(57)【要約】【課題】高効率の近紫外発光の半導体発光素子及びウェーハを提供する。【解決手段】ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮからなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、を有する発光部であって、前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い障壁層が、Ｓｉを含有する第１の部分と、第１の部分と第２の層との間に設けられ、第１の部分におけるＳｉ濃度よりも低く、第２の層に最も近い障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有する第２の部分と、を有する発光部と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、
Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、
を有する発光部であって、
前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層が、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分と、
前記第１の部分と前記第２の層との間に設けられ、前記第１の部分におけるＳｉ濃度よりも低く、前記障壁層のうち前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分と、
を有する発光部と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の部分におけるＳｉ濃度は、前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の部分は、前記井戸層に接する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。
【請求項４】
前記第２の部分の層厚は、３ｎｍ以上９ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の部分におけるＳｉ濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上９．０×１０１８ｃｍ−３以下である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。
【請求項６】
前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下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。
【請求項７】
前記第１の部分におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下であ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。
【請求項８】
ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、
Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、
を有する発光部であって、
前記井戸層に挟まれた前記障壁層のそれぞれが、
前記第１の層の側に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第３の部分と、
前記第２の層の側に設けられ、前記第３の部分におけるＳｉ濃度よりも高い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第４の部分と、
を有する発光部と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い障壁層におけるＳｉ濃度は、
前記障壁層のうち、前記第１の層に最も近い障壁層におけるＳｉ濃度よりも低いことを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い障壁層は、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分と、
前記第１の部分と前記第２の層との間に設けられ、前記第１の部分におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分と、
を有することを特徴とする請求項８または９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記第４の部分におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記障壁層のうち、前記第１の層に最も近い前記障壁層におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第２の層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２≦ｘ≦０．３２）からなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
前記第２の層の前記発光部の側におけるＭｇ濃度は、前記第２の層の前記発光部とは反対の側におけるＭｇ濃度よりも高いことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１５】
前記第２の層のＭｇ濃度は、８×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１６】
前記第２の層の前記発光部とは反対の側に設けられ、ｐ型ＧａＮ及びｐ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第３の層をさらに備え、
前記第３の層の前記第１の層の側におけるＭｇ濃度は、前記第３の層の前記第１の層とは反対の側におけるＭｇ濃度よりも低いことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１７】
前記発光部から放出される発光のピーク波長は、３７０〜４００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１８】
前記発光部は、サファイアｃ面からなる基板上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦１）の組成範囲の単結晶バッファ層を介して成長したＧａＮ層上に設けられていることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１９】
前記単結晶バッファ層は、前記基板上に設けられた第２バッファ層と、前記第２バッファ層と前記基板との間に設けられ、前記第２バッファ層よりも炭素濃度が高く、厚さが３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の第１バッファ層を有することを特徴とする請求項１８記載の半導体発光素子。
【請求項２０】
ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、
Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、
を有する発光部であって、
前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層が、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分と、
前記第１の部分と前記第２の層との間に設けられ、前記第１の部分におけるＳｉ濃度よりも低く、前記障壁層のうち前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分と、
を有する発光部と、
を備えたことを特徴とするウェーハ。
【請求項２１】
ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、
Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、
Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、
を有する発光部であって、
前記井戸層に挟まれた前記障壁層のそれぞれが、
前記第１の層の側に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第３の部分と、
前記第２の層の側に設けられ、前記第３の部分におけるＳｉ濃度よりも高い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第４の部分と、
を有する発光部と、
を備えたことを特徴とするウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系III−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体発光素子及びウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体の近紫外ＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（発光波長が４００ｎｍ以下）は、白色ＬＥＤに用いる光源として期待されているが、光効率が低いことが問題となっている。ＬＥＤ素子の発光効率は、ＬＤ（Laser Diode）とは異なり、発光部の発光効率を超えない。発光部の発光効率を上げるために、転位密度の低いＧａＮ基板を用いた素子の作製が試みられているが、効率が低い上に、高コストであり、広く利用できる技術ではなかった。
【０００３】
従来、紫外ＬＥＤ素子の発光効率が低い主な原因は、発光層において転位などの結晶欠陥が多いことであると考えられていた。これに対し、サファイアｃ面基板上に、高温成長した高Ａｌ組成ＡｌＧａＮまたはＡｌＮをバッファ層としてＧａＮ層を形成することにより、転位密度を、従来よりも１／１０以下の１０８〜１０９ｍ−３に減らすことができる成長技術が開発されている。しかし、この技術を用いた近紫外ＬＥＤ素子においても、改善の余地がある。
【０００４】
なお、特許文献１には、ｎ型窒化ガリウム系化合物半導体層を第１のクラッド層とし、特定量のＳｉをドープしたＩｎｘＧａ１−ｘＮ層を発光層とし、かつ特定量のＭｇをドープしたｐ型窒化ガリウム化合物半導体層を第２のクラッド層としたダブルヘテロ構造により、発光効率を高める技術が開示されている。
【特許文献１】特許第２７１３０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高効率の近紫外発光の半導体発光素子及びウェーハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、を有する発光部であって、前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層が、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分と、前記第１の部分と前記第２の層との間に設けられ、前記第１の部分におけるＳｉ濃度よりも低く、前記障壁層のうち前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分と、を有する発光部と、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。
