JP2014127708A - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低駆動電圧の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、発光層と、を備えた半導体発光素子が提供される。前記ｐ形半導体層は、第１ｐ側層と、第２ｐ側層と、第３ｐ側層と、を含む。前記発光層、前記第２ｐ側層及び前記第３ｐ側層を含むｐ側領域におけるＭｇの濃度プロファイルは、第１部分と、第２部分と、第３部分と、第４部分と、第５部分と、第６部分と、第７部分と、を含む。前記第６部分におけるＭｇ濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である。第２位置において、Ａｌ濃度は、最高値の１／１００である。前記第２位置におけるＭｇ濃度は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法に関する。

窒化物半導体を用いた発光ダイオードやレーザダイオードなどの半導体発光素子が開発されている。半導体発光素子において、供給する電流密度が高くなるにつれて、駆動電圧が上昇することがある。

特開２００９−１５２４４８号公報

本発明の実施形態は、低駆動電圧の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、窒化物半導体を含む発光層と、を含む半導体発光素子が提供される。前記ｐ形半導体層は、Ｍｇを含む窒化物半導体を含む第１ｐ側層と、前記第１ｐ側層と前記ｎ形半導体層との間に設けられＭｇを含みＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０．０５≦ｘ２≦０．２）の第２ｐ側層と、前記第１ｐ側層と前記第２ｐ側層との間に設けられＭｇを含みＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ｎ（０≦ｘ３≦ｘ２）の第３ｐ側層と、を含む。前記発光層は、前記ｎ形半導体層と前記第２ｐ側層との間に設けられる。前記発光層、前記第２ｐ側層及び前記第３ｐ側層を含むｐ側領域におけるＭｇの濃度プロファイルは、第１〜第７部分を含む。前記第２部分は、前記第１部分と前記第１ｐ側層との間に設けられる。前記第３部分は、前記第１部分と前記第２部分との間に設けられ、前記第３部分におけるＭｇ濃度は、前記ｎ形半導体層から前記第１ｐ側層に向かう第１方向に沿って第１上昇率で上昇する。前記第４部分は、前記第３部分と前記第２部分との間に設けられ、前記第４部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って第２上昇率で上昇する。前記第５部分は、前記第３部分と前記第４部分との間に設けられ、前記第５部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って、前記第１上昇率よりも低く前記第２上昇率よりも低い第３上昇率で上昇する。前記第６部分は、前記第４部分と前記第２部分との間に設けられ、前記第６部分におけるＭｇ濃度は、前記第１部分、前記第２部分、前記第３部分、前記第４部分及び前記第５部分におけるＭｇの濃度よりも高く、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である。前記第７部分は、前記第６部分と前記第２部分との間に設けられ、前記第７部分におけるＭｇ濃度は前記第１方向に沿って減少する。前記ｐ側領域における第１位置において、Ａｌ濃度は最高値となる。前記第１部分に対応する位置と、前記第１位置と、の間の領域において前記第１方向に沿って前記第１位置と並ぶ第２位置において、前記Ａｌ濃度は、前記最高値の１／１００である。前記第２位置におけるＭｇ濃度は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上である。

第１の実施形態に係る半導体発光素子を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す模式的断面図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を示す模式的断面図である。 参考例の半導体発光素子を示すグラフ図である。 参考例の半導体発光素子を示すグラフ図である。 第１の実施形態に係る半導体発光素子を示す別のグラフ図である。 参考例の半導体発光素子を示す別のグラフ図である。 参考例の半導体発光素子を示す別のグラフ図である。 第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を示すグラフ図である。 図１０は、参考例の半導体発光素子を示すグラフ図である。 第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフローチャート図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
本実施形態は、半導体発光素子に係る。実施形態に係る半導体発光素子は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード（ＬＤ）などを含む。

図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示するグラフ図である。
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する模式的断面図である。
図２に表したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０は、ｎ形半導体層１０と、ｐ形半導体層２０と、発光層３０と、を含む。これらの層は、積層構造体９０に含まれる。

図１は、半導体発光素子１１０における組成プロファイルを例示している。組成プロファイルについては、後述する。

ｎ形半導体層１０は、窒化物半導体を含む。ｎ形半導体層１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂと、を有する。第１主面１０ａは、発光層３０（中間層４０）と対向する。第２主面１０ｂは、第１主面１０ａと反対側である。

ｎ形半導体層１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたｎ形ＧａＮ層を含む。Ｓｉの濃度は、例えば、約８×１０^１８（ｃｍ^−３、すなわち、ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。ｎ形半導体層１０の厚さは、例えば、２マイクロメートル（μｍ）以上８μｍであり、例えば、５μｍである。ｎ形半導体層１０の少なくとも一部は、例えば、ｎ形クラッド層として機能する。

ｎ形半導体層１０からｐ形半導体層２０に向かう方向を積層方向（Ｚ軸方向）とする。ｎ形半導体層１０の第１主面１０ａ及び第１主面１０ｂは、Ｚ軸方向に対して実質的に垂直である。
本明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる状態の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる状態も含む。

ｐ形半導体層２０は、第１ｐ側層２１と、第２ｐ側層２２と、第３ｐ側層２３と、を含む。第２ｐ側層２２は、第１ｐ側層２１と、ｎ形半導体層１０と、の間に設けられる。第１ｐ側層２１と第２ｐ側層２２との間に、第３ｐ側層２３が配置される。

第１ｐ側層２１は、Ｍｇを含む窒化物半導体を含む。第１ｐ側層２１には、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第１ｐ側層は、例えば、ｐ形コンタクト層である。第１ｐ側層２１におけるＭｇ濃度は、第３ｐ側層２３におけるＭｇ濃度よりも高い。第１ｐ側層２１におけるＭｇ濃度は、第２ｐ側層２２におけるＭｇ濃度よりも高くても良い。第１ｐ側層２１におけるＭｇ濃度は、例えば、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２１ｃｍ^−３以下ある。第１ｐ側層２１の厚さは、例えば、５ナノメートル（ｎｍ）以上２０ｎｍ以下であり、例えば、約１０ｎｍである。

第２ｐ側層２２は、Ｍｇを含む。第２ｐ側層２２として、例えば、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０．０５≦ｘ２≦０．２）層が用いられる。第２ｐ側層２２は、例えば、発光層３０に電子を閉じ込める電子ブロック層として機能する。第２ｐ側層２２の厚さは、例えば、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、例えば、約１０ｎｍである。

第３ｐ側層２３は、Ｍｇを含む。第３ｐ側層２３としては、例えば、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ｎ（０≦ｘ３＜ｘ２）層が用いられる。第３ｐ側層２３としては、例えば、ｐ形ＧａＮ層が用いられる。第３ｐ側層２３におけるＭｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上３×１０^１９ｃｍ^−３以下である。第３ｐ側層２３内において、Ｍｇ濃度は、実質的に一定である。Ｍｇ濃度については、後述する。第３ｐ側層２３は、例えば、ｐ側クラッド層として機能する。第３ｐ側層２３の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、例えば約８０ｎｍである。

発光層３０とｐ形半導体層２０との間に、キャップ層２５をさらに設けても良い。キャップ層２５として、例えば、アンドープのＡｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ｎ（０．００３≦ｘ５≦０．０３）層が用いられる。キャップ層２５として、例えば、アンドープのＡｌ_ｘ５Ｇａ_１−ｘ５Ｎ層が用いられる。キャップ層２５におけるＭｇ濃度は、ｐ形半導体層２０（例えば第２ｐ側層２２）におけるＭｇ濃度よりも低い。キャップ層２５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

キャップ層２５を形成した場合において、例えば、電子顕微鏡写真観察などにおいて、キャップ層２５が観察される場合と、明確に観察されない場合とがある。例えば、キャップ層２５に、ｐ形半導体層２０からＭｇが拡散し、例えば、第２ｐ側層２２の一部として観察される場合もある。

