半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法
【課題】高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子、ウェーハ及びそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、第１層と第２層と発光部と第１積層構造体と第２積層構造体とを備えた半導体発光素子が提供される。第１層は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。第２層は、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。発光部は、第１層と第２層との間に設けられ、障壁層と井戸層とを含む。第１積層構造体は、第１層と発光部との間に設けられる。第１積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。第２積層構造体は、第１層と第１積層構造体との間に設けられる。第２積層構造体は、ＧａＮを含む複数の第５層と、複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【解決手段】実施形態によれば、第１層と第２層と発光部と第１積層構造体と第２積層構造体とを備えた半導体発光素子が提供される。第１層は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。第２層は、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。発光部は、第１層と第２層との間に設けられ、障壁層と井戸層とを含む。第１積層構造体は、第１層と発光部との間に設けられる。第１積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。第２積層構造体は、第１層と第１積層構造体との間に設けられる。第２積層構造体は、ＧａＮを含む複数の第５層と、複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、半導体発光素子やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）素子等の各種の半導体素子に用いられている。このような窒化物半導体においては、ＧａＮ結晶との間の格子不整合による高密度の貫通転移により素子の特性が制約を受ける。
【０００３】
例えば窒化物半導体を用いた半導体発光素子である近紫外光のＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（例えば発光波長が例えば４００ｎｍ以下）は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低いことが問題となっている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた近紫外光のＬＥＤの効率を向上するために、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、半導体発光素子に含まれる種々の層の条件を制御する構成が提案されている。しかしながら、近紫外光のＬＥＤの効率の向上のためには改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７１３０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子、ウェーハ及びそれらの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、第１層と、第２層と、発光部と、第１積層構造体と、第２積層構造体と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１層は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。前記第２層は、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。前記発光部は、前記第１層と前記第２層との間に設けられる。前記発光部は、障壁層と井戸層とを含む。前記第１積層構造体は、前記第１層と前記発光部との間に設けられる。前記第１積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。前記第２積層構造体は、前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられる。前記第２積層構造体は、ＧａＮを含む複数の第５層と、前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、第１層と、第２層と、発光部と、第１積層構造体と、第２積層構造体と、を含むウェーハが提供される。前記第１層は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。前記第２層は、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。前記発光部は、前記第１層と前記第２層との間に設けられる。前記発光部は、障壁層と井戸層とを含む。前記第１積層構造体は、前記第１層と前記発光部との間に設けられる。前記第１積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。前記第２積層構造体は、前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられる。前記第２積層構造体は、ＧａＮを含む複数の第５層と、前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法が提供される。前記製造方法は、サファイア層のｃ面を主面とした基板上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を形成することを含む。前記製造方法は、前記単結晶バッファ層の上にＧａＮ層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｐ形半導体層の形成の後に、前記基板を除去することをさらに含む。
【００１０】
本発明の別の実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法が提供される。前記製造方法は、サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成することを含む。前記製造方法は、前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。
【００１１】
本発明の別の実施形態によれば、ウェーハの製造方法が提供される。前記製造方法は、サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成することを含む。前記製造方法は、前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子、ウェーハ及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図５】第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図６】第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図７】第６の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図８】第６の実施形態に係る別のウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図９】第７の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
【図１０】第８の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１と、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１と、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられた発光部１４０と、を有する。
第１層１３１、発光部１４０及び第２層１５１は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。第１層１３１は、例えばＳｉを含み、第２層１５１は、例えば、Ｍｇを含む。
【００１６】
発光部１４０は、第１障壁層１４１と、第２障壁層１４２と、井戸層１４３と、からなる単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有する。第１障壁層１４１は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。第２障壁層１４２は、第１障壁層１４１と第２層１５１との間に設けられる。井戸層１４３は、第１障壁層１４１と第２障壁層１４２との間に設けられる。
なお、第１障壁層１４１、井戸層１４３及び第２障壁層１４２は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。
【００１７】
第１障壁層１４１は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む。
第２障壁層１４２は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む。なお、ｘ２はｘ１と同じでも良く、異なっても良い。また、ｙ２は、ｙ１と同じでも良く、異なっても良い。特に、ｘ２＜ｘ１であると特に望ましい。
【００１８】
井戸層１４３は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。すなわち、井戸層１４３は、Ｇａ１−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０＜ｙ０≦１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。
井戸層１４３は、４．５ナノメートル（ｎｍ）以上９ｎｍ以下の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）を有する。
【００１９】
井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３の発光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。すなわち、発光部１４０の発光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、近紫外光を発光する。
【００２０】
上記の構成を有することで、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、高効率に近紫外光を発光することができる。
【００２１】
本具体例においては、第１層１３１として、Ｓｉを含有するｎ形閉じ込め層が用いられる。また、第２層１５１として、Ｍｇを含有するｐ形ＡｌＧａＮからなるｐ形閉じ込め層が用いられる。
【００２２】
例えば、図１に表したように、半導体発光素子１０においては、例えば、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、ＡｌＮからなる第１バッファ層１２１が設けられ、その上にノンドープのＧａＮからなる第２バッファ層１２２（格子緩和層）が設けられる。具体的には、第１バッファ層１２１は、基板１１０の上に形成された高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含んでいる。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにおける炭素濃度よりも高い。
【００２３】
そして、第２バッファ層１２２の上に、Ｓｉドープのｎ形ＧａＮからなるｎ形コンタクト層１３０、Ｓｉドープのｎ形閉じ込め層（第１層１３１）、発光部１４０、Ｍｇドープのｐ形ＡｌＧａＮからなるｐ形閉じ込め層（第２層１５１）、及び、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮからなるｐ形コンタクト層１５０、が積層される。
【００２４】
さらに、ｐ形コンタクト層１５０の上に、例えばＮｉからなるｐ側電極１６０が設けられ、ｎ形コンタクト層１３０には、例えばＡｌ／Ａｕの積層膜からなるｎ側電極１７０が設けられている。
【００２５】
第１障壁層１４１には、例えばＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。第２障壁層１４２には、ＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。第２障壁層１４２には、Ｓｉがドープされても良く、Ｓｉがドープされなくても良く、また、第２障壁層１４２の一部にＳｉがドープされても良い。
【００２６】
本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、井戸層１４３のバンドギャップが、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２のバンドギャップよりも小さい。井戸層１４３で発光した光が、半導体発光素子１０に含まれる他の半導体層で吸収されることが抑制され、外部に高効率で取り出されることができる。これにより、高効率で近紫外光を発光する半導体発光素子が実現できる。
【００２７】
以下、上記の各種の層の構成についての具体例を示す。ただし、本実施形態はこれには限らず、各種の変形が可能である。
第１バッファ層１２１の厚さは、例えば、約２マイクロメートル（μｍ）とすることができる。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの厚さは、例えば３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、例えば約２μｍ程度である。
また、第２バッファ層１２２（格子緩和層）の厚さは、例えば２μｍとすることができる。
【００２８】
ｎ形コンタクト層１３０におけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下とすることができる。また、ｎ形コンタクト層１３０の厚さは、例えば、約６μｍとすることができる。
【００２９】
ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）には、例えばＳｉドープのｎ形ＧａＮが用いられる。ｎ形閉じ込め層におけるＳｉ濃度は、例えば約２×１０１８ｃｍ−３とすることができる。ｎ形閉じ込め層の厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。
【００３０】
ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）には、例えば、Ｍｇドープのｐ形Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎが用いられる。ｐ形閉じ込め層の厚さは、例えば約２４ｎｍとすることができる。そして、ｐ形閉じ込め層の第２障壁層１４２の側におけるＭｇ濃度は、例えば約３×１０１９ｃｍ−３とされ、第２障壁層１４２とは反対の側（ｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とされることができる。
【００３１】
ｐ形コンタクト層１５０のｐ形閉じ込め層の側におけるＭｇ濃度は、例えば約１×１０１９ｃｍ−３とされ、ｎ形閉じ込め層とは反対の側（本具体例ではｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下とすることができる。
【００３２】
井戸層１４３には、例えばＧａＩｎＮを用いることができる。井戸層１４３の厚さは、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下である。井戸層１４３には、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用いることができる。井戸層１４３の厚さは、例えば約６ｎｍとすることができる。発光部１４０（井戸層１４３）から放出される光は近紫外光となる。
【００３３】
第１障壁層１４１には、例えば、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができる。第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下とすることができる。第１障壁層１４１の厚さは、例えば約１３．５ｎｍとすることができる。
【００３４】
第２障壁層１４２には、例えばＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができる。第２障壁層１４２の厚さは、例えば約６ｎｍとすることができる。
【００３５】
本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が提供される。
本願発明者は以下に説明する実験結果と考察とに基づき、高効率に近紫外光を発光できる半導体発光素子の構成を構築した。
【００３６】
窒化物半導体を用いた多くの半導体発光素子においては、複数の障壁層と、複数の井戸層と、が交互に積層された構成を有する多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造が採用されている。
【００３７】
例えば窒化物半導体を用いた青色発光の半導体発光素子においてもＭＱＷ構造が採用されている。青色発光の半導体発光素子においては、井戸層におけるＩｎ組成比は、０．１５以上０．２５以下とされる。このように高いＩｎ組成比を有する井戸層を厚く形成すると、結晶の品質が低下し易い。このため、青色発光の半導体発光素子においては、井戸層の厚さは、２ｎｍ以上３ｎｍ以下に設定されることが多い。しかし、井戸層の厚さが薄いと、キャリアの井戸層への閉じ込め効果が低くなる。このため、青色発光の半導体発光素子においては、複数の井戸層を積層したＭＱＷ構造が採用される。
【００３８】
一方、このような青色半導体発光素子の構成を基にして、近紫外光の半導体発光素子の開発が行われている。すなわち、ＭＱＷ構造を採用した近紫外光の半導体発光素子に関する検討が精力的に行われている。
【００３９】
本願発明者は、ＭＱＷ構造を有する近紫外光の半導体発光素子の高効率化のために種々の検討を行った。この中で、ＭＱＷ構造における障壁層及び井戸層の組みの一部の厚さを薄くする実験を行った。すなわち、ＭＱＷ構造における一部の井戸層の厚さを薄くし、実質的に発光しない部分を設け、その際の発光効率を調べた。
【００４０】
具体的には、ｎ形半導体層の上に、厚さが２．５ｎｍのＧａＮ層と、厚さが１ｎｍのＧａＩｎＮ層と、を交互に積層した結晶歪み緩和層を形成し、その上にＭＱＷ構造を有する発光部１４０を形成した。さらに、その上にｐ形半導体層を形成して半導体発光素子を形成し、この半導体発光素子の発光特性を評価した。このときの発光部１４０のＭＱＷ構造における井戸層の数は、例えば８層である。そして、ＭＱＷ構造における障壁層（例えば厚さ５ｎｍ）及び井戸層（例えば厚さ３．５ｎｍ）の組みうちの一部の厚さを減らした。すなわち、障壁層に相当する部分の厚さを２．５ｎｍとし、井戸層に相当する部分の厚さを１ｎｍとした。そして、障壁層及び井戸層の組みのうちで厚さが薄い部分の数を種々変えて発光効率を測定した。
【００４１】
この実験の結果、障壁層及び井戸層の組みうちの一部の厚さを減らしたときの発光効率は、減らさないときと同程度となる場合があることが判明した。実験を実施する前は、ＭＱＷ構造における障壁層及び井戸層の組みの数を減らすと、発光効率が低下すると予測していた。しかし、実際の実験結果においては、障壁層及び井戸層の組みの数が少ない場合においても発光効率が高かった。
【００４２】
この原因を解析すると、以下の現象が発生しているが分かった。
すなわち、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、キャリアの閉じ込め効果が高くなる場合があり、これによって発光効率が向上する場合がある。さらに、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、障壁層及び井戸層のうちの一部が、結晶の品質を向上するバッファ層として機能することで、効率が向上する場合もあることが分かった。
【００４３】
一方、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、複数の井戸層における特性が不均一になり、この結果、発光効率が低下する場合があることが分かった。例えば、複数の井戸層が設けられる場合は、ｐ形半導体層に近い側の井戸層と、ｎ形半導体層に近い側の井戸層と、において、キャリアの注入効率が異なり、このため、複数の井戸層において発光効率が異なることが発生する。
【００４４】
さらに、ある井戸層で発光した光が別の井戸層によって吸収され、その結果、効率が低下する場合があることが判明した。
【００４５】
すなわち、本願発明者は、ＭＱＷ構造における障壁層及び井戸層の組みの数を減らしても発光効率が高い結果が得られることに着目し、その原因を解析することで、複数の井戸層の特性が不均一となり、また、一部の井戸層で発光した光が別の井戸層で吸収される現象を見出した。そして、この現象が、ＭＱＷ構造における効率向上を実質的に制限していることを見出した。
【００４６】
一方、ＭＱＷ構造における複数の井戸層の特性を均一にするための種々の方策についても検討したが、実用的には、複数の井戸層の特性の均一性を現状よりも格段に向上させることは困難である。
【００４７】
本願発明者は、ＭＷＱ構造における効率向上の妨げになる原因を追及することで、井戸層を複数設けない構造の方が結果的に有利になる場合があると推定した。そして、実際に井戸層を１つ有する近紫外光の半導体発光素子を作製して特性を評価したところ、ＭＱＷ構造の場合よりも高い発光効率が得られた。
【００４８】
本実施形態の構成は、上記のような実験結果とその解析結果に基づいて新たに得られた、複数の井戸層における不均一性及び光吸収の現象に関する知見に基づいて構築されたものである。
【００４９】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１と、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１と、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられ、単一井戸構造を有する発光部１４０と、が設けられる。
これにより、複数の井戸層における不均一性、及び、ある井戸層で発光した光が別の井戸層によって吸収されることによって効率が低下することがない。これにより、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
【００５０】
本実施形態においては、井戸層１４３は１つ設けられるため、複数の井戸層が設けられる場合のキャリアの注入効率の不均一が生じない。
【００５１】
本実施形態においては、井戸層１４３のバンドギャップは、他の層（例えば、第１障壁層１４１、第２障壁層１４２、ＧａＮを含む層、及び、ＡｌＧａＮを含む層）のバンドギャップよりも小さい。すなわち、本実施形態においては、バンドギャップが小さい層が１つ（井戸層１４３）であり、それ以外の層のバンドギャップはそれよりも大きい。このため、井戸層１４３において発光した光が他の層において吸収されることが抑制される。これにより、発光光が効率良く外部に取り出される。
【００５２】
一方、複数の井戸層１４３を有する多重量子井戸構造の場合は、例えば、複数の井戸層１４３におけるバンドギャップが他の層に比べて小さい場合においても、複数の井戸層１４３どうしにおいては、互いにバンドギャップの大きさは実質的に同じであり、このため、１つの井戸層１４３で発光した光が他の井戸層１４３において吸収されることがある。このため、効率が低下する。
【００５３】
なお、既に説明したように、青色（発光のピーク波長が例えば４５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）で発光する半導体発光素子においては、井戸層におけるＩｎ組成比が高いことから、４．５ｎｍ以上の厚さの井戸層を形成すると、ＧａＮ層と井戸層との格子不整に基づく歪が大き過ぎ、結晶の品質が低下して発光強度が低下する。一方、井戸層の厚さが４．５ｎｍよりも薄い場合には、キャリアの井戸層への閉じ込めが弱く、ＳＱＷ構造では発光効率の高い井戸層を形成することができないため、結果的に、ＭＱＷ構造が採用される。
【００５４】
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、近紫外光を発光させるため、井戸層１４３の厚さを４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下と、青色発光の場合よりも厚くする。これにより、ＳＱＷ構造においても、井戸層１４３へのキャリアの閉じ込め効果が十分高い。そして、井戸層１４３が１つであるため、複数の井戸層におけるキャリアの不均一が発生しない。この１つの井戸層１４３においては、特性の最も良好な仕様を適用できるため、結果として井戸層１４３における発光効率を最も高めることができる。さらに、複数の井戸層において発生する井戸層での吸収の現象がないので、光の取り出し効率も向上できる。
【００５５】
このように、本実施形態係る半導体発光素子１０によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が実現できる。
【００５６】
本実施形態において、井戸層１４３として、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用い、井戸層１４３の厚さは４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とされる。
本願発明者の検討によれば、井戸層１４３の厚さが４．５ｎｍよりも薄い場合には、発光強度が顕著に低く、９ｎｍよりも大きいと、発光スペクトルのブロードニングと、発光強度の顕著な低下と、が起こる。井戸層１４３の厚さが４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とすることで、高い発光効率と、良好なスペクトル特性が得られる。
【００５７】
井戸層１４３の厚さが４．５ｎｍよりも小さい場合には、キャリアの井戸層１４３から障壁層（例えば第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の少なくともいずれか）への広がりが大きくなり、効率の低下が生じていると考えられる。井戸層１４３の厚さが９ｎｍを越えると、ＧａＮ層（例えば、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３０及びＳｉドープのｎ形閉じ込め層など）と、井戸層１４３と、の格子不整が大きくなり、結晶に加わる歪が過大となり結晶の質が低下すると推定される。
【００５８】
特に、井戸層１４３の厚さが５ｎｍ以上７ｎｍ以下の場合に、発光強度はほぼ一定で、スペクトルの変化も小さかった。井戸層１４３の厚さが５ｎｍ以上においては、発光強度がほぼ一定であるのでキャリアは概ね井戸層１４３内に存在していると推定される。井戸層１４３の厚さが７ｎｍ以下であればスペクトルのブロードニングがほとんど起きないので、結晶の形状及び組成などに揺らぎがある場合においても、ほぼ全領域（例えば井戸層１４３の全域）で歪による結晶性の低下は起きていないと推定される。
【００５９】
本実施形態において上記のような構成が実現できるのは、井戸層１４３にＧａＩｎＮを用いており、発光部１４０（井戸層１４３）から放出される光が近紫外光、すなわちピーク波長が、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の近紫外光であることによる。
【００６０】
本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、厚いＧａＮ層を形成している。このため、ＧａＮの吸収端波長よりも高エネルギーの光は、強い吸収を受ける。発光波長が３８０ｎｍ以上において、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハ内でバンドギャップの小さな単一の量子井戸層を設けることにより、発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハを実現する効果を享受することができる。
【００６１】
また、発光波長が４００ｎｍ以下とすると、井戸層１４３のＧａＩｎＮにおけるＩｎ組成比を高くする必要がなく、井戸層１４３を厚くすることができるので、単一の井戸層でも電流を効率よく注入できるようになる。このため、素子内で光吸収を受けることなく高効率であるとともに、かつ電流値が実用的な大きさになっても発光層（井戸層１４３）への電流の注入効率の低下が小さい、高効率で高光出力の半導体発光素子の実現が可能となる。
【００６２】
本実施形態に係る半導体発光素子１０の構造をさらに検討したところ、上記のように複数の井戸層におけるキャリアの不均一性と、再吸収の問題を解決できる効果の他に、結晶品質の観点での発光効率の向上の効果がさらにあることが分かった。すなわち、本実施形態においては、井戸層が１つであるため、その井戸層の結晶品質が最も高くなるように他の層を最適化することができる。
【００６３】
本願発明者の実験によると、以下の知見が得られた。窒化物半導体（例えばＧａＮ）を用いた半導体発光素子をサファイア基板上に設けた場合、サファイア基板とＧａＮとで格子不整合によりＧａＮ結晶（例えばＧａＮバッファ層）中に結晶欠陥が発生する。このような欠陥の影響は、ＧａＮ層の上に高い歪を有する層を積層することで低減される。そして、高い歪みを有する層の上に、複数のＧａＩｎＮからなる井戸層を有するＭＱＷ構造を形成した場合、井戸層の格子定数がＧａＮ層と異なっているため歪みが発生することから、複数の井戸層によって結晶欠陥の影響が低減される。すなわち、井戸層を複数積層すると、井戸層を積層するにつれて結晶欠陥の影響が少ない良質な結晶の成長が可能になる。ところが、格子不整のある層の全体の厚さが厚くなると歪量が大きくなり過ぎて、再び結晶の品質が低下する。
【００６４】
本願発明者の実験によると、以下の知見も得られた。Ｇａ（Ａｌ）ＩｎＮを発光層に用いたウェーハ（半導体発光素子）では、発光波長によって結晶の質に対する鋭敏さが大きく異なる。すなわち、波長４００ｎｍよりも長波長側では結晶の品質が低下しても発光効率の変化は小さいが、４００ｎｍ以下の短波長側では発光波長が短くなると発光効率が急激に低下する。より詳細には、４００ｎｍ以下の短波長になると、各スペクトルの短波長側があたかもある種の包絡線を越えることができないかのように低下する。このため、発光波長が短波長になるにつれて発光効率が低下する。ところが、高品質な結晶では発光波長が４００ｎｍ以下の短波長となっても発光効率の低下は限定的となる。この場合、波長（ピーク波長）が短波長となるとスペクトル全体が大きな変化なく短波長側にシフトする。このため、特に、高品質な結晶の成長を実現することで、波長が４００ｎｍ以下の近紫外の波長域で特に高効率な発光を実現することができる。
【００６５】
このような実験結果に基づいて、本願発明者は、結晶の品質が良好な井戸層は、１層だけしか形成することができないと推定した。そして、１つの井戸層における結晶の品質が最も向上するように、半導体発光素子に含まれる層のそれぞれを最適化することで、最も高い発光効率が得られると推定した。さらに、このような方法を用いることで、高品質な結晶を適用することが特に適している、波長が４００ｎｍ以下の近紫外発光の半導体発光素子でも高効率な発光が可能になると推定した。
【００６６】
すなわち、本実施形態においては、１つの井戸層１４３の結晶品質を最も高くなるように全体の条件を最適化できる。そして、１つの井戸層１４３において最適な条件でキャリアが注入されるように、半導体発光素子に含まれる半導体層のそれぞれの条件が最適化される。
【００６７】
このように、均質で最も特性の優れた１つの井戸層を用いることで、複数の井戸層を用いる場合と比べ、より高効率に発光し、また高効率で光を取り出すことができる。すなわち、発光部１４０に１つの井戸層１４３が設けられることから、その１つの井戸層１４３における特性が最も良好となるように半導体発光素子を設計し、製造することができ、発光部１４０の特性を最高にできる。以上のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、高効率の近紫外発光の半導体発光素子を提供できる。
【００６８】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法の例について説明する。
まず、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、第１バッファ層１２１となるＡｌＮ膜を厚さ約２μｍで形成する。具体的には、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａ(炭素濃度が例えば３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下）を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下で形成し、その上に高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂ(炭素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下）を２μｍで形成する。その後、その上に、第２バッファ層１２２（格子緩和層）となるノンドープＧａＮ膜を厚さ２μｍで形成する。その後、ｎ形コンタクト層１３０となるＳｉ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形ＧａＮ膜を厚さ６μｍで、ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）となるＳｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ形ＧａＮ層を厚さ０．５μｍで、積層して成膜する。さらに、その上に、第１障壁層１４１となる厚さ１３．５ｎｍのＳｉ濃度が０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜と、井戸層１４３となる厚さ６ｎｍのＧａＩｎＮ膜と、を成膜し、さらに、第２障壁層１４２となるＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜を厚さ６ｎｍで形成する。さらに、その上に、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）となるＭｇドープｐ形Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ膜(第２障壁層１４２の側のＭｇ濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３で、第２障壁層１４２とは反対の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３)を厚さ２４ｎｍで、ｐ形コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ形ＧａＮ膜(第２層１５１の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で、第２層１５１とは反対の側のＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下）を順次積層して成膜する。
