(57)【要約】  電子と、ホールが活性層において効率よく再結合するための活性層の多重量子井戸（ＭＱＷ）層のペア数を最適化し、発光効率を向上できる。  ｎ型半導体層２と、ｐ型半導体層４と、ｎ型半導体層２とｐ型半導体層４との間に配置され、ＧａＮよりなるバリア層３１１〜３１ｎ、３１０とＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる井戸層３２１〜３２ｎとの多重量子井戸構造のＩｎを含む活性層３とを備え、ＭＱＷ層のペア数は、６〜１１であり、ｎ型半導体層２からｐ型半導体層４への電子のオーバーフロー、及びｐ型半導体層４から井戸層３２１〜３２ｎへのｐ型ドーパントの拡散、ｎ型半導体層２から活性層３へのｎ型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子およびその製造方法。
2008153065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物系半導体層と、
ｐ型窒化物系半導体層と、
前記ｎ型窒化物系半導体層と前記ｐ型窒化物系半導体層との間に配置され、ＧａＮよりなるバリア層とＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる井戸層との多重量子井戸構造のＩｎを含む活性層と
を備え、前記多重量子井戸層のペア数は、６〜１１であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層の厚さは２〜３ｎｍであり、前記バリア層の厚さは７〜１８ｎｍであ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】
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に配置され、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有する活性層と、
前記活性層上に配置され、ｐ型ドーパンドを含むｐ型半導体層
とを備え、前記活性層の積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚が前記ｐ型ドーパントの前記最終バリア層を拡散する距離より厚く、前記最終バリア層の前記ｐ型ドーパンドの濃度が前記ｐ型半導体層に接する前記最終バリア層の第１主面から最終バリア層の膜厚方向に沿って漸減し、前記第１主面に対向する第２主面において前記ｐ型ドーパンドの濃度が１×１０16ｃｍ-3未満であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
前記ｎ型半導体層、前記活性層及び前記ｐ型半導体層が、ＩＩＩ族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記最終バリア層が、窒化ガリウム膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型ドーパントがマグネシウムであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
ｎ型ドーパントがドープされたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に配置され、前記ｎ型半導体層より低い濃度で前記ｎ型ドーパントがドープされたブロック層と、
前記ブロック層上に配置された活性層と、
前記活性層上に配置されたｐ型半導体層と
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｎ型半導体層、前記ブロック層、前記活性層及び前記ｐ型半導体層が、ＩＩＩ族窒化物半導体からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記ｎ型ドーパントがシリコンであることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ブロック層のシリコン濃度が、１×１０17ｃｍ-3未満であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記活性層が、複数のバリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい複数の井戸層が交互に配置された積層構造を有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
ｎ型半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型半導体層上に、バリア層と該バリア層よりバンドギャップが小さい井戸層を交互に積層して活性層を形成する工程と、
前記活性層上にｐ型ドーパンドを含むｐ型半導体層を形成する工程
とを含み、前記ｐ型半導体層と接する前記活性層の最終バリア層を、前記ｐ型ドーパントの前記最終バリア層を拡散する距離より厚く形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】
前記ｐ型半導体層に含まれる前記ｐ型ドーパンドが前記ｐ型半導体層に接する前記最終バリア層の第１主面に対向する第２主面まで拡散しない厚みで、前記最終バリア層を形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１４】
前記ｎ型半導体層、前記活性層及び前記ｐ型半導体層をＩＩＩ族窒化物半導体で形成することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記最終バリア層が、ノンドープの窒化ガリウム膜であることを特徴とする請求項１４に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記ｐ型ドーパントがマグネシウムであることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１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、半導体発光素子及びその製造方法に係り、特に量子井戸構造を備え、またｎ型ドーパンドがドープされたｎ型半導体層を備えた半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などに、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなる半導体発光素子が使用されている。ＩＩＩ族窒化物系半導体の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などがある。代表的なＩＩＩ族窒化物系半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１, ０≦ｙ≦１, ０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される。【０００３】
ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた半導体発光素子は、例えば、基板上にｎ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層（ｎ型半導体層）、活性層（発光層）およびｐ型のＩＩＩ族窒化物系半導体層（ｐ型半導体層）をこの順に積層した構造を有する。そして、ｐ型半導体層から供給された正孔（ホール）とｎ型半導体層から供給された電子が活性層で再結合して発生する光を外部に出力する（例えば、特許文献１参照。）。【０００４】
活性層として、井戸層（ウェル層）をウェル層よりもバンドギャップの大きなバリア層（障壁層）でサンドイッチ状に複数層挟んだ多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum Well）構造が採用可能である（例えば、特許文献２参照。）。【０００５】
また、順方向電圧（Ｖf）を低下させ、発光効率を向上させる目的で、ｐ型半導体層を２層構造、或いは３層構造に形成する例も開示されている（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平１０−２８４８０２号公報
【特許文献２】特開２００４−５５７１９号公報
【特許文献３】特許第３２５０４３８号公報
【特許文献４】特許第３３１４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来構造では、ＭＱＷのペア数は、４〜５ペアが用いられている。この場合、ｎ型半導体層から供給される電子が活性層を飛び越えてｐ型半導体層まで流れてしまう。この際、ｐ型半導体層から供給されるホールが活性層に達する前に電子と再結合してしまい、活性層に達するホール濃度が減少する。それにより、ＬＥＤの輝度が減少してしまう。これを防止するために、ｐ型半導体層の手前にバンドギャップの大きいｐ型ＡｌＧａＮ層を挿入する構造が用いられている。しかしながら、アルミニウム（Ａｌ）を導入するとｐ型化することが難しくなり、抵抗値が上昇してしまう。【０００７】
ＩＩＩ族窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、活性層上に配置されたｐ型半導体層にドーピングされたｐ型のドーパントが、ｐ型半導体層の形成工程及びそれ以降の製造工程中に、ｐ型半導体層から活性層に拡散する。活性層に拡散されたｐ型ドーパントが井戸層に達すると、活性層で発生する光の輝度が低下して、半導体発光素子の品質が劣化するという問題があった。【０００８】
活性層がｎ型半導体層上に直接配置された半導体発光素子では、ｎ型半導体層から活性層に供給された電子が、活性層の直上に配置されたｐ型半導体層に到達し、ｐ型半導体層において正孔と再結合してしまう現象（以下において「電子のオーバーフロー」という。）が生じる場合がある。その場合、ｐ型半導体層での再結合による発光は効率が悪いために、半導体発光素子から出力される光の輝度が低下し、半導体発光素子の品質が劣化するという問題があった。また、半導体発光素子の製造工程において、ｎ型半導体層にドープされたｎ型ドーパントが活性層に拡散し、出力される光の輝度が低下するという問題が生じていた。【０００９】
上記問題点を鑑み、本発明は、ｎ型半導体層から供給される電子と、ｐ型半導体層から供給されるホールが活性層において効率よく再結合するための活性層のＭＱＷペア数を最適化し、発光効率を向上した半導体発光素子を提供する。【００１０】
本発明は、ｐ型半導体層から井戸層へのｐ型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【００１１】
本発明は、ｎ型半導体層からｐ型半導体層への電子のオーバーフロー、及びｎ型半導体層から活性層へのｎ型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、ｎ型窒化物系半導体層と、ｐ型窒化物系半導体層と、前記ｎ型窒化物系半導体層と前記ｐ型窒化物系半導体層との間に配置され、ＧａＮよりなるバリア層とＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）よりなる井戸層との多重量子井戸構造のＩｎを含む活性層とを備え、前記多重量子井戸層のペア数は、６〜１１である半導体発光素子である半導体発光素子が提供される。【００１３】
本発明の他の態様によれば、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に配置され、バリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有する活性層と、活性層上に配置され、ｐ型ドーパンドを含むｐ型半導体層とを備え、活性層の積層構造の最上層の最終バリア層の膜厚がｐ型ドーパントの最終バリア層を拡散する距離より厚く、最終バリア層のｐ型ドーパンドの濃度がｐ型半導体層に接する最終バリア層の第１主面から最終バリア層の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型ドーパンドの濃度が１×１０16ｃｍ-3未満である半導体発光素子が提供される。【００１４】
