半導体発光素子
【課題】低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、窒化物半導体からなるｎ型層と、窒化物半導体からなるｐ型層と、ｎ型層とｐ型層との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層と、複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、障壁層における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、窒化物半導体からなる井戸層と、を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、を備え、複数の障壁層の少なくともいずれかは、ｎ型層の側に設けられた第１層と、ｐ型層の側に設けられ、第１層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層と、を含み、井戸層の少なくともいずれかは、ｎ型層の側に設けられ第３層と、ｐ型層の側に設けられ、第３層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層と、を含む半導体発光素子が提供される。
【解決手段】実施形態によれば、窒化物半導体からなるｎ型層と、窒化物半導体からなるｐ型層と、ｎ型層とｐ型層との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層と、複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、障壁層における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、窒化物半導体からなる井戸層と、を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、を備え、複数の障壁層の少なくともいずれかは、ｎ型層の側に設けられた第１層と、ｐ型層の側に設けられ、第１層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層と、を含み、井戸層の少なくともいずれかは、ｎ型層の側に設けられ第３層と、ｐ型層の側に設けられ、第３層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層と、を含む半導体発光素子が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた量子井戸構造を有する発光素子において、窒化物結晶の結晶構造の対称性や結晶歪みにより、量子井戸構造内部に分極電界が発生し、量子井戸内のキャリアが空間分離し、発光効率の低下や駆動電圧の上昇を招く。
【０００３】
これに対し、特許文献１には、ピエゾ電界の影響を抑制するために、障壁層に、ｎ型不純物のドープされたｎ型領域とアンドープ領域とを設ける構成が提案されている。しかしながら、本技術を用いても発光効率は不十分であり、改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２２９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、窒化物半導体からなるｎ型層と、窒化物半導体からなるｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、前記障壁層における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、窒化物半導体からなる井戸層と、を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、を備え、前記複数の障壁層の少なくともいずれかは、前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第１層と、前記ｐ型層の側に設けられ、前記第１層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層と、を含み、前記井戸層の少なくともいずれかは、前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第３層と、前記ｐ型層の側に設けられ、前記第３層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層と、を含むことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図３】比較例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図６】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図７】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図８】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図９】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１０】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。
【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】
図１は、本発明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。
すなわち、同図（ｂ）は、半導体発光素子の全体の構成を例示し、同図（ａ）は、半導体発光素子のうちの発光部の構成を例示している。
【００１１】
図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ型層２０と、ｐ型層５０と、ｎ型層２０とｐ型層５０との間に設けられた発光部４０と、を備える。
【００１２】
ｎ型層２０及びｐ型層５０は、窒化物半導体からなる。
【００１３】
図１（ａ）に表したように、発光部４０は、複数の障壁層ＢＬと、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられた井戸層ＷＬと、を有する。
障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬは、窒化物半導体からなる。井戸層ＷＬには、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体を用いるのが良い。障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーは、井戸層ＷＬよりも大きい。
すなわち、障壁層ＢＬがＩｎを含む場合、障壁層ＢＬにおけるＩｎの濃度は、井戸層ＷＬにおけるＩｎの濃度よりも低い。これにより、井戸層ＷＬにおけるバンドギャップエネルギーは、障壁層ＢＬにおけるバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。
【００１４】
このように、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは互いに交互に積層される。ここで、井戸層ＷＬの数を「ｎ」とすると、井戸層ＷＬは、第１井戸層ＷＬ１〜第ｎ井戸層ＷＬｎを有する。一方、障壁層ＢＬは、第１障壁層ＢＬ１〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬｎ＋１を有する。ここで、最もｐ型層５０に近い障壁層ＢＬ（第（ｎ＋１）障壁層ＢＬｎ＋１）を適宜、「最終障壁層ＢＬＺ」と言う。
【００１５】
そして、図１（ａ）に表したように、障壁層ＢＬのそれぞれは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第１層ＢＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第１層ＢＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨと、を含む。そして、井戸層ＷＬのそれぞれは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第３層ＷＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第３層ＷＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨと、を含む。
【００１６】
例えば、第１層ＢＬＬは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｎ型層２０の側の界面に接して設けられ、第２層ＢＬＨは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｐ型層５０の側の界面に接して設けられる。そして、例えば、第３層ＷＬＬは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｎ型層２０の側の界面に接して設けられ、第４層ＷＬＨは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｐ型層５０の側の界面に接して設けられる。
【００１７】
ただし、後述するように、障壁層ＢＬの少なくともいずれかが、上記の第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを含み、井戸層ＷＬの少なくともいずれかが、上記の第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを含めば良い。
【００１８】
このように、半導体発光素子１１０においては、障壁層ＢＬが第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを含み、井戸層ＷＬが第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを含む構成を有することで、発光部４０内のキャリアの空間分離を抑制し、また、不純物の制御性が良いことから結晶性が高く、発光効率の高い半導体発光素子が得られる。
【００１９】
以下、半導体発光素子１１０の具体的な構成について説明する。なお、本具体例の半導体発光素子１１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）である。
【００２０】
図１（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０においては、サファイアからなる基板１０の主面に、バッファ層１１が設けられ、その上に、ｎ型ＧａＮ層２１と、ｎ型ＧａＮガイド層２２と、が設けられる。ｎ型ＧａＮ層２１及びｎ型ＧａＮガイド層２２は、ｎ型層２０に含まれる。
【００２１】
そして、ｎ型ＧａＮガイド層２２の上に、活性層（発光部４０）が設けられ、その上に、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２（電子オーバーフロー防止層）、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３及びｐ型ＧａＮコンタクト層５４が、この順で設けられている。ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３及びｐ型ＧａＮコンタクト層５４は、ｐ型層５０に含まれる。
【００２２】
そして、ｎ型層２０であるｎ型ＧａＮ層２１の一部、並びに、その一部に対応する発光部４０及びｐ型層５０が除去され、ｎ型ＧａＮ層２１の上にｎ側電極７０が設けられる。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４の上にｐ側電極８０が設けられる。
【００２３】
半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
まず、サファイアからなる基板１０の主面上に、バッファ層１１を形成した後、ｎ型ＧａＮ層２１を結晶成長させる。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。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。ｎ型ＧａＮ層２１にドープするｎ型不純物としてＳｉが用いられる。ただし、この他、Ｇｅ及びＳｎなど種々の元素を用いることが可能である。ｎ型ＧａＮ層２１におけるＳｉのドーピング量は、例えば、２×１０１８ｃｍ−３程度とされ、ｎ側ＧａＮ層２１の厚さは、例えば４μｍ（マイクロメートル）とされる。
【００２４】
なお、基板１０には、サファイア以外に、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡsなどの各種の材料を用いることができる。
【００２５】
次に、ｎ型ＧａＮ層２１の上に、ｎ型ＧａＮガイド層２２を結晶成長させる。ｎ型ＧａＮガイド層２２におけるｎ型不純物濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３程度とされ、ｎ型ＧａＮガイド層２２の厚さは、例えば０．１μｍとされる。
【００２６】
なお、ｎ型ＧａＮ層２１及びｎ型ＧａＮガイド層２２を成長させる際の成長温度は、いずれも１０００〜１１００℃である。
【００２７】
また、ｎ型ＧａＮガイド層２２として、ＧａＮ層ではなく、厚さが０．１μｍ程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いても良い。Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いる場合の成長温度は、７００〜８００℃である。
【００２８】
次に、ｎ型ＧａＮガイド層２２の上に、発光部４０を形成する。
例えば、まず、１層目の第１障壁層ＢＬ１を形成する。このとき、まず、ｎ型不純物の濃度が低い、すなわち、例えばアンドープの第１層ＢＬＬを形成する。この第１層ＢＬＬには、例えばアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎが用いられ、厚さは例えば１０．５ｎｍ（ナノメートル）とされる。なお、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎにおいても、わずかなｎ型不純物を含有しているので、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎの第１層ＢＬＬにおけるｎ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３である。
【００２９】
その後、第１層ＢＬＬの上に、第１層ＢＬＬよりもｎ型不純物の濃度が高い第２層ＢＬＨを形成する。第２層ＢＬＨには、例えば、ＳｉをドープしたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎが用いられ、厚さは例えば２ｎｍとされる。そして、第２層ＢＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされる。
これにより、障壁層ＢＬの厚さは、１２．５ｎｍとなる。このように、第２層ＢＬＨの厚さ（この例では２ｎｍ）は、第１層ＢＬＬの厚さ（この例では１０．５ｎｍ）に対して薄く設定される。
