(57)【要約】本開示は、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型ドーパントにドーピングされたｐ型窒化物半導体層、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に位置して、電子と正孔の再結合を通じて光を生成するように量子井戸層を具備する活性層、および、量子井戸層とｐ型窒化物半導体層の間で量子に接触するように位置して、ｐ型窒化物半導体層との界面が滑らかになるようにその表面を形成して、ｐ型ドーパントの量子井戸層での拡散を防止する拡散防止膜を含むことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子に関するものである。
2012502497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型窒化物半導体層、
ｐ型ドーパントにドーピングされたｐ型窒化物半導体層、
ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に位置して、電子と正孔の再結合を通じて光を生成するように量子井戸層を具備する活性層、
および、量子井戸層とｐ型窒化物半導体層の間で量子に接触するように位置して、ｐ型窒化物半導体層との界面が滑らかになるようにその表面を形成して、ｐ型ドーパントの量子井戸層での拡散を防止する拡散防止膜を含むことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
ｐ型窒化物半導体層が、拡散防止膜と接する領域で１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有することを特徴とする、請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
ｐ型窒化物半導体層が、拡散防止膜と接する領域より低いドーピング濃度を有する領域をさらに含むことを特徴とする、請求項２に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
量子井戸層が、ｐ型ドーパントに対して１×１０１８／ｃｍ３未満の平均ドーピング濃度を有することを特徴とする、請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
ｐ型窒化物半導体層が、拡散防止膜と接する領域で１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有することを特徴とする、請求項４に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
拡散防止膜が、ｐ型窒化物半導体層と量子井戸層の間で５０％以上のドーピング濃度差を有することを特徴とする、請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
ｐ型ドーパントが、Ｍｇであることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
拡散防止膜が、３族元素であるＧａと、Ｇａの表面移動距離を増加させることができる活性役割をする要素としてＩｎを含むことを特徴とする、請求項１に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
拡散防止膜が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなり、ｘは０．０１以上の値を有することを特徴とする、請求項８に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
拡散防止膜が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなり、ｘは０．０２以上の値を有することを特徴とする、請求項９に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
拡散防止膜が、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなり、ｘは０．０３以上の値を有することを特徴とする、請求項１０に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項１２】
活性層が、量子井戸層を基準に拡散防止膜の反対側に位置する障壁層を含み、障壁層は拡散防止膜より少ない量のＩｎを含むことを特徴とする、請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項１３】
