(57)【要約】【課題】本発明は、平坦薄膜を成長させることにより、高電流を流すことが出来る半導体素子及び紫外発光ダイオードを提供することを目的とする。【解決手段】半導体素子１は、基板１１の上に設けられてＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎで形成された第一窒化物半導体層３１と、第一窒化物半導体層３１の上方に設けられてＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎで形成された第二窒化物半導体層３２と、第二窒化物半導体層３２の上に設けられてＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）Ｎで形成された第三窒化物半導体層３３とを備えている。Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比は、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比との関係において、III族混晶比率でｘ２＞ｘ３＋０．２の関係を満たし、第三窒化物半導体層３３は、最大深さが０ｎｍより大きく１０ｎｍよりも小さい凹凸を表面に有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に設けられてＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎで形成された第一窒化物半導体層と、
前記第一窒化物半導体層の上方に設けられてＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎで形成された第二窒化物半導体層と、
前記第二窒化物半導体層の上に設けられてＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）Ｎで形成された第三窒化物半導体層とを備え、
前記Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比は、前記Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比との関係において、III族混晶比率でｘ２＞ｘ３＋０．２の関係を満たし、
前記第三窒化物半導体層は、最大深さが０ｎｍより大きく１０ｎｍよりも小さい凹凸を表面に有する
半導体素子。
【請求項２】
前記Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比は、０．２≦ｘ２＜０．６の関係を満たす
請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記基板は、ＡｌＮで形成されている、または前記基板と前記第一窒化物半導体層との間にＡｌＮで形成されたＡｌＮ層が設けられている
請求項１又は２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記ＡｌＮに対する前記第一窒化物半導体層の格子緩和率は、０．４７より大きく１以下である
請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比は、ｘ３＝０の関係を満たす
請求項１から４までのいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第一窒化物半導体層と前記第二窒化物半導体層との間にＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）Ｎで形成された窒化物半導体活性層を備え、
前記Ａｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比は、０．２≦ｘ５＜１の関係を満たす
請求項１から５までのいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第一窒化物半導体層のａ軸格子定数は、３．１３Åより大きく３．１９Åより小さい
請求項１から６までのいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記第一窒化物半導体層に対する前記第二窒化物半導体層の格子緩和率は、０以上０．１７未満である
請求項１から７までのいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第二窒化物半導体層は、厚さが１００ｎｍ以上１μｍ以下の膜厚を有する
請求項１から８までのいずれか一項に記載の半導体素子。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項に記載の半導体素子を備える紫外発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び紫外発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に窒化物半導体を積層させた構造を有する窒化物半導体レーザダイオードが知られている（例えば、特許文献１及び２）。特許文献１には、量子井戸層の厚さ不均一性を小さくし、利得の低下を抑制することで低閾値でのレーザ発振を実現するとともに、波長の半値幅を小さくすることが記載されている。特許文献２には、最上層のｐ−ＧａＮを薄くすることで吸収を抑制し、かつ平坦化することで発光効率を向上させることが記載されている。特許文献１及び２に記載されたいずれの技術でも発光効率の向上が目指されているが、半導体レーザダイオードの技術分野では、発光効率の向上が常に求められており、そのために半導体薄膜層を平坦に成長させる技術が求められている。
【０００３】
また、半導体レーザダイオードでは、大電流下での高出力化およびレーザ発振の閾値を低減させることによる低電圧駆動のために高電流駆動、つまり高電流密度での駆動が求められる。特に電流注入でのレーザダイオードが実現されていない波長３２７ｎｍ以下の紫外半導体レーザダイオードにおいては、高い発振閾値を超える高電流密度での駆動が必須である。しかしながら、多くの場合、半導体レーザダイオードは高電流駆動させると消費電力が増加し、生成する素子熱により素子破壊が起こり、電流がリークすることで出力が低減する、あるいはダイオード駆動しなくなる不具合が生じる。このような不具合を防止するためには、電流を設計範囲に均一に流すことで局所的な熱・電流の集中に伴う破壊を抑制する、平坦な薄膜成長が必須である。特に、寄生抵抗を低減するためにｐ型電極と接触する部位であるｐ型半導体を平坦に成長させることが必須である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５２７６２６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／２６４２６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、平坦薄膜を成長させることにより、高電流を流すことが出来る半導体素子及び紫外発光ダイオードに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一態様による半導体素子は、基板の上に設けられてＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎで形成された第一窒化物半導体層と、前記第一窒化物半導体層の上方に設けられてＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎで形成された第二窒化物半導体層と、前記第二窒化物半導体層の上に設けられてＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）Ｎで形成された第三窒化物半導体層とを備え、前記Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比は、前記Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比との関係において、III族混晶比率でｘ２＞ｘ３＋０．２の関係を満たし、前記第三窒化物半導体層は、最大深さが０ｎｍより大きく１０ｎｍよりも小さい凹凸を表面に有することを特徴とする。
【０００７】
また、上記目的を達成するために、本発明の一態様による紫外発光ダイオードは、上記本発明の半導体素子を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、平坦薄膜を成長させることにより、高電流を流すことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による半導体素子の構造の一例を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態の実施例１による半導体素子の電圧−電流特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の実施例１による半導体素子のｐ−ＧａＮの表面を顕微鏡で撮像した画像である。
【図４】本発明の一実施形態の実施例１による半導体素子のＸ線回折結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の実施例２による半導体素子の正孔密度の温度特性を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の実施例２による半導体素子のｐ−ＧａＮの表面を顕微鏡で撮像した画像である。
【図７】本発明の一実施形態の実施例２による半導体素子のＸ線回折結果を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態の実施例３による半導体素子の電圧−電流特性を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態の実施例３による半導体素子のｐ−ＧａＮの表面を顕微鏡で撮像した画像である。
【図１０】本発明の一実施形態の実施例３による半導体素子のＸ線回折結果を示す図である。
【図１１】比較例１による半導体素子の電圧−電流特性を示す図である。
【図１２】比較例１による半導体素子のｐ−ＧａＮの表面を顕微鏡で撮像した画像である。
【図１３】比較例１による半導体素子のＸ線回折結果を示す図である。
【図１４】比較例２による半導体素子のｐ−ＧａＮの表面を顕微鏡で撮像した画像である。
【図１５】比較例２による半導体素子のＸ線回折結果を示す図である。
【図１６】比較例３による半導体素子のｐ−ＧａＮの表面を顕微鏡で撮像した画像である。
【図１７】比較例３による半導体素子のＸ線回折結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〔紫外発光ダイオード〕
本発明の一実施形態による紫外発光ダイオードは、後述する本発明の一実施形態による半導体素子と、当該半導体素子を内包するパッケージ（不図示）とを備えている。詳細は後述するが、本実施形態による半導体素子は、レーザ発振が可能である。このため、本実施形態による紫外発光ダイオードは、紫外発光が可能なレーザダイオードである。当該紫外発光ダイオードは、当該半導体素子がＡｌＮで形成された部分（後述する基板など）に積層されたＡｌＧａＮ層を備える構成を有することにより、波長が４００ｎｍから３２０ｎｍのＵＶＡや波長が３２０ｎｍから２８０ｎｍのＵＶＢ、波長が２８０ｎｍから２００ｎｍのＵＶＣを発光することができる。
【００１１】
〔発光素子〕
