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を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形の第１層と、ｐ形の第２層と、第１層と第２層との間に設けられた発光部と、第１層と発光部との間に設けられた第１積層構造体と、第１層と第１積層構造体との間に設けられた第２積層構造体と、を含む半導体発光素子が提供される。発光部は、複数の障壁層と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。第１積層構造体は、窒化物半導体を含む複数の第３層と、複数の第３層と交互に積層され井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。第２積層構造体は、第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、複数の第５層と交互に積層され井戸層の厚さよりも薄い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、ｎ形の第１層と、ｐ形の第２層と、第１層と第２層との間に設けられた発光部と、第１層と発光部との間に設けられた第１積層構造体と、第１層と第１積層構造体との間に設けられた第２積層構造体と、を含む半導体発光素子が提供される。発光部は、複数の障壁層と、複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。第１積層構造体は、窒化物半導体を含む複数の第３層と、複数の第３層と交互に積層され井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。第２積層構造体は、第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、複数の第５層と交互に積層され井戸層の厚さよりも薄い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】
本発明の実施形態は、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位により素子の特性が制約を受ける。
【０００３】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子つまりＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、出力を大きくすると大きな発光効率、つまり高光出力が得られないことが問題となっている。
【０００４】
窒化物半導体を用いたＬＥＤなどの半導体発光素子の効率を向上するために、種々の提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２０５９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子、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、窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、窒化物半導体を含むｐ形の第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と、前記第１層と前記発光部との間に設けられた第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た第２積層構造体と、を含む半導体発光素子が提供される。前記発光部は、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。前記第１積層構造体は、窒化物半導体を含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、前記複数の第５層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図３】第１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１参考例の半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
【図５】半導体発光素子の特性を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態に係る半導体発光素子を示すバンドギャップエネルギー図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係るウェーハを示す模式的断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１２】第３の実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
【図１３】第４の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１４】第４の実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】第４の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１６】第４の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１７】第５の実施形態に係るウェーハを示す模式的断面図である。
【図１８】第６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１９】第６の実施形態に係る半導体発光素子の別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】
【０００９】
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。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、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形の第１層１３１と、ｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、第１積層構造体２１０と、第２積層構造体２２０と、を含む。
【００１１】
第１層１３１は、窒化物半導体を含む。第２層１５１は、窒化物半導体を含む。第１層１３１は、例えば、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。第２層１５１は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。例えば、第１層１３１として、シリコン（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、マグネシウム（Ｍｇ）を含有するｐ形ＡｌＧａＮを含むｐ形閉じ込め層が用いられる。
【００１２】
このように、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む。これらの半導体層には、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。
【００１３】
発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。発光部１４０の構成の例については後述する。
【００１４】
第１積層構造体２１０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられる。第１積層構造体２１０は、複数の第３層２０３と、複数の第４層２０４と、を含む。第３層２０３は、窒化物半導体を含む。複数の第４層２０４は、複数の第３層２０３と交互に積層される。第４層２０４は、ＧａＩｎＮを含む。
【００１５】
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。第２積層構造体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第６層２０６と、を含む。第５層２０５は、第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む。複数の第６層２０６は、複数の第５層２０５と交互に積層される。第６層２０６は、ＧａＩｎＮを含む。
【００１６】
ここで、第１層１３１から第２層１５１に向かう方向に対して平行な軸をＺ軸とする。複数の第３層２０３と複数の第４層２０４とは、Ｚ軸に沿って交互に積層されている。複数の第５層２０５と複数の第６層２０６とは、Ｚ軸に沿って交互に積層されている。
【００１７】
図１に表したように、半導体発光素子１０は、基板１１０、第１バッファ層１２１、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３０、ｐ形コンタクト層１５０、ｐ側電極１６０及びｎ側電極１７０をさらに含むことができる。
【００１８】
基板１１０には、例えば、主面がｃ面のサファイア基板が用いられる。また、基板１１０には、Ｓｉ基板を用いても良い。基板１１０の上に、第１バッファ層１２１が設けられる。第１バッファ層１２１として、例えばＡｌＮ層が用いられる。
【００１９】
例えば、第１バッファ層１２１は、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含む。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａは、基板１１０の上に形成される。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は高い。第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂは、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成される。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。
【００２０】
第１バッファ層１２１の上に、第２バッファ層１２２が用いられる。第２バッファ層１２２には、例えば、ノンドープのＧａＮ層が用いられる。第２バッファ層１２２は、例えば格子緩和層である。
【００２１】
第２バッファ層１２２の上に、ｎ形コンタクト層１３０が設けられる。ｎ形コンタクト層１３０には、例えばＳｉドープのｎ形ＧａＮ層が用いられる。ｎ形コンタクト層１３０の上に、第１層１３１が設けられる。第１層１３１は、例えば、Ｓｉドープのｎ形閉じ込め層である。第１層１３１の上に第２積層構造体２２０が設けられる。第２積層構造体２２０の上に第１積層構造体２１０が設けられる。第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０が設けされる。発光部１４０の上に第２層１５１が設けられる。第２層１５１は、例えば、Ｍｇドープのｐ形閉じ込め層である。第２層１５１の上に、ｐ形コンタクト層１５０が設けられる。ｐ形コンタクト層１５０には、例えば、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮ層が用いられる。
【００２２】
第１積層構造体２１０の複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮを含んでもよい。第２積層構造体２２０の複数の第５層２０５はＧａＮを含んでもよい。
【００２３】
ｐ形コンタクト層１５０の上に、ｐ側電極１６０が設けられる。ｐ側電極１６０には、例えば、Ｎｉ層が用いられる。ｎ形コンタクト層１３０の上に、ｎ側電極１７０が設けられる。ｎ形コンタクト層１３０には、例えば、Ａｌ／Ａｕの積層膜が用いられる。
【００２４】
ｐ側電極１６０とｎ側電極１７０とに電圧を印加することで、発光部１４０に電流が供給され、発光部１４０から光（発光光）が放出される。
【００２５】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、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（ａ）は、半導体発光素子１０、及び、後述する半導体発光素子１１、１２、１５、２０、２１、２２、並びに、ウェーハ６０及び７０における発光部１４０の構成を例示している。図２（ｂ）は、半導体発光素子１０ａ、１１ａ、１２ａ、２０ａ、２１ａ、２２ａ、並びに、ウェーハ６０ａ及び７０ａにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｃ）は、後述する半導体発光素子１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、並びに、ウェーハ６０ｂ及び７０ｂにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｄ）は、後述する半導体発光素子１１ｃ、１２ｃ、２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、並びに、ウェーハ６０ｃ及び７０ｃにおける発光部１４０の構成を例示している。
【００２６】
図２（ａ）に表したように、半導体発光素子１０においては、発光部１４０は、複数の障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２など）と、井戸層４２と、を含む。井戸層４２は、複数の障壁層４１の間に設けられる。
【００２７】
例えば、発光部１４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。このとき、発光部１４０は、２つの障壁層４１と、その障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。例えば、発光部１４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構造を有することができる。このとき、発光部１４０は、３つ以上の障壁層４１と、障壁層４１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層４２と、を含む。
【００２８】
図２（ａ）に示した例では、発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層４１と、ｎ個の井戸層４２と、を含む（ｎは、１以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２層１５１との間に配置される（ｉは、１以上（ｎ−１）以下の整数）。第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ井戸層ＷＬｉと第２層１５１との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１層１３１と第１井戸層ＷＬ１との間（すなわち、第１積層構造体２１０と第１井戸層ＷＬ１との間）に設けられる。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第ｎ番障壁層ＢＬｎと第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ井戸層ＷＬｎと第２層１５１との間に設けられる。
【００２９】
図２（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０ａにおいては、発光部１４０に１つの井戸層４２が設けられる。図２（ｃ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０ｂにおいては、発光部１４０に２つの井戸層４２が設けられる。図２（ｄ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０ｃにおいては、発光部１４０に３つの井戸層４２が設けられる。さらに、発光部１４０に４つ以上の井戸層４２を設けても良い。
【００３０】
発光部１４０が単一の量子井戸構造を有する場合には、電子と正孔とが同一の井戸層４２に注入されるので、高効率の発光を得ることができる。つまり井戸層４２が１である場合は、複数の井戸層４２が設けられる場合と異なり、キャリアの注入効率の井戸層４２間での不均一が生じない。
【００３１】
井戸層４２が２つである場合には、電子の注入効率の高いｎ形の第１層１３１側の井戸層４２と、正孔の注入効率が高いｐ側の第２層１５１側の井戸層４２と、の２層が得られる。このため、キャリアの利用効率が高い。数多くの（例えば４つ以上）の井戸層４２を設けた場合は、発光効率が低く吸収体としての効果の大きい井戸層４２ができる可能性があるが、井戸層４２が２つの場合は、このような井戸層４２は生じない。
【００３２】
井戸層４２が３つである場合は、複数の井戸層４２を設けた構造の中では、電子注入とホール注入に対して対称な構造を形成する最も単純な構造が実現できる。このため、キャリアの利用効率が高い。数多くの（例えば４つ以上）の井戸層４２を設けた場合は、発光効率が低く吸収体としての効果の大きい井戸層４２ができる可能性があるが、井戸層４２が３つの場合は、このような井戸層４２は生じない。
【００３３】
発光部１４０が多重量子井戸構造を有する場合は、注入された電子と正孔との再結合に寄与する井戸層４２の数が増加する。このため、高効率の発光を得ることができる。特に、キャリア（電子及び正孔）の注入量が多い場合でも、井戸層４２内でキャリア密度の増加が分散され、キャリア密度の増加が小さいので結合効率の低下が抑制される。これにより、高効率の発光を得ることができる。
【００３４】
発光部１４０は、実効的な単一量子井戸構造を有していても良い。実効的な単一量子井戸構造は、例えば、井戸層４２内にポテンシャルの凹凸がある状態を含む。この場合、井戸層４２内で、そのポテンシャルの凹凸の間を電子及び正孔の少なくともいずれかが移動できる。また、実効的な単一量子井戸構造は、複数の井戸層４２において井戸層４２どうしの間の障壁層４１が薄い状態を含む。この場合には、井戸層４２間の障壁のポテンシャル差が小さく、複数の井戸層４２の間を、電子及び正孔の少なくともいずれかが移動できる。例えば、実効的な単一量子井戸構造においては、波動関数の井戸層４２から井戸層４２間へのしみだしが大きく、複数の井戸層４２が実効的に結合している。実効的な単一量子井戸構造においては、例えば、井戸層４２間の障壁のポテンシャルが低く、熱励起されたキャリアが複数の井戸層４２の間で移動できる。
【００３５】
井戸層４２は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。例えば、井戸層４２は、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とを含む窒化物半導体を含む。
【００３６】
障壁層４１は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。障壁層４１のバンドギャップエネルギーは、井戸層４２のバンドギャップエネルギーよりも大きい。障壁層４１がＩｎを含む場合、障壁層４１のIII族元素中におけるＩｎの組成比は、井戸層４２のIII族元素中におけるＩｎの組成比よりも低い。
【００３７】
例えば、第１障壁層ＢＬ１は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む。
例えば、第２障壁層ＢＬ２は、例えば、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。例えば、ｘ２＜ｘ１である。
【００３８】
例えば、第ｉ障壁層ＢＬｉ（１≦ｉ≦ｎ＋１）は、例えば、ＡｌｘｉＧａ１−ｘｉ−ｙｉＩｎｙｉＮ（０＜ｘｉ、０≦ｙｉ、Σ（ｘｉ＋ｙｉ）＜１）を含む。なお、ｘｉはｘ１と同じでも良く、異なっても良い。また、ｙｉは、ｙ１と同じでも良く、異なっても良い。例えば、ｘｉ＜ｘ１である。
【００３９】
第ｉ井戸層ＷＬｉ（１≦ｉ≦ｎ）（井戸層４２）は、例えば、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。例えば、第１井戸層ＷＬ１（井戸層４２）は、Ｇａ１−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０＜ｙ０≦１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。
【００４０】
なお、いずれの場合にも、第１積層構造体２１０の最も発光部１４０側に第３層２０３を用いることで、第３層２０３を第１障壁層ＢＬ１として機能させることができる。または、第１積層構造体２１０の発光部１４０側は、第４層２０４で終わっていると考えることもできる。
【００４１】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、例えば、近紫外光である。発光光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。但し、実施形態はこれに限らず、発光光の波長は任意である。発光光のピーク波長は、例えば、４００ｎｍよりも長く５００ｎｍ以下でも良い。発光部１４０における発光光のピーク波長は、例えば、４７０ｎｍ以上とすることができる。
【００４２】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が３８０ｎｍ以上であると、吸収端が３６５ｎｍのＧａＮの吸収に加え、第１積層構造体２１０による吸収の影響が小さくできる。本願発明者は、第１積層構造体２１０の発光相当波長が３７０ｎｍ以上３８０ｎｍの間、特に、３７０ｎｍ以上３７５ｎｍ以下の間である場合は、発光部１４０の発光の効率が高くなることをＰＬ測定により確認した。この結果に基づくと、第１積層構造体２１０の発光相当波長を、３７０ｎｍ以上３８０ｎｍの間の波長域とすることが素子特性向上に望ましいと考えられる。なお、本実施形態の半導体発光素子に用いるウェーハのＰＬ測定を行うと、第１積層構造体２１０からの発光が確認できる場合があることを確認した。この発光スペクトルのピーク波長をこの半導体発光素子の発光相当波長とした。
【００４３】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が４００ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さを４．５ｎｍ以上７ｎｍ以下に設定する。これにより、例えば、良好な発光が得られた。発光部１４０における発光波長のピーク波長が３９５ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さは、４．５ｎｍ以上７ｎｍに設定する。これにより、良好な発光が得られ、さらに発光波長と強度の制御性が向上した。
【００４４】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さ３ｎｍ以上４．５ｎｍに設定すると高い発光効率を得ることができる場合があった。ピーク波長が４２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合に、井戸層４２の厚さを３．５ｎｍ以上４ｎｍ以下に設定すると発光強度が特に高くその制御性が向上した。
【００４５】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が発光波長が４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の単一量子井戸構造においては、井戸層４２の厚さが３ｎｍ以上３．５ｎｍ以下において高い発光効率を得ることができる場合があった。発光波長が４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の多重量子井戸構造においては、井戸層４２の厚さが２．５ｎｍ以上３ｎｍ以下において高い発光効率を得ることができる場合があった。
【００４６】
発光部１４０における発光光のピーク波長は、例えば、４７０ｎｍ以上とすることができ、３．５ｎｍ以下の厚さの井戸層４２で発光を得ることができた。
【００４７】
本実施形態においては高品質な下地結晶が得られるので、本実施形態の構成は、さらに長波長（例えば５００ｎｍ帯、６００ｎｍ帯、７００ｎｍ帯、さらに、ＩｎＮの吸収端である０．７５ｅよりも短波長の任意の波長）の活性層を有する素子に適用可能である。また、単一量子井戸構造及び多重量子井戸構造に加え、ＤＨ（Double Hetero）構造、区分的量子井戸構造及び量子ドット構造（これらの構造は平均化すると面状の発光領域を有し、井戸層とみなすことができる）等の構造を発光部１４０に適用可能である。
【００４８】
以下では、井戸層４２の数が任意である例として半導体発光素子１０に関して説明する。以下の説明は、半導体発光素子１０ａ〜１０ｃにも適用される。
【００４９】
図１に表したように、半導体発光素子１０においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０が設けられる。
【００５０】
複数の第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層４２（例えば第１井戸層ＷＬ１）の厚さよりも薄い。複数の第３層２０３のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さ（例えば第１障壁層ＢＬ１の厚さ及び第２障壁層ＢＬ２の厚さ）よりも薄い。
【００５１】
複数の第６層２０６のそれぞれの厚さは、井戸層４２（例えば第１井戸層ＷＬ１）の厚さよりも薄い。複数の第５層２０５のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さ（例えば第１障壁層ＢＬ１の厚さ及び第２障壁層ＢＬ２の厚さ）よりも薄い。
【００５２】
第１積層構造体２１０は、例えば超格子構造を有する。第２積層構造体２２０も例えば超格子構造を有する。既に説明したように、第５層２０５は、第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む。このように、半導体発光素子１０においては、２種類の超格子が設けられる。
【００５３】
例えば、複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか一方を含み、複数の第５層２０５は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか他方を含む。例えば、第３層２０３はＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５はＧａＮを含む。または、第３層２０３はＧａＮを含み、第５層２０５はＡｌＧａＩｎＮを含む。以下では、第３層２０３がＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５がＧａＮを含む場合について説明する。
【００５４】
例えば、第１積層構造体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮの第３層と、ＧａＩｎＮの第４層と、を含む超格子である。第２積層構造体２２０は、ＧａＮの第５層と、ＧａＩｎＮの第６層と、を含む超格子である。このように、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、種類が異なる２つの積層構造体を設けることで、効率が向上する。
【００５５】
以下、半導体発光素子１０の特性の例について説明する。本願発明者は、半導体発光素子１０を実際に作製し、その特性を評価した。以下、半導体発光素子１０の作製方法について説明する。以下の方法は、実施形態に係る半導体発光素子１０の作製方法の例に相当する。
【００５６】
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（厚さ約２μｍ）を形成する。具体的には、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａを形成する。さらに、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂを形成する。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下である。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの厚さは、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにおける炭素濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下である。第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、例えば約２μｍである。
【００５７】
その後、第１バッファ層１２１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（厚さ２μｍ）を形成する。
【００５８】
その後、ｎ形コンタクト層１３０となるＳｉドープｎ形ＧａＮ膜を形成する。Ｓｉドープｎ形ＧａＮ膜におけるＳｉ濃度は、例えば０．２×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であり、厚さは例えば３μｍ以上１０μｍ以下であり、より望ましくは例えば、６μｍである。さらに、ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）となる、Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層を形成する。Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、例えば０．２×１０１８ｃｍ−３以上９×１０１８ｃｍ−３あり、厚さは例えば０．２μｍ以上１．５μｍ以下である。
【００５９】
第２バッファ層１２２の上に、第２積層構造体２２０を形成する。例えば、第５層２０５となるＧａＮ層と、第６層２０６となるＧａＩｎＮ層（例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層）と、を交互に積層する。この例では、第５層２０５には、Ｓｉが、例えば約１．２×１０１８ｃｍ−３で添加される。第５層２０５のそれぞれの厚さは、例えば２．５ｎｍである。第６層２０６のそれぞれの厚さは、例えば１ｎｍである。この例では、第５層２０５と第６層２０６とのペア数は、例えば１２以上３０以下、望ましくは１６以上２０以下である。
【００６０】
第２積層構造体２２０の上に、第１積層構造体２１０を形成する。例えば、第３層２０３となるＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層と、第４層２０４となるＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層と、を交互に積層する。この例では、第３層２０３には、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加される。第３層２０３のそれぞれの厚さは、例えば２ｎｍである。第４層２０４のそれぞれの厚さは、例えば１ｎｍである。この例では、第３層２０３と第４層２０４のペア数は、３０である。
【００６１】
第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０を形成する。例えば、第１障壁層ＢＬ１となる、Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜を形成する。Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜におけるＳｉ濃度は、例えば０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であり、厚さは例えば１３．５ｎｍである。その上に、井戸層４２となる、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層（厚さ６ｎｍ）を形成する。さらに、その上に、第２障壁層ＢＬ２となるＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜（厚さ６ｎｍ）を形成する。
【００６２】
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（厚さ２４ｎｍ）を形成する。ｐ形閉じ込め層うちの発光部１４０の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば０．８×１０１９ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下である。ｐ形閉じ込め層のうちの発光部１４０とは反対の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば０．２×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００６３】
その上に、ｐ形コンタクト層１５０となる、Ｍｇドープｐ形ＧａＮ膜を形成する。Ｍｇドープｐ形ＧａＮ膜のうちの第２層１５１の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば０．２×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。Ｍｇドープｐ形ＧａＮ膜のうちの第２層１５１とは反対の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ−３以上２０×１０１９ｃｍ−３以下以下である。
【００６４】
そして、これらの半導体層を含む積層体に、例えば、以下に例示する方法で電極を設ける。
マスクを用いたドライエッチングによってｐ形半導体層と発光部１４０とを除去する。これにより、積層体の一部の領域において、ｎ形コンタクト層１３０を露出させる。ｎ形半導体層の露出した面を含む積層体の全体に、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。
【００６５】
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積層体上に形成する。そして、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膜を形成する、Ａｇ膜の厚さは、例えば２００ｎｍである。その後、例えば、３５０℃の窒素雰囲気で１分間のシンター処理を行う。
【００６６】
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積層体上に形成する。そして、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、ｎ側電極１７０となる、導電膜を形成する。この導電膜は、例えばＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜である。この導電膜の厚さは、５００ｎｍである。
【００６７】
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層構造とする。例えば、電極形成部として、高濃度層を設ける。高濃度層におけるＳｉ濃度は、例えば０．６×１０１９ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であり、厚さは、例えば０．１μｍ以上１μｍ以下である。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を抑制できる。
【００６８】
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する。これにより、個別のＬＥＤ素子、すなわち半導体発光素子１０が作製される。ＬＥＤ素子の幅は、例えば幅が４００μｍで、厚さは例えば１００μｍである。
