(57)【要約】【課題】高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を形成することが可能な窒化物半導体層の製造方法、および、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】単結晶基板１の上記一表面側にｎ形窒化物半導体層３と窒化物半導体発光層６とｐ形窒化物半導体層７とを有し、窒化物半導体発光層６およびｐ形窒化物半導体層７がＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、窒化物半導体発光層６およびｐ形窒化物半導体層７それぞれの窒化物半導体層であるＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を成長速度が０．０９μｍ／ｈよりも小さくなる条件で成長させている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）からなる窒化物半導体層の製造方法であって、単結晶基板の一表面側にＭＯＶＰＥ法により前記窒化物半導体層を成長させるにあたり、成長速度が０．０９μｍ／ｈよりも小さくなる条件で成長させることを特徴とする窒化物半導体層の製造方法。
【請求項２】
単結晶基板の一表面側にｎ形窒化物半導体層と窒化物半導体発光層とｐ形窒化物半導体層とを有し、少なくとも窒化物半導体発光層がＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、少なくとも窒化物半導体発光層のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を請求項１記載の窒化物半導体層の製造方法により形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
単結晶基板の一表面側にｎ形窒化物半導体層と窒化物半導体発光層とｐ形窒化物半導体層とを有し、少なくともｐ形窒化物半導体層がＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、少なくともｐ形窒化物半導体層のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を請求項１記載の窒化物半導体層の製造方法により形成することを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の製造方法により製造された窒化物半導体発光素子であって、請求項１記載の窒化物半導体層の製造方法により形成されるＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層のＡｌの組成比ａが０．３以上であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記窒化物半導体発光層の発光波長が２５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で設定されていることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層の製造方法、ＡｌＧａＩｎＮ層を用いた窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可視光〜紫外線の波長域で発光する窒化物半導体発光素子は、低消費電力、小型という利点から、衛生、医療、工業、照明、精密機械などの様々な分野への応用が期待されており、青色光の波長域など、一部の波長域では既に実用化に至っている。
【０００３】
しかしながら、窒化物半導体発光素子においては、青色光を発光する窒化物半導体発光素子（以下、青色発光ダイオードと称する）に限らず、発光効率および光出力のより一層の向上が望まれている。特に、紫外線の波長域の光を発光する窒化物半導体発光素子（以下、紫外発光ダイオードと称する）は、現状では、青色発光ダイオードに比べて外部量子効率および光出力が著しく劣るという問題が実用化への大きな障壁となっており、その原因の一つに発光層の発光効率（以下、内部量子効率と称する）が低いこと、ｎ形窒化物半導体層およびｐ形窒化物半導体層の抵抗が高いこと、などが挙げられる。
【０００４】
ここにおいて、窒化物半導体（窒化物混晶）により構成される発光層の内部量子効率は、当該発光層に高密度に形成されてしまう転位や点欠陥、さらには、成長中に意図せず取り込まれてしまう不純物（例えば、酸素）などにより著しく低下してしまい、特に、構成元素としてＡｌを含むＡｌＧａＮ三元混晶からなる発光層では、高品質な結晶を成長させることができず、内部量子効率の低下が非常に顕著であった。そこで、転位や欠陥の影響を受けにくい発光層材料の開発が望まれ、ＡｌＧａＩｎＮ四元混晶が注目されるに至り、ＡｌＧａＮにＩｎを加えることにより、紫外発光ダイオードの発光層の内部量子効率が向上し、室温においても明瞭な発光を観測できるようになった。
