特許 7344434 発光素子の製造方法

(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】

(24)【登録日】2023-09-06

(45)【発行日】2023-09-14

(54)【発明の名称】発光素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/04 20100101AFI20230907BHJP

   H01L 33/08 20100101ALN20230907BHJP

【ＦＩ】

H01L33/04

H01L33/08

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021147942

(22)【出願日】2021-09-10

(65)【公開番号】P2023040785

(43)【公開日】2023-03-23

【審査請求日】2022-10-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】川田 至孝

【審査官】八木 智規

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－１０６２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１７１４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／７４４０４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－２０１００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１４１０４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００ー３３／４６

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ型不純物を含む第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層の上に、第１活性層を形成する工程と、
前記第１活性層の上に、ｐ型不純物を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層の上に、窒化物半導体層からなるトンネル接合層を形成する工程と、
前記トンネル接合層の上に、ｎ型不純物を含む第３窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第３窒化物半導体層の上に、第２活性層を形成する工程と、
前記第２活性層の上に、ｐ型不純物を含む第４窒化物半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記トンネル接合層を形成する工程は、
第１ｎ型層を形成する工程と、
ｎ型不純物を含む第１流量の第１ガスを含む第１原料ガスを炉内に導入し、第１温度で、前記第１ｎ型層の上に、前記第１ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第２ｎ型層を形成する工程と、
ｎ型不純物を含む第２流量の第２ガスを含む第２原料ガスを炉内に導入し、前記第１温度よりも低い第２温度で、前記第２ｎ型層の上に、前記第２ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第３ｎ型層を形成する工程と、
を有し、
前記第１原料ガスにおける前記第１ガスの第１流量比は、前記第２原料ガスにおける前記第２ガスの第２流量比よりも大きく、
前記第２ｎ型層の膜厚は、前記第３ｎ型層の膜厚よりも厚い発光素子の製造方法。

【請求項2】

ｎ型不純物を含む第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層の上に、第１活性層を形成する工程と、
前記第１活性層の上に、ｐ型不純物を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第２窒化物半導体層の上に、窒化物半導体層からなるトンネル接合層を形成する工程と、
前記トンネル接合層の上に、ｎ型不純物を含む第３窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第３窒化物半導体層の上に、第２活性層を形成する工程と、
前記第２活性層の上に、ｐ型不純物を含む第４窒化物半導体層を形成する工程と、
を備え、
前記トンネル接合層を形成する工程は、
第１ｎ型層を形成する工程と、
ｎ型不純物を含む第１流量の第１ガスを含む第１原料ガスを炉内に導入し、第１温度で、前記第１ｎ型層の上に、前記第１ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第２ｎ型層を形成する工程と、
ｎ型不純物を含む第２流量の第２ガスを含む第２原料ガスを炉内に導入し、前記第１温度よりも低い第２温度で、前記第２ｎ型層の上に、前記第２ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第３ｎ型層を形成する工程と、
を有し、
前記第１原料ガスにおける前記第１ガスの第１流量比は、前記第２原料ガスにおける前記第２ガスの第２流量比よりも大きく、
前記第２ｎ型層の膜厚と前記第３ｎ型層の膜厚の合計膜厚は５０ｎｍ以下であり、
前記第３ｎ型層の膜厚は、前記第２ｎ型層の膜厚と前記第３ｎ型層の膜厚の合計膜厚の４０％以上８０％以下であり、
前記第１温度と前記第２温度の差は、１００℃以下である発光素子の製造方法。

【請求項3】

前記第２ｎ型層を、前記第１ｎ型層よりも厚く形成する請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。

【請求項4】

前記第１温度は、９５０℃以上１０００℃以下であり、
前記第２温度は、９００℃以上９５０℃以下である請求項１～３のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。

【請求項5】

前記第２ｎ型層のｎ型不純物濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３以上２×１０^２０ｃｍ^－３以下であり、
前記第３ｎ型層のｎ型不純物濃度は、５×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下である請求項１～４のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。

【請求項6】

前記第２ｎ型層の膜厚は、１０ｎｍ以上である請求項１～５のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。

【請求項7】

前記トンネル接合層を形成する工程は、前記第３ｎ型層の上に、前記第３ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第４ｎ型層を形成する工程をさらに有する請求項１～６のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。

