(57)【要約】【課題】大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子を製造できる半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】基板１１上に、第１ｎ型半導体層１２ａと第２ｎ型半導体層１２ｂと発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する工程を具備し、第２ｎ型半導体層１２ｂを形成する工程において、基板１１の温度を、前記発光層１３を形成する際の前記基板１１の温度未満の低温にして、前記第２ｎ型半導体層１２ｂに前記第１ｎ型半導体層１２ａを超える高濃度でＳｉをドープする半導体発光素子１の製造方法とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する工程を具備し、
前記第２ｎ型半導体層を形成する工程において、前記基板の温度を、前記発光層を形成する際の前記基板の温度未満の低温にして、前記第２ｎ型半導体層に前記第１ｎ型半導体層を超える高濃度でＳｉをドープすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２ｎ型半導体層を形成する工程において、基板温度を７００℃〜７５０℃にすることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２ｎ型半導体層を形成する工程においてドープされるＳｉの濃度が１×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１ｎ型半導体層を形成する工程の前に、スパッタ法を用いて前記基板上にバッファ層を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２ｎ型半導体層を形成する工程が、組成の異なる２種類の薄膜層を交互に繰り返し成長させてなる超格子構造の前記第２ｎ型半導体層を形成する工程であり、
前記超格子構造の最も前記発光層側に配置された前記薄膜層からなる発光層下地層の層厚を、前記超格子構造の前記発光層下地層以外の前記薄膜層の最大層厚の２倍以上とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
前記発光層下地層の層厚を２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲とすることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板上に、第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する工程が、
第１有機金属化学気相成長装置において、基板上に、前記第１ｎ型半導体層を積層する第１工程と、
第２有機金属化学気相成長装置において、前記第１ｎ型半導体層上に、ｎ型半導体からなる再成長層と、第２ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを順次積層する第２工程とを具備することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造されてなる半導体発光素子であって、
基板上に、少なくとも第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層されており、前記第２ｎ型半導体層に前記第１ｎ型半導体層を超える高濃度でＳｉがドープされていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
【請求項１０】
請求項９に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置に関し、特に、大電流が印加される場合に好適に用いられ、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子の製造方法およびこの製造方法を用いて製造された半導体発光素子、ランプ、電子機器、機械装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発光ダイオードなどに用いられる半導体発光素子として、基板上に、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層してなるものがある。このような半導体発光素子を製造する方法として、サファイア単結晶などからなる基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法）によってｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを連続して順次積層する方法がある。
【０００３】
また、最近、半導体発光素子の発光出力を向上させるために、半導体発光素子に大電流が印加される場合が多くなってきている。
例えば、特許文献１には、第１電極は、第１台座部と、第１台座部を基点として同方向に延びる２以上の第１延伸部とを備え、第２電極は、第２台座部と、第２台座部から第１台座部に近づくように第１延伸部と略同方向に延びる第２延伸部とを備えた半導体発光素子が記載され、高電流密度の状態で高い発光効率であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０１６８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の半導体発光素子の発光出力は、印加する電流を大きくすると高くなるが、印加する電流を大きくすることによる発光出力を向上させる効果は、印加する電流を大きくするのに伴って小さくなる。したがって、半導体発光素子に大電流を印加する場合、印加する電流を大きくすることによる発光出力の向上効果は不十分であった。このため、半導体発光素子として、大電流を印加することによって効果的に発光出力を向上させることができ、大電流が印加される場合に好適に用いられるものが要求されていた。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子を製造できる半導体発光素子の製造方法、およびこの製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えるランプ、電子機器、機械装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討した結果、本発明を完成した。即ち、本発明は以下に関する。
（１）  基板上に、第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する工程を具備し、前記第２ｎ型半導体層を形成する工程において、前記基板の温度を、前記発光層を形成する際の前記基板の温度未満の低温にして、前記第２ｎ型半導体層に前記第１ｎ型半導体層を超える高濃度でＳｉをドープすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【０００８】
（２）  前記第２ｎ型半導体層を形成する工程において、基板温度を７００℃〜７５０℃にすることを特徴とする（１）に記載の半導体発光素子の製造方法。
（３）  前記第２ｎ型半導体層を形成する工程においてドープされるＳｉの濃度が１×１０１8〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲であることを特徴とする（１）または（２）に記載の半導体発光素子の製造方法。
（４）  前記第１ｎ型半導体層を形成する工程の前に、スパッタ法を用いて前記基板上にバッファ層を形成する工程を備えることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
（５）  前記第２ｎ型半導体層を形成する工程が、組成の異なる２種類の薄膜層を交互に繰り返し成長させてなる超格子構造の前記第２ｎ型半導体層を形成する工程であり、前記超格子構造の最も前記発光層側に配置された前記薄膜層からなる発光層下地層の層厚を、前記超格子構造の前記発光層下地層以外の前記薄膜層の最大層厚の２倍以上とすることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
（６）  前記発光層下地層の層厚を２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲とすることを特徴とする（５）に記載の半導体発光素子の製造方法。
【０００９】
（７）  基板上に、第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する工程が、第１有機金属化学気相成長装置において、基板上に、前記第１ｎ型半導体層を積層する第１工程と、第２有機金属化学気相成長装置において、前記第１ｎ型半導体層上に、再成長層と、第２ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを順次積層する第２工程とを具備することを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
（８）  （１）〜（７）のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造されてなる半導体発光素子であって、基板上に、少なくとも第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とが積層されており、前記第２ｎ型半導体層に前記第１ｎ型半導体層を超える高濃度でＳｉがドープされていることを特徴とする半導体発光素子。
（９）  （８）に記載の半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
（１０）  （９）に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