この例では、半導体発光素子１１０は、中間層４０と、下地層６０と、基板５０と、第１電極７０と、第２電極８０と、をさらに含む。中間層４０と、下地層６０と、は、積層構造体９０に含まれる。

基板５０の上に、下地層６０が設けられる。下地層６０の上に、ｎ形半導体層１０が設けられる。ｎ形半導体層１０の上に、中間層４０が設けられる。中間層４０の上に、発光層３０、キャップ層２５及びｐ形半導体層２０が、この順で設けられる。

基板５０として、例えば、サファイア基板（例えばｃ面サファイア基板）が用いられる。基板５０は、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＳｉなどの基板でも良い。基板５０の面方位は、任意である。基板５０は、除去されても良い。

下地層６０として、例えば、アンドープのＧａＮ層が用いられる。下地層６０の厚さは、例えば、約１μｍ以上５μｍ以下であり、例えば、約３μｍである。基板５０と下地層６０との間に、バッファ層をさらに設けても良い。バッファ層の厚さは、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、例えば約２０ｎｍである。

第１電極７０は、ｎ形半導体層１０に電気的に接続される。第２電極８０は、ｐ形半導体層２０に電気的に接続される。

この例では、第１主面１０ａ側において、ｎ形半導体層１０の一部が露出する。第１電極７０は、ｎ形半導体層１０の露出する部分において、ｎ形半導体層１０と電気的に接続される。第１電極７０は、例えば、ｎ形半導体層１０の第１主面１０ａ側に配置される。第２電極８０は、例えば、ｐ形半導体層２０の表面の上に設けられる。

本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の層が挿入される状態も含む。

第１電極７０は、例えば、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の積層膜を含む。第２電極８０は、例えば、Ｎｉ膜／Ａｕ膜の積層膜を含む。

第１電極７０と第２電極８０との間に電圧が印加される。ｎ形半導体層１０及びｐ形半導体層２０を介して、発光層３０に電流が供給される。発光層３０から光が放出される。発光層３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。発光層３０から放出される光（発光光）のピーク波長は、例えば、４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下である。

図３は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部を例示する模式的断面図である。 図３は、発光層３０及び中間層４０の構成の例を示している。

発光層３０は、例えば、多重量子井戸（ＭＱＷ:Multi Quantum Well）構成を有する。このとき、発光層３０は、３つ以上の障壁層３１と、障壁層３１どうしのそれぞれの間に設けられた井戸層３２と、を含む。例えば、複数の障壁層３１と、複数の井戸層３２と、がＺ軸に沿って交互に積層される。または、発光層３０は、例えば、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）構成を有しても良い。この場合、発光層３０は、２つの障壁層３１と、その障壁層３１の間に設けられた井戸層３２と、を含む。

発光層３０は、例えば、（ｎ＋１）個の障壁層３１と、ｎ個の井戸層３２と、を含む（ｎは、２以上の整数）。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ障壁層ＢＬｎとｐ形半導体層２０（第２ｐ側層２２）との間に配置される。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第（ｎ−１）井戸層ＷＬ（ｎ−１）とｐ形半導体層２０（第２ｐ側層２２）との間に配置される。第１障壁層ＢＬ１は、ｎ形半導体層１０と第１井戸層ＷＬ１との間に設けられる。第ｎ井戸層ＷＬｎは、第ｎ障壁層ＢＬｎと第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）との間に設けられる。第（ｎ＋１）障壁層ＢＬ（ｎ＋１）は、第ｎ井戸層ＷＬｎとｐ形半導体層２０（第２ｐ側層２２）との間に設けられる。

この例では、障壁層３１がｐ形半導体層２０（第２ｐ側層２２）と接している。井戸層３２がｐ形半導体層２０（第２ｐ側層２２）と接しても良い。

障壁層３１は、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１）を含む。井戸層３２は、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２≦１、ｙ１＜ｙ２）を含む。すなわち、井戸層３２は、Ｉｎを含む。障壁層３１がＩｎを含む場合は、障壁層３１におけるＩｎ濃度は、井戸層３２におけるＩｎ濃度よりも低い。または、障壁層３１は、Ｉｎを実質的に含まない。障壁層３１におけるバンドギャップエネルギーは、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギーよりも大きい。井戸層３２におけるＩｎ組成比ｙ２は、例えば、０．１以上０．１５以下であり、例えば、０．１４である。

中間層４０は複数の第１層４１と複数の第２層４２とを含む。複数の第１層４１と複数の第２層４２とは、Ｚ軸方向に交互に積層される。

第１層４１は、例えば、Ｓｉがドープされたｎ形ＧａＮ層を含む。第１層４１におけるＳｉ濃度は、例えば、約２×１０^１８ｃｍ^−３である。第２層４２は、例えば、アンドープのＩｎＧａＮ層を含む。第２層４２は、例えば、アンドープのＩｎ_ｙ３Ｇａ_１−ｙ３Ｎ（０＜ｙ３＜０．１）層を含む。第１層４１の厚さは、例えば、２ｎｍ以上６ｎｍ以下であり、例えば約３ｎｍである。第２層４２の厚さは、例えば、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下であり、例えば約１ｎｍである。中間層４０は、超格子構造を有する。この例では、第２層４２の数は、例えば２０以上であり、例えば３０である。

図１は、半導体発光素子１１０におけるＭｇ濃度のプロファイル及びＡｌ濃度のプロファイルを例示している。図１は、半導体発光素子１１０の二次イオン質量分析(Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）の結果を例示している。

図１の横軸は、深さ方向（Ｚ軸方向）の位置ｄｚである。位置ｄｚが０ｎｍの位置は、第１ｐ側層２１の上面（発光層３０とは反対側の面）である。左側の縦軸は、Ｍｇの濃度（ＣＭｇ、／ｃｍ^−３）である。右側の縦軸は、Ａｌ濃度（ＣＡｌ、任意単位）である。

図１に表したように、半導体発光素子１１０は、ｐ側領域Ｒ１を有する。ｐ側領域Ｒ１は、発光層３０と、第２ｐ側層２２と、第３ｐ側層２３と、を含む。ｐ側領域Ｒ１におけるＭｇの濃度プロファイルは、第１〜第７部分Ｐ０１〜Ｐ０７を含む。第２部分Ｐ０２は、第１部分Ｐ０１と第１ｐ側層２１との間に設けられる。第３部分Ｐ０３は、第１部分Ｐ０１と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第４部分Ｐ０４は、第３部分Ｐ０３と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第５部分Ｐ０５は、第３部分Ｐ０３と第４部分Ｐ０４との間に設けられる。第６部分Ｐ０６は、第４部分Ｐ０４と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第７部分Ｐ０７は、第６部分Ｐ０６と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。

第１部分Ｐ０１におけるＭｇ濃度は、例えば、１×１０^１６ｃｍ^−３以上５×１０^１７ｃｍ^−３以下であり、低い。第１部分Ｐ０１の少なくとも一部は、例えば、発光層３０に対応する。

第２部分Ｐ０２におけるＭｇ濃度は、例えば、１×１０^１９ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３以下であり、第１部分Ｐ０１におけるＭｇ濃度よりも高い。第２部分Ｐ０２の少なくとも一部が、第３ｐ側層２３に対応する。

第１ｐ側層２１におけるＭｇ濃度は、例えば、３×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２１ｃｍ^−３以下である。第１ｐ側層２１におけるＭｇ濃度は、第２部分Ｐ０２におけるＭｇ濃度よりも高い。

発光層３０、第２ｐ側層２２及び第３ｐ側層２３を含むｐ側領域Ｒ１においては、第６部分Ｐ０６におけるＭｇ濃度が最も高い。ｐ側領域Ｒ１中において、Ｍｇ濃度がピークとなる部分が、第６部分Ｐ０６に対応する。第６部分Ｐ０６は、第２ｐ側層２２の少なくとも一部に対応する。

