ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法およびＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置
【課題】第一ｎ型半導体層のドーパント濃度に起因する結晶性の低下が生じにくく、かつ、高い出力の得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびそ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、基板上に第一ｎ型半導体層を形成する第一工程と、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型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一ｎ型半導体層の再成長層、第二ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層する第二工程と、を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、基板上に第一ｎ型半導体層を形成する第一工程と、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型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一ｎ型半導体層の再成長層、第二ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層する第二工程と、を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法およびＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長の光を発光する発光素子用の半導体材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体が注目を集めている。一般にＩＩＩ族窒化物半導体は、サファイア単結晶を始めとする種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶等を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）あるいは水素化物気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）等によって積層されて形成される。
【０００３】
現在のところ広く一般に採用されている結晶成長方法は、サファイアやＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等からなる基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法）を用いて順次積層する方法である。
そして、各半導体層の成長後、基板もしくはｎ型半導体層に負極を形成し、ｐ型半導体層に正極を形成することによって発光素子が得られる。
【０００４】
しかしながら、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを基板上に連続して積層する方法では、これらの層が同一の成長室内で形成されるため、ｎ型半導体層を形成する際に用いた不純物が発光層およびｐ型半導体層の形成に支障をきたしやすい。そのため、抵抗率の低いｐ型半導体層を形成することが困難であった。
【０００５】
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。
【０００６】
また、最近、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光出力を向上させるために、ＩＩＩ族窒化物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いる。そのため、このような条件にも耐え得る発光特性の優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
半導体層を、導電形に応じて異なる成長室で成膜する方法としては、ｎ型半導体層のうち第一ｎ型半導体層までを第一有機金属化学気相成長装置（第一の成長室）で形成したのちに、第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層を、第二有機金属化学気相成長装置（第二の成長室）で積層する方法が知られている。
しかし、基板を第一有機金属化学気相成長装置から第二有機金属化学気相成長装置に移す際に第一ｎ型半導体層の表面が劣化するため、発光層とｐ型半導体層の結晶性が低下するという問題があった。
また、従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、大電流を印加すると、電流が拡散しづらいという問題があった。電流を拡散させるためには、第一ｎ型半導体層のドーパント濃度を高くし、第一ｎ型半導体層のシート抵抗を低くすることが望ましいが、第一ｎ型半導体層全体のドーパント濃度を高めると、第一ｎ型半導体層の結晶性が低下する。このため、第一ｎ型半導体層に孔があいてリーク電流が発生し、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の不良の原因となる。また、ドーパント濃度を高めると第一ｎ型半導体層の応力が高まるため、第一ｎ型半導体層上に、結晶性の高い発光層とｐ型半導体層を形成することができない。また、大口径基板上に第一ｎ型半導体層を成長させる場合に応力が大きくなり、さらに、基板のそり量も大きくなるので結晶性の低下を招きやすい。直径４インチ、特に、６インチ以上の基板に対して重要な課題である。このため、十分な発光出力のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成することができなかった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、第一ｎ型半導体層のドーパント濃度に起因する結晶性の低下が生じにくく、かつ、高い出力の得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔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型半導体層を形成する第一工程と、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型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一ｎ型半導体層の再成長層、第二ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層する第二工程と、を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔２〕 前記第一ｎ型半導体層と前記再成長層のドーパントがＳｉであることを特徴とする〔１〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔３〕 前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３であり、前記再成長層のドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であることを特徴とする〔２〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔４〕 前記再成長層を形成する前に、前記有機金属化学気相成長装置内において窒素とアンモニアを含む雰囲気中で、圧力１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ、前記基板温度５００℃〜１０００℃の条件下で熱処理を行うことを特徴とする〔１〕乃至〔３〕のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔５〕 基板上に、第一ｎ型半導体層と、前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一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てなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
〔６〕 前記ｐ型半導体層および発光層の一部が切り欠けられて前記再成長層の一部が露出され、露出された前記再成長層上にｎ型電極が形成されていることを特徴とする〔５〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
〔７〕 〔５〕または〔６〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔８〕 〔７〕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。
〔９〕 〔８〕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】
【００１１】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、第一有機金属化学気相成長装置において第一ｎ型半導体層を形成し、次いで第二有機金属化学気相成長装置に基板を移すことにより、第一ｎ型半導体層が一旦冷却される。このため、第一ｎ型半導体層がそれまでに被った熱履歴等によるストレス（残留応力）を低減できる。また、第一ｎ型半導体層が、発光層及びｐ型半導体層とは別の成長室内で形成されるなるため、第一ｎ型半導体層を形成する際に用いたドーパントに起因する発光層及びｐ型半導体層の不良を生じにくくすることができる。
また、第一ｎ型半導体層上に当該第一ｎ型半導体層の再成長層を形成することにより、第一ｎ型半導体層表面の劣化による影響を抑えることができる。また、第一ｎ型半導体層全体のドーパント濃度を高めるのではなく、再成長層の部分のみ高めることにより、結晶性の高い第一ｎ型半導体層を形成できる。このため、ドーパント濃度に起因する第一ｎ型半導体層の応力増加や結晶性低下を防ぐことができる。このため、第一ｎ型半導体層への孔の発生を抑えることができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の不良発生を抑えることができる。また、その後の工程において、再成長層上に、結晶性の高い発光層およびｐ型半導体層を形成できる。
また、再成長層のドーパント濃度を高めることにより、再成長層のシート抵抗が低下する。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子へ大電流を印加した際に、電流を再成長層において効果的に拡散できる。このため、発光層における発光が均一となり、特に大電流を印加した場合のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光出力を向上することができる。
【００１２】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子によれば、第一ｎ型半導体層全体ではなく、再成長層の部分に、第一ｎ型半導体層よりも高濃度のドーパントが含有されているため、ドーパント濃度に起因する第一ｎ型半導体層の応力増加や結晶性低下を防ぐことができる。
また、当該第一ｎ型半導体層よりもドーパント濃度の高い再成長層が、第一ｎ型半導体層と発光層との間に形成されているため、電流が再成長層において拡散される。このため、発光層における発光が均一となり、特に大電流をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に印加した場合の発光出力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を用いて製造されたＩＩＩ族窒化物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ＩＩＩ族窒化物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ＩＩＩ族窒化物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】
【００１４】
以下、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１について、図１を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、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。
【００１５】
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００１６】
ここで、積層半導体層２０は、基板１１側から、少なくとも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。また、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（第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄ）の一部が露出されている。また、ｎ型電極１７が、露出面２０ａ上に積層されている。
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。また、ｐ型電極１８が、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６によって構成されている。
【００１７】
また、上記ｎ型半導体層１２は、第一ｎ型半導体層としてのｎコンタクト層１２ａ（第一ｎ型半導体層１２ｃおよび第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄ）と、第二ｎ型半導体層としてのｎクラッド層１２ｂと、から構成されている。
また、上記ｐ型半導体層１４は、第一ｐ型半導体層としてのｐクラッド層１４ａと、第二ｐ型半導体層としてのｐコンタクト層１４ｂと、から構成されている。
また、前記積層半導体層２０は、後述のバッファ層２１と下地層２２とを含めてもよい。
【００１８】
また、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。
【００１９】
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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いる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、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ことが可能な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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、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。
【００２０】
＜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、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化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。また、基板１１の主面側に少なくとも規則的な凹凸形状を設けてもよい。
【００２１】
（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。
【００２２】
バッファ層２１は、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが特に好ましいが、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものであってもかまわない。
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０．０１μｍ〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の膜厚が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を緩和することができない場合がある。また、バッファ層２１の膜厚が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。
【００２３】
また、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。
【００２４】
（下地層２２）
下地層２２の材料としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため特に好ましいが、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いてもかまわない。
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以上であることが最も好ましい。下地層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層）２２は１μｍ以上の膜厚で形成されることにより、結晶性が良好となる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の小型化や、形成時間の短縮の観点により、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
また、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ことが望ましい。
本実施形態の下地層２２は後述するｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４とは、異なる成長室で形成されたものである。そのため、下地層２２には、ｎ型半導体層１２およびｐ型半導体層１４形成で用いられたＳｉ、Ｍｇ、Ｉｎなどの不純物は混入しない。そのため、結晶性の高い下地層２２が形成される。
【００２６】
