[go: up one dir, main page]

WO2014115800A1 - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

Ｌｅｄ素子 Download PDF

Info

Publication number
WO2014115800A1
WO2014115800A1 PCT/JP2014/051363 JP2014051363W WO2014115800A1 WO 2014115800 A1 WO2014115800 A1 WO 2014115800A1 JP 2014051363 W JP2014051363 W JP 2014051363W WO 2014115800 A1 WO2014115800 A1 WO 2014115800A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
led element
semiconductor layer
ingan
semiconductor
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/051363
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
晃平 三好
月原　政志
Original Assignee
ウシオ電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2013270305A external-priority patent/JP5800252B2/ja
Priority claimed from JP2013270303A external-priority patent/JP5800251B2/ja
Application filed by ウシオ電機株式会社 filed Critical ウシオ電機株式会社
Priority to KR1020157015805A priority Critical patent/KR101665902B1/ko
Priority to US14/762,387 priority patent/US9818907B2/en
Priority to CN201480005614.7A priority patent/CN104937731B/zh
Publication of WO2014115800A1 publication Critical patent/WO2014115800A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • H10H20/812—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/817—Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/825—Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP containing nitrogen, e.g. GaN

Definitions

  • the present invention relates to an LED element, and more particularly to an LED element composed of a nitride semiconductor.
  • a semiconductor layer structure (laminated semiconductor substrate) is formed on a sapphire substrate by epitaxial growth.
  • a technique is disclosed in, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2 below.
  • an n-type contact layer made of gallium nitride (GaN) as an n-type nitride semiconductor, an n-type cladding layer made of n-AlGaN, and an active layer made of n-InGaN are formed on a sapphire substrate.
  • An LED having a structure in which a p-type cladding layer made of p-AlGaN and a p-type contact layer made of p-GaN are sequentially laminated is disclosed.
  • the active layer is realized by a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
  • a buffer layer made of GaN, AlGaN or AlN is formed between the sapphire substrate and the n-type contact layer.
  • the n-InGaN forming the active layer is doped with donor impurities such as Si and Ge and / or acceptor impurities such as Zn and Mg.
  • Patent Document 2 in a laminated semiconductor substrate for forming an LED, a GaN layer having a lattice constant larger than that and having a plane orientation aligned in the c-axis direction is grown on AlN having a plane orientation aligned in the c-axis direction.
  • the contents of forming an n-AlGaN layer having a smaller lattice constant, an active layer having a multiple quantum well structure, and a p-AlGaN layer in this order are disclosed.
  • Nitride semiconductors such as GaN and AlGaN have a wurtzite crystal structure (hexagonal crystal structure).
  • the plane of the wurtzite crystal structure is expressed in terms of a crystal plane and orientation using basic vectors represented by a1, a2, a3, and c in a four-index notation (hexagonal crystal index).
  • the basic vector c extends in the [0001] direction, and this direction is called “c-axis”.
  • a plane perpendicular to the c-axis is called “c-plane” or “(0001) plane”.
  • a substrate having a c-plane substrate as a main surface is used as a substrate on which a nitride semiconductor crystal is grown.
  • an undoped GaN layer is grown on this substrate, and an n-type nitride semiconductor layer is further grown thereon.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional LED element 190.
  • the actual dimensional ratio does not necessarily match the dimensional ratio on the drawing.
  • the LED element 190 includes an undoped layer 113 in which an undoped GaN layer is formed with a thickness of 3 ⁇ m, for example, on an upper layer of a support substrate 111 such as sapphire, and an n-AlGaN layer, for example, with a thickness of 1.5 ⁇ m on the upper layer.
  • the n-type cladding layer 115 is formed.
  • the LED element 190 is configured such that, for example, an InGaN layer having a thickness of 2 nm constituting a well layer and an AlGaN layer having a thickness of 5 nm constituting a barrier layer are alternately stacked on the n-type cladding layer 115.
  • Well an active layer 117 in which a multiple quantum well is formed.
  • the LED element 190 has a p-type cladding layer 119 formed of, for example, a p-AlGaN layer on the active layer 117, and a p-type contact layer 121 formed of a p + -GaN layer on the upper layer.
  • the LED element 190 includes a last barrier layer formed of AlGaN between the active layer 117 and the p-type cladding layer 119 as necessary.
  • AlGaN constituting the n-type cladding layer 115 has a lattice constant smaller than that of GaN constituting the underlying undoped layer 113. For this reason, a tensile stress 181 due to lattice mismatch occurs in the n-type cladding layer 115.
  • the arrow indicated by the tensile stress 181 represents the direction of the stress. This tensile stress 181 increases as the film thickness of the n-type cladding layer 115 increases, and if it exceeds a certain threshold, misfit dislocations accompanying surface roughness, cracks, and crystal defects occur, leading to a decrease in luminous efficiency.
  • the film thickness of the n-type cladding layer 115 is made too thin, when a voltage is applied between a power supply terminal (not shown) formed on the upper surface of the p-type contact layer 121 and the n-type cladding layer 115, the power supply terminal Current flows through the n-type cladding layer 115 via the p-type contact layer 121, the p-type cladding layer 119, and the active layer 117 located immediately below. For this reason, the current flows only in a part of the region in the active layer 117, and the light emitting region is reduced, resulting in a decrease in light emission efficiency. Furthermore, since a current flows through a part of the active layer 117, current concentration occurs locally, carrier nonuniformity occurs in the active layer 117, and high emission intensity cannot be obtained.
  • Nitride semiconductors such as GaN and AlGaN have a wurtzite crystal structure (hexagonal crystal structure).
  • the plane of the wurtzite crystal structure is expressed in terms of a crystal plane and orientation using basic vectors represented by a1, a2, a3, and c in a four-index notation (hexagonal crystal index).
  • the basic vector c extends in the [0001] direction, and this direction is called “c-axis”.
  • a plane perpendicular to the c-axis is called “c-plane” or “(0001) plane”.
  • a substrate having a c-plane substrate as a main surface is used as a substrate on which a nitride semiconductor crystal is grown.
  • an undoped GaN layer is grown on this substrate, and an n-type nitride semiconductor layer is further grown thereon.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a conventional LED element 290.
  • the actual dimensional ratio does not necessarily match the dimensional ratio on the drawing.
  • the LED element 290 includes an undoped layer 213 in which an undoped GaN layer is formed with a thickness of 3 ⁇ m, for example, on an upper layer of a support substrate 211 such as sapphire, and an n-AlGaN layer, for example, with a thickness of 1.5 ⁇ m on the upper layer.
  • An n-type cladding layer 215 is formed.
  • the LED element 290 is formed by alternately laminating, for example, 2 nm-thick InGaN constituting the well layer and 5 nm-thick AlGaN constituting the well layer on the n-type clad layer 215 to provide a MQW (Multi-quantum).
  • Well an active layer 217 in which a multiple quantum well is formed.
  • the LED element 290 has a p-type cladding layer 219 formed of, for example, a p-AlGaN layer on the active layer 217, and a p-type contact layer 221 formed of a p + -GaN layer on the upper layer.
  • the LED element 290 includes a last barrier layer formed of AlGaN between the active layer 217 and the p-type cladding layer 219 as necessary.
  • AlGaN constituting the n-type cladding layer 215 has a smaller lattice constant than GaN constituting the undoped layer 213 below it. For this reason, a tensile stress 281 due to lattice mismatch occurs in the n-type cladding layer 215.
  • the arrow indicated by the tensile stress 281 represents the direction of the stress. This tensile stress 281 increases with an increase in the film thickness of the n-type cladding layer 215, and when a certain threshold value is exceeded, misfit dislocations associated with surface roughness, cracks, and crystal defects occur, leading to a decrease in luminous efficiency.
  • the film thickness of the n-type cladding layer 215 is made too thin, when a voltage is applied between a power supply terminal (not shown) formed on the upper surface of the p-type contact layer 221 and the n-type cladding layer 215, the power supply terminal Current flows through the n-type cladding layer 215 via the p-type contact layer 221, the p-type cladding layer 219, and the active layer 217 located in the immediate vicinity thereof. For this reason, the current flows only in a part of the region in the active layer 217, and the light emitting region is reduced, resulting in a decrease in light emission efficiency. Furthermore, since current flows through a part of the active layer 217, current concentration occurs locally, carrier non-uniformity occurs in the active layer 217, and high emission intensity cannot be obtained.
  • the present invention secures a horizontal current spread in the active layer without causing a problem due to lattice mismatch of the n-type semiconductor layer adjacent to the active layer, thereby improving the luminous efficiency.
  • An object is to realize an improved LED element.
  • the LED element of the present invention is an LED element obtained by growing a nitride semiconductor layer on a support substrate in the c-axis direction, and includes a first semiconductor layer composed of an n-type nitride semiconductor and an upper layer of the first semiconductor layer.
  • the In ratio of In x Ga 1-x N is higher than 10%, distortion of the energy band caused by the piezoelectric field is generated, and the light emission efficiency is lowered by the quantum Stark effect.
  • the active layer is a multi-quantum structure in which a well layer made of In a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1) and a barrier layer made of Al b Ga 1-b N (0 ⁇ b ⁇ 1) are repeated.
  • the ratio of the In composition is a factor that determines the wavelength of the emitted light.
  • the light that can be extracted when the In ratio of In x Ga 1-x N constituting the current spreading layer and In a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1) constituting the active layer is 10% or less. That is, the present invention is particularly useful as an LED element that generates near-ultraviolet light having a wavelength of, for example, about 365 nm.
  • the thickness of the third semiconductor layer made of N common multi-quantum well structure of a well layer thickness of the In x Ga 1-x N formed in order to configure (e.g. Is sufficiently thicker than 10 nm and 25 nm or less.
  • the thickness of In x Ga 1-x N is set to about 2 nm, at most 3 nm or less, in order to prevent a decrease in the emission ratio due to the quantum Stark effect.
  • the film thickness of In x Ga 1-x N constituting the current diffusion layer is set to 10 nm or more and 25 nm or less.
  • the substantially flat band region formed by In x Ga 1-x N can be widened, and the capacity for securing electrons can be increased.
  • the electrons cannot exceed the barrier formed by the fourth semiconductor layer (n-Al y1 Ga y2 In y3 N).
  • the electrons diffuse in the horizontal direction.
  • the electrons when the electrons diffuse sufficiently in the horizontal direction and a sufficient amount of electrons are accumulated in the band bending region and the substantially flat band region, the electrons exceed the barrier of n-Al y1 Ga y2 In y3 N. Move to the p-layer side. That is, before the current flows from the p layer side to the n layer side, the spread of electrons is once realized in the horizontal direction. Thereby, since the current flowing in the active layer spreads in the horizontal direction, the entire active layer can emit light, and the light emission efficiency can be increased.
  • the film thickness of In x Ga 1-x N is preferably set to a critical film thickness that does not cause crystal defects.
  • the film thickness of In x Ga 1-x N is 10 nm or more and 25 nm or less, the effect of improving the light output can be obtained as compared with the conventional LED element.
  • an effect of improving the breakdown voltage against ESD (Electro Static Discharge) of the element can be obtained.
  • the In composition contained in the fourth semiconductor layer made of n-Al y1 Ga y2 In y3 N may be zero.
  • the effect of further improving the light output can be obtained by including In in the fourth semiconductor layer within 5%.
  • the LED element of the present invention has another feature that the band gap energy of the third semiconductor layer is smaller than the band gap energy of each of the first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer. With this configuration, a two-dimensional electron gas layer can be formed at the interface between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer.
  • the Si doping concentration of the fourth semiconductor layer n-Al y1 Ga y2 In y3 N is 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or less.
  • the Si doping concentration is set to a value smaller than 1 ⁇ 10 18 / cm 3 , such as 5 ⁇ 10 17 / cm 3 , carrier nonuniformity in the active layer due to absolute carrier shortage occurs.
  • it was set to a value higher than 5 ⁇ 10 18 / cm 3 , such as 9 ⁇ 10 18 / cm 3 it was found that a droop phenomenon occurred and none of them could provide a high light output.
  • the film thickness of In x Ga 1-x N is set to 10 nm or more and 25 nm or less, and the Si doping concentration of n-Al y1 Ga y2 In y3 N is further set to 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 5 ⁇ 10.
  • the Si doping concentration of n-Al y1 Ga y2 In y3 N is further set to 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 5 ⁇ 10.
  • the current spreading layer may be realized as a configuration having a plurality of heterojunctions by stacking a plurality of sets of the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer.
  • the LED element of the present invention is an LED element formed by growing a nitride semiconductor layer on the support substrate in the c-axis direction, An undoped layer formed on the support substrate; A fifth semiconductor layer formed on the undoped layer and made of an n-type nitride semiconductor; An n-Al x1 Ga x2 In x3 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ x2) having a Si doping concentration of 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or less is formed on the fifth semiconductor layer.
  • x1 + x2 + x3 1) and a seventh semiconductor layer composed of In y Ga 1-y N having a thickness of 10 nm to 25 nm.
  • a heterostructure formed of a laminated structure;
  • An eighth semiconductor layer formed on the heterostructure and made of a p-type nitride semiconductor;
  • the peak emission wavelength is 362 nm or more and 395 nm or less.
  • the sixth semiconductor layer is abbreviated as “n-Al x1 Ga x2 In x3 N” as appropriate.
  • the In ratio of In y Ga 1-y N determines the peak emission wavelength of the LED element.
  • the In ratio of In y Ga 1-y N is decreased, the peak emission wavelength from the LED element shifts to the short wavelength side. Conversely, when the In ratio is increased, the peak emission wavelength shifts to the long wavelength side.
  • the peak emission wavelength when the peak emission wavelength is longer than 395 nm, for example, 400 nm, the In ratio of In y Ga 1-y N becomes too high. As a result, distortion of the energy band caused by the piezoelectric field occurs, and the light emission efficiency is lowered by the quantum Stark effect. In addition, lattice relaxation occurs in the In y Ga 1-y N layer, so that misfit dislocations are generated and light emission occurs. A decrease in efficiency occurs.
  • the peak emission wavelength is set to a value shorter than 362 nm, for example, 357 nm, the In ratio of In y Ga 1-y N must be extremely low.
  • the film thickness of In y Ga 1-y N is 10 nm or more and 25 nm or less. For this reason, it is difficult to add a small amount of In, and it is difficult to realize light having a short wavelength of 357 nm.
  • the LED element of the present invention is suitable for an element having a peak emission wavelength of 362 nm or more and 395 nm or less.
  • the In y Ga 1-y N layer is formed of In y Ga 1-y N to form a well layer having a general MQW structure (for example, Is sufficiently thicker than 10 nm and 25 nm or less.
  • a general MQW structure the thickness of In y Ga 1-y N is set to about 2 nm, at most 7 nm or less, in order to prevent a decrease in the emission ratio due to the quantum Stark effect.
  • the film thickness of In y Ga 1-y N constituting the heterostructure is 10 nm or more and 25 nm or less.
  • the substantially flat band region formed by In y Ga 1-y N can be widened, and the capacity for securing electrons can be increased.
  • the electrons cannot exceed the barrier formed by n-Al x1 Ga x2 In x3 N.
  • the electrons diffuse in the horizontal direction.
  • the electrons when the electrons are sufficiently diffused in the horizontal direction and a sufficient amount of electrons are accumulated in the band bending region and the substantially flat band region, the electrons exceed the barrier of n-Al x1 Ga x2 In x3 N. Move to the p-layer side. That is, before the current flows from the p layer side to the n layer side, the spread of electrons is once realized in the horizontal direction. Thereby, since the electric current which flows through a heterostructure spreads in a horizontal direction, it can be made to light-emit the whole heterostructure, and luminous efficiency can be improved.
  • the film thickness of In y Ga 1-y N is preferably set to a critical film thickness that does not cause crystal defects.
  • the In composition contained in the sixth semiconductor layer made of n-Al x1 Ga x2 In x3 N may be zero.
  • the effect of further improving the optical output can be obtained by including In in the sixth semiconductor layer within 5%.
  • the present inventors have conducted intensive research to make the Si doping concentration of n-Al x1 Ga x2 In x3 N 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or less. It was found that the effect of improving the light output can be secured. For example, when the Si doping concentration is set to a value lower than 1 ⁇ 10 18 / cm 3 , such as 5 ⁇ 10 17 / cm 3 , the absolute Si concentration is low, so that n-Al x1 Ga x2 In x3 The screening effect of the conduction band of the N layer is small, and a sufficient amount of carriers cannot be taken into the band bending region and the substantially flat band region.
  • the film thickness of In y Ga 1-y N is set to 10 nm or more and 25 nm or less, and the Si doping concentration of n-Al x1 Ga x2 In x3 N is further set to 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more, 1 ⁇ 10 5.
  • the effect of further improving the light output can be obtained as compared with the conventional LED element.
  • the inventors have intensively studied, and the Si doping concentration can be increased as compared with the conventional LED element provided with MQW, so that the operating voltage at the time of high current injection is reduced. It was found that the effect of making it possible is also obtained.
  • the eighth semiconductor layer may be formed on the heterostructure located in the uppermost layer of the multilayer structure.
  • the current spread in the horizontal direction can be realized while the n-type cladding layer is formed with a film thickness within a range in which crystal defects are not caused, so that an LED element with high luminous efficiency is realized. be able to.
  • In composition of In x Ga 1-x N is a graph showing the relationship between the light output obtained from current and LED element through the active layer.
  • the ideal energy band figure of a current spreading layer is shown typically.
  • the energy band diagram of the current diffusion layer is schematically shown reflecting the influence of the piezoelectric field.
  • the energy band diagram of the conduction band of the current diffusion layer is schematically shown by reflecting the interaction of the semiconductor material.
  • When changing the thickness of the In x Ga 1-x N is a graph showing the relationship between the light output obtained from current and LED element through the active layer. 6 is a table showing the relationship between the film thickness of In x Ga 1-x N and the yield of LED elements.
  • the energy band diagram of the conduction band of the heterostructure schematically shows the interaction of the semiconductor material.
  • 6 is a table showing the relationship between the film thickness of an In y Ga 1-y N layer and the yield of LED elements. It is a graph which shows the relationship between the electric current which flows through an LED element, and the light output obtained from an LED element when changing Si dope density
  • the energy band diagram of the conduction band of the heterostructure schematically shows the interaction of the semiconductor material. It is a graph of current-voltage characteristics of LED elements. It is a graph which shows the relationship between the electric current supplied with respect to the LED element produced by varying In composition contained in a 6th semiconductor layer, and light output. It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the conventional LED element. It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the conventional LED element.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the LED element 101 of the present invention.
  • symbol is attached
  • the actual dimensional ratio does not necessarily match the dimensional ratio on the drawing.
  • the LED element 101 is different from the LED element 190 in that the current diffusion layer 103 is additionally provided. That is, the LED element 101 includes an undoped layer 113, an n-type cladding layer 115 (corresponding to a “first semiconductor layer”), a current diffusion layer 103, an active layer 117, p on an upper layer of a support substrate 111 such as sapphire.
  • the structure includes a type cladding layer 119 (corresponding to a “second semiconductor layer”) and a p-type contact layer 121. Further, similarly to the LED element 190, a last barrier layer (not shown) is provided between the active layer 117 and the p-type cladding layer 119 as necessary.
  • the support substrate 111 is composed of a sapphire substrate. In addition to sapphire, Si, SiC, GaN, YAG, or the like may be used.
  • the undoped layer 113 is made of GaN. More specifically, it is formed of a low-temperature buffer layer made of GaN and an underlying layer made of GaN on the upper layer.
  • the n-type cladding layer 115 is composed of n-Al n Ga 1-n N (0 ⁇ n ⁇ 1). Note that a region (protective layer) made of n-GaN may be included in the region in contact with the undoped layer 113. In this case, the protective layer is doped with n-type impurities such as Si, Ge, S, Se, Sn, and Te, and it is particularly preferable that Si is doped.
  • the n-type cladding layer 115 is formed of n-Al 0.1 Ga 0.9 N.
  • the active layer 117 is, for example, a multiple quantum layer in which a well layer made of In a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1) and a barrier layer made of Al b Ga 1-b N (0 ⁇ b ⁇ 1) are repeated. It is formed of a semiconductor layer having a well structure (MQW). These layers may be non-doped or p-type or n-type doped.
  • the well layer of the active layer 117 is In 0.04 Ga 0.96 N
  • the barrier layer is Al 0.06 Ga 0.94 N
  • the well layer and the barrier layer have five cycles.
  • the active layer 117 is formed by being repeated. In the LED element 101, the number of repetition periods is not limited to five.
  • the p-type cladding layer 119 is made of, for example, p-Al c Ga 1-c N (0 ⁇ c ⁇ 1), and is doped with p-type impurities such as Mg, Be, Zn, and C.
  • the p-type cladding layer 119 is formed with a stacked structure of p-Al 0.3 Ga 0.7 N and p-Al 0.07 Ga 0.93 N.
  • the region in contact with the p-type contact layer 121 may include a layer (protective layer) made of GaN. In this case, the protective layer is doped with p-type impurities such as Mg, Be, Zn, and C.
  • the p-type contact layer 121 is made of, for example, p-GaN.
  • p-type impurities such as Mg, Be, Zn, and C are doped at a high concentration to form a p + -GaN layer.
  • the film thickness of In x Ga 1-x N constituting the third semiconductor layer is not less than 10 nm and not more than 25 nm.
