(57)【要約】【課題】半導体発光素子の電流密度の増加に対応する発光効率の低下を抑えつつ、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られる半導体発光素子を提供することにある。また、電流密度を増加しても高い放射出力が得られる半導体発光素子を提供すること。【解決手段】少なくともｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層からなる半導体発光装置であり、前記発光層の上のｐ型半導体層が、マグネシウム（Ｍｇ）濃度が１．０×１０１９〜６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であるｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の上に、該ｐ型ＡｌＧａＮ層より高濃度のＭｇを有する第１のｐ型ＧａＮ層と、前記第１のｐ型ＧａＮ層の上に、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と同程度のＭｇを有する第２のｐ型ＧａＮ層と、を有する半導体発光装置とする。【選択図】図６
2014192274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層からなる半導体発光装置であり、
前記発光層の上のｐ型半導体層が、マグネシウム（Ｍｇ）濃度が１．０×１０１９〜６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であるｐ型ＡｌＧａＮ層と、
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の上に、該ｐ型ＡｌＧａＮ層より高濃度のＭｇを有する第１のｐ型ＧａＮ層と、
前記第１のｐ型ＧａＮ層の上に、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と同程度のＭｇを有する第２のｐ型ＧａＮ層と、
を有することを特徴とした半導体発光装置。
【請求項２】
前記発光層が井戸層と障壁層が交互に複数積層した多重量子井戸構造であって、
前記多重井戸層は、前記障壁層から積層した構造であって、
前記第１の障壁層のバンドギャップが、前記他の障壁層のバンドギャップより狭く、前記井戸層のバンドギャップより広く、少なくともインジウムを含有したＧａＮ系結晶であること、
を特徴とした請求項１の半導体発光装置。
【請求項３】
前記発光層の前記井戸層と前記障壁層を１単位とし、少なくとも６単位以上１６単位以下で積層したこと、
を特徴とした請求項１および２の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１のｐ型ＧａＮ層のＭｇ濃度が６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であること、
を特徴とした請求項１乃至３の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第１のｐ型ＧａＮ層の膜厚が５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であること、
を特徴とした請求項１乃至４の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第２のｐ型ＧａＮ層のＭｇ濃度が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であること、
を特徴とした請求項１乃至５の半導体発光装置。
【請求項７】
前記請求項１乃至６の半導体発光装置であって、
電流を流した場合の放射出力の外部量子効率の最大になる動作電流密度が１８Ａ／ｃｍ２以上であること、
を特徴とした半導体発光装置。
【請求項８】
前記請求項１乃至７の半導体発光装置であって、
動作電流密度が７０Ａ／ｃｍ２であるときの効率ドループが８％以下であること、
を特徴とした半導体発光装置。
【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係わり、電流密度の増加に対応する発光効率低下を抑制するｐ型窒化物層の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体発光素子すなわちＬＥＤ（Light Emitting Diode）は、発光効率の改善が著しく進み、照明用途にまで利用されるに至っている。ところで、半導体発光素子は動作電流の増加に対応して発光効率が低下する現象が起こる。より詳細には、動作電流を半導体発光素子の発光部面積で除した値である動作電流密度（以後、電流密度と言う）の増加に対応して発光効率が低下する現象である。
【０００３】
この現象は、半導体発光素子の使用において様々な問題を起こす。例えば、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られない問題がある。また、電流密度を増加しても高い放射出力が得られない問題がある。
【０００４】
例えば、半導体発光素子の発光効率を向上する試みとして、特許文献１には「活性層上部にｐ型不純物を含む第１の窒化物半導体層が形成され、その第１の窒化物半導体層上部に、その第１の窒化物半導体層から離れるに従ってｐ型不純物濃度が次第に少なくなっている第２の窒化物半導体層を備え、その第２の窒化物半導体層上部に、第２の窒化物半導体層の平均ｐ型不純物濃度よりも多量のｐ型不純物を含む第３の窒化物半導体層を有する」構造とすることで発光効率を向上する方法が開示されている。
【０００５】