【０００７】
本発明の別の一態様によれば、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、を有する発光部であって、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のそれぞれが、前記第１の層の側に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第３の部分と、前記第２の層の側に設けられ、前記第３の部分におけるＳｉ濃度よりも高い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第４の部分と、を有する発光部と、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。
【０００８】
本発明の別の一態様によれば、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、を有する発光部であって、前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層が、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分と、前記第１の部分と前記第２の層との間に設けられ、前記第１の部分におけるＳｉ濃度よりも低く、前記障壁層のうち前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分と、を有する発光部と、を備えたことを特徴とするウェーハが提供される。
【０００９】
本発明の別の一態様によれば、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、前記第１の層と前記第２の層との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層と、を有する発光部であって、前記井戸層に挟まれた前記障壁層のそれぞれが、前記第１の層の側に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第３の部分と、前記第２の層の側に設けられ、前記第３の部分におけるＳｉ濃度よりも高い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第４の部分と、を有する発光部と、を備えたことを特徴とするウェーハが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高効率の近紫外発光の半導体発光素子及びウェーハが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。  
また、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。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１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１に表したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子１０は、例えば、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、高炭素濃度のＡｌＮからなる第１バッファ層１２１、高純度のＡｌＮからなる第２バッファ層１２２、ノンドープのＧａＮからなる格子緩和層１２３、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３０、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型閉じ込め層（第１の層）１３１、発光部１４０、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型閉じ込め層（第２の層）１５１、及び、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層（第３の層）１５０、が積層された構造を有する。
【００１３】
ｐ型コンタクト層１５０には、例えばＡｕからなるｐ側電極１６０が設けられ、ｎ型コンタクト層１３０には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ側電極１７０が設けられている。
【００１４】
ｎ型閉じ込め層１３１には、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを用いることができる。  
発光部１４０は、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層１４１と、ＧａＩｎＮからなる井戸層１４２と、とが交互に６周期積層されてなる多重量子井戸構造を有している。  
ここで、上記のＡｌＧａＩｎＮは、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）である。  
なお、井戸層１４２には、ＧａＩｎＮだけでなく、ＡｌＧａＩｎＮも用いることができる。
【００１５】
すなわち、発光部１４０は、ｎ型閉じ込め層１３１とｐ型閉じ込め層１５１との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層１４１と、複数の障壁層１４１のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層１４２と、を有する。
【００１６】
ここで、障壁層１４１のうち、最もｐ型閉じ込め層１５１に近い障壁層１４１を、「ｐ側障壁層１４１ａ」と呼ぶことにする。そして、障壁層１４１のうち、最もｎ型閉じ込め層１３１に近い障壁層１４１を、「ｎ側障壁層１４１ｂ」と呼ぶことにする。そして、障壁層１４１のうち、ｐ側障壁層１４１ａ及びｎ側障壁層１４１ｂ以外の障壁層１４１、すなわち、井戸層１４２に挟まれた障壁層１４１を「内側障壁層１４１ｃ」と呼ぶことにする。
【００１７】
本実施形態に係る半導体発光素子１０では、ｐ側障壁層１４１ａにおいては、Ｓｉ濃度に分布が持たされている。すなわち、ｐ側障壁層１４１ａにおいては、井戸層１４２の側のＳｉ濃度が高く、ｐ型閉じ込め層１５１の側のＳｉ濃度が低い。
【００１８】
すなわち、ｐ側障壁層１４１ａは、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる層状の第１の部分１４３ａと、第１の部分１４３ａとｐ型閉じ込め層１５１との間に設けられ、第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる層状の第２の部分１４３ｂと、を有する。  
この時、第２の部分１４３ｂにおけるＳｉ濃度は、ｐ側障壁層１４１ａ以外の障壁層１４１、すなわち、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ、におけるＳｉ濃度よりも低い。
【００１９】
また、第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、ｐ側障壁層１４１ａ以外の障壁層１４１、すなわち、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ、におけるＳｉ濃度以下とすることができる。すなわち、第１障壁層１４３ａにおけるＳｉ濃度は、すなわち、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ、におけるＳｉ濃度と同等とすることができる。また、それよりも低くしても良い。  
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０では、ｎ側障壁層１４１ｂ、内側障壁層１４１ｃ及び第１の部分１４３ａのＳｉ濃度が相対的に高く、第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度が相対的に低い。
【００２０】
以下、上記の各種の層の構成についての具体例を示す。ただし、本発明はこれには限らず、各種の変形が可能である。  
第１バッファ層１２１においては、例えば、炭素濃度を１×１０１９ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３とし、層厚を３ｎｍ〜２０ｎｍとすることができる。  
第２バッファ層１２２においては、例えば、炭素濃度を１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とし、層厚を約２μｍとすることができる。  
また、格子緩和層１２３の層厚は、例えば２μｍとすることができる。
【００２１】
ｎ型コンタクト層１３０においては、例えば、Ｓｉ濃度を１×１０１９ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３とし、層厚を約４μｍとすることができる。
【００２２】
ｎ型閉じ込め層１３１には、例えばＳｉドープのｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎを用い、Ｓｉ濃度を２×１０１８ｃｍ−３とし、層厚を０．０３μｍとすることができる。
【００２３】
ｐ型閉じ込め層１５１には、例えば、Ｍｇドープのｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎを用い、層厚を２４ｎｍとすることができる。  
そして、ｐ型閉じ込め層１５１においては、例えば、第２の部分１４３ｂの側におけるＭｇ濃度は３×１０１９ｃｍ−３で、表面側（第２の部分１４３ｂとは反対の側であり、ｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は１×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００２４】
ｐ型コンタクト層１５０においては、ｎ型閉じ込め層１５１の側におけるＭｇ濃度は１×１０１９ｃｍ−３で、表面側（ｎ型閉じ込め層１５１とは反対の側であり、ｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は５〜９×１０１９ｃｍ−３とすることができる。
【００２５】
発光部１４０の井戸層１４２には、例えばＧａＩｎＮを用いることができ、発光部１４０から放出される光のピーク波長は３７０〜４００ｎｍの近紫外とすることができる。
【００２６】
ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃには、例えば、Ｓｉドープのｎ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができ、そのＳｉ濃度は、１．１〜３．０×１０１９ｃｍ−３とし、層厚は約１３．５ｎｍとすることができる。
【００２７】