ｎ形半導体層１０から第１ｐ側層２１に向かう方向を第１方向Ｄ１とする。第１方向Ｄ１は、Ｚ軸方向に沿う方向である。第１方向Ｄ１は、図２における「上方向」に対応する。

第３部分Ｐ０３におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って上昇する。第３部分Ｐ０３において、Ｍｇ濃度は、第１上昇率で上昇する。

第４部分Ｐ０４におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って上昇する。第４部分Ｐ０４において、Ｍｇ濃度は、第２上昇率で上昇する。

第５部分Ｐ０５におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って上昇する。第５部分Ｐ０５において、Ｍｇ濃度は、第３上昇率で上昇する。第３上昇率は、第１上昇率よりも低い。第３上昇率は、第２上昇率よりも低い。

第６部分Ｐ０６におけるＭｇ濃度は、第１部分Ｐ０１、第２部分Ｐ０２、第３部分Ｐ０３、第４部分Ｐ０４及び第５部分Ｐ０５におけるＭｇの濃度よりも高い。第６部分Ｐ０６におけるＭｇ濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である。

第７部分Ｐ０７におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って減少する。

Ｍｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って、第３部分Ｐ０３において上昇（第１上昇率）する。そして、第５部分Ｐ０５において上昇率が下がる（第３上昇率）。さらに、第４部分Ｐ０４において、Ｍｇ濃度の上昇率は再び高くなる（第２上昇率）。そして、第６部分Ｐ０６において、Ｍｇ濃度は最高になる。その後、第７部分Ｐ０７において、Ｍｇ濃度は減少する。

一方、図１に表したように、Ａｌ濃度は、発光層３０と第２ｐ側層２２との界面付近において、第１方向Ｄ１に沿って急激に上昇する。例えば、発光層３０におけるＡｌ濃度は、１以上２０以下（無単位）である。例えば、第１ｐ側層２１においては、Ａｌ濃度は、１以上１０以下である。第３ｐ側層２３の少なくとも一部においても、Ａｌ濃度は、１以上１０以下である。第２ｐ側層２２の近傍において、Ａｌ濃度は最高値を示す。この例では、Ａｌ濃度の最高値は、約２×１０^４である。

Ａｌ濃度のプロファイルを示すために、ｐ側領域Ｒ１に、第１位置Ｚ０１と、第２位置Ｚ０２と、を設定する。
第１位置Ｚ０１は、第１方向Ｄ１上の位置である。第２位置Ｚ０２も、第１方向Ｄ１上の位置である。第２位置Ｚ０２は、第１部分Ｐ０１に対応する位置（第１方向Ｄ１上の位置）と、第１位置Ｚ０１と、の間の領域に設けられる。第２位置Ｚ０２は、第１方向Ｄ１に沿って第１位置Ｚ０１と並ぶ。この例では、第１位置Ｚ０１は、第２ｐ側層２２内に配置される。

Ａｌ濃度は、第１位置Ｚ０１において第１Ａｌ値Ａ０１となる。第１Ａｌ値Ａ０１は、ｐ側領域Ｒ１におけるＡｌ濃度の最高値である。

Ａｌ濃度は、第２位置Ｚ０２において第２Ａｌ値Ａ０２となる。第２Ａｌ値Ａ０２は、最高値である第１Ａｌ値Ａ０１の１／１００である。

Ａｌ濃度は、第１位置Ｚ０１と、第１ｐ側層２１との位置と、の間において、第１方向Ｄ１に沿って急激に減少する。

この例では、発光層３０は、実質的にＡｌを含まない。第３ｐ側層２３は、Ａｌを実質的に含まない。第２ｐ側層２２は、Ａｌを含む。

Ｍｇ濃度は、第２位置Ｚ０２において第１Ｍｇ値Ｍ０１となる。

実施形態においては、第１Ｍｇ値Ｍ０１は、例えば、２×１０^１８ｃｍ^−３以上である。第１Ｍｇ値Ｍ０１は、例えば、１．２×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが好ましい。図１に示す例では、第１Ｍｇ値Ｍ０１は、２．１×１０^１８ｃｍ^−３である。

図１に表したように、半導体発光素子１１０において、Ｍｇ濃度は、Ａｌ濃度の上昇に追随して上昇する。第２位置Ｚ０２において、第１Ｍｇ値Ｍ０１を２×１０^１８ｃｍ^−３以上である。これにより、駆動電圧を低くすることができる。駆動電圧については、後述する。

既に説明したように、キャップ層２５を形成した場合においても、キャップ層２５が明確に観察されない場合がある。このため、図１には、キャップ層２５を表示していない。

半導体発光素子１１０の製造方法の例について説明する。図１に例示したＭｇ濃度及びＡｌ濃度のプロファイルは、例えば、以下に説明する製造方法によって得られる。

基板５０を、例えば、有機洗浄及び酸洗浄する。洗浄後の基板５０上に、バッファ層、下地層６０、ｎ形半導体層１０、中間層４０、発光層３０、及び、ｐ形半導体層２０を順に結晶成長させる。これにより、基板５０の上に、積層構造体９０が形成される。バッファ層は、必要に応じて形成される。

積層構造体９０の形成には、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法が用いられる。これらの層の形成には、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Halide Vapor Phase Epitaxy）、分子線気相成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などを用いても良い。ここでは、ＭＯＣＶＤ法により積層構造体９０を形成する例について説明する。

洗浄後の基板５０を、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納する。基板５０として、ｃ面サファイアを用いる。窒素（Ｎ_２）ガスと水素（Ｈ_２）ガスとの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、基板５０の温度を、１１６０℃に上昇させる。これにより、基板５０の表面が気相エッチングされる。基板５０の表面に形成されている自然酸化膜が、除去される。

基板５０の温度を、５３０℃まで下げる。基板５０の上にバッファ層（低温バッファ層）を形成する。バッファ層の形成においては、キャリアガスと、プロセスガスと、が供給される。キャリアガスとして、例えば、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスが用いられる。プロセスガスとして、この例では、Ｖ族原料ガスと、Ｇａを含むガスと、Ａｌを含むガスと、が供給される。Ｖ族原料ガスとして、例えば、アンモニア（ＮＨ_３）ガスが用いられる。Ｇａを含むガスとして、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）が用いられる。Ｇａを含むガスとして、例えば、トリエチルガリウム（ＴＥＧ：Tri Ethyl Gallium）が用いられても良い。Ａｌを含むガスとして、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl Aluminum）が用いられる。

下地層６０として、例えば、アンドープのＧａＮ層を形成する。ＮＨ_３の供給を続けながら、ＴＭＧ及びＴＭＡの供給を停止する。温度を１１５０℃まで上昇させる。温度を１１５０℃に保持しつつ、再びＴＭＧを供給する。これにより、下地層６０が形成される。下地層６０の厚さは、例えば、約３μｍである。

ｎ形半導体層１０として、例えば、ｎ形ＧａＮ層を形成する。プロセスガスは変化させず、Ｓｉを含むガスをさらに供給する。Ｓｉを含むガスとして、例えば、シラン（ＳｉＨ_４）ガスが用いられる。基板５０の温度は１１５０℃である。ｎ形半導体層１０におけるＳｉ濃度は、例えば、８×１０^１８／ｃｍ^−３である。ｎ形半導体層１０の厚さは、例えば、約５μｍである。

ＮＨ_３の供給を続けながら、ＴＭＧ及びＳｉＨ_４ガスの供給を停止する。基板５０の温度を、８００℃まで下げ、８００℃で保持する。

中間層４０の第１層４１として、例えば、ｎ形ＧａＮ層を形成する。第１層４１の形成においては、基板５０の温度は、８００℃である。キャリアガスとして、Ｎ_２ガスを用いる。プロセスガスとして、ＮＨ_３、ＴＭＧ及びＳｉＨ_４ガスを用いる。第１層４１におけるＳｉ濃度は、例えば、約２×１０^１８／ｃｍ^−３である。第１層４１の厚さは、例えば、例えば約３ｎｍである。

