特許 5800251 ＬＥＤ素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5800251

(24)【登録日】2015年9月4日

(45)【発行日】2015年10月28日

(54)【発明の名称】ＬＥＤ素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/32 20100101AFI20151008BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 186

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-270303(P2013-270303)

(22)【出願日】2013年12月26日

(65)【公開番号】特開2014-160806(P2014-160806A)

(43)【公開日】2014年9月4日

【審査請求日】2015年4月23日

(31)【優先権主張番号】特願2013-10554(P2013-10554)

(32)【優先日】2013年1月23日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三好 晃平

(72)【発明者】

【氏名】月原 政志

【審査官】 村井 友和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３１０８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２４５５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２１０５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２７０８０５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、
ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上層に形成された電流拡散層と、
前記電流拡散層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される活性層と、
前記活性層の上層に形成された、ｐ型窒化物半導体で構成される第２半導体層を有し、
前記電流拡散層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合を有し、前記第３半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とするＬＥＤ素子。

【請求項2】

前記第３半導体層のバンドギャップエネルギーが、前記第１半導体層及び前記第４半導体層の各々のバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。

【請求項3】

前記第４半導体層のＳｉドープ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上、５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ素子。

【請求項4】

前記電流拡散層は、前記第３半導体層と前記第４半導体層が複数組積層されることで、前記ヘテロ接合を複数有する構成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はＬＥＤ素子に関し、特に窒化物半導体で構成されたＬＥＤ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子としては、青色発光ダイオードで代表されるように、サファイア基板上にエピタキシャル成長によって半導体層構造体（積層半導体基板）を形成している。このような技術は、例えば下記特許文献１や特許文献２に開示されている。

【0003】

特許文献１には、サファイア基板の上に、ｎ型窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）よりなるｎ型コンタクト層と、ｎ−ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｎ−ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ−ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有したＬＥＤが開示されている。活性層は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で実現されている。

【0004】

そして、サファイア基板とｎ型コンタクト層との間には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮよりなるバッファ層が形成されている。活性層を形成するｎ−ＩｎＧａＮには、ＳｉやＧｅなどのドナー不純物及び／又はＺｎやＭｇなどのアクセプター不純物がドープされている。

【0005】

特許文献２には、ＬＥＤを形成する積層半導体基板において、ｃ軸方向に面方位が揃ったＡｌＮ上に、それよりも格子定数が大きく、且つｃ軸方向に面方位が揃ったＧａＮ層を成長形成させ、その上にそれよりも格子定数が小さいｎ−ＡｌＧａＮ層、多重量子井戸構造を有する活性層、ｐ−ＡｌＧａＮ層を順次形成する内容が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１０−９３１３８号公報

【特許文献2】特開２００５−２０９９２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、ウルツ鉱型結晶構造（六方晶構造）を有している。ウルツ鉱型結晶構造の面は、４指数表記（六方晶指数）にて、ａ１、ａ２、ａ３及びｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。

【0008】

従来、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板を主面に有する基板が使用される。実際にはこの基板上にアンドープのＧａＮ層を成長させ、更にその上層にｎ型の窒化物半導体層を成長させる。

【0009】

図１０は、従来のＬＥＤ素子９０の構造を示す概略断面図である。なお、以下の図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。

【0010】

ＬＥＤ素子９０は、サファイアなどの支持基板１１の上層に、例えばアンドープのＧａＮ層を３μｍの膜厚で形成したアンドープ層１３と、その上層に、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で形成したｎ型クラッド層１５を有する。更に、ＬＥＤ素子９０は、ｎ型クラッド層１５の上層に、例えば井戸層を構成する膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと障壁層を構成する膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮを交互に積層することでＭＱＷ（Multi-quantum Well：多重量子井戸）を形成した、活性層１７を有する。更に、ＬＥＤ素子９０は、活性層１７の上層に、例えばｐ−ＡｌＧａＮ層で形成されたｐ型クラッド層１９を有し、その上層にｐ^＋−ＧａＮ層で形成されたｐ型コンタクト層２１を有する。なお、ＬＥＤ素子９０は、必要に応じて活性層１７とｐ型クラッド層１９の間に、ＡｌＧａＮで形成されたラストバリア層を有する。

