JP2011166031A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体層における応力を緩和し低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体を含むｎ型半導体層と、窒化物半導体を含むｐ型半導体層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に設けられ、互いに積層され、ＧａＮを含む複数の障壁層と、複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、第１Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む井戸層と、を有する発光部と、ｎ型半導体層と発光部との間に設けられ、互いに積層され、ＧａＮを含む複数の第１層と、複数の第１層のそれぞれの間に設けられ、第１Ｉｎ組成比の０．６倍以上で第１Ｉｎ組成比よりも低い第２Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む第２層と、を有する多層構造体と、多層構造体と発光部との間に設けられ、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦０．０１）を含む第３層を含むｎ側中間層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を応用して、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や青紫色〜青色・緑色レーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子が開発されている。

このような半導体発光素子において、動作電圧を抑制しつつ発光効率を向上することが求められている。

特許文献１には、発光効率の向上と良好な静電耐圧とを得るために、窒化物半導体発光素子のｎ型コンタクト層とｎ型多層膜層との間に、アンドープＧａＮからなる下地層及びｎ型不純物がドープされたＧａＮからなる中間層を有する層を設ける構成が提案されている。

一般に、窒化ガリウム半導体発光素子は、例えばサファイア基板の上に形成されるが、基板との熱膨張係数の違いによりエピタキシャル成長層に圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、例えば、活性層の量子井戸層における歪の蓄積を招き、その結果、ピエゾ電界の影響が顕著となり、発光出力の向上を阻害する。従来の技術は、応力の緩和の観点で改良の余地がある。

特許第３４２７２６５号明細書

本発明は、半導体層における応力を緩和し低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子を提供する。

本発明の一態様によれば、窒化物半導体を含むｎ型半導体層と、窒化物半導体を含むｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、互いに積層され、ＧａＮを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、第１Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む井戸層と、を有する発光部と、前記ｎ型半導体層と前記発光部との間に設けられ、互いに積層され、ＧａＮを含む複数の第１層と、前記複数の第１層のそれぞれの間に設けられ、前記第１Ｉｎ組成比の０．６倍以上で前記第１Ｉｎ組成比よりも低い第２Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む第２層と、を有する多層構造体と、前記多層構造体と前記発光部との間に設けられ、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦０．０１）を含む第３層を含むｎ側中間層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

本発明によれば、半導体層における応力を緩和し低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が提供される。

半導体発光素子を示す模式的断面図である。 半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 比較例の半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図１及び図２に表したように、本発明の実施形態に係る半導体発光素子１１０は、窒化物半導体を含むｎ型半導体層１０と、窒化物半導体を含むｐ型半導体層２０と、ｎ型半導体層１０とｐ型半導体層２０との間に設けられた発光部３０と、ｎ型半導体層１０と発光部３０との間に設けられた多層構造体４０と、多層構造体４０と発光部３０との間に設けられたｎ側中間層５０と、を備える。

図１に例示したように、ｎ型半導体層１０、多層構造体４０、ｎ側中間層５０、発光部３０及びｐ型半導体層２０は、Ｚ軸方向に沿って積層される。

発光部３０は、互いに積層された複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１のそれぞれの間に設けられた井戸層３２（量子井戸層）と、を有する。複数の障壁層３１のそれぞれは、ＧａＮを含む。複数の井戸層３２のそれぞれは、第１Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む。なお、複数の障壁層３１及び複数の井戸層３２は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。

多層構造体４０は、互いに積層された複数の第１層４１と、複数の第１層４１のそれぞれの間に設けられた第２層４２と、を有する。複数の第１層４１のそれぞれは、ＧａＮを含む。複数の第２層４２のそれぞれは、第１Ｉｎ組成比の０．６倍以上で第１Ｉｎ組成比よりも低い第２Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む。なお、複数の第１層４１及び複数の第２層４２は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。

第１層４１及び第２層４２は、例えば超格子層である。

ｎ側中間層５０は、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦０．０１）を含む第３層５１を含む。

図１に例示したように、ｎ型半導体層１０は、例えば、下地ＧａＮ層１１と、下地ＧａＮ層１１と多層構造体４０との間に設けられたｎ型コンタクト層１２と、を有することができる。ｎ型コンタクト層１２には、例えば、Ｓｉなどのｎ型不純物がドープされたＧａＮやＩｎＧａＮが用いられる。

