JP7450081B1 - 窒化物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層内にシリコンが含まれる場合において、発光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、ｎ型半導体層の一方側に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する複数の井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層と、活性層のｎ型半導体層側と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を備える。活性層内には、シリコンが含まれる。ｎ型半導体層の（１０－１２）面についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅は、８１２ａｒｃｓｅｃ以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物半導体発光素子に関する。

特許文献１には、ｎ型ＡｌＧａＮにて形成されたｎ型クラッド層と、ＡｌＧａＮにて形成された活性層とを有する窒化物半導体素子が開示されている。特許文献１には、ｎ型クラッド層の（１０－１２）面についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅であるｎ－ＡｌＧａＮミックス値を５００ａｒｃｓｅｃ以下とすることで、窒化物半導体素子の発光出力が向上する旨が開示されている。

特開２０１９－１２１６５５号公報

活性層内にシリコンが含まれる前提構成を有する場合においては、活性層内にシリコンが含まれない場合と比べ、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値と発光出力との関係が異なることが新たに見出された。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであり、活性層内にシリコンが含まれる場合において、発光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明は、前記の目的を達成するため、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層の一方側に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する複数の井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層の前記ｎ型半導体層側と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を備え、前記活性層内には、シリコンが含まれ、前記ｎ型半導体層の（１０－１２）面についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅は、８１２ａｒｃｓｅｃ以下であり、前記活性層の前記複数の井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い井戸層ほど、シリコン濃度が高い、窒化物半導体発光素子を提供する。

本発明によれば、活性層内にシリコンが含まれる場合において、発光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することが可能となる。

実施の形態における、窒化物半導体発光素子の構成を概略的に示す模式図である。 実験例における、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値と発光出力との関係を示すグラフである。

［実施の形態］
本発明の実施の形態について、図１を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

（窒化物半導体発光素子１）
図１は、窒化物半導体発光素子１の構成を概略的に示す模式図である。なお、図１において、窒化物半導体発光素子１（以下、単に「発光素子１」ともいう。）の各層の積層方向の寸法比は、必ずしも実際のものと一致するものではない。以後、発光素子１の各層の積層方向を上下方向という。また、上下方向の一方側であって、基板２における各半導体層が成長される側（例えば図１の上側）を上側とし、その反対側（例えば図１の下側）を下側とする。なお、上下の表現は便宜的なものであり、例えば発光素子１の使用時における、鉛直方向に対する発光素子１の姿勢を限定するものではない。

発光素子１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又は半導体レーザ（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。本形態において、発光素子１は、紫外領域の波長の光を発する発光ダイオードである。特に、本形態の発光素子１は、中心波長が２５０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発する。発光素子１は、例えば殺菌（例えば空気浄化、浄水等）、医療（例えば光線治療、計測・分析等）、ＵＶキュアリング等の分野において用いることができる。

発光素子１は、基板２上に、バッファ層３、ｎ型クラッド層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次備える。また、発光素子１は、ｎ型クラッド層４上に設けられたｎ側電極１１と、ｐ型半導体層８上に設けられたｐ側電極１２とを備える。

発光素子１を構成する半導体としては、例えば、Ａｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{１－ａ－ｂ}Ｎ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）にて表される２～４元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いることができる。本形態においては、発光素子１を構成する半導体として、Ａｌ_ｃＧａ_１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）にて表される２元系又は３元系のＩＩＩ族窒化物半導体を用いている。これらのＩＩＩ族元素の一部は、ホウ素（Ｂ）、タリウム（Ｔｌ）等に置き換えてもよい。また、窒素の一部をリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）等で置き換えてもよい。

基板２は、活性層６が発する光を透過する材料からなる。基板２は、例えばサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板である。基板２の上面（すなわち発光素子１の各半導体層が積層される側の面）は、ｃ面である。このｃ面は、オフ角を有するものであってもよい。また、基板２として、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板又は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）基板等を用いてもよい。

バッファ層３は、基板２上に形成されている。本形態において、バッファ層３は、窒化アルミニウムにより形成されている。なお、基板２が窒化アルミニウム基板又は窒化アルミニウムガリウム基板である場合、バッファ層３は必ずしも設けなくてもよい。また、バッファ層３は、窒化アルミニウムからなる半導体層の上に形成された、アンドープのＡｌ_ｐＧａ_１－ｐＮ（０≦ｐ≦１）からなる半導体層を含んでいてもよい。

