JP5725069B2 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特に発光効率を向上させた発光素子に関する。

従来、窒化物半導体を用いた発光素子は、青色発光ダイオードなどに広く利用されている。最近では、更に短波長の領域、例えば、発光波長が３７０ｎｍ帯域にある紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発が進められている。

下記特許文献１には、サファイア基板の上に、ｎ型窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）よりなるｎ型コンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｎ型ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有した発光ダイオード（ＬＥＤ）が開示されている。サファイア基板とｎ型コンタクト層との間には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮよりなるバッファ層が形成されている。活性層を形成するｎ型ＩｎＧａＮには、Ｓｉ、Ｇｅ等のドナー不純物及び／又はＺｎ、Ｍｇ等のアクセプター不純物がドープされている。また、当該活性層は、多重量子井戸構造を有している。

下記特許文献２には、ＬＥＤを形成する積層半導体基板において、ｃ軸方向に面方位が揃ったＡｌＮ上に、それよりも格子定数が大きく、且つｃ軸方向に面方位が揃ったＧａＮ層を成長形成させ、その上にそれよりも格子定数が小さいｎ型ＡｌＧａＮ層、多重量子井戸構造を有する活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層を順次形成してくことが開示されている。

ところで、発光波長が３７５ｎｍ以下の紫外発光デバイスを作製すると、黄色可視光帯の発光（いわゆる「ディープ発光」）が見られるようになり、デバイスの発光色は白みがかった色が強くなるといった現象が発生している。この現象により、紫外光領域の光を放射するべきところが、紫外光領域の光以外に黄色又は白色の発光も発生してしまい、ディープ発光による可視光成分がノイズとなって放射する光の単色性が取れないという問題があった。また、必要な波長以外の光が放射されることにより、発光効率そのものが低下するという問題があった。ディープ発光は、紫外領域など短波長光の発光デバイスにおいて顕著に現れる。

このディープ発光が生じる原因としては、これまで発光層中の欠陥や不純物準位での発光と言われているが、定かではなかった。

なお、下記非特許文献１には、フォトルミネッセンスの測定から、ディープ発光にはＣ（炭素）が何らかの影響を及ぼしていることまでは認識されている。

特開平１０−９３１３８号公報 特開２００５−２０９９２５号公報

水木 他、「ＣドープＧａＮの核反応分析：格子間炭素とイエロールミネッセンスの相関について」、平成１７年３月、第５２回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集３１ａ−Ｌ−３５ S.Fritze, et al., "High Si and Ge n-type doping of GaN doping - Limits and impact on stress", Applied Physics Letters 100, 122104, (2012)

本発明者は、上述したように、もし発光層中の欠陥や不純物準位での発光がディープ発光の原因であるとすれば、発光層の質を高めることでディープ発光を減衰させることができるものと推察した。すなわち、発光層内の欠陥や含有不純物（例えばＣ）を限りなく少なくすることで、ディープ発光を大幅に減衰させることができると推察した。

そこで、主たる発光波長が３７０ｎｍ帯の別々の紫外ＬＥＤ素子（５１〜５５）に対して同一の電圧を印加し、それぞれについて、素子の主たる発光波長の発光出力と、主たる発光波長の光強度に対するディープ発光強度の割合（以下、「ディープ強度比」という。）の関係を測定した。この測定結果を図１に示す。

同一の電圧が印加された状態で、主たる発光波長の光強度が高いＬＥＤ素子５４，５５は、ＬＥＤ素子５１，５２に比べて欠陥や含有不純物の少ない良質な発光層を有しているものと考えられる。

確かに、ＬＥＤ素子５１に比べると、その素子よりも良質な発光層を有していると考えられるＬＥＤ素子５２〜５５は、そのディープ強度比が低下している。この点のみを踏まえると、発光層の質を高めることでディープ強度比を低下させることができていると考えられるので、発光層中の欠陥や不純物準位での発光がディープ発光の原因であると結論付けることが可能である。

しかし、ＬＥＤ素子５１，５２，５３，５４，５５の順に主たる発光波長の発光出力が大幅に高くなっている以上、この順に発光層の質は向上しているといえるが、ディープ強度比の低下割合は、この発光出力の向上の割合に比べて著しく低い。しかも、ＬＥＤ素子５４と５５を比べると、発光出力には十分な差異が現れているのにも関わらず、ディープ強度比はほとんど変化していない。

