JP2023036047A

JP2023036047A - 発光素子の製造方法

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Publication number: JP2023036047A
Application number: JP2022137794A
Authority: JP
Inventors: 弘喜安倍; Hiroki Abe
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2023-03-13
Anticipated expiration: 2042-08-31
Also published as: JP7373107B2

Abstract

【課題】発光効率が高い発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】発光素子の製造方法は、下方から上方に向かって順に、第１ｎ型半導体層と、第１活性層と、第１ｐ型半導体層とを含む第１発光部を形成する工程と、前記第１発光部上に中間層を形成する工程と、前記中間層上に下方から上方に向かって順に、第２ｎ型半導体層と、第２活性層と、第２ｐ型半導体層とを含む第２発光部を形成する工程とを備える。前記第１活性層は、上下方向に並んだ複数の第１井戸層と、前記複数の第１井戸層のうち隣り合う２つの第１井戸層の間に位置する第１障壁層とを有する。前記第２活性層は、前記上下方向に並んだ複数の第２井戸層と、前記複数の第２井戸層のうち隣り合う２つの第２井戸層の間に位置する第２障壁層とを有する。前記第１障壁層を第１温度で形成する。前記第２障壁層を前記第１温度よりも高い第２温度で形成する。
【選択図】図９Ｂ

Description

本発明は、発光素子の製造方法に関する。

特許文献１には、例えば、第１のｎ型層、第１の活性層、および第１のｐ型層を含む第１発光部と、第１発光部上に配置されたトンネル接合層と、トンネル接合層上に配置され、第２のｎ型層、第２の活性層、および第２のｐ型層を含む第２発光部と、を備える発光素子が開示されている。

特開２００４－１２８５０２号公報

本発明の一実施形態は、発光効率が高い発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る発光素子の製造方法は、下方から上方に向かって順に、第１ｎ型半導体層と、第１活性層と、第１ｐ型半導体層と、を含む第１発光部を形成する工程と、前記第１発光部上に、中間層を形成する工程と、前記中間層上に、下方から上方に向かって順に、第２ｎ型半導体層と、第２活性層と、第２ｐ型半導体層と、を含む第２発光部を形成する工程と、を備える。前記第１活性層は、上下方向に並んだ複数の第１井戸層と、前記複数の第１井戸層のうち隣り合う２つの第１井戸層の間に位置する第１障壁層とを有する。前記第２活性層は、前記上下方向に並んだ複数の第２井戸層と、前記複数の第２井戸層のうち隣り合う２つの第２井戸層の間に位置する第２障壁層とを有する。前記第１発光部を形成する工程において、前記第１障壁層を第１温度で形成する。前記第２発光部を形成する工程において、前記第２障壁層を前記第１温度よりも高い第２温度で形成する。

本発明の一実施形態によれば、発光効率が高い発光素子の製造方法を提供できる。

実施形態に係る発光素子を示す断面図である。実施形態に係る発光素子の第１活性層を示す断面図である。実施形態に係る発光素子の中間層を示す断面図である。実施形態に係る発光素子の第２活性層を示す断面図である。実施形態に係る発光素子の製造方法を示すフローチャートである。図３の第１活性層を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。図３の第２活性層を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。実施形態に係る発光素子の製造過程を説明するための断面図である。実施形態に係る発光素子の製造過程を説明するための断面図である。実施形態に係る発光素子の製造過程を説明するための断面図である。実施形態に係る発光素子の製造過程を説明するための断面図である。第１活性層を形成する際の炉内の温度の時間変化を示すグラフである。第２活性層を形成する際の炉内の温度の時間変化を示すグラフである。実施例１、２および参考例１における発光素子の順方向電流Ｉｆと外部量子効率を正規化した値Ｅ．Ｑ．Ｅ．／Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆと、の関係を示すグラフである。参考例１～３における発光素子の順方向電流Ｉｆと外部量子効率を正規化した値Ｅ．Ｑ．Ｅ．／Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆと、の関係を示すグラフである。

以下に、実施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、各部分の厚さと幅との関係、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。さらに、本明細書と各図において、既出の図に関して説明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。

また、以下では、説明をわかりやすくするために、ＸＹＺ直交座標系を用いて、各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交している。またＸ軸が延びる方向を「Ｘ方向」とし、Ｙ軸が延びる方向を「Ｙ方向」とし、Ｚ軸が延びる方向を「Ｚ方向」とする。また、説明をわかりやすくするために、上方をＺ方向、下方をその反対方向とするが、これらの方向は、相対的なものであり重力方向とは無関係である。

図１は、本実施形態に係る発光素子１０を示す断面図である。
図２Ａは、発光素子１０の第１活性層１１３を示す断面図である。
図２Ｂは、発光素子１０の中間層１２０を示す断面図である。
図２Ｃは、発光素子１０の第２活性層１３２を示す断面図である。
発光素子１０は、図１に示すように、基板１１と、半導体積層体１２と、ｎ側電極１３と、ｐ側電極１４と、を備える。

基板１１の形状は平板状である。基板１１の上面および下面は、ＸＹ平面に概ね平行である。ただし、基板の上面には、複数の凸部が形成されていてもよい。基板１１の材料としては、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリコン（Ｓｉ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、または窒化ガリウム（ＧａＮ）等が挙げられる。本実施形態では、サファイアからなる基板１１を用いている。基板１１の上には、半導体積層体１２が配置されている。

半導体積層体１２は、例えば、窒化物半導体からなる複数の半導体層が積層された積層体である。ここで、「窒化物半導体」とは、窒素を含む半導体であって、典型的には、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）なる化学式において組成比ｘおよびｙ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である。

半導体積層体１２は、下方から上方に向かって順に、第１発光部１１０と、中間層１２０と、第２発光部１３０と、を有する。第１発光部１１０は、下方から上方に向かって順に、第１ｎ型半導体層１１２と、第１活性層１１３と、第１ｐ型半導体層１１４と、を含む。第１活性層１１３は、第１ｎ型半導体層１１２の上に配置されている。第１ｐ型半導体層１１４は、第１活性層１１３の上に配置されている。第１発光部１１０は、第１ｎ型半導体層の下に設けられた下地層１１１をさらに含んでいる。第２発光部１３０は、下方から上方に向かって順に、第２ｎ型半導体層１３１と、第２活性層１３２と、第２ｐ型半導体層１３３と、を含む。第２活性層１３２は、第２ｎ型半導体層１３１の上に配置されている。第２ｐ型半導体層１３３は、第２活性層１３２の上に配置されている。

第１活性層１１３は、図２Ａに示すように、上下方向に並んだ複数の第１井戸層１１５と、複数の第１井戸層１１５の間に位置する第１障壁層１１６ｂと、を含む。第１活性層１１３は、最も上方に位置する第１井戸層１１５の上方に第５障壁層１１６ｃと、最も下方に位置する第１井戸層１１５の下方に第６障壁層１１６ａと、をさらに有する。第２活性層１３２は、図２Ｃに示すように、上下方向に並んだ複数の第２井戸層１３４と、複数の第２井戸層１３４の間に位置する第２障壁層１３５ｂと、を含む。第２活性層１３２は、最も上方に位置する第２井戸層１３４の上方に第３障壁層１３５ｃと、最も下方に位置する第２井戸層１３４の下方に第４障壁層１３５ａと、をさらに有する。以下、半導体積層体１２の各部について詳述する。

