(57)【要約】【課題】従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のIII族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型III族窒化物半導体層３０と、障壁層４０ａおよび、障壁層４０ａよりもバンドギャップの小さい井戸層４０ｂをこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体４０と、ＡｌＮガイド層６０と、ｐ型III族窒化物半導体層７０と、をこの順に有し、ＡｌＮガイド層６０の厚さが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型III族窒化物半導体層と、
障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、
ＡｌＮガイド層と、
ｐ型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、
前記ＡｌＮガイド層の厚さが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＡｌＮガイド層がｉ型である、請求項１に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項３】
前記III族窒化物半導体積層体における前記ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層とが接する、または、
前記III族窒化物半導体積層体における前記ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記ＡｌＮガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが１．５ｎｍ以下である、請求項１または２に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項４】
前記ファイナルバリア層の厚みが０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である、請求項３に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項５】
前記ＡｌＮガイド層の厚さが０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項６】
前記ｐ型III族窒化物半導体層は、第１ｐ型III族窒化物半導体層および第２ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に有し、
前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは、前記ＡｌＮガイド層よりも小さく、かつ、前記障壁層よりも大きく、
前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドキャップは、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層よりも小さい、請求項１〜５のいずれか１項に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項７】
前記第１ｐ型III族窒化物半導体層と前記第２ｐ型III族窒化物半導体層とが接し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型コンタクト層のみからなる、請求項６に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項８】
ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、
前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、
前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、
前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いて前記ＡｌＮガイド層をエピタキシャル成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、
前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、
前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、
前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてＡｌＧａＮ変質層をエピタキシャル成長させ、次いで前記トリメチルアルミニウムガスおよび前記トリメチルガリウムガスの供給を止めて前記エピタキシャル成長を中断し、水素を主成分とするキャリアガス雰囲気で前記ＡｌＧａＮ変質層を曝すことにより、前記ＡｌＧａＮ変質層の少なくとも一部を除去すると共に前記ＡｌＮガイド層に変質させ、前記ＡｌＧａＮ変質層の残部をファイナルバリア層とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第３工程において、前記ＡｌＧａＮ変質層の全部を前記ＡｌＮガイド層に変質させる、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記ＡｌＮガイド層はｉ型である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、優れた素子寿命および優れた発光出力を共に有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のIII族元素とＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、青色光から深紫外光の発光素子の材料として用いられている。中でも、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮからなるIII族窒化物半導体は、発光波長３４０ｎｍ以下の紫外発光素子や発光波長３００ｎｍ以下の深紫外光発光素子（ＤＵＶ−ＬＥＤ）に用いられている。
【０００３】
一般に、III族窒化物半導体を用いた深紫外光発光素子の光取出し効率は極めて低く、高出力化の実現は困難と言われてきたが、小型かつ高出力な深紫外発光素子を実現するために、高外部量子効率特性や低抵抗特性などを実現するための試みが種々行われてきた。
【０００４】
例えば、本願出願人らは、特許文献１において以下の発光素子を先に提案している。すなわち、ＡｌＮ系III族窒化物単結晶上に形成する発光素子において、高濃度ｎ型III族窒化物層と、ｎ型又はｉ型のIII族窒化物障壁層とｎ型又はｉ型のIII族窒化物井戸層とからなる多重量子井戸構造と、ｉ型のIII族窒化物ファイナルバリア層と、ｐ型III族窒化物層と、前記ｉ型III族窒化物ファイナルバリア層と前記ｐ型III族窒化物層との間に形成され、前記ｉ型III族窒化物ファイナルバリア層に対して電子のエネルギー障壁となるｐ型又はｉ型のＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０．９５＜ｚ≦１）からなる電子ブロック層とを有する発光素子である。
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、量子井戸構造の量子井戸厚の最適化により内部量子効率の向上が実現され、また、電子ブロック層の導入および最適化と、ファイナルバリア層の最適化とにより、電子注入効率の最適化が実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２０５７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の技術により、III族窒化物半導体を用いた紫外発光素子における発光効率を高めることができる。しかしながら、発光効率を改善する以外にも、III族窒化物半導体発光素子の素子寿命特性を改善することが希求されており、寿命の点で改善の余地が残されている。
【０００８】
そこで本発明は、優れた素子寿命および優れた発光出力を共に有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法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】
本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討し、発光層からのキャリア漏れが低寿命の原因と考え、障壁層および井戸層を積層してなる積層体と、ｐ型半導体層との間の層構成およびその厚みに着目した。そして、上記積層体およびｐ型半導体層の間にＡｌＮガイド層を適切な厚みで設けることによって、III族窒化物半導体発光素子の寿命を顕著に改善できると共に、優れた発光出力を得ることができることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）ｎ型III族窒化物半導体層と、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、ＡｌＮガイド層と、ｐ型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、前記ＡｌＮガイド層の厚さが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
【００１１】
（２）前記ＡｌＮガイド層がｉ型である、前記（１）に記載のIII族窒化物発光素子。
【００１２】
（３）前記III族窒化物半導体積層体における前記ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層とが接する、または、
前記III族窒化物半導体積層体における前記ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記ＡｌＮガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが１．５ｎｍ以下である、前記（１）または（２）に記載のIII族窒化物発光素子。
【００１３】
（４）前記ファイナルバリア層の厚みが０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である、前記（３）に記載のIII族窒化物発光素子。
