(57)【要約】【課題】良好な発光出力を保ったまま駆動電圧を低下させた半導体発光素子、ランプ及び半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】ｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１４が順次積層されてなり、ｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１４がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子１において、発光層１３は、井戸層１３ｂと膜厚が２０Å以上７０Å未満の障壁層１３ａとが交互に複数積層された多重井戸構造からなり、井戸層１３ｂに複数の薄膜部１３ｃが設けられていることを特徴とする半導体発光素子１を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子において、
前記発光層は、井戸層と、膜厚が２０Å以上７０Å未満の障壁層とが交互に複数積層された多重井戸構造からなり、前記井戸層に複数の薄膜部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層の前記ｎ型半導体層側の面が平坦面とされる一方、前記ｐ型半導体層側の面が凹凸面とされ、前記凹凸面によって前記薄膜部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記井戸層がＩｎＧａＮからなり、前記障壁層がＧａＮ、ＡｌＧａＮまたは前記井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ濃度が低いＩｎＧａＮのいずれかにより構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記薄膜部の厚みが０Å以上２０Å以下の範囲とされ、前記薄膜部を除く前記井戸層の厚みが１５Å以上５０Å以下の範囲とされ、前記薄膜部と前記薄膜部を除く前記井戸層との膜厚差が５Å以上５０Å以下の範囲とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記井戸層のうち前記薄膜部を除く部分が厚膜部とされ、前記厚膜部の面積が前記井戸層全体の３０％以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記井戸層のうち前記薄膜部を除く部分が厚膜部とされ、前記厚膜部の面積が前記井戸層全体の５０％以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
【請求項８】
基板上にｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子の製造方法において、
井戸層と膜厚が２０Å以上７０Å未満の障壁層とを交互に複数積層することで多重井戸構造の前記発光層を形成する際に、前記基板の温度をＴ１（℃）として前記井戸層を成長させてから前記障壁層を成長させ、前記基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）（但し、Ｔ１（℃）＜Ｔ２（℃））に昇温するときに前記井戸層の一部を分解または昇華させて前記井戸層に薄膜部を形成し、前記基板温度をＴ２（℃）において前記障壁層を更に成長させた後に前記基板温度を前記Ｔ１（℃）に降温し、降温された状態で更に続けて障壁層を成長させる工程を繰り返し行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記井戸層及び障壁層を形成する工程が、少なくともＩＩＩ族金属源及び窒素源を有する反応ガスを用いたＭＯＣＶＤ法による工程であり、前記基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）に昇温する間に前記ＩＩＩ族金属源の供給を停止することで、前記井戸層の一部を分解または昇華させて前記井戸層に薄膜部を形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記井戸層をＩｎＧａＮで形成し、前記障壁層をＧａＮ、ＡｌＧａＮまたは前記井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ濃度が低いＩｎＧａＮのいずれかにより形成することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記Ｔ１（℃）が６５０〜９００℃の範囲であり、前記Ｔ２（℃）が７００〜１０００℃の範囲であることを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、ランプ及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、短波長の光を発光する発光素子用の半導体材料として、ＩＩＩ族窒化物半導体が注目を集めている。一般にＩＩＩ族窒化物半導体は、サファイア単結晶を始めとする種々の酸化物結晶、炭化珪素単結晶またはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶等を基板として、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）あるいは水素化物気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ法）等によって積層されて形成される。
【０００３】
現在のところ広く一般に採用されている結晶成長方法は、基板としてサファイアやＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を用い、その上に有機金属気相化学反応法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて作製する方法で、前述の基板を設置した反応管内にＩＩＩ族の有機金属化合物とＶ族の原料ガスを用い、温度７００℃〜１２００℃程度の領域でｎ型半導体層、発光層およびｐ型半導体層を成長させるという方法である。
そして、各半導体層の成長後、基板もしくはｎ型半導体層に負極を形成し、ｐ型半導体層に正極を形成することによって発光素子が得られる。
【０００４】
従来の発光層には、発光波長を調整するために組成を調整したＩｎＧａＮを用い、これをＩｎＧａＮよりバンドギャップの高い層で挟むダブルへテロ構造や、量子井戸効果を使う多重量子井戸構造が採用されている（例えば、特許文献１〜４）。
【特許文献１】特開平１０−７９５０１号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４８３９号公報
【特許文献３】特開２００１−６８７３３号公報
【特許文献４】米国特許出願公開ＵＳ２００３／０１６０２２９Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、多重量子井戸構造の発光層を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子において、発光層を構成する障壁層の厚みを７０〜１４０Å程度とした上で、井戸層の膜厚を２０〜３０Å程度にすると、良好な出力が得られる一方で、駆動電圧が高くなる問題があった。また、井戸層の膜厚を更に薄くして２０Å以下にすると、駆動電圧は低下するが良好な出力が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、良好な発光出力を保ったまま駆動電圧を低下させた半導体発光素子、ランプ及び半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
［１］  ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子において、前記発光層は、井戸層と膜厚が２０Å以上７０Å未満の障壁層とが交互に複数積層された多重井戸構造からなり、前記井戸層に複数の薄膜部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
［２］  前記井戸層の前記ｎ型半導体層側の面が平坦面とされる一方、前記ｐ型半導体層側の面が凹凸面とされ、前記凹凸面によって前記薄膜部が形成されていることを特徴とする［１］に記載の半導体発光素子。