本発明の一実施形態による半導体素子について図１から図１７を用いて説明する。まず、本実施形態による半導体素子１の概略構成について図１を用いて説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態による半導体素子１は、基板１１と、基板１１の上方に設けられてＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎで形成された第一窒化物半導体層３１とを備えている。また、半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１の上方に設けられてＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎで形成された第二窒化物半導体層３２を備えている。また、半導体素子１は、第二窒化物半導体層３２の上方に設けられてＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）Ｎで形成された第三窒化物半導体層３３を備えている。半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１の一部に接触して設けられた第二電極１４と、第三窒化物半導体層３３に接触して設けられた第一電極１５とを備えている。
【００１３】
半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１と第二窒化物半導体層３２との間にＡｌｘ４Ｇａ（１−ｘ４）Ｎで形成された窒化物半導体活性層３５２を備えている。半導体素子１は、第一窒化物半導体層３１と窒化物半導体活性層３５２との間に設けられた下部ガイド層３５１と、窒化物半導体活性層３５２上に設けられた上部ガイド層３５３とを備えている。下部ガイド層３５１と、窒化物半導体活性層３５２と、上部ガイド層３５３とを合わせて発光部３５が構成されている。
【００１４】
半導体素子１は、上部ガイド層３５３と第二窒化物半導体層３２との間に設けられた第四窒化物半導体層３４を備えている。半導体素子１は、第四窒化物半導体層３４に形成された突出部３４１と、第二窒化物半導体層３２と、第三窒化物半導体層３３とで構成されたリッジ部半導体層１７を備えている。
【００１５】
第一窒化物半導体層３１は、基板１１上に配置されてＡｌＧａＮで形成された第一積層部３１１と、第一積層部３１１上に積層されてＡｌＧａＮで形成された第二積層部３１２とを有している。第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの一部に配置されている。このため、第一積層部３１１の上面３１１ａには、第二積層部３１２が形成されていない領域と、第二積層部３１２が形成されている領域とが存在する。なお、第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの全面に積層されていてもよい。
【００１６】
半導体素子１は、第二積層部３１２、発光部３５、第四窒化物半導体層３４、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の側面を少なくとも含み光を外部へ出射する方向の側面に設けられた共振器面１６を備えている。より具体的には、共振器面１６は、第二積層部３１２の側面と、発光部３５の側面と、第四窒化物半導体層３４の側面と、第二窒化物半導体層３２の側面と、第三窒化物半導体層３３の側面とによって形成される同一平面で構成されている。
【００１７】
次に、半導体素子１を構成する各構成要件の詳細について説明する。
【００１８】
（基板）
基板１１を形成する材料の具体例としては、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＭｇＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、あるいはこれらの混晶等が挙げられる。これらの材料うち、ＧａＮおよびＡｌＮおよびＡｌＧａＮ等の窒化物半導体で形成された基板を用いると、基板１１と第一窒化物半導体層３１との間の格子定数差および熱膨張係数差が小さく、欠陥の少ない窒化物半導体層を成長できる。さらに、ＡｌＮ基板を用いた場合、圧縮応力下で第一窒化物半導体層３１を成長させることができ、第一窒化物半導体層３１にクラックの発生を抑制することができる。また、基板１１を形成する上記材料には不純物が混入していてもよい。基板１１は、ＡｌＮで形成された上部領域を有していてもよい。基板１１は、ＡｌＮで形成されている、又は基板１１と第一窒化物半導体層３１との間にＡｌＮで形成されたＡｌＮ層が設けられていてもよい。基板１１は、全体がＡｌＮで形成されていることにより、ＡｌＮで形成された上部領域を有してもよい。また、基板１１は、ＡｌＮ以外の材料で形成された基板上にＡｌＮ層を有することにより、ＡｌＮで形成された上部領域を有してもよい。
【００１９】
基板１１は、薄板の四角形状を有していることが組立上好ましいが、これに限らない。
【００２０】
（第一窒化物半導体層）
第一窒化物半導体層３１を構成する第一積層部３１１を形成する材料は、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶である。つまり、第一積層部３１１は、ＡｌＮを含んでいてもよい。具体例としてはＡｌＮ、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）が挙げられる。また、これらの材料には、Ｐ、Ａｓ、ＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｍｇ、Ｓｉなどの不純物が含まれていてもよい。また、第一積層部３１１の上面３１１ａは、第二積層部３１２が形成されていない領域がＡｌＧａＮで形成されている。第一積層部３１１は、III族元素としてＡｌ、Ｇａ以外の例えばＢやＩｎを含んでいてもよいが、ＢやＩｎを含む箇所において欠陥の形成や耐久性の変化が生まれることから、Ａｌ、Ｇａ以外のIII族元素を含まないことが好ましい。第一積層部３１１は、導電性を有していても絶縁体であっても良い。第一積層部３１１をｎ型半導体にする場合、例えばＳｉをドープ（例えば１×１０１９ｃｍ−３）することで第一積層部３１１をｎ型化させる。第一積層部３１１をｐ型半導体にする場合、例えばＭｇをドープする（例えば３×１０１９ｃｍ−３）ことで第一積層部３１１をｐ型化させる。
【００２１】
第一積層部３１１は、単層構造を有していても、積層構造を有していてもよい。第一積層部３１１は、積層構造として例えば基板１１上に設けられたＡｌＮ層と、当該ＡｌＮ層上に設けられたＡｌｘＧａｙＮ層（０≦ｘ＜１）との積層構造を有していてもよい。また、第一積層部３１１は、積層構造として例えばＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１）と、当該Ａｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ層上に設けられたＡｌｘ１Ｇａｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜ｘ３＜１）とを含む構造を有していてもよい。さらに、第一積層部３１１は、積層構造として例えばＡｌＮ層と、当該ＡｌＮ層上に設けられたＡｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ層（０≦ｘ３＜１）と、当該Ａｌｘ３Ｇａｙ３Ｎ層上に設けられたＡｌｘ１Ｇａｙ１Ｎ層（０≦ｘ１＜ｘ３＜１）とを含む構造を有していてもよい。また、第一積層部３１１は、組成を傾斜させた構造を有していても良い。例えば、第一積層部３１１は、ｘを１から０．６まで連続的又は階段状に変化させたＡｌｘＧａｙＮ層（０≦ｘ＜１）層を有していても良い。
【００２２】
第一窒化物半導体層３１を構成する第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上であって第一積層部３１１の一部に形成されている。第二積層部３１２は、第一積層部３１１の上面３１１ａの全面に形成されていてもよい。第二積層部３１２は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第二積層部３１２を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。第二積層部３１２を形成する材料の具体例は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）である。第二積層部３１２を形成するＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘは、第一積層部３１１の上面３１１ａのＡｌｘＧａｙＮのＡｌ組成比ｘと同じであってもよいし、上面３１１ａのＡｌｘＧａｙＮのＡｌ組成比ｘよりも小さくてもよい。これにより、第一積層部３１１と第二積層部３１２との積層界面での欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、第二積層部３１２を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
【００２３】
第二積層部３１２がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第二積層部３１２がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｐ型化させることが可能である。第二積層部３１２は、組成を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、第二積層部３１２は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘが０．８から０．６に連続的又は階段状に変化させた層構造を有していてもよい。第二積層部３１２の厚さは、特に制限されない。例えば、第二積層部３１２の抵抗を低減させるために１００ｎｍ以上であってもよいし、第二積層部３１２の形成時のクラックの発生を抑制する観点から１０μｍ以下であってもよい。
【００２４】
第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１は、０．２＜ｘ１＜１の関係を満たしてもよい。当該Ａｌ組成比ｘ１が０．２より大きいことにより、第一窒化物半導体層３１と第二窒化物半導体層３２との間に組成差をつけることが可能となる。加えて、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間に組成差をつけることが容易となる。第一窒化物半導体層３１及び第二窒化物半導体層３２の組成差や第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の組成差が大きければ大きいほど、格子定数の異なる半導体材料同士が擬似格子整合系で成長しようとする。このため、第一窒化物半導体層３１及び第二窒化物半導体層３２の積層界面や第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の積層界面には大きな圧縮応力が働く。これにより、これらの積層界面に圧電分極によるホールが多量に生成される。薄膜積層の場合、これらの積層界面には、このホールが２次元領域に広がった２次元ホールガスが蓄積される。この２次元ホールガスは、異なる材料間の積層界面に形成されているエネルギー差（ホール伝導の場合、価電子帯準位のエネルギー差）を擬似的に小さくする効果がある。これにより、第一窒化物半導体層３１及び第二窒化物半導体層３２や第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の積層垂直方向への電気伝導性を向上させることができる。
【００２５】
第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１は、１より小さくてもよい。一般的にＳｉＣ、サファイア、ＺｎＯなどの異種基板を用いたとしても、あるいはＡｌＮ基板を用いたとしても、これらの基板の上層には、基板上に積層させるIII族窒化物半導体と擬似格子整合するＡｌＮを積層させることが紫外受発光素子においては特に一般的である。このため、基板上に積層される当該ＡｌＮと、第一窒化物半導体層３１との間の格子定数差が生まれない。これにより、第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１が１より小さい場合、第一窒化物半導体層３１中で格子緩和がさせやすくなる。