【００１４】
（５）前記ＡｌＮガイド層の厚さが０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のIII族窒化物発光素子。
【００１５】
（６）前記ｐ型III族窒化物半導体層は、第１ｐ型III族窒化物半導体層および第２ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に有し、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは、前記ＡｌＮガイド層よりも小さく、かつ、前記障壁層よりも大きく、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドキャップは、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層よりも小さい、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のIII族窒化物発光素子。
【００１６】
（７）前記第１ｐ型III族窒化物半導体層と前記第２ｐ型III族窒化物半導体層とが接し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型コンタクト層のみからなる、前記（６）に記載のIII族窒化物発光素子。
【００１７】
（８）ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いて前記ＡｌＮガイド層をエピタキシャル成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００１８】
（９）ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてＡｌＧａＮ変質層をエピタキシャル成長させ、次いで前記トリメチルアルミニウムガスおよび前記トリメチルガリウムガスの供給を止めて前記エピタキシャル成長を中断し、水素を主成分とするキャリアガス雰囲気で前記ＡｌＧａＮ変質層を曝すことにより、前記ＡｌＧａＮ変質層の少なくとも一部を除去すると共に前記ＡｌＮガイド層に変質させ、前記ＡｌＧａＮ変質層の残部をファイナルバリア層とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【００１９】
（１０）前記第３工程において、前記ＡｌＧａＮ変質層の全部を前記ＡｌＮガイド層に変質させる、前記（９）に記載の製造方法。
【００２０】
（１１）前記ＡｌＮガイド層はｉ型である、前記（８）〜（１０）のいずれかに記載の製造方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＡｌＮガイド層を適切な厚みで設けたので、従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子を説明する模式断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子における積層体、ファイナルバリア層、ＡｌＮガイド層およびｐ型半導体層を説明する模式断面図である。
【図３】本発明に従うIII族半導体発光素子のバンド構造の一部を示す図であり、（Ａ）は一実施形態を示し、（Ｂ）は別の実施形態を示す。
【図４】本発明に従うIII族半導体発光素子の製造方法の第１実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明に従うIII族半導体発光素子の製造方法の第２実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図６】実験例１におけるIII族半導体発光素子のＴＥＭ断面写真である。
【図７Ａ】実験例２において、試料１〜３、１２、１４のＡｌＮガイド層の厚さおよび試料４〜１０のＡｌＧａＮ変質層の設計厚さに対するＥＬ出力を示すグラフである。
【図７Ｂ】実験例２において、試料１〜１０、１２、１４のＡｌＮガイド層の厚さに対するＥＬ出力を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（III族窒化物半導体発光素子）
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。
【００２４】
図１に示すように、本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型III族窒化物半導体層３０と、障壁層４０ａおよび、障壁層４０ａよりもバンドギャップの小さい井戸層４０ｂをこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体４０と、ＡｌＮガイド層６０と、ｐ型III族窒化物半導体層７０と、をこの順に有し、ＡｌＮガイド層６０の厚さが０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることを特徴とする。以下、本明細書においてｎ型III族窒化物半導体層３０を「ｎ層３０」、III族窒化物半導体積層体４０を「積層体４０」、ｐ型III族窒化物半導体層７０を「ｐ層７０」と、それぞれ略記する。
【００２５】
ここで、図１に示すように、III族半導体発光素子１００のｎ層３０を、基板１０の表面にＡｌＮ層２０が設けられたＡｌＮテンプレート基板上に設けることができる。また、III族半導体発光素子１００には、積層体４０、ＡｌＮガイド層６０およびｐ層７０の一部をエッチング等により除去し、露出したｎ層３０上に形成したｎ型電極８０と、ｐ層７０上に形成したｐ型電極９０とが設けられてもよい。本発明の一実施形態に従うIII族半導体発光素子１００において、ｎ層３０、積層体４０、ＡｌＮガイド層６０およびｐ層７０、ならびに随意に設けられてもよいファイナルバリア層６０（図２）が特徴となる構成であり、そのうち、積層体４０およびＡｌＮガイド層６０が特に特徴となる構成である。上記の基板１０、ＡｌＮ層２０、ｎ型電極８０およびｐ型電極９０は一般的な構成とすることができ、具体的な構成は何ら限定されるものではない。また、図示しないが、ＡｌＮ層２０とｎ層３０の間には、ＡｌＧａＮ層、組成傾斜層、超格子層の1つ以上から選ばれるバッファ層を備えていてもよい。以下、本発明の特徴となる構成である、ｎ層３０、積層体４０、ＡｌＮガイド層６０およびｐ層７０についてまず説明する。
【００２６】
ｎ層３０は、少なくともＡｌを含むIII族窒化物半導体層であり、III族窒化物半導体層１００のｐｎ接合を構成する層であれば、一般的なｎ型半導体層を用いることができる。ｎ層３０は、例えばＡｌＧａＮ材料からなり、また、III族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよい。ｎ層３０には、ｎ型のドーパント（不純物）がドープされ、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｏ，Ｔｉ，Ｚｒ等を例示することができる。ドーパント濃度は、ｎ型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜１．０×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることができる。また、ｎ層３０のＡｌ含有率は、特に制限はなく、一般的な範囲とすることができる。ｎ型半導体層３０を単層または複数層から構成することもできる。ｎ層３０の積層体４０側の部分の組成および厚みを適宜調整して、斯かるｎ層３０の積層体４０側の部分が障壁層４０ａの機能を兼ねてもよく、その場合には障壁層４０ａが１層形成されているとみなす。
【００２７】
III族窒化物半導体発光素子１００において、積層体４０がｎ層３０に続いて設けられる。積層体４０は、障壁層４０ａおよび、障壁層４０ａよりもバンドギャップの小さい井戸層４０ｂをこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなる。例えば、障壁層４０ａおよび井戸層４０ｂとして、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮ材料を用いることができる。障壁層４０ａおよび井戸層４０ｂは、必要に応じて、Ｉｎ等のIII族元素を５％以内の組成比で導入し、ＡｌＧａＩｎＮ材料等としてもよいが、III族元素としてはＡｌおよびＧａのみを用いた三元系のＡｌＧａＮ材料とすることがより好ましい。積層体４０の各層は、ｎ型およびｉ型のいずれとしてもよいが、障壁層はｎ型とすることが好ましい。電子濃度が増え、井戸層内の結晶欠陥を補償する効果があるためである。なお、積層体４０は、障壁層および井戸層を繰り返し形成し、障壁層で挟み込んだ一般的な多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造から、ｐ層側の最後の障壁層を取り除いたものに相当すると言える。
【００２８】
障壁層４０ａとしてＡｌａＧａ１−ａＮ材料を用い、井戸層４０ｂとしてＡｌｂＧａ１−ｂＮ材料を用いる場合、障壁層４０ａのＡｌ組成ａを例えば０．４０〜０．９５とすることができ、井戸層４０ｂのＡｌ組成ｂを、例えば０．３０〜０．８０（但し、ａ＞ｂ）とすることができる。また、障壁層４０ａおよび井戸層４０ｂのそれぞれの層数Ｎを、例えば１〜１０とすることができる。さらに、障壁層４０ａの厚みを３ｎｍ〜３０ｎｍとすることができ、井戸層４０ｂの厚みを０．５ｎｍ〜５ｎｍとすることができる。
【００２９】
なお、積層体４０における井戸層４０ｂのＡｌ組成ｂを０．３５以上とすると、積層体４０から放射される光の中心波長が３００ｎｍ以下となり、最終的に作製されるIII族窒化物半導体発光素子１００をＤＵＶ−ＬＥＤとすることができる。
【００３０】
積層体４０に続き、ＡｌＮガイド層６０がIII族窒化物半導体発光素子１００に設けられる。ＡｌＮガイド層６０は、最も好ましくはIII族元素のＡｌ組成比を１００％として形成したＡｌＮからなる窒化物半導体層である。ただし、他のIII族元素（Ｇａ等）が製造工程中に不可避に混入した場合や、変質時に発生するガスや変質の進行状況を考慮して、結果としてＡｌ組成比が９６％〜１００％であれば、ＡｌＮガイド層６０に含まれるものとする。ＡｌＮガイド層６０の厚みを０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とする。ＡｌＮガイド層６０を、上記厚み範囲で設ける技術的意義については後述する。ＡｌＮガイド層６０は、アンドープであることが好ましいが、Ｍｇなどのｐ型ドーパントやＳｉなどのｎ型ドーパントを添加しても構わない。また、ＡｌＮガイド層６０中の不純物濃度が均一である必要はなく、例えば、積層体４０側とｐ層７０側との間で、不純物濃度が異なっていても良い。ドーパントを添加した際にはｉ型だけでなく、結果として一部もしくは全体がｐ型化、またはｎ型化してもよい。