［３］  前記井戸層がＩｎＧａＮからなり、前記障壁層がＧａＮ、ＡｌＧａＮまたは前記井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ濃度が低いＩｎＧａＮのいずれかにより構成されていることを特徴とする［１］または［２］に記載の半導体発光素子。
［４］  前記薄膜部の厚みが０Å以上２０Å以下の範囲とされ、前記薄膜部を除く前記井戸層の厚みが１５Å以上５０Å以下の範囲とされ、前記薄膜部と前記薄膜部を除く前記井戸層との膜厚差が５Å以上５０Å以下の範囲とされていることを特徴とする［１］乃至［３］の何れか一項に記載の半導体発光素子。
［５］  前記井戸層のうち前記薄膜部を除く部分が厚膜部とされ、前記厚膜部の面積が前記井戸層全体の３０％以上であることを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
［６］  前記井戸層のうち前記薄膜部を除く部分が厚膜部とされ、前記厚膜部の面積が前記井戸層全体の５０％以上であることを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
［７］  ［１］乃至［６］の何れか一項に記載の半導体発光素子を備えたことを特徴とするランプ。
［８］  基板上にｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子の製造方法において、井戸層と膜厚が２０Å以上７０Å未満の障壁層とを交互に複数積層することで多重井戸構造の前記発光層を形成する際に、前記基板の温度をＴ１（℃）として前記井戸層を成長させてから前記障壁層を成長させ、前記基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）（但し、Ｔ１（℃）＜Ｔ２（℃））に昇温するときに前記井戸層の一部を分解または昇華させて前記井戸層に薄膜部を形成し、前記基板温度をＴ２（℃）において前記障壁層を更に成長させた後に前記基板温度を前記Ｔ１（℃）に降温し、降温された状態で更に続けて障壁層を成長させる工程を繰り返し行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
［９］  前記井戸層及び障壁層を形成する工程が、少なくともＩＩＩ族金属源及び窒素源を有する反応ガスを用いたＭＯＣＶＤ法による工程であり、前記基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）に昇温する間で前記ＩＩＩ族金属源の供給を停止することで、前記井戸層の一部を分解または昇華させて前記井戸層に薄膜部を形成することを特徴とする［８］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１０］  前記井戸層をＩｎＧａＮで形成し、前記障壁層をＧａＮ、ＡｌＧａＮまたは前記井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ濃度が低いＩｎＧａＮのいずれかにより形成することを特徴とする［８］または［９］に記載の半導体発光素子の製造方法。
［１１］  前記Ｔ１（℃）が６５０〜９００℃の範囲であり、前記Ｔ２（℃）が７００〜１０００℃の範囲であることを特徴とする［８］乃至［１０］の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、良好な発光出力を保ったまま駆動電圧を低下させた半導体発光素子、ランプ及び半導体発光素子の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態である半導体発光素子及び半導体発光素子を備えたランプについて、図面を適宜参照しながら説明する。図１は、本実施形態の半導体発光素子の断面模式図である。また、図２は、本実施形態の半導体発光素子を備えたランプの断面模式図である。尚、以下の説明において参照する図面は、半導体発光素子及びランプを説明する図面であり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体発光素子等の寸法関係とは異なっている。
【００１０】
『半導体発光素子』
図１に示すように、本実施形態の半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された発光層１３を含む積層半導体層２０と、積層半導体層２０の上面に積層された透光性電極１５と、透光性電極１５上に積層されたｐ型ボンディングパッド電極１６と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１７とを具備して構成されている。本実施形態の半導体発光素子１は、発光層１３からの光をｐ型ボンディングパッド電極１６が形成された側から取り出すフェイスアップマウント型の発光素子である。
【００１１】
図１に示すように、積層半導体層２０は、複数の半導体層が積層されて構成されている。より具体的には、積層半導体層２０は、基板１１側から、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４がこの順に積層されて構成されている。ｐ型半導体層１４及び発光層１３は、その一部がエッチング等の手段によって除去されており、除去された部分からｎ型半導体層１２の一部が露出されている。そして、このｎ型半導体層１２の露出面２０ａにｎ型電極１７が積層されている。
また、ｐ型半導体層１４の上面１４ａには、透光性電極１５及びｐ型ボンディングパッド電極１６が積層されている。これら、透光性電極１５及びｐ型ボンディングパッド電極１６によって、ｐ型電極１８が構成されている。
【００１２】
半導体発光素子１のｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いることが好ましく、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることがより好ましい。窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体が周知であり、本発明におけるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としても、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００１３】
本実施形態の半導体発光素子１においては、ｐ型電極１８とｎ型電極１７との間に電流を通じることで、発光層１３から発光を発せられるようになっている。
【００１４】
（発光層）
図１に示すように、発光層１３は、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとが交互に複数積層された多重井戸構造からなる。
井戸層１３ｂには、複数の薄膜部１３ｃが設けられている。この薄膜部１３ｃは、各井戸層１３ｂの上面の一部が、気化または分解によって除去されることによって形成されたものである。
【００１５】
多重井戸構造における積層の回数は３回から１０回程度が好ましく、４回から７回程度がさらに好ましい。多重量子井戸構造の場合、全ての井戸層１３ｂが薄膜部１３ｃを備えている必要はなく、また、薄膜部１３ｃの寸法や面積比などを各層によって変化させても良い。
【００１６】
また、本発明における「薄膜部」とは、その厚さが井戸層１３ｂの平均厚さ未満の部分を意味する。「井戸層の平均厚さ」とは、薄膜部１３ｃが形成されていない部分における井戸層１３ｂの厚みである。薄膜部１３ｃの判定および測定は、積層半導体層２０の断面ＴＥＭ写真によって可能である。例えば、５００，０００倍から２，０００，０００倍の断面ＴＥＭ写真で観察すると、薄膜部１３ｃと薄膜部１３ｃが形成されていない部分における井戸層１３ｂの膜厚を測定することができる。
【００１７】
薄膜部１３ｃの厚みは、薄膜部１３ｃ同士で一定になる場合もあるし、薄膜部１３ｃ毎に異なる厚みになる場合もある。本発明では、薄膜部１３ｃ同士で厚みが一定になってもよく、異なる厚みになってもよい。薄膜部１３ｃ毎に異なる厚みになる場合の薄膜部１３ｃの厚みは、断面ＴＥＭ写真によって観察された数箇所〜数十カ所の薄膜部１３ｃの厚みの平均を薄膜部１３ｃの厚みとすればよい。