（１１）  （１０）に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光素子の製造方法では、第２ｎ型半導体層を形成する工程において、前記基板の温度を、前記発光層を形成する際の前記基板の温度未満の低温にして、前記第２ｎ型半導体層に前記第１ｎ型半導体層を超える高濃度でＳｉをドープするので、第２ｎ型半導体層のｎ型ドープ濃度を高濃度とすることができるとともに、第１ｎ型半導体層上に結晶性の良好な第２ｎ型半導体層を形成でき、第２ｎ型半導体層上に強い発光強度が得られる発光層を形成できる。その結果、本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、例えば２０ｍＡを越える大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された本発明の半導体発光素子の一例を示した断面模式図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体発光素子を製造する工程を説明するための断面模式図である。
【図３】図３は、図１に示した半導体発光素子を備えるランプの一例を示した断面模式図である。
【図４】図４は、本実施形態の半導体発光素子の製造方法において、ｎクラッド層を形成する際の基板温度と、発光層を形成する際の基板温度との関係を説明するためのグラフである。
【図５】図５は、印加電流と電力効率との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、半導体発光素子の製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において参照する図面は、本発明を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体発光素子やランプ等の寸法関係とは異なっている。
【００１３】
『半導体発光素子』
図１は、本発明の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された本発明の半導体発光素子の一例を示した断面模式図である。
図１に示す本実施形態の半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された積層半導体層２０と、積層半導体層２０上に形成されたｐ型電極１８と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１７とを具備している。
【００１４】
積層半導体層２０は、基板１１側から、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４がこの順に積層されて構成されている。また、積層半導体層２０は、バッファ層２１や下地層２２を含めてもよい。図１に示すように、ｐ型半導体層１４、発光層１３、ｎ型半導体層１２は、その一部がエッチング等の手段によって除去されており、除去された部分からｎ型半導体層１２の一部が露出され、積層半導体層２０の露出面２０ａとされている。積層半導体層２０の露出面２０ａ上にはｎ型電極１７が形成されている。
また、ｐ型半導体層１４の上面には、透光性電極１５が積層され、透光性電極１５上にはｐ型ボンディングパッド電極１６が積層されている。そして、透光性電極１５とｐ型ボンディングパッド電極１６とによって、ｐ型電極１８が構成されている。
【００１５】
ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いることが好ましく、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることがより好ましい。本発明におけるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００１６】
本実施形態の半導体発光素子１は、ｐ型電極１８とｎ型電極１７との間に電流を通じることで、積層半導体層２０を構成する発光層１３から発光を発せられるようになっており、発光層１３からの光を、ｐ型ボンディングパッド電極１６の形成された側から取り出すフェイスアップマウント型の発光素子であるが、基板１１側から取り出すフリップチップ型の発光素子でもよい。
【００１７】
（基板）
基板１１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、ハフニウム、タングステン、モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
【００１８】
なお、上記基板の内、高温でアンモニアに接触することで化学的な変性を引き起こすことが知られている酸化物基板や金属基板等を用い、アンモニアを使用せずに後述するバッファ層２１を成膜するとともに、アンモニアを使用する方法で後述する下地層２２を成膜した場合には、バッファ層２１がコート層として作用するので、基板１１の化学的な変質を防ぐ点で効果的である。
【００１９】
（バッファ層）
バッファ層２１は、設けられていなくてもよいが、基板１１と下地層２２との格子定数の違いを緩和して、基板１１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にし、ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４の結晶性を向上させるために、設けられていることが好ましい。バッファ層２１の上に単結晶の下地層２２を積層すると、より一層結晶性の良いｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を積層できる。
【００２０】
バッファ層２１は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものがより好ましい。なお、明細書中各元素の組成比を省略してＡｌＧａＮ、ＧａＮなどと記述する場合がある。
バッファ層２１は、厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層２１により基板１１と下地層２２との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層２１の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層２１としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層２１の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。
【００２１】
バッファ層２１は、多結晶構造又は単結晶構造を有するものとすることができる。このような多結晶構造又は単結晶構造を有するバッファ層２１を基板１１上にＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法にて成膜した場合、バッファ層２１のバッファ機能が有効に作用するため、その上に成膜されたＩＩＩ族窒化物半導体は良好な配向性及び結晶性を有する結晶膜となる。
【００２２】
（下地層）
下地層２２としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため好ましい。
下地層２２の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。下地層２２の膜厚を上記膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。また、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下であることが好ましい。
下地層２２の結晶性を良くするためには、下地層２２には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合には、下地層２２にアクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することが出来る。
【００２３】
「積層半導体層」
（ｎ型半導体層）
ｎ型半導体層１２は、ｎコンタクト層１２ａ（第１ｎ型半導体層）と、ｎクラッド層１２ｂ（第２ｎ型半導体層）とから構成されている。
【００２４】
ｎコンタクト層１２ａは、ｎ型電極１７を設けるための層である。
ｎコンタクト層１２ａは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましく、ｎ型不純物（ドーパント）としてＳｉがドープされている。Ｓｉがｎコンタクト層１２ａに１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有されている場合、ｎ型電極１７との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎコンタクト層１２ａに用いられるｎ型不純物としては、Ｓｉが最も好ましいが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等であってもよく、特に限定されない。
ｎコンタクト層１２ａの膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがさらに好ましい。また、ｎコンタクト層１２ａの膜厚は１０μｍ以下であることが望ましい。ｎコンタクト層１２ａの膜厚を０．１μｍ以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。
また、ｎコンタクト層１２ａには不純物をドーピングした方が望ましく、例えばｎ型の導電性が必要な場合には、Ｓｉ等のドナー不純物を添加することができる。
【００２５】