ｐ側障壁層１４１ａでは、井戸層１４２の側の第１の部分１４３ａにおいては、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃと同様に、ＳｉドープのＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎを用い、Ｓｉ濃度を１．１〜３．０×１０１９ｃｍ−３とするが、層厚は約４．５ｎｍとすることができる。
【００２８】
一方、低Ｓｉ濃度の第２の部分１４３ｂには、例えば、Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ層を用いることができ、Ｓｉ濃度は１×１０１６〜３×１０１８ｃｍ−３、とし、層厚は約４．５ｎｍとすることができる。
【００２９】
すなわち、半導体発光素子１０は、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなるｎ型閉じ込め層１３１と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型閉じ込め層１５１と、ｎ型閉じ込め層１３１とｐ型閉じ込め層１５１との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層１４１と、複数の障壁層１４１のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層１４２と、を有する発光部１４０と、を備える。
【００３０】
発光部１４０は、障壁層１４１のうち、ｐ型閉じ込め層１５１に最も近い障壁層１４１（ｐ側障壁層１４１ａ）が、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分１４３ａと、第１の部分１４３ａとｐ型閉じ込め層１５１との間に設けられ、第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分１４３ｂと、を有する。
【００３１】
このような構成を有する半導体発光素子１０よれば、ｐ型閉じ込め層１５１に最も近い障壁層（ｐ側障壁層１４１ａ）において、ｐ型閉じ込め層１５１の側に、他よりも低い濃度でＳｉを含有する第２の部分１４３ｂを設けることにより、高効率の近紫外発光の半導体発光素子を提供できる。
【００３２】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１０の作用について説明する。  
ＧａＮ混晶のヘテロ接合では荷電子帯側の不連続が少ないため、ホールの閉じ込め効果が弱い。従って、発光部１４０の効率改善には、少数キャリアであるホールを井戸層１４２に強く閉じ込めることが重要であると考えられる。
【００３３】
バンドの湾曲を利用してホールの閉じ込めを強化するために、障壁層１４１に、１．１×１０１９ｃｍ−３以上の高濃度でＳｉをドープしたところ、フォトルミネッセンス（ＰＬ）では、発光効率を向上できることが分かった。この時、高温成長ＡｌＮバッファ層を用いた転位密度の少ない結晶を利用すると、障壁層１４１にＳｉを高濃度でドープしても高い結晶品質を維持できる。
【００３４】
しかし、ＬＥＤ素子において、上記のような障壁層１４１への高濃度のＳｉドープを実施した場合には、充分な高効率が得られなかった。  
この原因は、高濃度でＳｉをドープしたために電子濃度が上昇し、電子がｐ型半導体層へオーバーフローを起していることであると推測された。
【００３５】
そこで、電子のオーバーフローを防止するために、発光部１４０上に形成されたｐ型閉じ込め層１５１のＡｌ組成比を高くしてｐ型閉じ込め層１５１のエネルギーを制御しつつ、ｐ型閉じ込め層１５１の膜厚を厚くすることを試みた。  
ところで、紫外などの短波長の光を発光する窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子では、動作電圧が実用的な範囲になるように、ｐ型閉じ込め層１５１におけるＭｇの濃度は、長波長のＬＥＤ素子に比べ、高濃度とされる。これは、窒化物半導体では、正孔の移動度が低いうえ、キャリア密度も低いため、ｐ型閉じ込め層１５１のＭｇの濃度を高くしないと動作電圧が上昇してしまうためである。すなわち、ｐ型閉じ込め層１５１にかかるピエゾ電界が通電を阻害して動作電圧を上昇させる。このピエゾ電界を打ち消すためは、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上のＭｇ濃度が必要である。
【００３６】
ｐ型閉じ込め層１５１のＡｌ組成比を高めつつ、ｐ型閉じ込め層１５１の膜厚を厚くした状態で、Ｍｇ濃度を高め、Ｍｇ濃度と発光効率の関係を調べたが、この場合も発光効率は小さかった。  
発光効率が増加しない原因を調べるため、ＬＥＤ素子のＳＩＭＳ分析を行った結果、ｐ型閉じ込め層１５１においてが、Ｍｇ濃度は、発光部１４０側が高く表面側が低くなった特異な分布を示し、さらに、Ｍｇは発光部１４０にまで拡散していた。このように、Ｍｇが発光部１４０へ拡散したために、発光効率が向上しなかったと推測された。  
この分析結果は、Ｍｇの特異な分布は、熱によるものだけではなく、他の要因によっても発生していることを示唆した。
【００３７】
本発明者は、様々な実験を行い、ｐ型閉じ込め層１５１と発光部１４０との界面近傍におけるＭｇの分布は、ｐ型閉じ込め層１５１に接する障壁層１４１（ｐ側障壁層１４１ａ）のＳｉ濃度に強い影響を受けることを見いだした。すなわち、ｐ側障壁層１４１ａのＳｉ濃度が高いと、それに起因したビルトインポテンシャルによる電界がｐ型閉じ込め層１５１に集中し、この電界によってｐ型閉じ込め層１５１のＭｇ原子が発光部１４０へドリフトし、Ｍｇの異常拡散が生じていることが分かった。すなわち、近紫外ＬＥＤ素子において、ｐ型閉じ込め層１５１にドープしたＭｇの拡散は、上記のｐ型閉じ込め層１５１と発光部１４０との界面近傍の電界の影響を大きく受ける。
【００３８】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、上記の電界を制御可能とする構造を有する。  
すなわち、本発明者は、ｐ側障壁層１４１ａのｐ型閉じ込め層１５１の側のＳｉ濃度を、井戸層１４２の側のＳｉ濃度よりも低くすることにより、発光効率を増加させることに成功した。すなわち、例えば、第２の部分１４３ｂにはＳｉをノンドープとし、第１の部分１４３ａには高い濃度でＳｉをドープする。
【００３９】
Ｓｉ濃度が低い第２の部分１４３ｂによって、Ｍｇの拡散を誘因する上記の電界の発生を抑制できる。これにより、Ｍｇの発光層１４０への異常拡散を抑制し、これによって、ｐ側閉じ込め層１５１に高濃度でＭｇをドープでき、ｐ型閉じ込め層１５１の抵抗を下げ、結果として発光効率を向上できる。  
そして、ｐ型閉じ込め層１５１の膜厚を厚くするか、Ａｌ組成比を高くするかのいずれかによって、電子のオーバーフローの発生を抑制でき、これにより障壁層１４１にＳｉを高濃度でドープでき、井戸層１４２にホールを強く閉じ込めることができる。その結果として、さらに、発光効率が向上できる。  
なお、ｐ側障壁層１４１ａの井戸層１４２側には、高濃度でＳｉがドープされ、これにより、井戸層１４２にホールを強く閉じ込めることができる。
【００４０】
さらに、低濃度の第２の部分１４３ｂのＭｇの異常拡散抑制効果によって、ｐ型閉じ込め層１５１に高濃度でＭｇをドープできることから、動作電圧を低下することができ、結果として信頼性を向上させる効果もある。
【００４１】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、ｐ側障壁層１４１ａのｐ型閉じ込め層１５１の側に、低Ｓｉ濃度の第２の部分１４３ｂが設けられている。ｎ型半導体層のＳｉ濃度が高いことに起因したビルトインポテンシャルによる電界がｐ型閉じ込め層１５１に集中し、Ｍｇ原子が発光部１４０へドリフトすることよるＭｇの異常拡散を、この第２の部分１４３ｂが防止する働きがあり、結果として発光効率を向上できる。さらに、ｐ型閉じ込め層１５１の低抵抗化が可能となり、動作電圧の低下と信頼性の向上をもたらす。
【００４２】
なお、第２の部分１４３ｂによって、ｐ型閉じ込め層１５１との界面付近の電子濃度を低下させ、ｐ型閉じ込め層１５１への電子オーバーフローを抑制するが、この時、同時に界面付近のホール濃度も上昇するため、界面での非発光再結合も増大するが、転位密度が低いことと、障壁層１４１にＡｌＧａＩｎＮ４元混晶を用いていることから、この損失は低く、実質上問題にはならない。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、高効率の近紫外発光の半導体発光素子を提供できる。
【００４４】
本実施形態に係る半導体発光素子１０は、例えば以下のようにして作製することができる。  
まず、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、第１バッファ層１２１となる高炭素濃度（炭素濃度１×１０１９ｃｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３）のＡｌＮ膜を厚さ３ｎｍ〜２０ｎｍで、第２バッファ層１２２となる炭素濃度１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３の高純度ＡｌＮ膜を厚さ２μｍで、格子緩和層１２３となるノンドープＧａＮ膜を厚さ２μｍで、ｎ型コンタクト層となるＳｉ濃度１×１０１９ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３のＳｉドープｎ型ＧａＮ膜を厚さ４μｍで、ｎ型閉じ込め層１３１となるＳｉ濃度２×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ膜を厚さ０．０２μｍで、積層して成膜し、そして、障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ）となる厚さ１３．５ｎｍのＳｉ濃度１．１〜３×１０１９ｃｍ−３のＳｉドープｎ型Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜と、井戸層１４２となる厚さ４．５ｎｍのＧａＩｎＮ膜と、を交互に６周期積層して成膜し（ただし、第１の部分１４１ａとなるＳｉ濃度１．１〜３．０×１０１９ｃｍ−３の高Ｓｉ濃度Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜は厚さ４．５ｎｍである）、第２の部分１４３ｂとなるＳｉ濃度１×１０１６〜３×１０１８ｃｍ−３のＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜を厚さ４．５ｎｍで、ｐ型閉じ込め層１５１となるＭｇドープｐ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ膜(Ｍｇ濃度は第２の部分１４３側が１．８×１０１９ｃｍ−３で、表面側が１×１０１９ｃｍ−３)を厚さ２４ｎｍで、ｐ型コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ型ＧａＮ膜(Ｍｇ濃度はｐ型閉じ込め層１５１側が１×１０１９ｃｍ−３で、表面側が５〜９×１０１９ｃｍ−３)の各層を順次積層して成膜する。
【００４５】
そして、次に、これらの半導体層に、以下に例示する方法で電極を設ける。  
