半導体発光素子の製造方法およびランプ、電子機器、機械装置
【課題】再成長層表面に起因する発光層およびｐ型半導体層の不良が生じにくく、かつ、高い出力の得られる半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】第一有機金属化学気相成長装置において、基板１１上に第一ｎ型半導体層１２ａを積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置において、前記第一ｎ型半導体層１２ａ上に前記第一ｎ型半導体層１２ａの再成長層１２ｄと第二ｎ型半導体層１２ｂと発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する第二工程とを具備し、前記第二工程において、前記再成長層１２ｄを形成する際の基板温度を、６００℃〜９００℃の範囲とすることを特徴とする半導体発光素子１の製造方法を採用する。
【解決手段】第一有機金属化学気相成長装置において、基板１１上に第一ｎ型半導体層１２ａを積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置において、前記第一ｎ型半導体層１２ａ上に前記第一ｎ型半導体層１２ａの再成長層１２ｄと第二ｎ型半導体層１２ｂと発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する第二工程とを具備し、前記第二工程において、前記再成長層１２ｄを形成する際の基板温度を、６００℃〜９００℃の範囲とすることを特徴とする半導体発光素子１の製造方法を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法およびランプ、電子機器、機械装置に関し、特に、大電流が印加される場合に好適に用いられ、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子の製造方法およびこの製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えるランプ、電子機器、機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光ダイオードなどに用いられる半導体発光素子として、基板上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層してなるものが知られている。このような半導体発光素子を製造する方法として、サファイア単結晶などからなる基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法）によってｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを連続して順次積層する方法がある。
【０００３】
しかしながら、基板上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを連続して順次積層する場合、これらの層は同一の成長室内で形成されるので、ｎ型半導体層を形成する際に用いたドーパントが成長室内に残留し、ｐ型半導体層を形成する際にドナー性の残留不純物によりアクセプタ不純物が補償され、その結果抵抗率の十分に低いｐ型半導体層が得られない場合があった。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、例えば、特許文献１には、所定の基板上に、少なくとも第一導電形の半導体層と第二導電形の半導体層とを順次成膜して化合物半導体装置を製造するに際し、前記それぞれの導電形の半導体層を、導電形に対応した異なる複数の独立した成長室で成膜するようにして成る化合物半導体装置の製造方法が提案されている。
【０００５】
また、最近、半導体発光素子の発光出力を向上させるために、半導体発光素子に大電流が印加される場合が多くなってきており、このような条件にも耐え得る発光特性の優れた半導体発光素子が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平7-45538号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ｎ型半導体層を形成する成長室とｐ型半導体層を形成する成長室とを別々にすると、得られた半導体発光素子の出力が不十分となる場合があった。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、さらに高い出力の得られる半導体発光素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〔１〕 第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置において、前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する第二工程とを具備し、前記第二工程において、前記再成長層を形成する際の基板温度を、６００℃〜９００℃の範囲とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
〔２〕 前記再成長層を形成する際に、前記再成長層の原料ガスとして、トリエチルガリウムを用いることを特徴とする〔１〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔３〕 前記再成長層を形成する際に、前記再成長層のキャリアガスとして窒素ガスのみを用いることを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔４〕 前記再成長層にＭｇを１×１０１７／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする〔１〕乃至〔３〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔５〕前記再成長層にＭｇを１×１０１６／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする〔４〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔６〕 前記再成長層の成膜速度を０．２ｎｍ／ｍｉｎ〜１０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする〔１〕乃至〔５〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔７〕 前記再成長層の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１００００以上とすることを特徴とする〔２〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔８〕 前記第一ｎ型半導体層形成後から前記再成長層形成前までの間に、窒素とアンモニアを含む雰囲気で５００℃〜１２００℃の範囲の熱処理を行うことを特徴とする〔１〕乃至〔７〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔９〕 基板上に第一ｎ型半導体層と前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体発光素子であって、前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分のＭｇ濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体発光素子。
〔１０〕 前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分が再成長層であることを特徴とする〔９〕に記載の半導体発光素子。
〔１１〕 前記再成長層の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚であることを特徴とする〔１０〕に記載の半導体発光素子。
〔１２〕 前記再成長層に含有されるＭｇ濃度が１×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする〔１０〕または〔１１〕に記載の半導体発光素子。
〔１３〕 〔１〕乃至〔８〕のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔１４〕 〔１３〕に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
〔１５〕 〔１４〕に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、第二の成長室（第二有機金属化学気相成長装置）内で再成長層を形成する工程において、その基板温度を６００℃〜９００℃の範囲とする。基板温度をこのような範囲とすることにより、成長室内に残留したＭｇが再成長層に不純物として混入することを防ぐことができる。これにより、再成長層の抵抗率を十分に低くすることができ、発光出力の優れた半導体発光素子を得ることが可能となる。
【００１１】
また、その際に再成長層の成膜速度を、０．２ｎｍ／分〜１０ｎｍ／分の範囲内とすることにより、１０００℃以上の基板温度で成長させた場合と同等の結晶性を有する再成長層を形成することができる。これにより再成長層表面の平坦性を改善することが可能となり、その後の工程において結晶性の良好な発光層（ＭＱＷ層）やｐ型半導体層を成長させることができる。この結果、発光出力の優れた半導体発光素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子の一例を示した断面模式図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体発光素子を製造する工程を説明するための断面模式図である。
【図３】図３は、図１に示した半導体発光素子を備えるランプの一例を示した断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の半導体発光素子１について、図１を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１４】
図１は、本発明の半導体発光素子１の一例を示した断面模式図である。
図１に示す本実施形態の半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された積層半導体層２０と、積層半導体層２０の上面に積層された透光性電極１５と、透光性電極１５上に積層されたｐ型ボンディングパッド電極１６と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１７と、から概略構成されている。
【００１５】
積層半導体層２０は、基板１１側から、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４がこの順に積層されて構成されている。図１に示すように、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４は、その一部がエッチング等の手段によって除去されており、除去された部分からｎ型半導体層１２の一部が露出されている。そして、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａには、ｎ型電極１７が積層されている。
また、ｐ型半導体層１４の上面には、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６が積層されている。これら、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６によって、ｐ型電極１８が構成されている。
【００１６】
ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いることが好ましく、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることがより好ましい。本発明におけるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００１７】
本実施形態の半導体発光素子１は、ｐ型電極１８とｎ型電極１７との間に電流を通じることで、積層半導体層２０を構成する発光層１３から発光を発せられるようになっており、発光層１３からの光を、ｐ型ボンディングパッド電極１６の形成された側から取り出すフェイスアップマウント型の発光素子である。なお、本発明の半導体発光素子は、フリップチップ型の発光素子であってもよい。
以下、それぞれの構成について詳細に説明する。
【００１８】
＜基板１１＞
基板１１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
【００１９】
（バッファ層２１）
バッファ層２１は、設けられていなくてもよいが、基板１１と下地層２２との格子定数の違いを緩和して、基板１１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にするために、設けられていることが好ましい。バッファ層２１の上に単結晶の下地層２２を積層すると、より一層結晶性の良い下地層２２が積層できる。
【００２０】
バッファ層２１は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものがより好ましい。
バッファ層２１は、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層２１により基板１１と下地層２２との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層２１の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層２１としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層２１の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
【００２１】
バッファ層２１は、多結晶構造又は単結晶構造を有するものとすることができる。このような多結晶構造又は単結晶構造を有するバッファ層２１を基板１１上にＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法にて成膜した場合、バッファ層２１のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
【００２２】
（下地層２２）
下地層２２としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため好ましい。
下地層２２の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。また、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下が好ましい。
下地層２２の結晶性を良くするために、下地層２２には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合には、下地層２２にアクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
【００２３】
＜積層半導体層２０＞
（ｎ型半導体層１２）
ｎ型半導体層１２はさらに、ｎコンタクト層１２ａ（第一ｎ型半導体層１２ｃおよび再成長層１２ｄ）と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）とから構成されている。
