JP2013008931A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光層の品質を高めるとともに、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供する。
【解決手段】サファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＮ層６、ｐ型ＧａＮ層７が順に積層されている。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４は、複数のＩｎＧａＮ膜と複数のＧａＮ膜とが交互に積層された超格子構造を有し、ＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比率はｎ型ＧａＮ層３からＭＱＷ活性層５に向かって段階的に増加していくように構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ｎ型窒化物半導体層と発光層との間に中間バッファ層を備えた半導体発光素子に関する。

従来、Ｉｎの組成比が異なる２つの窒化物半導体層の格子定数の違いを緩和するために、Ｉｎの組成比を徐々に変化させた傾斜層を、中間バッファ層として２つの窒化物半導体層の間に設ける技術が開示されている。このように傾斜層を設けることによって、窒化物半導体層内部の欠陥を減少させて、発光効率を向上させることができる。

例えば、特許文献１には、ＩｎＧａＮからなるＩｎ組成傾斜層のＩｎの組成比率の変化量を、ＭＱＷ活性層内のＩｎ組成比率の小さいＩｎＧａＮ層の近傍では小さくして、Ｉｎ組成比率の大きいＩｎＧａＮ層近傍では大きくしている。これにより、ＭＱＷ活性層内のＩｎＧａＮ層にキャリアを閉じ込めることが容易になり、半導体発光素子の発光効率が向上する。

また、ｎ型ＧａＮ層とＭＱＷ活性層との間に、超格子構造を有する超格子層が形成された半導体発光素子が提案されている。

超格子層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが積層した構造を有している。この超格子層を、ＭＱＷ活性層とｎ型ＧａＮ層との間に中間バッファ層として挿入することで、ＭＱＷ活性層に欠陥が導入されることを抑制している。

このように、下地ＧａＮ層とＭＱＷ活性層との間に中間バッファ層を形成することによって、半導体発光素子の光出力の向上が図られていた。

特開２００７−１５８１０１号公報

しかしながら、特許文献１に示されるＩｎ組成傾斜層では、Ｉｎ組成傾斜層が厚いと、格子歪を吸収しきれず、格子にずれが生じる。このため、Ｉｎ組成傾斜層内での格子不整合が起こってしまう。

また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を用いる場合は、ＭＱＷ活性層の発する光がＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層で吸収されることを抑制するために、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層に含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層のウエル層よりも低く抑えられる。この場合には、以下のような問題が発生する。

図１２（ａ）、（ｂ）の右側には、下地ＧａＮ層上に、Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層が形成され、その上に発光層（ＭＱＷ活性層）が配置された構成が示されている。左側には、各ＩｎＧａＮのＩｎ組成の割合を棒グラフで示している。

図１２（ａ）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層を１４ａで、ＧａＮ層を１４ｂで、発光層のウエル層を１５ａで示す。各ＩｎＧａＮ層１４ａのＩｎ組成は一定である。また、図１２（ｂ）では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層を２４ａで、ＧａＮ層を２４ｂで、発光層（ＭＱＷ活性層）のウエル層を２５ａで示す。各ＩｎＧａＮ層２４ａの組成は一定である。図１２（ａ）、（ｂ）ともに、ウエル層は、最下層のみが示されている。

図１２（ａ）のように、ＩｎＧａＮ層１４ａのＩｎ組成をウエル層１５ａのＩｎ組成よりも十分小さくすると、光の吸収を回避することができるが、一方で、発光層のウエル層１５ａとはＩｎ組成が大きく異なり、格子サイズが不連続となる。このため、発光層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層との間に大きな格子歪が発生し、格子欠陥発生の可能性が高くなる。

他方、発光層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層との間の格子歪を小さくしようとすると、図１２（ｂ）のように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層２４ａのＩｎ組成を大きくし、ウエル層２５ａのＩｎ組成に近づければ良い。しかし、下地ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層２４ａとの間のＩｎ組成の差が大きくなり、格子サイズが不連続となる。このため、下地ＧａＮ層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層との間に大きな格子歪が発生し、格子欠陥の可能性が高くなる。図１２（ｂ）の場合、さらに、次のような問題も発生する。

図１３は、発光層のウエル層に用いられるＩｎＧａＮのＩｎ組成と発光ピーク波長との関係を示すものである。縦軸が発光ピーク波長（ｎｍ）を、横軸がＩｎ組成（％）を示す。また、点線で示されたＩｎ組成は、青色（波長４５５ｎｍ）発光のＩｎ組成に対応している。

