半導体発光素子及びウェーハ
【課題】高効率の半導体素子及びウェーハを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、バッファ層と、下地層と、第１半導体層と、発光部と、第２半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。バッファ層は、サファイアまたはシリコンの基板上で形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含む。下地層は、バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下であり、窒化物半導体を含む。第１半導体層は、下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形である。発光部は、第１半導体層の上に設けられ、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含む。井戸層のＩｎ組成比は障壁層よりも高い。複数の井戸層のそれぞれの厚さは、複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い。第２半導体層は、発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み第２導電形である。
【解決手段】実施形態によれば、バッファ層と、下地層と、第１半導体層と、発光部と、第２半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。バッファ層は、サファイアまたはシリコンの基板上で形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含む。下地層は、バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下であり、窒化物半導体を含む。第１半導体層は、下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形である。発光部は、第１半導体層の上に設けられ、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含む。井戸層のＩｎ組成比は障壁層よりも高い。複数の井戸層のそれぞれの厚さは、複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い。第２半導体層は、発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み第２導電形である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子及びウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、高輝度の紫外、青色及び緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や、紫外、青色及び緑色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などに応用されている。
このような半導体発光素子において発光効率を向上することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５９８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子及びウェーハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、バッファ層と、下地層と、第１半導体層と、発光部と、第２半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記バッファ層は、サファイアまたはシリコンの基板上で形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含む。前記下地層は、前記バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下であり、窒化物半導体を含む。前記第１半導体層は、前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形である。前記発光部は、前記第１半導体層の上に設けられる。前記発光部は、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含む。前記井戸層は、前記障壁層におけるＩｎ組成比よりも高いＩｎ組成比を有する。前記複数の井戸層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い。前記第２半導体層は、前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み前記第１導電形とは異なる第２導電形である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【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】第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子の構成を例示するエネルギーバンド図である。
【図４】半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示す顕微鏡写真像である。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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。
【０００８】
（第１の実施形態）
本実施形態は、ＬＥＤ及びＬＤなどの半導体発光素子に係る。以下では、本実施形態に係る半導体発光素子の１つの例として、ＬＥＤについて説明する。
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１１０は、下地層６０と、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、を備える。
【０００９】
下地層６０は、下面６０ｌと、上面６０ｕと、を有する。上面６０ｕは、下面とは反対側の面である。下地層６０は、窒化物半導体を含む。
【００１０】
第１半導体層１０は、下地層６０の上面６０ｕ上に設けられる。第１半導体層１０は、窒化物半導体を含む。第１半導体層１０は、第１導電形である。
【００１１】
発光部３０は、第１半導体層１０の上に設けられる。発光部３０の例については後述する。
【００１２】
第２半導体層２０は、発光部３０の上に設けられる。第２半導体層２０は、窒化物半導体を含む。第２半導体層２０は、第２導電形である。第２導電形は、第１導電形とは異なる。
【００１３】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。ただし、実施形態はこれに限らず、第１導電形がｐ形で、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形で、第２導電形がｐ形である場合として説明する。
【００１４】
ここで、下地層６０の下面６０ｌ（または上面６０ｕ）に垂直な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。下地層６０から第１半導体層１０に向かう方向が上方向に対応する。Ｚ軸は、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０を含む積層構造体１０ｓの積層方向に対して平行である。
【００１５】
本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。
【００１６】
この例では、半導体発光素子１１０は、基板５０をさらに備える。基板５０には、例えば、サファイア基板（例えばｃ面サファイア基板）が用いられる。基板５０には、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＳｉなどの基板を用いても良い。
【００１７】
下地層６０には、例えば、ＧａＮ層が用いられる。下地層６０の不純物濃度は、第１半導体層１０における不純物濃度よりも低い。下地層６０には、例えばアンドープのＧａＮ層が用いられる。下地層６０の厚さは、例えば、約３マイクロメートル（μｍ）である。下地層６０の転位密度は、５×１０８ｃｍ−２以下である。下地層６０の転位密度は、４×１０８ｃｍ−２以下であることがさらに好ましい。
