JP2014143338A

JP2014143338A - 窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP2014143338A
Application number: JP2013011807A
Authority: JP
Inventors: Masaya Ueda; 雅也上田; Yoshihiro Ueda; 吉裕上田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-08-07

Abstract

【課題】窒化物半導体発光素子の動作電圧を低減すること。
【解決手段】窒化物半導体発光素子では、活性層は、下部窒化物半導体コンタクト層と上部窒化物半導体コンタクト層との間に設けられている。下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうちの少なくとも一方は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を含む複数種の層が積層されてなる構造を１周期とする周期構造を有する。下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、導電型不純物が変調ドープされて構成されており、周期構造における積層方向に対して垂直でない面において電極と接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮは、それぞれ、約６．０ｅＶ、約３．４ｅＶおよび約０．６ｅＶのバンドギャップエネルギーを有している。そのため、これらの混晶を活性層の材料として用いた窒化物半導体発光素子では、紫外域から赤外域までの発光が可能である。このような材料を用いた発光ダイオードは、液晶テレビもしくは携帯電話などのディスプレイのバックライトまたは照明用光源など、様々な用途に応用されている。

活性層の材料として窒化物半導体材料を用いた発光ダイオードには、順方向電圧および閾値電圧を低下させてダイオードの信頼性を向上させることが検討されている。たとえば特許文献１には、基板と活性層との間に、基板側から順に、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない第１の窒化物半導体層と、ｎ型不純物を含み超格子構造よりなるｎ導電型の第２の窒化物半導体層と、アンドープ若しくはｎ型不純物濃度が第２の窒化物半導体層よりも少ない第３の窒化物半導体層とを備えた窒化物半導体素子が記載されている。特許文献１に記載された窒化物半導体素子では、第２の窒化物半導体層にｎ電極が形成されている。

特開平１１−１９１６３９号公報

特許文献１には、第２の窒化物半導体層の抵抗率が小さいため、ｎ電極と第２の窒化物半導体層とで容易にオーミック接触が得られ、よって、Ｖｆ（順方向電圧）などが低下することが記載されている。しかし、動作電圧の更なる低減が要求されている。ＬＥＤなどの発光素子の動作電圧が低減すれば、消費電力の減少、定格駆動電流における出力向上および発光素子の発熱量の低減などにつながる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、窒化物半導体発光素子の動作電圧を低減することにある。

本発明に係る窒化物半導体発光素子は窒化物半導体材料を含む活性層を備え、活性層は下部窒化物半導体コンタクト層と上部窒化物半導体コンタクト層との間に設けられている。下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうちの少なくとも一方は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を含む複数種の層が積層されてなる構造を１周期とする周期構造を有する。下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、導電型不純物が変調ドープされて構成されており、周期構造における積層方向に対して垂直でない面において電極と接している。

周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層の組成は、周期構造における積層方向に周期的に変化していることが好ましい。

周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体コンタクト層の組成は、周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層の組成の変化に従属して変化していても良いし当該変化に独立して変化していても良い。

下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、導電型不純物としてｎ型不純物を含むことが好ましい。周期構造の１周期は、ｎ型不純物の濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以下である窒化物半導体層と、ｎ型不純物の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上である窒化物半導体層とを有することが好ましい。

下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、導電型不純物としてｐ型不純物を含んでも良い。周期構造の１周期は、ｐ型不純物の濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³以下である窒化物半導体層と、ｐ型不純物の濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³以上である窒化物半導体層とを有することが好ましい。

周期構造の１周期は、Ｉｎ_x１Ｇａ_1-x１Ｎ（０＜ｘ１≦１）層とＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０≦ｘ２＜１、ｘ２＜ｘ１）層とを有しても良く、Ａｌ_y１Ｇａ_1-y１Ｎ（０＜ｙ１≦１）層とＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（０≦ｙ２＜１、ｙ２＞ｙ１）層とを有しても良い。

本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を含む複数種の層が積層されてなる構造を１周期とする周期構造を有するとともに導電型不純物が変調ドープされた、下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうちの少なくとも一方を形成する工程と、下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造における積層方向に対して垂直ではない面を露出させる工程と、下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層の露出された面上に電極を形成する工程とを備える。

本発明では、窒化物半導体発光素子の動作電圧を低減することができる。

本発明の窒化物半導体発光素子の構成の一例を示す断面図である。本発明の窒化物半導体発光素子の構成の別の一例を示す断面図である。本発明の窒化物半導体発光素子の構成のまた別の一例を示す断面図である。（ａ）は実施例１の窒化物半導体発光素子の要部断面図であり、（ｂ）は比較例１の窒化物半導体発光素子の要部断面図である。実施例６の下部窒化物半導体層における組成比の変化を示したグラフである。

以下、本発明の窒化物半導体発光素子およびその製造方法について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

≪第１の実施形態≫
［窒化物半導体発光素子の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、図１に示すように、基板１１と、基板１１上に設けられた低温バッファ層１２と、低温バッファ層１２上に設けられたアンドープＧａＮ層１３と、アンドープＧａＮ層１３上に設けられた下部窒化物半導体コンタクト層１４と、下部窒化物半導体コンタクト層１４上に設けられた活性層１５と、活性層１５上に設けられたキャリアバリア層１６と、キャリアバリア層１６上に設けられたｐ型ＧａＮ層１７と、ｐ型ＧａＮ層１７上に設けられた上部窒化物半導体コンタクト層１８と、下部窒化物半導体コンタクト層１４に接するｎ型電極１０と、上部窒化物半導体コンタクト層１８に接するｐ型電極１９とを備えている。

本実施形態に係る窒化物半導体発光素子では、下部窒化物半導体コンタクト層１４は、バンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層（以下では「第１の障壁層」と記す）とバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層（以下では「第１の量子井戸層」と記す）とが交互に積層されてなる周期構造を有する。この下部窒化物半導体コンタクト層１４では、導電型不純物が変調ドープされている。別の言い方をすると、第１の障壁層における導電型不純物の濃度は、第１の量子井戸層における導電型不純物の濃度よりも高い。このような状態では、導電型不純物の一部は室温付近において活性化している。そのため、第１の障壁層では自由キャリアが生成され、第１の障壁層の結晶中にはイオン化不純物が存在する。第１の障壁層で生成した自由キャリアは、当該第１の障壁層から第１の量子井戸層へ落ち込む。第１の量子井戸層では、キャリアの散乱を引き起こすイオン化不純物の濃度が非常に低いため、キャリア移動度が高い。よって、第１の量子井戸層は、第１の障壁層に比べて低抵抗である。つまり、下部窒化物半導体コンタクト層１４での電気伝導は、第１の障壁層から第１の量子井戸層へ落ち込んだ自由キャリアが担う。

下部窒化物半導体コンタクト層が当該下部窒化物半導体コンタクト層を構成する周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｎ型電極と接している場合には、ｎ型電極から注入された電子は第１の障壁層を通過しなければ第１の量子井戸層に注入されない。よって、下部窒化物半導体コンタクト層での抵抗が高くなる。しかし、本実施形態における下部窒化物半導体コンタクト層１４は、当該下部窒化物半導体コンタクト層１４を構成する周期構造における積層方向に対して垂直ではない面においてｎ型電極１０と接している。よって、下部窒化物半導体コンタクト層１４の第１の量子井戸層はｎ型電極１０に確実に接触することとなる。したがって、ｎ型電極１０から注入された電子は第１の量子井戸層に効率良く注入されることとなるので、窒化物半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることができる。

「周期構造における積層方向に対して垂直ではない面」とは、下部窒化物半導体コンタクト層１４の周期構造における積層方向から０度よりも大きく９０度未満傾斜した面を意味する。周期構造における積層方向からの傾斜角度は、ｎ型電極１０と下部窒化物半導体コンタクト層１４との接触面積または自由キャリアの注入効率などを考慮して決定されることが好ましく、たとえば２０度以上７０度以下であることが好ましい。具体的には、「周期構造における積層方向に対して垂直ではない面」は、周期構造を構成する窒化物半導体層を形成してから当該窒化物半導体層の一部を意図的にエッチングなどにより除去することにより形成された面であっても良いし、周期構造を構成する窒化物半導体層の形成中に形成されたピットに起因して当該窒化物半導体層が周期構造における積層方向に対して所定の角度（例えば６０度）をもった面で露出した面であっても良い。

下部窒化物半導体コンタクト層１４の周期構造における積層方向に対して垂直ではない面とｎ型電極１０との接触面積は、下部窒化物半導体コンタクト層１４とｎ型電極１０との全接触面積の６０％以上であることが好ましく、下部窒化物半導体コンタクト層１４とｎ型電極１０との全接触面積の８０％以上であることがより好ましい。これにより、ｎ型電極１０と下部窒化物半導体コンタクト層１４との接触面積を確保することができるので、ｎ型電極１０から第１の量子井戸層へより効率的に自由キャリアが注入され、よって、窒化物半導体発光素子の動作電圧をさらに低減させることができる。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の各構成を以下に示す。