【００６９】
本願発明者は、本実施形態に係る半導体発光素子を作製し、その特性を評価した。以下この半導体発光素子の構造について説明する。
【００７０】
図３は、第１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、作製した半導体発光素子１５においては、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に第１金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と第１金属層４５５との間に第２金属層４６５が設けられている。また、第１積層構造体２１０と第２積層構造体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【００７１】
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。
【００７２】
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、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）が採用される。
【００７３】
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に繋がっている。すなわち、開口部１３８の底部は、ｎ形コンタクト層１３０に繋がっている。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
半導体発光素子１５は以下のようにして作製された。
サファイア基板（図示しない）上に、第１バッファ層１２１となる厚さ２μｍのＡｌＮ層をＭＯＣＶＤ法により約１３００℃で形成した。その上に、第２バッファ１２２となる厚さ２μｍのＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により約１２００℃で形成した。
【００７７】
その上に、厚さが４μｍで、Ｓｉ濃度が０．２×１０１９ｃｍ−３〜１．５×１０１９ｃｍ−３のＧａＮ層（ｎ形コンタクト層１３０）をＭＯＣＶＤ法により１０５０℃〜１２００℃で形成した。その上に、厚さが０．５μｍで、Ｓｉ濃度が２×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＮ層（第１層１３１）をＭＯＣＶＤ法により１０５０℃〜１２００℃で形成した。
【００７８】
この上に、厚さが２．５ｎｍで、８×１０１８ｃｍ−３のＳｉを添加したＧａＮ層（第５層２０５）と、厚さが１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎの第６層２０６と、を交互に１６層積層、ＭＯＣＶＤ法により８００℃〜９００℃で形成した。これにより、第２積層構造体２２０が形成される。
【００７９】
この上に、厚さが２．５のＧａＮ層（中間層１８１）をＭＯＣＶＤ法により、８００℃〜９００℃で形成した。
【００８０】
この上に、厚さが２ｎｍで、８×１０１８ｃｍ−３のＳｉを添加したＡｌ０．７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（第３層２０３）と、厚さが１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層（第４層２０４）と、を交互に３０層積層、ＭＯＣＶＤ法により８００℃〜９００℃で形成した。これにより、第１積層構造体２１０が形成される。
【００８１】
この上に、厚さが１３．５ｎｍで、４×１０１８ｃｍ−３〜１６×１０１８ｃｍ−３のＳｉを添加したＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（第１障壁層ＢＬ１：障壁層４１）をＭＯＣＶＤ法により約８５０℃で形成した。この上に、厚さが７ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層（井戸層４２）をＭＯＣＶＤ法により約８００℃〜９００℃で形成した。この上に、厚さが４ｎｍ〜１２ｎｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（第２障壁層ＢＬ２：障壁層４１）をＭＯＣＶＤ法により約８００℃〜９００℃で形成した。
【００８２】
この上に、厚さが２４ｎｍのＭｇ添加ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第２層１５１）をＭＯＣＶＤ法により約９５０℃〜１１００℃で形成した。
【００８３】
この上に、厚さが０．３μｍのｐ−ＧａＮ層（コンタクト層１５０）をＭＯＣＶＤ法により、９５０℃〜１１００℃で形成した。
【００８４】
この上に、ｐ側電極１６０を形成した。さらに、この上に第１金属層４５５を形成した。
第２金属層４６５を有する導電性基板４６０を用意し、第１金属層４５５と第２金属層４６５と、を接着（ボンディング）した。この後、サファイア基板をレーザリフトオフ法により除去し、露出されたｎ−ＧａＮ層（ｎ形コンタクト層１３０）の表面上にエッチングにより凹凸構造を形成した。また、蒸着と、リソグラフィーを用いたパターニングと、により所定の形状を有するｎ側電極１７０を形成した。ｎ側電極１７０をＺ軸に沿ってみたときのパターンは、ｎ形コンタクト層１３０の周縁に沿う周縁部と、クロス形状部と、を有する。クロス形状部は、ｎ形コンタクト層１３０のＸ軸における中央部を通りＹ軸に沿って延在する第１延在部と、ｎ形コンタクト層１３０のＹ軸における中央部を通りＸ軸に沿って延在する第２延在部と、を有する。上記の周縁部は、ｎ形コンタクト層１３０の４つの辺に沿う４つの辺を有し、４つの辺のそれぞれの中央部は、クロス形状部の端部と接している。
【００８５】
この後、加工体を個別の素子に分断することで、半導体発光素子１５が得られる。半導体発光素子１５のＸ軸に沿う長さが約１ｍｍ（ミリメートル）であり、Ｙ軸に沿う長さは約１ｍｍである。
【００８６】
このようにして作製した半導体発光素子１５の特性を評価した。この評価では、以下の第１参考例の半導体発光素子９１の特性についても評価した。以下、第１参考例の半導体発光素子の構造を説明する。
【００８７】
図４は、第１参考例の半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
図４に表したように、第１参考例の半導体発光素子９１においては、サファイア基板（図示しない）上に、５μｍのＳｉ添加ｎ−ＧａＮ層５０１、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのスーパーラティス層５０２、ＭＱＷの発光層５０３、３０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ層５０４、及び、０．１２μｍのｐ−ＧａＮ層５０５がこの順でＭＯＣＶＤ法によりこの順で積層される。これらの層を含む半導体層５０６の上に、銀ベースの高反射率ｐ−電極層５０７が設けられる。ｐ−電極層５０７からp−ＧａＮ層５０５、ｐ−ＡｌＧａＮ層５０４、発光層５０３及びスーパーラティス層５０２を貫通しｎ−ＧａＮ層５０２に到達する、複数の電極取り出し穴５０８が形成されている。
【００８８】
ｐ−電極層５０７と電極取り出し穴５０８とを覆うように絶縁層５０９が設けられている。絶縁層５０９を覆い、ｎ−ＧａＮ層５０１に達するｎ−電極５１０が設けられている。なお、サファイア基板は、レーザリフトオフ法により除去されている。ｎ−電極５１０は半田を介して導電性基板５１１に溶着されている。半導体層５０６の一部が除去され、ｐ−電極層５０７に接するｐ−電極５１２が設けられている。半導体発光素子９１の形状は、１辺が約１ｍｍの正方形である。
【００８９】
図５は、半導体発光素子の特性を例示するグラフである。
図５には、実施形態に係る半導体発光素子１５の特性と、第１参考例の半導体発光素子９１の特性と、が例示されている。第１参考例の半導体発光素子９１においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０が設けられていない。。図５の横軸は電流Ｉｃ（Ａ：アンペア）であり、縦軸は光出力ＰＷ（Ｗ：ワット）である。
【００９０】
図５からわかるように、本実施形態に係る半導体発光素子１５においては、第１参考例の半導体発光素子９１よりも高い発光強度が得られた。すなわち、本実施形態によれば、高い効率が得られる。
【００９１】
上記の半導体発光素子１５において、中間層１８１は省略可能である。中間層１８１には、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎ及びＡｌＮの少なくともいずれかを用いることができる。中間層１８１の厚さは、発光部１４０の厚さよりも薄いことが望ましい。中間層１８１が発光部１４０よりも薄いと、第１積層構造体２１０の歪の効果を発光部１４０だけではなく第２積層体２２０にも伝えることができ、第２積層体２２０の歪の効果を第１積層体２１０で強く受け、効果的に相互作用が起きる。
【００９２】
図５に関して説明したように、半導体発光素子１５によれば、高い発光強度と高い効率とが得られる。このような実験事実に基づいて、本実施形態に係る半導体発光素子の構成が導き出される。高い発光強度と高い効率とが得られる基となる、半導体発光素子の特性の例について説明する。以下では、実施形態に係る半導体発光素子として、半導体発光素子１０に関して説明する。
【００９３】
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（strain）の程度が高い高歪層である。
【００９４】
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４２）の結晶品質が向上する。これにより、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４２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。
【００９５】
井戸層４２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４２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４２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４２の結晶の特性が低下することを抑制することができる。
【００９６】
複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２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４２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。
【００９７】
複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２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考えられる。
【００９８】
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。
【００９９】
すなわち、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。
【０１００】
さらに、本願発明者は、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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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４２）の平坦性が向上し、その結果、結晶の特性が向上できる。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４２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。
【０１０３】
そして、半導体発光素子１０においては、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、発光効率が向上することが分かった。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
なお、上記は、第３層２０３がＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５がＧａＮを含む場合についての説明であるが、第３層２０３がＧａＮを含み、第５層２０５がＡｌＧａＩｎＮを含む場合は、第１積層構造体２１０が平坦性の向上効果が高い層となり、第２積層構造体２２０が結晶性の向上効果が高い層となる。実施形態において、結晶性の向上効果が高い層と、平坦性の向上効果が高い層と、における上下関係は任意である。第３層２０３がＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５がＧａＮを含む構成の方が、結晶性及び平坦性の向上効果をより得やすく、発光部１４０における効率向上の効果が大きい。
【０１０７】
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４２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。
【０１０８】
すなわち、第４層２０４の厚さは、例えば３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４２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４２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。井戸層４２の厚さは、例えば４原子層の厚さ以上である。
【０１０９】
第３層２０３の厚さは、例えば、３原子層の厚さ以上、６ｎｍ以下である。下限は、連続的な層と似た特性を示す最小の厚さである。上限は、両側からしみ込む波動関数の重なりの影響が残り抵抗率の低下が生じる厚さである。
例えば、第３層２０３においては、障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１）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。
【０１１０】
第３層２０３には、Ｓｉがドープされる。第３層２０３におけるＳｉの濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。１×１０１７ｃｍ−３未満では、例えば電気抵抗が高くなる。２×１０１９ｃｍ−３を超えると、例えば結晶性が低下する。
【０１１１】
例えば、第３層２０３に障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１）と同じ組成を適用すると、障壁層４１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、障壁層４１の成長前に、第３層２０３の成長を介して障壁層４１と同じ成長条件での準備を十分な時間行うことができ、障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１）の制御性の向上が図れる。
【０１１２】
例えば、第４層２０４に井戸層４２と同じ組成を適用すると、井戸層４２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４２の成長前に、第４層２０４の成長を介して井戸層４２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４２の制御性の向上が図れる。
【０１１３】
一方、例えば、第４層２０４に、井戸層４２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４２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。
【０１１４】
一方、第５層２０５の厚さは、例えば、３子層の厚さ以上、６ｎｍ以下である。下限は、連続的な層と似た特性を示す最小の厚さである。上限は、両側からしみ込む波動関数の重なりの影響が残り抵抗率の低下が生じる厚さである。第５層２０５の厚さは、例えば２．５ｎｍである。第５層２０５には、例えば、Ｓｉが添加される。第５層２０５におけるＳｉの濃度は、例えば１０×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下である。１０×１０１７ｃｍ−３未満だと、例えば電気抵抗が高くなる。２×１０１９ｃｍ−３を超えると、例えば結晶性が低下する。第５層２０５におけるＳｉ濃度は、例えば１．２×１０１８ｃｍ−３である。
【０１１５】
第６層２０６の厚さは、例えば３原子層の厚さ以上である。第６層２０６の厚さは、第６層２０６における吸収端のエネルギーが井戸層４２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、具体的には、第６層２０６の吸収端のエネルギーに相当する波長が、井戸層４２の発光スペクトルの強度のピーク値の半分以下となる波長よりも短波長側になるように、第６層２０６の厚さが設定される。第６層２０６の厚さは、例えば１ｎｍである。
【０１１６】
第５層２０５及び第６層２０６のペア数は、３０に限らず任意である。第５層２０５の数は、第６層２０６の数と同じでも良く、第５層２０５の数は、第６層２０６の数よりも１つ多くても良く、第５層２０５の数は、第６層２０６の数よりも１つ少なくても良い。
【０１１７】
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を第６層２０６とすることができる。このため、低温でも良質な結晶の成長を行うことが容易になる。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。
【０１１８】
実施形態において、第１積層構造体２１０における第３層２０３及び第４層２０４のペア数は、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、同じ例でも良く、異なっていても良い。
【０１１９】
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、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、高温で、ｎ形コンタクト層１３０（ｎ形ＧａＮ層）を形成する。これにより、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。
【０１２０】
本実施形態に係る発光部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。
【０１２１】
本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１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４２の形成が可能となる。例えば、第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１の残りの部分であるＡｌＧａＮ層と、井戸層４２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４２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。
【０１２２】
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４２と、その両側の障壁層４１と、を実質的に連続的に成長することが望ましい。これにより、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ことができる。なお、第ｉ障壁層ＢＬｉと第ｉ井戸層ＷＬｉとの間、及び、第ｉ井戸層ＷＬｉと第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）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。この時間は、例えば、０秒以上１０秒以下である。この成長中断の短い時間を除いて連続的に成長を行うことを、実質的に連続的な成長とする。
【０１２３】
一般的に、ＧａＩｎＮ層を井戸層４２として用いる薄い多重量子井戸では、ＧａＩｎＮ層のＩｎ組成比が高く、低温での結晶成長が適している。一方、Ａｌを含む障壁層４１においては、Ａｌと窒素との結合が強いことから、高い成長温度を用いることが望ましい。このため、高Ｉｎ組成比のＧａＩｎＮを含む井戸層４２と、Ａｌを含む障壁層４１と、を同じ温度で連続して成長すると、井戸層４２と障壁層４１との両者共に最も適した成長条件を選択するのが困難である。
【０１２４】
発光部１４０に、単一で厚い井戸層４２を用いると、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４２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。
【０１２５】
一方、障壁層４１（例えば、第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２など）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、井戸層としては高温で成長可能な井戸層４２と、障壁層としては低温で成長可能な障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２など）と、を用いることにより、実質的に一定の温度で（例えば意図的には温度を変えない条件で）、実質的に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４２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。
【０１２６】
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、井戸層４２とその両側の障壁層４１とを実質的に連続的に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。
【０１２７】
実施形態において、第１積層構造体２１０を、発光部１４０（井戸層４２及び障壁層Ｂ４１）と実質的に同じ温度で成長することができる。また、第２積層構造体２２０）を、発光部１４０と実質的に同じ温度で成長することができる。
【０１２８】
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４２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を、発光部１４０と実質的に同じ温度で成長させることが望ましい。
【０１２９】
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４２と、障壁層（第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２）と、を実質的に同じ温度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４１及び井戸層４２にそれぞれ類似で、障壁層４１及び井戸層４２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）、実質的に同じ温度で、良好な特性の第１積層構造体２１０及び発光部１４０の結晶を容易に成長することができる。
【０１３０】
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。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、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を、発光部１４０と実質的に同じ温度で成長することで、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。これにより、発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハの製造が容易となる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。井戸層４２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。
【０１３３】
本実施形態において、第４層２０４を第６層２０６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６層２０６よりも高くすることができる。これは、以下の理由による。井戸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とができる。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。
【０１３４】
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、第２積層構造体２２０が無い場合よりも平坦であったが、光学顕微鏡により結晶表面に顕著な凹凸が認められた。これに対し、第５層２０５と第６層２０６とを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、２７ペア及び３０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のペア数は、１２以上３０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のペア数は、特に、１６以上２０以下がより望ましい。
【０１３５】
本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１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４２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ＢＬ１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。
【０１３６】
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ＢＬ１よりもＳｉ濃度を下げることが望まれる。
【０１３７】
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。
【０１３８】
一方、第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ２におけるＳｉ濃度は低いことが望まれる。
【０１３９】
以上から、第１障壁層ＢＬ１（複数の障壁層４１のうちで第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１）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。複数の障壁層４１のうちで第１障壁層ＢＬ１を除く障壁層４１（例えば第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数））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。第１層１３１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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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を発光部に用いたウェーハ（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。
【０１４３】
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考えられる。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。
【０１４４】
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む。これらの半導体層には、窒化物半導体を用いることができる。
【０１４５】
これらの半導体層の形成には、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。ただし、実施形態において、半導体層の形成方法は、任意である。
【０１４６】
実施形態において、基板１１０には、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ及びＳｉなどの基板が用いられる。ただし、実施形態において、基板１１０は、任意である。基板１１０は、結晶成長の後に除去されても良い。
【０１４７】
半導体発光素子１０においては、Ａｌ組成比が高く、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。これにより、発光部１４０自体を高効率化し、発光部１４０からの電子のオーバーフローが抑制されている。これにより、結晶の欠陥を低減させて、高い効率を得ている。近紫外の波長域において、この効果は特に顕著いである。
【０１４８】
第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２におけるＳｉの濃度分布と、第１井戸層ＷＬ１にかかるピエゾ電界と、の関係について説明する。
井戸層４２には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層４２と第２障壁層ＢＬ２との界面では、正のチャージが井戸層４２から第２障壁層ＢＬ２へ染み出す。一方、井戸層４２と第１障壁層ＢＬ１との界面では、負のチャージが井戸層４２から第１障壁層ＢＬ１へ染み出す。
【０１４９】
井戸層４２のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側の部分には電子が多く存在するので、第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ２）においては、Ｓｉ濃度が低くても良い。すなわち、第２障壁層ＢＬ２においては、Ｓｉが意図的にドープされなくても良い。
【０１５０】
一方、井戸層４２のｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の側の部分には電子があまり存在しないため、第１障壁層ＢＬ１の側の部分から井戸層４２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ＢＬ１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ＢＬ１には高濃度でＳｉがドープされる。
【０１５１】
具体的には、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１５２】
第１井戸層ＷＬ１のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側の部分には、低Ｓｉ濃度の第２障壁層ＢＬ２が配置され、井戸層４２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ＢＬ１が配置される。このことにより第１井戸層ＷＬ１の発光効率を高くすることができる。
【０１５３】
各井戸層４２に関して、各障壁層４１の第１層１３１側にＳｉ濃度の高い領域を設け、各障壁層４１の第２層１５１側にＳｉ濃度の低い領域を設けることで、各井戸層４２の発光効率を高めることができる。なお、第１障壁層ＢＬ１にはＳｉ濃度の低い領域を設けなくても良い。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）にＳｉ濃度の高い領域を設けなくても良い。
【０１５４】
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平均のＳｉ濃度が増加する。このことにより発光部１４０のトータルとしての発光効率が向上できる。
【０１５５】
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。
【０１５６】
以下、第１井戸層ＷＬ１を例にして、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ＢＬ１の井戸層４２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４２に流れ込み、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１５７】
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、高効率の半導体発光素子が提供できる。
【０１５８】
さらに、半導体発光素子１０において、第ｉ障壁層ＢＬｉ（１＜ｉ≦（ｎ＋１）におけるＳｉ濃度を、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１５９】
第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）におけるＳｉ濃度を低くすることで、井戸層４２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１０の信頼性が向上する。
【０１６０】
そして、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）におけるＳｉ濃度を低くすることで、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）のエネルギーの高さが下がり、正孔が入り易くなる。これにより、半導体発光素子１０の駆動電圧が低減できる。
【０１６１】
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、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）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。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）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。
【０１６２】
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１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１におけるＳｉ濃度を低くすることで、発光効率を向上し、高効率で、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。
【０１６３】
第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ２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い。第ｉ障壁層ＢＬｉ（１＜ｉ≦（ｎ＋１））における平均Ｓｉ濃度が、第１障壁層ＢＬ１よりも低くなるように設定されればさらに良い。
【０１６４】
半導体発光素子１０に含むことができる各層の例について説明する。