本発明の他の態様によれば、ｎ型ドーパントがドープされたｎ型半導体層と、ｎ型半導体層上に配置され、ｎ型半導体層より低い濃度でｎ型ドーパントがドープされたブロック層と、ブロック層上に配置された活性層と、活性層上に配置されたｐ型半導体層とを備える半導体発光素子が提供される。【００１５】
本発明の他の態様によれば、ｎ型半導体層を形成する工程と、ｎ型半導体層上に、バリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層を交互に積層して活性層を形成する工程と、活性層上にｐ型ドーパンドを含むｐ型半導体層を形成する工程とを含み、ｐ型半導体層と接する活性層の最終バリア層を、ｐ型ドーパントの最終バリア層を拡散する距離より厚く形成する半導体発光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体発光素子によれば、ｎ型半導体層から供給される電子と、ｐ型半導体層から供給されるホールが活性層において効率よく再結合するための活性層のＭＱＷペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。【００１７】
本発明によれば、ｐ型半導体層から井戸層へのｐ型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。【００１８】
本発明によれば、ｎ型半導体層からｐ型半導体層への電子のオーバーフロー、及びｎ型半導体層から活性層へのｎ型ドーパントの拡散を抑制できる半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造図であって、(ａ)半導体発光素子部分の模式的断面構造図、（ｂ）活性層部分の拡大された模式的断面構造図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造図あって、(ａ)半導体発光素子部分の模式的断面構造図、（ｂ）活性層部分の拡大された模式的断面構造図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子のｐ側電極およびｎ側電極まで形成した模式的断面構造図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、発光出力と量子井戸ペア数との関係を示す図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、ＭＱＷ層内における発光現象を説明するバンド構造の模式図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、ＭＱＷ層内における発光現象を説明するバンド構造であって、（ａ）ＭＱＷ層が５ペアの場合のバンド構造の模式図、（ｂ）ＭＱＷ層が８ペアの場合のバンド構造の模式図、（ｃ）ＭＱＷ層が１２ペアの場合のバンド構造の模式図。
【図７】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、４層構造のｐ型半導体層（４１〜４４）を形成する際の温度分布を説明する図、（ｂ）水素ガスフローの条件を説明する図、（ｃ）水素ガスフローの別の条件を説明する図、（ｄ）水素ガスフローのさらに別の条件を説明する図、（ｅ）水素ガスフローのさらに別の条件を説明する図。
【図８】（ａ）本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、４層構造のｐ型半導体層（４１〜４４）を形成する際の温度分布を説明する図、（ｂ）窒素ガスフローの条件を説明する図、（ｃ）アンモニアガスフローの条件を説明する図。
【図９】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の構成例を示す模式図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の最終バリア層におけるｐ型ドーパント濃度分布の例を示すグラフ。
【図１１】（ａ）本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の最終バリア層及びｐ型半導体層の例であり、ｐ型半導体層の構造図、（ｂ）ｐ型半導体層のＭｇ濃度分布を示す図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の最終バリア層の膜厚と発光出力との関係を示すグラフ。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子の活性層の結晶成長におけるガスフローパターンを示す図。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の構成例を示す模式図。
【図１５】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の活性層の構造例を示す模式図。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子のブロック層のＳｉ濃度と発光出力との関係を示すグラフ。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子の活性層の結晶成長におけるガスフローパターンを示す図。
【符号の説明】
【００２０】
１…基板
２…ｎ型半導体層
３…活性層
４…ｐ型半導体層
５…酸化物電極
６…バッファ層
７…ブロック層
３１…バリア層（ＧａＮ層）
３２…井戸層（ＩｎＧａＮ層）
４１…第１窒化物系半導体層
４２…第２窒化物系半導体層
４３…第３窒化物系半導体層
４４…第４窒化物系半導体層
１００…ｐ側電極
２００…ｎ側電極
３１０…最終バリア層
３１１〜３１ｎ…バリア層
３２１〜３２ｎ…井戸層
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。【００２２】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の実施の形態を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。【００２３】
[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図１（ａ）に示すように表される。また、活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図１（ｂ）に示すように表される。【００２４】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１に示すように、基板１と、基板１上に配置されたバッファ層６と、バッファ層６上に配置され、ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に配置され、ｎ型半導体層２より低い濃度でｎ型不純物が不純物添加されたブロック層７と、ブロック層７上に配置された活性層３と、活性層３上に配置されたｐ型半導体層４と、ｐ型半導体層４上に配置された酸化物電極５とを備える。【００２５】
活性層３は、図１（ｂ）に示すように、バリア層３１１〜３１ｎ、３１０とそのバリア層３１１〜３１ｎ、３１０よりバンドギャップが小さい井戸層３２１〜３２ｎが交互に配置された積層構造を有する。以下において、活性層３に含まれる第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎを総称して「バリア層３１」という。また、活性層３に含まれるすべての井戸層を総称して「井戸層３２」という。【００２６】
上記の積層構造の最上層の最終バリア層３１０の膜厚は、その最終バリア層３１０以外の積層構造に含まれる他のバリア層（第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ）の厚さより厚く形成されていてもよい。【００２７】
図１に示した半導体発光素子では、最終バリア層３１０のｐ型ドーパンドの濃度が、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面から最終バリア層３１０の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型ドーパンドが存在しない。【００２８】
基板１には、例えば、ｃ面（０００１）,０．２５°オフのサファイア基板などが採用可能である。ｎ型半導体層２、活性層３及びｐ型半導体層４はそれぞれＩＩＩ族窒化物系半導体からなり、基板１上にバッファ層６、ｎ型半導体層２、ブロック層７、活性層３及びｐ型半導体層４が順次積層される。【００２９】
（バッファ層）
バッファ層６は、例えば、厚さ約１０〜５０オングストローム程度のＡｌＮ層で形成される。ＡｌＮバッファ層６を結晶成長させる場合、例えば、約９００℃〜９５０℃程度の温度範囲の高温において成長させる。ＡｌＮバッファ層６のＡｌ原料として用いるトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、Ｎ原料として用いるアンモニア（ＮＨ3）を、Ｈ2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、ＡｌＮバッファ層６を結晶成長させている。例えば、サイクル数は約３〜５程度でもよい。【００３０】
トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、アンモニア（ＮＨ3）を、Ｈ2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、厚さ約１０〜３０オングストローム程度の薄いＡｌＮバッファ層６を、高速に成長させることができ、しかも結晶性も良好に保ちつつ形成することができる。【００３１】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、高温ＡｌＮバッファ層上に形成されるＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶性および表面モフォロジーを改善することができる。【００３２】
（ブロック層）
ｎ型半導体層２と活性層３間に配置されたブロック層７は、例えばｎ型不純物としてＳｉを１×１０17ｃｍ-3未満で不純物添加した膜厚約２００ｎｍ程度のＩＩＩ族窒化物系半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。【００３３】
図１に示した半導体発光素子では、例えばｎ型半導体層２にＳｉが３×１０18ｃｍ-3程度不純物添加された場合に、Ｓｉが約８×１０16ｃｍ-3程度不純物添加されたブロック層７をｎ型半導体層２と活性層３間に配置することにより、活性層３の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるｎ型半導体層２から活性層３へのＳｉの拡散を防止できる。【００３４】
つまり、活性層３内にＳｉが拡散せず、活性層３で発生する光の輝度の低下が防止される。更に、活性層３で発光させるためにｎ型半導体層２とｐ型半導体層４間にバイアスが印加された場合に、ｎ型半導体層２から活性層３に供給された電子が活性層３を通過してｐ型半導体層４に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止することができる。【００３５】
ブロック層７のＳｉ濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満である。これは、ブロック層７のＳｉ濃度が高すぎる場合、ｎ型半導体層２から供給された電子が活性層３を超えてｐ型半導体層４までオーバーフローし、ｐ型半導体層４内で正孔と再結合してしまい、活性層３中での再結合の割合が減少し、活性層３で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層７のＳｉ濃度が低すぎる場合は、ｎ型半導体層２から活性層３へ注入させる電子のキャリア密度を上昇することができない。そのため、ブロック層７のＳｉ濃度は、約５×１０16〜１×１０17ｃｍ-3未満であることが好ましい。【００３６】
