(57)【要約】【課題】  発光層の結晶品質を低下させることなく、発光層に発生するピエゾ電界を緩和して発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。【解決手段】  発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る発光層１６０を有している。発光層１６０は、単位積層体Ｄ１を繰り返し積層したものである。単位積層体Ｄ１は、ｎ側超格子層１５０の側から順に、ＡｌＧａＮ層１６１、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２、ＩｎＧａＮ層１６３、ＧａＮ層１６４、ＡｌＧａＮ層１６５の順で積層したものである。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２には、１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内でＳｉがドープされている。【選択図】図２
2014157852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位積層体を有する発光層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記単位積層体は、
少なくとも井戸層と障壁層とを有し、
前記井戸層は、
第１の半導体層と、
前記井戸層における前記ｎ型半導体層の側に配置されている第２の半導体層とを有し、
前記第１の半導体層は、
ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体から成る層であり、
前記第２の半導体層は、
ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体にＳｉをドープしたｎ型半導体から成る層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第２の半導体層は、
前記第１の半導体層に隣接して配置されていること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１の半導体層は、
ＩｎＧａＮ層であり、
前記第２の半導体層は、
ｎ型ＩｎＧａＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記井戸層は、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の間の位置に配置された第３の半導体層を有し、
前記第３の半導体層は、
ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体から成る層であり、
前記第３の半導体層のＩｎ組成比は、
前記第１の半導体層のＩｎ組成比以下であるとともに、
前記第１の半導体層に近づくほど徐々に増大していること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１の半導体層は、
ＩｎＧａＮ層であり、
前記第２の半導体層は、
ｎ型ＩｎＧａＮ層であり、
前記第３の半導体層は、
ＩｎＧａＮ層であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第２の半導体層におけるＩｎ組成比Ｙは、
前記第１の半導体層におけるＩｎ組成比Ｘに対して０．５％以上５０％以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記単位積層体は、
前記第２の半導体層における前記ｎ型半導体層の側に隣接して配置されている第１のＡｌＧａＮ層と、
前記第１の半導体層における前記ｐ型半導体層の側に隣接して配置されているＧａＮ層と、
前記ＧａＮ層における前記ｐ型半導体層の側に隣接して配置されている第２のＡｌＧａＮ層と、
を有すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第２の半導体層のＳｉ濃度は、
１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第２の半導体層の厚みは、
２Å以上１０Å以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層は、
前記単位積層体を複数回繰り返し積層した多重量子井戸構造を有するものであること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
前記ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
前記発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
井戸層を有する少なくとも１つの単位積層体を形成するものであり、
前記単位積層体を形成する際に、
前記井戸層のうち前記ｐ型半導体層に近い位置に第１の半導体層を形成するとともに、
前記井戸層のうち前記ｎ型半導体層に近い位置に第２の半導体層を形成し、
前記第１の半導体層は、
ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体から成る層であり、
前記第２の半導体層は、
ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体にＳｉをドープしたｎ型半導体から成る層であること
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１２】
請求項１１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
前記単位積層体を形成する際に、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の位置に第３の半導体層を形成するとともに、
前記第１の半導体層に近いほどＩｎ組成を増大させて前記第３の半導体層を形成すること
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１３】
請求項１１または請求項１２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
前記単位積層体を形成する際に、
前記第２の半導体層におけるＩｎ組成比Ｙを、
前記第１の半導体層におけるＩｎ組成比Ｘに対して０．５％以上５０％以下の範囲内として前記第２の半導体層を形成すること
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１４】
請求項１１から請求項１３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
前記単位積層体を形成する際に、
第１のＡｌＧａＮ層を形成した後に前記第２の半導体層を形成するとともに、
前記第１の半導体層を形成した後にＧａＮ層と第２のＡｌＧａＮ層とをこの順序で形成すること
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１５】
請求項１４に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
前記第１のＡｌＧａＮ層以外の層を形成する際の基板温度を、第１の基板温度とするとともに、
前記第１のＡｌＧａＮ層を形成する際の基板温度を、前記第１の基板温度より高い第２の基板温度とすること
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１６】
請求項１１から請求項１５までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内のＳｉをドープして前記第２の半導体層を形成すること
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１７】
請求項１１から請求項１６までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記発光層形成工程では、
