(57)【要約】【課題】活性層上に形成された窒化物半導体層に含まれる不純物が、活性層に拡散することを防止する。【解決手段】基板１００上に形成された第１導電型の第１の不純物（例えば、Ｓｉ等）を含む第１の窒化物半導体層１０２と、第１の窒化物半導体層１０２上に形成された活性層１０３と、活性層１０３上に形成された第２導電型の第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）を含む第２の窒化物半導体層１０５とを少なくとも備え、活性層１０３と第２の窒化物半導体層１０５との間に中間層１０４を更に備え、中間層１０４は、互いに異なる偏析エネルギーを有するIII族原子を少なくとも２つ含む窒化物半導体層である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１導電型の第１の不純物を含む第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型の第２の不純物を含む第２の窒化物半導体層とを少なくとも備え、
前記活性層と前記第２の窒化物半導体層との間に中間層を更に備え、
前記中間層は、互いに異なる偏析エネルギーを有するＩＩＩ族原子を少なくとも２つ含む窒化物半導体層であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記中間層に含まれる前記ＩＩＩ族原子の各々は、Ｉｎ原子及びＧａ原子であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記中間層に含まれる前記ＩＩＩ族原子の各々は、Ｉｎ原子及びＡｌ原子であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記中間層に含まれる前記ＩＩＩ族原子の各々は、Ｉｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記中間層の膜厚は、２０ｎｍ以上であって且つ８０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層は、障壁層及び井戸層の各々が互いに繰り返し積層されてなる多重量子井戸構造を有しており、
前記中間層は、該中間層と接する前記障壁層の格子定数と同等の格子定数を有していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前記中間層は、前記第２の不純物を含んでおり、
前記中間層に含まれる前記第２の不純物の濃度は、前記第２の窒化物半導体層に含まれる前記第２の不純物の濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前記障壁層及び前記井戸層の各々は、アンドープ型に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前記障壁層は、ｎ型不純物を含んでおり、
前記井戸層は、アンドープ型に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第２の不純物は、Ｍｇであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
基板上に、第１導電型の第１の不純物を含む第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層上に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、互いに異なる偏析エネルギーを有するＩＩＩ族原子を少なくとも２つ含む中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、第２導電型の第２の不純物を含む第２の窒化物半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記中間層は、アンドープ型に形成することを特徴とする請求項１１に記載の窒化物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、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、窒化物半導体層が順に積層されてなる窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外領域から赤色領域までの発光光源を用いたＬＥＤデバイス及びＬＤデバイスが研究開発されており、例えば、光記憶装置、高効率のディスプレイ又は照明装置等への応用が期待されている。発光光源の材料として窒素化合物が広く研究開発されており、窒素化合物として、V族原子である窒素とIII族原子とよりなる窒素化合物を用いることにより、約１[eV]〜約６[eV]のバンドギャップ有する窒素化合物を実現することが可能となる。窒素化合物のバンドギャップの幅を調整することにより、紫外領域から赤色領域までの発光光源を用いたＬＥＤデバイス及びＬＤデバイスを実現することが可能であり、実際に、紫外領域から緑領域までの発光光源を用いたＬＥＤデバイスが製品化されており、例えば、信号等に応用されている。
【０００３】
以下に、ＬＥＤデバイスを具体例に挙げて、従来の窒化物半導体発光素子について、図５を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の窒化物半導体発光素子の構造について示す断面図である。
【０００４】
図５示すように、サファイアよりなる基板３００上には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮよりなる緩衝層３０１、ｎ型Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ、ｙ及びｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす実数である）よりなる第１の窒化物半導体層（：コンタクト層）３０２と、ｎ型Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ、ｙ及びｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす実数である）よりなる活性層３０３と、ｐ型Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ、ｙ及びｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす実数である）よりなる第２の窒化物半導体層（：クラッド層）３０４と、ｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層３０５とが下から順に積層されている。また、図５に示すように、第１の窒化物半導体層３０２上には、ｎ型用電極３０６が形成されており、コンタクト層３０５上には、ｐ型用電極３０７が形成されている。
【０００５】
活性層３０３には、例えば、Ｓｉ又はＧｅ等のｎ型不純物がドープされており、第２の窒化物半導体層層３０４には、例えば、Ｚｎ又はＭｇ等のｐ型不純物がドープされている。ここで、活性層３０３を構成するIII族原子の含有量を調整する、又は活性層３０３にドープするｎ型不純物を適宜選択することにより、活性層３０３のバンドギャップの幅を調整することができるので、窒化物半導体発光素子の発光波長を紫外領域から赤色領域まで調整することが可能である。
【特許文献１】特開平８−３１６５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の窒化物半導体発光素子では、以下に示す問題がある。
【０００７】
ｐ型窒化物半導体層（具体的には、第２の窒化物半導体層３０４及びコンタクト層３０５）に含まれる不純物、特に、第２の窒化物半導体層３０４に含まれるＺｎ又はＭｇ等のｐ型不純物が、活性層３０３に拡散する。
【０００８】
ここで、窒化物半導体発光素子の発光の原理は、活性層３０３において、価電子帯に注入された電子が、伝導帯に存在するホールと再結合することで発光する。そのため、活性層３０３において、効率良く再結合発光を引き起こすには、ｐｎ接合界面が活性層部分に位置することが重要である。
【０００９】
しかしながら、従来の窒化物半導体発光素子では、活性層３０３にＭｇ等のｐ型不純物が拡散することにより、ｐｎ接合界面が活性層３０３側から第１の窒化物半導体層３０２側にずれるため、活性層３０２において、効率良く再結合発光を引き起こすことができないので、窒化物半導体発光素子の発光強度が減少する。更には、活性層３０３において、Ｍｇ等のｐ型不純物による不純物準位が形成されて、窒化物半導体発光素子の発光波長が長波長側へシフトするので、窒化物半導体発光素子の発光波長が設定値から外れる。このように、窒化物半導体発光素子の発光特性を低下させるので、窒化物半導体発光素子の信頼性が低下するという問題がある。
【００１０】
更には、活性層３０３にＭｇ等のｐ型不純物が拡散することにより、活性層３０３に結晶欠陥が発生するため、活性層３０３の結晶性が劣化する。これにより、窒化物半導体発光素子の発光強度がより一層減少するため、窒化物半導体発光素子の発光特性をより一層低下させるだけでなく、窒化物半導体発光素子の動作寿命が低下するという問題もある。
【００１１】
前記に鑑み、本発明の目的は、活性層上に形成された窒化物半導体層に含まれる不純物が、活性層に拡散することを防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の課題を解決するために、本発明に係る窒化物半導体発光素子は、基板上に形成された第１導電型の第１の不純物を含む第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型の第２の不純物を含む第２の窒化物半導体層とを少なくとも備え、活性層と第２の窒化物半導体層との間に中間層を更に備え、中間層は、互いに異なる偏析エネルギーを有するIII族原子を少なくとも２つ含む窒化物半導体層であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る窒化物半導体発光素子によると、中間層には、互いに異なる偏析エネルギーを有するIII族原子が少なくとも２つ含まれているため、中間層に含まれるIII族原子のうち、いずれか一方のIII族原子の偏析エネルギーは、他方のIII族原子の偏析エネルギーよりも大きい。そのため、中間層の形成の際に、相対的に表面偏析の強い偏析エネルギーを有するIII族原子の表面偏析が起きるので、中間層の表面には、相対的に表面偏析の強い偏析エネルギーを有するIII族原子を過剰に含む層が形成されている。
