(57)【要約】【課題】ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生する発光層における格子欠陥を低減することができる半導体発光素子を提供すること。【解決手段】III族窒化物半導体からなり、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２、中間バッファ層３３、発光層３４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６を有する積層構造のIII族窒化物半導体層３を備える発光ダイオードにおいて、発光層３４に、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）層１４（ｇ）を有する緑色発光層１６、およびＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０６〜０．１６）層１４（ｂ）を有する青色発光層１７を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層および前記ｐ型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、
前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生するものであり、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）層を有する主発光層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０６〜０．１６）層を有する応力緩和層とを含む、半導体発光素子。
【請求項２】
前記応力緩和層は、前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を複数含み、
前記複数のＩｎｙＧａ１−ｙＮ層は、前記主発光層に近いほどＩｎ組成比率（ｙ）が大きくなる順序で積層されている、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記主発光層および前記応力緩和層は、互いに接するように積層されている、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層は、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層と、ＧａＮからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記量子井戸層は、３ｎｍ±１０％の厚さを有している、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体発光素子は、前記応力緩和層に対して前記主発光層とは反対側に配置され、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記ＩｎＧａＮ層は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．０１〜０．０５）で示される層を含む、請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を発生するものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記発光層は、６０ｎｍ〜１５０ｎｍの総厚さを有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記半導体発光素子は、サファイア基板をさらに含み、
前記発光層は、前記応力緩和層および前記主発光層がこの順に、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された層である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ｎ型層およびｐ型層で挟まれた発光層（活性層）を有するIII族窒化物半導体発光素子において、発光層における格子欠陥の発生を防止する目的で、発光層の下地層にバッファ層を配置することが知られている。
たとえば、特許文献１には、ｎ型クラッド層と、その上に積層されたＭＱＷ活性層との間に、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを有する超格子層を配置することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２７６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の超格子層は、発光層のピーク発光波長によっては十分に格子緩和できない場合がある。たとえば、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の発光層における格子欠陥の発生を低減できず、また、このような発光層に対する手法は、未だ確立されているとは言えない。
そこで、本発明の目的は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生する発光層における格子欠陥を低減することができる半導体発光素子を提供することである。
【０００５】
また、本発明の他の目的は、前記発光層の格子欠陥の低減によって、長波長領域における輝度の低下を抑制することができる半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、III族窒化物半導体からなり、少なくともｎ型層と、ｐ型層と、前記ｎ型層および前記ｐ型層で挟まれた発光層とを有する積層構造のIII族窒化物半導体層を備え、前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生するものであり、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）層を有する主発光層と、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０６〜０．１６）層を有する応力緩和層とを含む、半導体発光素子である。
