JP5060637B1 - 半導体発光素子及びウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】広い電流密度範囲で高い発光効率が得られる半導体発光素子及びウェーハを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光部と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光部は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む複数の井戸層と、前記複数の井戸層どうしの間に設けられＧａＮを含む障壁層と、を含む。前記複数の井戸層のうちで前記ｐ形半導体層に最も近いｐ側井戸層は、前記複数の井戸層のうちの前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層の厚さよりも厚い。前記ｐ側井戸層のＩｎ組成比は、前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層のＩｎ組成比よりも低い。前記障壁層の厚さは、前記ｐ側井戸層の厚さの２倍以下である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子及びウェーハに関する。

窒化物半導体を用いた発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子が開発されている。半導体発光素子において、供給する電流密度が高くなるに従い発光効率が低下するという問題がある。

例えば、多重量子井戸構造の半導体発光素子において、複数の井戸層の間で厚さを変えることで、発光効率の電流密度依存性を調整する構成がある。この場合には、例えば高電流密度のときに高効率を得ると、低電流密度においては低効率となってしまい、広い電流密度範囲で高い効率を得ることが困難である。

特開２００７−１１５７５３号公報

本発明の実施形態は、広い電流密度範囲で高い発光効率が得られる半導体発光素子及びウェーハを提供する。

本発明の実施形態によれば、ｃ面を主面とする窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光部と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記発光部は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む複数の井戸層と、前記複数の井戸層どうしの間に設けられＧａＮを含む障壁層と、を含む。前記複数の井戸層のうちで前記ｐ形半導体層に最も近いｐ側井戸層の厚さは、４ナノメートル以上であり、前記複数の井戸層のうちの前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層の厚さは４ナノメートル未満である。前記ｐ側井戸層のＩｎ組成比は、０．１４５未満であり、前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層のＩｎ組成比は０．１４５以上である。前記障壁層の厚さは、前記ｐ側井戸層の厚さの１．１倍以上２倍以下である。前記発光部から放出される光は単一ピークを有する。

第１の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。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の概要を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 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。 半導体発光素子の特性を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係るウェーハを示す模式的断面図である。

以下に、本発明の各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。

（第１の実施形態）
本実施形態は、ＬＥＤ及びＬＤなどの半導体発光素子に係る。以下では、本実施形態に係る半導体発光素子の１つの例として、ＬＥＤについて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的断面図である。 図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成の概要を例示する模式的断面図である。
図３は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。

図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、発光部３０と、を備える。発光部３０は、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられる。

ここで、ｎ形半導体層１０からｐ形半導体層２０に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な方向をＹ軸とする。Ｚ軸は、ｎ形半導体層１０、発光部３０及びｐ形半導体層２０を含む積層構造体１０ｓの積層方向に対して平行である。

本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。

ｎ形半導体層１０及びｐ形半導体層２０は、窒化物半導体を含む。

この例では、半導体発光素子１１０は、基板５０をさらに備える。基板５０には、例えば、サファイア基板（例えばｃ面サファイア基板）が用いられる。基板５０には、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＳｉなどの基板を用いても良い。

積層構造体１０ｓは、下地層６０をさらに含むことができる。下地層６０と発光部３０との間にｎ形半導体層１０が配置される。基板５０と下地層６０との間に、バッファ層（図示しない）をさらに設けても良い。基板５０の上に、バッファ層を形成し、その上に、下地層６０、ｎ形半導体層１０、発光部３０及びｐ形半導体層２０がこの順に形成される。基板５０の上に積層構造体１０ｓを形成した後に、基板５０が除去されても良い。この除去の際に、下地層６０の少なくとも一部が除去されても良い。

下地層６０には、例えばアンドープのＧａＮ層が用いられる。下地層６０の厚さは、例えば、約３マイクロメートル（μｍ）である。

ｎ形半導体層１０には、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ形ＧａＮ層が用いられる。Ｓｉのドープ量は、例えば、約８×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。ｎ形半導体層１０の厚さは、例えば約５μｍである。ｎ形半導体層１０の少なくとも一部は、ｎ形クラッド層として機能する。

