特許 7555470 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(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-12

(45)【発行日】2024-09-24

(54)【発明の名称】窒化物半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/12 20100101AFI20240913BHJP

   H01L 33/32 20100101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

H01L33/12

H01L33/32

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023206638

(22)【出願日】2023-12-07

【審査請求日】2023-12-07

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002583

【氏名又は名称】弁理士法人平田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松倉 勇介

(72)【発明者】

【氏名】ペルノ シリル

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼尾 一史

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－２５８０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０７０２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／００４７７４９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２２－０８４４７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０８１４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３１３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】Sang Ho Oh et al.，Oscillatory Mass Transport in Vapor-Liquid-Solid Growth of Sapphire Nanowires，SCIENCE，2010年10月22日，Vol. 330，pp.489－493

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４

Ｇｏｏｇｌｅ Ｓｃｈｏｌａｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｃ面が成長面であるサファイア基板と、
前記成長面上に形成されたバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成されるとともに、中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する活性層と、
前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、を備え、
前記バッファ層の膜厚は、５００ｎｍより大きく、
前記バッファ層の酸素濃度の平均値は、４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を満たし、
前記サファイア基板の酸素濃度の平均値に対する前記バッファ層の酸素濃度の平均値の比率は、３／２０以下を満たす、
窒化物半導体発光素子。

【請求項2】

前記バッファ層の酸素濃度の平均値は、１．０×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を更に満たす、
請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項3】

前記サファイア基板の酸素濃度の平均値に対する前記バッファ層の酸素濃度の平均値の比率は、１３／１００以下を更に満たす、
請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項4】

前記サファイア基板の酸素濃度の平均値に対する前記バッファ層の酸素濃度の平均値の比率は、１／１００以下を更に満たす、
請求項３に記載の窒化物半導体発光素子。

【請求項5】

前記バッファ層は、アンドープの窒化アルミニウムより形成されたＡｌＮ層と、アンドープのＡｌ _ｐ Ｇａ _１－ｐ Ｎ（０≦ｐ≦１）により形成された前記ＡｌＮ層上に形成されたＡｌＧａＮ層とを有する、
請求項１又は２に記載の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、窒化物半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、発光ピーク波長が３８０ｎｍ以上４２５ｎｍ以下の半導体発光素子において、バッファ層の酸素濃度の分布を工夫することで、バッファ層上に成膜される各半導体層の結晶性を向上させようとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１９／０４４１７３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する窒化物半導体発光素子においては、バッファ層に含まれる酸素が紫外光を吸収することに起因して光出力の低下を招き得るという新たな課題が見出された。

【0005】

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光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】

本発明は、前記の目的を達成するため、ｃ面が成長面であるサファイア基板と、前記成長面上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成されるとともに、中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する活性層と、前記活性層上に形成されたｐ型半導体層と、を備え、前記バッファ層の膜厚は、５００ｎｍより大きく、前記バッファ層の酸素濃度の平均値は、４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を満たし、前記サファイア基板の酸素濃度の平均値に対する前記バッファ層の酸素濃度の平均値の比率は、３／２０以下を満たす、窒化物半導体発光素子を提供する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態における、窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す模式図である。

【図2】実験例における、バッファ層の酸素濃度の平均値と光出力との関係を示すグラフである。

【図3】実験例における、基板の酸素濃度の平均値に対するバッファ層の酸素濃度の平均値の比率と光出力との関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

【0010】

（窒化物半導体発光素子１）
図１は、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各半導体層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。以後、発光素子１の各半導体層の積層方向を上下方向という。また、上下方向の一方側であって、基板２における各半導体層が成長される側（例えば図１の上側）を上側とし、その反対側（例えば図１の下側）を下側とする。なお、上下の表現は便宜的なものであり、例えば発光素子１の使用時における、鉛直方向に対する発光素子１の姿勢を限定するものではない。

【0011】

発光素子１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）を構成するものである。本形態において、発光素子１は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオードを構成するものである。特に、本形態の発光素子１は、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発する。発光素子１は、例えば殺菌（例えば空気浄化、浄水等）、医療（例えば光線治療、計測・分析等）、ＵＶキュアリング等の分野において用いることができる。

