ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法
【課題】発光効率の高いＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層が、発光層をｎ型層とｐ型層が挟むように配置されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であり、発光層と基板との間にある層のａ軸格子定数ａ1と発光層のａ軸格子定数ａ2との差の割合Δａ（＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1）の範囲が、−０．０５≦Δa≦０．０５（単位：％）であるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が、発光層と基板との間にある層を成長させる際には３００〜１６００であり、井戸層を成長させる際には７００００〜１９００００であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【解決手段】基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層が、発光層をｎ型層とｐ型層が挟むように配置されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であり、発光層と基板との間にある層のａ軸格子定数ａ1と発光層のａ軸格子定数ａ2との差の割合Δａ（＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1）の範囲が、−０．０５≦Δa≦０．０５（単位：％）であるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が、発光層と基板との間にある層を成長させる際には３００〜１６００であり、井戸層を成長させる際には７００００〜１９００００であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特に発光効率が改良されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等のｐｎ接合型構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成するための機能材料として利用されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈するＬＥＤを構成する際に、ｎ型またはｐ型の窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、クラッド層を構成するために利用されている（例えば、特許文献２参照）。また、窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）は、発光層を構成するために利用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、発光層には、ｎ型またはｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体層が接合されて設けられるのが一般的である。高い強度の発光を得るために、ヘテロ接合構造の発光部を構成するためである。例えば、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を構成するために、発光層は、従来からＧａYＩｎZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）等からなり、ｎ型またはｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層がクラッド層等として接合されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、発光効率向上のために量子井戸構造を用いた発光層も提案されている。現在市販されている青色ＬＥＤや青紫色レーザダイオード等の発光素子は格子定数の異なる複数種の半導体層が積層された格子不整系材料が用いられている。通常、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では基板にサファイアが用いられ、ｎ型層にはＧａＮ層が、発光層にはＧａＩｎＮ系の量子井戸構造が一般的に用いられている。
【０００５】
これらの発光素子では、発光層のａ軸の格子定数はその下方にあるｎ型層のａ軸の格子定数とほぼ一致する（コヒーレント成長する）と言われている。一般に発光層の膜厚が量子井戸構造のように臨界膜厚より薄い場合はコヒーレント成長し、臨界膜厚より厚い場合は、緩和成長になる。
【０００６】
また、サファイア基板上にｎ型層、発光層およびｐ型層を有する積層構造中に含まれるＧａＮ層の平均的なa軸格子定数の歪み量の範囲を規定することにより、歪みに起因する特性劣化を防止する従来技術が知られている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３３２３６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６４５号公報
【特許文献３】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献４】特開２００２−１２４７０２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】赤崎 勇著、「ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体」、１９９５年５月２０日発行、（株）培風館、第１３章
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、発光効率の高いＩＩＩ族窒化物半導体発光素子発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、格子定数の異なる複数種の半導体層が積層されている格子不整系材料が用いられた発光素子をＸ線回折法の逆格子空間マッピングにより詳細に解析を行った結果、発光層および基板間にある層と発光層とのそれぞれのａ軸格子定数が積層構造や成長条件により異なり、それぞれのａ軸格子定数に微小な差（ズレ）が生じることを見出した。本発明者はさらにこのａ軸格子定数の差（ズレ）が発光効率に大きく影響することを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
即ち、本発明は下記の発明を提供する。
（１）基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層が、発光層をｎ型層とｐ型層が挟むように配置されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であり、下式（Ｉ）で表わされる、発光層と基板との間にある層のａ軸格子定数（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの格子定数）ａ1と発光層のａ軸格子定数（発光層が多重量子井戸構造の場合は井戸層と障壁層との平均組成を示す０次ピークから求めた格子定数）ａ2との差の割合Δａの範囲が、−０．０５≦Δa≦０．０５（単位：％）であり、発光層と基板の間にある層の厚さ（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの合計厚さ）が１０〜２０μｍであり、前記発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井戸構造の障壁層がＡｌXＧａYＩｎZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）からなり、井戸層がＧａYＩｎZＮ（０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が、発光層と基板との間にある層を成長させる際には３００〜１６００であり、井戸層を成長させる際には７００００〜１９００００であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
Δａ＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1 ・・・・・・（Ｉ）
（２）障壁層の厚さが１０〜２５ｎｍである上記（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（３）障壁層のドーパント量が１×１０17〜１×１０18／ｃｍ3である上記（１）または（２）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（４）ＩＩＩ族窒化物半導体が一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（５）基板がサファイアである上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（６）発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層である上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（７）基板がサファイアであり、発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層であり、格子定数ａ1およびａ2が３．１８１Åより大きい上記（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
発光層および基板間にある層と発光層とのａ軸格子定数の差の割合を特定の範囲にコントロールすることを骨子とする本発明により、発光効率の高い発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を概略的に示す図である。
【図２】実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示した図である。
【図３】実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の非対称面における逆格子空間マッピングである。
【図４】実施例１〜３および比較例１で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。
【図５】実施例１〜３および比較例１で得られた発光素子のΔａと発光強度をプロットした図である。
【図６】実施例１および４ならびに比較例２で得られた発光素子の井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。
【図７】実施例１および４ならびに比較例２で得られた発光素子のΔａと発光強度をプロットした図である。
【図８】実施例１および５〜８ならびに比較例３で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚とΔａをプロットした図である。
【図９】実施例１および５〜８ならびに比較例３で得られた発光素子のΔａと発光強度をプロットした図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を概略的に示す図である。図１において、１は基板であり、２はバッファ層である。３はｎ型層であり、下地層（３ａ）、ｎコンタクト層（３ｂ）およびｎクラッド層（３ｃ）から構成されている。４は発光層である。５はｐ型層であり、ｐクラッド層（５ｃ）およびｐコンタクト層（５ｂ）から構成されている。１０はｎオーミック電極、１１はｐオーミック電極である。バッファ層は基板種によっては省略できる。また、ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。ｐコンタクト層もｐクラッド層を兼ねることができる。
【００１５】
上記に例示した発光素子において、本発明で言う発光層と基板との間にある層は、バッファ層（２）とｎ型層（３）である。これらを構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成が同一であれば、そのａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。これらを構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成が全て異なる場合は、これらの層の内一番厚い層のａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。通常、バッファ層（２）およびｎ型クラッド層（３ｃ）は薄く、下地層（３ａ）およびｎ型コンタクト層（３ｂ）は厚いので、下地層またはｎ型コンタクト層のどちらか厚い方のａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。また、どれか２つの層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成が同一の場合は、それらの層の厚さを合計して他の層の厚さと比較して一番厚い層のａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。要するに、発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループのａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。
