JP3516434B2 - 化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ｎ形発光層に積
層したｐ形半導体層上にｐ形パッド電極を設けて成る化
合物半導体発光素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ａ．III 族窒化物半導体発光素子の構成
材料 一般式 Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋
ｙ＋ｚ＝１）で表されるIII 族窒化物半導体は、紫外系
から緑色系の短波長帯の可視光を放射するに適する禁止
帯幅を有している。このため、III 族窒化物半導体は、
短波長帯の光を発するレーザダイオード（ＬＤ）或いは
発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光デバイスを構成するた
めの必須の材料となっている。また、砒素（Ａｓ）や燐
（Ｐ）等を第Ｖ族の一構成元素として含む Ａｌ_xＧａ_y
Ｉｎ_zＭ_1-aＮ_a（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝
１、０＜ａ≦１、Ｍ：窒素以外の第Ｖ族の構成元素）も
光デバイスの発光層を構成するに都合の良い材料であ
る。

【０００３】Ｂ．従来の発光層の構成 特に、インジウムの組成比如何によって青色等の短波長
光をもたらすに都合の良い禁止帯幅が得られる直接遷移
型の窒化ガリウム・インジウムは、III 族窒化物半導体
発光素子の発光層の重要な構成材料である。発光層に
は、アンドープ或いは不純物をドーピングしたｎ形若し
くはｐ形の窒化ガリウム・インジウムが常用されている
（特開平６−１５１９６３号公報明細書参照）。例え
ば、層厚が０．５μｍのアンドープの窒化ガリウム・イ
ンジウム層を発光層とする例がある（特開平２−２２９
４７５号公報明細書参照）。単一或いは多重量子井戸構
造の井戸層を発光層とする場合は、アンドープの窒化ガ
リウム・インジウムが好んで用いられる（特開平９−３
６４３０号公報明細書参照）。亜鉛（Ｚｎ）と珪素 (Ｓ
ｉ）を共にドーピングした層厚が１００ÅのＧａ_0.85Ｉ
ｎ_0.15Ｎを井戸層とする従来例もある（特開平６−２６
０６８０号公報明細書参照）。

【０００４】Ｃ．従来の発光層の内部組織 従来では、単一のインジウム組成比から成る組成的に均
質な窒化ガリウム・インジウムを発光層とするのが常で
あった（特開平９−３６４３０号公報明細書参照）。反
面、均質なインジウム組成の窒化ガリウム・インジウム
層は、そもそも形成するのが困難であると報告されてい
る（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｕｎｎ．、１１
（１９７２）、６１７〜６２１頁、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．、４６（８）（１９７５）、３４３２〜３４３
７頁参照）。これは、インジウムの熱的な拡散の容易さ
と凝集の容易さに因るものである。このように、成膜す
る上での安定性と、発光の高出力化とに優位な発光層の
結晶組織は未だ明確にされていないのが現状である。

【０００５】Ｄ．III 族窒化物半導体ＬＥＤの構造例 III 族窒化物半導体から成るＬＥＤは、窒化ガリウム・
インジウムを発光層とするダブルヘテロ（ＤＨ）接合構
造から構成するの一般的であり（特開平６−２６０６８
２号公報明細書参照）、このＤＨ接合構造における発光
層に対するｐ形クラッド層には、ｐ形のIII 族窒化物半
導体、例えば窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_x
Ｇａ_yＮ：０≦ｘ，ｙ≦１、ｘ＋ｙ＝１）が使用される
（特開平６−２６０２８３号公報明細書参照）。そし
て、ｐ形クラッド層上にはｐ形電極を形成するためのコ
ンタクト層が積層される。このコンタクト層には通常、
低抵抗のマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ形窒化ガリウム
（ＧａＮ）が使用される（特開平６−２６８２５９号公
報明細書参照）。

【０００６】Ｅ．ｐ形電極の従来の構成 ｐ形クラッド層上に形成される従来のｐ形電極は、ｐ形
パッド（台座）電極と、導電性及び透光性を有する金属
薄膜電極（透光性薄膜電極）とから構成される。ｐ形パ
ッド電極の材料としては金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀
（Ａｇ）及びニッケル（Ｎｉ）が知られている（特開平
５−２９１６２１号公報明細書参照）。クロム（Ｃｒ）
またはＮｉを含む合金もｐ形電極材料である（特開平６
−２３２４５０号公報明細書参照）。透光性薄膜電極
（実開平６−３８２６５号公報明細書参照）は、素子動
作電流をｐｎ接合面（発光面）の略全域に拡散するため
の電極である。この透光性薄膜電極をＡｕやＮｉ（実開
平６−３８２６５号及び特開平９−６４３３７号の各公
報明細書参照）、インジウム（Ｉｎ）と錫（Ｓｎ）の複
合酸化物（略称：ＩＴＯ）から構成する例がある（特公
昭５３−１１４３９号及び特開平９−１２９９１９号の
各公報明細書参照）。

【０００７】図１３は従来のＬＥＤの断面構造を電極の
配置状況を含めて模式的に示す図である。図において、
従来のＬＥＤ６０は、基板２００上に、緩衝層２００
ａ、ｎ形下部クラッド層２０１、ｎ形発光層２０２、ｐ
形上部クラッド層２０３及びｐ形コンタクト層２０３ａ
が順次積層され、このｐ形コンタクト層２０３ａに、上
記のｐ形パッド電極２０５と透光性薄膜電極２０４とか
ら成るｐ形電極２０６が形成される。

【０００８】ｐ形パッド電極２０５には、ＬＥＤ６０を
動作させる電力を供給するための導線２０５ａが結線さ
れている。透光性薄膜電極２０４は通常、異なる金属或
いは合金から成る２層の薄膜２０４ａ，２０４ｂの重層
構成である（特開平９−１２９９３２号公報明細書参
照）。ｐ形パッド電極２０５と金属薄膜電極２０４とは
導通しており、素子動作電流は導線２０５ａを介して、
ｐ形パッド電極２０５から透光性薄膜電極２０４に流通
される。発光面積を拡張して広い面積から均一な発光を
得るには、透光性薄膜電極２０４に一様に動作電流を拡
散させる機能を発揮させるのが重要である。

【０００９】Ｆ．素子動作電流を拡散させるための従来
の措置 素子動作電力を受電するｐ形パッド電極２０５は通常、
数μｍ程度の厚さの金属膜から構成されるので、この厚
い金属膜は発光の透過性を欠くこととなり、ｐ形パッド
電極２０５の直下の発光は都合良く外部へ取り出せなく
なる。したがって、ｐ形パッド電極２０５を敷設した側
から発光を外部へ取り出すタイプのＬＥＤでは、ｐ形パ
ッド電極２０５下部での発光は発光出力の向上に寄与す
る有効的な成分とはならない。ｐ形パッド電極２０５下
部での発光はｐ形パッド電極２０５から発光層２０２へ
短絡的に流通する電流成分に起因する。この短絡的な電
流を発光面上の透光性薄膜電極２０４に広範に流通でき
れば、それだけ発光面積が拡張され、高出力のＬＥＤを
得るに有利となる。ｐ形パッド電極２０５直下に素子動
作電流が流入するのを抑制し、素子動作電流を透光性薄
膜電極２０４に都合良く拡散させる措置として、ｐ形パ
ッド電極２０５と、その下方の発光層２０２との間に高
抵抗層を介在させ、その高抵抗層上にｐ形パッド電極２
０５を形成する方法がある。

【００１０】上記の高抵抗層を形成する手法には次の２
通りがある。第１は、ｐ形パッド電極の直下に二酸化珪
素（ＳｉＯ₂ ）や窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等の絶縁膜を
配置する手法である（特開平８−２７９６４３号公報明
細書参照）。絶縁膜の形成方法に関しては、ｐ形パッド
電極を配置する予定の領域の直下にある、III 族窒化物
半導体から成るｐ形半導体層を削除して、その切り欠き
部に窒化珪素 （Ｓｉ₃Ｎ₄ ）等から成る絶縁膜を埋め込
む方法が開示されている（特開平８−２５０７６９号公
報明細書参照）。

【００１１】高抵抗層を形成する第２の手法は、イオン
注入技術に依るものである（特開平８−２５０７６８号
公報明細書参照）。これは、イオン注入によって被注入
体内に誘因される損傷を利用して高抵抗層を形成する手
法である。

【００１２】Ｇ．イオン注入技術による高抵抗層 上記のイオン注入技術は、選択された領域の表面から不
純物を均一に注入できるドーピング技法であり、従来の
無機絶縁膜を配置する場合のようにｐ形層の一部（ｐ形
パッド電極の形成予定領域）を削除したり欠落させる必
要はなく、ｐ形層の内部の特定の深さの領域を選択的に
高抵抗とすることができる。このように、イオン注入技
術は、高抵抗領域を限定された領域に選択的に形成でき
る利便なプロセス手法である