【0012】

発光素子１は、基板２上に、バッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次備える。また、発光素子１は、ｎ型半導体層４上に設けられたｎ側電極１１と、ｐ型半導体層８上に設けられたｐ側電極１２とを備える。

【0013】

発光素子１を構成する半導体としては、例えば、Ａｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{１－ａ－ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）にて表される２～４元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いることができる。本形態においては、発光素子１を構成する半導体として、Ａｌ_ｃＧａ_１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）にて表される２元系又は３元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いている。これらのＩＩＩ族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置き換えてもよい。また、窒素の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。

【0014】

基板２は、活性層６が発する光を透過する材料からなる。本形態において、基板２は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。基板２の上面にて構成される成長面２１は、ｃ面である。このｃ面は、オフ角を有するものであってもよい。基板２のオフ角は、０．６°以上が好ましい。基板２のオフ角が０．６°よりも小さい場合、基板２の上面に形成されるステップ・テラス構造のテラス幅が広くなり、バッファ層３の上面にヒロックが形成されやすくなる結果、バッファ層３に酸素が取り込まれやすくなる。基板２のオフ角は、０．９°以上１．１°以下がより好ましい。また、基板２として、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板等を用いてもよい。

【0015】

バッファ層３は、基板２上に形成されている。本形態において、バッファ層３は、基板２側から順に、アンドープの窒化アルミニウムより形成されたＡｌＮ層３１と、アンドープのＡｌ_ｐＧａ_１－ｐＮ（０≦ｐ≦１）により形成されたＡｌＧａＮ層３２との２層からなる。アンドープの半導体層とは、その半導体層の形成時に意図的に不純物の添加が行われていない半導体層を意味し、不可避的に含まれる微量の不純物を含む半導体層もアンドープの半導体層とする。バッファ層３の全体の膜厚は、５００ｎｍより大きい。これにより、基板２とバッファ層３上に形成される半導体層との間の格子不整合を緩和しやすく、バッファ層３上に形成される半導体層の結晶性を向上させることができる。バッファ層３の全体の膜厚は、バッファ層３にクラックが発生することを抑制する観点から、５μｍ以下が好ましい。ＡｌＮ層３１の膜厚は、ＡｌＧａＮ層３２の膜厚より大きい。例えば、ＡｌＮ層３１の膜厚は、３８０ｎｍ以上２２００ｎｍ以下であり、ＡｌＧａＮ層３２の膜厚は８０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下である。ＡｌＧａＮ層３２のＡｌ組成比ｐは、例えば４５％以上６５％以下である。ＡｌＮ層３１とｎ型半導体層４との間にＡｌＧａＮ層３２を介在させることで、バッファ層３とｎ型半導体層４との間のＡｌ組成比の差が低減され、ｎ型半導体層４への転位の伝播が抑制される結果、ｎ型半導体層４の導電性が向上する。

【0016】

中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する発光素子１においては、バッファ層３に不純物として不可避的に含まれる酸素濃度の平均値が高いと、活性層６から発される紫外光がバッファ層３中の酸素に吸収されて発光素子１の光出力が低下する。そこで、本形態の発光素子１においては、バッファ層３の酸素濃度の平均値が４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下となるよう構成されている。以下、バッファ層３の酸素濃度の平均値とは、バッファ層３の上下方向の各位置の酸素濃度を平均した値を意味するものとする。バッファ層３の酸素濃度の平均値は、１．０×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましく、３．５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が一層好ましく、３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下がより一層好ましい。バッファ層３の酸素濃度の調整方法は、例えば後述するように製造条件を工夫することで実現可能である。

【0017】

ここで、基板２としてのサファイア基板は、その構成元素として酸素を含むところ、バッファ層３の酸素濃度の平均値は、サファイア基板の酸素濃度の平均値よりも小さいことが好ましい。基板２の酸素濃度の平均値に対するバッファ層３の酸素濃度の平均値の比率は、３／２０以下が好ましく、１３／１００以下がより好ましく、１３／１０００以下がより一層好ましく、１／１００以下が更に好ましい。

【0018】

なお、バッファ層３は、単層であってもよいし、３層以上であってもよい。基板２が窒化アルミニウム基板又は窒化アルミニウムガリウム基板である場合、バッファ層３は、例えばＡｌＧａＮ層３２のみにて構成してもよい。

