JP5426007B2 - 窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
ＡｌＧａＩｎＮ系の窒化物半導体を用いて作製された窒化物半導体発光素子は、青色などの短波長の光を高効率に発光することができるため、蛍光体と組み合わせることにより白色光を発光する発光装置を得ることができる。白色光を発光する発光装置としては、蛍光灯の発光効率を凌駕する発光装置が得られるようになってきていることから、このような発光装置は今後の照明の主役になると考えられている。
その一方で、このような窒化物半導体発光素子を用いて白色光を発光させる発光装置については、さらなる発光効率の改善と、それによる省エネルギ化の進展とが期待されている。
窒化物半導体発光素子の発光原理は、ホールと電子との再結合であるため、ｐ型窒化物半導体層およびｎ型窒化物半導体層を適切に作製することが重要である。しかしながら、窒化物半導体発光素子の製造過程においては、ｐ型窒化物半導体層にドープされるＭｇなどのｐ型不純物の分布を乱す様々な熱処理工程がある。
第１に、ｐ型窒化物半導体層を形成するエピタキシャル成長工程自体があり、一般に１０００℃を超える高温で行なわれる。また、第２に、ｐ型窒化物半導体層のｐ型化を促進するためのアニール工程がある。さらに、第３に、電極形成後における、電極と窒化物半導体とのコンタクト性および電極自身の特性改善のための熱処理工程がある。
これらの熱処理工程における熱履歴により、ｐ型窒化物半導体層のエピタキシャル成長中のｐ型不純物のドーピング量と、そのｐ型不純物のドーピングにより得られるｐ型窒化物半導体層のドーピングプロファイルとの間に違いが生じる。
このような問題を解消して、窒化物半導体発光素子の特性を向上させるための様々な技術開発が行なわれている。
たとえば特許文献１（特開２００９−１３００９７号公報）には、活性領域上にＭｇドープｐ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎブロッキング層と、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層との積層構成とする技術が開示されている。
また、たとえば特許文献２（特開２０００−１６４９２２号公報）には、ｐ型コンタクト層の正電極に接する最表面部分のＭｇ不純物濃度を高め、正電極とのコンタクト性を高める技術が開示されている。
さらに、特許文献３（特開２００１−１４８５０７号公報）においては、活性層上のｐ型窒化物半導体層を、ｐ型不純物を中濃度にドープしたｐ型クラッド層、ｐ型不純物を低濃度にドープしたｐ型低濃度ドープ層、ｐ型不純物を高濃度にドープしたｐ型コンタクト層をこの順に３層積層した構造とする技術が開示されている。
特許文献３の実施例７には、中濃度ドープのｐ型層としてＭｇを５×１０19／ｃｍ3ドープしたｐ型Ａｌ0.16Ｇａ0.84Ｎからなるｐ型クラッド層を形成し、低濃度ドープのｐ型層としてはアンドープのＧａＮよりなる低濃度ドープ層を形成し、高濃度ドープのｐ型層としてはＭｇを１×１０20／ｃｍ3ドープした高濃度ドープ層を形成する技術が開示されている。
特開２００９−１３００９７号公報 特開２０００−１６４９２２号公報 特開２００１−１４８５０７号公報
しかしながら、近年の環境問題への意識の高まりから、窒化物半導体発光素子の特性のさらなる向上が求められている。
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、特性に優れた窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
本発明は、ｎ型窒化物半導体層と、ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体活性層と、窒化物半導体活性層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、を備え、ｐ型窒化物半導体層は、窒化物半導体活性層側から、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、第３のｐ型窒化物半導体層と、をこの順序で含み、第１のｐ型窒化物半導体層および第２のｐ型窒化物半導体層はそれぞれＡｌ（アルミニウム）を含んでおり、第１のｐ型窒化物半導体層の平均Ａｌ組成と、第２のｐ型窒化物半導体層の平均Ａｌ組成とは同等であり、第３のｐ型窒化物半導体層は、第２のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、第２のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度および第３のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、それぞれ、第１のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度よりも低い、窒化物半導体発光素子である。
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｐ型窒化物半導体層は、第３のｐ型窒化物半導体層の窒化物半導体活性層の設置側とは反対側に第４のｐ型窒化物半導体層をさらに含み、第４のｐ型窒化物半導体層は、第２のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、第４のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、第３のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度よりも高いことが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、窒化物半導体活性層は、複数の窒化物半導体量子井戸層と、複数の窒化物半導体障壁層と、を含む多重量子井戸構造を有しており、複数の窒化物半導体障壁層のうち、ｐ型窒化物半導体層に接する窒化物半導体障壁層以外の窒化物半導体障壁層はｎ型不純物を含むことが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子において、ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体コンタクト層と、ｎ型窒化物半導体超格子層と、を含み、ｎ型窒化物半導体超格子層は、ｎ型窒化物半導体コンタクト層と、窒化物半導体活性層との間に位置して、ｎ型窒化物半導体超格子層の平均ｎ型不純物濃度は１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましい。
さらに、本発明は、ｎ型窒化物半導体層上に窒化物半導体活性層を気相成長させる工程と、窒化物半導体活性層上に第１のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程と、第１のｐ型窒化物半導体層上に第１のｐ型窒化物半導体層と平均Ａｌ組成が同等である第２のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程と、第２のｐ型窒化物半導体層上に第１のｐ型窒化物半導体層よりも平均Ａｌ組成が小さい第３のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程と、を含み、第２のｐ型窒化物半導体層および第３のｐ型窒化物半導体層はそれぞれ、第１のｐ型窒化物半導体層よりも低濃度にｐ型不純物がドープされる窒化物半導体発光素子の製造方法である。
ここで、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、第２のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程の後であって、第３のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程の前に、気相成長が中断されることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法においては、気相成長の中断時に、気相の圧力を変化させることが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、第３のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程の後に、第３のｐ型窒化物半導体層上に第３のｐ型窒化物半導体層よりもｐ型不純物を高濃度にドープした第４の窒化物半導体層を気相成長させる工程をさらに含むことが好ましい。
また、本発明の窒化物半導体発光素子は、窒化物半導体活性層と第１のｐ型窒化物半導体層との間にＡｌを含む窒化物半導体層をさらに含んでいることが好ましい。