拡散防止膜が、エネルギー障壁を高めるＡｌをさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の３族窒化物半導体発光素子。
【請求項１４】
ｎ型窒化物半導体層と、
ｐ型ドーパントにドーピングされたｐ型窒化物半導体層、
ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に位置して、電子と正孔の再結合を通じて光を生成するように量子井戸層を具備する活性層、
量子井戸層とｐ型窒化物半導体層の間で量子に接触するように位置して、３族元素であるＧａ（ガリウム）と、Ｇａの表面移動距離を増加させることができる活性役割をする要素としてＩｎを通じて形成された表面を具備して、ｐ型ドーパントの量子井戸層での拡散を防止する拡散防止膜、
および、活性層内で、量子井戸層を基準に拡散防止膜の反対側に位置して、拡散防止膜より少ない量のＩｎを含有した障壁層を含むことを特徴とする３族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に３族窒化物半導体発光素子に関するもので、特に最後の量子井戸層へのＭｇの拡散を防止する拡散防止膜を具備した３族窒化物半導体発光素子に関するものである。ここで、３族窒化物半導体発光素子は、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（ｙ）Ｉｎ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる化合物半導体層を含む発光ダイオードのような発光素子を意味し、追加的にＳｉＣ、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＣＮのような異なる族の元素からなる物質やそれらの物質からなる半導体層を含むことを排除するものではない。
【背景技術】
【０００２】
ここでは、本開示に関する背景技術を提供するが、これらが必ず公知技術を意味するものではない。
【０００３】
図１は、従来の３族窒化物半導体発光素子の一例を示した図で、３族窒化物半導体発光素子は、基板１００、基板１００上に成長するバッファー層２００、バッファー層２００上に成長するｎ型窒化物半導体層３００、ｎ型窒化物半導体層３００上に成長する活性層４００、活性層４００上に成長するｐ型窒化物半導体層５００、ｐ型窒化物半導体層５００上に形成されるｐ側電極６００、ｐ側電極６００上に形成されるｐ側ボンディングパッド７００、そしてｐ型窒化物半導体層５００と活性層４００がメサエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層上に形成されるｎ側電極８００を含む。
【０００４】
基板１００は、同種基板としてはＧａＮ系基板が用いられ、異種基板ではサファイア基板、ＳｉＣ基板またはＳｉ基板などが用いられるが、窒化物半導体層が成長することができる基板ならどのような形態でも良い。ＳｉＣ基板を使用する場合にｎ側電極８００は、ＳｉＣ基板側に形成することができる。
【０００５】
基板１００上に成長する窒化物半導体層は、主にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）によって成長する。
【０００６】
バッファー層２００は、異種基板１００と窒化物半導体間の格子定数及び熱膨脹係数の差を克服するためのものであり、特許文献１にはサファイア基板上に３８０℃から８００℃の温度で１００Åから５００Åの厚さを有するＡｌＮバッファー層を成長させる技術が記載されていて、特許文献２にはサファイア基板上に２００℃から９００℃の温度で１０Åから５０００Åの厚さを有するＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０≦ｘ＜１）バッファー層を成長させる技術が記載されていて、特許文献３には、６００℃から９９０℃の温度でＳｉＣバッファー層（種層）を成長させた後、その上にＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）層を成長させる技術が記載されている。ｎ型窒化物半導体層３００を成長させる前に、バッファー層２００上にドーピングされないＧａＮ層を形成することが好ましい。
【０００７】
ｎ型窒化物半導体層３００は、少なくともｎ側電極８００が形成された領域（ｎ型コンタクト層）が不純物でドーピングされ、ｎ型コンタクト層はＧａＮからなることが好ましく、Ｓｉでドーピングされる。特許文献４には、Ｓｉと異なるソース物質の混合比を調節することで所望するドーピング濃度でｎ型コンタクト層をドーピングする技術が記載されている。
【０００８】
活性層４００は、電子と正孔の再結合を通じて光子（光）を生成する層であり、主にＩｎ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ≦１）からなり、一つの量子井戸層や複数個の量子井戸層で構成される。
