(57)【要約】【課題】  積層方向の抵抗率を抑えて光電変換効率や発光出力の低下を防ぐことが可能なＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子を提供する。【解決手段】  このＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子においては、上部クラッド層１８は、活性化率が相対的に他の領域の一部よりも低くなる所定領域へのｐ型不純物の添加量を、他の領域の一部よりも抑制している。すなわち、半導体層１８ｂ，１８ｃには、ｐ型の不純物は添加されてない。【選択図】  図２
2005209730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に設けられた活性層と、前記活性層へのキャリア注入経路上に設けられたクラッド層とを備えたＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子において、前記クラッド層は、活性化率が相対的に他の領域の一部よりも低くなる所定領域へのｐ型不純物の添加量を、前記他の領域の一部よりも抑制してなることを特徴とするＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項２】
前記クラッド層は、
ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）からなる第１層と、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる第２層とを、前記基板側から順次積層してなる構造を１ユニットとして複数有する周期構造を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項３】
前記クラッド層はＧａ極性を有しており、
前記第１層における前記基板とは反対側の界面近傍と、前記第２層における前記基板側の界面近傍を前記所定領域としてアンドープとしたことを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項４】
前記クラッド層はＮ極性を有しており、
前記第１層における前記基板側の界面近傍と、前記第２層における前記基板とは反対側の界面近傍を前記所定領域としてアンドープとしたことを特徴とする請求項２に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項５】
前記第１層の前記所定領域以外の領域を前記他の領域の一部としてｐ型不純物を添加したことを特徴とする請求項３又は４に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項６】
前記第２層の前記所定領域以外の領域もアンドープとしたことを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項７】
前記第２層の前記所定領域以外の領域にｐ型不純物を添加したことを特徴とする請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項８】
前記第２層の前記所定領域以外の領域を前記他の領域の一部としてｐ型不純物を添加したことを特徴とする請求項３又は４に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１層の前記所定領域以外の領域もアンドープとしたことを特徴とする請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【請求項１０】
前記１ユニット内において、ｐ型不純物が添加された領域の厚さは前記１ユニットの厚さの５〜９５％を占めることを特徴とする請求項２〜９のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子、特に、ＡｌＧａＮ系の半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、緑、青、さらに短波長の紫外線の光を発する装置として、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光素子が用いられている。そのような発光素子の基本原理は、ＩＩＩ族窒化物系半導体からなる活性層中において２種類のキャリア（電子と正孔）を再結合させることで、活性層が発光するというものである。
【０００３】
活性層中での再結合を効率的に促進させるために、活性層の両側に位置するキャリア注入経路上にクラッド層が設けられる。クラッド層にはキャリアを活性層中に閉じ込める役割があり、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光素子では、多くの場合、クラッド層にはバンドギャップの大きいＡｌＧａＮが用いられる。
【０００４】
クラッド層は、その結晶成長時に不純物を添加することで、一方をｎ型、もう一方をｐ型とする。しかしながら、ＡｌＧａＮはＭｇなどのアクセプタの活性化エネルギーが大きく、キャリア濃度の高いｐ型クラッド層の作製が困難である。この結果、ｐ型クラッド層の抵抗率が大きくなることで、素子全体の抵抗が大きくなる。素子全体の抵抗の増加は、発光素子の発光効率、発光出力の低下の原因となる。
【０００５】
このような課題を克服するため、クラッド層を超格子化するという方法が提案されている。バルクのＡｌＧａＮに比べ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子中のＭｇアクセプタの活性化率が高いことが知られている。下記非特許文献１，２では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子中のＭｇアクセプタの活性化率が、バルクのＡｌＧａＮ中に比べて高い原因について解説されている。また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子中にＭｇを均一に添加した場合の正孔密度が実験的に調べられている。