すなわち、まず、図１に表したように、これら半導体層の一部の領域において、ｎ型コンタクト層１３０が表面に露出するまで、マスクを用いてドライエッチングによってｐ型の半導体層と発光部１４０を取り除く。そして、露出したｎ型の半導体層を含む半導体層全体に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて図示していないＳｉＯ２膜を４００ｎｍの厚さで成膜する。
【００４６】
そして、ｐ側電極１６０を形成するため、まず、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、ｐ型コンタクト層１５０の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、ＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えば、真空蒸着装置を用いて、ｐ側電極１６０となる反射導電性のＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【００４７】
そしてｎ側電極１７０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層上に形成し、露出したｎ型コンタクト層１３０の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。ＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる積層膜を５００ｎｍの膜厚で形成し、ｎ側電極１７０とする。
【００４８】
また、高反射率の銀合金（例えばＰｄを１％程度含む）も使用可能である。この場合にはオーミック接触を良好にするためにｎ型コンタクト層を二層構造とし、電極形成部としてＳｉが１．５×１０１９〜３×１０１９ｃｍ−３の高濃度層を０．３μｍ程度成長する。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を防止できる。
【００４９】
次いで、裏面研磨を行い、劈開若しくはダイアモンドブレード等により切断し、例えば幅４００μｍ、厚さ１００μｍの個別のＬＥＤ素子、すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０が作製される。
【００５０】
上記において、高炭素濃度のバッファ層（第１バッファ層１２１）は、５族原料／３族原料比が０．７から５０の減圧有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長されることができる。
【００５１】
また、他のバッファ層（第２バッファ層１２２及び格子緩和層１２３の少なくともいずれか）は、高炭素濃度のバッファ層（第１バッファ層１２１）のエピタキシャル成長よりも、高い温度と、高い５族原料／３族原料比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長されることができる。
【００５２】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、少なくとも、ｎ型の半導体層とｐ型の半導体層と、ｎ型の半導体層及びｐ型の半導体層に挟まれた発光部１４０を含む半導体層からなり、半導体層の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（ｘ≧０、ｙ≧０、ｘ＋ｙ≦１）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。
【００５３】
これらの半導体層の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長法等の技術を用いることができる。
【００５４】
基板１１０に用いる材料は、特に限定されるものではないが、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの基板を用いることができる。基板１１０は、最終的に取り除かれても良い。
【００５５】
本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、低欠陥結晶の利点を生かして近紫外域での高効率発光を得るために、発光部１４０自体の高効率化と、発光部１４０からの電子のあふれを防ぐための、Ａｌ組成が高く且つ膜厚が厚いｐ型閉じ込め層１５１の採用を容易にする各種の工夫がなされている。
【００５６】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１０における、高温成長したバッファ層（第１及び第２バッファ層１２１、１２２、及び格子緩和層１２３）、障壁層１４１、第１ｐ側障壁層１４１ａ、井戸層１４２、第２の部分１４３ｂ、及び、ｐ型閉じ込め層１５１についして詳しく説明する。
【００５７】
高炭素濃度のＡｌＮからなる第１バッファ層１２１は、基板１１０との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。第１バッファ層１２１の厚さは、３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。
【００５８】
また、高純度のＡｌＮからなる第２バッファ層１２２は、表面が原子レベルで平坦化され、この上に成長する欠陥低減と歪緩和の働きをするＧａＮからなる格子緩和層１２３の効果を最大にするための層であり、このためには第２バッファ層１２２の厚さは０．８μｍよりも厚くすることが好ましい。また、歪みによるそり防止のためには４μｍ以下が望ましい。
【００５９】
すなわち、バッファ層は、基板１１０の上に設けられ単結晶ＡｌＮからなる第２バッファ層１２２と、第２バッファ層１２２と基板１１０との間に設けられ、単結晶ＡｌＮからなり、第２バッファ層１２２よりも炭素濃度が高く、厚さが３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の第１バッファ層１２１を有することができる。
【００６０】
なお、第２バッファ層１２２には、ＡｌＮを用いることができるが、本発明はこれには限定されず、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ(０．８≦ｘ≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成調整によってウェーハのそりを補償することができる。
【００６１】
格子緩和層１２３は、第２バッファ層１２２の上の３次元島状成長により欠陥低減と歪緩和の役割を果たす。成長表面の平坦化のためには、格子緩和層１２３の平均層厚は、０．６μｍ以上が必要である。再現性とそり低減の観点から、格子緩和層１２３の層厚は、０．８〜２μｍが好ましい。
【００６２】
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長のバッファ層と比較して転位密度は１／１０以下とすることができる。これにより、異常成長のために通常では採用困難な、高い成長温度と高い５族原料／３族原料比での結晶成長が可能となる。そして、これにより、点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮや障壁層１４１に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【００６３】
発光部１４０は、Ｓｉがドープされた４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ（Ａｌ組成６％以上８％以下、Ｉｎ組成０．３％以上１．０％以下）からなる障壁層１４１と、Ｉｎ０.０５Ｇａ０.９５Ｎからなる井戸層１４２と、を周期的に繰り返し積層して構成される。
【００６４】
発光部１４０の発光波長は、３７０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。ＧａＮの吸収端が約３６５ｎｍであるため、発光波長は、ＧａＮの吸収が大きくない３７０ｎｍ以上にする必要がある。ＧａＮの吸収がなく、発光効率を増大させるには、発光波長が３８０ｎｍ以上、３８５ｎｍ以下であることが望ましい。３７５ｎｍよりも長い波長であっても、３８５ｎｍより短波長の紫外発光を高効率で生じさせるための深いポテンシャルを形成するには、Ａｌ組成は６％以上必要であり、９％を超えると結晶品質が劣化する。僅かなＩｎドープは、結晶品質を改善する効果があり、Ｉｎ組成０．３％以上でその効果は見られる。しかし、Ｉｎ組成が１．０％を超えると、結晶品質が劣化し、発光効率が減少する。
【００６５】
ｎ側障壁層１４１ｂ、内側障壁層１４１ｃ及び第１の部分１４３ａ中に、高濃度のＳｉをドープすることで、井戸層１４２中の電子濃度を高めることにより、発光再結合寿命が短くなり効率が向上する。このＳｉのドープにおいて、１．１×１０１９ｃｍ−３以下の濃度では効果が不十分であり３．０×１０１９ｃｍ−３以上の濃度では、結晶品質が低下する。
【００６６】
また、Ｓｉドープは、ピエゾ電界を打ち消す役割もあるため、Ｓｉ濃度は高濃度にする必要がある。
【００６７】
表１は、障壁層１４１のＳｉ濃度とＰＬ強度との関係を調べた実験結果を例示している。  
すなわち、同表は、障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ、内側障壁層１４１ｃ、及び、第１の部分１４３ａ）の各種のＳｉ濃度に対し、放射束とＰＬ強度の関係から素子特性を判定した結果を例示しており、同表中の×印は放射束が１０ｍＷ以下であることを表し、△印は放射束が１０ｍＷ以上１３ｍＷ未満であることを表し、○印は放射束が１３ｍＷ以上１５ｍＷ未満であることを表し、◎印は放射束が１５ｍＷ以上であることを表している。  
【表１】
2010067709.tif 000003
表１に表したように、Ｓｉ濃度が増加するにつれ、ＰＬ強度は増加し、Ｓｉ濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３〜１．６６×１０１９ｃｍ−３の時にＰＬ強度が大きく、１．９４×１０１９ｃｍ−３以上ではＰＬ強度が減少した。
【００６８】
Ｓｉ濃度が高すぎると、結晶の品質が劣化してしまい、効率が減少すると考えられる。Ｓｉ濃度と素子特性の関係を調べると、Ｓｉ濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３〜１．６５×１０１９ｃｍ−３において、最大の放射束が得られた。
【００６９】
ＰＬ強度を増加させるためには、Ｓｉ濃度は１．１×１０１９ｃｍ−３以上必要である。そして、Ｓｉ濃度が２．４×１０１９ｃｍ−３の場合でもＰＬ強度は大きいが、ピットの数が若干増加するため、ＬＥＤ素子の寿命を考えると、Ｓｉ濃度が２．４×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。
【００７０】
また、Ｓｉ濃度が３．０×１０１９ｃｍ−３のＳｉドープＧａＮ層を作成したところ、表面が少しあれていた。このことから、これよりもＳｉ濃度を高くすると、結晶の品質が著しく劣化すると考えられる。従って、障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ、内側障壁層１４１ｃ、及び、第１の部分１４３ａ）中に、ドープするＳｉの濃度は、３．０×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。
【００７１】