【0019】

ｎ型半導体層４は、バッファ層３上に形成されている。ｎ型半導体層４は、例えば、ｎ型不純物がドープされたＡｌ_ｑＧａ_１－ｑＮ（０≦ｑ≦１）により形成されたｎ型クラッド層である。本形態において、ｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。ｎ型半導体層４以外の、ｎ型不純物を含む半導体層においても同様である。なお、ｎ型不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型半導体層４のＡｌ組成比ｑは、例えば４５％以上６５％以下である。ｎ型半導体層４は、単層構造でもよく、多層構造でもよい。

【0020】

組成傾斜層５は、ｎ型半導体層４上に形成されている。組成傾斜層５は、Ａｌ_ｒＧａ_１－ｒＮ（０≦ｒ≦１）からなる。組成傾斜層５の上下方向の各位置におけるＡｌ組成比は、上側の位置程大きくなっている。なお、組成傾斜層５は、例えば上下方向の極一部の領域（例えば組成傾斜層５の上下方向の全体の５％以下の領域）に、上側に向かうにつれてＡｌ組成比が大きくならない領域を含んでいてもよい。

【0021】

組成傾斜層５は、その下端部のＡｌ組成比が、組成傾斜層５の下側に隣接するｎ型半導体層４の上端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。また、組成傾斜層５は、その上端部のＡｌ組成比が、組成傾斜層５の上側に隣接する障壁層６１の下端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。

【0022】

活性層６は、組成傾斜層５上に形成されている。本形態の活性層６は、複数の井戸層６２１，６２２を有する多重量子井戸構造である。活性層６は、中心波長が２４０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発することができるよう、バンドギャップが調整されている。本形態のように、活性層６が多重量子井戸構造である場合、光出力の向上の観点から、活性層６が発する紫外光の中心波長は、２５０ｎｍ以上３２０ｎｍ以下が好ましく、２６０ｎｍ以上２９０ｎｍ以下がより好ましい。本形態において、活性層６は、障壁層６１と井戸層６２１，６２２とを３つずつ有し、障壁層６１と井戸層６２１，６２２とが交互に積層されている。活性層６においては、下端に障壁層６１が位置しており、上端に井戸層６２２が位置している。

【0023】

各障壁層６１は、Ａｌ_ｓＧａ_１－ｓＮ（０＜ｓ≦１）により形成されている。各障壁層６１のＡｌ組成比ｓは、例えば７５％以上９５％以下である。また、各障壁層６１の膜厚は、例えば２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

【0024】

井戸層６２１，６２２は、Ａｌ_ｔＧａ_１－ｔＮ（０＜ｔ＜１）により形成されている。各井戸層６２１，６２２のＡｌ組成比ｔは、障壁層６１のＡｌ組成比ｓよりも小さい（すなわちｔ＜ｓ）。

【0025】

３つの井戸層６２１，６２２は、最も下側に配された井戸層である最下井戸層６２１と、最下井戸層６２１以外の２つの井戸層である上側井戸層６２２とで構成が異なっている。例えば、最下井戸層６２１の膜厚は、２つの上側井戸層６２２のそれぞれの膜厚よりも１ｎｍ以上大きく、かつ、最下井戸層６２１のＡｌ組成比は、２つの上側井戸層６２２のそれぞれのＡｌ組成比よりも２％以上大きい。本形態において、上側井戸層６２２は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下の膜厚を有するとともに２５％以上４５％以下のＡｌ組成比を有し、最下井戸層６２１は、４ｎｍ以上６ｎｍ以下の膜厚を有するとともに３５％以上５５％以下のＡｌ組成比を有する。最下井戸層６２１の膜厚と各上側井戸層６２２との膜厚の差は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることができる。

【0026】

最下井戸層６２１のＡｌ組成比を、上側井戸層６２２のＡｌ組成比よりも大きくすることにより、最下井戸層６２１の結晶性が向上する。これは、最下井戸層６２１とｎ型半導体層４とのＡｌ組成比の差が小さくなるためである。最下井戸層６２１の結晶性が向上することにより、最下井戸層６２１から上側に形成される活性層６の各半導体層の結晶性も向上する。これにより、活性層６におけるキャリアの移動度が向上し、光出力が向上する。かかる効果は、最下井戸層６２１の膜厚が大きくなるほど顕著であるが、発光素子１全体の電気抵抗値が増加することを抑制する観点から最下井戸層６２１の膜厚は所定値以下となるよう設計される。