本発明者は、この実験結果から、ディープ発光は、発光層中の欠陥や不純物準位での発光とは異なる別の事象に基づいて生じているのではないかと考察し、かかる原因を究明することによって、ディープ強度比を低下させることが可能であることに思いを至った。

本発明は、ディープ発光を抑制し、単色性を高めて発光効率の良い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

「発明を実施するための形態」の項において後述されるように、本発明者は、ｎ型窒化物半導体層内に含まれるＣの不純物準位に由来してディープ発光が生じていることを突き止めた。

このとき、ｎ型窒化物半導体層の厚みを薄くすることで、含有されるＣの不純物準位に発光層から放出された光が吸収されるのを抑えることにより、このＣの不純物準位に由来したディープ発光を抑制することができると推察される。しかしながら、ｎ型窒化物半導体層の厚みを薄くしてしまうと、水平方向への電流拡がりが抑制されてしまい、この結果、所望の発光出力を得るために高い動作電圧を必要とし、発光効率が低下するという問題がある。つまり、ｎ型窒化物半導体層の厚みを薄くすることと、動作電圧を低下させることとはトレードオフの関係にあるといえる。

ところで、ｎ型窒化物半導体層として一般に用いられているＧａＮの場合、そのドープ量（本明細書においては、「キャリア濃度」とも称する。）を１×１０^１９／ｃｍ^３以上にすると、原子結合の状態が悪化するなどの原因により、膜荒れが発生してしまうという現象が知られている（例えば上記非特許文献２参照）。このような現象が生じてしまうと、低抵抗のｎ層が形成されず、発光効率が低下してしまう。

そこで、これまでは、ｎ型窒化物半導体層のドープ量（キャリア濃度）は１×１０^１９／ｃｍ^３より低くすることが一般的とされていた。

しかし、本発明者の鋭意研究により、ｎ型窒化物半導体層をＧａＮではなくＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成したときには、不純物濃度（ドープ量、本明細書においては「キャリア濃度」とも称する。）を１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくしても膜荒れの問題が生じないことが確認できた。この結果、ｎ型窒化物半導体層の抵抗値を低下させることが可能となる。

よって、ｎ型窒化物半導体層をＧａＮではなくＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成することで、キャリアのドープを高濃度にできるので、膜厚を薄くしても局所的な電流集中が抑制され、水平方向への電流拡がりが確保できる。これにより、動作電圧の上昇を招くことなくディープ発光を抑制した窒化物半導体発光素子が実現できる。

ここで、後述する実施例においても明らかになるように、ｎ型窒化物半導体層をＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成し、キャリア濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくした場合においても、ｎ型窒化物半導体層の膜厚を０．５μｍより薄くした場合には、やはり局所的な電流集中の問題が生じ、高い動作電圧が必要となる。一方、ｎ型窒化物半導体層の膜厚を１μｍより厚くした場合には、ディープ強度比が０．１％を超えるようになり、ディープ発光の問題が顕在化する。

よって、本発明の構成のように、ｎ型窒化物半導体層の膜厚を０．５μｍ以上１μｍ以下とし、ｎ型窒化物半導体層のキャリア濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくすることで、動作電圧の上昇を招くことなくディープ発光を抑制した窒化物半導体発光素子が実現できる。

なお、ｎ型窒化物半導体層のキャリア濃度は、２×１０^１９／ｃｍ^３以上とすることが好ましく、３×１０^１９／ｃｍ^３以上とすることがより好ましく、５×１０^１９／ｃｍ^３以上とすることが更に好ましい。ｎ型窒化物半導体層をＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成した場合、キャリア濃度を３×１０^１９／ｃｍ^３程度と高くしても、膜荒れの問題が招来しない。ｎ型窒化物半導体層内での局所的な電流集中を抑制して、水平方向への電流拡がりを確保するためには、膜荒れの問題が顕在化しない範囲内で、ｎ型窒化物半導体層のキャリア濃度をなるべく高濃度とするのが好適である。

なお、本発明の窒化物半導体発光素子は、いわゆる縦型の発光素子として実現するものとして構わない。具体的には、以下のような構成とすることができる。すなわち、導電体又は半導体である支持基板と、前記支持基板の上層に形成された導電層と、前記導電層の上層に形成された導電性酸化膜層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上層に形成されたボンディング電極とを有する。また、前記ｐ型窒化物半導体層は、前記導電層の一部上面及び前記導電性酸化膜層の一部上面に底面を接触して形成され、前記発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層の上層に形成される。更に、前記ｎ型窒化物半導体層は、前記発光層の上層に形成され、前記ボンディング電極は、前記ｐ型窒化物半導体層の底面と前記導電性酸化膜層の上面が接触している領域の真上位置に係る前記ｎ型窒化物半導体層の上層に形成されている。

