JP2016039326A - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ディープ発光を抑制し、単色性を高めて発光効率の良い窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】 本発明の窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層に挟持されて構成された活性層とを有する素子である。ｎ型半導体層はＧａＮ層を含み、ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度が５?１０１８／ｃｍ３以下である。【選択図】 図４

Description

本発明は窒化物半導体発光素子に関し、特に発光効率を向上させた発光素子に関する。

従来、窒化物半導体を用いた発光素子は、青色発光ダイオードなどに広く利用されている。最近では、更に短波長の領域、例えば、発光波長が３７０ｎｍ帯域にある紫外発光ダイオード（ＬＥＤ）の開発が進められている。

しかし、発光波長が４０５ｎｍ以下といった紫色波長帯、又は波長が３７５ｎｍ以下といった紫外領域の発光デバイスを作製すると、黄色可視光帯の発光（いわゆる「ディープ発光」）が見られるようになり、デバイスの発光色は白みがかった色が強くなるといった現象が発生している。この現象により、紫外光領域又は紫色の光を放射するべきところが、黄色又は白色の発光が生じ、ディープ発光による可視光成分がノイズとなって、放射する光の単色性が取れないという問題があった。また、必要な波長以外の光が放射されることにより、発光効率そのものが低下するという問題があった。

このディープ発光が生じる原因としては、これまで活性層中の欠陥や不純物準位での発光と言われているが、定かではなかった。

なお、下記非特許文献１には、フォトルミネッセンスの測定から、ディープ発光にはＣ（炭素）が何らかの影響を及ぼしているのではないかという記載がされている。

水木 他、「ＣドープＧａＮの核反応分析：格子間炭素とイエロールミネッセンスの相関について」、平成１７年３月、第５２回応用物理学会関係連合講演会講演予稿集３１ａ−Ｌ−３５ S.Fritze, et al., "High Si and Ge n-type doping of GaN doping - Limits and impact on stress", Applied Physics Letters 100, 122104, (2012)

本発明者は、上述したように、もし活性層中の欠陥や不純物準位での発光がディープ発光の原因であるとすれば、活性層の質を高めることでディープ発光を減衰させることができるものと推察した。すなわち、活性層内の欠陥や含有不純物を限りなく少なくすることで、ディープ発光を大幅に減衰させることができると推察した。

そこで、主たる発光波長が３７０ｎｍ帯の別々の紫外ＬＥＤ素子（５１〜５５）に対して同一の電流を流し、それぞれについて、素子の主たる発光波長の発光出力と、主たる発光波長の光強度に対するディープ発光強度の割合（以下、「ディープ強度比」という。）の関係を測定した。この測定結果を図１に示す。

同一の電流が流された状態で、主たる発光波長の光強度が高いＬＥＤ素子５４，５５は、ＬＥＤ素子５１，５２に比べて欠陥や含有不純物の少ない良質な活性層を有しているものと考えられる。

確かに、ＬＥＤ素子５１に比べると、その素子よりも良質な活性層を有していると考えられるＬＥＤ素子５２〜５５は、そのディープ強度比が低下している。この点のみを踏まえると、活性層の質を高めることでディープ強度比を低下させることができていると考えられる。つまり、活性層中の欠陥や不純物準位での発光がディープ発光の原因であると結論付けることが可能である。

しかし、ＬＥＤ素子５１，５２，５３，５４，５５の順に主たる発光波長の発光出力が大幅に高くなっている以上、この順に活性層の質は向上しているといえるが、ディープ強度比の低下割合は、この発光出力の向上の割合に比べて著しく低い。しかも、ＬＥＤ素子５４と５５を比べると、発光出力には十分な差異が現れているのにも関わらず、ディープ強度比はほとんど変化していない。

本発明者は、この実験結果から、ディープ発光は、活性層中の欠陥や不純物準位での発光とは異なる別の事象に基づいて生じているのではないかと考察し、かかる原因を究明することによって、ディープ強度比を低下させることが可能であることに思いを至った。

本発明は、ディープ発光を抑制し、単色性を高めて発光効率の良い窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層に挟持されて構成された活性層とを有する窒化物半導体発光素子であって、
前記ｎ型半導体層はＧａＮ層を含み、前記ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする。