中間層４０の第２層４２として、例えば、アンドープＩｎ_ｙ３Ｇａ_１−ｙ３Ｎ（０＜ｙ３＜０．１）を形成する。第２層４２の形成においては、ＳｉＨ_４ガスの供給を停止し、Ｉｎを含むガスを供給する。Ｉｎを含むガスとして、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）が用いられる。基板５０の温度は、８００℃である。アンドープＩｎ_ｙ３Ｇａ_１−ｙ３Ｎ層（第２層４２）において、ｙ３は、例えば、０．０８である。第２層４２の厚さは、例えば、例えば１ｎｍである。

上記の第１層４１の形成と、上記の第２層４２の形成と、を複数回繰り返す。すなわち、ＳｉＨ_４ガスの供給と、ＴＭＩの供給と、を、交互に繰り返す。繰り返しの回数は、例えば、３０周期である。これにより、超格子構造を有する中間層４０が形成される。

発光層３０を形成する。まず、障壁層３１として、例えば、ＧａＮ層を形成する。障壁層３１の形成においては、キャリアガスとして、Ｎ_２ガスが用いられる。プロセスガスとして、ＮＨ_３及びＴＭＧが用いられる。基板５０の温度は、８３０℃である。障壁層３１の厚さは、例えば、約５ｎｍである。

井戸層３２として、例えば、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ層（０＜ｙ２＜１）を形成する。井戸層３２の形成においては、ＴＭＩをさらに供給する。基板５０の温度は、８３０℃である。Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ層（井戸層３２）において、ｙ２は、例えば、０．１４である。井戸層３２の厚さは、例えば、約３ｎｍである。

例えば、上記の障壁層３１の形成と、上記の井戸層３２の形成と、を複数回繰り返す。すなわち、ＴＭＩを断続的に供給する。繰り返しの回数は、例えば、８周期である。

最後の井戸層３２の上に、最終の障壁層３１（ＧａＮ層）を形成する。ＧａＮ層（最終の障壁層３１）の厚さは、例えば、５ｎｍである。ここでは、発光層３０の最上部として、障壁層３１が形成される。発光層３０の最上部として、井戸層３２が形成されても良い。

この利では、発光層３０の上に、キャップ層２５として、例えば、アンドープのＡｌＧａＮ層を形成する。キャップ層２５の形成においては、ＴＭＡを供給し、基板５０の温度は、８３０℃である。キャップ層２５となるＡｌＧａＮ層の厚さは、形成直後において、例えば５ｎｍである。

次に、ＮＨ_３の供給を続けつつ、ＴＭＧの供給を停止する。Ｎ_２ガス雰囲気中で、基板５０の温度を、１０３０℃まで上昇させる。１０３０℃で保持する。

１０３０℃の基板温度において、第２ｐ側層２２として、ｐ形ＡｌＧａＮ層を形成する。第２ｐ側層２２の形成においては、キャリアガスとして、Ｎ_２ガスとＨ_２ガスの混合ガスが用いられる。プロセスガスとして、ＮＨ_３、ＴＭＧ、ＴＭＡ、及び、Ｍｇを含むガスが供給される。Ｍｇを含むガスとして、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）が用いられる。

第２ｐ側層２２の形成の初期においては、Ｍｇ濃度が２×１０^１９ｃｍ^−３である。第２ｐ側層２２内において、Ｍｇ濃度は上昇し、例えば、約１×１０^２０ｃｍ^−３に達する。第２ｐ側層２２の厚さは、約１０ｎｍである。

第２ｐ側層２２の形成方法の例について説明する。
基板５０の温度を、成長温度である１０３０℃で安定させる。温度が安定した後で、キャリアガス、及び、プロセスガスのＮＨ_３、を供給しながら、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇをパルス状に供給する。ＴＭＧの供給量は、例えば、２８マイクロモル／分（μｍｏｌ／ｍｉｎ）あり、ＴＭＡの供給量は、例えば、１．９μｍｏｌ／ｍｉｎであり、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量は、例えば、０．２５μｍｏｌ／ｍｉｎである。ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇの供給オンとオフとを、例えば、６０サイクル繰り返す。これにより、第２ｐ側層２２が形成される。

第２ｐ側層２２の形成に引き続いて、第３ｐ側層２３として、ｐ形ＧａＮ層を形成する。すなわち、第２ｐ側層２２の形成の後、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇの供給は続けつつ、ＴＭＡの供給を停止する。基板５０の温度は、１０３０℃である。第３ｐ側層２３におけるＭｇ濃度は、約２×１０^１９ｃｍ^−３である。第３ｐ側層２３の厚さは、約８０ｎｍである。

第３ｐ側層２３の形成に引き続いて、第１ｐ側層２１として、ｐ形ＧａＮ層を形成する。すなわち、第３ｐ側層２３の形成の後、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量を増やす。第１ｐ側層２１の形成においては、基板５０の温度は、１０３０℃である。第１ｐ側層２１におけるＭｇ濃度は、約１×１０^２１ｃｍ^−３である。第１ｐ側層２１の厚さは、約１０ｎｍである。
以上により、ｐ形半導体層２０が形成される。

ＮＨ_３の供給を続けながら、ＴＭＧ及びＣｐ_２Ｍｇの供給を停止する。すなわち、全てのプロセスガスの供給を停止する。キャリアガスは、引き続き供給する。基板５０の温度を自然降下させる。ＮＨ_３の供給は、基板５０の温度が３００℃に達するまで、継続させる。

基板５０をＭＯＣＶＤ装置の反応室から取り出す。
積層構造体９０の一部を、ｐ形半導体層２０の側から、ｎ形半導体層１０に達するまで除去する。積層構造体９０の除去には、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法が用いられる。露出したｎ形半導体層１０の上に、第１電極７０を形成する。第１電極７０は、例えば、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜である。第１ｐ側層２１上に、第２電極８０を形成する。第２電極８０は、例えば、Ｎｉ膜／Ａｕ膜である。
これにより、半導体発光素子１１０が形成される。基板５０の上に積層構造膜(積層構造体９０）を形成した後に、基板５０を除去しても良い。基板５０の除去の際に、下地層６０の一部が除去されても良い。

このようにして作製された半導体発光素子１１０においては、図１に例示したＭｇ濃度プロファイル及びＡｌ濃度プロファイルが得られる。

半導体発光素子１１０の素子サイズは、１辺が０．７５ｍｍの正方形である。この素子サイズにおいて、３５０ｍＡの電流のときの駆動電圧は、３．２４Ｖである。

以下、２つの参考例の半導体発光素子について説明する。
２つの参考例の製造方法は、第２ｐ側層２２の形成工程以外は、半導体発光素子１１０の製造方法と同じである。これらの参考例において、第２ｐ側層２２の厚さは半導体発光素子１１０と同じである。これらの参考例において、第２ｐ側層２２の形成における基板５０の温度、キャリアガスの種類、及び、プロセスガスの種類は、半導体発光素子１１０の製造方法と同じである。以下では、第２ｐ側層２２の形成条件について説明する。

第１参考例においては、第２ｐ側層２２の形成においてＮＨ_３、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇは、同時に供給される。そして、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇは、パルス状ではなく、連続的に供給される。第１参考例において、ＴＭＧの供給量、ＴＭＡの供給量及びＣｐ_２Ｍｇの供給量は、半導体発光素子１１０と同じである。

すなわち、第２ｐ側層２２の形成において、半導体発光素子１１０では、ＮＨ_３を一定の量で供給しつつ、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇは、パルス状に供給されるのに対して、第１参考例では、ＮＨ_３、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇは、同時に連続的に供給される。

第２参考例においては、第２ｐ側層２２の形成において、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量が少ないこと以外は、半導体発光素子１１０第１参考例の形成条件と同じである。すなわち、第２参考例においては、ＮＨ_３を一定の量で供給しつつ、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇは、パルス状に供給される。そして、Ｃｐ_２Ｍｇの供給量は、０．０６μｍｏｌ／ｍｉｎであり、半導体発光素子１１０の場合よりも少ない。