【００１８】
積層構造体１０ｓは、バッファ層５５をさらに含むことができる。バッファ層５５は、基板５０と下地層６０との間に設けられる。バッファ層５５には、例えば、アンドープのＧａＮ層が用いられる。バッファ層５５には、例えば、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含む。バッファ層５５の厚さは、例えば、２０ナノメートル（ｎｍ）以上５０ｎｍ以下である。
【００１９】
基板５０の上に、バッファ層５５が形成され、その上に、下地層６０、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０がこの順に形成される。基板５０の上に積層構造体１０ｓを形成した後に、基板５０が除去されても良い。この除去の際に、バッファ層５５の少なくとも一部及び下地層６０の少なくとも一部が除去されても良い。
【００２０】
下地層６０は、例えば、下面６０ｌに設けられた凹凸６１を有する。例えば、基板５０の主面に凹凸が設けられ、その上に上記のようにバッファ層５５及び下地層６０を形成することで、下地層６０の下面６０ｌに凹凸６１が形成される。下地層６０の凹凸６０ｄの凹部は、基板５０の凹凸の凸部に対向する。下地層６０の凹凸６０ｄの凸部は、基板５０の凹凸の凹部に対向する。下地層６０の凹凸６０ｄは、基板５０の凹凸形状に沿う。基板５０の凹凸は、例えば複数の凸部を有する。複数の凸部のそれぞれは、例えば、直径が３μｍで、高さが１μｍの円柱状（または円錐台状）である。複数の凸部の配設ピッチは、例えば５μｍである。
【００２１】
基板５０の凹凸、及び、下地層６０の凹凸６０ｄは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００２２】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ形不純物が添加される。ｎ形不純物には、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳｎなどが用いられる。以下では、Ｓｉを用いる場合として説明する。第１半導体層には、Ｓｉが添加されたＧａＮ層が用いられる。Ｓｉのドープ量は、例えば、約５×１０１８ｃｍ−３である。第１半導体層１０の厚さは、例えば約５μｍである。第１半導体層１０の少なくとも一部は、ｎ形クラッド層として機能する。
【００２３】
第２半導体層２０は、第１ｐ形層２１と、第２ｐ形層２２と、第３ｐ形層２３と、第４ｐ形層２４と、を含む。第１ｐ形層２１と第１半導体層１０との間に発光部３０が設けられる。第２ｐ形層２２は、第１ｐ形層２１と発光部３０との間に設けられる。第３ｐ形層２３は、第２ｐ形層２２と発光部３０との間に設けられる。第４ｐ形層２４は、第３ｐ形層２３と発光部３０との間に設けられる。第１ｐ形層２１、第２ｐ形層２２、第３ｐ形層２３及び第４ｐ形層２４には、ｐ形不純物が添加される、ｐ形不純物には、例えばＭｇ及びＺｎなどが用いられる。以下では、Ｍｇを用いる場合として説明する。
【００２４】
第４ｐ形層２４には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第４ｐ形層４は、例えば第１のガイド層として機能する。第４ｐ形層２４の厚さは、例えば３０ｎｍである。第４ｐ形層２４におけるＭｇの濃度は、例えば、約４×１０１８ｃｍ−３である。第４ｐ形層２４としてｐ形ＧａＮ層を用いる場合の第４ｐ形層２４の形成温度は、例えば、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００２５】
また、第４ｐ形層２４として、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層（例えば厚さが３０ｎｍ）を用いても良い。この場合の第４ｐ形層２４の形成温度は、例えば、７００℃以上８００℃以下である。
【００２６】
第３ｐ形層２３には、例えばｐ形Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎ層が用いられる。第３ｐ形層２３は、例えば、電子オーバーフロー防止（抑制）層として機能する。第３ｐ形層２３の厚さは、例えば、約１０ｎｍである。第３ｐ形層２３におけるＭｇ濃度は、例えば、約４×１０１８ｃｍ−３に設定される。
【００２７】
第２ｐ形層２２には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第２ｐ形層２２は、第２のガイド層として機能する。第２ｐ形層２２の厚さは、例えば、約５０ｎｍである。第２ｐ形層２２におけるＭｇ濃度は、例えば、約１×１０１９ｃｍ−３である。
【００２８】
第１ｐ形層２１には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１は、ｐ側コンタクト層として機能する。第１ｐ形層２１の厚さは、例えば、約６０ｎｍである。第１ｐ形層２１には、第２ｐ形層２２におけるＭｇ濃度よりも高い濃度でＭｇが添加される。第１ｐ形層２１におけるＭｇ濃度は、例えば、約１×１０２０ｃｍ−３に設定される。
【００２９】
図１に例示したように、この例では、半導体発光素子１１０は、多層構造体４０をさらに備えている。多層構造体４０は、第１半導体層１０と発光部３０との間に設けられる。多層構造体４０は、Ｚ軸に沿って交互に設けられた複数の第１層（図示しない）と複数の第２層（図示しない）とを含む。第１層には、例えば、厚さが３ｎｍのＧａＮ層が用いられる。第２層には、例えば厚さが１ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層が用いられる。第１層と第２層との積層数は、例えば３０ペアである。多層構造体４０は、例えば超格子層である。
【００３０】
半導体発光素子１１０は、第１電極７０と、第２電極８０と、ｐ側パッド層８１と、をさらに備えることができる。第１電極７０は、第１半導体層１０に電気的に接続されている。第２電極８０は、第２半導体層２０に電気的に接続される。ｐ側パッド層８１は、第２電極８０の上に設けられる。
【００３１】
第１電極７０には、例えば、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜が用いられる。Ｔｉ膜の厚さは、例えば、０．０５μｍである。Ｐｔ膜の厚さは、例えば０．０５μｍである。Ａｕ膜の厚さは、例えば１．０μｍである。
【００３２】
第２電極８０には、例えば、例えば酸化インジウム（ＩＴＯ）膜が用いられる。第２電極８０の厚さは、例えば０．２μｍである。
【００３３】
ｐ側パッド層８１には、例えばＡｕ膜が用いられる。ｐ側パッド層８１の厚さは、例えば１．０μｍである。
【００３４】
この例では、積層構造体１０ｓは、第２半導体層２０の側の主面において、第１半導体層１０の一部、及び、第２半導体層２０と、が露出している。第１電極７０及び第２電極８０とは、この主面の側において、第１半導体層１０及び第２半導体層２０のそれぞれに接続される。
【００３５】
第１電極７０と第２電極８０との間に電圧を印加することで、第１半導体層１０及び第２半導体層２０を介して発光部３０に電流が供給され、発光部３０から光が放出される。
【００３６】
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、発光部３０は、複数の井戸層３２と、複数の井戸層３２どうしの間に設けられた障壁層３１と、を含む。すなわち、複数の井戸層３２と、複数の障壁層３１と、がＺ軸に沿って交互に積層される。
【００３７】
井戸層３２は、複数の障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。井戸層３２は、複数の障壁層３１の厚さよりも厚い。
【００３８】
井戸層３２は、例えば、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。障壁層３１は、例えば、ＧａＮを含む。すなわち、障壁層３１はＩｎを実質的に含まない。また、障壁層３１がＩｎを含む場合は、障壁層３１におけるＩｎ組成比は、井戸層３２におけるＩｎ組成比よりも低い。
【００３９】
発光部３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構成を有することができる。このとき、発光部３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む。
【００４０】