また、本発明は、基板上に、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層に挟持されて構成された活性層とを有する窒化物半導体発光素子であって、
前記基板と前記活性層の間にＧａＮ層を含み、前記ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを別の特徴とする。

窒化物半導体発光素子は、サファイア等の成長基板の上層にＧａＮ層を成長させた後、当該ＧａＮ層の上層に各半導体層を成長させるのが一般的である。ここで、窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子としては、いわゆる「横型構造」と「縦型構造」の２種類が大きく存在する。横型構造とは、成長基板をそのまま残した上で、成長基板の同一面側にｎ側電極とｐ型電極が配置された構造を指す。また、縦型構造とは、成長基板の反対側に支持基板を貼り付けた上で成長基板及び成長基板の直上に形成されたＧａＮ層を除去し、支持基板の一方の面にｎ側電極を配置し、他方の面にｐ側電極を配置してなる構造を指す。

本発明者の鋭意研究によれば、他の成長条件を同一にして横型構造のＬＥＤ素子と縦型構造のＬＥＤ素子を製造すると、横型構造のＬＥＤ素子においてディープ発光の強度が高いことが確認された（図２参照）。図２は、成長基板及びその上層に成長したＧａＮ層を除去して構成した縦型構造のＬＥＤ素子と、成長基板及び前記ＧａＮ層を残存させた横型構造のＬＥＤ素子に対して、それぞれ同一の電圧を加えたときに得られる光のスペクトル分布を示すグラフである。横軸は発光波長、縦軸が発光強度である。なお、いずれのＬＥＤ素子も、主たる発光波長が３７０ｎｍ帯となるような条件で製造されたものである。

図２によれば、縦型構造の素子に比べて、横型構造の素子では、黄色の可視光波長帯を含む５５０ｎｍ−６００ｎｍ帯の発光波長（ディープ発光）の強度が高くなっていることが分かる。かかる結果から、本発明者は、ＧａＮ層が存在することで、ディープ発光の強度が高くなっているのではないかと推察した。

また、本発明者は、この理由として、活性層から放出された主たる発光波長の光をＧａＮ層が吸収することにより、主たる発光波長の強度が低下した結果、相対的にディープ発光の強度が高まったのではないかという仮説を立てた。そこで、横型構造の素子として、ｎ型半導体層をＡｌＧａＮで構成したもの（検証例１）と、ｎ型半導体層をＧａＮで構成したもの（検証例２）とをそれぞれ作製し、同一条件で発光させてそれぞれのディープ強度比を測定した。なお、ここでいう「ディープ強度比」とは、主たる発光波長の発光強度に対する、黄色の可視光波長帯を含む波長が５５０ｎｍ−６００ｎｍ帯の発光（ディープ発光）の強度の比率を指す。

もし、ＧａＮ層での吸収に起因して主たる発光波長の強度が低下した結果、相対的にディープ発光の強度が高まるのであれば、検証例２の方が検証例１よりもディープ強度比が高くなるはずである。しかし、上記検証の結果、ディープ強度比は共に０．１％程度であり、検証例１と検証例２に有意な差は認められず、上記の仮説は正しくないという結論に達した。

そこで、本発明者は、更に研究を重ねた結果、ＧａＮ層に含まれるｎ型ドーパント濃度によってディープ発光の強度が影響されることを突き止めた。すなわち、ＧａＮ層に含まれるｎ型ドーパント濃度を高くするとディープ発光の強度が高まり、同濃度を低くするとディープ発光の強度が低下することを見出した。特に、ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、主たる発光波長の発光出力に対して、ディープ発光の発光出力を有意に低下させることができることを突き止めた。この点は、「実施例」を参照して後述される。

なお、前記窒化物半導体発光素子において、ｎ型半導体層は、ＧａＮ層のみで構成されていても構わないし、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ１≦１、０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１、Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＝１）とＧａＮ層の積層構造であっても構わない。いずれの場合においても、前記ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下である。この場合、前記窒化物半導体発光素子を、縦型構造のＬＥＤ素子として構成しても構わないし、横型構造のＬＥＤ素子として構成しても構わない。

