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(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】2024-04-09
(45)【発行日】2024-04-17
(54)【発明の名称】窒化物半導体素子
(51)【国際特許分類】
H01L 33/32 20100101AFI20240410BHJP
H01L 33/06 20100101ALI20240410BHJP
H01S 5/343 20060101ALI20240410BHJP
【ＦＩ】
H01L33/32
H01L33/06
H01S5/343 610
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021561451
(86)(22)【出願日】2020-11-25
(86)【国際出願番号】 JP2020043810
(87)【国際公開番号】W WO2021106928
(87)【国際公開日】2021-06-03
【審査請求日】2022-04-20
(31)【優先権主張番号】P 2019213474
(32)【優先日】2019-11-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2020123823
(32)【優先日】2020-07-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【前置審査】
(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】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100138863
【弁理士】
【氏名又は名称】言上 惠一
(72)【発明者】
【氏名】近藤 宏樹
【審査官】大和田 有軌
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－０１２６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－２１９５４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１７７０２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０６５６３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０４１９３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０３８３９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１１９４８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－１９８８５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／０５８６８２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１０－５４１２２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１０３７１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１２３８７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００５－５０７１５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第０３／１０３０６２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００３－５２０４５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１９／１６８２７３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０８３２１２８０（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００８７１４２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】韓国公開特許第１０－２０１２－００７２５６８（ＫＲ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１８７２９４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４
Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ｎ側窒化物半導体層と、前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、
前記活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備え、
前記複数の井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、
前記障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、
前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、
前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有し、
前記第１中間層の膜厚は３ｎｍ以上７ｎｍ以下であり、
前記第２中間層の膜厚は１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下であり、
前記発光層の膜厚は１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下であり、
前記複数の障壁層のうち、前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層は、ｎ型不純物がドープされている、窒化物半導体素子。
【請求項2】
前記複数の井戸層は、複数の前記第１中間層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
【請求項3】
前記第２中間層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーと略同じであり、前記第２中間層の膜厚は、前記発光層の膜厚よりも薄いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
【請求項4】
前記発光層及び前記第２中間層は、Ｉｎを含み、前記第２中間層のＩｎの含有量は、前記発光層のＩｎの含有量よりも少ないことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項5】
前記第１中間層はＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮであり、前記第２中間層はＧａＮまたはＩｎＧａＮであり、
前記発光層はＧａＮまたはＩｎＧａＮであることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項6】
前記障壁層はＡｌとＧａとＮとを含むことを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【請求項7】
前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層の膜厚は２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、窒化物半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、紫外光を発光する発光素子の開発が盛んに進められている。例えば、特許文献１には、深紫外光の発光に適した、多重量子井戸構造を有する発光素子が開示されている。また、近紫外発光素子も樹脂硬化用や各種センシング用に開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－１７５００５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、紫外光を発光する窒化物半導体素子は、その特性、例えば発光出力等を向上させるために改良が進められているが、未だ十分にその特性を高められていない。
【0005】
そこで、本発明は、高い発光出力で紫外光を発光する窒化物半導体素子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】
【0006】
本発明に係る窒化物半導体素子は、
ｎ側窒化物半導体層と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、
