WO2021106928A1 - 窒化物半導体素子 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a nitride semiconductor device.
  • Patent Document 1 discloses a light emitting device having a multiple quantum well structure suitable for emitting deep ultraviolet light.
  • near-ultraviolet light emitting devices are also being developed for resin curing and various sensing.
  • Such a nitride semiconductor device that emits ultraviolet light has been improved in order to improve its characteristics, for example, light emission output, but the characteristics have not yet been sufficiently enhanced.
  • an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device that emits ultraviolet light with a high emission output.
  • the nitride semiconductor device is The n-side nitride semiconductor layer and An active layer provided on the n-side nitride semiconductor layer and provided with a plurality of well layers made of a nitride semiconductor and a plurality of barrier layers made of a nitride semiconductor.
  • a p-side nitride semiconductor layer provided on the active layer is provided.
  • the plurality of well layers are formed in order from the n-side nitride semiconductor layer side.
  • the film thickness of the first intermediate layer is thinner than the film thickness of the second intermediate layer and the light emitting layer.
  • the barrier layer arranged between the second intermediate layer and the light emitting layer is doped with n-type impurities.
  • the nitride semiconductor device According to the nitride semiconductor device according to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor device that emits ultraviolet light with a high emission output.
  • FIG. 1 shows the structure of the nitride semiconductor element which concerns on one Embodiment of this invention arranged on the substrate. It is a figure which showed the multiple quantum well structure of the nitride semiconductor element shown in FIG. It is a figure which showed the bandgap energy of the multiple quantum well structure shown in FIG. It is sectional drawing of the 1st substrate prepared in the manufacturing method of the light emitting device of one Embodiment of this invention. It is sectional drawing when the n-side nitride semiconductor layer was formed on the upper surface of the prepared 1st substrate in the manufacturing method of the light emitting device of one Embodiment of this invention. FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view when an active layer is formed on an n-side nitride semiconductor layer formed on the upper surface of a first substrate in the method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • a cross section of a first wafer in which a p-side nitride semiconductor layer is formed on an active layer formed on an upper surface of a first substrate via an n-side nitride semiconductor layer It is a figure.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view when a metal film for forming a second electrode is formed on the p-side nitride semiconductor layer of the first wafer in the method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • the resist formed on the p-side nitride semiconductor layer of the first wafer is removed together with the metal film formed on the resist, and the first wafer has a predetermined shape.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view when an insulating film is formed between the second electrodes on the p-side nitride semiconductor layer of the first wafer and on the resist in the method for manufacturing the light emitting device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view when a metal layer is formed on a second electrode and an insulating film formed on a p-side nitride semiconductor layer of a first wafer in the method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view when a second substrate having a metal layer formed on one surface thereof is prepared and the first wafer and the second substrate are opposed to each other in the method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view in which a first wafer and a second substrate are joined by joining metal layers to each other in the method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing of the 2nd wafer manufactured in the manufacturing method of the light emitting device of one Embodiment of this invention. It is sectional drawing when a part of the nitride semiconductor element of the manufactured 2nd wafer is removed in the manufacturing method of the light emitting device of one Embodiment of this invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view when a first electrode having a predetermined pattern is formed on the n-side nitride semiconductor layer of the second wafer in the method for manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention. It is a figure which showed the multiple quantum well structure of the nitride semiconductor element which concerns on one modification of this invention.
  • the semiconductor structure used for the light emitting diode is an n-type n-side nitride semiconductor layer, a p-type p-side nitride semiconductor layer, and an active layer provided between the n-side nitride semiconductor and the p-side nitride semiconductor. And have. Further, as the active layer, for example, a multiple quantum well structure including a plurality of well layers is used.
  • the well layer located on the p-side nitride semiconductor layer side of the plurality of well layers contributes to light emission, and the n-side nitride semiconductor The well layer located on the layer side tends not to contribute to light emission. Further, the well layer located on the n-side nitride semiconductor layer side may absorb (self-absorb) the light emitted by the well layer located on the p-side nitride semiconductor layer side, thereby deteriorating the light extraction efficiency.
  • the present inventor focuses on the recombination probability of electrons and holes, the relaxation of the crystal lattice in the semiconductor layer, and the self-absorption of light by the semiconductor layer as factors that affect the emission output of the nitride semiconductor device. And did a diligent study.
  • the present inventor first examined a method for reducing self-absorption of light in a plurality of well layers.
  • the self-absorption of light by the well layer is reduced as the bandgap energy of the semiconductor layer constituting the well layer increases. Therefore, the present inventor presents the bandgap energy of the well layer (intermediate layer) located on the n-side nitride semiconductor layer side that does not contribute to light emission to the well layer that contributes to light emission located on the p-side nitride semiconductor layer side. It was examined to reduce the self-absorption of light in the active layer by making it larger than the bandgap energy.
  • Nitride semiconductor devices having a plurality of well layers configured in this way were expected to exhibit higher emission output than conventional nitride semiconductor elements, but in reality, sufficiently high emission output cannot be obtained. could not.
  • the present inventor has repeatedly studied this result, and the reason why the light emission output could not be sufficiently improved is that the light emitting layer caused by the difference in composition between the light emitting layer, which is a well layer contributing to light emission, and the intermediate layer. It was speculated that the relaxation of the crystal lattice between the and the intermediate layer hindered the improvement of the emission output. Based on this conjecture, the present inventor has placed a second intermediate layer having a smaller bandgap than the first intermediate layer between the light emitting layer and the intermediate layer (first intermediate layer) in order to suppress lattice relaxation. , The light emission output could be improved as compared with the case where the second intermediate layer was not provided.
  • the nitride semiconductor device including the first intermediate layer having a large bandgap energy, the second intermediate layer having a bandgap energy smaller than the first intermediate layer, and the light emitting layer in this order from the n-side nitride semiconductor layer side.
  • the following findings were obtained. (1) By making the film thickness of the first intermediate layer thinner than the film thickness of the second intermediate layer and the light emitting layer, it is possible to more effectively suppress the self-absorption of the light emitted by the light emitting layer in the first intermediate layer. it can.
  • the barrier layer between the light emitting layer and the second intermediate layer with an n-type impurity, recombination in the light emitting layer can be further promoted.
  • the light emitting layer is a layer containing Ga and N in consideration of the recombination probability of electrons and holes, and a predetermined emission wavelength is set mainly by adjusting the composition ratio of In, Ga and N. Is preferable.
  • the bandgap energy of the first intermediate layer is a layer containing Al, Ga and N, and is larger than the bandgap energy of the light emitting layer by mainly adjusting the composition ratio of Al, Ga and N.
  • the second intermediate layer is a layer containing Ga and N, and has a bandgap energy smaller than the bandgap energy of the first intermediate layer mainly by adjusting the composition ratio of Ga and N.
  • the nitride semiconductor device is made based on the above findings, and is provided on an n-side nitride semiconductor layer and an n-side nitride semiconductor layer, and is provided on a plurality of well layers composed of nitride semiconductors.
  • An active layer including a plurality of barrier layers made of a nitride semiconductor, and a p-side nitride semiconductor layer provided on the active layer.
  • the plurality of well layers have a band gap smaller than that of the barrier layer in order from the n-side nitride semiconductor layer side, and the first intermediate layer containing Al, Ga, and N and a band smaller than the first intermediate layer.
  • It has a second intermediate layer having a gap energy and containing Ga and N, and a light emitting layer having a bandgap energy smaller than that of the first intermediate layer and emitting ultraviolet light containing Ga and N. ..
  • the film thickness of the first intermediate layer is thinner than the film thickness of the second intermediate layer and the light emitting layer, and among the plurality of barrier layers, the barrier layer arranged between the second intermediate layer and the light emitting layer is n-type. Impurities are doped.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a nitride semiconductor element 1 according to the present embodiment arranged on the second substrate 22.
  • the nitride semiconductor element 1 is arranged on the second substrate 22.
  • the nitride semiconductor element 1 includes a p-side nitride semiconductor layer 13, an active layer 12, and an n-side nitride semiconductor layer 11 in this order from the second substrate 22 side.
  • the first electrode 31 is electrically connected to the n-side nitride semiconductor layer 11.
  • the second electrode 32 is electrically connected to the p-side nitride semiconductor layer 13.
  • the nitride semiconductor element 1 is bonded to the second substrate 22 via the metal layer 40.
  • the nitride semiconductor device 1 having such a structure can make the active layer 12 emit light by applying a voltage between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the light emitted by the nitride semiconductor element 1 is mainly emitted from the surface side of the n-side nitride semiconductor layer 11 where the first electrode 31 is provided.
  • the nitride semiconductor device 1 of the present embodiment will be described in detail.
  • the n-side nitride semiconductor layer 11 is, for example, a nitride semiconductor doped with n-type impurities such as Si.
  • the n-side nitride semiconductor layer 11 may be composed of a single layer or may be composed of a plurality of layers. Further, the n-side nitride semiconductor layer 11 may include, for example, an undoped semiconductor layer as a part.
  • the undoped semiconductor layer refers to a layer grown without adding n-type impurities when grown, and includes, for example, unavoidable impurities mixed from adjacent layers by diffusion or the like. You may.
  • the p-side nitride semiconductor layer 13 is, for example, a nitride semiconductor doped with p-type impurities such as Mg.