本発明によれば、特性に優れた窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図である。 実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な上面図である。 実施例および比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子の原子濃度プロファイルを示す図である。 実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な断面図である。 実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子の模式的な上面図である。 実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子および実施例１と同様の製造方法で作製した窒化物半導体発光ダイオード素子の原子濃度プロファイルを示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
図１に、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な断面図を示す。図１に示すように、本実施の形態の窒化物半導体発光素子１００においては、表面に凹凸加工が施されたサファイア基板１０１上に、ＡｌＮからなる窒化物半導体バッファ層１０２、アンドープＧａＮからなる窒化物半導体中間層１０３およびｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層１０４がこの順に積層されている。
本明細書においては、サファイア基板１０１、窒化物半導体バッファ層１０２、窒化物半導体中間層１０３およびｎ型窒化物半導体下地層１０４の積層体をテンプレート基板とする。なお、テンプレート基板以外にも、たとえば、窒化物半導体とは異なる基板に窒化物半導体層を形成した基板、または窒化物半導体から成る基板などを用いることもできる。
また、テンプレート基板のｎ型窒化物半導体下地層１０４上には、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５およびｎ型ＧａＮ層とｎ型ＩｎＧａＮ層とが交互に積層されたｎ型窒化物半導体超格子層１０６がこの順に積層されている。
ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５は、ｎ型ＧａＮからなる層に限定されず、たとえば、Ａｌx1Ｇａy1Ｉｎz1Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、０≦ｚ１≦１、ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にｎ型不純物をドーピングした層などを積層することができる。
ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５としては、なかでも、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２≦１、好ましくは０≦ｘ２≦０．５、より好ましくは０≦ｘ２≦０．１）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体にｎ型不純物としてシリコンがドーピングされた窒化物半導体層を用いることが好ましい。この場合には、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の良好な結晶性を確保しつつ、ｎ型不純物のドーピング濃度を高くすることができる傾向にある。
ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５へのｎ型不純物のドーピング濃度は、５×１０17／ｃｍ3以上５×１０19／ｃｍ3以下とすることが好ましい。ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５へのｎ型不純物のドーピング濃度が５×１０17／ｃｍ3以上５×１０19／ｃｍ3以下である場合には、後述するｎ側パッド電極１１７との良好なオーミック接触を確保することができる傾向にあるとともに、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５におけるクラックの発生を抑制できる傾向にあり、さらにはｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の良好な結晶性を確保することができる傾向にもある。
アンドープＧａＮからなる窒化物半導体中間層１０３、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層１０４およびｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の厚さの合計は、これらの層の良好な結晶性を確保する観点から、４μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下であることがより好ましく、６μｍ以上１５μｍ以下であることがさらに好ましい。これらの層の厚さの合計が４μｍ未満である場合にはこれらの層の結晶性が悪化したり、これらの層の表面にピットが生じるおそれがある。また、これらの層の厚さの合計が２０μｍを超える場合には、サファイア基板１０１の反りが大きくなって、製造プロセスにおいて様々な問題が発生するおそれがある。また、これらの層の厚さの合計が４μｍ以上１５μｍ以下である場合、特に６μｍ以上１５μｍ以下である場合には、これらの層の結晶性を良好なものとすることができる傾向にある。なお、これらの層の厚さの合計のうちｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の厚さの上限は特に限定されるものではない。
ｎ型窒化物半導体超格子層１０６の厚さは特に限定されないが、０．００５μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であることがより好ましい。ｎ型窒化物半導体超格子層１０６の厚さが０．００５μｍ以上０．５μｍ以下である場合、特に０．０１μｍ以上０．１μｍ以下である場合には、ｎ型窒化物半導体超格子層１０６が下地であるｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５から伸びる結晶欠陥を減少させるとともに、ｎ型窒化物半導体超格子層１０６において新たな結晶欠陥が生じにくくなる傾向にある。
ｎ型窒化物半導体超格子層１０６へのｎ型不純物のドーピングプロファイルについては、良好な結晶性を確保し、素子の動作電圧を低減する観点から、ＧａＮ層にのみｎ型不純物をドーピングし、その設定不純物濃度は５×１０16／ｃｍ3以上１×１０20／ｃｍ3以下であることが好ましい。なお、ｎ型窒化物半導体超格子層１０６の構成は、上述したいずれの構成にも限定されるものではない。
ｎ型窒化物半導体超格子層１０６の平均ｎ型不純物濃度は、１×１０18／ｃｍ3以上であることが好ましく、３×１０18／ｃｍ3以上であることがより好ましく、５×１０18／ｃｍ3以上であることがさらに好ましい。ｎ型窒化物半導体超格子層１０６のｎ型不純物がドープされる層のｎ型不純物濃度が上記の値である場合には、ｐｎ接合の空乏層が広がりにくいため、窒化物半導体発光素子１００の静電容量が増加し、静電気放電（Electrostatic Discharge）による破壊（静電破壊）が生じにくくなり、静電耐圧が向上する傾向にある。なお、平均ｎ型不純物濃度とは、ｎ型窒化物半導体超格子層１０６中のｎ型不純物の総原子量をｎ型窒化物半導体超格子層１０６の体積で割った値である。
ｎ型窒化物半導体超格子層１０６上には、ｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体障壁層とアンドープＩｎＧａＮ窒化物半導体量子井戸層とがｎ型窒化物半導体超格子層１０６側からこの順序で交互に積層され、最上層にアンドープＧａＮからなる窒化物半導体障壁層を積層してなる窒化物半導体活性層１０７が積層されている。なお、量子井戸層を挟む層を障壁層とするため、障壁層の数は量子井戸層の数＋１となる。このように、窒化物半導体活性層１０７の最上層以外の障壁層にｎ型不純物をドーピングし、最上層の障壁層をアンドープとすることによって、ホールと電子との結合位置を多重量子井戸（ＭＱＷ）中に存在させることができるため、キャリアの注入効率が高くなり、特に大電流密度の電流を注入した場合にも、電子がオーバーフローすることのない高い発光効率の窒化物半導体発光素子を得ることができる。
窒化物半導体活性層１０７としては上記以外にも、たとえば、Ｇａ1-z4Ｉｎz4Ｎ（０＜ｚ４＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層を量子井戸層とし、この量子井戸層よりもバンドギャップの大きいＡｌx3Ｇａy3Ｉｎz3Ｎ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ３≦１、０≦ｚ３≦１、ｘ３＋ｙ３＋ｚ３≠０）の式で表わされる窒化物半導体からなる窒化物半導体層を障壁層として、量子井戸層と障壁層とを交互に１層ずつ積層したＭＱＷ構造を有するものを用いることができる。
窒化物半導体活性層１０７が、たとえば、Ｇａ1-z4Ｉｎz4Ｎ（０＜ｚ４＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層を量子井戸層とする多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる場合には、所望の発光波長となるように、窒化物半導体活性層１０７のＩｎ組成や厚さを制御することができる。