【００２６】
第一窒化物半導体層３１の形成材料であるＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）ＮのＡｌ組成比ｘ１は、さらに０．４≦ｘ１＜０．８の関係を満たしてもよい。Ａｌ組成比ｘ１がこの範囲にあるＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎで第一窒化物半導体層３１が形成されていると、下地のＡｌＮ層（基板１１上に設けられたＡｌＮ層）、第一窒化物半導体層３１、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の間の組成差を０．１以上に保持することが容易になる。III族窒化物半導体を製造する上で、組成を制御する際には一般的には±０．０５程度の製造バラつきが生じる。このため、このバラつきが生じたとしても、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間にホールガスが出るという効果が得られるように、下地のＡｌＮ層、第一窒化物半導体層３１、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の間の組成差が設計段階で０．１以上、保持されるとよい。
【００２７】
第一窒化物半導体層３１の下層にＡｌＮ結晶薄膜が配置されていてもよい。なお、ＡｌＮ結晶薄膜ではなく、アモルファスＡｌＮ薄膜では効果が劣る。ＡｌＮ結晶薄膜が第一窒化物半導体層３１の下層に配置されることにより、第一窒化物半導体層３１の上層に擬似格子整合系のＡｌＧａＮ積層構造が作りやすくなる。窒化物半導体活性層３５２に高品質のＡｌＧａＮ積層構造を作るため、あるいは高Ａｌ組成のＡｌＧａＮを成長させて短波長の紫外発光素子を実現するために、第一窒化物半導体層３１の下地にＡｌＮ結晶薄膜を用いることが望ましい。換言すると、上層にＡｌＮ結晶薄膜が形成された基板１１を用いたり、ＡｌＮで形成された基板１１を用いたりすることで、第一窒化物半導体層３１の上層に高品質なＡｌＧａＮあるいは高Ａｌ組成のＡｌＧａＮがクラックを発生させずに成長できる。
【００２８】
ＡｌＮに対する第一窒化物半導体層３１の緩和率は、０．４７より大きく１以下であってもよい。ＡｌＮに対する第一窒化物半導体層３１の緩和率が当該範囲にあると、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３は、応力緩和によって３次元成長することが抑制されて２次元成長することで、薄膜化してホールガスを生成することができる。第一窒化物半導体層３１のａ軸格子定数は、３．１３Åより大きく３．１９Åより小さくてもよい。
【００２９】
（下部ガイド層）
下部ガイド層３５１は、第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２の上に形成されている。下部ガイド層３５１は、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めるために、第二積層部３１２と屈折率差をつけている。下部ガイド層３５１を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。下部ガイド層３５１を形成する材料の具体例は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）である。下部ガイド層３５１を形成するＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘは、第二積層部３１２を形成するＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘよりも小さくてもよい。これにより、下部ガイド層３５１は、第二積層部３１２よりも屈折率が大きくなり、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めることが可能となる。また、下部ガイド層３５１を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
【００３０】
下部ガイド層３５１がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｎ型化させることが可能である。下部ガイド層３５１がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｐ型化させることが可能である。下部ガイド層３５１は、アンドープ層であってもよい。下部ガイド層３５１は、組成を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、下部ガイド層３５１は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘを０．６から０．５に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。下部ガイド層３５１の厚さは、特に制限されない。下部ガイド層３５１の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい、また、下部ガイド層３５１の厚さは、下部ガイド層３５１の抵抗を低減させる観点から２μｍ以下であってもよい。
【００３１】
（窒化物半導体活性層）
窒化物半導体活性層３５２は、半導体素子１の発光が得られる層である。つまり、窒化物半導体活性層３５２は、発光層である。窒化物半導体活性層３５２を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。窒化物半導体活性層３５２を形成する材料の具体例は、Ａｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）Ｎ（０≦ｘ５≦１）である。窒化物半導体活性層３５２のＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘは、第二電極１４および第一電極１５から注入したキャリアを効率よく発光部３５に閉じ込めるために、下部ガイド層３５１のＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘよりも小さくてもよい。例えば、窒化物半導体活性層３５２は、Ａｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）Ｎで形成されていてもよい。また、窒化物半導体活性層３５２を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
【００３２】
窒化物半導体活性層３５２がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｎ型化させることが可能である。窒化物半導体活性層３５２がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｐ型化させることが可能である。窒化物半導体活性層３５２は、アンドープ層でもよい。窒化物半導体活性層３５２は、Ａｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘ５を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、窒化物半導体活性層３５２は、Ａｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘ５を０．５から０．４に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。
【００３３】
窒化物半導体活性層３５２は、例えばＡｌＧａＮで形成された障壁層を有し、井戸層及び障壁層が１つずつ交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造を有していてもよい。半導体素子１は、多重量子井戸構造の窒化物半導体活性層３５２を有することにより、窒化物半導体活性層３５２の発光効率や発光強度の向上を図ることができる。窒化物半導体活性層３５２は、例えば「障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／障壁層」という二重量子井戸構造を有していてもよい。これら井戸層のそれぞれの膜厚は例えば４ｎｍであってよく、これらの障壁層のそれぞれの膜厚は例えば８ｎｍであってよく、窒化物半導体活性層３５２の膜厚は３２ｎｍであってもよい。
【００３４】
窒化物半導体活性層３５２は第一窒化物半導体層３１の上層に配置されても、下層に配置されても良い。窒化物半導体活性層３５２が第一窒化物半導体層３１の上層に配置される場合には、第一窒化物半導体層３１は正孔輸送層として機能するため、ｐ型半導体である必要がある。窒化物半導体活性層３５２が第一窒化物半導体層３１の下層に配置される場合には、第一窒化物半導体層３１は電子輸送層として機能する必要がある。一般的にIII族窒化物半導体の薄膜抵抗は、ｐ型半導体の方がｎ型半導体よりも高い。このため、半導体素子１の駆動電圧を下げるために、窒化物半導体活性層３５２の下層に第一III族窒化物半導体を配置することが好ましい。
【００３５】
窒化物半導体活性層３５２の形成材料のＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすようにすると、上記の本発明の効果が高い。当該Ａｌ組成比Ｘ５が０．２より小さい場合、半導体素子１の発光効率を高くする観点および駆動電圧を低くする観点から、第一窒化物半導体層３１、第二窒化物半導体層３２及び第四窒化物半導体層３４のＡｌ組成の最大値は０．２以上でなるべく小さい値を取ることが好ましくなる。しかしながら、この場合、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間のＡｌ組成差が小さくなり、Ａｌ組成差が大きいほどつきやすいホールガスを生成する観点から不利になる。窒化物半導体活性層３５２の形成材料のＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘ５が１の場合、窒化物半導体活性層３５２をＡｌＧａＮで井戸構造が作れないため、キャリアを閉じ込めることが困難になり発光効率が低い。また、特にＡｌＮを下層に配置した場合には、第四窒化物半導体層３４のＡｌ組成比ｘ４が０．２より小さい場合、窒化物半導体活性層３５２での格子緩和を避けるために、窒化物半導体活性層３５２下の成長中に内部応力に起因する３次元成長させる成長条件で成長させることが好ましい。しかしその場合、３次元成長した層よりも上層では結晶品質の低下が起こり、窒化物半導体活性層３５２の発光効率が低下しやすくなる。Ａｌ組成比ｘ５が０．２≦ｘ５＜１の関係を満たすＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）Ｎで窒化物半導体活性層３５２が形成されることにより、窒化物半導体活性層３５２よりも下層で緩和が起こり、発光効率が低下することを抑制することが出来、かつ窒化物半導体活性層３５２の形成材料のＡｌ組成比ｘ５を１より小さくすることで窒化物半導体活性層３５２にキャリアを輸送しやすくなるので、発光効率の低下が抑制される。
【００３６】
（上部ガイド層）
上部ガイド層３５３は、窒化物半導体活性層３５２の上に形成されている。上部ガイド層３５３は、窒化物半導体活性層３５２で発光した光を発光部３５に閉じ込めるために、第二窒化物半導体層３２と屈折率差をつけている。上部ガイド層３５３を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。上部ガイド層３５３を形成する材料の具体例は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）である。上部ガイド層３５３のＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘは、窒化物半導体活性層３５２のＡｌｘ５Ｇａ（１−ｘ５）ＮのＡｌ組成比ｘよりも大きくてもよい。これにより、窒化物半導体活性層３５２へキャリアを閉じ込めることが可能となる。また、上部ガイド層３５３を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
