JP5353821B2 - 半導体発光素子と、その製造方法およびランプ、電子機器、機械装置 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造を有し、特に、発光波長が４９０〜５７０ｎｍの緑色発光を呈する半導体発光素子（ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子）と、その製造方法およびランプ、電子機器、機械装置に関する。
従来より、発光ダイオードなどに用いられる半導体発光素子として、基板上にｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを順次積層してなるものが知られている。このような半導体発光素子を製造する方法としては、サファイア単結晶などからなる基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法）によってｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層とを連続して順次積層する方法が知られている。
また、近年においては、各分野で様々な発光色の半導体発光素子が必要とされている。このような半導体発光素子の一つとして、発光波長が４９０〜５７０ｎｍの緑色発光を呈するものが知られている。
一般に、半導体発光素子の発光波長が４９０ｎｍ以上である場合には、その発光色は緑色系となる。例えば、発光波長が５０５ｎｍ付近であると、信号機等に用いられるような青緑色を呈する。また、発光波長が５２５ｎｍ付近では、例えばディスプレイ等の３原色光源として用いられるような純緑色が得られる。また、発光波長が５６０ｎｍ付近であると、例えばパイロットランプ等に用いられるような黄緑色が得られ、発光波長が５７０ｎｍになると発光色が黄色に近い色調となる。このため、緑色発光を得るためには、発光波長が４９０ｎｍ以上である必要がある。
一般に、半導体発光素子の発光波長が４９０ｎｍ以上である場合には、その発光色は緑色系となる。例えば、発光波長が５０５ｎｍ付近であると、信号機等に用いられるような青緑色を呈する。また、発光波長が５２５ｎｍ付近では、例えばディスプレイ等の３原色光源として用いられるような純緑色が得られる。また、発光波長が５６０ｎｍ付近であると、例えばパイロットランプ等に用いられるような黄緑色が得られ、発光波長が５７０ｎｍになると発光色が黄色に近い色調となる。このため、緑色発光を得るためには、発光波長が４９０ｎｍ以上である必要がある。
このような窒化ガリウム系化合物半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）発光素子において、発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光を得るためには、青色発光を呈する構成の半導体発光素子と比べ、発光層をなす井戸層（活性層）にインジウム（Ｉｎ）を高濃度で含有させる方法が知られている。（特許文献１）。
しかし、このような発光波長４９０ｎｍ以上の緑色発光素子では井戸層のインジウム濃度が高いため、井戸層の格子定数が大きくなり大きな歪みを生じていた。また、インジウムが昇華し易いため、井戸層の結晶性が不十分となりやすく、半導体発光素子の出力が不十分となる場合があった。
また、最近、半導体発光素子の高出力化の要求が高まっており、半導体発光素子に大電流を印加した場合においても発光効率の高い半導体発光素子が求められていた。
また、最近、半導体発光素子の高出力化の要求が高まっており、半導体発光素子に大電流を印加した場合においても発光効率の高い半導体発光素子が求められていた。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、発光層の結晶性に起因する不良が生じにくく、かつ、高い出力の得られる半導体発光素子の製造方法を提供することを課題とする。
上記の目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕 第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置において前記第一ｎ型半導体層上に、第二ｎ型半導体層と、障壁層およびＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）なる組成の井戸層からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を順次積層する第二工程とを具備し、前記第二工程において、前記障壁層を第一の成長温度Ｔ１で成長させた後に、前記第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２に昇温して前記障壁層を成長させ、さらに、前記第二の成長温度Ｔ２よりも低温の前記第三の成長温度Ｔ３に降温して前記障壁層の成長を続けることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
〔２〕 前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層を形成した後に、前記第二ｎ型半導体層を形成することを特徴とする〔１〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔３〕 前記第一ｎ型半導体層の前記再成長層の膜厚を０μｍ〜５μｍとすることを特徴とする〔２〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔４〕 前記第二ｎ型半導体層上に前記第二ｎ型半導体層の再成長層を形成した後に、前記発光層を形成することを特徴とする〔１〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔５〕 前記発光層を形成する工程において、前記第一の成長温度Ｔ１を６００〜８００℃、前記第二の成長温度Ｔ２を８００℃〜１０００℃、前記第三の成長温度Ｔ３を６００℃〜１０００℃とすること特徴とする〔１〕乃至〔４〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔６〕 前記第一の成長温度Ｔ１で前記障壁層を成長させる際にＩＩＩ族原料を供給し、前記第一の成長温度Ｔ１から前記第二の成長温度Ｔ２に昇温する際に前記ＩＩＩ族原料の供給を停止することにより前記井戸層に複数の薄膜部を形成し、前記第二の成長温度Ｔ２で前記障壁層を成長させる際に前記ＩＩＩ族原料を供給することを特徴とする〔１〕乃至〔５〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔７〕 前記発光層を形成する工程において、前記障壁層を前記第三の成長温度Ｔ３で成長させた後に、前記井戸層を前記第三の成長温度Ｔ３で成長させることを特徴とする〔１〕乃至〔６〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔８〕 前記障壁層を７ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成することを特徴とする〔１〕乃至〔７〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔９〕 基板上に、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子において、前記ｎ型半導体層を構成するｎコンタクト層又はｎクラッド層が、複数の有機金属化学気相成長装置で成長され、前記発光層は、障壁層およびＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）なる組成の井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなり、前記井戸層に複数の薄膜部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
〔１０〕 前記発光層からの発光の発光波長が４９０〜５７０ｎｍの範囲であることを特徴とする〔９〕に記載の半導体発光素子。
〔１１〕 〔１〕乃至〔８〕のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔１２〕 〔１１〕に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
〔１３〕 〔１２〕に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
〔１〕 第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置において前記第一ｎ型半導体層上に、第二ｎ型半導体層と、障壁層およびＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）なる組成の井戸層からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を順次積層する第二工程とを具備し、前記第二工程において、前記障壁層を第一の成長温度Ｔ１で成長させた後に、前記第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２に昇温して前記障壁層を成長させ、さらに、前記第二の成長温度Ｔ２よりも低温の前記第三の成長温度Ｔ３に降温して前記障壁層の成長を続けることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
〔２〕 前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層を形成した後に、前記第二ｎ型半導体層を形成することを特徴とする〔１〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔３〕 前記第一ｎ型半導体層の前記再成長層の膜厚を０μｍ〜５μｍとすることを特徴とする〔２〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔４〕 前記第二ｎ型半導体層上に前記第二ｎ型半導体層の再成長層を形成した後に、前記発光層を形成することを特徴とする〔１〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔５〕 前記発光層を形成する工程において、前記第一の成長温度Ｔ１を６００〜８００℃、前記第二の成長温度Ｔ２を８００℃〜１０００℃、前記第三の成長温度Ｔ３を６００℃〜１０００℃とすること特徴とする〔１〕乃至〔４〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔６〕 前記第一の成長温度Ｔ１で前記障壁層を成長させる際にＩＩＩ族原料を供給し、前記第一の成長温度Ｔ１から前記第二の成長温度Ｔ２に昇温する際に前記ＩＩＩ族原料の供給を停止することにより前記井戸層に複数の薄膜部を形成し、前記第二の成長温度Ｔ２で前記障壁層を成長させる際に前記ＩＩＩ族原料を供給することを特徴とする〔１〕乃至〔５〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔７〕 前記発光層を形成する工程において、前記障壁層を前記第三の成長温度Ｔ３で成長させた後に、前記井戸層を前記第三の成長温度Ｔ３で成長させることを特徴とする〔１〕乃至〔６〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔８〕 前記障壁層を７ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成することを特徴とする〔１〕乃至〔７〕のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔９〕 基板上に、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子において、前記ｎ型半導体層を構成するｎコンタクト層又はｎクラッド層が、複数の有機金属化学気相成長装置で成長され、前記発光層は、障壁層およびＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）なる組成の井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなり、前記井戸層に複数の薄膜部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
