(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層と多重量子井戸構造からなる活性層とを順次積層した後、
前記活性層の表面に、Ｍｇ源を含むドーパントガスを第１の流量で供給する工程と、
Ｇａ源、Ａｌ源及び窒素源を含む原料ガスを連続的に供給するとともに、前記ドーパントガスを前記第１の流量より低い第２の流量で間欠的に供給するＭＯＣＶＤ法により、前記活性層上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（組成比を示すｘは０＜ｘ≦０．４の範囲である）の第１のｐ型半導体層を形成する工程と、
前記第１のｐ型半導体層上にＡｌｃＧａ１−ｃＮなる組成（組成比を示すｃは０≦ｃ≦０．４の範囲である）の第２のｐ型半導体層を形成する工程と、
を具備し、
前記多重井戸構造の井戸層の少なくとも一つがＩｎを含み、さらにその前記ｎ型半導体側の面が平坦面であり、かつ前記ｐ型半導体側の面が凹凸面であり、
さらにＩｎを含む井戸層の少なくとも一つがＩｎを含まない薄膜部を有し、その薄膜部の厚さが前記Ｉｎを含む井戸層の平均厚さ未満であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２のｐ型半導体層がｐ型コンタクト層であり、前記ｐ型コンタクト層を形成する工程が、
Ｍｇを第３の濃度で含む第１ｐ型コンタクト層の形成工程と、Ｍｇを前記第３の濃度よりも高濃度な第４の濃度で含む第２ｐ型コンタクト層の形成工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物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、ＩＩＩ族窒化物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、活性層および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】
従来の活性層には、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）。
【０００５】
また、ｐ型半導体層は、活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きく、そのギャップ差に基づく電位障壁によって電子及び正孔をせき止める機能を有するｐ型クラッド層と、ｐ型電極が接合されるｐ型コンタクト層とから構成されるのが一般的である。
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来のｐ型クラッド層は、ＭｇをドープさせたＧａＮ層またはＧａの一部をＡｌに置換したＡｌＧａＮ層を用いることが一般的だが、活性層に対する正孔の注入が十分ではなく、出力の向上が十分ではなかった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、高い発光出力を有するＩＩＩ族窒化物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】
【０００８】
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型半導体層と多重量子井戸構造からなる活性層とを順次積層した後、前記活性層の表面に、Ｍｇ源を含むドーパントガスを第１の流量で供給する工程と、Ｇａ源、Ａｌ源及び窒素源を含む原料ガスを連続的に供給するとともに、前記ドーパントガスを前記第１の流量より低い第２の流量で間欠的に供給するＭＯＣＶＤ法により、前記活性層上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（組成比を示すｘは０＜ｘ≦０．４の範囲である）の第１のｐ型半導体層を形成する工程と、前記第１のｐ型半導体層上にＡｌｃＧａ１−ｃＮなる組成（組成比を示すｃは０≦ｃ≦０．４の範囲である）の第２のｐ型半導体層を形成する工程と、を具備してなることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
［２］    前記第２のｐ型半導体層がｐ型コンタクト層であり、前記ｐ型コンタクト層を形成する工程が、Ｍｇを第３の濃度で含む第１ｐ型コンタクト層の形成工程と、Ｍｇを前記第３の濃度よりも高濃度な第４の濃度で含む第２ｐ型コンタクト層の形成工程と、を含むことを特徴とする［１］に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高い発光出力を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面模式図である。
【図２】本発明の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態であるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子（以下、発光素子という）の製造方法について、図面を適宜参照しながら説明する。図１は、本実施形態の発光素子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。
【００１２】
『発光素子』
図１に示すように、本実施形態の製造方法によって製造された半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された活性層１３（以下、発光層という）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明電極１６と、透明電極１６上に積層されたｐ型ボンディングパッド電極１７と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１８とを具備して構成されている。本実施形態の発光素子１は、発光層１３からの光を主にｐ型ボンディングパッド電極１７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。
【００１３】
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型クラッド層１４（第１のｐ型半導体層）、ｐ型コンタクト層１５（第２のｐ型半導体層）がこの順に積層されて構成されている。
【００１４】
また、図１に示すように、ｐ型コンタクト層１５、ｐ型クラッド層１４、発光層１３及びｎ型半導体層１２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１８が積層されている。
また、ｐ型コンタクト層１５の上面１５ａには、透明電極１６及びｐ型ボンディングパッド電極１７が積層されている。これら、透明電極１６及びｐ型ボンディングパッド電極１７によってｐ型電極が構成されている。
【００１５】
ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型クラッド層１４及びｐ型コンタクト層１５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、窒化ガリウム（ＧａＮ）のＧａの一部をＡｌ及びまたはＩｎで置換した一般式ＡｌｍＩｎｎＧａ１−ｍ−ｎＮ（０≦ｍ＜１，０≦ｎ＜１，０≦ｍ＋ｎ＜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、ｐ型コンタクト層１５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ＡｌｍＩｎｎＧａ１−ｍ−ｎＮ（０≦ｍ＜１，０≦ｎ＜１，０≦ｍ＋ｎ＜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。ｐ型クラッド層１４の組成については後述する。
