(57)【要約】【課題】紫外線発光の III族窒化物系化合物半導体発光素子において、内部量子効率を向上させ、素子内部の応力を緩和して転位やクラックの発生を防止又は抑制する。【解決手段】低温成長バッファ層２０は、窒化シリコンを５００℃で１００秒間積層した第１バッファ層２１と、同温で結晶成長させた膜厚２５ｎｍのＧａＮ層２２との２層から成る。その上の下地層３０は３層から成り、無添加のＧａＮを１０７５℃で約０．７μｍ結晶成長させたＧａＮ層３１と、窒化シリコン（ＳｉＮ）を同温で１２秒間結晶成長させた第２バッファ層３２と、無添加のＧａＮを同温で約２．７５μｍ結晶成長させたＧａＮ層３３とから成る。また、多重層（６２，６３，６４）はそれぞれ何れも、堆積層６ａと量子井戸層６ｂと量子障壁層６ｃとを順次積層して形成されている。堆積層６ａはそれぞれ何れもＳｉＮから成る層で、堆積時間は１２秒とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、
結晶成長基板の結晶成長面上に積層された第１バッファ層と、
前記第１バッファ層の上に直接又は間接的に積層された下地層と、
前記下地層の層中に積層された第２バッファ層と
を有し、
前記第１バッファ層と前記第２バッファ層はそれぞれ何れも、
次に積層される III族窒化物系化合物半導体の横方向成長が促進されるスケールで離散的に、斑状または島状に積層されており、
前記活性層を構成する量子井戸層は、
Ａｌz Ｉｎy Ｇａ1-z-y Ｎ（０≦ｚ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＋ｙ≦１）から形成されており、
前記量子井戸層はそれぞれ何れも、
その直下に堆積層を有し、
前記堆積層は、
少なくとも前記量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い間隔又は周期で、離散的に斑状または島状に堆積されている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記インジウム組成比ｙは、
０．０１以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記堆積層は、
１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の間隔又は周期で離散的に堆積されている
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。
【請求項４】
キャリア濃度が５．０×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０19ｃｍ-3以下のｎ型クラッド層を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層における前記量子井戸層の積層数は、
２層以上、１０層以下である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層における量子障壁層の膜厚は、
１２ｎｍ以上、２４ｎｍ以下である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
超格子構造のｐ型クラッド層を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記ｐ型クラッド層の超格子構造において略周期的な積層構造を構成する周期構造の１単位は、
組成比が相異なる２層の III族窒化物系化合物半導体から成り、
この２層は、
何れも０．０１以上のアルミニウム（Ａｌ）組成比を有し、
前記ｐ型クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）組成比の平均値は、
０．０７以上、０．０８以下である
ことを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記第２バッファ層の結晶成長温度は、
１０５０℃以上、１１００℃以下であり、
前記第２バッファ層の結晶成長時間は、
６秒以上、１８秒以下である
ことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項７または請求項８に記載の半導体発光素子の製造方法であって、
前記ｐ型クラッド層の結晶成長温度を１０１５℃以上１０６０℃以下とする
ことを特徴とする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、紫外線発光の III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線発光の半導体発光素子における半導体積層方法としては、例えば下記の特許文献１に記載されているものなどが公知である。特に、この特許文献１の発明は、一定の有用性を示すものであり、この発明の目的は、ＧａＮやＡｌＧａＮに転位が存在しても、発光特性を確保することができる窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法を提供することであった。
【０００３】
