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JP2009081374A - 半導体発光素子 - Google Patents

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國美 岡本
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Rohm Co Ltd
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Abstract

【課題】非極性面を主面としたIII族窒化物半導体で構成された装置本体に対してｎ型電極を良好にオーミック接触させることができる構造の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】この発光ダイオードは、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にIII族窒化物半導体層２を成長させて構成された素子本体を有している。III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、発光層としての多重量子井戸層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、ｐ型電子阻止層２３、およびｐ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。ｎ型コンタクト層２１には、ｎ型電極５が接合されている。ｎ型コンタクト層２１においてｎ型電極５が接合される部分は、このｎ型電極５との間にオーミック接合を形成する接触部２１Ａをなしている。接触部２１Ａには、凹凸微細構造が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）に関する。
III族窒化物半導体とは、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である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。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面等の非極性（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。非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、かつ、高輝度な表示を実現できる。
T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
非極性面を主面とするＧａＮ半導体層の表面（非極性面）にｎ型電極を形成すると、図４において曲線Ｌ０で示すようなショットキー特性となる。つまり、ＧａＮ半導体層の非極性面に対しては、良好なオーミックコンタクトが取り難いという問題がある。
むろん、同様の問題は、ＧａＮ半導体を用いた半導体発光素子だけでなく、他のIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子にも共通している。
そこで、この発明の目的は、非極性面を主面としたIII族窒化物半導体で構成された装置本体に対してｎ型電極を良好にオーミック接触させることができる構造の半導体発光素子を提供することである。
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなる素子本体を有し、前記素子本体においてｎ型電極との接触部が、前記主面とは異なる結晶面（極性面または半極性面）を含む、半導体発光素子である。
この構成によれば、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなる素子本体においてｎ型電極との接触部は、主面とは異なる結晶面、すなわち、極性面または半極性面を含む。極性面および半極性面は、ｎ型電極との間に良好なオーミック接触を形成する。したがって、ｎ型電極は装置本体の接触部に対して良好なオーミックコンタクトをとることができる。
前記接触部は、非極性面のみを有するもの、半極性面のみを有するもの、非極性面および半極性面の両方を有するもの、非極性面とともに極性面を有するもの、半極性面とともに極性面を有するもの、非極性面および半極性面を有するとともに極性面をも有するもののうちのいずれであってもよい。
前記素子本体は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層ならびにこれらの間に積層された発光層（活性層）を含むIII族窒化物半導体積層構造を有していてもよい。
素子本体は、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体層からなるので、大きな偏光を有する光が発生する。したがって、この発光素子を液晶表示パネルの光源として適用した場合には、輝度に寄与しない光の割合が少なくなるので、エネルギー効率を向上できるとともに、表示輝度を向上することができる。
非極性面を主面とするIII族窒化物半導体層の形成は、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体単結晶基板（たとえば、単結晶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によって成長させる方法によって行える。この場合に、III族元素原料（より具体的にはガリウム原料）に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が１０００以上（たとえば３０００以上）の条件を用い（好ましくは、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく）、前記III族窒化物半導体単結晶基板の表面に（好ましくは、バッファ層を介在させることなく）、有機金属化学気相成長法によってIII族窒化物半導体を（好ましくは０．１μｍ以上）成長させることが好ましい。この方法では、転位の極端に少ない（実質的に無転位の）III族窒化物半導体層を成長させることができるので、強く偏光した光を取り出すことができ、しかも、III族窒化物半導体の結晶性が良好であるので、高い外部量子効率を実現できる。
また、前記III族窒化物半導体単結晶基板の主面は、非極性面であり、その面方位からのオフ角が±１°以内の面であることが好ましい。これにより、より確実に無転位で平坦なIII族窒化物半導体結晶を成長させることができる。
請求項２記載の発明は、前記接触部が、凹凸が形成された表面を含む、請求項１記載の半導体発光素子である。この構成によれば、接触部は、凹凸を有していることにより、非極性面以外の結晶面を含む構造となっている。したがって、その凹凸を有する接触部の表面にｎ型電極を接触させることにより、良好なオーミックコンタクトをとることができる。しかも、凹凸を有する表面は大きな表面積を有することができるので、ｎ型電極との接触面積を大きくすることができる。これにより、より一層良好なオーミックコンタクトを形成することが可能となる。
請求項３記載の発明は、前記接触部が、極性面に平行な凸条をストライプ状に複数本形成した領域を含む、請求項１または２記載の半導体発光素子である。
装置本体を形成するIII族窒化物半導体の主面に、極性面に平行な凸条を形成すると、その凸条の側面は極性面または半極性面を含む。したがって、このような凸条をストライプ状に形成した領域を接触部に設けておくことによって、ｎ型電極を良好にオーミック接触させることができる。
