JP2007134507A - 半導体発光素子、および半導体発光素子を作製する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い電流に密度においても外部量子効率の低下が小さい半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１１では、窒化ガリウム系クラッド層１３は、１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する。活性領域１７は、複数の井戸層１９および障壁層２１を含む量子井戸構造１７ａを有しており、また量子井戸構造１７ａは４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられている。井戸層１９の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含む。障壁層２１は、アンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む。ここで、本実施の形態では、インジウム組成Ｘは、歪み組成で示されており、緩和組成ではない。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子、および半導体発光素子を作製する方法に関する。

特許文献１には、サファイア基板を用いる窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が記載されている。特許文献１に記載された発明の目的は、厚さが等しい井戸層および障壁層からなる多層膜全体を一つの発光層とすることにより格子不整を緩和して、発光層の結晶性を向上する窒化物半導体発光素子を提供することにある。実施例１には、摂氏８００度において障壁層および井戸層を成長する。井戸層は厚さ２ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなり、障壁層は２ｎｍのＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなる。実施例２には、摂氏８００度において障壁層および井戸層を成長する。井戸層は厚さ５ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなり、障壁層は５ｎｍのＩｎ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなる。

特許文献２には、サファイア基板を用いる窒化物半導体発光素子が記載されている。特許文献２に記載された発明の目的は、緑色ＬＥＤのみならず３６０ｎｍ以上の発光波長で高輝度および高出力の窒化物半導体発光素子を提供することにある。実施例１０の窒化物半導体発光素子は、１ｎｍ厚のノンドープＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層と、１ｎｍ厚のノンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ障壁層とを含む量子井戸構造を有する。実施例１１の窒化物半導体発光素子は、２．５ｎｍ厚のノンドープＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ井戸層と、５ｎｍ厚のノンドープＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ障壁層とを含む量子井戸構造を有する。これらの窒化物半導体発光素子は、４１５ｎｍの発光波長を有している。活性層のインジウム組成を大きくすると結晶性が悪くなり、バンド間発光による５２０ｎｍ付近の緑色発光を得ることが難しい。しかしながら、上記の窒化物半導体発光素子では、熱膨張係数の小さいクラッド層で熱膨張係数の大きい活性層を挟むことにより活性層に引っ張り応力が加わるので、活性層のバンドギャップエネルギが本来の値よりも小さい。このため、この発光素子の井戸層を厚くすることはできない。

特許文献３には、サファイア基板を用いる窒化物半導体素子が記載されている。特許文献３に記載された発明の目的は、発光出力を低下させることなく、光電変換効率を向上できる窒化物半導体発光素子を提供することにある。実施例には、摂氏８００度において障壁層および井戸層を成長する。井戸層は厚さ３ｎｍのＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎからなり、障壁層は３０ｎｍのＳｉドープＧａＮからなる。

非特許文献１には、青色ＬＥＤ構造が記載されている。この青色ＬＥＤ構造のために、低温ＧａＮバッファ層、ノンドープＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層、ＭＱＷ活性層、ｐ型ＡｌＧａＮ層、ｐ型ＧａＮ層が、パターンが形成されたｃ面サファイア基板上に順にＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。ＭＱＷ構造は、３ｎｍ厚のノンドープＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ井戸層と２５ｎｍのノンドープＧａＮ障壁層によって構成されている。ｐ電極は、メッシュ状のＲｈ／Ｉｒ／Ｐｔからなる。青色ＬＥＤ構造はエポキシ樹脂により封止されている。開口比率７０％のメッシュ電極から電流２０ｍＡ（メッシュ電極直下の電流密度１０５Ａ／ｃｍ^２、活性層において電流密度３９Ａ／ｃｍ^２）を加えたとき、出力１８．８ｍＷが得られ、外部量子効率３４．９％が得られる。しかしながら、メッシュ電極から電流１００ｍＡ（活性層における電流密度で１９５Ａ／ｃｍ^２）を加えてとき、出力６５ｍＷが得られ、外部量子効率２５％にまで低下する。

非特許文献２には、量子井戸構造の発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードは、サファイア基板のｃ面上に低温で形成された核生成層、Ｓｉドープ下地層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなるＭＱＷ発光層、ｐ型ＡｌＧａＮ層およびｐ型ＧａＮ層を含む。４２８ｎｍ、４５４ｎｍ、５０１ｎｍ、５４５ｎｍの発光波長を示すチップ（面積０．０００７ｃｍ^２）をフリップチップ実装し、デューティ１％および１ｋＨｚのパルス電流を印加した。最も効率の良い発光波長４２８ｎｍにおいて、電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２（０．０８７５Ａ）で電力効率約２８％が得られた。しかしながら、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２において約１８％まで低下した。

非特許文献３には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系発光ダイオードが記載されている。この文献によれば、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードにおいて、井戸層の厚みが増加すると、ＬＥＤの出力が低下する。
特開平０６−２６８２５７号公報 特開平０８−３１６５２８号公報 特開２０００−１３３８８３号公報 Jpn. J. Appl.Phys. Vol.41 (2002) L1431-L1433 phys. stat. sol.(a) Vol.188 No.1 (2001) p.15-21 Appl. Phys.Lett. Vol.78 (2001) 2617

上記の文献に記載された発光素子に加えられる電流の密度が低いとき、発光素子の外部量子効率が高い。しかしながら、電流密度が高くなるにつれて、外部量子効率が低下する。ＩｎＧａＮ系活性層を用いた青色発光素子（波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下）では、低い電流密度では高い発光効率が得られている。この理由としては、インジウム組成のゆらぎに起因する局在準位が発光に寄与するので高い発光効率が得られていると考えられている。つまり、ＩｎＧａＮ系活性層のインジウム組成の空間的な変化（ゆらぎ）に応じてポテンシャルも空間的に変化する。しかしながら、電流密度が大きくなると上記の局在準位からキャリアが溢れるようになり、局在準位の周辺も発光に寄与するようになる。これ故に、大きな電流密度では、全体としての発光効率が低下する。