  • FIG. 2 shows the current flowing through the active layer 117 and the LED element 101 when the In composition of In x Ga 1-x N (third semiconductor layer) constituting the current spreading layer 103, that is, the x value is changed. It is a graph which shows the relationship of the output of the light to be obtained. For comparison, data of a conventional LED element 190 not provided with the current diffusion layer 103 is also shown.
  • FIG. 3A and 3B schematically show energy band diagrams of the current diffusion layer 103.
  • the third semiconductor layer is represented as InGaN
  • the fourth semiconductor layer is represented as AlGaN. This means that the ratio of atoms other than nitrogen is 1: 1. Is not stipulated. Here, description will be made assuming that the In composition contained in the fourth semiconductor layer is 0% (n-Al y Ga 1-y N), but the fourth semiconductor layer containing In within 5% is used. A similar argument is possible even if it exists.
  • AlGaN has a larger band gap than InGaN. Therefore, as shown in FIG. 3A, if the influence of the polarization electric field described later is not taken into account, the substantially flat InGaN layer is formed between the n-AlGaN constituting the n-type cladding layer 115 and the AlGaN of the current diffusion layer 103. A band region is formed.
  • the film thickness of InGaN constituting the current spreading layer 103 is much larger than the film thickness of InGaN constituting the active layer 117 (for example, 2 nm) and is composed of 10 nm or more and 25 nm or less. A region is formed widely.
  • piezoelectric polarization occurs in the c-axis direction perpendicular to the plane of the flat band region formed by the InGaN layer.
  • FIG. 3B schematically shows the energy band of the current diffusion layer 103 drawn in consideration of the influence of the piezoelectric field. Due to the piezo electric field, the energy band is distorted.
  • the In composition is 2% and 5%, the light output is higher than that of the conventional LED element 190.
  • the following contents can be considered as this reason.
  • FIG. 3A shows a conduction band 130, a valence band 131, an InGaN Fermi level 132, and an AlGaN Fermi level 133.
  • the interaction between InGaN and AlGaN is not considered.
  • FIG. 3C schematically shows the state of the conduction band 130 reflecting the interaction between two semiconductor materials.
  • the Fermi levels 132 and 133 are equal to each other, the conduction band of the AlGaN layer close to the p layer is pulled downward due to the discontinuity of the energy bands of AlGaN and InGaN, and a band bending region 141 is generated.
  • a band bending region 141 In the band bending region 141, a two-dimensional electron gas layer having high mobility in the horizontal direction is formed.
  • the substantially flat band region 142 is expanded and a large number of electrons can be accumulated.
  • the band bending region 141 formed at the interface between AlGaN and InGaN and Until the electrons are accumulated in the substantially flat band region 142 of InGaN, the electrons do not overflow beyond the potential of AlGaN. That is, the movement of electrons in the horizontal direction is achieved, and as a result, the current spread in the horizontal direction can be realized. That is, the current diffusion layer 103 is realized by AlGaN and InGaN.
  • the effect of improving the light output of the LED element 101 can be obtained by making the In ratio of InGaN higher than 0% and 5% or lower.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the current flowing through the active layer and the light output obtained from the LED element when the film thickness of InGaN is changed.
  • the In composition was 2%.
  • the InGaN film thickness is 10 nm, an optical output equivalent to that of the conventional LED element 190 without the current diffusion layer 103 is obtained.
  • the InGaN film thickness is 15 nm, 20 nm, and 25 nm, It can be seen that a higher light output than before is obtained.
  • the film thickness of InGaN is 15 nm, the highest light output is obtained in a wide range of applied current values.
  • the film thickness of InGaN is 30 nm
  • the light output is lower than that of the conventional LED element 190. This is presumably because when the film thickness is 30 nm, the crystal defects due to the lattice relaxation described above occur, and the in-plane current uniformity decreases, resulting in a decrease in light output.
  • the light output was lower than that of the conventional LED element 190 even when the film thickness of InGaN was 5 nm, which was smaller than 10 nm. This is because, as described above with reference to FIG. 3B, due to the large influence of the piezoelectric field, an almost flat band region 142 formed of InGaN is also tilted, and the ability to accumulate electrons is reduced. Is considered to be the reason.
  • the effect of improving the light output of the LED element 101 can be obtained by setting the film thickness of InGaN to 10 nm or more and 25 nm or less.
  • FIG. 5 is a table showing the relationship between the film thickness of InGaN and the yield of LED elements.
  • a reverse current that flows when ⁇ 5 V is applied as a reverse bias is measured.
  • the yield was measured by using a device having an absolute value of the reverse current of 5 ⁇ A or less (or less) as a good element and a device having an absolute value of the reverse current exceeding 5 ⁇ A as a defective device.
  • the yield is highest when the InGaN film thickness is 20 nm, and the yield is lowest when the InGaN film thickness is 3 nm. Note that the yield increases as the thickness of InGaN increases in order of 3 nm, 5 nm, 10 nm, and 20 nm, and when the thickness of InGaN increases to 10 nm or more, the yield improvement trend slows down.
  • the film thickness of the third semiconductor layer (InGaN) constituting the current diffusion layer 103 is increased, so that the gap between the third semiconductor layer (InGaN) and the fourth semiconductor layer (AlGaN) is increased.
  • a two-dimensional electron gas layer is likely to be generated.
  • the two-dimensional electron gas layer has an effect of spreading the current in the horizontal direction, but with this, the current is less likely to concentrate in a narrow region, and the electric field is relaxed. As a result, even when a high voltage is instantaneously applied, the electric field is diffused in the current diffusion layer 103, so that the electric field is less likely to concentrate and the element is less likely to be destroyed. .
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the current flowing through the active layer and the light output obtained from the LED element when the Si doping concentration of the fourth semiconductor (AlGaN) constituting the current diffusion layer 103 is changed.
  • the In composition of InGaN was 2% and the film thickness was 15 nm.
  • the highest light output is shown when the Si doping concentration is 3 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ). Further, in the case of 1 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ), 3 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ), and 5 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ), all show higher light output than the conventional LED element 190. (See FIG. 4). In contrast, Si-doped and when the concentration is 1 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ) is lower than 5 ⁇ 10 17 (/ cm 3 ), 5 ⁇ 10 18 (/ cm 3) higher than 9 ⁇ 10 18 ( / Cm 3 ), it can be seen that the light output is lower than that of the conventional LED element 190 (see FIG. 4).
  • the light output of the LED element 101 is further improved by setting the Si concentration of AlGaN constituting the current diffusion layer 103 to 1 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ) or more and 5 ⁇ 10 18 (/ cm 3 ) or less. It turns out that an effect is acquired.
  • FIG. 7A shows a case where the AlGaN constituting the current diffusion layer 103 is not doped with Si.
  • FIG. 7B shows a case where the Si doping concentration of the AlGaN constituting the current diffusion layer 103 is 3 ⁇ 10 18 /
  • the conduction band 130 of the current diffusion layer 103 in the case of cm 3 is schematically shown.
  • the electric field acts in a direction that cancels the piezoelectric field, so that the effect of pushing down the conduction band 130 works.
  • the inclination of the conduction band 130 is relaxed (region 152), and electrons are easily injected from the n layer side into the band bending region 141 and the substantially flat band region 142.
  • the LED element 101 when the LED element 101 is designed as a high injection device of about 100 A / cm 2 , it is preferable to have a configuration in which more electrons can be injected. Also from this result, it is preferable to increase the Si concentration to be doped in the AlGaN layer. However, if it is too high, the droop phenomenon occurs as described above, so that the light output can be improved by setting the Si doping concentration to 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 5 ⁇ 10 18 / cm 3 or less. It becomes possible.
  • Step S1> the undoped layer 113 is formed on the support substrate 111. For example, the following steps are performed.
  • the c-plane sapphire substrate is cleaned. More specifically, for this cleaning, for example, a c-plane sapphire substrate is placed in a processing furnace of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and hydrogen gas with a flow rate of 10 slm is placed in the processing furnace. The temperature in the furnace is raised to, for example, 1150 ° C. while flowing.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • a low-temperature buffer layer made of GaN is formed on the surface of the support substrate 111 (c-plane sapphire substrate), and an underlayer made of GaN is further formed thereon. These low-temperature buffer layer and underlayer correspond to the undoped layer 113.
  • a more specific method for forming the undoped layer 113 is as follows. First, the furnace pressure of the ⁇ CVD apparatus is 100 kPa, and the furnace temperature is 480 ° C. Then, while flowing nitrogen gas and hydrogen gas with a flow rate of 5 slm respectively as carrier gas into the processing furnace, trimethylgallium (TMG) with a flow rate of 50 ⁇ mol / min and ammonia with a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min are used as the raw material gas in the processing furnace. For 68 seconds. Thereby, a low-temperature buffer layer made of GaN having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the support substrate 111.
  • TMG trimethylgallium
  • the furnace temperature of the MOCVD apparatus is raised to 1150 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 20 slm and hydrogen gas having a flow rate of 15 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 100 ⁇ mol / min and ammonia having a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min are introduced into the processing furnace as source gases. Feed for 30 minutes. As a result, a base layer made of GaN having a thickness of 1.7 ⁇ m is formed on the surface of the first buffer layer.
  • an n-type cladding layer 115 made of n-Al n Ga 1-n N (0 ⁇ n ⁇ 1) is formed on the undoped layer 113.
  • a more specific method for forming the n-type cladding layer 115 is, for example, as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is set to 30 kPa. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 20 slm and hydrogen gas having a flow rate of 15 slm as a carrier gas into the processing furnace, TMG having a flow rate of 94 ⁇ mol / min, trimethylaluminum (TMA) having a flow rate of 6 ⁇ mol / min, Ammonia with a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min and tetraethylsilane with a flow rate of 0.025 ⁇ mol / min are supplied into the treatment furnace for 30 minutes.
  • TMG trimethylaluminum
  • tetraethylsilane with a flow rate of 0.025 ⁇ mol / min are supplied into the treatment furnace for 30 minutes.
  • a high concentration electron supply layer having a composition of Al 0.06 Ga 0.94 N, a Si concentration of 3 ⁇ 10 19 / cm 3 and a thickness of 1.7 ⁇ m is formed on the undoped layer 113. That is, by this process, the n-type cladding layer 115 having a high concentration electron supply layer having a Si concentration of 3 ⁇ 10 19 / cm 3 and a thickness of 1.7 ⁇ m is formed at least in the upper surface region.
  • silicon (Si) is used as the n-type impurity contained in the n-type cladding layer 115 here, germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), tin (Sn), and tellurium are used. (Te) or the like can also be used. Of these, silicon (Si) is particularly preferable.
  • a third semiconductor layer made of In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 0.05) and n-Al y Ga 1-y N (0 ⁇ y ⁇ ) are formed on the n-type cladding layer 115.
  • the current diffusion layer 103 is formed by forming the fourth semiconductor layer made of 1).
  • a more specific method for forming the current diffusion layer 103 is as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is 100 kPa, and the furnace temperature is 830 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 15 slm and hydrogen gas having a flow rate of 1 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 10 ⁇ mol / min, trimethylindium (TMI) having a flow rate of 12 ⁇ mol / min, and A step of supplying ammonia at a flow rate of 300,000 ⁇ mol / min into the processing furnace for 360 seconds is performed.
  • TMG having a flow rate of 10 ⁇ mol / min
  • TMA having a flow rate of 1.6 ⁇ mol / min
  • tetraethylsilane having a flow rate of 0.009 ⁇ mol / min
  • ammonia having a flow rate of 300,000 ⁇ mol / min
  • Step S4> a well layer made of In a Ga 1-a N (0 ⁇ a ⁇ 1) and a barrier layer made of Al b Ga 1-b N (0 ⁇ b ⁇ 1) are repeated on the current diffusion layer 103.
  • An active layer 117 having a multiple quantum well structure is formed.
  • a more specific method for forming the active layer 117 is, for example, as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is 100 kPa, and the furnace temperature is 830 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 15 slm and hydrogen gas having a flow rate of 1 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 10 ⁇ mol / min, TMI having a flow rate of 12 ⁇ mol / min, and a flow rate of 300,000 ⁇ mol / min. A step of supplying min of ammonia into the processing furnace for 48 seconds is performed.
  • TMG having a flow rate of 10 ⁇ mol / min
  • TMA having a flow rate of 1.6 ⁇ mol / min
  • tetraethylsilane having a flow rate of 0.002 ⁇ mol / min
  • ammonia having a flow rate of 300,000 ⁇ mol / min
  • an active layer 117 having a multi-quantum well structure of five periods with a well layer made of InGaN having a thickness of 2 nm and a barrier layer made of n-AlGaN having a thickness of 7 nm is formed into a current diffusion. It is formed in the upper layer of the layer 103.
  • a p-type cladding layer 119 composed of p-Al c Ga 1-c N (0 ⁇ c ⁇ 1) is formed on the active layer 117, and a high-concentration p-type contact layer is formed on the upper layer. 121 is formed.
  • a more specific method for forming the p-type cladding layer 119 and the p-type contact layer 121 is, for example, as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is maintained at 100 kPa, and the furnace temperature is raised to 1050 ° C. while nitrogen gas with a flow rate of 15 slm and hydrogen gas with a flow rate of 25 slm are allowed to flow into the processing furnace.
  • TMG having a flow rate of 35 ⁇ mol / min
  • TMA having a flow rate of 20 ⁇ mol / min
  • ammonia having a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min
  • biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) having a flow rate of 0.1 ⁇ mol / min are used as source gases.
  • a hole supply layer having a composition of Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the active layer 117.
  • a hole supply layer having a composition of Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 120 nm is formed.
  • a p-type cladding layer 119 is formed by these hole supply layers.
  • magnesium (Mg) is used as the p-type impurity contained in the p-type cladding layer 119 and the p-type contact layer 121, but beryllium (Be), zinc (Zn), carbon (C), and the like. Can also be used.
  • Step S6 an activation process is performed on the wafer obtained through steps S1 to S5. More specifically, activation is performed at 650 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere using an RTA (Rapid Thermal Anneal) device.
  • RTA Rapid Thermal Anneal
  • an electrode is formed at a place where the support substrate 111 was present to form an n-side electrode.
  • etching is performed from the p side until the n type semiconductor layer is exposed to form an n side electrode.
  • an electrode such as a transparent electrode may be formed as necessary.
  • a power supply terminal or the like is formed on each electrode, and if necessary, the exposed element side surface or upper surface is covered with a highly light-transmitting insulating layer and connected to the substrate by wire bonding or the like.
  • FIG. 8A schematically shows the energy band diagram of the conduction band of the current diffusion layer 103 in the configuration of FIG. 8A, following FIG. 3C.
  • the current diffusion layer 103 is configured by periodically forming In x Ga 1-x N and n-Al y1 Ga y2 In y3 N from the side closest to the n-type cladding layer 115. It does not matter.
  • n-Al y1 Ga y2 In y3 N and In x Ga 1-x N are periodically formed from the side closest to the n-type cladding layer 115. It does not matter even if it is constituted by. As shown in FIGS.
  • the layer formed closest to the n-type cladding layer and the closest to the p-type cladding layer may be In x Ga 1-x N or n-Al y1 Ga y2 In y3 N.
  • the fourth semiconductor layer constituting the current diffusion layer 103 has been described as n-AlGaN.
  • n-Al y1 Ga y2 obtained by adding In with a composition within a range of 5% or less.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the current supplied to the LED elements manufactured with different In compositions contained in the fourth semiconductor layer and the light output.
  • the light output value indicated by the vertical axis in FIG. 9 is defined by the relative value with respect to the light output when 0.1 A is supplied to the LED element in which the fourth semiconductor layer is formed of n-AlGaN not containing In. Yes.
  • TMI is supplied at a predetermined flow rate together with these gases. It can be realized by supplying with.
  • the light output was not much different from the case where the fourth semiconductor layer was configured without including In.
  • the light output was improved as compared with the case where the fourth semiconductor layer was formed without including In. This is considered to be due to the fact that the inclusion of In in AlGaN alleviates strain caused by lattice mismatch between AlGa (In) N and InGaN, and the surface state thereof is improved.
  • FIG. 9 shows that when In contained in the fourth semiconductor layer is 4%, the optical output is almost the same as when In is not contained, but even when it is about 5%, It has been confirmed that the difference is not very large. However, if the In composition exceeds 5%, for the above reason, the light output will be significantly lower than the case where the fourth semiconductor layer is made of AlGaN not containing In, so it is included in the fourth semiconductor layer.
  • the composition of In to be added is preferably 0% or more and 5% or less.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the LED element 201 of the present invention.
  • symbol is attached
  • the actual dimensional ratio does not necessarily match the dimensional ratio on the drawing.
  • the LED element 201 is different from the LED element 290 in that the heterostructure 202 is provided instead of the active layer 217.
  • the LED element 201 has an undoped layer 213 on an upper layer of a support substrate 211 such as sapphire, an n-type cladding layer 215 (corresponding to a “fifth semiconductor layer”) on the upper layer, and an n-type cladding layer 215.
  • the upper layer is formed of a stacked structure of an n-Al x1 Ga x2 In x3 N layer 203 (corresponding to “sixth semiconductor layer”) and an In y Ga 1-y N layer 204 (corresponding to “seventh semiconductor layer”).
  • the LED element 201 includes a p-type cladding layer 219 (corresponding to an “eighth semiconductor layer”) and a p-type contact layer 221 in the upper layer of the heterostructure 202.
  • the LED element 201 includes a last barrier layer between the heterostructure 202 and the p-type cladding layer 219 as necessary (not shown).
  • 0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ x2 ⁇ 1, 0 ⁇ x3 ⁇ 0.05, x1 + x2 + x3 1.
  • the support substrate 211 is composed of a sapphire substrate. In addition to sapphire, Si, SiC, GaN, YAG, or the like may be used.
  • the undoped layer 213 is made of GaN. More specifically, it is formed of a low-temperature buffer layer made of GaN and an underlying layer made of GaN on the upper layer.
  • the n-type cladding layer 215 is composed of n-Al n Ga 1-n N (0 ⁇ n ⁇ 1). Note that a region (protective layer) made of n-GaN may be included in a region in contact with the undoped layer 213. In this case, the protective layer is doped with n-type impurities such as Si, Ge, S, Se, Sn, and Te, and it is particularly preferable that Si is doped.
  • the n-type cladding layer 215 is formed of n-Al 0.1 Ga 0.9 N.
  • the p-type cladding layer 219 is made of, for example, p-Al c Ga 1-c N (0 ⁇ c ⁇ 1), and is doped with a p-type impurity such as Mg, Be, Zn, or C.
  • the p-type cladding layer 219 is formed with a stacked structure of p-Al 0.3 Ga 0.7 N and p-Al 0.07 Ga 0.93 N.
  • a structure including a layer (protective layer) made of GaN in a region in contact with the p-type contact layer 221 may be used.
  • the protective layer is doped with p-type impurities such as Mg, Be, Zn, and C.
  • the p-type contact layer 221 is made of, for example, p-GaN.
  • p-type impurities such as Mg, Be, Zn, and C are doped at a high concentration to form a p + -GaN layer.
  • the heterostructure 202 is formed by a stacked structure of the n-Al x1 Ga x2 In x3 N layer 203 and the In y Ga 1-y N layer 204.
  • the n-Al x1 Ga x2 In x3 N layer 203 has a Si doping concentration of 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or less.
  • the In y Ga 1-y N layer 204 has a film thickness of 10 nm or more and 25 nm or less, and an In composition ratio such that the peak emission wavelength of the LED element 201 is 362 nm or more and 395 nm or less.
  • the LED element 201 may be configured to include a multilayer structure portion 202A formed by repeating the heterostructure 202 a plurality of periods. At this time, the LED element 201 is configured to include a p-type cladding layer 219 and a p-type contact layer 221 on the upper layer of the In y Ga 1-y N layer 204 positioned at the uppermost layer of the multilayer structure portion 202A. Also in this case, a last barrier layer may be provided between the In y Ga 1-y N layer 204 and the p-type cladding layer 219 located at the uppermost layer of the multilayer structure portion 202A as necessary ( Not shown).
  • the positional relationship between the n-Al x1 Ga x2 In x3 N layer 203 and the In y Ga 1-y N layer 204 constituting the heterostructure 202 is such that if they are alternately stacked, which is the upper layer and which is the lower layer You may be located in
  • a configuration including a multilayer structure 202A in which the heterostructure 202 is repeated a plurality of periods as shown in FIG. 12
  • an n-Al x1 Ga x2 In x3 N layer is formed on the In y Ga 1 -y N layer 204 as shown in FIG.
  • a structure in which the layer 203 is stacked may be used.
  • 11 and 12 each disclose a configuration including the multilayer structure 202A in which the heterostructures 202 are repeatedly stacked for three periods, the number of repetition periods is not limited to three. For example, five periods may be used, or other number of periods may be used.
  • the LED element 290 used for comparative verification is formed by alternately stacking five periods of InGaN with a thickness of 2 nm and AlGaN with a thickness of 5 nm as the active layer 217 formed by MQW. Adopted.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the peak emission wavelength of the LED element 201 and the light output when the In composition of the In y Ga 1-y N layer 204 constituting the heterostructure 202, that is, the y value is changed. is there.
  • the LED element 201 an In y Ga 1-y N layer 204 with a film thickness of 15 nm is formed on the upper layer of the n-type cladding layer 215, and an n layer with a film thickness of 20 nm is formed on the upper layer of the In y Ga 1-y N layer 204.
  • the LED element 290 has an active layer 217 in which InGaN having a thickness of 2 nm and AlGaN having a thickness of 5 nm are alternately stacked for five periods.
  • a 350 ⁇ m square element is used for both the LED element 201 and the conventional LED element 290, and the light output when a current of 0.1 A is injected into this element is measured. This corresponds to a case where the current density of the element is 100 A / cm 2 . This current density corresponds to the target value when designing as a high injection device. Note that the current density when designed as a low injection device is about 20 to 30 A / cm 2 .
