(57)【要約】  発光層領域とキャリアブロック層との界面近傍におけるドーパント濃度を制御することで外部量子効率を向上させて光出力を向上させることができる発光素子、及び発光素子の製造方法を提供する。  窒化物系半導体の発光素子１は、第１導電型の第１半導体層２０と、第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層５０と、第２半導体層５０の第１半導体層２０側に設けられる第２導電型のキャリアブロック層４０と、第１半導体層２０とキャリアブロック層４０との間に、発光層を有する発光層領域３０とを備え、キャリアブロック層４０内における発光層領域３０との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値が、５×１０１９ｃｍ−３より高い。
2016125833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層と、
前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層の前記第１半導体層側に設けられる前記第２導電型のキャリアブロック層と、
前記第１半導体層と前記キャリアブロック層との間に、発光層を有する発光層領域と
を備え、
前記キャリアブロック層内における、発光層領域との界面から予め定められた領域における前記第２導電型の不純物濃度の最大値が、５×１０１９ｃｍ−３より高い窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記予め定められた領域が、前記界面から前記第２半導体層側に向けて１０ｎｍまでの領域である請求項１に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１半導体層が、半導体基板の上に設けられ、
前記第１半導体層、前記第２半導体層、前記発光層領域、及び前記キャリアブロック層が、ＡｌＧａＮ系半導体を含んで構成される請求項１又は２のいずれか１項に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体基板が、ＡｌＮ基板であり、
前記第１半導体層が、前記ＡｌＮ基板のＣ面上に設けられる請求項３に記載の窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２導電型の不純物が、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｃ、又はＢｅである請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
半導体基板の上に第１導電型の第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、
前記第１半導体層の上に、発光層を含む発光層領域を形成する発光層領域形成工程と、
前記発光層領域の上にキャリアブロック層を形成するキャリアブロック層形成工程と、
前記キャリアブロック層の上に、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程と
を備え、
前記キャリアブロック層形成工程が、前記キャリアブロック層内における、発光層領域との界面から予め定められた領域における前記第２導電型の不純物濃度の最大値を、５×１０１９ｃｍ−３より高い濃度にする不純物導入工程を有する窒化物系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、発光素子、及び発光素子の製造方法に関する。特に、本発明は、窒化物系化合物半導体の発光素子、及び発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現状、発光波長３５０ｎｍ以下の深紫外光源としては、重水素や水銀などのガス光源が使用されている。これらのガス光源には、短寿命であること、及び大型であること等の不都合がある。また水銀は条約による規制を受けつつある物質である。そのため、これらの不都合を解消でき、取扱が容易である、半導体を用いた深紫外発光素子の実現が待たれている。【０００３】
しかしながら、半導体を用いた発光素子には、重水素ガスランプあるいは水銀ガスランプ等のガス光源と比較して光出力が弱く、また発光効率も低いという問題がある。半導体発光素子において光出力が不十分である原因としては、窒化物半導体発光素子においては正孔と比較して電子の有効質量が小さく、かつキャリア濃度が高いため、電子が活性層（領域）を乗り越え、ｐ型層へオーバーフローを起こすことにより、発光効率の低下を招くことが挙げられる。【０００４】
窒化物半導体発光素子におけるｐ型層への電子のオーバーフローの問題は、発光波長３５０ｎｍ以下の深紫外発光素子だけに生じている問題ではない。例えば、特許文献１には、発光波長が３５０ｎｍを越える半導体発光素子において、活性層とｐ型層との間に、活性層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するキャリアブロック層を形成することにより、活性層領域からｐ型層への電子の流出を防ぎ、発光効率を高める技術が記載されている。また非特許文献１には、深紫外発光素子においても、上記のようなキャリアブロック層の適用を試みたことが記載されている。非特許文献１によれば、活性層とｐ型層の間にアンドープの薄いＡｌＮ層を挟むことにより発光効率が高まることを示している。【０００５】