２Å以上１０Å以下の範囲内の厚みで前記第２の半導体層を形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【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およびその製造方法に関する。さらに詳細には、発光層に発生するピエゾ電界の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III 族窒化物半導体発光素子を製造する際には、成長基板からIII 族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる。その際に、格子定数の異なる複数のIII 族窒化物半導体の層を形成する。この格子定数の差により、半導体層に応力が発生する。この応力により、ピエゾ電界が生じる。このピエゾ電界は、発光層の量子井戸のポテンシャルを傾かせ、電子と正孔とを空間的に分離する。そのため、発光層において電子と正孔とが再結合する確率は低下する。したがって、半導体発光素子の発光効率は低下する。
【０００３】
そのため、発光層におけるピエゾ電界を打ち消すための技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、井戸層であるＩｎＧａＮ層に隣接してＳｉをドープしたＧａＮ層を形成する技術が開示されている（特許文献１の図６等参照）。これにより、ピエゾ電界と逆向きの電界が生じて、井戸層であるＩｎＧａＮ層の歪が緩和されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０５９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ＧａＮ層にＳｉをドープすると、そのＧａＮ層の結晶品質は比較的悪いものとなる。その劣化した結晶品質は、そのＧａＮ層の上に形成される井戸層にも引き継がれることとなる。したがって、ＳｉをドープしたＧａＮ層を設けることによる結晶品質の悪化に起因する発光効率の低下が生じる。つまり、ピエゾ電界を打ち消す効果と、高い結晶品質を得ることとは、トレードオフの関係にある。
【０００６】
本発明者らは、ＳｉをドープしたＧａＮ層の代わりに、Ｉｎ組成比の小さいＩｎＧａＮ層にＳｉをドープした層を設けることにより、結晶品質の悪化を回避しつつ、ピエゾ電界を打ち消すことができることを発見した。Ｉｎ組成比の小さいＩｎＧａＮ層では、低温下であってもＩｎ原子のマイグレーションがよい。そのため、Ｓｉをドープしても、結晶品質がそれほど悪化しない。
【０００７】
本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、発光層の結晶品質を低下させることなく、発光層に発生するピエゾ電界を緩和して発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子は、単位積層体を有する発光層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、を有するものである。単位積層体は、少なくとも井戸層と障壁層とを有する。また、井戸層は、第１の半導体層と、井戸層におけるｎ型半導体層の側に配置されている第２の半導体層とを有する。そして、第１の半導体層は、ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体から成る層である。第２の半導体層は、ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体にＳｉをドープしたｎ型半導体から成る層である。
【０００９】
このIII 族窒化物半導体発光素子では、第２の半導体層におけるドープしたＳｉから電子が放出される。そのため、発光層の井戸層に生じるピエゾ電界を弱めることができる。つまり、発光層のバンド構造における価電子帯および伝導体のポテンシャルの傾き、すなわち、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が緩和される。そして、井戸層において電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが大きくなる。つまり、電子と正孔の再結合が促進され、発光素子の発光効率は、従来の素子に比べて高いものとなる。また、Ｓｉをドープされる層がＩｎを含む層であるため、結晶品質の劣化の度合いが小さい。
【００１０】
第２の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、第２の半導体層は、第１の半導体層に隣接して配置されている。
【００１１】
第３の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、第１の半導体層は、ＩｎＧａＮ層である。また、第２の半導体層は、ｎ型ＩｎＧａＮ層である。Ｓｉをドープする層がＩｎＧａＮ層であるため、結晶品質の劣化の度合いが小さい。
【００１２】
第４の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、井戸層は、第１の半導体層と第２の半導体層の間の位置に配置された第３の半導体層を有する。第３の半導体層は、ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体から成る層である。そして、第３の半導体層のＩｎ組成比は、第１の半導体層のＩｎ組成比以下であるとともに、第１の半導体層に近づくほど徐々に増大している。そのため、井戸層に加わる応力は、さらに小さい。このため、ピエゾ電界そのものが、従来のものに比べて小さい。
【００１３】
第５の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、第１の半導体層は、ＩｎＧａＮ層である。第２の半導体層は、ｎ型ＩｎＧａＮ層である。第３の半導体層は、ＩｎＧａＮ層である。Ｓｉをドープする層がＩｎＧａＮ層であるため、結晶品質の劣化の度合いが小さい。
【００１４】
第６の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、第２の半導体層におけるＩｎ組成比Ｙは、第１の半導体層におけるＩｎ組成比Ｘに対して０．５％以上５０％以下の範囲内である。このように、第２の半導体層は、低Ｉｎ組成である。
【００１５】
第７の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、単位積層体は、第２の半導体層におけるｎ型半導体層の側に隣接して配置されている第１のＡｌＧａＮ層と、第１の半導体層におけるｐ型半導体層の側に隣接して配置されているＧａＮ層と、ＧａＮ層におけるｐ型半導体層の側に隣接して配置されている第２のＡｌＧａＮ層と、を有する。第１のＡｌＧａＮ層が、障壁層として機能する。また、製造時には、ＧａＮ層および第２のＡｌＧａＮ層が第１の半導体層を熱から保護する。そのため、第１の半導体層のＩｎ原子が半導体層の外部に離脱しにくい。
【００１６】
第８の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、第２の半導体層のＳｉ濃度は、１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内である。
【００１７】
第９の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、第２の半導体層の厚みは、２Å以上１０Å以下の範囲内である。
【００１８】
第１０の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子では、上記に加えて、発光層は、単位積層体を複数回繰り返し積層した多重量子井戸構造を有するものである。
【００１９】