【０００５】
ここで、８３０℃ないし９５０℃の成長温度で結晶成長されたＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体発光層であって、Ａｌの導入によりＩｎを誘発的に導入して、Ｉｎの組成比が２％ないし２０％であり、かつ、Ａｌの組成比が１０％ないし９０％であり、ＡｌとＧａとＩｎとの組成比の合計が１００％となり、波長が２８０ｎｍないし３６０ｎｍの深紫外域において室温で発光する窒化物半導体発光層を備えた紫外発光ダイオードが提案されている。ここにおいて、上記特許文献１に記載の紫外発光ダイオードでは、ＭＯＶＰＥ法によるＡｌＧａＩｎＮ層の成長速度を０．１２μｍ／ｈに設定してあり、ＡｌＧａＮ層に比べて発光強度が改善されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３４０８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載の構成においても、外部量子効率が高効率な紫外発光ダイオードを実現するためには、依然として発光層の内部量子効率が不十分であり、さらなる改善が必要なのが現状である。
【０００８】
ところで、Ａｌを含有した窒化物半導体層の製造過程において、一般的な成長温度は１０００℃以上の高温であり、例えば、ＡｌＮ層においては１１５０℃以上、ＡｌＧａＮ層においては１０００〜１２００℃が一般的である。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１で提案されたＡｌＧａＩｎＮ層を用いた紫外発光ダイオードでは、ＡｌＧａＩｎＮ層の成長中のＩｎの脱離を抑制するために、成長温度を１０００℃よりも低い８３０〜９５０℃に設定してあり、このような成長温度で成長速度を０．１２μｍ／ｈに設定した場合、結晶成長基板である単結晶基板の一表面側の成長表面でのＡｌ原子の拡散（マイグレーション）が十分に行われず、空孔、格子間原子などの点欠陥の発生が起こりやすくなってしまう。特に、Ａｌの組成の高いＡｌＧａＩｎＮ層を形成しようとした場合、このような点欠陥の発生がより起こりやすくなる。そして、このような点欠陥は、発光層の内部量子効率を著しく減少させる要因となってしまうので、より欠陥の少ない高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層およびそれを用いた窒化物半導体発光素子の開発が望まれていた。
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を形成することが可能な窒化物半導体層の製造方法、および、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子の製造方法および窒化物半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）からなる窒化物半導体層の製造方法であって、単結晶基板の一表面側にＭＯＶＰＥ法により前記窒化物半導体層を成長させるにあたり、成長速度が０．０９μｍ／ｈよりも小さくなる条件で成長させることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、単結晶基板の一表面側にＭＯＶＰＥ法により前記窒化物半導体層を成長させるにあたり、成長速度が０．０９μｍ／ｈよりも小さくなる条件で成長させるので、従来のように成長速度が０．１２μｍ／ｈの場合に比べてＡｌ原子の表面マイグレーションが促進され、欠陥の少ない高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を形成することが可能となる。
【００１３】
請求項２の発明は、単結晶基板の一表面側にｎ形窒化物半導体層と窒化物半導体発光層とｐ形窒化物半導体層とを有し、少なくとも窒化物半導体発光層がＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、少なくとも窒化物半導体発光層のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を請求項１記載の窒化物半導体層の製造方法により形成することを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を提供することができ、少なくとも、点欠陥の影響を受けやすい窒化物半導体発光層中の点欠陥を低減できて窒化物半導体発光層の高品質化を図れるので、窒化物半導体発光層の内部量子効率を向上できて高出力化が可能となる。
【００１５】