＜基板＞
基板１１としては、たとえば、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＮｄＧａＯ₃、ＬｉＧａＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅまたはＺｒＢ₂などからなる基板を用いることができる。低温バッファ層１２などが形成される基板１１の面（基板１１の上面）は、極性面、半極性面または無極性面のいずれであっても良い。窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させるためには、周期的な凹凸が基板１１の上面に設けられていても良い。基板１１の厚さはたとえば１００μｍ以上４０００μｍ以下であることが好ましい。

＜低温バッファ層＞
低温バッファ層１２は、ＧａＮ、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮなどからなることが好ましく、アモルファス状態であっても良いし多結晶であっても良い。低温バッファ層１２の厚さは、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。

＜アンドープＧａＮ層＞
アンドープＧａＮ層１３の厚さは、４μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。アンドープＧａＮ層１３の成長初期においては、低温バッファ層１２とアンドープＧａＮ層１３との界面近傍に、基板１１と低温バッファ層１２との格子不整合に起因する転位が高密度に発生する。そして、その転位がアンドープＧａＮ層１３の厚さ方向に伝播することがある。螺旋転位と刃状転位とを合成したバーガースベクトルを持つ混合転位は、厚さの増加に伴って消滅するという性質を有する。アンドープＧａＮ層１３の厚さが４μｍ以上であれば、上記混合転位の消滅を図ることができる。また、アンドープＧａＮ層１３の厚さが１０μｍ以上であれば、上記混合転位の消滅をさらに図ることができる。

＜下部窒化物半導体コンタクト層＞
上述のように、本実施形態における下部窒化物半導体コンタクト層１４は、第１の障壁層と第１の量子井戸層とが交互に積層されてなる周期構造を有する。第１の量子井戸層の材料は特に限定されず、ＡｌＮ、ＧａＮまたはＩｎＮなどであっても良いし、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮのうちの少なくとも２つを含む混晶であっても良い。第１の障壁層の材料についても同様のことが言える。一例としては、第１の量子井戸層がＩｎ_x１Ｇａ_1-x１Ｎ（０＜ｘ１≦１）層であり、第１の障壁層がＩｎ_x2Ｇａ_1-x2Ｎ（０≦ｘ２＜１、ｘ２＜ｘ１）層である場合が挙げられる。別の一例としては、第１の量子井戸層がＡｌ_y１Ｇａ_1-y１Ｎ（０＜ｙ１≦１）層であり、第１の障壁層がＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ（０≦ｙ２＜１、ｙ２＞ｙ１）層である場合が挙げられる。

上述のように、本実施形態では、第１の障壁層における導電型不純物の濃度は、第１の量子井戸層における導電型不純物の濃度よりも高い。導電型不純物がｎ型不純物である場合、好ましくは、第１の障壁層における導電型不純物の濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上であり、第１の量子井戸層における導電型不純物の濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以下である。より好ましくは、第１の障壁層における導電型不純物の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²⁰／ｃｍ³以下であり、第１の量子井戸層における導電型不純物の濃度が５×１０¹⁶ｃｍ³以上１×１０¹⁷／ｃｍ³以下である。さらに好ましくは、第１の障壁層における導電型不純物の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上５×１０¹⁹ｃｍ³以下であり、第１の量子井戸層がアンドープである。なお、Ａｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ層における導電型不純物の濃度が５×１０¹⁶／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下であれば窒化物半導体発光素子の特性が良好になり、Ａｌ_y2Ｇａ_1-y2Ｎ層における導電型不純物の濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³以上２×１０¹⁹／ｃｍ³以下であれば窒化物半導体発光素子の特性がさらに良好になる。このことも考慮して、第１の障壁層および第１の量子井戸層における導電型不純物の濃度を決定することが好ましい。

ここで、「アンドープ」とは、導電型不純物を意図的に供給しないで半導体層を成長させることを意味する。たとえば、ｎ型窒化物半導体層とアンドープ窒化物半導体層とを互いに接触させて結晶成長させた後にｎ型不純物がｎ型窒化物半導体層からアンドープ窒化物半導体層へ拡散した場合、ｎ型不純物が拡散したアンドープ窒化物半導体層は「アンドープ」層とみなす。また、アンドープ窒化物半導体層の結晶成長中に反応管の材料または汚れ等が離脱することにより意図せずに不純物が当該アンドープ窒化物半導体層に混入した場合、不純物が混入したアンドープ窒化物半導体層も「アンドープ」層とみなす。さらには、結晶欠陥などを有することによって導電性を有するアンドープ窒化物半導体層も「アンドープ」層とみなす。

第１の量子井戸層および第１の障壁層のそれぞれの厚さは１０ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以下であることがより好ましい。これにより、自由キャリアが第１の障壁層から第１の量子井戸層へ伝導し易くなる。第１の量子井戸層および第１の障壁層のそれぞれの厚さは１分子の大きさ以上であることがさらに好ましい。これにより、周期構造を構成する窒化物半導体層が面内でつながることとなる。なお、第１の量子井戸層および第１の障壁層のそれぞれの厚さが１０ｎｍ以下であれば、周期構造は超格子構造となる。

本実施形態における下部窒化物半導体コンタクト層１４は２層以上の第１の量子井戸層を含むが、２層以上の第１の量子井戸層の組成は同一であっても良いし異なっても良い。たとえば、２層以上の第１の量子井戸層の組成は、周期構造における積層方向において、周期的に変化しても良いし、不規則に変化しても良い。また、第１の量子井戸層を構成する元素の組成比（たとえばＩｎ組成比またはＡｌ組成比）が、基板１１から上部窒化物半導体コンタクト層１８へ向かうにつれて、単調増加しても良いし、単調減少しても良い。好ましくは、２層以上の第１の量子井戸層の組成が周期構造における積層方向において周期的に変化することである。これにより、以下に示すように内部電界の低減と転位密度低減との効果が得られる。Ｉｎ組成比またはＡｌ組成比などの高い部分では格子緩和が促進され、Ｉｎ組成比またはＡｌ組成比などの低い部分では結晶性が回復する傾向がある。格子緩和が促されると、（０００１）ＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸層で従来存在する圧電分極由来の内部電界が低減する。また、組成比を変化させると成長界面の応力が変化するので、成長方向に伝搬する転位の伝搬方向が変わる。これにより、転位ループが形成されて対消滅などが起こるので、積層するにしたがって積層面内の転位密度が低下する。ここで、「２層以上の第１の量子井戸層の組成が周期構造における積層方向において周期的に変化する」の一例としては、後述の実施例５の下部窒化物半導体コンタクト層における第１の量子井戸層を挙げることができる。

本実施形態における下部窒化物半導体コンタクト層１４は２層以上の第１の障壁層を含むが、２層以上の第１の障壁層の組成は同一であっても良いし異なっても良い。たとえば、２層以上の第１の障壁層の組成は、第１の量子井戸層の組成の変化に従属して変化することが好ましい。これにより、第１の量子井戸層と第１の障壁層との間の格子不整合を低減して新たな転位の発生を抑制しつつ良好な界面が得られるという効果を得ることができる。ここで、「２層以上の第１の障壁層の組成が第１の量子井戸層の組成の変化に従属して変化する」は、第１の障壁層の組成の変化の仕方と第１の量子井戸層の組成の変化の仕方とが同一であることを意味する。たとえば、第１の量子井戸層を構成する元素の組成比（たとえばＩｎ組成比またはＡｌ組成比）が基板１１から上部窒化物半導体コンタクト層１８へ向かうにつれて単調増加するときには、第１の障壁層を構成する元素の組成比（たとえばＩｎ組成比またはＡｌ組成比）も基板１１から上部窒化物半導体コンタクト層１８へ向かうにつれて単調増加する。その一例としては、後述の実施例６の下部窒化物半導体コンタクト層を挙げることができる。また、２層以上の第１の障壁層の組成は、第１の量子井戸層の組成の変化に独立して変化しても良い。これにより、第１の障壁層の組成が第１の量子井戸層の組成の変化に従属して変化する場合よりも、第１の量子井戸層と第１の障壁層との間の格子不整合を抑制しつつ、より良好な界面が得られるという効果を得ることができる。ここで、「２層以上の第１の障壁層の組成が第１の量子井戸層の組成の変化に独立して変化する」は、第１の障壁層の組成の変化の仕方と第１の量子井戸層の組成の変化の仕方とが異なることを意味する。たとえば、第１の量子井戸層を構成する元素の組成比（たとえばＩｎ組成比またはＡｌ組成比）が基板１１から上部窒化物半導体コンタクト層１８へ向かうにつれて単調増加するときには、第１の障壁層を構成する元素の組成比（たとえばＩｎ組成比またはＡｌ組成比）は変化しない。その一例としては後述の実施例７の下部窒化物半導体コンタクト層を挙げることができる。