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の特開平
８−２５０７６８号公報等で開示されている従来のイオ
ン注入技術は、イオンを注入することによってｐ形層内
に発生するダメージを利用して高抵抗層を形成するもの
である。すなわち、層内にイオンを無理矢理めり込ませ
ることで損傷を受け乱れた結晶の配列をそのまま利用す
るものであり、このような配列の乱れは層内の比較的広
い範囲に及び、キャリアの走行を邪魔する障害となって
高抵抗となり、素子動作電力もこの高抵抗化のゆえに無
駄に消費されてしまう。このように、従来のイオン注入
技術は、単にイオン注入することだけで高抵抗化しよう
としたものであり、発光をもたらす素子動作電流を有効
に発光領域の略全面に拡散させるという観点から、高抵
抗層の大きさや配置が最適となるように制御を行うもの
ではなく、したがって高抵抗層を電流阻止層として設け
ても、発光出力を充分に発揮させるに至っていなかっ
た。

【００１４】また、高抵抗層はそもそも電気的な特性で
あって、発光層やｐ形層の各電気伝導形とは自ずから強
い関係を有しているが、上記従来のイオン注入技術で
は、そのような電気伝導形に対する配慮は一切なされて
おらず、したがって電気的な面から見ても必ずしも適切
なものとは言えないものであっった。

【００１５】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
発光層やｐ形層の電気伝導形等を考慮に入れて最適な電
流阻止層を形成することで、発光をもたらす素子動作電
流を有効に発光領域の略全面に拡散させ発光面積を拡張
し、これにより発光出力を充分に発揮させることができ
る化合物半導体発光素子を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、ｎ形発光層に積層したｐ
形半導体層上にｐ形パッド電極を設けて成る化合物半導
体発光素子において、上記ｎ形発光層はインジウムを含
有する III 族窒化物半導体から成り、上記ｐ形半導体層
は III 族窒化物半導体から成り、上記化合物半導体発光
素子は、 III 族窒化物半導体発光素子であり、上記ｐ形
半導体層の内部に、ｎ形不純物をイオン注入して形成し
たイオン注入領域を電流阻止領域として設け、そのイオ
ン注入領域の上方に上記ｐ形パッド電極を設け、上記ｎ
形発光層のインジウムを含有する III 族窒化物半導体は
主体相とその主体相とはインジウム濃度を異にする従属
相とから成る多相構造を有している、ことを特徴として
いる。

【００１７】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の発明の構成に加えて、上記イオン注入領域の平
面積を、ｐ形パッド電極の底面積の０．４倍以上２倍以
下とした、ことを特徴としている。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る化合
物半導体発光素子の積層構造の一部を模式的に示す図で
ある。

【００２３】図において、本発明に係る化合物半導体発
光素子１０は、例えばIII 族窒化物半導体発光素子であ
り、ｎ形の発光層２に接合して、ｐ形不純物を添加した
ｐ形半導体層（以下ｐ形層という）３を形成してあり、
そのｐ形層３の内部に、ｎ形不純物をイオン注入して形
成したイオン注入領域６を電流阻止領域として設け、そ
のイオン注入領域６の上方にｐ形パッド電極５を設けて
ある。

【００２４】先ず発光層２について説明する。発光層２
は例えば Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦
ｘ，ｙ＜１、０＜ｚ≦１）で表記されるインジウム含有
III 族窒化物半導体層から構成する。短波長光に対応す
る禁止帯幅を得る関係上、アルミニウム組成比（ｘ）は
大きくとも約０．１０以下、望ましくは約０．０５以下
とする。ｘは０でも構わない。ガリウム組成比ｙは概
ね、０．５以上であるのが望ましい。インジウムは必須
の構成成分であり、その組成ｚは約０．０５以上約０．
５未満とするのが望ましい。好ましいインジウム組成の
範囲は約０．１０〜約０．２５である。ｘ＝０、ｙ＝
０．８でｚ＝０．２の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ
_0.8Ｉｎ_0.2Ｎ）は好ましい発光層構成材料の一例であ
る。発光層２は窒素以外の元素周期律表の第Ｖ族元素
（記号Ｍで示す。）を構成元素として含むＡｌ_xＧａ_yＩ
ｎ_zＮ_aＭ_1-a （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，ｙ＜１、０＜
ｚ≦１、０＜ａ≦１）からも構成できる。

【００２５】この発光素子１０では、発光層２のｐ形層
３との接合側に局在した電子を利用して発光出力の増大
を意図しているため、電子をマジョリティキャリア（ｍ
ａｊｏｒｉｔｙ ｃａｒｒｉｅｒ）とする層、即ちｎ形
層から発光層２を構成する。ｎ形発光層２のキャリア濃
度は概ね、５×１０¹⁵ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3である
のが望まれる。特に、約１〜１０×１０¹⁸ｃｍ^-3である
のが好まれる。このキャリア濃度範囲のｎ形層は、アン
ドープ或いは不純物を故意に添加（ドーピング）した層
の何れもが利用できる。ｎ形不純物には、Ｓｉ、硫黄
（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）等の第ＩＶ族元素や第ＶＩ族元
素がある。ｐ形不純物がドーピングされても尚、ｎ形の
伝導性を呈する層も発光層として利用できなくはない
が、低次元のキャリアを効率良く蓄積させるには、総不
純物量が少ない高純度のｎ形層を発光層とするのが好ま
しい。

【００２６】本発明では高強度の短波長発光を得るため
に、発光層２をインジウム濃度（組成比）を異にする複
数の相からなる多相構造とする。特に、 Ａｌ_xＧａ_yＩ
ｎ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からな
る母相と、 Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_cＮ（０≦ａ、ｂ＜１、０＜
ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）からなるインジウムを含む凝
集相の２相構造から発光層２を構成する。母相と凝集相
とでは、インジウム濃度は異なる。上記した好ましいイ
ンジウム組成の範囲（約０．１０〜約０．２５）は、イ
ンジウム濃度に”ゆらぎ”を有する複数の相からなる多
相構造における「平均的」な組成である。凝集相の相互
でインジウム濃度は異なっても構わない。発光層２の厚
さ、即ち母相の厚さは１ｎｍ以上３００ｎｍ以下とする
のが好ましい。１ｎｍ未満の極薄層は膜の連続性に欠け
る。３００ｎｍを越える厚膜層では表面状態の悪化を来
す。何れも発光強度の向上に不都合である。多相構造の
発光層２を形成する一技法には発光層２の加熱処理法が
ある。

【００２７】凝集相は、直径或いは横幅にして１ｎｍか
ら３０ｎｍの量子ドット（ｄｏｔ）サイズの微結晶体、
或いは他層との接合界面近傍の数μｍから数十μｍの析
出体の形態をなすのが一般的である。凝集相は発光層の
内部に空間的に略均一の密度で存在する場合と、発光層
と他層との接合界面若しくはその近傍の領域に集中して
存在する場合とがある。凝集相の発光層２内での分布状
況に拘らず本発明では何れも多相構造とみなす。凝集相
（微結晶体）の密度は１×１０¹²個／ｃｍ^-3以上２×１
０¹⁸個／ｃｍ^-3以下とするのが好ましい。２０ｎｍ以下
の発光層厚（母相厚）をｔ（ｃｍ）とする、特にアンド
ープの発光層内の凝集相（微結晶体）の密度は、５．０
×１０²³ｃｍ^-3×ｔ（個／ｃｍ^-3）以下とするのが好ま
しい。この微結晶体の密度は、発光の単色性を悪化させ
ないために規定される。発光層２表面でのインジウム含
有析出体の占有表面積は、発光層２の表面積に対し３５
％未満とすると発光強度及び単色性の向上に好都合であ
る。

【００２８】発光層２に積層するｐ形層３は、ｐ形クラ
ッド層３ａとｐ形コンタクト層３ｂとから成り、例えば
Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ_aＭ_1-a（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ，
ｙ＜１、０≦ｚ≦１、０＜ａ≦１）から構成する。ここ
で、インジウム及び上記の一般式で記号Ｍで表記される
窒素以外の第Ｖ族元素は、必須の構成元素ではない。し
たがって、ｚ＝０及びａ＝１は許容される。発光層２に
接合するｐ形クラッド層３ａは、発光層構成材料とは室
温に於いて電子の熱運動エネルギ（約０．２６ｅＶ）を
越える伝導帯の側のオフセットを形成する半導体材料か
ら構成するのが望ましい。発光層２内にマジョリティキ
ャリアとして存在する電子を、ｐ形クラッド層３ａ側の
発光層２の表層部に選択的に局在させるためである。好
ましい平均的なインジウム組成比の発光層２に対して
は、ｐ形クラッド層３ａを窒化アルミニウム・ガリウム
混晶から構成するのが適する。その場合の望ましいアル
ミニウム組成比は概ね、０．０５以上で約０．４０以下
である。アルミニウム組成が０．２前後の窒化アルミニ
ウム・ガリウム混晶はｐ形クラッド層３ａとして好まし
く利用できる。

