(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わせる窒化ガリウム系化合物半導体層を有する半導体発光素子において、
ＧａＮよりも熱膨張係数が小さいＳｉよりなる基板と、
前記基板上に形成された第１のＧａＮ層と、
前記基板と前記第１のＧａＮ層との間に形成され、かつＡｌＮ層を含む第１の中間層と、
前記第１のＧａＮ層上に形成され、かつ前記第１のＧａＮ層の格子定数よりも大きい格子定数を有する発光層と、
前記第１のＧａＮ層と前記発光層との間に形成された第２の中間層とを備え、
前記第２の中間層は前記第１のＧａＮ層の格子定数よりも前記発光層の格子定数に近い格子定数を有することを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の中間層は前記基板の格子定数よりも前記第１のＧａＮ層の格子定数に近い格子定数を有していることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の中間層はＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層（ただし、０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２の中間層はＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層（ただし、０＜ｃ≦１、０≦ｄ≦１、ｃ＋ｄ≦１）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層は、ＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＮ層（ただし、０＜ｅ≦１、０≦ｆ≦１、ｅ＋ｆ≦１）と、ＡｌgＧａhＩｎ1-g-hＮ層（ただし、０＜ｇ≦１、０≦ｈ≦１、ｇ＋ｈ≦１、ｅ＞ｇ）とが順次積層された複数層を有し、前記ＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＮ層の格子定数は前記第１のＧａＮ層の格子定数よりも小さいことを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層は、複数層からなり、前記複数層の各々は前記第１のＧａＮ層に近い層ほどＡｌの組成比が小さくなることを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第２の中間層と前記発光層との間に形成されたクラッド層をさらに備え、前記クラッド層は第２のＧａＮ層およびＩｎiＧａ1-iＮ層（ただし、０＜ｉ≦１）の少なくともいずれかを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記クラッド層の膜厚は、１０ｎｍ以上３０ｎｍ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】
前記ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層は複数層からなり、前記複数層の各々は前記発光層に近い層ほどＩｎの組成比が小さくなることを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層の膜厚は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
前記ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層に含まれるＧａの含有量に対するＩｎの含有量は１０％以下であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子に関し、より具体的には、ＧａＮよりも熱膨張係数が小さい基板上に中間層を介して一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮで表わされる窒化ガリウム系化合物半導体層を発光層として有する半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体を用いた窒化物半導体材料系において、これまで、ＩｎxＧａ1-xＮ結晶を発光層として用いた半導体発光素子が、主にサファイア基板を基板として用いることで作製されている。
【０００３】
ところで、基板としてＳｉ基板をこの材料に応用した場合、Ｓｉ基板はサファイア基板に比べ安価でかつ大面積なものが市場に供給されており、この効果によって、半導体発光素子も安価な素子の作製が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、Ｓｉ基板上への窒化物半導体膜を結晶成長させる試みとして、特開平５−３４３７４１号公報、特開２０００−２７７４４１号公報には、ＢＡｌＧａＩｎＮ系の単層もしくは多層構造を中間層として用いることで、窒化物系半導体発光素子を作製することが記載されている。
【０００５】