以上に説明したように、第１の実施の形態に係る半導体発光素子では、ｎ型半導体層２と活性層３間にブロック層７を配置することにより、製造工程中でのｎ型半導体層２から活性層３へのＳｉの拡散、及び発光時におけるｎ型半導体層２からｐ型半導体層４への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図１に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。【００３７】
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層２は、電子を活性層３に供給し、ｐ型半導体層４は、正孔（ホール）を活性層３に供給する。供給された電子及び正孔が活性層３で再結合することにより、光が発生する。【００３８】
ｎ型半導体層２は、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物を不純物添加した膜厚１〜６μｍ程度のＩＩＩ族窒化物系半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。【００３９】
（ｐ型半導体層）
ｐ型半導体層４は、ｐ型不純物を不純物添加した膜厚０．２〜１μｍ程度のＩＩＩ族窒化物系半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、カルシウム（Ｃａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）等が使用可能である。【００４０】
ｐ型半導体層４の構成例は、さらに詳細には以下の通りである。すなわち、ｐ型半導体層４は、図１（ａ）に示すように、活性層３の上部に配置され,ｐ型不純物を含む第１窒化物系半導体層４１と、第１窒化物系半導体層４１上に配置され,第１窒化物系半導体層４１のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第２窒化物系半導体層４２と、第２窒化物系半導体層４２上に配置され,第２窒化物系半導体層４２のｐ型不純物よりも高濃度のｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４とを備える。【００４１】
第２窒化物系半導体層４２の厚さは、第１窒化物系半導体層４１、或いは第３窒化物系半導体層４３乃至第４窒化物系半導体層４４の厚さよりも厚く形成される。【００４２】
ここで、具体的に各層の材料と厚さを説明する。活性層３の上部に配置されるｐ型不純物を含む第１窒化物系半導体層４１は、例えばＭｇを不純物添加された約２×１０20ｃｍ-3、厚さ約５０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。【００４３】
第１窒化物系半導体層４１上に配置され,第１窒化物系半導体層４１のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第２窒化物系半導体層４２は、例えばＭｇを不純物添加された約４×１０19ｃｍ-3、厚さ約１００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。【００４４】
第２窒化物系半導体層４２上に配置され,第２窒化物系半導体層４２のｐ型不純物よりも高濃度のｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３は、例えばＭｇを不純物添加された約１×１０20ｃｍ-3、厚さ約４０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。【００４５】
第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４は、例えばＭｇを不純物添加された約８×１０19ｃｍ-3、厚さ約１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。【００４６】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層３の上に形成されるｐ型半導体層４は、上記のように、Ｍｇ濃度の異なる４層構造のｐ型ＧａＮ層からなり、上記の濃度でドーピングされている。ｐ型ＧａＮ層は、活性層３への熱ダメージを低減させるために、約８００℃〜９００℃の低温で成長する。【００４７】
活性層３に一番近い第１窒化物系半導体層４１は、Ｍｇ濃度が高いほど発光強度が高くなるため、Ｍｇ濃度は高ければ高いほど望ましい。【００４８】
第２窒化物系半導体層４２は、Ｍｇを不純物添加しすぎると、Ｍｇに起因する結晶欠陥が増加し、膜の抵抗が高くなるため、１０19ｃｍ-3台の半ば程度のＭｇ濃度とすることが望ましい。【００４９】
第３窒化物系半導体層４３は、活性層３への正孔注入量を決める層であるため、第２窒化物系半導体層４２よりはやや高めのＭｇ濃度とすることが望ましい。【００５０】
第４窒化物系半導体層４４は、酸化物電極５とのオーミックコンタクトを取るためのｐ型ＧａＮ層であり、実質的に空乏化されている。酸化物電極５として、例えば、ＧａまたはＡｌが１×１０19〜５×１０21ｃｍ-3程度不純物添加されたＺｎＯ電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Ｖfを最も下げる時のＭｇ濃度となるように、第４窒化物系半導体層４４には、Ｍｇが不純物添加される。【００５１】
ｐ型ＧａＮ層を４層成長させる場合、ｐ側電極１００に近い第３窒化物系半導体層４３、第４窒化物系半導体層４４は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする。また、活性層３に近い第１窒化物系半導体層４１、第２窒化物系半導体層４２は、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする必要はなく、活性層３をＮ2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させる。これらのｐ型ＧａＮ層を成長させる時は、Ｖ／ＩＩＩ比をなるべく高くした方がより低抵抗な膜を成長させることができ、発光素子の順方向電圧（Ｖf）を下げることができる。【００５２】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、低温でｐ型半導体層を形成して活性層への熱ダメージを低減させ、かつ順方向電圧（Ｖf）を低下させ、発光効率を向上させることができる。【００５３】
（活性層）
活性層３は、図１（ｂ）に示すように、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ及び最終バリア層３１０でそれぞれ挟まれた第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎを有する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である（ｎ：自然数）。つまり、活性層３は、井戸層３２を井戸層３２よりもバンドギャップの大きなバリア層３１でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位ペア構造とし、この単位ペア構造をｎ回積層したｎペア構造を有する。【００５４】
具体的には、第１井戸層３２１は第１バリア層３１１と第２バリア層３１２の間に配置され、第２井戸層３２２は第２バリア層３１２と第３バリア層３１３の間に配置される。そして、第ｎ井戸層３２ｎは第ｎバリア層３１ｎと最終バリア層３１０の間に配置される。活性層３の第１バリア層３１１は、ｎ型半導体層２上にバッファ層６を介して配置され、活性層３の最終バリア層３１０上にはｐ型半導体層４（４１〜４４）が配置される。【００５５】
井戸層３２１〜３２ｎは、例えばＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）層によって形成され、バリア層３１１〜３１ｎ，３１０は、例えばＧａＮ層によって形成される。また、多重量子井戸層のペア数は、例えば、６〜１１である。なお、井戸層３２１〜３２ｎのガリウム（Ｇａ）に対するインジウム（Ｉｎ）の比率｛ｘ／（１−ｘ）｝は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。【００５６】
また、井戸層３２１〜３２ｎの厚さは、例えば、約２〜３ｎｍ程度、望ましくは、約２．８ｎｍ程度であり、バリア層３１１〜３１ｎの厚さは約７〜１８ｎｍ程度、望ましくは、約１６．５ｎｍ程度であることを特徴とする。【００５７】
図４は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、発光出力と量子井戸ペア数との関係を示す。【００５８】
図５は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層３内における発光現象を説明するバンド構造の模式図を示す。【００５９】
図６は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、活性層３内における発光現象を説明するバンド構造であって、図６（ａ）は、ＭＱＷが５ペアの場合のバンド構造の模式図、図６（ｂ）は、ＭＱＷが８ペアの場合のバンド構造の模式図、図６（ｃ）は、ＭＱＷが１２ペアの場合のバンド構造の模式図をそれぞれ示す。【００６０】
従来構造では、ＭＱＷのペア数は、４〜５ペアが用いられているため、図６（ａ）に示すように、ｎ型半導体層２から供給される電子が活性層３を飛び越えてｐ型半導体層４まで流れてしまう。この際、ｐ型半導体層４から供給されるホールが活性層３に達する前に電子と再結合してしまい、活性層３に達するホール濃度が減少する。それにより、ＬＥＤの輝度が減少してしまう。これは、ホールの有効質量が電子に比べて高いためｐ型半導体層４からの注入ホールの移動度が低く、ホールが活性層３に達する前に電子が、ｐ型半導体層４まで到達して、ホールと再結合してしまうからである。【００６１】
一方、ＭＱＷのペア数が、１２ペアより大きい場合には、図６（ｃ）に示すように、活性層３が厚いために、ｎ型半導体層２から供給される電子は、活性層３内を十分に走行することができない。この際、ｐ型半導体層４から供給されるホールも、活性層３内を十分に走行することができない。このため、活性層３内において、電子とホールの再結合が充分に発生せず、それにより、ＬＥＤの輝度が減少してしまう。【００６２】
これに対して、ＭＱＷのペア数が、８ペア程度の場合には、図５および図６（ｂ）に示すように、活性層３の厚さが最適化され、ｎ型半導体層２から供給される電子は、活性層３内を十分に走行するとともに、同時に、ｐ型半導体層４から供給されるホールも、活性層３内を十分に走行することができ、活性層３内において、電子とホールの再結合が充分に発生して、それにより、ＬＥＤの輝度を高くすることができる。【００６３】
ｐ型半導体層４から活性層３への充分な正孔の注入量が確保されており、かつｎ型半導体層２からも活性層３への充分な電子の注入量が確保されている場合においては、発光現象に寄与する活性層３内のＭＱＷは、ｐ型半導体層４から数えて２〜３ペアであってもよい。なお、電子の移動度は正孔の移動度に比べ高いため、発光現象に寄与する活性層３内のＭＱＷは、ｐ型半導体層４側に近い数ペアとなる。【００６４】
また、図４に示すように、ＭＱＷのペア数が８において発光出力Ｐは最大値Ｐ2を示し、一方、ＭＱＷのペア数が５或いは１２においては発光出力ＰはＰ1(Ｐ1＜Ｐ2)程度であり、ＭＱＷのペア数が５より小さい場合或いは１２よりも大きい場合には、充分な発光出力Ｐを確保することが難しい。【００６５】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子においては、ｎ型半導体層２から供給される電子と、ｐ型半導体層４から供給されるホールが活性層３において効率よく再結合するための活性層３内のＭＱＷペア数を最適化することができる。【００６６】