【００２９】ｐ形クラッド層３ａ上に形成したｐ形コン
タクト層３ｂは、発光層２からの発光を透過でき、且つ
良好なオーミック特性の透光性電極を形成できるIII 族
窒化物半導体材料から構成する。発光波長から換算され
る禁止帯幅より僅かに大のバンドギャップを有する材料
から構成するのが好ましい。窒化ガリウム・インジウム
から成る発光層２に対しては、例えば発光層２よりもイ
ンジウム組成比を小とする窒化ガリウム・インジウム或
いは窒化ガリウムからｐ形コンタクト層３ｂを形成すれ
ばよい。ｐ形コンタクト層３ｂはキャリア濃度が高く低
抵抗であるのが望ましい。実用的には、キャリア濃度は
約１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であるのが好ましい。抵抗率が
数ミリオーム（ｍΩ）から数オーム（Ω）の範囲にある
低抵抗のｐ形層であれば、尚更都合が良い。抵抗率（比
抵抗）は通常のホール（Ｈａｌｌ）効果測定法により計
測できる。

【００３０】上記のIII 族窒化物半導体から成るｐ形層
３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の化学的
堆積法や、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ法）等の物
理的堆積法により、ｐ形不純物をドーピングして成膜で
きる。ｐ形不純物としては、例えばＭｇやＢｅ等を使用
する。また、ｐ形層３を一般的なハロゲン法或いはハイ
ドライド法で気相成長させることもできる。

【００３１】ｐ形層３の内部には、ｐ形パッド電極３直
下の発光層２に向けて素子動作電流が流れるのを阻止す
る電流阻止領域（イオン注入領域）６を形成する。電流
阻止領域６は高抵抗領域若しくはｐｎ接合領域の形成を
もって成す。本発明では、イオン注入技術を利用して電
流阻止領域６を形成する。イオン注入技術を利用すれ
ば、ｐ形パッド電極の下部に無機絶縁膜を敷設する従来
技術の場合の如く、ｐ形層の一部を除去する煩雑な工程
を要さずに、ｐ形層３の特定の平面領域の深部に選択的
に電流阻止領域６を形成することができる。

【００３２】ｐ形層３の内部領域にｐｎ接合を形成する
ために、イオン注入するのはｎ形不純物とする。ｎ形不
純物には、Ｓｉ、錫（Ｓｎ）、Ｓ、Ｓｅ等がある。特に
拡散係数の小さいＳｉ等は、電流阻止領域６の幅をより
安定に制御するに適するイオン注入種である。注入イオ
ン種（ｎ形不純物）は単一には限定されず、複数であっ
ても構わない。ｎ形不純物の注入と同時に、水素（Ｈ）
やアルゴン（Ａｒ）の他、ＮやＰ等の第Ｖ族元素等の電
気伝導に関して中性的なイオンも注入してよい。酸素
（Ｏ）等の深い準位を形成する不純物イオンの同時注入
も許容される。

【００３３】不純物をイオン注入するにはある程度の加
速エネルギ（加速電圧）が必要である。加速電圧が極端
に低いと被注入体へイオンを充分に注入できない。極端
な弱エネルギでは注入すること自体難しくなる。実用
上、被注入体の表層部にイオンを安定的に注入するに必
要とされる最低の加速電圧は、大凡５０キロエレクトロ
ボルト（ＫｅＶ）程度である。注入イオン種として質量
数が２８或いは２９のＳｉを選択した場合、この加速電
圧に対応する投影飛程は約０．０５μｍ（５０ｎｍ）で
ある。投影飛程とは、注入した不純物が最も高密度に存
在する被注入体表面からの深さである（その詳細は後
述）。したがって、注入イオン種としてＳｉを選択した
場合の発光層２上に堆積するｐ形層３の合計の層厚は最
低でも約０．０５μｍとするのが望ましい。その他の注
入イオン種を選択した場合も含めて、ｐ形層３の合計の
層厚は、約２０ｎｍ〜５００ｎｍ程度とするのが推奨さ
れる。

【００３４】イオンはｐ形パッド電極５を形成する予定
の領域に選択的に注入する。ｐ形パッド電極５を形成す
る予定領域に限りｐ形層３の表面を露呈し、その他の領
域をイオンの透過を阻止できる被膜で被覆（マスキン
グ）した後にイオン注入を施行すれば、ｐ形パッド電極
５の形成予定領域に限定してイオン注入を行うことがで
きる。マスク材には、二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）、窒化珪
素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）、或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）
等から成る無機絶縁性の膜や、パターニングに利用され
る有機フォトレジスト材を使用することができる。Ｓｉ
Ｏ₂ などの無機絶縁性の膜と有機フォトレジスト材とを
重層させた被膜もマスク材として使用することができ
る。酸化膜或いは窒化膜などの無機絶縁性のマスク材は
注入後のアニール時にｐ形層または注入層からの揮発性
の高い構成元素の揮散を抑制するための保護膜としても
応用できる。

【００３５】注入後には熱処理（注入アニール）を施
す。注入アニールは、注入不純物を電気的に活性化でき
ると共に、注入により発生した損傷（注入損傷）を回復
できる温度で行う。約１２００℃を越える温度でのアニ
ールでは、昇華によりIII 族窒化物半導体層の表面は劣
化する。約１０００℃以下では注入損傷を充分に回復す
るに至らない。ｐ形層３内のｐ形キャリアを電気的に補
償して高抵抗領域或いはｐｎ接合領域の電流阻止領域６
を形成する本発明にあっては、電気的に活性化させた注
入不純物を発生させる必要がある。昇華による表面状態
の悪化を防止でき、ある程度の電気的に活性化した不純
物を得るには約１０００℃〜１２００℃でのアニールが
望ましい。

【００３６】アニール時間は約６０分以内とするのが望
ましい。長時間に亘るアニールは、昇華による III族窒
化物半導体表面の劣化が促進される不具合を来す。表面
モフォロジが劣化した、表面の平担性を失ったｐ形層３
の表面は、ｐ形層３上に形成する透光性薄膜電極を連続
して形成するのに不利となる。また、表面に生じた凹凸
によりｐ形層３表面と透光性薄膜電極との密着性が弱く
なる。

【００３７】アニール用保護膜（キャップ）を冠した被
注入体のアニールは、Ａｒや窒素などの不活性ガス雰囲
気中で実施する。不活性ガスとアンモニア（ＮＨ₃ ）等
の窒素含有気体との混合雰囲気はキャップレスアニール
法に好ましく利用できる。熱解離により発生した窒素含
有フラグメントがIII 族窒化物半導体層の表面からの窒
素の逸脱を抑制し、表面状態の劣化を抑制するに効果を
奏するからである。水素などの還元性雰囲気では昇華に
よるIII 族窒化物半導体表面の劣化が促進される。酸素
等の酸化性雰囲気もIII 族窒化物半導体層を酸化により
変質させるため好ましくはない。

【００３８】注入アニールは、発光層２を多相構造とす
るための加熱処理条件でも実施できる。この多相構造を
形成するための加熱処理条件を要約すれば、発光層２を
６５０℃〜９５０℃に昇温した後、９５０℃を越え１２
００℃以下で６０分以内の加熱処理を施し、その後、規
定の降温速度で冷却するものである。

【００３９】注入アニールは単一温度で所定の時間実施
する手法に限定されない。約１０００℃〜１１５０℃の
範囲で温度を異にして多段階にアニールする方法も採用
できる。注入アニールは、赤外線ランプ加熱法、抵抗加
熱法や高周波加熱法等の加熱手段を備えた加熱装置（加
熱炉）で実施できる。ｐ形層３を気相成長させた成長炉
であっても、また、アニール専用に設けた加熱炉であっ
てもよい。

【００４０】イオン注入領域（電流阻止領域）６を高抵
抗とするかｐｎ接合を形成するに足るｎ形領域とするか
は、注入するイオンの量（ドーズ（ｄｏｓｅ）量）で調
節する。

【００４１】イオン注入領域６を高抵抗とするには、ｐ
形キャリアを電気的に補償する程度の量のイオンを注入
すれば良い。ｐ形キャリアを補償し尚且、ｎ形キャリア
を残存するに充分なイオン量を注入すれば良い。被注入
体のｐ形層のキャリア濃度と略同等のｎ形キャリアを生
ずる様にｎ形不純物のドーズ量を設定すれば高抵抗領域
を形成することができる。高抵抗化した電流阻止領域６
の抵抗が、ｐ形層３のそれに比し大であれば、電流阻止
の役目を発揮できるが、実用上、電流阻止領域６の抵抗
はｐ形層３のそれを約１桁以上とするのが望ましい。好
ましくは、数百から数キロΩ程度以上とする。

【００４２】一方、イオン注入領域６をｎ形領域とする
には、イオン注入領域６のｎ形キャリア濃度がｐ形層３
のキャリア濃度の倍以上となるようにドーズ量を調節す
る。ドーズ量は、ｐ形層３のキャリア濃度を約１桁以上
上回るｎ形キャリアを発生する様なドーズ量とするのが
望ましい。しかし、極端にドーズ量を増加させれば、注
入アニールでは回復できない程の注入損傷が発光層に迄
波及する不具合を生ずる。ドーズ量は大きくとも約１×
１０¹⁵ｃｍ^-2とするのが望ましい。キャリア濃度が約１
×１０¹⁷ｃｍ^-3のｐ形層３であれば、加速電圧にも依る
がドーズ量は最低でも１０¹²ｃｍ^-2程度は必要である。