【００１６】
そして、本実施形態の発光素子１においては、ｐ型ボンディングパッド電極１７とｎ型電極１８との間に電流を通じることで、発光層１３から光を発せさせるようになっている。
以下、発光素子１の構成について詳細に説明する。
【００１７】
（基板）
発光素子１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、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。特に、基板１１として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。
【００１８】
（バッファ層）
バッファ層２１は、多結晶のＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦１）からなることが好ましく、単結晶のＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦１）がより好ましい。バッファ層２１の厚みは０．０１〜０．５μｍの範囲が好ましい。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。
【００１９】
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、サファイアからなる基板１１の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の上に例えば単結晶の下地層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。
【００２０】
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。バッファ層２１をなすＩＩＩ族窒化物半導体は、単結晶構造を有するものが好ましい。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。
【００２１】
また、バッファ層２１をなすＩＩＩ族窒化物半導体は、成膜条件をコントロールすることにより、六方晶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をいう。
【００２２】
（下地層）
下地層２２としては、ＡｌｐＧａｑＩｎｒＮ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦１、ｐ＋ｑ＋ｒ＝１）が挙げられるが、ＡｌｓＧａ１−ｓＮ（０≦ｓ＜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、１μｍ以上が好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｓＧａ１−ｓＮ層が得られやすい。また、生産性やコストの面で下地層２２の膜厚は１０μｍ以下が好ましい。
【００２３】
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、ｎ型の導電性が必要な場合は、ドーパントを添加することが出来る。下地層２２にドーパントを添加した場合は下地層２２がｎ型半導体層１２として機能する。
【００２４】
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層１２は、通常ｎ型コンタクト層１２ａとｎ型クラッド層１２ｂとから構成される。ｎ型コンタクト層１２ａはｎ型クラッド層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。
【００２５】
ｎ型コンタクト層１２ａは、ｎ型電極１８を設けるための層である。ｎ型コンタクト層１２ａとしては、ＡｌｂＧａ１−ｂＮ層（０≦ｂ＜１、好ましくは０≦ｂ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｂ≦０．１）から構成されることが好ましい。また、ｎ型コンタクト層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１８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またはＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉまたはＧｅが挙げられる。
【００２６】
ｎ型コンタクト層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型コンタクト層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。
【００２７】
ｎ型コンタクト層１２ａと発光層１３との間には、ｎ型クラッド層１２ｂを設けることが好ましい。ｎ型クラッド層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型クラッド層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型クラッド層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。
【００２８】
ｎ型クラッド層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型クラッド層１２ｂのドーパント濃度は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。ドーパント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。
【００２９】
なお、ｎ型クラッド層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、１００Å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１００Å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型クラッド層１２ｂ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。
【００３０】
（発光層）
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。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。また、発光層１３のｎ型半導体層１２側の面とｐ型クラッド層１４側の面には、障壁層１３ａが必ず存在するようにする。これにより、発光層１３に電子及び正孔を有効に閉じこめることができ、発光効率を高められる。特に、最もｐ型クラッド層１４側に配置した障壁層１３ａは、ｐ型クラッド層１４からの不純物の拡散を遮断する機能も有している。ｐ型クラッド層１４の不純物の拡散とは、例えば経時劣化によるｐ型クラッド層１４のドーパントの拡散を例示できる。
