JP4835010B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオードおよび照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光ダイオードに関するものである。

近年、短波長の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード（以下、ＧａＮ−ＬＥＤ）は、次世代照明用光源として、活発に研究開発が行われている（例えば、特許文献１）。

このようなＧａＮ−ＬＥＤにおいて、動作電圧を低減させ、発光出力を向上させるために、サファイア基板のような絶縁性の基板に代わって、窒化ガリウム基板が用いられるようになってきている（例えば、特許文献２）。
特開２００１−６０７１９号公報 特開２０００−１６２０２３号公報

しかしながら、ＧａＮ−ＬＥＤにおいて、窒化ガリウム基板の上面は、結晶の（０００１）面に対してオフ角のばらつきを有しており、個々のチップの特性にもばらつきが生じてしまうという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決したもので、個々のチップの特性が良好なＧａＮ−ＬＥＤを実現することを目的とする。

本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板と、基板の上方に配置されたＩｎを含む第一のｎ型半導体層と、第一のｎ型半導体層の上方に配置された活性層と、を有し、活性層は、井戸層と障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなり、井戸層の厚さは、１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下となるように構成したものである。

これにより、窒化ガリウム基板のオフ角の影響を緩和することができる。

本発明のＧａＮ−ＬＥＤは、個々のチップの特性が良好となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明の以下に示す実施の形態及び各図面は、例示を目的とし、本発明は、これらに限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１に係るＧａＮ−ＬＥＤ１の断面図（ＧａＮ−ＬＥＤ１を主発光面に垂直な面で切った面を表す図）を示す。

図１において、ＧａＮ−ＬＥＤ１のサイズは、縦方向に３２０μｍ、横方向に３２０μｍとなっている。なお、厚さとは、Ｙ軸方向における半導体層の最下面から最上面までの距離のことを指し、縦方向とは、Ｚ軸方向、横方向とは、Ｘ軸方向を指す（以下、本明細書中で同じ）。

基板１０の上方向には、第二のｎ型半導体層１１と、第一のｎ型半導体層１２と、ｎ型コンタクト層１３と、ｎ型クラッド層１４と、活性層１５と、ｐ型半導体層１６とが、順に積層されている。なお、ここでいう上方向とは、図１のＹ軸方向と同義である（以下、本実施の形態１中で同じ）。

ｐ型半導体層１６の上表面には、ｐ型電極１７が、ｎ型コンタクト層１３の上表面には、ｎ型電極１８が配置されている。

活性層１５は、井戸層１５１と障壁層１５２とを上方向に繰り返し積層させた多重量子井戸（ＭＱＷ）構造として配置されている。

上記構成により、ｐ型電極１７、ｎ型電極１８に電圧を印加した場合、３７０ｎｍ〜６６０ｎｍの発光を実現できる。

（各部の構成）以下、ＧａＮ−ＬＥＤ１の各構成について、より具体的に説明する。

（基板１０）基板１０は、ＳｉがドープされたＧａＮで構成されている。この構成により、ｐ型電極１７、ｎ型電極１８に電圧を印加した際、基板１０にも電流が流れるため、ＧａＮ−ＬＥＤ１全体としての動作電圧を低減することができる。

図２に本発明の実施の形態１に係るＧａＮ−ＬＥＤ１に用いられる基板１０の斜視図および断面図を示す。基板１０は、直径５０ｃｍ、厚さ３００μｍのウェハとなっている。

基板１０の上面は、（０００１）面に対して、０°以上１°以下のオフ角を有している。基板１０の上面のオフ角は、中心から端に向かうに連れて大きくなっている。このようにオフ角が同心円状になっているのは、ＧａＮからなる基板１０がサファイア等の異種基板上にエピタキシャル成長によって形成される際に（０００１）面が下に凸に反り、その後異種基板を除去して基板１０の表面を平坦に研磨することによる。なお、ここでいう（０００１）面とは、六方晶系におけるＣ面のことをいい、図１のＸ−Ｚ面に平行な面である（以下、本明細書中で同じ）。また、オフ角とは、所定の角度の傾斜を指す（以下、本明細書中で同じ）。また、傾斜方向は、結晶の＜１１−２０＞方向、＜１０−１０＞方向、＜１１−２０＞方向と＜１０−１０＞方向の間の方向のいずれであってもよい（以下、本明細書中で同じ）。

基板１０は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ―ｙ}Ｎ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、以下、本明細書中でＩｎＡｌＧａＮとする）、Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ＜１、以下、本明細書中でＡｌＧａＮとする）、Ｉｎ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ＜１、以下、本明細書中でＩｎＧａＮとする）で構成されていてもよいが、基板１０の結晶性向上および基板１０の上方に成長させる半導体積層構造の結晶性向上のために、ＧａＮで構成されていることが望ましい。

基板１０にドープするｎ型不純物には、Ｓｉ以外にＧｅ等の他のIV族元素または、VI族元素をドープすることが可能であり、Ｓｉがより好ましい。ｎ型不純物をドープしない構成にすることも可能である。ｎ型不純物をドープする際には、電子濃度を概略１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０²⁰ｃｍ^-3の範囲となるようにすることが好ましい。電子濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3よりも低くなると、抵抗率が高くなり、基板１０に注入された電子が基板１０で広がりにくくなる。また、１×１０²⁰ｃｍ^-3よりも高くなると、ｎ型不純物濃度が高くなったことにより、基板１０の結晶性が悪くなる傾向にある。