第１参考例及び第２参考例の半導体発光素子のサイズは、半導体発光素子１１０と同じである。第１参考例においては、３５０ｍＡの電流のときの駆動電圧は、３．３４Ｖである。第２参考例においては、３５０ｍＡの電流のときの駆動電圧も、３．３４Ｖである。

このように、実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、駆動電圧は３．２４Ｖであり、参考例よりも駆動電圧を低くできる。これは、実施形態と参考例とにおける、Ｍｇ濃度のプロファイル及びＡｌ濃度のプロファイルの差異に起因すると考えられる。

図４及び図５は、参考例の半導体発光素子を例示するグラフ図である。
図４は、第１参考例の半導体発光素子１１９ａに対応する。図５は、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂに対応する。これらの図は、ＳＩＭＳ分析結果を例示している。横軸は、深さ方向（Ｚ軸方向）の位置ｄｚである。左側の縦軸は、Ｍｇの濃度（ＣＭｇ、／ｃｍ^−３）である。右側の縦軸は、Ａｌ濃度（ＣＡｌ、任意単位）である。

図４に表したように、第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、発光層３０から、第１方向Ｄ１沿って、Ｍｇ濃度が上昇し、第６部分Ｐ０６で、Ｍｇ濃度は最高となる。第１部分Ｐ０１と第６部分Ｐ０６との間において、Ｍｇ濃度の上昇率が高い第３部分Ｐ０３と、第３部分Ｐ０３よりも上昇率が低い第５部分Ｐ０５が観察される。しかしながら、半導体発光素子１１９ａにおいては、上昇率が再び高くなる第４部分Ｐ０４は観察されない。

Ｍｇ濃度の最高値は、４．４×１０^１９ｃｍ^−３である。このことは、第２ｐ側層２２におけるＭｇ濃度の最高値が４．４×１０^１９ｃｍ^−３であることに対応する。第２部分Ｐ０２におけるＭｇ濃度は、約２．５×１０^１９ｃｍ^−３である。このことは、第３ｐ側層２３におけるＭｇ濃度が約２．５×１０^１９ｃｍ^−３であることに対応する。

一方、発光層３０から、第１方向Ｄ１沿って、Ａｌ濃度が上昇し、第１位置Ｚ０１において、最高値である第１Ａｌ値Ａ０１に達する。

第１方向Ｄ１に沿って、Ｍｇ濃度も上昇する。しかしながら、Ａｌ濃度の上昇に対して、Ｍｇ濃度ＣＭの上昇は、遅れている。例えば、第２位置Ｚ０２におけるＭｇ濃度（第１Ｍｇ値Ｍ０１）は、半導体発光素子１１０よりも低い。半導体発光素子１１９ａにおける半導体発光素子１１９ａの第１Ｍｇ値Ｍ０１は、１．８×１０^１８ｃｍ^−３である。

このように、半導体発光素子１１９ａにおいては、Ｍｇドーピングに遅延があり、第１Ｍｇ値Ｍ０１が２×１０^１８ｃｍ^−３のＭｇ濃度に到達することなく、４．４×１０^１９ｃｍ^−３のＭｇ濃度（最高値）に到達したのち、第３ｐ側層２３のＭｇ濃度である２．５×１０^１９ｃｍ^−３に向かう。

このように、第１参考例の半導体発光素子１１９ａにおいては、第２ｐ側層２２におけるＭｇ濃度の最高値が４．４×１０^１９ｃｍ^−３と低く、さらに、第１Ｍｇ値Ｍ０１も低く、Ｍｇ濃度の上昇が、Ａｌ濃度の上昇に対して遅れている。このため、第２ｐ側層２２において、Ｍｇ濃度が十分に高くならない。このため、半導体発光素子１１９ａにおいては、駆動電圧が半導体発光素子１１０の駆動電圧よりも高いと考えられる。

図５に表したように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいても、発光層３０から、第１方向Ｄ１沿って、Ｍｇ濃度が上昇する。しかしながら、第２ｐ側層２２に対応する部分において、Ｍｇ濃度のピークは観察されない。

Ｍｇ濃度の最高値は、２．０×１０^１９ｃｍ^−３である。第２部分Ｐ０２におけるＭｇ濃度は、約２．５×１０^１９ｃｍ^−３である。第２位置Ｚ０２におけるＭｇ濃度（第１Ｍｇ値Ｍ０１）は、１．３×１０^１８ｃｍ^−３である。

半導体発光素子１１９ｂにおいても、第１方向Ｄ１に沿うＭｇ濃度の上昇は、第２ｐ側層２２と発光層３０との界面近傍では比較的急峻である。Ｍｇ濃度は、急峻に立ち上がり、界面近傍付近における第１段階の目的濃度である２×１０^１９ｃｍ^−３となる。しかしながら、それよりもさらに上昇することはなく、第２ｐ側層２２の濃度に向かっている。

このように、第２参考例の半導体発光素子１１９ｂにおいては、第２ｐ側層２２におけるＭｇ濃度の最高値が低い。このため、第２ｐ側層２２において、Ｍｇ濃度が十分に高くなく、駆動電圧が高くなると考えられる。

これに対して、図１に例示したように、本実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、Ｍｇ濃度は、Ａｌ濃度の上昇に追随して上昇する。Ａｌ濃度の上昇に対して遅れずに、Ｍｇ濃度が上昇する。第２位置Ｚ０２において、第１Ｍｇ値Ｍ０１は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上と高い。これにより、駆動電圧を低くすることができる。

図１に表したように、半導体発光素子１１０においては、Ｍｇ濃度が最高となる第６部分Ｐ０６の第１方向の位置は、Ａｌ濃度が最高となる第１方向の第１位置Ｚ０１と、が互いに接近している。第２ｐ側層２２に対応するＡｌ濃度の上昇に遅れずに、Ｍｇ濃度が上昇している。

半導体層の成長において、第２ｐ側層２２にドープされるＭｇは、メモリ効果が大きい。成膜時のＭｇ供給において、結晶成長反応炉の内壁での付着などが生じ、プロセスガス中の原料元素が基板５０の表面へ到達に時間を要する。そのため、Ｍｇは、Ａｌと比べてドーピングの遅延が発生しやすい。Ｍｇのドーピングが遅延すると、発光層３０と第２ｐ側層２２との界面付近に、Ｍｇ濃度が低い領域（アンドープ領域）が形成される。この領域は、高抵抗領域である。高抵抗領域が形成されると、半導体発光素子の駆動電圧が高くなる。

図１に表したように、半導体発光素子１１０においては、発光層３０と第２ｐ側層２２の界面付近から、第２ｐ側層内におけるＭｇ濃度が、第１段階の目的濃度（例えば２×１０^１８ｃｍ^−３以上）に急峻に立ち上がる。すなわち、第２ｐ側層２２は、アンドープ領域(高抵抗領域）をほとんど含まない。さらに、第２ｐ側層２２内におけるＭｇ濃度の最高値が高い。Ｍｇ濃度の最高値（第２段階の目標値）は、約１×１０^２０ｃｍ^−３以上である。

本実施形態においては、Ｍｇ濃度を、Ａｌ濃度の上昇に対して遅れることなく、追従させて上昇させることで、Ｍｇ濃度が低い領域（高抵抗領域）の形成が抑制される。このため、低駆動電圧の半導体発光素子が提供できる。

第２ｐ側層２２におけるＡｌ濃度が高いと、Ｍｇを高濃度でドープすることが困難になる。

本実施形態においては、発光層３０から放出される光のピーク波長は、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。すなわち、発光層３０から放出される光は、紫外光ではない。このため、井戸層３２におけるバンドギャップエネルギーは小さく設定される。

このため、電子ブロック層として機能する第２ｐ側層２２として用いられるＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２ＮにおけるＡｌ組成比ｘ２は、比較的低く、０．０５以上０．２以下に設定される。このように、実施形態においては、第２ｐ側層２２におけるＡｌ組成比は比較的低いため、第２ｐ側層２２に高い濃度でＭｇを導入できる。