【0027】

なお、本形態において、活性層６は、井戸層６２１，６２２が３つの多重量子井戸構造である例を示したが、これに限られず、井戸層６２１，６２２が２つ又は４つ以上である多重量子井戸構造であってもよい。また、活性層６は、井戸層６２１，６２２を１つのみ有する単一量子井戸構造であってもよい。

【0028】

電子ブロック層７は、活性層６上に形成されている。電子ブロック層７は、活性層６からｐ型半導体層８側へ電子がリークするオーバーフロー現象の発生を抑制すること（以後、電子ブロック効果ともいう）によって活性層６への電子注入効率を向上させる役割を有する。電子ブロック層７は、下側から順に、第１層７１と第２層７２とを積層した積層構造を有する。

【0029】

第１層７１は、活性層６上に設けられている。第１層７１は、例えばＡｌ_ｕＧａ_１－ｕＮ（０＜ｕ≦１）からなる。第１層７１のＡｌ組成比ｕは、例えば９０％以上であり、本形態においては窒化アルミニウムにて構成されている。第１層７１の膜厚は、例えば０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

【0030】

第２層７２は、例えばＡｌ_ｖＧａ_１－ｖＮ（０＜ｖ＜１）からなる。第２層７２のＡｌ組成比ｖは、第１層７１のＡｌ組成比ｕよりも小さく（すなわちｕ＜ｔ）、例えば７０％以上９０％以下である。第２層７２の膜厚は、第１層７１の膜厚よりも大きく、例えば１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

【0031】

Ａｌ組成比が大きい半導体層ほど電気抵抗値が大きくなるため、Ａｌ組成比が比較的高い第１層７１の膜厚を大きくし過ぎると発光素子１の全体の電気抵抗値の過度な上昇を招く。そのため、第１層７１の膜厚はある程度小さくすることが好ましい。一方、第１層７１の膜厚を小さくすると、トンネル効果によって電子が第１層７１を下側から上側にすり抜ける確率が増大し得る。そこで、本形態の発光素子１においては、第１層７１上に第２層７２を形成することで、電子ブロック層７の全体を電子がすり抜けることを抑制している。

【0032】

第１層７１及び第２層７２のそれぞれは、アンドープの層、ｎ型不純物を含有する層、ｐ型不純物を含有する層、又はｎ型不純物及びｐ型不純物の双方を含有する層とすることができる。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができるが、マグネシウム以外にも、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）又は炭素（Ｃ）等を用いてもよい。他のｐ型不純物を含む半導体層においても同様である。各電子ブロック層７が不純物を含有する場合において、各電子ブロック層７が含有する不純物は、各電子ブロック層７の全体に含まれていてもよいし、各電子ブロック層７の一部に含まれていてもよい。

【0033】

ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７上に形成されている。ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７よりもＡｌ組成比が小さく、ｐ型不純物がドープされたＡｌ_ｗＧａ_１－ｗＮ（０≦ｗ≦１）により形成されている。本形態において、ｐ型半導体層８は、下側から順に、第１ｐ型クラッド層８１と第２ｐ型クラッド層８２とｐ型コンタクト層８３とを積層した積層構造を有する。

【0034】

第１ｐ型クラッド層８１は、第２層７２に接するよう設けられている。第１ｐ型クラッド層８１は、ｐ型不純物を含むＡｌ_ｘＧａ_１－ｘＮ（０＜ｘ≦１）からなる。第１ｐ型クラッド層８１のＡｌ組成比ｘは、例えば４５％以上６５％以下である。第１ｐ型クラッド層８１の膜厚は、例えば１５ｎｍ以上３５ｎｍ以下である。

【0035】

第２ｐ型クラッド層８２は、ｐ型不純物を含むＡｌ_ｙＧａ_１－ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる。第２ｐ型クラッド層８２の上下方向の各位置におけるＡｌ組成比は、上側の位置程小さくなっている。なお、第２ｐ型クラッド層８２は、積層方向の極一部の領域（例えば第２ｐ型クラッド層８２の積層方向の全体の５％以下の領域）に、上側に向かうにつれてＡｌ組成比が小さくならない領域を含んでいてもよい。