ｐ型半導体層２０は、例えば、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２と、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２と発光部３０との間に設けられたｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃと、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２とｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃとの間に設けられたｐ型ＧａＮクラッド層２１と、を有することができる。ｐ型半導体層２０には、例えばＭｇなどのｐ型不純物がドープされる。

なお、図１に例示した具体例では、発光部３０とｐ型半導体層２０（ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃ）との間に、ＧａＮキャップ層２０ａが設けられ、ＧａＮキャップ層２０ａとｐ型半導体層２０（ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃ）との間にＡｌＧａＮキャップ層２０ｂが設けられている。ＧａＮキャップ層２０ａ及びＡｌＧａＮキャップ層２０ｂは必要に応じて設けられる。なお、ＧａＮキャップ層２０ａ及びＡｌＧａＮキャップ層２０ｂは、ｐ型半導体層２０の一部とみなすこともでき、また、発光部３０の一部とみなすこともできる。

図１に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、例えばサファイアからなる基板５と、その上に設けられたバッファ層６と、をさらに有することができる。バッファ層６の上に下地ＧａＮ層１１が設けられ、下地ＧａＮ層１１の上にｎ型コンタクト層１２が、設けられる。

そして、ｎ型コンタクト層１２の上に多層構造体４０（第１層４１及び第２層４２）が設けられる。多層構造体４０の上にｎ側中間層５０が設けられる。ｎ側中間層５０の上に発光部３０が設けられる。発光部３０の上にＧａＮキャップ層２０ａが設けられ、ＧａＮキャップ層２０ａの上にＡｌＧａＮキャップ層２０ｂが設けられ、ＡｌＧａＮキャップ層２０ｂの上にｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃが設けられる。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃの上にｐ型ＧａＮクラッド層２１が設けられ、ｐ型ＧａＮクラッド層２１の上にｐ型ＧａＮコンタクト層２２が設けられる。

上記のような構成を有する積層構造体のｐ型半導体層２０の側の第１主面において、ｎ型半導体層１０の一部と、多層構造体４０と、ｎ側中間層５０と、発光部３０と、ｐ型半導体層２０と、の一部が除去され、第１主面の側においてｎ型半導体層１０が露出している。露出したｎ型半導体層１０に接してｎ側電極７１が設けられ、ｐ型半導体層２０に接してｐ側電極８１が設けられる。

発光部３０において、障壁層３１は、ＧａＮを含む層である。井戸層３２は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎを含む層である。ここで、第１Ｉｎ組成比ｘ１は、０よりも高く１よりも低い。具体的には、第１Ｉｎ組成比ｘ１は、例えば、０．１２以上０．２０以下である。

多層構造体４０において、第１層４１は、ＧａＮを含む層である。第２層４２は、Ｉｎ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎを含む層である。ここで、第２Ｉｎ組成比ｘ１は、０よりも高く１よりも低い。ただし、第２Ｉｎ組成比ｘ２は、第１Ｉｎ組成比ｘ１の０．６倍以上であり、第１Ｉｎ組成比ｘ１よりも低い。具体的には、第２Ｉｎ組成比ｘ２は、例えば、０．８以上０．１２未満である（ただし、（ｘ１×０．６）≦ｘ２＜ｘ１の関係が満たされる）。

第２Ｉｎ組成比ｘ２を、第１Ｉｎ組成比の０．６倍以上と、第１Ｉｎ組成比ｘ１に比較的近い値に設定することで、井戸層３２に加わる圧縮応力を緩和させ、結晶性の改善を十分に図ることができる。第２組成比ｘ２を、第１組成比ｘ１の０．６倍よりも低くすると、圧縮応力を緩和する効果が十分に得られないことがある。

一方、第２Ｉｎ組成比ｘ２が第１Ｉｎ組成比ｘ１と同じ場合は、発光部３０で発光した光がｎ型半導体層１０の側（基板５の側）に向かう際に、光が多層構造体４０の第２層４２において吸収される。このため、本実施形態においては、第２Ｉｎ組成比ｘ２は、第１Ｉｎ組成比ｘ１よりも低く設定される。これにより、上記の吸収を抑制でき、発光効率を高くできる。