なお、周期構造の周期数は特に限定されない。下部窒化物半導体コンタクト層１４の厚さが５μｍ以上５００μｍ以下となるように周期構造の周期数を決定すれば良い。また、周期構造の１周期は、２種以上の第１の障壁層を有していても良いし、２種以上の第１の量子井戸層を有していても良いし、２種以上の第１の障壁層および２種以上の第１の量子井戸層を有していても良いし、第１の障壁層および第１の量子井戸層のいずれとしても機能しえない層を有していても良い。周期構造の１周期が有する２種以上の第１の障壁層では、第１の障壁層を構成する窒化物半導体材料が異なっても良いし、当該窒化物半導体材料における組成比が異なっても良いし、導電型不純物の濃度が異なっても良いし、厚み方向における導電型不純物の濃度分布が異なっても良い。このことは、周期構造の１周期が有する２種以上の第１の量子井戸層においても言える。

また、第１の障壁層の厚さは、周期構造の周期ごとに異なっても良い。このことは、第１の量子井戸層についても言える。

また、第１の障壁層における導電型不純物濃度は、周期構造の周期ごとに異なっても良い。第１の障壁層にドープされる不純物は一種に限定されず、第１の障壁層のそれぞれの導電型がｎ型となれば良い。好ましくは、ｎ型不純物が第１の障壁層にドープされることであり、ｎ型不純物としては、たとえば、Ｓｉ、ＧｅまたはＣなどが挙げられる。これらのことは、導電型不純物を有する第１の量子井戸層においても言える。

また、第１の障壁層のそれぞれにおける導電型不純物の分布は特に限定されない。たとえば、導電型不純物は、第１の障壁層のそれぞれにおいて均一に分布していても良いし、第１の障壁層の厚み方向の一部分において存在していなくても良い。

また、本発明の窒化物半導体発光素子は、電極が当該素子の表裏に形成されて構成された縦型の発光素子であっても良い。

また、基板として導電性窒化物半導体基板を用いた場合、基板の裏面側にコンタクト層を形成することができる。基板の裏面側にコンタクト層を形成した場合には、導電性窒化物半導体基板が下部窒化物半導体コンタクト層として機能する。

＜活性層＞
活性層１５は、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）を有していても良いし、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有していても良い。活性層１５がＭＱＷを有している場合には、活性層１５は、バンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体層（以下では「第２の障壁層」と記す）とバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体層（以下では「第２の量子井戸層」と記す）とが積層されて構成されている。以下では、活性層１５がＭＱＷを有している場合について示す。

第２の障壁層の材料は特に限定されず、たとえばＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）であることが好ましい。第２の障壁層の厚さは特に限定されず、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。

第２の量子井戸層の材料は特に限定されず、ＡｌＮ、ＧａＮまたはＩｎＮなどであっても良いし、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＩｎＮのうちの少なくとも２つを含む混晶であっても良いし、たとえばＡｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）であることが好ましい。第２の量子井戸層の厚さは特に限定されず、１ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。

第２の量子井戸層がＩｎを含む場合、第２の量子井戸層のＩｎ組成比は、活性層１５における積層方向において同一であっても良いし異なっても良い。第２の量子井戸層のＩｎ組成比が活性層１５ごとに異なる場合には、窒化物半導体発光素子の発光スペクトルはブロードになる。第２の量子井戸層のＩｎ組成比の変化によっては、窒化物半導体発光素子の発光スペクトルに複数のピークが表われることがあり、よって、多色発光となることがある。そのため、窒化物半導体発光素子の発光スペクトルに単色性と半値幅の狭さ（シャープ性）とが要求される場合には、第２の量子井戸層のＩｎ組成比は活性層１５において同一であることが好ましい。

＜キャリアバリア層＞
キャリアバリア層１６の材料は特に限定されない。しかし、キャリアバリア層１６は、半導体発光素子への電流の注入時に、電子がｐ型層側へオーバーフローすることを防止するという機能を有する。そのため、キャリアバリア層は、比較的高いＡｌ組成比を有することが好ましく、１０原子％以上３０原子％以下のＡｌを有することが好ましい。キャリアバリア層１６はｐ型不純物を含んでいることが好ましく、ｐ型不純物としてはＢｅ、Ｃ、ＭｇまたはＺｎなどを挙げることができる。キャリアバリア層１６におけるｐ型不純物の濃度は特に限定されないが、５×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下であることが好ましい。

キャリアバリア層１６の厚さは特に限定されないが、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。電子がｐ型層側へオーバーフローすることを効果的に抑制するという機能を効果的に発揮させるためには、キャリアバリア層１６のＡｌ組成比が高い場合には当該キャリアバリア層１６の厚さを薄くし、キャリアバリア層１６のＡｌ組成比が低い場合には当該キャリアバリア層１６の厚さを厚くすることが好ましい。

＜ｐ型ＧａＮ層＞
ｐ型ＧａＮ層１７におけるｐ型不純物の濃度は特に限定されないが、５×１０¹⁸／ｃｍ³以上１×１０²¹／ｃｍ³以下であることが好ましい。また、ｐ型ＧａＮ層１７の厚さは、活性層１５への均一な電流の注入を考慮して、注入された正孔が活性層１５の面内に十分に拡散するために必要な厚さであることが好ましい。たとえば、ｐ型ＧａＮ層１７の厚さは、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。ｐ型ＧａＮ層１７の厚さが３０ｎｍ以上である場合には、ｐ型ＧａＮ層１７の面内方向の抵抗が高くなるので、ｐ型ＧａＮ層１７の面内に正孔が十分に拡散し、よって、活性層１５に均一に電流を注入することができる傾向にある。ｐ型ＧａＮ層１７の厚さが１００ｎｍ以下である場合には、ｐ型ＧａＮ層１７の厚さ方向に流れる電流に対する直列抵抗が小さくなるので、駆動電圧が低下し、よって、電力変換効率が向上する傾向にある。

＜上部窒化物半導体コンタクト層＞
本実施形態における上部窒化物半導体コンタクト層１８は、たとえば、ｐ型ＧａＮからなることが好ましい。上部窒化物半導体コンタクト層１８におけるｐ型不純物の濃度は、特に限定されないが、上部窒化物半導体コンタクト層１８とｐ電極１９との間でオーミックコンタクトを得るためには高い方が好ましい。たとえば、上部窒化物半導体コンタクト層１８におけるｐ型不純物の濃度は、ｐ型ＧａＮ層１７におけるｐ型不純物濃度の２倍程度であることが好ましく、たとえば１×１０¹⁹／ｃｍ³以上２×１０²¹／ｃｍ³以下であることが好ましい。

＜ｎ型電極、ｐ型電極＞
ｎ型電極１０は透明電極であっても良いし、非透明電極であっても良い。透明電極の材料としては、たとえば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有する金属酸化物を挙げることができる。非透明電極の材料としては、たとえば、ＡｌまたはＡｇなどの金属を挙げることができる。ｎ型電極１０の厚さは特に限定されず、たとえば１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ｎ型電極１０の材料は、上記材料に限定されない。

ｐ型電極１９は透明電極であっても良いし、非透明電極であっても良い。透明電極の材料としては、たとえば、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１種を含有する金属酸化物を挙げることができる。非透明電極の材料としては、たとえば、ＡｌまたはＡｇなどの金属を挙げることができる。ｐ型電極１９の厚さは特に限定されず、たとえば１ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であることが好ましい。なお、ｐ型電極１９の材料は、上記材料に限定されない。

以上、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成について説明したが、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は以下に示す構成を備えていても良い。

本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、活性層１５が下部窒化物半導体コンタクト層１４と上部窒化物半導体コンタクト層１８との間に設けられている構成を有していれば良い。そのため、窒化物半導体発光素子のそれ以外の構成要素については上記記載に限定されない。たとえば、ｐ型窒化物半導体層が基板１１側に設けられており、ｎ型窒化物半導体層が表層側に設けられていても良い。１層以上の窒化物半導体層が、アンドープＧａＮ層１３と下部窒化物半導体コンタクト層１４との間、下部窒化物半導体コンタクト層１４と活性層１５との間、ｐ型ＧａＮ層１７と上部窒化物半導体コンタクト層１８との間、または、上部窒化物半導体コンタクト層１８とｐ型電極１９との間に設けられていても良い。基板１１、キャリアバリア層１６またはｐ型ＧａＮ層１７が設けられていなくても良い。