【００３１】
なお、「ｉ型」であるとは、特定の不純物を意図的には添加していない層（アンドープ層ともいう）のことをいう。理想的には、不純物を全く含まない半導体とするのが好ましいが、電気的にｐ型またはｎ型のいずれとしても機能しない半導体であればよく、キャリア密度が小さいもの（例えば５×１０１６／ｃｍ３未満のもの）はｉ型と称することができる。また、ｐ層７０よりｐ型ドーパントの拡散があったとしても、特定の不純物を意図的に添加したことにはならない。
【００３２】
ＡｌＮガイド層６０に続き設けられるｐ層７０は、正孔を積層体４０に注入できる限りは、特に限定されず、一般的な構成とすることができ、図２に例示すように、Ａｌ組成比の異なるＡｌＧａＮ材料を用いてｐ型電子ブロック層７１、ｐ型クラッド層７２およびｐ型コンタクト層７３のいずれか１層または全部を含む複数層構造としてもよい（詳細を後述する）。また、ｐ層７０にドープするｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｂｅ，Ｍｎ等を例示することができる。また、ｐ層７０全体の平均ドーパント濃度は、ｐ型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３〜５．０×１０２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とすることができる。なお、後述するが、本実施形態におけるｐ層７０は、ｐ型クラッド層７２を有していても、有していなくてもいずれでもよい。
【００３３】
ここで、III族窒化物半導体発光素子１００において、上述の積層体４０のｐ層７０の側に、ＡｌＮガイド層６０を適切な厚みで設けることが本発明における特に特徴的な構成となる。実施例において詳細を後述するが、ＡｌＮガイド層６０を設けることでIII族窒化物半導体発光素子１００の素子寿命を改善できることが、本発明者らの実験結果により明らかとなった。
【００３４】
図３（Ａ）に上記一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の伝導帯のバンド構造を示す図を示す。図３（Ａ）では、積層体４０におけるｎ層目の井戸層４０ｂと、ＡｌＮガイド層６０とが接するようにこれらの層を設けている。換言すれば、積層体４０とＡｌＮガイド層６０とを隣接して設けている。素子寿命を向上することができる理由が理論的に明らかになったわけではないが、本発明者らはその理由を以下のように考えている。すなわち、ＡｌＮガイド層が厚すぎれば、正孔が十分に積層体へ注入されず、動作電圧が高くなるばかりか、積層体からのキャリアの漏れを促進させてしまい非発光再結合など、非効率なキャリアの消費となりうる。薄い層でキャリアのブロックが可能であれば、正孔の注入が促進される。そのため、ＡｌＮガイド層６０を適切な厚みで設けることで、発光出力と共に、III族窒化物半導体発光素子１００の素子寿命を向上することができたのだと推測される。さらに、ＡｌＮガイド層６０の厚さを０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満とすると、発光出力をより確実に増大させることもできるため好ましく、この目的のために厚さを０．７ｎｍ以上１．７ｎｍ以下とすることがより好ましく、０．８ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることが特に好ましい。
以上、本実施形態により、従来よりも優れた素子寿命および優れた発光出力を共に有するIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【００３５】
ここで、図２の模式図および図３（Ｂ）のバンド構造に示すように、III族窒化物半導体発光素子１００は、積層体４０におけるＡｌＮガイド層６０側のｎ層目の井戸層４０ｂと、ＡｌＮガイド層６０との間に、バンドギャップが井戸層４０ａ超かつＡｌＮガイド層６０未満のファイナルバリア層５０を更に有することも好ましい。ファイナルバリア層５０としてＡｌＣＧａ１−ｃＮ材料を用いる場合、ファイナルバリア層５０のＡｌ組成比ｃは、ｂ＜ｃ＜１であり、ａ≦ｃ＜１であることが好ましい。この場合、ファイナルバリア層５０の厚みを１．５ｎｍ以下とする。０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下と、従来技術で用いられるファイナルバリア層５０の厚みよりも非常に薄いことがより好ましい。ＡｌＮガイド層６０の導入による素子寿命改善効果は、ファイナルバリア層５０の厚みが１．５ｎｍ以下であれば確実に得られるが、該層５０の厚みを１．０ｎｍ以下とすることで、上述した寿命改善効果がより確実に得られる上、III族窒化物半導体発光素子の発光出力を高めることができる。これは、ファイナルバリア層５０の厚みが１．０ｎｍを越えると、積層体４０からのキャリアがファイナルバリア層５０とＡｌＮガイド層６０との界面にて、２次元的な井戸へとオーバーフローすることで、注入効率が低下する場合があるからだと推測される。変質によってファイナルバリア層の一部がＡｌＮガイド層となる場合、ファイナルバリア層５０の厚みが０．１ｎｍ以上であれば、変質の影響を受けない１原子層が残ることで、井戸層４０の変質を避けることができる。
【００３６】
ここで、既述のとおりｐ層７０を一般的な構成とすることができるが、ｐ層７０は、第１ｐ型III族窒化物半導体層および第２ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に有することが好ましい。そして、第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは、ＡｌＮガイド層６０よりも小さく、かつ、障壁層４０ａよりも大きいことが好ましく、第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドキャップは、第１ｐ型III族窒化物半導体層よりも小さいことが好ましい。例えば、第１ｐ型III族窒化物半導体層はｐ型電子ブロック層７１を含むことができ、第１ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型電子ブロック層７１のみからなる単層構造となることが好ましい。また、第２ｐ型III族窒化物半導体層は、ｐ型クラッド層７２およびｐ型コンタクト層７３を含む複数層構造とすることができ、第２ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型コンタクト層７３のみからなることも好ましい。以下、ｐ層７０の各層の構成を説明する。
【００３７】
電子ブロック層７１は、ＡｌＮガイド層６０に隣接して設けられ、ＡｌＮガイド層６０よりはバンドギャップが小さいが、障壁層４０ａよりはバンドギャップが大きい層（すなわち。障壁層４０ａのＡｌ組成ａよりもＡｌ組成が大きい）である。電子ブロック層７１は一般的に、発光層として機能する量子井戸構造（ＭＷＱ）とｐ型クラッド層との間に設けることにより、電子を堰止めして、電子を発光層（ＭＱＷの場合には井戸層）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。これは、発光層のＡｌ組成が高い場合には、ｐ層７０のホール濃度が低いため、ホールを発光層に注入しにくく、一部の電子がｐ層７０側に流れてしまうが、電子ブロック層７１を設けることにより、こうした電子の流れを防止することができるからである。本実施形態でも、ＡｌＮガイド層６０に隣接して設けられた電子ブロック層７１は、同様にｐ層７０側への電子の流れを防止することができ、電子の注入効率を高めることができる。
【００３８】
このような電子ブロック層７１は、例えばＡｌｚＧａ１−ｚＮ材料（ａ＜ｚ＜１）とすることができる。障壁層４０ａのＡｌ組成にもよるが、例えばこの電子ブロック層５０のＡｌ組成は、０．５以上１．０以下（すなわち、ａ＜ｚ＜１かつ０．５≦ｚ）とすることが好ましい。これにより、井戸層４０ｂへの電子の注入効率を高めることができる。また、電子ブロック層７１全体の厚みは、例えば６ｎｍ〜６０ｎｍであることが好ましい。電子ブロック層７１の厚さが６ｎｍより薄くても６０ｎｍを超えても、出力の大幅な減少がみられるためである。なお、電子ブロック層７０の厚みは、障壁層４０ａの厚みよりは厚いことが好ましい。なお、電子ブロック層にドープするｐ型ドーパントについては、既述のｐ層７０におけるｐ型ドーパントと同様であるが、必要に応じてｐ型以外のドーパントをドープしてもよく、部分的にアンドープの領域を設けてもよい。
【００３９】
第２ｐ型III族窒化物半導体層は、ｐ型電子クラッド層７２を含んでもよい。ｐ型電子ブロック層７１のＡｌ組成ｚは既述のとおりであり、バンドギャップがＡｌＮ層の次に大きな層であるのに対して、「クラッド層」のＡｌ組成は、ｐ型電子ブロック層のＡｌ組成よりも０．１を超えて小さく、ｐ型コンタクト層よりも０．１を超えて大きいものを指すものとする。ｐ型クラッド層７２のＡｌ組成をｙとし、電子ブロック層７１のＡｌ組成をｚ、ｐ型コンタクト層７３のＡｌ組成をｘとすると、ｘ＋０．１＜ｙ＜ｚ−０．１である。なお、中心波長が３００ｎｍ以下において使用されるｐ型のＡｌＧａＮはＡｌ組成が大きいほど電流が流れにくいため、従来クラッド層として使用されるＡｌ組成は、障壁層のＡｌ組成以下であることが多い。このため、本明細書における電子ブロック層と従来技術におけるクラッド層とは、障壁層のＡｌ組成を基準として区別することとする。
【００４０】
なお、本実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００において、ｐ型クラッド層は任意であり、設けなくてもよく、第２ｐ型III族窒化物半導体層を、ｐ型コンタクト層７３のみから構成することが好ましい。こうすることで、III族窒化物半導体発光素子１００の素子寿命をより確実に改善することができる。なお、ｐ型クラッド層７２を設けるのであれば、その厚みは、２ｎｍ〜３００ｎｍとすることができる。この場合、ｐ型クラッド層７２を、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０．２０≦ｙ＜ｂ）とすることができ、Ａｌ組成ｙを０．３５≦ｙ＜ｂとすることが好ましい。なお、図示しないが、ｐ型クラッド層７２は、Ａｌ組成を変えた複数層構造としてもよい。この場合、発光層側のｐ型クラッド層を第１ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層側のｐ型クラッド層を第２ｐ型クラッド層とすると、第１ｐ型クラッド層のＡｌ組成を、第２ｐ型クラッド層とのＡｌ組成よりも大きくすることが好ましい。