第２層４２の厚さは、良好な結晶性を得るために、２ｎｍ（ナノメートル）以下が望ましい。

第１層４１の厚さは、第２層４２の厚さ以上とされる。第１層４１の厚さが第２層４２の厚さよりも薄いと、多層構造体４０における平均Ｉｎ組成が高まり、その結果、多層構造体４０の内部に圧縮応力が集積し、界面（例えば多層構造体４０とｎ型半導体層１０との界面、及び、第１層４１と第２層４２との界面など）での結晶欠陥を誘発することがある。この結晶欠陥の発生を抑制するために、第１層４１の厚さは、第２層４２の厚さ以上に設定される。

第１層４１は、ｎ型不純物を含むことができる。ｎ型不純物としては、例えばＳｉを用いることができる。すなわち、第１層４１は、例えば、ＳｉドープＧａＮ層である。

多層構造体４０と発光部３０との間に、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦０．０１）を含む第３層５１を含むｎ側中間層５０を設けることで、発光部３０に加わる圧縮応力をさらに緩和することができる。

すなわち、発光部３０及び多層構造体４０においては、比較的平均Ｉｎ組成の高いＩｎＧａＮ層が用いられるが、このようなＩｎＧａＮ層は、下地ＧａＮ層１１（アンドープＧａＮ層）及びｎ型コンタクト層１２（ｎ型ＧａＮ層）との格子不整合差が大きい。例えば、ＧａＮとＩｎＮとの格子長の差は、１１％である。さらに、発光部３０及び多層構造体４０においては、積層数が多いために、圧縮応力が蓄積し易い。圧縮応力が増大すると、井戸層３２において歪が蓄積し、その結果、ピエゾ電界の影響が顕著となり、発光効率の向上を阻害することがある。

本実施形態においては、ＧａＮとの格子不整合差の小さいＡｌＧａＮを含む第３層５１を有するｎ側中間層５０を多層構造体４０と発光部３０との間に挿入する。なお、ＧａＮとＡｌＮとの格子長の差は、２％であり、ＧａＮとＩｎＮとの格子長の差に比べて非常に小さい。

そして、図２に例示したように、ＩｎＧａＮを含む発光部３０及び多層構造体４０においては圧縮応力ＣＦが発生するのに対して、ＡｌＧａＮを含むｎ側中間層５０においては、引っ張り応力ＴＦが発生する。このようなｎ側中間層５０を用いることで、多層構造体４０及び発光部３０に蓄積される圧縮応力ＣＦを弱めることができる。

このように、ｎ側中間層５０によって、多層構造体４０及び発光部３０に印加される圧縮応力ＣＦを緩和し、多層構造体４０及び発光部３０における結晶欠陥を低減し、井戸層３２における歪を緩和することができる。これにより、半導体発光素子１１０の動作電圧の低減や素子特性を向上させることが可能となる。

ｎ側中間層５０の第３層５１においては、Ａｌ組成比ｙ１は０よりも大きく０．０１以下とされる。Ａｌ組成比ｙ１が０．０１よりも大きいと、結晶性が低下し易く、その結果発光効率が低下し易くなる。

ｎ側中間層５０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下とすることができる。ｎ側中間層５０の厚さが５０ｎｍよりも大きいと、結晶性が低下する場合がある。ｎ側中間層５０の厚さを５０ｎｍ以下に設定することで良好な結晶性が得られ、高い発光効率が得られる。さらに、ｎ側中間層５０の厚さを１０ｎｍ以下に設定することで、さらに良好な結晶性が得られる。

図３は、比較例の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、比較例の半導体発光素子１１９においては、ＡｌＧａＮを含む第３層５１を有するｎ側中間層５０が、ｎ型半導体層１０と多層構造体４０との間に設けられている。

比較例の半導体発光素子１１９においては、ｎ型半導体層１０と多層構造体４０との間に、ｎ側中間層５０が設けられているため、ｎ型半導体層１０及び多層構造体４０において発生する応力を緩和できる可能性がある。しかしながら、共に積層膜を含む多層構造体４０及び発光部３０との間には、応力を緩和するための層が設けられていない。このため、共に圧縮応力ＣＦを有する多層構造体４０及び発光部３０において、大きな圧縮応力ＣＦが蓄積され、これにより、発光効率が低下し易い。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、圧縮応力ＣＦを発生させる多層構造体４０と、圧縮応力ＣＦを発生する発光部３０と、の間に引っ張り応力ＴＦを有するｎ側中間層５０を挿入することで、蓄積される圧縮応力ＣＦを緩和することができ、高い発光効率を実現できる。このように、本実施形態により、半導体層における応力を緩和し低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