前記活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備え、
前記複数の井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、
前記障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、
前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、
前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有し、
前記第１中間層の膜厚は、前記第２中間層及び前記発光層の膜厚よりも薄く、
前記複数の障壁層のうち、前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層は、ｎ型不純物がドープされている。
ｎ側窒化物半導体層と、
前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、
前記活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備え、
前記複数の井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、
前記障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、
前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、
前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有し、
前記第１中間層の膜厚は、前記第２中間層及び前記発光層の膜厚よりも薄く、
前記複数の障壁層のうち、前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層は、ｎ型不純物がドープされている。
【発明の効果】
【0007】
本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子によれば、高い発光出力で紫外光を発光する窒化物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】基板上に配置された本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を示す断面図である。
【図4】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、準備した第１基板の断面図である。
【図5】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、準備した第１基板の上面にｎ側窒化物半導体層を形成したときの断面図である。
【図6】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１基板の上面に形成したｎ側窒化物半導体層上に活性層を形成したときの断面図である。
【図7】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１基板の上面にｎ側窒化物半導体層を介して形成した活性層上にｐ側窒化物半導体層を形成した、第１ウエハの断面図である。
【図8】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に、第２電極を形成するためのレジストを形成したときの断面図である。
【図9】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に、第２電極を形成するための金属膜を形成したときの断面図である。
【図10】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に形成したレジストをそのレジストの上に形成された金属膜とともに除去して、所定の形状の第２電極を形成したときの断面図である。
【図11】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上の第２電極の間に絶縁膜を形成するために、第２電極の上にレジストを形成したときの断面図である。
【図12】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上の第２電極の間及びレジスト上に絶縁膜を形成したときの断面図である。
【図13】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、レジストをそのレジストの上に形成された絶縁膜とともに除去して、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に第２電極及び絶縁膜を形成したときの断面図である。
【図14】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に形成した第２電極及び絶縁膜上に、金属層を形成したときの断面図である。
【図15】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、一方の面に金属層を形成した第２基板を準備し、第１ウエハと第２基板とを対向させたときの断面図である。
【図16】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、金属層同士を接合することにより第１ウエハと第２基板とを接合した断面図である。
【図17】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、作製された第２ウエハの断面図である。
【図18】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、作製された第２ウエハの窒化物半導体素子の一部を除去したときの断面図である。
【図19】本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第２ウエハのｎ側窒化物半導体層上に、所定のパターンの第１電極を形成したときの断面図である。
【図20】本発明の一変形例に係る窒化物半導体素子の多重量子井戸構造を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態や実施例を説明する。なお、以下に説明する窒化物半導体素子は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
【0010】
発光ダイオードに用いられる半導体構造は、ｎ型のｎ側窒化物半導体層と、ｐ型のｐ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体とｐ側窒化物半導体の間に設けられた活性層と、を有する。また活性層には、例えば、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造が用いられる。一般に、活性層に複数の井戸層を含む紫外光を発光する発光ダイオードでは、複数の井戸層のうち、ｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層が発光に寄与し、ｎ側窒化物半導体層側に位置する井戸層は発光に寄与しない傾向がある。またｎ側窒化物半導体層側に位置する井戸層は、ｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層が発する光を吸収(自己吸収)して光の取り出し効率を悪化させる可能性がある。
そこで、本発明者は、窒化物半導体素子の発光出力に影響を及ぼす要素として、電子と正孔の再結合確率と、半導体層における結晶の格子緩和と、半導体層による光の自己吸収とに着目して鋭意検討を行った。
そこで、本発明者は、窒化物半導体素子の発光出力に影響を及ぼす要素として、電子と正孔の再結合確率と、半導体層における結晶の格子緩和と、半導体層による光の自己吸収とに着目して鋭意検討を行った。
【0011】
本発明者はまず、複数の井戸層における光の自己吸収を低減させる手法を検討した。井戸層による光の自己吸収は、その井戸層を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーが大きくなるにつれて低減される。そこで、本発明者は、ｎ側窒化物半導体層側に位置する発光に寄与しない井戸層（中間層）のバンドギャップエネルギーを、ｐ側窒化物半導体層側に位置する発光に寄与する井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きくすることで、活性層における光の自己吸収を低減させることを検討した。
【0012】
このように構成された複数の井戸層を備える窒化物半導体素子は、従来の窒化物半導体素子よりも高い発光出力を示すと期待されたが、実際には、十分に高い発光出力を得ることはできなかった。
【0013】
