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JP2008159606A - 窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光素子およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】偏光光を取り出すことができ、その発光波長の制御も容易な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】ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面（たとえばｍ面）を持つ。このＧａＮ基板１上に、有機金属化学気相成長法によって、ＧａＮ半導体層２が形成される。ＧａＮ半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、Ｎ型コンタクト層２１、第１量子井戸層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、Ｐ型電子阻止層２３、Ｐ型コンタクト層２４、および第２量子井戸層２６を積層した積層構造を有している。第２量子井戸層２６は、第１量子井戸層２２よりも発光波長が長い。
【選択図】図１

Description

この発明は、窒化物半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）およびその製造方法に関する。
III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができ、これを、「窒化ガリウム半導体」または「ＧａＮ半導体」ということにする。
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、Ｎ型層およびＰ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に再成長されたＧａＮ半導体の主面はｃ面である。このｃ面から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い（効率は最大でも５０％）という問題がある。
この問題を解決するために、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の無極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を主面とするＧａＮ半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。無極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層によってＰ型層およびＮ型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、高輝度な表示を実現できる。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000 A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
たとえば、白色発光を実現しようとすると、従来からの白色ＬＥＤ（発光ダイオード）の場合と同様に、蛍光体と組み合わせることになる。すなわち、発光デバイスから発した偏光光を蛍光体に入射させ、この蛍光体から放出される光を外部に取り出すことによって、白色発光を実現できる。
ところが、蛍光体から放出される光は、散乱光であり、偏光方向がランダムな無偏光光である。したがって、液晶パネルのバックライト用光源として適用するとすれば、偏光板での大きな損失が避けられず、高輝度な表示を実現できない。
一方、III族窒化物半導体で５００ｎｍ以上の発光波長を持つ活性層を形成すると、このような活性層は、熱ダメージに弱いことが分かっている。具体的には、たとえば、ＧａＮ基板上にＮ型ＧａＮ半導体層を成長させ、これにIII族窒化物半導体からなる活性層を積層し、さらに、Ｐ型ＧａＮ半導体層を成長させて発光ダイオード構造を形成する場合を例にとる。この場合、５００ｎｍ以上の発光波長とするためには、活性層にインジウムが取り込まれる必要がある。そのために、活性層の成長時の基板温度が、７００℃〜８００℃とされる。一方、活性層の上に形成されるＰ型ＧａＮ層のエピタキシャル成長時には、基板温度が８００℃以上とされる。このときに活性層が熱ダメージを受け、その発光効率が著しく損なわれることになる。したがって、５００ｎｍ以上の波長を得ることは、必ずしも容易ではない。
この発明の目的は、２種類以上の波長ピークを持つ偏光光を取り出すことができ、その発光波長の制御および高効率化が容易な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、つまり、たとえば、偏光した白色発光ダイオードを実現することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ｃ面以外の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体発光素子であって、前記III族窒化物半導体積層構造が、ｃ面以外の所定の結晶面の主面を有し、第１波長の光を発生する第１活性層と、前記所定の結晶面の主面を有し、前記第１波長とは異なる第２波長の光を発生する第２活性層とを含む、窒化物半導体発光素子である。
この構成によれば、第１および第２の活性層は、いずれも共通の結晶面の主面を有するので、同じ方向に偏光した光を発生する。第１および第２活性層から第１および第２波長の光が同時に発生することにより、見かけ上、これらの混色の光が観測されることになる。こうして、III族窒化物半導体の活性層の組成の制御では発生することができない発光色（波長）の偏光を発生することができ、見かけ上の発光波長を容易に制御できる。