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、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの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。高純度第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、１μｍよりも厚いことが望ましい。これにより、ノンドープのＧａＮバッファ層（第２バッファ層１２２）の結晶欠陥を効果的に低減できる。また、歪みによる反りの抑制のためには、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。
【０１６５】
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。ただし、実施形態はこれには限定されず、第１バッファ層１２１には、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いても良い。第１バッファ層１２１には、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いると、Ａｌ組成比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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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組成比のＡｌＧａＮ層や障壁層（第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２）に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【０１６８】
第１障壁層ＢＬ１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）を含むことができる。第２障壁層ＢＬ２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４２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。
【０１６９】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、前述したように、例えば、近紫外光である。発光光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。但し、実施形態はこれに限らず、発光光の波長は任意であり、前述のように、幅広く変えることができる。
発光波長が３９０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である場合は、井戸層４２の厚さを５．５ｎｍ以上にすることで、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。
【０１７０】
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ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉ（１＜ｉ≦ｎ＋１）におけるＡｌ組成は６％以上に設定される。
【０１７１】
第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは２ｎｍ以上に設定される（ｐ形ＡｌＧａＮの第２層１５１に最も近い障壁層４１)。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さが２ｎｍよりも薄いと、ｐ形ＡｌＧａＮ層を成長するために成長温度を上げるプロセスにおいて、第ｎ井戸層ＷＬｎをはじめとする井戸層４２が熱劣化を起こすためである。不純物拡散の影響も含めて、井戸層４２の特性を制御するためには、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは４．５ｎｍ以上に設定される。特に、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さが井戸層４２の厚さよりも厚いと、ＡｌＧａＮ層と井戸層４２との間の歪の影響を緩和する効果が大きい。なお、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）が過度に厚いと、素子抵抗が高くなる原因となる。また、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）が過度に厚いと、井戸層４２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（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）を第１障壁層ＢＬ１よりも薄くすることが望ましい。第２障壁層ＢＬ２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。
【０１７２】
第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１の厚さを４．５ｎｍ以上にすると、効率の高い半導体発光素子が得られる。第１障壁層ＢＬ１の厚さを４．５ｎｍ以上に設定すると、材料本来の物性が十分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ためと考えられる。また、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１７３】
また、第１〜第ｎ障壁層ＢＬ１〜ＢＬｎの厚さは、井戸層４２よりも厚いことが望ましい。第１障壁層ＢＬ１の厚さを井戸層４２の厚さよりも厚く設定することで、井戸層４２へのキャリア供給の制御が有効となる。特に、第１〜第ｎ障壁層ＢＬ１〜ＢＬｎの厚さは、井戸層４２の厚さの２倍以上であることが望ましい。第１〜第ｎ障壁層ＢＬ１〜ＢＬｎの厚さを井戸層４２の厚さの２倍以上に設定することで、第１〜第（ｎ−１）障壁層ＢＬ１〜ＢＬ（ｎ−１）の両側にキャリア供給が可能となり、井戸層４２へのキャリア供給の精度が向上する。
【０１７４】
なお、第ｎ井戸層ＷＬｎについては、ｐ形ＡｌＧａＮの第２層１５１からの正孔注入を効率良く行うために、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは、前述の条件を除けば薄いことが望ましい。このため、障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは第１積層構造体２１０の第３層２０３及び第２積層構造体２２０の第５層２０５よりも薄くてよい。
【０１７５】
第１障壁層ＢＬ１は、例えば、発光部１４０の各井戸層４２に注入された正孔が第１層１３１側に流出することを防ぐ役割がある。第１障壁層ＢＬ１は、特に結晶欠陥等がある場合も含めてキャリアに対するポテンシャルブロックの効果を持つために十分な厚さに設定される。厚さが１５ｎｍ〜２０ｎｍで十分な効果がある。厚さが１３ｎｍよりも小さいと、電流注入密度を上げた時に効率低下の大きい素子の割合が増加する場合があった。厚さが２２ｎｍよりも厚いと、素子の抵抗が高い割合が増加する場合があった。
【０１７６】
第１積層構造体２１０の第３層２０３や第２積層構造体２２０の第５層２０５は、第１障壁層ＢＬ１に対して井戸層４２と反対側にある。このため、第１障壁層ＢＬ１と比べると、第３層２０３及び第５層２０５の、発光部１４０から正孔が漏れ出る現象を抑制する役割は小さい。一方、これらの層は複数あることから、電流の抵抗として働きやすく、素子の駆動電圧を下げるためには、第３層２０３及び第５層２０５は薄いことが望ましい。このため、第３層２０３及び第５層２０５の厚さは、第１障壁層ＢＬ１よりも薄いことが望ましい。
【０１７７】
第３層２０３及び第５層２０５の厚さは電気的に抵抗を下げるために薄いことが望まれるので、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーをこれらの層よりも大きくし第１障壁層ＢＬ１の電気的抵抗を高くする。障壁層４１と、第３層２０３と、第５層２０５と、における厚さの関係は、電気的抵抗を基準とした実効的厚さということができる。少なくとも第１障壁層ＢＬ１が、第３層２０３と第５層２０５よりも実効的に厚く設定される。これにより、素子の特性が向上する。
【０１７８】
前述したように、第１障壁層ＢＬ１に高濃度にＳｉを添加することで、井戸層４２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。
【０１７９】
発光部１４０の井戸層４２と、第１積層構造体２１０の第４層２０４のＧａＩｎＮと、第２積層構造体２２０の第６層２０６のＧａＩｎＮと、の関係においては、井戸層４２の厚さに対してこれらのＧａＩｎＮの厚さが薄いことが望まれる。これにより、例えば、井戸層４２の光学的バンドギャップエネルギーが、第４層２０４のＧａＩｎＮと第６層２０６のＧａＩｎＮの光学的バンドギャップエネルギーよりも小さくできる。これにより、井戸層４２の発光が第４層２０４のＧａＩｎＮと第６層２０６のＧａＩｎＮとに吸収されることが抑制できる。
【０１８０】
発光部１４０の井戸層４２の厚さと、第４層２０４のＧａＩｎＮの厚さと、第６層２０６のＧａＩｎＮの厚さと、の関係は、それぞれの光学的バンドギャップエネルギーを基準とした実効的厚さとすることができる。井戸層４２の実効的厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの実効的厚さ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの実効的厚さは、薄いことが望ましい。薄膜構造において、組成を変えるだけでバンドギャップエネルギーを大きく変え、薄い層のバンドギャップエネルギーが厚い層のバンドギャップエネルギーよりも小さい結晶を得ようとした場合、ＧａＩｎＮのＩｎ組成比の違いが大きくなり、材料物性の違いが大きくなり、良質な結晶成長が難しい。このため、実空間においても、井戸層４２の厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの厚さと、第６層２０６のＧａＩｎＮの厚さが薄いことが望まれる。
【０１８１】
第１障壁層ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉ（１≦ｉ≦ｎ＋１）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ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉに少量のＩｎをドープすることで、結晶品質を改善する。第１障壁層ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉにおけるＩｎ組成比が０．３％以上で、結晶品質が改善する。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。
【０１８２】
例えば、本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の厚さが２０ｎｍ以上の場合は、Ｉｎ組成比の最大値は、約１％程度である。第１障壁層ＢＬ１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。
【０１８３】
第１障壁層ＢＬ１の成長技術の例について説明する。
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ＢＬ１のＩｎ組成比を高くすることに成功している。
【０１８４】
例えば、上記のように、本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の厚さが２０ｎｍ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ＢＬ１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。
【０１８５】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮからなる井戸層４２との界面の急峻性が良くなり、井戸層４２の結晶性が向上し、その結果、ＡｌＧａＩｎＮからなる第１障壁層ＢＬ１にＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１８６】
また、高Ｓｉ濃度の第１障壁層ＢＬ１の厚さ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。
【０１８７】
第１障壁層ＢＬ１と第２障壁層ＢＬ２とを比べた場合、第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比が高くても良い。この場合、第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１のＡｌ組成比は第２層１５１に対して十分低く設定される。
【０１８８】
例えば、第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比を８％以上とし、第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ１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４２と第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ１を高温で成長することで、第１障壁層ＢＬ１を高品質結晶により成長でき、井戸層４２と、Ａｌ組成比の低い第２障壁層ＢＬ２と、を低温で成長し、例えば高Ｉｎ組成比の井戸層４２を良好な特性で成長させることができる。
【０１８９】
なお、第２障壁層ＢＬ２については、井戸層４２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。
【０１９０】
例えば、実施形態において、第１障壁層ＢＬ１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。このような構造とすると、高Ａｌ組成比の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、低Ａｌ組成比の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４２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４２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４２は井戸層４２に適した温度で成長することができる。
【０１９１】
上記のような第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を設ける構成による効率の向上は、特に、井戸層４２を複数設ける構成において、特に効果的に発揮される。
【０１９２】
また、井戸層４２を複数設ける場合において、第１障壁層ＢＬ１の構成を、その他の障壁層４１（例えば第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の構成と異なることで、より高い効率を得ることができる。
【０１９３】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、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バンドギャップエネルギー図である。
図６（ａ）は、ＳＱＷ構造を有する半導体発光素子１０ａの例を示している。図６（ｂ）は、ＭＱＷ構造を有する例として、２つの井戸層４２を有する半導体発光素子１０ｂの例を示している。同図には、電子における価電子帯Ｖｂ(valence band)と導電帯Ｃｂ（conduction band）とが例示されている。
【０１９４】
図６（ａ）に表したように、ＳＱＷ構造の場合には、第１積層構造体２１０の側（ｎ型層の側）の第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーは、第２層１５１の側（ｐ型層の側）の第２障壁層ＢＬ２ｐのバンドギャップエネルギーと実質的に同じとしても良い。すなわち、第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２には、例えばＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。
【０１９５】
図６（ｂ）に表したように、複数の障壁層４１のうちの、第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１は、第１障壁層ＢＬ１である。第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーは、複数の障壁層４１のうちの第１障壁層ＢＬ１を除く他の障壁層４１（第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数））におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【０１９６】
特に、第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーは、複数の井戸層４２に挟まれた障壁層４１（この例では、第２障壁層ＢＬ２）のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【０１９７】
例えば、第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１（第１障壁層ＢＬ１）には、ＡｌＧａＩｎＮを用いる。そして、第１障壁層ＢＬ１を除く他の障壁層４１には、ＧａＮまたはＧａＩｎＮを用いる。特に、２つの井戸層４２の間に挟まれた障壁層４１（この例では、第２障壁層ＢＬ２）には、ＧａＩｎＮを用いる。
【０１９８】
これにより、２つの井戸層４２の間に挟まれた障壁層４１（この例では、第２障壁層ＢＬ２）を介して２つの井戸層４２へのホールの注入が均一に行われる。また、第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１（第１障壁層ＢＬ１）にＡｌＧａＩｎＮを用いた場合に発生し易くなる歪みを抑制できる。
【０１９９】
このように、第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーを、第１障壁層ＢＬ１を除く他の障壁層４１におけるバンドギャップエネルギーよりも大きく設定することで、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０によって効率が向上する効果がより効果的に発揮される。
【０２００】
図７は、第１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７に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１０ｄにおいては、第１障壁層ＢＬ１が３層構造を有している。これ以外は、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。
【０２０１】
すなわち、第１障壁層ＢＬ１は、第１層１３１と井戸層４２との間（第１積層構造体２１０と井戸層４２との間）に設けられた第１サブ層ＢＬ１ａと、第１サブ層ＢＬ１ａと井戸層４２との間に設けられた第２サブ層ＢＬ１ｂと、第１サブ層ＢＬ１ａと第１層１３１との間（第１サブ層ＢＬ１ａと第１積層構造体２１０との間）に設けられた第３サブ層ＢＬ１ｃと、を有している。
【０２０２】
第１サブ層ＢＬ１ａには、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層が用いられる。第２サブ層ＢＬ１ｂには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる、第２サブ層ＢＬ１ｂにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層ＢＬ１ａよりも低い。第３サブ層ＢＬ１ｃには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる。第３サブ層ＢＬ１ｃにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層ＢＬ１ａよりも低い。
【０２０３】
第１サブ層ＢＬ１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば１５％とされる。第１サブ層ＢＬ１ａの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第２サブ層ＢＬ１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば７％とされる。第２サブ層ＢＬ１ｂの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第３サブ層ＢＬ１ｃ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ＢＬ１ｃの厚さは、例えば２ｎｍとされる。
【０２０４】
さらに、第１サブ層ＢＬ１ａ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ＢＬ１ａの厚さは、５ｎｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定される。また、第１サブ層ＢＬ１ａ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。
【０２０５】
また、第２サブ層ＢＬ１ｂ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ＢＬ１ｂ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ＢＬ１ｂ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ＢＬ１ｂは、必要に応じて設けられ、第２サブ層ＢＬ１ｂは、場合によっては省略しても良い。
【０２０６】
このような構成を有する第１サブ層ＢＬ１ａ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。
【０２０７】
また、第２サブ層ＢＬ１ｂ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４２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ＢＬ１ｂ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。
【０２０８】
なお、第２サブ層ＢＬ１ｂを設けない場合は、井戸層４２とバンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層（第１サブ層ＢＬ１ａ）とを互いに近接させることができ、井戸層４２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。
【０２０９】
第３サブ層ＢＬ１ｃは、第４層２０４の表面を被覆して、高品質の第１サブ層ＢＬ１ａを成長させるための保護層として機能する。第３サブ層ＢＬ１ｃは、必要に応じて設けられ、第３サブ層ＢＬ１ｃは、場合によっては省略しても良い。
【０２１０】
例えば、第３サブ層ＢＬ１ｃ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ＢＬ１ａを成長し、成長温度を下げて第２サブ層ＢＬ１ｂと、井戸層４２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４２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が得られる。
【０２１１】
図８は、第１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８に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１（及び半導体発光素子１１ａ〜１１ｃ）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。半導体発光素子１１、１１ａ〜１１ｃにおける発光部１４０は、図２（ａ）〜図２（ｄ）に例示した構成を有することができる。
【０２１２】
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。
【０２１３】
図９は、第１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９に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１２（及び半導体発光素子１２ａ〜１２ｃ）においては、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に第１金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と第１金属層４５５との間に第２金属層４６５が設けられている。
【０２１４】
図８に例示した半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ）及び図９に例示した半導体発光素子１２（１２ａ〜１２ｃ）においては、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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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に繋がっている。すなわち、開口部１３８の底部は、ｎ形コンタクト層１３０に繋がっている。
【０２１８】
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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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２積層構造体２２０、第１積層構造体２１０、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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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（厚さは例えば２μｍ）を形成し、第２バッファ層１２２となるノンドープＧａＮ層（厚さは例えば２μｍ）を形成する。
【０２２３】
なお、第１バッファ層１２１には、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ層(０．８≦α２≦１)を用いても良い。この場合において、Ａｌ組成比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。
【０２２４】
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以下で、厚さは例えば６μｍ）を形成し、さらに、第１層１３１となるＳｉドープｎ形ＧａＮ層（厚さが例えば０．５μｍ）を形成する。
【０２２５】
この後、第２積層構造体２２０と第１積層構造体２１０とを形成する。その後、発光部１４０を形成する。例えば、第１障壁層ＢＬ１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）を形成する。さらに、井戸層４２となるＧａＩｎＮ層（波長が例えば３８０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下）を形成する。さらに、第２障壁層ＢＬ２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）を形成する。
【０２２６】
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で、厚さは例えば０．０２μｍ）を形成する。さらに、ｐ形コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ形ＧａＮ層（厚さは例えば０．２８μｍ）を形成する。
【０２２７】
例えば、ｐ形コンタクト層１５０のＭｇ濃度を、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、コンタクト層と井戸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。
【０２２８】
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、の例ついて説明する。
【０２２９】
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膜（厚さは例えば２００ｎｍ）、及び、Ｐｔ膜（厚さは例えば２ｎｍ）を連続的に形成する。リフトオフ後に、例えば、酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎ（分）のシンター処理を行う。
【０２３０】
そして、ｐ側電極１６０上に第１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。
【０２３１】
この例では、例えばＧｅからなる導電性基板４６０上に、第２金属層４６５（例えば厚さが３μｍのＡｕＳｎ半田）が形成されている。導電性基板４６０に形成された第２金属層４６５と、結晶積層体１８０に形成された第１金属層４５５と、を対向させて設置し、ＡｕＳｎの共晶点以上の温度に加熱する。加熱の温度は、例えば３００℃である。これにより、導電性基板４６０と結晶積層体１８０とが接合される。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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）のうちの、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。
【０２３４】
なお、第１バッファ層１２１にＡｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いた場合は、Ａｌ組成比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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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の形成、及び、低不純物濃度半導体層１３５への凹凸１３７ｐの形成の例について説明する。
【０２３９】
サファイアからなる基板１１０から分離された第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されることが望ましい。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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）が作製される。
【０２４２】
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。
【０２４３】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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。または、第１層１３１は、シリコンの基板１１０（シリコン基板）上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む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。
【０２４４】
この単結晶バッファ層には、例えば、第１バッファ層１２１が用いられる。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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
導電性基板４６０には、例えば、Ｓｉ及びＧｅなどの半導体基板、並びに、Ｃｕ及びＣｕＷなどの金属板などが用いられる。また、導電性基板４６０の少なくとも一部が導電性を有していれば良い。導電性基板４６０には、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。導電性基板４６０には、少なくとも一部が導電性を有する材料からなる基体を用いることができる。
【０２４８】
ｐ側電極１６０は、例えば、銀、または、銀の合金を含む。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。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。
【０２４９】
ｐ側電極１６０上には、拡散抑制層を設けても良い。拡散抑制層は、例えば、半田のｐ側電極１６０への拡散、または、ｐ側電極１６０に含まれる材料と半田との反応を抑制する。拡散抑制層には、銀と反応しない材料、または、銀に積極的に拡散しない材料が用いられる。この拡散抑制層は、ｐ側電極１６０と電気的に接触する。拡散抑制層には、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用いられる。
【０２５０】
さらに、拡散抑制層には、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。
【０２５１】
拡散抑制層の厚さは、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、拡散抑制層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の間の値に設定することができる。
【０２５２】
本実施形態に係る半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）において、特に高い発光効率を実現できる。
【０２５３】
結晶積層体１８０と導電性基板４６０とを接合するとき、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。
【０２５４】
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。
【０２５５】
本実施形態においては、発光部１４０において、高い結晶性が得られるため、結晶成長用の基板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。
【０２５６】
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４２の特性の劣化が効果的に抑制される。
【０２５７】
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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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。
【０２６０】