＜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と、ｎクラッド層（第二ｎ型半導体層）１２ｂとから構成されている。
また、ｎコンタクト層１２ａは、第一ｎ型半導体層１２ｃと、第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとから構成されている。
【００２７】
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。
【００２８】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃ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、ｎ型不純物（不純物）がドープされている。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。
また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、第一ｎ型半導体層１２ｃに含有されるドーパント濃度は、１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００２９】
本実施形態の再成長層１２ｄは、ｎ型電極１７を設けるための層である。また、図１に示すように、再成長層１２ｄには、ｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａが形成されている。
再成長層１２ｄは、第一ｎ型半導体層１２ｃと同一の材料からなり、第一ｎ型半導体層１２ｃよりも高濃度のドーパントが含有されている。また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、再成長層１２ｄに含有されるドーパント濃度は、５×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。ドーパント濃度が上記範囲内であることにより、再成長層１２ｄのシート抵抗は、十分に低い値を保つことができる。また、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間の障壁の幅が狭くなるため、トンネル電流が生じやすくなる。このため、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間で、良好なオーミック接触が維持される。
【００３０】
一方、再成長層１２ｄのドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３未満であると、再成長層１２ｄのシート抵抗が高くなり好ましくない。また、再成長層１２ｄのドーパント濃度が１×１０２０ｃｍ−３を超えると、再成長層１２ｄの結晶性の低下およびシート抵抗が低くなりすぎ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。
【００３１】
また、再成長層１２ｄの膜厚は、０．２μｍ〜３μｍであることが好ましい。再成長層１２ｄの膜厚が０．２μｍ〜３μｍであることにより、ｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階でｎコンタクト層１２ａの成長を中断し、成長室内から取り出して別の装置の成長室に移動し、その後ｎコンタクト層１２ａの成長を再開することによるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくすることができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力を向上させる効果がより顕著となる。
【００３２】
一方、再成長層１２ｄの膜厚が０．２μｍ未満であると、再成長層１２ｄの結晶性が十分なものとならず、好ましくない。また、再成長層１２ｄの膜厚が３μｍを超えると、第二有機金属化学気相成長装置の成長室内にドーパントや堆積物が多く残される。そのため、発光層１３およびｐ型半導体層１４を形成する際に第二有機金属化学気相成長装置を用いると、それらドーパントや堆積物に起因する発光層１３およびｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなる。また、再成長層１２ｄの成長時間が長くなり、生産性が低下する。
【００３３】
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、ｎコンタクト層１２ａ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。また、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、ＧａＩｎＮと、前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。
【００３４】
ｎクラッド層１２ｂは、単層または超格子構造のどちらの構造であっても構わない。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、５ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３５】
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）からなる超格子構造であることが好ましい。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、ｎコンタクト層１２ａ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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１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。
【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。また、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の膜厚は、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の膜厚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。また、本実施形態における不純物としてはＳｉを用いることが好ましい。ドープ量は１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３程度が好適である。
【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。また、障壁層１３ａには、不純物をドープすることができる。本実施形態における不純物としてはＳｉ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。
【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）
本実施形態におけるｐクラッド層１４ａは、発光層１３の上に形成されている。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コンタクト層１４ｂ）
ｐコンタクト層１４ｂは、正極（ｐ型電極）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（不純物）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を用いることが特に好ましい。
【００４３】
また、ｐコンタクト層１４ｂはｐコンタクト下層と、ｐコンタクト上層とが積層してなり、ｐコンタクト下層にＭｇが１×１０１９／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３程度の濃度で含有され、ｐコンタクト上層にＭｇが２×１０２０／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３程度の濃度で含有されることが特に好ましい。これにより、透光性電極１５と接する部分（ｐコンタクト上層）は高濃度でＭｇが含有され、かつ、その表面は平坦に形成される。そのため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力をより向上させることが可能となる。
【００４４】
また、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、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。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。
【００４５】
＜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の再成長層１２ｄの露出面２０ａ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の一部を除去して再成長層１２ｄを露出させたのちに、露出面２０ａ上に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。
【００４６】
（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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００４７】
透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｎ、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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の中心などに形成してもよい。
【００５０】
（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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００５１】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１においては、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄが設けられていることにより、ｎクラッド層１２ｂの結晶性を、より一層良好なものにできる。このため、結晶性の高い発光層１３およびｐ型半導体層１４が形成される。
ｎ型半導体層１２全体ではなく、再成長層１２ｄの部分のみ、高濃度のドーパントが含有されているため、ドーパント濃度に起因するｎ型半導体層１２の応力増加や結晶性低下が防がれる。
【００５２】
また、ｎコンタクト層１２ａよりもドーパント濃度が高く、シート抵抗の低い再成長層１２ｄが、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に形成されているため、電流が再成長層１２ｄにおいて拡散される。このため、発光層１３における発光が均一となり、特に大電流をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１に印加した場合の発光出力を高めることができる。
【００５３】
また、再成長層１２ｄは第一ｎ型半導体層１２ｃよりもＳｉ濃度が高いため、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎ型電極１７を形成する場合よりも、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間の障壁の幅が狭くなる。このため、トンネル電流が生じやすく、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間で、良好なオーミック接触が維持される。
【００５４】
以下、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、以下の説明において参照する図面は、本発明を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の寸法関係とは異なっている。
【００５５】
図１に示す、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の製造方法は、一例として、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上にバッファ層２１と下地層２２と第一ｎ型半導体層１２ｃを形成する第一工程と、第一ｎ型半導体層１２ｃ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、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、例えば、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を形成する。
【００５７】
（下地層２２形成工程）
次いで、バッファ層２１上に下地層２２を第一ＭＯＣＶＤ装置内で積層する。なお、本発明では、一例として、サファイア等からなる基板１１上に、ＲＦスパッタリング法を用いてＡｌＮからなるバッファ層２１を形成し、さらに第一ＭＯＣＶＤ装置の成長室内で当該基板上に下地層２２を順次積層してもよい。
【００５８】
下地層２２は０．１μｍ以上の膜厚で形成することが好ましく、０．５μｍ以上とすることがより好ましく、１μｍ以上とすることが最も好ましい。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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の小型化や、形成時間の短縮の観点により、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下とすることが好ましい。
また、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ことが望ましい。
【００５９】
（第一ｎ型半導体層１２ｃ形成工程）
次いで前記下地層２２を有する基板上に、第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する。
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１１の温度を１０００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましく、１０８０℃程度の温度とすることが特に好ましい。
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。また、このときの第一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とすることが特に好ましい。また、このときの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。
【００６０】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを形成する際に、ドーパントガスとしてｎ型不純物（不純物）を供給する。このとき、ドーパントガスとして用いられるｎ型不純物は特に限定されないが、Ｓｉを用いることが特に好ましい。また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、第一ｎ型半導体層１２ｃに、１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲内の濃度でドーパントを含有させることが好ましい。
【００６１】
＜第二工程＞
第二工程はさらに、第二ＭＯＣＶＤ装置（第二有機金属化学気相成長装置）において、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（第二ｎ型半導体層）１２ｂ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。
【００６２】
（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、第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成する。このように、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄを形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を中断し第一有機金属化学気相成長装置の成長室内から取り出して、その後第二有機金属化学気相成長装置の成長室内で第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を再開することによる、第一ｎ型半導体層１２ｃの結晶性への影響を少なくすることができる。
また、再成長層１２ｄを形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃ（再成長層１２ｄ）表面の平坦性を向上させることができる。そのため、再成長層１２ｄ上に結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成することができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の出力を向上させる効果がより顕著となる。
【００６３】
また、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に、窒素とアンモニアを含む雰囲気中で５００℃〜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再成長層１２ｄが分解されて結晶性の悪化を招くため好ましくない。また、このときの第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜１００ｋＰａとすることが好ましい。１００ｋＰａ以上の圧力に関しては、加圧仕様の装置であれば、加圧での熱処理をしても問題はない。また、工程が増えるが、専用の熱処理装置を用いても良い。
【００６４】