請求項２に記載されているように、前記第１および第２活性層は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなるものであることが好ましい。
請求項３記載の発明は、前記III族窒化物半導体積層構造が、さらに、Ｎ型窒化物半導体層と、Ｐ型窒化物半導体層とを含み、前記第１活性層が、前記Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間にあり、前記第２活性層が、前記Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間以外の場所にある、請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子である。
この構成によれば、Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層によって第１活性層を挟んだ発光ダイオード構造が形成されている。したがって、第１活性層に電流を注入することにより、この第１活性層を励起して発光させることができる。第２活性層については、たとえば、第１活性層で発生する光によって励起して発光させることができる。
第２活性層は、Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間以外の場所にあるので、これらを形成した後に第２活性層を形成することができる。このようにすれば、第２活性層は、Ｎ型またはＰ型窒化物半導体層の形成時における熱ダメージを回避できるから、その発光波長の制御が容易になる。
請求項４に記載されているように、前記第２活性層は、前記Ｐ型窒化物半導体層に対して前記第１活性層とは反対側にあってもよい。
また、請求項５に記載されているように、前記第２活性層は、前記Ｎ型窒化物半導体層に対して前記第１活性層とは反対側にあってもよい。
むろん、第３の活性層や第４の活性層やさらに別の活性層が、前記Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間以外の場所にさらに設けられていてもよい。このようにすれば、３つ以上の波長の偏光光が見かけ上混合されて観測されることになるので、発光波長の制御の自由度を多くすることができる。
請求項６記載の発明は、いずれも前記所定の結晶面である第１主面および第２主面を有する基板をさらに含み、前記III族窒化物半導体積層構造が、前記基板の第１主面に積層され前記第１活性層を含む第１部分と、前記基板の第２主面に積層され前記第２活性層を含む第２部分とを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子である。
この構成によれば、基板の一方主面側および他方主面側にIII族窒化物半導体積層構造が振り分けられている。たとえば、基板の第１主面側に積層される第１部分が、Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層ならびにこれらの間に配置された第１活性層を含む構成とすることができる。これにより、基板の第１主面側において、電流注入によって第１活性層を励起させて偏光発光させ、その偏光光を、基板を通して第２主面側の第２活性層に導き、これを光励起によって偏光発光させることができる。
請求項７に記載されているように、前記第２主面は鏡面であることが好ましい。
前記基板としては、サファイア基板（たとえば、ｒ面を主面とするもの）、ＬｉＡｌ２Ｏ３基板、炭化シリコン基板（たとえばｍ面を主面とするもの）、窒化ガリウム基板（たとえば、ａ面またはｍ面を主面とするもの）などを用いることができる。ｒ面サファイア基板上にはａ面III族窒化物半導体層を形成でき、ＬｉＡｌ２Ｏ３基板上にはｍ面III族窒化物半導体層を形成でき、ｍ面炭化シリコン基板上にはｍ面III族窒化物半導体層を形成でき、ａ面窒化ガリウム基板上にはａ面III族窒化物半導体層を形成でき、ｍ面窒化ガリウム基板上にはｍ面III族窒化物半導体層を形成できる。
請求項８に記載されているように、前記基板は、前記第１活性層よりも広いバンドギャップを持つことが好ましい。前記基板が導電性基板（たとえば、炭化シリコン基板またはＧａＮ基板）の場合に、そのバンドギャップを第１活性層のバンドギャップよりも広くしておくことによって、基板での光吸収を抑制できる。これにより、第２活性層を効率的に光励起できる。
さらに、請求項９に記載されているように、前記基板は、前記第１活性層の発光波長に対して透明（好ましくは９０％以上の光透過率）であることが好ましい。これにより、第１活性層からの光を第２活性層に効率的に導いて、この第２活性層を効率的に光励起させることができる。
請求項１０記載の発明は、前記第１活性層が電流注入により発光し、前記第２活性層が前記第１活性層からの光による光励起によって発光するようになっている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子である。
この構成によれば、第２活性層に関して電流を注入するための構成を備える必要がない。そのため、構成が簡単になる。そのうえ、III族窒化物半導体積層構造の形成時に、第１活性層に関連する発光ダイオード構造を形成した後に第２活性層を形成することができ、この第２活性層に関しては発光ダイオード構造を形成する必要がない。そのため、第２活性層を、発光ダイオード構造の形成時における熱ダメージを回避して形成することができる。これにより、第２活性層はすぐれた発光効率を有することができる。