なお、障壁層ＢＬは、井戸層ＷＬよりも大きい複数のバンドギャップエネルギーを有することができる。例えば、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとが、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有していても良く、また、第１層ＢＬＬ及び第２層ＢＬＨにおけるバンドギャップエネルギーが傾斜状または階段状に変化していても良い。
【００３０】
その後、第２層ＢＬＨの上に、１層目の第１井戸層ＷＬ１を形成する。このとき、まず、ｎ型不純物の濃度が低い、すなわち、例えばアンドープの第３層ＷＬＬを形成する。この第３層ＷＬＬには、例えばアンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎが用いられ、厚さは例えば１．５ｎｍとされる。なお、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎにおいても、わずかなｎ型不純物を含有しているので、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎの第３層ＷＬＬにおけるｎ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３である。
【００３１】
その後、第３層ＷＬＬの上に、第３層ＷＬＬよりもｎ型不純物の濃度が高い第４層ＷＬＨを形成する。第４層ＷＬＨには、例えば、ＳｉをドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎが用いられ、厚さは例えば１ｎｍとされる。そして、第４層ＷＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされる。
なお、これにより、井戸層ＷＬの厚さは、２．５ｎｍとなる。このように、第４層ＷＬＨの厚さ（この例では１ｎｍ）は、第３層ＷＬＬの厚さ（この例では１．５ｎｍ）に対して薄く設定される。
【００３２】
その後、同様にして、障壁層ＢＬ（第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬｎ＋１）と、井戸層ＷＬ（第２井戸層ＷＬ２〜第ｎ井戸層ＷＬｎ）と、を交互に繰り返して形成する。これにより、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の発光部４０が形成される。
【００３３】
なお、上記の障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬ（第１層ＢＬＬ、第２層ＢＬＨ、第３層ＷＬＬ及び第４層ＷＬＨ）の形成の際の成長温度は、例えば７００〜８００℃である。また、室温における発光部４０のフォトルミネッセンスの波長が４５０ｎｍとなるように、上記の障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬは設計されている。
【００３４】
次に、発光部４０の上に、ＧａＮからなるｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１を成長させる。ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１の厚さは、例えば３０ｎｍ程度である。このｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１となるＧａＮ層を成長する温度は、例えば１０００〜１１００℃である。この時に用いるｐ型不純物としては、Ｍｇが用いられる。ただし、この他、Ｚｎ及びＣなど種々の元素を用いることが可能である。Ｍｇのドーピング濃度は、例えば４×１０１８ｃｍ−３程度とされる。なお、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１として、厚さが３０ｎｍ程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いても良い。Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いる場合の成長温度は、例えば７００〜８００℃である。
【００３５】
次に、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ層５２には、ｐ型不純物がドープされたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを用いることができる。ｐ型ＡｌＧａＮ層５２は、電子オーバーフロー防止層の機能を有する。ｐ型不純物としてはＭｇを用い、Ｍｇの濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３程度とされる。なお、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２となるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの成長温度は、例えば１０００〜１１００℃である。
【００３６】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２の上に、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３を形成する。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３には、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮ層を用いることができる。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３の厚さは、例えば５０ｎｍ程度である。ｐ型不純物としてＭｇを用いることができ、Ｍｇの濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３程度とされる。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３となるＧａＮの成長温度は、例えば１０００〜１１００℃である。
【００３７】
そして、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３の上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層５４において、ｐ型不純物としてＭｇを用いることができ、Ｍｇの濃度は、例えば１×１０２０ｃｍ−３程度であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４の厚さは、例えば６０ｎｍ程度である。
【００３８】
このような各層の結晶成長を行った積層構造体に対して、以下のデバイスプロセスを行う。
すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４の上にｐ側電極８０を形成する。ｐ側電極８０には、例えば、パラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜を用いる。例えば、Ｐｄ膜の厚さは０．０５μｍであり、Ｐｔ膜の厚さは０．０５μｍであり、Ａｕ膜の厚さは０．０５μｍである。ただし、この他、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明性電極や反射性の高い金属を用いることが可能である。
【００３９】
この後、上記の積層構造体の一部にドライエッチングを施し、ｎ型ＧａＮ層２１を露出させ、ｎ側電極７０を形成する。ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜を用いる。例えば、Ｔｉ膜の厚さは０．０５μｍ程度であり、Ｐｔ膜の厚さは０．０５μｍ程度であり、Ａｕ膜の厚さは１．０μｍ程度である。
これにより、図１に例示した半導体発光素子１１０が作製される。
【００４０】
以下、半導体発光素子１１０の特性について、比較例を参照しながら説明する。
図２及び図３は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子の発光部における伝導帯のエネルギーバンド及び高濃度不純物層の配置をモデル的に示しており、図２（ａ）は本実施形態に係る半導体発光素子１１０に対応し、図２（ｂ）〜（ｆ）及び図３（ａ）〜（ｅ）は、第１〜第１０比較例の半導体発光素子１９１〜２００に対応する。
【００４１】
図２（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、各障壁層ＢＬのｐ型層５０の側に、高濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨが配置されると共に、各井戸層ＷＬのｐ型層５０の側に、高濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨが配置される。これにより、発光部４０の内部の電界の影響を抑制し、効率を向上できる。すなわち、駆動電圧を低減し、発光効率が向上する。
【００４２】
さらに、この構造においては、障壁層ＢＬとして、不純物の濃度が低い（例えばアンドープの）第１層ＢＬＬの形成の後に、高濃度の第２層ＢＬＨが形成され、その後に、井戸層ＷＬとして、不純物の濃度が低い（例えばアンドープの）第３層ＷＬＬが形成され、その後に、高濃度の第４層ＷＬＨが形成される。
【００４３】
このとき、障壁層ＢＬから井戸層ＷＬへの切り替えの後には、井戸層ＷＬとして、まず、低濃度である第３層ＷＬＬの結晶成長から開始し、その後、高濃度の第４層ＷＬＨの結晶成長を行うことで、反応炉内の残留不純物の影響を抑制できるため、不純物濃度の制御性が高まり、結晶性が向上する。すなわち、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの界面において不純物濃度の制御の急峻性が向上する。
【００４４】
そして、井戸層ＷＬから障壁層ＢＬへの切り替えの後には、障壁層ＢＬとして、まず、低濃度である第１層ＢＬＬの結晶成長から開始し、その後、高濃度の第２層ＢＬＨの結晶成長を行うことで、不純物濃度の制御性が高まり、結晶性が向上する。すなわち、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの界面において不純物濃度の制御の急峻性が向上する。
【００４５】
また、半導体発光素子１１０の製造においては、良好な結晶を得るために、ｎ型層２０を形成し、その後、発光部４０を形成し、その後、ｐ型層５０を形成する。このような発光部４０の形成において、障壁層ＢＬから井戸層ＷＬへの切り替え、及び、井戸層ＷＬから障壁層ＢＬへの切り替えの際に、後述するように、障壁層ＢＬまたは井戸層ＷＬとなる原料ガスの一部の供給を中断し、例えば窒素原料ガスのみを供給する方法を採用でき、不純物濃度及び組成の制御性を高めて、結晶性の良好な結晶が得られる。
このように、障壁層ＢＬから井戸層ＷＬへの切り替え、及び、井戸層ＷＬから障壁層ＢＬへの切り替えの際に、低濃度の第３層ＷＬＬ、または、低濃度の第１層ＢＬＬから結晶成長を開始することにより、井戸層ＷＬ及び障壁層ＢＬの結晶性が向上し、また、井戸層ＷＬと障壁層ＢＬとの間の不純物濃度及び組成の変化の急峻性も向上できる。
【００４６】
すなわち、この構成においては、高濃度の不純物領域である第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨが、それぞれ、例えばアンドープの第１層ＢＬＬ及び第３層ＷＬＬの後に形成されるので、良好な結晶性を維持しつつ、高キャリア濃度かつ高移動度の障壁層及び井戸層を得ることができる。
【００４７】
そして、高濃度の不純物領域である第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨ中の不純物から生じるキャリアによって、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬに生じる内部電界を効率的に抑制できる。これにより、発光効率を向上でき、光出力を向上できる。
【００４８】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとが、高濃度で不純物を含む第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨをそれぞれ含むことで、電界を抑制し、さらに、第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨが、それぞれ不純物の低濃度が低い第１層ＢＬＬ及び第３層ＷＬＬの後に形成される構成によって、高い結晶性を維持する。これにより、駆動電圧を低減しつつ発光効率を向上できる。
【００４９】
半導体発光素子１１０において、第２層ＢＬＨにおけるｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３が好ましく、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３がさらに好ましい。すなわち、ｎ型不純物の濃度を、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とすることで、発光効率が向上し、駆動電圧が低減できる。ｎ型不純物の濃度が、５×１０１７ｃｍ−３よりも低い、または、１×１０１９ｃｍ−３よりも高い場合は、発光効率の向上が不十分であるか、または、駆動電圧の低減が不十分となる。
【００５０】
そして、第４層ＷＬＨにおけるｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３が好ましく、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３がさらに好ましい。第４層ＷＬＨにおけるｎ型不純物の濃度を、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とすることで、発光効率が向上し、駆動電圧が低減できる。特に、第４層ＷＬＨにおけるｎ型不純物の濃度を、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３にすることで、発光効率が最も向上し、駆動電圧が最も低減できる。ｎ型不純物の濃度が、５×１０１７ｃｍ−３よりも低い、または、１×１０１９ｃｍ−３よりも高い場合は、発光効率の向上が不十分であるか、または、駆動電圧の低減が不十分となる。
【００５１】
また、第２層ＢＬＨの厚さは、単原子層の厚さ以上であり、第１層ＢＬＬの厚さ以下とすることが望ましい。なお、単原子層の厚さは、約０．２５ｎｍである。第２層ＢＬＨの厚さが、単原子層の厚さよりも薄い場合は、不純物の導入の効果が低く、例えば駆動電圧の低下や発光効率の向上の効果が小さい。一方、第２層ＢＬＨの厚さが第１層ＢＬＬの厚さを超えると、結晶性が低くなり、例えば発光効率が低下する。
【００５２】
また、第４層ＷＬＨの厚さは、単原子層の厚さ以上であり、第３層ＷＬＬの厚さ以下であることが望ましい。第４層ＷＬＨの厚さが、単原子層の厚さよりも薄い場合は、不純物の導入の効果が低く、例えば駆動電圧の低下や発光効率の向上の効果が小さい。一方、第４層ＷＬＨの厚さが第３層ＷＬＬの厚さを超えると、結晶性が低くなり、例えば発光効率が低下する。
【００５３】