また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸の障壁層にＭｇをドーピングした発光ダイオードの特性について報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。非特許文献２に記載の技術によれば、障壁層にＭｇをドーピングしていない発光ダイオードよりも、Ｍｇをドーピングした発光ダイオードの方が、光出力を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−８８２６９号公報
【０００７】
【非特許文献１】Y.H. Zhu, S. Sumiya, J.C. Zhang, M. Miyoshi, T. Shibata, K. Kosaka, M. Tanaka and T. Egawa, "Improved performance of 264 nm emission AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes", ELECTRONICS LETTERS 44, 493 (2008)
【非特許文献２】Sang-Heon Han, Chu-Young Cho, Sang-Jun Lee, Tae-Young Park, Tae-Hun Kim, Seung Hyun Park, Sang Won Kang, Je Won Kim, Yong Chun Kim, and Seong-Ju Park, "Effect of Mg doping in the barrier or InGaN/GaN multiple quantum well on optical power of light-emitting diodes", APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 051113 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、発光効率はまだ不十分であり、更なる発光効率の向上が求められている。特許文献１及び非特許文献１に記載の技術においては、キャリアブロック層の導入により発光効率の増加ができる事が記載されているものの、キャリアブロック層自体あるいはキャリアブロック層と他の半導体層との界面におけるドーピング濃度には着目していない。また、非特許文献２に記載の技術は、障壁層にＭｇをドーピングすることに着目しているが、この技術も発光層領域と他の半導体層との界面におけるドーピング濃度には着目していない。【０００９】
したがって、本発明の目的は、発光層領域とキャリアブロック層との界面近傍におけるドーパント濃度を制御することで発光効率を向上させることができる発光素子、及び発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するため、第１導電型の第１半導体層と、第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層と、第２半導体層の第１半導体層側に設けられる第２導電型のキャリアブロック層と、第１半導体層とキャリアブロック層との間に、発光層を有する発光層領域とを備え、キャリアブロック層内における、発光層領域との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値が、５×１０１９ｃｍ−３より高い窒化物系半導体発光素子が提供される。【００１１】
また、上記窒化物系半導体発光素子において、予め定められた領域が、界面から第２半導体層側に向けて１０ｎｍまでの領域であることが好ましい。【００１２】
また、上記窒化物系半導体発光素子において、第１半導体層が、半導体基板の上に設けられ、第１半導体層、第２半導体層、発光層領域、及びキャリアブロック層が、ＡｌＧａＮ系半導体を含んで構成されてもよい。【００１３】
また、上記窒化物系半導体発光素子において、半導体基板が、ＡｌＮ基板であり、第１半導体層が、ＡｌＮ基板のＣ面上に設けられてもよい。【００１４】
また、上記窒化物系半導体発光素子において、第２導電型の不純物が、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｃ、又はＢｅであってもよい。【００１５】
また、本発明は、上記目的を達成するため、半導体基板の上に第１導電型の第１半導体層を形成する第１半導体層形成工程と、第１半導体層の上に、発光層を含む発光層領域を形成する発光層領域形成工程と、発光層領域の上にキャリアブロック層を形成するキャリアブロック層形成工程と、キャリアブロック層の上に、第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層を形成する第２半導体層形成工程とを備え、キャリアブロック層形成工程が、キャリアブロック層内における、発光層領域との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値を、所定の濃度（５×１０１９ｃｍ−３）より高い濃度にする不純物導入工程を有する窒化物系半導体発光素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る発光素子、及び発光素子の製造方法によれば、発光層領域とキャリアブロック層との界面近傍におけるドーパント濃度を制御することで発光効率を向上させることができる発光素子、及び発光素子の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態に係る発光素子の断面の概要図である。