【００３７】
上部ガイド層３５３がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｎ型化させることが可能である。上部ガイド層３５３がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｐ型化させることが可能である。上部ガイド層３５３は、アンドープ層でもよい。上部ガイド層３５３は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、上部ガイド層３５３は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘを０．５から０．６に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。上部ガイド層３５３の厚さは、特に制限されない。上部ガイド層３５３の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい。また、上部ガイド層３５３の厚さは、上部ガイド層３５３の抵抗を低減させる観点から２μｍ以下であってもよい。上部ガイド層３５３及び下部ガイド層３５１のそれぞれのＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ≦１）のＡｌ組成比ｘは、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。
【００３８】
（第四窒化物半導体層）
第四窒化物半導体層３４は、上部ガイド層３５３の上に形成されている。第四窒化物半導体層３４は、共振器面１６及び共振器面１６に対向する面の間で土手状に突出する突出部３４１を有している。第四窒化物半導体層３４は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第四窒化物半導体層３４を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。第四窒化物半導体層３４を形成する具体例は、Ａｌｘ４Ｇａ（１−ｘ４）Ｎ（０≦ｘ４≦１）である。第四窒化物半導体層３４のＡｌｘ４Ｇａ（１−ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４は、上部ガイド層３５３のＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘよりも大きくてもよい。これにより、上部ガイド層３５３と第四窒化物半導体層３４との間に屈折率差が生じ、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めることができる。また、第四窒化物半導体層３４のＡｌｘ４Ｇａ（１−ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘ４が、上部ガイド層３５３のＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘよりも大きいと、第一電極１５から注入したキャリアを効率よく発光部３５へ閉じ込めることができる。
【００３９】
また、第四窒化物半導体層３４には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。第四窒化物半導体層３４がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第四窒化物半導体層３４がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｐ型化させることが可能である。第四窒化物半導体層３４は、Ａｌｘ４Ｇａ（１−ｘ４）ＮのＡｌ組成比を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、第四窒化物半導体層３４は、Ａｌｘ４Ｇａ（１−ｘ４）ＮのＡｌ組成比ｘを０．８から０．３に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。第四窒化物半導体層３４の厚さは、特に制限されない。第四窒化物半導体層３４の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい。また、第四窒化物半導体層３４の厚さは、第四窒化物半導体層３４の抵抗を低減させる観点から５μｍ以下であってもよい。第四窒化物半導体層３４は、単層構造でもよく、積層構造でもよい。第四窒化物半導体層３４が積層構造を有する場合、例えばｕ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎで形成されて厚さが２０ｎｍの層の上にｐ−ＡｌｘＧａｙＮの組成を傾斜させて形成されて厚さが１５０ｎｍの層を有していてもよい。ｐ−ＡｌｘＧａｙＮの組成を傾斜させた層（組成傾斜層）は、ｕ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎで形成された層側から例えばＡｌ組成比ｘが０．８から０．３に傾斜し、Ｇａ組成比ｙが０．２から０．７に傾斜してもよい。
【００４０】
（リッジ部半導体層）
リッジ部半導体層１７は、第四窒化物半導体層３４の上であって第四窒化物半導体層３４の一部に形成されている。リッジ部半導体層１７は、第四窒化物半導体層３４に形成された突出部３４１を含んで構成されている。リッジ部半導体層１７が第四窒化物半導体層３４の一部に形成されることにより、第一電極１５から注入されるキャリアがリッジ部半導体層１７中で基板１１の水平方向に拡散することが抑制される。これにより、窒化物半導体活性層３５２での発光が、リッジ部半導体層１７の下方に位置する領域（すなわち第四窒化物半導体層３４の突出部３４１の下方に位置する領域）に制御される。その結果、半導体素子１は、高電流密度を実現し、レーザ発振の閾値を低減させることが可能になる。リッジ部半導体層１７は、発光部３５へ電子あるいは正孔を供給するために、導電性を有していてもよい。第四窒化物半導体層３４の突出部３４１を除いたリッジ部半導体層１７の部分、すなわち第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３を形成する材料として、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびその混晶が挙げられる。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３を形成する材料の具体例は、ＡｌＧａＮである。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３のＡｌＧａＮのＡｌ組成比は、第四窒化物半導体層３４のＡｌｘＧａ（１−ｘ）ＮのＡｌ組成比ｘと同じであってもよいし、大きくてもよい。これにより、第四窒化物半導体層３４は、第一電極１５から注入されたキャリアを効率よく発光部３５へ運搬することができる。また、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３を形成する材料には、Ｐ、Ａｓ又はＳｂといったＮ以外のＶ族元素や、Ｉｎ又はＢといったIII族元素、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｚｎ又はＢｅなどの不純物が含まれていてもよい。
【００４１】
第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３がｎ型半導体の場合、例えばＳｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｎ型化させることが可能である。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３がｐ型半導体の場合、例えばＭｇを３×１０１９ｃｍ−３ドープすることでｐ型化させることが可能である。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を傾斜させた構造を有していてもよい。例えば、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３は、ＡｌＧａＮのＡｌ組成比を０．８から０．３に連続的又は階段状に変化させる層構造を有していてもよい。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の厚さは、特に制限されない。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の厚さは、窒化物半導体活性層３５２からの発光を効率よく発光部３５へ閉じ込めるために１０ｎｍ以上であってもよい。また、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の厚さは、リッジ部半導体層１７の抵抗を低減させる観点から５μｍ以下であってもよい。
【００４２】
（第二窒化物半導体層）
第二窒化物半導体層３２の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２は、０．２≦ｘ２＜０．６の関係を満たしていてもよい。当該Ａｌ組成比ｘ２が０．２よりも小さい（ｘ２＜０．２）場合には、本技術を用いる必要なくホール伝導が可能である。積層界面にホールガスが生成しない例えば表面に凹凸が１０ｎｍ以上ある構造であったとしても、当該Ａｌ組成比ｘ２が０．２よりも小さい（ｘ２＜０．２）ｐ型半導体では、第三窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３のｐ型半導体との組成差が大きくても０．２未満である。Ａｌ組成が小さな領域ではｐ型半導体の活性化エネルギーが小さいため、室温においても１×１０１８ｃｍ−３を超える発光デバイスの動作に十分な正孔密度が得られること、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間のエネルギー差が小さいことが理由となり、通常の半導体デバイスの動作電圧下で十分電流を流すことができる。
【００４３】
第二窒化物半導体層３２の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２が０．６以上（ｘ２≧０．６）の場合、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３と間のエネルギー差が大きくなる。あるいは、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間のエネルギー差を小さくしたとしても、第三窒化物半導体層３３と第二電極１４との間のエネルギー差が大きくなる。そのため、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間に２次元ホールガスが生成したとしても、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３などの積層方向の伝導には不十分で、多くの場合、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３は絶縁された「オープン」不良か、あるいは正孔が注入されず電流が窒化物半導体活性層３５２へ注入されない「リーク」不良となる。
【００４４】
第一窒化物半導体層３１に対する第二窒化物半導体層３２の格子緩和率は、０以上０．１７未満であってもよい。また、第二窒化物半導体層３２は、厚さが１００ｎｍ以上１μｍ以下の膜厚を有していてもよい。
【００４５】
（第三窒化物半導体層）
