
前記多層膜窒化物半導体層を形成する工程において、前記第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層のそれぞれの成長温度は５００〜１０００℃である、窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記第１窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3より大きく、前記第２窒化物半導体層のｎ型不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 前記第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層の厚みがそれぞれ１００ｎｍ以下である、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。
- 前記多層膜窒化物半導体層を形成する工程においては、最初に前記第２窒化物半導体層を成長させる、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。
- 前記活性層を形成する工程においては、前記第１窒化物半導体層に接するようにして前記活性層を形成する、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。
- 前記第１窒化物半導体層がｎ型ＧａＮ層からなり、前記第２窒化物半導体層がアンドープＧａＮ層からなる、請求項１〜５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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