しかし、特許文献１に開示の方法では発光効率の改善は成されるが、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られない問題、電流密度を増加しても高い放射出力が得られない問題については改善に至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−０６８１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、半導体発光素子の電流密度の増加に対応する発光効率の低下を抑えつつ、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られる半導体発光素子を提供することにある。また、電流密度を増加しても高い放射出力が得られる半導体発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
少なくともｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層からなる半導体発光装置であり、前記発光層の上のｐ型半導体層のマグネシウム（Ｍｇ）濃度が１．０×１０１９〜６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であるｐ型ＡｌＧａＮ層と、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の上に、該ｐ型ＡｌＧａＮ層より高濃度のＭｇを有する第１のｐ型ＧａＮ層と、前記第１のｐ型ＧａＮ層の上に、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層と同程度のＭｇを有する第２のｐ型ＧａＮ層と、を有する半導体発光装置。
【０００９】
前記発光層が井戸層と障壁層が交互に複数積層した多重量子井戸構造であって、前記多重井戸層は、前記障壁層から積層した構造であって、前記第１の障壁層のバンドギャップが、前記他の障壁層のバンドギャップより狭く、  前記井戸層のバンドギャップより広く、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含有したＧａＮ系結晶であること、を有する半導体発光装置。
【００１０】
前記発光層の前記井戸層と前記障壁層を１単位とし、少なくとも６単位以上１６単位以下で積層した構造、を有する半導体発光装置。
【発明の効果】
【００１１】
発光層上に、Ｍｇ濃度が１．０×１０１９〜６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたｐ型ＡｌＧａＮ層を配置し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層よりＭｇ濃度が高い第１のｐ型ＧａＮを配置し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層とＭｇ濃度が同程度の第２のｐ型ＧａＮを配置した構造の半導体発光素子は、低い電流密度における発光効率が抑制され、高い電流密度における発光効率の低下を抑制できる。即ち、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られるようになる。また、電流密度を増加しても高い放射出力が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（Ａ）は、電流密度と放射出力の関係図であり、図１（Ｂ）は、電流密度と外部量子効率の関係図である。
【図２】図２は、実施例の半導体発光素子の概略図である。
【図３】図３は、実施例の半導体発光素子の発光層の概略図である。
【図４】図４は、ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。
【図５】図５（Ａ）は、結晶成長の手順を示した図であり、図５（Ｂ）は、素子化の手順を示した図である。
【図６】図６は、実施例と比較例の外部量子効率をプロットした図である。
【図７】図７は、実施例２のＳＩＭＳ分析の分析図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、半導体発光素子の放射出力（Ｐ）、外部量子効率（ηext）と効率ドループについて説明する。図１（Ａ）に電流密度と放射出力の関係図を示し、図１（Ｂ）に電流密度と外部量子効率の関係図を示す。
【００１４】
半導体発光素子の放射出力（Ｐ）は、電流密度（Ｊ）の増加に対応して増加する。例えば、図３（Ａ）の実線で示すように、電流密度がＪＤ０、Ｊｓｔｄ、ＪＤ１、ＪＤ２の順に増加するのに対応して、放射出力もＰ０、Ｐｓｔｄ、Ｐ１、Ｐ２の順に増加する。すなわち高い放射出力を得るには電流密度を高くすれば良い。しかし、その放射出力がその電流密度において高いか低いかは分からない。
【００１５】
半導体発光素子の発光効率を示す評価値に外部量子効率（ηext）がある。外部量子効率は、半導体発光素子の放射光量子数を注入電子数で除した値であり、電子から光量子への変換比率を表す。すなわち、外部量子効率を用いることで或る電流密度における放射出力が高いか低いかを判断できる。以後、本発明の説明の発光効率は外部量子効率を示すものとする。
【００１６】
例えば、或る半導体発光素子の電流密度と放射出力の相関曲線である図１（Ａ）の実線は、電流密度と外部量子効率の相関曲線で表すと図１（Ｂ）の実線になる。電流密度をＪＤ０、Ｊｓｔｄの順に増加するのに対応して、外部量子効率はηＤ０、ηｓｔｄの順に増加する。さらに電流密度をＪｓｔｄ、ＪＤ１、ＪＤ２の順に増加するのに対応して、外部量子効率はηｓｔｄ、ηＤ１、ηＤ２の順に減少する。このように、半導体発光素子の外部量子効率は低い電流密度側に極大値を持ち、高い電流密度になるほど低下する特徴を有する。よって、高い放射出力を得るには、高い電流密度で高い外部量子効率となれば良いことが分かる。
【００１７】
効率ドループは、外部量子効率の最大値から或る動作電流密度の外部量子効率を減じて外部量子効率の最大値で除した値であり、外部量子効率の低下比率を表す。この値が小さいほど電流密度に対応した直線性の高い放射出力が得られる。
【００１８】
以上、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力を得るには効率ドループが小ければ良く、電流密度が高い領域で高い放射出力を得るには外部量子効率が高ければ良いことが分かる。
【００１９】
次に、本発明の半導体発光素子の構造を図２に示し説明する。
【００２０】