活性層１５で発生した光が下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８で吸収されることを防ぐために、下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のそれぞれの実効的なバンドギャップ（下部窒化物半導体コンタクト層１４に関しては、各量子井戸層の結合を考慮した伝導帯および価電子帯のそれぞれの基底量子準位による）は活性層１５の実効的なバンドギャップよりも大きいことが好ましい。たとえば、活性層１５の実効的なバンドギャップが４５０ｎｍの発光波長に相当する２．８ｅＶである場合、下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のそれぞれの実効的なバンドギャップは３ｅＶ以上あれば良い。厚さおよび組成などを考慮して、下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のそれぞれの実効的なバンドギャップを調整することが好ましい。

活性層１５は、基板１１に対して平行であることが好ましいが、基板１１に対して平行でなくても良い。

［窒化物半導体発光素子の製造方法］
本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、基板１１上に低温バッファ層１２とアンドープＧａＮ層１３と下部窒化物半導体コンタクト層１４と活性層１５とキャリアバリア層１６とｐ型ＧａＮ層１７と上部窒化物半導体コンタクト層１８とを順に形成する工程と、下部窒化物半導体コンタクト層１４のうち周期構造における積層方向に対して垂直ではない面を露出させる工程と、下部窒化物半導体コンタクト層１４の露出された面上に電極を形成する工程とを備えることが好ましい。これにより、図１に示す窒化物半導体発光素子を得ることができるので、上記［窒化物半導体発光素子の構成］で記載された効果を得ることができる。以下では、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子の製造方法の一例を記す。

＜低温バッファ層の成長＞
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって、基板１１の極性面上に低温バッファ層１２を成長させる。具体的には、まず、基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に設置し、反応炉内を水素雰囲気として水素雰囲気中で基板１１を１０００℃以上に昇温する。

基板１１を１０分〜２０分で１０００℃以上の温度に昇温することが好ましい。これにより、熱衝撃により基板１１が割れる（急速昇温すると基板１１の表面と裏面とで熱膨張による応力差が発生し破損する）ことを防止しつつ、基板１１を効率的に昇温することができる。

また、還元性の水素雰囲気中で基板１１を１０００℃以上の温度に昇温することによって、基板１１の表面の付着物および酸化膜などを好適に除去することができる。なお、水素による還元効果を十分に発揮させるためには、基板１１を１１００℃以上１２００℃以下の温度に昇温させることが好ましい。より好ましくは、基板１１の温度が１１００℃以上１２００℃以下の温度に到達した後に、１０分〜２０分程度、基板１１をその温度を保持することである。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内を水素雰囲気に維持しつつ、基板１１を低温バッファ層１２の成長温度まで降温させる。

低温バッファ層１２の成長時の基板１１の温度は、５００℃以上６００℃以下であることが好ましい。その理由は、低温バッファ層１２の品質は次工程以降の工程において形成される窒化物半導体層の結晶品質に大きく影響されるからであり、低温バッファ層１２は成長段階ではアモルファス状態または多結晶状態であることが好ましいからである。

基板１１の降温速度は、基板１１の昇温速度と同じく、熱衝撃により基板１１が割れない程度に設定することが好ましい。たとえば基板１１を１０分〜２０分で５００℃以上６００℃以下にまで降温させることが好ましい。

基板１１の温度が低温バッファ層１２の成長温度に到達した後に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に低温バッファ層１２の原料ガスを供給する。これにより、基板１１の極性面上にアモルファス状態の低温バッファ層１２が形成される。ここで、ＩＩＩ族原料ガスとしては、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスまたはＴＥＧ（トリエチルガリウム）ガスなどを用いることができる。Ｖ族原料ガスとしては、アンモニアガスなどを用いることができる。キャリアガスとしては、水素ガスまたは窒素ガスなどを用いることができる。

なお、低温バッファ層１２の成長前に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にアンモニアガスを短時間供給して基板１１の表面に対して窒化処理を行なってもよい。また、多結晶状態の低温バッファ層１２を形成しても良い。

＜アンドープＧａＮ層の成長＞
ＭＯＣＶＤ法によって、低温バッファ層１２上にアンドープＧａＮ層１３を成長させる。具体的には、まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＩＩＩ族原料の供給を停止して、Ｖ族原料ガスとキャリアガスとの混合雰囲気中で基板１１をアンドープＧａＮ層１３の成長温度にまで昇温させる。

一般に、成長温度が高くなるにつれて成長される結晶の品質は向上する傾向を示す。アンドープＧａＮ層１３を単結晶として成長させるためには基板１１を１０００℃以上に昇温させることが好ましい。しかし、アンドープＧａＮ層１３の成長温度が高すぎると、再蒸発によりアンドープＧａＮ層１３の表面が荒れる等の悪影響が出ることがある。以上のことから、基板１１を１０００℃近傍（たとえば１０００℃〜１１００℃）に昇温させることが好ましい。

基板１１の昇温速度は、熱衝撃と低温バッファ層１２の結晶化とを考慮して設定されることが好ましく、たとえば基板１１が２０分以内で１０００℃近傍まで昇温するように設定されることが好ましい。

基板１１の温度がアンドープＧａＮ層１３の成長温度に到達した後に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＩＩＩ族元素ガスを供給する。これにより、低温バッファ層１２上にアンドープＧａＮ層１３が形成される。

＜下部窒化物半導体コンタクト層の成長＞
ＭＯＣＶＤ法によって、アンドープＧａＮ層１３上に下部窒化物半導体コンタクト層１４を成長させる。以下では、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１の障壁層とアンドープＧａＮからなる第１の量子井戸層とが交互に積層されてなる下部窒化物半導体コンタクト層１４の成長方法を記す。

基板１１の温度をアンドープＧａＮ層１３の成長温度に保ったまま、原料ガスの種類および供給量などを変更することなく成膜処理を行う。これにより、アンドープＧａＮ層１３上にアンドープＧａＮからなる第１の量子井戸層が形成される。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へＡｌ原料ガスとｎ型不純物の原料ガスとを供給する。これにより、アンドープＧａＮからなる第１の量子井戸層上にｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１の障壁層が形成される。Ａｌ原料ガスとしては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを挙げることができる。ｎ型不純物の原料ガスとしては、ＳｉＨ₄ガスを挙げることができる。そして、アンドープＧａＮからなる第１の量子井戸層の形成とｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１の障壁層の形成とを繰り返して下部窒化物半導体コンタクト層１４を形成する。

下部窒化物半導体コンタクト層１４の成長時における基板１１の温度は、結晶品質と組成の制御性とを考慮して設定することが好ましい。一般的には、下部窒化物半導体コンタクト層１４の成長時における基板１１の温度が高いほど、下部窒化物半導体コンタクト層１４の結晶品質が向上する傾向にある。したがって、所望の組成と結晶品質とを制御性良く両立するという観点から、下部窒化物半導体コンタクト層１４の成長時における基板１１の温度を設定することが好ましい。

ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなる第１の障壁層では、アンドープＧａＮからなる第１の量子井戸層との界面から所定の距離だけ離れた領域においてアンドープとしても良い。

ＧａＮ層とｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層との周期構造を形成してから、ＧａＮ層とＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層との周期構造を形成しても良い。または、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層とＧａＮ層とＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層とＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層とを順に積層して周期構造を形成しても良い。この場合には、ＧａＮ層とＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層とが第１の量子井戸層となるため、ｎ型不純物のドーピングには注意が必要である。

＜活性層の成長＞
ＭＯＣＶＤ法によって、下部窒化物半導体コンタクト層１４上に活性層１５を形成する。以下では、ＧａＮからなる第２の障壁層とＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層とが交互に積層されてなる活性層１５の成長方法を記す。

まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＩＩＩ族原料ガスの供給を停止し、Ｖ族原料ガスとキャリアガスとの混合雰囲気中で基板１１を活性層１５の成長温度まで降温させる。

活性層１５の成長温度は特に限定されないが、たとえば７００℃以上９００℃以下であることが好ましい。なお、ＧａＮからなる第２の障壁層を形成した後には、ＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層を形成する。活性層１５の成長温度を高く設定すると、Ｉｎが取り込まれ難くなることがある。そのため、基板１１を約７００℃にまで降温させても良い。しかし、活性層１５の成長温度を低く設定すると、形成されるＩｎＧａＮ層の結晶品質の悪化を招くことがある。また、キャリアガスとして水素ガスを用いると、ＩｎＧａＮ層がエッチングされるおそれがある。よって、ＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層を形成することを考慮すれば、キャリアガスとして窒素ガスを用い、活性層１５の成長温度を７００℃以上９００℃以下に設定して、基板１１を速く降温させることが好ましい。

基板１１の降温速度は、下部窒化物半導体コンタクト層１４の表面平坦性を維持できる時間内に基板１１を所望の温度に到達できる程度の速度であることが好ましく、たとえば基板１１を１０分以内に約７００℃〜９００℃まで降温可能な速度であれば良い。