第１発光部１１０の下地層１１１は、図１に示すように、基板１１の上に配置されている。下地層１１１は、例えば、アンドープの半導体層を含む。本明細書において、「アンドープ」とは、ｎ型不純物および／またはｐ型不純物を意図的にドープしていないことを意味する。すなわち、アンドープの半導体層は、ｎ型不純物および／またはｐ型不純物を含む原料ガスを供給させずに形成した半導体層である。「ｎ型不純物」とは、ドナーとなる不純物を意味する。「ｐ型不純物」とは、アクセプターとなる不純物を意味する。アンドープの半導体層が、ｎ型不純物および／またはｐ型不純物を意図的にドープした層と隣接している場合、その隣接した層からの拡散等によって、アンドープの半導体層にｎ型不純物および／またはｐ型不純物が含まれる場合がある。

下地層１１１におけるアンドープの半導体層は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む。下地層１１１の上には、第１ｎ型半導体層１１２が配置されている。ただし、第１発光部に下地層が設けられておらず、第１ｎ型半導体層が基板上に直接配置されていてもよい。

第１ｎ型半導体層１１２は、１以上のｎ型の半導体層を含む。第１ｎ型半導体層１１２におけるｎ型の半導体層は、例えば、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＮを含む。第１ｎ型半導体層１１２におけるｎ型の半導体層は、インジウム（Ｉｎ）またはアルミニウム（Ａｌ）等をさらに含んでもよい。

また、第１ｎ型半導体層１１２は、電子を供給するという機能を有していればよく、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第１ｎ型半導体層１１２におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。

第１ｎ型半導体層１１２の上面は、第１面１１２ｓ１、第２面１１２ｓ２、および第３面１１２ｓ３を含む。第１面１１２ｓ１は、Ｘ－Ｙ平面に概ね平行な面である。第２面１１２ｓ２は、第１面１１２ｓ１よりも上方に位置し、Ｘ－Ｙ平面に概ね平行な面である。上面視において、第２面１１２ｓ２は第１面１１２ｓ１とＸ方向に隣り合っている。第３面１１２ｓ３は、第１面１１２ｓ１と第２面１１２ｓ２の間に位置し、Ｙ－Ｚ平面に概ね平行な面である。

第２面１１２ｓ２上には、第１活性層１１３が配置されている。

第１活性層１１３の第６障壁層１１６ａは、図２Ａに示すように、第１活性層１１３において最も下方に位置する。第６障壁層１１６ａ上には、複数の第１井戸層１１５が上下方向に並んでいる。隣り合う第１井戸層１１５の間に、第１障壁層１１６ｂが位置する。本実施形態では、第１活性層１１３に設けられた第１井戸層１１５の数は、７つである。第１活性層１１３に設けられた第１井戸層１１５の数は、例えば、２以上である。例えば、第１活性層に設けられる第１井戸層の数を、２つとし、第１活性層に設けられる第１障壁層の数を１つとしてもよい。最も上方に位置する第１井戸層１１５上に、第５障壁層１１６ｃが位置する。このように、本実施形態の第１活性層１１３は、複数の第１井戸層１１５を含む多重量子井戸構造を有する。

各第１井戸層１１５は、例えば窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）を含むアンドープの半導体層である。各第１障壁層１１６ｂおよび第５障壁層１１６ｃは、例えばＧａＮを含むアンドープの半導体層である。第６障壁層１１６ａは、例えば、アンドープの半導体層と、ｎ型不純物を含む半導体層との、積層構造を有する。第６障壁層１１６ａにおけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第６障壁層１１６ａにおけるｎ型不純物を含む半導体層は、例えばｎ型不純物であるＳｉがドープされたＩｎＧａＮを含む。第６障壁層１１６ａは、第１活性層１１３に電子を供給する機能を有する。

図１に示すように、第１活性層１１３の上には、第１ｐ型半導体層１１４が配置されている。

第１ｐ型半導体層１１４は、例えば、１以上のｐ型の半導体層を含む。第１ｐ型半導体層１１４におけるｐ型の半導体層は、例えば、ｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）がドープされたＧａＮを含む。第１ｐ型半導体層１１４におけるｐ型の半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。

また、第１ｐ型半導体層１１４は、ホールを供給するという機能を有していればよく、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第１ｐ型半導体層１１４におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第１ｐ型半導体層１１４におけるアンドープの半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。第１ｐ型半導体層１１４上には、中間層１２０が配置されている。

中間層１２０は、第１発光部１１０と第２発光部１３０との間に配置されている。中間層１２０は、図２Ｂに示すように例えば、下方から上方に向かって順に、第３ｎ型半導体層１２１と、第４ｎ型半導体層１２２と、第５ｎ型半導体層１２３と、を含む。

第３ｎ型半導体層１２１は、第１ｐ型半導体層１１４上に配置されている。第３ｎ型半導体層１２１は、例えば、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮを含む。第３ｎ型半導体層１２１のｎ型不純物濃度は、後述する第２発光部１３０の第２ｎ型半導体層１３１のｎ型不純物濃度よりも高い。ここで「第３ｎ型半導体層１２１のｎ型不純物濃度は、第２ｎ型半導体層１３１のｎ型不純物濃度よりも高い」とは、第３ｎ型半導体層１２１が、第２ｎ型半導体層１３１に含まれる半導体層のうち、最も高いｎ型不純物濃度を有する半導体層よりも高いｎ型不純物濃度を有することを意味する。以下、第４ｎ型半導体層１２２についても同様である。第３ｎ型半導体層１２１のｎ型不純物濃度は、例えば、２×１０^２０/ｃｍ^３以上１×１０^２１/ｃｍ^３以下である。

第４ｎ型半導体層１２２は、例えば、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮを含む。第４ｎ型半導体層１２２のｎ型不純物濃度は、第２ｎ型半導体層１３１よりも高く、第３ｎ型半導体層１２１よりも低い。

第５ｎ型半導体層１２３は、例えば、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮを含む。第５ｎ型半導体層１２３のｎ型不純物濃度は、第３ｎ型半導体層１２１および第４ｎ型半導体層１２２のｎ型不純物濃度よりも低い。

ただし、中間層の構成は、ｎ型不純物および／またはｐ型不純物を含む限り、上記に限定されない。例えば、中間層は第３ｎ型半導体層のみを有していてもよい。また、中間層は、第１ｐ型半導体層に含まれる半導体層のうち、最も高いｐ型不純物濃度を有する半導体層よりも高いｐ型不純物濃度を有するｐ型の半導体層を有していてもよい。中間層にｐ型の半導体層が設けられている場合、このｐ型の半導体層は、例えば、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたＧａＮを含む。

第２発光部１３０の第２ｎ型半導体層１３１は、図１に示すように、中間層１２０上に配置されている。第２ｎ型半導体層１３１は、１以上のｎ型の半導体層を含む。第２ｎ型半導体層１３１におけるｎ型の半導体層は、例えば、ｎ型不純物であるＳｉがドープされたＧａＮを含む。第２ｎ型半導体層１３１におけるｎ型の半導体層は、ＩｎまたはＡｌ等をさらに含んでもよい。第２ｎ型半導体層１３１のｎ型不純物濃度は、例えば、１×１０^１８/ｃｍ^３以上２×１０^２０/ｃｍ^３以下である。

