特許 6019541 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】6019541

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/06 20100101AFI20161020BHJP

   H01L 33/16 20100101ALI20161020BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/06

   H01L33/16

   H01L33/32

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-502031(P2014-502031)

(86)(22)【出願日】2013年2月26日

(86)【国際出願番号】JP2013001113

(87)【国際公開番号】WO2013128894

(87)【国際公開日】20130906

【審査請求日】2016年2月16日

(31)【優先権主張番号】特願2012-39483(P2012-39483)

(32)【優先日】2012年2月27日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304020177

【氏名又は名称】国立大学法人山口大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】只友 一行

(72)【発明者】

【氏名】岡田 成仁

【審査官】 吉野 三寛

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０２２７２４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−１１９７８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／００７６３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１５５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２６３１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３３８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 S. Pereira et al.，Structural and optical properties of InGaN/GaN layers close to the critical layer thickness， Appl. Phys. Lett.，２００２年，Vol. 81, No. 7，p. 1207-1209

【文献】 D. Holec et al.，Critical thickness calculations for InGaN/GaN，Journal of Crystal Growth，２００７年，Vol. 303，p. 314-317

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

主面が｛１１−２２｝面のＧａＮ層と、
上記ＧａＮ層の直上にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０１＜ｘ＜０．０５）がエピタキシャル成長して形成され、ｎ型ドーパントを含有した厚さ０．２μｍ以上のＩｎＧａＮ層と、
上記ＩｎＧａＮ層の直上にエピタキシャル成長して形成され、ＩｎＧａＮで形成された井戸層を含む紫色に発光するように構成された多重量子井戸層と、
を備え、
上記ＩｎＧａＮ層は、上記ＧａＮ層との間の格子不整合による歪みが完全に又は部分的に緩和しており、
上記多重量子井戸層の発光波長に対する発光強度分布の半値全幅が４０ｎｍ以下である半導体発光素子。

【請求項7】

請求項１に記載された半導体発光素子において、
上記ＧａＮ層が設けられた基板をさらに備えた半導体発光素子。

【請求項8】

請求項７に記載された半導体発光素子において、
上記基板がサファイア基板である半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体発光素子として、サファイア基板上にｎ型ＧａＮ層が設けられ、さらにその上にＧａＮとＩｎＧａＮとが交互に積層されて構成された多重量子井戸層が設けられた構造は公知である。

【0003】

また、特許文献１には、サファイア基板上にバッファ層を介してｎ型ＧａＮ層が設けられ、そして、その上にノンドープのＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０．０１≦ａ≦０．０５）で形成された厚さ１８０ｎｍの歪み緩和層が設けられ、さらにその上にＧａＮとＩｎＧａＮとが交互に積層されて構成された多重量子井戸層が設けられ、サファイア基板と多重量子井戸層との熱膨張係数の差異により発生する歪みによる応力を歪み緩和層により緩和した半導体発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１１−２３３８２４号公報

【発明の概要】

【0005】

本発明は、主面が非極性面又は半極性面のＧａＮ層と、
上記ＧａＮ層の直上にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．１）がエピタキシャル成長して形成され、ｎ型ドーパントを含有した厚さ０．２μｍ以上のＩｎＧａＮ層と、
上記ＩｎＧａＮ層の直上にエピタキシャル成長して形成され、ＩｎＧａＮで形成された井戸層を含む多重量子井戸層と、
を備え、
上記ＩｎＧａＮ層は、上記ＧａＮ層との間の格子不整合による歪みが完全に又は部分的に緩和している半導体発光素子である。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。

【図2】（ａ）〜（ｅ）は実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の説明図である。

【図3】ＩｎＧａＮ層のＩｎの含有割合ｘとリファレンスを基準としたＰＬ発光強度の倍率との関係を示すグラフである。

【図4】ｎ型ＩｎＧａＮ層の厚さと発光強度分布の半値全幅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】

【0007】

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

【0008】

（半導体発光素子）
図１は実施形態に係る半導体発光素子１０を示す。本実施形態に係る半導体発光素子１０は、例えば半導体レーザや発光ダイオードとして好適に用いられるものである。