【００１６】
発光層は、例えば単一のＧａYＩｎZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）層から構成してもよいし、量子井戸構造と称する超格子構造から構成してもよい。量子井戸構造は障壁層と井戸層が交互に積層されており、井戸層で発光する。量子井戸構造は、井戸層が１層しかない単一量子井戸構造でもよいし、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造でもよい。例えば単一量子井戸構造のように発光する層が１層しかない場合は、その発光する層のａ軸格子定数が本発明で言うａ2である。多重量子井戸構造の場合は、複数の井戸層と障壁層の平均組成を示す０次ピークから求めたａ軸格子定数を本発明で言うａ2とする。
【００１７】
本発明において、各層のａ軸格子定数はＸ線回折法の非対称面における逆格子空間マッピングから求める。その求め方を後述の実施例１で作製した発光素子（断面構造が図２に示されている）を例にして以下に説明する。
【００１８】
図３は後述する実施例１で作製した発光素子（断面構造が図２に示されている）の逆格子空間マッピングである。図３に示した測定で用いたＸ線回折装置の測定条件について下記に示す。
【００１９】
用いたＸ線回折装置はパナリティカル（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ）社のＸ’Ｐｅｒｔ−ＰＲＯ ＭＲＤであり、解析ソフトウェアはＸ’Ｐｅｒｔ Ｅｐｉｔａｘｙ ４．１である。
１．入射部光学系
・Ｘ線発生装置： 最大出力１．８ｋＷ、セラミックス絶縁型Ｘ線回折Ｃｕ管球
・モノクロメータ： Ｇｅハイブリッド２回回折モノクロメータ
(ハイブリッドモノクロメータによりＸ線管球からの発散ビームが単色平行ビームに変換）
【００２０】
２．受光部光学系
・トリプルアクシスモジュール： 分解能１２秒
・Ｘ線検出器： プロポーショナルカウンタ
【００２１】
３．その他
・ゴニオメータ： 高精度ダイレクトエンコーダ連結型ゴニオメータ
角度再現性 ０．０００１度
・試料ステージ： 面内回転、アオリ角、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸が全てモータ駆動
【００２２】
４．逆格子マッピング測定条件
Ｘ線源： 電圧４５ｋＶ、電流４０ｍＡ
入射スリット： １／８’’（Ｘ線ビーム径 縦１０ｍｍ×横０．３６５ｍｍ）
試料形状： ２インチウェーハ
回折面： （２０−２４）面
【００２３】
図３において、横軸Ｑｘと縦軸Ｑｙはすべて逆格子単位で示されており、横軸Ｑｘは成長面に平行な方向の格子定数ａの逆数、縦軸Ｑｙは成長面に垂直な格子定数ｃの逆数に対応する。例えば、Ｑｘ、Ｑｙが大きくなることは格子定数では小さくなり、Ｑｘ、Ｑｙが小さくなることは格子定数では大きくなることを意味する（ＧａＮより格子定数の小さなＡｌＧａＮのＱｘ、ＱｙはＧａＮに比べて大きくなる。一方、ＧａＮより格子定数の大きいＧａＩｎＮのＱｘ、ＱｙはＧａＮに比べて小さくなる）。
【００２４】
実施例１で作製した発光素子では、図２から明らかな如く、発光層（４）と基板（１）との間にある層は、バッファ層（２）とｎ型層（３）である。その内、下地層（３ａ）とｎコンタクト層（３ｂ）はＧａＮから構成されており、組成が同一である。それらを合計した厚さは１０μｍであり、その他の層と比較して桁違いに厚い。従って、その回折ピークは図３における中央部の強度が最も強いピークＳであり、そのａ軸格子定数が本発明におけるａ1となる。なお、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においては、通常、発光層およびｐ型層は薄く、ｎ型層が厚い。そのｎ型層の内、一番厚い層に基づく回折ピークは強度が最も強くなる。
【００２５】
また、多重量子構造の発光層（４）中の井戸層（４ｂ）を構成するのはＧａＩｎＮであり、ＧａＩｎＮは下地層（３ａ）およびｎコンタクト層（３ｂ）を構成するＧａＮより格子定数が大きいから、発光層を構成する多重量子井戸構造の平均組成を示す０次ピークは図３中でＳの下方にあるピークＬであり、そのａ軸格子定数が本発明におけるａ2となる。なお、図３中でＳの上方にあるピークＡは、ＧａＮより格子定数が小さい、ｐクラッド層を構成するＡｌＧａＮの回折ピークである。
【００２６】
上述したように、得られた逆格子空間マッピング中の各ピークの位置ならびに強度と、発光素子を構成する各層の組成と厚さを考慮することにより、ａ1およびａ2を求めることができる。実施例１では、基板にサファイアを用いているので、発光層および基板間にある層はｎ型層であるが、基板に例えばＳｉＣ等を用いた場合には、発光層および基板間にｐ型層を設けることもできる。このような場合にも同様の手順でａ1およびａ2を求めることができる。
【００２７】
なお、図３の測定における回折面には非対称面の（２０−２４）面を適用し逆格子空間マッピングを測定することによりｎ型層および発光層のａ軸の格子定数を求めたが、回折面に関しては（２０−２４）面の他に（１０−１５）面等を用いることができる。特に紫外発光素子では発光層のＩｎ組成が低くなり、下地層のＧａＮに構造上近づくため、下地層と発光層のピーク分離が明瞭でなくなるため逆格子空間マッピングの原点から離れる回折面を用いることが望ましい。紫外発光素子では（１０−１５）面が有効である。また正確に格子定数を算出するためには試料の温度（室温で測定する場合は室温）を毎回一定にすることが望ましい。
【００２８】
本発明においては、上記に定義したａ1とａ2との差の割合Δａ（％）＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1が、−０．０５≦Δａ≦０．０５（単位：％）になるように制御する。そうすることにより発光素子の効率が向上する。さらに好ましくはΔａが、−０．０３≦Δａ≦０．０３（単位：％）になるように制御する。
【００２９】
Δａの制御は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の積層構造や成長条件を制御することによって行なうことができる。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）によって、Δａは大きく変化する。Ｖ／ＩＩＩ比が大きくなると、Δａは小さくなる傾向である。発光層および基板間の層を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比は、他の条件によっても異なるが、一般に、３００〜１６００が好ましい。３００以下ではΔａが大きくなり、０．０５を超える場合が多い。また、１６００以上になるとＩＩＩ族窒化物半導体の結晶性が悪化し、Δａは−０．０５を超える場合が多い。好ましくは、４００〜８００である。
【００３０】
発光層（量子井戸構造の場合は井戸層）を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比は、他の条件によっても異なるが、一般に、７００００〜１９００００が好ましい。７００００以下ではΔａが大きくなり、０．０５を超える場合が多い。また、１９００００以上になると−０．０５を超える場合が多い。好ましくは、８００００〜１５００００である。
【００３１】
また、Δａは発光層および基板間の層の膜厚にも影響される。通常、この膜厚が大きければ大きいほど、Δａは０に近づく。ＩＩＩ族窒化物半導体の成長条件によっても異なるが、一般に、この膜厚は、６〜１６μｍが好ましい。５μｍ以下では、Δａが−０．０５≦Δａ≦０．０５（単位：％）の範囲に収まらない場合が多い。１６μｍ以上にしても、Δａ減少の効果は小さく、コストが増大するのみである。さらに好ましくは８〜１２μｍである。
【００３２】
さらに、Δａは発光層および基板間の層の転位密度にも影響される。転位密度が小さいほど、Δａは０に近づく。このことは、発光層および基板間の層の転位密度によって発光層の成長モードが変化し、転位密度が多い場合にはコヒーレント成長からずれた成長になることを意味する。一般に、転位密度は１×１０9／ｃｍ2以下が好ましい。
【００３３】
また、発光層が量子井戸構造の場合、障壁層の膜厚およびドーパント量によってもΔａを制御できる。障壁層の膜厚を厚くすると、Δａは大きくなる傾向である。１０ｎｍ〜２５ｎｍが好ましい。１０ｎｍ以下ではΔａが−０．０５％より小さくなる場合が多いので好ましくなく、２５ｎｍ以上ではΔａが０．０５％より大きくなる場合が多いので好ましくない。
【００３４】
障壁層のドーパント量を少なくすると、Δａは−０．０５％より小さくなる傾向である。他の条件によっても異なるが、障壁層のドーパント量は１×１０17〜１×１０18／ｃｍ3が好ましい。１×１０18／ｃｍ3を超えて過剰にドープされると、障壁層の結晶性の悪化で電気特性の悪化を招く。また、アンドープまたは１×１０16／ｃｍ3以下では、Δａは−０．０５％より小さくなる場合が多い。障壁層に添加するドーパントとしては、ＳｉおよびＧｅ等が挙げられる。
【００３５】
本発明において、ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知のＩＩＩ族窒化物半導体を含めて一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００３６】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００３７】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ4）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ2Ｈ5）4Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を用いる。
【００３８】
基板（１）には、サファイア単結晶（Ａｌ2Ｏ3；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ2などのホウ化物単結晶などの基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００３９】
ＧａＮ基板を除いて、原理的には窒化ガリウム系化合物とは格子整合しない上記の基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層するために、特許第３０２６０８７号公報や特開平４−２９７０２３号公報に開示されている低温バッファ法や特開２００３−２４３３０２号公報などに開示されているＳｅｅｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＳＰ）法と呼ばれる格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いて、バッファ層（２）を設けることができる。特に、ＧａＮ系結晶を作製することが可能な程度の高温でＡｌＮ結晶膜を作製するＳＰ法は、生産性の向上などの観点で優れた格子不整合結晶エピタキシャル成長技術である。
【００４０】
バッファ層（２）はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１）からなり、バッファ層の膜厚は０．００１〜１μｍが好ましく、さらに好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、特に好ましくは０．０１〜０．２μｍである。膜厚が上記範囲内であれば、その上に成長させるｎ型層（３）以降のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり結晶性が改善される。
【００４１】
バッファ層はＭＯＣＶＤ法により製造することができる。成長温度は４００〜１２００℃が好ましく、さらに好ましくは９００〜１２００℃の範囲である。成長温度が上記範囲であるとＡｌＮは単結晶となり、その上に成長させる窒化物半導体の結晶性が良好となり好ましい。
【００４２】
ｎ型層（３）は、通常、下地層（３ａ）、ｎコンタクト層（３ｂ）およびｎクラッド層（３ｃ）から構成される。下地層はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。その膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌXＧａ1―XＮ層が得られやすい。下地層の膜厚の上限は、本発明を得る上では特に限定されない。
【００４３】
下地層にはｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０17／ｃｍ3）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００４４】
下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃が好ましく、さらに好ましくは１０００〜１２００℃の範囲に調整する。この成長温度範囲内で成長させれば結晶性の良いものが得られる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は１５〜４０ｋＰａに調整する。
【００４５】
ｎコンタクト層（３ｂ）としては、下地層と同様にＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、ｎオーミック電極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００４６】
