(57)【要約】【課題】大電流駆動時において動作電圧の上昇を防止して発光効率を向上する。【解決手段】ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた発光層８と、発光層８上に設けられたｐ型窒化物半導体層とを備える。発光層８は、窒化物半導体量子井戸層８Ｂと窒化物半導体障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有する。複数の窒化物半導体障壁層のうちの少なくとも１つは、ｐ型不純物を含むｐ型ドープ層８０２、および、このｐ型ドープ層８０２よりｐ型窒化物半導体層側に位置してｎ型不純物を含むｎ型ドープ層８０４を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられた発光層と、
前記発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と
を備え、
前記発光層は、窒化物半導体量子井戸層と窒化物半導体障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有し、
複数の前記窒化物半導体障壁層のうちの少なくとも１つは、ｐ型不純物を含むｐ型ドープ層、および、該ｐ型ドープ層より前記ｐ型窒化物半導体層側に位置してｎ型不純物を含むｎ型ドープ層を含む、窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層は、該窒化物半導体障壁層に隣接して前記ｎ型窒化物半導体層側に位置する前記窒化物半導体量子井戸層と前記ｐ型ドープ層との間に第１のアンドープ層を有する、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層は、前記ｐ型ドープ層と前記ｎ型ドープ層との間に第２のアンドープ層を有する、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層は、該窒化物半導体障壁層に隣接して前記ｐ型窒化物半導体層側に位置する前記窒化物半導体量子井戸層と前記ｎ型ドープ層との間に第３のアンドープ層を有する、請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層はＡｌを含む、請求項１から４のいずれかに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、窒化物半導体発光素子に関し、特に、大電流で駆動される窒化物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体(以下「窒化物半導体」と称する)は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光のエネルギーに相当するバンドギャップを有している。そのため、窒化物半導体は、赤外領域から紫外領域の波長を有する光を発光する発光素子またはその領域の波長を有する光を受光する受光素子の材料として有用である。
【０００３】
また、窒化物半導体は、窒化物半導体を構成する原子間の結合が強く、絶縁破壊電圧が高く、飽和電子速度が大きいという特性を有している。これらの特性から、窒化物半導体は、高温に耐性を有する高出力の高周波トランジスタなどの電子デバイスの材料としても有用である。さらに、窒化物半導体は、環境への影響が小さく、取り扱いやすい材料として注目されている。
【０００４】
このような窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子では、発光層として量子井戸構造を採用することが一般的である。窒化物半導体発光素子に電圧が印加されると、発光層中の井戸層において電子とホールとが再結合することにより光が発生する。発光層は、単一量子井戸構造からなってもよいし、井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造からなってもよい。
【０００５】
窒化物半導体発光素子の構成を開示した先行文献として、特開２００５−１０９４２５号公報(特許文献１)、特開２００５−０５７３０８号公報(特許文献２)、特開２００７−１５０３１２号公報(特許文献３)、特開２００７−０６７４１８号公報(特許文献４)および特開２０１０−０２８０７２号公報(特許文献５)がある。
【０００６】
特許文献１に記載された窒化物半導体素子においては、活性層は、アンドープＧａＮ障壁層と、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ量子井戸層とが順次積層されることにより形成されている。また、アンドープＧａＮ障壁層は、ＩｎＧａＮ量子井戸層と接する界面に拡散防止膜を具備している。この拡散防止膜は、ＩｎＧａＮ量子井戸層より低濃度のｎ型不純物を含んでいる。
【０００７】
特許文献２に記載された窒化物半導体素子においては、活性層がｎ型不純物を含んでおり、活性層におけるｎ型不純物濃度は、ｎ層側の方がｐ層側より高い。これにより、ｎ層側から活性層へのドナーの供給を補うことができ、窒化物半導体素子の発光出力が高められている。
【０００８】
特許文献３に記載された半導体発光デバイスにおいては、活性層における量子井戸層の厚さに対して障壁層の厚さを１３倍以上とすることにより、光出力パワーを増大させている。
【０００９】
近年、窒化物半導体発光素子の用途として、液晶のバックライトおよび照明用の電球などが検討されており、窒化物半導体発光素子を大電流で駆動する場合が増加している。
【００１０】
特許文献４には、以下の記載がある。ＩｎＧａＮ発光層を有する市販のＩＩＩ族窒化物デバイスは、５０Åより薄く、典型的には約１×１０18ｃｍ-3より少なくドープされている複数の量子井戸発光層を有することが多い。その理由は、これらの量子井戸設計が、特に低駆動電流において、低品質エピタキシャル材料の性能を改善できるからである。照明のために望ましい高駆動電流においては、こうしたデバイスは、電流密度が増加するにつれて効率が低下してしまう。
【００１１】
特許文献４に記載されたＩＩＩ族窒化物発光デバイスにおいては、発光層は、５０Åと２５０Åの間の厚さを有する。従来に比べて厚い単一井戸層を発光層とすることにより、大電流駆動時における特性を向上させている。
【００１２】
特許文献５に記載された窒化物半導体発光素子は、基板上に少なくともバッファ層、ｎ型窒化物半導体層、活性層及びｐ型窒化物半導体層が順に積層された窒化物半導体発光素子である。この窒化物半導体発光素子においては、活性層は、複数の障壁層と複数の井戸層が交互に配列された多重量子井戸構造である。複数の障壁層のうち少なくとも１つの層は、ｐ型ドーパントがドーピングされたｐ型ドープ障壁層とアンドープ障壁層とを有する第１障壁層である。これにより、ドループ現象を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１０９４２５号公報
