特許 5874593 ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子とその製造方法

(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】5874593

(24)【登録日】2016年1月29日

(45)【発行日】2016年3月2日

(54)【発明の名称】ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子とその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/06 20100101AFI20160218BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20160218BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/00 112

   H01L33/00 186

【請求項の数】5

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2012-211340(P2012-211340)

(22)【出願日】2012年9月25日

(65)【公開番号】特開2013-149938(P2013-149938A)

(43)【公開日】2013年8月1日

【審査請求日】2014年9月30日

(31)【優先権主張番号】特願2011-282436(P2011-282436)

(32)【優先日】2011年12月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087723

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 修

(72)【発明者】

【氏名】奥野 浩司

(72)【発明者】

【氏名】青山 俊介

【審査官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−０３４８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１２８６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２８６４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−００８９３１（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】

III 族窒化物半導体から成るとともに各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層と、
前記静電耐圧層の上に形成された歪緩和層と、
前記歪緩和層の上に形成された発光層と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子であって、
前記発光層は、
障壁層とＩｎを含む井戸層とを積層したものであり、
前記歪緩和層は、
ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とからなる積層を１単位とした単位積層体を３層以上繰り返し積層した超格子層から成り、
前記単位積層体のうち前記発光層に近い位置に位置している単位積層体ほど、
前記ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が大きく、
前記単位積層体のうち前記発光層から最も近い位置に位置している単位積層体のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、
前記発光層における前記井戸層のＩｎ組成比の９０％以上１００％以下の範囲内であり、
前記単位積層体のＩｎＧａＮ層の厚みは、前記発光層に近い位置に位置している層ほど大きく、
前記単位積層体のＧａＮ層の厚みは、すべての前記単位積層体で一定であり、
前記単位積層体のうち前記静電耐圧層に接している層が、ＩｎＧａＮ層であり、
前記単位積層体のうち前記発光層に接している層が、ｎ−ＧａＮ層であり、
ＩｎＧａＮ層の厚みは５Å以上５０Å以下であり、
ＧａＮ層の厚みは３Å以上４０Å以下であり、
ｎ−ＧａＮ層の厚みは３Å以上４０Å以下であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

III 族窒化物半導体から成る静電耐圧層を形成する静電耐圧層形成工程と、
前記静電耐圧層の上に超格子層を形成する超格子層形成工程と、
前記超格子層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、
を有するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記超格子層形成工程では、
ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とを含む積層を１単位とした単位積層体を３層以上繰り返し積層した超格子層を形成するとともに、
前記単位積層体におけるＩｎＧａＮ層を、前記発光層に近いものほど高いＩｎ組成比で形成し、
前記単位積層体におけるＩｎＧａＮ層を形成する際の基板温度を、前記静電耐圧層から前記発光層にいくにしたがって低い温度とし、
ＩｎＧａＮ層を形成している期間内には基板温度を一定にし、
前記単位積層体を同じ温度で形成すること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。

【請求項3】

請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記超格子層形成工程では、
前記単位積層体のうち前記発光層から最も近い位置に位置している単位積層体のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を、
前記発光層における前記井戸層のＩｎ組成比の９０％以上１００％以下の範囲内とすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。

【請求項4】

請求項２または請求項３に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記超格子層形成工程では、
前記単位積層体のＩｎＧａＮ層の厚みを、
前記発光層に近い位置に位置している層ほど大きくすること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。

【請求項5】

請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
前記超格子層形成工程では、
前記単位積層体のＧａＮ層の厚みを、すべての前記単位積層体で一定とすること
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とその製造方法に関する。さらに詳細には、発光層に加わる応力の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体を利用した高輝度青色ＬＥＤ等の発光素子が実用化されてきている。発光素子は一般に、ｎ電極と、ｎ型クラッド層と、発光層と、ｐ型クラッド層と、ｐ電極とを有している。しかし、これらの各層の格子定数は、一般に同じではない。

【0003】

例えば、エピタキシャル成長により下層の上に上層を結晶成長させる場合に、下層と上層とで格子定数が大きく異なっていると、上層の結晶が成長しにくい。また、成長させた結晶の結晶性もよくないことが多い。さらに、半導体発光素子を製造後にも、その下層と上層との間に応力が加わる。この応力が加わっている層では、ピエゾ電界が発生する。特に、発光層にピエゾ電界が発生すると、発光層のバンドが傾斜する。そのため、電子と正孔の再結合確率が低下する。すなわち、発光出力の低下を招くのである。

【0004】

そのため、発光層に加わる応力を緩和する技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、活性層に近づくほどＩｎＧａＮの厚みが厚くなるｎ型ガイド層およびｐ型ガイド層を有する半導体レーザー素子が開示されている（特許文献１の段落［００５５］−［００５６］および図１０参照）。そして、超格子構造を構成する層の膜厚比率を変えることで、平均Ｉｎ組成が変調されているとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−１７７６５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしそれでも、発光層に加わる応力を緩和するには不十分である。発光層に加わる応力は、小さいほどよい。発光層におけるバンドの傾斜がそれだけ小さくなるからである。

【0007】

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、発光層に加わる応力の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子とそ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】

