(57)【要約】【課題】窒化物半導体発光素子の発光効率を改善する。【解決手段】ｐ型窒化物半導体層１０６に含まれるＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５および活性層１０３の間に、非極性または半極性の厚みｔ１のＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４が挟まれている。Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、活性層１０３側の第１界面１０４ａおよびＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５側の第２界面１０４ｂを有している。第１界面１０４ａから厚みｔ２ｔ２＜ｔ１まで水素濃度が増加し、厚みｔ２で水素濃度がピークに達し、かつ厚みｔ２から第２界面１０４ｂまで水素濃度が減少するように、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、厚み方向の水素濃度分布をその内部に有している。Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５に含有されるマグネシウムが活性層に拡散することが抑制されて、発光効率が改善される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体発光素子であって、以下を具備する：
ｎ側電極、
ｐ側電極、
前記ｎ側電極に電気的に接続されたｎ型窒化物半導体層、
前記ｐ側電極に電気的に接続されたｐ型窒化物半導体層、および
前記ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層の間に挟まれた活性層、ここで
前記ｐ型窒化物半導体層は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層を具備し（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）、
前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層および前記活性層の間に、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層が挟まれており（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）、
前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層、ｐ型窒化物半導体層、前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層、および前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、非極性または半極性の窒化物半導体から形成され、
前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層は、前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層よりも高いバンドギャップを有しており、
前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、第１界面および第２界面を有しており、
前記第１界面は、前記活性層に近接してまたは接して位置しており、
前記第２界面は、前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層に近接してまたは接して位置しており、
前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、厚みｔ１を有しており、
前記第１界面から厚みｔ２（ｔ２＜ｔ１）まで水素濃度が増加し、前記厚みｔ２で水素濃度がピークに達し、かつ前記厚みｔ２から前記第２界面まで水素濃度が減少するように、前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、厚み方向の水素濃度分布をその内部に有している。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層、ｐ型窒化物半導体層、前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層、および前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、ｍ面窒化物半導体から形成されている。
【請求項３】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記第１界面は、前記活性層に接している。
【請求項４】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記第２界面は、前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層に接している。
【請求項５】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記厚みｔ１が２０ナノメートル以上１００ナノメートル以下である。
【請求項６】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記厚みｔ１が３０ナノメートル以上７５ナノメートル以下である。
【請求項７】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記第１界面におけるマグネシウムの濃度が１×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下である。
【請求項８】
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子であって、
前記窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体発光ダイオードである。
【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関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光効率を向上させるために、ｍ面の主面を有する窒化物半導体発光素子が積極的に研究および開発されている。その理由は、ｍ面の主面を有する窒化物半導体発光素子は、発光効率を低下させるピエゾ電界を有しないためである。以下、ｍ面の主面を有する窒化物半導体発光素子を、「ｍ面窒化物半導体発光素子」と言う。
【０００３】