【０００９】
ｐ型窒化物半導体層５００は、Ｍｇ（マグネシウム）のような適切な不純物を用いてドーピングされ、活性化工程を経てｐ型伝導性を有する。特許文献５には、電子ビームの照射によってｐ型窒化物半導体層を活性化させる技術が記載されていて、特許文献６には、４００℃以上の温度で熱処理（アニーリング）することでｐ型窒化物半導体層を活性化させる技術が記載されていて、特許文献７には、ｐ型窒化物半導体層成長の窒素前駆体としてアンモニアとヒドラジン系ソース物質を一緒に用いることによって、活性化工程なしにｐ型窒化物半導体層がｐ型伝導性を有するようにする技術が記載されている。
【００１０】
ｐ側電極６００は、ｐ型窒化物半導体層５００全体に電流がよく供給されるようにするために具備されるものであり、特許文献８には、ｐ型窒化物半導体層のほとんど全面にわたって形成して、ｐ型窒化物半導体層５００とオーミック接触してＮｉとＡｕからなる透光性電極に関する技術が記載されていて、特許文献９には、ｐ型窒化物半導体層上にｎ型超格子層を形成した後、その上にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）からなる透光性電極を形成する技術が記載されている。
【００１１】
一方、ｐ側電極６００が光を透過させることができないように、すなわち光を基板側に反射するように厚い厚さを有するように形成することができるが、このような技術をフリップチップ技術という。特許文献１０には、２０ｎｍ以上の厚さを有するＡｇ層、Ａｇ層を覆う拡散防止層、そして拡散防止層を覆うＡｕとＡｌからなるボンディング層を含む電極構造に関する技術が記載されている。
【００１２】
ｐ側ボンディングパッド７００とｎ側電極８００は、電流の供給と外部へのワイヤーボンディングのためのものであり、特許文献８には、ｎ側電極をＴｉとＡｌで構成した技術が記載されている。
【００１３】
一方、ｎ型窒化物半導体層３００やｐ型窒化物半導体層５００は、単一層や複数の層で構成することができ、最近はレーザーまたは湿式エッチングを通じて基板１００を窒化物半導体層から分離して垂直型発光素子を製造する技術が導入されている。
【００１４】
図２は、特許文献１１で言及されたｐ型窒化物半導体層のＭｇドーピングプロファイルの一例を示した図で、ｐ型窒化物半導体層５００は、活性層４００側に位置するｐ型クラッド層５１０、低濃度層５２０、ｐ型接触層５３０で構成される。低濃度層５２０は、２０００Å厚さのドーピングされないＧａＮからなり、静電気放電（ＥＳＤ）特性向上に寄与する。ｐ型接触層５３０は、ｐ側電極６００との接触のためのものであり、１２００Å厚さの１×１０２０／ｃｍ３の高濃度でＭｇドーピングされたＧａＮからなる。一方、ｐ型クラッド層５１０は、発光素子の順方向電圧を下げる一方、光効率向上のために、３００Å厚さの５×１０１９／ｃｍ３の高濃度でＭｇドーピングされたＡｌＧａＮからなる。ここで、低濃度層５２０はドーピングされないが、ｐ型接触層５３０及びｐ型クラッド層５１０からＭｇが拡散して１×１０１９より小さいけれど相当程度のドーピング濃度を有する。
【００１５】
したがって、ｐ型クラッド層５１０のドーピングは、ＥＤＳ特性改善のために導入したドーピングされないＧａＮ層に影響を与えるということが分かり、本発明等は、ｐ型窒化物半導体層５００にドーピングされたｐ型不純物あるいはｐ型ドーパント（例：Ｍｇ）が活性層４００にどのような影響を及ぼすのかについて関心を持つようになった。
【００１６】
一方、特許文献１２には、複数個の量子井戸層で構成された活性層４００の発光を制御する方法が提示されていて、それによると複数個の量子井戸層において、発光は主にｐ型窒化物半導体層５００側に位置した量子井戸層で起きることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５，１２２，８４５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，２９０，３９３号明細書
【特許文献３】国際公開第０５／０５３０４２号
【特許文献４】米国特許第５，７３３，７９６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，２４７，５３３号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３０６，６６２号明細書
【特許文献７】国際公開第０５／０２２６５５号
【特許文献８】米国特許第５，５６３，４２２号明細書
【特許文献９】米国特許第６，５１５，３０６号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，１９４，７４３号明細書
【特許文献１１】国際公開第００／０５９０４６号
