半導体素子、ウェーハ、半導体素子の製造方法及びウェーハの製造方法
【課題】高効率の半導体素子、ウェーハ、半導体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、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、発光部と、第１積層体と、を含む半導体素子が提供される。発光部は。第１層と第２層との間に設けられる。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積層体は、第１層と発光部との間に設けられる。第１積層体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。第１積層体は、第１積層体の発光部側の面に設けられた凹部を有する。凹部の少なくとも一部に発光部の一部及び第２層の一部が埋め込まれている。第２層の一部は、埋め込まれた発光部の一部の上にある。
【解決手段】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、発光部と、第１積層体と、を含む半導体素子が提供される。発光部は。第１層と第２層との間に設けられる。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積層体は、第１層と発光部との間に設けられる。第１積層体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。第１積層体は、第１積層体の発光部側の面に設けられた凹部を有する。凹部の少なくとも一部に発光部の一部及び第２層の一部が埋め込まれている。第２層の一部は、埋め込まれた発光部の一部の上にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体素子、ウェーハ、半導体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】
例えば窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低い。
【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、高効率の半導体素子、ウェーハ、半導体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、発光部と、第１積層体と、を含む半導体素子が提供される。前記発光部は。前記第１層と前記第２層との間に設けられる。前記発光部は、障壁層と、井戸層と、を含む。前記第１積層体は、第１層と前記発光部との間に設けられる。前記第１積層体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有する。前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部が埋め込まれている。前記第２層の一部は、前記凹部の前記少なくとも一部に埋め込まれた前記発光部の前記一部の上に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体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素子の一部を示す模式的断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体素子を示す模式的断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る別の半導体素子を示す模式的断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る別の半導体素子を示す模式的断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る別の半導体素子を示す模式的断面図である。
【図７】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８】第３の実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図９】第４の実施形態に係る半導体素子を示す模式的断面図である。
【図１０】第４の実施形態に係る半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図１１】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１２】第６の実施形態に係る半導体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）
本実施形態は、半導体素子に係る。実施形態に係る半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード（ＰＤ）などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、電界トランジスタ（ＦＥＴ）及びショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などを含む。
以下では、実施形態が半導体発光素子に適用される例について説明する。
【００１１】
図１は、第１の実施形態に係る半導体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素子１０は、第１層１３０と、第２層１５０と、発光部１４０（機能部）と、第１積層体２１０と、を含む。
【００１２】
第１層１３０は、窒化物半導体を含み、ｎ形である。第２層１５０は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。
【００１３】
この例では、第１層１３０は、ｎ形閉じ込め層１３１と、ｎ形コンタクト層１３２と、を含む。ｎ形閉じ込め層１３１は、ｎ形コンタクト層１３２と発光部１４０との間に配置される。ｎ形閉じ込め層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。
【００１４】
この例では、第２層１５０は、ｐ形閉じ込め層１５１と、ｐ形コンタクト層１５２と、を含む。ｐ形閉じ込め層１５１は、ｎ形コンタクト層１５２と発光部１４０との間に配置される。ｐ形閉じ込め層１５１は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。
【００１５】
発光部１４０は、第１層１３０と第２層１５０との間に設けられる。発光部１４０は、障壁層（後述する）と、井戸層（後述する）と、を含む。例えば、複数の障壁層が設けられる。井戸層は、複数の障壁層の間に設けられる。
【００１６】
第１積層体２１０は、第１層１３０と発光部１４０との間に設けられる。第１積層体２１０は、複数の第３層２０３と、複数の第４層２０４と、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３層２０３は、例えば、ＡｌＧａＩｎＮを含む。複数の第４層２０４は、例えば、ＧａＩｎＮを含む。第４層２０４のそれぞれの厚さは、発光部１４０の井戸層（後述する）の厚さよりも薄くて良い。
【００１７】
ここで、第１層１３０から第２層１５０に向かう方向をＺ軸方向とする。例えば、第１層１３０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０は、この順でＺ軸方向に沿って積層されている。
【００１８】
本願明細書において、積層されている状態は、直接重ねられる状態に加え、間に別の要素が挿入された状態で重ねられる状態を含む。
【００１９】
第１層１３０の上に第１積層体２１０が設けられ、第１積層体２１０の上に発光部１４０が設けられ、発光部１４０の上に第２層１５０が設けられている。
【００２０】
本願明細書において、上に設けられている状態は、接して上に配置される状態に加え、間に別の要素が挿入されて上に配置される状態を含む。
【００２１】
この例では、半導体素子１０は、第２積層体２２０をさらに含む。第２積層体２２０は、第１層１３０と第１積層体２１０との間に設けられる。第２積層体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第６層２０６と、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。複数の第５層２０５は、第３層２０３の組成とは異なる組成を有する。第５層２０５として、例えばＧａＮが用いられる。第６層２０６は、ＧａＩｎＮを含む。第６層２０６の厚さは、発光部１４０の井戸層（後述する）の厚さよりも薄くてよい。
【００２２】
例えば、半導体素子１０においては、例えば、基板１１０の主面上に、ＡｌＮの第１バッファ層１２１が設けられる。基板１１０の主面は、例えば、サファイアｃ面である。基板１１０の上にノンドープのＧａＮの第２バッファ層１２２が設けられる。具体的には、第１バッファ層１２１は、基板１１０の上に形成された高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含む。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにおける炭素濃度よりも高い。
【００２３】
そして、第２バッファ層１２２の上に、例えば、Ｓｉドープのｎ形ＧａＮのｎ形コンタクト層１３２、Ｓｉドープのｎ形閉じ込め層１３１、発光部１４０、Ｍｇドープのｐ形ＡｌＧａＮのｐ形閉じ込め層１５１、及び、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮのｐ形コンタクト層１５２、が積層される。
【００２４】
さらに、ｐ形コンタクト層１５２の上に、例えばＮｉのｐ側電極１６０が設けられる。ｎ形コンタクト層１３２の上に、例えばＡｌ／Ａｕの積層膜のｎ側電極１７０が設けられている。
【００２５】
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。
【００２６】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、半導体素子１０、及び、後述する半導体素子１１、１２、１３、及び、１４、並びに、ウェーハ６０及び６４における発光部１４０の構成を例示している。図２（ｂ）は、半導体素子１０ａ、１１ａ、１２ａ、１３ａ及び１４ａ、並びに、ウェーハ６０ａ及び６４ａにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｃ）は、後述する半導体素子１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、及び、１４ｂ、並びにウェーハ６０ｂ及び６４ｂにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｄ）は、後述する半導体素子１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ、及び、１４ｃ、並びに、ウェーハ６０ｃ及び６４ｃにおける発光部１４０の構成を例示している。
【００２７】
図２（ａ）に表したように、半導体素子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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
図２（ａ）に示した例では、発光部１４０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１５０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１５０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１層１３０と第１井戸層ＷＬ１との間（すなわち、第１積層体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１５０との間に設けられる。
【００３０】
図２（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体素子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。発光部１４０に４つ以上の井戸層４２を設けても良い。
【００３１】
ここで、複数の障壁層４１のうちで第２層１５０に最も近い障壁層４１をｐ側障壁層ＢＬｐと呼ぶことにする。また、複数の井戸層４２が設けられる場合において、複数の井戸層４２の間に設けられる障壁層４１を井戸間障壁層ＢＬＩと呼ぶことにする。
【００３２】
複数の障壁層４１のうちで第１層１３０に最も近い障壁層４１が第１障壁層ＢＬ１である。第１積層体２１０の一部がこの層を兼ねても良い。換言すると、第１積層体２１０の複数の第３層２０３のうちで発光部１４０に最も近い層が第１障壁層ＢＬ１であるとすることが可能である。
【００３３】
第１障壁層ＢＬ１は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ１、０＜ｘ１＋ｙ１≦１）を含む。第１障壁層ＢＬ１には、例えばＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮを用いられる。
【００３４】
第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２、ｙ２＜１、０＜ｘ２＋ｙ２≦１）を含む。なお、ｘ２はｘ１と同じでも良く、異なっても良い。また、ｙ２は、ｙ１と同じでも良く、異なっても良い。特に、ｘ２＜ｘ１であることが特に好ましい。ｙ１＜ｙ２であることが、特に好ましい。
【００３５】
井戸層４２は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。井戸層４２は、Ｇａ１−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０＜ｙ０≦１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。このように、井戸層４２は、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかを含むことができる。
井戸層４２は、例えば、２ナノメートル（ｎｍ）以上９ｎｍ以下の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）を有する。
【００３６】
井戸層４２のバンドギャップエネルギーは、障壁層４１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。井戸層４２のバンドギャップエネルギーは、第１積層体２１０におけるバンドギャップエネルギー、及び、第２積層体２２０におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。これにより、井戸層４２で発光した光が、半導体素子１０に含まれる他の半導体層で吸収されることが抑制される。これにより、光は、外部に高効率で取り出される。
【００３７】
第１積層体２１０において、第４層２０４の厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄くて良い。第３層２０３は、第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さよりも薄くて良い。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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の制御性が向上できる。この場合第４層２０４の厚さを井戸層４２よりも薄くすることで、井戸層４２よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることができ、第４層２０４で吸収損失が生じることを簡単に抑制できる。
【００４１】
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エネルギーが大きい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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）の制御性が向上できる。
【００４５】
例えば、障壁層４１は井戸層４２のキャリアを閉じ込める機能を有する。第３層２０３は、逆に低抵抗で電流を流す効果が期待される。このため、第３層２０３の厚さを障壁層４１の厚さよりも薄くして抵抗成分を低減することにより、井戸層４２でのキャリア閉じ込め効果を損なうことなく、素子の抵抗を効果的に低減することができる。
【００４６】
第２積層体２２０において、第６層２０６の厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄くて良い。第５層２０５は、第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さよりも薄くて良い。
【００４７】
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、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の厚さと井戸層４２の厚さとの関係は第４層２０４の厚さと井戸層４２の厚さとの関係と同様に考えられる。このため第４層２０４と同様に、第６層２０６の厚さを井戸層４２よりも薄くしてよい。第６層２０６の厚さは、例えば１ｎｍである。
【００４８】
第５層２０５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。第５層２０５の厚さは、例えば２．５ｎｍである。
【００４９】
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。
【００５０】
第５層２０５の厚さと障壁層４１の厚さとの関係は第３層２０３の厚さと障壁層４１の厚さとの関係と同様に考えられる。このため、第３層２０３と同様に、第５層２０５の厚さを障壁層４１よりも薄くしてよい。第５層２０５の厚さは、例えば２．５ｎｍである。
【００５１】
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。
【００５２】
第６層２０６に合わせて第２積層体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。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。
【００５３】
実施形態において、第１積層体２１０における第３層２０３及び第４層２０４のペアの数は、第２積層体２２０における第５層２０５及び第６層２０６のペアの数と、同じでも良く、異なっていても良い。
【００５４】
第１積層体２１０の発光相当波長は、３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下であることが好ましい。本願発明者は、第１積層体２１０の発光相当波長が３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下、特に、３７０ｎｍ以上３７５ｎｍ以下である場合は、発光部１４０の発光の効率が高くなることをＰＬ測定により実験的に確認した。この実験結果に基づくと、第１積層体２１０の発光相当波長を、３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下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。ここで発光相当波長について説明する。本願発明者は、本実施形態の半導体素子に用いるウェーハのＰＬ測定を行うと、第１積層体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素子の発光相当波長とした。
【００５５】
以下、上記の各種の層の構成についての具体例を示す。ただし、本実施形態はこれには限らず、各種の変形が可能である。
【００５６】
第１バッファ層１２１の厚さは、例えば、約２マイクロメートル（μｍ）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の厚さは、例えば約２μｍ程度である。
また、第２バッファ層１２２の厚さは、例えば２μｍである。
【００５７】
ｎ形コンタクト層１３２におけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下である。また、ｎ形コンタクト層１３２の厚さは、例えば、約６μｍである。
【００５８】
ｎ形閉じ込め層１３１には、例えばＳｉドープのｎ形ＧａＮが用いられる。ｎ形閉じ込め層におけるＳｉ濃度は、例えば約２×１０１８ｃｍ−３である。ｎ形閉じ込め層１３１の厚さは、例えば約０．５μｍである。
【００５９】
ｐ形閉じ込め層１５１には、例えば、Ｍｇドープのｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎが用いられる。ｐ形閉じ込め層１５１の厚さは、例えば約２４ｎｍである。ｐ形閉じ込め層１５１の発光部１４０の側におけるＭｇ濃度は、例えば約３×１０１９ｃｍ−３とされる。ｐ形閉じ込め層１５１の、発光部１４０とは反対の側（本具体例ではｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とされる。
【００６０】
ｐ形コンタクト層１５２のｐ形閉じ込め層１５１の側におけるＭｇ濃度は、例えば約１×１０１９ｃｍ−３とされる。ｐ形コンタクト層１５２のｎ形閉じ込め層１５１とは反対の側（本具体例ではｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば２×１０１９ｃｍ−３以上２０×１０１９ｃｍ−３以下とされる。
【００６１】
井戸層４２には、既に説明したように、例えばＧａＩｎＮが用いられる。井戸層４２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上９ｎｍ以下である。特に、２．６ｎｍ以上７ｎｍ以下の場合に、良好な発光が得られる。
【００６２】
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。
【００６３】
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積層体２１０による吸収の影響が小さくできる。第１積層体２１０の発光相当波長が３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下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ので、発光部１４０の発光波長は３８０ｎｍより長いと特性が向上できる。
【００６４】
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９ｎｍ以下に設定する。これにより、例えば、良好な発光が得られる。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以下に設定する。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。
【００６５】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が４２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さ３ｎｍ以上４．５ｎｍ以下に設定すると高い発光効率を得ることができる。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の制御性が向上した。
【００６６】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が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た。発光波長のピーク波長が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２．６ｎｍ以上３ｎｍ以下において高い発光効率を得ることができた。
【００６７】
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２ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の厚さの井戸層４２で発光を得ることができた。
【００６８】
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０．７５ｅＶ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、実施形態においては、発光部１４０は、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、及び、区分的量子井戸構造及び量子ドット構造のいずれか等の種々の構成を有することができる。
【００６９】
井戸層４２には、例えばＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎが用いられる。このとき、井戸層４２の厚さは、例えば約３．３ｎｍとされる。そして、発光部１４０（井戸層４２）から放出される光のピーク波長は、４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下となる。井戸層４２の数が２つである場合、特に高い効率が得られる。井戸層４２の数は３でも良い。
【００７０】
第１障壁層ＢＬ１には、例えば、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎが用いられる。第１障壁層ＢＬ１におけるＳｉ濃度は、例えば０．３×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下とされる。第１障壁層ＢＬ１の厚さは、例えば約１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とされる。
【００７１】
第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）には、例えばＧａＩｎＮが用いられる。第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さは、例えば約６ｎｍとされる。
【００７２】
または、第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）には、例えばＧａＮが用いられる。
【００７３】
複数の井戸層４２が設けられる場合、井戸間障壁層ＢＬＩには、例えば、ＧａＩｎＮが用いられる。井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーは、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギー以下であり、ｐ側障壁層ＢＬｐのバンドギャップエネルギー以下に設定されることが好ましい。
【００７４】
第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）には、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられる。第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さは、例えば２ｎｍを超え９ｎｍ未満である。第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さが２ｎｍを超え５ｎｍ未満であることが特に好ましい。
【００７５】
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）におけるＡｌ組成は６％以上に設定してもよい。
【００７６】
障壁層４１の厚さは２ｎｍ以上に設定される。ｐ形ＡｌＧａＮの第２層１５０に最も近い障壁層４１（ｐ側障壁層ＢＬｐ）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、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは４．５ｎｍ以上に設定される。特に、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さが井戸層４２の厚さよりも厚いと、ｐ形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。
【００７７】
なお、ｐ側障壁層ＢＬｐが過度に厚いと、素子抵抗が高くなる原因となる。また、第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１が過度に厚いと、素子抵抗を高くする原因となり、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。逆に、ｐ側障壁層ＢＬｐ以外の障壁層４１が薄すぎると井戸層４２へのキャリアの閉じ込めが弱くなり発光効率が低下する。この影響の低減のために、第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１を第１障壁層ＢＬ１よりも薄くすることが望ましい。特にｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを４ｎｍ以上９ｎｍ以下とした半導体素子においては、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る。第１障壁層ＢＬ１とｐ側障壁層ＢＬｐ以外の障壁層４１の厚さを４ｎｍ以上１５ｎｍ以下とした素子では高い効率の発光特性が得られた。
【００７８】
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、材料本来の物性が発揮されるようになり、正孔のオーバーフロー抑制効果が得られるようになる。また、第１障壁層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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、第ｎ井戸層ＷＬｎについては、ｐ形のＡｌＧａＮの第２層１５０からの正孔注入を効率良く行うために、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは、前述のような条件を除けば薄いことが望ましい。このため、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは、第１積層体２１０の第３層２０３や第２積層体２２０の第４層２０４よりも薄くてよい。
【００８１】
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１３０側に流出することを抑制する。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たせるために、第１障壁層ＢＬ１の厚さは、十分に厚くする。第１障壁層ＢＬ１の厚さが１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度で、十分な効果が得られる。第１障壁層ＢＬ１の厚さが１３ｎｍよりも薄いと、電流注入密度を上げた時に効率低下の大きい素子の発生の割合が増加する場合があった。第１障壁層ＢＬ１の厚さが２２ｎｍより厚いと、抵抗が高い素子が発生する割合が増加する場合があった。
【００８２】
第１積層体２１０の第３層２０３及び第２積層体２２０の第５層２０５は第１障壁層ＢＬ１に対して発光部１４０と反対側にある。このため、第１障壁層ＢＬ１と比べると、発光部１４０から正孔が漏れ出る現象を第３層２０３及び第５層２０５が抑制する役割は小さい。一方、第３層２０３及び第５層２０５は複数設けられることから、電流の抵抗として働きやすい。このため、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、薄いほどよい。このため、第３層２０３及び第５層２０５の厚さは、第１障壁層ＢＬ１の厚さよりも薄いことが望ましい。
【００８３】
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の電気的抵抗が高くなる構成とした。第１障壁層ＢＬ１の厚さと、第３層２０３の厚さと、第５層２０５の厚さと、の関係は、電気的抵抗を基準とした実効的厚さの関係とされる。例えば、少なくとも第１障壁層ＢＬ１の実効的厚さが、第３層２０４の実効的厚さ及び第５層２０５の実効的厚さ以上に設定される。これにより、素子の特性が向上する。
【００８４】
なお、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。
【００８５】