【特許文献２】特開２００５−０５７３０８号公報
【特許文献３】特開２００７−１５０３１２号公報
【特許文献４】特開２００７−０６７４１８号公報
【特許文献５】特開２０１０−０２８０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１から５に記載の技術にしたがって窒化物半導体発光素子を製造し、製造された窒化物半導体発光素子を大電流で駆動すると、動作電圧が上がって消費電力が大きくなることがある。その結果、窒化物半導体発光素子の単位電力当たりの発光効率(電力効率)の低下を招くことがある。
【００１５】
一般に、窒化物半導体発光素子は、印加される電流密度が所定範囲より小さい場合および所定範囲より大きい場合の両方において発光効率が低下する。
【００１６】
電流密度が所定範囲より小さい場合に発光効率が低下する理由は、非発光再結合を引き起こす準位(結晶欠陥など)が発光層に多数存在するからであると考えられている。そのため、従来における窒化物半導体発光素子の発光効率の向上対策は、主として、発光層における結晶欠陥の低減であった。
【００１７】
しかし、窒化物半導体発光素子に印加される電流密度が所定範囲より大きくなると、発光層における結晶欠陥以外の要因による発光効率の低減が生じる。この原因として、オージェ再結合説、ピエゾ電界説およびオーバーフロー説などが唱えられている。
【００１８】
オージェ再結合説は、活性層への注入キャリア密度が高くなるにしたがって、オージェ再結合(注入キャリア密度の３乗に比例して再結合確率が増大する非発光再結合)が支配的になるというものである。
【００１９】
ピエゾ電界説は、以下のようなものである。井戸層の組成がＩｎxＧａ1-xＮであって障壁層の組成がＧａＮである場合、両者の格子定数が異なるため、本来ならば断面形状が正方形状である格子が長方形状に伸ばされる、または圧縮される。それに伴い、結晶中、特に井戸層中に「ピエゾ電界」が生じる。このピエゾ電界の影響により半導体のエネルギーバンド(バレンスバンド、コンダクションバンド)に傾きが生じて、ホールと電子との密度分布の最大となる位置が井戸層の両側に空間的に分離する。そのため、電子とホールとの発光再結合が妨げられる、すなわち発光再結合の寿命が長くなる。
【００２０】
オーバーフロー説は、電子の発光層への注入量を多くすると、電子が発光層からあふれでてｐ側の層に達し、そのｐ側の層で非発光再結合により消滅するというものである。
【００２１】
いずれの説であっても、大電流駆動時における発光効率の低下を抑制するためには、井戸層における注入キャリア密度を低くする、すなわち井戸層の体積を大きくすることが望ましい。
【００２２】
井戸層における注入キャリア密度を低くする方法として、チップサイズを大きくして発光面積を増大させて単位面積当たりの電流値を下げることにより、実際の単位体積あたりのキャリア濃度を下げるという手法がある。しかし、チップサイズを大きくすると、１枚のウエハから製造できるチップの個数が減少するため、窒化物半導体発光素子の価格の上昇を招き好ましくない。
【００２３】
井戸層における注入キャリア密度を低くする他の方法として、多重量子井戸構造における井戸層の層厚を厚くする、または井戸層の層数を増やすなどの手法がある。しかし、井戸層の層厚を厚くしすぎると、井戸層の結晶品質の低下を招き好ましくない。また、井戸層の層数を増やしすぎると、窒化物半導体発光素子の動作電圧の上昇を招き好ましくない。さらに、注入される電子とホールとの密度分布が異なる場合、見かけの井戸層の体積を増加させても、実効的な井戸層の体積を井戸層の層厚または層数に比例して増加させることができないため好ましくない。
【００２４】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、大電流駆動時において動作電圧の上昇を防止して発光効率を向上できる、窒化物半導体発光素子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】
【００２５】
本発明に基づく窒化物半導体発光素子は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた発光層と、発光層上に設けられたｐ型窒化物半導体層とを備える。発光層は、窒化物半導体量子井戸層と窒化物半導体障壁層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有する。複数の窒化物半導体障壁層のうちの少なくとも１つは、ｐ型不純物を含むｐ型ドープ層、および、このｐ型ドープ層よりｐ型窒化物半導体層側に位置してｎ型不純物を含むｎ型ドープ層を含む。
【００２６】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層は、この窒化物半導体障壁層に隣接してｎ型窒化物半導体層側に位置する窒化物半導体量子井戸層とｐ型ドープ層との間に第１のアンドープ層を有する。
【００２７】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層は、ｐ型ドープ層とｎ型ドープ層との間に第２のアンドープ層を有する。
【００２８】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層は、この窒化物半導体障壁層に隣接してｐ型窒化物半導体層側に位置する窒化物半導体量子井戸層とｎ型ドープ層との間に第３のアンドープ層を有する。
【００２９】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層はＡｌを含む。
本発明に基づく窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型窒化物半導体層上に発光層を成長させる工程と、発光層上にｐ型窒化物半導体層を成長させる工程とを備える。上記発光層を成長させる工程において、窒化物半導体量子井戸層と窒化物半導体障壁層とを交互に複数積層する。複数の窒化物半導体障壁層のうちの少なくとも１つを積層する際に、ｐ型不純物を含むｐ型ドープ層、および、このｐ型ドープ層よりｐ型窒化物半導体層側にｎ型不純物を含むｎ型ドープ層を成長させる。
【００３０】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層を積層する際に、窒化物半導体量子井戸層上に第１のアンドープ層を成長させ、この第１のアンドープ層上にｐ型ドープ層を成長させる。