第１１の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する方法である。発光層形成工程では、井戸層を有する少なくとも１つの単位積層体を形成するものである。そして、単位積層体を形成する際に、井戸層のうちｐ型半導体層に近い位置に第１の半導体層を形成するとともに、井戸層のうちｎ型半導体層に近い位置に第２の半導体層を形成する。ここで、第１の半導体層は、ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体から成る層であり、第２の半導体層は、ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体にＳｉをドープしたｎ型半導体から成る層である。
【００２０】
このIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を用いることにより、発光素子の発光層の井戸層に生じるピエゾ電界を弱めることができる。井戸層において電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが大きくすることができる。すなわち、発光素子の発光効率は、従来の素子に比べて高いものとすることができる。
【００２１】
第１２の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、発光層形成工程では、単位積層体を形成する際に、第１の半導体層と第２の半導体層との間の位置に第３の半導体層を形成するとともに、第１の半導体層に近いほどＩｎ組成を増大させて第３の半導体層を形成する。そのため、この製造方法により製造された発光素子では、井戸層に加わる応力は、さらに小さい。
【００２２】
第１３の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、発光層形成工程では、単位積層体を形成する際に、第２の半導体層におけるＩｎ組成比Ｙを、第１の半導体層におけるＩｎ組成比Ｘに対して０．５％以上５０％以下の範囲内として第２の半導体層を形成する。このように、第２の半導体層は、低Ｉｎ組成である。
【００２３】
第１４の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、発光層形成工程では、単位積層体を形成する際に、第１のＡｌＧａＮ層を形成した後に第２の半導体層を形成するとともに、第１の半導体層を形成した後にＧａＮ層と第２のＡｌＧａＮ層とをこの順序で形成する。製造時に、ＧａＮ層および第２のＡｌＧａＮ層が第１の半導体層を熱から保護する。そのため、第１の半導体層のＩｎ原子が半導体層の外部に離脱しにくい。
【００２４】
第１５の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、発光層形成工程では、第１のＡｌＧａＮ層以外の層を形成する際の基板温度を、第１の基板温度とするとともに、第１のＡｌＧａＮ層を形成する際の基板温度を、第１の基板温度より高い第２の基板温度とする。これにより、第２の基板温度の環境下にあることによる、井戸層への熱による損傷を小さいものとすることができる。
【００２５】
第１６の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、発光層形成工程では、１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内のＳｉをドープして第２の半導体層を形成する。
【００２６】
第１７の態様に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、発光層形成工程では、２Å以上１０Å以下の範囲内の厚みで第２の半導体層を形成する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、発光層の結晶品質を低下させることなく、発光層に発生するピエゾ電界を緩和して発光効率の高いIII 族窒化物半導体発光素子およびその製造方法が提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態に係る発光素子の構造を示す概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る発光素子の発光層の積層構造を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る発光素子の発光層の製造方法を説明するための図である。
【図４】従来の発光素子の発光層のバンド構造を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る発光素子の発光層のバンド構造を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る発光素子の発光層の積層構造を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る発光素子の発光層の製造方法を説明するための図である。
【図８】第２の実施形態に係る発光素子と従来の発光素子とで外部量子効率を比較するためのグラフである。
【図９】第２の実施形態に係る発光素子と従来の発光素子とで全放射束を比較するためのグラフである。
【図１０】第２の実施形態に係る発光素子と従来の発光素子とでウォールプラグ効率を比較するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。
【００３０】
（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ側超格子層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。
【００３１】
基板１１０の主面上には、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ側超格子層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とが、この順序で形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。ここで、ｎ型コンタクト層１３０と、ＥＳＤ層１４０と、ｎ側超格子層１５０とは、ｎ型半導体層である。ｐ側超格子層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、ｐ型半導体層である。ただし、これらの層は、ノンドープの層を部分的に含んでいる場合がある。
【００３２】
基板１１０は、ＭＯＣＶＤ法により、主面上に上記の各半導体層を形成するための成長基板である。そして、その表面に凹凸加工がされているとよい。基板１１０の材質は、サファイアである。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどの材質を用いてもよい。
【００３３】
低温バッファ層１２０は、基板１１０の主面上に形成されている。低温バッファ層２０は、サファイア基板１０に高密度の結晶核を形成するためのものである。これにより、平坦な表面を有するＧａＮ層の成長が促進される。低温バッファ層２０の材質は、例えばＡｌＮやＧａＮである。
【００３４】
ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１の下に位置する層である。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１とオーミック接触をしている。また、ｎ型コンタクト層１３０は、低温バッファ層１２０の上に形成されている。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型ＧａＮである。そのＳｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3 以上である。また、ｎ型コンタクト層１３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極Ｎ１とのオーミック性を向上させるためである。ｎ型コンタクト層１３０の厚みは、例えば、４μｍである。もちろん、これ以外の厚みを用いてもよい。
【００３５】