また、別の縦型の発光素子として、以下のような構成としても構わない。すなわち、導電体又は半導体である支持基板と、前記支持基板の上層に形成された導電層と、前記導電層の上層に形成された絶縁層と、前記ｎ型窒化物半導体層の上層に形成されたボンディング電極とを有する。また、前記ｐ型窒化物半導体層は、前記導電層の一部上面及び前記絶縁層の一部上面に底面を接触して形成され、前記発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層の上層に形成される。更に、前記ｎ型窒化物半導体層は、前記発光層の上層に形成され、前記ボンディング電極は、前記ｐ型窒化物半導体層の底面と前記絶縁層の上面が接触している領域の真上位置に係る前記ｎ型窒化物半導体層の上層に形成されている。

本発明の窒化物半導体発光素子によれば、ディープ発光が抑制されるので、高い単色性と、高い発光効率を有する発光素子が実現される。

別々の紫外ＬＥＤ素子に対して同一の電圧を印加したときの、各素子の主たる発光波長の発光出力と、主たる発光波長の光強度に対するディープ発光強度の割合の関係を示すグラフである。 窒化物半導体発光素子の概略断面図である。 ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を５×１０^１９／ｃｍ^３としたときのＡｌＧａＮの層表面の写真である。 ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を１．５×１０^１９／ｃｍ^３としたときのＧａＮの層表面の写真である。 ｎ型窒化物半導体層の膜厚を異ならせて発光素子を形成した場合において、それぞれのｎ型窒化物半導体層の膜厚と、各素子のディープ強度比の関係を示すグラフである。 ｎ型窒化物半導体層の膜厚を異ならせて発光素子を形成した場合において、それぞれのｎ型窒化物半導体層の膜厚と、素子に同一の電流を印加するための動作加電圧の関係を示すグラフである。 発光素子に同一電流を印加し続けたときの、動作電圧と寿命の関係を示す表である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 ＬＥＤ素子の工程断面図の一部である。 窒化物半導体発光素子の別の概略断面図である。

本発明の窒化物半導体発光素子につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

［構造］
本発明の窒化物半導体発光素子１の構造につき、図２を参照して説明する。

窒化物半導体発光素子１は、支持基板１１、導電層２０、導電性酸化膜層２１、ＬＥＤ層３０、電極４２及びボンディング電極４３を含んで構成される。ＬＥＤ層３０は、ｐ型窒化物半導体層３１、発光層３３、及びｎ型窒化物半導体層３５が下からこの順に積層されて形成される。

（支持基板１１）
支持基板１１は、例えばＣｕＷ、Ｗ、Ｍｏなどの導電性基板、又はＳｉなどの半導体基板で構成される。

（導電層２０）
支持基板１１の上層には、多層構造からなる導電層２０が形成されている。この導電層２０は、本実施形態では、ハンダ層１３、ハンダ層１５、保護層１７及び反射電極１９を含む。

ハンダ層１３及びハンダ層１５は、例えばＡｕ−Ｓｎ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ｃｕ−Ｓｎ、Ｐｄ−Ｓｎ、Ｓｎなどで構成される。後述するように、これらのハンダ層１３とハンダ層１５は、支持基板１１上に形成されたハンダ層１３と、別の基板上に形成されたハンダ層１５を対向させた後に、両者を貼り合せることで形成されたものである。

保護層１７は、例えばＰｔ系の金属（ＴｉとＰｔの合金）、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉなどで構成される。後述するように、ハンダ層を介した貼り合わせの際、ハンダを構成する材料が後述する反射電極１９側に拡散し、反射率が落ちることによる発光効率の低下を防止する機能を果たしている。

反射電極１９は、例えばＡｇ系の金属（ＮｉとＡｇの合金）、Ａｌ、Ｒｈなどで構成される。本窒化物半導体発光素子１は、ＬＥＤ層３０の発光層３３から放射された光を、図２の上方向に取り出すことを想定しており、反射電極１９は、発光層３３から下向きに放射された光を上向きに反射させることで発光効率を高める機能を果たしている。

なお、導電層２０は、一部においてＬＥＤ層３０と接触しており、支持基板１１とボンディング電極４３の間に電圧が印加されると、支持基板１１、導電層２０、ＬＥＤ層３０、ボンディング電極４３を介してボンディングワイヤ４５へと流れる電流経路が形成される。