〔１０〕 前記発光層からの発光の発光波長が４９０〜５７０ｎｍの範囲であることを特徴とする〔９〕に記載の半導体発光素子。
〔１１〕 〔１〕乃至〔８〕のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
〔１２〕 〔１１〕に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
〔１３〕 〔１２〕に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
本発明の半導体発光素子の製造方法によれば、第一ｎ型半導体層を第一有機金属化学気相成長装置において形成し、また、第二ｎ型半導体層を第二有機金属化学気相成長装置において形成することにより、第一ｎ型半導体層と第二ｎ型半導体層の形成の間に冷却工程が存在する。この冷却工程の間に第一ｎ型半導体層中の歪みが緩和され、第一ｎ型半導体層のａ軸格子定数が大きくなる。そのため、この層の上に形成される井戸層のインジウム濃度を高くしても歪みを小さくして結晶性を高めることができる。そのため、インジウム濃度の高い井戸層であっても、顕著な凹凸やピット（孔）の発生を防ぐことができる。これにより、半導体発光素子の不良を防ぐとともに、高い信頼性を得ることが可能となる。
また、障壁層を三段階の温度で成長させる際の昇温過程においてＩＩＩ族原料の供給を停止することにより、井戸層に形成されたインジウムのドロップレットなどの余剰なインジウムを昇華させることができる。一方、一段目の温度で成長された障壁層により井戸層が被覆されているため、井戸層からインジウムが過剰に昇華するのを防ぐことができる。そのため、顕著な凹凸やピット（孔）を発生させることなく、不均一な膜厚の井戸層を形成することができる。
これらにより、内部量子効率の向上と、半導体発光素子の発光出力の向上を実現することができる。また、不良発生を防ぐことにより製品歩留まりを改善することができるため、収率面で大幅な生産性向上を図ることが可能となる。
以下、本発明の半導体発光素子１について、図１を用いてその構成を説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図１は、本発明の半導体発光素子１の一例を示した断面模式図である。
図１に示す本実施形態の半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された積層半導体層２０と、積層半導体層２０の上面に積層された透光性電極１５と、透光性電極１５上に積層されたｐ型ボンディングパッド電極１６と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１７と、から概略構成されている。
図１に示す本実施形態の半導体発光素子１は、基板１１と、基板１１上に積層された積層半導体層２０と、積層半導体層２０の上面に積層された透光性電極１５と、透光性電極１５上に積層されたｐ型ボンディングパッド電極１６と、積層半導体層２０の露出面２０ａ上に積層されたｎ型電極１７と、から概略構成されている。
積層半導体層２０は、基板１１側から、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４がこの順に積層されて構成されている。図１に示すように、ｎ型半導体層１２、発光層１３、ｐ型半導体層１４は、その一部がエッチング等の手段によって除去されており、除去された部分からｎ型半導体層１２の一部が露出されている。そして、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａには、ｎ型電極１７が積層されている。
また、ｐ型半導体層１４の上面には、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６が積層されている。これら、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６によって、ｐ型電極１８が構成されている。
また、ｐ型半導体層１４の上面には、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６が積層されている。これら、透光性電極１５およびｐ型ボンディングパッド電極１６によって、ｐ型電極１８が構成されている。
ｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する半導体としては、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いることが好ましく、窒化ガリウム系化合物半導体を用いることがより好ましい。本発明におけるｎ型半導体層１２、発光層１３およびｐ型半導体層１４を構成する窒化ガリウム系化合物半導体としては、一般式ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１，０≦ｘ＋ｙ＜１）で表わされる各種組成の半導体を何ら制限なく用いることができる。
本実施形態の半導体発光素子１は、ｐ型電極１８とｎ型電極１７との間に電流を通じることで、積層半導体層２０を構成する発光層１３から発光を発せられるようになっており、発光層１３からの光を、ｐ型ボンディングパッド電極１６の形成された側から取り出すフェイスアップマウント型の発光素子である。なお、本発明の半導体発光素子は、フリップチップ型の発光素子であってもよい。
以下、それぞれの構成について詳細に説明する。
以下、それぞれの構成について詳細に説明する。
（基板１１）
基板１１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
基板１１としては、例えば、サファイア、ＳｉＣ、シリコン、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化マンガン亜鉛鉄、酸化マグネシウムアルミニウム、ホウ化ジルコニウム、酸化ガリウム、酸化インジウム、酸化リチウムガリウム、酸化リチウムアルミニウム、酸化ネオジウムガリウム、酸化ランタンストロンチウムアルミニウムタンタル、酸化ストロンチウムチタン、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化タングステン、酸化モリブデン等からなる基板を用いることができる。上記基板の中でも、特に、ｃ面を主面とするサファイア基板を用いることが好ましい。
（バッファ層２１）
バッファ層２１は、設けられていなくてもよいが、基板１１と下地層２２との格子定数の違いを緩和して、基板１１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にするために、設けられていることが好ましい。
バッファ層２１は、設けられていなくてもよいが、基板１１と下地層２２との格子定数の違いを緩和して、基板１１の（０００１）Ｃ面上にＣ軸配向した単結晶層の形成を容易にするために、設けられていることが好ましい。
バッファ層２１は、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものが好ましく、単結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるものがより好ましい。
バッファ層２１は、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層２１により基板１１と下地層２２との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層２１の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層２１としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層２１の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。
また、バッファ層２１は、ＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法により成膜することができる。
バッファ層２１は、例えば、多結晶のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなる厚さ０．０１〜０．５μｍのものとすることができる。バッファ層２１の厚みが０．０１μｍ未満であると、バッファ層２１により基板１１と下地層２２との格子定数の違い緩和する効果が十分に得られない場合がある。また、バッファ層２１の厚みが０．５μｍを超えると、バッファ層２１としての機能には変化が無いのにも関わらず、バッファ層２１の成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。
また、バッファ層２１は、ＭＯＣＶＤ法またはスパッタ法により成膜することができる。
（下地層２２）
下地層２２としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため好ましい。
下地層２２の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。また、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下が好ましい。
下地層２２の結晶性を良くするために、下地層２２には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合には、下地層２２にアクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
下地層２２としては、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）が挙げられるが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜１）を用いると結晶性の良い下地層２２を形成できるため好ましい。
下地層２２の膜厚は０．１μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは０．５μｍ以上であり、１μｍ以上が最も好ましい。この膜厚以上にした方が結晶性の良好なＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が得られやすい。また、下地層２２の膜厚は１０μｍ以下が好ましい。
下地層２２の結晶性を良くするために、下地層２２には不純物をドーピングしない方が望ましい。しかし、ｐ型あるいはｎ型の導電性が必要な場合には、下地層２２にアクセプター不純物あるいはドナー不純物を添加することができる。
『積層半導体層２０』
＜ｎ型半導体層１２＞
ｎ型半導体層１２はさらに、ｎコンタクト層１２ａ（第一ｎ型半導体層１２ｃおよび再成長層１２ｄ）と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）とから構成されている。以下、それぞれの構成についてその詳細を説明する。
＜ｎ型半導体層１２＞
ｎ型半導体層１２はさらに、ｎコンタクト層１２ａ（第一ｎ型半導体層１２ｃおよび再成長層１２ｄ）と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）とから構成されている。以下、それぞれの構成についてその詳細を説明する。
（ｎコンタクト層１２ａ）