下地層とｎコンタクト層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体は同一組成であることが好ましく、その合計の膜厚を２〜２０μｍ、好ましくは４〜２０μｍ、さらに好ましくは８〜２０μｍの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、下地層およびｎコンタクト層と発光層との間のａ軸格子定数のズレ（Δａ）を小さくすることができ、発光効率の高い素子が得られる。また、良好な結晶性の維持という点からも、この範囲が好ましい。
【００４７】
ｎコンタクト層（３ｂ）と発光層（４）との間に、ｎクラッド層（３ｃ）を設けることが好ましい。ｎコンタクト層の最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできるからである。ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００４８】
紫外発光素子の場合、キャリアの閉じ込めの観点からｎクラッド層にはＡｌＧａＮ層を用いた方が好ましい。発光層へのキャリアの閉じ込めが可能であれば特に限定されないが、好ましい組成としては、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b＜０．４、好ましくは０．０５＜b＜０．２）のものが挙げられる。ｎクラッド層が上記条件であると発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。また青色発光素子ではＡｌＧａＮクラッド層は用いなくてもよい。
【００４９】
ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０17〜１×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００５０】
発光層（４）としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、好ましくはＧａ1-sＩｎsＮ（０＜ｓ＜０．４）のＩＩＩ族窒化物半導体が挙げられる。発光層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が挙げられ、例えば好ましくは１〜１０ｎｍであり、より好ましくは２〜６ｎｍである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。臨界膜厚より厚い場合はｎ型層および発光層間の格子定数のズレ（Δａ）が大きくなり発光特性が悪化する。また、発光層は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他に、上記Ｇａ1-sＩｎsＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。
【００５１】
ＡｌcＧａ1-cＮ障璧層の成長温度は７００℃以上の温度が好ましく、さらに好ましくは８００〜１１００℃で成長させると結晶性が良好になるため好ましい。ＧａＩｎＮ井戸層は６００〜９００℃、好ましくは７００〜９００℃で成長させる。すなわちＭＱＷの結晶性を良好にするためには層間で成長温度を変化させることが好ましい。
【００５２】
ｐ型層（５）は、通常、ｐクラッド層（５ｃ）およびｐコンタクト層（５ｂ）から構成される。ｐクラッド層（５ｃ）としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．４μｍであり、より好ましくは０．０２〜０．１μｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
【００５３】
ｐコンタクト層（５ｂ）としては、少なくともＡｌeＧａ1-eＮ（０≦ｅ＜０．３、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなるＩＩＩ族窒化物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型ドーパントを１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度で、好ましくは１×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２５μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００５４】
ｎコンタクト層（３ｂ）およびｐコンタクト層（５ｂ）にはそれぞれｎオーミック電極（１０）およびｐオーミック電極（１１）をこの技術分野でよく知られた慣用の手段で設ける。それぞれの構造も従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
【００５５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は優れた発光効率を有するので、この発光素子から高輝度のＬＥＤランプを作製することができる。従って、この技術によって作製したチップを組み込んだ携帯電話、ディスプレイおよびパネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータおよびゲーム機などの機械装置類は低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、玩具および自動車部品などのバッテリー駆動させる機器類において省電力の効果を発揮する。
【実施例】
【００５６】
以下に、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１）
図２は本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図である。１は（０００１）−サファイアからなる基板、２は厚さ数ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層である。３はｎ型層であり、厚さ８μｍのＧａＮからなる下地層３ａ、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのＧａＮからなるｎコンタクト層３ｂ、Ｓｉがドープされた厚さ１０ｎｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第１ｎクラッド層３ｃ1およびＳｉがドープされた厚さ２０ｎｍのＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなる第２ｎクラッド層３ｃ2から構成されている。４は発光層であり、Ｓｉがドープされた厚さ１６ｎｍのＧａＮからなる障壁層４ａおよび厚さ３ｎｍのＧａ0.90Ｉｎ0.10Ｎからなる井戸層４ｂを交互に積層させた５周期構造の多重量子井戸構造である。５はｐ型層であり、Ｍｇがドープされた厚さ３５ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐクラッド層５ｃおよびＭｇがドープされた厚さ１００ｎｍのＧａＮからなるｐコンタクト層５ｂから構成されている。１０はｎオーミック電極であり、１１はｐオーミック電極である。従って、この発光素子の本発明におけるａ1は、下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを構成するＧａＮのａ軸格子定数である。また、ａ2は多重量子井戸構造である発光層４の０次ピークから求めたａ軸格子定数である。
【００５８】
エピタキシャル積層構造体は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段を利用して以下の手順で形成した。先ず、（０００１）−サファイア基板１を、高周波（ＲＦ）誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ上に載置した。載置後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、炉内をパージした。
【００５９】
気相成長反応炉内に、窒素ガスを８分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させ、基板１の温度を、１０分間で室温から６００℃に昇温した。基板１の温度を６００℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を１５ｋＰａとした。この温度及び圧力下で２分間、放置して、基板１の表面をサーマルクリーニングした。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を停止した。水素ガスの供給は継続させた。
【００６０】
その後、ＳＰ法によりＡｌＮからなるバッファ層２を形成した。具体的には、次の方法で成膜した。水素雰囲気中で、基板１の温度を１１２０℃に昇温させた。１１２０℃で温度が安定したのを確認した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の蒸気を随伴する水素ガスを７分３０秒間、気相成長反応炉内へ供給した。これにより、気相成長反応炉の内壁に以前より付着していた窒素（Ｎ）を含む堆積沈着物の分解により生じる窒素（Ｎ）原子と反応させて、サファイア基板１上に、数ｎｍの厚さの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層２を付着させた。ＴＭＡｌの蒸気を随伴する水素ガスの気相成長反応炉内への供給を停止し、バッファ層２の成長を終了させた後、４分間待機し、気相成長炉内に残ったＴＭＡｌを完全に排出した。
【００６１】
続いて、アンモニア（ＮＨ3）ガスを気相成長反応炉内に供給し始め、それから４分が経過した後、アンモニアガスの流通を続けながら、基板１の温度を１０４０℃に降温した。基板１の温度が１０４０℃になったのを確認した後、暫時、温度が安定するのを待ち、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の気相成長反応炉内への供給を開始し、アンドープのＧａＮからなる下地層３ａを所定の膜厚まで成長させた。下地層３ａの層厚は８μｍとした。
【００６２】
次に、基板１の温度を１０６０℃に上昇し、温度が安定したところで、ドーパントガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて、厚さ２μｍのＳｉをドープしたＧａＮからなるｎコンタクト層３ｂを形成した。Ｓｉのドープ量は７×１０18／ｃｍ3とした。また、下地層およびｎコンタクト層形成中のＶ／ＩＩＩ比（ＴＭＧａとＮＨ３のモル流量比）は８００とした。
【００６３】
ｎコンタクト層３ｂを形成した後、基板１の温度は１０６０℃のままで、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）をガリウム源とし、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）をアルミニウム源とし、ドーパントガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて、Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第１ｎクラッド層３ｃ1を形成した。この第１ｎクラッド層３ｃ1の膜厚は１０ｎｍとした。Ｓｉのドープ量は３×１０18／ｃｍ3とした。
【００６４】
次に、基板１の温度を７２０℃とし、温度が安定したところで、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム源とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム源とし、ドーパントガスであるモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて、Ｓｉをドープしたｎ型Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなる第２ｎクラッド層３ｃ2を形成した。この第２ｎクラッド層３ｃ2の膜厚は２０ｎｍとした。Ｓｉのドープ量は３×１０17／ｃｍ3とした。
【００６５】
ＧａＮからなる障壁層４ａと、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎからなる井戸層４ｂとを含む５周期構造の多重量子井戸構造からなる発光層４を第２ｎクラッド層３ｃ2上に設けた。多重量子井戸構造の発光層４を形成するにあたって、先ず、ＧａＮからなる障壁層４ａを第２ｎクラッド層３ｃ2に接合させて設けた。障壁層４ａは、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム源として成長させた。膜厚は１６ｎｍとし、Ｓｉドープとした。
【００６６】
次に、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎからなる井戸層４ｂを、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム源とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム源として成長させた。膜厚は３ｎｍとし、アンドープとした。井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比（ＴＥＧａおよびＴＭＩｎとＮＨ３とのモル流量比）は１４００００とした。