さらに、下記文献１においても、ＡｌＮ層とＡｌ0.27Ｇａ0.73Ｎ層とを積層し、これらを中間層として用いることで窒化物系半導体発光素子を作製することが記載されている。
【０００６】
文献１：M. Adachi et al., “Fabrication of Light Emitting Diodes with GaInN Multi-Quantum Wells on Si(111) Substrate by MOCVD”, Proc. Int. Workshop on Nitride Semiconductors, IPAP Conf. Series 1 pp.868-871
しかし、格子整合を行なう組合せの技術に関しては十分な検討がなされておらず、本願発明者らが検討した結果では、Ｓｉ基板に代表されるように窒化物半導体膜より熱膨張係数が小さい基板を用いた場合、単純に上記文献に記載された中間層を用いただけでは、転位の少ない良質な窒化物半導体膜を成膜することは困難であり、その膜上に発光層などを作製しても転位が多く形成され、輝度の高い発光素子を作製するのは困難であった。
【０００７】
さらに、Ｓｉ基板上に、窒化物系半導体素子を作製する場合、作製した膜を室温に下げるときに熱膨張係数の差からクラックが生じる。そこで、そのクラックの発生を低減するためにも、硬度の高いＡｌＮを用いることが重要であることがわかった。
【０００８】
つまりは、窒化物半導体膜と格子定数が異なり、窒化物半導体膜より熱膨張係数が小さい基板を用いた場合、ｃ軸配向性が高く、硬度の高いＡｌＮを多く含んだＡｌＧａＩｎＮ層を成長させる必要がある。しかし、このＡｌＧａＩｎＮ中間層はＡｌＮを多く含むため、格子定数が小さく、発光素子構造部分の層であるＧａＩｎＮ発光層に大きな圧縮歪を与え、その結晶性を悪くし発光効率を下げる傾向がみられた。
【０００９】
たとえば、上記文献１に記載の構造では、図５に示すとおりＳｉ基板１０１上に、１２０ｎｍの厚みのＡｌＮ層１０２ａ（ａ軸格子定数：０．３１１２ｎｍ）と、３８０ｎｍの厚みのＡｌ0.27Ｇａ0.73Ｎ層１０２ｂ（ａ軸格子定数：０．３１６８ｎｍ）との積層構造よりなる中間層１０２が形成されている。そして、その中間層１０２上に、ＧａＮ層１０３（ａ軸格子定数：０．３１８９ｎｍ）と、ＧａＩｎＮ発光層１０６とが形成されている。
【００１０】
ここで記述する格子定数は、単にバルクのａ軸格子定数、つまりベガード則を用いて理論的に計算した格子定数である。なぜなら、実際の格子定数は歪などによる変形によって変わり、その値に混乱を生じるためである。
【００１１】
なお図５は、上記文献１に記載の半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図（ａ）と、各層のバルク状態におけるａ軸格子定数を示す図（ｂ）である。
【００１２】
このように、ＡｌＧａＩｎＮ系中間層１０２において、徐々にないしは段階的にＡｌの組成を下げるか、ＧａまたはＩｎの組成を上げることで、ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０２の格子定数を大きくすることができる。これにより、多層構造のＡｌＧａＩｎＮ中間層１０２により、Ｓｉ基板１０１からＧａＮ層１０３へと格子整合させることができる。しかし、多層構造のＡｌＧａＩｎＮ中間層１０２だけでは格子整合させる効果が十分ではない。このため、この中間層１０２上では転位が多く形成され、良質なＧａＮ層１０３を成膜することは困難であった。よって、このＧａＮ層１０３上に発光層１０６を作製し電圧を印加した場合にも、発光層１０６の発光に寄与しない無効なリーク電流が増え、高輝度の半導体発光素子を得ることはできなかった。
【００１３】
それゆえ、本発明の目的は、Ｓｉ基板のように窒化物半導体膜より熱膨張係数が小さい基板を用いた場合に、クラックの発生を抑えつつ、窒化物半導体膜の結晶性を良好とすることで長寿命でかつ高輝度な窒化物系半導体発光素子を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子は、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わせる窒化ガリウム系化合物半導体層を有する半導体発光素子において、基板と、第１のＧａＮ層と、第１の中間層と、発光層と、第２の中間層とを備えている。基板は、ＧａＮよりも熱膨張係数が小さいＳｉよりなっている。第１のＧａＮ層は、基板上に形成されている。第１の中間層は、基板と第１のＧａＮ層との間に形成され、かつＡｌＮ層を含んでいる。発光層は、第１のＧａＮ層上に形成され、かつ第１のＧａＮ層の格子定数よりも大きい格子定数を有している。第２の中間層は、第１のＧａＮ層と発光層との間に形成されている。第２の中間層は第１のＧａＮ層の格子定数よりも発光層の格子定数に近い格子定数を有している。
【００１５】
本発明の半導体発光素子によれば、第１のＧａＮ層の格子定数よりも発光層の格子定数に近い格子定数を持つ第２の中間層を設けることにより、格子整合を十分に行なうことができるため、発光層に加わる歪を効果的に低減でき、転位の発生を抑制した高品質な第１のＧａＮ層を得ることができる。これにより、長寿命でかつ高輝度な半導体発光素子を得ることができる。