【００２４】
（ｎコンタクト層１２ａ）
ｎコンタクト層１２ａは、ｎ型電極１７を設けるための層であり、後述する第一工程において形成された第一ｎ型半導体層１２ｃ（第一工程成長層とも言う）と、後述する第二工程において形成された再成長層１２ｄとからなる。第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとは、好ましくは同一の材料からなるものがよく、第一ｎ型半導体層１２ｃは、再成長層１２ｄよりも厚く形成されている。
また、本実施形態においては、図１に示すように、第一ｎ型半導体層１２ｃにｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａが形成されている。なお、ｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａは、再成長層１２ｄに形成されていてもよい。
【００２５】
ｎコンタクト層１２ａは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましく、ｎ型不純物（ドーパント）がドープされている。ｎコンタクト層１２ａにｎ型不純物が１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有されている場合、ｎ型電極１７との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎコンタクト層１２ａに用いられるｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が挙げられ、ＳｉおよびＧｅが好ましく、Ｓｉが最も好ましい。
【００２６】
ｎコンタクト層１２ａを構成する第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は、０．５〜５μｍであることが好ましく、２μｍ〜４μｍの範囲であることがより好ましい。第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚が上記範囲内であると、半導体の結晶性が良好に維持される。また、ｎコンタクト層１２ａの発光層１３側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分（再成長層１２ｄ）のＭｇ濃度は１×１０１７／ｃｍ３未満となっている。
【００２７】
本実施形態の再成長層１２ｄは、膜厚１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることが好ましい。再成長層１２ｄの膜厚をこの範囲とすることにより、表面が十分に平坦化された再成長層１２ｄを効率的に得ることができる。それに対し、再成長層１２ｄの膜厚が１０ｎｍ未満であると、再成長層１２ｄ表面が十分に平坦化されず、再成長層１２ｄ上の発光層１３やｐ型半導体層１４の結晶性が不十分となる。また、再成長層１２ｄの膜厚が１００ｎｍを超えると、再成長層１２ｄの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。また、ｐ型半導体層１４を形成する際に用いられる第二有機金属化学気相成長装置の成長室内に、ｎ型半導体層１２を形成した後に残されるドーパントや堆積物の量が多くなり、ｎ型半導体層１２を形成する際に用いたドーパントや堆積物に起因するｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなる。
【００２８】
また、本実施形態の再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度は、１×１０１７／ｃｍ３未満であることが好ましく、１×１０１６／ｃｍ３未満であることが特に好ましい。再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、再成長層の抵抗率を十分に低くすることができる。
このとき、Ｍｇの濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上であると、再成長層１２ｄの結晶性が不十分となり、その成長面表面が十分に平坦化されない。また、再成長層１２ｄの抵抗率が十分に低くならず、半導体発光素子に電流を流した際の駆動電圧Ｖｆが高くなり、半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。
【００２９】
ｎクラッド層１２ｂは、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に設けられている。ｎクラッド層１２ｂは、発光層１３へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層であり、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合を緩和する発光層１３のバッファ層としても機能するものである。ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。なお、明細書中各元素の組成比を省略してＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮと記述する場合がある。ｎクラッド層１２ｂをＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層１３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００３０】
ｎクラッド層１２ｂが単層からなるものである場合、ｎクラッド層１２ｂの膜厚は、５〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５〜１００ｎｍである。また、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度がこの範囲である場合、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００３１】
本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂは、単層であってもよいが、組成の異なる２つの薄膜層を繰り返し成長させて１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）程度からなる超格子構造であってもよい。例えば、ｎクラッド層１２ｂが超格子構造からなるものである場合、薄膜層の積層数が２０層以上であると、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合をより効果的に緩和することができ、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。しかし、薄膜層の積層数が８０層を超えると、超格子構造が乱れやすくなる場合もあり、発光層１３に悪影響を来たす恐れが生じる。さらに、ｎクラッド層１２ｂの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
【００３２】
また、ｎクラッド層１２ｂを構成する超格子構造は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第一層と、該ｎ側第一層と組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第二層とが積層されたものであることが好ましく、ｎ側第一層とｎ側第二層とが交互に繰返し積層された構造を含むものであることがより好ましい。
【００３３】
ｎクラッド層１２ｂの超格子構造を構成するｎ側第一層およびｎ側第二層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造、組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造（本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指す）、組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造とすることができ、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造であることが好ましい。
【００３４】
ｎ側第一層およびｎ側第二層の厚みは、それぞれ１００オングストローム以下であることが好ましく、６０オングストローム以下であることがより好ましく、４０オングストローム以下であることがさらに好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｎ側第一層および/またはｎ側第二層の膜厚が１００オングストローム超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。
【００３５】
上記ｎ側第一層およびｎ側第二層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｎクラッド層１２ｂとして、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造を有する超格子構造を用いた場合には、不純物としてＳｉが好適である。また、超格子構造を構成するｎ側第一層およびｎ側第二層は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであって、ドープ構造／未ドープ構造を組み合わせたものであってもよい。
【００３６】
＜発光層１３＞
発光層１３は、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとが交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる。多重量子井戸構造における積層数は３層から１０層であることが好ましく、４層から７層であることがさらに好ましい。
【００３７】
（井戸層１３ｂ）
井戸層１３ｂの厚みは、１５オングストローム以上５０オングストローム以下の範囲であることが好ましい。井戸層１３ｂの厚みが上記範囲内であることにより、より高い発光出力を得ることができる。
また、井戸層１３ｂは、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、青色の波長領域の強い光を発光するものであるため、好ましい。また、井戸層１３ｂには、不純物をドープすることができる。ドーパントとしては、発光強度を増進するものであるＳｉ、Ｇｅを用いることが好ましい。ドープ量は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度が好適である。ドープ量が上記範囲である場合、より発光強度の強いものとなる。
【００３８】
（障壁層１３ａ）
障壁層１３ａの膜厚は、２０オングストローム以上１００オングストローム未満の範囲であることが好ましい。障壁層１３ａの膜厚が薄すぎると、障壁層１３ａ上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、障壁層１３ａの膜厚が厚すぎると、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層１３ａの膜厚は７０オングストローム以下であることがより好ましい。
また、障壁層１３ａは、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。
【００３９】
＜ｐ型半導体層１４＞
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層１４ａおよびｐコンタクト層１４ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐクラッド層１４ａを兼ねることも可能である。
【００４０】
（ｐクラッド層１４ａ）
ｐクラッド層１４ａは、発光層１３へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１４ａとしては、発光層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが好ましい。ｐクラッド層１４ａが、このようなＡｌＧａＮからなるものである場合、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
【００４１】
ｐクラッド層１４ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１４ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。また、ｐクラッド層１４ａは、薄膜を複数回積層してなる超格子構造であってもよい。
【００４２】
ｐクラッド層１４ａが超格子構造を含むものである場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第一層と、該ｐ側第一層と組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第二層とが積層されたものとすることができる。ｐクラッド層１４ａが超格子構造を含むものである場合、ｐ側第一層とｐ側第二層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
【００４３】
ｐクラッド層１４ａの超格子構造を構成するｐ側第一層およびｐ側第二層は、それぞれ異なる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＮのうちの何れの組成であっても良く、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、又はＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であっても良い。本発明においては、ｐ側第一層およびｐ側第二層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造であることが好ましい。
【００４４】
ｐ側第一層およびｐ側第二層の厚みは、それぞれ１００オングストローム以下であることが好ましく、６０オングストローム以下であることがより好ましく、４０オングストローム以下であることがさらに好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｐ側第一層とｐ側第二層の膜厚が１００オングストローム超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。
【００４５】
ｐ側第一層およびｐ側第二層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｐクラッド層として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造を有する超格子構造を用いた場合には、不純物としてＭｇが好適である。また、超格子構造を構成するｐ側第一層およびｐ側第二は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであって、ドープ構造／未ドープ構造を組み合わせたものであってもよい。
【００４６】
（ｐコンタクト層１４ｂ）
