JP2013115372A - 半導体発光素子およびその製造方法、半導体発光素子の製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】設計したドーピング濃度および深さ方向分布の製造ばらつき（生産揺らぎ）を抑えて、発光出力を向上させかつ安定化させる。
【解決手段】ｐ型電極１１とｎ型電極１２の形成後に、静電容量測定手段が、ｐ型電極１１とｎ型電極１２間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、不純物濃度分布演算手段が、測定した静電容量から不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算工程（図示せず）と、第１不純物濃度分布制御手段が、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として、次のロットまたは基板における発光層の形成時に、ＭＯＣＶＤ手段を制御して最大の発光出力が得られるように制御する第１不純物濃度分布制御工程（図示せず）とを有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの半導体発光素子およびその製造方法、この半導体発光素子の製造方法に用いる半導体発光素子の製造システムに関する。

従来、この種の従来の窒化物半導体発光素子において、緑、青および紫外領域の半導体発光素子として、窒化物系化合物半導体発光素子が汎用されているが、発光強度以外の窒化物系化合物半導体発光素子の諸特性は尚改善の余地がある。特に、静電耐圧については、ガリウム・ヒ素系の半導体発光素子やインジウム・リン系の半導体発光素子に比較して格段に低く、大幅な静電耐圧の向上が期待されている。

ここで、従来の窒化物半導体発光素子の発光出力の改善のために、活性層（発光層）のドーピングに関して各種の構造提案が以下の引用文献１、２に記載されている。

特許文献１には、活性層がノンドープＩｎＧａＮ量子井戸層と、ｎ型不純物がドープされたＧａＮ障壁層とが順次積層されてなることが記載されており、また、このｎ型不純物がドープされたＧａＮ障壁層が上記ＩｎＧａＮ量子井戸層と接する界面に拡散防止膜を具備していることが記載されており、この拡散防止膜はＧａＮ障壁層よりも低濃度のｎ型不純物を含んでいることが記載されている。

図５は、特許文献１に開示されている従来の半導体発光ダイオードを示した側断面図である。

図５に示すように、従来のＧａＮ系半導体発光ダイオード１００は、サファイア基板１０１上に、ｎ型ＧａＮから成る第１窒化物半導体層１０２、多重量子井戸構造の活性層１０３、およびｐ型ＡｌＧａＮまたはｐ型ＧａＮから成る第２窒化物半導体層１０４が設けられている。メサエッチングされた第１窒化物半導体層１０２の上面にはｎ型電極１０６ａが形成され、第２窒化物半導体層１０４の上面には透明電極層１０５が形成され、その上にｐ型電極１０６ｂが形成されている。

多重量子井戸構造から成る活性層１０３は４個のアンドープＧａＮ量子障壁層１０３ａと５個のｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＮ量子井戸層１０３ｂが交互に積層されたもので示している。しかし、量子障壁層１０３ａおよび量子井戸層１０３ｂは、物質やその数に限りはしない。例えば、窒化物半導体素子において、量子障壁層１０３ａは Ａｌ_ｘ１Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_{１−ｘ１−ｙ１}Ｎ（ｘ_１＋ｙ_１＝１、０≦ｘ_１≦１、０≦ｙ_１≦１）から適切に選択して使用することができ、量子井戸層１０３ａは量子障壁層１０３ｂより小さいエネルギーバンドギャップを有する物質として、Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_{１−ｘ２−ｙ２}Ｎ（ｘ_２＋ｙ_２＝１、０≦ｘ_２≦１、０≦ｙ_２≦１）から適切に選択して使用することができる。

一方、特許文献２には、活性層がｎ型不純物を含んでいることが記載されており、活性層におけるｎ型不純物濃度がｎ層側の方がｐ層側よりも高いことが記載されている。

図６は、特許文献２に開示されている従来の窒化物半導体発光素子を示した側断面図である。

図６において、従来の窒化物半導体発光素子２００は、基板２０１上に、バッファ層２０２、アンドープのＧａＮ層２０３、ＳｉドープのＧａＮよりなるｎ型コンタクト層２０４、ｎ型第１の多層膜層２０５、ｎ型第２の多層膜層２０６、ＩｎＧａＮ／ＧａＮよりなる多重量子井戸構造の活性層２０７、ｐ型多層膜層２０８、ＭｇドープＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２０９がこの順に積層されている。ｎ型多層膜層２０６およびｐ型多層膜層２０８を構成するそれぞれの窒化物半導体の組成および／または層数がｎ型とｐ型で異なる。

多重量子井戸構造の活性層２０７は、井戸層と障壁層とを順次交互に積層した多層膜構造の多重量子井戸構造である。多重量子井戸構造の最小積層構造は、１つの障壁層とこの障壁層の両側に設けられた２つの井戸層とからなる３層構造または、１つの井戸層とその両側に設けられた２つの障壁層とからなる３層構造が考えられる。多重量子井戸構造において、両側の２つの最外層は、それぞれ井戸層または障壁層により構成される。また、一方の最外層が井戸層で他方の最外層が障壁層となるように構成されていてもよい。また、多重量子井戸構造は、ｐ層側が障壁層で終わっても井戸層で終わってもよい。

特開２００５−１０９４２５号公報 特開２００５−０５７３０８号公報

上記従来のいずれの構成においても、半導体発光素子の発光出力向上は可能であるが、ｎ型ドーピング濃度に関係する駆動電圧と静電耐圧は一般的にトレードオフの関係となり、最適なドーピング濃度および深さ方向の分布の最適解を見極めるのは困難である。さらに、生産工場において、連続的に半導体発光素子を製造する中で、活性層の成長温度やガス組成などが連続的にドリフトし、成長する結晶品質も変化し、設計したドーピング濃度および深さ方向濃度分布が常に最適であるかどうかは判断することができない。要するに、設計したドーピング濃度および深さ方向濃度分布が、活性層の成長温度やガス組成の変化などによって大きくばらついてしまう。

このため、製造工場においては、製造された半導体発光素子の発光出力が製品製造日時で揺らぐことが頻繁にあり、特に、窒化物半導体を用いたＬＥＤでは顕著である。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、設計したドーピング濃度および深さ方向分布の製造ばらつき（生産揺らぎ）を抑えて、発光出力を向上させかつ安定化させることができる半導体発光素子の製造方法および、これにより製造された半導体発光素子、この半導体発光素子の製造方法に用いる半導体発光素子の製造システムを提供することを目的とする。