本発明者は、この結果について検討を重ね、発光出力を十分に向上させることができなかった原因は、発光に寄与する井戸層である発光層と中間層との組成が異なることで生じる発光層と中間層との間の結晶の格子緩和が発光出力の向上を阻害していることにあると推測した。この推測に基づき、本発明者は、発光層と中間層(第１中間層)との間に、格子緩和を抑制するために第１中間層よりバンドギャップの小さい第２中間層を配置したところ、第２中間層がない場合に比較して発光出力を向上させることができた。
【0014】
以上の、ｎ側窒化物半導体層側から順に、バンドギャップエネルギーが大きい第１中間層と、バンドギャップエネルギーが第１中間層より小さい第２中間層と、発光層とを含む窒化物半導体素子において、さらに高い発光出力を得るために検討を進めた結果、以下の知見を得た。
（１）第１中間層の膜厚を、第２中間層及び発光層の膜厚より薄くすることにより、発光層で発光した光の第１中間層における自己吸収をより効果的に抑えることができる。
（２）発光層と第２中間層の間の障壁層にｎ型不純物をドープすることにより発光層における再結合をより促進することができる。
（１）第１中間層の膜厚を、第２中間層及び発光層の膜厚より薄くすることにより、発光層で発光した光の第１中間層における自己吸収をより効果的に抑えることができる。
（２）発光層と第２中間層の間の障壁層にｎ型不純物をドープすることにより発光層における再結合をより促進することができる。
【0015】
ここで、発光層は、電子と正孔の再結合確率を考慮して、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＩｎ、Ｇａ及びＮの組成比を調整することにより所定の発光波長を設定することが好ましい。
また、第１中間層のバンドギャップエネルギーは、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＡｌ、Ｇａ及びＮの組成比を調整することにより、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくすることが好ましい。これにより、第１中間層による自己吸収を効果的に抑えることができる。
さらに第２中間層は、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＧａ及びＮの組成比を調整することにより、第１中間層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。
また、第１中間層のバンドギャップエネルギーは、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＡｌ、Ｇａ及びＮの組成比を調整することにより、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくすることが好ましい。これにより、第１中間層による自己吸収を効果的に抑えることができる。
さらに第２中間層は、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＧａ及びＮの組成比を調整することにより、第１中間層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。
【0016】
本発明に係る窒化物半導体素子は、上記の知見に基づいてなされたものであり、ｎ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備えている。そして、複数の井戸層は、ｎ側窒化物半導体層側から順に、障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有している。第１中間層の膜厚は、第２中間層及び発光層の膜厚よりも薄く、複数の障壁層のうち、第２中間層と発光層との間に配置される障壁層は、ｎ型不純物がドープされている。
【0017】
実施形態
以下、図面を参照しながら本実施形態の窒化物半導体素子とその窒化物半導体素子を備える発光装置の製造方法について説明する。
以下、図面を参照しながら本実施形態の窒化物半導体素子とその窒化物半導体素子を備える発光装置の製造方法について説明する。
【0018】
１．窒化物半導体素子
図１は、第２基板２２上に配置された本実施形態に係る窒化物半導体素子１の構成を示す断面図である。
図１は、第２基板２２上に配置された本実施形態に係る窒化物半導体素子１の構成を示す断面図である。
【0019】
本実施形態に係る窒化物半導体素子１は、図１に示すように、第２基板２２上に配置されている。窒化物半導体素子１は、第２基板２２側から順に、ｐ側窒化物半導体層１３と、活性層１２と、ｎ側窒化物半導体層１１とを含む。ｎ側窒化物半導体層１１には、第１電極３１が電気的に接続されている。ｐ側窒化物半導体層１３には、第２電極３２が電気的に接続されている。窒化物半導体素子１は、金属層４０を介して第２基板２２に接合されている。これにより、例えば、第２基板２２として導電性を有する半導体基板又は金属からなる基板を用いることによって、第２基板２２を介して窒化物半導体素子１に給電することが可能になる。このような構造を有する窒化物半導体素子１は、第１電極３１と第２電極３２との間に電圧を印加することにより活性層１２を発光させることができる。窒化物半導体素子１が発する光は、ｎ側窒化物半導体層１１の第１電極３１が設けられている面側から主に出射される。
以下、本実施形態の窒化物半導体素子１について詳細に説明する。
以下、本実施形態の窒化物半導体素子１について詳細に説明する。
【0020】
＜ｎ側窒化物半導体層＞
ｎ側窒化物半導体層１１は、例えば、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体である。ｎ側窒化物半導体層１１は、単一の層で構成されていてもよいし、複数の層を含んで構成されていてもよい。また、ｎ側窒化物半導体層１１は、例えば、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。ここで、アンドープの半導体層とは、成長させるときにｎ型の不純物を添加することなく成長させた層のことをいい、例えば、隣接する層から拡散等により混入する不可避的な不純物を含んでいてもよい。
ｎ側窒化物半導体層１１は、例えば、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体である。ｎ側窒化物半導体層１１は、単一の層で構成されていてもよいし、複数の層を含んで構成されていてもよい。また、ｎ側窒化物半導体層１１は、例えば、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。ここで、アンドープの半導体層とは、成長させるときにｎ型の不純物を添加することなく成長させた層のことをいい、例えば、隣接する層から拡散等により混入する不可避的な不純物を含んでいてもよい。
【0021】
＜ｐ側窒化物半導体層＞
ｐ側窒化物半導体層１３は、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体である。ｐ側窒化物半導体層１３は、単一の層で構成されていてもよいし、複数の層を含んで構成されていてもよい。また、ｐ側窒化物半導体層１３は、例えば、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。
ｐ側窒化物半導体層１３は、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体である。ｐ側窒化物半導体層１３は、単一の層で構成されていてもよいし、複数の層を含んで構成されていてもよい。また、ｐ側窒化物半導体層１３は、例えば、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。
【0022】
＜活性層＞
活性層１２は、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えている。本実施形態に係る多重量子井戸構造は、図２に示すように、ｎ側窒化物半導体層１１側から順に、複数の第１中間層６と複数の障壁層５とを含む第１層部２、第２中間層８とｎ型不純物ドープ障壁層７とを含む第２層部３、及び発光層１０と不純物がドープされていないアンドープ障壁層９とを含む第３層部４を備えている。
活性層１２は、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えている。本実施形態に係る多重量子井戸構造は、図２に示すように、ｎ側窒化物半導体層１１側から順に、複数の第１中間層６と複数の障壁層５とを含む第１層部２、第２中間層８とｎ型不純物ドープ障壁層７とを含む第２層部３、及び発光層１０と不純物がドープされていないアンドープ障壁層９とを含む第３層部４を備えている。
【0023】
（第１層部）
第１層部２は、第１中間層６と障壁層５とが交互に積層されている部分である。ｎ側窒化物半導体層１１上には障壁層５が配置され、障壁層５の上に第１中間層６が配置されており、以降、障壁層５及び第１中間層６が交互に積層され、最も上には、障壁層５が配置されている。本実施形態に係る第１層部２は、４層の障壁層５と３層の第１中間層６とを備えている。なお、図３に示すように、障壁層は、井戸層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有している。これは、以下の第２層部３及び第３層部４においても同様である。