発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層３１と、ｎ個の井戸層３２と、を含む（ｎは、２以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２半導体層２０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半導体層２０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１半導体層１０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半導体層２０との間に設けられる。
【００４１】
発光部３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば４００ナノメートル（ｎｍ）以上６５０ｎｍ以下である。
【００４２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子の構成を例示するエネルギーバンド図である。
図３（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０のエネルギーバンドを例示し、図３（ｂ）は、第１参考例の半導体発光素子１９１のエネルギーバンドを例示している。これらの図には、価電子帯ＶＢと伝導帯ＣＢとが例示されている。横軸はＺ軸方向に沿う位置に対応し、縦軸は電子のエネルギーＥｇに対応する。
【００４３】
図３（ｂ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、井戸層３２の厚さは、障壁層３１の厚さよりも薄い。
【００４４】
これに対して、図３（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、井戸層３２の厚さは、障壁層３１の厚さよりも厚い。
【００４５】
以下、半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１９１を実際に作製してそれぞれの特性を評価した結果について説明する。以下、半導体発光素子１１０の作製方法について説明する。以下の作製方法は、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の１つに例である。
【００４６】
サファイアからなる基板５０の上に、積層構造体１０ｓを形成した。積層構造体１０ｓの形成には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いた。この他、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により結晶成長を行っても良い。
【００４７】
すなわち、まず、基板５０の上に、バッファ層５５を形成した。具体的には、バッファ層５５となる、Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ｎ層（約３０ｎｍ）を、０．１μｍ／時（μｍ／ｈ）以下の速度（すなわち堆積レート）で堆積した。この例では、バッファ層５５の結晶成長の温度（基板５０の温度）は、約５００℃である、バッファ層５５の形成温度は、例えば８００℃よりも低く、例えば６００℃程度以下であることが好ましい。バッファ層５５は、低温成長バッファ層である。
【００４８】
そして、バッファ層５５の上に、下地層６０、第１半導体層１０及び発光部３０及び第２半導体層２０を順次形成した。これらの窒化物半導体層の形成温度は、バッファ層５５の形成温度よりも高い。
【００４９】
具体的には、バッファ層５５の上に、下地層６０となるアンドープのＧａＮ層を、８００℃で形成した。
【００５０】
さらに、下地層６０の上に、第１半導体層１０となるＳｉドープＧａＮ層を形成した。第１半導体層１０の形成温度は、１１００℃である。
【００５１】
第１半導体層１０の上に、多層構造体４０として、第１層（厚さ３ｎｍのＧａＮ層）と第２層（厚さ１ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層）とのペアを、計３０ペア積層させた。この時の形成温度は、７００℃以上８００℃以下である。
【００５２】
多層構造体４０の上に発光部３０として、複数の障壁層３１と複数の井戸層３２とを交互に形成した。すなわち、障壁層３１となるＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）と、井戸層３２となるアンドープのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ３．５ｎｍ）と、を交互に積層した。井戸層３２の数は、８である。障壁層３１及び井戸層３２の形成温度は、約７００℃以上８００℃以下である。
【００５３】
これにより、室温におけるフォトルミネッセンスのピーク波長が４５０ｎｍになる発光部３０が形成される。
【００５４】
発光部３０の上に、第４ｐ形層２４となるｐ形ＧａＮ層（厚さ約３０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５５】
第４ｐ形層２４の上に、第３ｐ形層２３となるＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎ層（厚さ約１０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５６】
第３ｐ形層２３の上に第２ｐ形層となるｐ形ＧａＮ層（厚さ約５０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５７】
第２ｐ形層２２の上に、第１ｐ形層２１となるｐ形ＧａＮ層（厚さ約６０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５８】
この後、第１電極７０、第２電極８０及びｐ側パッド層８１を形成することで半導体発光素子１１０が作製される。
【００５９】
一方、第１参考例においては、発光部３０の形成において、障壁層３１の厚さを約５ｎｎｍとする以外は、上記と同様のプロセスを実施した。これにより、半導体発光素子１９１が作製される。すなわち、半導体発光素子１９１においては、障壁層３１は、厚さが５ｎｍのＧａＮ層であり、井戸層３２は、厚さが３．５ｎｍのアンドープのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層である。
【００６０】
図４は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０と第１参考例の半導体発光素子１９１の特性の測定結果を示している。横軸は、供給される電流Ｉｄであり、縦軸は発光効率Ｅｆｆである。
【００６１】
図４から分かるように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、電流Ｉｄが約２０ｍＡでは発光効率Ｅｆｆが高いが、電流Ｉｄが大きくなると発光効率Ｅｆｆは著しく低下する。
【００６２】
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、電流Ｉｄが約２０ｍＡよりも大きいときにも高い発光効率Ｅｆｆを維持している。そして、電流Ｉｄが約５０ｍＡ以上の領域においては、半導体発光素子１９１よりも高い発光効率Ｅｆｆが得られる。
【００６３】
このように、半導体発光素子１１０において、特に大電流領域で高い発光効率Ｅｆｆが得られる。これは、障壁層３１の厚さを井戸層３２よりも薄くすることで、発光部３０の複数の井戸層３２のうちの第１半導体層１０の側の井戸層３２にも、正孔が十分に注入されたことが原因であると考えられる。
【００６４】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示する顕微鏡写真像である。 図５（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０における下地層６０の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）像である。図５（ｂ）は、第２参考例の半導体発光素子１９２（図示せず）における下地層６０の断面ＴＥＭ像である。
【００６５】
第２参考例の半導体発光素子１９２においては、バッファ層５５の形成条件が半導体発光素子１１０とは異なる。すなわち、半導体発光素子１９２においては、基板５０の上に、バッファ層５５となる、Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ｎ層（約３０ｎｍ）を、０．２５μｍ／ｈの堆積レートで堆積した。この時のバッファ層５５の結晶成長の温度は、約５００℃であり、半導体発光素子１１０と同様である。これ以外の条件（下地層６０、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０など）は、半導体発光素子１１０と同様である。
