JP6500239B2

JP6500239B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

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Publication number: JP6500239B2
Application number: JP2016012756A
Authority: JP
Inventors: 賢吾永田
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: JP2017135215A; US9972745B2; US20170213936A1

Description

本明細書の技術分野は、III 族窒化物半導体発光素子に関する。特に、ピットを有するIII 族窒化物半導体発光素子に関するものである。

III 族窒化物半導体発光素子は、電子と正孔とが再結合することにより発光する発光層と、ｎ型半導体層と、ｐ型半導体層と、を有する。このIII 族窒化物半導体発光素子を製造する際には、基板の上に半導体層をエピタキシャル成長させる。この場合に、基板と半導体層との間の格子不整合に起因する貫通転位が半導体層に発生する。この貫通転位では、電子と正孔とは非発光再結合を起こす。非発光再結合とは、光とならずに熱となる再結合をいう。そのため、貫通転位の近傍に存在する電子は、貫通転位の箇所で非発光再結合を起こすおそれがある。この非発光再結合が多く生じるほど、半導体発光素子は発熱する。そして、この半導体発光素子の発光効率はこのような発熱の分だけ低い。

したがって、貫通転位での非発光再結合を抑制する技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、貫通転位に起因するピットを超格子構造１６もしくはＧａＮ層１２から発生させる技術が開示されている（特許文献１の段落［００５９］、［００７３］および図１、２参照）。超格子構造１６は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を有している。このようなピットが存在することにより、発光デバイスの輝度が向上したり、静電気放電耐性が改善されることが記載されている（特許文献１の段落［００４２］−［００４３］参照）。

特表２００８−５３９５８５号公報

このように、半導体発光素子の光出力は、研究開発により向上してきている。しかし、光出力をより向上させるためには、電子と正孔とを貫通転位によりさらに捕獲されないようにする必要がある。

本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、電子と正孔とが貫通転位に捕獲されることを抑制するIII 族窒化物半導体発光素子を提供することである。

第１の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｎ型半導体層からｐ型半導体層まで達する複数のピットと、を有する。ｎ型半導体層は、発光層から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層、ｕｄ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層の順で形成された半導体層を有する。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、複数のピットの起点を含む。

このIII 族窒化物半導体発光素子では、複数のピットの起点は、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の内部に位置している。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、ＧａＮ層に比べて高抵抗な半導体層である。そのため、キャリアが複数のピットに捕獲されにくい。つまり、キャリアが欠陥である貫通転位に捕獲されにくい。そのため、貫通転位における非発光再結合を抑制することができる。

第２の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｎ型半導体層からｐ型半導体層まで達する複数のピットと、を有する。ｎ型半導体層は、発光層から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＡｌＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層の順で形成された半導体層を有する。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、複数のピットの起点を含む。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層にドープされたＩｎがポテンシャルバリアを形成する。そのため、電子および正孔の存在確率は、貫通転位のまわりで低い。したがって、貫通転位での非発光再結合がより抑制されている。また、Ｉｎ原子のサーファクタント効果により、半導体層の表面の平坦性は向上する。そのため、発光効率に優れた半導体発光素子が実現されている。

第３の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子は、ｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の上の発光層と、発光層の上のｐ型半導体層と、ｎ型半導体層からｐ型半導体層まで達する複数のピットと、を有する。ｎ型半導体層は、発光層から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層の順で形成された半導体層を有する。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、複数のピットの起点を含む。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層にドープされたＩｎがポテンシャルバリアを形成する。そのため、電子および正孔の存在確率は、貫通転位のまわりで低い。したがって、貫通転位での非発光再結合がより抑制されている。また、Ｉｎ原子のサーファクタント効果により、半導体層の表面の平坦性は向上する。そのため、発光効率に優れた半導体発光素子が実現されている。

第４の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、ｎ型半導体層は、ｎ側静電耐圧層を有する。ｎ側静電耐圧層は、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層を有する。発光層は、障壁層を有する。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、障壁層のＡｌ組成よりも大きい。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、ピットにおける従来のポテンシャル障壁よりも高いエネルギー障壁を有する。つまり、このIII 族窒化物半導体発光素子では、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、キャリアブロック層として機能する。そのため、発光層のキャリアがｎ型半導体層に漏れにくい。

第５の態様におけるIII 族窒化物半導体発光素子においては、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚は、１ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内である。この場合に、III 族窒化物半導体発光素子の静電耐圧歩留りはよい。