  • the p-side nitride semiconductor layer 13 may be composed of a single layer or may be composed of a plurality of layers. Further, the p-side nitride semiconductor layer 13 may include, for example, an undoped semiconductor layer as a part.
  • the active layer 12 includes a plurality of well layers made of a nitride semiconductor and a plurality of barrier layers made of a nitride semiconductor.
  • the multiple quantum well structure according to the present embodiment is a first layer portion 2 including a plurality of first intermediate layers 6 and a plurality of barrier layers 5 in order from the n-side nitride semiconductor layer 11 side.
  • the first layer portion 2 is a portion in which the first intermediate layer 6 and the barrier layer 5 are alternately laminated.
  • a barrier layer 5 is arranged on the n-side nitride semiconductor layer 11, a first intermediate layer 6 is arranged on the barrier layer 5, and thereafter, the barrier layer 5 and the first intermediate layer 6 are alternately laminated.
  • the barrier layer 5 is arranged at the top.
  • the first layer portion 2 according to the present embodiment includes four barrier layers 5 and three first intermediate layers 6. As shown in FIG. 3, the barrier layer has a bandgap energy larger than that of the well layer. This also applies to the following second layer portion 3 and third layer portion 4.
  • the barrier layer 5 is a nitride semiconductor layer containing Al, Ga, and N.
  • the nitride semiconductor layer containing Al, Ga and N is, for example, a ternary compound.
  • the general formula of the barrier layer 5 is, for example, Al a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1).
  • the mixed crystal ratio of Al in the barrier layer 5 is preferably 0.05 ⁇ a ⁇ 0.15.
  • the film thickness of the barrier layer 5 is, for example, 10 nm or more and 50 nm or less, preferably 20 nm or more and 40 nm.
  • the barrier layer 5 of the first layer portion 2 may be doped with n-type impurities, similarly to the n-type impurity-doped barrier layer 7 of the second layer portion 3, which will be described later. Further, among the plurality of barrier layers 5, a part of the barrier layer 5 may be a barrier layer doped with n-type impurities, and the other part may be a barrier layer not doped with n-type impurities. By doping the barrier layer 5 of the first layer portion 2 with an n-type impurity, the recombination probability in the light emitting layer 10 is increased as in the case of the n-type impurity-doped barrier layer 7 of the second layer portion 3 described later. be able to.
  • the first intermediate layer 6 is a nitride semiconductor layer containing Al, Ga, and N. As shown in FIG. 3, the first intermediate layer 6 has a bandgap energy larger than that of the second intermediate layer 8 and the light emitting layer 10.
  • the first intermediate layer 6 is, for example, a ternary compound or a quaternary compound.
  • Formula of the first intermediate layer 6 is, for example, Al b In c Ga 1-b -c N (0 ⁇ b ⁇ 1,0 ⁇ c ⁇ 1, b + c ⁇ 1).
  • the mixed crystal ratio of Al in the first intermediate layer 6 is preferably 0.03 ⁇ b ⁇ 0.1.
  • the In content of the first intermediate layer 6 is preferably 0 ⁇ c ⁇ 0.03.
  • the first intermediate layer 6 By having the first intermediate layer 6 having such a composition, it is possible to suppress the absorption of light emitted from the light emitting layer 10.
  • the first intermediate layer 6 is a non-luminous well layer that does not substantially emit light, unlike the light emitting layer 10.
  • the film thickness of the first intermediate layer 6 is thinner than the film thickness of the second intermediate layer 8 and the light emitting layer 10. By having such a film thickness, self-absorption by the first intermediate layer 6 can be effectively suppressed.
  • the film thickness of the first intermediate layer 6 is, for example, 2 nm or more and 10 nm or less, preferably 3 nm or more and 7 nm or less.
  • the first intermediate layer 6 having the bandgap energy and the film thickness described above serves as a buffer layer for growing the light emitting layer 10 described later with good crystallinity, and also absorbs the light emitted from the light emitting layer 10. It can be suppressed.
  • the second layer portion 3 is a portion in which one second intermediate layer 8 and one n-type impurity-doped barrier layer 7 are laminated.
  • the second intermediate layer 8 is arranged on the barrier layer 5 laminated on the uppermost surface of the first layer portion 2, and the n-type impurity-doped barrier layer 7 is arranged on the second intermediate layer 8.
  • the n-type impurity-doped barrier layer 7 in the second layer portion 3 is a nitride semiconductor layer containing Al, Ga, and N, which is doped with n-type impurities.
  • the n-type impurity-doped barrier layer 7 is, for example, a ternary compound.
  • the composition of the n-type impurity-doped barrier layer 7 may be the same as that of the barrier layer 5 described above.
  • the film thickness of the n-type impurity-doped barrier layer 7 is, for example, 20 nm or more and 40 nm.
  • the n-type impurity is, for example, Si.
  • the concentration of n-type impurities in the n-type impurity-doped barrier layer 7 is, for example, 1 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 or less.
  • the structure can be such that it does not emit light.
  • the second intermediate layer 8 is a nitride semiconductor layer containing Ga and N, and is preferably a nitride semiconductor layer containing In, Ga and N. Further, as shown in FIG. 3, the second intermediate layer 8 has a bandgap energy smaller than that of the first intermediate layer 6.
  • Formula of the second intermediate layer 8 is, for example, In d Ga 1-d N ( 0 ⁇ d ⁇ 1).
  • the In content of the second intermediate layer 8 is preferably smaller than the In content of the light emitting layer 10.
  • the bandgap energy of the second intermediate layer 8 can be made larger than the bandgap energy of the light emitting layer 10, and the light emitted from the light emitting layer 10 can be suppressed from being absorbed by the second intermediate layer 8.
  • the In content of the second intermediate layer 8 is preferably 0 ⁇ d ⁇ 0.03.
  • the second intermediate layer 8 is a non-luminous well layer that does not substantially emit light, unlike the light emitting layer 10 that emits light, like the first intermediate layer 6 described above.
  • the bandgap energy of the second intermediate layer 8 is substantially the same as the bandgap energy of the light emitting layer 10, it is preferable that the film thickness of the second intermediate layer 8 is thinner than the film thickness of the light emitting layer 10. As a result, it is possible to prevent the light emitted from the light emitting layer 10 from being absorbed by the second intermediate layer 8. By reducing the film thickness of the second intermediate layer 8, self-absorption by the second intermediate layer 8 is suppressed.
  • the film thickness of the second intermediate layer 8 is thicker than that of the first intermediate layer 6.
  • the film thickness of the second intermediate layer 8 is, for example, 5 nm or more and 20 nm or less, preferably 10 nm or more and 18 nm or less.
  • the second intermediate layer 8 having the bandgap energy and the film thickness described above suppresses the lattice relaxation of crystals generated between the first intermediate layer 6 and the light emitting layer 10 described later.
  • lattice relaxation is a phenomenon in which strain is dispersed by generating dislocations at the boundary portions of crystals having different lattice constants, but on the other hand, dislocations occur due to lattice relaxation, which tends to reduce crystallinity. .. Therefore, in the nitride semiconductor device of the present embodiment, by providing the second intermediate layer 8, the crystallinity deteriorated by laminating the first intermediate layer 6 composed of the nitride semiconductor containing Al is restored. Can be done.
  • the third layer portion 4 is a portion in which one light emitting layer 10 and one undoped barrier layer 9 are laminated.
  • the light emitting layer 10 is arranged on the n-type impurity-doped barrier layer 7 of the second layer portion 3, and the undoped barrier layer 9 is arranged on the light emitting layer 10.
  • the undoped barrier layer 9 in the third layer portion 4 is a nitride semiconductor layer that is not doped with n-type impurities.
  • the undoped barrier layer 9 is, for example, a ternary compound.
  • the undoped barrier layer 9 may have the same composition as the barrier layer 5 and the n-type impurity-doped barrier layer 7 described above.
  • the film thickness of the undoped barrier layer 9 is thicker than that of the barrier layer 5 and the n-type impurity-doped barrier layer 7.
  • the film thickness of the undoped barrier layer 9 is, for example, 30 nm or more and 50 nm or less.
  • the undoped barrier layer 9 does not contain n-type impurities, the holes that have moved from the p-side nitride semiconductor layer 13 pass through the undoped barrier layer 9 and move to the light emitting layer 10. Therefore, the holes are efficiently supplied to the light emitting layer 10, and the luminous efficiency of the light emitting layer 10 is improved.
  • the light emitting layer 10 is a nitride semiconductor layer containing Ga and N, and emits ultraviolet light.
  • ultraviolet light means light having a wavelength of 400 nm or less.
  • the general formula of the light emitting layer 10 is, for example, In e Ga 1-e N (0 ⁇ e ⁇ 1).
  • the content of In is preferably 0 ⁇ e ⁇ 0.05.
  • the light emitting layer 10 having such a composition emits ultraviolet light.
  • the peak wavelength of the light emitted by the light emitting layer 10 is, for example, 365 nm or more and 400 nm or less. Examples of the peak wavelength of the light emitting layer 10 are about 365 nm and about 385 nm. Further, as shown in FIG.
  • the light emitting layer 10 has, for example, substantially the same bandgap energy as the second intermediate layer 8.
  • the peak wavelength of the light emitting layer 10 can be set to, for example, 250 nm or more and 365 nm or less.
  • the Al content can be 0 ⁇ f ⁇ 0.6.