ｎ型クラッド層４は、バッファ層３上に形成されたｎ型半導体層である。ｎ型クラッド層４は、例えば、ｎ型不純物がドープされたＡｌ_ｑＧａ_１－ｑＮ（０≦ｑ≦１）により形成されている。本形態において、ｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。なお、ｎ型不純物としては、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン（Ｓｅ）又はテルル（Ｔｅ）等を用いてもよい。ｎ型クラッド層４のＡｌ組成比ｑは、例えば２０％以上とすることが好ましく、２５％以上７０％以下とすることが更に好ましい。なお、Ａｌ組成比は、ＡｌＮモル分率とも称される。ｎ型クラッド層４の膜厚は、例えば１μｍ以上４μｍ以下とすることができる。

ｎ型クラッド層４を構成するｎ型ＡｌＧａＮ結晶の（１０－１２）面に対するＸ線回折のωスキャンにより得られるＸ線ロッキングカーブの半値幅（以後、「ｎ－ＡｌＧａＮミックス値」ともいう。）は、８１２ａｒｃｓｅｃ以下である。ｎ－ＡｌＧａＮミックス値は、ｎ型クラッド層４の結晶品質を示す指標であり、その値が低いほどｎ型クラッド層４の結晶品質が良いことを意味する。後述の実験例にて示すように、活性層６にシリコンが含まれる発光素子１においては、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値を８１２ａｒｃｓｅｃ以下とすることで発光出力が向上する。発光出力をより向上させる観点から、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値は、７６０ａｒｃｓｅｃ以下が好ましい。

本形態において、ｎ型クラッド層４は、単層構造であるが、複数層構造としてもよい。ｎ型クラッド層４が複数層構造の場合、ｎ型クラッド層４を構成する各半導体層のうち、最も活性層６に近い側の半導体層について、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が８１２ａｒｃｓｅｃ以下（好ましくは７６０ａｒｃｓｅｃ以下）とされる。活性層６の発光強度は、活性層６の結晶性に依存し、活性層６の結晶性は、ｎ型クラッド層４の複数の半導体層のうち最も活性層６に近い半導体層の結晶性に依存すると考えられるためである。

組成傾斜層５は、ｎ型クラッド層４上に形成されている。組成傾斜層５は、シリコンがドープされたＡｌ_ｒＧａ_１－ｒＮ（０≦ｒ≦１）からなる。組成傾斜層５の上下方向の各位置におけるＡｌ組成比は、活性層６側の位置ほど大きくなっている。なお、組成傾斜層５は、例えば上下方向の極一部の領域（例えば組成傾斜層５の上下方向の全体の５％以下の領域）に、活性層６側に向かうにつれてＡｌ組成比が大きくならない領域を含んでいてもよい。

組成傾斜層５は、そのｎ型クラッド層４側の端部のＡｌ組成比が、ｎ型クラッド層４における組成傾斜層５側の端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。また、組成傾斜層５は、その活性層６側の端部のＡｌ組成比が、活性層６における組成傾斜層５側の端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。組成傾斜層５の膜厚は、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることができる。

活性層６は、組成傾斜層５上に形成されている。活性層６は、複数の井戸層６２１～６２３を有する多重量子井戸構造である。活性層６は、中心波長が２５０ｎｍ以上３６５ｎｍ以下の紫外光を発することができるよう、バンドギャップが調整されている。

本形態において、活性層６は、障壁層６１と井戸層６２１～６２３とを３つずつ有し、障壁層６１と井戸層６２１～６２３とが交互に積層されている。活性層６においては、組成傾斜層５側の端部に障壁層６１が位置しており、電子ブロック層７側の端部に井戸層６２３が位置している。なお、活性層６の障壁層６１の数及び井戸層６２１～６２３の数は、井戸層が２つ以上存在してれば特に限定されない。

各障壁層６１は、Ａｌ_ｓＧａ_１－ｓＮ（０＜ｓ＜１）により形成されている。各障壁層６１のＡｌ組成比ｓは、例えば７５％以上９５％以下である。また、各障壁層６１の膜厚は、例えば２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

井戸層６２１～６２３は、Ａｌ_ｔＧａ_１－ｔＮ（０＜ｔ＜１）により形成されている。各井戸層６２１～６２３のＡｌ組成比ｔは、障壁層６１のＡｌ組成比ｓよりも小さい（すなわちｔ＜ｓ）。

３つの井戸層６２１～６２３を、組成傾斜層５側から順に第１井戸層６２１、第２井戸層６２２、第３井戸層６２３と呼ぶこととする。第１井戸層６２１の膜厚は、第２井戸層６２２及び第３井戸層６２３のそれぞれの膜厚よりも１ｎｍ以上大きい。これにより、活性層６の各層が平坦化され、出力光の単色性が向上する。第１井戸層６２１の膜厚と第２井戸層６２２及び第３井戸層６２３のそれぞれの膜厚との差は、２ｎｍ以上４ｎｍ以下とすることが好ましい。本形態において、第２井戸層６２２及び第３井戸層６２３のそれぞれは、２ｎｍ以上４ｎｍ以下の膜厚を有し、第１井戸層６２１は、４ｎｍ以上６ｎｍ以下の膜厚を有する。