【００１８】
薄膜部１３ｃを除いた井戸層１３ｂの厚みは、１５Å以上５０Å以下の範囲が好ましく、２０Å以上３５Å以下の範囲がより好ましい。また、薄膜部１３ｃの厚みは、０Å以上２０Å以下の範囲が好ましく、２Å以上１５Å以下の範囲がより好ましい。更に、薄膜部１３ｃと薄膜部１３ｃを除く井戸層１３ｂとの膜厚差は、５Å以上５０Å以下の範囲が好ましく、５Å以上３５Å以下の範囲がより好ましい。
薄膜部１３ｃを除いた井戸層１３ｂの厚みが上記の以外の厚みとなると、発光出力の低下を招く。また、薄膜部１３ｃは膜厚が０ｎｍである領域、即ち井戸層１３ｂが全くない領域を含んでも良いが、発光出力低下の原因になるので、その領域は少ない方が良い。
【００１９】
また、井戸層１３ｂは、ｎ型半導体層１２側の面が平坦面であり、ｐ型半導体層１４側の面が凹凸面とされており、この凹凸面によって薄膜部１３ｃが形成されてなる構造である。このような構造とした場合に、発光強度の低下が起こりにくく、また、エージングによる劣化の抑制の効果もある。ここで言う平坦面とは、例えば、上記断面ＴＥＭでの観察でその凹凸が１ｎｍ以下であるような場合を示す。更に望ましくは、０．５ｎｍ以下であり、凹凸が殆ど見えないことが特に望ましい。
【００２０】
また、ｐ型半導体層１４側の面の凹凸の大きさに比較して、ｎ型半導体層１２側の面の凹凸の大きさが１／５以下である場合に、井戸層１３ｂのｎ型半導体層１２側にある障壁層１３ａの結晶性は充分高いと言え、特性向上に効果がある。中でも、１／１０以下であることが更に望ましく、井戸層１３ｂのｎ型半導体層１２側の面には凹凸が見えない平坦であることが最も望ましい。
従って障壁層１３ａは、井戸層１３ｂの薄膜部１３ｃを埋めて、その上面が平坦になっていることが好ましい。そうすることによって、次の井戸層１３ｂのｎ型半導体層１２側の面が平坦になる。
【００２１】
井戸層１３ｂを平面視したときの薄膜部１３ｃの形状及び分布の状態は、例えば、井戸層１３ｂのｐ型半導体層１４側の面に、複数の薄膜部１３ｃが独立した状態で規則的または不規則的に分散されて配置されていることが好ましい。薄膜部１３ｃの平面視形状は、円形状、楕円形状、不定形状のいずれでもよく、これらの形状が混在していてもよい。
薄膜部１３ｃの井戸層１３ｂ全体に対する面積比は３０％以下が好ましく、２０％以下がさらに好ましく、１０％以下が特に好ましい。面積比を３０％以下にすることで、発光効率の低下を防止でき、また、駆動電圧の低減と出力の維持の両方を実現できる。
【００２２】
積層半導体層２０を断面視したときの薄膜部１３ｃの幅は、１〜１００ｎｍの範囲が好ましい。さらに好ましくは５〜５０ｎｍが好適である。
また、積層半導体層２０を断面視したときの薄膜部１３ｃを除いた井戸層１３ｂの幅は１０〜５０００ｎｍであることが望ましい。更に、１００〜１０００ｎｍが好適である。
【００２３】
また、井戸層１３ｂのうち薄膜部１３ｃを除いた部分を厚膜部１３ｄとしたとき、厚膜部１３ｄの面積は、井戸層１３ｂ全体に対して３０〜９０％であることが好ましく、これにより駆動電圧の低減と出力の維持の両方を実現できる。更に好ましくは、厚膜部１３ｄで覆われた領域の方が薄膜部１３ｃで覆われた領域よりも大きい、つまり、厚膜部１３ｄの面積比率が全体に対して５０％〜９０％である。
【００２４】
次に、障壁層１３ａは、膜厚が２０Å以上７０Å未満の範囲が好ましく、２０Å以上５０Å以下の範囲がより好ましい。障壁層１３ａの膜厚が薄すぎると、障壁層１３ａ上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、膜厚が厚すぎることは、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層１３ａの膜厚は５０Å以下であることが好ましい。
【００２５】
井戸層１３ｂは、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、後述する方法によって薄膜部を有する構造となりやすい結晶系であるからである。また、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、青色の波長領域の発光を強い強度で発光することができる。
井戸層１３ｂがＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体である場合、井戸層１３ｂの表面にＩｎを含まない薄層を設けることが好ましい。活性層中のＩｎの分解昇華を抑制し、発光波長の安定制御が可能となり、好適である。
【００２６】
また、井戸層１３ｂには、不純物をドープすることができる。ドーパントとしては、ドナーとして知られているＳｉやＧｅが発光強度を増進するのに好適である。ドープ量は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度が好適である。これ以上多いと発光強度の低下を引き起こす。
【００２７】
また、障壁層１３ａは、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層を構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。
【００２８】
（基板）
本実施形態の半導体発光素子の基板１１としては、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶が表面にエピタキシャル成長される基板であれば、特に限定されず、各種の基板を選択して用いることができる。例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。
また、上記基板の中でも、特に、ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。サファイア基板を用いる場合は、サファイアのｃ面上に中間層２１（バッファ層）を形成するとよい。
【００２９】
なお、上記基板の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用い、アンモニアを使用せずにバッファ層２１を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述のｎ型半導体層１２を構成する下地層２２を成膜した場合には、バッファ層２１がコート層としても作用するので、基板１１の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。
また、バッファ層２１をスパッタ法により形成した場合、基板１１の温度を低く抑えることが可能なので、高温で分解してしまう性質を持つ材料からなる基板１１を用いた場合でも、基板１１にダメージを与えることなく基板上への各層の成膜が可能である。
【００３０】
（バッファ層）
バッファ層２１は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のものがより好ましい。
バッファ層２１は、上述のように、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層２１により基板１１と下地層２２との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層２１の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層２１としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層２１の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する虞がある。
【００３１】
バッファ層２１は、基板１１と下地層２２との格子定数の違いを緩和し、基板１１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にする働きがある。したがって、バッファ層２１の上に単結晶の下地層２２を積層すると、より一層結晶性の良い下地層２２が積層できる。なお、本発明においては、バッファ層形成工程を行なうことが好ましいが、行なわなくても良い。
【００３２】