【0011】

ここで、ｎ型クラッド層１５を構成するＡｌＧａＮは、その下層のアンドープ層１３を構成するＧａＮよりも格子定数が小さい。このため、ｎ型クラッド層１５内に格子不整合に起因した引張応力８１が生じる。なお、引張応力８１が示す矢印は、応力の向きを表している。この引張応力８１は、ｎ型クラッド層１５の膜厚の増大と共に増大し、ある閾値を超えると表面荒れやクラック、結晶欠陥に伴うミスフィット転位が生じて発光効率の低下を招く。

【0012】

一方、ｎ型クラッド層１５の膜厚を薄くし過ぎた場合、ｐ型コンタクト層２１の上面に形成される給電端子（不図示）とｎ型クラッド層１５の間に電圧を印加すると、給電端子から、その直下近傍に位置するｐ型コンタクト層２１、ｐ型クラッド層１９、活性層１７を介してｎ型クラッド層１５に電流が流れる。このため、活性層１７内の一部の領域のみに電流が流れてしまい、発光領域が少なくなって結果的に発光効率の低下を招く。更に、活性層１７の一部を電流が流れるために、局部的に電流集中が起こり、活性層１７内でのキャリアの不均一性が生じて高い発光強度を得ることができない。

【0013】

本発明は、上記の課題に鑑み、活性層に隣接するｎ型半導体層の格子不整合に起因した課題を生じさせることなく、活性層内の水平方向の電流広がりを確保して、発光効率を向上させたＬＥＤ素子を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明のＬＥＤ素子は、支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、前記第１半導体層の上層に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される活性層と、前記活性層の上層に形成された、ｐ型窒化物半導体で構成される第２半導体層を有し、
前記電流拡散層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合を有し、前記第３半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とする。

【0015】

Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる第３半導体層とｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合により、両材料のバンドギャップの相違により、両層の界面にバンドベンディング領域が形成される。このバンドベンディング領域に、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。

【0016】

ここで、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮのＩｎ比率を１０％よりも高くすると、ピエゾ電界に起因したエネルギーバンドの歪みが生じ、量子シュタルク効果によって発光効率が低下する。これは、活性層をＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）からなる井戸層とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造で実現する場合においても同様である。ここで、Ｉｎ組成の比率は、放射光の波長を決定する要因となる。つまり、電流拡散層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮや、活性層を構成するＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）のＩｎ比率を１０％以下とした場合に取り出し得る光、すなわち波長が例えば３６５ｎｍ程度の近紫外光を生成するＬＥＤ素子として本発明は特に有用である。

【0017】

また、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮからなる第３半導体層の膜厚を、一般的な多重量子井戸構造の井戸層を構成するために形成されるＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚（例えば２ｎｍ程度）よりも、十分に厚い１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。一般的な多重量子井戸構造では、量子シュタルク効果による発光割合の低下を防ぐために、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を２ｎｍ程度、厚くても高々３ｎｍ以下とすることが行われている。

【0018】

しかし、本発明のＬＥＤ素子では、電流拡散層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。このように、膜厚を大きくすることで、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域を広くし、電子を確保する容量を増加することができる。この領域に電子が十分に蓄積されるまでの間、第４半導体層（ｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ）によって形成される障壁を電子が超えられない。この間、二次元電子ガスが界面に平行な方向に移動するため、電子が水平方向に拡散する。つまり、電子が十分に水平方向に拡散し、バンドベンディング領域及びほぼ平坦なバンド領域内に十分な量の電子が蓄積された段階で、電子がｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎの障壁を超えてｐ層側に移動する。つまり、電流がｐ層側からｎ層側に流れるまでに、いったん水平方向に電子の広がりが実現される。これにより、活性層内を流れる電流が水平方向に広がるので、活性層全体で発光させることができ、発光効率を高めることができる。

【0019】

他方、本発明者らの鋭意研究により、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を２５ｎｍよりも厚く、例えば３０ｎｍにした場合、結晶欠陥などの問題が顕在化して、光出力が低下することが分かった。つまり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚は、結晶欠陥が生じない臨界膜厚以下とするのが好ましい。