特許文献１は、ｍ面窒化物半導体発光素子を開示している。図９に示されるように、ｍ面窒化物半導体発光素子は、ｎ側電極９０９、ｎ型窒化物半導体層９０２、活性層９０５、ｐ型窒化物半導体層９０７、およびｐ側電極９１０を具備する。電圧がｎ側電極９０９およびｐ側電極９１０の間に印加され、活性層９０５から光を放射する。
【０００４】
ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層９０６が、ｐ型窒化物半導体層９０７および活性層９０５の間に挟まれている。
【０００５】
ｐ型窒化物半導体層９０７およびｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層９０６は、ドーパントとして、マグネシウムを含有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１４０８４４号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｃ．  Ｓｔａｍｐｆｌ  ｅｔ．  ａｌ．，  “Ｄｏｐｉｎｇ  ｏｆ  ＡｌxＧａ1-xＮ  ａｌｌｏｙｓ”，  Ｍａｔｅｒｉａｌ  ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｂ５９，  （１９９９）  ２５３−２５７
【非特許文献２】Ｒ．  Ｒ．  Ｗｉｘｏｍ  ｅｔ．  ａｌ．  “Ｂｉｎｄｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎ  ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ  ｗｉｔｈ  ｎｅｕｔｒａｌ  ＭｇＨ  ｉｎ  ｐ−ｔｙｐｅ  ＧａＮ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｔｈｅｏｒｙ”，  ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｂ  ７２，  ０２４１１４  （２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ｍ面窒化物半導体発光素子がアニーリングされる時に、ｐ型窒化物半導体層９０７およびｐ型ＡｌＧａＮ９０６電子ブロック層９０６に含有されるマグネシウムが、活性層９０５に拡散し得る。このマグネシウムの拡散現象は、電圧がｍ面窒化物半導体発光素子に印加される時にも発生する。
【０００９】
活性層９０５に拡散されたマグネシウムは、活性層９０５の発光効率を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、窒化物半導体発光素子であって、以下を具備する：
ｎ側電極、
ｐ側電極、
前記ｎ側電極に電気的に接続されたｎ型窒化物半導体層、
前記ｐ側電極に電気的に接続されたｐ型窒化物半導体層、および
前記ｎ型窒化物半導体層およびｐ型窒化物半導体層の間に挟まれた活性層、ここで
前記ｐ型窒化物半導体層は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層を具備し（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）、
前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層および前記活性層の間に、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層が挟まれており（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）、
前記ｎ型窒化物半導体層、前記活性層、ｐ型窒化物半導体層、前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層、および前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、非極性または半極性の窒化物半導体から形成され、
前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層は、前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層よりも高いバンドギャップを有しており、
前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、第１界面および第２界面を有しており、
前記第１界面は、前記活性層に近接してまたは接して位置しており、
前記第２界面は、前記Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層に近接してまたは接して位置しており、
前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、厚みｔ１を有しており、
前記第１界面から厚みｔ２（ｔ２＜ｔ１）まで水素濃度が増加し、前記厚みｔ２で水素濃度がピークに達し、かつ前記厚みｔ２から前記第２界面まで水素濃度が減少するように、前記Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層は、厚み方向の水素濃度分布をその内部に有している。
【発明の効果】
【００１１】
Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層に含有されるマグネシウムが活性層に拡散することが抑制される。このため、発光効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本実施形態による窒化物半導体発光素子の断面図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、活性層１０３、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４、およびＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５のバンドギャップを示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、厚み方向におけるＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の水素濃度分布を示す。
