JP5953447B1 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のIII族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型半導体層３０と、少なくともＡｌを含む発光層４０と、電子ブロック層５０と、ｐ型半導体層６０とをこの順に有し、発光層４０は、井戸層４１と障壁層４２とを有する量子井戸構造を備え、電子ブロック層５０は、発光層４０に隣接し、かつ、障壁層４２およびｐ型半導体層６０よりもよりもＡｌ組成の大きな層からなり、電子ブロック層５１は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５１ａを含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、III族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関し、特に、優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法に関する。

従来、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等とＮとの化合物からなるIII族窒化物半導体は、紫外光発光素子の材料として用いられている。中でも、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮからなるIII族窒化物半導体は、紫外発光素子や発光波長３００ｎｍ以下の深紫外光発光素子（ＤＵＶ−ＬＥＤ）に用いられている。

III族窒化物半導体発光素子に要求される特性として、例えば高外部量子効率特性や低抵抗特性などが挙げられる。本願出願人は、特許文献１において、量子井戸構造の発光層とｐ型クラッド層との間に、電子ブロック層と呼ばれる電子のエネルギー障壁となる層を形成することにより、発光効率を高めることを先に提案している。電子ブロック層は、発光層の量子井戸層に対して障壁となり、電子が過剰に流れていくのを防ぐことによって、キャリアの注入効率を向上することができるのである。

また、特許文献２には、窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光装置において、ｐ型クラッド層のｐ側光ガイド層との境界側に、前記ｐ型クラッド層全体に比べて局所的に高濃度ドーピングされた高濃度ドーピング層を設けた半導体発光装置が開示されている。特許文献２によると、ｐ型クラッド層の一部にｐ型クラッド層全体に比べて局所的に高濃度ドーピングされた高濃度ドーピング層を設けることによって、ｐ型クラッド層の結晶性を劣化させることなく正孔濃度（ホール濃度）を高めることが可能になり、それによって、直列抵抗を低減してしきい値電流密度を低減することができる。

特開２０１０−１６１３１１号公報 特開２０００−１５１０２３号公報

特許文献１および特許文献２に記載の技術により、III族窒化物半導体発光素子の外部量子効率特性や抵抗特性を改善することができる。しかしながら、外部量子効率特性および抵抗特性の改善以外にも、III族窒化物半導体発光素子の素子寿命特性の改善が希求されており、寿命の点で改善の余地が残されている。

そこで、本発明の目的は、従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決する方途について鋭意検討し、III族窒化物半導体発光素子における、発光層よりｐ型半導体層側に位置する電子ブロック層のドーパントに着目した。ここで、III族窒化物半導体発光素子のｐ型半導体層側にドープするｐ型のドーパントとしては、Ｍｇを用いることが一般的である。本発明者らは、ｐ型半導体層側にドープされたＭｇの発光層への拡散が、III族窒化物半導体発光素子の寿命特性に影響するのではないかと考えた。そこで、活性層とｐ型半導体層との間の電子ブロック層にＳｉ含有不純物ドープ領域層を設けることにより、III族窒化物半導体発光素子の寿命を改善できることを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）ｎ型半導体層と、少なくともＡｌを含む発光層と、電子ブロック層と、ｐ型半導体層とをこの順に有するIII族窒化物半導体発光素子において、前記発光層は、井戸層と障壁層との積層による量子井戸構造を備え、前記電子ブロック層は、前記発光層に隣接し、かつ、前記障壁層および前記ｐ型半導体層よりもＡｌ組成の大きな層からなり、
前記電子ブロック層は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層を含み、前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域のドーパントは、Ｓｉのみであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。

（２）前記電子ブロック層は、前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層よりも前記ｐ型半導体層側にｐ型不純物ドープ領域層を更に含む、前記（１）に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（３）前記電子ブロック層は、アンドープ領域層を更に含む、前記（１）または（２）に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（４）前記アンドープ領域層は、前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層と、前記ｐ型不純物ドープ領域層との間に位置する、前記（３）に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（５）前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層は、前記発光層に隣接する、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（６）前記ｐ型半導体層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）からなるｐ型コンタクト層を有する前記（１）〜（５）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（７）前記ｐ型半導体層は、前記電子ブロック層よりもＡｌ組成の小さく、前記ｐ型コンタクト層よりもＡｌ組成の大きいｐ型クラッド層を、前記電子ブロック層と、前記ｐ型コンタクト層との間に更に有する、前記（６）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（８）前記ｐ型クラッド層はＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０．２０≦ｙ）である、前記（７）に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（９）前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層に含まれるＳｉの不純物濃度が、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（１０）前記障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）であり、前記電子ブロック層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｂ＜ｚ≦１）である、前記（１）〜（９）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（１１）前記発光層から放射される光が、中心波長が３００ｎｍ以下の深紫外光である、前記（１）〜（１０）のいずれかに記載のIII族窒化物半導体発光素子。

（１２）ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、前記ｎ型半導体層上に、少なくともＡｌを含み、井戸層および障壁層の積層による量子井戸構造の発光層を形成する発光層形成工程と、前記発光層上に、前記障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程と、前記電子ブロック層上に、ｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記電子ブロック層形成工程では、Ｓｉ含有不純物をドープしたＳｉ含有不純物ドープ領域層を形成し、該Ｓｉ含有不純物ドープ領域層の形成時のドーパントをＳｉのみとすることを特徴とする、III族窒化物半導体発光素子の製造方法。