【0008】

この課題の解決を目的としてなされた第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、III 族窒化物半導体から成るとともに各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層と、静電耐圧層の上に形成された歪緩和層と、歪緩和層の上に形成された発光層と、を有する。発光層は、障壁層とＩｎを含む井戸層とを積層したものである。歪緩和層は、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とからなる積層を１単位とした単位積層体を３層以上繰り返し積層した超格子層から成る。単位積層体のうち発光層に近い位置に位置している単位積層体ほど、ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比が大きく、単位積層体のうち発光層から最も近い位置に位置している単位積層体のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は、発光層における井戸層のＩｎ組成比の９０％以上１００％以下の範囲内である。単位積層体のＩｎＧａＮ層の厚みは、発光層に近い位置に位置している層ほど大きい。単位積層体のＧａＮ層の厚みは、すべての単位積層体で一定である。単位積層体のうち静電耐圧層に接している層が、ＩｎＧａＮ層である。単位積層体のうち発光層に接している層が、ｎ−ＧａＮ層である。ＩｎＧａＮ層の厚みは５Å以上５０Å以下である。ＧａＮ層の厚みは３Å以上４０Å以下である。ｎ−ＧａＮ層の厚みは３Å以上４０Å以下である。

【0009】

かかるIII 族窒化物半導体発光素子では、歪緩和層と発光層との境界で、歪が緩和される。そのため、発光層に加わる応力が緩和される。その結果、発光層のバンド構造は、歪が減少している構造となる。したがって、このIII 族窒化物半導体発光素子の発光効率はよい。また、エピタキシャル成長により形成される各層の結晶性もよい。よって、発光効率は、さらによい。

【0010】

また、歪緩和層の格子定数が、基板側から発光層側にかけて徐々に変化している。よって、歪緩和層のうちでも、ある特定の層に応力が集中することがない。そのため、歪緩和層の結晶性は劣化しない。したがって、その上にエピタキシャル成長させる発光層の結晶性も劣化しない。

【0011】

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、III 族窒化物半導体から成る静電耐圧層を形成する静電耐圧層形成工程と、静電耐圧層の上に超格子層を形成する超格子層形成工程と、超格子層の上に発光層を形成する発光層形成工程と、を有する。超格子層形成工程では、ＩｎＧａＮ層とＧａＮ層とｎ−ＧａＮ層とを含む積層を１単位とした単位積層体を３層以上繰り返し積層した超格子層を形成するとともに、単位積層体におけるＩｎＧａＮ層を、発光層に近いものほど高いＩｎ組成比で形成する。単位積層体におけるＩｎＧａＮ層を形成する際の基板温度を、静電耐圧層から発光層にいくにしたがって低い温度とする。ここで、ＩｎＧａＮ層を形成している期間内には基板温度を一定にする。そして、単位積層体を同じ温度で形成する。

【0012】

単位積層体におけるＩｎＧａＮ層の格子定数が、下地層から発光層にいくにしたがって徐々に変化する。そのため、歪を徐々に緩和することができる。また、歪を緩和された層の上に新たな半導体層を形成することになるので、新たに形成された半導体層の結晶性はよい。

【0013】

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、超格子層形成工程では、単位積層体のうち発光層から最も近い位置に位置している単位積層体のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比を、発光層における井戸層のＩｎ組成比の９０％以上１００％以下の範囲内とする。

【0014】

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、超格子層形成工程では、単位積層体のＩｎＧａＮ層の厚みを、発光層に近い位置に位置している層ほど大きくする。

【0015】

第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法においては、超格子層形成工程では、単位積層体のＧａＮ層の厚みを、すべての単位積層体で一定とする。

【0016】

【0017】

【0018】

【0019】

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、発光層に加わる応力の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子とその製造方法が提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施例に係るIII 族窒化物半導体発光素子の構造を示す概略構成図である。

【図2】実施例１に係るIII 族窒化物半導体素子におけるｎ側超格子層の積層構造を示す図である。

【図3】実施例に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その１）である。

【図4】実施例に係るIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための図（その２）である。

【図5】実施例２に係るIII 族窒化物半導体素子におけるｎ側超格子層の積層構造を示す図である。

【図6】実施例３に係るIII 族窒化物半導体素子におけるｎ側超格子層形成工程における基板温度の温度プロファイルである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の具体的な実施例について、発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。つまり、本発明は、Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体発光素子であれば、その他のものにも適用することができる。また、後述する発光素子の各層の積層構造は、例示であり、実施例とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。

【実施例1】

【0023】

１．半導体素子
本実施例に係る半導体素子の製造方法により製造される発光素子１００を図１により説明する。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る半導体素子である。図１に示すように、発光素子１００は、サファイア基板１０に、低温バッファ層２０と、ｎ型コンタクト層３０と、ｎ型ＥＳＤ層４０と、ｎ側超格子層５０と、発光源であるＭＱＷ層（多重量子井戸層）６０と、ｐ型クラッド層７０と、ｐ型コンタクト層８０とがこの順序で形成されたものである。また、ｎ型コンタクト層３０には、ｎ電極Ｎ１が形成されている。ｐ型コンタクト層８０には、ｐ電極Ｐ１が形成されている。