（導電性酸化膜層２１）
導電性酸化膜層２１は、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_ｘ）などの透光性導電材料で形成されており、透明電極を構成する。

（ＬＥＤ層３０）
上述したように、ＬＥＤ層３０は、ｐ型窒化物半導体層３１、発光層３３、及びｎ型窒化物半導体層３５が下からこの順に積層されて形成される。

（ｐ型窒化物半導体層３１）
ｐ型窒化物半導体層３１は、例えばＡｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０＜ｍ≦１）で構成される層（正孔供給層）とＧａＮで構成される層（保護層）を含む多層構造で構成される。いずれの層も、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。

（発光層３３）
発光層３３は、例えばＧａＩｎＮからなる井戸層とＡｌＧａＮからなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する半導体層で形成される。これらの層はアンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。

（ｎ型窒化物半導体層３５）
ｎ型窒化物半導体層３５は、Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成される層（電子供給層）を含む多層構造である。少なくとも保護層には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。

そして、ｎ型窒化物半導体層３５は、不純物濃度（キャリア濃度）が１×１０^１９／ｃｍ^３より大きく、好ましくは２×１０^１９／ｃｍ^３以上、より好ましくは３×１０^１９／ｃｍ^３以上、更に好ましくは５×１０^１９／ｃｍ^３以上となるようにｎ型不純物がドープされている。なお、実験によって得られた写真に基づいて後述されるように、本構成においては、ｎ型窒化物半導体層３５をＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）にて構成しているため、不純物濃度（キャリア濃度）を１×１０^１９／ｃｍ^３より大きい値（例えば５×１０^１９／ｃｍ^３）としても膜荒れの問題は生じない。

また、ｎ型窒化物半導体層３５は、上面に凹凸が形成されている。これは発光層３３から上方に向けて放射された光（及び反射電極１９から上向きに放射される反射光）が、ｎ型窒化物半導体層３５の表面で下向きに反射される光量を減らして、素子外への取り出し光量を高めることを目的としたものである。

更に、ｎ型窒化物半導体層３５は、その膜厚が０．５μｍ以上１μｍ以下で構成されている。なお、上述したように、ｎ型窒化物半導体層３５の上面に凹凸が形成されている場合においては、凹凸の凹部（谷部）から発光層３３との界面までをもってｎ型窒化物半導体層３５の膜厚としても構わないし、凹凸の凸部（山部）から発光層３３との界面までをもってｎ型窒化物半導体層３５の膜厚としても構わない。

（電極４２、ボンディング電極４３）
電極４２及びボンディング電極４３はｎ型窒化物半導体層３５の上層に形成され、例えばＣｒ−Ａｕで構成されるｎ型電極で構成される。より詳細には、電極４２及びボンディング電極４３は、ｎ型窒化物半導体層３５の底面と導電性酸化膜層２１の上面が接触している領域の真上位置に係るｎ型窒化物半導体層３５の上層に形成されている。これにより、電極下方に導電性の低い材料が形成されるため、電流が印加された場合に発光層３０内を水平方向に電流を拡げる効果が得られる。

ボンディング電極４３には、例えばＡｕ、Ｃｕなどで構成されるボンディングワイヤ４５が連絡され、このワイヤの他方は、発光素子１が配置されている基板の給電パターン（不図示）などに接続される。

［膜荒れの有無の検証］
次に、発光素子１のように、ｎ型窒化物半導体層３５をＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成することで、不純物濃度（キャリア濃度）を１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくしても膜荒れが発生しないことにつき、図３Ａ及び図３Ｂの実験データを参照して説明する。なお、以下では、Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）を単に「Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ」と略記する。

図３Ａは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を５×１０^１９／ｃｍ^３としたときのＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮの層表面の写真である。また、図３Ｂは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を１．５×１０^１９／ｃｍ^３としたときのＧａＮの層表面の写真である。なお、図３Ａは、ＡＦＭ（Atomic Force Microscopy：原子間力顕微鏡）で撮影されたものであり、図３Ｂは、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）で撮影されたものである。

図３Ｂに示すように、ｎ型窒化物半導体層をＧａＮで構成した場合、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を１．５×１０^１９／ｃｍ^３とすると、表面に荒れが生じていることが分かる。なお、不純物濃度（キャリア濃度）を１．３×１０^１９／ｃｍ^３、２×１０^１９／ｃｍ^３としても同様に表面の荒れが確認できた。これより、ＧａＮにおいては、非特許文献２に記載のように、１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくすると層表面に荒れが生じてしまうことが分かる。