【００１４】
ここで、表面偏析とは、成長中の最表面において熱的に最も安定な格子位置を得るために、中間層に含まれるIII族原子同士が成長中の最表面において互いに格子位置を置換することによって、あるIII族原子が常に表面に偏析を起こす現象である。偏析エネルギーは各原子に固有の値であり、各原子の偏析エネルギーの相対的な大小によって、表面偏析する原子が決定される。そのため、中間層を構成するIII族原子のうち、いずれか一方のIII族原子を表面偏析させたい場合、他方のIII族原子は、一方のIII族原子と格子置換することが可能なIII族原子、すなわち、一方のIII族原子よりも相対的に表面偏析の弱い偏析エネルギーを有するIII族原子であることが必要である。表面偏析が起きることにより、結晶は安定な結晶格子を形成することが可能になるので、転位及び点欠陥等の結晶欠陥の発生が低減された結晶を実現することが可能になる。
【００１５】
このように、中間層の表面と第２の窒化物半導体層との界面で転位等の結晶欠陥が発生することを低減することにより、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が中間層に拡散される拡散経路を減少させることができる。更には、中間層の表面に一方のIII族原子を過剰に含む安定な格子層（すなわち、安定な結晶格子を有する層）が形成されることにより、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が中間層に拡散することを防止するバリア層として機能するので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを防止することができる。
【００１６】
したがって、本発明に係る窒化物半導体発光素子では、ｐｎ接合界面が活性層側から第１の窒化物半導体層側にずれることを防止することができるため、活性層において、効率良く再結合発光を引き起こすことができるので、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させることができる。更には、活性層において、第２の不純物による不純物準位が形成されて、窒化物半導体発光素子の発光波長が短波長側又は長波長側へシフトすることを防止することができるので、窒化物半導体発光素子の発光波長が設定値から外れることはない。このように、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができるので、窒化物半導体発光素子の信頼性の向上を図ることができる。
【００１７】
更には、結晶欠陥の発生によって、活性層の結晶性が劣化することを防止することができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性のより一層の向上を図ると共に、窒化物半導体発光素子の動作寿命の向上を図ることができる。
【００１８】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、中間層に含まれるIII族原子の各々は、Ｉｎ原子及びＧａ原子であることが好ましい。
【００１９】
このようにすると、Ｉｎ原子の偏析エネルギーはＧａ原子の偏析エネルギーよりも相対的に表面偏析が強いため、Ｉｎ原子及びＧａ原子を含む窒化物半導体層よりなる中間層の形成の際に、Ｉｎ原子の表面偏析が起きるので、中間層の表面にはＩｎ原子を過剰に含む層が形成されている。
【００２０】
このように、中間層の表面にＩｎ原子を過剰に含む層が形成されることにより、中間層の表面と第２の窒化物半導体層との界面で転位等の結晶欠陥が発生することを低減することができるため、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が中間層に拡散される拡散経路を減少させることができるので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを防止することができる。
【００２１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、中間層に含まれるIII族原子の各々は、Ｉｎ原子及びＡｌ原子であることが好ましい。
【００２２】
このようにすると、Ｉｎ原子の偏析エネルギーはＡｌ原子の偏析エネルギーよりも相対的に表面偏析が強いため、Ｉｎ原子及びＡｌ原子を含む窒化物半導体層よりなる中間層の形成の際に、Ｉｎ原子の表面偏析が起きるので、中間層の表面にはＩｎ原子を過剰に含む層が形成されている。
【００２３】
ここで、一般に、Ｉｎ原子の偏析エネルギーとＡｌ原子の偏析エネルギーとの間にある差異は、Ｉｎ原子の偏析エネルギーとＧａ原子の偏析エネルギーとの間にある差異よりも大きいため、Ｉｎ原子とＡｌ原子とが互いに格子置換する割合は、Ｉｎ原子とＧａ原子とが互いに格子置換する割合よりも多いので、中間層の表面に含まれるＩｎ原子の濃度の高濃度化を図ることができる。
【００２４】
このため、中間層の表面と第２の窒化物半導体層との界面で転位等の結晶欠陥が発生することをより一層低減することができるため、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が中間層に拡散される拡散経路をより一層減少させることができるので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることをより一層防止することができる。
【００２５】
また、このようにすると、中間層がＡｌ原子を含むことにより、中間層のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きくなる。そのため、中間層を透過する光量を増加させることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。特に、中間層のバンドギャプが活性層のバンドギャップと同等の場合、活性層を透過する光の屈折率と中間層を透過する光の屈折率との間に差異が発生することがないため、活性層と中間層との界面で光が屈曲することはない。そのため、中間層を透過する光量を確実に増加させることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度を確実に増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。
【００２６】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、中間層に含まれるIII族原子の各々は、Ｉｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子であることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、前述したように、Ｉｎ原子の偏析エネルギーはＧａ原子の偏析エネルギーよりも相対的に表面偏析が強いため、中間層の形成の際に、中間層に含まれるＩｎ原子とＧａ原子とが互いに格子置換することによって、Ｉｎ原子の表面偏析が起きる。
【００２８】
更には、前述したように、Ｉｎ原子の偏析エネルギーはＡｌ原子の偏析エネルギーよりも相対的に表面偏析が強いため、中間層の形成の際に、中間層に含まれるＩｎ原子とＡｌ原子とが互いに格子置換することによって、Ｉｎ原子の表面偏析が起きる。
【００２９】
このように、Ｉｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子を含む窒化物半導体層よりなる中間層の形成の際に、中間層に含まれるＩｎ原子とＧａ原子とが互いに格子置換すると共に、中間層に含まれるＩｎ原子とＡｌ原子とが互いに格子置換するので、中間層の表面に含まれるＩｎ原子の濃度の高濃度化をより一層図ることができる。
【００３０】
このため、中間層の表面と第２の窒化物半導体層との界面で転位等の結晶欠陥が発生することを確実に低減することができるため、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が中間層に拡散される拡散経路を確実に減少させることができるので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを確実に防止することができる。
【００３１】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、中間層の膜厚は、２０[nm]以上であって且つ８０[nm]以下であることが好ましい。
【００３２】
このようにすると、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が、活性層に拡散されることを確実に防止することができる。
【００３３】
ここで、中間層の膜厚が２０[nm]よりも小さい場合、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、中間層を通過して、活性層へ拡散されるので、第２の不純物が活性層に拡散されることを確実に防止することができない。これに対し、中間層の膜厚が８０[nm]よりも大きい場合、ｐｎ接合界面が活性層側から中間層側にずれるため、活性層において、効率良く再結合発光を引き起こすことができないので、窒化物半導体発光素子の発光強度を減少させる。そのため、中間層の膜厚は、２０[nm]以上であって且つ８０[nm]以下の範囲を満たすように調整される。
【００３４】