また、第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨに含まれるｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＴｅよりなる群から選択された少なくともいずれかであることが望ましい。これらの材料を用いることで、良好な結晶性を維持しつつ、特性の向上のためのキャリアを効率的に生成でき、駆動電圧の低減と発光効率の向上とが効果的に行われる。
【００５４】
以下、比較例について説明する。
図２（ｂ）に表したように、第１比較例の半導体発光素子１９１においては、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬには、高濃度で不純物を含む層が設けられていない。
【００５５】
図２（ｃ）に表したように、第２比較例の半導体発光素子１９２においては、障壁層ＢＬが、不純物の濃度が高い高濃度障壁層ＸＬＨと、不純物の濃度が低い低濃度障壁層ＸＬＬと、を有している。そして、高濃度障壁層ＸＬＨがｐ型層５０の側に配置され、低濃度障壁層ＸＬＬがｎ型層２０の側に配置されている。すなわち、本構成における障壁層ＢＬの構成は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における障壁層ＢＬに類似している。しかし、半導体発光素子１９２においては、井戸層ＷＬは高い濃度で不純物を含む層を含んでいない。
【００５６】
図２（ｄ）に表したように、第３比較例の半導体発光素子１９３においては、井戸層ＷＬが、不純物の濃度が高い高濃度井戸層ＹＬＨと、不純物の濃度が低い低濃度井戸層ＹＬＬと、を有している。そして、高濃度井戸層ＹＬＨがｐ型層５０の側に配置され、低濃度井戸層ＹＬＬがｎ型層２０の側に配置されている。すなわち、本構成における井戸層ＷＬの構成は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における井戸層ＷＬに類似している。しかし、半導体発光素子１９３においては、障壁層ＢＬは高い濃度で不純物を含む層を含んでいない。
【００５７】
図２（ｅ）に表したように、第４比較例の半導体発光素子１９４においては、障壁層ＢＬが、不純物の濃度が高い高濃度障壁層ＸＬＨと、不純物の濃度が低い低濃度障壁層ＸＬＬと、を有している。そして、高濃度障壁層ＸＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度障壁層ＸＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。この構成においては、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における障壁層ＢＬの場合とは逆である。
【００５８】
図２（ｆ）に表したように、第５比較例の半導体発光素子１９５においては、障壁層ＢＬは、第２比較例における障壁層ＢＬの構成と同じであり、井戸層ＷＬが、高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬと、を有している。そして、高濃度井戸層ＹＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度井戸層ＹＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。この構成においては、高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬとの配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における井戸層ＷＬの場合とは逆である。
【００５９】
図３（ａ）に表したように、第６比較例の半導体発光素子１９６においては、障壁層ＢＬが、２つの高濃度障壁層ＸＬＨと、低濃度障壁層ＸＬＬと、を有している。そして、高濃度障壁層ＸＬＨがｎ型層２０の側とｐ型層５０の側とに配置され、その間に低濃度障壁層ＸＬＬが配置されている。
【００６０】
図３（ｂ）に表したように、第７比較例の半導体発光素子１９７においては、障壁層ＢＬが、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとを有し、高濃度障壁層ＸＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度障壁層ＸＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。そして、井戸層ＷＬが、高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬとを有し、高濃度井戸層ＹＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度井戸層ＹＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。すなわち、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬにおける高濃度の不純物層の配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０とは逆である。
【００６１】
次に、半導体発光素子１１０、及び、第１〜第７比較例の半導体発光素子１９１〜１９７を実際に作製し、特性を評価した結果について説明する。
【００６２】
図４は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の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、図４（ａ）は、２０ｍＡの電流を通電した際の発光効率を示している。縦軸は、第１比較例の半導体発光素子１９１の発光効率を１とした規格化発光効率Ｉｒである。発光効率の測定においては、各半導体発光素子に、２０ｍＡの電流を通電し、その時の発光出力を測定し、その結果から発光効率を求めた。また、図４（ｂ）は、２０ｍＡの電流が流れるときの駆動電圧を示している。縦軸は、第１比較例の半導体発光素子１９１の駆動電圧を１としたときの規格化駆動電圧Ｖｒである。
【００６３】
図４（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における発光効率（規格化発光効率Ｉｒ）は、比較例のいずれよりも高い。
また、図４（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における駆動電圧（規格化駆動電圧Ｖｒ）は、比較例のいずれよりも低い。
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、発光効率及び駆動電圧の両方の特性を大幅に改善する。
【００６４】
一方、第１比較例の半導体発光素子１９１においては、発光効率が低く、駆動電圧が高い。これは、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬに高濃度の不純物層が設けられていないため、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬにおける結晶構造の対称性や結晶歪みにより分極電界が発生し、これにより障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬのエネルギーバンドが傾斜し、これにより、発光部４０内のキャリアが空間的に分離することが原因である。
【００６５】
一方、障壁層ＢＬが本実施形態と類似の構成である第２比較例の半導体発光素子１９２においては、発光効率は、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも向上しているが、その程度は低い。また、駆動電圧はほとんど変化していない。
【００６６】
また、井戸層ＷＬが本実施形態と類似の構成である第３比較例の半導体発光素子１９３においては、駆動電圧は、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも向上しているが、その程度は低い。また、発光効率はほとんど変化していない。
【００６７】
このように、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの一方にのみ、高濃度の不純物層を設ける方法では、発光効率と駆動電圧の両方の特性を改善することが難しい。
【００６８】
第４比較例の半導体発光素子１９４においても、第１比較例よりは特性が改善するが、本実施形態と比較すると、発光効率が低く、駆動電圧が高い。これは、半導体発光素子１９４においては、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの配置が半導体発光素子１１０とは逆であり、不純物濃度の制御性が低く、結晶性が悪いことに起因する。すなわち、反応炉内に残留した残留不純物によって、低濃度障壁層ＸＬＬにも不純物が過剰に含まれやすく、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの界面の不純物濃度の急峻性が低下、つまり、障壁層ＢＬの結晶性が劣化し易い。このため、本実施形態に比べ、結晶性が悪く、電界の抑制効果が小さいため、出力が低く、駆動電圧が高くなったものと考えられる。
【００６９】
第５比較例の半導体発光素子１９５においても、第１比較例よりは特性が改善するが、本実施形態と比較すると、発光効率が低く、駆動電圧が高い。これは、半導体発光素子１９５においては、井戸層ＷＬの高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬの配置が、半導体発光素子１１０の場合と逆であることが原因している。すなわち、第５比較例の構成においては、井戸層ＷＬの形成における、高濃度井戸層ＹＬＨから低濃度井戸層ＹＬＬへの切り替えの際に、不純物濃度を急峻に変化させることが実際上困難であり、不純物が低濃度井戸層ＹＬＬにも含まれ易く、このため、結晶性が劣化し易い。このため、半導体発光素子１１０に比べて、結晶性が悪いため、発光効率が低く、駆動電圧が高くなったものと考えられる。
【００７０】
第６比較例の半導体発光素子１９６においては、第１比較例に対して発光効率が若干向上したが駆動電圧はほとんど変化しない。これは、半導体発光素子１９６においては、２つの高濃度障壁層ＸＬＨの間に低濃度障壁層ＸＬＬが配置されており、第４比較例と同様に、本実施形態に比べて結晶性が悪く、電界の抑制効果が小さいことが原因と考えられる。
【００７１】
第７比較例の半導体発光素子１９７においては、第１比較例に対して駆動電圧が若干低下するが、発光効率はほとんど変化しない。これは、半導体発光素子１９７においては、障壁層ＢＬの高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬの配置、並びに、井戸層ＷＬの高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬの配置、が、半導体発光素子１１０の場合と逆であり、本実施形態に比べて結晶性が悪いことが原因と考えられる。
【００７２】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、上記の比較例のいずれよりも、発光効率及び駆動電圧の両方において高い特性を発揮する。
【００７３】
なお、図３（ｃ）に表したように、第８比較例の半導体発光素子１９８においては、障壁層ＢＬの全ての部分が、高濃度で不純物を含む高濃度障壁層ＸＬＨである。高濃度障壁層ＸＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。この構成の場合には、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも駆動電圧は低減できるが、結晶性が悪化し、効率が低い。
【００７４】
また、図３（ｄ）に表したように、第９比較例の半導体発光素子１９９においては、井戸層ＷＬの全ての部分が、高濃度で不純物を含む高濃度井戸層ＹＬＨである。高濃度井戸層ＹＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。この構成の場合にも、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも駆動電圧は低減できるが、結晶性が著しく悪化し、効率が低い。
【００７５】
なお、図３（ｅ）に表したように、第１０比較例の半導体発光素子２００においては、第３及び第４比較例の両方の構成が適用されている。この場合にも、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における障壁層ＢＬの場合とは逆であるため、不純物濃度の制御性が悪く、結晶性が低下するため、やはり効率が低い。
【００７６】
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、高濃度で不純物を含む第２層ＢＬＨと第４層ＷＬＨとを、ｐ型層５０の側に配置することで、比較例のいずれよりも駆動電圧を低減でき、比較例のいずれよりも発光効率を向上することができる。
【００７７】
図５〜図９は、本発明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５に表したように本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１においては、ｐ型層５０に最も近い最終障壁層ＢＬＺには、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの積層構造が設けられておらず、最終障壁層ＢＬＺの全体は、不純物濃度が低い層（例えばアンドープ層）である。それ以外は、半導体発光素子１１０と同様である。
【００７８】
このように、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせは、障壁層ＢＬの全てに設けられなくても良く、一部の障壁層ＢＬに設けるだけでも、上記で説明した駆動電圧の低下と効率の向上の効果がある。
【００７９】
図６に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１２においては、ｎ型層２０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８０】
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１１３においては、ｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｎ型層２０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８１】
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１１４においては、ｎ型層２０及びｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｎ型層２０とｐ型層５０との間の中間部においては、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８２】
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１１５においては、ｎ型層２０とｐ型層５０との間の中間部においては、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｎ型層２０及びｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８３】