接触部の全域に凸条をストライプ状に形成してもよいし、接触部の一部の領域にストライプ状の凸条を形成した領域を設けてもよい。
請求項４記載の発明は、前記凸条が、極性面の側面を有する、請求項３記載の半導体発光素子である。この構成によれば、凸条が極性面の側面を有することにより、より一層良好なオーミックコンタクトをとることが可能になる。
請求項５記載の発明は、前記接触部が、複数の凸部を配列（たとえば、格子配列等の規則配列、またはランダム配列）して形成した領域を含む、請求項１または２記載の半導体発光素子である。
装置本体を形成するIII族窒化物半導体の主面に、凸部を形成すると、この凸部の側面は極性面または半極性面を含む。したがって、このような凸部を複数個配列した領域を接触部に設けておくことによって、ｎ型電極を良好にオーミック接触させることができる。
この場合に、前記凸部の側面が、極性面を含むことが好ましい。また、前記凸部が極性面からなる一対の側面を含むことが好ましい。たとえば、前記凸部が極性面からなる一対の側面を含む直方体形状を有していても良い。これらの構成により、ｎ型電極を装置本体の接触部に良好にオーミック接触させることができる。
請求項６記載の発明は、前記素子本体が、非極性面を主面とする導電性III族窒化物半導体基板と、この導電性III族窒化物半導体基板の表面に結晶成長させられたIII族窒化物半導体結晶とを含み、前記導電性III族窒化物半導体基板の裏面が、前記ｎ型電極との接触部とされている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、非極性面を主面とする導電性III族窒化物半導体基板を用いることにより、その表面（一方の主面）上での結晶成長によって、非極性面を主面とするIII族窒化物半導体結晶からなる装置本体を作製することができる。この場合に、基板の裏面（他方の主面）に、極性面または半極性面を含む接触部が設けられることにより、ｎ型電極を基板の裏面に良好にオーミック接触させることができる。
素子の薄型化のために、基板裏面を研削すると、基板にダメージが入るため、オーミックコンタクトをとることが難しくなる。ダメージを除去するための一般的な手法は、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）に代表される鏡面化処理である。しかし、鏡面化によって、基板裏面が非極性面の鏡面となると、やはりオーミックコンタクトをとることが困難になる。そこで、たとえば、鏡面化の後に、基板裏面に凹凸を形成して、極性面または半極性面を露出させて接触部とする。この接触部に対しては、ｎ型電極を良好にオーミック接触させることができる。
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発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板１上にIII族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層２を成長させて構成された素子本体を有している。III族窒化物半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に、ｎ型コンタクト層２１、発光層としての多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層２２、ＧａＮ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を積層した積層構造を有している。ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのｐ型電極（アノード電極）３が形成されており、さらに、このｐ型電極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、ｎ型電極（カソード電極）５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。ｎ型コンタクト層２１においてｎ型電極５が接合される部分は、このｎ型電極５との間にオーミック接合を形成する接触部２１Ａをなしている。
ＧａＮ単結晶基板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、ｎ型電極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、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ１３，１４とが、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、発光ダイオード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。
多重量子井戸層２２は、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（量子井戸層：たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（バリア層：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。この多重量子井戸層２２と、ｐ型電子阻止層２３との間に、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層される。
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。ｐ型コンタクト層２４の表面はIII族窒化物半導体層２の表面２ａをなし、この表面２ａは鏡面となっている。この表面２ａは、多重量子井戸層２２で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
ｐ型電極３は、Ｎｉ層とＡｕ層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。III族窒化物半導体層２の表面２ａが鏡面であるので、この表面２ａに接して形成されるｐ型電極３の表面３ａ（光取り出し側表面）も鏡面となる。このように、III族窒化物半導体層２の光取り出し側表面２ａおよびｐ型電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面であるので、多重量子井戸層２２から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、ｐ型電極３側へと取り出されることになる。
ｎ型電極５は、Ｔｉ層とＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ単結晶基板１は、非極性面（この実施形態ではｍ面）を主面とするＧａＮ単結晶からなる基板である。より具体的には、ＧａＮ単結晶基板１の主面は、非極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面である。
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、一つのIII族原子に対して４つの窒素原子が結合している。４つの窒素原子は、III族原子を中央に配置した正四面体の４つの頂点に位置している。これらの４つの窒素原子は、一つの窒素原子がIII族原子に対して＋ｃ軸方向に位置し、他の三つの窒素原子がIII族原子に対して−ｃ軸側に位置している。このような構造のために、III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。