ｎクラッド層１２ｂは、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に設けられている。ｎクラッド層１２ｂは、発光層１３へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層であり、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との結晶格子の不整合を緩和する発光層１３のバッファ層としても機能する。ｎクラッド層１２ｂは、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。ｎクラッド層１２ｂをＧａＩｎＮで形成する場合には、発光層１３のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００２６】
ｎクラッド層１２ｂには、ｎ型不純物（ドーパント）としてＳｉがドープされている。ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度は、ｎコンタクト層１２ａを超える高濃度とされ、ｎコンタクト層１２ａの１．２倍〜１．５倍の範囲であることが好ましい。具体的には、ｎクラッド層１２ｂのＳｉドープ濃度は１×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１８〜２×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度が１×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲である場合、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００２７】
本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂは、単層であってもよいが、組成の異なる２種類の薄膜層を交互に繰り返し成長させてなる超格子構造とすることが好ましい。
ｎクラッド層１２ｂが単層からなるものである場合、ｎクラッド層１２ｂの膜厚は、５〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５〜１００ｎｍである。
【００２８】
ｎクラッド層１２ｂが超格子構造である場合、薄膜層の積層数は１０ペア（２０層）〜４０ペア（８０層）であることが好ましい。薄膜層の積層数が１０ペア以上であると、ｎクラッド層１２ｂと発光層１３との結晶格子の不整合をより効果的に緩和することができ、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。しかし、薄膜層の積層数が４０ペアを超えると、超格子構造が乱れやすくなる場合もあり、発光層１３に悪影響を来たす恐れが生じる。さらに、ｎクラッド層１２ｂの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。
【００２９】
ｎクラッド層１２ｂを構成する超格子構造は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第１層と、該ｎ側第１層と組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第２層とが積層されたものであることが好ましく、ｎ側第１層とｎ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含むものであることがより好ましい。
【００３０】
ｎクラッド層１２ｂの超格子構造を構成するｎ側第１層及びｎ側第２層（ｎ側第１層／ｎ側第２層）は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、ＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造、組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造（本発明における“組成の異なる”との説明は、各元素組成比が異なることを指す）、組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造などとすることができ、ｎ側第１層および／またはｎ側第２層がＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであることが好ましく、具体的には、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＧａＩｎＮ／ＧａＩｎＮの交互構造であることが好ましい。また、超格子構造を構成するｎ側第１層及びｎ側第２層は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであって、ドープ構造／未ドープ構造を組み合わせたものであってもよい。
【００３１】
上記ｎ側第１層及びｎ側第２層は、それぞれドープした構造であってもよく、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであってもよい。ドープされるｎ型不純物（ドーパント）としては、Ｓｉが用いられる。
【００３２】
ｎクラッド層１２ｂを構成するｎ側第１層および／またはｎ側第２層が、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなる超格子構造である場合、そのＩｎ組成比は、発光層のＩｎ組成比よりも小さくすることが好ましい。ｎクラッド層１２ｂを構成するＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体をＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）とした場合、ｚの値は０．０１〜０．１の範囲であることが好ましく、０．０１〜０．０５の範囲であることがより好ましい。ｚの値が０．１を超えると、半導体発光素子１の逆方向電流が大きくなるため、好ましくない。
【００３３】
ｎ側第１層及びｎ側第２層の厚みは、それぞれ１００オングストローム以下であることが好ましく、６０オングストローム以下であることがより好ましく、４０オングストローム以下であることがさらに好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子構造を形成するｎ側第１層および／またはｎ側第２層の膜厚が１００オングストローム超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。
【００３４】
また、超格子構造の最も発光層１３側に配置されたｎ側第１層またはｎ側第２層からなる発光層下地層の層厚は、超格子構造の発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層の最大層厚の２倍以上であることが好ましく、２倍〜２０倍の範囲であることがより好ましい。具体的には、発光層下地層の層厚は、２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００３５】
（発光層）
発光層１３は、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとが交互に繰り返し積層された多重量子井戸構造からなるものであることが好ましい。多重量子井戸構造における積層数は３層から１０層であることが好ましく、４層から７層であることがさらに好ましい。また、発光層１３を構成する井戸層および／または障壁層はＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであることが好ましい。
【００３６】
井戸層１３ｂの厚みは、１５オングストローム以上５０オングストローム以下の範囲であることが好ましい。井戸層１３ｂの厚みが上記範囲であると、より高い発光出力が得られる。
井戸層１３ｂは、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体であることが好ましい。Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体は、青色の波長領域の強い光を発光するものであるため、好ましい。また、井戸層１３ｂには、不純物をドープすることができる。ドーパントとしては、発光強度を増進するものであるＳｉ、Ｇｅを用いることが好ましい。ドープ量は１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３程度が好適である。ドープ量が上記範囲である場合、より発光強度の強いものとなる。
【００３７】
障壁層１３ａの膜厚は、２０オングストローム以上１００オングストローム未満の範囲であることが好ましい。障壁層１３ａの膜厚が薄すぎると、障壁層１３ａ上面の平坦化を阻害し、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、障壁層１３ａの膜厚が厚すぎると、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こす。このため、障壁層１３ａの膜厚は７０オングストローム以下であることがより好ましい。
また、障壁層１３ａは、ＧａＮやＡｌＧａＮのほか、井戸層１３ｂを構成するＩｎＧａＮよりもＩｎ比率の小さいＩｎＧａＮで形成してもよい。中でも、ＧａＮが好適である。
【００３８】
発光層１３を構成する井戸層１３ａおよび／または障壁層１３ｂが、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）からなる場合、ｚの値は０．０３〜０．３の範囲であることが好ましく、０．０５〜０．２の範囲であることがより好ましい。
【００３９】
なお、ｎクラッド層１２ｂが、ｎ側第１層とｎ側第２層とが交互に繰返し積層された超格子構造のものであり、ｎ側第１層および／またはｎ側第２層がＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであって、発光層１３が、障壁層１３ａと井戸層１３ｂが交互に繰返し積層された多重井戸構造のものであり、井戸層１３ａおよび／または障壁層１３ｂがＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものである場合、ｎクラッド層１２ｂを構成する窒化ガリウム系化合物半導体に含まれるＩｎの含有量は、発光層１３を構成する窒化ガリウム系化合物半導体に含まれるＩｎの含有量よりも少ないことが好ましい。
