(57)【要約】【課題】発光特性の優れた発光層を有する窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、ｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層と、中間層と、第２のｎ型窒化物半導体層とを前記基板側からこの順に含み、該中間層は、ＳｉＮからなり、該発光層はＩｎを含み、発光層におけるＩｎは、下記（１）式で算出されるＩｎの局在化の割合σの最大値が５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする。    Ｅ（Ｔ）＝Ｅｍ（０〜１０）−αＴ2／（Ｔ＋β）−σ／（ｋＢＴ）      （１）式ただし、Ｅ（Ｔ）は、任意の絶対温度における発光層のバンドギャップであり、Ｅｍ（０〜１０）は、絶対温度が０Ｋ〜１０Ｋにおける発光層のバンドギャップである。【選択図】図２
2011096893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、
前記発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、
前記ｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層と、中間層と、第２のｎ型窒化物半導体層とを前記基板側からこの順に含み、
前記中間層は、ＳｉＮからなり、
前記発光層はＩｎを含み、
前記発光層におけるＩｎは、下記（１）式で算出されるＩｎの局在化エネルギーσの最大値が５０ｍｅＶ以下である、窒化物半導体発光素子。
Ｅ（Ｔ）＝Ｅｍ（０〜１０）−αＴ2／（Ｔ＋β）−σ／（ｋＢＴ）      （１）式
ただし、（１）式中の各定数は、以下に示すとおりである。
Ｅ（Ｔ）：任意の絶対温度における発光層のバンドギャップ
Ｅｍ（０〜１０）：絶対温度が０Ｋ〜１０Ｋにおける発光層のバンドギャップ
α、β：Varshni's fitting parameters
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
ｋＢ：ボルツマン定数
【請求項２】
前記Ｉｎの局在化エネルギーσの最大値は、３０ｍｅＶ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層は、４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下に発光のピーク波長を有する、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ｎ型窒化物半導体層は、５×１０7／ｃｍ2以下の貫通転位密度である、請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
基板上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、
前記ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、
前記発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含み、
前記発光層を形成する工程は、有機金属気相成長法により４００ｍｂａｒ以下の圧力で行なわれる、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記発光層を形成する工程の後に、Ｉｎの先駆物質を供給する工程を含む、請求項５に記載の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、窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、発光層の発光特性を高めた窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体発光素子を構成する基板としてサファイアが広く用いられている。しかしながら、サファイアは、その上に窒化物半導体を形成したときにサファイアと窒化物半導体との格子不整合率が高いことにより、窒化物半導体に貫通転位が形成されるという難点がある。
【０００３】
このように窒化物半導体、とりわけｎ型窒化物半導体層に貫通転位が形成されることにより、当該ｎ型窒化物半導体層上に形成される発光層に点欠陥が含まれるようになったり、発光層を構成するＩｎが凝集してしまったりというように、発光層の結晶性が悪化するという問題がある。また、発光層に貫通転位が形成されることにより、発光層の領域でキャリアの再結合が生じ、その部分が非発光領域となることがあるという問題もある。
【０００４】
このような問題を解決するための試みとして、サファイアからなる基板上に低温バッファ層を形成した上で、当該低温バッファ層上に窒化物半導体を形成するという技術はよく知られているところである。このように低温バッファ層を形成することにより、サファイアとｎ型窒化物半導体層との格子不整合を緩和する傾向があり、もって発光層に形成される貫通転位を減らすことができる。