【００３１】
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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−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。
【００３４】
次に、障壁層１３ａは、膜厚が２０Å以上１００Å未満の範囲が好ましく、２０Å以上８０Å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８０Å以下であることが好ましい。
【００３５】
また、障壁層１３ａは、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層を構成するＧａＩｎＮよりもＩｎ比率の小さいＧａＩｎＮで形成することができる。中でも、ＧａＮが好適である。また、障壁層１３ａにはドーパントとしてＳｉをドープさせることが望ましい。
【００３６】
また、井戸層１３ｂには、複数の薄膜部を設けてもよい。この薄膜部は、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。多重量子井戸構造の場合、全ての井戸層１３ｂが薄膜部を備えている必要はなく、また、薄膜部の寸法や面積比などを各層によって変化させても良い。
【００３７】
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。薄膜部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、薄膜部における井戸層１３ｂの膜厚と、薄膜部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。
【００３８】
薄膜部の厚みは、薄膜部同士で一定になる場合もあるし、薄膜部毎に異なる厚みになる場合もある。薄膜部毎に異なる厚みになる場合の薄膜部の厚みは、断面ＴＥＭ写真によって観察された数箇所〜数十カ所の薄膜部の厚みの平均を薄膜部の厚みとすればよい。
【００３９】
薄膜部における井戸層１３ｂ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、薄膜部と薄膜部を除く井戸層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。
上記の以外の膜厚差となると、発光出力の低下を招く。また、薄膜部は膜厚が０ｎｍである領域、即ち井戸層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。
【００４０】
また、薄膜部を有する井戸層１３ｂは、ｎ型半導体層１２側の面が平坦面とされ、ｐ型クラッド層１４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てなる構造を有している。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。
【００４１】
また、ｐ型クラッド層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。
【００４２】
井戸層１３ｂを平面視したときの薄膜部の形状及び分布の状態は、例えば、井戸層１３ｂのｐ型クラッド層１４側の面に、複数の薄膜部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。
【００４３】
積層半導体層２０を断面視したときの薄膜部の幅は、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。
【００４４】
また、ｐ型クラッド層１４を形成する前に、Ｍｇ源を含むドーパントガスをｐ型クラッド層１４の形成時の流量（本明細書中では第２の流量ともいう。）よりも高い流量で供給する。これにより、ｐ型クラッド層１４における初期のＭｇの取り込みを安定化させる。
【００４５】
本発明に係るｐ型クラッド層１４はＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（組成比を示すｘは０＜ｘ≦０．４の範囲である）の膜であるが、このＡｌＧａＮ系の膜は、ＧａＮよりもドーパントの活性化の程度が低く、ＧａＮ系の膜よりもキャリア濃度が低い傾向にある。そのため、本発明では、ｐ型クラッド層１４を形成する前にあらかじめ発光層の表面にドーパントガスを供給することで、ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成のｐ型クラッド層１４のキャリア濃度の向上を図っている。また、ｐ型クラッド層成長の初期の段階においては、Ｍｇの取り込み効率が低いのが通常であるが、ｐ型クラッド層１４を形成する前に大流量のドーパントガスを流すことで、Ｍｇの取り込み効率を向上させることができる（ＳＩＭＳによる観察の結果）。ｐ型クラッド層１４を形成する前に流すドーパントガスの流量は、ｐ型クラッド層１４の形成時に流すドーパントガスの流量の２倍〜２０倍が好ましく、２〜１０倍がより好ましい。流す時間としては大流量でドーパントガスを流す場合は、流通時間は短時間で良く、少流量の場合、流通時間は長時間とすることが好ましい。すなわち、ｐ型クラッド層１４におけるＭｇ濃度が所定の濃度になるようにドーパントガス流量とドーパントガス流通時間とを調整すれば良い。
【００４６】
（ｐ型クラッド層）
次に、ｐ型クラッド層１４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。
本実施形態のｐ型クラッド層１４は、図１に示すように、アンドープ膜１４ａ及びドープ膜１４ｂが交互に複数積層されてなる構造である。また、ｐ型クラッド層１４は、発光層１３側の面及びｐ型コンタクト層１５側の面にそれぞれ、アンドープ膜１４ａが配置されて構成されている。なお、ｐ型クラッド層に使用される不純物には、前述したようにＭｇが挙げられる。
【００４７】
アンドープ膜１４ａ及びドープ膜１４ｂの組成は、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って、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができる組成を有していることが好ましい。
具体的には、アンドープ膜１４ａは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（組成比を示すｘは０＜ｘ≦０．４の範囲である）であってドーパントを含まないものが好ましい。組成比ｘのより好ましい範囲は、０＜ｘ≦０．２であり、最も好ましい範囲は０＜ｘ≦０．１である。このようにアンドープ膜１４ａがドーパントを含まないＡｌＧａＮ系の半導体から構成されることによって、アンドープ膜１４ａの結晶性を高めることができる。これにより、ｐ型クラッド層１４全体の結晶性が向上し、駆動電圧の低減が可能になる。また、アンドープ膜１４ａにＡｌが含まれることで、発光層１３へのキャリアの閉じ込めが容易になる。但し、Ａｌの組成比が高すぎるとアンドープ膜１４ａの結晶性が低下するので、組成比ｘの上限を上記の通りにすることが好ましい。
【００４８】