この発明は、強い紫外線発光を得るために量子井戸層をＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ＜１）から形成し、量子井戸層の直下に積層する下地層として、例えばＳｉＮなどから成る層を離散的に形成することにより、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎ（キャリアの局在準位）を積極的に生成しようとするものであった。バンドギャップの空間的ゆらぎの生成が素子の発光強度に大きく寄与することは、従来より広く知られている。
【特許文献１】特許第３２８５３４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば上記の特許文献１などの様に紫外線発光の半導体発光素子の量子井戸層にインジウム（Ｉｎ）を用いない場合、上記の下地層の形成だけでは、量子井戸層中にバンドギャップの空間的ゆらぎ（キャリアの局在準位）を適度に生成することは必ずしも容易でなく、このため上記の従来技術の範疇では、必ずしも十分な発光強度が得られない。
また、半導体層のインジウムの混晶比を下げると、応力に対するその半導体層の柔軟性が低下するので、その半導体層には転位やクラックが生じ易くなる。特に、活性層や量子井戸層に転位やクラックが生じた場合には、内部量子効率や或いは素子の寿命にその悪影響が及ぶ。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、紫外線発光の III族窒化物系化合物半導体発光素子において、内部量子効率を向上させると共に、素子内部の応力を緩和して転位やクラックの発生を防止又は抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、 III族窒化物系化合物半導体を結晶成長によって複数層積層することにより形成される多重量子井戸構造の活性層を有する半導体発光素子において、結晶成長基板の結晶成長面上に積層された第１バッファ層と、第１バッファ層の上に直接又は間接的に積層された下地層と、下地層の層中に積層された第２バッファ層とを備え、これらの第１バッファ層と第２バッファ層をそれぞれ何れも、次に積層される III族窒化物系化合物半導体の横方向成長が促進されるスケールで離散的に斑状または島状に積層し、活性層を構成する量子井戸層をＡｌz Ｉｎy Ｇａ1-z-y Ｎ（０≦ｚ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＋ｙ≦１）から形成し、この量子井戸層にはそれぞれ何れもその直下に堆積層を設け、かつ、少なくとも量子井戸層に生じる転位の平均発生周期よりも短い間隔又は周期で、この堆積層を離散的に斑状または島状に堆積することである。
ただし、上記の第１バッファ層、第２バッファ層、及び堆積層としては、例えばＳｉＮx ，ＳｉＯ2 ，ＴｉＯ2 などの材料を用いることができる。
【０００７】
また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記のインジウム組成比ｙを０．０１以上にすることである。このインジウム組成比ｙは、０．０３以上にすることが、更に望ましいが、この値としては、発光波長などの素子の各種の仕様、特性などに応じて好適或いは最適な値を選択することができる。
【０００８】
また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、上記の堆積層を、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の間隔又は周期で離散的に堆積することである。
【０００９】
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、キャリア濃度が５．０×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０19ｃｍ-3以下のｎ型クラッド層を備えることである。
より望ましくは、ｎ型クラッド層のキャリア濃度は８．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０19ｃｍ-3以下が良い。
【００１０】
また、本発明の第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、活性層における量子井戸層の積層数を２層以上１０層以下にすることである。
より望ましくは、活性層における量子井戸層の積層数は３層又は４層が良い。
【００１１】
また、本発明の第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、活性層における量子障壁層の膜厚を１２ｎｍ以上２４ｎｍ以下にすることである。
より望ましくは、活性層における量子障壁層の膜厚は１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が良い。
【００１２】
また、本発明の第７の手段は、上記の第１乃至第６の何れか１つの手段において、超格子構造のｐ型クラッド層を設けることである。
【００１３】