このように、中間層の膜厚を２０[nm]以上であって且つ８０[nm]以下の範囲に調整することにより、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを確実に防止することができる。
【００３５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、活性層は、障壁層及び井戸層の各々が互いに繰り返し積層されてなる多重量子井戸構造を有しており、中間層は、該中間層と接する障壁層の格子定数と同等の格子定数を有していることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、中間層の格子定数と該中間層と接する障壁層の格子定数とを同等に調整することができるので、中間層と活性層との格子整合を図ることができる。
【００３７】
ここで、中間層に結晶欠陥が発生する要因として、中間層の熱膨張係数と活性層の熱膨張係数との差による歪、すなわち、中間層と活性層との格子不整合による歪が挙げられる。そのため、中間層と活性層との格子整合を図ることにより、中間層に発生する結晶欠陥を減少させることができるので、中間層に発生する結晶欠陥を介して、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ）が、活性層に拡散されることを防止することができる。
【００３８】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、中間層は、第２の不純物を含んでおり、中間層に含まれる第２の不純物の濃度は、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物の濃度よりも低いことが好ましい。
【００３９】
このように、中間層には、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）の濃度よりも低い濃度を有する第２の不純物が拡散されており、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、中間層に拡散されて中間層内に留まっており、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを防止することができる。
【００４０】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、障壁層及び井戸層の各々は、アンドープ型に形成されていることが好ましい。
【００４１】
このようにすると、活性層を構成する障壁層及び井戸層の各々は、アンドープ型に形成されているので、活性層の結晶性の向上を図ることができる。そのため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ると共に、窒化物半導体発光素子の動作寿命の更なる向上を図ることができる。
【００４２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、障壁層は、ｎ型不純物を含んでおり、井戸層は、アンドープ型に形成されていることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が障壁層又は井戸層に拡散されることがあっても、ｐｎ接合界面を活性層部分に安定化させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性が低下することを防止することができる。更には、このようにすると、井戸層はアンドープ型に形成されているので、上記と同様に、活性層の結晶性の向上を図ることも可能である。
【００４４】
更には、このようにすると、障壁層は、自由電子の発生源となるｎ型不純物（例えば、Ｓｉ等）を含むので、井戸層に存在するピエゾ電界を打ち消すことができる。そのため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。
【００４５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子において、第２の不純物は、Ｍｇであることが好ましい。
【００４６】
このようにすると、一般に、導電型不純物であるＭｇは、他の導電型不純物（例えば、Ｓｉ等）と比較して拡散され易いため、本発明の効果を有効に適用することができる。
【００４７】
本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板上に、第１導電型の第１の不純物を含む第１の窒化物半導体層を形成する工程と、第１の窒化物半導体層上に、活性層を形成する工程と、活性層上に、互いに異なる偏析エネルギーを有するIII族原子を少なくとも２つ含む中間層を形成する工程と、中間層上に、第２導電型の第２の不純物を含む第２の窒化物半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００４８】
本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法によると、活性層と第２の窒化物半導体層との間に、互いに異なる偏析エネルギーを有するIII族原子を少なくとも２つ含む中間層を形成することにより、中間層に含まれるIII族原子のうち、いずれか一方のIII族原子の偏析エネルギーは、他方のIII族原子の偏析エネルギーよりも大きいので、中間層の形成の際に、相対的に表面偏析の強い偏析エネルギーを有するIII族原子の表面偏析が起きるので、中間層の表面に、III族原子を過剰に含む層を形成することができる。
【００４９】
このため、中間層の表面と第２の窒化物半導体層との界面で転位等の結晶欠陥が発生することを低減することができるので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が中間層に拡散される拡散経路を減少させることができる。更には、中間層の表面に安定な結晶格子を有する層が形成されるため、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が中間層に拡散することを防止するバリア層として機能するので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを防止することができる。
【００５０】
したがって、本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法では、ｐｎ接合界面が活性層側から第１の窒化物半導体層側にずれることを防止することができるため、活性層において、効率良く再結合発光を引き起こすことができるので、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させることができる。更には、活性層において、第２の不純物による不純物準位が形成されて、窒化物半導体発光素子の発光波長が短波長側又は長波長側へシフトすることを防止することができるので、窒化物半導体発光素子の発光波長が設定値から外れることはない。このように、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができるので、窒化物半導体発光素子の信頼性の向上を図ることができる。
【００５１】
更には、結晶欠陥の発生によって、活性層の結晶性が劣化することを防止することができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ると共に、窒化物半導体発光素子の動作寿命の向上を図ることができる。
【００５２】
本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法において、中間層は、アンドープ型に形成することが好ましい。
【００５３】
このようにすると、中間層をアンドープ型に形成するため、中間層に拡散された第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）を、中間層内に留めることができるので、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が、活性層に拡散されることを確実に防止することができる。
【００５４】
ここで、中間層はアンドープ型に形成するが、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物が中間層に拡散されて中間層内に留まるので、実質的には、中間層は第２導電型の第２の不純物を含む半導体層となる。このように、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物は、中間層には拡散されるが、中間層を通過して、活性層に拡散されることはない。
【発明の効果】
【００５５】
本発明に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法によると、第２の窒化物半導体層に含まれる第２の不純物（例えば、Ｍｇ等）が、活性層に拡散されることを防止することができるため、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができるので、窒化物半導体発光素子の信頼性の向上を図ることができる。更には、活性層の結晶性が劣化することを防止することができるので、窒化物半導体発光素子の動作寿命の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下に、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００５７】
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子について、図１及び[表１]を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造について示す断面図である。また、[表１]は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子における、基板及び各半導体層についての、材料、導電型、膜厚及びキャリア濃度について示す表である。
【００５８】