また、前記窒化物半導体発光素子は、基板とｎ型半導体層の間に、ｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下のＧａＮ層を有しているものとしても構わない。この場合、前記窒化物半導体発光素子は横型構造のＬＥＤ素子として構成することができる。

上記構成において、ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度を１×１０^１７／ｃｍ^３以下としても構わない。かかる構成とすることで、主たる発光波長の発光出力に対する、ディープ発光の発光出力を更に低下させることができる。

本発明の窒化物半導体発光素子は、主たる発光波長が４０５ｎｍ以下であるものとすることができる。

また、本発明の窒化物半導体発光素子は、黄色の可視光波長の発光強度が、主たる発光波長の発光強度に対して強度比が０．１％以下であることを別の特徴とする。ここで、「強度比」とは、主たる発光波長のピーク強度に対する波長５５０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の黄色の可視光波長のピーク強度の比をいう。

上述したように、ｎ型半導体層がＧａＮ層を含む場合においては、当該ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、黄色の可視光波長の発光強度が、前記主たる発光波長の発光強度に対して強度比が０．１％以下となり、ディープ発光が問題とならないレベルにまで抑制される。また、基板と活性層の間にＧａＮ層を含む場合においては、当該ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、黄色の可視光波長の発光強度が、前記主たる発光波長の発光強度に対して強度比が０．１％以下となり、ディープ発光が問題とならないレベルにまで抑制される。

本発明の窒化物半導体発光素子によれば、ディープ発光が抑制されるので、高い単色性と、高い発光効率を有する発光素子が実現される。

別々の紫外ＬＥＤ素子に対して同一の電流を流したときの、各素子の主たる発光波長の発光出力と、主たる発光波長の光強度に対するディープ発光強度の割合の関係を示すグラフである。 成長条件を同一にして製造された横型構造のＬＥＤ素子と縦型構造のＬＥＤ素子に対して、それぞれ同一の電圧を加えたときに得られる光のスペクトル分布を示すグラフである。 窒化物半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。 実施例１、実施例２、比較例１の３素子に同一の電圧を加えたときに得られる光のスペクトル分布を示すグラフである。 ｎ型ドーパントの濃度を１．５×１０^１９／ｃｍ^３としたときのＧａＮの層表面のＳＥＭ写真である。

［構造］
本発明の窒化物半導体発光素子１の構造につき、図３を参照して説明する。図３は窒化物半導体発光素子１（適宜、「発光素子１」と略記する。）の構成を模式的に示す断面図である。

発光素子１は、基板２と、基板２の上面に形成された第一ＧａＮ層３と、第一ＧａＮ層３の上層に形成されたｎ型半導体層４と、ｎ型半導体層４の上層に形成された活性層５と、活性層５の上層に形成されたｐ型半導体層６とを有する。

（基板２）
基板２は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＹＡＧなどで構成しても構わない。

（第一ＧａＮ層３）
第一ＧａＮ層３は、ｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下で構成されている。ここでいうｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏなどが挙げられる。

（ｎ型半導体層４）
ｎ型半導体層４は、例えばＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎ（０≦Ｘ１≦１、０≦Ｘ２≦１、０≦Ｘ３≦１、Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３＝１）によって構成される。一例として、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎで構成することができる。

なお、ｎ型半導体層４として、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３ＮとＧａＮの積層構造を採用することもできる。このＧａＮを「第二ＧａＮ層」と呼ぶとすれば、この第二ＧａＮ層も、第一ＧａＮ層３と同様に、ｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下で構成されている。

（活性層５）
活性層５は、例えばＩｎＧａＮからなる発光層とＡｌＧａＮからなる障壁層が複数層繰り返されて構成される。これらの層はアンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。

（ｐ型半導体層６）
ｐ型半導体層６は、Ａｌ_Ｙ１Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_Ｙ３Ｎ（０≦Ｙ１≦１、０≦Ｙ２≦１、０≦Ｙ３≦１、Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＝１）によって構成される。一例として、ｐ型半導体層６をＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎで構成することができる。

なお、ｐ型半導体層６として、Ａｌ_Ｙ１Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_Ｙ３ＮとＧａＮの積層構造を採用することもできる。

［製造プロセス］
次に、図３に示した発光素子１の製造プロセスにつき説明する。なお、この製造プロセスはあくまで一例であり、ガスの流量、炉内温度、炉内圧力等は適宜調整して構わない。