【００４３】イオン注入領域６の上方のｐ形層３の表面
には、ｐ形パッド電極５を形成する。ｐ形層３に接触す
るｐ形パッド電極５の底面の形状は円形、楕円形、半円
形や角形など種々の形状を選択できる。ｐ形パッド電極
６の底面形状の中心と、イオン注入領域６のそれとは厳
密に一致させる必要は必ずしもない。特に、イオン注入
領域６がｐ形パッド電極５の底面積を上回る場合、イオ
ン注入領域の隅部に、或いはイオン注入領域６の中心か
ら偏芯した箇所にｐ形パッド電極５を設けても構わな
い。ｐ形パッド電極５は、Ａｕ、銀（Ａｇ）、Ｎｉなど
の単体金属、或いはそれらの合金から構成できる。ｐ形
パッド電極５は単層の他、重層構造としてもよい。重層
構造のｐ形パッド電極５を構成する場合、ｐ形層３と接
触する電極をｐ形層３に対して非オーミック性電極から
構成すると、更にｐ形パッド電極５よりその下方に短絡
的に流出する電流成分を減ずるに効果がある。

【００４４】ｐ形パッド電極５に導通させて透光性薄膜
電極４を平面状に設ける。透光性薄膜電極４は透光性の
電極材料として既に公知のＡｕ、ＡｌやＮｉから構成で
きる。透光性薄膜電極４を構成する金属薄膜の厚みは、
短波長可視光に対して透光性を失わない程度の約１０〜
２０ｎｍ程度とするのが望ましい。約１０ｎｍ未満の極
端に薄い膜にすると膜の連続性に欠けるため、電極抵抗
の増大が帰結される場合がある。逆に、約２０ｎｍを越
える厚い膜にすると、光の透過率が極端に減少してしま
う。具体例を示せば、波長を約４５０ｎｍとする青色光
に対する透過率は、膜厚が約２０ｎｍを越えるＡｕ膜に
あっては５０％を下回るものとなる。透光性薄膜電極４
は、その材料と厚さを適切に設定することにより、例え
ば波長４５０ｎｍの発光に対し５０％以上の透過率を与
えるように構成するのが望ましい。

【００４５】ところで、ｐ形パッド電極５の下方に配置
するイオン注入領域６は、透光性薄膜電極４へ供給され
る素子動作電流を増加させるように作用するが、上記の
如く、透光性薄膜電極４は薄膜として形成するので、そ
の抵抗は高くなり、流通する電流が増加すればその発熱
も大となる。薄膜であるため膜の連続性が不充分である
に加え、発熱に因り透光性薄膜電極４とｐ形層３との密
着性は悪化する傾向となる。透光性薄膜電極４とｐ形層
３との間で剥離した領域が発生すると、発光パターンは
一様とはならず斑点状となってしまい、発光出力も低下
してしまう。

【００４６】そこで本発明では、透光性薄膜電極４の表
面を透光性の金属酸化物保護膜４１で被覆し、ｐ形層３
と透光性薄膜電極４との密着性を増して、発熱を受けて
も剥離を防止できるようにしている。金属酸化物保護膜
４１を透光性薄膜電極４の周縁に露出しているｐ形層３
の表面に被着する様に、広範な領域即ちｐ形層３の略全
領域に敷設すると、透光性薄膜電極４をｐ形層３表面
に、より効果的に密着させることができる。金属酸化物
保護膜４１を透光性薄膜電極４を形成する金属膜よりも
透光性に優れる金属酸化物材料から構成すると、透光性
を徒に減ずることなく透光性薄膜電極４を保護できる。
好適な透光性の金属酸化物保護膜４１は、Ｎｉの飽和及
び不飽和酸化物や、二酸化チタン等のＴｉ酸化物から構
成できる。特に、二酸化ニッケル（ＮｉＯ₂ ）や、これ
に近い当量組成比のＮｉ酸化物膜は、透光性の金属酸化
物保護膜として有用である。

【００４７】金属酸化物保護膜４１の厚さとしては、約
５〜１００ｎｍが適する。Ａｕ薄膜とは異なり、Ｎｉ酸
化物保護膜では約２０ｎｍを越える厚さであっても透光
性はそれ程低下しない利便性がある。更に、透光性薄膜
電極４のｐ形層３からの剥離を防止するには、金属酸化
物保護膜４１上に二酸化珪素や窒化珪素等の一般的な無
機絶縁性保護膜を積層する手法がある。ポリイミド等の
有機樹脂系の膜からも金属酸化物を含む重層保護膜を構
成できる。金属酸化物保護膜４１とｐ形パッド電極５と
は、敢えて導通させる必要はない。

【００４８】本発明は、イオン注入領域６の平面積をｐ
形パッド電極５の底面積に対して制約する。なお、イオ
ン注入領域６の平面積とは、ｐ形パッド電極５を配置す
るｐ形層３の表面に射影される面積である。

【００４９】ｐ形パッド電極５を配置する側から発光を
外部に取り出す方式の発光素子にあって、ｐ形パッド電
極５の直下に位置する発光層２からの発光の大部分は、
ｐ形パッド電極５に遮蔽されて素子外部へ放射されな
い。ｐ形パッド電極５の直下にイオン注入領域６を設け
るのは、このｐ形パッド電極５の下方に位置する発光層
２への通流を妨げ、図１の矢印Ａで示すように、素子動
作電流を透光性薄膜電極４の全般的な領域に行き渡らせ
て、発光面積を拡張させることを意図している。

【００５０】このような素子動作電流の流れを鑑みる
と、ｐ形パッド電極５の底面積に比してイオン注入領域
６の平面積が極端に小であると素子動作電流が発光層２
へと通流する確率が増える。すなわち、外部へ取り出せ
る発光の強度の向上に寄与しない領域での発光のため
に、素子動作電流の一部が消費される不具合を生ずる。
逆に、イオン注入領域６の平面積がｐ形パッド電極５の
底面積に比較して大であり、ｐ形パッド電極５の近辺の
透光性薄膜電極４の敷設領域に及ぶと、その領域の透光
性薄膜電極４は良好なオーミック接触特性を示さず、ま
た、発光ももたらさない。したがって、発光面積の減少
が帰結され高発光強度の素子を得るのに不利となる。ま
た、イオン注入領域６が広範囲に及ぶと、抵抗が高い故
に通電時に発熱する領域が増大し、ｐ形パッド電極５の
下方でのこの発熱によりｐ形パッド電極５の信頼性が低
下するという悪影響も生じてしまう。そこで、本発明で
は、イオン注入領域６の平面積をｐ形パッド電極５の底
面積の０．４倍以上２．０倍以下とする。イオン注入領
域６の平面積がこの範囲にあれば、素子動作電流を都合
良く透光性薄膜電極４に拡散することができる。

【００５１】イオン注入領域６の形状は、ｐ形パッド電
極５の底面の形状と相似とするのが望ましい。例えば、
図２に示すように、ｐ形パッド電極５の底面の形状が正
方形であれば、イオン注入領域６の平面形状を正方形と
する。また、ｐ形パッド電極５が円形の場合は、イオン
注入領域６を円形に形成する。

【００５２】ｐ形パッド電極５の底面形状の中心と、イ
オン注入領域６の平面形状の中心とは、厳密に一致させ
る必要は必ずしもない。特に、イオン注入領域６の平面
積がｐ形パッド電極５の底面積を上回る場合、イオン注
入領域６の隅部や、その中心から偏芯した箇所にｐ形パ
ッド電極５を設けても構わない。

【００５３】イオン注入領域６を或る範囲内で散在して
設ける場合も、各注入領域の表面積の合計はｐ形パッド
電極５の底面積の０．４倍以上２．０倍以下にする。イ
オン注入領域６を散在して設けるには、例えばｐ形パッ
ド電極５を形成する予定の範囲内に等間隔に断続的に、
或いは環帯状に注入すれば良い。その具体例は、詳細に
後述する。

【００５４】本発明では、イオン注入領域６の平面積に
上記のような規定を加えるとともに、イオン注入領域６
のｐ形層３内における位置、すなわち、イオン注入を施
すｐ形層３の表面からの深さ（距離）を規定する。