本発明の半導体発光素子の製造方法は、単結晶性基板上にＭＯＣＶＤ手段により多重量子井戸構造の発光層を形成し、該発光層に電流を供給するためのｐ型電極とｎ型電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、該ｐ型電極と該ｎ型電極の形成後に、静電容量測定手段が、該ｐ型電極と該ｎ型電極間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、不純物濃度分布演算手段が、測定した静電容量から該発光層の不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算工程と、第１不純物濃度分布制御手段が、演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として、次の該発光層の形成時に最大の発光出力が得られるように制御する第１不純物濃度分布制御工程とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における第１不純物濃度分布制御工程は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも該障壁層における不純物濃度分布を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における第１不純物濃度分布制御工程は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲になるように前記不純物濃度分布を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における第１不純物濃度分布制御工程は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として７×１０^１６ｃｍ^−３になるように前記不純物濃度分布を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における第１不純物濃度分布制御工程は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの流量を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における第１不純物濃度分布制御工程は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの導入時間を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における静電容量測定工程で測定される静電容量は、少なくとも１種類の直流電圧と交流電圧を前記ｐ型電極と前記ｎ型電極間に重畳印加させて測定された値である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における静電容量測定工程で測定した静電容量は、少なくとも１種類のパルス電圧と交流電圧を前記ｐ型電極と前記ｎ型電極間に重畳印加させて測定された値である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における交流電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における交流電圧の振幅は５ｍＶ〜３０ｍＶである。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における直流電圧は、前記ｐ電極を正とした０．８Ｖ〜２．８Ｖの範囲である。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における不純物濃度分布はｎ型不純物濃度分布であって不純物はＳｉである。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における単結晶性基板上に、前記ＭＯＣＶＤ法により前記多重量子井戸構造の発光層の前記ｎ電極側に、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ （０＜ｘ＜０．３）から成る第１の層とＧａＮから成る第２の層を交互に積層した多重層を形成し、該発光層として、少なくともＩｎを含むＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ （ ０ ＜ｙ＜ ０．３）から成る井戸層とＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ＜０．１，０≦ｚ＜０．２）から成る障壁層とを形成する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法における発光層の少なくとも障壁層に、一導電型不純物濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３ 〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲で添加されている。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造方法において、発光出力および駆動電圧検査手段が発光出力と駆動電圧を測定して検査する発光出力および駆動電圧検査工程と、測定した該発光出力と該駆動電圧のうちの少なくともいずれかが所定範囲を脱した場合に、次の発光層の形成時に、第２不純物濃度分布制御手段が、測定した該発光出力と該駆動電圧に応じて、該駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるように前記ＭＯＣＶＤ手段を制御して前記発光層の不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御工程とを更に有する。

本発明の半導体発光素子は、本発明の上記半導体発光素子の製造方法により製造された半導体発光素子であって、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも該障壁層における一導電型不純物濃度分布の最も低い値が５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲内にあり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体発光素子における一導電型不純物濃度分布の最も低い値が７×１０^１６ｃｍ^−３の誤差範囲内である。

本発明の半導体発光素子の製造システムは、単結晶性基板上にＭＯＣＶＤ手段により多重量子井戸構造の発光層を形成し、該発光層に電流を供給するためのｐ型電極とｎ型電極を形成する半導体発光素子の製造システムにおいて、該ｐ型電極と該ｎ型電極の形成後に、該ｐ型電極と該ｎ型電極間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、測定した静電容量から該発光層の不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算手段と、演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として、次の該発光層の形成時に、該ＭＯＣＶＤ手段を制御して最大の発光出力が得られるように制御する第１不純物濃度分布制御手段とを有するものであり、そのことにより上記目的が達成される。

また、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造システムにおける第１不純物濃度分布制御手段は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層における不純物濃度分布を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造システムにおける第１不純物濃度分布制御手段は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲になるように制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造システムにおける第１不純物濃度分布制御手段は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として７×１０^１６ｃｍ^−３になるように制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造システムにおける第１不純物濃度分布制御手段は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの流量を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造システムにおける第１不純物濃度分布制御手段は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの導入時間を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する。

さらに、好ましくは、本発明の半導体発光素子の製造システムにおける半導体発光素子の発光出力と駆動電圧を測定して検査する発光出力および駆動電圧検査手段と、測定した該発光出力と該駆動電圧のうちの少なくともいずれかが所定範囲を脱した場合に、次の発光層の形成時に、測定した該発光出力と該駆動電圧に応じて、該駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるように前記ＭＯＣＶＤ手段を制御して前記発光層の不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御手段とを更に有する。

上記構成により、以下、本発明の作用を説明する。

設計したドーピング濃度および深さ方向分布の生産揺らぎをどのように検出してそれをどのように抑えるのかについて説明する。

本発明においては、単結晶性基板上にＭＯＣＶＤ手段により多重量子井戸構造の発光層を形成し、発光層に電流を供給するためのｐ型電極とｎ型電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、ｐ型電極とｎ型電極の形成後に、静電容量測定手段が、ｐ型電極とｎ型電極間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、不純物濃度分布演算手段が、測定した静電容量から不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算工程と、第１不純物濃度分布制御手段が、演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として、次の該発光層の形成時に、ＭＯＣＶＤ手段を制御して最大の発光出力が得られるように制御する第１不純物濃度分布制御工程とを有する。

このように、測定した静電容量から演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として最大の発光出力が得られるように制御するので、設計したドーピング濃度および深さ方向分布の製造ばらつき（生産揺らぎ）を抑えて、発光出力を向上させかつ安定化させることが可能となる。

以上により、本発明によれば、測定した静電容量から演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として最大の発光出力が得られるように制御するため、設計したドーピング濃度および深さ方向分布の製造ばらつき（生産揺らぎ）を抑えて、発光出力を向上させかつ安定化させることができる。

本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。 図１のＣ−Ｖ法による静電容量測定結果を空乏層幅ｘ（μｍ）とキャリア密度（ｃｍ−３）の特性曲線として示す代表的図である。 図２のＡ〜Ｄの測定結果の最小キャリア濃度Ｎとそのときの窒化物半導体発光素子１の発光出力および駆動電圧との関係を示す図である。 図１の窒化物半導体発光素子１の製造方法における各製造工程を示す流れ図である。 特許文献１に開示されている従来の半導体発光ダイオードを示した側断面図である。 特許文献２に開示されている従来の窒化物半導体発光素子を示した側断面図である。

以下に、本発明の半導体発光素子およびその製造方法、半導体発光素子の製造システムを窒化物半導体発光素子およびその製造方法、窒化物半導体発光素子の製造システムの実施形態１に適用した場合について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１における窒化物半導体発光素子の要部構成例を示す縦断面図である。