（第二のｎ型半導体層１１）第二のｎ型半導体層１１は、ＳｉがドープされたＧａＮで構成されている。この構成により、基板１０と第二のｎ型半導体層１１の格子定数が同じとなるため、第二のｎ型半導体層１１の上に成長させる層が安定し、活性層１５からの発光が均一化される。また、基板１０から活性層１５までの距離を遠ざけることができるため、基板１０の表面が不純物などによって汚染されているというような界面の影響を受けにくくなる。更に基板１０と略同じ格子定数を持つ第二のｎ型層１１を基板１０の上に成長させることにより、新たな歪みを生じさせずに第二のｎ型層１１を形成できるので、第二のｎ型層１１の上に成長する第一のｎ型層１２が安定に形成できる。また、基板１０から活性層１５までの距離を遠ざけるためにＩｎを含む層を厚くすると、クラックが入ってしまうが、第二のｎ型層１１を厚く成長させるならば、クラックがはいることも防ぐことができる。

第二のｎ型層１１には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。第二のｎ型層１１には、基板と略同じ格子定数をもつｎ型の窒化ガリウム系化合物半導体がよいが、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮであってもＩｎの組成が小さければ、基板との格子定数は近くなるので、用いることができる。

第二のｎ型層１１は、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上で１×１０^２０ｃｍ^−３未満とすることが望ましい。電子濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３よりも低くなると、ｎ型コンタクト層１３から供給された電子が基板１０に拡がりにくくなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、１×１０^２０ｃｍ^−３よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して第二のｎ型層１１の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。

第二のｎ型層１１の層厚は、１μｍとなっている。第二のｎ型層１１の厚さは、他の半導体層に比べて厚く成長させることが好ましく、１００ｎｍ以上としたほうがよい。この構成により、活性層１５は、基板１０の表面の不純物による汚染などによる影響を受けにくくなる。また、第一のｎ型半導体層１２や、クラッド層１４の層厚を厚くすると、クラックが入ってしまう可能性が高くなるが、第二のｎ型層１１を厚く成長させるならば、クラックが入ることを防止できる。第二のｎ型層１１の層厚の上限は特にはないが、第二のｎ型層１１の形成時間を不必要に長くならないようにするため、５μｍ以下程度とすることが望ましい。

（第一のｎ型半導体層１２）第一のｎ型半導体層１２は、ＳｉがドープされたＩｎＡｌＧａＮで構成されている。このようにＩｎを含む層とすることにより、ｎ型コンタクト層１３やｎ型クラッド層１４に比べて相対的に軟らかくなる。これにより、基板の表面のダメージやオフ角に由来する不均一なひずみや異常成長を緩和することができ、活性層１５からの発光出力が均一化される。

第一のｎ型半導体層１２には、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ等の単層、若しくは、これらの層と、異なる組成のＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮやＧａＮ、ＡｌＧａＮ等とを積層したものを用いることができるが、ＩｎＧａＮを用いた場合、製造が比較的容易となる。

ＩｎＡｌＧａＮを用いた場合、ＩｎＧａＮの場合ではＩｎが含まれることにより格子定数が大きくなることで基板１０が上に凸に反るという問題が発生することがあるが、ＩｎＧａＮにＡｌが含まれることにより、格子定数が小さくなる効果があり、基板１０を平坦に保つことができる。この場合、Ａｌの組成比は、全体の３％以下とすることが望ましい。３％以上とすると、第一のｎ型半導体層１２および第一のｎ型半導体層１２上方の層の結晶性が悪くなることや、基板のダメージやオフ角に由来する不均一なひずみや異常成長を緩和する効果が得にくいためである。

また、特に、活性層１５からの発光が紫外発光領域における発光である場合、ＩｎＡｌＧａＮは、ＩｎＧａＮに比べてバンドギャップが大きくなり、光の吸収が少なくなるので、ＩｎＡｌＧａＮを用いた方が好ましい。

第一のｎ型半導体層１２にはＩｎが少なくとも含まれていればよいが、Ｉｎ組成が組成全体の１％以上１０％以下の範囲であることが望ましい。１％以上であれば、基板のダメージひずみ等を吸収し易い。１０％以下であると層の厚さを薄くすることができるため、第一のｎ型半導体層１２自体に欠陥が生じにくく、結晶性が悪くなりにくい。特に、Ｉｎ組成が組成全体の２％〜７％の場合、上記の効果がより顕著となり好ましい。

また、第一のｎ型半導体層１２のＩｎの組成比は、ＬＥＤの発光波長に相当するエネルギーよりバンドギャップが大きくなるような組成比とすることが好ましい。

第一のｎ型半導体層１２の厚さは、１０ｎｍ以上１μｍ以下が望ましい。第一のｎ型半導体層１２の厚さが１０ｎｍ以上の場合、基板１０のオフ角の影響、および、基板１０の表面のダメージやオフ角に由来する不均一なひずみや異常成長を緩和する効果が得られる。第一のｎ型半導体層１２の厚さが１μｍ以下の場合、第一のｎ型半導体層１２の結晶性の劣化を防止することができ、さらに製造時間の短縮化が図れる。特に、第一のｎ型半導体層１２の厚さは、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の場合に上記効果がより一層得られる。