【請求項8】

前記第１ガス及び前記第２ガスは、ＳｉＨ_４ガスである請求項１～７のいずれか１つに記載の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、発光素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、例えば、トンネル接合層を有する窒化物半導体層を含む発光素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１５７６６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような発光素子において、順方向電圧を低減させることが望まれる。本発明は、順方向電圧を低減できる発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様によれば、発光素子の製造方法は、ｎ型不純物を含む第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１窒化物半導体層の上に、第１活性層を形成する工程と、前記第１活性層の上に、ｐ型不純物を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２窒化物半導体層の上に、窒化物半導体層からなるトンネル接合層を形成する工程と、前記トンネル接合層の上に、ｎ型不純物を含む第３窒化物半導体層を形成する工程と、前記第３窒化物半導体層の上に、第２活性層を形成する工程と、前記第２活性層の上に、ｐ型不純物を含む第４窒化物半導体層を形成する工程と、を備える。前記トンネル接合層を形成する工程は、第１ｎ型層を形成する工程と、ｎ型不純物を含む第１流量の第１ガスを含む第１原料ガスを炉内に導入し、第１温度で、前記第１ｎ型層の上に、前記第１ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第２ｎ型層を形成する工程と、ｎ型不純物を含む第２流量の第２ガスを含む第２原料ガスを炉内に導入し、前記第１温度よりも低い第２温度で、前記第２ｎ型層の上に、前記第２ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第３ｎ型層を形成する工程と、を有する。前記第１原料ガスにおける前記第１ガスの第１流量比は、前記第２原料ガスにおける前記第２ガスの第２流量比よりも大きい。前記第２ｎ型層の膜厚は、前記第３ｎ型層の膜厚よりも厚い。
本発明の一態様によれば、発光素子の製造方法は、ｎ型不純物を含む第１窒化物半導体層を形成する工程と、前記第１窒化物半導体層の上に、第１活性層を形成する工程と、前記第１活性層の上に、ｐ型不純物を含む第２窒化物半導体層を形成する工程と、前記第２窒化物半導体層の上に、窒化物半導体層からなるトンネル接合層を形成する工程と、前記トンネル接合層の上に、ｎ型不純物を含む第３窒化物半導体層を形成する工程と、前記第３窒化物半導体層の上に、第２活性層を形成する工程と、前記第２活性層の上に、ｐ型不純物を含む第４窒化物半導体層を形成する工程と、を備える。前記トンネル接合層を形成する工程は、第１ｎ型層を形成する工程と、ｎ型不純物を含む第１流量の第１ガスを含む第１原料ガスを炉内に導入し、第１温度で、前記第１ｎ型層の上に、前記第１ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第２ｎ型層を形成する工程と、ｎ型不純物を含む第２流量の第２ガスを含む第２原料ガスを炉内に導入し、前記第１温度よりも低い第２温度で、前記第２ｎ型層の上に、前記第２ｎ型層よりもｎ型不純物濃度が低い第３ｎ型層を形成する工程と、を有する。前記第１原料ガスにおける前記第１ガスの第１流量比は、前記第２原料ガスにおける前記第２ガスの第２流量比よりも大きい。前記第２ｎ型層の膜厚と前記第３ｎ型層の膜厚の合計膜厚は５０ｎｍ以下である。前記第３ｎ型層の膜厚は、前記第２ｎ型層の膜厚と前記第３ｎ型層の膜厚の合計膜厚の４０％以上８０％以下である。前記第１温度と前記第２温度の差は、１００℃以下である。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、順方向電圧を低減できる発光素子の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施形態の発光素子の模式断面図である。

【図2A】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2B】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2C】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2D】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2E】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2F】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2G】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2H】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2I】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2J】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図2K】本発明の一実施形態の発光素子の製造方法を説明するための模式断面図である。

【図3】発光素子のサンプルの順方向電圧Ｖｆの測定結果を示すグラフである。

【図4】発光素子のサンプルの出力Ｐｏの測定結果を示すグラフである。

【図5】発光素子のサンプルの順方向電圧Ｖｆの測定結果を示すグラフである。

【図6】発光素子のサンプルの順方向電圧Ｖｆの測定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。なお、各図面は、実施形態を模式的に示したものであるため、各部材のスケール、間隔若しくは位置関係などが誇張、又は部材の一部の図示を省略する場合がある。

【0009】

図１は、本発明の一実施形態の発光素子１の模式断面図である。

【0010】

発光素子１は、基板１０と、半導体構造体１００と、ｎ側電極４１と、ｐ側電極４２とを有する。

【0011】

基板１０の材料は、例えば、サファイア、シリコン、ＳｉＣ、ＧａＮなどである。

【0012】

半導体構造体１００は、窒化物半導体からなる複数の半導体層が積層された積層体である。窒化物半導体は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）からなる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含み得る。