また、第１井戸層６２１のＡｌ組成比は、第２井戸層６２２及び第３井戸層６２３のそれぞれのＡｌ組成比よりも２％以上大きい。第１井戸層６２１のＡｌ組成比を、第２井戸層６２２及び第３井戸層６２３のそれぞれのＡｌ組成比よりも大きくすることにより、第１井戸層６２１の結晶性が向上する。これは、第１井戸層６２１とｎ型クラッド層４とのＡｌ組成比の差が小さくなるためである。第１井戸層６２１の結晶性が向上することにより、活性層６のうちの第１井戸層６２１上に形成される各半導体層の結晶性も向上する。これにより、活性層６におけるキャリアの移動度が向上し、発光出力が向上する。かかる効果は、第１井戸層６２１の膜厚が大きくなるほど顕著であるが、発光素子１全体の電気抵抗値が増加することを抑制する観点から第１井戸層６２１の膜厚は所定値以下となるよう設計される。

本形態において、第２井戸層６２２及び第３井戸層６２３のそれぞれは、２５％以上４５％以下のＡｌ組成比を有し、第１井戸層６２１は、３５％以上５５％以下のＡｌ組成比を有する。複数の井戸層６２１～６２３は、例えば組成傾斜層５側のものほどＡｌ組成比が大きくなるよう構成されていてもよい。

活性層６には、シリコンが含まれている。後述するように、本形態においては活性層６の成膜中にシリコン源は供給されず、活性層６の各層に存在するシリコンは、発光素子１の活性層６よりも基板２側から拡散されたものである。活性層６中のシリコンは、活性層６の上下方向の各位置のうちのＡｌ組成比が小さい位置に特に取り込まれやすく、また、活性層６の各層のうちの組成傾斜層５に近い層に取り込まれやすい傾向がある。

各障壁層６１のシリコン濃度は、組成傾斜層５に近い側の層ほど大きくなり、同様に、各井戸層６２１～６２３のシリコン濃度は、組成傾斜層５に近い側の層ほど大きくなる。本形態において、活性層６の各層のシリコン濃度のうち、複数の井戸層６２１～６２３の最もｎ型半導体層側の井戸層である第１井戸層６２１のシリコン濃度が最も高い。上下方向における活性層６のシリコン濃度分布の最大値は、８．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上が好ましく、１．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上６．０×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましい。上下方向における活性層６のシリコン濃度分布の最大値が前述の数値範囲の場合に、発光素子１の発光出力が向上しやすいことを確認している。

活性層６には、図示しない複数のピット（例えばいわゆるＶピット）が形成されている。後述するように、発光素子１の製造時、活性層６の成膜前（具体的には組成傾斜層５の成膜後、活性層６の成膜前）にチャンバ内にシリコン源が供給されることで、半導体層の母相の成長モードが変わり、活性層６にピットが形成される。活性層６中にピットが形成されることで、ピットを介してｐ型半導体層８から活性層６へ正孔が供給されやすくなる結果、発光素子１の発光出力が向上するものと考えられる。また、活性層６にシリコンが含まれることで、活性層６においてピットの形成が誘発されやすくなるものと考えられる。

電子ブロック層７は、活性層６上に形成されている。電子ブロック層７は、活性層６からｐ型半導体層８側へ電子がリークするオーバーフロー現象の発生を抑制すること（以後、電子ブロック効果ともいう）によって活性層６への電子注入効率を向上させる役割を有する。本形態において、電子ブロック層７は、アンドープのＡｌ_ｕＧａ_１－ｕＮ（０．７≦ｕ≦１）により形成されている。すなわち、電子ブロック層７は、Ａｌ組成比ｕが７０％以上の半導体層にて構成されている。電子ブロック層７は、活性層６側から順に、第１電子ブロック層７１と第２電子ブロック層７２とを積層した積層構造を有する。なお、電子ブロック層７は、３層以上にて形成されていてもよい。

第１電子ブロック層７１は、活性層６に接するよう設けられている。電子ブロック層７を構成する複数の半導体層（本形態においては第１電子ブロック層７１及び第２電子ブロック層７２）のうち、第１電子ブロック層７１は、電子ブロック層７を構成する他の半導体層（すなわち第２電子ブロック層７２）及び障壁層６１よりも、Ａｌ組成比が大きい。第１電子ブロック層７１のＡｌ組成比は、例えば９０％以上であり、１００％としてもよい（すなわち第１電子ブロック層７１をＡｌＮにて構成してもよい）。第１電子ブロック層７１の膜厚は、例えば０．５ｎｍ以上５．０ｎｍ以下である。