また、本発明の第８の手段は、上記の第７の手段において、ｐ型クラッド層の超格子構造において略周期的な積層構造を構成する周期構造の１単位を、組成比が相異なる２層の III族窒化物系化合物半導体から構成し、この２層のアルミニウム（Ａｌ）組成比を何れも０．０１以上とし、かつ、ｐ型クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）組成比の平均値を０．０７以上０．０８以下にすることである。
【００１４】
また、本発明の第９の手段は、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の半導体発光素子の製造工程において、第２バッファ層の結晶成長温度を１０５０℃以上１１００℃以下とし、第２バッファ層の結晶成長時間を６秒以上、１８秒以下にすることである。
【００１５】
また、本発明の第１０の手段は、請求項７または請求項８に記載の半導体発光素子の製造工程において、ｐ型クラッド層の結晶成長温度を１０１５℃以上１０６０℃以下にすることである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、量子井戸層におけるバンドギャップの空間的ゆらぎ（キャリアの局在準位）を適度、かつ、確実に得ることができるため、発光素子の出力を大きく向上させることができる。
これは、量子井戸層の直下に形成した堆積層の上では、インジウム（Ｉｎ）やガリウム（Ｇａ）は拡散長（マイグレーション長）がアルミニウム（Ａｌ）よりも大幅に長いので、量子井戸層の結晶成長時に、インジウム（Ｉｎ）やガリウム（Ｇａ）がアルミニウム（Ａｌ）よりも堆積層の谷部又は孔部に入り込み易くなり、その結果、量子井戸層の内部では、組成の空間的均一性が積極的に乱されて、組成の空間的なゆらぎが良好に形成されるためである。
【００１７】
また、上記の第１バッファ層は結晶成長を阻害する作用を奏するので、この第１バッファ層の積層により、このバッファ層の凹凸表面の谷部又は孔部の、まだ結晶成長基板が露出している部分から、次の結晶成長が開始されるが、その結晶成長はやがて横方向に進み、第１バッファ層の上方にまで回り込む。ここで、第１バッファ層は非晶質の状態であるので、第１バッファ層の上方にまで回り込んで形成される半導体結晶は、結晶成長基板及び第１バッファ層の影響を受けにくく、単結晶化し易い。したがって、第１バッファ層の上方にまで回り込んで形成される半導体層は、良質で転位密度の小さなものになる。
【００１８】
更に、上記の第２バッファ層によっても、半導体結晶の横方向の結晶成長が促される。これらの相乗効果のため、上記の構成に従えば、下地層の転位密度を大幅に低減することができる。この第２バッファ層や上記の第１バッファ層の材料は、結晶成長を阻害する作用を奏するものであれば任意で良く、結晶状態は不問である。即ち、非晶質の材料でも結晶状態の材料でも良い。アルミニウム混晶比や或いはガリウム混晶比が高い量子井戸層を形成する場合にも、それらの量子井戸層にはクラックが生じ難くなる。
即ち、本発明によれば、下地層やそれ以降に積層される半導体層の転位が効果的に低減されるため、紫外線発光の固い量子井戸層を積層しても、高い発光強度の紫外線発光を得ることができる。
また、量子井戸層の組成成分にインジウム（Ｉｎ）を含めることにより、量子井戸層の応力に対する柔軟性が向上するので、これらの相乗効果によっても、量子井戸層に転位やクラックが生じ難くなる。
【００１９】
なお、上記のインジウム組成比ｙは、０．０１以上であること（：本発明の第２の手段）がより望ましい。また、上記のインジウム組成比ｙは、０．０３以上であることが更に望ましいが、この値としては、発光波長などの素子の各種の仕様、特性などに応じて好適或いは最適な値を選択することができる。この値が小さすぎると、揺らぎを十分に確保することが難しくなり、また、この値を大きくし過ぎると、紫外線発光の半導体発光素子を製造することができなくなる。
【００２０】
また、局在準位の極近傍に転位が存在すると、そこでは発光が起こり難いので、このゆらぎの密度（周期）は、少なくとも量子井戸層に生じる転位密度よりも高くする必要がある。この周期は、堆積層を離散的に堆積する際の、その離散的度合い（密度）を表しており、望ましくは、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度（：本発明の第３の手段）が望ましいと考えられるが、少なくとも、転位密度の平均周期よりも短ければ、上記の作用・効果を得ることができる。なお、量子井戸層の組成の空間的なゆらぎの密度（周期）は、理論的には数ｎｍ程度が最も理想的であると考えられる。
【００２１】
また、上記の本発明の紫外線発光の半導体発光素子の発光強度に関するその他の最適化パラメータとしては、ｎ型クラッド層のキャリア濃度（本発明の第４の手段）や、活性層の量子井戸層の積層数（本発明の第５の手段）や、活性層の量子障壁層の膜厚（本発明の第６の手段）などがあり、これらのパラメータをそれぞれ、上記の様に好適化或いは最適化することにより、従来よりも高い発光強度の紫外線発光の半導体発光素子を得ることができる。
【００２２】
また、半導体発光素子の内部応力を緩和する手段としては、ｎ型／ｐ型クラッド層を超格子構造にするなどの構成も有効である（本発明の第７の手段）。