発光部１４０の井戸層４２と、第１積層体２１０の第４層２０４のＧａＩｎＮ層と、第２積層体２２０の第６層２０６のＧａＩｎＮ層の関係に関しては、井戸層４２の厚さによりも、ＧａＩｎＮ層の厚さが薄いことが望まれる。これにより、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なる。これにより、井戸層４２の発光が、第４層２０４のＧａＩｎＮ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの少なくともいずれかにより吸収されることが抑制される。井戸層４２と、第４層２０４のＧａＩｎＮと、第６層２０６のＧａＩｎＮと、における厚さの関係は、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により規定することができる。井戸層４２の実効的の厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの実効的厚さ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの実効的厚さが薄いことが望まれる。
【００８６】
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て、薄い方の層が厚い方の層よりもバンドギャップエネルギーが小さい結晶を作製しようとすると、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るため、良質な結晶成長が難しい。このため、実空間でも、井戸層４２の厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの厚さ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの厚さが薄いことがより望ましい。
【００８７】
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、例えば、結晶品質を改善することができる。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％以上にすることで、結晶品質の改善がみられる。しかし、Ｉｎ組成比が１．０％を超えると、結晶品質が劣化し、発光効率が減少する。ただし、第１障壁層ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉ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。
【００８８】
第２積層体２２０の第５層２０５には、例えば、２．５ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第６層２０６には、例えば、１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層が用いられる。第５層２０５と第６層２０６との積層数（ペア数）は、例えば１６である。このとき、例えば、第５層２０５の数が１７であり、第６層２０６の数を１６としても良い。
【００８９】
第１積層体２１０の第３層２０３には、例えば、２ｎｍの厚さのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０１Ｎ層が用いられる。第４層２０４には、例えば、１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層が用いられる。第３層２０３と第４層２０４との積層数（ペア数）は、例えば３０である。
【００９０】
また、後述するように、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層を設けても良い。
【００９１】
図３は、第１の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。 図３に表したように、本実施形態に係る半導体素子１０においては、第１積層体２１０は、凹部２１０ｄを有する。凹部２１０ｄは、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａに設けられている。凹部２１０ｄは、第２層１５０から第１層１３０に向かう方向（−Ｚ軸方向）に沿って後退する。凹部２１０ｄの少なくとも一部に、発光部１４０の一部が埋め込まれている。
これにより、高効率の半導体素子が提供される。
【００９２】
さらに第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの上記の少なくとも一部に埋め込まれた発光部１４０の一部上に配置されている。さらに、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部の中（残余の空間）に埋め込まれても良い。
【００９３】
また、例えば、凹部２１０ｄは、Ｚ軸方向に沿って第１積層体２１０を貫通していない。すなわち、凹部２１０ｄの先端２１０ｅは、第１積層体２１０の中に位置する。凹部２１０ｄの先端２１０ｅは、第１積層体２１０の第１層１３０の側の面２１０ｂと、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａと、の間に位置する。
【００９４】
また、図３に例示したように、第１層１３０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０を貫通する転位５１０が形成されている。凹部２１０ｄの側面２１０ｓは、転位５１０の周りを取り囲んでいる。
【００９５】
凹部２１０ｄの側面２１０ｓは、例えば、転位５１０の延在軸に対して実質的に対称である（例えば、円対称、３回対称、６回対称などが含まれる）。転位５１０は、例えば、実質的にＺ軸方向に対して平行である。「実質的に対称」とは、完全な対称ではなく不完全で概略において対象性の高い構造を含む。
【００９６】
このような構成を有することで、半導体素子１０において、高い効率が得られる。
【００９７】
本願発明者は、以下に説明する実験結果と考察とに基づき、高効率に発光できる半導体素子の構成を構築した。
【００９８】
窒化物半導体を用いた半導体素子において、ＧａＩｎＮ層を用いた井戸層４２を含む発光部１４０とサファイア基板との間に、複数のＧａＩｎＮ層が積層された積層体を設ける構成がある。本願発明者は、複数のＧａＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層して積層体（第２積層体２２０に相当）を形成し、その上にＧａＩｎＮの井戸層４２を有する発光部１４０を形成して、半導体素子を形成する実験を行った。そして、積層体における積層数と、半導体素子の平面平坦性と、の関係を検討した。その結果、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とを交互に繰り返して積層した積層体を設けることで、表面平坦性が向上するが、積層数を多くすると、逆に、表面平坦性が損なわれる場合があることを見出した。
【００９９】
さらに、複数のＡｌＧａＩｎＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層した積層体（第１積層体２１０に相当）を第２積層体２１０と発光部１４０との間に挿入すると、高い表面平坦性を維持するＧａＩｎＮ層の数が増える場合があることを見出した。
【０１００】
井戸層４２のＧａＩｎＮ層の厚さは、数ｎｍである。表面平坦性が向上すると、発光部１４０のＧａＩｎＮ層が凸凹の影響を受けにくくなり、発光効率が向上できると考えられる。
【０１０１】
第２積層体２２０（ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層との積層）の上に、第１積層体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層との積層）形成する場合、ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層の層数を変化させたときの、結晶表面の平坦性の層数依存性は、第２積層体２２０だけを設ける場合における平坦性の層数依存性と同様の傾向を示す。しかし、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とを組み合せた場合は、より大きな層数においてもＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とを組み合わせた構造を導入しない場合と比べて、結晶表面の平坦性が改善され、ＧａＩｎＮ層とＧａＮ層との積層構造のような、急激な平坦性の劣化は起こらなかった。さらに、第２積層体２２０の上に１第１積層体２１０を設ける場合においては、平坦性が改善する層数の範囲は、第２積層体２２０だけを設ける場合の平坦性が改善する層数の範囲よりも広かった。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層との合わせが、平坦性向上の上で特に有効であることが分かる。
【０１０２】
すなわち、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とを複数回積層した第１積層体２１０と、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とを複数回積層した第２積層体２２０と、を組み合わせると、より多くの層数の範囲で結晶表面の平坦性が向上できる。
【０１０３】
例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さを２．５ｎｍとし、ＧａＩｎＮ層の厚さを１ｎｍとした場合、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層のそれぞれの数が３以上２５以下において、平坦性が向上した。つまり、トータルのＧａＩｎＮ層の厚さを３ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすると、平坦性が向上し、発光効率が向上できる。
【０１０４】
第１積層体２１０と第２積層体２２０とを組み合わせると、結晶表面の平坦性が改善できるＧａＩｎＮ層のトータルの厚さの範囲が広がり、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下で平坦性が改善できる場合がある。
【０１０５】
本願発明者は、第１積層体２１０中で、転位５１０（貫通転位）の周りの積層速度が遅くなり、凹構造（凹部２１０ｄ）が形成されることを見出した。この凹部２１０ｄを例えば、ＡｌＧａＮ（例えば第１障壁層ＢＬ１）で埋め込むと、そのＡｌＧａＮ層と、平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域と、で転位５１０の周辺の凹部２１０ｄが埋め込まれる。
【０１０６】
平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域における実効的バンドギャップエネルギーが井戸層４２のＧａＩｎＮのバンドギャップエネルギーよりも大きくなると、注入された電流がＧａＩｎＮの井戸層４２における発光に有効に寄与せず転位５１０周辺で浪費されてしまうことが抑制される。
【０１０７】
さらに、発光部１４０が複数の井戸層４２を含み、井戸間障壁層ＢＬＩが存在する場合には、平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域の実効的バンドギャップエネルギーが、井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーよりも大きくなると、上記の効果がより大きくなると考えられる。
【０１０８】
例えば、貫通転位の周りに発生する凹部２１０ｄの先端２１０ｅが第１積層体２１０の中に形成され、貫通転位の周りに、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが混ざり合った領域が形成されることが好ましい。平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域におけるバンドギャップエネルギーは、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層されたバンドギャップエネルギーよりも大きい。このようなバンドギャップエネルギーが大きい領域が形成されることで、例えば、上記の効果が効率的に得られる。
【０１０９】
以下、より詳細に説明する。ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、及び、これら混ざり合った混晶が凹面上に形成されて平坦部上よりも薄膜化する場合、Ｎとの結合が弱いＩｎ、Ｇａ、Ａｌの順に結晶から離脱しやすく薄膜化への寄与が大きいと考えられる。このため凹部２１０ｄを埋め込む斜面では、Ａｌの組成が上がり、Ｉｎの組成が下がる傾向にあると考えられる。ＧａＩｎＮにおいては、組成的にも、量子効果を考えると厚さの観点でも、バンドギャップエネルギーが大きくなる傾向を示すと考えられる。ＡｌＧａＩｎＮにおいては、組成的にバンドギャップエネルギーを大きくする傾向を示すと考えられる。この場合、ＡｌＧａＩｎＮとＧａＩｎＮとの積層構造では、特にバンドギャップエネルギーが大きくなり、転位周辺に薄膜化した積層構造が形成された場合、転位に電流が流れることを抑制する効果が大きく、発光素子の高（光）出力化への寄与が大きいと考えられる。
【０１１０】
このように、本実施形態に係る半導体素子１０によれば、高効率の半導体素子が提供される。
【０１１１】
また、第１積層体２１０を第２積層体２２０と発光部１４０との間に設けることで、半導体素子の特性、特に電気的接合の特性が向上できることが分かった。
【０１１２】
第２積層体２２０においては、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とが設けられる。第２積層体２２０は、例えば、超格子構造を有する。ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とにおける格子不整合が大きく、転位５１０の周りの成長速度が遅いため、転位５１０の周りに凹みが形成される。凹みの中心には、例えば転位５１０が存在する。このとき、超格子構造が積層されることで歪（strain）が加わり、転位５１０は徐々に曲げられ、転位５１０は層に対しておおむね垂直方向（Ｚ軸方向）に沿う。
【０１１３】
本願発明者は、この状態を断面ＴＥＭにより観察した。
図３は、この断面ＴＥＭ像を基に描かれたものである。
凹みの開口部は、転位５１０の向きに依存する。転位５１０が斜めの部分では、凹みの開口部が広い。転位５１０が垂直になる（Ｚ軸方向に対して平行になる）につれ、凹みの開口部は小さくなる。凹みの斜面（側面）は、エネルギー的に安定な面で形成されるようになる。これに伴って、成長速度が低下し、Ｉｎの取り込まれ効率が低下し、凹みの側面の対称性が向上すると考えられる。つまり、凹みの開口部が狭い部分では、Ｉｎは取り込まれ難い。
【０１１４】
このため、第２積層体２２０の第１部分（第１層１３０の側の部分）におけるＩｎ平均組成比は高い。そして、第２積層体２２０が成長して、開口部が狭くなるとともに、Ｉｎ平均組成比も徐々に減少し、凹部２１０ｄの形状が安定したところで一定のＩｎ平均組成比となると考えられる。
【０１１５】
このような結晶は、ＧａＮとＧａＩｎＮの超格子構造を調整して作成することで可能となる。主に、厚さと周期とが調整される。例えば、ＧａＮ層の厚さは例えば２．５ｎｍである。ＧｎＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍで、Ｉｎ組成比は約０．５％である。周期（ＧａＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数）は１６である。
【０１１６】
第２積層体２２０で生じた凹みは、転位５１０が垂直方向に向いて形状が維持された状態のまま、第１積層体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層）、及び、発光部１４０へ引き継がれ、実質的に垂直方向のまま、表面に向かって伸びていく。なお、凹み（凹部２１０ｄ）の形状は、表面側（第１層１３０から第２層１５０に向かう側）に開いた概略回転対称構造である。例えば円錐、六角錐、三角錐である。回転対称軸は、概略転位５１０に沿った方向となる。
【０１１７】
第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄに、発光部１４０の一部が埋め込まれる。例えば、断面ＴＥＭ像により、凹部２１０ｄの中心軸を通る転位５１０に対して対称に、井戸層４２（ＩｎＧａＮ層）と障壁層４１（ＡｌＧａＩｎＮ層）とが積層されているのが観測されている。
【０１１８】
第１積層体２１０の厚さは、第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄの深さよりも厚い。もし、凹部２１０ｄが第１積層体２１０を貫通すると、例えば、キャリアのリークの原因となる。これを抑制するために、第１積層体２１０の構成（主に厚さ及び周期）が適切に設定される。例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。ＧａＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍである。周期（ＡｌＧａＩｎＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数)は、例えば３０である。
【０１１９】
発光部１４０を貫く転位５１０の向きが垂直になると、発光部１４０の面積に対する、転位５１０によって乱れた部分の面積の比率が減少する。これにより、発光効率が向上する。また、転位５１０が垂直になることで、電流が流れ込みにくくなり、電流のリークが抑制される。さらに、転位５１０の周りのＩｎ組成比が低下することで、転位５１０周辺でのバンドギャップエネルギーが大きくなり、転位５１０に向かう横方向電流が抑制され、リーク電流が減少する。また、転位５１０周辺の結晶が乱れた領域の相対的な面積比が小さくなるため、発光部１４０の上に成長する第２層１５０の品質が向上する。また、製造における歩留まりが改善される。
【０１２０】
積層体を形成する際に、成長速度が遅くなると、Ａｌ（窒素との結合が強い）の結晶表面への取り込まれ効率が、Ｉｎ（窒素との結合が弱い）及びＧａ（窒素との結合が中程度）の結晶表面への取り込まれ効率よりも高くなる。このため、ＡｌＧａＩｎ層とＧａＩｎＮ層とを用いた第１積層体２１０を用いることで、転位５１０周辺にＡｌ組成の高い領域が形成され易くなる。これにより、転位５１０への電流流入が抑制され、リーク電流が抑制される。
【０１２１】
Ａｌ組成比が高い層においては、転位５１０の向きが垂直から変化し易い。窒素との結合が弱く、結晶表面の原子の動きを容易にするＩｎをＡｌＧａＩｎＮ層の形成中に供給することで、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０１２２】
また、薄いＡｌＧａＩｎＮ層と薄いＧａＩｎＮ層とを繰り返して形成することにより、ＡｌＧａＩｎＮ層形成中に、凹部２１０ｄの形状が大きく変化する前に、Ｉｎ組成比が高く熱力学的に安定な状態を取りやすいＧａＩｎＮ層が形成される。これにより、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０１２３】
このように、複数のＡｌＧａＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層した第１積層体２１０を設けることで、転位５１０が発光部１４０内に垂直に形成される。これにより、効率が向上する。
【０１２４】
本願発明者は、本実施形態に係る半導体素子１０の構成により、結晶表面の平坦性が改善されることも見出した。第２積層体２２０と第１積層体２１０とを組み合わせることで、表面平坦性が高い結晶を形成できる。このため、この構成においては、ＧａＩｎＮ層の数を増やすことで、凹部２１０ｄを第１積層体２１０中に効率良く形成すると共に、平坦な井戸層４２を形成できる。
【０１２５】
前述したように、第１積層体２１０中に貫通転位（転位５１０）の周りの積層速度が遅くなり凹部２１０ｄが形成され、凹部２１０ｄに、発光部１４０の一部、及び、第２層１５０の一部が埋め込まれる。これにより、転位５１０の周りに、平坦部上よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層されたバンドギャップエネルギーが大きい領域が形成される。これにより、転位近傍への電流漏洩が抑制され、半導体素子の効率低下が抑制される。これにより、高効率の発光が得られる。
【０１２６】
本実施形態において、複数の井戸層４２を設けた場合、井戸層４２間の障壁層４１のバンドギャップエネルギーを第１障壁層ＢＬ１（例えばＡｌＧａＩｎＮ）のバンドギャップエネルギーよりも小さくすると、より均一なキャリア注入が得られる。
【０１２７】
本実施形態においては、井戸層４２のバンドギャップエネルギーは、他の層（例えば、第１障壁層ＢＬ１、ＧａＮを含む層、及び、ＡｌＧａＮを含む層、第１積層体２１０、第２積層体２１０）のバンドギャップエネルギーよりも小さい。このため、井戸層４２の発光が他の層で吸収されることが抑制される。さらに、井戸層４２の凸凹が小さいので井戸層４２の吸収端エネルギーの揺らぎが小さい。このため、井戸層４２のうちのある領域での発光が井戸層４２のうちの別の吸収端エネルギーが小さい場所で吸収される効果が小さい。また、井戸層４２の数を小さな数（例えば、１，２、３等）とした場合、多数の（例えば４層以上等）複数の井戸層４２間でキャリア分布に違いがあり発光状態が異なる場合でも、光が他の層で吸収されることが抑制される。これらの効果により、発光光が効率良く外部に取り出される。
【０１２８】
本実施形態に係る半導体素子１０においては、例えば、井戸層４２の数を１以上３以下に設定する。これにより、多数の井戸層４２を設けた場合のようなキャリアの不均一が発生しない。また、井戸層４２の数が少ないので、均一な井戸層４２を、最良の作製条件で形成できる。その結果、井戸層４２における発光効率を高めることができる。さらに、多数の井戸層４２において発生する井戸層での吸収が少ないので、光の取り出し効率も向上できる。
【０１２９】
例えば井戸層４２が１つの場合には、同じ井戸層４２へ電子と正孔が注入され、発光効率が高くなる。また、他に井戸層がないので、井戸層間で注入キャリア密度に分布があり、注入キャリア密度の低い井戸層で発光が吸収されて全体として発光効率が低下するという問題が生じない。
【０１３０】
井戸層４２が２つの場合には、注入効率の高い注入領域側の井戸層４２と、ｐｎ接合側の蓄積効率の高い井戸層４２と、が設けられる。このため、多数（例えば４つ以上）の井戸層４２を設けた場合のように、発光効率が低く、吸収体としての効果の大きい井戸層４２が生じ難い。
【０１３１】
井戸層４２が３つの場合には、複数の井戸層４２を設けた構造としては電子注入とホール注入に対して対称な最も単純な構造が生成される。このため、例えば８層以上の多数の井戸層４２を設けた場合に発生し易い、発光効率が低く、吸収体としての効果の大きい井戸層４２が生じ難い。
【０１３２】
本実施形態に係る半導体素子１１において井戸層４２の数を４以上の多数とした場合は、面積あたりの電流注入密度を上げても、状態密度あたりのキャリア注入密度は上がりにくく、大きな電流を流して高出力の半導体素子を容易に実現できる。
【０１３３】
青色（発光のピーク波長が例えば４５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）で発光する半導体素子においては、井戸層４２におけるＩｎ組成比が高い。このため、４．５ｎｍ以上の厚さの井戸層４２を形成すると、ＧａＮ層と井戸層４２との格子不整に基づく歪が大き過ぎ、結晶の品質が低下して発光強度が低下する。一方、井戸層４２の厚さが薄い場合には、キャリアの井戸層４２への閉じ込めが弱く、ＳＱＷ構造では高い発光効率を得ることが困難である。このため、結果的に、ＭＱＷ構造が採用される。
【０１３４】
本実施形態において、複数の井戸層４２を設けた場合には、井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーは、第１障壁層ＢＬ１のＡｌＧａＩｎＮのバンドギャップエネルギーよりも小さく設定して良い。これにより、ホールが井戸層４２に均一に注入され、より高い発光効率を得ることができる。さらに、このような第１障壁層ＢＬ１を用いる場合には、第１障壁層ＢＬ１は、井戸間障壁層ＢＬＩよりも高いＡｌ組成比、及び、低いＩｎ組成比の少なくともいずれかを有する。このため、第１障壁層ＢＬ１の格子定数は、井戸間障壁層ＢＬＩの格子定数よりも小さい。これにより、Ｉｎ組成比が高く格子歪が大きい発光部１４０の歪が、それに隣接する第１障壁層ＢＬ１により緩和される。このため、高いＩｎ組成比を用いた場合でも、良好な結晶が得られる。
【０１３５】
また、ｐ側障壁層ＢＬｐにおけるバンドギャップエネルギーを、井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーよりも高くすると、高エネルギーのホールを発光部１４０に注入することができる。そして、複数の井戸層４２間でのホール濃度分布の不均一を抑制することができる。これにより、発光効率をさらに向上することができる。
【０１３６】
このように、本実施形態係る半導体素子１０によれば、高効率の半導体素子が得られる。
【０１３７】
本実施形態において、井戸層４２の厚さを２ｎｍ以上９ｎｍ以下とすることで、高い発光効率と、良好なスペクトル特性が得られる。
井戸層４２として、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用いた場合、井戸層４２の厚さは４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とすると高い発光効率が得られる。
本願発明者の検討によれば、井戸層４２の厚さが４．５ｎｍよりも薄い場合には、発光強度が顕著に低く、９ｎｍよりも大きいと、発光スペクトルのブロードニングと、発光強度の顕著な低下と、が起こる。
【０１３８】
井戸層４２の厚さが２ｎｍよりも薄い場合には、キャリアの井戸層４２から障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１、井戸間障壁層ＢＬＩ及びｐ側障壁層ＢＬｐの少なくともいずれか）への広がりが大きくなり、効率の低下が生じていると考えられる。井戸層４２の厚さが９ｎｍを越えると、ＧａＮ層（例えば、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３２及びｎ形閉じ込め層１３１など）と、井戸層４２と、の格子不整が大きくなり、結晶に加わる歪が過大となり結晶の質が低下すると推定される。
【０１３９】
特に、井戸層４２の厚さが３ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の場合に、井戸層４２の数を増やすと、発光強度は単一の井戸層４２の構成のときと同一以上とすることができた。一方、７ｎｍ以上とすると発光波長の制約が大きくなり、４５０ｎｍよりも長波長の井戸層４２を作製することは難しい。井戸層４２の厚さが７ｎｍ以下であればスペクトルのブロードニングが実質的に発生しない。このため、結晶の形状及び組成などに揺らぎがある場合においても、ほぼ全領域（例えば井戸層４２の全域）で歪による結晶性の低下は起きていないと推定される。
【０１４０】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、この波長に限らず、実施形態に関する上記の説明と同様に、種々の値とすることができる。発光部１４０は、実施形態に関する上記の説明のように、種々の構成を有することができる。
【０１４１】
本実施形態に係る半導体素子１０において井戸数を少なくすると、上記のように多数の井戸層４２におけるキャリアの不均一性と、再吸収の問題を解決できる。さらに、本実施形態に係る半導体素子１０の構成をさらに検討したところ、上記の効果の他に、結晶品質の観点での発光効率の向上の効果がさらにあることが分かった。すなわち、本実施形態においては、井戸層４２を少数とすると、その井戸層４２の結晶品質が最も高くなるように各層を最適化することができる。逆に、多数の井戸層４２を積層する構造において、高歪の井戸層４２を多数積層して結晶を成長するため、成長に伴い歪の蓄積が起こり、全ての井戸層４２を同じ成長条件で結晶成長することが困難であり、各井戸層４２で結晶の特性が異なってしまう。
【０１４２】
以下、本実施形態に係る半導体素子１０の製造方法の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面の基板１１０の上に、第１バッファ層１２１となるＡｌＮ層を厚さ約２μｍで形成する。具体的には、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａ(炭素濃度が例えば３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下）を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下で形成する。その上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂ(炭素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下）を２μｍで形成する。その後、その上に、第２バッファ層１２２（格子緩和層）となるノンドープＧａＮ層を厚さ２μｍで形成する。
【０１４３】
その後、ｎ形コンタクト層１３２となるＳｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形ＧａＮ層を厚さ６μｍで形成する。さらに、ｎ形閉じ込め層１３１となるＳｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ形ＧａＮ層を厚さ０．５μｍで、形成する。ｎ形コンタクト層１３２におけるＳｉ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下とすることがさらに好ましい。
【０１４４】
その上に、第２積層体２２０を形成する。例えば、２．５ｎｍのＧａＮ層と、１ｎｍのＧａＩｎＮ層と、交互に積層する。ＧａＮ層の厚さは、ＧａＩｎＮ層の厚さ以上である。ＧａＮ層の厚さは、７ｎｍ以下であることが好ましい。特に、３ｎｍ以下であることが好ましい。ＧａＩｎＮ層の厚さは、井戸層４２よりも薄い。ＧａＮ層には、例えばＳｉを添加する。第２積層体２２０における、ＧａＮ層の数、及び、ＧａＩｎＮ層の数は、１２以上２０以下である。１２未満だと、例えば、表面の平坦性の向上の効果が小さい。３０を越えると、結晶中に転位が導入され易くなる。
【０１４５】
第２積層体２２０の上に、第１積層体２１０を形成する。例えば、ＧａＩｎＮ層と、ＡｌＧａＩｎＮ層と、を交互に積層する。ＧａＩｎＮ層の厚さは、井戸層４２の厚さより薄い。ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さは７ｎｍ以下である。特に、３ｎｍ以下であることが好ましい。第１積層体２１０における、ＡｌＧａＩｎＮ層の数、及び、ＧａＩｎＮ層の数は、１６以上４０以下である。複数のＧａＩｎＮ層の合計の厚さは、２２．５ｎｍよりも厚く、４０ｎｍよりも薄いことが好ましい。第１積層体２１０の全体の厚さは、７０ｎｍよりも厚く１２０ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
【０１４６】
さらに、この上に、第１障壁層ＢＬ１となる、厚さ１３．５ｎｍのＳｉ濃度が０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ層を形成する。さらに、この上に、１つ目の井戸層４２となる厚さ３．５ｎｍのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ層を形成する。この上に、井戸間障壁層ＢＬＩとなる厚さ３ｎｍのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎ層を形成する。この上に２つ目の井戸層４２となる厚さ３．５ｎｍのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ層を形成する。さらに、この上に、障壁層４１（ｐ側障壁層ＢＬｐ）となる厚さ６ｎｍのＧａＮ層を形成する。これにより、２つの井戸層４２を有する発光部１４０が形成される。
【０１４７】
さらに、その上に、ｐ形閉じ込め層１５１となるＭｇドープｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層(発光部１４０の側のＭｇ濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３で、発光部１４０とは反対の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３)を厚さ２４ｎｍで形成する。さらに、この上に、ｐ形コンタクト層１５２となるＭｇドープｐ形ＧａＮ層(ｐ形閉じ込め層１５１の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で、ｐ形閉じ込め層１５１とは反対の側のＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下）を形成する。ｐ形閉じ込め層１５１におけるＡｌ組成比は、例えば０．１３以上０．２８以下である。特に、０．１３以上０．１６以下とすると、良質な結晶が得易い。そして、過剰に大きなバンドギャップエネルギーのＡｌＧａＮを用いないことから、素子抵抗を下げることができる。