ｐ形半導体層２０は、第１ｐ形層２１と、第２ｐ形層２２と、第３ｐ形層２３と、を含む。第１ｐ形層２１とｎ形半導体層１０との間に発光部３０が設けられる。第２ｐ形層２２は、第１ｐ形層２１と発光部３０との間に設けられる。第３ｐ形層２３は、第２ｐ形層２２と発光部３０との間に設けられる。第１ｐ形層２１、第２ｐ形層２２及び第３ｐ形層２３には、ｐ形不純物として、例えばＭｇがドープされる。

第３ｐ形層２３には、例えばｐ形ＡｌＧａＮ層が用いられる。第３ｐ形層２３は、例えば、発光部３０に電子を閉じ込める機能を有する。第３ｐ形層２３には、例えば、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２＜１）が用いられる。ｘ２は、例えば、０．１以上０．２以下に設定される。第３ｐ形層２３におけるＭｇ濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下に設定される。第３ｐ形層２３の厚さは、例えば、約１０ナノメートル（ｎｍ）である。

第２ｐ形層２２には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第２ｐ形層２２は、ｐ側クラッド層として機能する。第２ｐ形層２２におけるＭｇ濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満に設定される。第２ｐ形層２２の厚さは、例えば、約５０ｎｍである。

第１ｐ形層２１には、例えばｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ形層２１は、ｐ側コンタクト層として機能する。第１ｐ形層２１には、第２ｐ形層２２におけるＭｇ濃度よりも高い濃度でＭｇがドープされる。第１ｐ形層２１におけるＭｇ濃度は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^−３以上、３×１０^２１ｃｍ^−３に設定される。第１ｐ形層２１の厚さは、例えば、約１０ｎｍである。

この例では、第３ｐ形層２３と発光部３０との間に、キャップ層２５が設けられている。キャップ層２５には、例えばＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ｎ層が用いられる。キャップ層２５におけるＡｌの組成比（ｘ３）は、例えば、０．００３以上０．０３以下である。キャップ層２５におけるＭｇ濃度は、ｐ形半導体層２０（例えば第３形層２３）におけるＭｇ濃度よりも低い。キャップ層２５には、アンドープのＡｌＧａＮ層が用いられる。キャップ層２５の厚さは、例えば３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。キャップ層２５は、ｐ形半導体層２０の一部とみなすこともできる。

半導体発光素子１１０は、第１電極７０と、第２電極８０と、をさらに備えることができる。第１電極７０は、ｎ形半導体層１０に電気的に接続されている。第２電極８０は、ｐ形半導体層２０に電気的に接続される。

第１電極７０には、例えば、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜が用いられる。第２電極８０には、例えば、Ｎｉ膜／Ａｕ膜の積層膜が用いられる。

この例では、積層構造体１０ｓは、ｐ形半導体層２０の側の主面において、ｎ形半導体層１０の一部、及び、ｐ形半導体層２０と、が露出している。第１電極７０及び第２電極８０とは、この主面の側において、ｎ形半導体層１０及びｐ形半導体層２０のそれぞれに接続される。

第１電極７０と第２電極８０との間に電圧を印加することで、ｎ形半導体層１０及びｐ形半導体層２０を介して発光部３０に電流が供給され、発光部３０から光が放出される。

図２に表したように、積層構造体１０ｓは、中間層４０をさらに含むことができる。中間層４０は、ｎ形半導体層１０と発光部３０との間に設けられる。

図３は、中間層４０の構成を例示している。
図３に表したように、中間層４０は、Ｚ軸に沿って交互に積層された複数の第１層４１と複数の第２層４２とを含む。

第１層４１には、例えば、Ｓｉドープされたｎ形ＧａＮ層が用いられる。第１層４１におけるＳｉドープ量は、例えば、約２×１０^１８（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。第２層４２には、例えば、アンドープのＩｎＧａＮ層が用いられる。具体的には、第２層４２には、例えば、アンドープのＩｎ_ｘ４Ｇａ_１−ｘ４Ｎ（０＜ｘ４＜０．１）が用いられる。第１層４１の厚さは、例えば約３ｎｍである。第２層４２の厚さは、例えば約１ｎｍである。中間層４０は超格子構造を有する。この例では、第２層４２の数は、３０以上である。

図１に表したように、発光部３０は、複数の井戸層３２と、複数の井戸層３２どうしの間に設けられた障壁層３１と、を含む。すなわち、複数の井戸層３２と、複数の障壁層３１と、がＺ軸に沿って交互に積層される。

