JP2023178173A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩｎＧａＮで赤色発光を実現するためにはＩｎ組成を４０％程度とする必要がある。しかし、Ｉｎ組成が高い場合に高品質なＩｎＧａＮを得ることが困難であった。本発明の目的は、Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体の品質を高めることである。
【解決手段】Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によって形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、成長温度を５５０～７００℃、成長速度を０．８ｎｍ／ｍｉｎ以下とし、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が０．７５～１となるようにしてＩＩＩ族窒化物半導体を形成する、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法である。
【選択図】図２２

Description

本発明は、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法に関するものである。

近年、ディスプレイの高精細化が求められており、１ピクセルを１～１００μｍオーダーの微細なＬＥＤとするマイクロＬＥＤディスプレイが注目されている。フルカラーとする方式は各種知られているが、たとえば青、緑、赤の各色を発光する３つの活性層を同一基板上に順に積層する方式が知られている。

特開平６－２０９１２２号公報

ＩｎＧａＮで赤色発光を実現するためにはＩｎ組成を４０％程度とする必要がある。しかし、特許文献１の方法ではＩｎ組成が高い場合に高品質なＩｎＧａＮを得ることが困難であった。

そこで本発明の目的は、Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体の品質を高めることである。

本発明の一態様は、Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によって形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
成長温度を５５０～７００℃、成長速度を０．８ｎｍ／ｍｉｎ以下とし、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が０．７５～１となるようにして前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法にある。

本発明の一態様によれば、Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体の品質を向上させることができる。

第１実施形態の発光素子の構成を示した図。 変形例の発光素子の構成を示した図。 変形例の発光素子の構成を示した図。 第１実施形態の発光素子の等価回路を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第１実施形態の発光素子の製造工程を示した図。 第２実施形態の発光素子の構成を示した図。 第３実施形態の発光素子の構成を示した図。 実験例１の発光素子の構成を示した図。 第３活性層１８の表面を撮影したＡＦＭ像。 駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 発光スペクトルを示したグラフ。 第３活性層１８の表面を撮影したＡＦＭ像。 駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフ。 第４実施形態における発光素子の構成を示した図。 第４実施形態における発光素子の等価回路を示した図。 第５実施形態における発光素子の構成を示した図。 成長速度を変化させたときの量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層表面のＡＦＭ像。 Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比を変化させたときの量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層表面のＡＦＭ像。 アンモニアの分圧を変化させたときの量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層表面のＡＦＭ像。

ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法は、Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によって形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、成長温度を５５０～７００℃、成長速度を０．８ｎｍ／ｍｉｎ以下とし、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が０．７５～１となるようにしてＩＩＩ族窒化物半導体を形成する。

また、Ｎ原料ガスの分圧を０．１５～０．２ａｔｍとしてもよい。また、ＶＩＩＩ比を３００００～８００００としてもよい。また、Ｉｎ気相比を４０％以上としてもよい。また、Ｇａ原料ガスの分圧を１×１０^－６～３×１０^－６ａｔｍ、Ｉｎ原料ガスの分圧を１×１０^－６～３×１０^－６ａｔｍとしてもよい。

また、発光素子の製造方法は、黄色から赤色の発光色の量子井戸構造層を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法であって、量子井戸構造層の井戸層を上記のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成するものである。

また、量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さを調整し、その井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が青色である第１歪緩和層を形成する第１歪緩和層形成工程と、量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さを調整し、その井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が緑色である第２歪緩和層を形成する第２歪緩和層形成工程と、前記第２歪緩和層上に前記量子井戸構造層を形成する量子井戸構造層形成工程と、を有していてもよい。

また、前記量子井戸構造層の井戸層の成長温度を前記第１歪緩和層および前記第２歪緩和層の成長温度よりも低くしてもよい。また、前記第２歪緩和層の成長温度を前記第１歪緩和層の成長温度よりも低くしてもよい。

また、前記量子井戸構造層の井戸層の成長速度を前記第１歪緩和層および前記第２歪緩和層の成長速度よりも遅くしてもよい。また、前記第２歪緩和層の成長速度を前記第１歪緩和層の成長速度よりも遅くしてもよい。

また、前記量子井戸構造層の井戸層形成時のＩｎ気相比を前記第１歪緩和層および前記第２歪緩和層形成時のＩｎ気相比よりも小さくしてもよい。

前記量子井戸構造層の前記井戸層の形成後に積層する前記量子井戸構造層の障壁層の成長速度は、前記井戸層の成長温度以上にしてもよい。また、前記量子井戸構造層の前記井戸層の形成後に積層する前記量子井戸構造層の障壁層の成長温度は、前記井戸層の成長温度と同温にしてもよい。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の発光素子の構成を示した図である。第１実施形態の発光素子は青、緑、赤のそれぞれを発光可能である。また、第１実施形態の発光素子は、基板の裏面側から光を取り出すフリップチップ型であり、図示しない実装基板にフェイスダウンで実装されている。なお、第１実施形態は１ピクセルが１チップの構造であるが、モノリシック型であってもよい。つまり、第１実施形態の素子構造が同一基板上にマトリクス状に配列されたマイクロＬＥＤディスプレイ素子としてもよい。

第１実施形態の発光素子は、図１に示すように、基板１０と、ｎ層１１と、ＥＳＤ層１２と、下地層１３と、第１活性層１４と、第１中間層１５と、第２活性層１６と、第２中間層１７と、第３活性層１８と、保護層１９と、再成長層２０Ａ～２０Ｃと、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと、ｐ層２２Ａ～２２Ｃと、ｎ電極２３と、ｐ電極２４Ａ～２４Ｃと、を有している。

基板１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体を成長させる成長基板である。たとえば、サファイア、Ｓｉ、ＧａＮなどである。

ｎ層１１は、低温バッファ層や高温バッファ層（図示しない）を介して基板１０上に設けられたｎ型の半導体である。ただし、バッファ層は必要に応じて設ければよく、基板がＧａＮである場合などにはバッファ層を設けなくともよい。ｎ層１１は、たとえばｎ－ＧａＮ、ｎ－ＡｌＧａＮなどである。Ｓｉ濃度は、たとえば１×１０^１８～１００×１０^１８ｃｍ^－３である。

ＥＳＤ層１２は、ｎ層１１上に設けられた半導体層であり、静電耐圧向上のために設ける層である。ＥＳＤ層１２は必要に応じて設ければよく、省略してよい。ＥＳＤ層１２は、たとえば、ノンドープまたは低濃度にＳｉがドープされたＧａＮ、ＩｎＧａＮ、またはＡｌＧａＮである。

下地層１３は、ＥＳＤ層１２上に設けられた超格子構造の半導体層であり、下地層１３上に形成される半導体層の格子歪みを緩和するための層である。下地層１３も必要に応じて設ければよく、省略してもよい。下地層１３は、組成の異なるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜（たとえばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮのうち２つ）を交互に積層させたものであり、ペア数はたとえば３～３０である。ノンドープでもよいし、Ｓｉを１×１０^１７～１００×１０^１７ｃｍ^－３程度ドープしてもよい。また、歪を緩和できるのでれば超格子構造である必要はない。第１活性層１４とのヘテロ界面で格子定数差が小さくなるような材料であればよく、たとえば、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＮ層、ＡｌＧａＩｎ層であってもよい。

第１活性層１４は、下地層１３上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は青色であり、４３０～４８０ｎｍである。第１活性層１４はＡｌＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。

第１中間層１５は、第１活性層１４上に設けられた半導体層であり、第１活性層１４と第２活性層１６の間に位置している。第１中間層１５は、第１活性層１４からの発光と第２活性層１６からの発光とを個別に制御可能とするために設ける層である。また、後述の第２溝３１を形成する際に第１活性層１４をエッチングダメージから保護する役割も有する。

第１中間層１５の材料は、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体であり、たとえばＩｎＧａＮとするのがよい。Ｉｎによるサーファクタント効果によって第１中間層１５表面の荒れを抑制し、表面平坦性を向上させることができる。また、格子歪みを緩和させることができる。第１中間層１５のＩｎ組成（ＩＩＩ族窒化物半導体のＩＩＩ族金属全体に占めるＩｎのモル比）は、第１活性層１４および第２活性層１６から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定されていればよい。好ましいＩｎ組成は、１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下である。Ｉｎ組成が１０％よりも大きいと、第１中間層１５の表面が荒れる原因となる。Ｉｎは０％よりも大きければ任意であり、ドープレベル（混晶を形成しないレベル）でもよい。たとえばＩｎ濃度が１×１０^１４ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下のＧａＮである。

また、第１中間層１５には不純物がドープされていてもよい。好ましくはｎ型不純物である。たとえば、Ｓｉ濃度が１×１０^１７～１０００×１０^１７ｃｍ^－３、好ましくは１０×１０^１７～１００×１０^１７ｃｍ^－３、さらに好ましくは２０×１０^１７～８０×１０^１７ｃｍ^－３であってもよい。

第１中間層１５の厚さは、２０～１５０ｎｍとすることが好ましい。１５０ｎｍよりも厚いと、第１中間層１５の表面が荒れる原因となり得る。また、２０ｎｍよりも薄いと、後述の第２溝３１を形成する際に第２溝３１の深さを第１中間層１５内とする制御が難しくなる可能性がある。より好ましくは３０～１００ｎｍ、さらに好ましくは５０～８０ｎｍである。

第２活性層１６は、第１中間層１５上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は緑色であり、５１０～５７０ｎｍである。第２活性層１６はＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。また、第１活性層１４のペア数と等しいか少ないことが好ましく、少ないことがより好ましい。

第２中間層１７は、第２活性層１６上に設けられた半導体層であり、第２活性層１６と第３活性層１８の間に位置している。第２中間層１７は、第１中間層１５と同様の理由により設けられたものであり、第２活性層１６からの発光と第３活性層１８からの発光とを個別に制御可能とするために設ける層である。また、後述の第３溝３２を形成する際に第２活性層１６をエッチングダメージから保護する役割も有する。