次に、基板１１の温度を保持したままで、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＩＩＩ族原料ガスを供給する。これにより、下部窒化物半導体コンタクト層１４上にＧａＮからなる第２の障壁層が形成される。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＩｎ原料ガスを供給して、ＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層を成長させる。Ｉｎ原料ガスとしては、たとえば、ＴＭＩガスを用いることができる。そして、ＧａＮからなる第２の障壁層の形成とＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層の形成とを繰り返して活性層１５を形成する。その後、最表層であるＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層の劣化を抑制することを目的として、当該最表層上にＧａＮからなる第２の障壁層を形成する。このとき形成される第２の障壁層の厚さはそれ以外の第２の障壁層の厚さの２倍程度であることが好ましい。

活性層１５の成長後には、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＶ族原料ガスとキャリアガスとを供給して基板１１を昇温させる。昇温後の基板１１の温度は特に限定されず、たとえば９００℃以上１１００℃以下の温度であれば良い。しかし、活性層１５への熱ダメージを考慮すれば、活性層１５の結晶品質が維持できる範囲内で基板１１の温度をできるだけ低温にすることが好ましい。

活性層１５の成長後の昇温工程は、できるだけ短時間で行なうことが好ましい。その主たる理由は次のとおりである。ＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層が熱に対して不安定であるので、長時間にわたる熱エネルギーの流入によってＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層のＩｎ組成比およびその厚さが不均一となる傾向にある。よって、ＧａＮからなる第２の障壁層とＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層との界面の急峻性が悪化する。その結果、窒化物半導体発光素子の発光スペクトルの半値幅の増大および発光強度の低下を招くからである。また、活性層１５の品質低下は、窒化物半導体発光素子の内部量子効率の低下およびその電流注入効率の低下にも直結するからである。

キャリアガスとしては窒素ガスを用いることが好ましい。キャリアガスとして水素ガスを用いると、ＩｎＧａＮからなる第２の量子井戸層がエッチングされるおそれがあるからである。

＜キャリアバリア層の成長＞
ＭＯＣＶＤ法によって、活性層１５上にキャリアバリア層１６を形成する。具体的には、基板１１の温度が９００℃以上１１００℃以下の温度に到達した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にＩＩＩ族原料ガスとｐ型不純物の原料ガスとを供給する。ＩＩＩ族原料ガスはＡｌ原料ガス（たとえばＴＭＡ）を含んでいることが好ましい。ｐ型不純物の原料ガスとしては、Ｍｇ、Ｂｅ、ＺｎまたはＣなどの有機化合物を用いることができ、たとえばＣｐ₂ＭｇガスまたはＥｔＣｐ₂Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いることができる。Ａｌを含むキャリアバリア層を形成する場合には、キャリアガスとして水素ガスを用いることができる。再蒸発によりＡｌＧａＮ層の表面が荒れるなどの不具合が発生することを防止できるからである。

なお、本実施形態においては、活性層１５の成長後の昇温工程後にキャリアバリア層１６を成長させたが、活性層１５の成長後の昇温工程中にキャリアバリア層１６を成長させることも可能である。なお、活性層１５の成長後の昇温工程中にキャリアバリア層１６を成長させると、基板１１の温度がキャリアバリア層１６の成長中に刻々と変化するので、基板１１の温度に応じてキャリアバリア層１６におけるＡｌ組成比が変化する。そのため、キャリアバリア層１６の成長条件に注意を払う必要がある。

＜ｐ型ＧａＮ層１７の成長＞
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＡｌ原料ガスの供給を停止してから、ＭＯＣＶＤ法によってキャリアバリア層１６上にｐ型ＧａＮ層１７を形成する。

＜上部窒化物半導体コンタクト層１８の成長＞
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのｐ型不純物の原料ガスの供給量を増やして（たとえば２倍）、ＭＯＣＶＤ法によってｐ型ＧａＮ層１７上に上部窒化物半導体コンタクト層１８を形成する。

＜降温＞
ＩＩＩ族原料ガスおよびｐ型不純物の原料ガスの供給を停止する。その後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内のＶ族原料ガスとキャリアガスとの混合ガス雰囲気中において、上部窒化物半導体コンタクト層１８の成長後の基板１１を室温まで降温する。

基板１１の降温速度は、基板１１の破損を防止するという観点で設定されることが好ましい。たとえば、基板１１を３０分で９００℃以上１１００℃以下の温度から室温まで降温させることが好ましい。

基板１１の降温の際、Ｖ族原料ガスの供給量を低下しても良い。しかし、Ｖ族原料ガスの供給を停止すると、成長した窒化物半導体結晶の熱分解を招くことがある。そのため、基板１１の温度が４００℃以下になるまで、適正な量のＶ族原料ガスを供給し続けることが好ましい。また、基板１１の降温中に水素ガスを供給すると、再蒸発により成長した窒化物半導体結晶がダメージを受けるおそれがある。

＜活性化処理＞
上部窒化物半導体コンタクト層１８の成長後の基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取り出した後には、ｐ型不純物を活性化するための熱処理（活性化処理）を行なうことが好ましい。窒化物半導体結晶中にドーピングされたｐ型不純物は、ＩＩＩ族サイトに置換されているが、水素により不活性化されている。そのため、ＭＯＣＶＤ装置から取り出した直後は、ｐ型窒化物半導体層が高抵抗化している。よって、適切な温度と雰囲気でｐ型不純物と水素とを分離して、ｐ型不純物を活性化することが好ましい。

活性化処理では、基板１１上に形成された窒化物半導体層への不要なダメージ（たとえば、高温かつ長時間の熱処理による表面荒れ）を避けるため、上部窒化物半導体コンタクト層１８の形成後の基板１１を８００℃以上９００℃以下の温度で短時間加熱することが好ましい。

活性化処理は、窒素ガス雰囲気中または窒素ガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気中で行なうことが好ましいが、Ａｒ等の希ガス雰囲気中または希ガスと酸素ガスとの混合ガス雰囲気中で行っても良い。活性化処理が行なわれる雰囲気に酸素ガスを混合することによって、基板１１上に積層された窒化物半導体層から水素を脱離させる効果が顕著になる。しかし、雰囲気中の酸素濃度が高くなった場合には、表面酸化膜の形成等の悪影響を生じることがある。そのため、雰囲気中の酸素濃度を５０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。

活性化処理における熱処理時間は、１０分以下であることが好ましい。また、活性化処理は、抵抗加熱またはハロゲンランプ加熱などを用いた急速で昇降温可能な熱処理炉を用いて行なうことが好ましい。

＜電極形成とフォトリソグラフィを用いた加工＞
活性化処理がなされた基板１１上の窒化物半導体層に対して通常のフォトリソグラフィによって電極パターンおよびエッチングパターンを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってエッチングを行なう。これにより、上部窒化物半導体コンタクト層１８とｐ型ＧａＮ層１７とキャリアバリア層１６と活性層１５と下部窒化物半導体コンタクト層１４の一部とがエッチングされ、メサ形状が形成される。このような状態を「下部窒化物半導体コンタクト層１４において周期構造における積層方向に対して垂直な面が露出している」という。

次に、通常のフォトリソグラフィにより、下部窒化物半導体コンタクト層１４上に円形ウィンドウの配列用マスクを設け、ＲＩＥによりエッチングを行う。このエッチングにより、下部窒化物半導体コンタクト層１４において周期構造における積層方向に対して垂直ではない面が露出する。エッチングの深さは、特に限定されないが、５μｍ以下であることが好ましく、１μｍ程度であることがより好ましい。露出面の傾斜角度はＲＩＥでのエッチングイオンの状態などに依存するため一概に言えないが、周期構造における積層方向に対して２０〜７０度であることが好ましく、たとえば３０度である。使用するマスクのウィンドウの形状は、円形に限られず、線形であっても良いし、それ以外の形状であっても良い。窒化物半導体発光素子の形状と電流パスなどとを考慮して最適な形状を選択することが好ましい。

続いて、下部窒化物半導体コンタクト層１４上にｎ型電極１０を形成し、上部窒化物半導体コンタクト層１８上にｐ型電極１９を形成する。これにより、下部窒化物半導体コンタクト層１４の露出された面上にｎ型電極１０が設けられることとなり、よって、下部窒化物半導体コンタクト層１４は周期構造における積層方向に対して垂直でない面においてｎ型電極１０と接することとなる。その後、合金化のための熱処理を行なうことが好ましい。そして、必要に応じて、基板１１を研削研磨してから通常のダイシング工程を経てチップに分割する。これにより、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子が製造される。

≪第２の実施形態≫
図２は、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、図２に示すように、基板１１と、基板１１上に設けられた低温バッファ層１２と、低温バッファ層１２上に設けられたアンドープＧａＮ層１３と、アンドープＧａＮ層１３上に設けられた下部窒化物半導体コンタクト層２４と、下部窒化物半導体コンタクト層２４上に設けられた活性層１５と、活性層１５上に設けられたキャリアバリア層１６と、キャリアバリア層１６上に設けられた上部窒化物半導体コンタクト層２７と、下部窒化物半導体コンタクト層２４に接するｎ型電極２０と、上部窒化物半導体コンタクト層２７に接するｐ型電極２９とを備えている。以下では、上記第１の実施形態とは異なる点を主に示す。