実施形態においては、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の上に形成されている。または、第１層１３１は、シリコン基板上に形成されたＧａＮ層の上に形成され、発光部１４０は、第１層１３１の上に形成されている。そして、第２層１５１は、発光部１４０の上に形成され、上記の基板が除去されている。
【０２６１】
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、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を適用することで、特に結晶の品質を高く維持でき、これにより、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、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０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。
【０２６２】
（第２の実施形態）
図１０は、第２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１０に表したように、本実施形態に係るウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３１と、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、第１積層構造体２１０と、第２積層構造体２２０と、を含む。発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。発光部は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。ウェーハ６０、６０ａ、６０ｂ及び６０ｃにおける、発光部１４０は、それぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に例示した構成を有する。
【０２６３】
第１積層構造体２１０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられる。第１積層構造体２１０は、窒化物半導体を含む複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層された、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を含む。第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄い。
【０２６４】
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。第２積層構造体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層された、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を含む。第５層２０５は、第３層の組成とは異なる組成を有する。第６層２０６のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄い。
【０２６５】
複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか一方を含み、複数の第５層２０５は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか他方を含む。例えば、複数の第３層２０３はＡｌＧａＩｎＮを含み、複数の第５層２０５はＧａＮを含む。
【０２６６】
複数の第３層２０３のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さよりも薄い。複数の第５層２０５のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さよりも薄い。
【０２６７】
ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）においては、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様の特性を有することができる。すなわち、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）により、高効率のウェーハが提供できる。
【０２６８】
なお、図１０に表したように、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、第１の実施形態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。
【０２６９】
井戸層４２は、例えば、２．５ｎｍ以上９ｎｍ以下の厚さを有する。井戸層４２は、例えば、近紫外光を放出する。井戸層４２のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２７０】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、前述の例と同様に、この波長域に限らず、種々の値とすることができる。また発光部１４０の構造は、前述種々の形態を適用することができる。
【０２７１】
また、井戸層４２は、複数設けた場合において、特に高い効率が得られる。
なお、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２の厚さと、の合計は、２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。
【０２７２】
（第３の実施形態）
本実施形態は、例えば第１の実施形態に関して説明した半導体発光素子の製造方法に係る。
【０２７３】
図１１は、第３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１１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、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）。基板１１０は、サファイア層のｃ面の主面、または、シリコンの主面を有する。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａを形成し、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂを形成する。
【０２７４】
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。
【０２７５】
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）。
ｎ形半導体層の上に、第２積層構造体２２０を形成する（ステップＳ１０４）。すなわち、窒化物半導体を含む複数の第５層２０５と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を交互に積層する。
【０２７６】
第２積層構造体２２０の上に、第１積層構造体２１０を形成する（ステップＳ１０５）。すなわち、窒化物半導体を含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３は、第５層２０５の組成とは異なる組成を有する。
【０２７７】
第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０を形成する（ステップＳ１０６）。発光部１４０は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。
【０２７８】
発光部１４０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）。
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）。
【０２７９】
上記の発光部１４０の形成は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層ＢＬ１を形成し、第１障壁層ＢＬ１の上に、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層４２を形成し、井戸層４２の上に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層ＢＬ２を形成することを含むことができる。井戸層４２の厚さは、例えば２．５ｎｍ以上９ｎｍ以下である。例えば、井戸層４２は、近紫外光を放出する。例えば、井戸層４２のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２８０】
発光部１４０の特性と構造とは、前述の例と同様にこの波長域に限らず、種々の値と構造とすることができる。
【０２８１】
このような製造方法によれば、基板１１０の除去と、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の形成と、を組み合わせることで、発光効率が効果的に向上できる。
【０２８２】
図１２は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法においては、例えば、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Ｓ１０１ａ）。
【０２８３】
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Ｓ１０２ａ）。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。
【０２８４】
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Ｓ１０３ａ）。
【０２８５】
そして、ｎ形半導体層の上に、第２積層構造体２２０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ１０４ａ）。すなわち、有機金属気相成長法により、窒化物半導体を含む複数の第５層２０５と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を交互に積層する。
【０２８６】
第２積層構造体２２０の上に、第１積層構造体２１０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ１０５ａ）。すなわち、有機金属気相成長法により、窒化物半導体を含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３は、第５層２０５の組成とは異なる組成を有する。
【０２８７】
第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ１０６ａ）。
【０２８８】
そして、発光部１４０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Ｓ１０７ａ）。
【０２８９】
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、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。
【０２９０】
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、実施形態に係るウェーハの製造方法は、図１１に例示したステップＳ１０１〜ステップＳ１０８、または、図１２に例示したステップＳ１０１ａ〜ステップＳ１０７ａ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。
【０２９１】
（第４の実施形態）
図１３は、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１３に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子２０（及び２０ａ〜２０ｃ）は、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３１と、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、積層構造体２１０ｓ（第１積層構造体２１０）と、を含む。
【０２９２】
この場合も、発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。
図２（ａ）〜図２（ｄ）に表したように、発光部１４０は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。障壁層４２は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。
【０２９３】
図１３に表したように、積層構造体２１０ｓは、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられる。積層構造体２１０ｓは、複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層された複数の第４層２０４と、を含む。第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。複数の第４層２０４の厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄くてよい。第４層２０４は、ＧａＩｎＮを含む。
【０２９４】
そして、第３層２０３の数及び第４層２０４の数は、１０以上３０以下である。すなわち、第３層２０３と第４層２０４とのペア数ｍが、１０以上３０以下である。
【０２９５】
本願発明者は、第３層２０３の数及び第４層２０４の数ｍを変えて半導体発光素子を作製し、その特性を評価した。
【０２９６】
図１４は、第４の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
横軸は、積層構造体２１０ｓにおけるペア数ｍである。ｍ＝０の場合は、積層構造体２１０ｓが設けられていない技術により作製された参考例の半導体発光素子９２（構造は図示しない）に相当する。縦軸は、ｐ−ＧａＮ層（ｐ形コンタクト層１５０）の表面の表面平坦度変化ΔＲＭＳ（ｎｍ）を示す。表面平坦度変化ΔＲＭＳは、積層構造体２１０ｓを設けた半導体発光素子におけるｐ形コンタクト層１５０の表面の平坦度と、参考例の半導体発光素子９２におけるｐ形コンタクト層１５０の表面の平坦度と、の差である。ΔＲＭＳが負であることは、ｐ形コンタクト層１５０の表面の平坦度が参考例の場合よりも向上していることを示す。このことは、積層構造体２１０ｓ上の発光部１４０の平坦度が、積層構造体２１０ｓを設けない場合よりも向上していることを示している。このことは、半導発光体素子の特性、均一性、及び、作製上の再現性が向上していることを示す。
【０２９７】
図１４に表したように、ペア数ｍが０の場合（積層構造体２１０ｓを設けない参考例の半導体発光素子９２の場合）は、表面の平坦度が低かった。一方、ペア数ｍが３０と大きい場合は、表面の平坦度は参考例と同様に低かった。ペア数ｍが３０以下の時、積層構造体２１０ｓの導入により、結晶表面の平坦性つまり半導体発光素子の特性向上を図ることができる。そして、ペア数ｍが１０以上２５以下のときに、表面平坦度が特に良好であった。
【０２９８】
なお、積層構造体２１０ｓと第１層１３１との間に、ＧａとＧａＩｎＮとを交互に複数回積層した第２積層構造体２２０を設けた場合は、トータルのペア数が０から５０の間で、結晶表面の平坦性が積層構造体を設けない場合よりも高かった。すなわち、積層構造体による結晶表面平坦化、及び、半導体発光素子の特性向上において、より大きな効果を得ることができた。
【０２９９】
このように、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する場合に、ペア数ｍが上昇すると共に表面平坦度が向上するが、ペア数ｍが一定の値（例えば２５）を超えると、表面平坦度が悪化することが分かった。
【０３００】
このような現象に基づいて、本実施形態に係る半導体発光素子２０、２０ａ〜２０ｃにおいては、第３層２０３と第４層２０４とのペア数ｍが、１０以上３０以下に設定される。
【０３０１】
本実施形態においては、積層構造体２１０ｓ（第１積層構造体２１０）を用いることで、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。
【０３０２】
本実施形態においても、複数の障壁層４１のうちの、第１積層構造体２１０に最も近い第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーは、複数の障壁層４１のうちの第１障壁層ＢＬ１を除く他障壁層４１（第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数））におけるバンドギャップエネルギーよりも大きく設定することができる。この構成においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０によって効率が向上する効果がより効果的に発揮される。
【０３０３】
また、本実施形態においても、第１障壁層ＢＬ１は、図７に関して説明した第１サブ層ＢＬ１ａと、第２サブ層ＢＬ１ｂ、及び、第３サブ層ＢＬ１ｃ、を有することができる。
【０３０４】
図１５は、第４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１５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（及び半導体発光素子２１ａ〜２１ｃ）においては、導電性基板４６０、第１金属層４５５、及び、第２金属層４６５が設けられている。半導体発光素子２１、２１ａ〜２１ｃにおける発光部１４０は、図２（ａ）〜図２（ｄ）に例示した構成を有することができる。
【０３０５】
図１６は、第４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１６に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子２２（及び半導体発光素子２２ａ〜２２ｃ）においては、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に第１金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と第１金属層４５５との間に第２金属層４６５が設けられている。
【０３０６】
図１５に例示した半導体発光素子２１（２１ａ〜２１ｃ）及び図１６に例示した半導体発光素子２２（２２ａ〜２２ｃ）においては、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（例えばノンドープのＧａＮ層）が設けられている。
【０３０７】
この場合も、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。
【０３０８】
この場合も、低不純物濃度半導体層１３５に開口部１３８が設けられる。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。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。
【０３０９】
（第５の実施形態）
図１７は、第５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１７に表したように、本実施形態に係るウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）は、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３１と、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、積層構造体２１０ｓ（第１積層構造体２１０）と、を含む。発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。発光部は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。ウェーハ７０、７０ａ、７０ｂ及び７０ｃにおける、発光部１４０は、それぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に例示した構成を有する。
【０３１０】
積層構造体２１０ｓは、第１層２０１と発光部１４０との間に設けられる。積層構造体２１０ｓは、複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層された複数の第４層２０４と、を含む。複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。複数の第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄い。第４層２０４は、ＧａＩｎＮを含む。
【０３１１】
そして、第３層２０３の数及び第４層２０４の数（ペア数）は、１０以上３０以下である。
【０３１２】
ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）においては、第４の実施形態に係る半導体発光素子と同様の特性を有することができる。すなわち、ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）により、高効率のウェーハが提供できる。
【０３１３】
なお、図１７に表したように、ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）は、第４の実施形態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。
【０３１４】
井戸層４２は、例えば、２．５ｎｍ以上９ｎｍ以下の厚さを有する。井戸層４２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。井戸層４２は、近紫外光を放出する。井戸層４２のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０３１５】
本実施形態において、井戸層４２の波長域は、この範囲に限らず、本実施形態の構成は、これまでの実施形態において説明したように、幅広い波長域に適用可能である。
【０３１６】
また、井戸層４２は、複数設けた場合において、特に高い効率が得られる。
なお、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２の厚さと、の合計は、２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。
【０３１７】
ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）において、発光部１４０の構造（例えば障壁層４１及び井戸層４２の厚さなどを含む）には、既に説明した実施形態と同様に、種々の構造を適用できる。
【０３１８】
（第６の実施形態）
本実施形態は、例えば第４の実施形態に関して説明した半導体発光素子の製造方法に係る。
図１８は、第６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１８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、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Ｓ２０１）。基板１１０は、サファイア層のｃ面の主面、または、シリコンの主面を有する。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａを形成し、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂを形成する。
【０３１９】
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。
【０３２０】
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Ｓ２０３）。
【０３２１】
ｎ形半導体層の上に、積層構造体２１０ｓを形成する（ステップＳ２０５）。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３と、複数の第４層２０４と、の数（ペア数ｍ）は、１０以上３０以下である。
【０３２２】
積層構造体２１０ｓの上に、発光部１４０を形成する（ステップＳ２０６）。発光部１４０は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。井戸層４２は、第３層２０３の厚さよりも薄い厚さを有する。
【０３２３】
発光部１４０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Ｓ２０７）。
ｐ形半導体層の形成の後に、基板１１０を除去する（ステップＳ２０８）。
【０３２４】
図１９は、第６の実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１９に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法においては、例えば、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Ｓ２０１ａ）。
【０３２５】
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Ｓ２０２ａ）。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。
【０３２６】
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Ｓ２０３ａ）。
【０３２７】
そして、ｎ形半導体層の上に、積層構造体２１０ｓを有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０５ａ）。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３と、複数の第４層２０４と、の数（ペア数ｍ）は、１０以上３０以上である。
【０３２８】
積層構造体２１０ｓの上に、発光部１４０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０６ａ）。
【０３２９】
そして、発光部１４０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Ｓ２０７ａ）。
【０３３０】
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、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。
【０３３１】
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、本実施形態に係るウェーハの製造方法は、図１８に例示したステップＳ２０１〜ステップＳ２０８、または、図１９に例示したステップＳ２０１ａ〜ステップＳ２０７ａ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。
【０３３２】
実施形態によれば、高効率の半導体発光素子、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が提供できる。
【０３３３】
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、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素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。
【０３３４】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
【０３３５】
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、本発明の実施形態は、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に関しては、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。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【０３３８】
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。
【０３３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０３４０】
１０、１０ａ〜１０ｃ、１１、１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ、１５、２０、２０ａ〜２０ｃ、２１、２１ａ〜２１ｃ、２２、２２ａ〜２２、９１ 半導体発光素子、 ４１…障壁層、 ４２…井戸層、 ６０、７０…ウェーハ、 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、 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、 １８１…中間層、 ２０３〜２０６…第３層〜第６層、 ２１０…第１積層構造体、 ２１０ｓ…積層構造体、 ２２０…第２積層構造体、 ４５５…第１金属層、 ４６０…導電性基板、 ４６５…第２金属層、 ５０１…ｎ−ＧａＮ層、 ５０２…スーパーラティス層、 ５０３…Ｗ発光層、 ５０４…ｐ−ＡｌＧａＮ層、 ５０５…ｐ−ＧａＮ層、 ５０６…半導体層、 ５０７…ｐ−電極層、 ５０８…電極取り出し穴、 ５０９…絶縁層、 ５１０…ｎ−電極、 ５１１…導電性基板、 ５１２…ｐ−電極、 ＢＬ１…第１障壁層、 ＢＬ１ａ…第１サブ層、 ＢＬ１ｂ…第２サブ層、 ＢＬ１ｃ…第３サブ層、 ＢＬ２…第２障壁層、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１…第１井戸層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、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位により素子の特性が制約を受ける。
【０００３】
窒化物半導体を用いた半導体発光素子つまりＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、出力を大きくすると大きな発光効率、つまり高光出力が得られないことが問題となっている。
【０００４】
窒化物半導体を用いたＬＥＤなどの半導体発光素子の効率を向上するために、種々の提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２０５９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子、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、窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、窒化物半導体を含むｐ形の第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と、前記第１層と前記発光部との間に設けられた第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た第２積層構造体と、を含む半導体発光素子が提供される。前記発光部は、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含む。前記第１積層構造体は、窒化物半導体を含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、前記複数の第５層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図３】第１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１参考例の半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
【図５】半導体発光素子の特性を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態に係る半導体発光素子を示すバンドギャップエネルギー図である。
【図７】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係るウェーハを示す模式的断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図１２】第３の実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
【図１３】第４の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１４】第４の実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図１５】第４の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１６】第４の実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１７】第５の実施形態に係るウェーハを示す模式的断面図である。
【図１８】第６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１９】第６の実施形態に係る半導体発光素子の別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】
【０００９】
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。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、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形の第１層１３１と、ｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、第１積層構造体２１０と、第２積層構造体２２０と、を含む。
【００１１】
第１層１３１は、窒化物半導体を含む。第２層１５１は、窒化物半導体を含む。第１層１３１は、例えば、ｎ形ＧａＮ及びｎ形ＡｌＧａＮの少なくともいずれかを含む。第２層１５１は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。例えば、第１層１３１として、シリコン（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、マグネシウム（Ｍｇ）を含有するｐ形ＡｌＧａＮを含むｐ形閉じ込め層が用いられる。
【００１２】
このように、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む。これらの半導体層には、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。
【００１３】
発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。発光部１４０の構成の例については後述する。
【００１４】