図１２（ｂ）の場合のように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層に含まれるＩｎの組成比率と、発光層のＩｎＧａＮウエル層のＩｎの組成比率とが近いものであれば、斜線で示されるＰの部分の発光がＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ層に吸収されてしまう可能性があり、発光効率の低下に繋がる。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、発光層の品質を高めるとともに、発光効率を向上させることができる半導体発光素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の半導体発光装置は、下地ＧａＮ層と、前記下地ＧａＮ層上に形成された中間バッファ層と、前記中間バッファ層上に形成されるとともにＩｎＧａＮウエル層を含む発光層とを少なくとも備え、前記中間バッファ層は、複数のＩｎＧａＮ膜と複数のＧａＮ膜とが交互に積層された超格子構造を有し、前記ＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比率は前記下地ＧａＮ層から前記発光層に向かって段階的に増加していくことを主要な特徴とする。

本発明によれば、中間バッファ層は、複数のＩｎＧａＮ膜と複数のＧａＮ膜とが交互に積層された超格子構造を有し、ＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比率は下地ＧａＮ層から発光層に向かって段階的に増加していくように構成される。これにより、中間バッファ層は、下地ＧａＮ層と格子整合し、発光層とも格子整合するため、格子欠陥の発生を抑制することができる。したがって、発光層の結晶品質を高めることができ、発光効率も向上する。

本発明の半導体発光素子の一実施例の断面を示す図である。 図１の構成におけるＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層の構成を示す図である。 図２のＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層でＧａＮ膜厚と光出力の関係を示す図である。 本発明の半導体発光素子の製造工程における手順を示す図である。 図４においてＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層の製造手順を詳細に示した図である。 ＩｎＧａｎ層における成長温度とＩｎとの関係を示す図である。 光励起評価を行った素子構造の断面を示す図である。 図７の構成で光励起評価を行った結果を示す図である。 図１の構成で発光評価を行った結果を示す図である。 格子歪を説明するための概念図である。 Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層のＧａＮ膜厚と光出力との関係を示す図である。 Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層においてＩｎ組成と格子歪との関係を示す図である。 発光ピーク波長とＩｎＧａＮ層のＩｎ組成との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。構造に関する図面は模式的なものであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

図１は、本発明の半導体発光素子の一実施例の断面構造を示す。サファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＡｌＧａＮ層６、ｐ型ＧａＮ層７が順に積層されている。ｐ型ＧａＮ層７〜ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４までとｎ型ＧａＮ層３の一部は、メサエッチングされており、露出したｎ型ＧａＮ層３上にｎ電極９が、ｐ型ＧａＮ層７上にはｐ電極８が形成されている。

サファイア基板１は、単結晶のサファイアによって構成された成長用基板である。

ＧａＮバッファ層２は、低温で結晶成長させたＧａＮによって構成されており、サファイア基板１とｎ型ＧａＮ層３との格子定数の不整合を緩和する機能を有する。

ｎ型ＧａＮ層３は、ｎ型クラッド層の役割を有する。ｎ型ＧａＮ層３は、ＭＱＷ活性層５よりもバンドキャップエネルギーが大きくなるように構成される層であり、ＭＱＷ活性層５にキャリアを閉じ込める機能を有する。

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４は超格子層であり、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とが交互に積層された構造を有する。

また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ層に含まれるＩｎの組成比率は、ＭＱＷ活性層５のウエル層に含まれるＩｎの組成比率よりも小さい。これは、ＭＱＷ活性層の発する光がＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ層で吸収されることを抑制するためである。

例えば、ＭＱＷ活性層５のウエル層に含まれるＩｎの組成比率は１０％よりも大きく、３０％以下の範囲であり、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層のＩｎＧａＮ層に含まれるＩｎの組成比率は１０％以下である。

ＭＱＷ活性層５は、発光層であり、ウエル層とバリア層とが交互に積層された構造を有する。ウエル層は、バリア層よりもＩｎの組成比率が大きい薄膜層（例えば、ＩｎＧａＮ）である。一方、バリア層は、ウエル層よりもＩｎの組成比率が小さい薄膜層（例えば、ＧａＮ）である。また、ウエル層及びバリア層は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を形成する。