【００１６】
上記の半導体発光素子において好ましくは、第１の中間層は基板の格子定数よりも第１のＧａＮ層の格子定数に近い格子定数を有している。
【００１７】
これにより、第１の中間層により基板と第１のＧａＮ層との格子整合を行なうことができるため、転位の発生を抑制した高品質な第１のＧａＮ層を得ることができる。
【００１８】
上記の半導体発光素子において好ましくは、第１の中間層はＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層（ただし、０＜ａ≦１、０≦ｂ≦１、ａ＋ｂ≦１）を含む。
【００１９】
このように第１の中間層のＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層に硬度の高いＡｌＮ層を含ませることで、熱膨張係数差に基づくクラックの発生を抑えることができる。
【００２０】
上記の半導体発光素子において好ましくは、第２の中間層はＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層（ただし、０＜ｃ≦１、０≦ｄ≦１、ｃ＋ｄ≦１）を含む。
【００２１】
これにより、第２の中間層の格子定数を第１のＧａＮ層の格子定数よりも発光層の格子定数に近づけることができる。
【００２２】
上記の半導体発光素子において好ましくは、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層は、ＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＮ層（ただし、０＜ｅ≦１、０≦ｆ≦１、ｅ＋ｆ≦１）と、ＡｌgＧａhＩｎ1-g-hＮ層（ただし、０＜ｇ≦１、０≦ｈ≦１、ｇ＋ｈ≦１、ｅ＞ｇ）とが順次積層された複数層を有し、そのＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＮ層の格子定数は第１のＧａＮ層の格子定数よりも小さい。
【００２３】
これにより、高い硬度を得て熱膨張係数差に基づくクラックを防止できるとともに、ＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＮ層よりもＡｌgＧａhＩｎ1-g-hＮ層の格子定数をＧａＮ層の格子定数に近づけることができ、格子整合の効果をさらに得ることができる。
【００２４】
上記の半導体発光素子において好ましくは、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層は、複数層からなり、複数層の各々は第１のＧａＮ層に近い層ほどＡｌの組成比が小さくなる。
【００２５】
これにより、高い硬度を得て熱膨張係数差に基づくクラックを防止できるとともに、格子整合の効果をさらに得ることができる。
【００２６】
上記の半導体発光素子において好ましくは、第２の中間層と発光層との間に形成されたクラッド層がさらに備えられ、クラッド層は第２のＧａＮ層およびＩｎiＧａ1-iＮ層（ただし、０＜ｉ≦１）の少なくともいずれかを含む。
【００２７】
このように表面の平坦性の悪い第２の中間層の表面にクラッド層を形成することで表面の平坦性を良好にしてリーク電流の発生を防止することができる。また、クラッド層を形成することでキャリアブロックの効果も得られる。
【００２８】
上記半導体発光素子において好ましくは、クラッド層の膜厚は、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。
【００２９】
これにより、表面の平坦性を良好とする効果を得ることができる。
クラッド層の膜厚が１０ｎｍより薄い場合には表面平坦性を良好とする効果が十分に得られず、３０ｎｍより厚い場合にはＧａＮ層によって中間層の歪が回復し、発光層の品質に悪影響を与える。
【００３０】
上記の半導体発光素子において好ましくは、ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層は複数層からなり、複数層の各々は発光層に近い層ほどＩｎの組成比が小さくなる。
【００３１】
これにより、さらに顕著な格子整合の効果を得ることができる。
上記の半導体発光素子において好ましくは、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００３２】
ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層の膜厚が１０ｎｍより薄いと、クラッド層のｃ軸配向性が下がり、結晶が粗悪になり、高輝度の半導体発光素子が得られない。また、ＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＮ層の膜厚が５００ｎｍより厚いと、格子定数の変化が緩やかであり、発光素子構造の全層厚が厚くなるため、基板とＧａＮ層との間に生じる熱膨張係数差に起因する歪が大きくなり、クラックが生じやすくなり、半導体発光素子のリーク電流が増えることで、高輝度の半導体発光素子を作製することが困難となる。