ｎコンタクト層１２ａは、ｎ型電極１７を設けるための層であり、後述する第一工程において形成された第一ｎ型半導体層１２ｃと、後述する第二工程において形成された第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとから構成されている。なお、本実施形態においては、再成長層１２ｄは形成されていなくてもかまわない。
再成長層１２ｄが形成されている場合は、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄは、同一の材料からなることが好ましい。また、本実施形態においては、図１に示すように、第一ｎ型半導体層１２ｃには、ｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａが形成されている。この露出面２０ａの形成箇所は第一ｎ型半導体層１２ｃに限られず、再成長層１２ｄに形成されていてもよい。
ｎコンタクト層１２ａは、ｎ型電極１７を設けるための層であり、後述する第一工程において形成された第一ｎ型半導体層１２ｃと、後述する第二工程において形成された第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとから構成されている。なお、本実施形態においては、再成長層１２ｄは形成されていなくてもかまわない。
再成長層１２ｄが形成されている場合は、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄは、同一の材料からなることが好ましい。また、本実施形態においては、図１に示すように、第一ｎ型半導体層１２ｃには、ｎ型電極１７を設けるための露出面２０ａが形成されている。この露出面２０ａの形成箇所は第一ｎ型半導体層１２ｃに限られず、再成長層１２ｄに形成されていてもよい。
ｎコンタクト層１２ａは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ＜１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、さらに好ましくは０≦ｘ≦０．１）から構成されることが好ましく、ｎ型不純物（ドーパント）がドープされている。ｎコンタクト層１２ａにｎ型不純物が１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３、好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３の濃度で含有されている場合、ｎ型電極１７との良好なオーミック接触の維持の点で好ましい。ｎコンタクト層１２ａに用いられるｎ型不純物としては、特に限定されないが、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ等が挙げられ、ＳｉおよびＧｅが好ましく、Ｓｉが最も好ましい。
ｎコンタクト層１２ａを構成する第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は、０．５〜５μｍであることが好ましく、２μｍ〜４μｍの範囲であることがより好ましい。第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚が上記範囲内であると、半導体の結晶性が良好に維持される。
また、再成長層１２ｄの膜厚は、０μｍ〜５μｍであることが好ましく、０．２μｍ〜３μｍであることがより好ましい。再成長層１２ｄの膜厚が０．２μｍ〜３μｍであると、ｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階でｎコンタクト層１２ａの成長を中断し、成長室内から取り出して別の装置の成長室に移動し、その後ｎコンタクト層１２ａの成長を再開することによるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくすることができ、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。
ここで、再成長層１２ｄの膜厚が５μｍを超えると、第二有機金属化学気相成長装置の成長室内にドーパントや堆積物が多く残される。そのため、ｐ型半導体層１４を形成する際に第二有機金属化学気相成長装置を用いると、それらドーパントや堆積物に起因するｐ型半導体層１４の不良が生じやすくなる。また、再成長層１２ｄの成長時間が長くなり、生産性が低下する。
本実施形態においては、再成長層１２ｄが設けられていることにより、ｎクラッド層１２ｂの結晶性は、より一層良好なものとなる。また、それによりインジウム濃度の高い発光層１３（井戸層１３ｂ）であっても高い結晶性で形成され、かつ、顕著な凹凸やピット（孔）の発生を防ぐことができる。
本実施形態においては、再成長層１２ｄが設けられていることにより、ｎクラッド層１２ｂの結晶性は、より一層良好なものとなる。また、それによりインジウム濃度の高い発光層１３（井戸層１３ｂ）であっても高い結晶性で形成され、かつ、顕著な凹凸やピット（孔）の発生を防ぐことができる。
（ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層））
ｎクラッド層１２ｂは、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に設けられている。ｎクラッド層１２ｂは、発光層１３へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層であり、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合を緩和する発光層１３のバッファ層としても機能する。ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。なお、本明細書中では、各元素の組成比を省略してＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮと記述する場合がある。
ｎクラッド層１２ｂは、ｎコンタクト層１２ａと発光層１３との間に設けられている。ｎクラッド層１２ｂは、発光層１３へのキャリアの注入とキャリアの閉じ込めを行なう層であり、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合を緩和する発光層１３のバッファ層としても機能する。ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。なお、本明細書中では、各元素の組成比を省略してＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮと記述する場合がある。
ｎクラッド層１２ｂが単層からなるものである場合、ｎクラッド層１２ｂの膜厚は、５〜５００ｎｍであることが好ましく、より好ましくは５〜１００ｎｍである。また、ｎクラッド層１２ｂのｎ型ドープ濃度は１×１０１７〜１×１０２０／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１８〜１×１０１９／ｃｍ３である。ドープ濃度がこの範囲である場合、良好な結晶性の維持および発光素子の動作電圧低減の点で好ましい。
本実施形態においては、ｎクラッド層１２ｂは、単層であってもよいが、組成の異なる２つの薄膜層を繰り返し成長させて１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）からなる超格子構造であることが好ましい。ｎクラッド層１２ｂが超格子構造からなるものである場合、薄膜層の積層数が２０層以上であると、再成長層１２ｄと発光層１３との結晶格子の不整合をより効果的に緩和することができ、半導体発光素子の出力を向上させる効果がより顕著となる。しかし、薄膜層の積層数が８０層を超えると、超格子構造が乱れやすくなる場合もあり、発光層１３に悪影響を来たす恐れが生じる。さらに、ｎクラッド層１２ｂの成膜処理時間が長くなり、生産性が低下する。
＜発光層１３＞
発光層１３の構造としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造等が挙げられる。図１に示すような多重量子井戸構造の井戸層としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜０．２）なる組成のＩＩＩ族窒化物半導体が用いられるが、本発明のような緑色発光を呈する井戸層１３ｂの場合には、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）等、インジウムの組成が高められたものが用いられる。これにより、発光層１３からの発光波長は４９０〜５７０ｎｍの範囲となる。
また、多重量子井戸構造における積層数は３層から１０層であることが好ましく、４層から７層であることがさらに好ましい。また、障壁層１３ａは、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に配されるように積層することが好ましい。
発光層１３の構造としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造等が挙げられる。図１に示すような多重量子井戸構造の井戸層としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜０．２）なる組成のＩＩＩ族窒化物半導体が用いられるが、本発明のような緑色発光を呈する井戸層１３ｂの場合には、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）等、インジウムの組成が高められたものが用いられる。これにより、発光層１３からの発光波長は４９０〜５７０ｎｍの範囲となる。
また、多重量子井戸構造における積層数は３層から１０層であることが好ましく、４層から７層であることがさらに好ましい。また、障壁層１３ａは、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に配されるように積層することが好ましい。
（障壁層１３ａ）
本発明のように緑色発光を呈する構成の場合には、障壁層１３ａは３ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成されていることが好ましい。障壁層１３ａが３ｎｍ未満の膜厚であると、障壁層１３ａ上面が十分に平坦に形成されず、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、障壁層１３ａの膜厚が十分でないため、発光の波長が十分な長さにならない。
また、障壁層１３ａの膜厚が３０ｎｍを超えると、駆動電圧の上昇や発光効率の低下を引き起こすため好ましくない。
本発明のように緑色発光を呈する構成の場合には、障壁層１３ａは３ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成されていることが好ましい。障壁層１３ａが３ｎｍ未満の膜厚であると、障壁層１３ａ上面が十分に平坦に形成されず、発光効率の低下やエージング特性の低下を引き起こす。また、障壁層１３ａの膜厚が十分でないため、発光の波長が十分な長さにならない。
また、障壁層１３ａの膜厚が３０ｎｍを超えると、駆動電圧の上昇や発光効率の低下を引き起こすため好ましくない。
また、本発明のような多重量子井戸構造の発光層１３の場合は、障壁層１３ａは、井戸層１３ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．３）からなることが好ましい。また、障壁層１３ａには、不純物がドープされていても良いし、あるいは、されていなくてもよい。
（井戸層１３ｂ）
井戸層１３ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることができ、より好ましくは２〜６ｎｍとすることが発光出力の点で好ましい。