【００６６】
例えば、半導体発光素子１９２の発光部３０においては、障壁層３１は、ＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）であり、井戸層３２は、アンドープのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ３．５ｎｍ）であり、井戸層３２の厚さは、障壁層３１の厚さよりも厚い。
【００６７】
図５（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０の下地層６０においては転位Ｄｓは少ない。半導体発光素子１１０の下地層６０の転位密度は、約４×１０８ｃｍ−２であった。
【００６８】
図５（ｂ）に表したように、第２比較例の半導体発光素子１９２の下地層６０おいては転位Ｄｓが非常に多い。半導体発光素子１９２の下地層６０の転位密度は、約１×１０９ｃｍ−２であった。
【００６９】
このように、実施形態においては、転位密度が第２比較例に比べて半分以下に少なくなっている。このような違いは、上記のバッファ層５５の形成条件の違いが影響している。
【００７０】
転位密度が高い第２参考例の半導体発光素子１９２においては、発光効率Ｅｆｆは低い。これは、下地層６０の転位密度が高いため、発光部３０の品質が低いためである。すなわち、下地層６０における転位密度が高い状態において、井戸層３２の厚さを障壁層３１の厚さよりも厚くすると、発光部３０における結晶性が低下する。
【００７１】
このため、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、井戸層３２の厚さを障壁層３１の厚さよりも厚くするためには、下地層６０における転位密度を低く設定することが必要である。
【００７２】
実施形態においては、下地層６０における転位密度は、５×１０８ｃｍ−２以下に設定される。これにより、井戸層３２の厚さを障壁層３１の厚さよりも厚く設定しても良好な結晶性が維持でき、高い発光効率Ｅｆｆが得られる。実施形態において、下地層６０における転位密度は、４×１０８ｃｍ−２以下であることがさらに好ましい。
【００７３】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、転位密度が低い下地層６０と、障壁層３１よりも厚い井戸層３２と、を組み合わせる。これにより、例えば、第２半導体層２０から井戸層３２への正孔の注入効率が高まり、高電流密度領域であっても高い量子効率が得られる。これにより、高い発光効率が得られる。
【００７４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、ＬＥＤ及びＬＤなどの半導体発光素子のためのウェーハに係る。
図６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６に表したように、本実施形態に係るウェーハ１２０は、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の窒化物半導体を含む下地層６０と、下地層６０の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層１０と、第１半導体層１０の上に設けられ、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１どうしの間に設けられ、複数の障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、複数の障壁層３１の厚さよりも厚い井戸層３２と、を含む発光部３０と、発光部３０の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層２０と、を備える。
【００７５】
本実施形態において、下地層６０、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０には、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
【００７６】
本実施形態に係るウェーハ１２０によれば、高い結晶性を維持しつつ、第２半導体層２０から井戸層３２への正孔の注入効率が高まり、高電流密度領域であっても高い量子効率を得る半導体発光素子が得られる。これにより、高い発光効率が得られる。
【００７７】
本実施形態において、ウェーハ１２０は、下地層６０の第１半導体層１０とは反対側に設けられた基板５０をさらに備えることができる。基板５０には、凹凸を設けることができ、これにより、下地層６０が凹凸６１を有していても良い。
【００７８】
実施形態によれば、高効率の半導体素子及びウェーハが提供できる。
【００７９】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、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。
【００８０】
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。
【００８１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子及びウェーハに含まれる半導体層、発光部、下地層、バッファ層、基板及び電極など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。
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。
【００８２】
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及びウェーハを基にして、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及びウェーハも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００８３】
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。
【００８４】
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】
【００８５】
１０…第１半導体層、 １０ｓ…積層構造体、 ２０…第２半導体層、 ２１…第１ｐ側層、 ２２…第２ｐ側層、 ２３…第３ｐ側層、 ２４…第４ｐ側層、 ３０…発光層、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…多層構造体、 ５０…基板、 ５５…バッファ層、 ６０…下地層、 ６０ｄ…凹凸、 ６０ｌ…下面、 ６０ｕ…上面、 ６１…凹凸、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 ８１…ｐ側パッド層、 １１０、１９１、１９２…半導体発光素子、 １２０…ウェーハ、 ＢＬ、ＢＬｉ…障壁層、 ＣＢ…伝導帯、 Ｄｓ…転位、 Ｅｆｆ…発光効率、 Ｅｇ…エネルギー、 Ｉｄ…電流、 ＶＢ…価電子帯、 ＷＬ、ＷＬｉ…井戸層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子及びウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）などの窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、高輝度の紫外、青色及び緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や、紫外、青色及び緑色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などに応用されている。