このように、障壁層ＢＬの少なくともいずれかが、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第１層ＢＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第１層ＢＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨと、を含み、井戸層ＷＬの少なくともいずれかが、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の低濃度が低い第３層ＷＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第３層ＷＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨと、を含めば良い。
【００８４】
なお、複数の障壁層ＢＬのうちの一部が第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを有し、複数の井戸層ＷＬのうちの一部が第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを有する場合において、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを有する障壁層ＢＬと、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを有する井戸層ＷＬとは、互いに隣接していることが望ましい。これにより、高濃度の不純物領域である第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨ中の不純物から生じるキャリアによって、より効率的に障壁層ＢＬおよび井戸層ＷＬに生じる内部電界を抑制できる。
【００８５】
以下、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。
本製造方法は、窒化物半導体からなるｎ型層２０と、窒化物半導体からなるｐ型層５０と、ｎ型層２０とｐ型層５０との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層ＢＬと、複数の障壁層ＢＬのそれぞれの間に設けられ、障壁層ＢＬにおける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、窒化物半導体からなる井戸層ＷＬと、を有する発光部４０と、を有し、障壁層ＢＬの少なくともいずれかは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第１層ＢＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第１層ＢＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨと、を含み、井戸層ＷＬの少なくともいずれかは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第３層ＷＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第３層ＷＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨと、を含む半導体発光素子の製造方法である。
【００８６】
図１０は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、ｎ型層２０が形成された基板が配置された処理室内に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、ｎ型層２０の上に、第１層ＢＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第２層ＢＬＨを形成する（ステップＳ１１０）。
【００８７】
Ｖ族原料ガスには、例えばＮＨ３ガスを用いることができる。
一方、III族原料ガスには、例えば、Ｇａ（ＣＨ３）３やＧａ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｇａ化合物ガス、並びに、Ｉｎ（ＣＨ３）３やＩｎ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｉｎ化合物ガスを用いることができる。また、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬがＡｌを含む場合には、III族原料として、例えば、Ａｌ（ＣＨ３）３やＡｌ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ａｌ化合物ガスを用いることができる。
また、ｎ型不純物としてＳｉを用いる場合には、不純物原料ガスとして、ＳｉＨ４等のＳｉ水素化物ガスやＳｉ（ＣＨ３）４等の有機Ｓｉ化合物ガスを用いることができる。
【００８８】
そして、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する（ステップＳ１２０)。すなわち、例えば、Ｖ族原料ガスだけが導入される期間を設ける。この期間の間に、処理室内に残留した不純物ガスが十分に排気されて除去される。これにより、処理室内には実質的に不純物ガスが残留しない状態が形成される。なお、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの成長条件（例えば成長温度など）が異なる場合には、このステップＳ１２０中に成長条件の変更を行うことが可能である。
【００８９】
この後、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、障壁層ＢＬの上に、第３層ＷＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物ガスをさらに導入して第４層ＷＬＨを形成する（ステップＳ１３０）。
なお、ステップＳ１３０においては、ステップＳ１１０よりも、例えばＩｎの比率を高める。これにより、井戸層ＷＬ（第３層ＷＬＬ及び第４層ＷＬＨ）におけるバンドギャップエネルギーを、障壁層ＢＬよりも小さくできる。
【００９０】
その後、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する（ステップＳ１４０)。
井戸層ＷＬと障壁層ＢＬの成長条件（例えば成長温度など）が異なる場合には、このステップＳ１４０中に成長条件の変更を行うことが可能である。
【００９１】
以下、上記のステップＳ１１０〜ステップＳ１４０を繰り返す。
ただし、２回目以降のステップＳ１１０においては、第１層ＢＬＬの形成は、第４層ＷＬＨの上に行われる。
【００９２】
この繰り返しにおいては、例えば、最初に整数ｊを「０」に設定し（ステップＳ１０１）、その後、整数ｊを、前の整数ｊに１加算したものとし（ステップＳ１０２）、上記のステップＳ１１０〜ステップＳ１４０を実施する。その後、整数ｊと、予め定めた積層数ｎと、の比較を行い（ステップＳ１５０）、整数ｊが積層数ｎに満たない場合は、ステップＳ１１０（この場合はステップ１０２）に戻り、上記の処理を繰り返す。
【００９３】
そして、整数ｊが積層数ｎに達したら、障壁層ＢＬ（最終障壁層ＢＬＺ）を形成する（ステップＳ１１０ａ）。すなわち、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、第４層ＷＬＨの上に、第１層ＢＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第２層ＢＬＨを形成する。
【００９４】
なお、ステップＳ１１０ａにおいて、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、第４層ＷＬＨの上に第１層ＢＬＬを形成し、ｎ型不純物となる不純物原料ガスを導入しなければ、最終障壁層ＢＬＺは、不純物濃度が低い層だけを有する構成となり、図５に例示した半導体発光素子１１１が作成できる。
【００９５】
また、図１０に例示したフローチャートにおいて、ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０の繰り返しの一部において、第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨの形成のいずれかを省略することができる。これにより、例えば、図６〜図９に例示した半導体発光素子１１２〜１１５及びそれらの変形の半導体発光素子が作製できる。
【００９６】
この後、既に説明したｐ型層５０及び各種の電極の形成、並びに、素子の分断を行い、本実施形態に係る半導体発光素子が製造される。ｐ型不純物原料としてＭｇを用いる場合には、不純物原料ガスとして、（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇや（Ｃ５Ｈ４Ｃ２Ｈ５）２Ｍｇ等の有機Ｍｇ化合物ガスを用いることができる。
【００９７】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、ｎ型層２０が形成された基板１０が配置された処理室内に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して第１層ＢＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第２層ＢＬＨを形成する第１処理と、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する第２処理と、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して第３層ＷＬＬを形成した後、不純物ガスをさらに導入して第４層ＷＬＨを形成する第３処理と、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する第４処理と、を含む。そして、上記の第１処理〜第４処理を繰り返して行うことをさらに含むことができる。
【００９８】
これにより、上記の第２処理（ステップＳ１２０）及び第４処理（ステップＳ１４０）において、処理室内に実質的に不純物ガスが残留しない状態が形成され、第１層ＢＬＬ及び第３層ＷＬＬ中の不純物濃度を十分に低下させることができ、結果として障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの結晶性を高めることができ、駆動電圧が低く、かつ、発光効率の高い半導体発光素子を製造できる。
【００９９】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法は、紫外〜青紫色〜青色〜緑色のＬＥＤの他、紫外〜青紫色〜青色〜緑色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などに応用できる。
【０１００】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」は、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ，ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１０１】
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、半導体発光素子を構成するｎ型層、ｐ型層、発光部、井戸層、障壁層、第１層〜第４層、電極、基板等、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。
【０１０２】
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そ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及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１０３】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明によれば、低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
【符号の説明】
【０１０５】
１０…基板、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ型層、 ２１…ｎ型ＧａＮ層、 ２２…ｎ型ＧａＮガイド層、 ４０…発光部、 ５０…ｐ型層、 ５１…ｐ型ＧａＮ第１ガイド層、 ５２…ｐ型ＡｌＧａＮ層（電子オーバーフロー防止層）、 ５３…ｐ型ＧａＮ第２ガイド層、 ５４…ｐ型ＧａＮコンタクト層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０〜１１５、１９１〜２００…半導体発光素子、 ＢＬ…障壁層、 ＢＬ１〜ＢＬｎ＋１…第１障壁層〜第（ｎ＋１）障壁層、 ＢＬＨ…第２層、 ＢＬＬ…第１層、 ＢＬＺ…最終障壁層、 Ｉｒ…規格化発光効率、 Ｖｒ…規格化駆動電圧、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｎ…第１井戸層〜第ｎ井戸層、 ＷＬＨ…第４層、 ＷＬＬ…第３層、 ＸＬＨ…高濃度障壁層、 ＸＬＬ…低濃度障壁層、 ＹＬＨ…高濃度井戸層、 ＹＬＬ…低濃度井戸層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体を用いた量子井戸構造を有する発光素子において、窒化物結晶の結晶構造の対称性や結晶歪みにより、量子井戸構造内部に分極電界が発生し、量子井戸内のキャリアが空間分離し、発光効率の低下や駆動電圧の上昇を招く。
【０００３】
これに対し、特許文献１には、ピエゾ電界の影響を抑制するために、障壁層に、ｎ型不純物のドープされたｎ型領域とアンドープ領域とを設ける構成が提案されている。しかしながら、本技術を用いても発光効率は不十分であり、改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２２９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、窒化物半導体からなるｎ型層と、窒化物半導体からなるｐ型層と、前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層と、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、前記障壁層における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、窒化物半導体からなる井戸層と、を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、を備え、前記複数の障壁層の少なくともいずれかは、前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第１層と、前記ｐ型層の側に設けられ、前記第１層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層と、を含み、前記井戸層の少なくともいずれかは、前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第３層と、前記ｐ型層の側に設けられ、前記第３層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層と、を含むことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図３】比較例の半導体発光素子を示す模式図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。
