(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１コンタクト層を含み第１導電形の第１半導体層と、
第２コンタクト層を含み前記第１半導体層と第１方向において離間した第２導電形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層であって、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む井戸層を含む発光層と、
前記第１半導体層と前記発光層との間に設けられた第１中間部と、
を備え、
前記第１中間部は、複数の積層体を含み、
前記複数の積層体は、前記第１方向に並び、
前記複数の積層体のそれぞれは、
Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０．０２≦ｘ１≦０．１５）の第１層と、
前記第１層と前記発光層との間に設けられ前記第１層に接しＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．００５≦ｙ１≦０．０２）の第２層と、
前記第２層と前記発光層との間に設けられ前記第２層に接しＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜０．００５）の第３層と、
を含み、
前記第１半導体層におけるらせん転位密度は、１×１０８／ｃｍ２以上であり、
前記第１半導体層における刃状転位密度は、６．０×１０８／ｃｍ２以下である、半導体発光素子。
【請求項２】
前記らせん転位密度は、前記刃状転位密度の０．２倍以上０．４倍以下である請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記らせん転位密度は、前記第１半導体層のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅から得られる値である請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記刃状転位密度は、前記第１半導体層における前記Ｘ線回折の前記ロッキングカーブ半値幅から得られる請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さ以下であり、
前記第２層の前記厚さは、前記第３層の厚さよりも薄い請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第１層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下であり、
前記第２層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第２層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下であり、
前記第３層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第３層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下である請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１層の前記厚さは、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下であり、
前記第２層の前記厚さは、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下であり、
前記第３層の前記厚さは、１．８ナノメートル以上２．２ナノメートル以下である請求項５または６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１層におけるＩｎ組成比ｘ１の前記複数の積層体の間における変動は、前記ｘ１の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第２層におけるＡｌ組成比ｙ１の前記複数の積層体の間における変動は、前記ｙ１の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記複数の積層体の数は、１６以上である請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記井戸層は、Ｉｎｗ1Ｇａ１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含み、
前記発光層は、
前記井戸層と前記第２半導体層との間に設けられ前記井戸層に接しＡｌｂ１Ｇａ１−ｂ１Ｎ（０＜ｂ１≦１）の第１障壁領域と、
前記第１障壁領域と前記第２半導体層との間に設けられ前記第１障壁領域に接しＡｌｂ２Ｇａ１−ｂ２Ｎ（０≦ｂ２＜ｂ１）の第２障壁領域と、
を含む請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
第２中間部をさらに備え、
前記第２中間部と前記第１中間部との間に前記第１半導体層が配置され、
前記第２中間部は、シリコン、マグネシウム及びボロンのいずれかを含む窒化物を含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項１３】
前記第２中間部の厚さは、３ナノメートル以下である請求項１２記載の半導体発光素子。
【請求項１４】
シリコン基板の上に第１コンタクト層を含み第１導電形の第１半導体層を形成し、
前記第１半導体層の上に第１中間部を形成し、
前記第１中間部の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む井戸層を含む発光層を形成し、
前記発光層の上に第２コンタクト層を含み第２導電形の第２半導体層を形成し、
を備え、
前記第１中間部の形成は、複数の積層体を形成することを含み、
前記複数の積層体は、前記シリコン基板に対して交差する方向に並び、
前記複数の積層体のそれぞれは、
Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０．０２≦ｘ１≦０．１５）の第１層と、
前記第１層の上において前記第１層に接して設けられたＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．００５≦ｙ１≦０．０２）の第２層と、
前記第２層の上において前記第２層に接して設けられたＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜０．００５）の第３層と、
を含み、
前記第１半導体層におけるらせん転位密度は、１×１０８／ｃｍ２以上であり、
前記第１半導体層における刃状転位密度は、６．０×１０８／ｃｍ２以下である、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さ以下であり、
前記第２層の前記厚さは、前記第３層の厚さよりも薄い請求項１４記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第１層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第１層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下であり、
前記第２層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第２層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下であり、
前記第３層の前記厚さの前記複数の積層体の間における変動は、前記第３層の前記厚さの前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下である請求項１５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第１層の前記厚さは、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下であり、
前記第２層の前記厚さは、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下であり、