【0024】

サファイア基板１０は、ＭＯＣＶＤ法により、その一面に上記の各層を形成するためのものである。そして、光取り出し効率を向上させるために、その表面に凹凸加工がされているとよい。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどを成長基板として用いてもよい。低温バッファ層２０は、サファイア基板１０に高密度の結晶核を形成するためのものである。これにより、平坦な表面を有するＧａＮ層の成長が促進される。低温バッファ層２０の材質は、例えばＡｌＮやＧａＮである。

【0025】

ｎ型コンタクト層３０は、ｎ電極Ｎ１に実際に接触する層である。ｎ型コンタクト層３０は、ｎ−ＧａＮから成る層である。そのＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上である。また、ｎ型コンタクト層３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極とのオーミック性を向上させるためである。

【0026】

ｎ型ＥＳＤ層４０は、各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層である。ｎ型ＥＳＤ層４０の構造は、ノンドープのＧａＮとＳｉドープのｎ−ＧａＮの積層構造である。Ｓｉのドープ量は、キャリア濃度を１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上となるようにするとよい。

【0027】

ｎ側超格子層５０は、ＭＱＷ層６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。より具体的には、ｎ側超格子層５０は、超格子構造を有する。ｎ側超格子層５０は、ｎ型ＥＳＤ層４０の上に形成されている。ｎ側超格子層５０は、後述するように、ＩｎＧａＮと、ＧａＮと、ｎ−ＧａＮとを積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。図１に示すように、ｎ側超格子層５０は、ｎ型ＥＳＤ層４０とＭＱＷ層６０との間に位置している。そして、ｎ型ＥＳＤ層４０とＭＱＷ層６０とに接している。

【0028】

ＭＱＷ層６０は、電子と正孔とが再結合することで、光を発する発光層である。そのために、ＭＱＷ層６０は、バンドギャップの小さい井戸層と、バンドギャップの大きい障壁層とが交互に形成されている多重量子井戸構造となっている。ＭＱＷ層６０は、ｎ側超格子層５０の上に形成されている。ここで、井戸層としてＩｎＧａＮを用いるとともに、障壁層としてＡｌＧａＮを用いることができる。このように井戸層は、Ｉｎを含んでいる。また、障壁層としてＡｌＩｎＧａＮを用いてもよい。もしくは、これらを自由に組み合わせて、４層以上を単位構造として、その単位構造を繰り返すこととしてもよい。

【0029】

ｐ型クラッド層７０は、電子がｐ型コンタクト層８０に拡散するのを防止するためのものである。ｐ型クラッド層７０は、ｐ−ＩｎＧａＮから成る層と、ｐ−ＡｌＧａＮから成る層とを単位構造として、その単位構造を繰り返して形成した層である。その繰り返し回数は、７回である。また、その繰り返し回数を３〜５０回の範囲としてもよい。

【0030】

ｐ型コンタクト層８０は、ｐ電極Ｐ１と実際に接触する層である。ｐ型コンタクト層８０は、Ｍｇをドープしたｐ−ＧａＮから成る層である。ｐ型コンタクト層８０は、発光素子１００におけるサファイア基板１０と反対側の表面に表れている。

【0031】

ここで、ｐ型コンタクト層８０の厚みは、１００Å以上１０００Å以下の範囲内である。ｐ型コンタクト層８０におけるＭｇドープ量は、１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上１×１０²²／ｃｍ³ 以下の範囲内である。なお、ｐ型コンタクト層８０におけるｐ電極Ｐ１に近い位置ほど、Ｍｇのドープ量を増加させるように複数の層を形成してもよい。

【0032】

２．ｎ側超格子層
２−１．ｎ側超格子層の積層構造
ここで、本形態に係るｎ側超格子層５０およびＭＱＷ層６０の周辺の積層構造について、図２により説明する。ｎ側超格子層５０は、単位積層体５１、５２、…、５９を有する歪緩和層である。図２に示すように、ｎ側超格子層５０は、単位積層体５１、５２、…、５９を繰り返し積層したものである。その積層の繰り返し回数を、５回とした。なお、その繰り返し回数を、３回以上２０回以下の範囲内で変えてもよい。

【0033】

単位積層体５１は、ＩｎＧａＮ層（以下、「Ａ層」という。）と、ＧａＮ層（以下、「Ｂ層」という。）と、ｎ−ＧａＮ層（以下、「Ｃ層」という。）とを、図２中のｎ型ＥＳＤ層４０の側からＭＱＷ層６０の側にかけて順に積層したものである。単位積層体５２、５９も単位積層体５１と同様である。

【0034】

また、Ａ層（ＩｎＧａＮ層５１Ａ、５２Ａ、５９Ａ）の厚みを、７Åとした。つまり、ＩｎＧａＮ層５１Ａ、５２Ａ、５９Ａは、すべて同じ厚みである。なお、このＡ層の厚みを、単位積層体５１、５２、…、５９のそれぞれで共通、すなわち一定とした。なお、その一定値として別の値を採用してもよい。例えば、その一定のＡ層の厚みを、５Å以上１０Å以下の範囲内で変えてもよい。

【0035】

また、Ｂ層（ＧａＮ層５１Ｂ、５２Ｂ、５９Ｂ）の厚みを、１５Åとした。つまり、ＧａＮ層５１Ｂ、５２Ｂ、５９Ｂの厚みは、すべて同じ一定値（１５Å）である。なお、このＢ層の厚みの一定値（１５Å）を、３Å以上４０Å以下の範囲内で変えてもよい。