【特許文献１２】国際公開第０７／００４７６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ここでは、本開示の全体的な要約を提供するが、これが本開示の範囲を限定するものと理解されてはならない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本開示による一態様によると、ｎ型窒化物半導体層；ｐ型ドーパントでドーピングされたｐ型窒化物半導体層；ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に位置して、電子と正孔の再結合を通じて光を生成するように量子井戸層を具備する活性層；そして、量子井戸層とｐ型窒化物半導体層の間で両方に接触するように位置して、ｐ型窒化物半導体層との界面が滑らかになるようにその表面を形成して、ｐ型ドーパントの量子井戸層での拡散を防止する拡散防止膜；を含むことを特徴とする、３族窒化物半導体発光素子を提供する。ここで、拡散防止膜は活性層の観点から最後の障壁層を意味する。
【００２０】
本開示による異なる態様によると、ｎ型窒化物半導体層；ｐ型ドーパントでドーピングされたｐ型窒化物半導体層；ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層の間に位置して、電子と正孔の再結合を通じて光を生成するように量子井戸層を具備する活性層；量子井戸層とｐ型窒化物半導体層の間で両方に接触するように位置して、３族元素であるＧａ（ガリウム）と、Ｇａの表面移動距離を増加させることができる活性役割をする要素（Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）としてＩｎによって形成された表面を具備して、ｐ型ドーパントの量子井戸層への拡散を防止する拡散防止膜；そして、活性層内で、量子井戸層を基準に拡散防止膜の反対側に位置して、拡散防止膜より少ない量のＩｎを含有した障壁層；を含むことを特徴とする、３族窒化物半導体発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本開示の３族窒化物半導体発光素子の一つによると、ｐ型窒化物半導体層にドーピングされたｐ型ドーパント（例：Ｍｇ）から活性層を保護することができる。
【００２２】
また、本開示によるまた他の３族窒化物半導体発光素子によると、ＥＳＤ特性改善構造を有するｐ型窒化物半導体層から活性層を保護することができる。
【００２３】
また、本開示によるまた他の３族窒化物半導体発光素子によると、活性層の最後の障壁層表面の粗さを改善することによって、活性層の最後の量子井戸層を高濃度にドーピングされたｐ型窒化物半導体層から保護することができる。
【００２４】
また、本開示によるまた他の３族窒化物半導体発光素子によると、残り領域の活性層の構造を変更しなくても、最後の障壁層の構造を改善することによって発光素子の内部量子効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の３族窒化物半導体発光素子の一例を示した図である。
【図２】国際公開第００／０５９０４６号で言及されたｐ型窒化物半導体層のＭｇドーピングプロファイルの一例を示した図である。
【図３】本開示による３族窒化物半導体発光素子の一例を示した図である。
【図４】本開示で検討された活性層の一例を示した図である。
【図５】図４の構造活性層の最後の障壁層のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージを示した図である。
【図６】図４の構造活性層のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージを示した図である。
【図７】本開示で検討された活性層の異なる例を示した図である。
【図８】図７に示された活性層の最後の障壁層のＡＦＭイメージを示した図である。
【図９】ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｏｒｍｅｔｒｙ）装備で測定されたＭｇのドーピングプロファイルを示した図である。
【図１０】発光素子１及び発光素子２のＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定結果を示した図である。
【図１１】発光素子１及び発光素子２のＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定結果を示した図である。
【図１２】活性役割をする要素としてのＩｎの量と表面粗さ及びＶ型ピットの密度の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本開示を添付した図面を参照して詳しく説明する。