この発光効率の低下を小さくすることについて検討した結果によれば、高電流密度において発光効率の低下を小さくするためには、ＩｎＧａＮ層のインジウム組成のゆらぎが小さいことが好ましい。インジウム組成を小さくすると、インジウム組成のゆらぎが小さくなる。ところが、単にインジウム組成を小さくしてインジウム組成のゆらぎを小さくするだけでは、発光波長が所望の波長からシフトしてしまう。

所望の波長で発光素子を発光させるためには、インジウム組成を小さくすることに加えて、ＩｎＧａＮ井戸層の厚さを大きくすることが必要である。しかしながら、非特許文献３等に記載されているように、（０００１）サファイア基板を用いるＩｎＧａＮ系発光ダイオードにおいて井戸層の厚みが増加すると、ＬＥＤの出力が低下することが知られている。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、高い電流に密度においても外部量子効率の低下が小さい半導体発光素子を提供することを目的としており、またこの半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、半導体発光素子は、（ａ）１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と、（ｂ）第２導電型窒化ガリウム系クラッド層と、（ｃ）複数の井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有しており前記第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と前記第２導電型窒化ガリウム系クラッド層との間に設けられた活性領域とを備え、前記量子井戸構造は、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられており、前記井戸層の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、前記障壁層は、アンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む。

この半導体発光素子によれば、井戸層のＩｎ組成Ｘが小さいので、Ｉｎ組成のゆらぎに起因した局在準位が井戸層において減少する。局在準位の減少により、活性領域は貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層のＩｎ組成Ｘを下げると発光波長がシフトするので、このシフトを無しに波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を得るために井戸層を厚くする。しかしながら、井戸層を厚くするとＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下する。転位に敏感になることおよび井戸層を厚くすることの影響を小さくするために、貫通転位密度１×１０⁷ｃｍ^−２以下の下地層上に活性領域を設ける。このため、高電流密度での外部量子効率の低下を抑制できる。

本発明の別の側面によれば、半導体発光素子は、（ａ）１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と、（ｂ）第２導電型窒化ガリウム系クラッド層と、（ｃ）複数の井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有しており前記第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と前記第２導電型窒化ガリウム系クラッド層との間に設けられた活性領域とを備え、前記量子井戸構造は、波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられており、前記井戸層の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、前記障壁層は、ｎ型ドーパントを含むＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む。

この半導体発光素子によれば、井戸層のＩｎ組成Ｘが小さいので、Ｉｎ組成のゆらぎに起因した局在準位が井戸層において減少する。局在準位の減少により、活性領域は貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層のＩｎ組成Ｘを下げると発光波長がシフトするので、このシフトを無しに波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を得るために井戸層を厚くする。しかしながら、井戸層を厚くするとＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下する。また、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みを厚くすると、順方向電圧Ｖｆが上昇する。転位に敏感になることおよび井戸層を厚くすることの影響を小さくするために、貫通転位密度１×１０⁷ｃｍ^−２以下の下地層上に活性領域を設ける。加えて、順方向電圧Ｖｆの上昇は、障壁層にＳｉをドープすることにより小さくできる。このため、高電流密度での外部量子効率の低下を抑制できる。

本発明に係る半導体発光素子では、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以上であることが好ましい。また、井戸層の厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。

この半導体発光素子によれば、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みを厚くすると、高電流密度での外部量子効率の低下が起こりにくくなると考えられる。

本発明に係る半導体発光素子は、（ｄ）主面を有するIII族窒化物基板を更に備え、前記第１導電型窒化ガリウム系クラッド層、前記活性領域および前記第２導電型窒化ガリウム系クラッド層を含む半導体領域は、前記III族窒化物基板の前記主面上に設けられている。

この半導体発光素子によれば、基板がIII族窒化物半導体からなるので、基板と井戸層のＩｎＧａＮとの格子定数差を小さくすることができ、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質の低下を抑えることができる。

本発明に係る半導体発光素子では、前記III族窒化物基板は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下であることが好ましい。この半導体発光素子では、基板の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であると下地層や井戸層のＩｎＧａＮ結晶に引き継がれる貫通転位の数も少なくなり、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みを大きくしたときも、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質の低下を縮小できる。

本発明に係る半導体発光素子では、前記III族窒化物基板は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下である窒化ガリウム基板であることが好ましい。この半導体発光素子では、窒化ガリウム基板の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であると下地層や井戸層のＩｎＧａＮ結晶に引き継がれる貫通転位の数も少なくなり、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みを大きくしたときも、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質の低下を縮小できる。

本発明の更なる別の側面は、半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられた量子井戸構造を有する活性領域を貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の窒化ガリウム系クラッド領域上に形成する工程を備え、前記井戸層の成膜温度は前記障壁層の成膜温度より小さく、前記量子井戸構造の井戸層はアンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、前記量子井戸構造の障壁層はアンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成）領域を含む。

この方法によれば、井戸層の成膜温度を障壁層の成膜温度より小さくすると共に、井戸層のＩｎ組成を低くすることによって、Ｉｎ組成ゆらぎが抑制される。このため、高電流密度での外部量子効率の低下を抑制できる。井戸層のＩｎ組成を低くすると、Ｉｎ組成ゆらぎに起因した局在準位の数が減少する。ところが、局在準位の減少により、活性領域は、転位の影響を強く受けるようになる。つまり、活性領域の結晶品質は、活性領域および下地層の貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層のＩｎ組成を下げると、発光波長がシフトしてしまう。このシフトを防ぎ波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の発光を得るために、井戸層の厚みを増加する必要がある。井戸層を厚くするとＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下する。転位に敏感になることおよび井戸層を厚くすることの影響を小さくするために、下地層の貫通転位密度１×１０⁷ｃｍ^−２以下とする。