第一のｎ型半導体層１２にドープするｎ型不純物元素および電子濃度は、（基板１０）で述べたものと同様である。ｎ型不純物をドープしない構成にすることも可能である。

第一のｎ型半導体層１２は、第二のｎ型半導体層１１とｎ型コンタクト層１３との間に設けられることが望ましい。この場合、第二のｎ型半導体層１１とｎ型コンタクト層１３との合計の層厚を厚くすることなく（例えば、２μｍ以上とすることなく）、ｎ型クラッド層１４から上の層の結晶性を向上させることができる。第一のｎ型半導体１２は、ｎ型クラッド層１４の下や、第一のｎ型半導体層１２の下に設けることもできる。

（ｎ型コンタクト層１３）ｎ型コンタクト層１３は、ＳｉがドープされたＧａＮで構成されている。この構成により、基板１０とｎ型コンタクト層１３の格子定数が同じとなるため、ｎ型コンタクト層１３の上に成長させる層が安定し、活性層１５からの発光が均一化される。

ｎ型コンタクト層１３は、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、または、ＧａＮの単層、もしくは、これらの層を積層したものを用いることができるが、基板と略同じ格子定数をもつＧａＮで構成されることが好ましい。ＩｎＧａＮ、または、ＩｎＡｌＧａＮで構成される場合、Ｉｎの組成が小さければ、基板１０との格子定数は近くなることから、ｎ型コンタクト層１３として用いることができる。

ｎ型コンタクト層１３の厚さは、１００ｎｍ以上とすることが望ましい。１００ｎｍよりも薄いとエッチングによりｎ型コンタクト層１３内にｎ側電極１８を形成するための露出面を形成する際のエッチング精度が非常に厳しくなるからである。ｎ型コンタクト層１３の層厚の上限は特にはないが、露出面を形成する際のエッチング精度を緩和するとともに、ｎ型コンタクト層１３の形成時間を不必要に長くならないようにするため、２μｍ以下程度とすることが望ましい。

また、第二のｎ型半導体層１１とｎ型コンタクト層１３との合計の厚さを１μｍ以上とすることが望ましい。合計の厚さを１μｍ以上にすることにより、ｎ型クラッド層１４、活性層１５およびｐ型半導体層１６の結晶性を向上させることができる。

ｎ型コンタクト層１３は、ＳｉやＧｅ等のｎ型不純物がドープされて、その電子濃度を１×１０^１７ｃｍ^−３以上で１×１０^２０ｃｍ^−３未満とすることが望ましい。電子濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３よりも低くなると、ｎ型コンタクト層１３とｎ型電極１８のオーミック接触抵抗が大きくなり、発光素子の動作電圧が高くなるからであり、１×１０^２０ｃｍ^−３よりも高くなると、ｎ型不純物を高濃度にドープしたことに起因して第二のｎ型層１１の結晶性が悪くなる傾向にあるからである。

ｎ型コンタクト層１３は、ｎ型電極１８が設けられない場合、設けなくてもよい。ｎ型電極１８がｎ型コンタクト層１３に設けられない場合にｎ型コンタクト層１３を設ける場合、第一のｎ型半導体層１２とｎ型クラッド層１４の間の中間層としての役割を果たし、ｎ型コンタクト層１３の上方に形成される半導体層の結晶性の向上等に寄与する。なお、この場合、電極が接していないため、一般的な総称である「コンタクト層」の定義とは、意味が異なるが、電極が設けられない場合は、「中間層」と考える。

また、第二のｎ型半導体層１１とｎ型コンタクト層１３の厚さは、ｎ型電極１８が形成される方を厚くするように調整した方が、製造が簡単となる。

なお、ｎ型コンタクト層１３、第一のｎ型半導体層１２、第二のｎ型半導体層１１は、一体としてｎ型層と捉えることもできる。例えば、ｎ型ＧａＮの途中にＩｎＧａＮを挿入した「ｎ型半導体層」と捉えることができる。

（ｎ型クラッド層１４）ｎ型クラッド層１４は、ＳｉがドープされたＡｌＧａＮで構成されている。この構成により、活性層１５に比べてバンドギャップの大きい構成となり、活性層１５からの正孔のオーバーフローを効果的に抑制することができる。

ｎ型クラッド層１４は、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを用いることができるが、活性層１５に比べてバンドギャップの大きくなるＡｌＧａＮを用いることが好ましい。

ｎ型クラッド層１４の厚みは、５ｎｍ以上で２００ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。５ｎｍよりも薄いと正孔のオーバーフローを効果的に抑制する効果が小さくなる傾向にあり、２００ｎｍよりも厚くなるとＧａＮ−ＬＥＤ１の直列抵抗が高くなって動作電圧が高くなるからである。

ｎ型クラッド層１４は、ｎ型不純物がドープされていても、ｎ型不純物がドープされていなくてもよいが、ｎ型コンタクト層１３もしくは第一のｎ型半導体層１２よりもキャリア濃度が小さい方がよい。この構成により、ｎ型クラッド層１４内で電子が一時的に活性層１４側へ流れにくくなり、ｎ型クラッド層１４の面内で電子が均一に広がる。これにより、活性層１４への均一な電子の注入が実現でき、活性層１４における発光分布が均一となり、主発光面で均一な面発光が得られる。

（活性層１５）活性層１５は、井戸層１５１と障壁層１５２とを繰り返し積層させており、井戸層１５１が４層、障壁層１５２が３層のＭＱＷ構造として配置されている。

（井戸層１５１）井戸層１５１は、厚さ１．５ｎｍであり、ＩｎＧａＮで構成されている。より短波長の発光を得たい場合には、ＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮで構成することも可能である。