また、第２バッファ層は、５００℃程度の低温で形成しても、１０００℃以上の高温で形成しても良い。本発明の第９の手段によれば、下地層の転位密度を効果的に低減できると共に、第２バッファ層の積層時間を効果的に削減することができる。
【００２３】
尚、上記の本発明の紫外線発光の半導体発光素子の発光強度に関するその他の最適化パラメータとしては、ｐ型クラッド層をも超格子構造とした場合のアルミニウム（Ａｌ）組成比（本発明の第８の手段）や、ｐ型クラッド層の結晶成長温度（本発明の第１０の手段）などがあり、これらのパラメータをそれぞれ、上記の様に好適化或いは最適化することにより、従来よりも高い発光強度の紫外線発光の半導体発光素子を得ることができる。
【００２４】
また、堆積層、第１バッファ層、第２バッファ層等は何れも、ＳｉＮの他にも、ＳｉＮ2 ，多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物や、また、所謂ＥＬＯマスクなどとして一般にも利用されている周知の適当な窒化物などからも形成することでき、或いはチタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属や、更には、これらの多層膜などをも用いることが可能である。また、これらの成膜方法は、蒸着、スパッタ、ＶＰＥ等の気相成長法の他、任意である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２６】
図１に本実施例１の短波長発光ＬＥＤ１００の断面図を示す。この短波長発光ＬＥＤ１００は、ＭＯＶＰＥ法を用いて製造したものである。
サファイア基板１０の上には、窒化シリコンを５００℃で１００秒間積層した第１バッファ層２１と、同温で結晶成長させた膜厚２５ｎｍのＧａＮ層２２との２層から成る低温成長バッファ層２０が形成されている。その上の下地層３０は３層から成り、無添加のＧａＮを１０７５℃で約０．７μｍ結晶成長させたＧａＮ層３１と、窒化シリコン（ＳｉＮ）を１０７５℃で１２秒間結晶成長させた第２バッファ層３２と、無添加のＧａＮを１０７５℃で約３μｍ結晶成長させたＧａＮ層３３とから成る。
ただし、ＳｉＮから成る第２バッファ層３２を斑状或いは島状に離散的に形成する際には、シラン（ＳｉＨ4 ）の１０ｐｐｍ希釈ガスを１０ｓｃｃｍの割合で、アンモニア（ＮＨ3 ）ガスを１０ｓｌｍの割合でそれぞれ供給し、かつ、この第２バッファ層３２の積層時間は１２秒とした。
【００２７】
ｎ型コンタクト層４０とｎ型中間層５１とｎ型クラッド層５２とを順次積層して形成されたｎ型層においては、何れの半導体層も不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加して、成長温度１０７５℃で結晶成長した。このｎ型層の下から一層目のｎ型コンタクト層４０は、膜厚１．１μｍのＧａＮから成り、そのキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3である。次層の膜厚約１００ｎｍのｎ型中間層５１は、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎから成り、そのキャリア濃度は５×１０18ｃｍ-3である。
また、ｎ型クラッド層５２は、膜厚約１．５ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎと膜厚約１．５ｎｍのＡｌ0.04Ｇａ0.96Ｎとを交互に合計３８ペア（３８周期）積層した超格子構造を有し、このｎ型クラッド層５２の総膜厚は約１００ｎｍ、キャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3である。
【００２８】
無添加の各半導体層から成る活性層６０は、量子井戸層６ｂを３層有する多重量子井戸構造の活性層であり、中間層６１と多重層６２，６３，６４を何れも結晶成長温度８２５℃で順次積層して形成したものである。中間層６１は膜厚３５ｎｍのＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎから形成されている。
また、多重層（６２，６３，６４）はそれぞれ何れも、堆積層６ａと量子井戸層６ｂと量子障壁層６ｃとを順次積層して形成されている。更に、堆積層６ａはそれぞれ何れも、ＳｉＮから成る層で、堆積時間は１２秒とした。ただし、ＳｉＮから成る堆積層６ａを斑状或いは島状に離散的に形成する際に、シラン（ＳｉＨ4 ）の１０ｐｐｍ希釈ガスを１５ｓｃｃｍの割合で、アンモニア（ＮＨ3 ）ガスを１２ｓｌｍの割合で、それぞれ供給した。
また、量子井戸層６ｂはそれぞれ何れも、膜厚約２ｎｍのＡｌ0.005 Ｉｎ0.045 Ｇａ0.95Ｎから形成されている。量子障壁層６ｃはそれぞれ何れも、膜厚１７．５ｎｍのＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎから形成されている。
【００２９】