【図５】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図６】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図７】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図８】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図９】半導体発光素子を示す模式的断面図である。
【図１０】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。
【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】
図１は、本発明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。
すなわち、同図（ｂ）は、半導体発光素子の全体の構成を例示し、同図（ａ）は、半導体発光素子のうちの発光部の構成を例示している。
【００１１】
図１（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ型層２０と、ｐ型層５０と、ｎ型層２０とｐ型層５０との間に設けられた発光部４０と、を備える。
【００１２】
ｎ型層２０及びｐ型層５０は、窒化物半導体からなる。
【００１３】
図１（ａ）に表したように、発光部４０は、複数の障壁層ＢＬと、前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられた井戸層ＷＬと、を有する。
障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬは、窒化物半導体からなる。井戸層ＷＬには、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含む窒化物半導体を用いるのが良い。障壁層ＢＬのバンドギャップエネルギーは、井戸層ＷＬよりも大きい。
すなわち、障壁層ＢＬがＩｎを含む場合、障壁層ＢＬにおけるＩｎの濃度は、井戸層ＷＬにおけるＩｎの濃度よりも低い。これにより、井戸層ＷＬにおけるバンドギャップエネルギーは、障壁層ＢＬにおけるバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。
【００１４】
このように、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは互いに交互に積層される。ここで、井戸層ＷＬの数を「ｎ」とすると、井戸層ＷＬは、第１井戸層ＷＬ１〜第ｎ井戸層ＷＬｎを有する。一方、障壁層ＢＬは、第１障壁層ＢＬ１〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬｎ＋１を有する。ここで、最もｐ型層５０に近い障壁層ＢＬ（第（ｎ＋１）障壁層ＢＬｎ＋１）を適宜、「最終障壁層ＢＬＺ」と言う。
【００１５】
そして、図１（ａ）に表したように、障壁層ＢＬのそれぞれは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第１層ＢＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第１層ＢＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨと、を含む。そして、井戸層ＷＬのそれぞれは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第３層ＷＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第３層ＷＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨと、を含む。
【００１６】
例えば、第１層ＢＬＬは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｎ型層２０の側の界面に接して設けられ、第２層ＢＬＨは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｐ型層５０の側の界面に接して設けられる。そして、例えば、第３層ＷＬＬは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｎ型層２０の側の界面に接して設けられ、第４層ＷＬＨは、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとの界面のうちのｐ型層５０の側の界面に接して設けられる。
【００１７】
ただし、後述するように、障壁層ＢＬの少なくともいずれかが、上記の第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを含み、井戸層ＷＬの少なくともいずれかが、上記の第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを含めば良い。
【００１８】
このように、半導体発光素子１１０においては、障壁層ＢＬが第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを含み、井戸層ＷＬが第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを含む構成を有することで、発光部４０内のキャリアの空間分離を抑制し、また、不純物の制御性が良いことから結晶性が高く、発光効率の高い半導体発光素子が得られる。
【００１９】
以下、半導体発光素子１１０の具体的な構成について説明する。なお、本具体例の半導体発光素子１１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）である。
【００２０】
図１（ｂ）に表したように、半導体発光素子１１０においては、サファイアからなる基板１０の主面に、バッファ層１１が設けられ、その上に、ｎ型ＧａＮ層２１と、ｎ型ＧａＮガイド層２２と、が設けられる。ｎ型ＧａＮ層２１及びｎ型ＧａＮガイド層２２は、ｎ型層２０に含まれる。
【００２１】
そして、ｎ型ＧａＮガイド層２２の上に、活性層（発光部４０）が設けられ、その上に、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２（電子オーバーフロー防止層）、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３及びｐ型ＧａＮコンタクト層５４が、この順で設けられている。ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３及びｐ型ＧａＮコンタクト層５４は、ｐ型層５０に含まれる。
【００２２】
そして、ｎ型層２０であるｎ型ＧａＮ層２１の一部、並びに、その一部に対応する発光部４０及びｐ型層５０が除去され、ｎ型ＧａＮ層２１の上にｎ側電極７０が設けられる。一方、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４の上にｐ側電極８０が設けられる。
【００２３】
半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。
まず、サファイアからなる基板１０の主面上に、バッファ層１１を形成した後、ｎ型ＧａＮ層２１を結晶成長させる。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。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。ｎ型ＧａＮ層２１にドープするｎ型不純物としてＳｉが用いられる。ただし、この他、Ｇｅ及びＳｎなど種々の元素を用いることが可能である。ｎ型ＧａＮ層２１におけるＳｉのドーピング量は、例えば、２×１０１８ｃｍ−３程度とされ、ｎ側ＧａＮ層２１の厚さは、例えば４μｍ（マイクロメートル）とされる。
【００２４】
なお、基板１０には、サファイア以外に、ＧａＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ及びＧａＡsなどの各種の材料を用いることができる。
【００２５】
次に、ｎ型ＧａＮ層２１の上に、ｎ型ＧａＮガイド層２２を結晶成長させる。ｎ型ＧａＮガイド層２２におけるｎ型不純物濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３程度とされ、ｎ型ＧａＮガイド層２２の厚さは、例えば０．１μｍとされる。
【００２６】
なお、ｎ型ＧａＮ層２１及びｎ型ＧａＮガイド層２２を成長させる際の成長温度は、いずれも１０００〜１１００℃である。
【００２７】
また、ｎ型ＧａＮガイド層２２として、ＧａＮ層ではなく、厚さが０．１μｍ程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いても良い。Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いる場合の成長温度は、７００〜８００℃である。
【００２８】
次に、ｎ型ＧａＮガイド層２２の上に、発光部４０を形成する。
例えば、まず、１層目の第１障壁層ＢＬ１を形成する。このとき、まず、ｎ型不純物の濃度が低い、すなわち、例えばアンドープの第１層ＢＬＬを形成する。この第１層ＢＬＬには、例えばアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎが用いられ、厚さは例えば１０．５ｎｍ（ナノメートル）とされる。なお、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎにおいても、わずかなｎ型不純物を含有しているので、アンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎの第１層ＢＬＬにおけるｎ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３である。
【００２９】
その後、第１層ＢＬＬの上に、第１層ＢＬＬよりもｎ型不純物の濃度が高い第２層ＢＬＨを形成する。第２層ＢＬＨには、例えば、ＳｉをドープしたＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎが用いられ、厚さは例えば２ｎｍとされる。そして、第２層ＢＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされる。
これにより、障壁層ＢＬの厚さは、１２．５ｎｍとなる。このように、第２層ＢＬＨの厚さ（この例では２ｎｍ）は、第１層ＢＬＬの厚さ（この例では１０．５ｎｍ）に対して薄く設定される。
なお、障壁層ＢＬは、井戸層ＷＬよりも大きい複数のバンドギャップエネルギーを有することができる。例えば、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとが、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有していても良く、また、第１層ＢＬＬ及び第２層ＢＬＨにおけるバンドギャップエネルギーが傾斜状または階段状に変化していても良い。
【００３０】
その後、第２層ＢＬＨの上に、１層目の第１井戸層ＷＬ１を形成する。このとき、まず、ｎ型不純物の濃度が低い、すなわち、例えばアンドープの第３層ＷＬＬを形成する。この第３層ＷＬＬには、例えばアンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎが用いられ、厚さは例えば１．５ｎｍとされる。なお、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎにおいても、わずかなｎ型不純物を含有しているので、アンドープのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎの第３層ＷＬＬにおけるｎ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３〜１×１０１７ｃｍ−３である。
【００３１】
その後、第３層ＷＬＬの上に、第３層ＷＬＬよりもｎ型不純物の濃度が高い第４層ＷＬＨを形成する。第４層ＷＬＨには、例えば、ＳｉをドープしたＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎが用いられ、厚さは例えば１ｎｍとされる。そして、第４層ＷＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とされる。
なお、これにより、井戸層ＷＬの厚さは、２．５ｎｍとなる。このように、第４層ＷＬＨの厚さ（この例では１ｎｍ）は、第３層ＷＬＬの厚さ（この例では１．５ｎｍ）に対して薄く設定される。
【００３２】
その後、同様にして、障壁層ＢＬ（第２障壁層ＢＬ２〜第（ｎ＋１）障壁層ＢＬｎ＋１）と、井戸層ＷＬ（第２井戸層ＷＬ２〜第ｎ井戸層ＷＬｎ）と、を交互に繰り返して形成する。これにより、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造の発光部４０が形成される。
【００３３】
なお、上記の障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬ（第１層ＢＬＬ、第２層ＢＬＨ、第３層ＷＬＬ及び第４層ＷＬＨ）の形成の際の成長温度は、例えば７００〜８００℃である。また、室温における発光部４０のフォトルミネッセンスの波長が４５０ｎｍとなるように、上記の障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬは設計されている。
【００３４】
次に、発光部４０の上に、ＧａＮからなるｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１を成長させる。ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１の厚さは、例えば３０ｎｍ程度である。このｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１となるＧａＮ層を成長する温度は、例えば１０００〜１１００℃である。この時に用いるｐ型不純物としては、Ｍｇが用いられる。ただし、この他、Ｚｎ及びＣなど種々の元素を用いることが可能である。Ｍｇのドーピング濃度は、例えば４×１０１８ｃｍ−３程度とされる。なお、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１として、厚さが３０ｎｍ程度のＩｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いても良い。Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを用いる場合の成長温度は、例えば７００〜８００℃である。
【００３５】