本具体例では、第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃにおけるＳｉ濃度と同じである。ただし、本発明はこれに限らず、第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃにおけるＳｉ濃度と異なっていても良い。例えば、井戸層１４２内のキャリア濃度が十分高ければ、第１の部分１４３ａのＳｉ濃度は、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃにおけるＳｉ濃度よりも低くても良い。この場合においても第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、第２の部分１４３ｂにおけるＳｉ濃度よりも高く設定される。
【００７２】
これらの結果より、Ｓｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３．０×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。  
すなわち、障壁層１４１のうち、ｐ側閉じ込め層１５１に最も近い障壁層１４１以外の障壁層（ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ）におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。そして、第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。
【００７３】
以下、第１の部分１４３ａと第２の部分１４３ｂについて説明する。  
上記で説明した本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、第１の部分１４３ａ及び第２の部分１４３ｂにおいて、Ｓｉ濃度が階段状に、すなわち、不連続に変化している。このような場合は、第１の部分１４３ａと第２の部分１４３ｂとは、明確に区別される。
【００７４】
ただし、本発明はこれに限らず、例えば、ｐ側障壁層１４１ａのｐ型閉じ込め層１５１の側で、井戸層１４２の側よりも低い濃度でＳｉが含有されていれば良い。すなわち、第１の部分１４３ａと第２の部分１４３ｂとの明確な区別がなく、ｐ側障壁層１４１ａの井戸層１４２の側からｐ型閉じ込め層１５１への方向に進むに従って、Ｓｉ濃度が連続的に低下しても良い。この時、相対的に高Ｓｉ濃度の部分が第１の部分１４３ａと見なされ、相対的に低Ｓｉ濃度の部分が第２の部分１４３ｂと見なされる。
【００７５】
なお、第１の部分１４３ａをｐ側障壁層１４１ａと見なし、第２の部分１４３ｂを、ｐ側障壁層１４１ａとｐ型閉じ込め層１５１との間に設けられた別の障壁層と見なすこともできるが、第２の部分１４３ｂは、ｐ側障壁層１４１ａに含まれるものとする。
【００７６】
第１の部分１４３ａ及び第２の部分１４３ｂにおいて、上記の具体例では、Ｓｉ濃度は２段階で不連続に変化している場合について説明したが、本発明はこれに限らず、３段階以上で階段状に変化しても良く、さらに、連続的に変化しても良い。
【００７７】
Ｓｉ濃度が３段階以上で階段状に変化する場合も、相対的にＳｉ濃度が高い部分を第１の部分１４３ａとし、相対的にＳｉ濃度が低い部分を第２の部分１４３ｂとすることができる。  
以下では、説明を簡単にするために、Ｓｉ濃度は２段階で不連続に変化しているとして説明する。
【００７８】
第１の部分１４３ａの層厚は、ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４２ｃの厚さと同じであっても良く、また異なっていても良い。  
また、第２の部分１４３ｂの層厚は、第１の部分１４３ａ及びｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４２ｃの層厚とは独立して、設定することができる。
【００７９】
第１の部分１４３ａ及び第２の部分１４３ｂの層厚に関して、以下説明する。  
図２は、本発明の第１の実施形態に係る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、第１の部分１４３ａの層厚及び第２の部分１４３ｂの層厚をそれぞれ変えて、その時の発光効率を調べた実験結果を例示しており、横軸は、第１の部分１４３ａ及び第２の部分１４３ｂの層厚の合計Ｄを表し、縦軸は放射束を表す。
【００８０】
図２に表したように、第１の部分１４３ａ及び第２の部分１４３ｂの層厚の合計Ｄが９ｎｍの時に、放射束は最大になった。そして、層厚の合計Ｄが９ｎｍを超えると、発光効率が減少した。これは、正孔が第２の部分１４３ｂとｐ型閉じ込め層１５１との界面で捕まり、非発光再結合が増加したことが原因と推測される。また、層厚の合計Ｄが４ｎｍよりも薄い場合は、Ｍｇの拡散が抑制できない。  
本実験では、発光部１４０の内側障壁層１４１ｃの層厚は１３．５μｍであり、このことから、第１の部分１４３ａと第２の部分１４３ｂとの層厚の合計Ｄは、発光部１４０の内側障壁層１４１ｃよりも薄くすることが望ましい。
【００８１】
また、素子の再現性と生産性を考えると、第１の部分１４３ａ及び第２の部分１４３ｂの層厚の合計Ｄは、７ｎｍ以上、１２ｎｍ以下が望ましい。
【００８２】
次に、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂついて説明する。  
表２は、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂと素子特性の関係について調べた実験結果を例示している。すなわち、同表は、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂと平均放射束の関係を例示しており、同表中の×印は放射束が１０ｍＷ以下であることを表し、△印は放射束が１０ｍＷ以上１３ｍＷ未満であることを表し、○印は放射束が１３ｍＷ以上１５ｍＷ未満であることを表し、◎印は放射束が１５ｍＷ以上であることを表している。  
【表２】
2010067709.tif 000004
表２に表したように、放射束は、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂが、４．５ｎｍの時に一番大きく、そして、９ｎｍの時に低くなった。そして、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂが０ｎｍ、すなわち、第２の部分１４３ｂを設けない比較例の場合には、放射束は低かった。
【００８３】
そして、同表には記載していないが、層厚ｔｂが１０ｎｍ以上では、ＰＬ強度が著しく減少した。  
従って、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂは、３ｎｍ以上９ｎｍ以下が望ましい。  
さらに、素子特性の再現性や生産性に優れているのは、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂが、３ｎｍ以上、６ｎｍ以下の時である。
【００８４】
第１の実施形態に係る半導体発光素子１０では、第２の部分１４３ｂの層厚ｔｂは４．５ｎｍとされ、そして、第１の部分１４３ａの層厚も４．５ｎｍとされている。なお、この時、第１の部分１４３ａと第２の部分１４３ｂとの層厚の合計Ｄは、９ｎｍであり、図２で説明した放射束が最大となる条件である。
【００８５】
次に、第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度について説明する。  
図３は、本発明の第１の実施形態に係る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、第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度と、発光効率との関係を調べた実験結果を例示しており、横軸は、第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度Ｃ３を表し、縦軸は平均放射束を表す。
【００８６】
図３に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度Ｃ３が減少するにつれ平均放射束が増加し、ノンドープの場合（Ｓｉ濃度が約１×１０１６ｃｍ−３）に、平均放射束は最大となった。なお、このＳｉ濃度１×１０１６ｃｍ−３の値は、意図してドープしない場合においてもＳｉが含有されている濃度、すなわち、バックグラウンドレベルの濃度である。
【００８７】
図３から、第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度Ｃ３は、１×１０１６ｃｍ−３以上、９．０×１０１８ｃｍ−３以下とすることができる。この範囲の第２の部分１４３ｂのＳｉ濃度Ｃ３において、素子特性の再現性と生産性に優れている。
【００８８】
以下、ｐ型閉じ込め層１５１のＭｇ濃度について説明する。  
本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、４元混晶ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層１４１により、発光部１４０の結晶品質が改善したため、ｐ型閉じ込め層１５１に、従来よりもＭｇを高濃度にドープすることが可能になる。
【００８９】
表３は、ｐ型閉じ込め層１５１の平均Ｍｇ濃度Ｃ４と素子特性の関係を調べた実験結果を例示している。すなわち、同表は、ｐ型閉じ込め層１５１の平均Ｍｇ濃度Ｃ４に対し、放射束とＰＬ強度の関係から素子特性を判定した結果を例示しており、同表中の×印は放射束が１０ｍＷ以下であることを表し、△印は放射束が１０ｍＷ以上１３ｍＷ未満であることを表し、○印は放射束が１３ｍＷ以上１５ｍＷ未満であることを表し、◎印は放射束が１５ｍＷ以上であることを表している。  
【表３】
2010067709.tif 000005
【００９０】
表３に表したように、ｐ型閉じ込め層１５１の平均Ｍｇ濃度Ｃ４が増加するにつれ放射束は増加し、平均Ｍｇ濃度Ｃ４が１．１５×１０１９ｃｍ−３の時に放射束は最大となった。そして、平均Ｍｇ濃度Ｃ４がさらに増えると放射束は減少した。  
表３から、ｐ型閉じ込め層１５１の平均Ｍｇ濃度Ｃ４は、０．９×１０１９ｃｍ−３〜１．６×１０１９ｃｍ−３が望ましい。
【００９１】
ただし、この値は平均Ｍｇ濃度Ｃ４の値であり、実際には、ｐ型閉じ込め層１５１のＭｇ濃度には、分布がある。  
すなわち、ｐ型閉じ込め層１５１のＭｇ濃度は、第２の部分１４３ｂの側が高く、その時２×１０１９ｃｍ−３であり、表面側（第２の部分１４３ｂとは反対の側）が低く、その時８×１０１８ｃｍ−３の時に良好な結果が得られた。  
すなわち、ｐ型閉じ込め層１５１のＭｇ濃度は、８×１０１８ｃｍ−３〜２×１０１９ｃｍ−３とすることができる。また、ｐ側閉じ込め層１５１における平均Ｍｇ濃度Ｃ４は、２×１０１９ｃｍ−３とすることもできる。
【００９２】
また、ｐ型コンタクト層１５０のＭｇ濃度についても分布があり、ｐ型コンタクト層１５０のｐ型閉じ込め層１５１側のＭｇ濃度が、表面側（ｐ型閉じ込め層１５１とは反対の側）よりも低い時に効率が向上した。  
すなわち、ｐ型コンタクト層１５０のＭｇ濃度は、発光部１４０の側で低く、表面側（発光部１４０とは反対の側）で高くなっている。これにより、正孔の注入を阻害するｐ型閉じ込め層１５１中のピエゾ電界を打ち消し、動作電圧の低減とともにキャリア閉じ込め効果を改善することができる。