これに対し、図３Ａによれば、ｎ型窒化物半導体層をＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮで構成すると、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を５×１０^１９／ｃｍ^３としてもステップ状の表面（原子ステップ）が確認されており、層表面に荒れが生じていないことが分かる。なお、構成材料として、ＡｌとＧａの成分比率を変化させても（Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ）、同様に層表面に荒れが生じないことが確認された。また、ｎ型窒化物半導体層をＧａＮで構成し、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を０．５×１０^１９／ｃｍ^３、つまりｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を１×１０^１９／ｃｍ^３以下とした場合でも、図３Ａと同様の写真が得られた。

以上によれば、ｎ型窒化物半導体層をＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮで構成することで、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）を１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくしても、膜荒れの問題が生じないことが分かる。

［ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚とディープ強度比の関係］
図４は、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚を異ならせて発光素子１を形成した場合において、それぞれのｎ型窒化物半導体層３５の膜厚と、各素子のディープ強度比の関係を示すグラフである。

図４によれば、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚が増加するほど、ディープ強度比が上昇している。これにより、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚を薄くするほど、ディープ発光を抑制する効果が得られることが分かる。特に、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚が１．０μｍ以下である発光素子７１，７２，７３では、ディープ強度比が０．１％を大きく下回っていることが分かる。

これに対し、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚が１．５μｍの発光素子７４，同膜厚が２．０μｍの発光素子７５では、ディープ強度比が０．１％以上を示している。ディープ強度比が０．１％以上となると、光の単色性の問題が顕在化し、例えばセンサなどに利用した場合にディープ発光に基づいて誤認識を招来する可能性がある。

よって、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚は１．０μｍ以下とするのが好ましい。

［ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚と駆動電圧の関係］
図５は、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚を異ならせて発光素子１を形成した場合において、それぞれのｎ型窒化物半導体層３５の膜厚と、発光素子１に対して同一の電流（ここでは１Ａとした。）を流すための駆動電圧の関係を示すグラフである。なお、発光素子７１，７３，７５は図４と同一のサンプルを用いている。また、ＬＥＤ素子７１，７３，７５，７６は、ｎ型窒化物半導体層３５を、キャリア濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３のＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮで構成したものである。一方、発光素子７７は、比較例として、ｎ型窒化物半導体層３５を、膜厚が２μｍ、キャリア濃度が８×１０^１８／ｃｍ^３のＧａＮで構成したものである。

図５によれば、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚が薄くなるほど、駆動電圧が上昇していくことが分かる。なお、発光素子７５と、同じ膜厚でキャリア濃度の低い発光素子７７とを比較すると、キャリア濃度を３×１０^１９／ｃｍ^３として構成した発光素子７５の方が低い駆動電圧が実現できている。

図６は、発光素子に同一電流（ここでは１Ａ）を印加し続けた場合において、駆動電圧と寿命の関係を示す表である。

図６によれば、１Ａ印加のための初期駆動電圧が４．５Ｖよりも高い素子においては、連続印加時間が１０００時間以内で短絡により破壊した。また、１Ａ印加のための初期駆動電圧が４Ｖを超えて４．５Ｖ以下の素子においては、連続印加時間が１０００時間以内で２０％以上の出力低下となった。これに対し、１Ａ印加のための初期駆動電圧が４Ｖ以下の素子においては、連続印加時間が１０００時間以内での出力低下は１０％未満であった。

これにより、発光素子に１Ａを印加のための駆動電圧は４Ｖ以下とするのが好ましいことが分かる。つまり、図５に戻ると、発光素子７６の場合、いくらｎ型窒化物半導体層３５のキャリア濃度を３×１０^１９／ｃｍ^３としても、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚が０．３μｍと薄すぎる結果、電流拡がり効果が十分に発揮できずに４．３Ｖもの高い駆動電圧となっている。これに対し、発光素子７１，７３，７５，７７においては、いずれも４．０Ｖ以下の駆動電圧が実現できている。これは、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚が発光素子７１ほどには薄すぎず、且つキャリア濃度が高濃度で実現されているためと考えられる。

以上により、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚は０．５μｍ以上とするのが好ましい。この結果と、図４の結果を勘案すると、ｎ型窒化物半導体層３５の膜厚は０．５μｍ以上で１μｍ以下とするのが好ましいことが分かる。

［製造プロセス］
次に、図２に示したＬＥＤ素子１の製造プロセスの一例につき説明する。なお、この製造プロセスはあくまで一例であり、ガスの流量、炉内温度、炉内圧力等は適宜調整して構わない。