ＥＳＤ層１４０は、各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層である。ＥＳＤ層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ＥＳＤ層１４０は、ノンドープのｉ−ＧａＮから成るｉ−ＧａＮ層と、Ｓｉをドープされたｎ型ＧａＮから成るｎ型ＧａＮ層とを積層したものである。ｉ−ＧａＮ層の膜厚は、３００ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層の膜厚は、およそ３０ｎｍである。ｎ型ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、約５×１０18／ｃｍ3 である。
【００３６】
ｎ側超格子層１５０は、発光層１６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。より具体的には、ｎ側超格子層１５０は、超格子構造を有するｎ側超格子層である。ｎ側超格子層１５０は、ＩｎＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層とを繰り返し積層したものである。その繰り返し回数は、１０回以上２０回以下の範囲内である。ただし、これ以外の回数であってもよい。ｎ側超格子層１５０のＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、２％以上２０％以下の範囲内である。ｎ側超格子層１５０におけるＩｎＧａＮ層の厚みは、２Å以上９０Å以下の範囲内である。ｎ側超格子層１５０におけるｎ型ＧａＮ層の厚みは、１０Å以上５０Å以下の範囲内である。
【００３７】
発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１６０は、ｎ側超格子層１５０の上に形成されている。発光層は、少なくとも井戸層と、障壁層とを有している。発光層１６０の積層構造については、後に詳しく説明する。
【００３８】
ｐ側超格子層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。ｐ側超格子層１７０は、ｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型ＩｎＧａＮ層とを積層した積層体を、繰り返し形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＧａＮ層の厚みは、５Å以上７０Å以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、５％以上４０％以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＡｌＧａＮ層の厚みは、５Å以上７０Å以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、２％以上２０％以下の範囲内である。ｐ側超格子層１７０のｐ型ＩｎＧａＮ層の厚みは、１０Å以上７０Å以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、異なる構成であってもよい。
【００３９】
ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ側超格子層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ電極Ｐ１とオーミック接触するためのものである。ｐ型コンタクト層１８０の厚みは、８０ｎｍである。ｐ型コンタクト層１８０では、Ｍｇが１×１０19／ｃｍ3 以上１×１０22／ｃｍ3 以下の範囲内でドープされている。
【００４０】
ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１８０とオーミック接触している。ｐ電極Ｐ１の材質は、ＩＴＯである。また、ＩＴＯの他に、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 の透明な導電性酸化物を用いることができる。また、ｐ電極Ｐ１の上に、金属から成る金属電極を形成してもよい。もしくは、ｐ電極Ｐ１の上にその他の電極を形成してもよい。
【００４１】
ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０とオーミック接触している。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。また、Ｔｉ、Ａｕを順に形成してもよい。
【００４２】
２．発光層の構造
発光層１６０の積層構造を図２に示す。発光層１６０は、単位積層体Ｄ１を複数回繰り返して積層した多重量子井戸構造を有する。発光層１６０は、単位積層体Ｄ１を３回以上１２回以下の回数で繰り返し積層したものであるとよい。なお、繰り返す回数として、これ以外のものを用いてもよい。単位積層体Ｄ１は、ｎ側超格子層１５０の側から、ＡｌＧａＮ層１６１と、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２と、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５とを、この順序で積層したものである。
【００４３】
ＡｌＧａＮ層１６１は、障壁層である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２およびＩｎＧａＮ層１６３は、井戸層である。ＧａＮ層１６４およびＡｌＧａＮ層１６５は、ＡｌＧａＮ層１６１を形成する際にＩｎＧａＮ層１６３を熱から保護するための層である。つまり、熱によりＩｎ原子が半導体層外に離脱することを防止する。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２は、発光層１６０に生じるピエゾ電界を打ち消して、ピエゾ電界を弱める役割を担う層である。
【００４４】
このように、井戸層は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２およびＩｎＧａＮ層１６３を有している。電子と正孔の再結合は、主にＩｎＧａＮ層１６３で生じる。ＩｎＧａＮ層１６３は、ＩｎとＧａとを少なくとも含む第１の半導体層である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２は、ＩｎとＧａとを少なくとも含む第２の半導体層である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２は、井戸層におけるｎ型半導体層の側に配置されている。そして、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２は、ＩｎＧａＮ層１６３に隣接して配置されている。
【００４５】
ＡｌＧａＮ層１６１は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるｎ型半導体層の側に隣接して配置されている第１のＡｌＧａＮ層である。ＧａＮ層１６４は、ＩｎＧａＮ層１６３におけるｐ型半導体層の側に隣接して配置されている。ＡｌＧａＮ層１６５は、ＧａＮ層１６４におけるｐ型半導体層の側に隣接して配置されている第２のＡｌＧａＮ層である。
【００４６】
ＡｌＧａＮ層１６１の厚みは、１０Å以上１００Å以下の範囲内である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２の厚みは、２Å以上１０Å以下の範囲内である。ＩｎＧａＮ層１６３の厚みは、５Å以上６０Å以下の範囲内である。ＧａＮ層１６４の厚みは、２Å以上８Å以下の範囲内である。ＡｌＧａＮ層１６５の厚みは、２Å以上８Å以下の範囲内である。
【００４７】
ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２には、１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内でＳｉがドープされている。特に、５×１０17／ｃｍ3 以上１×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内でＳｉがドープされているとなおよい。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＩｎ組成比Ｙは、ＩｎＧａＮ層１６３におけるＩｎ組成比Ｘに対して０．５％以上５０％以下の範囲内である。ここで、ＩｎＧａＮ層１６３のＩｎ組成比Ｘは、０．１以上０．５以下の範囲内である。このように、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＩｎ組成比Ｙは、ＩｎＧａＮ層１６３におけるＩｎ組成比Ｘに比べて低い。しかし、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２の膜厚およびＩｎ組成を変化させることにより発光波長が変化する。したがって、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２は、井戸層に属する。
【００４８】
上記のように、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２の厚みは、２Å以上１０Å以下の範囲内であり、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２のＳｉ濃度は、１×１０17／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲内である。したがって、これらの積であるｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＳｉシート密度（半導体層のＳｉ濃度×半導体層の厚み）は、２×１０9 ／ｃｍ2 以上３×１０11／ｃｍ2 以下の範囲内である。
【００４９】
このように、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２には、Ｓｉがドープされている。そのため、ピエゾ電界を打ち消す向きの電界が生じる。これにより、発光層１６０のバンド構造の傾き、すなわち、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）が緩和される。そのため、井戸層であるＩｎＧａＮ層１６３で、電子の波動関数と正孔の波動関数とがよく重なる。すなわち、発光しやすい。このメカニズムの詳細については、後述する。
【００５０】
３．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。発光素子１００の製造方法は、ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、ｎ型半導体層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、発光層の上にｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を有する。
【００５１】
ここで用いるキャリアガスは、水素（Ｈ2 ）もしくは窒素（Ｎ2 ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ2 ＋Ｎ2 ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ3 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＧ」という）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＩ」という）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：以下、「ＴＭＡ」という）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）を用いる。
【００５２】
３−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、基板１１０の主面上に低温バッファ層１２０を形成する。その後に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、１０８０℃以上１１４０℃以下の範囲内である。Ｓｉ濃度は１×１０18／ｃｍ3 以上である。
【００５３】
３−２．静電耐圧層形成工程
次に、ＥＳＤ層１４０を形成する。ｉ−ＧａＮ層を形成するため、シラン（ＳｉＨ4 ）の供給を停止する。このときの基板温度は、７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮを形成するため、再びシラン（ＳｉＨ4 ）を供給する。このときの基板温度は、ｉ−ＧａＮ層を形成する温度と同じ温度、すなわち７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。
【００５４】
３−３．ｎ側超格子層形成工程
次に、ｎ側超格子層１５０を形成する。まずは、ＥＳＤ層１４０の上にＩｎＧａＮ層から形成する。次に、ＩｎＧａＮ層の上にｎ型ＧａＮ層を形成する。そして、このＩｎＧａＮ層とｎ型ＧａＮ層とを繰り返し形成する。ＩｎＧａＮ層を形成する際の基板温度は、７００℃以上９５０℃以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮ層を形成する際の基板温度は、７００℃以上９５０℃以下の範囲内である。
【００５５】
３−４．発光層形成工程
次に、ＥＳＤ層１５０の上に発光層１６０を形成する。前述した単位積層体Ｄ１を繰り返し形成する。具体的には、ｐ型半導体層に近い位置にＩｎＧａＮ層１６３を形成し、ｎ型半導体層に近い位置にｎ型ＩｎＧａＮ層１６２を形成する。
【００５６】
このときの基板温度を、７００℃以上９００℃以下の範囲内とする。例えば、８００℃である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２と、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５とを形成する温度は同じである。そのため、これらを積層するに際して、基板温度を一定の温度に保てばよい。ただし、ＡｌＧａＮ層１６１の形成温度は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２と、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５との形成温度よりも高い。例えば、９００℃である。８００℃以上９５０℃以下の範囲内であるとよい。
【００５７】
図３は、発光層形成工程における原料ガスの供給量の変化を示すグラフである。ここでは、発光層１６０における単位積層体Ｄ１を１層だけ形成する際の原料ガスの供給プロファイルを示す。図３の横軸は、時間である。まず、ＡｌＧａＮ層１６１を形成する。ＡｌＧａＮ層１６１を形成する期間ＴＤ１１では、ＴＭＧを供給量ＱＧ１だけ供給するとともに、ＴＭＡを供給量ＱＡ１だけ供給する。なお、ＴＭＩおよびシラン（ＳｉＨ4 ）の供給は停止した状態である。そして、期間ＴＤ１１における前半の基板温度は、前述した温度の範囲内であるが、例えば、９００℃である。そして、期間ＴＤ１１の後半部分には、基板温度を徐々に低くする降温時間がある。この降温時間では、ＴＭＧおよびＴＭＡの供給を停止する。
【００５８】
ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２を形成する期間ＴＤ１２では、基板温度を下げる。基板温度は、前述した温度の範囲内であるが、例えば、８００℃である。そして、ＴＭＡの供給を停止した状態で、ＴＭＧを供給量ＱＧ２だけ供給する。供給量ＱＧ２は、供給量ＱＧ１より大きい値である。また、ＴＭＩの供給量を徐々に増やす。そして、シラン（ＳｉＨ4 ）を供給量ＱＳ１だけ供給する。発光層１６０を積層するにあたって、シラン（ＳｉＨ4 ）を供給するのは、このｎ型ＩｎＧａＮ層１６２を形成する時間ＴＤ１２のみである。
【００５９】