【００２７】
図３は、本開示による３族窒化物半導体発光素子の一例を示した図で、３族窒化物半導体発光素子は、基板１０、基板１０上に成長するバッファー層２０、バッファー層２０上に成長するｎ型窒化物半導体層３０、ｎ型窒化物半導体層３０上に成長する活性層４０、活性層４０上に成長するｐ型窒化物半導体層５０、ｐ型窒化物半導体層５０上に形成されるｐ側電極６０、ｐ側電極６０上に形成されるｐ側ボンディングパッド７０、そしてｐ型窒化物半導体層５０と活性層４０がメサエッチングされて露出したｎ型窒化物半導体層上に形成されるｎ側電極８０を含む。活性層４０は、複数個の量子井戸層と複数個の障壁層で構成される。
【００２８】
図４は、本開示で検討された活性層の一例を示した図で、活性層４０は、ｎ側からＧａＮからなる複数個の量子障壁層（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５）とＩｎＧａＮからなる複数個の量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）が相互に積層されていて、ｐ側に最後の量子井戸層（Ｗ５；ｌａｓｔ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｌａｙｅｒ）と最後の障壁層（Ｂ６；ｌａｓｔ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｌａｙｅｒ）が位置している。図９に示されたように、この活性層４０（Ｓ１で表示）に対してｐ型窒化物半導体層５０にドーピングされたＭｇ（マグネシウム）の拡散プロファイルを調査したところ、２×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度を有するｐ型ＧａＮを用いた場合に、最後の障壁層（Ｂ６；ＬａｓｔＱＢ）は、１×１０１９／ｃｍ３程度のドーピング濃度を持続的に示し、これによって最後の量子井戸層（Ｗ５；ＬａｓｔＱＷ）の場合にも平均的に３×１０１８／ｃｍ３の程度の高いドーピング濃度を示すということが分かった。
【００２９】
本発明者等は、Ｍｇがｐ型窒化物半導体層５０から、最後の障壁層（Ｂ６）を経て、最後の量子井戸層（Ｗ５）で拡散するメカニズムを把握するため、活性層４０の表面写真を検討した。
【００３０】
図５は、図４の構造活性層の最後の障壁層のＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージを示した図で、多数の非定型的なグレーン（Ｇｒａｉｎ）が形成されて非常に粗い表面を有することが分かる。ここでサンプルは、基板１０としてサファイア基板を準備した後、その上に約３０ｎｍ厚さのＳｉＣ／ＩｎＧａＮからなるバッファー層２０を形成して、その上にドーピングされない２μｍ厚さのＧａＮ層を形成した後、ｎ型窒化物半導体層３０として、シリコンが５×１０１８／ｃｍ３程度にドーピングされた２μｍ厚さのｎ型ＧａＮ層を成長させた後、さらに１００Å厚さのＧａＮからなった障壁層（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５）と３０Å厚さのＩｎＧａＮからなる量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５）を５周期成長させて、ＧａＮからなる最後の障壁層（Ｂ６）を成長させることで形成した。ここで、最後の障壁層（Ｂ６）は、圧力３５０ｔｏｒｒ、温度８５０℃で、３族ソースにＴＥＧａ  ２００ｓｃｃｍと、５族ソースにアンモニア３０ｌを使用して、０．５Å／秒の速度で１５ｎｍの厚さに成長した。
【００３１】
図６は、図４の構造活性層のＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）イメージを示した図で、活性層４０の表面に複数のＶ型ピット（Ｐｉｔ）が形成されていることが分かる。
【００３２】
これを基に、本発明者等は、Ｍｇが最後の障壁層（Ｂ６）の粗い表面及びＶ型ピットとｐ層窒化物半導体層５０の界面を通じて最後の量子井戸層（Ｗ５）に拡散することを予想して、最後の障壁層（Ｂ６）においてこの拡散を防止する方法を検討した。Ｖ型ピットは、薄膜のスレッディングディスロケーション（ｔｈｒｅａｄｉｎｇ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）から始まり最後の障壁層（Ｂ６）で制御しにくいので、最後の障壁層（Ｂ６）の表面粗さを改善する方法を検討した。これは、薄膜成長の中で成長表面で３族元素（例：ガリウム）の移動距離を長くすることで可能であるが、その原理は成長表面で３族元素の移動距離が増加するようになると、３族元素が表面エネルギーが安定した所を捜して位置するようになる確率が高くなるため表面の粗さが減少するようになるのである。このように３族元素の表面移動距離を増加させる方法として、５族元素（例：窒素）の供給を減らして３族元素が５族元素である窒素元素と結合する時間を遅延させる方法、薄膜の成長速度を遅くして次の層が積層されるまでの時間を確保して３族の移動距離を増加させる方法、及び／または３族元素の表面移動距離を増加させることができる活性役割をする要素を添加する方法などを挙げることができる。