図１において、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１は、表面に三角形の凹凸が形成された厚さ約３００μｍの基板として例えばサファイヤ基板２の上に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成る膜厚約１５ｎｍのバッファ層３が成膜され、その上にノンドープのＧａＮから成る膜厚約５００ｎｍのノンドープＧａＮ層４が成膜されている。これらのサファイヤ基板２、バッファ層３およびノンドープＧａＮ層４が、単結晶性基板を構成している。

さらに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１において、この単結晶性基板上にシリコン（Ｓｉ）を１×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮからなる膜厚約５μｍのｎ型コンタクト層５（高キャリヤ濃度ｎ^＋層）が形成されている。このｎ型コンタクト層５上に多重層６が形成され、この多重層６上には多重量子井戸構造の発光層７が形成されている。

この多重層６は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に複数積層されている。この多重層６は、ここでは例えば、膜厚２．５ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなる第１の層と、膜厚３ｎｍのＧａＮからなる第２の層とを５ペア積層している。この多重層６のうちの第１の層に、一導電型不純物としてＳｉがその濃度として、１×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３（さらに好ましくは、５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１７ｃｍ^−３）の範囲で添加されている。

多重量子井戸構造の発光層７の井戸層は少なくともＩｎを含むＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜０．３）からなっている。このように、多重量子井戸構造の発光層７は、ここでは例えば、膜厚３ｎｍのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ｎから成る井戸層と、膜厚５ｎｍのＧａＮから成る障壁層とを６ペア積層している。

さらに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１において、この発光層７上に、Ｍｇを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープした膜厚２５ｎｍのｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎからなるｐ型層である電子ブロック層８が形成され、この電子ブロック層８上に、Ｍｇを８×１０^１９（ｃｍ^−３）ドープした膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層９が形成されている。このｐ型コンタクト層９上には、金属蒸着による透光性薄膜電極１０（ＩＴＯ）が形成され、透光性薄膜電極１０の一部上にｐ電極１１が形成され、一方、ｎ型コンタクト層５の端部上にはｎ電極１２が形成されている。最上部には、ＳｉＯ_２膜よりなる保護膜１３が形成されている。透光性薄膜電極１０は、ｐ型コンタクト層９に直接接合する膜厚約１．５ｎｍのニッケル（Ｎｉ）よりなる第１層と、このニッケル膜に接合する膜厚約６ｎｍの金（Ａｕ）よりなる第２層とで構成されている。

要するに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１は、サファイヤ基板２上にバッファ層３およびノンドープＧａＮ層４をこの順に形成して単結晶性基板が構成され、この単結晶性基板上のｎ型コンタクト層５とｐ型コンタクト層９間に、２層の繰り返しの多重層６、２層の繰り返しの多重量子井戸構造の発光層７および電子ブロック層８がこの順に形成され、ｐ型コンタクト層９上にオーミック接触の透光性薄膜電極１０を介してｐ電極１１が形成され、ｎ型コンタクト層５の一部上にｎ電極１２が形成され、最上部に耐湿用の保護膜１３が形成されている。

発光層７を構成する多重量子井戸構造は、少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる井戸層を含むものである。発光層７の構成は、例えばドープされた、またはアンドープのＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．３）からなる井戸層と、この井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体ＧａＮ，Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．１）または、Ｉｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０＜ｙ＜０．１，０＜ｚ＜０．２）から成る障壁層が挙げられる。好ましい例としてはアンドープのＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜０．１）からなる障壁層が挙げられる。

発光層７のｎ電極１２側に設けられる多重層６は、発光層７を形成する少なくともインジウム（Ｉｎ）を含むＩＩＩ族窒化物系化合物半導体Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）から成る井戸層のインジウム（Ｉｎ）の組成ｘよりも小さいインジウム（Ｉｎ）の組成ｗのＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜０．３）から成る層とＧａＮから成る層により形成される。このとき、多重層６を形成するＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜０．３）から成る層のインジウム（Ｉｎ）の組成ｗは、０．０２以上０．０７以下、より好ましくは、０．０３以上０．０５以下が好ましい。

発光層７のｎ電極１２側に設けられる多重層６のＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜０．３）からなる層の膜厚は、０．５ｎｍ以上６ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上４ｎｍ以下であることがより好ましい。以下に発光特性を記すが、Ｉｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜１）からなる層の膜厚が６ｎｍを越えると、駆動電圧Ｖｆが大幅に上昇することが判明している。０．５ｎｍ未満になると、その膜厚の調整が困難となるので、避けるべきである。一方、多重層６のＧａＮから成る層は、少なくとも１０〜４０ｎｍの範囲では素子特性に大きな変化を生じないことが判明している。多重層６のＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜０．３）からなる層の厚さの発光層の井戸層の厚さに対する比は、０．１以上２以下とすることが望ましい。より望ましくは、発光層７の井戸層の厚さ以下に多重層６のＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜０．３）からなる層の厚さを調節する。一方、多重層６のＧａＮからなる層の厚さの発光層７の障壁層の厚さに対する比は、０．５以上４以下であることが望ましい。より望ましくは、発光層７の障壁層の厚さ以上に多重層６のＧａＮから成る層の厚さを調節することが望ましい。

発光層７のｎ電極１２側に設けられる多重層６のＩｎ_ｗＧａ_１−ｗＮ（０＜ｗ＜０．３）からなる層の数は１以上３０以下とすることが望ましく、より好ましくは、３以上２０以下とするとよい。

ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子１は、上記の発明の主たる構成に係る限定の他は、任意の構成を取ることができる。また、窒化物半導体発光素子１は発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、フォトカプラ、その他の任意の発光素子としてよい。特に、本発明に係るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子１の製造方法としては任意の製造方法を用いることができる。

具体的には、結晶成長させる基板としては、サファイヤ、スピネル、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｚ ｎＯ、ＭｇＯまたは、ＩＩＩ族窒化物系化合物単結晶などを用いることができる。ＩＩＩ 族窒化物系化合物半導体層を結晶成長させる方法としては、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハライド気相成長法（ＨＤＶＰＥ）、液相成長法等が有効である。

電極形成層などのＩＩＩ族窒化物半導体層は、少なくともＡｌ_ｘＧａｙＩｎ_{１−ｘ− ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦０．３，０．７≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）にて表される２元系、３元系または４元系の半導体から成るＩＩＩ族窒化物系化合物半導体で形成することができる。

ここで、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の特徴構成として、発光層７が、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層し、この発光層７のうちの少なくとも障壁層に、一導電型不純物としてのＳｉが濃度５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３（さらに好ましくは、５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１７ｃｍ^−３）の範囲で添加されている。