井戸層１５１の厚さは、１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とする。井戸層１５１の厚さが１ｎｍ以下となると、発光出力が大きく低下する。井戸層１５１の厚さが２．５ｎｍ以上となると、基板のオフ角の影響を受けるため、ＧａＮ−ＬＥＤ間で動作電圧のばらつきが生ずる。

図３に、ＧａＮ−ＬＥＤの井戸層１５１の厚さが２．０ｎｍ、２．５ｎｍ、２．７ｎｍ、３．０ｎｍの時における、基板１０の中心からの距離とその距離で分割されたＧａＮ−ＬＥＤの動作電圧との関係を示す。

井戸層１５１の厚さが２．０ｎｍ、２．５ｎｍの場合において、ＧａＮ−ＬＥＤは、動作電圧がばらつくことはなく、低い動作電圧となることがわかった。しかし、井戸層１５１の厚さが２．７ｎｍ、３．０ｎｍの場合、ＧａＮ−ＬＥＤは、基板１０の中心付近で高い動作電圧で、中心から端に向かうにつれ、動作電圧が低くなり、全体では、動作電圧に大きなばらつきが見られた。

これは、井戸層１５１であるＩｎＧａＮの電気抵抗率が基板１０のオフ角と井戸層厚に依存するためであると考えられる。ＩｎＧａＮは、クラッド層であるＧａＮ等に比較して低温で且つ水素を含まない雰囲気で成長されるので、成長表面でのマイグレーションが比較的に生じにくく、基板１０のオフ角が無いか若しくは小さい場合には、成長表面にステップが少ないために３次元的な島状成長の集合となりやすい。そして、井戸層１５１を厚くした場合に特にこの傾向が顕著になると考えられる。一方、オフ角が大きい場合は成長表面のステップ密度が増えるため、２次元的なステップフロー成長になりやすく、井戸層厚による差も生じにくい。このような基板のオフ角と井戸層厚の違いにより、井戸層の結晶性が異なり、電気抵抗率の違いが発生するものと考えられる。このような現象は転位密度が低い窒化ガリウム系半導体からなる基板の上にＩｎＧａＮを成長する場合に観察される現象であり、サファイアやＳｉＣのような異種基板上に成長する場合は、ＩｎＧａＮ層中に高密度の転位が存在するため、成長形態が自ずと異なる。

井戸層１５１の厚さが２．５ｎｍ以下であれば、ＧａＮ−ＬＥＤ１は、基板のオフ角の影響が小さくなるため、動作電圧が低く、そのばらつきを少なくすることができる。

図４に、ＧａＮ−ＬＥＤの井戸層１５１の厚さとＧａＮ−ＬＥＤ１の発光出力の関係を示す。井戸層１５１の厚さを１．０ｎｍ以下とすると、発光出力が急激に減少する。

これは、井戸層厚が薄くなるとキャリアのオーバーフローが生じやすくなるためであると考えられる。

（障壁層１５２）障壁層１５２は、ＧａＮで構成されている。障壁層１５２は、井戸層１５１よりバンドギャップの大きい構成となっていればよく、ＡｌＧａＮやＩｎＧａＮやＩｎＡｌＧａＮで構成することもできる。

障壁層１５２の厚さは、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が望ましい。障壁層１５２は、５ｎｍ以上であれば、井戸層１４２内にキャリアを閉じ込める役割を果たし、２０ｎｍ以下であれば、ＧａＮ−ＬＥＤ１の動作電圧の向上に寄与しない。

（ｐ型半導体層１６）ｐ型半導体層１６は、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮで構成されている。ｐ型半導体層１６は、活性層１５に比べてバンドギャップが大きい構成となっており、活性層１５からの正孔のオーバーフローを効果的に抑制することができる。

ｐ型半導体層１６には、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等の単層、若しくはこれらの層を積層したものを用いることができる。積層構造とする場合、活性層１５に接する側のｐ型半導体層１６としてＡｌＧａＮを用いると、活性層１５への電子の閉じ込めを効率的に行うことができる。また、積層構造とする場合、ｐ型電極１７に接する側のｐ型半導体層１６をＧａＮとすると、ｐ型電極１７との接触抵抗が小さくなり、ＧａＮ−ＬＥＤ１の動作電圧を低下させることができる。

ｐ型半導体層１６の厚さは、５０ｎｍ以上で５００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。５０ｎｍよりも厚いと、ｐ型電極１７の構成金属がエレクトロマイグレーション等により活性層１５へ侵入してしまうことを防止できるため、ＧａＮ−ＬＥＤ１の寿命の低下を防止できる。５００ｎｍよりも薄いと、ＧａＮ−ＬＥＤ１の動作電圧が高くなるのを防げるからである。

ｐ型半導体層１６にドープされる不純物としては、Ｍｇ以外にＺｎ、Ｃｄ、Ｃ等を用いることができる。不純物濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上５×１０^２０ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。１×１０^１９ｃｍ^−３より低い濃度では、ｐ型電極１７との接触抵抗が高くなってしまう。５×１０^２０ｃｍ^−３より高い濃度では、ｐ型半導体層１６の結晶性が悪くなるとともに、活性層１５へｐ型不純物が拡散してしまい、発光効率が低下してしまう。