  • FIG. 13 shows that the light output of the LED element 201 of the present invention is improved over the conventional LED element 290 in the range D1 where the emission wavelength is 362 nm or more and 395 nm or less.
  • the emission wavelength is 357 nm shorter than 362 nm, and at 400 nm, 410 nm, and 420 nm longer than 395 nm, the conventional LED element 290 has higher light output than the LED element 201. This result is considered to suggest the following.
  • FIG. 14A and 14B schematically show energy band diagrams of the heterostructure 202.
  • FIG. In the following, when attention is not paid to the composition of each atom, the sixth semiconductor layer is represented by “AlGaN” and the seventh semiconductor layer is represented by “InGaN”, respectively, which has a ratio of atoms other than nitrogen of 1: It is not stipulated that it is 1.
  • AlGaN has a larger band gap than InGaN.
  • the InGaN layer between the n-AlGaN constituting the n-type cladding layer 215 and the AlGaN layer 203 constituting the heterostructure 202 is used.
  • a substantially flat band region is formed by the layer 204.
  • the thickness of the InGaN layer 204 is set to 15 nm, which is much thicker than the thickness of 2 nm of InGaN constituting the active layer 217 of the conventional LED element 290. For this reason, a substantially flat band region is widely formed in the region of the InGaN layer 204.
  • the thickness of the InGaN layer 204 constituting the heterostructure 202 included in the LED element 201 of the present invention is in the range of 10 nm to 25 nm and activates MQW.
  • the conventional LED element 290 having the layer 217 is configured to be extremely thick.
  • piezoelectric polarization occurs in the c-axis direction perpendicular to the plane of the flat band region formed by the InGaN layer 204.
  • FIG. 14B schematically shows the energy band of the heterostructure 202 drawn in consideration of the influence of the piezoelectric field. Due to the piezo electric field, the energy band is distorted.
  • the so-called quantum Stark effect occurs in which the overlap of wave functions of electrons and holes decreases and the rate of light emission decreases due to recombination of electrons and holes.
  • This strain increases as the In composition ratio of the InGaN layer 204 increases.
  • the LED element 201 having a peak emission wavelength of 400 nm or more the light output is lower than that of the conventional LED element 290. It is considered that the quantum Stark effect due to the high In composition ratio has become apparent. In addition, it is considered that the influence of the above-described misfit dislocation resulting from the lattice constant difference cannot be ignored.
  • the In ratio of the In y Ga 1-y N layer 204 needs to be extremely reduced.
  • the film thickness of InGaN is about 2 nm, it is possible to add a small amount of In, and it is possible to realize an optimum In ratio for realizing light of such a short wavelength. It is.
  • the LED element 201 including the In y Ga 1-y N layer 204 having a thickness of 15 nm the In content increases because the In y Ga 1-y N layer 204 is thicker, and is about 357 nm. It is difficult to realize short wavelength light. Therefore, when an LED element having a peak emission wavelength of 357 nm is realized, the light output of the conventional LED element 290 is higher than that of the LED element 201.
  • the LED element 201 of the present invention has a higher light output than the conventional LED element 290 in the range D1 where the peak emission wavelength is in the range of 362 nm or more and 395 nm or less.
  • the following contents can be considered as this reason.
  • the AlGaN layer 203 has a larger electronic band gap than the InGaN layer 204.
  • FIG. 14A shows the conduction band 230, the valence band 231, the Fermi level 232 of the InGaN layer 204, and the Fermi level 233 of the AlGaN layer 203.
  • the interaction between InGaN and AlGaN is not considered.
  • FIG. 14C schematically shows the state of the conduction band 230 reflecting the interaction between two semiconductor materials.
  • the Fermi levels 232 and 233 are mutually equivalent, the conduction band of the AlGaN layer 203 close to the p layer is pulled downward due to the discontinuity of the energy bands of AlGaN and InGaN, and a band bending region 241 is generated.
  • a band bending region 241 is generated in the band bending region 241, a two-dimensional electron gas layer having high mobility in the horizontal direction is formed.
  • the substantially flat band region 242 expands and a large amount of electrons can be accumulated. Therefore, a band formed at the interface between the AlGaN layer 203 and the InGaN layer 204 is obtained.
  • the electrons do not overflow beyond the potential of the AlGaN layer 203 until the electrons are accumulated in the bending region 241 and the substantially flat band region 242 of the InGaN layer 204. That is, movement of electrons in the horizontal direction is achieved, and as a result, current spreading in the horizontal direction can be realized. That is, the function of spreading the current in the horizontal direction (current diffusion function) is realized by the heterojunction of the InGaN layer 204 and the AlGaN layer 203.
  • the effect of improving the light output as compared with the conventional one can be obtained in the range where the peak emission wavelength is 362 nm or more and 395 nm or less.
  • FIGS. 11 and 12 when the heterostructure 202 is configured to have a plurality of periods, in FIGS. 14A to 14C, the AlGaN layer 15 constituting the heterostructure 202 having the immediately preceding period in FIGS. 14A to 14C.
  • FIG. 14D schematically shows the energy band diagram of the conduction band 230 of the heterostructure 202 in a configuration having a plurality of periods of the heterostructure 202 (see FIGS. 11 and 12), following FIG. 14C.
  • the current spreading effect can be enhanced, further contributing to the improvement of the light output. This point will be described next.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the film thickness and the obtained light output when the film thickness of the InGaN layer 204 is changed in the LED element 201. Note that the In ratio of the InGaN layer 204 is adjusted so that the peak emission wavelength is 365 nm.
  • This region D2 is considered to be a region that contributes to the light emission of the conventional LED element 290 within the range of the film thickness in which light emission recombination is promoted by utilizing the quantum effect by the so-called quantum well.
  • the light output starts to increase when the thickness of the InGaN layer 204 becomes thick again, and the light output decreases when the film thickness becomes thicker than about 15 nm.
  • This region D3 is considered to be within the thickness range in which light emission is promoted by the quantum effect using the band bending region 241 at the heterojunction interface between the InGaN layer 204 and the AlGaN layer 203.
  • the thickness of the InGaN layer 204 is 10 nm or more and 25 nm or less (region D4) as the configuration of the LED element 201 as compared with D2 within the thickness range conventionally used as the MQW configuration.
  • region D4 the configuration of the LED element 201
  • the thickness of the InGaN layer 204 is greater than 25 nm, misfit dislocations due to the crystal defects due to the lattice relaxation described above are manifested, and the in-plane current uniformity is reduced. It is considered that the light output is lower than the configuration.
  • FIG. 16 schematically shows the state of the conduction band 230 according to FIG. 14C.
  • 16A shows the state of the conduction band 230 when the thickness of the InGaN layer 204 is 15 nm which is within the range of the region D4 in FIG. 15, and
  • FIG. 16B shows the state of the conduction band 230 when 7 nm is removed from the region D4. Is shown.
  • the band region 242 is substantially flat because of the large influence of the piezoelectric field as described above (region 242A). , Less ability to accumulate electrons.
  • FIG. 16A when the film thickness is increased to 15 nm, the flat band region 242 expands and the ability to accumulate electrons increases.
  • the effect of improving the light output of the LED element 201 can be obtained by setting the thickness of the InGaN layer 204 to 10 nm or more and 25 nm or less.
  • FIG. 17 is a table showing the relationship between the film thickness of InGaN and the yield of LED elements.
  • the LED element 201 was manufactured by fixing the thickness of the AlGaN layer 203 to 20 nm and changing the thickness of the InGaN layer 204 to 3 nm, 5 nm, 10 nm, and 20 nm. Then, after applying a forward voltage and a reverse voltage of 500 V to each LED element 201, a reverse current that flows when ⁇ 5 V is applied as a reverse bias is measured. At this time, the yield was measured by using a device having an absolute value of the reverse current of 5 ⁇ A or less (or less) as a good element and a device having an absolute value of the reverse current exceeding 5 ⁇ A as a defective device.
  • the yield is highest when the thickness of the InGaN layer 204 is 20 nm, and the yield is lowest when the thickness of the InGaN layer 204 is 3 nm. Note that the yield increases as the thickness of the InGaN layer 204 is increased in order of 3 nm, 5 nm, 10 nm, and 20 nm, and when the thickness of the InGaN layer 204 is 10 nm or more, the yield improvement trend slows down. ing.
  • the reason why such a phenomenon occurs is that the thickness of the InGaN layer 204 is increased, so that the InGaN layer 204 (In y Ga 1-y N layer 204) and the AlGaN layer 203 (n-Al x1 Ga x2 In x3 N) This is probably because a two-dimensional electron gas layer is likely to be formed between the layers 203).
  • the two-dimensional electron gas layer has an effect of spreading the current in the horizontal direction, but with this, the current is less likely to concentrate in a narrow region, and the electric field is relaxed.
  • the electric field is diffused in the heterostructure 202, so that the electric field is less likely to concentrate and the element is less likely to be destroyed. .
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between the current flowing through the LED element 201 and the light output obtained from the LED element 201 when the Si doping concentration of the AlGaN layer 203 constituting the heterostructure 202 is changed.
  • the InGaN layer 204 the In ratio is set so that the peak emission wavelength is 365 nm (value in the range of 362 nm to 395 nm), and the film thickness is 15 nm (value in the range of 10 nm to 25 nm). did.
  • FIG. 18 the result of the conventional LED element 290 provided with MQW (quantum well) is also shown for the comparison.
  • This element 290 employs an active layer 217 formed by MQW formed by alternately laminating 5 cycles of InGaN with a thickness of 2 nm and AlGaN with a thickness of 5 nm.
  • the In ratio of InGaN was set so that the wavelength was 365 nm.
  • InGaN constituting the active layer 217 of the LED element 290 has an extremely thin film thickness as compared with the LED element 201, so that Si that can be doped is about 5 to 8 ⁇ 10 17 / cm 3 at most, and is doped further. In such a case, the light output is reduced. For this reason, in the example of FIG. 18, a Si doping concentration of 7 ⁇ 10 17 / cm 3 was used.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the current flowing through the LED element 290 and the obtained light output when the Si doping concentration of AlGaN constituting the MQW is changed in the LED element 290 having the conventional structure. .
  • This graph shows that the highest light output is obtained when the Si doping concentration of AlGaN is 7 ⁇ 10 17 / cm 3 .
  • the Si doping concentration at which the highest light output is obtained is 7 ⁇ 10 17 / cm 3 .
  • the highest light output is shown when the Si doping concentration is 3 ⁇ 10 18 / cm 3 . Further, in the case of 1 ⁇ 10 18 / cm 3 , 3 ⁇ 10 18 / cm 3, 8 ⁇ 10 18 / cm 3 , and 1 ⁇ 10 19 / cm 3 , all have a higher light output than the conventional LED element 290. It can be seen that On the other hand, when the Si doping concentration is 7 ⁇ 10 17 / cm 3 lower than 1 ⁇ 10 18 / cm 3 and 2 ⁇ 10 19 / cm 3 higher than 1 ⁇ 10 19 / cm 3. It can be seen that the light output is lower than that of the conventional LED element 290.
  • the Si doping concentration of the AlGaN layer 203 is 7 ⁇ 10 17 / cm 3 , since the absolute Si concentration is low, the screening effect of the conduction band 230 is small, and carriers are sufficiently in the region (42, 43). (See FIG. 14C).
  • the Si doping concentration of the AlGaN layer 203 is 2 ⁇ 10 19 / cm 3 , a so-called droop phenomenon occurs in which the probability of luminescence recombination decreases due to the overflow of electrons and the internal luminous efficiency deteriorates. It is considered that the light output has decreased.
  • FIG. 20A shows the case where the AlGaN layer 203 is not doped with Si
  • FIG. 20B shows the case where the Si doping concentration of the AlGaN layer 3 is 3 ⁇ 10 18 / cm 3.
  • the conduction band 230 of 202 is typically shown.
  • the electric field acts in a direction that cancels the piezoelectric field, so that the effect of pushing down the conduction band 230 works.
  • the inclination of the conduction band 230 is relaxed (region 252), and electrons are easily injected from the n-layer side into the band bending region 241 and the substantially flat band region 242.
  • the LED element 201 when the LED element 201 is designed as a high injection device of about 100 A / cm 2 , it is preferable to have a configuration in which more electrons can be injected. Also from this result, it is preferable to increase the Si concentration for doping the AlGaN layer 203. However, if it is too high, the droop phenomenon occurs as described above, so that the light output can be improved by setting the Si doping concentration to 1 ⁇ 10 18 / cm 3 or more and 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or less. It becomes possible.
  • FIG. 21 is a graph showing the current-voltage characteristics when an operating voltage is applied between elements in the conventional LED element 290 and the LED element 201 of the present invention to cause a current to flow.
  • the LED element 201 of the present invention employs a configuration in which a heterostructure 202 composed of an InGaN layer 204 with a thickness of 15 nm and an AlGaN layer 203 with a thickness of 20 nm is stacked, and the Si doping concentration in the AlGaN layer 203 is adopted.
  • a heterostructure 202 composed of an InGaN layer 204 with a thickness of 15 nm and an AlGaN layer 203 with a thickness of 20 nm is stacked, and the Si doping concentration in the AlGaN layer 203 is adopted.
  • the In ratio of the InGaN layer was set so that the peak emission wavelength was 365 nm. That is, the conventional LED element 290 employs an AlGaN layer with the Si doping concentration showing the highest light output in FIG. 19, and the LED element 201 has the highest light output in FIG. The Si doping concentration shown was applied to the AlGaN layer 203.
  • the LED element 201 when the applied current is increased, the LED element 201 can achieve a lower operating voltage than the conventional LED element 290. This is another effect due to the fact that the Si doping concentration in the AlGaN layer 203 can be set higher than in the conventional device.
  • Step S1A First, the undoped layer 213 is formed on the support substrate 211. For example, the following steps are performed.
  • the c-plane sapphire substrate is cleaned. More specifically, for this cleaning, for example, a c-plane sapphire substrate is placed in a processing furnace of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) apparatus, and hydrogen gas with a flow rate of 10 slm is placed in the processing furnace. The temperature in the furnace is raised to, for example, 1150 ° C. while flowing.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • a low-temperature buffer layer made of GaN is formed on the surface of the support substrate 211 (c-plane sapphire substrate), and an underlayer made of GaN is further formed thereon. These low-temperature buffer layer and underlayer correspond to the undoped layer 213.
  • a more specific method for forming the undoped layer 213 is as follows. First, the furnace pressure of the ⁇ CVD apparatus is 100 kPa, and the furnace temperature is 480 ° C. Then, while flowing nitrogen gas and hydrogen gas with a flow rate of 5 slm respectively as carrier gas into the processing furnace, trimethylgallium (TMG) with a flow rate of 50 ⁇ mol / min and ammonia with a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min are used as the raw material gas in the processing furnace. For 68 seconds. Thereby, a low-temperature buffer layer made of GaN having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the support substrate 211.
  • TMG trimethylgallium
  • the furnace temperature of the MOCVD apparatus is raised to 1150 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 20 slm and hydrogen gas having a flow rate of 15 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 100 ⁇ mol / min and ammonia having a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min are introduced into the processing furnace as source gases. Feed for 30 minutes. As a result, a base layer made of GaN having a thickness of 1.7 ⁇ m is formed on the surface of the low-temperature buffer layer.
  • an n-type cladding layer 215 made of n-Al n Ga 1-n N (0 ⁇ n ⁇ 1) is formed on the undoped layer 213.
  • a more specific method for forming the n-type cladding layer 215 is, for example, as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is set to 30 kPa. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 20 slm and hydrogen gas having a flow rate of 15 slm as a carrier gas into the processing furnace, TMG having a flow rate of 94 ⁇ mol / min, trimethylaluminum (TMA) having a flow rate of 6 ⁇ mol / min, Ammonia with a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min and tetraethylsilane with a flow rate of 0.025 ⁇ mol / min are supplied into the treatment furnace for 30 minutes.
  • TMG trimethylaluminum
  • tetraethylsilane with a flow rate of 0.025 ⁇ mol / min are supplied into the treatment furnace for 30 minutes.
  • a high concentration electron supply layer having a composition of Al 0.06 Ga 0.94 N, a Si concentration of 3 ⁇ 10 19 / cm 3 and a thickness of 1.7 ⁇ m is formed on the undoped layer 213. That is, the n-type cladding layer 215 having a high-concentration electron supply layer having a Si concentration of 3 ⁇ 10 19 / cm 3 and a thickness of 1.7 ⁇ m is formed by this process at least in the upper surface region.
  • silicon (Si) is used as the n-type impurity contained in the n-type cladding layer 215 here, germanium (Ge), sulfur (S), selenium (Se), tin (Sn), and tellurium are used. (Te) or the like can also be used. Of these, silicon (Si) is particularly preferable.
  • the heterostructure 202 including the n-Al x Ga 1-x N layer 203 and the In y Ga 1-y N layer 204 is formed on the n-type cladding layer 215.
  • a more specific method for forming the heterostructure 202 is, for example, as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is 100 kPa, and the furnace temperature is 830 ° C. Then, while flowing nitrogen gas having a flow rate of 15 slm and hydrogen gas having a flow rate of 1 slm as a carrier gas in the processing furnace, TMG having a flow rate of 10 ⁇ mol / min, trimethylindium (TMI) having a flow rate of 12 ⁇ mol / min, and A step of supplying ammonia at a flow rate of 300,000 ⁇ mol / min into the processing furnace for 360 seconds is performed.
  • TMG having a flow rate of 10 ⁇ mol / min
  • TMA having a flow rate of 1.6 ⁇ mol / min
  • tetraethylsilane having a flow rate of 0.009 ⁇ mol / min
  • ammonia having a flow rate of 300,000 ⁇ mol / min
  • p-Al c Ga 1-c N (0 ⁇ c ⁇ 1) is formed on the upper layer of the heterostructure 202 (the heterostructure 202 positioned at the uppermost layer when the heterostructure 202 has a plurality of periods).
  • a p-type cladding layer 219 is formed, and a high-concentration p-type contact layer 221 is formed thereon.
  • a more specific method for forming the p-type cladding layer 219 and the p-type contact layer 221 is, for example, as follows. First, the furnace pressure of the MOCVD apparatus is maintained at 100 kPa, and the furnace temperature is raised to 1050 ° C. while nitrogen gas with a flow rate of 15 slm and hydrogen gas with a flow rate of 25 slm are allowed to flow into the processing furnace.
  • TMG having a flow rate of 35 ⁇ mol / min
  • TMA having a flow rate of 20 ⁇ mol / min
  • ammonia having a flow rate of 250,000 ⁇ mol / min
  • biscyclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg) having a flow rate of 0.1 ⁇ mol / min are used as source gases.
  • a hole supply layer having a composition of Al 0.3 Ga 0.7 N having a thickness of 20 nm is formed on the surface of the uppermost layer of the heterostructure 202.
  • a hole supply layer having a composition of Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 120 nm is formed.
  • a p-type cladding layer 219 is formed by these hole supply layers.
  • magnesium (Mg) is used as the p-type impurity contained in the p-type cladding layer 219 and the p-type contact layer 221, but beryllium (Be), zinc (Zn), carbon (C), etc. Can also be used.
  • Step S5A an activation process is performed on the wafer obtained through steps S1A, S2A, S3A, and S4A. More specifically, activation is performed at 650 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere using an RTA (Rapid Thermal Anneal) device.
  • RTA Rapid Thermal Anneal
  • an electrode is formed at a location where the support substrate 211 was present to form an n-side electrode.
  • etching is performed from the p side until the n type semiconductor layer is exposed to form an n side electrode.
  • an electrode such as a transparent electrode may be formed as necessary.
  • a power supply terminal or the like is formed on each electrode, and if necessary, the exposed element side surface or upper surface is covered with a highly light-transmitting insulating layer and connected to the substrate by wire bonding or the like.
  • the sixth semiconductor layer has been described as being composed of the n-Al x Ga 1-x N layer 203 having an In composition of 0%. However, In is added at a composition within a range of 5% or less.
  • FIG. 22 is a graph showing the relationship between the current supplied to the LED elements manufactured with different In compositions contained in the sixth semiconductor layer and the light output. The light output value indicated by the vertical axis in FIG. 22 indicates the light output when 0.1 A is supplied to the LED element in which the sixth semiconductor layer is formed by the n-Al x Ga 1-x N layer not containing In. It is specified as a relative value to.
  • TMI is supplied together with these gases at a predetermined flow rate. It can be realized by supplying with.
  • the optical output was not much different from the case where the sixth semiconductor layer was configured without including In.
  • the layer contained 1% In and 2% In the light output was improved as compared with the case where the sixth semiconductor layer was configured without containing In. This is considered to be due to the fact that the inclusion of In in AlGaN alleviates strain caused by lattice mismatch between AlGa (In) N and InGaN, and the surface state thereof is improved.
  • the energy barrier for the InGaN layer 204 is lowered, and thus the overflow of electrons becomes significant, and the effect of the two-dimensional electron gas due to the small piezoelectric electrode.
  • the problem of reduction of the amount of the problem occurs.
  • FIG. 22 it is shown that when In contained in the sixth semiconductor layer is 4%, the optical output is almost the same as when In is not contained, but even when it is about 5%, It has been confirmed that the difference is not very large.
  • the composition of In exceeds 5%, the light output is significantly lower than that in the case where the sixth semiconductor layer is composed of AlGaN not containing In for the above reason. Therefore, it is included in the sixth semiconductor layer.
  • the composition of In to be added is preferably 0% or more and 5% or less.
  • LED element 103 Current spreading layer 111: Support substrate 113: Undoped layer 115: N-type clad layer 117: Active layer 119: P-type clad layer 121: P-type contact layer 130: Conductive band 131: Valence band 132: InGaN Fermi level 133: Fermi level of AlGaN 141: Band bending region formed at the interface between AlGaN and InGaN 142: Almost flat band region formed by InGaN 181: Tensile stress 190: LED device 201: LED device 202 : heterostructures 202A: multilayer portion 203: n-Al x Ga 1 -x n layer (n-Al x1 Ga x2 In x3 n layer) 204: In y Ga 1-y N layer 211: Support substrate 213: Undoped layer 215: n-type cladding layer 217: active layer 219: p-type cladding layer 221