ｐコンタクト層１４ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１４ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３を５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有しているものである場合、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えばＭｇを用いることが好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、５０〜２００ｎｍであることがより好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００４７】
＜ｎ型電極１７＞
ｎ型電極１７は、ボンディングパットを兼ねており、積層半導体層２０のｎ型半導体層１２に接するように形成されている。このため、ｎ型電極１７を形成する際には、少なくともｐ半導体層１４および発光層１３の一部を除去してｎ型半導体層１２を露出させ、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ上にボンディングパッドを兼ねるｎ型電極１７を形成する。ｎ型電極１７としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００４８】
（透光性電極１５）
透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の上に積層されるものであり、ｐ型半導体層１４との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、発光層１３からの光を効率良く半導体発光素子１の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
【００４９】
透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｅのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が挙げられる。導電性の酸化物としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＡＺＯ（酸化アルミニウム亜鉛（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３））、ＧＺＯ（酸化ガリウム亜鉛（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３））、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等があげられる。
【００５０】
また、透光性電極１５の構造は、従来公知の構造を含めて如何なる構造であってもよい。透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４のほぼ全面を覆うように形成してもよく、また、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
【００５１】
（ｐ型ボンディングパッド電極１６）
ｐ型ボンディングパッド電極１６はボンディングパットを兼ねており、透光性電極１５の上に積層されている。ｐ型ボンディングパッド電極１６としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
ｐ型ボンディングパッド電極１６は、透光性電極１５上であれば、どこへでも形成することができる。例えばｎ型電極１７から最も遠い位置に形成してもよいし、半導体発光素子１の中心などに形成してもよい。しかし、あまりにもｎ型電極１７に近接した位置に形成すると、ボンディングした際にワイヤ間、ボール間のショートを生じてしまうため好ましくない。
【００５２】
また、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいが、発光の取り出しの妨げになる。例えば、チップ面の面積の半分を超える広い面積を覆った場合、発光の取り出しの妨げとなり、出力が著しく低下する。逆に、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積が小さすぎると、ボンディング作業がしにくくなり、製品の収率を低下させる。具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径１００μｍの円形程度であることが一般的である。
【００５３】
（保護膜層）
図示しない保護膜層は、必要に応じて透光性電極１５の上面および側面と、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ、発光層１３およびｐ型半導体層１４の側面、ｎ型電極１７およびｐ型ボンディングパッド電極１６の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子１の劣化を抑制することができる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において８０％以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。このうちＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３は、ＣＶＤ成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
【００５４】
以下、半導体発光素子１の製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００５５】
本発明の、図１に示す半導体発光素子１の製造方法は、まず、図２に示す積層半導体層２０を製造する。積層半導体層２０の製造方法は、基板１１上に第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する第一工程と、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）と発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する第二工程と、から概略構成されている。以下、図２を用いて各工程について詳細に説明する。
【００５６】
＜第一工程＞
はじめに、サファイア等からなる基板１１を用意する。
次に、基板１１を第一ＭＯＣＶＤ装置（第一有機金属化学気相成長装置）の成長室内に設置し、ＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上に、バッファ層２１と、下地層２２を順次積層する。
【００５７】
（第一ｎ型半導体層１２ｃ積層工程）
次いで下地層２２上に、ｎコンタクト層１２ａの一部を構成する第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する。このとき、第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は０．５〜５μｍ厚で形成することが好ましく、２μｍ〜４μｍ厚で形成することが特に好ましい。上記範囲内で形成することにより、半導体の結晶性を良好に維持できるためである。
【００５８】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる際には、水素雰囲気で、基板温度を１０００℃〜１１００℃の範囲とすることが好ましい。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用い、熱分解によりバッファ層上にＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積させる。ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜８０ｋＰａとすることが好ましく、１５〜６０ｋＰａとすることがより好ましい。キャリアガスは水素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
【００５９】
その後、第一有機金属化学気相成長装置（第一ＭＯＣＶＤ装置）の成長室内からｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を取り出す。
【００６０】
＜第二工程＞
第二工程はさらに、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成する工程と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）を形成する工程と、発光層１３を形成する工程と、ｐ型半導体層１４を形成する工程と、から構成されている。以下それぞれについて詳細を説明する。
【００６１】
（再成長層１２ｄ形成工程）
まず、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を第二有機金属化学気相成長装置（第二ＭＯＣＶＤ装置）の成長室内に設置する。次いで、ＭＯＣＶＤ法によって第一ｎ型半導体層１２ｃ上に、ｎコンタクト層１２ａの再成長層１２ｄを形成する。
【００６２】
本実施形態においては、再成長層１２ｄを形成する前に、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を、窒素とアンモニアを含む雰囲気で熱処理温度５００℃〜１２００℃、好ましくは８００℃〜１１００℃、さらに好ましくは９００℃〜１０００℃の熱処理（サーマルクリーニング）を行うことが好ましい。熱処理の雰囲気は、窒素とアンモニアを含む雰囲気に代えて、例えば、窒素のみの雰囲気としてもよい。なお、水素のみの雰囲気では第一ｎ型半導体層１２ｃが昇華し、結晶性の悪化を招くため好ましくない。また、このときのＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜１００ｋＰａとすることが好ましく、６０〜９５ｋＰａとすることがより好ましい。
【００６３】
このような熱処理を行った場合、第一工程終了後に、ｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１が第一有機金属化学気相成長装置の成長室内から取り出されることによって、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたとしても、再成長層１２ｄを形成する前に汚染物質を除去することができる。その結果、再成長層１２ｄの結晶性が向上して、再成長層１２ｄ上に形成されるｎクラッド層１２ｂや発光層１３の結晶性がより一層良好なものとなる。
なお、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたままである場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがあり、半導体発光素子１の信頼性が低下する。
【００６４】
本実施形態においては、再成長層１２ｄを成長させる際、基板温度を６００℃〜９００℃の範囲とする。基板温度をこのような範囲とすることにより、不純物としてＭｇが混入することを防ぐとともに、十分な結晶性の再成長層１２ｄを成長させることができる。一方、基板１１温度が９００℃を超えると、成長室内に付着したＭｇが再蒸発して再成長層１２ｄ内に不純物として混入するため、再成長層１２ｄの抵抗率が十分に低くならない。また、基板１１温度が６００℃未満であると成膜温度が低すぎて再成長層１２ｄの結晶性が悪化する。その結果、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならず、また、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足する。
【００６５】
また、再成長層１２ｄを成長させる際、原料ガスとしてはトリエチルガリウムを用いることが好ましい。トリエチルガリウムはトリメチルガリウムと比較して蒸気圧が低いため、トリメチルガリウムを原料ガスとして用いた場合と比べて低速度領域での膜厚制御性が良好になる。
【００６６】
また、ここで用いる原料ガスはトリエチルガリウムに限られず、同様に蒸気圧の低いものであれば他のものを用いても構わない。また、この原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は、１００００以上とすることが好ましい。原料ガスのＶ／ＩＩＩ比をこのような範囲とすることにより、結晶性の良好な再成長層１２ｄを成長させることができる。
【００６７】
また、この際のキャリアガスは窒素ガスのみを用いることが好ましいが、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。キャリアガスとして窒素ガスを用いることにより、結晶性の良好な再成長層１２ｄを成長させることができる。
【００６８】
また、本実施形態においては、再成長層１２ｄを１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。膜厚をこの範囲とすることにより、表面の平坦な再成長層１２ｄを効率的に形成することができるためである。それに対し、再成長層１２ｄの膜厚を１０ｎｍ未満とすると、再成長層１２ｄ表面が十分に平坦化されず、再成長層１２ｄ上の発光層１３やｐ型半導体層１４の結晶性に影響が出る。また、再成長層１２ｄの膜厚が１００ｎｍを超えると、成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。また、ｐ型半導体層１４を形成する際に用いられる第二有機金属化学気相成長装置の成長室内に、ｎ型半導体層１２を形成した後に残されるドーパントや堆積物の量が多くなり、ｎ型半導体層１２を形成する際に用いたドーパントや堆積物に起因するｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなり、好ましくない。
【００６９】
また、このときの再成長層１２ｄの成膜速度は、０．２ｎｍ／分〜１０ｎｍ／分の範囲内とすることが好ましく、０．２ｎｍ／分〜５ｎｍ／分の範囲がより好ましく、０．２ｎｍ／分〜２ｎｍ／分の範囲とすることがさらに好ましい。再成長層１２ｄの成膜速度が０．２ｎｍ／分未満であると、成膜処理時間が長くなり、半導体発光素子１の生産性が低下する。また、成膜速度が１０ｎｍ／分を超えると、再成長層１２ｄの結晶性が不十分となる。そのため、再成長層１２ｄ表面が十分に平坦化されず、発光層１３やｐ型半導体層１４の結晶性に影響が出る。
本実施形態のように、基板温度６００℃〜９００℃という比較的低い温度で半導体層を成長させる場合、結晶性の良好な半導体層を形成することは困難である。しかし、上記のＶ／ＩＩＩ比、膜厚および成膜速度とすることにより、良好な結晶性の再成長層１２ｄを形成することができる。また、それにより、再成長層表面の平坦性を改善することが可能となる。
【００７０】
また、本実施形態の再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度は、１×１０１７／ｃｍ３未満とすることが好ましく、１×１０１６／ｃｍ３未満とすることが特に好ましい。再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、再成長層１２ｄの抵抗率を十分に低くできるためである。
Ｍｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３以上とすると、再成長層１２ｄの結晶性が不十分となり、その成長面表面が十分に平坦化されない。また、再成長層１２ｄに電流を流した際の駆動電圧Ｖｆが高くなり、半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。
