JP2016111079A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】主たる発光波長が５２０ｎｍ以上の半導体発光素子において、当該主たる発光波長よりも短波長の光強度を抑制した発光素子を実現する。【解決手段】 主たる発光波長が５２０ｎｍ以上の半導体発光素子であって、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上層に形成された、半導体からなる活性層と、活性層の上層に形成されたｐ型半導体層と、ｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に形成され、４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯に含まれる少なくともいずれかの波長の光を吸収する、半導体からなる光吸収層とを備えている。【選択図】 図２

Description

本発明は半導体発光素子に関し、特に主たる発光波長が５２０ｎｍ以上を示す半導体発光素子に関する。

近年、可視光領域の発光波長を持つＬＥＤを用いたプロジェクタや医療用検査装置の開発が進んでいる。可視光領域の発光波長を持つＬＥＤとしては、従来ＧａＰ系の化合物半導体が主に用いられている。しかしＧａＰ系の化合物半導体は、バンド構造が間接遷移型の半導体であり、遷移確率が低いことから発光効率の上昇は困難であった。そこで直接遷移型の半導体である窒化物半導体系の材料を用いた、可視光領域のＬＥＤの開発が進められている。

可視光領域の発光に関し、特に５２０ｎｍ以上の波長域は高効率化が難しく、発光効率が著しく低下することが知られている。図８は、主たる発光波長（ピーク発光波長）と内部量子効率の関係を示すグラフであり、横軸が主たる発光波長に対応し、縦軸が内部量子効率（ＩＱＥ）に対応する。図８によれば、主たる発光波長が５２０ｎｍを超えると内部量子効率が急激に低下していることが確認できる。このように内部量子効率が低下する波長領域は「グリーンギャップ領域」と呼ばれ、ＧａＰ系や窒化物半導体系に関わらず、かかる波長領域において効率が低下することが問題となっている。このため、このグリーンギャップ領域において、内部量子効率を高めて発光効率を高めることが要請されている。

内部量子効率を高める方法として、下記特許文献１では、非極性面、例えば［１０−１０］方向に垂直な、ｍ面と呼ばれる（１０−１０）面を表面に有する基板を使用して活性層を成長させることで、活性層にピエゾ電界を生じさせないようにした発光素子が検討されている。

特開２０１３−２３０９７２号公報

本発明者は、鋭意研究により、主たる発光波長が５２０ｎｍ以上の発光素子を複数個製造し、各発光素子を実際に発光させてスペクトル分析すると、主たる発光波長よりも短波長側に別のピークが存在していることを突き止めた。図１は、ピーク波長が５３０ｎｍになるように構成した活性層を含むＬＥＤ素子の発光スペクトルである。図１に示すように、４２０ｎｍ付近に第二のピークが現れていることが分かる。このように、５３０ｎｍ近傍の緑色光を発する素子として製造したにも関わらず、素子から発せられる光に濃い青色の光が混じってしまう。図１のスペクトルでは、第二のピークが示す光強度は主たる発光波長のピークが示す光強度に対してほぼ１％程度である。

本発明は、かかる課題に鑑み、主たる発光波長が５２０ｎｍ以上の半導体発光素子において、当該主たる発光波長よりも短波長の光強度を抑制した発光素子を実現することを目的とする。

本発明は、主たる発光波長が５２０ｎｍ以上の半導体発光素子であって、
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上層に形成された、半導体からなる活性層と、
前記活性層の上層に形成されたｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層の間に形成され、４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯に含まれる少なくともいずれかの波長の光を吸収する、半導体からなる光吸収層とを備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、光吸収層によって主たる発光波長よりも短波長である、４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯に含まれる少なくともいずれかの波長の光が吸収される。これにより、半導体発光素子から発せられる光のうち、波長が５２０ｎｍ以上の主たる発光波長の光の割合が高められる。

なお、前記ｎ型半導体層、前記活性層、前記ｐ型半導体層、及び前記光吸収層はいずれも窒化物半導体層で構成することができる。

ここで、前記光吸収層は、前記主たる発光波長に対応するバンドギャップエネルギーより大きく、波長４００ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー以下のエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体で構成することができる。このとき、光吸収層のエネルギーバンドギャップに対応する波長よりも短波長の光については、当該光吸収層によって吸収される。