まず、基板２の上層に第一ＧａＮ層３を形成する。これは、例えば以下の方法により実現される。

（基板２の準備）
基板２としてのサファイア基板を準備し、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

（第一ＧａＮ層３の形成）
次に、ｃ面サファイア基板の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層が第一ＧａＮ層３に対応する。

第一ＧａＮ層３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２２３０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、ｃ面サファイア基板の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２２３０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。

原料ガス中の水分やＭＯＣＶＤ装置の部材などからＯが取り込まれる場合がある。また、従来、このような第一ＧａＮ層３を成長させるにあたって、意図的にＳｉを導入する場合があった。本構成のＬＥＤ素子１においては、このようなＳｉやＯといったｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲内になるよう、第一ＧａＮ層３を成長させる。具体的な方法の一例としては、例えば第一ＧａＮ層３の成長時にＳｉ含有の原因となる材料を導入しないことや、利用前にＭＯＣＶＤ装置を厳密に清浄しておき、残存しているおそれのあるＯやＳｉの成分を極力除去しておくことなどが挙げられる。

（ｎ型半導体層４の形成）
次に、第一ＧａＮ層３の上層にＡｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎの組成からなるｎ型半導体層４を形成する。

ｎ型半導体層４のより具体的な形成方法は、例えば以下の通りである。まず、引き続き炉内温度を１１５０℃とした状態で、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、ＴＭＧ，トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），アンモニア及びｎ型不純物をドープするためのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給する。これにより、例えばＡｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎの組成を有し、厚みが１．７μｍのｎ型半導体層４が第一ＧａＮ層３の上層に形成される。

なお、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎの上層にＧａＮ（上記「第二ＧａＮ層」に対応）を成長させてｎ型半導体層４を構成する方法も可能である。この場合には、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎの成長後、例えば、ＴＭＡの供給を停止すると共に、それ以外の原料ガスを６秒間供給することで、厚みが５ｎｍの第二ＧａＮ層を形成することができる。

ｎ型半導体層４として第二ＧａＮ層を成長させる場合には、第一ＧａＮ層３と同様に、ｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下の範囲内になるように第二ＧａＮ層を成長させる。

なお、上述の例では、ｎ型半導体層４に含まれるｎ型不純物をＳｉとする場合について説明しているが、Ｓｉの他、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｔｅなどを用いることもできる。

（活性層５の形成）
次に、ｎ型半導体層４の上層に活性層５を形成する。

具体的には、まずＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる発光層及び厚みが７ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮよりなる障壁層が１５周期繰り返されてなる活性層５が、ｎ型半導体層４の表面に形成される。

（ｐ型半導体層６の形成）
次に、活性層５の上層に、Ａｌ_Ｙ１Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_Ｙ３Ｎで構成されるｐ型半導体層６を形成する。

具体的には、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０２５℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及びｐ型不純物をドープするための流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、活性層５の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＧの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型半導体層６が形成される。

なお、Ａｌ_Ｙ１Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_Ｙ３Ｎの上層にｐ型ＧａＮを成長させてｐ型半導体層６を構成する方法も可能である。この場合には、Ａｌ_Ｙ１Ｉｎ_Ｙ２Ｇａ_Ｙ３Ｎの成長後、例えば、ＴＭＡの供給を停止すると共に、ＴＭＡの供給を停止すると共に、ＣＰ_２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給する。これにより、厚みが５ｎｍのｐ型ＧａＮが形成される。

なお、上述の例では、ｐ型半導体層６に含まれるｐ型不純物をＭｇとする場合について説明しているが、Ｍｇの他、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃなどを用いることもできる。

（後の工程）
基板２の同一面側にｎ側電極とｐ型電極を配置するいわゆる「横型構造」のＬＥＤ素子を実現する場合には、ＩＣＰエッチングによりｎ型半導体層４の一部上面を露出させ、露出したｎ型半導体層４の上層にｎ側電極を形成し、ｐ型半導体層６の上層にｐ側電極を形成する。そして、各素子同士を例えばレーザダイシング装置によって分離し、電極に対してワイヤボンディングを行う。これにより、いわゆる「横型構造」を有するＬＥＤ素子が製造される。