請求項３の発明は、単結晶基板の一表面側にｎ形窒化物半導体層と窒化物半導体発光層とｐ形窒化物半導体層とを有し、少なくともｐ形窒化物半導体層がＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、少なくともｐ形窒化物半導体層のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を請求項１記載の窒化物半導体層の製造方法により形成することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を提供することができ、少なくとも、点欠陥の影響を受けやすいｐ形窒化物半導体層の電気的特性を改善することが可能となる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項２または請求項３記載の製造方法により製造された窒化物半導体発光素子であって、請求項１記載の窒化物半導体層の製造方法により形成されるＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層のＡｌの組成比ａが０．３以上であることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、従来に比べて高品質のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（ａ≧０．３）からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を実現できる。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記窒化物半導体発光層の発光波長が２５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で設定されていることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、発光波長が紫外域の発光ダイオードを実現できるので、水銀ランプや、エキシマランプなどの深紫外光源の代替光源として用いることが可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明では、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を形成することが可能となるという効果がある。
【００２２】
請求項２，３の発明では、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を提供することができるという効果がある。
【００２３】
請求項４の発明では、従来に比べて高品質のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（ａ≧０．３）からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態の窒化物半導体発光素子の概略断面図である。
【図２】同上の実施例の電流注入発光スペクトル図である。
【図３】同上の実施例の電流と光出力および外部量子効率との関係図である。
【図４】同上の発光層のフォトルミネッセンス測定結果を示すＰＬスペクトル図である。
【図５】同上の発光層のフォトルミネッセンス測定結果を示すＰＬスペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本実施形態の窒化物半導体発光素子は、紫外発光ダイオードであって、図１に示すように、エピタキシャル成長用の単結晶基板１の一表面側に第１のバッファ層２を介してｎ形窒化物半導体層３が形成され、ｎ形窒化物半導体層３の表面側に第２のバッファ層４を介して第３のバッファ層５が形成され、第３のバッファ層５の表面側に窒化物半導体発光層６が形成され、窒化物半導体発光層６の表面側にｐ形窒化物半導体層７が形成されている。なお、図示していないが、ｎ形窒化物半導体層３にはカソード電極が形成され、ｐ形窒化物半導体層７にはアノード電極が形成されている。
【００２６】
ここにおいて、単結晶基板１としては、上記一表面が（０００１）面、つまり、ｃ面のサファイア基板を用いている。
【００２７】
第１のバッファ層２は、ｎ形窒化物半導体層３の貫通転位を低減するとともにｎ形窒化物半導体層３の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が２．５μｍの単結晶のＡｌＮ層により構成してある。なお、第１のバッファ層２の膜厚は２．５μｍに限定するものではない。
【００２８】
第１のバッファ層２の形成にあたっては、サファイア基板からなる単結晶基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に導入した後、反応炉内の圧力を所定の成長圧力（例えば、１０ｋＰａ≒７６Ｔｏｒｒ）に保ちながら基板温度を所定温度（例えば、１２５０℃）まで上昇させてから所定時間（例えば、１０分間）の加熱を行うことにより単結晶基板１の上記一表面を清浄化し、その後、基板温度を上記所定温度と同じ成長温度（ここでは、１２５０℃）に保持した状態で、アルミニウムの原料であるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定し、且つ、窒素の原料であるアンモニア（ＮＨ３）の流量を標準状態で０．０５Ｌ／ｍｉｎ（５０ＳＣＣＭ）に設定してから、ＴＭＡｌとＮＨ３とを同時に反応炉内へ供給開始して単結晶のＡｌＮ層からなる第１のバッファ層２を成長させる。なお、第１のバッファ層２としては、単結晶のＡｌＮ層に限らず、単結晶のＡｌＧａＮ層を採用してもよい。