（ステップＳ１）
図７Ａに示すように、サファイア基板６１上にＬＥＤエピ層４０を形成する。このステップＳ１は、例えば以下の手順により行われる。

〈サファイア基板６１の準備〉
まず、ｃ面サファイア基板６１のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板６１を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

〈アンドープ層３６の形成〉
次に、ｃ面サファイア基板６１の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層３６に対応する。

アンドープ層３６のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、ｃ面サファイア基板６１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、第１バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。

〈ｎ型窒化物半導体層３５の形成〉
次に、アンドープ層３６の上層にＡｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）の組成からなるｎ型窒化物半導体層３５を形成する。

ｎ型窒化物半導体層３５のより具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。まず、引き続き炉内温度を１１５０℃とした状態で、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に４０分間供給する。これにより、例えばＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３で、厚みが２μｍのｎ型窒化物半導体層３５がアンドープ層３６の上層に形成される。そして、この厚みが２μｍのｎ−ＡｌＧａＮ層を厚みが０．８μｍ程度になるようＩＣＰ装置で削り、ｎ型窒化物半導体層３５の厚みを調整する。

なお、この後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給することにより、電子供給層の上層に厚みが５ｎｍのｎ型ＧａＮよりなる保護層を形成するものとしてもよい。

なお、ｎ型窒化物半導体層３５に含まれるｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）及びテルル（Ｔｅ）などを用いることができる。これらの中では、特にシリコン（Ｓｉ）が好ましい。

〈発光層３３の形成〉
次に、ｎ型窒化物半導体層３５の上層にＧａＩｎＮで構成される井戸層及びｎ型ＡｌＧａＮで構成される障壁層が周期的に繰り返される多重量子井戸構造を有する発光層３３を形成する。

具体的には、まずＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＧａＩｎＮよりなる井戸層及び厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層による１５周期の多重量子井戸構造を有する発光層３３が、ｎ型窒化物半導体層３５の表面に形成される。

〈ｐ型窒化物半導体層３１の形成〉
次に、発光層３３の上層に、Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０＜ｍ≦１）で構成されるｐ型窒化物半導体層３１を形成する。

具体的には、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０２５℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及びｐ型不純物をドープするための流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルを処理炉内に６０秒間供給する。これにより、発光層５の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＧの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型窒化物半導体層３１が形成される。

更にその後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、ビスシクロペンタジエニルの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍのｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層を形成する。

なお、ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）などを用いることができる。

このようにしてサファイア基板６１上に、アンドープ層３６、ｎ型窒化物半導体層３５、発光層３３及びｐ型窒化物半導体層３１からなるＬＥＤエピ層４０が形成される。

（ステップＳ２）
次に、ステップＳ１で得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。

（ステップＳ３）
次に、図７Ｂに示すように、ｐ型窒化物半導体層３１の上層の所定箇所に導電性酸化膜層２１を形成する。より具体的には、後の工程で電極４２及びボンディング電極４３を形成する領域の下方に位置する箇所に導電性酸化膜層２１を形成する。導電性酸化膜層２１としては、例えばＩＴＯ、ＩＺＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_ｘ）などの透光性導電材料を膜厚２００ｎｍ程度成膜する。

（ステップＳ４）
図７Ｃに示すように、ｐ型窒化物半導体層３１及び導電性酸化膜層２１の上面を覆うように、導電層２０を形成する。ここでは、反射電極１９、保護層１７、及びハンダ層１５を含む多層構造の導電層２０を形成する。

導電層２０のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、スパッタ装置にてｐ型窒化物半導体層３１及び導電性酸化膜層２１の上面を覆うように、膜厚０．７ｎｍのＮｉ及び膜厚１２０ｎｍのＡｇを全面に成膜して、反射電極１９を形成する。次に、ＲＴＡ装置を用いてドライエアー雰囲気中で４００℃、２分間のコンタクトアニールを行う。

次に、電子線蒸着装置（ＥＢ装置）にて反射電極１９の上面（Ａｇ表面）に、膜厚１００ｎｍのＴｉと膜厚２００ｎｍのＰｔを３周期成膜することで、保護層１７を形成する。更にその後、保護層１７の上面（Ｐｔ表面）に、膜厚１０ｎｍのＴｉを蒸着させた後、Ａｕ８０％Ｓｎ２０％で構成されるＡｕ−Ｓｎハンダを膜厚３μｍ蒸着させることで、ハンダ層１５を形成する。