第２電子ブロック層７２のＡｌ組成比は、第１電子ブロック層７１のＡｌ組成比よりも小さく、例えば７０％以上９０％以下である。第２電子ブロック層７２の膜厚は、第１電子ブロック層７１の膜厚よりも大きく、例えば１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

Ａｌ組成比が大きい半導体層ほど電気抵抗値が大きくなるため、Ａｌ組成比が比較的高い第１電子ブロック層７１の膜厚を大きくし過ぎると発光素子１の全体の電気抵抗値の過度な上昇を招く。そのため、第１電子ブロック層７１の膜厚はある程度小さくすることが好ましい。一方、第１電子ブロック層７１の膜厚を小さくすると、トンネル効果によって電子が第１電子ブロック層７１を活性層６側からｐ型半導体層８側にすり抜ける確率が増大し得る。そこで、本形態の発光素子１においては、第１電子ブロック層７１上に第２電子ブロック層７２を形成することで、電子ブロック層７の全体を電子がすり抜けることを抑制している。

第１電子ブロック層７１及び第２電子ブロック層７２のそれぞれは、アンドープの層、ｎ型不純物を含有する層、ｐ型不純物を含有する層、又はｎ型不純物及びｐ型不純物の双方を含有する層とすることができる。ｐ型不純物としては、マグネシウム（Ｍｇ）を用いることができるが、マグネシウム以外にも、亜鉛（Ｚｎ）、ベリリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（Ｂａ）又は炭素（Ｃ）等を用いてもよい。他のｐ型不純物を含む半導体層においても同様である。各電子ブロック層７が不純物を含有する場合において、各電子ブロック層７が含有する不純物は、各電子ブロック層７の全体に含まれていてもよいし、各電子ブロック層７の一部に含まれていてもよい。また、電子ブロック層７は、単層にて形成されていてもよいし、３層以上にて形成されていてもよいし、省略されてもよい。

電子ブロック層７とｐ型半導体層８との間には、シリコンが含まれていてもよい。マグネシウムはシリコンに引き付けられやすく、かつ、水素はマグネシウムと結びつきやすいところ、電子ブロック層７とｐ型半導体層８との間にシリコンが存在することで、ｐ型半導体層８から活性層６へのマグネシウム及び水素の拡散が抑制され、発光素子１の長寿命化が図られる。更に、電子ブロック層７とｐ型半導体層８との間にシリコンが含まれることで、電子ブロック層７とｐ型半導体層８との間に、ピットが存在する層が形成され得る。ピットは、転位が存在する箇所にシリコン源が供給されることにより形成されるため、ピットが形成されることで、転位がピットよりも上側に進展することが抑制され、発光素子１の長寿命化が図られる。

ｐ型半導体層８は、電子ブロック層７上に形成されている。ｐ型半導体層８は、ｐ型のＡｌ_ｖＧａ_１－ｖＮ（０≦ｖ＜０．７）により形成されている。すなわち、ｐ型半導体層８は、Ａｌ組成比が７０％未満の半導体層にて構成されている。

ｐ型半導体層８は、ｐ型コンタクト層を有する。ｐ型コンタクト層は、ｐ側電極１２が接続された層であり、ｐ型不純物が高濃度にドープされたＡｌ_ｖＧａ_１－ｖＮ（０≦ｖ＜０．７）により形成されている。ｐ型コンタクト層は、ｐ側電極１２とのオーミックコンタクトを実現すべくＡｌ組成比が低くなるよう構成されており、かかる観点からｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成することが好ましい。ｐ型の窒化ガリウムからなる半導体層は、紫外光を吸収しやすいため、紫外光の吸収を防止して発光素子１の発光出力を向上させる観点から、ｐ型コンタクト層の膜厚は３０ｎｍ以下が好ましい。また、ショートの発生を抑制する観点から、ｐ型コンタクト層の膜厚は５ｎｍ以上が好ましい。