【００４０】
（ｐ型半導体層）
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層１４ａおよびｐコンタクト層１４ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐクラッド層１４ａを兼ねることも可能である。
【００４１】
ｐクラッド層１４ａは、発光層１３へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１４ａとしては、発光層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．４）からなるものであることが好ましい。ｐクラッド層１４ａが、このようなＡｌＧａＮからなるものである場合、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
【００４２】
ｐクラッド層１４ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１４ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。また、ｐクラッド層１４ａは、薄膜を複数回積層してなる超格子構造であってもよい。
【００４３】
ｐクラッド層１４ａが超格子構造を含むものである場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第１層と、該ｐ側第１層と組成が異なるＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第２層とが積層されたものとすることができる。ｐクラッド層１４ａが超格子構造を含むものである場合、ｐ側第１層とｐ側第２層とが交互に繰返し積層された構造を含んだものであっても良い。
【００４４】
ｐクラッド層１４ａの超格子構造を構成するｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれ異なる組成、例えば、ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮ又はＧａＮのうちの何れの組成であっても良く、ＧａＩｎＮ／ＧａＮの交互構造、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造、又はＧａＩｎＮ／ＡｌＧａＮの交互構造であっても良い。本発明においては、ｐ側第１層及びｐ側第２層は、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ又はＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造であることが好ましい。
【００４５】
ｐ側第１層及びｐ側第２層の厚みは、それぞれ２００オングストローム以下であることが好ましく、１００オングストローム以下であることがより好ましく、４０オングストローム以下であることがさらに好ましく、それぞれ１０オングストローム〜４０オングストロームの範囲であることが最も好ましい。超格子層を形成するｐ側第１層とｐ側第２層の膜厚が２００オングストローム超であると、結晶欠陥が入りやすくなるため好ましくない。
【００４６】
ｐ側第１層及びｐ側第２層は、それぞれドープした構造であっても良く、また、ドープ構造／未ドープ構造の組み合わせであっても良い。ドープされる不純物としては、上記材料組成に対して従来公知のものを、何ら制限無く適用できる。例えば、ｐクラッド層として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの交互構造又は組成の異なるＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮの交互構造を有する超格子構造を用いた場合には、不純物としてＭｇが好適である。また、超格子構造を構成するｐ側第１層及びｐ側第２層は、ＧａＩｎＮやＡｌＧａＮ、ＧａＮで代表される組成が同じであって、ドープ構造／未ドープ構造を組み合わせたものであってもよい。
【００４７】
ｐコンタクト層１４ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１４ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３の濃度、より好ましくは１×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有している場合、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えばＭｇを用いることが好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５０〜２００ｎｍである。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００４８】
（ｎ型電極）
ｎ型電極１７は、ボンディングパットを兼ねており、積層半導体層２０のｎ型半導体層１２に接するように形成されている。このため、ｎ型電極１７を形成する際には、少なくともｐ半導体層１４および発光層１３の一部を除去してｎ型半導体層１２を露出させ、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ上にボンディングパッドを兼ねるｎ型電極１７を形成する。ｎ型電極１７としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
【００４９】
（透光性電極）
透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の上に積層されるものであり、ｐ型半導体層１４との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、発光層１３からの光を効率良く半導体発光素子１の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
【００５０】
透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｅのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が挙げられる。例えば、導電性の酸化物としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＡＺＯ（酸化アルミニウム亜鉛（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３））、ＧＺＯ（酸化ガリウム亜鉛（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３））、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等があげられる。
【００５１】
また、透光性電極１５の構造は、従来公知の構造を含めて如何なる構造であってもよい。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４のほぼ全面を覆うように形成してもよいし、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
【００５２】
（ｐ型ボンディングパッド電極）
ｐ型ボンディングパッド電極１６はボンディングパットを兼ねており、透光性電極１５の上に積層されている。ｐ型ボンディングパッド電極１６としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
ｐ型ボンディングパッド電極１６は、透光性電極１５上であれば、どこへでも形成することができる。例えばｎ型電極１７から最も遠い位置に形成してもよいし、半導体発光素子１の中心などに形成してもよい。しかし、あまりにもｎ型電極１７に近接した位置に形成すると、ボンディングした際にワイヤ間、ボール間のショートを生じてしまうため好ましくない。
【００５３】
また、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいが、発光の取り出しの妨げになる。例えば、チップ面の面積の半分を超える広い面積を覆った場合、発光の取り出しの妨げとなり、出力が著しく低下する。逆に、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積が小さすぎると、ボンディング作業がしにくくなり、製品の収率を低下させる。具体的には、ボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径１００μｍの円形程度であることが一般的である。
【００５４】
（保護膜層）
保護膜層は、必要に応じて透光性電極１５の上面及び側面と、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ、発光層１３およびｐ型半導体層１４の側面、ｎ型電極１７およびｐ型ボンディングパッド電極１６の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子１の劣化を抑制できる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において８０％以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。このうちＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３は、ＣＶＤ成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