【００６９】
そして、これらの半導体層を含む半導体層積層体に、例えば、以下に例示する方法で電極を設ける。
すなわち、まず、図１に表したように、半導体層積層体の一部の領域において、ｎ形コンタクト層１３０が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってｐ形の半導体層と発光部１４０を取り除く。そして、ｎ形の半導体層の露出した面を含む半導体層積層体の全体に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて図示していないＳｉＯ２膜を４００ｎｍの厚さで成膜する。
【００７０】
そして、ｐ側電極１６０を形成するために、まず、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成し、ｐ形コンタクト層１５０の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、このＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えば、真空蒸着装置を用いて、ｐ側電極１６０となる反射導電性のＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【００７１】
そしてｎ側電極１７０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成し、露出したｎ形コンタクト層１３０の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。このＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えばＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜を５００ｎｍの膜厚で形成し、ｎ側電極１７０とする。
【００７２】
また、ｎ側電極１７０には、高反射率の銀合金（例えばＰｄを１％程度含む）も使用可能である。この場合には、オーミック接触を良好にするためにｎ形コンタクト層１３０を２層構造とし、電極形成部として、Ｓｉ濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下の高濃度層を、０．３μｍ程度の厚さで成長する。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を抑制できる。
【００７３】
次いで、基板１１０の裏面（第１バッファ層１２１とは反対の側の面）の研磨を行い、基板１１０及び半導体層積層体を、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断し、例えば幅が４００μｍで、厚さが１００μｍの個別のＬＥＤ素子、すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０が作製される。
【００７４】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、ｎ形の半導体層と、ｐ形の半導体層と、ｎ形の半導体層と、ｐ形の半導体層と、の間に設けられた発光部１４０と、を含む半導体層を含み、これらの半導体層の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌα１Ｇａ１−α１−β１Ｉｎβ１Ｎ（α１≧０、β１≧０、α１＋β１≦１）などの窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。すなわち、本実施形態における半導体層には、窒化物半導体を含むことができる。
【００７５】
これらの半導体層の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、有機金属気相成長法及び分子線エピタキシャル成長法等の技術を用いることができる。
【００７６】
基板１１０には、特に限定されるものではないが、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ及びＳｉなどの基板が用いられる。基板１１０は、最終的に取り除かれても良い。
【００７７】
本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、低欠陥結晶の利点を生かして近紫外域での高効率発光を得るために、発光部１４０自体の高効率化と、発光部１４０からの電子のあふれを抑制するための、Ａｌ組成が高く膜厚が厚いｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の採用を容易にする構成が適用されている。
【００７８】
以下、この構成について説明する。
最初に、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＳｉの濃度分布と、井戸層１４３にかかるピエゾ電界と、の関係について説明する。
井戸層１４３には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層１４３と第２障壁層１４２との界面では、正のチャージが井戸層１４３から第２障壁層１４２へ染み出す。一方、井戸層１４３と第１障壁層１４１との界面では、負のチャージが井戸層１４３から第１障壁層１４１へ染み出す。
【００７９】
井戸層１４３のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側には電子が多く存在するので、第２障壁層１４２からの電子の供給の程度が低くても良い。よって、この界面に接する障壁層（第２障壁層１４２）においては、Ｓｉ濃度が低くても良い。すなわち、第２障壁層１４２においては、Ｓｉが意図的にドープされなくても良い。
【００８０】
一方、井戸層１４３のｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の側には電子があまり存在しないため、第１障壁層１４１の側から井戸層１４３に向かって電子を効率良く供給することが望まれる。よって、この界面に接する第１障壁層１４１においては、Ｓｉ濃度が高く設定されることが望ましい。すなわち、第１障壁層１４１には高濃度でＳｉがドープされる。具体的には、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。さらに、Ｓｉ濃度を１．０×１０１９ｃｍ−３以上１．２×１０１９ｃｍ−３以下に設定すると、結晶を劣化させることなく高濃度の電子供給が可能となる。Ｓｉ濃度を１．２×１０１９ｃｍ−３以上１．５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲においては、結晶の劣化に伴うと推定される発光スペクトルのブロードニングが起こることがあるが、電子供給を増やすことができ発光強度は高い。
【００８１】
井戸層１４３のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側には、低Ｓｉ濃度の第２障壁層１４２が配置され、井戸層１４３のｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の側には、高Ｓｉ濃度の第１障壁層１４１が配置される。言い換えれば、発光部１４０において、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側からｎ側閉じ込め層（第１層１３１）の側への方向に進むに従ってＳｉ濃度が増加する。
【００８２】
上記のように、第１障壁層１４１と第２障壁層１４２とにおいてＳｉ濃度を変化させることにより、発光効率の向上が可能となる。
【００８３】
さらに、これに加えて発光スペクトルの半値幅を縮小することができる。
以下、Ｓｉ濃度と発光スペクトルとの関係について説明する。
第１障壁層１４１の井戸層１４３に接する界面に注目すると、その界面では、高濃度にドープされたＳｉから多量の電子が井戸層１４３に流れ込み、第１障壁層１４１の側にチャージを持ったＳｉが多量に残る。この界面での電子濃度及びＳｉ濃度の分布は、ピエゾ電界を打ち消す働きがあり、その結果、ピエゾ電界が弱まる。ピエゾ電界が弱まると、ピエゾ電界により曲げられていた発光部１４０のエネルギーバンドが平らになり、それによって、発光効率が向上する。そして、発光スペクトルの半値幅は狭くなる。
【００８４】
なお、発光部１４０が複数の井戸層を有している場合においては、複数の井戸層の間にはｎ形不純物を添加した障壁層が配置され、複数の井戸層によってピエゾ効果の現れ方が異なるという問題が発生し易いが、本実施形態においては、発光部１４０に単一の井戸層１４３が設けられていることから、この問題が発生しない。このため、第２障壁層１４２においては、ｎ形不純物の濃度が低いか、意図的に添加されず、一方、第１障壁層１４１においては、ｎ形不純物が高濃度に添加される。
【００８５】
すなわち、複数の井戸層が設けられる場合においては、複数の井戸層におけるキャリア濃度分布を均一にするための制約が発生するが、本実施形態においては、この制約が解除され、不純物濃度の設定の自由度と許容幅が拡大する。すなわち、第２障壁層１４２に対しては低濃度にｎ形不純物を添加するか意図的添加を行わなければ良く、第１障壁層１４１に対しては高濃度にｎ形不純物を添加するだけで、良好なキャリア分布を得ることができる。
【００８６】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、発光部１４０内の不純物濃度の制御により発光部１４０内の電界制御することで、発光効率を増大させ、高効率の近紫外発光の半導体発光素子が提供できる。
【００８７】
次に、Ｓｉ濃度の制御による信頼性の向上、及び、駆動電圧の低減の効果について説明する。
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０において、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度よりも低く設定することにより、信頼性の向上、及び、半導体発光素子１０の駆動電圧の低減が実現できる。
【００８８】
第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を低くすることで、井戸層１４３から、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側への電子のオーバーフローが減少する。よって、半導体発光素子の信頼性が向上する。
【００８９】
そして、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を低くすることで、第２障壁層１４２のエネルギーの高さが下がり、正孔が入り難くなり、半導体発光素子１０の電圧低減に有効である。
【００９０】
このため、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）におけるＡｌ組成比を下げることができ、素子の信頼性が向上する。例えば、もし、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を約１×１０１９ｃｍ−３とすると、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）におけるＡｌ組成比は２５％以上とする必要があるが、第２障壁層１４２にＳｉを添加しない場合においては、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）におけるＡｌ組成比を２０％まで下げることができる。
【００９１】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０において、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を低くすることで、発光効率を向上し、高効率の近紫外発光の、信頼性が高く、駆動電圧が低い半導体発光素子を提供できる。
【００９２】
なお、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度は均一でも良く、また、例えば、厚さ方向に沿ってＳｉ濃度が変化しても良い。例えば、第２障壁層１４２は、高Ｓｉ濃度の第１の部分と、低Ｓｉ濃度の第２の部分と、を有していても良い。その際、Ｓｉ濃度の分布は、多段的に変化しても良く、また連続的に変化しても良く、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度が、第１障壁層１４１よりも低くなるように設定されれば良い。
【００９３】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１０に係る各層について詳しく説明する。
高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａは、基板１１０との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにより、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープのＧａＮバッファ層（第２バッファ層１２２）の結晶欠陥が低減されるが、そのためには、高純度第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの膜厚は、１μｍよりも厚いことが望ましい。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚みが４μｍ以下であることが望ましい。
【００９４】
なお、第１バッファ層１２１には、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【００９５】
第２バッファ層１２２（格子緩和層）は、第１バッファ層１２１の上における３次元島状成長により欠陥低減と歪緩和の役割を果たす。成長表面の平坦化のためには、第２バッファ層１２２（格子緩和層）の平均の厚さは、０．６μｍ以上とすることが望ましい。再現性と反り低減の観点から、第２バッファ層１２２（格子緩和層）の厚さは、０．８μｍ以上２μｍ以下が望ましい。
【００９６】
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長のバッファ層と比較して転位密度は１／１０以下とすることができる。これにより、異常成長のために通常では採用困難な、高い成長温度と高いＶ族原料／III族原料比での結晶成長が可能となる。そして、これにより、点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層や障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【００９７】
既に説明したように、第１障壁層１４１は、例えば、Ｓｉがドープされた４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ（Ａｌ組成が６％以上１０％以下、Ｉｎ組成比が０．３％以上１．０％以下）を含む。第２障壁層１４２は、例えば、４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ（Ａｌ組成が６％以上１０％以下、Ｉｎ組成比が０．３％以上１．０％以下）を含み、Ｓｉのドープは任意である。井戸層１４３は、例えばＩｎ０.０５Ｇａ０.９５Ｎ（Ｉｎ組成比は４％以上１０％以下の間で適宜変えることができる）を含む。
【００９８】
発光部１４０の発光波長は、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
ＧａＮの吸収端が約３６５ｎｍであるため、発光波長は、ＧａＮの吸収が大きくない３８０ｎｍ以上に設定される。ＧａＮ層において吸収が抑制され、発光効率を増大させるには、発光波長が３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００９９】
発光波長が４００ｎｍ以下の場合は、井戸層１４３となるＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を下げて井戸層１４３の厚さを４．５ｎｍ以上とすることができる。
発光波長が３９０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である場合は、井戸層１４３の厚さを５．５ｎｍ以上にすることができ、発光効率が増加すると共に、光出力の増加に伴う効率の低下や動作温度の上昇に伴う効率の低下が抑制され、さらに望ましい。
【０１００】
発光波長が３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外発光を高効率で生じさせるための深いポテンシャルを形成するために、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＡｌ組成は６％以上に設定される。
【０１０１】
第２障壁層１４２の厚さは３ｎｍ以上に設定される。第２障壁層１４２の厚さが３ｎｍよりも薄いと、ｐ形ＡｌＧａＮ層の影響を受けて井戸層１４３の発光波長が変わる問題が生じるためである。不純物拡散の影響も含めて、井戸層１４３の特性を制御するためには、第２障壁層１４２の厚さは４．５ｎｍ以上に設定される。特に、第２障壁層１４２の厚さが井戸層１４３の厚さよりも厚いと、ＡｌＧａＮ層と井戸層１４３との間の歪の影響を緩和する効果が大きい。なお、第２障壁層１４２が過度に厚いと素子抵抗が高くなる原因となる。また、第２障壁層１４２が過度に厚いと、井戸層１４３をオーバーフローしたキャリアが蓄積されて吸収の原因となる。この影響の低減には、第２障壁層１４２を第１障壁層１４１よりも薄くすることが望ましい。第２障壁層１４２の厚さを９ｎｍ以下とした半導体発光素子においては、発光波長から予想される動作電圧の一割以内の電圧上昇で素子動作させることができた。
【０１０２】
第１障壁層１４１の厚さは、例えば４．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲の値に設定することができる。第１障壁層１４１の厚さを４．５ｎｍ以上にすると、材料本来の物性が発揮されるようになり、正孔のオーバーフロー抑制効果が得られるようになる。また、第１障壁層１４１の厚さが３０ｎｍ以下の場合において、良質な結晶成長が比較的容易に行える。
【０１０３】
また、第１障壁層１４１の厚さは井戸層１４３よりも厚いことが望ましい。第１障壁層１４１の厚さを井戸層１４３の厚さよりも厚く設定することで、井戸層１４３へのキャリア供給の制御が有効となる。特に、第１障壁層１４１の厚さは、井戸層１４３の厚さの２倍以上であることが望ましい。第１障壁層１４１の厚さを井戸層１４３の厚さの２倍以上に設定することで、第１障壁層１４１の両側にキャリア供給が可能となり、井戸層１４３へのキャリア供給の精度が向上する。なお、前述したように、第１障壁層１４１に高濃度にＳｉを添加することで、井戸層１４３に加わるピエゾ電界の影響を低減し、高効率の発光を得ることができる。
【０１０４】
第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＡｌ組成比が１０％を超えると、結晶品質が劣化する。また、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２に少量のＩｎをドープすることは、結晶品質を改善する効果がある。第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＩｎ組成比が０．３％以上でその効果はみられる。しかし、Ｉｎ組成比が１．０％を超えると、結晶品質が劣化し、発光効率が減少する。ただし、その厚さが薄い場合には、Ｉｎ組成比を２％まで高めることができる。
【０１０５】
例えば、本実施形態において、第１障壁層１４１の膜厚が１５ｎｍ以上の場合はＩｎ組成比は１％程度が限界であったが、第１障壁層１４１を７ｎｍに薄くすると、Ｉｎ組成比を２％としても、結晶が劣化せず、強い発光が得られる。
【０１０６】
次に、第１障壁層１４１の成長技術について説明する。
結晶品質の良い４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ層を成長することは難しく、さらにＳｉを高濃度にドープすると結晶は劣化しやすい。本願発明者は、ＬＥＤ素子構造の検討や成長条件を最適化することにより、結晶品質を落とすことなく、ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層１４１のＩｎ組成比を高くすることに成功している。
【０１０７】
例えば、上記のように、本実施形態において、第１障壁層１４１の膜厚が１５ｎｍを越えるとＩｎ組成比は１％程度が限界となるが、第１障壁層１４１を７ｎｍに薄くするとＩｎ組成比を２％としても、結晶が劣化せず、強い発光が得られる。
【０１０８】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮからなる井戸層１４３との界面の急峻性が良くなり、井戸層１４３の結晶性が向上し、その結果、ＡｌＧａＩｎＮからなる第１障壁層１４１にＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１０９】
また、高Ｓｉ濃度の第１障壁層１４１の膜厚を薄くすることによって、Ｓｉをさらに高濃度ドープすることが可能になる。
【０１１０】
第１障壁層１４１と第２障壁層１４２とを比べた場合、第１障壁層１４１のＡｌ組成比が高くても良い。この場合、第１障壁層１４１のバンドギャップが大きくなり、正孔に対する閉じ込め効果が大きくなり、注入電流を増加した時に電流の漏れが減り、光出力を増大することができる。電子に対しては第２層１５１（ｐ形ＡｌＧａＮ層）がバリアとなるため、第２障壁層１４１のＡｌ組成比は第２層１５１に対して十分低く設定される。
【０１１１】
例えば、第１障壁層１４１のＡｌ組成比を８％以上とし、第２障壁層１４２のＡｌ組成比を７％とすることができる。この場合、第１障壁層１４１を高温で成長し、その温度よりも成長温度を下げて井戸層１４３と第２障壁層１４２を成長しても良い。このようにすると、Ａｌ組成比が高い第１障壁層１４１を高温で成長することで、第１障壁層１４１を高品質結晶により成長でき、井戸層１４３と、Ａｌ組成の低い第２障壁層１４２と、を低温で成長し、例えば高Ｉｎ組成比の井戸層１４３を良好な特性で成長させることができる。
【０１１２】
なお、第２障壁層１４２については、井戸層１４３の表面を保護する厚さで成長した後、温度を上げて成長してもよい。
【０１１３】
例えば、第１障壁層１４１を２層構造として、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層と、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層と、を組み合わせても良い。このよう構造とすると、ＡｌＧａＮ層により正孔のオーバーフローを抑制することができ、ＡｌＧａＩｎＮ層によって結晶表面の特性を改善し、特性が改善された結晶表面の上に井戸層１４３を形成することができる。この場合、ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＩｎＮ層の一部と、を高温で成長し、ＡｌＧａＩｎＮ層の残りを井戸層１４３と同じ温度で成長しても良い。このような方法をとれば、高品質なＡｌＧａＮ結晶を高温で成長し、井戸層１４３は井戸層１４３に適した温度で成長することができる。このような温度変化は多大な時間を要し、プロセス効率を下げる。発光部が多重量子井戸構造の場合には各障壁層と井戸層に対してこのようなプロセスを行うと極めて時間がかかりプロセス効率が低下してしまう。ところが、本実施形態においては、発光部１４０は単一の量子井戸構造なので、このようなプロセスは１回だけしか必要とならず、このようなプロセスを実用的なプロセスシーケンスとして実施することができる。
【０１１４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子２０は、第１層１３１と、第２層１５１と、発光部１４０と、に加え、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられた第１積層構造体２１０をさらに備える。
【０１１５】
第１積層構造体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層され、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を有する。
複数の第３層２０３及び複数の第４層２０４は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。
【０１１６】
複数の第３層２０３のそれぞれの厚さは、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い。複数の第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層１４３の厚さよりも薄い。
第３層２０３は、例えば低歪層である。第４層２０４は、例えば第３層２０３よりも歪みの程度が高い高歪層である。
【０１１７】
第３層２０３には、例えば、第１障壁層１４１と同じ組成を適用できる。すなわち、第１障壁層１４１がＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎを含む場合には、第３層２０３には、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができる。第３層２０３の厚さは、例えば２ｎｍとされる。また、第３層２０３には、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加される。
【０１１８】
第４層２０４には、例えば、井戸層１４３と同じ組成を適用できる。すなわち、井戸層１４３がＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを含む場合には、第４層２０４には、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用いることができる。第４層２０４の厚さは、例えば１ｎｍとすることができる。
例えば、第３層２０３の数は３０であり、第４層２０４の数は３０である。すなわち、第３層２０３と第４層２０４の組み（ペア）が、３０ペア積層される。
これ以外の構成は、半導体発光素子１０と同様とすることができるので説明を省略する。
【０１１９】
例えば、第３層２０３に第１障壁層１４１と同じ組成を適用すると、第１障壁層１４１と同じ条件で第３層２０３の成長が可能であり、プロセスが簡便に行える。また、第１障壁層１４１の成長前に、第３層２０３の成長を介して第１障壁層１４１と同じ成長条件での準備を十分な時間行うことができ、第１障壁層１４１の制御性の向上が図れる。
【０１２０】
例えば、第４層２０４に井戸層１４３と同じ組成を適用すると、井戸層１４３と同じ条件で第４層２０４の成長が可能であり、プロセスが簡便に行える。また、井戸層１４３の成長前に、第４層２０４の成長を介して井戸層１４３と同じ成長条件での準備を十分な時間行うことができ、井戸層１４３の制御性の向上が図れる。
【０１２１】
一方、例えば、第４層２０４に、井戸層１４３よりもＩｎ組成比が低くバンドギャップが大きいＧａＩｎＮを用いれば、井戸層１４３からの発光の第４層２０４における吸収をより小さくすることができる。また、この場合には、吸収が小さいので、第４層２０４をより厚くことができ、また、第３層２０３及び第４層２０４のペア数を増やすことができる。
【０１２２】
なお、第３層２０３及び第４層２０４のペア数は、３０に限らず適宜設定できる。そして、第３層２０３の数と第４層２０４の数とを同じにせず、第３層２０３の数を第４層２０４の数よりも１つ多くして、複数の第３層２０３及び複数の第４層２０４の積層を、第３層２０３で初めて第３層２０３で終わる構成にしても良い。また、第４層２０４の数を第３層２０３の数よりも１つ多くして、複数の第３層２０３及び複数の第４層２０４の積層を、第４層２０４で初めて第４層２０４で終わる構成にしても良い。
【０１２３】
半導体発光素子２０に設けられる第１積層構造体２１０においては、第１積層構造体２１０の内部の結晶に歪みが加えられる。これにより、結晶の品質が改善される。このため、第１積層構造体２１０の上に設けられる半導体層（例えば発光部１４０の特に井戸層１４３）の結晶品質が向上する。これにより、半導体発光素子２０においては、さらに高い発光効率を得ることができる。すなわち、例えば、井戸層１４３の結晶の品質が最良となるように、第１積層構造体２１０の構成が最適化される。
【０１２４】
本実施形態において、発光部１４０中の井戸層１４３は、ＧａＮ層との格子不整を有するため、第１積層構造体２１０の上に井戸層１４３を積層すると歪が蓄積される。このとき、第１積層構造体２１０中の第３層２０３と第４層２０４との繰り返しの積層数を適正に設定することで、第１積層構造体２１０における結晶の品質を改善すると共に、第１積層構造体２１０及び井戸層１４３における歪みの総和が限界を超えることによって井戸層１４３の結晶の特性が低下することを抑制することができる。
【０１２５】
複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計は、例えば２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とされる。これにより、発光強度が高く、発光スペクトルの広がりが小さい特性を有する良好な結晶成長が可能となる。
特に、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計が、３０ｎｍ以上３５ｎｍ以下の場合には、特に良好な結晶が得られる。
【０１２６】
これは、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計を２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下に設定することによって、結晶中の組成の揺らぎを含めて、歪の総量が、結晶を劣化させない範囲内の上限付近に相当するためと推測される。
【０１２７】
本願発明者は、複数の第３層２０３と、複数の第４層２０４と、を有する第１積層構造体２１０を適用した場合において、結晶下部（例えば第１積層構造体２１０からみて基板１１０の側の第２バッファ層１２２）から第１積層構造体２１０に到達する結晶の転位の方向が、第１積層構造体２１０内において変化し、転位の方向が、第１積層構造体２１０の表面のｃ面に対して垂直に近づくことを見出した。すなわち、結晶の転位の方向が、結晶表面に垂直な方向（すなわち積層方向であるＺ軸方向）に近づく。このことは、発光部１４０における結晶の転位を積層方向からみたときの長さが短くなることに相当する。すなわち、積層方向からみたときの発光部１４０内の欠陥領域の面積が小さくなることに相当する。
【０１２８】
このように、第１積層構造体２１０を採用することで、第１積層構造体２１０の上に形成される結晶の品質が向上すると考えられる。このことが、第１積層構造体２１０を採用した半導体発光素子２０において、結晶の品質が向上し、発光効率が向上する原因であると推定される。
【０１２９】
本実施形態においては、サファイアからなる基板１１０の上に、高温で第１バッファ層１２１（ＡｌＮ層）及び第２バッファ層１２２（ノンドープのＧａＮ層）の上にｎ形コンタクト層１３０（ｎ形ＧａＮ層）を形成することで、転位密度の小さい高品質のＧａＮ結晶を得ている。これにより、ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の結晶品質は良好であり、さらにその上に形成される発光部１４０の結晶品質は高い。
【０１３０】
すなわち、本実施形態の発光部１４０の結晶においては、転位のほとんどは独立しており、複数の転位が接して互いに絡み合ったものの発生は少ない。このため、転位の向きが結晶表面に垂直な方向に沿うことによる結晶特性の改善の効果が、直接的に発揮される。このように、第１積層構造体２１０と、上記のようなバッファ層の組み合わせと、を組み合わせて適用することで、第１積層構造体２１０を設けることによる結晶品質の改善効果がより顕著に発揮される。
【０１３１】
なお、本実施形態において、第４層２０４の厚さの下限は、第４層２０４が連続して層としての物性を示す以上の厚さで決まる。第４層２０４の厚さの上限は、第４層２０４における吸収端のエネルギーと、井戸層１４３における吸収端のエネルギーと、の間に差異が設けられる条件で決まる。
【０１３２】
すなわち、第４層２０４の厚さは、例えば４原子層以上で、第４層２０４における吸収端のエネルギーが井戸層１４３の吸収端よりも十分大きくなる厚さ以下に設定される。具体的には、第４層２０４の吸収端のエネルギーに相当する波長が、井戸層１４３の発光スペクトルの強度がピーク値の半分以下となる波長よりも短波長側に設定される。
【０１３３】
一方、第３層２０３においては、第１障壁層１４１と同程度のＡｌ組成（Ａｌ組成比が約１０％以下）とされる。これにより、ＧａＮ層との間で電子に対する障壁による抵抗を小さくできると共に、良質な結晶成長を得ることが可能である。
【０１３４】