窒化物半導体活性層１０７上には、ｐ型ＡｌＧａＮからなる第１のｐ型窒化物半導体層１０８と、アンドープＡｌＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層１０９と、アンドープＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層１１０と、ｐ型不純物が高濃度にドープされたｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層１１１とが、この順序で積層されている。
第１のｐ型窒化物半導体層１０８としては、ｐ型ＡｌＧａＮ以外にも、たとえば、Ａｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎ（０＜ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１）の式で表わされるＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にたとえばＭｇなどのｐ型不純物をドーピングした層などを積層することができる。
第２のｐ型窒化物半導体層１０９としては、アンドープＡｌＧａＮ以外にも、たとえば、Ａｌx6Ｇａy6Ｉｎz6Ｎ（０＜ｘ６≦１、０≦ｙ６≦１、０≦ｚ６≦１）の式で表わされるＡｌを含むＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にたとえばＭｇなどのｐ型不純物をドーピングした層などを積層することができる。
第１のｐ型窒化物半導体層１０８および第２のｐ型窒化物半導体層１０９のそれぞれのバンドギャップは、電子のオーバーフローを抑制するために、窒化物半導体活性層１０７のバンドギャップよりも大きくすることが好ましい。そのため、第１のｐ型窒化物半導体層１０８および第２のｐ型窒化物半導体層１０９にはそれぞれＡｌを含む窒化物半導体層を用いることができる。
また、第１のｐ型窒化物半導体層１０８の平均Ａｌ組成（ｘ５）と、第２のｐ型窒化物半導体層１０９の平均Ａｌ組成（ｘ６）とは同等である。第１のｐ型窒化物半導体層１０８の平均Ａｌ組成（ｘ５）と、第２のｐ型窒化物半導体層１０９の平均Ａｌ組成（ｘ６）とを同等にすることによって、Ｍｇなどのｐ型不純物の取り込みやすさのばらつきを抑えることができるため、ｐ型不純物の面内分布やウエハ間におけるばらつきを抑えることができる。
第１のｐ型窒化物半導体層１０８の平均Ａｌ組成（ｘ５）および第２のｐ型窒化物半導体層１０９の平均Ａｌ組成（ｘ６）はそれぞれ、各層のＡｌ組成が均一である場合には、そのＡｌ組成ｘ５、ｘ６となるが、層厚方向に沿って不均一である場合には、各層の体積に対するＡｌの総原子量、Ｇａの総原子量、Ｉｎの総原子量およびＮの総原子量の比を、それぞれ求め、これらをそれぞれＮの総原子量の比で割ることによって、平均組成Ａｌx5Ｇａy5Ｉｎz5Ｎ（０＜ｘ５≦１、０≦ｙ５≦１、０≦ｚ５≦１）およびＡｌx6Ｇａy6Ｉｎz6Ｎ（０＜ｘ６≦１、０≦ｙ６≦１、０≦ｚ６≦１）を求めることができる。
第１のｐ型窒化物半導体層１０８の平均Ａｌ組成（ｘ５）と、第２のｐ型窒化物半導体層１０９の平均Ａｌ組成（ｘ６）とが同等であるためには、第１のｐ型窒化物半導体層１０８の平均Ａｌ組成（ｘ５）と第２のｐ型窒化物半導体層１０９の平均Ａｌ組成（ｘ６）との差の絶対値が０．０２以下であればよい。
また、第２のｐ型窒化物半導体層１０９のｐ型不純物濃度は、第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度よりも低い。第２のｐ型窒化物半導体層１０９のｐ型不純物濃度に比べて、窒化物半導体活性層１０７に近い側の第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度が低い場合には、窒化物半導体活性層１０７におけるホールの障壁が高くなってしまうため、ホールの注入効率が悪くなり、素子の発光効率が低下する。
また、窒化物半導体活性層１０７に近い側の第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度が低く、第２のｐ型窒化物半導体層１０９のｐ型不純物濃度が高い場合には、静電気などの高い逆電圧がかかった場合に、空乏層が第２のｐ型窒化物半導体層１０９にまで広がってしまう。このとき、広がった空乏層中に１箇所でも静電耐圧の低い部分が存在する場合には静電破壊が起こってしまうため、静電耐圧が弱い構造になる。
一方、第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度が高く、さらにはｎ型窒化物半導体超格子層１０６のｎ型不純物濃度が高い場合には、第１のｐ型窒化物半導体層１０８およびｎ型窒化物半導体超格子層１０６の外側に空乏層が広がりにくくなるため、静電耐圧が高くなる。
また、第２のｐ型窒化物半導体層１０９のｐ型不純物濃度を、第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度と同一またはそれ以上とした場合には、その後の第３のｐ型窒化物半導体層１１０の積層時にＭｇなどのｐ型不純物が析出して、第２のｐ型窒化物半導体層１０９と第３のｐ型窒化物半導体層１１０との間にｐ型不純物濃度が局所的に高くなる層ができる。このような層は窒化物半導体活性層１０７へのホールの注入効率を低下させ、素子の発光効率を低下させるため、第２のｐ型窒化物半導体層１０９のｐ型不純物濃度は第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度よりも低くされる。
なお、層中のｐ型不純物濃度（原子濃度）は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）法によって求めることができる。
第１のｐ型窒化物半導体層１０８および第２のｐ型窒化物半導体層１０９はそれぞれ、たとえばＡｌＧａＮ層とＧａＮ層（ＩｎＧａＮ層でもよい。）とを交互に積層した超格子構造であってもよい。第１のｐ型窒化物半導体層１０８および／または第２のｐ型窒化物半導体層１０９が超格子構造を有する場合には、平均Ａｌ組成は、超格子構造のＡｌの平均組成とされる。
第１のｐ型窒化物半導体層１０８と第２のｐ型窒化物半導体層１０９との厚さの合計は特に限定されないが、０．００５μｍ以上０．４μｍ以下であることが好ましく、０．００１μｍ以上０．１μｍ以下であることがより好ましい。これらの層の厚さの合計が０．００５μｍ以上０．４μｍ以下である場合、特に０．００１μｍ以上０．１μｍ以下である場合には、ｐ型窒化物半導体層としての機能を維持しつつ、高温成長層であるｐ型窒化物半導体層の成長時間を極力少なくすることにより、低温成長層である窒化物半導体活性層１０７へのｐ型不純物の拡散や熱履歴による変質を抑制することができる傾向にある。
第３のｐ型窒化物半導体層１１０としては、アンドープＧａＮ以外にも、たとえば、Ａｌx7Ｇａy7Ｉｎz7Ｎ（０≦ｘ７≦１、０≦ｙ７≦１、０≦ｚ７≦１、ｘ７＋ｙ７＋ｚ７≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にたとえばＭｇなどのｐ型不純物をドーピングした層などを積層することができる。
第３のｐ型窒化物半導体層１１０の平均Ａｌ組成は、第１のｐ型窒化物半導体層の平均Ａｌ組成よりも小さいことが好ましい。第３のｐ型窒化物半導体層１１０の平均Ａｌ組成が第１のｐ型窒化物半導体層の平均Ａｌ組成よりも小さい場合には、平均Ａｌ組成が小さいためにｐ型窒化物半導体層としての特性が向上する。なお、第３のｐ型窒化物半導体層１１０には、Ａｌが含まれていなくてもよい。
第３のｐ型窒化物半導体層１１０のバンドギャップは、第２のｐ型窒化物半導体層１０９のバンドギャップよりも小さくされる。第３のｐ型窒化物半導体層１１０はｐ型窒化物半導体層としての機能が重要であるため、バンドギャップの大きさは特に要求されないのに対し、第２のｐ型窒化物半導体層１０９は窒化物半導体活性層１０７からｐ側への電子のオーバーフローを防ぐためにバンドギャップを大きくする必要がある。
第３のｐ型窒化物半導体層１１０のｐ型不純物濃度は、第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度よりも低くされる。第３のｐ型窒化物半導体層１１０のｐ型不純物濃度が第１のｐ型窒化物半導体層１０８のｐ型不純物濃度よりも低い場合には、第２のｐ型窒化物半導体層１０９と第３のｐ型窒化物半導体層１１０との間にｐ型不純物濃度が高くなる部分が生じにくくなり、ｐ型不純物の窒化物半導体活性層１０７への拡散が生じにくくなる傾向にある。
第４のｐ型窒化物半導体層１１１としては、ｐ+ＧａＮ以外にも、たとえば、Ａｌx8Ｇａy8Ｉｎz8Ｎ（０≦ｘ８≦１、０≦ｙ８≦１、０≦ｚ８≦１、ｘ８＋ｙ８＋ｚ８≠０）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層にたとえばＭｇなどのｐ型不純物をドーピングした層などを積層することができる。
第４のｐ型窒化物半導体層１１１のバンドギャップは、第２のｐ型窒化物半導体層１０９のバンドギャップよりも小さいことが好ましい。第４のｐ型窒化物半導体層１１１はｐ型窒化物半導体層としての機能が重要であるため、バンドギャップの大きさは特に要求されないのに対し、第１のｐ型窒化物半導体層１０８は窒化物半導体活性層１０７からｐ側への電子のオーバーフローを防ぐためにバンドギャップを大きくする必要があることが好ましいためである。