【００３１】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層を積層する際に、ｐ型ドープ層上に第２のアンドープ層を成長させ、この第２のアンドープ層上にｎ型ドープ層を成長させる。
【００３２】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層を積層する際に、ｎ型ドープ層上に第３のアンドープ層を成長させる。
【００３３】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層を積層する際の成長温度を、複数の窒化物半導体量子井戸層を成長させるときの成長温度より高温にする。
【００３４】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層を積層する際に、水素を含むキャリアガスを導入する。
【００３５】
本発明の一形態においては、上記少なくとも１つの窒化物半導体障壁層を積層する際に、複数の窒化物半導体量子井戸層を成長させるときの成長温度と同一温度にて第１のアンドープ層を成長させ、その後、供給する原料ガスをＩＩＩ族原料ガスからＶ族原料ガスに切り替えて昇温した状態でｐ型ドープ層の成長を開始する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、窒化物半導体発光素子の大電流駆動時において動作電圧の上昇を防止して発光効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。
【図２】同実施形態に係る窒化物半導体素子のバンド構造を示す図である。
【図３】同実施形態に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。
【図４】本発明の実施例２に係る窒化物半導体素子のバンド構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例３に係る窒化物半導体素子のバンド構造を示す図である。
【図６】本発明の実施例４に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。
【図７】実施例４の第１変形例に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。
【図８】実施例４の第２変形例に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。
【図９】本発明の実施例５に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層の成長過程における温度条件を示す図である。
【図１０】実施例５の変形例に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層の成長過程における温度条件を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子およびその製造方法について図を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。なお、図面において、長さ、幅および厚さなどの寸法関係は、図面の明瞭化および簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造を示す断面図である。図２は、本実施形態に係る窒化物半導体素子のバンド構造を示す図である。図２においては、不純物をドープした層にハッチングを入れている。
【００４０】
＜窒化物半導体発光素子＞
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体発光素子１においては、基板２の上面上に、バッファ層３と、下地層４と、第１のｎ型窒化物半導体層５と、第２のｎ型窒化物半導体層６と、超格子層７と、発光層８と、第１のｐ型窒化物半導体層９と、第２のｐ型窒化物半導体層１０と、第３のｐ型窒化物半導体層１１とがこの順に積層されている。
【００４１】
第２のｎ型窒化物半導体層６の上面の一部分は、超格子層７などから露出しており、その露出部分の上には、ｎ側電極１４が設けられている。第３のｐ型窒化物半導体層１１の上には、透明電極１２を介してｐ側電極１３が設けられている。窒化物半導体発光素子１の上部は、透明保護膜１５で覆われている。
【００４２】
＜基板＞
基板２は、たとえば、サファイアのような絶縁性基板であってもよいし、ＧａＮ、ＳｉＣ、またはＺｎＯなどのような導電性基板であってもよい。基板２の厚さは、特に限定されず、たとえば、６０μｍ以上３００μｍ以下である。本実施形態においては、基板２の上面に湾曲面状の凸部２Ａと平坦面状の凹部２Ｂとが交互に形成されているが、基板２の上面が平坦であってもよい。
【００４３】
＜バッファ層＞
バッファ層３は、たとえば、Ａｌs0Ｇａt0Ｎ（０≦ｓ０≦１、０≦ｔ０≦１、ｓ０＋ｔ０≠０）層であり、好ましくはＡｌＮ層である。バッファ層３をＡｌＮ層で形成することにより、基板２の成長面の法線方向に伸長するようにバッファ層３が形成されるので、結晶粒の揃った柱状結晶の集合体からなるバッファ層３を得られる。
【００４４】
バッファ層３の厚さは、特に限定されないが、たとえば、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００４５】
＜下地層＞
下地層４は、たとえば、Ａｌs1Ｇａt1Ｉｎu1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、０≦ｕ１≦１、ｓ１＋ｔ１＋ｕ１≠０）層であればよく、好ましくはＡｌs1Ｇａt1Ｎ（０≦ｓ１≦１、０≦ｔ１≦１、ｓ１＋ｔ１≠０）層であり、より好ましくはＧａＮ層である。下地層４をＧａＮ層で形成することにより、バッファ層３中に存在する転移などの結晶欠陥がバッファ層３と下地層４との界面付近でループされ易くなる。よって、その結晶欠陥がバッファ層３から下地層４へ引き継がれることを防止できる。
【００４６】
下地層４はｎ型不純物を含んでいてもよいが、下地層４がｎ型不純物を含んでいなければ、下地層４の良好な結晶性を維持することができる。よって、下地層４においては、ｎ型不純物を含んでいないことが好ましい。下地層４の厚さは、特に限定されないが、たとえば、３μｍ以上１２μｍ以下である。
【００４７】
＜ｎ型窒化物半導体層＞
本実施形態においては、ｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層５と第２のｎ型窒化物半導体層６との積層構造を有している。ただし、ｎ型窒化物半導体層は、単層で形成されていてもよい。第１のｎ型窒化物半導体層５および第２のｎ型窒化物半導体層６は、互いに同一の組成であってもよいし、互いに異なる組成であってもよい。また、第１のｎ型窒化物半導体層５および第２のｎ型窒化物半導体層６は、互いに同一の厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。