【図３】図３は、手順Ｐ１に従ったエピタキシャル成長プロファイルの一例を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、比較例１による窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、参考例１による窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【図５】図５は、実施例１による窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【図６】図６は、比較例１において、ｐ型ドーパント、すなわち、マグネシウムがアニールによって活性化される前のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【図７】図７は、比較例５において、ｐ型ドーパントがアニールによって活性化された後のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【図８】図８は、オフ角θを有する基板１０１を示す。
【図９】図９は、特許文献１に開示されたｍ面窒化物半導体発光素子を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態が説明される。
【００１４】
図１に示されるように、本実施形態による窒化物半導体発光素子は、ｎ側電極１０９、ｐ側電極１０８、ｎ側電極１０９に電気的に接続されたｎ型窒化物半導体層１０２、ｐ側電極１０８に電気的に接続されたｐ型窒化物半導体層１０６、およびｎ型窒化物半導体層１０２およびｐ型窒化物半導体層１０６の間に挟まれた活性層１０３を具備する。
【００１５】
ｐ型窒化物半導体層１０６は、ｐ型Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５（０＜ｘ１≦１、０≦ｙ１＜１、０≦ｚ１＜１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＝１）を具備する。望ましくは、ｙ１の値は０に等しい。望ましくは、ｘ１の値は、０．１以上０．３以下である。
【００１６】
Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、オーバーフロー抑制層として機能する。より詳細には、電子がｎ側電極１０９から活性層１０３に供給される。過剰な量の電子が活性層１０３に供給されると、過剰な量の電子の一部は活性層１０３を通り抜けてｐ側電極１０８に向かう。しかし、このように活性層１０３に供給された過剰な量の電子は、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５によってブロックされ、活性層１０３に戻る。この説明から理解されるように、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、ｎ側電極１０９から活性層１０３に供給された過剰な量の電子をブロックするので、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５はオーバーフロー抑制層と呼ばれる。
【００１７】
ｐ型Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、ドーパントとしてマグネシウムを含有する。
【００１８】
ｎ型窒化物半導体層１０２、活性層１０３、ｐ型窒化物半導体層１０６、およびＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、非極性または半極性の窒化物半導体から形成される。望ましくは、これらの各層は、ｍ面窒化物半導体から形成される。
【００１９】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）が、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５および活性層１０３の間に挟まれている。このＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４もまた、非極性または半極性の窒化物半導体から形成される。望ましくは、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４もまた、ｍ面窒化物半導体から形成される。
【００２０】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、アルミニウムを含有する。すなわち、ｘ２の値はゼロを超える。ｘ２の値はゼロであってはならない。後述される比較例１〜比較例４において詳細に説明されるように、万一、層１０４がアルミニウムを含有しない場合、ｐ型Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５に含有されるマグネシウムが活性層１０３に拡散することが十分に抑制されない。望ましくは、ｙ２の値は０に等しい。望ましくは、ｘ２の値は、０．００１以上０．１０以下である。
【００２１】
Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４よりも高いバンドギャップを有している。万一、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４がＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５よりも高いバンドギャップを有している場合には、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５がオーバーフロー抑制層として機能しない。
【００２２】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、第１界面１０４ａおよび第２界面１０４ｂを有している。図１においては、第１界面１０４ａは、活性層１０３に接している。第２界面１０４ｂは、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５に接している。
【００２３】
窒化物半導体層（図示せず）がＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４および活性層１０３に挟まれ得る。この場合、第１界面１０４ａは、このように挟まれた窒化物半導体層に接する。同様に、他の窒化物半導体層（図示せず）がＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４およびＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５に挟まれ得る。この場合、第２界面１０４ｂは、このように挟まれた他の窒化物半導体層に接する。言い換えれば、このような場合、第１界面１０４ａおよび第２界面１０４ｂは、それぞれ、活性層１０３およびＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５に近接している。