基板５の上に半導体層をエピタキシャル成長させる際に、基板５と半導体層との界面では多数の転位が存在し圧縮応力は小さいが、半導体層を成長させる過程で転位が消失し、これに伴いエピタキシャル成長層には圧縮応力が蓄積されていく。本実施形態においては、圧縮応力ＣＦを発生させる多層構造体４０と、圧縮応力ＣＦを発生する発光部３０と、の間に引っ張り応力ＴＦを有するｎ側中間層５０を挿入することで、蓄積される圧縮応力ＣＦを緩和する。これにより、ピエゾ電界の影響を抑制し、発光効率のさらなる向上が可能となる。

図４は、本発明の実施形態に係る別の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１１においては、ｎ側中間層５０における第３層５１は複数設けられる。そして、複数の第３層５１が互いに積層されている。すなわち、複数の第３層５１がＺ軸方向に沿って積層されている。

そして、ｎ側中間層５０は、複数の第３層５１のそれぞれの間に設けられた第４層５２をさらに含む。第４層５２は、第３層５１に含まれるｎ型不純物よりも高い濃度でｎ型不純物を含む。そして、第４層５２は、Ａｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２≦０．０１）を含む。ここで、第４層５２におけるＡｌ組成比ｙ２は、第３層５１におけるＡｌ組成比ｙ１と同じでも良く、また、異なっていても良い。Ａｌ組成比ｙ２は０よりも大きく０．０１以下とされる。Ａｌ組成比ｙ２が０．０１よりも大きいと、結晶性が低下し易く、その結果発光効率が低下し易くなる。

例えば、第３層５１は、ノンドープのＡｌＧａＮ層であり、第４層５２は、ＳｉドープのＡｌＧａＮ層である。

例えば、第３層５１の厚さは約１ｎｍであり、第４層５２の厚さは約１ｎｍである。このような第３層５１と第４層５２とを交互に２５ペア積層（全部で５０層）し、この積層膜を、ｎ側中間層５０として用いることができる。

また、このような第３層５１と第４層５２とを交互に５ペア積層（全部で１０層）し、この積層膜を、ｎ側中間層５０として用いることができる。

このように、ｎ側中間層５０として、第３層５１と第４層５２との積層構成を適用することで、電子キャリアを効率良く注入することができ、素子特性を劣化させることなく、半導体層における応力を緩和し低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

このような半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
なお、以下では、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いる場合が例示されるが、これに限らず、実施形態に係る半導体発光素子の製造においては、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Halide Vapor Phase Epitaxy）、分子線気相成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）など、窒化物半導体を成長させるために用いられる任意の方法が採用できる。

また、用いられる原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用い、ガス原料として、アンモニア（ＮＨ_３）、シラン（ＳｉＨ_４）を用い、キャリアガスとして水素及び窒素を用いる場合が例示される。ただし、これらの原料等も上記に限定されず、本実施形態に係る半導体発光素子の構成を製造できる任意の材料を適用できる。例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧ：Tri Ethyl Gallium）を用いることも可能である。

基板５として、例えば、Ｃ面に直径が３μｍ（マイクロメートル）で、高さが１μｍ、ピッチが５μｍの円柱状の凹凸が表面に設けられた、Ｍ軸方向に対して０．２°傾斜したサファイア基板が用いられる。

すなわち、基板５のｎ型半導体層１０に対向する主面は、基板５のＭ軸方向に対して０．１度以上０．５度以下の角度で傾斜していることができる。これにより、基板５の上に成長させる種々の半導体層の結晶性が向上する。基板５の主面とＭ軸方向との角度が０．１度よりも小さいと結晶性が劣化し易く、０．５度よりも大きい場合にも結晶性が劣化し易い。

そして、基板５は、基板５の主面に設けられた凹凸を有している。凹凸により、発光部３０で発光した光の進路を変えることができ、光の取り出し効率が向上する。なお、凹凸の形状（基板５の主面に平行な平面で凹凸を切断したときの平面形状）は任意である。また、基板５に凹凸を設けることで、基板５の上に半導体層を成長させる際に、凹凸が結晶成長の核として機能し、半導体層の結晶性が向上する効果もある。

基板５には、前処理として、例えば有機洗浄及び酸洗浄が施される。その後に、基板５は、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納される。

例えば、窒素（Ｎ_２）ガスと水素（Ｈ_２）ガスとの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、基板５の温度が１１００℃まで昇温される。これにより、基板５の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。