図１に示すように、基板１００上には、緩衝層１０１、第１の窒化物半導体層１０２、活性層１０３、中間層１０４、第２ａの窒化物半導体層１０５、第２ｂの窒化物半導体層１０６、コンタクト層１０７が下から順に積層されている。また、第１の窒化物半導体層１０２上には、ｎ型用電極１０８が形成されており、コンタクト層１０７上には、ｐ型用電極１０９が形成されている。
【００５９】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子における、基板及び各半導体層についての、材料、導電型、膜厚及びキャリア濃度について、以下に示す[表１]に記す。
【００６０】
【表１】
2007173316.tif 000003
【００６１】
基板及び各半導体層について、以下に詳細に説明する。
【００６２】
基板１００は、表面の結晶面がＣ面であり、基板１００上に形成された緩衝層１０１は、表面の面方位がＣ面であり、アモルファス状の単結晶である。
【００６３】
活性層１０３は、障壁層及び井戸層の各々が互いに繰り返し積層されてなる多重量子井戸構造を有している。詳細には、[表１]に示すように、活性層１０３は、膜厚が１０[nm]であってＡｌ0.15 Ｇａ0.85 Ｎよりなる障壁層（１ａ〜６ａ）と、膜厚が２．５[nm]であってＡｌ0.04 Ｉｎ0.04 Ｇａ0.91 Ｎよりなる井戸層（１ｂ〜５ｂ）とが互いに繰り返し積層されてなる多重量子井戸構造であって、第１の窒化物半導体層１０２上に、障壁層１ａと井戸層１ｂ、障壁層２ａ及び井戸層２ｂ、障壁層３ａ及び井戸層３ｂ、障壁層４ａ及び井戸層４ｂ、障壁層５ａ及び井戸層５ｂ、並びに障壁層６ａが下から順に積層されてなる多重量子井戸構造である。
【００６４】
このように、活性層１０３の構造として多重量子井戸構造を採用することにより、単一量子井戸構造を採用する場合と比較して、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させると共に、ｐｎ接合界面の制御の容易化を図ることができる。
【００６５】
ここで、障壁層（１ａ〜６ａ）及び井戸層（１ｂ〜５ｂ）の各々を構成する材料の組成比は、障壁層のバンドギャップが井戸層のバンドギャップよりも大きくなるように調整されている。また、活性層１０３を構成するIII族原子であるＧａ原子、Ａｌ原子及びＩｎ原子の含有量を上記のように調整することにより、活性層１０３のバンドギャップの幅を調整することができるので、窒化物半導体発光素子の発光波長が約３８５[nm]となるように調整することができる。
【００６６】
中間層１０４は、中間層１０４と接する障壁層６ａの格子定数と同等の格子定数を有している。ここで、後述するように、中間層１０４は、アンドープ型に形成されているが、中間層１０４上に形成された第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、中間層１０４に拡散されるので、実質的には、ｐ型窒化物半導体層となる（後述する製造方法を参照）。
【００６７】
第２ａの窒化物半導体層１０５は、図１に示すように、中間層１０４と第２ｂの窒化物半導体層１０６との間に介在しており、オーバーフロー抑制層として機能する。具体的には、活性層１０３に注入された電子のうち、再結合発光に寄与せずに活性層１０３を通過する電子が、中間層１０４を通過して、第２ｂの窒化物半導体層１０６に拡散されることを防止する。
【００６８】
ここで、[表１]に示すように、第２ａの窒化物半導体層１０５のＡｌ組成比は約０．３０であり、第２ａの窒化物半導体層１０５の膜厚は約６[nm]である。このように、第２ａの窒化物半導体層１０５のＡｌ組成比及び膜厚を上記のように調整することにより、第２ａの窒化物半導体層１０５は、オーバーフロー抑制層としての機能を果たすことができる。
【００６９】
尚、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、[表１]に示すように、第１の窒化物半導体層１０２に含まれるｎ型不純物であるＳｉ濃度は２×１０18 [cm-3 ]である。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、第１の窒化物半導体層１０２に含まれるｎ型不純物の濃度は、１×１０17 [cm-3 ]以上であって且つ１×１０19 [cm-3 ]以下であれば良い。
【００７０】
また、[表１]に示すように、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇ濃度は８×１０18 [cm-3 ]である。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物の濃度は、１×１０18 [cm-3 ]以上であって且つ１×１０20 [cm-3 ]以下であれば良い。
【００７１】
また、[表１]に示すように、第２ｂの窒化物半導体層１０６に含まれるｐ型不純物であるＭｇ濃度は８×１０18 [cm-3 ]である。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、第２ｂの窒化物半導体層１０６に含まれるｐ型不純物の濃度は、１×１０18 [cm-3 ]以上であって且つ１×１０20 [cm-3 ]以下であれば良い。
【００７２】
また、[表１]に示すように、コンタクト層１０７に含まれるｐ型不純物であるＭｇ濃度は８×１０19 [cm-3 ]である。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、コンタクト層１０７に含まれるｐ型不純物の濃度は、１×１０18 [cm-3 ]以上であって且つ１×１０20 [cm-3 ]以下であれば良い。
【００７３】
ここで、第１の窒化物半導体層１０２、第２ａの窒化物半導体層１０５、第２ｂの窒化物半導体層１０６及びコンタクト層１０７の各半導体層に含まれる導電型不純物の濃度が上記の範囲を超えない場合、各半導体層は導電型半導体層として機能しない。これに対し、各半導体層（１０２、１０５、１０６、及び１０７）に含まれる導電型不純物の濃度が上記の範囲を超える場合、各半導体層の結晶性を劣化させる。そのため、各半導体層に含まれる導電型不純物の濃度は、上記の範囲を満たすように調整される。
【００７４】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法について、前述した図１を参照しながら説明する。
【００７５】
尚、本実施形態では、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、ＭＢＥ法又はＨＶＰＥ法等の結晶成長方法を用いても良い。ここで、本実施形態で用いたＭＯＣＶＤ法について以下に説明する。
【００７６】
原料を輸送するために、リアクターに流されるキャリアガスとして、アンモニアガス、窒素ガス及び水素ガスの混合ガス（主成分は窒素ガス）を用いる。また、原料の有機金属化合物として、Ｔrimethylgallium：ＴＭＧ、Ｔrimethylaluminum：ＴＭＡ、Ｔrimethylindium：ＴＭＩ、及びbis−cyclopentadienyl magnesium：Ｃｐ2Ｍｇを用いる。原料の有機金属化合物の各々は、恒温漕で保温され、一定の温度に調整されており、具体的には、ＴＭＧが２[℃]、ＴＭＡが２０[℃]、ＴＭＩが２０[℃]、及びＣｐ2Ｍｇが２０[℃]の温度に調整されている。
【００７７】
原料の有機金属化合物を輸送するために、原料の有機金属化合物中に流されるバブリング用キャリアガスとして窒素ガスを用いる。また、原料の有機金属化合物を反応炉に供給するために用いるキャリアガスとして、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ2Ｍｇを反応炉に供給する場合には水素ガスを用い、また、ＴＭＩを反応炉に供給する場合には窒素ガスを用いる。
【００７８】
有機金属化合物とＮ原子を含む化合物とが、キャリアガスと共に反応炉に供給され、数百度から千数百度に熱せられた基板表面で反応することにより、基板表面に窒化物半導体層が形成される。
【００７９】
まず、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー（図示せず）内にサファイアよりなる基板１００を搬入し、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に制御し、基板１００の温度を約１２００[℃]まで上昇させ、５分間、基板１００の温度を保持することにより、基板１００の表面を洗浄する。
【００８０】
次に、基板１００上に、ＧａＮよりなる緩衝層１０１を成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に維持し、基板１００の温度を約６００[℃]まで下降させ、温度が安定した後に、キャリアガスとして水素を用いてＴＭＧを供給する。これにより、例えば、緩衝層１０１の成長速度が約６００[nm/h]の下、膜厚が約２０[nm]となるように緩衝層１０１を成長させる。
【００８１】
次に、緩衝層１０１上に、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層１０２を成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に維持し、基板１００の温度を約１２００[℃]まで上昇させ、温度が安定した後に、キャリアガスとして水素を用いてＴＭＧ及びＳｉＨ4 ガスを供給する。これにより、例えば、第１の窒化物半導体層１０２の成長速度が約２５００[nm/h]の下、膜厚が約４０００[nm]となるように第１の窒化物半導体層１０２を成長させる。
【００８２】
次に、第１の窒化物半導体層１０２上に、アンドープ型Ａｌ0.15 Ｇａ0.85 Ｎよりなる障壁層１ａを成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に維持し、基板１００の温度を約１０００[℃]まで下降させ、温度が安定した後に、キャリアガスとして水素を用いてＴＭＧ及びＴＭＡの各々を供給する。これにより、例えば、障壁層１ａの成長速度が約３００[nm/h]の下、膜厚が約１０[nm]となるように障壁層１ａを成長させる。