【００２４】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、厚みｔ１を有している。望ましくは、厚みｔ１は、２０ナノメートル以上１００ナノメートル以下である。厚みｔ１が２０ナノメートル未満である場合、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５に含有されるマグネシウムが活性層１０３に拡散することが十分に抑制されない場合がある。これは、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４があまりにも薄すぎるからである。一方、厚みｔ１が１００ナノメートルを超えると、窒化物半導体発光素子の発光効率が低下し得る。これは、より分厚いＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４はより大きい抵抗を有するからである。
【００２５】
より望ましくは、厚みｔ１は、３０ナノメートル以上７５ナノメートル以下である。
【００２６】
図２Ａは、活性層１０３、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４、およびＡｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５のバンドギャップを示す。図２Ｂは、厚み方向におけるＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の水素濃度分布を示す。
【００２７】
図２Ｂに示されるように、水素濃度は、第１界面１０４ａから厚みｔ２（ｔ２＜ｔ１）まで増加する。望ましくは、水素濃度は単調に増加する。水素濃度は厚みｔ２でピークに達する。水素濃度は、厚みｔ２から第２界面１０４ｂまで減少する。望ましくは単調に減少する。
【００２８】
後述される実施例１（図４Ａ）および参考例１（図４Ｂ）の間の比較から理解されるように、ｐ型窒化物半導体層に含有されるマグネシウムは、従来のｃ面窒化物半導体発光素子におけるよりも、ｍ面窒化物半導体発光素子においてより大きく拡散する。従って、マグネシウムが活性層１０３の発光効率を低下させるという問題は、従来のｃ面窒化物半導体発光素子よりも、ｍ面窒化物半導体発光素子においてより深刻である。
【００２９】
ｐ側電極１０８およびｎ側電極１０９に電圧が印加されるときにも、ｐ型窒化物半導体層１０６に含有されるマグネシウムは、活性層１０３に拡散する。
【００３０】
後述される実施例１〜実施例３から明らかなように、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、マグネシウムが活性層１０３に拡散することを阻止する。このため、マグネシウムは活性層１０３に到達することは困難である。このようにして、活性層１０３の発光効率が改善される。
【００３１】
より具体的には、後述される図５に示されるように、第１界面１０４ａでのマグネシウム濃度が１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以下になるように、マグネシウムが拡散することが抑制されることが望ましい。
【００３２】
本実施形態による窒化物半導体発光素子が改善された発光効率を有する理由が、以下の項目（ａ）および項目（ｂ）に記述される。
【００３３】
（ａ）Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４がアルミニウムを含有する。
【００３４】
（ｂ）Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４が厚みｔ２で水素濃度のピークを有する。
【００３５】
まず、項目（ａ）が詳述される。
【００３６】
非特許文献１に説明されているように、ＡｌＧａＮ層に含有されるマグネシウムは、ＧａＮ層に含有されるマグネシウムより不安定である。このため、層１０４がアルミニウムを含有しない窒化物半導体層である場合と比較して、マグネシウムは、Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５から、アルミニウムを含有するＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に向けて拡散されにくい。
【００３７】
次に、項目（ｂ）が説明される。非特許文献２に説明されているように、窒化物半導体におけるＭｇ−Ｈ結合は安定である。このため、たとえマグネシウムがＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に拡散された場合であっても、マグネシウムは、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に含有される水素と結合する。
【００３８】
第２界面１０４ｂから厚みｔ２（すなわち、水素濃度のピーク位置）までの区間において、水素濃度は増加している。図２Ｂを参照せよ。このため、第２界面１０４ｂから厚みｔ２（すなわち、水素濃度のピーク位置）までの区間において、マグネシウムが活性層１０３に拡散することはかなり困難である。なぜなら、この区間において、安定なＭｇ−Ｈ結合が形成されるからである。言い換えれば、厚みｔ２で水素濃度がピークに達する水素濃度分布は、マグネシウムが活性層１０３に拡散することを抑制する。このように、厚みｔ２で水素濃度がピークに達する水素濃度分布を有するＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、マグネシウムを捕獲する層として機能する。
【００３９】
万一、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の水素濃度がピークを有さないようにＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の水素濃度が第２界面１０４ｂから第１界面１０４ａに向けて単調に減少する場合、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に拡散されたマグネシウムは容易に活性層１０３に到達する。このため、発光効率は向上しない。比較例１（図６）および比較例５（図７）を参照せよ。従って、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、厚みｔ２で水素濃度がピークに達する水素濃度分布を有することを必要とされる。
【００４０】
一方、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に含有される水素も、アニールまたは電圧の印加により拡散され得る。水素は、活性層１０３の発光効率を低下させる。このため、厚みｔ２は、１０ナノメートル以上であることが望ましい。より望ましくは、厚みｔ２は、１５ナノメートル以上である。さらにより望ましくは、厚みｔ２は２０ナノメートル以上である。厚みｔ２は、８０ナノメートル以下であることが望ましい。上述したように、より分厚いＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４はより大きい抵抗を有するからである。