【００５５】一般に、イオン注入された不純物の濃度Ｎ
の被注入体表面からの深さ方向ｘの分布Ｎ（ｘ）は、周
知のＬＳＳ理論を基礎として次式（２）で近似される
（「超高速バイポーラ・デバイス」、１９９０年１０月
２０日初版第４刷、（株）培風館発行、１０６頁参
照）。 Ｎ（ｘ） ＝｛Ｑ／（２^1/2π・ΔＲｐ）｝・ｅｘｐ｛−１／２・（ｘ−Ｒp／ΔＲｐ）²｝ ・・・・・（２） 上記式（２）において、Ｑはドーズ量、換言すれば被注
入体の単位面積（１ｃｍ² ）に注入されるイオンの総量
である。Ｒｐは投影飛程であって、注入した不純物が最
も高濃度に存在する被注入体の表面からの深さを表し、
加速電圧の増加と共に増加する（深くなる）。ΔＲｐは
分布の標準偏差を表すものであって、正規分布における
標準偏差を表す数値に相当する。上記式（２）は、注入
された不純物（イオン）の濃度Ｎが、図３に示すよう
に、ｐ形層３の表面からの深さに対して正規分布を示す
ことを表している。

【００５６】本発明では、イオン注入領域６を形成する
に当たり、注入するイオンの投影飛程Ｒｐをｐ形層３の
層厚の１／２以上とする。その理由は次の通りである。

【００５７】本発明は、ｎ形発光層２の上のｐ形層３の
内部にｎ形不純物をイオン注入して、ｐ形層３内にｐｎ
接合を形成することを意図している。ｐｎ接合は電子構
造的に電流の流通を阻止できる機能を持っており、その
機能を活用するためである。しかし、このｐｎ接合を形
成するイオン注入領域６１を、図４に示すように、ｐ形
パッド電極５の直下に、あたかもｐ形パッド電極５に接
するが如くに設けると、ｐ形パッド電極５から供給され
る素子動作電流は、図中矢印Ｂで示すように、そのイオ
ン注入領域６１で阻止されてしまい、発光層２に到達す
るどころか、ｐ形パッド電極５直下のイオン注入領域６
１で滞留してしまう。また、ｐ形パッド電極５と接触す
るｐ形層３の導電性の部分が狭まれるため、入力抵抗も
高ずる不具合を招く。また、ｐ形パッド電極５直下のｐ
形層３の極く表面近傍から、発光層２に至る深さ方向の
領域にｎ形不純物を全般的に注入すると、ｐ形パッド電
極５よりｎ形イオン注入領域を介して発光層２に素子動
作電流が直接流入する恐れがある。そこで、本発明で
は、イオン注入領域６をｐ形層３の深部の発光層２側に
設けてｐ形パッド電極５直下の領域をｐ形層として残存
させるべく、注入するイオンの投影飛程Ｒｐをｐ形層３
の層厚の１／２以上としている。このようにすることに
より、ｐ形パッド電極５の直下を安定してｐ形層として
残置することができ、これにより、ｐ形パッド電極５と
接触するｐ形層３の導電性の部分を充分に確保でき、ｐ
形パッド電極５からｐ形層３への素子動作電流の流れを
円滑にし、また、発光層２への短絡電流成分を確実に抑
制することができる。

【００５８】投影飛程Ｒｐは上記したように加速電圧で
調節できる。加速電圧を大とするに伴い投影飛程Ｒｐも
大となる（深くなる）。また、投影飛程Ｒｐは注入する
イオンの質量数に依存する。小さな質量数のイオン即
ち、”軽い”イオン程、投影飛程Ｒｐは大となる。窒化
ガリウムに質量数が２８のイオン価数を１とするＳｉイ
オン（²⁸Ｓｉ⁺ ）を１００ＫｅＶの加速電圧で注入した
場合の投影飛程Ｒｐは約０．１μｍである。加速電圧を
倍の２００ＫｅＶとすれば投影飛程Ｒｐも２倍の約０．
２μｍとなる。加速電圧等の注入条件はｐ形層３の合計
層厚に鑑み、適宣決定する。

【００５９】上記図３に示したイオン注入は、同一部分
に一回だけ注入する単段の場合であるが、ｐ形層３の合
計層厚が大凡２００ｎｍを越えると、単段のイオン注入
では、ｐ形層３の層厚に比較してイオン注入領域６の幅
が過小となる場合がある。充分な電流阻止機能を発揮さ
せるには、イオン注入領域６の深さ方向の幅をｐ形層３
の層厚の約１／４以上とする必要がある。面或いは軸チ
ャネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）を利用してイオン
をより深部に注入する方法があるが（蒲生 健次編著、
「半導体イオン注入技術」（昭和６１年７月３１日初
版、産業図書（株）発行）、２６〜３２頁参照）、この
方法では、注入イオンの到達深さを精密に制御するに難
がある。そこで、本発明では、注入段数を多段としてイ
オンを打ち込み、幅広のイオン注入領域６を形成する方
法を提供する。

【００６０】図５はイオン注入を多段に行った場合の注
入イオン濃度分布を示す図である。図では、３段にイオ
ン注入を行った場合を示している。注入条件のうち、注
入するイオン種を同一とし、加速電圧を大から小へと３
段階に変えると、それに対応して原子濃度分布はＮ１，
Ｎ２，Ｎ３と変化し、投影飛程ＲｐもＲｐ１，Ｒｐ２，
Ｒｐ３と順次小さくなる。すなわち、加速電圧の増大と
共に、投影飛程Ｒｐも増加する。そして、個々の原子濃
度分布Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を合成することで、多段注入し
た場合の原子濃度分布Ｎ０が得られる。多段注入した場
合の原子濃度分布Ｎ０は、単段注入の場合に比較して、
原子濃度を大とする部分が略平坦化（均一化）されるの
で、それだけイオン注入領域６の深さ方向の幅を厚くで
き、これにより、イオン注入領域６の電流阻止機能をよ
り一層効果的に発揮させることができる。

【００６１】同一イオンを多段に注入する場合は、加速
電圧で投影飛程Ｒｐを変化させ注入する。異種イオンを
多段に注入する場合も、注入イオン種の質量数に鑑みて
投影飛程Ｒｐを変化させて注入する。多段に注入を施す
場合、各々の投影飛程Ｒｐはｐ形層３の合計層厚の１／
２以深とする。ｐ形パッド電極５を敷設するｐ形層３の
表層部をｐ形として残存させるためである。発光層２に
到達する程、投影飛程Ｒｐを極端に大とすると、発光層
２が注入損傷を被る場合がある。したがって、投影飛程
Ｒｐはｐ形層３の合計層厚の１／２に相当する深さより
深く、且つ発光層２の表面に至る間の深さ領域に設定す
るのが望ましい。合計の層厚を２００ｎｍとするｐ形層
３を例にすれば、投影飛程Ｒｐは１００ｎｍを越え２０
０ｎｍ以内とするのが好ましい。

【００６２】ところで、注入損傷が最も高密度に残留す
るのは、投影飛程Ｒｐと、イオン濃度分布に関する標準
偏差ΔＲｐとを加算した（Ｒｐ＋ΔＲｐ）の深さ近傍で
ある。ここで、ΔＲｐはＲｐの約１／２であるから（前
出の「超高速バイポーラ・デバイス」、１０６頁参
照）、（Ｒｐ＋ΔＲｐ）は約１．５・Ｒｐとなる。した
がって、注入損傷が最も高密度に残留する約１．５×Ｒ
ｐの位置（深さ）が発光層２の表面の位置より浅くなる
ように投影飛程Ｒｐを設定するのが特に好ましい。上記
の合計の層厚が２００ｎｍのｐ形層３では、投影飛程Ｒ
ｐを１３３ｎｍ以下とするのが最適である。注入損傷が
最も高密度に残留する部分（１．５×Ｒｐ）をｐ形層３
の内部に留めることができ、発光層２の損傷を防ぐこと
ができるからである。

【００６３】このように、本発明に係る実施形態では、
ｐ形層３の内部にｎ形不純物をイオン注入しイオン注入
領域６を形成したので、そのイオン注入領域６は、ｐ形
層３の電気伝導形との関連で高抵抗或いはｐｎ接合を成
す領域となり、イオン注入領域６は電流を阻止する機能
を発揮し、ｐ形パッド電極５から直下への素子動作電流
の短絡的な流通を防止する。したがって、発光面上に設
けた透光性薄膜電極４の略全面に効率良く動作電流を拡
散させることができ、発光出力を充分に発揮させること
ができる。

【００６４】また、この実施形態では、イオン注入領域
６の平面積を、ｐ形パッド電極５の底面積に対して制約
している。ｐ形パッド電極５の底面積に比してイオン注
入領域６の平面積が極端に小であると、ｐ形パッド電極
５からその下方位置の発光層２に短絡的に通流して無駄
な通電となるし、逆に、イオン注入領域６の平面積が大
きすぎると、発光層２への通電が減少して発光出力を低
下させるとともに、イオン注入領域６での発熱が増大し
てｐ形パッド電極５の信頼性を低下させるが、本発明で
は、イオン注入領域６の平面積をｐ形パッド電極５の底
面積の０．４倍以上２．０倍以下としたので、イオン注
入領域６は素子動作電流に対する電流阻止機能を適切に
発揮することとなり、これにより、素子動作電流を無駄
なく有効に発光領域の略全面に拡散させることができ
る。