ｐ型半導体層８は、ｐ型コンタクト層の電子ブロック層７側に、更にｐ型クラッド層を備えていてもよい。ｐ型クラッド層は、Ａｌ組成比が７０％未満のｐ型ＡｌＧａＮから構成される。ｐ型クラッド層は、例えば単層で構成されてもよいし、複数層にて構成されてもよい。ｐ型クラッド層が複数層で構成される場合、例えば、ｐ型クラッド層は、第２電子ブロック層７２側に形成された第１ｐ型クラッド層と、第１ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間に形成された第２ｐ型クラッド層とを有してもよい。第２ｐ型クラッド層の上下方向の各位置におけるＡｌ組成比は、ｐ型コンタクト層側の位置ほど小さくしてもよい。なお、第２ｐ型クラッド層は、例えば上下方向の極一部の領域（例えば第２ｐ型クラッド層の上下方向の全体の５％以下の領域）に、ｐ型コンタクト層に向かうにつれてＡｌ組成比が大きくならない領域を含んでいてもよい。第２ｐ型クラッド層は、その第１ｐ型クラッド層側の端部のＡｌ組成比が、第１ｐ型クラッド層における第２ｐ型クラッド層側の端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。また、第２ｐ型クラッド層は、そのｐ型コンタクト層側の端部のＡｌ組成比が、ｐ型コンタクト層における第２ｐ型クラッド層側の端部のＡｌ組成比と略同一（例えば差が５％以内）であることが好ましい。

発光素子１のうちの、活性層６より上側に存在する半導体層（すなわち電子ブロック層７及びｐ型半導体層８）の合計の光学膜厚は、活性層６から上側に発されてｐ側電極１２にて反射されて下側に向かう光と、活性層６から直接下側に発された光とが互いに強め合う光学膜厚となるよう設計することが好ましい。活性層６から発される光の中心波長を波長λ［ｎｍ］としたとき、例えば、活性層６より上側に存在する半導体層の合計の光学膜厚は、０．５λ以上１．４λ以下が好ましく、０．５λ以上０．８λ以下又は１．０λ以上１．３λ以下がより好ましく、０．５λ以上０．８λ以下がより一層好ましい。

ｎ側電極１１は、ｎ型クラッド層４の上側に形成された、活性層６から露出する露出面４１の面上に形成されている。ｎ側電極１１は、例えば、ｎ型クラッド層４の上にチタン（Ｔｉ）、アルミニウム、チタン、金（Ａｕ）が順に積層された多層膜とすることができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｎ側電極１１は、活性層６が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。

ｐ側電極１２は、ｐ型半導体層８の上面に形成されている。ｐ側電極１２は、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等にて構成することができる。また、後述するように発光素子１がフリップチップ実装される場合、ｐ側電極１２は、活性層６が発する紫外光を反射可能な材料にて構成されていてもよい。

発光素子１は、図示しないパッケージ基板にフリップチップ実装されて使用され得る。すなわち、発光素子１は、上下方向におけるｎ側電極１１及びｐ側電極１２が設けられた側をパッケージ基板側に向け、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２のそれぞれが、金バンプ等を介してパッケージ基板に実装される。フリップチップ実装された発光素子１は、基板２側から光が取り出される。なお、これに限られず、発光素子１は、ワイヤボンディング等によりパッケージ基板に実装されてもよい。また、本形態において、発光素子１は、ｎ側電極１１及びｐ側電極１２の双方が発光素子１の上側に設けられた、いわゆる横型の発光素子１としたが、これに限られず、縦型の発光素子１であってもよい。縦型の発光素子１は、ｎ側電極１１とｐ側電極１２とによって活性層６がサンドイッチされた発光素子１である。なお、発光素子１を縦型とする場合、基板２及びバッファ層３は、レーザーリフトオフ等により除去することが好ましい。

（発光素子１の製造方法）
次に、本形態の発光素子１の製造方法の一例につき説明する。
本形態においては、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、円板状の基板２上に、バッファ層３、ｎ型クラッド層４、組成傾斜層５、活性層６、電子ブロック層７及びｐ型半導体層８を順次エピタキシャル成長させる。すなわち、本形態においては、チャンバ内に配されたサセプタのポケットに円板状の基板２を設置し、基板２上に形成される各半導体層の原料ガスをチャンバ内に導入することによって基板２上に各半導体層が形成される。なお、ＭＯＣＶＤ法は、有機金属化学気相エピタキシ法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）と呼ばれることもある。

各層をエピタキシャル成長させるための原料ガスとしては、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、窒素源としてアンモニア（ＮＨ_３）、シリコン源としてテトラメチルシラン（ＴＭＳｉ）、マグネシウム源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いることができる。

本形態の発光素子１の製造方法においては、活性層６の成膜時にチャンバ内にシリコン源は供給されず、活性層６の成膜前に供給されたシリコンが活性層６に拡散される。本形態においては、例えば、ｎ型クラッド層４の成膜時、組成傾斜層５の成膜時及び活性層６の成膜直前（すなわち組成傾斜層５の成膜後かつ活性層６の成膜前）において、チャンバ内にシリコン源が供給される。活性層６の成膜直前においては、チャンバ内に原料ガスとしてシリコン源のみが供給され、この工程を以下「シリコン源供給工程」という。シリコン源供給工程においては、原料ガスとしてシリコン源のみがチャンバ内に供給されていればよく、チャンバ内に原料ガス以外のガス（例えば水素等のキャリアガス）が導入されてもよい。例えばシリコン源供給工程において供給されるシリコン源の量を調整することで、活性層６の各層に含まれるシリコンの量が調整される。また、シリコン源供給工程において、転位が存在する箇所にシリコン源が供給されることによって、半導体層の母相の成長モードが変わり、活性層６の成膜時においてピットが形成される。

