JP2016136594A - エピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
貫通転位を意図的に発生させることなく、順方向電圧を低減させ得ると共に光出力を向上させ得るエピタキシャルウエハを提供する。
【解決手段】
本発明のエピタキシャルウエハは、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、を備え、前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、エピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料は、半導体発光素子（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの発光素子を作製するために現在広く用いられている。従来の青色発光素子では、主としてサファイア基板を用いてｃ（＋）方向（[０００１]軸方向）にｎ型層、ｐ型層を形成し、当該ｎ型層及びｐ型層間にＩｎＧａＮ系量子井戸発光層を作製したものが用いられてきた。このようにして作製された発光素子は、例えば、白色光源に応用されており、より高効率な光源を実現するために以下のような課題を解決することが求められている。

サファイア基板を用いた発光素子は、サファイア基板とＧａＮ系材料との格子定数のミスマッチのために、貫通転位の発生が避けられないという課題を有している。さらに、サファイア基板を用いた発光素子は、ＧａＮ系材料であるエピタキシャル層とサファイア基板の屈折率差が大きいために、発生した光がエピタキシャル層外に放射されずに、エピタキシャル層内部で多重反射を生じて光損失につながるという課題もある。

さらに、サファイア基板を用いたＬＥＤは、サファイア基板が絶縁性であるため、ｐ電極及びｎ電極の両方ともエピタキシャル層側に形成する必要がある。この場合、サファイア基板を用いたＬＥＤは、印加する電流を増加させるにつれて、電極間の距離に対応する経路の抵抗が無視できなくなり、順方向電圧（Ｖｆ）が増加しやすいという課題がある。

このような課題を解決するためには、貫通転位密度の小さい自立窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いることが有効であると考えられてきた。また、自立ＧａＮ基板の屈折率はエピタキシャル層と屈折率が同等であるので、発生した光は容易に自立ＧａＮ基板内に広がる。さらに、光の取出しには表面の粗面化を行う必要があるが、自立ＧａＮ基板では表面としてチップ側面も活用することが可能であるため、光取出しについてもサファイア基板に対して有利であると考えられる。

また、自立ＧａＮ基板を用いた発光素子は、自立ＧａＮ基板側及びエピタキシャル層側に電極を形成することも可能であるため、抵抗が低下する。さらに、自立ＧａＮ基板を用いた発光素子は、ｐ電極及びｎ電極の両方ともエピタキシャル層側に形成する場合であっても、電極間を流れる電流経路が基板内部まで広がることが可能であるため、抵抗が低下する。

以上のことから、自立窒化ガリウム基板を用いることで、内部量子効率及び光取出し効率を両方とも高くでき、さらに順方向電圧も低下できるため、高効率な発光素子を実現できることが期待できる。

しかしながら、特許文献１によれば、自立ＧａＮ基板を用いるだけでは良好な特性を得ることができていない。順方向電圧は約２０％も高くなり、出力は逆に約３０％も低くなる結果となっている。

そこで、特許文献１の筆者らは、貫通転位に伴って発生するＶピットが電流注入を効率化させていると考え、順方向電圧低減のために意図的に自立ＧａＮ基板に貫通転位を発生
させている（特許文献１参照）。

国際公開第２０１０／１５０８０９号

しかしながら、特許文献１のように、貫通転位を意図的に発生させることは、結晶品質の面から望ましいものではない。また、貫通転位密度が高い場合には、発光層の信頼性が低下するおそれがある。特に、発光層のＩｎ組成が少ない場合には、貫通転位による悪影響が大きくなる。さらに、貫通転位密度が高い場合には、ｐ型層の品質も低下するおそれがあり、その結果、ｐ型層中の抵抗が大きくなりｐ型層の電気特性が劣化するおそれがある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、貫通転位を意図的に発生させることなく、順方向電圧を低減させ得ると共に光出力を向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を提供することを主たる目的とする。

前記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハは、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、を備え、前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む。