【０００７】
この構成によれば、主発光層のＩｎ組成比率（ｘ）と比較的近似するＩｎ組成比率（ｙ）を有する応力緩和層が、主発光層と共に発光層の一部を構成している。これにより、ｎ型層またはｐ型層の側から発光層を結晶成長させる際、まず応力緩和層を成長させ、その後に主発光層を成長させることによって、主発光層の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、主発光層への格子欠陥の導入を低減することができる。その結果、この半導体発光素子は、主発光層において、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を効率よく発生させることができる。この発光効率の向上により、たとえば、長波長領域（たとえば、５２５ｎｍ以上の波長領域）における輝度の低下を抑制することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、前記応力緩和層は、前記ＩｎｙＧａ１−ｙＮ層を複数含み、前記複数のＩｎｙＧａ１−ｙＮ層は、前記主発光層に近いほどＩｎ組成比率（ｙ）が大きくなる順序で積層されている、請求項１に記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、応力緩和層のＩｎ組成比率（ｙ）を、主発光層のＩｎ組成比率（ｘ）に徐々に近づけることができる。これにより、主発光層と応力緩和層との格子サイズの差を小さくできるので、主発光層への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
【０００９】
なお、前記複数のＩｎｙＧａ１−ｙＮ層のＩｎ組成比率（ｙ）は、一定の割合（たとえば、０．１刻み、０．２刻み等）で大きくなっていてもよいし、ランダムな割合（たとえば、０．１→０．２→０．４等）で大きくなっていてもよい。
請求項３に記載の発明は、前記主発光層および前記応力緩和層は、互いに接するように積層されている、請求項１または２に記載の半導体発光素子である。
【００１０】
この構成によれば、主発光層および応力緩和層が一つの積層構造に集約されているので、発光層の当該積層構造が形成された部分での格子サイズのばらつきを低減することができる。
請求項４に記載の発明のように、前記発光層は、ＩｎＧａＮからなる量子井戸層と、ＧａＮからなるバリア層とを交互に所定周期で積層した多重量子井戸構造を有していることが好ましい。この場合、請求項５に記載の発明のように、前記量子井戸層は、３ｎｍ±１０％の厚さを有していることが好ましい。
【００１１】
この構成により、半導体発光素子の発光効率を一層向上させることができる。
請求項６に記載の発明のように、前記半導体発光素子は、前記応力緩和層に対して前記主発光層とは反対側に配置され、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とを交互に所定周期で積層した超格子構造を有する中間バッファ層をさらに含むことが好ましい。この場合、前記ＩｎＧａＮ層は、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．０１〜０．０５）で示される層を含むことが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、ｎ型層またはｐ型層の側から発光層を結晶成長させる際、発光層の成長に先立って中間バッファ層を成長させることによって、発光層（応力緩和層）の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、応力緩和層への格子欠陥の導入を低減することができる。
請求項８に記載の発明は、前記発光層は、ピーク発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を発生するものである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
【００１３】
この構成によれば、緑色の光を効率よく発生する発光層を有する半導体発光素子を提供することができる。
請求項９に記載の発明は、前記発光層は、６０ｎｍ〜１４０ｎｍの総厚さを有している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、発光層の総厚さを一般的な範囲内に収めながら、半導体発光素子の発光効率を向上させることができる。
【００１４】
請求項１０に記載の発明は、サファイア基板をさらに含み、前記発光層は、前記応力緩和層および前記主発光層がこの順に、前記サファイア基板の主面上に結晶成長された層である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体発光素子である。
この構成によれば、サファイア基板上に、発光効率の向上した発光層を有するIII族窒化物半導体層を形成することができる。また、特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。
【図２】図２は、発光層の具体的な構成およびIII族窒化物半導体層の深さとＩｎ組成との関係を示す図である。
【図３】図３は、前記III族窒化物半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。