本発明の更なる別の側面は、半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられた量子井戸構造を有する活性領域を貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の窒化ガリウム系クラッド領域上に形成する工程を備え、前記井戸層の成膜温度は前記障壁層の成膜温度より小さく、前記量子井戸構造の井戸層はアンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、前記量子井戸構造の障壁層はｎ型ドーパントを含むＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む。

この方法によれば、井戸層の成膜温度を障壁層の成膜温度より小さくすると共に、井戸層のＩｎ組成を低くすることによって、Ｉｎ組成ゆらぎが抑制される。このため、高電流密度での外部量子効率の低下を抑制できる。井戸層のＩｎ組成を低くすると、Ｉｎ組成ゆらぎに起因した局在準位が減少する。ところが、局在準位の減少により、活性領域は、転位の影響を強く受けるようになる。つまり、活性領域の結晶品質は、活性領域および下地層の貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層のＩｎ組成を下げると、発光波長がシフトしてしまう。このシフトを防ぎ波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の発光を得るために、井戸層の厚みを増加させる。井戸層を厚くするとＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下する。下地層の貫通転位密度が１×１０⁷ｃｍ^−２以下であれば、転位に敏感になることおよび井戸層を厚くすることの影響を小さくできる。また、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みを厚くすると、順方向電圧Ｖｆが上昇するけれども、障壁層にＳｉをドープすることにより順方向電圧Ｖｆの増加を小さくすることができる。

本発明に係る方法では、前記井戸層の厚さが４ｎｍ以上であることが好ましく、また井戸層の厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。この方法によれば、ＩｎＧａＮ井戸層の厚みを厚くすると、高電流密度での外部量子効率の低下が起こりにくくなると考えられる。

本発明に係る方法は、（ｂ）前記窒化ガリウム系クラッド領域をIII族窒化物基板上に成長する工程を更に備えることができる。この方法によれば、基板がIII族窒化物半導体からなるので、井戸層のＩｎＧａＮと基板のIII族窒化物半導体との格子定数差を小さくすることができ、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質の低下を抑えることができる。

本発明に係る方法では、前記III族窒化物基板の貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２以下であることが好ましい。この方法では、基板の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であると下地層や井戸層のＩｎＧａＮ結晶に引き継がれる貫通転位の数も少なくなり、ＩｎＧａＮ井戸層を厚くしても、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質への貫通転位の影響を小さくできる。

本発明に係る方法では、前記III族窒化物基板は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下である窒化ガリウム基板であることが好ましい。この方法では、窒化ガリウム基板の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるので、井戸層のＩｎＧａＮ結晶における貫通転位の数も少なくなり、ＩｎＧａＮ井戸層を厚くしたときも、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質の低下が縮小できる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、高い電流に密度においても外部量子効率の低下が小さい半導体発光素子が提供されると共に、この半導体発光素子を作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体発光素子、および半導体発光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。この半導体発光素子は、例えば発光ダイオードであることができる。半導体発光素子１１は、第１導電型の窒化ガリウム系クラッド層１３と、第２導電型の窒化ガリウム系クラッド層１５と、活性領域１７とを含む。窒化ガリウム系クラッド層１３は、１×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する。活性領域１７は、第１導電型の窒化ガリウム系クラッド層１３と第２導電型の窒化ガリウム系クラッド層１５との間に設けられている。活性領域１７は、複数の井戸層１９および障壁層２１を含む量子井戸構造１７ａを有しており、また量子井戸構造１７ａは４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられている。井戸層１９の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含む。障壁層２１は、アンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む。ここで、本実施の形態では、インジウム組成Ｘは、歪み組成で示されており、緩和組成ではない。歪み組成とは結晶が下地結晶のａ軸に格子整合して歪んでいることを仮定した組成であり、緩和組成とは結晶が下地結晶の影響を受けておらず歪んでいないことを仮定した組成である。

この半導体発光素子１１によれば、井戸層１９のＩｎ組成（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）が小さいので、Ｉｎ組成Ｘの空間的なゆらぎが抑制され、またこのゆらぎに起因した局在準位の数が少なくなる。しかしながら、局在準位の減少により、活性領域は、むしろ転位の影響を強く受けるようになる。つまり、厚い井戸層１９の結晶品質は、これまで以上に活性領域１７および下地層（例えば、領域１３）の貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層１９のＩｎ組成Ｘを下げると、発光波長がシフトしてしまう。このシフトを無しに波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を得るために、井戸層１９の厚みＤ_Ｗを厚くする。ところが、井戸層１９の厚みＤ_Ｗを厚くすると井戸層１９の結晶品質が低下する。転位に敏感になることおよび井戸層１９を厚くすることの影響を小さくするために、１×１０⁷ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する下地層上に活性領域１７を設ける。これ故、半導体発光素子１１の外部量子効率の低下を高電流密度において抑制できる。

半導体発光素子１１では、窒化ガリウム系クラッド層１３および窒化ガリウム系クラッド層１５のバンドギャップエネルギは井戸層１９のバンドギャップエネルギより大きい。窒化ガリウム系クラッド層１３は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮからなる。窒化ガリウム系クラッド層１５は、例えばＡｌＧａＮ、ＧａＮからなる。