このような条件で熱処理を行うことにより基板１１の応力が緩和される。このため、結晶性の高い再成長層１２ｄを形成できる。そのため、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成できる。応力の大きさは、基板１１の直径に比例して大きくなる。また、応力により基板のそりが生じ、半導体層形成の際に基板温度が基板面内で不均一になり、結晶性の低下を招く。従って、熱処理温度は、５００℃〜１０００℃が望ましい。６インチ以上の大口径基板の応力緩和は、７００℃〜１０００℃の温度範囲が、特に、望ましい。
【００６５】
また、このような条件で熱処理を行うことにより、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り表面が汚染されていたとしても、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。このため、結晶性の高い再成長層１２ｄを形成できる。そのため、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成できる。
【００６６】
なお、このような条件で熱処理を行わず、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面が汚染されたまま、応力が大きい場合、再成長層１２ｄ上に形成されるｎクラッド層１２ｂの結晶性が低下する。そのため、逆方向電流（ＩＲ）が低くならず、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足し、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の信頼性が低下する。
【００６７】
また、第一工程における第一ｎ型半導体層１２ｃの成長条件と、第二工程における再成長層１２ｄの成長条件は同一とすることが好ましい。すなわち、再成長層１２ｄを成長させる際の基板温度は１０００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましく、１０５０℃〜１１００℃の温度とすることが特に好ましい。再成長層１２ｄ形成の際の基板温度をこの範囲内とすることにより、結晶性の高い再成長層１２ｄを形成できる。また、第一ＭＯＣＶＤ装置と第二ＭＯＣＶＤ装置の２つの装置を用い、第一ＭＯＣＶＤ装置においてｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階でｎコンタクト層１２ａの成長を中断し、成長室内から取り出して第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室に移動し、その後ｎコンタクト層１２ａの成長を再開したことによるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくできる。このため、第一工程成長層１２ｃと再成長層１２ｄとからなるｎコンタクト層１２ａの結晶性が良好なものとなる。
【００６８】
また、再成長層１２ｄは、０．０５μｍ〜２μｍの膜厚で形成することが好ましい。再成長層１２ｄをこの範囲内の膜厚で形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を中断し第一有機金属化学気相成長装置の成長室内から取り出して、その後第二有機金属化学気相成長装置の成長室内で第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を再開することによる、第一ｎ型半導体層１２ｃの結晶性への影響を少なくすることができる。そのため、ＩＩＩ族窒化物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。
【００６９】
また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、再成長層１２ｄに、５×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲内の濃度でドーパントを含有させることが好ましい。
【００７０】
一方、ドーパントとしてＳｉを用いる場合に、再成長層１２ｄに含有させるドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３未満であると、再成長層１２ｄのシート抵抗が高くなり好ましくない。また、再成長層１２ｄのドーパント濃度が１×１０２０ｃｍ−３を超えると、再成長層１２ｄのシート抵抗が低くなりすぎ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。また、再成長層１２ｄのドーパント濃度が１×１０２０ｃｍ−３を超えると、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとのドーパント濃度差が大きくなりすぎるため、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとの間の応力が大きくなり、好ましくない。
【００７１】
（ｎクラッド層１２ｂ形成工程）
次いで、再成長層１２ｄ上にｎクラッド層１２ｂを形成する。また、ｎ型クラッド層１２ｂを超格子構造とする場合は、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２０層〜８０層繰返し積層すればよい。また、超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する場合は、ＭＯＣＶＤ法が生産効率の面で好ましい。また、上記ｎ側第一層及びｎ側第二層には、それぞれドーパントを添加してもよい。また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせとしてもよい。また、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。
【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。
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の成長させる際の基板温度は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。
【００７３】
（ｐ型半導体層１４形成工程）
次いで、ｐ型半導体層１４を形成する。ｐ型半導体層１４の形成は、発光層１３上に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。
【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再成長層１２ｄの一部を露出させ、再成長層１２ｄ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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が製造される。
【００７５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の製造方法によれば、第一有機金属化学気相成長装置において第一ｎ型半導体層１２ｃを形成し、次いで第二有機金属化学気相成長装置に基板１１を移すことにより、第一ｎ型半導体層１２ｃが一旦冷却される。このため、第一ｎ型半導体層１２ｃがそれまでに被った熱履歴等によるストレス（残留応力）を低減できる。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃが、発光層１３及びｐ型半導体層１４とは別の成長室内で形成されるため、第一ｎ型半導体層１２ｃを形成する際に用いたドーパントに起因する発光層１３及びｐ型半導体層１４の不良を生じにくくすることができる。
【００７６】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に当該第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面の劣化による影響を抑えることができる。また、第一ｎ型半導体層１２ｃ全体のドーパント濃度を高めるのではなく、再成長層１２ｄの部分のみ高めることにより、結晶性の高い第一ｎ型半導体層１２ｃを形成できる。このため、ドーパント濃度に起因する第一ｎ型半導体層１２ｃの応力増加や結晶性低下を防ぐことができる。このため、第一ｎ型半導体層１２ｃに孔が発生することを抑えられる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の不良発生を抑えることができる。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄを形成することにより、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成できる。このため、ｎクラッド層１２ｂ上に、結晶性の高い発光層１３およびｐ型半導体層１４を形成でき、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力を向上できる。
【００７７】
また、再成長層１２ｄのドーパント濃度を高めることにより、再成長層１２ｄのシート抵抗が低下する。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１へ大電流を印加した際に、再成長層１２ｄにおいて電流を効果的に拡散できる。このため、発光層１３における発光が均一となり、特に大電流をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１に印加した場合の発光出力を向上できる。
【００７８】
また、ドーパントとしてＳｉを用いることにより、再成長層１２ｄのＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が小さくなり、結晶性が向上する。
また、再成長層１２ｄは第一ｎ型半導体層１２ｃよりもＳｉ濃度が高いため、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎ型電極１７を形成する場合よりも、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間の障壁の幅が狭くなる。このため、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間にトンネル電流が生じやすく、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間で、良好なオーミック接触が維持される。
【００７９】
＜ランプ３＞
本実施形態のランプ３は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を備えるものであり、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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３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３においては、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００８０】
図３は、図１に示したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が用いられている。図３に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が実装されている。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００８１】
本実施形態のランプ３は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００８２】
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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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】
【００８３】
以下に、本発明のＩＩＩ族窒化物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、本発明はこれら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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を製造した。
実施例１のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１では、まず、第一ＭＯＣＶＤ炉の成長室内において、直径１５０ｍｍのサファイア基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２を積層した。次いで、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型半導体層１２ｃを形成した。このとき、第一ｎ型半導体層１２ｃの形成の際の基板温度は１０８０℃、成長室内の圧力は４０ｋＰａとした。また、原料ガスと共に、ドーパントガスとしてＳｉＨ４を供給し、４．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有する第一ｎ型半導体層１２ｃを形成した。
【００８４】
次に、第一ｎ型半導体層１２ｃまで形成された基板を第一ＭＯＣＶＤ炉から一旦取り出して、第二ＭＯＣＶＤ炉の成長室内に移した。次いで、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中で９５０℃、１０分間の熱処理（サーマルクリーニング）を行った。また、このときの第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は９５ｋＰａとした。
【００８５】
その後、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に厚さ１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる再成長層１２ｄを形成した。このとき、原料ガスと共に、ドーパントガスとしてＳｉＨ４を供給し、５．０×１０１９／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた。また、その他の形成条件は、第一ｎ型半導体層１２ｃ形成の条件と同じとした。
【００８６】
次に、再成長層１２ｄ上に、厚さ８０ｎｍの超格子構造からなるｎクラッド層１２ｂを形成した。さらに、ｎクラッド層１２ｂ上に障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂを５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を形成した。
【００８７】
その後、発光層１３上に厚さ２０ｎｍのＭｇドープ単層Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ１７０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂを順に積層した。ｐコンタクト層１４ｂはｐコンタクト下層と、ｐコンタクト上層とが積層してなり、ｐコンタクト下層にＭｇが５×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有され、ｐコンタクト上層にＭｇが２×１０２０／ｃｍ３程度の濃度とした。次いで、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。
【００８８】
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、所望の領域に再成長層１２ｄ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、実施例１のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。
【００８９】
このようにして得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９０】
（実施例２）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに１．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３２arcsec、(１０−１０)回折で１６０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．１Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９１】
（実施例３）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに１．０×１０１９／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３１０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３６arcsec、(１０−１０)回折で１６８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．２μＡであった。
【００９２】
（実施例４）
実施例１の再成長層１２ｄに５．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６２arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．１Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９３】
（実施例５）
実施例１の再成長層１２ｄに１．０×１０２０／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３２０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３８arcsec、(１０−１０)回折で１６９arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【００９４】
