JP2015018840A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１半導体層と、第２半導体層と、発光層と、を備えた半導体発光素子が提供される。発光層は、第１半導体層と第２半導体層との間に設けられ厚さｔ１（ナノメートル）の井戸層を含む。井戸層は、０よりも高く１よりも低いＩｎ組成比ｘを有するＩｎｘＧａ１−ｘＮの井戸層を含む。第１半導体層は、第１半導体層から第２半導体層に向かう積層方向に対して垂直な平面内において０．０２パーセント以上０．２５パーセント以下の引っ張り歪みを有する。発光層から放出される光のピーク波長λｐ（ナノメートル）は、λｐ＝ａ１＋ａ２?（ｘ＋（ｔ１−３．０）?ａ３）の関係を満たす。ａ１は、３５９以上３６３以下である。ａ２は、５３４以上５５０以下である。ａ３は、０．０２０５以上０．０２３５以下である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

例えば、青色の光を発光する青色ＬＥＤ（light Emitting Diopde）と、黄色または赤色などの蛍光体と、を組み合わせることで白色光が得られる。このような白色ＬＥＤは、照明用途に用いられており、省エネルギー効果が期待されている。

青色ＬＥＤには、窒化物半導体が用いられ、発光層には、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造が用いられる。ＩｎＧａＮの格子定数がＧａＮの格子定数とは異なるため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの量子井戸構造の作製条件によっては、ＩｎＧａＮ結晶層の品質が低下し、発光効率が下がることがある。発光効率の高い半導体発光素子の実現が望まれている。

特開２００１−２０３３８４号公報

本発明の実施形態は、発光効率の高い半導体発光素子を提供する。

実施形態によれば、第１導電形の第１半導体層と、第２導電形の第２半導体層と、発光層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記第１半導体層は、窒化物半導体結晶を含む。前記第２半導体層は、窒化物半導体結晶を含む。前記発光層は、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ厚さｔ１（ナノメートル）の井戸層を含む。前記井戸層は、０よりも高く１よりも低いＩｎ組成比ｘを有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの井戸層を含む。前記第１半導体層は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう積層方向に対して垂直な平面内において０．０２パーセント以上０．２５パーセント以下の引っ張り歪みを有する。前記第２半導体層は、前記平面内の引っ張り歪みを有する。前記井戸層の格子定数は、前記第１半導体層の格子定数よりも大きい。前記井戸層の格子定数は、前記第２半導体層の格子定数よりも大きい。前記発光層から放出される光のピーク波長λｐ（ナノメートル）は、λｐ＝ａ１＋ａ２×（ｘ＋（ｔ１−３．０）×ａ３）の関係を満たす。前記ａ１は、３５９以上３６３以下である。前記ａ２は、５３４以上５５０以下である。前記ａ３は、０．０２０５以上０．０２３５以下である。

実施形態に係る半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る半導体発光素子を示す模式図である。 参考例の半導体発光素子を示す模式図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子のバンドギャップエネルギーを示す模式図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 半導体発光素子のＸ線回折の結果を示す図である。 半導体発光素子の透過型電子顕微鏡の観察像を示す写真である。 半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る別の半導体発光素子を示す模式的断面図である。 図１５（ａ）〜図１５（ｃ）は、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。 図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。 図１７（ａ）〜図１７（ｆ）は、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図１は、半導体発光素子の特性を例示している。
図２は、実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図３は、実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式図である。
まず、図２を参照して、半導体発光素子の構成の例について説明する。

図２に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１導電形の第１半導体層１０と、第２導電形の第２半導体層２０と、発光層３０と、を含む。発光層３０は、第１半導体発光層１０と第２半導体層２０との間に設けられる。半導体発光素子１１０は、例えば、ＬＥＤである。半導体発光素子１１０は、レーザダイオードでも良い。以下では、半導体発光素子１１０が、ＬＥＤである場合として説明する。

例えば、第１導電形はｎ形であり、第２導電形はｐ形である。第１導電形がｐ形であり、第２導電形がｎ形でも良い。以下では、第１導電形がｎ形であり、第２導電形がｐ形である場合として説明する。

第１半導体層１０及び第２半導体層２０は、窒化物半導体結晶を含む。第１半導体層１０から第２半導体層２０に向かう方向を積層方向とする。積層方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

第１半導体層１０には、例えばｎ形ＧａＮ層が用いられる。第２半導体層２０には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第２半導体層２０は、ｐ形ＡｌＧａＮ層をさらに含んでいてもよい。第２半導体層２０は、組成比の互いに異なる複数のＡｌＧａＮ層を含んでもよい。第１半導体層１０は、例えば、便宜的にｉ−ＧａＮ層をさらに含んでも良い。ｉ−ＧａＮ層と発光層３０との間にｎ形ＧａＮ層が配置される。ｉ−ＧａＮ層における不純物濃度は、ｎ形ＧａＮ層における不純物濃度よりも低い。ｉ−ＧａＮ層は、例えば、ノンドープＧａＮ層である。

発光層３０は、窒化物半導体結晶を含む。発光層３０は、井戸層３２（量子井戸層）を含む。発光層３０は、例えば、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構造、または、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有する。ＳＱＷ構造においては、井戸層３２の数は、１である。ＭＱＷ構造においては、井戸層３２の数は２以上である。例えば発光層３０は、障壁層３４をさらに含む。井戸層３２は、複数の障壁層３４の間に配置される。例えば、複数の障壁層３４と、複数の井戸層３２と、がＺ軸方向に沿って交互に配置される。井戸層３２及び障壁層３４は、窒化物半導体結晶を含む。

井戸層３２のバンドギャップエネルギーは、障壁層３４のバンドギャップエネルギーよりも小さい。井戸層３２のバンドギャップエネルギーは、第１半導体層１０のバンドギャップエネルギーよりも小さく、第２半導体層２０のバンドギャップエネルギーよりも小さい。

井戸層３２には、例えばＩｎＧａＮが用いられる。すなわち、井戸層３２は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）の結晶層を含む。井戸層３２におけるＩｎ組成比ｘは、０よりも高く１よりも低い。井戸層３２のＩｎＧａＮ結晶における格子定数は、第１半導体層１０（例えばＧａＮ）の格子定数よりも大きい。さらに、井戸層３２のＩｎＧａＮ結晶における格子定数は、第２半導体層２０（例えばＧａＮ）の格子定数よりも大きい。

井戸層３２は、Ｚ軸方向に沿った厚さ（井戸層厚ｔ１）を有する。障壁層３４は、Ｚ軸方向方向に沿った厚さ（障壁層厚ｔ２）を有する。例えば、障壁層厚ｔ２は、井戸層厚ｔ１よりも厚い。これにより、井戸層３２へのキャリアの閉じ込め効果が高まり、高い発光効率を得易い。

この例では、半導体発光素子１１０は、支持基板４０と、第１電極８１と、第２電極８２と、導電層９０と、をさらに含む。

支持基板４０と発光層３０との間に、第２半導体層２０が配置される。支持基板４０と第２半導体層２０との間に導電層９０が配置される。第１電極８１は、第１半導体層１０と電気的に接続される。この例では、発光層３０の一部と、第１電極８１と、の間に、第１半導体層１０の一部が配置されている。第２電極８２は、第２半導体層２０と電気的に接続される。この例では、導電層９０の一部と、第２電極８２と、の間に、支持基板４０の一部が配置されている。この例では、第２電極８２は、支持基板４０及び導電層９０を介して、第２半導体層２０と電気的に接続されている。第２電極８２は、支持基板４０を介することなく導電層９０に接していてもよい。

支持基板４０には、導電性材料（例えば金属または半導体）が用いられる。支持基板４０には、例えば銅層が用いられる。支持基板４０には、例えば、めっき金属層を用いても良い。支持基板４０として、不純物を含むシリコン基板（半導体基板）などを用いても良い。

この例では、導電層９０は、反射金属層９３と、第１接合金属層９１と、第２接合金属層９２と、を含む。第２接合金属層９２と第２半導体層２０との間に第１接合金属層９１が配置される。第１接合金属層９１と第２半導体層２０との間に反射金属層９３が配置される。