第２中間層１７の材料は、第１中間層１５と同様である。第１中間層１５と第２中間層１７を同一材料としてもよい。また、第２中間層１７にも第１中間層１５と同様に不純物がドープされていてもよい。また、第２中間層１７の厚さも第１中間層１５と同様であり、第１中間層１５と第２中間層１７の厚さを同一としてもよい。ただし、第１中間層１５よりも薄くし、Ｉｎ組成も第１中間層１５より大きくすることが好ましい。緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

第３活性層１８は、第２中間層１７上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は赤色であり、５９０～７００ｎｍである。第３活性層１８はＩｎＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。また、第２活性層１６のペア数と等しいか少ないことが好ましく、少ないことがより好ましい。

保護層１９は、第３活性層１８上に設けられた半導体層である。保護層１９は、活性層を保護するとともに、電子ブロック層としても機能する層である。保護層１９は、第３活性層１８の井戸層よりもバンドギャップの広い材料であればよく、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどである。保護層１９の厚さは、２．５～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは５～２５ｎｍである。保護層１９に不純物をドープしてもよく、Ｍｇをドープしてもよい。その場合、Ｍｇ濃度は１×１０^１８～１０００×１０^１８ｃｍ^－３とするのがよい。

保護層１９の一部領域はエッチングされて溝が設けられ、保護層１９から第２中間層１７に達する第３溝３２、第１中間層１５に達する第２溝３１、ｎ層１１に達する第１溝３０が設けられている。

再成長層２０Ａ～２０Ｃは、保護層１９上、第３溝３２底面に露出する第２中間層１７上、第２溝３１底面に露出する第１中間層１５上にそれぞれ設けられている。再成長層２０Ａ～２０Ｃの構成は保護層１９と同様である。

電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃは、再成長層２０Ａ～２０Ｃ上にそれぞれ設けられた半導体層であり、ｎ層１１から注入された電子を第1活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８に効率よく閉じ込めるためにブロックする層である。電子ブロック層はＧａＮやＡｌＧａＮの単層でもよいし、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮのうち２以上を積層させた構造や、組成比のみ替えて積層させた構造であってもよい。また、超格子構造としてもよい。電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃの厚さは、５～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは５～２５ｎｍである。電子ブロック層２１Ａ～２１ＣのＭｇ濃度は１×１０^１９～１００×１０^１９ｃｍ^－３とするのがよい。

ｐ層２２Ａ～２２Ｃは、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ上にそれぞれ設けられた半導体層であり、電子ブロック層２１側から順に第１層、第２層で構成されている。第１層は、ｐ－ＧａＮ、ｐ－ＩｎＧａＮが好ましい。第１層の厚さは１０～５００ｎｍが好ましく、より好ましくは１０～２００ｎｍ、さらに好ましくは１０～１００ｎｍである。第１層のＭｇ濃度は１×１０^１９～１００×１０^１９ｃｍ^－３とするのがよい。第２層は、ｐ－ＧａＮ、ｐ－ＩｎＧａＮが好ましい。第２層の厚さは２～５０ｎｍが好ましく、より好ましくは４～２０ｎｍ、さらに好ましくは６～１０ｎｍである。第２層のＭｇ濃度は１×１０^２０～１００×１０^２０ｃｍ^－３とするのがよい。

なお、第１実施形態では、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃはそれぞれ分離して設けられているが、一続きにしてもよい（図２参照）。この場合、第３溝３２の側面や第２溝３１の側面にも再成長層、電子ブロック層、ｐ層が形成されることとなるが、素子の動作にはほとんど影響しない。その理由は次の通りである。ｐ電極２４Ａ、ｐ電極２４Ｂ、ｐ電極２４Ｃがそれぞれ空間的に十分に分離されていれば、ｐ電極２４Ａ、ｐ電極２４Ｂ、ｐ電極２４Ｃの間をつなぐｐ層の抵抗が非常に高いために電流はほとんど流れない。加えて、ホールは移動度が低いため、電極と接触している領域から正孔は横方向に広がらず、電極直下のｐｎジャンクションを縦方向へ支配的に流れる。そのため再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃが一続きであっても素子の動作に影響がないのである。すなわち、ｐ電極２４Ａに電流を流した場合、ｐ電極２４Ａの直下に電流が流れ、その結果ｐ電極２４Ａ直下の活性層が発光し、ｐ電極２４Ｂ、２４Ｃ直下の活性層に電流が流れて発光することはほとんどないのである。

また、図３のように、第３溝３２の側面や第２溝３１の側面に絶縁膜２７を設けてもよい。この絶縁膜２７は、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃを選択成長させる際のマスクを残したものである。

ｎ電極２３は、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上に設けられた電極である。基板１０が導電性材料である場合には、第１溝３０を設けずに基板１０裏面にｎ電極２３を設けてもよい。ｎ電極２３の材料は、たとえばＴｉ／Ａｌである。

ｐ電極２４Ａ～２４Ｃは、ｐ層２２Ａ～２２Ｃ上にそれぞれ設けられた電極である。ｐ電極２４Ａ～２４Ｃの材料は、たとえばＡｇ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｏ／Ａｕ、ＩＴＯ、などである。

第１実施形態の発光素子の動作について説明する。第１実施形態の発光素子では、ｐ電極２４Ａとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第３活性層１８から赤色の光を発光させることができ、ｐ電極２４Ｂとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第２活性層１６から緑色の光を発光させることができ、ｐ電極２４Ｃとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第１活性層１４から青色の光を発光させることができる。また、青色、緑色、赤色のうち２以上を同時に発光させることもできる。このように、第１実施形態の発光素子では、電圧を印加する電極の選択によって青、緑、赤の発光を制御することができ、ディスプレイの１ピクセルとして利用することができる。

図４に第１実施形態の発光素子の等価回路を示す。図４に示すように、第１実施形態の発光素子は、青色、緑色、赤色のＬＥＤが１素子内に形成された構造であり、１素子でフルカラーの発光を実現することができる。そのため、青色、緑色、赤色のＬＥＤを個別に準備してそれらを同一基板に配列させて１ピクセルのフルカラーの発光素子を作製するよりも、１素子のサイズを非常に小さくすることが可能である。さらに、第１実施形態の構造であれば、青色、緑色、赤色のＬＥＤを個別に準備して配列する工程を省くことができ、製造コストも大幅に低減でき、非常に低コストのフルカラー発光素子、およびそれを応用した発光ディスプレイを実現することができる。

ここで、第１実施形態では、第１中間層１５、第２中間層１７がＩｎを含むため、Ｉｎのサーファクタント効果によって第１中間層１５、第２中間層１７の表面平坦性を向上させることができ、第２活性層１６や第３活性層１８の表面平坦性も向上させることができる。また、下地層１３と第１活性層１４との格子定数差によって生じる格子歪みも緩和させることができる。その結果、第１実施形態の発光素子によれば発光効率を向上させることができる。

次に、第１実施形態の発光素子の製造工程について、図を参照に説明する。

まず、基板１０を用意し、水素や窒素、必要に応じてアンモニアを加えて、基板の熱処理を行う。

次に、基板１０上にバッファ層を形成し、バッファ層上にｎ層１１、ＥＳＤ層１２、下地層１３、第１活性層１４、第１中間層１５、第２活性層１６、第２中間層１７、第３活性層１８、保護層１９を順に形成する（図５参照）。各層の好ましい成長温度は次の通りである。

第１活性層１４の成長温度は、７００～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第１活性層１４は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低いことが好ましい。

第１中間層１５の成長温度は、７００～１０００℃が好ましい。第１活性層１４への熱ダメージを抑制するためである。また、７００℃よりも低いと貫通転位に起因したピットや点欠陥が生じやすくなってしまう。より好ましくは８００～９５０℃、さらに好ましくは８５０～９５０℃である。

第２活性層１６の成長温度は、６５０～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第２活性層１６は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。また、第２活性層１６の成長温度は、第１活性層１４の成長温度よりも低いことが好ましい。

第２中間層１７の成長温度は、第１中間層１５の成長温度と同様の範囲が好ましい。ただし、第２中間層１７の成長温度は、第１中間層１５の成長温度よりも低くすることが好ましい。緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

第３活性層１８の成長温度は、５００～９５０℃が好ましい。結晶品質を向上でき、発光効率を高めることができる。第３活性層１８は井戸層と障壁層で構成されるが、井戸層と障壁層は同じ温度で形成してもよいし、上記温度範囲内で異なる温度としてもよい。異なる温度とする場合は、井戸層の成長温度を障壁層の成長温度よりも低くすることが好ましい。また、第３活性層１８の成長温度は、第２活性層１６の成長温度よりも低いことが好ましい。

保護層１９の成長温度は、５００～９５０℃が好ましい。第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８への熱ダメージを抑制するためである。保護層１９の結晶性向上のためには成長温度が高い方が好ましく、より好ましくは６００～９００℃、さらに好ましくは７００～９００℃である。

次に、保護層１９表面の一部領域を第２中間層１７に達するまでドライエッチングして第３溝３２を形成し、第１中間層１５に達するまでドライエッチングして第２溝３１を形成する（図６参照）。第３溝３２、第２溝３１は、第２中間層１７、第１中間層１５の中間の厚さまでエッチングすることが好ましい。

次に、保護層１９上、第３溝３２によって露出した第２中間層１７上、および第２溝３１によって露出した第１中間層１５上に、再成長層２０Ａ～２０Ｃを形成する。成長温度は保護層１９と同様である。ここで、再成長層２０Ａ～２０Ｃは図２のように一続きとなるように形成してもよい。また、図３のように第３溝３２や第２溝３１の側面に絶縁膜２７を形成し、これをマスクとして再成長層２０Ａ～２０Ｃを選択成長させることで、再成長層２０Ａ～２０Ｃがそれぞれ分離して形成されるようにしてもよい。

次に、再成長層２０Ａ～２０Ｃ上に電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃを形成する。電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃの成長温度は、７５０～１０００℃が好ましい。第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８への熱ダメージを抑制するためである。より好ましくは７５０～９５０℃、さらに好ましくは８００～９００℃である。