前記第３層の前記厚さは、１．８ナノメートル以上２．２ナノメートル以下である請求項１５または１６に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記第１層におけるＩｎ組成比ｘ１の前記複数の積層体の間における変動は、前記ｘ１の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下である請求項１４〜１７のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
前記第２層におけるＡｌ組成比ｙ１の前記複数の積層体の間における変動は、前記ｙ１の前記複数の積層体における平均値のプラスマイナス１５％以下である請求項１４〜１８のいずれか１つに記載の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】
本発明の実施形態は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば窒化物半導体を用いた半導体発光素子（例えば、発光ダイオード）において、効率の向上が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２２２３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、半導体発光素子は、第１コンタクト層を含み第１導電形の第１半導体層と、第２コンタクト層を含み前記第１半導体層と第１方向において離間した第２導電形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、前記第１半導体層と前記発光層との間に設けられた第１中間部と、を含む。前記発光層は、井戸層を含む。前記井戸層は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む。前記第１中間部は、複数の積層体を含む。前記複数の積層体は、前記第１方向に並ぶ。前記複数の積層体のそれぞれは、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０．０２≦ｘ１≦０．１５）の第１層と、前記第１層と前記発光層との間に設けられ前記第１層に接しＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．００５≦ｙ１≦０．０２）の第２層と、前記第２層と前記発光層との間に設けられ前記第２層に接しＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜０．００５）の第３層と、を含み、前記第１半導体層におけるらせん転位密度は、１×１０８／ｃｍ２以上である。前記第１半導体層における刃状転位密度は、６．０×１０８／ｃｍ２以下である。
本発明の別の実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法は、シリコン基板の上に第１コンタクト層を含み第１導電形の第１半導体層を形成し、前記第１半導体層の上に第１中間部を形成し、前記第１中間部の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む井戸層を含む発光層を形成し、前記発光層の上に第２コンタクト層を含み第２導電形の第２半導体層を形成することを含む。前記第１中間部の形成は、複数の積層体を形成することを含む。前記複数の積層体は、前記シリコン基板に対して交差する方向に並ぶ。前記複数の積層体のそれぞれは、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０．０２≦ｘ１≦０．１５）の第１層と、前記第１層の上において前記第１層に接して設けられたＡｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．００５≦ｙ１≦０．０２）の第２層と、前記第２層の上において前記第２層に接して設けられたＡｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜０．００５）の第３層と、を含む。前記第１半導体層におけるらせん転位密度は、１×１０８／ｃｍ２以上である。前記第１半導体層における刃状転位密度は、６．０×１０８／ｃｍ２以下である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子を示す原子間力顕微鏡像である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｆ）は、第１参考例の半導体発光素子を示す顕微鏡像である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｄ）は、半導体発光素子の特性を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、半導体発光素子の特性を示す模式図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｅ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図９】第２の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１０】第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図１に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光層３０と、第１中間部４０と、を含む。
【０００９】
第１半導体層１０は、第１導電形である。第２半導体層２０は、第２導電形である。例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形とする。
【００１０】
第２半導体層２０は、第１半導体層１０と第１方向において離間する。
【００１１】
第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１２】
第１半導体層１０及び第２半導体層２０には、例えば、窒化物半導体が用いられる。
【００１３】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎの少なくともいずれかが用いられる。第１半導体層１０は、例えば、ｎ側コンタクト層を含む。
【００１４】
第２半導体層２０には、例えば、ｐ形不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｐ形不純物には、Ｍｇ、Ｚｎ及びＣの少なくともいずれかが用いられる。第２半導体層２０は、例えば、ｐ側コンタクト層を含む。
【００１５】
発光層３０は、第１半導体層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。発光層３０は、井戸層３２を含む。井戸層３２は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む。井戸層３２は、例えば、Ｉｎｗ1Ｇａ１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含む。
【００１６】
第１半導体層１０と第２半導体層２０とを介して、発光層３０に電流が供給される。発光層３０から光が放出される。発光層３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば、４３５ナノメートル（ｎｍ）以上４６０ｎｍ以下である。発光光は、例えば青色である。発光光の強度は、ピーク波長において最高である。実施形態において、ピーク波長は任意である。
【００１７】
第１中間部４０は、第１半導体層１０と発光層３０との間に設けられる。第１中間部４０は、複数の積層体ＳＬ（積層体ＳＬ１〜ＳＬｎ）を含む。積層体ＳＬの数ｎは、例えば、２以上６０以下である。数ｎは、例えば、１６以上である。数ｎは、例えば、３０程度である。数ｎは、例えば、３０以下である。
【００１８】
複数の積層体ＳＬのそれぞれは、第１層４１と、第２層４２と、第３層４３と、を含む。
【００１９】
第１層４１には、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）が用いられる。第１層４１には、例えばＩｎＧａＮが用いられる。例えば、Ｉｎ組成比ｘ１は、０．０２以上０．１５以下である。
【００２０】
第２層４２は、第１層４１と発光層３０との間に設けられ、第１層４１に接する。第２層４２には、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）が用いられる。第２層４２には、例えばＡｌＧａＮが用いられる。例えば、Ａｌ組成比ｙ１は、０．００５以上０．０２以下である。