請求項１１に記載されているように、前記第１活性層は、前記第２活性層よりもバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体からなっていてもよい。バンドギャップが大きく、したがって、発光波長が短いほど、活性層の耐熱性がよくなる。そこで、第１活性層をＮ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間に配置して発光ダイオード構造を形成するとともに、第２活性層を当該発光ダイオード構造の外側に配置するとよい。これにより、第１活性層は、III族窒化物半導体積層構造の形成時における高温に耐えることができ、第２活性層は、そのような高温環境に置くことなく形成することができる。したがって、第１および第２活性層は、いずれもすぐれた効率で偏光発光することができる。
請求項１２に記載されているように、前記所定の結晶面は、無極性面または半極性面であってもよい。無極性面の例は、ｍ面（１０-１０）およびａ面（１１-２０）である。半極性面の例としては、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面を挙げることができる。
請求項１３記載の発明は、ｃ面以外の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記III族窒化物半導体積層構造を形成する工程が、ｃ面以外の所定の結晶面の主面を有し、第１波長の光を発生する第１活性層を形成する工程と、前記所定の結晶面の主面を有し、前記第１波長よりも長い第２波長の光を発生する第２活性層を、前記III族窒化物半導体積層構造の構成層のうち当該第２活性層の形成温度よりも形成温度の高い層を全て形成した後に形成する工程とを含む、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
この方法により、発光波長が長く、したがって耐熱性に劣る第２活性層が熱ダメージを受けることを回避できる。これにより、第１および第２活性層はいずれも良好な発光特性を有することができ、第１および第２波長の光を見かけ上混合した発光色、たとえば白色の偏光発光が可能になる。
III族窒化物半導体積層構造の形成は、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法または有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって行うことができる。
請求項１４記載の発明は、ｃ面以外の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記III族窒化物半導体積層構造を形成する工程が、第１導電型の窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１導電型の窒化物半導体層の上に、ｃ面以外の所定の結晶面の主面を有し、第１波長の光を発生する第１活性層を形成する工程と、前記第１活性層の上に、第２導電型の窒化物半導体層を形成する工程と、前記所定の結晶面の主面を有し、前記第１波長よりも長い第２波長の光を発生する第２活性層を、前記第１導電型の窒化物半導体層、前記第１活性層および前記第２導電型の窒化物半導体層が形成された後に形成する工程とを含む、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
この方法によれば、第１活性層に関連する発光ダイオード構造を形成した後に、第２活性層が形成される。したがって、第２活性層は、第１活性層に関連する発光ダイオード構造形成時の高温処理による熱ダメージを受けることがない。こうして第１および第２活性層はいずれも良好な発光効率でそれぞれ第１および第２波長の偏光光を発生することができる。
請求項１５記載の発明は、前記第２活性層を形成する工程が、前記III族窒化物半導体積層構造の他のすべての構成層が形成された後に当該第２活性層を形成する工程である、請求項１３または１４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。
この方法により、第２活性層が高温処理による熱ダメージを受けることを確実に回避できる。
請求項１６に記載されているように、前記第２波長は、５００ｎｍ以上であってもよい。したがって、前記第１波長は、たとえば、５００ｎｍ未満であってもよい。
その他、窒化物半導体発光素子の製造方法に関しても、窒化物半導体発光素子の発明の場合と同様な変形が可能である。
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解的な断面図である。この窒化物半導体発光素子は、ＧａＮ（窒化ガリウム）基板１上にIII族窒化物半導体積層構造としてのＧａＮ半導体層２を再成長させて構成されている。
ＧａＮ半導体層２は、ＧａＮ基板１側から順に、Ｎ型コンタクト層２１、第１活性層（発光層）としての第１量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、Ｐ型電子阻止層２３、Ｐ型コンタクト層２４、および第２活性層（発光層）としての第２量子井戸層２６を積層した積層構造を有している。Ｐ型コンタクト層２４層の表面は、第２量子井戸層２６の側方へと引き出された引き出し部を有しており、この引き出し部には、透明電極としてのアノード電極３が形成されている。さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、Ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。
ＧａＮ基板１は、支持基板（配線基板）１０に接合されている。支持基板１０の表面には、配線１１，１２が形成されている。そして、接続部４と配線１１とがボンディングワイヤ１３で接続されており、カソード電極５と配線１２とがボンディングワイヤ１４で接続されている。さらに、ＧａＮ半導体層２、アノード電極３、接続部４およびカソード電極５、ならびにボンディングワイヤ１３，１４が、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、窒化物半導体発光素子が構成されている。
Ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをＮ型ドーパントとして添加したＮ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０１８cm−３とされる。より具体的には、Ｎ型コンタクト層２１は、ＧａＮ基板１上（またはＡｌＮ層８上）に結晶成長させられたＮ型ＧａＮ半導体からなる。
第１量子井戸層２２および第２量子井戸層２６は、それぞれ、たとえば、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。第１量子井戸層２２と、Ｐ型電子阻止層２３との間には、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層されている。
第１量子井戸層２２は、Ｎ型コンタクト層２１とＰ型コンタクト層２４との間に挟まれて発光ダイオード構造を形成する。この第１量子井戸層２２の発光波長は、５００ｎｍ未満とされる。より具体的には、たとえば、４６０ｎｍ（青色の波長域）とされる。
第２量子井戸層２６は、Ｐ型コンタクト層２４に関して第１量子井戸層２２とは反対側に配置され、これにより、前記発光ダイオード構造の外に位置している。この第２量子井戸層２６の発光波長は、５００ｎｍ以上とされる。より具体的には、たとえば、５００ｎｍ〜６００ｎｍ（緑色〜黄色の波長域）とされる。
すなわち、第２量子井戸層２６の発光波長は、第１量子井戸層２２の発光波長よりも長くされている。換言すれば、第２量子井戸層２６のバンドギャップ（より具体的にはＩｎＧａＮ層のバンドギャップ）は、第１量子井戸層２２のバンドギャップ（より具体的にはＩｎＧａＮ層のバンドギャップ）よりも小さくされている。バンドギャップの調整は、インジウム（Ｉｎ）の組成比を調整することによって行うことができる。
たとえば、第１量子井戸層２２の発光波長を青色波長域とし、第２量子井戸層２６の発光波長を黄色波長域（５６０ｎｍ〜６００ｎｍ）とすると、青色光と黄色光とが見かけ上混合されることによって、見かけ上、白色発光を実現できる。
Ｐ型電子阻止層２３は、Ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０１９cm−３とされる。
Ｐ型コンタクト層２４は、Ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０２０cm−３とされる。
アノード電極３は、ＮｉとＡｕとから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。
カソード電極は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮからなる基板である。より具体的には、無極性面または半極性面を主面とするものである。好ましくは、無極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面を主面とするＧａＮ単結晶基板である。ＧａＮ半導体層２の各層の積層主面は、ＧａＮ基板１の主面の結晶面に従う。すなわち、ＧａＮ半導体層２の構成層の主面は、いずれも、ＧａＮ基板１の主面の結晶面と同じ結晶面を有する。
配線１１，１２から、アノード電極３およびカソード電極５間に順方向電圧を印加すると、第１量子井戸層２２は、電流注入によって励起されて発光する。発光メカニズムは、ダイオード発光であってもよいし、ＥＬ（エレクトロスミネッセンス）発光であってもよい。ＧａＮ基板１の主面がｃ面以外の所定の結晶面（無極性面または半極性面）であるため、第１量子井戸層２２の主面もまたｃ面以外の結晶面（ＧａＮ基板１と同一結晶面）となる。そのため、第１量子井戸層２２は偏光光を発生することになる。
一方、第１量子井戸層２２から発生した光が第２量子井戸層２６に入射されると、この第２量子井戸層２６は光励起されて発光することになる。第２量子井戸層２６の主面もＧａＮ基板１と同一結晶面である。したがって、第２量子井戸層２６は、第１量子井戸層２２と同じ偏光方向の偏光光を発生する。
こうして第１および第２量子井戸層２２，２６から発した各偏光光は、見かけ上混合されて観測されることになる。したがって、見かけ上、第１および第２量子井戸層２２，２６の発光色の混色の偏光を発生することができる。
図２は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、無極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などである。
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＧａＮ半導体層２を成長させることができる。
図３は、ＧａＮ半導体層２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ基板１を構成する、たとえば、ＧａＮ単結晶ウエハである。
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧力（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給するアンモニア原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ４）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、アンモニア原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるＮ型コンタクト層２１が成長する。