【非特許文献１】「Increased Electrical Activity of Mg-Acceptors in AlxGa1-xN/GaN Superlattices」, Kazuhide Kumakura and Naoki Kobayashi, Jpn. J. Appl. Phys. Vo1.38 (1999), pp. Ll012-L1014
【非特許文献２】「Polarization-enhanced Mg doping of AlGaN/GaN superlattices」, Peter Kozodoy, Yulia P. Smorchikova, Monica Hansen, Huili Xing, Steven P. DenBaars, Umesh K. Mishra, A. W. Saxler, R. Perrin, and W.C. Mitchel; Appl. Phys. Lett. Vol.75 (1999), pp 2444-2446
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１によれば、超格子中ではエネルギーバンド構造上、バルクよりもＭｇアクセプタが活性化しやすい領域が存在することで、Ｍｇアクセプタの活性化率が向上するとしている。
【０００７】
しかし、反対に、超格子におけるアクセプタが活性化しにくい領域にもアクセプタが添加されることになる。活性化しにくい領域に添加された不純物は、キャリアを供給しないため、電気伝導に寄与しない。活性化しない不純物は、結晶欠陥としてキャリアの輸送を阻害する。このような不純物は、発光素子の抵抗率を増大させ、発光効率や発光出力の低下を招くという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、積層方向の抵抗率を抑えて発光効率や発光出力の低下を防ぐことが可能なＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子は、基板と、基板上に設けられた活性層と、活性層へのキャリア注入経路上に設けられたクラッド層とを備えたＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子において、ｐ型クラッド層は、活性化率が相対的に他の領域の一部よりも低くなる所定領域へのｐ型不純物の添加量を、他の領域の一部よりも抑制してなることを特徴とする。
【００１０】
このＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子では、活性化率の低くなる所定領域におけるｐ型不純物の添加量を抑制することで、この領域の抵抗率を低下させ、発光効率や発光出力の低下を防ぐことができる。
【００１１】
また、このクラッド層は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）からなる第１層と、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる第２層とを、前記基板側から順次積層してなる構造を１ユニットとして複数有する周期構造を備えていることを特徴とする。この場合、第１層はエネルギーバンドギャップが広いためバリア層として機能し、第２層はエネルギーバンドギャップが狭いため井戸層として機能する。これを１ユニットとして複数有したものは、超格子（Super lattice: ＳＬ）構造を構成する。
【００１２】
ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶は、六方晶系のウルツ鉱構造を有するが、ウルツ鉱構造においてはｃ軸方向に関して対称面が無く、成長面がＧａ極性、Ｎ極性と称する結晶学的に異なる２種類の状態が生じる。上述のクラッド層は、Ｇａ極性を有している場合と、Ｎ極性を有している場合とで、活性化率の低くなる領域が異なる。
（Ｉ）クラッド層がＧａ極性の場合
【００１３】
上述の第１層における基板とは反対側の界面近傍と、第２層における基板側の界面近傍を所定領域としてアンドープとする。すなわち、この領域では、ｐ型不純物の活性化率が低くなるため、アンドープに設定することで、この領域の抵抗率を低下させ、光電変換効率や発光出力の低下を防ぐことができる。
（ＩＩ）クラッド層がＮ極性の場合
【００１４】
上述の第１層における基板側の界面近傍と、第２層における前記基板とは反対側の界面近傍を所定領域としてアンドープとする。すなわち、この領域では、ｐ型不純物の活性化率が低くなるため、アンドープに設定することで、この領域の抵抗率を低下させ、光電変換効率や発光出力の低下を防ぐことができる。
【００１５】
さて、ｐ型の不純物を添加する領域について説明する。
（第１層に添加）
【００１６】
まず、上述の第１層の所定領域以外の領域を上記他の領域の一部としてｐ型不純物を添加することができる。すなわち、第１層には部分的にｐ型不純物が添加されるが、ここでは活性化率が低くないため、添加不純物がアクセプタとして有効に機能する。
【００１７】
この場合において、第２層（井戸層）の所定領域以外の領域もアンドープとすることができる。すなわち、多重量子井戸構造における第１層（バリア層）の一部分のみにｐ型不純物が添加されている。
【００１８】
また、この場合において、第２層（井戸層）の所定領域以外の領域にｐ型不純物を添加することができる。すなわち、多重量子井戸構造における第１層（バリア層）と第２層における活性化率の相対的に高い領域には全てｐ型不純物が添加されていることとなり、添加不純物がアクセプタとして有効に機能する。