一方、基板の一方の面にｎ側電極を配置し、他方の面にｐ側電極を配置してなる、いわゆる「縦型構造」のＬＥＤ素子を製造する場合には、以下の手順による。まず、ｐ型窒化物半導体層６の上層にｐ側電極となる金属電極（反射電極）、ハンダ拡散防止層、及びハンダ層を形成する。そして、ハンダ層を介して、導体又は半導体で構成された支持基板（例えばＣｕＷ基板）を貼り合わせた後、上下を反転させて基板２をレーザ照射等の方法により剥離する。その後、ｎ型半導体層４の上層にｎ側電極を形成する。以下、横型構造と同様に、素子分離及びワイヤボンディングを行う。

なお、上述したように、ｎ型半導体層４は、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎ層のみで構成されている場合の他、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎ層とＧａＮ層を含む層であっても構わない。また、Ａｌ_Ｘ１Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_Ｘ３Ｎ層は、ＡｌＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、又はＧａＮ層のいずれの層で構成されていても構わないし、これらが複数層積層されていても構わない。但し、ｎ型半導体層４をＡｌＩｎＧａＮ層で構成する場合、Ｉｎの組成比は極めて低い（例えば１％未満）ものとして構わない。ｐ型半導体層６についても同様である。

［実施例］
以下、実施例を参照して説明する。

上述のプロセスにおいて、ｎ型半導体層４に含まれるＧａＮ層（上記の「第二ＧａＮ層」に対応する。）にドープされるＳｉ濃度を異ならせ、他の条件は同じにすることで、実施例１、実施例２、比較例１の３つの横型構造のＬＥＤ素子を製造した。

実施例１の素子は、第二ＧａＮ層のＳｉ濃度が５×１０^１６／ｃｍ^３である。
実施例２の素子は、第二ＧａＮ層のＳｉ濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３である。
比較例１の素子は、第二ＧａＮ層のＳｉ濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３である。

図４は、実施例１、実施例２、比較例１の各ＬＥＤ素子に同一の電圧を加えたときに得られる光のスペクトル分布を示すグラフである。横軸は発光波長、縦軸が発光強度である。図４によれば、比較例１においては、３７０ｎｍ帯の発光強度に対して、黄色の可視光波長帯を含む５５０ｎｍ−６００ｎｍ帯の発光波長（ディープ発光）の強度の比率（ディープ強度比）は約０．１５％であり、０．１％を超えている。この場合、本来であれば紫外光が発光されることで、ピーク波長の裾部分に該当する紫色の可視光の影響を受けて濃い紫色の光が発光されるはずであるが、ディープ発光の影響を受けて白っぽく光ることが確認された。紫色系の光と黄色系の光が混合されたことで、発光色が白っぽく発光されたものと考えられる。なお、図４によれば、実施例１のディープ強度比は約０．０６％、実施例２のディープ強度比は約０．０９％である。

実施例１、実施例２では、ディープ強度比が０．１％以下に抑えられており、素子からの発光色から白っぽさがなくなっていることが確認された。比較例１，実施例１，実施例２を比べると、ｎ型半導体層４のＳｉ濃度を低下させるほど、ディープ強度比を低下させる効果が得られていることが分かる。

この結果と、「課題を解決するための手段」の項で上述した検証結果に基づけば、ＧａＮ層に含有されるＳｉ濃度を低下させることで、ディープ発光強度を低下できることが分かる。なお、上記実施例１，実施例２，及び比較例１の各素子においては、第一ＧａＮ層３のＳｉ濃度はいずれも５×１０^１８／ｃｍ^３を下回っていた。このことから、ＧａＮ層を有するＬＥＤ素子において、当該ＧａＮ層のＳｉ濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、ディープ発光強度を低減できることが分かる。

本来、ｎ型半導体層４は、抵抗率を低下させる観点から、ｎ型ドーパントの濃度をできるだけ高めることが一般的である。また、ｎ型ドーパントとしてはＳｉが一般的に利用される。

ここで、ｎ型半導体層４としてＧａＮ層を有する場合、ＧａＮ層にドープされるＳｉ濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３以上にすると、原子結合の状態が悪化するなどの原因により、ＧａＮ層の表面に膜荒れが発生してしまうという現象が知られている（例えば上記非特許文献１参照）。