【0009】

本実施形態に係る半導体発光素子１０は、基板１１上に、ｕ-ＧａＮ層１２、ｎ型ＧａＮ層１３、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４、多重量子井戸層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、及びｐ型ＧａＮ層１７が順に積層され、そして、エッチングにより露出したｎ型ＩｎＧａＮ層１４上にｎ型電極１８及びｐ型ＧａＮ層１７上にｐ型電極１９がそれぞれ設けられた構成を有する。

【0010】

ここで、基板１１としては、例えば、典型的にはサファイア基板（Ａｌ_２Ｏ_３のコランダム構造の単結晶基板）が挙げられ、その他、ＺｎＯ基板、ＳｉＣ基板等が挙げられる。また、基板１１は、基板表面にエッチング等により微細凹凸を形成した加工基板であってもよく、また、基板表面に酸化窒化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）或いは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を部分的に設けて微細凹凸を形成した加工基板であってもよい。基板１１は、例えば、発光素子の状態では矩形板状に形成されており、縦及び横のそれぞれが２００〜１０００μｍ、並びに厚さが５０〜３００μｍである。

【0011】

基板１１の主面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、ｎ面＜｛１−１２３｝面＞及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよい。

【0012】

基板１１の結晶成長面は、主面であってもよく、また、加工基板の凹凸の側面であってもよい。基板１１の結晶成長面は、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、ｎ面＜｛１−１２３｝面＞及びｒ面＜｛１−１０２｝面＞のいずれであってもよく、また、他の面方位の結晶面であってもよい。

【0013】

ｕ-ＧａＮ層１２は、基板１１の結晶成長面からＧａＮがドーパントを含まずにエピタキシャル結晶成長して形成されている。ｕ-ＧａＮ層１２の厚さは例えば２〜２０μｍである。

【0014】

ｕ-ＧａＮ層１２の主面は、非極性面又は半極性面であり、｛１１−２２｝面であってもよく、また、｛１０−１１｝面等の他の面方位の結晶面であってもよい。

【0015】

ｎ型ＧａＮ層１３はあっても無くてもよい。ｎ型ＧａＮ層１３は、ｕ-ＧａＮ層１２の直上に、ＧａＮがｎ型のドーパントを含んでｕ-ＧａＮ層１２と同一面方位にエピタキシャル結晶成長して形成されており、従って、主面が非極性面又は半極性面である。ｎ型ドーパントとしては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。ｎ型ドーパントの濃度は例えば１．０×１０^１７〜１．０×１０^２０／ｃｍ^３である。ｎ型ＧａＮ層１３の厚さは例えば２〜１０μｍである。

【0016】

ｎ型ＩｎＧａＮ層１４は、ｎ型ＧａＮ層１３がある場合はその直上に、無い場合はＧａＮ層１２の直上に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮがｎ型のドーパントを含んでｎ型ＧａＮ層１３と同一面方位にエピタキシャル結晶成長して形成されており、従って、主面が非極性面又は半極性面である。

【0017】

ｎ型ＩｎＧａＮ層１４を形成するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮは、Ｉｎの含有割合が０＜ｘ＜０．１であり、好ましくは０＜ｘ＜０．０５であり、より好ましくは０．０１＜ｘ＜０．０５である。ｎ型ドーパントとしては、ｎ型ＧａＮ層１３の場合と同様、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。ｎ型ドーパントの濃度は例えば１．０×１０^１７〜１．０×１０^２０／ｃｍ^３である。ｎ型ＩｎＧａＮ層１４は、単一層で構成されていてもよく、また、ｎ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。

【0018】

ｎ型ＩｎＧａＮ層１４の厚さは０．２μｍ以上であるが、好ましくは０．２〜１０μｍであり、より好ましくは０．５〜５μｍである。

【0019】

そして、以上の構成のｎ型ＩｎＧａＮ層１４は、ｎ型ＧａＮ層１３との間の格子不整合による歪みが完全に又は部分的に緩和している。ここで、本出願において、「完全緩和」とは、ＩｎＧａＮ層が下地のＧａＮ層に対して１００％緩和していることを意味し、「部分緩和」とは、緩和率＞０であると定義する。