【0013】

半導体構造体１００は、第１発光部５１と、第２発光部５２と、第１発光部５１と第２発光部５２との間に設けられたトンネル接合層２０とを有する。

【0014】

第１発光部５１は、基板１０上に設けられた第１窒化物半導体層１１と、第１窒化物半導体層１１上に設けられた第１活性層１５と、第１活性層１５上に設けられた第２窒化物半導体層１２とを有する。

【0015】

第２発光部５２は、トンネル接合層２０上に設けられた第３窒化物半導体層１３と、第３窒化物半導体層１３上に設けられた第２活性層１６と、第２活性層１６上に設けられた第４窒化物半導体層１４とを有する。

【0016】

第１窒化物半導体層１１及び第３窒化物半導体層１３は、ｎ型不純物を含むｎ型層を有する。ｎ型層は、例えば、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含むＧａＮである。または、ｎ型層は、ｎ型不純物としてゲルマニウム（Ｇｅ）を含んでもよい。また、ｎ型層は、インジウム（Ｉｎ）及び／又はアルミニウム（Ａｌ）を含んでいてもよい。また、第１窒化物半導体層１１及び第３窒化物半導体層１３は、異なる材料からなる複数の半導体層が積層された積層構造を有する超格子層を含んでもいてもよい。超格子層は、例えば、ＧａＮからなる層と、ＩｎＧａＮからなる層が交互に積層された積層構造を有する。

【0017】

第１窒化物半導体層１１及び第３窒化物半導体層１３は、電子を供給する機能を有していればよく、ｎ型不純物やｐ型不純物を意図的にドープせずに形成したアンドープ層を含んでいてもよい。アンドープ層がｎ型不純物及び／又はｐ型不純物を意図的にドープした層と隣接している場合は、その隣接した層からの拡散等によって、アンドープ層にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物が含まれる場合がある。

【0018】

第２窒化物半導体層１２及び第４窒化物半導体層１４は、ｐ型不純物を含むｐ型層を有する。ｐ型層は、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を含むＧａＮである。ｐ型層は、Ｉｎ及び／又はＡｌを含んでいてもよい。第２窒化物半導体層１２及び第４窒化物半導体層１４は、ホールを供給する機能を有していればよく、アンドープ層を含んでいてもよい。

【0019】

第１活性層１５及び第２活性層１６は、例えば、複数の井戸層と複数の障壁層とを含む多重量子井戸構造を有する。複数の井戸層として、例えば、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮを用いることができる。複数の障壁層として、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮを用いることができる。第１活性層１５及び第２活性層１６に含まれる井戸層及び障壁層は、例えば、アンドープ層である。第１活性層１５及び第２活性層１６に含まれる井戸層及び障壁層の少なくとも一部にｎ型不純物及び／又はｐ型不純物が含まれていてもよい。

【0020】

第１活性層１５及び第２活性層１６は、例えば、紫外光又は可視光を発光する。第１活性層１５及び第２活性層１６は、例えば、可視光としては青色光又は緑色光を発することができる。青色光の発光ピーク波長は、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。緑色光の発光ピーク波長は、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。紫外光の発光ピーク波長は、４００ｎｍ以下である。第１活性層１５の発光ピーク波長と第２活性層１６の発光ピーク波長は、同じでも、異なっていてもよい。第１活性層１５の発光ピーク波長と第２活性層１６の発光ピーク波長が異なる場合、第１活性層１５及び第２活性層１６のうちの一方が青色光を発光し、他方が緑色光を発光する組み合わせとすることができる。

【0021】

トンネル接合層２０は、窒化物半導体からなる。トンネル接合層２０は、第２窒化物半導体層１２上に設けられた第１ｎ型層２１と、第１ｎ型層２１上に設けられた第２ｎ型層２２と、第２ｎ型層２２上に設けられた第３ｎ型層２３と、第３ｎ型層２３上に設けられた第４ｎ型層２４とを有する。第２窒化物半導体層１２は、最上層にｐ型層を含む。その第２窒化物半導体層１２のｐ型層と、トンネル接合層２０の第１ｎ型層２１とがｐｎ接合を形成する。なお、第４ｎ型層２４は、配置しなくてもよい。

【0022】

第１窒化物半導体層１１は、他の半導体層が設けられていないｎコンタクト面１１ａを有する。ｎコンタクト面１１ａ上にｎ側電極４１が設けられている。ｎ側電極４１は、第１窒化物半導体層１１に電気的に接続している。

【0023】

第４窒化物半導体層１４の上面上に、ｐ側電極４２が設けられている。ｐ側電極４２は、第４窒化物半導体層１４に電気的に接続している。

【0024】

ｐ側電極４２とｎ側電極４１との間に順方向の電圧を印加する。このとき、第２発光部５２の第４窒化物半導体層１４と、第１発光部５１の第１窒化物半導体層１１との間に順方向の電圧が印加され、第１活性層１５及び第２活性層１６にホールおよび電子が供給されることで第１活性層１５及び第２活性層１６が発光する。