第１積層構造体２１０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられる。第１積層構造体２１０は、複数の第３層２０３と、複数の第４層２０４と、を含む。第３層２０３は、窒化物半導体を含む。複数の第４層２０４は、複数の第３層２０３と交互に積層される。第４層２０４は、ＧａＩｎＮを含む。
【００１５】
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。第２積層構造体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第６層２０６と、を含む。第５層２０５は、第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む。複数の第６層２０６は、複数の第５層２０５と交互に積層される。第６層２０６は、ＧａＩｎＮを含む。
【００１６】
ここで、第１層１３１から第２層１５１に向かう方向に対して平行な軸をＺ軸とする。複数の第３層２０３と複数の第４層２０４とは、Ｚ軸に沿って交互に積層されている。複数の第５層２０５と複数の第６層２０６とは、Ｚ軸に沿って交互に積層されている。
【００１７】
図１に表したように、半導体発光素子１０は、基板１１０、第１バッファ層１２１、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３０、ｐ形コンタクト層１５０、ｐ側電極１６０及びｎ側電極１７０をさらに含むことができる。
【００１８】
基板１１０には、例えば、主面がｃ面のサファイア基板が用いられる。また、基板１１０には、Ｓｉ基板を用いても良い。基板１１０の上に、第１バッファ層１２１が設けられる。第１バッファ層１２１として、例えばＡｌＮ層が用いられる。
【００１９】
例えば、第１バッファ層１２１は、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含む。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａは、基板１１０の上に形成される。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は高い。第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂは、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成される。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。
【００２０】
第１バッファ層１２１の上に、第２バッファ層１２２が用いられる。第２バッファ層１２２には、例えば、ノンドープのＧａＮ層が用いられる。第２バッファ層１２２は、例えば格子緩和層である。
【００２１】
第２バッファ層１２２の上に、ｎ形コンタクト層１３０が設けられる。ｎ形コンタクト層１３０には、例えばＳｉドープのｎ形ＧａＮ層が用いられる。ｎ形コンタクト層１３０の上に、第１層１３１が設けられる。第１層１３１は、例えば、Ｓｉドープのｎ形閉じ込め層である。第１層１３１の上に第２積層構造体２２０が設けられる。第２積層構造体２２０の上に第１積層構造体２１０が設けられる。第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０が設けされる。発光部１４０の上に第２層１５１が設けられる。第２層１５１は、例えば、Ｍｇドープのｐ形閉じ込め層である。第２層１５１の上に、ｐ形コンタクト層１５０が設けられる。ｐ形コンタクト層１５０には、例えば、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮ層が用いられる。
【００２２】
第１積層構造体２１０の複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮを含んでもよい。第２積層構造体２２０の複数の第５層２０５はＧａＮを含んでもよい。
【００２３】
ｐ形コンタクト層１５０の上に、ｐ側電極１６０が設けられる。ｐ側電極１６０には、例えば、Ｎｉ層が用いられる。ｎ形コンタクト層１３０の上に、ｎ側電極１７０が設けられる。ｎ形コンタクト層１３０には、例えば、Ａｌ／Ａｕの積層膜が用いられる。
【００２４】
ｐ側電極１６０とｎ側電極１７０とに電圧を印加することで、発光部１４０に電流が供給され、発光部１４０から光（発光光）が放出される。
【００２５】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、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（ａ）は、半導体発光素子１０、及び、後述する半導体発光素子１１、１２、１５、２０、２１、２２、並びに、ウェーハ６０及び７０における発光部１４０の構成を例示している。図２（ｂ）は、半導体発光素子１０ａ、１１ａ、１２ａ、２０ａ、２１ａ、２２ａ、並びに、ウェーハ６０ａ及び７０ａにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｃ）は、後述する半導体発光素子１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、２０ｂ、２１ｂ、２２ｂ、並びに、ウェーハ６０ｂ及び７０ｂにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｄ）は、後述する半導体発光素子１１ｃ、１２ｃ、２０ｃ、２１ｃ、２２ｃ、並びに、ウェーハ６０ｃ及び７０ｃにおける発光部１４０の構成を例示している。
【００２６】
図２（ａ）に表したように、半導体発光素子１０においては、発光部１４０は、複数の障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２など）と、井戸層４２と、を含む。井戸層４２は、複数の障壁層４１の間に設けられる。
【００２７】
例えば、発光部１４０は、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造を有することができる。このとき、発光部１４０は、２つの障壁層４１と、その障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。例えば、発光部１４０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構造を有することができる。このとき、発光部１４０は、３つ以上の障壁層４１と、障壁層４１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層４２と、を含む。
【００２８】
図２（ａ）に示した例では、発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層４１と、ｎ個の井戸層４２と、を含む（ｎは、１以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２層１５１との間に配置される（ｉは、１以上（ｎ−１）以下の整数）。第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ井戸層ＷＬｉと第２層１５１との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１層１３１と第１井戸層ＷＬ１との間（すなわち、第１積層構造体２１０と第１井戸層ＷＬ１との間）に設けられる。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第ｎ番障壁層ＢＬｎと第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ井戸層ＷＬｎと第２層１５１との間に設けられる。
【００２９】
図２（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０ａにおいては、発光部１４０に１つの井戸層４２が設けられる。図２（ｃ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０ｂにおいては、発光部１４０に２つの井戸層４２が設けられる。図２（ｄ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１０ｃにおいては、発光部１４０に３つの井戸層４２が設けられる。さらに、発光部１４０に４つ以上の井戸層４２を設けても良い。
【００３０】
発光部１４０が単一の量子井戸構造を有する場合には、電子と正孔とが同一の井戸層４２に注入されるので、高効率の発光を得ることができる。つまり井戸層４２が１である場合は、複数の井戸層４２が設けられる場合と異なり、キャリアの注入効率の井戸層４２間での不均一が生じない。
【００３１】
井戸層４２が２つである場合には、電子の注入効率の高いｎ形の第１層１３１側の井戸層４２と、正孔の注入効率が高いｐ側の第２層１５１側の井戸層４２と、の２層が得られる。このため、キャリアの利用効率が高い。数多くの（例えば４つ以上）の井戸層４２を設けた場合は、発光効率が低く吸収体としての効果の大きい井戸層４２ができる可能性があるが、井戸層４２が２つの場合は、このような井戸層４２は生じない。
【００３２】
井戸層４２が３つである場合は、複数の井戸層４２を設けた構造の中では、電子注入とホール注入に対して対称な構造を形成する最も単純な構造が実現できる。このため、キャリアの利用効率が高い。数多くの（例えば４つ以上）の井戸層４２を設けた場合は、発光効率が低く吸収体としての効果の大きい井戸層４２ができる可能性があるが、井戸層４２が３つの場合は、このような井戸層４２は生じない。
【００３３】
発光部１４０が多重量子井戸構造を有する場合は、注入された電子と正孔との再結合に寄与する井戸層４２の数が増加する。このため、高効率の発光を得ることができる。特に、キャリア（電子及び正孔）の注入量が多い場合でも、井戸層４２内でキャリア密度の増加が分散され、キャリア密度の増加が小さいので結合効率の低下が抑制される。これにより、高効率の発光を得ることができる。
【００３４】
発光部１４０は、実効的な単一量子井戸構造を有していても良い。実効的な単一量子井戸構造は、例えば、井戸層４２内にポテンシャルの凹凸がある状態を含む。この場合、井戸層４２内で、そのポテンシャルの凹凸の間を電子及び正孔の少なくともいずれかが移動できる。また、実効的な単一量子井戸構造は、複数の井戸層４２において井戸層４２どうしの間の障壁層４１が薄い状態を含む。この場合には、井戸層４２間の障壁のポテンシャル差が小さく、複数の井戸層４２の間を、電子及び正孔の少なくともいずれかが移動できる。例えば、実効的な単一量子井戸構造においては、波動関数の井戸層４２から井戸層４２間へのしみだしが大きく、複数の井戸層４２が実効的に結合している。実効的な単一量子井戸構造においては、例えば、井戸層４２間の障壁のポテンシャルが低く、熱励起されたキャリアが複数の井戸層４２の間で移動できる。
【００３５】
井戸層４２は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。例えば、井戸層４２は、インジウム（Ｉｎ）とガリウム（Ｇａ）とを含む窒化物半導体を含む。
【００３６】
障壁層４１は、III族元素とＶ族元素とを含む窒化物半導体を含む。障壁層４１のバンドギャップエネルギーは、井戸層４２のバンドギャップエネルギーよりも大きい。障壁層４１がＩｎを含む場合、障壁層４１のIII族元素中におけるＩｎの組成比は、井戸層４２のIII族元素中におけるＩｎの組成比よりも低い。
【００３７】
例えば、第１障壁層ＢＬ１は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む。
例えば、第２障壁層ＢＬ２は、例えば、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。例えば、ｘ２＜ｘ１である。
【００３８】
例えば、第ｉ障壁層ＢＬｉ（１≦ｉ≦ｎ＋１）は、例えば、ＡｌｘｉＧａ１−ｘｉ−ｙｉＩｎｙｉＮ（０＜ｘｉ、０≦ｙｉ、Σ（ｘｉ＋ｙｉ）＜１）を含む。なお、ｘｉはｘ１と同じでも良く、異なっても良い。また、ｙｉは、ｙ１と同じでも良く、異なっても良い。例えば、ｘｉ＜ｘ１である。
【００３９】
第ｉ井戸層ＷＬｉ（１≦ｉ≦ｎ）（井戸層４２）は、例えば、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。例えば、第１井戸層ＷＬ１（井戸層４２）は、Ｇａ１−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０＜ｙ０≦１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。
【００４０】
なお、いずれの場合にも、第１積層構造体２１０の最も発光部１４０側に第３層２０３を用いることで、第３層２０３を第１障壁層ＢＬ１として機能させることができる。または、第１積層構造体２１０の発光部１４０側は、第４層２０４で終わっていると考えることもできる。
【００４１】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、例えば、近紫外光である。発光光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。但し、実施形態はこれに限らず、発光光の波長は任意である。発光光のピーク波長は、例えば、４００ｎｍよりも長く５００ｎｍ以下でも良い。発光部１４０における発光光のピーク波長は、例えば、４７０ｎｍ以上とすることができる。
【００４２】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が３８０ｎｍ以上であると、吸収端が３６５ｎｍのＧａＮの吸収に加え、第１積層構造体２１０による吸収の影響が小さくできる。本願発明者は、第１積層構造体２１０の発光相当波長が３７０ｎｍ以上３８０ｎｍの間、特に、３７０ｎｍ以上３７５ｎｍ以下の間である場合は、発光部１４０の発光の効率が高くなることをＰＬ測定により確認した。この結果に基づくと、第１積層構造体２１０の発光相当波長を、３７０ｎｍ以上３８０ｎｍの間の波長域とすることが素子特性向上に望ましいと考えられる。なお、本実施形態の半導体発光素子に用いるウェーハのＰＬ測定を行うと、第１積層構造体２１０からの発光が確認できる場合があることを確認した。この発光スペクトルのピーク波長をこの半導体発光素子の発光相当波長とした。
【００４３】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が４００ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さを４．５ｎｍ以上７ｎｍ以下に設定する。これにより、例えば、良好な発光が得られた。発光部１４０における発光波長のピーク波長が３９５ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さは、４．５ｎｍ以上７ｎｍに設定する。これにより、良好な発光が得られ、さらに発光波長と強度の制御性が向上した。
【００４４】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さ３ｎｍ以上４．５ｎｍに設定すると高い発光効率を得ることができる場合があった。ピーク波長が４２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合に、井戸層４２の厚さを３．５ｎｍ以上４ｎｍ以下に設定すると発光強度が特に高くその制御性が向上した。
【００４５】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が発光波長が４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の単一量子井戸構造においては、井戸層４２の厚さが３ｎｍ以上３．５ｎｍ以下において高い発光効率を得ることができる場合があった。発光波長が４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の多重量子井戸構造においては、井戸層４２の厚さが２．５ｎｍ以上３ｎｍ以下において高い発光効率を得ることができる場合があった。
【００４６】
発光部１４０における発光光のピーク波長は、例えば、４７０ｎｍ以上とすることができ、３．５ｎｍ以下の厚さの井戸層４２で発光を得ることができた。
【００４７】
本実施形態においては高品質な下地結晶が得られるので、本実施形態の構成は、さらに長波長（例えば５００ｎｍ帯、６００ｎｍ帯、７００ｎｍ帯、さらに、ＩｎＮの吸収端である０．７５ｅよりも短波長の任意の波長）の活性層を有する素子に適用可能である。また、単一量子井戸構造及び多重量子井戸構造に加え、ＤＨ（Double Hetero）構造、区分的量子井戸構造及び量子ドット構造（これらの構造は平均化すると面状の発光領域を有し、井戸層とみなすことができる）等の構造を発光部１４０に適用可能である。
【００４８】
以下では、井戸層４２の数が任意である例として半導体発光素子１０に関して説明する。以下の説明は、半導体発光素子１０ａ〜１０ｃにも適用される。
【００４９】
図１に表したように、半導体発光素子１０においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０が設けられる。
【００５０】
複数の第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層４２（例えば第１井戸層ＷＬ１）の厚さよりも薄い。複数の第３層２０３のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さ（例えば第１障壁層ＢＬ１の厚さ及び第２障壁層ＢＬ２の厚さ）よりも薄い。
【００５１】
複数の第６層２０６のそれぞれの厚さは、井戸層４２（例えば第１井戸層ＷＬ１）の厚さよりも薄い。複数の第５層２０５のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さ（例えば第１障壁層ＢＬ１の厚さ及び第２障壁層ＢＬ２の厚さ）よりも薄い。
【００５２】
第１積層構造体２１０は、例えば超格子構造を有する。第２積層構造体２２０も例えば超格子構造を有する。既に説明したように、第５層２０５は、第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む。このように、半導体発光素子１０においては、２種類の超格子が設けられる。
【００５３】
例えば、複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか一方を含み、複数の第５層２０５は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか他方を含む。例えば、第３層２０３はＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５はＧａＮを含む。または、第３層２０３はＧａＮを含み、第５層２０５はＡｌＧａＩｎＮを含む。以下では、第３層２０３がＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５がＧａＮを含む場合について説明する。
【００５４】
例えば、第１積層構造体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮの第３層と、ＧａＩｎＮの第４層と、を含む超格子である。第２積層構造体２２０は、ＧａＮの第５層と、ＧａＩｎＮの第６層と、を含む超格子である。このように、本実施形態に係る半導体発光素子１０においては、種類が異なる２つの積層構造体を設けることで、効率が向上する。
【００５５】
以下、半導体発光素子１０の特性の例について説明する。本願発明者は、半導体発光素子１０を実際に作製し、その特性を評価した。以下、半導体発光素子１０の作製方法について説明する。以下の方法は、実施形態に係る半導体発光素子１０の作製方法の例に相当する。
【００５６】
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（厚さ約２μｍ）を形成する。具体的には、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａを形成する。さらに、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂを形成する。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下である。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの厚さは、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにおける炭素濃度は、例えば１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下である。第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、例えば約２μｍである。
【００５７】
その後、第１バッファ層１２１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（厚さ２μｍ）を形成する。
【００５８】
その後、ｎ形コンタクト層１３０となるＳｉドープｎ形ＧａＮ膜を形成する。Ｓｉドープｎ形ＧａＮ膜におけるＳｉ濃度は、例えば０．２×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であり、厚さは例えば３μｍ以上１０μｍ以下であり、より望ましくは例えば、６μｍである。さらに、ｎ形閉じ込め層（第１層１３１）となる、Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層を形成する。Ｓｉドープｎ形ＧａＮ層におけるＳｉ濃度は、例えば０．２×１０１８ｃｍ−３以上９×１０１８ｃｍ−３あり、厚さは例えば０．２μｍ以上１．５μｍ以下である。
【００５９】
第２バッファ層１２２の上に、第２積層構造体２２０を形成する。例えば、第５層２０５となるＧａＮ層と、第６層２０６となるＧａＩｎＮ層（例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層）と、を交互に積層する。この例では、第５層２０５には、Ｓｉが、例えば約１．２×１０１８ｃｍ−３で添加される。第５層２０５のそれぞれの厚さは、例えば２．５ｎｍである。第６層２０６のそれぞれの厚さは、例えば１ｎｍである。この例では、第５層２０５と第６層２０６とのペア数は、例えば１２以上３０以下、望ましくは１６以上２０以下である。
【００６０】
第２積層構造体２２０の上に、第１積層構造体２１０を形成する。例えば、第３層２０３となるＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層と、第４層２０４となるＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層と、を交互に積層する。この例では、第３層２０３には、Ｓｉが、例えば約５×１０１８ｃｍ−３で添加される。第３層２０３のそれぞれの厚さは、例えば２ｎｍである。第４層２０４のそれぞれの厚さは、例えば１ｎｍである。この例では、第３層２０３と第４層２０４のペア数は、３０である。
【００６１】
第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０を形成する。例えば、第１障壁層ＢＬ１となる、Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜を形成する。Ｓｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜におけるＳｉ濃度は、例えば０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であり、厚さは例えば１３．５ｎｍである。その上に、井戸層４２となる、Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層（厚さ６ｎｍ）を形成する。さらに、その上に、第２障壁層ＢＬ２となるＡｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ膜（厚さ６ｎｍ）を形成する。
【００６２】
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（厚さ２４ｎｍ）を形成する。ｐ形閉じ込め層うちの発光部１４０の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば０．８×１０１９ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下である。ｐ形閉じ込め層のうちの発光部１４０とは反対の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば０．２×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。
【００６３】
その上に、ｐ形コンタクト層１５０となる、Ｍｇドープｐ形ＧａＮ膜を形成する。Ｍｇドープｐ形ＧａＮ膜のうちの第２層１５１の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば０．２×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。Ｍｇドープｐ形ＧａＮ膜のうちの第２層１５１とは反対の側の部分におけるＭｇ濃度は、例えば５×１０１９ｃｍ−３以上２０×１０１９ｃｍ−３以下以下である。
【００６４】
そして、これらの半導体層を含む積層体に、例えば、以下に例示する方法で電極を設ける。
マスクを用いたドライエッチングによってｐ形半導体層と発光部１４０とを除去する。これにより、積層体の一部の領域において、ｎ形コンタクト層１３０を露出させる。ｎ形半導体層の露出した面を含む積層体の全体に、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。
【００６５】
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積層体上に形成する。そして、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膜を形成する、Ａｇ膜の厚さは、例えば２００ｎｍである。その後、例えば、３５０℃の窒素雰囲気で１分間のシンター処理を行う。
【００６６】
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積層体上に形成する。そして、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、ｎ側電極１７０となる、導電膜を形成する。この導電膜は、例えばＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜である。この導電膜の厚さは、５００ｎｍである。
【００６７】
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層構造とする。例えば、電極形成部として、高濃度層を設ける。高濃度層におけるＳｉ濃度は、例えば０．６×１０１９ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下であり、厚さは、例えば０．１μｍ以上１μｍ以下である。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を抑制できる。
【００６８】
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する。これにより、個別のＬＥＤ素子、すなわち半導体発光素子１０が作製される。ＬＥＤ素子の幅は、例えば幅が４００μｍで、厚さは例えば１００μｍである。
【００６９】
本願発明者は、本実施形態に係る半導体発光素子を作製し、その特性を評価した。以下この半導体発光素子の構造について説明する。
【００７０】
図３は、第１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、作製した半導体発光素子１５においては、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に第１金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と第１金属層４５５との間に第２金属層４６５が設けられている。また、第１積層構造体２１０と第２積層構造体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【００７１】
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。
【００７２】
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、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）が採用される。
【００７３】
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に繋がっている。すなわち、開口部１３８の底部は、ｎ形コンタクト層１３０に繋がっている。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
半導体発光素子１５は以下のようにして作製された。
サファイア基板（図示しない）上に、第１バッファ層１２１となる厚さ２μｍのＡｌＮ層をＭＯＣＶＤ法により約１３００℃で形成した。その上に、第２バッファ１２２となる厚さ２μｍのＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により約１２００℃で形成した。
【００７７】
その上に、厚さが４μｍで、Ｓｉ濃度が０．２×１０１９ｃｍ−３〜１．５×１０１９ｃｍ−３のＧａＮ層（ｎ形コンタクト層１３０）をＭＯＣＶＤ法により１０５０℃〜１２００℃で形成した。その上に、厚さが０．５μｍで、Ｓｉ濃度が２×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＮ層（第１層１３１）をＭＯＣＶＤ法により１０５０℃〜１２００℃で形成した。
【００７８】
この上に、厚さが２．５ｎｍで、８×１０１８ｃｍ−３のＳｉを添加したＧａＮ層（第５層２０５）と、厚さが１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎの第６層２０６と、を交互に１６層積層、ＭＯＣＶＤ法により８００℃〜９００℃で形成した。これにより、第２積層構造体２２０が形成される。
【００７９】
この上に、厚さが２．５のＧａＮ層（中間層１８１）をＭＯＣＶＤ法により、８００℃〜９００℃で形成した。
【００８０】
この上に、厚さが２ｎｍで、８×１０１８ｃｍ−３のＳｉを添加したＡｌ０．７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（第３層２０３）と、厚さが１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層（第４層２０４）と、を交互に３０層積層、ＭＯＣＶＤ法により８００℃〜９００℃で形成した。これにより、第１積層構造体２１０が形成される。
【００８１】
この上に、厚さが１３．５ｎｍで、４×１０１８ｃｍ−３〜１６×１０１８ｃｍ−３のＳｉを添加したＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（第１障壁層ＢＬ１：障壁層４１）をＭＯＣＶＤ法により約８５０℃で形成した。この上に、厚さが７ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層（井戸層４２）をＭＯＣＶＤ法により約８００℃〜９００℃で形成した。この上に、厚さが４ｎｍ〜１２ｎｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９２５Ｉｎ０．００５Ｎ層（第２障壁層ＢＬ２：障壁層４１）をＭＯＣＶＤ法により約８００℃〜９００℃で形成した。
【００８２】
この上に、厚さが２４ｎｍのＭｇ添加ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（第２層１５１）をＭＯＣＶＤ法により約９５０℃〜１１００℃で形成した。
【００８３】
この上に、厚さが０．３μｍのｐ−ＧａＮ層（コンタクト層１５０）をＭＯＣＶＤ法により、９５０℃〜１１００℃で形成した。
【００８４】
この上に、ｐ側電極１６０を形成した。さらに、この上に第１金属層４５５を形成した。
第２金属層４６５を有する導電性基板４６０を用意し、第１金属層４５５と第２金属層４６５と、を接着（ボンディング）した。この後、サファイア基板をレーザリフトオフ法により除去し、露出されたｎ−ＧａＮ層（ｎ形コンタクト層１３０）の表面上にエッチングにより凹凸構造を形成した。また、蒸着と、リソグラフィーを用いたパターニングと、により所定の形状を有するｎ側電極１７０を形成した。ｎ側電極１７０をＺ軸に沿ってみたときのパターンは、ｎ形コンタクト層１３０の周縁に沿う周縁部と、クロス形状部と、を有する。クロス形状部は、ｎ形コンタクト層１３０のＸ軸における中央部を通りＹ軸に沿って延在する第１延在部と、ｎ形コンタクト層１３０のＹ軸における中央部を通りＸ軸に沿って延在する第２延在部と、を有する。上記の周縁部は、ｎ形コンタクト層１３０の４つの辺に沿う４つの辺を有し、４つの辺のそれぞれの中央部は、クロス形状部の端部と接している。
【００８５】
この後、加工体を個別の素子に分断することで、半導体発光素子１５が得られる。半導体発光素子１５のＸ軸に沿う長さが約１ｍｍ（ミリメートル）であり、Ｙ軸に沿う長さは約１ｍｍである。
【００８６】
このようにして作製した半導体発光素子１５の特性を評価した。この評価では、以下の第１参考例の半導体発光素子９１の特性についても評価した。以下、第１参考例の半導体発光素子の構造を説明する。
【００８７】
図４は、第１参考例の半導体発光素子の構成を示す模式的断面図である。
図４に表したように、第１参考例の半導体発光素子９１においては、サファイア基板（図示しない）上に、５μｍのＳｉ添加ｎ−ＧａＮ層５０１、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのスーパーラティス層５０２、ＭＱＷの発光層５０３、３０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＮ層５０４、及び、０．１２μｍのｐ−ＧａＮ層５０５がこの順でＭＯＣＶＤ法によりこの順で積層される。これらの層を含む半導体層５０６の上に、銀ベースの高反射率ｐ−電極層５０７が設けられる。ｐ−電極層５０７からp−ＧａＮ層５０５、ｐ−ＡｌＧａＮ層５０４、発光層５０３及びスーパーラティス層５０２を貫通しｎ−ＧａＮ層５０２に到達する、複数の電極取り出し穴５０８が形成されている。
【００８８】
ｐ−電極層５０７と電極取り出し穴５０８とを覆うように絶縁層５０９が設けられている。絶縁層５０９を覆い、ｎ−ＧａＮ層５０１に達するｎ−電極５１０が設けられている。なお、サファイア基板は、レーザリフトオフ法により除去されている。ｎ−電極５１０は半田を介して導電性基板５１１に溶着されている。半導体層５０６の一部が除去され、ｐ−電極層５０７に接するｐ−電極５１２が設けられている。半導体発光素子９１の形状は、１辺が約１ｍｍの正方形である。
【００８９】
図５は、半導体発光素子の特性を例示するグラフである。
図５には、実施形態に係る半導体発光素子１５の特性と、第１参考例の半導体発光素子９１の特性と、が例示されている。第１参考例の半導体発光素子９１においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０が設けられていない。。図５の横軸は電流Ｉｃ（Ａ：アンペア）であり、縦軸は光出力ＰＷ（Ｗ：ワット）である。
【００９０】