【0020】

多重量子井戸層１５は、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４の直上に、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４と同一面方位に半導体がエピタキシャル結晶成長して形成され、従って、主面が非極性面又は半極性面であり、そして、障壁層１５ａと井戸層１５ｂの交互積層構造を有する。障壁層１５ａ及び井戸層１５ｂの層数は例えば３〜１５層である。多重量子井戸層１５は発光層を構成し、その発光波長は、可視領域の波長であって、具体的にはＩｎＧａＮの発光領域の３６０〜６４０ｎｍである。多重量子井戸層１５は、紫色、青色、又は緑色に発光するように構成されていることが好ましく、紫色に発光するように構成されていることがより好ましい。ここで、紫色の発光波長域は３８０〜４５０ｎｍ、青色の発光波長域は４５０〜４９５ｎｍ、緑色の発光波長域は４９５〜５７０ｎｍである。

【0021】

井戸層１５ｂはＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮで形成されており、ｙはｘよりも大きいことが好ましい。井戸層１５ｂの厚さは例えば１〜２０ｎｍである。

【0022】

障壁層１５ａを形成する半導体は、例えばバンドギャップが井戸層１５ｂよりも大きいＧａＮ等が挙げられる。障壁層１５ａの厚さは例えば５〜２０ｎｍである。

【0023】

ｐ型ＡｌＧａＮ層１６は、多重量子井戸層１５の直上に、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮがｐ型のドーパントを含んで多重量子井戸層１５と同一面方位にエピタキシャル結晶成長して形成されており、従って、主面が非極性面又は半極性面である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６を形成するＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮは、Ａｌの含有割合が例えば０．０５＜ｚ＜０．３である。ｐ型ドーパントとしては、例えば、Ｍｇ、Ｃ等が挙げられる。ｐ型ドーパントの場合、アクセプタ準位が深く、ドーパント濃度と自由正孔濃度とが大きく異なることから、ホール効果で測定される自由正孔濃度を含有量評価指標とするが、その自由正孔濃度は例えば１．０×１０^１７〜５×１０^１８／ｃｍ^３である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６は、単一層で構成されていてもよく、また、ｐ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の厚さは例えば１０〜３０ｎｍである。

【0024】

ｐ型ＧａＮ層１７は、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の直上に、ＧａＮがｐ型のドーパントを含んでｐ型ＡｌＧａＮ層１６と同一面方位にエピタキシャル結晶成長して形成されており、従って、主面が非極性面又は半極性面である。ｐ型ドーパントとしては、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の場合と同様、例えば、Ｍｇ、Ｃ等が挙げられる。ホール効果測定で測定される自由正孔濃度は例えば２．０×１０^１７〜１０×１０^１７／ｃｍ^３である。ｐ型ＧａＮ層１７は、単一層で構成されていてもよく、また、ｐ型ドーパントの種類や濃度の異なる複数の層で構成されていてもよい。ｐ型ＧａＮ層１７の厚さは例えば５０〜２００ｎｍである。

【0025】

なお、ｐ型層については、これらのｐ型ＡｌＧａＮ層１６及びｐ型ＧａＮ層１７に限定されるものではなく、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの超格子構造等の特殊な構造であってもよい。

【0026】

ｎ型電極１８の構成電極材料としては、例えば、Ｃｒ／Ａｕ，Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等が挙げられる。ｎ型電極１８の厚さは例えばＴｉ／Ａｌ（１０ｎｍ／５００ｎｍ）である。

【0027】

ｐ型電極１９としては、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等の積層構造、或いは合金等、又はＩＴＯ（酸化インジウム錫）などの酸化物系透明導電材料が挙げられる。ｐ型電極１９の厚さは例えばＩＴＯの場合１０〜２００ｎｍである。ｐ型電極１９の上にはワイヤーボンディング用のパッド電極が必要であり、多くの場合はｎ型電極１８と同じ材料系で作製される。