【０００５】
しかしながら、基板上に低温バッファ層を形成したとしても、窒化物半導体を成長する初期の段階で、１ｃｍ2あたりおおよそ１×１０8以上の貫通転位が入ることが確認されており、さらなる貫通転位の低減が要求されていた。このような要求に応えるべく、特許文献１では、窒化物半導体の各層の一部にＳｉＮからなる中間層を形成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−４３２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１のように窒化物半導体の内部にＳｉＮからなる中間層を形成することにより、発光層に貫通転位が生じにくくなる傾向にあるものの、依然として発光層の発光特性は十分ではなく、特に発光層の発光効率の向上が要求されているというのが現状である。
【０００８】
本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、発光層の下地となるｎ型窒化物半導体層の貫通転位密度を低下させることにより、発光層の発光特性を高めた窒化物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】
【０００９】
本発明の窒化物半導体発光素子は、基板と、該基板上に形成されたｎ型窒化物半導体層と、該ｎ型窒化物半導体層上に形成された発光層と、該発光層上に形成されたｐ型窒化物半導体層とを含み、ｎ型窒化物半導体層は、第１のｎ型窒化物半導体層と、中間層と、第２のｎ型窒化物半導体層とを基板側からこの順に含み、中間層は、ＳｉＮからなり、発光層はＩｎを含み、該発光層におけるＩｎは、下記（１）式で算出されるＩｎの局在化エネルギーσの最大値が５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする。上記のＩｎの局在化エネルギーσの最大値は、３０ｍｅＶ以下であることが好ましい。
【００１０】
Ｅ（Ｔ）＝Ｅｍ（０〜１０）−αＴ2／（Ｔ＋β）−σ／（ｋＢＴ）      （１）式
ただし、（１）式中の各定数は、以下に示すとおりである。
【００１１】
Ｅ（Ｔ）：任意の絶対温度における発光層のバンドギャップ
Ｅｍ（０〜１０）：絶対温度が０Ｋ〜１０Ｋにおける発光層のバンドギャップ
α、β：Varshni's fitting parameters
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
ｋＢ：ボルツマン定数
発光層は、４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下に発光のピーク波長を有することが好ましい。ｎ型窒化物半導体層の貫通転位密度は、５×１０7／ｃｍ2以下であることが好ましい。
【００１２】
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、該ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、該発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含み、該発光層を形成する工程は、有機金属気相成長法により４００ｍｂａｒ以下の圧力で行なわれることを特徴とする。発光層を形成する工程の後に、Ｉｎの先駆物質を供給する工程を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、上記の構成を有することにより、窒化物半導体発光素子の発光特性を高めるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の窒化物半導体発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の窒化物半導体発光素子の一例を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、本願の図面において、長さ、幅、厚さ等の寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。
【００１６】
＜窒化物半導体発光素子＞
以下、本実施の形態の窒化物半導体発光素子について図１を参照しつつ説明する。図１は、本発明の窒化物半導体発光素子の好ましい一例を示す模式的な断面図である。本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、図１に示されるように、基板１と、該基板１上に形成されたｎ型窒化物半導体層１０と、ｎ型窒化物半導体層１０上に形成された発光層５と、発光層５上に形成されたｐ型窒化物半導体層６とを含み、ｎ型窒化物半導体層１０は、第１のｎ型窒化物半導体層２と、中間層３と、第２のｎ型窒化物半導体層４とを基板１側からこの順に含み、該中間層３は、ＳｉＮからなることを特徴とする。そして、ｐ型窒化物半導体層６上には、ｐ側透光性電極層７が形成されている。
【００１７】