井戸層３２は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む。障壁層３１は、ＧａＮを含む。すなわち、井戸層３２はＩｎを含み、障壁層３１はＩｎを実質的に含まない。障壁層３１におけるバンドギャップエネルギーは、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。

このように、発光部３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構造を有する。本実施形態においては、複数の井戸層３２の数は、８以上である。

すなわち、発光部３０は、（ｎ＋１）個の障壁層３１と、ｎ個の井戸層３２と、を含む（ｎは、８以上の整数）。第（ｉ＋１）障壁層ＢＬ（ｉ＋１）は、第ｉ障壁層ＢＬｉとｐ形半導体層２０との間に配置される（ｉは、１以上（ｎ−１）以下の整数）。第（ｉ＋１）井戸層ＷＬ（ｉ＋１）は、第ｉ井戸層ＷＬｉとｐ形半導体層２０との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、ｎ形半導体層１０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられる。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第ｎ障壁層ＢＬｎと第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ井戸層ＷＬｎとｐ形半導体層２０との間に設けられる。

発光部３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば４００ナノメートル（ｎｍ）以上６５０ｎｍ以下である。

本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、複数の井戸層３２のうちでｐ形半導体層２０に最も近いｐ側井戸層ＷＬｐ（この例では、第８井戸層ＷＬ８）は、複数の井戸層３２のうちのｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２（この例では、第１井戸層ＷＬ１〜第７井戸層ＷＬ７）の厚さよりも厚い。ここで、井戸層３２の厚さは、Ｚ軸に沿った厚さである。

そして、ｐ側井戸層ＷＬｐのＩｎ組成比は、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２（この例では、第１井戸層ＷＬ１〜第７井戸層ＷＬ７）のＩｎ組成比よりも低い。井戸層３２のＩｎ組成比は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎのｘ１である。

障壁層３１の厚さ（Ｚ軸に沿った厚さ）は、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さの２倍以下である。

例えば、第１井戸層ＷＬ１〜第７井戸層ＷＬ７の厚さは、約３ｎｍである。そして、第１井戸層ＷＬ１〜第７井戸層ＷＬ７におけるＩｎ組成比（ｘ１）は、０．１５である。第１井戸層ＷＬ１〜第７井戸層ＷＬ７における発光のピーク波長は、約４５０ｎｍである。

一方、第８井戸層ＷＬ８の厚さは、約５ｎｍである。そして、第８井戸層ＷＬ８におけるＩｎ組成比（ｘ１）は、０．１４である。第８井戸層ＷＬ８における発光のピーク波長は、約４４０ｎｍである。

そして、障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１〜第９障壁層ＢＬ９）の厚さは、約５ｎｍである。すなわち、障壁層３１の厚さは、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さと実質的に等しい。障壁層３１はＩｎを実質的に含まない。

なお、この例では、アンドープのＡｌＧａＮ層からなるキャップ層２５が設けられている。既に説明したように、キャップ層２５の厚さは、例えば３ｎｍ以上５ｎｍ以下である。キャップ層２５におけるＡｌの組成比が低く、キャップ層２５がＧａＮ層であると見なす場合においても、キャップ層２５と第９障壁層ＢＬ９の合計の厚さは、８ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、その厚さは、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さの２倍以下である。

なお、井戸層３２の厚さ及び障壁層３１の厚さは、例えば、発光部３０を電子顕微鏡により観察することで求めることができる。また、井戸層３２におけるＩｎ組成比は、例えば、Ｘ線回折による解析、及び、ＴＥＭ−ＥＤＸ（透過電子顕微鏡−エネルギー分散型Ｘ線分光法）による定量分析などにより求めることができる。

このような構成により、広い電流密度範囲で高い発光効率が得られる。以下、本実施形態に係る半導体発光素子の構成を構築する基となった実験について説明する。

以下説明する製造方法は、半導体発光素子１１０の製造方法の１つの例でもある。
ｃ面サファイアの基板５０に、前処理として、例えば有機洗浄及び酸洗浄を施した。この後、基板５０を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応室内に収納した。窒素（Ｎ_２）ガスと水素（Ｈ_２）ガスの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、基板５０の温度を１１００℃に上げる。これにより、基板５０の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。

基板５０の温度を５００℃まで降温させ、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ_３）ガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）と、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）と、を供給し、基板５０の上にバッファ層（低温バッファ層）を形成する。