次に、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ上にｐ層２２Ａ～２２Ｃを形成する（図７参照）。ｐ層２２Ａ～２２Ｃの成長温度は、６５０～１０００℃が好ましい。より好ましくは７００～９５０℃、さらに好ましくは７５０～９００℃である。

次に、ｐ層２２Ｃ表面の一部領域をｎ層１１に達するまでドライエッチングして第１溝３０を形成する（図８参照）。そして、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上にｎ電極２３を形成し、ｐ層２２Ａ～２２Ｃ上にｐ電極２４Ａ～２４Ｃを形成する。以上によって第１実施形態の発光素子が製造される。

（第２実施形態）
第２実施形態の発光素子は、図９に示すように、第１実施形態の発光素子において、第１中間層１５、第２中間層１７を、第１中間層２１５、第２中間層２１７に置き換えたものである。

第１中間層２１５は、第１活性層１４側から順にノンドープ層２１５Ａ、ｎ型層２１５Ｂを積層させた構造である。ノンドープ層２１５Ａ、ｎ型層２１５Ｂは不純物を除いて同一材料からなり、ＧａＮまたはＩｎＧａＮである。第１実施形態の第１中間層１５と同様の材料が好ましい。ノンドープ層２１５Ａはノンドープであり、ｎ型層２１５ＢはＳｉドープである。ｎ型層２１５ＢのＳｉ濃度は、１×１０^１７～１０００×１０^１７ｃｍ^－３とすることが好ましい。第１中間層２１５の厚さは、第１中間層１５と同様とすることが好ましい。すなわち、２０～１５０ｎｍとすることが好ましい。また、ノンドープ層２１５Ａの厚さは、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。エッチング深さの制御性および第１活性層１４へのエッチングダメージを回避するためである。また、ｎ型層２１５Ｂの厚さは、１０ｎｍ以上とすることが好ましい。各活性層の発光特性を独立に制御するためである。ｎ型層２１５ＢはＳｉを変調ドープしてもよく、ｎ型層２１５Ｂの一部領域にノンドープの領域があってもよい。

第２中間層２１７は、第２活性層１６側から順にノンドープ層２１７Ａ、ｎ型層２１７Ｂを積層させた構造である。ノンドープ層２１７Ａ、ｎ型層２１７Ｂは、ノンドープ層２１５Ａ、ｎ型層２１５Ｂと同様の構造である。つまり、ノンドープ層２１７Ａ、ｎ型層２１７Ｂは不純物を除いて同一材料であり、ＧａＮまたはＩｎＧａＮである。また、ノンドープ層２１７Ａはノンドープ、ｎ型層２１７ＢはＳｉドープである。ただし、第１中間層２１５よりも薄くし、Ｉｎ組成も第１中間層２１５より大きくすることが好ましい。第２中間層１７の場合と同様の理由である。つまり、緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

第３溝３２は、第２中間層２１７のノンドープ層２１７Ａに達する深さとなっている。このように、ｐ電極２４Ｂ下において第２中間層１７のｎ型層２１７Ｂを除去することで第２活性層１６上にｎ型層が位置しないようにし、第２活性層１６が発光するようにしている。また、第２溝３１は、第１中間層２１５のノンドープ層２１５Ａに達する深さとなっている。これも同様の理由であり、ｐ電極２４Ｃ下において第１中間層１５のｎ型層２１５Ｂを除去することで第１活性層１４上にｎ型層が位置しないようにし、第１活性層１４が発光するようにしている。

ここで、ｐｎ接合間距離について説明する。ｐｎ接合間距離は、ゼロバイアス時に空乏化している膜厚に相当する。ＬＥＤにおいては高濃度のアクセプタ不純物を持つｐ層と、高濃度のドナー不純物を持つｎ層とに挟まれたノンドープもしくは低ドープの活性層の総膜厚に相当する。

第１中間層２１５、第２中間層２１７をノンドープとする場合、ｐｎ接合間距離（空乏層の厚さ）は、ｐ電極２４Ａ下の領域においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ａからドナー不純物を高ドープされたｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８と、第１中間層１５、第２中間層１７を含む膜厚に相当する。また、ｐ電極２４Ｂ下においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ｂからｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４、第２活性層１６と、第１中間層１５と、第２中間層１７の一部を含む膜厚に相当する。また、ｐ電極２４Ｃ下においてはアクセプタ不純物を高ドープされた電子ブロック層２１Ｃからｎ層１１までの距離、すなわち、第１活性層１４と、第１中間層１５の一部を含む膜厚に相当する。

そのため、これら３つの場合でそれぞれｐｎ接合間距離が異なり、駆動電圧や電流注入効率、逆方向電流が異なってしまう。また、ｐ電極２４Ａに電圧を印加して第３活性層１８を発光させたい場合に、電子と正孔のキャリアがすべての活性層に供給されてしまい、第２活性層１６や第１活性層１４からも発光してしまう可能性がある。同様に、ｐ電極２４Ｂに電圧を印加して第２活性層１６を発光させたい場合に第１活性層１４からも発光してしまう可能性がある。

第２実施形態では、このような問題を中間層の構造で解決している。つまり、第２実施形態では、第１中間層１５をノンドープ層２１５Ａ、ドナー不純物が高濃度にドープされたｎ型層２１５Ｂの２層とし、第２中間層１７をノンドープ層２１７Ａ、ドナー不純物が高濃度にドープされたｎ型層２１７Ｂの２層とし、ｎ型層２１５Ｂ、２１７ＢにＳｉをドープしてｎ型としている。

そのため、ｐｎ接合間距離は、ｐ電極２４Ａ下の領域においては電子ブロック層２１Ａから第２中間層２１７のｎ型層２１７Ｂまでの距離、ｐ電極２４Ｂ下の領域においては電子ブロック層２１Ｂから第１中間層２１５のｎ型層２１５Ｂまでの距離、ｐ電極２４Ｃ下の領域においては電子ブロック層２１Ｃからｎ層１１までの距離となる。すなわち、すべての電極下におけるｐｎ接合間距離は、複数の活性層を含まず、１つの活性層と中間層のうちノンドープ層とを含む総膜厚に相当することとなる。ここで、第１中間層２１５のノンドープ層２１５Ａ、第２中間層１７のノンドープ層２１７Ａの厚さを適切に制御することで、これら３つの場合でｐｎ接合間距離を等しくすることができる。その結果、これら３つの場合で駆動電圧や電流注入効率、逆方向電流のばらつきを抑えることができ、均一な制御が可能となる。さらに、これら３つの場合でｐｎ接合間には第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８がそれぞれ１つしか含まれず、中間層のｎ型層が正孔にとって障壁層となるため、正孔が中間層のｎ型層を超えて下部の活性層へ注入され難くなる。その結果、ｐｎ接合間に位置する発光させたい活性層以外が発光してしまうことを抑制できる。

（第３実施形態）
第３実施形態の発光素子は、図１０に示すように、第１実施形態の発光素子において、第２活性層１６、第３活性層１８を、第２活性層３１６、第３活性層３１８に置き換えたものである。

第２活性層３１６は、歪緩和層３１６ＡとＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層（発光層）３１６Ｂを順に積層させた構造である。量子井戸構造層３１６Ｂについては第１実施形態の第２活性層１６と同様の構造である。

歪緩和層３１６Ａは、障壁層と井戸層を順に積層させたＳＱＷ構造であり、発光しないように井戸層の厚さを薄く調整した量子井戸構造である。たとえば井戸層の厚さを１ｎｍ以下とすることで発光しないようにすることができる。障壁層はＡｌＧａＮ、井戸層はＩｎＧａＮである。歪緩和層３１６Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短ければよく、たとえば第２活性層１６の発光波長が５００～５６０ｎｍであれば４００～４６０ｎｍである。好ましくは量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも４０～１００ｎｍ短くする。この場合、歪緩和層３１６Ａの成長温度は、７００～８００℃である。

歪緩和層３１６Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、第１活性層１４の発光波長と等しくしてもよい。この場合、第１活性層１４と同様の成長温度で成長させてもよい。

歪緩和層３１６Ａの井戸層におけるバンド端エネルギーの制御は、井戸層の厚さで制御することができる。すなわち、歪緩和層３１６Ａの井戸層の厚さを十分に薄くすることで井戸内のサブバンドのエネルギーが上昇しバンド端エネルギーが大きくなる。これにより、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短くしてもよい。成長温度は任意であるが、量子井戸構造層３１６Ｂと同様の成長温度で成長させてもよい。さらに、歪緩和層３１６Ａの井戸層の膜厚を薄くすると、サブバンドがさらに上昇し、障壁層とのエネルギー差が小さくなる。すなわち、障壁層のバンド端エネルギーに近くなる。その結果、歪緩和層３１６Ａの井戸層におけるキャリアの閉じ込めがされ難くなり、発光しにくくなることから、量子井戸構造層３１６Ｂの障壁層の一部として機能するとともに、歪緩和の効果も同時に得られる。このように、量子井戸構造層３１６Ｂの井戸層よりもキャリア閉じ込めの悪い井戸層を持つ歪緩和層３１６Ａを形成することで、発光しない歪緩和層３１６Ａを形成することができる。

要するに、歪緩和層３１６Ａ全体の実効的な格子定数が、第１中間層１５の格子定数と量子井戸構造層３１６Ｂの格子定数の間となるように歪緩和層３１６Ａの材料や層構成が設定され、かつ、歪緩和層３１６Ａが発光しないように井戸層の厚さが設定されていればよい。

歪緩和層３１６Ａは障壁層と井戸層を２ペア以上積層させたＭＱＷ構造としてもよいが、第２活性層３１６が厚くなるのでＳＱＷ構造とすることが好ましい。

以上のように歪緩和層３１６Ａを設けることで、その上に積層される量子井戸構造層３１６Ｂの歪を緩和させることができ、量子井戸構造層３１６Ｂの井戸層の結晶品質を向上させることができる。