多くの青色発光ダイオードでは、井戸層の厚みとして３ｎｍ程度を用いているけれども、インジウム組成を値を小さくしているので各井戸層１９の厚さは４ｎｍ以上であることが好ましい。４ｎｍ以上にすると電流密度を上げたとき外部量子効率の低下を小さくできるという利点がある。また、各井戸層１９の厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。１０ｎｍ以下にするとＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が良好になるという利点がある。この半導体発光素子によれば、ＩｎＧａＮ井戸層１９の厚みを厚くすると、厚いＩｎＧａＮ井戸層のＩｎ組成のゆらぎが小さくなる一方で、Ｉｎ組成のゆらぎによる局在準位の総和は、厚いＩｎＧａＮ井戸層の全体で増加する。Ｉｎ組成のゆらぎの縮小と共に井戸層の全体での局在準位の増加により、低電流密度での外部量子効率を維持できると共に高電流密度での外部量子効率の低下が起こりにくくなると考えられる。ＩｎＧａＮ井戸層１９の厚みＤ_Ｗを大きくするとＩｎＧａＮ井戸層１９の結晶品質が低下する可能性があるけれども、下地層の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であるので、ＩｎＧａＮ井戸層１９の結晶品質の低下を抑えることができる。

半導体発光素子１１は、III族窒化物基板２３を更に備えることができる。基板がIII族窒化物半導体をからなるので、井戸層１９のＩｎＧａＮと基板２３との格子定数差を小さくすることができ、ＩｎＧａＮ井戸層１９の結晶品質の低下を抑えることができる。また、III族窒化物基板２３は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下であることが好ましい。この半導体発光素子１１では、基板２３の貫通転位密度が１×１０^７ｃｍ^−２以下であると下地層や井戸層１９のＩｎＧａＮ結晶に引き継がれる貫通転位の数も少なくなり、ＩｎＧａＮ井戸層１９の厚みＤ_Ｗを大きくしたときも、ＩｎＧａＮ井戸層１９の結晶品質の低下を縮小できる。III族窒化物基板２３は窒化ガリウム基板であることが好ましい。窒化ガリウム基板は、貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下である窒化ガリウムからなる。この窒化ガリウム上に下地層や井戸層を成長すれば、ＩｎＧａＮ結晶に引き継がれる貫通転位の数も少なくなり、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が良好になる。

III族窒化物基板２３の表面２３ａ上には、半導体領域２５が設けられている。半導体領域２５は、窒化ガリウム系クラッド層１３、活性領域１７および窒化ガリウム系クラッド層１５を含んでおり、さらに第１導電型の窒化ガリウム系半導体中間層２７と、第２導電型のコンタクト層２９とを含む。半導体発光素子１１は、第２導電型のコンタクト層２９に設けられた第１のオーミック電極３１と、基板２３の裏面２３ｂに設けられた第２のオーミック電極３３とを含む。

半導体発光素子１１の一例として、発光ダイオードは
窒化ガリウム系クラッド層１３：ｎ−ＧａＮ（Ｓｉドープ）
窒化ガリウム系クラッド層１５：ｐ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ（Ｍｇドープ）
活性領域１７の井戸層１９：Ｉｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ（歪み組成）、５ｎｍ
活性領域１７の障壁層２１：Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ（歪み組成）、１５ｎｍ
窒化ガリウム系半導体中間層２７：ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ
コンタクト層２９：ｐ−ＧａＮ
第１のオーミック電極３１（アノード）：Ｎｉ／Ａｕ（半透明電極）
第２のオーミック電極３３（カソード）：Ｔｉ／Ａｌ
を含む。

図２は、本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を示す図面である。半導体発光素子１１ａは、活性領域３７を有している。活性領域３７は、複数の井戸層３９および障壁層４１を含む量子井戸構造３７ａを有しており、また量子井戸構造３７ａは４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられている。井戸層３９の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含む。障壁層４１は、ｎ型ドーパントを含むＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む。本実施の形態のインジウム組成Ｘ、Ｙは、歪み組成で示されており、緩和組成ではない。半導体領域３５は、窒化ガリウム系クラッド層１３、活性領域３７および窒化ガリウム系クラッド層１５を含んでおり、さらに第１導電型の窒化ガリウム系半導体中間層２７と、第２導電型のコンタクト層２９とを含む。

この半導体発光素子１１ａでは、井戸層３９のＩｎ組成（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）を小さくするので、Ｉｎ組成Ｘの空間的なゆらぎが抑制され、またこのゆらぎに起因した局在準位の数が少なくなる。ところが、局在準位の減少により、活性領域は、むしろ転位の影響を強く受けるようになる。つまり、活性領域３７の結晶品質は、これまで以上に、活性領域３７および下地層（例えば、領域１３）の貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層３９のＩｎ組成Ｘを下げると、発光波長がシフトしてしまう。このシフトを無しに４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲の光を得るために、井戸層３９の厚みＤ_Ｗを厚くする。しかしながら、井戸層３９の厚みＤ_Ｗを厚くすると井戸層３９の結晶品質が低下する。また、ＩｎＧａＮ井戸層３９の厚みを厚くすると、順方向電圧Ｖｆが上昇する。転位に敏感になることおよび井戸層３９を厚くすることの影響を小さくするために、１×１０⁷ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する下地層上に活性領域３７を設けると共に、障壁層４１にｎ型ドーパント（例えば、Ｓｉ）をドープすることにより順方向電圧Ｖｆの増加を小さくする。このため、半導体発光素子１１ａの外部量子効率の低下を高電流密度において抑制できる。