【００８３】
次に、障壁層１ａ上に、アンドープ型Ａｌ0.04 Ｉｎ0.04 Ｇａ0.91 Ｎよりなる井戸層１ｂを成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に維持し、基板１００の温度を約１０００[℃]に維持し、キャリアガスとして水素を用いてＴＭＧ及びＴＭＡの各々を供給すると共に、キャリアガスとして窒素を用いてＴＭＩを供給する。これにより、例えば、井戸層１ｂの成長速度が約３００[nm/h]の下、膜厚が約２．５[nm]となるように井戸層１ｂを成長させる。
【００８４】
次に、障壁層１ａの形成条件と同様の条件の下、井戸層１ｂ上に障壁層２ａを形成し、続いて、井戸層１ｂの形成条件と同様の条件の下、障壁層２ａ上に井戸層２ｂを形成する。このようにして、障壁層及び井戸層の各々を互いに繰り返し形成することにより、第１の窒化物半導体層１０２上に、障壁層１ａ及び井戸層１ｂ、障壁層２ａ及び井戸層２ｂ、障壁層３ａ及び井戸層３ｂ、障壁層４ａ及び井戸層４ｂ、並びに障壁層５ａ及び井戸層５ｂを下から順に積層した後、井戸層５ｂ上に障壁層６ａを形成する。これにより、第１の窒化物半導体層１０２上に、障壁層（１ａ〜６ａ）及び井戸層（１ｂ〜５ｂ）の各々が互いに繰り返し積層されてなる活性層１０３を形成する。
【００８５】
次に、活性層１０３を構成する障壁層６ａ上に、アンドープ型Ｉｎ0.01 Ａｌ0.15 Ｇａ0.84 Ｎよりなる中間層１０４を成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に制御し、基板１００の温度を約１０００[℃]に維持し、キャリアガスとして水素を用いてＴＭＧ及びＴＭＡの各々を供給すると共に、キャリアガスとして窒素を用いてＴＭＩを供給する。これにより、例えば、中間層１０４の成長速度が約３００[nm/h]の下、膜厚が約４０[nm]となるように中間層１０４を成長させる。
【００８６】
次に、中間層１０４上に、ｐ型不純物としてＭｇがドーピングされたＡｌ0.30 Ｇａ0.70 Ｎよりなる第２ａの窒化物半導体層１０５を成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に制御し、基板１００の温度を約１１００[℃]にまで上昇させ、温度が安定した後に、キャリアガスとして水素を用いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ2Ｍｇの各々を供給する。これにより、例えば、第２ａの窒化物半導体層１０５の成長速度が約６００[nm/h]の下、膜厚が約６[nm]となるように第２ａの窒化物半導体層１０５を成長させる。
【００８７】
次に、第２ａの窒化物半導体層１０５上に、ｐ型不純物としてＭｇがドーピングされたＡｌ0.15 Ｇａ0.85 Ｎよりなる第２ｂの窒化物半導体層１０６を成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5 [Pa]の雰囲気に制御し、基板１００の温度を約１１００[℃]に維持し、キャリアガスとして水素を用いて、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ2Ｍｇの各々を供給する。これにより、第２ｂの窒化物半導体層１０６の成長速度が約６００[nm/h]の下、膜厚が約５０[nm]となるように第２ｂの窒化物半導体層１０６を成長させる。
【００８８】
次に、第２ｂの窒化物半導体層１０６上に、ｐ型不純物としてＭｇがドーピングされたＧａＮよりなるコンタクト層１０７を成長させるために、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に制御し、基板１００の温度を約１１００[℃]に維持し、キャリアガスとして水素を用いてＴＭＧ及びＣｐ2Ｍｇの各々を供給する。これにより、第２ｂの窒化物半導体層１０６の成長速度が約２５００[nm/h]の下、膜厚が約５[nm]となるようにコンタクト層１０７を成長させる。
【００８９】
次に、チャンバー内の雰囲気を窒素ガスと水素ガスとアンモニアガスとを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気に制御し、基板１００の温度を室温（約２５[℃]）にまで下降させた後、ＭＯＣＶＤ装置のチャンバー内から基板１００を搬出する。
【００９０】
次に、ｐ型不純物としてＭｇを含有するｐ型半導体層（具体的には、第２ａの窒化物半導体層１０５、第２ｂの窒化物半導体層１０６、及びコンタクト層１０７）のｐ型導電性を高めるために、活性化アニールにより、約７５０[℃]以上の温度の下、窒素ガスを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気中で、約２０分間、温度を保持する。
【００９１】
次に、ＥＢ（電子ビーム）による蒸着により、約６×１０-6 [Pa]以下の真空中で、コンタクト層１０７上に、膜厚が約５[nm]のＮｉ膜、膜厚が約５０[nm]のＰｔ膜、及び膜厚が約２００[nm]のＡｕ膜が下から順に積層されてなるｐ型用電極１０９を形成する。続いて、ｐ型用電極１０９の電気的密着性を高めるために、シンタにより、約６００[℃]以上の温度の下、窒素ガスを含む約１．０×１０5[Pa]の雰囲気中で、約３０分間、温度を保持する。
【００９２】
次に、ドライエッチングにより、コンタクト層１０７、第２ｂの窒化物半導体層１０６、第２ａの窒化物半導体層１０５、中間層１０４、及び活性層１０３における所望の領域を選択的に除去することにより、第１の窒化物半導体層１０２における所望の領域を選択的に露出させた後、第１の窒化物半導体層１０２上に、Ｔｉ及びＡｌよりなるｎ型用電極１０８を形成する。
【００９３】
以上のようにして、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子を製造する。
【００９４】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子及びその製造方法では、中間層１０４の膜厚が４０[nm]の場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、中間層１０４の膜厚を好適な範囲に調整することにより、本発明の効果を有効に得ることができる。以下に、中間層１０４の膜厚が、２０[nm]、４０[nm]及び８０[nm]の場合を具体例に挙げて、中間層１０４の膜厚が０[nm]の場合と比較することにより、本発明の効果について有効に説明する（後述する−実験１−及び−実験２−参照）。
【００９５】
まず、本実施例１〜３及び比較例に係る窒化物半導体発光素子について、以下に説明する。
【００９６】
＜本実施例１＞
本実施例１に係る窒化物半導体発光素子は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法と同様の製造方法を用いて製造された、中間層１０４の膜厚が２０[nm]の窒化物半導体発光素子である。すなわち、前述した中間層１０４の形成の際に、膜厚が２０[nm]となるように中間層１０４を成長させる。
【００９７】
＜本実施例２＞
本実施例２に係る窒化物半導体発光素子は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法を用いて製造された、中間層１０４の膜厚が４０[nm]の窒化物半導体発光素子である。
【００９８】
＜本実施例３＞
本実施例３に係る窒化物半導体発光素子は、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法と同様の製造方法を用いて製造された、中間層１０４の膜厚が８０[nm]の窒化物半導体発光素子である。すなわち、前述した中間層１０４の形成の際に、膜厚が８０[nm]となるように中間層１０４を成長させる。
【００９９】
＜比較例＞
本実施例１〜３に係る窒化物半導体発光素子と比較するために、比較例に係る窒化物半導体発光素子は、中間層１０４の膜厚が０[nm]の窒化物半導体発光素子である。すなわち、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法では、活性層１０３上に、中間層１０４を介在させて、第２ａの窒化物半導体発光素子１０５を形成するのに対し、比較例に係る窒化物半導体発光素子の製造方法では、活性層１０３上に、中間層１０４を介在させることなく、第２ａの窒化物半導体発光素子１０５を形成する。
【０１００】
−実験１−
次に、実験１について、図２及び図３を参照しながら説明する。
【０１０１】
実験１では、本実施例１〜３及び比較例に係る窒化物半導体発光素子を用いて、各々の窒化物半導体発光素子の発光強度について評価を行うことにより、中間層１０４の膜厚と窒化物半導体発光素子の発光強度との関係について調べた。
【０１０２】
図２は、実験１の測定方法について示す断面図であり、具体的には、サンプルとして本実施例２に係る窒化物半導体発光素子を用いた場合の実験１の測定方法について示す断面図である。また、図３は、比較例及び本実施例１〜３に係る窒化物半導体発光素子の各々における、中間層１０４の膜厚と窒化物半導体発光素子の発光強度との関係について示す図であり、具体的には、中間層１０４の膜厚が０[nm]、２０[nm]、４０[nm]及び８０[nm]の各々における、窒化物半導体発光素子の発光強度について示す図である。ここで、図３において、横軸は、中間層の膜厚[nm]を示しており、縦軸は、窒化物半導体発光素子の発光強度[μW]を示しており、窒化物半導体発光素子の発光強度を対数変換（すなわち、ｔ＝Ｌog（発光強度））することによって得た数値をプロットしており、具体的には、ｔ＝０の場合の発光強度は１[μW]を示し、ｔ＝１の場合の発光強度は１０[μW]を示し、ｔ＝２の場合の発光強度は１００[μW]を示し、ｔ＝３の場合の発光強度は１０００[μW]を示す。
【０１０３】