第２活性層３１６の厚さに対する第１活性層１４の厚さの比が３０％以下となるように設定することが好ましい。より効率的に量子井戸構造層３１６Ｂの歪を緩和させることができるとともに、ｐｎ接合間距離が各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下で一定となり、各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下でのデバイス特性を均一にできる。

第３活性層３１８は、第１歪緩和層３１８Ａと、第２歪緩和層３１８Ｂと、ＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層３１８Ｃを順に積層させた構造である。量子井戸構造層３１８Ｃについては第１実施形態の第３活性層１８と同様の構造である。

第１歪緩和層３１８Ａは、第２活性層３１６の歪緩和層３１６Ａと同様の構造である。第１歪緩和層３１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、量子井戸構造層３１６Ｂの発光波長よりも短ければよく、たとえば４００～４６０ｎｍである。

第２歪緩和層３１８Ｂは、第２歪緩和層３１８Ｂの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が量子井戸構造層３１８Ｃの発光波長よりも短く、第１歪緩和層３１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長よりも長い。たとえば、５１０～５７０ｎｍである。それ以外は第１歪緩和層３１８Ａと同様である。

第１歪緩和層３１８Ａの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長と第２歪緩和層３１８Ｂの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長の差、および第２歪緩和層３１８Ｂの井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長と量子井戸構造層３１８Ｃの発光波長の差は、４０～１００ｎｍとすることが好ましい。

第３活性層３１８の厚さに対する第１活性層１４の厚さの比や、第３活性層３１８の厚さに対する第２活性層３１６の厚さの比は、３０％以下となるように設定することが好ましい。より効率的に量子井戸構造層３１８Ｃの歪を緩和させることができるとともに、ｐｎ接合間距離が各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下で一定となり、各ｐ電極２４Ａ～２４Ｃ下でのデバイス特性を均一にできる。

このように第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂを設けることで、段階的に歪を緩和させることができ、その上に積層される量子井戸構造層３１８Ｃの歪を効果的に緩和させることができる。その結果、量子井戸構造層３１８Ｃの井戸層の品質を向上させることができる。

なお、第３活性層３１８では第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂによって２段階に歪を緩和させているが、歪緩和層を３つ以上設けて３段階以上に歪を緩和させてもよい。また、第２活性層３１６においても、歪緩和層３１６Ａを複数にして段階的に歪を緩和させてもよい。

また、第１活性層１４においても、同様にして歪緩和層を設けてよい。この場合、歪緩和層の成長温度は、たとえば、８００～９００℃である。

（他の変形例）
本実施形態の発光素子は、第１活性層１４、第２活性層１６、第３活性層１８の３つの活性層を有するものであったが、発光波長が互いに異なる２以上の活性層を有する構造であれば本発明は適用できる。また、発光色も青、緑、赤に限らず、異なる発光波長であれば任意である。

本実施形態の発光素子は、ＰＷＭ回路によりＰＷＭ駆動して発光を制御することが好ましい。パルス幅とパルス周期によって光強度を容易に制御でき、駆動電流の違いによる波長シフトも抑制できる。

（実験結果）
次に、本実施形態に関する実験結果について説明する。

（実験１）
第１実施形態の発光素子から第２中間層１７と第３活性層１８を省き、さらに再成長層２０Ｂ、電子ブロック層２１Ｂ、ｐ層２２Ｂ、ｐ電極２４Ｂを省き、第１中間層１５に替えて第２実施形態の第１中間層２１５とし、第２活性層１６に替えて第３実施形態の第２活性層３１６とした発光素子を作製した（図１１参照、以下実験例１の発光素子とする）。第１中間層２１５はＩｎ組成が５％のＩｎＧａＮとした。第２活性層３１６の歪緩和層３１６Ａにおける井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長は、第１活性層１４の発光波長と同様にし、ＳＱＷ構造とした。

図１２は、実験例１の発光素子の第２活性層３１６の表面を撮影したＡＦＭ像である。図１２中、上段は１０μｍ角の範囲、下段は２μｍ角の範囲を示している。比較のため、第１中間層２１５をＧａＮとし、それ以外は実験例２と同様とした場合（実験例２）も示す。図１２のように、実験例１では、実験例２に比べてピットの密度が低くかった。また、表面平坦性ＲＭＳは、１０μｍ角の範囲では、実験例１が０．８８ｎｍ、実験例２が２．６ｎｍ、２μｍ角の範囲では、実験例１が０．７８ｎｍ、実験例２が３．１ｎｍであり、いずれの場合も実験例１の方が実験例２に比べて小さかった。この結果、第１中間層２１５中のＩｎがサーファクタントとして作用し、第１中間層２１５の表面平坦性が改善したことで、その上の第２活性層３１６の表面平坦性、結晶品質も向上したことがわかる。

図９は、実験例１と実験例２の発光素子について、駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフである。外部量子効率は、ｐ電極２４Ｂに電圧を印加して第２活性層３１６を発光させた場合である。図９のように、実験例１は実験例２に比べて外部量子効率が高かった。このことから、第２活性層３１６の結晶品質が向上したことで外部量子効率が向上したことがわかる。

（実験２）
第１活性層１４の発光波長を４３０ｎｍ、第２活性層１６の発光波長を５２０ｎｍ、第３活性層１８の発光波長を６３０ｎｍとした第１実施形態の発光素子（図1に示す発光素子、以下、実験例３の発光素子）について、ｐ電極２４Ａに電流を注入し、その発光スペクトルを測定した。ｎ型層２１５Ｂ、ｎ型層２１７ＢのＳｉ濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３、２×１０^１８ｃｍ^－３、３×１０^１８ｃｍ^－３の３パターンとした。また、比較のためｎ型層２１５Ｂ、ｎ型層２１７Ｂをノンドープに替えた場合も発光スペクトルを測定した。

図１４～１７は、発光スペクトルを示したグラフであり、図１４はＳｉ濃度が３×１０^１８ｃｍ^－３、図１５は２×１０^１８ｃｍ^－３、図１６は１×１０^１８ｃｍ^－３、図１７はノンドープである。図１７のように、ノンドープの場合、第３活性層１８の赤色発光だけでなく、第１活性層１４の青色発光も生じており、赤色発光は弱く、青色発光が強いことがわかった。一方、図１４～１６のように、Ｓｉドープの場合、赤色発光も青色発光と同程度かそれ以上に強くなり、Ｓｉ濃度が高いほど青色発光の強度が低下した。第２活性層１６の青色発光の強度が低下する代わりに緑色発光も若干現れているが、図１４のようにＳｉ濃度が十分に高くなれば緑色発光の強度も低下した。この結果、第１中間層１５、第２中間層１７にＳｉドープのｎ型層２１５Ｂ、ｎ型層２１７Ｂを導入することで、発光させたい活性層である第３活性層１８以外の活性層（第１活性層１４、第２活性層１６）からの発光を抑制できることがわかった。

（実験３）
図１８は、実験例２と実験例４の発光素子の量子井戸構造層３１６Ｃの表面を撮影したＡＦＭ像である。実験例４は、実験例２において第２活性層３１６に歪緩和層３１６Ａを設けなかった場合である。図１６中、上段は１０μｍ角の範囲、下段は２μｍ角の範囲を示している。図１８のように、表面平坦性ＲＭＳは、１０μｍ角の範囲では、実験例２が２．６ｎｍ、実験例４が３．８ｎｍ、２μｍ角の範囲では、実験例２が３．１ｎｍ、実験例４が３．３ｎｍであり、いずれの場合も実験例２の方が実験例４に比べて小さかった。すなわち、表面平坦性が改善していた。この結果、第２活性層３１６に歪緩和層３１６Ａを導入したことで、その上の量子井戸構造層３１６Ｂの歪が緩和し、表面平坦性や結晶品質が向上したことがわかる。

図１９は、実験例２と実験例４の発光素子について、駆動電流と外部量子効率の関係を示したグラフである。外部量子効率は、ｐ電極２４Ａに電圧を印加して第２活性層３１６を発光させた場合である。図１９のように、実験例２は実験例４に比べて外部量子効率が高かった。このことから、第２活性層３１６の歪が緩和し、表面平坦性や結晶品質が向上したことで外部量子効率が向上したことがわかる。

（第４実施形態）
図２０は、第４実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図である。第４実施形態における発光素子は、図２０に示すように、第１実施形態の発光素子における構成の一部を次のように変更したものである。第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図２０のように、第１中間層１５、第２中間層１７に替えて、第１中間層４１５、第２中間層４１７を設けている。また、保護層１９、再成長層２０Ａ～２０Ｃ、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃ、ｐ層２２Ａ～２２Ｃを省き、第３活性層１８上に電子ブロック層４２１Ａ、ｐ層４２２を設け、ｐ層４２２上にｐ電極２４Ａを設けている。つまり、第４実施形態の発光素子には再成長層は存在していない。また、第２溝３１底面に露出する第１中間層４１５上に第1電極４２４Ｂ、第３溝３２底面に露出する第２中間層４１７上に第２電極４２４Ｃを設けている。また、第２活性層１６と第２中間層１７の間、および第１活性層１４と第１中間層１５の間に電子ブロック層４２１Ｂ、４２１Ｃをそれぞれ挿入している。

電子ブロック層４２１Ｃは、第１活性層１４上に設けられたｐ型の層であり、第１活性層１４と第１中間層１５の間に位置している。電子ブロック層４２１Ｃは、再成長層ではなく、第１活性層１４上に連続的に成長させている点を除いて、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと同様である。

第１中間層４１５は、第1活性層１４側から順に、第１層４１５Ａ、第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃ、第４層４１５Ｄを順に積層させた構造であり、第２溝３１の底面に第４層４１５Ｄが露出している。第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃはトンネル接合構造を形成している。このように、第１中間層４１５は、第１実施形態の第１中間層１５と同様の機能に加えて、トンネル接合の機能を有している。

第１層４１５Ａは、電子ブロック層４２１Ｃ上に設けられた半導体層である。第１活性層１４を効率的に発光させるためには、第１活性層１４をｐ型の層とｎ型の層で挟むことが好ましく、そのｐ型のコンタクト層として第１層４１５Ａを設けている。