【0020】

よって、上記のように、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、光出力を向上させる効果が得られる。なお、後述するように、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を上記範囲内とすることで、素子のＥＳＤ（Electro Static Discharge：静電気放電）に対する耐圧を向上させる効果も得られる。

【0021】

なお、ｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎとした第４半導体層に含まれるＩｎ組成は０であっても構わない。ただし、第４半導体層にＩｎを５％以内の範囲で含ませることで、光出力を更に向上させる効果が得られる。

【0022】

また、本発明のＬＥＤ素子は、前記第３半導体層のバンドギャップエネルギーが、前記第１半導体層及び前記第４半導体層の各々のバンドギャップエネルギーよりも小さいことを別の特徴とする。かかる構成とすることで、第３半導体層と第４半導体層の界面に二次元電子ガス層を形成することができる。

【0023】

更に、本発明者らの鋭意研究により、第４半導体層であるｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、このような光出力の向上効果を担保できることが分かった。例えば、Ｓｉドープ濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３といった、１×１０^１８／ｃｍ^３よりも少ない値とした場合には、絶対的なキャリア不足に伴う活性層内におけるキャリアの不均一が生じ、他方、９×１０^１８／ｃｍ^３といった、５×１０^１８／ｃｍ^３よりも高い値とした場合にはドループ現象が生じ、いずれも高い光出力が得られないことが分かった。

【0024】

よって、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とした上で、更にｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、更に光出力を向上させる効果が得られる。

【0025】

なお、前記電流拡散層を、前記第３半導体層と前記第４半導体層が複数組積層されることで、前記ヘテロ接合を複数有する構成として実現しても構わない。

【0026】

このような構成とした場合、ヘテロ接合の界面が複数形成されることから、二次元電子ガス層が形成される電子井戸が複数形成される。また、電子蓄積層として機能するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮによる電子井戸も複数形成される。これにより、電流広がりの効果を更に高めることができる。

【発明の効果】

【0027】

本発明によれば、ｎ型クラッド層を結晶欠陥が招来しない範囲内の膜厚で形成しつつも、水平方向への電流広がりを実現することができるので、発光効率の高いＬＥＤ素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。

【図2】Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮのＩｎ組成を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。

【図3A】電流拡散層の理想的なエネルギーバンド図を模式的に示したものである。

【図3B】電流拡散層のエネルギーバンド図をピエゾ電界の影響を反映して模式的に示したものである。

【図3C】電流拡散層の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。

【図4】Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。

【図5】Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。

【図6】ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。

【図7】電流拡散層の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。

【図8A】本発明のＬＥＤ素子の別の構造を示す概略断面図である。

【図8B】図８Ａの構成における電流拡散層の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。

【図9】第４半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。

【図10】従来のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

［構造］
図１は、本発明のＬＥＤ素子１の構造を示す概略断面図である。なお、図１０に示すＬＥＤ素子９０と同一の構成要素については、同一の符号を付している。また、以下の各図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。

【0030】

ＬＥＤ素子１は、ＬＥＤ素子９０と比較して電流拡散層３を追加的に備える点が異なる。つまり、ＬＥＤ素子１は、サファイアなどの支持基板１１の上層に、下から順にアンドープ層１３、ｎ型クラッド層１５（「第１半導体層」に対応）、電流拡散層３、活性層１７、ｐ型クラッド層１９（「第２半導体層」に対応）、及びｐ型コンタクト層２１を備える構成である。また、ＬＥＤ素子９０と同様に、必要に応じて活性層１７とｐ型クラッド層１９の間に、ラストバリア層を有する（不図示）。

【0031】

（支持基板１１）
支持基板１１は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＹＡＧなどで構成しても構わない。

【0032】

（アンドープ層１３）
アンドープ層１３は、ＧａＮにて形成される。より具体的には、ＧａＮよりなる低温バッファ層と、その上層にＧａＮよりなる下地層によって形成される。

【0033】

（ｎ型クラッド層１５）
ｎ型クラッド層１５は、ｎ−Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ＜１）で構成される。なお、アンドープ層１３に接触する領域にｎ−ＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。

【0034】

なお、本実施形態では、一例としてｎ型クラッド層１５をｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎで形成している。

【0035】

（活性層１７）
活性層１７は、例えばＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）からなる井戸層とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する半導体層で形成される。これらの層はノンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。