【0036】

第２ｐ型クラッド層８２は、その下端部のＡｌ組成比が第１ｐ型クラッド層８１のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であり、その上端部のＡｌ組成比がｐ型コンタクト層８３のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。第２ｐ型クラッド層８２の膜厚は、例えば２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることができる。

【0037】

ｐ型コンタクト層８３は、後述するｐ側電極１２が接続された層であり、ｐ型不純物が高濃度にドープされている。ｐ型コンタクト層８３は、ｐ側電極１２とのオーミックコンタクトを実現すべくＡｌ組成比が低くなるよう構成されており（例えば１０％以下）、かかる観点からｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成することが好ましい。ｐ型コンタクト層８３の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。なお、ｐ型半導体層８は、単層でも複数層でもよい。

【0038】

ｎ側電極１１は、ｎ型半導体層４における活性層６から上側に露出した露出面４１に形成されている。ｎ側電極１１は、例えば、ｎ型半導体層４の上にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム、チタン、窒化チタン（ＴｉＮ）が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｎ側電極１１は、活性層６が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。

【0039】

ｐ側電極１２は、ｐ型半導体層８の上面に形成されている。ｐ側電極１２は、例えば、ロジウム（Ｒｈ）から構成することができる。本形態において、ｐ側電極１２は、活性層６が発する光の中心波長において５０％以上、好ましくは６０％以上の反射率を有する反射電極であるが、これに限られない。

【0040】

発光素子１は、図示しないパッケージ基板にフリップチップ実装されて使用される。すなわち、発光素子１は、上下方向におけるｎ側電極１１及びｐ側電極１２が設けられた側をパッケージ基板側に向け、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２のそれぞれが、金バンプ等の接続部材を介してパッケージ基板に実装される。フリップチップ実装された発光素子１は、基板２側（すなわち下側）から光が取り出される。

【0041】

（窒化物半導体発光素子１の製造方法）
次に、本形態の発光素子１の製造方法の一例につき説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、バッファ層３、ｎ型半導体層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次エピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各半導体層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に各半導体層が形成される。各半導体層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ_３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。

【0042】

なお、ＭＯＣＶＤ法は、有機金属化学気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）と呼ばれることもある。基板２上に５００ｎｍより大きい膜厚のバッファ層３を形成する観点から、ＭＯＣＶＤ法、ハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）又は物理気相成長法（ＰＶＴ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）のエピタキシャル成長法を用いることが好ましい。本形態において、バッファ層３は、スパッタ法で成長されたものが除かれる。スパッタ法を用いて５００ｎｍより大きい膜厚のバッファ層３を成膜することは困難である。ただし、スパッタ法で５００ｎｍより大きい膜厚のバッファ層３が成膜可能であれば、スパッタ法を用いてもよい。

【0043】

本形態の発光素子１の製造方法においては、バッファ層３の酸素濃度が前述したように低くなるよう製造条件が設計される。例えば、基板２上に各半導体層を成膜する前に、チャンバ内の真空度が比較的高くなるようチャンバ内の真空引きを行うことで、成膜されるバッファ層３内に酸素が含まれ難くなる。また、チャンバ内の空間に臨むチャンバの壁面の素材によっては、バッファ層の成膜温度の高温環境下において壁面から酸素が発生することもあるため、チャンバの壁面の素材もバッファ層３の酸素濃度に影響を及ぼし得る。以上例示したように、バッファ層３の酸素濃度に影響し得る製造条件を適宜設計することで、バッファ層３の酸素濃度を調整可能である。

【0044】

円板状の基板２上に各半導体層を形成した後、ｐ型半導体層８上の一部、すなわちｎ型半導体層４の露出面４１になる部分以外の部位にマスクを形成する。そして、マスクを形成していない領域を、ｐ型半導体層８の上面から上下方向のｎ型半導体層４の途中までエッチングにより除去する。これにより、ｎ型半導体層４に、上側に向かって露出する露出面４１が形成される。露出面４１の形成後、マスクを除去する。