第１層４１５Ａの材料は、第１実施形態における第１中間層１５と不純物を除いて同様である。すなわち、Ｉｎを含むＩＩＩ族窒化物半導体であり、たとえばＩｎＧａＮとするのがよい。Ｉｎによるサーファクタント効果によって第１中間層４１５表面の荒れを抑制し、表面平坦性を向上させることができる。また、格子歪みを緩和させることができる。第１中間層４１５のＩｎ組成は、第１活性層１４、第２活性層１６、および第３活性層１８から発光した光を吸収しないバンドギャップとなるように設定されていればよい。

第１層４１５Ａの好ましいＩｎ組成は、１０％以下、より好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下である。Ｉｎ組成が１０％よりも大きいと、第１中間層４１５の表面が荒れる原因となる。Ｉｎは０％よりも大きければ任意であり、ドープレベル（混晶を形成しないレベル）でもよい。たとえばＩｎ濃度が１×１０^１４ｃｍ^－３以上１×１０^２２ｃｍ^－３以下のＧａＮである。

第１層４１５Ａはｐ型不純物であるＭｇがドープされたｐ型半導体である。たとえば、Ｍｇ濃度が１×１０^１８～１×１０^２０ｃｍ^－３、好ましくは５×１０^１８～１×１０^２０ｃｍ^－３、さらに好ましくは１×１０^１９～１×１０^２０ｃｍ^－３であってもよい。ノンドープでもよいが、上記のようにＭｇがドープされていることが好ましい。第１層４１５Ａは、厚さ方向においてＩｎ組成に傾斜を設ける分極ドープを用いてもよい。この場合はノンドープでもよい。また、第１層４１５Ａの下層である電子ブロック層４２１ＣからのＭｇ拡散によって第３層４１５ＣにＭｇがドープされてもよい。この場合、電子ブロック層４２１ＣのＭｇ濃度は１×１０^１９～１×１０^２１ｃｍ^－３の範囲がよい。

第１層４１５Ａの厚さは、１０～３００ｎｍとすることが好ましい。３００ｎｍよりも厚いと、第１中間層４１５の表面が荒れる原因となり得る。また、１０ｎｍよりも薄いと、第１活性層１４の発光効率を十分に高めることができない可能性がある。より好ましくは２０～２００ｎｍ、さらに好ましくは３０～１００ｎｍである。

第２層４１５Ｂは、第１層４１５Ａ上に設けられた半導体層である。第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃの積層によりトンネル接合構造を形成する。

第２層４１５Ｂの材料は、第１層４１５Ａと不純物を除いて同様である。第２層４１５ＢのＩｎ組成は第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成とは異なっていてもよく、その場合、第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成よりも高い方が好ましい。トンネル接合構造によるトンネル確率をより高めることができる。第２層４１５Ｂの好ましいＩｎ組成の範囲は、第１層４１５Ａと同様である。

第２層４１５Ｂはｐ型不純物であるＭｇがドープされたｐ型半導体である。Ｍｇ濃度は、１×１０^２０～１×１０^２１ｃｍ^－３である。第２層４１５ＢのＭｇ濃度は第１層４１５ＡのＭｇ濃度よりも高い。

第２層４１５Ｂの厚さは、５～５０ｎｍである。この範囲であれば、トンネル接合構造のトンネル確率を十分に高めることができる。より好ましくは５～３５ｎｍ、さらに好ましくは５～２０ｎｍである。また、第２層４１５Ｂの厚さは、第１層４１５Ａよりも薄いことが好ましい。

第３層４１５Ｃは、第２層４１５Ｂ上に設けられた半導体層である。第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃとの積層によりトンネル接合構造を形成する。このトンネル接合構造によってｎ型の第３層４１５Ｃからｐ型の第２層４１５Ｂへトンネル効果によって電流が流れるようにし、ホールが第１活性層１４に供給されるようにしている。

第３層４１５Ｃの材料は、第１層４１５Ａと不純物を除いて同様である。第３層４１５ＣのＩｎ組成は第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成とは異なっていてもよく、その場合、第１層４１５Ａや第４層４１５ＤのＩｎ組成よりも高い方が好ましい。トンネル接合構造によるトンネル確率をより高めることができる。また、第３層４１５ＣのＩｎ組成は、第２層４１５ＢのＩｎ組成と異なっていてもよい。その場合、第３層４１５ＣのＩｎ組成は、第２層４１５ＢのＩｎ組成よりも低いことが好ましい。第３層４１５Ｃの好ましいＩｎ組成の範囲は、第１層４１５Ａと同様である。

第３層４１５Ｃはｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型半導体である。Ｓｉ濃度は、１×１０^２０～１×１０^２１ｃｍ^－３である。

第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃとの接合界面付近には、ＳｉとＭｇが共ドープされた層が、意図的、もしくは自然形成的に存在していてもよい。Ｍｇはメモリー効果により炉内に残留しやすいので、第３層４１５Ｃや第４層４１５ＤにＭｇがドープされていてもよい。ただし、第３層４１５Ｃ、第４層４１５ＤのＭｇ濃度はそれぞれのＳｉ濃度よりも低くなるようにする必要がある。

第３層４１５Ｃの厚さは、１～３０ｎｍである。この範囲であれば、トンネル接合構造のトンネル確率を十分に高めることができる。より好ましくは２～２５ｎｍ、さらに好ましくは５～２０ｎｍである。また、第３層４１５Ｃの厚さは、第４層４１５Ｄよりも薄いことが好ましい。

上述のように、トンネル接合構造を形成する第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃは、Ｉｎを含むのでバンドギャップが小さくなり、トンネル確率が高くなる。なお、第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃの間でトンネル接合する範囲で、第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃの間にさらに層を設けてもよい。たとえば、第２層４１５ＢのＭｇが第３層４１５Ｃに拡散するのを抑制するための緩衝層を設けてもよい。

第４層４１５Ｄは、第３層４１５Ｃ上に設けられた半導体層である。第２活性層１６を効率的に発光させるためには、第２活性層１６をｐ型の層とｎ型の層で挟むことが好ましく、そのｎ型のコンタクト層として第４層４１５Ｄを設けている。また、第２溝３１を形成する際に第３層４１５Ｃに達して露出してしまわないようにする層である。

第４層４１５Ｄの材料は、第１実施形態における第１中間層１５と不純物を除いて同様である。Ｉｎ組成は第１層４１５Ａと異なっていてもよい。

第４層４１５Ｄはｎ型不純物であるＳｉがドープされたｎ型半導体である。たとえば、Ｓｉ濃度が１×１０^１７～１×１０^２０ｃｍ^－３、好ましくは１×１０^１８～１×１０^１９ｃｍ^－３、さらに好ましくは２×１０^１８～８×１０^１８ｃｍ^－３であってもよい。第３層４１５ＣのＳｉ濃度は第４層４１５Ｄの不純物濃度よりも高い。

第４層４１５Ｄの厚さは、１０～５００ｎｍとすることが好ましい。５００ｎｍよりも厚いと、第１中間層４１５の表面が荒れる原因となり得る。また、１０ｎｍよりも薄いと、第２活性層１６の発光効率を十分に高めることができない可能性がある。また、第２溝３１を形成する際に第２溝３１の深さを第４層４１５Ｄ内とする制御が難しくなる可能性がある。より好ましくは１０～２００ｎｍ、さらに好ましくは１０～１００ｎｍである。第４層４１５Ｄの厚さは、第１層４１５Ａの厚さと異なっていてもよい。

電子ブロック層４２１Ｂは、第２活性層１６上に設けられたｐ型の層であり、第２活性層１６と第２中間層１７の間に位置している。電子ブロック層４２１Ｂは、再成長層ではなく、第２活性層１６上に連続的に成長させている点を除いて、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと同様である。

第２中間層４１７は、第２活性層１６側から順に、第１層４１７Ａ、第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃ、第４層４１７Ｄを積層させた構造であり、第３溝３２の底面に第４層４１７Ｄが露出している。第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃはトンネル接合構造を形成している。このように、第２中間層４１７は、第１実施形態の第２中間層１７と同様の機能に加えて、トンネル接合の機能を有している。

第１層４１７Ａ、第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃ、第４層４１７Ｄは、それぞれ第１中間層４１５の第１層４１５Ａ、第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃ、第４層４１５Ｄと同様である。第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃの積層によってトンネル接合構造を形成し、ｎ型の第３層４１７Ｃからｐ型の第２層４１７Ｂへトンネル効果によって電流が流れるようにし、ホールが第２活性層１６に供給されるようにしている。

第１中間層４１５、第２中間層４１７はすべての層がＩｎＧａＮで構成されているため、実施形態１の第１中間層１５、第２中間層１７と同様の効果が得られる。つまり、表面平坦性を向上させることができ、格子歪みを緩和させることができる。

第１中間層４１５の平均Ｉｎ組成と第２中間層４１７の平均Ｉｎ組成は異なっていてもよい。第２中間層４１７の平均Ｉｎ組成は第１中間層４１５の平均Ｉｎ組成よりも高いことが好ましい。

電子ブロック層４２１Ａは、第３活性層１８上に設けられたｐ型の層である。電子ブロック層４２１Ａは、再成長層ではなく第３活性層１８上に連続的に成長させている点を除いて、電子ブロック層２１Ａ～２１Ｃと同様である。

ｐ層４２２は、電子ブロック層４２１Ａ上に設けられた層である。ｐ層４２２は、再成長層ではなく電子ブロック層４２１Ａ上に連続的に成長させている点を除いて、ｐ層２２Ａと同様である。

ｐ層４２２に替えて、第２層４１５Ｂと第３層４１５Ｃ、あるいは第２層４１７Ｂと第３層４１７Ｃのようなトンネル接合構造としてもよい。この場合、ｐ電極２４Ａに替えてｎコンタクトの材料を用いた電極とすることができ、第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃと同一材料とすることができる。そのため、同一工程ですべての電極を形成することができる。