ｃ軸は六角柱の軸方向に沿い、このｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。ｃ面に平行な２つの面でIII族窒化物半導体の結晶を劈開すると、＋ｃ軸側の面（＋ｃ面）はIII族原子が並んだ結晶面となり、−ｃ軸側の面（−ｃ面）は窒素原子が並んだ結晶面となる。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。
＋ｃ面と−ｃ面とは異なる結晶面であるので、それに応じて、異なる物性を示す。具体的には、＋ｃ面は、アルカリに強いなどといった化学反応性に対する耐久性が高く、逆に、−ｃ面は化学的に弱く、たとえば、アルカリに溶けてしまうことが分かっている。
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、非極性面(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）面などの面である。
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、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が成長させられる。
図３は、ｎ型コンタクト層２１の接触部２１Ａの表面状態を説明するための図解的な斜視図である。接触部２１Ａは、全体として、ｎ型コンタクト層２１の成長主面であるｍ面に平行であるが、ストライプ状の凹凸微細構造が表面に形成されている。より具体的には、複数本の凸条１６が所定の間隔を開けて互いに平行に形成されて、ストライプ構造を形成している。各凸条１６は、ｍ面およびｃ面に平行（すなわち、ａ軸に平行）な直線形状に形成されている。この実施形態では、各凸条１６は、長手方向に垂直な断面が矩形に形成されている。凸条１６の頂面１６Ａはｍ面であり、この頂面１６Ａの両側から垂れ下がる互いに平行な一対の側面１６Ｂは、いずれもｃ面である。また、隣接する凸条１６間の溝底面部１７は、ｍ面である。凸条１６の高さ１８（すなわち、換言すれば隣接する凸条１６間に形成された凹条の深さ）は、たとえば、２μｍである。また、凸条１６の幅１９は、たとえば、２μｍであり、凸条１６間の間隔（換言すれば隣接する凸条間に形成された凹条の幅）は、たとえば、１μｍである。
このような凹凸微細構造が形成された接触部２１Ａにｎ型電極５が形成されている。すなわち、ｎ型電極５は、凸条１６の頂面１６Ａおよび側面１６Ｂ、ならびに隣接する凸条１６間の溝底面部１７に接触する。
図４は、ｎ型コンタクト層２１とｎ型電極５との間での電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。すなわち、ｎ型コンタクト層２１とｎ型電極５との間に様々な値の電圧を印加し、そのときに両者間に流れる電流を測定した結果が示されている。ｎ型コンタクト層２１の接触部２１Ａを鏡面としたときのＩ−Ｖ特性は曲線Ｌ０であり、接触部２１Ａを上記のような凹凸微細構造が形成された表面としたときのＩ−Ｖ特性が曲線Ｌ１である。
接触部２１Ａを鏡面に形成した場合、ｎ型電極５が接触するｎ型コンタクト層２１の表面はｍ面となる。このとき、曲線Ｌ０から理解されるように、Ｉ−Ｖ特性がリニアにならず、オーミック特性が得られない。
これに対して、接触部２１Ａに前述のような凹凸微細構造を形成した場合には、ｍ面以外の結晶面であるｃ面（凸条１６の両側面１６Ｂ）においてｎ型電極５がｎ型コンタクト層２１に接することになる。これにより、曲線Ｌ１から理解されるように、ｍ面での接合では得ることのできなかったリニアな特性、すなわち、オーミック特性が得られる。しかも、鏡面の場合よりも大きな接触面積が得られるので、接触抵抗をも低減することができる。こうして、ｎ型電極５とｎ型コンタクト層２１との間に良好なオーミック接触を形成することができる。
図５は、III族窒化物半導体層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単結晶基板１を構成する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窒素原料配管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、窒素原料バルブ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、窒素原料バルブ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。
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸層２２の成長が行われる。多重量子井戸層２２の成長は、窒素原料バルブ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（量子井戸層）を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ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（バリア層）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。多重量子井戸層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、窒素原料バルブ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、１０００℃〜１１００℃（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、窒素原料バルブ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、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体層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が形成される。凹部７は、多重量子井戸層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、多重量子井戸層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。
エッチング後の凹部７の表面は鏡面となっている。この凹部７にフォトリソグラフィ技術によって前述の凹凸微細構造が形成される。具体的には、ｃ面に平行（すなわち、ａ軸に平行）なストライプ状マスクパターン（たとえばレジストからなるもの）が形成される。このストライプ状マスクパターンをマスクとしてエッチング（ドライエッチングまたはウェットエッチング）が行われる。これにより、ストライプ状マスクパターンからの露出部に凹条が形成され、その結果、隣接する凹条の間に凸条１６（図３参照）が形成されることになる。エッチング後には、ストライプ状マスクパターンが除去される。こうして、ストライプ状の凹凸微細構造を有する接触部２１Ａが形成される。
次いで、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、ｐ型電極３、接続部４、ｎ型電極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。前述のとおり、接触部２１Ａにおいては、ｎ型電極５は、大きな面積でｎ型コンタクト層２１に接合され、このｎ型コンタクト層２１との間に良好なオーミック接合を形成する。