次に、ドープ膜１４ｂは、アンドープ膜１４ａと同じ組成（ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（ｘは０＜ｘ≦０．４））であってドーパントを含む膜である。ドープ膜１４ｂにおけるドーパント濃度は、１×１０１６〜５×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましく、１×１０１７〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲がより好ましく、１×１０１８〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲が最も好ましい。また、ｐ型クラッド層１４を構成する複数のドープ膜１４ｂのドーパント濃度は一定であることが好ましい。
【００４９】
ｐ型クラッド層をアンドープ膜１４ａとドープ膜１４ｂの積層構造にすることで、ｐ型クラッド層全体の結晶性を高く保ちつつキャリア濃度を高くすることができる。これにより、発光層１３に対して正孔を多く注入することが可能となり、発光素子１の高出力化が可能になる。また、各ドープ膜１４ｂのドーパント濃度が一定なので、ｐ型クラッド層１４全体のキャリア濃度が均一になり、発光層１３に対して正孔を多く注入することが可能となる。
【００５０】
アンドープ膜１４ａ及びドープ膜１４ｂの厚みはそれぞれ、６０Å（６ｎｍ）以下であることが好ましく、４０Å（４ｎｍ）以下であることがより好ましく、１０Å（１ｎｍ）以上２５Å（２．５ｎｍ）以下の範囲であることが最も好ましい。アンドープ膜１４ａ及びドープ膜１４ｂの厚みがそれぞれ１００Å（１０ｎｍ）超だと、結晶欠陥等を多く含む層となり、好ましくない。
また、ｐ型クラッド層１４の全体の膜厚は、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。
【００５１】
ｐ型クラッド層１４において、交互に積層されるアンドープ膜１４ａとドープ膜１４ｂのペア数は、１ペア以上が好ましく、また１０ペア以上がさらに好ましい。この交互に積層されるアンドープ膜１４ａとドープ膜１４ｂのペア数が１ペア未満の場合（ペア構造がない場合）は、ｐ型クラッド層１４全体のキャリア濃度を高められず、この結果発光層１３に対して正孔を多く注入することができず、発光素子として高出力化ができなくなる。
さらに、本発明においては、交互に積層されるアンドープ膜１４ａとドープ膜１４ｂのペア数は、発光素子の生産性やコスト面の制約から１００ペア以内が望ましい。
【００５２】
ｐ型クラッド層１４において組成が異なる積層構造（超格子構造）、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮの超格子構造の場合、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との界面急峻性が悪化すると、発光出力の低下を招く虞がある。本発明では、ｐ型クラッド層１４はＡｌ組成が一定の単層構造であるため、上記問題は発生しない。
【００５３】
（ｐ型コンタクト層）
次に、ｐ型コンタクト層１５は、正極を設けるための層である。ｐ型コンタクト層１５は、ＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０≦ｃ≦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型コンタクト層１５の膜厚は特に限定されないが、１０〜５００ｎｍが好ましく、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。ｐ型コンタクト層１５の膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００５４】
また、ｐ型コンタクト層１５は、ドーパント濃度が第３の濃度である第１ｐ型コンタクト層と、ドーパント濃度が第３の濃度より高濃度な第４の濃度である第２ｐ型コンタクト層とが順次積層されてなるものでもよい。この場合は、第２ｐ型コンタクト層上に、透明電極とｐ型ボンディングパッド電極とが積層される。第１ｐ型コンタクト層の第３の濃度は５×１０１７〜３×１０２０／ｃｍ３の範囲が好ましい。また、第２ｐ型コンタクト層の第４の濃度は２×１０１８〜５×１０２０／ｃｍ３の範囲であって第１ｐ型コンタクト層より高濃度であることが好ましい。ｐ型コンタクト層を単層構造にした場合に比べて、第１ｐ型コンタクト層のドーパント濃度を比較的低くすることで、結晶性を向上させて駆動電圧を低減できる。また、第２ｐ型コンタクト層のドーパント濃度を比較的高くすることで、透明電極との間のオーミック抵抗を低減させて駆動電圧を低減できる。
【００５５】
また、第１ｐ型コンタクト層の厚みは３０乃至３００ｎｍの範囲が好ましく、５０乃至２００ｎｍの範囲がより好ましい。また、第２ｐ型コンタクト層の厚みは５乃至４０ｎｍの範囲が好ましく、１０乃至３０ｎｍの範囲がより好ましい。
【００５６】
（透明電極）
ｐ型コンタクト層１５の上に積層される透明電極１６は、ｐ型コンタクト層１５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発光素子１の外部に取り出すためには、透明電極１６は光透過性に優れたものが好ましい。また、ｐ型コンタクト層１５の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、透明電極１６は優れた導電性を有していることが好ましい。
【００５７】
以上のことから、透明電極１６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明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。
【００５８】
また、透明電極１６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、透明電極１６は、ｐ型コンタクト層１５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。透明電極１６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。
【００５９】
（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１７はボンディングパットを兼ねており、透明電極１６の上に積層されている。ｐ型ボンディングパッド電極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。
【００６０】
（ｎ型電極）
ｎ型電極１８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１８を形成する際には、ｐ型コンタクト層１５、p型クラッド層１４、発光層１３およびｎ型クラッド層１２ｂの一部を除去してｎ型コンタクト層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１８を形成する。ｎ型電極１８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。
【００６１】
『半導体発光素子の製造方法』
次に、本実施形態の発光素子の製造方法について説明する。