第４のｐ型窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度は、第３のｐ型窒化物半導体層１１０のｐ型不純物濃度よりも高いことが好ましい。第４のｐ型窒化物半導体層１１１のｐ型不純物濃度が第３のｐ型窒化物半導体層１１０のｐ型不純物濃度よりも高い場合には、第４のｐ型窒化物半導体層１１１と後述する透明電極１１５とのコンタクト抵抗を十分に低く保ちつつ、拡散するｐ型不純物の総量を抑制することができる傾向にある。
第４のｐ型窒化物半導体層１１１の厚さは特に限定されないが、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上０．２μｍ以下であることがより好ましい。第４のｐ型窒化物半導体層１１１の厚さが０．０１μｍ以上０．５μｍ以下である場合、特に０．０５μｍ以上０．２μｍ以下である場合には、窒化物半導体発光素子の発光出力が向上する傾向にある。
第４のｐ型窒化物半導体層１１１の表面の一部には透明電極１１５が形成されている。また、透明電極１１５の表面の一部にはｐ側パッド電極１１６が電気的に接続されるようにして形成されており、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の表面の一部にはｎ側パッド電極１１７が電気的に接続されるようにして形成されている。
図２に、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の模式的な上面図を示す。図２に示すように、ｐ側パッド電極１１６は、透明電極１１５の表面内に形成されている。
透明電極１１５の材料としては、たとえば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、酸化錫、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウム、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）またはＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）などを用いることができる。
透明電極１１５の厚さは、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることが好ましく、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることがより好ましい。透明電極１１５の厚さが１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である場合、特に５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である場合には、透明電極１１５の比抵抗を小さくして電流の拡散を促進する効果と、透明電極１１５の光透過率を確保して光取り出し効率を向上させる効果とのバランスが良好であり、光出力を極大にすることができる傾向にある。
ｐ側パッド電極１１６およびｎ側パッド電極１１７としては、たとえば、Ｎｉ層とＡｕ層との積層体、Ｔｉ層とＡｌ層との積層体、Ｔｉ−Ａｌ合金層、Ｈｆ層とＡｌ層との積層体またはＨｆ−Ａｌ合金層などを用いることができる。
また、ｐ側パッド電極１１６およびｎ側パッド電極１１７としては、ＩＴＯなどの透明導電膜を用いてもよく、高反射率の金属を用いてフリップチップタイプの発光素子とすることもできる。
以下に、本実施の形態の窒化物半導体発光素子の製造方法の一例について説明する。まず、サファイア基板１０１上に、たとえばＡｌＮからなる窒化物半導体バッファ層１０２、たとえばアンドープＧａＮからなる窒化物半導体中間層１０３およびたとえばｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体下地層１０４をこの順序でたとえばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などにより気相成長させることによってテンプレート基板を形成する。
次に、テンプレート基板のｎ型窒化物半導体下地層１０４上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、たとえばｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５およびたとえばｎ型ＧａＮ層とアンドープＩｎＧａＮ層とが交互に積層されたｎ型窒化物半導体超格子層１０６をこの順に気相成長させる。
次に、ｎ型窒化物半導体超格子層１０６上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、たとえばｎ型ＧａＮからなるｎ型窒化物半導体障壁層とアンドープＩｎＧａＮ窒化物半導体量子井戸層とがｎ型窒化物半導体超格子層１０６側からこの順序で交互に積層され、最上層にアンドープＧａＮからなる窒化物半導体障壁層を積層してなる窒化物半導体活性層１０７を気相成長させる。
ここで、窒化物半導体活性層１０７が、たとえば、Ｇａ1-z4Ｉｎz4Ｎ（０＜ｚ４＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層を量子井戸層とする多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる場合には、窒化物半導体活性層１０７の気相成長時のテンプレート基板の温度が低いと結晶性が悪化するおそれがある一方で、窒化物半導体活性層１０７の気相成長時のテンプレート基板の温度が高いとＩｎＮの昇華が顕著になって固相中へのＩｎの取り込み効率が低減してＩｎ組成が変動するおそれがある。そのため、窒化物半導体活性層１０７が、たとえば、Ｇａ1-z4Ｉｎz4Ｎ（０＜ｚ４＜０．４）の式で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体からなる窒化物半導体層を量子井戸層とする多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる場合には、窒化物半導体活性層１０７の形成時のテンプレート基板の温度は７００℃以上９００℃以下であることが好ましい。
次に、窒化物半導体活性層１０７上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、たとえばｐ型ＡｌＧａＮなどのＡｌを含む第１のｐ型窒化物半導体層１０８を気相成長させる。ここで、第１のｐ型窒化物半導体層１０８がｐ型ＡｌＧａＮからなる場合には、第１のｐ型窒化物半導体層１０８を低い圧力で成長させるとともに、ＩＩＩ族原料ガスの量およびＶ族原料ガスの量を変動させずに成長させることで均一な高品質の膜が得られる。
次に、第１のｐ型窒化物半導体層１０８上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、たとえばアンドープＡｌＧａＮなどのＡｌを含む第２のｐ型窒化物半導体層１０９を気相成長させる。なお、本明細書において、アンドープとは、気相成長時に不純物を意図的に入れていないことをいい、アンドープの層であっても拡散などの理由によって不純物が含まれることがある。また、第２のｐ型窒化物半導体層１０９がｐ型ＡｌＧａＮからなる場合には、第２のｐ型窒化物半導体層１０９を低い圧力で成長させるとともに、ＩＩＩ族原料ガスの量およびＶ族原料ガスの量を変動させずに成長させることで均一な高品質の膜が得られる。
なお、上述したように、第２のｐ型窒化物半導体層１０９は、第１のｐ型窒化物半導体層１０８よりも平均Ａｌ組成が低く形成されるとともに、第１のｐ型窒化物半導体層１０８よりもｐ型不純物濃度が低濃度となるようにｐ型不純物がドーピングされて形成される。
次に、第２のｐ型窒化物半導体層１０９上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、たとえばアンドープＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層１１０からなる第２のｐ型窒化物半導体層１０９を気相成長させる。ここで、第３のｐ型窒化物半導体層１１０は、第１のｐ型窒化物半導体層１０８よりも平均Ａｌ組成が低く形成されることが好ましい。また、第３のｐ型窒化物半導体層１１０は、第１のｐ型窒化物半導体層１０８よりもｐ型不純物濃度が低濃度となるようにｐ型不純物がドーピングされて形成されることが好ましい。
また、第２のｐ型窒化物半導体層１０９を気相成長させた後であって、第３のｐ型窒化物半導体層１１０を気相成長させる前に、気相成長を中断することが好ましい。この場合には、気相成長の中断中に、第３のｐ型窒化物半導体層１１０の成長レートに適した気相の圧力に変化させることができる傾向にある。
次に、第３のｐ型窒化物半導体層１１０上に、たとえばＭＯＣＶＤ法によって、たとえばｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層１１１を気相成長させる。ここで、第４のｐ型窒化物半導体層１１１は、第３のｐ型窒化物半導体層１１０よりもｐ型不純物濃度が高濃度となるようにｐ型不純物がドーピングされて形成されることが好ましい。