活性層６０の上には、ｐ型ブロック層７１とｐ型クラッド層７２とｐ型コンタクト層８０とを順次積層して形成されたｐ型層があり、このｐ型層においては、何れの半導体層も、成長温度を１０２５℃とし、不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加して結晶成長したものである。このｐ型層の下から一層目のｐ型ブロック層７１は、膜厚４０ｎｍのＡｌ0.16Ｇａ0.84Ｎから成る。このｐ型ブロック層７１のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3に設定されている。
【００３０】
また、ｐ型クラッド層７２は、膜厚約１．５ｎｍのＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎと膜厚約１．５ｎｍのＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎとを交互に合計３０ペア（３０周期）積層した超格子構造を有し、このｐ型クラッド層７２の総膜厚は約９０ｎｍ、キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3である。また、膜厚約３０ｎｍのＧａＮから成るｐ型コンタクト層８０のキャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3である。
【００３１】
以上の積層構成を有する短波長発光ＬＥＤ１００の発光ピーク波長は、３５１ｎｍであった。
更に、ＳｉＮから形成され、活性層６０の中に堆積される堆積層６ａの堆積時間を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図２は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）と堆積層６ａの積層時間との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、ＬＥＤの正負両電極（９１，９２）間に電圧を印加した時の発光強度（ＥＬ）を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ（堆積層６ａの堆積時間）である。ただし、ＳｉＮから成る堆積層６ａを斑状或いは島状に離散的に形成する際に、シラン（ＳｉＨ4 ）の１０ｐｐｍ希釈ガスを１５ｓｃｃｍの割合で、アンモニア（ＮＨ3 ）ガスを１２ｓｌｍの割合で、それぞれ供給した。
【００３２】
堆積層６ａは、量子井戸層６ｂにおけるバンドギャップの空間的ゆらぎを形成するために堆積させるものであるので、この堆積層６ａを堆積させる面における堆積層６ａの面積占有率は、小さ過ぎても大きすぎても、そのゆらぎ生成効果は得難くなる。図２のグラフからも判る様に、その堆積時間は、望ましくは、６秒以上１４秒以下である。また、更に望ましくは、９秒から１３秒の間が理想的である。この様な条件設定によれば、堆積層６ａの形成状態（離散状態）を最適にすることができるので、高い発光強度を得ることができる。
【００３３】
なお、堆積層６ａ、第１バッファ層２１、第２バッファ層３２は何れも、ＳｉＮの他にも、ＳｉＮ2 ，多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物や、また、所謂ＥＬＯマスクなどとして一般にも利用されている周知の適当な窒化物などからも形成することでき、或いはチタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属や、更には、これらの多層膜などをも用いることが可能である。また、これらの成膜方法は、蒸着、スパッタ、ＶＰＥ等の気相成長法の他、任意である。
【００３４】
また、ＳｉＮから成る第２バッファ層３２の有無を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図３は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）とＳｉＮから成る第２バッファ層３２の有無との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、ＬＥＤの正負両電極（９１，９２）間に電圧を印加した時の発光強度（ＥＬ）を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ（ＳｉＮから成る第２バッファ層３２の有無）である。
このグラフより、ＳｉＮから成る第２バッファ層３２を設けた方が高い発光強度が得られることが判る。
【００３５】
また、ＳｉＮから成る第２バッファ層の積層条件（：積層温度と積層時間）を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図４は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）とＳｉＮから成る第２バッファ層の積層条件（：積層温度と積層時間）との関係を例示するグラフである。グラフの縦軸は、ＬＥＤの正負両電極（９１，９２）間に電圧を印加した時の発光強度（ＥＬ）を相対尺度であり、横軸は上記の比較パラメータ（積層温度と積層時間）であり、記号ＬＴは５００℃の低温を示しており、記号ＨＴは１０７５℃の高温を示している。その下の括弧内の数値は、積層時間（秒）である。
【００３６】