【図４】図４は、発光層の成長時間と基板温度との関係を示すタイムチャートである。
【図５】図５は、前記III族窒化物半導体層を有するウエハの主波長と裏面輝度との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、前記III族窒化物半導体層を有するウエハのＰＬスペクトルを示す図である。
【図７】図７は、前記発光ダイオードと同様の構造を有するダイオードパッケージのＥＬスペクトル（１ｍＡ）を示す図である。
【図８】図８は、前記発光ダイオードと同様の構造を有するダイオードパッケージのＥＬスペクトル（２０ｍＡ）を示す図である。
【図９】図９は、前記発光ダイオードと同様の構造を有するダイオードパッケージのＥＬスペクトル（１２０ｍＡ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための模式的な断面図である。
本発明の半導体発光素子の一例としての発光ダイオード１は、サファイア基板２上に、III族窒化物半導体積層構造をなすIII族窒化物半導体層３を成長させて構成された素子本体を有している。
【００１７】
III族窒化物半導体層３は、サファイア基板２側から順に、本発明のｎ型層の一例としてのｎ型低温ＧａＮバッファ層３１およびｎ型ＧａＮコンタクト層３２、中間バッファ層３３、発光層３４、ならびに、本発明のｐ型層の一例としてのｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６を積層した積層構造を有している。III族窒化物半導体層３には、断面がほぼ矩形となるようにｐ型ＧａＮコンタクト層３６からｎ型ＧａＮコンタクト層３２が露出する深さまで選択的に除去（たとえば、エッチング）することによって凹部４が形成されている。そして、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２は、III族窒化物半導体層３の片側から、サファイア基板２の表面に沿う横方向に引き出された引き出し部５を有している。
【００１８】
ｐ型ＧａＮコンタクト層３６層の表面には、ｐ型電極（アノード電極）６が接合されており、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２の引き出し部５には、ｎ型電極（カソード電極）７が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
サファイア基板２は、支持基板（配線基板）８に接合されている。支持基板８の表面には、配線９，１０が形成されている。そして、ｐ型電極６と配線９とがボンディングワイヤ１１で接続されており、ｎ型電極７と配線１０とがボンディングワイヤ１２で接続されている。さらに、図示は省略するが、発光ダイオード１の構造と、ボンディングワイヤ１１，１２とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード１のパッケージ（ダイオードパッケージ）が構成されている。
【００１９】
サファイア基板２は、極性面（この実施形態ではｃ面）を主面とするサファイア単結晶からなる基板である。具体的には、サファイア基板２の主面は、極性面の面方位から０．３°以上のオフ角、より好ましくは、ｍ軸方向に０．３°以上のオフ角を有する面である。したがって、サファイア基板２上に結晶成長させられたIII族窒化物半導体層３の成長主面（表面３ａ）は、サファイア基板２の主面と同じ面、すなわち、極性面（この実施形態ではｃ面）となっている。また、サファイア基板２の厚さは、６００μｍ以上、具体的には、６５０μｍ〜１０００μｍとすることが好ましい。なお、発光ダイオード１においては、サファイア基板２に代えて、たとえば、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板等の六方晶系の基板を使用することができる。
【００２０】
ｎ型低温ＧａＮバッファ層３１は、たとえば、４００℃〜７００℃のウエハ温度で結晶成長されたアンドープ（ドーパントがドープされていない）ＧａＮ層からなる。層厚は、数十ｎｍとすることが好ましい。
ｎ型ＧａＮコンタクト層３２は、たとえば、シリコンをｎ型ドーパントとして添加したｎ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上、具体的には、３μｍ〜７μｍとすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１×１０１８ｃｍ−３程度とされる。
【００２１】
中間バッファ層３３は、たとえば、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば４ｎｍ厚程度）とＧａＮ層（たとえば２ｎｍ厚程度）とを交互に所定周期（たとえば５周期程度）積層した超格子構造を有している。さらにこの実施形態では、ＩｎＧａＮ層がＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．０１〜０．０５）で示される層であり、ＧａＮ層は、Ｉｎを全く含んでいない層である。なお、ＧａＮ層は、中間バッファ層３３のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比率（ｚ）よりも小さい範囲で、若干のＩｎ含んでいてもよい。
【００２２】
発光層３４は、たとえば、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層１４（量子井戸層）とＧａＮ層１３（バリア層）とを交互に所定周期積層した多重量子井戸（MQW：Multiple Quantum Well）構造を有している。さらに発光層３４は、ＩｎＧａＮ層１４およびＧａＮ層１３からなる多重量子井戸構造と、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５との間に、ＧａＮファイナルバリア層１５（たとえば１０ｎｍ厚程度）を有している。ＧａＮファイナルバリア層１５は、たとえば、アンドープ（ドーパントがドープされていない）ＧａＮ層からなる。