バッファ層２１は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる六方晶系の結晶構造を持つものである。バッファ層２１をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、単結晶構造を有するものであることが好ましい。ＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成長条件を制御することにより、上方向だけでなく、面内方向にも成長して単結晶構造を形成する。このため、バッファ層２１の成膜条件を制御することにより、単結晶構造のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶からなるバッファ層２１とすることができる。このような単結晶構造を有するバッファ層２１を基板１１上に成膜した場合、バッファ層２１のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
【００３３】
また、バッファ層２１をなすＩＩＩ族窒化物半導体の結晶は、成膜条件をコントロールすることにより、六角柱を基本とした集合組織からなる柱状結晶（多結晶）とすることも可能である。なお、ここでの集合組織からなる柱状結晶とは、隣接する結晶粒との間に結晶粒界を形成して隔てられており、それ自体は縦断面形状として柱状になっている結晶のことをいう。
【００３４】
なお、本実施形態では、井戸層１３ｂの上側、すなわち、井戸層１３ｂの基板１１側とは反対側の面に、薄膜部１３ｃが形成されることによって、この上側の面が凹凸面になっている。このような井戸層１３ｂを実現するためには、井戸層１３ｂを含む発光層１３を形成する前のｎ型半導体層１２の平坦性を向上することが好ましく、そのためには、スパッタ法で形成されたバッファ層２１を採用するとよい。障壁層１３ａの膜厚を薄くするとともに井戸層１３ｂに薄膜部１３ｃを形成することで、発光と駆動電圧については改良され、更にスパッタ法で形成されたバッファ層２１を採用することで、リーク電流を減少させることが出来る。
【００３５】
（下地層）
下地層２２としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため好ましい。
下地層２２の膜厚は０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。
【００３６】
下地層２２の結晶性を良くするためには、下地層２２は不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合は、アクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
なお、前記のような柱状の結晶構造を持つバッファ層２１を使用すると、下地層２２の結晶性は、（０００２）面のＸ線ロッキングカーブの半地幅で言えば、１００ｓｅｃ以下となる。この値が小さいことは、Ｃ面の平行性が高いことを示しており、結晶学的に平坦な表面が形成されていることを示している。このような平坦性の高い下地層２２を用いることにより、薄膜部を含む井戸層と２０Å−７０Åの厚みの障壁層を組み合わせたとしても、リーク電流の発生などの不具合を生じることがなくなる。
【００３７】
（積層半導体層２０）
次に、積層半導体層２０は、図１に示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体から各々なる、ｎ型半導体層１２、発光層１３及びｐ型半導体層１４の各層がこの順で積層されてなるものである。積層半導体層２０は、ＭＯＣＶＤ法で形成すると結晶性の良いものが得られるが、スパッタリング法によっても条件を最適化することで、ＭＯＣＶＤ法よりも優れた結晶性を有する半導体層を形成できる。
【００３８】
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層１２は、通常ｎコンタクト層１２ａとｎクラッド層１２ｂとから構成される。ｎコンタクト層１２ａはｎクラッド層１２ｂを兼ねることも可能である。また、前述の下地層２２をｎ型半導体層１２に含めてもよい。
【００３９】
ｎコンタクト層１２ａは、ｎ型電極１７を設けるための層である。ｎコンタクト層１２ａとしては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎコンタクト層１２ａにはｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有すると、ｎ型電極１７との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅが挙げられる。
【００４０】
ｎコンタクト層１２ａの膜厚は、０．５〜５μｍとされることが好ましく、１〜３μｍの範囲に設定することがより好ましい。ｎコンタクト層１２ａの膜厚が上記範囲にあると、半導体の結晶性が良好に維持される。
【００４１】
ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間には、ｎクラッド層１２ｂを設けることが好ましい。ｎクラッド層１２ｂは、発光層１３へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層である。ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ｎクラッド層１２ｂをＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層１３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００４２】
ｎクラッド層１２ｂの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００４３】
なお、ｎクラッド層１２ｂを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第１層と、該ｎ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第２層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、ｎクラッド層１２４ｂは、ｎ側第１層とｎ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであってもよい。また、好ましくは、前記ｎ側第１層又はｎ側第２層の何れかが、発光層１３に接する構成とすれば良い。
【００４４】
上述のようなｎ側第１層及びｎ側第２層は、例えばＡｌを含むＡｌＧａＮ系（単にＡｌＧａＮと記載することがある）、Ｉｎを含むＧａＩｎＮ系（単にＧａＩｎＮと記載することがある）、ＧａＮの組成とすることができる。また、ｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造、組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造（本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指し、以下同様である）、組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であってもよい。本発明においては、ｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮであることが好ましい。
【００４５】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層の超格子層は、それぞれ６０オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ４０オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ１０オンストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｎ側第１層とｎ側第２層の膜厚が１００オングストローム超だと、結晶欠陥が入りやすく好ましくない。