【００２９】
ｎ形窒化物半導体層３は、第１のバッファ層２上に形成されたＳｉドープのｎ形Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ｎ層で構成してある。ここで、ｎ形窒化物半導体層３の膜厚は２μｍに設定してあるが、特に限定するものではない。また、ｎ形窒化物半導体層３は、単層構造に限らず、多層構造でもよく、例えば、第１のバッファ層２上のＳｉドープのｎ形Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層と、当該ｎ形Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層上のＳｉドープのｎ形Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ｎ層とで構成してもよい。
【００３０】
ｎ形窒化物半導体層３の成長条件としては、成長温度を１１００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素の原料としてＮＨ３、ｎ形導電性を付与する不純物であるシリコン（Ｓｉ）の原料としてテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＨ２ガスとＮ２ガスとを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。なお、各原料は特に限定するものではなく、例えば、ガリウムの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、窒素の原料としてヒドラジン誘導体、シリコンの原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）を用いてもよい。
【００３１】
第２のバッファ層４は、窒化物半導体発光層６の貫通転位を低減するとともに窒化物半導体発光層６の残留歪みを低減するために設けたものであり、膜厚が３ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。ここで、第２のバッファ層４の組成は、バンドギャップエネルギが４．７ｅＶになるように設定してあるが、この値は特に限定するものではなく、窒化物半導体発光層６で発光した光が吸収されないバンドギャップエネルギになるように適宜設定すればよい。なお、第２のバッファ層４の膜厚は３ｎｍに限定するものではない。
【００３２】
ここにおいて、第２のバッファ層４の成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、窒素の原料としてＮＨ３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ２ガスを用いている。また、ＡｌＧａＩｎＮ層からなる第２のバッファ層４の成長速度は、０．０３μｍ／ｈとした。
【００３３】
第３のバッファ層５は、窒化物半導体発光層６の貫通転位および残留歪みを低減するとともに窒化物半導体発光層６の下地の平坦性を向上させ、さらには当該第３のバッファ層５で生成されたキャリアを利用して窒化物半導体発光層６のピエゾ電界を緩和するために設けたものであり、ドナーとなる不純物としてＳｉを添加（ドープ）した膜厚が１８ｎｍのｎ形のＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。つまり、第３のバッファ層５は、第２のバッファ層４と同一の構成元素により形成されている。ここで、第３のバッファ層５の組成は、第２のバッファ層４と同じに設定してある。要するに、第３のバッファ層５の組成は、当該第３のバッファ層５のバンドギャップエネルギが、発光層６で発光した光が吸収されないバンドギャップエネルギになるように適宜設定すればよい。なお、第３のバッファ層５の膜厚は１８ｎｍに限定するものではない。
【００３４】
ここにおいて、第３のバッファ層５の成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、窒素の原料としてＮＨ３、シリコンの原料としてＴＥＳｉを用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ２ガスを用いている。要するに、第３のバッファ層５の成長条件は、第２のバッファ層４の成長条件に対して、基本的には、原料としてＴＥＳｉが増えた点が相違するだけである。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）としている。また、ｎ形のＡｌＧａＩｎＮ層からなる第２のバッファ層４の成長速度は、０．０３μｍ／ｈとした。