【図２】本実施の形態に係る発光層領域近傍の断面図である。
【図３】本実施の形態に係る発光素子を構成する半導体層のエネルギーバンド図の一部の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の断面の概要の一例を示す。また、図２は、本発明の実施の形態に係る発光層領域近傍の断面の概要の一例を示す。なお、本実施の形態において説明する図はあくまでも概要図であり、各図に示す各半導体層の厚さ、及びサイズ等は、実際の厚さ及びサイズ等を反映しているとは限らない。
【００１９】
（発光素子１の構造の概要）
本実施の形態に係る発光素子１は、例えば、主としてＧａＮ系、若しくはＡｌＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いて構成され、深紫外領域の光を放射する発光素子としての発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）あるいはレーザダイオード等である。発光素子１は、一例として、平面視にて矩形状を有する。発光素子１は、基板１０と、基板１０の上に設けられる第１導電型の第１半導体層２０と、第１半導体層２０の上に設けられる発光層領域３０と、発光層領域３０の上に設けられるキャリアブロック層４０と、キャリアブロック層４０の上に設けられ、第１導電型とは異なる第２導電型の第２半導体層５０と、第２半導体層５０の上に設けられる第３半導体層５２とを備える。
【００２０】
なお、本実施の形態において「一の半導体層の上に他の半導体層が設けられる」と記載する場合、一の半導体層の直上に他の半導体層が設けられる形態と、一の半導体層と他の半導体層との間に更に他の半導体層が設けられる形態（つまり、一の半導体層の上方に他の半導体層が設けられる形態）とを含むものとする。
【００２１】
また、発光素子１は、第１半導体層２０の基板１０側の反対側の一部の領域に設けられる第１電極６０と、第３半導体層５２の第２半導体層５０側の反対側の面の一部の領域に設けられる第２電極６５とを備える。
【００２２】
ここで、第１半導体層２０は第１導電型の不純物としてのドーパントを含み、第２半導体層５０及び第３半導体層５２はそれぞれ、第１導電型とは異なる第２導電型のドーパントを含んで構成される。そして、本実施の形態において、キャリアブロック層４０は、第２導電型のドーパントを含んで構成される。また、発光層領域３０は、一例として、交互に積層された井戸層と障壁層とを含む量子井戸層３２を有して構成される。
【００２３】
また、発光層領域３０は、キャリアブロック層４０と量子井戸層３２との間に設けられるスペーサー層３０６を有する。スペーサー層３０６は、量子井戸層３２とスペーサー層３０６との界面近傍における第２導電型の不純物濃度を予め定められた濃度以下に調整する。例えば、スペーサー層３０６は、量子井戸層３２のキャリアブロック層４０側の井戸層、若しくは障壁層と接して設けられ、キャリアブロック層４０からの不純物をキャリアブロック層４０に最も近い位置の井戸層、若しくは障壁層とスペーサー層３０６との界面近傍若しくは界面に実質的に到達させない機能及び構成を有する。
【００２４】
更に、スペーサー層３０６及びキャリアブロック層４０は、キャリアブロック層４０内における発光層領域との界面（すなわち、スペーサー層３０６とキャリアブロック層４０との界面）からキャリアブロック層４０の厚さ方向に沿って予め定められた距離の範囲内（以下、「予め定められた領域」という場合がある。）における第２導電型の不純物濃度の最大値が、５×１０１９ｃｍ−３より高くなる構成を有して形成される。予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値が５×１０１９ｃｍ−３より高いとは、予め定められた領域において第２導電型の不純物濃度が５×１０１９ｃｍ−３より高い個所が少なくとも一か所あれば良いということであり、予め定められた領域における第２導電型の不純物の濃度プロファイルが一定である必要はない。
【００２５】
本発明者は、発光素子を構成する各半導体層中におけるドーパントの挙動、ドーパントの各半導体層に対する影響、及び外部量子効率に与えるドーパント濃度の影響等、並びに各半導体層の製造方法等を検討する過程において、キャリアブロック層４０内における予め定められた領域における不純物濃度を所定の濃度以上に設定することで発光素子の発光効率（すなわち、外部量子効率）が向上することを見出した。
【００２６】
（発光素子１の構造の詳細）
一例として、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である例を説明する。
【００２７】
（基板１０）