また、第２ｎ型半導体層１３１は、電子を供給するという機能を有していればよく、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第２ｎ型半導体層１３１におけるアンドープの半導体層は、例えば、ＧａＮを含む。第２ｎ型半導体層１３１上には、第２活性層１３２が配置されている。

第２活性層１３２の第４障壁層１３５ａは、図２Ｃに示すように、第２活性層１３２において最も下方に位置する。第４障壁層１３５ａ上には、複数の第２井戸層１３４が上下方向に並んでいる。隣り合う第２井戸層１３４の間のそれぞれに、第２障壁層１３５ｂが位置する。本実施形態では、第２活性層１３２に設けられた第２井戸層１３４の数は７つである。第２活性層１３２に設けられた第２井戸層１３４の数は、例えば、２以上である。例えば、第２活性層に設けられる第２井戸層の数を、２つとし、第２活性層に設けられる第２障壁層の数を１つとしてもよい。最も上方に位置する第２井戸層１３４上に、第３障壁層１３５ｃが位置する。このように、本実施形態の第２活性層１３２は、複数の第２井戸層１３４を含む多重量子井戸構造を有する。

各第２井戸層１３４は、例えばＩｎＧａＮを含むアンドープの半導体層である。各第２障壁層１３５ｂおよび第３障壁層１３５ｃは、例えばＧａＮを含むアンドープの半導体層である。第４障壁層１３５ａは、例えば、アンドープの半導体層と、ｎ型不純物を含む半導体層との積層構造を有する。第４障壁層１３５ａにおけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第４障壁層１３５ａにおけるｎ型不純物を含む半導体層は、例えばｎ型不純物であるＳｉがドープされたＩｎＧａＮを含む。

第１活性層１１３および第２活性層１３２が発する光は、例えば、紫外光または可視光である。第１活性層１１３の発光ピーク波長と第２活性層１３２の発光ピーク波長と同じとすることができる。例えば、第１活性層１１３と第２活性層１３２が青色光を発してもよい。第１活性層１１３の発光ピーク波長と第２活性層１３２の発光ピーク波長は異なっていてもよい。例えば、第１活性層１１３が青色光を発し、第２活性層１３２が緑色光を発してもよい。青色光の発光ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下である。緑色光の発光ピーク波長は、例えば、５００ｎｍ以上５４０ｎｍ以下である。

第２活性層１３２の上には、図１に示すように、第２ｐ型半導体層１３３が配置されている。第２ｐ型半導体層１３３は、例えば、１以上のｐ型の半導体層を含む。第２ｐ型半導体層１３３におけるｐ型の半導体層は、例えば、ｐ型不純物であるＭｇがドープされたＧａＮを含む。第２ｐ型半導体層１３３におけるｐ型の半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。

また、第２ｐ型半導体層１３３は、ホールを供給するという機能を有していればよく、１以上のアンドープの半導体層をさらに含んでいてもよい。第２ｐ型半導体層１３３におけるアンドープの半導体層は、例えばＧａＮを含む。第２ｐ型半導体層１３３におけるアンドープの半導体層は、Ａｌをさらに含んでもよい。

ｎ側電極１３は、第１ｎ型半導体層１１２の第１面１１２ｓ１上に配置されている。ｎ側電極１３は、第１ｎ型半導体層１１２に電気的に接続されている。ｐ側電極１４は、第２ｐ型半導体層１３３上に配置されている。ｐ側電極１４は、第２ｐ型半導体層１３３に電気的に接続されている。ｎ側電極１３とｐ側電極１４との間に順方向電圧を印加することで第１活性層１１３および第２活性層１３２が発光する。

ｐ側電極１４に正電位が、ｎ側電極１３にｐ側電極１４よりも低い電位が印加されたとき、第２ｎ型半導体層１３１と、第１ｐ型半導体層１１４との間には逆方向電圧が印加される。そのため、第２ｎ型半導体層１３１と、第１ｐ型半導体層１１４との間に電流を流すために、中間層１２０によるトンネル効果を利用する。第１ｐ型半導体層１１４の価電子帯に存在する電子を、第２ｎ型半導体層１３１の伝導帯にトンネリングさせることで電流を流す。

このようなトンネル効果を得るために、中間層１２０を第１ｐ型半導体層１１４よりも高いｐ型不純物濃度を有するｐ型半導体層と、第２ｎ型半導体層１３１よりも高いｎ型不純物濃度を有するｎ型半導体層のうち少なくとも１つの半導体層により形成する。このような中間層１２０によりｐｎ接合を形成する。例えば、第１ｐ型半導体層１１４と、高濃度でｎ型不純物がドープされた第３ｎ型半導体層１２１を含む中間層１２０とによるｐｎ接合を形成する。例えば、高濃度でｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層を用いた中間層１２０と、第２ｎ型半導体層１３１とによるｐｎ接合を形成する。例えば、中間層１２０を、高濃度でｎ型不純物がドープされた第３ｎ型半導体層１２１と、高濃度でｐ型不純物がドープされたｐ型半導体層とを含む積層構造とすることでｐｎ接合を形成する。第１ｐ型半導体層１１４、中間層１２０、および第２ｎ型半導体層１３１に含まれる各導電型不純物の濃度が高いほど、上記したｐｎ接合により形成される空乏層の幅を狭くすることができる。そして、空乏層の幅が狭いほど、電圧印加時に、第１ｐ型半導体層１１４の価電子帯に存在する電子が、空乏層をトンネリングし、第２ｎ型半導体層１３１の伝導帯に移動しやすくなる。

次に、発光素子１０の製造方法を説明する。
図３は、本実施形態に係る発光素子１０の製造方法を示すフローチャートである。
図４Ａは、図３の第１活性層１１３を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。
図４Ｂは、図３の第２活性層１３２を形成する工程の詳細を示すフローチャートである。
図５は、本実施形態に係る発光素子１０の製造過程を説明するための断面図である。
図６は、本実施形態に係る発光素子１０の製造過程を説明するための断面図である。
図７は、本実施形態に係る発光素子１０の製造過程を説明するための断面図である。
図８は、本実施形態に係る発光素子１０の製造過程を説明するための断面図である。
図９Ａは、本実施形態に係る発光素子１０における第１活性層１１３を形成する際の炉内の温度の時間変化を示すグラフである。
図９Ｂは、本実施形態に係る発光素子１０における第２活性層１３２を形成する際の炉内の温度の時間変化を示すグラフである。

発光素子１０の製造方法を、図３を参照して概説する。発光素子１０の製造方法は、第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１と、中間層１２０を形成する工程Ｓ２と、第２発光部１３０を形成する工程Ｓ３と、ｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成する工程Ｓ４と、を含む。

半導体積層体１２に含まれる第１発光部１１０、中間層１２０、および第２発光部１３０は、例えば、圧力および温度の調整が可能な炉内において、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法により形成される。具体的には、半導体積層体１２は、炉内にキャリアガスおよび原料ガスを供給することで形成される。

キャリアガスとしては、例えば、水素（Ｈ_２）ガスまたは窒素（Ｎ_２）ガス等を用いることができる。

原料ガスは、形成する半導体層に応じて適宜選択される。Ｇａを含む半導体層を形成する場合は、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスまたはトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガス等のＧａを含む原料ガスが用いられる。Ｎを含む半導体層を形成する場合は、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）ガス等のＮを含む原料ガスが用いられる。Ａｌを含む半導体層を形成する場合は、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガス等のＡｌを含む原料ガスが用いられる。Ｉｎを含む半導体層を形成する場合は、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）等のＩｎを含む原料ガスが用いられる。Ｓｉを含む半導体層を形成する場合は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ_４）ガス等のＳｉを含むガスが用いられる。Ｍｇを含む半導体層を形成する場合は、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガス等のＭｇを含む原料ガスが用いられる。なお、以下において、炉内に、一の元素を含む原料ガスおよび他の元素を含む原料ガスを供給することを、単に「一の元素および他の元素を含む原料ガスを供給する」ともいう。以下、各工程について詳述する。