Ｎ型コンタクト層２１を形成した後には、次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、第１量子井戸層２２の成長が行われる。第１量子井戸層２２の成長は、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、アンモニア原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮファイナルバリア層２５が形成される。量子井戸層２２およびＧａＮファイナルバリア層２５の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
次いで、Ｐ型電子阻止層２３が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるＰ型電子阻止層２３が形成されることになる。このＰ型電子阻止層２３の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃以上（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、Ｐ型コンタクト層２４が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるＰ型コンタクト層２４が形成されることになる。Ｐ型コンタクト層２４の形成時には、ウエハ３５の温度は、８００℃以上（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
そして、次に、Ｐ型コンタクト層２４上に、第１量子井戸層２２の場合と同様にして、第２量子井戸層２６が形成される。第１および第２量子井戸層２２，２６の形成時には、インジウム原料ガス、ガリウム原料ガスおよび窒素原料ガスの流量比を調節することによって、ＩｎＧａＮ層の組成が調節される。これにより、ＩｎＧａＮ層のバンドギャップが調節され、その結果、第１および第２量子井戸層２２，２６の各発光波長が制御される。
こうして、ウエハ３５上にＧａＮ半導体層２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、Ｎ型コンタクト層２１を露出させるための凹部７と、Ｎ型コンタクト層２４を露出させるための凹部８とが形成される。凹部７は、第１量子井戸層２２、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、量子井戸層２２、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４をメサ形に整形するものであってもよい。同様に、凹部８は、第２量子井戸層２６を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、第２量子井戸層２６をメサ形に整形するものであってもよい。
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極３、接続部４、カソード電極５が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、窒化物半導体発光素子が作製される。
前述のとおり、第２量子井戸層２６は、III族窒化物半導体積層構造であるＧａＮ半導体層２の構成層のうち、最後に形成される。より具体的には、第１量子井戸層２２をＮ型コンタクト層２１およびＰ型コンタクト層２４で挟み込んだ発光ダイオード構造が形成された後に、第２量子井戸層２６が形成される。そのため、第２量子井戸層２６は、Ｐ型コンタクト層２４の形成時の温度８００℃以上（たとえば１０００℃）を経験することがない。さらに言えば、第２量子井戸層２６は、ＧａＮ半導体層２の構成層のうちで、それよりも形成温度の高い全ての層が形成された後に形成される。したがって、第２量子井戸層２６は、他の層の形成時に熱ダメージを受けることがない。よって、第２量子井戸層２６は、発光波長が長い発光層であるにも拘わらず、すぐれた発光効率を有することができる。一方、第１量子井戸層２２は、発光波長が短い発光層であるため、Ｐ型コンタクト層２４の形成時の高温に耐えることができるので、やはり、すぐれた発光効率を有することができる。
第１および第２量子井戸層２２，２６は、いずれも、偏光発光する発光層であり、偏光方向も同一である。したがって、第１および第２量子井戸層２２，２６からの発光光が混合されて観測されることによって、見かけ上、それらの混色の偏光光が観測されることになる。このようにして、窒化物半導体発光素子から、発光色の制御された偏光を取り出すことができる。
図４は、この発明の他の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解図である。この図４において、前述の図１に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
この実施形態では、III族窒化物半導体積層構造としてのＧａＮ半導体層２は、ＧａＮ基板１の一方の主面（第１主面）側に第１量子井戸層２２を含む第１部分２Ａを有し、ＧａＮ基板１の他方の主面（第２主面）側に第２量子井戸層２６を含む第２部分２Ｂを有している。前記他方の主面（第２主面）は、鏡面とされている。
第１部分２Ａは、ＧａＮ基板１側から順に、Ｎ型コンタクト層２１、第１量子井戸層２２、ファイナルバリア層２５、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４を積層して構成されている。