ｐ型半導体層１６に比較的高い濃度のｐ型不純物をドープする際は、ｐ型不純物の活性層１５への過剰な拡散を抑制するために、活性層１５とｐ型半導体層１６の間に、中間層を導入することもできる。この中間層には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができるが、特に、ＧａＮやＡｌＧａＮを用いると、活性層１５との界面の結晶性を良好に保つことができるので好ましい。

中間層は、活性層１５の方向に拡散するｐ型不純物の吸収層としての役目を果たすために、アンドープであることが好ましい。中間層の層厚は、１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。１ｎｍよりも薄いとｐ型不純物の活性層１５への拡散を抑制する効果が小さくなり、５０ｎｍよりも厚くなると活性層１５への正孔の注入効率が低下し、発光効率が低下する。

（ｐ型電極１７）ｐ型電極１７は、ＡｕやＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ等の単体金属、あるいはそれらの合金や積層構造で構成されている。特に、基板１０の裏面から光を取り出す場合、発光波長に対する反射率が高いＡｇ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ等の金属や、これらの合金を用いると、活性層１５からｐ型電極１７の側へ向かう光を反射するので、効率よく光を取り出すことができる。

（ｎ型電極１８）ｎ型電極１８は、ＡｌやＴｉ等の単体金属、またはＡｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｖ、もしくは、Ｃｒ等を含む合金、若しくはそれらの積層構造で構成されている。

ｎ型電極１８は、ｎ型コンタクト層１３、ｎ型クラッド層１４、活性層１５、ｐ型半導体層１６の上面側から、エッチングにより一部を除去させて露出させたｎ型コンタクト層１３の上面に接して形成されている。ｎ型電極１８は、ｎ型コンタクト層１３の上面に設ける方が好ましい。ｎ型コンタクト層１３に設けた場合、エッチングする深さが浅くて済むため、製造が簡単になるからである。基板１０、第二のｎ型半導体層１１、第一のｎ型半導体層１２に設けることもできる。

（動作状況）図１において、本発明の第１の実施例に係るＧａＮ−ＬＥＤ１の動作および作用について説明する。

ｐ型電極１７とｎ型電極１８とに順バイアスとなるように電圧を印加すると、電流は、ｐ型電極１７、ｐ型半導体層１６、活性層１５、ｎ型クラッド層１４、の順に流れた後、一部はｎ型コンタクト層１３、ｎ型電極１８の順に、一部はｎ型コンタクト層１３、第一のｎ型半導体層１２、ｎ型コンタクト層１３の順に、一部はｎ型コンタクト層１３、第一のｎ型半導体層１２、第二のｎ型半導体層１１、第一のｎ型半導体層１２、ｎ型コンタクト層１３の順に、また一部はｎ型コンタクト層１３、第一のｎ型半導体層１２、第二のｎ型半導体層１１、基板１０、第二のｎ型半導体層１１、第一のｎ型半導体層１２、ｎ型コンタクト層１３の順に流れて、最後にｎ型電極１８に流れていく。このとき、活性層１５でｐ−ｎ接合におけるキャリアの再結合により、発光が起こる。

本実施の形態１では、Ｉｎを含む第一のｎ型半導体層１２を設けることにより、基板１０の表面のダメージやオフ角に由来する不均一なひずみや異常成長を緩和しているため、ＧａＮ−ＬＥＤ１が発光した際の発光出力のばらつきを抑えることができる。

図５（ａ）にＩｎを含む第一のｎ型半導体層１２を設けた場合のＧａＮ−ＬＥＤ１の発光出力のばらつきと、図５（ｂ）にＩｎを含む第一のｎ型半導体層１２を設けなかった場合のＧａＮ−ＬＥＤ１の発光出力のばらつきを示す。

図５において、Ｉｎを含む第一のｎ型半導体層１２を設けた場合のＧａＮ−ＬＥＤ１の発光出力のばらつきは、Ｉｎを含む第一のｎ型半導体層１２を設けなかった場合のＧａＮ−ＬＥＤ１の発光出力のばらつきに比べて少ないことがわかる。

また、本実施の形態１では、井戸層１５１の層厚を１．５ｎｍとしたことにより、オフ角の影響を緩和しているため、ＧａＮ−ＬＥＤ１に一定電流を流した場合の動作電圧のばらつきを抑えることができる。

図６（ａ）に井戸層１５１の厚さを１．５ｎｍとしたＧａＮ−ＬＥＤ１に２０ｍＡの電流を流した場合の動作電圧のばらつきと、図６（ｂ）に井戸層１５１の厚さを３．０ｎｍとしたＧａＮ−ＬＥＤ１に２０ｍＡの電流を流した場合の動作電圧のばらつきを示す。

図６において、井戸層１５１の厚さを１．５ｎｍとしたＧａＮ−ＬＥＤ１の動作電圧のばらつきは、井戸層１５１の厚さを３．０ｎｍとしたＧａＮ−ＬＥＤ１の動作電圧のばらつきに比べて少ないことがわかる。

図５および図６において、発光出力と動作電圧の測定は、５０ｍｍ径の基板１０から一辺が３２０μｍの正方形で厚さ１００μｍのサイズで切り出した約１９，０００個のチップ状のＧａＮ−ＬＥＤ１を透明な粘着フィルム上に搭載した状態で、この粘着フィルムを自動プローブ検査装置のＸＹステージに載置し、プローブ針をｐ型電極１７とｎ型電極１８に各々押し当てて電極間に２０ｍＡの電流を０．０１秒通電して順次測定した。発光出力は粘着フィルムのチップ搭載面の反対側に配置した受光素子によって測定し、発光出力の値は一部の発光しか受光できないため、定数を掛けて積分球による光出力に換算して求めた。なお、基板１０の周辺から１ｍｍの領域に存在するＧａＮ−ＬＥＤ１（約２，０００個）については、測定対象から外した。