【００４６】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｎクラッド層として、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてＳｉが好適である。また、上述のようなｎ側超格子多層膜は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ＯＮ、ＯＦＦしながら作製してもよい。
【００４７】
（ｐ型半導体層）
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層１４ａおよびｐコンタクト層１４ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐクラッド層１４ａを兼ねることも可能である。
【００４８】
ｐクラッド層１４ａは、発光層１３へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１４ａとしては、発光層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）のものが挙げられる。ｐクラッド層１４ａが、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層１４ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１４ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３が好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
また、ｐクラッド層１４ａは、複数回積層した超格子構造としてもよい。
【００４９】
なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、詳細な図示を省略するが、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第１層と、該ｐ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第２層とが積層された構造を含むものであっても良い。また、ｐ側第１層とｐ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
【００５０】
上述のようなｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれ異なる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＮの内の何れの組成であっても良い、また、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、又はＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であっても良い。本発明においては、ｐ側第１層及びｐ側第２層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造であることが好ましい。
【００５１】
上記ｐ側第１層及びｐ側第２層の超格子層は、それぞれ６０オングストローム以下であることが好ましく、それぞれ４０オングストローム以下であることがより好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｐ側第１層とｐ側第２層の膜厚が１００オングストローム超だと、結晶欠陥等を多く含む層となり、好ましくない。
【００５２】
上記ｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｐクラッド層として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造のものを用いた場合には、不純物としてＭｇが好適である。また、上述のようなｐ側超格子多層膜は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであっても、ドーピングを適宜ＯＮ、ＯＦＦしながら作製してもよい。
【００５３】
ｐコンタクト層１４ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１４ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）が好ましい。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の濃度、好ましくは５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２μｍである。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００５４】
（ｎ型電極）
ｎ型電極１７はボンディングパットを兼ねており、積層半導体層２０のｎ型半導体層１２に接するように形成されている。このため、ｎ型電極１７を形成する際には、発光層１３およびｐ半導体層１４の一部を除去してｎ型半導体層１２のｎコンタクト層１２ａを露出させ、この露出面２０ａ上にボンディングパッドを兼ねるｎ型電極１７を形成する。
ｎ型電極１７としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００５５】
（透光性電極）
ｐ型半導体層１４の上に積層される透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４との接触抵抗が小さいものが好ましい。また、発光層１３からの光を効率良く素子１の外部に取り出すために、透光性電極１５は光透過性に優れたものが好ましい。また、ｐ型半導体層１４の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、透光性電極１５は優れた導電性を有していることが好ましい。
【００５６】
以上のことから、透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｅ、のいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が好ましい。また、導電性の酸化物としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＡＺＯ（酸化アルミニウム亜鉛（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３））、ＧＺＯ（酸化ガリウム亜鉛（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３））、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等が好ましい。これらの材料を、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることによって、透光性電極１５を形成できる。
【００５７】
また、透光性電極１５の構造も、従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４のほぼ全面を覆うように形成してもよく、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。透光性電極１５を形成した後に、合金化や透明化を目的とした熱アニールを施す場合もあるが、施さなくても構わない。
【００５８】
（ｐ型ボンディングパッド電極）
ｐ型ボンディングパッド電極１６はボンディングパットを兼ねており、透光性電極１５の上に積層されている。
ｐ型ボンディングパッド電極１６としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００５９】
反射性ボンディングパッド電極１０７は、透光性接合層１１０の上であれば、どこへでも形成することができる。例えばｎ型電極１７から最も遠い位置に形成してもよいし、半導体発光素子１の中心などに形成してもよい。しかし、あまりにもｎ型電極１７に近接した位置に形成すると、ボンディングした際にワイヤ間、ボール間のショートを生じてしまうため好ましくない。