【００７１】
（ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）形成工程）
次いで、再成長層１２ｄ上に超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する。
まず始めに、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなる図示しないｎ側第一層と、ｎ側第一層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第二層とを交互に１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）繰返し積層する。
【００７２】
（発光層１３形成工程）
次いで、多重量子井戸構造の発光層１３を形成する。まず、井戸層１３ｂと障壁層１３ａとを交互に繰返し積層する。このとき、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配されるように積層することが好ましい。
井戸層１３ｂおよび障壁層１３ａの組成や膜厚は、所定の発光波長になるように適宜設定することができる。また、発光層１３の成長温度は６００〜９００℃とすることができ、キャリアガスとしては窒素ガスを用いることができる。
【００７３】
（ｐ型半導体層１４形成工程）
ｐ型半導体層１４の形成は、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層すればよい。なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第一層と、ｐ側第一層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第二層とを交互に繰返し積層すればよい。
以上のようにして、図２に示す積層半導体層２０が製造される。
【００７４】
その後、積層半導体層２０のｐ型半導体層１４上に透光性電極１５を積層し、例えば一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極１５を除去する。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、所定の領域の積層半導体層２０の一部をエッチングしてｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃの一部を露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａにｎ型電極１７を形成する。
その後、透光性電極１５の上にｐ型ボンディングパッド電極１６を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
【００７５】
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法によれば、第二工程において再成長層１２ｄを形成する際、基板温度を６００℃〜９００℃の範囲とすることにより、Ｍｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とし、再成長層１２ｄの抵抗率を十分に低くすることができる。また、原料ガスとしてトリエチルガリウムを用いることや、再成長層１２ｄの原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１００００以上とすること、再成長層１２ｄの成膜速度を０．２ｎｍ／分〜１０ｎｍ／分の範囲内とすること等により高い結晶性の再成長層１２ｄを形成することができる。また、本実施形態によれば、再成長層１２ｄを従来よりも薄く形成しても同様の効果を得ることができる。そのため、再成長層１２ｄの成膜速度を従来の方法よりも遅くしても、作業効率が低下しない。
これらにより、抵抗率が低く結晶性の高い再成長層１２ｄを得ることができるとともに、再成長層１２ｄの発光層１３側表面を平坦に形成することができる。
【００７６】
この結果、再成長層１２ｄ上に結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂを形成できるとともに、ｎクラッド層１２ｂ上に結晶性の良好な発光層１３を形成することが可能となる。
これらにより、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低く、発光出力（Ｐｏ）の高い半導体発光素子１を得ることができる。また、半導体発光素子１の不良を防ぎ規格内のＬＥＤチップ収得率を向上することが可能となる。
【００７７】
＜ランプ＞
本実施形態のランプは、本発明の半導体発光素子１を備えるものであり、上記の半導体発光素子１と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。例えば、本実施形態のランプにおいては、半導体発光素子１と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術を何ら制限されることなく採用できる。
【００７８】
図３は、図１に示した半導体発光素子１を備えるランプの一例を示した断面模式図である。図３に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図１に示す半導体発光素子１が用いられている。図３に示すように、半導体発光素子１のｐ型ボンディングパッド電極１６がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図３ではフレーム３１）に接続され、半導体発光素子１のｎ型電極１７（ボンディングパッド）がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接続されることにより、半導体発光素子１が実装されている。また、半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
【００７９】
本実施形態のランプ３は、上記の半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、高い発光出力が得られるものとなる。
【００８０】
また、本実施形態のランプ３を組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を備えたものとなる。特に、バックライト、携帯電話、ディスプレイ、ゲーム機、照明などのバッテリ駆動させる電子機器においては、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を具備した優れた製品を提供することができるため、好ましい。
【実施例】
【００８１】
以下に本発明の半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
以下に示す方法により、図１に示す半導体発光素子１を製造した。
実施例１の半導体発光素子１では、サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１、厚さ５μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型半導体層１２ｃと、厚さ２０ｎｍのｎ型ＧａＮ再成長層１２ｄとからなるｎコンタクト層１２ａ、ＧａＩｎＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第一層と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第二層とからなる薄膜層を２０層（ペア数）繰り返し成長させてなる厚さ８０ｎｍの超格子構造のｎクラッド層１２ｂ、厚さ５ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.１５Ｇａ0.8５Ｎ井戸層を６回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層１３、厚さ２０ｎｍのＭｇドープ単層Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂと、を順に積層した。
【００８２】
なお、実施例１の半導体発光素子１では、バッファ層２１、下地層２２、第一ｎ型半導体層１２ｃは、第一有機金属化学気相成長装置（第一ＭＯＣＶＤ装置）を用いて積層（第一工程）し、再成長層１２ｄ、ｎクラッド層１２ｂ、発光層１３、ｐクラッド層１４ａ、ｐコンタクト層１４ｂは、第二有機金属化学気相成長装置（第二ＭＯＣＶＤ装置）を用いて積層（第二工程）した。なお、ここで再成長層１２ｄを形成する前に、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を、窒素とアンモニアを含む雰囲気下で９５０℃の熱処理（サーマルクリーニング）を行った。また、再成長層１２ｄは、以下に示す成長条件で形成した。
【００８３】
「再成長層１２ｄの成長条件」
再成長層１２ｄはトリエチルガリウムと、アンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料を用いて第一ｎ型半導体層１２ｃ上に成膜させた。
このときのＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は４０ｋＰａ、基板温度は７６０℃、キャリアガスはオール窒素とした。また、このときの再成長層１２ｄの成膜速度は、０．２ｎｍ／分であった。
【００８４】
その後、ｐコンタクト層１４ｂ上に、厚さ２００ｎｍのＩＴＯからなる透光性電極１５を一般に知られたフォトリソグラフィの手法により形成した。
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａを形成し、その上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極１７を形成した。
また、透光性電極１５の上に、２００ｎｍのＡｌからなる金属反射層と８０ｎｍのＴｉからなるバリア層と１１００ｎｍのＡｕからなるボンディング層とからなる３層構造のｐ型ボンディングパッド構造１６を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
以上のようにして、図１に示す実施例１の半導体発光素子１を形成した。
【００８５】
このようにして得られた実施例１の半導体発光素子１において、再成長層１２ｄの厚さは２０ｎｍで、そのＭｇ濃度は測定の検出限界である１×１０１７ｃｍ３未満であった。
【００８６】
（比較例１）
従来の製造方法により再成長層１２ｄを形成した。具体的には、トリメチルガリウムと、アンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料を用いて第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄを成膜させた。
このとき、のＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は４０ｋＰａ、基板温度は１０８０℃、キャリアガスはオール水素とした。また、このときの再成長層１２ｄの成膜速度は、３３ｎｍ／分であった。この後の工程においては実施例１と同様な操作を行い、半導体発光素子１を形成した。
【００８７】
このようにして得られた比較例１の半導体発光素子１において再成長層１２ｄの厚さは０．６μｍで、そのＭｇ濃度は２×１０１７ｃｍ３であった。
【００８８】
このようにして得られた実施例１、比較例１の半導体発光素子について、再成長層１２ｄの結晶性を測定した。この測定結果を表１に示す。
また、実施例１、比較例１の半導体発光素子についてＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流０〜１００ｍＡの範囲における発光出力（Ｐｏ）を測定した結果を表２に示す。また、出力変動の測定の結果を表３に示す。
【００８９】
【表１】
【００９０】
【表２】
【００９１】
【表３】
【００９２】
表１に示すように、実施例１の再成長層１２ｄは、比較例１の再成長層１２ｄの結晶性と同等であることが示された。つまり、成長温度を９００℃未満としても、結晶性への影響が生じないことが明らかとなった。
また、表２に示すように、実施例１の半導体発光素子は、比較例１の半導体発光素子と比べて発光出力（Ｐｏ）が高く、高輝度で低消費電力であった。この発光出力（Ｐｏ）の差は、電流を高くするほど顕著に現れた。
また、表３に示すように、実施例１の半導体発光素子は、１００時間の通電後を行ったところ、比較例１と異なりＰｏ低下が見られなかった。つまり、本実施形態の半導体発光素子は、通電後のＰｏ変動が抑制され信頼性が改善されることが示された。
【００９３】
以上により、実施例１の半導体発光素子は、効果的に発光出力を向上させることができ、比較例１の半導体発光素子と比較して、信頼性が改善されることが確認できた。
【符号の説明】
【００９４】
１…半導体発光素子、３…ランプ、１２…ｎ型半導体層、１２ａ…ｎコンタクト層、１２ｂ…ｎクラッド層（第二ｎ型半導体層）、１２ｃ…第一工程成長層（第一ｎ型半導体層）、１２ｄ…再成長層、１３…発光層、１４…ｐ型半導体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法およびランプ、電子機器、機械装置に関し、特に、大電流が印加される場合に好適に用いられ、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子の製造方法およびこの製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えるランプ、電子機器、機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光ダイオードなどに用いられる半導体発光素子として、基板上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層してなるものが知られている。このような半導体発光素子を製造する方法として、サファイア単結晶などからなる基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法）によってｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを連続して順次積層する方法がある。
【０００３】
しかしながら、基板上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを連続して順次積層する場合、これらの層は同一の成長室内で形成されるので、ｎ型半導体層を形成する際に用いたドーパントが成長室内に残留し、ｐ型半導体層を形成する際にドナー性の残留不純物によりアクセプタ不純物が補償され、その結果抵抗率の十分に低いｐ型半導体層が得られない場合があった。
【０００４】
このような問題を解決する技術として、例えば、特許文献１には、所定の基板上に、少なくとも第一導電形の半導体層と第二導電形の半導体層とを順次成膜して化合物半導体装置を製造するに際し、前記それぞれの導電形の半導体層を、導電形に対応した異なる複数の独立した成長室で成膜するようにして成る化合物半導体装置の製造方法が提案されている。
【０００５】