【０１４８】
上記の半導体層を含む半導体層積層体に、例えば、以下に例示する方法で電極を設ける。
すなわち、半導体層積層体の一部の領域において、ｎ形コンタクト層１３２が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによって第２層１５０と発光部１４０とを取り除く。そして、第１層１３０が露出した面を含む半導体層積層体の全体に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて、ＳｉＯ２層を４００ｎｍの厚さで成膜する。このＳｉＯ２層は、図１などでは省略されている。
【０１４９】
そして、ｐ側電極１６０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成する。そして、ｐ形コンタクト層１５２の上のＳｉＯ２層をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、このＳｉＯ２層が取り除かれた領域に、例えば、真空蒸着装置を用いて、ｐ側電極１６０となる反射導電性のＡｇを２００ｎｍの厚さで形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【０１５０】
そしてｎ側電極１７０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成する。露出したｎ形コンタクト層１３２の上のＳｉＯ２層をフッ化アンモン処理で取り除く。このＳｉＯ２層が取り除かれた領域に、例えばＴｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層の積層膜を５００ｎｍの厚さで形成し、ｎ側電極１７０が形成される。
【０１５１】
ｎ側電極１７０には、例えば、高反射率の銀合金（例えばＰｄを１％程度含む）を用いることができる。この場合には、オーミック接触を良好にするために、例えば、ｎ形コンタクト層１３２を２層構造にする。具体的には、電極形成部として、Ｓｉ濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下の高濃度層を、０．３μｍ程度の厚さで成長する。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を抑制できる。
【０１５２】
次いで、基板１１０の裏面（第１バッファ層１２１とは反対の側の面）の研磨を行い、基板１１０及び半導体層積層体を、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断する。これにより、個別のＬＥＤ素子、すなわち、本実施形態に係る半導体素子１０が作製される。半導体素子１０の幅は、例えば４００μｍであり、厚さは例えば１００μｍである。
【０１５３】
このようにして作製した半導体素子１０における発光のピーク波長は、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である。本実施形態はこれに限らず、井戸層４２のＩｎ組成比及びＡｌ組成比の少なくともいずれかを制御することで、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下のピーク波長の発光を得ることができる。特に、３８０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の領域で、良好な発光が得られる。また、３８５ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の領域においては、半導体素子１０に含まれる各種の層の構成の自由度が高くなる。これにより、特に高効率の半導体素子が容易に得られる。
【０１５４】
本実施形態に係る半導体素子１０に含まれる半導体層の形成方法には、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。
【０１５５】
基板１１０には、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ及びＳｉなどが用いられる。ただし、実施形態において、基板１１０は任意である。基板１１０は、半導体層の成長の後に取り除かれても良い。
【０１５６】
本実施形態に係る半導体素子１０においては、低欠陥結晶の利点を生かして高効率発光を得るために、発光部１４０自体の高効率化のための構成と、発光部１４０からの電子のあふれを抑制するための、Ａｌ組成が高く厚いｐ形閉じ込め層１５１の採用を容易にする構成と、が適用されている。
【０１５７】
以下、本実施形態に係る半導体素子１０に含まれ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、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。そのために、高純度第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、１μｍよりも厚いことが好ましい。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚みが４μｍ以下であることが好ましい。
【０１５８】
なお、第１バッファ層１２１には、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いることもできる。この場合には、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０１５９】
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以上とすることが好ましい。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以下が好ましい。
【０１６０】
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長のバッファ層と比較して転位密度は１／１０以下とすることができる。これにより、異常成長のために通常では採用困難な、高い成長温度と高いＶ族原料／III族原料比での結晶成長が可能となる。そして、これにより、点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層や障壁層４１（第１障壁層ＢＬ１など）に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【０１６１】
基板としてＳｉを用いた場合には第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。高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂは必要に応じて設けられ、場合によっては省略しても良い。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。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの厚さは、６ｎｍ以上、特に、１μｍ以上であることが好ましい。６ｎｍ以上の厚さにおいて、基板表面保護の効果が得られる。１μｍ以上の厚さにおいて、転位の抑制の効果が大きくなる。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚みが４μｍ以下であることが好ましい。
【０１６２】
基板としてＳｉを用いた場合も、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、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いることができる。この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０１６３】
既に説明したように、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。他の障壁層４１（井戸間障壁層ＢＬＩ及びｐ側障壁層ＢＬｐ）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。
【０１６４】
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には、深いポテンシャルを形成するために、第１障壁層ＢＬ１におけるＡｌ組成は６％以上に設定される。
【０１６５】
第１障壁層ＢＬ１の組成は、適宜変更可能である。例えば、第１障壁層ＢＬ１には、６％よりもＡｌ組成比の低いＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。第１障壁層ＢＬ１には、井戸層４２よりもＩｎ組成比の低いＧａＩｎＮを用いることができる。
【０１６６】
第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１の組成も適宜可能である。これらの障壁層４１には第１障壁層ＢＬ１と同様に、６％よりもＡｌ組成比の低いＡｌＧａＩｎＮまたはＧａＮを用いることができる。これらの障壁層４１には、井戸層４２よりもＩｎ組成比の低いＧａＩｎＮを用いることができる。
【０１６７】
第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１に、第１障壁層ＢＬ１よりもＡｌ組成比が低い、または、Ｉｎ組成比が高い結晶を用いることがさらに望ましい。第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１は、第１障壁層ＢＬ１とは異なり、ＧａＩｎＮの井戸層４２上に形成されるため、ＧａＩｎＮの井戸層４２とより物性の近い材料をこれらの障壁層４１に用いることで、より低い温度で良質な結晶成長が可能になる。これにより、結晶成長中にＧａＩｎＮ層の、主に熱の影響による劣化を抑制できる。さらに、障壁層４１と井戸層４２のバンドギャップエネルギーの差が小さくなることにより、キャリア分布の均一性を増すことができ、キャリアの利用効率が向上できる、さらに、障壁層４１と井戸層４２とにおけるバンドギャップエネルギーの差が電気抵抗になる影響を低減でき、半導体素子の動作電圧が低減できる。
【０１６８】
井戸層４２のＩｎ組成比は、上記よりも低くても高くても良い。例えば、井戸層４２のＩｎ組成が低い場合には３６５ｎｍにより近い波長での発光が可能となる。例えば、４３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長帯で発光させる場合、井戸層４２のＩｎ組成比は、０．２以上０．３以下とすると良好な発光が得られる。例えば、４４０ｎｍ以上４６０ｎｍの波長帯で発光させる場合、井戸層４２のＩｎ組成比は、０．３以上０．４以下としてよい。例えば、４６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長帯で発光させる場合、井戸層４２のＩｎ組成比は、０．３以上０．５以下としてよい。さらに長波長での発光を得るために、井戸層４２のＩｎ組成比を１以下の範囲で適宜増加させてよい。
【０１６９】
ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは、例えば２ｎｍ以上に設定される。ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを２ｎｍ以上にすることで、例えば、ｐ側障壁層ＢＬｐの成長後に第２層１５０を成長するために成長温度を上げる間に井戸層４２が劣化する現象が抑制される。例えば、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さが３ｎｍよりも薄いと、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層の影響を受けて井戸層４２の発光波長が変わる場合がある。ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを４．５ｎｍ以上に設定すると、不純物拡散の影響も含めて、井戸層４２の特性変化を制御する効果が大きい。ｐ側障壁層ＢＬｐ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。ｐ側障壁層ＢＬｐが過度に厚いと、素子抵抗が高くなる場合がある。また、ｐ側障壁層ＢＬｐが過度に厚いと、例えば、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、ｐ側障壁層ＢＬｐを第１障壁層ＢＬ１よりも薄くすることが好ましい。ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを９ｎｍ以下とした半導体素子においては、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。
【０１７０】
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される。第１障壁層ＢＬ１の厚さを４．５ｎｍ以上にすると、材料本来の物性が発揮されるようになり、正孔のオーバーフロー抑制効果が得られるようになる。また、第１障壁層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。また、第１障壁層ＢＬ１の厚さは井戸層４２よりも厚いことが好ましい。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障壁層ＢＬ１の厚さは、井戸層４２の厚さの２倍以上であることが好ましい。第１障壁層ＢＬ１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障壁層ＢＬ１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。なお、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。
【０１７１】
障壁層４１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、障壁層４１に少量のＩｎをドープすることで、例えば結晶品質が改善される。障壁層４１におけるＩｎ組成比が０．３％以上で、結晶品質の改善の効果がみられる。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。
【０１７２】
例えば、本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の厚さが１５ｎｍ以上の場合は、Ｉｎ組成比は１％程度が限界であるが、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。
【０１７３】
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素子の構成や成長条件を適正化することにより、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。
【０１７４】
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１５ｎｍを越えるとＩｎ組成比は１％程度が限界となるが、第１障壁層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。
【０１７５】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮの井戸層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の第１障壁層ＢＬ１にＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１７６】
また、高Ｓｉ濃度の第１障壁層ＢＬ１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。
【０１７７】
第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比は、ｐ側障壁層ＢＬｐのＡｌ組成比よりも高く設定することができる。これにより、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーが大きくなり、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ｐ形閉じ込め層１５１（ｐ形ＡｌＧａＮ層）がバリアとなるため、ｐ側障壁層ＢＬｐのＡｌ組成比はｐ形閉じ込め層１５１に対して十分低く設定される。
【０１７８】
例えば、第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比を８％以上とし、ｐ側障壁層ＢＬｐのＡｌ組成比を０％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ｐ側障壁層ＢＬｐを成長しても良い。
【０１７９】
井戸間障壁層ＢＬＩには、ＧａＮを用いても良く、ＧａＩｎＮを用いても良い。例えば、Ａｌ組成比が高い第１障壁層ＢＬ１は高温で成長させる。井戸層４２と井戸間障壁層ＢＬＩとは低温で成長させる。そして、Ａｌ組成比の低いｐ側障壁層ＢＬｐは低温で成長させる。これにより、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。なお、ｐ側障壁層ＢＬｐ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。
【０１８０】
例えば、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。例えば、この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、ＡｌＧａＩｎＮ層により結晶表面の特性を改善することができる。これにより、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。このような方法を用いることで、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。
【０１８１】
このような温度変化は多大な時間を要し、プロセス効率を下げるが、発光部１４０における井戸層４２の数が少ない構成（例えば井戸層４２が３つ以下の構成など）においては、プロセス効率の低下を抑制できる。
【０１８２】
例えば、井戸層４２の数が３である場合（例えば半導体素子１０ｃ）においては、例えば、井戸層４２内におけるＩｎ組成比とＧａ組成比は、例えば、それぞれ、０．１２及び０．８８である。これにより、例えば、約４００ｎｍの波長領域のピーク波長を有する青色光が発光部１４０から放出される。この半導体素子においても、クラッド層のバンドギャップエネルギーは、井戸層４２におけるバンドギャップエネルギーよりも高い。
【０１８３】
図４は、第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、本実施形態に係る半導体素子１１（及び半導体素子１１ａ〜１１ｃ）においては、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【０１８４】
半導体素子１１においては、第２積層体２２０の上に、中間層１８１となる、例えば、厚さが２．５のＧａＮ層が有機金属気相成長法またはＭＯＣＶＤ法により、８００℃〜９００℃で形成される。そして、中間層１８１の上に第１積層体２１０が形成される。
【０１８５】
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（発光部１４０の全体の厚さ）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。中間層１８１は必要に応じて設けられ、場合によっては省略可能である。
【０１８６】
図５は、第１の実施形態に係る別の半導体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素子１２（及び半導体素子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。
【０１８７】
半導体素子１２（１２ａ〜１２ｃ）においては、低不純物濃度半導体層１３５が設けられている。低不純物濃度半導体層１３５と第２積層体２２０との間（低不純物濃度半導体層１３５と発光部１４０との間）にｎ形コンタクト層１３２が配置され、ｎ形コンタクト層１３２と第２積層体２２０との間にｎ形閉じ込め層１３１が配置されている。
【０１８８】
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１３２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。
【０１８９】
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１３２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１３２とは反対の側の主面１３５ａからｎ形コンタクト層１３２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１３２に繋がっている。
【０１９０】
開口部１３８において露出しているｎ形コンタクト層１３２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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
半導体素子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１３２、ｎ形閉じ込め層１３１、第２積層体２２０、第１積層体２１０、発光部１４０、ｐ形閉じ込め層１５１、及び、ｐ形コンタクト層１５２、の各結晶層を形成して結晶積層体１８０を形成する。
【０１９３】
結晶積層体１８０のｐ形コンタクト層１５２上にｐ側電極１６０を形成する。そして、結晶積層体１８０と導電性基板４６０とを接合し、基板１１０及び第１バッファ層１２１を除去する。さらに、露出した結晶層（ｎ形コンタクト層１３２）上にｎ側電極１７０を形成する。低不純物濃度半導体層１３５に粗面部１３７（すなわち凹凸１３７ｐ）を形成する。これにより、半導体素子１２が得られる。
【０１９４】
この場合も、凹部２１０ｄが、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａに設けられ、凹部２１０ｄの少なくとも一部に、発光部１４０の一部が埋め込まれている。これにより、高効率の半導体素子が提供される。例えば、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部に埋め込まれた発光部１４０の上記の一部の上に配置される。さらに、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部の中（残余の空間）に埋め込まれても良い。
【０１９５】
半導体素子１２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素子が得られる。
【０１９６】
図６は、第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。 図６に表したように、本実施形態に係る別の半導体素子１３（及び半導体素子１３ａ〜１３ｃ）においては、半導体素子１２（及び半導体素子１３ａ〜１３ｃ）において、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。この構成においても、高効率の半導体素子が提供される。
【０１９７】
（第２の実施形態）
図７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７に表したように、本実施形態に係るウェーハ６０（ウェーハ６０ａ〜６０ｃ）は、基板１１０と、第１層１３０と、第１積層体２１０と、発光部１４０と、第２層と、を含む。
【０１９８】
第１層１３０は、基板１１０の上に設けられる。第１層１３０は、窒化物半導体を含み、ｎ形である。第１積層体２１０は、第１層１３０の上に設けられる。第１積層体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、複数の第３層２０４と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。
【０１９９】
発光部１４０は、第１積層体２１０の上に設けられる。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。第２層１５０は、発光部１４０の上に設けられる。第２層１５０は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。
【０２００】
第１積層体２１０は、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａに設けられた凹部２１０ｄを有する。凹部２１０ｄの少なくとも一部に発光部１４０の一部が埋め込まれている（図３参照）。例えば、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部に埋め込まれた発光部１４０の上記の一部に配置される。さらに、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部の中（残余の空間）に埋め込まれても良い。
これにより、高効率のウェーハが提供できる。
【０２０１】
図３に関して説明したように、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）においても、凹部２１０ｄは、第１積層体２１０を貫通していない。そして、第１層１３０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０を貫通する転位５１０が形成されている。そして、凹部２１０ｄの側面２１０ｓは、転位５１０の周りを取り囲む。
【０２０２】
図７に例示したように、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、第２積層体２２０をさらに含む。第２積層体２２０は、第１層１３０と第１積層体２１０との間に設けられる。第２積層体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第６層２０６と、を含む。複数の第５層２０５は、第３層２０３の組成とは異なる組成を有し、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のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄く、ＧａＩｎＮを含む。第５層２０５は、例えば、ＧａＮを含み、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。
【０２０３】
第１積層体２１０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。 この場合も、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、中間層１８１をさらに含むことができる。中間層１８１は、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に設けられる。中間層１８１は、発光部１４０の厚さよりも薄い。
【０２０４】
ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）において、井戸層４２は、例えば、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかを含む。複数の障壁層４１のうちで第１積層体２１０に最も近い第１障壁層ＢＬ１は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。
【０２０５】
ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、基板１１０と第１層１３０との間に設けられた第１バッファ層１２１と、第１バッファ層１２１と第１層１３０との間に設けられた第２バッファ層１２２と、を含むことができる。第１バッファ層１２１は、基板１１０と第２バッファ層１２２との間に設けられた第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ｂと第２バッファ層１２２との間に設けられた第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含むことができる。
【０２０６】
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る半導体素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図８に表したように、本実施形態に係るウェーハの製造方法においては、基板１１０の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３０を形成する（ステップＳ１０２）。必要に応じて、ステップＳ１０２の前に、バッファ層（例えば上記の第１バッファ層１２１及び第２バッファ層１２２など）を形成する（ステップＳ１０１）。
【０２０７】
そして、第１層１３０の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層して第１積層体２１０を形成する（ステップＳ１０４）。必要に応じて、ステップＳ１０４の前に、第１層１３０の上に、第３層２０３の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む第５層２０５と、それぞれの厚さが井戸層４２の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を交互に積層して第２積層体２２０を形成する（ステップＳ１０３）。
【０２０８】
そして、第１積層体２１０の上に、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、を含む発光部１４０を形成する（ステップＳ１０５）。さらに、発光部１４０の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５０を形成する（ステップＳ１０６)。さらに、必要に応じて、第２層１５０の形成の後、第２層１５０の上面を接合用基板（例えば導電性基板）に接合した後に、基板１１０を除去する（ステップＳ１０７）。
【０２０９】
第１積層体２１０は、第１積層体２１０の発光部１４０側の面に設けられた凹部２１０ｄを有しており、上記の発光部１４０の形成は、凹部２１０ｄの少なくとも一部に発光部１４０の一部を埋め込むことを含む。上記の第２層１５０の形成は、凹部２１０ｄの残余の空間の少なくとも一部に第２層１５０の一部を埋め込むこと含む。
これにより、高効率の半導体素子が製造方法できる。
【０２１０】
また、上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０６を実施することで、高効率のウェーハを製造することができる。
【０２１１】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。以下では、実施形態が半導体発光素子に適用される例について説明する。
【０２１２】
図９は、第４の実施形態に係る半導体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、本実施形態に係る半導体素子１４は、第１層１３０と、第２層１５０と、発光部１４０（機能部）と、第１積層体２１０と、第２積層体２２０と、を含む。第１層１３０、第２層１５０、発光部１４０、第１積層体２１０及び第２積層体２２０には、第１〜第３の実施形態に関して説明した構成（材料を含む）を適用することができるので説明を省略する。この例では、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【０２１３】
図１０は、第４の実施形態に係る半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
図１０は、半導体素子１４におけるＩｎの濃度に関する特性を例示している。この図は、半導体素子１４のＳＩＭＳ分析結果の例を示している。図１０の横軸は、深さ方向の位置Ｄｚ（ｎｍ）である。縦軸は、Ｉｎに関する２次イオン強度Ｉ（Ｉｎ）（Ｃｏｕｎｔｓ／ｓ：カウント／秒）である。
【０２１４】