このような半導体発光素子において発光効率を向上することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２５９８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高効率の半導体発光素子及びウェーハを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、バッファ層と、下地層と、第１半導体層と、発光部と、第２半導体層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記バッファ層は、サファイアまたはシリコンの基板上で形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含む。前記下地層は、前記バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下であり、窒化物半導体を含む。前記第１半導体層は、前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形である。前記発光部は、前記第１半導体層の上に設けられる。前記発光部は、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含む。前記井戸層は、前記障壁層におけるＩｎ組成比よりも高いＩｎ組成比を有する。前記複数の井戸層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い。前記第２半導体層は、前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み前記第１導電形とは異なる第２導電形である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【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】第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子の構成を例示するエネルギーバンド図である。
【図４】半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示す顕微鏡写真像である。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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。
【０００８】
（第１の実施形態）
本実施形態は、ＬＥＤ及びＬＤなどの半導体発光素子に係る。以下では、本実施形態に係る半導体発光素子の１つの例として、ＬＥＤについて説明する。
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１１０は、下地層６０と、第１半導体層１０と、第２半導体層２０と、発光部３０と、を備える。
【０００９】
下地層６０は、下面６０ｌと、上面６０ｕと、を有する。上面６０ｕは、下面とは反対側の面である。下地層６０は、窒化物半導体を含む。
【００１０】
第１半導体層１０は、下地層６０の上面６０ｕ上に設けられる。第１半導体層１０は、窒化物半導体を含む。第１半導体層１０は、第１導電形である。
【００１１】
発光部３０は、第１半導体層１０の上に設けられる。発光部３０の例については後述する。
【００１２】
第２半導体層２０は、発光部３０の上に設けられる。第２半導体層２０は、窒化物半導体を含む。第２半導体層２０は、第２導電形である。第２導電形は、第１導電形とは異なる。
【００１３】
例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。ただし、実施形態はこれに限らず、第１導電形がｐ形で、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形で、第２導電形がｐ形である場合として説明する。
【００１４】
ここで、下地層６０の下面６０ｌ（または上面６０ｕ）に垂直な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。下地層６０から第１半導体層１０に向かう方向が上方向に対応する。Ｚ軸は、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０を含む積層構造体１０ｓの積層方向に対して平行である。
【００１５】
本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。
【００１６】
この例では、半導体発光素子１１０は、基板５０をさらに備える。基板５０には、例えば、サファイア基板（例えばｃ面サファイア基板）が用いられる。基板５０には、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＳｉなどの基板を用いても良い。
【００１７】
下地層６０には、例えば、ＧａＮ層が用いられる。下地層６０の不純物濃度は、第１半導体層１０における不純物濃度よりも低い。下地層６０には、例えばアンドープのＧａＮ層が用いられる。下地層６０の厚さは、例えば、約３マイクロメートル（μｍ）である。下地層６０の転位密度は、５×１０８ｃｍ−２以下である。下地層６０の転位密度は、４×１０８ｃｍ−２以下であることがさらに好ましい。
【００１８】
積層構造体１０ｓは、バッファ層５５をさらに含むことができる。バッファ層５５は、基板５０と下地層６０との間に設けられる。バッファ層５５には、例えば、アンドープのＧａＮ層が用いられる。バッファ層５５には、例えば、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含む。バッファ層５５の厚さは、例えば、２０ナノメートル（ｎｍ）以上５０ｎｍ以下である。
【００１９】
基板５０の上に、バッファ層５５が形成され、その上に、下地層６０、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０がこの順に形成される。基板５０の上に積層構造体１０ｓを形成した後に、基板５０が除去されても良い。この除去の際に、バッファ層５５の少なくとも一部及び下地層６０の少なくとも一部が除去されても良い。
【００２０】
下地層６０は、例えば、下面６０ｌに設けられた凹凸６１を有する。例えば、基板５０の主面に凹凸が設けられ、その上に上記のようにバッファ層５５及び下地層６０を形成することで、下地層６０の下面６０ｌに凹凸６１が形成される。下地層６０の凹凸６０ｄの凹部は、基板５０の凹凸の凸部に対向する。下地層６０の凹凸６０ｄの凸部は、基板５０の凹凸の凹部に対向する。下地層６０の凹凸６０ｄは、基板５０の凹凸形状に沿う。基板５０の凹凸は、例えば複数の凸部を有する。複数の凸部のそれぞれは、例えば、直径が３μｍで、高さが１μｍの円柱状（または円錐台状）である。複数の凸部の配設ピッチは、例えば５μｍである。
【００２１】
基板５０の凹凸、及び、下地層６０の凹凸６０ｄは、必要に応じて設けられ、省略しても良い。
【００２２】
第１半導体層１０には、例えば、ｎ形不純物が添加される。ｎ形不純物には、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、及びＳｎなどが用いられる。以下では、Ｓｉを用いる場合として説明する。第１半導体層には、Ｓｉが添加されたＧａＮ層が用いられる。Ｓｉのドープ量は、例えば、約５×１０１８ｃｍ−３である。第１半導体層１０の厚さは、例えば約５μｍである。第１半導体層１０の少なくとも一部は、ｎ形クラッド層として機能する。
【００２３】
第２半導体層２０は、第１ｐ形層２１と、第２ｐ形層２２と、第３ｐ形層２３と、第４ｐ形層２４と、を含む。第１ｐ形層２１と第１半導体層１０との間に発光部３０が設けられる。第２ｐ形層２２は、第１ｐ形層２１と発光部３０との間に設けられる。第３ｐ形層２３は、第２ｐ形層２２と発光部３０との間に設けられる。第４ｐ形層２４は、第３ｐ形層２３と発光部３０との間に設けられる。第１ｐ形層２１、第２ｐ形層２２、第３ｐ形層２３及び第４ｐ形層２４には、ｐ形不純物が添加される、ｐ形不純物には、例えばＭｇ及びＺｎなどが用いられる。以下では、Ｍｇを用いる場合として説明する。
【００２４】
第４ｐ形層２４には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第４ｐ形層４は、例えば第１のガイド層として機能する。第４ｐ形層２４の厚さは、例えば３０ｎｍである。第４ｐ形層２４におけるＭｇの濃度は、例えば、約４×１０１８ｃｍ−３である。第４ｐ形層２４としてｐ形ＧａＮ層を用いる場合の第４ｐ形層２４の形成温度は、例えば、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００２５】
また、第４ｐ形層２４として、Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ層（例えば厚さが３０ｎｍ）を用いても良い。この場合の第４ｐ形層２４の形成温度は、例えば、７００℃以上８００℃以下である。
【００２６】