【００３３】
上記の半導体発光素子において好ましくは、ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層の膜厚は、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【００３４】
ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層の膜厚が２００ｎｍより薄いと、格子整合の効果が十分に得られないことにより歪を低減させる効果が少なく、高輝度の半導体発光素子を得ることが困難となる。
【００３５】
またＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層の膜厚が４００ｎｍより厚いと、基板上の発光素子構造の全層厚が厚くなるため、上記と同様、クラックが生じやすくなり、半導体発光素子のリーク電流が増えることで、高輝度の半導体発光素子を作製することが困難となる。
【００３６】
上記の半導体発光素子において好ましくは、ＩｎcＧａdＡｌ1-c-dＮ層に含まれるＧａの含有量に対するＩｎの含有量は１０％以下である。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図（ａ）と、各層のバルク状態におけるａ軸格子定数を示す図（ｂ）である。
【００３９】
図１を参照して、Ｓｉ基板１上に、第１中間層２（請求項の「他の中間層」に対応）が形成されている。この第１中間層２は、たとえば２００ｎｍの厚みのＡｌＮ中間層２ａ（ａ軸格子定数：０．３１１２ｎｍ）と、Ａｌの組成をＡｌＮ中間層２ａより下げた１５０ｎｍの厚みのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ中間層２ｂ（ａ軸格子定数：０．３１５１ｎｍ）とを有している。この第１中間層２上に、下地基板としての役割を果たすＧａＮ層３（ａ軸格子定数：０．３１８９ｎｍ）がたとえば１μｍの厚みで形成されている。このＧａＮ層３上に、ＧａＮ層にＩｎ元素を加えることでＧａＮ層より格子定数の大きいＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ系の第２中間層４（請求項の「１の中間層」に対応）（ａ軸格子定数：０．３２２５ｎｍ）がたとえば３００ｎｍの厚みで形成されている。この第２中間層４上に、再びＩｎの組成を減らしたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎクラッド層５（ａ軸格子定数：０．３２００ｎｍ）がたとえば２０ｎｍの厚みで形成されている。このクラッド層５上に、ＡｌＧａＩｎ系発光層６（ａ軸格子定数：０．３２２１ｎｍ）およびキャリアブロック層（図示せず）が形成されて、半導体発光素子構造が得られる。
【００４０】
上記のとおり、窒化物半導体膜より熱膨張係数の小さい基板を用いた場合、ｃ軸配向性を上げ、クラックの発生を防ぐためにも、ＡｌＮ層２ａを用いることは不可欠である。しかし、その相殺の関係として、下地基板となるＧａＮ層３に歪を加えることは避けられない。そこで、中間層２において徐々にもしくは段階的にＡｌＮの組成を下げることによって、下地ＧａＮ層３へ格子定数のフィッティングが行なわれる。
【００４１】
だが、このフィッティングの手法だけでは、中間層２の格子定数が支配的であり、依然としてＡｌＮ系の混晶膜に歪が支配されている。その歪を大きく緩和する意味でも、ＧａＮ層３より大きな格子定数を有する第２の中間層４を徐々もしくは段階的に格子定数を小さくするために用いることで、発光層６に大きな圧縮歪が生ずることを防止することができる。これにより、発光層６に加わる歪を効果的に低減し、転位の発生を抑制した高品質なＧａＮ層３を得ることができる。
【００４２】
ただし、発光層６下部の最終層としては平坦性を回復する点で、クラッド層５を用いることが有効であったと考えられる。つまり、クラッド層５は、ＧａＮ層に近い組成とすることで成長温度を高くできるため平坦性を良好にすることができる。また、バンド構造においてクラッド層５はキャリアをブロックする効果も有する。
【００４３】
また、クラッド層５の格子定数は、バルクの状態では第２中間層４の格子定数よりも発光層６の格子定数から離れているが、クラッド層５の厚みが薄く制御されているため、クラッド層５の格子定数は下地の格子定数の影響を大きく受けて第２中間層４の格子定数に近づく。このため、クラッド層５が格子整合の効果を妨げることは抑制される。
【００４４】
なおＧａＮ層３は、作製上、平坦性が高く、かつバンド構造においてキャリアをブロックする効果が高い。
【００４５】
以上より、クラックの発生を抑えつつ、発光層６に加わる歪を効果的に低減し、転位の発生を抑制した高品質なＧａＮ層３を得ることができるため、長寿命でかつ高輝度な半導体発光素子を得ることができる。
【００４６】
なお、クラッド層５は、ＩｎcＧａ1-cＮ層（ただし、０＜ｃ≦１）であればよく、図２に示すようにＧａＮ層５ａと、ＩｎhＧａ1-hＮ層（ただし、０＜ｈ≦１）５ｂとが積層された構造を有していてもよい。