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、発光ダイオード素子が作製される。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体層２の構成層２１〜２４の成長に際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、３０００以上の高い値に維持される。この実施形態では、このような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とIII族窒化物半導体層２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体層２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。
図６は、この発明の他の実施形態に係る発光素子である半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図であり、図７は、その縦断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、導電性の基板７１と、基板７１上に結晶成長によって形成されたIII族窒化物半導体積層構造７２とで素子本体を形成したファブリペロー型のものである。この半導体レーザダイオード７０は、さらに、基板７１の裏面（III族窒化物半導体積層構造７２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ型電極７３と、III族窒化物半導体積層構造７２の表面に接触するように形成されたｐ型電極７４とを備えている。
基板７１は、この実施形態では、導電性のＧａＮ単結晶基板で構成されている。具体的には、たとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによってｎ型化したものである。この基板７１は、非極性面であるｍ面を主面としたものであり、この主面上における結晶成長によって、III族窒化物半導体積層構造７２が形成されている。したがって、III族窒化物半導体積層構造７２は、ｍ面を結晶成長主面とするIII族窒化物半導体結晶からなる。
III族窒化物半導体積層構造７２は、発光層８０と、ｎ型半導体層８１と、ｐ型半導体層８２とを備えている。ｎ型半導体層８１は発光層８０に対して基板７１側に配置されており、ｐ型半導体層８２は発光層８０に対してｐ型電極７４側に配置されている。こうして、発光層８０が、ｎ型半導体層８１およびｐ型半導体層８２によって挟持されていて、ダブルヘテロ接合が形成されている。発光層８０には、ｎ型半導体層８１から電子が注入され、ｐ型半導体層８２から正孔が注入される。これらが発光層８０で再結合することにより、光が発生するようになっている。
ｎ型半導体層８１は、基板７１側から順に、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３（たとえば２μｍ厚）、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４（１．５μｍ厚以下。たとえば１．０μｍ厚）およびｎ型ＧａＮガイド層８５（たとえば０．１μｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層８２は、発光層８０の上に、順に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８６（たとえば２０ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＮガイド層８７（たとえば０．１μｍ厚）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８（１．５μｍ厚以下。たとえば０．４μｍ厚）およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９（たとえば０．３μｍ厚）を積層して構成されている。
ｎ型ＧａＮコンタクト層８３およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９は、それぞれ基板７１およびｐ型電極７４とのオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｎ型ＧａＮコンタクト層８３は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層８９は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇを高濃度にドープ（ドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。
ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、発光層８０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４は、ＡｌＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによってｎ型半導体とされている。また、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、ｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０19cm-3）することによってｐ型半導体層とされている。ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４は、ｎ型ＧａＮガイド層８５よりもバンドギャップが広く、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８は、ｐ型ＧａＮガイド層８７よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な閉じ込めを行うことができ、低閾値および高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。
ｎ型ＧａＮガイド層８５およびｐ型ＧａＮガイド層８７は、発光層８０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるためのキャリア閉じ込め効果を生じる半導体層である。これにより、発光層８０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。ｎ型ＧａＮガイド層８５は、ＧａＮにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、１×１０18cm-3）することによりｎ型半導体とされており、ｐ型ＧａＮガイド層８７は、ＧａＮにたとえばｐ型ドーパントとしてのＭｇをドープする（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）ことによってｐ型半導体とされている。
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層８６は、ＡｌＧａＮにｐ型ドーパントとしてのたとえばＭｇをドープ（ドーピング濃度は、たとえば、５×１０18cm-3）して形成されたｐ型半導体であり、発光層８０からの電子の流出を防いで、電子および正孔の再結合効率を高めている。