（第２層に添加）
【００１９】
また、第２層の所定領域以外の領域を上記他の領域の一部としてｐ型不純物を添加することもできる。すなわち、第２層には部分的にｐ型不純物が添加されるが、ここでは活性化率が低くないため、添加不純物がアクセプタとして有効に機能する。
【００２０】
この場合において、第１層の所定領域以外の領域もアンドープとすることができる。すなわち、多重量子井戸構造における第２層（井戸層）の一部分のみにｐ型不純物が添加されている。
【００２１】
更に、上述の１ユニット内において、ｐ型不純物が添加された領域の厚さは１ユニットの厚さの５〜９５％を占めることが好ましい。５％よりも小さい場合にはキャリア濃度が不十分であり、また、９５％を超える場合には活性化されないアクセプタの割合が増加するためである。なお、ｐ型不純物のデルタドープも可能ではある。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子によれば、積層方向の抵抗率を抑えて発光効率や発光出力の低下を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２４】
まず、ＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子の構造について説明する。
【００２５】
（半導体発光素子の構造）
【００２６】
図１は、実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子の縦断面構成を示す説明図である。
【００２７】
この半導体発光素子は、基板１０上に順次積層された下地層１２、下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８、コンタクト層２０を備えている。下地層１２は部分的に露出しており、この露出表面上に電極２２が形成されている。また、コンタクト層２０上には電極２４が形成されている。
【００２８】
各要素の構成材料、導電型、添加物、厚みは以下の通りである。
【表１】
2005209730.tif 000003
【００２９】
この半導体発光素子は、基板１０と、基板１０上に設けられた活性層１６と、活性層１６へのキャリア注入経路上に設けられた（上部）クラッド層１８とを備えている。
【００３０】
電極２４と電極２２との間に駆動電圧を印加すると、これらの間の半導体層２０，１８，１６，１４，１２に電流が流れる。この電流を担うキャリアが活性層１６内に注入されると、活性層１６は発光するが、キャリアの通り道である上部クラッド層１８の抵抗率が光電変換効率や発光出力に影響する。
【００３１】
次に、上部クラッド層１８の構造について説明する。
【００３２】
図２は、上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【００３３】
基板側から順次堆積された第１層１８Ａ（１８ａ，１８ｂ）、第２層１８Ｂ（１８ｃ，１８ｄ）を１ユニットとした場合、上部クラッド層１８は、このユニットを複数積層してなる。第１層１８ＡはＡｌＧａＮからなり、第２層１８ＢはＧａＮからなる。
【００３４】
すなわち、上部クラッド層１８は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）からなる第１層１８Ａと、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる第２層１８Ｂとを、基板側から順次積層してなる構造を１ユニットとして複数有する周期構造を備えた超格子（ＳＬ）である。第１層１８Ａはエネルギーバンドギャップが広いためバリア層として機能し、第２層１８Ｂはエネルギーバンドギャップが狭いため井戸層として機能する。
【００３５】
ここで、第１層１８Ａにおける基板とは反対側の領域（界面近傍）にはｐ型不純物を添加せず（アンドープＡｌＧａＮ層１８ｂ）、基板側にはｐ型不純物を添加している（ｐ型ＡｌＧａＮ層１８ａ）。一方、第２層１８Ｂにおける基板側の領域（界面近傍）にはｐ型不純物を添加せず（アンドープＧａＮ層１８ｃ）、基板と反対側にはｐ型不純物を添加している（ｐ型ＧａＮ層１８ｄ）。
【００３６】
各要素の構成材料、導電型、添加物、厚みは以下の通りである。
【表２】
2005209730.tif 000004
【００３７】
本例の上部クラッド層１８の成長面はＧａ極性である。この場合、半導体層１８ｂ，１８ｃの界面近傍において不純物の活性化率が低くなる。なお、サファイア基板上にＭＯＶＰＥ法で形成される窒化物系結晶はＧａ極性となることが知られている。
【００３８】
以下、詳説する。
【００３９】
図３は、Ｇａ極性の上部クラッド層１８のエネルギーバンド図である。
【００４０】
上部クラッド層１８においては、アクセプタ準位がフェルミ準位よりも深くなる所定領域（１８ｂ、１８ｃ）へのｐ型不純物の添加量を、他の領域の一部（１８ａ，１８ｄ）よりも抑制している。この所定領域１８ｂ，１８ｃでは、アクセプタ準位がフェルミ準位よりも深くなるため、ｐ型の不純物が添加されたとしても活性化率は低くなる。活性化しない不純物は、キャリアを散乱するのみで電気伝導には寄与しない。
【００４１】
このＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子では、活性化率の低くなる所定領域１８ｂ，１８ｃにおけるｐ型不純物の添加量を抑制することで、この領域の抵抗率を低下させ、発光効率や発光出力の低下を抑制している。
【００４２】
次に、本例の上部クラッド層１８の成長面がＮ極性である場合について説明する。
【００４３】