図５からわかるように、本実施形態に係る半導体発光素子１５においては、第１参考例の半導体発光素子９１よりも高い発光強度が得られた。すなわち、本実施形態によれば、高い効率が得られる。
【００９１】
上記の半導体発光素子１５において、中間層１８１は省略可能である。中間層１８１には、ＧａＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎ及びＡｌＮの少なくともいずれかを用いることができる。中間層１８１の厚さは、発光部１４０の厚さよりも薄いことが望ましい。中間層１８１が発光部１４０よりも薄いと、第１積層構造体２１０の歪の効果を発光部１４０だけではなく第２積層体２２０にも伝えることができ、第２積層体２２０の歪の効果を第１積層体２１０で強く受け、効果的に相互作用が起きる。
【００９２】
図５に関して説明したように、半導体発光素子１５によれば、高い発光強度と高い効率とが得られる。このような実験事実に基づいて、本実施形態に係る半導体発光素子の構成が導き出される。高い発光強度と高い効率とが得られる基となる、半導体発光素子の特性の例について説明する。以下では、実施形態に係る半導体発光素子として、半導体発光素子１０に関して説明する。
【００９３】
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（strain）の程度が高い高歪層である。
【００９４】
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４２）の結晶品質が向上する。これにより、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４２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。
【００９５】
井戸層４２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４２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４２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４２の結晶の特性が低下することを抑制することができる。
【００９６】
複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２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４２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。
【００９７】
複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２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考えられる。
【００９８】
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。
【００９９】
すなわち、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。
【０１００】
さらに、本願発明者は、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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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４２）の平坦性が向上し、その結果、結晶の特性が向上できる。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４２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。
【０１０３】
そして、半導体発光素子１０においては、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、発光効率が向上することが分かった。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
なお、上記は、第３層２０３がＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５がＧａＮを含む場合についての説明であるが、第３層２０３がＧａＮを含み、第５層２０５がＡｌＧａＩｎＮを含む場合は、第１積層構造体２１０が平坦性の向上効果が高い層となり、第２積層構造体２２０が結晶性の向上効果が高い層となる。実施形態において、結晶性の向上効果が高い層と、平坦性の向上効果が高い層と、における上下関係は任意である。第３層２０３がＡｌＧａＩｎＮを含み、第５層２０５がＧａＮを含む構成の方が、結晶性及び平坦性の向上効果をより得やすく、発光部１４０における効率向上の効果が大きい。
【０１０７】
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４２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。
【０１０８】
すなわち、第４層２０４の厚さは、例えば３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４２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４２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。井戸層４２の厚さは、例えば４原子層の厚さ以上である。
【０１０９】
第３層２０３の厚さは、例えば、３原子層の厚さ以上、６ｎｍ以下である。下限は、連続的な層と似た特性を示す最小の厚さである。上限は、両側からしみ込む波動関数の重なりの影響が残り抵抗率の低下が生じる厚さである。
例えば、第３層２０３においては、障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１）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。
【０１１０】
第３層２０３には、Ｓｉがドープされる。第３層２０３におけるＳｉの濃度は、例えば１×１０１７ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。１×１０１７ｃｍ−３未満では、例えば電気抵抗が高くなる。２×１０１９ｃｍ−３を超えると、例えば結晶性が低下する。
【０１１１】
例えば、第３層２０３に障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１）と同じ組成を適用すると、障壁層４１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、障壁層４１の成長前に、第３層２０３の成長を介して障壁層４１と同じ成長条件での準備を十分な時間行うことができ、障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１）の制御性の向上が図れる。
【０１１２】
例えば、第４層２０４に井戸層４２と同じ組成を適用すると、井戸層４２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４２の成長前に、第４層２０４の成長を介して井戸層４２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４２の制御性の向上が図れる。
【０１１３】
一方、例えば、第４層２０４に、井戸層４２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４２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。
【０１１４】
一方、第５層２０５の厚さは、例えば、３子層の厚さ以上、６ｎｍ以下である。下限は、連続的な層と似た特性を示す最小の厚さである。上限は、両側からしみ込む波動関数の重なりの影響が残り抵抗率の低下が生じる厚さである。第５層２０５の厚さは、例えば２．５ｎｍである。第５層２０５には、例えば、Ｓｉが添加される。第５層２０５におけるＳｉの濃度は、例えば１０×１０１７ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下である。１０×１０１７ｃｍ−３未満だと、例えば電気抵抗が高くなる。２×１０１９ｃｍ−３を超えると、例えば結晶性が低下する。第５層２０５におけるＳｉ濃度は、例えば１．２×１０１８ｃｍ−３である。
【０１１５】
第６層２０６の厚さは、例えば３原子層の厚さ以上である。第６層２０６の厚さは、第６層２０６における吸収端のエネルギーが井戸層４２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、具体的には、第６層２０６の吸収端のエネルギーに相当する波長が、井戸層４２の発光スペクトルの強度のピーク値の半分以下となる波長よりも短波長側になるように、第６層２０６の厚さが設定される。第６層２０６の厚さは、例えば１ｎｍである。
【０１１６】
第５層２０５及び第６層２０６のペア数は、３０に限らず任意である。第５層２０５の数は、第６層２０６の数と同じでも良く、第５層２０５の数は、第６層２０６の数よりも１つ多くても良く、第５層２０５の数は、第６層２０６の数よりも１つ少なくても良い。
【０１１７】
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を第６層２０６とすることができる。このため、低温でも良質な結晶の成長を行うことが容易になる。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。
【０１１８】
実施形態において、第１積層構造体２１０における第３層２０３及び第４層２０４のペア数は、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、同じ例でも良く、異なっていても良い。
【０１１９】
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、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、高温で、ｎ形コンタクト層１３０（ｎ形ＧａＮ層）を形成する。これにより、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。
【０１２０】
本実施形態に係る発光部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。
【０１２１】
本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１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４２の形成が可能となる。例えば、第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１の残りの部分であるＡｌＧａＮ層と、井戸層４２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４２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。
【０１２２】
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４２と、その両側の障壁層４１と、を実質的に連続的に成長することが望ましい。これにより、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ことができる。なお、第ｉ障壁層ＢＬｉと第ｉ井戸層ＷＬｉとの間、及び、第ｉ井戸層ＷＬｉと第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）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。この時間は、例えば、０秒以上１０秒以下である。この成長中断の短い時間を除いて連続的に成長を行うことを、実質的に連続的な成長とする。
【０１２３】
一般的に、ＧａＩｎＮ層を井戸層４２として用いる薄い多重量子井戸では、ＧａＩｎＮ層のＩｎ組成比が高く、低温での結晶成長が適している。一方、Ａｌを含む障壁層４１においては、Ａｌと窒素との結合が強いことから、高い成長温度を用いることが望ましい。このため、高Ｉｎ組成比のＧａＩｎＮを含む井戸層４２と、Ａｌを含む障壁層４１と、を同じ温度で連続して成長すると、井戸層４２と障壁層４１との両者共に最も適した成長条件を選択するのが困難である。
【０１２４】
発光部１４０に、単一で厚い井戸層４２を用いると、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４２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。
【０１２５】
一方、障壁層４１（例えば、第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２など）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、井戸層としては高温で成長可能な井戸層４２と、障壁層としては低温で成長可能な障壁層４１（例えば第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２など）と、を用いることにより、実質的に一定の温度で（例えば意図的には温度を変えない条件で）、実質的に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４２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。
【０１２６】
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、井戸層４２とその両側の障壁層４１とを実質的に連続的に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。
【０１２７】
実施形態において、第１積層構造体２１０を、発光部１４０（井戸層４２及び障壁層Ｂ４１）と実質的に同じ温度で成長することができる。また、第２積層構造体２２０）を、発光部１４０と実質的に同じ温度で成長することができる。
【０１２８】
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４２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を、発光部１４０と実質的に同じ温度で成長させることが望ましい。
【０１２９】
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４２と、障壁層（第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２）と、を実質的に同じ温度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４１及び井戸層４２にそれぞれ類似で、障壁層４１及び井戸層４２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）、実質的に同じ温度で、良好な特性の第１積層構造体２１０及び発光部１４０の結晶を容易に成長することができる。
【０１３０】
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。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、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を、発光部１４０と実質的に同じ温度で成長することで、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。これにより、発光効率の高い半導体発光素子及びウェーハの製造が容易となる。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。井戸層４２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。
【０１３３】
本実施形態において、第４層２０４を第６層２０６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６層２０６よりも高くすることができる。これは、以下の理由による。井戸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とができる。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。
【０１３４】
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、第２積層構造体２２０が無い場合よりも平坦であったが、光学顕微鏡により結晶表面に顕著な凹凸が認められた。これに対し、第５層２０５と第６層２０６とを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、２７ペア及び３０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のペア数は、１２以上３０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のペア数は、特に、１６以上２０以下がより望ましい。
【０１３５】
本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１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４２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ＢＬ１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。
【０１３６】
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ＢＬ１よりもＳｉ濃度を下げることが望まれる。
【０１３７】
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。
【０１３８】
一方、第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ２におけるＳｉ濃度は低いことが望まれる。
【０１３９】
以上から、第１障壁層ＢＬ１（複数の障壁層４１のうちで第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１）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。複数の障壁層４１のうちで第１障壁層ＢＬ１を除く障壁層４１（例えば第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数））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。第１層１３１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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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を発光部に用いたウェーハ（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。
【０１４３】
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考えられる。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。
【０１４４】
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む。これらの半導体層には、窒化物半導体を用いることができる。
【０１４５】
これらの半導体層の形成には、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。ただし、実施形態において、半導体層の形成方法は、任意である。
【０１４６】
実施形態において、基板１１０には、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ及びＳｉなどの基板が用いられる。ただし、実施形態において、基板１１０は、任意である。基板１１０は、結晶成長の後に除去されても良い。
【０１４７】
半導体発光素子１０においては、Ａｌ組成比が高く、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。これにより、発光部１４０自体を高効率化し、発光部１４０からの電子のオーバーフローが抑制されている。これにより、結晶の欠陥を低減させて、高い効率を得ている。近紫外の波長域において、この効果は特に顕著いである。
【０１４８】
第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２におけるＳｉの濃度分布と、第１井戸層ＷＬ１にかかるピエゾ電界と、の関係について説明する。
井戸層４２には、ピエゾ電界が印加されるため、井戸層４２と第２障壁層ＢＬ２との界面では、正のチャージが井戸層４２から第２障壁層ＢＬ２へ染み出す。一方、井戸層４２と第１障壁層ＢＬ１との界面では、負のチャージが井戸層４２から第１障壁層ＢＬ１へ染み出す。
【０１４９】
井戸層４２のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側の部分には電子が多く存在するので、第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ２）においては、Ｓｉ濃度が低くても良い。すなわち、第２障壁層ＢＬ２においては、Ｓｉが意図的にドープされなくても良い。
【０１５０】
一方、井戸層４２のｎ形閉じ込め層（第１層１３１）の側の部分には電子があまり存在しないため、第１障壁層ＢＬ１の側の部分から井戸層４２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ＢＬ１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ＢＬ１には高濃度でＳｉがドープされる。
【０１５１】
具体的には、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１５２】
第１井戸層ＷＬ１のｐ形閉じ込め層（第２層１５１）の側の部分には、低Ｓｉ濃度の第２障壁層ＢＬ２が配置され、井戸層４２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ＢＬ１が配置される。このことにより第１井戸層ＷＬ１の発光効率を高くすることができる。
【０１５３】
各井戸層４２に関して、各障壁層４１の第１層１３１側にＳｉ濃度の高い領域を設け、各障壁層４１の第２層１５１側にＳｉ濃度の低い領域を設けることで、各井戸層４２の発光効率を高めることができる。なお、第１障壁層ＢＬ１にはＳｉ濃度の低い領域を設けなくても良い。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）にＳｉ濃度の高い領域を設けなくても良い。
【０１５４】
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平均のＳｉ濃度が増加する。このことにより発光部１４０のトータルとしての発光効率が向上できる。
【０１５５】
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。
【０１５６】
以下、第１井戸層ＷＬ１を例にして、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ＢＬ１の井戸層４２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４２に流れ込み、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１５７】
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、高効率の半導体発光素子が提供できる。
【０１５８】
さらに、半導体発光素子１０において、第ｉ障壁層ＢＬｉ（１＜ｉ≦（ｎ＋１）におけるＳｉ濃度を、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１５９】
第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）におけるＳｉ濃度を低くすることで、井戸層４２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１０の信頼性が向上する。
【０１６０】
そして、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）におけるＳｉ濃度を低くすることで、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）のエネルギーの高さが下がり、正孔が入り易くなる。これにより、半導体発光素子１０の駆動電圧が低減できる。
【０１６１】
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、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）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。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）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。
【０１６２】
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１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１におけるＳｉ濃度を低くすることで、発光効率を向上し、高効率で、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。
【０１６３】
第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ２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い。第ｉ障壁層ＢＬｉ（１＜ｉ≦（ｎ＋１））における平均Ｓｉ濃度が、第１障壁層ＢＬ１よりも低くなるように設定されればさらに良い。
【０１６４】
半導体発光素子１０に含むことができる各層の例について説明する。
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、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの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。高純度第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、１μｍよりも厚いことが望ましい。これにより、ノンドープのＧａＮバッファ層（第２バッファ層１２２）の結晶欠陥を効果的に低減できる。また、歪みによる反りの抑制のためには、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。
【０１６５】
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。ただし、実施形態はこれには限定されず、第１バッファ層１２１には、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いても良い。第１バッファ層１２１には、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いると、Ａｌ組成比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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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組成比のＡｌＧａＮ層や障壁層（第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２）に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【０１６８】
第１障壁層ＢＬ１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）を含むことができる。第２障壁層ＢＬ２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４２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。
【０１６９】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、前述したように、例えば、近紫外光である。発光光のピーク波長は、例えば、３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。但し、実施形態はこれに限らず、発光光の波長は任意であり、前述のように、幅広く変えることができる。
発光波長が３９０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である場合は、井戸層４２の厚さを５．５ｎｍ以上にすることで、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。
【０１７０】
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ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉ（１＜ｉ≦ｎ＋１）におけるＡｌ組成は６％以上に設定される。
【０１７１】
第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは２ｎｍ以上に設定される（ｐ形ＡｌＧａＮの第２層１５１に最も近い障壁層４１)。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さが２ｎｍよりも薄いと、ｐ形ＡｌＧａＮ層を成長するために成長温度を上げるプロセスにおいて、第ｎ井戸層ＷＬｎをはじめとする井戸層４２が熱劣化を起こすためである。不純物拡散の影響も含めて、井戸層４２の特性を制御するためには、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは４．５ｎｍ以上に設定される。特に、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さが井戸層４２の厚さよりも厚いと、ＡｌＧａＮ層と井戸層４２との間の歪の影響を緩和する効果が大きい。なお、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）が過度に厚いと、素子抵抗が高くなる原因となる。また、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）が過度に厚いと、井戸層４２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（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）を第１障壁層ＢＬ１よりも薄くすることが望ましい。第２障壁層ＢＬ２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。
【０１７２】
第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１の厚さを４．５ｎｍ以上にすると、効率の高い半導体発光素子が得られる。第１障壁層ＢＬ１の厚さを４．５ｎｍ以上に設定すると、材料本来の物性が十分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ためと考えられる。また、第１障壁層ＢＬ１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。
【０１７３】
また、第１〜第ｎ障壁層ＢＬ１〜ＢＬｎの厚さは、井戸層４２よりも厚いことが望ましい。第１障壁層ＢＬ１の厚さを井戸層４２の厚さよりも厚く設定することで、井戸層４２へのキャリア供給の制御が有効となる。特に、第１〜第ｎ障壁層ＢＬ１〜ＢＬｎの厚さは、井戸層４２の厚さの２倍以上であることが望ましい。第１〜第ｎ障壁層ＢＬ１〜ＢＬｎの厚さを井戸層４２の厚さの２倍以上に設定することで、第１〜第（ｎ−１）障壁層ＢＬ１〜ＢＬ（ｎ−１）の両側にキャリア供給が可能となり、井戸層４２へのキャリア供給の精度が向上する。
【０１７４】
なお、第ｎ井戸層ＷＬｎについては、ｐ形ＡｌＧａＮの第２層１５１からの正孔注入を効率良く行うために、第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは、前述の条件を除けば薄いことが望ましい。このため、障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の厚さは第１積層構造体２１０の第３層２０３及び第２積層構造体２２０の第５層２０５よりも薄くてよい。
【０１７５】
第１障壁層ＢＬ１は、例えば、発光部１４０の各井戸層４２に注入された正孔が第１層１３１側に流出することを防ぐ役割がある。第１障壁層ＢＬ１は、特に結晶欠陥等がある場合も含めてキャリアに対するポテンシャルブロックの効果を持つために十分な厚さに設定される。厚さが１５ｎｍ〜２０ｎｍで十分な効果がある。厚さが１３ｎｍよりも小さいと、電流注入密度を上げた時に効率低下の大きい素子の割合が増加する場合があった。厚さが２２ｎｍよりも厚いと、素子の抵抗が高い割合が増加する場合があった。
【０１７６】
第１積層構造体２１０の第３層２０３や第２積層構造体２２０の第５層２０５は、第１障壁層ＢＬ１に対して井戸層４２と反対側にある。このため、第１障壁層ＢＬ１と比べると、第３層２０３及び第５層２０５の、発光部１４０から正孔が漏れ出る現象を抑制する役割は小さい。一方、これらの層は複数あることから、電流の抵抗として働きやすく、素子の駆動電圧を下げるためには、第３層２０３及び第５層２０５は薄いことが望ましい。このため、第３層２０３及び第５層２０５の厚さは、第１障壁層ＢＬ１よりも薄いことが望ましい。
【０１７７】
第３層２０３及び第５層２０５の厚さは電気的に抵抗を下げるために薄いことが望まれるので、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーをこれらの層よりも大きくし第１障壁層ＢＬ１の電気的抵抗を高くする。障壁層４１と、第３層２０３と、第５層２０５と、における厚さの関係は、電気的抵抗を基準とした実効的厚さということができる。少なくとも第１障壁層ＢＬ１が、第３層２０３と第５層２０５よりも実効的に厚く設定される。これにより、素子の特性が向上する。
【０１７８】