図１０に表したように、第２積層体２２０におけるＩｎの濃度は一定ではない。第２積層体２２０の第１層１３０の側の部分における平均Ｉｎ組成は、第２積層体２２０の第１積層体２１０の側の部分よりも高い。第２積層体２２０における平均Ｉｎ組成比は、第１層１３０から第１積層体２１０に近づくにつれ徐々に減少する。ここで平均Ｉｎ組成比は、第５層２０５と第６層２０６とにおける平均のＩｎ組成比である。
【０２１５】
このように、第２積層体２２０は、第１層１３０に近い第１部分２２０ａと、第１部分２２０ａと発光部１４０との間に位置する第２部分２２０ｂと、を有している。第１部分２２０ａにおけるＩｎの平均濃度（平均Ｉｎ組成比）は、第２部分２２０ｂにおけるＩｎの平均濃度よりも高い。
【０２１６】
一方、第１積層体２１０におけるＩｎ平均組成比は、実質的に一定である。このように、第１積層体２１０におけるＩｎ平均組成比のＺ軸方向に沿った変化量は、第２積層体２２０におけるＩｎ平均組成比のＺ軸方向に沿った変化量よりも小さい。
【０２１７】
第２積層体２２０において、上記のようなＩｎ組成比の分布が形成される原因は、転位５１０の影響によるものと考えられる。
【０２１８】
第２積層体２２０においては、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とが設けられる。第２積層体２２０は、例えば、超格子構造を有する。ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とにおける格子不整合が大きく、転位５１０の周りの成長速度が遅いため、転位５１０の周りに凹みが形成される。凹みの中心には、例えば転位５１０が存在する。このとき、超格子構造が積層されることで歪（strain）が加わり、転位５１０は徐々に曲げられ、転位５１０は層に対しておおむね垂直方向（Ｚ軸方向）に沿う。
【０２１９】
半導体素子１４において、図３に例示した模式図に例示した同様の凹みが形成される。凹みの開口部は、転位５１０の向きに依存する。転位５１０が斜めの部分では、凹みの開口部が広い。転位５１０が垂直になる（Ｚ軸方向に対して平行になる）につれ、凹みの開口部は小さくなる。凹みの斜面（側面）は、エネルギー的に安定な面で形成されるようになる。これに伴って、成長速度が低下し、Ｉｎの取り込まれ効率が低下し、凹みの側面の対称性が向上すると考えられる。つまり、凹みの開口部が広い部分では、Ｉｎは取り込まれ易い。
【０２２０】
このため、第２積層体２２０の第１部分２２０ａ（第１層１３０の側の部分）におけるＩｎ平均組成比は高い。そして、第２積層体２２０が成長して、開口部が狭くなるとともに、Ｉｎ平均組成比も徐々に減少し、凹部２１０ｄの形状が安定したところで一定のＩｎ平均組成比となると考えられる。
【０２２１】
図９に表したように、半導体素子１４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積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【０２２２】
半導体素子１４においては、低不純物濃度半導体層１３５が設けられている。低不純物濃度半導体層１３５と第２積層体２２０との間にｎ形コンタクト層１３２が配置され、ｎ形コンタクト層１３２と第２積層体２２０との間にｎ形閉じ込め層１３１が配置されている。
【０２２３】
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１３２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。
【０２２４】
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１３２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１３２とは反対の側の主面１３５ａからｎ形コンタクト層１３２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１３２に繋がっている。
【０２２５】
開口部１３８において露出しているｎ形コンタクト層１３２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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
本願発明者は、本実施形態に係る半導体素子１４を作製し、その特性を評価した。半導体素子１４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。
【０２２８】
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１３２）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（ｎ形閉じ込め層１３１）をＭＯＣＶＤ法により１０５０℃〜１２００℃で形成した。
【０２２９】
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１２〜２０層、ＭＯＣＶＤ法により８００℃〜９００℃で形成した。これにより、第２積層体２２０が形成される。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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２６〜３４層、ＭＯＣＶＤ法により８００〜９００℃で形成した。これにより、第１積層体２１０が形成される。
【０２３２】
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８００℃〜９００℃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。
【０２３３】
この上に、厚さが２４ｎｍのＭｇ添加ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（ｐ形閉じ込め層１５１）をＭＯＣＶＤ法により約９５０℃〜１１００℃で形成した。
【０２３４】
この上に、厚さが０．３μｍのｐ−ＧａＮ層（ｐ形コンタクト層１５２５０）をＭＯＣＶＤ法により、９５０℃〜１１００℃で形成した。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。
【０２３５】
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（低不純物濃度半導体層１３５）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、クロス形状を有する。クロス形状は、ｎ形コンタクト層１３２の周縁に沿う周縁部と、ｎ形コンタクト層１３２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１３２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。
【０２３６】
この後、加工体を個別の素子に分断することで、半導体素子１４が得られる。半導体素子１４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。
【０２３７】
上記の半導体素子１４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。
【０２３８】
本実施形態に係る半導体素子１４においては、３５０ｍＡの駆動電流まで発光効率はほぼ一定であり、その駆動電流において０．６Ｗの出力が得られた。
【０２３９】
本実施形態と同様の構成の半導体素子において、第２積層体２２０内の平均Ｉｎ組成比が連続的に低下して一定の組成領域ができない場合や、第１積層体２１０内においても平均Ｉｎ組成比が一定とならない場合には、注入電流密度を上げると発光効率が低下し、３５０ｍＡの駆動電流における光出力は０．５５Ｗ以下であった。
【０２４０】
本実施形態において、上記で説明したＩｎ組成分布を有する結晶（第２積層体２２０）は、ＧａＮとＧａＩｎＮとの超格子構造を調整して作製することができる。主に、厚さと周期とが調整される。例えば、ＧａＮ層の厚さは例えば２．５ｎｍである。ＧｎＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍで、Ｉｎ組成比は約０．５％である。周期（ＧａＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数）は例えば１２〜２７である。例えば、周期は、１６〜２０であることがより望ましい。
【０２４１】
上記のような平均Ｉｎ組成プロファイルの第２積層体２２０を成長し、その上に、上記のような平均Ｉｎ組成プロファイルの第１積層体２１０を成長することで高効率な半導体発行素子が形成できるのは、以下のようなメカニズムによると推定される。
【０２４２】
転位５１０の周辺に凹みが生じ、転位５１０が概略垂直方向を向いて、形状が維持された状態のまま、第１積層体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層）、及び、発光部１４０へ引き継がれ、実質的に垂直方向のまま、表面に向かって伸びていくと考えられる。なお、凹み（凹部２１０ｄ）の形状は、表面側（第１層１３０から第２層１５０に向かう側）に開いており転位に対して概略軸対称（円錐、三角錘、六角錐など）な形状を取っていると推定される。
【０２４３】
第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄに、発光部１４０の一部が埋め込まれる。例えば、断面ＴＥＭ像により、凹部２１０ｄの中心軸を通る転位５１０に対して対称に、井戸層４２（ＩｎＧａＮ層）と障壁層４１（ＡｌＧａＩｎＮ層）とが積層されているのが観測できる。
【０２４４】
第１積層体２１０の厚さは、第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄの深さよりも厚い。もし、凹部２１０ｄが第１積層体２１０を貫通すると、例えば、キャリアのリークの原因となる。これを抑制するために、第１積層体２１０の構成（主に厚さ及び周期）が適切に設定される。例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。ＧａＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍである。周期（ＡｌＧａＩｎＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数)は、例えば３０である。
【０２４５】
発光部１４０を貫く転位５１０の向きが垂直になると、発光部１４０の面積に対する、転位５１０によって乱れた部分の面積の比率が減少する。これにより、発光効率が向上する。また、転位５１０が垂直になることで、電流が流れ込みにくくなり、電流のリークが抑制される。さらに、転位５１０の周りのＩｎ組成比が低下することで、転位５１０周辺でのバンドギャップエネルギーが大きくなり、転位５１０に向かう横方向電流が抑制され、リーク電流が減少する。また、転位５１０周辺の結晶が乱れた領域の相対的な面積比が小さくなるため、発光部１４０の上に成長する第２層１５０の品質が向上する。また、製造における歩留まりが改善される。
【０２４６】
積層体を形成する際に、成長速度が遅くなると、Ａｌ（窒素との結合が強い）の結晶表面への取り込まれ効率が、Ｉｎ（窒素との結合が弱い）及びＧａ（窒素との結合が中程度）の結晶表面への取り込まれ効率よりも高くなる。このため、ＡｌＧａＩｎ層とＧａＩｎＮ層とを用いた第１積層体２１０を用いることで、転位５１０周辺にＡｌ組成の高い領域が形成され易くなる。これにより、転位５１０への電流流入が抑制され、リーク電流が抑制される。
【０２４７】
Ａｌ組成比が高い層においては、転位５１０の向きが垂直から変化し易い。窒素との結合が弱く、結晶表面の原子の動きを容易にするＩｎをＡｌＧａＩｎＮ層の形成中に供給することで、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０２４８】
また、薄いＡｌＧａＩｎＮ層と薄いＧａＩｎＮ層とを繰り返して形成することにより、ＡｌＧａＩｎＮ層形成中に、凹部２１０ｄの形状が大きく変化する前に、Ｉｎ組成比が高く熱力学的に安定な状態を取りやすいＧａＩｎＮ層が形成される。これにより、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０２４９】
このように、複数のＡｌＧａＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層した第１積層体２１０を設けることで、転位５１０が発光部１４０内に垂直に形成される。これにより、効率が向上する。
【０２５０】
本実施形態に係る半導体素子１４（及び１４ａ〜１４ｃ）においては、発光部１４０は、他の実施形態に関して説明した、種々の構成、組成、発光波長を有することができる。
【０２５１】
（第５の実施形態）
図１１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１１に表したように、本実施形態に係るウェーハ６４（及び６４ａ〜６４ｃ）は、第１層１３０と、第２層１５０と、発光部１４０と、第１積層体２１０と、第２積層体２２０と、を含む。第１層１３０は、窒化物半導体を含み、ｎ形である。第１層１５０は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。発光部１４０は、第１層１３０と第２層１５０との間に設けられる。発光部１４０は、障壁層４１と井戸層４２とを含む。例えば、複数の障壁層４１が設けられ、井戸層４２は、複数の障壁層４１の間に設けられる。
【０２５２】
第１積層体２１０は、第１層１３０と発光部１４０との間に設けられる。第１積層体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を含む。
【０２５３】
第２積層体２２０は、第１層１３０と第１積層体２１０との間に設けられる。第２積層体２２０は、第３層２０３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２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を含む。
【０２５４】
第２積層体２２０は、図１０に例示したような、第１層１３０に近い第１部分２２０ａと、第１部分２２０ａと発光部１４０との間に位置する第２部分２２０ｂと、を有する。第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比は、第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高い。
これにより、高効率のウェーハが提供できる。
【０２５５】
（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態に係る半導体素子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素子の製造方法は、結晶成長条件を決定（ステップＳ２１０）し、決定した結晶成長条件を用いて、第２積層体２２０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０を形成する（ステップＳ２２０）。
【０２５６】
例えば、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３０の上に、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、を交互に積層して第２積層体２２０を形成し、第２積層体２２０の上に、第５層２０５とは異なる組成を有しＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層して第１積層体２１０を形成する（ステップＳ２１１）。
【０２５７】
そして、第２積層体２２０におけるＩｎの組成分析を行う（ステップＳ２１２）。
第２積層体２２０は、第１層１３０に近い第１部分２２０ａと、第１部分２２０ａよりも第１層１３０から遠い第２部分２２０ｂと、を有するとする。組成分析の結果により、第２積層体２２０のＩｎ組成プロファイルが、第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比が、第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高い条件であるかどうかを判定する（ステップＳ２１３）。この判定の結果、ＮＯのときは、条件（結晶成長の条件、及びウェーハ構造の少なくともいずれかを含む条件）を変更する（ステップＳ２１４）。そして、ステップＳ２１１に戻る。判定の結果がＹＥＳとなるまで繰り返す。
【０２５８】
一方、組成分析の結果により、ＹＥＳの場合（第２積層体２２０のＩｎ組成プロファイルが、第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比が、第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高い条件であるとき）に、結晶成長条件を決定する（ステップＳ２１０）。このように、第２積層体２２０のうちの第１層１３０に近い第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比が、第２積層体２２０のうちの第１部分２２０ａよりも第１層１３０から遠い第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高くなる結晶成長条件を決める。
【０２５９】
そして、決めた結晶成長条件を用いて、第２積層体２２０と第１積層体２１０とを形成し、第１積層体２１０の上に、障壁層４１と井戸層４２とを含む発光部１４０を形成し、発光部１４０の上に、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５０を形成する（ステップＳ２２０）。これにより、半導体素子が形成される。
本製造方法によれは、高効率の半導体素子の製造方法を提供できる。
【０２６０】
たとえば、基板１１０の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３０を形成する、第１層１３０の上に、第２積層体２２０を形成し、第２積層体２２０の上に第１積層体２１０を形成する。
【０２６１】
そして、第１積層体２１０の上に、障壁層４１と、井戸層４２と、を含む発光部１４０を形成する。発光部１４０の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５０を形成する。
【０２６２】
次に、例えば、ＳＩＭＳにより、第１積層体２１０のＩｎ組成プロファイルと、第２積層体２２０のＩｎ組成プロファイルと、を測定する。
【０２６３】
第２積層体２２０内において、平均Ｉｎ組成比が第１層１３０側で高く機能領域側（発光部１４０側）で低下する領域と、平均Ｉｎ組成がほぼ一定となる領域を有し、第１積層体２１０内で平均Ｉｎ組成がほぼ一定の所定の平均Ｉｎ組成プロファイルが得られている場合には結晶成長条件及びウェーハ構造を確定する。目的とするプロファイルが得られていない場合には、結晶成長条件を修正してステップＳ２１１以下の処理を再度実施する。 所定の平均Ｉｎ組成プロファイルが得られて確定した結晶成長条件及びウェーハ構造を用いて、結晶成長を行う。これにより、高出力の半導体素子が作製可能なウェーハが作製できる。さらに、このウェーハを用いて素子化プロセスを行い、半導体素子を作製する。これにより、高効率の半導体素子が製造方法できる。
【０２６４】
上記の実施形態に係る半導体素子が高効率であることは、例えば、平坦部よりもバンドギャップの大きなＡｌＧＩｎＮとＧａＩｎＮの積層構造により転位周辺が埋め込まれ、能動領域と、そこに電流を注入するための領域と、転位周辺と、が実効的に分離されている点にあると考えられる。
【０２６５】
１つの実施形態においては、例えば、ＧａＮ層上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の層と、ＧａＩｎＮを含む複数の層と、が交互に積層された第１積層体２１０が形成される。その上に、機能領域（機能部）が形成され、機能領域に対して電流注入または電流引き出しが起こる構造が設けられる。第１積層体２１０の表面に凹部が形成される。例えば、凹部で、機能領域または、凹部の周辺部分の厚さが薄くなっている構造が設けられる。
【０２６６】
例えば、実施形態に係る半導体素子は、窒化物半導体を含む第１層と、前記第１層の上に設けられた第１積層体であって、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む第１積層体と、前記第１積層体の上に設けられた窒化物半導体を含む機能部と、を備える。前記第１積層体は、前記第１積層体の前記機能部側の面に設けられた凹部を有し、前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部が埋め込まれている。
【０２６７】
１つの実施形態においては、例えば、ＧａＮ層上に、ＡｌＧａＩｎＮとは異なる組成を有し窒化物半導体を含む複数の層と、ＧａＩｎＮを含む複数の層と、が交互に積層された第２積層体２２０が形成される。その上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の層と、ＧａＩｎＮを含む複数の層と、が交互に積層された第１積層体２１０が形成される。その上に、機能領域（機能部）が形成される。機能領域に対して電流注入または電流引き出しが起こる構造が設けられる。第２積層体２２０内に平均Ｉｎ組成比がＧａＮ層側で高く機能領域側で低下する領域と、平均Ｉｎ組成がほぼ一定となる領域を有し、第１積層体２１０内で平均Ｉｎ組成がほぼ一定である構造が設けられる。
【０２６８】
例えば、実施形態に係る半導体素子は、窒化物半導体を含む第１層と、前記第１層の上に設けられた第１積層体であって、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む第１積層体と、第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体であって、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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む第２積層体と、前記第１積層体の上に設けられ窒化物半導体を含む機能部と、を備える。前記第２積層体は、前記第１層に近い第１部分と、前記第１部分と前記機能部との間に位置する第２部分と、を有し、前記第１部分におけるＩｎ平均組成比は、前記第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高い。
【０２６９】
このような構成を有する半導体素子及びウェーハの全てに、実施形態を適用できる。
【０２７０】
例えば、半導体レーザ素子、受光素子等の種々の光半導体素子、ダイオード、トランジスタ、電界トランジスタ、サイリスタ等の電流または電圧制御用半導体素子、及び、これらの組み合わせは、実施形態が適用できる例である。
【０２７１】
実施形態によれば、高効率の半導体素子、ウェーハ、半導体素子の製造方法及びウェーハの製造方法が提供できる。
【０２７２】
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。
【０２７３】
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。
【０２７４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体素子に含まれる半導体層、発光部、井戸層、障壁層、積層体、電極、基板、バッファ層及び凹部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。
【０２７５】
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。
【０２７６】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体素子、ウェーハ、半導体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素子、ウェーハ、半導体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。
【０２７７】
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。
【０２７８】
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】
【０２７９】
１０、１０ａ〜１０ｃ、１１、１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ、１３、１３ａ〜１３ｃ、１４、１４ａ〜１４ｃ…半導体素子、 ４１…障壁層、 ４２…井戸層、 ６０、６０ａ〜６０ｃ、６４、６４ａ〜６４ｃ…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…第１層、 １３１…ｎ形閉じ込め層、 １３２…ｎ形コンタクト層、 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…第２層、 １５１…ｐ形閉じ込め層、 １５２…ｐ形コンタクト層、 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積層体、 ２１０ａ…面、 ２１０ｂ…面、 ２１０ｄ…凹部、 ２１０ｅ…先端、 ２１０ｓ…側面、 ２２０…第２積層体、 ２２０ａ…第１部分、 ２２０ｂ…第２部分、 ４５５…第１金属層、 ４６０…導電性基板、 ４６５…第２金属層、 ５１０…転位、 ＢＬ…障壁層、 ＢＬ１…第１障壁層、 ＢＬ２…第２障壁層、 ＢＬＩ…井戸間障壁層、 ＢＬｉ…障壁層、 ＢＬｐ…ｐ側障壁層、 Ｄｚ…位置、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１…第１井戸層、 ＷＬｉ…井戸層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体素子、ウェーハ、半導体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】
例えば窒化物半導体を用いた半導体発光素子は、白色ＬＥＤ等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低い。
【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、高効率の半導体素子、ウェーハ、半導体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、発光部と、第１積層体と、を含む半導体素子が提供される。前記発光部は。前記第１層と前記第２層との間に設けられる。前記発光部は、障壁層と、井戸層と、を含む。前記第１積層体は、第１層と前記発光部との間に設けられる。前記第１積層体は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有する。前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部が埋め込まれている。前記第２層の一部は、前記凹部の前記少なくとも一部に埋め込まれた前記発光部の前記一部の上に配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る半導体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素子の一部を示す模式的断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る半導体素子を示す模式的断面図である。
【図４】第１の実施形態に係る別の半導体素子を示す模式的断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る別の半導体素子を示す模式的断面図である。
【図６】第１の実施形態に係る別の半導体素子を示す模式的断面図である。
【図７】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８】第３の実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャート図である。
【図９】第４の実施形態に係る半導体素子を示す模式的断面図である。
【図１０】第４の実施形態に係る半導体素子の特性を示すグラフ図である。
【図１１】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１２】第６の実施形態に係る半導体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）
本実施形態は、半導体素子に係る。実施形態に係る半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）などを含む。半導体受光素子は、フォトダイオード（ＰＤ）などを含む。電子デバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、電界トランジスタ（ＦＥＴ）及びショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）などを含む。
以下では、実施形態が半導体発光素子に適用される例について説明する。
【００１１】
図１は、第１の実施形態に係る半導体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素子１０は、第１層１３０と、第２層１５０と、発光部１４０（機能部）と、第１積層体２１０と、を含む。
【００１２】
第１層１３０は、窒化物半導体を含み、ｎ形である。第２層１５０は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。
【００１３】
この例では、第１層１３０は、ｎ形閉じ込め層１３１と、ｎ形コンタクト層１３２と、を含む。ｎ形閉じ込め層１３１は、ｎ形コンタクト層１３２と発光部１４０との間に配置される。ｎ形閉じ込め層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。
【００１４】
この例では、第２層１５０は、ｐ形閉じ込め層１５１と、ｐ形コンタクト層１５２と、を含む。ｐ形閉じ込め層１５１は、ｎ形コンタクト層１５２と発光部１４０との間に配置される。ｐ形閉じ込め層１５１は、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮを含む。
【００１５】
発光部１４０は、第１層１３０と第２層１５０との間に設けられる。発光部１４０は、障壁層（後述する）と、井戸層（後述する）と、を含む。例えば、複数の障壁層が設けられる。井戸層は、複数の障壁層の間に設けられる。
【００１６】
第１積層体２１０は、第１層１３０と発光部１４０との間に設けられる。第１積層体２１０は、複数の第３層２０３と、複数の第４層２０４と、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３層２０３は、例えば、ＡｌＧａＩｎＮを含む。複数の第４層２０４は、例えば、ＧａＩｎＮを含む。第４層２０４のそれぞれの厚さは、発光部１４０の井戸層（後述する）の厚さよりも薄くて良い。
【００１７】
ここで、第１層１３０から第２層１５０に向かう方向をＺ軸方向とする。例えば、第１層１３０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０は、この順でＺ軸方向に沿って積層されている。
【００１８】
本願明細書において、積層されている状態は、直接重ねられる状態に加え、間に別の要素が挿入された状態で重ねられる状態を含む。
【００１９】
第１層１３０の上に第１積層体２１０が設けられ、第１積層体２１０の上に発光部１４０が設けられ、発光部１４０の上に第２層１５０が設けられている。
【００２０】
本願明細書において、上に設けられている状態は、接して上に配置される状態に加え、間に別の要素が挿入されて上に配置される状態を含む。
【００２１】
この例では、半導体素子１０は、第２積層体２２０をさらに含む。第２積層体２２０は、第１層１３０と第１積層体２１０との間に設けられる。第２積層体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第６層２０６と、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。複数の第５層２０５は、第３層２０３の組成とは異なる組成を有する。第５層２０５として、例えばＧａＮが用いられる。第６層２０６は、ＧａＩｎＮを含む。第６層２０６の厚さは、発光部１４０の井戸層（後述する）の厚さよりも薄くてよい。
【００２２】