発光層８０は、たとえばＩｎＧａＮを含むＭＱＷ(Multiple-Quantum Well)構造（多重量子井戸構造）を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。発光層８０は、具体的には、ＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。この場合に、ＩｎＧａＮ層は、Ｉｎの組成比が５％以上とされることにより、バンドギャップが比較的小さくなり、量子井戸層を構成する。一方、ＧａＮ層は、バンドギャップが比較的大きなバリア層（障壁層）として機能する。たとえば、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とは交互に２〜７周期繰り返し積層されて、ＭＱＷ構造の発光層８０が構成されている。発光波長は、量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成を調整することによって、４００ｎｍ〜５５０ｎｍとされている。前記ＭＱＷ構造は、Ｉｎを含む量子井戸の数が３以下とされることが好ましい。
ｐ型半導体層８２は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ９０を形成している。より具体的には、ｐ型コンタクト層８９、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８およびｐ型ＧａＮガイド層８７の一部がエッチング除去され、横断面視ほぼ台形形状のリッジストライプ９０が形成されている。このリッジストライプ９０は、ｃ軸方向に沿って形成されている。
III族窒化物半導体積層構造７２は、リッジストライプ９０の長手方向両端における劈開により形成された一対の端面９１，９２（劈開面）を有している。この一対の端面９１は、互いに平行であり、いずれもｃ軸に垂直である。こうして、ｎ型ＧａＮガイド層８５、発光層８０およびｐ型ＧａＮガイド層８７によって、一対の端面９１，９２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、発光層８０で発生した光は、共振器端面９１，９２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面９１，９２からレーザ光として素子外に取り出される。
ｎ型電極７３は、たとえばＡｌ金属からなり、ｐ型電極７４は、たとえばＰｄ／Ａｕ合金からなり、それぞれ基板７１およびｐ型コンタクト層８９にオーミック接続されている。ｐ型電極７４がリッジストライプ９０の頂面のｐ型ＧａＮコンタクト層８９だけに接触するように、ｎ型ＧａＮガイド層８７およびｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８の露出面を覆う絶縁層７６が設けられている。これにより、リッジストライプ９０に電流を集中させることができるので、効率的なレーザ発振が可能になる。
共振器端面９１，９２は、それぞれ絶縁膜９３，９４（図６では図示を省略した。）によって被覆されている。共振器端面９１は、＋ｃ軸側端面であり、共振器端面９２は−ｃ軸側端面である。すなわち、共振器端面９１の結晶面は＋ｃ面であり、共振器端面９２の結晶面は−ｃ面である。−ｃ面側の絶縁膜９４は、アルカリに溶けるなど化学的に弱い−ｃ面を保護する保護膜として機能することができ、半導体レーザダイオード７０の信頼性の向上に寄与する。
図８は、ｎ型電極７３との接合部分における基板７１の表面構造を示す図解的な斜視図である。基板７１の裏面は、ｎ型電極７３と接触する接触部７１Ａを形成している。この接触部７１Ａは、全体として、基板７１主面であるｍ面が露出しているが、ストライプ状の凹凸微細構造が表面に形成されている。より具体的には、複数本の凸条６０が所定の間隔を開けて互いに平行に形成されて、ストライプ構造を形成している。各凸条６０は、ｃ面に平行（すなわち、ａ軸に平行）な直線形状に形成されている。この実施形態では、各凸条６０は、長手方向に垂直な断面が矩形に形成されている。凸条６０の頂面６０Ａはｍ面であり、この頂面６０Ａの両側にそれぞれ連なる一対の側面６０Ｂは、互いに平行であり、いずれもｃ面である。また、隣接する凸条６０間の溝底面部６１は、ｍ面である。凸条６０の高さ６２（すなわち、換言すれば隣接する凸条６０間に形成された凹条の深さ）は、たとえば、２μｍである。また、凸条６０の幅６３は、たとえば、２μｍであり、凸条６０間の間隔（換言すれば隣接する凸条の幅）は、たとえば、１μｍである。
このような凹凸微細構造が形成された接触部７１Ａにｎ型電極７３が形成されている。すなわち、ｎ型電極７３は、凸条６０の頂面６０Ａおよび側面６０Ｂ、ならびに隣接する凸条６０間の溝底面部６１に接触している。
このような構造により、基板７１とｎ型電極７３との間の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）は、図４の曲線Ｌ１に示すようなリニアな特性、すなわち、オーミック特性となる。しかも、ｎ型電極７３は、大きな接触面積で基板７１に接することになるから、接触抵抗が小さい。こうして、ｎ型電極７３と基板７１との間に良好なオーミック接触を形成することができる。
図９は、共振器端面９１，９２に形成された絶縁膜９３，９４の構成を説明するための図解図である。＋ｃ面である共振器端面９１を被覆するように形成された絶縁膜９３は、たとえばＺｒＯ2の単膜からなる。これに対し、−ｃ面である共振器端面９２に形成された絶縁膜９４は、たとえばＳｉＯ2膜とＺｒＯ2膜とを交互に複数回（図９の例では５回）繰り返し積層した多重反射膜で構成されている。絶縁膜９３を構成するＺｒＯ2の単膜は、その厚さがλ／２ｎ1（ただし、λは発光層８０の発光波長。ｎ1はＺｒＯ2の屈折率）とされている。一方、絶縁膜９４を構成する多重反射膜は、膜厚λ／４ｎ2（但しｎ2はＳｉＯ2の屈折率）のＳｉＯ2膜と、膜厚λ／４ｎ1のＺｒＯ2膜とを交互に積層した構造となっている。
このような構造により、＋ｃ軸側端面９１における反射率は小さく、−ｃ軸側端面９２における反射率が大きくなっている。より具体的には、たとえば、＋ｃ軸側端面９１の反射率は２０％程度とされ、−ｃ軸側端面９２における反射率は９９．５％程度（ほぼ１００％）となる。したがって、＋ｃ軸側端面９１から、より大きなレーザ出力が出射されることになる。すなわち、この半導体レーザダイオード７０では、＋ｃ軸側端面９１が、レーザ出射端面とされている。
このような構成によって、ｎ型電極７３およびｐ型電極７４を電源に接続し、ｎ型半導体層８１およびｐ型半導体層８２から電子および正孔を発光層８０に注入することによって、この発光層８０内で電子および正孔の再結合を生じさせ、波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの光を発生させることができる。この光は、共振器端面９１，９２の間をガイド層８５，８７に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面９１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。
ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板７１上にｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造７２を成長させてａ面に沿う断面を電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）で観察すると、III族窒化物半導体積層構造７２には、転位の存在を表す条線が見られない。そして、表面状態を光学顕微鏡で観察すると、ｃ軸方向への平坦性（最後部と最低部との高さの差）は１０Å以下であることが分かる。このことは、発光層８０、とくに量子井戸層のｃ軸方向への平坦性が１０Å以下であることを意味し、発光スペクトルの半値幅を低くすることができる。