【００４８】
第１のｎ型窒化物半導体層５および第２のｎ型窒化物半導体層６は、たとえば、Ａｌs2Ｇａt2Ｉｎu2Ｎ（０≦ｓ２≦１、０≦ｔ２≦１、０≦ｕ２≦１、ｓ２＋ｔ２＋ｕ２≠０）層にｎ型不純物がドーピングされた層であればよく、好ましくはＡｌs2Ｇａ1-s2Ｎ（０≦ｓ２≦１、好ましくは０≦ｓ２≦０．５、より好ましくは０≦ｓ２≦０．１）層にｎ型不純物がドーピングされた層である。
【００４９】
ｎ型不純物は、特に限定されないが、Ｓｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであればよく、好ましくはＳｉである。第１のｎ型窒化物半導体層５および第２のｎ型窒化物半導体層６の各々におけるｎ型不純物の濃度は、特に限定されないが、たとえば、１×１０18ｃｍ-3以上２×１０19ｃｍ-3以下である。第１のｎ型窒化物半導体層５および第２のｎ型窒化物半導体層６の各々の厚さは、特に限定されないが、たとえば、０．５μｍ以上１０μｍ以下である。
【００５０】
＜超格子層＞
超格子層とは、複数の種類の結晶格子の重ね合わせにより、その周期構造が基本単位格子よりも長い結晶格子からなる層を意味する。超格子層７では、図２に示す第１半導体層７Ａと第２半導体層７Ｂとが交互に積層されて超格子構造を構成しており、その周期構造が第１半導体層７Ａを構成する半導体材料の基本単位格子および第２半導体層７Ｂを構成する半導体材料の基本単位格子よりも長くなっている。
【００５１】
なお、超格子層７においては、第１半導体層７Ａと、第２半導体層７Ｂと、第１半導体層７Ａおよび第２半導体層７Ｂとは異なる１層以上の半導体層とが順に積層されて超格子構造を構成していてもよい。超格子層７の１周期当たりの厚さは、特に限定されないが、たとえば、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である。
【００５２】
各第１半導体層７Ａは、たとえば、ＡｌＧａＩｎＮ層にｎ型不純物がドーピングされた層であればよく、好ましくはＧａＮ層にｎ型不純物がドーピングされた層である。
【００５３】
各第１半導体層７Ａにおけるｎ型不純物濃度におけるｎ型不純物濃度は、たとえば、１×１０18ｃｍ-3以上５×１０19ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００５４】
第１半導体層７Ａのそれぞれの厚さは、特に限定されないが、たとえば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ以上４ｎｍ以下である。第１半導体層７Ａのそれぞれの厚さが０．５ｎｍ未満であれば、第１半導体層７Ａのそれぞれの厚さが１原子層の厚さを下回るため、厚さが均一な第１半導体層７Ａを形成することが難しく、よって、後述の発光層８の結晶品質の低下を招くことがある。
【００５５】
また、ｎ型窒化物半導体層よりも低い温度で高濃度のｎ型不純物を第１半導体層７Ａにドープするため、第１半導体層７Ａのそれぞれの厚さが５ｎｍを超えると、第１半導体層７Ａの平坦性の低下を招き、よって、後述の発光層８の結晶性が低下する。その結果、発光層８の結晶品質も低下して窒化物半導体発光素子１の発光効率が低下することがある。
【００５６】
各第２半導体層７Ｂは、たとえば、ＡｌＧａＩｎＮ層であればよく、好ましくはＩｎＧａＮ層である。第２半導体層７Ｂがｎ型不純物を含んでいなければ、超格子層７の平坦性の低下を防止でき、よって、後述の発光層８の結晶性の低下を防止できる。なお、各第２半導体層７Ｂは、ｎ型不純物を含んでいてもよい。
【００５７】
第２半導体層７Ｂのそれぞれの厚さは、特に限定されないが、たとえば、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ以上４ｎｍ以下である。第２半導体層７Ｂのそれぞれの厚さが０．５ｎｍ未満であれば、第２半導体層７Ｂのそれぞれの厚さが１原子層の厚さを下回るため、厚さが均一な第２半導体層７Ｂを形成することが難しく、よって、後述の発光層８の結晶品質の低下を招くことがある。一方、第２半導体層７Ｂのそれぞれの厚さが５ｎｍを超えると、第２半導体層７Ｂの成長時間が長くなりすぎて、窒化物半導体発光素子１の生産性が低下することがある。
【００５８】
なお、第１半導体層７Ａおよび第２半導体層７Ｂの層数は、特に限定されず、たとえば、それぞれ２０層である。
【００５９】
＜発光層＞
発光層８は、図２に示す窒化物半導体障壁層８Ａと窒化物半導体量子井戸層８Ｂとが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有している。具体的には、発光層８は、窒化物半導体障壁層８Ａが窒化物半導体量子井戸層８Ｂを両側から挟むように、窒化物半導体障壁層８Ａと窒化物半導体量子井戸層８Ｂとが積層されて構成されている。
【００６０】
各窒化物半導体障壁層８Ａは、たとえばＡｌxＧａyＩｎ(1-x-y)Ｎ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１）層からなる。各窒化物半導体障壁層８Ａの厚さは、８ｎｍ以下であることが好ましく、１．５ｎｍ以上８ｎｍ以下であればさらに好ましい。
【００６１】
各窒化物半導体障壁層８Ａの厚さが１．５ｎｍ未満であれば、窒化物半導体障壁層８Ａの平坦性の低下によるその結晶品質の悪化を招き、よって、窒化物半導体発光素子１の発光効率が低下することがある。窒化物半導体障壁層８Ａの厚さが８ｎｍより厚ければ、注入キャリアが発光層８中で十分拡散されず、窒化物半導体発光素子１の駆動電圧の上昇およびその発光効率の低下を招くことがある。
【００６２】
本実施形態においては、複数の窒化物半導体障壁層８Ａのうちの１つの窒化物半導体障壁層８０Ａが、ｐ型不純物を含むｐ型ドープ層８０２、および、このｐ型ドープ層８０２よりｐ型窒化物半導体層側に位置してｎ型不純物を含むｎ型ドープ層８０４を含む。ｐ型不純物は、特に限定されないが、たとえばＭｇである。ｎ型不純物は、特に限定されないが、たとえばＳｉである。
【００６３】
図３は、本実施形態に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。図２，３に示すように、本実施形態においては、超格子層７側から数えて４周期目の窒化物半導体障壁層８０Ａが、ｐ型ドープ層８０２およびｎ型ドープ層８０４を含んでいる。
【００６４】