基板１０は、予め定められた厚さ及び面方位を有する半導体基板、若しくはサファイア等の単結晶基板である。例えば、基板１０として半導体基板を用いる場合、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板、又は高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板等を用いることができる。本実施の形態では、格子整合する基板を用いることで転位等の結晶欠陥の発生を防ぎ、高品質な半導体層を積層する事を目的として、一例として、Ｃ面のＡｌＮ基板を基板１０として用いる。なお、基板１０にサファイア等の第１半導体層２０の格子定数とは大きく異なる格子定数を有する材料を用いる場合、基板１０と第１半導体層２０との間にバッファ層を設けることもできる。
【００２８】
（各半導体層）
第１半導体層２０、スペーサー層３０６を含む発光層領域３０、キャリアブロック層４０、第２半導体層５０、及び第３半導体層５２はそれぞれ、主として窒化物系化合物半導体を用いて構成される。これらの半導体層は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）で表される化合物半導体から構成される。ここで、キャリアブロック層４０は、第１半導体層２０側から伝搬してくるキャリア（例えば、電子）が第２半導体層５０側に伝搬することを抑制する半導体層である。
【００２９】
具体的に、第１半導体層２０は、ｎ型ドーパントを含むＡｌＧａＮ系化合物半導体から形成される。また、キャリアブロック層４０、第２半導体層５０、及び第３半導体層５２は、ｐ型ドーパントを含むＡｌＧａＮ系化合物半導体から形成される。
【００３０】
より具体的に、第１半導体層２０は、Ｓｉ、Ｓｅ等のｎ型ドーパントを所定の濃度含むＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）から形成される。一例として、第１半導体層２０は、ｎ型ドーパントを含むＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層から形成される。第１半導体層２０に含まれるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下である。
【００３１】
キャリアブロック層４０は、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｃ、又はＢｅ等のｐ型ドーパントを所定の濃度含むＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）から形成されるが、アンドープ層であっても良い。本実施の形態においてキャリアブロック層４０は、第１半導体層２０側から伝搬してくるキャリアの第２半導体層５０側への伝搬を抑制する機能を有するので、他の半導体層よりバンドギャップの大きい材料を用いて形成することが好ましい。一例として、キャリアブロック層４０は、ｐ型ドーパントを含むＡｌＮから形成される。キャリアブロック層４０に含まれるｐ型ドーパント濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下である。このとき、ドーパント濃度は不均一でも、一部アンドープ領域があっても良い。
【００３２】
また、第２半導体層５０及び第３半導体層５２は、ｐ型ドーパントを所定の濃度含むＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１）から形成される。ここで、第２半導体層５０はクラッド層としての機能を有し、第３半導体層５２はコンタクト層としての機能を有する。一例として、第２半導体層５０は、ｐ型ドーパントを含むＡｌ０．８Ｇａ０．２Ｎから形成され、第３半導体層５２は、ｐ型ドーパントを含むＧａＮから形成される。第２半導体層５０に含まれるｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下であり、第３半導体５２に含まれるｐ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下である。
【００３３】
発光層領域３０は、外部から電流が供給されると所定の範囲の波長の光を発する。具体的に、発光層領域３０は、深紫外領域を含む波長の光（例えば、発光ピーク波長で２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下の光）を発する構成を有する。ここで発光層領域３０は、第１半導体層２０とキャリアブロック層４０との間、具体的には第１半導体層２０とスペーサー層３０６との間に、障壁層（例えば、障壁層３００）と井戸層（例えば、井戸層３０２、井戸層３０４）とが交互に積層される発光層としての量子井戸層３２を有して形成される。一例として、量子井戸層３２は、ｎ型ドーパントを含む障壁層としてのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層と、アンドープの井戸層としてのＡｌ０．５０Ｇａ０．５０Ｎ層とのペアを含む。そして、キャリアブロック層４０と量子井戸層３２との間に、一例として、アンドープのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎからなるスペーサー層３０６（若しくは、アンドープ障壁層）が形成される。
【００３４】