【0036】

本実施形態では、一例として、活性層１７のうちの井戸層をＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎ、障壁層をＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎとし、この井戸層と障壁層が５周期繰り返されることで活性層１７を形成している。ＬＥＤ素子１において、この繰り返し周期数は５に限られない。

【0037】

（ｐ型クラッド層１９）
ｐ型クラッド層１９は、例えばｐ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０＜ｃ≦１）で構成され、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。本実施形態では、一例としてｐ型クラッド層１９をｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎとｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎの積層構造で形成している。なお、ｐ型コンタクト層２１に接触する領域にＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。

【0038】

（ｐ型コンタクト層２１）
ｐ型コンタクト層２１は、例えばｐ−ＧａＮで構成される。特にＭｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物が高濃度にドープされてｐ^＋−ＧａＮ層で構成される。

【0039】

（電流拡散層３）
電流拡散層３は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる層（「第３半導体層」に対応）と、ｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる層（「第４半導体層」に対応）のヘテロ接合によって形成される。このうち、第３半導体層を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの膜厚は１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。

【0040】

［電流拡散層３の効果説明］
以下、上記構成の電流拡散層３を備えたことで、ＬＥＤ素子１が従来のＬＥＤ素子９０よりも発光効率が向上することにつき、実施例を参照して説明する。

【0041】

（第３半導体のＩｎ組成に関する考察）
図２は、電流拡散層３を構成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（第３半導体層）のＩｎ組成、すなわちｘ値を変化させたときの、活性層１７を流れる電流とＬＥＤ素子１から得られる光の出力の関係を示すグラフである。なお、比較のため、電流拡散層３を設けていない従来のＬＥＤ素子９０のデータも載せている。

【0042】

Ｉｎ組成が２％、５％の場合は、いずれも従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が大きく得られていることが分かる。一方、Ｉｎ組成を１０％とした場合、従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が低下していることが分かる。この結果は、以下のことを示唆するものと考えられる。

【0043】

図３Ａ及び図３Ｂは、電流拡散層３のエネルギーバンド図を模式的に示したものである。なお、以下では、各原子の組成に関して注目しない場合には、第３半導体層をＩｎＧａＮ、第４半導体層をＡｌＧａＮとそれぞれ表記するが、これは窒素以外の原子の比率が１：１であることを規定しているわけではない。なお、ここでは、第４半導体層に含まれるＩｎ組成を０％であるものとして（ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ）説明するが、Ｉｎを５％以内の範囲で含む第４半導体層であっても同様の議論が可能である。

【0044】

ＩｎＧａＮに比べてＡｌＧａＮの方が、バンドギャップが大きい。このため、図３Ａに示すように、後述する分極電界の影響を考慮しなければ、ｎ型クラッド層１５を構成するｎ−ＡｌＧａＮと、電流拡散層３のＡｌＧａＮの間で、ＩｎＧａＮによるほぼ平坦なバンド領域が形成される。ここで、電流拡散層３を構成するＩｎＧａＮの膜厚は、活性層１７を構成するＩｎＧａＮの膜厚（例えば２ｎｍ）よりもはるかに厚く、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下で構成されるため、ほぼ平坦なバンド領域が広く形成される。

【0045】

ＬＥＤ素子１では、ＩｎＧａＮ層４によって形成される平坦なバンド領域の面に垂直なｃ軸方向に圧電分極（ピエゾ分極）が発生する。

【0046】

図３Ｂは、このピエゾ電界の影響を考慮して描かれた電流拡散層３のエネルギーバンドを模式的に示したものである。ピエゾ電界により、エネルギーバンドに歪みが生じる。

【0047】

エネルギーバンドの歪みが増大すると、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、電子と正孔とが再結合することによって発光する割合が低下する、いわゆる量子シュタルク効果が生じる。この歪みは、ＩｎＧａＮ中のＩｎ組成比が大きくなるほど大きくなる。図２において、Ｉｎ組成を１０％と増加させた場合に、電流拡散層３を設けていない従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が低下しているのは、この量子シュタルク効果が顕在化したものと考えられる。