本実施形態の発光素子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、スパッタ法またはＭＯＣＶＤ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。
【００６２】
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の表面上に、下地層２２を形成する。
先に形成したバッファ層２１がＡｌＮからなる柱状結晶を有する場合には、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。このため下地層２２の積層方法としては、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。例えば、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させることが可能なため、良好な結晶性の膜を成膜する手段として好適である。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な手段である。
【００６３】
下地層２２の形成後、ｎ型コンタクト層１２ａ及びｎ型クラッド層１２ｂを積層してｎ型半導体層１２を形成する。ｎ型コンタクト層１２ａ及びｎ型クラッド層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型クラッド層１２ｂを超格子構造とする場合は、１００Å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１００Å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。
【００６４】
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、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型クラッド層１２ｂ側及びｐ型クラッド層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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、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ことで、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ことが可能になる。
【００６８】
（ｐ型クラッド層形成前のドーパントガスのみ供給する工程）
次に、発光層１３の表面に、Ｍｇ源を含むドーパントガスを第１の流量で供給する。
具体的には、発光層１３まで形成した基板をＭＯＣＶＤ装置の反応室に配置し、基板を加熱した状態で、Ｍｇ源を含むドーパントガスを第１の流量で供給する。
ドーパントガスとしては、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。
また、第１の流量としては、例えば、５００〜１５００ｓｃｃｍの範囲が好ましく、７００〜１３００ｓｃｃｍの範囲がより好ましく、８００〜１０００ｓｃｃｍの範囲が最も好ましい。第１の流量が下限値以上であれば、供給するＭｇ量が不足することなく、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を増加できる。また、第１の流量が上限値以下であれば、Ｍｇが過剰にならず、Ｍｇが発光層１３に拡散して発光出力が低下するおそれがない。ｐ型クラッド層１４を形成する前にドーパントガスを流す時間としては３秒〜１２０秒、５〜６０秒がより好ましい。大流量でドーパントガスを流す場合は、流通時間は短時間で良く、少流量の場合、流通時間は長時間とすることが好ましい。
更に、基板１１の温度の下限は、６００℃以上、より好ましくは７００℃以上、最も好ましくは８００℃以上とする。また、基板温度の上限は、１３００℃以下、より好ましくは１２００℃以下、最も好ましくは１１００℃以下とする。基板温度の下限を上記の通りとすることで、ｐ型クラッド層１４の成長初期のＭｇの取り込みを安定させることができる。また、基板温度の上限を上記の通りとすることで、発光層１３に対するダメージを低減できる。
【００６９】
（ｐ型クラッド層の形成工程）
次に、発光層１３の上に、ｐ型クラッド層１４を形成する。ｐ型クラッド層１４（第１のp型半導体層）を形成する工程は、ＭＯＣＶＤ法により下記のアンドープ膜形成工程とドープ膜形成工程とを交互に繰り返し行うことで、アンドープ膜１４ａとドープ膜１４ｂとが交互に複数積層されてなる構造を形成する工程である。また、本実施形態では、アンドープ膜形成工程とドープ膜形成工程との間に休止工程を配してもよい。
【００７０】
＜アンドープ膜形成工程＞
アンドープ膜形成工程では、まず発光層１３上において、Ａｌ源、Ｇａ源及び窒素源を少なくとも含有する原料ガスを用いて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（組成比を示すｘは０＜ｘ≦０．４の範囲）であってドーパントを含まないアンドープ膜１４ａを発光層１３上に積層する。
原料ガスに含まれるＡｌ源としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができる。Ｇａ源としては、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウムを用いることができる。窒素源としては、アンモニア、ヒドラジン、アジ化合物等を用いることができる。原料ガスは、水素または窒素をキャリアガスとして反応室内に供給される。アンドープ膜１４ａの形成温度の下限は、例えば基板１１の温度として、６００℃以上、より好ましくは７００℃以上、最も好ましくは８００℃以上とする。また、アンドープ膜１４ａの形成温度の上限は、基板１１の温度として、１３００℃以下、より好ましくは１２００℃以下、最も好ましくは１１００℃以下とする。形成温度の下限を上記の通りとすることで、アンドープ膜１４ａの結晶性が高められ、発光特性を向上できる。また、形成温度の上限を上記の通りとすることで、発光層１３に対するダメージを低減できる。
【００７１】
＜ドープ膜形成工程＞
次に、アンドープ膜形成工程の後に、ドープ膜形成工程を行う。ドープ膜形成工程では、アンドープ膜形成工程に用いた原料ガスを引き続き供給しつつ、ドーパントガスを第１の流量より低い第２の流量で供給する供給することでアンドープ膜１４ａと同一の組成であってドーパントを含むドープ膜１４ｂを積層する。
また、第２の流量としては、例えば、５０〜７５０ｓｃｃｍの範囲が好ましく、７０〜６５０ｓｃｃｍの範囲がより好ましく、８０〜５００ｓｃｃｍの範囲が最も好ましい。第２の流量が下限値以上であれば、ドーパント濃度が不足することなく、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を増加できる。また、第２の流量が上限値以下であれば、Ｍｇが過剰にならず、ｐ型クラッド層１４の結晶性が向上して素子の駆動電圧を低くすることができる。また、第１の流量が第２の流量と同じか低くなると、発光層に近い領域のｐ型クラッド層のキャリア濃度が低下して、素子の駆動電圧が増大し、発光出力が低下するので好ましくない。ドープ膜１４ｂのＭｇ濃度は、１×１０１９〜３×１０２０／ｃｍ３が好ましい。