第１層部２は、第１中間層６と障壁層５とが交互に積層されている部分である。ｎ側窒化物半導体層１１上には障壁層５が配置され、障壁層５の上に第１中間層６が配置されており、以降、障壁層５及び第１中間層６が交互に積層され、最も上には、障壁層５が配置されている。本実施形態に係る第１層部２は、４層の障壁層５と３層の第１中間層６とを備えている。なお、図３に示すように、障壁層は、井戸層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有している。これは、以下の第２層部３及び第３層部４においても同様である。
【0024】
障壁層５は、ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層は、例えば３元化合物である。障壁層５の一般式は例えば、ＡｌａＧａ１－ａＮ（０＜ａ＜１）である。障壁層５のＡｌの混晶比は、好ましくは０．０５≦ａ≦０．１５である。障壁層５の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍである。第１層部２の障壁層５は、後述する第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７と同様に、ｎ型の不純物がドープされていてもよい。また、複数の障壁層５のうち、一部がｎ型の不純物がドープされた障壁層とし、他部がｎ型の不純物がドープされていない障壁層としてもよい。第１層部２の障壁層５にｎ型の不純物をドープすることで、後述する第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７と同様に、発光層１０内での再結合確率を高めることができる。
【0025】
第１中間層６は、ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。第１中間層６は、図３に示すように、第２中間層８、発光層１０よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。第１中間層６は、例えば、３元化合物や４元化合物である。第１中間層６の一般式は例えば、ＡｌｂＩｎｃＧａ１－ｂ－ｃＮ（０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１、ｂ＋ｃ＜１）である。第１中間層６のＡｌの混晶比は、好ましくは０．０３≦ｂ≦０．１である。また、第１中間層６のＩｎの含有量は、好ましくは０≦ｃ≦０．０３である。第１中間層６をこのような組成とすることで、発光層１０から発光される光の吸収を抑制することができる。第１中間層６は、発光する発光層１０とは異なり、実質的に発光しない非発光性の井戸層である。
第１中間層６の膜厚は、第２中間層８及び発光層１０の膜厚よりも薄い。このような膜厚を有することで、第１中間層６による自己吸収を効果的に抑制できる。第１中間層６の膜厚は、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、好ましくは３ｎｍ以上７ｎｍ以下である。
上述したバンドギャップエネルギー及び膜厚を有する第１中間層６は、後述の発光層１０を結晶性良く成長させるためのバッファ層としての役割を果たすとともに、発光層１０から発光される光の吸収を抑制することができる。
第１中間層６の膜厚は、第２中間層８及び発光層１０の膜厚よりも薄い。このような膜厚を有することで、第１中間層６による自己吸収を効果的に抑制できる。第１中間層６の膜厚は、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、好ましくは３ｎｍ以上７ｎｍ以下である。
上述したバンドギャップエネルギー及び膜厚を有する第１中間層６は、後述の発光層１０を結晶性良く成長させるためのバッファ層としての役割を果たすとともに、発光層１０から発光される光の吸収を抑制することができる。
【0026】
（第２層部）
第２層部３は、１つの第２中間層８と１つのｎ型不純物ドープ障壁層７とが積層されている部分である。第２中間層８は、第１層部２の最上に積層された障壁層５の上に配置されており、第２中間層８の上にｎ型不純物ドープ障壁層７が配置されている。
第２層部３は、１つの第２中間層８と１つのｎ型不純物ドープ障壁層７とが積層されている部分である。第２中間層８は、第１層部２の最上に積層された障壁層５の上に配置されており、第２中間層８の上にｎ型不純物ドープ障壁層７が配置されている。
【0027】
第２層部３におけるｎ型不純物ドープ障壁層７は、ｎ型の不純物がドープされた、ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。ｎ型不純物ドープ障壁層７は、例えば、３元化合物である。ｎ型不純物ドープ障壁層７の組成は、上述した障壁層５と同一の組成であってもよい。また、ｎ型不純物ドープ障壁層７の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上４０ｎｍである。ｎ型不純物は、例えばＳｉである。ｎ型不純物ドープ障壁層７のｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１７原子／ｃｍ３以上１×１０１９原子／ｃｍ３以下である。ｎ型不純物ドープ障壁層７を発光層１０に隣接して形成することにより、第１中間層６と第２中間層の間にアンドープの障壁層を設ける場合に比較して、ｐ側窒化物半導体層１３から注入された正孔とｎ型不純物ドープ障壁層７を介して注入された電子との発光層１０内での再結合確率を高くできる。また、発光層１０内での再結合確率を高くできる結果、第２中間層８及び第１中間層６への正孔の注入を抑制でき、第２中間層８及び第１中間層６が実質的に発光しない構造とすることができる。
【0028】
第２中間層８は、ＧａとＮとを含む窒化物半導体層であり、好ましくは、ＩｎとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。また、第２中間層８は、図３に示すように、第１中間層６よりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２中間層８の一般式は、例えばＩｎｄＧａ１－ｄＮ（０≦ｄ＜１）である。第２中間層８のＩｎの含有量は、発光層１０のＩｎの含有量よりも少ないことが好ましい。これにより、第２中間層８のバンドギャップエネルギーを発光層１０のバンドギャップエネルギーよりも大きくし、発光層１０から発光される光が第２中間層８により吸収されることを抑制できる。第２中間層８のＩｎの含有量は、好ましくは０≦ｄ≦０．０３である。第２中間層８は、発光する発光層１０とは異なり、上述した第１中間層６と同様に、実質的に発光しない非発光性の井戸層である。
第２中間層８のバンドギャップエネルギーを発光層１０のバンドギャップエネルギーとほぼ同じとする場合には、第２中間層８の膜厚を発光層１０の膜厚よりも薄くすることが好ましい。これにより、発光層１０から発光される光が第２中間層８により吸収されることを抑制できる。第２中間層８の膜厚を薄くすることにより第２中間層８による自己吸収が抑制される。第２中間層８の膜厚は、第１中間層６よりも厚い。第２中間層８の膜厚は、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。
上述したバンドギャップエネルギー及び膜厚を有する第２中間層８は、第１中間層６と後述する発光層１０との間に生じる結晶の格子緩和を抑制する。ここで、格子緩和は格子定数が異なる結晶の境界部分に転位を発生させることにより歪を分散させる現象であるが、一方で格子緩和が生じることで転位が発生し結晶性を低下させる傾向がある。そこで、本実施形態の窒化物半導体素子では、第２中間層８を設けることで、Ａｌを含む窒化物半導体から構成された第１中間層６を積層することによって低下した結晶性を回復させることができる。
第２中間層８のバンドギャップエネルギーを発光層１０のバンドギャップエネルギーとほぼ同じとする場合には、第２中間層８の膜厚を発光層１０の膜厚よりも薄くすることが好ましい。これにより、発光層１０から発光される光が第２中間層８により吸収されることを抑制できる。第２中間層８の膜厚を薄くすることにより第２中間層８による自己吸収が抑制される。第２中間層８の膜厚は、第１中間層６よりも厚い。第２中間層８の膜厚は、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。
上述したバンドギャップエネルギー及び膜厚を有する第２中間層８は、第１中間層６と後述する発光層１０との間に生じる結晶の格子緩和を抑制する。ここで、格子緩和は格子定数が異なる結晶の境界部分に転位を発生させることにより歪を分散させる現象であるが、一方で格子緩和が生じることで転位が発生し結晶性を低下させる傾向がある。そこで、本実施形態の窒化物半導体素子では、第２中間層８を設けることで、Ａｌを含む窒化物半導体から構成された第１中間層６を積層することによって低下した結晶性を回復させることができる。