【0036】

また、Ｃ層（ｎ−ＧａＮ層５１Ｃ、５２Ｃ、５９Ｃ）の厚みを、２０Åとした。つまり、ｎ−ＧａＮ層５１Ｃ、５２Ｃ、５９Ｃは、すべて同じ厚みである。なお、このＣ層の厚みを、３Å以上４０Å以下の範囲内で変えてもよい。

【0037】

すなわち、ｎ側超格子層５０は、ＭＱＷ層６０の側から順に、
Ｃ層 ｎ−ＧａＮ層 ２０Å
Ｂ層 ＧａＮ層 １５Å
Ａ層 ＩｎＧａＮ層 ７Å
という単位積層構造を繰り返し積層した積層構造となっている。そのため、ＭＱＷ層６０と接する層は、ｎ−ＧａＮから成る層である。そして、ｎ型ＥＳＤ層４０と接する層は、ＩｎＧａＮから成る層である。

【0038】

２−２．ｎ側超格子層におけるＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成
ｎ側超格子層５０は、前述のとおり、ＭＱＷ層６０にかかる応力を緩和するための超格子構造を有する層である。

【0039】

まず、ＭＱＷ層６０におけるＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比について説明する。ＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成を、Ｉｎ_0.2 Ｇａ_0.8 Ｎとした。ここで、ＩｎＧａＮ層６１Ｄは、ＭＱＷ層６０のうちで、ｎ側超格子層５０に接合されている層である。

【0040】

続いて、ｎ側超格子層５０におけるＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成について説明する。ＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成を、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎとした。ここで、ＩｎＧａＮ層５９Ａは、ｎ側超格子層５０のうちで、ＭＱＷ層６０に接合されている単位積層体５９に含まれているＩｎＧａＮ層である。

【0041】

ＩｎＧａＮ層５２ＡのＩｎ組成を、Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎとした。また、ＩｎＧａＮ層５１ＡのＩｎ組成を、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎとした。ＩｎＧａＮ層５１Ａは、ｎ型ＥＳＤ層４０に接合されている単位積層体５１に含まれているＩｎＧａＮ層である。

【0042】

２−２−１．最も発光層に近いＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成
ここで、ｎ側超格子層５０のうちのＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成を、ＭＱＷ層６０のうちのＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成の９０％とした。また、ＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成は、ＭＱＷ層６０のうちのＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成の７０％以上１００％以下の範囲内であればよい。ＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成は、ＭＱＷ層６０のうちのＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成の８０％以上１００％以下の範囲内であるとなおよい。ｎ側超格子層５０のうち最もＭＱＷ層６０に近いＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成が、ＭＱＷ層６０のうちのＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成とほとんど変わらない。つまり、ＭＱＷ層６０にかかる歪をより緩和することができる。ここで、ＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成と、ＩｎＧａＮ層６２ＤのＩｎ組成とは、同じである。このように、ＭＱＷ層６０に含まれているすべてのＩｎＧａＮ層において、これらのＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は同じである。

【0043】

ここで、ＩｎＧａＮ層５９Ａは、ｎ側超格子層５０のＡ層（ＩｎＧａＮ層）のうち、最もＭＱＷ層６０に近い側に位置する層である。また、ＩｎＧａＮ層６１Ｄは、ＭＱＷ層６０のＩｎＧａＮ層のうち、最もｎ側超格子層５０に近い側に位置する層である。

【0044】

そのため、ｎ側超格子層５０側のＩｎＧａＮ層５９Ａの格子定数と、ＭＱＷ層６０側のＩｎＧａＮ層６１Ｄの格子定数との差は小さい。したがって、発光層であるＭＱＷ層６０と、ｎ側超格子層５０との間の歪は小さい。つまり、ＭＱＷ層６０に加わる応力は緩和されている。

【0045】

２−２−２．ｎ側超格子層におけるＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成の変化
ＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成は、ＩｎＧａＮ層５２ＡのＩｎ組成よりも大きい。ＩｎＧａＮ層５２ＡのＩｎ組成は、ＩｎＧａＮ層５１ＡのＩｎ組成よりも大きい。このように、ＭＱＷ層６０の側から１層分、ｎ型ＥＳＤ層４０の側に移るに従って、Ａ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成は小さくなっている。

【0046】

このように、ｎ側超格子層５０では、単位積層体５１、５２、…、５９のＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成は、ｎ型ＥＳＤ層４０の側からＭＱＷ層６０の側にいくほど大きい。つまり、単位積層体５１、５２、…、５９のうちＭＱＷ層６０から最も近い位置に位置している単位積層体５１、５２、…、５９ほど、Ａ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成は大きい。ｎ側超格子層５０において、ＭＱＷ層６０に近いＡ層（ＩｎＧａＮ層）ほど、そのＡ層（ＩｎＧａＮ層）の格子定数が徐々に大きくなるようにするためである。

【0047】

以上説明したように、ＭＱＷ層６０にかかる応力は、緩和されている。したがって、ＭＱＷ層６０のバンドが応力により生じる傾斜は、従来のものに比べて小さい。また、発光素子１００の電気的特性および光学特性も優れている。

【0048】

３．半導体素子の製造方法
本形態における半導体素子の製造方法では、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、上記の各層の結晶をエピタキシャル成長させた。以下、図３および図４を用いて、各工程を説明する。