本実施形態において、第１障壁層１４１を２層構造として、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層と、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層と、の組み合わせを適用することができる。このような構造により、ＡｌＧａＮ層による正孔のオーバーフローの抑制と、ＡｌＧａＩｎＮ層による結晶表面の特性の改善及び特性が改善された結晶表面の上への井戸層１４３の形成が可能となる。例えば、第１障壁層１４１の一部として、成長温度を１０００℃に上げてＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比が２０％以上２６％以下）及びＡｌＧａＩｎＮ層（Ａｌ組成比が８％）を成長し、成長温度を下げて、第１障壁層１４１の残りの部分であるＡｌＧａＮ層と、井戸層１４３と、を成長すると、正孔のオーバーフローが小さく、かつ、井戸層１４３の発光効率が高く、低電流から大電流まで光出力の高い半導体発光素子の実現が可能である。
【０１３５】
次に本実施形態に係る半導体素子及びウェーハの製造方法の特徴を説明する。
高効率な半導体発光素子を実現するためには、発光する井戸層１４３と、その両側の第１障壁層１４１と第２障壁層１４２と、を略連続成長することが望ましい。これは、成長を中断することによって発生する界面の欠陥を減らすためである。なお、少なくとも第１障壁層１４１と井戸層１４３との間、及び、井戸層１４３と第２障壁層１４２との間にはヘテロ接合界面があるため、原料供給条件を整えるための成長中断を行う。この時間を除いて連続成長をおこなうことを、略連続成長とする。
【０１３６】
一般的に、ＧａＩｎＮ層を発光層とする薄い多重量子井戸では、ＧａＩｎＮ層のＩｎ組成が高く低温での結晶成長が適している。一方、Ａｌを含む障壁層は、Ａｌと窒素の結合が強いことから高い成長温度が望ましい。このため、高Ｉｎ組成比のＧａＩｎＮを含む井戸層と、Ａｌを含む障壁層と、を同じ温度で連続して成長すると、井戸層と障壁層との両者共に適した成長条件を選択できず、良質な結晶を成長できないという問題がある。
【０１３７】
本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、発光部１４０に、単一で厚い井戸層１４３を用いていることから、量子効果による発光エネルギーのシフトが小さく、井戸層１４３にＩｎ組成比が低くバンドギャップの大きなＧａＩｎＮ層を用いることができる。このため、高い温度での成長が可能である。
【０１３８】
一方、障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）にＩｎを添加すると結晶成長中の結晶表面での原子の動きを促進することができ、Ａｌを含有するＡｌＧａＩｎＮを低い温度で成長することができる。Ｉｎは取り込まれ効率が低いため、わずかなＩｎを添加するために大量のＩｎ原料を結晶表面に供給することになる。このため、結晶表面での原子の動きが促進されて低温での結晶成長が可能となる。すなわち、本実施形態に係る光半導体発光素子及びウェーハでは、高温で成長可能な井戸層１４３と、低温で成長可能な障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）と、を用いることにより、略一定の温度で（意図的には温度を変えない）、略連続的な成長が可能である。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、井戸層１４３に隣接する界面における結晶欠陥を少なくすることができる。
【０１３９】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハを、発光する井戸層１４３と、その両側の第１障壁層１４１と第２障壁層１４２と、を略連続成長する方法により製造することで、特に低電流領域の発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハを形成することができる。
【０１４０】
次に、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハの別の特徴を説明する。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハの製造方法の別の特徴は、積層構造体（特に第１積層構造体２１０）を、発光部１４０（井戸層１４３、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）と略同温で成長することが可能であることである。
【０１４１】
第１積層構造体２１０を設けることで結晶における転位の向きが変わり、第１積層構造体２１０の上に発光効率の高い井戸層１４３を形成できると期待される。しかし、第１積層構造体２１０と発光部１４０とで、成長温度が変わると欠陥の伝播方向が変わり、第１積層構造体２１０を設けても、発光部１４０の特性向上が図れなくなることが懸念される。このため、第１積層構造体２１０、第１障壁層１４１、井戸層１４３及び第２障壁層１４２を、略同一の温度で成長させることが望ましい。
【０１４２】
前述したように、本実施形態に係る半導体発光素子においては、井戸層１４３と、障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）と、を略同温で成長することが可能である。一方、第１積層構造体２１０の例えば第３層２０３及び第４層２０４として、障壁層及び井戸層１４３にそれぞれ類似で、障壁層及び井戸層１４３と同じ成長温度で、良好な結晶成長できる材料の組を選択することで（例えば同一でも良い）、略同一の温度で、良好な特性の第１積層構造体２１０、第１障壁層１４１、井戸層１４３及び第２障壁層１４２の結晶を容易に成長することができる。
【０１４３】
多数の層を積層し複雑な構成を有する半導体発光素子及びウェーハにおいては、各層ごとに最適な成長条件が異なると、その選択に時間がかかり、実効的に全ての層の特性が良好な素子を作ることは困難である。しかし、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、積層構造体と、障壁層と、発光層と、を略同一の温度で成長することができ、容易に適正な成長条件で高品質な結晶成長が可能となる。
【０１４４】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハを製造するにあたり、積層構造体と、障壁層と、発光層と、を略同一の温度で成長する方法により製造することで、容易に適正な成長条件で高品質な結晶を成長することが可能であり、発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハの製造が可能になる。
【０１４５】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子２１においては、第１障壁層１４１が３層構造を有している。これ以外は、半導体発光素子２０と同様とすることができるので説明を省略する。
【０１４６】
すなわち、第１障壁層１４１は、第１層１３１と井戸層１４３との間（本具体例では、第１積層構造体２１０と井戸層１４３との間）に設けられた第１サブ層１４１ａと、第１サブ層１４１ａと井戸層１４３との間に設けられた第２サブ層１４１ｂと、第１サブ層１４１ａと第１層１３１との間（本具体例では第１サブ層１４１ａと第１積層構造体２１０との間）に設けられた第３サブ層１４１ｃと、を有している。
【０１４７】
第１サブ層１４１ａには、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層が用いられる。第２サブ層１４１ｂには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる、第２サブ層１４１ｂにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層１４１ａよりも低い。第３サブ層１４１ｃには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる。第３サブ層１４１ｃにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層１４１ａよりも低い。
【０１４８】
第１サブ層１４１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば１５％とされる。第１サブ層１４１ａの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第２サブ層１４１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば７％とされる。第２サブ層１４１ｂの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第３サブ層１４１ｃにおけるＡｌ組成比は、例えば第１積層構造体２１０の第３層２０３におけるＡｌ組成比と同じに設定される。第３サブ層１４１ｃの厚さは、例えば２ｎｍとされる。
【０１４９】
さらに、第１サブ層１４１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば１０％以上２６％以下に設定される。第１サブ層１４１ａの厚さは、５ｎｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定される。また、第１サブ層１４１ａには、ｎ形不純物としてＳｉを５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下でされても良い。
【０１５０】
また、第２サブ層１４１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば６％以上１０％以下に設定される。第２サブ層１４１ｂにおけるＩｎ組成比は、例えば０．３％以上１％以下に設定される。第２サブ層１４１ｂの厚さは、例えば３ｎｍ以上１５ｎｍ以下に設定される。なお第２サブ層１４１ｂは、必要に応じて設けられ、第２サブ層１４１ｂは、場合によっては省略しても良い。
【０１５１】
このような構成を有する第１サブ層１４１ａを設けることで、正孔のオーバーフローの抑制の効果が得られる。これにより、半導体発光素子において、大電流駆動時の光出力改善の効果がある。また、動作温度を上げたときの光出力低下が抑制される。
【０１５２】
また、第２サブ層１４１ｂを設けることで、結晶表面の特性の改善及び特性が改善された結晶表面の上への井戸層１４３の形成が可能となる。このため、特に非発光センターの形成が抑制され、半導体発光素子を駆動した際に、低電流領域での発光効率向上の効果が大きい。なお、第２サブ層１４１ｂにｎ形不純物を添加すると、非発光センターがスクリーニングされて、低電流領域での発光効率の改善が図れる。
【０１５３】
なお、第２サブ層１４１ｂを設けない場合は、井戸層１４３とバンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層（第１サブ層１４１ａ）とを互いに近接させることができ、井戸層１４３内のキャリア濃度を増加させることができる。このため、発光効率の増大が図れると共に、特に大出力でも発光効率の低下が限定的で、高温で大電流動作させた場合にも高い発光効率で動作する半導体発光素子を実現することができる。
【０１５４】
第３サブ層１４１ｃは、第４層２０４の表面を被覆して、高品質の第１サブ層１４１ａを成長させるための保護層として機能する。第３サブ層１４１ｃは、必要に応じて設けられ、第３サブ層１４１ｃは、場合によっては省略しても良い。
【０１５５】
例えば、第３サブ層１４１ｃを第３層２０３と同じ８５０℃で成長した後に、成長温度を１０４０℃に上げて第１サブ層１４１ａを成長し、成長温度を下げて第２サブ層１４１ｂと、井戸層１４３と、を成長すると、正孔のオーバーフローが小さく、かつ、井戸層１４３の発光効率が高く、低電流から大電流まで光出力の高い半導体発光素子の実現が可能である。
【０１５６】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子３０は、第１層１３１と、第２層１５１と、発光部１４０と、に加え、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられた第２積層構造体２２０をさらに備える。
【０１５７】
第２積層構造体２２０は、ＧａＮを含む複数の第５層２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層され、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を有する。
複数の第５層２０５及び複数の第６層２０６は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。
【０１５８】
複数の第５層２０５のそれぞれの厚さは、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い。複数の第６層２０６のそれぞれの厚さは、井戸層１４３の厚さよりも薄い。
第５層２０５には、例えば、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加されたＧａＮが用いられている。第５層２０５の厚さは、例えば２ｎｍとされる。
【０１５９】
第６層２０６には、例えば、Ｉｎ組成比が７％のＧａＩｎＮが用いられている。すなわち、第６層２０６の組成は、井戸層１４３の組成と同じに設定されている。第６層２０６の厚さは、例えば１ｎｍに設定されている。
【０１６０】
そして、第５層２０５と第６層２０６の組み（ペア）が、３０ペア積層される。
これ以外の構成は、半導体発光素子１０と同様とすることができるので説明を省略する。
【０１６１】
本願発明者は、上記のような構成を有する第２積層構造体２２０を設けることで、結晶表面の平坦性が向上することを見出した。
【０１６２】
これは、第５層２０５に用いられるＧａＮが２元系であることから、ＧａＮの成長中に横方向の均一性が改善される効果が大きいためと考えられる。
【０１６３】
このように、平坦性を改善できる第２積層構造体２２０を用いることで、発光部１４０（特に井戸層１４３）の平坦性が向上し、その結果、結晶の特性が向上でき、これにより、発光効率が向上できる。また、平坦性を改善することで、井戸層１４３以外の半導体層の平坦性が改善でき、これによる効果によっても発光効率が向上できる。そして、半導体発光素子３０においてもＳＱＷ構造が採用されているため、第１実施形態に関して説明した効果が享受できる。
【０１６４】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子３０によっても、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
【０１６５】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５に表したように、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子４０は、第１層１３１と、第２層１５１と、発光部１４０と、に加え、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられた第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０をさらに備える。
第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０は、それぞれ第２及び第３の実施形態に関して説明したものを用いることができる。
【０１６６】
これにより、第１積層構造体２１０における結晶品質の向上と、第２積層構造体２２０における平坦性の向上と、の両方の効果を享受できる。複数の第１積層構造体２１０と、複数の第２積層構造体２２０と、を設けても良く、この場合に、複数の第１積層構造体２１０の間に第２積層構造体２２０を挿入しても良い。
【０１６７】
第２積層構造体２２０は、第１積層構造体２１０と発光部１４０との間に設けても良く、第１積層構造体２１０と第１層１３１との間に設けても良い。以下では、第２積層構造体２２０が、第１積層構造体２１０と第１層１３１との間に設けられる場合について説明する。
【０１６８】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子４０においては、第１層１３１（ｎ形閉じ込め層）と第１積層構造体２１０との間に、第２積層構造体２２０が設けられる。
【０１６９】
半導体発光素子４０においても、第１障壁層１４１にはＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎが適用されている。そして、第３層２０３には、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎが用いられ、第３層２０３の厚さは、２ｎｍとされている。また、第３層２０３には、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加されている。
【０１７０】
一方、井戸層１４３にはＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられている。そして、第４層２０４には、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられている。第４層２０４の厚さは、１ｎｍとされている。第３層２０３の数は３０であり、第４層２０４の数は３０である。なお、第３層２０３の両側に第４層２０４が設けられていて、例えば、第３層２０３の数が３０で、第４層２０４の数が３１でも良い。
【０１７１】
一方、第２積層構造体２２０の第５層２０５には、Ｓｉが例えば１．２×１０１８ｃｍ−３でドープされたＧａＮが用いられている。第５層２０５の厚さは、２．５ｎｍに設定されている。
【０１７２】
第６層２０６には、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられている。第６層２０６の厚さは、１ｎｍに設定されている。第５層２０５の数は３０であり、第６層２０６の数は３０である。なお、第５層２０５の両側に第６層２０６が設けられていて、第５層２０５の数が３０で、第６層２０６の数が３１でも良い。なお、第６層２０６に合わせて第２積層構造体２２０の成長を低温で行う場合、温度を下げて行う最初の成長層が第６層２０６であるため、第６層２０６の数を増やすと、より平坦な層で成長が開始でき、特に良質な結晶成長が可能となる。
【０１７３】
なお、上記においては、第１積層構造体２１０における第３層２０３及び第４層２０４のペア数と、第２積層構造体２２０における第５層２０５及び第６層２０６のペア数と、が同じ例であるが、これらのペア数は一致しても良く、一致しなくても良く、適宜設定される。
【０１７４】
このような構成を有する半導体発光素子４０を実際に作製して特性を評価したところ、高効率に近紫外光を発光することが確認できた。
【０１７５】
このように、平坦性の向上効果が高い第２積層構造体２２０と、結晶性の向上効果が高い第１積層構造体２１０と、を組み合わせて適用することで、より発光効率が向上することが分かった。
【０１７６】
すなわち、平坦性の向上効果が高い第２積層構造体２２０によって歪みを導入することで、結晶表面の平坦性を維持しつつ、結晶中の転位の向きを結晶表面に対して垂直な方向（積層方向に平行な方向）に近づけることができる。さらに、第１積層構造体２１０を導入すると、転位は、結晶表面に対して垂直な方向に一段と近づく。これは、第１積層構造体２１０における第３層２０３（ＡｌＧａＮ層）と第４層２０４（ＧａＩｎＮ層）との間の格子不整が、第２積層構造体２２０における第５層２０５（ＧａＮ層）と第６層２０６（ＧａＩｎＮ層）との間の格子不整よりも大きいため、第１積層構造体２１０の方が、第２積層構造体２２０に比べて、転位を曲げる力が大きいと考えられことによるものと考えられる。
【０１７７】
すなわち、本実施形態においては、層間の格子不整が小さく転位を曲げる力は小さいが、表面平坦性が高い第２積層構造体２２０と、層間の格子不整が大きく転位を曲げる力が大きい第１積層構造体２１０と、を組み合わせることで、結晶表面の平坦性を低下させずに、より効果的に転位を結晶表面に垂直な向きに近づけることができる。これにより、より良質な結晶の成長が可能となる。
【０１７８】
本実施形態の積層構造を有するウェーハを用いて半導体発光素子を作製すると、より高効率な特性を得ることができる。
【０１７９】
本実施形態において、第３層２０３を第５層２０５よりも薄くすることができる。例えば、第３層２０３の厚さを２ｎｍとし、第４層２０４の厚さを１ｎｍとし、第５層２０５の厚さを２．５ｎｍとし、第６層２０６の厚さを１ｎｍとすることができる。
【０１８０】
第３層２０３を第５層２０５よりも薄くするのは、以下の理由による。発光層の光吸収に対する影響を小さくするためには、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０における吸収波長をできるだけ短波長にすることが望ましい。第３層２０３にはＡｌが含まれているため、第５層２０５（ＧａＮ層）よりもバンドギャップが大きい。このため、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０における準位のエネルギーを互いに同一にするために、第３層２０３を第５層２０５よりも薄くする。これにより、第１積層構造体２１０における平均Ｉｎ組成比を高くすることができ、薄い成長厚さでより効率的に結晶の特性を改善することができる。
【０１８１】
本実施形態において、第４層２０４を第５層２０５よりも厚くすることができる。また、第４層２０４のＩｎ組成比を第５層２０５よりも高くすることができる。これは、以下の理由による。発光層の光吸収に対する影響を小さくするためには、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０における吸収波長をできるだけ短波長にすることが望ましい。第３層２０３にはＡｌが含まれているため、第５層２０５（ＧａＮ層）よりもバンドギャップが大きい。このため、第４層２０４及び第６層２０６に形成される準位のエネルギーを互いに同一にするために、第４層２０４の厚さを厚くする、及び、第４層２０４におけるＩｎ組成比を高くする、の少なくともいずれかを適用する。これにより、第１積層構造体２１０における平均Ｉｎ組成比を第２積層構造体２２０よりも高くすることができ、より効率的に結晶の特性を改善することができる。
【０１８２】
なお、本実施形態において、第２積層構造体２２０について、第５層２０５と第６層２０６とを１２ペア積層した場合には結晶表面に顕著な凹凸が認められたが、１６ペア積層した場合には表面の平坦性が向上した。さらに、１８ペア、２０ペア及び２７ペア積層したそれぞれの場合に、光出力の高い半導体発光素子が得られた。このため、第５層２０５及び第６層２０６のペア数としては、１６以上２７以下が望ましい。ただし、２７ペア積層した場合には、結晶中の欠陥の増加も認められた。このため、第５層２０５及び第６層２０６のペア数としては、特に、１６以上２０以下が望ましい。
【０１８３】
本実施形態において、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、極力高いことが望まれる。これは、Ｓｉの添加により第１障壁層１４１に十分な正電荷源を導入し、ピエゾ電界の効果により井戸層１４３にかかる電界の影響を抑制するためである。しかし、Ｓｉ濃度が高いと結晶の質が低下する。このため、薄い第１障壁層１４１のみでＳｉの濃度を上げることで、結晶の特性劣化を抑制しつつ、ピエゾ電界の効果抑制が可能になる。
【０１８４】
結晶の特性の劣化を抑制するために、第１積層構造体２１０においては、第１障壁層１４１よりもＳｉ濃度を下げることが望まれる。
【０１８５】
一方、第１積層構造体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層）におけるヘテロ構造のエネルギーバンドの不連続と、第２積層構造体２２０（ＧａＮ層及びＧａＩｎＮ層）におけるヘテロ構造のエネルギーバンドの不連続と、を比べると、第１積層構造体２１０におけるエネルギーバンドの不連続の方が大きい。このため、半導体発光素子の電気抵抗を下げるためには、第１積層構造体２１０に、第２積層構造体２２０よりも高い濃度でＳｉを添加することが望ましい。しかし、第１積層構造体２１０におけるＳｉの濃度が高過ぎると、結晶の特性が低下することがあるため、第２積層構造体２２０にも、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とのヘテロ構造に対応する十分な濃度でＳｉが添加される。
【０１８６】
一方、第２障壁層１４２のＳｉ濃度が高いと、キャリアのオーバーフローや内部吸収の原因となることから、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度は低いことが望まれる。
【０１８７】
以上から、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも高く設定される。そして、第２積層構造体２２０におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体２１０におけるＳｉ濃度よりも低く設定される。そして、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度は、第２積層構造体２２０におけるＳｉ濃度よりも低く設定される。
【０１８８】
このようなＳｉ濃度の分布を採用することで、結晶の特性が向上されると共にピエゾ電界の効果の影響が抑制され、発光効率が向上できる。さらに、電気抵抗が小さく、キャリアのオーバーフロー等の影響が少ないことから発光効率が向上できる。このように、本実施形態に係る半導体発光素子４０によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
【０１８９】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６に表したように、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子５０においては、導電性基板４６０の上に、第１層１３１、発光部１４０及び第２層１５１が設けられている。導電性基板４６０には、例えばＧｅが用いられる。
【０１９０】
具体的には、導電性基板４６０と第２層１５１との間に、ｐ形コンタクト層１５０が設けられ、導電性基板４６０とｐ形コンタクト層１５０との間にｐ側電極１６０が設けられる。ｐ側電極１６０は発光部１４０から放出される光に対して反射性を有する。
【０１９１】
本具体例では、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に接着用金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と接着用金属層４５５との間に接合金属層４６５が設けられている。
【０１９２】
一方、第１層１３１の発光部１４０とは反対の側にｎ形コンタクト層１３０が設けられ、ｎ形コンタクト層１３０の第１層１３１とは反対の側に低不純物濃度半導体層１３５が設けられている。
【０１９３】
低不純物濃度半導体層１３５における不純物濃度は、ｎ形コンタクト層１３０における不純物濃度よりも低い。低不純物濃度半導体層１３５には、例えばノンドープのＧａＮ層が用いられる。低不純物濃度半導体層１３５には、既に説明した第２バッファ層１２２（格子緩和層）を採用することができる。
【０１９４】
また、低不純物濃度半導体層１３５を２層構造としても良い。すなわち、第２バッファ層１２２とｎ形コンタクト層１３０との間に、ｎ形低不純物濃度層（図示しない）を設け、第２バッファ層１２２とこのｎ形不純物濃度層と、を、低不純物濃度半導体層１３５としても良い。このような構成とすると、第２バッファ層１２２上に、ｎ形不純物濃度が低く高品質な結晶成長が容易な上記のｎ形不純物濃度層を成長した後に、ｎ形コンタクト層１３０を成長することができる。このようにすると、不純物濃度が高く結晶成長が難しいｎ形コンタクト層１３０を高品質な下地結晶上に成長することができ、高品質なｎ形コンタクト層１３０を成長することができる。
【０１９５】
低不純物濃度半導体層１３５には、開口部１３８が設けられる。開口部１３８はｎ形コンタクト層１３０の一部を露出させる。開口部１３８は、低不純物濃度半導体層１３５のｎ形コンタクト層１３０とは反対の側の主面１３５ａからｎ形コンタクト層１３０に連通している。すなわち、開口部１３８の底部は、ｎ形コンタクト層１３０に連通している。
【０１９６】
開口部１３８において露出しているｎ形コンタクト層１３０と、低不純物濃度半導体層１３５の一部と、を覆うようにｎ側電極１７０が設けられている。
【０１９７】
そして、低不純物濃度半導体層１３５のｎ側電極１７０で覆われていない部分の主面１３５ａには、凹凸１３７ｐを有する粗面部１３７が設けられている。
【０１９８】
なお、図６においては省略されているが、既に説明した第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかが設けられても良い。以下では、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０が設けられる場合として説明する。
【０１９９】
半導体発光素子５０は、例えば以下のような方法によって作製される。
例えば、サファイアからなる基板１１０の上へ、第１バッファ層１２１、第２バッファ層１２２（低不純物濃度半導体層１３５となる）、ｎ形コンタクト層１３０、第１層１３１（ｎ形閉じ込め層）、第１積層構造体２１０、第２積層構造体２２０、発光部１４０、第２層１５１（ｐ形閉じ込め層）、及び、ｐ形コンタクト層１５０、の各結晶層を形成して結晶積層体１８０を形成する。
【０２００】
そして、結晶積層体１８０へのｐ側電極１６０の形成、結晶積層体１８０と導電性基板４６０との接合、基板１１０及び第１バッファ層１２１の除去、並びに、露出した結晶層（ｎ形コンタクト層１３０）へのｎ側電極１７０及び低不純物濃度半導体層１３５への粗面部１３７（すなわち凹凸１３７ｐ）の形成、の各工程が実施される。
【０２０１】
まず、サファイアからなる基板１１０上における結晶層の具体例について説明する。
例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、ＡｌＮを含む第１バッファ層１２１が例えば２μｍで、第２バッファ層１２２となるノンドープＧａＮ層が例えば２μｍで形成される。
【０２０２】
なお、第１バッファ層１２１には、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０２０３】
そして、ｎ形コンタクト層１３０となるＳｉドープｎ形ＧａＮ層(Ｓｉ濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下)が例えば６μｍで、第１層１３１となるＳｉドープｎ形ＧａＮ層が例えば０．５μｍの厚さで、順次形成される。
この後、既に説明した第２積層構造体２２０と第１積層構造体２１０とが形成される。 その後、第１障壁層１４１となるＳｉドープｎ形Ａｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（Ｓｉ濃度は例えば１．０×１０１９ｃｍ−３以上１．５×１０１９ｃｍ−３以下）と、井戸層１４３となるＧａＩｎＮ層（波長が３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下）と、第２障壁層１４２となるＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（Ｓｉ濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３以下。例えばＳｉを添加しなくても良い）と、が順次形成される。
【０２０４】
さらに、第２層１５１となるＭｇドープｐ形Ａｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ層(Ｍｇ濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３)が０．０２μｍで、ｐ形コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ形ＧａＮ層が０．２８μｍで、順次形成される。
【０２０５】
ｐ形コンタクト層１５０のＭｇ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３未満と高めに設定することで、ｐ側電極１６０とのオーミック性を向上させることができる。ただし、半導体発光ダイオードの場合は、半導体レーザダイオードとは異なり、コンタクト層と発光層との距離が近いため、Ｍｇ拡散による特性の劣化が懸念される。そこで、ｐ側電極１６０とｐ形コンタクト層１５０との接触面積が広く、動作時の電流密度が低いことを利用して、電気特性を大きく損ねることなくｐ形コンタクト層１５０におけるＭｇ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３未満程度に抑えることで、Ｍｇの拡散を防ぐことができ、発光特性を改善させることができる。
【０２０６】
次に、結晶積層体１８０へのｐ側電極１６０の形成、結晶積層体１８０と導電性基板４６０との接合、並びに、基板１１０及び第１バッファ層１２１の除去、について説明する。
まず、ｐ側電極１６０を形成するために、真空蒸着装置を用いて、例えば、Ａｇを２００ｎｍの厚さで、Ｐｔを２ｎｍの厚さで連続形成する。リフトオフ後に、酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎ（分）のシンター処理を行う。
【０２０７】
そして、ｐ側電極１６０上に接着用金属層４５５として、例えば、Ｎｉ膜及びＡｕ膜の積層膜を１０００ｎｍの厚さで形成する。
【０２０８】
そして、例えばＧｅからなる導電性基板４６０上に形成され接合金属層４６５（例えば膜厚３μｍのＡｕＳｎ半田）と、結晶積層体１８０に形成された接着用金属層４５５と、を対向させて設置し、ＡｕＳｎの共晶点以上の温度、例えば３００℃に加熱することで、導電性基板４６０と結晶積層体１８０とを接合する。
【０２０９】
そして、サファイアからなる基板１１０の側から、例えばＹＶＯ４の固体レーザの三倍高調波（３５５ｎｍ）または四倍高調波（２６６ｎｍ）のレーザ光を照射する。レーザ光は、第２バッファ層１２２（ＧａＮ層であり、例えば、上記のノンドープＧａＮバッファ層）のＧａＮの禁制帯幅に基づく禁制帯幅波長よりも短い波長を有する。すなわち、レーザ光は、ＧａＮの禁制帯幅よりも高いエネルギーを有する。