次に、ＮＨ_３ガスを供給し続けながら、基板５の温度を５００℃まで降温し、５００℃で保持する。

次に、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスとの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガス、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）、及び、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）を供給し、ＡｌＧａＮを含むバッファ層６を形成する。バッファ層６の厚さは、例えば２０ｎｍとされる。

次に、ＮＨ_３ガスを供給し続けながら、基板５の温度を１１００℃まで昇温し、１１００℃で保持する。

次に、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガス及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）を供給し、下地ＧａＮ層１１を形成する。本具体例では、下地ＧａＮ層１１は、アンドープである。下地ＧａＮ層１１の厚さは、例えば３μｍである。

次に、ｎ型ドーパントとなる、例えばシラン（ＳｉＨ_４ガス）を供給し、ｎ型コンタクト層１２を形成する。ｎ型コンタクト層１２の厚さは、例えば４μｍである。このように、ｎ型コンタクト層１２は、Ｓｉを含むＧａＮ層である。

次に、ＮＨ_３ガスを供給し続けながらＴＭＧの供給を停止し、基板５の温度を８００℃まで降温し、８００℃で保持する。

次に、Ｎ_２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えば、ＮＨ_３ガス、ＴＭＧ及びＳｉＨ_４ガスを供給し、第１層４１を形成する。第１層４１は、ＳｉドープＧａＮ層である。第１層４１の厚さは、例えば２ｎｍとされる。

この後、ＳｉＨ_４ガスの供給を停止すると共に、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）を供給することにより、第２層４２を形成する。第２層４２は、Ｉｎ組成比（第２Ｉｎ組成比ｘ２）が０．１のＩｎＧａＮ層である。第２層４２の厚さは、例えば１ｎｍである。

そして、ＴＭＩの供給及び停止と、ＳｉＨ_４ガスの停止と供給と、とを交互に繰り返すことにより、第１層４１と第２層４２との形成を、例えば３０回繰り返す。これにより、多層構造体４０が得られる。

次に、ＴＭＧ及びＮＨ_３ガスを供給し続けながら、ＴＭＩ及びＳｉＨ_４ガスの供給を停止すると共に、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）を供給することにより、ｎ側中間層５０の第３層５１を形成する。ｎ側中間層５０は、アンドープで、Ａｌ組成比ｙ１が０．０１のＡｌＧａＮ層である。第３層５１の厚さは、例えば５ｎｍである。

次に、ＴＭＧ及びＮＨ_３ガスを供給し続けながら、ＴＭＡの供給を停止することで、障壁層３１を形成する。障壁層３１は、ＧａＮ層である。障壁層３１の厚さは、例えば５ｎｍである。

この後、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）を供給することにより、井戸層３２を形成する。井戸層３２は、例えば、Ｉｎ組成比（第１Ｉｎ組成比ｘ１）が０．１５のＩｎＧａＮ層である。井戸層３２の厚さは、例えば２．５ｎｍである。

そして、ＴＭＩの供給と停止を繰り返すことにより、障壁層３１と井戸層３２との形成を、例えば７回繰り返す。これにより、多重量子井戸構造を有する発光部３０が得られる。

次に、ＴＭＧ及びＮＨ_３ガスを供給し続けながら、ＴＭＩの供給を停止し、ＧａＮキャップ層２０ａを形成する。ＧａＮキャップ層２０ａは、例えばアンドープのＧａＮ層である。ＧａＮキャップ層２０ａの厚さは、例えば５ｎｍである。

次に、ＴＭＧの供給の状態を維持しつつ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）を供給し、ＡｌＧａＮキャップ層２０ｂを形成する。ＡｌＧａＮキャップ層２０ｂは、例えば、アンドープで、Ａｌ組成比が０．００３のＡｌＧａＮ層である。ＡｌＧａＮキャップ層２０ｂの厚さは、例えば１ｎｍである。

次に、ＮＨ_３ガスを供給し続けながら、ＴＭＧ及びＴＭＡの供給を停止し、Ｎ_２ガス雰囲気中で、基板５の温度を１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持する。

次に、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ_３ガス、ＴＭＧ及びＴＭＡ、並びに、ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を供給し、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃを形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃにおけるＭｇ濃度は、例えば１×１０^{１９〜２０}ｃｍ^−３である。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃの厚さは、例えば１０ｎｍである。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃは、電子障壁層（電子オーバーフロー防止層）として機能する。