発明の半導体発光素子の構造は、基板２０１上にＧａＮ系結晶であるｎ型窒化物層２１０と発光層２０６とｐ型窒化物層２１１で構成されている。ｎ型窒化物層２１０は、低温ＧａＮ層２０２、高温ＧａＮ層２０３、ｎ型ＧａＮ層２０４、ＳＬＳ（Super Lattice Structure）層２０５からなっている。またｐ型窒化物層２１１は、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａ、第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂ、コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９からなっている。
【００２１】
ｎ型ＧａＮ層２０４には、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）をドープしている。ｐ型窒化物層２１１には、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）をドープしている。ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７のＭｇ濃度は、１．０×１０１９〜６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としている。第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａのＭｇ濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７のＭｇ濃度より高濃度でコンタクトｐ型ＧａＮ層２０９より低濃度としている。第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂのＭｇ濃度は、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７と同程度のＭｇ濃度としている。そして、コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９のＭｇ濃度は、ｐ型窒化物層２１１において最も高濃度としている。
【００２２】
そして、ｎ側電極２１４はｎ型ＧａＮ層２０４の上に配置している。ｐ側透明電極２１２はコンタクトｐ型ＧａＮ層２０９上に配置し、その上にｐ側電極２１３を配置した構造としている。
【００２３】
次に、本発明の半導体発光素子の構造を特徴付ける層の詳細について説明する。特には、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７と第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａと第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂの構造により、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力と、電流密度が高い領域で高い放射出力を得ることを可能としている。
【００２４】
ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７はＡｌＧａＮ系結晶層であり、Ｍｇ濃度を１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上、６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下としている。このＭｇ濃度範囲とすることで、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７の結晶欠陥（元素配列の乱れ等）の発生を抑制して正孔移動度を高くできる。
【００２５】
Ｍｇ濃度が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満だと正孔濃度が不足し、６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超だと結晶欠陥密度が極めて高くなり第１のｐ型ＧａＮ２０８ａの正孔の活性化率を低下することになる。また、厚みは電子のオーバーフローを抑制し、比抵抗を低く抑制できる１０ｎｍ以上〜４０ｎｍ程度が良く、好適には１５ｎｍ〜３０ｎｍ程度が良い。アルミニウム組成も同様な理由にて０．０７〜０．２が良く、最適には、０．１〜０．１５程度が良い。
【００２６】
第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａはＧａＮ系結晶層であり、Ｍｇ濃度をｐ型ＡｌＧａＮ層２０７より高くした。この構造により第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａの正孔濃度を、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７の正孔濃度より高くできる。
【００２７】
特に、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａは、バンドギャップがｐ型ＡｌＧａＮ層２０７より狭いのでｐ型不純物であるＭｇの活性化率が高いこと、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７の結晶欠陥密度を抑制したこと、ＧａＮ結晶が２元系結晶であり結晶欠陥の発生を抑制できることから、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７より極めて高い正孔濃度が得られる。
【００２８】