更に、前記光吸収層を波長４４０ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー以下のエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体で構成しても構わない。このとき、波長４４０ｎｍより短波長の光については当該光吸収層によって吸収される。

前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含んで構成され、
前記光吸収層は、前記活性層よりもＩｎ組成の低い窒化物半導体を含んで構成されることができる。

主たる発光波長が５２０ｎｍ以上となるような光を発することのできる発光素子は、Ｉｎ組成が比較的高い窒化物半導体、より詳細にはＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮなどを含む活性層を有して実現される。

ところで、窒化物半導体を用いて半導体発光素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板を主面に有する基板が使用される。実際にはこの基板上に低温下でＧａＮ層を成長させ、更にその上層に窒化物半導体層を成長させる。

ここで、ＧａＮとＩｎＮには格子定数に差が存在する。具体的には、ａ軸方向に関し、ＧａＮの格子定数は０．３１８９ｎｍである一方、ＩｎＮの格子定数は０．３５４ｎｍである。このため、ＧａＮ層より上層にＧａＮよりも格子定数の大きいＩｎＮを含むＩｎＧａＮ層を成長させると、ＩｎＧａＮ層は成長面と垂直方向に圧縮歪みを受ける。このとき、正電荷を持つＧａ及びＩｎと負電荷を持つＮとの分極のバランスが崩れ、ｃ軸方向に沿った電界が発生する（ピエゾ電界）。ピエゾ電界が活性層に発生すると、この活性層のバンドが曲がって電子と正孔の波動関数の重なり度合いが小さくなり、活性層内での電子と正孔の再結合確率が低下する（いわゆる「量子閉じ込めシュタルク効果」）。これにより、内部量子効率が低下する。

発光波長を５３０ｎｍ以上にするためには、当該波長に応じたバンドギャップエネルギーを実現するために活性層に含まれるＩｎ組成を高める必要がある。しかし、Ｉｎ組成を高めると圧縮歪みが大きくなるため、ピエゾ電界が大きくなる。この結果、内部量子効率が更に低下する。

しかし、上記の構成によれば、活性層よりもＩｎ組成の低い窒化物半導体を含む光吸収層を備えている。これにより、結晶を歪ませることが可能となり、Ｉｎ組成の高い活性層に対する格子歪みを緩和させる効果が得られる。なお、前記光吸収層を、前記ｎ型窒化物半導体層と前記活性層の間に形成してもよく、このように構成したとき、活性層に対する格子歪みの緩和効果を更に高めることができる。

また、前記光吸収層は、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮの単層、又はＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮとＧａＮとからなる積層体の多層構造で構成することができる。

なお、Ｉｎ組成の値によっては、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮを単膜で積層することのできる膜厚に限界がある。このため、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮとＧａＮとの積層体とすることで、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮの総膜厚を厚くして、主たる発光波長よりも短波長の光を吸収する光量を高めることができる。

また、前記活性層と前記ｎ型半導体層の間に、前記光吸収層よりもＩｎ組成の低い窒化物半導体を含む超格子層を含むものとしても構わない。かかる超格子層を設けることで、活性層に対する格子歪みの緩和効果を更に高めることができる。

本発明によれば、主たる発光波長が５２０ｎｍ以上であって、当該主たる発光波長よりも短波長の光強度が従来よりも抑制された半導体発光素子が実現される。

ピーク波長が５３０ｎｍになるように構成した活性層を含むＬＥＤ素子の発光スペクトルである。 半導体発光素子の第一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。 半導体発光素子が備える活性層の構造を模式的に示す断面図である。 実施例１と参照例１の半導体発光素子の発光スペクトルを比較した図面である。 半導体発光素子の第三実施形態の構造を模式的に示す断面図である。 実施例２と参照例２の半導体発光素子の発光スペクトルを比較した図面である。 半導体発光素子の第三実施形態の別の構造を模式的に示す断面図である。 ピーク発光波長と内部量子効率の関係を示すグラフである。

本発明の半導体発光素子につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面において、図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。また、以下の説明において、不純物濃度、膜厚、組成、及び多層構造体に係る周期数に関する数値はあくまで一例であり、これらの数値に限定されるものではない。