図５は、ｎ型ドーパントの濃度を１．５×１０^１９／ｃｍ^３としたときのＧａＮの層表面のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）写真である。図５に示すように、ＧａＮ層にドープするＳｉ濃度を１．５×１０^１９／ｃｍ^３とすると、表面に荒れが生じていることが分かる。なお、Ｓｉ濃度を１．３×１０^１９／ｃｍ^３、２×１０^１９／ｃｍ^３としても同様に表面の荒れが確認できた。これより、ＧａＮにおいては、非特許文献１に記載のように、１×１０^１９／ｃｍ^３より大きくすると層表面に荒れが生じてしまうことが分かる。

そこで、ｎ型半導体層４にＧａＮ層を含める場合には、ＧａＮ層の表面に膜荒れを生じさせない範囲内において抵抗率をできるだけ低下させる観点から、ドーパントの濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３に設定するのが一般的であった。半導体層の抵抗率を低下させることができれば、低電圧の下で高い発光強度が実現できるためである。比較例１において、第二ＧａＮ層のＳｉ濃度を１×１０^１９／ｃｍ^３に設定しているのは、かかる理由による。

しかし、上記の考察によれば、第二ＧａＮ層のＳｉ濃度を意図的に５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることによって、ディープ発光の強度を低下させられることが分かった。これは従来になかった知見である。

なお、図２及び図４によれば、このようなディープ発光の問題が特に顕著化するのは、主たる発光波長が黄色波長帯よりも短い領域を示すＬＥＤ素子であり、より具体的には紫外又は紫色光を発光するＬＥＤ素子である。すなわち、ＬＥＤ素子１の主たる発光波長が４０５ｎｍ以下である場合において、ＧａＮ層のＳｉ濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、ディープ発光の問題を抑制することが可能となる。なお、ＬＥＤ素子１の主たる発光波長が３７５ｎｍ以下である場合には、上記構成とすることで、ディープ発光の問題を大幅に抑制できる。

なお、上述の実施例では、ｎ型半導体層４に含まれる第二ＧａＮ層について検討したが、第一ＧａＮ層３についても同様の議論が可能である。活性層５と基板２の間にＧａＮ層を有する横型構造のＬＥＤ素子において、当該ＧａＮ層のＳｉ濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、ディープ発光の問題を抑制することが可能となる。すなわち、成長基板としての基板２及びその上層に設けられる第一ＧａＮ層３が残存する横型構造のＬＥＤ素子１であって、ｎ型半導体層４としてＧａＮを含まない構成とした場合においても、第一ＧａＮ層３のＳｉ濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、ディープ発光の問題を抑制することができる。

また、ＬＥＤ素子が縦型構造か横型構造かを問わず、ｎ型半導体層４にＧａＮ層（第二ＧａＮ層）を含む場合には、この第二ＧａＮ層のＳｉ濃度を５×１０^１８／ｃｍ^３以下とすることで、ディープ発光の問題を抑制することが可能となる。

また、上述の実施例では、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用いる場合について説明したが、ＯやＧｅなどについても同様の議論が可能である。

１ ： 窒化物半導体発光素子
２ ： 基板
３ ： 第一ＧａＮ層
４ ： ｎ型半導体層
５ ： 活性層
６ ： ｐ型半導体層
５１，５２，５３，５４，５５ ： ＬＥＤ素子

Claims (5)

1. ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層に挟持されて構成された活性層とを有する窒化物半導体発光素子であって、
   前記ｎ型半導体層はＧａＮ層を含み、前記ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
2. 基板上に、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層に挟持されて構成された活性層とを有する窒化物半導体発光素子であって、
   前記基板と前記活性層の間にＧａＮ層を含み、前記ＧａＮ層のｎ型ドーパント濃度が５×１０^１８／ｃｍ^３以下であることを特徴とする窒化物半導体発光素子。
3. 前記ＧａＮ層は、ｎ型ドーパント濃度が１×１０^１７／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 主たる発光波長が４０５ｎｍ以下の発光素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 黄色の可視光波長の発光強度が、主たる発光波長の発光強度に対して強度比が０．１％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。

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