ｐ型ＡｌＧａＮ層６はｐ型クラッド層の役割を有する。ｐ型ＡｌＧａＮ層６は、ＭＱＷ活性層５よりもバンドキャップエネルギーが大きくなっており、ＭＱＷ活性層５にキャリアを閉じ込める機能を有する。

ｐ型ＧａＮ層６は、コンタクト層の役割を有し、ｐ電極８とオーミックコンタクトが取られる。

ここで、超格子層であるＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４の構成について、図２を用いて詳しく説明する。図２の右側には、下地ＧａＮとなるｎ型ＧａＮ層３上に配置されているＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４の積層構造を示す。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４は、ＩｎＧａＮ層４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａとＧａＮ層４ｂとで構成される。ＩｎＧａＮ層４１ａ上に、ＧａＮ層４ｂ、ＩｎＧａＮ層４２ａ、ＧａＮ層４ｂ、ＩｎＧａＮ層４３ａ、ＧａＮ層４ｂ、ＩｎＧａＮ層４４ａ、ＧａＮ層４ｂ、ＩｎＧａＮ層４５ａ、ＧａＮ層４ｂと、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とが交互に積層されている。

図２の例では、５つのＩｎＧａＮ層と５つのＧａＮ層による構成としたが、これに限定されるものではなく、より多くのＩｎＧａＮ層とＧａＮ層のペアを用いても良い。一方、ＭＱＷ活性層５は、ＩｎＧａＮウエル層５ａとＧａＮバリア層５ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造となっている。

図２の左側には、各層に対するＩｎ組成比率を棒グラフで表したものが示されている。下地ＧａＮとなるｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＧａＮ層４ｂ、及びＭＱＷ活性層５のＧａＮバリア層５ｂは、Ｉｎ組成比率が０である。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ層４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａについては、図のように、ｎ型ＧａＮ層３からＭＱＷ活性層５にかけて、Ｉｎ組成比率が段階的にあるいは直線的に増加していくように構成されている。ただし、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ層４５ａのＩｎ組成比率は、ＭＱＷ活性層５のＩｎＧａＮウエル層５ａのＩｎ組成比率よりも小さい。なお、ＩｎＧａＮ層４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ、４５ａの各膜厚は同じである。

以上のように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４を、複数のＩｎＧａＮ層と複数のＧａＮ層とを交互に積層して構成し、かつＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比率を下地ＧａＮ層側からＭＱＷ活性層側にかけて、段階的に増加させていくことにより以下の効果が発生する。

Ｉｎ組成比率が徐々に変化していき、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層の最後のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比率がＭＱＷ活性層のウエル層のＩｎ組成比率と近くなる。このため、下地ＧａＮ層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層の間、及びＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層とＭＱＷ活性層との間で格子サイズに不連続な部分が発生しない。すなわち、格子歪が、徐々に緩和され格子欠陥ができにくくなり、高品質な発光層の成膜が可能となる。

また、図１２（ｂ）のように、発光層とＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層と間の格子歪を小さくするために、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎ組成比率を上げると、図１３に示すように、光の吸収が大きくなる。しかし、本発明のＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４では、Ｉｎ組成比率を徐々に増加させているので、ＭＱＷ活性層とＩｎ組成比率が近いＩｎＧａＮ層のトータルの厚みは、従来の図１２（ｂ）等と比較して非常に小さくなるので、光吸収が抑制される。

次に、図１、図２の構成を用いて、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ膜厚とＧａＮ膜厚を変化させて光出力を測定した結果を図３に示す。ここで、図２に示したように、ＭＱＷ活性層５は膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮウエル層と膜厚５ｎｍのＧａＮバリア層による構成とし、ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成比率は１４％とした。

また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａのＩｎ組成比率は、ＩｎＧａＮ層４１ａのＩｎ組成比率を１％とし、ＩｎＧａＮ層４２ａを２％、ＩｎＧａＮ層４３ａを３％、ＩｎＧａＮ層４４ａを４％、ＩｎＧａＮ層４５ａを５％とし、１％ずつ直線的に増加させた。

図３の縦軸は光出力を、横軸はＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４のＩｎＧａＮ層の膜厚を示す。図３の菱形はＧａＮ層４ｂの膜厚が２ｎｍの場合を、四角はＧａＮ層４ｂの膜厚が５ｎｍの場合を、三角はＧａＮ層４ｂの膜厚が８ｎｍの場合を示す。この３種類の厚さのＧａＮ層４ｂに対して、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａの膜厚を１ｎｍ、２ｎｍ、４ｎｍ、８ｎｍ、１２ｎｍと変化させた。