次に、第４のｐ型窒化物半導体層１１１の表面の一部に、たとえばスパッタリング法または真空蒸着法によって、たとえばＩＴＯからなる透明電極１１５を形成する。
次に、透明電極１１５の形成後のウエハの一部をエッチングにより除去して、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の表面の一部を露出させる。
次に、透明電極１１５の表面の一部にｐ側パッド電極１１６を形成するとともに、ｎ型窒化物半導体コンタクト層１０５の表面の一部にｎ側パッド電極１１７を形成する。その後、スクライブ等によってウエハを個々の素子に分割することにより、本実施の形態の窒化物半導体発光素子（窒化物半導体発光ダイオード素子）が得られる。
本実施の形態の窒化物半導体発光素子においては、窒化物半導体発光素子の製造プロセスにおける熱処理工程を経た後においても、窒化物半導体活性層１０７にｐ型不純物が拡散するのを抑制することができる一方で、窒化物半導体活性層１０７の近傍に高いｐ型不純物濃度のｐ型窒化物半導体層を設置できるという、通常であれば相反する構成を両立させることが可能である。これにより、高い発光効率の窒化物半導体発光素子を実現することができる。
＜実施例１＞
実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子として、図１および図２に示すように、表面に凹凸加工が施されたサファイア基板１０１上に、ＡｌＮバッファ層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、ｎ型ＧａＮ下地層１０４（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：６×１０18／ｃｍ3）、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０５（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：６×１０18／ｃｍ3、厚さ：１．５μｍ）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：５×１０18／ｃｍ3、厚さ：１．７５ｎｍ）とＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：５×１０18／ｃｍ3、厚さ：１．７５ｎｍ）とを交互に２０周期積層してなるｎ型超格子層１０６、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ障壁層（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：４×１０17／ｃｍ3、厚さ：６．５ｎｍ）とアンドープＩｎＧａＮ量子井戸層（厚さ：３．５ｎｍ）とを交互に６周期積層した後にアンドープＧａＮ障壁層を積層してなる窒化物半導体活性層１０７、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮからなる第１のｐ型窒化物半導体層１０８（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：２×１０19／ｃｍ3、厚さ：１１．７５ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層１０９（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3、厚さ：３．７５ｎｍ）、アンドープＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層１１０（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3、厚さ：６０ｎｍ）およびｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層１１１（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：３×１０19／ｃｍ3、厚さ：２０ｎｍ）がこの順に積層されている。
また、第４のｐ型窒化物半導体層１０７の表面の一部にＩＴＯからなる透明電極１１５が形成されており、透明電極１１５の表面の一部には透明電極１１５に近い側からＮｉ層およびＡｕ層の積層体からなるｐ側パッド電極１１６が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０５の表面の一部にはＮｉ層およびＡｕ層の積層体からなるｎ側パッド電極１１７が形成されている。
上記の構成を有する実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、以下のようにして作製した。
まず、表面に凹凸加工が施されたサファイア基板１０１上に、スパッタリング法またはＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＮバッファ層１０２を形成し、ＡｌＮバッファ層１０２上にアンドープＧａＮ層１０３およびＳｉがドーピングされたｎ型ＧａＮ下地層１０４（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：６×１０18／ｃｍ3）をこの順序で積層してテンプレート基板を作製した。ここで、ｎ型ＧａＮ下地層１０４のＳｉドーピング濃度は６×１０18／ｃｍ3とした。
次に、気相成長装置であるＭＯＣＶＤ装置内にテンプレート基板をセットし、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を２×１０2Ｐａに制御した。次に、ＭＯＣＶＤ装置内に、キャリアガスとしてのＨ2ガスと、Ｖ族原料としてのＮＨ3ガスとを流しながらテンプレート基板を１１９５℃まで昇温し、テンプレート基板のｎ型ＧａＮ下地層１０４上にｎ型ＧａＮコンタクト層１０５（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：６×１０18／ｃｍ3）を１．５μｍの厚さに気相成長させた。ここで、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０５の気相成長に用いられたＳｉドーパント原料にはＳｉＨ4ガスを用いて、Ｓｉドーピング濃度は６×１０18／ｃｍ3とした。
次に、ｎ型ＧａＮコンタクト層１０５の気相成長後には、キャリアガスをＨ2ガスからＮ2ガスに切り替え、テンプレート基板の温度を８７０℃まで低下させた。
次に、厚さ１．７５ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ層と、厚さ１．７５ｎｍのｎ型ＩｎＧａＮ層とを交互に２０ペア積層することによって総厚が７０ｎｍのｎ型超格子層１０６を積層した。ここで、Ｓｉドーパント原料にはＳｉＨ4ガスを用いた。ｎ型超格子層１０６をこのようにハイドープにすることで、静電気などの高い逆電圧がかかっても、空乏層はｎ型超格子層１０６より下のｎ型ＧａＮコンタクト層１０５やテンプレート基板のｎ型ＧａＮ下地層１０４まで広がらないため、静電耐圧が高くなる。なぜなら、結晶は基板に近づくほど、結晶品質が劣り、静電気などに弱い部分が存在するが、そこまで空乏層が広がらなければ静電破壊されないためである。
ｎ型超格子層１０６を気相成長した後、テンプレート基板の温度を８５０℃に低下させた。そして、厚さ６．５ｎｍのＳｉドープｎ型ＧａＮ障壁層と、厚さ３．５ｎｍのアンドープＩｎＧａＮ量子井戸層と、を６ペア積層した後、テンプレート基板の温度を８６０℃に上昇させて厚さ６．５ｎｍのアンドープのＧａＮ障壁層を積層して総厚が６６．５ｎｍのＭＱＷ構造を有する窒化物半導体活性層１０７を形成した。ここで、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ障壁層の気相成長に用いられたＳｉドーパント原料にはＳｉＨ4ガスを用いた。
このように、窒化物半導体活性層１０７を構成する障壁層のうち、初めの６層にはＳｉをドーピングし、最後の障壁層をアンドープとすることで、ホールと電子との結合位置を窒化物半導体活性層１０７のＭＱＷの内部とすることができ、大電流を注入した場合でも電子がオーバーフローすることなく高い発光効率を有する窒化物半導体発光素子が得られる。