第三窒化物半導体層３３は、最大深さが０ｎｍより大きく１０ｎｍより小さい凹凸を表面に有している。第三窒化物半導体層３３の表面形状は、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との積層界面の形状に反映される。このため、第三窒化物半導体層３３の表面の凹凸を０ｎｍより大きく１０ｎｍ小さい範囲にすることで、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との積層界面も、第三窒化物半導体層３３の表面の凹凸と同範囲内にすることができる。それにより、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との積層界面に２次元ホールガスを効率的に発生させ、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３と間のエネルギー差を超えてホールが、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の積層垂直方向の電圧印加によって輸送されることができる。第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３の界面の凹凸差が０ｎｍの場合、結晶が規則正しく並んだ構造を維持している。このため、第三窒化物半導体層３３は、薄膜成長後に非常に高い状態で内部応力を維持しており、第一電極１５の形成工程等での高温熱処理を行う際にクラックが生じやすい。
【００４６】
第三窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３は、第二窒化物半導体層３２の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２との関係において、ｘ２＞ｘ３＋０．２の関係を満たしていてもよい。すなわち、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２は、Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３に０．２を加算した値より大きくてもよい。そのことによって、第三窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３と、第二窒化物半導体層３２の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２との組成差によるホールガスを効率的に生成させることができる。また、半導体素子１が紫外受発光素子の場合、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３は、低Ａｌ組成で構成されることが多く、目的光を吸収しやすいという阻害効果が生じる。この阻害効果を抑制するために、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成より第二窒化物半導体層３２のＡｌ組成を高くする方法や、第一電極１５とのコンタクト抵抗を下げるために窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成より第三窒化物半導体層３３のＡｌ組成を低くする方法が挙げられる。この場合、各層の組成を制御する際の製造バラつきも考慮すると、窒化物半導体活性層３５２のＡｌ組成に対して、第二窒化物半導体層３２のＡｌ組成は０．１大きく、第三窒化物半導体層３３のＡｌ組成は０．１小さくする必要がある。この構成を実現するために、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間のＡｌ組成差は、０．２より大きいとよい。
【００４７】
第三窒化物半導体層３３は、複数の層を積層した構成を有していてもよい。この場合、第三窒化物半導体層３３のＡｌ組成比ｘ３は、最表層、すなわち第一電極１５に接する表面での組成比を示す。
【００４８】
第三窒化物半導体層３３の形成材料のＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３は、ｘ３＝０の関係を満たしていてもよい。すなわち当該Ａｌ組成比ｘ３は０であってもよい。第三窒化物半導体層３３の最上層に、Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３が０であるｐ型の（ｐ−）ＧａＮを用いることで、第三窒化物半導体層３３の上に配置される第一電極１５とのコンタクト抵抗を下げることができる。また、第三窒化物半導体層３３の最上層に、Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比ｘ３が０であるｐ型の（ｐ−）ＧａＮを用いると、第二窒化物半導体層３２の形成材料のＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比ｘ２の範囲を広く設計できるので、半導体素子１を備える紫外発光ダイオードが対応可能な紫外光の波長範囲が広くなる。
【００４９】
このように、半導体素子１は、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との積層界面にホールガスを発生させることができる。これにより、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間の価電子帯エネルギー準位差に相当するエネルギー差よりも、第一電極１５への電圧印加による実効的に小さいエネルギーによって、第三窒化物半導体層３３から第二窒化物半導体層３２へ電流（正孔）を流すことができる。
【００５０】
（第一電極）
第一電極１５は、リッジ部半導体層１７上に形成されている。第一電極１５がｎ型電極の場合、第一電極１５を形成する材料としては、第一電極１５がリッジ部半導体層１７に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｎ型電極に対応する材料を使用することが可能である。例えば、第一電極１５がｎ型電極の場合の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、又はＩＴＯ等が適用される。
【００５１】
第一電極１５がｐ型電極の場合、第一電極１５を形成する材料としては、第一電極１５が窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。例えば、第一電極１５がｐ型電極の場合の形成材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕおよびその合金、又はＩＴＯ等が適用される。第一電極１５がｐ型電極の場合は、第一電極１５とリッジ部半導体層１７とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯであってもよい。
【００５２】
第一電極１５は、第一電極１５の全域に電流を均等に拡散させる目的で、上部にパッド電極を有していてもよい。パッド電極を形成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＷなどが挙げられる。当該パッド電極は、導電性の観点から、これらの材料のうち導電性が高いＡｕで形成されていてもよい。具体的には、第一電極１５の構造として、例えばＮｉ及びＡｕの合金で形成された第二コンタクト電極をリッジ部半導体層１７上に形成し、Ａｕで形成された第二パッド電極を第二コンタクト電極上に形成した構造が挙げられる。
【００５３】
（第二電極）
第二電極１４は、第一窒化物半導体層３１の第一積層部３１１上に形成されている。第二電極１４がｎ型電極の場合、第二電極１４を形成する材料としては、第二電極１４が第一窒化物半導体層３１に電子を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のＮ型電極に対応する材料を使用することが可能である。例えば、第二電極１４がｎ型電極の場合の形成材料として、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。
【００５４】
第二電極１４がｐ型電極の場合、第二電極１４を形成する材料としては、第二電極１４が窒化物半導体発光素子に正孔（ホール）を注入する目的で用いられるのであれば、一般的な窒化物半導体発光素子のｐ型電極層と同じ材料を使用することが可能である。例えば、第二電極１４がｐ型電極の場合の形成材料として、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｃｕおよびその合金、またはＩＴＯ等が適用される。第二電極１４がｐ型電極の場合は、第二電極１４と第一窒化物半導体層３１の第二積層部３１２とのコンタクト抵抗が小さいＮｉ、Ａｕ若しくはこれらの合金、又はＩＴＯであってもよい。
【００５５】
第二電極１４は、第二電極１４の全域に電流を均等に拡散させる目的で、上部にパッド電極を有していてもよい。パッド電極を形成する材料としては、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＷなどが挙げられる。当該パッド電極は、導電性の観点から、これらの材料のうち導電性が高いＡｕで形成されていてもよい。具体的には、第二電極１４の構造として、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕの中から選択された素材の合金で形成された第一コンタクト電極を第一窒化物半導体層３１の第一積層部３１１上に形成し、Ａｕで形成された第一パッド電極を第一コンタクト電極上に形成した構造が挙げられる。
【００５６】
（共振器面）
共振器面１６は、第一窒化物半導体層３１の第一積層部３１１、発光部３５、第四窒化物半導体層３４、第二窒化物半導体層３２及び第三窒化物半導体層３３のそれぞれの側面によって形成される同一平面で構成されている。共振器面１６は、発光部３５の発光を共振器面１６で反射させることを目的として設けられている。共振器面１６で反射した光を発光部３５に閉じ込めるために、共振器面１６は、半導体素子１の光の出射側と、出射側の反対の側面に、対を成して備えられていてもよい。共振器面１６において、発光部３５からの発光を反射させるために、共振器面１６は、発光部３５と上部ガイド層３５３との接触面に対して垂直かつ平坦であってもよい。しかしながら、共振器面１６は、全体にあるいは部分的に傾斜部あるいは凹凸部を有していてもよい。
【００５７】
共振器面１６の上には、誘電体多層膜等の絶縁保護膜、及び反射膜が形成されていてもよい。具体的には、当該絶縁保護膜は、ＳｉＯ２で形成されていてよく、その他にＡｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＳｎＯ２、ＺｒＯ又はＨｆＯ２等で形成されていてもよい。また、当該絶縁保護膜は、これらの材料が積層された構造を有していてもよい。当該絶縁保護膜は、半導体素子１の共振器面１６の光の出射側、及び光の反対側両方の面において形成されていてもよい。共振器面１６の光の出射側に形成された絶縁保護膜と、光の反射側に形成された絶縁保護膜は、同じ構造を有していてもよいし、異なる構造を有していてもよい。
【００５８】
（測定方法）
本実施形成における材料特定及び組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）で実施する。各層の積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）加工し、その断面を透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）を用いて観察することで各層の配置を明確化し、点分析が可能なエネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）で同定する。第三窒化物半導体層３３の表面の凹凸の高低差（深さ）は、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＡＦＭ）で測定する。しかしながら、第一電極１５等で被覆されて第三窒化物半導体層３３が外部に露出していない、例えば第一電極１５が第三窒化物半導体層３３の全面を被覆する構造においては、上述の手法を用いることが困難である。このため、各層の積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビームで加工し、その断面の１０μｍ×１０μｍの範囲を透過電子顕微鏡で観察することで、第三窒化物半導体層３３の表面の凹凸の高低差（深さ）を明確化する。この場合、当該凹凸の高低差に応じて適切な倍率を選択する。具体的には、同定する当該凹凸の高低差が１ｃｍ程度に拡大される倍率を選択するとよい。