【００４７】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における半導体発光素子の構成を具体的に示す断面図である。図３を参照して、本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、Ｓｉ基板１上に、ＡｌＮ層２ａと、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層２ｂと、Ｓｉをドーピングしたｎ型ＧａＮ層３と、Ｓｉをドーピングしたｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４と、Ｓｉをドーピングしたｎ型Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる第１のクラッド層５と、ＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層６と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層７と、ｐ型ＧａＮからなる第２のクラッド層８とが順に積層された構造を有している。
【００４８】
ｐ型のＧａＮ層８と、キャリアブロック層７と、ＭＱＷよりなる発光層６と、クラッド層５とはフォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術により部分的に除去されており、それによりｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４の一部表面が露出している。
【００４９】
第２のクラッド層８の上面に、透明電極９を介してボンディング電極１０が電気的に接続されている。ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４には透明電極１１を介してボンディング電極１２が電気的に接続されている。
【００５０】
ここで発光層６については、ＩｎxＧａ1-xＮの組成ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から赤色まで発光させることができるが、本実施の形態では青色で発光するものとする。なお、発光層６をＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、ＧａＰＮ、ＧａＩｎＰＮなどのＶ族元素として主にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体としても、本発明の効果が同様に得られる。
【００５１】
ここで、ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４に接続される透明電極１１には金属を用いることが望ましく、その金属はＡｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂのいずれかを含むことが望ましい。また第２のクラッド層８に接続される透明電極９には、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよく、その金属はＴａ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのいずれかを含むことが望ましい。
【００５２】
次に、本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
図３を参照して、まず１°程度わずかにオフしたＳｉ基板１を、有機洗浄さらには５％ＨＦ（フッ酸）水溶液で１分洗浄した後、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内に導入し、水素（Ｈ2）雰囲気の中で、約９００℃の高温でクリーニングを行なう。その後、キャリアガスとしてＨ2を１０ｌ／ｍｉｎ．の流量で流しながら、１２００℃でＮＨ3とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）とをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入し、さらにＳｉＨ4ガスを導入して、ＳｉをドーピングしたＡｌＮ層２ａを２００ｎｍの厚みでＳｉ基板１上に形成する。
【００５３】
ただし、今回ＭＯＶＰＥ（Metallorganic Vapor Phase Epitaxy）法における結晶成長においては、ＩＩＩ族原料ガスである有機金属をＶ族原料のＮＨ3ガスより数秒先に導入することで、平坦な膜が得られた。これは、おそらくＮＨ3ガスを先に導入することでＳｉ表面が窒化されてしまうことを未然に防ぐためであり、装置によってガス導入のタイミングが異なるもののＳｉと窒化物半導体界面におけるＳｉ最表面にはＩＩＩ族元素が配列されているためである。
【００５４】