【0025】

実施形態の発光素子１によれば、第１活性層１５の上に第２活性層１６を積層することで、１つの活性層を有する発光素子に比べて、単位面積当たりの出力を高くすることができる。

【0026】

ｐ側電極４２に正電位が、ｎ側電極４１にｐ側電極４２よりも低い電位が印加されたとき、第２発光部５２のｎ型層を含む第３窒化物半導体層１３と、第１発光部５１のｐ型層を含む第２窒化物半導体層１２との間には逆方向電圧が印加されることになる。そのため、第３窒化物半導体層１３と第２窒化物半導体層１２との間に電流を流すために、トンネル接合層２０によるトンネル効果を利用する。つまり、上記ｐｎ接合の不純物濃度を高くすることで、ｐｎ接合により形成される空乏層の幅を狭くし、第２窒化物半導体層１２の価電子帯に存在する電子を、第３窒化物半導体層１３の伝導帯にトンネリングさせることで電流を流す。

【0027】

次に、実施形態の発光素子１の製造方法の一例を説明する。

【0028】

半導体構造体１００の各窒化物半導体層は、圧力及び温度の調整が可能な炉内において、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により形成される。半導体構造体１００の各窒化物半導体層は、炉内において、基板１０上にエピタキシャル成長される。

【0029】

半導体構造体１００の各窒化物半導体層は、炉内にキャリアガス及び原料ガスを導入することで形成することができる。キャリアガスとしては、水素（Ｈ_２）ガスや窒素（Ｎ_２）ガスを用いることができる。Ｎ源の原料ガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを用いることができる。Ｇａ源の原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、またはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを用いることができる。Ｉｎ源の原料ガスとしては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いることができる。Ａｌ源の原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いることができる。Ｓｉ源の原料ガスとしては、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガスを用いることができる。Ｍｇ源の原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガスを用いることができる。

【0030】

まず、図２Ａに示すように、基板１０上に、ｎ型不純物を含む第１窒化物半導体層１１を形成する。

【0031】

図２Ｂに示すように、第１窒化物半導体層１１上に、第１活性層１５を形成する。

【0032】

図２Ｃに示すように、第１活性層１５上に、ｐ型不純物を含む第２窒化物半導体層１２を形成する。

【0033】

図２Ｄ～図２Ｇに示すように、第２窒化物半導体層１２上に、窒化物半導体からなるトンネル接合層２０を形成する。トンネル接合層２０の各層を形成する工程については、後で詳しく説明する。

【0034】

図２Ｈに示すように、トンネル接合層２０上に、第３窒化物半導体層１３を形成する。

【0035】

図２Ｉに示すように、第３窒化物半導体層１３上に、第２活性層１６を形成する。

【0036】

図２Ｊに示すように、第２活性層１６上に、第４窒化物半導体層１４を形成する。このようにして、基板１０上に半導体構造体１００を形成する。

【0037】

この後、半導体構造体１００の一部を除去する。これにより、図２Ｋに示すように、第１窒化物半導体層１１の一部の上面が、ｎコンタクト面１１ａとして露出する。

【0038】

その後、図１に示すように、第４窒化物半導体層１４の上面上にｐ側電極４２が形成され、ｎコンタクト面１１ａ上にｎ側電極４１が形成される。

【0039】

以下、トンネル接合層２０を形成する工程について説明する。

【0040】

トンネル接合層２０を形成する工程は、図２Ｄに示すように、第２窒化物半導体層１２上に第１ｎ型層２１を形成する工程を有する。ｎ型不純物を含む第３ガスを含む第３原料ガスを炉内に導入し、第３温度で、第２窒化物半導体層１２上に第１ｎ型層２１を形成する。第３ガスは、ｎ型不純物としてＳｉを含むＳｉＨ_４ガスである。第３温度は、例えば、９５０℃以上１０００℃以下が好ましい。

【0041】

第１ｎ型層２１は、第２窒化物半導体層１２のｐ型層とｐｎ接合を形成する。そのｐｎ接合により形成される空乏層の幅を狭くし、電子をトンネリングさせやすくするため、第１ｎ型層２１は高い濃度でｎ型不純物（Ｓｉ）を含む。そのため、第１ｎ型層２１の結晶性の悪化を低減するため、第１ｎ型層２１の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることがさらに好ましい。第１ｎ型層２１のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０^２０ｃｍ^－３以上１×１０^２１ｃｍ^－３以下である。