【0045】

次いで、ｎ型半導体層４の露出面４１上にｎ側電極１１を形成し、ｐ型半導体層８上にｐ側電極１２を形成する。ｎ側電極１１及びｐ側電極１２は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成してよい。以上により完成したものを、所望の寸法に切り分けることにより、１つのウエハから図１に示すような発光素子１が複数製造される。

【0046】

（実施の形態の作用及び効果）
本形態の発光素子１は、活性層６が中心波長３６５ｎｍ以下の紫外光を発し、バッファ層３の膜厚が５００ｎｍより大きい。このような前提構成を有する場合、バッファ層３の比較的大きい膜厚によって基板２とｎ型半導体層４との間の格子不整合を緩和しやすいものの、バッファ層３に含まれる酸素が紫外光を吸収することに起因して発光素子１の光出力が低下する課題が顕著になりやすい。そこで、本形態においては、バッファ層３の酸素濃度の平均値を４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下としている。これにより、発光素子１の光出力の向上を図ることができる。この数値については、後述する実験例にて裏付けられる。また、基板２の成長面２１がｃ面であるため、成長面２１がｒ面等と比べ、基板２上に形成されるバッファ層３の酸素濃度が低減される。

【0047】

また、バッファ層３の酸素濃度の平均値は、１．０×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を更に満たす。これにより、発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0048】

また、基板２は、サファイア基板であり、バッファ層３の酸素濃度の平均値は、基板２の酸素濃度の平均値よりも小さい。このように、バッファ層３の酸素濃度の平均値を、構成元素として酸素を含むサファイア基板の酸素濃度の平均値よりも小さくすることで、発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0049】

また、基板２の酸素濃度の平均値に対するバッファ層３の酸素濃度の平均値の比率は、３／２０以下を満たす。これにより、発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0050】

基板２の酸素濃度の平均値に対するバッファ層３の酸素濃度の平均値の比率は、１３／１００以下を更に満たす。これにより、発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0051】

以上のごとく、本形態によれば、光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

【0052】

［実験例］
本実験例は、バッファ層における酸素濃度の平均値とウエハの光出力との関係を評価した例である。なお、本実験例にて用いた構成要素の名称のうち、既出の形態において用いた名称と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素を表す。

【0053】

まず、試料１～４のそれぞれに係るウエハについて表１を用いて説明する。試料１～４は、以下、特に言及する場合を除き、実施の形態における発光素子と基本構成を同じくするウエハである。

【0054】

【表1】

【0055】

表１に示すごとく、試料１～４は、互いにバッファ層の酸素濃度の平均値及びバッファ層のＡｌＮ層の膜厚を変更したものである。なお、試料１～４の基板の酸素濃度の平均値は、互いに微小に異なっているが、意図的に変えているものではなく個体差の範囲内である。

【0056】

表１においては、試料１～４に共通する構成については試料１～４を区別せずに表しており、ＡｌＮ層の膜厚、基板の酸素濃度の平均値及びＡｌＮ層の酸素濃度の平均値のそれぞれについては、試料１～４のそれぞれについて示している。表１に記載の各層のＡｌ組成比は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定したＡｌの二次イオン強度から推定した値である。また、表１における組成傾斜層の欄は、組成傾斜層の上下方向の各位置のＡｌ組成比が、組成傾斜層の下端から上端までにかけて、５５％から８５％まで漸増していることを表している。また、表１における第２ｐ型クラッド層の欄は、第２ｐ型クラッド層の上下方向の各位置のＡｌ組成比が、第２ｐ型クラッド層の下端から上端までにかけて、５５％から０％まで漸減していることを表している。

【0057】

表１に記載の各層の酸素濃度の平均値は、ＳＩＭＳの測定値から算出されたものである。各試料における基板及びＡｌＮ層の酸素濃度は、各試料を製造する際の製造条件と同等の製造条件でＡｌＮ層まで成長させたウエハを用いて測定した。また、ＳＩＭＳによる前述のウエハの各層の酸素濃度の測定値は、ウエハを上側から測定したときの結果である。なお、バッファ層を構成するＡｌＧａＮ層については、その膜厚が小さく、正確な酸素濃度が困難であるが、ＡｌＮ層の酸素濃度と同等と見込まれる。前述のごとく、バッファ層の酸素濃度はその製造環境（すなわちチャンバ内の温度やチャンバの壁面の素材等）によって変わり得るが、本実験例においては、各試料のＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層とは同じ製造環境で製造しており、ＡｌＮ層の酸素濃度とＡｌＧａＮ層の酸素濃度とは同じであるとみなした。つまり、本実験例においては、表１に記載のＡｌＮ層の酸素濃度は、バッファ層全体の酸素濃度とみなした。