【００５９】
緩和率および格子定数の測定には、Ｘ線回折装置を用いる。具体的には各回折面に対しての２θ−ω測定を実施することで、物質固有のピーク値が検出される。このピーク値から対称物質の格子面間隔を算出する。III族窒化物半導体層のａ軸およびｃ軸の格子定数は（０００２）面に対して測定を行うことで算出可能であり、ａ軸の格子定数は（１０−１２）面に対して測定を行うことで算出可能である。より正確には、Ｘ線回折装置を用いて２θ方向とω方向の測定による逆格子測定（Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｓｐａｃｅ  ｍａｐｐｉｎｇ）により、格子歪みを考慮した格子定数の測定が可能である。例えば、（２０−２４）面に対しての逆格子測定を実施し、得られたピーク位置からｃ軸およびａ軸の格子定数を算出することが可能である。さらに、各層の緩和率は、以下の式（２）で定義される。
【００６０】
具体例として、例えばＲｉｇａｋｕのＳｍａｒｔＬａｂを用いて（２０−２４）面に対して逆格子測定を実施した場合、ピーク値を表現するＱｘ、Ｑｙからａ軸格子定数は、「（（１／Ｑｘ）／（√３／２））×２」によって算出することができ、ｃ軸格子定数は、「（１／Ｑｙ）×４」によって算出することができる。
【００６１】
また、Ａ層のａ軸格子定数をａＡ、Ｂ層のａ軸格子定数をａＢと定義し、Ｂ層のＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎの１００％緩和時の格子定数ａＢ１００は、以下の式（１）で表現される。また、Ａ層に対するＢ層の緩和率αは、Ａ層のａ軸格子定数ａＡ及びＢ層のａ軸格子定数ａＢ並びにＢ層のＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎの１００％緩和時の格子定数ａＢ１００により、以下の式（２）で表現される。なお、本実施形態では、１００％緩和時のＡｌＮのａ軸格子定数を３．１１２Å、ＧａＮのａ軸格子定数を３．１８９Åと仮定している。
ａＢ１００＝３．１８９×（１−ｚ）＋３．１１２×ｚ  ・・・（１）
α＝（｜ａＢ−ａＡ｜）/（｜ａＢ１００−ａＡ｜）  ・・・（２）
【００６２】
また、半導体薄膜の膜厚は、薄膜積層方向と垂直な断面を分割及び研磨あるいは集束イオンビーム加工し、その断面を透過電子顕微鏡観察することによって測長する。
【００６３】
（実施例１）
（０００２）面２インチサファイア基板上に有機金属気相成長装置（大陽日酸製、ＳＲ４３３８ＫＳ−ＨＴ）を用いてＡｌＧａＮ積層構造をトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、シクロペンタジエニルマグネシウム、シラン、アンモニアを原料ガスとして用いて積層させた。まず、サファイア基板上にＡｌＮを１μｍの膜厚になるまで１３５０℃の温度下で積層させた。このＡｌＮの上にＡｌＮを０．４μｍの膜厚になるまで１３００℃の温度下で積層させて、このＡｌＮの上にＡｌ組成比が１から０．６まで連続的に減少し、かつＧａ組成比が０から０．４まで連続的に増加するようにＡｌＧａＮを１３００℃の温度下で０．３μｍの膜厚になるまで積層させた。このＡｌＧａＮ層が最終的に第一積層部３１１となる。このＡｌＧａＮの上に、Ｓｉを１×１０１９ｃｍ−３ドープしたｎ型の（ｎ−）Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎを１２００℃の温度下で膜厚が３μｍになるまで積層させた。ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層が最終的に第二積層部３１２となる。
【００６４】
さらに、このｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎの上に、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを１０５０℃の温度下で膜厚が０．１５μｍになるまで積層させた。このｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎが下部ガイド層３５１となる。このｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎの上に窒化物半導体活性層３５２として、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを１０５０℃の温度下で８ｎｍ、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎを１０５０℃の温度下で４ｎｍ、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを１０５０℃の温度下で８ｎｍ、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎを１０５０℃の温度下で４ｎｍ、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを１０５０℃の温度下で８ｎｍの膜厚になるまでそれぞれ積層させた。最終的に、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎの層が井戸層となり、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎの層が障壁層となる。最上層のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎの上に、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを１０５０℃の温度下で０．１５μｍの膜厚になるまで積層させた。このＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層が最終的に上部ガイド層３５３になる。
【００６５】
このＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎの上に、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ｎを１０５０℃の温度下で２０ｎｍの膜厚になるまで積層し、Ａｌ組成比が０．８から０．４まで連続的に減少し、かつＧａ組成比が０から０．４まで連続的に増加するようにＭｇが２×１０１９ｃｍ−３ドープしたＡｌＧａＮを１０５０℃の温度下で０．１μｍの膜厚になるまで積層させた。このＡｌＧａＮ層が最終的に第四窒化物半導体層３４となる。このＡｌＧａＮの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎを１０５０℃の温度下で０．２μｍの膜厚になるまで積層させた。さらに、このｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの上にＭｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを１０５０℃の温度下で１０ｎｍ、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−ＧａＮを１０５０℃の温度下で１０ｎｍの膜厚になるまでそれぞれ積層させた。このｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層が最終的に第二窒化物半導体層３２になる。また、このｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層およびｐ−ＧａＮ層が最終的に第三窒化物半導体層３３になる。
【００６６】
この積層構造物を１ｃｍ口（角）に分割した後、熱処理装置（ＥｐｉＱｕｅｓｔ製、ＡＴ−３０Ｎ−５０Ｄ）で５５０℃、１０分間、空気雰囲気下で熱処理を行い、その後ＩＣＰ装置（ＵＬＶＡＣ製、ＣＥ−Ｓ）を用いてｐ−ＧａＮ表面から２９０ｎｍの深さにこの積層構造物を塩素でエッチング除去することで、リッジ構造を形成した。さらに、ＩＣＰ装置を用いてｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎが２μｍ残るように塩素でエッチング除去を行った。露出したｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ上にＶ、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕの金属をそれぞれ２０ｎｍ、８０ｎｍ、４０ｎｍ、１００ｎｍの膜厚となるように電子ビーム蒸着装置（ＪＥＯＬ製、ＪＢＳ−Ｚ０５００ＥＨＡ）を用いることで、最終的に第二電極１４となるｎ電極を形成し、その後熱処理装置で９００℃、３分間、窒素雰囲気下で熱処理を行った。次に、リッジ構造上に露出しているｐ−ＧａＮ上にＮｉ、Ｐｔ、Ａｕをそれぞれ１０ｎｍ、１０ｎｍ、４０ｎｍの膜厚となるように電子ビーム蒸着装置（ＥＢ）を用いることで、最終的に第一電極１５となるｐ電極を形成し、その後熱処理装置で７００℃、１分間、酸素雰囲気下で熱処理を行った。その後、ｎ電極とｐ電極上に電流拡散用の電極を電子ビーム蒸着装置を用いてＴｉを５００Å、Ａｕを４０００Å積層させた。
【００６７】
図２は、上述の形成工程を経て作製された実施例１による半導体素子１の電圧−電流特性を示すグラフである。図２に示すグラフの横軸は、ｐ電極及びｎ電極の間に印加された電圧（Ｖ）を示し、当該グラフの縦軸は、実施例１による半導体素子１（第二電極及び第一電極の間）に流れる電流（ｍＡ）を示している。実施例１による半導体素子１に電流を流したところ、図２に示すように、２６．７Ｖで１００ｍＡの電流が流れ、発光波長２８１ｎｍの発光が得られた。
【００６８】
また、ｐ−ＧａＮ表面の顕微鏡撮像（Ｎｉｋｏｎ製、ＬＶ１５０Ｎ）を図３に示す。１０μｍ×１０μｍのスケールでのＡＦＭ像（Ｓｅｉｋｏ  Ｉｎｓｒｕｍｅｎｔｓ  Ｉｎｃ．製、ＳＰＩ３８００Ｎ）の結果から、実施例１による半導体素子１は、自乗平均面粗さ（ＲＭＳ）は、３．７ｎｍ、ｐ−ＧａＮ（すなわち第三窒化物半導体層３３）は、５．３ｎｍの凹凸を表面に有していることが分かった。
【００６９】
さらに、実施例２による半導体素子１のＸ線回折結果（Ｒｉｇａｋｕ製、ＳｍａｒｔＬａｂ）を図４に示す。図４に示すように、第一窒化物半導体層３１に相当するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層、第二窒化物半導体層３２に相当するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．４Ｎ層、及びＡｌＮ層に対するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎのａ軸格子定数および緩和率、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層に対するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層のａ軸格子定数および緩和率を表１に示す。
【００７０】
【表１】
2020077831.tif 000003
【００７１】