本発明によれば、III族窒化物半導体発光素子のｐ型半導体層において、電子ブロック層にＳｉ含有不純物ドープ領域層を設けたので、従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子を説明する模式断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の好適な実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子における発光層、電子ブロック層およびｐ型半導体層を示す模式断面図である。 本発明の第２実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子を説明する模式断面図である。 本発明の好適な実施形態に従うIII族半導体発光素子の製造方法を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、同一の構成要素には原則として同一の参照番号を付して、説明を省略する。また、各図において、説明の便宜上、基板および各層の縦横の比率を実際の比率から誇張して示している。

（第１実施形態：III族窒化物半導体発光素子１００）
図１に示すように、本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００は、ｎ型半導体層３０と、少なくともＡｌを含む発光層４０と、電子ブロック層５０と、ｐ型半導体層６０とをこの順に有する。そして、発光層４０は、井戸層４１と障壁層４２との積層による量子井戸構造を備え、電子ブロック層５０は、発光層４０に隣接し、かつ、障壁層４２およびｐ型半導体層６０よりもＡｌ組成の大きな層からなり、電子ブロック層５０は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを含むことを特徴とする。

また、図１に示すように、III族窒化物半導体発光素子１００のｎ型半導体層３０を、基板１０の表面にＡｌＮ層２０が設けられたＡｌＮテンプレート基板上に設けることができる。また、III族窒化物半導体発光素子１００には、発光層４０、電子ブロック層５０およびｐ型半導体層６０の一部をエッチング等により除去し、露出したｎ型半導体層３０上に形成したｎ型電極７０と、ｐ型コンタクト層６２上に形成したｐ型電極８０とが設けられてもよい。本発明の一実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００において、ｎ型半導体層３０、発光層４０、電子ブロック層５０およびｐ型半導体層６０が特徴となる構成であり、そのうち、電子ブロック層５０が特に特徴となる構成である。上記のサファイア基板１０、ＡｌＮ層２０、ｎ型電極７０およびｐ型電極８０は一般的な構成とすることができ、具体的な構成は何ら限定されるものではない。なお、III族窒化物半導体発光素子１００における各半導体層は、例えばＡｌＧａＮ材料からなり、また、III族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよい。後述のIII族窒化物半導体発光素子２００についても同様である。以下、本発明の特徴となる構成である、ｎ型半導体層３０、発光層４０、電子ブロック層５０およびｐ型半導体層６０についてまず説明する。

ｎ型半導体層３０は、少なくともＡｌを含むIII族窒化物半導体層であり、III族窒化物半導体のｐｎ接合を構成する層であれば、一般的なｎ型半導体層を用いることができる。前述のとおり、ｎ型半導体層３０は、例えばＡｌＧａＮ材料からなり、また、III族元素としてのＡｌとＧａに対して５％以内の量のＩｎを含んでいてもよい。ｎ型半導体層３０には、ｎ型のドーパント（不純物）がドープされ、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓ，Ｏ，Ｔｉ，Ｚｒ等を例示することができる。ドーパント濃度は、ｎ型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１．０×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができる。また、ｎ型半導体層３０のＡｌ含有率は、特に制限はなく、一般的な範囲とすることができる。ｎ型半導体層３０を単層または複数層から構成することもできる。

発光層４０は、ｎ型半導体層３０上に設けられる。この発光層４０は、少なくともＡｌを含み、例えばＡｌ_aＧａ_1-aＮ材料（０＜ａ≦１）で形成することができる。ここで、Ａｌの組成は、所望の波長の光を発光するように適切に設定するが、Ａｌ組成ａが０．３５以上（すなわち、０．３５≦ａ≦１）の場合、発光層４０から放射される光の中心波長が３００ｎｍ以下となり、最終的に作製されるIII族窒化物半導体発光素子１００はＤＵＶ−ＬＥＤとなる。

この発光層４０は、Ａｌ組成の異なるＡｌＧａＮからなる井戸層４１と障壁層４２とを繰り返し形成した多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）で構成することができる。井戸層４１のＡｌ組成は、例えば０．３〜０．８である。障壁層４２のＡｌ組成ｂは、井戸層４１のＡｌ組成より大きく、例えば０．４０〜０．９５である。また、井戸層４１および障壁層４２の繰り返し回数は、例えば１〜１０回である。発光層４０の、ｎ型半導体層３０側および電子ブロック層５０側（すなわち最初と最後）を障壁層とすることが好ましく、井戸層４１および障壁層４２の繰り返し回数をｎとすると、この場合は「ｎ．５組の井戸層および障壁層」と表記することとする。さらに、井戸層４１の厚みは、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、障壁層４２の厚みは、３ｎｍ〜３０ｎｍとすることができる。