また、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいものの、発光の取り出しの妨げになる。例えば、チップ面の面積の半分を超えるような面積を覆っては、発光の取り出しの妨げとなり、出力が著しく低下する。逆に小さすぎるとボンディング作業がしにくくなり、製品の収率を低下させる。具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径１００μｍの円形程度であることが一般的である。
【００６０】
『ランプ』
次に、本実施形態のランプは、本実施形態の半導体発光素子１が用いられてなるものである。
本実施形態のランプとしては、例えば、上記の半導体発光素子１と蛍光体とを組み合わせてなるものを挙げることができる。半導体発光素子１と蛍光体とを組み合わせたランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。また、従来より、半導体発光素子１と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術が知られており、本実施形態のランプにおいてもこのような技術を何ら制限されることなく採用することが可能である。
【００６１】
図２は、上記の半導体発光素子１を用いて構成したランプの一例を模式的に示した概略図である。図２に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図１に示す半導体発光素子１が用いられている。図２に示すように、半導体発光素子１のp型ボンディングパッド電極１６がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図２ではフレーム３１）に接着され、発光素子１のｎ型電極１７（ボンディングパッド）がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接合されることにより、半導体発光素子１が実装されている。また、半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
【００６２】
本実施形態のランプ３は、上記の半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、優れた発光特性を備えたものとなる。
なお、本実施形態のランプ３は、一般用途の砲弾型、携帯のバックライト用途のサイドビュー型、表示器に用いられるトップビュー型等いかなる用途にも用いることができる。
【００６３】
『半導体発光素子の製造方法』
本実施形態の半導体発光素子１を製造するには、先ず、サファイア基板等の基板１１を用意する。
次に、基板１１の上面上にバッファ層２１を積層する。バッファ層２１を基板１１上に形成する場合、基板１１に前処理を施してからバッファ層２１を形成することが望ましい。
前処理としては、例えば、スパッタ装置のチャンバ内に基板１１を配置し、バッファ層２１を形成する前にスパッタするなどの方法によって行うことができる。具体的には、チャンバ内において、基板１１をＡｒやＮ２のプラズマ中に曝すことによって上面を洗浄する前処理を行なうことができる。ＡｒガスやＮ２ガスなどのプラズマを基板１１に作用させることで、基板１１の上面に付着した有機物や酸化物を除去することができる。
【００６４】
基板１１に前処理を行なった後、基板１１上に、スパッタ法によってバッファ層２１を成膜する。スパッタ法によってバッファ層２１を形成する場合、チャンバ内の窒素原料と不活性ガスの流量に対する窒素流量の比を、窒素原料が１％〜１００％、望ましくは２５〜７５％となるようにすることが望ましい。なお、バッファ層２１は、上述したスパッタ法だけでなく、ＭＯＣＶＤ法で形成することもできる。
【００６５】
次に、バッファ層２１を形成した後、バッファ層２１の形成された基板１１の上面上に、単結晶の下地層２２を形成する。
先に形成したバッファ層２１がＡｌＮからなる柱状結晶の集合体とした場合には、下地層２２がバッファ層２１の結晶性をそのまま引き継がないように、マイグレーションによって転位をループ化させる必要があるが、このような材料としても上記Ｇａを含むＧａＮ系化合物半導体が挙げられ、特に、ＡｌＧａＮ、又はＧａＮが好適である。下地層２２を積層する方法としては、特に限定されず、バッファ層２１からの転位をループ化させることが可能な結晶成長方法であれば、何ら制限なく用いることができる。特に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法、ＶＰＥ法は、上述したようなマイグレーションを生じることができるため、良好な結晶性の膜を成膜することが可能となることから好適である。中でも、ＭＯＣＶＤ法は、最も結晶性の良い膜を得ることができる点でより好適に用いることができる。
【００６６】
下地層２２の形成後、ｎコンタクト層１２ａ及びｎクラッド層１２ｂを積層してｎ型半導体層１２を形成する。ｎコンタクト層１２ａ及びｎクラッド層１２ｂは、スパッタ法で形成してもよく、ＭＯＣＶＤ法で形成してもよい。
また、ｎクラッド層１２ｂを超格子構造とする場合は、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第１層と、該ｎ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第２層とを、交互に繰り返し積層すればよい。超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する場合は、ＭＯＣＶＤ法が生産効率の面で好ましい。上記ｎ側第１層及びｎ側第２層には、それぞれドーパントを添加してもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。
【００６７】
発光層１３の形成は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれの方法でもよいが、特にＭＯＣＶＤ法が好ましい。具体的には、ＭＯＣＶＤ法によって障壁層１３ａと井戸層１３ｂとを交互に繰り返して積層し、且つ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配される順で積層すればよい。
発光層１３は、基板の温度をＴ１（℃）として井戸層１３ｂを成長させてから障壁層１３ａを成長させ、基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）（但し、Ｔ１（℃）＜Ｔ２（℃））に昇温してから障壁層１３ａを更に成長させた後に基板温度をＴ１（℃）に降温し、降温された状態で更に続けて障壁層１３ａを成長させる工程を繰り返し行うことにより形成する。
井戸層１３ｂ及び障壁層１３ａを形成する工程は、少なくともＩＩＩ族金属源及び窒素源を有する反応ガスを用いたＭＯＣＶＤ法による工程である。そして、基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）の間で昇温する間でＩＩＩ族金属源の供給を停止する。これにより、昇温時に井戸層の一部を分解または昇華させて井戸層に薄膜部を形成する。
【００６８】
以下、障壁層１３ａ及び井戸層１３ｂの形成方法について詳細に説明する。
まず、ｎ型半導体層１２の形成後に障壁層１３ａを形成するために、基板１１の温度をＴ２（℃）に設定する。この状態で、ＩＩＩ族金属元素としてのＧａ源と、窒素源と、必要に応じてＩｎ源またはＡｌ源とを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって障壁層１３ａを成膜する。Ｇａ源としては、例えばトリメチルガリウム、トリエチルガリウムを用いることができ、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジン、アジ化合物を用いることができる。また、Ａｌ源としてはトリメチルアルミニウムを用いることができ、Ｉｎ源としてはトリメチルインジウムを用いることができる。反応ガスにはさらに、キャリアガスとして水素及び窒素を含ませることができる。基板温度Ｔ２（℃）は、７００〜１０００℃の範囲が好ましく、８５０〜１０００℃の範囲がより好ましく、９００〜９８０℃の範囲がさらに好ましい。Ｔ２（℃）を７００℃以上にすることで、障壁層１３ａの結晶性を高めることができ、発光特性を向上できる。また、Ｔ２（℃）を１０００℃以下にすることで、井戸層１３ｂに対するダメージを低減できる。