先ず、第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１を行う。
第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１は、下地層１１１を形成する工程Ｓ１１と、第１ｎ型半導体層１１２を形成する工程Ｓ１２と、第１活性層１１３を形成する工程Ｓ１３と、第１ｐ型半導体層１１４を形成する工程Ｓ１４と、を含む。

下地層１１１を形成する工程Ｓ１１においては、炉内に、下地層１１１に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、下地層１１１を基板１１上に形成する。

第１ｎ型半導体層１１２を形成する工程Ｓ１２においては、炉内に、第１ｎ型半導体層１１２に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第１ｎ型半導体層１１２を下地層１１１上に形成する。

第１活性層１１３を形成する工程Ｓ１３は、図４Ａに示すように、第６障壁層１１６ａを形成する工程Ｓ１３ａと、複数の第１井戸層１１５および複数の第１障壁層１１６ｂを形成する工程Ｓ１３ｂと、第５障壁層１１６ｃを形成する工程Ｓ１３ｃと、を含む。

第６障壁層１１６ａを形成する工程Ｓ１３ａでは、例えば、アンドープの半導体層およびｎ型の半導体層を第１ｎ型半導体層１１２上に形成する。アンドープの半導体層は、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを供給することにより形成する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。ｎ型の半導体層は、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＩｎおよびＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスと、ｎ型不純物であるＳｉを含む原料ガスとを供給することで形成する。

第６障壁層１１６ａは、図９Ａに示すように第６温度Ｔ６で形成する。ここで、「第６温度」とは、基板１１の近傍に配置した熱電対により測定された温度のうち、立ち上がり温度や立下り温度は考慮せずに最も高い温度を意味する。後述する第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第３温度Ｔ３、第４温度Ｔ４、第５温度Ｔ５、第１井戸層１１５を形成する際の温度、および第２井戸層１３４を形成する際の温度についても同様である。第６温度Ｔ６は、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。

第１井戸層１１５および第１障壁層１１６ｂを形成する工程Ｓ１３ｂでは、先ず、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＩｎおよびＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、第６障壁層１１６ａ上に、アンドープのＩｎＧａＮを含む第１井戸層１１５を形成する。次に、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、第１井戸層１１５上に、アンドープのＧａＮを含む第１障壁層１１６ｂを形成する。本実施形態では、第１井戸層１１５の形成と第１障壁層１１６ｂの形成を、交互に複数回行い、最後に形成した第１障壁層１１６ｂ上に第１井戸層１１５を形成する。これにより、上下方向に並んだ複数の第１井戸層１１５の間に第１障壁層１１６ｂが配置された積層体を、第６障壁層１１６ａ上に形成する。

第１障壁層１１６ｂは、第１温度Ｔ１で形成する。本実施形態のように第１井戸層１１５が３以上あり、第１障壁層１１６ｂが２以上ある場合、少なくとも一つの第１障壁層１１６ｂを形成する際の温度が「第１温度Ｔ１」であればよい。後述する第２障壁層１３５ｂを形成する際の第２温度Ｔ２についても同様である。

第１温度Ｔ１は、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。また、第１温度Ｔ１と第６温度Ｔ６との差は、１０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、図９Ａに示すように、第１温度Ｔ１と第６温度Ｔ６が概ね等しい。

また、各第１井戸層１１５を形成する際の温度は、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。また、第１温度Ｔ１と各第１井戸層１１５を形成する際の温度との差は、１０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、図９Ａに示すように、第１温度Ｔ１と各第１井戸層１１５を形成する際の温度が概ね等しい。

第５障壁層１１６ｃを形成する工程Ｓ１３ｃでは、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、最も上方に位置する第１井戸層１１５上に、アンドープのＧａＮを含む第５障壁層１１６ｃを形成する。

第５障壁層１１６ｃは、第５温度Ｔ５で形成する。第５温度Ｔ５は、例えば、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。また、第１温度Ｔ１と第５温度Ｔ５との差は、１０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、図９Ａに示すように、第１温度Ｔ１と第５温度Ｔ５が概ね等しい。

以上より、本実施形態では図９Ａに示すように、概ね一定の温度で、第６障壁層１１６ａ、複数の第１井戸層１１５、複数の第１障壁層１１６ｂ、および第５障壁層１１６ｃを形成する。ただし、これらの層を形成する際の温度は、一定でなくてもよい。

以下、各層を形成する際のＶ族元素を含む原料ガスのモル流量をＩＩＩ族元素を含む原料ガスのモル流量で除算した値を、Ｖ／ＩＩＩ比の値という。第６障壁層１１６ａ、第１井戸層１１５、第１障壁層１１６ｂ、および第５障壁層１１６ｃを形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値は、適宜変更することができる。

第１ｐ型半導体層１１４を形成する工程Ｓ１４においては、炉内に、第１ｐ型半導体層１１４に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第１ｐ型半導体層１１４を、第５障壁層１１６ｃ上に形成する。

以上により、図５に示すように、下地層１１１、第１ｎ型半導体層１１２、第１活性層１１３、および第１ｐ型半導体層１１４を含む第１発光部１１０を、基板１１上に形成する。

次に、中間層１２０を形成する工程Ｓ２を行う。
中間層１２０を形成する工程Ｓ２では、例えば、炉内に、キャリアガスと、ＧａおよびＮを含む原料ガスと、ｎ型不純物であるＳｉを含む原料ガスとを供給する。この際、Ｓｉを含む原料ガスの流量を段階的に減少させる。これにより、第３ｎ型半導体層１２１と、第３ｎ型半導体層１２１のｎ型不純物濃度よりも低いｎ型不純物濃度を有する第４ｎ型半導体層１２２と、第４ｎ型半導体層１２２のｎ型不純物濃度よりも低いｎ型不純物濃度を有する第５ｎ型半導体層１２３と、をこの順で第１発光部１１０上に形成する。以上により、図６に示すように中間層１２０を第１発光部１１０上に形成する。なお、中間層１２０は、ＭＯＣＶＤ法ではなく、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法で形成してもよい。

このように、中間層１２０は、ｎ型不純物濃度が高い第３ｎ型半導体層１２１を含んでいるため、中間層１２０の結晶性が悪化する場合がある。

次に、第２発光部１３０を形成する工程Ｓ３を行う。
第２発光部１３０を形成する工程Ｓ３は、図３に示すように、第２ｎ型半導体層１３１を形成する工程Ｓ３１と、第２活性層１３２を形成する工程Ｓ３２と、第２ｐ型半導体層１３３を形成する工程Ｓ３３と、を含む。

第２ｎ型半導体層１３１を形成する工程Ｓ３１においては、炉内に、第２ｎ型半導体層１３１に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第２ｎ型半導体層１３１を中間層１２０上に形成する。