ＧａＮ層４ｂの膜厚が２ｎｍの場合のデータが、Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ１３、Ｗ１４、Ｗ１５であり、Ｗ１１がＩｎＧａＮ層膜厚１ｎｍ、Ｗ１２がＩｎＧａＮ層膜厚２ｎｍ、Ｗ１３がＩｎＧａＮ層膜厚４ｎｍ、Ｗ１４がＩｎＧａＮ層膜厚８ｎｍ、Ｗ１５がＩｎＧａＮ層膜厚１２ｎｍである。ＧａＮ層４ｂの膜厚が５ｎｍの場合のデータが、Ｗ２１、Ｗ２４であり、Ｗ２１がＩｎＧａＮ層膜厚１ｎｍ、Ｗ２４がＩｎＧａＮ層膜厚８ｎｍである。ＧａＮ層４ｂの膜厚が８ｎｍの場合のデータが、Ｗ３１、Ｗ３４であり、Ｗ３１がＩｎＧａＮ層膜厚１ｎｍ、Ｗ３４がＩｎＧａＮ層膜厚８ｎｍである。また、縦軸の光出力は、Ｗ１１のデータにより正規化されている。

図３のグラフからわかるように、光出力が１以上を維持しているのは、ＧａＮ層の膜厚が２ｎｍと５ｎｍの場合である。また、ＩｎＧａＮ層の膜厚を１５ｎｍまでの範囲で変化させたときに、光出力が特に良くなっているのは、ＧａＮ層の膜厚が２ｎｍの場合である。ＧａＮ層の膜厚が２ｎｍの場合のデータＷ１１〜Ｗ１５のうち、特にＷ１３が良い出力を示しており、Ｗ１１と比較して５％の輝度上昇となった。Ｗ１１〜Ｗ１５のデータを見ると、ＧａＮ層膜厚よりもＩｎＧａＮ層膜厚の方が厚くなれば、光出力の向上に寄与するものと考えられる。ＩｎＧａＮ層膜厚は、２ｎｍよりも大きく８ｎｍ以下の範囲が好ましい結果となっている。

本発明に係る中間バッファ層と比較するために、Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を用いて、半導体発光素子の光出力が向上するＧａＮ膜厚を調べた。図１１に、Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ膜厚とＧａＮ膜厚の変化による光出力を示す。

半導体発光素子は、図１の構成において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４をＩｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層に替えた構造とした。また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎ組成比率は５％とした。

図１１の縦軸は光出力を、横軸はＩｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層におけるＧａＮ膜厚の厚さ（ｎｍ）を示す。なお、上記の構造の発光素子において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を挿入しない場合の光出力により正規化した値が、縦軸の光出力に示される。

最初のＰ１は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層が設けられていない場合であるので、その値は１である。また、Ｐ２は超格子層におけるＩｎＧａＮ膜厚／ＧａＮ膜厚が１ｎｍ／２ｎｍ、Ｐ３はＩｎＧａＮ膜厚／ＧａＮ膜厚が１ｎｍ／５ｎｍ、Ｐ４はＩｎＧａＮ膜厚／ＧａＮ膜厚が２ｎｍ／６ｎｍ、Ｐ５はＩｎＧａＮ膜厚／ＧａＮ膜厚が２ｎｍ／２０ｎｍである。

図１１からわかるように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層のＩｎＧａＮ膜厚／ＧａＮ膜厚が、１ｎｍ／５ｎｍのときに光出力が最大になっており、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層の挿入で、中間バッファ層がない場合と比較して、光出力は５％程度上昇していることがわかる。超格子層のＩｎＧａＮ膜厚≦超格子層のＧａＮ膜厚であれば、光出力の上昇が期待できる。

このように、Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層では、ＧａＮ膜厚をＩｎＧａＮ膜厚より厚くし、ＩｎＧａＮ膜厚／ＧａＮ膜厚の最適な比率が求められる。

次に、図１の構成で、かつ図２の構成のＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４を有する半導体発光素子の製造方法を図４、５を参照して以下に説明する。図４、５は半導体発光素子の製造過程における手順を示す図である。