【００４１】
望ましくは、厚みｔ２（すなわち、ピーク）での水素濃度の下限値は、１．０×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。厚みｔ２（すなわち、ピーク）での水素濃度がこの値未満である場合、発光効率が低下する。水素濃度が低すぎるため、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の内部でＭｇ−Ｈ結合が十分に形成されないからである。
【００４２】
望ましくは、厚みｔ２（すなわち、ピーク）での水素濃度の上限値は、１．０×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である。厚みｔ２（すなわち、ピーク）での水素濃度がこの値を超えると、活性層１０３の近傍に大量の水素原子が存在する。これらの大量の水素原子は、熱処理により、活性層１０３に拡散され、発光効率を低下させる。
【００４３】
（製法）
次に、本実施形態による窒化物半導体発光素子を製造する方法が説明される。
【００４４】
まず、基板１０１が準備される。望ましくは、基板１０１は、ｍ面ＧａＮから形成される単結晶基板である。
【００４５】
図８に示されるように、基板１０１は、オフ角θを有し得る。オフ角θは、ｍ面の法線方向８１０および主面の法線方向８２０の間に形成される。オフ角θは、０度を超えて、５度以下であり得る。基板１０１がオフ角θを有する場合、基板１０１の表面は、微視的に階段状である。望ましくは、オフ角θは０度に等しい。言い換えれば、基板１０１はオフ角θを有しないことが望ましい。
【００４６】
次に、ｎ型窒化物半導体層１０２が基板１０１上にエピタキシャル成長される。さらに、活性層１０３がｎ型窒化物半導体層１０２上にエピタキシャル成長される。
【００４７】
活性層１０３上に、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４がエピタキシャル成長される。以下の手順Ｐ１および手順Ｐ２は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４が厚みｔ２で水素濃度のピークを有するようにＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４をエピタキシャル成長させる手順の例である。
【００４８】
（手順Ｐ１）
図３は、手順Ｐ１に従ったエピタキシャル成長プロファイルの一例を示す。
【００４９】
手順Ｐ１においては、まず、トリメチルガリウム（図３では、「ＴＭＧ」と記述される）、トリメチルアルミニウム（図３では、「ＴＭＡ」と記述される）、およびアンモニアが供給され、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の下部が形成される。トリメチルインジウムも供給され得る。
【００５０】
続いて、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（図３では、「ＣＰ2Ｍｇ」と記述される）も供給され、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の下部の上に、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の上部が形成される。
【００５１】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の上部がエピタキシャル成長される間に、成長温度が徐々に上げられる。具体的には、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の下部は、摂氏７００〜７６０度の成長温度下でエピタキシャル成長される。
【００５２】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の上部も、最初のうちは、摂氏７００〜７６０度の成長温度下でエピタキシャル成長される。この間、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムを熱分解することにより生じた水素原子が、成長しているＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に取り込まれる。
【００５３】
続いて、成長温度が摂氏８５０〜９００度に徐々に上げられる。望ましくは、温度上昇率は、摂氏１０度／分以上摂氏２０度／分以下の範囲に収められる。
【００５４】
成長温度がより上昇すると、分子運動がより活発化する。このため、水素原子は、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に取り込まれにくくなる傾向がある。
【００５５】
このように、摂氏７００〜７６０度の低い成長温度下においてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムが供給されている間には、水素原子は成長しているＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に容易に取り込まれる。一方、摂氏８５０〜９００度の高い成長温度下においてビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムが供給されている間には、水素原子は成長しているＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４に取り込まれにくくなる。そのため、図２Ｂに示されるように、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４中に水素濃度のピークが生じる。このようにして、厚みｔ２で水素濃度がピークに達する水素濃度分布が得られる。詳細は、実施例を参照せよ。
【００５６】
（手順Ｐ２）
手順Ｐ２においては、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４がエピタキシャル成長される際に用いられるキャリアガスに水素が混入される。一般的に用いられるキャリアガスの例は、窒素ガスである。言い換えれば、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４がエピタキシャル成長される際に、キャリアガスとして窒素および水素の混合ガスが用いられる。Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４のエピタキシャル成長中にキャリアガスに混合される水素の窒素に対する比率が調節され、厚みｔ２で水素濃度がピークに達する水素濃度分布が得られる。