このように、無転位でかつ積層界面が平坦なｍ面III族窒化物半導体を成長させることができる。ただし、ＧａＮ単結晶基板７１の主面のオフ角は±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とすることが好ましく、たとえば、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長させると、ＧａＮ結晶がテラス状に成長し、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができないおそれがある。
ｍ面を主面としたＧａＮ単結晶基板上に結晶成長させられるIII族窒化物半導体は、ｍ面を成長主面として成長する。ｃ面を主面として結晶成長した場合には、ｃ軸方向の分極の影響で、発光層８０での発光効率が悪くなるおそれがある。これに対して、ｍ面を結晶成長主面とすれば、量子井戸層での分極が抑制され、発光効率が増加する。これにより、閾値の低下やスロープ効率の増加を実現できる。また、分極が少ないため、発光波長の電流依存性が抑制され、安定した発振波長を実現できる。
さらにまた、ｍ面を主面とすることにより、ｃ軸方向およびａ軸方向に物性の異方性が生じる。加えて、Ｉｎを含む発光層８０（活性層）には、格子歪みによる２軸性応力が生じている。その結果、量子バンド構造が、ｃ面を主面として結晶成長された活性層とは異なるものとなる。したがって、ｃ面を成長主面とした活性層の場合とは異なる利得が得られ、レーザ特性が向上する。
また、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、III族窒化物半導体結晶の成長を極めて安定に行うことができ、ｃ面やａ面を結晶成長主面とする場合よりも、結晶性を向上することができる。これにより、高性能のレーザダイオードの作製が可能になる。
発光層８０は、ｍ面を結晶成長主面として成長させられたIII族窒化物半導体からなるので、ここから発生する光は、ａ軸方向、すなわちｍ面に平行な方向に偏光しており、ＴＥモードの場合、その進行方向はｃ軸方向である。したがって、半導体レーザダイオード７０は、結晶成長主面が偏光方向に平行であり、かつ、ストライプ方向、すなわち導波路の方向が光の進行方向と平行に設定されている。これにより、ＴＥモードの発振を容易に生じさせることができ、レーザ発振を生じさせるための閾値電流を低減することができる。
換言すれば、ｍ面を結晶成長の主面とすることにより、ｃ軸方向とａ軸方向とに物性の異方性が生じる。さらに、Ｉｎを含む発光層８０は、格子歪みによる２軸性応力によって、ｃ面を結晶成長の主面とした場合とは異なる量子井戸バンド構造が生じる。その結果、ｃ面を結晶成長の主面としたIII族窒化物半導体の場合とは異なる利得が得られ、それにより、レーザ特性を向上することができる。
さらにまた、前述のとおり、ｍ面は非極性面であるので、量子井戸層での分極が抑制され、その結果、発光効率が増加する。これによっても、閾値の低下およびスロープ効率増加の効果を得ることができる。そして、分極がないことにより、発光波長の電流依存性が抑制されるので、安定した発振波長を実現することができる。
一方、ｍ面を結晶成長の主面とすることによって、III族窒化物半導体の結晶成長を極めて安定に行うことができるので、ｃ面やａ面を結晶成長の主面とする場合に比較して、III族窒化物半導体積層構造７２の結晶性を向上することができる。これにより、高性能の半導体レーザダイオードを実現することができる。
また、この実施形態では、基板７１としてＧａＮ単結晶基板を用いているので、III族窒化物半導体積層構造７２は、欠陥の少ない高い結晶品質を有することができる。その結果、高性能のレーザダイオードを実現できる。
さらにまた、実質的に転位のないＧａＮ単結晶基板上にIII族窒化物半導体積層構造を成長させることにより、このIII族窒化物半導体積層構造７２は基板７１の再成長面（ｍ面）からの積層欠陥や貫通転位が生じていない良好な結晶とすることができる。これにより、欠陥に起因する発光効率低下などの特性劣化を抑制することができる。
III族窒化物半導体積層構造７２を構成する各層は、前述の図５に示された構成の処理装置を用いて成長させることができる。
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、窒素原料バルブ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、窒素原料バルブ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ＧａＮコンタクト層８３が成長する。
次に、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６に加えて、アルミニウム原料バルブ５３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、シランおよびトリメチルアルミニウムが供給される。その結果、ｎ型ＧａＮコンタクト層８３上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４がエピタキシャル成長させられる。
次いで、アルミニウム原料バルブ５３を閉じ、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６を開く。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、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層８４上にｎ型ガイド層がエピタキシャル成長させられる。
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、多重量子井戸構造の発光層８０（活性層）の成長が行われる。発光層８０の成長は、窒素原料バルブ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（量子井戸層）を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ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（バリア層）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、たとえば、５回に渡って繰り返し行う。発光層８０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。このとき、成長圧力は７００torr以上とすることが好ましく、これにより、耐熱性を向上することができる。
次いで、ｐ型電子ブロック層８６が形成される。すなわち、窒素原料バルブ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型電子ブロック層８６が形成されることになる。このｐ型電子ブロック層８６の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次に、アルミニウム原料バルブ５３が閉じられ、窒素原料バルブ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ｐ型ＧａＮ層からなるガイド層８７が形成されることになる。このｐ型ＧａＮガイド層８７の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