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Abstract

　活性層に隣接するｎ型半導体層の格子不整合に起因した課題を生じさせることなく、活性層内の水平方向の電流広がりを確保して、発光効率を向上させたＬＥＤ素子を実現する。ＬＥＤ素子は、支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなる素子であり、ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、電流拡散層と、窒化物半導体で構成される活性層と、ｐ型窒化物半導体で構成される第２半導体層を有する。電流拡散層は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合を有し、第３半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。

Description

ＬＥＤ素子
　本発明はＬＥＤ素子に関し、特に窒化物半導体で構成されたＬＥＤ素子に関する。
　従来、窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子としては、青色発光ダイオードで代表されるように、サファイア基板上にエピタキシャル成長によって半導体層構造体（積層半導体基板）を形成している。このような技術は、例えば下記特許文献１や特許文献２に開示されている。
　特許文献１には、サファイア基板の上に、ｎ型窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）よりなるｎ型コンタクト層と、ｎ－ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｎ－ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ－ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ｐ－ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有したＬＥＤが開示されている。活性層は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で実現されている。
　そして、サファイア基板とｎ型コンタクト層との間には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮよりなるバッファ層が形成されている。活性層を形成するｎ－ＩｎＧａＮには、ＳｉやＧｅなどのドナー不純物及び／又はＺｎやＭｇなどのアクセプター不純物がドープされている。
　特許文献２には、ＬＥＤを形成する積層半導体基板において、ｃ軸方向に面方位が揃ったＡｌＮ上に、それよりも格子定数が大きく、且つｃ軸方向に面方位が揃ったＧａＮ層を成長形成させ、その上にそれよりも格子定数が小さいｎ－ＡｌＧａＮ層、多重量子井戸構造を有する活性層、ｐ－ＡｌＧａＮ層を順次形成する内容が開示されている。
特開平１０－９３１３８号公報 特開２００５－２０９９２５号公報
　（第１の課題）
　ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、ウルツ鉱型結晶構造（六方晶構造）を有している。ウルツ鉱型結晶構造の面は、４指数表記（六方晶指数）にて、ａ１、ａ２、ａ３及びｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。
　従来、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板を主面に有する基板が使用される。実際にはこの基板上にアンドープのＧａＮ層を成長させ、更にその上層にｎ型の窒化物半導体層を成長させる。
　図２３は、従来のＬＥＤ素子１９０の構造を示す概略断面図である。なお、以下の図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。
　ＬＥＤ素子１９０は、サファイアなどの支持基板１１１の上層に、例えばアンドープのＧａＮ層を３μｍの膜厚で形成したアンドープ層１１３と、その上層に、例えばｎ－ＡｌＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で形成したｎ型クラッド層１１５を有する。更に、ＬＥＤ素子１９０は、ｎ型クラッド層１１５の上層に、例えば井戸層を構成する膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと障壁層を構成する膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮを交互に積層することでＭＱＷ（Multi-quantum Well：多重量子井戸）を形成した、活性層１１７を有する。更に、ＬＥＤ素子１９０は、活性層１１７の上層に、例えばｐ－ＡｌＧａＮ層で形成されたｐ型クラッド層１１９を有し、その上層にｐ＋－ＧａＮ層で形成されたｐ型コンタクト層１２１を有する。なお、ＬＥＤ素子１９０は、必要に応じて活性層１１７とｐ型クラッド層１１９の間に、ＡｌＧａＮで形成されたラストバリア層を有する。
　ここで、ｎ型クラッド層１１５を構成するＡｌＧａＮは、その下層のアンドープ層１１３を構成するＧａＮよりも格子定数が小さい。このため、ｎ型クラッド層１１５内に格子不整合に起因した引張応力１８１が生じる。なお、引張応力１８１が示す矢印は、応力の向きを表している。この引張応力１８１は、ｎ型クラッド層１１５の膜厚の増大と共に増大し、ある閾値を超えると表面荒れやクラック、結晶欠陥に伴うミスフィット転位が生じて発光効率の低下を招く。
　一方、ｎ型クラッド層１１５の膜厚を薄くし過ぎた場合、ｐ型コンタクト層１２１の上面に形成される給電端子（不図示）とｎ型クラッド層１１５の間に電圧を印加すると、給電端子から、その直下近傍に位置するｐ型コンタクト層１２１、ｐ型クラッド層１１９、活性層１１７を介してｎ型クラッド層１１５に電流が流れる。このため、活性層１１７内の一部の領域のみに電流が流れてしまい、発光領域が少なくなって結果的に発光効率の低下を招く。更に、活性層１１７の一部を電流が流れるために、局部的に電流集中が起こり、活性層１１７内でのキャリアの不均一性が生じて高い発光強度を得ることができない。
　（第２の課題）
　ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、ウルツ鉱型結晶構造（六方晶構造）を有している。ウルツ鉱型結晶構造の面は、４指数表記（六方晶指数）にて、ａ１、ａ２、ａ３及びｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。
　従来、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板を主面に有する基板が使用される。実際にはこの基板上にアンドープのＧａＮ層を成長させ、更にその上層にｎ型の窒化物半導体層を成長させる。
　図２４は、従来のＬＥＤ素子２９０の構造を示す概略断面図である。なお、以下の図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。
　ＬＥＤ素子２９０は、サファイアなどの支持基板２１１の上層に、例えばアンドープのＧａＮ層を３μｍの膜厚で形成したアンドープ層２１３と、その上層に、例えばｎ－ＡｌＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で形成したｎ型クラッド層２１５を有する。更に、ＬＥＤ素子２９０は、ｎ型クラッド層２１５の上層に、例えば井戸層を構成する膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと障壁層を構成する膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮを交互に積層することでＭＱＷ（Multi-quantum Well：多重量子井戸）を形成した、活性層２１７を有する。更に、ＬＥＤ素子２９０は、活性層２１７の上層に、例えばｐ－ＡｌＧａＮ層で形成されたｐ型クラッド層２１９を有し、その上層にｐ＋－ＧａＮ層で形成されたｐ型コンタクト層２２１を有する。なお、ＬＥＤ素子２９０は、必要に応じて活性層２１７とｐ型クラッド層２１９の間に、ＡｌＧａＮで形成されたラストバリア層を有する。
　ここで、ｎ型クラッド層２１５を構成するＡｌＧａＮは、その下層のアンドープ層２１３を構成するＧａＮよりも格子定数が小さい。このため、ｎ型クラッド層２１５内に格子不整合に起因した引張応力２８１が生じる。なお、引張応力２８１が示す矢印は、応力の向きを表している。この引張応力２８１は、ｎ型クラッド層２１５の膜厚の増大と共に増大し、ある閾値を超えると表面荒れやクラック、結晶欠陥に伴うミスフィット転位が生じて発光効率の低下を招く。
　一方、ｎ型クラッド層２１５の膜厚を薄くし過ぎた場合、ｐ型コンタクト層２２１の上面に形成される給電端子（不図示）とｎ型クラッド層２１５の間に電圧を印加すると、給電端子から、その直下近傍に位置するｐ型コンタクト層２２１、ｐ型クラッド層２１９、活性層２１７を介してｎ型クラッド層２１５に電流が流れる。このため、活性層２１７内の一部の領域のみに電流が流れてしまい、発光領域が少なくなって結果的に発光効率の低下を招く。更に、活性層２１７の一部を電流が流れるために、局部的に電流集中が起こり、活性層２１７内でのキャリアの不均一性が生じて高い発光強度を得ることができない。
　本発明は、上記の課題に鑑み、活性層に隣接するｎ型半導体層の格子不整合に起因した課題を生じさせることなく、活性層内の水平方向の電流広がりを確保して、発光効率を向上させたＬＥＤ素子を実現することを目的とする。
　本発明のＬＥＤ素子は、支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、前記第１半導体層の上層に形成された電流拡散層と、前記電流拡散層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される活性層と、前記活性層の上層に形成された、ｐ型窒化物半導体で構成される第２半導体層を有し、
　前記電流拡散層は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合を有し、前記第３半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とする。
　ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなる第３半導体層とｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合により、両材料のバンドギャップの相違により、両層の界面にバンドベンディング領域が形成される。このバンドベンディング領域に、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。
　ここで、ＩｎｘＧａ１－ｘＮのＩｎ比率を１０％よりも高くすると、ピエゾ電界に起因したエネルギーバンドの歪みが生じ、量子シュタルク効果によって発光効率が低下する。これは、活性層をＩｎａＧａ１－ａＮ（０＜ａ≦１）からなる井戸層とＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造で実現する場合においても同様である。ここで、Ｉｎ組成の比率は、放射光の波長を決定する要因となる。つまり、電流拡散層を構成するＩｎｘＧａ１－ｘＮや、活性層を構成するＩｎａＧａ１－ａＮ（０＜ａ≦１）のＩｎ比率を１０％以下とした場合に取り出し得る光、すなわち波長が例えば３６５ｎｍ程度の近紫外光を生成するＬＥＤ素子として本発明は特に有用である。
　また、ＩｎｘＧａ１－ｘＮからなる第３半導体層の膜厚を、一般的な多重量子井戸構造の井戸層を構成するために形成されるＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚（例えば２ｎｍ程度）よりも、十分に厚い１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。一般的な多重量子井戸構造では、量子シュタルク効果による発光割合の低下を防ぐために、ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を２ｎｍ程度、厚くても高々３ｎｍ以下とすることが行われている。
　しかし、本発明のＬＥＤ素子では、電流拡散層を構成するＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。このように、膜厚を大きくすることで、ＩｎｘＧａ１－ｘＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域を広くし、電子を確保する容量を増加することができる。この領域に電子が十分に蓄積されるまでの間、第４半導体層（ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ）によって形成される障壁を電子が超えられない。この間、二次元電子ガスが界面に平行な方向に移動するため、電子が水平方向に拡散する。つまり、電子が十分に水平方向に拡散し、バンドベンディング領域及びほぼ平坦なバンド領域内に十分な量の電子が蓄積された段階で、電子がｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎの障壁を超えてｐ層側に移動する。つまり、電流がｐ層側からｎ層側に流れるまでに、いったん水平方向に電子の広がりが実現される。これにより、活性層内を流れる電流が水平方向に広がるので、活性層全体で発光させることができ、発光効率を高めることができる。
　他方、本発明者らの鋭意研究により、ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を２５ｎｍよりも厚く、例えば３０ｎｍにした場合、結晶欠陥などの問題が顕在化して、光出力が低下することが分かった。つまり、ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚は、結晶欠陥が生じない臨界膜厚以下とするのが好ましい。
　よって、上記のように、ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、光出力を向上させる効果が得られる。なお、後述するように、ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を上記範囲内とすることで、素子のＥＳＤ（Electro Static Discharge：静電気放電）に対する耐圧を向上させる効果も得られる。
　なお、ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎとした第４半導体層に含まれるＩｎ組成は０であっても構わない。ただし、第４半導体層にＩｎを５％以内の範囲で含ませることで、光出力を更に向上させる効果が得られる。
　また、本発明のＬＥＤ素子は、前記第３半導体層のバンドギャップエネルギーが、前記第１半導体層及び前記第４半導体層の各々のバンドギャップエネルギーよりも小さいことを別の特徴とする。かかる構成とすることで、第３半導体層と第４半導体層の界面に二次元電子ガス層を形成することができる。
　更に、本発明者らの鋭意研究により、第４半導体層であるｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０１８／ｃｍ３以下とすることで、このような光出力の向上効果を担保できることが分かった。例えば、Ｓｉドープ濃度を５×１０１７／ｃｍ３といった、１×１０１８／ｃｍ３よりも少ない値とした場合には、絶対的なキャリア不足に伴う活性層内におけるキャリアの不均一が生じ、他方、９×１０１８／ｃｍ３といった、５×１０１８／ｃｍ３よりも高い値とした場合にはドループ現象が生じ、いずれも高い光出力が得られないことが分かった。
　よって、ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とした上で、更にｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０１８／ｃｍ３以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、更に光出力を向上させる効果が得られる。
　なお、前記電流拡散層を、前記第３半導体層と前記第４半導体層が複数組積層されることで、前記ヘテロ接合を複数有する構成として実現しても構わない。
　このような構成とした場合、ヘテロ接合の界面が複数形成されることから、二次元電子ガス層が形成される電子井戸が複数形成される。また、電子蓄積層として機能するＩｎｘＧａ１－ｘＮによる電子井戸も複数形成される。これにより、電流広がりの効果を更に高めることができる。
　本発明のＬＥＤ素子は、支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、
　前記支持基板の上層に形成されたアンドープ層と、
　前記アンドープ層の上層に形成され、ｎ型窒化物半導体で構成される第５半導体層と、
　前記第５半導体層の上層に、Ｓｉドープ濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上、１×１０１９／ｃｍ３以下のｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される第６半導体層と、膜厚が１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下のＩｎｙＧａ１－ｙＮで構成される第７半導体層の積層構造で形成されたヘテロ構造体と、
　前記ヘテロ構造体の上層に形成され、ｐ型窒化物半導体で構成される第８半導体層を備え、
　ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下であることを特徴とする。
　ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される第６半導体層とＩｎｙＧａ１－ｙＮで構成される第７半導体層のヘテロ接合により、両材料のバンドギャップの相違から、両層の界面にバンドベンディング領域が形成される。このバンドベンディング領域に、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。なお、以下において、第６半導体層を、適宜「ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ」と略記する。
　ＩｎｙＧａ１－ｙＮのＩｎ比率、すなわちｙ値は、ＬＥＤ素子のピーク発光波長を決定付ける。ＩｎｙＧａ１－ｙＮのＩｎ比率を少なくすると、ＬＥＤ素子からのピーク発光波長が短波長側に移動し、逆にＩｎ比率を多くするとピーク発光波長が長波長側に移動する。
　ここで、ピーク発光波長を３９５ｎｍより長い値、例えば４００ｎｍにすると、ＩｎｙＧａ１－ｙＮのＩｎ比率が高くなり過ぎる。結果として、ピエゾ電界に起因したエネルギーバンドの歪みが生じ、量子シュタルク効果によって発光効率が低下することに加え、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層で格子緩和が起こるため、ミスフィット転位が生成され発光効率の低下が生じる。一方で、ピーク発光波長を３６２ｎｍより短い値、例えば３５７ｎｍにしようとすると、ＩｎｙＧａ１－ｙＮのＩｎ比率を極めて低くしなければならない。しかし、本構成においては、従来のＭＱＷを有するＬＥＤ素子とは異なり、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下という厚膜で形成している。このため、Ｉｎの少量添加が難しく、３５７ｎｍといった短波長の光を実現するのが難しい。このような理由から、本発明のＬＥＤ素子はピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下の素子に適している。
　前述したように、本発明のＬＥＤ素子は、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層を、一般的なＭＱＷ構造の井戸層を構成するために形成されるＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚（例えば２ｎｍ程度）よりも、十分に厚い１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。一般的なＭＱＷ構造では、量子シュタルク効果による発光割合の低下を防ぐために、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を２ｎｍ程度、厚くても高々７ｎｍ以下とされている。
　しかし、本発明のＬＥＤ素子では、ヘテロ構造体を構成するＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。このように、膜厚を大きくすることで、ＩｎｙＧａ１－ｙＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域を広くし、電子を確保する容量を増加することができる。この領域に電子が十分に蓄積されるまでの間、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎによって形成される障壁を電子が超えられない。この間、二次元電子ガスが界面に平行な方向に移動するため、電子が水平方向に拡散する。つまり、電子が十分に水平方向に拡散し、バンドベンディング領域及びほぼ平坦なバンド領域内に十分な量の電子が蓄積された段階で、電子がｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎの障壁を超えてｐ層側に移動する。つまり、電流がｐ層側からｎ層側に流れるまでに、いったん水平方向に電子の広がりが実現される。これにより、ヘテロ構造体内を流れる電流が水平方向に広がるので、ヘテロ構造体の全体で発光させることができ、発光効率を高めることができる。
　他方、本発明者らの鋭意研究により、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を２５ｎｍよりも厚く、例えば３０ｎｍにした場合、結晶欠陥などの問題が顕在化して、光出力が低下することが分かった。つまり、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚は、結晶欠陥が生じない臨界膜厚以下とするのが好ましい。
　よって、上記のように、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、光出力を向上させる効果が得られる。なお、後述するように、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を上記範囲内とすることで、素子のＥＳＤ（Electro Static Discharge：静電気放電）に対する耐圧を向上させる効果も得られる。
　なお、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎとした第６半導体層に含まれるＩｎ組成は０であっても構わない。ただし、第６半導体層にＩｎを５％以内の範囲で含ませることで、光出力を更に向上させる効果が得られる。
　更に、本発明者らの鋭意研究により、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０１８／ｃｍ３以上、１×１０１９／ｃｍ３以下とすることで、このような光出力の向上効果を担保できることが分かった。例えば、Ｓｉドープ濃度を５×１０１７／ｃｍ３といった、１×１０１８／ｃｍ３よりも少ない値とした場合には、絶対的なＳｉ濃度が低いために、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層の伝導帯のスクリーニング効果が小さく、十分な量のキャリアをバンドベンディング領域及びほぼ平坦なバンド領域に取り込むことができない。これによって、高い光出力が得られないことが分かった。他方、２×１０１９／ｃｍ３といった、１×１０１９／ｃｍ３よりも高い値とした場合にはドループ現象が生じ、高い光出力が得られないことが分かった。