【００６７】
この操作を５回繰り返した後、最後に障壁層４ａを形成して５周期構造の多重量子井戸構造の発光層４を形成した。
【００６８】
多重量子井戸構造からなる発光層４上には、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐクラッド層５ｃを形成した。膜厚は３５ｎｍとした。ｐクラッド層５ｃ上には、更に、Ｍｇをドーピングしたｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層５ｂを形成した。Ｍｇのドーピング源には、ビスーシクロペンタジエニルＭｇ（ｂｉｓ−Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。Ｍｇは、ｐコンタクト層５ｂの正孔濃度が８×１０17／ｃｍ3となる様に添加した。ｐコンタクト層５ｂの膜厚は１００ｎｍとした。
【００６９】
ｐコンタクト層５ｂの成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１の温度を、室温迄、約２０分間で降温した。降温中は、気相成長反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成し、ＮＨ3の流量を減量した。その後、更にＮＨ3の供給を停止した。基板１の温度が室温まで降温したのを確認して、ウェーハを気相成長反応炉より外部へ取り出した。この時点で、上記のｐコンタクト層５ｂは、ｐ型キャリア（Ｍｇ）を電気的に活性化するためのアニール処理を行なわなくても、既に、ｐ型の伝導性を示した。
【００７０】
得られたウェーハの非対称面における逆格子空間マッピングをＸ線回折法によって求めた。得られた逆格子空間マッピングを図３に示す。この逆格子空間マッピングからａ1およびａ2を以下の手順で求めた。
【００７１】
前述した如く、図３中のピークＳが下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂからの回折ピークであり、そのａ軸格子定数がａ1である。また、ａ軸格子定数（ａ）と逆格子空間マッピングの横軸（Ｑｘ）には下式の関係がある。
ａ＝（２×λ／Ｑｘ）／３1/2
ここで、λは測定に用いたＸ線の波長（単位はÅ）であり、本測定では１．５４０５６Åである。
図３より、ピークＳにおけるＱｘを求めると、Ｑｘ＝０．５５８９７３になるから、ａ1＝（２×λ／Ｑｘ）／３1/2＝３．１８２４２Åとなる。
【００７２】
また、前述した如く図３中のピークＬが発光層４の０次ピークであり、そのＱｘはＱｘ＝０．５５８９１３であるから、同様にしてａ2を求めると、ａ2＝３．１８２７６Åとなる。
従って、Δａは、Δａ＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1＝−０．０１０７％ であった。
【００７３】
次いで、当業界周知のフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を利用して、ｎオーミック電極１０を形成する予定の領域に限り、ｎコンタクト層３ｂの表面を露出させた。露出させたｎコンタクト層３ｂの表面には、半導体側をクロム（Ｃｒ）としてクロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）を積層したｎオーミック電極１０を形成した。残置したｐコンタクト層５ｂの表面の全域には、当業界周知のスパッタ手段及びフォトリソグラフィー手段等を利用して、半導体側から順に、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）を積層させた反射型ｐオーミック電極１１を形成した。
【００７４】
然る後、３５０μｍ角の平面視で正方形のＬＥＤチップに切断し、サブマウントと呼ぶ結線補助部材に接着し、これをリードフレーム上に載置して、リードフレームに結線した金導線をリードフレームからＬＥＤチップへ配線し、素子駆動電流を通電できるようにした。
【００７５】
リードフレームを介してｎオーミック電極１０及びｐオーミック電極１１間に順方向に素子駆動電流を流した。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．１Ｖであった。また、出射される紫色帯発光の中心波長は４１２ｎｍであった。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は、ベアチップで１４ｍＷに達し、高い強度の発光をもたらすＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られた。
【００７６】
（実施例２および３ならびに比較例１）
下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比を、実施例２では４００、実施例３では１６００および比較例１では２００にしたこと以外は、実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００７７】
得られた発光素子を実施例１と同様に評価した。図４は、実施例１〜３および比較例１で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。また、図５は、Δａと発光強度をプロットした図である。なお、発光強度は実施例１で得られた発光素子の値を１として相対値で示した。
【００７８】
図４より下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂのＶ／ＩＩＩ比によりΔａを制御できることがわかる。下地層およびｎコンタクト層のＶ／ＩＩＩ比が２００の場合、Δａは０．０７で本発明の範囲外となり、発光強度が低下する。下地層およびｎコンタクト層のＶ／ＩＩＩが４００〜１６００では、Δａが本発明の範囲内となり、発光特性が良好である。
【００７９】
（実施例４および比較例２）
井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比を、実施例４では８３０００および比較例２では４６０００にしたこと以外は、実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８０】
得られた発光素子を実施例１と同様に評価した。図６は、実施例１および４ならびに比較例２で得られた発光素子の井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。また、図７は、Δａと発光強度をプロットした図である。なお、発光強度は実施例１で得られた発光素子の値を１として相対値で示した。
【００８１】
図６より井戸層４ｂのＶ／ＩＩＩによりΔａを制御できることがわかる。井戸層のＶ／ＩＩＩ比が４６０００では、Δａが本発明の範囲外となり、発光強度が低下する。井戸層のＶ／ＩＩＩが８３０００〜１４００００では、Δａが本発明の範囲内となり、発光特性が良好である。
【００８２】
（実施例５〜８および比較例３）
下地層３ａの厚さを、実施例５では１０μｍ、実施例６では１４μｍ、実施例７では６μｍ、実施例８では４μｍおよび比較例３では２μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８３】
得られた発光素子を実施例１と同様に評価した。図８は、実施例１および５〜８ならびに比較例３で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚とΔａをプロットした図である。また、図９は、Δａと発光強度をプロットした図である。なお、発光強度は実施例１で得られた発光素子の値を１として相対値で示した。
【００８４】
図８から、下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚を厚くすることによりΔａは大きくなり、０に近づくことがわかる。即ち、下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚によりΔａを制御できることがわかる。合計膜厚が４μｍの場合、Δａは０．０６５で本発明の範囲外となり、発光強度は約７ｍＷと低下する。合計膜厚が６μｍ以上ではΔａが本発明の範囲内となり、良好な発光特性の発光素子が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の製造方法によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は極めて優れた発光効率を有するので、ランプおよびレーザダイオード等として、その産業上の利用価値は極めて大きい。
【符号の説明】
【００８６】
１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型層
４ 発光層
５ ｐ型層
１０ ｎオーミック電極
１１ ｐオーミック電極
【技術分野】
【０００１】
本発明はＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法に関し、特に発光効率が改良されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＩＩ族窒化物半導体は、短波長の可視光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等のｐｎ接合型構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を構成するための機能材料として利用されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、近紫外帯、青色帯、或いは緑色帯の発光を呈するＬＥＤを構成する際に、ｎ型またはｐ型の窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａYＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）は、クラッド層を構成するために利用されている（例えば、特許文献２参照）。また、窒化ガリウム・インジウム（ＧａYＩｎZＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）は、発光層を構成するために利用されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、発光層には、ｎ型またはｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体層が接合されて設けられるのが一般的である。高い強度の発光を得るために、ヘテロ接合構造の発光部を構成するためである。例えば、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を構成するために、発光層は、従来からＧａYＩｎZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）等からなり、ｎ型またはｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層がクラッド層等として接合されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、発光効率向上のために量子井戸構造を用いた発光層も提案されている。現在市販されている青色ＬＥＤや青紫色レーザダイオード等の発光素子は格子定数の異なる複数種の半導体層が積層された格子不整系材料が用いられている。通常、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子では基板にサファイアが用いられ、ｎ型層にはＧａＮ層が、発光層にはＧａＩｎＮ系の量子井戸構造が一般的に用いられている。
【０００５】
これらの発光素子では、発光層のａ軸の格子定数はその下方にあるｎ型層のａ軸の格子定数とほぼ一致する（コヒーレント成長する）と言われている。一般に発光層の膜厚が量子井戸構造のように臨界膜厚より薄い場合はコヒーレント成長し、臨界膜厚より厚い場合は、緩和成長になる。
【０００６】
また、サファイア基板上にｎ型層、発光層およびｐ型層を有する積層構造中に含まれるＧａＮ層の平均的なa軸格子定数の歪み量の範囲を規定することにより、歪みに起因する特性劣化を防止する従来技術が知られている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３３２３６４号公報
【特許文献２】特開２００３−２２９６４５号公報
【特許文献３】特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献４】特開２００２−１２４７０２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】赤崎 勇著、「ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体」、１９９５年５月２０日発行、（株）培風館、第１３章
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、発光効率の高いＩＩＩ族窒化物半導体発光素子発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、格子定数の異なる複数種の半導体層が積層されている格子不整系材料が用いられた発光素子をＸ線回折法の逆格子空間マッピングにより詳細に解析を行った結果、発光層および基板間にある層と発光層とのそれぞれのａ軸格子定数が積層構造や成長条件により異なり、それぞれのａ軸格子定数に微小な差（ズレ）が生じることを見出した。本発明者はさらにこのａ軸格子定数の差（ズレ）が発光効率に大きく影響することを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