電子ブロック層５０は、発光層４０に隣接して設けられ、障壁層４２のＡｌ組成ｂおよびｐ型半導体層６０のＡｌ組成よりも大きな層からなる。電子ブロック層５０は一般的に、発光層とｐ型クラッド層との間に設けることにより、電子を堰止めして、電子を発光層４０（ＭＱＷの場合には井戸層４１）内に注入して、電子の注入効率を高めるための層として用いられる。特に、発光層４０のＡｌ組成が高い場合には、ｐ型半導体層６０のホール濃度が低いため、ホールを発光層４０に注入しにくく、一部の電子がｐ型半導体層６０側に流れてしまうが、電子ブロック層５０を設けることにより、こうした電子の流れを防止することができる。なお、本発明において、「電子ブロック層」のＡｌ組成ｚは、発光層４０を構成する障壁層４２のＡｌ組成ｂよりも大きく、バンドギャップが大きな層を意味している。対して、「クラッド層」のＡｌ組成は、電子ブロック層のＡｌ組成よりも０．１を超えて小さく、ｐ型コンタクト層よりも０．１を超えて大きいものを指す。後述するが、ｐ型半導体層６０はｐ型クラッド層６１を有していても、有していなくてもいずれでもよい。一実施形態においてIII族窒化物半導体発光素子１００にｐ型クラッド層６１が設けられる場合、ｐ型クラッド層６１のＡｌ組成ｙは、電子ブロック層５０のＡｌ組成ｚおよびｐ型コンタクト層６２のＡｌ組成ｘを用いると、ｘ＋０．１＜ｙ＜ｚ−０．１である。なお、中心波長が３００ｎｍ以下において使用されるｐ型のＡｌＧａＮはＡｌ組成が大きいほど電流が流れにくいため、従来クラッド層として使用されるＡｌ組成は、障壁層のＡｌ組成以下であることが多い。このため、本発明における電子ブロック層と従来技術におけるクラッド層とは、障壁層のＡｌ組成を基準として区別することとする。

電子ブロック層５０は、例えばＡｌ_zＧａ_1-zＮ材料（ｂ＜ｚ≦１）で形成することができる。障壁層４２のＡｌ組成にもよるが、例えばこの電子ブロック層５０のＡｌ組成は、０．５以上１．０以下（すなわち、ｂ＜ｚ≦１かつ０．５≦ｚ）とすることが好ましい。これにより、井戸層４１への電子の注入効率を高めることができる。また、電子ブロック層５０全体の厚みは、例えば６ｎｍ〜６０ｎｍであることが好ましい。電子ブロック層５１の厚さが６ｎｍより薄くても６０ｎｍを超えても、出力の大幅な減少がみられるためである。なお、電子ブロック層５０の厚みは、障壁層４２の厚みよりは厚いことが好ましい。電子ブロック層にＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設ける技術的意義については後述する。なお、電子ブロック層の一部または全部にはＳｉに加えてｐ型ドーパントをドープしてもよく、その場合、ｐ型ドーパントとしては、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｂｅ，Ｍｎ等を例示することができる。ｐ型半導体層６０全体の平均ドーパント濃度は、ｐ型として機能することのできるドーパント濃度であれば特に限定されず、例えば１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜５．０×１０²¹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができる。

本実施形態において、ｐ型半導体層６０はｐ型コンタクト層６２を少なくとも有する。該ｐ型コンタクト層６２は、Ａｌ組成ｘが０≦ｘ≦０．１である、ｐ型のＡｌ_xＧａ_1-xＮ材料とすることができる。ｐ型コンタクト層６２は、この上に形成されるｐ型電極８０と電子ブロック層５０との間の接触抵抗を低減するための層であり、ｐ型コンタクト層６２上に形成されるｐ型電極８０との接触抵抗を十分に低減することができる。特に、ｘ＝０（すなわち、ＧａＮ）とすることが好ましい。このｐ型コンタクト層６２をｐ型とするためのドーパントとしては、マグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）を用いることができる。ｐ型コンタクト層６２の厚みを５ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。図示しないが、ｐ型コンタクト層６２は、Ａｌ組成、ドーパント種、ドーパント濃度、形成時のキャリアガス種などのいずれか１つまたは複数要素を変えた、複数層構造としてもよい。

ここで、電子ブロック層５０にＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けることが本発明において肝要である。なお、電子ブロック層５０全体をＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａとしてもよい（図１）。実施例において後述するが、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けることにより、III族窒化物半導体発光素子１００の素子寿命を改善することができることが、本発明者らの実験結果により明らかとなったのである。

素子寿命を向上することができる理由が理論的に明らかになったわけではないが、本発明者らはその理由を以下のように考えている。すなわち、ｐ型半導体層にドープされるＭｇは、発光層に拡散しやすく、Ｍｇ起因の欠陥が発光層に生じるために、それが原因となって素子寿命が低下すると考えられる。一方、通常ｎ型ドーパントとして用いられるＳｉは、発光層に拡散しづらく、またＭｇの拡散を抑制できると考えられる。そこで、発光層とｐ型半導体層の間の電子ブロック層にＳｉをドープすることにより、Ｍｇ起因の欠陥をトラップできるのではないかと本発明者らは考えている。なお、代表的なｐ型ドーパントとしてＭｇの例を用いて説明したが、他のｐ型不純物を用いてｐ型半導体層６０を形成しても、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けることで、同様の現象が生じる。このように、電子ブロック層５０にＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けることで、素子寿命を向上することができたのだと推測される。

本実施形態において、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａのドーパントは、Ｓｉを含有する不純物であればよく、Ｓｉのみとすることができるし、ＳｉおよびＭｇとすることもできる。Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａのドーパントがＳｉのみである場合、Ｓｉの不純物濃度を、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができ、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることが好ましく、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜６×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることがより好ましい。

一方、Ｍｇをドープすることでホール注入効率を高めて、発光出力を維持しまた順方向電圧を低減しつつ、ＳｉをドープすることでＭｇの発光層への拡散を抑制し、寿命の悪化を抑制することができる。そのため、Ｓｉ含有不純物ドープ領域のドーパントを、ＳｉおよびＭｇとすることも好ましい。この場合、Ｓｉの不純物濃度の好適範囲はＳｉのみをドープする場合と同様であり、Ｍｇの不純物濃度については、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができる。また、両者の不純物濃度の合計を２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができる。