図４は、Ｎ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【００４４】
上部クラッド層１８は、ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）からなる第１層１８Ａと、ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０≦Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる第２層１８Ｂとを、基板側から順次積層してなる構造を１ユニットとして複数有する周期構造を備えている。
【００４５】
Ｎ極性においては、第１層１８Ａにおける基板側の界面近傍と、第２層１８Ｂにおける基板とは反対側の界面近傍において、活性化率が低くなる。したがって、この領域１８ａ，１８ｄを上述の所定領域としてアンドープとする。すなわち、この領域１８ａ，１８ｄでは、ｐ型不純物の活性化率が低くなるため、アンドープに設定することで、この領域の抵抗率を低下させ、光電変換効率や発光出力の低下を防ぐことができる。
【００４６】
各要素の構成材料、導電型、添加物、厚みは以下の通りである。
【表３】
2005209730.tif 000005
【００４７】
Ｎ極性の場合、半導体層１８ｄ，１８ａの界面近傍において不純物の活性化率が低くなる。
【００４８】
以下、詳説する。
【００４９】
図５は、Ｎ極性の上部クラッド層１８のエネルギーバンド図である。
【００５０】
上部クラッド層１８においては、活性化率が相対的に他の領域の一部よりも低くなる所定領域１８ａ，１８ｄへのｐ型不純物の添加量を、他の領域の一部（１８ｂ，１８ｃ）よりも抑制している。この所定領域１８ａ，１８ｄでは、ｐ型の不純物が添加されたとしても活性化率は低くなる。活性化しない不純物は、キャリアを散乱するのみで電気伝導には寄与しない。
【００５１】
このＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子では、活性化率の低くなる所定領域１８ａ，１８ｄにおけるｐ型不純物の添加量を抑制することで、この領域の抵抗率を低下させ、発光効率や発光出力の低下を抑制している。
【００５２】
なお、上述の半導体発光素子においては、「活性化率の低い領域」を「所定領域」であると呼称している。
【００５３】
さて、ｐ型の不純物を添加する領域について、Ｇａ極性、Ｎ極性とともに纏めて説明しておく。Ｇａ極性においては、半導体層１８ｂ，１８ｃが活性化率の低い所定領域に相当し、Ｎ極性においては、半導体層１８ａ，１８ｄが活性化率の低い所定領域に相当する。
【００５４】
ｐ型不純物は、所定領域を除く、第１層（バリア層）１８Ａの一部分のみに添加することもできる（パターンＣ，パターンＦ）が、第２層（井戸層）１８Ｂの一部分のみに添加することもできる（パターンＢ，パターンＥ）。また、所定領域を除く、活性化率の相対的に高い領域には全てｐ型不純物を添加することもできる（パターンＡ，パターンＤ）。この場合には、添加不純物はアクセプタとして有効に機能することができる。
【００５５】
１ユニット内の不純物の添加パターンは、以下の通りである。
【表４】
2005209730.tif 000006
【００５６】
更に、上述の１ユニット内において、ｐ型不純物が添加された領域の厚さは１ユニットの厚さの５〜９５％を占めることが好ましい。５％よりも小さい場合にはキャリア濃度が不十分であり、また、９５％を超える場合には活性化されないアクセプタの割合が増加するためである。
【００５７】
なお、ｐ型不純物のデルタドープも可能ではある。すなわち、所定領域への不純物添加を避けるように、不純物をデルタドープする、或いは、数原子層内に添加することもできる。
【００５８】
次に、このような不純物添加を行った例について説明する。
【００５９】
図６は、Ｇａ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【００６０】
第２層（ＡｌＹＧａ１−ＹＮ、本例ではＹ＝０）１８Ｂの成長後であって、第１層（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）１８Ａが成長する前に、ｐ型不純物が添加されている。すなわち、第１層１８Ａの基板側の領域と、第２層１８Ｂの基板とは反対側の領域にｐ型不純物が薄く添加され、不純物添加層（便宜上、上述と同一の２符合を用いて示す）１８ａ，１８ｄを構成している。これらの不純物添加領域は、上述の所定領域とは異なるため、不純物の活性化率が相対的に高くなり、添加された不純物はアクセプタとして機能する。添加された不純物の深さは浅いが、添加のパターンは上述のパターンＡと同一である。
【００６１】
なお、このような界面ドープでは、アクセプタの活性化が容易な領域に不純物を添加しているので、添加されたｐ型不純物の活性化率を向上させ、発光素子の発光効率を改善することができる。
【００６２】
図７は、Ｎ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【００６３】
第１層（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ）１８Ａの成長後であって、第２層（ＡｌＹＧａ１−ＹＮ、本例ではＹ＝０）１８Ｂが成長する前に、ｐ型不純物が添加されている。すなわち、第１層１８Ａの基板側とは反対側の領域と、第２層１８Ｂの基板側の領域にｐ型不純物が薄く添加され、不純物添加層（便宜上、上述と同一の２符合を用いて示す）１８ｂ，１８ｃを構成している。これらの不純物添加領域は、上述の所定領域とは異なるため、不純物の活性化率が相対的に高くなり、添加された不純物はアクセプタとして機能する。添加された不純物の深さは浅いが、添加のパターンは上述のパターンＤと同一である。
【００６４】