（実験例１）：好適な例
有機金属気相成長法を用いて、青色（波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下）発光ダイオードを作製する。原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ_３）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、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。（０００１）Ｃ面を有する窒化ガリウム基板を準備する。窒化ガリウム基板はｎ導電性を示し、また貫通転位密度は１×１０^６ｃｍ^−２である。有機金属気相成長炉のサセプタ上に窒化ガリウム基板を配置する。次いで、窒化ガリウム基板のサーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングの条件は、炉内圧力３０ｋＰａに制御しながらアンモニアガス（ＮＨ_３）および水素ガス（Ｈ_２）を有機金属気相成長炉に供給して、摂氏１０５０度の基板温度で１０分間の熱処理を行う。

続いて、成膜工程を行う。摂氏１０５０度の基板温度および炉内圧力１０１ｋＰａに変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４）を用いて、厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ中間層を成長する。炉内圧力１０１ｋＰａを維持すると共に摂氏１１００度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４）を用いて、厚さ２μｍのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。バッファ層の成長速度は、４μｍ／ｈである。次いで、障壁層および井戸層を交互に成長する。障壁層の成長では、１０１ｋＰａの炉内圧力を維持すると共に摂氏９００度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ_３）を用いて、厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層を堆積する。井戸層の成長では、１０１ｋＰａの炉内圧力を維持すると共に摂氏８００度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ_３）を用いて、厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層を堆積する。井戸層および障壁層の成長は、必要な回数だけ繰り返される。本実施例では、６周期の量子井戸構造を形成する。上記の井戸層および障壁層は歪み組成で示されており、歪み組成Ｉｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層およびＩｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ井戸層は、それぞれ、緩和組成Ｉｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ障壁層およびＩｎ_０．１７Ｇａ_０．８９Ｎ井戸層である。多くの場合に緩和組成で表現される。その後、炉内圧力１０１ｋＰａを維持すると共に摂氏１０５０度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いて、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎクラッド層を成長する。次いで、原料ガス（ＴＭＧａ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いて、厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長する。これによりＬＥＤエピタキシャル基板が完成する。

引き続いて、有機金属気相成長炉からＬＥＤエピタキシャル基板を取り出して、ｐ型コンタクト層上に半透明電極のアノードを作製する。半透明電極のサイズは、４００μｍ角（電極面積：１．６×１０^−３ｃｍ^２）である。また、窒化ガリウム基板の裏面にカソードのための電極を作製する。そして、５００μｍ角の青色ＬＥＤチップＡを作製する。

図３は、この青色ＬＥＤチップＡにおける電流−光出力の特性を示す図面である。図４は、青色ＬＥＤチップＡにおける電流−外部量子効率の特性を示す図面である。これらの結果は、青色ＬＥＤチップに室温においてパルス電流を印加しながら光出力の測定を行うことにより得られる。これらの測定結果によれば、青色ＬＥＤチップＡは、電流２０ｍＡ（電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、ピーク波長４５０ｎｍを有する発光スペクトル（実質的に単一のピーク）を示す。光出力は４．６ｍＷであり、外部量子効率は８．２％である。また、青色ＬＥＤチップＡは、電流２００ｍＡ（電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、ピーク波長４３８ｎｍを有する発光スペクトル（実質的に単一のピーク）を示す。光出力は３４ｍＷであり、外部量子効率５．９％である。電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の約７２％である。電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における駆動電圧は３．６ボルトである。このＬＥＤチップＡをエポキシ樹脂で封止して、ＬＥＤランプを作製する。このＬＥＤランプは、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２において、４３８ｎｍのピーク波長、１７０ｍＷの光出力、３０％の外部量子効率を示す。

（実験例２）：薄い井戸層
井戸層の組成および厚みを除いて、実験例１と同様にして、青色発光ダイオードを作製する。井戸層の組成（歪み組成）はＩｎ_０．１４Ｇａ_０．８６Ｎ（緩和組成ではＩｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ｎ）からなり、また厚さ３ｎｍを有する。実験例１と同様にして、青色ＬＥＤチップＢが作製される。図５は、この青色ＬＥＤチップＢにおける電流−光出力の特性を示す図面である。図６は、青色ＬＥＤチップＢにおける電流−外部量子効率の特性を示す図面である。なお、参考のために、図５および図６には、青色ＬＥＤチップＡの電流−光出力特性および電流−外部量子効率特性も示されている。これらの測定結果によれば、青色ＬＥＤチップＢは、電流２０ｍＡ（電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、ピーク波長４４８ｎｍを有する発光スペクトル（実質的に単一のピーク）を示す。光出力は４．４ｍＷであり、外部量子効率は７．９％である。また、青色ＬＥＤチップＢは、電流２００ｍＡ（電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、ピーク波長４３９ｎｍを有する発光スペクトル（実質的に単一のピーク）を示す。光出力は２８ｍＷであり、外部量子効率は５．０％である。電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の約６３％である。電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における駆動電圧は３．２ボルトである。このＬＥＤチップＡをエポキシ樹脂で封止して、ＬＥＤランプを作製する。このＬＥＤランプは、電流密度１２５Ａ／ｃｍ２において、４３９ｎｍのピーク波長、１４０ｍＷの光出力、２５％の外部量子効率を示す。