以上のとおり、本実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００は、電子ブロック層５０にＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けたので、従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子を実現することができる。

ここで、図２（Ａ）に示すように、本実施形態において、電子ブロック層５０は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａよりもｐ型半導体層６０側にｐ型不純物ドープ領域層５０ｃを更に含むことが好ましい。なお、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃは、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａとｐ型半導体層６０との間に位置する。ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃを設けることにより、ｐ型不純物がドープされてホール注入効率が高まるため、順方向電圧を低減することができる。なお、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃのドーパントは特に限定されないが、Ｍｇとすることが好ましい。また、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃを設ける場合、その厚みを０ｎｍ超６０ｎｍ以下とすることができ、１０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることが好ましく、２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることがより好ましい。

また、電子ブロック層５０は、アンドープ領域層５０ｂを更に含むことが好ましく、図２（Ｂ）に示すように、アンドープ領域層５０ｂは、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａと、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃとの間に位置することがより好ましい。Ｓｉ不純物ドープ層を薄く設けると、ｐ型不純物の発光層への拡散距離が短くなり、寿命の改善率は小さくなるが、発光出力の低下を抑制することができる。そこで、アンドープ領域層５０ｂをＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａと、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃとの間に挿入することで、Ｓｉドープ層の厚さを適切にしつつ、ｐ型不純物の発光層への距離を保って、電子ブロック層へのＳｉドープに起因する発光出力の低減および順方向電圧の上昇を抑制しつつ、素子寿命を改善することができる。

また、電子ブロック層５０にアンドープ領域層が複数設けられてもよく、例えば図２（Ｃ）に示すように、電子ブロック層５０は第１のアンドープ層５０ｂ₁、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａ、第２のアンドープ層５０ｂ₂、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃをこの順に含んでもよい。一方、図２（Ａ），（Ｂ）に示すとおり、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層は、発光層４０に隣接することも好ましい。かかる位置関係とすることで、前述のｐ型不純物拡散の抑制効果がより確実となる。

なお、アンドープ領域層が「アンドープ」であるとは、ＭｇやＳｉ等の特定の不純物を意図的には添加していない層であり、不可避的な不純物の混入はあってよい。本発明では、電気的にｐ型またはｎ型として機能せず、キャリア密度が小さいもの（例えば４×１０¹⁶／ｃｍ³未満）をアンドープ領域層とする。アンドープ領域層５０ｂの厚みは、１ｎｍ〜６０ｎｍとすることができ、５ｎｍ〜５０ｎｍとすることが好ましい。電子ブロック層５０がＳｉ含有不純物ドープ領域層、アンドープ領域層およびｐ型不純物ドープ領域層を有する場合、電子ブロック層５０全体の厚みを６０ｎｍ以下とした上で、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａの厚みを１〜２０ｎｍ（好ましくは５〜１０ｎｍ）、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃの厚みを１〜２０ｎｍ（好ましくは５〜１０ｎｍ）とし、残りをアンドープ領域層５０ｂとすることが特に好ましい。

なお、本実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００において、ｐ型クラッド層は任意であり、設けなくてもよい。すなわち、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、ｐ型半導体層６０を、ｐ型コンタクト層６２のみから構成することができる。一方、図２（Ｄ）に示すように、ｐ型半導体層６０は、電子ブロック層５０よりもＡｌ組成の小さく、障壁層４２よりもＡｌ組成の小さいｐ型クラッド層６１を、電子ブロック層５０と、ｐ型コンタクト層６２との間に更に有してもよい。この場合、電子ブロック層５０とｐ型コンタクト層６２のバンドギャップ差を分割することで、ホール注入効率を向上することができるため、ｐ型クラッド層６１を設けることにより、III族窒化物半導体発光素子１００の発光出力および順方向電圧を改善することができる。なお、ｐ型クラッド層５２を設ける場合、その厚みは、２ｎｍ〜３００ｎｍとすることができる。この場合、ｐ型クラッド層６１を、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０．２０≦ｙ＜ｂ）とすることができ、ｐ型クラッド層６１Ａｌ組成ｙを０．３５≦ｙ＜ｂとすることもできる。なお、図示しないが、ｐ型クラッド層６１は、Ａｌ組成を変えた複数層構造としてもよい。この場合、発光層側のｐ型クラッド層を第１ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層側のｐ型クラッド層を第２ｐ型クラッド層とすると、第１ｐ型クラッド層のＡｌ組成を、第２ｐ型クラッド層とのＡｌ組成よりも大きくすることが好ましい。

以下に、図１に示した基板１０、ＡｌＮ層２０、ｎ型電極７０およびｐ型電極８０について、それらの具体的な態様を例示的に説明するが、種々の変形が可能である。既述のとおり、本発明に従う実施形態において、図１に示したサファイア基板１０、ＡｌＮ層２０、ｎ型電極７０およびｐ型電極８０は、本発明を何ら限定するものではない。

III族窒化物半導体発光素子１００の基板１０として、サファイア基板を用いることができる。サファイア基板の表面にエピタキシャル成長させたＡｌＮ層２０が設けられたＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい。サファイア基板としては、任意のサファイア基板を用いることができ、オフ角の有無は任意であり、オフ角が設けられている場合の傾斜方向の結晶軸方位は、ｍ軸方向またはａ軸方向のいずれでもよい。例えば、サファイア基板の主面を、Ｃ面が０．５度のオフ角θで傾斜した面とすることができる。ＡｌＮテンプレート基板を用いる場合、サファイア基板表面のＡｌＮ層の結晶性が優れていることが好ましい。また、ＡｌＮテンプレート基板の表面に、アンドープのＡｌＧａＮ層が設けられていることも好ましい。