【００５７】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４がエピタキシャル成長された後、ｐ型Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５がエピタキシャル成長される。さらに、ｐ型ＡｌＧａＮ層１０６およびｐ型ＧａＮコンタクト層１０７がエピタキシャル成長される。このようにして、窒化物半導体積層構造が得られる。
【００５８】
続いて、窒化物半導体積層構造は熱処理に供され、ｎ型ドーパントおよびｐ型ドーパントを活性化させる。窒化物半導体積層構造の一部が図１に示されるように除去され、そしてｎ側電極１０９およびｐ側電極１０８が形成される。このようにして、窒化物半導体発光素子が得られる。
【００５９】
（実施例）
以下、以下の実施例を参照しながら、本発明がより詳細に説明される。
【００６０】
以下の実施例および比較例では、有機金属気相成長法（以下、「ＭＯＣＶＤ法」という）がエピタキシャル成長法として用いられた。
【００６１】
以下の実施例および比較例では、以下の表１に示される原料が用いられた。
【００６２】
【表１】
2015043413.tif 000003
【００６３】
（実施例１）
実施例１は、図１を参照しながら説明される。まず、ｍ面の主面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１が用意された。
【００６４】
次に、２マイクロメートルの厚みを有するｎ型ＧａＮ層１０２が、ｎ型ＧａＮ基板１０１上に、摂氏１０４０度の成長温度でエピタキシャル成長された。ｎ型ＧａＮ層１０２は、２．０×１０18ｃｍ-3のシリコン濃度を有していた。
【００６５】
多重量子井戸層１０３、すなわち活性層１０３が、ｎ型ＧａＮ層１０２上に摂氏７２０度の成長温度でエピタキシャル成長された。より詳細には、多重量子井戸層１０３は、６ナノメートルの厚みを有する３層のＩｎxＧａ1-xＮ層（ｘ＝０．１５）および１２ナノメートルの厚みを有する４層のＧａＮ層を、互い違いに積層することにより形成された。
【００６６】
続いて、図３に示されるエピタキシャル成長プロファイルに従って、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（ｘ＝０．０１、ｙ＝０．００８、ｚ＝０．９８２）が活性層１０３上にエピタキシャル成長された。Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、７５ナノメートルの厚みを有していた。言い換えれば、実施例１では、厚みｔ１は７５ナノメートルに等しかった。
【００６７】
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４のエピタキシャル成長が以下、詳細に述べられる。
【００６８】
まず、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、およびアンモニアが、それぞれ４．３マイクロモル／分、０．１６マイクロモル／分、および０．２９マイクロモル／分の供給量で活性層１０３上に供給され始めた。成長温度は摂氏７４０度であった。
【００６９】
原料ガスの供給開始時から１４００秒が経過した後、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウムが、９．８×１０-3マイクロモル／分の供給量で供給され始めた。
【００７０】
原料ガスの供給開始時から１８００秒が経過した後、成長温度が摂氏１５度／分の比率で上昇された。原料ガスの供給開始時から２４００秒が経過した時点で、成長温度が摂氏８９０度に達した。その後、成長温度は摂氏８９０度で維持された。原料の供給開始時から３０００秒が経過した時点で、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４の成長が終了した。
【００７１】
ｐ型Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５（ｘ＝０．２０、ｙ＝０、ｚ＝０．８０）が、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４上に摂氏７２０度の成長温度でエピタキシャル成長された。Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、２０ナノメートルの厚みを有していた。Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５は、およそ５．０×１０18ｃｍ-3〜１．０×１０19ｃｍ-3のマグネシウム濃度を有していた。
【００７２】
ｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１０６が、ｐ型Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層１０５上に摂氏８９０度の成長温度でエピタキシャル成長された。ｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１０６は、１００ナノメートルの厚みを有していた。ｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１０６は、１．５×１０19ｃｍ-3のマグネシウム濃度を有していた。
【００７３】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７が、ｐ型Ａｌ0.02Ｇａ0.98Ｎ層１０６上に摂氏８９０度の成長温度でエピタキシャル成長された。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７は、５０ナノメートルの厚みを有していた。ｐ型ＧａＮコンタクト層１０７は、１．０×１０20ｃｍ-3のマグネシウム濃度を有していた。このようにして、窒化物半導体積層構造が得られた。
【００７４】
窒化物半導体積層構造は、窒素雰囲気下において、摂氏８５０度の温度で、６０分間、アニールされ、ｐ型ドーパント、すなわちマグネシウムを活性化させた。
【００７５】
最後に、ｐ側電極１０８およびｎ側電極１０９が形成された。このようにして、実施例１による窒化物半導体発光素子が得られた。
【００７６】
次に、実施例１による窒化物半導体発光素子は、ＳＩＭＳ分析に供された。図５は、実施例１による窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【００７７】
図５から明らかなように、Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４は、その内部に水素濃度のピークを有していた。図５から、厚みｔ２はおおよそ５８ナノメートルであると見積もられた。
【００７８】