第３ｐ形層２３には、例えばｐ形Ｇａ０．８Ａｌ０．２Ｎ層が用いられる。第３ｐ形層２３は、例えば、電子オーバーフロー防止（抑制）層として機能する。第３ｐ形層２３の厚さは、例えば、約１０ｎｍである。第３ｐ形層２３におけるＭｇ濃度は、例えば、約４×１０１８ｃｍ−３に設定される。
【００２７】
第２ｐ形層２２には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第２ｐ形層２２は、第２のガイド層として機能する。第２ｐ形層２２の厚さは、例えば、約５０ｎｍである。第２ｐ形層２２におけるＭｇ濃度は、例えば、約１×１０１９ｃｍ−３である。
【００２８】
第１ｐ形層２１には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１は、ｐ側コンタクト層として機能する。第１ｐ形層２１の厚さは、例えば、約６０ｎｍである。第１ｐ形層２１には、第２ｐ形層２２におけるＭｇ濃度よりも高い濃度でＭｇが添加される。第１ｐ形層２１におけるＭｇ濃度は、例えば、約１×１０２０ｃｍ−３に設定される。
【００２９】
図１に例示したように、この例では、半導体発光素子１１０は、多層構造体４０をさらに備えている。多層構造体４０は、第１半導体層１０と発光部３０との間に設けられる。多層構造体４０は、Ｚ軸に沿って交互に設けられた複数の第１層（図示しない）と複数の第２層（図示しない）とを含む。第１層には、例えば、厚さが３ｎｍのＧａＮ層が用いられる。第２層には、例えば厚さが１ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層が用いられる。第１層と第２層との積層数は、例えば３０ペアである。多層構造体４０は、例えば超格子層である。
【００３０】
半導体発光素子１１０は、第１電極７０と、第２電極８０と、ｐ側パッド層８１と、をさらに備えることができる。第１電極７０は、第１半導体層１０に電気的に接続されている。第２電極８０は、第２半導体層２０に電気的に接続される。ｐ側パッド層８１は、第２電極８０の上に設けられる。
【００３１】
第１電極７０には、例えば、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜が用いられる。Ｔｉ膜の厚さは、例えば、０．０５μｍである。Ｐｔ膜の厚さは、例えば０．０５μｍである。Ａｕ膜の厚さは、例えば１．０μｍである。
【００３２】
第２電極８０には、例えば、例えば酸化インジウム（ＩＴＯ）膜が用いられる。第２電極８０の厚さは、例えば０．２μｍである。
【００３３】
ｐ側パッド層８１には、例えばＡｕ膜が用いられる。ｐ側パッド層８１の厚さは、例えば１．０μｍである。
【００３４】
この例では、積層構造体１０ｓは、第２半導体層２０の側の主面において、第１半導体層１０の一部、及び、第２半導体層２０と、が露出している。第１電極７０及び第２電極８０とは、この主面の側において、第１半導体層１０及び第２半導体層２０のそれぞれに接続される。
【００３５】
第１電極７０と第２電極８０との間に電圧を印加することで、第１半導体層１０及び第２半導体層２０を介して発光部３０に電流が供給され、発光部３０から光が放出される。
【００３６】
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、発光部３０は、複数の井戸層３２と、複数の井戸層３２どうしの間に設けられた障壁層３１と、を含む。すなわち、複数の井戸層３２と、複数の障壁層３１と、がＺ軸に沿って交互に積層される。
【００３７】
井戸層３２は、複数の障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。井戸層３２は、複数の障壁層３１の厚さよりも厚い。
【００３８】
井戸層３２は、例えば、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。障壁層３１は、例えば、ＧａＮを含む。すなわち、障壁層３１はＩｎを実質的に含まない。また、障壁層３１がＩｎを含む場合は、障壁層３１におけるＩｎ組成比は、井戸層３２におけるＩｎ組成比よりも低い。
【００３９】
発光部３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構成を有することができる。このとき、発光部３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む。
【００４０】
発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層３１と、ｎ個の井戸層３２と、を含む（ｎは、２以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉと第２半導体層２０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半導体層２０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１半導体層１０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半導体層２０との間に設けられる。
【００４１】
発光部３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば４００ナノメートル（ｎｍ）以上６５０ｎｍ以下である。
【００４２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体発光素子の構成を例示するエネルギーバンド図である。
図３（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０のエネルギーバンドを例示し、図３（ｂ）は、第１参考例の半導体発光素子１９１のエネルギーバンドを例示している。これらの図には、価電子帯ＶＢと伝導帯ＣＢとが例示されている。横軸はＺ軸方向に沿う位置に対応し、縦軸は電子のエネルギーＥｇに対応する。
【００４３】
図３（ｂ）に表したように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、井戸層３２の厚さは、障壁層３１の厚さよりも薄い。
【００４４】
これに対して、図３（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、井戸層３２の厚さは、障壁層３１の厚さよりも厚い。
【００４５】
以下、半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１９１を実際に作製してそれぞれの特性を評価した結果について説明する。以下、半導体発光素子１１０の作製方法について説明する。以下の作製方法は、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の１つに例である。
【００４６】
サファイアからなる基板５０の上に、積層構造体１０ｓを形成した。積層構造体１０ｓの形成には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いた。この他、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）により結晶成長を行っても良い。
【００４７】
すなわち、まず、基板５０の上に、バッファ層５５を形成した。具体的には、バッファ層５５となる、Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ｎ層（約３０ｎｍ）を、０．１μｍ／時（μｍ／ｈ）以下の速度（すなわち堆積レート）で堆積した。この例では、バッファ層５５の結晶成長の温度（基板５０の温度）は、約５００℃である、バッファ層５５の形成温度は、例えば８００℃よりも低く、例えば６００℃程度以下であることが好ましい。バッファ層５５は、低温成長バッファ層である。
【００４８】
そして、バッファ層５５の上に、下地層６０、第１半導体層１０及び発光部３０及び第２半導体層２０を順次形成した。これらの窒化物半導体層の形成温度は、バッファ層５５の形成温度よりも高い。
【００４９】
具体的には、バッファ層５５の上に、下地層６０となるアンドープのＧａＮ層を、８００℃で形成した。
【００５０】
さらに、下地層６０の上に、第１半導体層１０となるＳｉドープＧａＮ層を形成した。第１半導体層１０の形成温度は、１１００℃である。
【００５１】
第１半導体層１０の上に、多層構造体４０として、第１層（厚さ３ｎｍのＧａＮ層）と第２層（厚さ１ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎ層）とのペアを、計３０ペア積層させた。この時の形成温度は、７００℃以上８００℃以下である。
【００５２】
