特許 6010869 ＩＩＩ 族窒化物半導体発光素子

(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】6010869

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】ＩＩＩ 族窒化物半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/12 20100101AFI20161006BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20161006BHJP

   H01L 33/06 20100101ALI20161006BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/12

   H01L33/32

   H01L33/06

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-198723(P2013-198723)

(22)【出願日】2013年9月25日

(65)【公開番号】特開2015-65329(P2015-65329A)

(43)【公開日】2015年4月9日

【審査請求日】2015年9月25日

(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】永田 賢吾

(72)【発明者】

【氏名】中村 亮

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０６５６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１６９３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１８７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 再公表特許第２００４／００８５５１（ＪＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１２０７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５３９５８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５，２１／３１，２１／３６５，２１／４６９，

２１／８６，３３／００−３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層と、を有するIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層は、
井戸層と、
Ｉｎを含有するＡｌＧａＮ層から成る障壁層とを有し、
前記障壁層におけるＩｎの濃度が、６×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であり、
前記ｎ型半導体層から少なくとも前記発光層と前記ｐ型半導体層との境界面にかけて形成されたピットを有し、
前記発光層と前記ｎ型半導体層との境界面における前記ピットのピット径が、
１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内であり、
前記発光層と前記ｐ型半導体層との境界面における前記ピットのピット径が、
前記発光層と前記ｎ型半導体層との境界面における前記ピットのピット径よりも大きいこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記障壁層におけるＩｎの濃度が、
１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上４．５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記発光層と前記ｎ型半導体層との境界面における前記ピットの径に対する、前記発光層と前記ｐ型半導体層との境界面における前記ピットの径の比は、１．１以上１．２５以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

請求項１から請求項３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において、
前記発光層における前記ピットが広がる角度は、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層における前記ピットが広がる角度より小さいこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発光層にかかる応力の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

III 族窒化物半導体発光素子は、電子と正孔とが再結合することにより発光する発光層を有する。発光層は、井戸層と、障壁層と、を有する。障壁層のバンドギャップは、井戸層のバンドギャップよりも大きい。そして、半導体発光素子には、井戸層と障壁層とを繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するものがある。そして、障壁層として、ＡｌＧａＮ層を用いることがある。しかし、ＡｌＧａＮ層の結晶品質は、それほど高くない。結晶品質の低下は、発光効率の低下を招く。

【0003】

そのため、結晶品質の向上を図る技術が開発されてきている。例えば、特許文献１では、障壁層としてのＡｌＧａＮ層にＩｎを添加するとともに、ドナー不純物をドーピングすることにより、格子欠陥が少なく結晶品質に優れた半導体層が得られる旨が記載されている（特許文献１の段落［００２０］参照）。その場合のＩｎ濃度を、１×１０¹⁷ｃｍ^-3から７×１０²²ｃｍ^-3までの範囲内とするとよい旨が記載されている（特許文献１の段落［０００９］参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−６４２４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

障壁層としてのＡｌＧａＮ層にＩｎを添加することで、より平坦な半導体層が得られる。また、本発明者ら、その他の研究者の研究の結果、貫通転位に由来するピットにより、発光層にかかる応力を低減させることができることが明らかとなってきている。本発明者らの鋭意研究の結果、このピットを形成するとともにＡｌＧａＮ層にＩｎを添加した場合には、Ｉｎを含むＡｌＧａＮ層がピットを埋めてしまうことが明らかとなった。そのため、ピットが発光層の応力を緩和する効果が減少する。これにより、半導体発光素子の発光効率は低下する。

【0006】

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。すなわちその課題は、表面の平坦な半導体層を有するとともに発光層にかかる応力の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層と、を有する。発光層は、井戸層と、Ｉｎを含有するＡｌＧａＮ層から成る障壁層とを有する。この障壁層におけるＩｎの濃度が、６×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。また、このIII 族窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層から少なくとも発光層とｐ型半導体層との境界面にかけて形成されたピットを有する。そして、発光層とｎ型半導体層との境界面におけるピットのピット径が、１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内である。発光層とｐ型半導体層との境界面におけるピットのピット径が、発光層とｎ型半導体層との境界面におけるピットのピット径よりも大きい。