なお、本例においても、界面ドープが行われているので、発光素子の発光効率を改善することができる。
【００６５】
次に、別の構造を有する半導体発光素子について説明する。
【００６６】
図８は、別の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子の縦断面構成を示す説明図である。
【００６７】
この半導体発光素子は、基板１０’上に順次積層された下地層１２、下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８、コンタクト層２０を備えている。基板１０’の裏面には電極２２’が形成されている。また、コンタクト層２０上には電極２４が形成されている。
【００６８】
この半導体発光素子は、図１に示したものと、基板材料と電極取り付け位置のみが異なり他の構成は同一である。基板１０’及び電極２２’の構成材料、導電型、添加物、厚みは以下の通りである。
【表５】
2005209730.tif 000007
【００６９】
このような構造においても、電極２２’と電極２４との間を流れる電流は、半導体層２０，１８，１６，１４，１２，１０’を通り、この電流を担うキャリアによって活性層１６が発光する。ｐ型のクラッド層１８の構造は上述の通りである。
【００７０】
本例の構造においては、基板材料がサファイアではなく、成長層と同じＧａＮであるため、成長層の転位密度を大幅に低減させることができる。この場合、ｐ型クラッド層１８中のアクセプタの活性化率が向上し、発光素子（ＬＥＤ）の発光効率が向上する。ｐ型クラッド層１８の詳細構成は、上述のものを適用することができる。
【００７１】
（半導体発光素子の製造方法）
（ＭＯＶＰＥ装置を用いた製造方法Ｉ）
【００７２】
図１及び図２に示した半導体発光素子の製造方法について説明する。この製造方法では、以下の（工程１）〜（工程７）を順次実行する。
【００７３】
（工程１）
基板清浄化工程
【００７４】
サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapour Phase Epitaxy：有機金属気相エピタキシャル）装置にセットする。なお、ＭＯＶＰＥ法は、TMG（トリメチルガリウム）、TMA（トリメチルアルミニウム）、TMI（トリメチルインジウム）等の有機金属と、ＮH3（アンモニア）ガス等の気体を熱分解し、その熱分解された原料をＭＯＶＰＥの反応チャンバ内に配置された基板上に供給し、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｎから選択される複数元素の組み合わせからなる化合物薄膜をエピタキシャル成長させる方法であり、ＭＯＶＰＥ装置は基板加熱用のヒータを備えている。基板をＭＯＶＰＥ装置内にセットした後、基板温度を１１００℃に昇温し、サーマルクリーニングを行う。
【００７５】
（工程２）
バッファ層・下地層形成工程
【００７６】
まず、ＭＯＶＰＥ装置でサファイア基板上にバッファ層（ＧａＮ）を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、基板温度は５００℃、原料ガス供給時間は４分間である。次に、ＭＯＶＰＥ装置でバッファ層上に膜厚５μｍの下地層１２を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４（モノシラン：ドーパント）、基板温度は１１３０℃、原料ガス供給時間は９０分間である。
【００７７】
（工程３）
下部クラッド層形成工程
【００７８】
ＭＯＶＰＥ装置で下地層１２上に下部クラッド層１４を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ４（モノシラン：ドーパント）、基板温度は１１００℃である。
【００７９】
（工程４）
活性層形成工程
【００８０】
ＭＯＶＰＥ装置で下部クラッド層１４上に活性層１６を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩ、基板温度は８５０℃である。活性層１６は、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ／ＩｎＹＧａ１−ＹＮのＭＱＷ構造を有する。井戸層としてのＩｎＸＧａ１−ＸＮのＩｎ組成比Ｘは１０％であって井戸層の数は３、バリア層としてのＩｎＹＧａ１−ＹＮのＩｎ組成比Ｙは１％であってバリア層の数は４である。
【００８１】
（工程５）
上部クラッド層形成工程
【００８２】
ＭＯＶＰＥ装置で活性層１６上に上部クラッド層１８を形成する。上部クラッド層１８は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのユニットを複数有する超格子を構成している。
【００８３】
ＡｌＧａＮ層である第１層１８Ａの形成時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、基板温度は１１００℃、成長時間は３１２秒、膜厚は１０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層の成長時の前半１５６秒間では、ドーパントであるＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタディエニルマグネシウム）を供給し（ｐ型ＡｌＧａＮとする）、後半の１５６秒間ではＣｐ２Ｍｇの供給を禁止する（アンドープＡｌＧａＮとする）。なお、ＡｌＧａＮ層のＡｌの組成比は１５％である。
【００８４】
ＧａＮ層である第２層１８の形成時の原料ガスは、ＮＨ３、ＴＭＧ、基板温度は１１００℃、成長時間は８７秒、膜厚は１０ｎｍである。ＧａＮ層の成長時の前半４３．５秒間では、ドーパントであるＣｐ２Ｍｇを供給せず（アンドープＧａＮとする）、後半の４３．５秒間ではＣｐ２Ｍｇを供給する（ｐ型ＧａＮとする）。