さらに、図３に示すように、窒化物半導体障壁層８０Ａは、窒化物半導体障壁層８０Ａに隣接してｎ型窒化物半導体層側(図中左側)に位置する窒化物半導体量子井戸層８Ｂとｐ型ドープ層８０２との間に第１のアンドープ層８０１を有する。
【００６５】
また、窒化物半導体障壁層８０Ａは、ｐ型ドープ層８０２とｎ型ドープ層８０４との間に第２のアンドープ層８０３を有する。
【００６６】
さらに、窒化物半導体障壁層８０Ａは、窒化物半導体障壁層８０Ａに隣接してｐ型窒化物半導体層側(図中右側)に位置する窒化物半導体量子井戸層８Ｂとｎ型ドープ層８０４との間に第３のアンドープ層８０５を有する。
【００６７】
各窒化物半導体量子井戸層８Ｂは、たとえば、アンドープＩｎzＧａ(1-z)Ｎ（０＜ｚ≦１）層であればよく、好ましくはアンドープＩｎzＧａ(1-z)Ｎ（０＜ｚ≦０．５）層である。各窒化物半導体量子井戸層８Ｂがｎ型不純物を含んでいないことにより、発光層８の平坦性の低下を防止でき、よって、後述のｐ型窒化物半導体層の結晶性の低下を防止できる。
【００６８】
各窒化物半導体量子井戸層８Ｂの厚さは、特に限定されないが、２．５ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。各窒化物半導体量子井戸層８Ｂの厚さがこの範囲外であれば、窒化物半導体発光素子１の発光効率低下およびその駆動電圧の上昇を招くことがある。
【００６９】
窒化物半導体量子井戸層８Ｂの層数は、特に限定されず、複数であればよい。窒化物半導体量子井戸層８Ｂを複数設けることにより、発光層８の電流密度を低下させることができる。よって、窒化物半導体発光素子１を大電流で駆動した場合においても、発光層８での発熱量の低下を図れる。そのため、発光層８からのキャリアのオーバーフローを防止できる。したがって、発光層８以外の層における非発光再結合の発生を防止できる。
【００７０】
＜ｐ型窒化物半導体層＞
本実施形態においては、ｐ型窒化物半導体層は、第１のｐ型窒化物半導体層９と第２のｐ型窒化物半導体層１０と第３のｐ型窒化物半導体層１１との積層構造を有している。ただし、ｐ型窒化物半導体層は、単層で形成されていてもよい。第１のｐ型窒化物半導体層９、第２のｐ型窒化物半導体層１０および第３のｐ型窒化物半導体層１１は、互いに同一の組成であってもよいし、互いに異なる組成であってもよい。また、第１のｐ型窒化物半導体層９、第２のｐ型窒化物半導体層１０および第３のｐ型窒化物半導体層１１は、互いに同一の厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。
【００７１】
第１のｐ型窒化物半導体層９、第２のｐ型窒化物半導体層１０および第３のｐ型窒化物半導体層１１は、たとえば、Ａｌs4Ｇａt4Ｉｎu4Ｎ（０≦ｓ４≦１、０≦ｔ４≦１、０≦ｕ４≦１、ｓ４＋ｔ４＋ｕ４≠０）層にｐ型不純物がドーピングされた層であり、好ましくはＡｌs4Ｇａ1-s4Ｎ（０＜ｓ４≦０．４、好ましくは０．１≦ｓ４≦０．３）層にｐ型不純物をドーピングした層である。
【００７２】
ｐ型不純物は、特に限定されないが、たとえばマグネシウムである。第１のｐ型窒化物半導体層９、第２のｐ型窒化物半導体層１０および第３のｐ型窒化物半導体層１１の各々におけるｐ型不純物の濃度は、特に限定されないが、たとえば、１×１０18ｃｍ-3以上２×１０20ｃｍ-3以下である。第１のｐ型窒化物半導体層９、第２のｐ型窒化物半導体層１０および第３のｐ型窒化物半導体層１１の各々の厚さは、特に限定されないが、たとえば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【００７３】
＜ｎ側電極、透明電極、ｐ側電極、透明保護膜＞
ｐ側電極１３およびｎ側電極１４は、窒化物半導体発光素子１に駆動電力を供給するための電極である。ｐ側電極１３およびｎ側電極１４の各々は、たとえば、ニッケル層、プラチナ層、および金層がこの順序で積層されて構成されている。ｐ側電極１３およびｎ側電極１４の各々の厚さは、たとえば、３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。
【００７４】
透明電極１２は、たとえば、ＩＴＯ（Indium  Tin  Oxide）またはＩＺＯ(Indium  Zinc  Oxide)などから構成されている。透明電極１２の厚さは、たとえば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。なお、透明電極１２のかわりに、アルミニウムまたは銀などからなる反射電極を設けてもよい。
【００７５】
透明保護膜１５は、たとえば、ＳｉＯ2からなる。透明保護膜１５は、主として、透明電極１２および第２のｎ型窒化物半導体層６の上面と、第２のｎ型窒化物半導体層６から透明電極１２までの各層の側面を覆っている。
【００７６】
＜発光層における作用および効果＞
ＩｎzＧａ1-zＮ（０＜ｚ≦１）からなる窒化物半導体量子井戸層を含む発光層を成長させる際の成長温度は、ＧａＮおよびＡｌＧａＮなどＩｎを含まない窒化物半導体量子井戸層を含む発光層の成長温度に比べて低い。また、発光層をＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により成長させる場合、水素をほとんど含まない窒素をキャリアガスとして使用する。これらの成長条件から、発光層には結晶欠陥が発生しやすい。
【００７７】
発光層に結晶欠陥が存在している場合に、その影響をできるだけ受けずに窒化物半導体発光素子の発光効率を上げるためには、結晶欠陥に注入キャリアが捕獲される前に発光再結合を起こさせる必要がある。
【００７８】
そのためには、各窒化物半導体量子井戸層の近傍における電子およびホールの存在確立を高めることが望ましい。しかし、従来のように発光層がアンドープ層またはｎ型不純物をドープした層からなる場合は、発光層が複数の窒化物半導体量子井戸層を有していても、ｐ型窒化物半導体層側から遠い位置にある窒化物半導体量子井戸層に有効質量が大きいホールが届かず、発光層の全体にホールが行き渡らないという問題があった。
【００７９】
そこで、窒化物半導体障壁層にｐ型不純物をドープした場合、伝導帯に対する窒化物半導体量子井戸層の深さが深くなり、移動度が高い電子を窒化物半導体量子井戸層に拘束する効果を高めることができ、相対的にホールに対しては価電子帯の窒化物半導体量子井戸層の深さが浅くなり、窒化物半導体量子井戸層へのホールの注入効率を高めることができる。
【００８０】
しかし、発光層の成長後に形成されるｐ型窒化物半導体層の成長温度が高いために、ｐ型不純物が窒化物半導体量子井戸層の内部に拡散することがあり、この場合、拡散したｐ型不純物が窒化物半導体量子井戸層の発光効率を低下させる。
【００８１】