Ｍｇ濃度は、６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上２．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が良く、好適には７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下が良い。Ｍｇ濃度が６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満だと正孔濃度が不足し、２．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超だと結晶欠陥密度が高くなり正孔の活性化率が低下して比抵抗が高くなる。また、膜厚はｐ型ＡｌＧａＮ層２０７へ十分な正孔濃度を供給できる５ｎｍ以上５０ｎｍ以下が良く、好適には１５ｎｍから３５ｎｍ程度が良い。膜厚が５ｎｍ未満だとｐ型ＡｌＧａＮ層２０７へ十分な正孔濃度を供給できず、５０ｎｍ超だと比抵抗が高くなる。
【００２９】
第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂはＧａＮ系結晶層であり、Ｍｇ濃度をｐ型ＡｌＧａＮ層２０７と同程度とした。この構造により、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７より極めて高い正孔移動度が得られ、比抵抗を小さくできる。
【００３０】
第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂは、バンドギャップがｐ型ＡｌＧａＮ層２０７より狭いのでｐ型不純物であるＭｇの活性化率が高いこと、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７の結晶欠陥密度を抑制したことにより第１のｐ型ＧａＮ層２０７ａの結晶欠陥密度も抑制できること、ＧａＮ結晶が２元系結晶であり結晶欠陥の発生を抑制できることから、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７より極めて低い比抵抗が得られる。
【００３１】
Ｍｇ濃度は、１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の範囲が良い。Ｍｇ濃度が１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３未満だと正孔濃度が不足し、６．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３超だと正孔移動度が低下して、何れの場合も比抵抗が高くなる。また膜厚は、コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９から第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａへ均一に正孔供給ができれば良く３０ｎｍ程度以上あれば良い。
【００３２】
コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９はＧａＮ系結晶層であり、Ｍｇ濃度はｐ型窒化物層２１１において最も高い濃度とした。この構造により、ｐ側透明電極２１２からコンタクトｐ型ＧａＮ層２０９へ効率良く正孔が注入される。
【００３３】
以上のｐ型窒化物層２１１の構造とすること、電流密度が約２５Ａ／ｃｍ２程度以下では、発光層２０６への正孔注入効率を抑制でき、電流密度が約２５Ａ／ｃｍ２程度以上では、発光層２０６への正孔注入効率の低下を抑制できる。
【００３４】
換言すれば、本発明の半導体発光素子構造は、電流密度が２５Ａ／ｃｍ２程度以下における外部量子効率を抑制し（例えば図１（Ｂ）のＪηstdがＪηstd*になる）、電流密度が２５Ａ／ｃｍ２程度以上における外部量子効率の低下を抑制する（例えば図１（Ｂ）のＪη２がＪη２*になる）ことを可能とした。同時に、効率ドループを小さくできる。すなわち、図１（Ｂ）の実線の外部量子効率曲線は一点鎖線の外部量子効率曲線になり、図１（Ａ）の実線の放射出力曲線は一点鎖線の放射出力曲線になる。
【００３５】
このように、本発明の半導体発光素子構造は、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られることを可能とし、電流密度を増加しても高い放射出力が得られることを可能とした優れてたものである。
【００３６】
次に、本発明の発光層２０６の構造と作用について図３を用いて説明する。
【００３７】
発光層２０６は、多重量子井戸構造となっており、ＳＬＳ層２０５の上に第１障壁層２０６ａと第１井戸層２０６ｂが配置されてなる電子貯留層２０６ｅが構成され、その上に障壁層２０６ｃと井戸層２０６ｄが配置されてなる単位放射層２０６ｆが複数配置され、最後に障壁層２０６ｃが配置された構造となっている。
【００３８】
第１障壁層２０６ａはインジウム（Ｉｎ）を含有したＧａＮ系結晶層であり、そのバンドギャップは他の障壁層２０６ｃのバンドギャップより狭く、第１井戸層２０６ｂおよび井戸層２０６ｄのバンドギャップより広い。第１井戸層２０６ｂはインジウム（Ｉｎ）を含有したＧａＮ系結晶層であり、そのバンドギャップは他の井戸層２０６ｄのバンドギャップより狭い。この構造により、第１障壁層２０６ａと第１井戸層２０６ｂは電子を貯留することができる電子貯留層２０６ｅとしている。
【００３９】
電子貯留層２０６ｅは、この層から供給される電子とｐ型窒化物層２１１から供給される正孔が、複数の放射単位層２０６ｆで放射再結合する効率を向上させる。然るに、高い電流密度（例えば３５Ａ／ｃｍ２以上）における外部量子効率の低下を抑制できる。
【００４０】
障壁層２０６ｃはＧａＮ系結晶層であり、そのバンドギャップは、第１障壁層２０６ａのバンドギャップより広い。井戸層２０６ｄはインジウム（Ｉｎ）を含有したＧａＮ系結晶層であり、そのバンドギャップは第１井戸層２０６ｂのバンドギャップより広い。そして、障壁層２０６ｃと井戸層２０６ｄを単位放射層２０６ｆとして５単位から１５単位を積層した構造としている。単位放射層２０６ｆが５単位未満では、高い電流密度（例えば３５Ａ／ｃｍ２以上）における外部量子効率の低下を抑制できなくなる。また、１５単位以上では抵抗が大きくなり、やはり効率が低下する。
【００４１】