また、本発明のような多重量子井戸構造の発光層１３の場合は、井戸層１３ｂはＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）からなることが好ましい。また、井戸層１３ｂには、不純物がドープされていても良いし、あるいは、されていなくてもよい。
井戸層１３ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることができ、より好ましくは２〜６ｎｍとすることが発光出力の点で好ましい。
また、本発明のような多重量子井戸構造の発光層１３の場合は、井戸層１３ｂはＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）からなることが好ましい。また、井戸層１３ｂには、不純物がドープされていても良いし、あるいは、されていなくてもよい。
また、本実施形態の井戸層１３ｂの膜厚は不均一であることが好ましい。薄膜部１３ｃが形成され、凹凸のある構成とすることにより、井戸層１３ｂに印加される歪みが分散される。そのため、駆動電圧が低下されると同時に、良好な発光出力を得ることができる。
＜ｐ型半導体層１４＞
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層１４ａおよびｐコンタクト層１４ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐクラッド層１４ａを兼ねた単層構造であってもよい。
ｐ型半導体層１４は、通常、ｐクラッド層１４ａおよびｐコンタクト層１４ｂから構成される。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐクラッド層１４ａを兼ねた単層構造であってもよい。
（ｐクラッド層１４ａ）
ｐクラッド層１４ａは、発光層１３へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１４ａとしては、発光層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが好ましい。ｐクラッド層１４ａが、このようなＡｌＧａＮからなるものである場合、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐクラッド層１４ａは、発光層１３へのキャリアの閉じ込めとキャリアの注入を行なう層である。ｐクラッド層１４ａとしては、発光層１３のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、発光層１３へのキャリアの閉じ込めができるものであれば特に限定されないが、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが好ましい。ｐクラッド層１４ａが、このようなＡｌＧａＮからなるものである場合、発光層１３へのキャリアの閉じ込めの点で好ましい。
ｐクラッド層１４ａの膜厚は、特に限定されないが、好ましくは１〜４００ｎｍであり、より好ましくは５〜１００ｎｍである。ｐクラッド層１４ａのｐ型ドープ濃度は、１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３であることが好ましく、より好ましくは１×１０１９〜１×１０２０／ｃｍ３である。ｐ型ドープ濃度が上記範囲であると、結晶性を低下させることなく良好なｐ型結晶が得られる。また、ｐクラッド層１４ａは、組成が異なる薄膜を複数回積層してなる超格子構造であってもよいし、組成が一定の単層構造であってもよい。
（ｐコンタクト層１４ｂ）
ｐコンタクト層１４ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１４ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３を５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有しているものである場合、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えばＭｇを用いることが好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、５０〜２００ｎｍであることがより好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
ｐコンタクト層１４ｂは、正極を設けるための層である。ｐコンタクト層１４ｂは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．４）からなるものであることが、良好な結晶性の維持およびｐオーミック電極との良好なオーミック接触の点で好ましい。また、ｐコンタクト層１４ｂがｐ型不純物（ドーパント）を１×１０１８〜１×１０２１／ｃｍ３を５×１０１９〜５×１０２０／ｃｍ３の濃度で含有しているものである場合、良好なオーミック接触の維持、クラック発生の防止、良好な結晶性の維持の点で好ましい。ｐ型不純物としては、特に限定されないが、例えばＭｇを用いることが好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚は、特に限定されないが、１０〜５００ｎｍであることが好ましく、５０〜２００ｎｍであることがより好ましい。ｐコンタクト層１４ｂの膜厚がこの範囲であると、発光出力の点で好ましい。
＜ｎ型電極１７＞
ｎ型電極１７は、ボンディングパットを兼ねており、積層半導体層２０のｎ型半導体層１２に接するように形成されている。このため、ｎ型電極１７を形成する際には、少なくともｐ半導体層１４および発光層１３の一部を除去してｎ型半導体層１２を露出させ、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ上にボンディングパッドを兼ねるｎ型電極１７を形成する。ｎ型電極１７としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
ｎ型電極１７は、ボンディングパットを兼ねており、積層半導体層２０のｎ型半導体層１２に接するように形成されている。このため、ｎ型電極１７を形成する際には、少なくともｐ半導体層１４および発光層１３の一部を除去してｎ型半導体層１２を露出させ、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ上にボンディングパッドを兼ねるｎ型電極１７を形成する。ｎ型電極１７としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
（透光性電極１５）
透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の上に積層されるものであり、ｐ型半導体層１４との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、発光層１３からの光を効率良く半導体発光素子１の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の上に積層されるものであり、ｐ型半導体層１４との接触抵抗が小さいものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、発光層１３からの光を効率良く半導体発光素子１の外部に取り出すために、光透過性に優れたものであることが好ましい。また、透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４の全面に渡って均一に電流を拡散させるために、優れた導電性を有していることが好ましい。
透光性電極１５の構成材料としては、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｅのいずれか一種を含む導電性の酸化物、硫化亜鉛または硫化クロムのうちいずれか一種からなる群より選ばれる透光性の導電性材料が挙げられる。導電性の酸化物としては、ＩＴＯ（酸化インジウム錫（Ｉｎ２Ｏ３−ＳｎＯ２））、ＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛（Ｉｎ２Ｏ３−ＺｎＯ））、ＡＺＯ（酸化アルミニウム亜鉛（ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３））、ＧＺＯ（酸化ガリウム亜鉛（ＺｎＯ−Ｇａ２Ｏ３））、フッ素ドープ酸化錫、酸化チタン等があげられる。
また、透光性電極１５の構造は、従来公知の構造を含めて如何なる構造であってもよい。透光性電極１５は、ｐ型半導体層１４のほぼ全面を覆うように形成してもよく、また、隙間を開けて格子状や樹形状に形成してもよい。
（ｐ型ボンディングパッド電極１６）
ｐ型ボンディングパッド電極１６はボンディングパットを兼ねており、透光性電極１５の上に積層されている。ｐ型ボンディングパッド電極１６としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
ｐ型ボンディングパッド電極１６はボンディングパットを兼ねており、透光性電極１５の上に積層されている。ｐ型ボンディングパッド電極１６としては、各種組成や構造が周知であり、これら周知の組成や構造を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
また、ｐ型ボンディングパッド電極１６の電極面積としては、できるだけ大きいほうがボンディング作業はしやすいが、発光の取り出しの妨げになる。ｐ型ボンディングパッド電極１６の大きさはボンディングボールの直径よりもわずかに大きい程度が好ましく、直径１００μｍの円形程度であることが一般的である。
（保護膜層）
図示しない保護膜層は、必要に応じて透光性電極１５の上面および側面と、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ、発光層１３およびｐ型半導体層１４の側面、ｎ型電極１７およびｐ型ボンディングパッド電極１６の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子１の劣化を抑制することができる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において８０％以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。このうちＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３は、ＣＶＤ成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
図示しない保護膜層は、必要に応じて透光性電極１５の上面および側面と、ｎ型半導体層１２の露出面２０ａ、発光層１３およびｐ型半導体層１４の側面、ｎ型電極１７およびｐ型ボンディングパッド電極１６の側面や周辺部を覆うよう形成される。保護膜層を形成することにより、半導体発光素子１の内部への水分等の浸入を防止でき、半導体発光素子１の劣化を抑制することができる。
保護膜層としては、絶縁性を有し、３００〜５５０ｎｍの範囲の波長において８０％以上の透過率を有する材料を用いることが好ましく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。このうちＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３は、ＣＶＤ成膜で緻密な膜が容易に作製でき、より好ましい。
本発明の半導体発光素子１によれば、少なくとも第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄが設けられていることにより、発光層１３は高い結晶性で形成される。それにより、井戸層１３ｂの顕著な凹凸やピット（孔）の発生と、それに伴う半導体発光素子１の不良を防ぐことができる。井戸層１３ｂの膜厚が不均一に形成されていることにより、内部量子効率の向上と、半導体発光素子１の発光出力の向上を実現することができる。