このグラフからも判る様に、第２バッファ層の積層温度は、１０７５℃程度（１０５０℃〜１１００℃程度）が望ましく、その時の積層時間は１２秒程度（６秒〜１８秒程度）が良い。また、上記の短波長発光ＬＥＤ１００の様に第２バッファ層の積層温度を１０７５℃程度にすれば、下地層（ＧａＮ層３１，３３）と略同温で積層できるので、積層条件を一定にしたまま第２バッファ層を積層できる。したがって、製造時間を短くすることができ、非常に都合がよい。
なお、同時に、５００℃程度の低温でも、積層時間の設定によっては、上記の高温条件より高い発光強度が得られる場合もあることも、図４のグラフから判る。
【００３７】
また、ｎ型クラッド層５２のキャリア濃度を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図５は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）と、ｎ型クラッド層５２のキャリア濃度との関係を例示するグラフである。図５のグラフからも判る様に、ｎ型クラッド層５２のキャリア濃度は、５．０×１０18ｃｍ-3以上１．２×１０19ｃｍ-3以下にすると良い。より望ましくは、ｎ型クラッド層５２のキャリア濃度は８．０×１０18ｃｍ-3以上１．０×１０19ｃｍ-3以下が良い。
【００３８】
また、活性層６０の量子井戸層６ｂの積層数を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図６は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）と活性層６０の量子井戸層６ｂの積層数との関係を例示するグラフである。
【００３９】
本図６より、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を採用すると、ＳＱＷ構造の場合よりも発光強度が高くなり、特に、量子井戸層の積層数を２層以上１０層以下にした場合に、高い発光強度が得られることが判る。より望ましくは、ＭＱＷ活性層における量子井戸層の積層数は３層又は４層が良い。
【００４０】
また、活性層６０の量子障壁層６ｃの成長時間（∝膜厚）を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図７は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＰＬ：フォト・ルミネッセンス）と活性層６０の量子障壁層６ｃの成長時間との関係を例示するグラフである。
【００４１】
ここでは、１４０秒の結晶成長時間が、Ａｌ0.12Ｇａ0.88Ｎから成る量子障壁層６ｃを膜厚１７．５ｎｍ成長させる時間に相当している。一方、量子障壁層６ｃを２４ｎｍ以上にすると、ＬＥＤの駆動電圧が高くなる。これらの結果から、ＭＱＷ活性層における量子障壁層６ｃの膜厚は、１２ｎｍ以上２４ｎｍ以下にすると良い。より望ましくは、ＭＱＷ活性層における量子障壁層の膜厚は１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下が良い。
【００４２】
また、ｐ型クラッド層７２中の井戸層の結晶成長工程におけるＡｌ（ＣＨ3 ）3 供給量（∝Ａｌ混晶比）を比較パラメータとし、ｐクラッド層中のＡｌ0.12Ｇａ0.88Ｎから成る量子障壁層の厚さを約１．５ｎｍとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図８は、それらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）と、ｐ型クラッド層７２中の井戸層の結晶成長工程におけるＡｌ（ＣＨ3 ）3 供給量との関係を例示するグラフである。
【００４３】
ここでは、図１のｐ型クラッド層７２の井戸層に相当する膜厚約１．４ｎｍのＡｌ0.03Ｇａ0.97ＮのＡｌ混晶比０．０３を実現する条件が、図８のグラフでＡｌ（ＣＨ3 ）3 の供給量を５ｓｃｃｍにした場合に相当する。ｐ型クラッド層７２中の各半導体層のアルミニウム（Ａｌ）組成比を何れも０．０１以上とし、かつ、ｐ型クラッド層のアルミニウム（Ａｌ）組成比の平均値を０．０７以上０．０８以下にすることで、キャリアの閉じ込め効果と、超格子構造による応力緩和効果の双方を同時に適度に得ることができ、ＬＥＤの発光強度が向上する。
ｐ型クラッド層７２の井戸層のＡｌ混晶比を上げ過ぎると、超格子構造が明確或いは急峻には維持しにくくなり、応力の緩和効果が下がるものと思われる。また、ｐ型クラッド層７２の井戸層のＡｌ混晶比を下げ過ぎると、キャリアの閉じ込め効果が低下する。
【００４４】
また、ｐ型クラッド層７２の結晶成長温度を比較パラメータとして、その他の構成は全て図１の短波長発光ＬＥＤ１００と同じにして、短波長発光ＬＥＤ１００と同様の短波長発光ＬＥＤを別途製造し、発光強度を比較した。図９はそれらの短波長発光ＬＥＤの発光強度（ＥＬ）とｐ型クラッド層７２の結晶成長温度との関係を例示するグラフである。
【００４５】
ｐ型クラッド層の結晶成長温度を１０１５℃以上１０６０℃以下にすることで、高い発光強度が得られる。より望ましくは、１０２０℃以上１０５０℃以下にすると良い。この温度が高すぎると、活性層６０などの９００℃以下で先に結晶成長させた半導体層に熱的ダメージが及ぶので、素子の寿命や静電耐圧の面で望ましくない。