即ち、本発明は下記の発明を提供する。
（１）基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層が、発光層をｎ型層とｐ型層が挟むように配置されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であり、下式（Ｉ）で表わされる、発光層と基板との間にある層のａ軸格子定数（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの格子定数）ａ1と発光層のａ軸格子定数（発光層が多重量子井戸構造の場合は井戸層と障壁層との平均組成を示す０次ピークから求めた格子定数）ａ2との差の割合Δａの範囲が、−０．０５≦Δa≦０．０５（単位：％）であり、発光層と基板の間にある層の厚さ（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの合計厚さ）が１０〜２０μｍであり、前記発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井戸構造の障壁層がＡｌXＧａYＩｎZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）からなり、井戸層がＧａYＩｎZＮ（０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が、発光層と基板との間にある層を成長させる際には３００〜１６００であり、井戸層を成長させる際には７００００〜１９００００であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
Δａ＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1 ・・・・・・（Ｉ）
（２）障壁層の厚さが１０〜２５ｎｍである上記（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（３）障壁層のドーパント量が１×１０17〜１×１０18／ｃｍ3である上記（１）または（２）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（４）ＩＩＩ族窒化物半導体が一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（５）基板がサファイアである上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（６）発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層である上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
（７）基板がサファイアであり、発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層であり、格子定数ａ1およびａ2が３．１８１Åより大きい上記（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
発光層および基板間にある層と発光層とのａ軸格子定数の差の割合を特定の範囲にコントロールすることを骨子とする本発明により、発光効率の高い発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を概略的に示す図である。
【図２】実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示した図である。
【図３】実施例１で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の非対称面における逆格子空間マッピングである。
【図４】実施例１〜３および比較例１で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。
【図５】実施例１〜３および比較例１で得られた発光素子のΔａと発光強度をプロットした図である。
【図６】実施例１および４ならびに比較例２で得られた発光素子の井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。
【図７】実施例１および４ならびに比較例２で得られた発光素子のΔａと発光強度をプロットした図である。
【図８】実施例１および５〜８ならびに比較例３で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚とΔａをプロットした図である。
【図９】実施例１および５〜８ならびに比較例３で得られた発光素子のΔａと発光強度をプロットした図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の一例を概略的に示す図である。図１において、１は基板であり、２はバッファ層である。３はｎ型層であり、下地層（３ａ）、ｎコンタクト層（３ｂ）およびｎクラッド層（３ｃ）から構成されている。４は発光層である。５はｐ型層であり、ｐクラッド層（５ｃ）およびｐコンタクト層（５ｂ）から構成されている。１０はｎオーミック電極、１１はｐオーミック電極である。バッファ層は基板種によっては省略できる。また、ｎコンタクト層は下地層および／またはｎクラッド層を兼ねることができる。ｐコンタクト層もｐクラッド層を兼ねることができる。
【００１５】
上記に例示した発光素子において、本発明で言う発光層と基板との間にある層は、バッファ層（２）とｎ型層（３）である。これらを構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成が同一であれば、そのａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。これらを構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成が全て異なる場合は、これらの層の内一番厚い層のａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。通常、バッファ層（２）およびｎ型クラッド層（３ｃ）は薄く、下地層（３ａ）およびｎ型コンタクト層（３ｂ）は厚いので、下地層またはｎ型コンタクト層のどちらか厚い方のａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。また、どれか２つの層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体の組成が同一の場合は、それらの層の厚さを合計して他の層の厚さと比較して一番厚い層のａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。要するに、発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループのａ軸格子定数が本発明で言うａ1である。
【００１６】
発光層は、例えば単一のＧａYＩｎZＮ（０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）層から構成してもよいし、量子井戸構造と称する超格子構造から構成してもよい。量子井戸構造は障壁層と井戸層が交互に積層されており、井戸層で発光する。量子井戸構造は、井戸層が１層しかない単一量子井戸構造でもよいし、複数の井戸層を有する多重量子井戸構造でもよい。例えば単一量子井戸構造のように発光する層が１層しかない場合は、その発光する層のａ軸格子定数が本発明で言うａ2である。多重量子井戸構造の場合は、複数の井戸層と障壁層の平均組成を示す０次ピークから求めたａ軸格子定数を本発明で言うａ2とする。
【００１７】
本発明において、各層のａ軸格子定数はＸ線回折法の非対称面における逆格子空間マッピングから求める。その求め方を後述の実施例１で作製した発光素子（断面構造が図２に示されている）を例にして以下に説明する。
【００１８】
図３は後述する実施例１で作製した発光素子（断面構造が図２に示されている）の逆格子空間マッピングである。図３に示した測定で用いたＸ線回折装置の測定条件について下記に示す。
【００１９】
用いたＸ線回折装置はパナリティカル（ＰＡＮａｌｙｔｉｃａｌ）社のＸ’Ｐｅｒｔ−ＰＲＯ ＭＲＤであり、解析ソフトウェアはＸ’Ｐｅｒｔ Ｅｐｉｔａｘｙ ４．１である。
１．入射部光学系
・Ｘ線発生装置： 最大出力１．８ｋＷ、セラミックス絶縁型Ｘ線回折Ｃｕ管球
・モノクロメータ： Ｇｅハイブリッド２回回折モノクロメータ
(ハイブリッドモノクロメータによりＸ線管球からの発散ビームが単色平行ビームに変換）
【００２０】
２．受光部光学系
・トリプルアクシスモジュール： 分解能１２秒
・Ｘ線検出器： プロポーショナルカウンタ
【００２１】
３．その他
・ゴニオメータ： 高精度ダイレクトエンコーダ連結型ゴニオメータ
角度再現性 ０．０００１度
・試料ステージ： 面内回転、アオリ角、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸が全てモータ駆動
【００２２】
４．逆格子マッピング測定条件
Ｘ線源： 電圧４５ｋＶ、電流４０ｍＡ
入射スリット： １／８’’（Ｘ線ビーム径 縦１０ｍｍ×横０．３６５ｍｍ）
試料形状： ２インチウェーハ
回折面： （２０−２４）面
【００２３】
図３において、横軸Ｑｘと縦軸Ｑｙはすべて逆格子単位で示されており、横軸Ｑｘは成長面に平行な方向の格子定数ａの逆数、縦軸Ｑｙは成長面に垂直な格子定数ｃの逆数に対応する。例えば、Ｑｘ、Ｑｙが大きくなることは格子定数では小さくなり、Ｑｘ、Ｑｙが小さくなることは格子定数では大きくなることを意味する（ＧａＮより格子定数の小さなＡｌＧａＮのＱｘ、ＱｙはＧａＮに比べて大きくなる。一方、ＧａＮより格子定数の大きいＧａＩｎＮのＱｘ、ＱｙはＧａＮに比べて小さくなる）。
【００２４】
実施例１で作製した発光素子では、図２から明らかな如く、発光層（４）と基板（１）との間にある層は、バッファ層（２）とｎ型層（３）である。その内、下地層（３ａ）とｎコンタクト層（３ｂ）はＧａＮから構成されており、組成が同一である。それらを合計した厚さは１０μｍであり、その他の層と比較して桁違いに厚い。従って、その回折ピークは図３における中央部の強度が最も強いピークＳであり、そのａ軸格子定数が本発明におけるａ1となる。なお、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子においては、通常、発光層およびｐ型層は薄く、ｎ型層が厚い。そのｎ型層の内、一番厚い層に基づく回折ピークは強度が最も強くなる。
【００２５】
また、多重量子構造の発光層（４）中の井戸層（４ｂ）を構成するのはＧａＩｎＮであり、ＧａＩｎＮは下地層（３ａ）およびｎコンタクト層（３ｂ）を構成するＧａＮより格子定数が大きいから、発光層を構成する多重量子井戸構造の平均組成を示す０次ピークは図３中でＳの下方にあるピークＬであり、そのａ軸格子定数が本発明におけるａ2となる。なお、図３中でＳの上方にあるピークＡは、ＧａＮより格子定数が小さい、ｐクラッド層を構成するＡｌＧａＮの回折ピークである。
【００２６】
上述したように、得られた逆格子空間マッピング中の各ピークの位置ならびに強度と、発光素子を構成する各層の組成と厚さを考慮することにより、ａ1およびａ2を求めることができる。実施例１では、基板にサファイアを用いているので、発光層および基板間にある層はｎ型層であるが、基板に例えばＳｉＣ等を用いた場合には、発光層および基板間にｐ型層を設けることもできる。このような場合にも同様の手順でａ1およびａ2を求めることができる。
【００２７】
なお、図３の測定における回折面には非対称面の（２０−２４）面を適用し逆格子空間マッピングを測定することによりｎ型層および発光層のａ軸の格子定数を求めたが、回折面に関しては（２０−２４）面の他に（１０−１５）面等を用いることができる。特に紫外発光素子では発光層のＩｎ組成が低くなり、下地層のＧａＮに構造上近づくため、下地層と発光層のピーク分離が明瞭でなくなるため逆格子空間マッピングの原点から離れる回折面を用いることが望ましい。紫外発光素子では（１０−１５）面が有効である。また正確に格子定数を算出するためには試料の温度（室温で測定する場合は室温）を毎回一定にすることが望ましい。
【００２８】
本発明においては、上記に定義したａ1とａ2との差の割合Δａ（％）＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1が、−０．０５≦Δａ≦０．０５（単位：％）になるように制御する。そうすることにより発光素子の効率が向上する。さらに好ましくはΔａが、−０．０３≦Δａ≦０．０３（単位：％）になるように制御する。
【００２９】
Δａの制御は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の積層構造や成長条件を制御することによって行なうことができる。例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）によって、Δａは大きく変化する。Ｖ／ＩＩＩ比が大きくなると、Δａは小さくなる傾向である。発光層および基板間の層を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比は、他の条件によっても異なるが、一般に、３００〜１６００が好ましい。３００以下ではΔａが大きくなり、０．０５を超える場合が多い。また、１６００以上になるとＩＩＩ族窒化物半導体の結晶性が悪化し、Δａは−０．０５を超える場合が多い。好ましくは、４００〜８００である。