【００７２】
更に、ドープ膜１４ｂの形成温度の下限は、例えば基板１１の温度として、６００℃以上、より好ましくは７００℃以上、最も好ましくは８００℃以上とする。また、ドープ膜１４ｂの形成温度の上限は、基板１１の温度として、１３００℃以下、より好ましくは１２００℃以下、最も好ましくは１１００℃以下とする。形成温度の下限を上記の通りとすることで、ドープ膜１４ｂの結晶性が高められ、発光特性を向上できる。また、形成温度の上限を上記の通りとすることで、発光層１３に対するダメージを低減できる。
【００７３】
また、ドープ膜とアンドープ膜の成膜の温度は、同じであっても良いし、違っていても良い。同じ温度とすることで、余計な安定待ち時間を設けずに済むので、工程の短縮に効果がある。  特に本発明では、ドープ膜とアンドープ膜を同じＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成の膜とするので、ｐ型クラッド層の形成工程における基板温度を、ドープ膜の形成工程及びアンドープ膜の形成工程を通じて、常に一定にすることができる。これにより、基板温度の変更と安定化のために要する時間が不要になり、工程の短縮化が図られる。
【００７４】
そして、更にアンドープ膜形成工程、ドープ膜形成工程を繰り返し行い、最後にアンドープ膜形成工程を行うことにより、ｐ型クラッド層１４を形成する。
【００７５】
図２は、本実施形態のＭｇ源を含むドーパントガス（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給する工程及びｐクラッド層の形成工程における窒素源（ＮＨ３）、Ｇａ源（ＴＭＧ）、Ａｌ源（ＴＭＡ）及びドーパントガス（Ｃｐ２Ｍｇ）の供給手順を説明するグラフである。図２の横軸は時間であり、縦軸は供給量である。図２に示すように、ドーパントガスを供給する工程では、窒素源（ＮＨ３）とキャリアガスを常時供給した状態で、ドーパントガスを供給する。このときのドーパントガスの供給流量は、第１の流量とする。
次に、ｐ型クラッド層のアンドープ膜形成工程では、窒素源（ＮＨ３）、Ｇａ源（ＴＭＧ）及びＡｌ源（ＴＭＡ）を含む原料ガスを供給し、ドープ膜形成工程では引き続き原料ガスを供給すると共に、ドーパントガスを第１の流量よりも低い第２の流量で供給する。ドーパントガスの供給量は、各ドープ膜形成工程において一定とする。
【００７６】
以上のように、ｐ型クラッド層１４を形成する前に、大流量でドーパントガスを流す工程を設けることで、発光層１３とｐ型クラッド層１４と界面におけるＭｇの取り込み効率を向上させる。
また、ｐ型クラッド層の形成工程では、Ｇａ源、Ａｌ源及び窒素源を含む原料ガスを連続的に供給するとともに、ドーパントガスを第１の流量より低い第２の流量で間欠的に供給することで、活性層１３上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成（組成比を示すｘは０＜ｘ≦０．４の範囲である）のｐ型クラッド層を形成する。
【００７７】
次いで、ｐ型コンタクト層１５を形成する。ｐ型コンタクト層１５の形成は、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれの方法でもよいが、ｐ型クラッド層１４の形成工程に引き続いてｐ型コンタクト層１５を形成するためには、ｐ型コンタクト層１５をＭＯＣＶＤ法で形成することが好ましい。ｐ型コンタクト層１５をＭＯＣＶＤ法で形成するには、窒素源、Ｇａ源、ドーパントガスを供給すると共に必要に応じてＡｌ源を供給することによって、ｐ型クラッド層１４上に単層構造のＩＩＩ族窒化物半導体を堆積させることで形成する。
【００７８】
また、ｐ型コンタクト層を第１ｐ型コンタクト層及び第２ｐ型コンタクト層の積層構造にする場合には、単層構造のｐ型コンタクト層１５を形成する場合と同様に、窒素源、Ｇａ源、ドーパントガスを供給すると共に必要に応じてＡｌ源を供給する。このとき、第１ｐ型コンタクト層を形成する際には、ドーパントガスの流量を比較的低くし、第２ｐ型コンタクト層を形成する際には、ドーパントガス流量を第１ｐ型コンタクト層の場合より高くする。このようにして、Ｍｇを所定の濃度で含む第１ｐ型コンタクト層及び第２ｐ型コンタクト層を順次形成できる。
【００７９】
その後、ｐ型コンタクト層１５上に透明電極１６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明電極１６を除去する。続いて、例えばフォトリソグラフィー技術を用いて積層半導体層２０をパターニングして、積層半導体層２０の所定の領域の一部をエッチングしてｎ型コンタクト層１２ａの一部を露出させ、ｎ型コンタクト層１２ａの露出面２０ａにｎ型電極１８を形成する。更に、透明電極１６の上にｐ型ボンディングパッド電極１７を形成する。
以上のようにして、図１に示す発光素子１が製造される。
【００８０】
本実施形態の発光素子１の製造方法によれば、ｐ型クラッド層１４の全体の組成をＡｌｘＧａ１−ｘＮなる組成とした上で、ｐ型クラッド層１４をアンドープ膜１４ａとドープ膜１４ｂを交互に積み重ねた構造とすることで、ｐ型クラッド層１４全体のキャリア濃度が高められる。また、ドーパントガスを間欠的に供給することで、Ｍｇ濃度が過剰にならず、ｐ型クラッド層１４の結晶性を高く維持できる。
このように、ｐ型クラッド層１４のキャリア濃度が高まることで、発光層１３に対して正孔を多く注入することが可能となり、高出力化された発光素子１を製造できる。同時に、ｐ型クラッド層１４の結晶性を高めることで、駆動電圧が低い発光素子１を製造できる。
【００８１】
また、本実施形態の発光素子１の製造方法によれば、ドープ膜１４ｂのドーパント濃度を一定とすることで、ｐ型クラッド層１４全体のキャリア濃度を均一にさせることができ、発光層１３に対して正孔を多く注入させることが可能となり、高出力な発光素子１を製造できる。
また、本実施形態の発光素子１の製造方法によれば、ｐ型クラッド層１４のｐ型コンタクト層１５側の面をアンドープ膜１４ａで構成することで、ｐ型コンタクト層１４とドープ膜１４ｂとが直接に接しないので、p型コンタクト層１４の結晶性を良好とすることができ、製造された発光素子１においてリーク電流の減少に効果があるほか、静電耐圧を向上させる効果がある。
【００８２】
また、本実施形態の発光素子１の製造方法によれば、ｐ型クラッド層を形成する前に、ドープ膜１４ｂを形成する際のドーパントガスよりも高い流量のドーパントガスを供給することで、ドープ膜１４ｂのキャリア濃度を一定にすることができる。
【００８３】
また、本実施形態の発光素子１によれば、障壁層１３ａの厚みが７０Å未満と薄いために、井戸層１３ｂに印加される歪みが低減され、井戸層１３ｂにおける歪み量が低減される。これにより出力を高めることができる。また、障壁層１３ａを薄くするとリーク電流が大きくなるおそれがあるが、本実施形態ではｐクラッド層１４がアンドープ膜１４ａ及びドープ膜１４ｂが交互に積層された構造からなるため結晶性に優れ、障壁層１３ａの薄膜化による弊害を除くことができる。
【実施例】
【００８４】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