また、最近、半導体発光素子の発光出力を向上させるために、半導体発光素子に大電流が印加される場合が多くなってきており、このような条件にも耐え得る発光特性の優れた半導体発光素子が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平7-45538号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ｎ型半導体層を形成する成長室とｐ型半導体層を形成する成長室とを別々にすると、得られた半導体発光素子の出力が不十分となる場合があった。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、さらに高い出力の得られる半導体発光素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
〔１〕 第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置において、前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する第二工程とを具備し、前記第二工程において、前記再成長層を形成する際の基板温度を、６００℃〜９００℃の範囲とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
〔２〕 前記再成長層を形成する際に、前記再成長層の原料ガスとして、トリエチルガリウムを用いることを特徴とする〔１〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔３〕 前記再成長層を形成する際に、前記再成長層のキャリアガスとして窒素ガスのみを用いることを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔４〕 前記再成長層にＭｇを１×１０１７／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする〔１〕乃至〔３〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔５〕前記再成長層にＭｇを１×１０１６／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする〔４〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔６〕 前記再成長層の成膜速度を０．２ｎｍ／ｍｉｎ〜１０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする〔１〕乃至〔５〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔７〕 前記再成長層の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１００００以上とすることを特徴とする〔２〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔８〕 前記第一ｎ型半導体層形成後から前記再成長層形成前までの間に、窒素とアンモニアを含む雰囲気で５００℃〜１２００℃の範囲の熱処理を行うことを特徴とする〔１〕乃至〔７〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔９〕 基板上に第一ｎ型半導体層と前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体発光素子であって、前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分のＭｇ濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体発光素子。
〔１０〕 前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分が再成長層であることを特徴とする〔９〕に記載の半導体発光素子。
〔１１〕 前記再成長層の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚であることを特徴とする〔１０〕に記載の半導体発光素子。
〔１２〕 前記再成長層に含有されるＭｇ濃度が１×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする〔１０〕または〔１１〕に記載の半導体発光素子。
〔１３〕 〔１〕乃至〔８〕のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔１４〕 〔１３〕に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
〔１５〕 〔１４〕に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、第二の成長室（第二有機金属化学気相成長装置）内で再成長層を形成する工程において、その基板温度を６００℃〜９００℃の範囲とする。基板温度をこのような範囲とすることにより、成長室内に残留したＭｇが再成長層に不純物として混入することを防ぐことができる。これにより、再成長層の抵抗率を十分に低くすることができ、発光出力の優れた半導体発光素子を得ることが可能となる。
【００１１】
また、その際に再成長層の成膜速度を、０．２ｎｍ／分〜１０ｎｍ／分の範囲内とすることにより、１０００℃以上の基板温度で成長させた場合と同等の結晶性を有する再成長層を形成することができる。これにより再成長層表面の平坦性を改善することが可能となり、その後の工程において結晶性の良好な発光層（ＭＱＷ層）やｐ型半導体層を成長させることができる。この結果、発光出力の優れた半導体発光素子を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子の一例を示した断面模式図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体発光素子を製造する工程を説明するための断面模式図である。
【図３】図３は、図１に示した半導体発光素子を備えるランプの一例を示した断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の半導体発光素子１について、図１を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１４】
図１は、本発明の半導体発光素子１の一例を示した断面模式図である。
図１に示す本実施形態の半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された積層半導体層２０と、積層半導体層２０の上面に積層された透光性電極１５と、透光性電極１５上に積層されたｐ型ボンディングパッド電極１６と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１７と、から概略構成されている。
【００１５】
積層半導体層２０は、基板１１側から、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４がこの順に積層されて構成されている。図１に示すように、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４は、その一部がエッチング等の手段によって除去されており、除去された部分からｎ型半導体層１２の一部が露出されている。そして、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａには、ｎ型電極１７が積層されている。
また、ｐ型半導体層１４の上面には、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６が積層されている。これら、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６によって、ｐ型電極１８が構成されている。
【００１６】
ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いることが好ましく、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることがより好ましい。本発明におけるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００１７】
本実施形態の半導体発光素子１は、ｐ型電極１８とｎ型電極１７との間に電流を通じることで、積層半導体層２０を構成する発光層１３から発光を発せられるようになっており、発光層１３からの光を、ｐ型ボンディングパッド電極１６の形成された側から取り出すフェイスアップマウント型の発光素子である。なお、本発明の半導体発光素子は、フリップチップ型の発光素子であってもよい。
以下、それぞれの構成について詳細に説明する。
【００１８】
＜基板１１＞
基板１１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
【００１９】
（バッファ層２１）
バッファ層２１は、設けられていなくてもよいが、基板１１と下地層２２との格子定数の違いを緩和して、基板１１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にするために、設けられていることが好ましい。バッファ層２１の上に単結晶の下地層２２を積層すると、より一層結晶性の良い下地層２２が積層できる。
【００２０】
バッファ層２１は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものがより好ましい。
バッファ層２１は、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層２１により基板１１と下地層２２との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層２１の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層２１としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層２１の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
【００２１】
バッファ層２１は、多結晶構造又は単結晶構造を有するものとすることができる。このような多結晶構造又は単結晶構造を有するバッファ層２１を基板１１上にＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法にて成膜した場合、バッファ層２１のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
【００２２】
（下地層２２）
下地層２２としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため好ましい。
下地層２２の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。また、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下が好ましい。
下地層２２の結晶性を良くするために、下地層２２には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合には、下地層２２にアクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
【００２３】
＜積層半導体層２０＞
（ｎ型半導体層１２）
ｎ型半導体層１２はさらに、ｎコンタクト層１２ａ（第一ｎ型半導体層１２ｃおよび再成長層１２ｄ）と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）とから構成されている。
【００２４】
（ｎコンタクト層１２ａ）
ｎコンタクト層１２ａは、ｎ型電極１７を設けるための層であり、後述する第一工程において形成された第一ｎ型半導体層１２ｃ（第一工程成長層とも言う）と、後述する第二工程において形成された再成長層１２ｄとからなる。第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとは、好ましくは同一の材料からなるものがよく、第一ｎ型半導体層１２ｃは、再成長層１２ｄよりも厚く形成されている。
また、本実施形態においては、図１に示すように、第一ｎ型半導体層１２ｃにｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａが形成されている。なお、ｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａは、再成長層１２ｄに形成されていてもよい。
【００２５】
ｎコンタクト層１２ａは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましく、ｎ型不純物（ドーパント）がドープされている。ｎコンタクト層１２ａにｎ型不純物が１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有されている場合、ｎ型電極１７との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎコンタクト層１２ａに用いられるｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が挙げられ、ＳｉおよびＧｅが好ましく、Ｓｉが最も好ましい。
【００２６】
ｎコンタクト層１２ａを構成する第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は、０．５〜５μｍであることが好ましく、２μｍ〜４μｍの範囲であることがより好ましい。第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚が上記範囲内であると、半導体の結晶性が良好に維持される。また、ｎコンタクト層１２ａの発光層１３側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分（再成長層１２ｄ）のＭｇ濃度は１×１０１７／ｃｍ３未満となっている。
【００２７】
本実施形態の再成長層１２ｄは、膜厚１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることが好ましい。再成長層１２ｄの膜厚をこの範囲とすることにより、表面が十分に平坦化された再成長層１２ｄを効率的に得ることができる。それに対し、再成長層１２ｄの膜厚が１０ｎｍ未満であると、再成長層１２ｄ表面が十分に平坦化されず、再成長層１２ｄ上の発光層１３やｐ型半導体層１４の結晶性が不十分となる。また、再成長層１２ｄの膜厚が１００ｎｍを超えると、再成長層１２ｄの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。また、ｐ型半導体層１４を形成する際に用いられる第二有機金属化学気相成長装置の成長室内に、ｎ型半導体層１２を形成した後に残されるドーパントや堆積物の量が多くなり、ｎ型半導体層１２を形成する際に用いたドーパントや堆積物に起因するｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなる。
【００２８】
また、本実施形態の再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度は、１×１０１７／ｃｍ３未満であることが好ましく、１×１０１６／ｃｍ３未満であることが特に好ましい。再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、再成長層の抵抗率を十分に低くすることができる。