【００４１】
また、第１ｐ型III族窒化物半導体層と第２ｐ型III族窒化物半導体層とが接し、第２ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型コンタクト層７３のみからなることが好ましい。この場合、ｐ型コンタクト層７３は、Ａｌ組成ｘを０≦ｘ≦０．１とした、ｐ型のＡｌｘＧａ１−ｘＮ材料とすることができる。ｐ型コンタクト層７３は、その表面に形成されるｐ型電極８０と電子ブロック層７１との間の接触抵抗を低減するための層であり、ｐ型電極８０との接触抵抗を十分に低減することができる。特に、ｐ型コンタクト層７３のＡｌ組成ｘを、ｘ＝０（すなわち、ＧａＮ）とすることが好ましい。このｐ型コンタクト層７３をｐ型とするためのドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）などを用いることができる。また、ｐ型コンタクト層７３の厚みを５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。なお、図示しないが、ｐ型コンタクト層７３は、Ａｌ組成、ドーパント種、ドーパント濃度、形成時のキャリアガス種などのいずれか１つまたは複数要素を変えた、複数層構造とすることも好ましい。
【００４２】
以下に、図１に示した基板１０、ＡｌＮ層２０、ｎ型電極８０およびｐ型電極９０についてそれらの具体的な態様を例示的に説明するが、これらは種々の変形が可能である。既述のとおり、本発明に従う実施形態において、図１に示したサファイア基板１０、ＡｌＮ層２０、ｎ型電極８０およびｐ型電極９０は、本発明を何ら限定するものではない。
【００４３】
III族半導体発光素子１００の基板１０として、サファイア基板を用いることができる。サファイア基板の表面にエピタキシャル成長させたＡｌＮ層２０が設けられたＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい。サファイア基板としては、任意のサファイア基板を用いることができ、オフ角の有無は任意であり、オフ角が設けられている場合の傾斜方向の結晶軸方位は、ｍ軸方向またはａ軸方向のいずれでもよい。例えば、サファイア基板の主面を、Ｃ面が０．５度のオフ角θで傾斜した面とすることができる。ＡｌＮテンプレート基板を用いる場合、サファイア基板表面のＡｌＮ層の結晶性が優れていることが好ましい。また、ＡｌＮテンプレート基板の表面に、アンドープのＡｌＧａＮ層が設けられていることも好ましい。また、基板１０としてＡｌＮ単結晶基板を用いてもよい。
【００４４】
ｎ型電極８０は、例えばＴｉ含有膜およびこのＴｉ含有膜上に形成されたＡｌ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。また、ｐ型電極９０についても、例えばＮｉ含有膜およびこのＮｉ含有膜上に形成されたＡｕ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。
【００４５】
（III族窒化物半導体発光素子の製造方法：第１実施形態）
次に、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法の第１実施形態を説明する。第１実施形態に係る製造方法は、ｎ型III族窒化物半導体層３０（以下、ｎ層３０）を形成する第１工程（図４（Ｅ））と、ｎ層３０上に、障壁層４０ａおよび、障壁層４０ａよりもバンドギャップの小さい井戸層４０ｂをこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体４０（以下、積層体４０）を形成する第２工程（図４（Ｆ））と、積層体４０上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層６０を形成する第３工程（図４（Ｇ））と、ＡｌＮガイド層６０上に、ｐ型III族窒化物半導体層７０（以下、ｐ層７０）を形成する第４工程（図４（Ｈ））と、を含む。第１実施形態では、上記第３工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いてＡｌＮガイド層６０をエピタキシャル成長させることを特に特徴とする。以下、第１実施形態の好適な実施形態に従うフローチャートを示す図４を用いて各工程を順次説明するが、既述の実施形態と重複する説明については省略する。
【００４６】
まず、基板１０としてサファイア基板を用意するのが一般的である。基板１０の表面１０ＡにＡｌＮ層を形成したＡｌＮテンプレート基板を形成することが好ましく、市販のＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい（図４（Ａ）〜図４（Ｂ））。なお、ＡｌＮ層２０は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。
【００４７】
ＡｌＮ層２０のＡｌ源としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができる。また、Ｎ源としては、アンモニア（ＮＨ３）ガスを用いることができる。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスを用いることにより、ＡｌＮ層２０を形成することができる。
【００４８】
なお、ＡｌＮ層２０の成長温度は特に限定されないが、１２７０℃以上１３５０℃以下が好ましく、１２９０℃以上１３３０℃以下がより好ましい。この温度範囲であれば、続いて熱処理工程を行う場合にＡｌＮ層２０の結晶性を向上することができる。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば５Ｔｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、８Ｔｏｒｒ〜１５Ｔｏｒｒである。
【００４９】
また、ＮＨ３ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）については、例えば１３０以上１９０以下とすることができる。より好ましくは１４０以上１８０以下である。なお、成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましい。
【００５０】
続いて、上述のようにして得られた、サファイア基板１０上のＡｌＮ層２０に対して、このＡｌＮ層２０の成長温度よりも高温で熱処理を施すことが好ましい。この熱処理工程は、公知の熱処理炉を用いて行うことができる。かかる熱処理を行うことにより、ＡｌＮ層２０の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅を４００秒以下とし、高い結晶性を実現することができる（図４（Ｃ））。
【００５１】
その後、図４（Ｄ）に例示するように、ＡｌＮ層２０上に、アンドープのＡｌＧａＮ層２０’を形成することも好ましい。Ａｌ源としてＴＭＡ、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ源としてＮＨ３ガスを用いることで、ＡｌＧａＮ材料からなる層を形成することができ、このことは以下に説明するｎ層３０、積層体４０、ファイナルバリア層５０、ＡｌＮ層６０およびｐ層７０の形成においても同様である。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスもしくは窒素ガスまたは両者の混合ガスを用いてチャンバ内に供給する。なお、一般的にはキャリアガスとして水素ガスを用いる。また、ＮＨ３ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるV/III比については、例えば１００以上１０００００以下とすることができる。より好ましくは３００以上３００００以下である。成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましいのはＡｌＮ層２０を形成する場合と同様である。
【００５２】
次に、ｎ層３０を形成する第１工程を行う（図４（Ｅ））。ｎ層３０は、ＡｌＮ層２０上に形成することができ、アンドープのＡｌＧａＮ層２０’上に形成することが好ましい。ｎ型ドーパントについては既述のとおりである。
【００５３】
続いて、図４（Ｆ）に示すように、積層体４０を形成する第２工程を行う。井戸層４０ｂおよび障壁層４０ａを形成する際のＡｌ組成比の調整にあたっては、Ａｌ源の流量とＧａ源の流量の比を適宜変更すればよい。積層体４０をＡｌＧａＮ材料で形成する場合、成長温度を１０００℃以上１４００℃以下とすることが好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下とすることがより好ましい。
【００５４】
次いで、積層体４０上にＡｌＮ層６０を形成する第３工程を行う。第１実施形態では、本工程において、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）およびアンモニアガス（ＮＨ３ガス）からなる原料ガスを用いてＡｌＮガイド層６０をエピタキシャル成長させる。Ｇａ等の他のIII族元素の混入を意図的に排除するため、原料ガスはトリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）およびアンモニアガス（ＮＨ３ガス）のみからなることが特に好ましい。キャリアガスとしては、窒素を主成分とするキャリアガスを用いることが好ましく、窒素ガスを用いることがより好ましい。また、成長温度を１０００℃以上１４００℃以下とすることが好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下とすることがより好ましい。成長時間を適宜選択することで、ＡｌＮガイド層６０の厚さを０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とすることができる。
【００５５】
次に、図４（Ｈ）に示すように、ＡｌＮ層６０の上にｐ層７０を形成する第４工程を行う。既述のとおりｐ層７０は、ｐ型電子ブロック層７１、ｐ型クラッド層７２およびｐ型コンタクト層７３のいずれかまたは全てを含んでもよい。
【００５６】