【００２１】
第３層４３は、第２層４２と発光層３０との間に設けられ、第２層４２に接する。第３層４３には、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜ｙ１）が用いられる。第３層４３におけるＡｌ組成比は、第２層４２におけるＡｌ組成比よりも低い。例えば、Ａｌ組成比ｙ２は、０以上０．００５未満である。第３層４３には、例えば、ＧａＮが用いられる。以下では、第３層４３にＧａＮが用いられる場合として説明する。
【００２２】
このように、第１中間部４０に設けられる複数の積層体ＳＬのそれぞれにおいて、第１層４１、第２層４２及び第３層４３の積層構造が用いられる。複数の積層体ＳＬのなかで、第１層４１の材料は実質的に同じである。すなわち、複数の積層体ＳＬのなかで、Ｉｎ組成比ｘ１は、実質的に一定である。複数の積層体ＳＬのなかで、Ａｌ組成比ｙ１は、実質的に一定である。複数の積層体ＳＬのなかで、Ａｌ組成比ｙ２は、実質的に一定である。例えば、複数の積層体ＳＬにおいて、第３層４３には、ＧａＮが用いられる。
【００２３】
例えば、第１層４１におけるＩｎ組成比ｘ１の、複数の積層体ＳＬにおける平均値をａｘ１とする。Ｉｎ組成比ｘ１の、複数の積層体ＳＬの間における変動をｄｘ１とする。変動ｄｘ１は、複数の積層体ＳＬにおける、Ｉｎ組成比ｘ１の最高値と最低値との差の絶対値である。変動ｄｘ１は、例えば、平均値のａｘ１のプラスマイナス１５％以下である。望ましくは、プラスマイナス１０％以下である。さらに望ましくは、プラスマイナス５％以下である。
【００２４】
第２層４２におけるＡｌ組成比ｙ１の、複数の積層体ＳＬにおける平均値をａｙ１とする。Ａｌ組成比ｙ１の、複数の積層体ＳＬの間における変動をｄｙ１とする。変動ｄｙ１は、複数の積層体ＳＬにおける、Ａｌ組成比ｙ１の最高値と最低値との差の絶対値である。変動ｄｙ１は、例えば、平均値ａｙ１のプラスマイナス１５％以下である。望ましくは、プラスマイナス１０％以下である。さらに望ましくは、プラスマイナス５％以下である。
【００２５】
第３層４３におけるＡｌ組成比ｙ２の、複数の積層体ＳＬにおける平均値をａｙ２とする。Ａｌ組成比ｙ２の、複数の積層体ＳＬの間における変動をｄｙ２とする。変動ｄｙ２は、複数の積層体ＳＬにおける、Ａｌ組成比ｙ２の最高値と最低値との差の絶対値である。変動ｄｙ２は、例えば、平均値ａｙ２のプラスマイナス１５％以下である。望ましくは、プラスマイナス１０％以下である。さらに望ましくは、プラスマイナス５％以下である。
【００２６】
複数の積層体ＳＬのなかで、第１層４１、第２層４２及び第３層４３のそれぞれの厚さは、実質的に一定である。厚さは、Ｚ軸方向に沿った長さである。
【００２７】
第１層４１の厚さｔ１の、複数の積層体ＳＬにおける平均値をａｔ１とする。厚さｔ１の、複数の積層体ＳＬの間における変動をｄｔ１とする。変動ｄｔ１は、複数の積層体ＳＬにおける、厚さｔ１の最大値と最小値との差の絶対値である。変動ｄｔ１は、例えば、平均値ａｔ１のプラスマイナス１５％以下である。望ましくは、プラスマイナス１０％以下である。さらに望ましくは、プラスマイナス５％以下である。
【００２８】
第２層４２の厚さｔ２の、複数の積層体ＳＬにおける平均値をａｔ２とする。厚さｔ２の、複数の積層体ＳＬの間における変動をｄｔ２とする。変動ｄｔ２は、複数の積層体ＳＬにおける、厚さｔ２の最大値と最小値との差の絶対値である。変動ｄｔ２は、例えば、平均値ａｔ２のプラスマイナス１５％以下である。望ましくは、プラスマイナス１０％以下である。さらに望ましくは、プラスマイナス５％以下である。
【００２９】
第３層４３の厚さｔ３の、複数の積層体ＳＬにおける平均値をａｔ３とする。厚さｔ３の、複数の積層体ＳＬの間における変動をｄｔ３とする。変動ｄｔ３は、複数の積層体ＳＬにおける、厚さｔ３の最大値と最小値との差の絶対値である。変動ｄｔ３は、例えば、平均値ａｔ３のプラスマイナス１５％以下である。望ましくは、プラスマイナス１０％以下である。さらに望ましくは、プラスマイナス５％以下である。
【００３０】
実施形態において、第２層４２の厚さｔ２は、第１層４１の厚さｔ１以下であることが好ましい。第２層４２の厚さｔ２は、第３層４３の厚さｔ３よりも薄いことが好ましい。  これにより、第１中間部４０及び発光層３０において、らせん成長が抑制され、発光分布の不均一性が改善される。
【００３１】
第１層４１の厚さｔ１は、例えば、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下である。  
第２層４２の厚さｔ２は、例えば、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下である。  
第３層４３の厚さｔ３は、例えば、１．８ナノメートル以上２．２ナノメートル以下である。
【００３２】
上記の第１半導体層１０、第１中間部４０、発光層３０及び第２半導体層２０は、例えば、シリコン基板８０の上に形成される。シリコン基板８０の面方位は、例えば（１１１）面である。ただし、実施形態において、面方位は任意である。
【００３３】
例えば、シリコン基板８０の上に、バッファ層５０が設けられる。バッファ層５０の上に、低不純物濃度層１０ｉが設けられる。低不純物濃度層１０ｉの上に、第１半導体層１０、第１中間部４０、発光層３０及び第２半導体層２０が、この順で設けられる。低不純物濃度層１０ｉにおける不純物の濃度は、第１半導体層１０における不純物の濃度よりも低い。低不純物濃度層１０ｉには、例えばアンドープＧａＮが用いられる。低不純物濃度層１０ｉは、必要に応じて設けられ、省略されても良い。
【００３４】
これらの層は、シリコン基板８０の上にエピタキシャル成長により形成される。
【００３５】
例えば、半導体発光素子１１０は、シリコン基板８０の上に形成された第１導電形の第１半導体層１０と、第１半導体層１０の上に設けられた第１中間部４０と、第１中間部４０の上に設けられた発光層３０と、発光層３０の上に設けられた第２導電形の第２半導体層２０と、を含む。発光層３０は、井戸層３２を含み、井戸層３２は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む。第１中間部４０は、上記の複数の積層体ＳＬ１〜ＳＬｎを含む。複数の積層体ＳＬ１〜ＳＬｎは、第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう第１方向（Ｚ軸方向）に並ぶ。複数の積層体ＳＬのそれぞれは、上記の、第１層４１、第２層４２及び第３層４３を含む。
【００３６】
以下、バッファ層５０の例について説明する。  
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。  図２に示すように、シリコン基板８０の上に、バッファ層５０が設けられ、その上に、第１半導体層１０（または低不純物濃度層１０ｉ）が設けられる。
【００３７】
バッファ層５０は、ＡｌＮ層５１、ＡｌＧａＮバッファ層５２、ＧａＮ層５３及びＡｌ含有層５４を含む。
【００３８】
ＡｌＮ層５１は、シリコン基板８０の上に設けられる。ＡｌＮ層５１は、高温成長ＡｌＮ層である。ＡｌＮ層５１を設けることで、その上の層とシリコン基板８０との反応が抑制される。
【００３９】
ＡｌＮ層５１の上に、ＡｌＧａＮバッファ層５２が設けられる。ＡｌＧａＮバッファ層５２の上に、ＧａＮ層５３が設けられる。ＧａＮ層５３の上に、Ａｌ含有層５４が設けられる。この例では、ＧａＮ層５３とＡｌ含有層５４との組み合わせが、複数セット設けられる。例えば、シリコン基板８０と窒化物半導体層との間の熱膨張係数の差などの原因により、窒化物半導体層に過度の応力が加わることがある。ＧａＮ層５３とＡｌ含有層５４との組み合わせにより、例えば、この応力が調整される。Ａｌ含有層５４は、例えば、ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＮ層と、の積層構造を有する。このＡｌＮ層は低温成長される。
【００４０】
以下、発光層３０の例について説明する。  
図３は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。  図３に示すように、発光層３０は、井戸層３２に加えて、障壁層３１をさらに含む。２つの障壁層３１の間に、井戸層３２が配置される。この例では、発光層３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構成を有する。すなわち、発光層３０は、複数の井戸層３２と、複数の障壁層３１と、を含む。障壁層３１どうしのそれぞれの間に、複数の井戸層３２のそれぞれが配置される。実施形態において、発光層３０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構成を有しても良い。このとき、井戸層３２の数は１である。