また、前記障壁層は、第１ＧａＮ層、前記第２ＩｎＧａＮ層及び前記第１ＧａＮ層と同一の第２ＧａＮ層の順に積層されていても良い。さらに、前記第１ＩｎＧａＮ層はアンドープであり、前記第２ＩｎＧａＮ層はシリコンドープされていても良く、前記第１ＧａＮ層及び前記第２ＧａＮ層はアンドープであっても良い。さらに、前記ｎ型導電層及び前記発光層間に、第３ＧａＮ層、前記第３ＩｎＧａＮ層及び前記第３ＧａＮ層と同一の第４ＧａＮ層の順に所定の周期で積層されている超格子層をさらに備えても良い。

また、前記の目的を達成するべく、本発明の半導体発光素子は、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を備え、前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む。

さらに、前記の目的を達成するべく、本発明の発光装置は、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を有し、前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む半導体発光素子と、前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、を備える。

さらに、前記の目的を達成するべく、本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、ｃ
面ＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を形成する第１ステップと、前記第１ステップにおいて形成した前記ｎ型導電層の主表面上に量子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層を含む発光層を形成する第２ステップと、を備え、前記第２ステップでは、前記量子井戸層を第１ＩｎＧａＮ層により形成し、前記障壁層を前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含んで形成する。

本発明によれば、貫通転位を意図的に発生させることなく、順方向電圧を低減させ得ると共に光出力を向上させ得るエピタキシャルウエハ、半導体発光素子、発光装置及びエピタキシャルウエハの製造方法を実現することができる。

図１は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの断面図である。 図２は、本実施形態に係る他の例のエピタキシャルウエハの断面図である。 図３は、本実施形態に係る発光層の断面図である。 図４は、本実施形態に係る他の例の発光層の断面図である。 図５は、本実施形態に係る半導体発光素子の模式図である。図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。 図６は、本実施形態に係る発光装置の模式図である。 図７は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法のフローチャートである。 図８は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子における順方向電圧（Ｖｆ）の順方向電流依存性を示すグラフである。 図９は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子における光出力の順方向電流依存性を示すグラフである。 図１０は、実施例３及び比較例２の半導体発光素子における順方向電圧（Ｖｆ）の順方向電流依存性を示すグラフである。 図１１は、実施例３及び比較例２の半導体発光素子における光出力の順方向電流依存性を示す表及びグラフである。

以下、図面及び表を参照し、本発明の実施形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施形態及び実施例は、本発明を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施形態及び実施例で用いる様々な数値及び数量は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能であり、各実施形態及び各実施例に記載されている構成は、適宜組み合わせることが可能である。

（本実施形態に係るエピタキシャルウエハの構成）
図１は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の断面図である。エピタキシャルウエハ１は、例えば、２インチの円盤型のウエハである。エピタキシャルウエハ１は、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、を備え、前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む。なお、主表面上とは、必ずしも直上という意味でなく、当該主表面の上側に位置していればよいという意味である。

具体的に、エピタキシャルウエハ１は、図１に示すように、ｃ面ＧａＮ基板２、アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型導電層）４、アンドープＧａＮ中間層５、ｎ型ＧａＮ中間層６、多重量子井戸発光層（発光層）７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型導電層）９を有している。ｃ面ＧａＮ基板２及び各層３〜９は上述されている順に積層されている。

ｃ面ＧａＮ基板２は、０°のＧａＮ基板であってもよいし、オフ角が付与されたＧａＮ基板であってもよい。オフ角は、通常５°以内、好ましくは１°以内である。ｃ面ＧａＮ基板２上に形成された各層の厚さ方向と、各層を構成するＧａＮ系半導体のｃ軸との間でなす角度は、ｃ面ＧａＮ基板２のオフ角に等しい。また、ｃ面ＧａＮ基板２は、一般に結晶性が良好な自立基板がより望ましい。

アンドープＧａＮ層３は、例えば、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ₃（アンモニ
ア）を原料として作製される。アンドープＧａＮ層３の厚さは、例えば、１〜１０００ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍである。アンドープＧａＮ層３の成長温度は、通常９００℃〜１１００℃程度である。アンドープＧａＮ層３は、ｃ面ＧａＮ基板２の表面を安定化し、その上面の各層の品質を良好にする働きがある。