本発明の半導体発光素子は、電流密度に対応した直線性の高い放射出力が得られるので、例えば、照明器具に用いれば簡便な駆動回路（電源回路）で調光が可能になる。また、高い電流密度においても高い放射出力が得られるので、例えば、大光量（大光束）を必要とする照明器具の小型化や省エネ化が可能になる。さらに、高い発光輝度の照明器具の製作が可能になる。
【実施例１】
【００４２】
本発明の実施例について以下に説明する。本発明の半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法により半導体発光素子層を図５（Ａ）示した手順で結晶成長した。また、図５（Ｂ）に示した手順で素子化した。
【００４３】
［ ＭＯＣＶＤ装置 ］
まず、半導体発光素子の結晶成長に用いたＭＯＣＶＤ装置について図４に示して説明する。ＭＯＣＶＤ装置１００は、材料ガスを供給する材料ガス供給管１０２と押さえガスを供給する押さえ供給管１０４が、気密された反応容器１０１内部に配置された、対応する材料ガスノズル１０３と押さえガスノズル１０５に接続されており、材料ガスと押さえガスがサセプタ１０７に置かれた基板１１０に吹付けられる構造となっている。基板１１０は、サセプタ１０７を通じてヒーター１０８により所定の温度に加熱される。また基板１１０は、サセプタ１０７に接続された回転軸１０９によって毎分１０回転で回転する。使用済みの材料ガスは排気管１０６を通じて排気される。
【００４４】
［ 結晶成長の手順 ］
１．基板熱処理（Ｐ１１）
基板１１０として、主面がｃ面の２インチ単結晶サファイア基板を、サセプタ１０７にセットし、毎分１０回で回転した。続いて、反応容器１０１内部圧力を大気圧とした。以後の反応容器内部圧力は大気圧を保持した。次に、材料ガスノズル１０３から水素ガスを１０ＳＬＭ（Ｌ／ｍｉｎ、０℃、１気圧）供給し、押えガスノズル１０５から水素ガスを１０ＳＬＭ供給した。そして、基板温度を１１５０℃まで昇温し、１０分間水素雰囲気中で基板を熱処理した。
【００４５】
２．低温ＧａＮ層の形成（Ｐ１２）
基板温度を７００℃まで降温した後、材料ガスノズル１０３から水素ガスを１ＳＬＭ、アンモニア（ＮＨ３）ガスを５ＳＬＭ、そしてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガスを５ＳＣＣＭ（ｃｃ／ｍｉｎ、０℃、１気圧）供給して、２００秒間成長し、低温ＧａＮ層２０２としてＧａＮ結晶層を形成した。
【００４６】
３．高温ＧａＮ層の形成（Ｐ１３）
基板温度を１２００℃まで昇温した後、材料ガスノズル１０３から水素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＭＧａガスを１５ＳＣＣＭ供給して、２０分間成長し、高温ＧａＮ層２０３としてＧａＮ結晶層を形成した。
【００４７】
４．ｎ型ＧａＮ層の形成（Ｐ１４）
基板温度を１２００℃のまま、反応ガスノズル１０３から水素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＭＧａガスを１５ＳＣＣＭ、ｎ型不純物源としてのジシランガス（Ｓｉ２Ｈ６）ガスを０．２ＳＣＣＭ供給して、９０分間成長し、膜厚約６ｍのｎ型ＧａＮ層２０４としてＳｉを含有したＧａＮ結晶層を形成した。
【００４８】
５．押さえガスの窒素ガス化（Ｐ１５）
ｎ型ＧａＮ層形成後、押えガスノズル１０５からの供給ガスを、水素ガスを１０ＬＳＭから窒素ガスを１０ＳＬＭに変更した。
【００４９】
６．ＳＬＳ（Super Lattice Structures）層の形成（Ｐ１６）
基板温度を９００℃まで降温した後、材料ガスノズル１０３から水素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）ガスを３５ＳＣＣＭ供給して、５０秒間成長し、第１のＳＬＳ層としてＧａＮ結晶層を形成した。
基板温度を９００℃のまま、材料ガスノズル１０３から水素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＥＧａガスを３５ＳＣＣＭ、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガスを５０ＳＣＣＭ供給して、５０秒間成長し、第２のＳＬＳ層としてＩｎＧａＮ結晶層を形成した。ＳＬＳ層２０５は、第１のＳＬＳ層と第２のＳＬＳ層を交互に４層成長し、最後に第１のＳＬＳ層を成長して形成した。
【００５０】
７．発光層の形成（Ｐ１７）
基板温度を８５０℃まで降温した後、材料ガスノズル１０３から窒素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＥＧａガスを５ＳＣＣＭ、ＴＭＩｎガスを５０ＳＣＣＭ供給して、１５０秒間成長し、厚み約５ｎｍの第１障壁層２０６ａとしてＩｎＧａＮ結晶層を形成した。基板温度を８５０℃のまま、材料ガスノズル１０３から窒素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＥＧａガスを５ＳＣＣＭ、ＴＭＩｎガスを９０ＳＣＣＭ供給して、１５０秒間成長し、厚み約４ｎｍの第１井戸層２０６ｂと井戸層２０６ｄとしてＩｎＧａＮ結晶層を形成した。基板温度を８５０℃のまま、材料ガスノズル１０３から窒素ガスを２ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＥＧａガスを５ＳＣＣＭ供給して、１５０秒間成長し、厚み約５ｎｍの障壁層２０６ｃとしてＧａＮ層を形成した。発光層２０６は、第１障壁層２０６ａと第１井戸層２０６ｂを成長し、その後障壁層２０６ｃと井戸層２０６ｄを交互に８層成長し、最後に障壁層２０６ｃを成長して形成した。尚、第１井戸層２０６ｂのインジウム（Ｉｎ）組成は、第１障壁層２０６ａの上に成長することで、他の井戸層２０６ｄのインジウム組成より高くなる。
【００５１】
８．押さえガスの水素ガス化（Ｐ１８）
発光層形成後、押えガスノズル１０５からの供給ガスを、窒素ガスを１０ＬＳＭから水素ガスを１０ＳＬＭに変更した。
【００５２】
９．ｐ型ＡｌＧａＮ層の形成（Ｐ１９）