次いで、再び、アルミニウム原料バルブ５３が開かれる。すなわち、窒素原料バルブ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てｐ型とされたＡｌＧａＮ層からなるクラッド層８８が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（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８９が形成される。すなわち、窒素原料バルブ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ＧａＮコンタクト層８９が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層８９の形成時には、ウエハ３５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
ｐ型半導体層８２を構成する各層は、１０００℃以下の平均成長温度で結晶成長させられることが好ましい。これにより、発光層８０への熱ダメージを低減できる。
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にIII族窒化物半導体積層構造７２の構成層８０，８３〜８９を成長するのに際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、１０００以上（好ましくは３０００以上）の高い値に維持される。より具体的には、ｎ型クラッド層８４から最上層のｐ型コンタクト層８９までにおいて、Ｖ／III比の平均値が１０００以上であることが好ましい。これにより、ｎ型クラッド層８４、発光層８０およびｐ型クラッド層８８の全ての層において、点欠陥の少ない良好な結晶を得ることができる。
この実施形態では、上記のような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板７１とIII族窒化物半導体積層構造７２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするIII族窒化物半導体積層構造７２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。このIII族窒化物半導体積層構造７２は、ＧａＮ単結晶基板７１の主面から生じる積層欠陥や貫通転位を有していない。
こうして、ウエハ３５上にIII族窒化物半導体積層構造７２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等のドライエッチングによって、ｐ型半導体層８２の一部を除去してリッジストライプ９０が形成される。このリッジストライプ９０は、ｃ軸方向に平行になるように形成される。
リッジストライプ９０の形成後には、絶縁層７６が形成される。絶縁層７６の形成は、たとえば、リフトオフ工程を用いて行われる。すなわち、ストライプ状のマスクを形成した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８８およびｐ型ＧａＮコンタクト層８９の全体を覆うように絶縁体薄膜を形成した後、この絶縁体薄膜をリフトオフしてｐ型ＧａＮコンタクト層８９を露出させるようにして、絶縁層７６を形成できる。
次に、基板７１を薄型化するための裏面研削処理が行われる。たとえば、基板７１の当初の厚さは、３００μｍであり、このような基板７１の厚さがたとえば８０μｍ程度まで薄型化される。裏面研削処理によって基板７１の裏面にはダメージが導入される。このダメージが生じているダメージ層を除去するために、裏面研削処理の後に、裏面研磨処理が行われる。たとえば、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）処理によって、裏面研磨処理が行われ、これによって、基板７１の裏面は鏡面となる。
この鏡面状態の基板７１の裏面に対して、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程が行われ、前述の凹凸微細構造が形成される。具体的には、ｃ面に平行（すなわち、ａ軸に平行）なストライプ状マスクパターン（たとえばレジストからなるもの）が形成される。このストライプ状マスクパターンをマスクとしてエッチング（ドライエッチングまたはウェットエッチング）が行われる。これにより、ストライプ状マスクパターンからの露出部に凹条が形成され、この凹条の間に凸条６０（図８参照）が形成される。エッチング後には、ストライプ状マスクパターンが除去される。こうして、ストライプ状の凹凸微細構造を有する接触部７１Ａが形成される。
次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層８９にオーミック接触するｐ型電極７４が形成され、接触部７１Ａ（基板７１の裏面）にオーミック接触するｎ型電極３が形成される。これらの電極７３，７４の形成は、たとえば、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行うことができる。
次の工程は、個別素子への分割である。すなわち、ウエハ３５をストライプ状のｐ型電極７４に平行な方向およびこれに垂直な方向に劈開して、半導体レーザダイオードを構成する個々の素子が切り出される。ストライプｐ型電極７４に平行な方向に関する劈開はａ面に沿って行われる。また、ストライプｐ型電極７４に垂直な方向に関する劈開はｃ面に沿って行われる。こうして、＋ｃ面からなる共振器端面９１と、−ｃ面からなる共振器端面９２とが形成される。
次に、共振器端面９１，９２に、それぞれ前述の絶縁膜９３，９４が形成される。この絶縁膜９３，９４の形成は、たとえば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）成膜法によって行うことができる。
図１０は、接触部２１Ａ，７１Ａに形成すべき凹凸微細構造の他の例を示す図解的な斜視図である。この例では、ｍ面およびｃ面に平行（すなわちａ軸に平行な）複数本の凸条６６が形成され、これらの凸条６６がストライプパターンを形成している。各凸条６６は、ｃ面に平行な直線形状に形成されており、その長手方向に直角な断面は、三角形（この例では二等辺三角形）となっている。したがって、凸条６６の稜線６６Ａの両側にはｍ面に対して傾斜した一対の側面６６Ｂが形成されており、この側面６６Ｂの結晶面はｍ面（非極性面）およびｃ面（極性面）のいずれに対しても傾斜した半極性面となっている。
したがって、ｎ型電極５，７３は、非極性面以外の結晶面である半極性面でｎ型コンタクト層２１または基板７１に接合されることになり、しかも、その接触面積も大きくなる。これにより、良好なオーミック接触を形成することができる。
このような構造の接触部２１Ａ，７１Ａは、フォトリソグラフィとエッチングとによって形成することができる。
図１１は、接触部２１Ａ，７１Ａに形成すべき凹凸微細構造のさらに他の例を示す図解的な斜視図である。この例では、直方体形状の複数のブロック状凸部６７がｃ軸方向およびａ軸方向の２軸に沿って格子状に配列されている。各凸部６７は、矩形の頂面６７Ａと、この頂面６７Ａに連接した４つの側面６７Ｂ，６７Ｃとを有している。頂面６７Ａはｍ面であり、互いに平行な一対の側面６７Ｂはａ面であり、互いに平行な別の一対の側面６７Ｃはｃ面である。
したがって、ｎ型電極５，７３は、非極性面以外の結晶面であるｃ面（側面６７Ｃ）を含む接触部２１Ａ，７１Ａでｎ型コンタクト層２１または基板７１に接合されることになり、しかも、その接触面積も大きくなる。これにより、良好なオーミック接触を形成することができる。
このような構造の接触部２１Ａ，７１Ａもまた、フォトリソグラフィとエッチングとによって形成することができる。