【０２１０】
このレーザ光は、第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮバッファ層）のうち、第１バッファ層１２１（単結晶ＡｌＮバッファ層）の側の領域において効率的に吸収される。これにより、第２バッファ層１２２（ＧａＮバッファ層）のうちの第１バッファ層１２１（単結晶ＡｌＮバッファ層）の側のＧａＮは、発熱により分解する。
【０２１１】
ここで、第１バッファ層１２１は、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０２１２】
このようなレーザリフトオフ法を用いた場合、ＧａＮの温度が急激に上昇する。このため、急激な熱膨張及び熱収縮が起こる。第１バッファ層１２１としてＡｌＮを用いると熱伝導度が高いため熱の広がりが早く、局所的な熱膨張収縮の影響を緩和することができる。
【０２１３】
一方、第１バッファ層１２１としてＡｌＧａＮを用いた場合は、わずかにＧａを添加するだけでも急激に熱伝導度が低下する。このため、レーザ光による温度変化の影響の広がりを抑制することができ、局所的に温度を急変させることに適している。このためレーザ光出力を下げることが可能で、レーザ光によるダメージがウェーハ全体に広がることを抑制することができる。
【０２１４】
そして、塩酸処理などによって、分解されたＧａＮを除去し、サファイアからなる基板１１０を結晶積層体１８０から剥離して分離する。
【０２１５】
次に、露出した結晶層（ｎ形コンタクト層１３０）へのｎ側電極１７０、及び、低不純物濃度半導体層１３５への凹凸１３７ｐの形成について説明する。
【０２１６】
サファイアからなる基板１１０から剥離された第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮ層）の一部を除去して開口部１３８を形成する。この開口部１３８によって、ｎ形コンタクト層１３０（ｎ形ＧａＮ層、すなわち、上記のＳｉドープｎ形ＧａＮ層）の一部が露出する。この際、ｎ側電極１７０の段切れを防ぐために、開口部１３８の側面はテーパ形状に加工することが望ましい。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いることで、開口部１３８として、５０°のテーパ形状を持つ窪みを形成することができる。開口部１３８から露出したｎ形コンタクト層１３０（Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層）と、第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮ層）の一部と、を覆うように、リフトオフ法などで、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜を例えば５００ｎｍの厚さで形成し、パターニングして、ｎ側電極１７０を形成する。
【０２１７】
その後、ｎ側電極１７０が形成されていない第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮ層）の表面を、例えばＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して、凹凸１３７ｐを形成する。ＫＯＨ溶液による処理条件としては、例えばＫＯＨの１ｍｏｌ／Ｌの溶液を８０℃に加熱して、２０ｍｉｎエッチングする条件が採用される。これにより、凹凸１３７ｐが形成される。
【０２１８】
次いで、劈開またはダイヤモンドブレード等により、導電性基板４６０を切断し、個別の素子とし、本実施形態に係る半導体発光素子５０が作製される。
【０２１９】
上記において、凹凸１３７ｐの大きさは、例えば、発光部１４０から放出される発光光の波長よりも大きく設定される。具体的には、凹凸１３７ｐの大きさは、例えば、発光部１４０から放出される発光光の低不純物濃度半導体層１３５における波長よりも大きく設定される。これにより、凹凸１３７ｐが設けられる粗面部１３７において、光の進路が変更され、光の取り出し効率が向上し、さらに高効率の半導体発光素子が得られる。
【０２２０】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、第１層１３１は、サファイア層のｃ面を主面とした基板１１０上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を介して成長されたＧａＮ層の上に設けられている。
【０２２１】
この単結晶バッファ層には、例えば、第１バッファ層１２１が適用される。すなわち、この単結晶バッファ層には、例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、が適用される。
【０２２２】
また、上記の単結晶バッファ層を介して成長されたＧａＮ層としては例えば、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３０及びＳｉドープのｎ形閉じ込め層などが適用される。
【０２２３】
このように、基板１１０上に上記の単結晶バッファ層を介してＧａＮ層を成長させることで、結晶品質の高いＧａＮ層が得られる。
【０２２４】
導電性基板４６０は、少なくとも導電性のある材料からなり、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｉ及びＧｅなどの半導体基板、並びに、Ｃｕ及びＣｕＷなどの金属板が用いられる。また、導電性基板４６０の全体で導電性を有する必要はなく、少なくとも一部が導電性を有していれば良く、例えば、樹脂の中に金属配線が設けられている板などを用いることができる。
【０２２５】
ｐ側電極１６０は、少なくとも銀またはその合金を含む。銀以外の金属単層膜の可視光帯域に対する反射効率は、４２０ｎｍ以下の紫外域では波長が短くなるほど低下する傾向にあるが、銀は３７０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の紫外帯域の光に対しても高い反射効率特性を有する。そのため、紫外発光の半導体発光素子においてｐ側電極１６０が銀合金の場合は、ｐ側電極１６０の半導体層の側の界面側の部分は、銀の成分比が大きい方が望ましい。ｐ側電極１６０の厚さは、光に対する反射効率を確保するために、１００ｎｍ以上であることが望ましい。
【０２２６】
ｐ側電極１６０上には、半田がｐ側電極１６０へ拡散または反応するのを防ぐ目的で、銀と反応しない、または銀に積極的に拡散しない拡散防止層を設けても良い。なお、この拡散防止層は、ｐ側電極１６０と電気的に接触する。この拡散防止層に用いられる材料としては、高融点金属である、例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）などの単層膜または積層膜が挙げられる。
【０２２７】
さらに、拡散防止層には、多少拡散しても問題がないように仕事関数が高く、ｐ形コンタクト層１５０（ｐ形ＧａＮ層）とオーミック性が得られやすい金属として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）の少なくともいずれかを用いることがさらに望ましい。
【０２２８】
拡散防止層の厚さは、単層膜の場合は膜状態を保てる５ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。積層膜の場合は、特に限定されるものではなく、拡散防止層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の間の値に設定することができる。
【０２２９】
本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、第１層１３１は、サファイアからなる基板１１０上に形成されたＧａＮ層の上に形成され、発光部１４０は、第１層１３１の上に形成され、第２層１５１は、発光部１４０の上に形成されており、基板１１０が除去されている。このような構成を有する半導体発光素子５０において、特に高い発光効率を実現できる。
【０２３０】
すなわち、基板１１０が除去される薄膜構造を有する半導体発光素子５０においては、光が外部に取り出されるまでの平均の光路が長くなる。このため、素子（半導体層）の内部における吸収を下げることが、光の取り出し効率の向上に非常に効果的である。このため、発光部１４０を単一量子井戸構造とすることによって素子の内部（半導体層の内部）における光吸収を抑制する本実施形態の効果は、基板１１０が除去される構成において、特に顕著に発揮される。
【０２３１】
結晶積層体１８０と導電性基板４６０とを接着するとき、及び、レーザ光でＧａＮ層を分解してサファイアからなる基板１１０を剥離するとき、において、結晶積層体１８０の結晶層に結晶欠陥やダメージが発生し易い。
【０２３２】
これは、導電性基板４６０、サファイア、及び、ＧａＮ層における相互の熱膨張係数差、局所的な加熱、及び、ＧａＮの分解による生成物、などが原因であると考えられる。結晶層に結晶欠陥やダメージが発生すると、そこからｐ側電極１６０に含まれるＡｇが拡散し、結晶内部でのリークや結晶欠陥の加速度的な増加を招く。
【０２３３】
本実施形態によれば、井戸層１４３が単層であるため、基板１１０の側からの積層構造による歪により、結晶（井戸層１４３）の特性を大きく改善することができる。さらに単層であるため、ＭＱＷ構造において発生し得る問題（複数の井戸層において、成長基板側では結晶品質の改善が不十分で、成長基板とは反対側では歪が過大となり、結晶の特性が劣化する問題）が発生しない。これにより、井戸層１４３の結晶を、最高の品質とすることができる。
【０２３４】
この効果は、本実施形態のように基板１１０を除去することで結晶に負荷がかかる場合に、特に効果的に発揮される。すなわち、結晶成長の際に用いられる基板１１０が除去された後にも、高品質の結晶を得ることができる。
【０２３５】
本実施形態のように、基板１１０を除去し、高反射率の金属を用いた電極（ｐ側電極１６０）での反射を利用して光を取り出す構造では、基板１１０と成長結晶との界面、及び、基板１１０内での光損失がないので、結晶内での光損失の低減による発光効率改善の効果が大きい。
【０２３６】
すなわち、本実施形態においては、ＳＱＷ構造を採用することで、発光効率の高い井戸層１４３から放出された光が、効率の低い別の井戸層で吸収されてしまうという問題が生じないため、極めて高い効率で光を外部に取り出すことができる。
【０２３７】
特に、本実施形態においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を導入することで、結晶品質の向上の程度が大きいので、基板１１０を除去する際に発生し得る井戸層１４３の特性の劣化が効果的に抑制される。
【０２３８】
基板１１０が除去される構造を有する半導体発光素子においては、発光効率の低下が発生し易い。本願発明者は、この構成において発光効率が低下し易い原因を解析し、その結果、基板１１０を除去するプロセスにおいて、基板１１０の側から大きな歪が加わることで結晶中の転位が増加することが、発光効率の低下に大きく影響を与えていると推定した。
【０２３９】
すなわち、基板１１０を除去する際に、加熱によって基板１１０を除去すると、熱膨張に伴って横方向に成分をもった転位が結晶中に導入されていると考えられる。また、基板１１０を剥離する際に、剥離された部分とされていない部分とが発生し、これにより、斜めに力が働く状態で剥離が進行する。このため、基板１１０の除去に伴う転位も斜め方向の成分を持つと推定される。
【０２４０】
本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、基板１１０と発光部１４０との間に第１積層構造体２１０と第２積層構造体２２０とを導入している。これにより、基板１１０の除去に伴う転位の方向の変化（横方向及び斜め方向への変化）に対して影響を与えると考えられる。すなわち、本実施形態においては、転位は結晶表面に対して垂直に近づくため、転位の方向の変化を抑制する効果が発揮されていると推測される。これにより、基板１１０の除去において発生し得る発光効率の低下が抑制され、高効率に発光する半導体発光素子の実現が可能となる。
【０２４１】
本実施形態においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の両者を用いているので、上記の効果が特に大きい。但し、その一方を用いた場合でも発光効率の向上効果が得られる。特に、第１積層構造体２１０を用いると、第３層２０３と第４層２０４との間の格子不整が大きく、転位の向きを変える効果が大きく、さらに、結晶が面内で不均一である場合でも転位の方向を変える効果が大きく、半導体発光素子の効率向上への寄与が大きい。
【０２４２】
以上のように、基板１１０が除去される構成が適用される半導体発光素子の場合に、本発明の実施形態に係る構成を適用することで、結晶の品質が高いことから基板１１０を除去する際の結晶の特性劣化が抑制され、特に高効率な発光を実現することが可能である。すなわち、基板１１０が除去される構成と、ＳＱＷ構造の発光部１４０と、第１積層構造体２１０と、の組み合わせを採用すると、発光効率が特に効果的に向上できる。さらに、第２積層構造体２２０をさらに組み合わせることで、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２４３】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、本実施形態に係るウェーハ５６０は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１と、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１と、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられ、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層１４１と、第１障壁層１４１と第２層１５１との間に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層１４２と、第１障壁層１４１と第２障壁層１４２との間に設けられ、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層１４３と、からなる単一量子井戸構造を有する発光部１４０と、を備える。
【０２４４】
井戸層１４３は、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下の厚さを有する。井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２４５】
このような構成を有するウェーハ５６０においては、既に説明した本発明の実施形態に係る半導体発光素子と同様の効果を発揮できる。ウェーハ５６０によって、高効率に近紫外光を発光するウェーハが提供できる。
【０２４６】
なお、図７に表したように、ウェーハ５６０は、既に説明した本発明の実施形態に係る半導体発光素子に関して説明した種々の層をさらに有することができる。
【０２４７】
なお、ウェーハ５６０においては、井戸層１４３の厚さは、特に５ｎｍ以上７ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【０２４８】
図８は、本発明の第６の実施形態に係る別のウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係るウェーハ５７０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられ、ＡｌＧａＩｎＮを含み、それぞれの厚さが第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層され、それぞれの厚さが井戸層１４３の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を含む第１積層構造体２１０をさらに備えている。
【０２４９】
さらに、ウェーハ５７０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられ、ＧａＮを含み、それぞれの厚さが第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い複数の第５層２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層され、それぞれの厚さが井戸層１４３の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む第６層２０６と、を含む第２積層構造体２２０をさらに備えている。
【０２５０】
本発明の実施形態の半導体発光素子に関して既に説明したように、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかが設けられても良い。また、第２積層構造体２２０は、第１層１３１と第１積層構造体２１０との間に設けられることができる。
【０２５１】
なお、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計は、２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。
【０２５２】
ウェーハ５７０における発光効率の向上の効果については、実施形態に係る半導体発光素子に関して説明した通りである。
【０２５３】
（第７の実施形態）
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、例えば第５の実施形態に関して説明した半導体発光素子５０の製造方法である。
【０２５４】
図９は、本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図９に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、サファイア層のｃ面を主面とした基板１１０上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を形成する（ステップＳ１０１）。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を順次形成する。
【０２５５】
そして、単結晶バッファ層の上にＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０２）。例えば、第２バッファ層１２２及びｎ形コンタクト層１３０などを形成する。
【０２５６】
そして、そのＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１を含むｎ形半導体層を形成する（ステップＳ１０３）。
そして、ｎ形半導体層の上に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層１４１を形成する（ステップＳ１０４）。
【０２５７】
そして、第１障壁層１４１の上に、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層１４３を形成する（ステップＳ１０５）。井戸層１４３の厚さは、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とされる。井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２５８】
そして、井戸層１４３の上に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層１４２を形成する（ステップＳ１０６）。
【０２５９】
そして、第２障壁層１４２の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１を含むｐ形半導体層を形成する（ステップＳ１０７）。
【０２６０】
そして、ｐ形半導体層の形成の後に、基板１１０を除去する（ステップＳ１０８）。
【０２６１】
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、基板１１０の除去工程と、ＳＱＷ構造の発光部１４０と、が組み合わされることで、発光効率が特に効果的に向上できる。さらに、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかをさらに組み合わせることで、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２６２】
（第８の実施の形態）
図１０は、本発明の第８の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、サファイアからなる基板１１０上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層（第１バッファ層１２１）を形成する（ステップＳ２０１）。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を順次形成する。
【０２６３】
そして、このＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成する（ステップＳ２０２）。例えば、第２バッファ層１２２及びｎ形コンタクト層１３０などを形成する。
【０２６４】
そして、このＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０３）。
【０２６５】
そして、ｎ形半導体層の上に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層１４１を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０４）。
【０２６６】
そして、第１障壁層１４１の上にＡｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層１４３を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０５）。井戸層１４３の厚さは、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とされる。井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２６７】
そして、井戸層１４３の上に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層１４２を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０６）。
【０２６８】
そして、第２障壁層１４２の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０７）。
【０２６９】
具体的には、上記のｎ形半導体層の上に第１障壁層１４１を直接形成し、第１障壁層１４１の上に井戸層１４３を直接形成し、井戸層１４３の上に第２障壁層１４２を直接形成し、第２障壁層１４２の上にｐ形半導体層を直接形成する。なお、既に説明したように、第１層１３１を含むｎ形半導体層は、第１層１３１の上に形成された第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかを含むことができる。
【０２７０】
このような製造方法によって、結晶の品質の高い半導体層が形成でき、この方法によってＳＱＷ構造を有する発光部１４０を形成することで、特に高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子を生産性良く製造できる。
【０２７１】
なお、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかを形成する工程をさらに実施しても良い。これにより、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２７２】
また、上記の半導体発光素子の製造方法は、ウェーハの製造方法にも応用できる。
すなわち、本発明の実施形態に係るウェーハの製造方法は、上記のステップＳ２０１〜ステップＳ２０７を含むことができる。これにより、特に高効率に近紫外光を発光するウェーハを生産性良く製造できる。また、このウェーハの製造方法においても、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかを形成する工程をさらに実施しても良い。これにより、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２７３】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０２７４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体層、発光部、井戸層、障壁層、積層構造体、電極、基板、バッファ層等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２７５】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２７６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２７７】
１０、２０、２１、３０、４０、５０ 半導体発光素子、 １１０…基板、 １２１…第１バッファ層、 １２１ａ…第１ＡｌＮバッファ層、 １２１ｂ…第２ＡｌＮバッファ層、 １２２…第２バッファ層、 １３０…ｎ形コンタクト層、 １３１…第１層、 １３５…低不純物濃度半導体層、 １３５ａ…主面、 １３７…粗面部、 １３７ｐ…凹凸、 １３８…開口部、 １４０…発光部、 １４１…第１障壁層、１４１ａ…第１サブ層、１４１ｂ…第２サブ層、１４１ｃ…第３サブ層、 １４２…第２障壁層、 １４３…井戸層、 １５０…ｐ形コンタクト層、 １５１…第２層、 １６０…ｐ側電極、 １７０…ｎ側電極、 １８０…結晶積層体、 ２０３〜２０６…第３層〜第６層、 ２１０…第１積層構造体、 ２２０…第２積層構造体、 ４５５…接着用金属層、 ４６０…導電性基板、 ４６５…接合金属層、 ５６０、５７０…ウェーハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、半導体発光素子やＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）素子等の各種の半導体素子に用いられている。このような窒化物半導体においては、ＧａＮ結晶との間の格子不整合による高密度の貫通転移により素子の特性が制約を受ける。
【０００３】
例えば窒化物半導体を用いた半導体発光素子である近紫外光のＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子（例えば発光波長が例えば４００ｎｍ以下）は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低いことが問題となっている。
【０００４】
窒化物半導体を用いた近紫外光のＬＥＤの効率を向上するために、種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、半導体発光素子に含まれる種々の層の条件を制御する構成が提案されている。しかしながら、近紫外光のＬＥＤの効率の向上のためには改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２７１３０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子、ウェーハ及びそれらの製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、第１層と、第２層と、発光部と、第１積層構造体と、第２積層構造体と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１層は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。前記第２層は、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。前記発光部は、前記第１層と前記第２層との間に設けられる。前記発光部は、障壁層と井戸層とを含む。前記第１積層構造体は、前記第１層と前記発光部との間に設けられる。前記第１積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。前記第２積層構造体は、前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられる。前記第２積層構造体は、ＧａＮを含む複数の第５層と、前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態によれば、第１層と、第２層と、発光部と、第１積層構造体と、第２積層構造体と、を含むウェーハが提供される。前記第１層は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。前記第２層は、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。前記発光部は、前記第１層と前記第２層との間に設けられる。前記発光部は、障壁層と井戸層とを含む。前記第１積層構造体は、前記第１層と前記発光部との間に設けられる。前記第１積層構造体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。前記第２積層構造体は、前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられる。前記第２積層構造体は、ＧａＮを含む複数の第５層と、前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法が提供される。前記製造方法は、サファイア層のｃ面を主面とした基板上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を形成することを含む。前記製造方法は、前記単結晶バッファ層の上にＧａＮ層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｐ形半導体層の形成の後に、前記基板を除去することをさらに含む。
【００１０】
本発明の別の実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法が提供される。前記製造方法は、サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成することを含む。前記製造方法は、前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。
【００１１】
本発明の別の実施形態によれば、ウェーハの製造方法が提供される。前記製造方法は、サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成することを含む。前記製造方法は、前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。前記製造方法は、前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成することをさらに含む。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子、ウェーハ及びそれらの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図２】第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図５】第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図６】第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
【図７】第６の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図８】第６の実施形態に係る別のウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
【図９】第７の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
【図１０】第８の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１と、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１と、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられた発光部１４０と、を有する。
第１層１３１、発光部１４０及び第２層１５１は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。第１層１３１は、例えばＳｉを含み、第２層１５１は、例えば、Ｍｇを含む。
【００１６】
発光部１４０は、第１障壁層１４１と、第２障壁層１４２と、井戸層１４３と、からなる単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有する。第１障壁層１４１は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。第２障壁層１４２は、第１障壁層１４１と第２層１５１との間に設けられる。井戸層１４３は、第１障壁層１４１と第２障壁層１４２との間に設けられる。
なお、第１障壁層１４１、井戸層１４３及び第２障壁層１４２は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。
【００１７】
第１障壁層１４１は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む。
第２障壁層１４２は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む。なお、ｘ２はｘ１と同じでも良く、異なっても良い。また、ｙ２は、ｙ１と同じでも良く、異なっても良い。特に、ｘ２＜ｘ１であると特に望ましい。
【００１８】
井戸層１４３は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。すなわち、井戸層１４３は、Ｇａ１−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０＜ｙ０≦１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。