【００２３】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５は、たとえば、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は３ｎｍ以上、具体的には、５ｎｍ〜３０ｎｍとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０１９ｃｍ−３程度とされる。
ｐ型ＧａＮコンタクト層３６は、たとえば、ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は０．１μｍ以上、具体的には、０．２μｍ〜０．５μｍとすることが好ましい。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０２０ｃｍ−３程度とされる。ｐ型ＧａＮコンタクト層３６の表面はIII族窒化物半導体層３の表面３ａをなし、この表面３ａは鏡面となっている。この表面３ａは、発光層３４で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
【００２４】
ｐ型電極６およびｎ型電極７は、たとえば、Ｔｉ層とＡｌ層とから構成される膜である。なお、ｐ型電極６とｐ型ＧａＮコンタクト層３６との間には、III族窒化物半導体層３の表面３ａのほぼ全域に、アノードコンタクトのための透明電極が形成されていてもよい。このような透明電極は、たとえば、Ｎｉ層とＡｕ層とから構成される透明な薄い金属層、ＺｎＯ層等で構成することができる。
【００２５】
図２は、発光層３４の具体的な構成およびIII族窒化物半導体層３の深さとＩｎ組成との関係を示す図である。
発光層３４は、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を発生するものであり、好ましくは、ピーク発光波長が５００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲の光を発生する。ここでピーク発光波長とは、発光層３４から放出される光のうち、最も強度の高い光（メインピーク）の波長のことを指し、放出された光のスペクトル分布のピーク値に対応する波長である。したがって、当該スペクトル分布において、最大ピークの他にノイズレベルのピークが現れていても、ノイズレベルのピーク発光波長は、この実施形態における「ピーク発光波長」に含まれるものではない。
【００２６】
発光層３４は、本発明の主発光層の一例としての緑色発光層１６と、本発明の応力緩和層の一例としての青色発光層１７とを含む。これら二つの発光層１６，１７のうち、発光層３４から放出する光を主として発生させるのは緑色発光層１６であり、５００ｎｍ以上（具体的には５００ｎｍ〜５５０ｎｍ）のピーク発光波長を有する光を発生させる。一方、青色発光層１７は、ピーク発光波長が４１０ｎｍ〜４９０ｎｍの光を発生させるが、その強度は弱く、発光層３４から放出される光全体に対してノイズレベルである。したがって、青色発光層１７で発生した光によって、発光ダイオード１の発光特性が影響を受けることはほとんどない。
【００２７】
緑色発光層１６および青色発光層１７は、この実施形態では、緑色発光層１６がIII族窒化物半導体層３の表面３ａ（光取り出し側表面）に近い側に配置され、青色発光層１７が緑色発光層１６に対して表面３ａとは反対側（サファイア基板２に近い側）に配置されており、これらが互いに接するように積層されている。
緑色発光層１６および青色発光層１７はそれぞれ、前述のように、ＩｎＧａＮ層１４（ｇ，ｂ）とＧａＮ層１３（ｇ，ｂ）とを交互に所定周期積層した多重量子井戸構造を有している。たとえば、緑色発光層１６と青色発光層１７において、ＩｎＧａＮ層１４（ｇ，ｂ）とＧａＮ層１３（ｇ，ｂ）は、同周期ずつ積層されていてよい。この実施形態では、緑色発光層１６において、ＩｎＧａＮ層１４（ｇ）およびＧａＮ層１３（ｇ）が４周期（４ペア）積層されている。また、青色発光層１７においても、ＩｎＧａＮ層１４（ｂ）およびＧａＮ層１３（ｂ）が４周期（４ペア）積層されている。
【００２８】
また、緑色発光層１６では、ＩｎＧａＮ層１４（ｇ）がＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）で示される層であり、ＧａＮ層１３（ｇ）が、Ｉｎを全く含んでいない層である。この実施形態では、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｇ）は、III族窒化物半導体層３の積層方向において、一定のＩｎ組成比率（ｘ）を有している。たとえば、図２の右側に示すように、４つのＩｎＧａＮ層１４（ｇ）のＩｎ組成比率（ｘ）は、すべて０．２（２０％）となっている。なお、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｇ）は、III族窒化物半導体層３の積層方向においてＩｎ組成比率（ｘ）が変化する順序で積層されていてもよい。たとえば、青色発光層１７から遠いほどＩｎ組成比率（ｘ）が大きくなる順序、または小さくなる順序で積層されていてもよい。
【００２９】