　よって、ＩｎｙＧａ１－ｙＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とした上で、更にｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０１８／ｃｍ３以上、１×１０１９／ｃｍ３以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、更に光出力を向上させる効果が得られる。
　なお、本発明者らの鋭意研究により、上記構成によれば、従来のＭＱＷを備えたＬＥＤ素子と比較して、Ｓｉドープ濃度を高くすることができるため、高電流注入時における動作電圧を低減させる効果も得られることが分かった。
　また、前記ヘテロ構造体を複数周期繰り返してなる多層構造部を有し、
　前記多層構造部の最上層に位置する前記ヘテロ構造体の上層に、前記第８半導体層が形成される構成としても構わない。
　このような構成とした場合、ヘテロ接合の界面が複数形成されることから、二次元電子ガス層が形成される領域が複数形成される。また、電子蓄積層として機能する、ＩｎｙＧａ１－ｙＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域も複数形成される。これにより、電流拡がりの効果を更に高めることができ、光出力を更に向上させることができる。
　本発明によれば、ｎ型クラッド層を結晶欠陥が招来しない範囲内の膜厚で形成しつつも、水平方向への電流広がりを実現することができるので、発光効率の高いＬＥＤ素子を実現することができる。
本発明のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。 ＩｎｘＧａ１－ｘＮのＩｎ組成を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 電流拡散層の理想的なエネルギーバンド図を模式的に示したものである。 電流拡散層のエネルギーバンド図をピエゾ電界の影響を反映して模式的に示したものである。 電流拡散層の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。 ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 電流拡散層の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 本発明のＬＥＤ素子の別の構造を示す概略断面図である。 図８Ａの構成における電流拡散層の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 第４半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。 本発明のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。 本発明のＬＥＤ素子の別の構造を示す概略断面図である。 本発明のＬＥＤ素子の別の構造を示す概略断面図である。 ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層のＩｎ組成を変化させて素子のピーク発光波長を変化させたときの、ＬＥＤ素子のピーク発光波長とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ヘテロ構造体の理想的なエネルギーバンド図を模式的に示したものである。 ヘテロ構造体のエネルギーバンド図をピエゾ電界の影響を反映して模式的に示したものである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ＩｎＧａＮ層の膜厚を変化させたときの、ＬＥＤ素子を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層の膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。 ヘテロ構造体を構成するＡｌＧａＮ層のＳｉドープ濃度を変化させたときの、ＬＥＤ素子を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ＭＱＷを構成するＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を変化させたときの、従来のＬＥＤ素子を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ＬＥＤ素子の電流電圧特性をグラフ化したものである。 第６半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。 従来のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。 従来のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。
　＜＜第１実施形態＞＞
　本発明の第１実施形態について説明する。
　［構造］
　図１は、本発明のＬＥＤ素子１０１の構造を示す概略断面図である。なお、図２３に示すＬＥＤ素子１９０と同一の構成要素については、同一の符号を付している。また、以下の各図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。
　ＬＥＤ素子１０１は、ＬＥＤ素子１９０と比較して電流拡散層１０３を追加的に備える点が異なる。つまり、ＬＥＤ素子１０１は、サファイアなどの支持基板１１１の上層に、下から順にアンドープ層１１３、ｎ型クラッド層１１５（「第１半導体層」に対応）、電流拡散層１０３、活性層１１７、ｐ型クラッド層１１９（「第２半導体層」に対応）、及びｐ型コンタクト層１２１を備える構成である。また、ＬＥＤ素子１９０と同様に、必要に応じて活性層１１７とｐ型クラッド層１１９の間に、ラストバリア層を有する（不図示）。
　　（支持基板１１１）
　支持基板１１１は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＹＡＧなどで構成しても構わない。
　　（アンドープ層１１３）
　アンドープ層１１３は、ＧａＮにて形成される。より具体的には、ＧａＮよりなる低温バッファ層と、その上層にＧａＮよりなる下地層によって形成される。
　　（ｎ型クラッド層１１５）
　ｎ型クラッド層１１５は、ｎ－ＡｌｎＧａ１－ｎＮ（０＜ｎ＜１）で構成される。なお、アンドープ層１１３に接触する領域にｎ－ＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。
　なお、本実施形態では、一例としてｎ型クラッド層１１５をｎ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎで形成している。
　　（活性層１１７）
　活性層１１７は、例えばＩｎａＧａ１－ａＮ（０＜ａ≦１）からなる井戸層とＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有する半導体層で形成される。これらの層はノンドープでもｐ型又はｎ型にドープされていても構わない。
　本実施形態では、一例として、活性層１１７のうちの井戸層をＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ、障壁層をＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎとし、この井戸層と障壁層が５周期繰り返されることで活性層１１７を形成している。ＬＥＤ素子１０１において、この繰り返し周期数は５に限られない。
　　（ｐ型クラッド層１１９）
　ｐ型クラッド層１１９は、例えばｐ－ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０＜ｃ≦１）で構成され、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。本実施形態では、一例としてｐ型クラッド層１１９をｐ－Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎとｐ－Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎの積層構造で形成している。なお、ｐ型コンタクト層１２１に接触する領域にＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。
　　（ｐ型コンタクト層１２１）
　ｐ型コンタクト層１２１は、例えばｐ－ＧａＮで構成される。特にＭｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物が高濃度にドープされてｐ＋－ＧａＮ層で構成される。
　　（電流拡散層１０３）
　電流拡散層１０３は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる層（「第３半導体層」に対応）と、ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる層（「第４半導体層」に対応）のヘテロ接合によって形成される。このうち、第３半導体層を構成するＩｎｘＧａ１－ｘＮの膜厚は１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下である。
　［電流拡散層１０３の効果説明］
　以下、上記構成の電流拡散層１０３を備えたことで、ＬＥＤ素子１０１が従来のＬＥＤ素子１９０よりも発光効率が向上することにつき、実施例を参照して説明する。
　　（第３半導体のＩｎ組成に関する考察）
　図２は、電流拡散層１０３を構成するＩｎｘＧａ１－ｘＮ（第３半導体層）のＩｎ組成、すなわちｘ値を変化させたときの、活性層１１７を流れる電流とＬＥＤ素子１０１から得られる光の出力の関係を示すグラフである。なお、比較のため、電流拡散層１０３を設けていない従来のＬＥＤ素子１９０のデータも載せている。
　Ｉｎ組成が２％、５％の場合は、いずれも従来のＬＥＤ素子１９０よりも光出力が大きく得られていることが分かる。一方、Ｉｎ組成を１０％とした場合、従来のＬＥＤ素子１９０よりも光出力が低下していることが分かる。この結果は、以下のことを示唆するものと考えられる。
　図３Ａ及び図３Ｂは、電流拡散層１０３のエネルギーバンド図を模式的に示したものである。なお、以下では、各原子の組成に関して注目しない場合には、第３半導体層をＩｎＧａＮ、第４半導体層をＡｌＧａＮとそれぞれ表記するが、これは窒素以外の原子の比率が１：１であることを規定しているわけではない。なお、ここでは、第４半導体層に含まれるＩｎ組成を０％であるものとして（ｎ－ＡｌｙＧａ１－ｙＮ）説明するが、Ｉｎを５％以内の範囲で含む第４半導体層であっても同様の議論が可能である。
　ＩｎＧａＮに比べてＡｌＧａＮの方が、バンドギャップが大きい。このため、図３Ａに示すように、後述する分極電界の影響を考慮しなければ、ｎ型クラッド層１１５を構成するｎ－ＡｌＧａＮと、電流拡散層１０３のＡｌＧａＮの間で、ＩｎＧａＮによるほぼ平坦なバンド領域が形成される。ここで、電流拡散層１０３を構成するＩｎＧａＮの膜厚は、活性層１１７を構成するＩｎＧａＮの膜厚（例えば２ｎｍ）よりもはるかに厚く、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下で構成されるため、ほぼ平坦なバンド領域が広く形成される。
　ＬＥＤ素子１０１では、ＩｎＧａＮ層によって形成される平坦なバンド領域の面に垂直なｃ軸方向に圧電分極（ピエゾ分極）が発生する。
　図３Ｂは、このピエゾ電界の影響を考慮して描かれた電流拡散層１０３のエネルギーバンドを模式的に示したものである。ピエゾ電界により、エネルギーバンドに歪みが生じる。
　エネルギーバンドの歪みが増大すると、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、電子と正孔とが再結合することによって発光する割合が低下する、いわゆる量子シュタルク効果が生じる。この歪みは、ＩｎＧａＮ中のＩｎ組成比が大きくなるほど大きくなる。図２において、Ｉｎ組成を１０％と増加させた場合に、電流拡散層１０３を設けていない従来のＬＥＤ素子１９０よりも光出力が低下しているのは、この量子シュタルク効果が顕在化したものと考えられる。
　一方、Ｉｎ組成が２％、５％の場合には、従来のＬＥＤ素子１９０よりも光出力が増加している。この理由としては、以下の内容が考えられる。
　図３Ａに示したように、ＩｎＧａＮに比べてＡｌＧａＮは電子的なバンドギャップが大きい。図３Ａには、伝導帯１３０、価電子帯１３１、並びにＩｎＧａＮのフェルミ準位１３２及びＡｌＧａＮのフェルミ準位１３３が示されている。なお、図３Ａでは、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの間の相互作用は考慮されていない。
　図３Ｃは２つの半導体材料の相互作用を反映させた伝導帯１３０の状態を模式的に示したものである。フェルミ準位１３２及び１３３は相互に等位になるが、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮのエネルギーバンドの不連続性により、ｐ層に近いＡｌＧａＮ層の伝導帯は下方へ引っ張られ、バンドベンディング領域１４１が生じる。このバンドベンディング領域１４１内において、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。また、上述したように、ＩｎＧａＮ層の膜厚を大きくしたことにより、ほぼ平坦なバンド領域１４２が拡がり、多くの電子を蓄積できるので、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの界面に形成されるバンドベンディング領域１４１、及びＩｎＧａＮのほぼ平坦なバンド領域１４２に電子が蓄積されるまで、ＡｌＧａＮのポテンシャルを超えて電子がオーバーフローすることがない。つまり、水平方向への電子の移動が図られ、この結果、水平方向への電流広がりを実現することができる。つまり、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮにより電流拡散層１０３が実現される。
　以上により、ＩｎＧａＮのＩｎ比率を０％より高く５％以下とすることで、ＬＥＤ素子１０１の光出力を向上させる効果が得られることが分かる。
　また、特に、ＩｎＧａＮの膜厚を大きくすることで、電流拡がり効果を高めることができ、光出力の向上に更に寄与している。この点につき、次に説明する。
　　（第３半導体の膜厚に関する考察）
　上述したように、ＩｎＧａＮがほぼ平坦なバンド領域１４２を形成することから、電子を蓄積する能力を高める意味において、第３半導体（ＩｎＧａＮ）の膜厚を大きくするのが好ましいといえる。しかし、ＧａＮとＩｎＧａＮの格子定数の差に起因して、ＩｎＧａＮの膜厚をあまりに大きくすると、格子緩和が生じ、バンドベンディング領域１４１及びほぼ平坦なバンド領域１４２に電子を十分に蓄積させることができなくなる。
　図４は、ＩｎＧａＮの膜厚を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、Ｉｎ組成は２％とした。図４によれば、ＩｎＧａＮの膜厚１０ｎｍにおいて、電流拡散層１０３を備えない従来のＬＥＤ素子１９０と同等の光出力が得られ、ＩｎＧａＮの膜厚を１５ｎｍ、２０ｎｍ、２５ｎｍとした場合には、従来よりも高い光出力が得られていることが分かる。なお、ＩｎＧａＮの膜厚を１５ｎｍとしたときに、印加電流値の広い範囲で最も高い光出力が得られている。
　これに対し、ＩｎＧａＮの膜厚を３０ｎｍにした場合には、従来のＬＥＤ素子１９０よりも光出力が低下している。これは、膜厚を３０ｎｍにした場合には、上述した格子緩和による結晶欠陥が生じ、面内の電流の均一性が低下した結果、光出力が低下したものと考えられる。
　なお、図４に示すように、ＩｎＧａＮの膜厚を１０ｎｍより小さい５ｎｍとした場合にも、従来のＬＥＤ素子１９０よりも光出力が低下した。これは、図３Ｂを参照して上述したように、ピエゾ電界の影響を大きく受けたことでＩｎＧａＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域１４２にも傾きが生じ、電子を蓄積する能力が低下したことが理由であると考えられる。
　以上により、ＩｎＧａＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、ＬＥＤ素子１０１の光出力を向上させる効果が得られることが分かる。
　更に、ＩｎＧａＮの膜厚を厚くすることで、ＬＥＤ素子自体の耐圧特性が向上し、歩留まりを向上させる効果が得られる。図５は、ＩｎＧａＮの膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。
　電流拡散層１０３を構成する第４半導体層（ここではＡｌＧａＮ）の膜厚を２０ｎｍに固定し、第３半導体層（ＩｎＧａＮ）の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと異ならせたＬＥＤ素子１０１を作製した。そして、各ＬＥＤ素子１０１に対し、５００Ｖの順方向電圧及び逆方向電圧をそれぞれ印加した後、逆方向バイアスとして－５Ｖを印加したときに流れる逆方向電流を測定する。このとき、当該逆方向電流の絶対値が５μＡ以下（又は未満）であるものを良好な素子とし、逆方向電流の絶対値が５μＡを超えるものを不良素子として、歩留まりを測定した。
　図５によれば、ＩｎＧａＮの膜厚を最も厚くした２０ｎｍのときが最も歩留まりが高く、ＩｎＧａＮの膜厚を最も薄くした３ｎｍのときが最も歩留まりが低い。なお、ＩｎＧａＮの膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと順に厚くするに連れて歩留まりが高くなっており、ＩｎＧａＮの膜厚が１０ｎｍ以上になると、歩留まりの良化傾向は鈍化している。
　このような現象が生じた理由は、電流拡散層１０３を構成する第３半導体層（ＩｎＧａＮ）の膜厚が厚くなることで、第３半導体層（ＩｎＧａＮ）と第４半導体層（ＡｌＧａＮ）の間に二次元電子ガス層が生じやすくなるためと考えられる。上述したように、二次元電子ガス層は水平方向に電流を拡げる効果を有するが、これに伴って狭い領域に電流が集中しにくくなり、電界が緩和される。この結果、瞬間的に高電圧が印加された場合であっても、電流拡散層１０３において電界が拡散される結果、電界が集中しにくくなり、素子の破壊が起こりにくくなっているものと考えられる。
　　（第４半導体のＳｉドープ濃度に関する考察）
　図６は、電流拡散層１０３を構成する第４半導体（ＡｌＧａＮ）のＳｉドープ濃度を変化させたときの、活性層を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、ＩｎＧａＮのＩｎ組成を２％とし、膜厚を１５ｎｍとした。
　図６によれば、Ｓｉドープ濃度が３×１０１８（／ｃｍ３）のときが、最も高い光出力を示している。また、１×１０１８（／ｃｍ３）、３×１０１８（／ｃｍ３）、５×１０１８（／ｃｍ３）の場合には、いずれも従来のＬＥＤ素子１９０より高い光出力を示していることが分かる（図４参照）。これに対し、Ｓｉドープ濃度が１×１０１８（／ｃｍ３）よりも低い５×１０１７（／ｃｍ３）の場合と、５×１０１８（／ｃｍ３）よりも高い９×１０１８（／ｃｍ３）の場合には、従来のＬＥＤ素子１９０より光出力が低下していることが分かる（図４参照）。
　これは、ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度が５×１０１７（／ｃｍ３）の場合には、絶対的なＳｉ濃度が低いために、活性層１１７内でＳｉの不均一が生じて光出力が低下しているものと考えられる。一方、ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度が９×１０１８（／ｃｍ３）の場合には、電子のオーバーフローによって発光再結合確率が低下し、内部発光効率が悪化する、いわゆるドループ現象が生じているために、光出力が低下しているものと考えられる。
　以上により、電流拡散層１０３を構成するＡｌＧａＮのＳｉ濃度を１×１０１８（／ｃｍ３）以上５×１０１８（／ｃｍ３）以下とすることで、ＬＥＤ素子１０１の光出力を更に向上させる効果が得られることが分かる。
　伝導帯１３０のスクリーニング効果について、図７を参照して説明する。図７（ａ）は、電流拡散層１０３を構成するＡｌＧａＮへのＳｉドープをしなかった場合、図７（ｂ）は、電流拡散層１０３を構成するＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を３×１０１８／ｃｍ３とした場合の、電流拡散層１０３の伝導帯１３０を模式的に示したものである。
　前述したように、アンドープ層１１３を構成するＧａＮ結晶のｃ面上に、ｎ型クラッド層１１５を構成するＡｌＧａＮを結晶成長させた場合、格子定数差に基づくピエゾ電界が発生する。この電界に起因して、ｎ型クラッド層１１５を構成するｎ－ＡｌＧａＮ、及び電流拡散層１０３を構成するＡｌＧａＮ層とＩｎＧａＮ層によって形成される伝導帯１３０に傾きが生じる（領域１５１）。この傾きの存在は、ｐ層側（図面上右側）への電子の移動を妨げてしまう。これに対し、ＡｌＧａＮ層にＳｉをドープすると、ピエゾ電界を打ち消す方向に電界が働くため、伝導帯１３０を押し下げる効果が働く。この結果、伝導帯１３０の傾きが緩和され（領域１５２）、ｎ層側から電子をバンドベンディング領域１４１及びほぼ平坦なバンド領域１４２へと注入しやすくなる。
　特に、１００Ａ／ｃｍ２程度の高注入デバイスとしてＬＥＤ素子１０１を設計する場合においては、より多くの電子を注入できる構成とするのが好ましい。この結果からも、ＡｌＧａＮ層に対してドープするＳｉ濃度は高くするのが好ましい。ただし、高くし過ぎると、前述したようにドループ現象が生じるため、１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０１８／ｃｍ３以下のＳｉドープ濃度とすることで、光出力を向上させることが可能となる。
　［ＬＥＤ素子１０１の製造方法］
　次に、本発明のＬＥＤ素子１０１の製造方法につき説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。
　　＜ステップＳ１＞
　まず、支持基板１１１上に、アンドープ層１１３を形成する。例えば、以下の工程により行われる。
　　　（支持基板１１１の準備）
　支持基板１１１としてサファイア基板を用いる場合、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。
　　　（アンドープ層１１３の形成）
　次に、支持基板１１１（ｃ面サファイア基板）の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層１１３に対応する。
　アンドープ層１１３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、支持基板１１１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。
　次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、第１バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。
　　＜ステップＳ２＞
　次に、アンドープ層１１３の上層に、ｎ－ＡｌｎＧａ１－ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成されるｎ型クラッド層１１５を形成する。
　ｎ型クラッド層１１５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給する。これにより、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層をアンドープ層１１３の上層に形成する。つまり、この工程によって、少なくとも上面の領域に関してはＳｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層を有するｎ型クラッド層１１５が形成される。
　なお、ここでは、ｎ型クラッド層１１５に含まれるｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を用いるものとして説明したが、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）及びテルル（Ｔｅ）などを用いることもできる。なお、これらの中では、特にシリコン（Ｓｉ）が好ましい。