サファイア基板１上にＧａＮバッファ層２を形成する。具体的には、図４のＴ０に示すように、サファイア基板１の温度を約４５０℃の状態にし、窒素（Ｎ_２）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などをガス室内に供給し、結晶を気相成長させて、低温ＧａＮ結晶からなるＧａＮバッファ層２を形成する。

なお、結晶を気相成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapour Deposition）法などが挙げられる。

ＧａＮバッファ層２上にｎ型ＧａＮ層３を形成する。具体的には、図４のＴ１に示すように、サファイア基板１の温度を約１０６０℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びモノシラン（ＳｉＨ_４）などをガス室内に供給し、ｎ型ＧａＮ層３を形成する。

次に、ｎ型ＧａＮ層３上に超格子構造を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４を形成する。具体的には、図５のように行う。図５は、図４のステップのＴ２の部分を詳細にしたものである。サファイア基板１の温度を約８５０℃となるまで下降させるとともに、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）及びモノシラン（ＳｉＨ_４）などをガス室内に供給し、ＩｎＧａＮ層４１ａを形成する（Ｔ２１）。なお、このとき、ガス室内に供給されるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の流量は約１２５ｓｃｃｍである。また、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びモノシラン（ＳｉＨ_４）などをガス室内に供給し、ＧａＮ層４ｂを形成する（Ｔ２２）。

次に、図５のように、サファイア基板１の温度を約８４０℃になるまで降下させるとともに、ＩｎＧａＮ層４１ａの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、ＩｎＧａＮ層４２ａを形成する（Ｔ２３）。また、上記第１回目のＧａＮ層４ｂの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、第２回目のＧａＮ層４ｂを形成する（Ｔ２４）。

続けて、図５のように、サファイア基板１の温度を約８３０℃になるまで降下させるとともに、ＩｎＧａＮ層４１ａの作製のときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、ＩｎＧａＮ層４３ａを形成する（Ｔ２５）。また、上記第１回目のＧａＮ層４ｂの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、第３回目のＧａＮ層４ｂを形成する（Ｔ２６）。

次に、図５のように、サファイア基板１の温度を約８２２℃になるまで降下させるとともに、ＩｎＧａＮ層４１ａの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、ＩｎＧａＮ層４４ａを形成する（Ｔ２７）。また、上記第１回目のＧａＮ層４ｂの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、第４回目のＧａＮ層４ｂを形成する（Ｔ２８）。

さらに、図５のように、サファイア基板１の温度を約８１５℃になるまで降下させるとともに、ＩｎＧａＮ層４１ａの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、ＩｎＧａＮ層４５ａを形成する（Ｔ２９）。また、上記第１回目のＧａＮ層４ｂの作製ときと同様の原材料ガスやキャリアガスを用い、第５回目のＧａＮ層４ｂを形成する（Ｔ２１０）。

このように、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａ及び５つのＧａＮ層４ｂを交互に積層することによって、超格子構造を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４を形成する。

ここで、図６に示すように、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比率は、ＩｎＧａＮ成膜温度によって制御することができる。図６は、あらかじめ、ＩｎＧａＮ成膜温度とＩｎ組成（％）との関係を測定した結果である。このときのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）の流量は１２５ｓｃｃｍとした。図６のように、ＩｎＧａＮ成膜温度が約８５０℃ではＩｎ組成比率は１％、約８４０℃ではＩｎ組成比率は２％、約８３０℃ではＩｎ組成比率は３％、約８２２℃ではＩｎ組成比率は４％、約８１５℃ではＩｎ組成比率は５％となっている。このように、ＩｎＧａＮ成膜温度を下げていくことにより、Ｉｎ組成比率を高くすることができ、成膜温度７８０℃付近では、Ｉｎ組成比率を約１４％にまで高めることができる。

したがって、以上説明したように５段階に温度を下げて、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａを形成すると、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａのＩｎ組成比率が１％から１％ずつ段階的に増加して５％に到達する層構造が形成される。

ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４上にＭＱＷ活性層５を形成する。具体的には、図４のＴ３及び図５に示すように、サファイア基板１の温度を約７８０℃となるまで下降させるとともに、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素（Ｎ_２）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）などをガス室内に供給し、ウエル層を形成する。次に、サファイア基板１の温度を約８２０℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）などをガス室内に供給し、バリア層を形成する。このように、バリア層及びウエル層を交互に積層することによって、量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するＭＱＷ活性層５を形成する。