【００８５】
このＡｌＧａＮ／ＧａＮの成長サイクルを１０回繰り返し、１０周期の超格子クラッド層を形成する。
【００８６】
（工程６）
コンタクト層形成工程
【００８７】
最後に、ＭＯＶＰＥ装置で上部クラッド層１８上にコンタクト層２０を形成する。原料ガスは、ＮＨ３、ＴＭＧ、ドーパントはＣｐ２Ｍｇ、基板温度は１１００℃である。
【００８８】
（工程７）
電極形成工程
【００８９】
コンタクト層２０から下地層１２までをエッチングし、下地層１２の表面を露出させる。また、下地層１２及びコンタクト層２４の露出表面上に、それぞれオーミック電極２２及び２４を形成する。この時の形成方法は蒸着法である。
【００９０】
（ＭＢＥ装置を用いた製造方法Ｉ）
【００９１】
次に、図１及び図４に示した半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００９２】
（工程１）
基板清浄化工程
【００９３】
まず、サファイア基板１０をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）装置にセットする。次に、ＭＢＥ装置の反応チャンバ内の真空度を１×１０−９Ｔｏｒｒ（＝１．３×１０−７Ｐａ）に設定する。基板温度を１１００℃に設定して、基板のサーマルクリーニングを行う。また、サーマルクリーニングと同時に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカルを基板表面に照射し、サファイア基板１０の表面を窒化する。
【００９４】
（工程２）
下地層形成工程
【００９５】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を８５０℃に設定し、基板表面上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ｇａ分子線、Ｓｉ分子線を照射することで、基板１０上に、膜厚５μｍの下地層（ＧａＮ：Ｓｉ）１２を形成する。
【００９６】
（工程３）
下部クラッド層形成工程
【００９７】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を１０００℃に設定し、下地層１２上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｉ分子線を照射することで、下地層１２上に膜厚１００ｎｍの下部クラッド層（ＡｌＧａＮ）１４を形成する。
【００９８】
（工程４）
活性層形成工程
【００９９】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を６５０℃に設定し、下部クラッド層１４上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ｇａ分子線、Ｉｎ分子線を照射することで、下部クラッド層上に活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）１６をＭＱＷ構造で形成する。活性層１６は３層のＩｎＧａＮ層を４層のＧａＮバリア層で挟んでなる。なお、ＧａＮ層の形成時にはＩｎ分子線の供給を停止しておく。
【０１００】
（工程５）
上部クラッド層形成工程
【０１０１】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を１０００℃に設定し、活性層１６上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線を照射することで、活性層１６上に超格子を構成する上部クラッド層（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）１８を形成する。
【０１０２】
活性層１６におけるＡｌＧａＮ層の成長時間は４０秒、膜厚は１０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層形成時においては、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線を照射する。この時の成長の前半２０秒間においては、基板にＭｇ分子線照射は行わずに成長し、アンドープのＡｌＧａＮ層を形成する。また、成長の後半２０秒間においては、基板にＭｇ分子線を照射し、ｐ型のＡｌＧａＮ層を形成する。
【０１０３】
活性層１６におけるＧａＮ層の成長時間は４０秒、膜厚は１０ｎｍである。ＧａＮ層形成時においては、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ｇａ分子線を照射する。この時の成長の前半２０秒間においては、基板にＭｇ分子線を照射して成長し、ｐ型のＧａＮ層を形成する。また、成長の後半２０秒間においては、基板へのＭｇ分子線照射を停止し、アンドープのＧａＮ層を形成する。
【０１０４】
これらのＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の成長サイクルを１０回繰り返し、１０周期の超格子クラッド層を形成する。
【０１０５】
（工程６）
コンタクト層形成工程
【０１０６】
ＭＢＥ装置で上部クラッド層１８上に、ＲＦ励起窒素ラジカル、Ｇａ分子線、Ｍｇ分子線を照射し、ｐ型のコンタクト層（ＧａＮ：Ｍｇ）２０を形成する。
【０１０７】
（工程７）
電極形成工程
【０１０８】
コンタクト層２０から下地層１２までをエッチングし、下地層１２の表面を露出させる。また、下地層１２及びコンタクト層２４の露出表面上に、それぞれオーミック電極２２及び２４を形成する。この時の形成方法は蒸着法である。
（ＭＯＶＰＥ装置を用いた製造方法ＩＩ）
【０１０９】