（製造方法）以下、本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ−ＬＥＤ１の製造方法について簡潔に説明する。

表面を研磨により鏡面に仕上げられたＧａＮからなる基板１０を反応管内の基板ホルダーに設置した後、基板１０の表面温度を１０６０℃に加熱し、水素ガスと窒素ガスとアンモニアとを流しながら、基板１０の表面に付着している有機物等の汚れや水分を取り除くと同時に基板１０の表面の結晶性を向上させる。

この基板１０上面に主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスを流し、アンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とモノシランとを流しながら、ＳｉをドープさせたＧａＮからなる第二のｎ型半導体層１１を４００ｎｍの厚さで成長させる。

第二のｎ型半導体層１１の成長後、基板１０の温度を７５０℃にまで降下させ、主キャリアガスとして窒素ガスを流し、アンモニアとＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とモノシランを流しながらＳｉをドープのさせたＩｎＡｌＧａＮからなる第一のｎ型半導体層１２を５０ｎｍの厚さで成長させる。

第一のｎ型半導体層１２の成長後、基板１０の温度を１０６０℃に加熱し、主キャリアガスとして窒素ガスと水素ガスを流し、アンモニアとＴＭＧとモノシランとを流しながら、ＳｉをドープさせたＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３を６００ｎｍの厚さで成長させる。

ｎ型コンタクト層１３の成長後、基板１０の温度を引き続き１０６０℃に保持し、主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスを流し、アンモニアとＴＭＧとＴＭＡを流しながら、アンドープのＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１４を２０ｎｍの厚さで成長させる。

ｎ型クラッド層１４の成長後、基板１０の温度を７００℃にまで降下させ、主キャリアガスとして窒素ガスを流し、アンモニアとＴＭＧとＴＭＩとを流しながらアンドープのＩｎＧａＮからなる厚さ１．５ｎｍの井戸層と、アンモニアとＴＭＧを流しながらアンドープのＧａＮからなる厚さ１０ｎｍの障壁層とを交互に成長して、最上層が井戸層からなる井戸層数が４層の多重量子井戸構造の活性層１５を成長させる。

活性層１５の成長後、主キャリアガスとして窒素ガスを流し、アンモニアとＴＭＧとＴＭＡを流してアンドープのＡｌＧａＮを成長させながら基板１０の温度を１０００℃に向けて昇温させ、基板１０の温度が１０００℃に到達したら、主キャリアガスとしての窒素ガスと水素ガスを流し、アンモニアとＴＭＧとＴＭＡと、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）とを流しながら、ＭｇをドープさせたＡｌＧａＮからなるｐ型半導体層１６を２００ｎｍの厚さで成長させる。

ｐ型半導体層１６の成長後、主キャリアガスとしての窒素ガスとアンモニアを流しながら室温程度にまで冷却させて、ウェハを反応管から取り出す。

取り出したウェハに対して、ｐ型半導体層１６の上にＣＶＤ法によりＳｉＯ_２からなる絶縁膜を１μｍの厚さで堆積させる。さらに、フォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチング法により、ｐ型半導体層１６の一部のみを露出させたＳｉＯ_２からなるマスクを作製する。

作成されたマスクを用い、反応性イオンエッチングにより、露出させたｐ型半導体層１６の表面側からｐ型半導体層１６と、活性層１５と、ｎ型クラッド層１４の一部を除去して、ｎ型コンタクト層１３の表面を露出する。

次に、フォトリソグラフィーと蒸着法により、ｐ型半導体層１６の表面上にＰｔとＲｈとＴｉとＡｕを順次積層したｐ型電極１７を約１μｍ蒸着形成させる。さらに、フォトリソグラフィーと蒸着法により、ｎ型コンタクト層１３の裏面上にＴｉとＡｕを順次積層したｎ型電極１８を約６００ｎｍ蒸着形成させる。

次に、ウェハをセラミック円盤に貼り付け、基板１０側から研削および研磨して１００μｍの厚さにした後、ウェハをセラミック円盤から剥離する。

この後、ウェハの電極形成面側から波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザ第３高調波によるレーザスクライビングで幅１０μｍ、深さ４０μｍのＶ溝を形成し、その後ウェハを粘着フィルム上に載せた状態で、基板１０側から前記Ｖ溝の位置に合わせてカッターを押し当てて、１辺が３２０μｍの正方形で厚さ１００μｍのチップとなるように分離した。このようにして、図１に示すＧａＮ−ＬＥＤ１が得られる。

これらのＧａＮ−ＬＥＤ１を透明な粘着フィルム上に搭載した状態で、自動プローブ検査装置のＸＹステージに載置し、ｐ型電極１７とｎ型電極１８の間に２０ｍＡの順方向電流を流して発光出力と動作電圧を順次測定したところ、ピーク発光波長が４６０ｎｍの青色で発光し、個々のＧａＮ−ＬＥＤ１で発光出力のばらつきが少なく、積分球出力換算で平均７．３ｍＷ、標準偏差０．４ｍWであった。また、個々のＧａＮ−ＬＥＤ１で動作電圧のばらつきが少なく、平均３．０５V、標準偏差０．０１Ｖであった。