【００３５】
また、窒化物半導体発光層６は、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造（本実施形態では、多重量子井戸構造となっているが、単一量子井戸構造でもよい）を有し、井戸層６ａと障壁層６ｂとを井戸層６ａの数が２となるように交互に積層してある。ここで、窒化物半導体発光層６は、各井戸層６ａを膜厚が１．７ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ層により構成し、井戸層６ａ，６ａ間の障壁層６ｂを膜厚が７ｎｍのＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮ層により構成し、井戸層６ａとｐ形窒化物半導体層８との間の障壁層６ｂを膜厚が１４ｎｍ（井戸層６ａ，６ａ間の障壁層６ｂを膜厚の２倍の膜厚）のＳｉドープのｎ形のＡｌＧａＩｎＮ層により構成してある。また、障壁層６ｂの組成は、第３のバッファ層と同様、バンドギャップエネルギが４．７ｅＶとなるように設定し（ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)とすれば、ａ≒０．６）、井戸層６ａの組成は、バンドギャップエネルギが４．４ｅＶとなるように設定してある（ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)とすれば、ａ≒０．３５）。なお、井戸層６ａおよび障壁層６ｂの各組成は限定するものではなく、例えば２５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で所望の発光波長に応じて適宜設定すればよい。また、井戸層６ａの数は特に限定するものではなく、例えば井戸層６ａを１つとした単一量子井戸構造を採用してもよい。また、障壁層６ｂおよび井戸層６ａの各膜厚も特に限定するものではない。また、窒化物半導体発光層６は、障壁層６ｂにＳｉを添加してあるが、Ｓｉの添加量は特に限定するものではなく、必ずしもＳｉを添加する必要はない。
【００３６】
ここにおいて、窒化物半導体発光層６の成長条件としては、成長温度を第３のバッファ層４と同じ８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、シリコンの原料としてＴＥＳｉ、窒素の原料としてＮＨ３を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ２ガスを用いている。ここで、ＴＥＳｉの流量は標準状態で０．０００９Ｌ／ｍｉｎ（０．９ＳＣＣＭ）とし、障壁層６ｂの成長時のみ供給するようにしている。また、窒化物半導体発光層６は、障壁層６ｂの成長時と井戸層６ａの成長時とでIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させる。ここにおいて、障壁層６ｂのＡｌの組成を井戸層６ａのＡｌの組成よりも大きくするために、ＴＭＡｌの流量は、障壁層６ｂの成長時には標準状態で０．００８Ｌ／ｍｉｎ（８ＳＣＣＭ）、井戸層６ａの成長時には標準状態で０．００１Ｌ／ｍｉｎ（１ＳＣＣＭ）とした。ここで、障壁層６ｂおよび井戸層６ａのいずれも、成長速度を０．０３μｍ／ｈとした。また、障壁層６ｂと第３のバッファ層５とが同じ組成に設定されているので、第３のバッファ層５の成長後、成長中断することなく、窒化物半導体発光層６のうち最下層の障壁層６ｂを成長することができる。
【００３７】
ｐ形窒化物半導体層７は、窒化物半導体発光層６上に形成されたＭｇドープのｐ形のＡｌＧａＩｎＮ層からなる第１のｐ形窒化物半導体層７ａと、第１のｐ形窒化物半導体層７ａ上に形成されたＭｇドープのｐ形のＡｌＧａＩｎＮ層からなる第２のｐ形窒化物半導体層７ｂと、第２のｐ形窒化物半導体層７ｂ上に形成されたＭｇドープのｐ形のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層からなる第３のｐ形窒化物半導体層７ｃとで構成してある。ここで、第１のｐ形窒化物半導体層７ａおよび第２のｐ形窒化物半導体層７ｂの各組成は、第１のｐ形窒化物半導体層７ａのバンドギャップエネルギが第２のｐ形窒化物半導体層７ｂのバンドギャップエネルギよりも大きくなるように設定してある。また、第２のｐ形窒化物半導体層７ｂの組成はバンドギャップエネルギが障壁層６ｂと同じになるように設定してある。また、ｐ形窒化物半導体層７は、ｐ形のＡｌＧａＩｎＮ層からなる第１のｐ形窒化物半導体層７ａの膜厚を１５ｎｍ、ｐ形のＡｌＧａＩｎＮ層からなる第２のｐ形窒化物半導体層７ｂの膜厚を５５ｎｍ、ｐ形Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層からなる第３のｐ形窒化物半導体層７ｃの膜厚を１５ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚は特に限定するものではない。