（実施例６）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを１μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２５０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３６arcsec、(１０−１０)回折で１７０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．２μＡであった。
【００９５】
（実施例７）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを４μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３９arcsec、(１０−１０)回折で１６４arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９６】
（実施例８）
実施例１の再成長層１２ｄを０．２μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２７０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３３arcsec、(１０−１０)回折で１７０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９７】
（実施例９）
実施例１の再成長層１２ｄを３μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１５８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９８】
（実施例１０）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を１５ｋＰａとした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３４arcsec、(１０−１０)回折で１６７arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９９】
（実施例１１）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を１００ｋＰａとした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１００】
（実施例１２）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を５００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４０arcsec、(１０−１０)回折で１７２arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２１ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１０１】
（実施例１３）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を１０００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３８arcsec、(１０−１０)回折で１６８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１０２】
（実施例１４）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）を行わなかったこと以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３１０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４０arcsec、(１０−１０)回折で１７３arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２１ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．５μＡであった。
【０１０３】
（実施例１５）
実施例１のドーパントガスとしてＧｅを供給したこと以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３２０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４２arcsec、(１０−１０)回折で１７５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２１ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．８μＡであった。
【０１０４】
（実施例１６）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに露出面２０ａを形成し、その上にｎ型電極１７を形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３８arcsec、(１０−１０)回折で１６６arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【０１０５】
（実施例１７）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を４００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３９arcsec、(１０−１０)回折で１６７arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【０１０６】
（実施例１８）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を１１００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１５２arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【０１０７】
（比較例１）
半導体層２０を第一ＭＯＣＶＤ炉で一貫成長させて熱処理（冷却、サーマルクリーニング）を行わず、また、再成長層１２ｄを形成しなかった以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は４２０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で５０arcsec、(１０−１０)回折で１９０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．１Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１８ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝１μＡであった。
【０１０８】
（比較例２）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに５．０×１０１７／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４０arcsec、(１０−１０)回折で１６０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．６μＡであった。
【０１０９】
（比較例３）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに５．０×１０１９／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３５０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４４arcsec、(１０−１０)回折で１８５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝２μＡであった。
【０１１０】
（比較例４）
実施例１の再成長層１２ｄに１．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２０ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１１１】
（比較例５）
実施例１の再成長層１２ｄに２．０×１０２０／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３７０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４５arcsec、(１０−１０)回折で１８４arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１８ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝３μＡであった。
【０１１２】
（比較例６）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを０．１μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２７０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３３arcsec、(１０−１０)回折で１７０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１１３】
（比較例７）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを５μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３３０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１５８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１８ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝２μＡであった。
【０１１４】
（比較例８）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを０．５μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２５０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３６arcsec、(１０−１０)回折で１９０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．２μＡであった。
【０１１５】
（比較例９）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを５μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４３arcsec、(１０−１０)回折で１６４arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１５ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝３μＡであった。
【０１１６】
（比較例１０）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を１０ｋＰａとした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３４arcsec、(１０−１０)回折で１６７arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝３μＡであった。
【０１１７】
実施例１〜実施例１８、比較例１〜比較例１０のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の順方向電圧、発光出力（Ｐｏ）、逆方向電流（ＩＲ）の結果を表１に示す。
なお、実施例及び比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１についての順方向電圧Ｖｆは、プローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける電圧を測定したものである。同じく、実施例及び比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１についての発光出力（Ｐｏ）は、それぞれＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流２０ｍＡにおける発光出力を測定したものである。また、逆方向電流（ＩＲ）は、発光素子に対して端子を逆方向に２０Ｖ印加した時の漏れ電流を測定した時の値である。
【０１１８】
【表１】
【０１１９】
表１に示すように、実施例１〜実施例１６のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１はいずれも、逆方向電流（ＩＲ）が低く、また、比較的低い順方向電圧が得られた。また、いずれのＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１も、発光出力（Ｐｏ）が２０ｍＷ以上となり、高輝度で低消費電力であった。また、ｎコンタクト層１２ａの残留応力は比較的低かった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅の値が比較的低かった。
一方、比較例１〜比較例１３で得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１では、実施例１〜実施例１６と比較して発光出力（Ｐｏ）が低く、順方向電圧が比較的高く、かつ、漏れ電流（逆方向電流（IR）の値が大きかった。また、ｎコンタクト層１２ａの残留応力が高かった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅の値が高かった。
【０１２０】
以上により、実施例１〜実施例１６で得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面の劣化および第一ｎ型半導体層１２ｃの結晶性低下が防止できる。そのため、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂ、発光層１３およびｐ型半導体層１４を順次積層できる。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力を向上させることが可能となった。また、本発明の方法により、第一ｎ型半導体層１２ｃがそれまでに被った熱履歴等によるストレス（残留応力）が緩和され、ｎクラッド層１２ｂ、発光層１３およびｐ型半導体層１４のそれぞれの結晶性向上をもたらした結果、効果的に発光出力を向上させることができた。また、比較例１〜比較例１３のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１と比較して、漏れ電流が小さく高い発光出力が得られることが確認できた。
【符号の説明】
【０１２１】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、３…ランプ、１１…基板、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ｎ型半導体層、１２ｄ…再成長層、１３…発光層、１４…ｐ型半導体層、１７…ｎ型電極、２０ａ…露出面、２２…下地層、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法およびＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長の光を発光する発光素子用の半導体材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体が注目を集めている。一般にＩＩＩ族窒化物半導体は、サファイア単結晶を始めとする種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶等を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）あるいは水素化物気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）等によって積層されて形成される。
【０００３】
現在のところ広く一般に採用されている結晶成長方法は、サファイアやＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等からなる基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法）を用いて順次積層する方法である。
そして、各半導体層の成長後、基板もしくはｎ型半導体層に負極を形成し、ｐ型半導体層に正極を形成することによって発光素子が得られる。
【０００４】
しかしながら、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを基板上に連続して積層する方法では、これらの層が同一の成長室内で形成されるため、ｎ型半導体層を形成する際に用いた不純物が発光層およびｐ型半導体層の形成に支障をきたしやすい。そのため、抵抗率の低いｐ型半導体層を形成することが困難であった。
【０００５】
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。
【０００６】
また、最近、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光出力を向上させるために、ＩＩＩ族窒化物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いる。そのため、このような条件にも耐え得る発光特性の優れたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
半導体層を、導電形に応じて異なる成長室で成膜する方法としては、ｎ型半導体層のうち第一ｎ型半導体層までを第一有機金属化学気相成長装置（第一の成長室）で形成したのちに、第二ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層を、第二有機金属化学気相成長装置（第二の成長室）で積層する方法が知られている。