（比較例１）比較例において、上記実施の形態１において、第一のｎ型半導体層１２を形成せず、井戸層１５１の厚さを３．０ｎｍとして、上記実施の形態１と同様の手順でＧａＮ−ＬＥＤを作製した。

このＧａＮ−ＬＥＤに２０ｍＡの順方向電流を流したところ、ピーク発光波長が４６０ｎｍの青色で発光し、個々のＧａＮ−ＬＥＤで発光出力のばらつきが大きく、積分球出力換算で平均５．８ｍＷ、標準偏差１．２ｍＷであった。また、個々のＧａＮ−ＬＥＤで動作電圧のばらつきが大きく、平均３．１８V、標準偏差０．１２Ｖであった。

（変形例１）以上、本発明を好適な実施形態により説明したが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、以下、本実施の形態にかかるＧａＮ−ＬＥＤ１の変形例について述べる。

図７は、実施の形態１の変形例１に係るＧａＮ−ＬＥＤ１´を示す概略図である。ＧａＮ−ＬＥＤ１´は、基板１０の裏面にｎ型電極１８が設けられている点で、ｎ型コンタクト層１３の上面にｎ型電極１８が設けられているＧａＮ−ＬＥＤ１´とは異なる。この点以外は、ＧａＮ−ＬＥＤ１´は、図１に示したＧａＮ−ＬＥＤ１と同様の構成であり、同様の効果を有する（ＧａＮ−ＬＥＤ１と同様の構成は、同一の符号を付して、説明は、省略する。以下、本明細書中で同じ）。以下、ＧａＮ−ＬＥＤ１と異なる部分について詳述する。

ｎ型電極１８を基板１０の裏面に設けることにより、ｎ型コンタクト層１３の上面にｎ型電極１１を設ける必要がないため、製造過程で、エッチング工程を行う必要がなく、製造が簡易となる。

このように、ｎ型電極１８は、ｎ型コンタクト層１３の上面以外に設けられても構わない。ｎ型コンタクト層１３は、ｎ型電極１８が設けられない場合、設けなくてもよいが、ｎ型コンタクト層１３を設けると、第一のｎ型半導体層１２とｎ型クラッド層１４の間の中間層としての役割を果たし、ｎ型コンタクト層１３の上方に形成される半導体層の結晶性の向上等に寄与する。なお、この場合、電極が接していないため、一般的な総称である「コンタクト層」の定義とは、意味が異なるが、電極が設けられない場合は、「中間層」と考える。

ｐ型半導体層１６の上面には、透光性電極１９を設けることができる。透光性電極１９を設けることにより、ｐ型電極１７の面積を小さくすることができるので、ｐ型電極１７における光の吸収を防ぐことができる。

また、透光性電極１９を広げることにより活性層１５へ均一に電流を流すことができるため、発光出力を向上させ、動作電圧を低下させることができる。

（実施の形態２）
図８に本発明の実施の形態２に係るＧａＮ−ＬＥＤ２の断面図（ＧａＮ−ＬＥＤ２を主発光面に垂直な面で切った面を表す図）を示す。

実施の形態２に係るＧａＮ−ＬＥＤ２は、実施の形態１に係るＧａＮ−ＬＥＤ１をサブ基板２０にフリップチップ（ＦＣ）実装しものである。なお、フリップチップ実装とは、基板側が主発光面となるような実装方法のことである。

（各部の構成）以下、ＧａＮ−ＬＥＤ２の各構成について、より具体的に説明する。実施の形態１で説明した構成については、説明を省略する。

サブ基板２０の上面には、ｐ側電極２１１、ｎ側電極２１２が設けられている。ｐ側電極２１１とｐ型電極１７とは、バンプ２２１により接続されており、ｎ側電極２１２とｎ型電極２２２とは、バンプ２２２により接続されている。なお、ここでいう上とは、図８におけるＹ軸方向を指す（以下、本実施の形態２中で同じ）。

サブ基板２０は、ツェナーダイオードで構成されている。ツェナーダイオードで構成されている場合、静電耐圧に優れる。他に、発光ダイオードやＳｉダイオード、セラミック等を用いることもできる。

ｐ側電極２１１およびｎ側電極２１２は、ＡｕやＮｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｇ等の単体金属、あるいはそれらの合金や積層構造で構成されている。特に、発光波長に対する反射率が高いＡｇ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｄ等の金属を用いると、上方向へ効率よく光を取り出すことができる。

バンプ２２１およびバンプ２２２は、Ａｕバンプが好ましい。

（製造方法）以下、本発明の第１の実施の形態に係るＧａＮ−ＬＥＤ２の製造方法について簡潔に説明する。

実施の形態１で作成されたＧａＮ−ＬＥＤ１を電極形成面側を下向きにして、ｐ側電極２１１とｎ側電極２１２を上面に有するサブ基板２０にバンプ２２１、およびバンプ２２２により接着させ、ＧａＮ−ＬＥＤ２とした。

本実施の形態２におけるＧａＮ−ＬＥＤ２を２０ｍＡの順方向電流で駆動したところ、ピーク発光波長が４６０ｎｍの青色で発光し、発光出力は８．１ｍＷであった。また、動作電圧は３．０３Ｖであった。また、基板１０から均一な面発光が得られた。

（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２のＧａＮ−ＬＥＤに示した照明装置を構築することができる。ＧａＮ−ＬＥＤ一つ一つが、発光出力が均一なため、色ムラが抑制される。また、動作電圧が均一であるため、駆動回路が安定し、信頼性も向上している。そのような一例を図９、図１０に示す。