このとき、Ｍｇの濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上であると、再成長層１２ｄの結晶性が不十分となり、その成長面表面が十分に平坦化されない。また、再成長層１２ｄの抵抗率が十分に低くならず、半導体発光素子に電流を流した際の駆動電圧Ｖｆが高くなり、半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。
【００２９】
ｎクラッド層１２ｂは、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に設けられている。ｎクラッド層１２ｂは、発光層１３へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層であり、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合を緩和する発光層１３のバッファ層としても機能するものである。ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。なお、明細書中各元素の組成比を省略してＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮと記述する場合がある。ｎクラッド層１２ｂをＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層１３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００３０】
ｎクラッド層１２ｂが単層からなるものである場合、ｎクラッド層１２ｂの膜厚は、５〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５〜１００ｎｍである。また、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度がこの範囲である場合、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００３１】
本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂは、単層であってもよいが、組成の異なる２つの薄膜層を繰り返し成長させて１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）程度からなる超格子構造であってもよい。例えば、ｎクラッド層１２ｂが超格子構造からなるものである場合、薄膜層の積層数が２０層以上であると、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合をより効果的に緩和することができ、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。しかし、薄膜層の積層数が８０層を超えると、超格子構造が乱れやすくなる場合もあり、発光層１３に悪影響を来たす恐れが生じる。さらに、ｎクラッド層１２ｂの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
【００３２】
また、ｎクラッド層１２ｂを構成する超格子構造は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第一層と、該ｎ側第一層と組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第二層とが積層されたものであることが好ましく、ｎ側第一層とｎ側第二層とが交互に繰返し積層された構造を含むものであることがより好ましい。
【００３３】
ｎクラッド層１２ｂの超格子構造を構成するｎ側第一層およびｎ側第二層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造、組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造（本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指す）、組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造とすることができ、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造であることが好ましい。
【００３４】
ｎ側第一層およびｎ側第二層の厚みは、それぞれ１００オングストローム以下であることが好ましく、６０オングストローム以下であることがより好ましく、４０オングストローム以下であることがさらに好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｎ側第一層および/またはｎ側第二層の膜厚が１００オングストローム超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。
【００３５】
上記ｎ側第一層およびｎ側第二層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｎクラッド層１２ｂとして、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造を有する超格子構造を用いた場合には、不純物としてＳｉが好適である。また、超格子構造を構成するｎ側第一層およびｎ側第二層は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであって、ドープ構造／未ドープ構造を組み合わせたものであってもよい。
【００３６】
＜発光層１３＞
発光層１３は、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとが交互に複数積層された多重量子井戸構造からなる。多重量子井戸構造における積層数は３層から１０層であることが好ましく、４層から７層であることがさらに好ましい。
【００３７】
（井戸層１３ｂ）
井戸層１３ｂの厚みは、１５オングストローム以上５０オングストローム以下の範囲であることが好ましい。井戸層１３ｂの厚みが上記範囲内であることにより、より高い発光出力を得ることができる。
また、井戸層１３ｂは、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、青色の波長領域の強い光を発光するものであるため、好ましい。また、井戸層１３ｂには、不純物をドープすることができる。ドーパントとしては、発光強度を増進するものであるＳｉ、Ｇｅを用いることが好ましい。ドープ量は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度が好適である。ドープ量が上記範囲である場合、より発光強度の強いものとなる。
【００３８】
（障壁層１３ａ）
障壁層１３ａの膜厚は、２０オングストローム以上１００オングストローム未満の範囲であることが好ましい。障壁層１３ａの膜厚が薄すぎると、障壁層１３ａ上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、障壁層１３ａの膜厚が厚すぎると、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層１３ａの膜厚は７０オングストローム以下であることがより好ましい。
また、障壁層１３ａは、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。
【００３９】
＜ｐ型半導体層１４＞
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層１４ａおよびｐコンタクト層１４ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐクラッド層１４ａを兼ねることも可能である。
【００４０】
（ｐクラッド層１４ａ）
ｐクラッド層１４ａは、発光層１３へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１４ａとしては、発光層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが好ましい。ｐクラッド層１４ａが、このようなＡｌＧａＮからなるものである場合、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
【００４１】
ｐクラッド層１４ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１４ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。また、ｐクラッド層１４ａは、薄膜を複数回積層してなる超格子構造であってもよい。
【００４２】
ｐクラッド層１４ａが超格子構造を含むものである場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第一層と、該ｐ側第一層と組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第二層とが積層されたものとすることができる。ｐクラッド層１４ａが超格子構造を含むものである場合、ｐ側第一層とｐ側第二層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
【００４３】
ｐクラッド層１４ａの超格子構造を構成するｐ側第一層およびｐ側第二層は、それぞれ異なる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＮのうちの何れの組成であっても良く、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、又はＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であっても良い。本発明においては、ｐ側第一層およびｐ側第二層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造であることが好ましい。
【００４４】
ｐ側第一層およびｐ側第二層の厚みは、それぞれ１００オングストローム以下であることが好ましく、６０オングストローム以下であることがより好ましく、４０オングストローム以下であることがさらに好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｐ側第一層とｐ側第二層の膜厚が１００オングストローム超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。
【００４５】
ｐ側第一層およびｐ側第二層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｐクラッド層として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造を有する超格子構造を用いた場合には、不純物としてＭｇが好適である。また、超格子構造を構成するｐ側第一層およびｐ側第二は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであって、ドープ構造／未ドープ構造を組み合わせたものであってもよい。
【００４６】
（ｐコンタクト層１４ｂ）
ｐコンタクト層１４ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１４ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３を５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有しているものである場合、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えばＭｇを用いることが好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、５０〜２００ｎｍであることがより好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００４７】
＜ｎ型電極１７＞
ｎ型電極１７は、ボンディングパットを兼ねており、積層半導体層２０のｎ型半導体層１２に接するように形成されている。このため、ｎ型電極１７を形成する際には、少なくともｐ半導体層１４および発光層１３の一部を除去してｎ型半導体層１２を露出させ、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ上にボンディングパッドを兼ねるｎ型電極１７を形成する。ｎ型電極１７としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００４８】
（透光性電極１５）
透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の上に積層されるものであり、ｐ型半導体層１４との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、発光層１３からの光を効率良く半導体発光素子１の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
【００４９】
透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｅのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が挙げられる。導電性の酸化物としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＡＺＯ（酸化アルミニウム亜鉛（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３））、ＧＺＯ（酸化ガリウム亜鉛（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３））、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等があげられる。
【００５０】
また、透光性電極１５の構造は、従来公知の構造を含めて如何なる構造であってもよい。透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４のほぼ全面を覆うように形成してもよく、また、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
【００５１】
（ｐ型ボンディングパッド電極１６）
ｐ型ボンディングパッド電極１６はボンディングパットを兼ねており、透光性電極１５の上に積層されている。ｐ型ボンディングパッド電極１６としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
ｐ型ボンディングパッド電極１６は、透光性電極１５上であれば、どこへでも形成することができる。例えばｎ型電極１７から最も遠い位置に形成してもよいし、半導体発光素子１の中心などに形成してもよい。しかし、あまりにもｎ型電極１７に近接した位置に形成すると、ボンディングした際にワイヤ間、ボール間のショートを生じてしまうため好ましくない。
【００５２】