しかし、基板を第一有機金属化学気相成長装置から第二有機金属化学気相成長装置に移す際に第一ｎ型半導体層の表面が劣化するため、発光層とｐ型半導体層の結晶性が低下するという問題があった。
また、従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、大電流を印加すると、電流が拡散しづらいという問題があった。電流を拡散させるためには、第一ｎ型半導体層のドーパント濃度を高くし、第一ｎ型半導体層のシート抵抗を低くすることが望ましいが、第一ｎ型半導体層全体のドーパント濃度を高めると、第一ｎ型半導体層の結晶性が低下する。このため、第一ｎ型半導体層に孔があいてリーク電流が発生し、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の不良の原因となる。また、ドーパント濃度を高めると第一ｎ型半導体層の応力が高まるため、第一ｎ型半導体層上に、結晶性の高い発光層とｐ型半導体層を形成することができない。また、大口径基板上に第一ｎ型半導体層を成長させる場合に応力が大きくなり、さらに、基板のそり量も大きくなるので結晶性の低下を招きやすい。直径４インチ、特に、６インチ以上の基板に対して重要な課題である。このため、十分な発光出力のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を形成することができなかった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、第一ｎ型半導体層のドーパント濃度に起因する結晶性の低下が生じにくく、かつ、高い出力の得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔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型半導体層を形成する第一工程と、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型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一ｎ型半導体層の再成長層、第二ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層する第二工程と、を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔２〕 前記第一ｎ型半導体層と前記再成長層のドーパントがＳｉであることを特徴とする〔１〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔３〕 前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３であり、前記再成長層のドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であることを特徴とする〔２〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔４〕 前記再成長層を形成する前に、前記有機金属化学気相成長装置内において窒素とアンモニアを含む雰囲気中で、圧力１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ、前記基板温度５００℃〜１０００℃の条件下で熱処理を行うことを特徴とする〔１〕乃至〔３〕のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
〔５〕 基板上に、第一ｎ型半導体層と、前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一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てなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
〔６〕 前記ｐ型半導体層および発光層の一部が切り欠けられて前記再成長層の一部が露出され、露出された前記再成長層上にｎ型電極が形成されていることを特徴とする〔５〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
〔７〕 〔５〕または〔６〕に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔８〕 〔７〕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。
〔９〕 〔８〕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】
【００１１】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、第一有機金属化学気相成長装置において第一ｎ型半導体層を形成し、次いで第二有機金属化学気相成長装置に基板を移すことにより、第一ｎ型半導体層が一旦冷却される。このため、第一ｎ型半導体層がそれまでに被った熱履歴等によるストレス（残留応力）を低減できる。また、第一ｎ型半導体層が、発光層及びｐ型半導体層とは別の成長室内で形成されるなるため、第一ｎ型半導体層を形成する際に用いたドーパントに起因する発光層及びｐ型半導体層の不良を生じにくくすることができる。
また、第一ｎ型半導体層上に当該第一ｎ型半導体層の再成長層を形成することにより、第一ｎ型半導体層表面の劣化による影響を抑えることができる。また、第一ｎ型半導体層全体のドーパント濃度を高めるのではなく、再成長層の部分のみ高めることにより、結晶性の高い第一ｎ型半導体層を形成できる。このため、ドーパント濃度に起因する第一ｎ型半導体層の応力増加や結晶性低下を防ぐことができる。このため、第一ｎ型半導体層への孔の発生を抑えることができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の不良発生を抑えることができる。また、その後の工程において、再成長層上に、結晶性の高い発光層およびｐ型半導体層を形成できる。
また、再成長層のドーパント濃度を高めることにより、再成長層のシート抵抗が低下する。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子へ大電流を印加した際に、電流を再成長層において効果的に拡散できる。このため、発光層における発光が均一となり、特に大電流を印加した場合のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光出力を向上することができる。
【００１２】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子によれば、第一ｎ型半導体層全体ではなく、再成長層の部分に、第一ｎ型半導体層よりも高濃度のドーパントが含有されているため、ドーパント濃度に起因する第一ｎ型半導体層の応力増加や結晶性低下を防ぐことができる。
また、当該第一ｎ型半導体層よりもドーパント濃度の高い再成長層が、第一ｎ型半導体層と発光層との間に形成されているため、電流が再成長層において拡散される。このため、発光層における発光が均一となり、特に大電流をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に印加した場合の発光出力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を用いて製造されたＩＩＩ族窒化物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ＩＩＩ族窒化物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ＩＩＩ族窒化物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】
【００１４】
以下、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１について、図１を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、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。
【００１５】
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００１６】
ここで、積層半導体層２０は、基板１１側から、少なくとも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。また、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（第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄ）の一部が露出されている。また、ｎ型電極１７が、露出面２０ａ上に積層されている。
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。また、ｐ型電極１８が、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６によって構成されている。
【００１７】
また、上記ｎ型半導体層１２は、第一ｎ型半導体層としてのｎコンタクト層１２ａ（第一ｎ型半導体層１２ｃおよび第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄ）と、第二ｎ型半導体層としてのｎクラッド層１２ｂと、から構成されている。
また、上記ｐ型半導体層１４は、第一ｐ型半導体層としてのｐクラッド層１４ａと、第二ｐ型半導体層としてのｐコンタクト層１４ｂと、から構成されている。
また、前記積層半導体層２０は、後述のバッファ層２１と下地層２２とを含めてもよい。
【００１８】
また、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。
【００１９】
また、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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いる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、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ことが可能な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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、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。
【００２０】
＜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、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化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。また、基板１１の主面側に少なくとも規則的な凹凸形状を設けてもよい。
【００２１】
（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。
【００２２】
バッファ層２１は、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが特に好ましいが、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものであってもかまわない。
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０．０１μｍ〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の膜厚が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を緩和することができない場合がある。また、バッファ層２１の膜厚が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。
【００２３】
また、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。
【００２４】
（下地層２２）
下地層２２の材料としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため特に好ましいが、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）を用いてもかまわない。
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以上であることが最も好ましい。下地層（ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層）２２は１μｍ以上の膜厚で形成されることにより、結晶性が良好となる。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の小型化や、形成時間の短縮の観点により、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
また、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ことが望ましい。
本実施形態の下地層２２は後述するｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４とは、異なる成長室で形成されたものである。そのため、下地層２２には、ｎ型半導体層１２およびｐ型半導体層１４形成で用いられたＳｉ、Ｍｇ、Ｉｎなどの不純物は混入しない。そのため、結晶性の高い下地層２２が形成される。
【００２６】
＜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と、ｎクラッド層（第二ｎ型半導体層）１２ｂとから構成されている。
また、ｎコンタクト層１２ａは、第一ｎ型半導体層１２ｃと、第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとから構成されている。
【００２７】
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。
【００２８】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃ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、ｎ型不純物（不純物）がドープされている。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。
また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、第一ｎ型半導体層１２ｃに含有されるドーパント濃度は、１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。
【００２９】
本実施形態の再成長層１２ｄは、ｎ型電極１７を設けるための層である。また、図１に示すように、再成長層１２ｄには、ｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａが形成されている。
再成長層１２ｄは、第一ｎ型半導体層１２ｃと同一の材料からなり、第一ｎ型半導体層１２ｃよりも高濃度のドーパントが含有されている。また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、再成長層１２ｄに含有されるドーパント濃度は、５×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。ドーパント濃度が上記範囲内であることにより、再成長層１２ｄのシート抵抗は、十分に低い値を保つことができる。また、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間の障壁の幅が狭くなるため、トンネル電流が生じやすくなる。このため、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間で、良好なオーミック接触が維持される。
【００３０】
一方、再成長層１２ｄのドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３未満であると、再成長層１２ｄのシート抵抗が高くなり好ましくない。また、再成長層１２ｄのドーパント濃度が１×１０２０ｃｍ−３を超えると、再成長層１２ｄの結晶性の低下およびシート抵抗が低くなりすぎ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。
【００３１】
また、再成長層１２ｄの膜厚は、０．２μｍ〜３μｍであることが好ましい。再成長層１２ｄの膜厚が０．２μｍ〜３μｍであることにより、ｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階でｎコンタクト層１２ａの成長を中断し、成長室内から取り出して別の装置の成長室に移動し、その後ｎコンタクト層１２ａの成長を再開することによるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくすることができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力を向上させる効果がより顕著となる。
【００３２】
一方、再成長層１２ｄの膜厚が０．２μｍ未満であると、再成長層１２ｄの結晶性が十分なものとならず、好ましくない。また、再成長層１２ｄの膜厚が３μｍを超えると、第二有機金属化学気相成長装置の成長室内にドーパントや堆積物が多く残される。そのため、発光層１３およびｐ型半導体層１４を形成する際に第二有機金属化学気相成長装置を用いると、それらドーパントや堆積物に起因する発光層１３およびｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなる。また、再成長層１２ｄの成長時間が長くなり、生産性が低下する。
【００３３】
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、ｎコンタクト層１２ａ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。また、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、ＧａＩｎＮと、前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。