【００６５】さらに、ｐ形層３の内部に注入するイオン
の投影飛程Ｒｐをｐ形層３の表面からその層厚の１／２
以上としたので、イオン注入領域６はｐ形層３の深部の
発光層２側に設けられることとなり、ｐ形パッド電極５
直下の領域を安定してｐ形層として残存させることがで
き、これにより、ｐ形パッド電極５と接触するｐ形層３
の導電性の部分を充分に確保でき、ｐ形パッド電極５か
らｐ形層３への素子動作電流の流れを円滑にし、また、
発光層２への短絡電流成分を確実に抑制することがで
き、したがって素子動作電流を確実に発光領域の全面に
拡散させることができる。

【００６６】また、イオン注入領域６を、多段にイオン
を注入して形成するようにしたので、単段注入の場合に
比較して、原子濃度分布中の原子濃度を大とする部分の
平坦化（均一化）が可能となり、それだけイオン注入領
域６の深さ方向の幅を厚くすることができ、これによ
り、イオン注入領域６は電流阻止機能をより一層確実に
発揮できるようになる。

【００６７】また、透光性薄膜電極４の表面を透光性の
金属酸化物保護膜４１で被覆するようにしたので、透光
性薄膜電極４を保護することができるとともに、ｐ形層
３と透光性薄膜電極４との密着性を増すことができ、電
流阻止領域６を設けることで透光性薄膜電極４がより多
く発熱するようになっても、透光性薄膜電極４とｐ形層
３との間の剥離を確実に抑えることができ、発光出力の
低下を防止することができる。

【００６８】さらに、発光層２をインジウムを含有する
III 族窒化物半導体から形成すると共に、そのインジウ
ム含有III 族窒化物半導体を、主体相と、その主体相と
はインジウム濃度を異にする従属相とから成る多相構造
となるように形成したので、発光層２の結晶組織構成は
短波長光の発光を高出力とするのに優位な構成となり、
この点からも発光出力を向上させることができる。

【００６９】

【実施例】次に、この発明の化合物半導体発光素子を、
より具体的な実施例を以て説明する。 （第１実施例）本発明を発光ダイオード（ＬＥＤ）に適
用した場合について説明する。ＬＥＤ用途の積層構造体
を構成する各構成層は一般的な常圧（大気圧）方式のＭ
ＯＣＶＤ成長炉を利用して、基板上に次の手順により順
次形成した。

【００７０】図６は本発明の第１実施例に係る積層構造
体を示す図である。図において、積層構造体１１は、基
板１００上に積層して構成されている。基板１００とし
て、直径２インチ（直径５０ｍｍ）で厚さが約９０μｍ
の両面研磨した（０００１）（ｃ面）−サファイア（α
−Ａｌ₂ Ｏ₃ 単結晶）を使用した。基板１００上には、
４３０℃で層厚約２０ｎｍのアンドープ窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）から成る緩衝層１００ａを堆積した。

【００７１】次に、基板１００の温度を１１００℃に昇
温して緩衝層１００ａ上にＳｉドープ窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）から成るｎ形クラッド層１０１を積層した。層厚
は約３μｍでキャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし
た。

【００７２】１１００℃から８２０℃に降温し、平均的
なインジウム組成比を約２０％とするアンドープでｎ形
の窒化ガリウム・インジウム発光層１０２を成長させ
た。層厚は５ｎｍとした。

【００７３】８２０℃から１０５０℃に毎分約９０℃の
速度で昇温した後、Ｍｇドープ窒化アルミニウム・ガリ
ウム混晶（Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ）から成るｐ形クラッド
層１０３を成長させ、５分間に亘り成長を継続して層厚
を０．１μｍとした。引き続き、１０５０℃でＭｇドー
プ窒化ガリウムから成るｐ形コンタクト層１０３ａを成
長させ、６分間に亘り成長を継続して層厚を０．１μｍ
とした。両層１０３，１０３ａ共に層内のＭｇの原子濃
度は約２×１０¹⁹ｃｍ^-3とした。両層１０３，１０３ａ
のｐ形キャリアの濃度は約１×１０¹⁷ｃｍ^-3で、ｐ形コ
ンタクト層１０３ａの比抵抗は約４Ω・ｃｍであった。
ｐ形クラッド層１０３とｐ形コンタクト層１０３ａと
は、双方でｐ形層１３０になっている。

【００７４】１０５０℃で発光層１０２上に合計１１分
間に亘り合計層厚を０．２μｍとするｐ形層１３０の成
長を終了した後、９５０℃に４０℃／分の速度で２．５
分間で降温した。９５０℃から７５０℃へは１０℃／分
の速度で降温した。７５０℃からは自然放冷で室温に冷
却した。これで、積層構造体１１の各層の作製を完了し
た。

【００７５】冷却後、常圧ＭＯＣＶＤ成長炉から積層構
造体１１を取り出した。Ｍｇドープ窒化ガリウムから成
るｐ形コンタクト層１０３ａの表面を有機溶媒で洗浄し
た後、一般的な有機フォトレジスト材で表面を被覆し
た。公知のフォトリソグラフィ技術を利用して、ｐ形パ
ッド電極１０５（図７，図８）を形成する予定の領域の
レジスト材を選択的に剥離した。これにより、一辺を１
１０μｍとする正四角形の領域に限りフォトレジスト材
を開口させ、ｐ形コンタクト層１０３ａの表面を露出さ
せた。

【００７６】フォトレジスト材を開口させた部分に、室
温で質量数を２８とする１価のＳｉイオンを注入し、ｐ
形層１３０の内部に、ｐ形キャリア濃度と略均衡するｎ
形キャリアを発生させて高抵抗としたイオン注入領域１
０６を形成した。加速電圧は１２０ＫＶに設定した。投
影飛程Ｒｐはｐ形コンタクト層１０３ａの表面から約
０．１１μｍと見積もられた。ドーズ量は約８×１０¹²
ｃｍ^-12 とした。このドーズ量は、アニールにより約１
×１０¹⁷ｃｍ^-3の活性化したｎ形キャリアを得るために
設定したものである。注入時には、チャネリングを防止
するため、イオンビームの入射方向に対してｐ形コンタ
クト層１０３ａの表面を角度にして約１５度傾斜させ
た。注入終了後、マスク材とした膜厚が約１．２μｍの
フォトレジスト材を専用の薬液で剥離した。

【００７７】然る後、積層構造体１１を室温でアニール
炉内に載置した。炉内の雰囲気をＡｒガスとして、１１
００℃に７分間で昇温した。同温度に正確に２０分間保
持して、アニールした。アニール終了後は、９５０℃に
４０℃／分の速度で降温した。９５０℃から７５０℃へ
は１０℃／分の速度で降温した。７５０℃からは自然放
冷で室温に冷却した。以上の操作をもって、発光層１０
２上にイオン注入領域１０６を内包するｐ形層１３０を
備えたＬＥＤ用途の積層構造体１１を得た。

【００７８】発光層１０２内部の結晶組織構造を断面Ｔ
ＥＭ法で観察した。発光層１０２は、略円形の断面のイ
ンジウム凝集体（微結晶体）と母相とから成る多相構造
であった。凝集体の直径は最大で約３ｎｍ程度であっ
た。凝集体は母相内に略一様に分布していた。母相のイ
ンジウム組成比は約１０％前後であった。凝集体のイン
ジウム組成比には２０％を越えるものも確認された。発
光層１０２のｐ形クラッド層１０３との接合界面近傍の
領域には、帯状或いは島状の断面のインジウム析出体が
存在した。析出体の横幅は平均して２μｍ程度であっ
た。プラズマエッチングにより露呈させた発光層１０２
の表面の蛍光顕微鏡観察によれば、析出体の面積占有率
は発光層１０２の表面積に対し約５％未満であった。

【００７９】積層構造体１１を加工してＬＥＤ５０を作
製した。ｐ形パッド電極１０５はイオン注入領域１０６
の上方に形成した。ｐ形パッド電極１０５はＡｕ（９０
重量％）・Ｂｅ（１０重量％）合金膜と厚さが約２μｍ
のＡｕ膜とを重層させて構成した。ｐ形コンタクト層１
０３ａの表面に接触する、厚さが約０．２μｍのＡｕ・
Ｂｅ合金膜の底面は、一辺が１００μｍの正方形とし
た。ｐ形パッド電極１０５は底部の中心をイオン注入領
域１０６の中心と一致させて形成した。イオン注入領域
１０６の平面積に対するｐ形パッド電極１０５の底面積
の比率は０．８３となった。

【００８０】上記の積層構造体１１を母体材料として発
光ダイオードを作製した。図７は発光ダイオードの断面
構造を模式的に示す図で図８のＡ−Ａ断面であり、図８
は発光ダイオードの平面模式図である。これらの図にお
いて、発光ダイオード５０は、上記の積層構造体１１に
電極を設けた構成となっている。