次に、ｐ型ＧａＮ第１ガイド層５１の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ層５２には、ｐ型不純物がドープされたＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎを用いることができる。ｐ型ＡｌＧａＮ層５２は、電子オーバーフロー防止層の機能を有する。ｐ型不純物としてはＭｇを用い、Ｍｇの濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３程度とされる。なお、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２となるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎの成長温度は、例えば１０００〜１１００℃である。
【００３６】
次に、ｐ型ＡｌＧａＮ層５２の上に、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３を形成する。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３には、Ｍｇがドープされたｐ型ＧａＮ層を用いることができる。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３の厚さは、例えば５０ｎｍ程度である。ｐ型不純物としてＭｇを用いることができ、Ｍｇの濃度は例えば１×１０１９ｃｍ−３程度とされる。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３となるＧａＮの成長温度は、例えば１０００〜１１００℃である。
【００３７】
そして、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層５３の上に、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４を形成する。ｐ型ＧａＮコンタクト層５４において、ｐ型不純物としてＭｇを用いることができ、Ｍｇの濃度は、例えば１×１０２０ｃｍ−３程度であり、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４の厚さは、例えば６０ｎｍ程度である。
【００３８】
このような各層の結晶成長を行った積層構造体に対して、以下のデバイスプロセスを行う。
すなわち、ｐ型ＧａＮコンタクト層５４の上にｐ側電極８０を形成する。ｐ側電極８０には、例えば、パラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜を用いる。例えば、Ｐｄ膜の厚さは０．０５μｍであり、Ｐｔ膜の厚さは０．０５μｍであり、Ａｕ膜の厚さは０．０５μｍである。ただし、この他、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの透明性電極や反射性の高い金属を用いることが可能である。
【００３９】
この後、上記の積層構造体の一部にドライエッチングを施し、ｎ型ＧａＮ層２１を露出させ、ｎ側電極７０を形成する。ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜を用いる。例えば、Ｔｉ膜の厚さは０．０５μｍ程度であり、Ｐｔ膜の厚さは０．０５μｍ程度であり、Ａｕ膜の厚さは１．０μｍ程度である。
これにより、図１に例示した半導体発光素子１１０が作製される。
【００４０】
以下、半導体発光素子１１０の特性について、比較例を参照しながら説明する。
図２及び図３は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の半導体発光素子の構成を例示する模式図である。
すなわち、これらの図は、半導体発光素子の発光部における伝導帯のエネルギーバンド及び高濃度不純物層の配置をモデル的に示しており、図２（ａ）は本実施形態に係る半導体発光素子１１０に対応し、図２（ｂ）〜（ｆ）及び図３（ａ）〜（ｅ）は、第１〜第１０比較例の半導体発光素子１９１〜２００に対応する。
【００４１】
図２（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、各障壁層ＢＬのｐ型層５０の側に、高濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨが配置されると共に、各井戸層ＷＬのｐ型層５０の側に、高濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨが配置される。これにより、発光部４０の内部の電界の影響を抑制し、効率を向上できる。すなわち、駆動電圧を低減し、発光効率が向上する。
【００４２】
さらに、この構造においては、障壁層ＢＬとして、不純物の濃度が低い（例えばアンドープの）第１層ＢＬＬの形成の後に、高濃度の第２層ＢＬＨが形成され、その後に、井戸層ＷＬとして、不純物の濃度が低い（例えばアンドープの）第３層ＷＬＬが形成され、その後に、高濃度の第４層ＷＬＨが形成される。
【００４３】
このとき、障壁層ＢＬから井戸層ＷＬへの切り替えの後には、井戸層ＷＬとして、まず、低濃度である第３層ＷＬＬの結晶成長から開始し、その後、高濃度の第４層ＷＬＨの結晶成長を行うことで、反応炉内の残留不純物の影響を抑制できるため、不純物濃度の制御性が高まり、結晶性が向上する。すなわち、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの界面において不純物濃度の制御の急峻性が向上する。
【００４４】
そして、井戸層ＷＬから障壁層ＢＬへの切り替えの後には、障壁層ＢＬとして、まず、低濃度である第１層ＢＬＬの結晶成長から開始し、その後、高濃度の第２層ＢＬＨの結晶成長を行うことで、不純物濃度の制御性が高まり、結晶性が向上する。すなわち、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの界面において不純物濃度の制御の急峻性が向上する。
【００４５】
また、半導体発光素子１１０の製造においては、良好な結晶を得るために、ｎ型層２０を形成し、その後、発光部４０を形成し、その後、ｐ型層５０を形成する。このような発光部４０の形成において、障壁層ＢＬから井戸層ＷＬへの切り替え、及び、井戸層ＷＬから障壁層ＢＬへの切り替えの際に、後述するように、障壁層ＢＬまたは井戸層ＷＬとなる原料ガスの一部の供給を中断し、例えば窒素原料ガスのみを供給する方法を採用でき、不純物濃度及び組成の制御性を高めて、結晶性の良好な結晶が得られる。
このように、障壁層ＢＬから井戸層ＷＬへの切り替え、及び、井戸層ＷＬから障壁層ＢＬへの切り替えの際に、低濃度の第３層ＷＬＬ、または、低濃度の第１層ＢＬＬから結晶成長を開始することにより、井戸層ＷＬ及び障壁層ＢＬの結晶性が向上し、また、井戸層ＷＬと障壁層ＢＬとの間の不純物濃度及び組成の変化の急峻性も向上できる。
【００４６】
すなわち、この構成においては、高濃度の不純物領域である第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨが、それぞれ、例えばアンドープの第１層ＢＬＬ及び第３層ＷＬＬの後に形成されるので、良好な結晶性を維持しつつ、高キャリア濃度かつ高移動度の障壁層及び井戸層を得ることができる。
【００４７】
そして、高濃度の不純物領域である第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨ中の不純物から生じるキャリアによって、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬに生じる内部電界を効率的に抑制できる。これにより、発光効率を向上でき、光出力を向上できる。
【００４８】
上記のように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとが、高濃度で不純物を含む第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨをそれぞれ含むことで、電界を抑制し、さらに、第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨが、それぞれ不純物の低濃度が低い第１層ＢＬＬ及び第３層ＷＬＬの後に形成される構成によって、高い結晶性を維持する。これにより、駆動電圧を低減しつつ発光効率を向上できる。
【００４９】
半導体発光素子１１０において、第２層ＢＬＨにおけるｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３が好ましく、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３がさらに好ましい。すなわち、ｎ型不純物の濃度を、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とすることで、発光効率が向上し、駆動電圧が低減できる。ｎ型不純物の濃度が、５×１０１７ｃｍ−３よりも低い、または、１×１０１９ｃｍ−３よりも高い場合は、発光効率の向上が不十分であるか、または、駆動電圧の低減が不十分となる。
【００５０】
そして、第４層ＷＬＨにおけるｎ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３が好ましく、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３がさらに好ましい。第４層ＷＬＨにおけるｎ型不純物の濃度を、５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３とすることで、発光効率が向上し、駆動電圧が低減できる。特に、第４層ＷＬＨにおけるｎ型不純物の濃度を、１×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３にすることで、発光効率が最も向上し、駆動電圧が最も低減できる。ｎ型不純物の濃度が、５×１０１７ｃｍ−３よりも低い、または、１×１０１９ｃｍ−３よりも高い場合は、発光効率の向上が不十分であるか、または、駆動電圧の低減が不十分となる。
【００５１】
また、第２層ＢＬＨの厚さは、単原子層の厚さ以上であり、第１層ＢＬＬの厚さ以下とすることが望ましい。なお、単原子層の厚さは、約０．２５ｎｍである。第２層ＢＬＨの厚さが、単原子層の厚さよりも薄い場合は、不純物の導入の効果が低く、例えば駆動電圧の低下や発光効率の向上の効果が小さい。一方、第２層ＢＬＨの厚さが第１層ＢＬＬの厚さを超えると、結晶性が低くなり、例えば発光効率が低下する。
【００５２】
また、第４層ＷＬＨの厚さは、単原子層の厚さ以上であり、第３層ＷＬＬの厚さ以下であることが望ましい。第４層ＷＬＨの厚さが、単原子層の厚さよりも薄い場合は、不純物の導入の効果が低く、例えば駆動電圧の低下や発光効率の向上の効果が小さい。一方、第４層ＷＬＨの厚さが第３層ＷＬＬの厚さを超えると、結晶性が低くなり、例えば発光効率が低下する。
【００５３】
また、第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨに含まれるｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＴｅよりなる群から選択された少なくともいずれかであることが望ましい。これらの材料を用いることで、良好な結晶性を維持しつつ、特性の向上のためのキャリアを効率的に生成でき、駆動電圧の低減と発光効率の向上とが効果的に行われる。
【００５４】
以下、比較例について説明する。
図２（ｂ）に表したように、第１比較例の半導体発光素子１９１においては、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬには、高濃度で不純物を含む層が設けられていない。
【００５５】
図２（ｃ）に表したように、第２比較例の半導体発光素子１９２においては、障壁層ＢＬが、不純物の濃度が高い高濃度障壁層ＸＬＨと、不純物の濃度が低い低濃度障壁層ＸＬＬと、を有している。そして、高濃度障壁層ＸＬＨがｐ型層５０の側に配置され、低濃度障壁層ＸＬＬがｎ型層２０の側に配置されている。すなわち、本構成における障壁層ＢＬの構成は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における障壁層ＢＬに類似している。しかし、半導体発光素子１９２においては、井戸層ＷＬは高い濃度で不純物を含む層を含んでいない。
【００５６】
図２（ｄ）に表したように、第３比較例の半導体発光素子１９３においては、井戸層ＷＬが、不純物の濃度が高い高濃度井戸層ＹＬＨと、不純物の濃度が低い低濃度井戸層ＹＬＬと、を有している。そして、高濃度井戸層ＹＬＨがｐ型層５０の側に配置され、低濃度井戸層ＹＬＬがｎ型層２０の側に配置されている。すなわち、本構成における井戸層ＷＬの構成は、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における井戸層ＷＬに類似している。しかし、半導体発光素子１９３においては、障壁層ＢＬは高い濃度で不純物を含む層を含んでいない。
【００５７】
図２（ｅ）に表したように、第４比較例の半導体発光素子１９４においては、障壁層ＢＬが、不純物の濃度が高い高濃度障壁層ＸＬＨと、不純物の濃度が低い低濃度障壁層ＸＬＬと、を有している。そして、高濃度障壁層ＸＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度障壁層ＸＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。この構成においては、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における障壁層ＢＬの場合とは逆である。
【００５８】
図２（ｆ）に表したように、第５比較例の半導体発光素子１９５においては、障壁層ＢＬは、第２比較例における障壁層ＢＬの構成と同じであり、井戸層ＷＬが、高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬと、を有している。そして、高濃度井戸層ＹＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度井戸層ＹＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。この構成においては、高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬとの配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における井戸層ＷＬの場合とは逆である。
【００５９】
図３（ａ）に表したように、第６比較例の半導体発光素子１９６においては、障壁層ＢＬが、２つの高濃度障壁層ＸＬＨと、低濃度障壁層ＸＬＬと、を有している。そして、高濃度障壁層ＸＬＨがｎ型層２０の側とｐ型層５０の側とに配置され、その間に低濃度障壁層ＸＬＬが配置されている。
【００６０】
図３（ｂ）に表したように、第７比較例の半導体発光素子１９７においては、障壁層ＢＬが、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとを有し、高濃度障壁層ＸＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度障壁層ＸＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。そして、井戸層ＷＬが、高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬとを有し、高濃度井戸層ＹＬＨがｎ型層２０の側に配置され、低濃度井戸層ＹＬＬがｐ型層５０の側に配置されている。すなわち、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬにおける高濃度の不純物層の配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０とは逆である。