この本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の特徴構成について、以下に更に詳細に説明する。

図２は、図１のＣ−Ｖ法による静電容量測定結果を空乏層幅ｘ（μｍ）とキャリア密度（ｃｍ^−３）の特性曲線として示す代表的図である。

図２に示すように、例えばＡ〜Ｄの波形は、空乏層幅ｘ（μｍ）に対するキャリア密度（ｃｍ^−３）の特性曲線であって、ロット単位の静電容量測定結果である。ｎ型不純物濃度の測定方法は静電容量測定により行う。具体的には、直流電圧Ｖｄｃと交流電圧Ｖａｃを重畳させ、重畳した直流電圧Ｖｄｃと交流電圧Ｖａｃを窒化物半導体発光素子１のｐ型電極１１とｎ型電極１２間に印加し、その複素インピーダンスの測定結果から、静電容量分を測定するものである。一般的に、Ｃ−Ｖ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ - Ｖｏｌｔａｇｅ）法と呼ばれているものである。発光層の任意の深さの濃度をＣ−Ｖ法にて算出する方法は以下の通りである。
Ｃ−Ｖ法での直流電圧Ｖｄｃは３〜２Ｖの直流電圧範囲を０．０２Ｖ刻み、２〜０Ｖの直流電圧範囲を０．１Ｖ刻み、０から−１０Ｖの直流電圧範囲３を０．２Ｖ刻み、−１０Ｖから−２０Ｖの直流電圧範囲を１Ｖ刻みで４分割で刻みを変えて印加した。これと同時に重畳させる１ＭＨｚの周波数の交流電圧の振幅Ｖ_ｄｃは、上記分割した各直流電圧範囲でそれぞれ、０．０１Ｖ、０．０５Ｖ、０．１Ｖ、０．５Ｖとした。本実施形態１では、直流電圧範囲は４分割としたが、分割しないかまたはその他の分割数でも問題ないが、窒化物半導体を用いた発光素子では２〜４分割とするのが好ましい。また、各直流電圧範囲の直流電圧刻み幅の半分を交流電圧振幅Ｖａｃとするのが好ましい。これは、Ｃ−Ｖ法にて静電容量を測定するときの瞬時電圧が、全ての電圧範囲で切れ目ない設定とすることにより、窒化物半導体発光素子１の全領域のｎ型不純物濃度を測定できるためである。その後、設定した直流電圧Ｖ_ｄｃと測定した静電容量Ｃを下記手法で空乏層ｘとキャリア密度Ｎに変換する。

窒化物半導体発光素子１のｎ側電極１２とｐ側電極１１との間に交流電圧と直流電圧を重畳して印加し空乏層容量Ｃを測定すると、つまり、窒化物半導体発光素子１のＣ−Ｖ特性を調べると、下記式１から空乏層の厚みｘが算出される。

ここで、空乏層の厚みｘとは、窒化物半導体発光素子１の電子ブロック層８（ｐ型半導体）と多重量子井戸構造の発光層７（およそｎ型半導体）を境界とし、主にｎ型半導体層に形成させる空乏層であり、空乏層幅ｘは多重量子井戸構造の発光層７の電子ブロック層８からみた深さと同義である。

ｘ＝ε_０ε_ｒ／Ｃ・・・式１
式１において、ｘは空乏層の厚み（ｃｍ）であり、ε_０は真空の誘電率（８．９×１０^−１４（Ｆ／ｃｍ））である。ε_ｒは窒化物半導体材料の比誘電率（単位は無次元）であり、本実施形態１では、ＧａＮの比誘電率で近似できる。Ｃは測定された空乏層容量（Ｆ／ｃｍ^２）である。

また、窒化物半導体発光素子１に印加される電圧の大きさが変わると、空乏層の厚み（空乏層の厚みｘ）が変わり、空乏層容量が変わる。ここで、空乏層の底面（基板３側に位置する空乏層の面）におけるキャリア濃度Ｎは、下記式２で表わされる。そのため、窒化物半導体発光素子１に印加される電圧Ｖの大きさを変えて空乏層容量Ｃを測定すると、下記式２から空乏層の底面におけるキャリア濃度Ｎが算出される。

Ｎ＝Ｃ^３／｛ｑε_０ε_ｒ（ΔＣ／ΔＶ_ｄｃ）｝・・・式２
式２において、Ｎは空乏層の底面におけるキャリア濃度（１／ｃｍ^３）であり、ｑは点電荷量（Ｃ）であり、ΔＣは窒化物半導体発光素子１に印加される電圧Ｖの大きさを変えたときの空乏層容量の変化量であり、ΔＶｄｃは窒化物半導体発光素子１に印加される直流電圧Ｖｄｃの変化量である。式２におけるＣ、ε_０、およびε_ｒはいずれも式１と同様である。以上より、窒化物半導体発光素子１に印加される電圧Ｖの大きさを変えて空乏層容量Ｃを測定すれば、空乏層の厚みｘと空乏層の底面におけるキャリア濃度Ｎとの関係が分かる。即ち、発光層７のキャリア濃度≒ｎ型不純物濃度＝Ｓｉドーピング濃度の深さ分布を印加する直流電圧Ｖ_ｄｃを任意に可変することにより、測定可能である。

図２に示すように、測定結果Ａでは発光層７の表面からの深さ０．０６μｍ付近でｎ型キャリア濃度（シリコン濃度）が最低になっている。また、測定結果Ｅでは発光層７の表面からの深さ０．０１μｍ付近でｎ型キャリア濃度が最低になっている。このようにして、発光層７の表面からの所望の深さに応じたドーピング濃度（深さ方向不純物濃度分布またはキャリア濃度）を検出することができる。同じ条件で活性層を膜成長させても、膜成長温度やガス組成の変化などによって測定結果Ａ〜Ｅのような製造ばらつき（生産揺らぎ）が生じる。

ＭＯＣＶＤでＳｉをドーピングして膜成長させるが、活性層の成長温度やガス組成も変化することから、測定結果Ａは、ＭＯＣＶＤでＳｉを供給するシランガスの供給が少ない場合に生じ、また、ＭＯＣＶＤでＳｉを供給するシランガスの供給は所定値で一定であっても、膜成長温度が高く早く膜成長してＳｉ密度が低い場合にも生じる。また逆に、測定結果Ｅは、ＭＯＣＶＤでＳｉを供給するシランガスの供給が多い場合に生じ、また、ＭＯＣＶＤでＳｉを供給するシランガスの供給は所定値で一定であっても、膜成長温度が低く遅く膜成長してＳｉ密度が高い場合にも生じる。このように、Ｃ−Ｖ法による発光層７の表面からの所望の深さに応じたドーピング濃度（深さ方向分布）を検出することにより発光層７の生産仕上がりを容易に検出することができる。