　　＜ステップＳ３＞
　次に、ｎ型クラッド層１１５の上層に、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ－ＡｌｙＧａ１－ｙＮ（０＜ｙ≦１）からなる第４半導体層を形成することで、電流拡散層１０３を形成する。
　電流拡散層１０３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が０．００９μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。これにより、厚みが１５ｎｍのＩｎＧａＮ及び厚みが２０ｎｍのｎ－ＡｌＧａＮよりなる電流拡散層１０３が形成される。
　　＜ステップＳ４＞
　次に、電流拡散層１０３の上層にＩｎａＧａ１－ａＮ（０＜ａ≦１）からなる井戸層とＡｌｂＧａ１－ｂＮ（０＜ｂ≦１）からなる障壁層が繰り返されてなる多重量子井戸構造を有する活性層１１７を形成する。
　活性層１１７のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＩ及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に４８秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、０．００２μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に１２０秒間供給するステップを行う。以下、これらの２つのステップを繰り返すことにより、厚みが２ｎｍのＩｎＧａＮよりなる井戸層及び厚みが７ｎｍのｎ－ＡｌＧａＮよりなる障壁層による５周期の多重量子井戸構造を有する活性層１１７が、電流拡散層１０３の上層に形成される。
　　＜ステップＳ５＞
　次に、活性層１１７の上層に、ｐ－ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０＜ｃ≦１）で構成されるｐ型クラッド層１１９を形成し、更にその上層に高濃度のｐ型コンタクト層１２１を形成する。
　ｐ型クラッド層１１９及びｐ型コンタクト層１２１の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、活性層１１７の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型クラッド層１１９が形成される。
　更にその後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給する。これにより、厚みが５ｎｍのｐ－ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１２１が形成される。
　なお、ここでは、ｐ型クラッド層１１９及びｐ型コンタクト層１２１に含まれるｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いるものとして説明したが、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）などを用いることもできる。
　　＜ステップＳ６＞
　次に、ステップＳ１～Ｓ５を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。
　その後は、縦型のＬＥＤ素子を実現する場合には、支持基板１１１を剥離した後、当該支持基板１１１が存在していた箇所に電極を形成してｎ側電極を形成する。また、横型のＬＥＤ素子を実現する場合には、ｐ側からｎ型半導体層が露出するまでエッチングを行なって、ｎ側電極を形成する。なお、この場合、必要に応じて透明電極などの電極を形成するものとして構わない。その後、各電極に給電端子などを形成し、必要に応じて、露出されている素子側面や上面を透光性の高い絶縁層で覆い、ワイヤボンディングなどにより基板との接続を行う。
　［別実施形態］
　以下、第１実施形態の別実施形態について説明する。
　　〈１〉　ＬＥＤ素子１０１において、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる層と、ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる層のヘテロ接合が複数繰り返し形成されて電流拡散層１０３を構成しても構わない（図８Ａ参照）。また、図８Ｂは、図８Ａの構成における電流拡散層１０３の伝導帯のエネルギーバンド図を、図３Ｃにならって模式的に示したものである。
　図８Ａのような構成とすることで、水平方向に電流を広げる役割を示すバンドベンディング領域１４１及び、電子を蓄積させる機能を示すほぼ平坦なバンド領域１４２を複数持たせることができるので、図１の構成よりも電流広がりの効果を更に向上させることができる。これにより、光出力を更に高めることができる。
　ここで、電流拡散層１０３は、ｎ型クラッド層１１５に最も近い側からＩｎｘＧａ１－ｘＮとｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎとが周期的に形成されることで構成されるものとしても構わない。また、これとは逆に、電流拡散層１０３は、ｎ型クラッド層１１５に最も近い側からｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３ＮとＩｎｘＧａ１－ｘＮとが周期的に形成されることで構成されるものとしても構わない。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、電流拡散層１０３が複数の半導体層が周期的に形成されてなる場合、ｎ型クラッド層に最も近い位置に形成される層及びｐ型クラッド層に最も近い位置に形成される層は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮであってもｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎであっても構わない。
　〈２〉　上述した実施形態では、電流拡散層１０３を構成する第４半導体層をｎ－ＡｌＧａＮとして説明したが、５％以下の範囲内の組成でＩｎが添加されてなるｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）で構成されていても構わない。図９は、第４半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。図９の縦軸が示す光出力の値は、Ｉｎを含まないｎ－ＡｌＧａＮによって第４半導体層を形成したＬＥＤ素子に対して０．１Ａを供給したときの光出力に対する相対値で規定している。
　なお、第４半導体層に対してＩｎを含ませる方法としては、上述したステップＳ３のうち、ＴＭＧ、ＴＭＡ、テトラエチルシラン、及びアンモニアを供給するステップを実行する際、これらのガスと共にＴＭＩを所定流量で供給することで実現できる。
　図９によれば、第４半導体層にＩｎを４％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第４半導体層を構成した場合と光出力があまり変わらなかった、また、第４半導体層にＩｎを１％含ませた場合及びＩｎを２％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第４半導体層を構成した場合よりも光出力が向上した。これは、ＡｌＧａＮにＩｎを含有することで、ＡｌＧａ（Ｉｎ）ＮとＩｎＧａＮの格子不整合から生じる歪みを緩和し、その表面状態が改善されたことに起因するものと考えられる。
　ただし、第４半導体層にＩｎをあまりに過剰に含ませると、ＩｎＧａＮ層に対するエネルギー障壁が低くなるため電子のオーバーフローが顕著になるという問題や、ピエゾ電極が小さくなることによる二次元電子ガスの効果が低減するという問題が生じるおそれがある。図９では、第４半導体層に含ませるＩｎを４％とした場合にはＩｎを含有させない場合とほぼ同等の光出力であることが示されているが、５％程度とした場合においても、その差はあまり大きくないことが確認されている。しかし、Ｉｎの組成が５％を超えると、上記の理由により、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮによって第４半導体層を構成した場合よりも光出力が有意に低下してしまうので、第４半導体層に含ませるＩｎの組成は０％以上５％以下とするのが好適である。
　＜＜第２実施形態＞＞
　本発明の第２実施形態について説明する。
　［構造］
　図１０は、本発明のＬＥＤ素子２０１の構造を示す概略断面図である。なお、図２４に示すＬＥＤ素子２９０と同一の構成要素については、同一の符号を付している。また、以下の各図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。
　ＬＥＤ素子２０１は、ＬＥＤ素子２９０と比較して、活性層２１７に代えてヘテロ構造体２０２を備える点が異なる。
　ＬＥＤ素子２０１は、サファイアなどの支持基板２１１の上層に、アンドープ層２１３を有し、その上層にｎ型クラッド層２１５（「第５半導体層」に対応）を有し、ｎ型クラッド層２１５の上層に、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層２０３（「第６半導体層」に対応）とＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４（「第７半導体層」に対応）の積層構造で形成されたヘテロ構造体２０２を有する。ＬＥＤ素子２０１は、ヘテロ構造体２０２の上層に、ｐ型クラッド層２１９（「第８半導体層」に対応）、及びｐ型コンタクト層２２１を備える構成である。また、ＬＥＤ素子２０１は、ＬＥＤ素子２９０と同様に、ヘテロ構造体２０２とｐ型クラッド層２１９の間に、必要に応じてラストバリア層を有する（不図示）。なお、第６半導体層において、０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１である。
　　（支持基板２１１）
　支持基板２１１は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＹＡＧなどで構成しても構わない。
　　（アンドープ層２１３）
　アンドープ層２１３は、ＧａＮにて形成される。より具体的には、ＧａＮよりなる低温バッファ層と、その上層にＧａＮよりなる下地層によって形成される。
　　（ｎ型クラッド層２１５）
　ｎ型クラッド層２１５は、ｎ－ＡｌｎＧａ１－ｎＮ（０≦ｎ≦１）で構成される。なお、アンドープ層２１３に接触する領域にｎ－ＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。
　なお、本実施形態では、一例としてｎ型クラッド層２１５をｎ－Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎで形成している。
　　（ｐ型クラッド層２１９）
　ｐ型クラッド層２１９は、例えばｐ－ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）で構成され、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。本実施形態では、一例としてｐ型クラッド層２１９をｐ－Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ｎとｐ－Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎの積層構造で形成している。なお、ｐ型コンタクト層２２１に接触する領域にＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。
　　（ｐ型コンタクト層２２１）
　ｐ型コンタクト層２２１は、例えばｐ－ＧａＮで構成される。特にＭｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物が高濃度にドープされてｐ＋－ＧａＮ層で構成される。
　　（ヘテロ構造体２０２）
　上述したように、ヘテロ構造体２０２は、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層２０３とＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４の積層構造によって形成される。
　ここで、ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層２０３は、Ｓｉドープ濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上、１×１０１９／ｃｍ３以下で構成される。また、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４は、膜厚が１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下で構成され、ＬＥＤ素子２０１のピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下となるようなＩｎ組成比で構成される。
　［別構成］
　図１１に示すように、ＬＥＤ素子２０１は、ヘテロ構造体２０２を複数周期繰り返してなる多層構造部２０２Ａを備えた構成としても構わない。このとき、ＬＥＤ素子２０１は、多層構造部２０２Ａの最上層に位置するＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４の上層に、ｐ型クラッド層２１９及びｐ型コンタクト層２２１を備える構成である。また、この場合においても、多層構造部２０２Ａの最上層に位置するＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４とｐ型クラッド層２１９の間に、必要に応じてラストバリア層を有するものとして構わない（不図示）。
　また、ヘテロ構造体２０２を構成するｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層２０３とＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４の位置関係は、これらが交互に積層されていれば、どちらが上層でどちらが下層に位置しても構わない。例えば、ヘテロ構造体２０２を複数周期繰り返してなる多層構造部２０２Ａを備える構成の場合、図１２に示すように、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４の上層にｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層２０３が積層された構成としても構わない。なお、図１１及び図１２には、いずれもヘテロ構造体２０２が３周期繰り返し積層された多層構造部２０２Ａを備える構成が開示されているが、繰り返し周期数を３に限定するものではない。例えば５周期としても構わないし、他の周期数としても構わない。
　［ヘテロ構造体２０２の機能説明］
　以下、上記構成のヘテロ構造体２０２を備えたことで、ＬＥＤ素子２０１が従来のＬＥＤ素子２９０よりも発光効率が向上することにつき、実施例を参照して説明する。なお、以下の説明では、第６半導体層に含まれるＩｎ組成を０％であるものとして（ｘ３＝０）説明するが、Ｉｎを５％以内の範囲で含む第６半導体層であっても同様の議論が可能である。このとき、第６半導体層を適宜、「ｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２０３」と記載するが、これは、第６半導体層がｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される場合におけるｘ３＝０のときと等価である。
　なお、以下の説明では、比較検証のために用いたＬＥＤ素子２９０は、ＭＱＷによって形成される活性層２１７として、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されて形成されたものを採用した。
　　（ピーク発光波長に関する考察）
　図１３は、ヘテロ構造体２０２を構成するＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４のＩｎ組成、すなわちｙ値を変化させたときの、ＬＥＤ素子２０１のピーク発光波長と光出力の関係を示すグラフである。ここでは、ＬＥＤ素子２０１として、ｎ型クラッド層２１５の上層に膜厚１５ｎｍのＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４を形成し、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４の上層に膜厚２０ｎｍのｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２０３を形成してなるヘテロ構造体２０２を５周期繰り返した構成を採用した（図１２参照）。また、比較のため、ヘテロ構造体２０２を設けていない従来のＬＥＤ素子２９０のデータも載せている。上述したように、このＬＥＤ素子２９０としては、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されてなる活性層２１７を有する構成とした。
　また、図１３では、ＬＥＤ素子２０１及び従来のＬＥＤ素子２９０共に、３５０μｍ角の素子を利用し、この素子に０．１Ａの電流を注入したときの光出力を測定している。これは、素子の電流密度を１００Ａ／ｃｍ２とした場合に相当する。この電流密度は高注入デバイスとして設計する際に目標とされる値に対応している。なお、低注入デバイスとして設計される際の電流密度は２０～３０Ａ／ｃｍ２程度である。
　図１３によれば、発光波長が３６２ｎｍ以上で３９５ｎｍ以下の範囲Ｄ１において、従来のＬＥＤ素子２９０よりも本発明のＬＥＤ素子２０１の方が、光出力が向上していることが分かる。一方、発光波長が３６２ｎｍより短い３５７ｎｍの場合、並びに３９５ｎｍより長い４００ｎｍ、４１０ｎｍ、４２０ｎｍにおいては、いずれも従来のＬＥＤ素子２９０の方が、ＬＥＤ素子２０１よりも光出力が高い。この結果は、以下のことを示唆するものと考えられる。
　図１４Ａ及び図１４Ｂは、ヘテロ構造体２０２のエネルギーバンド図を模式的に示したものである。なお、以下では、各原子の組成に関して注目しない場合には、第６半導体層を「ＡｌＧａＮ」、第７半導体層を「ＩｎＧａＮ」とそれぞれ表記するが、これは窒素以外の原子の比率が１：１であることを規定しているわけではない。
　ＩｎＧａＮに比べてＡｌＧａＮの方が、バンドギャップが大きい。このため、図１４Ａに示すように、後述する分極電界の影響を考慮しなければ、ｎ型クラッド層２１５を構成するｎ－ＡｌＧａＮと、ヘテロ構造体２０２を構成するＡｌＧａＮ層２０３の間で、ＩｎＧａＮ層２０４によるほぼ平坦なバンド領域が形成される。ここで、前述したように、本実施例では、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を１５ｎｍとしており、従来のＬＥＤ素子２９０の活性層２１７を構成するＩｎＧａＮの膜厚の２ｎｍよりもはるかに厚い。このため、ＩｎＧａＮ層２０４の領域において、ほぼ平坦なバンド領域が広く形成される。
　なお、別の実験結果を参照して後述するが、本発明のＬＥＤ素子２０１が備えるヘテロ構造体２０２を構成するＩｎＧａＮ層２０４の膜厚は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲内であり、ＭＱＷを活性層２１７とする従来のＬＥＤ素子２９０が備える、膜厚２ｎｍ程度ＩｎＧａＮと比較して、極めて厚く構成される。
　ＬＥＤ素子２０１では、ＩｎＧａＮ層２０４によって形成される平坦なバンド領域の面に垂直なｃ軸方向に、圧電分極（ピエゾ分極）が発生する。
　図１４Ｂは、このピエゾ電界の影響を考慮して描かれたヘテロ構造体２０２のエネルギーバンドを模式的に示したものである。ピエゾ電界により、エネルギーバンドに歪みが生じる。
　エネルギーバンドの歪みが増大すると、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、電子と正孔とが再結合することによって発光する割合が低下する、いわゆる量子シュタルク効果が生じる。この歪みは、ＩｎＧａＮ層２０４のＩｎ組成比が大きくなるほど大きくなる。ピーク発光波長が４００ｎｍ以上のＬＥＤ素子２０１において、従来のＬＥＤ素子２９０よりも光出力が低下しているのは、Ｉｎ組成比が高いことによる量子シュタルク効果が顕在化したものと考えられる。また、格子定数差からくる前述のミスフィット転位の影響も無視できなくなっていると考えられる。
　一方、ピーク発光波長が３６０ｎｍを下回る３５７ｎｍの光を実現しようとすると、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４のＩｎ比率を極めて少なくする必要がある。従来のＬＥＤ素子２９０の場合、ＩｎＧａＮの膜厚が２ｎｍ程度であるため、Ｉｎの少量添加が可能であり、この程度の短波長の光を実現するための最適なＩｎ比率を実現することが可能である。しかし、膜厚１５ｎｍのＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４を含むＬＥＤ素子２０１では、ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４の膜厚が厚い分、Ｉｎの含有量が高くなってしまい、３５７ｎｍ程度の短波長の光を実現するのが難しい。このことから、ピーク発光波長が３５７ｎｍのＬＥＤ素子を実現した場合には、従来のＬＥＤ素子２９０の方がＬＥＤ素子２０１よりも光出力が高くなっている。
　これに対し、ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下の範囲内Ｄ１においては、本発明のＬＥＤ素子２０１の方が、従来のＬＥＤ素子２９０よりも光出力が高い。この理由としては、以下の内容が考えられる。
　図１４Ａに示したように、ＩｎＧａＮ層２０４に比べてＡｌＧａＮ層２０３は電子的なバンドギャップが大きい。図１４Ａには、伝導帯２３０、価電子帯２３１、並びにＩｎＧａＮ層２０４のフェルミ準位２３２及びＡｌＧａＮ層２０３のフェルミ準位２３３が示されている。なお、図１４Ａでは、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの間の相互作用は考慮されていない。
　図１４Ｃは２つの半導体材料の相互作用を反映させた伝導帯２３０の状態を模式的に示したものである。フェルミ準位２３２及び２３３は相互に等位になるが、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮのエネルギーバンドの不連続性により、ｐ層に近いＡｌＧａＮ層２０３の伝導帯は下方へ引っ張られ、バンドベンディング領域２４１が生じる。このバンドベンディング領域２４１内において、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。また、上述したように、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を大きくしたことにより、ほぼ平坦なバンド領域２４２が拡がり、多くの電子を蓄積できるので、ＡｌＧａＮ層２０３とＩｎＧａＮ層２０４の界面に形成されるバンドベンディング領域２４１、及びＩｎＧａＮ層２０４のほぼ平坦なバンド領域２４２に電子が蓄積されるまで、ＡｌＧａＮ層２０３のポテンシャルを超えて電子がオーバーフローすることがない。つまり、水平方向への電子の移動が図られ、この結果、水平方向への電流拡がりを実現することができる。つまり、ＩｎＧａＮ層２０４とＡｌＧａＮ層２０３のヘテロ接合によって、水平方向に電流を拡げる機能（電流拡散機能）が実現される。
　以上により、ＬＥＤ素子２０１の構成によれば、ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下となる範囲内において、従来よりも光出力を向上させる効果が得られることが分かる。