本発明者は、鋭意研究の結果、ｐ型窒化物半導体層側から遠い位置にある窒化物半導体量子井戸層８Ｂにホールを届かせるために窒化物半導体障壁層８０Ａにｐ型不純物をドープするとともに、その窒化物半導体障壁層８０Ａにｎ型不純物をドープすることにより、ｐ型不純物の拡散を抑制しつつｎ型窒化物半導体層側から遠い位置にある窒化物半導体量子井戸層８Ｂに電子を届かせて、各窒化物半導体量子井戸層８Ｂにおける発光効率を向上できることを見出した。
【００８２】
すなわち、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１においては、窒化物半導体障壁層８０Ａがｐ型ドープ層８０２を含んでいるため、ｐ型窒化物半導体層側から遠い位置にある窒化物半導体量子井戸層８Ｂへホールを拡散させることができる。また、窒化物半導体障壁層８０Ａがｎ型ドープ層８０４を含んでいるため、ｎ型窒化物半導体層側から遠い位置にある窒化物半導体量子井戸層８Ｂへ電子を拡散させることができる。
【００８３】
このように、複数の窒化物半導体量子井戸層８Ｂにホールおよび電子を拡散させることによって、大電流密度で窒化物半導体発光素子１を駆動した場合に、１つの窒化物半導体量子井戸層８Ｂ当たりのキャリア密度が高くならないようにすることができる。さらに、ｎ型ドープ層８０４は、ｐ型ドープ層８０２のｐ型不純物が窒化物半導体障壁層８０Ａより上方に位置する窒化物半導体量子井戸層８Ｂへ拡散することを抑制する機能を有している。その結果、大電流駆動時において動作電圧の上昇を防止して窒化物半導体発光素子１の発光効率を向上できる。
【００８４】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１においては、窒化物半導体障壁層８０Ａが、窒化物半導体障壁層８０Ａに隣接してｎ型窒化物半導体層側に位置する窒化物半導体量子井戸層８Ｂとｐ型ドープ層８０２との間に第１のアンドープ層８０１を有する。これにより、ｐ型ドープ層８０２にドープされたｐ型不純物が第１のアンドープ層８０１に隣接した窒化物半導体量子井戸層８Ｂに拡散することを抑制できる。
【００８５】
さらに、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１においては、窒化物半導体障壁層８０Ａが、ｐ型ドープ層８０２とｎ型ドープ層８０４との間に第２のアンドープ層８０３を有する。これにより、窒化物半導体障壁層８０Ａの結晶品質を保つことができ、非発光の原因となる結晶欠陥の発生を抑制できる。
【００８６】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１においては、窒化物半導体障壁層８０Ａが、窒化物半導体障壁層８０Ａに隣接してｐ型窒化物半導体層側に位置する窒化物半導体量子井戸層８Ｂとｎ型ドープ層８０４との間に第３のアンドープ層８０５を有する。これにより、ｎ型ドープ層８０４にドープされたｎ型不純物が窒化物半導体障壁層８０Ａより上方に位置する窒化物半導体量子井戸層８Ｂに拡散することを抑制できる。
【００８７】
さらに、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子１においては、窒化物半導体障壁層８０ＡがＡｌを含む。これにより、窒化物半導体障壁層８０Ａと窒化物半導体量子井戸層８Ｂとのバンドギャップの差が大きくなる。その結果、窒化物半導体発光素子１が高温で動作しているときにおいても、キャリアの窒化物半導体量子井戸層８Ｂからのオーバーフローを抑制して高い発光効率を得られる。
【００８８】
本実施形態においては、発光層８に、ｐ型ドープ層８０２およびｎ型ドープ層８０４を含む窒化物半導体障壁層８０Ａを１つ設けたが、窒化物半導体障壁層８０Ａの数はこれに限られず、複数でもよい。
【００８９】
以下に、本発明の実施例について説明する。
＜実施例１＞
まず、基板２として、凹凸加工が上面に施されたサファイアからなる１００ｍｍ径のウエハを準備し、その上面上にＡｌＮからなるバッファ層３をスパッタ法により形成した。
【００９０】
次に、ウエハを第１のＭＯＣＶＤ装置に入れ、原料ガスとしてＴＭＧ(trimethyl gallium)ガスとＮＨ3ガスとを用いて、アンドープＧａＮからなる下地層４をＭＯＣＶＤ法により成長させた。
【００９１】
次に、ドーパント用ガスとしてＳｉＨ4ガスを加えてｎ型ＧａＮからなる第１のｎ型窒化物半導体層５を成長させた。下地層４の厚さは４μｍ、第１のｎ型窒化物半導体層５の厚さは３μｍであり、第１のｎ型窒化物半導体層５におけるｎ型不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3であった。
【００９２】
次に、第１のＭＯＣＶＤ装置から取り出したウエハを、第２のＭＯＣＶＤ装置に入れて１０５０℃の温度に維持し、ｎ型ＧａＮからなる第２のｎ型窒化物半導体層６を成長させた。第２のｎ型窒化物半導体層６の厚さは、１．５μｍであった。
【００９３】
次に、ウエハを８８０℃の温度に維持して超格子層７を成長させた。具体的には、ＳｉドープＧａＮ層からなる第１半導体層７Ａと、ＳｉドープＩｎＧａＮ層からなる第２半導体層７Ｂとを、交互に２０周期分成長させた。
【００９４】
第１半導体層７Ａの原料ガスとして、ＴＭＧガスとＮＨ3ガスとＳｉＨ4ガスとを用いた。各第１半導体層７Ａの厚さは１．７５ｎｍであり、各第１半導体層７ＡにおけるＳｉのｎ型不純物濃度は１×１０19ｃｍ-3であった。
【００９５】
第２半導体層７Ｂの原料ガスとして、ＴＭＧガスとＴＭＩ(trimethyl indium)ガスとＮＨ3ガスとＳｉＨ4ガスとを用いた。各第２半導体層７Ｂの厚さは、１．７５ｎｍであった。第２半導体層７Ｂを成長させる際、第２半導体層７Ｂがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が３７５ｎｍとなるように、ＴＭＩの流量および成長温度を調整した。そのため、各第２半導体層７Ｂの組成はＩｎvＧａ1-vＮ(v＝０．１０)であった。キャリアが第１半導体層７Ａと第２半導体層７Ｂとに拡散して平均化されたため、超格子層７の平均キャリア濃度は、約１×１０19ｃｍ-3であった。
【００９６】
次に、ウエハの温度を８５０℃に下げた状態で、発光層８を成長させた。具体的には、アンドープＧａＮからなる窒化物半導体障壁層８ＡとアンドープＩｎＧａＮからなる窒化物半導体量子井戸層８Ｂとを交互に６周期分成長させた。
【００９７】
窒化物半導体障壁層８Ａの原料ガスとして、ＴＭＧガスとＮＨ3ガスとを用いた。各窒化物半導体障壁層８Ａの成長速度を６０ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各窒化物半導体障壁層８Ａの厚さは４ｎｍであった。
【００９８】