反射金属層９３には、例えば、Ａｇ層、または、Ａｇを含む合金層が用いられる。第１接合層９１及び第２接合金属層９２の少なくともいずれかには、例えば、ＡｕＳｎ合金などが用いられる。例えば、第２半導体層２０の表面に反射金属層９３が設けられる。反射金属層９３の表面に第１接合金属層９１が設けられる。一方、例えば、銅などの支持基板４０の表面に第２接合金属層９２が設けられる。第１接合金属層９１と第２接合金属層９２とを接合することで、第２電極８２と第２半導体層２０が電気的に接続される。この例の半導体発光素子１１０は、例えば、Thin Film型のＬＥＤである。

第１電極８１と第２電極８２とに電圧を印加することで、第１半導体層１０及び第２半導体層２０を介して、発光層３０に電流が供給される。これにより、発光層３０から光３０Ｌが放出される。この例では、光３０Ｌは、第１半導体層１０の側から外部に出射する。この例では、第１半導体層１０の表面（発光層３０とは反対側の面）に凹凸１０ｐが設けられている。凹凸１０ｐを設けることで、光３０Ｌの取り出し効率が高まる。

支持基板４０の熱伝導率は、第１半導体層１０と第２半導体層２０と発光層３０とを含む積層体の熱伝導率よりも高い。これにより、効率良く放熱でき、高い発光効率が得られる。

第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０を含む積層体は、例えば、成長用基板の上にエピタキシャル成長されて形成される。例えば、成長は高温で行われ、成長後に室温に戻したときに、積層体と成長用基板との間の熱膨張係数の差により、積層体に応力が印加される場合がある。さらに、成長用基板の結晶と積層体の結晶との間の格子定数の差により、積層体に応力が印加される場合がある。さらに、積層体に応力を印加する歪み調整層から、積層体に応力が印加される場合もある。このように、積層体に応力が印加されることで、積層体に歪みが生じる。

本実施形態においては、第１半導体層１０は、歪みを有している。
図３は、半導体発光素子１１０の半導体結晶層における、歪み及び応力を例示している。
この例では、説明を簡単にするために、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０を含む積層体が、成長用基板５０の上に設けられている状態について説明する。例えば、成長用基板５０の上に、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０が、この順で成長される。

図３に表したように、第１半導体層１０は、引っ張り歪みＡ１３を有する。この引っ張り歪みは、Ｘ−Ｙ平面内の歪みである。この引っ張り歪みは、例えば、第１半導体層１０に、引っ張り応力Ａ１１が加えられることで生じる。この引っ張り応力も、Ｘ−Ｙ平面内の応力である。例えば、成長用基板５０から第１半導体層１０にこの引っ張り応力が加えられることで、上記の引っ張り歪みが生じる。

一方、発光層３０は、圧縮応力Ａ３１を受ける。既に説明したように、井戸層３２のＩｎＧａＮ結晶における格子定数は、第１半導体層１０（例えばＧａＮ）の格子定数よりも大きい。これにより、発光層３０における圧縮応力Ａ３１が生じる。

一方、例えば、第２半導体層２０は、引っ張り歪みＡ２３を有する。この引っ張り歪みは、Ｘ−Ｙ平面内の歪みである。この引っ張り歪みは、例えば、第２半導体層２０に、引っ張り応力Ａ２１が加えられることで生じる。この引っ張り応力も、Ｘ−Ｙ平面内の応力である。

このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０は、面内方向の引っ張り歪み（格子間隔の弾性的な伸縮）を有する。すなわち、第１半導体層１０は、積層方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な面内（Ｘ−Ｙ平面）の引っ張り歪みＡ１３を有する。この引っ張り歪みＡ１３は、例えば、第１半導体層１０が、外部から受ける引っ張り応力Ａ１１（例えば結晶に加わる静的な力）により生じる。本願明細書において、面内方向は、積層方向に対して垂直な平面内の方向である。

例えば、第１半導体層１０の面内方向の格子長（実際の結晶格子の中での格子間隔）は、第１半導体層１０の格子定数よりも長い。

本願明細書において、格子定数は、その層に応力が印加されていない状態の格子間隔であり、物理定数として決まる値である。結晶層が引っ張り歪みを有するとき、その結晶層の格子長は、格子定数（歪みがない場合の格子長）よりも長い。逆に、結晶層が圧縮歪みを有するとき、その結晶層の格子長は、格子定数（歪みがない場合の格子長）よりも短い。

一方、発光層３０に含まれる窒化物半導体結晶は、第１半導体層１０の面内の格子長よりも大きい格子定数を有する。井戸層３２は、第１半導体層１０から圧縮応力Ａ３１を受ける結果、圧縮歪みＡ３３（格子間隔の弾性的な伸縮）を有する。すなわち、井戸層３２の面内方向の格子長は、井戸層３２の面内方向の格子定数よりも小さい。

発光層３０において、平均の格子定数が定義できる。平均の格子定数は、障壁層３４の格子定数と、井戸層３２の格子定数と、を厚さ配分で重みづけして平均した格子定数である。発光層３０の平均の格子定数は、第１半導体層１０の格子定数よりも大きい。さらに、発光層３０の平均の格子定数は、引っ張り応力を受けて面内方向に拡張された第１半導体層１０の面内方向の格子長よりも大きい。

実施形態において、窒化物半導体結晶層の結晶方位は任意である。例えば、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０を含む積層体における結晶方位（ｃ軸）は、Ｚ軸方向に対して実質的に平行である。例えば、（０００１）面は、Ｚ軸方向に対して平行である。この場合、面内方向の格子定数は、例えば、ａ軸方向の格子間隔（歪みがない場合の格子間隔）である。面内方向の格子長は、例えば、ａ軸方向の格子間隔である。

図１は、半導体発光素子１１０の特性を例示している。
図１は、半導体発光素子１１０における井戸層３２のＩｎ組成比ｘと、発光層３０からから放出される光（光３０Ｌ）のピーク波長λｐ（ナノメートル：ｎｍ）との関係についての実験結果を例示している。この例では、第１半導体層１０が有する引っ張りひずみは、約０．１３％（０．１２％以上０．１４％以下）である。図１の横軸は、Ｉｎ組成比ｘである。縦軸は、波長λｐ（ｎｍ）である。図１に示した実験の条件、及び、各値の導出方法については、後述する。

この例では、井戸層３２の厚さ（井戸層厚ｔ１）が、２．７ｎｍ、３．０ｎｍ、３．７ｎｍ及び４．２ｎｍと変えられている。

図１から分かるように、それぞれの井戸層厚ｔ１において、光のピーク波長λｐは、Ｉｎ組成比ｘに対して実質的に線形に変化している。この例では、引っ張りひずみが０．１２％以上０．１４％以下の場合において、Ｉｎ組成比ｘとピーク波長λｐとの関係が一定であると近似する。

例えば、井戸層厚ｔ１が３．０ｎｍのときは、ピーク波長λｐ（ｎｍ）は、実質的に以下の第１式で表される。

λｐ＝３６１＋５４２×ｘ （１）

図１から分かるように、井戸層厚ｔ１を変えると、ピーク波長λｐはシフトする。井戸層厚ｔ１が３．０ｎｍのときを基準にすると、ピーク波長λｐ（ｎｍ）は、井戸層厚ｔ１（ｎｍ）及びＩｎ組成比ｘを用いて、以下の第２式で表される。

λｐ＝ａ１＋ａ２×（ｘ＋（ｔ１−３．０）×ａ３） （２）

ここで、ａ１、ａ２及びａ３は、定数である。

図１に示した例では、誤差を考慮すると、定数ａ１は、３６１±２である。すなわち、定数ａ１は、３５９以上３６３以下である。定数ａ２は、５４２±８である。すなわち、定数ａ２は、５３４以上５５０以下である。定数ａ３は、０．０２２±０．００１５である。すなわち、定数ａ３は、０．０２０５以上０．０２３５以下である。

このように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、井戸層厚ｔ１、井戸層３２のＩｎ組成比ｘ、及び、発光のピーク波長λｐは、上記の第２式の関係を満たす。この第２式は、本願発明者により見出された関係である。

第２式の関係は、本実施形態において、第１半導体層１０が、面内方向（Ｚ軸方向に対して垂直なＸ−Ｙ平面内の方向）の引っ張り歪みを有し、第２半導体層２０が、面内方向の引っ張り歪みを有しているときに得られる。