　なお、図１１及び図１２に示すように、ヘテロ構造体２０２を複数周期有する構成とした場合は、図１４Ａ～図１４Ｃにおいて、ＡｌＧａＮ層１５を直前周期のヘテロ構造体２０２を構成するＡｌＧａＮ層２０３と置き換えれば、同様の議論が可能である。図１４Ｄは、ヘテロ構造体２０２を複数周期有する構成（図１１、図１２参照）におけるヘテロ構造体２０２の伝導帯２３０のエネルギーバンド図を、図１４Ｃにならって模式的に示したものである。
　図１４Ｄによれば、ヘテロ構造体２０２を複数周期備えることで、水平方向に電流を広げる役割を示すバンドベンディング領域２４１及び、電子を蓄積させる機能を示すほぼ平坦なバンド領域２４２を複数持たせることができる。これにより、電流拡がりの効果を更に向上させることができる。
　また、特に、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を大きくすることで、電流拡がり効果を高めることができ、光出力の向上に更に寄与している。この点につき、次に説明する。
　　（ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚に関する考察）
　上述したように、ＩｎＧａＮ層２０４がほぼ平坦なバンド領域２４２を形成することから、電子を蓄積する能力を高める意味において、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を大きくするのが好ましいといえる。しかし、ＧａＮとＩｎＧａＮの格子定数の差に起因して、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚をあまりに大きくすると、格子緩和が生じ、バンドベンディング領域２４１及びほぼ平坦なバンド領域２４２に電子を十分に蓄積させることができなくなる。
　図１５は、ＬＥＤ素子２０１において、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を変化させたときの、膜厚と得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、ピーク発光波長は３６５ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層２０４のＩｎ比率を調整している。
　図１５によれば、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚が５ｎｍ以下の領域Ｄ２と、６ｎｍ以上の領域Ｄ３にて、光出力と膜厚の関係に変化が生じていることが分かる。つまり、領域Ｄ２内においては、膜厚約３ｎｍをピークとして、それより膜厚が厚くなると光出力が低下している。この領域Ｄ２は、いわゆる量子井戸による量子効果を利用して発光再結合が促されている膜厚の範囲内であり、従来のＬＥＤ素子２９０の発光に寄与している領域であると考えられる。
　これに対し、膜厚６ｎｍ以上の領域Ｄ３では、再びＩｎＧａＮ層２０４の膜厚が厚くなると光出力が上昇し始めており、膜厚約１５ｎｍをピークとして、それより膜厚が厚くなると光出力が低下を始める。この領域Ｄ３は、ＩｎＧａＮ層２０４とＡｌＧａＮ層２０３のヘテロ接合界面のバンドベンディング領域２４１を利用した量子効果により発光が促されている膜厚の範囲内であると考えられる。
　図１５によれば、ＭＱＷ構成として従来利用されていた膜厚の範囲内Ｄ２と比較して、ＬＥＤ素子２０１の構成として、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下の範囲（領域Ｄ４）とした場合に、従来よりも光出力を向上できていることが分かる。なお、ＬＥＤ素子２０１の構成として、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を２５ｎｍよりも厚くすると、上述した格子緩和による結晶欠陥によるミスフィット転位が顕在化し、面内の電流の均一性が低下した結果、従来構成より光出力が低下したものと考えられる。
　図１６は、図１４Ｃにならって伝導帯２３０の状態を模式的に示したものである。図１６（ａ）は、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を図１５の領域Ｄ４の範囲内である１５ｎｍとした場合、（ｂ）は領域Ｄ４から外れている７ｎｍとした場合の、伝導帯２３０の状態を示している。図１６（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚が薄い場合、上述したようにピエゾ電界の影響を大きく受けたことで、ほぼ平坦なバンド領域２４２にも傾きが生じ（領域２４２Ａ）、電子を蓄積する能力が少なくなる。これに対し、図１６（ａ）に示すように、膜厚を１５ｎｍと厚くすると、この平坦なバンド領域２４２が拡がり、電子を蓄積する能力が増大する。
　図１６において、フェルミ準位（２３２，２３３）を超えるポテンシャルを有する電子は、ｐ層側（図面における右側）へとフローしてしまう。このため、図１６（ｂ）の構成の場合、電子を十分に蓄積する前にＬＥＤ素子に電流が流れてしまい、電流を十分に拡散する効果が得られない。これに対し、図１６（ａ）の構成の場合、多くの電子を平坦なバンド領域２４２に蓄積することができるため、電子がフェルミ準位を超えるポテンシャルを有するまでの間に、バンドベンディング領域２４１によって構成された二次元電子ガスによって電子を拡散することができる。これにより、電流拡散効果が得られ、光出力を向上させる効果が得られる。
　以上により、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、ＬＥＤ素子２０１の光出力を向上させる効果が得られることが分かる。
　更に、ＩｎＧａＮの膜厚を厚くすることで、ＬＥＤ素子自体の耐圧特性が向上し、歩留まりを向上させる効果が得られる。図１７は、ＩｎＧａＮの膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。
　ＡｌＧａＮ層２０３の膜厚を２０ｎｍに固定し、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと異ならせたＬＥＤ素子２０１を作製した。そして、各ＬＥＤ素子２０１に対し、５００Ｖの順方向電圧及び逆方向電圧をそれぞれ印加した後、逆方向バイアスとして－５Ｖを印加したときに流れる逆方向電流を測定する。このとき、当該逆方向電流の絶対値が５μＡ以下（又は未満）であるものを良好な素子とし、逆方向電流の絶対値が５μＡを超えるものを不良素子として、歩留まりを測定した。
　図１７によれば、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を最も厚くした２０ｎｍのときが最も歩留まりが高く、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を最も薄くした３ｎｍのときが最も歩留まりが低い。なお、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと順に厚くするに連れて歩留まりが高くなっており、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚が１０ｎｍ以上になると、歩留まりの良化傾向は鈍化している。
　このような現象が生じた理由は、ＩｎＧａＮ層２０４の膜厚が厚くなることで、ＩｎＧａＮ層２０４（ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４）とＡｌＧａＮ層２０３（ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層２０３）の間に二次元電子ガス層が生じやすくなるためと考えられる。上述したように、二次元電子ガス層は水平方向に電流を拡げる効果を有するが、これに伴って狭い領域に電流が集中しにくくなり、電界が緩和される。この結果、瞬間的に高電圧が印加された場合であっても、ヘテロ構造体２０２において電界が拡散される結果、電界が集中しにくくなり、素子の破壊が起こりにくくなっているものと考えられる。
　　（ＡｌＧａＮ層２０３のＳｉドープ濃度に関する考察）
　図１８は、ヘテロ構造体２０２を構成するＡｌＧａＮ層２０３のＳｉドープ濃度を変化させたときの、ＬＥＤ素子２０１を流れる電流と、ＬＥＤ素子２０１から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、ＩｎＧａＮ層２０４としては、ピーク発光波長が３６５ｎｍ（３６２ｎｍ以上３９５ｎｍ以下の範囲内の値）となるようにＩｎ比率を設定し、膜厚を１５ｎｍ（１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲内の値）とした。
　図１８では、比較のために、ＭＱＷ（量子井戸）を備えた従来のＬＥＤ素子２９０の結果も載せている。この素子２９０は、ＭＱＷによって形成される活性層２１７として、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されて形成されたものを採用し、ＬＥＤ素子２０１と同様にピーク発光波長が３６５ｎｍとなるように、ＩｎＧａＮのＩｎ比率を設定した。また、このＬＥＤ素子２９０の活性層２１７を構成するＩｎＧａＮは、ＬＥＤ素子２０１と比べて膜厚が極めて薄いので、ドープできるＳｉは、高々５～８×１０１７／ｃｍ３程度となり、それ以上ドープした場合には光出力が低下してしまう。このため、図１８の例では、Ｓｉのドープ濃度を７×１０１７／ｃｍ３としたものを用いた。
　なお、図１９には、従来構造のＬＥＤ素子２９０において、ＭＱＷを構成するＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を変化させたときの、ＬＥＤ素子２９０を流れる電流と得られる光出力の関係をグラフに示している。このグラフによれば、ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を７×１０１７／ｃｍ３としたときが、最も高い光出力が得られていることが分かる。このため、図１８では、ＬＥＤ素子２０１との比較のために、最も高い光出力が得られているＳｉドープ濃度である７×１０１７／ｃｍ３としている。
　図１８によれば、Ｓｉドープ濃度が３×１０１８／ｃｍ３のときが、最も高い光出力を示している。また、１×１０１８／ｃｍ３、３×１０１８／ｃｍ３、８×１０１８／ｃｍ３、１×１０１９／ｃｍ３の場合には、いずれも従来のＬＥＤ素子２９０以上の高い光出力を示していることが分かる。これに対し、Ｓｉドープ濃度が１×１０１８／ｃｍ３よりも低い７×１０１７／ｃｍ３の場合と、１×１０１９／ｃｍ３よりも高い２×１０１９／ｃｍ３の場合には、従来のＬＥＤ素子２９０より光出力が低下していることが分かる。
　ＡｌＧａＮ層２０３のＳｉドープ濃度が７×１０１７／ｃｍ３の場合には、絶対的なＳｉ濃度が低いために、伝導帯２３０のスクリーニング効果が小さく、キャリアが十分に領域（４２，４３）内に取り込めていないことが考えられる（図１４Ｃ参照）。一方、ＡｌＧａＮ層２０３のＳｉドープ濃度が２×１０１９／ｃｍ３の場合には、電子のオーバーフローによって発光再結合確率が低下し、内部発光効率が悪化する、いわゆるドループ現象が生じているために、光出力が低下しているものと考えられる。
　伝導帯２３０のスクリーニング効果について、図２０を参照して説明する。図２０（ａ）は、ＡｌＧａＮ層２０３へのＳｉドープをしなかった場合、図２０（ｂ）は、ＡｌＧａＮ層３のＳｉドープ濃度を３×１０１８／ｃｍ３とした場合の、ヘテロ構造体２０２の伝導帯２３０を模式的に示したものである。
　前述したように、アンドープ層２１３を構成するＧａＮ結晶のｃ面上に、ｎ型クラッド層２１５を構成するＡｌＧａＮを結晶成長させた場合、格子定数差に基づくピエゾ電界が発生する。この電界に起因して、ｎ型クラッド層２１５を構成するｎ－ＡｌＧａＮ、及びヘテロ構造体２０２を構成するＡｌＧａＮ層２０３とＩｎＧａＮ層２０４によって形成される伝導帯２３０に傾きが生じる（領域２５１）。この傾きの存在は、ｐ層側（図面上右側）への電子の移動を妨げてしまう。これに対し、ＡｌＧａＮ層２０３にＳｉをドープすると、ピエゾ電界を打ち消す方向に電界が働くため、伝導帯２３０を押し下げる効果が働く。この結果、伝導帯２３０の傾きが緩和され（領域２５２）、ｎ層側から電子をバンドベンディング領域２４１及びほぼ平坦なバンド領域２４２へと注入しやすくなる。
　特に、１００Ａ／ｃｍ２程度の高注入デバイスとしてＬＥＤ素子２０１を設計する場合においては、より多くの電子を注入できる構成とするのが好ましい。この結果からも、ＡｌＧａＮ層２０３に対してドープするＳｉ濃度は高くするのが好ましい。ただし、高くし過ぎると、前述したようにドループ現象が生じるため、１×１０１８／ｃｍ３以上、１×１０１９／ｃｍ３以下のＳｉドープ濃度とすることで、光出力を向上させることが可能となる。
　図２１は、従来のＬＥＤ素子２９０と本発明のＬＥＤ素子２０１のそれぞれにおいて、素子間に動作電圧を印加して電流を流したときの、電流電圧特性をグラフ化したものである。
　ここで、従来のＬＥＤ素子２９０としては、ＭＱＷによって形成される活性層２１７として、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されて形成されたものを採用し、ＡｌＧａＮ層へのＳｉドープ濃度を７×１０１７／ｃｍ３とした。また、本発明のＬＥＤ素子２０１としては、膜厚１５ｎｍのＩｎＧａＮ層２０４と膜厚２０ｎｍのＡｌＧａＮ層２０３からなるヘテロ構造体２０２を５周期積層した構成を採用し、ＡｌＧａＮ層２０３へのＳｉドープ濃度を３×１０１８／ｃｍ３とした。また、いずれの素子も、ピーク発光波長が３６５ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層のＩｎ比率を設定した。つまり、従来のＬＥＤ素子２９０は、図１９において最も光出力が高い値を示したＳｉドープ濃度をＡｌＧａＮ層に適用したものを採用し、ＬＥＤ素子２０１は、図１８において最も光出力が高い値を示したＳｉドープ濃度をＡｌＧａＮ層２０３に適用したものを採用した。
　図２１によれば、印加電流を高くした場合、従来のＬＥＤ素子２９０に比べて、ＬＥＤ素子２０１の方が動作電圧を低く実現できている。これは、ＡｌＧａＮ層２０３へのＳｉドープ濃度を従来素子よりも高濃度に設定できていることによる別の効果である。
　［ＬＥＤ素子２０１の製造方法］
　次に、本発明のＬＥＤ素子２０１の製造方法の一例につき説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。また、以下に示す製造法の例は、図１０に示すＬＥＤ素子に関するものである。
　　＜ステップＳ１Ａ＞
　まず、支持基板２１１上に、アンドープ層２１３を形成する。例えば、以下の工程により行われる。
　　　（支持基板２１１の準備）
　支持基板２１１としてサファイア基板を用いる場合、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。
　　　（アンドープ層２１３の形成）
　次に、支持基板２１１（ｃ面サファイア基板）の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層２１３に対応する。
　アンドープ層２１３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、支持基板２１１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。
　次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。
　　＜ステップＳ２Ａ＞
　次に、アンドープ層２１３の上層に、ｎ－ＡｌｎＧａ１－ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成されるｎ型クラッド層２１５を形成する。
　ｎ型クラッド層２１５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給する。これにより、Ａｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層をアンドープ層２１３の上層に形成する。つまり、この工程によって、少なくとも上面の領域に関してはＳｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層を有するｎ型クラッド層２１５が形成される。
　なお、ここでは、ｎ型クラッド層２１５に含まれるｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を用いるものとして説明したが、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）及びテルル（Ｔｅ）などを用いることもできる。なお、これらの中では、特にシリコン（Ｓｉ）が好ましい。
　　＜ステップＳ３Ａ＞
　次に、ｎ型クラッド層２１５の上層に、ｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２０３とＩｎｙＧａ１－ｙＮ層２０４からなるヘテロ構造体２０２を形成する。
　ヘテロ構造体２０２のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が０．００９μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。これにより、膜厚が１５ｎｍのＩｎＧａＮ層２０４、及び膜厚が２０ｎｍのｎ－ＡｌＧａＮ層２０３よりなるヘテロ構造体２０２が形成される。
　なお、図１１及び図１２に示すように、ヘテロ構造体２０２を複数周期備える構成とする場合は、本ステップＳ３Ａを複数回繰り返すことで実現できる。
　　＜ステップＳ４Ａ＞
　次に、ヘテロ構造体２０２（ヘテロ構造体２０２を複数周期有する場合は、最上層に位置するヘテロ構造体２０２）の上層に、ｐ－ＡｌｃＧａ１－ｃＮ（０≦ｃ≦１）で構成されるｐ型クラッド層２１９を形成し、更にその上層に高濃度のｐ型コンタクト層２２１を形成する。
　ｐ型クラッド層２１９及びｐ型コンタクト層２２１の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、ヘテロ構造体２０２の最上層の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型クラッド層２１９が形成される。
　更にその後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給する。これにより、厚みが５ｎｍのｐ－ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２２１が形成される。
　なお、ここでは、ｐ型クラッド層２１９及びｐ型コンタクト層２２１に含まれるｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いるものとして説明したが、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）などを用いることもできる。
　　＜ステップＳ５Ａ＞
　次に、ステップＳ１Ａ、Ｓ２Ａ、Ｓ３Ａ及びＳ４Ａを経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。
　その後は、縦型のＬＥＤ素子を実現する場合には、支持基板２１１を剥離した後、当該支持基板２１１が存在していた箇所に電極を形成してｎ側電極を形成する。また、横型のＬＥＤ素子を実現する場合には、ｐ側からｎ型半導体層が露出するまでエッチングを行なって、ｎ側電極を形成する。なお、この場合、必要に応じて透明電極などの電極を形成するものとしても構わない。その後、各電極に給電端子などを形成し、必要に応じて、露出されている素子側面や上面を透光性の高い絶縁層で覆い、ワイヤボンディングなどにより基板との接続を行う。
　［別実施形態］
　以下、第２実施形態の別実施形態について説明する。
　上述した実施形態では、第６半導体層としてＩｎ組成０％のｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層２０３で構成されるものとして説明したが、５％以下の範囲内の組成でＩｎが添加されてなるｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成されていても構わない。図２２は、第６半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。図２２の縦軸が示す光出力の値は、Ｉｎを含まないｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層によって第６半導体層を形成したＬＥＤ素子に対して０．１Ａを供給したときの光出力に対する相対値で規定している。
　なお、第６半導体層に対してＩｎを含ませる方法としては、上述したステップＳ３のうち、ＴＭＧ、ＴＭＡ、テトラエチルシラン、及びアンモニアを供給するステップを実行する際、これらのガスと共にＴＭＩを所定流量で供給することで実現できる。
　図２２によれば、第６半導体層にＩｎを４％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第６半導体層を構成した場合と光出力があまり変わらなかった、また、第６半導体層にＩｎを１％含ませた場合及びＩｎを２％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第６半導体層を構成した場合よりも光出力が向上した。これは、ＡｌＧａＮにＩｎを含有することで、ＡｌＧａ（Ｉｎ）ＮとＩｎＧａＮの格子不整合から生じる歪みを緩和し、その表面状態が改善されたことに起因するものと考えられる。
　ただし、第６半導体層にＩｎをあまりに過剰に含ませると、ＩｎＧａＮ層２０４に対するエネルギー障壁が低くなるため電子のオーバーフローが顕著になるという問題や、ピエゾ電極が小さくなることによる二次元電子ガスの効果が低減するという問題が生じるおそれがある。図２２では、第６半導体層に含ませるＩｎを４％とした場合にはＩｎを含有させない場合とほぼ同等の光出力であることが示されているが、５％程度とした場合においても、その差はあまり大きくないことが確認されている。しかし、Ｉｎの組成が５％を超えると、上記の理由により、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮによって第６半導体層を構成した場合よりも光出力が有意に低下してしまうので、第６半導体層に含ませるＩｎの組成は０％以上５％以下とするのが好適である。
　　　１０１　　　：　　ＬＥＤ素子
　　　１０３　　　：　　電流拡散層
　　　１１１　　　：　　支持基板
　　　１１３　　　：　　アンドープ層
　　　１１５　　　：　　ｎ型クラッド層
　　　１１７　　　：　　活性層
　　　１１９　　　：　　ｐ型クラッド層
　　　１２１　　　：　　ｐ型コンタクト層
　　　１３０　　　：　　伝導帯
　　　１３１　　　：　　価電子帯
　　　１３２　　　：　　ＩｎＧａＮのフェルミ準位
　　　１３３　　　：　　ＡｌＧａＮのフェルミ準位
　　　１４１　　　：　　ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの界面に形成されるバンドベンディング領域
　　　１４２　　　：　　ＩｎＧａＮが形成するほぼ平坦なバンド領域
　　　１８１　　　：　　引張応力
　　　１９０　　　：　　ＬＥＤ素子
　　　２０１　　　：　　ＬＥＤ素子
　　　２０２　　　：　　ヘテロ構造体
　　　２０２Ａ　　：　　多層構造部
　　　２０３　　　：　　ｎ－ＡｌｘＧａ１－ｘＮ層（ｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ層）
　　　２０４　　　：　　ＩｎｙＧａ１－ｙＮ層
　　　２１１　　　：　　支持基板
　　　２１３　　　：　　アンドープ層
　　　２１５　　　：　　ｎ型クラッド層
　　　２１７　　　：　　活性層
　　　２１９　　　：　　ｐ型クラッド層
　　　２２１　　　：　　ｐ型コンタクト層
　　　２３０　　　：　　伝導帯
　　　２３１　　　：　　価電子帯
　　　２３２　　　：　　ＩｎＧａＮのフェルミ準位
　　　２３３　　　：　　ＡｌＧａＮのフェルミ準位
　　　２４１　　　：　　ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの界面に形成されるバンドベンディング領域
　　　２４２　　　：　　ＩｎＧａＮが形成するほぼ平坦なバンド領域
　　　２８１　　　：　　引張応力
　　　２９０　　　：　　ＬＥＤ素子