【0029】
（第３層部）
第３層部４は、１つの発光層１０と１つのアンドープ障壁層９とが積層されている部分である。発光層１０は、第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７の上に配置されており、発光層１０の上にアンドープ障壁層９が配置されている。
第３層部４は、１つの発光層１０と１つのアンドープ障壁層９とが積層されている部分である。発光層１０は、第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７の上に配置されており、発光層１０の上にアンドープ障壁層９が配置されている。
【0030】
第３層部４におけるアンドープ障壁層９は、ｎ型の不純物がドープされていない窒化物半導体層である。アンドープ障壁層９は、例えば、３元化合物である。アンドープ障壁層９は、上述した障壁層５やｎ型不純物ドープ障壁層７と同一の組成であってもよい。アンドープ障壁層９の膜厚は、障壁層５及びｎ型不純物ドープ障壁層７より厚い。アンドープ障壁層９の膜厚は、例えば３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。アンドープ障壁層９は、ｎ型の不純物を含んでいないため、ｐ側窒化物半導体層１３から移動してきた正孔はアンドープ障壁層９を通過し発光層１０に移動する。これ故、発光層１０への正孔の供給が効率よく行われ、発光層１０の発光効率が向上する。
【0031】
発光層１０は、ＧａとＮとを含む窒化物半導体層であり、紫外光を発光する。本明細書では、紫外光は、波長が４００ｎｍ以下の光を意味する。発光層１０の一般式は、例えば、ＩｎｅＧａ１－ｅＮ（０≦ｅ＜１）である。Ｉｎの含有量は、好ましくは０≦ｅ≦０．０５である。このような組成を有する発光層１０は、紫外光を発光する。発光層１０が発する光のピーク波長は、例えば、３６５ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。発光層１０のピーク波長の例としては、約３６５ｎｍや約３８５ｎｍである。また、発光層１０は、図３に示すように、例えば、第２中間層８と略同一のバンドギャップエネルギーを有する。なお、発光層１０にＡｌなどを含有させることで、発光層１０のピーク波長を、例えば、２５０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下とすることもできる。発光層１０を、例えば、ＡｌｆＧａ１－ｆＮ（０＜ｆ＜１）とする場合、Ａｌの含有量は、０＜ｆ≦０．６とすることができる。
発光層１０の膜厚は、第２中間層８の膜厚以上である。発光層１０の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。このような膜厚を有する発光層１０は、電子と正孔の再結合を促進することができる。
発光層１０の膜厚は、第２中間層８の膜厚以上である。発光層１０の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。このような膜厚を有する発光層１０は、電子と正孔の再結合を促進することができる。
【0032】
２．発光装置の製造方法
次に、本実施形態の窒化物半導体素子を備える発光装置の製造方法について説明する。
次に、本実施形態の窒化物半導体素子を備える発光装置の製造方法について説明する。
【0033】
＜第１ウエハ準備工程＞
第１ウエハ準備工程では、図４に示すように、例えば、サファイアからなる第１基板２１を準備する。その後、図５に示すように、第１基板２１上に、例えば、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を成長させることにより、第１基板２１側から順にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を含むｎ側窒化物半導体層１１を形成する。尚、第１基板２１上にバッファ層を介してｎ側窒化物半導体層１１を形成するようにしてもよい。
第１ウエハ準備工程では、図４に示すように、例えば、サファイアからなる第１基板２１を準備する。その後、図５に示すように、第１基板２１上に、例えば、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を成長させることにより、第１基板２１側から順にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を含むｎ側窒化物半導体層１１を形成する。尚、第１基板２１上にバッファ層を介してｎ側窒化物半導体層１１を形成するようにしてもよい。
【0034】
次に、図６に示すように、ｎ側窒化物半導体層１１の上に、活性層１２を形成する。活性層１２は、以下の工程により形成される。
【0035】
まず、Ａｌ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いてｎ側窒化物半導体層１１の上に障壁層５を成長させる（障壁層成長工程）。障壁層５の組成が、例えば、ＡｌＧａＮである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を１～２ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍに設定することで、障壁層５を形成することができる。
【0036】
次に、Ａｌ原料ガス、Ｉｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いて障壁層５の上に第１中間層６を成長させる（第１中間層成長工程）。第１中間層６の組成が、例えば、ＡｌＩｎＧａＮである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を０．２～１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスの流量を０．１～２５ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍに設定することで、第１中間層６を形成することができる。
【0037】
障壁層成長工程及び第１中間層成長工程を交互に繰り返すことで、複数の障壁層５及び第１中間層６を有する第１層部２が形成される。なお、第１層部２を形成する工程は、障壁層成長工程で終了される。
【0038】
次に、Ｉｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いて障壁層５の上に第２中間層８を成長させる（第２中間層成長工程）。第２中間層８の組成が、例えば、ＩｎＧａＮである場合は、Ｉｎ原料ガスの流量を０．１～２５ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定することで、第２中間層８を形成することができる。
【0039】
次に、Ａｌ原料ガス、Ｇａ原料ガス、Ｎ原料ガス、及びｎ型不純物原料ガスを含む原料ガスを用いて第２中間層８の上にｎ型不純物ドープ障壁層７を成長させる（ｎ型不純物ドープ障壁層成長工程）。ｎ型不純物ドープ障壁層７の組成が、例えば、ＡｌＧａＮであり、ｎ型不純物がＳｉである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を１～２ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定し、ｎ型不純物のドープ量を１×１０１７原子／ｃｍ３以上１×１０１９原子／ｃｍ３以下の範囲に設定することで、ｎ型不純物ドープ障壁層７を形成することができる。
【0040】
第２中間層成長工程とｎ型不純物ドープ障壁層成長工程を行うことで、第２中間層８及びｎ型不純物ドープ障壁層７を有する第２層部３が形成される。
【0041】
次に、Ｉｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いてｎ型不純物ドープ障壁層７の上に発光層１０を成長させる（発光層成長工程）。発光層１０の組成が、例えば、ＩｎＧａＮまたはＧａＮである場合は、Ｉｎ原料ガスの流量を０～４５ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定することで、発光層１０を形成することができる。
【0042】
次に、Ａｌ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いて発光層１０の上にアンドープ障壁層９を成長させる（アンドープ障壁層成長工程）。アンドープ障壁層９の組成が、例えば、ＡｌＧａＮである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を１～２ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定することで、アンドープ障壁層９を形成することができる。
【0043】
発光層成長工程とアンドープ障壁層成長工程を行うことで、発光層１０及びアンドープ障壁層９を有する第３層部４を形成される。
【0044】