【0008】

このIII 族窒化物半導体発光素子では、発光層におけるＩｎを含むＡｌＧａＮ層のＩｎ濃度がそれほど高くない。そのため、Ｉｎを含むＡｌＧａＮ層が、ピットを埋めきってしまうおそれがない。つまり、下地層の膜厚内部で発生したピット層が、発光層の上方にかけてまで継続して存在している。そのため、発光層にかかる応力を緩和することができる。また、発光層の上面は、平坦である。

【0009】

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子では、障壁層におけるＩｎの濃度が、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上４．５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲内である。

【0010】

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子では、発光層とｎ型半導体層との境界面におけるピットの径に対する、発光層とｐ型半導体層との境界面におけるピットの径の比は、１．１以上１．２５以下の範囲内である。第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、発光層におけるピットが広がる角度は、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層におけるピットが広がる角度より小さい。

【発明の効果】

【0011】

本発明では、表面の平坦な半導体層を有するとともに発光層にかかる応力の緩和を図ったIII 族窒化物半導体発光素子が提供されている。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係る発光素子の構造を示す概略構成図である。

【図2】実施形態に係る発光素子の半導体層の積層構造を示す図である。

【図3】実施形態に係る発光素子に形成されるピットの巨視的な形状を説明するための図である。

【図4】実施形態に係る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5】実施形態に係る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6】実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するための図（その３）である。

【図7】発光層の障壁層に含有させたＩｎの濃度と発光素子の発光強度との関係を示すグラフである。

【図8】ｎ型半導体層と発光層との境界面におけるピット径と相対的光出力との関係を示すグラフである。

【図9】ｎ型半導体層と発光層との境界面におけるピット径に対する発光層とｐ型半導体層との境界面におけるピット径の比と相対的光出力との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態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。また、後述するピットの大きさ等については、実際のものより大きく描いてある。

【0014】

１．半導体発光素子
本実施形態に係る発光素子１００の概略構成を図１に示す。図２は、発光素子１００における半導体層の積層構造を示す図である。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。

【0015】

図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ型ＥＳＤ層１４０と、ｎ型ＳＬ層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、パッシベーション膜Ｆ１と、を有している。ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ型ＥＳＤ層１４０と、ｎ型ＳＬ層１５０とは、ｎ型半導体層である。ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、ｐ型半導体層である。

【0016】

基板１１０の主面上には、各半導体層が、低温バッファ層１２０、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ型ＥＳＤ層１４０、ｎ型ＳＬ層１５０、発光層１６０、ｐ型クラッド層１７０、ｐ型コンタクト層１８０の順に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。

【0017】

基板１１０は、ＭＯＣＶＤ法により、主面上に上記の各半導体層を形成するための成長基板である。そして、その表面に凹凸加工がされていてもよい。基板１１０の材質は、サファイアである。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどの材質を用いてもよい。

【0018】

低温バッファ層１２０は、基板１１０の結晶性を受け継ぎつつ、上層を形成するためのものである。そのため、低温バッファ層１２０は、基板１１０の主面上に形成されている。低温バッファ層１２０の材質は、例えばＡｌＮやＧａＮである。

【0019】

ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１とオーミック接触をとるためのものである。ｎ型コンタクト層１３０は、低温バッファ層１２０の上に形成されている。また、ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１の下に位置する層である。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型ＧａＮ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１３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極Ｎ１とのオーミック性を向上させるためである。ｎ型コンタクト層１３０の厚みは、例えば、４μｍである。もちろん、これ以外の厚みを用いてもよい。

【0020】

ｎ型ＥＳＤ層１４０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１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ型ＥＳＤ層１４０は、ノンドープのｉ−ＧａＮとｎ型ＧａＮとを積層した半導体層である。ｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚は、例えば、３００ｎｍである。