井戸層１４３は、４．５ナノメートル（ｎｍ）以上９ｎｍ以下の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）を有する。
【００１９】
井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３の発光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。すなわち、発光部１４０の発光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、近紫外光を発光する。
【００２０】
上記の構成を有することで、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、高効率に近紫外光を発光することができる。
【００２１】
本具体例においては、第１層１３１として、Ｓｉを含有するｎ形閉じ込め層が用いられる。また、第２層１５１として、Ｍｇを含有するｐ形ＡｌＧａＮからなるｐ形閉じ込め層が用いられる。
【００２２】
例えば、図１に表したように、半導体発光素子１０においては、例えば、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、ＡｌＮからなる第１バッファ層１２１が設けられ、その上にノンドープのＧａＮからなる第２バッファ層１２２（格子緩和層）が設けられる。具体的には、第１バッファ層１２１は、基板１１０の上に形成された高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含んでいる。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにおける炭素濃度よりも高い。
【００２３】
そして、第２バッファ層１２２の上に、Ｓｉドープのｎ形ＧａＮからなるｎ形コンタクト層１３０、Ｓｉドープのｎ形閉じ込め層（第１層１３１）、発光部１４０、Ｍｇドープのｐ形ＡｌＧａＮからなるｐ形閉じ込め層（第２層１５１）、及び、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮからなるｐ形コンタクト層１５０、が積層される。
【００２４】
さらに、ｐ形コンタクト層１５０の上に、例えばＮｉからなるｐ側電極１６０が設けられ、ｎ形コンタクト層１３０には、例えばＡｌ／Ａｕの積層膜からなるｎ側電極１７０が設けられている。
【００２５】
第１障壁層１４１には、例えばＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。第２障壁層１４２には、ＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。第２障壁層１４２には、Ｓｉがドープされても良く、Ｓｉがドープされなくても良く、また、第２障壁層１４２の一部にＳｉがドープされても良い。
【００２６】
本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、井戸層１４３のバンドギャップが、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２のバンドギャップよりも小さい。井戸層１４３で発光した光が、半導体発光素子１０に含まれる他の半導体層で吸収されることが抑制され、外部に高効率で取り出されることができる。これにより、高効率で近紫外光を発光する半導体発光素子が実現できる。
【００２７】
以下、上記の各種の層の構成についての具体例を示す。ただし、本実施形態はこれには限らず、各種の変形が可能である。
第１バッファ層１２１の厚さは、例えば、約２マイクロメートル（μｍ）とすることができる。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの厚さは、例えば３ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、例えば約２μｍ程度である。
また、第２バッファ層１２２（格子緩和層）の厚さは、例えば２μｍとすることができる。
【００２８】
ｎ形コンタクト層１３０におけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下とすることができる。また、ｎ形コンタクト層１３０の厚さは、例えば、約６μｍとすることができる。
【００２９】
ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）には、例えばＳｉドープのｎ形ＧａＮが用いられる。ｎ形閉じ込め層におけるＳｉ濃度は、例えば約２×１０１８ｃｍ−３とすることができる。ｎ形閉じ込め層の厚さは、例えば０．５μｍとすることができる。
【００３０】
ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）には、例えば、Ｍｇドープのｐ形Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎが用いられる。ｐ形閉じ込め層の厚さは、例えば約２４ｎｍとすることができる。そして、ｐ形閉じ込め層の第２障壁層１４２の側におけるＭｇ濃度は、例えば約３×１０１９ｃｍ−３とされ、第２障壁層１４２とは反対の側（ｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とされることができる。
【００３１】
ｐ形コンタクト層１５０のｐ形閉じ込め層の側におけるＭｇ濃度は、例えば約１×１０１９ｃｍ−３とされ、ｎ形閉じ込め層とは反対の側（本具体例ではｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下とすることができる。
【００３２】
井戸層１４３には、例えばＧａＩｎＮを用いることができる。井戸層１４３の厚さは、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下である。井戸層１４３には、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用いることができる。井戸層１４３の厚さは、例えば約６ｎｍとすることができる。発光部１４０（井戸層１４３）から放出される光は近紫外光となる。
【００３３】
第１障壁層１４１には、例えば、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができる。第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下とすることができる。第１障壁層１４１の厚さは、例えば約１３．５ｎｍとすることができる。
【００３４】
第２障壁層１４２には、例えばＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができる。第２障壁層１４２の厚さは、例えば約６ｎｍとすることができる。
【００３５】
本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が提供される。
本願発明者は以下に説明する実験結果と考察とに基づき、高効率に近紫外光を発光できる半導体発光素子の構成を構築した。
【００３６】
窒化物半導体を用いた多くの半導体発光素子においては、複数の障壁層と、複数の井戸層と、が交互に積層された構成を有する多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造が採用されている。
【００３７】
例えば窒化物半導体を用いた青色発光の半導体発光素子においてもＭＱＷ構造が採用されている。青色発光の半導体発光素子においては、井戸層におけるＩｎ組成比は、０．１５以上０．２５以下とされる。このように高いＩｎ組成比を有する井戸層を厚く形成すると、結晶の品質が低下し易い。このため、青色発光の半導体発光素子においては、井戸層の厚さは、２ｎｍ以上３ｎｍ以下に設定されることが多い。しかし、井戸層の厚さが薄いと、キャリアの井戸層への閉じ込め効果が低くなる。このため、青色発光の半導体発光素子においては、複数の井戸層を積層したＭＱＷ構造が採用される。
【００３８】
一方、このような青色半導体発光素子の構成を基にして、近紫外光の半導体発光素子の開発が行われている。すなわち、ＭＱＷ構造を採用した近紫外光の半導体発光素子に関する検討が精力的に行われている。
【００３９】
本願発明者は、ＭＱＷ構造を有する近紫外光の半導体発光素子の高効率化のために種々の検討を行った。この中で、ＭＱＷ構造における障壁層及び井戸層の組みの一部の厚さを薄くする実験を行った。すなわち、ＭＱＷ構造における一部の井戸層の厚さを薄くし、実質的に発光しない部分を設け、その際の発光効率を調べた。
【００４０】
具体的には、ｎ形半導体層の上に、厚さが２．５ｎｍのＧａＮ層と、厚さが１ｎｍのＧａＩｎＮ層と、を交互に積層した結晶歪み緩和層を形成し、その上にＭＱＷ構造を有する発光部１４０を形成した。さらに、その上にｐ形半導体層を形成して半導体発光素子を形成し、この半導体発光素子の発光特性を評価した。このときの発光部１４０のＭＱＷ構造における井戸層の数は、例えば８層である。そして、ＭＱＷ構造における障壁層（例えば厚さ５ｎｍ）及び井戸層（例えば厚さ３．５ｎｍ）の組みうちの一部の厚さを減らした。すなわち、障壁層に相当する部分の厚さを２．５ｎｍとし、井戸層に相当する部分の厚さを１ｎｍとした。そして、障壁層及び井戸層の組みのうちで厚さが薄い部分の数を種々変えて発光効率を測定した。
【００４１】
この実験の結果、障壁層及び井戸層の組みうちの一部の厚さを減らしたときの発光効率は、減らさないときと同程度となる場合があることが判明した。実験を実施する前は、ＭＱＷ構造における障壁層及び井戸層の組みの数を減らすと、発光効率が低下すると予測していた。しかし、実際の実験結果においては、障壁層及び井戸層の組みの数が少ない場合においても発光効率が高かった。
【００４２】
この原因を解析すると、以下の現象が発生しているが分かった。
すなわち、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、キャリアの閉じ込め効果が高くなる場合があり、これによって発光効率が向上する場合がある。さらに、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、障壁層及び井戸層のうちの一部が、結晶の品質を向上するバッファ層として機能することで、効率が向上する場合もあることが分かった。
【００４３】
一方、障壁層及び井戸層の組みの数が多いと、複数の井戸層における特性が不均一になり、この結果、発光効率が低下する場合があることが分かった。例えば、複数の井戸層が設けられる場合は、ｐ形半導体層に近い側の井戸層と、ｎ形半導体層に近い側の井戸層と、において、キャリアの注入効率が異なり、このため、複数の井戸層において発光効率が異なることが発生する。
【００４４】
さらに、ある井戸層で発光した光が別の井戸層によって吸収され、その結果、効率が低下する場合があることが判明した。
【００４５】
すなわち、本願発明者は、ＭＱＷ構造における障壁層及び井戸層の組みの数を減らしても発光効率が高い結果が得られることに着目し、その原因を解析することで、複数の井戸層の特性が不均一となり、また、一部の井戸層で発光した光が別の井戸層で吸収される現象を見出した。そして、この現象が、ＭＱＷ構造における効率向上を実質的に制限していることを見出した。
【００４６】
一方、ＭＱＷ構造における複数の井戸層の特性を均一にするための種々の方策についても検討したが、実用的には、複数の井戸層の特性の均一性を現状よりも格段に向上させることは困難である。
【００４７】
本願発明者は、ＭＷＱ構造における効率向上の妨げになる原因を追及することで、井戸層を複数設けない構造の方が結果的に有利になる場合があると推定した。そして、実際に井戸層を１つ有する近紫外光の半導体発光素子を作製して特性を評価したところ、ＭＱＷ構造の場合よりも高い発光効率が得られた。
【００４８】
本実施形態の構成は、上記のような実験結果とその解析結果に基づいて新たに得られた、複数の井戸層における不均一性及び光吸収の現象に関する知見に基づいて構築されたものである。
【００４９】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１と、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１と、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられ、単一井戸構造を有する発光部１４０と、が設けられる。
これにより、複数の井戸層における不均一性、及び、ある井戸層で発光した光が別の井戸層によって吸収されることによって効率が低下することがない。これにより、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
【００５０】
本実施形態においては、井戸層１４３は１つ設けられるため、複数の井戸層が設けられる場合のキャリアの注入効率の不均一が生じない。
【００５１】
本実施形態においては、井戸層１４３のバンドギャップは、他の層（例えば、第１障壁層１４１、第２障壁層１４２、ＧａＮを含む層、及び、ＡｌＧａＮを含む層）のバンドギャップよりも小さい。すなわち、本実施形態においては、バンドギャップが小さい層が１つ（井戸層１４３）であり、それ以外の層のバンドギャップはそれよりも大きい。このため、井戸層１４３において発光した光が他の層において吸収されることが抑制される。これにより、発光光が効率良く外部に取り出される。
【００５２】
一方、複数の井戸層１４３を有する多重量子井戸構造の場合は、例えば、複数の井戸層１４３におけるバンドギャップが他の層に比べて小さい場合においても、複数の井戸層１４３どうしにおいては、互いにバンドギャップの大きさは実質的に同じであり、このため、１つの井戸層１４３で発光した光が他の井戸層１４３において吸収されることがある。このため、効率が低下する。
【００５３】
なお、既に説明したように、青色（発光のピーク波長が例えば４５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）で発光する半導体発光素子においては、井戸層におけるＩｎ組成比が高いことから、４．５ｎｍ以上の厚さの井戸層を形成すると、ＧａＮ層と井戸層との格子不整に基づく歪が大き過ぎ、結晶の品質が低下して発光強度が低下する。一方、井戸層の厚さが４．５ｎｍよりも薄い場合には、キャリアの井戸層への閉じ込めが弱く、ＳＱＷ構造では発光効率の高い井戸層を形成することができないため、結果的に、ＭＱＷ構造が採用される。
【００５４】
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、近紫外光を発光させるため、井戸層１４３の厚さを４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下と、青色発光の場合よりも厚くする。これにより、ＳＱＷ構造においても、井戸層１４３へのキャリアの閉じ込め効果が十分高い。そして、井戸層１４３が１つであるため、複数の井戸層におけるキャリアの不均一が発生しない。この１つの井戸層１４３においては、特性の最も良好な仕様を適用できるため、結果として井戸層１４３における発光効率を最も高めることができる。さらに、複数の井戸層において発生する井戸層での吸収の現象がないので、光の取り出し効率も向上できる。
【００５５】
このように、本実施形態係る半導体発光素子１０によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が実現できる。
【００５６】
本実施形態において、井戸層１４３として、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用い、井戸層１４３の厚さは４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とされる。
本願発明者の検討によれば、井戸層１４３の厚さが４．５ｎｍよりも薄い場合には、発光強度が顕著に低く、９ｎｍよりも大きいと、発光スペクトルのブロードニングと、発光強度の顕著な低下と、が起こる。井戸層１４３の厚さが４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とすることで、高い発光効率と、良好なスペクトル特性が得られる。
【００５７】
井戸層１４３の厚さが４．５ｎｍよりも小さい場合には、キャリアの井戸層１４３から障壁層（例えば第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の少なくともいずれか）への広がりが大きくなり、効率の低下が生じていると考えられる。井戸層１４３の厚さが９ｎｍを越えると、ＧａＮ層（例えば、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３０及びＳｉドープのｎ形閉じ込め層など）と、井戸層１４３と、の格子不整が大きくなり、結晶に加わる歪が過大となり結晶の質が低下すると推定される。
【００５８】
特に、井戸層１４３の厚さが５ｎｍ以上７ｎｍ以下の場合に、発光強度はほぼ一定で、スペクトルの変化も小さかった。井戸層１４３の厚さが５ｎｍ以上においては、発光強度がほぼ一定であるのでキャリアは概ね井戸層１４３内に存在していると推定される。井戸層１４３の厚さが７ｎｍ以下であればスペクトルのブロードニングがほとんど起きないので、結晶の形状及び組成などに揺らぎがある場合においても、ほぼ全領域（例えば井戸層１４３の全域）で歪による結晶性の低下は起きていないと推定される。
【００５９】
本実施形態において上記のような構成が実現できるのは、井戸層１４３にＧａＩｎＮを用いており、発光部１４０（井戸層１４３）から放出される光が近紫外光、すなわちピーク波長が、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の近紫外光であることによる。
【００６０】
本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、厚いＧａＮ層を形成している。このため、ＧａＮの吸収端波長よりも高エネルギーの光は、強い吸収を受ける。発光波長が３８０ｎｍ以上において、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハ内でバンドギャップの小さな単一の量子井戸層を設けることにより、発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハを実現する効果を享受することができる。
【００６１】
また、発光波長が４００ｎｍ以下とすると、井戸層１４３のＧａＩｎＮにおけるＩｎ組成比を高くする必要がなく、井戸層１４３を厚くすることができるので、単一の井戸層でも電流を効率よく注入できるようになる。このため、素子内で光吸収を受けることなく高効率であるとともに、かつ電流値が実用的な大きさになっても発光層（井戸層１４３）への電流の注入効率の低下が小さい、高効率で高光出力の半導体発光素子の実現が可能となる。
【００６２】
本実施形態に係る半導体発光素子１０の構造をさらに検討したところ、上記のように複数の井戸層におけるキャリアの不均一性と、再吸収の問題を解決できる効果の他に、結晶品質の観点での発光効率の向上の効果がさらにあることが分かった。すなわち、本実施形態においては、井戸層が１つであるため、その井戸層の結晶品質が最も高くなるように他の層を最適化することができる。
【００６３】
本願発明者の実験によると、以下の知見が得られた。窒化物半導体（例えばＧａＮ）を用いた半導体発光素子をサファイア基板上に設けた場合、サファイア基板とＧａＮとで格子不整合によりＧａＮ結晶（例えばＧａＮバッファ層）中に結晶欠陥が発生する。このような欠陥の影響は、ＧａＮ層の上に高い歪を有する層を積層することで低減される。そして、高い歪みを有する層の上に、複数のＧａＩｎＮからなる井戸層を有するＭＱＷ構造を形成した場合、井戸層の格子定数がＧａＮ層と異なっているため歪みが発生することから、複数の井戸層によって結晶欠陥の影響が低減される。すなわち、井戸層を複数積層すると、井戸層を積層するにつれて結晶欠陥の影響が少ない良質な結晶の成長が可能になる。ところが、格子不整のある層の全体の厚さが厚くなると歪量が大きくなり過ぎて、再び結晶の品質が低下する。
【００６４】
本願発明者の実験によると、以下の知見も得られた。Ｇａ（Ａｌ）ＩｎＮを発光層に用いたウェーハ（半導体発光素子）では、発光波長によって結晶の質に対する鋭敏さが大きく異なる。すなわち、波長４００ｎｍよりも長波長側では結晶の品質が低下しても発光効率の変化は小さいが、４００ｎｍ以下の短波長側では発光波長が短くなると発光効率が急激に低下する。より詳細には、４００ｎｍ以下の短波長になると、各スペクトルの短波長側があたかもある種の包絡線を越えることができないかのように低下する。このため、発光波長が短波長になるにつれて発光効率が低下する。ところが、高品質な結晶では発光波長が４００ｎｍ以下の短波長となっても発光効率の低下は限定的となる。この場合、波長（ピーク波長）が短波長となるとスペクトル全体が大きな変化なく短波長側にシフトする。このため、特に、高品質な結晶の成長を実現することで、波長が４００ｎｍ以下の近紫外の波長域で特に高効率な発光を実現することができる。
【００６５】
このような実験結果に基づいて、本願発明者は、結晶の品質が良好な井戸層は、１層だけしか形成することができないと推定した。そして、１つの井戸層における結晶の品質が最も向上するように、半導体発光素子に含まれる層のそれぞれを最適化することで、最も高い発光効率が得られると推定した。さらに、このような方法を用いることで、高品質な結晶を適用することが特に適している、波長が４００ｎｍ以下の近紫外発光の半導体発光素子でも高効率な発光が可能になると推定した。
【００６６】
すなわち、本実施形態においては、１つの井戸層１４３の結晶品質を最も高くなるように全体の条件を最適化できる。そして、１つの井戸層１４３において最適な条件でキャリアが注入されるように、半導体発光素子に含まれる半導体層のそれぞれの条件が最適化される。
【００６７】
このように、均質で最も特性の優れた１つの井戸層を用いることで、複数の井戸層を用いる場合と比べ、より高効率に発光し、また高効率で光を取り出すことができる。すなわち、発光部１４０に１つの井戸層１４３が設けられることから、その１つの井戸層１４３における特性が最も良好となるように半導体発光素子を設計し、製造することができ、発光部１４０の特性を最高にできる。以上のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、高効率の近紫外発光の半導体発光素子を提供できる。
【００６８】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法の例について説明する。
まず、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、第１バッファ層１２１となるＡｌＮ膜を厚さ約２μｍで形成する。具体的には、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａ(炭素濃度が例えば３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下）を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下で形成し、その上に高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂ(炭素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下）を２μｍで形成する。その後、その上に、第２バッファ層１２２（格子緩和層）となるノンドープＧａＮ膜を厚さ２μｍで形成する。その後、ｎ形コンタクト層１３０となるＳｉ濃度が１×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形ＧａＮ膜を厚さ６μｍで、ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）となるＳｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ形ＧａＮ層を厚さ０．５μｍで、積層して成膜する。さらに、その上に、第１障壁層１４１となる厚さ１３．５ｎｍのＳｉ濃度が０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜と、井戸層１４３となる厚さ６ｎｍのＧａＩｎＮ膜と、を成膜し、さらに、第２障壁層１４２となるＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜を厚さ６ｎｍで形成する。さらに、その上に、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）となるＭｇドープｐ形Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ膜(第２障壁層１４２の側のＭｇ濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３で、第２障壁層１４２とは反対の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３)を厚さ２４ｎｍで、ｐ形コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ形ＧａＮ膜(第２層１５１の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で、第２層１５１とは反対の側のＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下）を順次積層して成膜する。
【００６９】
そして、これらの半導体層を含む半導体層積層体に、例えば、以下に例示する方法で電極を設ける。
すなわち、まず、図１に表したように、半導体層積層体の一部の領域において、ｎ形コンタクト層１３０が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによってｐ形の半導体層と発光部１４０を取り除く。そして、ｎ形の半導体層の露出した面を含む半導体層積層体の全体に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて図示していないＳｉＯ２膜を４００ｎｍの厚さで成膜する。
【００７０】
そして、ｐ側電極１６０を形成するために、まず、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成し、ｐ形コンタクト層１５０の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、このＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えば、真空蒸着装置を用いて、ｐ側電極１６０となる反射導電性のＡｇを２００ｎｍの膜厚で形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【００７１】
そしてｎ側電極１７０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成し、露出したｎ形コンタクト層１３０の上のＳｉＯ２膜をフッ化アンモン処理で取り除く。このＳｉＯ２膜が取り除かれた領域に、例えばＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜を５００ｎｍの膜厚で形成し、ｎ側電極１７０とする。
【００７２】
また、ｎ側電極１７０には、高反射率の銀合金（例えばＰｄを１％程度含む）も使用可能である。この場合には、オーミック接触を良好にするためにｎ形コンタクト層１３０を２層構造とし、電極形成部として、Ｓｉ濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下の高濃度層を、０．３μｍ程度の厚さで成長する。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を抑制できる。
【００７３】
次いで、基板１１０の裏面（第１バッファ層１２１とは反対の側の面）の研磨を行い、基板１１０及び半導体層積層体を、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断し、例えば幅が４００μｍで、厚さが１００μｍの個別のＬＥＤ素子、すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０が作製される。
【００７４】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子１０は、ｎ形の半導体層と、ｐ形の半導体層と、ｎ形の半導体層と、ｐ形の半導体層と、の間に設けられた発光部１４０と、を含む半導体層を含み、これらの半導体層の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌα１Ｇａ１−α１−β１Ｉｎβ１Ｎ（α１≧０、β１≧０、α１＋β１≦１）などの窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。すなわち、本実施形態における半導体層には、窒化物半導体を含むことができる。
【００７５】
これらの半導体層の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば、有機金属気相成長法及び分子線エピタキシャル成長法等の技術を用いることができる。
【００７６】
基板１１０には、特に限定されるものではないが、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ及びＳｉなどの基板が用いられる。基板１１０は、最終的に取り除かれても良い。
【００７７】
本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、低欠陥結晶の利点を生かして近紫外域での高効率発光を得るために、発光部１４０自体の高効率化と、発光部１４０からの電子のあふれを抑制するための、Ａｌ組成が高く膜厚が厚いｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の採用を容易にする構成が適用されている。
【００７８】
以下、この構成について説明する。
最初に、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＳｉの濃度分布と、井戸層１４３にかかるピエゾ電界と、の関係について説明する。
井戸層１４３には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層１４３と第２障壁層１４２との界面では、正のチャージが井戸層１４３から第２障壁層１４２へ染み出す。一方、井戸層１４３と第１障壁層１４１との界面では、負のチャージが井戸層１４３から第１障壁層１４１へ染み出す。
【００７９】
井戸層１４３のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側には電子が多く存在するので、第２障壁層１４２からの電子の供給の程度が低くても良い。よって、この界面に接する障壁層（第２障壁層１４２）においては、Ｓｉ濃度が低くても良い。すなわち、第２障壁層１４２においては、Ｓｉが意図的にドープされなくても良い。
【００８０】
一方、井戸層１４３のｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の側には電子があまり存在しないため、第１障壁層１４１の側から井戸層１４３に向かって電子を効率良く供給することが望まれる。よって、この界面に接する第１障壁層１４１においては、Ｓｉ濃度が高く設定されることが望ましい。すなわち、第１障壁層１４１には高濃度でＳｉがドープされる。具体的には、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下が望ましい。さらに、Ｓｉ濃度を１．０×１０１９ｃｍ−３以上１．２×１０１９ｃｍ−３以下に設定すると、結晶を劣化させることなく高濃度の電子供給が可能となる。Ｓｉ濃度を１．２×１０１９ｃｍ−３以上１．５×１０１９ｃｍ−３以下の範囲においては、結晶の劣化に伴うと推定される発光スペクトルのブロードニングが起こることがあるが、電子供給を増やすことができ発光強度は高い。
【００８１】
井戸層１４３のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側には、低Ｓｉ濃度の第２障壁層１４２が配置され、井戸層１４３のｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の側には、高Ｓｉ濃度の第１障壁層１４１が配置される。言い換えれば、発光部１４０において、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側からｎ側閉じ込め層（第１層１３１）の側への方向に進むに従ってＳｉ濃度が増加する。
【００８２】
上記のように、第１障壁層１４１と第２障壁層１４２とにおいてＳｉ濃度を変化させることにより、発光効率の向上が可能となる。
【００８３】
さらに、これに加えて発光スペクトルの半値幅を縮小することができる。
以下、Ｓｉ濃度と発光スペクトルとの関係について説明する。
第１障壁層１４１の井戸層１４３に接する界面に注目すると、その界面では、高濃度にドープされたＳｉから多量の電子が井戸層１４３に流れ込み、第１障壁層１４１の側にチャージを持ったＳｉが多量に残る。この界面での電子濃度及びＳｉ濃度の分布は、ピエゾ電界を打ち消す働きがあり、その結果、ピエゾ電界が弱まる。ピエゾ電界が弱まると、ピエゾ電界により曲げられていた発光部１４０のエネルギーバンドが平らになり、それによって、発光効率が向上する。そして、発光スペクトルの半値幅は狭くなる。
【００８４】
なお、発光部１４０が複数の井戸層を有している場合においては、複数の井戸層の間にはｎ形不純物を添加した障壁層が配置され、複数の井戸層によってピエゾ効果の現れ方が異なるという問題が発生し易いが、本実施形態においては、発光部１４０に単一の井戸層１４３が設けられていることから、この問題が発生しない。このため、第２障壁層１４２においては、ｎ形不純物の濃度が低いか、意図的に添加されず、一方、第１障壁層１４１においては、ｎ形不純物が高濃度に添加される。
【００８５】