以下、これらの半導体層が、引っ張り歪みではなく圧縮歪みを有する参考例について説明する。

図４は、参考例の半導体発光素子を例示する模式図である。
図４に表したように、参考例の半導体発光素子１１９においても、第１半導体層１０、発光層３０及び第２半導体層２０が設けられる。半導体発光素子１１９においては、半導体発光素子１１０とは異なり、第１半導体層１０が面内方向の圧縮歪みを有し、第２半導体層２０が面内方向の圧縮歪みを有する。

例えば、参考例においては、第１半導体層１０は、圧縮応力Ｂ１１を受けている。この圧縮応力は強い。これにより、第１半導体層１０は、圧縮歪みを有する。一方、この場合も、井戸層３２のＩｎＧａＮ結晶における格子定数が、第１半導体層１０（例えばＧａＮ）の格子定数よりも大きい。このため、発光層３０における圧縮応力Ｂ３１が生じる。参考例においては、第１半導体層１０が圧縮応力Ｂ１１を受けているため、発光層３０が受ける圧縮応力Ｂ３１は、非常に大きくなる。一方、参考例においては、第２半導体層２０は、圧縮歪みＢ２１を受けている。

このように、参考例の半導体発光素子１１９においては、第１半導体層１０及び第２半導体層２０が面内方向の圧縮応力を受けており、面内方向の圧縮歪みを有している。このため、発光層３０が受ける圧縮応力が非常に大きい。

これに対して、図３に関して説明したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０及び第２半導体層２０が面内方向の引っ張り応力を受けており、面内方向の引っ張り歪みを有している。このため、発光層３０が受ける圧縮応力は、参考例に比べて小さくなる。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０及び第２半導体層２０に面内方向の引っ張り応力が印加される。この応力は、既に説明したように、例えば、成長用基板５０から受ける応力である。例えば、成長用基板５０としてシリコン基板を用いると、シリコンと窒化物半導体との間における熱膨張係数の差により、上記のような引っ張り応力が形成される場合がある。一方、半導体発光素子１１９の基板５５として、例えば、サファイア基板を用いると、上記のような圧縮応力が形成される。

このように応力の方向が半導体発光素子１１０とは異なる半導体発光素子１１９においては、半導体発光素子１１０とは異なる発光特性が得られる。

図５は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図５は、上記の半導体発光素子１１０及び１１９について、井戸層３２におけるＩｎ組成比ｘとピーク波長λｐの関係の実験結果を例示している。この例では、井戸層厚ｔ１は、３．０ｎｍである。図５に示された半導体発光素子１１０の特性は、図１における井戸層厚ｔ１が３．０ｎｍの特性の一部に相当する。半導体発光素子１１９においては、第１半導体層１０に約０．１５％の圧縮応力が印加されている。

図５に表したように、同じＩｎ組成比ｘの値において、参考例の半導体発光素子１１９におけるピーク波長λｐは、実施形態に係る半導体発光素子１１０におけるピーク波長λｐよりも短い。換言すると、同じピーク波長λｐとなるＩｎ組成比ｘは、半導体発光素子１１９に比べて、半導体発光素子１１０においては、低い。

このように、参考例の半導体発光素子１１９においては、上記の第１式や第２式の関係とは異なる関係が生じる。そして、実施形態においては、参考例よりも低いＩｎ組成比ｘにより、所望のピーク波長λｐが得られる。

例えば、４４０ｎｍのピーク波長λｐを得る場合、半導体発光素子１１０においては、Ｉｎ組成比ｘは、０．１４５である。これに対して、半導体発光素子１１９においては、Ｉｎ組成比ｘは、約０．１６２となる。

発光層３０が所定のピーク波長λｐと同等のピーク波長を得るように構成される場合において、Ｉｎ組成比ｘは、格子長が格子定数と同等の井戸層のＩｎ組成比よりも低い。このように、目的とするピーク波長λｐを得るためのＩｎ組成比ｘを低くすることにより、高い結晶性が得られる。これにより、高い発光効率が得られる。

以下、半導体発光素子の特性の例について説明する。
井戸層厚ｔ１を薄くすると、キャリアの閉じ込め効果が大きくなる。その結果、電子の分布と、ホールの分布と、の重なる領域（重なり積分）が大きくなる。これにより、発光効率が向上する。
しかしながら、井戸層厚ｔ１を薄くすると、発光のピーク波長λｐがシフトする。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、半導体発光素子のバンドギャップエネルギーを例示する模式図である。

図６（ａ）に例示する半導体発光素子１１０ａにおいては、井戸層３２は、井戸層厚ｔ１１を有する。図６（ｂ）に例示する半導体発光素子１１０ｂにおいては、井戸層３２は、井戸層厚ｔ１２を有する。半導体発光素子１１０ｂの井戸層厚ｔ１２は、半導体発光素子１１０ａの井戸層厚ｔ１１よりも薄い（すなわち、ｔ１１＞ｔ１２）。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に例示したように、井戸層厚ｔ１が薄いと、量子準位が高くなり、等価的にバンドギャップエネルギーが大きくなる（すなわち、Ｅｇ１＜Ｅｇ２）。井戸層３２における等価的なバンドギャップエネルギーが大きくなると、発光のピーク波長λｐが短くなる。このように、同じＩｎ組成比ｘにおいて、井戸層厚ｔ１を薄くすると、発光のピーク波長λｐが短くなる。

このため、井戸層厚ｔ１を薄くしつつ、所望のピーク波長λｐを得るためには、井戸層３２のＩｎ組成比ｘを高くすることになる。しかしながら、Ｉｎ組成比ｘを高くすると、結晶性が劣化し易い。これにより、発光効率を十分に向上できない。

本願発明者は、図５に例示したように、半導体結晶層に加わる応力（歪み）によって、Ｉｎ組成比ｘとピーク波長λｐとの関係が変化することに着目した。本実施形態においては、半導体結晶層に面内方向の引っ張り歪を付与することで、目的とするピーク波長λｐを得るためのＩｎ組成比ｘを低減できる。これにより、結晶性の劣化を抑制して、所望のピーク波長λｐの光を、高い効率で得る。

図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図７（ａ）は、半導体結晶層に引っ張り応力が加えられる半導体発光素子１１０の特性を例示する。図７（ｂ）は、半導体結晶層に圧縮応力が加えられる半導体発光素子１１９の特性を例示する。これらの図の横軸は、井戸層厚ｔ１である。縦軸は、発光効率ＥＦ（任意単位）である。これらの図には、井戸層３２の厚さに起因する効率ＥＦｔと、井戸層３２におけるＩｎ組成比ｘに起因する効率ＥＦｘと、が例示されている。これらの図は、発光のピーク波長λｐが一定になるときの特性を例示している。この例では、ピーク波長λｐは、４４０ｎｍである。

図７（ｂ）から分かるように、圧縮応力が加えられる半導体発光素子１１９においては、井戸層３２の厚さに起因する効率ＥＦｔは、井戸層厚ｔ１が厚いと、低下する。これは、例えば、井戸層厚ｔ１が厚いと、キャリアの閉じ込め効果が小さくなるためである。一方、Ｉｎ組成比ｘに起因する効率ＥＦｘは、井戸層厚ｔ１が厚くなると、増大する。これは、例えば、井戸層厚ｔ１が厚いと、等価的なバンドギャップエネルギーＥｇが小さくなるため、これを補償するためにＩｎ組成比ｘが小さくなり、結果として結晶性が高くなるためである。効率ＥＦｔの効果と、効率ＥＦｘの効果と、が合わさり、実際の効率ＥＦが得られる。

図７（ｂ）から分かるように、井戸層３２の厚さに起因する効率ＥＦｔと、Ｉｎ組成比ｘに起因する効率ＥＦｘと、は、トレードオフの関係にある。このため、井戸層厚ｔがある値のときに、効率ＥＦが最高となる。この例では、井戸層厚ｔ１が約３．２ｎｍ（３．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下）のときに、効率ＥＦが最高となる。この効率ＥＦの最高値は、約４０（任意単位）である。

一方、図７（ａ）から分かるように、引っ張り応力が加えられる半導体発光素子１１０においても、井戸層３２の厚さに起因する効率ＥＦｔは、井戸層厚ｔ１が厚いと、低下する。そして、Ｉｎ組成比ｘに起因する効率ＥＦｘは、井戸層厚ｔ１が厚くなると、増大する。このとき、半導体発光素子１１０においては、最高の効率ＥＦが得られる井戸層厚ｔ１が、半導体発光素子１１９に比べて小さくなる。この例では、井戸層厚ｔ１が約２．２ｎｍ（２．０ｎｍ以上２．５ｎｍ以下）のときに、効率ＥＦが最高となる。この効率ＥＦの最高値は、約７５（任意単位）である。このように、半導体発光素子１１０においては、半導体発光素子１１９よりも高い効率ＥＦが得られる。