【0021】

ｎ型ＳＬ層１５０は、発光層１６０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型ＳＬ層１５０は、超格子構造を有するｎ型超格子層である。ｎ型ＳＬ層１５０は、ｎ型ＥＳＤ層１４０の上に形成されている。図２に示すように、ｎ型ＳＬ層１５０は、ＩｎＧａＮ層１５１と、ｎ型ＧａＮ層１５２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。その繰り返し回数は、１０回以上２０回以下の範囲内である。ただし、これ以外の回数であってもよい。また、ノンドープのＧａＮをＩｎＧａＮ層１５１と、ｎ型ＧａＮ層１５２との間に形成してもよい。

【0022】

発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１６０は、ｎ型ＳＬ層１５０の上に形成されている。発光層１６０は、障壁層１６１と、井戸層１６２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。つまり、発光層１６０は、この単位積層体を繰り返し積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するものである。

【0023】

この積層の繰り返し回数は、例えば、５回である。もちろん、これ以外の回数であってもよい。障壁層１６１は、Ｉｎを含むＡｌＧａＮ層である。また、後述するように、障壁層１６１におけるＩｎ濃度は、６×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。井戸層１６２は、例えば、ＩｎＧａＮ層である。これらは、あくまで例示である。ただし、井戸層１６２は、Ｉｎを含む層である。なお、障壁層１６１として、上記のＩｎを含むＡｌＧａＮ層以外の層を有していてもよい。

【0024】

障壁層１６１の厚みは、１０Å以上１００Å以下の範囲内である。井戸層１６２の厚みは、１０Å以上５０Å以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。そのため、ここで挙げた数値範囲を用いてもよい。なお、発光層１６０の全体での厚みは、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内である。もちろん、これ以外の範囲内であってもよい。

【0025】

また、井戸層１６２の上にキャップ層を有していてもよい。キャップ層は、例えば、ＧａＮ層である。キャップ層は、井戸層１６２を熱から保護するための保護層である。例えば、井戸層１６２のＩｎを昇華させないようにする役割を担っている。キャップ層の厚みは、２Å以上１８Å以下の範囲内である。キャップ層の厚みは、少なくとも２Å以上であるとよい。

【0026】

ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。図２に示すように、ｐ型クラッド層１７０は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層して形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１のＩｎ組成比は、０．０５以上０．１２以下の範囲内である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１の厚みは、２ｎｍである。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２のＡｌ組成比は、０．２５以上０．４以下の範囲内である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２の厚みは、２．５ｎｍである。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、異なる構成であってもよい。

【0027】

ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ電極Ｐ１とオーミック接触するためのものである。ｐ型コンタクト層１８０の厚みは、８０ｎｍである。ｐ型コンタクト層１８０では、Ｍｇが１×１０¹⁹／ｃｍ³ 以上１×１０²²／ｃｍ³ 以下の範囲内でドープされている。

【0028】

ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、ｐ型コンタクト層１８０とオーミック接触している。ｐ電極Ｐ１の材質は、ＩＴＯである。

【0029】

ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０とオーミック接触している。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。もちろん、これらに限らない。

【0030】

パッシベーション膜Ｆ１は、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ型ＥＳＤ層１４０、ｎ型ＳＬ層１５０、発光層１６０、ｐ型クラッド層１７０、ｐ型コンタクト層１８０の側面を覆うとともに、ｐ電極Ｐ１の一部およびｎ電極Ｎ１の一部を覆っている。つまり、ｐ電極Ｐ１の残部およびｎ電極Ｎ１の残部は、パッシベーション膜Ｆ１に覆われずに露出している。パッシベーション膜Ｆ１の材質は、例えば、ＳｉＯ₂ である。