ｐ層７０を形成するためのドーパントとしては、例えばＭｇまたはＺｎなどから適宜選択して用いることができ、Ｍｇ源としては、シクロペンタジニエルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いることができ、Ｚｎ源としては、ＺｎＣｌ２を用いることができる。複数のドーパントを混合してドープする場合には、ドーパント源の混合ガスをチャンバに供給すればよい。
【００５７】
ここで、ｐ型電子ブロック層７１をＡｌｚＧａ１−ｚＮ材料（ａ＜ｚ≦１）で形成する場合、ｐ型電子ブロック層７１の形成は、キャリアガスとして水素を主成分とするガスを用いることができる。原料ガスは既述のとおりＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ３ガスであり、さらにドーパント源のガスを適宜選択して用いる。なお、キャリアガスとして窒素ガスを用いてＡｌＮ層６０の形成し、キャリアガスとして水素を用いてｐ型電子ブロック層７１を形成する場合、キャリアガスの切り替えが必要となる。この場合、ＡｌＮ層６０を形成後、ＴＭＡガスの供給を中断し、キャリアガスを窒素から水素に切り替えて２０秒〜１分程度経過した後に、ＴＭＡガスおよびＴＭＧガスを供給して電子ブロック層７１を形成する。
【００５８】
なお、本明細書において、「水素を主成分とするキャリアガス」とは、キャリアガス全体の体積に対する水素ガスの体積の比が６０％以上であるキャリアガスを意味している。より好ましくは８５％以上である。なお、半導体製造用として市販される純度を有するガスを用いればよい。「窒素を主成分とするキャリアガス」についても同様の意味である。なお、ここでのキャリアガスの体積比は、チャンバ内に供給されウェーハ近傍の空間を通るガスを対象としており、ヒーターやチャンバ内壁のパージを主目的としてウェーハ近傍の空間を通らずに排気されるガスは含めない。つまり、ヒーターやチャンバ内壁に水素を大流量流して排気していても、ウェーハ近傍には実質的に窒素を流している場合には、「窒素を主成分とするキャリアガス」となる。
【００５９】
また、ｐ層７０の成長温度としては、Ａｌ組成比にもよるが、１０００℃以上１４００℃以下が好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、２０Ｔｏｒｒ〜３８０Ｔｏｒｒである。ただし、ｐ層７０のうち、Ａｌ組成比の小さいｐ型コンタクト層７３を形成する際の成長温度としては、８００℃以上１４００℃以下が好ましく、９００℃以上１３００℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒとすることができ、より好ましくは、２０Ｔｏｒｒ〜６００Ｔｏｒｒである。キャリアガスとしては、既述のとおり水素ガスもしくは窒素ガスまたは両者の混合ガスを用いることができる。図示しないが、ｐ型コンタクト層７３を、Ａｌ組成、ドーパント種、ドーパント濃度、形成時のキャリアガス種などのいずれか１つまたは複数要素を変えた複数層構造とする場合、ＡｌＮ層６０側のキャリアガスを水素ガスとし、反対側（すなわち、ｐ型電極９０側）を窒素ガスとすることもできるし、その逆としてもよい。ｐ型クラッド層７２を設けてもよいが、設けない方が素子寿命の観点で好ましいのは、既述のとおりである。
【００６０】
最後に、図４（Ｉ）に示すように、積層体４０、ＡｌＮ層６０およびｐ層７０の一部をエッチング等により除去し、露出したｎ層３０上にｎ型電極８０を、ｐ層７０上にｐ型電極９０をそれぞれ形成することができる。こうして、本発明の第１実施形態の製造方法に従い、III族窒化物半導体発光素子１００を作製することができる。
【００６１】
（III族窒化物半導体発光素子の製造方法：第２実施形態）
次に、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る製造方法は、ｎ層３０を形成する第１工程と、ｎ層３０上に、障壁層４０ａおよび、障壁層４０ａよりもバンドギャップの小さい井戸層４０ｂをこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなる積層体４０を形成する第２工程と、積層体４０上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層６０を形成する第３工程と、ＡｌＮガイド層６０上に、ｐ層７０を形成する第４工程と、を含む。前述の第１実施形態と重複する内容については説明を省略する。
【００６２】
第１実施形態と異なり、第２実施形態では、上記第３工程において、窒素を主成分とするキャリアガス雰囲気の下、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）およびアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を含む原料ガスを用いてＡｌＧａＮ変質層５０’をエピタキシャル成長させ、次いで該エピタキシャル成長を中断し、水素を主成分とするキャリアガス雰囲気に切り替えてＡｌＧａＮ変質層５０’を曝すことにより、ＡｌＧａＮ変質層５０’の少なくとも一部または全部をＡｌＮガイド層６０に変質させ、ＡｌＧａＮ変質層５０’の残部をファイナルバリア層６０とすることを特に特徴とする（図５参照）。なお、ここでいう「変質」とは、成長中断後にＡｌＧａＮ変質層５０’の組成の全部または一部がＡｌＧａＮからＡｌＮへ変化することに加えて、ＡｌＧａＮ変質層５０’の厚みが減少することを意味する。図５（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、この変質を以下により詳細に説明する。
【００６３】
まず、積層体４０上に、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）およびアンモニアガス（ＮＨ３ガス）を含む原料ガスを用いてＡｌＧａＮ変質層５０’をエピタキシャル成長させる（図４（Ａ）、（Ｂ））。ＧａＮ変質層５０のキャリアガスは窒素、または、窒素を主成分として水素を混合したものを利用できる。成長温度、成長圧力、V/III比等はＡｌＧａＮ材料からなる層を形成する際の一般的な条件とすることができる。このとき、ＡｌＧａＮ変質層５０’の厚みを、後に形成されるＡｌＮガイド層６０およびファイナルバリア層５０の合計厚さより０．５〜１．５ｎｍ程度厚く形成する。
【００６４】
次に、ＡｌＧａＮ変質層５０’のエピタキシャル成長を中断し、変質層の成長時よりも窒素分圧の低いキャリアガス雰囲気（例えば水素を主成分とするキャリアガス雰囲気）でＡｌＧａＮ変質層５０’を曝す。より具体的には、III族元素の原料ガスであるＴＭＡガスおよびＴＭＧガスの供給を止め、アンモニアガスは供給しつつ、キャリアガスである水素でＡｌＧａＮ変質層５０’を曝す。ＡｌＧａＮ変質層５０’の形成時にキャリアガスとして窒素ガスを用いる場合には、キャリアガスを窒素から水素へと切り替える。また、キャリアガスを窒素から水素へと切り替えた後に、必要に応じてアンモニアガスおよび水素ガスの割合を調整して、窒素分圧をさらに下げることが好ましい。III族元素の原料ガスの供給を止め、水素ガスに曝して窒素分圧を下げることにより、ＡｌＧａＮ変質層５０’の表層部はＡｌＮへと変質してＡｌＮガイド層６０となり、残部はＡｌＧａＮ変質層５０’のＡｌ組成比のまま、ファイナルバリア層５０となる。
【００６５】
ここで、水素ガスの暴露時間にもよるが、形成されるＡｌＮガイド層６０の厚みは０．５〜１．５ｎｍ程度となるとともに、形成されるＡｌＮガイド層６０およびファイナルバリア層５０の合計厚さは、ＡｌＧａＮ変質層５０’の厚さよりも０．５〜１．５ｎｍ程度薄くなることが本発明者らにより実験的に確認された。すなわち、ＡｌＮガイド層に変質する際に、ＡｌＧａＮ変質層５０’の少なくとも一部が除去される。これは、水素ガスへの暴露の際に、ＡｌＧａＮ変質層５０’表層部のＧａが抜けたためだと推定される。III族元素の原料ガスの供給を止めての水素による暴露時間（すなわち成長中断時間）は特に制限されないが、井戸層へは影響を及ぼさないことが好ましく、ＡｌＮガイド層６０およびファイナルバリア層５０のそれぞれの目標厚さにもよっては、暴露時間を、１５秒〜９０秒程度とすることが好ましく、４５秒〜７５秒程度とすることがより好ましい。
【００６６】
この第３工程において、ＡｌＧａＮ変質層５０’の全部をＡｌＮガイド層６０に変質させることが好ましい。ウェーハを切り出して得られる複数のIII族窒化物半導体発光素子の素子寿命にばらつきを抑制できるためである。ＡｌＧａＮ変質層５０’の設計厚みを０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とすると、ＡｌＧａＮ変質層５０’の全部をＡｌＮガイド層６０に変質させることができ、形成されるＡｌＮガイド層６０の厚みは０．５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下となる。ただし、変質が井戸層４０ｂの領域まで及んでしまうと出力が減少することから、第1実施形態と比べると出力のばらつきが大きくなりやすい傾向にある。
【００６７】
一方、この第３工程において、ＡｌＧａＮ変質層５０’の一部のみをＡｌＮガイド層６０に変質させつつ、残部をファイナルバリア層５０とする場合には、ファイナルバリア層５０の厚みが１．０ｎｍ以下となるようにＡｌＧａＮ変質層５０’の設計厚みを設定することが好ましい。ＡｌＧａＮ変質層５０’の設計厚みを２．０ｎｍ超３．０ｎｍ以下とすると、形成されるＡｌＮガイド層６０の厚みは０．８以上１．２ｎｍ以下となり、ファイナルバリア層の厚みは１．０ｎｍ以下となる。なお、ファイナルバリア層５０の厚みが１．０ｎｍ以下であることが好ましいのは既述のとおりである。
【００６８】
以上説明した第１および第２実施形態のいずれかに従う製造方法により、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子１００を形成することができる。もちろん、これらの製造方法の実施形態は、本発明に従うIII族窒化物半導体発光素子１００を製造するための一実施形態に過ぎず、他の実施形態によりIII族窒化物半導体発光素子１００が作製されてもよい。なお、第２実施形態に比べると、第１実施形態の製造方法の方がより正確にＡｌＮガイド層の厚みを調整することができるため好ましい。
【００６９】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００７０】
［実験例１］