以下、半導体発光素子１の製造方法について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
図１に示す半導体発光素子１の製造方法は、まず、図２に示す積層半導体層２０を製造する。積層半導体層２０の製造方法は、第一有機金属化学気相成長装置（第一ＭＯＣＶＤ装置）により基板１１上に第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する第一工程と、第二有機金属化学気相成長装置（第二ＭＯＣＶＤ装置）により第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄとｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）と発光層１３とｐ型半導体層１４とを順次積層する第二工程と、から概略構成されている。以下、図２を用いて各工程について詳細に説明する。
＜第一工程＞
はじめに、サファイア等からなる基板１１を用意する。
次に、基板１１を第一ＭＯＣＶＤ装置（第一有機金属化学気相成長装置）の成長室内に設置する。次いでＭＯＣＶＤ法により、基板１１上に、バッファ層２１、下地層２２を順次積層する。また、バッファ層２１を第一ＭＯＣＶＤ装置の代わりにスパッタ装置によって形成し、その後、下地層２２を第一ＭＯＣＶＤ装置によって形成してもよい。
はじめに、サファイア等からなる基板１１を用意する。
次に、基板１１を第一ＭＯＣＶＤ装置（第一有機金属化学気相成長装置）の成長室内に設置する。次いでＭＯＣＶＤ法により、基板１１上に、バッファ層２１、下地層２２を順次積層する。また、バッファ層２１を第一ＭＯＣＶＤ装置の代わりにスパッタ装置によって形成し、その後、下地層２２を第一ＭＯＣＶＤ装置によって形成してもよい。
（第一ｎ型半導体層１２ｃ積層工程）
次いで下地層２２上に、ｎコンタクト層１２ａの一部を構成する第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する。このとき、第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は０．５μｍ〜５μｍ厚で形成することが好ましく、２μｍ〜４μｍ厚で形成することが特に好ましい。上記範囲内で形成することにより、半導体の結晶性を良好に維持できるためである。
次いで下地層２２上に、ｎコンタクト層１２ａの一部を構成する第一ｎ型半導体層１２ｃを積層する。このとき、第一ｎ型半導体層１２ｃの膜厚は０．５μｍ〜５μｍ厚で形成することが好ましく、２μｍ〜４μｍ厚で形成することが特に好ましい。上記範囲内で形成することにより、半導体の結晶性を良好に維持できるためである。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる際には、水素雰囲気で、基板１１の温度を９００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用いる。ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜８０ｋＰａとすることが好ましく、１５〜６０ｋＰａとすることがより好ましい。キャリアガスは窒素ガスのみ、もしくは水素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
また、第一ｎ型半導体層１２ｃを成長させる原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用いる。ＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜８０ｋＰａとすることが好ましく、１５〜６０ｋＰａとすることがより好ましい。キャリアガスは窒素ガスのみ、もしくは水素ガスのみであってもよいし、水素ガスと窒素ガスとの混合ガスであってもよい。
その後、第一ＭＯＣＶＤ装置の成長室内から第一ｎ型半導体層１２ｃの形成された基板１１を取り出す。
＜第二工程＞
第二工程はさらに、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成する工程と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）を形成する工程と、発光層１３を形成する工程と、ｐ型半導体層１４を形成する工程と、から構成されている。以下、それぞれの工程について詳細を説明する。
第二工程はさらに、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に第一ｎ型半導体層１２ｃの再成長層１２ｄを形成する工程と、ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）を形成する工程と、発光層１３を形成する工程と、ｐ型半導体層１４を形成する工程と、から構成されている。以下、それぞれの工程について詳細を説明する。
（再成長層１２ｄ形成工程）
まず、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内に設置する。この後、ＭＯＣＶＤ法によって第一ｎ型半導体層１２ｃ上に、ｎコンタクト層１２ａの再成長層１２ｄを形成することが好ましいが、本実施形態においては再成長層１２ｄを形成せずに、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）を形成してもかまわない。
まず、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室内に設置する。この後、ＭＯＣＶＤ法によって第一ｎ型半導体層１２ｃ上に、ｎコンタクト層１２ａの再成長層１２ｄを形成することが好ましいが、本実施形態においては再成長層１２ｄを形成せずに、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）を形成してもかまわない。
本実施形態においては、再成長層１２ｄを形成する前に、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を、窒素とアンモニアを含む雰囲気で熱処理温度５００℃〜１０００℃、好ましくは９００℃〜９５０℃の熱処理（サーマルクリーニング）を行うことが好ましい。熱処理の雰囲気は、窒素とアンモニアを含む雰囲気に代えて、例えば、窒素のみの雰囲気としてもよい。なお、水素のみの雰囲気では第一ｎ型半導体層１２ｃが昇華し、結晶性の悪化を招くため好ましくない。また、このときのＭＯＣＶＤ装置の成長室内の圧力は１５〜１００ｋＰａとすることが好ましく、６０〜９５ｋＰａとすることがより好ましい。
このような熱処理を行った場合、第一工程終了後に、ｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１が第一ＭＯＣＶＤ装置の成長室内から取り出されることによって、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたとしても、再成長層１２ｄを形成する前に汚染物質を除去することができる。その結果、再成長層１２ｄの結晶性が向上して、再成長層１２ｄ上に形成されるｎクラッド層１２ｂや発光層１３の結晶性がより一層良好なものとなる。
なお、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたままである場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがあり、半導体発光素子１の信頼性が低下する。
なお、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されたままである場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがあり、半導体発光素子１の信頼性が低下する。
また、本実施形態においては、第一工程における第一ｎ型半導体層１２ｃの成長条件と、第二工程における再成長層１２ｄの成長条件を同一とすることが好ましい。
本実施形態においては、第一ＭＯＣＶＤ装置においてｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階で成長室内から取り出して第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室に移動させる。ここで、第一工程における第一ｎ型半導体層１２ｃの成長条件と、第二工程における再成長層１２ｄの成長条件を同一とすることにより、成長室の移動によるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくすることができる。そのため、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとからなるｎコンタクト層１２ａの結晶性が良好なものとなる。
本実施形態においては、第一ＭＯＣＶＤ装置においてｎコンタクト層１２ａを形成している途中の段階で成長室内から取り出して第二ＭＯＣＶＤ装置の成長室に移動させる。ここで、第一工程における第一ｎ型半導体層１２ｃの成長条件と、第二工程における再成長層１２ｄの成長条件を同一とすることにより、成長室の移動によるｎコンタクト層１２ａの結晶性への影響を少なくすることができる。そのため、第一ｎ型半導体層１２ｃと再成長層１２ｄとからなるｎコンタクト層１２ａの結晶性が良好なものとなる。
また、再成長層１２ｄを成長させる際には、基板１１の温度を９００℃〜１２００℃の範囲とすることが好ましい。通常、第一ＭＯＣＶＤ装置の成長室内から、第一ｎ型半導体層１２ｃまでの各層の形成された基板１１を取り出す際、第一ｎ型半導体層１２ｃの表面が汚染されることがある。しかし、再成長層１２ｄを成長させるときの基板１１の温度を上記範囲とすることにより、再成長層１２ｄを形成する工程において、第一ｎ型半導体層１２ｃ表面の汚染物質を除去することができる。
これにより、再成長層１２ｄ上に形成されるｎクラッド層１２ｂや発光層１３の結晶性をより一層良好なものとすることができる。これに対し、再成長層１２ｄを成長させるときの基板１１の温度が９００℃未満である場合、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがある。また、再成長層１２ｄを成長させるときの基板１１の温度が１２００℃を超える場合、半導体発光素子１の出力が不十分となる恐れがある。
このような条件で再成長層１２ｄを形成することにより、再成長層１２ｄ上にｎクラッド層１２ｂを高い結晶性で形成することができる。また、それによりインジウム濃度の高い発光層１３（井戸層１３ｂ）であっても高い結晶性で形成することができ、かつ、顕著な凹凸やピット（孔）の発生を防ぐことができる。
（ｎクラッド層１２ｂ（第二ｎ型半導体層）形成工程）
次いで、再成長層１２ｄ上にｎクラッド層１２ｂを形成する。このとき、再成長層１２ｄを形成していない場合は、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎクラッド層１２ｂを直接形成する。
まず始めに、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなる図示しないｎ側第一層と、ｎ側第一層と組成が異なる、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる膜厚１００オングストローム以下のｎ側第二層とを交互に１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）繰返し積層する。これにより、超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する。ここで、ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。
次いで、再成長層１２ｄ上にｎクラッド層１２ｂを形成する。このとき、再成長層１２ｄを形成していない場合は、第一ｎ型半導体層１２ｃ上にｎクラッド層１２ｂを直接形成する。