そして、第１層部２、第２層部３、及び第３層部４を有する活性層１２の上に、例えば、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を成長させることにより、活性層１２側から順にｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とを含むｐ側窒化物半導体層１３を形成する。このような工程により、図７に示すように、第１基板２１の上に、ｎ側窒化物半導体層１１、活性層１２、及びｐ側窒化物半導体層１３を有する半導体構造１ａが形成された第１ウエハ１００を準備する。
【0045】
＜第２ウエハ準備工程＞
第２ウエハ準備工程では、まず、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を例えば以下のようにして形成する。
最初に、図８に示すように、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、レジスト５１を形成する。ここでは、例えば、ｐ側窒化物半導体層１３上の、第２電極を形成しない部分にレジスト５１を形成する。
次に、図９に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３の上面全体に、例えば、Ａｇを含む金属膜（３２、３２ａ）を形成する。これにより、レジスト５１が形成されていないｐ側窒化物半導体層１３上に第２電極３２が形成される。
そして、図１０に示すように、レジスト５１を、レジスト５１上に形成された金属膜３２ａと共に除去する。
以上のようにして、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を形成する。
ここでは、リフトオフプロセスにより所定のパターンの第２電極３２を形成する方法について説明した。しかしながら、リフトオフプロセスを用いることなく、例えば、レジスト５１を形成することなくｐ側窒化物半導体層１３の上面全体に、金属膜を形成して、その金属膜の上にレジストを形成してそのレジストをマスクとして金属膜を除去することにより、所定のパターンの第２電極３２を形成するようにしてもよい。
第２ウエハ準備工程では、まず、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を例えば以下のようにして形成する。
最初に、図８に示すように、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、レジスト５１を形成する。ここでは、例えば、ｐ側窒化物半導体層１３上の、第２電極を形成しない部分にレジスト５１を形成する。
次に、図９に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３の上面全体に、例えば、Ａｇを含む金属膜（３２、３２ａ）を形成する。これにより、レジスト５１が形成されていないｐ側窒化物半導体層１３上に第２電極３２が形成される。
そして、図１０に示すように、レジスト５１を、レジスト５１上に形成された金属膜３２ａと共に除去する。
以上のようにして、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を形成する。
ここでは、リフトオフプロセスにより所定のパターンの第２電極３２を形成する方法について説明した。しかしながら、リフトオフプロセスを用いることなく、例えば、レジスト５１を形成することなくｐ側窒化物半導体層１３の上面全体に、金属膜を形成して、その金属膜の上にレジストを形成してそのレジストをマスクとして金属膜を除去することにより、所定のパターンの第２電極３２を形成するようにしてもよい。
【0046】
次に、図１１に示すように、第２電極３２上にレジスト５２を形成する。レジスト５２を形成した後、図１２に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３の上の第２電極３２が形成されていない部分及びレジスト５２の上に絶縁膜３５ａを形成する。そして、図１３に示すように、レジスト５２を、レジスト５２上に形成された絶縁膜３５ａとともに除去する。このようにして、ｐ側窒化物半導体層１３の上の第２電極３２が形成されていない部分に絶縁膜３５を形成する。絶縁膜３５は、例えば、後記する切断位置ＣＬ上に設けられる。このように配置することで、絶縁膜３５により第２電極３２が発光装置の側面から露出しない構成とすることができる。その結果、発光装置の側面における短絡の発生が抑制され、信頼性を向上させることができる。
【0047】
次に、図１４に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３上に形成された第２電極３２及び絶縁膜３５上に、金属層４０ａを形成する。別途、図１５に示すように、一方の面に金属層４０ｂが形成された第２基板２２を準備し、その金属層４０ｂと金属層４０ａとを接合する。これにより、図１６に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３上に第２電極３２と絶縁膜３５とを介して第２基板２２を接合する。第２基板２２を接合した後、図１７示すように、第１基板２１を除去する。以上のように、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に第２基板２２を接合して、その第１ウエハ１００の第１基板２１を除去する。第１基板２１の除去は、例えば、第１基板２１とｎ側窒化物半導体層１１との界面付近にレーザ光を照射し第１基板２１とｎ側窒化物半導体層１１とを分離するレーザリフトオフにより行う。または、第１基板２１をエッチングできる溶液を用いて除去するウェットエッチングを行うことにより行う。以上のようにして、第１基板２１上に形成した半導体構造１ａを第２基板２２上に金属層４０と第２電極３２及び絶縁膜３５とを介して転写する。このようにして、図１７示すように、第２基板２２上に、表面にｎ側窒化物半導体層１１が露出した半導体構造１ａを備えた第２ウエハ２００を準備する。すなわち、第２ウエハ２００において、第２基板２２上には、金属層４０と第２電極３２及び絶縁膜３５とを介してｐ側窒化物半導体層１３、活性層１２、ｎ側窒化物半導体層１１とが第２基板２２側から順に積層されている。ここで、第２基板２２は、Ｓｉからなるシリコン基板であることが好ましく、第２基板２２をシリコン基板とすることで、後記する切断工程において、第２基板２２を容易に分割することができる。
【0048】
＜窒化物半導体素子分離工程＞
次に、図１８に示すように、第２ウエハ２００の半導体構造１ａの一部を除去することで複数の窒化物半導体素子１に分離する。この工程により、半導体構造１ａは、後述する切断工程で得られるそれぞれの発光装置に対応するように分離される。半導体構造１ａの一部の除去は、例えば、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングにより行う。
次に、図１８に示すように、第２ウエハ２００の半導体構造１ａの一部を除去することで複数の窒化物半導体素子１に分離する。この工程により、半導体構造１ａは、後述する切断工程で得られるそれぞれの発光装置に対応するように分離される。半導体構造１ａの一部の除去は、例えば、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングにより行う。
【0049】
＜第１電極形成工程＞
次に、図１９に示す第２ウエハ２００のｎ側窒化物半導体層１１上に、所定のパターンの第１電極３１を形成する。第１電極３１は、上述した第２電極３２の形成方法と同様に、レジストを用いたリフトオフプロセスやエッチングプロセスにより形成することができる。
次に、図１９に示す第２ウエハ２００のｎ側窒化物半導体層１１上に、所定のパターンの第１電極３１を形成する。第１電極３１は、上述した第２電極３２の形成方法と同様に、レジストを用いたリフトオフプロセスやエッチングプロセスにより形成することができる。
【0050】
＜切断工程＞
最後に、第１電極３１が形成された第２ウエハ２００を、所望の大きさの個々の発光装置に分割する。この分割は、ダイシングなどにより、図１９に示す所定の切断位置ＣＬに沿って行う。
最後に、第１電極３１が形成された第２ウエハ２００を、所望の大きさの個々の発光装置に分割する。この分割は、ダイシングなどにより、図１９に示す所定の切断位置ＣＬに沿って行う。
【0051】
３．窒化物半導体素子の変形例
以下、窒化物半導体素子１の変形例について説明する。
以下、窒化物半導体素子１の変形例について説明する。
【0052】
上述した実施形態の窒化物半導体素子１に係る第３層部４は１つの発光層１０と１つのアンドープ障壁層９を備えているが、これに限られるものではなく、複数の発光層１０と複数のアンドープ障壁層９とを備えていてもよい。例えば、図２０に示すように、本発明に係る一変形例の窒化物半導体素子１０１は、３つの発光層１０と３つのアンドープ障壁層９とを含む第３層部１０４を備える。また複数のアンドープ障壁層９のうち、ｐ側窒化物半導体層１３に接して設けられるアンドープ障壁層９の膜厚を他のアンドープ障壁層９の膜厚よりも厚くしてもよい。