このように、半導体発光素子１１０において、半導体発光素子１１９よりも高い効率ＥＦが得られるのは、その効率ＥＦが得られる井戸層厚ｔ１が薄いためである。これは、半導体発光素子１１０と、半導体発光素子１１９と、で、Ｉｎ組成比ｘとピーク波長λｐとの関係が、図５に例示したように異なるためである。

すなわち、本実施形態に係る半導体発光素子１１０おいては、第１半導体層１０及び第２半導体層２０が面内の引っ張り応力を有する。これにより、圧縮歪みが設けられる場合（半導体発光素子１１９）とは異なる、Ｉｎ組成比ｘとピーク波長λｐとの関係が得られる。具体的には、発光層３０が所定のピーク波長λｐと同等のピーク波長を得るように構成される場合において、Ｉｎ組成比ｘは、格子長が格子定数と同等の井戸層のＩｎ組成比よりも低い。つまり、所望のピーク波長λｐを得るためのＩｎ組成比ｘが低くなる。Ｉｎ組成比ｘが低くなることで、高い結晶性を維持できる。

換言すると、発光層３０が所定のピーク波長λｐと同等のピーク波長を得るように構成される場合において、井戸層厚ｔ１は、格子長が格子定数と同等の井戸層の厚さよりも薄い。井戸層厚ｔ１を薄くすることで、キャリアの閉じ込め効果を大きくして発光効率を高める際に、井戸層厚ｔ１を薄くしたことによる波長のピーク波長λｐの減少を、引っ張り歪みによるピーク波長λｐの増大により補償する。これにより、井戸層厚ｔ１を薄くしたことによる波長のピーク波長λｐの減少を、Ｉｎ組成比ｘの上昇で補うことなく、所望の特性が得られる。
このように、本実施形態によれば、井戸層厚ｔ１を薄くすることで、キャリアの閉じ込め効果が大きくなる。その結果、電子の分布と、ホールの分布と、の重なる領域（重なり積分）が大きくなる。これにより、高い発光効率を得ることができる。

例えば、第１半導体層１０及び第２半導体層２０が、引っ張り応力を有しており、その引っ張り応力が過度に大きいと、クラックが生じる可能性がある。このため、一般には、これらの半導体層が引っ張りを有しないようにすることが良いと考えられている。例えば、シリコン基板上に窒化物半導体層を形成する場合、窒化物半導体層に引っ張り応力が生じ易く、クラックが発生し易い。このため、この引っ張り応力を小さくし、例えば、圧縮応力を加えるための工夫について、多くの報告がなされている。すなわち、一般には、引っ張り応力を加えないか、引っ張り応力を小さくする発想が採用される。

これに対して、本実施形態においては、半導体層に適度な引っ張り歪みを与える。そして、この引っ張り歪みを積極的に利用する。すなわち、第１半導体層１０に引っ張り歪みを持たせることで、第１半導体層１０と井戸層３２との間の格子定数に起因して井戸層３２に生じる圧縮応力（圧縮歪み）を小さくする。これにより、井戸層３２のバンドギャップエネルギーを制御して、例えば、目的とするピーク波長λｐを得るための井戸層３２の厚さを薄くし、発光効率を向上させる。例えば、目的とするピーク波長λｐを得るためのＩｎ組成比ｘを低下させて、結晶性を高め、発光効率を向上させる。

以下、第１半導体層１０及び第２半導体層２０の歪みの例について説明する。
図８は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図８は、第１半導体層１０及び第２半導体層２０に用いられるＧａＮ結晶のラマンスペクトルを例示している。この例では、ＧａＮ結晶が引っ張り歪を有する場合（例えば半導体発光素子１１０）の特性と、ＧａＮ結晶が圧縮歪みを有する場合（例えば半導体発光素子１１９）の特性と、が例示されている。図８の横軸は、横軸は、波数ＲＳ（ｃｍ^−１）である。縦軸は、強度Ｉｎｔ（任意単位）である。

図８に示したように、無歪みのＧａＮ結晶における波数ＲＳ０は、約５６８ｃｍ^−１である。ラマンスペクトルのピークの波数ＲＳが、この値よりも小さい条件ＳＴにおいては、そのＧａＮ結晶は引っ張り歪みを有する。ラマンスペクトルのピークの波数ＲＳが、この値よりも大きい条件ＳＣにおいては、そのＧａＮ結晶は圧縮歪みを有する。

図８に例示したように、半導体発光素子１１０においては、ラマンスペクトルのピークの波数ＲＳは、約５６６ｃｍ^−１である。一方、半導体発光素子１１９においては、ラマンスペクトルのピークの波数ＲＳは、約５７０ｃｍ^−１である。このことから、半導体発光素子１１０においては、ＧａＮ結晶が引っ張り歪みを有し、半導体発光素子１１９においては、ＧａＮ結晶が圧縮歪みを有することが分かる。
このように、結晶層が有する歪みが、ラマンスペクトルのシフトから判定できる。

結晶層の格子定数（歪みがないときの格子間隔）をＳ０とし、結晶層の実際の格子長（格子間隔）をＳ１としたとき、歪みＳＳは、

ＳＳ＝（Ｓ１−Ｓ０）／Ｓ０×１００％ （３）

の第３式で表される。歪みＳＳが正である場合に、その結晶層は、引っ張り応力を有する。歪みＳＳが負である場合に、その結晶層は、圧縮応力を有する。

このような歪みＳＳは、上記のように、ラマンスペクトルから算出することができる。すなわち、歪みがない場合の結晶層の波数をＲＳ０とし、歪みを有する場合の結晶層の波数をＲＳ１とする。このとき、歪みＳＳ１は、実用的には、

ＳＳ１＝（ＲＳ１−ＲＳ０）／１２００ （４）

の第４式で求めることができる。すなわち、結晶層の歪みＳＳとして、実用的には、ラマンスペクトルか算出した歪みＳＳ１を用いることができる。

図８に示した例では、半導体発光素子１１０においては、第１半導体層１０は、０．１％の引っ張り歪み（ＳＳ１）を有することが分かる。一方、半導体発光素子１１９においては、第１半導体層１０は、０．１５％の圧縮歪み（ＳＳ１）を有することが分かる。

実施形態において、第１半導体層１０が有する引っ張り歪みは、０．０２％以上０．２５％以下であることが好ましい。引っ張り歪みが０．０２％よりも小さいと、発光効率の向上の効果が小さくなる。引っ張り歪みが０．２５％よりも大きいと、例えば、クラックなどが生じ易くなる。実施形態において、引っ張り歪みは０．０３％以上であることがさらに好ましい。これにより、発光効率の向上効果がさらに大きくなる。実施形態において、引っ張り歪みは０．０５％以上であることがさらに好ましい。これにより、発光効率の向上効果がさらに大きくなる。一方、引っ張り歪みは、０．２％以下であることがさらに好ましい。これにより、クラックの発生がより抑制できる。

第１半導体層１０及び第２半導体層２０が有する引っ張り歪みの大きさが０．０２％以上０．２５％以下の場合に、上記の第２式が有効である。
実施形態では、引っ張り歪みが０．０２％以上０．２５％以下の場合において、Ｉｎ組成比ｘとピーク波長λｐとの関係が一定であると近似する。

例えば、実施形態に係る１つの例おいては、引っ張り歪みが０．０２％以上０．２５％以下の場合において、ピーク波長λｐが４１０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下である場合、井戸層厚ｔ１は２．０ｎｍ以上４．５ｎｍ以下であり、このとき、Ｉｎ組成比ｘは０．１以上０．２２以下である。

例えば、実施形態に係る別の例おいては、引っ張り歪みが０．０３％以上０．２５％以下の場合において、ピーク波長λｐが４３０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である場合、井戸層厚ｔ１は２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であり、このとき、Ｉｎ組成比ｘは０．１以上０．１８以下である。

例えば、実施形態に係るさらに別の例おいては、引っ張り歪みが０．０５％以上０．２％以下の場合において、ピーク波長λｐが４３０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である場合、井戸層厚ｔ１は２．０ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であり、このとき、Ｉｎ組成比ｘは０．１１以上０．１８以下である。