【0049】

ここで用いたキャリアガスは、水素（Ｈ₂ ）もしくは窒素（Ｎ₂ ）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ₂ ＋Ｎ₂ ）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ₃ ）を用いた。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＧ」という。）を用いた。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＩ」という。）を用いた。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ：以下、「ＴＭＡ」という。）を用いた。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）を用いた。ｐ型ドーパントガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ ：以下、「ＣＰ₂ Ｍｇ」という。）を用いた。

【0050】

３−１．低温バッファ層形成工程
本形態では、サファイア基板１０を用いた。そして、そのサファイア基板１０をＭＯＣＶＤ炉に入れた。次に、水素ガス中でサファイア基板１０のクリーニングを行い、サファイア基板１０の表面に付着している付着物を除去した。そして、基板温度を４００℃として、サファイア基板１０の上に、ＡｌＮから成る低温バッファ層２０を形成した。

【0051】

３−２．ｎ型コンタクト層形成工程
次に、低温バッファ層２０の上にｎ型コンタクト層３０を形成した（図３（ａ）参照）。ここで、キャリアガスを水素ガスとし、アンモニアガスを流しながら、基板温度を１１００℃まで上昇させた。そして、基板温度が１１００℃になったところで、ＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスとしてシランガスを供給した。これにより、Ｓｉ濃度が４．５×１０¹⁸／ｃｍ³ のｎ−ＧａＮからなるｎ型コンタクト層３０が形成された。

【0052】

３−３．ｎ型ＥＳＤ層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層３０の上にｎ型ＥＳＤ層４０を形成した。基板温度を９００℃まで下げて、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮを形成した。このときの成長温度は８００〜９５０℃であればよい。また、このｎ−ＧａＮにおけるＳｉ原子濃度（ａｔｏｍ／ｃｍ³ ）と膜厚（ｎｍ）との積で定義される特性値が０．９×１０²⁰〜３．６×１０²⁰（ａｔｏｍ・ｎｍ／ｃｍ³ ）の範囲内であるとよい。

【0053】

３−４．ｎ側超格子層形成工程
次に、ｎ型ＥＳＤ層４０の上にｎ側超格子層５０を形成した。ｎ側超格子層５０として、厚さ２０ÅのＡ層（ＩｎＧａＮ層）と、厚さ１５ÅのＢ層（ＧａＮ層）と、厚さ７ÅのＣ層（ｎ−ＧａＮ層）とを、この形成順序で形成した。そして、このＡ層、Ｂ層、Ｃ層の順で５回繰り返して形成した。

【0054】

ここで、ＩｎＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８３０℃として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給した。ＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８３０℃として、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。ｎ−ＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８３０℃として、シランガス、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。これにより、図３（ｂ）に示した積層構造が形成された。

【0055】

３−５．発光層形成工程
続いて、ｎ側超格子層５０の上にＭＱＷ層６０を形成した。ＭＱＷ層６０は、ＩｎＧａＮ層（Ｄ層）とＡｌＧａＮ層（Ｅ層）との繰り返し構造をしている。ＩｎＧａＮ層を、成長温度７５０〜８５０℃の範囲内の温度で成長させた。そのために、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給した。

【0056】

ここで、Ｄ層（ＩｎＧａＮ層）におけるＩｎの組成比を、２０％とした。結晶を成長させる厚みは、１〜５ｎｍである。Ｅ層（ＡｌＧａＮ層）を、成長温度８５０〜９５０℃の範囲内の温度で成長させた。そのために、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアの原料ガスを供給した。結晶を成長させる厚みは、１〜６ｎｍである。

【0057】

３−６．ｐ型クラッド層形成工程
次に、ＭＱＷ層６０の上にｐ型クラッド層７０を形成した。ｐ型クラッド層７０は、ｐ−ＩｎＧａＮ層と、ｐ−ＡｌＧａＮ層との繰り返し構造とした。ｐ−ＩｎＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８５５℃として、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。そして、ｐ−Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を、厚さ１．７ｎｍに形成した。

【0058】

ｐ−ＡｌＧａＮ層を形成する際には、基板温度を８５５℃として、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。そして、ｐ−ＡｌＧａＮ層を、厚さ３．０ｎｍに形成した。その結果、図３（ｃ）に示した積層構造が形成された。

【0059】

３−７．ｐ型コンタクト層形成工程
続いて、ｐ型クラッド層７０の上にｐ型コンタクト層８０を形成した（図４参照）。ｐ型コンタクト層８０は、ｐ−ＧａＮである。キャリアガスとして、窒素と水素の混合気体を用いた。そして、原料ガスとして、ＣＰ₂ Ｍｇ、ＴＭＧ、アンモニアを用いた。ここで、結晶を成長させる温度は、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内であった。そして、Ｍｇのドープ量は、１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上１×１０²²／ｃｍ³ 以下であった。

【0060】

３−８．冷却工程
次に、窒素ガス雰囲気中で、ＭＯＣＶＤ炉を常温まで冷却した。図４に示した積層体９０を窒素ガス雰囲気中で冷却することで、離脱させた水素が再び積層体９０に取り込まれるのを防止するためである。