【００４１】
障壁層３１におけるバンドギャップエネルギーは、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。既に説明したように、井戸層は、Ｉｎｗ1Ｇａ１−ｗ１Ｎ（０＜ｗ１＜１）を含み、障壁層３１には、例えば、ＧａＮまたはＡｌＧａＮなどが用いられる。
【００４２】
図３に例示した半導体発光素子１１１においては、障壁層３１は、複数の層の積層構造を有している。すなわち、１つの障壁層３１は、組成の異なる複数の領域を含む。
【００４３】
すなわち、発光層３０は、例えば、第１障壁領域３１ａと、第２障壁領域３１ｂと、を含む。
【００４４】
第１障壁領域３１ａは、井戸層３２と第２半導体層２０との間に設けられ、井戸層３２に接する。第１障壁領域３１ａは、Ａｌｂ１Ｇａ１−ｂ１Ｎ（０＜ｂ１≦１）を含む。第１障壁領域３１ａは、例えば、ＡｌＧａＮを含む。
【００４５】
第２障壁領域３１ｂは、第１障壁領域３１ａと第２半導体層２０との間に設けられ、第１障壁領域３１ａに接する、第２障壁領域３１ｂは、Ａｌｂ２Ｇａ１−ｂ２Ｎ（０≦ｂ２＜ｂ１）を含む。第２障壁領域３１ｂは、例えば、ＧａＮを含む。以下では、第２障壁領域３１ｂとしてＧａＮが用いられる場合として説明する。
【００４６】
第１障壁領域３１ａ及び第２障壁領域３１ｂが、１つの障壁層３１に含まれる。実施形態において、１つの障壁層３１において組成が実質的に一定でも良い。
【００４７】
実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、１つの障壁層３１において組成が実質的に一定である。半導体発光素子１１０においては、障壁層３１として、ＧａＮが用いられる。このとき、発光層３０においては、ＩｎＧａＮ層（井戸層３２）／ＧａＮ層（障壁層３１）の２層の積層構造が採用される。このような積層構造が、複数設けられる。
【００４８】
一方、実施形態に係る半導体発光素子１１１においては、１つの障壁層３１に、第１障壁領域３１ａ及び第２障壁領域３１ｂが設けられる。このとき、発光層３０においては、ＩｎＧａＮ層（井戸層３２）／ＡｌＧａＮ層（第１障壁領域３１ａ）／ＧａＮ層（第２障壁領域３１ｂ）の３層の積層構造が採用される。このような積層構造が、複数設けられる。
【００４９】
実施形態に係る半導体発光素子１１０及び１１１においては、上記の第１中間部４０が設けられる。第１中間部４０に含まれる複数の積層体ＳＬのそれぞれは、ＩｎＧａＮ層（第１層４１）／ＡｌＧａＮ層（第２層４２）／ＧａＮ層（第３層４３）の３層の積層構造が採用されている。第１中間部４０は、例えば、超格子構造を有する。
【００５０】
一般の超格子構造においては、２種類の膜が交互に配置される。これに対して、本実施形態においては、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造を用いることで、発光効率を向上することができる。
【００５１】
例えば、実施形態においては、ＩｎＧａＮ層を含む第１中間部４０において生じるらせん状の成長が抑制される。第１中間部４０における結晶粒界が減少する。これによりＩｎＧａＮ層を含む発光層３０における結晶粒界が減少する。実施形態によれば、発光効率を向上することができる。
【００５２】
例えば、Ｉｎを含む窒化物半導体は、原子ステップをらせん状に巻き込みながら二次元的に成長する。すなわち、らせん成長が生じる。らせん成長した結晶同士が衝突することで、多くの結晶粒界が生じる。後述するように、結晶粒界は、らせん転位密度が高い場合に顕著に生じる。
【００５３】
結晶粒界には、欠陥が存在する。結晶粒界は、半導体発光素子の発光効率の低下の原因となる。らせん成長により、Ｉｎを含む窒化物半導体層の一部が消失し、消失領域が生じる場合がある。消失領域が生じると、半導体発光素子の発光効率が低い領域が生じる。発光輝度分布において、５０μｍ程度のサイズの輝度が低い部分（暗点）が生じる。これにより、発光効率が低下する。
【００５４】
本実施形態においては、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造を用いることで、らせん成長を抑制し、Ｉｎを含む窒化物半導体層の消失領域を抑制し、暗点を抑制する。これにより、発光効率を向上することができる。
【００５５】
以下、半導体発光素子の結晶粒界についての実験結果の例について説明する。  
実験では、シリコン基板８０の上に、バッファ層５０、低不純物濃度層１０ｉ、第１半導体層１０、第１中間部４０、発光層３０及び第２半導体層２０が順次エピタキシャル成長される。これらの層の形成の条件は、以下である。
【００５６】
まず、バッファ層５０として、１０７０℃にて２１０ｎｍのＡｌＮ層、１０５０℃にて２００ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎ層、２５０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎ層、及び、３５０ｎｍのＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層がこの順で形成される。
【００５７】
続けて、低不純物濃度層１０ｉとして、１０６０℃にて１０００ｎｍのＧａＮ層が形成される。
【００５８】
さらに続けて、第１半導体層１０として、１０６０℃にて１０００ｎｍのＳｉドープＧａＮ層が形成される。
【００５９】
次に、第１中間部４０として、１．０ｎｍのＩｎＧａＮ層と、１．０ｎｍのＡｌＧａＮ層と、２．０ｎｍのＧａＮ層と、の組み合わせを１周期として、３０周期の組み合わせが形成される。形成の温度は、８４０℃である。成長速度は、約１．７５ｎｍ／ｍｉｎである。このＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は、８％である。このＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比は、１．５％である。
【００６０】
第１中間部４０を成長したのち、発光層３０として、井戸層３２と障壁層３１とが形成される。すなわち、井戸層３２となる３．５ｎｍのＩｎＧａＮ層を８００℃で形成する。その上に、障壁層３１の一部となる１．０ｎｍの第１のＧａＮ層を８００℃で形成する。さらに、その上に、障壁層３１の別の一部となる１．５ｎｍの第２のＧａＮ層を８５０℃で形成する。さらにその上に、障壁層３１の別の一部となる０．５ｎｍの第３のＧａＮ層を８００℃で形成する。１つの障壁層３１の厚さは、３．０ｎｍである。上記の、井戸層３２及び障壁層３１の組み合わせの形成を、８回繰り返す。これにより、発光層３０が形成される。
【００６１】
発光層３０の上に、第２半導体層２０として、５ｎｍのＭｇドープＡｌＧａＮ層、８０ｎｍのＭｇドープＧａＮ層、及び、５ｎｍのＭｇドープＧａＮコンタクト層がこの順で形成される。これにより、半導体発光素子１１０が得られる。
【００６２】
上記において、発光層３０の形成条件を変えることで、半導体発光素子１１１が得られる。すなわち、半導体発光素子１１１においては、障壁層３１として、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層との積層膜が用いられる。この場合には、井戸層３２となるＩｎＧａＮ層を８００℃で形成した後、障壁層３１の一部となる１．０ｎｍのＡｌＧａＮ層を８００℃で形成し、さらに障壁層３１の別の一部となる１．５ｎｍのＧａＮ層を８５０℃で形成し、さらに障壁層３１の別の一部となる０．５ｎｍのＧａＮ層を８００℃で形成する。この実験においては、この井戸層３２及び障壁層３１の形成の組み合わせを、８回繰り返す。成長速度は、約１．３０ｎｍ／ｍｉｎである。井戸層３２となるＩｎＧａＮ層において、Ｉｎ組成比は、１４％である。障壁層３１の一部となる上記のＡｌＧａＮ層において、Ａｌ組成比は、１５％である。この他の条件は、半導体発光素子１１０と同様である。
【００６３】