本明細書では、電子と正孔とが貫通転位に捕獲されることを抑制するIII 族窒化物半導体発光素子が提供されている。

実施形態における発光素子の構造を示す概略構成図である。第１の実施形態における発光素子の半導体層の積層構造を示す図である。第１の実施形態の発光素子に形成されるピットを説明するための図である。第１の実施形態における発光素子の製造方法を説明するための図（その１）である。第１の実施形態における発光素子の製造方法を説明するための図（その２）である。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と全放射束との間の関係を示すグラフである。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と駆動電圧との間の関係を示すグラフである。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚と全放射束との間の関係を示すグラフである。図８を拡大したグラフである。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚と駆動電圧との間の関係を示すグラフである。図１０を拡大したグラフである。第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚と静電耐圧歩留りとの間の関係を示すグラフである。第２の実施形態の発光素子のｎ側静電耐圧層を説明するための図である。第３の実施形態の発光素子のｎ側静電耐圧層を説明するための図である。

以下、具体的な実施形態について、半導体発光素子とその製造方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。しかし、これらの実施形態に限定されるものではない。また、後述する半導体発光素子の各層の積層構造および電極構造は、例示である。実施形態とは異なる積層構造であってももちろん構わない。そして、それぞれの図における各層の厚みは、概念的に示したものであり、実際の厚みを示しているわけではない。また、後述するピットの大きさ等については、実際のものより大きく描いてある。

（第１の実施形態）
１．半導体発光素子
図１は、本実施形態の発光素子１００の概略構成を示す図である。図２は、発光素子１００における半導体層の積層構造を示す図である。発光素子１００は、フェイスアップ型の半導体発光素子である。発光素子１００は、III 族窒化物半導体から成る複数の半導体層を有する。

図１に示すように、発光素子１００は、基板１１０と、低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側静電耐圧層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０と、透明電極１９０と、ｎ電極Ｎ１と、ｐ電極Ｐ１と、を有している。低温バッファ層１２０と、ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側静電耐圧層１４０と、ｎ側超格子層１５０と、発光層１６０と、ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、半導体層Ｅｐ１である。ｎ型コンタクト層１３０と、ｎ側静電耐圧層１４０と、ｎ側超格子層１５０とは、ｎ型半導体層である。ｐ型クラッド層１７０と、ｐ型コンタクト層１８０とは、ｐ型半導体層である。また、ｎ型半導体層は、ドナーをドープしていないｕｄ−ＧａＮ層等を有していてもよい。ｐ型半導体層は、アクセプターをドープしていないｕｄ−ＧａＮ層等を有していてもよい。

基板１１０の主面上には、半導体層Ｅｐ１が、低温バッファ層１２０、ｎ型コンタクト層１３０、ｎ側静電耐圧層１４０、ｎ側超格子層１５０、発光層１６０、ｐ型クラッド層１７０、ｐ型コンタクト層１８０の順に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。

基板１１０は、ＭＯＣＶＤ法により、主面上に上記の各半導体層を形成するための成長基板である。そして、その表面に凹凸加工がされていてもよい。基板１１０の材質は、サファイアである。また、サファイア以外にも、ＳｉＣ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＮなどの材質を用いてもよい。

低温バッファ層１２０は、基板１１０の結晶性を受け継ぎつつ、上層を形成するためのものである。そのため、低温バッファ層１２０は、基板１１０の主面上に形成されている。低温バッファ層１２０の材質は、例えばＡｌＮやＧａＮである。

ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ電極Ｎ１とオーミック接触をとるためのものである。ｎ型コンタクト層１３０は、低温バッファ層１２０の上に形成されている。また、ｎ型コンタクト層１３０の上には、ｎ電極Ｎ１が位置している。ｎ型コンタクト層１３０は、ｎ型ＧａＮである。そのＳｉ濃度は１×１０¹⁸／ｃｍ³以上である。また、ｎ型コンタクト層１３０を、キャリア濃度の異なる複数の層としてもよい。ｎ電極Ｎ１とのオーミック性を向上させるためである。ｎ型コンタクト層１３０の厚みは、例えば、１０００ｎｍ以上１００００ｎｍ以下である。もちろん、これ以外の厚みを用いてもよい。

ｎ側静電耐圧層１４０は、各半導体層の静電破壊を防止するための静電耐圧層である。ｎ側静電耐圧層１４０は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。図２に示すように、ｎ側静電耐圧層１４０は、ｎ型ＧａＮ層１４１と、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２と、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３と、ｕｄ−ＧａＮ層１４４と、ｎ型ＧａＮ層１４５と、を有する。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層である。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成は、例えば、０．０４以上０．３０以下の範囲内である。好ましくは、０．０４以上０．２０以下である。より好ましくは、０．０７以上０．２０以下である。ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３は、故意にドープされていないＡｌＧａＮ層（ｕｄ−ＡｌＧａＮ：ｕｎｉｎｔｅｎｔｉｏｎａｌｌｙｄｏｐｅｄＡｌＧａＮ）である。ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３のドナー濃度は、５×１０¹⁷／ｃｍ³以下の程度である。ｕｄ−ＧａＮ層１４４は、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３と同様である。