下部窒化物半導体コンタクト層２４は、不純物の導電型が異なることを除いては上記第１の実施形態における上部窒化物半導体コンタクト層１８と同一の構成を有している。つまり、下部窒化物半導体コンタクト層２４は、ｎ型不純物を含む窒化物半導体層（１層）であり、たとえばｎ型ＧａＮ層である。

上部窒化物半導体コンタクト層２７は、不純物の導電型が異なることを除いては上記第１の実施形態における下部窒化物半導体コンタクト層１４と同一の構成を有している。つまり、上部窒化物半導体コンタクト層２７は、第３の障壁層と第３の量子井戸層とが交互に積層されてなる周期構造を有し、上部窒化物半導体コンタクト層２７では、導電型不純物が変調ドープされている。ここで、第３の障壁層は不純物の導電型が異なることを除いては第１の障壁層と同様に構成されており、第３の量子井戸層は不純物の導電型が異なることを除いては第１の量子井戸層と同様に構成されている。これにより、上記第１の実施形態で説明したように、上部窒化物半導体コンタクト層２７での電気伝導は第３の障壁層から第３の量子井戸層へ落ち込んだ自由キャリアが担う。

上部窒化物半導体コンタクト層２７は、当該上部窒化物半導体コンタクト層２７を構成する周期構造における積層方向に対して垂直ではない面において、ｐ型電極２９と接している。これにより、上記第１の実施形態で説明したように窒化物半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることができる。

以上説明したように、上部窒化物半導体コンタクト層２７が周期構造を有している場合であっても上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

≪第３の実施形態≫
図３は、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体発光素子の構成を示す断面図である。本実施形態に係る窒化物半導体発光素子は、下部窒化物半導体コンタクト層として上記第１の実施形態における下部窒化物半導体コンタクト層１４を備え、上部窒化物半導体コンタクト層として上記第２の実施形態における上部窒化物半導体コンタクト層２７を備える。よって、窒化物半導体発光素子の動作電圧のさらなる低減を図ることができる。

以上説明したように、図１などに示す窒化物半導体発光素子は窒化物半導体材料を含む活性層１５を備え、活性層１５は下部窒化物半導体コンタクト層１４と上部窒化物半導体コンタクト層１８との間に設けられている。下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうちの少なくとも一方は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を含む複数種の層が積層されてなる構造を１周期とする周期構造を有する。下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうち周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、導電型不純物が変調ドープされて構成されており、周期構造における積層方向に対して垂直でない面において電極と接している。これにより、下部窒化物半導体コンタクト層１４の第１の量子井戸層はｎ型電極１０に確実に接触することとなる。よって、ｎ型電極１０から注入された電子は第１の量子井戸層に効率良く注入されることとなるので、窒化物半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることができる。

周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層１４，１８の組成は、周期構造における積層方向に周期的に変化していることが好ましい。これにより、格子緩和の促進と結晶性の回復とを両立しつつ、転位密度を下げるという効果を得ることができる。

周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体コンタクト層１４，１８の組成は、周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層１４，１８の組成の変化に従属して変化していても良い。これにより、量子井戸層と障壁層との間の格子不整合を低減して新たな転位の発生を抑制しつつ、良好な界面が得られるという効果を得ることができる。また、周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体コンタクト層１４，１８の組成は、周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層１４，１８の組成の変化に独立して変化していても良い。これにより、障壁層の組成が量子井戸層の組成の変化に従属して変化する場合よりも、量子井戸層と障壁層との間の格子不整合を抑制しつつ、より良好な界面が得られるという効果を得ることができる。

下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうち周期構造を有するコンタクト層は、導電型不純物としてｎ型不純物を含むことが好ましい。周期構造の１周期は、ｎ型不純物の濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以下である窒化物半導体層と、ｎ型不純物の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上である窒化物半導体層とを有することが好ましい。

下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうち周期構造を有するコンタクト層は、導電型不純物としてｐ型不純物を含むことが好ましい。周期構造の１周期は、ｐ型不純物の濃度が５×１０¹⁷／ｃｍ³以下である窒化物半導体層と、ｐ型不純物の濃度が５×１０¹⁹／ｃｍ³以上である窒化物半導体層とを有することが好ましい。

本発明に係る窒化物半導体発光素子の製造方法は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を含む複数種の層が積層されてなる構造を１周期とする周期構造を有するとともに導電型不純物が変調ドープされた、下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうちの少なくとも一方を形成する工程と、下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうち周期構造を有するコンタクト層のうち周期構造における積層方向に対して垂直ではない面を露出させる工程と、下部窒化物半導体コンタクト層１４および上部窒化物半導体コンタクト層１８のうち周期構造を有するコンタクト層の露出された面上に電極１０，１０を形成する工程とを備える。これにより、下部窒化物半導体コンタクト層１４の第１の量子井戸層をｎ型電極１０に確実に接触させることができる。よって、ｎ型電極１０から注入された電子は第１の量子井戸層に効率良く注入されることとなるので、窒化物半導体発光素子の動作電圧の低減を図ることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

≪実施例１≫
＜低温バッファ層の形成＞
実施例１では、図１に示す窒化物半導体発光素子を製造して、それを評価した。具体的には、まず、サファイア基板（基板）をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に設置し、反応炉内を水素雰囲気としてサファイア基板を２０分で１０００℃以上の温度に昇温させた。次に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内を水素雰囲気に維持しつつ、サファイア基板を２０分で約５００℃まで降温させた。サファイア基板の温度が５００℃に到達した後に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、１０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガス（ＩＩＩ族原料ガス）を供給し、２００ｍｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でアンモニアガス（Ｖ族原料ガス）を供給し、キャリアガスとして水素ガスを供給した。これにより、サファイア基板のＣ面上に、アモルファス状態のＧａＮ層（低温バッファ層）が形成された。

＜アンドープＧａＮ層の形成＞
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＴＭＧガスの供給を停止してから、サファイア基板を１０分で１１００℃まで昇温させた。サファイア基板の温度が１１００℃に到達した後に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に１００μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給した。これにより、ＧａＮ層上にアンドープＧａＮ層（厚みが１０μｍ）が形成された。

＜下部窒化物半導体コンタクト層の形成＞
サファイア基板の温度を１１００℃に保ったまま、また、ＴＭＧガス、アンモニアガスおよび水素ガスのそれぞれの供給量を変更することなく、アンドープＧａＮ層上にアンドープＧａＮ層（第１の量子井戸層、厚みが３ｎｍ）を形成した。その後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、４０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＡガスを追加で供給し、さらに、０．５μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＳｉＨ₄ガスを供給して、厚みが３ｎｍのｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層（第１の障壁層）を形成した。形成されたｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層には、Ｓｉが１×１０¹⁸／ｃｍ³ドープされていた。そして、総膜厚が約１．２μｍとなるまで、アンドープＧａＮ層の形成とｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の形成とを交互に繰り返し行った。形成された下部窒化物半導体コンタクト層には、１層のアンドープＧａＮ層と１層のｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層とが積層されてなる構造が２００周期、形成されていた。

＜活性層の形成＞
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＴＭＧガスおよびＴＭＡガスの供給を停止して、アンモニアガスと水素ガス（キャリアガス）との混合雰囲気中でサファイア基板を１０分以内で８００℃にまで降温させた。サファイア基板の温度を８００℃に保持したまま、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に２０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給した。これにより、ＧａＮ障壁層（第２の障壁層、厚みが約８ｎｍ）が形成された。その後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に５５０μｍｏｌ／ｍｉｎの流量でＴＭＩガスを追加で供給して、ＩｎＧａＮ量子井戸層（第２の量子井戸層、厚みが約４ｎｍ）が形成された。ここで、ＩｎＧａＮ量子井戸層におけるＩｎ組成の設計値は約０．１６であった。そして、ＧａＮ障壁層の形成とＩｎＧａＮ量子井戸層の形成とを交互に繰り返し行って、１層のＧａＮ障壁層と１層のＩｎＧａＮ量子井戸層とが積層されてなる構造を６周期、形成した。その後、最表層であるＩｎＧａＮ量子井戸層上に、ＧａＮ障壁層（厚みが１６ｎｍ）を形成した。ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＴＭＩガスおよび水素ガスの供給を停止してから、キャリアガスとして窒素ガスを供給した。その後、サファイア基板を３分で８００℃から１０００℃にまで昇温させた。