ここで、第１のｎ型窒化物半導体層２、第２のｎ型窒化物半導体層４、発光層５、ｐ型窒化物半導体層６はいずれも、窒化物半導体により構成されるものであるが、このような窒化物半導体は、代表的にはＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙは、いずれも０以上１以下）で示される半導体を意味するが、それのみに限られるものではなく、ｎ型化またはｐ型化のために任意の元素を添加したものを含まれる。
【００１８】
（基板）
本実施の形態において、基板１としては、サファイヤのような絶縁性基板、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ等のような導電性基板を用いることができる。このような基板１は、必ずしも平面状の基板のみに限られるものではなく、基板１の表面に凹凸が形成されたものを用いてもよい。
【００１９】
（ｎ型窒化物半導体層）
本実施の形態のｎ型窒化物半導体層１０は、ＳｉＮからなる中間層３を第１のｎ型窒化物半導体層２および第２のｎ型窒化物半導体層４で挟持することを特徴とする。このようにｎ型窒化物半導体層１０に中間層３が挟持されることにより、第１のｎ型窒化物半導体層２で形成された貫通転位が横方向に曲げられて中間層３で止まり、当該中間層３上に核形成過程を経て第２のｎ型窒化物半導体層４が形成されることにより、ｎ型窒化物半導体層１０の貫通転位密度を低減することができる。このようにｎ型窒化物半導体層１０の貫通転位密度を低減することにより、その直上に形成される発光層５の発光効率を高めることができる。
【００２０】
ｎ型窒化物半導体層１０の貫通転位密度としては、５×１０7／ｃｍ2以下であることが好ましく、第２のｎ型窒化物半導体層４の貫通転位密度が５×１０7／ｃｍ2以下であることがより好ましい。このような貫通転位密度を有することにより、第２のｎ型窒化物半導体層４の上に形成される発光層５の発光効率を高めることができる。ここで、ｎ型窒化物半導体層１０の貫通転位密度は、カソードルミネセンス（ＣＬ：CathodoLuminescence）測定を用いて、ダークスポットの密度を観察することにより確認することができる。
【００２１】
ここで、「ｎ型窒化物半導体層１０の貫通転位密度」とは、ｎ型窒化物半導体層１０の最上層表面付近における貫通転位密度を意味するものである。
【００２２】
なお、本発明において「ｎ型窒化物半導体層」は、ｎ型不純物がドープされた窒化物半導体のみではなく、アンドープ窒化物半導体も含まれるものとする。なぜなら窒化物半導体がアンドープである場合、一般的にはｎ型導電を示すからである。
【００２３】
（１）第１のｎ型窒化物半導体層
第１のｎ型窒化物半導体層２は、単層のみに限られるものではなく複数層を積層したものであってもよい。このような第１のｎ型窒化物半導体層２としては、たとえば低温バッファ層、ＡｌＮバッファ層、アンドープ層、ｎ型ドーピング層等を用いることができ、これらの中でもＡｌＮバッファ層、およびアンドープＧａＮ層からなることが好ましい。また、窒化物半導体に導入するｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｇｅ等を用いることができる。これらの中でも第１のｎ型窒化物半導体層２の抵抗率を低減するという観点から、第１のｎ型窒化物半導体層２が単層の場合には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮを用いることができ、これにＳｉを含んでいてもよいし、アンドープ層を含んでいてもよい。また、第１のｎ型窒化物半導体層２が複数層の場合、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよい。
【００２４】
（２）中間層
中間層３は、ＳｉＮからなることを特徴とする。このように中間層３を形成することにより、その後に形成される第２のｎ型窒化物半導体層４の貫通転位を低減することができ、もって発光層の発光特性を良好にすることができる。
【００２５】
（３）第２のｎ型窒化物半導体層
第２のｎ型窒化物半導体層４は、単層のみに限られるものではなく複数層を積層したものであってもよい。このような第２のｎ型窒化物半導体層４としては、たとえばアンドープ層、ｎ型ドーピング層、Ｉｎを含む窒化物半導体層のいずれかを含んでもよい。これらの中でも発光層５との格子整合性を高めるという観点から、第２のｎ型窒化物半導体層４は、ｎ型ＧａＮ層、およびアンドープＧａＮ層からなることが好ましい。
【００２６】
（発光層）
本発明において発光層５は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎを含む窒化物半導体からなる井戸層とを含むことが好ましい。井戸層の厚さは、井戸層が発光する波長により最適な層厚は異なるが、２〜２０ｎｍの範囲であることが好ましく、ｎ型窒化物半導体層１０の結晶品質が高まるにつれて、井戸層の層厚は厚くすることができる。このような発光層５の構造は、量子構造に限られるものではなく、単一井戸構造、多重井戸構造、多重量子井戸構造等のいずれであってもよい。