ｎ型ＧａＮ層１４１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、ｎ型ＧａＮ層１４１の上に形成されている。ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の上に形成されている。ｕｄ−ＧａＮ層１４４は、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３の上に形成されている。ｎ型ＧａＮ層１４５は、ｕｄ−ＧａＮ層１４４の上に形成されている。つまり、発光層１６０から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層１４１、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３、ｕｄ−ＧａＮ層１４４、ｎ型ＧａＮ層１４５の順で形成されている。

ｎ型ＧａＮ層１４１の膜厚は、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚は、１ｎｍ以上１３０ｎｍ以下である。ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３の膜厚は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。ｕｄ−ＧａＮ層１４４の膜厚は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。ｎ型ＧａＮ層１４５の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これらの膜厚は、あくまで目安であり、これ以外の数値であってもよい。

ｎ側超格子層１５０は、発光層１６０に加わる応力を緩和するための歪緩和層である。より具体的には、ｎ側超格子層１５０は、超格子構造を有する超格子層である。ｎ側超格子層１５０は、ｎ側静電耐圧層１４０の上に形成されている。図２に示すように、ｎ側超格子層１５０は、ＩｎＧａＮ層１５１と、ＧａＮ層１５２と、ｎ型ＧａＮ層１５３と、を積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。その繰り返し回数は、１０回以上２０回以下の範囲内である。ただし、これ以外の回数であってもよい。ＩｎＧａＮ層１５１の膜厚は、０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。ＧａＮ層１５２の膜厚は、０．３ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。ｎ型ＧａＮ層１５３の膜厚は、０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内である。これらの膜厚は、あくまで目安であり、これ以外の数値であってもよい。

発光層１６０は、電子と正孔とが再結合することにより発光する層である。発光層１６０は、ｎ側超格子層１５０の上に形成されている。図２に示すように、発光層１６０は、井戸層１６１と、キャップ層１６２と、障壁層１６３と、を積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。つまり、発光層１６０は、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有するものである。キャップ層１６２は、井戸層１６１を熱から保護するための保護層である。例えば、井戸層１６１のＩｎを昇華させないようにする役割を担っている。

この積層の繰り返し回数は、例えば、５回以上２０回以下である。もちろん、これ以外の回数であってもよい。井戸層１６１は、ＩｎＧａＮ層である。キャップ層１６２は、例えば、ＧａＮ層である。障壁層１６３は、ＡｌＧａＮ層である。障壁層１６３におけるＡｌ組成は、７％程度である。この場合に、発光素子１００の光出力は高い。これらの材料は、あくまで例示である。そのため、これらの半導体層の材料は、その他の組成の半導体であってもよい。例えば、障壁層１６３は、ＧａＮ層であってもよい。

井戸層１６１の膜厚は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内である。キャップ１６２の膜厚は、０．２ｎｍ以上１．８ｎｍ以下の範囲内である。障壁層１６３の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。これらの数値は、あくまで例示である。そのため、これら以外の数値範囲を用いてもよい。なお、発光層１６０の全体での厚みは、５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内である。もちろん、これ以外の範囲内であってもよい。

ｐ型クラッド層１７０は、発光層１６０の上に形成されている。図２に示すように、ｐ型クラッド層１７０は、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層して形成したものである。繰り返し回数は、例えば、５回以上２０回以下である。もちろん、これ以外の回数であってもよい。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１のＩｎ組成比は、０．０５以上０．３０以下の範囲内である。ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１の膜厚は、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２のＡｌ組成比は、０．１０以上０．４以下の範囲内である。ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２の膜厚は、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。これらの数値は、あくまで例示である。したがって、これ以外の数値であってもよい。また、ｐ型クラッド層１７０は、上記と異なる構成であってもよい。

ｐ型コンタクト層１８０は、ｐ型クラッド層１７０の上に形成されている。ｐ型コンタクト層１８０の厚みは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ｐ型コンタクト層１８０では、Ｍｇが１×１０¹⁹／ｃｍ³以上１×１０²²／ｃｍ³以下の範囲内でドープされている。

透明電極１９０は、ｐ型コンタクト層１８０の上に形成されている。透明電極１９０の材質は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＣＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂、ＮｂＴｉＯ₂、ＴａＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂のいずれかであるとよい。

ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の上に形成されている。ｐ電極Ｐ１は、透明電極１９０の側から、Ｎｉ、Ａｕを順に形成したものである。もちろん、これ以外の構成であってもよい。

ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の上に形成されている。ｎ電極Ｎ１は、ｎ型コンタクト層１３０の側から、Ｖ、Ａｌを順に形成したものである。また、Ｔｉ、Ａｌを順に形成してもよい。もちろん、これ以外の構成であってもよい。

また、発光素子１００は、半導体層Ｅｐ１等を保護する保護膜を有していてもよい。

２．ピット
２−１．ピットの構造
図３は、発光素子１００のピットＫ１を示す図である。発光素子１００は、ｎ型半導体層からｐ型半導体層まで達する複数のピットＫ１を有する。図３では、ｎ型半導体層の一部を取り出して描いてある。ピットＫ１は、発光素子１００の半導体層Ｅｐ１を成長させる際に貫通転位Ｑ１の箇所から形成される。ピットＫ１は、ｎ側静電耐圧層１４０のｎ型ＡｌＧａＮ層１４２から成長する。つまり、基板１１０から上方に成長する貫通転位がｎ側静電耐圧層１４０の膜の内部で、横方向、すなわち貫通転位の成長方向に対して垂直な方向に広がる。そして、それがピットＫ１となる。そして、ピットＫ１は、ｐ型コンタクト層１８０に達するまで成長する。

ここで、ピットＫ１は、貫通転位Ｑ１における起点Ｊ１から成長し始める。半導体層は、実際には、多数のピットＫ１を有している。ピットＫ１の起点Ｊ１は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の内部に位置している。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、複数のピットＫ１の起点Ｊ１を含む。そして、これらの多数のピットＫ１の起点Ｊ１は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２におけるほぼ同じ深さの位置に位置している。

このピットＫ１のピット径は、ｎ側静電耐圧層１４０の膜厚と、ｎ側静電耐圧層１４０を成長させる成長温度とにより、変化する。ｎ側静電耐圧層１４０の膜厚を厚くするほど、ピット径は大きくなる。逆に、ｎ側静電耐圧層１４０の膜厚を薄くするほど、ピット径は小さくなる。また、ｎ側静電耐圧層１４０を成長させる成長温度を高くするほど、ピット径は小さくなる。逆に、ｎ側静電耐圧層１４０を成長させる成長温度を低くするほど、ピット径は大きくなる。

発光層１６０とｐ型クラッド層１７０との境界面におけるピット径は、１６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。ｎ側静電耐圧層１４０とｎ側超格子層１５０との境界面におけるピット径は、１４０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下である。発光層１６０とｐ型クラッド層１７０との境界面におけるピットＫ１の平均ピット密度は、１．０×１０⁸ｃｍ^-2以上４．０×１０⁸ｃｍ^-2以下の範囲内である。発光層１６０とｐ型クラッド層１７０との境界面におけるピットＫ１が占める面積の割合は、３％以上７％以下の範囲内である。ｎ側静電耐圧層１４０とｎ側超格子層１５０との境界面におけるピットＫ１が占める面積の割合は、２％以上６％以下の範囲内である。これらは、あくまで目安である。そのため、上記の指標は、これら以外の数値をとる場合がある。

２−２．ＡｌＧａＮ層からピットを成長させる場合の効果
前述のように、ピットＫ１の起点Ｊ１は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の内部に位置している。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、ＧａＮ層に比べて高抵抗な半導体層である。そのため、キャリアがピットＫ１に入りにくい。つまり、キャリアが欠陥である貫通転位Ｑ１に捕獲されにくい。そのため、貫通転位Ｑ１における非発光再結合を抑制することができる。

上記のように、一般に、ｎ型ＡｌＧａＮ層の電気抵抗は、ＧａＮ層の電気抵抗より高い。そのため、一般に、半導体発光素子の半導体層としてＡｌＧａＮ層を用いることは避けたほうが好ましい。しかし、本実施形態では、キャリアが貫通転位Ｑ１で非発光再結合をすることを抑制するために、ｎ側静電耐圧層１４０にｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を設ける。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚は、それほど厚くないことが好ましい。高抵抗なｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚が厚いと、ピットＫ１以外の平坦な領域に電流が流れにくくなるからである。そのため、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であるとよい。詳しくは、後の実験の項目で述べる。