ｎ型ＧａＮコンタクト層４は、例えば、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）のようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮコンタクト層４は、例えば、ＳｉＨ₄（
シラン）、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ｎ型ＧａＮコンタクト層４の厚さは
、例えば、１〜６μｍ、好ましくは２〜４μｍであり、成長温度はアンドープＧａＮ層３と同様である。ｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０¹⁸〜２×１０¹⁹ｃｍ^-3、好ましくは５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。

アンドープＧａＮ中間層５は、キャリアガスにＮ₂を用い、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。アンドープＧａＮ中間層５の厚さは、例えば、５０〜３００ｎｍ、好ましくは１５０〜２５０ｎｍである。アンドープＧａＮ中間層５の成長温度は、通常６００℃〜８００℃程度である。

図２は、本実施形態に係る他の例のエピタキシャルウエハ１の断面図である。エピタキシャルウエハ１は、アンドープＧａＮ中間層５の代わりに、ＧａＮ層５Ａ、ＩｎＧａＮ層５Ｂの順に所定の周期で積層され、最上層がＧａＮ層５Ａであるｎ側超格子（ＳＬｓ）層５Ｃが形成されていてもよい。

ＩｎＧａＮ層５Ｂは、例えば、アンドープである。ＩｎＧａＮ層５Ｂは、キャリアガスにＮ₂を用い、例えば、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ＩｎＧａＮ層５Ｂは、例えば、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍである。ＧａＮ層５Ａは、例えば、アンドープである。ＧａＮ層５Ａは、キャリアガスにＮ₂を用
い、例えば、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ＧａＮ層５Ａの厚さは、例えば、
２〜３０ｎｍ、好ましくは４〜２０ｎｍである。ＧａＮ層５Ａ、ＩｎＧａＮ層５Ｂの成長温度は、通常６００℃〜８００℃程度である。ＧａＮ層５Ａ、ＩｎＧａＮ層５Ｂの繰り返し周期数は、例えば、１０周期から３０周期までの範囲が用いられる。

ＧａＮ層５Ａ、ＩｎＧａＮ層５Ｂの順に所定の周期で積層されているｎ側超格子層５Ｃは、ｎ型ＧａＮコンタクト層４と発光層７との格子定数差により生じる歪を緩和し、発光素子としての信頼性を向上させる働きがある。同様の効果はアンドープＧａＮ中間層５を用いた場合にも得られるが、超格子構造とした方が歪を緩和させる効果が大きいと考えられる。

ｎ型ＧａＮ中間層６は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅのようなｎ型不純物でドープされている。ｎ型ＧａＮ中間層６は、例えば、ＳｉＨ₄、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ｎ型ＧａＮ中間層６の厚さは、例えば、２〜１００ｎｍ、好ましくは１０〜３０ｎｍである。ｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０¹⁸〜２×１０¹⁹ｃｍ^-3、好ましくは５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。

なお、アンドープＧａＮ層３、アンドープＧａＮ中間層５、ｎ型ＧａＮ中間層６は、場合によっては省略しても良い。すなわち、ｃ面ＧａＮ基板２の直上にｎ型ＧａＮコンタクト層４を設けることが可能であり、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の直上に多重量子井戸発光層７を設けることが可能である。

図３は、本実施形態に係る発光層７の断面図である。多重量子井戸発光層７は、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む多重量子井戸発光層である。多重量子井戸発光層７の量子井戸層は、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体（ＩｎＧａＮ量子井戸層（第１ＩｎＧａＮ層））７Ａで形成される。多重量子井戸発光層７の障壁層は、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮのような、Ｉｎを含むＧａＮ系半導体（ＩｎＧａＮ障壁層（第２ＩｎＧａＮ層））７Ｂで形成される。ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂは、ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａに比して少ないＩｎ組成で形成される。

量子井戸層をＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａとし、障壁層を量子井戸層に比してＩｎ組成の少ないＩｎＧａＮ障壁層７Ｂとすることで、量子井戸層と障壁層との間に生じる歪が緩和され、発光素子に所定の電流を流す時に印加する順方向電圧（Ｖｆ）を低減させる効果がある。特に、サファイア基板上の発光素子と比較すると、ＧａＮ基板上の発光素子は、発光層に含まれる貫通転位密度が低く、量子井戸層と障壁層との間の界面が均一であることから、歪を緩和させることによるＶｆ低減の効果が大きい。