次に、ＮＨ_３ガスの供給を続けながらＴＭＧおよびＴＭＡガスの供給を停止し、温度を１１００℃まで昇温させた。この温度を保持し、再びＴＭＧを供給して、下地層６０となるアンドープのＧａＮ層（厚さ３μｍ）を形成した。

次に、プロセスガスはそのままでｎ形ドーパントとして、シラン（ＳｉＨ_４）ガスを供給し、ｎ形半導体層１０となるｎ形ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度８×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、厚さ５μｍ）を形成した。

次に、ＮＨ_３ガスの供給を続けながらＴＭＧおよびＳｉＨ_４ガスの供給を停止し、基板５０の温度を、８００℃まで降温し、８００℃で保持した。

この温度で、中間層４０を形成した。具体的には、Ｎ_２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、ＮＨ_３ガス及びＴＭＧ、ＳｉＨ_４ガスを供給し、第１層４１となるｎ形ＧａＮ層（Ｓｉドープ濃度が２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、厚さ３ｎｍ）を形成した。この後、ＳｉＨ_４ガスの供給を停止したのち、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）をさらに供給し、第２層４２となるアンドープＩｎＧａＮ層（厚さ１ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．０７）を形成した。

さらに、ＳｉＨ_４ガスの供給とＴＭＩの供給とを交互に３０周期繰り返すことで、第１層４１と第２層４２との超格子構造を有する中間層４０を形成した。

次に、発光部３０を形成した。具体的には、Ｎ_２ガスのキャリアガス、並びに、プロセスガスのＮＨ_３ガス及びＴＭＧを供給し、第１障壁層ＢＬ１となるＧａＮ層（厚さ５ｎｍ）を形成した。この後、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）をさらに供給し、第１井戸層ＷＬ１となるＩｎＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５）とを形成した。

さらに、ＴＭＩの供給を断続することにより、第２〜第８障壁層ＢＬ２〜ＢＬ８となるＧａＮ層（厚さ５ｎｍ）と、第２井戸層ＷＬ２〜第７井戸層ＷＬ７となるＩｎＧａＮ層（厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５）と、を形成した。

さらに、ＴＭＩを供給し、第８障壁層ＢＬ８の上に、ｐ側井戸層ＷＬｐ（第８井戸層ＷＬ８）となるＩｎＧａＮ層（厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１４）を形成した。そして、ＴＭＩの供給を停止し、第８井戸層ＷＬ８の上に第９障壁層ＢＬ９となるＧａＮ層（厚さ５ｎｍ）を形成した。これにより、発光部３０が形成される。

さらに、ＴＭＡを供給し、発光部３０の上（第９障壁層ＢＬ９の上）にキャップ層２５となるＡｌＧａＮ層（例えばアンドープ）を形成する。このＡｌＧａＮ層を形成した直後におけるこのＡｌＧａＮ層の厚さは例えば５ｎｍであるが、この後の温度上昇によりこのＡｌＧａＮ層の厚さは例えば約３ｎｍとなる。

次に、ＮＨ_３ガスの供給を続けながらＴＭＧの供給を停止し、Ｎ_２ガス雰囲気中で、基板５０の温度を、１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持した。

この温度で、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ_３ガス、ＴＭＧ及びＴＭＡ、並びに、ｐ形ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を供給し、第３ｐ形層２３となるｐ形ＡｌＧａＮ層（Ｍｇ濃度が１×１０^１９以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下、厚さ１０ｎｍ）を形成した。

次に、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇを供給し続けながらＴＭＡの供給を停止し、第２ｐ形層２２となるｐ形ＧａＮ層（Ｍｇ濃度が約３×１０^１９ｃｍ^−３、厚さ約５０ｎｍ）を形成した。

次に、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量を増やして、第１ｐ形層２１となるｐ形ＧａＮ層（Ｍｇ濃度が約１×１０^２１ｃｍ^−３、厚さ約１０ｎｍ）を形成した。

次に、ＮＨ^３ガスの供給を続けながらＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、基板５０を自然降温した。基板５０の温度が３００℃に達するまでＮＨ_３ガスの供給を続けた。

基板５０をＭＯＣＶＤ装置から取り出した後に、積層構造体１０ｓの内の一部を、ｎ形半導体層１０に達するまでＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により除去した。露出したｎ形半導体層１０の上にＴｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜を形成し、第１電極７０が形成される。