図１及び図６に示した半導体発光素子の製造方法について説明する。この製造方法では、以下の（工程１）〜（工程７）を順次実行する。
【０１１０】
（工程１）
基板清浄化工程
【０１１１】
サファイア基板１０をＭＯＶＰＥ装置にセットする。基板をＭＯＶＰＥ装置内にセットした後、基板温度を１１００℃に昇温し、サーマルクリーニングを行う。
【０１１２】
（工程２）
バッファ層・下地層形成工程
【０１１３】
まず、ＭＯＶＰＥ装置でサファイア基板上にバッファ層（ＧａＮ）を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、基板温度は５００℃、原料ガス供給時間は４分間である。次に、ＭＯＶＰＥ装置でバッファ層上に膜厚５μｍの下地層１２を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４（モノシラン：ドーパント）、基板温度は１１３０℃、原料ガス供給時間は９０分間である。
【０１１４】
（工程３）
下部クラッド層形成工程
【０１１５】
ＭＯＶＰＥ装置で下地層１２上に下部クラッド層１４を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ４（モノシラン：ドーパント）、基板温度は１１００℃である。
【０１１６】
（工程４）
活性層形成工程
【０１１７】
ＭＯＶＰＥ装置で下部クラッド層１４上に活性層１６を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＩ、基板温度は８５０℃である。活性層１６は、ＩｎＸＧａ１−ＸＮ／ＩｎＹＧａ１−ＹＮのＭＱＷ構造を有する。井戸層としてのＩｎＸＧａ１−ＸＮのＩｎ組成比Ｘは１０％であって井戸層の数は４、バリア層としてのＩｎＹＧａ１−ＹＮのＩｎ組成比Ｙは１％であってバリア層の数は３である。
【０１１８】
（工程５）
上部クラッド層形成工程
【０１１９】
ＭＯＶＰＥ装置で活性層１６上に上部クラッド層１８を形成する。上部クラッド層１８は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのユニットを複数有するＭＱＷ構造の超格子を構成している。
【０１２０】
ＡｌＧａＮ層である第１層１８Ａの形成時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、基板温度は１１００℃、成長時間は３１２秒、膜厚は１０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層の成長時において不純物の添加は行わず、アンドープのＡｌＧａＮ層を形成する。このアンドープのＡｌＧａＮ層の形成後、ＮＨ３、ＴＭＧを原料ガスとして基板上に供給し、ＧａＮ層である第２層１８Ｂを形成する。ＧａＮ層の成長時間は８７秒であり、膜厚は１０μｍである。このＧａＮ層の成長時において不純物の添加は行わず、アンドープのＧａＮ層を形成する。このＧａＮ層の成長後、次のＡｌＧａＮ層を形成する前に、ＴＭＧの供給を停止し、ドーパント原料ガスとしてＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを反応チャンバに供給し、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層の界面にｐ型不純物（Ｍｇ）を添加する。
【０１２１】
これらのＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の成長サイクルを１０回繰り返し、１０周期の超格子クラッド層を形成する。
【０１２２】
（工程６）
コンタクト層形成工程
【０１２３】
最後に、ＭＯＶＰＥ装置で上部クラッド層１８上にコンタクト層２０を形成する。原料ガスは、ＮＨ３、ＴＭＧ、ドーパントはＣｐ２Ｍｇ、基板温度は１１００℃である。
【０１２４】
（工程７）
電極形成工程
【０１２５】
コンタクト層２０から下地層１２までをエッチングし、下地層１２の表面を露出させる。また、下地層１２及びコンタクト層２４の露出表面上に、それぞれオーミック電極２２及び２４を形成する。この時の形成方法は蒸着法である。
【０１２６】
（ＭＢＥ装置を用いた製造方法ＩＩ）
【０１２７】
次に、図１及び図７に示した半導体発光素子の製造方法について説明する。
【０１２８】
（工程１）
基板清浄化工程
【０１２９】
まず、サファイア基板１０をＭＢＥ装置にセットする。次に、ＭＢＥ装置の反応チャンバ内の真空度を１×１０−９Ｔｏｒｒ（＝１．３×１０−７Ｐａ）に設定する。基板温度を１１００℃に設定して、基板のサーマルクリーニングを行う。また、サーマルクリーニングと同時に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカルを基板表面に照射し、サファイア基板１０の表面を窒化する。
【０１３０】
（工程２）
下地層形成工程
【０１３１】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を８５０℃に設定し、基板表面上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ｇａ分子線、Ｓｉ分子線を照射することで、基板１０上に、膜厚５μｍの下地層（ＧａＮ：Ｓｉ）１２を形成する。
【０１３２】
（工程３）
下部クラッド層形成工程
【０１３３】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を１０００℃に設定し、下地層１２上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｉ分子線を照射することで、下地層１２上に膜厚１００ｎｍの下部クラッド層（ＡｌＧａＮ:Ｓｉ）１４を形成する。
【０１３４】