（最終バリア層）
最終バリア層３１０の膜厚は、ｐ型半導体層４から活性層３へのＭｇの拡散距離より厚く形成される。【００６７】
図１に示した半導体発光素子では、最終バリア層３１０のｐ型不純物の濃度が、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面から最終バリア層３１０の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型不純物が存在しない。【００６８】
図１に示した半導体発光素子の最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は、ｐ型半導体層４の形成工程及びその工程以降においてｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型不純物が、活性層３の井戸層３２に達しないように設定される。つまり、ｐ型半導体層４から最終バリア層３１０に拡散するｐ型不純物が、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面に対向する第２主面（最終バリア層３１０が井戸層３２ｎに接する面）まで達しない厚みに膜厚ｄ０が設定される。【００６９】
ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面でのＭｇ濃度は、例えば、約２×１０20ｃｍ-3程度であり、第１主面に対向する最終バリア層３１０の第２主面に向かってＭｇ濃度は次第に低下し、第１主面から距離約７〜８ｎｍの位置においてＭｇ濃度は約１０16ｃｍ-3以下程度の検出下限界以下になる。即ち、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０を、約１０ｎｍ程度にすることにより、Ｍｇは最終バリア層３１０の第２主面まで拡散せず、そのため、活性層３と接する最終バリア層３１０の第２主面にはＭｇは存在しない。つまり、第ｎ井戸層３２ｎ内にＭｇが拡散せず、活性層３で発生する光の輝度の低下が防止される。【００７０】
なお、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎは、同一であってもよい。ただし、膜厚ｄ１〜ｄｎは、ｎ型半導体層２から活性層３に注入される正孔が第ｎ井戸層３２ｎに到達し、第ｎ井戸層３２ｎで電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎが厚すぎると活性層３中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。【００７１】
例えば、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は約１０ｎｍ程度であり、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎは約７〜１８ｎｍ程度であり、第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎの膜厚は約２〜３ｎｍ程度である。【００７２】
以上に説明したように、第１の実施の形態に係る半導体発光素子では、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の膜厚ｄ０が、ｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型ドーパンドが活性層３の井戸層３２に到達しない厚さに設定される。つまり、図１に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０をＭｇの拡散距離より厚く設定することにより、活性層３全体の膜厚の増大を抑制しつつ、ｐ型半導体層４から活性層３の井戸層３２へのｐ型不純物の拡散を防止できる。その結果、井戸層３２へのｐ型不純物の拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。【００７３】
（電極構造）
第１の実施の形態に係る半導体発光素子は、図３に示すように、ｎ型半導体層２に電圧を印加するｎ側電極２００と、ｐ型半導体層４に電圧を印加するｐ側電極１００を更に備える。図３に示すように、ｐ型半導体層４、活性層３、ブロック層７、及びｎ型半導体層２の一部領域をメサエッチングして露出させたｎ型半導体層２の表面に、ｎ側電極２００が配置される。【００７４】
ｐ側電極１００は、ｐ型半導体層４上に酸化物電極５を介して配置される。或いはまた、ｐ側電極１００は、ｐ型半導体層４上に直接配置されていても良い。第４窒化物系半導体層４４上に配置される酸化物電極５からなる透明電極は、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかを含む。【００７５】
ｎ側電極２００は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕまたはＡｌ／Ｔｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ，Ａｌ／Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕ／Ｎi／Ａｌの多層膜からなり、ｐ側電極１００は、例えばＡｌ膜、パラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜、Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜、或いは上層からＡｕ-Ｓｎ／Ｔｉ／Ａｕの多層膜からなる。そして、ｎ側電極２００はｎ型半導体層２に、ｐ側電極１００は、酸化物電極５を介してｐ型半導体層４に、それぞれオーミック接続される。【００７６】
本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子をフリップチップ構造に実装するために、ｐ側電極１００の表面とｎ側電極２００の表面を、基板１から測った高さが同じ高さとなるように形成しても良い。【００７７】
酸化物電極５として透明導電膜ＺｎＯを形成し、このＺｎＯを、発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜で覆う構造を備えていても良い。反射積層膜はλ／４ｎ1とλ／４ｎ2の積層構造（ｎ1，ｎ2は積層する層の屈折率）を有し、積層構造に用いる材料としては、例えばλ＝４５０ｎｍの青色光に対して、ＺｒＯ2(ｎ＝２．１２)とＳｉＯ2(ｎ＝１．４６)からなる積層構造を用いることができる。この場合の各層の厚さは、ＺｒＯ2を、例えば約５３ｎｍ、ＳｉＯ2を、例えば約７７ｎｍとしている。積層構造を形成するための他の材料としては、ＴｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3などを用いることもできる。【００７８】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子によれば、反射積層膜８により活性層３内で発光した光を、ｎ側電極１００で吸収されることなく外部に取り出すことができるため、外部発光効率を向上することができる。【００７９】
（製造方法）
以下に、図１に示した第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板１にサファイア基板を適用する例を説明する。【００８０】
（ａ）まず、良く知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等でサファイア基板１上にＡｌＮバッファ層６を成長させる。例えば、約９００℃〜９５０℃程度の高温において、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）と、アンモニア（ＮＨ3）を、Ｈ2ガスをキャリアとして、交互にパルス的に、反応室に供給することによって、厚さ約１０〜５０オングストローム程度の薄いＡｌＮバッファ層６を、短時間に成長させる。【００８１】
（ｂ）次に、ＡｌＮバッファ層６上に、ＭＯＣＶＤ法などにより、ｎ型半導体層２となるＧａＮ層を成長させる。例えば、ＡｌＮバッファ層６を形成した基板１をサーマルクリーニングした後、基板温度を１０００°Ｃ程度に設定して、ＡｌＮバッファ層６上に、ｎ型不純物を不純物添加したｎ型半導体層２を１〜５μｍ程度成長させる。ｎ型半導体層２には、例えばｎ型不純物としてＳｉを３×１０18ｃｍ-3程度の濃度で不純物添加したＧａＮ膜が採用可能である。Ｓｉを不純物添加する場合は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）及びシラン（ＳｉＨ4）を原料ガスとして供給して、ｎ型半導体層２を形成する。【００８２】
（ｃ）次に、ｎ型半導体層２上にブロック層７として、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3未満、例えば８×１０16ｃｍ-3程度の濃度で不純物添加したＧａＮ膜を例えば、約２００ｎｍ程度成長させる。このとき、ｎ型半導体層２を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。【００８３】
（ｄ）次に、活性層３をｎ型半導体層２上に形成する。例えば、ＧａＮ膜からなるバリア層３１とＩｎＧａＮ膜からなる井戸層３２を交互に積層して、活性層３が形成される。具体的には、活性層３を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層３１と井戸層３２を交互に連続して成長させ、バリア層３１と井戸層３２が積層してなる活性層３が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層３２及び井戸層３２よりバンドギャップが大きいバリア層３１を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をｎ回、例えば８回程度繰り返して、バリア層３１と井戸層３２が交互に積層された積層構造を得る。【００８４】
例えば、基板温度Ｔａでバリア層３１が形成され、基板温度Ｔｂ（Ｔａ＞Ｔｂ）で井戸層３２が形成される。即ち、基板温度がＴａに設定された時刻ｔ１０〜ｔ１１において第１バリア層３１１が形成される。次いで、時刻ｔ１１で基板温度がＴｂに設定され、時刻ｔ１１〜時刻ｔ２０において第１井戸層３２１が形成される。その後も同様に、時刻ｔ２０〜ｔ２１において基板温度Ｔａで第２バリア層３１２が形成され、時刻ｔ２１〜時刻ｔ３０において基板温度Ｔｂで第２井戸層３２２が形成される。そして、時刻ｔｎ０〜ｔｎ１において基板温度Ｔａで第ｎバリア層３１ｎが形成され、時刻ｔｎ１〜時刻ｔｅにおいて基板温度Ｔｂで第ｎ井戸層３２ｎが形成され、バリア層３１と井戸層３２を交互に積層した積層構造が完成する。【００８５】
バリア層３１を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガスを３００ｓｃｃｍ（standard cc/min）、ＮＨ3ガスを２０ｓｌｍ（standard L/min）の流量でそれぞれ成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層３２を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガスを３００ｓｃｃｍ、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを２８０ｓｃｃｍ、ＮＨ3ガスを２０ｓｌｍの流量でそれぞれ処理装置に供給する。なお、ＴＭＧガスはＧａ原子の原料ガス、ＴＭＩガスはＩｎ原子の原料ガス、ＮＨ3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。【００８６】