基板温度を１０００℃まで昇温した後、材料ガスノズル１０３から水素ガスを３ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＭＧａガスを１ＳＣＣＭ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）ガスを１ＳＣＣＭ、ｐ型不純物源としてのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを３０ＳＣＣＭ供給して、５００秒間成長し、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７として膜厚約３０ｎｍ、Ａｌ組成約０．１５のＭｇを含有したＡｌＧａＮ結晶層を形成した。Ｍｇ濃度は、２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。 
【００５３】
１０．ｐ型ＧａＮ層の形成（Ｐ２０）
基板温度を１０００℃まま、材料ガスノズル１０３から水素ガスを３ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＭＧａガスを３．５ＳＣＣＭ、Ｃｐ２Ｍｇガスを８０ＳＣＣＭ供給して、４０秒間成長し、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａとして膜厚約８ｎｍのＭｇを含有したＧａＮ結晶層を形成した。Ｍｇ濃度は、７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。 
【００５４】
基板温度を１０００℃まま、材料ガスノズル１０３から水素ガスを３ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＭＧａガスを３．５ＳＣＣＭ、Ｃｐ２Ｍｇガスを３０ＳＣＣＭ供給して、３６０秒間成長し、第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂとして膜厚約７２ｎｍのＭｇを含有したＧａＮ結晶層を形成した。Ｍｇ濃度は、２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。 
【００５５】
１１．コンタクトｐ型ＧａＮ層の形成（Ｐ２１）
基板温度を１０００℃まま、材料ガスノズル１０３から水素ガスを３ＳＬＭ、アンモニアガスを４ＳＬＭ、そしてＴＭＧａガスを１．７５ＳＣＣＭ、Ｃｐ２Ｍｇガスを２００ＳＣＣＭ供給して、２０秒間成長し、コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９として膜厚約３ｎｍのＭｇを含有したＧａＮ結晶層を形成した。
【００５６】
以上の手順にて、半導体発光素子層を基板２０１の上に、低温ＧａＮ層２０２、高温ＧａＮ層２０３、ｎ型ＧａＮ層２０４、ＳＬＳ層２０５、発光層２０６、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａ、第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂ、コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９の順に成長した。
【００５７】
［ 素子化の手順 ］
まず、半導体素子層の結晶成長済み基板をフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術により、ｎ型ＧａＮ層２０４まで到達する深さの素子区画溝２１６を形成した（Ｐ２１）。次に、フォトリソグラフィー技術とスパッタリング技術により、コンタクトｐ型ＧａＮ層２０９上にｐ側透明電極２１２を形成した（Ｐ２２）。次に、フォトリソグラフィー技術と金属蒸着技術により、ｐ側透明電極２１２の上にｐ側電極２１３を形成した（Ｐ２３）。同じく、フォトリソグラフィー技術と金属蒸着技術により、素子区画溝２１６形成で露出したｎ型ＧａＮ層２０４上にｎ側電極２１４を形成した（Ｐ２４）。最後に、スクライブ技術とブレーキング技術により、素子区画溝に沿って素子分離した（Ｐ２５）。
【００５８】
以上の手順にて、半導体発光素子２００を形成した。この半導体発光素子２００のｐ側電極２１３からｎ側電極２１４に電流を流せば、ｐ型窒化物層２１１から正孔が発光層２０６へ注入され、ｎ型窒化物層２１０から電子が発光層２０６へ注入されて、発光層２０６で正孔と電子が放射再結合して、波長約４４０ｎｍ〜４５０ｎｍにて発光する。
【実施例２】
【００５９】
実施例２の半導体発光素子２００の結晶成長の手順、素子化の手順は実施例１と同じである。但し、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａと第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂの成長時間、膜厚、Ｍｇ濃度は以下の（Ｅ２−１）と（Ｅ２−２）である。
（Ｅ２−１）第１のｐ型ＧａＮ層
・成長時間：１００秒
・膜厚：２０ｎｍ
・Ｍｇ濃度：７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ 
（Ｅ２−２）第２のｐ型ＧａＮ層
・成長時間：３００秒
・膜厚：６０ｎｍ
・Ｍｇ濃度：２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
【実施例３】
【００６０】
実施例３の半導体発光素子２００の結晶成長の手順、素子化の手順は実施例１と同じである。但し、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａと第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂの成長時間、膜厚、Ｍｇ濃度は以下の（Ｅ３−１）と（Ｅ３−２）である。
（Ｅ３−１）第１のｐ型ＧａＮ層
・成長時間：１５０秒
・膜厚：３０ｎｍ
・Ｍｇ濃度：７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ 
（Ｅ３−２）第２のｐ型ＧａＮ層
・成長時間：２５０秒
・膜厚：５０ｎｍ