【００３８】
ここにおいて、ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形窒化物半導体層７ａおよび第２のｐ形窒化物半導体層７ｂの成長条件としては、成長温度を８００℃、成長圧力を上記所定の成長圧力（ここでは、１０ｋＰａ）とし、アルミニウムの原料としてＴＭＡｌ、ガリウムの原料としてＴＭＧａ、インジウムの原料としてＴＭＩｎ、窒素の原料としてＮＨ３、ｐ形導電性を付与する不純物であるマグネシウムの原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を用い、各原料を輸送するためのキャリアガスとしてはＮ２ガスを用いている。また、第３のｐ形窒化物半導体層７ｃの成長条件は、基本的に第２のｐ形窒化物半導体層７ｂの成長条件と同じであり、ＴＭＡｌの供給を停止している点が相違する。ここにおいて、第１〜第３のｐ形窒化物半導体層７ａ〜７ｃいずれの成長時もＣｐ2Ｍｇの流量は標準状態で０．０２Ｌ／ｍｉｎ（２０ＳＣＣＭ）とし、第１〜第３のｐ形窒化物半導体層７ａ〜７ｃそれぞれの組成に応じてIII族原料のモル比（流量比）を適宜変化させる。また、ｐ形のＡｌＧａＩｎＮ層からなる第１のｐ形窒化物半導体層７および第２のｐ形窒化物半導体層８の成長速度は、０．０３μｍ／ｈとした。
【００３９】
ところで、上述の各層２〜７を例示した材料および組成および膜厚で形成した実施例の窒化物半導体発光素子について電流注入発光スペクトルを測定した結果を図２に、同実施例の窒化物半導体発光素子について室温（ＲＴ）で電流注入発光させたときの電流−光出力および外部量子効率の関係を測定した結果を図３に示す。
【００４０】
図２から、Ｓｉを添加した第３のバッファ層５および障壁層６ｂを設けた実施例の窒化物半導体発光素子では、深紫外域の約２８０ｎｍに発光ピーク波長を有していることが分かる。また、図３において、「イ」が実施例の電流−光出力特性を、「ロ」が電流−外部量子効率特性をそれぞれ示しており、光出力は、最大で１０．６ｍＷ、外部量子効率は、最大で１．２％であった。
【００４１】
また、ＡｌＧａＩｎＮ層の成長速度がＡｌＧａＩｎＮ層の発光特性に与える影響を確認するために、図１の構造において、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ形窒化物半導体層３までを形成した後、膜厚が１８０ｎｍのＡｌＧａＩｎＮ層を形成し、室温（ＲＴ）でのＰＬ測定を行った結果を図４に示す。ここで、図４は、「イ」がＡｌＧａＩｎＮ層の成長速度を０．０６μｍ／ｈとした試料のＰＬスペクトルを示し、「ロ」がＡｌＧａＩｎＮ層の成長速度を０．０９μｍ／ｈとした試料のＰＬスペクトルを示す。なお、成長速度の制御は、ＡｌＧａＩｎＮ層を成長させる際の窒素の原料であるＮＨ３の流量を調整することにより行った。
【００４２】
上述の図４から、成長速度を遅くすることにより、ＰＬ発光強度が増加していることが分かる。これは、成長速度を遅くすることで、Ａｌ原子の表面マイグレーションが促進され、ＡｌＧａＩｎＮ層中に存在する欠陥に起因した非発光再結合中心が減少したためであると推察される。
【００４３】
しかして、ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）からなる窒化物半導体層の製造方法において、単結晶基板１の一表面側にＭＯＶＰＥ法により窒化物半導体層を成長させるにあたり、成長速度が０．０９μｍ／ｈよりも小さくなる条件で成長させるようにすれば、従来のように成長速度が０．１２μｍ／ｈの場合に比べてＡｌ原子の表面マイグレーションが促進され、欠陥の少ない高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を形成することが可能となる。
【００４４】
また、窒化物半導体発光層６においてそれぞれＡｌＧａＩｎＮ層により構成された障壁層６ｂおよび井戸層６ａの成長速度が窒化物半導体発光層６の発光効率に与える影響を確認するために、図１の構造において、ｐ形窒化物半導体層７を形成せずに発光層６を露出させた状態で、室温（ＲＴ）でのＰＬ測定を行った結果を図５に示す。ここで、図５は、「イ」がＡｌＧａＩｎＮ層の成長速度を０．０３μｍ／ｈとした試料のＰＬスペクトルを示し、「ロ」がＡｌＧａＩｎＮ層の成長速度を０．０５μｍ／ｈとした試料のＰＬスペクトルを示す。なお、成長速度の制御は、ＡｌＧａＩｎＮ層を成長させる際の窒素の原料であるＮＨ３の流量を調整することにより行った。
【００４５】
上述の図５から、ＡｌＧａＩｎＮ量子井戸構造を有する窒化物半導体発光層６の成長速度を遅くすることにより、ＰＬ発光強度が増加していることが分かる。これは、成長速度を遅くすることで、ＡｌＧａＩｎＮ層中に存在する欠陥に起因した非発光再結合中心となる欠陥が減少したためであると推察される。