（実験例３）：サファイア基板
有機金属気相成長法を用いて、青色発光ダイオードを作製する。原料には、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アンモニア（ＮＨ_３）、モノシラン（ＳｉＨ_４）、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。ｃ面サファイア基板を準備する。有機金属気相成長炉のサセプタ上にサファイア基板を配置する。次いで、サファイア基板上に、ＧａＮバッファ層を作製する。ＧａＮバッファ層は、原料ガス（ＴＭＧａ、ＮＨ_３およびＨ_２）を有機金属気相成長炉に供給して、摂氏５００度の基板温度で成長される。続いて、摂氏１１００度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４）を用いて成長速度４μｍ／ｈで厚さ５μｍのｎ型ＧａＮバッファ層を成長する。次いで、障壁層および井戸層を交互に成長する。障壁層の成長では、１０１ｋＰａの炉内圧力を用いると共に摂氏９００度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ_３）を用いて、厚さ１５ｎｍのアンドープＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層を堆積する。井戸層の成長では、１０１ｋＰａの炉内圧力を用いると共に摂氏８００度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、ＮＨ_３）を用いて、厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ_０．１１Ｇａ_０．８９Ｎ層を堆積する。井戸層および障壁層の成長は、必要な回数だけ繰り返される。この例では、６周期の量子井戸構造を形成する。上記の井戸層および障壁層は歪み組成で示されている。その後、摂氏１０５０度の基板温度に変更した後に、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いて、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎクラッド層を成長する。次いで、原料ガス（ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いて、厚さ１５０ｎｍのｐ型ＧａＮコンタクト層を成長する。これによりＬＥＤエピタキシャル基板が完成する。

引き続いて、有機金属気相成長炉からＬＥＤエピタキシャル基板を取り出して、ｐ型コンタクト層上に半透明電極のアノードを作製する。半透明電極のサイズは、４００μｍ角（電極面積：１．６×１０^−３ｃｍ^２）である。また、窒化ガリウム基板の裏面にカソードのための電極を作製する。そして、５００μｍ角の青色ＬＥＤチップＣを作製する。

図７は、この青色ＬＥＤチップＣにおける電流−光出力の特性を示す図面である。図８は、青色ＬＥＤチップＣにおける電流−外部量子効率の特性を示す図面である。なお、参考のために、図７および図８には、青色ＬＥＤチップＡの電流−光出力特性および電流−外部量子効率特性も示されている。これらの測定結果によれば、青色ＬＥＤチップＣは、電流２０ｍＡ（電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、ピーク波長４３４ｎｍを有する発光スペクトル（実質的に単一のピーク）を示す。光出力は２．０ｍＷであり、外部量子効率は３．４％である。また、青色ＬＥＤチップＣは、電流２００ｍＡ（電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、ピーク波長４２４ｎｍを有する発光スペクトル（実質的に単一のピーク）を示す。光出力は２９ｍＷであり、外部量子効率は５．０％である。電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の約６８％である。このＬＥＤチップＣをエポキシ樹脂で封止して、ＬＥＤランプを作製する。このＬＥＤランプは、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２において、４３８ｎｍのピーク波長、１１６ｍＷの光出力、２０％の外部量子効率を示す。樹脂封止前のＬＥＤチップの光取り出し効率を比較すると、サファイア基板上に作製されたＬＥＤの発光効率は窒化ガリウム基板上に作製されたＬＥＤの発光効率より高い。

（実験例４）：井戸層の成長温度は障壁層の成長温度と同じ
井戸層の成長温度および障壁層の成長温度を除いて、実験例１と同様にして、青色発光ダイオードを作製する。青色ＬＥＤチップＤは、電流２０ｍＡ（電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２）の印加において、光出力は１ｍＷ以下である。

（実験例５）：Ｓｉドープ障壁層
厚さ１５ｎｍのＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ障壁層にＳｉドープで成長することを除いて、実験例１と同様にして、青色発光ダイオードを作製する。青色ＬＥＤチップＥの電流−光出力特性、電流−外部量子効率特性および発光波長は、実験例１の青色ＬＥＤチップＡとほぼ同じである。電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における駆動電圧は３．２ボルトである。

（実験例６）：低転位サファイアテンプレート
有機金属気相成長法を用いて、青色発光ダイオードを作製する。サファイア基板上に低温バッファ層を成長した後に、窒化ガリウムエピタキシャル層を形成する。この窒化ガリウムエピタキシャル層上に、ＳｉＯ_２からなる選択成長用マスクを形成する。このマスクを用いて有機金属気相成長法により、窒化ガリウムのラテラルオーバー成長を行う。成長された窒化ガリウム領域は、１×１０^７ｃｍ^２以下の貫通転位密度を有する領域を含む。実験例５と同様にして、青色発光ダイオードを作製する。１×１０^７ｃｍ^２以下の貫通転位密度を有する領域上に、アノード（１．６×１０^−３ｃｍ^２の半透明電極）を作製すると共に、ドライエッチングにより露出されたｎ−ＧａＮ層上にカソード電極を作製する。この青色ＬＥＤチップＦの電流−光出力特性、電流−外部量子効率特性、発光波長および電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における駆動電圧は、実験例５の青色ＬＥＤチップＥとほぼ同じである。

（実験例７）：ＳｉＣ基板
有機金属気相成長法を用いて、青色発光ダイオードを作製する。導電性のＳｉＣ基板上にＡｌＮバッファ層を成長した後に、窒化ガリウムエピタキシャル層を形成する。この窒化ガリウムエピタキシャル層上に、ＳｉＯ_２からなる選択成長用マスクを形成する。このマスクを用いて有機金属気相成長法により、窒化ガリウムのラテラルオーバー成長を行う。成長された窒化ガリウム領域は、１×１０^７ｃｍ^２以下の貫通転位密度を有する領域を含む。実験例５と同様にして、青色発光ダイオードを作製する。成長された窒化ガリウム領域は、１×１０^７ｃｍ^２以下の貫通転位密度を有する領域を含む。実験例５と同様にして、青色発光ダイオードを作製する。１×１０^７ｃｍ^２以下の貫通転位密度を有する領域上に、アノード（１．６×１０^−３ｃｍ^２の半透明電極）を作製すると共に、ＳｉＣ基板の裏面にカソード電極を作製する。青色ＬＥＤチップＧの電流−光出力特性、電流−外部量子効率特性、発光波長および電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における駆動電圧は、実験例５の青色ＬＥＤチップＥとほぼ同じである。