  • the film thickness of the light emitting layer 10 is equal to or greater than the film thickness of the second intermediate layer 8.
  • the film thickness of the light emitting layer 10 is, for example, 10 nm or more and 18 nm or less. The light emitting layer 10 having such a film thickness can promote the recombination of electrons and holes.
  • the first substrate 21 made of sapphire is prepared.
  • the n-type contact layer and the n-type clad layer are formed in order from the first substrate 21 side.
  • the n-side nitride semiconductor layer 11 containing the mixture is formed.
  • the n-side nitride semiconductor layer 11 may be formed on the first substrate 21 via a buffer layer.
  • the active layer 12 is formed on the n-side nitride semiconductor layer 11.
  • the active layer 12 is formed by the following steps.
  • the barrier layer 5 is grown on the n-side nitride semiconductor layer 11 using a raw material gas containing an Al raw material gas, a Ga raw material gas, and an N raw material gas (barrier layer growth step).
  • a raw material gas containing an Al raw material gas, a Ga raw material gas, and an N raw material gas barrier layer growth step.
  • the composition of the barrier layer 5 is, for example, AlGaN
  • the flow rate of the Al raw material gas is set in the range of 1 to 2 sccm
  • the flow rate of the Ga raw material gas is set in the range of 30 to 50 sccm
  • the flow rate of the N raw material gas is set.
  • the barrier layer 5 can be formed by setting 5 to 10 slm.
  • the first intermediate layer 6 is grown on the barrier layer 5 using the Al raw material gas, the In raw material gas, the Ga raw material gas, and the raw material gas containing the N raw material gas (first intermediate layer growth step).
  • the composition of the first intermediate layer 6 is, for example, AlInGaN
  • the flow rate of the Al raw material gas is set to 0.2 to 1.5 sccm
  • the flow rate of the In raw material gas is set to the range of 0.1 to 25 sccm.
  • the first intermediate layer 6 can be formed by setting the flow rate of the Ga raw material gas in the range of 30 to 50 sccm and setting the flow rate of the N raw material gas to 5 to 10 slm.
  • the first layer portion 2 having a plurality of barrier layers 5 and the first intermediate layer 6 is formed.
  • the step of forming the first layer portion 2 is completed in the barrier layer growth step.
  • the second intermediate layer 8 is grown on the barrier layer 5 using the raw material gas containing the In raw material gas, the Ga raw material gas, and the N raw material gas (second intermediate layer growth step).
  • the composition of the second intermediate layer 8 is, for example, InGaN
  • the flow rate of the In raw material gas is set in the range of 0.1 to 25 sccm
  • the flow rate of the Ga raw material gas is set in the range of 30 to 50 sccm
  • N The second intermediate layer 8 can be formed by setting the flow rate of the raw material gas in the range of 5 to 10 slm.
  • an n-type impurity-doped barrier layer 7 is grown on the second intermediate layer 8 using a raw material gas containing an Al raw material gas, a Ga raw material gas, an N raw material gas, and an n-type impurity raw material gas (n-type impurity). Dope barrier layer growth step).
  • the composition of the n-type impurity-doped barrier layer 7 is, for example, AlGaN and the n-type impurity is Si
  • the flow rate of the Al source gas is set in the range of 1 to 2 sccm
  • the flow rate of the Ga source gas is 30 to 30 to.
  • n-type impurities can be formed.
  • the second layer portion 3 having the second intermediate layer 8 and the n-type impurity-doped barrier layer 7 is formed.
  • the light emitting layer 10 is grown on the n-type impurity-doped barrier layer 7 using the raw material gas containing the In raw material gas, the Ga raw material gas, and the N raw material gas (light emitting layer growth step).
  • the composition of the light emitting layer 10 is, for example, InGaN or GaN
  • the flow rate of the In raw material gas is set in the range of 0 to 45 sccm
  • the flow rate of the Ga raw material gas is set in the range of 30 to 50 sccm
  • the flow rate of the Ga raw material gas is set in the range of 30 to 50 sccm.
  • the light emitting layer 10 can be formed by setting the flow rate of the above in the range of 5 to 10 slm.
  • the undoped barrier layer 9 is grown on the light emitting layer 10 using the raw material gas containing the Al raw material gas, the Ga raw material gas, and the N raw material gas (undoped barrier layer growth step).
  • the composition of the undoped barrier layer 9 is, for example, AlGaN
  • the flow rate of the Al raw material gas is set in the range of 1 to 2 sccm
  • the flow rate of the Ga raw material gas is set in the range of 30 to 50 sccm
  • the flow rate of the N raw material gas is set.
  • the undoped barrier layer 9 can be formed by setting the flow rate in the range of 5 to 10 slm.
  • the third layer portion 4 having the light emitting layer 10 and the undoped barrier layer 9 is formed.
  • the p-side nitride semiconductor layer 13 including the p-type clad layer and the p-type contact layer is formed in this order.
  • a semiconductor structure 1a having an n-side nitride semiconductor layer 11, an active layer 12, and a p-side nitride semiconductor layer 13 was formed on the first substrate 21.
  • the first wafer 100 is prepared.
  • a second electrode 32 having a predetermined pattern is formed on the p-side nitride semiconductor layer 13 of the first wafer 100 as follows, for example.
  • the resist 51 is formed on the p-side nitride semiconductor layer 13 of the first wafer 100.
  • the resist 51 is formed on the p-side nitride semiconductor layer 13 at a portion where the second electrode is not formed.
  • a metal film (32, 32a) containing Ag is formed on the entire upper surface of the p-side nitride semiconductor layer 13.
  • the second electrode 32 is formed on the p-side nitride semiconductor layer 13 on which the resist 51 is not formed. Then, as shown in FIG. 10, the resist 51 is removed together with the metal film 32a formed on the resist 51. As described above, the second electrode 32 having a predetermined pattern is formed on the p-side nitride semiconductor layer 13 of the first wafer 100.
  • a method of forming the second electrode 32 having a predetermined pattern by the lift-off process has been described. However, without using the lift-off process, for example, without forming the resist 51, a metal film is formed on the entire upper surface of the p-side nitride semiconductor layer 13, and a resist is formed on the metal film to form the resist.
  • the second electrode 32 having a predetermined pattern may be formed by removing the metal film using the above as a mask.
  • a resist 52 is formed on the second electrode 32.
  • an insulating film 35a is formed on the portion of the p-side nitride semiconductor layer 13 on which the second electrode 32 is not formed and on the resist 52.
  • the resist 52 is removed together with the insulating film 35a formed on the resist 52.
  • the insulating film 35 is formed on the portion of the p-side nitride semiconductor layer 13 on which the second electrode 32 is not formed.
  • the insulating film 35 is provided, for example, on the cutting position CL described later.
  • the insulating film 35 can be configured so that the second electrode 32 is not exposed from the side surface of the light emitting device. As a result, the occurrence of a short circuit on the side surface of the light emitting device is suppressed, and the reliability can be improved.
  • a metal layer 40a is formed on the second electrode 32 and the insulating film 35 formed on the p-side nitride semiconductor layer 13.
  • a second substrate 22 having a metal layer 40b formed on one surface is prepared, and the metal layer 40b and the metal layer 40a are joined to each other.
  • the second substrate 22 is bonded onto the p-side nitride semiconductor layer 13 via the second electrode 32 and the insulating film 35.
  • the first substrate 21 is removed as shown in FIG.
  • the second substrate 22 is bonded onto the p-side nitride semiconductor layer 13 of the first wafer 100, and the first substrate 21 of the first wafer 100 is removed.
  • laser lift-off is performed by irradiating the vicinity of the interface between the first substrate 21 and the n-side nitride semiconductor layer 11 with a laser beam to separate the first substrate 21 and the n-side nitride semiconductor layer 11. To be done by. Alternatively, it is performed by performing wet etching to remove the first substrate 21 with a solution capable of etching.
  • the semiconductor structure 1a formed on the first substrate 21 is transferred onto the second substrate 22 via the metal layer 40, the second electrode 32, and the insulating film 35.
  • a second wafer 200 having a semiconductor structure 1a in which the n-side nitride semiconductor layer 11 is exposed on the surface is prepared on the second substrate 22. That is, in the second wafer 200, the p-side nitride semiconductor layer 13, the active layer 12, and the n-side nitride semiconductor layer are placed on the second substrate 22 via the metal layer 40, the second electrode 32, and the insulating film 35. 11 and 11 are laminated in order from the second substrate 22 side.
  • the second substrate 22 is preferably a silicon substrate made of Si, and by using the second substrate 22 as a silicon substrate, the second substrate 22 can be easily divided in the cutting step described later. ..
  • ⁇ Nitride semiconductor device separation process> a part of the semiconductor structure 1a of the second wafer 200 is removed to separate it into a plurality of nitride semiconductor elements 1.
  • the semiconductor structure 1a is separated so as to correspond to each light emitting device obtained in the cutting step described later.
  • Part of the semiconductor structure 1a is removed by dry etching such as reactive ion etching.
  • the first electrode 31 having a predetermined pattern is formed on the n-side nitride semiconductor layer 11 of the second wafer 200 shown in FIG.
  • the first electrode 31 can be formed by a lift-off process or an etching process using a resist in the same manner as the method for forming the second electrode 32 described above.
  • the second wafer 200 on which the first electrode 31 is formed is divided into individual light emitting devices of a desired size. This division is performed along the predetermined cutting position CL shown in FIG. 19 by dicing or the like.