例えば、半導体素子１０においては、例えば、基板１１０の主面上に、ＡｌＮの第１バッファ層１２１が設けられる。基板１１０の主面は、例えば、サファイアｃ面である。基板１１０の上にノンドープのＧａＮの第２バッファ層１２２が設けられる。具体的には、第１バッファ層１２１は、基板１１０の上に形成された高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの上に形成された高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含む。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａにおける炭素濃度は、第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂにおける炭素濃度よりも高い。
【００２３】
そして、第２バッファ層１２２の上に、例えば、Ｓｉドープのｎ形ＧａＮのｎ形コンタクト層１３２、Ｓｉドープのｎ形閉じ込め層１３１、発光部１４０、Ｍｇドープのｐ形ＡｌＧａＮのｐ形閉じ込め層１５１、及び、Ｍｇドープのｐ形ＧａＮのｐ形コンタクト層１５２、が積層される。
【００２４】
さらに、ｐ形コンタクト層１５２の上に、例えばＮｉのｐ側電極１６０が設けられる。ｎ形コンタクト層１３２の上に、例えばＡｌ／Ａｕの積層膜のｎ側電極１７０が設けられている。
【００２５】
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。
【００２６】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態に係る半導体素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図２（ａ）は、半導体素子１０、及び、後述する半導体素子１１、１２、１３、及び、１４、並びに、ウェーハ６０及び６４における発光部１４０の構成を例示している。図２（ｂ）は、半導体素子１０ａ、１１ａ、１２ａ、１３ａ及び１４ａ、並びに、ウェーハ６０ａ及び６４ａにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｃ）は、後述する半導体素子１０ｂ、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、及び、１４ｂ、並びにウェーハ６０ｂ及び６４ｂにおける発光部１４０の構成を例示している。図２（ｄ）は、後述する半導体素子１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ、及び、１４ｃ、並びに、ウェーハ６０ｃ及び６４ｃにおける発光部１４０の構成を例示している。
【００２７】
図２（ａ）に表したように、半導体素子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。
【００２８】
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、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。
【００２９】
図２（ａ）に示した例では、発光部１４０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１５０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１５０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、第１層１３０と第１井戸層ＷＬ１との間（すなわち、第１積層体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１５０との間に設けられる。
【００３０】
図２（ｂ）に表したように、本実施形態に係る半導体素子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。発光部１４０に４つ以上の井戸層４２を設けても良い。
【００３１】
ここで、複数の障壁層４１のうちで第２層１５０に最も近い障壁層４１をｐ側障壁層ＢＬｐと呼ぶことにする。また、複数の井戸層４２が設けられる場合において、複数の井戸層４２の間に設けられる障壁層４１を井戸間障壁層ＢＬＩと呼ぶことにする。
【００３２】
複数の障壁層４１のうちで第１層１３０に最も近い障壁層４１が第１障壁層ＢＬ１である。第１積層体２１０の一部がこの層を兼ねても良い。換言すると、第１積層体２１０の複数の第３層２０３のうちで発光部１４０に最も近い層が第１障壁層ＢＬ１であるとすることが可能である。
【００３３】
第１障壁層ＢＬ１は、例えば、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ１、０＜ｘ１＋ｙ１≦１）を含む。第１障壁層ＢＬ１には、例えばＳｉドープのｎ形ＡｌＧａＩｎＮを用いられる。
【００３４】
第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２、ｙ２＜１、０＜ｘ２＋ｙ２≦１）を含む。なお、ｘ２はｘ１と同じでも良く、異なっても良い。また、ｙ２は、ｙ１と同じでも良く、異なっても良い。特に、ｘ２＜ｘ１であることが特に好ましい。ｙ１＜ｙ２であることが、特に好ましい。
【００３５】
井戸層４２は、Ａｌｘ０Ｇａ１−ｘ０−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０≦ｘ０、０＜ｙ０、ｘ０＋ｙ０＜１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。井戸層４２は、Ｇａ１−ｙ０Ｉｎｙ０Ｎ（０＜ｙ０≦１、ｙ１＜ｙ０、ｙ２＜ｙ０）を含む。このように、井戸層４２は、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかを含むことができる。
井戸層４２は、例えば、２ナノメートル（ｎｍ）以上９ｎｍ以下の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）を有する。
【００３６】
井戸層４２のバンドギャップエネルギーは、障壁層４１のバンドギャップエネルギーよりも小さい。井戸層４２のバンドギャップエネルギーは、第１積層体２１０におけるバンドギャップエネルギー、及び、第２積層体２２０におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。これにより、井戸層４２で発光した光が、半導体素子１０に含まれる他の半導体層で吸収されることが抑制される。これにより、光は、外部に高効率で取り出される。
【００３７】
第１積層体２１０において、第４層２０４の厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄くて良い。第３層２０３は、第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さよりも薄くて良い。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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の制御性が向上できる。この場合第４層２０４の厚さを井戸層４２よりも薄くすることで、井戸層４２よりもバンドギャップエネルギーを大きくすることができ、第４層２０４で吸収損失が生じることを簡単に抑制できる。
【００４１】
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エネルギーが大きい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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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）の制御性が向上できる。
【００４５】
例えば、障壁層４１は井戸層４２のキャリアを閉じ込める機能を有する。第３層２０３は、逆に低抵抗で電流を流す効果が期待される。このため、第３層２０３の厚さを障壁層４１の厚さよりも薄くして抵抗成分を低減することにより、井戸層４２でのキャリア閉じ込め効果を損なうことなく、素子の抵抗を効果的に低減することができる。
【００４６】
第２積層体２２０において、第６層２０６の厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄くて良い。第５層２０５は、第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さよりも薄くて良い。
【００４７】
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、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の厚さと井戸層４２の厚さとの関係は第４層２０４の厚さと井戸層４２の厚さとの関係と同様に考えられる。このため第４層２０４と同様に、第６層２０６の厚さを井戸層４２よりも薄くしてよい。第６層２０６の厚さは、例えば１ｎｍである。
【００４８】
第５層２０５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。第５層２０５の厚さは、例えば２．５ｎｍである。
【００４９】
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。
【００５０】
第５層２０５の厚さと障壁層４１の厚さとの関係は第３層２０３の厚さと障壁層４１の厚さとの関係と同様に考えられる。このため、第３層２０３と同様に、第５層２０５の厚さを障壁層４１よりも薄くしてよい。第５層２０５の厚さは、例えば２．５ｎｍである。
【００５１】
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。
【００５２】
第６層２０６に合わせて第２積層体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。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。
【００５３】
実施形態において、第１積層体２１０における第３層２０３及び第４層２０４のペアの数は、第２積層体２２０における第５層２０５及び第６層２０６のペアの数と、同じでも良く、異なっていても良い。
【００５４】
第１積層体２１０の発光相当波長は、３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下であることが好ましい。本願発明者は、第１積層体２１０の発光相当波長が３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下、特に、３７０ｎｍ以上３７５ｎｍ以下である場合は、発光部１４０の発光の効率が高くなることをＰＬ測定により実験的に確認した。この実験結果に基づくと、第１積層体２１０の発光相当波長を、３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下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。ここで発光相当波長について説明する。本願発明者は、本実施形態の半導体素子に用いるウェーハのＰＬ測定を行うと、第１積層体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素子の発光相当波長とした。
【００５５】
以下、上記の各種の層の構成についての具体例を示す。ただし、本実施形態はこれには限らず、各種の変形が可能である。
【００５６】
第１バッファ層１２１の厚さは、例えば、約２マイクロメートル（μｍ）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の厚さは、例えば約２μｍ程度である。
また、第２バッファ層１２２の厚さは、例えば２μｍである。
【００５７】
ｎ形コンタクト層１３２におけるＳｉ濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下である。また、ｎ形コンタクト層１３２の厚さは、例えば、約６μｍである。
【００５８】
ｎ形閉じ込め層１３１には、例えばＳｉドープのｎ形ＧａＮが用いられる。ｎ形閉じ込め層におけるＳｉ濃度は、例えば約２×１０１８ｃｍ−３である。ｎ形閉じ込め層１３１の厚さは、例えば約０．５μｍである。
【００５９】
ｐ形閉じ込め層１５１には、例えば、Ｍｇドープのｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎが用いられる。ｐ形閉じ込め層１５１の厚さは、例えば約２４ｎｍである。ｐ形閉じ込め層１５１の発光部１４０の側におけるＭｇ濃度は、例えば約３×１０１９ｃｍ−３とされる。ｐ形閉じ込め層１５１の、発光部１４０とは反対の側（本具体例ではｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とされる。
【００６０】
ｐ形コンタクト層１５２のｐ形閉じ込め層１５１の側におけるＭｇ濃度は、例えば約１×１０１９ｃｍ−３とされる。ｐ形コンタクト層１５２のｎ形閉じ込め層１５１とは反対の側（本具体例ではｐ側電極１６０の側）におけるＭｇ濃度は、例えば２×１０１９ｃｍ−３以上２０×１０１９ｃｍ−３以下とされる。
【００６１】
井戸層４２には、既に説明したように、例えばＧａＩｎＮが用いられる。井戸層４２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上９ｎｍ以下である。特に、２．６ｎｍ以上７ｎｍ以下の場合に、良好な発光が得られる。
【００６２】
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。
【００６３】
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積層体２１０による吸収の影響が小さくできる。第１積層体２１０の発光相当波長が３７０ｎｍ以上３８０ｎｍ以下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ので、発光部１４０の発光波長は３８０ｎｍより長いと特性が向上できる。
【００６４】
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９ｎｍ以下に設定する。これにより、例えば、良好な発光が得られる。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以下に設定する。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。
【００６５】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が４２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合は、井戸層４２の厚さ３ｎｍ以上４．５ｎｍ以下に設定すると高い発光効率を得ることができる。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の制御性が向上した。
【００６６】
発光部１４０における発光波長のピーク波長が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た。発光波長のピーク波長が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２．６ｎｍ以上３ｎｍ以下において高い発光効率を得ることができた。
【００６７】
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２ｎｍ以上３．５ｎｍ以下の厚さの井戸層４２で発光を得ることができた。
【００６８】
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０．７５ｅＶ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、実施形態においては、発光部１４０は、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、及び、区分的量子井戸構造及び量子ドット構造のいずれか等の種々の構成を有することができる。
【００６９】
井戸層４２には、例えばＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎが用いられる。このとき、井戸層４２の厚さは、例えば約３．３ｎｍとされる。そして、発光部１４０（井戸層４２）から放出される光のピーク波長は、４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下となる。井戸層４２の数が２つである場合、特に高い効率が得られる。井戸層４２の数は３でも良い。
【００７０】
第１障壁層ＢＬ１には、例えば、Ｓｉドープのｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎが用いられる。第１障壁層ＢＬ１におけるＳｉ濃度は、例えば０．３×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下とされる。第１障壁層ＢＬ１の厚さは、例えば約１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とされる。
【００７１】
第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）には、例えばＧａＩｎＮが用いられる。第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さは、例えば約６ｎｍとされる。
【００７２】
または、第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）には、例えばＧａＮが用いられる。
【００７３】
複数の井戸層４２が設けられる場合、井戸間障壁層ＢＬＩには、例えば、ＧａＩｎＮが用いられる。井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーは、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギー以下であり、ｐ側障壁層ＢＬｐのバンドギャップエネルギー以下に設定されることが好ましい。
【００７４】
第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）には、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎが用いられる。第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さは、例えば２ｎｍを超え９ｎｍ未満である。第２障壁層ＢＬ２（及び第ｍ障壁層ＢＬｍ：ｍは２以上の整数）の厚さが２ｎｍを超え５ｎｍ未満であることが特に好ましい。
【００７５】
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）におけるＡｌ組成は６％以上に設定してもよい。
【００７６】
障壁層４１の厚さは２ｎｍ以上に設定される。ｐ形ＡｌＧａＮの第２層１５０に最も近い障壁層４１（ｐ側障壁層ＢＬｐ）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、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは４．５ｎｍ以上に設定される。特に、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さが井戸層４２の厚さよりも厚いと、ｐ形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。
【００７７】
なお、ｐ側障壁層ＢＬｐが過度に厚いと、素子抵抗が高くなる原因となる。また、第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１が過度に厚いと、素子抵抗を高くする原因となり、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。逆に、ｐ側障壁層ＢＬｐ以外の障壁層４１が薄すぎると井戸層４２へのキャリアの閉じ込めが弱くなり発光効率が低下する。この影響の低減のために、第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１を第１障壁層ＢＬ１よりも薄くすることが望ましい。特にｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを４ｎｍ以上９ｎｍ以下とした半導体素子においては、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る。第１障壁層ＢＬ１とｐ側障壁層ＢＬｐ以外の障壁層４１の厚さを４ｎｍ以上１５ｎｍ以下とした素子では高い効率の発光特性が得られた。
【００７８】
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、材料本来の物性が発揮されるようになり、正孔のオーバーフロー抑制効果が得られるようになる。また、第１障壁層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。
【００７９】
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。
【００８０】
なお、第ｎ井戸層ＷＬｎについては、ｐ形のＡｌＧａＮの第２層１５０からの正孔注入を効率良く行うために、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは、前述のような条件を除けば薄いことが望ましい。このため、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは、第１積層体２１０の第３層２０３や第２積層体２２０の第４層２０４よりも薄くてよい。
【００８１】
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１３０側に流出することを抑制する。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たせるために、第１障壁層ＢＬ１の厚さは、十分に厚くする。第１障壁層ＢＬ１の厚さが１５ｎｍ以上２０ｎｍ以下程度で、十分な効果が得られる。第１障壁層ＢＬ１の厚さが１３ｎｍよりも薄いと、電流注入密度を上げた時に効率低下の大きい素子の発生の割合が増加する場合があった。第１障壁層ＢＬ１の厚さが２２ｎｍより厚いと、抵抗が高い素子が発生する割合が増加する場合があった。
【００８２】
第１積層体２１０の第３層２０３及び第２積層体２２０の第５層２０５は第１障壁層ＢＬ１に対して発光部１４０と反対側にある。このため、第１障壁層ＢＬ１と比べると、発光部１４０から正孔が漏れ出る現象を第３層２０３及び第５層２０５が抑制する役割は小さい。一方、第３層２０３及び第５層２０５は複数設けられることから、電流の抵抗として働きやすい。このため、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、薄いほどよい。このため、第３層２０３及び第５層２０５の厚さは、第１障壁層ＢＬ１の厚さよりも薄いことが望ましい。
【００８３】
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の電気的抵抗が高くなる構成とした。第１障壁層ＢＬ１の厚さと、第３層２０３の厚さと、第５層２０５の厚さと、の関係は、電気的抵抗を基準とした実効的厚さの関係とされる。例えば、少なくとも第１障壁層ＢＬ１の実効的厚さが、第３層２０４の実効的厚さ及び第５層２０５の実効的厚さ以上に設定される。これにより、素子の特性が向上する。
【００８４】
なお、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。
【００８５】
発光部１４０の井戸層４２と、第１積層体２１０の第４層２０４のＧａＩｎＮ層と、第２積層体２２０の第６層２０６のＧａＩｎＮ層の関係に関しては、井戸層４２の厚さによりも、ＧａＩｎＮ層の厚さが薄いことが望まれる。これにより、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なる。これにより、井戸層４２の発光が、第４層２０４のＧａＩｎＮ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの少なくともいずれかにより吸収されることが抑制される。井戸層４２と、第４層２０４のＧａＩｎＮと、第６層２０６のＧａＩｎＮと、における厚さの関係は、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により規定することができる。井戸層４２の実効的の厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの実効的厚さ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの実効的厚さが薄いことが望まれる。
【００８６】
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て、薄い方の層が厚い方の層よりもバンドギャップエネルギーが小さい結晶を作製しようとすると、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るため、良質な結晶成長が難しい。このため、実空間でも、井戸層４２の厚さよりも、第４層２０４のＧａＩｎＮの厚さ及び第６層２０６のＧａＩｎＮの厚さが薄いことがより望ましい。
【００８７】
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、例えば、結晶品質を改善することができる。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％以上にすることで、結晶品質の改善がみられる。しかし、Ｉｎ組成比が１．０％を超えると、結晶品質が劣化し、発光効率が減少する。ただし、第１障壁層ＢＬ１及び第ｉ障壁層ＢＬｉ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。
【００８８】
第２積層体２２０の第５層２０５には、例えば、２．５ｎｍの厚さのＧａＮ層が用いられる。第６層２０６には、例えば、１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層が用いられる。第５層２０５と第６層２０６との積層数（ペア数）は、例えば１６である。このとき、例えば、第５層２０５の数が１７であり、第６層２０６の数を１６としても良い。
【００８９】
第１積層体２１０の第３層２０３には、例えば、２ｎｍの厚さのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｉｎ０．０１Ｎ層が用いられる。第４層２０４には、例えば、１ｎｍのＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎ層が用いられる。第３層２０３と第４層２０４との積層数（ペア数）は、例えば３０である。
【００９０】
また、後述するように、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層を設けても良い。
【００９１】
図３は、第１の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。 図３に表したように、本実施形態に係る半導体素子１０においては、第１積層体２１０は、凹部２１０ｄを有する。凹部２１０ｄは、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａに設けられている。凹部２１０ｄは、第２層１５０から第１層１３０に向かう方向（−Ｚ軸方向）に沿って後退する。凹部２１０ｄの少なくとも一部に、発光部１４０の一部が埋め込まれている。
これにより、高効率の半導体素子が提供される。
【００９２】
さらに第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの上記の少なくとも一部に埋め込まれた発光部１４０の一部上に配置されている。さらに、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部の中（残余の空間）に埋め込まれても良い。
【００９３】
また、例えば、凹部２１０ｄは、Ｚ軸方向に沿って第１積層体２１０を貫通していない。すなわち、凹部２１０ｄの先端２１０ｅは、第１積層体２１０の中に位置する。凹部２１０ｄの先端２１０ｅは、第１積層体２１０の第１層１３０の側の面２１０ｂと、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａと、の間に位置する。
【００９４】
また、図３に例示したように、第１層１３０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０を貫通する転位５１０が形成されている。凹部２１０ｄの側面２１０ｓは、転位５１０の周りを取り囲んでいる。
【００９５】
凹部２１０ｄの側面２１０ｓは、例えば、転位５１０の延在軸に対して実質的に対称である（例えば、円対称、３回対称、６回対称などが含まれる）。転位５１０は、例えば、実質的にＺ軸方向に対して平行である。「実質的に対称」とは、完全な対称ではなく不完全で概略において対象性の高い構造を含む。
【００９６】
このような構成を有することで、半導体素子１０において、高い効率が得られる。
【００９７】
本願発明者は、以下に説明する実験結果と考察とに基づき、高効率に発光できる半導体素子の構成を構築した。
【００９８】
窒化物半導体を用いた半導体素子において、ＧａＩｎＮ層を用いた井戸層４２を含む発光部１４０とサファイア基板との間に、複数のＧａＩｎＮ層が積層された積層体を設ける構成がある。本願発明者は、複数のＧａＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層して積層体（第２積層体２２０に相当）を形成し、その上にＧａＩｎＮの井戸層４２を有する発光部１４０を形成して、半導体素子を形成する実験を行った。そして、積層体における積層数と、半導体素子の平面平坦性と、の関係を検討した。その結果、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とを交互に繰り返して積層した積層体を設けることで、表面平坦性が向上するが、積層数を多くすると、逆に、表面平坦性が損なわれる場合があることを見出した。
【００９９】
さらに、複数のＡｌＧａＩｎＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層した積層体（第１積層体２１０に相当）を第２積層体２１０と発光部１４０との間に挿入すると、高い表面平坦性を維持するＧａＩｎＮ層の数が増える場合があることを見出した。
【０１００】
井戸層４２のＧａＩｎＮ層の厚さは、数ｎｍである。表面平坦性が向上すると、発光部１４０のＧａＩｎＮ層が凸凹の影響を受けにくくなり、発光効率が向上できると考えられる。
【０１０１】
第２積層体２２０（ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層との積層）の上に、第１積層体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層との積層）形成する場合、ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層の層数を変化させたときの、結晶表面の平坦性の層数依存性は、第２積層体２２０だけを設ける場合における平坦性の層数依存性と同様の傾向を示す。しかし、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とを組み合せた場合は、より大きな層数においてもＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とを組み合わせた構造を導入しない場合と比べて、結晶表面の平坦性が改善され、ＧａＩｎＮ層とＧａＮ層との積層構造のような、急激な平坦性の劣化は起こらなかった。さらに、第２積層体２２０の上に１第１積層体２１０を設ける場合においては、平坦性が改善する層数の範囲は、第２積層体２２０だけを設ける場合の平坦性が改善する層数の範囲よりも広かった。すなわち、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層との合わせが、平坦性向上の上で特に有効であることが分かる。
【０１０２】
すなわち、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とを複数回積層した第１積層体２１０と、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とを複数回積層した第２積層体２２０と、を組み合わせると、より多くの層数の範囲で結晶表面の平坦性が向上できる。