３．半導体発光素子の製造方法
ここで、本実施形態に係る発光素子１００の製造方法について説明する。有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、各半導体層の結晶をエピタキシャル成長させる。ここで用いるキャリアガスは、水素（Ｈ₂）もしくは窒素（Ｎ₂）もしくは水素と窒素との混合気体（Ｈ₂＋Ｎ₂）である。窒素源として、アンモニアガス（ＮＨ₃）を用いる。Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃）を用いる。Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ₃）₃）を用いる。Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）を用いる。ｎ型ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）を用いる。ｐ型ドーパントガスとして、ビス（シクロペンタジエニル）マグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅Ｈ₅）₂）を用いる。また、これら以外のガスを用いてもよい。

３−１．ｎ型コンタクト層形成工程
まず、基板１１０の主面上に低温バッファ層１２０を形成する。そして、バッファ層１２０の上にｎ型コンタクト層１３０を形成する。このときの基板温度は、１０８０℃以上１１４０℃以下である。

３−２．ｎ側静電耐圧層形成工程
次に、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ側静電耐圧層１４０を形成する。まず、シラン（ＳｉＨ₄）を供給して、ｎ型ＧａＮ層１４１を形成する。次に、シラン（ＳｉＨ₄）を供給して、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を形成する。そして、シラン（ＳｉＨ₄）の供給を停止して、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層１４３を形成する。そして、シラン（ＳｉＨ₄）の供給を停止して、ｕｄ−ＧａＮ層１４４を形成する。そして、シラン（ＳｉＨ₄）を再び供給して、ｎ型ＧａＮ層１４５を形成する。このときの基板温度は、７５０℃以上９５０℃以下の範囲内である。そして、この工程では、図４に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を起点としてピットＫ２を形成する。そのためには、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を形成する際に、基板温度を降下させればよい。したがって、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を形成する際の基板温度は、ｎ型ＧａＮ層１４１を形成する際の基板温度よりも低い。ピットＫ２は、この後の半導体層の成長にともなって成長し、ピットＫ１となる。このように、ピットＫ２を形成しつつ、ｎ側静電耐圧層１４０を形成する。

３−３．ｎ側超格子層形成工程
次に、ｎ側超格子層１５０を形成する。まずは、ｎ側静電耐圧層１４０のｎ型ＧａＮ層１４５の上にＩｎＧａＮ層１５１から形成する。次に、ＩｎＧａＮ層１５１の上にＧａＮ層１５２を形成する。そして、ＧａＮ層１５２の上にｎ型ＧａＮ層１５３を形成する。このように、ＩｎＧａＮ層１５１と、ＧａＮ層１５２と、ｎ型ＧａＮ層１５３と、を積層した単位積層体を繰り返し積層する。

３−４．発光層形成工程
次に、ｎ側超格子層１５０の上に発光層１６０を形成する。そのために、井戸層１６１と、キャップ層１６２と、障壁層１６３と、をこの順序で積層した単位積層体を繰り返し積層する。つまり、発光層形成工程は、井戸層１６１を形成する井戸層形成工程と、井戸層１６１の上にキャップ層１６２を形成するキャップ層形成工程と、キャップ層１６２の上に障壁層１６３を形成する障壁層形成工程と、を有する。そして、これらの工程を繰り返し行う。そのため、障壁層１６３の上に再び井戸層１６１を形成することとなる。井戸層１６１を成長させる際の基板温度を７３０℃以上８５０℃以下の範囲内とする。

３−５．ｐ型クラッド層形成工程
次に、発光層１６０の上にｐ型クラッド層１７０を形成する。ここでは、ｐ型ＩｎＧａＮ層１７１と、ｐ型ＡｌＧａＮ層１７２と、を繰り返し積層する。

３−６．ｐ型コンタクト層形成工程
次に、ｐ型クラッド層１７０の上にｐ型コンタクト層１８０を形成する。基板温度を、９００℃以上１０５０℃以下の範囲内とする。これにより、図５に示すように、基板１１０に各半導体層が積層されることなる。このとき、ピットＫ１は、ｎ側静電耐圧層１４０からｐ型コンタクト層１８０に達するまでの領域にわたって形成されている。

３−７．透明電極形成工程
次に、ｐ型コンタクト層１８０の上に透明電極１９０を形成する。

３−８．電極形成工程
次に、透明電極１９０の上にｐ電極Ｐ１を形成する。そして、レーザーもしくはエッチングにより、ｐ型コンタクト層１８０の側から半導体層の一部を抉ってｎ型コンタクト層１３０を露出させる。そして、その露出箇所に、ｎ電極Ｎ１を形成する。ｐ電極Ｐ１の形成工程とｎ電極Ｎ１の形成工程は、いずれを先に行ってもよい。