【0042】

第１ｎ型層２１の膜厚は薄くした場合、トンネル接合層２０に含まれるｎ型不純物の量が不十分になりやすく、第１ｎ型層２１のみでは、上記ｐｎ接合により形成される空乏層の幅を狭くしにくい。そこで、第１ｎ型層２１上に、第１ｎ型層２１よりも厚く、第１ｎ型層２１よりもｎ型不純物濃度が低いｎ型層を形成する。このｎ型層により、トンネル接合層２０の結晶性の悪化を低減しつつ、トンネル接合層２０に含まれるｎ型不純物の量を増やすことができる。実施形態では、第１ｎ型層２１上のｎ型層として、第２ｎ型層２２と第３ｎ型層２３とを形成する。第２ｎ型層２２および第３ｎ型層２３は、それぞれ成膜条件を変えて形成する。

【0043】

トンネル接合層２０を形成する工程は、図２Ｅに示すように、第１ｎ型層２１上に第２ｎ型層２２を形成する工程を有する。ｎ型不純物を含む第１流量の第１ガスを含む第１原料ガスを炉内に導入し、第１温度で、第１ｎ型層２１上に第２ｎ型層２２を形成する。第１ガスは、例えば、ｎ型不純物としてＳｉを含むＳｉＨ_４ガスである。第２ｎ型層２２のｎ型不純物濃度は、第１ｎ型層２１のｎ型不純物濃度よりも低い。第２ｎ型層２２のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^－３以上２×１０^２０ｃｍ^－３以下である。第２ｎ型層２２の膜厚は、第１ｎ型層２１の膜厚よりも厚い。第２ｎ型層２２の膜厚は、第３ｎ型層２３の膜厚よりも厚い。これにより、発光素子１の順方向電圧を低減することができる。例えば、第２ｎ型層２２の膜厚は、１０ｎｍ以上であることが好ましく、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

【0044】

トンネル接合層２０を形成する工程は、さらに、図２Ｆに示すように、第２ｎ型層２２上に第３ｎ型層２３を形成する工程を有する。ｎ型不純物を含む第２流量の第２ガスを含む第２原料ガスを炉内に導入し、第２温度で、第２ｎ型層２２上に第３ｎ型層２３を形成する。第２ガスは、例えば、ｎ型不純物としてＳｉを含むＳｉＨ_４ガスである。

【0045】

第３ｎ型層２３を形成するときの第２温度は、第２ｎ型層２２を形成するときの第１温度よりも低い。例えば、第１温度は９５０℃以上１０００℃以下が好ましく、第２温度は９００℃以上９５０℃以下が好ましい。

【0046】

第２窒化物半導体層１２は、ｐ型不純物としてＭｇを含むｐ型層を含む。第２窒化物半導体層１２上にトンネル接合層２０を形成する工程において、第２窒化物半導体層１２に含まれるＭｇが第２窒化物半導体層１２からトンネル接合層２０側に熱拡散して移動する懸念がある。

【0047】

実施形態によれば、第１ｎ型層２１上に第３ｎ型層２３を形成する工程の第２温度を、第２ｎ型層２２を形成する工程の第１温度よりも低くしている。これにより、第１ｎ型層２１上の第２ｎ型層２２及び第３ｎ型層２３を第１温度で形成する場合に比べて、第２窒化物半導体層１２からトンネル接合層２０側へのｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散を低減することができる。トンネル接合層２０側へのｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散の低減により、トンネル接合層２０に混入するｐ型不純物（Ｍｇ）が低減し、電子キャリア濃度を高くすることができる。そのため、トンネル接合層２０と第２窒化物半導体層１２のｐ型層とにより形成される空乏層を狭くすることができ、発光素子１の順方向電圧を低減することができる。さらに、トンネル接合層２０側へのｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散の低減により、トンネル接合層２０上に第２発光部５２を形成する工程において、第２発光部５２へのｐ型不純物（Ｍｇ）の拡散を低減することができる。この結果、第２発光部５２における第３窒化物半導体層１３に含まれるｎ型層などにおけるｐ型化を低減でき、発光素子１の順方向電圧を低減することができる。

【0048】

また、第３ｎ型層２３を形成するときの第２原料ガスにおける第２ガスの第２流量比は、第２ｎ型層２２を形成するときの第１原料ガスにおける第１ガスの第１流量比よりも小さい。そのため、第３ｎ型層２３のｎ型不純物濃度は、第２ｎ型層２２のｎ型不純物濃度よりも低い。第１流量は、例えば、４ｓｃｃｍ以上８ｓｃｃｍ以下が好ましい。第２流量は、例えば、第２流量は０．４ｓｃｃｍ以上４ｓｃｃｍ以下が好ましい。