また、本明細書において、「ＡｌＧａＮ」という記述は、Ａｌ_ｍＧａ_１−ｍＮ（０＜ｍ＜１）という記述と同義であり、ＡｌとＧａの組成比の記述を単に省略して記載したものであって、ＡｌとＧａの組成比が１：１である場合に限定する趣旨ではない。「ＩｎＧａＮ」という記述についても同様である。

また、本明細書では、主面に直交する方向につき、一方を「上方」、他方を「下方」と規定して説明するが、これは説明の便宜上の定義であり、上下を反転させてなる構成を排除する趣旨ではない。すなわち、素子に関する説明において、「ある層Ａの上層に別の層Ｂが形成される」という記載は、この素子の上下を反転させることで層Ａの上層に層Ｂが位置する構成も含む趣旨である。

＜第一実施形態＞
本発明の半導体発光素子の第一実施形態について説明する。

［構造］
図２は、本実施形態の半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。半導体発光素子１は、ｎ型窒化物半導体層１５、光吸収層２５、活性層３０、及びｐ型窒化物半導体層４３を備える。

半導体発光素子１は基板１１を有し、基板１１の上面にアンドープのＧａＮ層１３が形成され、アンドープのＧａＮ層１３の上面にｎ型窒化物半導体層１５が形成されている。

基板１１はサファイア基板又はＧａＮ基板で構成される。

アンドープのＧａＮ層１３は、基板１１のｃ面にエピタキシャル成長によって形成された層であり、例えば３０００ｎｍの膜厚で構成される。

ｎ型窒化物半導体層１５は、アンドープのＧａＮ層１３の上面に形成されている。本実施形態では、一例として、ｎ型窒化物半導体層１５は、膜厚が２０００ｎｍ、ｎ型ドーパントとしてのＳｉ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３、Ａｌ組成が５％のＡｌＧａＮで構成される。

光吸収層２５は、ｎ型窒化物半導体層１５の上面に形成されており、４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯に含まれる少なくともいずれかの波長の光を吸収する機能を有する材料で構成される。より詳細には、光吸収層２５は、活性層３０から放出される光の主たる発光波長に対応するバンドギャップエネルギーより大きく、波長４００ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー以下のエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体で構成される。本実施形態では、光吸収層２５は、ＧａＮと、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮとの積層体の多層構造で構成されており、具体的な一例としては、膜厚１２ｎｍのＧａＮ層と、膜厚３ｎｍのＩｎ組成１５％のＩｎＧａＮ層とが５周期積層されて構成されている。なお、光吸収層２５を、波長４４０ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー以下のエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体で構成しても構わない。

なお、光吸収層２５を構成する窒化物半導体が示すエネルギーバンドギャップは、（Ａｌ）ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成に応じて調整することが可能である。上記の例では、Ｉｎ組成を１５％とすることで、光吸収層２５のエネルギーバンドギャップが概ね２．８２ｅＶ程度となるように調整されている。このエネルギーバンドギャップは、波長４４０ｎｍに対応する。

活性層３０は、主たる発光波長が５２０ｎｍ以上となるよう、窒化物半導体材料で構成されている。一例として、図３に示すように、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１≦０．０１）で構成された第一層３１、Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０．２＜Ｘ２＜１）で構成された第二層３２、及びＡｌ_Ｙ１Ｇａ_１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｙ１＜１）で構成された第三層３３が５周期積層されることで形成されている。より具体的には、一例として、第一層３１は膜厚２０ｎｍのアンドープＧａＮで構成され、第二層３２は膜厚２．６ｎｍでＩｎ組成２８％のアンドープＩｎＧａＮで構成され、第三層３３は膜厚１．５ｎｍでＡｌ組成４５％のアンドープＡｌＧａＮで構成される。

ＧａＮのバンドギャップエネルギーが約３．４ｅＶであり、ＩｎＮのバンドギャップエネルギーが約０．７ｅＶであるため、ＧａＮ又はＩｎ比率が１％以下のＩｎＧａＮで構成された第一層３１が障壁層を構成し、第一層３１よりもＩｎ比率の高いＩｎＧａＮで構成された第二層３２が発光層を構成する。また、ＡｌＮのバンドギャップエネルギーが約６．２ｅＶであるため、ＡｌＧａＮで構成された第三層３３は、第一層３１よりもエネルギーバンドギャップが高く、電子の移動を妨げる機能を発揮する。