また、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいが、発光の取り出しの妨げになる。例えば、チップ面の面積の半分を超える広い面積を覆った場合、発光の取り出しの妨げとなり、出力が著しく低下する。逆に、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積が小さすぎると、ボンディング作業がしにくくなり、製品の収率を低下させる。具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径１００μｍの円形程度であることが一般的である。
【００５３】
（保護膜層）
図示しない保護膜層は、必要に応じて透光性電極１５の上面および側面と、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ、発光層１３およびｐ型半導体層１４の側面、ｎ型電極１７およびｐ型ボンディングパッド電極１６の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子１の劣化を抑制することができる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において８０％以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。このうちＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３は、ＣＶＤ成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
【００５４】
以下、半導体発光素子１の製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００５５】
本発明の、図１に示す半導体発光素子１の製造方法は、まず、図２に示す積層半導体層２０を製造する。積層半導体層２０の製造方法は、基板１１上に第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する第一工程と、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）と発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する第二工程と、から概略構成されている。以下、図２を用いて各工程について詳細に説明する。
【００５６】
＜第一工程＞
はじめに、サファイア等からなる基板１１を用意する。
次に、基板１１を第一ＭＯＣＶＤ装置（第一有機金属化学気相成長装置）の成長室内に設置し、ＭＯＣＶＤ法によって、基板１１上に、バッファ層２１と、下地層２２を順次積層する。
【００５７】
（第一ｎ型半導体層１２ｃ積層工程）
次いで下地層２２上に、ｎコンタクト層１２ａの一部を構成する第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する。このとき、第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は０．５〜５μｍ厚で形成することが好ましく、２μｍ〜４μｍ厚で形成することが特に好ましい。上記範囲内で形成することにより、半導体の結晶性を良好に維持できるためである。
【００５８】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる際には、水素雰囲気で、基板温度を１０００℃〜１１００℃の範囲とすることが好ましい。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用い、熱分解によりバッファ層上にＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積させる。ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜８０ｋＰａとすることが好ましく、１５〜６０ｋＰａとすることがより好ましい。キャリアガスは水素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
【００５９】
その後、第一有機金属化学気相成長装置（第一ＭＯＣＶＤ装置）の成長室内からｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を取り出す。
【００６０】
＜第二工程＞
第二工程はさらに、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成する工程と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）を形成する工程と、発光層１３を形成する工程と、ｐ型半導体層１４を形成する工程と、から構成されている。以下それぞれについて詳細を説明する。
【００６１】
（再成長層１２ｄ形成工程）
まず、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を第二有機金属化学気相成長装置（第二ＭＯＣＶＤ装置）の成長室内に設置する。次いで、ＭＯＣＶＤ法によって第一ｎ型半導体層１２ｃ上に、ｎコンタクト層１２ａの再成長層１２ｄを形成する。
【００６２】
本実施形態においては、再成長層１２ｄを形成する前に、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を、窒素とアンモニアを含む雰囲気で熱処理温度５００℃〜１２００℃、好ましくは８００℃〜１１００℃、さらに好ましくは９００℃〜１０００℃の熱処理（サーマルクリーニング）を行うことが好ましい。熱処理の雰囲気は、窒素とアンモニアを含む雰囲気に代えて、例えば、窒素のみの雰囲気としてもよい。なお、水素のみの雰囲気では第一ｎ型半導体層１２ｃが昇華し、結晶性の悪化を招くため好ましくない。また、このときのＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜１００ｋＰａとすることが好ましく、６０〜９５ｋＰａとすることがより好ましい。
【００６３】
このような熱処理を行った場合、第一工程終了後に、ｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１が第一有機金属化学気相成長装置の成長室内から取り出されることによって、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたとしても、再成長層１２ｄを形成する前に汚染物質を除去することができる。その結果、再成長層１２ｄの結晶性が向上して、再成長層１２ｄ上に形成されるｎクラッド層１２ｂや発光層１３の結晶性がより一層良好なものとなる。
なお、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたままである場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがあり、半導体発光素子１の信頼性が低下する。
【００６４】
本実施形態においては、再成長層１２ｄを成長させる際、基板温度を６００℃〜９００℃の範囲とする。基板温度をこのような範囲とすることにより、不純物としてＭｇが混入することを防ぐとともに、十分な結晶性の再成長層１２ｄを成長させることができる。一方、基板１１温度が９００℃を超えると、成長室内に付着したＭｇが再蒸発して再成長層１２ｄ内に不純物として混入するため、再成長層１２ｄの抵抗率が十分に低くならない。また、基板１１温度が６００℃未満であると成膜温度が低すぎて再成長層１２ｄの結晶性が悪化する。その結果、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならず、また、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足する。
【００６５】
また、再成長層１２ｄを成長させる際、原料ガスとしてはトリエチルガリウムを用いることが好ましい。トリエチルガリウムはトリメチルガリウムと比較して蒸気圧が低いため、トリメチルガリウムを原料ガスとして用いた場合と比べて低速度領域での膜厚制御性が良好になる。
【００６６】
また、ここで用いる原料ガスはトリエチルガリウムに限られず、同様に蒸気圧の低いものであれば他のものを用いても構わない。また、この原料ガスのＶ／ＩＩＩ比は、１００００以上とすることが好ましい。原料ガスのＶ／ＩＩＩ比をこのような範囲とすることにより、結晶性の良好な再成長層１２ｄを成長させることができる。
【００６７】
また、この際のキャリアガスは窒素ガスのみを用いることが好ましいが、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。キャリアガスとして窒素ガスを用いることにより、結晶性の良好な再成長層１２ｄを成長させることができる。
【００６８】
また、本実施形態においては、再成長層１２ｄを１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚で形成することが好ましい。膜厚をこの範囲とすることにより、表面の平坦な再成長層１２ｄを効率的に形成することができるためである。それに対し、再成長層１２ｄの膜厚を１０ｎｍ未満とすると、再成長層１２ｄ表面が十分に平坦化されず、再成長層１２ｄ上の発光層１３やｐ型半導体層１４の結晶性に影響が出る。また、再成長層１２ｄの膜厚が１００ｎｍを超えると、成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。また、ｐ型半導体層１４を形成する際に用いられる第二有機金属化学気相成長装置の成長室内に、ｎ型半導体層１２を形成した後に残されるドーパントや堆積物の量が多くなり、ｎ型半導体層１２を形成する際に用いたドーパントや堆積物に起因するｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなり、好ましくない。
【００６９】
また、このときの再成長層１２ｄの成膜速度は、０．２ｎｍ／分〜１０ｎｍ／分の範囲内とすることが好ましく、０．２ｎｍ／分〜５ｎｍ／分の範囲がより好ましく、０．２ｎｍ／分〜２ｎｍ／分の範囲とすることがさらに好ましい。再成長層１２ｄの成膜速度が０．２ｎｍ／分未満であると、成膜処理時間が長くなり、半導体発光素子１の生産性が低下する。また、成膜速度が１０ｎｍ／分を超えると、再成長層１２ｄの結晶性が不十分となる。そのため、再成長層１２ｄ表面が十分に平坦化されず、発光層１３やｐ型半導体層１４の結晶性に影響が出る。
本実施形態のように、基板温度６００℃〜９００℃という比較的低い温度で半導体層を成長させる場合、結晶性の良好な半導体層を形成することは困難である。しかし、上記のＶ／ＩＩＩ比、膜厚および成膜速度とすることにより、良好な結晶性の再成長層１２ｄを形成することができる。また、それにより、再成長層表面の平坦性を改善することが可能となる。
【００７０】
また、本実施形態の再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度は、１×１０１７／ｃｍ３未満とすることが好ましく、１×１０１６／ｃｍ３未満とすることが特に好ましい。再成長層１２ｄに含まれるＭｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とすることにより、再成長層１２ｄの抵抗率を十分に低くできるためである。
Ｍｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３以上とすると、再成長層１２ｄの結晶性が不十分となり、その成長面表面が十分に平坦化されない。また、再成長層１２ｄに電流を流した際の駆動電圧Ｖｆが高くなり、半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。
【００７１】
（ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）形成工程）
次いで、再成長層１２ｄ上に超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する。
まず始めに、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなる図示しないｎ側第一層と、ｎ側第一層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第二層とを交互に１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）繰返し積層する。
【００７２】
（発光層１３形成工程）
次いで、多重量子井戸構造の発光層１３を形成する。まず、井戸層１３ｂと障壁層１３ａとを交互に繰返し積層する。このとき、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配されるように積層することが好ましい。
井戸層１３ｂおよび障壁層１３ａの組成や膜厚は、所定の発光波長になるように適宜設定することができる。また、発光層１３の成長温度は６００〜９００℃とすることができ、キャリアガスとしては窒素ガスを用いることができる。
【００７３】
（ｐ型半導体層１４形成工程）
ｐ型半導体層１４の形成は、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層すればよい。なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第一層と、ｐ側第一層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第二層とを交互に繰返し積層すればよい。
以上のようにして、図２に示す積層半導体層２０が製造される。
【００７４】
その後、積層半導体層２０のｐ型半導体層１４上に透光性電極１５を積層し、例えば一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極１５を除去する。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、所定の領域の積層半導体層２０の一部をエッチングしてｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃの一部を露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａにｎ型電極１７を形成する。
その後、透光性電極１５の上にｐ型ボンディングパッド電極１６を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
【００７５】
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法によれば、第二工程において再成長層１２ｄを形成する際、基板温度を６００℃〜９００℃の範囲とすることにより、Ｍｇの濃度を１×１０１７／ｃｍ３未満とし、再成長層１２ｄの抵抗率を十分に低くすることができる。また、原料ガスとしてトリエチルガリウムを用いることや、再成長層１２ｄの原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を１００００以上とすること、再成長層１２ｄの成膜速度を０．２ｎｍ／分〜１０ｎｍ／分の範囲内とすること等により高い結晶性の再成長層１２ｄを形成することができる。また、本実施形態によれば、再成長層１２ｄを従来よりも薄く形成しても同様の効果を得ることができる。そのため、再成長層１２ｄの成膜速度を従来の方法よりも遅くしても、作業効率が低下しない。
これらにより、抵抗率が低く結晶性の高い再成長層１２ｄを得ることができるとともに、再成長層１２ｄの発光層１３側表面を平坦に形成することができる。
【００７６】