【００５５】
『半導体発光素子の製造方法』
図１に示す半導体発光素子１を製造するには、まず、図２に示す積層半導体層２０を製造する。図２に示す積層半導体層２０を製造するには、はじめに、サファイア基板等の基板１１を用意し、スパッタ法によって、基板１１上に、バッファ層２１を積層する。
本実施形態においては、バッファ層２１を、スパッタ法を用いて形成しているので、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法などスパッタ法以外の方法によって形成した場合と比較して、結晶性の良好なバッファ層２１が得られる。バッファ層２１の結晶性が良好であると、バッファ層２１上に設けられる各層の結晶性が良好なものとなるため、好ましい。特に、本実施形態では、後述するように、ｎクラッド層１２ｂにｎコンタクト層１２ａを超える高濃度でＳｉをドープする。Ｓｉをｎクラッド層１２ｂに高濃度でドープすると、ｎクラッド層１２ｂの結晶性が低下するので、スパッタ法を用いて結晶性の良好なバッファ層２１を形成することにより、Ｓｉを高濃度でドープすることによって結晶性が低下しても、十分に良好な結晶性を有するｎクラッド層１２ｂが得られるようにすることが好ましい。
【００５６】
なお、バッファ層２１は、結晶性の良好なバッファ層２１を得るために、スパッタ法によって形成することが好ましいが、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法などスパッタ法以外の方法によって形成してもよい。バッファ層２１をＭＯＣＶＤ法によって形成する場合、バッファ層２１上に設けられる各層と同じ装置を用いてバッファ層２１を形成することができ、製造途中の積層半導体層２０を移動させる必要がなく、積層半導体層２０を容易に効率よく形成できる。
【００５７】
次に、バッファ層２１の設けられた基板１１をＭＯＣＶＤ装置の成長室内に設置し、ＭＯＣＶＤ法によって、バッファ層２１上に、下地層２２とｎコンタクト層１２ａ（第１ｎ型半導体層）とｎクラッド層１２ｂ（第２ｎ型半導体層）と発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する。
【００５８】
ｎコンタクト層１２ａを成長させる際には、水素雰囲気で、基板１１の温度を１０００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。ｎコンタクト層１２ａを成長させるときの基板１１の温度を上記範囲とすることで、ｎコンタクト層１２ａ上に形成されるｎクラッド層１２ｂや発光層１３の結晶性をより一層良好なものとすることができる。これに対し、ｎコンタクト層１２ａを成長させるときの基板１１の温度が１０００℃未満である場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがある。また、ｎコンタクト層１２ａを成長させるときの基板１１の温度が１２００℃を超える場合、半導体発光素子１の出力が不十分となる恐れがある。
【００５９】
なお、本発明においては、第１ｎ型半導体層と第２ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層する工程が、第１有機金属化学気相成長装置において、下地層２２までの各層の形成された基板１１上に、ｎコンタクト層１２ａを構成する第１ｎ型半導体層を積層する第１工程と、第２有機金属化学気相成長装置において、前記第１ｎ型半導体層上に、ｎコンタクト層１２ａを構成する第１ｎ型半導体層の再成長層と、第２ｎ型半導体層と、発光層と、ｐ型半導体層とを順次積層する第２工程とを具備していてもよい。
このような製造方法とした場合、生産性の点で好ましい。より詳細には、基板１１上に形成される下地層２２とｎコンタクト層１２ａとの合計膜厚は、ｎクラッド層１２ｂからｐ型半導体層１４までの合計膜厚よりも厚く設定される場合が多いが、この場合、第１有機金属化学気相成長装置と、第２有機金属化学気相成長装置とを併用することで、半導体発光素子１の生産性を向上させることができる。
【００６０】
ここで、ｎコンタクト層１２ａを構成する第１ｎ型半導体層を形成する際の成膜温度は、１０００℃以上の高温にすることが好ましい。第１ｎ型半導体層を形成する際の成膜温度を１０００℃以上にした場合、ピットが出ないため、結晶性の高い再成長層を得ることができる。
また、第２有機金属化学気相成長装置において形成される再成長層は、第１有機金属化学気相成長装置において形成される第１ｎ型半導体層と同一の材料からなるものが好ましい。また、再成長層は、第１有機金属化学気相成長装置において形成される第１ｎ型半導体層の厚みよりも薄いことが好ましく、０．２μｍ〜１μｍであることが好ましい。再成長層１２ｄの膜厚が０．２μｍ未満であると平坦化の効果が十分に得られない場合がある。また、再成長層の膜厚が１μｍを超えると、再成長層の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する問題がある。
【００６１】
ｎコンタクト層１２ａを成長させる原料としては、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ｎ型不純物（ドーパント）原料としては、Ｓｉ原料であるモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などが用いられる。
【００６２】
このようにしてｎコンタクト層１２ａを成長させた後、ｎコンタクト層１２ａ上に、ｎクラッド層１２ｂを積層する。
ｎクラッド層１２ｂを成長させる際には、基板１１の温度を、発光層１３を形成する際の基板１１の温度未満の低温にして、ｎクラッド層１２ｂにｎコンタクト層１２ａを超える高濃度でＳｉをドープする。
【００６３】
ｎクラッド層１２ｂを成長させる原料としては、ｎコンタクト層１２ａと同様に、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）などが用いられる。また、ｎ型不純物（ドーパント）原料としては、Ｓｉ原料であるモノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などが用いられる。
ｎクラッド層１２ｂを成長させる際に用いるキャリアガスは窒素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
【００６４】
ｎクラッド層１２ｂを成長させる際にＭＯＣＶＤ装置内に供給するＳｉ原料の流量は、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度がｎコンタクト層１２ａを超える高濃度となるように適宜調節される。Ｓｉ原料の流量は、ｎクラッド層１２ｂ中のＳｉ濃度が１×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ３の範囲となるように調整されることが好ましい。ｎクラッド層１２ｂの固相中のＳｉ濃度が上記範囲内である場合、ｎクラッド層１２ｂの良好な結晶性を確保しつつ、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度を、容易にｎコンタクト層１２ａを超える高濃度にすることができる。ｎクラッド層１２ｂの固相中のＳｉ濃度が上記範囲未満である場合、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度が低く、発光層にキャリアを十分に注入することができない場合がある。また、ｎクラッド層１２ｂの固相中のＳｉ濃度が上記範囲を超える場合、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度が高くなりすぎて、結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂが得られない場合がある。
【００６５】
また、ｎクラッド層１２ｂを形成する工程においてドープされるＳｉの濃度は、ｎコンタクト層１２ａを超える高濃度であればよいが、ｎコンタクト層１２ａの１．２倍〜１．５倍の範囲であることが好ましい。
【００６６】
ｎクラッド層１２ｂを成長させる際のＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は、特に限定されないが、結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂを得るために、１５〜１００ｋＰａとすることが好ましく、１５〜８０ｋＰａとすることがより好ましい。
【００６７】
また、本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂを形成する工程が、組成の異なる２種類の薄膜層を交互に繰り返し成長させてなる超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する工程であることが好ましい。超格子構造のｎクラッド層１２ｂとしては、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第１層と、ｎ側第１層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ側第２層とを交互に２０層〜４０層繰返し積層してなるものを形成することが好ましい。ｎ側第１層および／またはｎ側第２層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであることが好ましい。
【００６８】
また、本実施形態においては、超格子構造の最も発光層１３側に配置されたｎ側第１層またはｎ側第２層からなる発光層下地層の層厚を、超格子構造の発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層の最大層厚の２倍以上とすることが好ましく、２倍〜２０倍の範囲であることがより好ましい。具体的には、発光層下地層の層厚は２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、４ｎｍ程度とすることが好ましい。