【００６９】
次に、障壁層１３ａの形成後、基板の温度をＴ２（℃）からＴ１（℃）に降温する。この降温工程においては、キャリアガスと窒素源のみを流し、他のガスは供給を停止することが好ましい。これにより、降温工程の最中にＩＩＩ族窒化物半導体が形成されることがない。
【００７０】
基板温度がＴ１（℃）まで低下したら、ＩＩＩ族金属元素としてのＧａ源と、窒素源と、必要に応じてＩｎ源またはＡｌ源とを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって障壁層１３ａをさらに成膜する。この温度Ｔ１（℃）での障壁層の成膜量は、障壁層全体の厚みに対して３０％〜８０％程度の厚みとなるようにすればよい。温度Ｔ２及びＴ１においてＩＩＩ族窒化物半導体を形成することで、２０Å以上７０Å未満の障壁層１３ａが形成される。
【００７１】
次に、温度Ｔ１（℃）において、ＩＩＩ族金属元素としてのＧａ源と、窒素源と、Ｉｎ源とを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって井戸層１３ｂを成膜する。Ｇａ源、窒素源及びＩｎ源としては、先に例示した化合物を用いることができる。また、井戸層１３ｂにはドーパントを添加してもよく、その場合には、ドーパント源となるシラン、ジシラン、ゲルマン、有機ゲルマニウム原料、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）等を用いることができる。反応ガスにはさらに、キャリアガスとして水素及び窒素を含ませることができる。基板温度Ｔ１（℃）は、６５０〜９００℃の範囲が好ましく、６５０〜８５０℃の範囲がより好ましく、６８０〜８００℃の範囲がさらに好ましい。温度Ｔ１を６５０℃以上にすることで、井戸層１３ｂの結晶性を高めることができ、発光特性を向上できる。また、温度Ｔ１（℃）を９００℃以下にすることで、井戸層１３ｂに取り込まれるＩｎ量が低下することがなく、意図する波長を発光する素子を得ることができる。
また、井戸層１３ｂの表面には、Ｉｎを含まない薄膜を設けてもよく、その場合は、井戸層１３ｂを形成した後に温度Ｔ１のままでＩｎ源の供給のみを停止してＩＩＩ族窒化物半導体を成長させればよい。
【００７２】
次に、井戸層１３ｂの形成後、基板温度をＴ１に保ったままで、Ｇａ源と、窒素源と、必要に応じてＩｎ源またはＡｌ源とを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって障壁層１３ａを成膜する。この温度Ｔ１での障壁層１３ａの成膜量は、障壁層１３ａ全体の厚みに対して１％〜３０％程度の厚みとなるようにすればよい。また、ここでの障壁層１３ａの成膜は、井戸層１３ｂの全面を覆う程度にまで形成する必要はなく、井戸層１３ｂの一部が露出した状態で成膜を停止してもよい。
【００７３】
次に、基板温度を温度Ｔ１から温度Ｔ２に昇温する。この昇温工程では、降温工程と同様にキャリアガスと窒素源のみを流し、他のガスは供給を停止することが好ましい。これにより、昇温工程の最中にＩＩＩ族窒化物半導体が形成されることがない。また、昇温工程においては、井戸層１３ｂの一部を分解または昇華させる。井戸層１３ｂの分解または昇華は、井戸層１３ｂの上面において生じる。このため、井戸層１３ｂの上面が凹凸面となる。井戸層１３ｂの分解または昇華によって消失した部分が凹部となり、これにより薄膜部１３ｃが形成される。
【００７４】
温度Ｔ１から温度Ｔ２への昇温速度は、１〜１００℃／分程度が好ましく、５〜５０℃／分程度がより好ましい。また、温度Ｔ１から温度Ｔ２への昇温時間は、３０秒間〜１０分間程度が好ましく、１〜５分間程度がより好ましい。
【００７５】
次に、基板１１の温度がＴ２（℃）に上昇した後、Ｇａ源、窒素源、必要に応じてＩｎ源またはＡｌ源とを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって再び障壁層１３ａを成膜する。以後、同様の操作を繰り返し行うことによって、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとが交互に繰り返し積層されてなる発光層１３を形成する。
【００７６】
次いで、ｐ型半導体層１４を形成する。ｐ型半導体層１４の形成は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれの方法でもよい。具体的には、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層すればよい。
なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第１層と、該ｐ側第１層と組成が異なるとともに１００オングストローム以下の膜厚を有したＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第２層とを交互に繰返し積層すればよい。超格子構造のｐクラッド層１４ａを形成する場合は、ＭＯＣＶＤ法が生産効率の面で好ましい。上記ｐ側第１層及びｐ側第２層には、それぞれドーパントを添加してもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。
【００７７】
その後、ｐ型半導体層１４上に透光性電極１５を積層し、例えば一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極１５を除去する。続いて、同様に例えばフォトリソグラフィーによりパターニングして、所定の領域の積層半導体層２０の一部をエッチングしてｎコンタクト層１２ａの一部を露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａにｎ型電極１７を形成する。更に、透光性電極１５の上にｐ型ボンディングパッド電極１６を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
【００７８】
上記の半導体発光素子１によれば、複数の薄膜部が設けられた井戸層と、膜厚が２０Å以上７０Å未満の障壁層とが交互に複数積層された多重井戸構造からなる発光層を備えており、障壁層の厚みが７０Å未満と薄いために、井戸層に印加される歪みが低減され、また、井戸層に設けられた薄膜部の存在によって井戸層に印加される歪みが分散され、これにより井戸層における歪み量が低減される。これにより、駆動電圧が低下されると同時に、良好な発光出力を得ることができる。
【００７９】
また、上記の半導体発光素子１によれば、井戸層のｎ型半導体層側の面が平坦面とされる一方、ｐ型半導体層側の面が凹凸面とされ、この凹凸面によって薄膜部が形成されることで、井戸層１３ａのｎ型半導体層１２側にある障壁層１３ｂの結晶性を高めることができ、発光特性の向上に効果がある。
【００８０】
また、上記の半導体発光素子１の製造方法によれば、井戸層と障壁層とを交互に複数積層することで多重井戸構造の発光層を形成する際に、基板の温度をＴ１（℃）として井戸層を成長させ、基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）に昇温してから障壁層を成長させることにより、井戸層に薄膜部を形成することができる。
また、温度Ｔ１において、井戸層の形成前後に障壁層の一部を形成することによって、温度Ｔ２における障壁層の形成時に井戸層が高温に加熱されることによる井戸層中のＩｎ量の低下を防止することができ、意図する波長の発光が安定して得られる半導体発光素子１を製造できる。
【００８１】
また、井戸層及び障壁層を形成する工程が、ＩＩＩ族金属源及び窒素源を有する反応ガスを用いたＭＯＣＶＤ法による工程であり、基板温度をＴ１（℃）からＴ２（℃）の間で昇温する際にＩＩＩ族金属源の供給を停止するので、昇温時にＩＩＩ族窒化物半導体を形成させることがなく、昇温時の井戸層の蒸発または昇華を阻害することなく、井戸層に薄膜部を設けることができる。
【実施例】
【００８２】
（実施例１）