ｎ型電極７０は、例えばＴｉ含有膜およびこのＴｉ含有膜上に形成されたＡｌ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。また、ｐ型電極８０についても、例えばＮｉ含有膜およびこのＮｉ含有膜上に形成されたＡｕ含有膜を有する金属複合膜とすることができ、その厚み、形状およびサイズは、発光素子の形状およびサイズに応じて適宜選択することができる。

（第２実施形態：III族窒化物半導体発光素子２００）
前述の第１実施形態により、III族窒化物半導体発光素子１００の素子寿命を改善することができる。本発明者らは、III族窒化物半導体発光素子１００により素子寿命の向上効果は得られるものの、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けない場合に比べて発行出力が僅かながらでも低下する場合があることを知見した。Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを設けつつ、素子寿命の改善および出力改善の両立を図るべく、本発明者らは更に鋭意検討し、以下に詳細を説明する第２実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子２００を完成した。

すなわち、本発明の第２実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子２００は、図３に示すように、ｎ型半導体層３０と、少なくともＡｌを含む発光層４０と、電子ブロック層５０と、ｐ型半導体層６０とをこの順に有する。そして、発光層４０は、井戸層４１と障壁層４２との積層による量子井戸構造を備え、電子ブロック層５０は、発光層４０に隣接し、かつ、障壁層４２およびｐ型半導体層６０よりもＡｌ組成の大きな層からなり、電子ブロック層５０は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを含み、電子ブロック層５０は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａよりも発光層４０側にｐ型不純物ドープ領域層５０ｄを更に含むことを特徴とする。第１実施形態と重複する構成については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第１実施形態と、第２実施形態とでは、電子ブロック層５０が、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａよりも発光層４０側にｐ型不純物ドープ領域層５０ｄを更に含む点で異なる。本発明者らの検討によると、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄをこの位置に設けた場合、素子寿命の改善および出力改善を両立できることが実験的に明らかとなった。本発明者らは、このような効果が得られる理由を、後述の参考実験例２の結果から以下のように考えている。すなわち、Si含有不純物ドープ層５０ａが発光層４０側にあると、発光層４０へのＳｉ注入前に正孔が再結合してＳｉ注入が阻害され、出力低下の要因となり得る。ここで、ｐ型不純物濃度（参考実験例２ではＭｇ）は、電子ブロック層５０よりｐ型コンタクト層６２の方が高く、Mg拡散の影響が大きい。そのため、電子ブロック層５０により近い側にSi含有不純物ドープ層５０ａを設けてもＭｇ（すなわちｐ型不純物）の十分に拡散を抑制でき、素子寿命の改善に効果がある。

本実施形態において、電子ブロック層５０はｐ型不純物ドープ領域層５０ｄおよびＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａのみから構成することができる。なお、電子ブロック層５０は、第１実施形態と同様に、ｐ型半導体層６０側にさらにアンドープ領域層５０ｂまたはｐ型不純物ドープ領域層５０ｃをさらに含んでもよい。ただし、アンドープ領域層５０ｂの挿入は発光出力の観点では出力低下の要因になり得るため、アンドープ領域層５０ｂを設けない方が好ましい。

また、本実施形態において、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄの厚みは特に制限されないが、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましく、１５ｎｍ以上８０ｎｍ以下とすることがより好ましい。一方、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａの厚みも特に制限されないが、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることが好ましく、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることがより好ましい。この際、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄの厚みを、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａの厚みよりも大きくすることができる。また、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄおよびＳｉ含有不純物ドープ領域層の合計厚みは特に制限されないが、１２ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることができる。

また、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄのドーパントは、Ｍｇであることが好ましい。この場合、Ｍｇの不純物濃度については、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができる。また、両者の不純物濃度の合計を２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができる。ただし、第１実施形態にも既述のとおり、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄのドーパントをＭｇ以外のｐ型のドーパントを用いてもよい。

また、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａのドーパントは、ＳｉおよびＭｇであることが好ましい。この場合、Ｓｉの不純物濃度を５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができ、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下することがより好ましい。Ｓｉの不純物濃度が高くなりすぎると、出力が低下する場合がある。なお、本実施形態では、Ｓｉを含有させる位置を発光層から離しているため前述の第１実施形態に比べてＳｉ濃度をより高くすることができている。Ｓｉを含有させる位置を発光層から離し、かつ、より高濃度のＳｉをＭｇと混在させることでＳｉによるＭｇの拡散抑制効果を高めることで、素子寿命の改善および出力改善の両立することができ、好ましい。

そして、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａのドーパントがＳｉおよびＭｇであるとき、Ｍｇの不純物濃度を１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができ、５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることがより好ましい。また、ＳｉおよびＭｇの両者の合計不純物濃度を２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜２×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができ、５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることがより好ましい。ただし、第１実施形態にも既述のとおり、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａのドーパントをＳｉのみとしてもよい。Ｓｉのみとする場合も、Ｓｉの不純物濃度を５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜５×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³とすることができ、２×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下とすることがより好ましい。

なお、第１実施形態と同様に、前記障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）であり、前記電子ブロック層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｂ＜ｚ≦１）とすることができる。また、発光層から放射される光を、中心波長が３００ｎｍ以下の深紫外光とすることができるのも、第１実施形態と同様である。