（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発光素子を製造した。まず、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Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎクラッド層１２ｂを順に積層した。次いで、その上に、厚さ５ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層および厚さ２．５ｎｍのＧａ0.8Ｉｎ0.2Ｎ井戸層を交互にそれぞれ５回ずつ積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層１３を積層した。これらの膜はいずれも、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）等を反応ガスに用いたＭＯＣＶＤ法によって形成した。
【００８５】
次に、上述の各工程に引き続き、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、発光層１３の上に、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を供給した。
より具体的には、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）の供給を停止してＧａＮ障壁層の成長が終了した後、ＮＨ３ガスを供給しながら基板温度を９７５℃へ昇温した。９７５℃にてキャリアガスの種類を窒素から水素に切り替えた。続いて、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバ内の圧力を１５ｋＰａ、基板温度を１０５０℃に変更した。チャンバ内の圧力、基板温度が安定するのを待って、チャンバ内にＣｐ２Ｍｇを９５０ｓｃｃｍの流量（第１の流量）で１５秒間供給した。
【００８６】
次に、上述の各工程に引き続き、同じＭＯＣＶＤ装置を用いて、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなる１１層のアンドープ膜と、ＭｇをドープしたＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる１０層のドープ膜とを交互に積層した構造を持つｐ型クラッド層１４を成膜した。
より具体的には、基板温度及びチャンバ内圧力を維持したまま、キャリアガスとして水素を供給しつつ、ＮＨ３とともにＴＭＧとＴＭＡとをチャンバ内に３０秒間供給することにより、厚さ３ｎｍのＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなるアンドープ膜を成膜した。
次に、ＮＨ３、ＴＭＧ及びＴＭＡの供給を維持したまま、２９５ｓｃｃｍの流量（第２の流量）でＣｐ２Ｍｇを１５秒間供給することにより、厚さ１．５ｎｍのＭｇをドープしたＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなるドープ膜を成膜した。
以後、アンドープ膜形成工程、ドープ膜形成工程を順次繰り返し、最後にＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎからなるアンドープ膜を形成することにより、ｐ型クラッド層を形成した。
【００８７】
その後、ＮＨ３ガスを供給しながらチャンバ内の基板温度、圧力、キャリアガスの種類をそのままに保ったまま、Ｃｐ２ＭｇとＴＭＧのみを炉内へ供給して、２００ｎｍのＭｇドープＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を形成した。
【００８８】
更に、ｐ型コンタクト層上に、厚さ２００ｎｍのＩＴＯからなる透明電極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、透明電極の上に、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１０００ｎｍ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型コンタクト層上に金属の積層構造を有するｎ型電極を形成し、光取り出し面を半導体側とした。
【００８９】
この構造において、ｎ型コンタクト層のＳｉドーパント濃度は７×１０１８ｃｍ-3であり、ｎ型クラッド層のＳｉドーパント濃度は２×１０１８ｃｍ-3であり、ＧａＮ障壁層のＳｉドーパント濃度は１×１０18ｃｍ-3であり、ｐ型クラッド層のドープ膜のＭｇドーパント濃度は１×１０２０ｃｍ-3であり、ｐ型コンタクト層のＭｇドーパント濃度は１．５×１０２０ｃｍ-3であった。
【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２３ｍＷ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された。実施例１で製造された発光素子の製造条件や各層の厚み等を表１に示す。
【００９１】
（実施例２）
第１の流量を１２００ｓｃｃｍに替え、第２の流量を５００ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして実施例２の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は２．９Ｖであり、発光出力は２２ｍＷを示した。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された。実施例１の場合と同様にして、実施例２の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９２】
（実施例３）
第１の流量を１５００ｓｃｃｍに替え、第２の流量を４００ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして実施例３の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．０Ｖであり、発光出力は２１．５ｍＷを示した。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された。実施例１の場合と同様にして、実施例３の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９３】
（実施例４）
第１の流量を８００ｓｃｃｍに替え、第２の流量を２００ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして実施例４の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．０Ｖであり、発光出力は２３ｍＷを示した。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された。実施例１の場合と同様にして、実施例４の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９４】
（実施例５）