【００３０】
発光層（量子井戸構造の場合は井戸層）を成長させる際のＶ／ＩＩＩ比は、他の条件によっても異なるが、一般に、７００００〜１９００００が好ましい。７００００以下ではΔａが大きくなり、０．０５を超える場合が多い。また、１９００００以上になると−０．０５を超える場合が多い。好ましくは、８００００〜１５００００である。
【００３１】
また、Δａは発光層および基板間の層の膜厚にも影響される。通常、この膜厚が大きければ大きいほど、Δａは０に近づく。ＩＩＩ族窒化物半導体の成長条件によっても異なるが、一般に、この膜厚は、６〜１６μｍが好ましい。５μｍ以下では、Δａが−０．０５≦Δａ≦０．０５（単位：％）の範囲に収まらない場合が多い。１６μｍ以上にしても、Δａ減少の効果は小さく、コストが増大するのみである。さらに好ましくは８〜１２μｍである。
【００３２】
さらに、Δａは発光層および基板間の層の転位密度にも影響される。転位密度が小さいほど、Δａは０に近づく。このことは、発光層および基板間の層の転位密度によって発光層の成長モードが変化し、転位密度が多い場合にはコヒーレント成長からずれた成長になることを意味する。一般に、転位密度は１×１０9／ｃｍ2以下が好ましい。
【００３３】
また、発光層が量子井戸構造の場合、障壁層の膜厚およびドーパント量によってもΔａを制御できる。障壁層の膜厚を厚くすると、Δａは大きくなる傾向である。１０ｎｍ〜２５ｎｍが好ましい。１０ｎｍ以下ではΔａが−０．０５％より小さくなる場合が多いので好ましくなく、２５ｎｍ以上ではΔａが０．０５％より大きくなる場合が多いので好ましくない。
【００３４】
障壁層のドーパント量を少なくすると、Δａは−０．０５％より小さくなる傾向である。他の条件によっても異なるが、障壁層のドーパント量は１×１０17〜１×１０18／ｃｍ3が好ましい。１×１０18／ｃｍ3を超えて過剰にドープされると、障壁層の結晶性の悪化で電気特性の悪化を招く。また、アンドープまたは１×１０16／ｃｍ3以下では、Δａは−０．０５％より小さくなる場合が多い。障壁層に添加するドーパントとしては、ＳｉおよびＧｅ等が挙げられる。
【００３５】
本発明において、ＩＩＩ族窒化物半導体としては、例えば一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体が多数知られており、本発明においても、それら周知のＩＩＩ族窒化物半導体を含めて一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体を何ら制限なく用いることができる。
【００３６】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、Ａｌ、ＧａおよびＩｎ以外に他のＩＩＩ族元素を含有することができ、必要に応じてＧｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｐ、ＡｓおよびＢなどの元素を含有することもできる。さらに、意識的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物、並びに原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。
【００３７】
ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法は特に限定されず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、などＩＩＩ族窒化物半導体を成長させることが知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚制御性、量産性の観点からＭＯＣＶＤ法である。ＭＯＣＶＤ法では、キャリアガスとして水素（Ｈ2）または窒素（Ｎ2）、ＩＩＩ族原料であるＧａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）またはトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）またはトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）、Ｖ族原料であるＮ源としてアンモニア（ＮＨ3）、ヒドラジン（Ｎ2Ｈ4）などが用いられる。また、ドーパントとしては、ｎ型にはＳｉ原料としてモノシラン（ＳｉＨ4）またはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を、Ｇｅ原料としてゲルマンガス（ＧｅＨ4）や、テトラメチルゲルマニウム（（ＣＨ3）4Ｇｅ）やテトラエチルゲルマニウム（（Ｃ2Ｈ5）4Ｇｅ）等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。ＭＢＥ法では、元素状のゲルマニウムもドーピング源として利用できる。ｐ型にはＭｇ原料としては例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）またはビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を用いる。
【００３８】
基板（１）には、サファイア単結晶（Ａｌ2Ｏ3；Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面）、スピネル単結晶（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ＺｎＯ単結晶、ＬｉＡｌＯ2単結晶、ＬｉＧａＯ2単結晶、ＭｇＯ単結晶などの酸化物単結晶、Ｓｉ単結晶、ＳｉＣ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、ＡｌＮ単結晶、ＧａＮ単結晶およびＺｒＢ2などのホウ化物単結晶などの基板材料を何ら制限なく用いることができる。なお、基板の面方位は特に限定されない。また、ジャスト基板でも良いしオフ角を付与した基板であっても良い。
【００３９】
ＧａＮ基板を除いて、原理的には窒化ガリウム系化合物とは格子整合しない上記の基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層するために、特許第３０２６０８７号公報や特開平４−２９７０２３号公報に開示されている低温バッファ法や特開２００３−２４３３０２号公報などに開示されているＳｅｅｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ（ＳＰ）法と呼ばれる格子不整合結晶エピタキシャル成長技術を用いて、バッファ層（２）を設けることができる。特に、ＧａＮ系結晶を作製することが可能な程度の高温でＡｌＮ結晶膜を作製するＳＰ法は、生産性の向上などの観点で優れた格子不整合結晶エピタキシャル成長技術である。
【００４０】
バッファ層（２）はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１）からなり、バッファ層の膜厚は０．００１〜１μｍが好ましく、さらに好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、特に好ましくは０．０１〜０．２μｍである。膜厚が上記範囲内であれば、その上に成長させるｎ型層（３）以降のＩＩＩ族窒化物半導体の結晶モフォロジーが良好となり結晶性が改善される。
【００４１】
バッファ層はＭＯＣＶＤ法により製造することができる。成長温度は４００〜１２００℃が好ましく、さらに好ましくは９００〜１２００℃の範囲である。成長温度が上記範囲であるとＡｌＮは単結晶となり、その上に成長させる窒化物半導体の結晶性が良好となり好ましい。
【００４２】
ｎ型層（３）は、通常、下地層（３ａ）、ｎコンタクト層（３ｂ）およびｎクラッド層（３ｃ）から構成される。下地層はＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。その膜厚は０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上、さらに好ましくは１μｍ以上である。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌXＧａ1―XＮ層が得られやすい。下地層の膜厚の上限は、本発明を得る上では特に限定されない。
【００４３】
下地層にはｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3の範囲内であればドープしても良いが、アンドープ（＜１×１０17／ｃｍ3）の方が良好な結晶性の維持という点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００４４】
下地層を成長させる際の成長温度は、８００〜１２００℃が好ましく、さらに好ましくは１０００〜１２００℃の範囲に調整する。この成長温度範囲内で成長させれば結晶性の良いものが得られる。また、ＭＯＣＶＤ成長炉内の圧力は１５〜４０ｋＰａに調整する。
【００４５】
ｎコンタクト層（３ｂ）としては、下地層と同様にＡｌXＧａ1―XＮ層（０≦ｘ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましい。ｎ型不純物がドープされていることが好ましく、ｎ型不純物を１×１０17〜１×１０19／ｃｍ3、好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3の濃度で含有すると、ｎオーミック電極との良好なオーミック接触の維持、クラック発生の抑制、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、ＧｅおよびＳｎ等が挙げられ、好ましくはＳｉおよびＧｅである。
【００４６】
下地層とｎコンタクト層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体は同一組成であることが好ましく、その合計の膜厚を２〜２０μｍ、好ましくは４〜２０μｍ、さらに好ましくは８〜２０μｍの範囲に設定することが好ましい。膜厚がこの範囲であると、下地層およびｎコンタクト層と発光層との間のａ軸格子定数のズレ（Δａ）を小さくすることができ、発光効率の高い素子が得られる。また、良好な結晶性の維持という点からも、この範囲が好ましい。
【００４７】
ｎコンタクト層（３ｂ）と発光層（４）との間に、ｎクラッド層（３ｃ）を設けることが好ましい。ｎコンタクト層の最表面に生じた平坦性の悪化を埋めることできるからである。ｎクラッド層はＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。ＧａＩｎＮとする場合には、発光層のＧａＩｎＮのバンドギャップよりも大きくすることが望ましいことは言うまでもない。
【００４８】
紫外発光素子の場合、キャリアの閉じ込めの観点からｎクラッド層にはＡｌＧａＮ層を用いた方が好ましい。発光層へのキャリアの閉じ込めが可能であれば特に限定されないが、好ましい組成としては、ＡｌbＧａ1-bＮ（０＜b＜０．４、好ましくは０．０５＜b＜０．２）のものが挙げられる。ｎクラッド層が上記条件であると発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。また青色発光素子ではＡｌＧａＮクラッド層は用いなくてもよい。
【００４９】
ｎクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．００５〜０．５μｍであり、より好ましくは０．００５〜０．１μｍである。ｎクラッド層のｎ型ドープ濃度は１×１０17〜１×１０20／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０18〜１×１０19／ｃｍ3である。ドープ濃度がこの範囲であると、良好な結晶性の維持および素子の動作電圧低減の点で好ましい。
【００５０】
発光層（４）としては、ＩＩＩ族窒化物半導体、好ましくはＧａ1-sＩｎsＮ（０＜ｓ＜０．４）のＩＩＩ族窒化物半導体が挙げられる。発光層の膜厚としては、特に限定されないが、量子効果の得られる程度の膜厚、即ち臨界膜厚が挙げられ、例えば好ましくは１〜１０ｎｍであり、より好ましくは２〜６ｎｍである。膜厚が上記範囲であると発光出力の点で好ましい。臨界膜厚より厚い場合はｎ型層および発光層間の格子定数のズレ（Δａ）が大きくなり発光特性が悪化する。また、発光層は、上記のような単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の他に、上記Ｇａ1-sＩｎsＮを井戸層として、この井戸層よりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌcＧａ1-cＮ（０≦ｃ＜０．３かつｂ＞ｃ）障壁層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）構造としてもよい。また、井戸層および障壁層には、不純物をドープしてもよい。
【００５１】