続いて、キャリアガスとしてＨ2を１０ｌ／ｍｉｎ．の流量で流しながら、１１５０℃でＮＨ3とＴＭＡとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．、２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入し、さらにＳｉＨ4ガスを導入して、ＳｉをドーピングしたＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層２ｂを１５０ｎｍの厚みでＡｌＮ層２ａ上に形成する。
【００５５】
続いて、キャリアガスとしてＨ2を１０ｌ／ｍｉｎ．の流量で流しながら、１１５０℃でＮＨ3とＴＭＧとをそれぞれ５ｌ／ｍｉｎ．、２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入し、さらにＳｉＨ4ガスを導入して、ＳｉをドーピングしたＧａＮ層３を１μｍの厚みでＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層２ｂ上に形成する。
【００５６】
続いて、成長温度を９１０℃に降温し、ＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とをそれぞれ約２０μｍｏｌ／ｍｉｎ．、１００μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入して、ＳｉをドーピングしたＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４を３００ｎｍの厚みでＧａＮ層３上に形成する。
【００５７】
さらに、ＴＭＩの流量を約５μｍｏｌ／ｍｉｎ．に減らすことで、ＳｉドーピングしたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５を２０ｎｍの厚みでＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４上に形成する。
【００５８】
その後、基板温度を７６０℃まで降温し、インジウム原料であるＴＭＩを６．５μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＧを２．０８μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入し、Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ｎよりなる井戸層を３ｎｍ厚みでＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層５上に形成する。この後、再び８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入しＧａＮよりなる障壁層が形成される。同様に井戸層と障壁層との成長を繰返し、４ペアからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）のＩｎＧａＮからなる発光層６を形成する。
【００５９】
上記発光層６の形成が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＡを１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ．、ＴＭＩを４０μｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入し、さらにｐ型ドーピング原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を１０ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．の流量で導入して、ＭｇをドーピングしたＡｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎ層からなるｐ型のキャリアブロック層７を５０ｎｍの厚みで形成する。
【００６０】
このｐ型キャリアブロック層７の形成が終了すると、１０００℃に昇温した後、ＴＭＡの供給を停止して、ＧａをドーピングしたＧａＮ層からなるｐ型の第２クラッド層８を１００ｎｍの厚みで形成する。このようにして各膜の形成が終了すると、ＴＭＧおよびＣｐ２Ｍｇの供給を停止した後、室温まで冷却し、各膜が成膜された基板をＭＯＣＶＤ装置から取出す。
【００６１】
この後、フォトリソグラフィ技術およびＲＩＥ（Reactive Ion Etching）技術を用いることで、ｐ型のＧａＮ層８と、キャリアブロック層７と、ＭＱＷよりなる発光層６と、クラッド層５とを順に部分的にエッチングすることで、ｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４の表面を露出する。
【００６２】
そして、第２のクラッド層８の上面に、透明電極９が形成され、その透明電極９上の一部上にボンディング電極１０が形成される。そしてｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４の上面に電極１１が形成され、その電極１１の一部上にボンディング電極１２が形成される。この後、その基板をダイシング装置によって１辺３００μｍ角に分割することにより、本実施の形態の半導体発光素子が完成する。