【００８１】上記の積層構造体１１に、Ａｒ／メタン／
水素混合ガスのプラズマエッチングを施し、メサ（ｍｅ
ｓａ）状に残存させたｐ形コンタクト層１０３ａの表面
上には、膜厚約１５０ÅのＡｕ真空蒸着薄膜から成る透
光性薄膜電極１０４を形成した。透光性薄膜電極１０４
の表面全体を被覆し、更にその透光性薄膜電極１０４の
周縁に露出したｐ形コンタクト層１０３ａの表面を被覆
する広範囲の領域上に、厚さ約５０ÅのＮｉ被膜を真空
蒸着した。Ｎｉ被膜は被着後、酸素雰囲気中で４５０℃
で酸化処理し透光性の酸化ニッケルに変化させ、透光性
薄膜電極１０４を保護する金属酸化物保護膜１０４ａと
した。ｎ形パッド電極１０９はｎ形クラッド層１０１上
に形成した。ｎ形パッド電極１０９はＡｌ単体から構成
した。このようにして、ＬＥＤ５０を構成した。

【００８２】上記構成のＬＥＤ５０において、ｐ形パッ
ド電極１０５と、ｎ形パッド電極１０９との間で、順方
向に電流を通流させると、波長が約４５７ｎｍの青色発
光を得た。発光領域は透光性薄膜電極１０４の全面に及
んだ。また、透光性薄膜電極１０４の領域内での発光は
略一様であり、透光性薄膜電極１０４のｐ形コンタクト
層１０３ａからの部分的な剥離に起因する斑点状の非発
光点も視認されなかった。順方向電流を２０ｍＡとした
際の発光出力は２１マイクロワット（μＷ）であった。
順方向電圧は２０ｍＡで約３．６Ｖとなった。逆方向電
圧は１０μＡで５０Ｖを越えた。このＬＥＤ５０の諸特
性を、他の実施例でのＬＥＤ及び従来例とともに図９に
纏めて示す。

【００８３】積層構成は同一であるが高抵抗のイオン注
入領域１０６を内包せず、透光性薄膜電極１０４の保護
膜１０４ａも備えないＬＥＤを従来例として、特性を比
較した（図９）。発光波長は約４５５ｎｍであり、本実
施例のＬＥＤ５０と然したる差異はなかった。しかし、
青色発光の強度はｐ形パッド電極からの距離の増大に伴
い減少するのが明らかに認められた。特に、透光性薄膜
電極のｎ形パッド電極側の周縁では発光は非常に微弱で
あった。また、発光する領域は斑点状に分布していた。
発光出力は概ね１２μＷ程度で、ＬＥＤ５０の約半分で
あった。逆方向電圧は平均して１０Ｖ前後となった。

【００８４】（第２実施例）この第２実施例では、底面
を正方形とするｐ形パッド電極を所定ピッチで複数配置
し、それに合わせて、イオン注入領域を形成する。な
お、この第２実施例において、上記第１実施例と同一の
構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略す
る。

【００８５】図１０は第２実施例でのマスク材開口領域
を模式的に示す図である。図において、ｐ形コンタクト
層１０３ａに被覆したマスク材表面１０３ｂには、マス
ク材表面１０３ｂを剥離することで、３５０μｍの間隔
（ピッチ）で形成したマスク材開口領域１１６…が設け
てある。これらのマスク材開口領域１１６…の形状は、
図に示すように、半径を８０μｍとする円の１／４円の
扇形である。これらのマスク材開口領域１１６…は、図
中破線で示す、底面を一辺が１００μｍの正方形とする
ｐ形パッド電極の形成予定領域１１５ａ…に対応して設
けられている。各マスク材開口領域１１６に対応して形
成されるイオン注入領域の面積は、ｐ形パッド電極の底
面積の０．８倍となった。

【００８６】各マスク材開口領域１１６から、質量数２
８の１価のＳｉイオンをドーズ量を４×１０¹³ｃｍ^-2と
して注入した。このドーズ量で得られるｎ形キャリア濃
度は約４×１０¹⁷ｃｍ^-3である。被注入体のｐ形層３の
キャリア濃度が約１×１０¹⁷ｃｍ^-3であるから、このド
ーズ量はｐ形層内部にｐｎ接合のイオン注入領域を形成
するのに充分であった。加速電圧は、投影飛程Ｒｐをｐ
形層３の層厚０．２μｍの１／２以深である約０．１２
μｍとするため、１３０ＫＶとした。注入後のアニール
は第１実施例の条件下で実施した。

【００８７】第１実施例に記載の手法でＬＥＤを作製
し、２０ｍＡの順方向電流を通流させた際の発光波長
は、図９に示すように、約４５０ｎｍであった。透光性
薄膜電極１０４の全面からの青色発光は略一様の強度で
あると視認された。透光性薄膜電極１０４の部分的な剥
離に起因する斑点状の非発光点も視認されなかった。順
方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は２２マイクロ
ワット（μＷ）であった。順方向電圧は２０ｍＡで約
３．６Ｖとなった。逆方向電圧は第１実施例に比較して
更に向上し、平均して１０μＡで約６０Ｖを越えた。

【００８８】（第３実施例）この第３実施例では、多段
にイオン注入することで幅広のイオン注入領域を形成し
ている。なお、この第３実施例において、上記第１実施
例と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明
を省略する。

【００８９】第１実施例の積層構造体１１のｐ形コンタ
クト層１０３ａの表面上に４００μｍの同一ピッチで、
面積を異にするマスク材開口領域を順次設けた。その各
マスク材開口領域での開口面積に応じて加速電圧及びド
ーズ量を変化させて多段に選択イオン注入した。

【００９０】図１１は第３実施例での多段イオン注入領
域の、深さ方向での面積の変化を模式的に示す積層構造
体の断面図であり、図１２は第３実施例における多段イ
オン注入領域でのイオン注入原子の、深さ方向分布を示
すＳＩＭＳ分析結果である。

【００９１】この第３実施例では、同一場所でのマスク
材開口領域に対して、３回イオン注入を行った。第１段
は、一辺が１４０μｍの正方形のマスク材開口領域に²⁸
Ｓｉ ⁺ イオンを加速電圧１５０ＫＶ、ドーズ量３×１０
¹³ｃｍ^-2で注入した。投影飛程Ｒｐはｐ形コンタクト層
１０３ａ表面から約０．１４μｍであり、投影飛程Ｒｐ
の深さでのｎ形キャリア濃度（ピークキャリア濃度）は
約３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。この第１段でイオン注入領
域１２６ａ（図１１）が形成された。第１段の注入完了
後、フォトレジスト材と二酸化珪素膜から成るマスク材
を一旦除去し、新たなマスク材でｐ形コンタクト層１０
３表面を被覆した。

【００９２】その後、第２段のイオン注入を行った。す
なわち、一辺を１００μｍとする正方形の領域を開口
し、このマスク材開口領域に加速電圧１３０ＫＶ、ドー
ズ量８×１０¹²ｃｍ^-2で²⁸Ｓｉ⁺ イオンを注入した。投
影飛程Ｒｐは０．１２μｍで、このドーズ量下で発生す
るピークキャリア濃度は約８×１０¹⁶ｃｍ^-3となった。
この第２段でイオン注入領域１２６ｂ（図１１）が形成
された。第２段の注入完了後、第１段の場合と同様に、
フォトレジスト材と二酸化珪素膜から成るマスク材を一
旦除去し、新たなマスク材でｐ形コンタクト層１０３表
面を被覆した。

【００９３】次に、第３段のイオン注入を行った。すな
わち、一辺を６５μｍとする正方形の領域を開口し、こ
のマスク材開口領域に加速電圧１２０ＫＶ、ドーズ量４
×１０¹²ｃｍ^-2で²⁸Ｓｉ⁺ イオン注入を施した。投影飛
程Ｒｐは約０．１１μｍで、ピークキャリア濃度は約５
×１０¹⁶ｃｍ^-3とした。この第３段でイオン注入領域１
２６ｃ（図１１）が形成された。第１段、第２段、第３
段での正方形のマスク材開口領域は全て中心を一致させ
て設けた。以上より、ｐ形層３の合計層厚の１／２を越
え発光層２表面に至る間の領域に、ｐ形パッド電極の底
面積に比して、平面積を異にし、且つｎ形キャリアのピ
ーク濃度を異にするイオン注入領域１２６ａ，１２６ｂ
及び１２６ｃを階段状に段重ねに形成した。

【００９４】図１１に示すように、第１段のイオン注入
領域１２６ａ、第２段のイオン注入領域１２６ｂ、第３
段のイオン注入領域１２６ｃは、マスク材開口領域の面
積に比例して、順にその平面積が減少する。一辺を１０
０μｍの正方形とするｐ形パッド電極１０５の底面積、
すなわちｐ形パッド電極１０５の形成予定領域１１５ｂ
に対する、イオン注入領域の平面積の比率は、第１段の
イオン注入領域１２６ａで２．０倍、第２段のイオン注
入領域１２６ｂで１．０倍、第３段のイオン注入領域１
２６ｃで０．４倍となっている。