なお、発光層領域３０は、障壁層と井戸層とのペアを複数含む多重量子井戸構造（すなわち、障壁層と井戸層とが交互に複数積層される構造）を有することもできる。また、障壁層に含まれるｎ型ドーパントの濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下である。ここで障壁層はｎ型ドーパントを含くんでも含まなくても良い。本実施の形態において「アンドープ」の半導体層とは、製造過程においてドーパントを積極的には添加せずに形成される半導体層であって、不可避的不純物を含むことを排除するものではない。
【００３５】
スペーサー層３０６は、キャリアブロック層４０から井戸層３０４に向けて拡散するドーパントの大部分を、スペーサー層３０６内にとどめる機能を有する。
【００３６】
量子井戸層３２を形成した後、スペーサー層３０６を形成する間はスペーサー層３０６に不純物を導入せず、スペーサー層３０６の形成直後、キャリアブロック層４０の形成を開始する段階から（すなわち、スペーサー層３０６とキャリアブロック層４０との界面から）不純物を導入する。更に、キャリアブロック層４０内における発光層領域３０との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値が、発光層領域３０における不純物濃度より高く、所定の濃度以上（５×１０１９ｃｍ−３超）になるように不純物を導入する。
【００３７】
これにより、キャリアブロック層４０内における発光層領域３０との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値が発光層領域３０における第２導電型の不純物濃度より高く、スペーサー層３０６は、キャリアブロック層４０と同程度の厚さ、若しくはキャリアブロック層４０より厚く形成される共に、発光層領域３０が有する井戸層及び障壁層より厚く形成されることが好ましいが、キャリアブロック層より薄くとも良い。
【００３８】
（第１電極６０、第２電極６５）
第１電極６０は、第１半導体層２０にオーミック接合する材料から形成される。同様に、第２電極６５は、第３半導体層５２にオーミック接合する材料から形成される。また、第１電極６０及び第２電極６５はそれぞれ、単一材料から構成される電極層、又は一部が異なる材料から構成される複数の電極層の組合せを含んで構成される。
【００３９】
例えば、第１電極６０は、第１半導体層２０がｎ型半導体である場合、第１半導体層２０側から所定の厚さを有するＴｉ層、Ａｌ層、及びＡｕ層をこの順で形成することで構成される。また、第２電極６５は、第３半導体層５２がｐ型半導体である場合、第３半導体層５２側から所定の厚さを有するＮｉ層、及びＡｕ層をこの順で形成することで構成される。なお、第１電極６０及び第２電極６５を構成する材料はこれらに限られず、第１半導体層２０及び第３半導体層５２にオーミック接合する材料であれば、他の金属材料、導電性酸化物材料、及び／又は導電性高分子材料等を用いることもできる。
【００４０】
図３は、本実施の形態に係る発光素子を構成する半導体層のエネルギーバンド図の一部の概要を示す。
【００４１】
図３においては、発光素子１を形成する半導体層の一部の概念的なバンド図１００の概要を示す。図３は、左側から第２半導体層５０の一部、キャリアブロック層４０、スペーサー層３０６、及び井戸層３０４の順で各半導体層が設けられている様子を示す。本実施の形態においては、キャリアブロック層４０内における、予め定められた領域におけるｐ型ドーパントの濃度の最大値が、５×１０１９ｃｍ−３より高く制御される。
【００４２】
本実施の形態において予め定められた領域は、キャリアブロック層４０から第２半導体層５０側に向けてキャリアブロック層４０の厚さ方向に沿って１０ｎｍまでの領域であることが好ましい。すなわち、予め定められた領域は、スペーサー層３０６とキャリアブロック層４０との界面から、キャリアブロック層４０の側に向けて１０ｎｍの厚さ（図３のｄで表した厚さ）までの領域である。そして、キャリアブロック層４０内における予め定められた領域におけるｐ型ドーパントの不純物濃度の最大値は、５×１０１９ｃｍ−３より高い。なお、スペーサー層３０６の厚さ方向において、キャリアブロック層４０側からキャリアブロック層４０に最も近い井戸層３０４側に向かうにつれて不純物濃度は徐々に減少する。
【００４３】
このような濃度プロファイルは、各半導体層を形成する過程で、所定の成長温度の昇降プロファイルで到達した所定の成長温度下において、キャリアブロック層４０の形成開始時点から、所定のドーパントを所定のドーピング速度で各半導体層にドープしつつ、所定の厚さを有する半導体層の成長を実行することで実現できる。
【００４４】
（発光素子１の製造方法）
以下、本実施の形態に係る発光素子１の製造方法の一例を説明する。
【００４５】
まず、基板１０の上に、例えば、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ法）を用いて所定の成長温度、所定の成長時間で複数の化合物半導体層を含むＡｌＧａＮ系の半導体積層構造を形成する。具体的には、まず、基板１０の上に、ｎ型ドーパントがドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし、０≦ｘ≦１。以下同じ。）を有する第１半導体層２０を形成する（第１半導体層形成工程）。次に、第１半導体層２０の上に発光層領域３０を形成する（発光層領域形成工程）。なお、第１半導体層形成工程は、第１半導体層２０を形成する前に、バッファ層等他の半導体層を基板１０上に形成することもできる。
【００４６】