【００６１】
次に、半導体発光素子１１０、及び、第１〜第７比較例の半導体発光素子１９１〜１９７を実際に作製し、特性を評価した結果について説明する。
【００６２】
図４は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子及び比較例の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、図４（ａ）は、２０ｍＡの電流を通電した際の発光効率を示している。縦軸は、第１比較例の半導体発光素子１９１の発光効率を１とした規格化発光効率Ｉｒである。発光効率の測定においては、各半導体発光素子に、２０ｍＡの電流を通電し、その時の発光出力を測定し、その結果から発光効率を求めた。また、図４（ｂ）は、２０ｍＡの電流が流れるときの駆動電圧を示している。縦軸は、第１比較例の半導体発光素子１９１の駆動電圧を１としたときの規格化駆動電圧Ｖｒである。
【００６３】
図４（ａ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における発光効率（規格化発光効率Ｉｒ）は、比較例のいずれよりも高い。
また、図４（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における駆動電圧（規格化駆動電圧Ｖｒ）は、比較例のいずれよりも低い。
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、発光効率及び駆動電圧の両方の特性を大幅に改善する。
【００６４】
一方、第１比較例の半導体発光素子１９１においては、発光効率が低く、駆動電圧が高い。これは、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬに高濃度の不純物層が設けられていないため、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬにおける結晶構造の対称性や結晶歪みにより分極電界が発生し、これにより障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬのエネルギーバンドが傾斜し、これにより、発光部４０内のキャリアが空間的に分離することが原因である。
【００６５】
一方、障壁層ＢＬが本実施形態と類似の構成である第２比較例の半導体発光素子１９２においては、発光効率は、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも向上しているが、その程度は低い。また、駆動電圧はほとんど変化していない。
【００６６】
また、井戸層ＷＬが本実施形態と類似の構成である第３比較例の半導体発光素子１９３においては、駆動電圧は、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも向上しているが、その程度は低い。また、発光効率はほとんど変化していない。
【００６７】
このように、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの一方にのみ、高濃度の不純物層を設ける方法では、発光効率と駆動電圧の両方の特性を改善することが難しい。
【００６８】
第４比較例の半導体発光素子１９４においても、第１比較例よりは特性が改善するが、本実施形態と比較すると、発光効率が低く、駆動電圧が高い。これは、半導体発光素子１９４においては、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの配置が半導体発光素子１１０とは逆であり、不純物濃度の制御性が低く、結晶性が悪いことに起因する。すなわち、反応炉内に残留した残留不純物によって、低濃度障壁層ＸＬＬにも不純物が過剰に含まれやすく、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの界面の不純物濃度の急峻性が低下、つまり、障壁層ＢＬの結晶性が劣化し易い。このため、本実施形態に比べ、結晶性が悪く、電界の抑制効果が小さいため、出力が低く、駆動電圧が高くなったものと考えられる。
【００６９】
第５比較例の半導体発光素子１９５においても、第１比較例よりは特性が改善するが、本実施形態と比較すると、発光効率が低く、駆動電圧が高い。これは、半導体発光素子１９５においては、井戸層ＷＬの高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬの配置が、半導体発光素子１１０の場合と逆であることが原因している。すなわち、第５比較例の構成においては、井戸層ＷＬの形成における、高濃度井戸層ＹＬＨから低濃度井戸層ＹＬＬへの切り替えの際に、不純物濃度を急峻に変化させることが実際上困難であり、不純物が低濃度井戸層ＹＬＬにも含まれ易く、このため、結晶性が劣化し易い。このため、半導体発光素子１１０に比べて、結晶性が悪いため、発光効率が低く、駆動電圧が高くなったものと考えられる。
【００７０】
第６比較例の半導体発光素子１９６においては、第１比較例に対して発光効率が若干向上したが駆動電圧はほとんど変化しない。これは、半導体発光素子１９６においては、２つの高濃度障壁層ＸＬＨの間に低濃度障壁層ＸＬＬが配置されており、第４比較例と同様に、本実施形態に比べて結晶性が悪く、電界の抑制効果が小さいことが原因と考えられる。
【００７１】
第７比較例の半導体発光素子１９７においては、第１比較例に対して駆動電圧が若干低下するが、発光効率はほとんど変化しない。これは、半導体発光素子１９７においては、障壁層ＢＬの高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬの配置、並びに、井戸層ＷＬの高濃度井戸層ＹＬＨと低濃度井戸層ＹＬＬの配置、が、半導体発光素子１１０の場合と逆であり、本実施形態に比べて結晶性が悪いことが原因と考えられる。
【００７２】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、上記の比較例のいずれよりも、発光効率及び駆動電圧の両方において高い特性を発揮する。
【００７３】
なお、図３（ｃ）に表したように、第８比較例の半導体発光素子１９８においては、障壁層ＢＬの全ての部分が、高濃度で不純物を含む高濃度障壁層ＸＬＨである。高濃度障壁層ＸＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。この構成の場合には、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも駆動電圧は低減できるが、結晶性が悪化し、効率が低い。
【００７４】
また、図３（ｄ）に表したように、第９比較例の半導体発光素子１９９においては、井戸層ＷＬの全ての部分が、高濃度で不純物を含む高濃度井戸層ＹＬＨである。高濃度井戸層ＹＬＨにおけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１９ｃｍ−３である。この構成の場合にも、第１比較例の半導体発光素子１９１よりも駆動電圧は低減できるが、結晶性が著しく悪化し、効率が低い。
【００７５】
なお、図３（ｅ）に表したように、第１０比較例の半導体発光素子２００においては、第３及び第４比較例の両方の構成が適用されている。この場合にも、高濃度障壁層ＸＬＨと低濃度障壁層ＸＬＬとの配置が、本実施形態に係る半導体発光素子１１０における障壁層ＢＬの場合とは逆であるため、不純物濃度の制御性が悪く、結晶性が低下するため、やはり効率が低い。
【００７６】
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、高濃度で不純物を含む第２層ＢＬＨと第４層ＷＬＨとを、ｐ型層５０の側に配置することで、比較例のいずれよりも駆動電圧を低減でき、比較例のいずれよりも発光効率を向上することができる。
【００７７】
図５〜図９は、本発明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５に表したように本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１においては、ｐ型層５０に最も近い最終障壁層ＢＬＺには、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの積層構造が設けられておらず、最終障壁層ＢＬＺの全体は、不純物濃度が低い層（例えばアンドープ層）である。それ以外は、半導体発光素子１１０と同様である。
【００７８】
このように、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせは、障壁層ＢＬの全てに設けられなくても良く、一部の障壁層ＢＬに設けるだけでも、上記で説明した駆動電圧の低下と効率の向上の効果がある。
【００７９】
図６に表したように、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１２においては、ｎ型層２０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８０】
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１１３においては、ｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｎ型層２０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８１】
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１１４においては、ｎ型層２０及びｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｎ型層２０とｐ型層５０との間の中間部においては、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８２】
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１１５においては、ｎ型層２０とｐ型層５０との間の中間部においては、障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとは、それぞれ、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとの組み合わせ、及び、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとの組み合わせ、を有しているが、ｎ型層２０及びｐ型層５０に近い障壁層ＢＬと井戸層ＷＬとには、高濃度で不純物を含有する層が設けられていない。
【００８３】
このように、障壁層ＢＬの少なくともいずれかが、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第１層ＢＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第１層ＢＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨと、を含み、井戸層ＷＬの少なくともいずれかが、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の低濃度が低い第３層ＷＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第３層ＷＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨと、を含めば良い。
【００８４】
なお、複数の障壁層ＢＬのうちの一部が第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを有し、複数の井戸層ＷＬのうちの一部が第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを有する場合において、第１層ＢＬＬと第２層ＢＬＨとを有する障壁層ＢＬと、第３層ＷＬＬと第４層ＷＬＨとを有する井戸層ＷＬとは、互いに隣接していることが望ましい。これにより、高濃度の不純物領域である第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨ中の不純物から生じるキャリアによって、より効率的に障壁層ＢＬおよび井戸層ＷＬに生じる内部電界を抑制できる。
【００８５】
以下、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。
本製造方法は、窒化物半導体からなるｎ型層２０と、窒化物半導体からなるｐ型層５０と、ｎ型層２０とｐ型層５０との間に設けられ、窒化物半導体からなる複数の障壁層ＢＬと、複数の障壁層ＢＬのそれぞれの間に設けられ、障壁層ＢＬにおける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、窒化物半導体からなる井戸層ＷＬと、を有する発光部４０と、を有し、障壁層ＢＬの少なくともいずれかは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第１層ＢＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第１層ＢＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層ＢＬＨと、を含み、井戸層ＷＬの少なくともいずれかは、ｎ型層２０の側に設けられ、ｎ型不純物の濃度が低い第３層ＷＬＬと、ｐ型層５０の側に設けられ、第３層ＷＬＬよりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層ＷＬＨと、を含む半導体発光素子の製造方法である。
【００８６】
図１０は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図１０に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法においては、ｎ型層２０が形成された基板が配置された処理室内に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、ｎ型層２０の上に、第１層ＢＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第２層ＢＬＨを形成する（ステップＳ１１０）。
【００８７】
Ｖ族原料ガスには、例えばＮＨ３ガスを用いることができる。
一方、III族原料ガスには、例えば、Ｇａ（ＣＨ３）３やＧａ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｇａ化合物ガス、並びに、Ｉｎ（ＣＨ３）３やＩｎ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ｉｎ化合物ガスを用いることができる。また、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬがＡｌを含む場合には、III族原料として、例えば、Ａｌ（ＣＨ３）３やＡｌ（Ｃ２Ｈ５）３等の有機金属Ａｌ化合物ガスを用いることができる。