一方、青色発光層１７では、ＩｎＧａＮ層１４（ｂ）がＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０６〜０．１６）で示される層であり、ＧａＮ層１３（ｂ）が、Ｉｎを全く含んでいない層である。この実施形態では、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）は、III族窒化物半導体層３の積層方向において、緑色発光層１６に近いほどＩｎ組成比率（ｙ）が大きくなる順序で積層されている。たとえば、図２の右側に示すように、４つのＩｎＧａＮ層１４（ｂ）のＩｎ組成比率（ｙ）は、緑色発光層１６に向かって順に、０．８（８％）、０．１１（１１％）、０．１４（１４％）、０．１７（１７％）と一定の割合（この実施形態では、０．３刻み）で大きくなっている。さらに、この実施形態では、互いに隣り合う緑色発光層１６のＩｎＧａＮ層１４（ｇ）と青色発光層１７のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）とのＩｎ組成比率の差（ｘ−ｙ）は、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）のＩｎ組成比率（ｙ）の一定の増加割合と同じ値になっている。すなわち、この実施形態では、Ｉｎ組成比率（ｘ−ｙ）が０．２−０．１７＝０．３となっており、この値は、前述の一定の増加割合０．３と同じ値である。これにより、発光層３４中での格子サイズの変化を、青色発光層１７と緑色発光層１６との境界でも緩やかにすることができる。
【００３０】
発光層３４の厚さに関して、緑色発光層１６および青色発光層１７を含めた発光層３４の全体の厚さ（総厚さ）は、たとえば、６０ｎｍ〜１５０ｎｍである。
各層１６，１７の厚さに関して、緑色発光層１６は、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）１４（ｇ）が３ｎｍ±１０％（つまり、２．７ｎｍ〜３．３ｎｍ）厚程度であり、ＧａＮ層（バリア層）１３（ｇ）が１４ｎｍ厚程度である。青色発光層１７は、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）１４（ｂ）が３±１０％ｎｍ厚程度であり、ＧａＮ層（バリア層）１３（ｂ）が１４ｎｍ厚程度である。なお、緑色発光層１６および青色発光層１７共に、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｇ，ｂ）およびＧａＮ層１３（ｇ，ｂ）は、互いに一定の厚さであってもよいし、III族窒化物半導体層３の積層方向において変化していてもよい。この実施形態では、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｇ，ｂ）およびＧａＮ層１３（ｇ，ｂ）の厚さは一定である。
【００３１】
図３は、III族窒化物半導体層３を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための模式図である。図４は、発光層３４の成長時間と基板温度との関係を示すタイムチャートである。
図３に示すように、処理装置の処理室２０内に、ヒータ２１を内蔵したサセプタ２２が配置されている。サセプタ２２は、回転軸２３に結合されており、この回転軸２３は、処理室２０外に配置された回転駆動機構２４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ２２に処理対象のウエハ２５を保持させることにより、処理室２０内でウエハ２５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ２５は、前述のサファイア基板２を構成するサファイア単結晶ウエハである。
【００３２】
処理室２０には、排気配管２６が接続されている。排気配管２６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室２０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧力（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室２０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室２０には、サセプタ２２に保持されたウエハ２５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給する窒素原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ４）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
【００３３】
そして、サファイア基板２上にIII族窒化物半導体層３を結晶成長させるには、たとえば、ｃ面を主面とするサファイア単結晶ウエハをウエハ２５としてサセプタ２２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、窒素原料バルブ５１を開いて、処理室２０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ２１への通電が行われ、ウエハ温度（基板温度）が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃程度）まで昇温される。これにより、ウエハ２５の表面の荒れを生じさせることなく、III族窒化物半導体が成長できるようになる。
【００３４】
次に、ウエハ温度が４００℃〜７００℃となるように設定した後、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニアおよびトリメチルガリウムが供給される。その結果、ウエハ２５の表面に、アンドープのＧａＮ層からなる低温ＧａＮバッファ層３１が成長する。
次に、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ２５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるｎ型ＧａＮコンタクト層３２が成長する。