  • the third layer portion 4 according to the nitride semiconductor element 1 of the above-described embodiment includes one light emitting layer 10 and one undoped barrier layer 9, but is not limited to this, and includes a plurality of light emitting layers 10.
  • a plurality of undoped barrier layers 9 may be provided.
  • the nitride semiconductor device 101 of one modification according to the present invention includes a third layer portion 104 including three light emitting layers 10 and three undoped barrier layers 9.
  • the film thickness of the undoped barrier layer 9 provided in contact with the p-side nitride semiconductor layer 13 may be thicker than the film thickness of the other undoped barrier layers 9.
  • the first layer portion 2 according to the nitride semiconductor element 1 described above includes the barrier layer 5 of four layers and the first intermediate layer 6 of three layers, but the first intermediate layer included in the first layer portion 2 is provided.
  • the number of layers of 6 is not limited to this.
  • the first layer portion 2 may include one first intermediate layer 6, or may include a plurality of first intermediate layers 6 having two layers or four or more layers.
  • the number of layers of the barrier layer 5 may also differ depending on the number of layers of the first intermediate layer 6.
  • Example 1 The nitride semiconductor device of Example 1 was manufactured as follows.
  • a first substrate 21 made of sapphire is prepared, and an n-type contact layer and an n-type clad layer are grown on the first substrate 21, so that the n-type contact layer and the n-type clad layer are included in this order from the first substrate 21 side.
  • the side nitride semiconductor layer 11 was formed.
  • n-side nitride semiconductor layer 11 from Al 0.095 Ga 0.905 N, a barrier layer 5 containing n-type impurities, and Al 0.03 In 0.005 Ga 0.965 N.
  • First intermediate layer 6 and the above-mentioned first intermediate layer 6 were laminated.
  • three layers of the first intermediate layer 6 arranged between the four-layer barrier layer 5 and the four-layer barrier layer 5 are formed.
  • the film thickness of the barrier layer 5 was grown to a thickness of 29 nm, and the thickness of the first intermediate layer 6 was grown to a thickness of 5 nm.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the barrier layer 5 was set to 1.5 sccm for Al raw material gas, 38.7 sccm for Ga raw material gas, and 7 slm for N raw material gas. Further, the n-type impurity contained in the barrier layer 5 was Si, and the doping amount of Si was set to be 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the first intermediate layer 6 is set to 0.2 sccm for Al raw material gas, 6 sccm for In raw material gas, 43.6 sccm for Ga raw material gas, and N raw material. The gas was set to 7 slm.
  • a second intermediate layer 8 composed of In 0.005 Ga 0.995 N and an n-type impurity composed of Al 0.095 Ga 0.905 N and containing Si as an n-type impurity are used.
  • the dope barrier layer 7 and the dope barrier layer 7 were laminated one by one.
  • the thickness of the second intermediate layer 8 was grown to a thickness of 15 nm, and the film thickness of the n-type impurity-doped barrier layer 7 was grown to a thickness of 29 nm.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the second intermediate layer 8 was set to 16 sccm for the In raw material gas, 43.6 sccm for the Ga raw material gas, and 7 slm for the N raw material gas.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the n-type impurity-doped barrier layer 7 was set to 1.5 sccm for the Al raw material gas, 38.7 sccm for the Ga raw material gas, and 7 slm for the N raw material gas. Further, the n-type impurity contained in the n-type impurity doping barrier layer 7 was Si, and the doping amount of Si was set to be 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3.
  • one layer is a light emitting layer 10 made of In 0.005 Ga 0.995 N and an undoped barrier layer 9 made of Al 0.095 Ga 0.905 N. Stacked one by one.
  • the thickness of the light emitting layer 10 was grown to 15 nm, and the film thickness of the undoped barrier layer 9 was grown to a thickness of 40 nm.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the light emitting layer 10 was set to 16 sccm for the In raw material gas, 43.6 sccm for the Ga raw material gas, and 7 slm for the N raw material gas.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the undoped barrier layer 9 was set to 1.5 sccm for the Al raw material gas, 38.7 sccm for the Ga raw material gas, and 7 slm for the N raw material gas.
  • a p-side nitride semiconductor layer 13 including a p-type clad layer and a p-type contact layer was formed, and the first wafer 100 was prepared.
  • a second electrode 32 having a predetermined pattern is formed on the p-side nitride semiconductor layer 13 of the first wafer 100, and is transferred to the second substrate 22 via the metal layer 40.
  • the first substrate 21 was removed to form a first electrode 31 having a predetermined pattern on the n-side nitride semiconductor layer 11.
  • the emission output of the nitride semiconductor device of Example 1 formed as described above when a current of 1000 mA was passed was evaluated. As a result, the emission output of the nitride semiconductor device of Example 1 was 1605.4 mW.
  • Example 2 In the nitride semiconductor device of Example 1, the nitride semiconductor device of Example 2 was produced in the same manner as the nitride semiconductor device of Example 1 except that the thickness of the first intermediate layer 6 was grown to 8 nm. .. The light emitting output of the nitride semiconductor device of Example 2 produced as described above when a current of 1000 mA was passed was 1576.0 mW.
  • Example 3 In the nitride semiconductor device of Example 1, the nitride semiconductor device of Example 3 was produced in the same manner as the nitride semiconductor device of Example 1 except that the thickness of the second intermediate layer 8 was grown to 8 nm. .. The light emitting output of the nitride semiconductor device of Example 3 produced as described above when a current of 1000 mA was passed was 1594.3 mW.
  • Example 4 In the nitride semiconductor device of Example 1, the flow rate of the raw material gas when growing the first intermediate layer 6 is set to 0.4 sccm for the Al raw material gas, 6 sccm for the In raw material gas, and the Ga raw material gas.
  • the nitride semiconductor device of Example 1 except that the N raw material gas was set to 43.6 sccm, the N raw material gas was set to 7 slm, and the composition of the first intermediate layer 6 was Al 0.045 In 0.005 Ga 0.95 N.
  • the nitride semiconductor device of Example 4 was produced in the same manner as in the above.
  • the light emitting output of the nitride semiconductor device of Example 4 produced as described above when a current of 1000 mA was passed was 1614.2 mW.
  • Example 5 In the nitride semiconductor device of Example 1, the flow rate of the raw material gas when growing the first intermediate layer 6 is set to 0.6 sccm for the Al raw material gas, 6 sccm for the In raw material gas, and the Ga raw material gas.
  • the nitride semiconductor device of Example 5 was produced in the same manner as in the above.
  • the light emitting output of the nitride semiconductor device of Example 5 produced as described above when a current of 1000 mA was passed was 1595.6 mW.
  • Reference example 1 In the nitride semiconductor device of Example 1, the same as that of the nitride semiconductor device of Example 1 except that the first intermediate layer 6 is composed of In 0.005 Ga 0.995 N and the film thickness is grown to 15 nm.
  • the nitride semiconductor device of Reference Example 1 was manufactured.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the first intermediate layer 6 composed of In 0.005 Ga 0.995 N was set to 16 sccm for the In raw material gas and 43.6 sccm for the Ga raw material gas.
  • the N raw material gas was set to 7 slm.
  • the emission output of the nitride semiconductor device of Reference Example 1 produced as described above when a current of 1000 mA was passed was 1523.2 mW.
  • the nitride semiconductor device of Example 1 In the nitride semiconductor device of Example 1, the nitride of Example 1 except that the second intermediate layer 8 is composed of Al 0.03 In 0.005 Ga 0.965 N and the film thickness is grown to 5 nm.
  • the nitride semiconductor device of Reference Example 2 was manufactured in the same manner as the semiconductor device.
  • the flow rate of each raw material gas when growing the second intermediate layer 8 composed of Al 0.03 In 0.005 Ga 0.965 N is set to 0.2 sccm for the Al raw material gas and 6 sccm for the In raw material gas.
  • the Ga source gas was set to 43.6 sccm, and the N source gas was set to 7 slm.
  • the emission output of the nitride semiconductor device of Reference Example 2 produced as described above when a current of 1000 mA was passed was 1572.0 mW.
  • Example 1 The results of Examples 1 to 5 and Reference Examples 1 and 2 are shown in Table 1.
  • Table 1 the film thickness of the first intermediate layer 6 is represented by the film thickness T1
  • the film thickness of the second intermediate layer 8 is represented by the film thickness T2.
  • the bandgap energy of the first intermediate layer 6 is larger than the bandgap energy of the second intermediate layer 8 and the bandgap energy of the light emitting layer 10, and the film thickness of the first intermediate layer 6 is the second.
  • the nitride semiconductor devices of Examples 1 to 5 having a structure thinner than the film thickness of the intermediate layer 8 and the film thickness of the light emitting layer 10 may exhibit higher emission output than the nitride semiconductor devices of Reference Examples 1 and 2. It was revealed. Further, it was found that a high light emission output can be obtained by making the film thickness of the first intermediate layer 6 thinner. Furthermore, it was found that the luminescence output tends to decrease as the Al raw material gas when growing the first intermediate layer 6 is increased or decreased from a certain value.