次に、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇを供給し続けながら、ＴＭＡの供給を停止し、ｐ型ＧａＮクラッド層２１を形成する。ｐ型ＧａＮクラッド層２１のＭｇ濃度は、例えば、２×１０^１９ｃｍ^−３である。ｐ型ＧａＮクラッド層２１の厚さは、例えば約１００ｎｍである。

次に、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量を増やして、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２のＭｇ濃度は、例えば、３×１０^２０ｃｍ^−３である。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２の厚さは、例えば約１０ｎｍである。

次に、ＮＨ_３ガスを供給し続けながら、ＴＭＧの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、基板５を自然降温する。なお、ＮＨ_３ガスの供給は、基板５の温度が５００℃に達するまで継続する。

次に、基板５をＭＯＣＶＤ装置から取り出した後、形成した半導体層の積層構造体の一部をｎ型コンタクト層１２に達するまで、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により除去し、ｎ型コンタクト層１２の一部を露出させる。露出したｎ型コンタクト層１２の上に、例えば、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜からなるｎ側電極７１を形成する。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層２２上に、例えばＮｉ膜／Ａｕ膜からなるｐ側電極８１を形成する。
以上により、図１に例示した半導体発光素子１１０が得られる。

このような半導体発光素子１１０のＩ−Ｖ特性において、例えば、電流が２０ｍＡのときの動作電圧は３．１Ｖ（ボルト）〜３．５Ｖであり、このときの光出力は、約１５ｍＷである。なお、発光のピーク波長は、約４５０ｎｍでる。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０によれば、半導体層における応力が緩和され、低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

なお、上記の製造方法において、ｎ側中間層５０を形成する工程において、複数の第３層５１及び複数の第４層５２を積層することで、半導体発光素子１１１が形成できる。例えば、多層構造体４０を形成した後、アンドープで、Ａｌ組成比ｙ１が０．０１のＡｌＧａＮを含む第３層５１を形成する。この場合の第３層５１の厚さは、例えば１ｎｍとされる。第３層５１の形成に引き続き、ＳｉドープでＡｌ組成比ｙ２が０．０１のＡｌＧａＮを含む第４層５２を形成する。第４層５２の厚さは、例えば１ｎｍとされる。このような第３層５１と第４層５２とを５ペア（計１０層）形成する。これにより、例えば厚さは１０ｎｍのｎ側中間層５０が得られる。

このようにして作製される半導体発光素子１１１においても、半導体発光素子１１０と同様に、半導体層における応力が緩和され、低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

図５は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、半導体発光素子の多層構造体４０におけるＩｎ組成比を変えたときの発光特性の変化を例示している。同図の横軸は波長λ（ｎｍ）であり、縦軸は発光の強度Ｉｐである。発光の強度Ｉｐは、強度の最大値を１として規格化して示されている。

図５においては、ｎ側中間層５０が設けられていない半導体発光素子の特性を例示している。そして、多層構造体４０の第２層４２におけるＩｎ組成比（第２Ｉｎ組成比ｘ２）が異なる２種類の半導体発光素子１１９ａ及び１１９ｂの特性が示されている。半導体発光素子１１９ａにおいては第２Ｉｎ組成比ｘ２が０．１４であり、半導体発光素子１１９ｂにおいては第２Ｉｎ組成比ｘ２が０．２６である。

図５に表したように、多層構造体４０の第２層４２の第２Ｉｎ組成比ｘ２が高い半導体発光素子１１９ｂにおいては、発光の強度Ｉｐの波長幅が、半導体発光素子１１９ａよりも狭くなっている。具体的には、半導体発光素子１１９ｂにおいては、半導体発光素子１１９ａよりも、発光スペクトルの半値幅が１７．７ｎｍ減少している。

また、半導体発光素子１１９ａの動作電圧は、３．５Ｖ〜３．６Ｖであるのに対し、半導体発光素子１１９ｂの動作電圧は３．３Ｖと、第２層４２の第２Ｉｎ組成比ｘ２が高い方が、動作電圧が低下する。
このように、第２層４２の第２Ｉｎ組成比ｘ２を高めることで良好な特性が得られる。

このとき、例えば、発光部３０の結晶性をより向上させるために、発光部３０の成長温度を、多層構造体４０の成長温度よりも高くすることが考えられる。例えば、多層構造体４０の成長温度として８００℃が採用され、発光部３０の成長温度として８５０℃が採用されることがある。