【００３５】
次の工程は、中間バッファ層３３の形成工程である。具体的には、アルミニウム原料バルブ５３およびシリコン原料バルブ５６が閉じられ、超格子構造の成長が行われる。超格子構造の成長は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ２５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ２５へと供給することにより、アンドープのＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行う。中間バッファ層３３の形成時には、ウエハ２５の温度は、たとえば、７４０℃〜８５０℃（たとえば７８０℃程度）とされることが好ましい。
【００３６】
次の工程は、発光層３４の形成工程である。発光層３４の工程は、図４に示すように、相対的に高い温度で、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝０．０６〜０．１６）１４（ｂ）を有する青色発光層１７（応力緩和層）を形成する第１工程と、第１工程よりも相対的に低い温度で、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．１８〜０．２３）層１４（ｇ）を有する緑色発光層１６（主発光層）を形成する第２工程とを含む。さらに、第２工程に引き続いて、ＧａＮファイナルバリア層１５の形成工程が行われる。
【００３７】
具体的には、青色発光層１７の形成工程は、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ２５へと供給することによりＩｎＧａＮ層（量子井戸層）１４（ｂ）を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、窒素原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ２５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層（バリア層）１３（ｂ）を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、ＧａＮ層１３（ｂ）を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層１４（ｂ）を形成する。これを４回に渡って同じ時間ずつ繰り返し行う。青色発光層１７の形成時には、ウエハ２５の温度は、たとえば、７７０℃〜８３０℃とされることが好ましい。より好ましくは、図４の「新構造」の実線で示すように、成長時間の経過に従ってウエハ温度が小さくなるように制御されることが好ましい。たとえば、この実施形態では、８２０℃程度のウエハ温度から、７８０℃程度のウエハ温度まで段階的に小さくする。このウエハ２５の段階的な降温によって、青色発光層１７において複数のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）を、緑色発光層１６に近いほどＩｎ組成比率（ｙ）が大きくなる順序で積層することができる。
【００３８】
次に、緑色発光層１６の形成工程は、青色発光層１７の形成工程と同様に、ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）１４（ｇ）を成長させる工程と、無添加のＧａＮ層（バリア層）１３（ｇ）を成長させる工程とを交互に実行することによって行うことができる。たとえば、青色発光層１７の形成工程で最後に形成されたＩｎＧａＮ層１４（ｂ）の上に、ＧａＮ層１３（ｇ）を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層１４（ｇ）を形成する。これを４回に渡って同じ時間ずつ繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層１４（ｇ）上にＧａＮファイナルバリア層１５が形成される。緑色発光層１６およびＧａＮファイナルバリア層１５の形成時には、ウエハ２５の温度は、たとえば、７００℃〜７７０℃とされることが好ましい。より好ましくは、図４の「新構造」の実線で示すように、成長時間が経過してもウエハ温度が一定に制御されることが好ましい。たとえば、この実施形態では、７６０℃程度のウエハ温度に制御する。このウエハ２５の一定温度制御によって、緑色発光層１６において複数のＩｎＧａＮ層１４（ｇ）を、III族窒化物半導体層３の積層方向において、一定のＩｎ組成比率（ｘ）で積層することができる。
【００３９】
なお、青色発光層１７の形成工程および緑色発光層１６の形成工程の原料ガスの流量は、互いに同じであってよい。つまり、原料ガスの流量を一定に制御した状態で、ウエハ温度を上下に制御することによって、青色発光層１７と緑色発光層１６との境界を簡単に設定することができる。さらに、青色発光層１７においては、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）のＩｎ組成比率（ｙ）を簡単に変化させることもできる。
【００４０】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ２５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５が形成されることになる。このｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５の形成時には、ウエハ２５の温度は、９００℃〜１１００℃（たとえば９７０℃）とされることが好ましい。