  • the nitride semiconductor device of Reference Example 1 in which the compositions of the first intermediate layer 6 and the second intermediate layer 8 were InGaN had a lower emission output than the nitride semiconductor devices of Examples 1 to 5. It is considered that this is because the self-absorption by the first intermediate layer 6 is generated more than the nitride semiconductor devices of Examples 1 to 5. Further, it was found that the nitride semiconductor device of Reference Example 2 in which the compositions of the first intermediate layer 6 and the second intermediate layer 8 were AlInGaN had a lower emission output than the nitride semiconductor devices of Examples 1 to 5. It is considered that this is due to the fact that the effect of suppressing the lattice relaxation by the second intermediate layer 8 is not obtained.

Landscapes

  • Led Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

ｎ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備え、複数の井戸層は、ｎ側窒化物半導体層側から順に、前記障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有し、第１中間層の膜厚は、第２中間層及び発光層の膜厚よりも薄く、複数の障壁層のうち、第２中間層と発光層との間に配置される障壁層は、ｎ型不純物がドープされている。

Description

窒化物半導体素子
　本発明は、窒化物半導体素子に関する。
　近年、紫外光を発光する発光素子の開発が盛んに進められている。例えば、特許文献１には、深紫外光の発光に適した、多重量子井戸構造を有する発光素子が開示されている。また、近紫外発光素子も樹脂硬化用や各種センシング用に開発が進められている。
特開２０１７－１７５００５号公報
　このような、紫外光を発光する窒化物半導体素子は、その特性、例えば発光出力等を向上させるために改良が進められているが、未だ十分にその特性を高められていない。
　そこで、本発明は、高い発光出力で紫外光を発光する窒化物半導体素子を提供することを目的とする。
　本発明に係る窒化物半導体素子は、
　ｎ側窒化物半導体層と、
　前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、
　前記活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備え、
　前記複数の井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、
　　前記障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、
　　前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、
　　前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有し、
　前記第１中間層の膜厚は、前記第２中間層及び前記発光層の膜厚よりも薄く、
　前記複数の障壁層のうち、前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層は、ｎ型不純物がドープされている。
　本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子によれば、高い発光出力で紫外光を発光する窒化物半導体素子を提供することができる。
基板上に配置された本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を示す断面図である。 図１に示す窒化物半導体素子の多重量子井戸構造を示した図である。 図２に示す多重量子井戸構造のバンドギャップエネルギーを示した図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、準備した第１基板の断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、準備した第１基板の上面にｎ側窒化物半導体層を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１基板の上面に形成したｎ側窒化物半導体層上に活性層を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１基板の上面にｎ側窒化物半導体層を介して形成した活性層上にｐ側窒化物半導体層を形成した、第１ウエハの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に、第２電極を形成するためのレジストを形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に、第２電極を形成するための金属膜を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に形成したレジストをそのレジストの上に形成された金属膜とともに除去して、所定の形状の第２電極を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上の第２電極の間に絶縁膜を形成するために、第２電極の上にレジストを形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上の第２電極の間及びレジスト上に絶縁膜を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、レジストをそのレジストの上に形成された絶縁膜とともに除去して、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に第２電極及び絶縁膜を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第１ウエハのｐ側窒化物半導体層上に形成した第２電極及び絶縁膜上に、金属層を形成したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、一方の面に金属層を形成した第２基板を準備し、第１ウエハと第２基板とを対向させたときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、金属層同士を接合することにより第１ウエハと第２基板とを接合した断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、作製された第２ウエハの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、作製された第２ウエハの窒化物半導体素子の一部を除去したときの断面図である。 本発明の一実施形態の発光装置の製造方法において、第２ウエハのｎ側窒化物半導体層上に、所定のパターンの第１電極を形成したときの断面図である。 本発明の一変形例に係る窒化物半導体素子の多重量子井戸構造を示した図である。
　以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための実施形態や実施例を説明する。なお、以下に説明する窒化物半導体素子は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。
　各図面中、同一の機能を有する部材には、同一符号を付している場合がある。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態や実施例に分けて示す場合があるが、異なる実施形態や実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。後述の実施形態や実施例では、前述と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態や実施例ごとには逐次言及しないものとする。各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張して示している場合もある。
　発光ダイオードに用いられる半導体構造は、ｎ型のｎ側窒化物半導体層と、ｐ型のｐ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体とｐ側窒化物半導体の間に設けられた活性層と、を有する。また活性層には、例えば、複数の井戸層を含む多重量子井戸構造が用いられる。一般に、活性層に複数の井戸層を含む紫外光を発光する発光ダイオードでは、複数の井戸層のうち、ｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層が発光に寄与し、ｎ側窒化物半導体層側に位置する井戸層は発光に寄与しない傾向がある。またｎ側窒化物半導体層側に位置する井戸層は、ｐ側窒化物半導体層側に位置する井戸層が発する光を吸収(自己吸収)して光の取り出し効率を悪化させる可能性がある。
　そこで、本発明者は、窒化物半導体素子の発光出力に影響を及ぼす要素として、電子と正孔の再結合確率と、半導体層における結晶の格子緩和と、半導体層による光の自己吸収とに着目して鋭意検討を行った。
　本発明者はまず、複数の井戸層における光の自己吸収を低減させる手法を検討した。井戸層による光の自己吸収は、その井戸層を構成する半導体層のバンドギャップエネルギーが大きくなるにつれて低減される。そこで、本発明者は、ｎ側窒化物半導体層側に位置する発光に寄与しない井戸層（中間層）のバンドギャップエネルギーを、ｐ側窒化物半導体層側に位置する発光に寄与する井戸層のバンドギャップエネルギーよりも大きくすることで、活性層における光の自己吸収を低減させることを検討した。
　このように構成された複数の井戸層を備える窒化物半導体素子は、従来の窒化物半導体素子よりも高い発光出力を示すと期待されたが、実際には、十分に高い発光出力を得ることはできなかった。
　本発明者は、この結果について検討を重ね、発光出力を十分に向上させることができなかった原因は、発光に寄与する井戸層である発光層と中間層との組成が異なることで生じる発光層と中間層との間の結晶の格子緩和が発光出力の向上を阻害していることにあると推測した。この推測に基づき、本発明者は、発光層と中間層(第１中間層)との間に、格子緩和を抑制するために第１中間層よりバンドギャップの小さい第２中間層を配置したところ、第２中間層がない場合に比較して発光出力を向上させることができた。
　以上の、ｎ側窒化物半導体層側から順に、バンドギャップエネルギーが大きい第１中間層と、バンドギャップエネルギーが第１中間層より小さい第２中間層と、発光層とを含む窒化物半導体素子において、さらに高い発光出力を得るために検討を進めた結果、以下の知見を得た。
（１）第１中間層の膜厚を、第２中間層及び発光層の膜厚より薄くすることにより、発光層で発光した光の第１中間層における自己吸収をより効果的に抑えることができる。
（２）発光層と第２中間層の間の障壁層にｎ型不純物をドープすることにより発光層における再結合をより促進することができる。
　ここで、発光層は、電子と正孔の再結合確率を考慮して、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＩｎ、Ｇａ及びＮの組成比を調整することにより所定の発光波長を設定することが好ましい。
　また、第１中間層のバンドギャップエネルギーは、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＡｌ、Ｇａ及びＮの組成比を調整することにより、発光層のバンドギャップエネルギーより大きくすることが好ましい。これにより、第１中間層による自己吸収を効果的に抑えることができる。
　さらに第２中間層は、Ｇａ及びＮを含む層とし、主としてＧａ及びＮの組成比を調整することにより、第１中間層のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。