【０１０３】
例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さを２．５ｎｍとし、ＧａＩｎＮ層の厚さを１ｎｍとした場合、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層のそれぞれの数が３以上２５以下において、平坦性が向上した。つまり、トータルのＧａＩｎＮ層の厚さを３ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすると、平坦性が向上し、発光効率が向上できる。
【０１０４】
第１積層体２１０と第２積層体２２０とを組み合わせると、結晶表面の平坦性が改善できるＧａＩｎＮ層のトータルの厚さの範囲が広がり、３ｎｍ以上５０ｎｍ以下で平坦性が改善できる場合がある。
【０１０５】
本願発明者は、第１積層体２１０中で、転位５１０（貫通転位）の周りの積層速度が遅くなり、凹構造（凹部２１０ｄ）が形成されることを見出した。この凹部２１０ｄを例えば、ＡｌＧａＮ（例えば第１障壁層ＢＬ１）で埋め込むと、そのＡｌＧａＮ層と、平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域と、で転位５１０の周辺の凹部２１０ｄが埋め込まれる。
【０１０６】
平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域における実効的バンドギャップエネルギーが井戸層４２のＧａＩｎＮのバンドギャップエネルギーよりも大きくなると、注入された電流がＧａＩｎＮの井戸層４２における発光に有効に寄与せず転位５１０周辺で浪費されてしまうことが抑制される。
【０１０７】
さらに、発光部１４０が複数の井戸層４２を含み、井戸間障壁層ＢＬＩが存在する場合には、平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域の実効的バンドギャップエネルギーが、井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーよりも大きくなると、上記の効果がより大きくなると考えられる。
【０１０８】
例えば、貫通転位の周りに発生する凹部２１０ｄの先端２１０ｅが第１積層体２１０の中に形成され、貫通転位の周りに、ＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが混ざり合った領域が形成されることが好ましい。平坦部上に形成された場合よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層された領域におけるバンドギャップエネルギーは、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層されたバンドギャップエネルギーよりも大きい。このようなバンドギャップエネルギーが大きい領域が形成されることで、例えば、上記の効果が効率的に得られる。
【０１０９】
以下、より詳細に説明する。ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、及び、これら混ざり合った混晶が凹面上に形成されて平坦部上よりも薄膜化する場合、Ｎとの結合が弱いＩｎ、Ｇａ、Ａｌの順に結晶から離脱しやすく薄膜化への寄与が大きいと考えられる。このため凹部２１０ｄを埋め込む斜面では、Ａｌの組成が上がり、Ｉｎの組成が下がる傾向にあると考えられる。ＧａＩｎＮにおいては、組成的にも、量子効果を考えると厚さの観点でも、バンドギャップエネルギーが大きくなる傾向を示すと考えられる。ＡｌＧａＩｎＮにおいては、組成的にバンドギャップエネルギーを大きくする傾向を示すと考えられる。この場合、ＡｌＧａＩｎＮとＧａＩｎＮとの積層構造では、特にバンドギャップエネルギーが大きくなり、転位周辺に薄膜化した積層構造が形成された場合、転位に電流が流れることを抑制する効果が大きく、発光素子の高（光）出力化への寄与が大きいと考えられる。
【０１１０】
このように、本実施形態に係る半導体素子１０によれば、高効率の半導体素子が提供される。
【０１１１】
また、第１積層体２１０を第２積層体２２０と発光部１４０との間に設けることで、半導体素子の特性、特に電気的接合の特性が向上できることが分かった。
【０１１２】
第２積層体２２０においては、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とが設けられる。第２積層体２２０は、例えば、超格子構造を有する。ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とにおける格子不整合が大きく、転位５１０の周りの成長速度が遅いため、転位５１０の周りに凹みが形成される。凹みの中心には、例えば転位５１０が存在する。このとき、超格子構造が積層されることで歪（strain）が加わり、転位５１０は徐々に曲げられ、転位５１０は層に対しておおむね垂直方向（Ｚ軸方向）に沿う。
【０１１３】
本願発明者は、この状態を断面ＴＥＭにより観察した。
図３は、この断面ＴＥＭ像を基に描かれたものである。
凹みの開口部は、転位５１０の向きに依存する。転位５１０が斜めの部分では、凹みの開口部が広い。転位５１０が垂直になる（Ｚ軸方向に対して平行になる）につれ、凹みの開口部は小さくなる。凹みの斜面（側面）は、エネルギー的に安定な面で形成されるようになる。これに伴って、成長速度が低下し、Ｉｎの取り込まれ効率が低下し、凹みの側面の対称性が向上すると考えられる。つまり、凹みの開口部が狭い部分では、Ｉｎは取り込まれ難い。
【０１１４】
このため、第２積層体２２０の第１部分（第１層１３０の側の部分）におけるＩｎ平均組成比は高い。そして、第２積層体２２０が成長して、開口部が狭くなるとともに、Ｉｎ平均組成比も徐々に減少し、凹部２１０ｄの形状が安定したところで一定のＩｎ平均組成比となると考えられる。
【０１１５】
このような結晶は、ＧａＮとＧａＩｎＮの超格子構造を調整して作成することで可能となる。主に、厚さと周期とが調整される。例えば、ＧａＮ層の厚さは例えば２．５ｎｍである。ＧｎＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍで、Ｉｎ組成比は約０．５％である。周期（ＧａＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数）は１６である。
【０１１６】
第２積層体２２０で生じた凹みは、転位５１０が垂直方向に向いて形状が維持された状態のまま、第１積層体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層）、及び、発光部１４０へ引き継がれ、実質的に垂直方向のまま、表面に向かって伸びていく。なお、凹み（凹部２１０ｄ）の形状は、表面側（第１層１３０から第２層１５０に向かう側）に開いた概略回転対称構造である。例えば円錐、六角錐、三角錐である。回転対称軸は、概略転位５１０に沿った方向となる。
【０１１７】
第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄに、発光部１４０の一部が埋め込まれる。例えば、断面ＴＥＭ像により、凹部２１０ｄの中心軸を通る転位５１０に対して対称に、井戸層４２（ＩｎＧａＮ層）と障壁層４１（ＡｌＧａＩｎＮ層）とが積層されているのが観測されている。
【０１１８】
第１積層体２１０の厚さは、第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄの深さよりも厚い。もし、凹部２１０ｄが第１積層体２１０を貫通すると、例えば、キャリアのリークの原因となる。これを抑制するために、第１積層体２１０の構成（主に厚さ及び周期）が適切に設定される。例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。ＧａＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍである。周期（ＡｌＧａＩｎＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数)は、例えば３０である。
【０１１９】
発光部１４０を貫く転位５１０の向きが垂直になると、発光部１４０の面積に対する、転位５１０によって乱れた部分の面積の比率が減少する。これにより、発光効率が向上する。また、転位５１０が垂直になることで、電流が流れ込みにくくなり、電流のリークが抑制される。さらに、転位５１０の周りのＩｎ組成比が低下することで、転位５１０周辺でのバンドギャップエネルギーが大きくなり、転位５１０に向かう横方向電流が抑制され、リーク電流が減少する。また、転位５１０周辺の結晶が乱れた領域の相対的な面積比が小さくなるため、発光部１４０の上に成長する第２層１５０の品質が向上する。また、製造における歩留まりが改善される。
【０１２０】
積層体を形成する際に、成長速度が遅くなると、Ａｌ（窒素との結合が強い）の結晶表面への取り込まれ効率が、Ｉｎ（窒素との結合が弱い）及びＧａ（窒素との結合が中程度）の結晶表面への取り込まれ効率よりも高くなる。このため、ＡｌＧａＩｎ層とＧａＩｎＮ層とを用いた第１積層体２１０を用いることで、転位５１０周辺にＡｌ組成の高い領域が形成され易くなる。これにより、転位５１０への電流流入が抑制され、リーク電流が抑制される。
【０１２１】
Ａｌ組成比が高い層においては、転位５１０の向きが垂直から変化し易い。窒素との結合が弱く、結晶表面の原子の動きを容易にするＩｎをＡｌＧａＩｎＮ層の形成中に供給することで、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０１２２】
また、薄いＡｌＧａＩｎＮ層と薄いＧａＩｎＮ層とを繰り返して形成することにより、ＡｌＧａＩｎＮ層形成中に、凹部２１０ｄの形状が大きく変化する前に、Ｉｎ組成比が高く熱力学的に安定な状態を取りやすいＧａＩｎＮ層が形成される。これにより、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０１２３】
このように、複数のＡｌＧａＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層した第１積層体２１０を設けることで、転位５１０が発光部１４０内に垂直に形成される。これにより、効率が向上する。
【０１２４】
本願発明者は、本実施形態に係る半導体素子１０の構成により、結晶表面の平坦性が改善されることも見出した。第２積層体２２０と第１積層体２１０とを組み合わせることで、表面平坦性が高い結晶を形成できる。このため、この構成においては、ＧａＩｎＮ層の数を増やすことで、凹部２１０ｄを第１積層体２１０中に効率良く形成すると共に、平坦な井戸層４２を形成できる。
【０１２５】
前述したように、第１積層体２１０中に貫通転位（転位５１０）の周りの積層速度が遅くなり凹部２１０ｄが形成され、凹部２１０ｄに、発光部１４０の一部、及び、第２層１５０の一部が埋め込まれる。これにより、転位５１０の周りに、平坦部上よりも薄いＡｌＧａＩｎＮ層とＧａＩｎＮ層とが積層されたバンドギャップエネルギーが大きい領域が形成される。これにより、転位近傍への電流漏洩が抑制され、半導体素子の効率低下が抑制される。これにより、高効率の発光が得られる。
【０１２６】
本実施形態において、複数の井戸層４２を設けた場合、井戸層４２間の障壁層４１のバンドギャップエネルギーを第１障壁層ＢＬ１（例えばＡｌＧａＩｎＮ）のバンドギャップエネルギーよりも小さくすると、より均一なキャリア注入が得られる。
【０１２７】
本実施形態においては、井戸層４２のバンドギャップエネルギーは、他の層（例えば、第１障壁層ＢＬ１、ＧａＮを含む層、及び、ＡｌＧａＮを含む層、第１積層体２１０、第２積層体２１０）のバンドギャップエネルギーよりも小さい。このため、井戸層４２の発光が他の層で吸収されることが抑制される。さらに、井戸層４２の凸凹が小さいので井戸層４２の吸収端エネルギーの揺らぎが小さい。このため、井戸層４２のうちのある領域での発光が井戸層４２のうちの別の吸収端エネルギーが小さい場所で吸収される効果が小さい。また、井戸層４２の数を小さな数（例えば、１，２、３等）とした場合、多数の（例えば４層以上等）複数の井戸層４２間でキャリア分布に違いがあり発光状態が異なる場合でも、光が他の層で吸収されることが抑制される。これらの効果により、発光光が効率良く外部に取り出される。
【０１２８】
本実施形態に係る半導体素子１０においては、例えば、井戸層４２の数を１以上３以下に設定する。これにより、多数の井戸層４２を設けた場合のようなキャリアの不均一が発生しない。また、井戸層４２の数が少ないので、均一な井戸層４２を、最良の作製条件で形成できる。その結果、井戸層４２における発光効率を高めることができる。さらに、多数の井戸層４２において発生する井戸層での吸収が少ないので、光の取り出し効率も向上できる。
【０１２９】
例えば井戸層４２が１つの場合には、同じ井戸層４２へ電子と正孔が注入され、発光効率が高くなる。また、他に井戸層がないので、井戸層間で注入キャリア密度に分布があり、注入キャリア密度の低い井戸層で発光が吸収されて全体として発光効率が低下するという問題が生じない。
【０１３０】
井戸層４２が２つの場合には、注入効率の高い注入領域側の井戸層４２と、ｐｎ接合側の蓄積効率の高い井戸層４２と、が設けられる。このため、多数（例えば４つ以上）の井戸層４２を設けた場合のように、発光効率が低く、吸収体としての効果の大きい井戸層４２が生じ難い。
【０１３１】
井戸層４２が３つの場合には、複数の井戸層４２を設けた構造としては電子注入とホール注入に対して対称な最も単純な構造が生成される。このため、例えば８層以上の多数の井戸層４２を設けた場合に発生し易い、発光効率が低く、吸収体としての効果の大きい井戸層４２が生じ難い。
【０１３２】
本実施形態に係る半導体素子１１において井戸層４２の数を４以上の多数とした場合は、面積あたりの電流注入密度を上げても、状態密度あたりのキャリア注入密度は上がりにくく、大きな電流を流して高出力の半導体素子を容易に実現できる。
【０１３３】
青色（発光のピーク波長が例えば４５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下）で発光する半導体素子においては、井戸層４２におけるＩｎ組成比が高い。このため、４．５ｎｍ以上の厚さの井戸層４２を形成すると、ＧａＮ層と井戸層４２との格子不整に基づく歪が大き過ぎ、結晶の品質が低下して発光強度が低下する。一方、井戸層４２の厚さが薄い場合には、キャリアの井戸層４２への閉じ込めが弱く、ＳＱＷ構造では高い発光効率を得ることが困難である。このため、結果的に、ＭＱＷ構造が採用される。
【０１３４】
本実施形態において、複数の井戸層４２を設けた場合には、井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーは、第１障壁層ＢＬ１のＡｌＧａＩｎＮのバンドギャップエネルギーよりも小さく設定して良い。これにより、ホールが井戸層４２に均一に注入され、より高い発光効率を得ることができる。さらに、このような第１障壁層ＢＬ１を用いる場合には、第１障壁層ＢＬ１は、井戸間障壁層ＢＬＩよりも高いＡｌ組成比、及び、低いＩｎ組成比の少なくともいずれかを有する。このため、第１障壁層ＢＬ１の格子定数は、井戸間障壁層ＢＬＩの格子定数よりも小さい。これにより、Ｉｎ組成比が高く格子歪が大きい発光部１４０の歪が、それに隣接する第１障壁層ＢＬ１により緩和される。このため、高いＩｎ組成比を用いた場合でも、良好な結晶が得られる。
【０１３５】
また、ｐ側障壁層ＢＬｐにおけるバンドギャップエネルギーを、井戸間障壁層ＢＬＩのバンドギャップエネルギーよりも高くすると、高エネルギーのホールを発光部１４０に注入することができる。そして、複数の井戸層４２間でのホール濃度分布の不均一を抑制することができる。これにより、発光効率をさらに向上することができる。
【０１３６】
このように、本実施形態係る半導体素子１０によれば、高効率の半導体素子が得られる。
【０１３７】
本実施形態において、井戸層４２の厚さを２ｎｍ以上９ｎｍ以下とすることで、高い発光効率と、良好なスペクトル特性が得られる。
井戸層４２として、例えばＧａ０．９３Ｉｎ０．０７Ｎを用いた場合、井戸層４２の厚さは４．５ｎｍ以上９ｎｍ以下とすると高い発光効率が得られる。
本願発明者の検討によれば、井戸層４２の厚さが４．５ｎｍよりも薄い場合には、発光強度が顕著に低く、９ｎｍよりも大きいと、発光スペクトルのブロードニングと、発光強度の顕著な低下と、が起こる。
【０１３８】
井戸層４２の厚さが２ｎｍよりも薄い場合には、キャリアの井戸層４２から障壁層（例えば第１障壁層ＢＬ１、井戸間障壁層ＢＬＩ及びｐ側障壁層ＢＬｐの少なくともいずれか）への広がりが大きくなり、効率の低下が生じていると考えられる。井戸層４２の厚さが９ｎｍを越えると、ＧａＮ層（例えば、第２バッファ層１２２、ｎ形コンタクト層１３２及びｎ形閉じ込め層１３１など）と、井戸層４２と、の格子不整が大きくなり、結晶に加わる歪が過大となり結晶の質が低下すると推定される。
【０１３９】
特に、井戸層４２の厚さが３ｎｍ以上４．５ｎｍ以下の場合に、井戸層４２の数を増やすと、発光強度は単一の井戸層４２の構成のときと同一以上とすることができた。一方、７ｎｍ以上とすると発光波長の制約が大きくなり、４５０ｎｍよりも長波長の井戸層４２を作製することは難しい。井戸層４２の厚さが７ｎｍ以下であればスペクトルのブロードニングが実質的に発生しない。このため、結晶の形状及び組成などに揺らぎがある場合においても、ほぼ全領域（例えば井戸層４２の全域）で歪による結晶性の低下は起きていないと推定される。
【０１４０】
発光部１４０から放出される光（発光光）は、この波長に限らず、実施形態に関する上記の説明と同様に、種々の値とすることができる。発光部１４０は、実施形態に関する上記の説明のように、種々の構成を有することができる。
【０１４１】
本実施形態に係る半導体素子１０において井戸数を少なくすると、上記のように多数の井戸層４２におけるキャリアの不均一性と、再吸収の問題を解決できる。さらに、本実施形態に係る半導体素子１０の構成をさらに検討したところ、上記の効果の他に、結晶品質の観点での発光効率の向上の効果がさらにあることが分かった。すなわち、本実施形態においては、井戸層４２を少数とすると、その井戸層４２の結晶品質が最も高くなるように各層を最適化することができる。逆に、多数の井戸層４２を積層する構造において、高歪の井戸層４２を多数積層して結晶を成長するため、成長に伴い歪の蓄積が起こり、全ての井戸層４２を同じ成長条件で結晶成長することが困難であり、各井戸層４２で結晶の特性が異なってしまう。
【０１４２】
以下、本実施形態に係る半導体素子１０の製造方法の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面の基板１１０の上に、第１バッファ層１２１となるＡｌＮ層を厚さ約２μｍで形成する。具体的には、高炭素濃度の第１ＡｌＮバッファ層１２１ａ(炭素濃度が例えば３×１０１８ｃｍ−３以上５×１０２０ｃｍ−３以下）を３ｎｍ以上２０ｎｍ以下で形成する。その上に、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂ(炭素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下）を２μｍで形成する。その後、その上に、第２バッファ層１２２（格子緩和層）となるノンドープＧａＮ層を厚さ２μｍで形成する。
【０１４３】
その後、ｎ形コンタクト層１３２となるＳｉ濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形ＧａＮ層を厚さ６μｍで形成する。さらに、ｎ形閉じ込め層１３１となるＳｉ濃度が２×１０１８ｃｍ−３のＳｉドープｎ形ＧａＮ層を厚さ０．５μｍで、形成する。ｎ形コンタクト層１３２におけるＳｉ濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下とすることがさらに好ましい。
【０１４４】
その上に、第２積層体２２０を形成する。例えば、２．５ｎｍのＧａＮ層と、１ｎｍのＧａＩｎＮ層と、交互に積層する。ＧａＮ層の厚さは、ＧａＩｎＮ層の厚さ以上である。ＧａＮ層の厚さは、７ｎｍ以下であることが好ましい。特に、３ｎｍ以下であることが好ましい。ＧａＩｎＮ層の厚さは、井戸層４２よりも薄い。ＧａＮ層には、例えばＳｉを添加する。第２積層体２２０における、ＧａＮ層の数、及び、ＧａＩｎＮ層の数は、１２以上２０以下である。１２未満だと、例えば、表面の平坦性の向上の効果が小さい。３０を越えると、結晶中に転位が導入され易くなる。
【０１４５】
第２積層体２２０の上に、第１積層体２１０を形成する。例えば、ＧａＩｎＮ層と、ＡｌＧａＩｎＮ層と、を交互に積層する。ＧａＩｎＮ層の厚さは、井戸層４２の厚さより薄い。ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さは７ｎｍ以下である。特に、３ｎｍ以下であることが好ましい。第１積層体２１０における、ＡｌＧａＩｎＮ層の数、及び、ＧａＩｎＮ層の数は、１６以上４０以下である。複数のＧａＩｎＮ層の合計の厚さは、２２．５ｎｍよりも厚く、４０ｎｍよりも薄いことが好ましい。第１積層体２１０の全体の厚さは、７０ｎｍよりも厚く１２０ｎｍよりも薄いことがより好ましい。
【０１４６】
さらに、この上に、第１障壁層ＢＬ１となる、厚さ１３．５ｎｍのＳｉ濃度が０．５×１０１９ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下のＳｉドープｎ形Ａｌ０．０６５Ｇａ０．９３Ｉｎ０．００５Ｎ層を形成する。さらに、この上に、１つ目の井戸層４２となる厚さ３．５ｎｍのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ層を形成する。この上に、井戸間障壁層ＢＬＩとなる厚さ３ｎｍのＧａ０．９９Ｉｎ０．０１Ｎ層を形成する。この上に２つ目の井戸層４２となる厚さ３．５ｎｍのＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ｎ層を形成する。さらに、この上に、障壁層４１（ｐ側障壁層ＢＬｐ）となる厚さ６ｎｍのＧａＮ層を形成する。これにより、２つの井戸層４２を有する発光部１４０が形成される。
【０１４７】
さらに、その上に、ｐ形閉じ込め層１５１となるＭｇドープｐ形Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ層(発光部１４０の側のＭｇ濃度が１．８×１０１９ｃｍ−３で、発光部１４０とは反対の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３)を厚さ２４ｎｍで形成する。さらに、この上に、ｐ形コンタクト層１５２となるＭｇドープｐ形ＧａＮ層(ｐ形閉じ込め層１５１の側のＭｇ濃度が１×１０１９ｃｍ−３で、ｐ形閉じ込め層１５１とは反対の側のＭｇ濃度が５×１０１９ｃｍ−３以上９×１０１９ｃｍ−３以下）を形成する。ｐ形閉じ込め層１５１におけるＡｌ組成比は、例えば０．１３以上０．２８以下である。特に、０．１３以上０．１６以下とすると、良質な結晶が得易い。そして、過剰に大きなバンドギャップエネルギーのＡｌＧａＮを用いないことから、素子抵抗を下げることができる。
【０１４８】
上記の半導体層を含む半導体層積層体に、例えば、以下に例示する方法で電極を設ける。
すなわち、半導体層積層体の一部の領域において、ｎ形コンタクト層１３２が表面に露出するまで、マスクを用いたドライエッチングによって第２層１５０と発光部１４０とを取り除く。そして、第１層１３０が露出した面を含む半導体層積層体の全体に、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いて、ＳｉＯ２層を４００ｎｍの厚さで成膜する。このＳｉＯ２層は、図１などでは省略されている。
【０１４９】
そして、ｐ側電極１６０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成する。そして、ｐ形コンタクト層１５２の上のＳｉＯ２層をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、このＳｉＯ２層が取り除かれた領域に、例えば、真空蒸着装置を用いて、ｐ側電極１６０となる反射導電性のＡｇを２００ｎｍの厚さで形成し、３５０℃の窒素雰囲気で１分間シンター処理を行う。
【０１５０】
そしてｎ側電極１７０を形成するために、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを半導体層積層体上に形成する。露出したｎ形コンタクト層１３２の上のＳｉＯ２層をフッ化アンモン処理で取り除く。このＳｉＯ２層が取り除かれた領域に、例えばＴｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層の積層膜を５００ｎｍの厚さで形成し、ｎ側電極１７０が形成される。
【０１５１】
ｎ側電極１７０には、例えば、高反射率の銀合金（例えばＰｄを１％程度含む）を用いることができる。この場合には、オーミック接触を良好にするために、例えば、ｎ形コンタクト層１３２を２層構造にする。具体的には、電極形成部として、Ｓｉ濃度が１．５×１０１９ｃｍ−３以上３×１０１９ｃｍ−３以下の高濃度層を、０．３μｍ程度の厚さで成長する。これにより、Ｓｉの析出による信頼性低下を抑制できる。
【０１５２】
次いで、基板１１０の裏面（第１バッファ層１２１とは反対の側の面）の研磨を行い、基板１１０及び半導体層積層体を、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断する。これにより、個別のＬＥＤ素子、すなわち、本実施形態に係る半導体素子１０が作製される。半導体素子１０の幅は、例えば４００μｍであり、厚さは例えば１００μｍである。
【０１５３】
このようにして作製した半導体素子１０における発光のピーク波長は、４４０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である。本実施形態はこれに限らず、井戸層４２のＩｎ組成比及びＡｌ組成比の少なくともいずれかを制御することで、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下のピーク波長の発光を得ることができる。特に、３８０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の領域で、良好な発光が得られる。また、３８５ｎｍ以上４６０ｎｍ以下の領域においては、半導体素子１０に含まれる各種の層の構成の自由度が高くなる。これにより、特に高効率の半導体素子が容易に得られる。
【０１５４】
本実施形態に係る半導体素子１０に含まれる半導体層の形成方法には、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。
【０１５５】
基板１１０には、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ及びＳｉなどが用いられる。ただし、実施形態において、基板１１０は任意である。基板１１０は、半導体層の成長の後に取り除かれても良い。
【０１５６】
本実施形態に係る半導体素子１０においては、低欠陥結晶の利点を生かして高効率発光を得るために、発光部１４０自体の高効率化のための構成と、発光部１４０からの電子のあふれを抑制するための、Ａｌ組成が高く厚いｐ形閉じ込め層１５１の採用を容易にする構成と、が適用されている。
【０１５７】
以下、本実施形態に係る半導体素子１０に含まれ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、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。そのために、高純度第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚さは、１μｍよりも厚いことが好ましい。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚みが４μｍ以下であることが好ましい。
【０１５８】
なお、第１バッファ層１２１には、上記のようにＡｌＮを用いることができるが、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いることもできる。この場合には、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０１５９】
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以上とすることが好ましい。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以下が好ましい。
【０１６０】
これらのバッファ層を採用することで、従来の低温成長のバッファ層と比較して転位密度は１／１０以下とすることができる。これにより、異常成長のために通常では採用困難な、高い成長温度と高いＶ族原料／III族原料比での結晶成長が可能となる。そして、これにより、点欠陥の発生が抑制され、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層や障壁層４１（第１障壁層ＢＬ１など）に対して高濃度ドーピングが可能となる。
【０１６１】
基板としてＳｉを用いた場合には第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。高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂは必要に応じて設けられ、場合によっては省略しても良い。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。第１ＡｌＮバッファ層１２１ａの厚さは、６ｎｍ以上、特に、１μｍ以上であることが好ましい。６ｎｍ以上の厚さにおいて、基板表面保護の効果が得られる。１μｍ以上の厚さにおいて、転位の抑制の効果が大きくなる。また、歪みによる反り防止のためには、高純度の第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂの厚みが４μｍ以下であることが好ましい。
【０１６２】
基板としてＳｉを用いた場合も、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、本実施形態はこれには限定されず、例えば、Ａｌα２Ｇａ１−α２Ｎ(０．８≦α２≦１)を用いることができる。この場合、Ａｌ組成の調整によってウェーハの反りを補償することができる。
【０１６３】
既に説明したように、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。他の障壁層４１（井戸間障壁層ＢＬＩ及びｐ側障壁層ＢＬｐ）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。
【０１６４】
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には、深いポテンシャルを形成するために、第１障壁層ＢＬ１におけるＡｌ組成は６％以上に設定される。
【０１６５】
第１障壁層ＢＬ１の組成は、適宜変更可能である。例えば、第１障壁層ＢＬ１には、６％よりもＡｌ組成比の低いＡｌＧａＩｎＮを用いることができる。第１障壁層ＢＬ１には、井戸層４２よりもＩｎ組成比の低いＧａＩｎＮを用いることができる。
【０１６６】
第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１の組成も適宜可能である。これらの障壁層４１には第１障壁層ＢＬ１と同様に、６％よりもＡｌ組成比の低いＡｌＧａＩｎＮまたはＧａＮを用いることができる。これらの障壁層４１には、井戸層４２よりもＩｎ組成比の低いＧａＩｎＮを用いることができる。
【０１６７】
第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１に、第１障壁層ＢＬ１よりもＡｌ組成比が低い、または、Ｉｎ組成比が高い結晶を用いることがさらに望ましい。第１障壁層ＢＬ１以外の障壁層４１は、第１障壁層ＢＬ１とは異なり、ＧａＩｎＮの井戸層４２上に形成されるため、ＧａＩｎＮの井戸層４２とより物性の近い材料をこれらの障壁層４１に用いることで、より低い温度で良質な結晶成長が可能になる。これにより、結晶成長中にＧａＩｎＮ層の、主に熱の影響による劣化を抑制できる。さらに、障壁層４１と井戸層４２のバンドギャップエネルギーの差が小さくなることにより、キャリア分布の均一性を増すことができ、キャリアの利用効率が向上できる、さらに、障壁層４１と井戸層４２とにおけるバンドギャップエネルギーの差が電気抵抗になる影響を低減でき、半導体素子の動作電圧が低減できる。
【０１６８】