【００２７】
発光層５が複数の井戸層を含む場合、少なくとも１つの井戸層は、発光層として機能するものである。このような井戸層は、ＩｎqＧａ1-qＮ（０＜ｑ＜１）からなることが好ましい。
【００２８】
井戸層を構成するＩｎqＧａ1-qＮは、熱力学的に不安定であることからスピノーダル分解が生じてＩｎが局在化する。特に井戸層の厚みを厚く形成するほど、Ｉｎの局在化する傾向が大きくなるが、Ｉｎの局在化は、スピノーダル分解の初期過程で終焉し、スピノーダル点までＩｎが分離することはないと考えられている。
【００２９】
発光層におけるＩｎの局在化の割合はバンドギャップの温度依存性を測定し、下記式（１）のVarshniの近似の法則を用いることにより、局在化エネルギーσとして表すことができる。
【００３０】
Ｅ（Ｔ）＝Ｅｍ（０〜１０）−αＴ2／（Ｔ＋β）−σ／（ｋＢＴ）      （１）式
ただし、（１）式中の各定数は、以下に示すとおりである。
【００３１】
Ｅ（Ｔ）：任意の絶対温度における発光層のバンドギャップ
α、β：Varshni's fitting parameters
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
ｋＢ：ボルツマン定数
本発明の窒化物半導体発光素子に用いられる発光層において、（１）式で算出される局在化エネルギーσは電流密度によっても変化するが、その最大値が５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする。このように局在化エネルギーσの最大値が５０ｍｅＶ以下であることにより、発光層が発光する光の半値幅を３０ｎｍ以下とすることができ、もって発光層の発光特性を向上させることができる。
【００３２】
このような局在化エネルギーσは、３０ｍｅＶ以下であることが好ましい。このように局在化エネルギーを低減することにより、発光層の発光特性が高められるとともに、ｎ型窒化物半導体層１０に形成される貫通転移を減少させることができる。
【００３３】
ここで、式（１）中のＥｍ（０〜１０）は、絶対温度が０Ｋ〜１０Ｋにおける発光層のバンドギャップを意味するものであり、絶対温度が０Ｋ〜１０Ｋにおける発光層のバンドギャップは、クライオスタットを用いて発光層の温度を４．２Ｋにしたときの発光層のバンドギャップを測定することにより算出したものを採用する。また、Varshni's fitting parametersのαおよびβは、発光層の材料により異なった値となる。
【００３４】
発光層５は、４３０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下に発光のピーク波長を有することが好ましい。発光層５の発光のピーク波長が４３０ｎｍ未満ではＩｎ濃度が低いため、Ｉｎの偏析がそもそも生じにくく、本発明によりもたらされる効果を必ずしも必要としない。一方、発光層５の発光のピーク波長が４８０ｎｍを超えると、発光層５の結晶の質が著しく低下して実用的なものを形成しにくい傾向にある。
【００３５】
（ｐ型窒化物半導体層）
本発明において、ｐ型窒化物半導体層６は、単層または複数層のいずれであってもよく、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、またはＩｎＧａＮに対しｐ型不純物をドープしたものを用いることができる他、アンドープのものを用いてもよい。ｐ型窒化物半導体層６が複数層の場合は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮのような積層構造であってもよい。
【００３６】
このようなｐ型窒化物半導体層６の厚みは１５００ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型窒化物半導体層６の厚みが１５００ｎｍを超えると、発光層５が高い温度で長時間にわたって熱に曝されることになり、発光層５の熱劣化による非発光領域が増大するおそれがある。
【００３７】
（ｐ側透光性電極層）
本発明において、ｐ側透光性電極層７は、ｐ型窒化物半導体層６と接触し、透光性の電極としての機能を果たすものである。このようなｐ側透光性電極層７に用いられる材料としては、特に限定することなくいかなる材料をも使用することができるが、電流拡散層としての機能、透明性等の観点から酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：indium tin oxide）を用いることが好ましい。
【００３８】
（ｐ電極、ｎ電極）
本発明において、ｐ電極およびｎ電極は、外部に接続するために設けられるものである。このようなｐ電極およびｎ電極は、従来公知のものを採用することができ、たとえばＴｉ、Ａｌ、Ａｕ等を用いることができる。また、ｐ電極およびｎ電極は、単層構造に限られるものではなく、多層構造とすることもできる。
【００３９】
（窒化物半導体発光素子の製造方法）