【0031】

２．ピットの形状
２−１．ピットの全体的な形状
図３に、発光素子１００に形成されるピットＸを示す。図３では、ピットＸの形状については、やや極端に描いてある。ピットＸは、貫通転位ＴＤ１を起点に形成される。ピットＸは、ｎ型ＥＳＤ層１４０から成長する。つまり、基板１１０から上方に成長する貫通転位ＴＤ１がｎ型ＥＳＤ層１４０の膜の内部で、横方向、すなわち貫通転位の成長方向に対して垂直な方向に広がる。そして、それがピットＸとなる。ピットＸは、ｎ型ＥＳＤ層１４０からｐ型クラッド層１７０に達している。すなわち、ピットＸは、ｎ型半導体層からｐ型半導体層にかけて形成されている。

【0032】

図３に示すように、ｎ型半導体層の膜厚内では、ピットＸの直径は、ｎ型半導体層から発光層１６０に向かうにつれて広がっている。そして、発光層１６０の膜厚内では、ピットＸの直径は、ｐ型半導体層に向かうにつれてわずかに広がっている。そして、ｐ型半導体層の膜厚内では、ピットＸの直径は、ｐ電極Ｐ１の側に向かうにつれてやや広がっている。

【0033】

なお、ピットＸの断面形状は、六角形もしくは円形である。理論的には六角形であるが、実際には、円形に近い形状であることが多い。そのため、便宜上、ピットＸの開口幅のことを、ピットＸの直径ということとする。ピットＸの直径は、図３（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）からも明らかなように、半導体層の内部の位置によって異なった値をとる。

【0034】

２−２．発光層におけるピット
本実施形態では、発光層１６０の井戸層１６２および障壁層１６１のいずれも、Ｉｎを含有している。Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体層は、エピタキシーによる成長とともに横方向、すなわち膜厚方向に垂直な方向に広がろうとする。これは、Ｉｎが触媒のように働いて、III 族窒化物半導体層を押し広げようとするためであると考えられる。そのため、Ｉｎを含むIII 族窒化物半導体層は、成長の過程でピットＸの内部に入り込もうとする。

【0035】

図３に示すように、Ｉｎを含む層は、前に堆積した下地層の上に、形成される。ｎ型ＳＬ層１５０側のすぐ上に形成される障壁層１６１は、ｎ型ＳＬ層１５０の平坦面１５０ａと、窪み１５０ｂと、の双方の面から形成されている。そして、ピットＸの箇所における障壁層１６１および井戸層１６２は、円錐もしくは六角錐の形状になっている。そして、その円錐もしくは六角錐の形状が堆積する。

【0036】

２−３．ｐ型半導体層におけるピット
ｐ型半導体層の膜厚内では、ピットＸはやや広がっている。ｐ型クラッド層１７０は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を有する。このうちのｐ型ＩｎＧａＮ層１７１におけるＩｎの含有量は、それほど高くない。そして、Ｉｎを含有しないｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１とが、交互に積層されている。

【0037】

２−４．ｎ型半導体層におけるピット
また、ｎ型半導体層の膜厚内では、ピットＸは広がっている。ｎ型ＳＬ層１５０がＩｎＧａＮ層１５１を有している。しかし、Ｉｎを含む半導体層が連続して形成されているわけではない。

【0038】

２−５．ピット径
また、図３にピットＸのピット径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を示す。ピット径Ｄ１は、発光層１６０とｎ型ＳＬ層１５０との境界面におけるピットＸの直径である。すなわち、ピット径Ｄ１は、発光層１６０とｎ型半導体層との境界面におけるピットＸの直径である。ピット径Ｄ２は、発光層１６０とｐ型クラッド層１７０との境界面におけるピットＸの直径である。すなわち、ピット径Ｄ２は、発光層１６０とｐ型半導体層との境界面におけるピットＸの直径である。ピット径Ｄ３は、ｐ型クラッド層１７０とｐ型コンタクト層１８０との境界面におけるピットＸの直径である。なお、ピットＸは、ｐ型クラッド層１７０の箇所に至るまで形成されており、ｐ型コンタクト層１８０には存在しない。