まず始めに、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなる図示しないｎ側第一層と、ｎ側第一層と組成が異なる、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる膜厚１００オングストローム以下のｎ側第二層とを交互に１０ペア数（２０層）〜４０ペア数（８０層）繰返し積層する。これにより、超格子構造のｎクラッド層１２ｂを形成する。ここで、ｎクラッド層１２ｂはＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＧａＩｎＮなどで形成することが可能である。
（発光層１３形成工程）
次いで、多重量子井戸構造の発光層１３を形成する。まず、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとを交互に繰返し積層する。このとき、障壁層１３ａは、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に配されるように積層することが好ましい。
発光層１３の構造としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造等が挙げられる。図１に示すような多重量子井戸構造の井戸層としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜０．２）なる組成のＩＩＩ族窒化物半導体が用いられるが、本発明のような緑色発光を呈する井戸層１３ｂの場合には、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）等、インジウムの組成が高められたものが用いられる。
次いで、多重量子井戸構造の発光層１３を形成する。まず、障壁層１３ａと井戸層１３ｂとを交互に繰返し積層する。このとき、障壁層１３ａは、ｎ型半導体層１２側及びｐ型半導体層１４側に配されるように積層することが好ましい。
発光層１３の構造としては、単一量子井戸構造あるいは多重量子井戸構造等が挙げられる。図１に示すような多重量子井戸構造の井戸層としては、青色発光を呈する構成とする場合には、通常、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０＜ｙ＜０．２）なる組成のＩＩＩ族窒化物半導体が用いられるが、本発明のような緑色発光を呈する井戸層１３ｂの場合には、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）等、インジウムの組成が高められたものが用いられる。
このとき、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂの組成や膜厚は、所定の発光波長になるように適宜設定することができる。また、発光層１３の成長の際、キャリアガスとしては窒素ガスを用いることができる。
本発明のような多重量子井戸構造の発光層１３の場合は、上記Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層１３ｂとし、井戸層１３ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．３）を障壁層１３ａとすることが好ましい。また、障壁層１３ａ及び井戸層１３ｂには、不純物をドープしても良いし、あるいは、しなくてもよい。
本発明のような多重量子井戸構造の発光層１３の場合は、上記Ｇａ１−ｙＩｎｙＮを井戸層１３ｂとし、井戸層１３ｂよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．３）を障壁層１３ａとすることが好ましい。また、障壁層１３ａ及び井戸層１３ｂには、不純物をドープしても良いし、あるいは、しなくてもよい。
また、本発明のように緑色発光を呈する半導体発光素子１の場合には、障壁層１３ａを３ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成することが好ましく、７ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成することが特に好ましい。障壁層１３ａを３ｎｍ未満の膜厚で形成すると、障壁層１３ａ上面が十分平坦にならず、発光効率やエージング特性の低下が引き起こされる。また、障壁層１３ａの膜厚が十分でないことにより、発光の波長が十分な長さにならない。また、障壁層１３ａの膜厚が３０ｎｍを超えると、駆動電圧の上昇や発光の低下を引き起こすため好ましくない。
また、井戸層１３ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは２〜６ｎｍとすると発光出力の点で好ましい。
また、井戸層１３ｂの膜厚としては、量子効果の得られる程度の膜厚、例えば１〜１０ｎｍとすることが好ましく、より好ましくは２〜６ｎｍとすると発光出力の点で好ましい。
図３に発光層１３（障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂ）の成長温度と成長時間および供給ガスの条件の一例を示す。
本実施形態においては図３に示すように、まず障壁層１３ａを第一の成長温度Ｔ１で成長させた後に、第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２に昇温して障壁層１３ａを成長させる。その後に、第二の成長温度Ｔ２よりも低温の第三の成長温度Ｔ３に降温して障壁層１３ａの成長を続けることにより、本実施形態の障壁層１３ａが形成される。
本実施形態においては図３に示すように、まず障壁層１３ａを第一の成長温度Ｔ１で成長させた後に、第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２に昇温して障壁層１３ａを成長させる。その後に、第二の成長温度Ｔ２よりも低温の第三の成長温度Ｔ３に降温して障壁層１３ａの成長を続けることにより、本実施形態の障壁層１３ａが形成される。
このとき、第一の成長温度Ｔ１（基板温度）は６００℃〜８００℃の範囲とすることが好ましい。基板温度が６００℃未満であると障壁層１３ａの結晶性が悪化し、発光特性が低下する。また、基板温度が８００℃を超えると、障壁層１３ａ下の井戸層１３ｂ中のインジウムが過剰に昇華するため、表面の平坦性が悪化する。基板温度（第一の成長温度Ｔ１）が６００℃〜８００℃の範囲であれば、井戸層１３ｂ内のインジウムの過剰な昇華が防がれる。
また、第一の成長温度Ｔ１での成長時においては、たとえばトリエチルガリウム（ＴＥＧ）とモノシラン（ＳｉＨ４）またはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料ガスを供給する。これにより、ｎクラッド層１２ｂまたは井戸層１３ｂ上に障壁層１３ａが成膜される。
次いで、基板温度を第一の成長温度Ｔ１から記第二の成長温度Ｔ２に昇温するが、この昇温過程においてはＩＩＩ族原料の供給を停止することが好ましい。それにより、障壁層１３ａの下に形成された井戸層１３ｂ中の余剰なインジウムが分解または昇華され、顕著な凹凸やピット（孔）を発生させることなく、不均一な膜厚の井戸層１３ｂを形成することができる。これにより、井戸層１３ｂには複数の薄膜部１３ｃが形成され、凹凸を有した構成となる。
井戸層１３ｂをこのような構成とすることにより、井戸層１３ｂに印加される歪みを分散することができる。そのため、駆動電圧を低下させると同時に、良好な発光出力を得ることが可能となる。
井戸層１３ｂをこのような構成とすることにより、井戸層１３ｂに印加される歪みを分散することができる。そのため、駆動電圧を低下させると同時に、良好な発光出力を得ることが可能となる。
次いで、第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２に昇温して障壁層１３ａを成長させる。このとき、第二の成長温度Ｔ２は、８００℃〜１０００℃の範囲とすることが好ましい。基板温度が８００℃未満であると障壁層１３ａ下の井戸層１３ｂ中の余剰なインジウムが昇華せず、半導体発光素子１の電気特性が不十分となる。そのため、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低くならなかったり、静電気放電（ＥＳＤ）耐圧が不足したりする恐れがある。また、基板温度が１０００℃を超えると、障壁層１３ａ下の井戸層１３ｂ中のインジウムが過剰に昇華する。そのため半導体発光素子１の出力が不十分となる恐れがあり好ましくない。
また、本実施形態においては、ｎコンタクト層１２ａの再成長層１２ｄが形成されていることにより、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂは高い結晶性を有する。そのため、井戸層１３ｂ中の余剰なインジウムを昇華させても、顕著な凹凸やピット（孔）が発生することはない。
また、第二の成長温度Ｔ２での成長時においては、再びＩＩＩ族金属の有機金属原料ガスの供給を行う。
このとき、第二の成長温度Ｔ２で障壁層１３ａを形成しても、井戸層１３ｂは、第一の成長温度Ｔ１時に形成した障壁層１３ａで覆われているため、前工程で形成していた井戸層１３ｂ内のインジウムは過剰に昇華することはない。
このとき、第二の成長温度Ｔ２で障壁層１３ａを形成しても、井戸層１３ｂは、第一の成長温度Ｔ１時に形成した障壁層１３ａで覆われているため、前工程で形成していた井戸層１３ｂ内のインジウムは過剰に昇華することはない。
次いで、第二の成長温度Ｔ２よりも低温の第三の成長温度Ｔ３に降温して障壁層１３ａを成長させる。このとき、第三の成長温度Ｔ３は、６００℃〜１０００℃の範囲とすることが好ましい。基板温度が６００℃未満であると障壁層１３ａの結晶性が悪化し、発光特性が低下する。また、基板温度が１０００℃を超えると、障壁層１３ａ表面の平坦性が悪化し、好ましくない。
第三の成長温度Ｔ３は、井戸層成長での温度安定化の観点から井戸層を形成する基板温度に近い７００〜８００℃が特に好ましい。
第三の成長温度Ｔ３は、井戸層成長での温度安定化の観点から井戸層を形成する基板温度に近い７００〜８００℃が特に好ましい。
こののち、基板温度を６００〜８００℃とし、障壁層１３ａ上に、Ｇａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）からなる井戸層１３ｂを成長させる。この後、上記工程を繰り返して、障壁層１３ａと井戸層１３ｂを積層させる。これにより発光層１３が形成される。
（ｐ型半導体層１４形成工程）
ｐ型半導体層１４の形成は、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層すればよい。なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第一層と、ｐ側第一層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第二層とを交互に繰返し積層すればよい。
以上のようにして、図２に示す積層半導体層２０が製造される。
ｐ型半導体層１４の形成は、ｐクラッド層１４ａと、ｐコンタクト層１４ｂとを順次積層すればよい。なお、ｐクラッド層１４ａを、超格子構造を含む層とする場合には、膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第一層と、ｐ側第一層と組成が異なる膜厚１００オングストローム以下のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ側第二層とを交互に繰返し積層すればよい。
以上のようにして、図２に示す積層半導体層２０が製造される。