その他、ウエハの各半導体層をエピタキシャル成長させるための成長温度、成長圧力及び成長時間等の製造条件については、各半導体層の構成に応じた条件を適宜採用することができる。

なお、基板２上に各半導体層をエピタキシャル成長させるに際しては、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ハイドライド気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ：Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の他のエピタキシャル成長法を用いることも可能である。

円板状の基板２上に各半導体層を形成した後、ｐ型半導体層８上の一部、すなわちｎ型クラッド層４の露出面４１になる部分以外の部位にマスクを形成する。そして、マスクを形成していない領域を、ｐ型半導体層８の上面から上下方向のｎ型クラッド層４の途中までエッチングにより除去する。これにより、上側に向かって露出する露出面４１がｎ型クラッド層４に形成される。露出面４１の形成後、マスクを除去する。

次いで、ｎ型クラッド層４の露出面４１上にｎ側電極１１を形成し、ｐ型半導体層８上にｐ側電極１２を形成する。ｎ側電極１１及びｐ側電極１２は、例えば、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法などの周知の方法により形成してよい。以上により完成したものを、所望の寸法に切り分けることにより、１つのウエハから図１に示すような発光素子１が複数製造される。

（実施の形態の作用及び効果）
本形態の発光素子１は、ｎ型クラッド層４の（１０－１２）面についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅（すなわちｎ－ＡｌＧａＮミックス値）が８１２ａｒｃｓｅｃ以下であり、活性層６内には、シリコンが含まれる。これにより、後述の実験例にて示すように、発光素子１の発光出力が向上する。このように、活性層６内にシリコンが含まれる発光素子１において、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値を８１２ａｒｃｓｅｃ以下とすることによって発光出力が向上することは、新たな知見である。

また、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値は、７６０ａｒｃｓｅｃ以下を満たすことが好ましい。この場合には、後述の実験例にて示すように、より発光出力の向上を図りやすい。

また、活性層６の複数の井戸層６２１～６２３は、ｎ型クラッド層４に近い井戸層６２１～６２３ほど、シリコン濃度が高い。かかる構成により、発光素子１の発光出力が向上しやすいことを確認している。かかる構成は、ｎ型クラッド層４と活性層６との間に、シリコンが含まれる組成傾斜層５が形成されることで、容易に実現されやすい。すなわち、組成傾斜層５から活性層６側にシリコンが拡散されるため、ｎ型クラッド層４に近い井戸層６２１～６２３ほどシリコン濃度が高い構成が実現されやすい。

また、上下方向における活性層６のシリコン濃度分布の最大値は、８．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である。これにより、発光素子１の発光出力がより向上しやすいことを確認している。

また、ｐ型半導体層８は、ｐ型のＧａＮによって形成されるｐ型コンタクト層を有し、ｐ型コンタクト層の膜厚は、３０ｎｍ以下である。ｐ型のＧａＮからなるｐ型コンタクト層は、紫外光を吸収しやすいところ、ｐ型コンタクト層の膜厚を３０ｎｍ以下と薄くすることで、紫外光の吸収を抑制し、発光素子１の発光出力の向上が図られる。

以上のごとく、本形態によれば、活性層内にシリコンが含まれる場合において、発光出力の向上を図ることができる窒化物半導体発光素子を提供することができる。

［実験例］
本実験例は、活性層にシリコンが含まれないウエハに係る比較例１～１４と、活性層にシリコンが含まれたウエハに係る実施例１～４６１とにおいて、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値と発光出力との関係を評価した例である。なお、本実験例以降において用いた用語のうち、既出の形態において用いた用語と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の内容を表す。

比較例１～１４は、組成傾斜層を有さない点及び活性層にシリコンが含まれない点を除き実施の形態で示した発光素子と同様の基本構成を有するウエハである。比較例１～１４は、互いにｎ－ＡｌＧａＮミックス値が異なる点を除き、互いに同様の基本構成を有する。

実施例１～４６１のうちの実施例１～３４４は、活性層にシリコンが含まれていることを除いて比較例１～１４と基本構成を同様としたウエハである。実施例１～３４４は、互いにｎ－ＡｌＧａＮミックス値が異なる点を除き、互いに同様の構成を有する。