【0048】

一方、Ｉｎ組成が２％、５％の場合には、従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が増加している。この理由としては、以下の内容が考えられる。

【0049】

図３Ａに示したように、ＩｎＧａＮに比べてＡｌＧａＮは電子的なバンドギャップが大きい。図３Ａには、伝導帯３０、価電子帯３１、並びにＩｎＧａＮのフェルミ準位３２及びＡｌＧａＮのフェルミ準位３３が示されている。なお、図３Ａでは、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの間の相互作用は考慮されていない。

【0050】

図３Ｃは２つの半導体材料の相互作用を反映させた伝導帯３０の状態を模式的に示したものである。フェルミ準位３２及び３３は相互に等位になるが、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮのエネルギーバンドの不連続性により、ｐ層に近いＡｌＧａＮ層の伝導帯は下方へ引っ張られ、バンドベンディング領域４１が生じる。このバンドベンディング領域４１内において、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。また、上述したように、ＩｎＧａＮ層の膜厚を大きくしたことにより、ほぼ平坦なバンド領域４２が拡がり、多くの電子を蓄積できるので、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの界面に形成されるバンドベンディング領域４１、及びＩｎＧａＮのほぼ平坦なバンド領域４２に電子が蓄積されるまで、ＡｌＧａＮのポテンシャルを超えて電子がオーバーフローすることがない。つまり、水平方向への電子の移動が図られ、この結果、水平方向への電流広がりを実現することができる。つまり、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮにより電流拡散層３が実現される。

【0051】

以上により、ＩｎＧａＮのＩｎ比率を０％より高く５％以下とすることで、ＬＥＤ素子１の光出力を向上させる効果が得られることが分かる。

【0052】

また、特に、ＩｎＧａＮの膜厚を大きくすることで、電流拡がり効果を高めることができ、光出力の向上に更に寄与している。この点につき、次に説明する。

【0053】

（第３半導体の膜厚に関する考察）
上述したように、ＩｎＧａＮがほぼ平坦なバンド領域４２を形成することから、電子を蓄積する能力を高める意味において、第３半導体（ＩｎＧａＮ）の膜厚を大きくするのが好ましいといえる。しかし、ＧａＮとＩｎＧａＮの格子定数の差に起因して、ＩｎＧａＮの膜厚をあまりに大きくすると、格子緩和が生じ、バンドベンディング領域４１及びほぼ平坦なバンド領域４２に電子を十分に蓄積させることができなくなる。

【0054】

図４は、ＩｎＧａＮの膜厚を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、Ｉｎ組成は２％とした。図４によれば、ＩｎＧａＮの膜厚１０ｎｍにおいて、電流拡散層３を備えない従来のＬＥＤ素子９０と同等の光出力が得られ、ＩｎＧａＮの膜厚を１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍとした場合には、従来よりも高い光出力が得られていることが分かる。なお、ＩｎＧａＮの膜厚を１５ｎｍとしたときに、印加電流値の広い範囲で最も高い光出力が得られている。

【0055】

これに対し、ＩｎＧａＮの膜厚を３０ｎｍにした場合には、従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が低下している。これは、膜厚を３０ｎｍにした場合には、上述した格子緩和による結晶欠陥が生じ、面内の電流の均一性が低下した結果、光出力が低下したものと考えられる。

【0056】

なお、図４に示すように、ＩｎＧａＮの膜厚を１０ｎｍより小さい５ｎｍとした場合にも、従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が低下した。これは、図３Ｂを参照して上述したように、ピエゾ電界の影響を大きく受けたことでＩｎＧａＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域４２にも傾きが生じ、電子を蓄積する能力が低下したことが理由であると考えられる。

【0057】

以上により、ＩｎＧａＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、ＬＥＤ素子１の光出力を向上させる効果が得られることが分かる。

【0058】

更に、ＩｎＧａＮの膜厚を厚くすることで、ＬＥＤ素子自体の耐圧特性が向上し、歩留まりを向上させる効果が得られる。図５は、ＩｎＧａＮの膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。