具体的に、発光層領域形成工程は、第１半導体層２０の上にｎ型ドーパントがドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮを含む障壁層、及びアンドープのＡｌｘＧａ１−ｘＮを含む井戸層を所定のペア数有する量子井戸層３２を形成した後、アンドープのＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むスペーサー層３０６を量子井戸層３２の上に形成する。
【００４７】
次に、発光層領域３０の上にｐ型ドーパントがドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮを有するキャリアブロック層４０を形成する（キャリアブロック層形成工程）。ここで、本実施の形態では、キャリアブロック層形成工程は、不純物導入工程を有する。不純物導入工程は、キャリアブロック層４０内における発光層領域３０とキャリアブロック層４０との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値が、５×１０１９ｃｍ−３より高い濃度にする工程である。また、ドーパントの導入開始のタイミングは、発光層領域形成工程の終了後、キャリアブロック層形成工程の開始時からに設定することが好ましい。
【００４８】
続いて、キャリアブロック層４０の上に、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮを有する第２半導体層５０を形成する（第２半導体層形成工程）。更に続いて、第２半導体層５０の上に、ｐ型ドーパントがドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮを有する第３半導体層５２を形成する（第３半導体層形成工程）。これにより、基板１０の上に半導体積層構造が形成されたエピタキシャルウエハが形成される。
【００４９】
なお、ＭＯＣＶＤ法において用いる原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）等の有機金属化合物、及びアンモニア（ＮＨ３）を用いることができる。更に、ｎ型のドーパントの原料は、トリエチルシラン（ＴＥＳｉ）等を用いることができる。そして、ｐ型のドーパントの原料は、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）等を用いることができる。
【００５０】
また、ｎ型のドーパントの原料として、セレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、又はジメチルテルル（ＤＭＴｅ）を用いることもできる。そして、ｐ型のドーパントとしてＺｎを用いる場合、その原料として、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）又はジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いることもできる。キャリアガスとしては水素、又は窒素等を用いることができる。
【００５１】
また、基板１０の上の半導体積層構造は、分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）等の他の半導体層形成方法を用いて形成することもできる。
【００５２】
次に、エピタキシャルウエハをＭＯＣＶＤ装置から搬出した後、基板１０の上に形成された半導体積層構造に、所定の雰囲気下、所定の温度で所定時間、熱処理を施す。続いて、フォトリソグラフィー法を用い、半導体積層構造の第３半導体層５２の表面の一部を露出させる開口部を有するフォトレジストパターンを形成する。そして、開口部に対しエッチング処理を施す。エッチング処理は、湿式エッチング、及び／又は乾式エッチング（例えば、反応性イオンエッチング）を用いて実行できる。そして、開口部に対応する第３半導体層５２の表面から第１半導体層２０の表面が露出するまでエッチング処理を実行することで、エッチング処理済み半導体積層構造が形成される。
【００５３】
続いて、フォトリソグラフィー法を用い、外部に露出した第１半導体層２０の表面の所定の領域に所定形状の開口を有するフォトレジストパターンを形成する。そして、この開口に、真空蒸着法（例えば、抵抗加熱法、電子ビーム蒸着法、又はスパッタ法等）を用い、第１電極６０を形成する。第１電極６０の形成に用いたフォトレジストパターンを除去、洗浄後、第１電極６０が形成されたエッチング処理済み半導体積層構造に、不活性雰囲気下若しくは活性雰囲気下、所定の温度で所定時間、アニール処理を施すことで、第１電極６０を有する半導体積層構造が形成される。
【００５４】
次に、フォトリソグラフィー法を用い、第１電極６０を有する半導体積層構造の第３半導体層５２の表面の所定の領域に所定形状の開口を有するフォトレジストパターンを形成する。そして、第１電極６０の形成と同様に真空蒸着法を用いて第２電極６５を形成する。第２電極６５の形成に用いたフォトレジストパターンを除去、洗浄後、第２電極６５が形成された半導体積層構造に、活性雰囲気下若しくは不活性雰囲気下、所定の温度で所定時間、アニール処理を施すことで、発光素子構造を有するウエハが形成される。
【００５５】
そして、ダイシング装置等のウエハを切断する装置を用い、得られたウエハを所定寸法の矩形状に切り出すことで、本実施の形態に係る発光素子１が製造される。
【００５６】