【００３３】
一方、最後の障壁層（Ｂ６）の厚さを増加させる方法によって、Ｍｇ拡散に対する障壁を構成する方法を考えることができるが、発光素子の動作電圧を高める副作用を招来し得るので、本開示とともに付加的に考慮され得る事項とすることができるであろう。
【００３４】
図７は、本開示で検討された活性層の異なる例を示した図で、最後の障壁層（Ｂ６）が、残り障壁層（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５）より小さなバンドギャップエネルギーを有する。この活性層４０は、３族元素の表面移動距離を増加させることができる活性役割をする要素としてＩｎ（インジウム）を使用して、成長条件を調節して形成した。ここで、圧力３５０ｔｏｒｒ、温度８５０℃で、３族ソースにＴＥＧａ  ２００ｓｃｃｍと、５族ソースにアンモニア３０ｌと、表面活性役割をするＴＭＩｎを３００ｓｃｃｍ用いて、０．５Å／秒の速度で１５ｎｍの厚さに成長した。ここで、成長した最後の障壁層（Ｂ６）のインジウム含量は約３％程度であることが、Ｘ−ｒａｙ及びＰＬ測定によって推定された。
【００３５】
図８は、図７に示された活性層の最後の障壁層のＡＦＭイメージを示した図で、最後の障壁層（Ｂ６）の粗さ及びモルフォロジーが大きく改善したことが分かる。
【００３６】
この活性層４０に対してｐ型窒化物半導体層５０にドーピングされたＭｇの拡散プロファイルを調査したところ（図９のＳ２参照）、図４の構造の活性層４０と異なり、最後の障壁層（Ｂ６；Ｌａｓｔ−ＱＢ）内で、１×１０１９／ｃｍ３程度のドーピング濃度から１×１０１８／ｃｍ３程度のドーピング濃度にＭｇ拡散の顕著な防止が起きたことが分かり、最後の量子井戸層（Ｗ５；Ｌａｓｔ−ＱＷ）内で５×１０１７／ｃｍ３程度のドーピング濃度を有することが分かる。
【００３７】
これを基に、最後の量子井戸層（Ｗ５）に対するＭｇの拡散程度が発光素子の特性にどのような影響を及ぼすかを知るために、次のように２個の発光素子を製作した。２個の発光素子は、図３に示した構造を有し、単に活性層４０の構造においてのみ差異を有する。
【００３８】
発光素子１
【００３９】
５個のＩｎＧａＮからなった量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５）と６個のＧａＮからなった障壁層（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６）構造の活性層４０を有する発光素子を製作した。４個の量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）は、４４５ｎｍの波長を有するように設計され、最後の量子井戸層（Ｗ５）は区分のために４７５ｎｍの波長を有するように設計された。ここで、波長は成長温度を調節することで区分した。
【００４０】
発光素子２
【００４１】
発光素子１とすべての条件を同じにするが、ただ最後の障壁層（Ｂ６）に対してはその表面粗さを異にした発光素子を構成した。
【００４２】
発光素子１及び発光素子２は、次のような条件で形成した。
【００４３】
基板１０として、４２０μｍ厚のＣ−ｐｌａｎｅサファイア基板をＭＯＣＶＤ装備に装着後、まず、１１００℃程度で５分間先行ベーキングを実施した後、反応器の温度を５５０℃まで下げて、３０ｎｍ厚のＳｉＣ／ＩｎＧａＮからなったバッファー層３０を成長させた。次に、１０５０℃の反応器温度でドーピングされない２μｍ厚のＧａＮ層を成長させて、ｎ型窒化物半導体層３０とし、シリコンが５×１０１８／ｃｍ３程度にドーピングされたｎ型ＧａＮ層を２μｍ程度成長させた。再び反応器の温度を活性層４０の温度に合うように下げた後、窒素キャリア雰囲気で１００Å厚のＧａＮからなる障壁層（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５）と３０Å厚のＩｎＧａＮからなる量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４：波長４４５ｎｍ、成長温度７５０℃）と量子井戸層（Ｗ５：波長４７５ｎｍ、成長温度７３０℃）を順番どおりに５周期成長させた。ここで、障壁層（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５）と量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５）の間の成長温度差を１００℃程度に維持した。