【００４１】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層３６が形成される。すなわち、窒素原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ２５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層３６が形成されることになる。ｐ型ＧａＮコンタクト層３６の形成時には、ウエハ２５の温度は、９０００℃〜１１００℃（たとえば９５０℃）とされることが好ましい。
【００４２】
こうして、ウエハ２５上にIII族窒化物半導体層３が成長させられると、このウエハ２５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層３２を露出させるための凹部４が形成される。凹部４は、中間バッファ層３３、発光層３４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、中間バッファ層３３、発光層３４、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層３５およびｐ型ＧａＮコンタクト層３６をメサ形に整形するものであってもよい。
【００４３】
次に、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、ｐ型電極６およびｎ型電極７が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード１構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ２５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード１のパッケージが作製される。
【００４４】
以上のように、発光ダイオード１によれば、発光層３４の主発光層としての緑色発光層１６のＩｎ組成比率（ｘ）と比較的近似するＩｎ組成比率（ｙ）を有する青色発光層１７が、緑色発光層１６と共に発光層３４の一部を構成している。
これにより、サファイア基板２上に発光層３４を結晶成長させる際、まず青色発光層１７を成長させ、その後に緑色発光層１６を成長させることによって、緑色発光層１６の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、緑色発光層１６への格子欠陥の導入を低減することができる。その結果、この発光ダイオード１は、緑色発光層１６において、ピーク発光波長が５００ｎｍ以上の光を効率よく発生させることができる。この発光効率の向上により、たとえば、長波長領域（たとえば、５２５ｎｍ以上の波長領域）における輝度の低下を抑制することができる。
【００４５】
また、この実施形態では、青色発光層１７において、複数のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）が、III族窒化物半導体層３の積層方向において、緑色発光層１６に近いほどＩｎ組成比率（ｙ）が大きくなる順序で積層されている。そのため、ＩｎＧａＮ層１４（ｂ）のＩｎ組成比率（ｙ）を、緑色発光層１６のＩｎＧａＮ層１４（ｇ）のＩｎ組成比率（ｘ）に徐々に近づけることができる。これにより、青色発光層１７と緑色発光層１６との境界における格子サイズの差を小さくできるので、緑色発光層１６への格子欠陥の導入を一層低減することができる。
【００４６】
また、この実施形態では、青色発光層１７と緑色発光層１６が互いに接するように積層されていて、これらの層１６，１７の境界に、これらの層１６，１７とは異なるIII族窒化物半導体からなる層が介在されていない。つまり、青色発光層１７と緑色発光層１６が一つの積層構造に集約されているので、発光層３４の当該積層構造が形成された部分での格子サイズのばらつきを低減することができる。具体的には、当該積層構造におけるＩｎ組成比率を、青色発光層１７のＩｎ組成比率（ｙ）の下限である０．０６から、緑色発光層１６のＩｎ組成比率（ｘ）の上限である０．２３までの範囲内に分布させることができる。
【００４７】
また、この実施形態では、発光層３４の下地層として、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ（ｚ＝０．０１〜０．０５）で示されるＩｎＧａＮ層を有する中間バッファ層３３が形成されている。そのため、サファイア基板２上に発光層３４を結晶成長させる際、発光層３４の成長に先立って中間バッファ層３３を成長させることによって、発光層３４（青色発光層１７）の成長開始時の格子サイズの変化を緩やかにすることができる。そのため、青色発光層１７への格子欠陥の導入を低減することができる。
【００４８】
また、この実施形態では、発光層３４に、主発光層としての緑色発光層１６とは異なる青色発光層１７が補助的に含まれているが、発光層３４の総厚さが６０ｎｍ〜１５０ｎｍに抑えられている。つまり、発光層３４の総厚さを一般的な範囲内に収めながら、発光ダイオード１の発光効率を向上させることができる。
さらに、この実施形態によれば、サファイア基板２上に、前述のように発光効率の向上した発光層３４を有するIII族窒化物半導体層３を形成することができる。特別な基板を用いる必要がなく、安価なサファイア基板で済むので、製造コストを低減することもできる。
【００４９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、極性面であるｃ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造を有する発光ダイオードを例にとったが、非極性面であるｍ面やａ面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成してもよい。さらには、極性面や非極性面に限らず、半極性面を成長主面とするIII族窒化物半導体積層構造でダイオード構造を形成した場合にも、発光効率を向上させることができる。