【００３４】
ｎクラッド層１２ｂは、単層または超格子構造のどちらの構造であっても構わない。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、５ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３５】
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）からなる超格子構造であることが好ましい。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、ｎコンタクト層１２ａ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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１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。
【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。また、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の膜厚は、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の膜厚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。また、本実施形態における不純物としてはＳｉを用いることが好ましい。ドープ量は１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３程度が好適である。
【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。また、障壁層１３ａには、不純物をドープすることができる。本実施形態における不純物としてはＳｉ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。
【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）
本実施形態におけるｐクラッド層１４ａは、発光層１３の上に形成されている。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コンタクト層１４ｂ）
ｐコンタクト層１４ｂは、正極（ｐ型電極）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（不純物）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を用いることが特に好ましい。
【００４３】
また、ｐコンタクト層１４ｂはｐコンタクト下層と、ｐコンタクト上層とが積層してなり、ｐコンタクト下層にＭｇが１×１０１９／ｃｍ３〜１×１０２０／ｃｍ３程度の濃度で含有され、ｐコンタクト上層にＭｇが２×１０２０／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３程度の濃度で含有されることが特に好ましい。これにより、透光性電極１５と接する部分（ｐコンタクト上層）は高濃度でＭｇが含有され、かつ、その表面は平坦に形成される。そのため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力をより向上させることが可能となる。
【００４４】
また、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、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。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。
【００４５】
＜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の再成長層１２ｄの露出面２０ａ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の一部を除去して再成長層１２ｄを露出させたのちに、露出面２０ａ上に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。
【００４６】
（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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００４７】
透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｎ、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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の中心などに形成してもよい。
【００５０】
（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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００５１】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１においては、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄが設けられていることにより、ｎクラッド層１２ｂの結晶性を、より一層良好なものにできる。このため、結晶性の高い発光層１３およびｐ型半導体層１４が形成される。
ｎ型半導体層１２全体ではなく、再成長層１２ｄの部分のみ、高濃度のドーパントが含有されているため、ドーパント濃度に起因するｎ型半導体層１２の応力増加や結晶性低下が防がれる。
【００５２】
また、ｎコンタクト層１２ａよりもドーパント濃度が高く、シート抵抗の低い再成長層１２ｄが、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に形成されているため、電流が再成長層１２ｄにおいて拡散される。このため、発光層１３における発光が均一となり、特に大電流をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１に印加した場合の発光出力を高めることができる。
【００５３】
また、再成長層１２ｄは第一ｎ型半導体層１２ｃよりもＳｉ濃度が高いため、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎ型電極１７を形成する場合よりも、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間の障壁の幅が狭くなる。このため、トンネル電流が生じやすく、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間で、良好なオーミック接触が維持される。
【００５４】
以下、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、以下の説明において参照する図面は、本発明を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の寸法関係とは異なっている。
【００５５】
図１に示す、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の製造方法は、一例として、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上にバッファ層２１と下地層２２と第一ｎ型半導体層１２ｃを形成する第一工程と、第一ｎ型半導体層１２ｃ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、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、例えば、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を形成する。
【００５７】
（下地層２２形成工程）
次いで、バッファ層２１上に下地層２２を第一ＭＯＣＶＤ装置内で積層する。なお、本発明では、一例として、サファイア等からなる基板１１上に、ＲＦスパッタリング法を用いてＡｌＮからなるバッファ層２１を形成し、さらに第一ＭＯＣＶＤ装置の成長室内で当該基板上に下地層２２を順次積層してもよい。
【００５８】
下地層２２は０．１μｍ以上の膜厚で形成することが好ましく、０．５μｍ以上とすることがより好ましく、１μｍ以上とすることが最も好ましい。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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の小型化や、形成時間の短縮の観点により、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下とすることが好ましい。
また、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ことが望ましい。
【００５９】
（第一ｎ型半導体層１２ｃ形成工程）
次いで前記下地層２２を有する基板上に、第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する。
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１１の温度を１０００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましく、１０８０℃程度の温度とすることが特に好ましい。
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。また、このときの第一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とすることが特に好ましい。また、このときの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。
【００６０】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを形成する際に、ドーパントガスとしてｎ型不純物（不純物）を供給する。このとき、ドーパントガスとして用いられるｎ型不純物は特に限定されないが、Ｓｉを用いることが特に好ましい。また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、第一ｎ型半導体層１２ｃに、１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲内の濃度でドーパントを含有させることが好ましい。
【００６１】
＜第二工程＞
第二工程はさらに、第二ＭＯＣＶＤ装置（第二有機金属化学気相成長装置）において、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（第二ｎ型半導体層）１２ｂ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。
【００６２】
（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、第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成する。このように、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄを形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を中断し第一有機金属化学気相成長装置の成長室内から取り出して、その後第二有機金属化学気相成長装置の成長室内で第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を再開することによる、第一ｎ型半導体層１２ｃの結晶性への影響を少なくすることができる。
また、再成長層１２ｄを形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃ（再成長層１２ｄ）表面の平坦性を向上させることができる。そのため、再成長層１２ｄ上に結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成することができる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の出力を向上させる効果がより顕著となる。
【００６３】
また、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に、窒素とアンモニアを含む雰囲気中で５００℃〜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再成長層１２ｄが分解されて結晶性の悪化を招くため好ましくない。また、このときの第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜１００ｋＰａとすることが好ましい。１００ｋＰａ以上の圧力に関しては、加圧仕様の装置であれば、加圧での熱処理をしても問題はない。また、工程が増えるが、専用の熱処理装置を用いても良い。
【００６４】
このような条件で熱処理を行うことにより基板１１の応力が緩和される。このため、結晶性の高い再成長層１２ｄを形成できる。そのため、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成できる。応力の大きさは、基板１１の直径に比例して大きくなる。また、応力により基板のそりが生じ、半導体層形成の際に基板温度が基板面内で不均一になり、結晶性の低下を招く。従って、熱処理温度は、５００℃〜１０００℃が望ましい。６インチ以上の大口径基板の応力緩和は、７００℃〜１０００℃の温度範囲が、特に、望ましい。
【００６５】
また、このような条件で熱処理を行うことにより、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り表面が汚染されていたとしても、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。このため、結晶性の高い再成長層１２ｄを形成できる。そのため、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成できる。
【００６６】
なお、このような条件で熱処理を行わず、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面が汚染されたまま、応力が大きい場合、再成長層１２ｄ上に形成されるｎクラッド層１２ｂの結晶性が低下する。そのため、逆方向電流（ＩＲ）が低くならず、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足し、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の信頼性が低下する。
【００６７】
また、第一工程における第一ｎ型半導体層１２ｃの成長条件と、第二工程における再成長層１２ｄの成長条件は同一とすることが好ましい。すなわち、再成長層１２ｄを成長させる際の基板温度は１０００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましく、１０５０℃〜１１００℃の温度とすることが特に好ましい。再成長層１２ｄ形成の際の基板温度をこの範囲内とすることにより、結晶性の高い再成長層１２ｄを形成できる。また、第一ＭＯＣＶＤ装置と第二ＭＯＣＶＤ装置の２つの装置を用い、第一ＭＯＣＶＤ装置においてｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階でｎコンタクト層１２ａの成長を中断し、成長室内から取り出して第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室に移動し、その後ｎコンタクト層１２ａの成長を再開したことによるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくできる。このため、第一工程成長層１２ｃと再成長層１２ｄとからなるｎコンタクト層１２ａの結晶性が良好なものとなる。
【００６８】
また、再成長層１２ｄは、０．０５μｍ〜２μｍの膜厚で形成することが好ましい。再成長層１２ｄをこの範囲内の膜厚で形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を中断し第一有機金属化学気相成長装置の成長室内から取り出して、その後第二有機金属化学気相成長装置の成長室内で第一ｎ型半導体層１２ｃの成長を再開することによる、第一ｎ型半導体層１２ｃの結晶性への影響を少なくすることができる。そのため、ＩＩＩ族窒化物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。
【００６９】
また、ドーパントとしてＳｉを用いる場合、再成長層１２ｄに、５×１０１８〜１×１０２０ｃｍ−３の範囲内の濃度でドーパントを含有させることが好ましい。
【００７０】
一方、ドーパントとしてＳｉを用いる場合に、再成長層１２ｄに含有させるドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３未満であると、再成長層１２ｄのシート抵抗が高くなり好ましくない。また、再成長層１２ｄのドーパント濃度が１×１０２０ｃｍ−３を超えると、再成長層１２ｄのシート抵抗が低くなりすぎ、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力が低下するため好ましくない。また、再成長層１２ｄのドーパント濃度が１×１０２０ｃｍ−３を超えると、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとのドーパント濃度差が大きくなりすぎるため、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとの間の応力が大きくなり、好ましくない。
【００７１】
（ｎクラッド層１２ｂ形成工程）