実験では、実施形態に係る半導体発光素子に加えて、参考例の半導体発光素子も作製される。上記のように、実施形態に係る半導体発光素子においては、第１中間部４０として、上記のＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造が形成される。一方、参考例の半導体発光素子においては、第１中間部４０の代わりに、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層の２層の積層構造を有する中間部が形成される。ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層の２層の積層構造の形成条件は、上記の３層の積層構造の形成条件において、ＡｌＧａＮ層を形成しないことを除いて同様である。
【００６４】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子を例示する原子間力顕微鏡像である。  
これらの図は、第１参考例の半導体発光素子１１９の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）像である。第１参考例において、発光層３０には、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層の２層の積層構造が形成される。図４（ａ）は、第１半導体層１０の表面のＡＦＭ像である。図４（ｂ）は、中間部４０ｘ（ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層）の表面のＡＦＭ像である。図４（ｃ）は、発光層３０（ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層）の表面のＡＦＭ像である。
【００６５】
図４（ｂ）及び図４（ｃ）から分かるように、ＩｎＧａＮ層を含む中間部４０ｘ及び発光層３０においては、円形状（楕円形状）の多数の領域（小ドメイン８５）が観察される。この小ドメイン８５のサイズ（例えば直径）は、約２μｍ程度である。
【００６６】
図４（ａ）に示すように、ＧａＮの第１半導体層１０においては、小ドメイン８５は観察されない。このことから、この小ドメイン８５は、ＩｎＧａＮ層において特有に生じるものであると、考えられる。この小ドメイン８５は、ＩｎＧａＮ層におけるらせん成長により生じていると考えられる。小ドメイン８５どうしの境界は、結晶粒界に相当する。結晶粒のサイズ（例えば直径）は、約２μｍ程度である。
【００６７】
図４（ｂ）及び図４（ｃ）を比べると、発光層３０では、らせん成長がより強調されている。発光層３０の成長モードは、中間部４０ｘにおいてらせん成長により形成した小ドメイン８５の影響を強く受けている。中間部４０ｘにおけるらせん成長を抑制することで、発光層３０におけるらせん成長が抑制できると考えられる。
【００６８】
図５（ａ）〜図５（ｆ）は、第１参考例の半導体発光素子を例示する顕微鏡像である。  これらの図は、第１参考例の半導体発光素子１１９に対応する。図５（ａ）は、顕微フォトルミネッセンス像である。図５（ｂ）は、半導体発光素子１１９の断面を示す透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope）写真像である。図５（ａ）には、領域ｒ１及び領域ｒ２が示されている。図５（ｃ）は、図５（ａ）に示す領域ｒ１に対応するＡＦＭ像である。図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示す領域ｒ３を拡大して示すＡＦＭ像である。図５（ｅ）は、領域ｒ１を含む領域の蛍光顕微鏡像である。図５（ｆ）は、図５（ｄ）に示すＡＦＭ像に、粒界を示す破線を記入したものである。
【００６９】
図５（ｂ）に示すように、発光層３０中において、ＩｎＧａＮの井戸層３２の一部が消失していることが分かる。すなわち、ＩｎＧａＮ層において、非形成領域８６（消失領域）が生じている。この非形成領域８６は、図５（ａ）に示す暗点８６ａに対応する。
【００７０】
図５（ｃ）、図５（ｄ）、図５（ｆ）及び図５（ｅ）を比較すると、図５（ｃ）、図５（ｄ）及び図５（ｆ）のＡＦＭ像で観察される結晶粒界８７は、図５（ｅ）の蛍光顕微鏡で観察される暗線８７ａと対応することが分かる。結晶粒界８７は、小ドメイン８５の境界に対応する。図５（ｃ）に示すように、複数の小ドメイン８５は、大ドメイン８８を形成する。大ドメイン８８のサイズは、３０μｍ〜５０μｍ程度である。大ドメイン８８は、図５（ａ）に示す顕微フォトルミネッセンス像の発光分布と対応している。
【００７１】
このように、第１参考例の半導体発光素子１１９においては、顕微フォトルミネッセンス像（図５（ａ））において、発光分布が不均一である。そして、顕微フォトルミネッセンス像において発光効率が著しく低い領域（暗点８６ａ）においては、ＩｎＧａＮ層（井戸層３２）の消失が観察される。すなわち、非形成領域８６が生じている。非形成領域８６は、らせん成長により生じると考えられる。
【００７２】
既に説明したように、小ドメイン８５の境界（ＡＦＭ像で観察される結晶粒界８７）は、蛍光顕微鏡で観察される暗線８７ａと対応する。結晶粒界８７が多いと、その部分において、発光輝度が低下する。すなわち、蛍光顕微鏡像で観察される暗線８７ａが少ないことが、高い発光輝度に繋がる。そして、暗線８７ａが少ないことが、低輝度の領域が少ないことに対応し、発光分布が均一なことに対応する。
【００７３】
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、半導体発光素子の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、蛍光顕微鏡像である。図６（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０に対応する。図６（ｂ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１１に対応する。図６（ｃ）は、第１参考例の半導体発光素子１１９に対応する。図６（ｄ）は、第２参考例の半導体発光素子１１９ａに対応する。
【００７４】
半導体発光素子１１０においては、第１中間部４０は、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造を有する。第１中間部４０において、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比０．０８）の厚さは、約１ｎｍである。第１中間部４０において、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．０１５）の厚さは、約１ｎｍである。第１中間部４０において、ＧａＮ層の厚さは、２ｎｍである。第１中間部４０において、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層のセットの数は、３０である。発光層３０は、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層の２層の積層構造を有する。発光層３０において、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比０．１４）の厚さは、約３．５ｎｍである。発光層３０において、ＧａＮ層の厚さは、約３ｎｍである。発光層３０において、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層のセットの数は、８である。
【００７５】
半導体発光素子１１１においては、第１中間部４０の構成は、半導体発光素子１１０と同じである。半導体発光素子１１１においては、発光層３０は、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造を有する。発光層３０において、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比０．１４）の厚さは、約３．５ｎｍである。発光層３０において、ＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比０．１５）の厚さは、約１ｎｍである。発光層３０において、ＧａＮ層の厚さは、約２ｎｍである。発光層３０において、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層のセットの数は、８である。
【００７６】
第１参考例の半導体発光素子１１９においては、中間部４０ｘは、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層の２層の積層構造を有する。中間部４０ｘにおいて、ＩｎＧａＮ層（Ｉｎ組成比０．０８）の厚さは、約１ｎｍである。第１中間部４０において、ＧａＮ層の厚さは、３ｎｍである。中間部４０ｘにおいて、ＩｎＧａＮ層／ＧａＮ層のセットの数は、３０である。半導体発光素子１１９においては、発光層３０の構成は、半導体発光素子１１０と同じである。