また、窒化物半導体活性層１０７を気相成長させた後には、後述するｐ型層を成長させるためにテンプレート基板の温度を上昇させるが、窒化物半導体活性層１０７の最上層のアンドープのＧａＮ障壁層がダメージを受けやすい。しかしながら、最上層のアンドープのＧａＮ障壁層をアンドープとし、テンプレート基板の温度を８６０℃に上昇させてから最上層のアンドープのＧａＮ障壁層を気相成長させることによって、最上層のアンドープのＧａＮ障壁層の結晶品質が向上し、テンプレート基板の温度の上昇によるダメージを防ぐことができる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を１×１０4Ｐａに低下させるとともに、テンプレート基板の温度を１１１０℃に上昇させた。なお、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を１×１０4Ｐａに低下させることによって、多数枚のウエハを成長することができるＭＯＣＶＤ装置内における後述するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成のウエハ間でのばらつきやウエハ内でのＡｌ組成のばらつきを抑制することができ、素子の歩留まりを良くすることができる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置内に供給されるキャリアガスをＮ2ガスからＨ2ガスに切り替え、厚さ１１．２５ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.17Ｇａ0.83Ｎからなる第１のｐ型窒化物半導体層１０８（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：２×１０19／ｃｍ3）を気相成長させるとともに、厚さ３．７５ｎｍのアンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層からなる第２のｐ型窒化物半導体層１０９（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3）を気相成長させた。
ここで、第１のｐ型窒化物半導体層１０８の平均Ａｌ組成は１７％とし、第１のｐ型窒化物半導体層１０８のＭｇドーパント原料にはＣＰ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを用いてＭｇドーピング濃度は２×１０19／ｃｍ3とした。
また、第２のｐ型窒化物半導体層１０９の平均Ａｌ組成は１７％とし、第２のｐ型窒化物半導体層１０９の気相成長中にはＣＰ2Ｍｇガスを流さなかった。しかし、実際に成長したアンドープＡｌＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層１０９中には、拡散によりＭｇが取り込まれており、第２のｐ型窒化物半導体層１０９中のＭｇ原子濃度は１×１０19／ｃｍ3であった。
次に、気相成長を一旦中断してＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を２×１０4Ｐａに上昇させた。その後、気相成長を開始して、厚さ６０ｎｍのアンドープのＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層１１０（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3）を気相成長させ、厚さ３０ｎｍのｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層１１１（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：３×１０19／ｃｍ3）を気相成長させた。ここで、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を２×１０4Ｐａに戻す理由としては、Ｍｇの活性化率が向上して、素子の動作電圧を低減することができるためである。
ここで、第３のｐ型窒化物半導体層１１０の気相成長中にはＣＰ2Ｍｇガスを流さなかった。しかし、実際に成長したアンドープＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層１１０には、拡散によりＭｇが取り込まれており、第３のｐ型窒化物半導体層１１０中のＭｇ原子濃度は１×１０19／ｃｍ3であった。
また、ｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層１１１のＭｇドーピング濃度は、３×１０19／ｃｍ3とした。第４のｐ型窒化物半導体層１１１のＭｇドーピング濃度を３×１０19／ｃｍ3といったハイドープとすることによって、第４のｐ型窒化物半導体層１１１と後述するＩＴＯからなる透明電極１１５とのコンタクト抵抗を低減することができるため、素子の駆動電圧を低減することができる。
次に、第１のｐ型窒化物半導体層１０８、第２のｐ型窒化物半導体層１０９、第３のｐ型窒化物半導体層１１０および第４のｐ型窒化物半導体層１１１のｐ型化を促進するためＮ2ガス雰囲気中で９５０℃のアニールを行なった。
次に、第４のｐ型窒化物半導体層１１１の表面の一部にＩＴＯからなる透明電極１１５をスパッタリング法により形成した。次に、ＩＴＯの特性改善のため、透明電極１１５の形成後のウエハを酸素を含んだ雰囲気中で５００℃のアニールを行った。
その後、透明電極１１５の形成後のウエハの一部をエッチングにより除去することによってｎ型ＧａＮコンタクト層１０５の表面の一部を露出させた。そして、透明電極１１５の表面上およびｎ型ＧａＮコンタクト層１０５の表面上に、それぞれ、真空蒸着法により、Ｎｉ層およびＡｕ層からなるｐ側パッド電極１１６とｎ側パッド電極１１７とを同時に形成した。
その後、ｐ側パッド電極１１６とｎ側パッド電極１１７以外の全体を覆う保護膜（図示せず）を形成し、ｐ側パッド電極１１６と透明電極１１５とのコンタクト抵抗ならびにｎ側パッド電極１１３とｎ型ＧａＮコンタクト層１０５とのコンタクト抵抗をそれぞれ低減するため、保護膜を形成した状態で３００℃の熱処理を行なった。その後、スクライビングおよび曲げ応力の印加によってウエハを個々の素子に分割することにより、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子を得た。
上記のようにして得られた実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子をチップ状態（樹脂封止によるパッケージング前）で１０個検査した結果、３０ｍＡの動作電流で発光出力が平均３７ｍＷであった。また、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子の静電耐圧はＨＢＭ（Human Body Model）法で１５００Ｖを印加して検査した結果１０個とも良好であったため、１５００Ｖ以上であった。したがって、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、発光特性および静電耐圧ともに良好であった。
＜比較例＞
比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子を以下のようにして作製した。まず、窒化物半導体活性層１０７までは実施例１と同様にして作製した。次に、キャリアガスをＮ2ガスからＨ2ガスに切り替え、窒化物半導体活性層１０７上にｐ型ＡｌＧａＮ層を１５ｎｍの厚さに気相成長した(成長条件は第１のｐ型窒化物半導体層１０８と同じ。)。
次に、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を２×１０4Ｐａに上昇させた後、ｐ型ＧａＮ層を６０ｎｍの厚さに気相成長させた(成長条件は第３のｐ型窒化物半導体層１１０と同じ。)。そして、ｐ+ＧａＮ層を３０ｎｍの厚さに気相成長させた(成長条件は第４のｐ型窒化物半導体層１１１と同じ。)。その後は、実施例１と同様にして比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
上記のようにして得られた比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子は、３０ｍＡの動作電流で発光出力が３３ｍＷであって、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子と比較して発光出力が約１割低かった。
図３に、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子および比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子のＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）による原子濃度プロファイルを示す。図３の横軸は深さ（depth(a.u.)）を示し、縦軸は原子濃度（concentration(a.u.)）を示している。また、図３中の１−Ｍｇは実施例１のＭｇ原子濃度を示し、０−Ｍｇは比較例のＭｇ原子濃度を示し、ＡｌはＡｌ相対原子濃度（実施例１および比較例でほぼ一致）を示しＩｎはＩｎ相対原子濃度（実施例１および比較例でほぼ一致）を示している。
図３における第１の特徴は、窒化物半導体活性層１０７中の最上層の量子井戸層におけるＭｇ原子濃度である。図３中に、６周期の量子井戸層の最上層に相当する箇所に縦線を引き、その箇所における比較例のＭｇ原子濃度をＹ０、実施例１のＭｇ濃度をＹ１とする。Ｙ０のＭｇ原子濃度と、Ｙ１のＭｇ原子濃度との両者を比較すると、実施例１の窒化物半導体発光ダイオード素子は、比較例の窒化物半導体発光ダイオード素子と比べて、量子井戸層の最上層のＭｇ濃度を約半分に低減できていることがわかる。
図３における第２の特徴は、比較例のＭｇ原子濃度プロファイルにおいて、ｐ型ＡｌＧａＮ層とｐ型ＧａＮ層との間にＭｇ濃度が高くなっている点Ｘの存在である。本発明者らは、比較例においてこの界面に高濃度の部分があることに着目し、この界面近傍、すなわちｐ型ＡｌＧａＮ層の上部である第２のｐ型窒化物半導体層１０９と、好ましくはｐ型ＧａＮ層の下部である第３のｐ型窒化物半導体層１１０とにおいて、キャリア濃度を低くする気相成長を行なうことが有効であることを見出した。この気相成長方法は、第２のｐ型窒化物半導体層１０９の気相成長と第３のｐ型窒化物半導体層１１０の気相成長との間に、気相の圧力を変更することなどによって、気相成長を中断する場合に特に有効である。