【0061】

３−９．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層８０の表面側からドライエッチングを行って、ｎ型コンタクト層３０の途中まで達する溝を形成した。そして、ｐ型コンタクト層８０の上にｐ電極Ｐ１を形成した。ｐ電極Ｐ１として、ｐ型コンタクト層８０の上に、Ｎｉ層、Ａｕ層、Ａｌ層をこの順番で形成した。また、露出させたｎ型コンタクト層３０の上にｎ電極Ｎ１を形成した。ｎ電極Ｎ１として、ｎ型コンタクト層３０の上に、Ｎｉ層、Ａｕ層をこの順番で形成した。

【0062】

３−１０．アニール処理工程
次に、窒素雰囲気中で積層体９０に熱処理（アニール処理）を施した。ドーピングしたＭｇを活性化するためである。なお、このアニール処理工程については、電極形成工程の前に行ってもよい。また、冷却工程の前に行うこともできる。以上により、図１に示した発光素子１００が製造された。

【0063】

３−１１．製造された半導体素子
以上の製造工程により製造された発光素子１００では、ｎ側超格子層５０の単位積層体に含まれているＩｎＧａＮ層のＩｎ組成が、ｎ型ＥＳＤ層４０からＭＱＷ層６０にかけて徐々に大きくなっている。つまり、ＩｎＧａＮ層（Ａ層）の格子定数は、ｎ型ＥＳＤ層４０からＭＱＷ層６０にかけて徐々に大きくなっている。

【0064】

したがって、形成済みの半導体層の上に新たに半導体層を形成する上で、結晶性に優れた半導体層を成長させやすい。つまり、本実施例の発光素子の製造工程で製造された発光素子１００において、結晶性はよい。つまり、発光素子１００の光学特性は優れている。

【0065】

また、以上の製造工程により製造された発光素子１００では、ｎ側超格子層５０におけるＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成は、小さい。したがって、Ａ層（ＩｎＧａＮ層）の格子定数は、ｎ型ＥＳＤ層４０におけるＧａＮ層の格子定数と、ほぼ等しい。したがって、ｎ型ＥＳＤ層４０とｎ側超格子層５０との間の境界面の歪が低減される。

【0066】

４．変形例
４−１．ｎ側超格子層のＡ層（ＩｎＧａＮ層）
本実施例では、ｎ側超格子層５０のＡ層として、７ÅのＩｎＧａＮ層を形成した。そして、その範囲を５Å以上１０Å以下とした。しかし、Ａ層（ＩｎＧａＮ層）の厚みを１０Å以上５０Å以下の範囲としてもよい。つまり、Ａ層（ＩｎＧａＮ層）の厚みは、５Å以上５０Å以下の範囲内であればよい。

【0067】

４−２．ｎ側超格子層のＣ層（ｎ−ＧａＮ層）
本実施例では、ｎ側超格子層５０のＣ層を、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層であるとした。しかし、ノンドープのＧａＮ層としてもよい。

【0068】

４−３．ｎ側超格子層の積層順序
本実施例では、ｎ側超格子層５０の下側から順番に、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層とした。しかし、Ｃ層、Ｂ層、Ａ層、の順に積層してもよい。

【0069】

４−４．ｎ側超格子層のＡｌＧａＮ層
ｎ側超格子層にＡｌＧａＮ層を形成することとしてもよい。その際に、ＧａＮ層もしくはｎ−ＧａＮ層の代わりに、ＡｌＧａＮ層を形成することとしてもよい。また、ＡｌＧａＮ層をさらに加わることとしてもよい。その場合には、単位積層体の層数を４層以上としてもよい。

【0070】

４−５．下地層
本実施例では、ｎ型ＥＳＤ層４０の上にｎ側超格子層５０を形成することとした。つまり、ｎ型ＥＳＤ層４０は、ｎ側超格子層５０の下に形成される下地層である。しかし、ｎ側超格子層５０の下地層は、もちろん、ｎ型ＥＳＤ層４０に限らない。ｎ型コンタクト層３０やその他の層でもよい。ただし、III 族窒化物半導体から成る層である。また、ｎ型ＥＳＤ層形成工程は、ｎ側超格子層５０の下地層（ｎ型ＥＳＤ層４０）を形成する下地層形成工程である。

【0071】

５．まとめ
以上、詳細に説明したように、本実施例に係る発光素子１００では、ｎ側超格子層５０におけるＩｎＧａＮ層（Ａ層）のＩｎ組成を、ＭＱＷ層６０に近くなるほど、高くなるようにした。ＭＱＷ層６０に最も近いｎ側超格子層５０のＩｎＧａＮ層５９ＡのＩｎ組成は、ｎ側超格子層に最も近いＭＱＷ層６０のＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成の７０％以上１００％以下の範囲内にある。これにより、ＭＱＷ層６０にかかる応力の緩和を図った発光素子が実現されている。

【0072】

なお、本実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本形態では、積層体９０として図４に示したものを用いた。しかし、積層体の積層構造については、必ずしも図４に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。

【0073】

また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。また、Ｉｎを含む層であれば適用できる。したがって、ＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。また、発光素子１００以外にも、III 族窒化物半導体素子であれば、他の用途の半導体素子に適用することができる。