・Ｍｇ濃度：２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ 
（比較例１）
【００６１】
比較例１の半導体発光素子２００の結晶成長の手順、素子化の手順は実施例１と同じである。但し、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７とし、ｐ型ＧａＮ層２０８は単層構成にした。それぞれの結晶層の成長時間、膜厚、Ｍｇ濃度は以下の（Ｃ１−１）と（Ｃ１−２）である。なお、比較例１は特許文献１のｐ型窒化物層の構成を模した構造である。
（Ｃ１−１）ｐ型ＡｌＧａＮ層
・成長時間：５００秒
・膜厚：３０ｎｍ
・Ｍｇ濃度：７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３ 
（Ｃ１−２）ｐ型ＧａＮ層
・成長時間：４００秒
・膜厚：８０ｎｍ
・Ｍｇ濃度：２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３
【００６２】
以上の手順にて実施例１〜３、比較例１の半導体発光素子２００を製作した。なお、結晶成長条件と膜厚およびＭｇ濃度の違いについては、表１に記載した。
【表１】
2014192274.tif 000003
【００６３】
次に実施例１〜３と比較例１の評価結果について説明する。外部量子効率と電流密度および効率ドループの結果を表２に掲載した。また電流密度・外部量子効率曲線を図６に示した。図７には実施例２の半導体発光素子のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）の深さ方向分析の結果を示した。
【００６４】
まず、放射出力等の測定は分光光度計を用いた。試料はｐ側電極２１３とｎ側電極２１４を形成した段階（Ｐ２４）の素子形成済み基板を用いた。また放射出力は、全放射束の一部を計測して評価値とした。よって外部量子効率は全放射束の値より小さい値となっている。
【表２】
2014192274.tif 000004
【００６５】
実施例１の外部量子効率の最大値とそのときの電流密度は、５．７２％及び１８．７Ａ／ｃｍ２であり、電流密度が３５Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．５７％と２．６１％であり、電流密度が７０Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．１６％と９．７３％であった。
【００６６】
実施例２の外部量子効率の最大値とそのときの電流密度は、５．６６％及び２０．５Ａ／ｃｍ２であり、電流密度が３５Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．５６％と１．７７％であり、電流密度が７０Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．２３％と７．５１％であった。
【００６７】
実施例３の外部量子効率の最大値とそのときの電流密度は、５．５９％及び２２．８Ａ／ｃｍ２であり、電流密度が３５Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．５２％と１．３２％であり、電流密度が７０Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．２３％と６．３５％であった。
【００６８】
比較例１の外部量子効率の最大値とそのときの電流密度は、５．７５％及び１５．８Ａ／ｃｍ２であり、電流密度が３５Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．５１％と４．０６％であり、電流密度が７０Ａ／ｃｍ２ときの外部量子効率と効率ドループは、５．０６％と１１．８９％であった。
【００６９】
以上の結果より、外部量子効率（ηext）の最大値は、比較例１、実施例１、実施例２、実施例３の順に小さくなり、その電流密度は順に大きくなる。このように、本発明の半導体発光素子構造を用いることで、低い電流密度（例えば２５Ａ／ｃｍ２未満）での外部量子効率を低下できる。
【００７０】
対して電流密度が７０Ａ／ｃｍ２では、外部量子効率は、比較例１、実施例１、実施例２、実施例３の順に大きくなり（小数点以下３桁目では実施例２より３が大きい）、効率ドループは小さくなっている。このように、本発明の半導体発光素子の構造を用いることで、高い電流密度での外部量子効率の低下を抑制できる。
【００７１】
このように、外部量子効率の最大値が高い電流密度へシフトしながら外部量子効率が低下する効果と、高い電流密度（例えば７０Ａ／ｃｍ２）で外部量子効率の低下を抑制する効果は、実施例においてｐ型ＡｌＧａＮ層２０７のＭｇ濃度を２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたこと、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａのＭｇ濃度を７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたこと、第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂのＭｇ濃度を２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３としたことで成しえている。また、これら効果は第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａの膜厚を８ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍと厚くするに応じて拡充できる。結果、効率ドループを小さくすることも成しえている。但し、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａの膜厚が５０ｎｍを超えると効率ドループは小さく保てるが、高い電流密度（例えば７０Ａ／ｃｍ２）での外部量子効率の低下を抑制できなくなる。また、第２ｐ型ＧａＮ層２０８ｂを取り除くと前述の効果は消失する。