また、第１ｐ形層２１上に、Ｎｉ膜／Ａｕ膜を形成し、第２電極８０を形成される。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子１１０が得られた。

この実験では、以下の第１参考例〜第３参考例の半導体発光素子１９１〜１９３（図示しない）も作製した。半導体発光素子１９１〜１９３の構成は、発光部３０を除いて、半導体発光素子１１０と同じである。以下では、半導体発光素子１９１〜１９３の発光部３０に関して説明する。

第１参考例の半導体発光素子１９１においては、井戸層３２の数が８であり、全ての井戸層３２（第１井戸層ＷＬ１〜第８井戸層ＷＬ８）において、厚さは約３ｎｍであり、Ｉｎ組成比ｘ１は、０．１５である。そして、障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１〜第９障壁層ＢＬ９）はＧａＮ層であり、その厚さは、約５ｎｍである。

第２参考例の半導体発光素子１９２においては、井戸層３２の数が４である。そして、第１井戸層ＷＬ１〜第３井戸層ＷＬ３の厚さは約３ｎｍであり、第１井戸層ＷＬ１〜第３井戸層ＷＬ３におけるＩｎ組成比（ｘ１）は、０．１５である。そして、第４井戸層ＷＬ４の厚さは約５ｎｍであり、第４井戸層ＷＬ４におけるＩｎ組成比（ｘ１）は、０．１４である。障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１〜第５障壁層ＢＬ５）はＧａＮ層であり、その厚さは、約５ｎｍである。

第３参考例の半導体発光素子１９３においては、井戸層３２の数が１である。井戸層３２の厚さは約５ｎｍであり、井戸層３２におけるＩｎ組成比（ｘ１）は、０．１４である。障壁層３１（第１障壁層ＢＬ１及び第２障壁層ＢＬ２）はＧａＮ層であり、その厚さは、約５ｎｍである。

半導体発光素子１９１〜１９３は、半導体発光素子１１０に関して説明した製造方法において、障壁層３１及び井戸層３２の条件を変更することで作製された。

図４は、第１の半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
同図は、実施形態に係る半導体発光素子１１０と第１参考例の半導体発光素子１９１の特性を例示している。横軸は、電流Ｉｄ（ミリアンペア：ｍＡ）であり、縦軸は、発光効率Ｅｆｆ（ミリワット／ミリアンペア：ｍＷ／ｍＡ）である。半導体発光素子に供給する電流を変えながら、半導体発光素子から放射された光の強度を、積分球を用いて測定した。そして、得られた光の強度を電流Ｉｄで除算することにより、発光効率Ｅｆｆを求めた。

図４に示すように、第１参考例の半導体発光素子１９１においては、電流Ｉｄが大きいと、すなわち、高い電流密度において、発光効率Ｅｆｆが大きく低下する。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、電流Ｉｄが増加しても発光効率Ｅｆｆの低下は緩やかである。半導体発光素子１１０においては、小電流領域から大電流領域の広い電流領域において、半導体発光素子１９１よりも高い発光効率Ｅｆｆが得られた。

このように、半導体発光素子１１０においては、井戸層３２の数が８であると言う点で同じである半導体発光素子１９１よりも、広い電流範囲で高い発光効率Ｅｆｆ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。
すなわち、同図は、半導体発光素子１１０及び半導体発光素子１９１のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ピーク形状の電流依存性を示す。横軸は、波長λ（ｎｍ）であり、縦軸は、ＥＬピーク強度Ｉｐ（任意目盛）である。

図５から分かるように、半導体発光素子１９１及び半導体発光素子１１０において、ピーク波長は、ほぼ４４０ｎｍである。

これらを比較すると、半導体発光素子１９１においては、ピーク形状はシャープであり、ピーク強度が低い。これに対し、半導体発光素子１１０においては、ブロードな発光が得られており、ピーク波長よりも短波長側に肩を持つ波長特性が得られている。そして、ピーク強度が高い。

図６は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、半導体発光素子１１０、半導体発光素子１９２及び半導体発光素子１９３の特性を示している。横軸は、電流Ｉｄであり、縦軸は、発光効率Ｅｆｆである。