形成された積層構造上に、最終バリア層３１０としてノンドープのＧａＮ膜を１０ｎｍ程度形成して、図１に示した活性層３が形成される。既に説明したように、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は、ｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型ドーパンドが活性層３の井戸層３２に到達しない厚さに設定される。【００８７】
（ｅ）次いで、基板温度を８００℃〜９００℃程度にして、最終バリア層３１０上に、ｐ型不純物を不純物添加したｐ型半導体層４を０．０５〜１μｍ程度形成する。【００８８】
ｐ型半導体層４は、例えばｐ型不純物としてＭｇを不純物添加した４層構造に形成する。活性層３の上部に配置される第１窒化物系半導体層４１は、約２×１０20ｃｍ-3、厚さ約５０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成し、第２窒化物系半導体層４２は、約４×１０19ｃｍ-3、厚さ約１００ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成し、第３窒化物系半導体層４３は、例えば約１×１０20ｃｍ-3、厚さ約４０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成し、第４窒化物系半導体層４４は、約８×１０19ｃｍ-3、厚さ約１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成する。【００８９】
Ｍｇを不純物添加する場合は、ＴＭＧガス、ＮＨ3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ガスを原料ガスとして供給して、ｐ型半導体層４（４１〜４４）を形成する。ｐ型半導体層４（４１〜４４）の形成時にｐ型半導体層４（４１〜４４）から活性層３にＭｇが拡散するが、最終バリア層３１０により、Ｍｇが活性層３の井戸層３２に拡散することが防止される。【００９０】
ここで、ｐ型半導体層４の形成工程について、さらに詳細に説明する。【００９１】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子において、４層構造のｐ型半導体層（４１〜４４）を形成する際の温度分布は、図７（ａ）および図８（ａ）に示すように表される。また、４層構造のｐ型半導体層（４１〜４４）を形成する際の水素ガスフローの条件を説明する図は、図７（ｂ）〜図７（ｄ）に示すように表される。また、４層構造のｐ型半導体層（４１〜４４）を形成する際の窒素ガスフローの条件を説明する図は、図８（ｂ）に示すように表される。また、アンモニアガスフローの条件を説明する図は、図８（ｃ）に示すように表される。【００９２】
図７（ａ）および図８（ａ）に示す温度分布において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間Ｔ１は、第１窒化物系半導体層４１を形成する期間であり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間Ｔ２は、第２窒化物系半導体層４２を形成する期間であり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間Ｔ３は、第３窒化物系半導体層４３を形成する期間であり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間Ｔ４は、第４窒化物系半導体層４４を形成する期間である。時刻ｔ５〜ｔ６の期間Ｔ５は、基板温度を８５０℃から３５０℃まで冷却する期間である。【００９３】
第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、ｎ型半導体層２を形成する工程と、ｎ型半導体層２上に活性層３を形成する工程と、活性層３上に、ｐ型不純物をそれぞれ含む複数のｐ型ＧａＮ層を積層して窒化物系半導体層（４１〜４４）を約８００〜９００℃程度の低温で形成する工程とを含み、水素を含まないキャリアガスによって原料ガスを供給して、複数のｐ型ＧａＮ層の少なくとも一部を形成する。【００９４】
水素を含むキャリアガスによってｐ型半導体層４を形成する場合、Ｍｇと一緒に取り込まれる水素原子によってＭｇが活性化されにくくなり、ｐ型半導体層４のｐ型化が阻害される原因となる。そのため、ｐ型半導体層４を形成後、水素原子を取り除いてｐ型半導体層４をｐ型化するためのアニール（以下において「ｐ型化アニール」という。）を実施する必要がある。【００９５】
しかし、第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、第１窒化物系半導体層４１〜第４窒化物系半導体層４４のうち少なくとも一層を、水素を含まないキャリアガスによってＭｇの原料ガスを供給して形成することにより、ｐ型化アニールの工程を省略できる。ｐ型半導体層４のどの部分を水素を含まないキャリアガスによって形成するかは任意に設定可能であり、例えば第１窒化物系半導体層４１〜第３窒化物系半導体層４３を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第４窒化物系半導体層４４のみを水素を含むキャリアガスによって形成してもよい。【００９６】
例えば、図７（ｂ）に示すように、第１窒化物系半導体層４１〜第４窒化物系半導体層４４の内、膜厚の厚い第２窒化物系半導体層４２や、Ｍｇ濃度の高い第１窒化物系半導体層４１を、水素を含まないキャリアガスによって形成することが、ｐ型化アニールの工程を省略する点で好ましい。例えば、図７（ｃ）は、第１窒化物系半導体層４１〜第４窒化物系半導体層４４の内、第１窒化物系半導体層４１〜第３窒化物系半導体層４３を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。図７（ｄ）は、第１窒化物系半導体層４１および第３窒化物系半導体層４３を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。図７（ｅ）は、第２窒化物系半導体層４２および第３窒化物系半導体層４３を、水素を含まないキャリアガスによって形成する例である。【００９７】
一方、図７（ｂ）乃至図７（ｅ）に示すように、ｐ側電極１００と接する第４窒化物系半導体層４４は、結晶状態をできるだけよくするために、水素を含むキャリアガスによってＭｇの原料ガスを供給して形成することが好ましい。これは、一般に、水素を含むキャリアガスによってＭｇの原料ガスを供給する場合の方が、水素を含まないキャリアガスによって形成する場合に比べて、Ｍｇを不純物添加したｐ型半導体層の結晶状態がよいためである。【００９８】
以下に、第１の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法におけるｐ型膜形成方法について説明する。なお、以下に述べるｐ型膜形成方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、ｐ型不純物としてＭｇを採用し、図７（ｂ）に示すように、第１窒化物系半導体層４１及び第２窒化物系半導体層４２を水素を含まないキャリアガスによって形成し、第３窒化物系半導体層４３及び第４窒化物系半導体層４４を水素を含むキャリアガスによって形成する場合を例示的に説明する。【００９９】
図７乃至図８に示すように、ｐ型半導体層４を形成する基板温度Ｔｐは８５０℃、圧力は２００Ｔｏｒｒで共通に設定される。【０１００】
（工程１）時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、キャリアガスとしてＮ2ガスを供給して、原料ガスとしてＮＨ3ガス、ＴＭＧガス、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ガスをそれぞれ処理装置に供給して第１窒化物系半導体層４１が形成される。時刻ｔ１〜時刻ｔ２間を５分として、膜厚＝５０ｎｍ、Ｍｇ濃度＝２×１０20ｃｍ-3の第１窒化物系半導体層４１が形成される。【０１０１】
（工程２）時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、キャリアガスとしてＮ2ガスを供給して、原料ガスとしてＮＨ3ガス、ＴＭＧガス、Ｃｐ2Ｍｇガスをそれぞれ処理装置に供給して第２窒化物系半導体層４２が形成される。時刻ｔ２〜時刻ｔ３間を２１分として、膜厚＝１００ｎｍ、Ｍｇ濃度＝４×１０19ｃｍ-3の第２窒化物系半導体層４２が形成される。【０１０２】
（工程３）時刻ｔ３〜時刻ｔ４において、キャリアガスとしてＨ2ガス、Ｎ2ガスを供給して、原料ガスとしてＮＨ3ガス、ＴＭＧガス、Ｃｐ2Ｍｇガスをそれぞれ処理装置に供給して第３窒化物系半導体層４３が形成される。時刻ｔ３〜時刻ｔ４間を１分として、膜厚＝４０ｎｍ、Ｍｇ濃度＝１×１０20ｃｍ-3の第３窒化物系半導体層４３が形成される。【０１０３】
（工程４）時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、キャリアガスとしてＨ2ガス、Ｎ2ガスを供給して、原料ガスとしてＮＨ3ガス、ＴＭＧガス、Ｃｐ2Ｍｇガスをそれぞれ処理装置に供給して第４窒化物系半導体層４４が形成される。時刻ｔ４〜時刻ｔ５間を３分として、膜厚＝１０ｎｍ、Ｍｇ濃度＝８×１０19ｃｍ-3の第４窒化物系半導体層４４が形成される。【０１０４】
（工程５）時刻ｔ５〜時刻ｔ６において、キャリアガスとしてＮ2ガスを供給しながら、基板温度を温度Ｔｐ（８５０℃）から温度Ｔｄ（３５０℃）以下まで温度を下げる。つまり、４００℃以上で行うｐ型化アニールは実施されない。【０１０５】
上記の工程１〜工程５によって、第１窒化物系半導体層４１〜第４窒化物系半導体層４４を含むｐ型半導体層４が形成される。Ｍｇ濃度の高い第１窒化物系半導体層４１、及び膜厚の厚い第２窒化物系半導体層４２をＨ2ガスを含まないキャリアガスによって形成するため、ｐ型化アニールを実施しなくても、ｐ型半導体としてｐ型半導体層４が得られる。また、Ｈ2ガスを含むキャリアガスを供給して形成することにより第４窒化物系半導体層４４の結晶状態がよくなる。つまり、ｐ型半導体層４のｐ側電極１００と接する表面の結晶状態がよく、ｐ型半導体層４のｐ側電極１００とのコンタクトが良好になる。【０１０６】
上記のようなｐ型半導体層４の形成工程によれば、Ｈ2ガスを含まないキャリアガスを供給してｐ型半導体層４を形成することにより、ｐ型半導体層４にｐ型不純物と一緒にＨ2が取り込まれることがない。そのため、ｐ型半導体層４からＨ2を取り除くためのｐ型化アニールが不要になり、半導体発光素子の製造工程を短縮することができる。【０１０７】
（ｆ）次に、ｐ型半導体層４の上部に蒸着、スパッタリング技術などによって酸化物電極５を形成する。酸化物電極５としては、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかを用いることができる。さらに、ＧａあるいはＡｌなどのｎ型不純物を１×１０19〜５×１０21ｃｍ-3程度まで高濃度に不純物添加しても良い。【０１０８】
（ｇ）次に、酸化物電極５をパターニング後、酸化物電極５を覆うように発光する光の波長λに対して反射する反射積層膜８を蒸着、スパッタリング技術などによって形成する。反射積層膜８に用いる材料としては、例えばλ＝４５０ｎｍの青色光に対して、ＺｒＯ2(ｎ＝２．１２)とＳｉＯ2(ｎ＝１．４６)からなる積層構造を用いる。各層の厚さは、ＺｒＯ2を、例えば約５３ｎｍ、ＳｉＯ2を、例えば約７７ｎｍとしている。【０１０９】
（ｈ）次いで、反射積層膜８およびｐ型半導体層４〜ｎ型半導体層２の途中までを、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）などのエッチング技術を用いて、メサエッチングして除去し、ｎ型半導体層２の表面を露出させる。【０１１０】