第１の流量を５００ｓｃｃｍに替え、第２の流量を１００ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして実施例５の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．１Ｖであり、発光出力は２２ｍＷを示した。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された。実施例１の場合と同様にして、実施例５の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９５】
（実施例６）
第１の流量を４７５ｓｃｃｍに替え、第２の流量を２９５ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして実施例６の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は２．９Ｖであり、発光出力は２３ｍＷを示した。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された。実施例１の場合と同様にして、実施例６の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９６】
（実施例７）
第１の流量を６００ｓｃｃｍに替え、第２の流量を２５０ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして実施例７の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は２．９Ｖであり、発光出力は２３ｍＷを示した。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された。実施例１の場合と同様にして、実施例７の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９７】
（比較例１）
ｐ型クラッド層１４におけるアンドープ膜の組成をＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎに替えた以外は、実施例1と同様にして比較例１の発光素子を製作した。この発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．３Ｖであり、発光出力は８ｍＷを示した。発光面の発光分布は、実施例１に比べ正極下の全面で暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例１の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９８】
（比較例２）
第１の流量を０ｓｃｃｍとする工程とし、ｐ型クラッド層１４におけるアンドープ膜をＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎに替えた以外は、実施例1と同様にして比較例２の発光素子を製作した。この発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．８Ｖであり、発光出力は６ｍＷを示した。発光面の発光分布は、実施例１に比べ正極下の全面で暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例２の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【００９９】
（比較例３）
第１の流量を０ｓｃｃｍとする工程とした以外は、実施例1と同様にして比較例３の発光素子を製作した。この発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は４．０Ｖであり、発光出力は１０ｍＷを示した。発光面の発光分布は、実施例１に比べ正極下の全面で暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例３の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【０１００】
（比較例４）
ｐ型クラッド層１４におけるアンドープ膜をＧａＮに替えた以外は、実施例1と同様にして比較例４の発光素子を製作した。この発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．３Ｖであり、発光出力は１８ｍＷを示した。発光面の発光分布は、実施例１に比べ正極下の全面で若干暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例４の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【０１０１】
（比較例５）
第１の流量を０ｓｃｃｍとする工程とし、ｐ型クラッド層１４におけるアンドープ膜をＧａＮに替えた以外は、実施例1と同様にして比較例５の発光素子を製作した。この発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．７Ｖであり、発光出力は１４ｍＷを示した。実施例１に比べ正極下の全面で若干暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例５の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【０１０２】
（比較例６）
第２の流量を１３００ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして比較例６の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は４．２Ｖであり、発光出力は１１ｍＷを示した。実施例１に比べ正極下の全面で若干暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例６の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【０１０３】
（比較例７）
第２の流量を９５０ｓｃｃｍに替えた以外は、実施例1と同様にして比較例７の発光素子を製作した。発光素子の２０ｍＡにおける順方向電圧は３．９Ｖであり、発光出力は１３ｍＷを示した。実施例１に比べ正極下の全面で若干暗かった。実施例１の場合と同様にして、比較例７の発光素子の製造条件及び各層の厚み等を表１に示す。
【０１０４】
【表１】
0005533093.tif 000002
【０１０５】
【表２】
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【０１０６】
表２に示すように、実施例１〜７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１〜７では、駆動電圧が大幅に上昇するか、発光出力が大幅に低下した。
【符号の説明】
【０１０７】
１…発光素子（ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子）、１２…ｎ型半導体層、１３…発光層（活性層）、１３ａ…障壁層、１３ｂ…井戸層、１４…ｐ型クラッド層（第１のｐ型半導体層）、１４ａ、１１４ａ…アンドープ膜、１４ｂ、１１４ｂ、１１４ｍ…ドープ膜、１５…ｐ型コンタクト層（第２のｐ型半導体層）。
【図１】
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【図２】
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