【００７２】
また記載以外の多くのサンプルを試作評価した結果、外部量子効率の最大値が高い電流密度側へシフトすると、高い電流密度（試験値は７０Ａ／ｃｍ２）における故障率（不灯、順方向立ち上り電圧不良、逆方向耐電圧不良、などの発生率）を半減できた。具体的には、外部量子効率の最大値の電流密度が１８Ａ／ｃｍ２程度以上より故障率は減少し、２０Ａ／ｃｍ２以上で故障率は半減した。
【００７３】
次に、電流密度と外部量子効率の関係をプロットを図６に示す。例えば、比較例１の外部量子効率は、ＣＰ１地点で最大を迎え、そこより非線形的に急激に低下してＣＰ２に至る。対して、実施例３の外部量子効率は、ＥＴ１地点で最大を迎え、そこより緩やかに直線的に低下してＥＴ２に至る。すなわち、本発明の半導体発光素子の構造は、電流密度の増加に対応した外部量子効率の低下を抑制すると同時に低下率を線形化できる。駆動回路（電源回路）で調光する場合、効率ドループが０（ゼロ）に近ければ、半導体発光素子の駆動電流に対して放射出力を比例制御できるが、外部量子効率の低下率（効率ドループの増加率）を線形にすることでも放射出力の比例制御は可能になる。本発明の半導体発光素子において、外部量子効率の低下率の線形化は、電流密度が７０Ａ／ｃｍ２における効率ドループを８％以下にすれば良い。
【００７４】
放射出力については、実施例１、実施例２、実施例３の外部量子効率の低下を抑制したことで、外部量子効率は、電流密度が図６のＨ地点（３５Ａ／ｃｍ２）で比較例１を上回っている。さらに電流密度の増加に対応して差は開く。すなわち、高い電流密度（例えば３５Ａ／ｃｍ２以上）で放射出力を高く維持できる。外部量子効率が最大になる電流密度が、半導体発光素子の常用電流密度（例えば３５Ａ／ｃｍ２以上）より低い場合、外部量子効率の最大値が低下しても問題ない。
【００７５】
次に実施例２の半導体発光素子のＳＩＭＳの深さ方向プロファイルを図７（＜ＥＴ２＞）に示す。ＳＩＭＳの深さ方向分解能はナノオーダーなので、半導体発光素子を構成する結晶層の元素成分信号は、各結晶層の界面で若干ブロードになる。
【００７６】
図中３０６は発光層２０６に対応し、３０７はｐ型ＡｌＧａＮ層２０７に対応し、３０８ａは第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａに対応し、３０８ｂは第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂに対応し、３０９は第２のコンタクトｐ型ＧａＮ層２０９に対応している。
【００７７】
実施例２のｐ型ＡｌＧａＮ層２０７のＭｇ濃度は２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲にあり、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａのＭｇ濃度は７．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲にあり、第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂのＭｇ濃度は２．４×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜４．３×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の範囲であり、本発明の半導体発光素子のＭｇ濃度範囲であった。
【００７８】
また、インジウム（Ｉｎ）の２次イオン強度信号の第１ピーク（図７のＰmix）が、他のインジウムの信号ピークより強く、また幅広く観察されていることから、第１井戸層２０６ｂが他の井戸層２０６ｄよりインジウム組成が高いこと、そして第１障壁層２０６ａと第１井戸層２０６ｂにて電子貯留層２０６ｅを形成していることが分かる。
【００７９】
さらに、インジウム（Ｉｎ）の２次イオン強度信号の第１ピーク（図７のＰmix）以外に８つの信号ピークがあることから、障壁層２０６ｃと井戸層２０６ｄから成る単位放射層が８単位形成されていることが分かる。
【００８０】
以上、実施例２の半導体発光素子のＳＩＭＳの深さ方向分析の結果より、ｐ型ＡｌＧａＮ層２０７、第１のｐ型ＧａＮ層２０８ａ、第２のｐ型ＧａＮ層２０８ｂのＭｇ濃度、膜厚（図７参照）が確認できる。また、発光層２０６の電子貯留層２０６ｅの存在および単位放射層２０６ｆの数を確認できる。
【００８１】
本発明の半導体発光素子構造は、低い電流密度（例えば２５Ａ／ｃｍ２未満）の外部量子効率を抑制し、高い電流密度（例えば２５Ａ／ｃｍ２超）の外部量子効率の低下を抑制を可能とし、電流密度の増減に対応した直線性の高い放射出力が得られる半導体発光素子であることは明らかであろう。また、電流密度を増加しても高い放射出力が得られる半導体発光素子であることは明らかであろう。
【００８２】
以上、実施例に沿って本発明の素子構造と製造方法について説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００８３】
２００  半導体発光素子
２０１  基板
２０２  低温ＧａＮ層
２０３  高温ＧａＮ層12-0526出願書類(ver1.0)
２０４  ｎ型ＧＡＮ層
２０５  ＳＬＳ層
２０６  発光層（ＭＱＷ）
２０７  ｐ型ＡｌＧａＮ層
２０８  ｐ型ＧａＮ層
２０８ａ  第１のｐ型ＧａＮ層
２０８ｂ  第２のｐ型ＧａＮ層
２０９  コンタクトｐ型ＧａＮ層
２１０  ｎ型層
２１１  ｐ型層
２１２  ｐ側透明電極
２１３  ｐ側電極
２１４  ｎ側電極
【図１】
2014192274.tif 000005
【図２】
2014192274.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014192274.tif 000009
【図６】
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【図７】
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