（ｉ）次に、露出したｎ型半導体層２の表面にｎ側電極２００、３００を蒸着、スパッタリング技術などにより形成する。ｐ型半導体層４上の酸化物電極５に対しても、パターン形成後ｐ側電極１００を蒸着、スパッタリング技術などにより形成して、図３に示した半導体発光素子が完成する。【０１１１】
（変形例）
第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子の模式的断面構造は、図２（ａ）に示すように表され、活性層部分の拡大された模式的断面構造は、図２（ｂ）に示すように表される。【０１１２】
第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、図２に示すように、基板１と、基板１上に配置されたバッファ層６と、バッファ層６上に配置され、ｎ型不純物が不純物添加されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に配置され、ｎ型半導体層２より低い濃度でｎ型不純物が不純物添加されたブロック層７と、ブロック層７上に配置された活性層３と、活性層３上に配置されたｐ型半導体層４と、ｐ型半導体層４上に配置された酸化物電極５とを備える。【０１１３】
第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、活性層３の上部に配置されたｐ型不純物を含む第３窒化物系半導体層４３と、第３窒化物系半導体層上に配置され、第３窒化物系半導体層のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層と、第４窒化物系半導体層上に配置され、酸化物電極５からなる透明電極とを備えることを特徴とする。【０１１４】
また、透明電極は、ＧａもしくはＡｌが１×１０19〜５×１０21ｃｍ-3程度まで不純物添加されたＺｎＯ、ＩＴＯ若しくはインジウムを含有するＺｎＯのいずれかを含むことを特徴とする。【０１１５】
第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子は、第１の実施の形態に係る半導体発光素子の構造上、ｐ型半導体層４が、活性層３の上部に直接配置された第３窒化物系半導体層と、第３窒化物系半導体層上に配置され、第３窒化物系半導体層のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層からなる２層構造に形成されている。【０１１６】
活性層３の上部に直接配置された第３窒化物系半導体層４３は、例えばＭｇを不純物添加された約１×１０20ｃｍ-3、厚さ約４０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。【０１１７】
第３窒化物系半導体層４３上に配置され,第３窒化物系半導体層４３のｐ型不純物よりも低濃度のｐ型不純物を含む第４窒化物系半導体層４４は、例えばＭｇを不純物添加された約８×１０19ｃｍ-3、厚さ約１０ｎｍ程度のｐ型ＧａＮ層で形成される。【０１１８】
第２の実施の形態に係る半導体発光素子において、インジウムを含む多重量子井戸からなる活性層３の上に形成されるｐ型半導体層４は、上記のように、Ｍｇ濃度の異なる２層構造のｐ型ＧａＮ層からなり、上記の濃度でドーピングされている。ｐ型ＧａＮ層は、活性層３への熱ダメージを低減させるために、約８００℃〜９００℃の低温で成長する。【０１１９】
活性層３に一番近い第３窒化物系半導体層４３は、活性層３への正孔注入量を決める層であるため、Ｍｇ濃度が高いほど発光強度が高くなる。このため、Ｍｇ濃度は高ければ高いほど望ましい。【０１２０】
第４窒化物系半導体層４４は、酸化物電極５とのオーミックコンタクトを取るためのｐ型ＧａＮ層であり、実質的に空乏化されている。酸化物電極５として、例えば、ＧａまたはＡｌが１×１０19〜５×１０21ｃｍ-3程度不純物添加されたＺｎＯ電極を用いた場合、半導体発光素子の順方向電圧Ｖfを最も下げる時のＭｇ濃度となるように、第４窒化物系半導体層４４には、Ｍｇが不純物添加される。【０１２１】
ｐ型ＧａＮ層を４層成長させる場合、ｐ側電極１００に近い第３窒化物系半導体層４３、第４窒化物系半導体層４４は、膜中の正孔濃度を上昇させる必要があるため、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする。或いはまた、活性層３に近い第３窒化物系半導体層４３は、キャリアガス中のＨ2ガス量を多くする必要はなく、活性層３をＮ2キャリアガスで成長させているその延長で結晶成長させてもよい。【０１２２】
第１の実施の形態の変形例に係る半導体発光素子においてもＡｌＮバッファ層６、ｎ型半導体層２、ブロック層７、活性層３、ｐ型半導体層４、最終バリア層３１０、反射積層膜８および電極構造は本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子と同様であるため、説明は省略する。【０１２３】
第１の実施の形態およびその変形例に係る半導体発光素子によれば、ｎ型半導体層から供給される電子と、ｐ型半導体層から供給されるホールが活性層において効率よく再結合するための活性層のＭＱＷペア数を最適化し、発光効率を向上させることができる。【０１２４】
[第２の実施の形態]
本発明の第２の実施の形態に係る半導体発光素子は、図９に示すように、基板１と、基板１上に配置されたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層２上に配置され、バリア層とそのバリア層よりバンドギャップが小さい井戸層が交互に配置された積層構造を有する活性層３と、活性層３上に配置され、ｐ型ドーパンドを含むｐ型半導体層４とを備える。図９に示した半導体発光素子では、活性層３の積層構造の最上層の最終バリア層３１０の膜厚ｄ０がｐ型ドーパントの最終バリア層３１０を拡散する距離より厚く、最終バリア層３１０のｐ型ドーパンドの濃度がｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面から最終バリア層３１０の膜厚方向に沿って漸減し、第１主面に対向する第２主面においてｐ型ドーパンドの濃度が１×１０16ｃｍ-3未満である。【０１２５】
基板１には、例えばサファイア基板等が採用可能である。ｎ型半導体層２、活性層３及びｐ型半導体層４はそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体からなり、基板１上にｎ型半導体層２、活性層３及びｐ型半導体層４が順次積層される。【０１２６】
ｎ型半導体層２は電子を活性層３に供給し、ｐ型半導体層４は正孔（ホール）を活性層３に供給する。供給された電子及び正孔が活性層３で再結合することにより、光が発生する。【０１２７】
ｎ型半導体層２は、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型ドーパントをドープした膜厚０．２〜５μｍ程度のＩＩＩ族窒化物半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。ｐ型半導体層４は、ｐ型ドーパントをドープした膜厚０．０５〜１μｍ程度のＩＩＩ族窒化物半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。ｐ型ドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、カルシウム（Ｃａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）等が使用可能である。【０１２８】
活性層３は、図９に示すように、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ及び最終バリア層３１０でそれぞれ挟まれた第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎを有する多重量子井戸（ＭＱＷ)構造である（ｎ：自然数）。つまり、活性層３は、井戸層を井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位構造とし、この単位構造をｎ回積層した構造を有する。具体的には、第１井戸層３２１は第１バリア層３１１と第２バリア層３１２の間に配置され、第２井戸層３２２は第２バリア層３１２と第３バリア層３１３の間に配置される。そして、第ｎ井戸層３２ｎは第ｎバリア層３１ｎと最終バリア層３１０の間に配置される。活性層３の第１バリア層３１１は、ｎ型半導体層２上に配置され、活性層３の最終バリア層３１０上にｐ型半導体層４が配置される。【０１２９】
図９に示す半導体発光素子は、ｎ型半導体層２に電圧を印加するｎ側電極２００と、ｐ型半導体層４に電圧を印加するｐ側電極１００を更に備える。図９に示すように、ｐ型半導体層４、活性層３、及びｎ型半導体層２の一部領域をメサエッチングして露出させたｎ型半導体層２の表面に、ｎ側電極２００が配置される。ｐ側電極１００は、ｐ型半導体層４上に配置される。ｎ側電極２００は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜からなり、ｐ側電極１００は、例えばチタン（Ｔｉ）膜やニッケル（Ｎｉ）膜、又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜等の透明電極、或いはパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜からなる。そして、ｎ側電極２００はｎ型半導体層２に、ｐ側電極１００はｐ型半導体層４に、それぞれオーミック接続される。【０１３０】
バリア層３１や最終バリア層３１０は、例えばＧａＮ膜からなり、井戸層３２は、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）膜からなる。なお、井戸層３２におけるインジウム（Ｉｎ）の組成比率は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。また、バリア層３１として、井戸層３２よりもＩｎの組成が小さいＩｎＧａＮ膜を採用してもよい。【０１３１】
図９に示した半導体発光素子の最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は、ｐ型半導体層４の形成工程及びその工程以降においてｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型ドーパントが、活性層３の井戸層３２に達しないように設定される。つまり、ｐ型半導体層４から最終バリア層３１０に拡散するｐ型ドーパントが、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面に対向する第２主面（最終バリア層３１０が井戸層３２ｎに接する面）まで達しない厚みに膜厚ｄ０が設定される。【０１３２】
図１０に、ｐ型半導体層４から拡散したｐ型ドーパントの、最終バリア層３１０における濃度分布の例を示す。図１０は、ノンドープのＧａＮ膜として形成された最終バリア層３１０上に、ｐ型ドーパントとしてマグネシウム（Ｍｇ）を例えば３×１０19ｃｍ-3の濃度でドープしたＧａＮ層からなるｐ型半導体層４を形成した場合での、最終バリア層３１０中のＭｇ濃度分布を例示的に示している。図１０の縦軸は最終バリア層３１０中のＭｇ濃度であり、横軸はｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面を始点とした最終バリア層３１０の膜厚方向の距離である。【０１３３】
図１０に示した例では、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の第１主面でのＭｇ濃度は、第１主面に接するｐ型半導体層４のＭｇ濃度と同程度で、例えば２×１０20ｃｍ-3であり、第１主面に対向する最終バリア層３１０の第２主面に向かってＭｇ濃度は次第に低下し、第１主面から距離８ｎｍの位置においてＭｇ濃度は１×１０16ｃｍ-3未満の測定下限以下になる。即ち、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０を８ｎｍ以上にすることにより、井戸層３２に達して発光に悪影響を及ぼす程度のＭｇが最終バリア層３１０の第２主面まで拡散しない。そのため、活性層３と接する最終バリア層３１０の第２主面には発光に悪影響を及ぼす程度のＭｇは存在しない。つまり、第ｎ井戸層３２ｎ内にＭｇが拡散せず、活性層３で発生する光の輝度の低下が防止される。【０１３４】