窒化物半導体量子井戸層８Ｂの原料ガスとしてＴＭＩガスとＮＨ3ガスとを用い、キャリアガスとして窒素ガスを用いた。各窒化物半導体量子井戸層８Ｂの成長速度を６０ｎｍ／ｈｏｕｒとした。各窒化物半導体量子井戸層８Ｂの厚さは、４ｎｍであった。窒化物半導体量子井戸層８Ｂがフォトルミネッセンスにより発する光の波長が４４５ｎｍとなるように、ＴＭＩの流量を調整して設定した。そのため、窒化物半導体量子井戸層８Ｂの組成は、ＩｎzＧａ1-zＮ(z＝０．１３)であった。
【００９９】
窒化物半導体障壁層８０Ａにおいては、第１のアンドープ層８０１として、厚さが１ｎｍのアンドープＧａＮ層を成長させた。その上に、ｐ型ドープ層８０２として、厚さが０．５ｎｍで、ｐ型不純物としてＭｇを含むＧａＮ層を成長させた。その上に、第２のアンドープ層８０３として、厚さが１ｎｍのアンドープＧａＮ層を成長させた。その上に、ｎ型ドープ層８０４として、厚さが０．５ｎｍで、ｎ型不純物としてＳｉを含むＧａＮ層を成長させた。その上に、第３のアンドープ層８０５として、厚さが１ｎｍのアンドープＧａＮ層を成長させた。
【０１００】
ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｍｇガスを用いた。ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ4ガスを用いた。キャリアガスとしては、Ｎ2ガスに３％のＨ2ガスを添加した混合ガスを用いた。
【０１０１】
キャリアガスがＨ2ガスを含むことにより、窒化物半導体障壁層８０Ａの結晶品質を保つことができ、非発光の原因となる結晶欠陥の発生を抑制することができた。また、ｐ型不純物が取り込みやすくなり、８５０℃の比較的低温においてもＭｇがＧａＮ層に効率よく取り込まれた。
【０１０２】
次に、最上層の窒化物半導体量子井戸層８Ｂの上に、最上層の窒化物半導体障壁層８Ａとして、厚さが８ｎｍのアンドープのＧａＮ層を成長させた。
【０１０３】
次に、ウエハの温度を上げて、最上層の窒化物半導体障壁層８Ａの上面上に、第１のｐ型窒化物半導体層９としてｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ｎ層、その上に、第２のｐ型窒化物半導体層１０としてｐ型ＧａＮ層、その上に、第３のｐ型窒化物半導体層１１としてｐ型コンタクト層を成長させた。
【０１０４】
そして、第２のｎ型窒化物半導体層６の一部分が露出するように、第３のｐ型窒化物半導体層１１、第２のｐ型窒化物半導体層１０、第１のｐ型窒化物半導体層９、発光層８、超格子層７、および、第２のｎ型窒化物半導体層６の各一部をエッチングした。
【０１０５】
このエッチングにより露出した第２のｎ型窒化物半導体層６の上面上にＡｕから成るｎ側電極１４を形成した。また、第３のｐ型窒化物半導体層１１の上面上に、ＩＴＯからなる透明電極１２とＡｕから成るｐ側電極１３とを順に形成した。さらに、主として透明電極１２および上記エッチングによって露出した各層の側面を覆うように、ＳｉＯ2からなる透明保護膜１５を形成した。
【０１０６】
最後に、ウエハを４３０μｍ×４８０μｍサイズのチップに分割して、実施例１に係る窒化物半導体発光素子１を作製した。
【０１０７】
得られた窒化物半導体発光素子１をＴＯ−１８型ステムにマウントして樹脂封止を行なわずに光出力を測定したところ、駆動電流５０ｍＡおよび駆動電圧２．９Ｖにおいて、窒化物半導体発光素子１の光出力は７７ｍＷ(ドミナント波長４５１ｎｍ)であった。これから、窒化物半導体発光素子１の外部量子効率は５５％であった。
【０１０８】
また、駆動電流１２０ｍＡおよび駆動電圧３．０Ｖにおいて、窒化物半導体発光素子１の光出力は１７７ｍＷ(ドミナント波長４５１ｎｍ)であった。これから、窒化物半導体発光素子１の外部量子効率は５２．７％であった。
【０１０９】
窒化物半導体発光素子１においては、５０ｍＡの外部量子効率に対して１２０ｍＡの外部量子効率が９５．８％であって、外部量子効率の低下がほとんど認められず、ドループ現象を抑制できていることが確認できた。
【０１１０】
＜実施例２＞
図４は、本発明の実施例２に係る窒化物半導体素子のバンド構造を示す図である。図４においては、不純物をドープした層にハッチングを入れている。
【０１１１】
図４に示すように、実施例２においては、ｎ型窒化物半導体層側から１層目および最上層の窒化物半導体障壁層８Ａ間に、窒化物半導体障壁層８０Ａを５層設けていることのみ、実施例１の窒化物半導体発光素子１とは異なる。よって、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１１２】
実施例２の窒化物半導体発光素子においては、大電流密度においても発光効率がほとんど低下せず、電流密度が０．０５Ａ／ｃｍ-2以上２００Ａ／ｃｍ-2以下の広い範囲で、５０％以上の外部量子効率を得られた。
【０１１３】
＜実施例３＞
図５は、本発明の実施例３に係る窒化物半導体素子のバンド構造を示す図である。図５においては、不純物をドープした層にハッチングを入れている。
【０１１４】
図５に示すように、実施例３においては、ｎ型窒化物半導体層側から３層目および６層目に窒化物半導体障壁層８０Ａを設けていることのみ、実施例１の窒化物半導体発光素子１とは異なる。よって、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１１５】
実施例２の窒化物半導体発光素子においては、低電流密度における外部量子効率が向上し、５０Ａ／ｃｍ-2以下の電流密度で６０％以上の外部量子効率を得られ、２００Ａ／ｃｍ-2以下の電流密度で、５０％以上の外部量子効率を得られた。
【０１１６】
＜実施例４＞
図６は、本発明の実施例４に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。図６に示すように、実施例４においては、窒化物半導体障壁層８０Ａを窒化物半導体障壁層８１Ａに置換したことのみ実施例１の窒化物半導体発光素子１と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。
【０１１７】
図６に示すように、窒化物半導体障壁層８１Ａにおいては、第１のアンドープ層８１１としてアンドープＡｌＧａＮ層を成長させた。アンドープＡｌＧａＮ層の原料ガスとして、ＴＭＡガスとＴＭＧガスとＮＨ3ガスとを用い、キャリアガスとして、Ｎ2ガスにＨ2ガスを３％添加した混合ガスを用いた。キャリアガスがＨ2ガスを含むことにより、８５０℃の比較的低温においてもＡｌがＧａＮに取り込まれやすくなった。
【０１１８】
実施例４の窒化物半導体発光素子においては、高温動作環境においても高い発光効率を得られた。具体的には、発光層温度(ＰＮジャンクション温度)が１５０℃の高温動作においても、実施例１の窒化物半導体発光素子１と同じ外部量子効率を得られた。