第２活性層１３２を形成する工程Ｓ３２は、図４Ｂに示すように、第４障壁層１３５ａを形成する工程Ｓ３２ａと、複数の第２井戸層１３４および複数の第２障壁層１３５ｂを形成する工程Ｓ３２ｂと、第３障壁層１３５ｃを形成する工程Ｓ３２ｃと、を含む。

第４障壁層１３５ａを形成する工程Ｓ３２ａでは、例えば、アンドープの半導体層およびｎ型の半導体層を第２ｎ型半導体層１３１上に形成する。アンドープの半導体層は、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを供給することにより形成する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。ｎ型の半導体層は、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＩｎおよびＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスと、ｎ型不純物であるＳｉを含む原料ガスとを供給することで形成する。

第４障壁層１３５ａは、第４温度Ｔ４で形成する。第４温度Ｔ４は、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。第４温度Ｔ４と第１温度Ｔ１との差は、１０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、図９Ｂに示すように、第４温度Ｔ４は第１温度Ｔ１と概ね等しい。

第２井戸層１３４および第２障壁層１３５ｂを形成する工程Ｓ３２ｂでは、先ず、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＩｎおよびＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを炉内に供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、アンドープのＩｎＧａＮを含む第２井戸層１３４を第４障壁層１３５ａ上に形成する。次に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを炉内に供給する。この際、ｎ型不純物およびｐ型不純物を含む原料ガスは供給しない。これにより、アンドープのＧａＮを含む第２障壁層１３５ｂを第２井戸層１３４上に形成する。本実施形態では、第２井戸層１３４の形成と第２障壁層１３５ｂの形成を、交互に複数回行い、最後に形成した第２障壁層１３５ｂ上に第２井戸層１３４を形成する。これにより、上下方向に並んだ複数の第２井戸層１３４の間に第２障壁層１３５ｂが配置された積層体を、第４障壁層１３５ａ上に形成する。

中間層１２０が結晶性の悪い状態で形成された場合、その中間層１２０の結晶性が第２活性層１３２に引き継がれ、第２活性層１３２の結晶性が悪くなることがある。特に、発光に寄与する第２井戸層１３４の結晶性が悪化した場合、発光素子１０の発光効率が低下し易い。これに対して、本実施形態では、中間層１２０の上方に位置する第２障壁層１３５ｂを形成する際の第２温度Ｔ２を第１障壁層１１６ｂを形成する際の第１温度Ｔ１よりも高くしている。そのため、第２障壁層１３５ｂの表面状態を、第２障壁層を第１温度Ｔ１で形成する場合よりも、改善させることができる。これにより、第２障壁層１３５ｂの上に形成する第２井戸層１３４の結晶性を向上させることができる。その結果、発光素子１０の発光効率を向上させることができる。

第２温度Ｔ２は、８７０℃以上９７０℃以下であることが好ましい。また、第２温度Ｔ２と第１温度Ｔ１との差は、５０℃以上１００℃以下であることが好ましい。

また、本実施形態では、第２井戸層１３４を形成する際の温度は、第２温度Ｔ２よりも低い。これにより、第１井戸層１１５および第２井戸層１３４への熱負荷を軽減できる。

第２井戸層１３４を形成する際の温度は、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。第２井戸層１３４を形成する際の温度と第１井戸層１１５を形成する際の温度との差は、１０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、図９Ｂに示すように、第２井戸層１３４を形成する際の温度は、第１温度Ｔ１、すなわち第１井戸層１１５を形成する際の温度と概ね等しい。

また、本実施形態では、各第２障壁層１３５ｂを形成する際の温度は、一定ではなく、時間によって変化する。具体的には、第２障壁層１３５ｂは、第１部分ｐ１と、第１部分ｐ１上に、第１部分ｐ１を形成する際の温度よりも高い温度で形成される第２部分ｐ２と、を有する。したがって、第２温度Ｔ２は、第２障壁層１３５ｂの第２部分ｐ２を形成する際の最高温度に相当する。このように、第２部分ｐ２を形成する際の温度を第１部分ｐ１を形成する際の温度よりも高くすることで、第１部分ｐ１の直下に位置する第２井戸層１３４に含まれるＩｎが熱分解されることを軽減しつつ、次に形成する第２井戸層１３４の下地となる第２部分ｐ２の結晶性を向上させることができる。

第１部分ｐ１を形成する際の温度は、８２０℃以上８７０℃以下であることが好ましい。第１部分ｐ１を形成する際の温度と第１温度Ｔ１との差は、１０℃以下であることが好ましい。

本実施形態では、各第２障壁層１３５ｂの形成を開始する時刻ｔ１から所定時間Δｔ１経過するまでの間は、炉内の温度は、第１温度Ｔ１と概ね等しくなるように設定される。時刻ｔ１から所定時間Δｔ１経過した時刻ｔ２の間に第１部分ｐ１が形成される。次に、各第２障壁層１３５ｂの形成を開始する時刻ｔ１から所定時間Δｔ１経過した時刻ｔ２で、炉内の温度を、第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２に向けて上昇させ、炉内の温度を第２温度Ｔ２にする。その後、次の第２井戸層１３４を形成し始める時刻ｔ３になる前に、第２井戸層１３４を形成する際の温度である第１温度Ｔ１に炉内の温度を降温させる。時刻ｔ２から所定時間Δｔ２経過した時刻ｔ３の間に第２部分ｐ２が形成される。所定時間Δｔ２のうち、炉内の温度を昇温している間および降温している間は、第２部分ｐ２を形成せず、炉内の温度が第２温度Ｔ２に達している間に第２部分ｐ２を形成することが好ましい。これにより、炉内の温度変化による第２部分ｐ２の結晶性の悪化を低減することができる。

第２部分ｐ２を形成する時間に相当する所定時間Δｔ２は、第１部分ｐ１を形成する時間に相当する所定時間Δｔ１よりも長いため、第２部分ｐ２の厚さは、第１部分ｐ１の厚さよりも厚く形成される。その結果、第１部分ｐ１の直下に位置する第２井戸層１３４に含まれるＩｎが熱分解されることを軽減しつつ、次に形成する第２井戸層１３４の下地となる第２部分ｐ２の結晶性を向上させやすい。第１部分ｐ１の厚さは、０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることが好ましい。また、第２部分ｐ２の厚さは、２．０ｎｍ以上４．０ｎｍ以下であることが好ましい。また、第１部分ｐ１の厚さと第２部分ｐ２の厚さとの差は、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下であることが好ましい。

また、前述した第４障壁層１３５ａを形成する際の第４温度Ｔ４は、第２温度Ｔ２よりも低い。これにより、第４障壁層１３５ａの下方に位置する、例えば第１発光部１１０への熱負荷を軽減できる。

第３障壁層１３５ｃを形成する工程Ｓ３２ｃでは、炉内に、キャリアガスと、ＩＩＩ族元素であるＧａを含む原料ガスと、Ｖ族元素であるＮを含む原料ガスとを供給する。これにより、最も上方に位置する第２井戸層１３４上に、アンドープのＧａＮを含む第３障壁層１３５ｃを形成する。

第３障壁層１３５ｃ上には、第２井戸層１３４が形成されないため、第２井戸層１３４の結晶性を向上させるために、第３障壁層１３５ｃの表面状態を改善させる必要はない。第３障壁層１３５ｃを第２温度Ｔ２よりも低い第３温度Ｔ３で形成することで、第１活性層１１３および第２活性層１３２への熱負荷を軽減できる。