Claims (6)

  1. 　支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、
    　ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、
    　前記第１半導体層の上層に形成された電流拡散層と、
    　前記電流拡散層の上層に形成された、窒化物半導体で構成される活性層と、
    　前記活性層の上層に形成された、ｐ型窒化物半導体で構成される第２半導体層を有し、
    　前記電流拡散層は、ＩｎｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ≦０．０５）からなる第３半導体層と、ｎ－Ａｌｙ１Ｇａｙ２Ｉｎｙ３Ｎ（０＜ｙ１＜１，０＜ｙ２＜１，０≦ｙ３≦０．０５，ｙ１＋ｙ２＋ｙ３＝１）からなる第４半導体層のヘテロ接合を有し、前記第３半導体層の膜厚が１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であることを特徴とするＬＥＤ素子。
  2. 　前記第３半導体層のバンドギャップエネルギーが、前記第１半導体層及び前記第４半導体層の各々のバンドギャップエネルギーよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
  3. 　前記第４半導体層のＳｉドープ濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上、５×１０１８／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＬＥＤ素子。
  4. 　前記電流拡散層は、前記第３半導体層と前記第４半導体層が複数組積層されることで、前記ヘテロ接合を複数有する構成であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のＬＥＤ素子。
  5. 　支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、
    　前記支持基板の上層に形成されたアンドープ層と、
    　前記アンドープ層の上層に形成され、ｎ型窒化物半導体で構成される第５半導体層と、
    　前記第５半導体層の上層に、Ｓｉドープ濃度が１×１０１８／ｃｍ３以上、１×１０１９／ｃｍ３以下のｎ－Ａｌｘ１Ｇａｘ２Ｉｎｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される第６半導体層と、膜厚が１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下のＩｎｙＧａ１－ｙＮで構成される第７半導体層の積層構造で形成されたヘテロ構造体と、
    　前記ヘテロ構造体の上層に形成され、ｐ型窒化物半導体で構成される第８半導体層を備え、
    　ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下であることを特徴とするＬＥＤ素子。
  6. 　前記ヘテロ構造体を複数周期繰り返してなる多層構造部を有し、
    　前記多層構造部の最上層に位置する前記ヘテロ構造体の上層に前記第８半導体層が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ素子。
PCT/JP2014/051363 2013-01-23 2014-01-23 Ｌｅｄ素子 WO2014115800A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020157015805A KR101665902B1 (ko) 2013-01-23 2014-01-23 Led 소자
US14/762,387 US9818907B2 (en) 2013-01-23 2014-01-23 LED element
CN201480005614.7A CN104937731B (zh) 2013-01-23 2014-01-23 Led元件

Applications Claiming Priority (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013010554 2013-01-23
JP2013-010554 2013-01-23
JP2013-062907 2013-03-25
JP2013062907 2013-03-25
JP2013270305A JP5800252B2 (ja) 2013-03-25 2013-12-26 Ｌｅｄ素子
JP2013270303A JP5800251B2 (ja) 2013-01-23 2013-12-26 Ｌｅｄ素子
JP2013-270305 2013-12-26
JP2013-270303 2013-12-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014115800A1 true WO2014115800A1 (ja) 2014-07-31

Family

ID=51227589

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/051363 WO2014115800A1 (ja) 2013-01-23 2014-01-23 Ｌｅｄ素子

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2014115800A1 (ja)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006245532A (ja) * 2005-02-28 2006-09-14 Samsung Electro Mech Co Ltd 窒化物半導体発光素子
JP2008270805A (ja) * 2007-04-16 2008-11-06 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 窒化物半導体発光素子

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006245532A (ja) * 2005-02-28 2006-09-14 Samsung Electro Mech Co Ltd 窒化物半導体発光素子
JP2008270805A (ja) * 2007-04-16 2008-11-06 Samsung Electro-Mechanics Co Ltd 窒化物半導体発光素子

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5533744B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
US8513694B2 (en) Nitride semiconductor device and manufacturing method of the device
JP5737111B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子
JP6482573B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
US9755107B2 (en) Group III nitride semiconductor light-emitting device
JP5861947B2 (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
JP2008244307A (ja) 半導体発光素子および窒化物半導体発光素子
JP6128138B2 (ja) 半導体発光素子
CN104937731B (zh) Led元件
JP5983684B2 (ja) Ｌｅｄ素子
KR101025971B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
JP5800251B2 (ja) Ｌｅｄ素子
US20140284550A1 (en) Light-emitting device
JP5800252B2 (ja) Ｌｅｄ素子
JP2015115343A (ja) 窒化物半導体素子の製造方法
JP6482388B2 (ja) 窒化物半導体発光素子
WO2014115800A1 (ja) Ｌｅｄ素子
JP2014082396A (ja) 窒化物半導体発光素子
JP2012256948A (ja) 半導体発光素子
JP2005252309A (ja) 窒化ガリウム系半導体発光素子の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14743058

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20157015805

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14762387

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14743058

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1