その後、積層半導体層２０のｐ型半導体層１４上に透光性電極１５を積層し、例えば一般に知られたフォトリソグラフィーの手法によって所定の領域以外の透光性電極１５を除去する。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングを行い、所定の領域の積層半導体層２０の一部をエッチングする。これによりｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃの一部を露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａが形成される。次いで、その露出面２０ａ上にｎ型電極１７を形成する。
その後、透光性電極１５の上にｐ型ボンディングパッド電極１６を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
続いて、例えばフォトリソグラフィーの手法によりパターニングを行い、所定の領域の積層半導体層２０の一部をエッチングする。これによりｎコンタクト層１２ａの第一ｎ型半導体層１２ｃの一部を露出させ、ｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａが形成される。次いで、その露出面２０ａ上にｎ型電極１７を形成する。
その後、透光性電極１５の上にｐ型ボンディングパッド電極１６を形成する。
以上のようにして、図１に示す半導体発光素子１が製造される。
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法によれば、第一ｎ型半導体層１２ｃ上に、第一ｎ型半導体層１２ｃ上の再成長層１２ｄを形成することにより、結晶性の高い障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂを形成することができる。
これにより、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂ表面の平坦性を改善するとともに、凹凸の発生を防ぐことができる。また、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂにピット（孔）が発生するのを防ぐと共に、均一な厚さで形成することが可能となる。
これにより、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂ表面の平坦性を改善するとともに、凹凸の発生を防ぐことができる。また、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂにピット（孔）が発生するのを防ぐと共に、均一な厚さで形成することが可能となる。
また、障壁層１３ａを第一の成長温度Ｔ１、第二の成長温度Ｔ２、第三の成長温度Ｔ３で形成することにより、井戸層１３ｂ内のインジウムの過剰な昇華を防ぐとともに、余剰なインジウムは昇華させることができる。また、不均一な膜厚の井戸層１３ｂを形成することができる。また、青色発光を呈する構成の半導体発光素子と比べ障壁層１３ａを厚く形成することにより、障壁層１３ａ表面をより平坦に形成することができる。
以上により、逆方向電流（ＩＲ）が十分に低く、発光出力（Ｐｏ）の高い半導体発光素子１を形成することができる。また、半導体発光素子１の不良を防ぐことができるため、高い信頼性を得ることが可能となる。また、規格内のＬＥＤチップ収得率を改善することができるため、収率面で大幅な生産性向上を図ることが可能となる。
＜ランプ＞
本実施形態のランプは、本発明の半導体発光素子１を備えるものであり、上記の半導体発光素子１と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。例えば、本実施形態のランプにおいては、半導体発光素子１と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術を何ら制限されることなく採用できる。
本実施形態のランプは、本発明の半導体発光素子１を備えるものであり、上記の半導体発光素子１と蛍光体とを組み合わせてなるものである。本実施形態のランプは、当業者周知の手段によって当業者周知の構成とすることができる。例えば、本実施形態のランプにおいては、半導体発光素子１と蛍光体と組み合わせることによって発光色を変える技術を何ら制限されることなく採用できる。
図４は、図１に示した半導体発光素子１を備えるランプの一例を示した断面模式図である。図４に示すランプ３は、砲弾型のものであり、図１に示す半導体発光素子１が用いられている。図４に示すように、半導体発光素子１のｐ型ボンディングパッド電極１６がワイヤー３３で２本のフレーム３１、３２の内の一方（図４ではフレーム３１）に接続され、半導体発光素子１のｎ型電極１７（ボンディングパッド）がワイヤー３４で他方のフレーム３２に接続されることにより、半導体発光素子１が実装されている。また、半導体発光素子１の周辺は、透明な樹脂からなるモールド３５で封止されている。
本実施形態のランプ３は、上記の半導体発光素子１が用いられてなるものであるので、高い発光出力が得られるものとなる。
また、本実施形態のランプ３を組み込んだバックライト、携帯電話、ディスプレイ、各種パネル類、コンピュータ、ゲーム機、照明などの電子機器や、それらの電子機器を組み込んだ自動車などの機械装置は、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を備えたものとなる。特に、バックライト、携帯電話、ディスプレイ、ゲーム機、照明などのバッテリ駆動させる電子機器においては、高い発光出力が得られる半導体発光素子１を具備した優れた製品を提供することができるため、好ましい。
以下に本発明の半導体発光素子の製造方法を、実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこの実施例にのみ限定されるものではない。
（実施例１）
以下に示す方法により、図１に示す半導体発光素子１を製造した。
実施例１の半導体発光素子１では、サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１、厚さ５μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型半導体層１２ｃと、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮからなる再成長層１２ｄとからなる厚さ４μｍのｎコンタクト層１２ａ、ＧａＩｎＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第一層と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第二層とからなる薄膜層を表１に示すように２０層（ペア数）繰り返し成長させてなる厚さ８０ｎｍのｎクラッド層１２ｂ、厚さ９ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層１３ａおよび厚さ３ｎｍのＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ井戸層１３ｂを６回積層し、最後に障壁層１３ａを設けた多重量子井戸構造の厚さ８１ｎｍの発光層１３、厚さ１７ｎｍのＭｇドープ単層Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ１６５ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂと、を順に積層した。
（実施例１）
以下に示す方法により、図１に示す半導体発光素子１を製造した。
実施例１の半導体発光素子１では、サファイアからなる基板１１上に、ＡｌＮからなるバッファ層２１、厚さ５μｍのアンドープＧａＮからなる下地層２２、厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮからなる第一ｎ型半導体層１２ｃと、厚さ１μｍのｎ型ＧａＮからなる再成長層１２ｄとからなる厚さ４μｍのｎコンタクト層１２ａ、ＧａＩｎＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第一層と、ＧａＮからなる厚さ２ｎｍのｎ側第二層とからなる薄膜層を表１に示すように２０層（ペア数）繰り返し成長させてなる厚さ８０ｎｍのｎクラッド層１２ｂ、厚さ９ｎｍのＳｉドープＧａＮ障壁層１３ａおよび厚さ３ｎｍのＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ井戸層１３ｂを６回積層し、最後に障壁層１３ａを設けた多重量子井戸構造の厚さ８１ｎｍの発光層１３、厚さ１７ｎｍのＭｇドープ単層Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐクラッド層１４ａ、厚さ１６５ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮからなるｐコンタクト層１４ｂと、を順に積層した。
なお、実施例１の半導体発光素子１では、バッファ層２１、下地層２２、第一ｎ型半導体層１２ｃは、第一ＭＯＣＶＤ装置を用いて積層（第一工程）し、次いで再成長層１２ｄ、ｎクラッド層１２ｂ、発光層１３、ｐクラッド層１４ａ、ｐコンタクト層１４ｂは、第二ＭＯＣＶＤ装置を用いて積層（第二工程）した。また、発光層１３は、以下に示す成長条件で形成した。
「発光層１３の成長条件」
発光層１３は、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用いて、ｎクラッド層１２ｂ上に成膜させた。また、ドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ４）を使用した。このとき、キャリアガスはオール窒素とした。
発光層１３は、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）などのＩＩＩ族金属の有機金属原料とアンモニア（ＮＨ３）などの窒素原料とを用いて、ｎクラッド層１２ｂ上に成膜させた。また、ドーパントとしてモノシラン（ＳｉＨ４）を使用した。このとき、キャリアガスはオール窒素とした。
まず、基板温度（第一の成長温度Ｔ１）を７６０℃とし、その温度を保ったままトリエチルガリウム（ＴＥＧ）とモノシラン（ＳｉＨ４）およびアンモニア（ＮＨ３）を供給することにより、障壁層１３ａを成長させた。
次いで、ＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給を停止し、基板温度（第二の成長温度Ｔ２）を９３０℃まで昇温した。そののちに、再びＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給をするとともに、その温度を保ったまま障壁層１３ａを成長させた。次いで、ＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給を停止し、基板温度（第三の成長温度Ｔ３）を７６０℃まで降温した。次いで、再びＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給をするとともに、その温度を保ったまま障壁層１３ａを成長させた。
次いで、ＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給を停止し、基板温度（第二の成長温度Ｔ２）を９３０℃まで昇温した。そののちに、再びＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給をするとともに、その温度を保ったまま障壁層１３ａを成長させた。次いで、ＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給を停止し、基板温度（第三の成長温度Ｔ３）を７６０℃まで降温した。次いで、再びＴＥＧ、ＳｉＨ４の供給をするとともに、その温度を保ったまま障壁層１３ａを成長させた。
その後、基板温度を７６０℃に保ったまま、ＴＥＧとＴＭＩおよびＮＨ３を供給することにより、障壁層１３ａ上に井戸層１３ｂを成長させた。
この後、同様の工程を繰り返すことにより障壁層１３ａと井戸層１３ｂを積層させ、発光層１３を形成した。