第３温度Ｔ３は、例えば、８２０℃以上８７０℃以下である。第３温度Ｔ３と第１温度Ｔ１との差は、１０℃以下であることが好ましい。第３温度Ｔ３は、本実施形態では図９Ｂに示すように第１温度Ｔ１と概ね等しい。

なお、第２活性層を形成する際の温度の時間変化は、図９Ａに示す温度の時間変化に限定されない。例えば、第２障壁層は、概ね一定の温度で形成されてもよい。

中間層１２０の結晶性が悪化し、その結晶性が第２活性層１３２に引き継がれた場合、転位等に起因して第２活性層１３２の各層の表面に凹状のピットが形成されるとともに、そのピットの径が大きくなり易い。これに対して、本実施形態では、第２障壁層１３５ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値を、第２井戸層１３４を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値よりも小さくしている。これにより、第２障壁層１３５ｂをＺ方向と交差する方向に成長させ易い。その結果、第２障壁層１３５ｂを形成する際に凹状のピットを埋めやすくし、第２井戸層１３４が上に形成される第２障壁層１３５ｂの表面状態を改善することができる。ただし、第２障壁層を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値と第２井戸層を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値との大小関係は、上記に限定されない。

なお、第２井戸層１３４、第４障壁層１３５ａ、および第３障壁層１３５ｃを形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値は、第１活性層１１３の各層を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値と概ね同一である。ただし、第２井戸層、第４障壁層、および第３障壁層を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値は、第１活性層の各層を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値と異なっていてもよい。

第２ｐ型半導体層１３３を形成する工程Ｓ３３においては、炉内に、第２ｐ型半導体層１３３に対応するキャリアガスおよび原料ガスを供給する。これにより、第２ｐ型半導体層１３３を、第３障壁層１３５ｃ上に形成する。

以上により、図７に示すように、第２ｎ型半導体層１３１、第２活性層１３２、および第２ｐ型半導体層１３３を含む第２発光部１３０を、中間層１２０上に形成する。

次に、ｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成する工程Ｓ４を行う。
ｎ側電極１３およびｐ側電極１４を形成する工程Ｓ４では、先ず、図８に示すように、半導体積層体１２の一部を除去して、第１ｎ型半導体層１１２の第１面１１２ｓ１および第３面１１２ｓ３を、第１活性層１１３、第１ｐ型半導体層１１４、中間層１２０、および第２発光部１３０から露出させる。半導体積層体１２の一部は、例えば、レジストを用いて選択的にエッチングすることにより除去することができる。

次に、露出した第１面１１２ｓ１の上にｎ側電極１３を形成する。また、第２ｐ型半導体層１３３上にｐ側電極１４を形成する。ｎ側電極１３およびｐ側電極１４は、例えば、スパッタリング法または蒸着法により形成することができる。

以上により、発光素子１０を得ることができる。ただし、発光素子の製造方法は、上記の方法に限定されない。例えば、発光素子の製造方法は、下地層を形成する工程を含まず、基板上に第１ｎ型半導体層が直接形成されてもよい。

本実施形態に係る発光素子１０の製造方法は、下方から上方に向かって順に、第１ｎ型半導体層１１２と、第１活性層１１３と、第１ｐ型半導体層と、を含む第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１と、第１発光部１１０上に、中間層１２０を形成する工程Ｓ２と、中間層１２０上に、下方から上方に向かって順に、第２ｎ型半導体層１３１と、第２活性層１３２と、第２ｐ型半導体層１３３と、を含む第２発光部１３０を形成する工程Ｓ３と、を備える。
第１活性層１１３は、上下方向に並んだ複数の第１井戸層１１５と、複数の第１井戸層１１５のうち隣り合う２つの第１井戸層１１５の間に位置する第１障壁層１１６ｂとを有する。
第２活性層１３２は、上下方向に並んだ複数の第２井戸層１３４と、複数の第２井戸層１３４のうち隣り合う２つの第２井戸層１３４の間に位置する第２障壁層１３５ｂとを有する。
第１発光部１１０を形成する工程Ｓ１において、第１障壁層１１６ｂを第１温度Ｔ１で形成する。第２発光部１３０を形成する工程Ｓ２において、第２障壁層１３５ｂを第１温度Ｔ１よりも高い第２温度Ｔ２で形成する。

このように、第２温度Ｔ２を第１温度Ｔ１よりも高くすることにより、第２障壁層１３５ｂの表面状態を、第１障壁層１１６ｂを形成する際の第１温度Ｔ１で第２障壁層を形成する場合よりも、改善させることができる。これにより、第２障壁層１３５ｂ上に形成される第２井戸層１３４の結晶性を向上させることができる。その結果、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

また、第２活性層１３２は、最も上方に位置する第２井戸層１３４の上方に第３障壁層１３５ｃをさらに有する。第２温度Ｔ２よりも低い第３温度Ｔ３で第３障壁層１３５ｃを形成する。これにより、第３障壁層１３５ｃを第２温度Ｔ２で形成するよりも第１活性層１１３および第２活性層１３２への熱負荷を軽減できる。その結果、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

また、第３温度Ｔ３と第１温度Ｔ１との差は、１０℃以下である。このように、第３温度Ｔ３と第１温度Ｔ１との差を小さくすることで、第１活性層１１３および第２活性層１３２への熱負荷をより一層軽減できる。

また、第２活性層１３２は、最も下方に位置する第２井戸層１３４の下方に第４障壁層１３５ａをさらに有する。第２温度Ｔ２よりも低い第４温度Ｔ４で第４障壁層１３５ａを形成する。これにより、第４障壁層１３５ａを第２温度Ｔ２で形成するよりも第４障壁層１３５ａへの熱負荷を軽減できる。その結果、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

また、第４温度Ｔ４と第１温度Ｔ１との差は、１０℃以下である。このように、第４温度Ｔ４と第１温度Ｔ１との差を小さくすることで、第４障壁層１３５ａへの熱負荷をより一層軽減できる。

また、第１井戸層１１５および第２井戸層１３４を形成する際の温度は、第２温度Ｔ２よりも低い。そのため、第１井戸層１１５および第２井戸層１３４への熱負荷を軽減できる。

また、第２井戸層１３４を形成する際の温度と第１井戸層１１５を形成する際の温度との差は、１０℃以下である。このように、第２井戸層１３４を形成する際の温度と第１井戸層１１５を形成する際の温度との差を小さくすることで、第１井戸層１１５および第２井戸層１３４への熱負荷をより一層軽減できる。

また、第２障壁層１３５ｂおよび第２井戸層１３４は、それぞれ、ＩＩＩ族元素を含む原料ガスおよびＶ族元素を含む原料ガスを供給することによって形成される。第２障壁層１３５ｂを形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値は、第２井戸層１３４を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値よりも小さい。これにより、第２障壁層１３５ｂが形成される半導体層の表面に形成されたピットが埋まりやすくなるように第２障壁層１３５ｂを成長させることができる。その結果、第２井戸層１３４が上に形成される第２障壁層１３５ｂの表面状態を改善し、第２井戸層１３４を結晶性よく形成できる。

また、第２障壁層１３５ｂは、第１部分ｐ１と、第１部分ｐ１上に形成される第２部分ｐ２とを有する。第２発光部１３０を形成する工程Ｓ３において、第２部分ｐ２を第１部分ｐ１を形成する際の温度および第１温度Ｔ１よりも高い温度で形成する。これにより、第２障壁層１３５ｂの直下に配置される第２井戸層１３４への熱負荷を軽減しつつ、次に形成する第２井戸層１３４の下地となる第２部分ｐ２の結晶性を向上できる。