ＩｎＧａＮ層１６３を形成する期間ＴＤ１３では、シラン（ＳｉＨ4 ）の供給を停止する。期間ＴＤ１３におけるＴＭＩの供給量は、ＱＩ１である。そして、続く、ＧａＮ層１６４を形成する前に、ＴＭＩの供給を停止する。図３では、期間ＴＤ１３の終了時刻の直前まで、供給量ＱＩ１を維持している。しかし、期間ＴＤ１３の終了時刻が近づくにつれて、徐々にＴＭＩの供給量を減らすこととしてもよい。
【００６０】
ＧａＮ層１６４を形成する期間ＴＤ１４では、ＴＭＧを供給量ＱＧ３だけ供給するとともに、ＴＭＩの供給を停止する。その供給量ＱＧ３は、供給量ＱＧ１よりもやや少ない。
【００６１】
ＡｌＧａＮ層１６５を形成する期間ＴＤ１５では、ＴＭＡを供給量ＱＡ２だけ供給する。なお、図３および上記において、窒素源であるアンモニアについては、昇温時間や降温時間においても、継続して供給する。昇温時間もしくは降温時間の間に、結晶表面からＮ原子が再蒸発することを防止するためである。上記の供給により、単位積層体Ｄ１を形成することができる。この繰り返しにより、発光層１６０を形成する。
【００６２】
３−５．ｐ側超格子層形成工程
次に、発光層１６０の上にｐ側超格子層１７０を形成する。ここでは、ｐ型ＧａＮ層と、ｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型ＩｎＧａＮ層と、を繰り返し積層する。
【００６３】
３−６．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ側超格子層１７０の上にｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度を、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内とする。これにより、基板１１０に各半導体層が積層されることなる。
【００６４】
３−７．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１００の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。
【００６５】
３−８．その他の工程
また、上記の工程の他、絶縁膜で素子を覆う工程や熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１に示した発光素子１００が製造される。
【００６６】
４．本実施形態の効果
４−１．従来の半導体発光素子との比較
図４は従来の半導体発光素子における発光層の井戸層周辺のバンド構造を示す図である。この場合には、ピエゾ電界のため、価電子帯（ＶＢ）および伝導帯（ＣＢ）が比較的大きく傾く。そのため、井戸層であるＩｎＧａＮ層における電子と正孔とがやや偏って存在している。つまり、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが小さい。したがって、電子と正孔の再結合が比較的生じにくい。これは、発光効率の低減を招く。
【００６７】
図５は、本実施形態の発光素子１００における発光層１６０の井戸層周辺のバンド構造を示す図である。従来の場合（図４参照）と異なり、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２のＳｉが、図５の領域Ｒ１に示すように電子を放出する。そして、電子を放出して正に帯電したＳｉは、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２の層の内部に存在している。そのため、ピエゾ電界と逆向きの電界が生じる。これにより、井戸層であるＩｎＧａＮ層１６３に加わる電界は低減する。これにより、電子および正孔の偏りは、ある程度解消される。すなわち、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが従来に比べて大きい。したがって、電子と正孔の再結合が従来に比べて生じやすい。すなわち、発光素子１００の発光効率は、従来の素子に比べて高い。
【００６８】
４−２．ＧａＮ層等にＳｉをドープした場合との比較
本実施形態では、井戸層であるＩｎＧａＮ層１６３にＳｉをドープしたｎ型ＩｎＧａＮ層１６２を設けることとした。その他に、ＳｉをドープしたＧａＮ層を設けてもよいが、その場合には、ＧａＮ層の結晶品質が劣化する。そして、その劣化した結晶品質を受け継いで、ＩｎＧａＮ層１６２が形成されることとなる。それに比べて、本実施形態では、低温下であっても原子のマイグレーションがよいＩｎＧａＮ層にＳｉをドープしている。そのため、ＩｎＧａＮ層１６２を形成する前の半導体層の結晶品質の悪化を生じさせることなく、ピエゾ電界を弱めることとしている。そのため、発光素子１００の発光効率は、より高い。
【００６９】
５．変形例
５−１．フリップチップ型、基板リフトオフ型
本実施形態では、フェイスアップ型の半導体発光素子について適用した。しかし、もちろん、その他の半導体発光素子についても適用することができる。例えば、基板側に光取り出し面を有するフリップチップや、成長基板を除去した基板リフトオフ型の半導体発光素子についても、当然に適用することができる。
【００７０】
５−２．単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）
本実施形態では、発光層を多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とした。しかし、井戸層が１個のみ存在する単一量子井戸構造（ＳＱＷ構造）の発光素子についても適用することができる。その場合には、発光層１６０は、１層のみの単位積層体Ｄ１を有することとなる。
【００７１】
５−３．井戸層の組成
井戸層であるＩｎＧａＮ層１６３にわずかにＡｌを含ませることもできる。ＩｎＧａＮ層１６３の代わりに、井戸層として、ＡｌX ＩｎY Ｇａ(1-X-Y) Ｎ（０≦Ｘ，０＜Ｙ，Ｘ＋Ｙ＜１）を用いることができる。すなわち、ＩｎとＧａとを少なくとも含むIII 族窒化物半導体であれば、わずかにＡｌを含んでいてもよい。また、同様に、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２にわずかにＡｌを含ませることとしてもよい。
【００７２】
５−４．ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比
ここで、ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＩｎ組成比を、ＩｎＧａＮ層１６３に近づくほど大きくなるようにしてもよい。その場合であっても、最もＩｎ組成比の高いのは、ＩｎＧａＮ層１６３である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＩｎ組成比は、ＩｎＧａＮ層１６３におけるＩｎ組成比以下である。
【００７３】
６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００では、発光層１６０の井戸層であるＩｎＧａＮ層１６３におけるｎ型半導体層の側に、ＩｎＧａＮ層１６３に隣接するｎ型ＩｎＧａＮ層１６２を形成することとした。そのため、井戸層のピエゾ電界を打ち消す向きの電界が生じる。そのため、弱められたピエゾ電界によるポテンシャルの変形が抑制される。したがって、電子と正孔とが効率よく再結合し、発光効率の高い半導体発光素子が実現されている。
【００７４】
なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。また、液相エピタキシー法、分子線エピタキシー法等、その他のエピタキシャル成長法により半導体層を形成することとしてもよい。
【００７５】
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態の半導体発光素子は、発光層の構成および発光層の製造方法において第１の実施形態と異なっている。そのため、異なる点のみについて説明する。
【００７６】
１．発光層