図４に示したフローチャートに従って、実験例１におけるIII族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板（直径２インチ、厚さ：４３０μｍ、面方位：（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．５度、テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．２０ｎｍ）を用意した（図４（Ａ））。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上に中心膜厚０．６０μｍ（平均膜厚０．６１μｍ）のＡｌＮ層を成長させ、ＡｌＮテンプレート基板とした（図４（Ｂ））。その際、ＡｌＮ層の成長温度は１３００℃、チャンバ内の成長圧力は１０Ｔｏｒｒであり、V/III比が１６３となるようにアンモニアガスとＴＭＡガスの成長ガス流量を設定した。V族元素ガス（ＮＨ３）の流量は２００ｓｃｃｍ、III族元素ガス（ＴＭＡ）の流量は５３ｓｃｃｍである。なお、ＡｌＮ層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機（ナノスペックM6100A；ナノメトリックス社製）を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。
【００７１】
次いで、上記ＡｌＮテンプレート基板を熱処理炉に導入し、１０Ｐａまで減圧後に窒素ガスを常圧までパージすることにより炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してＡｌＮテンプレート基板に対して熱処理を施した（図４（Ｃ））。その際、加熱温度は１６５０℃、加熱時間は４時間とした。
【００７２】
続いて、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープのＡｌＧａＮ層として、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ｎからなる厚さ１．３２μｍのアンドープＡｌ０．７Ｇａ０．３Ｎ層を形成した（図４（Ｄ））。次に、ｎ型半導体層として、Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎからなり、Ｓｉドープした厚さ１．６９μｍのｎ型Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎ層を上記ＡｌＧａＮ層上に形成し、続けてＳｉドープした厚さ０．３６μｍのｎ型Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層を形成した（図４（Ｅ））。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型Ａｌ０．６２Ｇａ０．３８Ｎ層およびｎ型Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層のＳｉ濃度はともに１．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であった。
【００７３】
続いて、ｎ型Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層上に、ｎ型ガイド層および障壁層を兼ねる厚さ２４ｎｍのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎを形成した。次いで、Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎからなる厚さ２．４ｎｍの井戸層および厚さ５．８ｎｍのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎからなる障壁層を交互に２層ずつ形成し、さらにＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ｎからなる厚さ２．４ｎｍの井戸層を形成した（図４（Ｆ））。（すなわち、井戸層の層数および障壁層の層数ＮはともにＮ＝３である。）なお、障壁層の形成においてはＳｉをドープした。
【００７４】
その後、３層目の井戸層上に、窒素ガスをキャリアガスとし、炉内圧力（成長圧力）５２ｔｏｒｒで厚さ２ｎｍのＡｌ０．６５Ｇａ０．３５ＮからなるアンドープのＡｌＧａＮ変質層を形成した。次に、ＴＭＡガスおよびＴＭＧガスの供給を停止しつつ、アンモニアガスを供給し続けたままキャリアガスの窒素を止めて水素を供給し、水素供給開始から３５秒後に水素とアンモニアの割合を１：１から２．１３：１に変えることで、炉内圧力を７５ｔｏｒｒに上げると共に窒素分圧をさらに下げた状態でＡｌＧａＮ変質層を３０秒間暴露し、厚さ２ｎｍのＡｌＧａＮ変質層を厚さ１ｎｍのＡｌＮガイド層に変質させた。その後、キャリアガスを水素としたまま、III族元素の原料ガスであるＴＭＡガスおよびＴＭＧガスを再び供給して、Ａｌ０．６８Ｇａ０．３２Ｎからなり、Ｍｇドープした層さ４０ｎｍのｐ型電子ブロック層を形成した。
【００７５】
続いて、キャリアガスを窒素ガスに切り替えた後、ＧａＮからなり、Ｍｇドープした層厚１７５ｎｍのｐ型コンタクト層を形成した。なお、厚さ１７５ｎｍの内の、電極に接する厚さ２５ｎｍの領域においては、ＴＭＧガスの流量を減らしてＭｇの存在確率を上げ、かつ、成長速度を落とすことにより高Ｍｇ濃度の層とした（図４（Ｈ））。ＳＩＭＳ分析の結果、ｐ型電子ブロック層側の厚さ１５０ｎｍ部分のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は３．０×１０１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、高Ｍｇ濃度とした残り３０ｎｍ部分のＭｇ濃度は１．２×１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３であった。
【００７６】
その後、ｐ型コンタクト層の上にマスクを形成してドライエッチングによるメサエッチングを行い、ｎ型Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層の一部を露出させた。次いで、ｐ型コンタクト層上に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ型電極を形成し、露出したｎ型Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４Ｎ層上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型電極を形成した。なお、ｐ型電極のうち、Ｎｉの厚みは５０Åであり、Ａｕの厚みは１５００Åである。また、ｎ型電極のうち、Ｔｉの厚みは２００Åであり、Ａｌの厚みは１５００Åである。最後に５５０℃でコンタクトアニール（ＲＴＡ）を行って、電極を形成した（図４（Ｉ））。
【００７７】
以上のとおりにして作製したIII族窒化物半導体発光素子の、ＡｌＮ層２０よりも上の、アンドープＡｌＧａＮ層からｐ型コンタクト層までの各層の構成を表１に示す。このIII族窒化物半導体発光素子の一部のＴＥＭ断面写真を代表例として図６に示す。表１中の各層の実測値の厚さは、ＴＥＭ断面写真より得られたものであり、各層のＡｌ組成比の値は、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を用いた測定より得られたものである。
なお、十分な厚さがあればＳＥＭ−ＥＤＳを用いて同定することができ、ＡｌＮガイド層や井戸層、障壁層のように各層の厚さが薄い場合にはＴＥＭ−ＥＤＳを用いて同定することができる。
【００７８】
【表１】
2017034036.tif 000003
【００７９】
図６より、このIII族窒化物半導体発光素子では、設計厚さ２ｎｍのＡｌＧａＮ変質層が厚さ０．９ｎｍのＡｌＮガイド層に変質されたことが確認できる。このとき、ＡｌＧａＮ変質層を形成した位置にＡｌ０．６５Ｇａ０．３５Ｎ層は観察されなかった。なお、ＡｌＧａＮ変質層の厚みを変えた同様の試験を行い、ＴＥＭ断面写真を取得したところ、ＡｌＧａＮ変質層の表層部１ｎｍ（平均値）がＡｌＮガイド層に変質し、変質後のＡｌＮガイド層と、ファイナルバリア層の合計厚みは、ＡｌＧａＮ変質層の厚さから平均値で１ｎｍ薄くなることも確認された。
【００８０】
［実験例２］
（試料１）
ＡｌＮガイド層の形成を下記のとおりとした以外は、実験例１と同じ条件で試料１に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。ＡｌＮガイド層の形成にあたり、III族元素の原料ガスはＴＭＡガスとし、厚さを１ｎｍとした。また、ドーパントは添加せず、ｉ型のＡｌＮガイド層とした。なお、キャリアガスおよび成長圧力は実験例１と同じであり、ｐ型電子ブロック層へのキャリアガスの切り替えに際しても、同一条件とした。
【００８１】
（試料２）
ＡｌＮガイド層を厚さ０．５ｎｍで形成した以外は、試料１と同様にして試料２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８２】
（試料３）
ＡｌＮガイド層を厚さ２．０ｎｍで形成した以外は、試料１と同様にして試料３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８３】
（試料４）
ＡｌＧａＮ変質層の設計厚さを２．０ｎｍとし、実験例１と同じ条件で試料４に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８４】
（試料５）
ＡｌＧａＮ変質層の設計厚さを１．０ｎｍとした以外は、試料４と同様にして試料５に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８５】
（試料６）
ＡｌＧａＮ変質層の設計厚さを３．０ｎｍとした以外は、試料４と同様にして試料６に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８６】
（試料７）
ＡｌＧａＮ変質層の設計厚さを４．０ｎｍとした以外は、試料４と同様にして試料７に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８７】
（試料８）
ＡｌＧａＮ変質層の設計厚さを５．０ｎｍとした以外は、試料４と同様にして試料８に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８８】
（試料９）
ＡｌＧａＮ変質層の組成をＡｌ０．５５Ｇａ０．４５Ｎとした以外は、試料８と同様にして試料９に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８９】