【0058】

そして、試料１～４のそれぞれにおいて、オンウエハの状態で２０ｍＡの電流を流し、光出力を測定した。各試料の光出力は、各試料の下側（すなわち基板側）に設置した光検出器によって測定した。結果を図２に示す。図２は、バッファ層の酸素濃度の平均値と光出力との関係を示すグラフである。

【0059】

図２から分かるように、バッファ層の酸素濃度の平均値が上昇すると、バッファ層の酸素濃度の平均値が４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３までは緩やかに光出力が減少するが、酸素濃度の平均値が４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えると光出力が急減することが分かる。そのため、バッファ層の酸素濃度の平均値は、４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましい。また、図２から分かるように、光出力を向上させる観点から、バッファ層の酸素濃度の平均値は、１．０×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましく、３．５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が一層好ましく、３．０×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下がより一層好ましい。

【0060】

また、表２及び図３を用いて、図２の結果を別視点で検討する。表２は、各試料における、基板の酸素濃度の平均値、バッファ層の酸素濃度の平均値、基板の酸素濃度の平均値に対するバッファ層の酸素濃度の平均値の比率（以後、「酸素濃度比率」という。）、及び光出力の結果を示したものである。図３は、酸素濃度比率と光出力との関係を示した図である。

【0061】

【表2】

【0062】

表２及び図３から分かるように、酸素濃度比率は、０．１５０以下（すなわち３／２０以下）が好ましく、０．１３０以下（すなわち１３／１００以下）がより好ましく、０．０１３以下（すなわち１３／１０００以下）がより一層好ましく、０．０１０以下（すなわち１／１００以下）が更に好ましい。

【0063】

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

【0064】

［１］本発明の第１の実施態様は、ｃ面が成長面２１である基板２と、前記成長面２１上に形成されたバッファ層３と、前記バッファ層３上に形成されたｎ型半導体層４と、前記ｎ型半導体層４上に形成されるとともに、中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する活性層６と、前記活性層６上に形成されたｐ型半導体層８と、を備え、前記バッファ層３の膜厚は、５００ｎｍより大きく、前記バッファ層３の酸素濃度の平均値は、４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を満たす、窒化物半導体発光素子１である。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の向上を図ることができる。

【0065】

［２］本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様において、前記バッファ層３の酸素濃度の平均値が、１．０×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を更に満たすことである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0066】

［３］本発明の第３の実施態様は、第１又は第２の実施態様において、前記基板２が、サファイア基板であり、前記バッファ層３の酸素濃度の平均値が、前記基板２の酸素濃度の平均値よりも小さいことである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0067】

［４］本発明の第４の実施態様は、第３の実施態様において、前記基板２の酸素濃度の平均値に対する前記バッファ層３の酸素濃度の平均値の比率が、３／２０以下を満たすことである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0068】

［５］本発明の第５の実施態様は、第４の実施態様において、前記基板２の酸素濃度の平均値に対する前記バッファ層３の酸素濃度の平均値の比率が、１３／１００以下を更に満たすことである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の光出力の一層の向上を図ることができる。

【0069】

（付記）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

【符号の説明】

【0070】

１…窒化物半導体発光素子
２…基板
２１…成長面
３…バッファ層
４…ｎ型半導体層
６…活性層
８…ｐ型半導体層

【要約】

【課題】光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒化物半導体発光素子１は、ｃ面が成長面２１である基板２と、成長面２１上に形成されたバッファ層３と、バッファ層３上に形成されたｎ型半導体層４と、ｎ型半導体層４上に形成されるとともに、中心波長が３６５ｎｍ以下の紫外光を発する活性層６と、活性層６上に形成されたｐ型半導体層８と、を備える。バッファ層３の膜厚は、５００ｎｍより大きい。バッファ層３の酸素濃度の平均値は、４．５×１０^２１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下を満たす。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】