実施例１～４６１のうちの実施例３４５～４６１は、実施例１～３４４と比べ、電子ブロック層とｐ型半導体層との間にシリコンが含まれているとともにｐ型半導体層の構成が異なるウエハである。実施例３４５～４６１は、互いにｎ－ＡｌＧａＮミックス値が異なる点を除き、互いに同様の構成を有する。

比較例１～１４の構造、各層の膜厚、各層のＡｌ組成比及び各層のシリコン濃度を下記表１に示す。また、実施例１～３４４の構造、各層の膜厚、各層のＡｌ組成比及び各層のシリコン濃度を下記表２に示す。また、実施例３４５～４６１の構造、各層の膜厚、各層のＡｌ組成比及び各層のシリコン濃度を下記表３に示す。

表１～表３に記載の各層の膜厚は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）によって測定したものである。また、表１～表３に記載の各層のＡｌ組成比は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により測定したＡｌの二次イオン強度から推定した値である。表２及び表３における組成傾斜層のＡｌ組成比の欄は、組成傾斜層の上下方向の各位置のＡｌ組成比が、ｎ型クラッド層側から活性層側にかけて、５５％から８５％まで変動していることを表している。同様に、表３における第２ｐ型クラッド層のＡｌ組成比の欄は、第２ｐ型クラッド層の上下方向の各位置のＡｌ組成比が、第１ｐ型クラッド層側からｐ型コンタクト層側にかけて、５５％から０％まで変動していることを表している。また、表１～表３に記載の各層のシリコン濃度は、二次イオン質量分析法を用いて得られたものである。表１～表３のそれぞれにおいて、Ｓｉ濃度の欄の「※」印を付けた箇所は、半導体層の膜厚が薄く正確なシリコン濃度の測定が困難であることを意味している。また、表１～表３のＳｉ濃度の欄について、「ＢＧ」との表記は、バックグラウンドレベルを意味している。バックグラウンドレベルのシリコン濃度は、シリコンをドープしない場合に検出されるシリコン濃度である。

そして、本実験例においては、比較例１～１４及び実施例１～４６１のそれぞれについて、オンウエハの状態で２０ｍＡの電流を流したときの発光出力を測定した。発光出力の測定は、比較例１～１４及び実施例１～４６１のそれぞれのウエハの基板側に設置した光検出器によって測定した。比較例１～１４及び実施例１～４６１のそれぞれのｎ－ＡｌＧａＮミックス値と発光出力との関係を図２に示す。図２において、比較例１～１４の結果を三角記号にてプロットしており、実施例１～３４４の結果を四角記号にてプロットしており、実施例３４５～４６１の結果を丸記号にてプロットしている。なお、図２においては、四角記号のプロット同士が重なっており、丸記号のプロット同士が重なっているが、実施例１～３４４の結果（すなわち四角記号のプロット）は、発光出力１．００［ａ．ｕ．］～１．５０［ａ．ｕ．］の範囲に収まっており、実施例３４５～４６１の結果（すなわち丸記号のプロット）は、発光出力１．５０［ａ．ｕ．］以上を満たしている。

図２から分かるように、活性層にシリコンが含まれない比較例１～１４の結果を見ると、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値を５００ａｒｃｓｅｃ以下とすることが、発光出力向上の観点から好ましいことが分かる。この結果は、特開２０１９－１２１６５５号公報の図３に示されている結果と同様である。つまり、特開２０１９－１２１６５５号公報の図３に関する実験例は、活性層にシリコンが含まれない発光素子を用いた結果であることが分かる。

一方、図２から分かるように、活性層にシリコンが含まれた実施例１～４６１の結果を見ると、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が８１２ａｒｃｓｅｃ以下の領域において、高い発光出力が得られていることが分かる。つまり、活性層のシリコンが含まれている発光素子においては、比較例１～１４とは異なり、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が５００ａｒｃｓｅｃを超えている場合であっても、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が８１２ａｒｃｓｅｃ以下を満たしていれば高い発光出力が得られることが分かる。

ここで、図２の丸記号のプロット（すなわち実施例３４５～４６１の結果）のうち、最もｎ－ＡｌＧａＮミックス値が高いプロットＰ１は、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が８１２．１ａｒｃｓｅｃであり、この結果については発光出力が比較的低くなっていることが分かる。そのため、活性層にシリコンが含まれる構成（すなわち実施例１～４６１）においては、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値を８１２ａｒｃｓｅｃ以下とすることが発光出力の向上に必要であることが分かる。

また、四角記号のプロット（すなわち実施例１～３４４の結果）のうちのプロットＰ２は、四角記号のプロットのうちの発光出力が高い結果のうち、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が最も高い結果である。プロットＰ２のｎ－ＡｌＧａＮ値は、７６０．０ａｒｃｓｅｃであったため、活性層にシリコンが含まれる構成においては、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値を７６０ａｒｃｓｅｃ以下とすることがより好ましいことが分かる。