　本発明に係る窒化物半導体素子は、上記の知見に基づいてなされたものであり、ｎ側窒化物半導体層と、ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備えている。そして、複数の井戸層は、ｎ側窒化物半導体層側から順に、障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有している。第１中間層の膜厚は、第２中間層及び発光層の膜厚よりも薄く、複数の障壁層のうち、第２中間層と発光層との間に配置される障壁層は、ｎ型不純物がドープされている。
　実施形態
　以下、図面を参照しながら本実施形態の窒化物半導体素子とその窒化物半導体素子を備える発光装置の製造方法について説明する。
１．窒化物半導体素子
　図１は、第２基板２２上に配置された本実施形態に係る窒化物半導体素子１の構成を示す断面図である。
　本実施形態に係る窒化物半導体素子１は、図１に示すように、第２基板２２上に配置されている。窒化物半導体素子１は、第２基板２２側から順に、ｐ側窒化物半導体層１３と、活性層１２と、ｎ側窒化物半導体層１１とを含む。ｎ側窒化物半導体層１１には、第１電極３１が電気的に接続されている。ｐ側窒化物半導体層１３には、第２電極３２が電気的に接続されている。窒化物半導体素子１は、金属層４０を介して第２基板２２に接合されている。これにより、例えば、第２基板２２として導電性を有する半導体基板又は金属からなる基板を用いることによって、第２基板２２を介して窒化物半導体素子１に給電することが可能になる。このような構造を有する窒化物半導体素子１は、第１電極３１と第２電極３２との間に電圧を印加することにより活性層１２を発光させることができる。窒化物半導体素子１が発する光は、ｎ側窒化物半導体層１１の第１電極３１が設けられている面側から主に出射される。
　以下、本実施形態の窒化物半導体素子１について詳細に説明する。
＜ｎ側窒化物半導体層＞
　ｎ側窒化物半導体層１１は、例えば、Ｓｉ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体である。ｎ側窒化物半導体層１１は、単一の層で構成されていてもよいし、複数の層を含んで構成されていてもよい。また、ｎ側窒化物半導体層１１は、例えば、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。ここで、アンドープの半導体層とは、成長させるときにｎ型の不純物を添加することなく成長させた層のことをいい、例えば、隣接する層から拡散等により混入する不可避的な不純物を含んでいてもよい。
＜ｐ側窒化物半導体層＞
　ｐ側窒化物半導体層１３は、例えば、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体である。ｐ側窒化物半導体層１３は、単一の層で構成されていてもよいし、複数の層を含んで構成されていてもよい。また、ｐ側窒化物半導体層１３は、例えば、アンドープの半導体層を一部に含んでいてもよい。
＜活性層＞
　活性層１２は、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えている。本実施形態に係る多重量子井戸構造は、図２に示すように、ｎ側窒化物半導体層１１側から順に、複数の第１中間層６と複数の障壁層５とを含む第１層部２、第２中間層８とｎ型不純物ドープ障壁層７とを含む第２層部３、及び発光層１０と不純物がドープされていないアンドープ障壁層９とを含む第３層部４を備えている。
（第１層部）
　第１層部２は、第１中間層６と障壁層５とが交互に積層されている部分である。ｎ側窒化物半導体層１１上には障壁層５が配置され、障壁層５の上に第１中間層６が配置されており、以降、障壁層５及び第１中間層６が交互に積層され、最も上には、障壁層５が配置されている。本実施形態に係る第１層部２は、４層の障壁層５と３層の第１中間層６とを備えている。なお、図３に示すように、障壁層は、井戸層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有している。これは、以下の第２層部３及び第３層部４においても同様である。
　障壁層５は、ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層は、例えば３元化合物である。障壁層５の一般式は例えば、ＡｌａＧａ１－ａＮ（０＜ａ＜１）である。障壁層５のＡｌの混晶比は、好ましくは０．０５≦ａ≦０．１５である。障壁層５の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍである。第１層部２の障壁層５は、後述する第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７と同様に、ｎ型の不純物がドープされていてもよい。また、複数の障壁層５のうち、一部がｎ型の不純物がドープされた障壁層とし、他部がｎ型の不純物がドープされていない障壁層としてもよい。第１層部２の障壁層５にｎ型の不純物をドープすることで、後述する第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７と同様に、発光層１０内での再結合確率を高めることができる。
　第１中間層６は、ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。第１中間層６は、図３に示すように、第２中間層８、発光層１０よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する。第１中間層６は、例えば、３元化合物や４元化合物である。第１中間層６の一般式は例えば、ＡｌｂＩｎｃＧａ１－ｂ－ｃＮ（０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１、ｂ＋ｃ＜１）である。第１中間層６のＡｌの混晶比は、好ましくは０．０３≦ｂ≦０．１である。また、第１中間層６のＩｎの含有量は、好ましくは０≦ｃ≦０．０３である。第１中間層６をこのような組成とすることで、発光層１０から発光される光の吸収を抑制することができる。第１中間層６は、発光する発光層１０とは異なり、実質的に発光しない非発光性の井戸層である。
　第１中間層６の膜厚は、第２中間層８及び発光層１０の膜厚よりも薄い。このような膜厚を有することで、第１中間層６による自己吸収を効果的に抑制できる。第１中間層６の膜厚は、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、好ましくは３ｎｍ以上７ｎｍ以下である。
　上述したバンドギャップエネルギー及び膜厚を有する第１中間層６は、後述の発光層１０を結晶性良く成長させるためのバッファ層としての役割を果たすとともに、発光層１０から発光される光の吸収を抑制することができる。
（第２層部）
　第２層部３は、１つの第２中間層８と１つのｎ型不純物ドープ障壁層７とが積層されている部分である。第２中間層８は、第１層部２の最上に積層された障壁層５の上に配置されており、第２中間層８の上にｎ型不純物ドープ障壁層７が配置されている。
　第２層部３におけるｎ型不純物ドープ障壁層７は、ｎ型の不純物がドープされた、ＡｌとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。ｎ型不純物ドープ障壁層７は、例えば、３元化合物である。ｎ型不純物ドープ障壁層７の組成は、上述した障壁層５と同一の組成であってもよい。また、ｎ型不純物ドープ障壁層７の膜厚は、例えば２０ｎｍ以上４０ｎｍである。ｎ型不純物は、例えばＳｉである。ｎ型不純物ドープ障壁層７のｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１７原子／ｃｍ３以上１×１０１９原子／ｃｍ３以下である。ｎ型不純物ドープ障壁層７を発光層１０に隣接して形成することにより、第１中間層６と第２中間層の間にアンドープの障壁層を設ける場合に比較して、ｐ側窒化物半導体層１３から注入された正孔とｎ型不純物ドープ障壁層７を介して注入された電子との発光層１０内での再結合確率を高くできる。また、発光層１０内での再結合確率を高くできる結果、第２中間層８及び第１中間層６への正孔の注入を抑制でき、第２中間層８及び第１中間層６が実質的に発光しない構造とすることができる。
　第２中間層８は、ＧａとＮとを含む窒化物半導体層であり、好ましくは、ＩｎとＧａとＮとを含む窒化物半導体層である。また、第２中間層８は、図３に示すように、第１中間層６よりも小さいバンドギャップエネルギーを有する。第２中間層８の一般式は、例えばＩｎｄＧａ１－ｄＮ（０≦ｄ＜１）である。第２中間層８のＩｎの含有量は、発光層１０のＩｎの含有量よりも少ないことが好ましい。これにより、第２中間層８のバンドギャップエネルギーを発光層１０のバンドギャップエネルギーよりも大きくし、発光層１０から発光される光が第２中間層８により吸収されることを抑制できる。第２中間層８のＩｎの含有量は、好ましくは０≦ｄ≦０．０３である。第２中間層８は、発光する発光層１０とは異なり、上述した第１中間層６と同様に、実質的に発光しない非発光性の井戸層である。
　第２中間層８のバンドギャップエネルギーを発光層１０のバンドギャップエネルギーとほぼ同じとする場合には、第２中間層８の膜厚を発光層１０の膜厚よりも薄くすることが好ましい。これにより、発光層１０から発光される光が第２中間層８により吸収されることを抑制できる。第２中間層８の膜厚を薄くすることにより第２中間層８による自己吸収が抑制される。第２中間層８の膜厚は、第１中間層６よりも厚い。第２中間層８の膜厚は、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。
　上述したバンドギャップエネルギー及び膜厚を有する第２中間層８は、第１中間層６と後述する発光層１０との間に生じる結晶の格子緩和を抑制する。ここで、格子緩和は格子定数が異なる結晶の境界部分に転位を発生させることにより歪を分散させる現象であるが、一方で格子緩和が生じることで転位が発生し結晶性を低下させる傾向がある。そこで、本実施形態の窒化物半導体素子では、第２中間層８を設けることで、Ａｌを含む窒化物半導体から構成された第１中間層６を積層することによって低下した結晶性を回復させることができる。
（第３層部）
　第３層部４は、１つの発光層１０と１つのアンドープ障壁層９とが積層されている部分である。発光層１０は、第２層部３のｎ型不純物ドープ障壁層７の上に配置されており、発光層１０の上にアンドープ障壁層９が配置されている。
　第３層部４におけるアンドープ障壁層９は、ｎ型の不純物がドープされていない窒化物半導体層である。アンドープ障壁層９は、例えば、３元化合物である。アンドープ障壁層９は、上述した障壁層５やｎ型不純物ドープ障壁層７と同一の組成であってもよい。アンドープ障壁層９の膜厚は、障壁層５及びｎ型不純物ドープ障壁層７より厚い。アンドープ障壁層９の膜厚は、例えば３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。アンドープ障壁層９は、ｎ型の不純物を含んでいないため、ｐ側窒化物半導体層１３から移動してきた正孔はアンドープ障壁層９を通過し発光層１０に移動する。これ故、発光層１０への正孔の供給が効率よく行われ、発光層１０の発光効率が向上する。
　発光層１０は、ＧａとＮとを含む窒化物半導体層であり、紫外光を発光する。本明細書では、紫外光は、波長が４００ｎｍ以下の光を意味する。発光層１０の一般式は、例えば、ＩｎｅＧａ１－ｅＮ（０≦ｅ＜１）である。Ｉｎの含有量は、好ましくは０≦ｅ≦０．０５である。このような組成を有する発光層１０は、紫外光を発光する。発光層１０が発する光のピーク波長は、例えば、３６５ｎｍ以上４００ｎｍ以下である。発光層１０のピーク波長の例としては、約３６５ｎｍや約３８５ｎｍである。また、発光層１０は、図３に示すように、例えば、第２中間層８と略同一のバンドギャップエネルギーを有する。なお、発光層１０にＡｌなどを含有させることで、発光層１０のピーク波長を、例えば、２５０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下とすることもできる。発光層１０を、例えば、ＡｌｆＧａ１－ｆＮ（０＜ｆ＜１）とする場合、Ａｌの含有量は、０＜ｆ≦０．６とすることができる。
　発光層１０の膜厚は、第２中間層８の膜厚以上である。発光層１０の膜厚は、例えば１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下である。このような膜厚を有する発光層１０は、電子と正孔の再結合を促進することができる。
２．発光装置の製造方法
　次に、本実施形態の窒化物半導体素子を備える発光装置の製造方法について説明する。
＜第１ウエハ準備工程＞