なお、このハンダ層１５の形成ステップにおいて、サファイア基板６１とは別に準備された支持基板１１の上面にもハンダ層１３を形成するものとして構わない（図７Ｄ参照）。このハンダ層１３は、ハンダ層１５と同一の材料で構成されるものとしてよく、次のステップにおいてハンダ層１３と接合されることで、サファイア基板６１と支持基板１１が貼り合せられる。なお、この支持基板１１としては、構造の項で前述したように、例えばＣｕＷが用いられる。

（ステップＳ５）
次に、図７Ｅに示すように、サファイア基板６１と支持基板１１とを貼り合せる。より具体的には、２８０℃の温度、０．２ＭＰａの圧力下で、ハンダ層１５と支持基板１１の上層に形成されたハンダ層１３とを貼り合せる。

（ステップＳ６）
次に、図７Ｆに示すように、サファイア基板６１を剥離する。より具体的には、サファイア基板６１を上に、支持基板１１を下に向けた状態で、サファイア基板６１側からＫｒＦエキシマレーザを照射して、サファイア基板６１とＬＥＤエピ層４０の界面を分解させることでサファイア基板６１の剥離を行う。サファイア６１はレーザが通過する一方、その下層のＧａＮ（アンドープ層３６）はレーザを吸収するため、この界面が高温化してＧａＮが分解される。これによってサファイア基板６１が剥離される。

その後、ウェハ上に残存しているＧａＮ（アンドープ層３６）を、塩酸などを用いたウェットエッチング、ＩＣＰ装置を用いたドライエッチングによって除去し、ｎ型窒化物半導体層３５を露出させる。なお、本ステップＳ６においてアンドープ層３６が除去されて、ｐ型窒化物半導体層３１、発光層３３、及びｎ型窒化物半導体層３５がこの順に積層されてなるＬＥＤ層３０が残存する。

（ステップＳ７）
次に、図７Ｇに示すように、隣接する素子同士を分離する。具体的には、隣接素子との境界領域に対し、ＩＣＰ装置を用いて導電性酸化膜層２１の上面が露出するまでＬＥＤ層３０をエッチングする。

（ステップＳ８）
次に、図７Ｈに示すようにｎ型窒化物半導体層３５の表面に凹凸を形成する。具体的には、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を浸すことで凹凸形成を行う。このとき、後に電極４２及びボンディング電極４３を形成する箇所に対しては、凹凸を形成しないものとしても構わない。これらの箇所に凹凸を形成しないことで、電極を形成する箇所のｎ型窒化物半導体層３５の表面が平坦な状態のまま維持される。電極形成箇所のｎ型窒化物半導体層３５の表面を平坦な状態のまま維持することで、特にボンディング電極４３の形成後、ワイヤボンディングを行う際にボンディング電極４３とｎ型窒化物半導体層３５の界面にボイドが発生するのを防ぐ効果が得られる。

（ステップＳ９）
次に、図７Ｉに示すように、ｎ型窒化物半導体層３５の上面に電極４２及びボンディング電極４３を形成する。より具体的には、膜厚１００ｎｍのＣｒと膜厚３μｍのＡｕからなる電極を形成後、窒素雰囲気中で２５０℃１分間のシンタリングを行う。

その後の工程としては、露出されている素子側面、及び電極４２及びボンディング電極４３以外の素子上面を絶縁層４１で覆う。より具体的には、ＥＢ装置にてＳｉＯ_２膜を形成する。なおＳｉＮ膜を形成しても構わない。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、支持基板１１の裏面を例えばＡｇペーストにてパッケージと接合し、ボンディング電極４３に対してワイヤボンディングを行う。例えば、５０ｇの荷重でΦ１００μｍのボンディング領域にＡｕからなるワイヤ４５を連結させることで、ワイヤボンディングを行う。これにより、図２に示すＬＥＤ素子１が形成される。

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

〈１〉 図２の構成では、発光素子１が導電性酸化膜層２１を備える構成としたが、図８に示すように、この導電性酸化膜層２１に代えて絶縁層２１Ａを備える構成としても構わない。

絶縁層２１Ａを電極４２及びワイヤボンディング電極４３の直下に配置することで、ＬＥＤ層３０内を垂直方向に電流が流れるのを抑制し、水平方向への電流拡がり効果を持たせることができる。なお、図２に示すように導電性酸化膜層２１を備える構成とした場合、絶縁層２１Ａよりは導電率が高いため、ＬＥＤ層３０内を電流が垂直方向に流れやすくなるが、通常の導電材料（金属など）と比較すると導電率は大幅に低いので、水平方向に電流を拡げる効果が実現される。