【００６３】
ここで、ＡｌＧａＩｎＮ系第１および第２中間層２、４の構成に関して言及する。
【００６４】
Ｓｉ基板１とｎ型ＧａＮ層３との間のＡｌＧａＩｎＮ系第１中間層２の厚みは全体で１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましかった。第１中間層２の膜厚が１０ｎｍより薄いと、この中間層２上のＧａＮクラッド層のｃ軸配向性が下がり、結晶が粗悪になり、高輝度の半導体発光素子が得られず、好ましい結果が得られなかった。また第１中間層２の膜厚が５００ｎｍより厚いと、格子定数の変化を緩やかにできるためＧａＮクラッド層への格子整合は効果的となるが、Ｓｉ基板１上の発光素子構造の全層厚が厚くなるため、Ｓｉ基板１と窒化物半導体膜との間に生じる熱膨張係数差に起因する歪が大きくなった。これにより、クラックが生じやすくなり、半導体発光素子のリーク電流が増えることで、高輝度の半導体素子を作製することが困難であった。
【００６５】
また、ｎ型ＧａＮ層３上のＩｎuＧａvＡｌwＮ系第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）の厚みは２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲が効果的であった。ただし本実施の形態においては、ｗ＝０として実験を行なった。
【００６６】
この場合、ＩｎuＧａvＡｌwＮ系第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｗ＝０）の厚みが２００ｎｍより薄いと、第２中間層４の格子定数が下層の格子定数に近づくよう変化しやすくなるため、歪を低減させる効果が少なくなり、高輝度の半導体発光素子が得られず、好ましい結果が得られなかった。
【００６７】
また第２中間層４の膜厚が４００ｎｍより厚いと、Ｓｉ基板１上の発光素子構造の全層厚が厚くなるため、上記と同様、クラックが生じやすくなり、半導体発光素子のリーク電流が増えることで高輝度の半導体発光素子を作製することは困難であった。
【００６８】
またＩｎuＧａvＡｌwＮ系第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｗ＝０）の組成は、発光層６の組成と密接な関係を有している。発光層６がより長波長で高組成になると、ＩｎuＧａvＡｌwＮ系第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｗ＝０）の組成ｕも高くする必要がある。しかし、組成ｕを高くすると、層の結晶性が悪くなるためか、平坦な膜が得られなかった。このため、第２中間層４の平坦性を考慮した場合、組成ｕの値は１５％が限界であり、望ましくは５％以上１０％以下の範囲が適当であった。なお、このときの第２中間層４の格子定数は、０．３２０７ｎｍから０．３５１２ｎｍであった。
【００６９】
この第２の中間層（格子定数ａ１）４と、その下地のＧａＮ層３（格子定数ａ０）との格子定数差の関係をΔａ＝（ａ１−ａ０）／ａ０と定義した場合、０．５％以上１０％以下の範囲のΔａが上記効果を得るのに効果的であった。
【００７０】
また、本実施の形態において、第２中間層４上にクラッド層５を積層する理由は以下のとおりである。
【００７１】
クラッド層５の下層であるＩｎuＧａvＡｌwＮ系第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１、ｗ＝０）が平坦でないため、その上に直接、発光層６、キャリアブロック層７および第２のクラッド層８を積層した場合、それらの平坦性が悪くなるため、素子構造のリーク電流が増え、良好な特性の発光素子を得ることが困難であった。そこで、発光層６が成膜される面の平坦性を良好とするためにクラッド層５が用いられている。このクラッド層５の厚みは１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが必要であった。
【００７２】
クラッド層５の膜厚が１０ｎｍより薄い場合は、言及するまでもなく上記の平坦性を良好にする効果が低くなる。またクラッド層５の膜厚が３０ｎｍより厚い場合、再度ＧａＮ層によって中間層の歪が回復され、その歪で発光層の品質に影響を与えるものと考えられる。
【００７３】
またそのＩｎcＧａ1-cＮクラッド層５の組成としては、ｃの値が０％以上３％以下の範囲で好ましい結果が得られた。なおＩｎcＧａ1-cＮクラッド層５の格子定数としては、０．３１８９ｎｍ以上０．３２００ｎｍ以下であった。
【００７４】
（実施の形態３）