なお、ｎ側第１層とｎ側第２層の層厚は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。ｎ側第１層とｎ側第２層の層厚が異なっている場合、発光層下地層の層厚は、ｎ側第１層とｎ側第２層のうち層厚の厚い方の層厚の２倍以上とすることが好ましい。
【００６９】
発光層下地層は、超格子構造を構成するｎ側第１層とｎ側第２層のうち最も発光層１３側に配置された層であるので、発光層１３を形成する際の熱による影響を受けやすい。より詳細には、発光層１３の形成を開始した時点でｎクラッド層１２ｂの表面に露出している発光層下地層は、発光層１３によって覆われるまでの間、発光層１３を形成するための熱に曝される。このことによって、発光層下地層が高温になると、発光層下地層からｎクラッド層１２ｂに含まれるＩｎが昇華してｎクラッド層１２ｂの組成比が変化する。Ｉｎが昇華してｎクラッド層１２ｂに含まれるＩｎの含有量が不足すると、半導体発光素子１の出力に支障を来たす恐れがある。
【００７０】
本実施形態において、発光層下地層の層厚を、超格子構造の発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層の最大層厚の２倍以上とした場合、層厚が発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層と比較して２倍以上厚い分、発光層１３を形成する際の熱による劣化を受けにくくなる。よって、発光層下地層を、発光層１３を形成する際の熱によるｎクラッド層１２ｂへの影響を防止するバリア層として機能させることができ、ｎクラッド層１２ｂが劣化してｎクラッド層１２ｂの組成比が変化することによる半導体発光素子１への影響を防止できる。
【００７１】
発光層下地層の層厚が、超格子構造の発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層の最大層厚の２倍未満である場合、発光層下地層を、発光層１３を形成する際の熱によるｎクラッド層１２ｂへの影響を防止するバリア層として十分に機能させることができない場合がある。また、発光層下地層の層厚が、超格子構造の発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層の最大層厚の２０倍を超えると、バリア層としての効果の向上は見られないにも関わらず、ｎクラッド層１２ｂの形成に必要な時間が長時間となり好ましくない。したがって、発光層下地層の層厚は、超格子構造の発光層下地層以外のｎ側第１層およびｎ側第２層の最大層厚の２倍〜２０倍の範囲であることが好ましい。
【００７２】
このようにしてｎクラッド層１２ｂを成長させた後、ｎクラッド層１２ｂ上に、発光層１３を積層する。本実施形態においては、発光層１３として、多重量子井戸構造の発光層１３を形成することが好ましい。
【００７３】
多重量子井戸構造の発光層１３を形成する工程は、井戸層１３ｂと障壁層１３ａとを交互に繰返し積層する工程とすることができ、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に障壁層１３ａが配されるように積層されることが好ましい。
井戸層１３ｂおよび／または障壁層１３ａは、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体からなるものであることが好ましく、井戸層１３ｂおよび／または障壁層１３ａの組成や膜厚は、所定の発光波長になるように適宜決定できる。
【００７４】
また、本実施形態においては、図４に示すように、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１を、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満の低温にしている。このことにより、ｎコンタクト層１２ａ上に結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂを形成できるとともに、ｎクラッド層１２ｂ上に結晶性の良好な発光層１３を形成できる。その結果、発光層１３へのキャリア（電子）の注入および閉じ込めを良好に行えるｎクラッド層１２ｂが得られるとともに、高い発光出力が得られる発光層１３が得られる。さらに、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１を、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満の低温にすることにより、ｎクラッド層１２ｂにｎコンタクト層１２ａを超える高濃度でＳｉをドープすることが可能となるので、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度を高濃度とすることができ、発光層１３に効率よくキャリアを注入することができる。したがって、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法によれば、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子１が得られる。
【００７５】
ｎクラッド層１２ｂを成長させる際の基板温度Ｔ１が、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２以上であると、ｎクラッド層１２ｂに高濃度のＳｉをドープすることにより結晶性が悪化するため、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度を、ｎコンタクト層１２ａを超える高濃度とすることができない場合がある。
【００７６】
ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１は、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満であればよく、特に限定されないが、７００℃〜７５０℃であることが好ましい。ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１が上記範囲内である場合、より一層結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂが得られ、ｎクラッド層１２ｂの超格子構造を構成するｎ側第１層とｎ側第２層との界面が明確なものとなり、発光層１３へのキャリアの注入効率に優れたものとなる。また、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１は、７１０℃〜７３０℃であることがより好ましい。
【００７７】
また、ｎクラッド層１２ｂを成長させるときの基板温度Ｔ１を上記範囲とすることで、ｎクラッド層１２ｂを成長させる際の基板温度Ｔ１を、容易に発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満とすることができ、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度を、容易にｎコンタクト層１２ａを越える高濃度とすることができるので、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低く高出力な半導体発光素子１が容易に得られる。
これに対し、ｎクラッド層１２ｂを成長させるときの基板温度Ｔ１が上記範囲未満である場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがある。また、ｎクラッド層１２ｂを成長させるときの基板温度Ｔ１が上記範囲を超える場合、ｎクラッド層１２ｂにドープされているＳｉの濃度をｎコンタクト層１２ａを越える高濃度とすることができず、半導体発光素子１の出力が不十分となる恐れがある。
【００７８】
なお、図４に示すように、ｎクラッド層１２ｂを構成するｎ側第１層を形成する際の基板温度と、ｎクラッド層１２ｂを構成するｎ側第２層を形成する際の基板温度は、同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。また、図４に示すように、発光層１３を構成する障壁層１３ａを形成する際の基板温度と、発光層１３を構成する井戸層１３ｂを形成する際の基板温度とは、同じであってもよいし、それぞれ異なっていてもよい。発光層１３を構成する障壁層１３ａを形成する際の基板温度と、発光層１３を構成する井戸層１３ｂを形成する際の基板温度とが異なる場合、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度をＴ１、障壁層１３ａを形成する際の基板温度をＴ３、井戸層１３ｂを形成する際の基板温度をＴ４としたとき、Ｔ１＜Ｔ３、Ｔ１＜Ｔ４とすることができる。
【００７９】
また、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２は、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１よりも高ければよく、特に限定されないが、より一層高い発光出力が得られるように、７５０℃〜１０００℃であることが好ましく、７５０℃〜９３０℃であることがより好ましい。
また、発光層１３を構成する障壁層１３ａと井戸層１３ｂとを異なる温度で形成する場合、障壁層１３ａを形成する際の基板温度Ｔ３は、７５０℃〜１０００℃であることが好ましく、７７０℃〜９５０℃であることがより好ましく、井戸層１３ｂを形成する際の基板温度Ｔ４は、７３０℃〜８００℃であることが好ましい。
【００８０】