図１１に、最終バリア層３１０及びｐ型半導体層４のＭｇ濃度の例を示す。図１１（ａ）に示すように、膜厚２．８ｎｍの第ｎ井戸層３２ｎに第２主面を接して膜厚１０ｎｍの最終バリア層３１０が配置され、最終バリア層３１０の第１主面に接してｐ型半導体層４が配置されている。図１１に示したｐ型半導体層４は、第１窒化物系半導体層４１〜第４窒化物系半導体層４４がこの順に積層された構造を有する。第１窒化物系半導体層４１〜第４窒化物系半導体層４４の膜厚及びＭｇ濃度の例を以下に示す：
（１）第１窒化物系半導体層４１：膜厚＝５０ｎｍ、Ｍｇ濃度＝２×１０20ｃｍ-3
（２）第２窒化物系半導体層４２：膜厚＝１００ｎｍ、Ｍｇ濃度＝４×１０19ｃｍ-3
（３）第３窒化物系半導体層４３：膜厚＝４０ｎｍ、Ｍｇ濃度＝１×１０20ｃｍ-3
（４）第４窒化物系半導体層４４：膜厚＝１０ｎｍ、Ｍｇ濃度＝８×１０19ｃｍ-3
第ｎ井戸層３２ｎ、最終バリア層３１０及びｐ型半導体層４のＭｇ濃度は図１１（ｂ）のようになる。図１１（ｂ）に示すように、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０がＭｇの最終バリア層３１０における拡散距離より厚いため、第ｎ井戸層３２ｎには発光に悪影響を及ぼす程度のＭｇは達していない。【０１３５】
図１２に、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０と活性層３からの発光の出力ＰＯとの関係の例を示す。図１２に示すように、膜厚ｄ０＝１０ｎｍ程度で出力ＰＯは最大になり、出力ＰＯを最大出力の９０％以上にするために、膜厚ｄ０＝１０ｎｍ±２ｎｍ程度であることが好ましい。【０１３６】
なお、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎは、同一であってもよい。ただし、膜厚ｄ１〜ｄｎは、ｐ型半導体層４から活性層３に注入される正孔が井戸層３２に到達し、井戸層３２で電子と正孔の再結合による発光が生じ得る厚さに設定する必要がある。第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎが厚すぎると活性層３中での正孔の移動が妨げられ、発光効率が低下するためである。例えば、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は１０ｎｍ程度であり、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎは７〜１６ｎｍ程度であり、第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎの膜厚は３ｎｍ程度である。したがって、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎの膜厚ｄ１〜ｄｎを例えば１６．５ｎｍ程度にした場合、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は、膜厚ｄ１〜ｄｎより薄くなる。【０１３７】
以上に説明したように、第２の実施の形態に係る半導体発光素子では、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の膜厚ｄ０が、ｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型ドーパンドが活性層３の井戸層３２に到達しない厚さに設定される。つまり、図９に示した半導体発光素子によれば、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０をｐ型ドーパントの最終バリア層３１０を拡散する距離より厚く設定することにより、活性層３全体の膜厚の増大を抑制しつつ、ｐ型半導体層４から活性層３の井戸層３２へのｐ型ドーパントの拡散を防止できる。その結果、井戸層３２へのｐ型ドーパントの拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、半導体発光素子の品質の劣化が抑制される。【０１３８】
以下に、図９に示した半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、基板１にサファイア基板を適用する例を説明する。【０１３９】
製造方法としては、良く知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等でサファイア基板上にＧａＮを成長させる。例えば、基板１をサーマルクリーニングした後、基板温度を１０００°Ｃ程度に設定して、基板１上に、ｎ型ドーパントをドープしたｎ型半導体層２を１〜５μｍ程度成長させる。ｎ型半導体層２には、例えばｎ型ドーパントとしてＳｉを３×１０18ｃｍ-3程度の濃度でドープしたＧａＮ膜が採用可能である。Ｓｉをドープする場合は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）及びシラン（ＳｉＨ4）を原料ガスとして供給して、ｎ型半導体層２を形成する。【０１４０】
次に、活性層３をｎ型半導体層２上に形成する。例えば、ＧａＮ膜からなるバリア層３１とＩｎＧａＮ膜からなる井戸層３２を交互に積層して、活性層３が形成される。具体的には、活性層３を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層３１と井戸層３２を交互に連続して成長させ、バリア層３１と井戸層３２が積層してなる活性層３が形成される。即ち、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層３２及び井戸層３２よりバンドギャップが大きいバリア層３１を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をｎ回、例えば８回程度繰り返して、バリア層３１と井戸層３２が交互に積層された積層構造を得る。【０１４１】
図１３に、バリア層３１と井戸層３２を積層する例を示す。図１３に示す基板温度Ｔａでバリア層３１が形成され、基板温度Ｔｂで井戸層３２が形成される。【０１４２】
即ち、基板温度がＴａに設定された時刻ｔ１０〜ｔ１１において第１バリア層３１１が形成される。次いで、時刻ｔ１１〜ｔ１２において基板温度Ｔｂになるまで基板温度が下げられる。そして時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３において、基板温度Ｔｂで第１井戸層３２１が形成される。その後、時刻ｔ１３〜ｔ２０において基板温度Ｔａになるまで基板温度が上げられ、時刻ｔ２０〜ｔ２１において第２バリア層３１２が形成される。時刻ｔ２１〜ｔ２２において基板温度Ｔｂになるまで基板温度が下げられ、時刻ｔ２２〜時刻ｔ３０において、基板温度Ｔｂで第２井戸層３２２が形成される。その後も同様にして、バリア層３１と井戸層３２がそれぞれ基板温度Ｔａと基板温度Ｔｂで交互に形成される。そして、時刻ｔｎ０〜ｔｎ１において基板温度Ｔａで第ｎバリア層３１ｎが形成され、時刻ｔｎ１〜ｔｎ２において基板温度Ｔｂになるまで基板温度が下げられ、時刻ｔｎ２〜時刻ｔｎ３において第ｎ井戸層３２ｎが形成され、バリア層３１と井戸層３２を交互に積層した積層構造が完成する。なお、基板温度の昇温時や降温時では、バリア層３１或いは井戸層３２を成長させることも、成長を中断することもできる。【０１４３】
バリア層３１を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガス及びＮＨ3ガスを成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層３２を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、及びＮＨ3ガスを処理装置に供給する。なお、ＴＭＧガスはＧａ原子の原料ガス、ＴＭＩガスはＩｎ原子の原料ガス、ＮＨ3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。【０１４４】
形成された積層構造上に、最終バリア層３１０としてノンドープのＧａＮ膜を１０ｎｍ程度形成して、図９に示した活性層３が形成される。既に説明したように、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０は、ｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型ドーパンドが活性層３の井戸層３２に到達しない厚さに設定される。【０１４５】
次いで、基板温度を８００℃〜１０００℃程度にして、最終バリア層３１０上に、ｐ型ドーパントをドープしたｐ型半導体層４を０．０５〜１μｍ程度形成する。ｐ型半導体層４は、例えばｐ型ドーパントとしてＭｇを３×１０19ｃｍ-3程度の濃度でドープしたＧａＮ層等が採用可能である。Ｍｇをドープする場合は、ＴＭＧガス、ＮＨ3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ガスを原料ガスとして供給して、ｐ型半導体層４を形成する。ｐ型半導体層４の形成時にｐ型半導体層４から活性層３にＭｇが拡散するが、最終バリア層３１０により、Ｍｇが活性層３の井戸層３２に拡散することが防止される。【０１４６】
次いで、ｐ型半導体層４〜ｎ型半導体層２の途中までを反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去し、ｎ型半導体層２の表面を露出させる。その後、露出したｎ型半導体層２の表面にｎ側電極２００を蒸着により形成し、ｐ型半導体層４上にｐ側電極１００を蒸着により形成して、図９に示した半導体発光素子が完成する。【０１４７】
第２の実施の形態に係る半導体発光素子およびその製造方法によれば、ｐ型半導体層４に接する最終バリア層３１０の膜厚ｄ０を、ｐ型半導体層４から活性層３に拡散するｐ型ドーパンドが活性層３の井戸層３２に到達しない厚さに設定することにより、ｐ型ドーパントが活性層３の井戸層３２に拡散することが防止される。その結果、井戸層３２へのｐ型ドーパントの拡散に起因する光の輝度の低下が生じず、品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。【０１４８】
[第３の実施の形態]
本発明の第３の実施の形態に係る半導体発光素子は、図１４に示すように、ｎ型ドーパントがドープされたｎ型半導体層２と、ｎ型半導体層上に配置され、ｎ型半導体層より低い濃度でｎ型ドーパントがドープされたブロック層７と、ブロック層７上に配置された活性層３と、活性層３上に配置されたｐ型半導体層４とを備える。【０１４９】
図１４に示した基板１には、例えばサファイア基板等が採用可能である。ｎ型半導体層２、ブロック層７、活性層３及びｐ型半導体層４にはそれぞれIII族窒化物半導体が採用可能であり、基板１上にｎ型半導体層２、ブロック層７、活性層３及びｐ型半導体層４が順次積層される。【０１５０】
ｎ型半導体層２は電子を活性層３に供給し、ｐ型半導体層４は正孔を活性層３に供給する。供給された電子及び正孔が活性層３で再結合することにより、光が発生する。【０１５１】
ｎ型半導体層２は、ｎ型ドーパントであるシリコン（Ｓｉ）等をドープした膜厚０．２〜５μｍ程度のＩＩＩ族窒化物半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。ｐ型半導体層４は、ｐ型ドーパントをドープした膜厚０．０５〜１μｍ程度のＩＩＩ族窒化物半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。ｐ型ドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、カルシウム（Ｃａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）等が使用可能である。【０１５２】