（工程４）
活性層形成工程
【０１３５】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を６５０℃に設定し、下部クラッド層１４上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ｇａ分子線、Ｉｎ分子線を照射することで、下部クラッド層上に活性層（ＩｎＧａＮ／ＧａＮ）１６をＭＱＷ構造で形成する。活性層１６は３層のＩｎＧａＮ層を４層のＧａＮバリア層で挟んでなる。なお、ＧａＮ層の形成時にはＩｎ分子線の供給を停止しておく。
【０１３６】
（工程５）
上部クラッド層形成工程
【０１３７】
ＭＢＥ装置内において、基板温度を１０００℃に設定し、活性層１６上に、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線を照射することで、活性層１６上に超格子を構成する上部クラッド層（ＡｌＧａＮ／ＧａＮ）１８を形成する。
【０１３８】
活性層１６におけるＡｌＧａＮ層の成長時間は４０秒、膜厚は１０ｎｍである。ＡｌＧａＮ層形成時においては、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線を照射する。この時の成長においては、基板にＭｇ分子線照射は行わずに成長し、アンドープのＡｌＧａＮ層を形成する。このＡｌＧａＮ層の形成後、ＧａＮ層の形成前に、Ａｌ，Ｇａ分子線の供給を停止し、基板上にＲＦ励起窒素ラジカルとＭｇ分子線を照射し、界面への不純物添加を行う。
【０１３９】
続いて形成される活性層１６におけるＧａＮ層の成長時間は４０秒、膜厚は１０ｎｍである。ＧａＮ層形成時においては、ＲＦプラズマ励起の窒素ラジカル、Ｇａ分子線を照射する。この時の成長においては、基板へのＭｇ分子線照射を禁止し、アンドープのＧａＮ層を形成する。
【０１４０】
これらのＡｌＧａＮ層／ＧａＮ層の成長サイクルを１０回繰り返し、１０周期の超格子クラッド層を形成する。
【０１４１】
（工程６）
コンタクト層形成工程
【０１４２】
ＭＢＥ装置で上部クラッド層１８上に、ＲＦ励起窒素ラジカル、Ｇａ分子線、Ｍｇ分子線を照射し、ｐ型のコンタクト層（ＧａＮ：Ｍｇ）２０を形成する。
【０１４３】
（工程７）
電極形成工程
【０１４４】
コンタクト層２０から下地層１２までをエッチングし、下地層１２の表面を露出させる。また、下地層１２及びコンタクト層２４の露出表面上に、それぞれオーミック電極２２及び２４を形成する。この時の形成方法は蒸着法である。
（ＭＯＶＰＥ装置を用いた製造方法ＩＩＩ）
【０１４５】
次に、図８に示した半導体発光素子の製造方法について説明する。
【０１４６】
この製造方法では、以下の（工程１’）、（工程２’）及び（工程７’）が、ＭＯＶＰＥ装置を用いた製造方法Ｉにおける（工程１）、（工程２）及び（工程７）と異なり、他の工程（工程３、４，５、６）は同一である。また、上部クラッド層の形成工程は、上述の（工程５）から適宜選択して行うことができる。
【０１４７】
（工程１’）
基板清浄化工程
【０１４８】
ＧａＮ基板１０’をＭＯＶＰＥ装置にセットする。基板１０’をＭＯＶＰＥ装置内にセットした後、基板温度を１１００℃に昇温し、サーマルクリーニングを行う。
【０１４９】
（工程２’）
下地層形成工程
【０１５０】
まず、ＭＯＶＰＥ装置でＧａＮ基板上に膜厚５μｍの下地層１２を形成する。この時の原料ガスはＮＨ３、ＴＭＧ、ＳｉＨ４（モノシラン：ドーパント）、基板温度は１１５０℃、原料ガス供給時間は１００分間である。
【０１５１】
（工程７’）
電極形成工程
【０１５２】
ＧａＮ基板１０’及びコンタクト層２４の露出表面上に、それぞれオーミック電極２２’及び２４を形成する。この時の形成方法は蒸着法である。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明のＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子によれば、積層方向の抵抗率を抑えて光電変換効率や発光出力の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子の縦断面構成を示す説明図である。
【図２】Ｇａ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【図３】Ｇａ極性の上部クラッド層１８のエネルギーバンド図である。
【図４】Ｎ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【図５】Ｎ極性の上部クラッド層１８のエネルギーバンド図である。
【図６】Ｇａ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【図７】Ｎ極性の上部クラッド層１８の縦断面構成を示す説明図である。
【図８】別の実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物系半導体発光素子の縦断面構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１５５】
１０・・・基板、１２・・・下地層、１４・・・下部クラッド層、１６・・・活性層、１８・・・上部クラッド層、２０・・・コンタクト層。
【図１】
2005209730.tif 000008
【図２】
2005209730.tif 000009
【図３】
2005209730.tif 000010
【図４】
2005209730.tif 000011
【図５】
2005209730.tif 000012
【図６】
2005209730.tif 000013
【図７】
2005209730.tif 000014
【図８】
2005209730.tif 000015