ＡｌcＧａ1-cＮ障璧層の成長温度は７００℃以上の温度が好ましく、さらに好ましくは８００〜１１００℃で成長させると結晶性が良好になるため好ましい。ＧａＩｎＮ井戸層は６００〜９００℃、好ましくは７００〜９００℃で成長させる。すなわちＭＱＷの結晶性を良好にするためには層間で成長温度を変化させることが好ましい。
【００５２】
ｐ型層（５）は、通常、ｐクラッド層（５ｃ）およびｐコンタクト層（５ｂ）から構成される。ｐクラッド層（５ｃ）としては、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、好ましくは、ＡｌdＧａ1-dＮ（０＜ｄ≦０．４、好ましくは０．１≦ｄ≦０．３）のものが挙げられる。ｐクラッド層が、このようなＡｌＧａＮからなると、発光層へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。ｐクラッド層の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは０．０１〜０．４μｍであり、より好ましくは０．０２〜０．１μｍである。ｐクラッド層のｐ型ドープ濃度は、１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3が好ましく、より好ましくは１×１０19〜１×１０20／ｃｍ3である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。
【００５３】
ｐコンタクト層（５ｂ）としては、少なくともＡｌeＧａ1-eＮ（０≦ｅ＜０．３、好ましくは０≦ｅ≦０．２、より好ましくは０≦ｅ≦０．１）を含んでなるＩＩＩ族窒化物半導体層である。Ａｌ組成が上記範囲であると、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。ｐ型ドーパントを１×１０18〜１×１０21／ｃｍ3の濃度で、好ましくは１×１０19〜５×１０20／ｃｍ3の濃度で含有していると、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えば好ましくはＭｇが挙げられる。膜厚は、特に限定されないが、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．２５μｍである。膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
【００５４】
ｎコンタクト層（３ｂ）およびｐコンタクト層（５ｂ）にはそれぞれｎオーミック電極（１０）およびｐオーミック電極（１１）をこの技術分野でよく知られた慣用の手段で設ける。それぞれの構造も従来公知の構造を含めて如何なる構造のものも何ら制限なく用いることができる。
【００５５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は優れた発光効率を有するので、この発光素子から高輝度のＬＥＤランプを作製することができる。従って、この技術によって作製したチップを組み込んだ携帯電話、ディスプレイおよびパネル類などの電子機器や、その電子機器を組み込んだ自動車、コンピュータおよびゲーム機などの機械装置類は低電力での駆動が可能となり、高い特性を実現することが可能である。特に、携帯電話、ゲーム機、玩具および自動車部品などのバッテリー駆動させる機器類において省電力の効果を発揮する。
【実施例】
【００５６】
以下に、実施例および比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
【００５７】
（実施例１）
図２は本実施例で作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面構造を模式的に示す図である。１は（０００１）−サファイアからなる基板、２は厚さ数ｎｍのＡｌＮからなるバッファ層である。３はｎ型層であり、厚さ８μｍのＧａＮからなる下地層３ａ、Ｓｉがドープされた厚さ２μｍのＧａＮからなるｎコンタクト層３ｂ、Ｓｉがドープされた厚さ１０ｎｍのＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第１ｎクラッド層３ｃ1およびＳｉがドープされた厚さ２０ｎｍのＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなる第２ｎクラッド層３ｃ2から構成されている。４は発光層であり、Ｓｉがドープされた厚さ１６ｎｍのＧａＮからなる障壁層４ａおよび厚さ３ｎｍのＧａ0.90Ｉｎ0.10Ｎからなる井戸層４ｂを交互に積層させた５周期構造の多重量子井戸構造である。５はｐ型層であり、Ｍｇがドープされた厚さ３５ｎｍのＡｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐクラッド層５ｃおよびＭｇがドープされた厚さ１００ｎｍのＧａＮからなるｐコンタクト層５ｂから構成されている。１０はｎオーミック電極であり、１１はｐオーミック電極である。従って、この発光素子の本発明におけるａ1は、下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを構成するＧａＮのａ軸格子定数である。また、ａ2は多重量子井戸構造である発光層４の０次ピークから求めたａ軸格子定数である。
【００５８】
エピタキシャル積層構造体は、一般的な減圧ＭＯＣＶＤ手段を利用して以下の手順で形成した。先ず、（０００１）−サファイア基板１を、高周波（ＲＦ）誘導加熱式ヒータで成膜温度に加熱される半導体用高純度グラファイト製のサセプタ上に載置した。載置後、ステンレス鋼製の気相成長反応炉内に窒素ガスを流通し、炉内をパージした。
【００５９】
気相成長反応炉内に、窒素ガスを８分間に亘って流通させた後、誘導加熱式ヒータを作動させ、基板１の温度を、１０分間で室温から６００℃に昇温した。基板１の温度を６００℃に保ったまま、水素ガスと窒素ガスを流通させて、気相成長反応炉内の圧力を１５ｋＰａとした。この温度及び圧力下で２分間、放置して、基板１の表面をサーマルクリーニングした。サーマルクリーニングの終了後、気相成長反応炉内への窒素ガスの供給を停止した。水素ガスの供給は継続させた。
【００６０】
その後、ＳＰ法によりＡｌＮからなるバッファ層２を形成した。具体的には、次の方法で成膜した。水素雰囲気中で、基板１の温度を１１２０℃に昇温させた。１１２０℃で温度が安定したのを確認した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）の蒸気を随伴する水素ガスを７分３０秒間、気相成長反応炉内へ供給した。これにより、気相成長反応炉の内壁に以前より付着していた窒素（Ｎ）を含む堆積沈着物の分解により生じる窒素（Ｎ）原子と反応させて、サファイア基板１上に、数ｎｍの厚さの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層２を付着させた。ＴＭＡｌの蒸気を随伴する水素ガスの気相成長反応炉内への供給を停止し、バッファ層２の成長を終了させた後、４分間待機し、気相成長炉内に残ったＴＭＡｌを完全に排出した。
【００６１】
続いて、アンモニア（ＮＨ3）ガスを気相成長反応炉内に供給し始め、それから４分が経過した後、アンモニアガスの流通を続けながら、基板１の温度を１０４０℃に降温した。基板１の温度が１０４０℃になったのを確認した後、暫時、温度が安定するのを待ち、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）の気相成長反応炉内への供給を開始し、アンドープのＧａＮからなる下地層３ａを所定の膜厚まで成長させた。下地層３ａの層厚は８μｍとした。
【００６２】
次に、基板１の温度を１０６０℃に上昇し、温度が安定したところで、ドーパントガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて、厚さ２μｍのＳｉをドープしたＧａＮからなるｎコンタクト層３ｂを形成した。Ｓｉのドープ量は７×１０18／ｃｍ3とした。また、下地層およびｎコンタクト層形成中のＶ／ＩＩＩ比（ＴＭＧａとＮＨ３のモル流量比）は８００とした。
【００６３】
ｎコンタクト層３ｂを形成した後、基板１の温度は１０６０℃のままで、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）をガリウム源とし、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）をアルミニウム源とし、ドーパントガスとしてモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて、Ｓｉをドープしたｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなる第１ｎクラッド層３ｃ1を形成した。この第１ｎクラッド層３ｃ1の膜厚は１０ｎｍとした。Ｓｉのドープ量は３×１０18／ｃｍ3とした。
【００６４】
次に、基板１の温度を７２０℃とし、温度が安定したところで、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム源とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム源とし、ドーパントガスであるモノシラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて、Ｓｉをドープしたｎ型Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなる第２ｎクラッド層３ｃ2を形成した。この第２ｎクラッド層３ｃ2の膜厚は２０ｎｍとした。Ｓｉのドープ量は３×１０17／ｃｍ3とした。
【００６５】
ＧａＮからなる障壁層４ａと、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎからなる井戸層４ｂとを含む５周期構造の多重量子井戸構造からなる発光層４を第２ｎクラッド層３ｃ2上に設けた。多重量子井戸構造の発光層４を形成するにあたって、先ず、ＧａＮからなる障壁層４ａを第２ｎクラッド層３ｃ2に接合させて設けた。障壁層４ａは、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム源として成長させた。膜厚は１６ｎｍとし、Ｓｉドープとした。
【００６６】
次に、Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎからなる井戸層４ｂを、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）をガリウム源とし、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）をインジウム源として成長させた。膜厚は３ｎｍとし、アンドープとした。井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比（ＴＥＧａおよびＴＭＩｎとＮＨ３とのモル流量比）は１４００００とした。
【００６７】
この操作を５回繰り返した後、最後に障壁層４ａを形成して５周期構造の多重量子井戸構造の発光層４を形成した。
【００６８】
多重量子井戸構造からなる発光層４上には、マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎからなるｐクラッド層５ｃを形成した。膜厚は３５ｎｍとした。ｐクラッド層５ｃ上には、更に、Ｍｇをドーピングしたｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層５ｂを形成した。Ｍｇのドーピング源には、ビスーシクロペンタジエニルＭｇ（ｂｉｓ−Ｃｐ2Ｍｇ）を用いた。Ｍｇは、ｐコンタクト層５ｂの正孔濃度が８×１０17／ｃｍ3となる様に添加した。ｐコンタクト層５ｂの膜厚は１００ｎｍとした。
【００６９】
ｐコンタクト層５ｂの成長を終了した後、誘導加熱式ヒータへの通電を停止して、基板１の温度を、室温迄、約２０分間で降温した。降温中は、気相成長反応炉内の雰囲気を窒素のみから構成し、ＮＨ3の流量を減量した。その後、更にＮＨ3の供給を停止した。基板１の温度が室温まで降温したのを確認して、ウェーハを気相成長反応炉より外部へ取り出した。この時点で、上記のｐコンタクト層５ｂは、ｐ型キャリア（Ｍｇ）を電気的に活性化するためのアニール処理を行なわなくても、既に、ｐ型の伝導性を示した。
【００７０】
得られたウェーハの非対称面における逆格子空間マッピングをＸ線回折法によって求めた。得られた逆格子空間マッピングを図３に示す。この逆格子空間マッピングからａ1およびａ2を以下の手順で求めた。
【００７１】
前述した如く、図３中のピークＳが下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂからの回折ピークであり、そのａ軸格子定数がａ1である。また、ａ軸格子定数（ａ）と逆格子空間マッピングの横軸（Ｑｘ）には下式の関係がある。
ａ＝（２×λ／Ｑｘ）／３1/2
ここで、λは測定に用いたＸ線の波長（単位はÅ）であり、本測定では１．５４０５６Åである。
図３より、ピークＳにおけるＱｘを求めると、Ｑｘ＝０．５５８９７３になるから、ａ1＝（２×λ／Ｑｘ）／３1/2＝３．１８２４２Åとなる。
【００７２】
また、前述した如く図３中のピークＬが発光層４の０次ピークであり、そのＱｘはＱｘ＝０．５５８９１３であるから、同様にしてａ2を求めると、ａ2＝３．１８２７６Åとなる。
従って、Δａは、Δａ＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1＝−０．０１０７％ であった。