また、第１実施形態と同様に、本実施形態においてもｐ型クラッド層は任意であり、設けなくてもよい。すなわち、ｐ型半導体層６０をｐ型コンタクト層のみから構成することができる。

（第３実施形態：III族窒化物半導体発光素子の製造方法）
本発明の第３実施形態に従うIII族窒化物半導体発光素子１００の製造方法は、ｎ型半導体層３０を形成するｎ型半導体層形成工程（図４（Ｅ））と、ｎ型半導体層３０上に、少なくともＡｌを含み、井戸層４１および障壁層４２の積層による量子井戸構造の発光層４０を形成する発光層形成工程（図４（Ｆ））と、発光層４０上に、障壁層４２よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層５０を形成する電子ブロック層形成工程（図４（Ｇ））と、電子ブロック層５０上に、ｐ型半導体層６０を形成するｐ型半導体層形成工程（図４（Ｈ））と、を含む。本実施形態は、電子ブロック層形成工程において、Ｓｉ含有不純物をドープしたＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを形成することを特に特徴とする。以下、第２実施形態の好適な実施形態に従うフローチャートを示す図４を用いて各工程を順次説明するが、前述の第１実施形態または第２実施形態と重複する説明については省略する。

まず、基板１０としてサファイア基板を用意する。基板１０の表面１０ＡにＡｌＮ層を形成したＡｌＮテンプレート基板を形成することが好ましく、市販のＡｌＮテンプレート基板を用いてもよい（図４（Ａ）〜図４（Ｂ））。なお、ＡｌＮ層２０は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線エピタキシ（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、スパッタ法などの公知の薄膜成長方法により形成することができる。

ＡｌＮ層２０のＡｌ源としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることができる。また、Ｎ源としては、アンモニア（ＮＨ₃）ガスを用いることができる。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスを用いることにより、ＡｌＮ層２０を形成することができる。

なお、ＡｌＮ層２０の成長温度としては、１２７０℃以上１３５０℃以下が好ましく、１２９０℃以上１３３０℃以下がより好ましい。この温度範囲であれば、続いて熱処理工程を行う場合にＡｌＮ層２０の結晶性を向上することができる。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば５Ｔｏｒｒ〜２０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、８Ｔｏｒｒ〜１５Ｔｏｒｒである。

また、ＮＨ₃ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）については、例えば１３０以上１９０以下とすることができる。より好ましくは１４０以上１８０以下である。なお、成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましい。

続いて、上述のようにして得られた、サファイア基板１０上のＡｌＮ層２０に対して、このＡｌＮ層２０の成長温度よりも高温で熱処理を施すことが好ましい。この熱処理工程は、公知の熱処理炉を用いて行うことができる。かかる熱処理を行うことにより、ＡｌＮ層２０の（１０−１２）面のＸ線ロッキングカーブの半値幅を４００秒以下とし、高い結晶性を実現することができる（図４（Ｃ））。

その後、図４（Ｄ）に例示するように、ＡｌＮ層２０上に、アンドープのＡｌＧａＮ層２０’を形成することも好ましい。Ａｌ源としてＴＭＡ、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、Ｎ源としてＮＨ₃ガスを用いることで、ＡｌＧａＮ材料からなる層を形成することができ、以下に説明するｎ型半導体層、発光層、電子ブロック層およびｐ型半導体層の形成についても同様である。これらの原料ガスを、キャリアガスとして水素ガスもしくは窒素ガスまたは両者の混合ガスを用いてチャンバ内に供給すればよく、一般的には水素ガスが用いられる。また、ＮＨ₃ガスなどのV族元素ガスと、ＴＭＡガスなどのIII族元素ガスの成長ガス流量を元に計算されるIII族元素に対するV族元素のモル比（以降、V/III比と記載する）については、例えば１００以上１０００００以下とすることができる。より好ましくは３００以上３００００以下である。成長温度および成長圧力に応じて最適なV/III比が存在するため、成長ガス流量を適宜設定することが好ましいのはＡｌＮ層２０を形成する場合と同様である。

次に、ｎ型半導体層３０を形成するｎ型半導体層形成工程を行う（図４（Ｅ））。ｎ型半導体層３０は、ＡｌＮ層２０上に形成することができ、アンドープのＡｌＧａＮ層２０’上に形成することが好ましい。ｎ型ドーパントについては既述のとおりである。

続いて、図４（Ｆ）に示すように、発光層４０を形成する発光層形成工程を行う。発光層４０をＭＱＷ構造とする場合には、Ａｌ源の流量とＧａ源の流量の比を適切に変更することにより、ＭＱＷ構造を有する発光層４０を形成することができる。発光層４０をＡｌ_aＧａ_1-aＮ材料（０＜ａ≦１）で形成する場合、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ材料の成長温度としては、１０００℃以上１４００℃以下が好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下がより好ましい。

次に、図４（Ｇ）に示すように、発光層４０の上に電子ブロック層５０を形成する電子ブロック層形成工程を行う。上述のように、電子ブロック層５０は、Ｓｉ含有不純物をドープしたＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを含む。また、前述のとおり、電子ブロック層５０が、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃを更に含む２層構造とすることが好ましく、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａと、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃとの間にアンドープ領域層５０ｂを更に有する３層構造とすることも好ましい。

Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを形成するためのドーパントとしては、Ｓｉ単独またはＳｉおよびＭｇとすることができる。Ｓｉ源としては、モノシラン（ＳｉＨ₄）などを用いることができ、Ｍｇ源としては、シクロペンタジニエルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を用いることができる。ＳｉおよびＭｇを混合してドープする場合には、両者の混合ガスをチャンバに供給すればよい。

また、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃを形成するためのドーパントとしては、ＭｇやＺｎを用いることができる。Ｍｇ源はＣＰ₂Ｍｇを用いることができ、Ｚｎ源としては、ＺｎＣｌ₂を用いることができる。

電子ブロック層５０をＡｌ_zＧａ_1-zＮ材料（ｂ＜ｚ≦１）で形成する場合、電子ブロック層５０の形成は、キャリアガスとして水素を主成分とするガスを用いることができる。原料ガスは既述のとおりＴＭＡ、ＴＭＧおよびＮＨ₃ガスであり、さらに、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層５０ａ、アンドープ領域層５０ｂおよびｐ型不純物ドープ領域層５０ｃに応じた不純物ガスを用いる。

なお、電子ブロック層５０の成長温度としては、１０００℃以上１４００℃以下が好ましく、１０５０℃以上１３５０℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、２０Ｔｏｒｒ〜３８０Ｔｏｒｒである。

次に、図４（Ｈ）に示すように、電子ブロック層５０上にｐ型半導体層６０を形成する。ｐ型半導体層６０は、ｐ型コンタクト層６２を有し、該ｐ型コンタクト層６２は、ｐ型のＡｌ_xＧａ_1-xＮ材料（０≦ｘ≦０．１）で形成する。ｐ型コンタクト層６２をｐ型とするためのドーパントとしては、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｃの場合と同様、Ｍｇや亜鉛Ｚｎを用いることができる。Ｍｇ源およびＺｎ源も同様である。

ｐ型コンタクト層６２を有するｐ型半導体層６０の成長温度としては、８００℃以上１４００℃以下が好ましく、９００℃以上１３００℃以下がより好ましい。また、チャンバ内の成長圧力については、例えば１０Ｔｏｒｒ〜７６０Ｔｏｒｒとすることができる。より好ましくは、２０Ｔｏｒｒ〜６００Ｔｏｒｒである。キャリアガスとしては、既述のとおり水素ガスもしくは窒素ガスまたは両者の混合ガスを用いることができる。図示しないが、ｐ型コンタクト層６２を複数層とする場合、電子ブロック層側のキャリアガスを水素ガスとし、反対側を窒素ガスとすることもできるし、その逆としてもよい。ｐ型クラッド層を設けてもよいのは、既述のとおりである。

最後に、図４（Ｉ）に示すように、発光層４０、電子ブロック層５０およびｐ型半導体層６０の一部をエッチング等により除去し、露出したｎ型半導体層３０上にｎ型電極７０を、ｐ型コンタクト層６２上にｐ型電極８０をそれぞれ形成することができる。こうして、本発明の好適な実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子１００を作製することができる。

また、図示しないが、第２実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子２００を製造するためには、図４（Ｇ）を用いて説明した発光層４０の上に電子ブロック層５０を形成する電子ブロック層形成工程において、ｐ型不純物ドープ領域層５０ｄを発光層４０上に形成し、次いでＳｉ含有不純物ドープ領域層５０ａを形成すればよい。そして、その他の工程については第１実施形態に係るIII族窒化物半導体発光素子１００と同様に行えば、III族窒化物半導体発光素子２００を製造することができる。

［実験例１］
（発明例１）
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。図４に示したフローチャートに従って、III族窒化物半導体発光素子を作製した。まず、サファイア基板（直径２インチ、厚さ：４３０μｍ、面方位：（０００１）、ｍ軸方向オフ角θ：０．５度、テラス幅：１００ｎｍ、ステップ高さ：０．２０ｎｍ）を用意した（図４（Ａ））。次いで、ＭＯＣＶＤ法により、上記サファイア基板上に中心膜厚０．６０μｍ（平均膜厚０．６１μｍ）のＡｌＮ層を成長させ、ＡｌＮテンプレート基板とした（図４（Ｂ））。その際、ＡｌＮ層の成長温度は１３００℃、チャンバ内の成長圧力は１０Ｔｏｒｒであり、V/III比が１６３となるようにアンモニアガスとＴＭＡガスの成長ガス流量を設定した。V族元素ガス（ＮＨ₃）の流量は２００ｓｃｃｍ、III族元素ガス（ＴＭＡ）の流量は５３ｓｃｃｍである。なお、ＡｌＮ層の膜厚については、光干渉式膜厚測定機（ナノスペックM6100A；ナノメトリックス社製）を用いて、ウェーハ面内の中心を含む、等間隔に分散させた計２５箇所の膜厚を測定した。

次いで、上記ＡｌＮテンプレート基板を熱処理炉に導入し、１０Ｐａまで減圧後に窒素ガスを常圧までパージすることにより炉内を窒素ガス雰囲気とした後に、炉内の温度を昇温してＡｌＮテンプレート基板に対して熱処理を施した（図４（Ｃ））。その際、加熱温度は１６５０℃、加熱時間は４時間とした。

続いて、ＭＯＣＶＤ法により、アンドープのＡｌＧａＮ層として、Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎからなる層厚１μｍのアンドープＡｌ_0.7Ｇａ_0.3Ｎ層を形成した（図４（Ｄ））。次に、ｎ型半導体層として、Ａｌ０_.62Ｇａ_0.38Ｎからなり、Ｓｉドープした層厚２μｍのｎ型Ａｌ_0.62Ｇａ_0.38Ｎ層を上記ＡｌＧａＮ層上に形成した（図４（Ｅ））。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、ｎ型半導体層のＳｉ濃度は１．０×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である。