【0049】

例えば、ＳｉＨ_４ガスの流量を８ｓｃｃｍとして形成したｎ型不純物濃度は、１．５×１０^２０ｃｍ^－３程度である。例えば、ＳｉＨ_４ガスの流量を４ｓｃｃｍとして形成したｎ型不純物濃度は、７．５×１０^１９ｃｍ^－３程度である。例えば、ＳｉＨ_４ガスの流量を０．４ｓｃｃｍとして形成したｎ型不純物濃度は、７．５×１０^１８ｃｍ^－３程度である。

【0050】

第３ｎ型層２３は、第２ｎ型層２２よりも低温で形成されるため結晶性の悪化が懸念される。実施形態によれば、第３ｎ型層２３のｎ型不純物濃度を第２ｎ型層２２のｎ型不純物濃度よりも低くすることで、第３ｎ型層２３の結晶性の悪化を低減することができる。これにより、発光素子１の順方向電圧を低減することができる。第３ｎ型層２３のｎ型不純物濃度は、例えば、５×１０^１８ｃｍ^－３以上１×１０^２０ｃｍ^－３以下である。

【0051】

トンネル接合層２０を形成する工程は、さらに、図２Ｇに示すように、第３ｎ型層２３上に第４ｎ型層２４を形成する工程を有する。ｎ型不純物を含む第４ガスを含む第４原料ガスを炉内に導入し、第４温度で、第３ｎ型層２３上に第４ｎ型層２４を形成する。第４ガスは、例えば、ｎ型不純物としてＳｉを含むＳｉＨ_４ガスである。第４ｎ型層２４のｎ型不純物濃度は、第３ｎ型層２３のｎ型不純物濃度よりも低い。第４ｎ型層２４の膜厚は、第３ｎ型層２３の膜厚よりも厚い。第４ｎ型層２４の膜厚は、第１ｎ型層２１、第２ｎ型層２２、及び第３ｎ型層２３の合計膜厚よりも厚い。第４ｎ型層２４の膜厚は、例えば、５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下が好ましい。第４ｎ型層２４を形成するときの第４温度は、第２ｎ型層２２を形成するときの第１温度よりも低い。第４温度は、例えば、９００℃以上９５０℃以下が好ましい。第４ｎ型層２４のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１８ｃｍ^－３以上２×１０^１９ｃｍ^－３以下である。

【0052】

第１ｎ型層２１、第２ｎ型層２２、及び第３ｎ型層２３を含む積層部は、上記ｐｎ接合により形成される空乏層の幅を狭くするために高い濃度のｎ型不純物を含む。そのため、積層部の結晶性が悪化し第３ｎ型層２３の上面の平坦性が悪化しやすくなる。第３ｎ型層２３の上面の平坦性が悪化すると、第３ｎ型層２３上に形成する半導体層の結晶性を悪化させる懸念がある。

【0053】

実施形態によれば、第３ｎ型層２３上に、第１ｎ型層２１、第２ｎ型層２２、及び第３ｎ型層２３を含む積層部よりもｎ型不純物濃度が低く、且つ厚い第４ｎ型層２４を形成する。これにより、トンネル接合層２０の上面となる第４ｎ型層２４の上面を平坦に近づけることができ、トンネル接合層２０上に第２発光部５２を結晶性良く形成することができる。

【0054】

また、本発明の他の実施形態によれば、第２ｎ型層２２の膜厚と第３ｎ型層２３の膜厚の合計膜厚を５０ｎｍ以下にし、第３ｎ型層２３の膜厚を第２ｎ型層２２の膜厚と第３ｎ型層２３の膜厚の合計膜厚の４０％以上８０％以下にし、第２ｎ型層２２を形成するときの第１温度と第３ｎ型層２３を形成するときの第２温度との差を１００℃以下にする。これにより、発光素子１の順方向電圧を低減することができる。

【0055】

次に、発光素子のサンプルを作製し、それらサンプルの順方向電圧Ｖｆ及び出力Ｐｏを測定した結果について説明する。

【0056】

図３は、サンプルＲｅｆ１、Ａ～Ｈの順方向電圧Ｖｆの測定結果を示すグラフである。図３における縦軸の上にいくほどＶｆが高い。図３において、サンプルＲｅｆ１のＶｆのレベルを破線で示す。
図４は、サンプルＲｅｆ１、Ａ～Ｈの出力Ｐｏの測定結果を示すグラフである。図４における縦軸の上にいくほどＰｏが高い。図４において、サンプルＲｅｆ１のＰｏのレベルを破線で示す。