図１に例示したように、本実施形態においては、Ｍｇ濃度はＡｌ濃度の上昇に遅れることなる追従して急峻に立ち上がり、第１段階の目標値である、例えば２×１０^１８ｃｍ^−３以上に到達する。Ｍｇ濃度が急峻に上昇する部分が、実質的に第３部分Ｐ０３に対応する。

この後、Ｍｇ濃度の上昇率が低下する。この部分が、第５部分Ｐ０５に対応する。そして、再び、上昇率が高くなり、第２段階の目標値である最高値（１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下）に到達する。この部分が、第４部分Ｐ０４に対応する。このようなＭｇ濃度のプロファイルにより、駆動電圧が低下できる。

このように、Ｍｇ濃度の上昇が、２つの急峻な上昇領域（第３部分Ｐ０３及び第４部分Ｐ０４）と、その間の緩やかな上昇領域（第５部分Ｐ０５）と、を含むことは、Ａｌ濃度の変化に関係していると考えられる。さらに、発光層３０から張られることでの、Ｉｎ濃度の低下と関係していると考えられる。

図６は、第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する別のグラフ図である。
図７及び図８は、参考例の半導体発光素子を例示する別のグラフ図である。
図６、図７及び図８は、それぞれ、図１、図４及び図５に示したグラフ図上に、Ｉｎ濃度のプロファイルをさらに表示したものである。これらの図の右の縦軸は、Ｉｎ濃度（ＣＩｎ、任意単位）である。

図６に表したように、半導体発光素子１１０においては、複数の井戸層３２に対応して、Ｉｎ濃度が高い。ｐ形半導体層２０の例えば、第３ｐ側層２３においては、Ｉｎ濃度は低い。

Ｉｎ濃度のプロファイルを示すために、ｐ側領域Ｒ１に、第３位置Ｚ０３と、第４位置Ｚ０４と、を設定する。
ｐ側領域Ｒ１における第３位置Ｚ０３において、Ｉｎ濃度は、第１Ｉｎ値Ｉ０１となる。第１Ｉｎ値Ｉ０１は、発光層３０におけるＩｎ濃度の最高値である。

第４位置Ｚ０４は、第２部分Ｐ０２に対応する位置と、第３位置Ｚ０３と、の間の領域において、第１方向Ｄ１に沿って第３位置Ｚ０３と並ぶ。第３位置は、第１方向Ｄ１上の位置である。第４位置も、第１方向Ｄ１上の位置である。第４位置Ｚ０４におけるＩｎ濃度は、第２Ｉｎ値Ｉ０２である。第２Ｉｎ値Ｉ０２は、第１Ｉｎ値Ｉ０１（最高値）の１／１０である。

実施形態に係る半導体発光素子１１０においては、第４位置Ｚ０４におけるＭｇ濃度（第２Ｍｇ値Ｍ０２）は、３×１０^１９ｃｍ^−３以上である。第４位置Ｚ０４におけるＭｇ濃度（第２Ｍｇ値Ｍ０２）は、８×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが、好ましい。具体的には、図６に表したように、半導体発光素子１１０において、第４位置Ｚ０４における第２Ｍｇ値Ｍ０２は、例えば、３×１０^１９ｃｍ^−３である。

図６に表したように、第４位置Ｚ０４は、第５部分Ｐ０５の位置に対応する。すなわち、ｐ側領域Ｒ１において、Ｉｎ濃度が、最高値（第１Ｉｎ値Ｉ０１）から、その１／１０の値（第２Ｉｎ値Ｉ０２のとき）になる領域において、Ｍｇ濃度は比較的に急峻に上昇する。この領域が、第３部分Ｐ０３に対応する。そして、Ｉｎ濃度が、第２Ｉｎ値Ｉ０２のときに、Ｍｇ濃度の上昇率は低下する（第５部分Ｐ０５）。そして、Ｉｎ濃度が、第２Ｉｎ値Ｉ０２よりも低くなると、再びＭｇ濃度が急峻に上昇する。この領域が、第４部分Ｐ０４に対応する。

Ｉｎ濃度が最高値の１／１０未満になる位置から、Ｍｇを高い濃度でドープすることで、Ｍｇ濃度は、最高値の１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下に到達できる。

実施形態では、ＮＨ_３を一定の量で供給しつつ、ＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ_２Ｍｇは、パルス状に供給する方法において、Ｃｐ_２Ｍｇを大きな供給量で供給することで、Ｉｎの濃度の低下に連動して、Ｍｇ濃度が２段階で急峻に上昇しているものと考えられる。

図７に表したように、第１参考例である半導体発光素子１１９ａにおいては、第４位置Ｚ０４における第２Ｍｇ値Ｍ０２は、２．５×１０^１９ｃｍ^−３である。第１参考例では、第２Ｍｇ値Ｍ０２は、半導体発光素子１１０の値よりも低い。

図８に表したように、第２参考例である半導体発光素子１１９ｂにおいては、第４位置Ｚ０４における第２Ｍｇ値Ｍ０２は、１．８×１０^１９ｃｍ^−３である。第２参考例でも、第２Ｍｇ値Ｍ０２は、半導体発光素子１１０の値よりも低い。

第４位置Ｚ０４におけるＭｇ濃度（第２Ｍｇ値Ｍ０２）を、３×１０^１９ｃｍ^−３以上にすることで、低駆動電圧が実現できる。

図６に例示したように、第５部分Ｐ０５におけるＭｇ濃度は、例えば、１．０×１０^１９ｃｍ^−３以上３×１０^１９ｃｍ^−３以下である。第５部分Ｐ０５におけるＭｇ濃度は、比較的高くすることができる。

実施形態においては、第２ｐ側層２２から第３ｐ側層２３に向かって、Ｍｇ濃度が高濃度化されている。そのため、スムーズなキャリア注入が達成される。これにより、駆動電圧を低減できる。

Ｍｇのアンドープ領域が形成されることを抑制するために、Ｍｇと共に、Ｃ（炭素）をドープする例がある。半導体発光素子１１０においては、例えば、ｐ側領域Ｒ１におけるＣ（炭素）の濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３以下である。つまり、半導体発光素子１１０においては、Ｃ（炭素）は、実質的にドープされない。半導体発光素子１１０においては、Ｃ（炭素）をドープしなくても、ｐ形半導体層２０において、Ｍｇ濃度が低い領域が形成されることが抑制できる。

半導体発光素子１１０において、第５部分Ｐ０５の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）は、第３部分Ｐ０３の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）よりも短い。第５部分Ｐ０５の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）は、第４部分Ｐ０４の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）よりも短い。Ｍｇ濃度の上昇率が低い第５部分Ｐ０５を薄くすることで、駆動電圧の低下がより効果的に得られる。

第３部分Ｐ０３の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）は、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。第４部分Ｐ０４の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）は、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。第５部分Ｐ０５の第１方向Ｄ１に沿う長さ（厚さ）は、例えば、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。

第１位置Ｚ０１（Ａｌ濃度が最高値の第１Ａｌ値Ａ０１となる位置）と、第２位置Ｚ０２（Ａｌ濃度が、第１Ａｌ値Ａ０１の１／１００である第２Ａｌ値Ａ０２となる位置）と、の、第１方向に沿った距離は、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。この距離が、短過ぎると、Ｍｇ濃度の上昇が、Ａｌ濃度の上昇に追従し難くなる。この距離が長過ぎると、例えば、結晶性が劣化し易くなる。電子ブロック特性が劣化し、発光効率が低下する場合もある。

実施形態において、例えば、第２位置Ｚ０２は、第３部分Ｐ０３内に位置する。第２位置Ｚ０２は、第５部分Ｐ０５内に位置しても良い。第２位置Ｚ０２は、第４部分Ｐ０４内に位置しても良い。