【0028】

ところで、主面が非極性面であるIII族窒化物半導体を用いた半導体発光素子では、その物性の利点から高い発光効率が期待されているが、実際には、多重量子井戸層に含まれるＩｎＧａＮで形成された井戸層に欠陥が入りやすいといった構造的な欠点を有し、その物性の利点を十分に生かしきれていないという問題がある。

【0029】

これに対し、上記構成の本実施形態に係る半導体発光素子１０では、ｎ型ＧａＮ層１３と多重量子井戸層１５との間にＩｎＧａＮの層が介設されており、そのため発光層での転位の発生が抑制される。また、ｎ型ドーパントを含有する主面が非極性面又は半極性面のｎ型ＧａＮ層１３と多重量子井戸層１５との間に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．１）がエピタキシャル成長して形成された、ｎ型ＧａＮ層１３と同型のｎ型ドーパントを含有した厚さ０．２μｍ以上のｎ型ＩｎＧａＮ層１４が介設され、しかも、そのｎ型ＩｎＧａＮ層１４がｎ型ＧａＮ層１３との間の格子不整合による歪みが完全又は部分的に緩和し、そのため欠陥は貫通転位とならないため、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４の欠陥密度が下地のｎ型ＧａＮ層１３と同等となることにより高い発光効率を得ることができる。具体的には、多重量子井戸層１５の発光波長に対する発光強度分布の半値全幅が４０ｎｍ以下であることが好ましく、３５ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、ｎ型ＧａＮ層１３が無く、ｕ-ＧａＮ層１２と多重量子井戸層１５との間にｎ型ＩｎＧａＮ層１４が介設された構成であっても同様の作用効果を得ることができる。

【0030】

（半導体発光素子の製造方法）
次に、本実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法について図２（ａ）〜（ｅ）に基づいて説明する。

【0031】

本実施形態に係る半導体発光素子１０の製造方法では、ウエハ１１’上にｕ-ＧａＮ層１２、ｎ型ＧａＮ層１３（Ｓｉドープ）、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４（Ｓｉドープ）、発光層である多重量子井戸層１５（障壁層１５ａ：ＧａＮ、井戸層１５ｂ：ＩｎＧａＮ）、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６（Ｍｇドープ）、及びｐ型ＧａＮ層１７（Ｍｇドープ）の各半導体層を順に形成した後、エッチングによりｎ型ＧａＮ層１３を露出させ、そして、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４及びｐ型ＧａＮ層１７の上にそれぞれｎ型電極１８及びｐ型電極１９を形成する。

【0032】

＜ウエハの準備＞
ウエハ１１’を準備する。ウエハ１１’は、その直径によっても変わるが厚さが０．３〜３．０ｍｍ、及び直径が５０〜３００ｍｍである。なお、直径５０ｍｍのウエハ１１’の場合では、１枚の上に５０００〜１２０００個の半導体発光素子１０を作り込むことができる。

【0033】

ウエハ１１’の表面には、必要に応じて、エッチング、或いは、酸化窒化ケイ素（ＳiＯｘＮｙ）の堆積により、サブミクロンオーダーの多数の微細凹凸を形成加工する。

【0034】

＜半導体層の形成＞
以下の各半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、ハロゲン気相成長法（ＶＰＥ法）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）等が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した各半導体層の形成方法について説明する。

【0035】

各半導体層の形成に用いるＭＯＶＰＥ装置は、各々、電子制御される、ウエハ搬送系、ウエハ加熱系、ガス供給系、及びガス排気系で構成されている。ウエハ加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、その上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成されている。そして、ＭＯＶＰＥ装置は、ウエハ加熱系において、搬送される石英トレイのサセプタの上にセットされたウエハ１１’上に反応ガスにより半導体層を結晶成長させるように構成されている。

【0036】

−ｕ-ＧａＮ層−
上記ＭＯＶＰＥ装置を用いて、ウエハ１１’を石英トレイ上にセットした後、ウエハ１１’を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ_２を流通させ、その状態を数分間保持することによりウエハ１１’をサーマルクリーニングする。