【0053】
さらに、上述した窒化物半導体素子１に係る第１層部２は、４層の障壁層５と３層の第１中間層６を備えているが、第１層部２が備える第１中間層６の層数は、これに限られるものではない。例えば、第１層部２は１つの第１中間層６を備えていてもよいし、２層又は４層以上の複数の第１中間層６を備えていてもよい。そして、障壁層５の層数も、第１中間層６の層数に応じて異なり得る。
【実施例】
【0054】
実施例１．
実施例１の窒化物半導体素子を以下のように作製した。
実施例１の窒化物半導体素子を以下のように作製した。
【0055】
まず、サファイアからなる第１基板２１を準備し、その上にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を成長させることにより、第１基板２１側から順にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を含むｎ側窒化物半導体層１１を形成した。
【0056】
次に、ｎ側窒化物半導体層１１の上に、Ａｌ０．０９５Ｇａ０．９０５Ｎからなり、ｎ型不純物を含む障壁層５と、Ａｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎからなる第１中間層６とを積層した。本実施例では、４層の障壁層５とその４層の障壁層５の間にそれぞれ配置される３層の第１中間層６とを形成した。障壁層５の膜厚は２９ｎｍの厚さに成長させ、第１中間層６の厚さは５ｎｍになるように成長させた。障壁層５を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを３８．７ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。また、障壁層５に含まれるｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉのドープ量が１×１０１８原子／ｃｍ３になるように設定した。第１中間層６を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを０．２ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
【0057】
次に、障壁層５の上に、Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎからなる第２中間層８と、Ａｌ０．０９５Ｇａ０．９０５Ｎからなり、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型不純物ドープ障壁層７と、を１層ずつ積層した。第２中間層８の厚さは１５ｎｍの厚さに成長させ、ｎ型不純物ドープ障壁層７の膜厚は２９ｎｍの厚さに成長に成長させた。第２中間層８を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。ｎ型不純物ドープ障壁層７を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを３８．７ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。また、ｎ型不純物ドープ障壁層７に含まれるｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉのドープ量が１×１０１８原子／ｃｍ３になるように設定した。
【0058】
次に、ｎ型不純物ドープ障壁層７の上に、Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎからなる発光層１０と、Ａｌ０．０９５Ｇａ０．９０５Ｎからなるアンドープ障壁層９と、を１層ずつ積層した。発光層１０の厚さは１５ｎｍに成長させ、アンドープ障壁層９の膜厚は４０ｎｍの厚さに成長させた。発光層１０を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。アンドープ障壁層９を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを３８．７ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
【0059】
このように成長させた活性層１２を形成した後、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とを含むｐ側窒化物半導体層１３を形成し、第１ウエハ１００を準備した。
【0060】
次に、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を形成し、金属層４０を介して第２基板２２に転写する。その後、第１基板２１を除去して、ｎ側窒化物半導体層１１上に所定のパターンの第１電極３１を形成した。
【0061】
以上のように形成された実施例１の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力を評価した。
その結果、実施例１の窒化物半導体素子の発光出力は１６０５．４ｍＷであった。
その結果、実施例１の窒化物半導体素子の発光出力は１６０５．４ｍＷであった。
【0062】
実施例２．
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６の膜厚を８ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例２の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例２の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５７６．０ｍＷであった。
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６の膜厚を８ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例２の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例２の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５７６．０ｍＷであった。
【0063】
実施例３．
実施例１の窒化物半導体素子において、第２中間層８の膜厚を８ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例３の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例３の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５９４．３ｍＷであった。
実施例１の窒化物半導体素子において、第２中間層８の膜厚を８ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例３の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例３の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５９４．３ｍＷであった。
【0064】
実施例４．
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６を成長させる際の原料ガスの流量について、Ａｌ原料ガスを０．４ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定し、第１中間層６の組成をＡｌ０．０４５Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９５Ｎとした以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例４の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例４の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１６１４．２ｍＷであった。
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６を成長させる際の原料ガスの流量について、Ａｌ原料ガスを０．４ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定し、第１中間層６の組成をＡｌ０．０４５Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９５Ｎとした以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例４の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例４の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１６１４．２ｍＷであった。
【0065】
実施例５．