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上にｎ型窒化物半導体層を形成する工程と、該ｎ型窒化物半導体層上に発光層を形成する工程と、該発光層上にｐ型窒化物半導体層を形成する工程とを含み、発光層を形成する工程は、有機金属気相成長法により４００ｍｂａｒ以下の圧力で行なわれることを特徴とする。以下、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法の各工程を説明する。
【００４０】
（ｎ型窒化物半導体層の形成）
まず、基板１を有機金属気相堆積（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に設置する。次に、基板１の温度をたとえば１０５０℃に調整し、窒素と水素とを含むキャリアガスを用いて、ＩＩＩ族原料ガス、Ｓｉを含むドーピングガス、およびアンモニアガスをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、基板１上に第１のｎ型窒化物半導体層２を結晶成長させる。
【００４１】
なお、第１のｎ型窒化物半導体層２を形成するために装置内に導入されるＩＩＩ族原料ガスとしては、たとえばＴＭＧ（（ＣＨ3）3Ｇａ：トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｇａ：トリエチルガリウム）、ＴＭＡ（（ＣＨ3）3Ａｌ：トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（（Ｃ2Ｈ5）3Ａｌ：トリエチルアルミニウム）、ＴＭＩ（（ＣＨ3）3Ｉｎ：トリメチルインジウム）、またはＴＥＩ（（Ｃ2Ｈ5）3Ｉｎ：トリエチルインジウム）等を利用することができる。また、Ｓｉを含むドーピングガスとしては、たとえばＳｉＨ4（シラン）ガス等を用いることができる。
【００４２】
そして、次に同一の反応炉内にシランガスとアンモニアガスとを同時に流入させることにより、第１のｎ型窒化物半導体層２上に、数ｎｍのＳｉＮからなる中間層３を形成する。次に、中間層３上に第２のｎ型窒化物半導体層４を形成する。第２のｎ型窒化物半導体層４を形成するときに導入する原料ガスは、第１のｎ型窒化物半導体層２を形成するときの原料ガスと同様のものを用いることができる。以上のようにして基板１上にｎ型窒化物半導体層１０を形成する。
【００４３】
（発光層の形成）
次に、ｎ型窒化物半導体層の形成に用いたＭＯＣＶＤ装置内でｎ型窒化物半導体層１０上にＩｎを含む井戸層と障壁層とを交互に形成することにより発光層５を形成する。ここで、発光層５を形成する工程におけるＭＯＣＶＤ装置内は、４００ｍｂａｒ以下の圧力であることが好ましい。このように従来の１０００ｍｂａｒに比して大幅に減圧した環境化で発光層５を形成することにより、Ｉｎの局在化エネルギーを低減することができ、もってｎ型窒化物半導体層１０の結晶品質を生かした発光層５の発光特性を高めることができる。このような発光層５の結晶成長は、発光層５の発光特性を高めるという観点から、２００ｍｂａｒ以下であることがより好ましい。
【００４４】
このように結晶成長時の装置内の圧力を４００ｍｂａｒ以下にしたときに、Ｉｎの局在化エネルギーを小さくすることができる詳細のメカニズムは明らかではないが、おそらく発光層を形成するときの圧力を低下させたことにより、Ｉｎのマイグレーション長が上昇したことに起因するものではないかと考えられる。
【００４５】
Ｉｎのマイグレーション長を上昇させる他の方法としては、発光層を形成した後にＩｎの先駆物質を供給する工程を含むことにより、発光層５にＩｎサーファクタント効果を生じせしめる方法を挙げることができる。このようにＩｎの先駆物質を供給することにより、発光層５上の結晶成長は中断される。Ｉｎの先駆物質としてはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＭ（トリエチルインジウム）などが考えられるが、特にこれらの材料に限定されるものではなく、Ｉｎを含むいかなる材料をも用いることができる。ただし、Ｉｎの先駆物質を供給すると同時に、アンモニアを供給することが好ましい。一方、Ｇａの先駆物質およびＡｌの先駆物質は供給しないことがより好ましい。
【００４６】
Ｉｎの先駆物質を供給するときのＩｎの供給量の目安としては、通常供給する量では発光層５の表面の結晶状態に悪影響を生じる可能性が大きいため、それよりも少ない量で供給することが好ましい。具体的には、Ｉｎの先駆物質を供給するときのＩｎの供給量と、アンモニアの供給量とのモル比率は、１：１０００００程度であることが好ましい。
【００４７】
（ｐ型窒化物半導体層の形成）
本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法では、発光層５を形成した後に発光層５上にｐ型窒化物半導体層６を形成する。ｐ型窒化物半導体層６の形成は、ＭＯＣＶＤ装置内の温度をｐ型窒化物半導体層６を結晶成長するのに適した基板１の温度にした後に、窒素および水素を含むキャリアガスと、ＩＩＩ族原料ガスと、Ｍｇを含むドーピングガスと、アンモニアガスとをＭＯＣＶＤ装置内に導入することにより、発光層５上にｐ型窒化物半導体層６を結晶成長させる。