また、第２部分ｐ２の厚さは、第１部分ｐ１の厚さよりも厚い。これにより、第２障壁層１３５ｂの結晶性をより一層向上できる。

また、第１障壁層１１６ｂおよび第２障壁層１３５ｂは、それぞれ窒化ガリウムを含む。第１井戸層１１５および第２井戸層１３４は、それぞれ窒化インジウムガリウムを含む。第２障壁層１３５ｂが第１部分ｐ１および第２部分ｐ２を有することで、第１部分ｐ１により第２井戸層１３４に含まれるＩｎが熱分解されることを軽減しつつ、第２部分ｐ２により第２井戸層１３４の結晶性を向上できる。

また、中間層１２０は、第２ｎ型半導体層１３１のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度の第３ｎ型半導体層１２１を含む。このような中間層１２０は、結晶性が悪化し易いが、本実施形態では第２温度Ｔ２を第１温度Ｔ１よりも高くしているため、第２障壁層１３５ｂ上に形成される第２井戸層１３４の結晶性を向上できる。そのため、発光素子１０の発光効率を高めることができる。

（実施例）
次に、実施例および参考例について説明する。
実施例１、２に係る発光素子および参考例１～３に係る発光素子を作成した。実施例１、２に係る発光素子および参考例１～３に係る発光素子は、それぞれ図１に示す発光素子１０と同様の層構造を有する。実施例１、２に係る発光素子および参考例１～３に係る発光素子は、下記の表に示す温度条件で第１障壁層および第２障壁層の形成し、その他の層の形成方法が共通するように作成した。なお、下記の表において、参考例１における第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２を基準の温度「Ｔｒｅｆ」としている。

実施例１、２に係る発光素子および参考例１～３に係る発光素子の製造方法について詳述する。

基板として、サファイアからなる基板を用いた。まず、基板上に、アンドープのＧａＮ層を含む厚さ約５μｍの下地層を形成した。

次に、下地層上に、ＳｉがドープされたＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層とを含む厚さ約５．５μｍの第１ｎ型半導体層を形成した。

次に、第１ｎ型半導体層上に、第６障壁層と、７つの第１井戸層と、６つの第１障壁層と、第５障壁層とを含む第１活性層を形成した。第６障壁層は、アンドープのＧａＮ層と、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層とを含む。第６障壁層の厚さは、約５．１ｎｍである。各第１井戸層は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。各第１井戸層の厚さは、約２．５ｎｍである。各第１障壁層は、アンドープのＧａＮ層である。各第１障壁層の厚さは、約４．０ｎｍである。第５障壁層は、アンドープのＧａＮ層である。第５障壁層の厚さは、約４．０ｎｍである。

次に、第１活性層上に、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層と、ＭｇがドープされたＧａＮ層と、を含む厚さ約８４ｎｍの第１ｐ型半導体層を形成した。

次に、第１ｐ型半導体層上に、中間層を形成した。中間層は、第３ｎ型半導体層と、第３ｎ型半導体層のｎ型不純物濃度よりも低いｎ型不純物濃度を有する第４ｎ型半導体層と、第４ｎ型半導体層のｎ型不純物濃度よりも低いｎ型不純物濃度を有する第５ｎ型半導体層と、を含む。第３ｎ型半導体層、第４ｎ型半導体層、および第５ｎ型半導体層は、それぞれＳｉがドープされたＧａＮ層である。第３ｎ型半導体層の厚さは約２．５ｎｍであり、第４ｎ型半導体層の厚さは約２７ｎｍであり、第５ｎ型半導体層の厚さは約４０ｎｍである。

次に、中間層上に、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層と、ＳｉがドープされたＧａＮ層とを含む厚さ約６０ｎｍの第２ｎ型半導体層を形成した。

次に、第２ｎ型半導体層上に、第４障壁層と、７つの第２井戸層と、６つの第２障壁層と、第３障壁層と、を含む第２活性層を形成した。第４障壁層は、アンドープのＧａＮ層と、ＳｉがドープされたＩｎＧａＮ層とを含む。第４障壁層の厚さは、約５．１ｎｍである。各第２井戸層は、アンドープのＩｎＧａＮ層である。各第２井戸層の厚さは、約２．５ｎｍである。各第２障壁層は、アンドープのＧａＮ層である。各第２障壁層の厚さは、約４．０ｎｍである。第３障壁層は、アンドープのＧａＮ層である。第３障壁層の厚さは、約４．０ｎｍである。

次に、第２活性層上に、ＭｇがドープされたＡｌＧａＮ層と、アンドープのＧａＮ層と、ＭｇがドープされたＧａＮ層とを含む厚さ約１１４ｎｍの第２ｐ型半導体層を形成した。

次に、第１ｎ型半導体層、第１活性層、第１ｐ型半導体層、中間層、第２ｎ型半導体層、第２活性層、および第２ｐ型半導体層の一部を除去して、露出した第１ｎ型半導体層上にｎ側電極を形成し、第２ｐ型半導体層上にｐ側電極を形成した。

参考例１では、第１活性層および第２活性層を概ね一定の温度Ｔｒｅｆで作成した。すなわち、参考例１では、各第１障壁層を形成する際の第１温度Ｔ１と、各第２障壁層を形成する際の第２温度Ｔ２とは概ね等しい。

参考例２では、第１温度Ｔ１を、参考例１における第１温度Ｔ１よりも５０℃高い温度とした。また、参考例２では、第２温度Ｔ２は、参考例１における第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２と概ね等しい。すなわち、参考例２における第１温度Ｔ１は、参考例２における第２温度Ｔ２よりも５０℃高い。

参考例３では、第１温度Ｔ１を、参考例１における第１温度Ｔ１よりも１００℃高い温度とした。また、参考例３では、第２温度Ｔ２は、参考例１における第１温度Ｔ１および第２温度Ｔ２と概ね等しい。すなわち、参考例３における第１温度Ｔ１は、参考例３における第２温度Ｔ２よりも１００℃高い。

実施例１では、第１温度Ｔ１は、参考例１における第１温度Ｔ１と概ね等しい温度とした。また、実施例１では、第２温度Ｔ２を、参考例１における第１温度Ｔ１よりも５０℃高い温度とした。すなわち、実施例２における第２温度Ｔ２は、実施例２における第１温度Ｔ１よりも５０℃高い。

実施例２では、第１温度Ｔ１は、参考例１における第１温度Ｔ１と概ね等しい温度とした。また、実施例２では、第２温度Ｔ２を、参考例１における第１温度Ｔ１よりも１００℃高い温度とした。すなわち、実施例２における第２温度Ｔ２は、実施例２における第１温度Ｔ１よりも１００℃高い。

なお、参考例２、３および実施例１、２では、第３障壁層を形成する際の第３温度Ｔ３、第４障壁層を形成する際の第４温度Ｔ４、第５障壁層を形成する際の第５温度Ｔ５、第６障壁層を形成する際の第６温度Ｔ６、第１井戸層を形成する際の温度、および第２井戸層を形成する際の温度は、参考例１と同様に温度Ｔｒｅｆと概ね等しい温度とした。