３−９．その他の工程
また、上記の工程の他、熱処理工程、絶縁膜形成工程、その他の工程を実施してもよい。以上により、図１に示す発光素子１００が製造される。

４．実験
４−１．ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と全放射束
図６は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成と全放射束との間の関係を示すグラフである。図６の横軸はｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成である。図６の縦軸は発光素子の全放射束Ｐｏである。なお、Ａｌ組成がゼロのときの全放射束Ｐｏの値を１とおいた。図６に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成を大きくしていくと、全放射束は徐々に上昇する。そして、あるＡｌ組成より大きくなると、全放射束は徐々に減少する。

図６に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成は、０．０１以上０．３以下であるとよい。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成が０．０１以上０．３以下の場合における発光素子の全放射束の値は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成が０であったとした場合における発光素子の全放射束の値よりも大きい。特に、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成は、０．０４以上０．２以下であるとより好ましい。

ここで、障壁層１６３は、Ａｌ組成が７％のＡｌＧａＮ層である。後述する変形例の項目で説明するように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成は、障壁層１６３のＡｌ組成よりも大きいことが好ましい。発光層１６０からのキャリアの漏れを防止できるからである。そのため、さらに好ましくは、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成は、０．０７以上０．２以下である。

４−２．ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成と駆動電圧
図７は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成と駆動電圧との間の関係を示すグラフである。図７の横軸はｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成である。図７の縦軸は発光素子の駆動電圧Ｖｆである。なお、Ａｌ組成がゼロのときの駆動電圧Ｖｆの値を１とおいた。図７に示すように、駆動電圧Ｖｆは、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成にほとんど依存しない。

４−３．ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚と全放射束
図８は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚と全放射束との間の関係を示すグラフである。図８の横軸はｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚（Å）である。図８の縦軸は発光素子の全放射束Ｐｏである。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚がゼロのときの全放射束Ｐｏの値を１とおいた。このとき、ｎ型ＡｌＧａＮ層は存在せず、代わりにｎ型ＧａＮ層が存在する。図８に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚が大きくなると、発光素子の全放射束Ｐｏは上昇する。そして、全放射束Ｐｏが１．０１程度で飽和する。

図９は、図８の拡大図である。図９に示すように、膜厚が数百Åの範囲内では、発光素子の全放射束は膜厚の増加に伴って上昇する。

４−４．ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚と駆動電圧
図１０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚と駆動電圧との間の関係を示すグラフである。図１０の横軸はｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚（Å）である。図１０の縦軸は発光素子の駆動電圧Ｖｆである。なお、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚がゼロのときの駆動電圧Ｖｆの値を１とおいた。図１０に示すように、駆動電圧Ｖｆは、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚にほとんど依存しない。

図１１は、図１０の拡大図である。図１１に示すように、膜厚が数百Åの範囲内では、発光素子の駆動電圧Ｖｆはほぼ一定である。

４−５．ｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚と静電耐圧歩留り
図１２は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚と静電耐圧歩留りとの間の関係を示すグラフである。図１２の横軸はｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚（Å）である。図１２の縦軸は発光素子の静電耐圧歩留りである。図１２に示すように、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚が１３００Åより大きいと、発光素子の歩留りが低下する。そのため、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚は、１３０ｎｍ以下であることが好ましい。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚は、１ｎｍ以上１３０ｎｍ以下であるとよい。

４−６．ｎ型ＡｌＧａＮ層の効果
本実施形態では、ピットＫ１の起点Ｊ１が、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の内部に位置している。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の抵抗は、ｎ型ＧａＮ層の抵抗に比べて高い。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、キャリアのブロック機能を有している。そのため、キャリアが、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の内部のピットＫ１の起点Ｊ１のまわりに存在しにくい。よって、キャリアが貫通転位Ｑ１の箇所で非発光再結合することがほとんどない。その結果、発光素子の全放射束Ｐｏは向上している。

図６について考慮すると、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成が小さすぎると、貫通転位Ｑ１におけるキャリアの漏れを十分に抑制することが困難であると考えられる。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成が大きすぎる場合には、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の抵抗が高い。そのため、ピットＫ１以外の箇所において電流が流れにくくなると考えられる。

また、図８および図９について考慮すると、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚が薄すぎると、貫通転位Ｑ１におけるキャリアの漏れを十分に抑制することが困難であると考えられる。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の膜厚が厚すぎる場合には、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２の抵抗が高い。そのため、ピットＫ１以外の箇所において電流が流れにくくなると考えられる。