図６から分かるように、井戸層３２の数が１である第３参考例の半導体発光素子１９３においては、発光効率Ｅｆｆは著しく低い。井戸層３２の数が４である第２参考例の半導体発光素子１９２においては、半導体発光素子１９３に比べると発光効率Ｅｆｆは向上するが不十分である。

このように、ｐ側井戸層ＷＬｐとｎ形半導体層１０との間に配置される井戸層３２の数が少ない場合（この例では、０または３の場合）、半導体発光素子１１０（ｐ側井戸層ＷＬｐとｎ形半導体層１０との間に配置される井戸層３２の数が７）に比べて、発光効率Ｅｆｆが低い。

図７は、半導体発光素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、半導体発光素子１１０、半導体発光素子１９２及び半導体発光素子１９３の特性を示している。横軸は、電流Ｉｄであり、縦軸は、発光部３０から放出される光のピーク波長λｐ（ｎｍ）である。

図７に示したように、半導体発光素子１１０、半導体発光素子１９２及び半導体発光素子１９３のいずれにおいても、電流Ｉｄを増大すると、ピーク波長λｐは短くなる。すなわち、発光波長が短波長化する。

そして、半導体発光素子１９３においては、発光波長のシフト量は非常に大きい。これに対し、半導体発光素子１１０においては、シフト量は小さい。半導体発光素子１９２におけるシフト量は、両者の中間である。このように、ｐ側井戸層ＷＬｐとｎ形半導体層１０との間に配置される井戸層３２の数が少ないほど、発光波長のシフト量が大きい。

ｃ面の基板５０上に形成された井戸層３２（ＩｎＧａＮ層）においては、ＩｎＮとＧａＮとの格子定数の違いから圧縮ひずみが生じる。それに伴い圧電分極が生じ、ピエゾ電界が発生する。これにより、井戸層３２における実質的なバンドギャップエネルギーは、圧縮ひずみが印加されないときの井戸層３２のバンドギャップエネルギーよりも小さくなると考えられる。

電流Ｉｄを大きくしたときの発光波長のシフト量が大きいということは、井戸層３２が受けている圧縮ひずみが大きいことに対応する。すなわち、上記の例では、半導体発光素子１９２及び１９３においては、井戸層３２が受けている圧縮歪みが大きいと考えられる。

井戸層３２において圧縮歪みが大きいと、正孔と電子とが離れて、発光再結合の効率が低くなる。このように、井戸層３２における圧縮歪みの程度が発光再結合の程度に影響し、このことが、図６に例示した発光効率Ｅｆｆの低下の要因であると考えられる。

これに対し、図４及び図６に例示したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、高い電流密度の電流Ｉｄにおける発光効率Ｅｆｆの低下を抑制することができる。これは、井戸層３２のピエゾ電界の悪影響を抑制していることが寄与していると考えられる。

なお、半導体発光素子において、電流密度が高くなるに従い発光効率Ｅｆｆが低下することに対して、発光部３０の体積を増大することで電流集中を回避することが考えられる。例えば、井戸層３２を厚くして発光部３０の体積を増大する。しかしながら、この方法においては、井戸層３２に加わる圧縮ひずみにより生じるピエゾ電界の影響が大きく、発光再結合確率が低くなり、結果として発光効率が低下する。

また、これを回避するために、井戸層３２のそれぞれにおいて、異なるＩｎ組成比の薄膜を積層することで、圧縮ひずみを弱め、高電流密度を回避する構成が考えられる。しかし、井戸層３２のそれぞれに、Ｉｎ組成比の異なる層を隣接して設けた場合には、その界面におけるＩｎ組成比の制御が難しく、局所的に高Ｉｎ混晶比を有する析出部が発生し易い。この析出部は熱耐性が低く、井戸層３２の形成の後の高温プロセス（例えばｐ形半導体層２０の形成など）において、結晶品質が劣化する。このため、発光効率Ｅｆｆが低下し易い。

また、障壁層３１として、ＩｎＧａＮ層（例えばＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎ層など）を用いることで、井戸層３２におけるピエゾ電界の悪影響を低減することを試みる構成もある。この場合には、障壁層３１にＩｎＧａＮ層を用いると結晶品質が劣化し易いため、障壁層３１の厚さを厚くする（例えば１５ｎｍ）必要がある。