【００７３】
次いで、当業界周知のフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング技術を利用して、ｎオーミック電極１０を形成する予定の領域に限り、ｎコンタクト層３ｂの表面を露出させた。露出させたｎコンタクト層３ｂの表面には、半導体側をクロム（Ｃｒ）としてクロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）を積層したｎオーミック電極１０を形成した。残置したｐコンタクト層５ｂの表面の全域には、当業界周知のスパッタ手段及びフォトリソグラフィー手段等を利用して、半導体側から順に、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）を積層させた反射型ｐオーミック電極１１を形成した。
【００７４】
然る後、３５０μｍ角の平面視で正方形のＬＥＤチップに切断し、サブマウントと呼ぶ結線補助部材に接着し、これをリードフレーム上に載置して、リードフレームに結線した金導線をリードフレームからＬＥＤチップへ配線し、素子駆動電流を通電できるようにした。
【００７５】
リードフレームを介してｎオーミック電極１０及びｐオーミック電極１１間に順方向に素子駆動電流を流した。順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧は３．１Ｖであった。また、出射される紫色帯発光の中心波長は４１２ｎｍであった。また、一般的な積分球を使用して測定される発光の強度は、ベアチップで１４ｍＷに達し、高い強度の発光をもたらすＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られた。
【００７６】
（実施例２および３ならびに比較例１）
下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比を、実施例２では４００、実施例３では１６００および比較例１では２００にしたこと以外は、実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００７７】
得られた発光素子を実施例１と同様に評価した。図４は、実施例１〜３および比較例１で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。また、図５は、Δａと発光強度をプロットした図である。なお、発光強度は実施例１で得られた発光素子の値を１として相対値で示した。
【００７８】
図４より下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂのＶ／ＩＩＩ比によりΔａを制御できることがわかる。下地層およびｎコンタクト層のＶ／ＩＩＩ比が２００の場合、Δａは０．０７で本発明の範囲外となり、発光強度が低下する。下地層およびｎコンタクト層のＶ／ＩＩＩが４００〜１６００では、Δａが本発明の範囲内となり、発光特性が良好である。
【００７９】
（実施例４および比較例２）
井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比を、実施例４では８３０００および比較例２では４６０００にしたこと以外は、実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８０】
得られた発光素子を実施例１と同様に評価した。図６は、実施例１および４ならびに比較例２で得られた発光素子の井戸層４ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比とΔａをプロットした図である。また、図７は、Δａと発光強度をプロットした図である。なお、発光強度は実施例１で得られた発光素子の値を１として相対値で示した。
【００８１】
図６より井戸層４ｂのＶ／ＩＩＩによりΔａを制御できることがわかる。井戸層のＶ／ＩＩＩ比が４６０００では、Δａが本発明の範囲外となり、発光強度が低下する。井戸層のＶ／ＩＩＩが８３０００〜１４００００では、Δａが本発明の範囲内となり、発光特性が良好である。
【００８２】
（実施例５〜８および比較例３）
下地層３ａの厚さを、実施例５では１０μｍ、実施例６では１４μｍ、実施例７では６μｍ、実施例８では４μｍおよび比較例３では２μｍにしたこと以外は、実施例１と同様にしてＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。
【００８３】
得られた発光素子を実施例１と同様に評価した。図８は、実施例１および５〜８ならびに比較例３で得られた発光素子の下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚とΔａをプロットした図である。また、図９は、Δａと発光強度をプロットした図である。なお、発光強度は実施例１で得られた発光素子の値を１として相対値で示した。
【００８４】
図８から、下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚を厚くすることによりΔａは大きくなり、０に近づくことがわかる。即ち、下地層３ａおよびｎコンタクト層３ｂの合計膜厚によりΔａを制御できることがわかる。合計膜厚が４μｍの場合、Δａは０．０６５で本発明の範囲外となり、発光強度は約７ｍＷと低下する。合計膜厚が６μｍ以上ではΔａが本発明の範囲内となり、良好な発光特性の発光素子が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明の製造方法によって得られるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は極めて優れた発光効率を有するので、ランプおよびレーザダイオード等として、その産業上の利用価値は極めて大きい。
【符号の説明】
【００８６】
１ 基板
２ バッファ層
３ ｎ型層
４ 発光層
５ ｐ型層
１０ ｎオーミック電極
１１ ｐオーミック電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層が、発光層をｎ型層とｐ型層が挟むように配置されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であり、下式（Ｉ）で表わされる、発光層と基板との間にある層のａ軸格子定数（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの格子定数）ａ1と発光層のａ軸格子定数（発光層が多重量子井戸構造の場合は井戸層と障壁層との平均組成を示す０次ピークから求めた格子定数）ａ2との差の割合Δａの範囲が、−０．０５≦Δa≦０．０５（単位：％）であり、発光層と基板の間にある層の厚さ（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの合計厚さ）が１０〜２０μｍであり、前記発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井戸構造の障壁層がＡｌXＧａYＩｎZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）からなり、井戸層がＧａYＩｎZＮ（０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が、発光層と基板との間にある層を成長させる際には３００〜１６００であり、井戸層を成長させる際には７００００〜１９００００であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
Δａ＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1 ・・・・・・（Ｉ）
【請求項２】
障壁層の厚さが１０〜２５ｎｍである請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
障壁層のドーパント量が１×１０17〜１×１０18／ｃｍ3である請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ＩＩＩ族窒化物半導体が一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
基板がサファイアである請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層である請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板がサファイアであり、発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層であり、格子定数ａ1およびａ2が３．１８１Åより大きい請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項１】
基板上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる、ｎ型層、発光層およびｐ型層が、発光層をｎ型層とｐ型層が挟むように配置されたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であり、下式（Ｉ）で表わされる、発光層と基板との間にある層のａ軸格子定数（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの格子定数）ａ1と発光層のａ軸格子定数（発光層が多重量子井戸構造の場合は井戸層と障壁層との平均組成を示す０次ピークから求めた格子定数）ａ2との差の割合Δａの範囲が、−０．０５≦Δa≦０．０５（単位：％）であり、発光層と基板の間にある層の厚さ（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループの合計厚さ）が１０〜２０μｍであり、前記発光層が多重量子井戸構造であり、多重量子井戸構造の障壁層がＡｌXＧａYＩｎZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）からなり、井戸層がＧａYＩｎZＮ（０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、Ｙ＋Ｚ＝１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造する方法であって、ＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法で成長させる際のＶ族原料とＩＩＩ族原料のモル比（Ｖ／ＩＩＩ比）が、発光層と基板との間にある層を成長させる際には３００〜１６００であり、井戸層を成長させる際には７００００〜１９００００であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
Δａ＝１００（ａ1−ａ2）／ａ1 ・・・・・・（Ｉ）
【請求項２】
障壁層の厚さが１０〜２５ｎｍである請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
障壁層のドーパント量が１×１０17〜１×１０18／ｃｍ3である請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ＩＩＩ族窒化物半導体が一般式ＡｌXＧａYＩｎZＮ1-AＭA（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１で且つ、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１。記号Ｍは窒素（Ｎ）とは別の第Ｖ族元素を表し、０≦Ａ＜１である。）で表わされる請求項１〜３のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
基板がサファイアである請求項１〜４のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層である請求項１〜５のいずれか一項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
基板がサファイアであり、発光層と基板の間にある層（発光層と基板との間に組成の異なる複数の層がある場合は、各層を組成毎にグルーピングし、各グループに属する層の厚さの合計が最大であるグループ）がｎ型ＧａＮ層であり、格子定数ａ1およびａ2が３．１８１Åより大きい請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２１３７６（Ｐ２０１３−２１３７６Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４０４７１（Ｐ２０１２−２４０４７１）
【出願日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【分割の表示】特願２００５−３２９２０１（Ｐ２００５−３２９２０１）の分割
【原出願日】平成１７年１１月１４日（２００５．１１．１４）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月３１日（２０１２．１０．３１）
【分割の表示】特願２００５−３２９２０１（Ｐ２００５−３２９２０１）の分割
【原出願日】平成１７年１１月１４日（２００５．１１．１４）
【出願人】（０００００２００４）昭和電工株式会社 (3,251)
【Ｆターム（参考）】
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