　第１ウエハ準備工程では、図４に示すように、例えば、サファイアからなる第１基板２１を準備する。その後、図５に示すように、第１基板２１上に、例えば、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を成長させることにより、第１基板２１側から順にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を含むｎ側窒化物半導体層１１を形成する。尚、第１基板２１上にバッファ層を介してｎ側窒化物半導体層１１を形成するようにしてもよい。
　次に、図６に示すように、ｎ側窒化物半導体層１１の上に、活性層１２を形成する。活性層１２は、以下の工程により形成される。
　まず、Ａｌ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いてｎ側窒化物半導体層１１の上に障壁層５を成長させる（障壁層成長工程）。障壁層５の組成が、例えば、ＡｌＧａＮである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を１～２ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍに設定することで、障壁層５を形成することができる。
　次に、Ａｌ原料ガス、Ｉｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いて障壁層５の上に第１中間層６を成長させる（第１中間層成長工程）。第１中間層６の組成が、例えば、ＡｌＩｎＧａＮである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を０．２～１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスの流量を０．１～２５ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍに設定することで、第１中間層６を形成することができる。
　障壁層成長工程及び第１中間層成長工程を交互に繰り返すことで、複数の障壁層５及び第１中間層６を有する第１層部２が形成される。なお、第１層部２を形成する工程は、障壁層成長工程で終了される。
　次に、Ｉｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いて障壁層５の上に第２中間層８を成長させる（第２中間層成長工程）。第２中間層８の組成が、例えば、ＩｎＧａＮである場合は、Ｉｎ原料ガスの流量を０．１～２５ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定することで、第２中間層８を形成することができる。
　次に、Ａｌ原料ガス、Ｇａ原料ガス、Ｎ原料ガス、及びｎ型不純物原料ガスを含む原料ガスを用いて第２中間層８の上にｎ型不純物ドープ障壁層７を成長させる（ｎ型不純物ドープ障壁層成長工程）。ｎ型不純物ドープ障壁層７の組成が、例えば、ＡｌＧａＮであり、ｎ型不純物がＳｉである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を１～２ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定し、ｎ型不純物のドープ量を１×１０１７原子／ｃｍ３以上１×１０１９原子／ｃｍ３以下の範囲に設定することで、ｎ型不純物ドープ障壁層７を形成することができる。
　第２中間層成長工程とｎ型不純物ドープ障壁層成長工程を行うことで、第２中間層８及びｎ型不純物ドープ障壁層７を有する第２層部３が形成される。
　次に、Ｉｎ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いてｎ型不純物ドープ障壁層７の上に発光層１０を成長させる（発光層成長工程）。発光層１０の組成が、例えば、ＩｎＧａＮまたはＧａＮである場合は、Ｉｎ原料ガスの流量を０～４５ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定することで、発光層１０を形成することができる。
　次に、Ａｌ原料ガス、Ｇａ原料ガス、及びＮ原料ガスを含む原料ガスを用いて発光層１０の上にアンドープ障壁層９を成長させる（アンドープ障壁層成長工程）。アンドープ障壁層９の組成が、例えば、ＡｌＧａＮである場合は、Ａｌ原料ガスの流量を１～２ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｇａ原料ガスの流量を３０～５０ｓｃｃｍの範囲に設定し、Ｎ原料ガスの流量を５～１０ｓｌｍの範囲に設定することで、アンドープ障壁層９を形成することができる。
　発光層成長工程とアンドープ障壁層成長工程を行うことで、発光層１０及びアンドープ障壁層９を有する第３層部４を形成される。
　そして、第１層部２、第２層部３、及び第３層部４を有する活性層１２の上に、例えば、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を成長させることにより、活性層１２側から順にｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とを含むｐ側窒化物半導体層１３を形成する。このような工程により、図７に示すように、第１基板２１の上に、ｎ側窒化物半導体層１１、活性層１２、及びｐ側窒化物半導体層１３を有する半導体構造１ａが形成された第１ウエハ１００を準備する。
＜第２ウエハ準備工程＞
　第２ウエハ準備工程では、まず、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を例えば以下のようにして形成する。
　最初に、図８に示すように、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、レジスト５１を形成する。ここでは、例えば、ｐ側窒化物半導体層１３上の、第２電極を形成しない部分にレジスト５１を形成する。
　次に、図９に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３の上面全体に、例えば、Ａｇを含む金属膜（３２、３２ａ）を形成する。これにより、レジスト５１が形成されていないｐ側窒化物半導体層１３上に第２電極３２が形成される。
　そして、図１０に示すように、レジスト５１を、レジスト５１上に形成された金属膜３２ａと共に除去する。
　以上のようにして、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を形成する。
　ここでは、リフトオフプロセスにより所定のパターンの第２電極３２を形成する方法について説明した。しかしながら、リフトオフプロセスを用いることなく、例えば、レジスト５１を形成することなくｐ側窒化物半導体層１３の上面全体に、金属膜を形成して、その金属膜の上にレジストを形成してそのレジストをマスクとして金属膜を除去することにより、所定のパターンの第２電極３２を形成するようにしてもよい。
　次に、図１１に示すように、第２電極３２上にレジスト５２を形成する。レジスト５２を形成した後、図１２に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３の上の第２電極３２が形成されていない部分及びレジスト５２の上に絶縁膜３５ａを形成する。そして、図１３に示すように、レジスト５２を、レジスト５２上に形成された絶縁膜３５ａとともに除去する。このようにして、ｐ側窒化物半導体層１３の上の第２電極３２が形成されていない部分に絶縁膜３５を形成する。絶縁膜３５は、例えば、後記する切断位置ＣＬ上に設けられる。このように配置することで、絶縁膜３５により第２電極３２が発光装置の側面から露出しない構成とすることができる。その結果、発光装置の側面における短絡の発生が抑制され、信頼性を向上させることができる。
　次に、図１４に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３上に形成された第２電極３２及び絶縁膜３５上に、金属層４０ａを形成する。別途、図１５に示すように、一方の面に金属層４０ｂが形成された第２基板２２を準備し、その金属層４０ｂと金属層４０ａとを接合する。これにより、図１６に示すように、ｐ側窒化物半導体層１３上に第２電極３２と絶縁膜３５とを介して第２基板２２を接合する。第２基板２２を接合した後、図１７示すように、第１基板２１を除去する。以上のように、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に第２基板２２を接合して、その第１ウエハ１００の第１基板２１を除去する。第１基板２１の除去は、例えば、第１基板２１とｎ側窒化物半導体層１１との界面付近にレーザ光を照射し第１基板２１とｎ側窒化物半導体層１１とを分離するレーザリフトオフにより行う。または、第１基板２１をエッチングできる溶液を用いて除去するウェットエッチングを行うことにより行う。以上のようにして、第１基板２１上に形成した半導体構造１ａを第２基板２２上に金属層４０と第２電極３２及び絶縁膜３５とを介して転写する。このようにして、図１７示すように、第２基板２２上に、表面にｎ側窒化物半導体層１１が露出した半導体構造１ａを備えた第２ウエハ２００を準備する。すなわち、第２ウエハ２００において、第２基板２２上には、金属層４０と第２電極３２及び絶縁膜３５とを介してｐ側窒化物半導体層１３、活性層１２、ｎ側窒化物半導体層１１とが第２基板２２側から順に積層されている。ここで、第２基板２２は、Ｓｉからなるシリコン基板であることが好ましく、第２基板２２をシリコン基板とすることで、後記する切断工程において、第２基板２２を容易に分割することができる。
＜窒化物半導体素子分離工程＞
　次に、図１８に示すように、第２ウエハ２００の半導体構造１ａの一部を除去することで複数の窒化物半導体素子１に分離する。この工程により、半導体構造１ａは、後述する切断工程で得られるそれぞれの発光装置に対応するように分離される。半導体構造１ａの一部の除去は、例えば、反応性イオンエッチングなどのドライエッチングにより行う。
＜第１電極形成工程＞
　次に、図１９に示す第２ウエハ２００のｎ側窒化物半導体層１１上に、所定のパターンの第１電極３１を形成する。第１電極３１は、上述した第２電極３２の形成方法と同様に、レジストを用いたリフトオフプロセスやエッチングプロセスにより形成することができる。
＜切断工程＞
　最後に、第１電極３１が形成された第２ウエハ２００を、所望の大きさの個々の発光装置に分割する。この分割は、ダイシングなどにより、図１９に示す所定の切断位置ＣＬに沿って行う。
３．窒化物半導体素子の変形例
　以下、窒化物半導体素子１の変形例について説明する。
　上述した実施形態の窒化物半導体素子１に係る第３層部４は１つの発光層１０と１つのアンドープ障壁層９を備えているが、これに限られるものではなく、複数の発光層１０と複数のアンドープ障壁層９とを備えていてもよい。例えば、図２０に示すように、本発明に係る一変形例の窒化物半導体素子１０１は、３つの発光層１０と３つのアンドープ障壁層９とを含む第３層部１０４を備える。また複数のアンドープ障壁層９のうち、ｐ側窒化物半導体層１３に接して設けられるアンドープ障壁層９の膜厚を他のアンドープ障壁層９の膜厚よりも厚くしてもよい。
　さらに、上述した窒化物半導体素子１に係る第１層部２は、４層の障壁層５と３層の第１中間層６を備えているが、第１層部２が備える第１中間層６の層数は、これに限られるものではない。例えば、第１層部２は１つの第１中間層６を備えていてもよいし、２層又は４層以上の複数の第１中間層６を備えていてもよい。そして、障壁層５の層数も、第１中間層６の層数に応じて異なり得る。
　実施例１．
　実施例１の窒化物半導体素子を以下のように作製した。
　まず、サファイアからなる第１基板２１を準備し、その上にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を成長させることにより、第１基板２１側から順にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層を含むｎ側窒化物半導体層１１を形成した。
　次に、ｎ側窒化物半導体層１１の上に、Ａｌ０．０９５Ｇａ０．９０５Ｎからなり、ｎ型不純物を含む障壁層５と、Ａｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎからなる第１中間層６とを積層した。本実施例では、４層の障壁層５とその４層の障壁層５の間にそれぞれ配置される３層の第１中間層６とを形成した。障壁層５の膜厚は２９ｎｍの厚さに成長させ、第１中間層６の厚さは５ｎｍになるように成長させた。障壁層５を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを３８．７ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。また、障壁層５に含まれるｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉのドープ量が１×１０１８原子／ｃｍ３になるように設定した。第１中間層６を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを０．２ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