【００４８】
ここで、ｐ型窒化物半導体層６を結晶成長するのに適した基板温度は、ｐ型窒化物半導体層６がＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる場合、９５０℃以上１３００℃以下であることが好ましく、１０００℃以上１１００℃以下であることがより好ましい。このような温度でｐ型窒化物半導体層６を結晶成長させることにより、ｐ型窒化物半導体層６の結晶性を良好にすることができる。
【００４９】
ここで、Ｍｇを含むドーピングガスとしては、たとえばＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）または（ＥｔＣｐ）2Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）等を利用することができる。なお、（ＥｔＣｐ）2Ｍｇは常温常圧下で液体なので、その条件下で固体であるＣｐ2Ｍｇに比べて、ＭＯＣＶＤ装置内への導入量を変化させたときの応答性が良好であって、その蒸気圧を一定に保ちやすい。
【００５０】
なお、ｐ型窒化物半導体層６の形成に用いられるＩＩＩ族原料ガスおよびアンモニアガスとしては、ｎ型窒化物半導体層１０および発光層５の場合と同様の種類のガスを用いることができる。
【００５１】
（ｐ側透光性電極層の形成）
次に、上記で得られたｐ型窒化物半導体層６上にスパッタ装置を用いて、ｐ側透光性電極層７を形成する。
【００５２】
（ｐ電極、ｎ電極）
次に、ｐ電極およびｎ電極を形成する。ｐ電極およびｎ電極の形成は、基板の材質によって異なり、たとえばサファイヤのような絶縁性の基板を用いる場合、ｐ側透光性電極層７から第２のｎ型窒化物半導体層４までエッチングを行なう。そして、第２のｎ型窒化物半導体層４の一部を露出させた上で、露出した第２のｎ型窒化物半導体層４上にｎ電極が設けられるとともに、ｐ側透光性電極層上にｐ電極を設ける。そして、ｐ電極およびｎ電極に対してワイヤを打つことにより、通電することができる。
【００５３】
一方、ＧａＮ等のような導電性の基板を用いる場合、絶縁性の基板を用いる場合とは異なる電極構造となるが、導電性の基板を用いる場合の一般的な構造にすることができる。また、これらの電極構造の他、フリップチップ構造などの実装方法を用いることもできる。
【００５４】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００５５】
図２は、本実施例で作製される窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。本実施例では、図２に示される構成の窒化物半導体発光素子を作製する。
【００５６】
まず、表面に凹凸が形成されたサファイア基板を基板１１として用い、かかる基板１１をスパッタ装置に設置する。そして、基板１１上に、厚みが２５ｎｍのＡｌＮバッファ層を形成する。その後、基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に移動させて、ＡｌＮバッファ層上に厚みが０．８μｍのアンドープＧａＮ層を形成する。ここで、ＡｌＮバッファ層およびアンドープＧａＮ層が第１のｎ型窒化物半導体層１２に相当する。
【００５７】
次に、同一の反応炉内にシランガスとアンモニアガスとをモル比で１：５×１０6の割合で同時に流入することにより、第１のｎ型窒化物半導体層１２上に、数ｎｍのＳｉＮからなる中間層１３を形成する。
【００５８】
その後、中間層１３上にアンドープＧａＮ層を２μｍの厚みで形成し、そのアンドープＧａＮ層上に５×１０18／ｃｍ3の濃度でＳｉをドーピングしたｎ型ＧａＮ層を３μｍの厚みで形成する。ここで、アンドープＧａＮ層およびｎ型ＧａＮ層が第２のｎ型窒化物半導体層１４に相当する。このようにして基板１１上に、第１のｎ型窒化物半導体層１２、中間層１３、および第２のｎ型窒化物半導体層１４からなるｎ型窒化物半導体層をこの順に形成する。
【００５９】
次に、第２のｎ型窒化物半導体層１４上に、任意の圧力で５ｎｍの厚みのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎからなる井戸層と、１０ｎｍの厚みのＧａＮからなる障壁層とを交互に各２層ずつ合計４層を積層することにより発光層１５を形成する。ここで、ＩｎＮは蒸気圧が非常に高いため井戸層に取り込まれにくく、井戸層の表面に吸着されやすい。そして、井戸層の表面に吸着したＩｎは表面エネルギーを下げ、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ層の表面マイグレーションを促進する。表面マイグレーションが上昇することにより、発光層１５の発光特性を向上させる傾向がある。
【００６０】