ＩｎＧａＮ量子井戸層７ＡのＩｎ組成は、目的とする発光波長により調整される。例えば、青色（発光波長４５０ｎｍ）の場合、１６％程度である。ＩｎＧａＮ障壁層７ＢのＩｎ組成は、大きいと量子井戸層とのバンドギャップ差が小さくなり障壁層としての働きが低下することから、小さい方が望ましい。例えば、０．５％以上３％以下である。

ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａは、例えば、アンドープである。ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａは、例えば、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ＩｎＧａＮ量子井戸層７
Ａの厚さは、例えば、１〜１０ｎｍ、好ましくは２〜５ｎｍである。

ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂは、例えば、Ｓｉ、Ｇｅのようなｎ型不純物でドープされている。ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂは、例えば、ＳｉＨ₄、ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂの厚さは、例えば、２〜３０ｎｍ、好ましくは４〜２０ｎｍである。ｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０^1６〜１×１０^1８ｃｍ^-3、好ましくは８×１０^1
６ｃｍ^-3以上５×１０^1７ｃｍ^-3以下である。

ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａは、注入された電子と正孔が再結合し発光する層である事から、結晶純度の点からアンドープとする事が良い。一方、ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂは、Ｓｉなどのｎ型不純物を適量ドープする事により膜の抵抗率が低減し、その効果で発光素子の駆動電圧が低下し、また発光強度が増加する。

ＩｎＧａＮ量子井戸層７ＡとＩｎＧａＮ障壁層７Ｂの繰り返し周期数は３周期から６周期までの範囲が用いられる。多重量子井戸発光層７のＩｎＧａＮ量子井戸層７ＡとＩｎＧａＮ障壁層７Ｂの作製時には、ガリウム原料として、ＴＭＧの替わりにＴＥＧ（トリエチルガリウム）、もしくはＴＭＧとＴＥＧの混合ガスを用いてもよい。

図４は、本実施形態に係る他の例の発光層７の断面図である。多重量子井戸発光層７は、ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂの代わりに、ＧａＮ層７Ｃ、ＩｎＧａＮ層７Ｄ及びＧａＮ層７Ｅの順に積層されているＩｎＧａＮ障壁層７Ｆが形成されていてもよい。ＩｎＧａＮ層７Ｄは、上述したＩｎＧａＮ障壁層７Ｂと同一の構成である。ＧａＮ層７Ｃ及びＧａＮ層７Ｅは、同一の構成である。ＧａＮ層７Ｃ及びＧａＮ層７Ｅは、例えば、Ｓｉ、Ｇｅのようなｎ型不純物でドープされている。ＧａＮ層７Ｃ及びＧａＮ層７Ｅは、例えば、ＳｉＨ₄、
ＴＭＧ、ＮＨ₃を原料として作製される。ＧａＮ層７Ｃ及びＧａＮ層７Ｅの厚さは、例え
ば、１〜５ｎｍ、好ましくは１〜３ｎｍである。ｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０^1
６〜１×１０^1８ｃｍ^-3、好ましくは８×１０^1６ｃｍ^-3以上５×１０^1７ｃｍ^-3以下であ
る。

ＧａＮ層７Ｃ、ＩｎＧａＮ層７Ｄ及びＧａＮ層７Ｅの順に積層されているＩｎＧａＮ障壁層７Ｆを形成することで、ＩｎＧａＮ量子井戸層７ＡとＩｎＧａＮ障壁層７Ｂの間にＩｎＧａＮよりも結晶性の良いＧａＮ層が存在することから、量子井戸層と障壁層の結晶界面の品質が向上し、その結果発光素子の信頼性が向上する。

ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は、例えば、多重量子井戸発光層７とｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９のいずれに対してもより大きなバンドギャップエネルギーを有するＡｌ_yＧａ_1-yＮ（好ましくは０．０４≦ｙ≦０.２）で形成される。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は
、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｚｎ（亜鉛）のようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８の厚さは、例えば、１０〜２００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。ｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3である。

なお、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８は省略することができる。すなわち、多重量子井戸発光層７の直上にｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９を設けることが可能である。

ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９は、Ｍｇ、Ｚｎのようなｐ型不純物でドープされている。ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９の厚さは、例えば、４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ｐ型不純物濃度は、例えば、１×１０¹⁹〜５×１０²⁰ｃｍ^-3であり、内部で不純物濃度を意図的に変化させることも行われる。

（本実施形態に係る半導体発光素子の構成）
図５は、本実施形態に係る半導体発光素子２０の模式図である。図５（ａ）は上面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＸ−Ｘ線の位置における断面図である。

半導体発光素子２０は、上述したエピタキシャルウエハ１に対して、エッチング、電極形成、素子分離等の処理を行って作成したものである。半導体発光素子２０は、ｃ面ＧａＮ基板と、前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、を備え、前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む。

具体的に、半導体発光素子２０は、ｃ面ＧａＮ基板２、アンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型導電層）４、アンドープＧａＮ中間層５、ｎ型ＧａＮ中間層６、多重量子井戸発光層（発光層）７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型導電層）９、ｎ側コンタクト電極２１、ｎ側メタル電極２２、ｐ側コンタクト電極２３及びｐ側メタル電極２４を有している。なお、ｃ面ＧａＮ基板２は、剥離等に
より除去されていても良い。

ｎ側コンタクト電極２１は、ｎ型ＧａＮクラッド層４の一部露出した表面に形成されている。ｎ側メタル電極２２は、パッド電極として、ｎ側コンタクト電極２１上の上面に形成されている。ｐ側コンタクト電極２３は、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層９の上面に形成されている。ｐ側メタル電極２４は、パッド電極として、ｐ側コンタクト電極２２上の一部に形成されている。ｎ側コンタクト電極２１及びｐ側コンタクト電極２３は、例えば、ＩＴＯ、ニッケル、プラチナ、チタン、銀、タングステン、クロム、或いはこれら金属が含まれる合金であってもよい。

なお、本実施形態に係る半導体発光素子２０は、ｎ型ＧａＮクラッド層４の一部露出した表面にｎ側コンタクト電極２１及びｎ側メタル電極２２を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば、ｃ面ＧａＮ基板２の他方側の主表面や、ｃ面ＧａＮ基板２の剥離後のｎ型ＧａＮクラッド層４の他方側の主表面にｎ側コンタクト電極２１及びｎ側メタル電極２２を形成しても良く、この他種々の半導体発光素子に適用することができる。

（本実施形態に係る発光装置の構成）
図６は、本実施形態に係る発光装置３０の断面図である。発光装置３０は、上述した半導体発光素子２０と、当該半導体発光素子２０が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質とを備える。具体的に、発光装置３０は、半導体発光素子２０、半導体発光素子２０を収容するパッケージ３１、透光性材料３２及び波長変換部３３を有している。

半導体発光素子２０は、本実施形態に係る半導体発光素子２０と同様の構成であり、例えば、発光ピーク波長が３６０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の近紫外光〜青色光を発する半導体発光素子である。

パッケージ３１は、公知のパッケージであり、例えば、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の耐熱性樹脂をリードフレームと一体成形したタイプの他、種々のタイプのパッケージを適用することができる。透光性材料３２は、例えば、シリコーン樹脂やガラスなどを用いることができる。また、透光性材料３２は、省略しても良く、半導体発光素子２０及び波長変換部３３間は空洞であって良い。

波長変換部３３は、例えば、黄色蛍光体を含有しており、半導体発光素子２０が発する青色光の一部を黄色光に変換する。そして、波長変換部３３は、表面青色光と黄色光が混成して生じる白色光を外部に向けて放出する。波長変換部３３は、その他、緑色蛍光体、赤色蛍光体、青色蛍光体等、この他種々の蛍光体を用いることができる。

本実施形態に係る発光装置３０の用途は、照明、ディスプレイ、液晶表示装置のバックライト、インジケータ等を含むが、これらに限定されるものではない。

（本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法）
図７は、本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法のフローチャートである。本実施形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法は、ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を形成する第１ステップと、前記第１ステップにおいて形成した前記ｎ型導電層の主表面上に量子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層を含む発光層を形成する第２ステップと、を備え、前記第２ステップでは、前記量子井戸層を第１ＩｎＧａＮ層により形成し、前記障壁層を前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含んで形成する。