【0039】

これらのピットＸの断面形状が六角形である場合には、ピット径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、六角形の向かい合う頂点を結ぶ長さを指すこととする。また、これらのピットＸの断面形状が円形である場合には、ピット径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、円形の直径を指すこととする。なお、今後、ピット径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３という場合には、それぞれの平均値をいうこととする。

【0040】

このピットＸのピット径Ｄ１は、ｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚と、ｎ型ＥＳＤ層１４０を成長させる成長温度とにより、変化する値である。ｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚を厚くするほど、ピット径Ｄ１は大きくなる。逆に、ｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚を薄くするほど、ピット径Ｄ１は小さくなる。また、ｎ型ＥＳＤ層１４０を成長させる成長温度を高くするほど、ピット径Ｄ１は小さくなる。逆に、ｎ型ＥＳＤ層１４０を成長させる成長温度を低くするほど、ピット径Ｄ１は大きくなる。したがって、形成するｎ型ＥＳＤ層１４０の膜厚と、その成長温度とを設定することにより、ピット径Ｄ１を調整することができる。また、ｎ型ＥＳＤ層より上層の半導体層を形成する場合であっても、形成する半導体層の膜厚もしくは成長温度とピット径Ｄ１との関係は同様である。

【0041】

本実施形態では、ピット径Ｄ１について次の式（１）を満たすようにする。
１２０ｎｍ ≦ Ｄ１ ≦ ２００ｎｍ ………（１）
つまり、ピット径Ｄ１を１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内とする。式（１）を満たすピットＸを形成することにより、障壁層１６１としてＩｎを含有するＡｌＧａＮ層を形成した場合に、発光層１６０にかかる応力が緩和される。詳細については、後述する実験のところで説明する。また、後述するように、ピットＸのピット径Ｄ１は、１４０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の範囲内であると、好ましい。

【0042】

図３では、ピット径Ｄ２は、ピット径Ｄ１よりやや大きい。つまり、発光層１６０とｐ型半導体層との境界面におけるピット径Ｄ２は、発光層１６０とｎ型半導体層との境界面におけるピット径Ｄ１よりもやや大きい。また、図３では、ピット径Ｄ２は、ピット径Ｄ３よりも小さい。

【0043】

なお、このようにピット径が変わる理由として次のようなものが挙げられる。つまり、Ｉｎの含有量によって、成長速度比が変わるためであると考えられる。ここで成長速度比とは、ピットの外側におけるｃ軸方向の成長速度と、ピットの内側におけるピットの斜面に垂直な方向の成長速度と、の比である。また、後述するように、積層する各層の成長温度も、それぞれの層ごとに異なっている。そのため、上記の成長速度比が、変わる。

【0044】

３．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。ここで用いるキャリアガスは、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 ）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ ）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃ ）₃ ）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）を用いる。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 ）を用いる。

【0045】

３−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、基板１１０の主面上に低温バッファ層１２０を形成する。その後に、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、１０８０℃以上１１４０℃以下の範囲内である。ドープするＳｉのＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³ 以上である。

【0046】

３−２．静電耐圧層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ型ＥＳＤ層１４０を形成する。このときの基板温度は、７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。そして、この工程では、図４に示すように、底部Ｂ１からピットＸ１を形成する。ピットＸ１は、この後の半導体層の成長にともなって成長し、ピットＸとなるものである。このように、ピットＸ１を形成しつつ、ｎ型ＥＳＤ層１４０を形成する。

【0047】

３−３．ｎ型超格子層形成工程
次に、ｎ型ＳＬ層１５０を形成する。まずは、ｎ型ＥＳＤ層１４０の上にＩｎＧａＮ層１５１から形成する。次に、図２に示すように、ＩｎＧａＮ層１５１の上にｎ型ＧａＮ層１５２を形成する。そして、このＩｎＧａＮ層１５１とｎ型ＧａＮ層１５２とを単位積層体として繰り返し形成する。これにより、図４に示すように、ピットＸ１は広がる。この段階で、ピット径Ｄ１は、式（１）を満たしている。