【００４４】
次に、発光素子１では、１５０Å厚のＧａＮからなる最後の障壁層（Ｂ６）を形成した。ここで、最後の障壁層（Ｂ６）は圧力３５０ｔｏｒｒ、温度８５０℃で、３族ソースにＴＥＧａ  ２００ｓｃｃｍと、５族ソースにアンモニア３０ｌを用いて、０．５Å／秒の速度で１５ｎｍの厚さに成長した。
【００４５】
発光素子２では、１５０Å厚のＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎからなる最後の障壁層（Ｂ６）を形成した。ここで、圧力３５０ｔｏｒｒ、温度８５０℃で、３族ソースにＴＥＧａ  ２００ｓｃｃｍと、５族ソースにアンモニア３０ｌと、表面活性の役割をするＴＭＩｎを３００ｓｃｃｍ用いて、０．５Å／秒の速度で１５ｎｍの厚さに成長した。
【００４６】
次に、ｐ型窒化物半導体層５０として、その上に２×１０１９／ｃｍ３程度のＭｇドーピング濃度を有する１５０ｎｍ厚のｐ型ＧａＮ層を約１０００℃で成長させた。
【００４７】
最後に、発光素子１及び発光素子２を６００×２５０μｍサイズのチップに製作した。
【００４８】
図１０は、発光素子１及び発光素子２のＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定結果を示した図で、４４５ｎｍ波長では発光素子１（Ｓ１で表示）と発光素子２（Ｓ２で表示）の発光強度（ＰＬ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）がほとんど同じである一方、４７５ｎｍ波長では発光素子２が７２％程度の改善を示した。先に、ＳＩＭＳ結果でも観察したように、Ｍｇの影響を受けない量子井戸層（Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４）の内部量子効率は、二つの発光素子が同一であることを意味し、反対にＳＩＭＳ結果、Ｍｇの拡散の影響を受けた最後の量子井戸層（Ｗ５）は、拡散したＭｇ不純物の量によってその内部量子効率に大きな差が出ることを意味する。
【００４９】
図１１は、発光素子１及び発光素子２のＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定結果を示した図で、ホールキャリアの相対的に大きな重さ（有効質量）と低い移動度によって４４５ｎｍの量子井戸層での発光が相対的に低く観察されたが、ＰＬ結果と類似に４７５ｎｍ波長で、Ｍｇ不純物の影響を少なく受けた発光素子２（Ｓ２で表示）の発光強度（ＥＬ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が、発光素子１（Ｓ１で表示）の発光強度（ＥＬ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）に比べて１５％程度改善を示した。これは、最後の井戸層（Ｗ５）に浸透したＭｇが発光強度（ＥＬ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）に敏感に影響を及ぼすことを意味している。
【００５０】
ＰＬ及びＥＬ測定結果から、Ｍｇの拡散が少ない最後の量子井戸層（Ｗ５）を有する発光素子２が優れた発光特性を有することが分かり、これは最後の障壁層（Ｂ６）の表面粗さ及び／またはモルフォロジーを改善することで、活性層４０とｐ型窒化物半導体層５０の間の界面を滑らかに形成することができ、これを通じてＭｇの拡散を防止することで、最後の量子井戸層（Ｗ５）を含む活性層４０の内部量子効率が改善したためであると判断される。
【００５１】
以下、本開示の多様な実施形態に対して説明する。
【００５２】
（１）ｐ型窒化物半導体層５０がＥＳＤ特性改善のために、ドーピングされない層または低濃度にドーピングされた層を具備することができ、ここで、ｐ型窒化物半導体層５０は、活性層４０での円滑な電流供給のためにＭｇが高濃度（例：２×１０１９／ｃｍ３）にドーピングされた層をさらに具備しなければならない。本開示は、このようなｐ型ドーパントのドーピングプロファイルを有するｐ型窒化物半導体層５０を使用した場合に、特に有用に活性層４０をＭｇの拡散から保護することができる。
【００５３】
（２）ｐ型ドーパント（例：Ｍｇ）のドーピングプロファイルの観点から、本開示は最後の障壁層（Ｂ６）と触れ合うｐ型窒化物半導体層５０の領域が１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有する場合に、最後の量子井戸層（Ｗ５）内の平均濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満すなわち、１０１７／ｃｍ３オーダーまたはそれ以下のドーピング濃度を有することが好ましい。