第２部分２Ｂは、この実施形態では、第２量子井戸層２６のみを含む。第２量子井戸層２６は、Ｎ型コンタクト層２１に対して第１量子井戸層２２とは反対側に位置しており、第１量子井戸層２２をＮ型およびＰ型コンタクト層２１，２４で挟んだ発光ダイオード構造の外側に配置されている。この第２量子井戸層２６側が、光取り出し面となっている。
Ｐ型コンタクト層２４の表面に形成されたアノード電極３は、支持基板１０上の配線１１に接合（ダイボンディング）されている。これにより、発光ダイオード構造は、図１の場合とは反転した姿勢で支持基板１０に固定されている。
ＧａＮ半導体層２の第１部分２Ａは、支持基板１０側からＮ型コンタクト層２１が露出するまでエッチング（たとえばプラズマエッチング）されていて、凹部１７が形成されている。この凹部１７に、Ｎ型コンタクト層２１に接するカソード電極５が形成されている。このカソード電極５と支持基板１０上の配線１２とが、金属ポスト１８によって接続されている。
この構成により、ＧａＮ半導体層２の第１部分２Ａでは、第１量子井戸層２２をＮ型コンタクト層２１とＰ型コンタクト層２４とで挟んだダイオード構造が形成されている。したがって、アノード電極３とカソード電極５との間に順方向電圧を印加すれば、第１量子井戸層２２は、電流注入によって励起し、その主面の結晶面に依存する偏光を発生する。この光が、ＧａＮ基板１を透過して第２量子井戸層２６に達することにより、この第２量子井戸層２６が光励起され、その主面の結晶面に依存する偏光を発生する。
ＧａＮ基板１の両主面は、いずれもｃ面以外の共通の結晶面であるので、第１および第２量子井戸層２２，２６の偏光方向は等しい。したがって、第２量子井戸層２６側では、第１および第２量子井戸層２２，２６の発光色の混色の偏光が観測されることになる。
第１量子井戸層２２で発生した偏光光がＧａＮ基板１で吸収されることを抑制するためには、ＧａＮ基板１は第１量子井戸層２２よりも広いバンドギャップを持つことが好ましい。また、基板１が第１量子井戸層２２の発光波長に対して透明（好ましくは９０％以上の光透過率）であることがより好ましい。
この構造の窒化物半導体発光素子の作製に際しては、ＧａＮ基板１の一方主面側にＧａＮ半導体層２の第１部分２Ａがエピタキシャル成長させられた後に、ＧａＮ基板１の他方主面側に第２部分２Ａを構成する第２量子井戸層２６がエピタキシャル成長させられる。したがって、第２量子井戸層２６は、第１部分２Ａの発光ダイオード構造よりも後に形成されるので、Ｐ型コンタクト層２４等の形成時の高温による熱ダメージを受けることがない。これにより、すぐれた効率で発光することができる。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、発光ダイオード構造に本願発明が適用された例について説明したが、この発明は、レーザダイオード等の他の発光デバイスにも適用することができる。
また、前述の実施形態では、主としてｍ面を主面とするＧａＮ基板１を用いた例について説明したが、ａ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。また、（１０−１１）面、（１０−１３）面、（１１−２２）などといったセミポーラ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。
また、前述の例では、ＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体層２を再成長させた例について説明したが、たとえば、ｍ面を主面とした炭化シリコン基板上に、成長主面をｍ面としたＧａＮ半導体を成長させるようにしてもよいし、ｒ面を主面とするサファイア基板上にａ面を主面とするＧａＮ半導体を成長させるようにしてもよい。
さらに、前述の実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体をエピタキシャル成長させる例について説明したが、ＨＶＰＥ法などの他のエピタキシャル成長法が適用されてもよい。
また、前述の実施形態では、第１および第２量子井戸層（発光層）２２，２６を有する構成について説明したが、たとえば、図１および図４にそれぞれ示すように、第３活性層２７を第２量子井戸層２６に積層してもよい。この第３活性層２７は、たとえば、第１および第２量子井戸層２２，２６のいずれとも発光波長の異なるIII族窒化物半導体層（より具体的には量子井戸層）からなり、第１量子井戸層２２からの光の入射を受けて光励起して発光するものである。これにより、３色の偏光光が見かけ上混合されて観測されることになる。むろん、さらに、第４活性層や第５活性層を積層して、４色以上の混色の偏光発光を行わせることも可能である。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解的な断面図である。 III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。 ＧａＮ半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。 この発明の他の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を説明するための図解的な断面図である。
符号の説明
１ ＧａＮ基板
２ ＧａＮ半導体層
２Ａ 第１部分
２Ｂ 第２部分
３ アノード電極
４ 接続部
５ カソード電極
７，８ 凹部
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
１７ 凹部
１８ 金属ポスト
２１ Ｎ型コンタクト層
２２ 第１量子井戸層（第１活性層）
２３ Ｐ型電子阻止層
２４ Ｐ型コンタクト層
２５ ファイナルバリア層
２６ 第２量子井戸層（第２活性層）
２７ 第３活性層
３０ 処理室
３１ ヒータ
３２ サセプタ
３３ 回転軸
３４ 回転駆動機構
３５ ウエハ
３６ 排気配管