本実施形態の発光素子２００は、発光層２６０を有している。発光素子２００における発光層２６０以外の構成は、第１の実施形態の発光素子１００と同様である。発光層２６０は、図６に示すように、単位積層体Ｄ２を繰り返し積層したものである。単位積層体Ｄ２は、ｎ側超格子層１５０の側から、ＡｌＧａＮ層１６１と、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａと、ＩｎＧａＮ層２６２ｂと、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５とをこの順序で形成したものである。
【００７７】
ＡｌＧａＮ層１６１と、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５とは、第１の実施形態と同様である。
【００７８】
そのため、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａと、ＩｎＧａＮ層２６２ｂについて説明する。ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａは、障壁層であるＡｌＧａＮ層１６１の上に形成されている。ＩｎＧａＮ層２６２ｂは、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａの上に形成されている。
【００７９】
ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａおよびＩｎＧａＮ層２６２ｂでは、Ｉｎ組成比が、ＡｌＧａＮ層１６１からＩｎＧａＮ層１６３にかけて、徐々に高いものとなっている。すなわち、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａおよびＩｎＧａＮ層２６２ｂでは、ＡｌＧａＮ層１６１のある側にいくほどＩｎ組成比が低く、ＩｎＧａＮ層１６３のある側にいくほどＩｎ組成比が高い。また、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａおよびＩｎＧａＮ層２６２ｂのＩｎ組成比は、ＩｎＧａＮ層１６３のＩｎ組成比以下である。
【００８０】
このように、井戸層は、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａおよびＩｎＧａＮ層２６２ｂおよびＩｎＧａＮ層１６３を有している。電子と正孔の再結合は、主にＩｎＧａＮ層１６３で生じる。ＩｎＧａＮ層１６３は、ＩｎとＧａとを少なくとも含む第１の半導体層である。ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａは、ＩｎとＧａとを少なくとも含む第２の半導体層である。ＩｎＧａＮ層２６２ｂは、ＩｎとＧａとを少なくとも含む第３の半導体層である。ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａは、井戸層におけるｎ型半導体層の側に配置されている。そして、ＩｎＧａＮ層２６２ｂは、ＩｎＧａＮ層１６３とｎ型ＩｎＧａＮ層２６２との間の位置に配置されている。
【００８１】
２．本実施形態の効果
これにより、ＡｌＧａＮ層１６１からＩｎＧａＮ層１６３にいくしたがって、格子定数が徐々に大きくなっている。このように、格子定数が徐々に、なだらかに変化しているため、ＡｌＧａＮ層１６１からＩｎＧａＮ層１６３にかけて発生する応力は、第１の実施形態よりも小さい。すなわち、発光素子２００の発光層２６０に発生するピエゾ電界は、第１の実施形態の発光素子１００の発光層１６０に発生するピエゾ電界よりも小さい。
【００８２】
このように、本実施形態では、発光層２６０に発生するピエゾ電界そのものを抑制することができる。そのため、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａによるピエゾ電界打ち消す効果とあいまって、発光層２６０のポテンシャルの傾きは非常に小さいものとなる。ゆえに、ＩｎＧａＮ層１６３において、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが、従来の素子に比べて大きい。つまり、発光素子２００における発光効率は、従来の素子に比べて高い。また、発光素子２００における発光効率は、発光素子１００の発光効率に比べて高い。
【００８３】
３．発光層形成工程
発光素子２００の製造方法のうち、発光層２６０の形成工程のみについて説明する。その他の工程については、第１の実施形態と同様であるからである。
【００８４】
ＥＳＤ層１５０の上に発光層２６０を形成する。前述した単位積層体Ｄ２を繰り返し形成する。ここで、ＩｎＧａＮ層２６２ｂを、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａとＩｎＧａＮ層１６３との間の位置に形成する。
【００８５】
このときの基板温度を、７００℃以上９００℃以下の範囲内とする。例えば、８００℃である。ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａと、ＩｎＧａＮ層２６２ｂと、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５とを形成する温度は同じである。そのため、これらを積層するに際して、基板温度を一定の温度に保てばよい。ただし、ＡｌＧａＮ層１６１の形成温度は、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａと、ＩｎＧａＮ層２６２ｂと、ＩｎＧａＮ層１６３と、ＧａＮ層１６４と、ＡｌＧａＮ層１６５との形成温度よりも高い。ＡｌＧａＮ層１６１の形成温度は、例えば、９００℃である。８００℃以上９５０℃以下の範囲内であるとよい。
【００８６】
図７は、発光層形成工程における原料ガスの供給量の変化を示すグラフである。図７は、図３に比べて、期間ＴＤ２２ａ、ＴＤ２２ｂが異なっている。つまり、期間ＴＤ２２ａでは、Ｉｎ源であるＴＭＩを徐々に増やしつつ、シラン（ＳｉＨ4 ）を供給する。そして、期間ＴＤ２２ｂでは、シラン（ＳｉＨ4 ）の供給を停止しつつ、Ｉｎ源であるＴＭＩをＴＤ２２ａから継続して増やす。これにより、ＡｌＧａＮ層１６１からＩｎＧａＮ層１６３にかけて、徐々にＩｎ組成比が増大するＩｎＧａＮ層が形成される。そして、そのＡｌＧａＮ層１６１の側に、ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａが形成されるとともに、ＩｎＧａＮ層１６３に近づくにつれてＩｎ組成比が大きくなるＩｎＧａＮ層２６２ｂが形成されることとなる。
【００８７】
４．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００では、発光層２６０の井戸層であるＩｎＧａＮ層１６３におけるｎ型半導体層の側に、ＩｎＧａＮ層１６３に隣接するｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａおよびＩｎＧａＮ層２６２ｂを形成することとした。そのため、井戸層のピエゾ電界を打ち消す向きの電界が生じる。そのため、弱められたピエゾ電界によるポテンシャルの変形が抑制される。したがって、電子と正孔とが効率よく再結合し、発光効率の高い半導体発光素子が実現されている。
【００８８】
なお、ＩｎＧａＮ層２６２ｂとＩｎＧａＮ層１６３とは、Ｉｎ組成が異なるだけであるため、単一層とみなすこともできる。
【実施例】
【００８９】
ここで、実施した実験について説明する。本実験は、第２の実施形態で説明した発光素子２００について実施した。
【００９０】
１．実施例と比較例の条件
１−１．実施例の半導体発光素子
実施例に係る半導体発光素子について説明する。表１に示すように、ＡｌＧａＮ層１６１の厚みを２５Åとした。Ｓｉをドープしたｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａの厚みを８Åとした。ＩｎＧａＮ層１６３およびＩｎＧａＮ層２６２ｂの合計の厚みを２２Åとした。ＧａＮ層１６４の厚みを５Åとした。ＡｌＧａＮ層１６５の厚みを５Åとした。発光層を、この単位積層体Ｄ１を９回繰り返した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）とした。ＩｎＧａＮ層１６３におけるＩｎ組成比Ｘを０．２とした。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＩｎ組成比Ｙを０．１とした。ｎ型ＩｎＧａＮ層１６２におけるＳｉドープ量を、５×１０17／ｃｍ3 とした。ＡｌＧａＮ層１６１のＡｌ組成比を０．０７とした。ＡｌＧａＮ層１６５のＡｌ組成比を０．１５とした。ＡｌＧａＮ層１６１の基板温度を９００℃とした。発光層１６０におけるＡｌＧａＮ層１６１以外の層の基板温度を８００℃とした。