図９は、第１の実施形態に係る別の半導体発光素子を例示するグラフ図である。
図９は、本実施形態に係る別の半導体発光素子１１１におけるＭｇ濃度のプロファイル（ＣＭｇ）、Ａｌ濃度のプロファイル（ＣＡｌ）、及び、Ｉｎ濃度のプロファイル（ＣＩｎ）を示している。半導体発光素子１１１においては、第２ｐ側層２２の厚さが１５ｎｍである。半導体発光素子１１１における構成及びその形成方法は、半導体発光素子１１０と同じである。

図９に表したように、半導体発光素子１１１においても、第１〜第７部分Ｐ０１〜Ｐ０７が設けられる。そして、半導体発光素子１１０に関して説明したのと同様に、第１〜第４位置Ｚ０１〜Ｚ０４が設定される。

半導体発光素子１１１においてもｐ側領域Ｒ１内において、Ａｌ濃度の上昇に追随して、Ｍｇ濃度が上昇する。第２位置Ｚ０２におけるＭｇ濃度（第１Ｍｇ値Ｍ０１）は、４．５×１０¹⁸ｃｍ^−３である。第２ｐ側層２２の第６部分Ｐ０６におけるＭｇ濃度は、２．３×１０^２０ｃｍ^−３である。第４位置Ｚ０４におけるＭｇ濃度（第２Ｍｇ値Ｍ０２）は、３．９×１０^1９ｃｍ^−３である。
半導体発光素子１１１においても、駆動電圧を低減できる。

図１０は、参考例の半導体発光素子を例示するグラフ図である。
図１０は、第３参考例の半導体発光素子１１９ｃにおけるＭｇ濃度のプロファイル（ＣＭｇ）、Ａｌ濃度のプロファイル（ＣＡｌ）、及び、Ｉｎ濃度のプロファイル（ＣＩｎ）を示している。半導体発光素子１１９ｃにおいても、第２ｐ側層２２の厚さが１５ｎｍである。半導体発光素子１１９ｃは、第２ｐ側層２２の厚さを１５ｎｍとした以外は、第１参考例の半導体発光素子１１９ａと同様の方法により形成されたものである。

第３参考例の半導体発光素子１１９ｃにおいては、Ａｌ濃度の上昇に対してＭｇ濃度の上昇が遅れている。半導体発光素子１１９ｃにおいては、第２位置Ｚ０２におけるＭｇ濃度（第１Ｍｇ値Ｍ０１）は、３．８×１０^1７ｃｍ^−３である。第２ｐ側層２２におけるＭｇ濃度の最高値は、１．８×１０^２０ｃｍ^−３である。第４位置Ｚ０４におけるＭｇ濃度（第２Ｍｇ値Ｍ０２）は、２．８×１０^1９ｃｍ^−３である。半導体発光素子１１９ｃにおいては、駆動電圧が、半導体発光素子１１９ｃよりも高い。

高電流密度領域において、半導体発光素子１１１のほうが、半導体発光素子１１９ｃよりも高い素子特性を示す。

（第２の実施形態）
本実施形態は、半導体発光素子の製造方法に係る。この製造方法には、例えば、既に説明した半導体発光素子１１０の製造方法などを適用できる。

図１１は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、窒化物半導体を含むｎ形半導体層１０の上に窒化物半導体を含む発光層３０を形成する工程（ステップＳ１１０）を含む。

本製造方法は、発光層３０の上に、Ｍｇを含みＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）の第１膜（第２ｐ側層２２）を形成する工程（ステップＳ１２０）をさらに含む。

本製造方法は、第１膜の上に、Ｍｇを含む窒化物半導体を含む第２膜（第３ｐ側層２３）を形成する工程（ステップＳ１３０）をさらに含む。

本製造方法は、第２膜の上に、Ｍｇを含む窒化物半導体を含む第３膜（第１ｐ側層２１）を形成する工程（ステップＳ１４０）をさらに含む。

第１膜を形成する工程（ステップＳ１２０）では、第１工程（ステップＳ１２１）と、第２工程（ステップＳ１２２）と、を交互に複数回繰り返す。第１工程では、Ｖ族原料ガスと、Ｇａを含むガスと、Ａｌを含むガスと、Ｍｇを含むガスと、を供給する。第２工程では、ガリウムを含む上記のガスと、Ａｌを含む上記のガスと、Ｍｇを含む上記のガスと、を供給しないでＶ族原料ガスを供給する。

Ｖ族原料ガスとして、例えばＮＨ_３が用いられる。Ｇａを含むガスとして、例えば、ＴＭＧ及びＴＥＧの少なくともいずれかが用いられる。Ａｌを含むガスとして、例えば、ＴＭＡが用いられる。Ｍｇを含むガスとして、例えば、Ｃｐ_２Ｍｇが用いられる。

図１、図６及び図９に例示したように、本製造方法においては、発光層３０、第１膜（第２ｐ側層２２）、及び、第２膜（第３ｐ側層２３）を含むｐ側領域Ｒ１におけるＭｇの濃度の最高値は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である。

ｐ側領域Ｒ１における第１位置Ｚ０１において、Ａｌ濃度は最高値となる。第２位置Ｚ０２は、発光層３０に対応する位置と、第１位置Ｚ０１と、の間の領域において、発光層３０から第１膜（第２ｐ側層２２）に向かう第１方向Ｄ１に沿って、第１位置Ｚ０１と並ぶ。第２位置Ｚ０２において、Ａｌ濃度は、最高値の１／１００である。第２位置Ｚ０２におけるＭｇ濃度は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上である。

本実施形態に係る製造方法によれば、低駆動電圧の半導体発光素子の製造方法が提供できる。

本製造方法においては、ｐ側領域Ｒ１におけるＭｇの濃度プロファイルは、第１〜第７部分Ｐ０１〜Ｐ０７を含むことができる。

第２部分Ｐ０２は、第１部分Ｐ０１と第３膜（第１ｐ側層２１）との間に設けられる。 第３部分Ｐ０３は、第１部分Ｐ０１と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第３部分Ｐ０３におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って、第１上昇率で上昇する。

第４部分Ｐ０４は、第３部分Ｐ０３と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第４部分Ｐ０４におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って第２上昇率で上昇する。

第５部分Ｐ０５は、第３部分Ｐ０３と第４部分Ｐ０４との間に設けられる。第５部分Ｐ０５におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って、第３上昇率で上昇する。第３上昇率は、第１上昇率よりも低く第２上昇率よりも低い。

第６部分Ｐ０６は、第４部分Ｐ０４と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第６部分Ｐ０６におけるＭｇ濃度は、第１部分Ｐ０１、第２部分Ｐ０２、第３部分Ｐ０３、第４部分Ｐ０４及び第５部分Ｐ０５におけるＭｇの濃度よりも高く、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である。

第７部分Ｐ０７は、第６部分Ｐ０６と第２部分Ｐ０２との間に設けられる。第７部分Ｐ０７におけるＭｇ濃度は、第１方向Ｄ１に沿って減少する。

本製造方法においては、ｐ側領域Ｒ１におけるＣ（炭素）の濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３以下である。

実施形態によれば、低駆動電圧の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法が提供できる。

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体発光素子に含まれる基板、バッファ層、下地層、半導体層、中間層、発光層、及び電極などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…ｎ形半導体層、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 ２０…ｐ形半導体層、 ２１…第１ｐ側層、 ２２…第２ｐ側層、 ２３…第３ｐ側層、 ２５…キャップ層、 ３０…発光層、 ３１…障壁層、 ３２…井戸層、 ４０…中間層、 ４１…第１層、 ４２…第２層、 ５０…基板、 ６０…下地層、 ７０…第１電極、 ８０…第２電極、 ９０…積層構造体、 １１０、１１１、１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ…半導体発光素子、 Ａ０１…第１Ａｌ値、 Ａ０２…第２Ａｌ値、 ＢＬ…障壁層、 ＣＡｌ…Ａｌ濃度、 ＣＩｎ…Ｉｎ濃度、 ＣＭｇ…Ｍｇ濃度、 Ｄ１…第１方向、 Ｉ０１…第１Ｉｎ値、 Ｉ０２…第２Ｉｎ値、 Ｍ０１…第１Ｍｇ値、 Ｍ０２…第２Ｍｇ値、 Ｐ０１〜Ｐ０７…第１〜第７部分、 Ｒ１…ｐ側領域、 ＷＬ…井戸層、 Ｚ０１〜Ｚ０４…第１〜第４位置