なお、活性層３０は、主たる発光波長が５２０ｎｍ以上となるように構成されていればよく、上記の構成に限定されるものではない。

図２に示すように、本実施形態では、活性層３０の上面にアンドープのＧａＮ層４１が形成されている。これは最終障壁層を構成する。なお、このアンドープのＧａＮ層４１を活性層３０に含めても構わない。アンドープのＧａＮ層４１は、活性層３０における第一層３１と同様、例えば膜厚２０ｎｍで形成される。

アンドープのＧａＮ層４１の上面にはｐ型窒化物半導体層４３が形成されている。本実施形態では、ｐ型窒化物半導体層４３は、膜厚が１００ｎｍ、ｐ型ドーパントとしてのＭｇ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３のｐ−ＧａＮで構成される。なお、必要に応じてこのｐ−ＧａＮの上層に高濃度ｐ型のコンタクト層を設けることができる。

［検証］
上述した構成を示す半導体発光素子１（実施例１）の発光スペクトルを図４に示す。なお、図４には、比較のために、図１に示した発光素子（参照例１）のスペクトルを併せて示している。参照例１の素子は、実施例１の素子と比較して光吸収層２５を備えていない点のみが異なる。

図４によれば、参照例１の素子と比べて、実施例１の素子は４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯の光強度が大幅に抑制されていることが分かる。なお、主たる発光波長である５２０ｎｍ近傍の波長の光強度は参照例１と実施例１ではほとんど差異は見られない。これにより、光吸収層２５を備えたことで、発光素子から発せられる光に関し、主たる発光波長よりも短波長である４２０ｎｍ付近の光強度が抑制できることが分かる。

なお、光吸収層２５は、ｎ型窒化物半導体層１５と活性層３０の間に形成され、ｎ型窒化物半導体層１５よりもＩｎ組成が高く、活性層３０よりもＩｎ組成が低い窒化物半導体を含む。これにより、活性層３０に対する格子歪みを緩和するという効果も得ることができる。この結果、活性層３０における電子と正孔の再結合確率の低下が従来よりも緩和されるため、内部量子効率が向上する。

［製造方法］
以下において、半導体発光素子１の製造方法につき説明する。なお、以下の製造条件や膜厚等の寸法はあくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。

（ステップＳ１）
基板１１の上層にアンドープのＧａＮ層１３を成長させる。具体的な方法の一例は以下の通りである。

基板１１としてｃ面サファイア基板を準備し、これに対して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）装置の処理炉内に基板１１（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。

その後、基板１１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とで、アンドープのＧａＮ層１３を形成する。より具体的なアンドープのＧａＮ層１３の形成方法は以下の通りである。

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２５００００μｍｏｌ／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、基板１１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２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６０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３μｍの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によってアンドープのＧａＮ層１３が形成される。

なお、基板１１としてはＧａＮ基板を用いることも可能である。この場合もサファイア基板のときと同様に、ＭＯＣＶＤ装置内において表面のクリーニングを実行後、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１０５０℃として、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２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６０分間供給する。これにより、ＧａＮ基板の表面に、厚みが３μｍのアンドープのＧａＮ層１３が形成される。

（ステップＳ２）
次に、アンドープのＧａＮ層１３の上面にｎ型窒化物半導体層１５を形成する。具体的な方法の一例は以下の通りである。

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、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び、ｎ型不純物をドープするための、流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に６０分間供給する。これにより、例えばＡｌ組成５％のＡｌＧａＮで構成され、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３、厚みが２μｍのｎ型窒化物半導体層１５がアンドープのＧａＮ層１３の上層上面に形成される。

なお、上記実施形態では、ｎ型窒化物半導体層１５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、他のｎ型不純物としては、Ｇｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｎ及びＴｅなどを用いることもできる。

（ステップＳ３）
次に、ｎ型窒化物半導体層１５の上面に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮの多層構造で構成された光吸収層２５を形成する。具体的な方法の一例は以下の通りである。

まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を７７０℃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１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２７．２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６５秒間供給するステップを行う。その後、流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に２６０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３ｎｍのＩｎ組成１５％のＩｎＧａＮ層及び厚みが１２ｎｍのＧａＮ層が５周期積層されてなる光吸収層２５が、ｎ型窒化物半導体層１５の上面に形成される。