前述したように、第１障壁層ＢＬ１に高濃度にＳｉを添加することで、井戸層４２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。
【０１７９】
発光部１４０の井戸層４２と、第１積層構造体２１０の第４層２０４のＧａＩｎＮと、第２積層構造体２２０の第６層２０６のＧａＩｎＮと、の関係においては、井戸層４２の厚さに対してこれらのＧａＩｎＮの厚さが薄いことが望まれる。これにより、例えば、井戸層４２の光学的バンドギャップエネルギーが、第４層２０４のＧａＩｎＮと第６層２０６のＧａＩｎＮの光学的バンドギャップエネルギーよりも小さくできる。これにより、井戸層４２の発光が第４層２０４のＧａＩｎＮと第６層２０６のＧａＩｎＮとに吸収されることが抑制できる。
【０１８０】
発光部１４０の井戸層４２の厚さと、第４層２０４のＧａＩｎＮの厚さと、第６層２０６のＧａＩｎＮの厚さと、の関係は、それぞれの光学的バンドギャップエネルギーを基準とした実効的厚さとすることができる。井戸層４２の実効的厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの実効的厚さ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの実効的厚さは、薄いことが望ましい。薄膜構造において、組成を変えるだけでバンドギャップエネルギーを大きく変え、薄い層のバンドギャップエネルギーが厚い層のバンドギャップエネルギーよりも小さい結晶を得ようとした場合、ＧａＩｎＮのＩｎ組成比の違いが大きくなり、材料物性の違いが大きくなり、良質な結晶成長が難しい。このため、実空間においても、井戸層４２の厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの厚さと、第６層２０６のＧａＩｎＮの厚さが薄いことが望まれる。
【０１８１】
第１障壁層ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉ（１≦ｉ≦ｎ＋１）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ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉに少量のＩｎをドープすることで、結晶品質を改善する。第１障壁層ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉにおけるＩｎ組成比が０．３％以上で、結晶品質が改善する。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。
【０１８２】
例えば、本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の厚さが２０ｎｍ以上の場合は、Ｉｎ組成比の最大値は、約１％程度である。第１障壁層ＢＬ１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。
【０１８３】
第１障壁層ＢＬ１の成長技術の例について説明する。
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ＢＬ１のＩｎ組成比を高くすることに成功している。
【０１８４】
例えば、上記のように、本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の厚さが２０ｎｍ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ＢＬ１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。
【０１８５】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮからなる井戸層４２との界面の急峻性が良くなり、井戸層４２の結晶性が向上し、その結果、ＡｌＧａＩｎＮからなる第１障壁層ＢＬ１にＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１８６】
また、高Ｓｉ濃度の第１障壁層ＢＬ１の厚さ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。
【０１８７】
第１障壁層ＢＬ１と第２障壁層ＢＬ２とを比べた場合、第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比が高くても良い。この場合、第１障壁層ＢＬ１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ＢＬ１のＡｌ組成比は第２層１５１に対して十分低く設定される。
【０１８８】
例えば、第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比を８％以上とし、第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ１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４２と第２障壁層ＢＬ２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ＢＬ１を高温で成長することで、第１障壁層ＢＬ１を高品質結晶により成長でき、井戸層４２と、Ａｌ組成比の低い第２障壁層ＢＬ２と、を低温で成長し、例えば高Ｉｎ組成比の井戸層４２を良好な特性で成長させることができる。
【０１８９】
なお、第２障壁層ＢＬ２については、井戸層４２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。
【０１９０】
例えば、実施形態において、第１障壁層ＢＬ１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。このような構造とすると、高Ａｌ組成比の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、低Ａｌ組成比の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４２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４２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４２は井戸層４２に適した温度で成長することができる。
【０１９１】
上記のような第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を設ける構成による効率の向上は、特に、井戸層４２を複数設ける構成において、特に効果的に発揮される。
【０１９２】
また、井戸層４２を複数設ける場合において、第１障壁層ＢＬ１の構成を、その他の障壁層４１（例えば第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）の構成と異なることで、より高い効率を得ることができる。
【０１９３】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、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バンドギャップエネルギー図である。
図６（ａ）は、ＳＱＷ構造を有する半導体発光素子１０ａの例を示している。図６（ｂ）は、ＭＱＷ構造を有する例として、２つの井戸層４２を有する半導体発光素子１０ｂの例を示している。同図には、電子における価電子帯Ｖｂ(valence band)と導電帯Ｃｂ（conduction band）とが例示されている。
【０１９４】
図６（ａ）に表したように、ＳＱＷ構造の場合には、第１積層構造体２１０の側（ｎ型層の側）の第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーは、第２層１５１の側（ｐ型層の側）の第２障壁層ＢＬ２ｐのバンドギャップエネルギーと実質的に同じとしても良い。すなわち、第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２には、例えばＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。
【０１９５】
図６（ｂ）に表したように、複数の障壁層４１のうちの、第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１は、第１障壁層ＢＬ１である。第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーは、複数の障壁層４１のうちの第１障壁層ＢＬ１を除く他の障壁層４１（第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数））におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【０１９６】
特に、第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーは、複数の井戸層４２に挟まれた障壁層４１（この例では、第２障壁層ＢＬ２）のバンドギャップエネルギーよりも大きい。
【０１９７】
例えば、第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１（第１障壁層ＢＬ１）には、ＡｌＧａＩｎＮを用いる。そして、第１障壁層ＢＬ１を除く他の障壁層４１には、ＧａＮまたはＧａＩｎＮを用いる。特に、２つの井戸層４２の間に挟まれた障壁層４１（この例では、第２障壁層ＢＬ２）には、ＧａＩｎＮを用いる。
【０１９８】
これにより、２つの井戸層４２の間に挟まれた障壁層４１（この例では、第２障壁層ＢＬ２）を介して２つの井戸層４２へのホールの注入が均一に行われる。また、第１積層構造体２１０に最も近い障壁層４１（第１障壁層ＢＬ１）にＡｌＧａＩｎＮを用いた場合に発生し易くなる歪みを抑制できる。
【０１９９】
このように、第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーを、第１障壁層ＢＬ１を除く他の障壁層４１におけるバンドギャップエネルギーよりも大きく設定することで、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０によって効率が向上する効果がより効果的に発揮される。
【０２００】
図７は、第１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７に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１０ｄにおいては、第１障壁層ＢＬ１が３層構造を有している。これ以外は、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。
【０２０１】
すなわち、第１障壁層ＢＬ１は、第１層１３１と井戸層４２との間（第１積層構造体２１０と井戸層４２との間）に設けられた第１サブ層ＢＬ１ａと、第１サブ層ＢＬ１ａと井戸層４２との間に設けられた第２サブ層ＢＬ１ｂと、第１サブ層ＢＬ１ａと第１層１３１との間（第１サブ層ＢＬ１ａと第１積層構造体２１０との間）に設けられた第３サブ層ＢＬ１ｃと、を有している。
【０２０２】
第１サブ層ＢＬ１ａには、高Ａｌ組成比のＡｌＧａＮ層が用いられる。第２サブ層ＢＬ１ｂには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる、第２サブ層ＢＬ１ｂにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層ＢＬ１ａよりも低い。第３サブ層ＢＬ１ｃには、低Ａｌ組成比のＡｌＧａＩｎＮ層が用いられる。第３サブ層ＢＬ１ｃにおけるＡｌ組成比は、第１サブ層ＢＬ１ａよりも低い。
【０２０３】
第１サブ層ＢＬ１ａにおけるＡｌ組成比は、例えば１５％とされる。第１サブ層ＢＬ１ａの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第２サブ層ＢＬ１ｂにおけるＡｌ組成比は、例えば７％とされる。第２サブ層ＢＬ１ｂの厚さは、例えば５ｎｍとされる。
第３サブ層ＢＬ１ｃ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ＢＬ１ｃの厚さは、例えば２ｎｍとされる。
【０２０４】
さらに、第１サブ層ＢＬ１ａ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ＢＬ１ａの厚さは、５ｎｎｍ以上５０ｎｍ以下に設定される。また、第１サブ層ＢＬ１ａ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。
【０２０５】
また、第２サブ層ＢＬ１ｂ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ＢＬ１ｂ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ＢＬ１ｂ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ＢＬ１ｂは、必要に応じて設けられ、第２サブ層ＢＬ１ｂは、場合によっては省略しても良い。
【０２０６】
このような構成を有する第１サブ層ＢＬ１ａ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。
【０２０７】
また、第２サブ層ＢＬ１ｂ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４２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ＢＬ１ｂ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。
【０２０８】
なお、第２サブ層ＢＬ１ｂを設けない場合は、井戸層４２とバンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層（第１サブ層ＢＬ１ａ）とを互いに近接させることができ、井戸層４２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。
【０２０９】
第３サブ層ＢＬ１ｃは、第４層２０４の表面を被覆して、高品質の第１サブ層ＢＬ１ａを成長させるための保護層として機能する。第３サブ層ＢＬ１ｃは、必要に応じて設けられ、第３サブ層ＢＬ１ｃは、場合によっては省略しても良い。
【０２１０】
例えば、第３サブ層ＢＬ１ｃ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ＢＬ１ａを成長し、成長温度を下げて第２サブ層ＢＬ１ｂと、井戸層４２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４２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が得られる。
【０２１１】
図８は、第１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８に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１（及び半導体発光素子１１ａ〜１１ｃ）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。半導体発光素子１１、１１ａ〜１１ｃにおける発光部１４０は、図２（ａ）〜図２（ｄ）に例示した構成を有することができる。
【０２１２】
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。
【０２１３】
図９は、第１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９に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１２（及び半導体発光素子１２ａ〜１２ｃ）においては、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に第１金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と第１金属層４５５との間に第２金属層４６５が設けられている。
【０２１４】
図８に例示した半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ）及び図９に例示した半導体発光素子１２（１２ａ〜１２ｃ）においては、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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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に繋がっている。すなわち、開口部１３８の底部は、ｎ形コンタクト層１３０に繋がっている。
【０２１８】
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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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２積層構造体２２０、第１積層構造体２１０、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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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（厚さは例えば２μｍ）を形成し、第２バッファ層１２２となるノンドープＧａＮ層（厚さは例えば２μｍ）を形成する。
【０２２３】
なお、第１バッファ層１２１には、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ層(０．８≦α２≦１)を用いても良い。この場合において、Ａｌ組成比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。
【０２２４】
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以下で、厚さは例えば６μｍ）を形成し、さらに、第１層１３１となるＳｉドープｎ形ＧａＮ層（厚さが例えば０．５μｍ）を形成する。
【０２２５】
この後、第２積層構造体２２０と第１積層構造体２１０とを形成する。その後、発光部１４０を形成する。例えば、第１障壁層ＢＬ１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）を形成する。さらに、井戸層４２となるＧａＩｎＮ層（波長が例えば３８０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下）を形成する。さらに、第２障壁層ＢＬ２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）を形成する。
【０２２６】
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で、厚さは例えば０．０２μｍ）を形成する。さらに、ｐ形コンタクト層１５０となるＭｇドープｐ形ＧａＮ層（厚さは例えば０．２８μｍ）を形成する。
【０２２７】
例えば、ｐ形コンタクト層１５０のＭｇ濃度を、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、コンタクト層と井戸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。
【０２２８】
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、の例ついて説明する。
【０２２９】
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膜（厚さは例えば２００ｎｍ）、及び、Ｐｔ膜（厚さは例えば２ｎｍ）を連続的に形成する。リフトオフ後に、例えば、酸素雰囲気中で４００℃、１ｍｉｎ（分）のシンター処理を行う。
【０２３０】
そして、ｐ側電極１６０上に第１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。
【０２３１】
この例では、例えばＧｅからなる導電性基板４６０上に、第２金属層４６５（例えば厚さが３μｍのＡｕＳｎ半田）が形成されている。導電性基板４６０に形成された第２金属層４６５と、結晶積層体１８０に形成された第１金属層４５５と、を対向させて設置し、ＡｕＳｎの共晶点以上の温度に加熱する。加熱の温度は、例えば３００℃である。これにより、導電性基板４６０と結晶積層体１８０とが接合される。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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）のうちの、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。
【０２３４】
なお、第１バッファ層１２１にＡｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いた場合は、Ａｌ組成比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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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の形成、及び、低不純物濃度半導体層１３５への凹凸１３７ｐの形成の例について説明する。
【０２３９】
サファイアからなる基板１１０から分離された第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されることが望ましい。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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）が作製される。
【０２４２】
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。
【０２４３】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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。または、第１層１３１は、シリコンの基板１１０（シリコン基板）上に、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０．８≦ｘ３≦１）を含む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。
【０２４４】
この単結晶バッファ層には、例えば、第１バッファ層１２１が用いられる。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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
導電性基板４６０には、例えば、Ｓｉ及びＧｅなどの半導体基板、並びに、Ｃｕ及びＣｕＷなどの金属板などが用いられる。また、導電性基板４６０の少なくとも一部が導電性を有していれば良い。導電性基板４６０には、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。導電性基板４６０には、少なくとも一部が導電性を有する材料からなる基体を用いることができる。
【０２４８】
ｐ側電極１６０は、例えば、銀、または、銀の合金を含む。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。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。
【０２４９】
ｐ側電極１６０上には、拡散抑制層を設けても良い。拡散抑制層は、例えば、半田のｐ側電極１６０への拡散、または、ｐ側電極１６０に含まれる材料と半田との反応を抑制する。拡散抑制層には、銀と反応しない材料、または、銀に積極的に拡散しない材料が用いられる。この拡散抑制層は、ｐ側電極１６０と電気的に接触する。拡散抑制層には、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用いられる。
【０２５０】
さらに、拡散抑制層には、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。
【０２５１】
拡散抑制層の厚さは、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、拡散抑制層の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下の間の値に設定することができる。
【０２５２】
本実施形態に係る半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）において、特に高い発光効率を実現できる。
【０２５３】
結晶積層体１８０と導電性基板４６０とを接合するとき、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。
【０２５４】
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。
【０２５５】
本実施形態においては、発光部１４０において、高い結晶性が得られるため、結晶成長用の基板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。
【０２５６】
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４２の特性の劣化が効果的に抑制される。
【０２５７】
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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
半導体発光素子１１（１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ）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。
【０２６０】
実施形態においては、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の上に形成されている。または、第１層１３１は、シリコン基板上に形成されたＧａＮ層の上に形成され、発光部１４０は、第１層１３１の上に形成されている。そして、第２層１５１は、発光部１４０の上に形成され、上記の基板が除去されている。
【０２６１】
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、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０を適用することで、特に結晶の品質を高く維持でき、これにより、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、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０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。
【０２６２】
（第２の実施形態）
図１０は、第２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１０に表したように、本実施形態に係るウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３１と、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、第１積層構造体２１０と、第２積層構造体２２０と、を含む。発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。発光部は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。ウェーハ６０、６０ａ、６０ｂ及び６０ｃにおける、発光部１４０は、それぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に例示した構成を有する。
【０２６３】
第１積層構造体２１０は、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられる。第１積層構造体２１０は、窒化物半導体を含む複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層された、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を含む。第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄い。
【０２６４】
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。第２積層構造体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層された、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を含む。第５層２０５は、第３層の組成とは異なる組成を有する。第６層２０６のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄い。
【０２６５】
複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか一方を含み、複数の第５層２０５は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか他方を含む。例えば、複数の第３層２０３はＡｌＧａＩｎＮを含み、複数の第５層２０５はＧａＮを含む。
【０２６６】
複数の第３層２０３のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さよりも薄い。複数の第５層２０５のそれぞれの厚さは、複数の障壁層４１のそれぞれの厚さよりも薄い。
【０２６７】
ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）においては、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様の特性を有することができる。すなわち、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）により、高効率のウェーハが提供できる。
【０２６８】
なお、図１０に表したように、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、第１の実施形態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。
【０２６９】
井戸層４２は、例えば、２．５ｎｍ以上９ｎｍ以下の厚さを有する。井戸層４２は、例えば、近紫外光を放出する。井戸層４２のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２７０】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、前述の例と同様に、この波長域に限らず、種々の値とすることができる。また発光部１４０の構造は、前述種々の形態を適用することができる。
【０２７１】
また、井戸層４２は、複数設けた場合において、特に高い効率が得られる。
なお、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２の厚さと、の合計は、２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。
【０２７２】
（第３の実施形態）
本実施形態は、例えば第１の実施形態に関して説明した半導体発光素子の製造方法に係る。
【０２７３】
図１１は、第３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１１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、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）。基板１１０は、サファイア層のｃ面の主面、または、シリコンの主面を有する。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａを形成し、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂを形成する。
【０２７４】
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。
【０２７５】
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）。
ｎ形半導体層の上に、第２積層構造体２２０を形成する（ステップＳ１０４）。すなわち、窒化物半導体を含む複数の第５層２０５と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を交互に積層する。
【０２７６】
第２積層構造体２２０の上に、第１積層構造体２１０を形成する（ステップＳ１０５）。すなわち、窒化物半導体を含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３は、第５層２０５の組成とは異なる組成を有する。
【０２７７】
第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０を形成する（ステップＳ１０６）。発光部１４０は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。
【０２７８】
発光部１４０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）。
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）。
【０２７９】
上記の発光部１４０の形成は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０＜ｘ１、０≦ｙ１、ｘ１＋ｙ１＜１）を含む第１障壁層ＢＬ１を形成し、第１障壁層ＢＬ１の上に、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む井戸層４２を形成し、井戸層４２の上に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０＜ｘ２、０≦ｙ２、ｘ２＋ｙ２＜１）を含む第２障壁層ＢＬ２を形成することを含むことができる。井戸層４２の厚さは、例えば２．５ｎｍ以上９ｎｍ以下である。例えば、井戸層４２は、近紫外光を放出する。例えば、井戸層４２のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０２８０】
発光部１４０の特性と構造とは、前述の例と同様にこの波長域に限らず、種々の値と構造とすることができる。
【０２８１】
このような製造方法によれば、基板１１０の除去と、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０の形成と、を組み合わせることで、発光効率が効果的に向上できる。
【０２８２】