【００７７】
第２参考例の半導体発光素子１１９ａにおいて、第１中間部４０の構成は、半導体発光素子１１９と同じである。半導体発光素子１１９ａにおいて、発光層３０の構成は、半導体発光素子１１１と同じである。
【００７８】
図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、第１、第２参考例の半導体発光素子１１９及び１１９ａにおいては、多くの暗線８７ａが観察される。これは、小ドメイン８５の境界（ＡＦＭ像で観察される結晶粒界８７）が多いことに対応する。
【００７９】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１０及び１１１においては、暗線８７ａは少ない。特に、半導体発光素子１１１においては、暗線８７ａは非常に少ない。このことは、小ドメイン８５の境界（ＡＦＭ像で観察される結晶粒界８７）が少ないことに対応する。
【００８０】
らせん成長したＩｎＧａＮ層上にＡｌＧａＮ層を成長させることで、ＡｌＧａＮ層上に成長させたＧａＮ層の成長モードが変化したと考えられる。ＧａＮ層において、らせん成長が抑制されたと考えられる。これにより、暗線８７ａが減少したと考えられる。
【００８１】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、半導体発光素子の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、顕微フォトルミネッセンス像である。図５（ａ）〜図５（ｄ）のそれぞれは、半導体発光素子１１０、１１１、１１９及び１１９ａのそれぞれに対応する。
【００８２】
図７（ｃ）に示すように、第１参考例の半導体発光素子１１９においては、顕微フォトルミネッセンス像における発光効率が低い。そして、輝度が著しく低い領域があり、発光効率の面内分布のばらつきが大きい。面内における強度（輝度）の中心値は約４８０（任意単位）であり、面内における強度の最大値は約７８０（任意単位）であり、面内における強度の最低値は約１８０（任意単位）である。
【００８３】
図７（ｄ）に示すように、第２参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、半導体発光素子１１９に比べて発光効率が改善しているが、面内分布のばらつきが大きい。面内における強度（輝度）の中心値は約５３０（任意単位）であり、面内における強度の最大値は約７３０（任意単位）であり、面内における強度の最低値は約３９０（任意単位）である。
【００８４】
図７（ａ）に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、半導体発光素子１１９に比べて発光効率が改善しており、面内分布のばらつきも小さい。面内における強度（輝度）の中心値は約５３０（任意単位）であり、面内における強度の最大値は約６５０（任意単位）であり、面内における強度の最低値は約４００（任意単位）である。
【００８５】
図７（ｂ）に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１１１においては、半導体発光素子１１０よりもさらに発光効率が改善しており、面内分布のばらつきも小さい。面内における強度（輝度）の中心値は約５７０（任意単位）であり、面内における強度の最大値は約６７０（任意単位）であり、面内における強度の最低値は約４８０（任意単位）である。
【００８６】
このように、第１中間部４０として、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造を適用することで、発光効率が改善し、面内分布も均一になる。そして、さらに、発光層３０にも、ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の３層の積層構造を適用することで、さらに、発光効率が向上する。
【００８７】
実施形態において、第１中間部４０の複数の積層体ＳＬにおいて、ＩｎＧａＮの第１層４１の上に、ＡｌＧａＮの第２層４２が形成される。そして、第２層４２の上に、ＧａＮの第３層４３が形成される。ＩｎＧａＮの第１層４１のらせん成長が生じていても、ＡｌＧａＮの第２層４２を設けることで、第３層４３において、らせん成長が引き継がれることが抑制される。これにより、らせん成長に起因した暗点８６ａ、すなわち、ＩｎＧａＮ層の消失が抑制される。
【００８８】
上記の実験で説明した暗点８６ａは、サファイア基板上にＩｎを含む窒化物半導体層を成長させたときには、観察されない。暗点８６ａは、シリコン基板８０上にＩｎを含む窒化物半導体層を成長させたときに特異的に観察される。すなわち、らせん成長による欠陥は、らせん転位密度が高い場合に、顕著に生じると考えられる。
【００８９】
以下、らせん転位密度について、説明する。  
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。  
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、（０００２）面、（０００４）面、（１０−１１）面、（２０−２２）面及び（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブをそれぞれ示している。これらの図の横軸は、Ｘ線回折解析における角度θ（度）である。縦軸は、検出強度counts（arcsec）である。
【００９０】
らせん転位密度および刃状転位密度は、（０００２）面、（０００４）面、（１０−１１）面および（２０−２２）面のＸ線ロッキングカーブの半値全幅を用いて、以下の第１〜第４式により求められる。
【数１】
0006430317.tif 000002
【数２】
0006430317.tif 000003
【００９１】
上記において、各パラメータは、以下である。  
Ｄｓｃｒｅｗは、らせん転位密度（１／ｃｍ２）である。  
βｍ（ｔｉｌｔ）は、らせん成分に対応するＧａＮのチルト角度（°、度）である。  
ｂｓｃｒｅｗは、ＧａＮのらせん転位のバーガースベクトルであり、例えば、０．５１９ｎｍである。  
βｍ（０００２）は、（０００２）面における半値全幅（°）である。  
βｍ（０００４）は、（０００４）面における半値全幅（°）である。  
ｄ０００２は、ＧａＮの（０００２）面における格子面間隔であり、例えば、２．５９７オングストロームである。  
ｄ０００４は、ＧａＮの（０００４）面における格子面間隔であり、例えば、１．２９９オングストロームである。  
２π／ｄ０００２は、ＧａＮの（０００２）面の逆格子空間における格子面間隔であり、例えば、２．４１９２（１／オングストローム）である。
【００９２】
２π／ｄ０００４は、ＧａＮの（０００４）面の逆格子空間における格子面間隔であり、例えば、４．８３８４（１／オングストローム）である。
【数３】
0006430317.tif 000004
【数４】
0006430317.tif 000005
【００９３】
上記において、各パラメータは、以下である。  
Ｄｅｄｇｅは、刃状転位密度（１／ｃｍ２）である。  
βｍ（ｔｗｉｓｔ）は、刃状成分に対応するＧａＮのツイスト角度（°、度）である。  ｂｅｄｇｅは、ＧａＮの刃状転位のバーガースベクトルであり、例えば、０．３１９ｎｍである。  
βｍ（１０−１１）は、（１０−１１）面における半値全幅（°）である。  
βｍ（２０−２２）は、（２０−２２）面における半値全幅（°）である。  
ｄ１０−１１は、ＧａＮの（１０−１１）面における格子面間隔であり、例えば、２．４３７オングストロームである。  
ｄ２０−２２は、ＧａＮの（２０−２２）面における格子面間隔であり、例えば、１．２１８オングストロームである。  
２π／ｄ１０−１１は、ＧａＮの（１０−１１）面の逆格子空間における格子面間隔であり、例えば、２．５７８５（１／オングストローム）である。
【００９４】
２π／ｄ２０−２２は、ＧａＮの（２０−２２）面の逆格子空間における格子面間隔であり、例えば、５．１５７１（１／オングストローム）である。
【００９５】
Ｘは、層の表面の法線方向と、（１０−１１）面と、の間の角度であり、例えば、６２．０２３８７°である。Ｘは、層の表面の法線方向と、（２０−２２)面と、の間の角度に対応する。
【００９６】