（ステップＳ４）
次に、光吸収層２５の上面に活性層３０を形成する。本実施形態では、活性層３０として、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０≦Ｘ１≦０．０１）で構成された第一層３１、Ｉｎ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０．２＜Ｘ２＜１）で構成された第二層３２、及びＡｌ_Ｙ１Ｇａ_１−Ｙ１Ｎ（０＜Ｙ１＜１）で構成された第三層３３を形成する。

本実施形態において、ステップＳ４は、第二層３２を形成するステップＳ４ａ、第三層３３を形成するステップＳ４ｂ、及び第一層３１を形成するステップＳ４ｃが複数回実行されることで構成される。なお、このステップＳ４の間にわたって、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を７００℃〜８３０℃とし、流量が１５ｓｌｍの窒素ガス、流量が１ｓｌｍの水素ガス、及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアが処理炉内に連続供給される。

（ステップＳ４ａ）
炉内温度を７００℃として上述した流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が２７．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩ、及び流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧを５４秒間供給する。これによりＩｎ組成２８％のアンドープＩｎＧａＮで構成された、膜厚２．６ｎｍの第二層３２が形成される。

（ステップＳ４ｂ）
引き続き、炉内温度を７００℃として、上述した流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧと流量が１７．３μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡを３０秒間連続的に供給する。これにより、Ａｌ組成４５％のアンドープＡｌＧａＮで構成された、膜厚１．５ｎｍの第三層３３が形成される。

（ステップＳ４ｃ）
引き続き、炉内温度を７００℃として、上述した流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧを６０秒間連続的に供給し、膜厚３ｎｍのＧａＮ層を形成する。次に炉内温度を８３０℃までに昇温させる。この昇温過程並びに当該温度に保持された状態で、同様のガス流量でＴＭＧを３４０秒間連続的に供給し、膜厚１７ｎｍのＧａＮ層を形成する。これによって、第一層３１としての膜厚２０ｎｍのＧａＮ層が形成される。

なお、第一層３１を低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮで構成する場合には、上記に代えて以下の方法で形成される。すなわち、ステップＳ４ｂと同じ流量で水素ガス、窒素ガス、及びアンモニアを連続供給した状態下で、流量が１μｍｏｌ／ｍｉｎ及び流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧを４００秒間供給する。これによりＩｎ組成１％以下のアンドープＩｎＧａＮで構成された、膜厚２０ｎｍの第一層３１が形成される。

上記ステップＳ４ａ〜Ｓ４ｃを５回繰り返し実行することで、第一層３１、第二層３２、及び第三層３３がそれぞれ５周期積層された活性層３０が形成される。

なお、ＩｎＧａＮを成長させる工程においては、ドロップレットをなるべく抑制し、マイグレーションを進行させる観点から、成長レートを３ｎｍ／分程度とするのが好適である。

（ステップＳ５）
活性層３０の上面に、アンドープのＧａＮ層４１を例えば膜厚２０ｎｍで形成する。なお、このアンドープのＧａＮ層４１は、活性層３０の第一層３１をＧａＮで構成する場合には、ステップＳ４において活性層３０を形成する際、最後にステップＳ４ｃを実行してステップＳ４を終了することで、このステップＳ４ｃで形成されるＧａＮ層をアンドープのＧａＮ層４１とすることができる。また、第一層３１を低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮで構成する場合には、最後にＴＭＩの供給を停止させた状態でステップＳ４ｃを実行してステップＳ４を終了することで、このステップＳ４ｃで形成されるＧａＮ層をアンドープのＧａＮ層４１とすることができる。

（ステップＳ６）
アンドープのＧａＮ層４１の上面にｐ型窒化物半導体層４３を形成する。具体的な方法は以下の通りである。

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９３０℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、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３６０秒間供給する。これにより、アンドープのＧａＮ層４１の上面に、厚みが１２０ｎｍのＧａＮで構成されたｐ型窒化物半導体層４３が形成される。このｐ型窒化物半導体層４３のｐ型不純物（Ｍｇ）濃度は、３×１０^１９／ｃｍ^３程度である。