【0057】

サンプルＲｅｆ１は、サファイアからなる基板１０上に、第１発光部５１と、トンネル接合層２０と、第２発光部５２と、を順に形成したサンプルである。

【0058】

サンプルＲｅｆ１では、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、ＳｉＨ_４ガスの流量を８ｓｃｃｍ、温度を９５０℃として、膜厚が３５ｎｍのｎ型層を形成した。

【0059】

サンプルＡ～Ｈでは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、第１ｎ型層２１上に第２ｎ型層２２を形成し、第２ｎ型層２２上に第３ｎ型層２３を形成した。サンプルＡ～Ｈは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間の第２ｎ型層２２及び第３ｎ型層２３を形成するときの条件が異なる以外は、サンプルＲｅｆ１と同じ条件で形成したサンプルである。

【0060】

図３、図４、及び後述する図５～６において、ｆ２は、第３ｎ型層２３を形成するときのＳｉＨ_４ガスの第２流量である。Ｔ２は、第３ｎ型層２３を形成するときの第２温度である。ｔ２は、第３ｎ型層２３の膜厚である。ｆ１は、第２ｎ型層２２を形成するときのＳｉＨ_４ガスの第１流量である。Ｔ１は、第２ｎ型層２２を形成するときの第１温度である。ｔ１は、第２ｎ型層２２の膜厚である。ｔ１＋ｔ２は、第２ｎ型層２２の膜厚ｔ１と第３ｎ型層２３の膜厚ｔ２との合計膜厚である。ｔ２／ｔ１＋ｔ２は、第２ｎ型層２２と第３ｎ型層２３との合計膜厚ｔ１＋ｔ２に対する第３ｎ型層２３の膜厚ｔ２の割合である。

【0061】

各サンプルＲｅｆ１、Ａ～Ｈについて、ウェーハ上における異なる５カ所の位置のＶｆを測定し、測定した５つのＶｆの平均を図３において白丸で示す。また、各サンプルＲｅｆ１、Ａ～Ｈについて、ウェーハ上における異なる４カ所の位置のＰｏを測定し、測定した４つのＰｏの平均を図４において白丸で示す。なお、Ｖｆ及びＰｏの値は、順方向電流を１２０ｍＡとしたときの値である。

【0062】

図３の結果より、いずれもｆ１がｆ２よりも大きく、Ｔ１がＴ２よりも高く、且つｔ１＋ｔ２が５０ｎｍ以下であるサンプルＡ～ＨのＶｆは、サンプルＲｅｆ１のＶｆより低くなった。

【0063】

図４の結果より、サンプルＡ～ＦのＰｏは、サンプルＲｅｆ１のＰｏと同程度であった。サンプルＧ及びＨのＰｏは、サンプルＲｅｆ１のＰｏよりも低くなった。したがって、Ｐｏの低下を軽減するには、Ｔ１とＴ２との差が１００℃以下が好ましい。

【0064】

図５は、サンプルＲｅｆ２、Ｉ～Ｍの順方向電圧Ｖｆの測定結果を示すグラフである。図５における縦軸の上にいくほどＶｆが高い。図５において、サンプルＲｅｆ２のＶｆのレベルを破線で示す。

【0065】

サンプルＲｅｆ２は、サンプルＲｅｆ１と同様に、サファイアからなる基板１０上に、第１発光部５１と、トンネル接合層２０と、第２発光部５２と、を順に形成したサンプルである。

【0066】

サンプルＲｅｆ２では、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、ＳｉＨ_４ガスの流量を８ｓｃｃｍ、温度を９５０℃として、膜厚が３５ｎｍのｎ型層を形成した。

【0067】

サンプルＩ～Ｌでは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、第１ｎ型層２１上に第２ｎ型層２２を形成し、第２ｎ型層２２上に第３ｎ型層２３を形成した。サンプルＭは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、第２ｎ型層２２を形成せず、第３ｎ型層２３のみを形成した。サンプルＩ～Ｍは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間の第２ｎ型層２２及び／又は第３ｎ型層２３を形成するときの条件が異なる以外は、サンプルＲｅｆ２と同じ条件で形成したサンプルである。

【0068】

各サンプルＲｅｆ２、Ｉ～Ｍについて、ウェーハ上における異なる５カ所の位置のＶｆを測定し、測定した５つのＶｆの平均を図５において白丸で示す。なお、Ｖｆの値は、順方向電流を１２０ｍＡとしたときの値である。

【0069】

図５の結果より、いずれもｆ１がｆ２よりも大きく、Ｔ１がＴ２よりも高く、ｔ２／ｔ１＋ｔ２が４０％以上８０％以下であり、且つｔ１＋ｔ２が５０ｎｍ以下であるサンプルＩ～ＫのＶｆは、サンプルＲｅｆ２のＶｆより低くなった。また、サンプルＩ～ＭのＰｏは、サンプルＲｅｆ２のＰｏと同程度であった。