実施形態に係る半導体発光素子１１０における半導体層（第１半導体層１０、発光層３０、及び第２半導体層２０の積層体）は、例えば、（１１１）面を表面とするシリコン結晶（シリコン基板）上に形成されても良い。この場合、半導体層の結晶は、実質的にｃ軸方向に配向している。例えば、第１半導体層１０のｃ軸方向と、積層方向（Ｚ軸方向）と、の間の角度は、５度以下である。例えば、ｃ軸方向と、Ｘ−Ｙ平面（第１半導体層１０と発光層３０との界面でも良い）と、の角度は、８５度以上９５度以下である。

（１１１）面を表面とするシリコン結晶の等価的格子長は、窒化ガリウム結晶のａ軸方向の格子定数よりも大きい。また、シリコン結晶の熱膨張係数は、窒化ガリウム結晶の熱膨張係数よりも小さい。このため、（１１１）面を表面とするシリコン結晶上に窒化ガリウムを結晶成長させ、その後に室温に温度を下げたときには、窒化ガリウム結晶は、面内の引っ張り応力を受け易い。このように、第１半導体層１０及び第２半導体層２０に引っ張り歪みを付与する１つ方法として、（１１１）面を表面とするシリコン結晶上にこれらの半導体層を形成する方法がある。すなわち、成長用基板５０として、（１１１）面を表面とするシリコン結晶基板を用いることができる。

図２に例示した半導体発光素子１１０においては、成長用基板５０の上に、半導体層を結晶成長させた後に、成長用基板５０を剥離し、半導体層が支持基板４０と接合されている。このように、成長用基板５０が剥離された後も、半導体層の生じた引っ張り歪みは残存する。残存した引っ張り歪みは、例えば、半導体層のラマンスペクトルにより評価できる。

以下、井戸層３２の厚さ、及び、井戸層３２におけるＩｎ組成比ｘの算出方法の例について説明する。以下では、発光層３０が、構造が複雑なＭＱＷ構造を有する場合について説明する。以下では、例として、（１１１）面を表面とするシリコン結晶基板上にＧａＮ結晶層及び発光層３０が結晶成長される場合について説明する。

図９は、半導体発光素子のＸ線回折（ＸＲＤ：X-ray diffraction）の結果を例示する図である。
図９の横軸は、角度２θ（度）であり、縦軸は、強度ＤＩ（カウント／秒）を表す。ＸＲＤに用いられるＸ線は、ＣｕＫα線である。ＸＲＤに用いられるＸ線の波長は、０．１５４１８３８ｎｍである。

まず、ＸＲＤにより、ＧａＮ結晶層（第１半導体層１０など）中の歪み（応力）、発光層３０における平均Ｉｎ組成比と、発光層３０における周期（井戸層厚ｔ１と障壁層ｔ２との厚さの合計）が導出される。

すなわち、図９のＸＲＤの結果から、まずＳｉ結晶からのピークが同定される。図９において、Ａで示されるピークがＳｉ結晶からの回折である。このときＳｉ基板結晶にはひずみがないと仮定する。

続いて、ＧａＮ結晶層からのピークが同定され、回折ピークの角度２θからＧａＮ結晶層の歪みが算出される。図９においては、Ｂで示されたピークがＧａＮ結晶層からの回折に対応する。Ｓｉ結晶からの回折ピーク基準として、この試料のＧａＮ層のｃ軸方向の格子長を求めると、無歪みのＧａＮ結晶のｃ軸方向の格子長よりも約０．１％短いことがわかる。すなわち、この試料において、ＧａＮ結晶層のａ軸方向の格子長は、無歪みの値（ａ軸方向の格子定数）よりも長く、このＧａＮ結晶層は、ａ軸方向の引っ張り歪みを有することが分かる。なお、ａ軸方向の格子長の、格子定数からの伸縮により、引っ張り歪み（引っ張り応力）、及び、圧縮歪み（圧縮応力）の方向が定義されている。

次に、発光層３０のピークＭＱＷ−Ｐが同定され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの発光層３０における平均Ｉｎ組成比が算出される。このとき、発光層３０は、平均Ｉｎ組成比を有する単一の層であると仮定される。本測定結果では、発光層３０に対応する回折ピークはＣで示される。このピークからｃ軸方向の格子長を導出し、発光層３０のＩｎ組成比（発光層３０における平均のＩｎ組成比）が見積もられる。この場合、平均Ｉｎ組成比は、０．０５２２である。

さらに、発光層３０からのピークの周辺に付随して現れるサテライトピーク（図９中Ｄで示す）からＭＱＷ−Ｓの間隔を求め発光層３０の内部の周期が見積もられる。ここでは、井戸層３２と障壁層３４との組み合わせを１ペアとして、１ペアの厚さ（周期）は、８．１２ｎｍと算出される。

一方、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）の観察結果から、井戸層３２の厚さが得られる。
図１０は、半導体発光素子の透過型電子顕微鏡の観察像を例示する写真である。
図１０に示したＴＥＭ像の観察像から、この試料における、１つの井戸層３２の厚さ（井戸層厚ｔ１）は、２．７ｎｍと求められる。障壁層３４の厚さ（障壁層厚ｔ２）は、５．４ｎｍと求められる。この値は、上記のＸＲＤから求められた１ペアの厚さ（８．１２ｎｍ）と略一致する。井戸層厚ｔ１、障壁層厚ｔ２、及び、平均Ｉｎ組成比から、井戸層３２のＩｎ組成比ｘは、０．１５５と求められる。

このように、ＭＱＷ構造を有する発光層３０において、１つの井戸層３２の厚さ（井戸層厚ｔ１）と、Ｉｎ組成比ｘと、が導出できる。

一方、半導体発光素子を動作させて、発光スペクトルから、ピーク波長λｐが求められる。
図１１は、半導体発光素子の発光スペクトルを例示する図である。
図１１は、上記のＸＲＤ及びＴＥＭ観察の試料の発光スペクトルを示す。図１０の横軸は、波長λ（ｎｍ）であり、縦軸は、強度Ｉｎｔ（任意単位）である。図１０から分かるように、発光のピーク波長λｐは、４４１．６ｎｍである。

このようにして、半導体発光素子における、井戸層厚ｔ１、井戸層３２のＩｎ組成比ｘ、ピーク波長λｐを求めることができる。これらの関係についての測定値の例が、図１に示されている。

ＩｎＧａＮ結晶におけるＩｎ組成比ｘと、バンドギャップエネルギーと、の関係については、多くの報告がある。ＩｎＧａＮ結晶を活性層に用いる半導体発光素子におけるピーク波長について、それらの報告を基に議論をすることは、ある程度可能である。しかしながら、ＩｎＧａＮを井戸層として半導体発光素子に用いる場合、格子定数のより小さなＧａＮ結晶に挟まれる薄膜ＩｎＧａＮ結晶層は応力を受ける一方で、バンドギャップの応力依存性に関する知見は乏しい。そのため、ＩｎＧａＮを含む井戸層におけるＩｎ組成比と、バンドギャップと、の関係を正確に見積もることは容易ではない。

さらには、下地のＧａＮ結晶層をサファイア基板上に成長する場合と、Ｓｉ基板上に成長する場合と、において、ＧａＮ結晶層の内部の応力が変化する。そのため、ＩｎＧａＮを含む井戸層に加わる応力は、さらに複雑となる。加えて、井戸層の幅に応じて発生する量子準位などの影響がある。そのため、ＩｎＧａＮ系の井戸層を含む半導体発光素子の設計値からそのピーク波長を正確に算出することは、現実的には難しい。従って、下地のＧａＮ結晶層の条件、井戸層のＩｎ組成比および井戸層の幅などを定めた上で経験的な知見で、バンドギャップとピーク波長とに関するデータを蓄積することが有効である。

本願発明者は、下地のＧａＮ層の内部応力が異なる条件下で様々な半導体発光素子を作製し、井戸層のＩｎ組成比と半導体発光素子のピーク波長との関係を実際に測定した。そして、この関係が、井戸層の厚さでどのように変化するかについて、データを蓄積した。すなわち、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ系の半導体発光素子を形成する際のＭＯＣＶＤ装置の成長パラメーターを変えて、種々の半導体発光素子が作製された。そして、それらの半導体発光素子におけるＭＱＷ構造が解析され、井戸層の厚さ（井戸層厚ｔ１）と、井戸層のＩｎ組成比ｘと、ピーク波長λｐと、の関係について調べた結果、本実施形態に係る構成が導出された。