井戸層４２のＩｎ組成比は、上記よりも低くても高くても良い。例えば、井戸層４２のＩｎ組成が低い場合には３６５ｎｍにより近い波長での発光が可能となる。例えば、４３０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長帯で発光させる場合、井戸層４２のＩｎ組成比は、０．２以上０．３以下とすると良好な発光が得られる。例えば、４４０ｎｍ以上４６０ｎｍの波長帯で発光させる場合、井戸層４２のＩｎ組成比は、０．３以上０．４以下としてよい。例えば、４６０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長帯で発光させる場合、井戸層４２のＩｎ組成比は、０．３以上０．５以下としてよい。さらに長波長での発光を得るために、井戸層４２のＩｎ組成比を１以下の範囲で適宜増加させてよい。
【０１６９】
ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さは、例えば２ｎｍ以上に設定される。ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを２ｎｍ以上にすることで、例えば、ｐ側障壁層ＢＬｐの成長後に第２層１５０を成長するために成長温度を上げる間に井戸層４２が劣化する現象が抑制される。例えば、ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さが３ｎｍよりも薄いと、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層の影響を受けて井戸層４２の発光波長が変わる場合がある。ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを４．５ｎｍ以上に設定すると、不純物拡散の影響も含めて、井戸層４２の特性変化を制御する効果が大きい。ｐ側障壁層ＢＬｐ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。ｐ側障壁層ＢＬｐが過度に厚いと、素子抵抗が高くなる場合がある。また、ｐ側障壁層ＢＬｐが過度に厚いと、例えば、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、ｐ側障壁層ＢＬｐを第１障壁層ＢＬ１よりも薄くすることが好ましい。ｐ側障壁層ＢＬｐの厚さを９ｎｍ以下とした半導体素子においては、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。
【０１７０】
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される。第１障壁層ＢＬ１の厚さを４．５ｎｍ以上にすると、材料本来の物性が発揮されるようになり、正孔のオーバーフロー抑制効果が得られるようになる。また、第１障壁層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。また、第１障壁層ＢＬ１の厚さは井戸層４２よりも厚いことが好ましい。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障壁層ＢＬ１の厚さは、井戸層４２の厚さの２倍以上であることが好ましい。第１障壁層ＢＬ１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障壁層ＢＬ１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。なお、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。
【０１７１】
障壁層４１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、障壁層４１に少量のＩｎをドープすることで、例えば結晶品質が改善される。障壁層４１におけるＩｎ組成比が０．３％以上で、結晶品質の改善の効果がみられる。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。
【０１７２】
例えば、本実施形態において、第１障壁層ＢＬ１の厚さが１５ｎｍ以上の場合は、Ｉｎ組成比は１％程度が限界であるが、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。
【０１７３】
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素子の構成や成長条件を適正化することにより、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。
【０１７４】
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１５ｎｍを越えるとＩｎ組成比は１％程度が限界となるが、第１障壁層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。
【０１７５】
Ｉｎ組成比が高くできるようになると、ＧａＩｎＮの井戸層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の第１障壁層ＢＬ１にＳｉを高濃度ドープすることが可能になる。
【０１７６】
また、高Ｓｉ濃度の第１障壁層ＢＬ１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。
【０１７７】
第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比は、ｐ側障壁層ＢＬｐのＡｌ組成比よりも高く設定することができる。これにより、第１障壁層ＢＬ１のバンドギャップエネルギーが大きくなり、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ｐ形閉じ込め層１５１（ｐ形ＡｌＧａＮ層）がバリアとなるため、ｐ側障壁層ＢＬｐのＡｌ組成比はｐ形閉じ込め層１５１に対して十分低く設定される。
【０１７８】
例えば、第１障壁層ＢＬ１のＡｌ組成比を８％以上とし、ｐ側障壁層ＢＬｐのＡｌ組成比を０％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ｐ側障壁層ＢＬｐを成長しても良い。
【０１７９】
井戸間障壁層ＢＬＩには、ＧａＮを用いても良く、ＧａＩｎＮを用いても良い。例えば、Ａｌ組成比が高い第１障壁層ＢＬ１は高温で成長させる。井戸層４２と井戸間障壁層ＢＬＩとは低温で成長させる。そして、Ａｌ組成比の低いｐ側障壁層ＢＬｐは低温で成長させる。これにより、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。なお、ｐ側障壁層ＢＬｐ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。
【０１８０】
例えば、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。例えば、この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、ＡｌＧａＩｎＮ層により結晶表面の特性を改善することができる。これにより、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。このような方法を用いることで、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。
【０１８１】
このような温度変化は多大な時間を要し、プロセス効率を下げるが、発光部１４０における井戸層４２の数が少ない構成（例えば井戸層４２が３つ以下の構成など）においては、プロセス効率の低下を抑制できる。
【０１８２】
例えば、井戸層４２の数が３である場合（例えば半導体素子１０ｃ）においては、例えば、井戸層４２内におけるＩｎ組成比とＧａ組成比は、例えば、それぞれ、０．１２及び０．８８である。これにより、例えば、約４００ｎｍの波長領域のピーク波長を有する青色光が発光部１４０から放出される。この半導体素子においても、クラッド層のバンドギャップエネルギーは、井戸層４２におけるバンドギャップエネルギーよりも高い。
【０１８３】
図４は、第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、本実施形態に係る半導体素子１１（及び半導体素子１１ａ〜１１ｃ）においては、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【０１８４】
半導体素子１１においては、第２積層体２２０の上に、中間層１８１となる、例えば、厚さが２．５のＧａＮ層が有機金属気相成長法またはＭＯＣＶＤ法により、８００℃〜９００℃で形成される。そして、中間層１８１の上に第１積層体２１０が形成される。
【０１８５】
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（発光部１４０の全体の厚さ）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。中間層１８１は必要に応じて設けられ、場合によっては省略可能である。
【０１８６】
図５は、第１の実施形態に係る別の半導体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素子１２（及び半導体素子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。
【０１８７】
半導体素子１２（１２ａ〜１２ｃ）においては、低不純物濃度半導体層１３５が設けられている。低不純物濃度半導体層１３５と第２積層体２２０との間（低不純物濃度半導体層１３５と発光部１４０との間）にｎ形コンタクト層１３２が配置され、ｎ形コンタクト層１３２と第２積層体２２０との間にｎ形閉じ込め層１３１が配置されている。
【０１８８】
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１３２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。
【０１８９】
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１３２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１３２とは反対の側の主面１３５ａからｎ形コンタクト層１３２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１３２に繋がっている。
【０１９０】
開口部１３８において露出しているｎ形コンタクト層１３２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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
半導体素子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１３２、ｎ形閉じ込め層１３１、第２積層体２２０、第１積層体２１０、発光部１４０、ｐ形閉じ込め層１５１、及び、ｐ形コンタクト層１５２、の各結晶層を形成して結晶積層体１８０を形成する。
【０１９３】
結晶積層体１８０のｐ形コンタクト層１５２上にｐ側電極１６０を形成する。そして、結晶積層体１８０と導電性基板４６０とを接合し、基板１１０及び第１バッファ層１２１を除去する。さらに、露出した結晶層（ｎ形コンタクト層１３２）上にｎ側電極１７０を形成する。低不純物濃度半導体層１３５に粗面部１３７（すなわち凹凸１３７ｐ）を形成する。これにより、半導体素子１２が得られる。
【０１９４】
この場合も、凹部２１０ｄが、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａに設けられ、凹部２１０ｄの少なくとも一部に、発光部１４０の一部が埋め込まれている。これにより、高効率の半導体素子が提供される。例えば、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部に埋め込まれた発光部１４０の上記の一部の上に配置される。さらに、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部の中（残余の空間）に埋め込まれても良い。
【０１９５】
半導体素子１２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素子が得られる。
【０１９６】
図６は、第１の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。 図６に表したように、本実施形態に係る別の半導体素子１３（及び半導体素子１３ａ〜１３ｃ）においては、半導体素子１２（及び半導体素子１３ａ〜１３ｃ）において、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。この構成においても、高効率の半導体素子が提供される。
【０１９７】
（第２の実施形態）
図７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７に表したように、本実施形態に係るウェーハ６０（ウェーハ６０ａ〜６０ｃ）は、基板１１０と、第１層１３０と、第１積層体２１０と、発光部１４０と、第２層と、を含む。
【０１９８】
第１層１３０は、基板１１０の上に設けられる。第１層１３０は、窒化物半導体を含み、ｎ形である。第１積層体２１０は、第１層１３０の上に設けられる。第１積層体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、複数の第３層２０４と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む。
【０１９９】
発光部１４０は、第１積層体２１０の上に設けられる。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。第２層１５０は、発光部１４０の上に設けられる。第２層１５０は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。
【０２００】
第１積層体２１０は、第１積層体２１０の発光部１４０側の面２１０ａに設けられた凹部２１０ｄを有する。凹部２１０ｄの少なくとも一部に発光部１４０の一部が埋め込まれている（図３参照）。例えば、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部に埋め込まれた発光部１４０の上記の一部に配置される。さらに、第２層１５０の一部は、凹部２１０ｄの少なくとも一部の中（残余の空間）に埋め込まれても良い。
これにより、高効率のウェーハが提供できる。
【０２０１】
図３に関して説明したように、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）においても、凹部２１０ｄは、第１積層体２１０を貫通していない。そして、第１層１３０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０を貫通する転位５１０が形成されている。そして、凹部２１０ｄの側面２１０ｓは、転位５１０の周りを取り囲む。
【０２０２】
図７に例示したように、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、第２積層体２２０をさらに含む。第２積層体２２０は、第１層１３０と第１積層体２１０との間に設けられる。第２積層体２２０は、複数の第５層２０５と、複数の第６層２０６と、を含む。複数の第５層２０５は、第３層２０３の組成とは異なる組成を有し、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のそれぞれの厚さは、井戸層４２の厚さよりも薄く、ＧａＩｎＮを含む。第５層２０５は、例えば、ＧａＮを含み、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。
【０２０３】
第１積層体２１０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。 この場合も、ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、中間層１８１をさらに含むことができる。中間層１８１は、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に設けられる。中間層１８１は、発光部１４０の厚さよりも薄い。
【０２０４】
ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）において、井戸層４２は、例えば、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかを含む。複数の障壁層４１のうちで第１積層体２１０に最も近い第１障壁層ＢＬ１は、ＡｌＧａＩｎＮを含む。
【０２０５】
ウェーハ６０（６０ａ〜６０ｃ）は、基板１１０と第１層１３０との間に設けられた第１バッファ層１２１と、第１バッファ層１２１と第１層１３０との間に設けられた第２バッファ層１２２と、を含むことができる。第１バッファ層１２１は、基板１１０と第２バッファ層１２２との間に設けられた第１ＡｌＮバッファ層１２１ａと、第１ＡｌＮバッファ層１２１ｂと第２バッファ層１２２との間に設けられた第２ＡｌＮバッファ層１２１ｂと、を含むことができる。
【０２０６】
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る半導体素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図８に表したように、本実施形態に係るウェーハの製造方法においては、基板１１０の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３０を形成する（ステップＳ１０２）。必要に応じて、ステップＳ１０２の前に、バッファ層（例えば上記の第１バッファ層１２１及び第２バッファ層１２２など）を形成する（ステップＳ１０１）。
【０２０７】
そして、第１層１３０の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層して第１積層体２１０を形成する（ステップＳ１０４）。必要に応じて、ステップＳ１０４の前に、第１層１３０の上に、第３層２０３の組成とは異なる組成を有する窒化物半導体を含む第５層２０５と、それぞれの厚さが井戸層４２の厚さよりも薄いＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を交互に積層して第２積層体２２０を形成する（ステップＳ１０３）。
【０２０８】
そして、第１積層体２１０の上に、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、を含む発光部１４０を形成する（ステップＳ１０５）。さらに、発光部１４０の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５０を形成する（ステップＳ１０６)。さらに、必要に応じて、第２層１５０の形成の後、第２層１５０の上面を接合用基板（例えば導電性基板）に接合した後に、基板１１０を除去する（ステップＳ１０７）。
【０２０９】
第１積層体２１０は、第１積層体２１０の発光部１４０側の面に設けられた凹部２１０ｄを有しており、上記の発光部１４０の形成は、凹部２１０ｄの少なくとも一部に発光部１４０の一部を埋め込むことを含む。上記の第２層１５０の形成は、凹部２１０ｄの残余の空間の少なくとも一部に第２層１５０の一部を埋め込むこと含む。
これにより、高効率の半導体素子が製造方法できる。
【０２１０】
また、上記のステップＳ１０１〜Ｓ１０６を実施することで、高効率のウェーハを製造することができる。
【０２１１】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る半導体素子は、半導体発光素子、半導体受光素子、及び、電子デバイスなどの半導体装置を含む。以下では、実施形態が半導体発光素子に適用される例について説明する。
【０２１２】
図９は、第４の実施形態に係る半導体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、本実施形態に係る半導体素子１４は、第１層１３０と、第２層１５０と、発光部１４０（機能部）と、第１積層体２１０と、第２積層体２２０と、を含む。第１層１３０、第２層１５０、発光部１４０、第１積層体２１０及び第２積層体２２０には、第１〜第３の実施形態に関して説明した構成（材料を含む）を適用することができるので説明を省略する。この例では、第１積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【０２１３】
図１０は、第４の実施形態に係る半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
図１０は、半導体素子１４におけるＩｎの濃度に関する特性を例示している。この図は、半導体素子１４のＳＩＭＳ分析結果の例を示している。図１０の横軸は、深さ方向の位置Ｄｚ（ｎｍ）である。縦軸は、Ｉｎに関する２次イオン強度Ｉ（Ｉｎ）（Ｃｏｕｎｔｓ／ｓ：カウント／秒）である。
【０２１４】
図１０に表したように、第２積層体２２０におけるＩｎの濃度は一定ではない。第２積層体２２０の第１層１３０の側の部分における平均Ｉｎ組成は、第２積層体２２０の第１積層体２１０の側の部分よりも高い。第２積層体２２０における平均Ｉｎ組成比は、第１層１３０から第１積層体２１０に近づくにつれ徐々に減少する。ここで平均Ｉｎ組成比は、第５層２０５と第６層２０６とにおける平均のＩｎ組成比である。
【０２１５】
このように、第２積層体２２０は、第１層１３０に近い第１部分２２０ａと、第１部分２２０ａと発光部１４０との間に位置する第２部分２２０ｂと、を有している。第１部分２２０ａにおけるＩｎの平均濃度（平均Ｉｎ組成比）は、第２部分２２０ｂにおけるＩｎの平均濃度よりも高い。
【０２１６】
一方、第１積層体２１０におけるＩｎ平均組成比は、実質的に一定である。このように、第１積層体２１０におけるＩｎ平均組成比のＺ軸方向に沿った変化量は、第２積層体２２０におけるＩｎ平均組成比のＺ軸方向に沿った変化量よりも小さい。
【０２１７】
第２積層体２２０において、上記のようなＩｎ組成比の分布が形成される原因は、転位５１０の影響によるものと考えられる。
【０２１８】
第２積層体２２０においては、ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とが設けられる。第２積層体２２０は、例えば、超格子構造を有する。ＧａＮ層とＧａＩｎＮ層とにおける格子不整合が大きく、転位５１０の周りの成長速度が遅いため、転位５１０の周りに凹みが形成される。凹みの中心には、例えば転位５１０が存在する。このとき、超格子構造が積層されることで歪（strain）が加わり、転位５１０は徐々に曲げられ、転位５１０は層に対しておおむね垂直方向（Ｚ軸方向）に沿う。
【０２１９】
半導体素子１４において、図３に例示した模式図に例示した同様の凹みが形成される。凹みの開口部は、転位５１０の向きに依存する。転位５１０が斜めの部分では、凹みの開口部が広い。転位５１０が垂直になる（Ｚ軸方向に対して平行になる）につれ、凹みの開口部は小さくなる。凹みの斜面（側面）は、エネルギー的に安定な面で形成されるようになる。これに伴って、成長速度が低下し、Ｉｎの取り込まれ効率が低下し、凹みの側面の対称性が向上すると考えられる。つまり、凹みの開口部が広い部分では、Ｉｎは取り込まれ易い。
【０２２０】
このため、第２積層体２２０の第１部分２２０ａ（第１層１３０の側の部分）におけるＩｎ平均組成比は高い。そして、第２積層体２２０が成長して、開口部が狭くなるとともに、Ｉｎ平均組成比も徐々に減少し、凹部２１０ｄの形状が安定したところで一定のＩｎ平均組成比となると考えられる。
【０２２１】
図９に表したように、半導体素子１４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積層体２１０と第２積層体２２０との間に中間層１８１が設けられている。
【０２２２】
半導体素子１４においては、低不純物濃度半導体層１３５が設けられている。低不純物濃度半導体層１３５と第２積層体２２０との間にｎ形コンタクト層１３２が配置され、ｎ形コンタクト層１３２と第２積層体２２０との間にｎ形閉じ込め層１３１が配置されている。
【０２２３】
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１３２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。
【０２２４】
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１３２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１３２とは反対の側の主面１３５ａからｎ形コンタクト層１３２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１３２に繋がっている。
【０２２５】
開口部１３８において露出しているｎ形コンタクト層１３２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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
本願発明者は、本実施形態に係る半導体素子１４を作製し、その特性を評価した。半導体素子１４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。
【０２２８】
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１３２）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（ｎ形閉じ込め層１３１）をＭＯＣＶＤ法により１０５０℃〜１２００℃で形成した。
【０２２９】
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１２〜２０層、ＭＯＣＶＤ法により８００℃〜９００℃で形成した。これにより、第２積層体２２０が形成される。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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２６〜３４層、ＭＯＣＶＤ法により８００〜９００℃で形成した。これにより、第１積層体２１０が形成される。
【０２３２】
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８００℃〜９００℃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。
【０２３３】
この上に、厚さが２４ｎｍのＭｇ添加ｐ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ層（ｐ形閉じ込め層１５１）をＭＯＣＶＤ法により約９５０℃〜１１００℃で形成した。
【０２３４】
この上に、厚さが０．３μｍのｐ−ＧａＮ層（ｐ形コンタクト層１５２５０）をＭＯＣＶＤ法により、９５０℃〜１１００℃で形成した。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。
【０２３５】
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（低不純物濃度半導体層１３５）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、クロス形状を有する。クロス形状は、ｎ形コンタクト層１３２の周縁に沿う周縁部と、ｎ形コンタクト層１３２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１３２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。
【０２３６】
この後、加工体を個別の素子に分断することで、半導体素子１４が得られる。半導体素子１４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。
【０２３７】
上記の半導体素子１４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。
【０２３８】
本実施形態に係る半導体素子１４においては、３５０ｍＡの駆動電流まで発光効率はほぼ一定であり、その駆動電流において０．６Ｗの出力が得られた。
【０２３９】
本実施形態と同様の構成の半導体素子において、第２積層体２２０内の平均Ｉｎ組成比が連続的に低下して一定の組成領域ができない場合や、第１積層体２１０内においても平均Ｉｎ組成比が一定とならない場合には、注入電流密度を上げると発光効率が低下し、３５０ｍＡの駆動電流における光出力は０．５５Ｗ以下であった。
【０２４０】
本実施形態において、上記で説明したＩｎ組成分布を有する結晶（第２積層体２２０）は、ＧａＮとＧａＩｎＮとの超格子構造を調整して作製することができる。主に、厚さと周期とが調整される。例えば、ＧａＮ層の厚さは例えば２．５ｎｍである。ＧｎＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍで、Ｉｎ組成比は約０．５％である。周期（ＧａＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数）は例えば１２〜２７である。例えば、周期は、１６〜２０であることがより望ましい。
【０２４１】
上記のような平均Ｉｎ組成プロファイルの第２積層体２２０を成長し、その上に、上記のような平均Ｉｎ組成プロファイルの第１積層体２１０を成長することで高効率な半導体発行素子が形成できるのは、以下のようなメカニズムによると推定される。
【０２４２】
転位５１０の周辺に凹みが生じ、転位５１０が概略垂直方向を向いて、形状が維持された状態のまま、第１積層体２１０（ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層）、及び、発光部１４０へ引き継がれ、実質的に垂直方向のまま、表面に向かって伸びていくと考えられる。なお、凹み（凹部２１０ｄ）の形状は、表面側（第１層１３０から第２層１５０に向かう側）に開いており転位に対して概略軸対称（円錐、三角錘、六角錐など）な形状を取っていると推定される。
【０２４３】
第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄに、発光部１４０の一部が埋め込まれる。例えば、断面ＴＥＭ像により、凹部２１０ｄの中心軸を通る転位５１０に対して対称に、井戸層４２（ＩｎＧａＮ層）と障壁層４１（ＡｌＧａＩｎＮ層）とが積層されているのが観測できる。
【０２４４】
第１積層体２１０の厚さは、第１積層体２１０に形成される凹部２１０ｄの深さよりも厚い。もし、凹部２１０ｄが第１積層体２１０を貫通すると、例えば、キャリアのリークの原因となる。これを抑制するために、第１積層体２１０の構成（主に厚さ及び周期）が適切に設定される。例えば、ＡｌＧａＩｎＮ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。ＧａＩｎＮ層の厚さは例えば１ｎｍである。周期（ＡｌＧａＩｎＮ層の数及びＧａＩｎＮ層の数)は、例えば３０である。
【０２４５】
発光部１４０を貫く転位５１０の向きが垂直になると、発光部１４０の面積に対する、転位５１０によって乱れた部分の面積の比率が減少する。これにより、発光効率が向上する。また、転位５１０が垂直になることで、電流が流れ込みにくくなり、電流のリークが抑制される。さらに、転位５１０の周りのＩｎ組成比が低下することで、転位５１０周辺でのバンドギャップエネルギーが大きくなり、転位５１０に向かう横方向電流が抑制され、リーク電流が減少する。また、転位５１０周辺の結晶が乱れた領域の相対的な面積比が小さくなるため、発光部１４０の上に成長する第２層１５０の品質が向上する。また、製造における歩留まりが改善される。
【０２４６】
積層体を形成する際に、成長速度が遅くなると、Ａｌ（窒素との結合が強い）の結晶表面への取り込まれ効率が、Ｉｎ（窒素との結合が弱い）及びＧａ（窒素との結合が中程度）の結晶表面への取り込まれ効率よりも高くなる。このため、ＡｌＧａＩｎ層とＧａＩｎＮ層とを用いた第１積層体２１０を用いることで、転位５１０周辺にＡｌ組成の高い領域が形成され易くなる。これにより、転位５１０への電流流入が抑制され、リーク電流が抑制される。
【０２４７】
Ａｌ組成比が高い層においては、転位５１０の向きが垂直から変化し易い。窒素との結合が弱く、結晶表面の原子の動きを容易にするＩｎをＡｌＧａＩｎＮ層の形成中に供給することで、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０２４８】
また、薄いＡｌＧａＩｎＮ層と薄いＧａＩｎＮ層とを繰り返して形成することにより、ＡｌＧａＩｎＮ層形成中に、凹部２１０ｄの形状が大きく変化する前に、Ｉｎ組成比が高く熱力学的に安定な状態を取りやすいＧａＩｎＮ層が形成される。これにより、凹部２１０ｄの形状が安定すると考えられる。
【０２４９】
このように、複数のＡｌＧａＮ層と複数のＧａＩｎＮ層とを交互に積層した第１積層体２１０を設けることで、転位５１０が発光部１４０内に垂直に形成される。これにより、効率が向上する。