次いで、再成長層１２ｄ上にｎクラッド層１２ｂを形成する。また、ｎ型クラッド層１２ｂを超格子構造とする場合は、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２０層〜８０層繰返し積層すればよい。また、超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する場合は、ＭＯＣＶＤ法が生産効率の面で好ましい。また、上記ｎ側第一層及びｎ側第二層には、それぞれドーパントを添加してもよい。また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせとしてもよい。また、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。
【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。
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の成長させる際の基板温度は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。
【００７３】
（ｐ型半導体層１４形成工程）
次いで、ｐ型半導体層１４を形成する。ｐ型半導体層１４の形成は、発光層１３上に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。
【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再成長層１２ｄの一部を露出させ、再成長層１２ｄ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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が製造される。
【００７５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の製造方法によれば、第一有機金属化学気相成長装置において第一ｎ型半導体層１２ｃを形成し、次いで第二有機金属化学気相成長装置に基板１１を移すことにより、第一ｎ型半導体層１２ｃが一旦冷却される。このため、第一ｎ型半導体層１２ｃがそれまでに被った熱履歴等によるストレス（残留応力）を低減できる。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃが、発光層１３及びｐ型半導体層１４とは別の成長室内で形成されるため、第一ｎ型半導体層１２ｃを形成する際に用いたドーパントに起因する発光層１３及びｐ型半導体層１４の不良を生じにくくすることができる。
【００７６】
また、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に当該第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成することにより、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面の劣化による影響を抑えることができる。また、第一ｎ型半導体層１２ｃ全体のドーパント濃度を高めるのではなく、再成長層１２ｄの部分のみ高めることにより、結晶性の高い第一ｎ型半導体層１２ｃを形成できる。このため、ドーパント濃度に起因する第一ｎ型半導体層１２ｃの応力増加や結晶性低下を防ぐことができる。このため、第一ｎ型半導体層１２ｃに孔が発生することを抑えられる。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の不良発生を抑えることができる。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に再成長層１２ｄを形成することにより、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂを形成できる。このため、ｎクラッド層１２ｂ上に、結晶性の高い発光層１３およびｐ型半導体層１４を形成でき、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力を向上できる。
【００７７】
また、再成長層１２ｄのドーパント濃度を高めることにより、再成長層１２ｄのシート抵抗が低下する。このため、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１へ大電流を印加した際に、再成長層１２ｄにおいて電流を効果的に拡散できる。このため、発光層１３における発光が均一となり、特に大電流をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１に印加した場合の発光出力を向上できる。
【００７８】
また、ドーパントとしてＳｉを用いることにより、再成長層１２ｄのＸ線ロッキングカーブの半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）が小さくなり、結晶性が向上する。
また、再成長層１２ｄは第一ｎ型半導体層１２ｃよりもＳｉ濃度が高いため、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎ型電極１７を形成する場合よりも、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間の障壁の幅が狭くなる。このため、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間にトンネル電流が生じやすく、再成長層１２ｄとｎ型電極１７との間で、良好なオーミック接触が維持される。
【００７９】
＜ランプ３＞
本実施形態のランプ３は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を備えるものであり、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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３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３においては、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００８０】
図３は、図１に示したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が用いられている。図３に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１が実装されている。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００８１】
本実施形態のランプ３は、上記のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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。
【００８２】
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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子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】
【００８３】
以下に、本発明のＩＩＩ族窒化物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、本発明はこれら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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を製造した。
実施例１のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１では、まず、第一ＭＯＣＶＤ炉の成長室内において、直径１５０ｍｍのサファイア基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２を積層した。次いで、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型半導体層１２ｃを形成した。このとき、第一ｎ型半導体層１２ｃの形成の際の基板温度は１０８０℃、成長室内の圧力は４０ｋＰａとした。また、原料ガスと共に、ドーパントガスとしてＳｉＨ４を供給し、４．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有する第一ｎ型半導体層１２ｃを形成した。
【００８４】
次に、第一ｎ型半導体層１２ｃまで形成された基板を第一ＭＯＣＶＤ炉から一旦取り出して、第二ＭＯＣＶＤ炉の成長室内に移した。次いで、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中で９５０℃、１０分間の熱処理（サーマルクリーニング）を行った。また、このときの第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は９５ｋＰａとした。
【００８５】
その後、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に厚さ１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる再成長層１２ｄを形成した。このとき、原料ガスと共に、ドーパントガスとしてＳｉＨ４を供給し、５．０×１０１９／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた。また、その他の形成条件は、第一ｎ型半導体層１２ｃ形成の条件と同じとした。
【００８６】
次に、再成長層１２ｄ上に、厚さ８０ｎｍの超格子構造からなるｎクラッド層１２ｂを形成した。さらに、ｎクラッド層１２ｂ上に障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂを５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を形成した。
【００８７】
その後、発光層１３上に厚さ２０ｎｍのＭｇドープ単層Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ１７０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂを順に積層した。ｐコンタクト層１４ｂはｐコンタクト下層と、ｐコンタクト上層とが積層してなり、ｐコンタクト下層にＭｇが５×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有され、ｐコンタクト上層にＭｇが２×１０２０／ｃｍ３程度の濃度とした。次いで、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。
【００８８】
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、所望の領域に再成長層１２ｄ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、実施例１のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。
【００８９】
このようにして得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９０】
（実施例２）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに１．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３２arcsec、(１０−１０)回折で１６０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．１Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９１】
（実施例３）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに１．０×１０１９／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３１０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３６arcsec、(１０−１０)回折で１６８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．２μＡであった。
【００９２】
（実施例４）
実施例１の再成長層１２ｄに５．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６２arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．１Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９３】
（実施例５）
実施例１の再成長層１２ｄに１．０×１０２０／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３２０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３８arcsec、(１０−１０)回折で１６９arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【００９４】
（実施例６）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを１μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２５０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３６arcsec、(１０−１０)回折で１７０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．２μＡであった。
【００９５】
（実施例７）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを４μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３９arcsec、(１０−１０)回折で１６４arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９６】
（実施例８）
実施例１の再成長層１２ｄを０．２μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２７０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３３arcsec、(１０−１０)回折で１７０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９７】
（実施例９）
実施例１の再成長層１２ｄを３μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１５８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９８】
（実施例１０）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を１５ｋＰａとした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３４arcsec、(１０−１０)回折で１６７arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【００９９】
（実施例１１）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を１００ｋＰａとした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１００】
（実施例１２）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を５００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４０arcsec、(１０−１０)回折で１７２arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２１ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１０１】
（実施例１３）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を１０００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３８arcsec、(１０−１０)回折で１６８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１０２】
（実施例１４）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）を行わなかったこと以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３１０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４０arcsec、(１０−１０)回折で１７３arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２１ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．５μＡであった。
【０１０３】
（実施例１５）
実施例１のドーパントガスとしてＧｅを供給したこと以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３２０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４２arcsec、(１０−１０)回折で１７５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２１ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．８μＡであった。