すなわち、複数の井戸層が設けられる場合においては、複数の井戸層におけるキャリア濃度分布を均一にするための制約が発生するが、本実施形態においては、この制約が解除され、不純物濃度の設定の自由度と許容幅が拡大する。すなわち、第２障壁層１４２に対しては低濃度にｎ形不純物を添加するか意図的添加を行わなければ良く、第１障壁層１４１に対しては高濃度にｎ形不純物を添加するだけで、良好なキャリア分布を得ることができる。
【００８６】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０によれば、発光部１４０内の不純物濃度の制御により発光部１４０内の電界制御することで、発光効率を増大させ、高効率の近紫外発光の半導体発光素子が提供できる。
【００８７】
次に、Ｓｉ濃度の制御による信頼性の向上、及び、駆動電圧の低減の効果について説明する。
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１０において、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度よりも低く設定することにより、信頼性の向上、及び、半導体発光素子１０の駆動電圧の低減が実現できる。
【００８８】
第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を低くすることで、井戸層１４３から、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側への電子のオーバーフローが減少する。よって、半導体発光素子の信頼性が向上する。
【００８９】
そして、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を低くすることで、第２障壁層１４２のエネルギーの高さが下がり、正孔が入り難くなり、半導体発光素子１０の電圧低減に有効である。
【００９０】
このため、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）におけるＡｌ組成比を下げることができ、素子の信頼性が向上する。例えば、もし、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を約１×１０１９ｃｍ−３とすると、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）におけるＡｌ組成比は２５％以上とする必要があるが、第２障壁層１４２にＳｉを添加しない場合においては、ｐ形閉じ込め層（第２層１５１）におけるＡｌ組成比を２０％まで下げることができる。
【００９１】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１０において、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度を低くすることで、発光効率を向上し、高効率の近紫外発光の、信頼性が高く、駆動電圧が低い半導体発光素子を提供できる。
【００９２】
なお、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度は均一でも良く、また、例えば、厚さ方向に沿ってＳｉ濃度が変化しても良い。例えば、第２障壁層１４２は、高Ｓｉ濃度の第１の部分と、低Ｓｉ濃度の第２の部分と、を有していても良い。その際、Ｓｉ濃度の分布は、多段的に変化しても良く、また連続的に変化しても良く、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度が、第１障壁層１４１よりも低くなるように設定されれば良い。
【００９３】
以下、本実施形態に係る半導体発光素子１０に係る各層について詳しく説明する。
高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａは、基板１１０との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。また、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにより、表面が原子レベルで平坦化する。そのため、この上に成長するノンドープのＧａＮバッファ層（第２バッファ層１２２）の結晶欠陥が低減されるが、そのためには、高純度第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの膜厚は、１μｍよりも厚いことが望ましい。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚みが４μｍ以下であることが望ましい。
【００９４】
なお、第１バッファ層１２１には、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【００９５】
第２バッファ層１２２（格子緩和層）は、第１バッファ層１２１の上における３次元島状成長により欠陥低減と歪緩和の役割を果たす。成長表面の平坦化のためには、第２バッファ層１２２（格子緩和層）の平均の厚さは、０．６μｍ以上とすることが望ましい。再現性と反り低減の観点から、第２バッファ層１２２（格子緩和層）の厚さは、０．８μｍ以上２μｍ以下が望ましい。
【００９６】
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長のバッファ層と比較して転位密度は１／１０以下とすることができる。これにより、異常成長のために通常では採用困難な、高い成長温度と高いＶ族原料／III族原料比での結晶成長が可能となる。そして、これにより、点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層や障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【００９７】
既に説明したように、第１障壁層１４１は、例えば、Ｓｉがドープされた４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ（Ａｌ組成が６％以上１０％以下、Ｉｎ組成比が０．３％以上１．０％以下）を含む。第２障壁層１４２は、例えば、４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ（Ａｌ組成が６％以上１０％以下、Ｉｎ組成比が０．３％以上１．０％以下）を含み、Ｓｉのドープは任意である。井戸層１４３は、例えばＩｎ０.０５Ｇａ０.９５Ｎ（Ｉｎ組成比は４％以上１０％以下の間で適宜変えることができる）を含む。
【００９８】
発光部１４０の発光波長は、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
ＧａＮの吸収端が約３６５ｎｍであるため、発光波長は、ＧａＮの吸収が大きくない３８０ｎｍ以上に設定される。ＧａＮ層において吸収が抑制され、発光効率を増大させるには、発光波長が３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００９９】
発光波長が４００ｎｍ以下の場合は、井戸層１４３となるＧａＩｎＮ層のＩｎ組成を下げて井戸層１４３の厚さを４．５ｎｍ以上とすることができる。
発光波長が３９０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である場合は、井戸層１４３の厚さを５．５ｎｍ以上にすることができ、発光効率が増加すると共に、光出力の増加に伴う効率の低下や動作温度の上昇に伴う効率の低下が抑制され、さらに望ましい。
【０１００】
発光波長が３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の紫外発光を高効率で生じさせるための深いポテンシャルを形成するために、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＡｌ組成は６％以上に設定される。
【０１０１】
第２障壁層１４２の厚さは３ｎｍ以上に設定される。第２障壁層１４２の厚さが３ｎｍよりも薄いと、ｐ形ＡｌＧａＮ層の影響を受けて井戸層１４３の発光波長が変わる問題が生じるためである。不純物拡散の影響も含めて、井戸層１４３の特性を制御するためには、第２障壁層１４２の厚さは４．５ｎｍ以上に設定される。特に、第２障壁層１４２の厚さが井戸層１４３の厚さよりも厚いと、ＡｌＧａＮ層と井戸層１４３との間の歪の影響を緩和する効果が大きい。なお、第２障壁層１４２が過度に厚いと素子抵抗が高くなる原因となる。また、第２障壁層１４２が過度に厚いと、井戸層１４３をオーバーフローしたキャリアが蓄積されて吸収の原因となる。この影響の低減には、第２障壁層１４２を第１障壁層１４１よりも薄くすることが望ましい。第２障壁層１４２の厚さを９ｎｍ以下とした半導体発光素子においては、発光波長から予想される動作電圧の一割以内の電圧上昇で素子動作させることができた。
【０１０２】
第１障壁層１４１の厚さは、例えば４．５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲の値に設定することができる。第１障壁層１４１の厚さを４．５ｎｍ以上にすると、材料本来の物性が発揮されるようになり、正孔のオーバーフロー抑制効果が得られるようになる。また、第１障壁層１４１の厚さが３０ｎｍ以下の場合において、良質な結晶成長が比較的容易に行える。
【０１０３】
また、第１障壁層１４１の厚さは井戸層１４３よりも厚いことが望ましい。第１障壁層１４１の厚さを井戸層１４３の厚さよりも厚く設定することで、井戸層１４３へのキャリア供給の制御が有効となる。特に、第１障壁層１４１の厚さは、井戸層１４３の厚さの２倍以上であることが望ましい。第１障壁層１４１の厚さを井戸層１４３の厚さの２倍以上に設定することで、第１障壁層１４１の両側にキャリア供給が可能となり、井戸層１４３へのキャリア供給の精度が向上する。なお、前述したように、第１障壁層１４１に高濃度にＳｉを添加することで、井戸層１４３に加わるピエゾ電界の影響を低減し、高効率の発光を得ることができる。
【０１０４】
第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＡｌ組成比が１０％を超えると、結晶品質が劣化する。また、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２に少量のＩｎをドープすることは、結晶品質を改善する効果がある。第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２におけるＩｎ組成比が０．３％以上でその効果はみられる。しかし、Ｉｎ組成比が１．０％を超えると、結晶品質が劣化し、発光効率が減少する。ただし、その厚さが薄い場合には、Ｉｎ組成比を２％まで高めることができる。
【０１０５】
例えば、本実施形態において、第１障壁層１４１の膜厚が１５ｎｍ以上の場合はＩｎ組成比は１％程度が限界であったが、第１障壁層１４１を７ｎｍに薄くすると、Ｉｎ組成比を２％としても、結晶が劣化せず、強い発光が得られる。
【０１０６】
次に、第１障壁層１４１の成長技術について説明する。
結晶品質の良い４元混晶ＡｌＧａＩｎＮ層を成長することは難しく、さらにＳｉを高濃度にドープすると結晶は劣化しやすい。本願発明者は、ＬＥＤ素子構造の検討や成長条件を最適化することにより、結晶品質を落とすことなく、ＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層１４１のＩｎ組成比を高くすることに成功している。
【０１０７】
例えば、上記のように、本実施形態において、第１障壁層１４１の膜厚が１５ｎｍを越えるとＩｎ組成比は１％程度が限界となるが、第１障壁層１４１を７ｎｍに薄くするとＩｎ組成比を２％としても、結晶が劣化せず、強い発光が得られる。
【０１０８】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮからなる井戸層１４３との界面の急峻性が良くなり、井戸層１４３の結晶性が向上し、その結果、ＡｌＧａＩｎＮからなる第１障壁層１４１にＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１０９】
また、高Ｓｉ濃度の第１障壁層１４１の膜厚を薄くすることによって、Ｓｉをさらに高濃度ドープすることが可能になる。
【０１１０】
第１障壁層１４１と第２障壁層１４２とを比べた場合、第１障壁層１４１のＡｌ組成比が高くても良い。この場合、第１障壁層１４１のバンドギャップが大きくなり、正孔に対する閉じ込め効果が大きくなり、注入電流を増加した時に電流の漏れが減り、光出力を増大することができる。電子に対しては第２層１５１（ｐ形ＡｌＧａＮ層）がバリアとなるため、第２障壁層１４１のＡｌ組成比は第２層１５１に対して十分低く設定される。
【０１１１】
例えば、第１障壁層１４１のＡｌ組成比を８％以上とし、第２障壁層１４２のＡｌ組成比を７％とすることができる。この場合、第１障壁層１４１を高温で成長し、その温度よりも成長温度を下げて井戸層１４３と第２障壁層１４２を成長しても良い。このようにすると、Ａｌ組成比が高い第１障壁層１４１を高温で成長することで、第１障壁層１４１を高品質結晶により成長でき、井戸層１４３と、Ａｌ組成の低い第２障壁層１４２と、を低温で成長し、例えば高Ｉｎ組成比の井戸層１４３を良好な特性で成長させることができる。
【０１１２】
なお、第２障壁層１４２については、井戸層１４３の表面を保護する厚さで成長した後、温度を上げて成長してもよい。
【０１１３】
例えば、第１障壁層１４１を２層構造として、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層と、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層と、を組み合わせても良い。このよう構造とすると、ＡｌＧａＮ層により正孔のオーバーフローを抑制することができ、ＡｌＧａＩｎＮ層によって結晶表面の特性を改善し、特性が改善された結晶表面の上に井戸層１４３を形成することができる。この場合、ＡｌＧａＮ層と、ＡｌＧａＩｎＮ層の一部と、を高温で成長し、ＡｌＧａＩｎＮ層の残りを井戸層１４３と同じ温度で成長しても良い。このような方法をとれば、高品質なＡｌＧａＮ結晶を高温で成長し、井戸層１４３は井戸層１４３に適した温度で成長することができる。このような温度変化は多大な時間を要し、プロセス効率を下げる。発光部が多重量子井戸構造の場合には各障壁層と井戸層に対してこのようなプロセスを行うと極めて時間がかかりプロセス効率が低下してしまう。ところが、本実施形態においては、発光部１４０は単一の量子井戸構造なので、このようなプロセスは１回だけしか必要とならず、このようなプロセスを実用的なプロセスシーケンスとして実施することができる。
【０１１４】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子２０は、第１層１３１と、第２層１５１と、発光部１４０と、に加え、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられた第１積層構造体２１０をさらに備える。
【０１１５】
第１積層構造体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層され、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を有する。
複数の第３層２０３及び複数の第４層２０４は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。
【０１１６】
複数の第３層２０３のそれぞれの厚さは、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い。複数の第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層１４３の厚さよりも薄い。
第３層２０３は、例えば低歪層である。第４層２０４は、例えば第３層２０３よりも歪みの程度が高い高歪層である。
【０１１７】
第３層２０３には、例えば、第１障壁層１４１と同じ組成を適用できる。すなわち、第１障壁層１４１がＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎを含む場合には、第３層２０３には、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎを用いることができる。第３層２０３の厚さは、例えば２ｎｍとされる。また、第３層２０３には、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加される。
【０１１８】
第４層２０４には、例えば、井戸層１４３と同じ組成を適用できる。すなわち、井戸層１４３がＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを含む場合には、第４層２０４には、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用いることができる。第４層２０４の厚さは、例えば１ｎｍとすることができる。
例えば、第３層２０３の数は３０であり、第４層２０４の数は３０である。すなわち、第３層２０３と第４層２０４の組み（ペア）が、３０ペア積層される。
これ以外の構成は、半導体発光素子１０と同様とすることができるので説明を省略する。
【０１１９】
例えば、第３層２０３に第１障壁層１４１と同じ組成を適用すると、第１障壁層１４１と同じ条件で第３層２０３の成長が可能であり、プロセスが簡便に行える。また、第１障壁層１４１の成長前に、第３層２０３の成長を介して第１障壁層１４１と同じ成長条件での準備を十分な時間行うことができ、第１障壁層１４１の制御性の向上が図れる。
【０１２０】
例えば、第４層２０４に井戸層１４３と同じ組成を適用すると、井戸層１４３と同じ条件で第４層２０４の成長が可能であり、プロセスが簡便に行える。また、井戸層１４３の成長前に、第４層２０４の成長を介して井戸層１４３と同じ成長条件での準備を十分な時間行うことができ、井戸層１４３の制御性の向上が図れる。
【０１２１】
一方、例えば、第４層２０４に、井戸層１４３よりもＩｎ組成比が低くバンドギャップが大きいＧａＩｎＮを用いれば、井戸層１４３からの発光の第４層２０４における吸収をより小さくすることができる。また、この場合には、吸収が小さいので、第４層２０４をより厚くことができ、また、第３層２０３及び第４層２０４のペア数を増やすことができる。
【０１２２】
なお、第３層２０３及び第４層２０４のペア数は、３０に限らず適宜設定できる。そして、第３層２０３の数と第４層２０４の数とを同じにせず、第３層２０３の数を第４層２０４の数よりも１つ多くして、複数の第３層２０３及び複数の第４層２０４の積層を、第３層２０３で初めて第３層２０３で終わる構成にしても良い。また、第４層２０４の数を第３層２０３の数よりも１つ多くして、複数の第３層２０３及び複数の第４層２０４の積層を、第４層２０４で初めて第４層２０４で終わる構成にしても良い。
【０１２３】
半導体発光素子２０に設けられる第１積層構造体２１０においては、第１積層構造体２１０の内部の結晶に歪みが加えられる。これにより、結晶の品質が改善される。このため、第１積層構造体２１０の上に設けられる半導体層（例えば発光部１４０の特に井戸層１４３）の結晶品質が向上する。これにより、半導体発光素子２０においては、さらに高い発光効率を得ることができる。すなわち、例えば、井戸層１４３の結晶の品質が最良となるように、第１積層構造体２１０の構成が最適化される。
【０１２４】
本実施形態において、発光部１４０中の井戸層１４３は、ＧａＮ層との格子不整を有するため、第１積層構造体２１０の上に井戸層１４３を積層すると歪が蓄積される。このとき、第１積層構造体２１０中の第３層２０３と第４層２０４との繰り返しの積層数を適正に設定することで、第１積層構造体２１０における結晶の品質を改善すると共に、第１積層構造体２１０及び井戸層１４３における歪みの総和が限界を超えることによって井戸層１４３の結晶の特性が低下することを抑制することができる。
【０１２５】
複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計は、例えば２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とされる。これにより、発光強度が高く、発光スペクトルの広がりが小さい特性を有する良好な結晶成長が可能となる。
特に、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計が、３０ｎｍ以上３５ｎｍ以下の場合には、特に良好な結晶が得られる。
【０１２６】
これは、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計を２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下に設定することによって、結晶中の組成の揺らぎを含めて、歪の総量が、結晶を劣化させない範囲内の上限付近に相当するためと推測される。
【０１２７】
本願発明者は、複数の第３層２０３と、複数の第４層２０４と、を有する第１積層構造体２１０を適用した場合において、結晶下部（例えば第１積層構造体２１０からみて基板１１０の側の第２バッファ層１２２）から第１積層構造体２１０に到達する結晶の転位の方向が、第１積層構造体２１０内において変化し、転位の方向が、第１積層構造体２１０の表面のｃ面に対して垂直に近づくことを見出した。すなわち、結晶の転位の方向が、結晶表面に垂直な方向（すなわち積層方向であるＺ軸方向）に近づく。このことは、発光部１４０における結晶の転位を積層方向からみたときの長さが短くなることに相当する。すなわち、積層方向からみたときの発光部１４０内の欠陥領域の面積が小さくなることに相当する。
【０１２８】
このように、第１積層構造体２１０を採用することで、第１積層構造体２１０の上に形成される結晶の品質が向上すると考えられる。このことが、第１積層構造体２１０を採用した半導体発光素子２０において、結晶の品質が向上し、発光効率が向上する原因であると推定される。
【０１２９】
本実施形態においては、サファイアからなる基板１１０の上に、高温で第１バッファ層１２１（ＡｌＮ層）及び第２バッファ層１２２（ノンドープのＧａＮ層）の上にｎ形コンタクト層１３０（ｎ形ＧａＮ層）を形成することで、転位密度の小さい高品質のＧａＮ結晶を得ている。これにより、ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の結晶品質は良好であり、さらにその上に形成される発光部１４０の結晶品質は高い。
【０１３０】
すなわち、本実施形態の発光部１４０の結晶においては、転位のほとんどは独立しており、複数の転位が接して互いに絡み合ったものの発生は少ない。このため、転位の向きが結晶表面に垂直な方向に沿うことによる結晶特性の改善の効果が、直接的に発揮される。このように、第１積層構造体２１０と、上記のようなバッファ層の組み合わせと、を組み合わせて適用することで、第１積層構造体２１０を設けることによる結晶品質の改善効果がより顕著に発揮される。
【０１３１】
なお、本実施形態において、第４層２０４の厚さの下限は、第４層２０４が連続して層としての物性を示す以上の厚さで決まる。第４層２０４の厚さの上限は、第４層２０４における吸収端のエネルギーと、井戸層１４３における吸収端のエネルギーと、の間に差異が設けられる条件で決まる。
【０１３２】
すなわち、第４層２０４の厚さは、例えば４原子層以上で、第４層２０４における吸収端のエネルギーが井戸層１４３の吸収端よりも十分大きくなる厚さ以下に設定される。具体的には、第４層２０４の吸収端のエネルギーに相当する波長が、井戸層１４３の発光スペクトルの強度がピーク値の半分以下となる波長よりも短波長側に設定される。
【０１３３】
一方、第３層２０３においては、第１障壁層１４１と同程度のＡｌ組成（Ａｌ組成比が約１０％以下）とされる。これにより、ＧａＮ層との間で電子に対する障壁による抵抗を小さくできると共に、良質な結晶成長を得ることが可能である。
【０１３４】
本実施形態において、第１障壁層１４１を２層構造として、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層と、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層と、の組み合わせを適用することができる。このような構造により、ＡｌＧａＮ層による正孔のオーバーフローの抑制と、ＡｌＧａＩｎＮ層による結晶表面の特性の改善及び特性が改善された結晶表面の上への井戸層１４３の形成が可能となる。例えば、第１障壁層１４１の一部として、成長温度を１０００℃に上げてＡｌＧａＮ層（Ａｌ組成比が２０％以上２６％以下）及びＡｌＧａＩｎＮ層（Ａｌ組成比が８％）を成長し、成長温度を下げて、第１障壁層１４１の残りの部分であるＡｌＧａＮ層と、井戸層１４３と、を成長すると、正孔のオーバーフローが小さく、かつ、井戸層１４３の発光効率が高く、低電流から大電流まで光出力の高い半導体発光素子の実現が可能である。
【０１３５】
次に本実施形態に係る半導体素子及びウェーハの製造方法の特徴を説明する。
高効率な半導体発光素子を実現するためには、発光する井戸層１４３と、その両側の第１障壁層１４１と第２障壁層１４２と、を略連続成長することが望ましい。これは、成長を中断することによって発生する界面の欠陥を減らすためである。なお、少なくとも第１障壁層１４１と井戸層１４３との間、及び、井戸層１４３と第２障壁層１４２との間にはヘテロ接合界面があるため、原料供給条件を整えるための成長中断を行う。この時間を除いて連続成長をおこなうことを、略連続成長とする。
【０１３６】
一般的に、ＧａＩｎＮ層を発光層とする薄い多重量子井戸では、ＧａＩｎＮ層のＩｎ組成が高く低温での結晶成長が適している。一方、Ａｌを含む障壁層は、Ａｌと窒素の結合が強いことから高い成長温度が望ましい。このため、高Ｉｎ組成比のＧａＩｎＮを含む井戸層と、Ａｌを含む障壁層と、を同じ温度で連続して成長すると、井戸層と障壁層との両者共に適した成長条件を選択できず、良質な結晶を成長できないという問題がある。
【０１３７】
本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、発光部１４０に、単一で厚い井戸層１４３を用いていることから、量子効果による発光エネルギーのシフトが小さく、井戸層１４３にＩｎ組成比が低くバンドギャップの大きなＧａＩｎＮ層を用いることができる。このため、高い温度での成長が可能である。
【０１３８】
一方、障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）にＩｎを添加すると結晶成長中の結晶表面での原子の動きを促進することができ、Ａｌを含有するＡｌＧａＩｎＮを低い温度で成長することができる。Ｉｎは取り込まれ効率が低いため、わずかなＩｎを添加するために大量のＩｎ原料を結晶表面に供給することになる。このため、結晶表面での原子の動きが促進されて低温での結晶成長が可能となる。すなわち、本実施形態に係る光半導体発光素子及びウェーハでは、高温で成長可能な井戸層１４３と、低温で成長可能な障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）と、を用いることにより、略一定の温度で（意図的には温度を変えない）、略連続的な成長が可能である。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、井戸層１４３に隣接する界面における結晶欠陥を少なくすることができる。
【０１３９】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハを、発光する井戸層１４３と、その両側の第１障壁層１４１と第２障壁層１４２と、を略連続成長する方法により製造することで、特に低電流領域の発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハを形成することができる。
【０１４０】
次に、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハの別の特徴を説明する。すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハの製造方法の別の特徴は、積層構造体（特に第１積層構造体２１０）を、発光部１４０（井戸層１４３、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）と略同温で成長することが可能であることである。
【０１４１】
第１積層構造体２１０を設けることで結晶における転位の向きが変わり、第１積層構造体２１０の上に発光効率の高い井戸層１４３を形成できると期待される。しかし、第１積層構造体２１０と発光部１４０とで、成長温度が変わると欠陥の伝播方向が変わり、第１積層構造体２１０を設けても、発光部１４０の特性向上が図れなくなることが懸念される。このため、第１積層構造体２１０、第１障壁層１４１、井戸層１４３及び第２障壁層１４２を、略同一の温度で成長させることが望ましい。
【０１４２】
前述したように、本実施形態に係る半導体発光素子においては、井戸層１４３と、障壁層（第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２）と、を略同温で成長することが可能である。一方、第１積層構造体２１０の例えば第３層２０３及び第４層２０４として、障壁層及び井戸層１４３にそれぞれ類似で、障壁層及び井戸層１４３と同じ成長温度で、良好な結晶成長できる材料の組を選択することで（例えば同一でも良い）、略同一の温度で、良好な特性の第１積層構造体２１０、第１障壁層１４１、井戸層１４３及び第２障壁層１４２の結晶を容易に成長することができる。
【０１４３】
多数の層を積層し複雑な構成を有する半導体発光素子及びウェーハにおいては、各層ごとに最適な成長条件が異なると、その選択に時間がかかり、実効的に全ての層の特性が良好な素子を作ることは困難である。しかし、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハにおいては、積層構造体と、障壁層と、発光層と、を略同一の温度で成長することができ、容易に適正な成長条件で高品質な結晶成長が可能となる。
【０１４４】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子及びウェーハを製造するにあたり、積層構造体と、障壁層と、発光層と、を略同一の温度で成長する方法により製造することで、容易に適正な成長条件で高品質な結晶を成長することが可能であり、発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハの製造が可能になる。
【０１４５】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る別の半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子２１においては、第１障壁層１４１が３層構造を有している。これ以外は、半導体発光素子２０と同様とすることができるので説明を省略する。
【０１４６】
すなわち、第１障壁層１４１は、第１層１３１と井戸層１４３との間（本具体例では、第１積層構造体２１０と井戸層１４３との間）に設けられた第１サブ層１４１ａと、第１サブ層１４１ａと井戸層１４３との間に設けられた第２サブ層１４１ｂと、第１サブ層１４１ａと第１層１３１との間（本具体例では第１サブ層１４１ａと第１積層構造体２１０との間）に設けられた第３サブ層１４１ｃと、を有している。
【０１４７】
第１サブ層１４１ａには、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層が用いられる。第２サブ層１４１ｂには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる、第２サブ層１４１ｂにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層１４１ａよりも低い。第３サブ層１４１ｃには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる。第３サブ層１４１ｃにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層１４１ａよりも低い。
【０１４８】
第１サブ層１４１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば１５％とされる。第１サブ層１４１ａの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第２サブ層１４１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば７％とされる。第２サブ層１４１ｂの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第３サブ層１４１ｃにおけるＡｌ組成比は、例えば第１積層構造体２１０の第３層２０３におけるＡｌ組成比と同じに設定される。第３サブ層１４１ｃの厚さは、例えば２ｎｍとされる。
【０１４９】
さらに、第１サブ層１４１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば１０％以上２６％以下に設定される。第１サブ層１４１ａの厚さは、５ｎｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定される。また、第１サブ層１４１ａには、ｎ形不純物としてＳｉを５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下でされても良い。
【０１５０】
また、第２サブ層１４１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば６％以上１０％以下に設定される。第２サブ層１４１ｂにおけるＩｎ組成比は、例えば０．３％以上１％以下に設定される。第２サブ層１４１ｂの厚さは、例えば３ｎｍ以上１５ｎｍ以下に設定される。なお第２サブ層１４１ｂは、必要に応じて設けられ、第２サブ層１４１ｂは、場合によっては省略しても良い。
【０１５１】
このような構成を有する第１サブ層１４１ａを設けることで、正孔のオーバーフローの抑制の効果が得られる。これにより、半導体発光素子において、大電流駆動時の光出力改善の効果がある。また、動作温度を上げたときの光出力低下が抑制される。
【０１５２】
また、第２サブ層１４１ｂを設けることで、結晶表面の特性の改善及び特性が改善された結晶表面の上への井戸層１４３の形成が可能となる。このため、特に非発光センターの形成が抑制され、半導体発光素子を駆動した際に、低電流領域での発光効率向上の効果が大きい。なお、第２サブ層１４１ｂにｎ形不純物を添加すると、非発光センターがスクリーニングされて、低電流領域での発光効率の改善が図れる。