もし、ｎ側中間層５０を設けない比較例において、多層構造体４０の形成の後に行われる発光部３０の成長温度を、多層構造体４０の成長温度よりも高くすると、Ｉｎ組成比を高くして形成した第２層４２中のＩｎが消失し、結果として第２Ｉｎ組成比ｘ２が所望の値よりも低下する可能性がある。この場合には、所望の特性が得られない。

このとき、本実施形態に係る半導体発光素子１１０及び１１１においては、ｎ側中間層５０を設けることで、ｎ側中間層５０が多層構造体４０のキャップ層として機能し、発光部３０の成長温度を多層構造体４０の成長温度よりも高くした場合においても、第２層４２中のＩｎの消失が抑制でき、所望の第２Ｉｎ組成比ｘ２が得られ、所望の特性が得られる。

このように、ｎ側中間層５０は、圧縮応力ＣＦを抑制する応力緩和層としての機能に加え、多層構造体４０のキャップ層としての機能も有することができる。

図６は、本発明の実施形態に係る別の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図６に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１２は、図１及び図２に例示した半導体発光素子１１０において、ｐ側中間層６０をさらに備える。

ｐ側中間層６０は、発光部３０とｐ型半導体層２０との間に設けられる。ｐ側中間層６０は、Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ層（０＜ｚ１≦０．０１）を含む第５層６１を含む。

ここで、第５層６１のＡｌ組成比ｚ１は、第３層５１のＡｌ組成比ｙ１及び第４層５２のＡｌ組成比ｙ２と同じでも良く、また、異なっていても良い。Ａｌ組成比ｚ１は０よりも大きく０．０１以下とされる。Ａｌ組成比ｚ１が０．０１よりも大きいと、結晶性が低下し易く、その結果発光効率が低下し易くなる。

なお、本具体例では、ｐ側中間層６０は、発光部３０と、ｐ型半導体層２０のｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃと、の間に設けられている。ただし、本実施形態はこれに限らず、図１に例示した半導体発光素子１１０と同様に、発光部３０とｐ型半導体層２０との間に、ＧａＮキャップ層２０ａを設け、ｐ側中間層６０を発光部３０とＧａＮキャップ層２０ａとの間に設けても良い。また、この場合に、ＧａＮキャップ層２０ａとｐ型半導体層２０（ｐ型ＡｌＧａＮ層２０ｃ）との間にＡｌＧａＮキャップ層２０ｂをさらに設けても良い。

ｐ側中間層６０をさらに備えた半導体発光素子１１２においては、積層された半導体層に蓄積される圧縮応力をｐ側中間層６０によってさらに抑制でき、半導体層における応力がさらに緩和され、低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

図７は、本発明の実施形態に係る別の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１２ａにおいては、第５層６１は複数設けられる。複数の第５層６１は互いに積層される。すなわち、複数の第５層６１がＺ軸方向に沿って積層される。

そして、ｐ側中間層６０は、複数の第５層６１のそれぞれの間に設けられた第６層６２をさらに含む。第６層６２は、第５層６１に含まれるｐ型不純物よりも高い濃度でｐ型不純物を含む。そして、第６層６２は、Ａｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０＜ｚ２≦０．０１）を含む。ここで、第６層６２におけるＡｌ組成比ｚ２は、第５層６１におけるＡｌ組成比ｚ１と同じでも良く、また、異なっていても良い。また、第６層６２におけるＡｌ組成比ｚ２は、第３層５１のＡｌ組成比ｙ１及び第４層５２のＡｌ組成比ｙ２と同じでも良く、また、異なっていても良い。Ａｌ組成比ｚ２は０よりも大きく０．０１以下とされる。Ａｌ組成比ｚ２が０．０１よりも大きいと、結晶性が低下し易く、その結果発光効率が低下し易くなる。

例えば、第５層６１は、ノンドープのＡｌＧａＮ層であり、第６層６２は、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層である。

このように、ｐ側中間層６０に多層膜構造を適用しても良い。これにより、半導体層における応力が緩和され、低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

図８は、本発明の実施形態に係る別の半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、実施形態に係る別の半導体発光素子１１２ｂは、多層膜構造のｎ側中間層５０（複数の第３層５１及び複数の第４層５２）と、多層膜構造のｐ側中間層６０（複数の第５層６１と複数の第６層６２）と、を有している。