続いて、半導体結晶層に生じる転位密度が、半導体発光素子の特性に与える影響の例について説明する。
図１２は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
図１２の横軸は、井戸層３２のＩｎ組成比ｘであり、縦軸は、ピーク波長λｐ（ｎｍ）である。
図１２には、半導体結晶層における転位密度が１．５×１０^９ｃｍ^−２以下の場合の特性ＳＬ１と、半導体結晶層における転位密度が１．５×１０^９ｃｍ^−２よりも高い場合の特性ＳＬ２と、が示されている。ここでは、井戸層厚ｔ１が３．０ｎｍである。

図１２から分かるように、半導体結晶層における転位密度が１．５×１０^９ｃｍ^−２よりも高いと（特性ＳＬ２）、転位密度が１．５×１０^９ｃｍ^−２以下の場合（特性ＳＬ１）よりも、ピーク波長λｐが長くなる。

このとき、第１半導体層１０が有する引っ張り歪みは、約０．１％と変わらないものの、発光層２０のＩｎＧａＮを含む井戸層３２における圧縮応力が転位により緩和され、バンドギャップエネルギーＥｇが狭くなるためと考えられる。ＩｎＧａＮ層に転位（または欠陥）が発生すると、この転位（または欠陥）は、非発光再結合センターとなる。そのため、半導体発光素子の発光効率が極めて低くなる。

すなわち、転位密度が、１．５×１０^９ｃｍ^−２以上である場合、同一の波長を得るためのＩｎ組成は低くなるものの、発光効率が極めて低くなる。そのため、実施形態において、半導体層における転位密度は、１．５×１０^９ｃｍ^−２以下であることが好ましい。

ＧａＮ層の成長時に、島状（三次元）成長と、横方向（二次元）成長と、の繰り返しを行うことで、例えば、Ｓｉ基板上に低い転位密度のＧａＮ結晶層を形成し易くできる。ＧａＮ層の島状成長と、ＧａＮ層の横方向成長と、については、成長時の温度及びＶ／III比の少なくともいずれかにより制御できる。例えば、Ｖ／III比が低いと島状成長が起き易い。Ｖ／III比が高いと、横方向成長が起きやすい。Ｖ／III比は、例えば、トリメチルガリウムなどのIII族原料と、アンモニアなどのＶ族原料と、の流量比である。

ＡｌＧａＮなどの応力制御層を挿入することにより、その上に成長するＧａＮ層を島状成長させやすくすることもできる。さらに、Ｓｉ原子のδドーピングにより、その上に成長するＧａＮ層を島状成長させやすくすることもできる。δドーピングにおいては、例えば、ＴＭＧの供給を止め、ＧａＮ層の成長を停止し、アンモニアガスとシランガスとを供給して、Ｓｉ原子が供給される。

島状成長の島の密度が高いと、横方向性との組み合わせによる転位密度低減の効果が高い。島の高さが低いと、横方向性との組み合わせによる転位密度低減の効果が高い。

実施形態において、発光層３０は、ＭＱＷ構造を有することが好ましい。ＭＱＷ構造における、井戸層３２及び障壁層３４のペアの数は、４以上であることがより好ましい。さらに、ペアの数は８以上であることがさらに好ましい。

実施形態において、障壁層３４の厚さ（障壁層厚ｔ２）の自由度は、比較的高い。障壁層３４の厚さが薄いと、例えば、半導体発光素子の動作電圧が低減できる。障壁層３４の厚さは、５．０ｎｍ以下であることが好ましい。

実施形態において、半導体層に引っ張り歪みを付与する方法は、任意である。例えば、半導体層（窒化物半導体）を成長させる際の成長用基板５０に、シリコン基板を用いることで、引っ張り歪みを生じさせることができる。この際、半導体層の成長条件は、引っ張り歪みが生じる条件に設定される。一方、例えば、成長用基板としては、サファイア基板を用いると、一般に、半導体層には、圧縮歪みが形成される。

この他、例えば、支持基板４０により半導体層に引っ張り歪みを生じさせても良い。例えば、支持基板４０の熱膨張係数を、半導体層の熱膨張係数よりも大きくする。そして、適切な熱処理により、半導体層に引っ張り歪みを形成しても良い。さらに、半導体層に生じる歪みを、歪み調整層により調整しても良い。

図１３は、実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１３に表した半導体発光素子１２０は、ＧａＮ層１５（図示せず）と、第１歪み調整層１６と、第２歪み調整層２２と、を含む。これ以外は、半導体発光素子１１０と同様なので説明を省略する。

ＧａＮ層１５と発光層３０との間に、第１半導体層１０が配置される。ＧａＮ層１５と、第１半導体層１０との間に、第１歪み調整層１６が配置される。一方、第２半導体層２０と発光層３０との間に第２歪み調整層２２が配置される。

第１歪み調整層１６の格子定数は、第１半導体層１０の格子定数よりも小さい。第１歪み調整層１６は、例えば、ＡｌＮ層を含む。第１歪み調整層１６は、ＡｌＧａＮ層を含んでも良い。第１歪み調整層１６により、第１半導体層１０に生じる引っ張り歪みの大きさを調整することができる。

第２歪み調整層２２の格子定数は、第１半導体層１０の格子定数よりも小さい。第２歪み調整層２２は、例えば、ＡｌＮ層を含む。第２歪み調整層２２は、ＡｌＧａＮ層を含んでも良い。第２歪み調整層２２は、例えば、第１半導体層１０及び第２半導体層２０に生じる引っ張り歪みを調整する。

図１４は、実施形態に係る別の半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図１４に表したように、実施形態に係る半導体発光素子１３０においては、成長用基板５０の上に、ＡｌＮ層とＡｌＧａＮ層とを有するバッファ層１２が配置されている。バッファ層１２の上に、複数のｉ−ＧａＮ層１４ａと、複数のＡｌＮ層１４ｂと、が交互に設けられている。ｉ−ＧａＮ層１４の厚さは、例えば、３００ｎｍである。ＡｌＮ層１４ｂの厚さは、例えば、１５ｎｍである。これらの層の上に、第１半導体層１０が設けられている。第１半導体層１０は、厚さ２μｍのｎ形ＧａＮ層１８と、厚さ１μｍのｉ−ＧａＮ層１７と、を含む。

第１半導体層１０の上には、ＳＬＳ（Super lattice structure：超格子構造）層６０が設けられている。ＳＬＳ層６０においては、複数のＧａＮ層と、複数のＩｎＧａＮ層と、が交互に配置されている。ＧａＮ層の厚さは、例えば、３ｎｍである。このＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成比は０．０７である。このＩｎＧａＮ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＧａＮ層とＩｎＧａＮ層とを１ペアとして、ペアの数が、３０である。

ＳＬＳ層６０の上に、発光層３０が設けられている。発光層３０は、ＭＱＷ構造を有する。この例では、例えば、障壁層３４と井戸層３２との組み合わせを１ペアとして、ペアの数は８である。障壁層３４には、例えば、ＧａＮが用いられる。障壁層３４の厚さは、例えば５ｎｍである。井戸層３２には、例えば、Ｉｎ組成比ｘが０．１５のＩｎＧａＮが用いられる。井戸層３２の厚さは、例えば、３ｎｍである。

発光層３０の上に、Ａｌ組成比２０％のｐ形ＡｌＧａＮ層（第２歪み調整層２２）が配置されている。ｐ形ＡｌＧａＮ層（第２歪み調整層２２）の上には、ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）が配置されている。ｐ形ＧａＮ層（第２半導体層２０）上には、導電層９０（例えば反射金属層）が配置されている。反射金属層９０の上に、支持基板４０が設けられている。例えば、既に説明したように、成長用基板５０を剥離して素子を完成させる。

以下、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法の例について説明する。以下では、半導体発光素子１３０の製造方法の例について、説明する。
図１５（ａ）〜図１５（ｃ）、図１６（ａ）〜図１６（ｄ）、図１７（ａ）〜図１７（ｆ）は、実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

成長用基板５０として、例えば、（１１１）面を表面とするシリコン基板を用意する。成長用基板５０の厚さは、例えば、約５２５μｍである。成長用基板５０の厚さは、例えば、２５０μｍ以上１０００μｍ以下でも良い。