【００４６】
〔その他の最適化条件〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも幾つかの最適化条件が存在する。即ち、この様な変形或いは最適化などによっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
【００４７】
（ｎ型クラッド層５２）
上記の様に、超格子構造のｎ型クラッド層（ｎ型クラッド層５２）を設け、その超格子構造において略周期的な積層構造を構成する周期構造の１単位を組成比が相異なる２層の III族窒化物系化合物半導体から構成する場合、この１単位を上記のｎ型クラッド層において、２０周期以上４５周期以下の範囲で繰り返し積層すると良い。この様な超格子構造のｎ型クラッド層には、ｎ型コンタクト層などから上記の量子井戸層に転位やクラックが伝播するのを抑制する効果があり、また、超格子構造は、素子内部の応力を緩和する作用をも奏するので、量子井戸層自身が柔軟になったこととの相乗効果によって、量子井戸層に転位やクラックが生じ難くなる。より望ましくは、３０周期以上３８周期以下の範囲で繰り返すと良い。
【００４８】
その理由は、上記のｎ型クラッド層の超格子構造の周期構造の１単位の繰り返し数に付いては、２０〜６０周期程度までの間で、発光強度が繰り返し数と共に徐々に増加する傾向があるが、一方、積層数が３８を超える辺りから、転位やクラックの発生密度も徐々に高くなる傾向があるためである。転位やクラックの発生密度が高くなると、素子の素子寿命や静電耐圧の点で不利であるので、これらの事情を総合的に考慮すると、より望ましくは、３０周期以上３８周期以下の範囲で繰り返すと良いと考えられる。
【００４９】
（堆積層６ａの堆積時間）
また、上記の堆積層の厚さ又は面積占有率は、その堆積時間に換算して、１秒以上１６秒以下にすると良い。また、望ましくは、その堆積時間は、６秒以上１４秒以下である。また、更に望ましくは、９秒から１３秒の間が理想的である。
堆積層６ａは、量子井戸層６ｂにおけるバンドギャップの空間的ゆらぎを形成するために堆積させるものであるので、この堆積層６ａを堆積させる面における堆積層６ａの面積占有率は、小さ過ぎても大きすぎても、そのゆらぎ生成効果は得難くなる。上記の適正範囲はこれらの事情を踏まえたものであり、この様な条件設定によれば、堆積層６ａの形成状態（離散状態）を最適にすることができるので、高い発光強度を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
上記の実施例においては、紫外線発光の発光ダイオード（ＬＥＤ）の例を示したが、本発明は、紫外線発光の半導体レーザについても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例に係わる短波長発光ＬＥＤ１００の断面図
【図２】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）と堆積層６ａの積層時間との関係を例示するグラフ
【図３】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）とＳｉＮから成る第２バッファ層の有無との関係を例示するグラフ
【図４】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）とＳｉＮから成る第２バッファ層の積層条件との関係を例示するグラフ
【図５】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）とｎ型クラッド層５２のキャリア濃度との関係を例示するグラフ
【図６】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）と活性層６０の量子井戸層６ｂの積層数との関係を例示するグラフ
【図７】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＰＬ）と、活性層６０の量子障壁層６ｃの成長時間との関係を例示するグラフ
【図８】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）と、ｐ型クラッド層７２の井戸層の結晶成長工程におけるＡｌ（ＣＨ3 ）3 供給量との関係を例示するグラフ
【図９】短波長発光ＬＥＤ１００の発光強度（ＥＬ）とｐ型クラッド層７２の結晶成長温度との関係を例示するグラフ
【符号の説明】
【００５２】
１００  ：  短波長発光ＬＥＤ
１０  ：  サファイア基板
２０  ：  低温成長バッファ層
３０  ：  下地層
４０  ：  ｎ型コンタクト層
５１  ：  ｎ型中間層
５２  ：  ｎ型クラッド層（超格子構造）
６０  ：  活性層
７１  ：  ｐ型ブロック層
７２  ：  ｐ型クラッド層（超格子構造）
８０  ：  ｐ型コンタクト層
【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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