更に、引き続きＣｐ_２Ｍｇの流量を０．３μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給することにより、厚みが５ｎｍの高濃度ｐ型ＧａＮ層からなるコンタクト層を形成してもよい。この場合は、ｐ型窒化物半導体層４３に当該コンタクト層も含まれる。なお、このコンタクト層のｐ型不純物（Ｍｇ）濃度は、１×１０^２０／ｃｍ^３程度である。

なお、上記実施形態では、ｐ型窒化物半導体層４３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、及びＣなどを用いることができる。

（後の工程）
その後のプロセスは、以下の通りである。

いわゆる「横型構造」の半導体発光素子１の場合には、ＩＣＰエッチングによりｎ型窒化物半導体層１５の一部上面を露出させ、露出したｎ型窒化物半導体層１５の上層にｎ側電極を、ｐ型窒化物半導体層４３の上層にｐ側電極をそれぞれ形成する。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。ここで、「横型構造」とは、ｎ型窒化物半導体層１５の上層に形成されるｎ側電極と、ｐ型窒化物半導体層４３の上層に形成されるｐ側電極とが、基板に対して同方向に形成されてなる構造を指す。

一方、いわゆる「縦型構造」の半導体発光素子１の場合には、ｐ型窒化物半導体層４３の上層にｐ側電極となる金属電極（反射電極）、ハンダ拡散層、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１１をレーザ照射等の方法により剥離する。その後、ｎ型窒化物半導体層１５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。ここで、「縦型構造」とは、ｎ側電極とｐ側電極とが、基板を挟んで反対方向に形成されてなる構造を指す。

＜第二実施形態＞
第一実施形態において、光吸収層２５は、ＧａＮと、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮとの積層体の多層構造で構成されているものとして上述した。しかし、光吸収層２５を、ＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの単層で構成しても構わない。

Ｉｎを含む窒化物半導体層は、Ｉｎの組成に応じて、実質的に結晶欠陥を生じさせずに積層することのできる膜厚（臨界膜厚）が決定される。第一実施形態では、ＧａＮとＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）とを交互に周期的に積層させることで光吸収層２５を形成していた。この構成によれば、ＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）を単独で成長させる膜厚を臨界膜厚未満としながら、光吸収層２５全体としてのＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）の総膜厚を厚くすることができる。これは、主たる発光波長よりも短波長の光（波長４２０ｎｍ近傍の光）の吸光度を高めるべく、光吸収層２５に含まれるＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）の膜厚を厚くすることを意図している。

しかし、Ｉｎの組成によってはＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）の臨界膜厚を厚くすることが可能であるため、光吸収層２５を単層のＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）で構成した場合でも、主たる発光波長よりも短波長の光をある程度は吸収できる。このような構成でも、光吸収層２５を備えない半導体発光素子に比べると、主たる発光波長よりも短波長の光の強度が抑制された素子が実現できる。ただし、第一実施形態のように、光吸収層２５をＧａＮとＩｎＧａＮ（又はＡｌＩｎＧａＮ）との周期的な多層構造で構成した方が、前記短波長の光の強度を抑制する能力を更に高められる。

＜第三実施形態＞
図５は、本実施形態の半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。本実施形態の半導体発光素子１は、第一実施形態の素子に比べて、ｎ型窒化物半導体層１５と光吸収層２５の間に更に超格子層２０を備えている点が異なる。

本実施形態において、超格子層２０は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮで構成され、ｎ型窒化物半導体層１５の上面に形成されている。本実施形態では、ＧａＮ層とＩｎＧａＮ層が、いずれも膜厚が２．５ｎｍで１０周期積層されることで、超格子層２０が形成されている。ＩｎＧａＮ層２３のＩｎ組成は７％であり、ＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層の双方にＳｉ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３のドーピングが施され、ｎ型化されている。

本実施形態の半導体発光素子１（実施例２）の発光スペクトルを図６に示す。なお、図６には、比較のために、実施例２の素子から光吸収層２５を備えない構成とした素子（参照例２）のスペクトルを併せて示している。図６によれば、参照例２の素子と比べて、実施例２の素子は４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯の光強度が大幅に抑制されていることが分かる。これにより、超格子層２０を備える場合においても、光吸収層２５を備えたことで、主たる発光波長よりも短波長である４２０ｎｍ付近の光強度が抑制できることが分かる。