図１０Ａは、実施例１、２および参考例１における発光素子の順方向電流Ｉｆと外部量子効率を正規化した値Ｅ．Ｑ．Ｅ．／Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆと、の関係を示すグラフである。
図１０Ｂは、参考例１～３における発光素子の順方向電流Ｉｆと外部量子効率を正規化した値Ｅ．Ｑ．Ｅ．／Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆと、の関係を示すグラフである。
作成した実施例１、２に係る発光素子および参考例１～３に係る発光素子の順方向電流Ｉｆを０ｍＡ～５００ｍＡの間で変化させ、その時の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．を測定した。その結果を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。なお、図１０Ａおよび図１０Ｂの縦軸は、いずれも測定した各外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．の値を参考例１における外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．の最大値Ｅ．Ｑ．Ｅ．ｒｅｆで除算することにより、正規化した値である。

また、参考例１に係る発光素子および実施例２に係る発光素子における第２活性層の上面をＡＦＭ（Atomic Force Microscope）で撮影し、複数のピットの径の平均値を算出した。その結果、参考例１に係る発光素子のピット径の平均値は、１５８ｎｍであり、実施例２に係る発光素子のピット径の平均値は、１４０ｎｍであった。すなわち、実施例２に係る発光素子のピット径の平均値は、参考例１に係る発光素子のピット径の平均値から１１％程度縮小した。

図１０Ｂに示すように、参考例１に対して第１温度Ｔ１を上昇させて第２温度Ｔ２を上昇させなかった参考例２、３に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．は、参考例１に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．よりも低いことがわかった。これは、第１障壁層を形成する際の温度を上昇させることで第１障壁層の結晶性が向上しピットの径が小さくなるものの、第１井戸層への熱負荷が大きくなり、結果として発光素子の発光効率が向上しにくいためであると考えられる。したがって、活性層が１つの発光素子では、本件のように発光効率を向上する効果が得られにくいと考えられる。

一方、図１０Ａに示すように、参考例１に対して第１温度Ｔ１を上昇させずに第２温度Ｔ２を上昇させた実施例１、２に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．は、参考例１に係る発光素子の外部量子効率Ｅ．Ｑ．Ｅ．よりも高いことが分かった。２つの活性層を有する発光素子においては、第２活性層は、比較的結晶性の悪い中間層上に形成される。そのため、第２活性層に含まれる第２井戸層の結晶性が悪化しやすく、発光素子の発光効率が低下する。これに対して、実施例１、２のように第２障壁層を形成する際の第２温度Ｔ２を上昇させることで、第１井戸層および第２井戸層への熱負荷は大きくなるが第２障壁層の結晶性向上による発光効率の向上効果が大きく、結果として発光効率が向上していると考えられる。

また、図１０Ａに示すように、実施例１、２に係る発光素子の外部量子効率は、特に低電流領域で参考例１に係る発光素子の外部量子効率に対して向上することが分かった。

また、以上より、第２温度Ｔ２と第１温度Ｔ１との差は、５０℃以上１００℃以下であることが好ましい。

１０：発光素子
１１：基板
１２：半導体積層体
１３：ｎ側電極
１４：ｐ側電極
１１０：第１発光部
１１１：下地層
１１２：第１ｎ型半導体層
１１２ｓ１：第１面
１１２ｓ２：第２面
１１２ｓ３：第３面
１１３：第１活性層
１１４：第１ｐ型半導体層
１１５：第１井戸層
１１６ａ：第６障壁層
１１６ｂ：第１障壁層
１１６ｃ：第５障壁層
１２０：中間層
１２１：第３ｎ型半導体層
１２２：第４ｎ型半導体層
１２３：第５ｎ型半導体層
１３０：第２発光部
１３１：第２ｎ型半導体層
１３２：第２活性層
１３３：第２ｐ型半導体層
１３４：第２井戸層
１３５ａ：第４障壁層
１３５ｂ：第２障壁層
１３５ｃ：第３障壁層
Ｔ１：第１温度
Ｔ２：第２温度
Ｔ３：第３温度
Ｔ４：第４温度
Ｔ５：第５温度
Ｔ６：第６温度
ｐ１：第１部分
ｐ２：第２部分
ｔ１、ｔ２：時刻
Δｔ１、Δｔ２：所定時間

Claims

下方から上方に向かって順に、第１ｎ型半導体層と、第１活性層と、第１ｐ型半導体層と、を含む第１発光部を形成する工程と、
前記第１発光部上に、中間層を形成する工程と、
前記中間層上に、下方から上方に向かって順に、第２ｎ型半導体層と、第２活性層と、第２ｐ型半導体層と、を含む第２発光部を形成する工程と、を備え、
前記第１活性層は、上下方向に並んだ複数の第１井戸層と、前記複数の第１井戸層のうち隣り合う２つの第１井戸層の間に位置する第１障壁層とを有し、
前記第２活性層は、前記上下方向に並んだ複数の第２井戸層と、前記複数の第２井戸層のうち隣り合う２つの第２井戸層の間に位置する第２障壁層とを有し、
前記第１発光部を形成する工程において、前記第１障壁層を第１温度で形成し、
前記第２発光部を形成する工程において、前記第２障壁層を前記第１温度よりも高い第２温度で形成する、発光素子の製造方法。
前記第２温度と前記第１温度との差は、５０℃以上１００℃以下である請求項１に記載の発光素子の製造方法。
前記第２活性層は、最も上方に位置する前記第２井戸層の上方に第３障壁層をさらに有し、
前記第２温度よりも低い第３温度で前記第３障壁層を形成する請求項１または２に記載の発光素子の製造方法。
前記第３温度と前記第１温度との差は、１０℃以下である請求項３に記載の発光素子の製造方法。
前記第２活性層は、最も下方に位置する前記第２井戸層の下方に第４障壁層をさらに有し、
前記第２温度よりも低い第４温度で前記第４障壁層を形成する請求項１～４のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
前記第４温度と前記第１温度との差は、１０℃以下である請求項５に記載の発光素子の製造方法。
前記第１井戸層および前記第２井戸層を形成する際の温度は、前記第２温度よりも低い請求項１～６のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
前記第２井戸層を形成する際の温度と前記第１井戸層を形成する際の温度との差は、１０℃以下である請求項７に記載の発光素子の製造方法。
前記第２障壁層および前記第２井戸層は、それぞれ、ＩＩＩ族元素を含む原料ガスおよびＶ族元素を含む原料ガスを供給することによって形成され、
前記第２障壁層を形成する際の前記Ｖ族元素を含む原料ガスのモル流量を前記ＩＩＩ族元素を含む原料ガスのモル流量で除算したＶ／ＩＩＩ比の値は、前記第２井戸層を形成する際のＶ／ＩＩＩ比の値よりも小さい、請求項１～８のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
前記第２障壁層は、第１部分と、前記第１部分上に形成される第２部分とを有し、
前記第２発光部を形成する工程において、前記第２部分を前記第１部分を形成する際の温度および前記第１温度よりも高い温度で形成する、請求項１～９のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
前記第２部分の厚さは、前記第１部分の厚さよりも厚い、請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
前記第１障壁層および前記第２障壁層は、それぞれ窒化ガリウムを含み、
前記第１井戸層および前記第２井戸層は、それぞれ窒化インジウムガリウムを含む、請求項１～１１のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。
前記中間層は、前記第２ｎ型半導体層のｎ型不純物濃度よりも高いｎ型不純物濃度の第３ｎ型半導体層を含む、請求項１～１２のいずれか１つに記載の発光素子の製造方法。