【０１０４】
（実施例１６）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに露出面２０ａを形成し、その上にｎ型電極１７を形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３８arcsec、(１０−１０)回折で１６６arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【０１０５】
（実施例１７）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を４００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３９arcsec、(１０−１０)回折で１６７arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【０１０６】
（実施例１８）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の温度を１１００℃とした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１５２arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２３ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．３μＡであった。
【０１０７】
（比較例１）
半導体層２０を第一ＭＯＣＶＤ炉で一貫成長させて熱処理（冷却、サーマルクリーニング）を行わず、また、再成長層１２ｄを形成しなかった以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は４２０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で５０arcsec、(１０−１０)回折で１９０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．１Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１８ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝１μＡであった。
【０１０８】
（比較例２）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに５．０×１０１７／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４０arcsec、(１０−１０)回折で１６０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．６μＡであった。
【０１０９】
（比較例３）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃに５．０×１０１９／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３５０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４４arcsec、(１０−１０)回折で１８５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．０Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝２μＡであった。
【０１１０】
（比較例４）
実施例１の再成長層１２ｄに１．０×１０１８／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３００ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１６５arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２０ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１１１】
（比較例５）
実施例１の再成長層１２ｄに２．０×１０２０／ｃｍ３の濃度でＳｉを含有させた以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３７０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４５arcsec、(１０−１０)回折で１８４arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１８ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝３μＡであった。
【０１１２】
（比較例６）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを０．１μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２７０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３３arcsec、(１０−１０)回折で１７０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．１μＡであった。
【０１１３】
（比較例７）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを５μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３３０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３５arcsec、(１０−１０)回折で１５８arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１８ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝２μＡであった。
【０１１４】
（比較例８）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを０．５μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２５０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３６arcsec、(１０−１０)回折で１９０arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３．３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１９ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝０．２μＡであった。
【０１１５】
（比較例９）
実施例１の第一ｎ型半導体層１２ｃを５μｍの膜厚で形成した以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は３８０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で４３arcsec、(１０−１０)回折で１６４arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝２．９Ｖ、発光出力Ｐｏ＝１５ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝３μＡであった。
【０１１６】
（比較例１０）
実施例１の熱処理（サーマルクリーニング）の際の第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力を１０ｋＰａとした以外は実施例１と同様な操作を行い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１を得た。得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の、ｎコンタクト層１２ａのｎクラッド層１２ｂ側から深さ２μｍの部分での残留応力は２９０ＭＰａであった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅は、（０００２）回折で３４arcsec、(１０−１０)回折で１６７arcseであった。また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の特性は、順方向電圧Ｖf＝３Ｖ、発光出力Ｐｏ＝２２ｍＷ、逆方向電流IR（＠２０Ｖ）＝３μＡであった。
【０１１７】
実施例１〜実施例１８、比較例１〜比較例１０のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の順方向電圧、発光出力（Ｐｏ）、逆方向電流（ＩＲ）の結果を表１に示す。
なお、実施例及び比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１についての順方向電圧Ｖｆは、プローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける電圧を測定したものである。同じく、実施例及び比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１についての発光出力（Ｐｏ）は、それぞれＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流２０ｍＡにおける発光出力を測定したものである。また、逆方向電流（ＩＲ）は、発光素子に対して端子を逆方向に２０Ｖ印加した時の漏れ電流を測定した時の値である。
【０１１８】
【表１】
【０１１９】
表１に示すように、実施例１〜実施例１６のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１はいずれも、逆方向電流（ＩＲ）が低く、また、比較的低い順方向電圧が得られた。また、いずれのＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１も、発光出力（Ｐｏ）が２０ｍＷ以上となり、高輝度で低消費電力であった。また、ｎコンタクト層１２ａの残留応力は比較的低かった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅の値が比較的低かった。
一方、比較例１〜比較例１３で得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１では、実施例１〜実施例１６と比較して発光出力（Ｐｏ）が低く、順方向電圧が比較的高く、かつ、漏れ電流（逆方向電流（IR）の値が大きかった。また、ｎコンタクト層１２ａの残留応力が高かった。また、ｎコンタクト層１２ａのXRC半値幅の値が高かった。
【０１２０】
以上により、実施例１〜実施例１６で得られたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１は、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面の劣化および第一ｎ型半導体層１２ｃの結晶性低下が防止できる。そのため、再成長層１２ｄ上に、結晶性の高いｎクラッド層１２ｂ、発光層１３およびｐ型半導体層１４を順次積層できる。これにより、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１の発光出力を向上させることが可能となった。また、本発明の方法により、第一ｎ型半導体層１２ｃがそれまでに被った熱履歴等によるストレス（残留応力）が緩和され、ｎクラッド層１２ｂ、発光層１３およびｐ型半導体層１４のそれぞれの結晶性向上をもたらした結果、効果的に発光出力を向上させることができた。また、比較例１〜比較例１３のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１と比較して、漏れ電流が小さく高い発光出力が得られることが確認できた。
【符号の説明】
【０１２１】
１…ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、３…ランプ、１１…基板、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ｎ型半導体層、１２ｄ…再成長層、１３…発光層、１４…ｐ型半導体層、１７…ｎ型電極、２０ａ…露出面、２２…下地層、
【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型半導体層を形成する第一工程と、
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型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一ｎ型半導体層の再成長層、第二ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層する第二工程と、を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第一ｎ型半導体層と前記再成長層のドーパントがＳｉであることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３であり、前記再成長層のドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記再成長層を形成する前に、前記有機金属化学気相成長装置内において窒素とアンモニアを含む雰囲気中で、圧力１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ、前記基板温度５００℃〜１０００℃の条件下で熱処理を行う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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
基板上に、第一ｎ型半導体層と、前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一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てなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型半導体層および発光層の一部が切り欠けられて前記再成長層の一部が露出され、露出された前記再成長層上にｎ型電極が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
請求項５または６に記載のＩＩＩ族窒化物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８】
請求項７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９】
請求項８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型半導体層を形成する第一工程と、
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型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一ｎ型半導体層の再成長層、第二ｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を順次積層する第二工程と、を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第一ｎ型半導体層と前記再成長層のドーパントがＳｉであることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３であり、前記再成長層のドーパント濃度が５×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３であることを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記再成長層を形成する前に、前記有機金属化学気相成長装置内において窒素とアンモニアを含む雰囲気中で、圧力１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ、前記基板温度５００℃〜１０００℃の条件下で熱処理を行う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ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
基板上に、第一ｎ型半導体層と、前記第一ｎ型半導体層のドーパント濃度よりも高いドーパント濃度を有する前記第一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てなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型半導体層および発光層の一部が切り欠けられて前記再成長層の一部が露出され、露出された前記再成長層上にｎ型電極が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
請求項５または６に記載のＩＩＩ族窒化物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８】
請求項７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９】
請求項８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２０１２−１６４７４９（Ｐ２０１２−１６４７４９Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２８２６（Ｐ２０１１−２２８２６）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【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２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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