図４に示すように、第二窒化物半導体層３２上の層では緩和せずに第三窒化物半導体層３３まで成長が完了し、表面は凹凸が少ないことが分かる。これにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層との積層界面及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとｐ−ＧａＮとの積層界面に２次元ホールガスが生成したため、界面のエネルギー差を超えてｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎにｐ型電極から正孔が入り、積層垂直方向に電流が流れたと考えられる。
【００７２】
（実施例２）
（０００２）面の２インチサファイア基板上に有機金属気相成長装置（大陽日酸製、ＳＲ４３３８ＫＳ−ＨＴ）を用いてＡｌＧａＮ積層構造をトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、シクロペンタジエニルマグネシウム、シラン、アンモニアを原料ガスとして用いて積層させた。まず、サファイア基板上にＡｌＮを１μｍの膜厚になるまで１３５０℃の温度下で積層させた。このＡｌＮの上に、Ａｌ組成比が１から０．４まで連続的に減少し、かつＧａ組成比が０から０．６まで連続的に増加するようにＡｌＧａＮを１３００℃の温度下で０．３μｍの膜厚になるまで積層させた。このＡｌＧａＮの上に、Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎを１２００℃の温度下で３．８μｍの膜厚になるまで積層させて、このＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎを１０５０℃の温度下で０．２μｍの膜厚になるまで積層させて、さらに、このｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを１０５０℃の温度下で１０ｎｍ、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−ＧａＮを１０５０℃の温度下で１０ｎｍの膜厚になるまでそれぞれ積層させた。
【００７３】
上述の形成工程を経て作製された実施例２による半導体素子を１ｃｍ口（角）に分割した後、熱処理装置で５５０℃、１０分間、空気雰囲気下で熱処理を行い、ｐ−ＧａＮ上にＮｉを１０ｎｍ、Ａｕを４０ｎｍの膜厚になるまでそれぞれ電子ビーム蒸着装置（ＥＢ）を用いることで、ｐ電極を形成し、その後熱処理装置で５２５℃、５分間、酸素雰囲気下で熱処理を行った。
【００７４】
図５は、Ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｌ  Ｈａｌｌ測定によって得られた実施例２による半導体素子の正孔密度の温度特性を示す図である。図５に示すように、実施例２による半導体素子は、Ｐ型化していることが分かる。また、実施例２による半導体素子は、低温領域では温度に対しての正孔密度の依存性が小さくなっており、温度特性を持たないホールガスの特性が示されている。一方、実施例２による半導体素子は、高温領域においては温度に対しての正孔密度の依存性が見られており、対数グラフにおける傾きから活性化エネルギーが２４９ｍｅＶと見積もられ、一般的なｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの値とよく一致していることが分かる。つまり、実施例２による半導体素子において、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎへ正孔が注入されていることを示している。
【００７５】
また、実施例２による半導体素子のｐ−ＧａＮ表面の顕微鏡撮を図６に示す。ＡＦＭの測定結果から、実施例２による半導体素子のｐ−ＧａＮ表面のＲＭＳは、１．８ｎｍ、当該ｐ−ＧａＮの最大高低差は５．９ｎｍであり、実施例２による半導体素子は平坦な薄膜表面を有している。さらに、実施例２による半導体素子のＸ線回折結果（Ｒｉｇａｋｕ，  ＳｍａｒｔＬａｂ）を図７に示す。図７に示すように、本結果から得られた第一窒化物半導体層３１に相当するｕ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ、第二窒化物半導体層３２に相当するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎのａ軸格子定数、及びＡｌＮ層に対するｕ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の緩和率、ｕ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎに対するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの緩和率を表２に示す。
【００７６】
【表２】
2020077831.tif 000004
【００７７】
図７に示すように、第二窒化物半導体層上の層では緩和せずに第三窒化物半導体層まで成長が完了し、表面は凹凸が少なくなったことが分かる。これにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層との積層界面及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とｐ−ＧａＮ層との積層界面には、２次元ホールガスが生成されたため、界面のエネルギー差を超えてｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎにｐ型電極から正孔が入ったと考えられる。
【００７８】
（実施例３）
実施例１と同様の製法で２０ｎｍのＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層を積層した後に、実施例１と同様の製法でＡｌ組成比が０．８から０．４まで連続的に減少し、かつＧａ組成比が０から０．４まで連続的に増加するようにＭｇが２×１０１９ｃｍ−３ドープしたＡｌＧａＮを１０５０℃の温度下で０．１μｍの膜厚になるまで積層させた。このＡｌＧａＮ層が最終的に第四窒化物半導体層３４となる。その後、このＡｌＧａＮの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．６４Ｇａ０．３６Ｎを１０５０℃の温度下で０．２μｍの膜厚になるまで積層させて、さらに、このｐ−Ａｌ０．６４Ｇａ０．３６Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎを１０５０℃の温度下で１０ｎｍの膜厚になるまで積層し、さらにこのｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを１０５０℃の温度下で１０ｎｍの膜厚になるまで積層した。このｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−ＧａＮを１０５０℃の温度下で１０ｎｍの膜厚になるまで積層させた。このｐ−Ａｌ０．６４Ｇａ０．３６Ｎ層が最終的に第二窒化物半導体層３２になる。また、この、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層、ｐ−ＧａＮ層が最終的に第三窒化物半導体層３３になる。
【００７９】
実施例１と同様の方法で各層をエッチングするとともに、最終的に第二電極１４となるｎ電極及び第一電極１５となるｐ電極を形成し、実施例３による半導体素子１を作製した。図８は、上述の形成工程を経て作製された実施例３による半導体素子１の電圧−電流特性を示すグラフである。図８に示すグラフの横軸は、ｐ電極及びｎ電極の間に印加された電圧（Ｖ）を示し、当該グラフの縦軸は、実施例３による半導体素子１（第二電極及び第一電極の間）に流れる電流（ｍＡ）を示している。実施例３による半導体素子１に電流を流したところ、図８に示すように、３１．３Ｖで１．６ｍＡの電流が流れた。実施例３による半導体素子１に１．６ｍＡより大きい電流を流したところ、電圧が低下し素子破壊されてリーク不良となっていることが分かった。以上の結果から、実施例３による半導体素子１は、薄膜積層方向に電流を流すことができるが、実施例１と比較して素子破壊せずに流せる電流が少ない。
【００８０】
また、実施例３による半導体素子１のｐ−ＧａＮ表面の顕微鏡撮像を図９に示す。ＡＦＭの測定結果から、当該ｐ−ＧａＮ表面のＲＭＳは、２．８ｎｍであり、実施例３による半導体素子１は、最大高低差が９．７ｎｍの凹凸を表面に有していることが分かる。
【００８１】
さらに、実施例３による半導体素子１のＸ線回折結果を図１０に示す。図１０に示すＸ線回折結果から得られた第一窒化物半導体層３１に相当するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層、第二窒化物半導体層３２に相当するｐ−Ａｌ０．６４Ｇａ０．３６Ｎ層のａ軸格子定数、及びＡｌＮに対するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層の緩和率、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎに対するｐ−Ａｌ０．６４Ｇａ０．３６Ｎの緩和率を表３に示す。
【００８２】
【表３】
2020077831.tif 000005
【００８３】
表３に示すように、第二窒化物半導体層上の上層では緩和せずに第三窒化物半導体層まで成長が完了し、表面は凹凸が少なくなったことが分かる。これにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎとｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの積層界面及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとｐ−ＧａＮの積層界面に２次元ホールガスが生成されたため、界面のエネルギー差を超えてｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎにｐ型電極から正孔が入り、半導体素子１に電流が流れたと考えられる。また、実施例３による半導体素子１は、第二窒化物半導体層のＡｌ組成が実施例１の半導体素子１より大きいため、第三窒化物半導体層との間のエネルギー差が大きく、このエネルギー差が抵抗となったため、実施例１の半導体素子１よりも低い電流で素子破壊が起こったと考えられる。
【００８４】
（比較例１）
ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎを２μｍとした点以外は、実施例１と同様の製法で半導体素子を作製した。図１１は、比較例１による半導体素子の電圧−電流特性を示すグラフである。図１１に示すグラフの横軸は、ｐ電極及びｎ電極の間に印加された電圧（Ｖ）を示し、当該グラフの縦軸は、比較例１による半導体素子（第二電極及び第一電極の間）に流れる電流（ｍＡ）を示している。
【００８５】
比較例１による半導体素子に電流を流したところ、図１１に示すように、１９Ｖで２３ｍＡの電流が流れ、波長２９９ｎｍの発光が得られた。比較例１による半導体素子に１９ｍＡより大きい電流を流したところ、素子破壊が起こり、電圧が下がりリーク不良が発生した。
【００８６】
また、比較例１による半導体素子のｐ−ＧａＮ表面の顕微鏡撮像を図１２に示す。ＡＦＭの結果から、当該ｐ−ＧａＮ表面のＲＭＳ、１２．７ｎｍであり、比較例１による半導体素子は、最大高低差が３５．９ｎｍの凹凸を表面に有していることが分かる。
【００８７】
さらに、比較例１による半導体素子のＸ線回折結果を図１３に示す。図１３に示すＸ線回折結果から得られた第一窒化物半導体層に相当するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ、第二窒化物半導体層に相当するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．４Ｎのａ軸格子定数、及びＡｌＮ層に対するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層の緩和率、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層に対するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の緩和率を表４に示す。