【０１５３】
なお、第２サブ層１４１ｂを設けない場合は、井戸層１４３とバンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層（第１サブ層１４１ａ）とを互いに近接させることができ、井戸層１４３内のキャリア濃度を増加させることができる。このため、発光効率の増大が図れると共に、特に大出力でも発光効率の低下が限定的で、高温で大電流動作させた場合にも高い発光効率で動作する半導体発光素子を実現することができる。
【０１５４】
第３サブ層１４１ｃは、第４層２０４の表面を被覆して、高品質の第１サブ層１４１ａを成長させるための保護層として機能する。第３サブ層１４１ｃは、必要に応じて設けられ、第３サブ層１４１ｃは、場合によっては省略しても良い。
【０１５５】
例えば、第３サブ層１４１ｃを第３層２０３と同じ８５０℃で成長した後に、成長温度を１０４０℃に上げて第１サブ層１４１ａを成長し、成長温度を下げて第２サブ層１４１ｂと、井戸層１４３と、を成長すると、正孔のオーバーフローが小さく、かつ、井戸層１４３の発光効率が高く、低電流から大電流まで光出力の高い半導体発光素子の実現が可能である。
【０１５６】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子３０は、第１層１３１と、第２層１５１と、発光部１４０と、に加え、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられた第２積層構造体２２０をさらに備える。
【０１５７】
第２積層構造体２２０は、ＧａＮを含む複数の第５層２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層され、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を有する。
複数の第５層２０５及び複数の第６層２０６は、Ｚ軸方向に沿って積層されている。
【０１５８】
複数の第５層２０５のそれぞれの厚さは、第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い。複数の第６層２０６のそれぞれの厚さは、井戸層１４３の厚さよりも薄い。
第５層２０５には、例えば、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加されたＧａＮが用いられている。第５層２０５の厚さは、例えば２ｎｍとされる。
【０１５９】
第６層２０６には、例えば、Ｉｎ組成比が７％のＧａＩｎＮが用いられている。すなわち、第６層２０６の組成は、井戸層１４３の組成と同じに設定されている。第６層２０６の厚さは、例えば１ｎｍに設定されている。
【０１６０】
そして、第５層２０５と第６層２０６の組み（ペア）が、３０ペア積層される。
これ以外の構成は、半導体発光素子１０と同様とすることができるので説明を省略する。
【０１６１】
本願発明者は、上記のような構成を有する第２積層構造体２２０を設けることで、結晶表面の平坦性が向上することを見出した。
【０１６２】
これは、第５層２０５に用いられるＧａＮが２元系であることから、ＧａＮの成長中に横方向の均一性が改善される効果が大きいためと考えられる。
【０１６３】
このように、平坦性を改善できる第２積層構造体２２０を用いることで、発光部１４０（特に井戸層１４３）の平坦性が向上し、その結果、結晶の特性が向上でき、これにより、発光効率が向上できる。また、平坦性を改善することで、井戸層１４３以外の半導体層の平坦性が改善でき、これによる効果によっても発光効率が向上できる。そして、半導体発光素子３０においてもＳＱＷ構造が採用されているため、第１実施形態に関して説明した効果が享受できる。
【０１６４】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子３０によっても、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
【０１６５】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５に表したように、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子４０は、第１層１３１と、第２層１５１と、発光部１４０と、に加え、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられた第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０をさらに備える。
第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０は、それぞれ第２及び第３の実施形態に関して説明したものを用いることができる。
【０１６６】
これにより、第１積層構造体２１０における結晶品質の向上と、第２積層構造体２２０における平坦性の向上と、の両方の効果を享受できる。複数の第１積層構造体２１０と、複数の第２積層構造体２２０と、を設けても良く、この場合に、複数の第１積層構造体２１０の間に第２積層構造体２２０を挿入しても良い。
【０１６７】
第２積層構造体２２０は、第１積層構造体２１０と発光部１４０との間に設けても良く、第１積層構造体２１０と第１層１３１との間に設けても良い。以下では、第２積層構造体２２０が、第１積層構造体２１０と第１層１３１との間に設けられる場合について説明する。
【０１６８】
すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子４０においては、第１層１３１（ｎ形閉じ込め層）と第１積層構造体２１０との間に、第２積層構造体２２０が設けられる。
【０１６９】
半導体発光素子４０においても、第１障壁層１４１にはＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎが適用されている。そして、第３層２０３には、Ａｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎが用いられ、第３層２０３の厚さは、２ｎｍとされている。また、第３層２０３には、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加されている。
【０１７０】
一方、井戸層１４３にはＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられている。そして、第４層２０４には、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられている。第４層２０４の厚さは、１ｎｍとされている。第３層２０３の数は３０であり、第４層２０４の数は３０である。なお、第３層２０３の両側に第４層２０４が設けられていて、例えば、第３層２０３の数が３０で、第４層２０４の数が３１でも良い。
【０１７１】
一方、第２積層構造体２２０の第５層２０５には、Ｓｉが例えば１．２×１０１８ｃｍ−３でドープされたＧａＮが用いられている。第５層２０５の厚さは、２．５ｎｍに設定されている。
【０１７２】
第６層２０６には、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられている。第６層２０６の厚さは、１ｎｍに設定されている。第５層２０５の数は３０であり、第６層２０６の数は３０である。なお、第５層２０５の両側に第６層２０６が設けられていて、第５層２０５の数が３０で、第６層２０６の数が３１でも良い。なお、第６層２０６に合わせて第２積層構造体２２０の成長を低温で行う場合、温度を下げて行う最初の成長層が第６層２０６であるため、第６層２０６の数を増やすと、より平坦な層で成長が開始でき、特に良質な結晶成長が可能となる。
【０１７３】
なお、上記においては、第１積層構造体２１０における第３層２０３及び第４層２０４のペア数と、第２積層構造体２２０における第５層２０５及び第６層２０６のペア数と、が同じ例であるが、これらのペア数は一致しても良く、一致しなくても良く、適宜設定される。
【０１７４】
このような構成を有する半導体発光素子４０を実際に作製して特性を評価したところ、高効率に近紫外光を発光することが確認できた。
【０１７５】
このように、平坦性の向上効果が高い第２積層構造体２２０と、結晶性の向上効果が高い第１積層構造体２１０と、を組み合わせて適用することで、より発光効率が向上することが分かった。
【０１７６】
すなわち、平坦性の向上効果が高い第２積層構造体２２０によって歪みを導入することで、結晶表面の平坦性を維持しつつ、結晶中の転位の向きを結晶表面に対して垂直な方向（積層方向に平行な方向）に近づけることができる。さらに、第１積層構造体２１０を導入すると、転位は、結晶表面に対して垂直な方向に一段と近づく。これは、第１積層構造体２１０における第３層２０３（ＡｌＧａＮ層）と第４層２０４（ＧａＩｎＮ層）との間の格子不整が、第２積層構造体２２０における第５層２０５（ＧａＮ層）と第６層２０６（ＧａＩｎＮ層）との間の格子不整よりも大きいため、第１積層構造体２１０の方が、第２積層構造体２２０に比べて、転位を曲げる力が大きいと考えられことによるものと考えられる。
【０１７７】
すなわち、本実施形態においては、層間の格子不整が小さく転位を曲げる力は小さいが、表面平坦性が高い第２積層構造体２２０と、層間の格子不整が大きく転位を曲げる力が大きい第１積層構造体２１０と、を組み合わせることで、結晶表面の平坦性を低下させずに、より効果的に転位を結晶表面に垂直な向きに近づけることができる。これにより、より良質な結晶の成長が可能となる。
【０１７８】
本実施形態の積層構造を有するウェーハを用いて半導体発光素子を作製すると、より高効率な特性を得ることができる。
【０１７９】
本実施形態において、第３層２０３を第５層２０５よりも薄くすることができる。例えば、第３層２０３の厚さを２ｎｍとし、第４層２０４の厚さを１ｎｍとし、第５層２０５の厚さを２．５ｎｍとし、第６層２０６の厚さを１ｎｍとすることができる。
【０１８０】
第３層２０３を第５層２０５よりも薄くするのは、以下の理由による。発光層の光吸収に対する影響を小さくするためには、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０における吸収波長をできるだけ短波長にすることが望ましい。第３層２０３にはＡｌが含まれているため、第５層２０５（ＧａＮ層）よりもバンドギャップが大きい。このため、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０における準位のエネルギーを互いに同一にするために、第３層２０３を第５層２０５よりも薄くする。これにより、第１積層構造体２１０における平均Ｉｎ組成比を高くすることができ、薄い成長厚さでより効率的に結晶の特性を改善することができる。
【０１８１】
本実施形態において、第４層２０４を第５層２０５よりも厚くすることができる。また、第４層２０４のＩｎ組成比を第５層２０５よりも高くすることができる。これは、以下の理由による。発光層の光吸収に対する影響を小さくするためには、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０における吸収波長をできるだけ短波長にすることが望ましい。第３層２０３にはＡｌが含まれているため、第５層２０５（ＧａＮ層）よりもバンドギャップが大きい。このため、第４層２０４及び第６層２０６に形成される準位のエネルギーを互いに同一にするために、第４層２０４の厚さを厚くする、及び、第４層２０４におけるＩｎ組成比を高くする、の少なくともいずれかを適用する。これにより、第１積層構造体２１０における平均Ｉｎ組成比を第２積層構造体２２０よりも高くすることができ、より効率的に結晶の特性を改善することができる。
【０１８２】
なお、本実施形態において、第２積層構造体２２０について、第５層２０５と第６層２０６とを１２ペア積層した場合には結晶表面に顕著な凹凸が認められたが、１６ペア積層した場合には表面の平坦性が向上した。さらに、１８ペア、２０ペア及び２７ペア積層したそれぞれの場合に、光出力の高い半導体発光素子が得られた。このため、第５層２０５及び第６層２０６のペア数としては、１６以上２７以下が望ましい。ただし、２７ペア積層した場合には、結晶中の欠陥の増加も認められた。このため、第５層２０５及び第６層２０６のペア数としては、特に、１６以上２０以下が望ましい。
【０１８３】
本実施形態において、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、極力高いことが望まれる。これは、Ｓｉの添加により第１障壁層１４１に十分な正電荷源を導入し、ピエゾ電界の効果により井戸層１４３にかかる電界の影響を抑制するためである。しかし、Ｓｉ濃度が高いと結晶の質が低下する。このため、薄い第１障壁層１４１のみでＳｉの濃度を上げることで、結晶の特性劣化を抑制しつつ、ピエゾ電界の効果抑制が可能になる。
【０１８４】
結晶の特性の劣化を抑制するために、第１積層構造体２１０においては、第１障壁層１４１よりもＳｉ濃度を下げることが望まれる。
【０１８５】
一方、第１積層構造体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層）におけるヘテロ構造のエネルギーバンドの不連続と、第２積層構造体２２０（ＧａＮ層及びＧａＩｎＮ層）におけるヘテロ構造のエネルギーバンドの不連続と、を比べると、第１積層構造体２１０におけるエネルギーバンドの不連続の方が大きい。このため、半導体発光素子の電気抵抗を下げるためには、第１積層構造体２１０に、第２積層構造体２２０よりも高い濃度でＳｉを添加することが望ましい。しかし、第１積層構造体２１０におけるＳｉの濃度が高過ぎると、結晶の特性が低下することがあるため、第２積層構造体２２０にも、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とのヘテロ構造に対応する十分な濃度でＳｉが添加される。
【０１８６】
一方、第２障壁層１４２のＳｉ濃度が高いと、キャリアのオーバーフローや内部吸収の原因となることから、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度は低いことが望まれる。
【０１８７】
以上から、第１障壁層１４１におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも高く設定される。そして、第２積層構造体２２０におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体２１０におけるＳｉ濃度よりも低く設定される。そして、第２障壁層１４２におけるＳｉ濃度は、第２積層構造体２２０におけるＳｉ濃度よりも低く設定される。
【０１８８】
このようなＳｉ濃度の分布を採用することで、結晶の特性が向上されると共にピエゾ電界の効果の影響が抑制され、発光効率が向上できる。さらに、電気抵抗が小さく、キャリアのオーバーフロー等の影響が少ないことから発光効率が向上できる。このように、本実施形態に係る半導体発光素子４０によれば、高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子が得られる。
【０１８９】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６に表したように、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子５０においては、導電性基板４６０の上に、第１層１３１、発光部１４０及び第２層１５１が設けられている。導電性基板４６０には、例えばＧｅが用いられる。
【０１９０】
具体的には、導電性基板４６０と第２層１５１との間に、ｐ形コンタクト層１５０が設けられ、導電性基板４６０とｐ形コンタクト層１５０との間にｐ側電極１６０が設けられる。ｐ側電極１６０は発光部１４０から放出される光に対して反射性を有する。
【０１９１】
本具体例では、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に接着用金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と接着用金属層４５５との間に接合金属層４６５が設けられている。
【０１９２】
一方、第１層１３１の発光部１４０とは反対の側にｎ形コンタクト層１３０が設けられ、ｎ形コンタクト層１３０の第１層１３１とは反対の側に低不純物濃度半導体層１３５が設けられている。
【０１９３】
低不純物濃度半導体層１３５における不純物濃度は、ｎ形コンタクト層１３０における不純物濃度よりも低い。低不純物濃度半導体層１３５には、例えばノンドープのＧａＮ層が用いられる。低不純物濃度半導体層１３５には、既に説明した第２バッファ層１２２（格子緩和層）を採用することができる。
【０１９４】
また、低不純物濃度半導体層１３５を２層構造としても良い。すなわち、第２バッファ層１２２とｎ形コンタクト層１３０との間に、ｎ形低不純物濃度層（図示しない）を設け、第２バッファ層１２２とこのｎ形不純物濃度層と、を、低不純物濃度半導体層１３５としても良い。このような構成とすると、第２バッファ層１２２上に、ｎ形不純物濃度が低く高品質な結晶成長が容易な上記のｎ形不純物濃度層を成長した後に、ｎ形コンタクト層１３０を成長することができる。このようにすると、不純物濃度が高く結晶成長が難しいｎ形コンタクト層１３０を高品質な下地結晶上に成長することができ、高品質なｎ形コンタクト層１３０を成長することができる。
【０１９５】
低不純物濃度半導体層１３５には、開口部１３８が設けられる。開口部１３８はｎ形コンタクト層１３０の一部を露出させる。開口部１３８は、低不純物濃度半導体層１３５のｎ形コンタクト層１３０とは反対の側の主面１３５ａからｎ形コンタクト層１３０に連通している。すなわち、開口部１３８の底部は、ｎ形コンタクト層１３０に連通している。
【０１９６】
開口部１３８において露出しているｎ形コンタクト層１３０と、低不純物濃度半導体層１３５の一部と、を覆うようにｎ側電極１７０が設けられている。
【０１９７】
そして、低不純物濃度半導体層１３５のｎ側電極１７０で覆われていない部分の主面１３５ａには、凹凸１３７ｐを有する粗面部１３７が設けられている。
【０１９８】
なお、図６においては省略されているが、既に説明した第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかが設けられても良い。以下では、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０が設けられる場合として説明する。
【０１９９】
半導体発光素子５０は、例えば以下のような方法によって作製される。
例えば、サファイアからなる基板１１０の上へ、第１バッファ層１２１、第２バッファ層１２２（低不純物濃度半導体層１３５となる）、ｎ形コンタクト層１３０、第１層１３１（ｎ形閉じ込め層）、第１積層構造体２１０、第２積層構造体２２０、発光部１４０、第２層１５１（ｐ形閉じ込め層）、及び、ｐ形コンタクト層１５０、の各結晶層を形成して結晶積層体１８０を形成する。
【０２００】
そして、結晶積層体１８０へのｐ側電極１６０の形成、結晶積層体１８０と導電性基板４６０との接合、基板１１０及び第１バッファ層１２１の除去、並びに、露出した結晶層（ｎ形コンタクト層１３０）へのｎ側電極１７０及び低不純物濃度半導体層１３５への粗面部１３７（すなわち凹凸１３７ｐ）の形成、の各工程が実施される。
【０２０１】
まず、サファイアからなる基板１１０上における結晶層の具体例について説明する。
例えば、有機金属気相成長法を用いて、表面がサファイアｃ面からなる基板１１０の上に、ＡｌＮを含む第１バッファ層１２１が例えば２μｍで、第２バッファ層１２２となるノンドープＧａＮ層が例えば２μｍで形成される。
【０２０２】
なお、第１バッファ層１２１には、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０２０３】
そして、ｎ形コンタクト層１３０となるＳｉドープｎ形ＧａＮ層(Ｓｉ濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下)が例えば６μｍで、第１層１３１となるＳｉドープｎ形ＧａＮ層が例えば０．５μｍの厚さで、順次形成される。
この後、既に説明した第２積層構造体２２０と第１積層構造体２１０とが形成される。 その後、第１障壁層１４１となるＳｉドープｎ形Ａｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（Ｓｉ濃度は例えば１．０×１０１９ｃｍ−３以上１．５×１０１９ｃｍ−３以下）と、井戸層１４３となるＧａＩｎＮ層（波長が３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下）と、第２障壁層１４２となるＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（Ｓｉ濃度は例えば１×１０１８ｃｍ−３以下。例えばＳｉを添加しなくても良い）と、が順次形成される。
【０２０４】
さらに、第２層１５１となるＭｇドープｐ形Ａｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ層(Ｍｇ濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３)が０．０２μｍで、ｐ形コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ形ＧａＮ層が０．２８μｍで、順次形成される。
【０２０５】
ｐ形コンタクト層１５０のＭｇ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３未満と高めに設定することで、ｐ側電極１６０とのオーミック性を向上させることができる。ただし、半導体発光ダイオードの場合は、半導体レーザダイオードとは異なり、コンタクト層と発光層との距離が近いため、Ｍｇ拡散による特性の劣化が懸念される。そこで、ｐ側電極１６０とｐ形コンタクト層１５０との接触面積が広く、動作時の電流密度が低いことを利用して、電気特性を大きく損ねることなくｐ形コンタクト層１５０におけるＭｇ濃度を１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３未満程度に抑えることで、Ｍｇの拡散を防ぐことができ、発光特性を改善させることができる。
【０２０６】
次に、結晶積層体１８０へのｐ側電極１６０の形成、結晶積層体１８０と導電性基板４６０との接合、並びに、基板１１０及び第１バッファ層１２１の除去、について説明する。
まず、ｐ側電極１６０を形成するために、真空蒸着装置を用いて、例えば、Ａｇを２００ｎｍの厚さで、Ｐｔを２ｎｍの厚さで連続形成する。リフトオフ後に、酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎ（分）のシンター処理を行う。
【０２０７】
そして、ｐ側電極１６０上に接着用金属層４５５として、例えば、Ｎｉ膜及びＡｕ膜の積層膜を１０００ｎｍの厚さで形成する。
【０２０８】
そして、例えばＧｅからなる導電性基板４６０上に形成され接合金属層４６５（例えば膜厚３μｍのＡｕＳｎ半田）と、結晶積層体１８０に形成された接着用金属層４５５と、を対向させて設置し、ＡｕＳｎの共晶点以上の温度、例えば３００℃に加熱することで、導電性基板４６０と結晶積層体１８０とを接合する。
【０２０９】
そして、サファイアからなる基板１１０の側から、例えばＹＶＯ４の固体レーザの三倍高調波（３５５ｎｍ）または四倍高調波（２６６ｎｍ）のレーザ光を照射する。レーザ光は、第２バッファ層１２２（ＧａＮ層であり、例えば、上記のノンドープＧａＮバッファ層）のＧａＮの禁制帯幅に基づく禁制帯幅波長よりも短い波長を有する。すなわち、レーザ光は、ＧａＮの禁制帯幅よりも高いエネルギーを有する。
【０２１０】
このレーザ光は、第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮバッファ層）のうち、第１バッファ層１２１（単結晶ＡｌＮバッファ層）の側の領域において効率的に吸収される。これにより、第２バッファ層１２２（ＧａＮバッファ層）のうちの第１バッファ層１２１（単結晶ＡｌＮバッファ層）の側のＧａＮは、発熱により分解する。
【０２１１】
ここで、第１バッファ層１２１は、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)でも良く、この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０２１２】
このようなレーザリフトオフ法を用いた場合、ＧａＮの温度が急激に上昇する。このため、急激な熱膨張及び熱収縮が起こる。第１バッファ層１２１としてＡｌＮを用いると熱伝導度が高いため熱の広がりが早く、局所的な熱膨張収縮の影響を緩和することができる。
【０２１３】
一方、第１バッファ層１２１としてＡｌＧａＮを用いた場合は、わずかにＧａを添加するだけでも急激に熱伝導度が低下する。このため、レーザ光による温度変化の影響の広がりを抑制することができ、局所的に温度を急変させることに適している。このためレーザ光出力を下げることが可能で、レーザ光によるダメージがウェーハ全体に広がることを抑制することができる。
【０２１４】
そして、塩酸処理などによって、分解されたＧａＮを除去し、サファイアからなる基板１１０を結晶積層体１８０から剥離して分離する。
【０２１５】
次に、露出した結晶層（ｎ形コンタクト層１３０）へのｎ側電極１７０、及び、低不純物濃度半導体層１３５への凹凸１３７ｐの形成について説明する。
【０２１６】
サファイアからなる基板１１０から剥離された第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮ層）の一部を除去して開口部１３８を形成する。この開口部１３８によって、ｎ形コンタクト層１３０（ｎ形ＧａＮ層、すなわち、上記のＳｉドープｎ形ＧａＮ層）の一部が露出する。この際、ｎ側電極１７０の段切れを防ぐために、開口部１３８の側面はテーパ形状に加工することが望ましい。例えば、レジストマスクで塩素ガスを用いたドライエッチングを用いることで、開口部１３８として、５０°のテーパ形状を持つ窪みを形成することができる。開口部１３８から露出したｎ形コンタクト層１３０（Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層）と、第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮ層）の一部と、を覆うように、リフトオフ法などで、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜を例えば５００ｎｍの厚さで形成し、パターニングして、ｎ側電極１７０を形成する。
【０２１７】
その後、ｎ側電極１７０が形成されていない第２バッファ層１２２（ノンドープＧａＮ層）の表面を、例えばＫＯＨ溶液によるアルカリエッチングにより加工して、凹凸１３７ｐを形成する。ＫＯＨ溶液による処理条件としては、例えばＫＯＨの１ｍｏｌ／Ｌの溶液を８０℃に加熱して、２０ｍｉｎエッチングする条件が採用される。これにより、凹凸１３７ｐが形成される。
【０２１８】
次いで、劈開またはダイヤモンドブレード等により、導電性基板４６０を切断し、個別の素子とし、本実施形態に係る半導体発光素子５０が作製される。
【０２１９】
上記において、凹凸１３７ｐの大きさは、例えば、発光部１４０から放出される発光光の波長よりも大きく設定される。具体的には、凹凸１３７ｐの大きさは、例えば、発光部１４０から放出される発光光の低不純物濃度半導体層１３５における波長よりも大きく設定される。これにより、凹凸１３７ｐが設けられる粗面部１３７において、光の進路が変更され、光の取り出し効率が向上し、さらに高効率の半導体発光素子が得られる。
【０２２０】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、第１層１３１は、サファイア層のｃ面を主面とした基板１１０上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を介して成長されたＧａＮ層の上に設けられている。
【０２２１】
この単結晶バッファ層には、例えば、第１バッファ層１２１が適用される。すなわち、この単結晶バッファ層には、例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、が適用される。
【０２２２】
また、上記の単結晶バッファ層を介して成長されたＧａＮ層としては例えば、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３０及びＳｉドープのｎ形閉じ込め層などが適用される。
【０２２３】
このように、基板１１０上に上記の単結晶バッファ層を介してＧａＮ層を成長させることで、結晶品質の高いＧａＮ層が得られる。
【０２２４】
導電性基板４６０は、少なくとも導電性のある材料からなり、特に限定されるものではないが、例えば、Ｓｉ及びＧｅなどの半導体基板、並びに、Ｃｕ及びＣｕＷなどの金属板が用いられる。また、導電性基板４６０の全体で導電性を有する必要はなく、少なくとも一部が導電性を有していれば良く、例えば、樹脂の中に金属配線が設けられている板などを用いることができる。
【０２２５】
ｐ側電極１６０は、少なくとも銀またはその合金を含む。銀以外の金属単層膜の可視光帯域に対する反射効率は、４２０ｎｍ以下の紫外域では波長が短くなるほど低下する傾向にあるが、銀は３７０ｎｍ以上４１０ｎｍ以下の紫外帯域の光に対しても高い反射効率特性を有する。そのため、紫外発光の半導体発光素子においてｐ側電極１６０が銀合金の場合は、ｐ側電極１６０の半導体層の側の界面側の部分は、銀の成分比が大きい方が望ましい。ｐ側電極１６０の厚さは、光に対する反射効率を確保するために、１００ｎｍ以上であることが望ましい。
【０２２６】
ｐ側電極１６０上には、半田がｐ側電極１６０へ拡散または反応するのを防ぐ目的で、銀と反応しない、または銀に積極的に拡散しない拡散防止層を設けても良い。なお、この拡散防止層は、ｐ側電極１６０と電気的に接触する。この拡散防止層に用いられる材料としては、高融点金属である、例えば、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）などの単層膜または積層膜が挙げられる。
【０２２７】
さらに、拡散防止層には、多少拡散しても問題がないように仕事関数が高く、ｐ形コンタクト層１５０（ｐ形ＧａＮ層）とオーミック性が得られやすい金属として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ロジウム（Ｒｈ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）及び白金（Ｐｔ）の少なくともいずれかを用いることがさらに望ましい。
【０２２８】
拡散防止層の厚さは、単層膜の場合は膜状態を保てる５ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の範囲であることが望ましい。積層膜の場合は、特に限定されるものではなく、拡散防止層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の間の値に設定することができる。
【０２２９】
本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、第１層１３１は、サファイアからなる基板１１０上に形成されたＧａＮ層の上に形成され、発光部１４０は、第１層１３１の上に形成され、第２層１５１は、発光部１４０の上に形成されており、基板１１０が除去されている。このような構成を有する半導体発光素子５０において、特に高い発光効率を実現できる。
【０２３０】
すなわち、基板１１０が除去される薄膜構造を有する半導体発光素子５０においては、光が外部に取り出されるまでの平均の光路が長くなる。このため、素子（半導体層）の内部における吸収を下げることが、光の取り出し効率の向上に非常に効果的である。このため、発光部１４０を単一量子井戸構造とすることによって素子の内部（半導体層の内部）における光吸収を抑制する本実施形態の効果は、基板１１０が除去される構成において、特に顕著に発揮される。
【０２３１】
結晶積層体１８０と導電性基板４６０とを接着するとき、及び、レーザ光でＧａＮ層を分解してサファイアからなる基板１１０を剥離するとき、において、結晶積層体１８０の結晶層に結晶欠陥やダメージが発生し易い。
【０２３２】
これは、導電性基板４６０、サファイア、及び、ＧａＮ層における相互の熱膨張係数差、局所的な加熱、及び、ＧａＮの分解による生成物、などが原因であると考えられる。結晶層に結晶欠陥やダメージが発生すると、そこからｐ側電極１６０に含まれるＡｇが拡散し、結晶内部でのリークや結晶欠陥の加速度的な増加を招く。
【０２３３】
本実施形態によれば、井戸層１４３が単層であるため、基板１１０の側からの積層構造による歪により、結晶（井戸層１４３）の特性を大きく改善することができる。さらに単層であるため、ＭＱＷ構造において発生し得る問題（複数の井戸層において、成長基板側では結晶品質の改善が不十分で、成長基板とは反対側では歪が過大となり、結晶の特性が劣化する問題）が発生しない。これにより、井戸層１４３の結晶を、最高の品質とすることができる。
【０２３４】
この効果は、本実施形態のように基板１１０を除去することで結晶に負荷がかかる場合に、特に効果的に発揮される。すなわち、結晶成長の際に用いられる基板１１０が除去された後にも、高品質の結晶を得ることができる。
【０２３５】
本実施形態のように、基板１１０を除去し、高反射率の金属を用いた電極（ｐ側電極１６０）での反射を利用して光を取り出す構造では、基板１１０と成長結晶との界面、及び、基板１１０内での光損失がないので、結晶内での光損失の低減による発光効率改善の効果が大きい。
【０２３６】
すなわち、本実施形態においては、ＳＱＷ構造を採用することで、発光効率の高い井戸層１４３から放出された光が、効率の低い別の井戸層で吸収されてしまうという問題が生じないため、極めて高い効率で光を外部に取り出すことができる。
【０２３７】
特に、本実施形態においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を導入することで、結晶品質の向上の程度が大きいので、基板１１０を除去する際に発生し得る井戸層１４３の特性の劣化が効果的に抑制される。
【０２３８】
基板１１０が除去される構造を有する半導体発光素子においては、発光効率の低下が発生し易い。本願発明者は、この構成において発光効率が低下し易い原因を解析し、その結果、基板１１０を除去するプロセスにおいて、基板１１０の側から大きな歪が加わることで結晶中の転位が増加することが、発光効率の低下に大きく影響を与えていると推定した。