なお、発光素子１が備える各半導体層は、各半導体層を構成する化合物半導体層の導電型を、本実施の形態の反対にすることもできる。例えば、第１導電型をｐ型にすると共に、第２導電型をｎ型にすることもできる。
【００５７】
本実施の形態においては深紫外光に相当する波長の光を発する発光素子１について説明したが、発光層領域３０を構成する化合物半導体の組成、及び／又は量子井戸構造等を制御することで、紫外光、青色光、緑色光等の深紫外光とは異なる光に相当する波長の光を発する発光素子を形成することもできる。そして、発光層領域３０は、アンドープ若しくは所定のドーパントがドーピングされた活性層、単一量子井戸構造、若しくは多重量子井戸構造から形成することもできる。
【００５８】
また、発光素子１の平面形状は上記の実施形態に限られない。例えば、発光素子１の平面寸法を、縦寸法の方が横寸法より短くなるように設計すると、発光素子１の平面視における形状は、略長方形となる。
【００５９】
また、本実施の形態では発光ダイオード構造を例に挙げて説明したが、本実施の形態に係る半導体積層構造を有した半導体レーザを形成することもできる。
【００６０】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る発光素子１は、キャリアブロック層４０内における、とりわけ発光層領域３０とキャリアブロック層４０との界面から予め定められた領域における第２導電型の不純物濃度の最大値を５×１０１９ｃｍ−３より高くすることで、発光素子１の外部量子効率を向上させる事ができる。
【実施例】
【００６１】
実施例１においては、本発明の実施の形態に係る製造工程で製造した発光素子１と同様に図１に示した構造を備えると共に、以下の構造を有する発光素子を製造した。【００６２】
まず、基板１０として、一辺７ｍｍ角であり、５００μｍの厚さを有するＣ面のＡｌＮ基板を準備した。そして、このＡｌＮ基板をＭＯＣＶＤ装置にセットした。次に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮ基板の上に第１半導体層２０として、１．０μｍの厚さを有し、ＳｉがドープされたＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ｎ層を形成した（ただし、Ｓｉ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３である。）。そして、第１半導体層２０の上に、発光層領域３０として障壁層と井戸層とを有する量子井戸層、及びスペーサー層３０６を形成した。【００６３】
障壁層としては、７ｎｍの厚さを有し、ＳｉがドープされたＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎを形成すると共に、井戸層としては、２ｎｍの厚さを有し、アンドープのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層を形成した（ただし、障壁層のＳｉ濃度は、１×１０１８ｃｍ−３である。）。また、量子井戸層は、３層の井戸層と、３層の障壁層とを含む構成とした。すなわち、第１半導体層２０の側から障壁層と井戸層とからなるペアを３組形成した。なお、各障壁層は、組成、厚みとも同一にした。同様に、各井戸層も、組成、厚みとも同一にした。更に、量子井戸層３２の上にスペーサー層３０６を形成した。スペーサー層３０６としては、２０ｎｍの厚さを有し、アンドープのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層を形成した。【００６４】
次に、スペーサー層３０６の上にキャリアブロック層４０として、１５ｎｍの厚さを有し、ＭｇがドープされたＡｌＮ層を形成した（ただし、Ｍｇ濃度は５．５×１０１９ｃｍ−３であり、ＡｌＮのバンドギャップは６．００ｅＶである。）。Ｍｇのドープは、キャリアブロック層４０の成長開始時点から開始した。そして、キャリアブロック層４０上に第２半導体層５０として、３５ｎｍの厚さを有し、ＭｇがドープされたＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ｎ層を形成した（ただし、Ｍｇ濃度は５．５×１０１９ｃｍ−３である。）。この第２半導体層５０はｐ型クラッド層として機能する半導体層である。更に、第２半導体層５０の上に第３半導体層５２として、３０ｎｍの厚さを有し、ＭｇがドープされたＧａＮ層を形成した（ただし、Ｍｇ濃度は２×１０１９ｃｍ−３であり、ＧａＮのバンドギャップは３．４０ｅＶである。）。この第３半導体層５２はｐ型コンタクト層として機能する半導体層である。このようにして、ＡｌＮ基板の上に発光素子構造を形成した（以下、単に「発光素子構造」と称する。）。【００６５】
続いて、発光素子構造に、窒素雰囲気中、２０分間、９００℃の条件で熱処理を施した。そして、第３半導体層５２（すなわち、ｐ型コンタクト層）の表面にフォトリソグラフィー法を用い、予め定められた形状の開口部を有するフォトレジストパターンを形成した。次に、第１半導体層２０の表面が露出するまで、この開口部に対し反応性イオンエッチング処理を施した。その後、第１半導体層２０の表面に真空蒸着法により第１電極６０を形成した。具体的に、第１半導体層２０側からＴｉ層（ただし、厚さは２０ｎｍである。）、Ａｌ層（ただし、厚さは２００ｎｍである。）、及びＡｕ層（ただし、厚さは５ｎｍである。）をこの順に形成することで第１電極６０を形成した。そして、第１電極６０が形成された発光素子構造に対し、窒素雰囲気中、１分間、８１０℃の条件で熱処理を施した。【００６６】