実験１の測定は、図２に示すように、フリップチップボンディングにより、ｎ型用電極１０８上にバンプ２０１ａを形成すると共にｐ型用電極１０９上にバンプ２０１ｂを形成し、支持基盤２００とバンプ（２０１ａ及び２０１ｂ）とを位置合わせして、支持基盤２００上に、サンプル（具体的には、本実施例２に係る窒化物半導体発光素子）を実装する。続いて、室温の下、ｎ型用電極１０８及びｐ型用電極１０９に、２０[mA]の定電流を注入し、基板１００を透過する光の強度を測定する（例えば、図２参照）ことにより、比較例及び本実施例１〜３に係る窒化物半導体発光素子の各々の発光強度について調べた。
【０１０４】
図３に示すように、比較例に係る窒化物半導体発光素子、すなわち、中間層１０４の膜厚が０[nm]の場合、発光強度は約２０[μW]であった。これに対し、本実施例１に係る窒化物半導体発光素子、すなわち、中間層１０４の膜厚が２０[nm]の場合、発光強度は約４５０[μW]であった。また、本実施例２に係る窒化物半導体発光素子、すなわち、中間層１０４の膜厚が４０[nm]の場合、発光強度は約７００[μW]であった。また、本実施例３に係る窒化物半導体発光素子、すなわち、中間層１０４の膜厚が８０[nm]の場合、発光強度は約２５０[μW]であった。
【０１０５】
図３に示すように、比較例に係る窒化物半導体発光素子の発光強度（具体的には、約２０[μW]）と、本実施例１〜３に係る窒化物半導体発光素子の発光強度（具体的には、約４５０[μW]、約７００[μW]、約２５０[μW]）との間には顕著な差異があり、１桁以上の差異があることが分かる。このように、活性層１０３と第２ａの窒化物半導体層１０５との間に、中間層１０４を介在させることにより、窒化物半導体発光素子の発光強度が顕著に増加することが分かる。
【０１０６】
更には、図３に示すように、中間層１０４の膜厚が２０[nm]において、発光強度は急激に増加しており、中間層１０４の膜厚が２０[nm]から８０[nm]にかけて強い発光強度を示しており、特に、中間層１０４の膜厚が４０[nm]において最大の発光強度を示すことが分かる。そのため、中間層１０４の膜厚を２０[nm]以上であって且つ８０[nm]以下の範囲に調整することにより、本発明の効果を有効に得ることができる。
【０１０７】
ここで、上記の範囲が好ましい理由として、主に以下の理由が考えられる。
【０１０８】
窒化物半導体発光素子の発光強度の顕著な低下は、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物（例えば、Ｍｇ等）が活性層１０３に拡散されることにより、ｐｎ接合界面が活性層１０３側から第１の窒化物半導体層１０２側にずれると共に活性層１０３の結晶性が劣化することによって発生する。そのため、中間層１０４に拡散された第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物が、中間層１０４内に留まって、活性層１０３に拡散されることを防止することが可能な中間層１０４の膜厚が２０[nm]であると考えられる。
【０１０９】
また、中間層１０４の膜厚が８０[nm]よりも大きい場合、中間層１０４は充分な膜厚を有するので、中間層１０４に拡散された第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物（例えば、Ｍｇ等）が、中間層１０４を通過して、活性層１０３に拡散されることはないが、中間層１０４の膜厚が大きいため、ｐｎ接合界面が活性層１０３側から中間層１０４側にずれるので、窒化物半導体発光素子の発光強度の低下を招くおそれがある。
【０１１０】
このため、中間層１０４の膜厚を好適な範囲（具体的には、２０[nm]以上であって且つ８０[nm]以下の範囲）に調整することにより、本発明の効果を有効に得ることができる。
【０１１１】
−実験２−
次に、実験２について、図４(a) 及び(b) を参照しながら説明する。
【０１１２】
実験２では、比較例に係る窒化物半導体発光素子及び本実施例２に係る窒化物半導体発光素子の各々のＳＩＭＳ測定を行うことにより、中間層１０４の膜厚の有無と活性層１０３へのＭｇ拡散との関係について調べた。
【０１１３】
図４(a) は、比較例に係る窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ測定結果について示す図であり、また、図４(b) は、本実施例２に係る窒化物半導体発光素子のＳＩＭＳ測定結果について示す図である。図４(a) 及び(b) において、横軸は、コンタクト層１０７の表面から各半導体層までの深さ方向の距離[nm]を示しており、縦軸は、コンタクト層１０７の表面からある深さでの各原子の濃度[cm-3 ]を示しており、単位体積当たりに含まれる各原子の数に相当し、各原子の濃度を対数変換（すなわち、Ｌog（濃度））することによって得た数値をプロットしている。
【０１１４】
図４(a) 及び(b) に示すように、曲線Ａは、各半導体層（：横軸参照）のある深さでのＡｌの濃度（：縦軸参照）について示しており、曲線Ｂは、各半導体層（：横軸参照）のある深さでのＩｎの濃度（：縦軸参照）について示しており、曲線Ｃは、各半導体層（：横軸参照）のある深さでのＭｇの濃度（：縦軸参照）について示している。更に、詳細には、曲線Ｂにおける谷部分が活性層１０３を構成する各障壁層（１ａ〜６ａ）部分について示しており、山部分が活性層１０３を構成する各井戸層（１ｂ〜５ｂ）部分について示している。
【０１１５】
図４(a) に示すように、比較例に係る窒化物半導体発光素子、すなわち、中間層１０４の膜厚が０[nm]の場合、活性層１０３を構成する障壁層６ａから井戸層５ｂにかけて（領域Ｘ参照）、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが拡散されていることが分かる（曲線Ｃ参照）。
【０１１６】
これに対し、図４(b) に示すように、本実施例２に係る窒化物半導体発光素子、すなわち、中間層１０４の膜厚が４０[nm]の場合、活性層１０３を構成する障壁層６ａから井戸層５ｂにかけて（領域Ｙ参照）、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが拡散されておらず、活性層１０３を構成する障壁層（１ａ〜６ａ）及び井戸層（１ｂ〜５ｂ）の何れにも、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが拡散されていないことが分かる（曲線Ｃ参照）。
【０１１７】
このように、活性層１０３と第２ａの窒化物半導体層１０５との間に、中間層１０４を介在させることにより、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３に拡散されることを防止することができる。
【０１１８】
以上のように、実験１及び２を行うことにより、比較例に係る窒化物半導体発光素子の場合、図３に示すように、窒化物半導体発光素子の発光強度は約２０[μW]を示しており、また、図４(a) に示すように、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３（特に、活性層１０３を構成する障壁層６ａ及び井戸層５ｂ）に拡散されていることが分かった。
【０１１９】
これに対し、本実施例２に係る窒化物半導体発光素子の場合、図３に示すように、窒化物半導体発光素子の発光強度は約７００[μW]を示しており、また、図４(b) に示すように、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３を構成する障壁層（１ａ〜６ａ）及び井戸層（１ｂ〜５ｂ）の何れにも拡散されていないことが分かった。
【０１２０】
このように、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３に拡散されることによって、窒化物半導体発光素子の発光強度を著しく低下させるのに対し、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３に拡散されることを防止することによって、窒化物半導体発光素子の発光強度を著しく増加させることが分かった。このように、窒化物半導体発光素子の発光特性は、活性層１０３へのＭｇの拡散の有無に依存していることが分かる。
【０１２１】
以上のように、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子によると、中間層１０４には、互いに異なる偏析エネルギーを有するＩｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子が含まれている。
【０１２２】
ここで、一般に、Ｉｎ原子の偏析エネルギーはＧａ原子の偏析エネルギーよりも相対的に表面偏析が強いため、中間層１０４の形成の際に、中間層に含まれるＩｎ原子とＧａ原子とが互いに格子置換することによって、Ｉｎ原子の表面偏析が起きる。更には、一般に、Ｉｎ原子の偏析エネルギーはＡｌ原子の偏析エネルギーよりも相対的に表面偏析が強いため、中間層１０４の形成の際に、中間層に含まれるＩｎ原子とＡｌ原子とが互いに格子置換することによって、Ｉｎ原子の表面偏析が起きる。そのため、中間層１０４の表面には、Ｉｎ原子を過剰に含む層が形成されている。
【０１２３】
このように、中間層１０４を構成するIII族原子としてＩｎ原子、Ｇａ原子及びＡｌ原子を含む場合、中間層１０４の形成の際に、中間層１０４に含まれるＩｎ原子とＧａ原子とが互いに格子置換すると共に、中間層１０４に含まれるＩｎ原子とＡｌ原子とが互いに格子置換するので、中間層１０４を構成するIII族原子としてＩｎ原子及びＧａ原子（又はＩｎ原子及びＡｌ原子）のみを含む場合と比較して、中間層１０４の表面に含まれるＩｎ原子の濃度の高濃度化を図ることができる。
【０１２４】
このため、中間層１０４の表面と第２ａの窒化物半導体層１０５との界面で転位等の結晶欠陥が発生することを確実に低減することができるので、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが中間層１０４に拡散される拡散経路を確実に減少させることができる。更には、中間層１０４の表面に安定な結晶格子を有する層が形成されるため、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが中間層１０４に拡散することを防止するバリア層として機能するので、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３に拡散されることを確実に防止することができる。