＜実施例２＞
第３のｐ型窒化物半導体層１１０をアンドープではなく、Ｍｇをドーピングして第３のｐ型窒化物半導体層１１０中のｐ型不純物（Ｍｇ）濃度を４×１０19／ｃｍ3としたこと以外は実施例１と同様にして実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
上記のようにして作製された実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、実施例１と同じＣｐ2Ｍｇ流量であっても、第４のｐ型窒化物半導体層１１１のｐ型不純物（Ｍｇ）濃度が５×１０19／ｃｍ3と高くすることができる。
これにより、実施例２の窒化物半導体発光ダイオード素子においては、第４のｐ型窒化物半導体層１１１と透明電極１１５とのコンタクト抵抗が低減し、素子の動作電圧を低減することができた。
＜実施例３＞
第３のｐ型窒化物半導体層１１０の気相成長用のガスとしてＴＭＩ（トリメチルインジウム）をさらに供給したこと以外は実施例１と同様にして実施例３の窒化物半導体発光ダイオード素子を作製した。
第３のｐ型窒化物半導体層１１０の気相成長中のテンプレート基板の温度が１１１０℃と高いため、Ｉｎは第３のｐ型窒化物半導体層１１０中には取り込まれないが、第３のｐ型窒化物半導体層１１０中のＭｇの活性化率を上げることができるため、素子の動作電圧を低減することができた。
＜実施例４＞
図４および図５に示すように、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子２００として、表面に凹凸加工が施されたサファイア基板２０１上に、ＡｌＮバッファ層２０２、アンドープＧａＮ層２０３、ｎ型ＧａＮ下地層２０４（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：６×１０18／ｃｍ3）、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０５（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：６×１０18／ｃｍ3、厚さ：１．５μｍ）、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：５×１０18／ｃｍ3、厚さ：１．７５ｎｍ）とＳｉドープｎ型ＩｎＧａＮ層（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：５×１０18／ｃｍ3、厚さ：１．７５ｎｍ）とを交互に２０周期積層してなるｎ型超格子層２０６、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ障壁層（ｎ型不純物（Ｓｉ）濃度：４×１０17／ｃｍ3、厚さ：６．５ｎｍ）とアンドープＩｎＧａＮ量子井戸層（厚さ：３．５ｎｍ）とを交互に６周期積層した後にアンドープＧａＮ障壁層を積層してなる窒化物半導体活性層２０７、アンドープのＡｌＧａＮ層２１８（厚さ：２ｎｍ）、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＮからなる第１のｐ型窒化物半導体層２０８（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：２×１０19／ｃｍ3、厚さ：１１．７５ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＮからなる第２のｐ型窒化物半導体層２０９（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3、厚さ：３．７５ｎｍ）、アンドープＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層２１０（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3、厚さ：６０ｎｍ）およびｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層２１１（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：３×１０19／ｃｍ3、厚さ：２０ｎｍ）がこの順に積層されている。
また、第４のｐ型窒化物半導体層２１１の表面の一部にＩＴＯからなる透明電極２１５が形成されており、透明電極２１５の表面の一部には透明電極２１５に近い側からＮｉ層およびＡｕ層の積層体からなるｐ側パッド電極２１６が形成され、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０５の表面の一部にはＮｉ層およびＡｕ層の積層体からなるｎ側パッド電極２１７が形成されている。
上記の構成を有する実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子は、以下のようにして作製した。
まず、窒化物半導体活性層２０７までは、実施例１と同じように作製した。
次に、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を１×１０4Ｐａに低下させるとともに、テンプレート基板の温度を１１１０℃に上昇させた。なお、ＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を１×１０4Ｐａに低下させることによって、多数枚のウエハを成長することができるＭＯＣＶＤ装置内における後述するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成のウエハ間でのばらつきやウエハ内でのＡｌ組成のばらつきを抑制することができ、素子の歩留まりを良くすることができる。
次に、ＭＯＣＶＤ装置内に供給されるキャリアガスをＮ2ガスからＨ2ガスに切り替え、厚さ２ｎｍのアンドープのＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８を気相成長させ、次に、厚さ１１．２５ｎｍのＭｇドープｐ型Ａｌ0.17Ｇａ0.83Ｎからなる第１のｐ型窒化物半導体層２０８（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：２×１０19／ｃｍ3）を気相成長させるとともに、厚さ３．７５ｎｍのアンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層からなる第２のｐ型窒化物半導体層２０９（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3）を気相成長させた。
ここで、アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８の平均Ａｌ組成は１７％とし、不純物原料ガスは流していない。
また、第１のｐ型窒化物半導体層２０８の平均Ａｌ組成は１７％とし、第１のｐ型窒化物半導体層２０８のＭｇドーパント原料にはＣＰ2Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）ガスを用いてＭｇドーピング濃度は２×１０19／ｃｍ3とした。
また、第２のｐ型窒化物半導体層２０９の平均Ａｌ組成は１７％とし、第２のｐ型窒化物半導体層２０９の気相成長中にはＣＰ2Ｍｇガスを流さなかった。
次に、気相成長を一旦中断してＭＯＣＶＤ装置内の気相の圧力を２×１０4Ｐａに上昇させた。その後、気相成長を開始して、厚さ６０ｎｍのアンドープのＧａＮからなる第３のｐ型窒化物半導体層２１０（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：１×１０19／ｃｍ3）を気相成長させ、厚さ３０ｎｍのｐ+ＧａＮからなる第４のｐ型窒化物半導体層２１１（ｐ型不純物（Ｍｇ）濃度：３×１０19／ｃｍ3）を気相成長させた。
このように成長したｐ型層の実際の不純物濃度は、以下のようになっている。実際に成長したアンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８中には、拡散によりＭｇが取り込まれている。これは、第１のｐ型窒化物半導体層２０８からＭｇが拡散するためであるが、このＭｇ拡散は、第１のｐ型窒化物半導体層２０８の成長中に起こるものであり、その後の第２のｐ型窒化物半導体層２０９を成長することにより、第１のｐ型窒化物半導体層２０８からアンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８への拡散は止まり、その後の第３のｐ型窒化物半導体層２１０および第４のｐ型窒化物半導体層２１１の成長中は、実際には不純物原料ガスを流さずに成長した第２のｐ型窒化物半導体層２０９により、Ｍｇ拡散が防止される。アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８の層厚は薄くこの層のＭｇ濃度を検出するのは困難であるが、このアンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８中で、Ｍｇ濃度は急峻に変化しており、アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８があることで、窒化物半導体活性層２０７の最上層の井戸層中のＭｇ濃度は２×１０18／ｃｍ3となり、実施例１の場合よりも、さらに活性層へのＭｇ拡散が抑えられたことになる。
アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８は、Ｍｇ拡散防止の役割を果たしており、第２のｐ型窒化物半導体層２０９と同様の機能を果たしていると言える。しかし、アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８だけを形成し、実質的にアンドープで作製する第２のｐ型窒化物半導体層２０９を無くすと、Ｍｇ拡散防止機能が低下してしまう。これを補うために、アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８の厚さを２ｎｍではなく、もっと厚くすると、Ｍｇ拡散防止効果は上がるが、素子の駆動電圧が上がってしまう。よって、アンドープＡｌ0.17Ｇａ0.83Ｎ層２１８の厚さを最小限の厚さにとどめることが重要である。そのためには、実質的にアンドープで作製する第２のｐ型窒化物半導体層２０９と組み合わせることによって、Ｍｇ拡散防止と駆動電圧上昇の抑制を両立することができる。
図６に、実施例４の窒化物半導体発光ダイオード素子（以下、「実施例４の素子」という。）および実施例１と同様の製造方法で作製した窒化物半導体発光ダイオード素子（以下、「実施例１の素子」という。）のＳＩＭＳによる原子濃度プロファイルを示す。図６の横軸は深さ（depth(a.u.)）を示し、縦軸は原子濃度（concentration(a.u.)）を示している。また、図６中の２−Ｍｇは実施例１の素子のＭｇ原子濃度を示し、３−Ｍｇは実施例４の素子のＭｇ原子濃度を示し、ＡｌはＡｌ相対原子濃度（実施例４の素子と、実施例１の素子とでほぼ一致）を示し、ＩｎはＩｎ相対原子濃度（実施例４の素子と、実施例１の素子とでほぼ一致）を示している。
また、図６中に、６周期の量子井戸層の最上層に相当する箇所に縦線を引き、その箇所における実施例１の素子のＭｇ原子濃度をＹ２、実施例４の素子のＭｇ濃度をＹ３とする。Ｙ２のＭｇ原子濃度と、Ｙ３のＭｇ原子濃度との両者を比較すると、Ｙ２のＭｇ原子濃度は７×１０18／ｃｍ3であるのに対し、Ｙ３のＭｇ原子濃度は３×１０18／ｃｍ3となって、さらにＭｇ拡散を抑制できることが確認された。
さらに、実施例４の素子の駆動電圧は、実施例１の素子と同様の３０ｍＡの動作電流で２．９Ｖであった。また、実施例４の素子の発光出力は、３０ｍＡの動作電流で４５ｍＷが得られた。
また、実施例４の素子について、ＨＢＭモデルで−１５００Ｖの静電耐圧試験を実施したところ、３００００個の静電耐圧試験で、静電気破壊されたのは、わずか２％であり、静電耐圧も良好であることがわかった。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体発光素子の製造方法に利用することができる。
１００ 窒化物半導体発光素子、１０１ サファイア基板、１０２ 窒化物半導体バッファ層、１０３ 窒化物半導体中間層、１０４ ｎ型窒化物半導体下地層、１０５ ｎ型窒化物半導体コンタクト層、１０６ ｎ型窒化物半導体超格子層、１０７ 窒化物半導体活性層、１０８ 第１のｐ型窒化物半導体層、１０９ 第２のｐ型窒化物半導体層、１１０ 第３のｐ型窒化物半導体層、１１１ 第４のｐ型窒化物半導体層、１１５ 透明電極、１１６ ｐ側パッド電極、１１７ ｎ側パッド電極、２００ 窒化物半導体発光ダイオード素子、２０１ サファイア基板、２０２ ＡｌＮバッファ層、２０３ アンドープＧａＮ層、２０４ ｎ型ＧａＮ下地層、２０５ ｎ型ＧａＮコンタクト層、２０６ ｎ型超格子層、２０７ 窒化物半導体活性層、２０８ 第１のｐ型窒化物半導体層、２０９ 第２のｐ型窒化物半導体層、２１０ 第３のｐ型窒化物半導体層、２１１ 第４のｐ型窒化物半導体層、２１５ 透明電極、２１６ ｐ側パッド電極、２１７ ｎ側パッド電極、２１８ アンドープＡｌＧａＮ層。

Claims (9)

  1. ｎ型窒化物半導体層と、
    前記ｎ型窒化物半導体層上に設けられた窒化物半導体活性層と、
    前記窒化物半導体活性層上に設けられたｐ型窒化物半導体層と、を備え、
    前記ｐ型窒化物半導体層は、前記窒化物半導体活性層側から、第１のｐ型窒化物半導体層と、第２のｐ型窒化物半導体層と、第３のｐ型窒化物半導体層と、をこの順序で含み、
    前記第１のｐ型窒化物半導体層および前記第２のｐ型窒化物半導体層はそれぞれＡｌを含んでおり、
    前記第１のｐ型窒化物半導体層の平均Ａｌ組成と、前記第２のｐ型窒化物半導体層の平均Ａｌ組成とは同等であり、
    前記第３のｐ型窒化物半導体層は、前記第２のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、
    前記第２のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度および前記第３のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、それぞれ、前記第１のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度よりも低い、窒化物半導体発光素子。
  2. 前記ｐ型窒化物半導体層は、前記第３のｐ型窒化物半導体層の前記窒化物半導体活性層の設置側とは反対側に第４のｐ型窒化物半導体層をさらに含み、
    前記第４のｐ型窒化物半導体層は、前記第２のｐ型窒化物半導体層よりもバンドギャップが小さく、
    前記第４のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度は、前記第３のｐ型窒化物半導体層のｐ型不純物濃度よりも高い、請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
  3. 前記窒化物半導体活性層は、複数の窒化物半導体量子井戸層と、複数の窒化物半導体障壁層と、を含む多重量子井戸構造を有しており、
    前記複数の窒化物半導体障壁層のうち、前記ｐ型窒化物半導体層に接する窒化物半導体障壁層以外の窒化物半導体障壁層は、ｎ型不純物を含む、請求項１または２に記載の窒化物半導体発光素子。
  4. 前記ｎ型窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体コンタクト層と、ｎ型窒化物半導体超格子層と、を含み、
    前記ｎ型窒化物半導体超格子層は、前記ｎ型窒化物半導体コンタクト層と、前記窒化物半導体活性層との間に位置して、
    前記ｎ型窒化物半導体超格子層の平均ｎ型不純物濃度は、１×１０18／ｃｍ3以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
  5. ｎ型窒化物半導体層上に窒化物半導体活性層を気相成長させる工程と、
    前記窒化物半導体活性層上にＡｌを含む第１のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程と、
    前記第１のｐ型窒化物半導体層上に前記第１のｐ型窒化物半導体層と平均Ａｌ組成が同等であるＡｌを含む第２のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程と、
    前記第２のｐ型窒化物半導体層上に前記第１のｐ型窒化物半導体層よりも平均Ａｌ組成が小さい第３のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程と、を含み、
    前記第２のｐ型窒化物半導体層および前記第３のｐ型窒化物半導体層はそれぞれ、前記第１のｐ型窒化物半導体層よりも低濃度にｐ型不純物がドープされる、窒化物半導体発光素子の製造方法。
  6. 前記第２のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程の後であって、前記第３のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程の前に、気相成長が中断される、請求項５に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  7. 前記気相成長の中断時に、気相の圧力を変化させる、請求項６に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  8. 前記第３のｐ型窒化物半導体層を気相成長させる工程の後に、前記第３のｐ型窒化物半導体層上に前記第３のｐ型窒化物半導体層よりも高濃度にｐ型不純物をドープした第４の窒化物半導体層を気相成長させる工程をさらに含む、請求項５から７のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  9. 前記窒化物半導体活性層と前記第１のｐ型窒化物半導体層との間にＡｌを含む窒化物半導体層をさらに含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子。
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