次に、実施例１による窒化物半導体発光素子の発光強度が、Ｓｉフォトダイオード（浜松フォトニクス株式会社製・型番：ＰＤ  Ｓ２２８１−０１）を用いて測定された。表２は、測定結果を示す。
【００７９】
（実施例２）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４が５０ナノメートルの厚みを有すること以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
【００８０】
（実施例３）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４が３０ナノメートルの厚みを有すること以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
【００８１】
（比較例１）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（ｘ＝０．０１、ｙ＝０．００８、ｚ＝０．９８２）に代えて、ＧａＮ層１０４がエピタキシャル成長されたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。図４Ａは、比較例１による窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【００８２】
図６は、ｐ型ドーパント、すなわち、マグネシウムがアニールによって活性化される前の比較例１のＳＩＭＳ分析結果を示す。図６から明らかなように、ｐ型ドーパントがアニールによって活性化される前に、既にマグネシウムはＧａＮ層１０４に拡散されていた。ｐ型ドーパントがアニールによって活性化された後には、マグネシウムは活性層１０３に拡散されたことは自明であろう。
【００８３】
（比較例２）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（ｘ＝０．０１、ｙ＝０．００８、ｚ＝０．９８２）に代えて、ＧａＮ層１０４がエピタキシャル成長されたこと、およびＧａＮ層１０４が３０ナノメートルの厚みを有していたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
【００８４】
（比較例３）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（ｘ＝０．０１、ｙ＝０．００８、ｚ＝０．９８２）に代えて、ＧａＮ層１０４がエピタキシャル成長されたこと、およびＧａＮ層１０４が１００ナノメートルの厚みを有していたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
【００８５】
（比較例４）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（ｘ＝０．０１、ｙ＝０．００８、ｚ＝０．９８２）に代えて、ＧａＮ層１０４がエピタキシャル成長されたこと、およびＧａＮ層１０４が１２５ナノメートルの厚みを有していたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
【００８６】
（比較例５）
Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（ｘ＝０．０１、ｙ＝０．００８、ｚ＝０．９８２）に代えて、Ｉｎ0.008Ｇａ0.992Ｎ層１０４がエピタキシャル成長されたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。
【００８７】
図７は、ｐ型ドーパントがアニールによって活性化された後の比較例５のＳＩＭＳ分析結果を示す。図７から明らかなように、マグネシウムはＩｎ0.008Ｇａ0.992Ｎ層１０４に拡散されていた。
【００８８】
以下の表２は、実施例および比較例における測定結果を示す。
【００８９】
【表２】
2015043413.tif 000004
【００９０】
表２から明らかなように、その内部に水素濃度のピークを有するＡｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層１０４（０＜ｘ２≦１、０≦ｙ２＜１、０＜ｚ２＜１、ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＝１）が用いられた場合には、光出力が向上する。このことは、発光効率が改善されていることを意味する。
【００９１】
（参考例１）
ｍ面の主面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１に代えて、ｃ面の主面を有するｎ型ＧａＮ基板１０１が用いられたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。図４Ｂは、参考例１による窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ分析結果を示す。
【００９２】
図４Ａおよび図４Ｂから明らかなように、従来のｃ面窒化物半導体発光素子と比較して、ｍ面窒化物半導体発光素子においては、ｐ型窒化物半導体層に含有されるより多くの量のマグネシウムが活性層１０３に向けて拡散した。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明による窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体発光ダイオードまたは窒化物半導体レーザである。窒化物半導体発光ダイオードが望ましい。本発明による窒化物半導体発光ダイオードは、照明装置に組み込まれる。望ましくは、本発明による窒化物半導体発光素子は、自動車用ヘッドライトに組み込まれる。
【符号の説明】
【００９４】
１０１  基板
１０２  ｎ型窒化物半導体層
１０３  活性層
１０４  Ａｌx2Ｉｎy2Ｇａz2Ｎ層
１０４ａ  第１界面
１０４ｂ  第２界面
１０５  Ａｌx1Ｉｎy1Ｇａz1Ｎ層
１０６  ｐ型窒化物半導体層
１０７  ｐ型ＧａＮコンタクト層
１０８  ｐ側電極
１０９  ｎ側電極
ｔ１  厚み
ｔ２  厚み
９０２  ｎ型窒化物半導体層
９０５  活性層
９０６  ｐ型ＡｌＧａＮ電子ブロック層
９０７  ｐ型窒化物半導体層
９０９  ｎ側電極
９１０  ｐ側電極
【図１】
2015043413.tif 000005
【図２Ａ】
2015043413.tif 000006
【図２Ｂ】
2015043413.tif 000007
【図３】
2015043413.tif 000008
【図４Ａ】
2015043413.tif 000009
【図４Ｂ】
2015043413.tif 000010
【図５】
2015043413.tif 000011
【図６】
2015043413.tif 000012
【図７】
2015043413.tif 000013
【図８】
2015043413.tif 000014
【図９】
2015043413.tif 000015