図１に示す窒化ガリウム系化合物半導体からなる半導体発光素子を製造した。実施例１の半導体発光素子では、サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１を介して、厚さ８μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２、厚さ２μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１２ａ、厚さ２５０ｎｍのｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層１２ｂ、厚さ５ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ２．５ｎｍのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層を５回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層１３、厚さ０．０１μｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１４ａ、厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１４ｂを順に積層した。
【００８３】
更に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１４ｂ上に、厚さ２００ｎｍのＩＴＯからなる透光性電極１５を一般に知られたフォトリソグラフィの手法により形成した。
そして、透光性電極１５の上に、２００ｎｍのＡｌからなる金属反射層、８０ｎｍのＴｉからなるバリア層及び２００ｎｍのＡｕからなるボンディング層からなる３層構造のｐ型ボンディングパッド構造１６を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
次に、これもフォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎ型コンタクト層を露出させ、このｎ型ＧａＮコンタクト層上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極１７を形成し、光取り出し面を半導体側とした。
【００８４】
この構造において、ｎ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドープ量は１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層のキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層のＭｇドープ量は５×１０19ｃｍ-3であった。
【００８５】
窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、ＭＯＣＶＤ法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
また、発光層の形成は、以下のようにして行った。まず、ｎ型半導体層１２の形成後に障壁層１３ａを形成するために、基板１１の温度Ｔ２を９３０℃に設定した。この状態で、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）と、アンモニアとを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ障壁層１３ａを成膜した。
次に、基板の温度Ｔ２を９３０℃から７６５℃（Ｔ１）に降温した。この降温工程においては、キャリアガスとアンモニアのみを流し、他のガスは供給を停止した。
【００８６】
基板温度Ｔ１が７６５℃まで低下したら、ＴＭＧと、アンモニアとを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ障壁層１３ａをさらに成膜した。
【００８７】
次に、温度７６５℃（Ｔ１）において、ＴＭＧと、アンモニアと、トリメチルインジウムとを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によってＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層１３ｂを成膜した。
【００８８】
次に、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ井戸層１３ｂの形成後、基板温度を７６５℃（Ｔ１）に保ったままで、ＴＭＧ及びアンモニアを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ障壁層１３ａを成膜した。
次に、基板温度を７６５℃（Ｔ１）から９３０℃（Ｔ２）に昇温した。昇温速度は８５℃／分とし、昇温時間は２分とした。この昇温工程によって井戸層１３ｂの一部を分解または昇華させて薄膜部１３ｃを形成した。
【００８９】
次に、基板１１の温度が９３０℃（Ｔ２）に上昇した後、ＴＭＧ及びアンモニアを含む反応ガスを供給し、ＭＯＣＶＤ法によって再び障壁層１３ａを成膜した。以後、同様の操作を繰り返し行うことによって、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとが交互に繰り返し積層されてなる発光層１３を形成した。
【００９０】
実施例１の発光素子について、順方向電圧を測定したところ、プローブ針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧が２．９Ｖであった。
また、その後、ＴＯ−１８缶パッケージに実装してテスターによって発光出力を計測したところ印加電流２０ｍＡにおける発光出力は２４ｍＷを示した。またその発光面の発光分布は正極下の全面で発光しているのが確認できた。
また、実施例１の発光素子について、発光層の断面TEM写真を撮影し、井戸層における薄膜部の有無を確認した。
【００９１】
（実施例２〜比較例５）
温度Ｔ１、Ｔ２、障壁層の組成及び膜厚、井戸層の組成及び膜厚を下記表１に示した通りに変更した以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２〜比較例６の発光素子を用意した。
そして、実施例１の場合と同様にして、実施例２〜比較例６の発光素子について、薄膜部の有無、順方向電圧及び発光出力を測定した。結果を表２に示す。なお、表１に示す各層の厚みは、成膜の際の成膜条件である。
【００９２】
【表１】
2010010444.tif 000003
【００９３】
【表２】
2010010444.tif 000004
【００９４】
表２に示すように、実施例１〜９はいずれも、順方向電圧が比較的低く、また、発光出力が２０ｍＷ以上となり、高輝度で低消費電力の発光素子となった。
一方、比較例１では、障壁層の厚みが１００Å（１０ｎｍ）と比較的厚く、駆動電圧が大幅に上昇した。
また、比較例２では、障壁層の厚みが１５Å（１．５ｎｍ）と比較的薄く、障壁層の上面の平坦化が阻害された結果、発光出力が低下した。
また、比較例３では、井戸層全体における薄膜部の占める面積が３０％超となり、発光出力が大幅に低下した。
また、比較例４及び５では、薄膜部が形成されなかったため、駆動電圧が上昇し、発光出力も低下した。
更に、比較例６では、井戸層の成長温度Ｔ１を障壁層の成長温度Ｔ２と同じ温度にしたため、結果的に井戸層が形成されず、発光素子として機能しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は、本発明の実施形態である半導体発光素子を示す断面模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態であるランプを示す断面模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態である半導体発光素子の製造方法を説明する図であって、発光層形成時の基板温度を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９６】
１…半導体発光素子、３…ランプ、１２…ｎ型半導体層、１３…発光層、１３ａ…障壁層、１３ｂ…井戸層、１３ｃ…薄膜部、１３ｄ…厚膜部、１４…ｐ型半導体層
【図１】
2010010444.tif 000005
【図２】
2010010444.tif 000006
【図３】
2010010444.tif 000007