また、実施例１～３４４の結果と実施例３４５～４６１の結果とを比較すると、実施例３４５～４６１の方が高い発光出力が得られていることが分かる。これについては、実施例３４５～４６１は、実施例１～３４４と比べ、ｐ型コンタクト層の膜厚が薄く、ｐ型コンタクト層による紫外光の吸収が抑えられたことが大きな要因であると考えられる。

なお、実施例１～３４４のうち、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が最小のものは３９４．２ａｒｃｓｅｃであり、実施例３４５～４６１のうち、ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が最小のものは４０６．５ａｒｃｓｅｃであった。ｎ－ＡｌＧａＮミックス値が小さいほど（すなわちｎ型クラッド層の結晶品質が高いほど）発光出力が向上する傾向があるため、実施例１～４６１よりもｎ－ＡｌＧａＮミックス値が小さいものは、実施例１～４６１と比べ、発光出力が同等又は向上するものと想定される。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］本発明の第１の実施態様は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層４と、前記ｎ型半導体層４の一方側に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する複数の井戸層６２１～６２３を有する多重量子井戸構造の活性層６と、前記活性層６の前記ｎ型半導体層４側と反対側に形成されたｐ型半導体層８と、を備え、前記ｎ型半導体層４の（１０－１２）面についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅は、８１２ａｒｃｓｅｃ以下であり、前記活性層６内には、シリコンが含まれる、窒化物半導体発光素子１である。
これにより、活性層６内にシリコンが含まれる窒化物半導体発光素子１において、発光出力を向上させることができる。

［２］本発明の第２の実施態様は、第１の実施態様において、前記半値幅が、７６０ａｒｃｓｅｃ以下であることである。
これにより、活性層６内にシリコンが含まれる窒化物半導体発光素子１において、発光出力がより向上する。

［３］本発明の第３の実施態様は、第１又は第２の実施態様において、前記活性層６の前記複数の井戸層６２１～６２３が、前記ｎ型半導体層４に近い井戸層６２１～６２３ほど、シリコン濃度が高いことである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の発光出力がより向上する。

［４］本発明の第４の実施態様は、第３の実施態様において、前記ｎ型半導体層４、前記活性層６及び前記ｐ型半導体層８の積層方向における前記活性層６のシリコン濃度分布の最大値が、８．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の発光出力がより向上する。

［５］本発明の第５の実施態様は、第３又は第４の実施態様において、前記ｎ型半導体層４と前記活性層６との間に、前記活性層６側の位置ほど、Ａｌ組成比が高くなるとともに、シリコンが含まれる組成傾斜層５が形成されていることである。
これにより、第３の実施態様の構成が容易に実現される。

［６］本発明の第６の実施態様は、第１乃至第５のいずれか１つの実施態様において、前記ｐ型半導体層８が、ｐ型のＧａＮによって形成されるｐ型コンタクト層を有し、前記ｐ型コンタクト層の膜厚が、３０ｎｍ以下であることである。
これにより、窒化物半導体発光素子１の発光出力がより向上する。

（付記）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、前述した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

１…窒化物半導体発光素子
４…ｎ型クラッド層（ｎ型半導体層）
５…組成傾斜層
６…活性層
６２１…第１井戸層
６２２…第２井戸層
６２３…第３井戸層
８…ｐ型半導体層

Claims (5)

1. Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有するｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層の一方側に形成され、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含有する複数の井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層と、
   前記活性層の前記ｎ型半導体層側と反対側に形成されたｐ型半導体層と、を備え、
   前記活性層内には、シリコンが含まれ、
   前記ｎ型半導体層の（１０－１２）面についてのＸ線ロッキングカーブの半値幅は、８１２ａｒｃｓｅｃ以下であり、
   前記活性層の前記複数の井戸層は、前記ｎ型半導体層に近い井戸層ほど、シリコン濃度が高い、
   窒化物半導体発光素子。
2. 前記半値幅は、７６０ａｒｃｓｅｃ以下である、
   請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
3. 前記ｎ型半導体層、前記活性層及び前記ｐ型半導体層の積層方向における前記活性層のシリコン濃度分布の最大値は、８．０×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上である、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
4. 前記ｎ型半導体層と前記活性層との間には、前記活性層側の位置ほど、Ａｌ組成比が高くなるとともに、シリコンが含まれる組成傾斜層が形成されている、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。
5. 前記ｐ型半導体層は、ｐ型のＧａＮによって形成されるｐ型コンタクト層を有し、
   前記ｐ型コンタクト層の膜厚は、３０ｎｍ以下である、
   請求項１又は２に記載の窒化物半導体発光素子。

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