また、本実施形態において、例えば、ｎクラッド層１２ｂおよび発光層１３が窒化ガリウム系化合物半導体を含むものであって、窒化ガリウム系化合物半導体に含まれるＩｎの含有量が、発光層１３よりもｎクラッド層１２ｂの方が少ない場合、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１と、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２とを同じにすると、以下に示す問題が生じる。
すなわち、基板温度をｎクラッド層１２ｂの形成に最適な温度にすると、発光層１３の発光出力が不十分になる場合がある。また、基板温度を発光層１３の形成に最適な温度にすると、ｎクラッド層１２ｂを構成する窒化ガリウム系化合物半導体のＩｎを低組成比で制御することが困難になる。その結果、ｎクラッド層１２ｂの超格子構造を構成するｎ側第１層とｎ側第２層との界面が荒れて不明確となり、発光層１３へのキャリアの注入効率が不十分となる場合がある。
【００８１】
これに対し、本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１を、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満の低温にして、ｎクラッド層１２ｂを構成する窒化ガリウム系化合物半導体にＩｎが入り込みやすくしているので、結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂが得られ、ｎクラッド層１２ｂの超格子構造を構成するｎ側第１層とｎ側第２層との界面がより明確なものとなる。その結果、発光層１３へのキャリアの注入効率の優れたｎクラッド層１２ｂが得られる。
また、本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１を、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満の低温にしているので、発光層１３を高い発光出力が得られる適切な基板温度で製造できる。なお、発光層１３を、窒化ガリウム系化合物半導体に含まれるＩｎの含有量がｎクラッド層１２ｂよりも多いものとした場合、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２がｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１よりも高くても、発光層１３を構成する窒化ガリウム系化合物半導体にＩｎが入り込みにくいことによる問題は生じにくい。
【００８２】
このようにして得られた発光層１３上にｐ型半導体層１４を積層するには、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層すればよい。なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第１層と、ｐ側第１層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下ＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第２層とを交互に繰返し積層すればよい。
本実施形態においては、ｐクラッド層１４ａをＭＯＣＶＤ法によって形成するので、ｐクラッド層１４ａをスパッタ法などで形成する場合と比較して、超格子構造を効率よく形成できる。
以上のようにして、図２に示す積層半導体層２０が製造される。
【００８３】
その後、積層半導体層２０のｐ型半導体層１４上に透光性電極１５となる透明材料層を積層し、例えば一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透明材料層を除去し、透光性電極１５とする。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、所定の領域の積層半導体層２０の一部をエッチングしてｎコンタクト層１２ａの一部を露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａにｎ型電極１７を形成する。
次いで、透光性電極１５の上にｐ型ボンディングパッド電極１６を形成する。
その後、基板１１を分割（チップ化）することにより、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
【００８４】
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法では、ｎクラッド層１２ｂを形成する工程において、ｎクラッド層１２ｂを形成する際の基板温度Ｔ１を、発光層１３を形成する際の基板温度Ｔ２未満の低温にして、ｎクラッド層１２ｂにｎコンタクト層１２ａを超える高濃度でＳｉをドープするので、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度を高濃度とすることができるとともに、ｎコンタクト層１２ａ上に結晶性の良好なｎクラッド層１２ｂを形成でき、ｎクラッド層１２ｂ上に強い発光強度が得られる結晶性の良好な発光層１３を形成できる。その結果、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法によれば、例えば２０ｍＡを越える大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子１が得られる。
【００８５】
また、本実施形態の半導体発光素子１は、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法を用いて製造されてなる半導体発光素子であって、基板１１上にｎコンタクト層１２ａとｎクラッド層１２ｂと発光層１３とｐ型半導体層１４とが積層されており、ｎクラッド層１２ｂにｎコンタクト層１２ａを超える高濃度でＳｉがドープされているものであるので、発光層１３に効率よくキャリアを注入することができ、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られる半導体発光素子１となる。
【００８６】
『ランプ』
本実施形態のランプは、本発明の半導体発光素子を備えるものであり、上記の半導体発光素子と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。例えば、本実施形態のランプにおいては、半導体発光素子と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術を何ら制限されることなく採用できる。
【００８７】
図３は、図１に示した半導体発光素子１を備えるランプの一例を示した断面模式図である。図３に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図１に示す半導体発光素子１が用いられている。図３に示すように、半導体発光素子１のｐ型ボンディングパッド電極１６がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図３ではフレーム３１）に接着され、半導体発光素子１のｎ型電極１７（ボンディングパッド）がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接合されることにより、半導体発光素子１が実装されている。また、半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
【００８８】
本実施形態のランプ３は、上記の半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、高い発光出力が得られるものとなる。
【００８９】
また、本実施形態のランプ３を組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を備えたものとなる。特に、バックライト、携帯電話、ディスプレイ、ゲーム機、照明などのバッテリ駆動させる電子機器において、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を具備した優れた製品を提供することができ、好ましい。
【実施例】
【００９０】
以下に、本発明の半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
以下に示す方法により、図１に示す半導体発光素子１を製造した。
【００９１】
はじめに、サファイアからなる平面視円形の基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１をスパッタ法によって形成した。次いで、バッファ層２１の設けられた基板１１をＭＯＣＶＤ装置の成長室内に設置し、厚さ５μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなるｎコンタクト層１２ａ、ｎ側第１層とｎ側第２層とからなる薄膜層を２０ペア繰り返し成長させてなる超格子構造のｎクラッド層１２ｂ、障壁層および井戸層を６回積層し、最後に障壁層を設けた多重量子井戸構造の発光層１３、厚さ０．０１μｍのＭｇドープ単層Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ０．１５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂとを順に積層した。
【００９２】
なお、実施例１の半導体発光素子１では、ｎコンタクト層１２ａ、ｎクラッド層１２ｂ、発光層１３は、表１および以下に示す成長条件で成長させた。
【００９３】
【表１】
2011138893.tif 000003
【００９４】
「ｎコンタクト層１２ａの成膜条件」
Ｓｉ濃度が５×１０１８となるようにＳｉ原料の流量を調整し、表１に示すＳｉ濃度のＧａＮからなるｎコンタクト層１２ａを成長させた。
【００９５】
「ｎクラッド層１２ｂの成膜条件」
Ｇａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎからなる厚さ２ｎｍのｎ側第１層と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第２層とを交互に繰返し積層することにより、厚さ８０ｎｍの超格子構造のｎクラッド層１２ｂを成長させた。なお、表１に示すように、超格子構造の最も発光層１３側に配置された発光層下地層の層厚（４ｎｍ）を、発光層下地層以外の第１層および第２層の層厚（２ｎｍ）の２倍とした。
また、ｎ側第１層およびｎ側第２層を成長させる際の基板温度は表１に示すように７５０℃とした。ｎ側第１層の成膜には、ＩＩＩ族原料としてＧａ源であるトリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびＩｎ源であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、ｎ側第２層の成膜にはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用いた。また、ｎ型不純物（ドーパント）原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）を用い、Ｓｉ濃度が７×１０１８／ｃｍ３のｎクラッド層１２ｂを成長させた。
【００９６】
「発光層１３の成膜条件」
ＳｉドープＧａＮからなる厚さ５ｎｍの障壁層と、Ｇａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎからなる厚さ３．５ｎｍの井戸層とを交互に繰返し積層することにより、多重井戸構造の発光層１３を成長させた。なお、障壁層および井戸層を形成する際の基板温度は表１に示すように７７０℃とした。
【００９７】
なお、バッファ層２１、下地層２２、ｎコンタクト層１２ａ、ｐクラッド層１４ａ、ｐコンタクト層１４ｂは、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で形成した。
【００９８】
その後、ｐコンタクト層１４ｂ上に、厚さ２００ｎｍのＩＴＯからなる透光性電極１５を一般に知られたフォトリソグラフィの手法により形成した。
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎコンタクト層１２ａを露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａに上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極１７を形成した。
また、透光性電極１５の上に、２００ｎｍのＡｌからなる金属反射層と８０ｎｍのＴｉからなるバリア層と１１００ｎｍのＡｕからなるボンディング層とからなる３層構造のｐ型ボンディングパッド構造１６を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
その後、基板１１を分割（チップ化）して、図１に示す実施例１の半導体発光素子１を得た。
【００９９】
このようにして得られた実施例１の半導体発光素子１において、ｎコンタクト層１２ａのＳｉドープ濃度は表１に示すように５×１０１８ｃｍ−３であり、ｎクラッド層１２ｂのＳｉドープ濃度は表１に示すように７×１０１８ｃｍ−３であり、ｐコンタクト層１４ｂのＭｇドープ濃度は５×１０１９ｃｍ−３であり、ｐクラッド層１４ａのＭｇドープ濃度は１×１０１９ｃｍ−３であった。
【０１００】
（実施例２）
ｎクラッド層１２ｂを成膜する際における基板温度を表１に示すように７３０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
【０１０１】
（実施例３）
第１有機金属化学気相成長装置において、ｎコンタクト層１２ａを構成する膜厚５μｍの第１ｎ型半導体層を積層する第１工程と、第２有機金属化学気相成長装置において、第１ｎ型半導体層上に、ｎコンタクト層１２ａを構成する膜厚０．２μｍの再成長層と、ｎクラッド層１２ｂと、発光層１３と、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層する第２工程とを行ったことと、ｎクラッド層１２ｂを成膜する際における基板温度を表１に示すように７１０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
なお、第１有機金属化学気相成長装置において積層した第１ｎ型半導体層と、第２有機金属化学気相成長装置において積層した再成長層は、いずれも表１に示すＳｉ濃度のＧａＮからなる同じ組成のものとした。
【０１０２】
（実施例４）（実施例５）
ｎクラッド層１２ｂのＳｉ濃度を表１に示すＳｉ濃度としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
（実施例６）（実施例７）
超格子構造の最も発光層１３側に配置された発光層下地層の層厚を表１に示す厚みとし、発光層下地層以外の第１層および第２層の層厚に対する発光層下地層の膜厚を表１に示す倍数（倍率）としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
（実施例８）
ｎクラッド層１２ｂを表１に示すＳｉ濃度のＧａＮからなる膜厚２０ｎｍの単層としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
【０１０３】
（比較例１）
ｎクラッド層１２ｂを成膜する際における基板温度を表１に示すように７８０℃としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
（比較例２）
ｎクラッド層１２ｂを成膜する際における基板温度を表１に示すように８００℃としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
【０１０４】
（比較例３）
ｎクラッド層１２ｂのＳｉ濃度を表１に示すように１×１０１８ｃｍ−３としたこと以外は、実施例１と同様にして半導体発光素子１を製造した。
【０１０５】
表１に示すように、実施例１〜実施例８では、ｎクラッド層１２ｂの成長時の基板温度が発光層１３の成長時の基板温度よりも低くなっている。これに対し、比較例１および比較例２では、ｎクラッド層１２ｂの成長時の基板温度が発光層１３の成長時の基板温度よりも高くなっている。また、比較例３は実施例１〜実施例８より、ｎクラッド層１２ｂのＳi濃度が低くなっている。
【０１０６】
このようにして得られた実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例３の半導体発光素子１について、ＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流０〜１００ｍＡの範囲における発光出力（Ｐｏ；ｍＷ）を測定した。その結果を表２に示す。
【０１０７】
【表２】
2011138893.tif 000004
【０１０８】
また、実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例３の半導体発光素子について、プローブ針により通電し、電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧を測定するとともに、逆方向に２０Ｖの電圧を印加した時の素子に流れる電流（逆方向電流ＩＲ）を測定した。その結果を表２に示す。
また、順方向電圧と印加電流と発光出力とを用いて電力効率（％）｛発光出力（ｍＷ）／（順方向電圧（Ｖ）×印加電流（ｍＡ））｝を算出した。その結果を図５に示す。
【０１０９】
表２に示すように、実施例１〜実施例８は、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低く、印加電流２０ｍＡのときの発光出力（Ｐｏ）が２３ｍＷ以上となり、高輝度で低消費電力であった。
また、表２及び図５に示すように、実施例１〜実施例８では、印加電流８０ｍＡおよび印加電流１００ｍＡのときの発光出力（Ｐｏ）および電力効率が、比較例１〜比較例３と比較して優れていることが分かる。
【０１１０】
また、表２に示すように、実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例３では、印加電流を大きくするのに伴って、発光出力（Ｐｏ）が大きくなっている。しかし、比較例１〜比較例３では、印加電流を大きくすることによる発光出力の向上効果が、印加電流を大きくするのに伴って小さくなっており、印加電流が大きいほど実施例１〜実施例８との発光出力（Ｐｏ）の差が大きくなっている。特に、印加電流が８０ｍＡ以上である場合、実施例１〜実施例８と比較例１〜比較例３との発光出力の差が顕著であった。
【０１１１】
また、図５に示すように、実施例１〜実施例８、比較例１〜比較例３では、印加電流が通常用いられる印加電流２０ｍＡよりも大きい場合、印加電流を大きくするのに伴って電力効率が小さくなっている。しかし、電力効率は、比較例１〜比較例３よりも実施例１〜実施例８の方が高く、印加電流が大きいほど実施例１〜実施例８と、比較例１〜比較例３との電力効率の差が大きくなっている。特に、印加電流が８０ｍＡ以上である場合、実施例１〜実施例８と、比較例１〜比較例３との電力効率の差が顕著であった。
【０１１２】
図５より、実施例１〜実施例８の半導体発光素子は、大電流を印加することによって効果的に発光出力を向上させることができ、比較例１〜比較例３の半導体発光素子と比較して、大電流が印加されることにより高い発光出力が得られることが確認できた。
【符号の説明】
【０１１３】
１…半導体発光素子、３…ランプ、１２…ｎ型半導体層、１２ａ…ｎコンタクト層（第１ｎ型半導体層）、１２ｂ…ｎクラッド層（第２ｎ型半導体層）、１３…発光層、１４…ｐ型半導体層。
【図１】
2011138893.tif 000005
【図２】
2011138893.tif 000006
【図３】
2011138893.tif 000007
【図４】
2011138893.tif 000008
【図５】
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