具体的に、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、まず、ｃ面ＧａＮ基板２の一方側の主表面上にアンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮコンタクト層（ｎ型導電層）４、アンドープＧａＮ中間層５、ｎ型ＧａＮ中間層６を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ１）。

なお、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ステップＳＰ１において、アンドープＧａＮ中間層５の代わりに、ＧａＮ層５Ａ、ＩｎＧａＮ層５Ｂの順に所定の周期で積層されているｎ側超格子層５Ｃを形成してもよい。

続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ｎ型ＧａＮ中間層６の一方側の主表面上に、ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａと当該ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａに比して少ないＩｎ組成で形成されるＩｎＧａＮ障壁層７Ｂとを交互に積層した多重量子井戸層を含む多重量子井戸発光層７を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ２）。

なお、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ステップＳＰ２において、ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂの代わりに、ＧａＮ層７Ｃ、ＩｎＧａＮ層７Ｄ及びＧａＮ層７Ｅの順に積層されているＩｎＧａＮ障壁層７Ｆを形成してもよい。また、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ステップＳＰ２において、ＩｎＧａＮ量子井戸層７Ａをアンドープとし、ＩｎＧａＮ障壁層７Ｂをシリコンドープとしてもよい。さらに、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、ステップＳＰ２において、ＧａＮ層７Ｃ、ＩｎＧａＮ層７Ｄ及びＧａＮ層７Ｅをシリコンドープとしてもよい。

続いて、エピタキシャルウエハ１の製造方法では、多重量子井戸発光層７の一方側の主表面上にｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層（ｐ型導電層）９を、有機金属気相成長法によって、それぞれ所定の条件で積層して成長させる（ステップＳＰ３）。

以下に、本発明者等が行った様々な実施例を記す。ただし、これらの実施例で用いられた方法やサンプルの構造によって、本発明は何らの限定を受けるものではない。

（実施例１）
実施例１のエピタキシャルウエハ及びＧａＮ系発光素子は、次の手順に従い作製した。

（エピタキシャル成長）
まず、ｃ面を主面とする直径５０ｍｍのＧａＮ基板を準備し、これをＭＯＶＰＥ装置の成長炉内に設けられたサセプターに設置した。ｃ面ＧａＮ基板のオフ角は０．４°である。そしてキャリアガスに窒素ガスに用い、アンモニアガスを供給しながら、ｃ面ＧａＮ基板を１１００℃に加熱した。基板温度が１１００℃に到達したらキャリアガスに水素ガスを加え、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニアを供給して、膜厚１０ｎｍのアンドープＧａＮ層を形成した。引き続き、ＴＭＧ、アンモニア、シラン（ＳｉＨ_４）を供給して、膜厚４μｍのｎ型ＧａＮコンタクト層を形成した。この時、ｎ型ＧａＮコンタクト層のＳｉ濃度は５×１０^１８ｃｍ^−３であった。

次に、基板温度を７６５℃に下げて、ＴＭＧ、アンモニアを供給して、膜厚２００ｎｍのアンドープＧａＮ中間層を形成した。引き続き、ＴＭＧ、アンモニア、シランを供給して、膜厚２０ｎｍのｎ型ＧａＮ中間層を形成した。この時、ｎ型ＧａＮ中間層のＳｉ濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３であった。

その後、基板温度を７６５℃に保ったまま、ＴＭＧ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニアおよびシランを供給して、膜厚１５ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮからなる障壁層を形成した。引き続き、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給して、膜厚２．５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮからなる量子井戸層を形成した。これを繰り返し、障壁層、量子井戸層、をこの順に各４層形成し、最後に、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアおよびシランを供給して、膜厚１５ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮからなる最上部障壁層を形成し、障壁層、量子井戸層から構成される、発光層を形成した。

次に、基板温度を１０１０℃に上げて、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）およびアンモニアを供給し、膜厚１６０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮクラッド層を形成した。引き続き、基板温度１０５０℃で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、Ｃｐ_２Ｍｇおよびアンモニアを供給し、膜厚４０ｎｍからなるｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層を形成した。その後、アンモニアを供給しながら基板温度を室温まで下げ、ウエハをＭＯＶＰＥ装置から取り出した。その後、このウエハに対して、ｐ型層に不純物として添加したＭｇを活性化させるための、アニーリング処理を行った。