【００４６】
以上説明した本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法は、単結晶基板１の上記一表面側にｎ形窒化物半導体層３と窒化物半導体発光層６とｐ形窒化物半導体層７とを有し、窒化物半導体発光層６およびｐ形窒化物半導体層７がＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、１−ａ−ｂ＞０）を有する窒化物半導体発光素子の製造方法であって、窒化物半導体発光層６およびｐ形窒化物半導体層７のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を上述の窒化物半導体層の製造方法により形成している（すなわち、成長速度が０．０９μｍ／ｈよりも小さくなる条件で成長させている）。
【００４７】
しかして、本実施形態の窒化物半導体発光素子の製造方法によれば、より高品質のＡｌＧａＩｎＮ層からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を提供することができ、点欠陥の影響を受けやすい窒化物半導体発光層６中の点欠陥を低減できて窒化物半導体発光層の高品質化を図れるので、窒化物半導体発光層６の内部量子効率を向上できて高出力化が可能となり、また、点欠陥の影響を受けやすいｐ形窒化物半導体層７の電気的特性を改善することが可能となる。ここで、窒化物半導体発光層６とｐ形窒化物半導体層７との両方のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を上述の窒化物半導体層の製造方法により形成するようにしているが、少なくとも一方のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層を上述の窒化物半導体層の製造方法により形成するようにしてもよい。
【００４８】
また、本実施形態の窒化物半導体発光素子は、上述の窒化物半導体発光素子の製造方法により製造され、上述の窒化物半導体層の製造方法により形成されるＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層のＡｌの組成比ａが０．３以上であるので、従来に比べて高品質のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（ａ≧０．３）からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を実現できる。上述の例では、ＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層のＡｌの組成比ａが０．３５、０．６０の場合について例示したが、０．３以上であれば、従来に比べて高品質のＡｌaＧａbＩｎ(1-a-b)Ｎ層（ａ≧０．３）からなる窒化物半導体層を備えた窒化物半導体発光素子を実現できる。
【００４９】
また、本実施形態の窒化物半導体発光素子では、窒化物半導体発光層６の発光波長が２５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲内で設定されているので、発光波長が紫外域の発光ダイオードを実現できるから、水銀ランプや、エキシマランプなどの深紫外光源の代替光源として用いることが可能となる。
【００５０】
ところで、上記実施形態では、窒化物半導体発光層６が多重量子井戸構造ないし単一量子井戸構造を有しているが、窒化物半導体発光層６を単層構造として、当該窒化物半導体発光層６と当該窒化物半導体発光層６の厚み方向の両側の層（第３のバッファ層５、ｐ形窒化物半導体層７の第１のｐ形窒化物半導体層）とでダブルへテロ構造が形成されるようにしてもよい。また、本発明の技術思想は、上記実施形態で説明した基本構成が適用できれば、様々な構造に応用、発展させることが可能である。
【００５１】
また、上記実施形態では、窒化物半導体発光素子における単結晶基板１としてサファイア基板を用いているが、単結晶基板１はサファイア基板に限定するものではなく、例えば、スピネル基板、シリコン基板、炭化シリコン基板、酸化亜鉛基板、リン化ガリウム基板、砒化ガリウム基板、酸化マグネシウム基板、硼化ジルコニウム基板、III族窒化物系半導体結晶基板などを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  単結晶基板
３  ｎ形窒化物半導体層
６  窒化物半導体発光層
６ａ  井戸層
６ｂ  障壁層
７  ｐ形窒化物半導体層
７ａ  第１のｐ形窒化物半導体層
７ｂ  第２のｐ形窒化物半導体層
７ｃ  第３のｐ形窒化物半導体層
【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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