なお、図６に示したように、上記成長温度で成膜した場合のＭＱＷ活性層５のウェル層に含まれるＩｎの組成比率は１４％である。

ＭＱＷ活性層５上にｐ型ＡｌＧａＮ層６を形成する。具体的には、図４のＴ４に示すように、サファイア基板１の温度を約１０００℃となるまで上昇させるとともに、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びドーパント材であるマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）などをガス室内に供給してｐ型ＡｌＧａＮ層６を形成する。次に、図４のＴ５に示すように、サファイア基板１の温度を約１０００℃に保ち、アンモニア（ＮＨ_３）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びドーパント材であるマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）などをガス室内に供給し、ｐ型ＧａＮ層７を形成する。

次に、ｐ型ＧａＮ層７〜ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４までとｎ型ＧａＮ層３の一部をメサエッチングし、露出したｎ型ＧａＮ層３の表面上にｎ電極９を蒸着又はスパッタにより形成する。一方、ｐ型ＧａＮ層７の表面にｐ電極８を蒸着又はスパッタにより形成する。

次に、図７に示す構造を用いて光励起評価を行った。図７の構成は、図１の半導体発光素子の一部までを作製したものである。図１と同じ符号は、同じ構成を示す。サファイア基板１上に、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４、ＭＱＷ活性層５までが積層されている。ＭＱＷ活性層５の表面に励起光を照射し、ＭＱＷ活性層５から発生するＰＬ（フォトルミネッセンス）光を測定した。ＭＱＷ活性層５は、前述のように、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＮウエル層と膜厚５ｎｍのＧａＮバリア層による構成とし、ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成比率は１４％とした。

本発明に係るＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４の特性を評価するために、Ｉｎ組成がＭＱＷ活性層５に向かって段階的に増加するＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４を用いた場合の測定をＸとした。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４として、図２のように、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａと５つのＧａＮ層４ｂが交互に積層された構造を使用した。また、ＩｎＧａＮ層４１ａのＩｎ組成比率が２％、ＩｎＧａＮ層４２ａのＩｎ組成比率が４％、ＩｎＧａＮ層４３ａのＩｎ組成比率が６％、ＩｎＧａＮ層４４ａのＩｎ組成比率が８％、ＩｎＧａＮ層４５ａのＩｎ組成比率が１０％と、２％ずつ段階的に増加していく構造を用いた。ここで、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａの各膜厚は８ｎｍ、ＧａＮ層４ｂの膜厚は２ｎｍである。

一方、図７において、比較対象として、本発明に係るＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４に代えて、Ｉｎ組成が一定のＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層を用いた場合の測定をＹとした。また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層４を取り除いて中間バッファ層を用いなかった場合の測定をＺとした。これらの測定は、複数回行った。

この測定結果を図８に示す。ＰＬ光の強度は、Ｘの測定が最も良く、Ｚの測定が最も悪い結果となった。このように、本発明のＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層を用いると、ＭＱＷ活性層５の品質が向上していることがわかった。

図９は、図１の半導体発光素子の構造にして、ｎ電極９とｐ電極８にＤＣ電源を接続し、素子に電流を流したときの光出力を示すものである。図８の場合と同様に、Ｘ、Ｙ、Ｚの構造にして発光を測定した。光出力は、それほど差がないように見えるが、これは素子内部で、ＭＱＷ活性層５からの光を吸収している可能性があるため、厳密な評価が行えない。

図１０は、格子不整合の状態を模式的に示す図である。図１０（ａ）では、下地ＧａＮ層３０上に、ＩｎＧａＮによるＩｎ組成傾斜層４０を形成し、Ｉｎ組成傾斜層４０上にＭＱＷ活性層５０を形成したものである。Ｉｎ組成傾斜層４０は、上述した特許文献１に示された組成傾斜層と同じものであり、Ｉｎ組成が非線形に変化している構造を有している。

図中の四角の枠は格子を表し、矢印は格子に加わる歪圧力を示す。Ｉｎ組成傾斜層４０は、格子歪を吸収するためのものである。しかし、Ｉｎ組成傾斜層４０のような構成では、ＩｎＧａＮ層が厚いと、格子歪を吸収しきれず格子にずれが生じる。このため、Ｉｎ組成傾斜を行っても、傾斜層内での格子不整合が起こってしまう。この状態が模式的に示されている。これは、弾性定数、格子定数より格子整合の限界値が存在するためである。なお、格子歪を吸収できなくなってしまうと、ＭＱＷ活性層５０と格子整合しない。一度格子欠陥が発生してしまうと、その格子欠陥は上層まで引き継がれる。