第１電極４２４Ｂは、第３溝３２の底面に露出する第２中間層４１７の第４層４１７Ｄ上に設けられている。また、第２電極４２４Ｃは、第２溝３１の底面に露出する第１中間層４１５の第４層４１５Ｄ上に設けられている。第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃはアノード電極とカソード電極を兼ねている。第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃはｎ型のＩｎＧａＮにオーミックコンタクトできる材料であればよく、たとえばＴｉ／Ａｌを用いることができる。ｎ電極２３と同一材料でもよい。

なお、第４実施形態の発光素子において、第２活性層１６、第３活性層１８を、第３実施形態の第２活性層３１６、第３活性層３１８にそれぞれ置き換えてもよい。その場合、第２活性層３１６の歪緩和層３１６Ａは、第１中間層４１５から量子井戸構造層３１６ＢへのＭｇ拡散に対する緩衝層として機能する。また、第３活性層３１８の第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂは、第２中間層４１７から量子井戸構造層３１８ＣへのＭｇ拡散に対する緩衝層として機能する。そのため、発光効率の低下を抑制することができる。

その他第１～３実施形態で述べた各種変形は第４実施形態においても適用できる。たとえば、第１実施形態と第４実施形態を次のように組み合わせてもよい。第４実施形態において、第２中間層４１７はそのままトンネル接合構造を有したものとし、第１中間層４１５は第１実施形態の第１中間層１５に替え第１実施形態と同様に再成長層２０Ｃ、電子ブロック層２１Ｃ、ｐ層２２Ｃを設けた構成としてもよい。

このような構成は次のような利点がある。青色発光の第１活性層１４は発光効率が高く再成長による発光効率の低下が起きてもさほど支障はない。一方で緑色発光の第２活性層１６は発光効率が低く再成長による発光効率の低下は可能な限り避けたい。そこで、青色発光の素子領域は第１実施形態のように溝形成と再成長で形成し、緑色発光の素子領域は第４実施形態のようにトンネル接合構造を利用して形成すれば、青、緑、赤の発光効率のばらつきを小さくすることができる。

第４実施形態の発光素子の動作について説明する。第４実施形態の発光素子では、ｐ電極２４Ａと第１電極４２４Ｂの間に電圧を印加することで第３活性層１８から赤色の光を発光させることができる。また、第１電極４２４Ｂと第２電極４２４Ｃの間に電圧を印加することで第２活性層１６から緑色の光を発光させることができる。また、第２電極４２４Ｃとｎ電極２３の間に電圧を印加することで第１活性層１４から青色の光を発光させることができる。

また、青色、緑色、赤色のうち２以上を同時に発光させることもできる。具体的には以下のように電圧を印加する。青色、緑色、赤色のすべてを発光させる場合には、p電極２４Ａとｎ電極２３の間に電圧を印加する。緑色と赤色を同時に発光させる場合には、ｐ電極２４Ａと第２電極４２４Ｃの間に電圧を印加する。青色と緑色を同時に発光させる場合には、第１電極４２４Ｂとｎ電極２３の間に電圧を印加する。青色と赤色を同時に発光させる場合には、ｐ電極２４Ａと第１電極４２４Ｂの間、および第２電極４２４Ｃとｎ電極２３との間に電圧を印加する。

このように、第４実施形態の発光素子では、電圧を印加する電極の選択によって青、緑、赤の発光を制御することができ、ディスプレイの１ピクセルとして利用することができる。

図２１に第４実施形態の発光素子の等価回路を示す。第４実施形態の発光素子は、赤色ＬＥＤ、第１のトンネルジャンクション（逆順のトンネルダイオード）、緑色ＬＥＤ、第２のトンネルジャンクション、青色ＬＥＤを縦列接続し、赤色ＬＥＤと第１のトンネルジャンクションの接続部、および緑色ＬＥＤと第２のトンネルジャンクションの接続部から電極を引き出した構成と等価である。第４実施形態の発光素子もまた、第１実施形態の発光素子と同様に、青色、緑色、赤色のＬＥＤが１素子内に形成された構造であり、１素子でフルカラーの発光を実現することができる。

次に、第４実施形態の発光素子の製造工程について説明する。

まず、第１実施形態と同様に、基板１０を用意し熱処理を行う。その後、基板１０上に、バッファ層、ｎ層１１、ＥＳＤ層１２、下地層１３、第１活性層１４、電子ブロック層４２１Ｃ、第１中間層４１５、第２活性層１６、電子ブロック層４２１Ｂ、第２中間層４１７、第３活性層１８、電子ブロック層４２１Ａ、ｐ層４２２をＭＯＣＶＤ法によって順に形成する。

ここで、第１中間層４１５、第２中間層４１７の成長温度は、第１実施形態の第１中間層１５、第２中間層１７と同様の範囲である。第２中間層４１７の成長温度は、第１中間層４１５の成長温度よりも低くすることが好ましい。緑色発光の第２活性層１６は、青色発光の第１活性層１４よりも熱ダメージを受けやすく、界面での歪みの影響が大きくなるためである。

また、第１中間層４１５の形成において、第２層４１５Ｂ、第３層４１５Ｃの成長温度は、第１層４１５Ａ、第４層４１５Ｄの成長温度よりも低くすることが好ましい。結晶性を高め、トンネル接合におけるトンネル効果をより高めるためである。また、第２中間層４１７の形成においても、第２層４１７Ｂ、第３層４１７Ｃの成長温度を第１層４１７Ａ、第４層４１７Ｄの成長温度よりも低くすることが好ましい。

次に、ｐ層４２２表面の一部領域を第２中間層４１７の第４層４１７Ｄに達するまでドライエッチングして第３溝３２を形成し、第１中間層４１５の第４層４１５Ｄに達するまでドライエッチングして第２溝３１を形成し、ｎ層１１に達するまでドライエッチングして第１溝３０を形成する。

次に、第１溝３０の底面に露出するｎ層１１上にｎ電極２３を形成し、ｐ層４２２上にｐ電極２４Ａ、第３溝３２の底面に第１電極４２４Ｂ、第２溝３１の底面に第２電極４２４Ｃを形成する。第１電極４２４Ｂ、第２電極４２４Ｃをｎ電極２３と同一材料とする場合には、ｎ電極２３と同一工程で同時に形成することができる。以上によって第４実施形態の発光素子が製造される。

以上、第４実施形態における発光素子は、第１中間層４１５および第２中間層４１７にトンネル接合構造を設けることで、電子ブロック層やｐ層の再成長層を設ける必要がなくなっている。再成長界面には、エッチングダメージ、大気暴露による不純物汚染、再成長による熱ダメージが生じるため、ｐｎ間に再成長界面が存在すると、デバイス特性を悪化させる可能性がある。しかし第４実施形態の発光素子には再成長層がなく、ｐｎ間に再成長界面が存在しないため、このような問題は生じない。

第１～４実施形態では、第３活性層１８および第３活性層３１８の量子井戸構造層３１８Ｃにおける井戸層としてＩｎＧａＮを用いているが、Ｅｕ（ユウロピウム）ドープのＩＩＩ族窒化物半導体、特にＧａＮを用いることもできる。この場合も赤色発光させることができ、発光波長はおよそ６２０ｎｍである。ＥｕドープＧａＮを用いる場合、活性層の歪緩和が必要なくなるので、第３活性層３１８のような第１歪緩和層３１８Ａや第２歪緩和層３１８Ｂは設けなくともよい。井戸層にＥｕドープＧａＮを用いる場合、障壁層はたとえばＡｌＧａＮである。

同様に、Ｐｒ（プラセオジウム）ドープのＩＩＩ族窒化物半導体、特にＧａＮを用いてもよい。赤色発光材料として用いることができる。

また、第２活性層１６および第２活性層３１６の量子井戸構造層３１６Ｂにおける井戸層として、Ｔｂ（テルビウム）ドープのＩＩＩ族窒化物半導体、特にＧａＮを用いることもできる。この場合も緑色発光させることができる。

また、第１活性層１４における井戸層として、Ｔｍ（ツリウム）ドープのＩＩＩ族窒化物半導体、特にＧａＮを用いることもできる。この場合も青色発光させることができる。

（第５実施形態）
図２２は、第５実施形態における発光素子の構成を示した図であり、基板主面に垂直な面での断面図である。第５実施形態における発光素子は、黄色から赤色の発光色であり、図２２に示すように、基板５１０と、ｎ層５１１と、下地層５１３と、活性層５１８と、電子ブロック層５２１と、ｐ層５２２と、ｎ電極５２３と、ｐ電極５２４と、を有している。

基板５１０、ｎ層５１１、下地層５１３は、第１実施形態における基板１０、ｎ層１１、下地層１３とそれぞれ同様である。また、ｎ層５１１と下地層５１３の間にＥＳＤ層１２を設けてもよい。

下地層５１３は、超格子構造層と高濃度ｎ型ＧａＮ層の積層とすることが好ましい。超格子構造層は、ｎ型ＩｎＧａＮとｎ型ＧａＮを交互に積層させたものが好ましく、ペア数はたとえば３～３０である。Ｓｉ濃度はたとえば１×１０^１７～１×１０^１９ｃｍ^－３である。超格子構造層上の高濃度ｎ型ＧａＮ層のＳｉ濃度は、１×１０^１８～１×１０^１９ｃｍ^－３とするのが好ましい。また、高濃度ｎ型ＧａＮ層は活性層５１８と接することが好ましい。

活性層５１８は、下地層５１３上に設けられた層である。活性層５１８は、第１歪緩和層５１８Ａと、第２歪緩和層５１８Ｂと、ＳＱＷまたはＭＱＷの量子井戸構造層５１８Ｃを順に積層させた構造である。

第１歪緩和層５１８Ａ、第２歪緩和層５１８Ｂは、第３実施形態の第３活性層３１８における第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂとそれぞれ同様である。第３実施形態と同様に、第１歪緩和層５１８Ａ、第２歪緩和層５１８Ｂを設けることで、段階的に歪を緩和させることができ、その上に積層される量子井戸構造層５１８Ｃの歪を効果的に緩和させることができる。その結果、量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層の品質を向上させることができる。第１歪緩和層５１８Ａ、第２歪緩和層５１８Ｂは、ＳＱＷとすることが好ましい。