この後、同様の工程を繰り返すことにより障壁層１３ａと井戸層１３ｂを積層させ、発光層１３を形成した。
その後、発光層１３上にｐコンタクト層１４ｂを形成し、さらにその上に、厚さ２００ｎｍのＩＴＯからなる透光性電極１５を一般に知られたフォトリソグラフィの手法により形成した。
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａを形成し、その上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極１７を形成した。
また、透光性電極１５の上に、Ａｌからなる金属反射層とＴｉからなるバリア層とＡｕからなるボンディング層とからなる３層構造のｐ型ボンディングパッド構造１６を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
以上のようにして、図１に示す実施例１の半導体発光素子１を形成した。この発光層１３の断面図を図５に示す。図５に示すように、井戸層１３ｂには複数の薄膜部１３ｃが形成され、凹凸を有した構成となっていた。その一方、井戸層１３ｂおよび障壁層１３ａにピット（孔）は発生していなかった。
次に、フォトリソグラフィの手法を用いてエッチングを施し、所望の領域にｎコンタクト層１２ａの露出面２０ａを形成し、その上にＴｉ／Ａｕの二層構造のｎ型電極１７を形成した。
また、透光性電極１５の上に、Ａｌからなる金属反射層とＴｉからなるバリア層とＡｕからなるボンディング層とからなる３層構造のｐ型ボンディングパッド構造１６を、フォトリソグラフィの手法を用いて形成した。
以上のようにして、図１に示す実施例１の半導体発光素子１を形成した。この発光層１３の断面図を図５に示す。図５に示すように、井戸層１３ｂには複数の薄膜部１３ｃが形成され、凹凸を有した構成となっていた。その一方、井戸層１３ｂおよび障壁層１３ａにピット（孔）は発生していなかった。
（実施例２）
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を７６０℃、第二の成長温度Ｔ２を１０００℃、第三の成長温度Ｔ３を７６０℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を７６０℃、第二の成長温度Ｔ２を１０００℃、第三の成長温度Ｔ３を７６０℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
（実施例３）
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を８００℃、第二の成長温度Ｔ２を９００℃、第三の成長温度Ｔ３を８００℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を８００℃、第二の成長温度Ｔ２を９００℃、第三の成長温度Ｔ３を８００℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
（実施例４）
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を７００℃、第二の成長温度Ｔ２を９００℃、第三の成長温度Ｔ３を８００℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を７００℃、第二の成長温度Ｔ２を９００℃、第三の成長温度Ｔ３を８００℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
（実施例５）
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を６００℃、第二の成長温度Ｔ２を９５０℃、第三の成長温度Ｔ３を７００℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
障壁層１３ａを成長させる際における第一の成長温度Ｔ１を６００℃、第二の成長温度Ｔ２を９５０℃、第三の成長温度Ｔ３を７００℃としたこと以外は実施例１と同様にして半導体発光素子１を得た。
（比較例１）
比較例１においては、第二ＭＯＣＶＤ装置を用いず、全て第一ＭＯＣＶＤ装置により成膜を行った。
比較例１においては、第二ＭＯＣＶＤ装置を用いず、全て第一ＭＯＣＶＤ装置により成膜を行った。
また、発光層１３は従来の製造方法により成長させた。具体的には、一定の成長温度７６０℃で障壁層１３ａを形成した。また、成長途中でＩＩＩ族原料の供給は停止せず、継続して行った。この後の工程においては実施例１と同様の操作を行い、半導体発光素子１を形成した。
この半導体発光素子１の発光層１３の断面を観察したところ、障壁層１３ａは均一な厚さで形成され、薄膜部１３ｃは形成されていなかった。この発光層１３の断面図を図６に示す。
この半導体発光素子１の発光層１３の断面を観察したところ、障壁層１３ａは均一な厚さで形成され、薄膜部１３ｃは形成されていなかった。この発光層１３の断面図を図６に示す。
このようにして得られた実施例１〜比較例１の半導体発光素子１について、プローブ
針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧（Ｖ）を測定した。また、ＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流０〜１００ｍＡの範囲における発光出力（Ｐｏ）を測定した。また、逆方向に２０Ｖの電圧を印加した時の素子に流れる電流（逆方向電流ＩＲ）を測定した。これらの結果を表１に示す。
針による通電で電流印加値２０ｍＡにおける順方向電圧（Ｖ）を測定した。また、ＴＯ−１８缶パッケージに実装し、テスターによって印加電流０〜１００ｍＡの範囲における発光出力（Ｐｏ）を測定した。また、逆方向に２０Ｖの電圧を印加した時の素子に流れる電流（逆方向電流ＩＲ）を測定した。これらの結果を表１に示す。
図５に示すように、実施例１の井戸層１３ｂには複数の薄膜部１３ｃが形成されていた。一方、図６に示すように、比較例１の井戸層１３ｂには薄膜部１３ｃは形成されておらず、井戸層１３ｂは均一な厚さであった。つまり、障壁層１３ａを形成する際に成長温度を第一の成長温度Ｔ１、第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２、第二の成長温度Ｔ２よりも低温の前記第三の成長温度Ｔ３の三段階に変化させることにより、井戸層１３ｂが不均一な膜厚で形成され、その表面には凹凸が生じたことが明らかとなった。その一方で、障壁層１３ａおよび井戸層１３ｂにはピット（孔）や顕著な凹凸は発生しておらず、半導体発光素子１の不良が防がれることが示された。
また、表１に示すように、実施例１の半導体発光素子は、比較例１の半導体発光素子と比べて発光出力（Ｐｏ）が高く、高輝度で低消費電力であった。また実施例１の半導体発光素子は、１００時間の通電後を行ったところ、比較例１と異なりＰｏ低下が見られなかった。つまり、本実施形態の半導体発光素子は、通電後のＰｏの低下が抑制されることが示された。
以上により、実施例１の半導体発光素子１は、効果的に発光出力を向上させることができ、比較例１の半導体発光素子１と比較して、漏れ電流が小さく高い発光出力が得られるとともに、Ｐｏの低下が抑制されることが確認できた。
また、半導体発光素子１の不良が防がれることができるため、信頼性の高い半導体発光素子１を得ることができた。また、規格内のＬＥＤチップ収得率の改善により、収率面で大幅な生産性向上を図ることができた。
また、半導体発光素子１の不良が防がれることができるため、信頼性の高い半導体発光素子１を得ることができた。また、規格内のＬＥＤチップ収得率の改善により、収率面で大幅な生産性向上を図ることができた。
１…半導体発光素子、３…ランプ、１２…ｎ型半導体層、１２ａ…ｎコンタクト層、１２ｂ…ｎクラッド層（第二ｎ型半導体層）、１２ｃ…第一工程成長層（第一ｎ型半導体層）、１２ｄ…再成長層、１３…発光層、１３ａ…障壁層、１３ｂ…井戸層、１３ｃ…薄膜部、１４…ｐ型半導体層
Claims (13)
- 第一有機金属化学気相成長装置において、基板上に第一ｎ型半導体層を積層する第一工程と、
第二有機金属化学気相成長装置において前記第一ｎ型半導体層上に、第二ｎ型半導体層と、障壁層およびＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）なる組成の井戸層からなる発光層と、ｐ型半導体層と、を順次積層する第二工程とを具備し、
前記第二工程において、前記障壁層を第一の成長温度Ｔ１で成長させた後に、前記第一の成長温度Ｔ１よりも高温の第二の成長温度Ｔ２に昇温して前記障壁層を成長させ、さらに、前記第二の成長温度Ｔ２よりも低温の前記第三の成長温度Ｔ３に降温して前記障壁層の成長を続けることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第一ｎ型半導体層上に前記第一ｎ型半導体層の再成長層を形成した後に、前記第二ｎ型半導体層を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第一ｎ型半導体層の前記再成長層の膜厚を０μｍ〜５μｍとすることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第二ｎ型半導体層上に前記第二ｎ型半導体層の再成長層を形成した後に、前記発光層を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記発光層を形成する工程において、前記第一の成長温度Ｔ１を６００℃〜８００℃、前記第二の成長温度Ｔ２を８００℃〜１０００℃、前記第三の成長温度Ｔ３を６００℃〜１０００℃とすること特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第一の成長温度Ｔ１で前記障壁層を成長させる際にＩＩＩ族原料を供給し、前記第一の成長温度Ｔ１から前記第二の成長温度Ｔ２に昇温する際に前記ＩＩＩ族原料の供給を停止することにより前記井戸層に複数の薄膜部を形成し、前記第二の成長温度Ｔ２で前記障壁層を成長させる際に前記ＩＩＩ族原料を供給することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記発光層を形成する工程において、前記障壁層を前記第三の成長温度Ｔ３で成長させた後に、前記井戸層を前記第三の成長温度Ｔ３で成長させることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記障壁層を７ｎｍ〜３０ｎｍの膜厚で形成することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 基板上に、ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層が順次積層されてなり、前記ｎ型半導体層、発光層及びｐ型半導体層がそれぞれＩＩＩ族窒化物半導体から構成されてなる半導体発光素子において、
前記ｎ型半導体層を構成するｎコンタクト層又はｎクラッド層が、複数の有機金属化学気相成長装置で成長され、
前記発光層は、障壁層およびＧａ１−ｙＩｎｙＮ（０．０７＜ｙ＜０．３０）なる組成の井戸層が交互に複数積層された多重量子井戸構造からなり、前記井戸層に複数の薄膜部が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記発光層からの発光の発光波長が４９０〜５７０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子。
- 請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて製造された半導体発光素子を備えることを特徴とするランプ。
- 請求項１１に記載のランプが組み込まれていることを特徴とする電子機器。
- 請求項１２に記載の電子機器が組み込まれていることを特徴とする機械装置。
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