成長用基板５０（シリコン基板）に酸処理洗浄を施す。例えば、基板表面の汚染物を除去する酸洗浄処理を施した後に、成長用基板５０を、濃度１％程度の希弗酸溶液により約１分程度の処理を行う。この処理により、成長用基板５０のシリコン結晶表面は、水素で終端された表面構造となり、はっ水性の表面となる。このシリコン結晶表面を覆う水素原子は、７００℃程度の温度で脱離する。これにより、清浄なシリコン結晶表面を得ることができる。清浄なシリコン結晶表面を得るための他の手法として、薄い自然酸化膜で表面が覆われたシリコン結晶基板を、１０００℃以上の高温で熱処理する方法もある。

表面が水素終端処理された成長用基板５０を、有機金属とアンモニアガスとを原料とする成膜装置（ＭＯＣＶＤ装置）に導入する。成膜装置として、ＥＣＲプラズマスパッタ装置またはＭＢＥ装置などを用いてもよい。

ＭＯＣＶＤ装置により、厚さ１００ｎｍのＡｌＮ層を、成膜温度１２００℃で形成する。このとき、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）およびＮＨ_３（アンモニア）を原料としている。ついで、基板温度を１１００℃に設定し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）を加え、Ａｌ組成比２５％、厚さ２５０ｎｍのＡｌＧａＮ層を形成する。このようにして形成されたＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層は、バッファ層１２に対応する。

その後、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＮＨ_３（アンモニア）を原料として、０．３μｍ以上１．０μｍ以下の厚さのＧａＮ層１４ａを形成する。この後、成膜温度を７００℃に下げ、厚さ１５ｎｍのＡｌＮ層１４ｂを成長する。ＡｌＮ層１４ｂは、例えば、成長時の応力調整層として機能する。このＧａＮ層１４ａとＡｌＮ層１４ｂとを交互に複数、形成する。

続いて、ｉ−ＧａＮ層１７を形成し、その上に、ｎ形ＧａＮ層１８を形成する。ｉ−ＧａＮ層１７の厚さは、例えば、１μｍ以上３μｍ以下である。ｎ形ＧａＮ層１８の厚さは、１μｍ以上５μｍ以下である。ｎ形ＧａＮ層１８における不純物濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３である。ｉ−ＧａＮ層１７と、ｎ形ＧａＮ層１８と、の部分が第一半導体層１０に相当する。

第１半導体層１０の上に、ＳＬＳ層６０を形成する。ＳＬＳ層６０の上に、発光層３０を形成する。さらに、発光層３０の上に、第２歪み調整層２２として、Ａｌ組成比２０％、厚さ１５０ｎｍのＡｌＧａＮ層を形成する。第２歪み調整層２２の上に、第２半導体層２０を形成する。第２歪み調整層２２にも、Ｍｇのドーピングをしてもよい。Ｍｇのドーピング濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３である。ＭＯＣＶＤ法によりＭｇドーピング層を形成する場合には、ドーピング濃度はメモリー効果により変化する。このため、必ずしも均一なドーピングプロファイルにはならない。従って、Ｍｇのドーピング濃度は、上述の範囲を外れることもある。

半導体層の形成方法として、気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）の他、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ: Molecular Beam Epitaxy）またはＨＶＰＥ法(Hydride Vapor Phase Epitaxy)などを用いても良い。

図１５（ａ）は、このようにして得られた、薄膜結晶層７０を例示している。薄膜結晶層７０は、エピタキシャル成長により形成されている。

図１５（ｂ）に表したように、第２半導体層２０の表面に、導電層９０を形成する。導電層９０は、反射膜兼コンタクト層として機能する。導電層９０には、Ａｇを含む金属膜である、例えば銀ニッケル層が形成される。この後、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ及びＡｕなどの金属の中間層（図示せず）と、接合金属（例えば金錫合金（図示せず））と、を介して、支持基板４０が接合される。支持基板４０には、銅などが用いられ、導電性である。支持基板４０の厚さは、例えば、１００μｍ以上２００μｍ以下である。導電層９０の少なくとも一部が、ｐ側電極（第２電極８２）となる。

図１５（ｃ）に表したように、成長用基板５０を除去する。すなわち、第２半導体層２０側に支持基板４０を接合した後に、成長用基板５０を研削することにより、除去する。このとき、例えば、成長用基板５０の一部を研削により除去した後、例えば、ＳＦ_６ガスをエッチャントとするドライエッチングにより、成長用基板５０のうちの残存部分を除去する。これにより、例えば、成長用基板５０の上に最初に形成したＡｌＮ層（バッファ層１２）を露出させる。

ここで、ＡｌＮ層は、抵抗成分を高くする性質を有する。そのため、例えば図１４に関して前述した積層構造を有する半導体発光素子では、ＡｌＮ系バッファ層（例えば、ＡｌＮ層を含むバッファ層１２）およびＡｌＮ系成長時応力調整層を除去しｎ形ＧａＮ層１８を露出させた後に、ｎ側電極を施す例がある。

具体的には、ＡｌＮ系バッファ層あるいはＡｌＮ層は、電極形成を考えた場合には、高いコンタクト抵抗を有する。また、シリーズ抵抗成分が増加する。そのため、一般的なプロセスでは、電極形成部のＡｌＮ系バッファ層及びＡｌＮ系成長時応力調整層を除去しｎ側電極（第１電極８１）を形成する部分においてｎ形ＧａＮ層を露出させる。

一方、以下の例では、バッファ層１２を除去しつつも、ＡｌＮ系成長時応力調整層を第１歪み調整層として利用する場合も含めて例を説明する。
図１６（ａ）に表したように、薄膜結晶層７０を素子のサイズで窒化物半導体結晶層部７０ａに分割する。このとき、ｐ形電極（第２電極８２）金属よりも下の基板側については、分割しない状態で保持する。

続いて、図１６（ｂ）に表したように、ｎ側電極（第１電極８１）を形成する部分以外をマスク８７で保護した上で、バッファ層１２から成長時応力調整層までをエッチング除去し、第１半導体層１０（ｎ形ＧａＮ）を露出させる。

そののち、図１６（ｃ）に表したように、ｎ側電極（第１電極８１）を形成する部分のみをマスク８９で保護した上で、ＫＯＨ溶液により窒化物半導体表面（第１半導体層１０）側に深さ約５００ｎｍ程度の凹凸加工を施す。このとき、表面に露出しているＡｌＮおよびＡｌＧａＮ層（バッファ層１２）は、エッチングにより除去される。また、薄膜結晶層７０（窒化物半導体結晶層部７０ａ）の内部に含まれるＡｌＮ系成長時応力調整層については、窒化物半導体表面の凹凸加工により除去される。ただし、ＡｌＮ系成長時応力調整層を除去せず残し、第１歪み調整層として用いることもできる（図１６（ｃ）参照）。 図１６（ｄ）に表したように、ｐ形電極およびｎ形電極を形成して完成する。

前述の作製方法では、ｐ形電極およびｎ形電極を窒化物半導体結晶層の両側から形成する手順について説明した。ただし、両方の電極（ｐ形電極およびｎ形電極）を光取出し面の反対側に形成することも可能である。以下、具体的な作製方法の例を説明する。

（１１１）面を表面とする成長用基板５０上にＬＥＤ構造を有する窒化物半導体薄膜結晶の積層構造をエピタキシャル成長する工程は、前述と同様であるため省略する。表面にｐ形ＧａＮ結晶層を有するＬＥＤ構造の窒化物半導体薄膜結晶成長層のエピタキシャル成長が終了したのち、最初にｐ形ＧａＮ層の全面に保護膜８５を形成する。その後に、一部を開口しエッチング処理を施す。このエッチング処理により開口部分のｐ形層、第２歪み調整層２２および発光層３０をエッチングし、ｎ−ＧａＮ層１０を露出させる（図１７（ａ）参照）。

そののち、図１７（ｂ）に表したように、露出させたｎ−ＧａＮ層の部分にオーミックコンタクト８３を形成する。オーミックコンタクト８３は、例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｎｉ及びＡｕの少なくともいずれかを含む。