【０１１９】
これは、第１のアンドープ層８１１をＡｌＧａＮ層とすることで、図６に示すように、第１のアンドープ層８１１と窒化物半導体量子井戸層８Ｂとのバンドギャップの差が大きくなり、各窒化物半導体量子井戸層８Ｂに注入されたキャリアが熱によってオーバーフローすることを抑制できたためであると考えられる。
【０１２０】
図７は、実施例４の第１変形例に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。図８は、実施例４の第２変形例に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層のバンド構造を示す図である。
【０１２１】
図７に示すように、実施例４の第１変形例に係る窒化物半導体発光素子の窒化物半導体障壁層８２Ａにおいては、第１のアンドープ層８２１としてアンドープＡｌＧａＮ層を成長させた。第１のアンドープ層８２１上に、ｐ型ドープ層８２２として、ｐ型不純物としてＭｇを含むＡｌＧａＮ層を成長させた。
【０１２２】
図８に示すように、実施例４の第２変形例に係る窒化物半導体発光素子の窒化物半導体障壁層８３Ａにおいては、第１のアンドープ層８３１としてアンドープＡｌＧａＮ層を成長させた。第１のアンドープ層８３１上に、ｐ型ドープ層８３２として、Ｍｇを含むＡｌＧａＮ層を成長させた。ｐ型ドープ層８３２上に、第２のアンドープ層８３３として、アンドープＡｌＧａＮ層を成長させた。
【０１２３】
実施例４の第１および第２変形例に係る窒化物半導体発光素子においては、実施例４の窒化物半導体発光素子よりもさらに高温環境に対する耐性が高く、高温動作環境において発光効率を高く維持することができた。
【０１２４】
＜実施例５＞
図９は、本発明の実施例５に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層の成長過程における温度条件を示す図である。図９においては、縦軸に温度、横軸に時間を示している。上記の実施例１〜４においては、窒化物半導体障壁層８０Ａ〜８３Ａおよび窒化物半導体量子井戸層８Ｂの成長温度を同一にした。
【０１２５】
実施例５においては、図９に示すように、窒化物半導体量子井戸層８Ｂを成長させるときの成長温度と同一温度(８５０℃)にて第１のアンドープ層８０１を成長させ(１Ｓ)、その後、供給する原料ガスをＩＩＩ族原料ガスからＶ族原料ガスに切り替えて９２０℃までウエハを昇温し(２Ｓ)、ウエハの温度が安定した後でＩＩＩ族原料ガスを供給してｐ型ドープ層８０２の成長させた(３Ｓ)。
【０１２６】
ｐ型ドープ層８０２を成長させた後、供給する原料ガスをＩＩＩ族原料ガスからＶ族原料ガスに切り替えてウエハを８５０℃まで降温した(４Ｓ)。ウエハの温度が安定した後、第２のアンドープ層８０３を成長させた(５Ｓ)。その後、同一温度(８５０℃)でｎ型ドープ層８０４を成長させた(６Ｓ)。さらに、同一温度(８５０℃)で第３のアンドープ層８０５を成長させた(７Ｓ)。
【０１２７】
ｐ型ドープ層８０２の成長温度を窒化物半導体量子井戸層８Ｂの成長温度より高くすることにより、ｐ型ドープ層８０２の結晶品質を保つことができ、非発光の原因となる結晶欠陥の発生を抑制することができた。また、ｐ型不純物であるＭｇを効率よく取り込むことができ、窒化物半導体発光素子における大電流駆動時での発光効率の向上および駆動電圧の低減を図れた。さらに、本実施例のように窒化物半導体障壁層８０ＡがＡｌを含む場合、高い温度でｐ型ドープ層８０２を結晶成長させることでＡｌを取り込みやすくして、窒化物半導体発光素子の高温動作特性を向上することができた。
【０１２８】
また、第１のアンドープ層８０１を成長させてから昇温することで、第１のアンドープ層８０１が保護層となって、第１のアンドープ層８０１に隣接する窒化物半導体量子井戸層８Ｂにｐ型不純物が拡散することを抑制して、高品質の窒化物半導体障壁層８０Ａを成長させることができた。
【０１２９】
図１０は、実施例５の変形例に係るｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層を含む窒化物半導体障壁層の成長過程における温度条件を示す図である。図１０においては、縦軸に温度、横軸に時間を示している。
【０１３０】
図１０に示すように、実施例５の変形例においては、窒化物半導体量子井戸層８Ｂを成長させるときの成長温度と同一温度(８５０℃)にて第１のアンドープ層８０１を成長させ(１１Ｓ)、その後、供給する原料ガスをＩＩＩ族原料ガスからＶ族原料ガスに切り替えて９２０℃までウエハを昇温し(１２Ｓ)、ウエハの温度が安定した後でＩＩＩ族原料ガスを供給してｐ型ドープ層８０２の成長させた(１３Ｓ)。
【０１３１】
ｐ型ドープ層８０２を成長させた後、供給する原料ガスをＩＩＩ族原料ガスからＶ族原料ガスに切り替えて、同一温度(９２０℃)で第２のアンドープ層８０３を成長させた(１４Ｓ)。その後、ウエハを８５０℃まで降温した(１５Ｓ)。ウエハの温度が安定した後、ｎ型ドープ層８０４を成長させた(１６Ｓ)。さらに、同一温度(８５０℃)で第３のアンドープ層８０５を成長させた(１７Ｓ)。
【０１３２】
実施例５の変形例においては、第２のアンドープ層８０３を成長させてから降温することで第２のアンドープ層８０３の結晶品質を保ち、それにより窒化物半導体発光素子の発光効率を向上できた。
【０１３３】
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１３４】
１  窒化物半導体発光素子、２  基板、２Ａ  凸部、２Ｂ  凹部、３  バッファ層、４  下地層、５  第１のｎ型窒化物半導体層、６  第２のｎ型窒化物半導体層、７  超格子層、７Ａ  第１半導体層、７Ｂ  第２半導体層、８  発光層、８Ａ，８０Ａ，８１Ａ，８２Ａ，８３Ａ  窒化物半導体障壁層、８Ｂ  窒化物半導体量子井戸層、９  第１のｐ型窒化物半導体層、１０  第２のｐ型窒化物半導体層、１１  第３のｐ型窒化物半導体層、１２  透明電極、１３  ｐ側電極、１４  ｎ側電極、１５  透明保護膜、８０１，８１１，８２１，８３１  第１のアンドープ層、８０２，８２２，８３２  ｐ型ドープ層、８０３，８３３  第２のアンドープ層、８０４  ｎ型ドープ層、８０５  第３のアンドープ層。
【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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【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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