【0059】

電流拡散層３を構成する第４半導体層（ここではＡｌＧａＮ）の膜厚を２０ｎｍに固定し、第３半導体層（ＩｎＧａＮ）の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと異ならせたＬＥＤ素子１を作製した。そして、各ＬＥＤ素子１に対し、５００Ｖの順方向電圧及び逆方向電圧をそれぞれ印加した後、逆方向バイアスとして−５Ｖを印加したときに流れる逆方向電流を測定する。このとき、当該逆方向電流の絶対値が５μＡ以下（又は未満）であるものを良好な素子とし、逆方向電流の絶対値が５μＡを超えるものを不良素子として、歩留まりを測定した。

【0060】

図５によれば、ＩｎＧａＮの膜厚を最も厚くした２０ｎｍのときが最も歩留まりが高く、ＩｎＧａＮの膜厚を最も薄くした３ｎｍのときが最も歩留まりが低い。なお、ＩｎＧａＮの膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと順に厚くするに連れて歩留まりが高くなっており、ＩｎＧａＮの膜厚が１０ｎｍ以上になると、歩留まりの良化傾向は鈍化している。

【0061】

このような現象が生じた理由は、電流拡散層３を構成する第３半導体層（ＩｎＧａＮ）の膜厚が厚くなることで、第３半導体層（ＩｎＧａＮ）と第４半導体層（ＡｌＧａＮ）の間に二次元電子ガス層が生じやすくなるためと考えられる。上述したように、二次元電子ガス層は水平方向に電流を拡げる効果を有するが、これに伴って狭い領域に電流が集中しにくくなり、電界が緩和される。この結果、瞬間的に高電圧が印加された場合であっても、電流拡散層３において電界が拡散される結果、電界が集中しにくくなり、素子の破壊が起こりにくくなっているものと考えられる。

【0062】

（第４半導体のＳｉドープ濃度に関する考察）
図６は、電流拡散層３を構成する第４半導体（ＡｌＧａＮ）のＳｉドープ濃度を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、ＩｎＧａＮのＩｎ組成を２％とし、膜厚を１５ｎｍとした。

【0063】

図６によれば、Ｓｉドープ濃度が３×１０^１８（／ｃｍ^３）のときが、最も高い光出力を示している。また、１×１０^１８（／ｃｍ^３）、３×１０^１８（／ｃｍ^３）、５×１０^１８（／ｃｍ^３）の場合には、いずれも従来のＬＥＤ素子９０より高い光出力を示していることが分かる（図４参照）。これに対し、Ｓｉドープ濃度が１×１０^１８（／ｃｍ^３）よりも低い５×１０^１７（／ｃｍ^３）の場合と、５×１０^１８（／ｃｍ^３）よりも高い９×１０^１８（／ｃｍ^３）の場合には、従来のＬＥＤ素子９０より光出力が低下していることが分かる（図４参照）。

【0064】

これは、ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度が５×１０^１７（／ｃｍ^３）の場合には、絶対的なＳｉ濃度が低いために、活性層１７内でＳｉの不均一が生じて光出力が低下しているものと考えられる。一方、ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度が９×１０^１８（／ｃｍ^３）の場合には、電子のオーバーフローによって発光再結合確率が低下し、内部発光効率が悪化する、いわゆるドループ現象が生じているために、光出力が低下しているものと考えられる。

【0065】

以上により、電流拡散層３を構成するＡｌＧａＮのＳｉ濃度を１×１０^１８（／ｃｍ^３）以上５×１０^１８（／ｃｍ^３）以下とすることで、ＬＥＤ素子１の光出力を更に向上させる効果が得られることが分かる。

【0066】

伝導帯３０のスクリーニング効果について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は、電流拡散層３を構成するＡｌＧａＮへのＳｉドープをしなかった場合、図７（ｂ）は、電流拡散層３を構成するＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を３×１０^１８／ｃｍ^３とした場合の、電流拡散層３の伝導帯３０を模式的に示したものである。