（実験例８）：井戸層のインジウム組成依存性
実験例１で用いた作製条件を用いて、インジウム組成の異なる井戸層を有する青色ＬＥＤチップを作製する。図９は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率のインジウム組成に関する依存性を示す図面である。図１０は、電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率に対する電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の比（百分率）のインジウム組成に関する依存性を示す図面である。図１０を参照すると、インジウム組成が小さくなるにつれて、外部量子効率の比が大きくなる。この比の値は、インジウム組成０．１４、０．１１、０．１０、０．０９において、それぞれ、６３．３％、７９．０％、７２．３％、８２．３％である。インジウム組成０．１４での値はほぼ６５％であるが、インジウム組成の他の値では６５％よりも大きいので、インジウム組成０．１４未満の井戸層では好適な特性が得られる。外部量子効率の比６５％を基準にする理由は従来の青色ＬＥＤの標準的な値だからである。

（実験例９）：井戸層の厚み依存性
実験例１で用いた作製条件を用いて、厚みの異なる井戸層を有する青色ＬＥＤチップを作製する。図１１は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の井戸層の厚みに関する依存性を示す図面である。図１２は、電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率に対する電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の比（百分率）の井戸層の厚みに関する依存性を示す図面である。図１２を参照すると、井戸層の厚みが大きくなるにつれて、外部量子効率の比が大きくなる。この比の値は、井戸層の厚み３ｎｍ、４．５ｎｍ、５ｎｍ、５．５ｎｍにおいて、それぞれ、６３．３％、７９．０％、７２．３％、８２．３％である。井戸層の厚み３ｎｍでの値はほぼ６５％であるが、井戸層の他の厚みでは６５％よりも大きいので、発明者らの他の実験の結果を勘案して井戸層の厚み４ｎｍ以上の井戸層で好適である。

（第２の実施の形態）
図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子を作製する方法を示す図面である。貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下のｎ型の窒化ガリウム基板５１を準備する。この窒化ガリウム基板５１を有機金属気相成長炉５３のサセプタ上に配置する。図１３（Ａ）に示されるようにと、有機金属気相成長炉５３を用いて、窒化ガリウム基板５１上にｎ型ＡｌＧａＮ膜５５を成長する。ＡｌＧａＮ膜５５上にｎ型窒化ガリウム系半導体膜５７を成長する。窒化ガリウム系半導体膜５７に先立ってＡｌＧａＮ膜５５を堆積すると、窒化ガリウム基板５１の表面に比べて、窒化ガリウム系半導体膜５７の成長に好適な表面が提供される。窒化ガリウム基板５１を用いているので、窒化ガリウム系半導体膜５７の貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２以下である。

図１３（Ｂ）に示されるように、活性領域５９を窒化ガリウム系半導体膜５７上に形成する。活性領域５９は量子井戸構造を有しており、この量子井戸構造は、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられている。量子井戸構造の井戸層はアンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含むと共に、量子井戸構造の障壁層はアンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ＜０．０５、Ｙは歪み組成）領域を含む。井戸層の成膜温度（例えば、摂氏８００度）は障壁層の成膜温度（例えば、摂氏９００度）より小さい。井戸層の成膜温度は、例えば、摂氏７５０度以上であることが好ましく、また井戸層の成膜温度は、例えば、摂氏８５０度以下であることが好ましい。障壁層の成膜温度は、例えば、摂氏８５０度以上であることが好ましく、また障壁層の成膜温度は、例えば、摂氏９５０度以下であることが好ましい。

なお、量子井戸構造の障壁層として、アンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成）領域に替えて、ｎ型ドーパントを含むＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を用いることもできる。

また井戸層の厚さが４ｎｍ以上であることが好ましい。また、井戸層の厚さが１０ｎｍ以上であることが好ましい。

この方法によれば、井戸層の成膜温度を障壁層の成膜温度より小さくすると共に井戸層のＩｎ組成を低くすることによって、Ｉｎ組成ゆらぎが抑制される。井戸層のＩｎ組成を低くすると、Ｉｎ組成ゆらぎに起因した局在準位の数が減少する。ところが、局在準位の減少により、活性領域は、むしろ転位の影響を強く受けるようになる。つまり、活性領域５９の結晶品質は、活性領域５９および下地層５７の貫通転位密度に敏感になる。また、単に井戸層のＩｎ組成を下げると、発光波長がシフトしてしまう。このシフトを防ぎ波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の発光を得るために、井戸層の厚みを厚くする必要がある。井戸層の厚みを厚くするとＩｎＧａＮ井戸層の結晶品質が低下する。下地層５７の貫通転位密度１×１０⁷ｃｍ^−２以下とするので、転位に敏感になることおよび井戸層を厚くすることの影響を小さくできる。このため、高電流密度での外部量子効率の低下を抑制できる。

図１４（Ａ）に示されるように、有機金属気相成長炉５３を用いて、活性領域５９上にｐ型窒化ガリウム系半導体膜６１を成長する。ｐ型窒化ガリウム系半導体膜６１は、例えばＧａＮまたはＡｌＧａＮからなることができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体膜６１およびｎ型窒化ガリウム系半導体膜５７のバンドギャップエネルギは、活性領域５９の井戸層のバンドギャップエネルギより大きい。このため、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜６１およびｎ型窒化ガリウム系半導体膜５７は、クラッド層として働く。