本実施の形態においては、ＩｎuＧａvＡｌwＮ第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）として、Ａｌを含んだ四元混晶層からなる層が用いられる。上記実施の形態２をもとに実験を行なうことで、このＡｌを含んだ四元混晶層の格子定数について調べたところ、このＡｌを含んだ四元混晶層の格子定数は実施の形態２の第２中間層４の格子定数と比較して、ａ軸の値について差異を有していなかった。Ａｌを含んだ四元混晶層をたとえばＡｌ0.05Ｇａ0.85Ｉｎ0.1Ｎ（ａ：０．３２２１ｎｍ）とした場合、Δａは１％となった。このようにＡｌを含んだＩｎuＧａvＡｌwＮ系第２中間層４（ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）を用いた構成も、実施の形態２のΔａの範囲（０．５≦Δａ≦１０）を満たすため、本実施の形態においても実施の形態２と同様の効果が得られた。
【００７５】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における半導体発光素子の構成を具体的に示す断面図である。図４を参照して、本実施の形態の半導体発光素子は、実施の形態２で作製したＳｉをドーピングしたｎ型ＧａＮ層３と、Ｓｉをドーピングしたｎ型Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４と、Ｓｉをドーピングしたｎ型Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる第１のクラッド層５と、ＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層６と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層７と、ｐ型ＧａＮからなる第２のクラッド層８とが順に積層された構造を有している。
【００７６】
第２のクラッド層８には、ｐ型用電極２２を介してＮｉメッキ膜２１が電気的に接続されている。ｎ型ＧａＮ層３には、透明電極２３を介してボンディング電極２４が形成されている。
【００７７】
次に本実施の形態の半導体発光素子の製造方法について説明する。
実施の形態１の製造方法において、各膜が成膜された基板をＭＯＣＶＤ装置から取出した後、第２クラッド層８の表面上にｐ型用電極２２を２００ｎｍの厚みでＥＢ蒸着によって形成する。続いて、メッキ技術を用いて、このｐ型用電極２２上にＮｉメッキ膜２１を３００μｍの厚みで形成する。この後、フッ酸系のエッチャントでＳｉ基板１を除去し、高抵抗の第１中間層２であるＡｌＮ層２ａと、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層２ｂとをＲＩＥ技術でエッチングする。これによりｎ型ＧａＮ層３表面が露出する。
【００７８】
ただし、ｎ型用電極とのコンタクトとしては、低抵抗な層が好ましく、その点からＡｌを多く含んだ中間層をエッチングすることで、ｎ側のコンタクト抵抗の低い発光素子を得られることは当然のことである。
【００７９】
さらに、このＧａＮ層３上に透明電極２３を形成し、その透明電極２３上に部分的にボンディング電極２４を形成する。この後、ダイシング装置で、２５０μｍ角に分割することで、図４に示す半導体発光素子が完成する。
【００８０】
図４に示す完成品としての外見上では、第１の中間層２は見られないが、高品質な膜を得るためには第１の中間層２を形成し、その上に各膜を形成することが重要である。
【００８１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子によれば、第１のＧａＮ層の格子定数よりも発光層の格子定数に近い格子定数を持つ第２の中間層を設けることにより、格子整合を十分に行なうことができるため、発光層に加わる歪を効果的に低減でき、転位の発生を抑制した高品質な第１のＧａＮ層を得ることができる。これにより、長寿命でかつ高輝度な半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１における半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図（ａ）および各層のａ軸格子定数を示す図（ｂ）である。
【図２】  本発明の実施の形態１における半導体発光素子の他の構成を概略的に示す断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態２における半導体発光素子の具体的な構成を示す断面図である。
【図４】  本発明の実施の形態４における半導体発光素子の具体的な構成を示す断面図である。
【図５】  従来の半導体発光素子の構成を概略的に示す断面図（ａ）および各層のａ軸格子定数を示す図（ｂ）である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ基板、２  第１中間層、３  ＧａＮ層、４  第２中間層、５  クラッド層、６  発光層、９，１１  電極、１０，１２  ボンディング電極、２１  Ｎｉメッキ膜、２２  ｐ型用電極、２３  透明電極、２４  ボンディング電極。
【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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