【００９１】
［表１］
実施例
ＡｌＧａＮ層１６５                    ５Å          ノンドープ
ＧａＮ層１６４                        ５Å          ノンドープ
ＩｎＧａＮ層１６３、２６２ｂ        ２２Å          ノンドープ
ｎ型ＩｎＧａＮ層２６２ａ              ８Å          Ｓｉドープ
ＡｌＧａＮ層１６１                  ２５Å          ノンドープ
【００９２】
１−２．比較例の半導体発光素子
比較例に係る半導体発光素子について説明する。比較例の半導体発光素子における発光層の単位積層体の構成を表２に示す。実施例においてＳｉをドープしたｎ型ＩｎＧａＮ層１６２を形成する代わりに、ノンドープのＩｎＧａＮ層を形成した。この相違点は、この点だけであり、その他の構成は実施例の半導体発光素子と同様である。
【００９３】
［表２］
比較例
ＡｌＧａＮ層１６５                    ５Å          ノンドープ
ＧａＮ層１６４                        ５Å          ノンドープ
ＩｎＧａＮ層１６３                  ２２Å          ノンドープ
ＩｎＧａＮ層                          ８Å          ノンドープ
ＡｌＧａＮ層１６１                  ２５Å          ノンドープ
【００９４】
２．外部量子効率（ηext.）
図８は外部量子効率（ηext.）の電流密度依存性を示すグラフである。図８の横軸は、電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）である。図８の縦軸は、外部量子効率（ηext.）である。図８に示すように、外部量子効率（ηext.）は、電流密度の上昇とともに上昇し、電流密度が１０（Ａ／ｃｍ2 ）程度で最大値をとり、その後減少している。そして、測定した電流密度の全領域にわたって、実施例の外部量子効率（ηext.）が比較例の外部量子効率（ηext.）を上回っている。
【００９５】
具体的には、表３に示すように、η（実施例）／η（比較例）の値は、電流密度が５３（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０１９であり、電流密度が１０６（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０１７であり、電流密度が２１２（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０３０である。つまり、本実施例の半導体発光素子では、従来に比べて、全体的に１〜３％程度、外部量子効率（ηext.）が改善している。
【００９６】
［表３］
電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）      η（実施例）／η（比較例）
５３                        １．０１９
１０６                        １．０１７
２１２                        １．０３０
【００９７】
３．全放射束（Ｐｏ）
図９は全放射束（Ｐｏ）の電流密度依存性を示すグラフである。図９の横軸は、電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）である。図９の縦軸は、全放射束（Ｐｏ）である。図９に示すように、全放射束（Ｐｏ）は、電流密度の上昇とともに上昇する。そして、測定した電流密度の全領域にわたって、実施例の全放射束（Ｐｏ）が比較例の全放射束（Ｐｏ）を上回っている。
【００９８】
具体的には、表４に示すように、Ｐｏ（実施例）／Ｐｏ（比較例）の値は、電流密度が５３（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０１７であり、電流密度が１０６（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０１５であり、電流密度が２１２（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０２３である。つまり、本実施例の半導体発光素子では、従来に比べて、全体的に１〜３％程度、全放射束（Ｐｏ）が改善している。
【００９９】
［表４］
電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）      Ｐｏ（実施例）／Ｐｏ（比較例）
５３                        １．０１７
１０６                        １．０１５
２１２                        １．０２３
【０１００】
４．ウォールプラグ効率（ＷＰＥ）
ウォールプラグ効率（ＷＰＥ）とは、式Ｐｏ／（Ｉ×Ｖ）で与えられる。図１０はウォールプラグ効率（ＷＰＥ）の電流密度依存性を示すグラフである。図１０の横軸は、電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）である。図１０の縦軸は、ウォールプラグ効率（ＷＰＥ）である。図１０に示すように、ウォールプラグ効率（ＷＰＥ）は、電流密度の上昇とともに上昇し、電流密度が５（Ａ／ｃｍ2 ）程度で最大値をとり、その後減少している。そして、測定した電流密度の全領域にわたって、実施例のウォールプラグ効率（ＷＰＥ）が比較例のウォールプラグ効率（ＷＰＥ）を上回っている。
【０１０１】
具体的には、表５に示すように、ＷＰＥ（実施例）／ＷＰＥ（比較例）の値は、電流密度が５３（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０１７であり、電流密度が１０６（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０１８であり、電流密度が２１２（Ａ／ｃｍ2 ）のときに、１．０３３である。つまり、本実施例の半導体発光素子では、従来に比べて、全体的に１〜３％程度、ウォールプラグ効率（ＷＰＥ）が改善している。
【０１０２】
［表５］
電流密度（Ａ／ｃｍ2 ）      ＷＰＥ（実施例）／ＷＰＥ（比較例）
５３                        １．０１７
１０６                        １．０１８
２１２                        １．０３３
【０１０３】
以上説明したように、実施例の発光素子は、比較例の発光素子に比べて、外部量子効率と、全放射束と、ウォールプラグ効率とのいずれにおいても優れている。
【符号の説明】
【０１０４】
１００…発光素子
１１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ＥＳＤ層
１５０…ｎ側超格子層
１６０…発光層
１６１…ＡｌＧａＮ層
１６２…ｎ型ＩｎＧａＮ層
１６３…ＩｎＧａＮ層
１６４…ＧａＮ層
１６５…ＡｌＧａＮ層
１７０…ｐ側超格子層
１８０…ｐ型コンタクト層
２６０…発光層
２６２ａ…ｎ型ＩｎＧａＮ層
２６２ｂ…ＩｎＧａＮ層
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極
【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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