【0048】

３−４．発光層形成工程
次に、発光層１６０を形成する。そのために、障壁層１６１と、井戸層１６２とを、この順序で積層した単位積層体を繰り返し積層する。つまり、発光層形成工程は、障壁層１６１を形成する障壁層形成工程と、障壁層１６１の上に井戸層１６２を形成する井戸層形成工程と、を有する。そして、これらの工程を繰り返し行う。

【0049】

障壁層１６１を成長させる際の基板温度を、８００℃以上９８０℃以下の範囲内とする。井戸層１６２を成長させる際の基板温度を、７３０℃以上８５０℃以下の範囲内とする。ここで、発光層１６０の全体での厚みを、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲内とする。

【0050】

３−５．ｐ型超格子層形成工程
次に、ｐ型クラッド層１７０を形成する。ここでは、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層する。

【0051】

３−６．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度を、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内とする。これにより、基板１１０に各半導体層が積層されることなる。このとき、図６に示すように、ピットＸは、ｎ型ＥＳＤ層１４０からｐ型コンタクト層１８０に達するまでの領域にわたって形成されている。

【0052】

３−７．電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１８０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。

【0053】

３−８．絶縁膜形成工程
そして、半導体層の側面等およびｐ電極Ｐ１の一部とｎ電極Ｎ１の一部とを、パッシベーション膜Ｆ１で覆う。このパッシベーション膜Ｆ１として、ＳｉＯ₂ が挙げられる。もちろん、その他の透明性絶縁膜を形成することとしてもよい。もしくは、パッシベーション膜Ｆ１で、発光素子１００の全体を覆った後に、必要な箇所だけ露出させることとしてもよい。

【0054】

３−９．その他の工程
また、上記の工程の他、熱処理工程等、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１に示した発光素子１００が製造される。

【0055】

４．実験
４−１．障壁層のＩｎ濃度と光の強度
図７は、発光層１６０の障壁層１６１に含まれているＩｎの濃度と、そのときの素子の相対強度を示すグラフである。図７に示すように、Ｉｎ濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3のときの強度を基準とした。そのため、このときの相対強度の値は、１である。Ｉｎ濃度が２．０３×１０¹⁹ｃｍ^-3のときの相対強度の値は、１．０１０であった。Ｉｎ濃度が３．０６×１０¹⁹ｃｍ^-3のときの相対強度の値は、１．０１３であった。Ｉｎ濃度が４．１１×１０¹⁹ｃｍ^-3のときの相対強度の値は、０．９９９であった。Ｉｎ濃度が１．０５×１０²⁰ｃｍ^-3のときの相対強度の値は、０．９４３であった。

【0056】

図７のグラフから明らかなように、障壁層１６１におけるＩｎ濃度が、６．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下のときに、発光素子の相対強度が強い。さらに、障壁層１６１におけＩｎ濃度が、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上４．５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲内のときに、相対強度はより高い値をとる。したがって、障壁層１６１におけＩｎ濃度が、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上４．５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲内であるとより好ましい。より好ましくは、障壁層１６１におけＩｎ濃度が、２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以上３．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲内のときである。なお、図７において測定した発光素子のピット径Ｄ１は、いずれも１６０ｎｍ以上１９０ｎｍ以下であった。

【0057】

４−２．ピット径と光出力
図８は、ピット径Ｄ１と相対的光出力との関係を示すグラフである。図８の横軸は、ピット径（ｎｍ）である。図８の縦軸は、相対的光出力（ａ．ｕ．）である。ここでは、ピット径Ｄ１が４５．８ｎｍのときの相対的光出力を１とした。図８に示すように、ピット径Ｄ１が前述の式（１）を満たす場合に、相対的光出力が高い。式（１）の範囲を図８中の両矢印の範囲で示す。また、図８に示すように、好ましくは、ピットＸのピット径Ｄ１は、１４０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下の範囲内である。なお、図８における発光素子の障壁層１６１のＩｎ濃度は、２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3だった。