多層構造体４０の上に発光部３０として、複数の障壁層３１と複数の井戸層３２とを交互に形成した。すなわち、障壁層３１となるＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）と、井戸層３２となるアンドープのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ３．５ｎｍ）と、を交互に積層した。井戸層３２の数は、８である。障壁層３１及び井戸層３２の形成温度は、約７００℃以上８００℃以下である。
【００５３】
これにより、室温におけるフォトルミネッセンスのピーク波長が４５０ｎｍになる発光部３０が形成される。
【００５４】
発光部３０の上に、第４ｐ形層２４となるｐ形ＧａＮ層（厚さ約３０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５５】
第４ｐ形層２４の上に、第３ｐ形層２３となるＧａ０．８Ａｌ０．２Ｎ層（厚さ約１０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５６】
第３ｐ形層２３の上に第２ｐ形層となるｐ形ＧａＮ層（厚さ約５０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５７】
第２ｐ形層２２の上に、第１ｐ形層２１となるｐ形ＧａＮ層（厚さ約６０ｎｍ）を形成した。この時の形成温度は、１０００℃以上１１００℃以下である。
【００５８】
この後、第１電極７０、第２電極８０及びｐ側パッド層８１を形成することで半導体発光素子１１０が作製される。
【００５９】
一方、第１参考例においては、発光部３０の形成において、障壁層３１の厚さを約５ｎｎｍとする以外は、上記と同様のプロセスを実施した。これにより、半導体発光素子１９１が作製される。すなわち、半導体発光素子１９１においては、障壁層３１は、厚さが５ｎｍのＧａＮ層であり、井戸層３２は、厚さが３．５ｎｍのアンドープのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層である。
【００６０】
図４は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０と第１参考例の半導体発光素子１９１の特性の測定結果を示している。横軸は、供給される電流Ｉｄであり、縦軸は発光効率Ｅｆｆである。
【００６１】
図４から分かるように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、電流Ｉｄが約２０ｍＡでは発光効率Ｅｆｆが高いが、電流Ｉｄが大きくなると発光効率Ｅｆｆは著しく低下する。
【００６２】
これに対して、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、電流Ｉｄが約２０ｍＡよりも大きいときにも高い発光効率Ｅｆｆを維持している。そして、電流Ｉｄが約５０ｍＡ以上の領域においては、半導体発光素子１９１よりも高い発光効率Ｅｆｆが得られる。
【００６３】
このように、半導体発光素子１１０において、特に大電流領域で高い発光効率Ｅｆｆが得られる。これは、障壁層３１の厚さを井戸層３２よりも薄くすることで、発光部３０の複数の井戸層３２のうちの第１半導体層１０の側の井戸層３２にも、正孔が十分に注入されたことが原因であると考えられる。
【００６４】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示する顕微鏡写真像である。 図５（ａ）は、実施形態に係る半導体発光素子１１０における下地層６０の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）像である。図５（ｂ）は、第２参考例の半導体発光素子１９２（図示せず）における下地層６０の断面ＴＥＭ像である。
【００６５】
第２参考例の半導体発光素子１９２においては、バッファ層５５の形成条件が半導体発光素子１１０とは異なる。すなわち、半導体発光素子１９２においては、基板５０の上に、バッファ層５５となる、Ｇａ０．４Ａｌ０．６Ｎ層（約３０ｎｍ）を、０．２５μｍ／ｈの堆積レートで堆積した。この時のバッファ層５５の結晶成長の温度は、約５００℃であり、半導体発光素子１１０と同様である。これ以外の条件（下地層６０、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０など）は、半導体発光素子１１０と同様である。
【００６６】
例えば、半導体発光素子１９２の発光部３０においては、障壁層３１は、ＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）であり、井戸層３２は、アンドープのＩｎ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ層（厚さ３．５ｎｍ）であり、井戸層３２の厚さは、障壁層３１の厚さよりも厚い。
【００６７】
図５（ａ）に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０の下地層６０においては転位Ｄｓは少ない。半導体発光素子１１０の下地層６０の転位密度は、約４×１０８ｃｍ−２であった。
【００６８】
図５（ｂ）に表したように、第２比較例の半導体発光素子１９２の下地層６０おいては転位Ｄｓが非常に多い。半導体発光素子１９２の下地層６０の転位密度は、約１×１０９ｃｍ−２であった。
【００６９】
このように、実施形態においては、転位密度が第２比較例に比べて半分以下に少なくなっている。このような違いは、上記のバッファ層５５の形成条件の違いが影響している。
【００７０】
転位密度が高い第２参考例の半導体発光素子１９２においては、発光効率Ｅｆｆは低い。これは、下地層６０の転位密度が高いため、発光部３０の品質が低いためである。すなわち、下地層６０における転位密度が高い状態において、井戸層３２の厚さを障壁層３１の厚さよりも厚くすると、発光部３０における結晶性が低下する。
【００７１】
このため、窒化物半導体を用いた半導体発光素子において、井戸層３２の厚さを障壁層３１の厚さよりも厚くするためには、下地層６０における転位密度を低く設定することが必要である。
【００７２】
実施形態においては、下地層６０における転位密度は、５×１０８ｃｍ−２以下に設定される。これにより、井戸層３２の厚さを障壁層３１の厚さよりも厚く設定しても良好な結晶性が維持でき、高い発光効率Ｅｆｆが得られる。実施形態において、下地層６０における転位密度は、４×１０８ｃｍ−２以下であることがさらに好ましい。
【００７３】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、転位密度が低い下地層６０と、障壁層３１よりも厚い井戸層３２と、を組み合わせる。これにより、例えば、第２半導体層２０から井戸層３２への正孔の注入効率が高まり、高電流密度領域であっても高い量子効率が得られる。これにより、高い発光効率が得られる。
【００７４】
（第２の実施形態）
本実施形態は、ＬＥＤ及びＬＤなどの半導体発光素子のためのウェーハに係る。
図６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６に表したように、本実施形態に係るウェーハ１２０は、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の窒化物半導体を含む下地層６０と、下地層６０の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層１０と、第１半導体層１０の上に設けられ、複数の障壁層３１と、複数の障壁層３１どうしの間に設けられ、複数の障壁層３１のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有し、複数の障壁層３１の厚さよりも厚い井戸層３２と、を含む発光部３０と、発光部３０の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層２０と、を備える。
【００７５】
本実施形態において、下地層６０、第１半導体層１０、発光部３０及び第２半導体層２０には、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
【００７６】
本実施形態に係るウェーハ１２０によれば、高い結晶性を維持しつつ、第２半導体層２０から井戸層３２への正孔の注入効率が高まり、高電流密度領域であっても高い量子効率を得る半導体発光素子が得られる。これにより、高い発光効率が得られる。
【００７７】