【００５４】
最後の障壁層（Ｂ６）の観点からすると、図９において１×１０１９／ｃｍ３から１×１０１８／ｃｍ３に急激な減少を見せるが、ｐ型窒化物半導体層５０のドーピング濃度に関係なく、最後の障壁層（Ｂ６）とｐ型窒化物半導体層５０の界面と比較する時、最後の障壁層（Ｂ６）と最後の量子井戸層（Ｗ５）の界面でのドーピング濃度が５０％以上の減少効果をもたらすのならその効果を期待することができるであろう。
【００５５】
（３）ｐ型ドーパントと関連して、本開示ではＭｇに対して検討したが、Ｚｎのような異なるｐ型ドーパントに対しても適用が可能だろう。
【００５６】
（４）最後の障壁層（Ｂ６）の表面粗さを解消することに関連して、３族元素の表面移動距離を増加させる際において、３族元素の表面移動距離を増加させることができる活性役割をする要素（Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）としてＩｎ（インジウム）を添加する場合において、度が過ぎるＩｎの添加は最後の障壁層（Ｂ６）のエネルギー障壁が低くなって発光素子の発光効率を減少させる心配がある。
【００５７】
図１２は、活性役割をする要素としてのＩｎの量と表面粗さ及びＶ型ピットの密度の関係を示した図で、ＧａＮからなる最後の障壁層（Ｂ６）の粗さを改善するためにＩｎを投入した時の表面粗さとＶ型ピットの密度の変化を示している。Ｉｎが投入されたＧａＮをＩｎｘＧａ１−ｘＮで示す時、Ｉｎが１％（ｘ＝０．０１）程度投入された時から、表面粗さが７Åから６Åに１５％程度が改善することがみられ、Ｉｎの含量を増加させるほど表面粗さが持続的に改善して３％程度で最低値を示した後、５％で再び若干増加することが観察された（１０×１０μｍ２に該当の表面に対してＲＭＳ（Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ）粗さを計算した）。したがって、活性役割をする要素としてのＩｎの量（ｘ）は、表面平坦化効果を考慮してその下限が０．０１以上の値を有することが好ましく、ｘは０．０２以上の値を有することがさらに好ましい。一方、ｘが０．０３で表面粗さが最も大きく改善したことが示され、このような点を勘案して本開示によるｘ値の範囲をｘが０．０３以上の値を有することに限定することもできるであろう。
【００５８】
（５）一方、本発明者等の理解によると、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなった障壁層を用いる発光素子において（一般的にすべての障壁層のｘ値は同一である）、ｘが０．０１以上になると、エネルギー障壁が低くなって量子井戸層に電子閉じ込める現象が悪くなり、また活性層全体のインジウム含量が増加しながらストレーンなどによって活性層薄膜の品質が悪くなり、発光素子の効率が急激に落ちるようになる。したがって、本適用例においては、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる複数個の障壁層が使用される場合に、最後の障壁層（Ｂ６）のみをｘが０．０１以上になるようにして、残り障壁層はｘが０．０１未満の値を有するように形成することができる。
【００５９】
したがって、本適用例は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮからなる最後の障壁層（Ｂ６）のｘは、残り障壁層のｘより大きい０．０１以上の値を有するように形成することができ、さらに好ましくは、０．０２以上の値を有する。一方、ｘが大き過ぎるとエネルギー障壁が過度に低くなってＭｇの拡散を防止することで改善する最後の量子井戸層での効率向上を相殺するようになるので、このような点を勘案する時、ｘが０．１５以上の値を有するには無理がともなう。
【００６０】
（６）最後の障壁層（Ｂ６）のエネルギー障壁が低くなることを防止するため、エネルギー障壁を高める役割をするＡｌ（アルミニウム）を追加することも可能である。
【００６１】
（７）最後の障壁層（Ｂ６）の厚さは、その上限に特別な制限があるのではないが、あまり厚くなるとＭｇ拡散防止には役に立つが、発光素子全体の観点で抵抗として働き発光素子の動作電圧を上昇させ得るし、また電子に比べて非常に低い移動度（電子の約１／２０倍）と非常に大きな有効質量（電子の約５倍）を有するホール（Ｈｏｌｅ）の損失が発生し得るという点を考慮しなければならない。このような観点から、１０００Å以上にすることはとても難しいだろう。その下限は、Ｍｇ拡散防止のために５０Å以上の厚さを有することが好ましい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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