【0058】

４−３．ピット径の比
図９は、ピット径Ｄ１に対するピット径Ｄ２の比Ｒ１と、相対的光出力との関係を示すグラフである。図９の矢印で示すように、ピット径Ｄ１に対するピット径Ｄ２の比Ｒ１が、１．１以上１．２５以下の範囲内のときに、相対的光出力は大きい。

【0059】

図９において、障壁層１６１のＩｎ濃度が１．０７×１０²⁰ｃｍ^-3の場合に、比Ｒ１が、１．０６であった。障壁層１６１のＩｎ濃度が４．１１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合に、比Ｒ１が、１．１１であった。障壁層１６１のＩｎ濃度が２．０３×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合に、比Ｒ１が、１．１４であった。障壁層１６１のＩｎ濃度が１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3ｃｍ^-3の場合に、比Ｒ１が、１．２２であった。図７で説明したように、障壁層１６１のＩｎ濃度が６．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である場合に、相対的光出力は大きい。

【0060】

４−４．他の発光素子との比較
ここで、本実施形態の発光素子１００と、ＡｌＧａＮ層に含有させるＩｎの濃度の高い発光素子とを比較する。障壁層１６１のＡｌＧａＮ層に含有させるＩｎの濃度を、仮に６×１０¹⁹ｃｍ^-3よりも大きくすると、ピットを埋めるか、もしくはピットの径が下層よりも小さいこととなってしまう。つまり、ピットが上層にいくにしたがい、その径が小さくなってしまう。これでは、発光層１６０にかかる応力が十分に緩和されない。この場合の発光素子では、発光効率がそれほど高くない。また、障壁層１６１のＡｌＧａＮ層にＩｎを含有させないこととすると、平坦な半導体層は得られない。

【0061】

５．変形例
５−１．ｐ電極
本実施形態では、ｐ電極Ｐ１として、透明な導電性酸化物であるＩＴＯを用いた。しかし、ＩＴＯの他に、ＩＣＯ、ＩＺＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂ 、ＮｂＴｉＯ₂ 、ＴａＴｉＯ₂ の透明な導電性酸化物を用いることができる。また、ｐ電極Ｐ１の上に、金属から成る金属電極を形成してもよい。もしくは、ｐ電極Ｐ１の上にパッド電極を形成してもよい。

【0062】

５−２．発光素子の種類
本実施形態では、フェイスアップ型の発光素子１００を例に挙げて説明した。しかし、本実施形態以外にも、フリップチップ型の発光素子や基板リフトオフ型の発光素子に対しても、本発明を適用することができる。これらの場合であっても、ｎ型半導体層の途中から、ピットが発生することに変わりない。

【0063】

５−３．ピットの長さ
本実施形態では、ピットＸは、ｎ型半導体層からｐ型半導体層にかけて形成されているとした。しかし、ピットＸは、ｎ型半導体層から少なくとも発光層１６０とｐ型半導体層との境界面にかけて形成されていればよい。つまり、ｐ型半導体層には形成されていなくともよいし、ｐ型半導体層の最上層まで形成されていてもよい。

【0064】

５−４．組み合わせ
以上の変形例を自由に組み合わせてもよい。

【0065】

６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００では、発光層１６０の障壁層１６１としてＩｎを含有するＡｌＧａＮ層を用いるとともに、発光層１６０とｎ型ＳＬ層１５０との境界面におけるピットＸのピット径Ｄ１が、１２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内である。この場合には、表面は平坦性を有したまま、発光層にかかる応力を緩和することのできる発光素子１００が実現されている。

【0066】

なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、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。積層体の積層構造については、必ずしも図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。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。

【符号の説明】

【0067】

１００…発光素子
１１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０…ｎ型ＥＳＤ層
１５０…ｎ型ＳＬ層
１６０…発光層
１７０…ｐ型クラッド層
１８０…ｐ型コンタクト層
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極
Ｆ１…パッシベーション膜
Ｘ…ピット
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…ピット径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】