【0037】

次いで、ウエハ１１’の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ_２を１０Ｌ／ｍｉｎ程度の流量（以下、ガス流量は基準状態（０℃、１気圧）での値とする。）で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。

【0038】

このとき、ウエハ１１’の結晶成長面を起点として、その上にアンドープのＧａＮがエピタキシャル結晶成長し、図２（ａ）に示すように、ウエハ１１’上にｕ-ＧａＮ層１２が構成される。

【0039】

なお、ｕ-ＧａＮ層１２を形成する前に低温バッファ層を形成する場合には、ウエハ１１’の温度を４００〜５００℃としてＧａＮを結晶成長させる。

【0040】

−ｎ型ＧａＮ層−
反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ_２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーパント供給源（ＳｉＨ_４）を、それぞれの供給流量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び１〜５×１０^−３μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。

【0041】

このとき、図２（ｂ）に示すように、ｕ-ＧａＮ層１２の直上にｎ型ＧａＮがエピタキシャル結晶成長してｎ型ＧａＮ層１３が形成される。

【0042】

−ｎ型ＩｎＧａＮ層−
ウエハ１１’の温度を６００〜８５０℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ_２を流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、III族元素供給源２（ＴＭＩ）、及びｎ型ドーパント供給源（ＳｉＨ_４）を供給する。

【0043】

このとき、図２（ｃ）に示すように、ｎ型ＧａＮ層１３の直上にｎ型ＩｎＧａＮがエピタキシャル結晶成長してｎ型ＩｎＧａＮ層１４が形成される。

【0044】

−多重量子井戸層−
ウエハ１１’の温度を６００〜８５０℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ２を流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給流量を流す。このとき、ｎ型ＩｎＧａＮ層１４の直上にＧａＮがエピタキシャル結晶成長して障壁層１５ａが形成される。

【0045】

次いで、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びIII族元素供給源２（ＴＭＩ）を流す。このとき、ＧａＮの障壁層１５ａの直上にＩｎＧａＮがエピタキシャル結晶成長して井戸層１５ｂが形成される。

【0046】

そして、上記と同様の操作を交互に繰り返し、図２（ｄ）に示すように、障壁層１５ａと井戸層１５ｂとを交互に形成することにより多重量子井戸層１５を構成する。なお、多重量子井戸層１５の発光波長は井戸層１５ｂの井戸幅（井戸層１５ｂの厚み）とＩｎＮ混晶比に依存し、ＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。ＩｎＮ混晶比はＴＭＩのモル流量／（ＴＭＧのモル流量＋ＴＭＩのモル流量）、Ｖ／ＩＩＩ比と成長温度によって決定される。

【0047】

−ｐ型ＡｌＧａＮ層及びｐ型ＧａＮ層−
ウエハ１１’の温度を８００〜１１００℃とすると共に反応容器内の圧力を１０ｋ〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスのＨ_２を流通させながら、そこに反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、III族元素供給源３（ＴＭＡ）、及びｐ型ドーパント供給源（Ｃｐ_２Ｍｇ）を流す。

【0048】

このとき、図２（ｅ）に示すように、多重量子井戸層１５の直上にｐ型ＡｌＧａＮがエピタキシャル結晶成長してｐ型ＡｌＧａＮ層１６が形成される。

【0049】

引き続き、反応ガスとして、Ｖ族元素供給源（ＮＨ_３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｐ型ドーパント供給源（Ｃｐ_２Ｍｇ）を流す。

【0050】

このとき、図２（ｅ）に示すように、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６の直上にｐ型ＧａＮがエピタキシャル結晶成長してｐ型ＧａＮ層１７が形成される。

【0051】

＜電極の形成＞
半導体層を積層形成したウエハ１１’を部分的に反応性イオンエッチングすることによりｎ型ＧａＮ層１３を露出させ、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法によりｎ型ＩｎＧａＮ層１４上にｎ型電極１８を形成する。また、ｐ型ＧａＮ層１７上にｐ型電極１９を形成する。なお、ｐ型ＧａＮ層１７とｐ型電極１９との間にはＩＴＯ等の透明導電膜を介設させてもよい。