【００９３】
すなわち、ｐ型コンタクト層１５０のｐ型閉じ込め層１５１側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で、表面側（ｐ型閉じ込め層とは反対の側）のＭｇ濃度が５〜９×１０１９ｃｍ−３の時に効率が向上した。  
ｐ型コンタクト層１５０の表面付近のＭｇ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上では発光部１４０への拡散が生じ、効率と信頼性が劣化する。また、５×１０１９ｃｍ−３以下では動作電圧が上昇する。
【００９４】
また、ｐ型閉じ込め層１５１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２≦ｘ≦０．３２）を用いることが望ましい。すなわち、上記の組成式において、ｘが０．２〜０．３２の素子では良好な特性を示したが、ｘが０．３５の素子を作製したところ効率が低かった。このことから、ｐ型閉じ込め層１５１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２≦ｘ≦０．３２）からなることが望ましい。
【００９５】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２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４に表したように、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子２０は、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、高炭素濃度のＡｌＮからなる第１バッファ層１２１、高純度のＡｌＮからなる第２バッファ層１２２、ノンドープのＧａＮからなる格子緩和層１２３、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１３０、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型閉じ込め層１３１、発光部１４０、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型閉じ込め層１５１、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１５０、が積層された構造を有する。
【００９６】
第１バッファ層１２１、第２バッファ層１２２、格子緩和層１２３、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ型閉じ込め層１３１、ｐ型閉じ込め層１５１、及び、ｐ型コンタクト層１５０には、第１の実施の形態で説明した材料及び構成を用いることができる。
【００９７】
本実施形態に係る半導体発光素子２０においては、発光部１４０は、Ｓｉドープのｎ型ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層１４１と、ＧａＩｎＮからなる井戸層１４２と、とが交互に６周期積層されてなる多重量子井戸構造を有している。  
ここで、上記のＡｌＧａＩｎＮは、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）である。  
なお、井戸層１４２には、ＧａＩｎＮだけでなく、ＡｌＧａＩｎＮも用いることができる。
【００９８】
そして、本実施形態に係る半導体発光素子２０の発光部１４０においては、井戸層１４２に挟まれた障壁層１４１、すなわち、内側障壁層１４１ｃにおいてはＳｉ濃度に分布が設けられているすなわち、内側障壁層１４１ｃは、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃと、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄと、の積層構造を有している。
【００９９】
すなわち、発光部１４０において、井戸層１４２に挟まれた障壁層１４１、すなわち、内側障壁層１４１ｃのそれぞれが、ｎ側閉じ込め層（第１の層）１３１の側に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる層状の第３の部分１４３ｃと、ｐ型閉じ込め層（第２の層）１５１の側に設けられ、第３の部分１４３ｃにおけるＳｉ濃度よりも高い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる層状の第４の部分１４３ｄと、を有する。
【０１００】
低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃには、例えばＡｌ０．０８Ｇａ０．９Ｉｎ０．０２Ｎを用いることができ、例えば、Ｓｉ濃度は１×１０１６ｃｍ−３とされ、膜厚は４．５ｎｍとすることができる。  
高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄには、例えばＡｌ０．０８Ｇａ０．９Ｉｎ０．０２Ｎを用いることができ、例えば、Ｓｉ濃度は２×１０１９ｃｍ−３とされ、膜厚は９ｎｍとすることができる。
【０１０１】
ただし、第３の部分１４３ｃにおけるＳｉ濃度は、第４の部分１４３ｄにおけるＳｉ濃度に対して相対的に低くければ良い。すなわち、内側障壁層１４１ｃのそれぞれにおいて、井戸層１４２のそれぞれから見たｎ型閉じ込め層１３１の側において、ｐ側閉じ込め層１５１の側からｎ側閉じ込め層１３１の側への方向に進むに従って、Ｓｉ濃度が低下する濃度分布を有していれば良い。
【０１０２】
なお、この時、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度は、ｎ側障壁層１４１ｂにおけるＳｉ濃度よりも低く設定することができる。  
例えば、ｐ側障壁層１４１ａには、Ｓｉ濃度の低いＡｌ０．０８Ｇａ０．９Ｉｎ０．０２Ｎを用いることができ、例えば、Ｓｉ濃度は１×１０１６ｃｍ−３とされ、膜厚は９ｎｍとすることができる。なお、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度は、第３の部分１４３ｃにおけるＳｉ濃度と同等でも良く、異なっても良い。また膜厚も同じであっても、異なっても良い。  そして、ｎ側障壁層１４１ｂには、例えばＡｌ０．０８Ｇａ０．９Ｉｎ０．０２Ｎを用いることができ、例えば、Ｓｉ濃度は２×１０１９ｃｍ−３とされ、膜厚は９ｎｍとすることができる。
【０１０３】
そして、発光部１４０の井戸層１４２には、例えば膜厚が４．５ｎｍのＧａＩｎＮを用いることができ、発光部１４０から放出される発光のピーク波長は３７０〜４００ｎｍの近紫外とすることができる。
【０１０４】
低Ｓｉ濃度の障壁層１４３ｂのそれぞれは、高Ｓｉ濃度の障壁層１４１のそれぞれよりもｎ型閉じ込め層１３１の側に配置される。
【０１０５】
この低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃ及び高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄを挟む井戸層１４２が４層設けられ、４層の井戸層１４２のそれぞれの間に、内側障壁層１４１ｃとなる第３の部分１４３ｃ及び高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄがそれぞれ設けられる。
【０１０６】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子２０では、内側障壁層１４１ｃが、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃと高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄとの組み合わせで構成される。
【０１０７】
なお、本具体例では、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃをノンドープの層にして、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃと高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄとで、Ｓｉの濃度分布を変化させている。この濃度分布は、２段階に濃度差をつけるだけではなく、連続的に徐々に濃度を変化させても良く、その変化は、線形でも良く、また非線形でも良い。
【０１０８】
次に、上記のような構成を有する障壁層１４１におけるＳｉの濃度分布と井戸層１４２にかかるピエゾ電界の関係について説明する。  
井戸層１４２には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層１４２と、井戸層１４２から見てｐ型閉じ込め層１５１の側に接する障壁層１４１との界面では、正のチャージが井戸層１４２から障壁層１４１へ染み出す。一方、井戸層１４２と、井戸層１４２から見てｎ型閉じ込め層１３１の側に接する障壁層１４１の界面では、負のチャージが井戸層１４２から障壁層１４１へ染み出す。
【０１０９】
井戸層１４２のｐ型閉じ込め層１５１の側には電子が多く存在するので、障壁層１４１から電子を供給する必要がない。よって、この界面に接する障壁層１４１は、低Ｓｉ濃度でも良い。すなわち、井戸層１４２から見てｐ型閉じ込め層１５１の側で接する障壁層１４１として、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃが配置される。
【０１１０】
一方、井戸層１４２のｎ型閉じ込め層１３１の側には電子があまり存在しないため、障壁層１４１から電子を供給する必要がある。よって、この界面に接する障壁層１４１は、高いＳｉ濃度が必要となる。すなわち、井戸層１４２から見てｎ型閉じ込め層１３１の側の障壁層として、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄが配置される。
【０１１１】
すなわち、井戸層１４２のｐ型閉じ込め層１５１の側には、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃが配置され、井戸層１４２のｎ型閉じ込め層１３１の側には、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄが配置される。言い換えれば、井戸層１４２に挟まれた内側障壁層１４１ｃのそれぞれにおいて、ｐ型閉じ込め層１５１の側からｎ側閉じ込め層１３１の側への方向に進むに従ってＳｉ濃度が低下する。
【０１１２】
上記のように、内側障壁層１４１ｃにおいてＳｉ濃度を変化させることにより、発光効率の向上が可能となる。さらに、これに加えて発光スペクトルの半値の狭化を実現することができる。
【０１１３】
すなわち、井戸層１４２と、井戸層１４０から見てｎ型閉じ込め層１３１の側で接する第４の部分１４３ｄの界面に注目すると、その界面では、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄから多量の電子が井戸層１４２に流れ込み、第４の部分１４３ｄには正のチャージを持ったＳｉが多量に残る。この界面での電子濃度とＳｉ濃度の分布は、ピエゾ電界を打ち消す働きがあり、その結果、ピエゾ電界が弱まる。ピエゾ電界が弱まると、ピエゾ電界により曲げられていたＭＱＷのエネルギーバンドが平らになり、それによって、発光効率が向上する。また、発光スペクトルの半値幅は狭くなる。