【００５０】
また、前述の実施形態では、青色発光層１７の複数のＩｎＧａＮ層１４（ｂ）のＩｎ組成比率（ｙ）が、緑色発光層１６に向かって順に一定の割合で大きくなっている発光ダイオードを例にとったが、当該Ｉｎ組成比率（ｙ）は、ランダムな割合（たとえば、０．１→０．２→０．４等）で大きくなっていてもよい。
また、前述の実施形態では、発光ダイオードに本発明が適用された例について説明したが、窒化物半導体レーザ素子のような他の形態の発光素子に対しても本発明を適用することができる。
【００５１】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【実施例】
【００５２】
次に、以下の実施例を行うことによって、本発明に係る発光ダイオードのいくつかの特性を確認した。
（１）裏面輝度
本発明による長波長領域における輝度の低下抑制を実証するため、具体的な実験を行った。まず、サファイア単結晶ウエハ２５のｃ面上に、前述の実施形態に倣ってIII族窒化物半導体層３を形成したサンプル１（新構造）を作製した。なお、青色発光層１７において、ＩｎＧａＮ層１４（ｂ）およびＧａＮ層１３（ｂ）は４ペアとし、Ｉｎ組成比率（ｙ）は０．８、０．１１、０．１４、０．１７の順に増加させた。また、緑色発光層１６において、ＩｎＧａＮ層１４（ｇ）およびＧａＮ層１３（ｇ）は４ペアとし、Ｉｎ組成比率（ｘ）は０．２０で一定とした。一方、発光層３４をサンプル１の緑色発光層１６のみ（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ＝８ペア）で構成したこと以外は、サンプル１と同様の方法により、サファイア単結晶ウエハ２５のｃ面上にIII族窒化物半導体層３を形成したサンプル２（比較構造）を作製した。そして、これらサンプル１，２の裏面輝度を、裏面プローバを用いて測定した。結果を図５に示す。
【００５３】
図５によれば、発光層３４が緑色発光層１６のみからなる構成のサンプル２（比較構造）では、５１５ｎｍでの裏面輝度が比較的良好であるが、その波長から５３５ｎｍまでの裏面輝度の低下率が高く、約２．０から０．８まで輝度が低下した。これに対し、発光層３４の一部に青色発光層１７を採用した構成のサンプル１（新構造）では、緑色の光の波長域（５００ｎｍ〜５５０ｎｍ）のうち短波長領域（５１５ｎｍ〜５２５ｎｍ）での裏面輝度はサンプル２に劣るものの、裏面輝度の低下率がサンプル２に比べて低くなっている。その結果、長波長領域（５２５ｎｍ〜５４０ｎｍ）においては、サンプル２に比べて優れた裏面輝度を発現できた。特に、５４０ｎｍにおいて、サンプル２の５３５ｎｍでの輝度と同等の輝度を発現することができた。
（２）ＰＬスペクトル
次に、本発明の発光層によって５００ｎｍ以上のピーク発光波長を得ることができるかを確認するため、（１）で作製したサンプル１（新構造）について、室温でＰＬ（Photo  Luminescence）強度を測定した。ＰＬ強度は、サンプル１のＰＬ測定を行ってスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長４００ｎｍ〜６００ｎｍまでを積分した積分値を求めた。得られたＰＬ積分強度のスペクトルを、図６に示す。
【００５４】
図６によれば、最も強度の高い光が５２５ｎｍ付近（≧５００ｎｍ）に表れており、これにより、本発明の発光層において、５００ｎｍ以上の緑色の光を発生できることがわかった。なお、図６のＰＬスペクトルには、４１５ｎｍ付近、４４０ｎｍ付近および４７５ｎｍ付近にそれぞれ、メインピークに比べて低いピークが表れているが、これらのピークは青色発光層１７から発生する光に起因するものであると考えられる。これらのピークは、ノイズレベルのピークであるため、発光ダイオードの発光特性に影響を与えるものではない。
（３）ＥＬスペクトル
さらに、（２）で示した青色発光層１７に起因すると考えられるピークが、発光ダイオード１の発光特性に影響を与えないものであることを確認するため、以下の実験を行った。
【００５５】
具体的には、（１）で作製したサンプル１（新構造）にｐ型電極６およびｎ型電極７を形成し、さらに透明樹脂で封止したダイオードパッケージを作製した。
得られたダイオードパッケージについて、ＥＬ（Electro Luminescence）強度を測定した。ＥＬ強度は、注入電流が１ｍＡ、２０ｍＡおよび１２０ｍＡごとに室温でダイオードパッケージのＥＬ測定を行ってスペクトル分布を算出し、そのスペクトルの発光波長４００ｎｍ〜６００ｎｍまでを積分した積分値を求めた。得られたＥＬ積分強度のスペクトルをそれぞれ、図７〜図９に示す。
【００５６】
図７〜図９によれば、注入電流の大きさによらず、青色の光の波長域（４１０ｎｍ〜４９０ｎｍ）において、スペクトルにピークがほとんど表れなかった。つまり、青色発光層１７で発生する光が、発光ダイオード１の発光にほとんど寄与しないことがわかった。
【符号の説明】
【００５７】
１  発光ダイオード
２  サファイア基版
３  III族窒化物半導体層
１３（ｇ，ｂ）  ＧａＮ層
１４（ｇ，ｂ）  ＩｎＧａＮ層
１６  緑色発光層
１７  青色発光層
３１  ｎ型低温ＧａＮバッファ層
３２  ｎ型ＧａＮコンタクト層
３３  中間バッファ層
３４  発光層
３５  ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層
３６  ｐ型ＧａＮコンタクト層
【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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