〈２〉 上述の実施形態では、保護層１７をサファイア基板６１側に形成したが、支持基板１１側に形成しても構わない。すなわち、図７Ｄに示す構成に代えて、支持基板１１の上層に保護層１７を形成し、その上層にハンダ層１３を形成したものを、ステップＳ５においてサファイア基板６１と貼り合せても構わない。

〈３〉 上述の実施形態では、サファイア基板６１と支持基板１１の両者にハンダ層を形成したが（ハンダ層１３、１５）、どちらか一方にのみハンダ層を形成した後に両基板を貼り合せても構わない。

〈４〉 図２及び図８に示した構造、並びに図７Ａ〜図７Ｉに示した製造方法は、好ましい実施形態の一例であって、これらの構成やプロセスの全てを備えなければならないというものではない。例えばハンダ層１３とハンダ層１５は、２つの基板の貼り合せを効率的に行うべく形成されたものであって、２基板の貼り合せが実現できるのであれば光学素子１の機能を実現する上で必ずしも必要なものではない。

反射電極１９は、発光層３３から放射される光の取り出し効率を更に向上させる意味においては備えるのが好適であるが、必ずしも備えなければならないというものではない。保護層１７や、ｎ型窒化物半導体層３５の表面に形成される凹凸部なども同様である。

１ ： 窒化物半導体発光素子
１１ ： 支持基板
１３ ： ハンダ層
１５ ： ハンダ層
１７ ： 保護層
１９ ： 反射電極
２０ ： 導電層
２１ ： 導電性酸化膜層
２１Ａ ： 絶縁層
３１ ： ｐ型窒化物半導体層
３３ ： 発光層
３５ ： ｎ型窒化物半導体層
３６ ： アンドープ層
４０ ： ＬＥＤエピ層
４１ ： 絶縁層
４２ ： 電極
４３ ： ボンディング電極
４５ ： ボンディングワイヤ
５１，５２，５３，５４，５５ ： ＬＥＤ素子
６１ ： サファイア基板
７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７ ： 発光素子

Claims (4)

1. ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に発光層を有する窒化物半導体発光素子であって、
   前記発光層から射出される光の波長が紫外領域であり、
   前記ｎ型窒化物半導体層の面のうち、前記発光層が形成されている側とは反対側の面上に形成された第一電極と、
   前記ｐ型窒化物半導体層の面のうち、前記発光層が形成されている側とは反対側の面上に形成された第二電極とを有し、
   前記ｎ型窒化物半導体層は、Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）を含み、当該ｎ型窒化物半導体層の全体の膜厚が０．５μｍ以上１μｍ以下であって、キャリア濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３より大きいことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 前記ｎ型窒化物半導体層は、キャリア濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子
3. 導電体又は半導体である支持基板と、前記支持基板の上層に形成された、前記第二電極を含む導電層と、前記ｐ型窒化物半導体層の面のうち、前記発光層が形成されている側とは反対側の面上であって、前記第二電極が形成されていない箇所の少なくとも一部領域に形成された絶縁層とを有し、
   前記ｐ型窒化物半導体層は、前記導電層の一部上面及び前記絶縁層の一部上面に底面を接触して形成され、
   前記発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層の上層に形成され、
   前記ｎ型窒化物半導体層は、前記発光層の上層に形成され、
   前記第一電極は、前記ｐ型窒化物半導体層の底面と前記絶縁層の上面が接触している領域の真上位置に係る前記ｎ型窒化物半導体層の上層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 導電体又は半導体である支持基板と、前記支持基板の上層に形成された、前記第二電極を含む導電層と、前記ｐ型窒化物半導体層の面のうち、前記発光層が形成されている側とは反対側の面上であって、前記第二電極が形成されていない箇所の少なくとも一部領域に形成された導電性酸化膜層とを有し、
   前記ｐ型窒化物半導体層は、前記導電層の一部上面及び前記導電性酸化膜層の一部上面に底面を接触して形成され、
   前記発光層は、前記ｐ型窒化物半導体層の上層に形成され、
   前記ｎ型窒化物半導体層は、前記発光層の上層に形成され、
   前記第一電極は、前記ｐ型窒化物半導体層の底面と前記導電性酸化膜層の上面が接触している領域の真上位置に係る前記ｎ型窒化物半導体層の上層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
   

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