【０１２５】
したがって、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、ｐｎ接合界面が活性層１０３側から第１の窒化物半導体層１０２側にずれることを防止することができるため、活性層１０３において、効率良く再結合発光を引き起こすことができるので、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させることができる。更には、活性層１０３において、ｐ型不純物であるＭｇによる不純物準位が形成されて、窒化物半導体発光素子の発光強度が長波長側へシフトすることを防止することができるので、窒化物半導体発光素子の発光波長が設定値から外れることはない。このように、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができるので、窒化物半導体発光素子の信頼性の向上を図ることができる。
【０１２６】
更には、結晶欠陥の発生によって、活性層１０３の結晶性が劣化することを防止することができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性のより一層の向上を図ると共に、窒化物半導体発光素子の動作寿命の向上を図ることができる。
【０１２７】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子によると、中間層１０４がＡｌ原子を含むことにより、中間層１０４のバンドギャップが活性層１０３のバンドギャップよりも大きくなる。そのため、活性層１０３を透過する光の屈折率と中間層１０４を透過する光の屈折率との間に発生する差異を減少させることができるため、活性層１０３と中間層１０４との界面で光が屈曲することを低減することができる。このため、中間層１０４を透過する光量を増加させることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。
【０１２８】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子によると、中間層１０４の格子定数が、中間層１０４と接する障壁層６ａの格子定数と同等になるように調整するので、活性層１０３と中間層１０４との格子整合を図ることができる。そのため、中間層１０４に発生する結晶欠陥を減少させることができるので、中間層１０４に発生する結晶欠陥を介して、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３に拡散されることをより一層防止することができる。
【０１２９】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子によると、活性層１０３を構成する障壁層（１ａ〜６ａ）及び井戸層（１ｂ〜５ｂ）の各々は、アンドープ型に形成されているため、活性層１０３の結晶性の向上を図ることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ると共に、窒化物半導体発光素子の動作寿命の更なる向上を図ることができる。
【０１３０】
また、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子によると、中間層１０４はアンドープ型に形成されるため、中間層１０４に拡散された第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇを、中間層１０４内に留めることができるので、第２ａの窒化物半導体層１０５に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、活性層１０３に拡散されることを確実に防止することができる。
【０１３１】
（第２の実施形態）
本実施形態では、前述した本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と同様に、活性層１０３と第２ａの窒化物半導体層１０５との間に中間層１０４を介在させることにより、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図るだけでなく、更には、活性層を構成する障壁層（１ａ〜６ａ）にｎ型不純物（例えば、Ｓｉ等）をドーピングすることにより、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることを目的とする。
【０１３２】
以下に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、前述した本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と異なる点について、具体的に説明する。
【０１３３】
前述したように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、アンドープ型障壁層（１ａ〜６ａ）及びアンドープ型井戸層（１ｂ〜５ｂ）の各々が互いに繰り返し積層されてなる活性層１０３を用いるのに対し、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、ｎ型不純物としてＳｉが５×１０18 [cm-3 ]の濃度でドーピングされたｎ型障壁層（１ａ〜６ａ）及びアンドープ型井戸層（１ｂ〜５ｂ）の各々が互いに繰り返し積層されてなる活性層を用いる。
【０１３４】
ここで、前述した第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光強度の測定を行うと、約７００[μW]以上の発光強度が得られ、本実施形態は、前述した第１の実施形態よりも優れた発光特性を示すことが分かった。
【０１３５】
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子によると、第２ａの窒化物半導体層に含まれるｐ型不純物であるＭｇが、障壁層（特に、障壁層６ａ）又は井戸層（特に、井戸層５ｂ）に拡散されることがあっても、ｐｎ接合界面を活性層部分に安定化させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性が低下することを防止することができる。更には、第１の実施形態と同様に、活性層を構成する井戸層（１ｂ〜５ｂ）をアンドープ型に形成するので、活性層の結晶性の向上を図ることも可能である。
【０１３６】
更には、活性層を構成する障壁層（１ａ〜６ａ）に自由電子の発生源となるｎ型不純物をドーピングすることにより、井戸層（１ｂ〜５ｂ）に存在するピエゾ電界を打ち消すことができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。
【０１３７】
ここで、障壁層（１ａ〜６ａ）に含まれるｎ型不純物の濃度が、１×１０18 [cm-3 ]以下の場合、井戸層（１ｂ〜５ｂ）に存在するピエゾ電界を充分に打ち消すことができないので、窒化物半導体発光素子の発光強度が減少する。これに対し、障壁層に含まれるｎ型不純物の濃度が、１×１０19 [cm-3 ]以上の場合、障壁層の結晶性が低下し、更には、障壁層に含まれるｎ型不純物が、井戸層に拡散されて、井戸層の結晶性も低下する。そのため、障壁層に含まれるｎ型不純物の濃度は、１×１０18 [cm-3 ]以上であって且つ１×１０19 [cm-3 ]以下の範囲を満たすように調整されることが好ましい。
【０１３８】
（第３の実施形態）
本実施形態では、前述した本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と同様に、活性層１０３と第２ａの窒化物半導体層１０５との間に中間層１０４を介在させることにより、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図るだけでなく、更には、第１の窒化物半導体層の膜厚を増加させることにより、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることを目的とする。
【０１３９】
以下に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、前述した本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と異なる点について、具体的に説明する。
【０１４０】
前述したように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、第１の窒化物半導体層１０２の膜厚が４[μm]であるのに対し、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、第１の窒化物半導体層の膜厚が１０[μm]である。
【０１４１】
ここで、前述した第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光強度の測定を行うと、約１１００[μW]の発光強度が得られ、本実施形態は、前述した第１の実施形態よりも優れた発光特性を示すことが分かった。
【０１４２】
このように、第１の窒化物半導体層の膜厚を増加させることにより、第１の窒化物半導体層に発生する転位等の結晶欠陥を減少させることができる。そのため、第１の窒化物半導体層上に順次形成される各窒化物半導体層（１０３〜１０７）の結晶性の向上を図ることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。
【０１４３】
（第４の実施形態）
本実施形態では、前述した本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と同様に、活性層１０３と第２ａの窒化物半導体層１０５との間に中間層１０４を介在させることにより、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図るだけでなく、更には、緩衝層の結晶性を向上させることにより、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることを目的とする。