（０００２）面及び（０００４）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅から、らせん転位密度が算出される。半導体発光素子１１０及び１１１において、第１半導体層１０における刃状転位密度は、４．６×１０８／ｃｍ２以上５．９×１０８／ｃｍ２以下程度である。半導体発光素子１１９及び１１９ａにおいては、４．４×１０８／ｃｍ２以上５．３×１０８／ｃｍ２以下程度である。
【００９７】
一方、（０００２）面、（０００４）面、（１０−１１）面及び（２０−２２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅から、刃状転位密度が算出される。半導体発光素子１１０及び１１１において、第１半導体層１０における刃状転位密度は、１．３×１０８／ｃｍ２以上１．５×１０８／ｃｍ２以下である。半導体発光素子１１９及び１１９ａにおいては、１．４×１０８／ｃｍ２程度である。
【００９８】
本実験においては、シリコン基板８０の上に、各層が成長されている。すなわち、上記のらせん転位密度の値、及び、刃状転位密度の値は、シリコン基板８０上に窒化物半導体層を成長させた試料の転位密度の値である。
【００９９】
一方、サファイア基板上に成長したＧａＮにおける刃状転位密度は、一般に、１×１０８／ｃｍ２〜９×１０８／ｃｍ２程度である。そして、サファイア基板上に成長したＧａＮにおけるらせん転位密度は、１×１０７／ｃｍ２〜９×１０７／ｃｍ２程度である。すなわち、サファイア基板上に成長したＧａＮにおいては、らせん転位密度は、刃状転位密度の約１／１０程度である。
【０１００】
これに対して、シリコン基板８０の上に成長された試料においては、上記のように、らせん転位密度が１．３×１０８／ｃｍ２以上１．５×１０８／ｃｍ２以下であり、サファイア基板上に成長させた場合に比べて、著しく高い。一方、シリコン基板８０上に成長させた場合は、刃状転位密度は、サファイア基板上に成長させた場合に比べて、大きな差異は無い。
【０１０１】
すなわち、シリコン基板８０上に窒化物半導体層を成長させたときには、らせん転位密度が非常に高いことが分かる。このことは、シリコン基板８０上に成長させた半導体発光素子において、特有の現象であると、考えられる。
【０１０２】
上記のように、暗点８６ａが、Ｉｎを含む窒化物半導体層をサファイア基板上に成長させたときには観察されず、シリコン基板８０上に成長させたときに特有に観察されることから、暗点８６ａは、らせん転位密度が高い場合に、特有に生じると考えられる。
【０１０３】
例えば、シリコン基板８０を用いたときには、らせん転位密度は１．３×１０８／ｃｍ２以上１．５×１０８／ｃｍ２以下であり、平均値は、１．４×１０８／ｃｍ２である。一方、刃状転位密度は４．４×１０８／ｃｍ２以上５．９×１０８／ｃｍ２以下程度であり、平均値は、５．１×１０８／ｃｍ２である。すなわち、らせん転位密度の刃状転位密度に対する比は、約０．２７程度である。ばらつきを含めると、らせん転位密度の刃状転位密度に対する比は、約０．２以上である。らせん転位密度の刃状転位密度に対する比は、０．４以下である。
【０１０４】
一方、サファイア基板上を用いたときには、らせん転位密度は１×１０７／ｃｍ２〜９×１０７／ｃｍ２程度であり、平均値は約５×１０７／ｃｍ２である。刃状転位密度は１×１０８／ｃｍ２〜９×１０８／ｃｍ２程度であり、平均値は約５×１０８／ｃｍ２である。すなわち、らせん転位密度の刃状転位密度に対する比は、約０．１である。ばらつきを含めると、らせん転位密度の刃状転位密度に対する比は、約０．０２以上０．２未満である。
【０１０５】
らせん転位密度が高く、らせん転位密度の刃状転位密度に対する比が約０．２以上０．４以下のような場合に、上記の暗点８６ａが特異的に生じる。従って、実施形態に係る第１中間部４０は、らせん転位密度の刃状転位密度に対する比が約０．２以上０．４以下のようにらせん転位密度が高い場合に実施することが好ましい。これにより、発光効率の向上効果が特に高くなる。
【０１０６】
例えば、サファイア基板を用いた時に、発光層３０において、シリコン基板８０を用いたときに特有に生じる暗点８６ａは発生しない。これは、らせん成長に起因する暗点８６ａが元々生じていないためと考えられる。
【０１０７】
実施形態においては、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層との間にＡｌＧａＮ層を設けることで、ＩｎＧａＮ層におけるらせん成長が、ＧａＮ層において引き続いて生じることを抑制する。実施形態においては、シリコン基板８０を用いた時に特異的に生じる暗点８６ａなどの現象を抑制する。
【０１０８】
例えば、本実施形態においては、第１半導体層１０におけるらせん転位密度は、１×１０８／ｃｍ２以上である。例えば、第１半導体層１０におけるらせん転位密度は、１．３×１０８／ｃｍ２以上である。第１半導体層１０におけるらせん転位密度は、５×１０８／ｃｍ２以下である。例えば、第１半導体層１０におけるらせん転位密度は、第１半導体層１０における刃状転位密度の０．２倍以上である。このように、らせん転位密度が高い場合に、発光効率の向上効果が特に高くなる。
【０１０９】
このとき、刃状転位密度は例えば、６．０×１０８／ｃｍ２以下である。刃状転位密度が過度に高いと、第１中間部４０を設ける効果は比較的小さくなる。
【０１１０】
上記のらせん転位密度は、第１半導体層１０のＸ線回折のロッキングカーブ半値幅から得られる値である。そして、刃状転位密度も、第１半導体層１０におけるＸ線回折のロッキングカーブ半値幅から得られる値である。
【０１１１】
実施形態に係る第１中間部４０において、ＩｎＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層と、の組み合わせの周期の数は、１６以上であることが望ましい。周期の数が１５よりも少ないと、第１中間部４０での面内方向の格子の拡張が小さく、発光層３０が第１中間部４０に対して面内方向に格子緩和し、発光層３０に欠陥が導入される場合がある。このため、発光特性が劣化する。周期の数を１６以上とすることで、欠陥が抑制され、高い発光特性が得られる。
【０１１２】
上記の実験の半導体発光素子１１０の記載において、発光層３０の第１のＧａＮ層（８００℃での形成）の厚さは１．０ｎｍであり、第２のＧａＮ層（８５０℃での形成）の厚さが１．５ｎｍであり、第３のＧａＮ層（８００℃での形成）の厚さが０．５ｎｍである。実施形態において、第２のＧａＮ層の厚さは、１．５ｎｍよりも厚くても良い。このとき、第１のＧａＮ層の厚さは１．０ｎｍでも良く、第３のＧａＮ層の厚さは０．５ｎｍでも良い。
【０１１３】
実施形態に係る第１中間部４０において、ＩｎＧａＮ層と、ＡｌＧａＮ層と、ＧａＮ層と、の組み合わせの周期の数が大きいと、第１中間部４０における面内（Ｘ−Ｙ平面内）の格子長が拡張する。これにより、第１中間部４０と発光層３０との間において、面内の格子長の差を小さくすることができる。第１中間部４０における組み合わせの周期の数が少ないと、第１中間部４０における面内の格子長の拡張が小さくなる。このとき、発光層３０における面内の格子長が、第１中間部４０における面内の格子長に対して、面内方向に格子緩和し易い。このため、発光層３０に欠陥が導入される傾向にある。このため、第１中間部４０における組み合わせの周期の数は、第１中間部４０の結晶性を維持できる範囲で大きいことが望ましい。例えば、周期の数は、特性向上の観点から、１６以上６０以下であることが望ましい。生産の観点からは、積層数が小さい方が望ましい。このため、第１中間部４０における組み合わせの周期の数は、１６以上３０以下が望ましい。
【０１１４】
（第２の実施形態）  
図９は、第２の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。  
図９に示すように、実施形態に係る半導体発光素子１２０は、第１半導体層１０、第２半導体層２０、発光層３０及び第１中間部４０に加えて、第２中間部７０をさらに含む。これ以外は、半導体発光素子１１０と同様なので、説明を省略する。例えば、半導体発光素子１２０においても、発光層３０は、上記の第１障壁領域３１ａ及び第２障壁領域３１ｂを含んでも良い。半導体発光素子１２０においても、１つの障壁層３１において、組成は実質的に一定でも良い。
【０１１５】
第２中間部７０と第１中間部４０との間に第１半導体層１０が配置される。例えば、シリコン基板８０の上に、バッファ層５０が設けられ、バッファ層５０の上に第２中間部７０が設けられる。この例では、第２中間部７０の上に低不純物濃度層１０ｉが設けられ、その上に、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０がこの順で設けられる。