（試料１０）
ＡｌＧａＮ変質層の設計厚さを２０．０ｎｍとした以外は、試料９と同様にして試料１０に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００９０】
（試料１１：比較例）
ＡｌＮガイド層およびＡｌＧａＮ変質層のいずれも形成しなかった以外は、試料１と同様にして試料１２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００９１】
（試料１２：発明例）
ｐ型電子ブロック層形成時のキャリアガスを窒素ガスにした以外は、試料１と同様にして試料１２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００９２】
（試料１３：比較例）
成長中断を行なわず、また、ｐ型電子ブロック層形成時のキャリアガスを窒素ガスにした以外は、試料４と同様にして試料１３に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００９３】
（試料１４：比較例）
ＡｌＮガイド層を厚さ３．０ｎｍで形成した以外は、試料１と同様にして試料１４に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００９４】
以上の試料１〜１５のＡｌＮガイド層およびＡｌＧａＮ変質層の形成条件を表２に示す。
【００９５】
【表２】
2017034036.tif 000004
【００９６】
（評価１：厚さの評価）
作製した試料１〜１４に係るIII族窒化物半導体発光素子のＴＥＭ断面写真を取得し、ＡｌＮガイド層およびファイナルバリア層のそれぞれの厚さを測定しつつ、ＡｌＮガイド層への変質の有無を確認した。厚さの測定にあたり、試料１〜１４の各作製条件によって形成したウェーハから３〜１０個のIII族窒化物半導体発光素子を切り出して観察した。変質の有無およびＡｌＮガイド層の厚さおよびファイナルバリア層の厚さの平均値を表２に示す。
【００９７】
（評価２：ＥＬ出力の評価）
作製した試料１〜１４に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した直後の発光出力を確認するため、マルチチャネル型分光器（Ｃ１００８２ＣＡＨ，浜松ホトニクス社製）を用いて、電流１０ｍＡ出力でのＥＬ出力を測定した。試料１〜１０，１２，１４について、測定結果を図７Ａおよび図７Ｂに示す。なお、図７Ｂは、上記評価１を基に図７Ａの測定結果をＡｌＮガイド層の厚さに対するＥＬ出力としたものである。なお、試料１１，１３は非発光であったため、図示しない。
【００９８】
（評価３：素子寿命の評価）
評価２においてＥＬ出力が高く安定していた試料１について、作製したフリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子を、積分球により電流２０ｍＡのときの発光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定し、さらに１０００時間通電後の残存出力（１０００時間通電後の出力／初期発光出力）を測定したところ、初期の出力に対して８５％であった。他に、評価２においてEL出力が試料１と同程度に大きかった試料４、および試料１０についても同様に残存出力を測定したところ、それぞれ８３〜８８％、６０であった。
【００９９】
以上の評価１〜３より、以下のことが確認された。
まず、評価１の結果から、Ａｌ組成比１００％のＡｌＮガイド層を最後の井戸層上に直接形成した場合、実験例１で確認されたＡｌＧａＮ変質層の変質および薄化は発生せず、また厚さの変化も生じないことが確認された。一方、試料４〜１１では、ＡｌＧａＮ変質層の表層部１．０ｎｍ（平均値）がＡｌＮに変質して、ＡｌＮガイド層が形成されることが確認された。このとき、ＡｌＧａＮ変質層の全体の厚さは平均値で１．０ｎｍ薄くなり、残部はＡｌＧａＮ変質層のＡｌ組成を維持したまま、ファイナルバリア層となることも確認された。
【０１００】
次に、評価２より、ＥＬ出力を高めるためにはＡｌＮガイド層の厚さを０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満とすることが好ましく、ファイナルバリア層を設ける場合はその厚みを１．０ｎｍ以下とすることが好ましいことが確認された。さらに、ファイナルバリア層のバンドギャップを障壁層よりも大きくした方がＥＬ出力を向上できることも確認された。そして、評価３より、ＡｌＮガイド層やＡｌＧａＮ変質層の厚さを適切にした試料は、EL出力が高いだけでなく、素子寿命の長い発光素子であることが確認できた。なお、試料１と試料４とを比較すると、変質させてＡｌＮガイド層を形成する場合と比べて、ＡｌＮガイド層を最後の井戸層上に直接形成する場合の方が、同一ロット内のウェーハ間のＥＬ出力ばらつきが少ない。また、試料６よりも試料４のＥＬ出力ばらつきが大きいことより、変質させてＡｌＮガイド層を形成する場合は、ファイナルバリア層が全て変質し終わるときからその少し前までの間であることが好ましく、ファイナルバリア層を超えて井戸層の深くまで影響が及ぶと、ＥＬ出力が低下すると予想される。
【０１０１】
なお、試料１２，１４から、AlNガイド層の厚さを0nmとした場合（即ちＡｌＮガイド層を形成しない場合）、井戸層へダメージが生じるため、非発光になったと考えられる。これに対して、試料１，１３から、ＡｌＮガイド層を形成した後、キャリアガスを変更せずにp型電子ブロック層を形成しても、高出力が見られた。したがって、p型電子ブロック層の成長条件に因らず、井戸層とp型電子ブロック層との間に、適切な厚みのAlNガイド層を形成することが必要であることが判明した。
【０１０２】
［実験例３］
（試料２１）
試料４において、ｐ型電子ブロック層と、ｐ型コンタクト層との間に、ＭｇをドープしたＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ｎからなるｐ型クラッド層（厚み：５０ｎｍ）を形成した以外は、試料４と同様にして試料２１に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【０１０３】
（試料２２）
試料１０において、ｐ型電子ブロック層と、ｐ型コンタクト層との間に、試料２１と同じ条件でｐ型クラッド層（厚み：５０ｎｍ）を形成した以外は、試料１０と同様にして試料２２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。
【０１０４】
前述の評価２、３と同様に、試料２１、２２に係るIII族窒化物半導体発光素子の素子寿命の評価およびＥＬ出力の評価を行った。試料４、１０と併せて結果を表３に示す。
【０１０５】
【表３】
2017034036.tif 000005
【０１０６】
表３より、ｐ型クラッド層を設けることで、ＥＬ出力を増大できる場合があるものの、素子寿命の低下につながることが確認できた。したがって、素子寿命の観点ではｐ型クラッド層を設けない方が好ましいことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明によれば、従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができるため、有用である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０    基板
１０Ａ  基板の主面
２０    ＡｌＮ層
３０    ｎ型半導体層
４０    積層体
４０ａ  障壁層
４０ｂ  井戸層
５０    ファイナルバリア層
５０’  ＡｌＧａＮ変質層
６０    ＡｌＮガイド層
７０    ｐ型半導体層
７１    ｐ型電子ブロック層
７２    ｐ型クラッド層
７３    ｐ型コンタクト層
８０    ｎ型電極
９０    ｐ型電極
１００  III族窒化物半導体素子
【図１】
2017034036.tif 000006
【図２】
2017034036.tif 000007
【図３】
2017034036.tif 000008
【図４】
2017034036.tif 000009
【図５】
2017034036.tif 000010
【図７Ａ】
2017034036.tif 000011
【図７Ｂ】
2017034036.tif 000012
【図６】
2017034036.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月23日(2016.9.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型III族窒化物半導体層と、
障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、
ＡｌＮガイド層と、
ｐ型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、
前記ＡｌＮガイド層の厚さが０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記ＡｌＮガイド層がｉ型である、請求項１に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項３】
前記III族窒化物半導体積層体における前記Ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層とが接する、または、
前記III族窒化物半導体積層体における前記Ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記ＡｌＮガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが１．５ｎｍ以下である、請求項１または２に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項４】
前記ファイナルバリア層の厚みが０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である、請求項３に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項５】
前記ｐ型III族窒化物半導体層は、第１ｐ型III族窒化物半導体層および第２ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に有し、
前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは、前記ＡｌＮガイド層よりも小さく、かつ、前記障壁層よりも大きく、