また、ｎ型不純物としてＳｉを用いる場合には、不純物原料ガスとして、ＳｉＨ４等のＳｉ水素化物ガスやＳｉ（ＣＨ３）４等の有機Ｓｉ化合物ガスを用いることができる。
【００８８】
そして、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する（ステップＳ１２０)。すなわち、例えば、Ｖ族原料ガスだけが導入される期間を設ける。この期間の間に、処理室内に残留した不純物ガスが十分に排気されて除去される。これにより、処理室内には実質的に不純物ガスが残留しない状態が形成される。なお、障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの成長条件（例えば成長温度など）が異なる場合には、このステップＳ１２０中に成長条件の変更を行うことが可能である。
【００８９】
この後、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、障壁層ＢＬの上に、第３層ＷＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物ガスをさらに導入して第４層ＷＬＨを形成する（ステップＳ１３０）。
なお、ステップＳ１３０においては、ステップＳ１１０よりも、例えばＩｎの比率を高める。これにより、井戸層ＷＬ（第３層ＷＬＬ及び第４層ＷＬＨ）におけるバンドギャップエネルギーを、障壁層ＢＬよりも小さくできる。
【００９０】
その後、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する（ステップＳ１４０)。
井戸層ＷＬと障壁層ＢＬの成長条件（例えば成長温度など）が異なる場合には、このステップＳ１４０中に成長条件の変更を行うことが可能である。
【００９１】
以下、上記のステップＳ１１０〜ステップＳ１４０を繰り返す。
ただし、２回目以降のステップＳ１１０においては、第１層ＢＬＬの形成は、第４層ＷＬＨの上に行われる。
【００９２】
この繰り返しにおいては、例えば、最初に整数ｊを「０」に設定し（ステップＳ１０１）、その後、整数ｊを、前の整数ｊに１加算したものとし（ステップＳ１０２）、上記のステップＳ１１０〜ステップＳ１４０を実施する。その後、整数ｊと、予め定めた積層数ｎと、の比較を行い（ステップＳ１５０）、整数ｊが積層数ｎに満たない場合は、ステップＳ１１０（この場合はステップ１０２）に戻り、上記の処理を繰り返す。
【００９３】
そして、整数ｊが積層数ｎに達したら、障壁層ＢＬ（最終障壁層ＢＬＺ）を形成する（ステップＳ１１０ａ）。すなわち、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、第４層ＷＬＨの上に、第１層ＢＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第２層ＢＬＨを形成する。
【００９４】
なお、ステップＳ１１０ａにおいて、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して、第４層ＷＬＨの上に第１層ＢＬＬを形成し、ｎ型不純物となる不純物原料ガスを導入しなければ、最終障壁層ＢＬＺは、不純物濃度が低い層だけを有する構成となり、図５に例示した半導体発光素子１１１が作成できる。
【００９５】
また、図１０に例示したフローチャートにおいて、ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０の繰り返しの一部において、第２層ＢＬＨ及び第４層ＷＬＨの形成のいずれかを省略することができる。これにより、例えば、図６〜図９に例示した半導体発光素子１１２〜１１５及びそれらの変形の半導体発光素子が作製できる。
【００９６】
この後、既に説明したｐ型層５０及び各種の電極の形成、並びに、素子の分断を行い、本実施形態に係る半導体発光素子が製造される。ｐ型不純物原料としてＭｇを用いる場合には、不純物原料ガスとして、（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇや（Ｃ５Ｈ４Ｃ２Ｈ５）２Ｍｇ等の有機Ｍｇ化合物ガスを用いることができる。
【００９７】
このように、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、ｎ型層２０が形成された基板１０が配置された処理室内に、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して第１層ＢＬＬを形成した後、ｎ型不純物となる不純物原料ガスをさらに導入して第２層ＢＬＨを形成する第１処理と、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する第２処理と、III族原料ガスとＶ族原料ガスとを導入して第３層ＷＬＬを形成した後、不純物ガスをさらに導入して第４層ＷＬＨを形成する第３処理と、III族原料ガス及び不純物原料ガスの供給を停止する第４処理と、を含む。そして、上記の第１処理〜第４処理を繰り返して行うことをさらに含むことができる。
【００９８】
これにより、上記の第２処理（ステップＳ１２０）及び第４処理（ステップＳ１４０）において、処理室内に実質的に不純物ガスが残留しない状態が形成され、第１層ＢＬＬ及び第３層ＷＬＬ中の不純物濃度を十分に低下させることができ、結果として障壁層ＢＬ及び井戸層ＷＬの結晶性を高めることができ、駆動電圧が低く、かつ、発光効率の高い半導体発光素子を製造できる。
【００９９】
なお、本実施形態に係る半導体発光素子及びその製造方法は、紫外〜青紫色〜青色〜緑色のＬＥＤの他、紫外〜青紫色〜青色〜緑色のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などに応用できる。
【０１００】
なお、本願明細書において、「窒化物半導体」は、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ，ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【０１０１】
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、半導体発光素子を構成するｎ型層、ｐ型層、発光部、井戸層、障壁層、第１層〜第４層、電極、基板等、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。
【０１０２】
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そ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及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１０３】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明によれば、低駆動電圧で高発光効率の半導体発光素子及びその製造方法が提供される。
【符号の説明】
【０１０５】
１０…基板、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ型層、 ２１…ｎ型ＧａＮ層、 ２２…ｎ型ＧａＮガイド層、 ４０…発光部、 ５０…ｐ型層、 ５１…ｐ型ＧａＮ第１ガイド層、 ５２…ｐ型ＡｌＧａＮ層（電子オーバーフロー防止層）、 ５３…ｐ型ＧａＮ第２ガイド層、 ５４…ｐ型ＧａＮコンタクト層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０〜１１５、１９１〜２００…半導体発光素子、 ＢＬ…障壁層、 ＢＬ１〜ＢＬｎ＋１…第１障壁層〜第（ｎ＋１）障壁層、 ＢＬＨ…第２層、 ＢＬＬ…第１層、 ＢＬＺ…最終障壁層、 Ｉｒ…規格化発光効率、 Ｖｒ…規格化駆動電圧、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｎ…第１井戸層〜第ｎ井戸層、 ＷＬＨ…第４層、 ＷＬＬ…第３層、 ＸＬＨ…高濃度障壁層、 ＸＬＬ…低濃度障壁層、 ＹＬＨ…高濃度井戸層、 ＹＬＬ…低濃度井戸層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体からなるｎ型層と、
窒化物半導体からなるｐ型層と、
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に設けられ、
窒化物半導体からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、前記障壁層における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、窒化物半導体からなる井戸層と、
を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、
を備え、
前記複数の障壁層の少なくともいずれかは、
前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第１層と、
前記ｐ型層の側に設けられ、前記第１層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層と、を含み、
前記井戸層の少なくともいずれかは、
前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第３層と、
前記ｐ型層の側に設けられ、前記第３層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層と、を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１層及び前記第２層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有してい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】
前記第１層及び前記第２層の少なくともいずれかのバンドギャップエネルギーは、傾斜状または階段状に変化していることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２層及び前記第４層における前記ｎ型不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であ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】
前記第２層及び前記第４層における前記ｎ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１層及び前記第３層における前記ｎ型不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１層及び前記第３層における前記ｎ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さ以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第４層の厚さは、前記第３層の厚さ以下であることを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＴｅよりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【請求項１】
窒化物半導体からなるｎ型層と、
窒化物半導体からなるｐ型層と、
前記ｎ型層と前記ｐ型層との間に設けられ、
窒化物半導体からなる複数の障壁層と、
前記複数の障壁層のそれぞれの間に設けられ、前記障壁層における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、窒化物半導体からなる井戸層と、
を含み、少なくとも一部が発光する積層体と、
を備え、
前記複数の障壁層の少なくともいずれかは、
前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第１層と、
前記ｐ型層の側に設けられ、前記第１層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第２層と、を含み、
前記井戸層の少なくともいずれかは、
前記ｎ型層の側に設けられｎ型不純物の濃度が低い第３層と、
前記ｐ型層の側に設けられ、前記第３層よりも高い濃度でｎ型不純物を含む第４層と、を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１層及び前記第２層は、互いに異なるバンドギャップエネルギーを有してい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】
前記第１層及び前記第２層の少なくともいずれかのバンドギャップエネルギーは、傾斜状または階段状に変化していることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第２層及び前記第４層における前記ｎ型不純物濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であ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】
前記第２層及び前記第４層における前記ｎ型不純物濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１層及び前記第３層における前記ｎ型不純物濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記第１層及び前記第３層における前記ｎ型不純物濃度は、１×１０１６ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項６記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第２層の厚さは、前記第１層の厚さ以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第４層の厚さは、前記第３層の厚さ以下であることを特徴とする請求項８記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＴｅよりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項９記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３０８１６（Ｐ２０１３−３０８１６Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４５８２８（Ｐ２０１２−２４５８２８）
【出願日】平成２４年１１月７日（２０１２．１１．７）
【分割の表示】特願２０１１−２６０６９５（Ｐ２０１１−２６０６９５）の分割
【原出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【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２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月７日（２０１２．１１．７）
【分割の表示】特願２０１１−２６０６９５（Ｐ２０１１−２６０６９５）の分割
【原出願日】平成２１年９月１日（２００９．９．１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]