【実施例2】

【0074】

１．半導体素子
実施例２における発光素子の構成は、実施例１とほぼ同様である。実施例１と異なる点は、ｎ側超格子層の単位積層体である。また、発光素子の製造方法もほとんど同じである。したがって、その異なっているｎ側超格子層の単位積層体を中心に、以下に説明する。

【0075】

２．ｎ側超格子層
２−１．ｎ側超格子層の積層構造
実施例２の発光素子におけるｎ側超格子層の周辺を図５に示す。図５に示すように、実施例２の発光素子には、ｎ側超格子層１５０が形成されている。ｎ側超格子層１５０は、実施例１の場合と同様に、単位積層体１５１、１５２、…、１５９を繰り返し積層したものである。

【0076】

ｎ側超格子層１５０では、Ａ層（ＩｎＧａＮ層１５１Ａ、１５２Ａ、１５９Ａ）の厚みのみが、実施例１のｎ側超格子層５０と異なっている。そして、その他の構成については、実施例１と同様である。つまり、ｎ側超格子層１５０におけるＢ層（５１Ｂ、５２Ｂ、５９Ｂ）、Ｃ層（５１Ｃ、５２Ｃ、５９Ｃ）については、実施例１と同様である。

【0077】

図５に示すように、Ａ層のそれぞれの厚みを、互いに同じではないものとした。ＩｎＧａＮ層１５１Ａの厚みｔ１を、７Åとした。ＩｎＧａＮ層１５２Ａの厚みｔ２を、９Åとした。ＩｎＧａＮ層１５９Ａの厚みｔ３を、１５Åとした。つまり、Ａ層（ＩｎＧａＮ層）の厚みを、ＭＱＷ層６０に近づくにつれ、２Åずつ厚くした。このように、Ａ層の厚みは、次の関係式を満たす。
ｔ１ ＜ ｔ２ ＜ ｔ３

【0078】

このように、Ａ層（ＩｎＧａＮ層１５１Ａ、１５２Ａ、１５９Ａ）のうち、ＭＱＷ層６０に近いＡ層ほど、そのＡ層の厚みが厚い。そのため、最もＭＱＷ層６０に近い位置に位置するＩｎＧａＮ層１５９Ａが、Ａ層のうちで最も厚い。

【0079】

このように、ＭＱＷ層６０に近いほど、Ａ層（ＩｎＧａＮ層１５１Ａ、１５２Ａ、１５９Ａ）を厚くしていく膜厚変調を行うことで、単位積層体に含まれるＩｎＧａＮ層の割合は大きいものとなる。これにより、単位積層体中の歪は、ＭＱＷ層６０に近づくにしたがって、緩和されることとなる。つまり、ＭＱＷ層６０にかかる応力は減少する。

【0080】

２−２．ｎ側超格子層におけるＡ層（ＩｎＧａＮ層）のＩｎ組成
そして実施例１と同様に、ｎ側超格子層１５０においてＡ層において、最もＭＱＷ層６０に近いＩｎＧａＮ層１５９Ａが、ｎ側超格子層１５０におけるＡ層のうちで最もＩｎ組成が高い。

【0081】

そして、ＩｎＧａＮ層１５９ＡにおけるＩｎ組成を、ＭＱＷ層６０における最もｎ側超格子層１５０に近いＩｎＧａＮ層６１ＤにおけるＩｎ組成の９０％とした。なお、ＩｎＧａＮ層１５９ＡにおけるＩｎ組成を、ＭＱＷ層６０における最もｎ側超格子層１５０に近いＩｎＧａＮ層６１ＤにおけるＩｎ組成の８０％以上１００％以下の範囲内であってもよい。

【0082】

このように、Ｉｎ組成を上昇させるため、実施例１と同様に、ＭＱＷ層６０にかかる応力を緩和することができる。実施例２では、さらに、膜厚変調も行っているため、ＭＱＷ層６０にかかる応力を緩和する効果がより大きい。

【0083】

３．変形例
本実施例では、ｎ側超格子層１５０のＣ層を、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層であるとした。しかし、ノンドープのＧａＮ層としてもよい。本実施例では、ｎ側超格子層１５０の下側から順番に、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層とした。しかし、Ｃ層、Ｂ層、Ａ層、の順に積層してもよい。

【0084】

４．まとめ
以上、詳細に説明したように、本実施例に係る発光素子では、ｎ側超格子層１５０におけるＩｎＧａＮ層（Ａ層）のＩｎ組成を、ＭＱＷ層６０に近くなるほど、高くなるようにした。ＭＱＷ層６０に最も近いｎ側超格子層１５０のＩｎＧａＮ層１５９ＡのＩｎ組成は、ｎ側超格子層に最も近いＭＱＷ層６０のＩｎＧａＮ層６１ＤのＩｎ組成の７０％以上１００％以下の範囲内にある。さらに、ｎ側超格子層１５０におけるＩｎＧａＮ層（Ａ層）の厚みを、ＭＱＷ層６０に近くなるほど、厚くなるようにした。これにより、ＭＱＷ層６０にかかる応力の緩和を図った発光素子が実現されている。

【0085】

なお、本実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本形態では、積層体９０として図４に示したものを用いた。しかし、積層体の積層構造については、必ずしも図４に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。

【0086】

また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。また、Ｉｎを含む層であれば適用できる。したがって、ＡｌＩｎＧａＮ層であってもよい。また、発光素子以外にも、III 族窒化物半導体素子であれば、他の用途の半導体素子に適用することができる。