【０１１４】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子２０によれば、内側障壁層１４１ｃの内部でＳｉ濃度を変化させて発光部１４０にかかる電界を制御することで、発光効率を増大させ、高効率の近紫外発光の半導体発光素子が提供できる。
【０１１５】
さらに、本実施形態に係る半導体発光素子２０において、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度を、ｎ側障壁１４１ｂにおけるＳｉ濃度よりも低く設定することにより、信頼性の向上、及び、半導体発光素子２０の駆動電圧の低減が実現できる。
【０１１６】
すなわち、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度を低くすることで、ｐ型閉じ込め層１５１に最も近い井戸層１４２から、ｐ型閉じ込め層１５１の側への電子のオーバーフローが減少する。よって、半導体発光素子の信頼性が向上する。
【０１１７】
そして、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度を低くすることで、ｐ側障壁層１４１ａのエネルギーの高さが下がり、正孔が入りにくくなり、半導体発光素子２０の電圧低減に有効である。
【０１１８】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子２０において、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度を低くすることで、発光効率を向上し、高効率の近紫外発光の、信頼性が高く、駆動電圧が低い半導体発光素子を提供できる。
【０１１９】
上記の具体例では、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度は均一であったが、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０のように、ｐ側障壁層１４１ａは、高Ｓｉ濃度の第１の部分１４３ａと低Ｓｉ濃度の第２の部分１４３ｂを有していても良い。その際、Ｓｉ濃度の分布は、多段的に変化させても良く、また連続的に変化させても良く、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度が、ｎ側障壁層１４１ｂよりも低くなるように設定されれば良い。また、ｐ側障壁層１４１ａにおけるＳｉ濃度は、内側障壁層１４１ｃのＳｉ濃度、すなわち、第３の部分１４３ｃ及び第４の部分１４３ｄを合わせた時のＳｉ濃度よりも低く設定することもできる。
【０１２０】
次に、障壁層１４１の成長技術について説明する。結晶品質の良い４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ層を成長することは難しく、さらにＳｉを高濃度にドープすると結晶は劣化しやすい。我々は、これまでＬＥＤ素子構造の検討や成長条件を最適化することにより、結晶品質を落とすことなく、ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層１４１のＩｎ組成比を高くすることに成功している。
【０１２１】
例えば、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０の場合は、障壁層１４１の膜厚が厚いため、Ｉｎ組成は、１％程度が限界であったが、本実施形態に係る半導体発光素子２０の構造を用いると、内側障壁層１４１ｃにおける高Ｓｉ濃度を施す障壁層（第４の部分１４３ｄ）の膜厚を薄くできるため、Ｉｎを２％入れても、結晶が劣化せず、強い発光が得られた。
【０１２２】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮからなる井戸層１４２との界面の急峻性が良くなり、ＭＱＷの結晶性が向上し、その結果、ＡｌＧａＩｎＮからなる第４の部分１４３ｄにＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１２３】
また、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄの膜厚を薄くすることによって、Ｓｉをさらに高濃度ドープすることが可能になった。
【０１２４】
本実施形態に係る半導体発光素子２０において、非常に高いＳｉ濃度を持つ第４の部分１４３ｄを形成することが重要であり、これにより発光効率が大きく向上する。
【０１２５】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３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５に表したように、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子３０においては、ｐ型コンタクト層１５０のｐ側電極１６０との界面に、凹凸１５０ａが設けられている。これに以外は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様なので説明を省略する。
【０１２６】
この凹凸１５０ａにより、ｐ型コンタクト層１５０とｐ側電極１６０との密着性が向上し、また、発光光が拡散して外に放射される効果がある。
【０１２７】
このような構造の半導体発光素子３０により、さらに高効率の近紫外発光の半導体発光素子が提供できる。
【０１２８】
なお、上記の凹凸１５０ａは、第２の半導体発光素子２０において設けても良い。すなわち、発光部１４０の内部障壁層１４１ｃを、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃと、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄの組み合わせの障壁としても良い。この時、さらに、ｐ側障壁層１４１ａに、第１の実施形態で説明したように、高Ｓｉ濃度の第１の部分１４３ａと低Ｓｉ濃度の第２の部分１４３ｂとを設けても良い。これらの場合においても、凹凸１５０ａによる同様の効果が得られる。
【０１２９】
（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４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６に表したように、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子４０は、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の上に、第１の実施形態で説明したｎ型閉じ込め層１３１、発光部１４０、ｐ型閉じ込め層１５１、及び、ｐ型コンタクト層１５０が順に設けられている。そして、ｐ型コンタクト層１５０の上にｐ側電極１６０が設けられている。さらに、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の裏面１３３ａの側に、凹凸１３３ｂを設けられ、ｎ側電極１７０は、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の裏面１３３ａの側に、凹凸１３３ｂに接して設けられている。これに以外は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様なので説明を省略する。
【０１３０】
本実施形態に係る半導体発光素子４０では、第１の実施形態で説明したサファイアからなる基板１１０を用いず、転位密度の少ない結晶品質のｎ型ＧａＮウェーハ１３３を使用する。
【０１３１】
そして、本実施形態に係る半導体発光素子４０においては、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３を用いることにより、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の層み方向に電流を流すことができ、動作電圧を下げる効果がある。
【０１３２】
このような構造の半導体発光素子４０においても、第１の実施形態と同様に、高効率で低動作電圧の近紫外発光の半導体発光素子が提供できる。
【０１３３】
なお、本実施形態で説明したｎ型ＧａＮウェーハ１３３を第２の実施形態に係る半導体発光素子２０に適用しても良い。すなわち、発光部１４０の内部障壁層１４１ｃを、低Ｓｉ濃度の第３の部分１４３ｃと、高Ｓｉ濃度の第４の部分１４３ｄの組み合わせの障壁としても良い。この時、さらに、ｐ側障壁層１４１ａに、第１の実施形態で説明したように、高Ｓｉ濃度の第１の部分１４３ａと低Ｓｉ濃度の第２の部分１４３ｂとを設けても良い。これらの場合においても、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３による同様の効果が得られる。
【０１３４】
（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５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７に表したように、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子５０は、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の上に、第１の実施形態で説明したｎ型閉じ込め層１３１、発光部１４０、ｐ型閉じ込め層１５１、及び、ｐ型コンタクト層１５０を順に設けられている。そして、ｐ型コンタクト層１５０の上面に凹凸１５０ａが設けられ、その上にｐ側電極１６０が設けられている。さらに、ｐ側ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の裏面１３３ａの側に、凹凸１３３ｂが設けられ、ｎ側電極１７０は、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の裏面１３３ａの側に、凹凸１３３ｂに接して設けられている。これ以外は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１０と同様なので説明を省略する。
【０１３５】
本実施形態に係る半導体発光素子５０では、第１の実施形態で説明したサファイアからなる基板１１０を用いず、転位密度の少ない結晶品質のｎ型ＧａＮウェーハ１３３を使用する。
【０１３６】
そして、本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３を用いることにより、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の層み方向に電流を流すことができ、動作電圧を下げる効果がある。
【０１３７】
このような構造の半導体発光素子５０においても、第１の実施形態と同様に、高効率で低動作電圧の近紫外発光の半導体発光素子が提供できる。
【０１３８】
そして、ｐ型コンタクト層１５０に凹凸１５０ａを設けると同時に、ｎ型ＧａＮウェーハ１３３の裏面に凹凸１３３ｂを設けることで、さらに効率を向上することができる。