【００９５】一方、ｎ形キャリア（珪素（Ｓｉ）原子濃
度）のピーク濃度は、図１２に示すように、ｐ形パッド
電極１０５（ｐ形コンタクト層１０３ａ表面）側から発
光層１０２の表面に向けて漸次、増加するものとなって
いる。特に、第１段のイオン注入領域１２６ａのｎ形キ
ャリアの濃度のピークｑ１は、ｐ形クラッド層１０３の
ｐ形キャリア濃度の約１×１０¹⁷ｃｍ^-3を上回り、ｐｎ
接合領域を形成するに充分となっている。第２段及び第
３段のイオン注入領域１２６ｂ，１２６ｃのｎ形キャリ
ア濃度のピークｑ２，ｑ３は、ｐ形クラッド層１０３の
キャリア濃度（約１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を下回ったが、そ
の領域を概ね、１ｋΩを越える高抵抗領域とするに充分
であった。このように、段重ねでイオン注入領域を設け
ることで、ｎ形キャリアの濃度分布あるいは抵抗値が略
一定となる幅を増加させることができる。ｎ形発光層１
０２内の平均的なＳｉの原子濃度は約９×１０¹⁸ｃｍ^-3
であった。

【００９６】第１実施例に記載の手法でＬＥＤを作製し
た。正方形のｐ形パッド電極１０５は第３段目の正方形
のイオン注入領域１２６ｃの中心と合致させて形成し
た。２０ｍＡの順方向電流を通流させた際の発光波長は
約４４４ｎｍであった。透光性薄膜電極１０４の略全面
から青色発光が観測された。しいて述べれば、ｐ形パッ
ド電極１０５の周縁部では若干ながら発光強度が低いの
が目視された。透光性薄膜電極１０４の部分的な剥離に
起因する斑点状の非発光点は視認されなかったが、順方
向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は第１実施例及び
第２実施例に比較すれば、１８マイクロワット（μＷ）
と、多少低下した。順方向電圧は２０ｍＡで約３．７Ｖ
となった。逆方向電圧は第１実施例及び第２実施例に比
較して明らかに向上し、平均して１０μＡで約７０Ｖを
越えるものとなった。

【００９７】上記の各実施例では、本発明を発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）に適用した場合について説明したが、本
発明は、他の発光素子、例えばレーザダイオード（Ｌ
Ｄ）にも同様に適用することができる。

【００９８】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。この
発明では、ｐ形半導体層の内部にｎ形不純物をイオン注
入しイオン注入領域を形成したので、そのイオン注入領
域は、ｐ形半導体層の電気伝導形との関連で高抵抗或い
はｐｎ接合を成す領域となり、イオン注入領域は電流を
阻止する機能を発揮し、ｐ形パッド電極から直下への素
子動作電流の短絡的な流通を防止できる。したがって、
発光面の略全面に効率良く素子動作電流を拡散させるこ
とができ、発光出力を充分に発揮させることができる。

【００９９】また、この発明では、イオン注入領域の平
面積を、ｐ形パッド電極の底面積に対して制約した。ｐ
形パッド電極の底面積に比してイオン注入領域の平面積
が極端に小であると、ｐ形パッド電極からその下方位置
の発光層に短絡的に通流して無駄な通電となるし、逆
に、イオン注入領域の平面積が大きすぎると、発光層へ
の通電が減少して発光出力を低下させるとともに、イオ
ン注入領域での発熱が増大してｐ形パッド電極の信頼性
を低下させるが、本発明では、イオン注入領域の平面積
をｐ形パッド電極の底面積の０．４倍以上２．０倍以下
としたので、イオン注入領域は素子動作電流に対する電
流阻止機能を適切に発揮することとなり、これにより、
素子動作電流を無駄なく有効に発光領域の略全面に拡散
させることができる。

【０１００】さらに、ｐ形半導体層の内部に注入するイ
オンの投影飛程Ｒｐをｐ形半導体層の表面からその層厚
の１／２以上としたので、イオン注入領域はｐ形半導体
層の深部の発光層側に設けられることとなり、ｐ形パッ
ド電極直下の領域を安定してｐ形層として残存させるこ
とができ、これにより、ｐ形パッド電極と接触するｐ形
半導体層の導電性の部分を充分に確保でき、ｐ形パッド
電極からｐ形半導体層への素子動作電流の流れを円滑に
し、また、発光層への短絡電流成分を確実に抑制するこ
とができ、したがって素子動作電流を確実に発光領域の
全面に拡散させることができる。

【０１０１】また、イオン注入領域を、多段にイオンを
注入して形成するようにしたので、単段注入の場合に比
較して、原子濃度分布中の原子濃度を大とする部分の平
坦化（均一化）が可能となり、それだけイオン注入領域
の深さ方向の幅を厚くすることができ、これにより、イ
オン注入領域は電流阻止機能をより一層確実に発揮でき
るようになる。

【０１０２】また、透光性薄膜電極の表面を透光性の金
属酸化物保護膜で被覆するようにしたので、透光性薄膜
電極を保護することができるとともに、ｐ形半導体層と
透光性薄膜電極との密着性を増すことができ、たとえ電
流阻止領域を設けることで透光性薄膜電極がより多く発
熱するようになっても、透光性薄膜電極とｐ形半導体層
との間の剥離を確実に抑えることができ、発光出力の低
下を防止することができる。

【０１０３】さらに、発光層をインジウムを含有するII
I 族窒化物半導体から形成すると共に、そのインジウム
含有III 族窒化物半導体を、主体相と、その主体相とは
インジウム濃度を異にする従属相とから成る多相構造と
なるように形成したので、発光層の結晶組織構成は短波
長光の発光を高出力とするのに優位な構成となり、この
点からも発光出力を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る化合物半導体発光素子の積層構造
の一部を模式的に示す図である。

【図２】イオン注入領域とｐ形パッド電極との平面視で
の関係を示す図である。

【図３】ｐ形層表面からの深さに対する注入イオンの濃
度分布を示す図である。

【図４】投影飛程を浅くしてイオン注入領域を形成した
ときの不具合を説明するための図である。

【図５】イオン注入を多段に行った場合の注入イオン濃
度分布を示す図である。

【図６】本発明の第１実施例に係る積層構造体を示す図
である。

【図７】第１実施例での発光ダイオードの断面構造を模
式的に示す図で図８のＡ−Ａ断面である。

【図８】第１実施例での発光ダイオードの平面模式図で
ある。

【図９】各実施例で作製した発光ダイオード及び従来例
の発光ダイオードの諸特性を示す図である。

【図１０】第２実施例でのマスク材開口領域を模式的に
示す図である。

【図１１】第３実施例での多段イオン注入領域の、深さ
方向での面積の変化を模式的に示す積層構造体の断面図
である。

【図１２】第３実施例における多段イオン注入領域での
イオン注入原子の、深さ方向分布を示すＳＩＭＳ分析結
果である。

【図１３】従来のＬＥＤの断面構造を電極の配置状況を
含めて模式的に示す図である。

【符号の説明】

２ ｎ形発光層 ３ ｐ形層（ｐ形半導体層） ３ａ ｐ形クラッド層 ３ｂ ｐ形コンタクト層 ４ 透光性薄膜電極 ４１ 金属酸化物保護膜 ５ ｐ形パッド電極 ６ イオン注入領域 １０ 化合物半導体発光素子 １１ 積層構造体 ５０ 発光ダイオード（ＬＥＤ） １００ 基板 １０１ ｎ形クラッド層 １０２ ｎ形発光層 １０３ ｐ形クラッド層 １０３ａ ｐ形コンタクト層 １０４ 透光性薄膜電極 １０４ａ 金属酸化物保護膜 １０５ ｐ形パッド電極 １０６ イオン注入領域 １０９ ｎ形パッド電極 １１５ａ，１１５ｂ ｐ形パッド電極の形成予定領域 １１６ マスク材開口領域 １３０ ｐ形層 Ｎ，Ｎ０，Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３ 注入イオン濃度 Ｒｐ 投影飛程

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｎ形発光層に積層したｐ形半導体層上に
   ｐ形パッド電極を設けて成る化合物半導体発光素子にお
   いて、上記ｎ形発光層はインジウムを含有する III 族窒化物半
   導体から成り、上記ｐ形半導体層は III 族窒化物半導体
   から成り、上記化合物半導体発光素子は、 III 族窒化物
   半導体発光素子であり、 上記ｐ形半導体層の内部に、ｎ形不純物をイオン注入し
   て形成したイオン注入領域を電流阻止領域として設け、
   そのイオン注入領域の上方に上記ｐ形パッド電極を設
   け、 上記ｎ形発光層のインジウムを含有する III 族窒化物半
   導体は主体相とその主体相とはインジウム濃度を異にす
   る従属相とから成る多相構造を有している、 ことを特徴とする化合物半導体発光素子。
2. 【請求項２】 上記イオン注入領域の平面積を、ｐ形パ
   ッド電極の底面積の０．４倍以上２倍以下とした、 ことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体発光素
   子。