＜キャリアバリア層、ｐ型ＧａＮ層および上部窒化物半導体コンタクト層の形成＞
サファイア基板の温度が１０００℃に到達してから、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内に、３０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給し、２０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＡガスを供給した。また、１μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＣｐ₂Ｍｇガスを供給した。これにより、Ａｌを２０原子％含むキャリアバリア層（厚みが２０ｎｍ）が形成された。その後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＴＭＡガスのみの供給を停止して、厚さが６０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を形成した。その後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＣｐ₂Ｍｇガスの供給量を２μｍｏｌ／ｍｉｎに増加してから、上部窒化物半導体コンタクト層（厚さが３０ｎｍ）を形成した。このようにして、積層体が得られた。

＜降温度、ｐ型不純物の活性化＞
ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＴＭＧガスおよびＣｐ₂Ｍｇガスの供給を停止してから、積層体におけるサファイア基板を３０分で１０００℃から室温まで降温させた。その後、窒素ガスと濃度が５ｐｐｍの酸素ガスとの混合ガス雰囲気中で８５０℃で２分間の熱処理を行なった。これにより、ｐ型不純物が活性化された。このようにして得られた積層体に対してＸ線回折法による結晶構造解析、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）およびＣ−Ｖ測定をそれぞれ行なったところ、下部窒化物半導体コンタクト層のｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層におけるＳｉ濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³であり、キャリアバリア層および上部窒化物半導体コンタクト層におけるＭｇ濃度はどちらも１×１０²⁰／ｃｍ³であり、ｐ型ＧａＮ層におけるＭｇ濃度は１×１０¹⁹／ｃｍ³であった。また、ＬＥＤ素子を構成する各窒化物半導体層の組成、下部窒化物半導体コンタクト層を構成する窒化物半導体層の厚み、および、活性層を構成する窒化物半導体層の厚みは、いずれも、設計通りであることを確認した。

＜電極形成とフォトリソグラフィを用いた加工＞
通常のフォトリソグラフィによって電極パターンおよびエッチングパターンを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってエッチングを行なった。これにより、上部窒化物半導体コンタクト層とｐ型ＧａＮ層とキャリアバリア層と活性層と下部窒化物半導体コンタクト層の一部とがエッチングされてメサ形状が形成された。

その後、通常のフォトリソグラフィにより下部窒化物半導体コンタクト層上に円形ウィンドウの配列用マスクを設け、ＲＩＥにより下部窒化物半導体コンタクト層をエッチングした。これにより、下部窒化物半導体コンタクト層には、深さが１μｍ程度であり且つ周期構造における積層方向に対して約３０度の傾斜面を有する凹部（断面Ｖ字形状）が形成された。

その後、下部窒化物半導体コンタクト層上にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ層（ｎ型電極）を形成し、上部窒化物半導体コンタクト層上にＮｉ／Ａｕ層（ｐ型電極）を形成し、合金化のための熱処理を行なった。これにより、図４（ａ）に示すように、下部窒化物半導体コンタクト層は、その周期構造における積層方向に対して垂直でない面においてｎ型電極と接した。そして、厚さが１００μｍとなるまでサファイア基板を研削してから研磨し、ダイシングを行った。このようにしてチップ状の窒化物半導体発光素子が製造された。

Ａｕ−Ｓｎ半田を用いて、製造されたチップ状の窒化物半導体発光素子を通常のステムにマウントした。そして、Ａｕワイヤーを用いて、ｎ型電極とｎ側端子とを結線し、ｐ型電極とｐ側端子とを結線した。そして、透明エポキシ樹脂によるモールドを経て、実施例１のＬＥＤ素子を得た。

≪比較例１≫
比較例１では、図４（ｂ）に示すように下部窒化物半導体コンタクト層が周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｎ型電極と接していることを除いては上記実施例１に記載の方法にしたがって、ＬＥＤ素子を製造した。

≪実施例１と比較例１との評価≫
実施例１のＬＥＤ素子と比較例１のＬＥＤ素子とについて駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定した。駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧については、実施例１は比較例１よりも０．３Ｖ低下した。光出力については、実施例１は比較例１に対して２０％向上した。

下部窒化物半導体コンタクト層では、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層で発生した自由電子は、アンドープＧａＮ層へ落ち込んで電気伝導に寄与する。アンドープＧａＮ層では、電子の散乱中心が極端に少ないため、自由電子の移動度が高くなる。つまり、アンドープＧａＮ層は、低抵抗である。

実施例１では、下部窒化物半導体コンタクト層は周期構造における積層方向に対して垂直ではない面でｎ型電極に接しているので、下部窒化物半導体コンタクト層のアンドープＧａＮ層とｎ型電極とは確実に接触している（図４（ａ）参照）。よって、ｎ型電極から注入された電子は低抵抗なアンドープＧａＮ層に効率良く注入されることとなる。

しかし、比較例１では、下部窒化物半導体コンタクト層は、周期構造における積層方向に対して垂直な面でｎ型電極に接している（図４（ｂ）参照）。そのため、ｎ型電極から注入された電子は、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を通過しなければ、下部窒化物半導体コンタクト層における複数のアンドープＧａＮ層に注入されない。よって、下部窒化物半導体コンタクト層での抵抗が高くなる。

≪実施例２≫
実施例２では、図２に示す窒化物半導体発光素子を製造して、それを評価した。以下では、上記実施例１とは異なる点を主に示す。具体的には、下部窒化物半導体コンタクト層は、厚さが１．２μｍのｎ型ＧａＮ層であり、１×１０¹⁸／ｃｍ³のＳｉドープ量を有していた。また、上部窒化物半導体コンタクト層は、ｐ型不純物がドープされたＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層（厚さ３ｎｍ）とアンドープＧａＮ層（厚さ３ｎｍ）とが交互に積層されて構成されており、その総膜厚は約１００ｎｍであった。Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を形成するときには、３０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給し、２０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＡガスを供給し、２μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＣｐ₂Ｍｇガスを供給した。アンドープＧａＮ層を形成するときには、３０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給した。

その後、上記実施例１に記載の方法にしたがって、メサ形状を形成してから、深さが１μｍ程度であり且つ周期構造における積層方向に対して約３０度の傾斜面を有する凹部（断面Ｖ字形状）を上部窒化物半導体コンタクト層に形成した。

その後、上記実施例１に記載の方法にしたがってｎ型電極およびｐ型電極を形成した。これにより、図４（ａ）に示すように、上部窒化物半導体コンタクト層は、その周期構造における積層方向に対して垂直でない面においてｐ型電極と接した。そして、上記実施例１に記載の方法にしたがって、実施例２のＬＥＤ素子を得た。

≪比較例２≫
比較例２では、上部窒化物半導体コンタクト層が周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｐ型電極と接していることを除いては上記実施例２に記載の方法にしたがって、ＬＥＤ素子を製造した。

≪実施例２と比較例２との評価≫
実施例２のＬＥＤ素子と比較例２のＬＥＤ素子とについて駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定した。駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧については、実施例２は比較例２よりも０．１Ｖ低下した。光出力については、実施例２は比較例２に対して１０％向上した。その理由は、実施例１と比較例１との評価において記載したとおりである。

≪実施例３≫
実施例３では、図３に示す窒化物半導体発光素子を製造して、それを評価した。具体的には、上記実施例２に記載の方法にしたがって上部窒化物半導体コンタクト層を形成するとともに上部窒化物半導体コンタクト層に凹部を形成したことを除いては上記実施例１と同様の方法にしたがって、ＬＥＤ素子を製造した。

≪比較例３≫
比較例３では、下部窒化物半導体コンタクト層が周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｎ型電極と接しており、上部窒化物半導体コンタクト層が周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｐ型電極と接していることを除いては上記実施例３に記載の方法にしたがって、ＬＥＤ素子を製造した。

≪実施例３と比較例３との評価≫
実施例３のＬＥＤ素子と比較例３のＬＥＤ素子とについて駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定した。駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧については、実施例３は比較例３よりも０．４Ｖ低下した。光出力については、実施例３は比較例３に対して３５％向上した。その理由は、実施例１と比較例１との評価において記載したとおりである。

実施例３のＬＥＤ素子における下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のそれぞれを構成する窒化物半導体層への不純物ドープ量を測定した。具体的には、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）によりＬＥＤ素子の表面付近から深さ方向における二次イオンの濃度プロファイルを測定した。その結果、下部窒化物半導体コンタクト層を構成するＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層におけるＳｉの濃度は５×１０¹⁸／ｃｍ³であった。アンドープＧａＮ層におけるＳｉの濃度は検出限界以下（バックグラウンドレベル以下）であり、１×１０¹⁶／ｃｍ³以下であることが確認できた。また、上部窒化物半導体コンタクト層を構成するＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層におけるＭｇの濃度は１×１０²⁰／ｃｍ³であった。アンドープＧａＮ層におけるＭｇの濃度は検出限界以下（バックグラウンドレベル以下）であり、１×１０¹⁶／ｃｍ³以下であることが確認できた。