ｎ型半導体層２と活性層３間に配置されたブロック層７は、例えばｎ型ドーパントとしてＳｉを１×１０17ｃｍ-3未満でドープした膜厚５０〜５００ｎｍ程度、例えば２００ｎｍのＩＩＩ族窒化物半導体、例えばＧａＮ層等が採用可能である。【０１５３】
活性層３は、井戸層３２を井戸層３２よりもバンドギャップの大きなバリア層３１でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を有する。また、活性層３は、井戸層をバリア層でサンドイッチ状に挟んだ量子井戸構造を単位構造とし、この単位構造をｎ回積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい（ｎ：自然数）。ＭＱＷ構造にした場合、活性層３は、例えば図１５に示すように、第１バリア層３１１〜第ｎバリア層３１ｎ及び最終バリア層３１０でそれぞれ挟まれた第１井戸層３２１〜第ｎ井戸層３２ｎを有する。具体的には、第１井戸層３２１は第１バリア層３１１と第２バリア層３１２の間に配置され、図示を省略する第２井戸層は第２バリア層３１２と第３バリア層（不図示）の間に配置される。そして、第ｎ井戸層３２ｎは第ｎバリア層３１ｎと最終バリア層３１０の間に配置される。活性層３の第１バリア層３１１は、ブロック層７上に配置され、活性層３の最終バリア層３１０上にｐ型半導体層４が配置される。【０１５４】
バリア層３１は、例えばＧａＮ膜からなり、井戸層３２は、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）膜からなる。なお、井戸層３２におけるインジウム（Ｉｎ）の組成比率は、発生させたい光の波長に応じて適宜設定される。また、バリア層３１として、井戸層３２よりもＩｎの組成が小さいＩｎＧａＮ膜を採用してもよい。【０１５５】
図１４に示す半導体発光素子は、ｎ型半導体層２に電圧を印加するｎ側電極２００と、ｐ型半導体層４に電圧を印加するｐ側電極１００を更に備える。図１４に示すように、ｐ型半導体層４、活性層３、ブロック層７及びｎ型半導体層２の一部領域をメサエッチングして露出させたｎ型半導体層２の表面に、ｎ側電極２００が配置される。ｐ側電極１００は、ｐ型半導体層４上に配置される。ｎ側電極２００は、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜からなり、ｐ側電極１００は、例えばチタン（Ｔｉ）膜やニッケル（Ｎｉ）膜、又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜等の透明電極、或いはパラジウム（Ｐｄ）−金（Ａｕ）合金膜からなる。そして、ｎ側電極２００はｎ型半導体層２に、ｐ側電極１００はｐ型半導体層４に、それぞれオーミック接続される。【０１５６】
図１４に示した半導体発光素子では、例えばｎ型半導体層２にＳｉが３×１０18ｃｍ-3程度ドープされた場合に、Ｓｉが８×１０16ｃｍ-3程度ドープされたブロック層７をｎ型半導体層２と活性層３間に配置することにより、活性層３の形成工程及びその工程以後の製造工程におけるｎ型半導体層２から活性層３へのＳｉの拡散を防止できる。更に、活性層３で発光させるためにｎ型半導体層２とｐ型半導体層４間にバイアスが印加された場合に、ｎ型半導体層２から活性層３に供給された電子が活性層３を通過してｐ型半導体層４に到達するオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。【０１５７】
ブロック層７のＳｉ濃度は、１×１０17ｃｍ-3未満である。これは、ブロック層７のＳｉ濃度が高すぎる場合、ｎ型半導体層２から活性層３へ過剰の電子が供給されて、ｐ型半導体層４へ電子がオーバーフローしてしまい、活性層３で発生する光の輝度が低下するためである。一方、ブロック層７のＳｉ濃度が低すぎる場合は活性層３内に電子を供給することができない。そのため、ブロック層７のＳｉ濃度は、１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3であることが好ましい。【０１５８】
図１６に、膜厚が２００ｎｍの場合のブロック層７のＳｉ濃度と半導体発光素子から出力される光の出力ＰＯとの関係の例を示す。図１７に示すように、Ｓｉ濃度が５×１０16ｃｍ-3程度で出力ＰＯは最大になり、Ｓｉ濃度を１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3程度とすることにより、出力ＰＯを最大出力の９７％以上にすることができる。【０１５９】
以上に説明したように、第３の実施の形態に係る半導体発光素子では、ｎ型半導体層２と活性層３間にブロック層７を配置することにより、製造工程中でのｎ型半導体層２から活性層３へのＳｉの拡散、及びｎ型半導体層２からｐ型半導体層４への電子のオーバーフローを防止することができ、半導体発光素子から出力される光の輝度の低下を防止できる。その結果、図１４に示す半導体発光素子の品質の劣化を防止できる。【０１６０】
以下に、図１４に示した半導体発光素子の製造方法の例を説明する。なお、以下に述べる半導体発光素子の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。ここでは、ｎ型ドーパントとしてＳｉを採用する。【０１６１】
製造方法としては、良く知られた有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等でサファイア基板等の基板１上にＧａＮを成長させる。例えば、基板１をサーマルクリーニングした後、基板温度を１０００°Ｃ程度に設定して、基板１上にｎ型半導体層２として、Ｓｉを３×１０18ｃｍ-3程度の濃度でドープしたＧａＮ膜を０．２〜５μｍ程度成長させる。このとき、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ3）及びシラン（ＳＨ4）を原料ガスとして供給して、ｎ型半導体層２を形成する。【０１６２】
次いで、ｎ型半導体層２上にブロック層７として、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3未満、例えば８×１０16ｃｍ-3程度の濃度でドープしたＧａＮ膜を２００ｎｍ程度成長させる。このとき、ｎ型半導体層２を形成した場合と同様の原料ガスを適用可能である。【０１６３】
次に、例えばＧａＮ膜からなるバリア層３１とＩｎＧａＮ膜からなる井戸層３２を交互に積層して、ブロック層７上に活性層３を形成する。具体的には、活性層３を形成する際の基板温度及び原料ガスの流量を調整しながら、バリア層３１と井戸層３２を交互に連続して成長させ、バリア層３１と井戸層３２が積層してなる活性層３が形成される。活性層３がＭＱＷ構造の場合は、基板温度及び原料ガスの流量を調節することによって井戸層３２及び井戸層３２よりバンドギャップが大きいバリア層３１を積層する工程を単位工程とし、この単位工程をｎ回、例えば８回程度繰り返して、バリア層３１と井戸層３２が交互に積層された積層構造を得る。【０１６４】
図１７に、バリア層３１と井戸層３２を積層する例を示す。図１７に示す基板温度Ｔａでバリア層３１が形成され、基板温度Ｔｂで井戸層３２が形成される。【０１６５】
即ち、基板温度がＴａに設定された時刻ｔ１０〜ｔ１１において第１バリア層３１１が形成される。次いで、時刻ｔ１１〜ｔ１２において基板温度Ｔｂになるまで基板温度が下げられ、時刻ｔ１２〜時刻ｔ１３において、基板温度Ｔｂで第１井戸層３２１が形成される。その後、時刻ｔ１３〜ｔ２０において基板温度Ｔａになるまで基板温度が上げられ、時刻ｔ２０〜ｔ２１において第２バリア層３１２が形成される。その後も同様にして、バリア層３１と井戸層３２がそれぞれ基板温度Ｔａと基板温度Ｔｂで交互に形成される。そして、時刻ｔｎ０〜ｔｎ１において第ｎバリア層３１ｎが形成され、時刻ｔｎ１〜ｔｎ２において基板温度Ｔｂになるまで基板温度が下げられ、時刻ｔｎ２〜時刻ｔｎ３において第ｎ井戸層３２ｎが形成される。そして、時刻ｔｎ３〜ｔｅ０において基板温度Ｔａになるまで基板温度が上げられ、時刻ｔｅ０〜ｔｅ１において最終バリア層３１０が形成されて活性層３が完成する。なお、基板温度の昇温時や降温時では、バリア層３１或いは井戸層３２を成長させることも、成長を中断することもできる。【０１６６】
バリア層３１を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガス及びＮＨ3ガスを成膜用の処理装置に供給する。一方、井戸層３２を形成する場合は、原料ガスとして、例えばＴＭＧガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガス、及びＮＨ3ガスを処理装置に供給する。なお、ＴＭＧガスはＧａ原子の原料ガス、ＴＭＩガスはＩｎ原子の原料ガス、ＮＨ3ガスは窒素原子の原料ガスとして供給される。【０１６７】
次いで、基板温度を８００℃〜１０００℃程度にして、活性層３上に、ｐ型ドーパントをドープしたｐ型半導体層４を０．０５〜１μｍ程度形成する。ｐ型半導体層４は、例えばｐ型ドーパントとしてＭｇを３×１０19ｃｍ-3程度の濃度でドープしたＧａＮ層等が採用可能である。Ｍｇをドープする場合は、ＴＭＧガス、ＮＨ3ガス及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）ガスを原料ガスとして供給して、ｐ型半導体層４を形成する。【０１６８】
次いで、ｐ型半導体層４〜ｎ型半導体層２の途中までを反応性イオンエッチング等によりメサエッチングして除去し、ｎ型半導体層２の表面を露出させる。その後、露出したｎ型半導体層２の表面にｎ側電極２００を蒸着により形成し、ｐ型半導体層４上にｐ側電極１００を蒸着により形成して、図１４に示した半導体発光素子が完成する。なお、ｐ側電極１００を形成した後に、ｎ側電極２００を配置するためのメサエッチングをしてもよい。【０１６９】
上記のような本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、ｎ型半導体層２と活性層３間にＳｉ濃度が１×１０17ｃｍ-3未満であるブロック層７が形成され、製造工程におけるｎ型半導体層２から活性層３へのＳｉの拡散、及び発光時におけるｎ型半導体層２からｐ型半導体層４への電子のオーバーフローが防止される。そのため、光の輝度の低下が生じず、品質の劣化が抑制された半導体発光素子を製造することができる。【０１７０】
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１の実施の形態乃至第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。【０１７１】
既に述べた実施の形態の説明においては、活性層３が、それぞれバリア層３１で挟まれた複数の井戸層３２を有するＭＱＷ構造である場合を示したが、活性層３が１つの井戸層３２を含み、この井戸層３２とｐ型半導体層４間に配置された最終バリア層３１０の膜厚ｄ０を、Ｍｇの拡散距離より厚くした構造であってもよい。【０１７２】
或いは、最終バリア層３１０の膜厚ｄ０を、井戸層３２とｎ型半導体層２間に配置されたバリア層３１より厚くした構造であってもよい。【０１７３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１７４】
本発明の半導体発光素子およびその製造方法は、量子井戸構造を備えたＬＥＤ素子,ＬＤ素子等の半導体発光素子全般に利用可能である。
【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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【国際調査報告】
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