【０２５０】
本実施形態に係る半導体素子１４（及び１４ａ〜１４ｃ）においては、発光部１４０は、他の実施形態に関して説明した、種々の構成、組成、発光波長を有することができる。
【０２５１】
（第５の実施形態）
図１１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１１に表したように、本実施形態に係るウェーハ６４（及び６４ａ〜６４ｃ）は、第１層１３０と、第２層１５０と、発光部１４０と、第１積層体２１０と、第２積層体２２０と、を含む。第１層１３０は、窒化物半導体を含み、ｎ形である。第１層１５０は、窒化物半導体を含み、ｐ形である。発光部１４０は、第１層１３０と第２層１５０との間に設けられる。発光部１４０は、障壁層４１と井戸層４２とを含む。例えば、複数の障壁層４１が設けられ、井戸層４２は、複数の障壁層４１の間に設けられる。
【０２５２】
第１積層体２１０は、第１層１３０と発光部１４０との間に設けられる。第１積層体２１０は、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を含む。
【０２５３】
第２積層体２２０は、第１層１３０と第１積層体２１０との間に設けられる。第２積層体２２０は、第３層２０３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２０５と、複数の第５層２０５と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第６層２０６と、を含む。
【０２５４】
第２積層体２２０は、図１０に例示したような、第１層１３０に近い第１部分２２０ａと、第１部分２２０ａと発光部１４０との間に位置する第２部分２２０ｂと、を有する。第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比は、第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高い。
これにより、高効率のウェーハが提供できる。
【０２５５】
（第６の実施形態）
図１２は、第６の実施形態に係る半導体素子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素子の製造方法は、結晶成長条件を決定（ステップＳ２１０）し、決定した結晶成長条件を用いて、第２積層体２２０、第１積層体２１０、発光部１４０及び第２層１５０を形成する（ステップＳ２２０）。
【０２５６】
例えば、窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３０の上に、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、を交互に積層して第２積層体２２０を形成し、第２積層体２２０の上に、第５層２０５とは異なる組成を有しＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層２０３と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層２０４と、を交互に積層して第１積層体２１０を形成する（ステップＳ２１１）。
【０２５７】
そして、第２積層体２２０におけるＩｎの組成分析を行う（ステップＳ２１２）。
第２積層体２２０は、第１層１３０に近い第１部分２２０ａと、第１部分２２０ａよりも第１層１３０から遠い第２部分２２０ｂと、を有するとする。組成分析の結果により、第２積層体２２０のＩｎ組成プロファイルが、第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比が、第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高い条件であるかどうかを判定する（ステップＳ２１３）。この判定の結果、ＮＯのときは、条件（結晶成長の条件、及びウェーハ構造の少なくともいずれかを含む条件）を変更する（ステップＳ２１４）。そして、ステップＳ２１１に戻る。判定の結果がＹＥＳとなるまで繰り返す。
【０２５８】
一方、組成分析の結果により、ＹＥＳの場合（第２積層体２２０のＩｎ組成プロファイルが、第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比が、第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高い条件であるとき）に、結晶成長条件を決定する（ステップＳ２１０）。このように、第２積層体２２０のうちの第１層１３０に近い第１部分２２０ａにおけるＩｎ平均組成比が、第２積層体２２０のうちの第１部分２２０ａよりも第１層１３０から遠い第２部分２２０ｂにおけるＩｎ平均組成比よりも高くなる結晶成長条件を決める。
【０２５９】
そして、決めた結晶成長条件を用いて、第２積層体２２０と第１積層体２１０とを形成し、第１積層体２１０の上に、障壁層４１と井戸層４２とを含む発光部１４０を形成し、発光部１４０の上に、窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５０を形成する（ステップＳ２２０）。これにより、半導体素子が形成される。
本製造方法によれは、高効率の半導体素子の製造方法を提供できる。
【０２６０】
たとえば、基板１１０の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層１３０を形成する、第１層１３０の上に、第２積層体２２０を形成し、第２積層体２２０の上に第１積層体２１０を形成する。
【０２６１】
そして、第１積層体２１０の上に、障壁層４１と、井戸層４２と、を含む発光部１４０を形成する。発光部１４０の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層１５０を形成する。
【０２６２】
次に、例えば、ＳＩＭＳにより、第１積層体２１０のＩｎ組成プロファイルと、第２積層体２２０のＩｎ組成プロファイルと、を測定する。
【０２６３】
第２積層体２２０内において、平均Ｉｎ組成比が第１層１３０側で高く機能領域側（発光部１４０側）で低下する領域と、平均Ｉｎ組成がほぼ一定となる領域を有し、第１積層体２１０内で平均Ｉｎ組成がほぼ一定の所定の平均Ｉｎ組成プロファイルが得られている場合には結晶成長条件及びウェーハ構造を確定する。目的とするプロファイルが得られていない場合には、結晶成長条件を修正してステップＳ２１１以下の処理を再度実施する。 所定の平均Ｉｎ組成プロファイルが得られて確定した結晶成長条件及びウェーハ構造を用いて、結晶成長を行う。これにより、高出力の半導体素子が作製可能なウェーハが作製できる。さらに、このウェーハを用いて素子化プロセスを行い、半導体素子を作製する。これにより、高効率の半導体素子が製造方法できる。
【０２６４】
上記の実施形態に係る半導体素子が高効率であることは、例えば、平坦部よりもバンドギャップの大きなＡｌＧＩｎＮとＧａＩｎＮの積層構造により転位周辺が埋め込まれ、能動領域と、そこに電流を注入するための領域と、転位周辺と、が実効的に分離されている点にあると考えられる。
【０２６５】
１つの実施形態においては、例えば、ＧａＮ層上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の層と、ＧａＩｎＮを含む複数の層と、が交互に積層された第１積層体２１０が形成される。その上に、機能領域（機能部）が形成され、機能領域に対して電流注入または電流引き出しが起こる構造が設けられる。第１積層体２１０の表面に凹部が形成される。例えば、凹部で、機能領域または、凹部の周辺部分の厚さが薄くなっている構造が設けられる。
【０２６６】
例えば、実施形態に係る半導体素子は、窒化物半導体を含む第１層と、前記第１層の上に設けられた第１積層体であって、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む第１積層体と、前記第１積層体の上に設けられた窒化物半導体を含む機能部と、を備える。前記第１積層体は、前記第１積層体の前記機能部側の面に設けられた凹部を有し、前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部が埋め込まれている。
【０２６７】
１つの実施形態においては、例えば、ＧａＮ層上に、ＡｌＧａＩｎＮとは異なる組成を有し窒化物半導体を含む複数の層と、ＧａＩｎＮを含む複数の層と、が交互に積層された第２積層体２２０が形成される。その上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の層と、ＧａＩｎＮを含む複数の層と、が交互に積層された第１積層体２１０が形成される。その上に、機能領域（機能部）が形成される。機能領域に対して電流注入または電流引き出しが起こる構造が設けられる。第２積層体２２０内に平均Ｉｎ組成比がＧａＮ層側で高く機能領域側で低下する領域と、平均Ｉｎ組成がほぼ一定となる領域を有し、第１積層体２１０内で平均Ｉｎ組成がほぼ一定である構造が設けられる。
【０２６８】
例えば、実施形態に係る半導体素子は、窒化物半導体を含む第１層と、前記第１層の上に設けられた第１積層体であって、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を含む第１積層体と、第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体であって、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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、を含む第２積層体と、前記第１積層体の上に設けられ窒化物半導体を含む機能部と、を備える。前記第２積層体は、前記第１層に近い第１部分と、前記第１部分と前記機能部との間に位置する第２部分と、を有し、前記第１部分におけるＩｎ平均組成比は、前記第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高い。
【０２６９】
このような構成を有する半導体素子及びウェーハの全てに、実施形態を適用できる。
【０２７０】
例えば、半導体レーザ素子、受光素子等の種々の光半導体素子、ダイオード、トランジスタ、電界トランジスタ、サイリスタ等の電流または電圧制御用半導体素子、及び、これらの組み合わせは、実施形態が適用できる例である。
【０２７１】
実施形態によれば、高効率の半導体素子、ウェーハ、半導体素子の製造方法及びウェーハの製造方法が提供できる。
【０２７２】
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。
【０２７３】
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。
【０２７４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体素子に含まれる半導体層、発光部、井戸層、障壁層、積層体、電極、基板、バッファ層及び凹部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。
【０２７５】
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。
【０２７６】
その他、本発明の実施の形態として上述した半導体素子、ウェーハ、半導体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素子、ウェーハ、半導体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。
【０２７７】
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。
【０２７８】
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】
【０２７９】
１０、１０ａ〜１０ｃ、１１、１１ａ〜１１ｃ、１２、１２ａ〜１２ｃ、１３、１３ａ〜１３ｃ、１４、１４ａ〜１４ｃ…半導体素子、 ４１…障壁層、 ４２…井戸層、 ６０、６０ａ〜６０ｃ、６４、６４ａ〜６４ｃ…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…第１層、 １３１…ｎ形閉じ込め層、 １３２…ｎ形コンタクト層、 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…第２層、 １５１…ｐ形閉じ込め層、 １５２…ｐ形コンタクト層、 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積層体、 ２１０ａ…面、 ２１０ｂ…面、 ２１０ｄ…凹部、 ２１０ｅ…先端、 ２１０ｓ…側面、 ２２０…第２積層体、 ２２０ａ…第１部分、 ２２０ｂ…第２部分、 ４５５…第１金属層、 ４６０…導電性基板、 ４６５…第２金属層、 ５１０…転位、 ＢＬ…障壁層、 ＢＬ１…第１障壁層、 ＢＬ２…第２障壁層、 ＢＬＩ…井戸間障壁層、 ＢＬｉ…障壁層、 ＢＬｐ…ｐ側障壁層、 Ｄｚ…位置、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１…第１井戸層、 ＷＬｉ…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、障壁層と、井戸層と、を含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられた第１積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
を備え、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部が埋め込まれており、前記第２層の一部は、前記凹部の前記少なくとも一部に埋め込まれた前記発光部の前記一部の上に配置されている半導体素子。
【請求項２】
前記第２層の前記一部は、前記凹部の前記少なくとも一部の中にさらに埋め込まれている請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第４層のそれぞれの厚さは、前記井戸層の厚さよりも薄い請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記凹部は、前記第１積層体を貫通していない請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１層、前記第１積層体、前記発光部及び前記第２層を貫通する転位が形成されており、前記凹部の側面は、前記転位の周りを取り囲む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体をさらに備え、
前記第２積層体は、
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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項７】
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、障壁層と、井戸層と、を含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられた第１積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
前記第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体であって、
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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層体と、
を備え、
前記第２積層体は、前記第１層に近い第１部分と、前記第１部分と前記発光部との間に位置する第２部分と、を有し、
前記第１部分におけるＩｎ平均組成比は、前記第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高い半導体素子。
【請求項８】
前記第１部分における前記Ｉｎ平均組成比は、前記第１層側から第２層側に向けて低下し、
前記第２部分における前記Ｉｎ平均組成比の変化量は、前記第１部分における前記Ｉｎ平均組成比の変化量よりも小さい請求項７記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１積層体におけるＩｎ平均組成比の、前記第１層から前記第２層に向かう方向に沿った変化量は、前記第２積層体におけるＩｎ平均組成比の前記方向に沿った変化量よりも小さい請求項７または８に記載の半導体素子。
【請求項１０】
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それぞれの厚さよりも薄い請求項６〜９のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１積層体と前記第２積層体との間に設けられ、前記発光部の厚さよりも薄い中間層をさらに備えた請求項６〜１０のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記井戸層は、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかを含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記複数の障壁層のうちで前記第１積層体に最も近い第１障壁層は、ＡｌＧａＩｎＮを含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１４】
基板と、
前記基板の上に設けられ窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
前記第１層の上に設けられた第１積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
前記第１積層体の上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、
前記発光部の上に設けられ窒化物半導体を含むｐ形の第２層と、
を備え、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部及び前記第２層の一部が埋め込まれているウェーハ。
【請求項１５】
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積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
前記第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体であって、
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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層体と、
を備え、
前記第２積層体は、前記第１層に近い第１部分と、前記第１部分と前記発光部との間に位置する第２部分と、を有し、
前記第１部分におけるＩｎ平均組成比は、前記第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高いウェーハ。
【請求項１６】
基板の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層を形成し、
前記第１層の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して第１積層体を形成し、
前記第１積層体の上に、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、を含む発光部を形成し、
前記発光部の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層を形成し、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、
前記発光部の形成は前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部を埋め込むことを含み、
前記第２層の形成は、前記凹部の残余の空間の少なくとも一部に前記第２層の一部を埋め込むこと含む半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２層の形成の後、前記第２層の上面を接合用基板に接合した後に前記基板を除去することをさらに実施する請求項１６記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
窒化物半導体を含むｎ形の第１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積層体を形成し、前記第２積層体の上に、前記第５層とは異なる組成を有しＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して第１積層体を形成し、前記第２積層体のうちの前記第１層に近い第１部分におけるＩｎ平均組成比が、前記第２積層体のうちの前記第１部分よりも前記第１層から遠い第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高くなるような結晶成長条件を決め、
前記決めた結晶成長条件を用いて前記第２積層体と前記第１積層体とを形成し、前記第１積層体の上に、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、窒化物半導体を含むｐ形の第２層を形成する半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
基板の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層を形成し、
前記第１層の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して第１積層体を形成し、
前記第１積層体の上に、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、を含む発光部を形成し、
前記発光部の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層を形成し、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、
前記発光部の形成は前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部を埋め込むことを含み、
前記第２層の形成は、前記凹部の残余の空間の少なくとも一部に前記第２層の一部を埋め込むこと含む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、障壁層と、井戸層と、を含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられた第１積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
を備え、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部が埋め込まれており、前記第２層の一部は、前記凹部の前記少なくとも一部に埋め込まれた前記発光部の前記一部の上に配置されている半導体素子。
【請求項２】
前記第２層の前記一部は、前記凹部の前記少なくとも一部の中にさらに埋め込まれている請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記第４層のそれぞれの厚さは、前記井戸層の厚さよりも薄い請求項１または２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記凹部は、前記第１積層体を貫通していない請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１層、前記第１積層体、前記発光部及び前記第２層を貫通する転位が形成されており、前記凹部の側面は、前記転位の周りを取り囲む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体をさらに備え、
前記第２積層体は、
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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項７】
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、障壁層と、井戸層と、を含む発光部と、
前記第１層と前記発光部との間に設けられた第１積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
前記第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体であって、
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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層体と、
を備え、
前記第２積層体は、前記第１層に近い第１部分と、前記第１部分と前記発光部との間に位置する第２部分と、を有し、
前記第１部分におけるＩｎ平均組成比は、前記第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高い半導体素子。
【請求項８】
前記第１部分における前記Ｉｎ平均組成比は、前記第１層側から第２層側に向けて低下し、
前記第２部分における前記Ｉｎ平均組成比の変化量は、前記第１部分における前記Ｉｎ平均組成比の変化量よりも小さい請求項７記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１積層体におけるＩｎ平均組成比の、前記第１層から前記第２層に向かう方向に沿った変化量は、前記第２積層体におけるＩｎ平均組成比の前記方向に沿った変化量よりも小さい請求項７または８に記載の半導体素子。
【請求項１０】
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それぞれの厚さよりも薄い請求項６〜９のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１積層体と前記第２積層体との間に設けられ、前記発光部の厚さよりも薄い中間層をさらに備えた請求項６〜１０のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記井戸層は、ＧａＩｎＮ及びＡｌＧａＩｎＮの少なくともいずれかを含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記複数の障壁層のうちで前記第１積層体に最も近い第１障壁層は、ＡｌＧａＩｎＮを含む請求項１〜１２のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１４】
基板と、
前記基板の上に設けられ窒化物半導体を含むｎ形の第１層と、
前記第１層の上に設けられた第１積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
前記第１積層体の上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、
前記発光部の上に設けられ窒化物半導体を含むｐ形の第２層と、
を備え、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部及び前記第２層の一部が埋め込まれているウェーハ。
【請求項１５】
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積層体であって、
ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、
前記複数の第３層と交互に積層されＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、
を含む第１積層体と、
前記第１層と前記第１積層体との間に設けられた第２積層体であって、
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ＧａＩｎＮを含む複数の第６層と、
を含む第２積層体と、
を備え、
前記第２積層体は、前記第１層に近い第１部分と、前記第１部分と前記発光部との間に位置する第２部分と、を有し、
前記第１部分におけるＩｎ平均組成比は、前記第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高いウェーハ。
【請求項１６】
基板の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層を形成し、
前記第１層の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して第１積層体を形成し、
前記第１積層体の上に、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、を含む発光部を形成し、
前記発光部の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層を形成し、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、
前記発光部の形成は前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部を埋め込むことを含み、
前記第２層の形成は、前記凹部の残余の空間の少なくとも一部に前記第２層の一部を埋め込むこと含む半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
前記第２層の形成の後、前記第２層の上面を接合用基板に接合した後に前記基板を除去することをさらに実施する請求項１６記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１８】
窒化物半導体を含むｎ形の第１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積層体を形成し、前記第２積層体の上に、前記第５層とは異なる組成を有しＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して第１積層体を形成し、前記第２積層体のうちの前記第１層に近い第１部分におけるＩｎ平均組成比が、前記第２積層体のうちの前記第１部分よりも前記第１層から遠い第２部分におけるＩｎ平均組成比よりも高くなるような結晶成長条件を決め、
前記決めた結晶成長条件を用いて前記第２積層体と前記第１積層体とを形成し、前記第１積層体の上に、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、窒化物半導体を含むｐ形の第２層を形成する半導体素子の製造方法。
【請求項１９】
基板の上に窒化物半導体を含むｎ形の第１層を形成し、
前記第１層の上に、ＡｌＧａＩｎＮを含む複数の第３層と、ＧａＩｎＮを含む複数の第４層と、を交互に積層して第１積層体を形成し、
前記第１積層体の上に、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、を含む発光部を形成し、
前記発光部の上に窒化物半導体を含むｐ形の第２層を形成し、
前記第１積層体は、前記第１積層体の前記発光部側の面に設けられた凹部を有し、
前記発光部の形成は前記凹部の少なくとも一部に前記発光部の一部を埋め込むことを含み、
前記第２層の形成は、前記凹部の残余の空間の少なくとも一部に前記第２層の一部を埋め込むこと含む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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６５６３２（Ｐ２０１３−６５６３２Ａ）
【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２０１１−２０２３２３（Ｐ２０１１−２０２３２３）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【特許番号】特許第５１６２０１６号（Ｐ５１６２０１６）
【特許公報発行日】平成２５年３月１３日（２０１３．３．１３）
【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）
【特許番号】特許第５１６２０１６号（Ｐ５１６２０１６）
【特許公報発行日】平成２５年３月１３日（２０１３．３．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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