図１２は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法においては、例えば、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Ｓ１０１ａ）。
【０２８３】
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Ｓ１０２ａ）。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。
【０２８４】
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Ｓ１０３ａ）。
【０２８５】
そして、ｎ形半導体層の上に、第２積層構造体２２０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ１０４ａ）。すなわち、有機金属気相成長法により、窒化物半導体を含む複数の第５層２０５と、ＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を交互に積層する。
【０２８６】
第２積層構造体２２０の上に、第１積層構造体２１０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ１０５ａ）。すなわち、有機金属気相成長法により、窒化物半導体を含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３は、第５層２０５の組成とは異なる組成を有する。
【０２８７】
第１積層構造体２１０の上に、発光部１４０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ１０６ａ）。
【０２８８】
そして、発光部１４０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Ｓ１０７ａ）。
【０２８９】
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、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。
【０２９０】
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、実施形態に係るウェーハの製造方法は、図１１に例示したステップＳ１０１〜ステップＳ１０８、または、図１２に例示したステップＳ１０１ａ〜ステップＳ１０７ａ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。
【０２９１】
（第４の実施形態）
図１３は、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１３に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子２０（及び２０ａ〜２０ｃ）は、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３１と、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、積層構造体２１０ｓ（第１積層構造体２１０）と、を含む。
【０２９２】
この場合も、発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。
図２（ａ）〜図２（ｄ）に表したように、発光部１４０は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。障壁層４２は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。
【０２９３】
図１３に表したように、積層構造体２１０ｓは、第１層１３１と発光部１４０との間に設けられる。積層構造体２１０ｓは、複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層された複数の第４層２０４と、を含む。第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。複数の第４層２０４の厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄くてよい。第４層２０４は、ＧａＩｎＮを含む。
【０２９４】
そして、第３層２０３の数及び第４層２０４の数は、１０以上３０以下である。すなわち、第３層２０３と第４層２０４とのペア数ｍが、１０以上３０以下である。
【０２９５】
本願発明者は、第３層２０３の数及び第４層２０４の数ｍを変えて半導体発光素子を作製し、その特性を評価した。
【０２９６】
図１４は、第４の実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
横軸は、積層構造体２１０ｓにおけるペア数ｍである。ｍ＝０の場合は、積層構造体２１０ｓが設けられていない技術により作製された参考例の半導体発光素子９２（構造は図示しない）に相当する。縦軸は、ｐ−ＧａＮ層（ｐ形コンタクト層１５０）の表面の表面平坦度変化ΔＲＭＳ（ｎｍ）を示す。表面平坦度変化ΔＲＭＳは、積層構造体２１０ｓを設けた半導体発光素子におけるｐ形コンタクト層１５０の表面の平坦度と、参考例の半導体発光素子９２におけるｐ形コンタクト層１５０の表面の平坦度と、の差である。ΔＲＭＳが負であることは、ｐ形コンタクト層１５０の表面の平坦度が参考例の場合よりも向上していることを示す。このことは、積層構造体２１０ｓ上の発光部１４０の平坦度が、積層構造体２１０ｓを設けない場合よりも向上していることを示している。このことは、半導発光体素子の特性、均一性、及び、作製上の再現性が向上していることを示す。
【０２９７】
図１４に表したように、ペア数ｍが０の場合（積層構造体２１０ｓを設けない参考例の半導体発光素子９２の場合）は、表面の平坦度が低かった。一方、ペア数ｍが３０と大きい場合は、表面の平坦度は参考例と同様に低かった。ペア数ｍが３０以下の時、積層構造体２１０ｓの導入により、結晶表面の平坦性つまり半導体発光素子の特性向上を図ることができる。そして、ペア数ｍが１０以上２５以下のときに、表面平坦度が特に良好であった。
【０２９８】
なお、積層構造体２１０ｓと第１層１３１との間に、ＧａとＧａＩｎＮとを交互に複数回積層した第２積層構造体２２０を設けた場合は、トータルのペア数が０から５０の間で、結晶表面の平坦性が積層構造体を設けない場合よりも高かった。すなわち、積層構造体による結晶表面平坦化、及び、半導体発光素子の特性向上において、より大きな効果を得ることができた。
【０２９９】
このように、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する場合に、ペア数ｍが上昇すると共に表面平坦度が向上するが、ペア数ｍが一定の値（例えば２５）を超えると、表面平坦度が悪化することが分かった。
【０３００】
このような現象に基づいて、本実施形態に係る半導体発光素子２０、２０ａ〜２０ｃにおいては、第３層２０３と第４層２０４とのペア数ｍが、１０以上３０以下に設定される。
【０３０１】
本実施形態においては、積層構造体２１０ｓ（第１積層構造体２１０）を用いることで、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。
【０３０２】
本実施形態においても、複数の障壁層４１のうちの、第１積層構造体２１０に最も近い第１障壁層ＢＬ１におけるバンドギャップエネルギーは、複数の障壁層４１のうちの第１障壁層ＢＬ１を除く他障壁層４１（第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）（ｎは１以上の整数））におけるバンドギャップエネルギーよりも大きく設定することができる。この構成においては、第１積層構造体２１０及び第２積層構造体２２０によって効率が向上する効果がより効果的に発揮される。
【０３０３】
また、本実施形態においても、第１障壁層ＢＬ１は、図７に関して説明した第１サブ層ＢＬ１ａと、第２サブ層ＢＬ１ｂ、及び、第３サブ層ＢＬ１ｃ、を有することができる。
【０３０４】
図１５は、第４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１５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（及び半導体発光素子２１ａ〜２１ｃ）においては、導電性基板４６０、第１金属層４５５、及び、第２金属層４６５が設けられている。半導体発光素子２１、２１ａ〜２１ｃにおける発光部１４０は、図２（ａ）〜図２（ｄ）に例示した構成を有することができる。
【０３０５】
図１６は、第４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１６に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子２２（及び半導体発光素子２２ａ〜２２ｃ）においては、導電性基板４６０とｐ側電極１６０との間に第１金属層４５５が設けられ、導電性基板４６０と第１金属層４５５との間に第２金属層４６５が設けられている。
【０３０６】
図１５に例示した半導体発光素子２１（２１ａ〜２１ｃ）及び図１６に例示した半導体発光素子２２（２２ａ〜２２ｃ）においては、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（例えばノンドープのＧａＮ層）が設けられている。
【０３０７】
この場合も、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。
【０３０８】
この場合も、低不純物濃度半導体層１３５に開口部１３８が設けられる。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。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。
【０３０９】
（第５の実施形態）
図１７は、第５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１７に表したように、本実施形態に係るウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）は、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３１と、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５１と、発光部１４０と、積層構造体２１０ｓ（第１積層構造体２１０）と、を含む。発光部１４０は、第１層１３１と第２層１５１との間に設けられる。発光部は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。ウェーハ７０、７０ａ、７０ｂ及び７０ｃにおける、発光部１４０は、それぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に例示した構成を有する。
【０３１０】
積層構造体２１０ｓは、第１層２０１と発光部１４０との間に設けられる。積層構造体２１０ｓは、複数の第３層２０３と、複数の第３層２０３と交互に積層された複数の第４層２０４と、を含む。複数の第３層２０３は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。複数の第４層２０４のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄い。第４層２０４は、ＧａＩｎＮを含む。
【０３１１】
そして、第３層２０３の数及び第４層２０４の数（ペア数）は、１０以上３０以下である。
【０３１２】
ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）においては、第４の実施形態に係る半導体発光素子と同様の特性を有することができる。すなわち、ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）により、高効率のウェーハが提供できる。
【０３１３】
なお、図１７に表したように、ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）は、第４の実施形態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。
【０３１４】
井戸層４２は、例えば、２．５ｎｍ以上９ｎｍ以下の厚さを有する。井戸層４２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。井戸層４２は、近紫外光を放出する。井戸層４２のピーク波長は、例えば３８０ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。
【０３１５】
本実施形態において、井戸層４２の波長域は、この範囲に限らず、本実施形態の構成は、これまでの実施形態において説明したように、幅広い波長域に適用可能である。
【０３１６】
また、井戸層４２は、複数設けた場合において、特に高い効率が得られる。
なお、複数の第４層２０４の合計の厚さと、井戸層４２の厚さと、の合計は、２５ｎｍ以上４５ｎｍ以下とすることができる。
【０３１７】
ウェーハ７０（７０ａ〜７０ｃ）において、発光部１４０の構造（例えば障壁層４１及び井戸層４２の厚さなどを含む）には、既に説明した実施形態と同様に、種々の構造を適用できる。
【０３１８】
（第６の実施形態）
本実施形態は、例えば第４の実施形態に関して説明した半導体発光素子の製造方法に係る。
図１８は、第６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１８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、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Ｓ２０１）。基板１１０は、サファイア層のｃ面の主面、または、シリコンの主面を有する。例えば、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａを形成し、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂを形成する。
【０３１９】
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。
【０３２０】
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Ｓ２０３）。
【０３２１】
ｎ形半導体層の上に、積層構造体２１０ｓを形成する（ステップＳ２０５）。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３と、複数の第４層２０４と、の数（ペア数ｍ）は、１０以上３０以下である。
【０３２２】
積層構造体２１０ｓの上に、発光部１４０を形成する（ステップＳ２０６）。発光部１４０は、複数の障壁層４１と、複数の障壁層４１の間に設けられた井戸層４２と、を含む。井戸層４２は、第３層２０３の厚さよりも薄い厚さを有する。
【０３２３】
発光部１４０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Ｓ２０７）。
ｐ形半導体層の形成の後に、基板１１０を除去する（ステップＳ２０８）。
【０３２４】
図１９は、第６の実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１９に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の別の製造方法においては、例えば、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Ｓ２０１ａ）。
【０３２５】
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Ｓ２０２ａ）。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。
【０３２６】
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Ｓ２０３ａ）。
【０３２７】
そして、ｎ形半導体層の上に、積層構造体２１０ｓを有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０５ａ）。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層する。第３層２０３と、複数の第４層２０４と、の数（ペア数ｍ）は、１０以上３０以上である。
【０３２８】
積層構造体２１０ｓの上に、発光部１４０を有機金属気相成長法により形成する（ステップＳ２０６ａ）。
【０３２９】
そして、発光部１４０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Ｓ２０７ａ）。
【０３３０】
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、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。
【０３３１】
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、本実施形態に係るウェーハの製造方法は、図１８に例示したステップＳ２０１〜ステップＳ２０８、または、図１９に例示したステップＳ２０１ａ〜ステップＳ２０７ａ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。
【０３３２】
実施形態によれば、高効率の半導体発光素子、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が提供できる。
【０３３３】
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、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素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。
【０３３４】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
【０３３５】
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、本発明の実施形態は、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に関しては、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。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【０３３８】
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。
【０３３９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０３４０】
１０、１０ａ〜１０ｃ、１１、１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ、１５、２０、２０ａ〜２０ｃ、２１、２１ａ〜２１ｃ、２２、２２ａ〜２２、９１ 半導体発光素子、 ４１…障壁層、 ４２…井戸層、 ６０、７０…ウェーハ、 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、 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、 １８１…中間層、 ２０３〜２０６…第３層〜第６層、 ２１０…第１積層構造体、 ２１０ｓ…積層構造体、 ２２０…第２積層構造体、 ４５５…第１金属層、 ４６０…導電性基板、 ４６５…第２金属層、 ５０１…ｎ−ＧａＮ層、 ５０２…スーパーラティス層、 ５０３…Ｗ発光層、 ５０４…ｐ−ＡｌＧａＮ層、 ５０５…ｐ−ＧａＮ層、 ５０６…半導体層、 ５０７…ｐ−電極層、 ５０８…電極取り出し穴、 ５０９…絶縁層、 ５１０…ｎ−電極、 ５１１…導電性基板、 ５１２…ｐ−電極、 ＢＬ１…第１障壁層、 ＢＬ１ａ…第１サブ層、 ＢＬ１ｂ…第２サブ層、 ＢＬ１ｃ…第３サブ層、 ＢＬ２…第２障壁層、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１…第１井戸層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、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た第１積層構造体であって、
窒化物半導体を含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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た第２積層構造体であって、
前記第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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】
前記複数の第３層は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか一方を含み、
前記複数の第５層は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか他方を含む、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記複数の第３層は、ＡｌＧａＩｎＮを含み、前記複数の第３層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のいずれかの厚さよりも薄く、
前記複数の第５層は、ＧａＮを含み、前記複数の第５層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のいずれかの厚さよりも薄い、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記複数の障壁層のうちで前記第１積層構造体に最も近い第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、前記第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低く、
前記第１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１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、
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た第１積層構造体であって、
ＡｌＧａＮ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、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含み、前記第３層の数及び前記第４層の数は、１０以上３０以下である第１積層構造体と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項６】
前記複数の障壁層のうちの、前記第１積層構造体に最も近い第１障壁層におけるバンドギャップエネルギーは、前記複数の障壁層のうちの前記第１障壁層を除く他障壁層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい、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積層構造体の発光相当波長は、３７０ナノメートル以上３８０ナノメートル以下である、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】
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１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、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た第１積層構造体であって、
窒化物半導体を含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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た第２積層構造体であって、
前記第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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１０】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、
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た第１積層構造体であって、
ＡｌＧａＮ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、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含み、前記第３層の数及び前記第４層の数は、１０以上３０以下である第１積層構造体と、
を備えたウェーハ。
【請求項１１】
サファイア層のｃ面の主面、または、シリコンの主面を有する基板上に、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、窒化物半導体を含む複数の第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、前記第５層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第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、障壁層と井戸層と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１２】
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、窒化物半導体を含む複数の第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、前記第５層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第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、障壁層と井戸層と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１３】
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、窒化物半導体を含む複数の第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、前記第５層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第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、障壁層と井戸層と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】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、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た第１積層構造体であって、
窒化物半導体を含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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た第２積層構造体であって、
前記第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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】
前記複数の第３層は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか一方を含み、
前記複数の第５層は、ＡｌＧａＩｎＮ及びＧａＮのいずれか他方を含む、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記複数の第３層は、ＡｌＧａＩｎＮを含み、前記複数の第３層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のいずれかの厚さよりも薄く、
前記複数の第５層は、ＧａＮを含み、前記複数の第５層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のいずれかの厚さよりも薄い、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記複数の障壁層のうちで前記第１積層構造体に最も近い第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、前記第１積層構造体におけるＳｉ濃度よりも低く、
前記第１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１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、
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た第１積層構造体であって、
ＡｌＧａＮ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、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含み、前記第３層の数及び前記第４層の数は、１０以上３０以下である第１積層構造体と、
を備えた半導体発光素子。
【請求項６】
前記複数の障壁層のうちの、前記第１積層構造体に最も近い第１障壁層におけるバンドギャップエネルギーは、前記複数の障壁層のうちの前記第１障壁層を除く他障壁層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい、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積層構造体の発光相当波長は、３７０ナノメートル以上３８０ナノメートル以下である、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】
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１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項９】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、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た第１積層構造体であって、
窒化物半導体を含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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た第２積層構造体であって、
前記第３層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第５層と、
前記複数の第５層と交互に積層され、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄い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１０】
窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
窒化物半導体を含むｐ形の第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、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、
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た第１積層構造体であって、
ＡｌＧａＮ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、それぞれの厚さが前記井戸層の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含み、前記第３層の数及び前記第４層の数は、１０以上３０以下である第１積層構造体と、
を備えたウェーハ。
【請求項１１】
サファイア層のｃ面の主面、または、シリコンの主面を有する基板上に、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、窒化物半導体を含む複数の第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、前記第５層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第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、障壁層と井戸層と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１２】
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、窒化物半導体を含む複数の第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、前記第５層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第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、障壁層と井戸層と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１３】
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、窒化物半導体を含む複数の第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、前記第５層の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む複数の第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、障壁層と井戸層と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１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−６５６３０（Ｐ２０１３−６５６３０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２３１９（Ｐ２０１１−２０２３１９）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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