【0067】

前述したように、アンドープ層１３を構成するＧａＮ結晶のｃ面上に、ｎ型クラッド層１５を構成するＡｌＧａＮを結晶成長させた場合、格子定数差に基づくピエゾ電界が発生する。この電界に起因して、ｎ型クラッド層１５を構成するｎ−ＡｌＧａＮ、及び電流拡散層３を構成するＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層によって形成される伝導帯３０に傾きが生じる（領域５１）。この傾きの存在は、ｐ層側（図面上右側）への電子の移動を妨げてしまう。これに対し、ＡｌＧａＮ層にＳｉをドープすると、ピエゾ電界を打ち消す方向に電界が働くため、伝導帯３０を押し下げる効果が働く。この結果、伝導帯３０の傾きが緩和され（領域５２）、ｎ層側から電子をバンドベンディング領域４１及びほぼ平坦なバンド領域４２へと注入しやすくなる。

【0068】

特に、１００Ａ／ｃｍ^２程度の高注入デバイスとしてＬＥＤ素子１を設計する場合においては、より多くの電子を注入できる構成とするのが好ましい。この結果からも、ＡｌＧａＮ層３に対してドープするＳｉ濃度は高くするのが好ましい。ただし、高くし過ぎると、前述したようにドループ現象が生じるため、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下のＳｉドープ濃度とすることで、光出力を向上させることが可能となる。

【0069】

［ＬＥＤ素子１の製造方法］
次に、本発明のＬＥＤ素子１の製造方法につき説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。

【0070】

＜ステップＳ１＞
まず、支持基板１１上に、アンドープ層１３を形成する。例えば、以下の工程により行われる。

【0071】

（支持基板１１の準備）
支持基板１１としてサファイア基板を用いる場合、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

【0072】

（アンドープ層１３の形成）
次に、支持基板１１（ｃ面サファイア基板）の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層１３に対応する。

【0073】

アンドープ層１３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、支持基板１１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。

【0074】

次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、第１バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。

【0075】

＜ステップＳ２＞
次に、アンドープ層１３の上層に、ｎ−Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成されるｎ型クラッド層１５を形成する。

【0076】

ｎ型クラッド層１５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給する。これにより、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層をアンドープ層１３の上層に形成する。つまり、この工程によって、少なくとも上面の領域に関してはＳｉ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層を有するｎ型クラッド層１５が形成される。

【0077】

なお、ここでは、ｎ型クラッド層１５に含まれるｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を用いるものとして説明したが、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）及びテルル（Ｔｅ）などを用いることもできる。なお、これらの中では、特にシリコン（Ｓｉ）が好ましい。

【0078】

＜ステップＳ３＞
次に、ｎ型クラッド層１５の上層に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第４半導体層を形成することで、電流拡散層３を形成する。

【0079】

電流拡散層３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が０．００９μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。これにより、厚みが１５ｎｍのＩｎＧａＮ及び厚みが２０ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮよりなる電流拡散層３が形成される。

【0080】

＜ステップＳ４＞
次に、電流拡散層３の上層にＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）からなる井戸層とＡｌ_ｂＧａ_１−ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する活性層１７を形成する。

【0081】

活性層１７のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩ及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる井戸層及び厚みが７ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮよりなる障壁層による５周期の多重量子井戸構造を有する活性層１７が、電流拡散層３の上層に形成される。

【0082】

＜ステップＳ５＞
次に、活性層１７の上層に、ｐ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０＜ｃ≦１）で構成されるｐ型クラッド層１９を形成し、更にその上層に高濃度のｐ型コンタクト層２１を形成する。

【0083】

ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２１の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、活性層１７の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型クラッド層１９が形成される。

【0084】

更にその後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ_２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給する。これにより、厚みが５ｎｍのｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２１が形成される。

【0085】

なお、ここでは、ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２１に含まれるｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いるものとして説明したが、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）などを用いることもできる。

【0086】

＜ステップＳ６＞
次に、ステップＳ１〜Ｓ５を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。

【0087】

その後は、縦型のＬＥＤ素子を実現する場合には、支持基板１１を剥離した後、当該支持基板１１が存在していた箇所に電極を形成してｎ側電極を形成する。また、横型のＬＥＤ素子を実現する場合には、ｐ側からｎ型半導体層が露出するまでエッチングを行なって、ｎ側電極を形成する。なお、この場合、必要に応じて透明電極などの電極を形成するものとして構わない。その後、各電極に給電端子などを形成し、必要に応じて、露出されている素子側面や上面を透光性の高い絶縁層で覆い、ワイヤボンディングなどにより基板との接続を行う。