その後、発光層１５上にｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層およびｐ型ＧａＮ層をこの順に形成する。ここで、ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層およびｐ型ＧａＮ層がｐ型窒化物半導体層１６に相当する。次に、反応炉の温度を下げて、基板をＭＯＣＶＤ装置内から取り出してスパッタ装置に設置する。そして、かかるスパッタ装置内で、ｐ型窒化物半導体層１６上にＩＴＯからなるｐ側透光性電極層１７を形成する。
【００６１】
次に、ｐ側透光性電極層１７からフォトリソグラフィ技術を用いて所望の範囲を保護してから、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）を用いて、ｐ側透光性電極層１７から第２のｎ型窒化物半導体層のｎ型ＧａＮ層までをエッチングすることにより、第２のｎ型窒化物半導体層１４を露出させる。
【００６２】
そして、上記の露出した第２のｎ型窒化物半導体層１４上に、Ａｕ／Ｔｉ／Ａｌからなるｎ側パット電極１９を形成するとともに、ｐ側透光性電極層１７上にＡｕ／Ｔｉ／Ａｌからなるｐ側パット電極１８を形成する。以上の工程により、本実施例の窒化物半導体発光素子を作製することができる。
【００６３】
このようにして作製した本実施例の窒化物半導体発光素子のｎ型窒化物半導体層に対し、カソードルミネセンス（ＣＬ：CathodoLuminescence）測定を用いて、ダークスポットの密度を観察すると、ｎ型窒化物半導体層の貫通転位密度はおおよそ３×１０7／ｃｍ2である。
【００６４】
そして、本実施例の窒化物半導体発光素子の発光層をクライオスタットを用いて低温にし、温度を変更しながらＰＬ（PhotoLuminescence）波長を測定するこのときのＰＬ波長がエネルギーに対応し、各温度におけるエネルギーをプロットし、Varshniの近似の法則の式を用いてフィッティングさせることにより、Ｉｎの局在化エネルギーを算出すると、発光層のＩｎの局在化エネルギーは、５０ｍｅＶ以下である。このようにＩｎの局在化エネルギーが小さいことから、本実施例の発光層の発光特性は良好なものである。なお、Varshni's fitting parameterのαおよびβの値は、各温度におけるＰＬ波長の結果を曲線回帰することにより算出される。
【実施例２】
【００６５】
実施例１の窒化物半導体発光素子に対して、発光層１５を結晶成長させるときの装置内の圧力が異なる以外は実施例１と同様の方法により窒化物半導体発光素子を作製する。具体的には、実施例１では４００ｍｂａｒの圧力で発光層を結晶成長させるが、本実施例では２００ｍｂａｒの圧力で発光層を結晶成長させることを特徴とする。
【００６６】
このようにして作製した本実施例の窒化物半導体発光素子のｎ型窒化物半導体層に対し、カソードルミネセンス（ＣＬ：CathodoLuminescence）測定を用いて、ダークスポットの密度を観察すると、ｎ型窒化物半導体層の貫通転位密度はおおよそ３×１０7／ｃｍ2である。
【００６７】
そして、本実施例の窒化物半導体発光素子の発光層に対し、Ｉｎの局在化エネルギーを算出すると、発光層のＩｎの局在化エネルギーは、５０ｍｅＶ以下である。このようにＩｎの局在化エネルギーが小さいことから、本実施例の発光層の発光特性は良好なものである。
【実施例３】
【００６８】
実施例１の窒化物半導体発光素子に対して、井戸層を形成した後にＩｎの先駆物質を供給することを除いては実施例１と同様の方法により窒化物半導体発光素子を作製する。具体的には、実施例１では井戸層と障壁層とを連続して成長させることにより発光層を結晶成長していたが、本実施例では、井戸層を形成した後に、ＴＭＩとＮＨ3だけを供給するという成長中断時間を設けて発光層を結晶成長することを特徴とする。
【００６９】
このようにして作製した本実施例の窒化物半導体発光素子のｎ型窒化物半導体層に対し、カソードルミネセンス（ＣＬ：CathodoLuminescence）測定を用いて、ダークスポットの密度を観察すると、ｎ型窒化物半導体層の貫通転位密度はおおよそ３×１０7／ｃｍ2である。
【００７０】
そして、本実施例の窒化物半導体発光素子の発光層に対し、Ｉｎの局在化エネルギーを算出すると、発光層のＩｎの局在化エネルギーは、３０ｍｅＶ以下である。このようにＩｎの局在化エネルギーが小さいことから、本実施例の発光層の発光特性は良好なものである。
【００７１】
本発明において上記で好適な実施形態を説明した窒化物半導体発光素子は、上記に限定されるものではなく、上記以外の構成とすることもできる。
【００７２】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００７３】
今回開示された実施の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】
【００７４】
１，１１  基板、２，１２  第１のｎ型窒化物半導体層、３，１３  中間層、４，１４  第２のｎ型窒化物半導体層、５，１５  発光層、６，１６  ｐ型窒化物半導体層、７，１７  ｐ側透光性電極層、１０  ｎ型窒化物半導体層、１８  ｐ側パット電極、１９  ｎ側パット電極。
【図１】
2011096893.tif 000003
【図２】
2011096893.tif 000004