　次に、障壁層５の上に、Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎからなる第２中間層８と、Ａｌ０．０９５Ｇａ０．９０５Ｎからなり、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型不純物ドープ障壁層７と、を１層ずつ積層した。第２中間層８の厚さは１５ｎｍの厚さに成長させ、ｎ型不純物ドープ障壁層７の膜厚は２９ｎｍの厚さに成長に成長させた。第２中間層８を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。ｎ型不純物ドープ障壁層７を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを３８．７ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。また、ｎ型不純物ドープ障壁層７に含まれるｎ型不純物はＳｉであり、Ｓｉのドープ量が１×１０１８原子／ｃｍ３になるように設定した。
　次に、ｎ型不純物ドープ障壁層７の上に、Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎからなる発光層１０と、Ａｌ０．０９５Ｇａ０．９０５Ｎからなるアンドープ障壁層９と、を１層ずつ積層した。発光層１０の厚さは１５ｎｍに成長させ、アンドープ障壁層９の膜厚は４０ｎｍの厚さに成長させた。発光層１０を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。アンドープ障壁層９を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを１．５ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを３８．７ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
　このように成長させた活性層１２を形成した後、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層とを含むｐ側窒化物半導体層１３を形成し、第１ウエハ１００を準備した。
　次に、第１ウエハ１００のｐ側窒化物半導体層１３上に、所定のパターンの第２電極３２を形成し、金属層４０を介して第２基板２２に転写する。その後、第１基板２１を除去して、ｎ側窒化物半導体層１１上に所定のパターンの第１電極３１を形成した。
　以上のように形成された実施例１の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力を評価した。
　その結果、実施例１の窒化物半導体素子の発光出力は１６０５．４ｍＷであった。
　実施例２．
　実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６の膜厚を８ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例２の窒化物半導体素子を作製した。
　以上のようにして作製した実施例２の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５７６．０ｍＷであった。
　実施例３．
　実施例１の窒化物半導体素子において、第２中間層８の膜厚を８ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例３の窒化物半導体素子を作製した。
　以上のようにして作製した実施例３の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５９４．３ｍＷであった。
　実施例４．
　実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６を成長させる際の原料ガスの流量について、Ａｌ原料ガスを０．４ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定し、第１中間層６の組成をＡｌ０．０４５Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９５Ｎとした以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例４の窒化物半導体素子を作製した。
　以上のようにして作製した実施例４の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１６１４．２ｍＷであった。
　実施例５．
　実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６を成長させる際の原料ガスの流量について、Ａｌ原料ガスを０．６ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定し、第１中間層６の組成をＡｌ０．０６Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９３５Ｎとした以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして実施例５の窒化物半導体素子を作製した。
　以上のようにして作製した実施例５の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５９５．６ｍＷであった。
　参考例１．
　実施例１の窒化物半導体素子において、第１中間層６をＩｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎから構成し、膜厚を１５ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして参考例１の窒化物半導体素子を作製した。Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９９５Ｎから構成された第１中間層６を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ｉｎ原料ガスを１６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
　以上のようにして作製した参考例１の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５２３．２ｍＷであった。
　参考例２．
　実施例１の窒化物半導体素子において、第２中間層８をＡｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎから構成し、膜厚を５ｎｍに成長させた以外は、実施例１の窒化物半導体素子と同様にして参考例２の窒化物半導体素子を作製した。Ａｌ０．０３Ｉｎ０．００５Ｇａ０．９６５Ｎから構成された第２中間層８を成長させる際の各原料ガスの流量は、Ａｌ原料ガスを０．２ｓｃｃｍに設定し、Ｉｎ原料ガスを６ｓｃｃｍに設定し、Ｇａ原料ガスを４３．６ｓｃｃｍに設定し、Ｎ原料ガスを７ｓｌｍに設定した。
　以上のようにして作製した参考例２の窒化物半導体素子について１０００ｍＡの電流を流したときの発光出力は、１５７２．０ｍＷであった。
　これらの実施例１～５、参考例１、２の結果を表１に記載する。なお、表１において、第１中間層６の膜厚を膜厚Ｔ１、第２中間層８の膜厚を膜厚Ｔ２と表している。
＜表１＞
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　これらの結果から、第１中間層６のバンドギャップエネルギーが、第２中間層８のバンドギャップエネルギー及び発光層１０のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、第１中間層６の膜厚が、第２中間層８の膜厚及び発光層１０の膜厚より薄い構成を有する実施例１～５の窒化物半導体素子は、参考例１、２の窒化物半導体素子よりも高い発光出力を示すことが明らかになった。また、第１中間層６の膜厚をより薄くすることで高い発光出力が得られることが分かった。さらにまた、第１中間層６を成長させる際のＡｌ原料ガスを一定の値から多くする、または少なくするにつれて発光出力が低下する傾向があることが分かった。
　第１中間層６及び第２中間層８の組成をＩｎＧａＮとした参考例１の窒化物半導体素子は、実施例１～５の窒化物半導体素子よりも発光出力が低いことが分かった。これは、第１中間層６による自己吸収が実施例１～５の窒化物半導体素子よりも多く発生していることが影響していると考えられる。また第１中間層６及び第２中間層８の組成をＡｌＩｎＧａＮとした参考例２の窒化物半導体素子は、実施例１～５の窒化物半導体素子よりも発光出力が低いことが分かった。これは、第２中間層８による格子緩和を抑制する効果が得られていないことが影響していると考えられる。
　以上、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、開示内容は構成の細部において変化してもよく、実施形態及び実施例における要素の組合せや順序の変化等は請求された本発明の範囲および思想を逸脱することなく実現し得るものである。
　１、１０１　窒化物半導体素子
　１ａ　半導体構造
　２　第１層部
　３　第２層部
　４、１０４　第３層部
　５　障壁層
　６　第１中間層
　７　ｎ型不純物ドープ障壁層
　８　第２中間層
　９　アンドープ障壁層
　１０　発光層
　１１　ｎ側窒化物半導体層
　１２　活性層
　１３　ｐ側窒化物半導体層
　２１　第１基板
　２２　第２基板
　３１　第１電極
　３２　第２電極
　３５　絶縁膜
　１００　第１ウエハ
　２００　第２ウエハ

Claims (8)

  1. 　ｎ側窒化物半導体層と、
    　前記ｎ側窒化物半導体層上に設けられ、窒化物半導体からなる複数の井戸層と、窒化物半導体からなる複数の障壁層とを備えた活性層と、
    　前記活性層上に設けられたｐ側窒化物半導体層と、を備え、
    　前記複数の井戸層は、前記ｎ側窒化物半導体層側から順に、
    　　前記障壁層よりも小さいバンドギャップを有し、ＡｌとＧａとＮとを含む第１中間層と、
    　　前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む第２中間層と、
    　　前記第１中間層より小さいバンドギャップエネルギーを有し、ＧａとＮとを含む紫外光を発する発光層と、を有し、
    　前記第１中間層の膜厚は、前記第２中間層及び前記発光層の膜厚よりも薄く、
    　前記複数の障壁層のうち、前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層は、ｎ型不純物がドープされている、窒化物半導体素子。
  2. 　前記複数の井戸層は、複数の前記第１中間層を備えることを特徴とする、請求項１に記載の窒化物半導体素子。
  3. 　前記第２中間層のバンドギャップエネルギーは、前記発光層のバンドギャップエネルギーと略同じであり、
    　前記第２中間層の膜厚は、前記発光層の膜厚よりも薄いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の窒化物半導体素子。
  4. 　前記発光層及び前記第２中間層は、Ｉｎを含み、
    　前記第２中間層のＩｎの含有量は、前記発光層のＩｎの含有量よりも少ないことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  5. 　前記第１中間層はＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮであり、
    　前記第２中間層はＧａＮまたはＩｎＧａＮであり、
    　前記発光層はＧａＮまたはＩｎＧａＮであることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  6. 　前記第１中間層の膜厚は３ｎｍ以上７ｎｍ以下であり、
    　前記第２中間層の膜厚は１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下であり、
    　前記発光層の膜厚は１０ｎｍ以上１８ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  7. 　前記障壁層はＡｌとＧａとＮとを含むことを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
  8. 　前記第２中間層と前記発光層との間に配置される前記障壁層の膜厚は２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
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