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６を成長させる際の原料ガスの流量について、Ａｌ原料ガスを０．６ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定し、第１中間層６の組成をＡｌ０．０６Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９３５Ｎとした以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例５の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例５の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５９５．６ｍＷであった。
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６を成長させる際の原料ガスの流量について、Ａｌ原料ガスを０．６ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定し、第１中間層６の組成をＡｌ０．０６Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９３５Ｎとした以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例５の窒化物半導体素子を作製した。
以上のようにして作製した実施例５の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５９５．６ｍＷであった。
【0066】
参考例１．
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６をＩｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎから構成し、膜厚を１５ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして参考例１の窒化物半導体素子を作製した。Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎから構成された第１中間層６を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
以上のようにして作製した参考例１の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５２３．２ｍＷであった。
実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６をＩｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎから構成し、膜厚を１５ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして参考例１の窒化物半導体素子を作製した。Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎから構成された第１中間層６を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
以上のようにして作製した参考例１の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５２３．２ｍＷであった。
【0067】
参考例２．
実施例１の窒化物半導体素子において、第２中間層８をＡｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎから構成し、膜厚を５ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして参考例２の窒化物半導体素子を作製した。Ａｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎから構成された第２中間層８を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを０．２ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
以上のようにして作製した参考例２の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５７２．０ｍＷであった。
実施例１の窒化物半導体素子において、第２中間層８をＡｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎから構成し、膜厚を５ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして参考例２の窒化物半導体素子を作製した。Ａｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎから構成された第２中間層８を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを０．２ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
以上のようにして作製した参考例２の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５７２．０ｍＷであった。
【0068】
これらの実施例１～５、参考例１、２の結果を表１に記載する。なお、表１において、第１中間層６の膜厚を膜厚Ｔ１、第２中間層８の膜厚を膜厚Ｔ２と表している。
＜表１＞
＜表１＞
【0069】
これらの結果から、第１中間層６のバンドギャップエネルギーが、第２中間層８のバンドギャップエネルギー及び発光層１０のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、第１中間層６の膜厚が、第２中間層８の膜厚及び発光層１０の膜厚より薄い構成を有する実施例１～５の窒化物半導体素子は、参考例１、２の窒化物半導体素子よりも高い発光出力を示すことが明らかになった。また、第１中間層６の膜厚をより薄くすることで高い発光出力が得られることが分かった。さらにまた、第１中間層６を成長させる際のＡｌ原料ガスを一定の値から多くする、または少なくするにつれて発光出力が低下する傾向があることが分かった。
第１中間層６及び第２中間層８の組成をＩｎＧａＮとした参考例１の窒化物半導体素子は、実施例１～５の窒化物半導体素子よりも発光出力が低いことが分かった。これは、第１中間層６による自己吸収が実施例１～５の窒化物半導体素子よりも多く発生していることが影響していると考えられる。また第１中間層６及び第２中間層８の組成をＡｌＩｎＧａＮとした参考例２の窒化物半導体素子は、実施例１～５の窒化物半導体素子よりも発光出力が低いことが分かった。これは、第２中間層８による格子緩和を抑制する効果が得られていないことが影響していると考えられる。
第１中間層６及び第２中間層８の組成をＩｎＧａＮとした参考例１の窒化物半導体素子は、実施例１～５の窒化物半導体素子よりも発光出力が低いことが分かった。これは、第１中間層６による自己吸収が実施例１～５の窒化物半導体素子よりも多く発生していることが影響していると考えられる。また第１中間層６及び第２中間層８の組成をＡｌＩｎＧａＮとした参考例２の窒化物半導体素子は、実施例１～５の窒化物半導体素子よりも発光出力が低いことが分かった。これは、第２中間層８による格子緩和を抑制する効果が得られていないことが影響していると考えられる。
【0070】
以上、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施形態及び実施例における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。
【符号の説明】
【0071】
１、１０１ 窒化物半導体素子
１ａ 半導体構造
２ 第１層部
３ 第２層部
４、１０４ 第３層部
５ 障壁層
６ 第１中間層
７ ｎ型不純物ドープ障壁層
８ 第２中間層
９ アンドープ障壁層
１０ 発光層
１１ ｎ側窒化物半導体層
１２ 活性層
１３ ｐ側窒化物半導体層
２１ 第１基板
２２ 第２基板
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３５ 絶縁膜
１００ 第１ウエハ
２００ 第２ウエハ
１ａ 半導体構造
２ 第１層部
３ 第２層部
４、１０４ 第３層部
５ 障壁層
６ 第１中間層
７ ｎ型不純物ドープ障壁層
８ 第２中間層
９ アンドープ障壁層
１０ 発光層
１１ ｎ側窒化物半導体層
１２ 活性層
１３ ｐ側窒化物半導体層
２１ 第１基板
２２ 第２基板
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３５ 絶縁膜
１００ 第１ウエハ
２００ 第２ウエハ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】