図３は、図２のＡ〜Ｄの測定結果の最小キャリア濃度Ｎとそのときの窒化物半導体発光素子１の発光出力および駆動電圧との関係を示す図である。なお、黒四角は最小キャリア濃度Ｎに対する発光出力の関係を示し、白四角は最小キャリア濃度Ｎに対する駆動電圧の関係を示している。

図３に示すように、発光出力はフォトダイオードにより測定した。本実施形態１の測定結果では、キャリア濃度が５×１０^１６〜９×１０^１６（ｃｍ^−３）のとき最大の発光出力であり、キャリア濃度がその値よりも小さいかまたは大きいときには発光出力が低下する。一方、駆動電圧はキャリア濃度が小さいときは低く、キャリア濃度が高いときは高くなる傾向が見られた。即ち、７×１０^１６（ｃｍ^−３）付近になるようにＳｉがドーピングされていれば、駆動電圧の上昇を最小限にしつつ、最大の発光出力を得ることができる。

図３では、測定結果Ｂ、ＣのようにＮ型キャリア濃度が７×１０^１６（ｃｍ^−３）で発光出力が最大となりその前後で発光出力は低下する。一方、白四角に示すように、最小キャリア濃度Ｎに対する駆動電圧の関係は、右下がりの特性線図になっている。ｐ電極１１とｎ電極１２間に一定の定格電流を流して測定した駆動電圧が低いほど省エネとなる。したがって、活性層の成長温度やガス組成などが連続的にドリフトして、測定結果Ａや測定結果Ｄ、Ｅになると、発光出力が下がることになる。

これに対して、Ｃ−Ｖ法による発光層７の表面からの所望の深さに応じたドーピング濃度（深さ方向分布）を検出し、測定結果Ｂ、Ｃになるように、活性層の成長温度やガス組成などを連続的に制御することにより、測定結果Ａや測定結果Ｄ、Ｅのようになって発光出力が下がることを防止することができる。

以下に、上記構成の窒化物半導体発光素子１の製造方法について説明する。

図４は、図１の窒化物半導体発光素子１の製造方法における各製造工程を示す流れ図である。

図４に示すように、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の製造方法は、ステップＳ１で基板受け入れ手段がサファイヤ基板２を所定位置に受け入れるサファイヤ基板２の基板受け入れ工程と、ステップＳ２で、サファイヤ表面凹凸加工手段がサファイヤ基板２の表面に三角形の凹凸を形成するサファイヤ表面凹凸加工工程と、ステップＳ３でＭＯＣＶＤ法により、ＭＯＣＶＤ手段が、サファイヤ基板２の表面凹凸加工面上に、バッファ層３、ノンドープＧａＮ層４、ｎ型コンタクト層５、多重層６、多重量子井戸構造の発光層７、電子ブロック層８およびｐ型コンタクト層９をこの順に順次形成するＭＯＣＶＤ工程と、ステップＳ４で、透明性電極形成手段が、ｐ型コンタクト層９上に透光性薄膜電極１０を形成する透明性電極形成工程と、ステップＳ５で、ｎ電極およびｐ電極形成手段が、基板端部をｎ型コンタクト層５の途中までエッチング除去してｎ型コンタクト層５の端部を露出させ、ｎ型コンタクト層５の端部表面上にｎ電極１２を形成すると共に、透光性薄膜電極１０の一部表面上にｐ電極１１を形成するｎ電極およびｐ電極形成工程と、ステップＳ６で、保護層形成手段が、透光性薄膜電極１０、ｐ電極１１、ｎ電極１２およびｎ型コンタクト層５の露出表面、さらにエッチング除去側面に耐湿度用などに保護層１３を形成する保護層形成工程と、ステップＳ７で、電極開口手段がｐ電極１１およびｎ電極１２上の保護層１３をそれぞれ開口する電極開口部工程と、ステップＳ８で静電容量測定手段がｎ電極１２とＰ電極１１間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、ステップ８で不純物濃度分布演算手段が、測定した静電容量から不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算工程と、ステップ８で第１不純物濃度分布制御手段が、演算した不純物濃度分布の最低値が所定範囲を脱した場合に、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として基準値と比較して、次の発光層の形成時に、最大の発光出力が得られるようにＭＯＣＶＤ手段を制御して不純物濃度分布の最低値を制御する第１不純物濃度分布制御工程と、ステップ９で発光出力および駆動電圧検査手段が発光出力と駆動電圧を検査する発光出力および駆動電圧検査工程と、測定した発光出力と駆動電圧が所定範囲を脱した場合に、次の発光層の形成時に、第２不純物濃度分布制御手段が、測定した発光出力と駆動電圧に応じて、駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるようにＭＯＣＶＤ手段を制御して不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御工程とを有している。

本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の製造システムは、サファイヤ基板２を所定位置に受け入れるサファイヤ基板２の基板受け入れ手段と、サファイヤ基板２の表面に三角形の凹凸を形成するサファイヤ表面凹凸加工手段と、ＭＯＣＶＤ法により、サファイヤ基板２の表面凹凸加工面上に、バッファ層３、ノンドープＧａＮ層４、ｎ型コンタクト層５、多重層６、多重量子井戸構造の発光層７、電子ブロック層８およびｐ型コンタクト層９をこの順に順次形成するＭＯＣＶＤ手段と、ｐ型コンタクト層９上に透光性薄膜電極１０を形成する透明性電極形成手段と、基板端部をｎ型コンタクト層５の途中までエッチング除去してｎ型コンタクト層５の端部を露出させ、ｎ型コンタクト層５の端部表面上にｎ電極１２を形成すると共に、透光性薄膜電極１０の一部表面上にｐ電極１１を形成するｎ電極およびｐ電極形成手段と、透光性薄膜電極１０、ｐ電極１１、ｎ電極１２およびｎ型コンタクト層５の露出表面、さらにエッチング除去側面に耐湿度用などに保護層１３を形成する保護層形成手段と、ｐ電極１１およびｎ電極１２上の保護層１３をそれぞれ開口する電極開口手段と、ｎ電極１２とＰ電極１１間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、測定した静電容量から不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算手段と、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として基準値と比較して、次の発光層の形成時に、最大の発光出力が得られるようにＭＯＣＶＤ手段を制御して不純物濃度分布の最低値を制御する第１不純物濃度分布制御手段と、発光出力と駆動電圧を測定して良否検査する発光出力および駆動電圧検査手段と、測定した発光出力と駆動電圧が所定範囲を脱した場合に、次の発光層の形成時に、測定した発光出力と駆動電圧に応じて、駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるようにＭＯＣＶＤ手段を制御して不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御手段とを有している。