【0070】

図６は、サンプルＲｅｆ３、Ｎ～Ｓの順方向電圧Ｖｆの測定結果を示すグラフである。図６における縦軸の上にいくほどＶｆが高い。図６において、サンプルＲｅｆ３のＶｆのレベルを破線で示す。

【0071】

サンプルＲｅｆ３は、サンプルＲｅｆ１と同様に、サファイアからなる基板１０上に、第１発光部５１と、トンネル接合層２０と、第２発光部５２と、を順に形成したサンプルである。

【0072】

サンプルＲｅｆ３では、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、ＳｉＨ_４ガスの流量を８ｓｃｃｍ、温度を９５０℃として、膜厚が３５ｎｍのｎ型層を形成した。

【0073】

サンプルＮ～Ｓでは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間におけるｎ型層として、第１ｎ型層２１上に第２ｎ型層２２を形成し、第２ｎ型層２２上に第３ｎ型層２３を形成した。サンプルＮ～Ｓは、トンネル接合層２０における第１ｎ型層２１と第４ｎ型層２４との間の第２ｎ型層２２及び第３ｎ型層２３を形成するときの条件が異なる以外は、サンプルＲｅｆ３と同じ条件で形成したサンプルである。

【0074】

各サンプルＲｅｆ３、Ｎ～Ｓについて、ウェーハ上における異なる５カ所の位置のＶｆを測定し、測定した５つのＶｆの平均を図６において白丸で示す。なお、Ｖｆの値は、順方向電流を１２０ｍＡとしたときの値である。

【0075】

図６の結果より、いずれもｆ１がｆ２よりも大きく、Ｔ１がＴ２よりも高く、且つｔ１＋ｔ２が５０ｎｍ以下であるサンプルＮ～ＱのＶｆは、サンプルＲｅｆ３のＶｆより低くなった。また、サンプルＮ～ＳのＰｏは、サンプルＲｅｆ３のＰｏと同程度であった。

【0076】

サンプルＲｅｆ１に対する比較対象のサンプルＡ～Ｈの中で、特にサンプルＥ及びＦは、サンプルＲｅｆ１と同程度のＰｏを維持しつつ、他のサンプルよりもＶｆが低くなった。サンプルＥのＶｆは、サンプルＲｅｆ１のＶｆよりも０．１５Ｖ低くなった。サンプルＦのＶｆは、サンプルＲｅｆ１のＶｆよりも０．１５Ｖ低くなった。

【0077】

サンプルＲｅｆ２に対する比較対象のサンプルＩ～Ｍの中で、特にサンプルＫは、サンプルＲｅｆ２と同程度のＰｏを維持しつつ、他のサンプルよりもＶｆが低くなった。サンプルＫのＶｆは、サンプルＲｅｆ２のＶｆよりも０．０７Ｖ低くなった。

【0078】

サンプルＲｅｆ３に対する比較対象のサンプルＮ～Ｓの中で、特にサンプルＮ及びＰは、サンプルＲｅｆ３と同程度のＰｏを維持しつつ、他のサンプルよりもＶｆが低くなった。サンプルＮのＶｆは、サンプルＲｅｆ３のＶｆよりも０．０５Ｖ低くなった。サンプルＰのＶｆは、サンプルＲｅｆ３のＶｆよりも０．０４Ｖ低くなった。

【0079】

図３～図６の結果より、Ｐｏの低下を軽減しつつ、Ｖｆを低減するために、ｔ２／ｔ１＋ｔ２は４０％以上８０％以下が好ましい。また、サンプルＡ～Ｄ、及びＮでは、ｔ２／ｔ１＋ｔ２が４０％より低くても、ｔ１をｔ２よりも厚くすることで、Ｐｏの低下を軽減しつつ、Ｖｆを低減することができた。

【0080】

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。本発明の上述した実施形態を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものである。

【符号の説明】

【0081】

１…発光素子、１０…基板、１１…第１窒化物半導体層、１２…第２窒化物半導体層、１３…第３窒化物半導体層、１４…第４窒化物半導体層、１５…第１活性層、１６…第２活性層、２０…トンネル接合層、２１…第１ｎ型層、２２…第２ｎ型層、２３…第３ｎ型層、２４…第４ｎ型層、４１…ｎ側電極、４２…ｐ側電極、５１…第１発光部、５２…第２発光部、１００…半導体構造体

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】

【図2I】

【図2J】

【図2K】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】