【0052】

最後に、ウエハ１１’を劈開することにより個々の半導体発光素子１０に分断する。

【実施例】

【0053】

（試験評価１）
上記実施形態と同様の構成の半導体発光素子を作製した。

【0054】

基板には、表面に微細凹凸を形成した主面がｒ面であるサファイア基板の加工基板を用いた。そして、サファイア基板上に、低温バッファ層を介して主面が｛１１−２２｝面であるｕ-ＧａＮ層を結晶成長させ、その上に、半導体をエピタキシャル結晶成長させてｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ層、多重量子井戸層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、及びｐ型ＧａＮ層を順に積層形成した。従って、いずれの層も主面が｛１１−２２｝面である。

【0055】

半導体発光素子として、多重量子井戸層の発光波長が４２０ｎｍ（紫色）であるものについて、ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの含有割合ｘを変量した複数種を作製した。同様に、発光波長が４５０ｎｍ（青色）であるもの及び発光波長が５２０ｎｍ（緑色）であるもののそれぞれについても、ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの含有割合ｘを変量した複数種を作製した。なお、リファレンス用のｎ型ＩｎＧａＮ層を設けていない半導体発光素子も作製した。

【0056】

そして、各半導体発光素子について、ＰＬ発光強度を測定し、リファレンスを基準としたＰＬ発光強度の倍率を求めた。

【0057】

図３は、ＩｎＧａＮ層のＩｎの含有割合ｘとリファレンスを基準としたＰＬ発光強度の倍率との関係を示す。

【0058】

これによれば、ｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの含有割合ｘが０＜ｘ＜０．１の範囲において、ＰＬ発光強度の倍率は１よりも大きく、従って、高い発光効率を得ることができることが分かる。特に、０．０１＜ｘ＜０．０５の範囲において、また、紫色の発光をするものにおいて、顕著に高い発光効率が得られることが分かる。

【0059】

また、各半導体発光素子について逆格子空間マッピング測定を行ったところ、少なくともｎ型ＩｎＧａＮ層におけるＩｎの含有割合ｘが０＜ｘ＜０．１５の範囲にあるものについて、ｎ型ＩｎＧａＮ層は、ｎ型ＧａＮ層との間の格子不整合による歪みが完全に又は部分的に緩和していることが確認された。

【0060】

（試験評価２）
試験評価１と同様にして、ｎ型ＩｎＧａＮ層の厚さを変量した青緑色を発光する同種の半導体発光素子を作製した。なお、Ｉｎの含有割合ｘ＝０．０２とした。また、リファレンス用のｎ型ＩｎＧａＮ層を設けていない半導体発光素子も作製した。そして、各半導体発光素子について、２０ｍＡの電流注入時における多重量子井戸層の発光波長に対する発光強度分布の半値全幅を求めた。

【0061】

図４は、ｎ型ＩｎＧａＮ層の厚さと発光強度分布の半値全幅との関係を示す。

【0062】

図４によれば、リファレンス用の半導体発光素子では、発光強度分布の半値全幅が４０ｎｍ強であるのに対し（図４の白丸）、ｎ型ＩｎＧａＮ層の厚さが０．２μｍ以上では、発光強度分布の半値全幅が４０ｎｍ以下であり、０．３μｍ以上では、発光強度分布の半値全幅が３５ｎｍ以下、１．０μｍでは約３０ｎｍであることが分かる。つまり、これは、ｎ型ＩｎＧａＮ層の厚さが０．２μｍ以上であることにより、半導体発光素子の高い発光効率を得ることができることを示すものである。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明は半導体発光素子について有用である。

【符号の説明】

【0064】

１０ 半導体発光素子
１１ 基板
１１’ ウエハ
１２ ｕ-ＧａＮ層
１３ ｎ型ＧａＮ層
１４ ｎ型ＩｎＧａＮ層
１５ 多重量子井戸層
１５ａ 障壁層
１５ｂ 井戸層
１６ ｐ型ＡｌＧａＮ層
１７ ｐ型ＧａＮ層
１８ ｎ型電極
１９ ｐ型電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】