例えば、障壁層３１として厚い（例えば１５ｎｍ）ＩｎＧａＮ層を用いた場合において、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さを、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２の厚さよりも厚くし、ｐ側井戸層ＷＬｐのＩｎ組成比を、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２のＩｎ組成比よりも低くした場合においては、全ての井戸層３２の厚さ及びＩｎ組成比を同じにした場合に比べて、高電流密度領域で発光効率Ｅｆｆが向上する可能性があるが、低電流密度領域では、発光効率Ｅｆｆは低下する。これは、障壁層３１としてのＩｎＧａＮ層と井戸層３２との界面に生じるＩｎ析出部が一部欠陥となり、厚膜の井戸層３２の品質劣化を引き起こすためである。すなわち、障壁層３１として厚い（例えば１５ｎｍ）ＩｎＧａＮ層を用いた場合には、低電流密度から高電流密度の広い領域で、発光効率を向上することは困難である。

これに対し、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、障壁層３１として薄い（ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さの２倍以下）ＧａＮ層を用いつつ、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さを、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２の厚さよりも厚くし、ｐ側井戸層ＷＬｐのＩｎ組成比を、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２のＩｎ組成比よりも低くすることで、低電流密度から高電流密度の広い領域で、発光効率を向上することができる。

実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、井戸層３２の数を８以上にすることで、圧縮歪みが特に大きくなるｐ側井戸層ＷＬｐにおける圧縮歪みを適度に緩和させ、ｐ側井戸層ＷＬｐにおけるピエゾ電界の悪影響を抑制する。これにより、発光再結合確率の低下を抑えつつ、高電流密度における発光効率の向上が可能となる。

そして、ピエゾ電界の影響が小さいため、障壁層３１として薄いＧａＮ層を用いることが可能になり、高い結晶品質を維持でき、低電流密度における発光効率Ｅｆｆもさらに向上できる。

実施形態において、障壁層３１の厚さは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。障壁層３１の厚さが３ｎｍ未満の場合には、例えば、電子を井戸層３２に閉じ込める効果が低下し、発光効率Ｅｆｆが低下する。障壁層３１の厚さが８ｎｍを超えると、例えば動作電圧が上昇する。障壁層３１の厚さは、５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、高い発光効率Ｅｆｆと十分に低い動作電圧とが得られる。

実施形態において、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さは、４ｎｍ以上であり、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２の厚さは４ｎｍ未満であることが望ましい。ｐ側井戸層ＷＬｐを除く井戸層３２の厚さが４ｎｍ以上になると、例えば、結晶品質が劣化することがある。

また、例えば、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さは、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２の厚さの１．１倍以上２倍以下であることが望ましい。

ｐ側井戸層ＷＬｐのＩｎ組成比は０．１４５未満であり、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２のＩｎ組成比は０．１４５以上であることが望ましい。これにより、特に発光効率が低い青色の光を高い発光効率Ｅｆｆで得ることができる。

ｐ側井戸層ＷＬｐのＩｎ組成比は、例えば、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２のＩｎ組成比の０．８倍以上０．９５倍以下であることが望ましい。

なお、発光部３０の複数の井戸層３２の厚さを、Ｚ軸に沿って変化させる構成があるが、この場合には、厚さの制御が困難であり、製造上煩雑である。これに対して、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、例えば、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く井戸層３２の厚さは一定でも良いので、生産性が高い。

（第２の実施形態）
本実施形態は、ＬＥＤ及びＬＤなどの半導体発光素子に用いられるウェーハに係る。
図８は、第２の実施形態に係るウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
図８に表したように、本実施形態に係るウェーハ１２０は、窒化物半導体を含むｎ形半導体層１０と、窒化物半導体を含むｐ形半導体層２０と、ｎ形半導体層１０とｐ形半導体層２０との間に設けられた発光部３０と、を備える。ウェーハ１２０は、基板５０をさらに備えても良い。また、ウェーハ１２０は、下地層６０をさらに備えても良い。

発光部３０は、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む複数の井戸層３２と、複数の井戸層３２どうしの間に設けられＧａＮを含む障壁層３１と、を含む。そして、複数の井戸層３２のうちでｐ形半導体層２０に最も近いｐ側井戸層ＷＬｐは、複数の井戸層３２のうちのｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２の厚さよりも厚い。ｐ側井戸層ＷＬｐのＩｎ組成比は、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く全ての井戸層３２のＩｎ組成比よりも低い。障壁層３１の厚さは、ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さの２倍以下である。