要するに、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の製造方法の特徴構成は、ｐ型電極１１とｎ型電極１２の形成後に、静電容量測定手段が、ｐ型電極１１とｎ型電極１２間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、不純物濃度分布演算手段が、測定した静電容量から不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算工程と、第１不純物濃度分布制御手段が、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として基準値と比較して、次のロットまたは基板における発光層の形成時に、ＭＯＣＶＤ手段を制御して最大の発光出力が得られるように不純物濃度分布の最低値を制御する第１不純物濃度分布制御工程とを有している。また、窒化物半導体発光素子１の製造方法の特徴構成は、発光出力および駆動電圧検査手段が発光出力と駆動電圧を測定して検査する発光出力および駆動電圧検査工程と、測定した発光出力と駆動電圧が所定範囲（良否範囲）を脱した場合に、次のロットまたは基板における発光層の形成時に、第２不純物濃度分布制御手段が、測定した該発光出力と該駆動電圧に応じて、駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるようにＭＯＣＶＤ手段を制御して不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御工程とを更に有している。

これに対して、窒化物半導体発光素子１の製造システムの特徴構成は、ｐ型電極１１とｎ型電極１２の形成後に、ｐ型電極１１とｎ型電極１２間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、測定した静電容量から不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算手段と、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として基準値と比較して、次のロットまたは基板における発光層の形成時に、ＭＯＣＶＤ手段を制御して最大の発光出力が得られるように不純物濃度分布の最低値を制御する第１不純物濃度分布制御手段とを有する。また、窒化物半導体発光素子１の製造システムは、窒化物半導体発光素子１の発光出力と駆動電圧を測定して検査する発光出力および駆動電圧検査手段と、測定した発光出力と駆動電圧が所定範囲（良否範囲）を脱した場合に、次のロットまたは基板における発光層の形成時に、測定した発光出力と駆動電圧に応じて、駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるようにＭＯＣＶＤ手段を制御して不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御手段とを更に有している。この不純物濃度分布はｎ型不純物濃度分布であって不純物はＳｉである。ｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）の他にセレンやテルルなどもある。

このステップＳ８の静電容量測定工程で得た静電容量から演算した基板やロット特有の不純物濃度分布をステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程の発光層７の形成時にフィードバックし、ステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程で、発光層７の形成時に、このフィードバックされた静電容量値から計算された深さ方向に応じた不純物濃度分布をパラメータとした特性曲線（図２）において、深さ方向の不純物濃度分布における不純物濃度の極小値が存在する範囲内で発光出力値が最大になるように、発光層７にＳｉドーピングする量を制御する。要するに、ＭＯＣＶＤ工程で次の発光層７を形成するときに、測定された静電容量値から計算された不純物濃度分布をフィードバックし、発光層７に対してシリコン（Ｓｉ）のドープ量を適正なＳｉ濃度に可変する。

要するに、ステップＳ８の静電容量測定工程で静電容量を得、静電容量から図２の不純物濃度分布特性を演算し、不純物濃度が最も低い値を特徴量として、不純物濃度が５×１０^１６〜９×１０^１６（ｃｍ^−３）の範囲、より好ましくは測定結果Ｂ，Ｃのように不純物濃度が７×１０^１６（ｃｍ^−３）になるようにステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程での供給ガス流量を制御することにより、発光層７に対してシリコン（Ｓｉ）のドープ量を適正なＳｉ濃度に可変する。

例えば不純物濃度が最も低い値を特徴量として不純物濃度が２×１０^１７を検出した場合に、ステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程での供給ガス流量を、不純物濃度が５×１０^１６〜９×１０^１６（ｃｍ^−３）の範囲になるように抑えて供給する。また逆に、例えば不純物濃度が最も低い値を特徴量として不純物濃度が２×１０^１６を検出した場合に、ステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程での供給ガス流量を、不純物濃度が５×１０^１６〜９×１０^１６（ｃｍ^−３）の範囲に収まるように増加させて供給する。

つまり、本実施形態１の窒化物半導体発光素子１の製造方法は、窒化物半導体発光素子構造を有機金属化学気相成長法によりサファイア基板２上に形成する第１の工程と、ｐ電極１１およびｎ電極１２を形成する第２の工程と、逆方向電気特性として逆方向電流値を測定する第３の工程とを有する窒化物半導体発光素子１の製造工程において、ｎ導電型不純物のＳｉ濃度を第３の工程で測定される窒化物半導体発光素子１の静電容量値から計算される深さ方向に応じた不純物濃度分布を用いて、その測定結果の不純物濃度分布における不純物濃度の最小値を選択し、この選択した不純物濃度に基づいて、発光出力を低下させない最大のＳｉ濃度に、第１の工程のｎ導電型不純物のＳｉ濃度を制御する。

この場合、ｎ導電型不純物のＳｉ濃度の制御は、ＳｉＨ_４ガス流量または／およびＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガス流量および導入時間の少なくともいずれかを制御することにより行う。発光出力低下の原因となる過剰なＳｉドーピングを抑制しつつ、Ｓｉ濃度の低下による抵抗上昇による駆動電圧上昇を抑えるｎ型不純物濃度に有機金属化学気相成長装置（ＭＯＣＶＤ手段）のガス流量およびガス導入時間の間欠制御によりｎ導電型不純物の平均濃度を制御することにより、駆動電圧上昇を最小限に抑えつつ、発光出力の維持、向上を図るものである。

静電容量測定工程で測定される静電容量は、少なくとも１種類の直流電圧と交流電圧をｐ型電極１１とｎ型電極１２間に重畳印加させて測定された値であるかまたは、少なくとも１種類のパルス電圧と交流電圧をｐ型電極１１とｎ型電極１２間に重畳印加させて測定された値である。交流電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである。静電容量を測定する場合、周波数が高いほどインピーダンスが大きく見えて静電容量が正確に測定できるので、その周波数を１００ｋＨｚ以上とし、ここでは、その周波数を１ＭＨｚで静電容量を測定している。電子とホールの再結合速度の関係から、その周波数が１０ＭＨｚを超えると、逆に静電容量が正確に測定できなくなる。交流電圧の振幅は、隣の情報が重なったり途切れたりしない程度の振幅範囲とし、実験的には５ｍＶ〜３０ｍＶである。直流電圧は、ｐ電極１１を正とした順方向バイアスの０．８Ｖ〜２．８Ｖの範囲である。青色系の発光をする窒化物半導体発光素子１では、実験的に２．５Ｖ程度から光り始める。その光り始める前の段階の空乏層が伸びている状態での静電容量を測ることが重要なので、ｐ電極１１を正とした０．８Ｖ〜２．８Ｖの範囲の直流電圧で静電容量を測定するのが好ましい。