５．変形例
５−１．ｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成
本実施形態では、障壁層１６３は、ＡｌＧａＮ層である。このように、障壁層１６３は、Ａｌを含有する。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２のＡｌ組成は、障壁層１６３のＡｌ組成より大きいとよい。これにより、発光層１６０に閉じ込められているキャリアが発光層１６０から漏れ出しにくいからである。つまり、この場合には、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、発光層１６０からのキャリアの漏れを抑制する。そして、この場合には、この発光素子の発光効率は従来より高い。

５−２．ピットの埋め込み
本実施形態では、ピットＫ１は、ｎ側静電耐圧層１４０からｐ型コンタクト層１８０まで達している。しかし、ピットＫ１をｐ型クラッド層１７０まで達したところで埋め込んでもよい。ピットＫ１は、ｎ型半導体層からｐ型半導体層まで形成されていることに変わりないからである。このように、ピットＫ１は、ｐ型半導体層の途中で埋めて良い。

５−３．発光層
本実施形態では、発光層１６０は、井戸層１６１と、キャップ層１６２と、障壁層１６３と、を積層した単位積層体を繰り返し積層したものである。しかし、キャップ層１６２は、無くてもよい。その場合には、井戸層１６１と、障壁層１６３と、を単位積層体として繰り返し積層すればよい。

５−４．フリップチップ
本実施形態の発光素子１００は、フェイスアップ型の発光素子である。しかし、フリップチップ型の発光素子にも、本技術を適用することができる。

５−５．ｎ側静電耐圧層
本実施形態では、ｎ側静電耐圧層１４０は、５層構造である。しかし、これ以外の構造であってもよい。ｎ側静電耐圧層１４０は、ピットＫ１の起点Ｊ１を有するｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を有すればよい。

６．本実施形態のまとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態の発光素子１００においては、ｎ側静電耐圧層１４０は、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２を有する。ｎ型ＡｌＧａＮ層１４２は、その内部にピットＫ１の起点Ｊ１を有する。そのため、キャリアが貫通転位Ｑ１の箇所から漏れにくい。これにより、全放射束が向上した発光素子１００が実現されている。

なお、以上に説明した実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。積層体の積層構造については、必ずしも図に示したものに限らない。積層構造や各層の繰り返し回数等、任意に選択してよい。また、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に限らない。キャリアガスを用いて結晶を成長させる方法であれば、他の方法を用いてもよい。また、液相エピタキシー法、分子線エピタキシー法等、その他のエピタキシャル成長法により半導体層を形成することとしてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。ｎ側静電耐圧層の積層構造が、第２の実施形態と第１の実施形態との間で異なっている。そのため、異なる点について説明する。

１．ｎ側静電耐圧層
図１３に示すように、本実施形態の発光素子２００は、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ側静電耐圧層２４０を有している。ｎ側静電耐圧層２４０は、ｎ型ＧａＮ層２４１と、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４２と、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層２４３と、ｕｄ−ＡｌＩｎＧａＮ層２４４と、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層２４５と、ｕｄ−ＧａＮ層２４６と、ｎ型ＧａＮ層２４７と、を有する。つまり、発光層１６０から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層２４１、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４２、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層２４３、ｕｄ−ＡｌＩｎＧａＮ層２４４、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層２４５、ｕｄ−ＧａＮ層２４６、ｎ型ＧａＮ層２４７の順で形成されている。

発光素子２００は、複数のピットＫ１を有する。ピットＫ１の起点Ｊ１は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４２の内部に位置している。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４２は、複数のピットＫ１の起点Ｊ１を含む。

ｎ型ＧａＮ層２４１の膜厚は、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。ｎ型ＡｌＧａＮ層２４２の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層２４３の膜厚は、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。ｕｄ−ＡｌＩｎＧａＮ層２４４の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層２４２とｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層２４３とｕｄ−ＡｌＩｎＧａＮ層２４４との合計の膜厚は、２１ｎｍ以上１３０ｎｍ以下である。ｕｄ−ＩｎＧａＮ層２４５の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ｕｄ−ＧａＮ層２４６の膜厚は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。ｎ型ＧａＮ層２４７の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これらの膜厚は、あくまで目安であり、これ以外の数値であってもよい。

２．Ｉｎの効果
ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層２４３にドープされたＩｎがポテンシャルバリアを形成する。そのため、電子および正孔の存在確率は、貫通転位のまわりで低い。したがって、貫通転位での非発光再結合がより抑制されている。また、Ｉｎ原子のサーファクタント効果により、半導体層の表面の平坦性は向上する。そのため、発光効率に優れた半導体発光素子が実現されている。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。ｎ側静電耐圧層の積層構造が、第３の実施形態と第１の実施形態との間で異なっている。そのため、異なる点について説明する。