第３実施形態における第１歪緩和層３１８Ａ、第２歪緩和層３１８Ｂの各種変形例は、第１歪緩和層５１８Ａ、第２歪緩和層５１８Ｂに対しても同様に適用できる。

量子井戸構造層５１８Ｃは、第２歪緩和層５１８Ｂ上に設けられたＳＱＷまたはＭＱＷ構造の発光層である。発光波長は黄色から赤色であり、たとえば５６０～７００ｎｍである。第３活性層１８はＩｎＧａＮからなる井戸層と井戸層よりもＩｎ組成の低いＩｎＧａＮからなる障壁層を交互に１～７ペア積層させた構造である。より好ましくは１～５ペア、さらに好ましくは１～３ペアである。また、第２活性層１６のペア数と等しいか少ないことが好ましく、少ないことがより好ましい。最も好ましいのはＳＱＷとすることである。量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層は、Ｉｎ組成が３５％以上のＩｎＧａＮである。

電子ブロック層５２１は、活性層５１８上に設けられた層である。電子ブロック層５２１は、第４実施形態の電子ブロック層４２１Ａと同様である。

ｐ層５２２は、電子ブロック層５２１上に設けられた層である。ｐ層５２２は、第４実施形態のｐ層４２２と同様である。

ｐ層５２２の一部はエッチングされてｎ層１１に達する溝が設けられ、その溝の底面に露出するｎ層１１上にｎ電極５２３が設けられている。ｎ電極５２３の材料はｎ電極２３と同様である。また、ｐ電極５２４はｐ層５２２上に設けられている。ｐ電極５２４の材料はｐ電極２４Ａ～２４Ｃと同様である。

次に、第５実施形態の発光素子の製造工程について説明する。

まず、第１実施形態と同様に、基板１０を用意し熱処理を行う。その後、基板１０上に、バッファ層、ｎ層１１、下地層１３、活性層５１８、電子ブロック層５２１、ｐ層５２２をＭＯＣＶＤ法によって順に形成する。量子井戸構造層５１８Ｃの形成方法については後で詳細に説明する。なお、ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスはたとえば以下の通りである。Ｇａ原料ガスにはＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ｉｎ原料ガスにはＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｌ原料ガスにはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｎ原料ガスにはアンモニア、Ｓｉドーパントガスにはシラン、Ｍｇドーパントガスにはビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム、キャリアガスには水素や窒素を用いる。

電子ブロック層５２１、ｐ層５２２の成長温度は、９３５℃以下とすることが好ましい。活性層５１８への熱ダメージを抑制し、発光効率の低下を抑制するためである。成長温度の下限はたとえば６００℃である。より好ましくは６５０～９００℃である。また、ｐ層５２２の成長温度は電子ブロック層５２１の成長温度よりも高くすることが好ましい。

次に、ｐ層５２２の所定領域をドライエッチングしてｎ層１１に達する溝を形成し、溝の底面にｎ電極５２３、ｐ層５２２上にｐ電極５２４を形成する。以上によって第５実施形態における発光素子が製造される。

次に、量子井戸構造層５１８Ｃの形成方法について詳細に説明する。量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層は、Ｉｎ組成が３５％以上のＩｎＧａＮであり、高品質な結晶を得ることが困難であった。発明者らは高品質なＩｎ組成３５％以上のＩｎＧａＮを得るべく鋭意研究開発を進めたところ、高品質なＩｎＧａＮが得られる方法を見出した。以下にその方法を説明する。

量子井戸構造層５１８Ｃの成長温度は、７００℃以下とする。成長温度の下限はたとえば５５０℃である。成長温度をＩｎＮの分解温度（６３０℃）近傍とすることで、ＩｎＮの分解、再蒸発を抑制することができ、高いＩｎ組成のＩｎＧａＮ（特にＩｎ組成３５％以上）を形成することができる。好ましくは６５０℃以下であり、より好ましくは６１０～６５０℃、さらに好ましくは６２０～６４０℃、最も好ましくは６２５～６３５℃である。

量子井戸構造層５１８Ｃの成長速度は、０．８ｎｍ／ｍｉｎ以下とする。低い成長温度における原料原子のマイグレーション不足による表面荒れや、異常成長、ドロップレットを抑制するためである。ドロップレットは、結晶表面にＩｎの塊が形成されたものである。好ましくは０．７５ｎｍ／ｍｉｎ以下、より好ましくは０．７ｎｍ／ｍｉｎ以下、さらに好ましくは０．５ｎｍ／ｍｉｎ以下である。成長速度の下限は特に限定しないが、あまり成長速度が遅いと量子井戸構造層５１８Ｃの形成に時間がかかってしまうので、０．０５ｎｍ／ｍｉｎ以上が好ましい。

Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比は、０．７５～１とする。ここでＩｎ気相比は、ＩｎＧａＮを形成する際の原料ガスにおけるＩＩＩ族金属全体に占めるＩｎのモル比である。また、Ｉｎ固相比は、形成されるＩｎＧａＮ結晶におけるＩＩＩ族金属全体に占めるＩｎのモル比である。Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比は、成長温度、Ｉｎ気相比、ＶＩＩＩ比などによって制御することができる。Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比をこのような範囲とすることで、ＩｎＧａＮの異常成長やドロップレットを抑制することができる。より好ましいＩｎ固相比／Ｉｎ気相比は、０．８５～１、さらに好ましくは０．９～１である。

成長温度、成長速度、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比を上記範囲とすることで、Ｉｎ組成が３５％以上のＩｎＧａＮであっても、高品質な結晶を得ることができる。上記のように成長温度を７００℃以下と低くしているため、アンモニアの分解効率が低くなり、原料原子のマイグレーションが生じにくく、高品質なＩｎＧａＮが得られにくくなっているが、成長速度を上記範囲とすることでそのような問題を解消することができ、高品質なＩｎＧａＮを得ることができる。

Ｉｎ気相比は、４０％以上とすることが好ましい。Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比を上記範囲に制御することが容易となり、ＩｎＧａＮの異常成長やドロップレットを抑制することができる。また、Ｉｎ気相比は、５５％以下とすることが好ましい。

Ｇａ原料ガスの分圧は１×１０^－６～３×１０^－６ａｔｍ、Ｉｎ原料ガスの分圧は１×１０^－６～３×１０^－６ａｔｍとすることが好ましい。ＩｎＧａＮの異常成長を抑制し、成長速度を安定させるためである。Ｇａ原料ガスは、たとえばＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＴＥＧ（トリエチルガリウム）であり、Ｉｎ原料ガスは、たとえばＴＭＩ（トリメチルインジウム）である。

量子井戸構造層５１８Ｃの障壁層の成長速度は、量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層の成長速度と同等もしくは速い方がよい。また、量子井戸構造層５１８Ｃの障壁層の成長温度は、量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層の成長温度と同等もしくは高い方がよい。高くする場合は、井戸層の成長温度と同温で２～２０ｎｍの第１の障壁層を形成してから、温度を高くして第２の障壁層を積層するとよい。こうすることで高Ｉｎ組成の井戸層が昇温中に熱分解することを防止することができる。第１の障壁層、第２の障壁層は、井戸層よりもＩｎ組成が低いＩｎＧａＮでもよい。もちろん、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮでもよく、それらの組み合わせでもよい。

Ｎ原料ガスの分圧は、０．１５～０．２ａｔｍとすることが好ましい。アンモニアの分解によって発生するＨ_２によるＩｎＮの分解や再蒸発を抑制することができ、ＩｎＧａＮの品質を高めることができる。なお、キャリアガスの窒素はＮ原料ガスではない。

ＶＩＩＩ比（ＩＩＩ金属原料ガスに対するアンモニアのモル比）は、３００００～８００００とすることが好ましい。この範囲であれば、ＩｎＧａＮの品質を高めることができる。

量子井戸構造層５１８Ｃの成長温度は、第１歪緩和層５１８Ａおよび第２歪緩和層５１８Ｂの成長温度よりも低くすることが好ましい。第１歪緩和層５１８Ａ、第２歪緩和層５１８Ｂへの熱ダメージを抑制するためである。また、第２歪緩和層５１８Ｂの成長温度は、第１歪緩和層５１８Ａの成長温度よりも低くすることが好ましい。

量子井戸構造層５１８Ｃの成長速度は、第１歪緩和層５１８Ａおよび第２歪緩和層５１８Ｂの成長速度よりも遅くすることが好ましい。量子井戸構造層５１８Ｃをより高品質に形成することができる。また、第２歪緩和層５１８Ｂの成長速度は、第１歪緩和層５１８Ａの成長速度よりも遅くすることが好ましい。

量子井戸構造層５１８Ｃ形成時のＩｎ気相比は、第１歪緩和層５１８Ａおよび第２歪緩和層５１８Ｂ形成時のＩｎ気相比よりも小さいことが好ましい。量子井戸構造層５１８Ｃをより高品質に形成することができる。

以上、第５実施形態によれば、Ｉｎ組成３５％以上のＩｎＧａＮについて高品質な結晶を得ることができ、特に、Ｉｎ組成４０％以上の赤色発光材料となるＩｎＧａＮを形成することができる。そのため、量子井戸構造層５１８Ｃ中の井戸層を高品質に形成することができ、発光効率の高い赤色発光のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子を実現することができる。

（第５実施形態の変形形態）
第５実施形態における発光素子の活性層５１８は、第１～４実施形態における発光素子の第３活性層１８、３１８としても用いることができる。

また、第５実施形態におけるＩｎＧａＮの形成方法は、発光素子だけでなく、太陽電池や光触媒などのＩｎＧａＮにも利用することができる。

また、第５実施形態によれば、Ｉｎ組成３５％以上のＩｎＧａＮだけでなく、Ｉｎ組成３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体について品質を高めることができる。たとえば、Ｉｎ組成が３５％以上のＡｌＧａＩｎＮについても品質を高めることができる。