以上により、本実施形態１によれば、単結晶性基板上に多重量子井戸構造の発光層７を有する窒化物半導体発光素子１において、発光層７のｎ電極１２側に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ （０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層と、ＧａＮからなる第２の層とを交互に複数積層した多重層６を有し、多重量子井戸構造の発光層７の井戸層は少なくともＩｎを含むＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜０．３）からなり、発光層７の少なくとも障壁層に、ｎ導電型不純物がその濃度として５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲で添加されて、発光層７の静電容量値の測定結果から計算される発光層７の不純物濃度分布の最小値を制御するようにｎ導電型不純物のＳｉを添加することにより、駆動電圧を上昇させることなく、発光出力をより向上させることができる。このように、測定した静電容量から演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として最大の発光出力が得られるようにフィードバック制御するため、設計したドーピング濃度およびその深さ方向分布の製造ばらつき（生産揺らぎ）を抑えて、発光出力を向上させかつ安定化させることができる。

なお、本実施形態１では、発光層７の少なくとも障壁層に、ｎ導電型不純物がその濃度として５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲で添加されて、発光層７の不純物濃度の最小値を用いて制御すること、その一例として、静電容量測定工程の測定結果から計算された発光層の不純物濃度特性曲線に基づいて、その最小値を発光出力が最大となるＳｉ濃度で制御する。発光層７の少なくとも障壁層にｎ導電型不純物のＳｉを添加する場合について説明したが、これに限らず、静電容量測定工程での測定結果から計算される不純物濃度分布の最小値が、発光強度が最大となる前後の所定範囲のＳｉ濃度で、発光層７の少なくとも障壁層にｎ導電型不純物のＳｉを添加してもよい。要するに、発光層７の少なくとも障壁層に、ｎ導電型不純物がその濃度として５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲で添加されていればよい。

この場合、本実施形態１では、発光層７の少なくとも障壁層のＳｉ濃度を制御したが、これに限らず、発光層７の少なくとも障壁層および第２の層のそれぞれのＳｉ濃度を制御してもよい。要するに、発光層７の少なくとも障壁層の平均Ｓｉ濃度を制御すればよい。また、発光層７の第１層形成時に、間欠的にＳｉＨ_４あるいはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスを導入し、第１層全体平均としてのＳｉ濃度を制御してもよいことは言うまでもない。この場合、制御するパラメータはガス流量ではなく、ガス導入する時間になる。

なお、本実施形態１では、所定項目の逆方向電気特性としての逆方向電流値をパラメータとして、発光層７の交流電圧および直流電圧の重畳させ、得られるインピーダンスの虚数部より得られる静電容量測定から計算される不純物濃度分と発光出力および駆動電圧の関係を示す特性曲線を予め求めておき、静電容量測定工程で求めた不純物濃度分布の最小値をパラメータとする特性曲線に基づいて、発光層７の少なくとも障壁層のＳｉ濃度を制御する方法について説明し、静電容量測定手法は上記逆方向電流値に限らず、パスル電圧を印加したときの過渡電流を測定し、その時定数をから計算される静電容量値であってもよいことは言うまでもない。

なお、本実施形態１では、ＭＯＣＶＤ装置起動毎（またはロット毎または基板毎）に、ステップＳ８の静電容量測定工程で静電容量を得、静電容量から図２の不純物濃度分布を演算し、次のＭＯＣＶＤ工程において、不純物濃度が最も低い値を特徴量として基準値と比較して、不純物濃度分布の最小値が５×１０^１６〜９×１０^１６（ｃｍ^−３）の範囲内にあるようにステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程での供給ガス流量およびガス導入時間のうちの少なくともいずれかを制御する場合について説明したが、これに限らず、予めサンプルとして窒化物半導体発光素子１を製造しておき、この製造した窒化物半導体発光素子１に対してステップＳ８の静電容量測定工程で静電容量を得、この測定した静電容量から図２の深さに応じた不純物濃度分布特性を演算し、不純物濃度分布特性の最小値を特性値とし、その特性値のときの実際のＭＯＣＶＤ工程での供給ガス流量およびガス導入時間のうちの少なくともいずれかと、その特性値をターゲット範囲内（基準範囲内）にするのにどの程度、不純物のドーピング量を増やすのかまたは減らすのかを予めテーブル化しておき、演算した不純物濃度分布特性の最小値に対応してそのテーブルの供給ガス流量およびガス導入時間のうちの少なくともいずれかを参照して不純物濃度が５×１０^１６〜９×１０^１６（ｃｍ^−３）の範囲内（ターゲット範囲内）になるようにステップＳ３のＭＯＣＶＤ工程での供給ガス流量およびガス導入時間のうちの少なくともいずれかを制御するようにしてもよい。

なお、本実施形態１では、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として基準値と比較して不純物濃度分布の最低値を制御しており、ここでは特に説明しなかったが、演算した不純物濃度分布が最も低いところでホールと電子が結合して最も発光する。その不純物濃度が最も低い値に基づいて不純物濃度分布の最も低い不純物濃度を所定値範囲（基準値）に入るように制御が為されている。

なお、本実施形態１では、特に説明しなかったが、第１不純物濃度分布制御工程において、演算した不純物濃度分布が最も低い値を特徴量とし、その特徴量に応じて、発光層７の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の膜成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの流量および／またはガス導入時間を制御する。井戸層にＳｉを追加ドーピングするよりも障壁層にＳｉを追加ドーピングする方がより発光出力が上がる。

なお、本実施形態１では、特に説明しなかったが、上記窒化物半導体発光素子１の製造方法により製造された窒化物半導体発光素子１であって、発光層７の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層における一導電型（ここではｎ型）不純物濃度分布の最も低い値を特徴量としてその特徴量が５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲にある。好ましくは、一導電型（ここではｎ型）不純物濃度分布の最も低い値を特徴量としてその特徴量が７×１０^１６ｃｍ^−３の誤差範囲内にある。

なお、本実施形態１では、本発明の半導体発光素子およびその製造方法、半導体発光素子の製造システムを窒化物半導体発光素子およびその製造方法、窒化物半導体発光素子の製造システムの実施形態１に適用した場合について説明したが、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子の他に、ガリウム・ヒ素系の半導体発光素子やインジウム・リン系の半導体発光素子などの半導体発光素子に本発明を適用することも可能である。

以上のように、本発明の好ましい実施形態１を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態１に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態１の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。