【実施例3】

【0087】

実施例３について説明する。本実施例の半導体素子は、実施例１の発光素子１００と同様である。つまり、ｎ型ＥＳＤ層４０からＭＱＷ層６０（発光層）に向かうにつれて、ｎ側超格子層５０のＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比が高いものとなっていくことに変わりない。本実施例では、半導体素子の製造方法が、実施例１のものと異なっている。

【0088】

１．半導体素子の製造方法
本実施例では、ｎ側超格子層５０の形成方法に特徴がある。そのため、実施例１と異なる特徴点のみについて説明する。本実施例は、ｎ側超格子層形成工程のみ、実施例１と異なる。

【0089】

１−１．ｎ側超格子層形成工程
ｎ型ＥＳＤ層４０の上にｎ側超格子層５０を形成した。ｎ側超格子層５０として、厚さ２０ÅのＡ層（ＩｎＧａＮ層）と、厚さ１５ÅのＢ層（ＧａＮ層）と、厚さ７ÅのＣ層（ｎ−ＧａＮ層）とを、この形成順序で形成した。そして、このＡ層、Ｂ層、Ｃ層の順で５回繰り返して形成した。

【0090】

ここで、その際の基板温度を図６を用いて説明する。ｎ側超格子層５０のうち最もｎ型ＥＳＤ層４０に近いＩｎＧａＮ層（Ａ１）を形成する際には、基板温度（ＴＡ１）を８３０℃として、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを供給した。ｎ側超格子層５０のうち、その次のＩｎＧａＮ層（Ａ２）を形成する際には、基板温度（ＴＡ２）を８２５℃とした。そして、またさらに次のＩｎＧａＮ層（Ａ３）を形成する際には、基板温度（ＴＡ３）を８２０℃とした。このように、ＩｎＧａＮ層を積層していく度に基板温度を、その前に形成した際の基板温度よりも５℃ずつ低い温度とした。

【0091】

このように、ＩｎＧａＮ層を形成する際の基板温度が低いほど、Ｉｎは、ＧａＮ層に入り込みやすい。つまり、基板温度の低い条件下でＩｎＧａＮ層を成長させることで、その成長したＩｎＧａＮ層のＩｎ組成比は大きいものとなる。

【0092】

なお、ＧａＮ層を形成する際には、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。このときの基板温度は、その直前に形成したＩｎＧａＮ層の基板温度と同じである。ｎ−ＧａＮ層を形成する際には、シランガス、ＴＭＧ、アンモニアを供給した。このときの基板温度は、その直前に形成したＩｎＧａＮ層の基板温度と同じである。すなわち、単位積層体５１を同じ温度で形成する。そして、その上に形成する単位積層体５２の基板温度は、単位積層体５１の基板温度よりも５℃低い温度である。このように、単位積層体を積層する基板温度は、その直前に積層した単位積層体の基板温度よりも５℃低い温度とする。これにより、図３（ｂ）に示した積層構造が形成された。

【0093】

２．変形例
２−１．温度プロファイル
本実施例では、ｎ側超格子層５０のＩｎＧａＮ層を形成する度に基板温度を５℃ずつ低い温度にした。もちろん、この温度差（ＴＡ１−ＴＡ２）を５℃以上としてもよい。

【0094】

また、ｎ側超格子層５０の最初に形成するＩｎＧａＮ層の形成温度Ｘから、ｎ側超格子層５０の最後に形成するＩｎＧａＮ層の形成温度Ｙにかけて、徐々に温度を下降させるようにすれば、どのような温度プロファイルを用いてもよい。ただし、図６に示すように、ＩｎＧａＮ層を形成している期間ｔ１においては、基板温度を一定とすることが好ましい。また、期間ｔ２、ｔ３においても同様である。

【0095】

２−２．Ｉｎ流量
本実施例では、ＩｎＧａＮ層形成する際に、発光層に近いＩｎＧａＮ層ほど低い基板温度でＩｎＧａＮ層を成長させることとした。しかし、基板温度を下げる代わりに、または、基板温度を下げるとともに、サファイア基板１０に供給するＩｎの流量を多くしてもよい。これにより、ＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比を、発光層に近づくほど大きい値にすることができる。これにより、歪を緩和することができる。つまり、製造された半導体素子の発光効率は改善される。

【符号の説明】

【0096】

１０…サファイア基板
２０…低温バッファ層
３０…ｎ型コンタクト層
４０…ｎ型ＥＳＤ層
５０、１５０…ｎ側超格子層
５１Ａ、５２Ａ、５９Ａ、１５１Ａ、１５２Ａ、１５９Ａ…ＩｎＧａＮ層
５１Ｂ、５２Ｂ、５９Ｂ…ＧａＮ層
５１Ｃ、５２Ｃ、５９Ｃ…ｎ−ＧａＮ層
６０…ＭＱＷ層
６１Ｄ、６２Ｄ…ＩｎＧａＮ層
６１Ｅ、６２Ｅ…ＡｌＧａＮ層
７０…ｐ型クラッド層
８０…ｐ型コンタクト層
９０…積層体
１００…発光素子
Ｐ１…ｐ電極
Ｎ１…ｎ電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】