表１は、実施例１のエピタキシャルウエハの各層の組成、膜厚、ドーパント及びドーピング濃度を示している。

（ＧａＮ系発光素子の作製）
上記手順により得たエピタキシャルウエハの、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層上の全面に、ｐ側コンタクト電極として厚さ２１０ｎｍのＩＴＯ（インジウム錫酸化物）層を形成した。その後、石英加熱炉を用いて、大気雰囲気中において５２０℃で２０分間熱処理を行った。

次に、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置により、ｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層側からエッチングし、ｎ型ＧａＮコンタクト層を露出させた。部分的に露出させたｎ型ＧａＮコンタクト層の表面に、ｎ側コンタクト電極を形成した。ｎ側コンタクト電極は、Ａｌ層（厚さ５００ｎｍ）、Ｔｉ−Ｗ層（１０８ｎｍ）Ａｕ層（厚さ１０８ｎｍ）をこの順に含む積層膜とした。

次に、ｎ側コンタクト電極とｐ側コンタクト電極上に、Ｔｉ−Ｗ層（厚さ１０８ｎｍ）、Ａｕ層（厚さ１３００ｎｍ）の順からなる、ｎ側メタル電極及びｐ側メタル電極を形成
した。

最後に、エピタキシャルウエハを５００μｍ×５００μｍ角に分断することにより、実施例１のＧａＮ系発光素子（半導体発光素子）を作成した。

（実施例２）
実施例２のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、発光層の障壁層および最上部層壁装を、２ｎｍのＧａＮ層、１３ｎｍのＩｎＧａＮ層、２ｎｍのＧａＮ層からなる、合計１５ｎｍのｎ型多層構造とした点を除いて、実施例１と同様に作成した。

表２は、実施例２のエピタキシャルウエハの各層の組成、膜厚、ドーパント及びドーピング濃度を示している。

（実施例３）
実施例３のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、アンドープＧａＮ中間層の代わりに、２ｎｍのＧａＮ層からなる第１半導体層、１ｎｍのＩｎＧａＮからなる第２半導体層を、この順に２５周期形成し、最後に２ｎｍのＧａＮ層からなる第１半導体最上部層を形成した、合計７７ｎｍのｎ側超格子層とした点を除いて、実施例１と同様に作成した。

表３は、実施例３のエピタキシャルウエハの各層の組成、膜厚、ドーパント及びドーピング濃度を示している。

（比較例１）
比較例１のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、発光層の障壁層および最上部層壁装を、１５ｎｍのｎ型ＧａＮ層とした点を除いて、実施例１と同様に作成した。

表４は、比較例１のエピタキシャルウエハの各層の組成、膜厚、ドーパント及びドーピング濃度を示している。

（比較例２）
比較例２のエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子は、発光層の障壁層および最上部層壁装を、１５ｎｍのｎ型ＧａＮ層とした点を除いて、実施例３と同様に作成した。

表５は、比較例２のエピタキシャルウエハの各層の組成、膜厚、ドーパント及びドーピング濃度を示している。

（評価）
表６及び図８は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子における順方向電圧（Ｖｆ）の順方向電流依存性を示す表及びグラフである。印加電流はパルス幅１ｍｓｅｃ、パルス周期１００ｍｓｅｃのパルス電流とした。

表６及び図８からわかるように、実施例１及び実施例２のＶｆは、比較例１のＶｆに比べて、概ね０．２〜０．３Ｖ低くなっていた。

表７及び図９は、実施例１、実施例２及び比較例１の半導体発光素子における光出力の順方向電流依存性を示す表及びグラフである。

表７及び図９からわかるように、実施例１及び実施例２の光出力は、比較例１の光出力に比べ高くなっており、例えば順方向電流３５０ｍＡ（電流密度１４０Ａ／ｃｍ）では、概ね１６〜１７％出力が高くなっていた。