本実施形態において、ウェーハ１２０は、下地層６０の第１半導体層１０とは反対側に設けられた基板５０をさらに備えることができる。基板５０には、凹凸を設けることができ、これにより、下地層６０が凹凸６１を有していても良い。
【００７８】
実施形態によれば、高効率の半導体素子及びウェーハが提供できる。
【００７９】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、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。
【００８０】
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。
【００８１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子及びウェーハに含まれる半導体層、発光部、下地層、バッファ層、基板及び電極など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。
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。
【００８２】
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及びウェーハを基にして、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及びウェーハも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００８３】
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。
【００８４】
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】
【００８５】
１０…第１半導体層、 １０ｓ…積層構造体、 ２０…第２半導体層、 ２１…第１ｐ側層、 ２２…第２ｐ側層、 ２３…第３ｐ側層、 ２４…第４ｐ側層、 ３０…発光層、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…多層構造体、 ５０…基板、 ５５…バッファ層、 ６０…下地層、 ６０ｄ…凹凸、 ６０ｌ…下面、 ６０ｕ…上面、 ６１…凹凸、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 ８１…ｐ側パッド層、 １１０、１９１、１９２…半導体発光素子、 １２０…ウェーハ、 ＢＬ、ＢＬｉ…障壁層、 ＣＢ…伝導帯、 Ｄｓ…転位、 Ｅｆｆ…発光効率、 Ｅｇ…エネルギー、 Ｉｄ…電流、 ＶＢ…価電子帯、 ＷＬ、ＷＬｉ…井戸層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ＭＱＷ、バッファ層）
サファイアまたはシリコンの基板上で形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含むバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含み、前記井戸層は、前記障壁層におけるＩｎ組成比よりも高いＩｎ組成比を有し、前記複数の井戸層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い、発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記下地層の前記窒化物半導体は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記井戸層の厚さは、前記障壁層の厚さの１．１６倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記下地層は、前記第１半導体層とは反対側の下面に設けられた凹凸を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
サファイアまたはシリコンの基板と、
前記基板上に形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含むバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含み、前記井戸層は、前記障壁層におけるＩｎ組成比よりも高いＩｎ組成比を有し、前記複数の井戸層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い、発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
を備えたことを特徴とするウェーハ。
【請求項６】
前記下地層の前記窒化物半導体は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項５記載のウェーハ。
【請求項７】
前記井戸層の厚さは、前記障壁層の厚さの１．１６倍以上であることを特徴とする請求項５または６に記載のウェーハ。
【請求項８】
前記下地層は、前記第１半導体層とは反対側の下面に設けられた凹凸を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載のウェーハ。
【請求項１】
（ＭＱＷ、バッファ層）
サファイアまたはシリコンの基板上で形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含むバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含み、前記井戸層は、前記障壁層におけるＩｎ組成比よりも高いＩｎ組成比を有し、前記複数の井戸層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い、発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記下地層の前記窒化物半導体は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記井戸層の厚さは、前記障壁層の厚さの１．１６倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記下地層は、前記第１半導体層とは反対側の下面に設けられた凹凸を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
【請求項５】
サファイアまたはシリコンの基板と、
前記基板上に形成された、Ｇａｘ１Ａｌ１−ｘ１Ｎ（０．１≦ｘ１＜０．５）を含むバッファ層と、
前記バッファ層の上に形成され、転位密度が５×１０８ｃｍ−２以下の窒化物半導体を含む下地層と、
前記下地層の上に設けられ、窒化物半導体を含み第１導電形の第１半導体層と、
前記第１半導体層の上に設けられ、交互に積層された複数の障壁層及び複数の井戸層を含み、前記井戸層は、前記障壁層におけるＩｎ組成比よりも高いＩｎ組成比を有し、前記複数の井戸層のそれぞれの厚さは、前記複数の障壁層のそれぞれの厚さよりも厚い、発光部と、
前記発光部の上に設けられ、窒化物半導体を含み前記第１導電形とは異なる第２導電形の第２半導体層と、
を備えたことを特徴とするウェーハ。
【請求項６】
前記下地層の前記窒化物半導体は、窒化ガリウムであることを特徴とする請求項５記載のウェーハ。
【請求項７】
前記井戸層の厚さは、前記障壁層の厚さの１．１６倍以上であることを特徴とする請求項５または６に記載のウェーハ。
【請求項８】
前記下地層は、前記第１半導体層とは反対側の下面に設けられた凹凸を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１つに記載のウェーハ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４４１５４（Ｐ２０１２−２４４１５４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１１３４５（Ｐ２０１２−１１３４５）
【出願日】平成２４年１月２３日（２０１２．１．２３）
【分割の表示】特願２０１１−１０８７９４（Ｐ２０１１−１０８７９４）の分割
【原出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月２３日（２０１２．１．２３）
【分割の表示】特願２０１１−１０８７９４（Ｐ２０１１−１０８７９４）の分割
【原出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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