本発明は、緑、青および紫外領域の窒化物系化合物半導体発光素子などの窒化物半導体発光素子およびその製造方法の分野において、発光層のｎ電極側に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜０．３）からなる第１の層とＧａＮからなる第２の層とを交互に積層した多重層の少なくとも第１の層に、不純物濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲になるように発光層７に不純物を添加して、発光層７の不純物濃度分布の最小値をパラメータとする特性曲線を用いて、発光層７の不純物濃度を制御するため、駆動電圧を悪化させることなく発光出力を維持、向上させることができる。

１ 窒化物半導体発光素子
２ サファイヤ基板
３ バッファ層
４ ノンドープＧａＮ層
５ ｎ型コンタクト層
６ 多重層
７ 多重量子井戸構造の発光層
８ 電子ブロック層
９ ｐ型コンタクト層
１０ 透光性薄膜電極
１２ ｎ電極
１１ ｐ電極
１３ 保護膜

Claims (24)

1. 単結晶性基板上にＭＯＣＶＤ手段により多重量子井戸構造の発光層を形成し、該発光層に電流を供給するためのｐ型電極とｎ型電極を形成する半導体発光素子の製造方法において、
   該ｐ型電極と該ｎ型電極の形成後に、静電容量測定手段が、該ｐ型電極と該ｎ型電極間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、不純物濃度分布演算手段が、測定した静電容量から該発光層の不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算工程と、第１不純物濃度分布制御手段が、演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として、次の該発光層の形成時に最大の発光出力が得られるように制御する第１不純物濃度分布制御工程とを有する半導体発光素子の製造方法。
2. 前記第１不純物濃度分布制御工程は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも該障壁層における不純物濃度分布を制御する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
3. 前記第１不純物濃度分布制御工程は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲になるように制御する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
4. 前記第１不純物濃度分布制御工程は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として７×１０^１６ｃｍ^−３になるように制御する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記第１不純物濃度分布制御工程は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの流量を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記第１不純物濃度分布制御工程は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの導入時間を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
7. 前記静電容量測定工程で測定される静電容量は、少なくとも１種類の直流電圧と交流電圧を前記ｐ型電極と前記ｎ型電極間に重畳印加させて測定された値である請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
8. 前記静電容量測定工程で測定した静電容量は、少なくとも１種類のパルス電圧と交流電圧を前記ｐ型電極と前記ｎ型電極間に重畳印加させて測定された値である請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
9. 前記交流電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚである請求項７または８に記載の半導体発光素子の製造方法。
10. 前記交流電圧の振幅は５ｍＶ〜３０ｍＶである請求項７または８に記載の半導体発光素子の製造方法。
11. 前記直流電圧は、前記ｐ電極を正とした０．８Ｖ〜２．８Ｖの範囲である請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
12. 前記不純物濃度分布はｎ型不純物濃度分布であって不純物はＳｉである請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
13. 前記単結晶性基板上に、前記ＭＯＣＶＤ法により前記多重量子井戸構造の発光層の前記ｎ電極側に、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ｎ （０＜ｘ＜０．３）から成る第１の層とＧａＮから成る第２の層を交互に積層した多重層を形成し、該発光層として、少なくともＩｎを含むＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ （ ０ ＜ｙ＜ ０．３）から成る井戸層とＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｙ＜０．１，０≦ｚ＜０．２）から成る障壁層とを形成する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
14. 前記発光層の少なくとも障壁層に、一導電型不純物濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３ 〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲で添加されている請求項１３に記載の半導体発光素子の製造方法。
15. 発光出力および駆動電圧検査手段が発光出力と駆動電圧を測定して検査する発光出力および駆動電圧検査工程と、測定した該発光出力と該駆動電圧のうちの少なくともいずれかが所定範囲を脱した場合に、次の発光層の形成時に、第２不純物濃度分布制御手段が、測定した該発光出力と該駆動電圧に応じて、該駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるように前記ＭＯＣＶＤ手段を制御して前記発光層の不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御工程とを更に有する請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法により製造された半導体発光素子であって、
    前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも該障壁層における一導電型不純物濃度分布の最も低い値が５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲内にある半導体発光素子。
17. 前記一導電型不純物濃度分布の最も低い値が７×１０^１６ｃｍ^−３の誤差範囲内である請求項１６に記載の半導体発光素子。
18. 単結晶性基板上にＭＯＣＶＤ手段により多重量子井戸構造の発光層を形成し、該発光層に電流を供給するためのｐ型電極とｎ型電極を形成する半導体発光素子の製造システムにおいて、
    該ｐ型電極と該ｎ型電極の形成後に、該ｐ型電極と該ｎ型電極間の静電容量を測定する静電容量測定手段と、測定した静電容量から該発光層の不純物濃度分布を演算する不純物濃度分布演算手段と、演算した不純物濃度分布の不純物濃度が最も低い値を特徴量として、次の該発光層の形成時に最大の発光出力が得られるように制御する第１不純物濃度分布制御手段とを有する半導体発光素子の製造システム。
19. 前記第１不純物濃度分布制御手段は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層における不純物濃度分布を制御する請求項１８に記載の半導体発光素子の製造システム。
20. 前記第１不純物濃度分布制御手段は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として５×１０^１６〜９×１０^１６ｃｍ^−３の範囲になるように制御する請求項１８に記載の半導体発光素子の製造システム。
21. 前記第１不純物濃度分布制御手段は、一導電型不純物濃度分布が最も低い値を特徴量として７×１０^１６ｃｍ^−３になるように制御する請求項１８に記載の半導体発光素子の製造システム。
22. 前記第１不純物濃度分布制御手段は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの流量を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する請求項１８に記載の半導体発光素子の製造システム。
23. 前記第１不純物濃度分布制御手段は、前記発光層の井戸層と障壁層のうちの少なくとも障壁層の成長時にＳｉＨ_４ガスおよび／またはＳｉＨ（ＣＨ_３）_３ガスの導入時間を制御することにより前記不純物濃度分布の最低値を制御する請求項１８に記載の半導体発光素子の製造システム。
24. 半導体発光素子の発光出力と駆動電圧を測定して検査する発光出力および駆動電圧検査手段と、測定した該発光出力と該駆動電圧のうちの少なくともいずれかが所定範囲を脱した場合に、次の発光層の形成時に、測定した該発光出力と該駆動電圧に応じて、該駆動電圧の上昇を最小限にしつつ最大の発光出力が得られるように前記ＭＯＣＶＤ手段を制御して前記発光層の不純物濃度分布を制御する第２不純物濃度分布制御手段とを更に有する請求項１８に記載の半導体発光素子の製造システム。

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