【０１３９】
なお、本実施形態で説明したｎ型ＧａＮウェーハ１３３及び凹凸１５０ａを第２の実施形態に係る半導体発光素子２０に適用しても良い。
【０１４０】
（第６の実施の形態）
図８は、本発明の第６の実施形態に係るウェーハ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、本発明の第６の実施形態に係るウェーハ６０は、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層１３１と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層と、前記第１の層１３１と前記第２の層１５１との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層１４１と、前記複数の障壁層１４１のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層１４２と、を有する発光部１４０であって、前記障壁層１４１のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層１４１が、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分１４３ａと、前記第１の部分１４３ａと前記第２の層１５１との間に設けられ、前記第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度よりも低く、前記障壁層のうち、前記第２の層に最も近い前記障壁層以外の障壁層におけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分１４３ｂと、を有する発光部１４０と、を備える。
【０１４１】
このような構造のウェーハ６０により、第１の実施形態と同様に、高効率の近紫外発光を実現するウェーハが提供できる。
【０１４２】
そして、第１の実施形態に関して説明したのと同様に、ウェーハ６０において、前記第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、前記障壁層１４１のうち、前記第２の層１５１に最も近い前記障壁層１４１以外の障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ）におけるＳｉ濃度以下とすることができる。そして、前記第１の部分１４３ａは、前記井戸層１４２に接する。
【０１４３】
そして、前記第２の部分１４３ｂの層厚は、３ｎｍ以上９ｎｍ以下とすることが望ましい。  
また、前記第２の部分１４３ｂにおけるＳｉ濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上９．０×１０１８ｃｍ−３以下が望ましい。
【０１４４】
また、前記障壁層１４１のうち、前記第２の層１５１に最も近い前記障壁層１４１以外の障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ及び内側障壁層１４１ｃ）におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。  
また、前記第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。
【０１４５】
（第７の実施の形態）
図９は、本発明の第７の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。  
図９に表したように、本発明の第７の実施形態に係るウェーハ７０は、ｎ型ＧａＮ及びｎ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第１の層１３１と、Ｍｇを含有するｐ型ＡｌＧａＮからなる第２の層１５１と、前記第１の層１３１と前記第２の層１５１との間に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる複数の障壁層１４１と、前記複数の障壁層１４１のそれぞれの間に設けられ、ＧａＩｎＮまたはＡｌＧａＩｎＮからなる井戸層１４２と、を有する発光部１４０であって、前記井戸層１４２に挟まれた前記障壁層１４１のそれぞれが、前記第１の層１３１の側に設けられ、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第３の部分１４３ｃと、前記第２の層１５１の側に設けられ、前記第３の部分１４３ｃにおけるＳｉ濃度よりも高い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第４の部分１４３ｄと、有する発光部１４０と、を備える。
【０１４６】
このような構造のウェーハ７０により、第２の実施形態と同様に、高効率の近紫外発光を実現するウェーハが提供できる。
【０１４７】
そして、第２の実施形態に関して説明したのと同様に、ウェーハ７０において、前記障壁層１４１のうち、前記第２の層１５１に最も近い障壁層１４１（ｐ側障壁層１４１ａ）におけるＳｉ濃度は、前記障壁層１４１のうち、前記第１の層１３１に最も近い障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ）におけるＳｉ濃度よりも低く設定することができる。
【０１４８】
また、前記障壁層１４１のうち、前記第２の層１５１に最も近い障壁層１４１（ｐ側障壁層１４１ａ）は、Ｓｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第１の部分１４３ａと、前記第１の部分１４３ａと前記第２の層１５１との間に設けられ、前記第１の部分１４３ａにおけるＳｉ濃度よりも低い濃度でＳｉを含有するＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦1）からなる第２の部分１４３ｂと、を有することができる。
【０１４９】
また、前記第４の部分１４３ｄにおけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【０１５０】
また、前記障壁層１４１のうち、前記第１の層１３１に最も近い前記障壁層１４１（ｎ側障壁層１４１ｂ）におけるＳｉ濃度は、１．１×１０１９ｃｍ−３以上、３×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。
【０１５１】
そして、第１及び第２の実施形態に関して説明したのと同様に、ウェーハ６０及びウェーハ７０において、前記第２の層１５１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．２≦ｘ≦０．３２）からなることができる。  
また、前記第２の層１５１の前記発光部１４０の側におけるＭｇ濃度は、前記第２の層１５１の前記発光部１４０とは反対の側におけるＭｇ濃度よりも高く設定することができる。  
また、前記第２の層１５１のＭｇ濃度は、８×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下に設定することができる。
【０１５２】
そして、ウェーハ６０及びウェーハ７０において、前記第２の層１５１の前記発光部１４０とは反対の側に設けられ、ｐ型ＧａＮ及びｐ型ＡｌＧａＮの少なくともいずれかからなる第３の層（ｐ型コンタクト層）１５０をさらに備え、前記第３の層１５０の前記第１の層１３１の側におけるＭｇ濃度は、前記第３の層１５０の前記第１の層１３１とは反対の側におけるＭｇ濃度よりも低く設定することができる。
【０１５３】
また、ウェーハ６０及びウェーハ７０において、前記発光部１４０から放出される発光のピーク波長は、３７０〜４００ｎｍの範囲に設定することができる。  
そして、前記発光部１４０は、サファイアｃ面からなる基板１１０上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０．８≦ｘ≦１）の組成範囲の単結晶バッファ層を介して成長したＧａＮ層上に設けられることができる。  
前記単結晶バッファ層は、前記基板１１０上に設けられた第２バッファ１２２と、前記第第２バッファ層１２２と前記基板１１０との間に設けられ、前記第２バッファ層１２２よりも炭素濃度が高く、厚さが３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下の第１バッファ層を有することができる。
【０１５４】
また、本発明の実施形態に係るウェーハ６０及びウェーハ７０において、第３、第４及び第５の実施形態で説明した凹凸１５０ａ、１３３ｂを設けても良い。
【０１５５】
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、半導体発光素子及びウェーハを構成する各要素の具体的な構成に関しては、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。
【０１５６】
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及びウェーハを基にして、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及びウェーハも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１５７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
【図４】本発明の第２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５】本発明の第３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６】本発明の第４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７】本発明の第５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８】本発明の第６の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図９】本発明の第７の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１０、２０、３０、４０、５０  半導体発光素子
６０、７０  ウェーハ
１１０  基板
１２１  第１バッファ層
１２２  第２バッファ層
１２３  格子緩和層
１３０  ｎ型コンタクト層
１３１  ｎ型閉じ込め層（第１の層）
１３３  ウェーハ
１３３ａ  裏面
１３３ｂ  凹凸
１４０  発光部
１４１  障壁層
１４１ａ  ｐ側障壁層
１４１ｂ  ｎ側障壁層
１４１ｃ  内側障壁層
１４２  井戸層
１４３ａ  第１の部分（高Ｓｉ濃度層）
１４３ｂ  第２の部分（低Ｓｉ濃度層）
１４３ｃ  第３の部分（低Ｓｉ障壁層）
１４３ｄ  第４の部分（高Ｓｉ障壁層）
１５０  ｐ型コンタクト層（第３の層）
１５０ａ  凹凸
１５１  ｐ型閉じ込め層（第２の層）
１６０  ｐ側電極
１７０  ｎ側電極
【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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