次に、第５実施形態に関する実験結果について説明する。

（実験４）
成長速度を変化させて量子井戸構造層５１８Ｃを形成した。成長温度は６３７℃、Ｉｎ気相比は、４７．５％、アンモニア流量は２７ｓｌｍ、とした。また、ＶＩＩＩ比は４８０００、２７０００、２００００とし、成長速度をそれぞれ０．４８ｎｍ／ｍｉｎ、０．７２ｎｍ／ｍｉｎ、０．９６ｎｍ／ｍｉｎとした。また、Ｉｎ固相比はそれぞれ４２．０％、４０．０％、４１．０％となり、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比はそれぞれ８８．４％、８４．２％、８６．３％であった。

図２３は、成長速度を変化させたときの量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層表面のＡＦＭ像である。実際の井戸層と同じ膜厚２～３ｎｍを有するＩｎＧａＮ層の表面である。図２３（ａ）は成長速度０．４８ｎｍ／ｍｉｎ、（ｂ）は０．７２ｎｍ／ｍｉｎ、（ｃ）は０．９６ｎｍ／ｍｉｎの場合である。

図２３（ａ）のように、成長速度０．４８ｎｍ／ｍｉｎの場合は井戸層表面にドロップレットはあまり見られず、ドロップレットの密度は１×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ３０ｎｍであった。

また、図２３（ｂ）のように、成長速度０．７２ｎｍ／ｍｉｎの場合、井戸層表面には成長速度０．４８ｎｍ／ｍｉｎの場合よりも多くのドロップレットが見られ、ドロップレットの密度は１×１０^８ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ３０ｎｍであった。

また、図２３（ｃ）のように、成長速度０．９６ｎｍ／ｍｉｎの場合、井戸層表面には成長速度０．７２ｎｍ／ｍｉｎの場合よりもさらに多くのドロップレットが見られ、そのサイズも大きく、ドロップレットの密度は４×１０^８ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ５０ｎｍであった。

この結果から、ドロップレット低減のためにはＩｎＧａＮの成長速度は０．７５ｎｍ／ｍｉｎ以下が好ましく、０．５ｎｍ／ｍｉｎがより好ましいことが分かった。

（実験５）
Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比を変化させて量子井戸構造層５１８Ｃを形成した。成長温度は６３７℃、成長速度は、０．４８ｎｍ／ｍｉｎ、アンモニア流量は２７ｓｌｍ、とした。また、ＶＩＩＩ比は４００００、４００００、４８０００、５１０００とし、Ｉｎ気相比はそれぞれ５７％、５２．５％、４７，５％、４５％とした。Ｉｎ固相比はいずれも４２.０％となり、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比はそれぞれ７３．７％、８０．０％、８８．４％、９３．３％であった。

図２４は、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比を変化させたときの量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層表面のＡＦＭ像である。図２４（ａ）はＩｎ固相比／Ｉｎ気相比７３．７％、（ｂ）は８０．０％、（ｃ）は８８．４％、（ｄ）は９３．３％の場合である。

図２４（ａ）のように、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が７３．７％の場合、井戸層表面にはドロップレットが多く見られ、そのサイズも大きく、ドロップレットの密度は７．５×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ１３０ｎｍであった。

また図２４（ｂ）のように、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が８０．０％の場合、井戸層表面には７３．７％の場合よりもドロップレットが少なく、大きさも小さかった。ドロップレットの密度は５．０×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ８０ｎｍであった。

また図２４（ｃ）のように、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が８８．４％の場合、井戸層表面には８０．０％の場合よりもさらにドロップレットが少なく、大きさも小さかった。ドロップレットの密度は１．０×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ３０ｎｍであった。

また図２４（ｄ）のように、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が９３．３％の場合、井戸層表面にはドロップレットが見られなかった。

この結果から、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比は０．７５以上が好ましく、０．８５以上がより好ましく、０．９以上がさらに好ましいことが分かった。

（実験６）
アンモニアの分圧を変化させて量子井戸構造層５１８Ｃを形成した。成長温度は６３７℃、とした。また、キャリアガス（窒素）の流量を１４２ｓｌｍ、１３０ｓｌｍ、１１０ｓｌｍの三段階とし、それぞれに対しアンモニアの流量を１５ｓｌｍ、２７ｓｌｍ、４７ｓｌｍとして、アンモニアの分圧を０．０９６ａｔｍ、０．１７２ａｔｍ、０．２９９ａｔｍとした。また、ＶＩＩＩ比はそれぞれに対し２７０００、４８０００、８５０００とし、Ｉｎ気相比はいずれも４７．５％とした。成長速度はいずれの場合も０．４８ｎｍ／ｍｉｎとなり、Ｉｎ固相比はそれぞれ４０％、４２％、４０％、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比はそれぞれ８４．２％、８８．４％、８４．２％となった。

図２５は、アンモニアの分圧を変化させたときの量子井戸構造層５１８Ｃの井戸層表面のＡＦＭ像である。図２５（ａ）はアンモニアの分圧０．０９６ａｔｍ、（ｂ）は０．１７２ａｔｍ、（ｃ）は０．２９９ａｔｍの場合である。

図２５（ａ）のように、アンモニアの分圧が０．０９６ａｔｍの場合、井戸層表面にはドロップレットが見られた。ドロップレットの密度は５．０×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ５０ｎｍであった。

また図２５（ｂ）のように、アンモニアの分圧が０．１７２ａｔｍの場合、井戸層表面にはドロップレットが見られたが、アンモニアの分圧が０．０９６ａｔｍの場合よりも少なく、大きさも小さかった。ドロップレットの密度は１．０×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ３０ｎｍであった。

また図２５（ｃ）のように、アンモニアの分圧が０．２９９ａｔｍの場合、井戸層表面にはアンモニアの分圧が０．１７２ａｔｍの場合よりも多くのドロップレットが見られ、大きさも大きかった。ドロップレットの密度は５．０×１０^７ｃｍ^－２、ドロップレットの直径はおよそ５０ｎｍであった。

この結果から、アンモニアの分圧は、０．１５～０．２ａｔｍが好ましいことが分かった。また、ＶＩＩＩ比は、３００００～８００００が好ましいことが分かった。

本発明の発光素子は、フルカラーディスプレイなどに適用することができる。

１０：基板
１１：ｎ層
１２：ＥＳＤ層
１３：下地層
１４：第１活性層
１５、２１５、４１５：第１中間層
１６、３１６：第２活性層
１７、２１７，４１７：第２中間層
１８、３１８：第３活性層
１９：保護層
２０Ａ～２０Ｃ：再成長層
２１Ａ～２１Ｃ、４２１Ａ～Ｃ、５２１：電子ブロック層
２２Ａ～２２Ｃ、５２２：ｐ層
２３：ｎ電極
２４Ａ～２４Ｃ：ｐ電極
２１５Ａ、２１７Ａ：ノンドープ層
２１５Ｂ、２１７Ｂ：ｎ型層
３１６Ａ：歪緩和層
３１６Ｂ、３１８Ｃ、５１８Ｃ：量子井戸構造層
３１８Ａ、５１８Ａ：第１歪緩和層
３１８Ｂ、５１８Ｂ：第２歪緩和層
５１８：活性層

Claims (14)

1. Ｉｎ組成が３５％以上のＩＩＩ族窒化物半導体をＭＯＣＶＤ法によって形成するＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法であって、
   成長温度を５５０～７００℃、成長速度を０．８ｎｍ／ｍｉｎ以下とし、Ｉｎ固相比／Ｉｎ気相比が０．７５～１となるようにして前記ＩＩＩ族窒化物半導体を形成する、ＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
2. Ｎ原料ガスの分圧を０．１５～０．２ａｔｍとする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
3. ＶＩＩＩ比を３００００～８００００とする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
4. Ｉｎ気相比を４０％以上とする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
5. Ｇａ原料ガスの分圧を１×１０^－６～３×１０^－６ａｔｍ、Ｉｎ原料ガスの分圧を１×１０^－６～３×１０^－６ａｔｍとする、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
6. 黄色から赤色の発光色の量子井戸構造層を有するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光素子の製造方法であって、
   前記量子井戸構造層における井戸層を請求項１～５のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法によって形成する、発光素子の製造方法。
7. 量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さを調整し、その井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が青色である第１歪緩和層を形成する第１歪緩和層形成工程と、
   量子井戸構造であって、発光しないように井戸層の厚さを調整し、その井戸層のバンド端エネルギーに相当する波長が緑色である第２歪緩和層を形成する第２歪緩和層形成工程と、
   前記第２歪緩和層上に前記量子井戸構造層を形成する量子井戸構造層形成工程と、を有する、請求項６に記載の発光素子の製造方法。
8. 前記量子井戸構造層の前記井戸層の成長温度を前記第１歪緩和層および前記第２歪緩和層の成長温度よりも低くする、請求項７に記載の発光素子の製造方法。
9. 前記第２歪緩和層の成長温度を前記第１歪緩和層の成長温度よりも低くする、請求項７に記載の発光素子の製造方法。
10. 前記量子井戸構造層の前記井戸層の成長速度を前記第１歪緩和層および前記第２歪緩和層の成長速度よりも遅くする、請求項７に記載の発光素子の製造方法。
11. 前記第２歪緩和層の成長速度を前記第１歪緩和層の成長速度よりも遅くする、請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
12. 前記量子井戸構造層の前記井戸層形成時のＩｎ気相比を前記第１歪緩和層および前記第２歪緩和層形成時のＩｎ気相比よりも小さくする、請求項７に記載の発光素子の製造方法。
13. 前記量子井戸構造層の前記井戸層の形成後に積層する前記量子井戸構造層の障壁層の成長速度は、前記井戸層の成長温度以上にする、請求項６に記載の発光素子の製造方法。
14. 前記量子井戸構造層の前記井戸層の形成後に積層する前記量子井戸構造層の障壁層の成長温度は、前記井戸層の成長温度と同温にする、請求項６に記載の発光素子の製造方法。