これにより、広い電流密度範囲で高い発光効率が得られる半導体発光素子のためのウェーハが提供できる。

本実施形態に係るウェーハ１２０に含まれる各種の要素に関しては、第１の実施形態に関して説明した構成を適宜適用でき、同様の効果を得ることができる。

第１及び第２の実施形態に係る上記の記載において、井戸層３２の厚さ及びＩｎ組成比（ｐ側井戸層ＷＬｐの厚さ及びＩｎ組成比、並びに、ｐ側井戸層ＷＬｐを除く井戸層３２の厚さ及びＩｎ組成比）は、１つの例である。本実施形態において、井戸層３２の厚さ及びＩｎ組成比は変更可能である。

上記においては、半導体層の形成方法としてＭＯＣＶＤ法を用いた場合について説明したが、その他の形成方法を用いても良い。例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Halide Vapor Phase Epitaxy）及び分子線気相成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などを用いることが可能である。

プロセスガスとして、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ及びＮＨ_３を用いた場合について説明したが、その他のプロセスガスを用いても良い。例えばトリエチルガリウム（ＴＥＧ：Tri Ethyl Gallium）を用いることが可能である。

実施形態によれば、広い電流密度範囲で高い発光効率が得られる半導体発光素子及びウェーハが提供できる。

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。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。

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、半導体発光素子及びウェーハに含まれる基板、半導体層、発光部、下地層、バッファ層及び電極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及びウェーハを基にして、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及びウェーハも、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…ｎ形半導体層、 １０ｓ…積層構造体、 ２０…ｐ形半導体層、 ２１…第１ｐ形層、 ２２…第２ｐ形層、 ２３…第３ｐ形層、 ２５…キャップ層、 ３０…発光部、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…中間層、 ４１…第１層、 ４２…第２層、 ５０…基板、 ６０…下地層、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 λ…波長、 λｐ…ピーク波長、 １１０、１９１、１９２、１９３…半導体発光素子、 １２０…ウェーハ、 ＢＬ１〜ＢＬ９…第１〜第９障壁層、 Ｅｆｆ…発光効率、 Ｉｄ…電流、 Ｉｐ…ピーク強度、 ＷＬ１〜ＷＬ８…第１〜第８井戸層、 ＷＬｐ…ｐ側井戸層

Claims (6)

1. ｃ面を主面とする窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、
   窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光部であって、
   Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む複数の井戸層と、
   前記複数の井戸層どうしの間に設けられＧａＮを含む障壁層と、
   を含む発光部と、
   を備え、
   前記複数の井戸層のうちで前記ｐ形半導体層に最も近いｐ側井戸層の厚さは、４ナノメートル以上であり、前記複数の井戸層のうちの前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層の厚さは４ナノメートル未満であり、
   前記ｐ側井戸層のＩｎ組成比は、０．１４５未満であり、前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層のＩｎ組成比は０．１４５以上であり、
   前記障壁層の厚さは、前記ｐ側井戸層の厚さの１．１倍以上２倍以下であり、
   前記発光部から放出される光は単一ピークを有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記複数の井戸層の数は、８以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記障壁層の厚さは、３ナノメートル以上、８ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記ｐ側井戸層の前記Ｉｎ組成比は、前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層のＩｎ組成比の０．８倍以上０．９５倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層の前記厚さは、一定であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. ｃ面を主面とする窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、
   窒化物半導体を含むｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた発光部であって、
   Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_１−ｘ１Ｎ（０＜ｘ１＜１）を含む複数の井戸層と、
   前記複数の井戸層どうしの間に設けられＧａＮを含む障壁層と、
   を含む発光部と、
   を備え、
   前記複数の井戸層のうちで前記ｐ形半導体層に最も近いｐ側井戸層の厚さは、４ナノメートル以上であり、前記複数の井戸層のうちの前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層の厚さは４ナノメートル未満であり、
   前記ｐ側井戸層のＩｎ組成比は、０．１４５未満であり、前記ｐ側井戸層を除く全ての前記井戸層のＩｎ組成比は０．１４５以上であり、
   前記障壁層の厚さは、前記ｐ側井戸層の厚さの１．１倍以上２倍以下であり、
   前記発光部から放出される光は単一ピークを有することを特徴とするウェーハ。

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