【００８８】
【表４】
2020077831.tif 000006
【００８９】
表４に示すように、比較例１による半導体素子では、第二窒化物半導体層上の上層で緩和して成長させており、第三窒化物半導体層の表面の凹凸が多くなったことが分かる。これにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎとｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの積層界面及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとｐ−ＧａＮの積層界面に２次元ホールガスが生成しない。このため、比較例１による半導体素子では、正孔が界面のエネルギー差を超えることができず、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層にｐ型電極から正孔が入らないため、実施例１による半導体素子１よりも電流が流れずに素子破壊が起こると考えられる。
【００９０】
（比較例２）
（０００２）面の２インチサファイア基板上に有機金属気相成長装置（大陽日酸製、ＳＲ４３３８ＫＳ−ＨＴ）を用いてＡｌＧａＮ積層構造をトリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、シクロペンタジエニルマグネシウム、シラン、アンモニアを原料ガスとして用いて積層させた。まず、サファイア基板上にＡｌＮを１μｍの膜厚になるまで１３５０℃の温度下で積層させた。このＡｌＮの上に、Ａｌ組成比が１から０．６まで連続的に減少し、かつＧａ組成比が０から０．４まで連続的に増加するようにＡｌＧａＮを１３００℃の温度下で０．３μｍの膜厚になるまで積層させた。このＡｌＧａＮの上に、Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎを１２００℃の温度下で１μｍの膜厚になるまで積層させて、このＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎの上にＡｌ０．４Ｇａ０．６Ｎを１０５０℃の温度下で０．２μｍの膜厚になるまで積層させた。さらに、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎを１０５０℃の温度下で０．２μｍの膜厚になるまで積層させて、さらにこのｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを１０５０℃の温度下で１０ｎｍ積層させた。このｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの上に、Ｍｇを２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｐ−ＧａＮを１０５０℃の温度下で１０ｎｍの膜厚になるまで積層させた。以上の形成工程を経て比較例２による半導体素子を作製した。
【００９１】
比較例２による半導体素子を用いてＶａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｌ  Ｈａｌｌ測定を実施したところ、Ｈａｌｌ起電圧がノイズに埋れ、Ｐ型特性を得ることができなかった。つまり、比較例２による半導体素子では、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎへの正孔注入が阻害されていることを示している。
【００９２】
また、比較例２による半導体素子のｐ−ＧａＮ表面の顕微鏡撮像を図１４に示す。ＡＦＭの結果から、当該ｐ−ＧａＮ表面のＲＭＳは、１６．１ｎｍであり、比較例２による半導体素子は、最大高低差が６１ｎｍの凹凸を表面に有していることが分かる。
【００９３】
さらに、比較例２による半導体素子のＸ線回折結果を図１５に示す。図１５に示すＸ線回折結果から得られた第一窒化物半導体層に相当するＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ、第二窒化物半導体層に相当するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎのａ軸格子定数及びＡｌＮに対するｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎの緩和率、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎに対するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎの緩和率を表５に示す。
【００９４】
【表５】
2020077831.tif 000007
【００９５】
表５に示すように、第二窒化物半導体層上の上層で緩和して成長させており、第三窒化物半導体層の表面は凹凸が多くなったことが分かる。これにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層とｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層との積層界面及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとｐ−ＧａＮとの積層界面には、２次元ホールガスが生成されないため、正孔が界面のエネルギー差を超えることができず、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎに正孔が入らないため電流がノイズレベルよりも流れないと考えられる。
【００９６】
（比較例３）
ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層の代わりにｎ−Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層を用いた点、ｎ−Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ層の上層のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層を除いた点、及びＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎ層の下層のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層を除いた点の３点以外は、比較例１と同じ構造の薄膜を積層させて比較例３による半導体素子を作製した。
【００９７】
比較例３による半導体素子のｐ−ＧａＮ表面の顕微鏡撮像を図１６に示す。ＡＦＭの結果から、当該ｐ−ＧａＮ表面のＲＭＳは、１９．０ｎｍであり比較例３による半導体素子は、最大高低差が５０．９ｎｍの凹凸を表面に有していた。
【００９８】
さらに、比較例３による半導体素子のＸ線回折結果を図１７に示す。図１７に示すＸ線回折結果から得られた第一窒化物半導体層に相当するｎ−Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ、第二窒化物半導体層に相当するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎのａ軸格子定数、及びＡｌＮ層に対するｎ−Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎの緩和率、ｎ−Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層に対するｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層の緩和率を表６に示す。
【００９９】
【表６】
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【０１００】
比較例３による半導体素子に対して実施例１による半導体素子１と同様の方法で電極形成を行った後にＨａｌｌ測定を実施したところ、ホール起電圧がノイズに埋れ、キャリア判定ができなかった。
【０１０１】
表６に示すように、第二窒化物半導体層上の上層で緩和して成長させており、第三窒化物半導体層の表面は凹凸が多くなったことが分かる。これにより、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎとｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとの積層界面及びｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎとｐ−ＧａＮとの積層界面に２次元ホールガスが生成されない。このため、比較例３による半導体素子では、正孔が界面のエネルギー差を超えることができず、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ｎ層にｐ型電極から正孔が入らないため、ホール測定ができなかったと考えられる。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態による半導体素子１は、基板１１の上に設けられてＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎで形成された第一窒化物半導体層３１と、第一窒化物半導体層３１の上方に設けられてＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎで形成された第二窒化物半導体層３２と、第二窒化物半導体層３２の上に設けられてＡｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）Ｎで形成された第三窒化物半導体層３３とを備えている。Ａｌｘ３Ｇａ（１−ｘ３）ＮのＡｌ組成比は、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）ＮのＡｌ組成比との関係において、III族混晶比率でｘ２＞ｘ３＋０．２の関係を満たし、第三窒化物半導体層３３は、最大深さが０ｎｍより大きく１０ｎｍよりも小さい凹凸を表面に有している。
【０１０３】
当該構成を備えた半導体素子１は、第三窒化物半導体層３３を平坦薄膜として成長させることにより、高電流を流すことができる。
【０１０４】
当該構成を備えた半導体素子１は、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との積層界面にホールガスを発生させることができる。これにより、第二窒化物半導体層３２と第三窒化物半導体層３３との間の価電子帯エネルギー準位差に相当するエネルギー差よりも、第一電極１５への電圧印加による実効的に小さいエネルギーによって、第三窒化物半導体層３３から第二窒化物半導体層３２へ電流（正孔）を流すことができる。その結果、半導体素子１は、発光効率の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【０１０５】
１１  基板
１４  第二電極
１５  第一電極
１６  共振器面
１７  リッジ部半導体層
３１  第一窒化物半導体層
３２  第二窒化物半導体層
３３  第三窒化物半導体層
３４  第四窒化物半導体層
３５  発光部
３１１  第一積層部
３１１ａ  上面
３１２  第二積層部
３２３  上部ガイド層
３４１  突出部
３５１  下部ガイド層
３５２  窒化物半導体活性層
３５３  上部ガイド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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