図９は、ＧａＮ−ＬＥＤ２をリードフレーム３１１のカップ内にＡｇペーストにより載置し、ｎ側電極２１２とリードフレーム３１２とをワイヤー３２で電気的に接続し、樹脂３３でモールドしたものである。

図１０は、複数個のＧａＮ−ＬＥＤを含むカード型の照明装置４の構成を示している。照明装置４の表面には、配線パターンに電気的に接続され、ＧａＮ−ＬＥＤ電力を供給するための給電端子４１が設けられている。

照明装置４の具体的な使用形態としては、例えば、図１１に示すような丸管蛍光灯と置き換えできる構成の一例を示している。

図１１に示した構成では、カード型の照明装置４は、本体部５に設けられたスロット５１を通じてセットされ、点灯可能な状態となる。本体部５は、商用電源が接続されており、点灯回路も内蔵されている。照明装置４は、色ムラが抑制されるので、図１１に示した形態でも、色ムラが抑制された優れた光源を得ることができる。

以上のように、本発明におけるＧａＮ−ＬＥＤは、省電力、大電流化を図ることができ、照明等の用途に適用できる。

本発明における実施の形態１のＧａＮ−ＬＥＤの断面図 本発明における実施の形態１のＧａＮ−ＬＥＤの基板の断面図および斜視図 本発明における実施の形態１のＧａＮ−ＬＥＤの井戸層の厚さとウェハ面内の動作電圧との関係図 本発明における実施の形態１のＧａＮ−ＬＥＤの井戸層の厚さと発光出力の関係図 本発明における実施の形態１のＧａＮ−ＬＥＤと比較例１のウェハ面内発光出力を示す図 本発明における実施の形態１のＧａＮ−ＬＥＤと比較例１のウェハ面内動作電圧分布を示す図 本発明における実施の形態１の変形例１のＧａＮ−ＬＥＤの断面図 本発明における実施の形態２のＧａＮ−ＬＥＤの断面図 本発明における実施の形態３のＧａＮ−ＬＥＤの断面図 本発明における実施の形態３のＧａＮ−ＬＥＤを用いた照明装置を示す図 本発明における実施の形態３のＧａＮ−ＬＥＤを用いた照明装置を示す図

符号の説明

１ ＧａＮ−ＬＥＤ（窒化ガリウム系化合物半導体発光素子）
１０ 基板
１１ 第二のｎ型半導体層
１２ 第一のｎ型半導体層
１３ ｎ型コンタクト層
１４ ｎ型クラッド層
１５ 活性層
１６ ｐ型半導体層
１７ ｐ型電極
１８ ｎ型電極
２０ サブ基板

Claims (13)

1. 基板の上面が、（０００１）面に対して、１°以下のオフ角を有している窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板と、
   前記基板の上方に配置されたＩｎを含む第一のｎ型半導体層と、
   前記第一のｎ型半導体層の上方に配置された活性層と、を有し、
   前記活性層は、井戸層と障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなり、前記井戸層はＩｎＧａＮで構成されかつ、前記井戸層の厚さは、１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下となる、
   窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
2. 前記第一のｎ型半導体層は、ＩｎＧａＮからなる請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
3. 前記第一のｎ型半導体層は、ＩｎＡｌＧａＮからなる請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
4. 前記第一のｎ型半導体層のＡｌの比率は、３％以下である請求項３に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
5. 前記第一のｎ型半導体層の厚さは、１０ｎｍ以上１μｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
6. 前記第一のｎ型半導体層の上面にｎ型クラッド層が配置され、前記ｎ型クラッド層の上面に前記発光層が配置されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
7. 前記ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＮまたはＧａＮからなる請求項６に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
8. 前記ｎ型クラッド層の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項６または請求項７に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
9. 前記第一のｎ型半導体層と前記ｎ型クラッド層との間にｎ型コンタクト層が配置されている請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
10. 前記ｎ型コンタクト層は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＩｎＡｌＧａＮのいずれかからなる請求項９記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
11. 前記基板の上面は、研磨されている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
12. 基板の下面が、（０００１）面に対して、１°以下のオフ角を有している窒化ガリウム系化合物半導体からなる基板と、
    前記基板の下に配置され、窒化ガリウム系化合物からなる第二のｎ型半導体層と、
    前記第二のｎ型半導体層の下に配置され、少なくともＩｎを含む第一のｎ型半導体層と、前記第一のｎ型半導体層の下に配置され、窒化ガリウム系化合物からなるｎ型コンタクト層と、
    前記ｎ型コンタクト層の下表面に配置されているｎ型電極と、
    前記第一のｎ型半導体層の下に配置されたｎ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層の下に配置され、井戸層と障壁層とが積層された多重量子井戸構造からなり、前記井戸層はＩｎＧａＮで構成されかつ、前記井戸層の厚さが１ｎｍ以上２．５ｎｍ以下となる活性層と、
    前記活性層の下に配置され、窒化ガリウム系化合物からなるｐ型半導体層と、
    前記ｐ型半導体層の下に配置されているｐ型電極と、
    前記基板の下で、前記ｐ型電極及び前記ｎ型電極と、Ａｕバンプにより接続されているサブ基板と、
    を備えた窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオード。
13. 請求項１から請求項１２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光ダイオードを複数備えた照明装置。