Claims (20)

1. 窒化物半導体を含むｎ形半導体層と、
   Ｍｇを含む窒化物半導体を含む第１ｐ側層と、前記第１ｐ側層と前記ｎ形半導体層との間に設けられＭｇを含みＡｌ_ｘ２Ｇａ_１−ｘ２Ｎ（０．０５≦ｘ２≦０．２）の第２ｐ側層と、前記第１ｐ側層と前記第２ｐ側層との間に設けられＭｇを含みＡｌ_ｘ３Ｇａ_１−ｘ３Ｎ（０≦ｘ３≦ｘ２）の第３ｐ側層と、を含むｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記第２ｐ側層との間に設けられ窒化物半導体を含む発光層と、
   を備え、
   前記発光層、前記第２ｐ側層及び前記第３ｐ側層を含むｐ側領域におけるＭｇの濃度プロファイルは、
   第１部分と、
   前記第１部分と前記第１ｐ側層との間に設けられた第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に設けられた第３部分であって、前記第３部分におけるＭｇ濃度は、前記ｎ形半導体層から前記第１ｐ側層に向かう第１方向に沿って第１上昇率で上昇する第３部分と、
   前記第３部分と前記第２部分との間に設けられた第４部分であって、前記第４部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って第２上昇率で上昇する第４部分と、
   前記第３部分と前記第４部分との間に設けられた第５部分であって、前記第５部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って、前記第１上昇率よりも低く前記第２上昇率よりも低い第３上昇率で上昇する第５部分と、
   前記第４部分と前記第２部分との間に設けられた第６部分であって、前記第６部分におけるＭｇ濃度は、前記第１部分、前記第２部分、前記第３部分、前記第４部分及び前記第５部分におけるＭｇの濃度よりも高く、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である第６部分と、
   前記第６部分と前記第２部分との間に設けられた第７部分であって、前記第７部分におけるＭｇ濃度は前記第１方向に沿って減少する第７部分と、
   を含み、
   前記ｐ側領域における第１位置において、Ａｌ濃度は最高値となり、
   前記第１部分に対応する位置と、前記第１位置と、の間の領域において前記第１方向に沿って前記第１位置と並ぶ第２位置において、前記Ａｌ濃度は、前記最高値の１／１００であり、
   前記第２位置におけるＭｇ濃度は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上である半導体発光素子。
2. 前記発光層から放出される光のピーク波長は、４００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記発光層から放出される光のピーク波長は、４３０ｎｍ以上４６０ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２位置におけるＭｇ濃度は、１．２×１０^１９ｃｍ^−３以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
5. 前記第５部分における前記Ｍｇ濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上３×１０^１９ｃｍ^−３以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
6. 前記発光層と前記Ａｌ含有層とを含む前記ｐ側領域におけるＣ（炭素）の濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
7. 前記第５部分の前記第１方向に沿う長さは、前記第３部分の前記第１方向に沿う長さよりも短く、前記第４部分の前記第１方向に沿う長さよりも短い請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
8. 前記第３部分の前記第１方向に沿う長さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
9. 前記第４部分の前記第１方向に沿う長さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
10. 前記第５部分の前記第１方向に沿う長さは、３ｎｍ以上２０ｎｍ以下である請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
11. 前記第１位置と前記第２位置との前記第１方向に沿った距離は、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
12. 前記発光層は、複数の障壁層と、前記複数の障壁層の間に設けられた井戸層と、を含み、
    前記障壁層は、Ｉｎ_ｙ１Ｇａ_１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１）を含み、
    前記井戸層は、Ｉｎ_ｙ２Ｇａ_１−ｙ２Ｎ（０＜ｙ２≦１、ｙ１＜ｙ２）を含み、
    前記ｙ１は、前記ｙ２よりも小さい請求項１〜１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
13. 前記ｐ側領域における第３位置において、Ｉｎ濃度は最高値となり、
    前記第２部分に対応する位置と、前記第３位置と、の間の領域において前記第１方向に沿って前記第３位置と並ぶ第４位置において、前記Ｉｎ濃度は、前記最高値の１／１０であり、
    前記第４位置におけるＭｇ濃度は、３×１０^１９ｃｍ^−３以上である請求項１２に記載の半導体発光素子。
14. 前記第４位置におけるＭｇ濃度は、８×１０^１９ｍ^３以下である請求項１３記載の半導体発光素子。
15. 前記第２位置は、前記第３部分内に位置する請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
16. 前記第２位置は、前記第５部分内に位置する請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
17. 前記第２位置は、前記第４部分内に位置する請求項１〜１４のいずれか１つに記載の半導体発光素子。
18. 窒化物半導体を含むｎ形半導体層の上に窒化物半導体を含む発光層を形成する工程と、
    前記発光層の上にＭｇを含みＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．０５≦ｘ≦０．２）の第１膜を形成する工程と、
    前記第１膜の上にＭｇを含む窒化物半導体を含む第２膜を形成する工程と、
    前記第２膜の上にＭｇを含む窒化物半導体を含む第３膜を形成する工程と、
    を備え、
    前記第１膜を形成する前記工程は、
    Ｖ族原料ガスと、Ｇａを含むガスと、Ａｌを含むガスと、Ｍｇを含むガスと、を供給する第１工程と、
    Ｇａを含む前記ガスと、Ａｌを含む前記ガスと、Ｍｇを含む前記ガスと、を供給しないで前記Ｖ族原料ガスを供給する第２工程と、
    を交互に複数回繰り返し、
    前記発光層、前記第１膜、及び前記第２膜を含むｐ側領域におけるＭｇの濃度の最高値は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下であり、
    前記ｐ側領域における第１位置において、Ａｌ濃度は最高値となり、
    前記発光層に対応する位置と、前記第１位置と、の間の領域において前記発光層から前記第１膜に向かう第１方向に沿って前記第１位置と並ぶ第２位置において、前記Ａｌ濃度は、前記最高値の１／１００であり、
    前記第２位置におけるＭｇ濃度は、２×１０^１８ｃｍ^−３以上である半導体発光素子の製造方法。
19. 前記ｐ側領域におけるＭｇの濃度プロファイルは、
    第１部分と、
    前記第１部分と前記第３膜との間に設けられた第２部分と、
    前記第１部分と前記第２部分との間に設けられた第３部分であって、前記第３部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って第１上昇率で上昇する第３部分と、
    前記第３部分と前記第２部分との間に設けられた第４部分であって、前記第４部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って第２上昇率で上昇する第４部分と、
    前記第３部分と前記第４部分との間に設けられた第５部分であって、前記第５部分におけるＭｇ濃度は、前記第１方向に沿って、前記第１上昇率よりも低く前記第２上昇率よりも低い第３上昇率で上昇する第５部分と、
    前記第４部分と前記第２部分との間に設けられた第６部分であって、前記第６部分におけるＭｇ濃度は、前記第１部分、前記第２部分、前記第３部分、前記第４部分及び前記第５部分におけるＭｇの濃度よりも高く、１×１０^２０ｃｍ^−３以上３×１０^２０ｃｍ^−３以下である第６部分と、
    前記第６部分と前記第２部分との間に設けられた第７部分であって、前記第７部分におけるＭｇ濃度は前記第１方向に沿って減少する第７部分と、
    を含む請求項１８記載の半導体発光素子の製造方法。
20. 前記ｐ側領域におけるＣ（炭素）の濃度は、５×１０^１８ｃｍ^−３以下である請求項１８または１９に記載の半導体発光素子の製造方法。

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