図１２は、接触部２１Ａ，７１Ａに形成すべき凹凸微細構造のさらに他の例を示す図解的な斜視図である。この例では、三角錐形状の複数のブロック状凸部６８がｃ軸方向およびａ軸方向の２軸に沿って格子状に配列されている。各凸部６８は、頂点６８Ａから放射状に広がる４つの側面６８Ｂを有している。これらの側面６８Ｂの結晶面はｍ面（非極性面）およびｃ面（極性面）のいずれに対しても傾斜した半極性面となっている。
したがって、ｎ型電極５，７３は、非極性面以外の結晶面である半極性面でｎ型コンタクト層２１または基板７１に接合されることになり、しかも、その接触面積も大きくなる。これにより、良好なオーミック接触を形成することができる。
このような構造の接触部２１Ａ，７１Ａは、フォトリソグラフィとエッチングとによって形成することができる。
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、接触部２１Ａ，７１Ａの凹凸微細構造は、前述のような構造に限らない。具体的には、ｃ面およびａ面のいずれに対しても傾斜した方向（ｃ面およびａ面のいずれにも平行でも垂直でもない方向）に沿ってストライプ状の凹凸構造を形成してもよい。この場合、ストライプパターンを形成する凸条の側面は半極性面となる。また、ブロック状の複数の凸部を形成する場合に、その配列方向はｃ軸およびａ軸に沿う必要はなく、また、ランダムな配列としてもよい。凸部の形状も直方体形状や四角錐形状に限らず、三角錐形状や錘台形状などの任意の形状としてもよい。むろん、凸部を形成する代わりに、凹部を形成して凹凸微細構造を形成することもできる。さらにまた、規則的な凹凸微細構造とする必要はなく、接触部２１Ａ，７１Ａの表面を粗面加工して、ｍ面以外の結晶面を出して、ｎ型電極５，７３を接合してもよい。
さらに、また、前述の実施形態では、一つの非極性面であるｍ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造を有する発光ダイオードおよび半導体レーザダイオードを例にとったが、別の非極性面であるａ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造やレーザ構造を形成してもよい。
また、図１の実施形態では、ｎ型コンタクト層２１を露出させる凹部７を形成し、ｎ型コンタクト層２１の露出部に凹凸微細構造を有する接触部２１Ａを形成しているが、図６の半導体レーザダイオード７０のような構造とすることもできる。すなわち、導電性ＧａＮ基板を用い、この導電性ＧａＮ基板の裏面（III族窒化物半導体層とは反対側の表面）をｎ型電極５との接触部として、凹凸微細構造を形成してもよい。この場合には、ｎ型コンタクト層２１を露出させる凹部７の形成は不要である。
また、図６の実施形態において、III族窒化物半導体積層構造７２を形成した後にレーザリフトオフなどで基板７１を除去し、基板７１のない半導体レーザダイオードとすることもできる。この場合、ｎ型半導体層８１の表面に凹凸微細構造を形成してｎ型電極７３との接触部とすればよい。
さらに、前述の実施形態では、III族窒化物半導体としてＧａＮ半導体を用いた例を説明したが、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮで記述されるIII族窒化物半導体を用いた発光素子に対して、この発明を同様に適用することができる。
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発光ダイオード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。 ｎ型コンタクト層のｎ型電極に対する接触部の表面状態を説明するための図解的な斜視図である。 ｎ型コンタクト層とｎ型電極との間での電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す図である。 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発光素子である半導体レーザダイオードの構成を説明するための斜視図である。 図６の半導体レーザダイオードの縦断面図である。 ｎ型電極との接合部分における基板の表面構造を示す図解的な斜視図である。 共振器端面に形成された絶縁膜の構成を説明するための図解的な断面図である。 ｎ型電極に対する接触部に形成すべき凹凸微細構造の他の例を示す図解的な斜視図である。 ｎ型電極に対する接触部に形成すべき凹凸微細構造のさらに他の例を示す図解的な斜視図である。 ｎ型電極に対する接触部に形成すべき凹凸微細構造のさらに他の例を示す図解的な斜視図である。
符号の説明
１ ＧａＮ単結晶基板
２ III族窒化物半導体層
３ ｐ型電極
４ 接続部
５ ｎ型電極
７ 凹部
１０ 支持基板
１１，１２ 配線
１３，１４ ボンディングワイヤ
１６ 凸条
１６Ａ 頂面
１６Ｂ 側面
１７ 溝底面部
１８ 高さ
１９ 幅
２１ ｎ型コンタクト層
２１Ａ 接触部
２１〜２４ 構成層
２１Ａ 接触部
２２ 多重量子井戸層
２３ ｐ型電子阻止層
２４ ｐ型コンタクト層
２５ ＧａＮファイナルバリア層
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 窒素原料配管
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 窒素原料バルブ
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
６０ 凸条
６０Ａ 頂面
６０Ｂ 側面
６１ 溝底面部
６２ 高さ
６３ 幅
６６ 凸条
６６Ａ 稜線
６６Ｂ 側面
６７ 凸部
６７Ａ 頂面
６７Ｂ 側面
６７Ｃ 側面
６８ 凸部
６８Ａ 頂点
６８Ｂ 側面
７０ 半導体レーザダイオード
７１ 基板
７１Ａ 接触部
７２ III族窒化物半導体積層構造
７３ ｎ型電極
７４ ｐ型電極
７６ 絶縁層
８０ 発光層
８１ ｎ型半導体層
８２ ｐ型半導体層
８３ ｎ型ＧａＮコンタクト層
８４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
８５ ｎ型ＧａＮガイド層
８６ ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
８７ ｐ型ＧａＮガイド層
８８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
８９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
９０ リッジストライプ
９１，９２ 共振器端面
９２ 共振器端面
９３，９４ 絶縁膜

Claims (6)

  1. 非極性面を主面とするIII族窒化物半導体からなる素子本体を有し、
    前記素子本体においてｎ型電極との接触部が、前記主面とは異なる結晶面を含む、半導体発光素子。
  2. 前記接触部が、凹凸が形成された表面を含む、請求項１記載の半導体発光素子。
  3. 前記接触部が、極性面に平行な凸条をストライプ状に複数本形成した領域を含む、請求項１または２記載の半導体発光素子。
  4. 前記凸条が、極性面の側面を有する、請求項３記載の半導体発光素子。
  5. 前記接触部が、複数の凸部を配列して形成した領域を含む、請求項１または２記載の半導体発光素子。
  6. 前記素子本体が、非極性面を主面とする導電性III族窒化物半導体基板と、この導電性III族窒化物半導体基板の表面に結晶成長させられたIII族窒化物半導体結晶とを含み、
    前記導電性III族窒化物半導体基板の裏面が、前記ｎ型電極との接触部とされている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
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