次に、第３半導体層５２の表面に真空蒸着法により第２電極６５を形成した。具体的に、第３半導体層５２側からＮｉ層（ただし、厚さは２０ｎｍである。）、及びＡｕ層（ただし、厚さは５０ｎｍである。）をこの順に形成することで第２電極６５を形成した。そして、第２電極６５が形成された発光素子構造に対し、酸素雰囲気中、３分間、５５０℃の条件で熱処理を施した。これにより、発光構造を有するウエハを製造した。【００６７】
そして、ダイシング装置を用い、当該ウエハから７００μｍ角のチップを切り出すことで、実施例１に係る窒化物半導体発光素子を作製した。【００６８】
そして、作製した実施例１に係る窒化物半導体発光素子の特性を評価した。【００６９】
ここで、各半導体層の組成評価は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）、透過型電子顕微鏡によるエネルギー分散型Ｘ線分析法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＴＥＭ−ＥＤＸ）、及び３次元アトムプローブ法（３Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ａｔｏｍ Ｐｒｏｂｅ：３ＤＡＰ）を用いた。また、各半導体層のドーパント濃度の評価については、二次イオン質量分析計（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ−ｍｉｃｒｏｐｒｏｂｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＳＩＭＳ）を用いて実施した。更に、発光層領域３０の発光波長の評価については、フォトルミネッセンス法（ＰＬ法）を用いた。これらの分析手法を用いることで、各半導体層の組成、及びドーパント濃度は上記のとおりであることを確認した【００７０】
ここで、発光素子１の外部量子効率は、内部量子効率と注入効率との双方に比例して決定される。内部量子効率は、発光層（例えば、量子井戸を構成する井戸層）の結晶品質に依存しており、発光層の結晶品質が高い場合、結晶品質が低い場合よりも内部量子効率は向上する。しかし、注入効率が低い場合、内部量子効率を向上させたとしても外部量子効率の向上には限界がある。したがって、キャリアブロック層４０におけるキャリアの第２半導体層５０側への流出を抑制する機能を向上させ、発光層領域３０へのキャリアの注入効率を向上させることが、外部量子効率の向上には有効である。【００７１】
そこで、実施例１〜２、及び比較例１〜３に係る発光素子をそれぞれ製造した。実施例１〜２、及び比較例１〜３に係る発光素子は、キャリアブロック層４０とスペーサー層３０６との予め定められた領域におけるＭｇ濃度を意図的に変化させた点を除き、実施例１に係る発光素子１と略同様の構造を備える。すなわち、実施例１〜２、及び比較例１〜３に関しては実施例１に対して、Ｍｇ流量を変化させている。【００７２】
表１に、実施例及び比較例それぞれについて、当該界面におけるＭｇ濃度と外部量子効率の値とを示す。【００７３】
【表１】
2016125833.tif 000003
【００７４】
キャリアブロック層４０内における予め定められた領域におけるＭｇ濃度が高くなると外部量子効率も向上する傾向があることが示された。すなわち、キャリアブロック層４０の成長開始段階からドーパントを導入し、予め定められた領域におけるＭｇ濃度を所定の濃度より高くすることで外部量子効率が向上することが示された。これは、キャリアブロック層４０の注入効率の向上に対する機能が向上したことを示唆する。【００７５】
ここで、外部量子効率を高くする場合、予め定められた領域におけるＭｇ濃度は５．０×１０１９（ｃｍ−３）より高くする。実施例１、２に係る発光素子によれば、予め定められた領域のＭｇ濃度を５×１０１９ｃｍ−３より高くすることにより、キャリアブロック層の効果をより高め、注入効率を増加させることにより、高注入電流領域においても高い発光効率を実現できる。【００７６】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せのすべてが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。更に、上記した実施形態及び実施例の技術的要素は、単独で適用されてもよいし、複数の部分に分割されて適用されるようにすることもできる。
【符号の説明】
【００７７】
１  発光素子
１０  基板
２０  第１半導体層
３０  発光層領域
３２  量子井戸層
４０  キャリアブロック層
５０  第２半導体層
５２  第３半導体層
６０  第１電極
６５  第２電極
１００  バンド図
２００  界面
３００  障壁層
３０２  井戸層
３０４  井戸層
３０６  スペーサー層
【図１】
2016125833.tif 000004
【図２】
2016125833.tif 000005
【図３】
2016125833.tif 000006
【国際調査報告】
2016125833.tif 000007
2016125833.tif 000008
2016125833.tif 000009
2016125833.tif 000010