この結果、再成長層１２ｄ上に結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂを形成できるとともに、ｎクラッド層１２ｂ上に結晶性の良好な発光層１３を形成することが可能となる。
これらにより、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低く、発光出力（Ｐｏ）の高い半導体発光素子１を得ることができる。また、半導体発光素子１の不良を防ぎ規格内のＬＥＤチップ収得率を向上することが可能となる。
【００７７】
＜ランプ＞
本実施形態のランプは、本発明の半導体発光素子１を備えるものであり、上記の半導体発光素子１と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。例えば、本実施形態のランプにおいては、半導体発光素子１と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術を何ら制限されることなく採用できる。
【００７８】
図３は、図１に示した半導体発光素子１を備えるランプの一例を示した断面模式図である。図３に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図１に示す半導体発光素子１が用いられている。図３に示すように、半導体発光素子１のｐ型ボンディングパッド電極１６がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図３ではフレーム３１）に接続され、半導体発光素子１のｎ型電極１７（ボンディングパッド）がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接続されることにより、半導体発光素子１が実装されている。また、半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
【００７９】
本実施形態のランプ３は、上記の半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、高い発光出力が得られるものとなる。
【００８０】
また、本実施形態のランプ３を組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を備えたものとなる。特に、バックライト、携帯電話、ディスプレイ、ゲーム機、照明などのバッテリ駆動させる電子機器においては、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を具備した優れた製品を提供することができるため、好ましい。
【実施例】
【００８１】
以下に本発明の半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
以下に示す方法により、図１に示す半導体発光素子１を製造した。
実施例１の半導体発光素子１では、サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１、厚さ５μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型半導体層１２ｃと、厚さ２０ｎｍのｎ型ＧａＮ再成長層１２ｄとからなるｎコンタクト層１２ａ、ＧａＩｎＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第一層と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第二層とからなる薄膜層を２０層（ペア数）繰り返し成長させてなる厚さ８０ｎｍの超格子構造のｎクラッド層１２ｂ、厚さ５ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ３．５ｎｍのＩｎ0.１５Ｇａ0.8５Ｎ井戸層を６回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層１３、厚さ２０ｎｍのＭｇドープ単層Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ１５０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂと、を順に積層した。
【００８２】
なお、実施例１の半導体発光素子１では、バッファ層２１、下地層２２、第一ｎ型半導体層１２ｃは、第一有機金属化学気相成長装置（第一ＭＯＣＶＤ装置）を用いて積層（第一工程）し、再成長層１２ｄ、ｎクラッド層１２ｂ、発光層１３、ｐクラッド層１４ａ、ｐコンタクト層１４ｂは、第二有機金属化学気相成長装置（第二ＭＯＣＶＤ装置）を用いて積層（第二工程）した。なお、ここで再成長層１２ｄを形成する前に、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を、窒素とアンモニアを含む雰囲気下で９５０℃の熱処理（サーマルクリーニング）を行った。また、再成長層１２ｄは、以下に示す成長条件で形成した。
【００８３】
「再成長層１２ｄの成長条件」
再成長層１２ｄはトリエチルガリウムと、アンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料を用いて第一ｎ型半導体層１２ｃ上に成膜させた。
このときのＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は４０ｋＰａ、基板温度は７６０℃、キャリアガスはオール窒素とした。また、このときの再成長層１２ｄの成膜速度は、０．２ｎｍ／分であった。
【００８４】
その後、ｐコンタクト層１４ｂ上に、厚さ２００ｎｍのＩＴＯからなる透光性電極１５を一般に知られたフォトリソグラフィの手法により形成した。
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａを形成し、その上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極１７を形成した。
また、透光性電極１５の上に、２００ｎｍのＡｌからなる金属反射層と８０ｎｍのＴｉからなるバリア層と１１００ｎｍのＡｕからなるボンディング層とからなる３層構造のｐ型ボンディングパッド構造１６を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
以上のようにして、図１に示す実施例１の半導体発光素子１を形成した。
【００８５】
このようにして得られた実施例１の半導体発光素子１において、再成長層１２ｄの厚さは２０ｎｍで、そのＭｇ濃度は測定の検出限界である１×１０１７ｃｍ３未満であった。
【００８６】
（比較例１）
従来の製造方法により再成長層１２ｄを形成した。具体的には、トリメチルガリウムと、アンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料を用いて第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄを成膜させた。
このとき、のＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は４０ｋＰａ、基板温度は１０８０℃、キャリアガスはオール水素とした。また、このときの再成長層１２ｄの成膜速度は、３３ｎｍ／分であった。この後の工程においては実施例１と同様な操作を行い、半導体発光素子１を形成した。
【００８７】
このようにして得られた比較例１の半導体発光素子１において再成長層１２ｄの厚さは０．６μｍで、そのＭｇ濃度は２×１０１７ｃｍ３であった。
【００８８】
このようにして得られた実施例１、比較例１の半導体発光素子について、再成長層１２ｄの結晶性を測定した。この測定結果を表１に示す。
また、実施例１、比較例１の半導体発光素子についてＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流０〜１００ｍＡの範囲における発光出力（Ｐｏ）を測定した結果を表２に示す。また、出力変動の測定の結果を表３に示す。
【００８９】
【表１】
【００９０】
【表２】
【００９１】
【表３】
【００９２】
表１に示すように、実施例１の再成長層１２ｄは、比較例１の再成長層１２ｄの結晶性と同等であることが示された。つまり、成長温度を９００℃未満としても、結晶性への影響が生じないことが明らかとなった。
また、表２に示すように、実施例１の半導体発光素子は、比較例１の半導体発光素子と比べて発光出力（Ｐｏ）が高く、高輝度で低消費電力であった。この発光出力（Ｐｏ）の差は、電流を高くするほど顕著に現れた。
また、表３に示すように、実施例１の半導体発光素子は、１００時間の通電後を行ったところ、比較例１と異なりＰｏ低下が見られなかった。つまり、本実施形態の半導体発光素子は、通電後のＰｏ変動が抑制され信頼性が改善されることが示された。
【００９３】
以上により、実施例１の半導体発光素子は、効果的に発光出力を向上させることができ、比較例１の半導体発光素子と比較して、信頼性が改善されることが確認できた。
【符号の説明】
【００９４】
１…半導体発光素子、３…ランプ、１２…ｎ型半導体層、１２ａ…ｎコンタクト層、１２ｂ…ｎクラッド層（第二ｎ型半導体層）、１２ｃ…第一工程成長層（第一ｎ型半導体層）、１２ｄ…再成長層、１３…発光層、１４…ｐ型半導体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、
第二有機金属化学気相成長装置において、前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する第二工程とを具備し、
前記第二工程において、前記再成長層を形成する際の基板温度を、６００℃〜９００℃の範囲とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記再成長層を形成する際に、前記再成長層の原料ガスとして、トリエチルガリウムを用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記再成長層を形成する際に、前記再成長層のキャリアガスとして窒素ガスのみを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記再成長層にＭｇを１×１０１７／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記再成長層にＭｇを１×１０１６／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記再成長層の成膜速度を０．２ｎｍ／ｍｉｎ〜１０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記再成長層の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１００００以上とすることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第一ｎ型半導体層形成後から前記再成長層形成前までの間に、窒素とアンモニアを含む雰囲気で５００℃〜１２００℃の範囲の熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
基板上に第一ｎ型半導体層と前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体発光素子であって、前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分のＭｇ濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分が再成長層であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記再成長層の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記再成長層に含有されるＭｇ濃度が１×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
【請求項１】
第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、
第二有機金属化学気相成長装置において、前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する第二工程とを具備し、
前記第二工程において、前記再成長層を形成する際の基板温度を、６００℃〜９００℃の範囲とすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記再成長層を形成する際に、前記再成長層の原料ガスとして、トリエチルガリウムを用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記再成長層を形成する際に、前記再成長層のキャリアガスとして窒素ガスのみを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記再成長層にＭｇを１×１０１７／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記再成長層にＭｇを１×１０１６／ｃｍ３未満の濃度で含有させることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記再成長層の成膜速度を０．２ｎｍ／ｍｉｎ〜１０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
前記再成長層の原料ガスのＶ／ＩＩＩ比を、１００００以上とすることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記第一ｎ型半導体層形成後から前記再成長層形成前までの間に、窒素とアンモニアを含む雰囲気で５００℃〜１２００℃の範囲の熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
基板上に第一ｎ型半導体層と前記第一ｎ型半導体層の再成長層と第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層された半導体発光素子であって、前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分のＭｇ濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第一ｎ型半導体層の前記発光層側０ｎｍ〜１０ｎｍの部分が再成長層であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記再成長層の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍの膜厚であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記再成長層に含有されるＭｇ濃度が１×１０１６／ｃｍ３未満であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１８１６７３（Ｐ２０１１−１８１６７３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４４２６８（Ｐ２０１０−４４２６８）
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１日（２０１０．３．１）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]