【0088】

［別実施形態］
以下、別実施形態について説明する。

【0089】

〈１〉 ＬＥＤ素子１において、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる層と、ｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる層のヘテロ接合が複数繰り返し形成されて電流拡散層３を構成しても構わない（図８Ａ参照）。また、図８Ｂは、図８Ａの構成における電流拡散層３の伝導帯のエネルギーバンド図を、図３Ｃにならって模式的に示したものである。

【0090】

図８Ａのような構成とすることで、水平方向に電流を広げる役割を示すバンドベンディング領域４１及び、電子を蓄積させる機能を示すほぼ平坦なバンド領域４２を複数持たせることができるので、図１の構成よりも電流広がりの効果を更に向上させることができる。これにより、光出力を更に高めることができる。

【0091】

ここで、電流拡散層３は、ｎ型クラッド層１５に最も近い側からＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮとｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎとが周期的に形成されることで構成されるものとしても構わない。また、これとは逆に、電流拡散層３は、ｎ型クラッド層１５に最も近い側からｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３ＮとＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮとが周期的に形成されることで構成されるものとしても構わない。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、電流拡散層３が複数の半導体層が周期的に形成されてなる場合、ｎ型クラッド層に最も近い位置に形成される層及びｐ型クラッド層に最も近い位置に形成される層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮであってもｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎであっても構わない。

【0092】

〈２〉 上述した実施形態では、電流拡散層３を構成する第４半導体層をｎ−ＡｌＧａＮとして説明したが、５％以下の範囲内の組成でＩｎが添加されてなるｎ−Ａｌ_ｙ１Ｇａ_ｙ２Ｉｎ_ｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）で構成されていても構わない。図９は、第４半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。図９の縦軸が示す光出力の値は、Ｉｎを含まないｎ−ＡｌＧａＮによって第４半導体層を形成したＬＥＤ素子に対して０．１Ａを供給したときの光出力に対する相対値で規定している。

【0093】

なお、第４半導体層に対してＩｎを含ませる方法としては、上述したステップＳ３のうち、ＴＭＧ、ＴＭＡ、テトラエチルシラン、及びアンモニアを供給するステップを実行する際、これらのガスと共にＴＭＩを所定流量で供給することで実現できる。

【0094】

図９によれば、第４半導体層にＩｎを４％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第４半導体層を構成した場合と光出力があまり変わらなかった、また、第４半導体層にＩｎを１％含ませた場合及びＩｎを２％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第４半導体層を構成した場合よりも光出力が向上した。これは、ＡｌＧａＮにＩｎを含有することで、ＡｌＧａ（Ｉｎ）ＮとＩｎＧａＮの格子不整合から生じる歪みを緩和し、その表面状態が改善されたことに起因するものと考えられる。

【0095】

ただし、第４半導体層にＩｎをあまりに過剰に含ませると、ＩｎＧａＮ層に対するエネルギー障壁が低くなるため電子のオーバーフローが顕著になるという問題や、ピエゾ電極が小さくなることによる二次元電子ガスの効果が低減するという問題が生じるおそれがある。図９では、第４半導体層に含ませるＩｎを４％とした場合にはＩｎを含有させない場合とほぼ同等の光出力であることが示されているが、５％程度とした場合においても、その差はあまり大きくないことが確認されている。しかし、Ｉｎの組成が５％を超えると、上記の理由により、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮによって第４半導体層を構成した場合よりも光出力が有意に低下してしまうので、第４半導体層に含ませるＩｎの組成は０％以上５％以下とするのが好適である。

【符号の説明】

【0096】

１ ： ＬＥＤ素子
３ ： 電流拡散層
１１ ： 支持基板
１３ ： アンドープ層
１５ ： ｎ型クラッド層
１７ ： 活性層
１９ ： ｐ型クラッド層
２１ ： ｐ型コンタクト層
３０ ： 伝導帯
３１ ： 価電子帯
３２ ： ＩｎＧａＮのフェルミ準位
３３ ： ＡｌＧａＮのフェルミ準位
４１ ： ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの界面に形成されるバンドベンディング領域
４２ ： ＩｎＧａＮが形成するほぼ平坦なバンド領域
８１ ： 引張応力
９０ ： ＬＥＤ素子

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】