【０２３９】
すなわち、基板１１０を除去する際に、加熱によって基板１１０を除去すると、熱膨張に伴って横方向に成分をもった転位が結晶中に導入されていると考えられる。また、基板１１０を剥離する際に、剥離された部分とされていない部分とが発生し、これにより、斜めに力が働く状態で剥離が進行する。このため、基板１１０の除去に伴う転位も斜め方向の成分を持つと推定される。
【０２４０】
本実施形態に係る半導体発光素子５０においては、基板１１０と発光部１４０との間に第１積層構造体２１０と第２積層構造体２２０とを導入している。これにより、基板１１０の除去に伴う転位の方向の変化（横方向及び斜め方向への変化）に対して影響を与えると考えられる。すなわち、本実施形態においては、転位は結晶表面に対して垂直に近づくため、転位の方向の変化を抑制する効果が発揮されていると推測される。これにより、基板１１０の除去において発生し得る発光効率の低下が抑制され、高効率に発光する半導体発光素子の実現が可能となる。
【０２４１】
本実施形態においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の両者を用いているので、上記の効果が特に大きい。但し、その一方を用いた場合でも発光効率の向上効果が得られる。特に、第１積層構造体２１０を用いると、第３層２０３と第４層２０４との間の格子不整が大きく、転位の向きを変える効果が大きく、さらに、結晶が面内で不均一である場合でも転位の方向を変える効果が大きく、半導体発光素子の効率向上への寄与が大きい。
【０２４２】
以上のように、基板１１０が除去される構成が適用される半導体発光素子の場合に、本発明の実施形態に係る構成を適用することで、結晶の品質が高いことから基板１１０を除去する際の結晶の特性劣化が抑制され、特に高効率な発光を実現することが可能である。すなわち、基板１１０が除去される構成と、ＳＱＷ構造の発光部１４０と、第１積層構造体２１０と、の組み合わせを採用すると、発光効率が特に効果的に向上できる。さらに、第２積層構造体２２０をさらに組み合わせることで、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２４３】
（第６の実施形態）
図７は、本発明の第６の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図７に表したように、本実施形態に係るウェーハ５６０は、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１と、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１と、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられ、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層１４１と、第１障壁層１４１と第２層１５１との間に設けられ、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層１４２と、第１障壁層１４１と第２障壁層１４２との間に設けられ、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層１４３と、からなる単一量子井戸構造を有する発光部１４０と、を備える。
【０２４４】
井戸層１４３は、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下の厚さを有する。井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２４５】
このような構成を有するウェーハ５６０においては、既に説明した本発明の実施形態に係る半導体発光素子と同様の効果を発揮できる。ウェーハ５６０によって、高効率に近紫外光を発光するウェーハが提供できる。
【０２４６】
なお、図７に表したように、ウェーハ５６０は、既に説明した本発明の実施形態に係る半導体発光素子に関して説明した種々の層をさらに有することができる。
【０２４７】
なお、ウェーハ５６０においては、井戸層１４３の厚さは、特に５ｎｍ以上７ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【０２４８】
図８は、本発明の第６の実施形態に係る別のウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係るウェーハ５７０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられ、ＡｌＧａＩｎＮを含み、それぞれの厚さが第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層され、それぞれの厚さが井戸層１４３の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を含む第１積層構造体２１０をさらに備えている。
【０２４９】
さらに、ウェーハ５７０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられ、ＧａＮを含み、それぞれの厚さが第１障壁層１４１及び第２障壁層１４２の厚さよりも薄い複数の第５層２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層され、それぞれの厚さが井戸層１４３の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む第６層２０６と、を含む第２積層構造体２２０をさらに備えている。
【０２５０】
本発明の実施形態の半導体発光素子に関して既に説明したように、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかが設けられても良い。また、第２積層構造体２２０は、第１層１３１と第１積層構造体２１０との間に設けられることができる。
【０２５１】
なお、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層１４３の厚さと、の合計は、２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。
【０２５２】
ウェーハ５７０における発光効率の向上の効果については、実施形態に係る半導体発光素子に関して説明した通りである。
【０２５３】
（第７の実施形態）
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、例えば第５の実施形態に関して説明した半導体発光素子５０の製造方法である。
【０２５４】
図９は、本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図９に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、サファイア層のｃ面を主面とした基板１１０上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を形成する（ステップＳ１０１）。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を順次形成する。
【０２５５】
そして、単結晶バッファ層の上にＧａＮ層を形成する（ステップＳ１０２）。例えば、第２バッファ層１２２及びｎ形コンタクト層１３０などを形成する。
【０２５６】
そして、そのＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１を含むｎ形半導体層を形成する（ステップＳ１０３）。
そして、ｎ形半導体層の上に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層１４１を形成する（ステップＳ１０４）。
【０２５７】
そして、第１障壁層１４１の上に、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層１４３を形成する（ステップＳ１０５）。井戸層１４３の厚さは、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とされる。井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２５８】
そして、井戸層１４３の上に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層１４２を形成する（ステップＳ１０６）。
【０２５９】
そして、第２障壁層１４２の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１を含むｐ形半導体層を形成する（ステップＳ１０７）。
【０２６０】
そして、ｐ形半導体層の形成の後に、基板１１０を除去する（ステップＳ１０８）。
【０２６１】
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、基板１１０の除去工程と、ＳＱＷ構造の発光部１４０と、が組み合わされることで、発光効率が特に効果的に向上できる。さらに、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかをさらに組み合わせることで、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２６２】
（第８の実施の形態）
図１０は、本発明の第８の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、サファイアからなる基板１１０上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層（第１バッファ層１２１）を形成する（ステップＳ２０１）。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を順次形成する。
【０２６３】
そして、このＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成する（ステップＳ２０２）。例えば、第２バッファ層１２２及びｎ形コンタクト層１３０などを形成する。
【０２６４】
そして、このＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層１３１を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０３）。
【０２６５】
そして、ｎ形半導体層の上に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層１４１を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０４）。
【０２６６】
そして、第１障壁層１４１の上にＡｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層１４３を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０５）。井戸層１４３の厚さは、４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とされる。井戸層１４３は、近紫外光を放出する。井戸層１４３のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２６７】
そして、井戸層１４３の上に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層１４２を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０６）。
【０２６８】
そして、第２障壁層１４２の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層１５１を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０７）。
【０２６９】
具体的には、上記のｎ形半導体層の上に第１障壁層１４１を直接形成し、第１障壁層１４１の上に井戸層１４３を直接形成し、井戸層１４３の上に第２障壁層１４２を直接形成し、第２障壁層１４２の上にｐ形半導体層を直接形成する。なお、既に説明したように、第１層１３１を含むｎ形半導体層は、第１層１３１の上に形成された第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかを含むことができる。
【０２７０】
このような製造方法によって、結晶の品質の高い半導体層が形成でき、この方法によってＳＱＷ構造を有する発光部１４０を形成することで、特に高効率に近紫外光を発光する半導体発光素子を生産性良く製造できる。
【０２７１】
なお、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかを形成する工程をさらに実施しても良い。これにより、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２７２】
また、上記の半導体発光素子の製造方法は、ウェーハの製造方法にも応用できる。
すなわち、本発明の実施形態に係るウェーハの製造方法は、上記のステップＳ２０１〜ステップＳ２０７を含むことができる。これにより、特に高効率に近紫外光を発光するウェーハを生産性良く製造できる。また、このウェーハの製造方法においても、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の少なくともいずれかを形成する工程をさらに実施しても良い。これにより、発光効率がさらに効果的に向上できる。
【０２７３】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０２７４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる半導体層、発光部、井戸層、障壁層、積層構造体、電極、基板、バッファ層等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２７５】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子、ウェーハ、半導体発光素子の製造方法及びウェーハの製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２７６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２７７】
１０、２０、２１、３０、４０、５０ 半導体発光素子、 １１０…基板、 １２１…第１バッファ層、 １２１ａ…第１ＡｌＮバッファ層、 １２１ｂ…第２ＡｌＮバッファ層、 １２２…第２バッファ層、 １３０…ｎ形コンタクト層、 １３１…第１層、 １３５…低不純物濃度半導体層、 １３５ａ…主面、 １３７…粗面部、 １３７ｐ…凹凸、 １３８…開口部、 １４０…発光部、 １４１…第１障壁層、１４１ａ…第１サブ層、１４１ｂ…第２サブ層、１４１ｃ…第３サブ層、 １４２…第２障壁層、 １４３…井戸層、 １５０…ｐ形コンタクト層、 １５１…第２層、 １６０…ｐ側電極、 １７０…ｎ側電極、 １８０…結晶積層体、 ２０３〜２０６…第３層〜第６層、 ２１０…第１積層構造体、 ２２０…第２積層構造体、 ４５５…接着用金属層、 ４６０…導電性基板、 ４６５…接合金属層、 ５６０、５７０…ウェーハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層と、
ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に設けられた発光部であって、障壁層と井戸層とを含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられ、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層構造体と、
前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられ、
ＧａＮを含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層構造体と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第３層の厚さ、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第４層の厚さ、
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第５層の厚さ、及び、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第６層の厚さの少なくともいずれかを有する、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記障壁層は複数設けられ、
前記複数の障壁層は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層と、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層と、を含み、
前記井戸層は、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に設けられ、前記井戸層は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも高く、
前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低く、
前記第２障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低い、請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記複数の第４層の合計の厚さと、前記井戸層の厚さと、の合計は、２５ナノメートル以上４５ナノメートル以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１層は、サファイア層のｃ面を主面とした基板上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を介して成長されたＧａＮ層の上に設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１層は、サファイアからなる基板上に形成されたＧａＮ層の上に形成され、
前記発光部は、前記第１層の上に形成され、
前記第２層は、前記発光部の上に形成され、
前記基板が除去された、請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層と、
ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に設けられた発光部であって、障壁層と井戸層とを含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられ、
ＡｌＧａＩｎＮを含む第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層構造体と、
前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられ、
ＧａＮを含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層構造体と、
を備えたウェーハ。
【請求項９】
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第３層の厚さ、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第４層の厚さ、
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第５層の厚さ、及び、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第６層の厚さの少なくともいずれかを有する、請求項８記載のウェーハ。
【請求項１０】
前記障壁層は複数設けられ、
前記複数の障壁層は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層と、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層と、を含み、
前記井戸層は、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に設けられ、前記井戸層は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む、請求項８または９に記載のウェーハ。
【請求項１１】
前記第１障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも高く、
前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低く、
前記第２障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低い、請求項１０記載のウェーハ。
【請求項１２】
前記複数の第４層の合計の厚さと、前記井戸層の厚さと、の合計は、２５ナノメートル以上４５ナノメートル以下である、請求項８〜１１のいずれか１つに記載のウェーハ。
【請求項１３】
サファイア層のｃ面を主面とした基板と、
前記基板上に設けられたＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層と、
前記単結晶バッファ層の上に設けられたＧａＮ層と、
をさらに備え、
前記第１層は、前記ＧａＮ層の上に設けられている、請求項８〜１２のいずれか１つに記載のウェーハ。
【請求項１４】
サファイア層のｃ面を主面とした基板上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を形成し、
前記単結晶バッファ層の上にＧａＮ層を形成し、
前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を形成し、
前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を形成し、
前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を形成し、
前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を形成し、
前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を形成し、
前記ｐ形半導体層の形成の後に、前記基板を除去する、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成し、
前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成し、
前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成し、
前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成し、
前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成し、
前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成し、
前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成し、
前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成し、
前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する、ウェーハの製造方法。
【請求項１】
ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層と、
ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に設けられた発光部であって、障壁層と井戸層とを含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられ、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層構造体と、
前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられ、
ＧａＮを含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層構造体と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項２】
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第３層の厚さ、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第４層の厚さ、
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第５層の厚さ、及び、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第６層の厚さの少なくともいずれかを有する、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記障壁層は複数設けられ、
前記複数の障壁層は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層と、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層と、を含み、
前記井戸層は、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に設けられ、前記井戸層は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも高く、
前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低く、
前記第２障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低い、請求項３記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記複数の第４層の合計の厚さと、前記井戸層の厚さと、の合計は、２５ナノメートル以上４５ナノメートル以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１層は、サファイア層のｃ面を主面とした基板上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を介して成長されたＧａＮ層の上に設けられている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１層は、サファイアからなる基板上に形成されたＧａＮ層の上に形成され、
前記発光部は、前記第１層の上に形成され、
前記第２層は、前記発光部の上に形成され、
前記基板が除去された、請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項８】
ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層と、
ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に設けられた発光部であって、障壁層と井戸層とを含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられ、
ＡｌＧａＩｎＮを含む第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層構造体と、
前記第１層と前記第１積層構造体との間に設けられ、
ＧａＮを含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層構造体と、
を備えたウェーハ。
【請求項９】
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第３層の厚さ、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第４層の厚さ、
前記障壁層の厚さよりも薄い前記第５層の厚さ、及び、
前記井戸層の厚さよりも薄い前記第６層の厚さの少なくともいずれかを有する、請求項８記載のウェーハ。
【請求項１０】
前記障壁層は複数設けられ、
前記複数の障壁層は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層と、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層と、を含み、
前記井戸層は、前記第１障壁層と前記第２障壁層との間に設けられ、前記井戸層は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む、請求項８または９に記載のウェーハ。
【請求項１１】
前記第１障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも高く、
前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度は、第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低く、
前記第２障壁層におけるＳｉ濃度は、前記第２積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低い、請求項１０記載のウェーハ。
【請求項１２】
前記複数の第４層の合計の厚さと、前記井戸層の厚さと、の合計は、２５ナノメートル以上４５ナノメートル以下である、請求項８〜１１のいずれか１つに記載のウェーハ。
【請求項１３】
サファイア層のｃ面を主面とした基板と、
前記基板上に設けられたＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層と、
前記単結晶バッファ層の上に設けられたＧａＮ層と、
をさらに備え、
前記第１層は、前記ＧａＮ層の上に設けられている、請求項８〜１２のいずれか１つに記載のウェーハ。
【請求項１４】
サファイア層のｃ面を主面とした基板上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む単結晶バッファ層を形成し、
前記単結晶バッファ層の上にＧａＮ層を形成し、
前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を形成し、
前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を形成し、
前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を形成し、
前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を形成し、
前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を形成し、
前記ｐ形半導体層の形成の後に、前記基板を除去する、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】
サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成し、
前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成し、
前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成し、
前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成し、
前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する、半導体発光素子の製造方法。
【請求項１６】
サファイアからなる基板上に、有機金属気相成長法によりＡｌＮ層を形成し、
前記ＡｌＮ層の上に、有機金属気相成長法によりＧａＮ層を形成し、
前記ＧａＮ層の上に、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む第１層を含むｎ形半導体層を有機金属気相成長法により形成し、
前記ｎ形半導体層の上に、ＧａＮを含む複数の第５層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を交互に積層して第２積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第２積層構造体の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して、第１積層構造体を有機金属気相成長法により形成し、
前記第１積層構造体の上に、井戸層を含む発光部を有機金属気相成長法により形成し、
前記発光部の上に、ｐ形ＡｌＧａＮを含む第２層を含むｐ形半導体層を有機金属気相成長法により形成する、ウェーハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４４１９４（Ｐ２０１２−４４１９４Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２２６６（Ｐ２０１１−２０２２６６）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【分割の表示】特願２０１０−６１６８３（Ｐ２０１０−６１６８３）の分割
【原出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【分割の表示】特願２０１０−６１６８３（Ｐ２０１０−６１６８３）の分割
【原出願日】平成２２年３月１７日（２０１０．３．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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