【０１１６】
第２中間部７０は、シリコン、マグネシウム及びボロンのいずれかを含む窒化物を含む。第２中間部７０は、シリコン、マグネシウム及びボロンのいずれかを含む窒化物を含む窒化物領域を含む。この窒化物領域は、例えば窒化物半導体ではない。第２中間部７０は、例えば、ＳｉＮ、ＭｇＮ及びＢＮの少なくともいずれかを含む。
【０１１７】
第２中間部７０の窒化物領域の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、０．２原子層厚以上３ナノメートル以下である。０．２原子層厚は、例えば、約０．０５ナノメートルに対応する。
【０１１８】
第２中間部７０を設けることで、転位密度を低くでき、結晶品質を向上できる。シリコン基板８０を用いる場合において、第２中間部７０を用いた場合にも、らせん転位密度は、サファイア基板を用いた場合に比べて高い。このため、実施形態に係る第１中間部４０を用いて、らせん成長に起因する欠陥を抑制する。
【０１１９】
第２中間部７０は、例えば、窒化物領域（シリコン、マグネシウム及びボロンのいずれかを含む窒化物を含む領域）と、窒化物半導体層（例えばＧａＮ層）と、の積層構造を有しても良い。例えば、第２中間部７０は、ＳｉＮの窒化物領域と、ＧａＮ層と、の積層構造を有しても良い。さらに、第２中間部７０は、交互に配置された、複数のＳｉＮの窒化物領域と、複数のＧａＮ層と、を含んでも良い。
【０１２０】
（第３の実施形態）  
本実施形態は、半導体発光素子の製造方法に係る。  
図１０は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。  
図１０に示すように、シリコン基板８０の上に第１導電形の第１半導体層１０を形成する（ステップＳ１１０）。第１半導体層１０の上に、第１中間部４０を形成する（ステップＳ１２０）。第１中間部４０の上に、Ｉｎを含む窒化物半導体を含む井戸層３２を含む発光層３０を形成する（ステップＳ１３０）。発光層３０の上に第２導電形の第２半導体層２０を形成する（ステップＳ１４０）。
【０１２１】
第１中間部４０の形成（ステップＳ１２０）は、複数の積層体ＳＬを形成することを含む。複数の積層体ＳＬは、シリコン基板８０の主面に対して交差する方向（第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かうＺ軸方向）に並ぶ。
【０１２２】
複数の積層体ＳＬのそれぞれは、第１層４１、第２層４２及び第３層４３を含む。第１層４１は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。第２層４２は、第１層４１の上において第１層４１に接して設けられる。第２層４２は、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０＜ｙ１＜１）を含む。第３層４３は、第２層４２の上において第２層４２に接して設けられる。第３層４３は、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２＜ｙ１）を含む。  
本実施形態によれば、高発光効率の半導体発光素子の製造方法が提供できる。
【０１２３】
本実施形態において、例えば、第２層４２の厚さｔ２は、第１層４１の厚さｔ１以下である。第２層４２の厚さｔ２は、第３層４３の厚さｔ３よりも薄い。
【０１２４】
例えば、第１層４１の厚さｔ１の複数の積層体ＳＬの間における変動ｄｔ１は、第１層４１の厚さｔ１の複数の積層体ＳＬにおける平均値ａｔ１のプラスマイナス１５％以下である。第２層４２の厚さｔ２の複数の積層体ＳＬの間における変動ｄｔ２は、第２層４２の厚さｔ２の複数の積層体ＳＬにおける平均値ａｔ２のプラスマイナス１５％以下である。第３層４３の厚さｔ３の複数の積層体ＳＬの間における変動ｄｔ３は、第３層４３の厚さｔ３の複数の積層体ＳＬにおける平均値ａｔ３のプラスマイナス１５％以下である。
【０１２５】
本実施形態において、第１層４１の厚さｔ１は、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下である。第２層４２の厚さｔ２は、０．９ナノメートル以上１．１ナノメートル以下である。第３層４３の厚さｔ３は、１．８ナノメートル以上２．２ナノメートル以下である。
【０１２６】
第１層４１におけるＩｎ組成比ｘ１の複数の積層体ＳＬの間における変動ｄｘ１は、Ｉｎ組成比ｘ１の複数の積層体ＳＬにおける平均値ａｘ１のプラスマイナス１５％以下である。第２層４２におけるＡｌ組成比ｙ１の複数の積層体ＳＬの間における変動ｄｙ１は、Ａｌ組成比ｙ１の複数の積層体ＳＬにおける平均値ａｙ１のプラスマイナス１５％以下である。第３層４３におけるＡｌ組成比ｙ２の複数の積層体ＳＬの間における変動ｄｙ２は、Ａｌ組成比ｙ２の複数の積層体ＳＬにおける平均値ａｙ２のプラスマイナス１５％以下である。
【０１２７】
実施形態に係る半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法において、半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）法、及び、ハライド気相エピタキシー（Halide Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）法などを用いることができる。
【０１２８】
例えば、ＭＯＣＶＤ法またはＭＯＶＰＥ法を用いた場合では、各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。Ｇａの原料として、例えばＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）を用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料としては、ＳｉＨ４（モノシラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）などを用いることができる。
【０１２９】
実施形態によれば、高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法が提供できる。
【０１３０】
なお、本明細書において「窒化物半導体」は、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１３１】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１３２】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体層、発光層、中間部、バッファ層及び基板などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【０１３３】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１３４】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１３５】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１３６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１３７】
１０…第１半導体層、  １０ｉ…低不純物濃度層、  ２０…第２半導体層、  ３０…発光層、  ３１…障壁層、  ３１ａ…第１障壁領域、  ３１ｂ…第２障壁領域、  ３２…井戸層、  ４０…第１中間部、  ４０ｘ…中間部、  ４１〜４３…第１〜第３層、  ５０…バッファ層、  ５１…ＡｌＮ層、  ５２…ＡｌＧａＮバッファ層、  ５３…ＧａＮ層、  ５４…Ａｌ含有層、  ７０…第２中間部、  ８０…シリコン基板、  ８５…小ドメイン、  ８６…非形成領域、  ８６ａ…暗点、  ８７…結晶粒界、  ８７ａ…暗線、  ８８…大ドメイン、  １１０、１１１、１１９、１１９ａ…半導体発光素子、  ＳＬ、ＳＬ１〜ＳＬｎ…積層体、  ｒ１〜ｒ３…領域、  ｔ１〜ｔ３…第１〜第３厚さ
【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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【図１０】
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