４０ 原料ガス供給路
４１ アンモニア原料配管
４２ ガリウム原料配管
４３ アルミニウム原料配管
４４ インジウム原料配管
４５ マグネシウム原料配管
４６ シリコン原料配管
５１ アンモニア原料バルブ
５２ ガリウム原料バルブ
５３ アルミニウム原料バルブ
５４ インジウム原料バルブ
５５ マグネシウム原料バルブ
５６ シリコン原料バルブ

Claims (16)

  1. ｃ面以外の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体発光素子であって、
    前記III族窒化物半導体積層構造が、
    ｃ面以外の所定の結晶面の主面を有し、第１波長の光を発生する第１活性層と、
    前記所定の結晶面の主面を有し、前記第１波長とは異なる第２波長の光を発生する第２活性層とを含む、窒化物半導体発光素子。
  2. 前記第１および第２活性層が、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる、請求項１記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 前記III族窒化物半導体積層構造が、さらに、Ｎ型窒化物半導体層と、Ｐ型窒化物半導体層とを含み、
    前記第１活性層が、前記Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間にあり、
    前記第２活性層が、前記Ｎ型窒化物半導体層およびＰ型窒化物半導体層の間以外の場所にある、請求項１または２記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記第２活性層が、前記Ｐ型窒化物半導体層に対して前記第１活性層とは反対側にある、請求項３記載の窒化物半導体発光素子。
  5. 前記第２活性層が、前記Ｎ型窒化物半導体層に対して前記第１活性層とは反対側にある、請求項３記載の窒化物半導体発光素子。
  6. いずれも前記所定の結晶面である第１主面および第２主面を有する基板をさらに含み、
    前記III族窒化物半導体積層構造が、前記基板の第１主面に積層され前記第１活性層を含む第１部分と、前記基板の第２主面に積層され前記第２活性層を含む第２部分とを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  7. 前記第２主面が鏡面である、請求項６記載の窒化物半導体発光素子。
  8. 前記基板が、前記第１活性層よりも広いバンドギャップを持つ、請求項６または７記載の窒化物半導体発光素子。
  9. 前記基板が、前記第１活性層の発光波長に対して透明である、請求項６〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  10. 前記第１活性層が電流注入により発光し、前記第２活性層が前記第１活性層からの光による光励起によって発光するようになっている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  11. 前記第１活性層は、前記第２活性層よりもバンドギャップが大きいIII族窒化物半導体からなる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  12. 前記所定の結晶面が、無極性面または半極性面である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子。
  13. ｃ面以外の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    前記III族窒化物半導体積層構造を形成する工程が、
    ｃ面以外の所定の結晶面の主面を有し、第１波長の光を発生する第１活性層を形成する工程と、
    前記所定の結晶面の主面を有し、前記第１波長よりも長い第２波長の光を発生する第２活性層を、前記III族窒化物半導体積層構造の構成層のうち当該第２活性層の形成温度よりも形成温度の高い層を全て形成した後に形成する工程とを含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
  14. ｃ面以外の積層主面を有するIII族窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    前記III族窒化物半導体積層構造を形成する工程が、
    第１導電型の窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記第１導電型の窒化物半導体層の上に、ｃ面以外の所定の結晶面の主面を有し、第１波長の光を発生する第１活性層を形成する工程と、
    前記第１活性層の上に、第２導電型の窒化物半導体層を形成する工程と、
    前記所定の結晶面の主面を有し、前記第１波長よりも長い第２波長の光を発生する第２活性層を、前記第１導電型の窒化物半導体層、前記第１活性層および前記第２導電型の窒化物半導体層が形成された後に形成する工程とを含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
  15. 前記第２活性層を形成する工程が、前記III族窒化物半導体積層構造の他のすべての構成層が形成された後に当該第２活性層を形成する工程である、請求項１３または１４記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  16. 前記第２波長が、５００ｎｍ以上である、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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