１．ｎ側静電耐圧層
図１４に示すように、本実施形態の発光素子３００は、ｎ型コンタクト層１３０の上にｎ側静電耐圧層３４０を有している。ｎ側静電耐圧層３４０は、ｎ型ＧａＮ層３４１と、ｎ型ＡｌＧａＮ層３４２と、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層３４３と、ｎ型ＩｎＧａＮ層３４４と、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層３４５と、ｕｄ−ＧａＮ層３４６と、ｎ型ＧａＮ層３４７と、を有する。つまり、発光層１６０から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層３４１、ｎ型ＡｌＧａＮ層３４２、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層３４３、ｎ型ＩｎＧａＮ層３４４、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層３４５、ｕｄ−ＧａＮ層３４６、ｎ型ＧａＮ層３４７の順で形成されている。

発光素子３００は、複数のピットＫ１を有する。ピットＫ１の起点Ｊ１は、ｎ型ＡｌＧａＮ層３４２の内部に位置している。つまり、ｎ型ＡｌＧａＮ層３４２は、複数のピットＫ１の起点Ｊ１を含む。

ｎ型ＧａＮ層３４１の膜厚は、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。ｎ型ＡｌＧａＮ層３４２の膜厚は、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層３４３の膜厚は、５ｎｍ以上１１０ｎｍ以下である。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層３４２とｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層３４３との合計の膜厚は、６ｎｍ以上１３０ｎｍ以下である。ｎ型ＩｎＧａＮ層３４４の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ｕｄ−ＩｎＧａＮ層３４５の膜厚は、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。ｕｄ−ＧａＮ層３４６の膜厚は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。ｎ型ＧａＮ層３４７の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。これらの膜厚は、あくまで目安であり、これ以外の数値であってもよい。

２．Ｉｎの効果
ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層３４３にドープされたＩｎがポテンシャルバリアを形成する。そのため、電子および正孔の存在確率は、貫通転位のまわりで低い。したがって、貫通転位での非発光再結合がより抑制されている。また、Ｉｎ原子のサーファクタント効果により、半導体層の表面の平坦性は向上する。そのため、発光効率に優れた半導体発光素子が実現されている。

１００…発光素子
１１０…基板
１２０…低温バッファ層
１３０…ｎ型コンタクト層
１４０、２４０、３４０…ｎ側静電耐圧層
１４１…ｎ型ＧａＮ層
１４２、２４２、３４２…ｎ型ＡｌＧａＮ層
１４３…ｕｄ−ＡｌＧａＮ層
１４４…ｕｄ−ＧａＮ層
１４５…ｎ型ＧａＮ層
１５０…ｎ側超格子層
１６０…発光層
１７０…ｐ型クラッド層
１８０…ｐ型コンタクト層
１９０…透明電極
Ｎ１…ｎ電極
Ｐ１…ｐ電極
Ｊ１…起点
Ｋ１、Ｋ２…ピット

Claims

ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上の発光層と、
前記発光層の上のｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層から前記ｐ型半導体層まで達する複数のピットと、
を有し、
前記ｎ型半導体層は、
前記発光層から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層、ｕｄ−ＡｌＧａＮ層、ｕｄ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層の順で形成された半導体層を有し、
前記第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、
前記複数のピットの起点を含むこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上の発光層と、
前記発光層の上のｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層から前記ｐ型半導体層まで達する複数のピットと、
を有し、
前記ｎ型半導体層は、
前記発光層から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＡｌＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層の順で形成された半導体層を有し、
前記第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、
前記複数のピットの起点を含むこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上の発光層と、
前記発光層の上のｐ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層から前記ｐ型半導体層まで達する複数のピットと、
を有し、
前記ｎ型半導体層は、
前記発光層から遠い側から、ｎ型ＧａＮ層、第１のｎ型ＡｌＧａＮ層、ｎ型ＡｌＩｎＧａＮ層、ｎ型ＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＩｎＧａＮ層、ｕｄ−ＧａＮ層、ｎ型ＧａＮ層の順で形成された半導体層を有し、
前記第１のｎ型ＡｌＧａＮ層は、
前記複数のピットの起点を含むこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記ｎ型半導体層は、
ｎ側静電耐圧層を有し、
前記ｎ側静電耐圧層は、
前記第１のｎ型ＡｌＧａＮ層を有し、
前記発光層は、
障壁層を有し、
前記第１のｎ型ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は、
前記障壁層のＡｌ組成よりも大きいこと
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子において、
前記第１のｎ型ＡｌＧａＮ層の膜厚は、
１ｎｍ以上１３０ｎｍ以下の範囲内であること
を特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。