前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドキャップは、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層よりも小さい、請求項１〜４のいずれか１項に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項６】
前記第１ｐ型III族窒化物半導体層と前記第２ｐ型III族窒化物半導体層とが接し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型コンタクト層のみからなる、請求項５に記載のIII族窒化物発光素子。
【請求項７】
ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、
前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、
前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、
前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いて前記ＡｌＮガイド層をエピタキシャル成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、
前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、
前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、
前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、
前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてＡｌＧａＮ変質層をエピタキシャル成長させ、次いで前記トリメチルアルミニウムガスおよび前記トリメチルガリウムガスの供給を止めて前記エピタキシャル成長を中断し、水素を主成分とするキャリアガス雰囲気で前記ＡｌＧａＮ変質層を曝すことにより、前記ＡｌＧａＮ変質層の少なくとも一部を除去すると共に前記ＡｌＮガイド層に変質させ、前記ＡｌＧａＮ変質層の残部をファイナルバリア層とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記第３工程において、前記ＡｌＧａＮ変質層の全部を前記ＡｌＮガイド層に変質させる、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記ＡｌＮガイド層はｉ型である、請求項７〜９のいずれか１項に記載の製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）ｎ型III族窒化物半導体層と、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体と、ＡｌＮガイド層と、ｐ型III族窒化物半導体層と、をこの順に有し、前記ＡｌＮガイド層の厚さが０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満であることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
（３）前記III族窒化物半導体積層体における前記Ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層とが接する、または、
前記III族窒化物半導体積層体における前記Ｎ層目の井戸層と、前記ＡｌＮガイド層との間に、バンドギャップが前記井戸層超かつ前記ＡｌＮガイド層未満のファイナルバリア層を有し、該ファイナルバリア層の厚みが１．５ｎｍ以下である、前記（１）または（２）に記載のIII族窒化物発光素子。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
（５）前記ｐ型III族窒化物半導体層は、第１ｐ型III族窒化物半導体層および第２ｐ型III族窒化物半導体層をこの順に有し、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層のバンドギャップは、前記ＡｌＮガイド層よりも小さく、かつ、前記障壁層よりも大きく、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層のバンドキャップは、前記第１ｐ型III族窒化物半導体層よりも小さい、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のIII族窒化物発光素子。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
（６）前記第１ｐ型III族窒化物半導体層と前記第２ｐ型III族窒化物半導体層とが接し、前記第２ｐ型III族窒化物半導体層がｐ型コンタクト層のみからなる、前記（５）に記載のIII族窒化物発光素子。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
（７）ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガスおよびアンモニアガスからなる原料ガスを用いて前記ＡｌＮガイド層をエピタキシャル成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
（８）ｎ型III族窒化物半導体層を形成する第１工程と、前記ｎ型III族窒化物半導体層上に、障壁層および、該障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層をこの順に交互にＮ層ずつ（但し、Ｎは整数である）積層してなるIII族窒化物半導体積層体を形成する第２工程と、前記III族窒化物半導体積層体上に、厚さ０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下のＡｌＮガイド層を形成する第３工程と、前記ＡｌＮガイド層上に、ｐ型III族窒化物半導体層を形成する第４工程と、を含み、前記第３工程において、トリメチルアルミニウムガス、トリメチルガリウムガスおよびアンモニアガスを含む原料ガスを用いてＡｌＧａＮ変質層をエピタキシャル成長させ、次いで前記トリメチルアルミニウムガスおよび前記トリメチルガリウムガスの供給を止めて前記エピタキシャル成長を中断し、水素を主成分とするキャリアガス雰囲気で前記ＡｌＧａＮ変質層を曝すことにより、前記ＡｌＧａＮ変質層の少なくとも一部を除去すると共に前記ＡｌＮガイド層に変質させ、前記ＡｌＧａＮ変質層の残部をファイナルバリア層とすることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
（９）前記第３工程において、前記ＡｌＧａＮ変質層の全部を前記ＡｌＮガイド層に変質させる、前記（８）に記載の製造方法。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
（１０）前記ＡｌＮガイド層はｉ型である、前記（７）〜（９）のいずれかに記載の製造方法。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図３（Ａ）に上記一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の伝導帯のバンド構造を示す図を示す。図３（Ａ）では、積層体４０におけるＮ層目の井戸層４０ｂと、ＡｌＮガイド層６０とが接するようにこれらの層を設けている。換言すれば、積層体４０とＡｌＮガイド層６０とを隣接して設けている。素子寿命を向上することができる理由が理論的に明らかになったわけではないが、本発明者らはその理由を以下のように考えている。すなわち、ＡｌＮガイド層が厚すぎれば、正孔が十分に積層体へ注入されず、動作電圧が高くなるばかりか、積層体からのキャリアの漏れを促進させてしまい非発光再結合など、非効率なキャリアの消費となりうる。薄い層でキャリアのブロックが可能であれば、正孔の注入が促進される。そのため、ＡｌＮガイド層６０を適切な厚みで設けることで、発光出力と共に、III族窒化物半導体発光素子１００の素子寿命を向上することができたのだと推測される。さらに、ＡｌＮガイド層６０の厚さを０．５ｎｍ超２．０ｎｍ未満とすると、発光出力をより確実に増大させることもできるため好ましく、この目的のために厚さを０．７ｎｍ以上１．７ｎｍ以下とすることがより好ましく、０．８ｎｍ以上１．５ｎｍ以下とすることが特に好ましい。
以上、本実施形態により、従来よりも優れた素子寿命および優れた発光出力を共に有するIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
ここで、図２の模式図および図３（Ｂ）のバンド構造に示すように、III族窒化物半導体発光素子１００は、積層体４０におけるＡｌＮガイド層６０側のＮ層目の井戸層４０ｂと、ＡｌＮガイド層６０との間に、バンドギャップが井戸層４０ａ超かつＡｌＮガイド層６０未満のファイナルバリア層５０を更に有することも好ましい。ファイナルバリア層５０としてＡｌＣＧａ１−ｃＮ材料を用いる場合、ファイナルバリア層５０のＡｌ組成比ｃは、ｂ＜ｃ＜１であり、ａ≦ｃ＜１であることが好ましい。この場合、ファイナルバリア層５０の厚みを１．５ｎｍ以下とする。０．１ｎｍ以上１．０ｎｍ以下と、従来技術で用いられるファイナルバリア層５０の厚みよりも非常に薄いことがより好ましい。ＡｌＮガイド層６０の導入による素子寿命改善効果は、ファイナルバリア層５０の厚みが１．５ｎｍ以下であれば確実に得られるが、該層５０の厚みを１．０ｎｍ以下とすることで、上述した寿命改善効果がより確実に得られる上、III族窒化物半導体発光素子の発光出力を高めることができる。これは、ファイナルバリア層５０の厚みが１．０ｎｍを越えると、積層体４０からのキャリアがファイナルバリア層５０とＡｌＮガイド層６０との界面にて、２次元的な井戸へとオーバーフローすることで、注入効率が低下する場合があるからだと推測される。変質によってファイナルバリア層の一部がＡｌＮガイド層となる場合、ファイナルバリア層５０の厚みが０．１ｎｍ以上であれば、変質の影響を受けない１原子層が残ることで、井戸層４０の変質を避けることができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９５】
【表２】
2017034036.tif 000014