そののち、ｐ形ＧａＮ層を覆う保護膜８５を除去し、ｎ電極形成部に保護膜８４を形成する。さらに、ｐ形ＧａＮ層表面に反射金属層９０を積層する。反射金属層９０には、例えば、銀、または、銀を主成分とする合金が用いられる。反射金属層９０の上に、例えば中間層（図示せず）と、接合金属層と、を積層する。中間層には、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔ及びＡｌの少なくともいずれかの金属が用いられる。接合金属層には、例えば、金錫合金が用いられる。そののち、支持基板４０が貼り合わせる（図１７（ｃ）参照）。支持基板４０には、例えば、銅などの金属が用いられる。支持基板４０の厚さは、１００〜２００μｍ程度であることが好ましい。

図１７（ｄ）に表したように、支持基板４０を張り合わせた後に、エピタキシャル成長に用いたＳｉ基板５０を剥離しＡｌＮバッファ層１２を露出させる。ＡｌＮバッファ層が露出された後に、露出面に凹凸加工を施す。このとき、ＡｌＮバッファ層は除去される。さらに、ＡｌＮ系の成長時応力調整層を除去する。あるいは、ＡｌＮ系の成長時応力調整層を除去せず第１歪み調整層１６として用いる（図１７（ｅ）参照）。このような素子作製プロセスにおいては、光取出し面にｎ側電極がない。そのため、全面を凹凸加工することが可能である。

凹凸加工終了後に、銅の支持基板４０のｎ電極部分を開口する。続いて、支持基板４０と絶縁をしてｎ引き出し電極を露出させ、ｎ電極の配線を接続する。ｐ側電極については、基板４０を利用することができる（図１７（ｆ）参照）。

ここで、前述したように、ｎ電極をｎ−ＧａＮ層の側から形成する場合には、ＬＥＤ構造の薄膜結晶成長終了直後に平坦なｐ−ＧａＮ層の上に銅の支持基板４０を張り合わせる。これに対して、ｎ電極をｐ−ＧａＮ層の側から形成するプロセスでは、予めｎ電極部を形成したｐ形ＧａＮ層の上に銅の支持基板４０を張り合わせることになる。すなわち、一部に加工の凹凸のある（平坦ではない）表面に、銅の支持基板４０を張り合わせることが必要となる。張り合わせの際には、接合金属層を介することで接合面の凹凸に追従させている。ただし、平坦面への張り合わせに比べると、ボイドなどの発生に伴う接合特性の劣化が生ずることがある。この問題に対応するためには、銅の支持基板４０を前述のとおり板状基板として張り合わせるのではなく、めっき工程で形成する手法も有効な手段の１つである。

具体的には、成長用基板５０上にＬＥＤ構造の窒化物半導体結晶層のエピタキシャル成長を施した基板に、ｎ電極およびｐ電極の形成準備の加工を施す。そののち、反射金属層９０と、中間層と、を蒸着層またはスパッタ法などで積層する。反射金属層９０には、銀、または、銀を主成分とする金属が用いられる。中間層には、例えば、Ｔｉ、ＷまたはＰｔなどの金属が用いられる。続いて、Ｔｉ及びＣｕの少なくともいずれかを含むシード層を積層し、さらにメッキ法で１００μｍ程度の厚さの銅層を形成する。メッキ法で銅の支持基板４０を形成する場合には、電極形成部の凹凸に対して密着性の高い構造の作製が可能となる。

導電性の支持基板４０の材料は、銅（熱伝導率：３７０Ｗｍ^−１Ｋ^−１〜３８０Ｗｍ^−１Ｋ^−１、熱膨張係数１６．６×１０^−６Ｋ^−１）の他に、金（熱伝導率：２９５Ｗｍ^−１Ｋ^−１〜３２０Ｗｍ^−１Ｋ^−１、熱膨張係数１４．２×１０^−６Ｋ^−１）、銀（熱伝導率：４１８Ｗｍ^−１Ｋ^−１、熱膨張係数１８．９×１０^−６Ｋ^−１）などでもよい。また、導電性の支持基板４０の材料は、アルミニウム（熱伝導率：２００Ｗｍ^−１Ｋ^−１〜２３０Ｗｍ^−１Ｋ^−１、熱膨張係数２３．１×１０^−６Ｋ^−１）でもよい。さらに、導電性の支持基板４０の材料は、上記金属同士の合金、あるいは上記金属を母材とする合金などでもよい。導電性の支持基板４０は、合金を含む上記金属層を主たる層として、その他の材料と組み合わせた積層膜構造を有していてもよい。すなわち、実施形態の支持基板４０は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）およびアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された少なくともいずれか２つ以上を含む合金を含む。

実施形態によれば、発光効率の高い半導体発光素子が提供される。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる発光層、半導体層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…第１半導体層、 １２…バッファ層、 １４ａ…ｉ−ＧａＮ層、 １４ｂ…ＡｌＮ層、 １５…ＧａＮ層、 １６…第１歪み調整層、 １７…ｉ−ＧａＮ層、 １８…ｎ形ＧａＮ層、 ２０…第２半導体層、 ２２…第２歪み調整層、 ３０…発光層、 ３２…井戸層、 ３４…障壁層、 ４０…支持基板、 ５０…成長用基板、 ５５…成長用基板、 ６０…ＳＬＳ層、 ７０…結晶成長層、 ７０ａ…窒化物半導体結晶層部、 ８１…第１電極、 ８２…第２電極、 ８３…オーミックコンタクト、 ８４…保護膜、 ８５…保護膜、 ８７…マスク、 ８９…マスク、 ９０…導電層、 １１０、１１９、１２０、１３０…半導体発光素子、

Claims (12)

1. 窒化物半導体結晶を含む第１導電形の第１半導体層と、
   窒化物半導体結晶を含む第２導電形の第２半導体層と、
   前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ厚さｔ１（ナノメートル）の井戸層を含む発光層であって、前記井戸層は、０よりも高く１よりも低いＩｎ組成比ｘを有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの井戸層を含む、発光層と、
   を備え、
   前記第１半導体層は、前記第１半導体層から前記第２半導体層に向かう積層方向に対して垂直な平面内において０．０２パーセント以上０．２５パーセント以下の引っ張り歪みを有し、
   前記第２半導体層は、前記平面内の引っ張り歪みを有し、
   前記井戸層の格子定数は、前記第１半導体層の格子定数よりも大きく、前記第２半導体層の格子定数よりも大きく、
   前記発光層から放出される光のピーク波長λｐ（ナノメートル）は、
   λｐ＝ａ１＋ａ２×（ｘ＋（ｔ１−３．０）×ａ３）
   の関係を満たし、
   前記ａ１は、３５９以上３６３以下であり、
   前記ａ２は、５３４以上５５０以下であり、
   前記ａ３は、０．０２０５以上０．０２３５以下である半導体発光素子。
2. 前記第１半導体層のｃ軸方向と、前記積層方向と、の間の角度は、５度以下である請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第１半導体層は、ＧａＮを含む請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２半導体層は、ＧａＮを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記井戸層の厚さは、２．７（ナノメートル）以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記波長は、４３０（ナノメートル）以上４５０（ナノメートル）以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 前記井戸層のＩｎ組成比は、０．２以下である請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記第１半導体層における転位密度は、１．５×１０^９ｃｍ^−２以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
9. 前記発光層は、複数の障壁層をさらに含み、
   前記井戸層は、複数設けられ、
   前記複数の前記井戸層と、前記複数の障壁層と、は交互に配置され、
   前記複数の井戸層の数は、４以上であり、
   前記複数の障壁層の数は、４以上である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
10. 前記障壁層は、ＧａＮを含む請求項９記載の半導体発光素子。
11. 前記障壁層の厚さは、１．０（ナノメートル）以上５．０（ナノメートル）以下である請求項９または１０に記載の半導体発光素子。
12. 格子長が格子定数よりも長い窒化物半導体結晶を含む第１導電形の第１半導体層と、
    格子長が格子定数よりも長い窒化物半導体結晶を含む第２導電形の第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられ格子長が格子定数よりも短く厚さｔ１（ナノメートル）の井戸層を含む発光層であって、前記井戸層は、０よりも高く１よりも低いＩｎ組成比ｘを有するＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの井戸層を含み、所定のピーク波長λｐを発光する発光層と、
    を備え、
    前記発光層が前記所定のピーク波長λｐと同等のピーク波長を得るように構成された場合において、
    前記厚さｔ１は、格子長が格子定数と同等の井戸層の厚さよりも薄いこと、及び、前記Ｉｎ組成比ｘは、格子長が格子定数と同等の井戸層のＩｎ組成比よりも低いこと、の少なくともいずれかを満たす半導体発光素子。