これに対して、本発明のＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層では、図１２（ｂ）のように、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａだけでなく、ＧａＮ層４ｂを間に挟むことで、緩和の抑制を行いながら、ＩｎＧａＮ層４１ａ〜４５ａのＩｎ組成を変化させている。このため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層は、上下に配置された半導体層と結晶の不整合を発生させずに、発光層のＩｎＧａＮ結晶の格子サイズに徐々に変化させることが可能となる。これにより、格子欠陥の低減、結晶品質の向上を達成することができる。

また、本発明に係る中間バッファ層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層であり、ＩｎＧａＮ膜厚をＧａＮ膜厚よりも厚くしている。ＩｎＧａＮ膜厚を厚くすると、Ｉｎが熱で動きやすくなる。このため、例えば、製造工程中に、熱によりＩｎが分離して中間バッファ層がダメージを受けることがある。そこで、耐熱性を高めるために、ＩｎＧａＮ層にＡｌを添加して、ＡｌＩｎＧａＮ層としても良い。この場合、中間バッファ層は、ＡｌＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子層となる。Ａｌを添加することにより、ＩｎＧａＮ中のＩｎが固定される。また、Ａｌの組成比率は１％以下で、Ｉｎを固定する効果が現れる。例えば、Ｉｎの組成比率を２０％〜２５％の高比率とした場合に、Ａｌの組成比率を１％にすれば、Ｉｎ流動防止効果が現れた。

また、外部への光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板１上に、開口部を有する凹凸のある絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に半導体層を結晶成長させるようにしても良い。この場合、絶縁膜の凹部（開口部）内には、ＧａＮバッファ層２が形成され、ＧａＮバッファ層２及び絶縁膜上にｎ型ＧａＮ層３が形成される。

絶縁膜は、発光波長に対して透明であり、かつ絶縁膜の屈折率は、サファイア基板１の屈折率とほぼ等しい材料であることが望ましい。例えば、保護膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、チタン酸化膜、アルミナ膜などで形成する。絶縁膜の開口部の形状は、三角形、菱形、六角形、円形、ストライプ等、選択横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）を阻害しないパターン形状ものが用いられる。

上記のように構成すると、サファイア基板１の裏面もしくはエピタキシャル成長層の上面から光を取り出す際、絶縁膜とエピタキシャル成長層の界面に凹凸が生じるため、光が散乱もしくは回折され、エピタキシャル成長層−異種基板界面の屈折率差によって全反射されていた光が、外部へ効率よく取り出されることになる。本発明に係る中間バッファ層は、発光層の品質を向上させ、発光出力を増大させたが、ＩｎＧａＮ膜厚を厚くしたために、光の吸収が少し大きくなる可能性があった。しかし、上記のように開口部を有する凹凸のある絶縁膜を挿入することにより、光の取り出し効率を上げることができる。

１ サファイア基板
２ ＧａＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ ＩｎＧａＮ／ＧａＮ中間バッファ層
５ ＭＱＷ活性層
６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
７ ｐ型ＧａＮ層
８ ｐ電極
９ ｎ電極

Claims (5)

1. 下地ＧａＮ層と、
   前記下地ＧａＮ層上に形成された中間バッファ層と、
   前記中間バッファ層上に形成されるとともにＩｎＧａＮウエル層を含む発光層とを少なくとも備え、
   前記中間バッファ層は、複数のＩｎＧａＮ膜と複数のＧａＮ膜とが交互に積層された超格子構造を有し、前記ＩｎＧａＮ膜のＩｎ組成比率は前記下地ＧａＮ層から前記発光層に向かって段階的に増加していくことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ＩｎＧａＮ膜の膜厚は、前記ＧａＮ膜の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記ＧａＮ膜の膜厚は、２ｎｍ〜５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記複数のＩｎＧａＮ膜のうち、最もＩｎ組成比率が高いＩｎＧａＮ膜よりも前記ＩｎＧａＮウエル層のＩｎ組成比率が大きいことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 前記複数のＩｎＧａＮ膜には、Ａｌが添加されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。

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