表８及び図１０は、実施例３及び比較例２の半導体発光素子における順方向電圧（Ｖｆ）の順方向電流依存性を示す表及びグラフである。

表８及び図１０からわかるように、実施例３のＶｆは、比較例２のＶｆに比べて低くなっていた。また、比較例１と比較例２において、表６及び表８の比較から、アンドープＧａＮ中間層の代わりにｎ側超格子層を用いると、Ｖｆは高くなった。しかし、実施例１及び実施例３の通り、発光層の障壁層にＩｎＧａＮを用いると、ｎ側超格子層を用いてもＶｆは高くならず、実施例３のＶｆは、比較例１のＶｆと比べても低いものであった。

なお、比較例２のＶｆは、高Ｖｆによる発熱の影響で実際の値より低い結果となっている。比較例２のＶｆは、本来であれば、図中の点線のようにさらに高い値になると考えられる。

表９及び図１１は、実施例３及び比較例２の半導体発光素子における光出力の順方向電流依存性を示す表及びグラフである。

表９及び図１１からわかるように、実施例３の光出力は、比較例２の光出力に比べて高くなっていた。また、比較例１と比較例２において、表７及び表９の比較から、アンドープＧａＮ中間層の代わりにｎ側超格子層を用いると、光出力は低くなった。しかし、実施例１及び実施例３の通り、発光層の障壁層にＩｎＧａＮを用いると、ｎ側超格子層を用いても光出力は低くならず、実施例３の光出力は、比較例１の光出力と比べても高いものであった。

１……エピタキシャルウエハ、２……ｃ面ＧａＮ基板、３……アンドープＧａＮ層、４……ｎ型ＧａＮコンタクト層、５……アンドープＧａＮ中間層、６……ｎ型ＧａＮ中間層、７……多重量子井戸発光層、７Ａ……ＩｎＧａＮ量子井戸層、７Ｂ……ＩｎＧａＮ障壁層、７Ｃ……界面歪緩衝層、８……ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、９……ｐ型ＧａＮコンタクト層、２０……半導体発光素子、２１……ｎ側メタル電極、２２……ｐ側コンタクト電極、２３……ｐ側メタル電極、３０……発光装置、３１……パッケージ、３２……透光性材料、３３……波長変換部

Claims (8)

1. ｃ面ＧａＮ基板と、
   前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
   前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、
   を備え、
   前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、
   前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む
   ことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
2. 前記障壁層は、第１ＧａＮ層、前記第２ＩｎＧａＮ層及び前記第１ＧａＮ層と同一の第２ＧａＮ層の順に積層されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
3. 前記第１ＩｎＧａＮ層はアンドープであり、前記第２ＩｎＧａＮ層はシリコンドープされている
   ことを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
4. 前記第１ＧａＮ層及び前記第２ＧａＮ層はアンドープである
   ことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャルウエハ。
5. 前記ｎ型導電層及び前記発光層間に、第３ＧａＮ層、前記第３ＩｎＧａＮ層及び前記第３ＧａＮ層と同一の第４ＧａＮ層の順に所定の周期で積層されている超格子層
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
6. ｃ面ＧａＮ基板と、
   前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
   前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、
   前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、
   を備え、
   前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、
   前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む
   ことを特徴とする半導体発光素子。
7. ｃ面ＧａＮ基板と、
   前記ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上に形成されたｎ型導電層と、
   前記ｎ型導電層の主表面上に形成され、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸層を含む発光層と、
   前記発光層の一方側の主表面上に形成されたｐ型導電層と、
   を有し、
   前記量子井戸層は、第１ＩｎＧａＮ層からなり、
   前記障壁層は、前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含む半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子が発する光の少なくとも一部を吸収して、より長波長の光に変換する波長変換物質と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
8. ｃ面ＧａＮ基板の一方側の主表面上にｎ型導電層を形成する第１ステップと、
   前記第１ステップにおいて形成した前記ｎ型導電層の主表面上に量子井戸層と障壁層とを交互に積層した多重量子井戸層を含む発光層を形成する第２ステップと、
   を備え、
   前記第２ステップでは、前記量子井戸層を第１ＩｎＧａＮ層により形成し、前記障壁層を前記第１ＩｎＧａＮ層に比してＩｎ組成の少ない第２ＩｎＧａＮ層を含んで形成する
   ことを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。

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