このような半導体発光素子１１２ｂにおいても、半導体層における応力が緩和され、低動作電圧で高発光効率の半導体発光素子が得られる。

以上説明したように、本実施形態においては、多層構造体４０と発光部３０との間に、アンドープの単一ＡｌＧａＮ層、または、アンドープＡｌＧａＮ層とＳｉドープＧａＮ層とを積層した多層膜、のｎ側中間層５０を設ける。このｎ側中間層５０が応力緩和の機能を果たすことで、ＩｎＧａＮ層を有する多層構造体４０及び発光部３０に加わる圧縮応力ＣＦが緩和され、積層界面での欠陥と井戸層３２に加わる歪を低減することができ、これにより、十分な光出力が得られ、かつ動作電圧の低い半導体発光素子が得られる。

なお、上記においては、基板５としてＣ面サファイア基板を用いた場合について説明したが、その他の基板、例えばＧａＮ、ＳｉＣ及びＺｎＯなどの基板を用いても良い。また、基板５の面方位はＣ面だけでなく、その他の面、例えば非極性面を用いることも可能である。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれるｎ型半導体層、ｐ型半導体層、発光部、井戸層、障壁層、多層構造体、ｎ側中間層、ｐ側中間層、第１〜第６層、電極、基板、バッファ層等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

５…基板、 ６…バッファ層、 １０…ｎ型半導体層、 １１…下地ＧａＮ層、 １２…ｎ型コンタクト層、 ２０…ｐ型半導体層、 ２０ａ…ＧａＮキャップ層、 ２０ｂ…ＡｌＧａＮキャップ層、 ２０ｃ…ｐ型ＡｌＧａＮ層、 ２１…ｐ型ＧａＮクラッド層、 ２２…ｐ型ＧａＮコンタクト層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…多層構造体、 ４１…第１層、 ４２…第２層、 ５０…ｎ側中間層、 ５１…第３層、 ５２…第４層、 ６０…ｐ側中間層、 ６１…第５層、 ６２…第６層、 ７１…ｎ側電極、 ８１…ｐ側電極、 １１０、１１１、１１２、１１２ａ、１１２ｂ、１１９、１１９ａ、１１９ｂ…半導体発光素子、 ＣＦ…圧縮応力、 ＴＦ…引っ張り応力

Claims (8)

1. 窒化物半導体を含むｎ型半導体層と、
   窒化物半導体を含むｐ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、
   互いに積層され、ＧａＮを含む複数の障壁層と、
   前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、第１Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む井戸層と、
   を有する発光部と、
   前記ｎ型半導体層と前記発光部との間に設けられ、
   互いに積層され、ＧａＮを含む複数の第１層と、
   前記複数の第１層のそれぞれの間に設けられ、前記第１Ｉｎ組成比の０．６倍以上で前記第１Ｉｎ組成比よりも低い第２Ｉｎ組成比のＩｎＧａＮを含む第２層と、
   を有する多層構造体と、
   前記多層構造体と前記発光部との間に設けられ、Ａｌ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１≦０．０１）を含む第３層を含むｎ側中間層と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第３層は複数設けられ、前記複数の第３層は互いに積層され、
   前記ｎ側中間層は、
   前記複数の第３層のそれぞれの間に設けられ、前記第３層に含まれるｎ型不純物よりも高い濃度でｎ型不純物を含み、Ａｌ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２≦０．０１）を含む第４層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記発光部と前記ｐ型半導体層との間に設けられ、Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ｎ層（０＜ｚ１≦０．０１）を含む第５層を含むｐ側中間層をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第５層は複数設けられ、前記複数の第５層は互いに積層され、
   前記ｐ側中間層は、
   前記複数の第５層のそれぞれの間に設けられ、前記第５層に含まれるｐ型不純物よりも高い濃度でｐ型不純物を含み、Ａｌ_ｚ２Ｇａ_１−ｚ２Ｎ（０＜ｚ２≦０．０１）を含む第６層をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子。
5. 前記第１層は、ｎ型不純物を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記第１層の厚さは、前記第２層の厚さ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 前記ｎ型半導体層の前記ｐ型半導体層とは反対の側に設けられ、サファイアからなる基板をさらに備え、
   前記基板の前記ｎ型半導体層に対向する主面は、前記基板のＭ軸方向に対して０．１°以上０．５°以下の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記基板は、前記主面に設けられた凹凸を有していることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。

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