≪実施例４≫
実施例４では、下部窒化物半導体コンタクト層の構成が異なることを除いては上記実施例１に記載の方法にしたがって、ＬＥＤ素子を製造した。具体的には、アンドープＧａＮ層を成長した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へのＴＭＧガスの供給を停止して、アンモニアガスと水素ガスとの混合雰囲気中でサファイア基板を１０分で８００℃にまで降温させた。これにより、アンドープＧａＮ層の表面平坦性を維持しながらサファイア基板を降温させることができた。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へ、２０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給するとともに３５０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＩガスを供給した。これにより、アンドープＧａＮ層上にアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層（第１の量子井戸層、厚みが３ｎｍ）が形成された。その後、ＴＭＩガスの供給を止め、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内へ４０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＡガスを供給するとともに０．５μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＳｉＨ₄ガスを供給した。これにより、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層上にｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層（第１の障壁層、厚みが３ｎｍ）が形成された。そして、総膜厚が約１．２μｍとなるまで、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の形成とｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の形成とを交互に繰り返し行った。形成された下部窒化物半導体コンタクト層には、１層のアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層と１層のｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層とが積層されてなる構造が２００周期、形成されていた。その後、上記実施例１に記載の方法にしたがって、本実施例のＬＥＤ素子を製造した。

≪比較例４≫
比較例４では、下部窒化物半導体コンタクト層が周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｎ型電極と接していることを除いては上記実施例４に記載の方法にしたがってＬＥＤ素子を製造した。

≪実施例４と比較例４との評価≫
実施例４のＬＥＤ素子と比較例４のＬＥＤ素子とについて駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定した。駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧については、実施例４は比較例４よりも０．２Ｖ低下した。光出力については、実施例４は比較例４に対して１０％向上した。その理由は、実施例１と比較例１との評価において記載したとおりである。

≪実施例５≫
実施例５では、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の組成を周期構造における積層方向において変化させたことを除いては上記実施例４に記載の方法にしたがってＬＥＤ素子を製造した。具体的には、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層のＩｎ組成比を周期構造の積層順に２周期ずつ０．０２、０．０８、０．１８および０．０８とした。ただし、アンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層のそれぞれにおけるＩｎ組成比は一定であった。

≪比較例５≫
比較例５では、下部窒化物半導体コンタクト層が周期構造における積層方向に対して垂直な面においてのみｎ型電極と接していることを除いては上記実施例５に記載の方法にしたがってＬＥＤ素子を製造した。

≪実施例５と比較例５との評価≫
実施例５のＬＥＤ素子と比較例５のＬＥＤ素子とについて駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定した。駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧については、実施例５は比較例５よりも０．２Ｖ低下した。光出力については、実施例５は比較例５に対して１０％向上した。その理由は、実施例１と比較例１との評価において記載したとおりである。

なお、下部窒化物半導体コンタクト層を構成するＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１）層のＩｎ組成比が活性層のＩｎ組成比よりも高いので、格子緩和が促される効果も得られる。しかし、Ｉｎ組成比が高くなるほど、ステップフロー成長から２次元核成長へ移行するため、ステップの直進性が悪くなり、そのため、結晶性の悪化が避けられない。しかし、Ｉｎ組成比が活性層のＩｎ組成よりも低いＩｎ_x1Ｇａ_1-x1Ｎ（０＜ｘ１≦１）層も設けられているため、結晶性の回復を図ることもできる。

≪実施例６≫
実施例６では、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の組成をアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層のＩｎ組成比の変化に従属して変更させたことを除いては上記実施例５に記載の方法にしたがってＬＥＤ素子を製造した。具体的には、図５に示すように、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層のＡｌ組成比を周期構造の積層順に２周期ずつ０．１０、０．１５、０．２０および０．１５とした。ただし、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層のそれぞれにおけるＡｌ組成比は一定であった。本実施例のＬＥＤ素子について駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定したところ、上記実施例５と同様の結果が得られた。

≪実施例７≫
実施例７では、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の組成をアンドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層のＩｎ組成比の変化に独立して変更させたことを除いては上記実施例５に記載の方法にしたがってＬＥＤ素子を製造した。具体的には、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層のＡｌ組成比を周期構造の積層順に２周期ずつ０．１５および０．２０とした。ただし、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層のそれぞれにおけるＡｌ組成比は一定であった。本実施例のＬＥＤ素子について駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定したところ、上記実施例５と同様の結果が得られた。

≪実施例８≫
実施例８では、下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のそれぞれを構成する周期構造の組成が異なることを除いては上記実施例３と同様の方法にしたがって、ＬＥＤ素子を製造した。具体的には、下部窒化物半導体コンタクト層は次に示す方法にしたがって形成された。サファイア基板の温度を８００℃としてから、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉へ、２０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＧガスを供給するとともに３５０μｍｏｌ／ｍｉｎの供給量でＴＭＩガスを供給した。これにより、アンドープＧａＮ層上にＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層（第１の量子井戸層、厚さが３ｎｍ）が形成された。その後、ＴＭＩガスの供給量を２００μｍｏｌ／ｍｉｎとした。また、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉へ２０μｍоｌ／ｍｉｎの供給量でＳｉＨ₄ガスを供給した。これにより、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層上にＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層（第１の障壁層、厚さが３ｎｍ）が形成された。そして、総膜厚が約１．２μｍとなるまで、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層の形成とＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層の形成とを交互に繰り返し行った。形成された下部窒化物半導体コンタクト層には、１層のＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層と１層のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層とが積層されてなる構造が２００周期、形成されていた。

上部窒化物半導体コンタクト層は次に示す方法にしたがって形成された。サファイア基板の温度を８００℃としてから、下部窒化物半導体コンタクト層の形成方法と同様の方法にしたがって、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層（第３の量子井戸層、厚さが３ｎｍ）およびＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層（第３の障壁層、厚さが３ｎｍ）を形成した。そして、総膜厚が約１００ｎｍとなるまで、Ｉｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層の形成とＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層の形成とを交互に繰り返し行った。形成された下部窒化物半導体コンタクト層には、１層のＩｎ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ層と１層のＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層とが積層されてなる構造が１７周期、形成されていた。本実施例のＬＥＤ素子について駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定したところ、上記実施例３と同様の結果が得られた。

≪実施例９≫
実施例９では、下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層のそれぞれを構成するＧａＮ層の代わりにＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を形成したことを除いては上記実施例３に記載の方法にしたがってＬＥＤ素子を製造した。つまり、下部窒化物半導体コンタクト層および上部窒化物半導体コンタクト層は、それぞれ、Ａｌ_0.20Ｇａ_0.80Ｎ層とＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層とが交互に積層されてなる周期構造を有していた。本実施例のＬＥＤ素子について駆動電流２０ｍＡ時の動作電圧と光出力とを測定したところ、上記実施例３と同様の結果が得られた。

１０，２０ｎ型電極、１１基板、１２低温バッファ層、１３アンドープＧａＮ層、１４，２４下部窒化物半導体コンタクト層、１５活性層、１６キャリアバリア層、１７ｐ型ＧａＮ層、１８，２７上部窒化物半導体コンタクト層、１９ｐ型電極。

Claims

窒化物半導体材料を含む活性層を備えた窒化物半導体発光素子であって、
前記活性層は、下部窒化物半導体コンタクト層と上部窒化物半導体コンタクト層との間に設けられ、
前記下部窒化物半導体コンタクト層および前記上部窒化物半導体コンタクト層のうちの少なくとも一方は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる少なくとも２種類の窒化物半導体層を含む複数種の層が積層されてなる構造を１周期とする周期構造を有し、
前記下部窒化物半導体コンタクト層および前記上部窒化物半導体コンタクト層のうち前記周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、
導電型不純物が変調ドープされて構成されており、
前記周期構造における積層方向に対して垂直でない面において電極と接している窒化物半導体発光素子。
前記周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層の組成は、前記周期構造における積層方向に周期的に変化している請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
前記周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体コンタクト層の組成は、前記周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層の組成の変化に従属して変化している請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に大きな窒化物半導体コンタクト層の組成は、前記周期構造を構成し且つバンドギャップエネルギーが相対的に小さな窒化物半導体コンタクト層の組成の変化に独立して変化している請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
前記下部窒化物半導体コンタクト層および前記上部窒化物半導体コンタクト層のうち前記周期構造を有する窒化物半導体コンタクト層は、前記導電型不純物としてｎ型不純物を含み、
前記周期構造の前記１周期は、ｎ型不純物の濃度が１×１０¹⁷／ｃｍ³以下である窒化物半導体層と、ｎ型不純物の濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³以上である窒化物半導体層とを有する請求項１〜４のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。