この超格子層２０は、ｎ型窒化物半導体層１５と活性層３０の間に形成され、ｎ型窒化物半導体層１５よりもＩｎ組成が高く、活性層３０よりもＩｎ組成が低い窒化物半導体を含んで構成されることより、活性層３０に対する格子歪みを緩和して内部量子効率を向上させる狙いがある。しかし、第一実施形態において上述したように、光吸収層２５においてこの機能を一部兼ねさせることができるため、必ずしも超格子層２０を備えなくても、内部量子効率をある程度向上させる効果は得られる。

本実施形態の半導体発光素子１を製造するに当たっては、第一実施形態におけるステップＳ２とステップＳ３の間に、下記ステップＳ２Ａを実行することを除いては、第一実施形態と同様の方法で実現できる。

（ステップＳ２Ａ）
ステップＳ２の後、ｎ型窒化物半導体層１５の上面にＧａＮ／ＩｎＧａＮで構成された超格子層２０を形成する。具体的な方法の一例は以下の通りである。

ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８２０℃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１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２７．２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に５４秒間供給するステップを行う。その後、流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に５４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２．５ｎｍのＩｎ組成７％のＩｎＧａＮ層及び厚みが２．５ｎｍのＧａＮ層が１０周期積層されてなる超格子層２０が、ｎ型窒化物半導体層１５の上面に形成される。

なお、超格子層２０は、低Ｉｎ組成のＩｎＧａＮと、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮの積層体として構成することも可能である。この場合は、本ステップＳ２Ａ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１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２７．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩ及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に５４秒間供給するステップと、流量が１５．２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩ及び流量が３７５０００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に５４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２．５ｎｍのＩｎ組成７％のＩｎＧａＮ層及び厚みが２．５ｎｍのＩｎ組成１％以下のＩｎＧａＮ層が１０周期積層されてなる超格子層２０が、ｎ型窒化物半導体層１５の上面に形成される。

このステップＳ２Ａの後、ステップＳ３以下の各ステップを実行すればよい。

なお、本実施形態において、超格子層２０と光吸収層２５の位置を逆転させても構わない（図７参照）。更に、第二実施形態と同様に、光吸収層２５をＩｎＧａＮ又はＡｌＩｎＧａＮの単層で実現しても構わない。

１ ： 半導体発光素子
１１ ： 基板
１３ ： アンドープのＧａＮ層
１５ ： ｎ型窒化物半導体層
２０ ： 超格子層
２５ ： 光吸収層
３０ ： 活性層
３１ ： 活性層を構成する第一層
３２ ： 活性層を構成する第二層
３３ ： 活性層を構成する第三層
４１ ： アンドープのＧａＮ層
４３ ： ｐ型窒化物半導体層

Claims (8)

1. 主たる発光波長が５２０ｎｍ以上の半導体発光素子であって、
   ｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層の上層に形成された、半導体からなる活性層と、
   前記活性層の上層に形成されたｐ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層の間に形成され、４００ｎｍ以上４４０ｎｍ以下の波長帯に含まれる少なくともいずれかの波長の光を吸収する、半導体からなる光吸収層とを備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ｎ型半導体層、前記活性層、前記ｐ型半導体層、及び前記光吸収層がいずれも窒化物半導体層からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記光吸収層は、前記主たる発光波長に対応するバンドギャップエネルギーより大きく、波長４００ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー以下のエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体からなることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記光吸収層は、波長４４０ｎｍに対応するバンドギャップエネルギー以下のエネルギーバンドギャップを有する窒化物半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層は、Ｉｎを含む窒化物半導体を含んで構成され、
   前記光吸収層は、前記活性層よりもＩｎ組成の低い窒化物半導体を含んで構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
6. 前記光吸収層は、前記ｎ型半導体層と前記活性層の間に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
7. 前記光吸収層は、ＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮの単層、又はＩｎＧａＮ若しくはＡｌＩｎＧａＮとＧａＮとからなる積層体の多層構造で構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体発光素子。
8. 前記活性層と前記ｎ型半導体層の間に、前記光吸収層よりもＩｎ組成の低い窒化物半導体を含む超格子層を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体発光素子。
   

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