図１４（Ｂ）に示されるように、有機金属気相成長炉５３を用いて、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜６１上にｐ型窒化ガリウム系半導体膜６３を成長する。ｐ型窒化ガリウム系半導体膜６３は、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなることができる。以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、高い電流に密度においても外部量子効率の低下が小さい半導体発光素子を作製する方法が提供される。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。実施の形態では、基板として、ＧａＮ基板、サファイアテンプレート、ＳｉＣ基板を例示したが、これらの限定されること無く、本発明は、ＡｌＮ、ＺｒＢ_２等も用いることができる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。 図２は本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を示す図面である。 図３は青色ＬＥＤチップＡの電流−光出力の特性を示す図面である。 図４はＬＥＤチップＡの電流−外部量子効率の特性を示す図面である。 図５は青色ＬＥＤチップＢの電流−光出力特性を示す図面である。 図６はＬＥＤチップＢの電流−外部量子効率特性を示す図面である。 図７は青色ＬＥＤチップＣの電流−光出力特性を示す図面である。 図８はＬＥＤチップＣの電流−外部量子効率特性を示す図面である。 図９は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率のインジウム組成に関する依存性を示す図面である。 図１０は、電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率に対する電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の百分率のインジウム組成に関する依存性を示す図面である。 図１１は、電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の井戸層の厚みに関する依存性を示す図面である。 図１２は、電流密度１２．５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率に対する電流密度１２５Ａ／ｃｍ^２における外部量子効率の百分率の井戸層の厚みに関する依存性を示す図面である。 図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は本実施の形態に係る半導体発光素子を作製する方法を示す図面である。 図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は本実施の形態に係る半導体発光素子を作製する方法を示す図面である。

符号の説明

１１、１１ａ…半導体発光素子、１３…窒化ガリウム系クラッド層、１５…第２導電型の窒化ガリウム系クラッド層、１７…活性領域、１７ａ…量子井戸構造、１９…井戸層、２１…障壁層、２３…III族窒化物基板、２７…窒化ガリウム系半導体中間層、２９…コンタクト層、３１…第１のオーミック電極、３３…第２のオーミック電極、３７…活性領域、３７ａ…量子井戸構造、３９…井戸層、４１…障壁層、Ｄ_Ｗ…井戸層の厚み、５１…窒化ガリウム基板、５３…有機金属気相成長炉、５５…ｎ型ＡｌＧａＮ膜、５７…窒化ガリウム系半導体膜、５９…活性領域、６１…ｐ型窒化ガリウム系半導体膜、６３…ｐ型窒化ガリウム系半導体膜

Claims (12)

1. １×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と、
   第２導電型窒化ガリウム系クラッド層と、
   複数の井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有しており前記第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と前記第２導電型窒化ガリウム系クラッド層との間に設けられた活性領域と
   を備え、
   前記量子井戸構造は、４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられており、
   前記井戸層の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、
   前記障壁層は、アンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む、ことを特徴とする半導体発光素子。
2. １×１０^７ｃｍ^−２以下の貫通転位密度を有する第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と、
   第２導電型窒化ガリウム系クラッド層と、
   複数の井戸層および障壁層を含む量子井戸構造を有しており前記第１導電型窒化ガリウム系クラッド層と前記第２導電型窒化ガリウム系クラッド層との間に設けられた活性領域と
   を備え、
   前記量子井戸構造は、波長４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられており、
   前記井戸層の各々は、アンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、
   前記障壁層は、ｎ型ドーパントを含むＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成、Ｙ＜Ｘ）領域を含む、ことを特徴とする半導体発光素子。
3. 前記井戸層の厚さが４ｎｍ以上である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
4. 主面を有するIII族窒化物基板を更に備え、
   前記第１導電型窒化ガリウム系クラッド層、前記活性領域および前記第２導電型窒化ガリウム系クラッド層を含む半導体領域は、前記III族窒化物基板の前記主面上に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
5. 前記III族窒化物基板は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下である、ことを特徴とする請求項４に記載された半導体発光素子。
6. 前記III族窒化物基板は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下である窒化ガリウム基板である、ことを特徴とする請求項４に記載された半導体発光素子。
7. 半導体発光素子を作製する方法であって、
   ４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられた量子井戸構造を有する活性領域を貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の窒化ガリウム系クラッド領域上に形成する工程を備え、
   前記井戸層の成膜温度は前記障壁層の成膜温度より小さく、
   前記量子井戸構造の井戸層はアンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、
   前記量子井戸構造の障壁層はアンドープＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成）領域を含む、ことを特徴とする方法。
8. 半導体発光素子を作製する方法であって、
   ４２０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下の波長範囲内のピーク波長を有する光を発生するように設けられた量子井戸構造を有する活性領域を貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下の窒化ガリウム系クラッド領域上に形成する工程を備え、
   前記井戸層の成膜温度は前記障壁層の成膜温度より小さく、
   前記量子井戸構造の井戸層はアンドープＩｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０＜Ｘ＜０．１４、Ｘは歪み組成）領域を含み、
   前記量子井戸構造の障壁層はｎ型ドーパントを含むＩｎ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０≦Ｙ≦０．０５、Ｙは歪み組成）領域を含む、ことを特徴とする方法。
9. 前記井戸層の厚さが４ｎｍ以上であり、
   前記井戸層の厚さが１０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載された方法。
10. 前記窒化ガリウム系クラッド領域をIII族窒化物基板上に成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項７〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。
11. 前記III族窒化物基板の貫通転位密度は１×１０^７ｃｍ^−２以下である、ことを特徴とする請求項１０に記載された方法。
12. 前記III族窒化物基板は貫通転位密度１×１０^７ｃｍ^−２以下である窒化ガリウム基板である、ことを特徴とする請求項１０に記載された方法。

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