【０１４４】
以下に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子において、前述した本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子と異なる点について、具体的に説明する。
【０１４５】
前述したように、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、緩衝層１０１を構成する材料としてＧａＮを用いて、基板温度が６００[℃]の下、緩衝層１０１を成長させるのに対し、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、緩衝層を構成する材料としてＡｌＮを用いて、基板温度が１０００[℃]以上の高温の下、緩衝層を成長させる。
【０１４６】
ここで、前述した第１の実施形態と同様に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の発光強度の測定を行うと、約７００[μW]以上の発光強度が得られ、本実施形態は、前述した第１の実施形態よりも優れた発光特性を示すことが分かった。
【０１４７】
このように、完全な単結晶となるように緩衝層を形成することにより、緩衝層上に形成される第１の窒化物半導体層１０２に発生する転位等の結晶欠陥を減少させることができる。そのため、第１の窒化物半導体層１０２上に順次形成される各窒化物半導体層（１０３〜１０７）の結晶性の向上を図ることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度をより一層増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の更なる向上を図ることができる。
【０１４８】
以上のように、第１の窒化物半導体層の膜厚を増加させる（：第３の実施形態）、又は完全な単結晶となるように緩衝層を形成する（：第４の実施形態）ことにより、窒化物半導体発光素子の発光強度が増加することが分かった。このように、窒化物半導体発光素子を構成する窒化物半導体層に発生する転位等の結晶欠陥を減少させることにより、該窒化物半導体層上に順次形成される各窒化物半導体層の結晶性の向上を図ることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができることが分かる。
【０１４９】
尚、本発明の各実施形態では、図１に示すように、中間層１０４と第２ｂの窒化物半導体層１０６との間には、オーバーフロー抑制層として機能する第２ａの窒化物半導体層１０５が介在している。しかしながら、本発明はこれに限定されることはなく、中間層１０４と第２ｂの窒化物半導体層１０６との間に、第２ａの窒化物半導体層１０５を介在させることなく、中間層１０４上に第２ｂの窒化物半導体層１０６が直接形成されている場合においても、活性層１０３と第２ｂの窒化物半導体層１０６との間には、中間層１０４が介在しているため、第２ｂの窒化物半導体層１０６に含まれるｐ型不純物（例えば、Ｍｇ等）が、活性層１０３に拡散されることを防止することができるので、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１５０】
また、本発明の各実施形態では、[表１]に示すように、各窒化物半導体層（具体的には、緩衝層１０１、第１の窒化物半導体層１０２、第２ａの窒化物半導体層１０５、第２ｂの窒化物半導体層１０６、及びコンタクト層１０７）を構成する材料として上記に示す各材料を用いたが、本発明はこれに限定されることはなく、一般式がＡｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（但し、ｘ、ｙ及びｚは、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす実数である）で表される化合物を用いても良い。但し、各窒化物半導体層の各々は、窒化物半導体発光素子の発光波長を透過させるバンドギャップを有する必要がある。
【０１５１】
ここで、窒化物半導体層を構成する材料として、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎの何れもを含む窒化物半導体層を選択することにより、該窒化物半導体層は、ＡｌＮよりなる窒化物半導体層、ＧａＮよりなる窒化物半導体層、及びＩｎＮよりなる窒化物半導体層の各々の何れもとの格子整合を図ることができる。そのため、格子不整合に起因して窒化物半導体層に発生する歪を緩和させることができるので、窒化物半導体層に発生する結晶欠陥を減少させることができる。このため、窒化物半導体発光素子の結晶性の向上を図ることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができる。
【０１５２】
尚、本発明の各実施形態では、基板１００を構成する材料としてサファイアを用いたが、本発明はこれに限定されることはなく、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、又はＳｉＣ等の材料を用いても良い。但し、基板１００を構成する材料としてＧａＡｓ又はＳｉを用いた場合、基板１００の除去が必要である。
【０１５３】
ここで、基板１００を構成する材料としてＧａＮを選択することにより、基板１００と緩衝層１０１との格子整合を図ることができるので、緩衝層１０１に発生する転位等の結晶欠陥を減少させることができる。このため、緩衝層１０１上に順次形成される各窒化物半導体層（１０３〜１０７）の結晶性の向上を図ることができるため、窒化物半導体発光素子の発光強度を増加させることができるので、窒化物半導体発光素子の発光特性の向上を図ることができる。
【０１５４】
尚、本発明の各実施形態では、活性層１０３の構造として多重量子井戸構造を採用したが、本発明はこれに限定されることはなく、単一量子井戸構造を採用しても良い。
【０１５５】
また、本発明の各実施形態では、ｐ型不純物としてＭｇを用いたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、Ｚｎ等のｐ型不純物、又はＭｇ及びＺｎ等の複数のｐ型不純物を用いても良い。
【０１５６】
また、本発明の各実施形態では、ｎ型不純物としてＳｉを用いたが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ若しくはＴｉ等のｎ型不純物、又はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ及びＴｉ等の複数のｎ型不純物を用いても良い。
【０１５７】
また、本発明の各実施形態では、窒化物半導体発光素子の発光波長は約３８５[nm]であるが、本発明はこれに限定されることはない。但し、窒化物半導体発光素子を構成する各窒化物半導体層は、窒化物半導体発光素子の発光波長を透過させるバンドギャップを有する必要があり、例えば、窒化物半導体発光素子の発光波長が３６５[nm]以下の場合、各窒化物半導体層は何れもＡｌを含む必要がある。
【産業上の利用可能性】
【０１５８】
本発明は、窒化物半導体層が順に積層されてなる発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）等の窒化物半導体発光素子の発光特性を向上させるのに有用である。これにより、例えば、高輝度フルカラーＬＥＤディスプレイ、照明用光源、及び読み取り用光源等への窒化物半導体発光素子の応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構造について示す断面図である。
【図２】実験１の測定方法について示す断面図である。
【図３】中間層の膜厚と窒化物半導体発光素子の発光強度との関係について示す図である。
【図４】(a) は、中間層の膜厚が０[nm]の場合のＳＩＭＳ測定結果について示す図であり、(b) は、中間層の膜厚が４０[nm]の場合のＳＩＭＳ測定結果について示す図である。
【図５】従来の窒化物半導体発光素子の構造について示す断面図である。
【符号の説明】
【０１６０】
１００                      基板
１０１                      緩衝層
１０２                      第１の窒化物半導体層
１０３                      活性層
１０４                      中間層
１０５                      第２ａの窒化物半導体層
１０６                      第２ｂの窒化物半導体層
１０７                      コンタクト層
１０８                      ｎ型用電極
１０９                      ｐ型用電極
２００                      支持基盤
２０１ａ、２０１ｂ          バンプ
３００                      基板
３０１                      緩衝層
３０２                      第１の窒化物半導体層
３０３                      活性層
３０４                      第２の窒化物半導体層
３０５                      コンタクト層
３０６                      ｎ型用電極
３０７                      ｐ型用電極
【図１】
2007173316.tif 000004
【図２】
2007173316.tif 000005
【図３】
2007173316.tif 000006
【図４】
2007173316.tif 000007
【図５】
2007173316.tif 000008