続いて、ｎ型半導体層上に、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ｎからなる層厚３ｎｍの井戸層およびＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎからなる層厚７ｎｍの障壁層を交互に３．５組繰り返して積層した発光層を形成した（図４（Ｆ））。３．５組の０．５は、発光層の最初と最後を障壁層としたことを表す。

その後、発光層上に、水素ガスをキャリアガスとして、Ａｌ_0.68Ｇａ_0.32Ｎからなる層厚４０ｎｍの電子ブロック層を形成した（図４（Ｇ））。電子ブロック層の形成にあたり、はじめの５ｎｍ（Ｓｉ含有不純物ドープ領域層に相当）はモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスを１０ｓｃｃｍでチャンバ内に供給し、次の１５ｎｍ（アンドープ領域層に相当）ではドーパントガスの供給を止め、残り２０ｎｍ（ｐ型不純物ドープ領域層に相当）ではＭｇをドープした。なお、ＳＩＭＳ分析の結果、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層のＳｉ濃度は６．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、アンドープ領域層の不純物濃度は４．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり、ｐ型不純物ドープ領域層のＭｇ濃度は５．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。

さらに、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎからなり、Ｍｇドープした層厚５０ｎｍのｐ型クラッド層を形成した。続いて、ＧａＮからなり、Ｍｇドープした層厚１８０ｎｍのｐ型コンタクト層を形成した。なお、層厚１８０ｎｍの内の、電極に接する厚さ３０ｎｍの領域においては、ＴＭＧガスの流量を減らしてＭｇの存在確率を上げ、かつ、成長速度を落とすことにより高Ｍｇ濃度の層とした（図４（Ｈ））。ＳＩＭＳ分析の結果、このｐ型クラッド層のＭｇ濃度は１．０×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、ｐ型クラッド層側の層厚１５０ｎｍ部分のｐ型コンタクト層のＭｇ濃度は３．０×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、高Ｍｇ濃度とした残り３０ｎｍ部分のＭｇ濃度は１．２×１０²⁰ａｔｏｍ／ｃｍ³であった。

その後、ｐ型コンタクト層の上にマスクを形成してドライエッチングによるメサエッチングを行い、ｎ型半導体層を露出させた。次いで、ｐ型コンタクト層上に、Ｎｉ／Ａｕからなるｐ型電極を形成し、露出したｎ型半導体層上には、Ｔｉ／Ａｌからなるｎ型電極を形成した。なお、ｐ型電極のうち、Ｎｉの厚みは５０Åであり、Ａｕの厚みは１５００Åである。また、ｎ型電極のうち、Ｔｉの厚みは２００Åであり、Ａｌの厚みは１５００Åである。最後に５５０℃でコンタクトアニール（ＲＴＡ）を行って、電極を形成した（図４（Ｉ））。こうして発明例１に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。発明例１の層構造を表１に示す。

（発明例２）
電子ブロック層においてアンドープ領域層を形成せず、電子ブロック層のはじめの２０ｎｍをＳｉドープした以外の条件は発明例１と全て同じとして、発明例２に係る窒化物半導体発光素子を作製した。

（従来例１）
電子ブロック層の全てをＭｇドープとした以外の条件は、発明例１と全て同じとして、従来例１に係る窒化物半導体発光素子を作製した。

以上の発明例１〜２および従来例１の、電子ブロックの構成を以下の表２に示す。また、後述の評価結果も併せて示す。

（参考例３）
電子ブロック層の全てをＳｉおよびＭｇドープして、電子ブロック層全体の層厚を２０ｎｍとし、電子ブロック層とＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ｎからなるｐ型クラッド層との間に更にＡｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎからなり、Ｍｇドープした層厚２０ｎｍのｐ型クラッド層を形成した以外の条件は、発明例１と全て同じとして、参考例３に係る窒化物半導体発光素子を作製した。なお、電子ブロックへのドープにあたり、ＳｉＨ₄ガスを１０ｓｃｃｍで、Ｃｐ₂Ｍｇガスを５００ｓｃｃｍでチャンバ内に供給した。電子ブロック層のＳｉ濃度は６．０×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、Ｍｇ濃度は５．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。また、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎからなるｐ型クラッド層のＭｇ濃度は５．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。参考例３の層構造を表３に示す。

（従来例２）
電子ブロック層の全てをＭｇドープとした以外の条件は、参考例３と全て同じとして、従来例２に係る窒化物半導体発光素子を作製した。

（比較例１）
電子ブロック層の全てをアンドープとした以外の条件は、参考例３と全て同じとして、比較例１に係る窒化物半導体発光素子を作製した。

以上の参考例３、比較例１および従来例２の電子ブロック層の構造を表４に示す。また、後述の評価結果も併せて示す。

＜発光寿命の評価＞
発明例１について、作製したフリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子を、積分球により電流２０ｍＡのときの発光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定し、さらに１時間通電後の残存出力（１時間通電後の出力／初期発光出力）を測定したところ、初期の出力に対して９９％であった。結果を表３に示す。発明例２，３、比較例１、従来例１，２についても、同様に１時間経過後の残存出力を測定したところ、表３，４のとおりであった。

従来例１と、発明例１，２とを比べると、Ｓｉドープ層を設けた発明例１，２では、III族窒化物半導体発光素子の寿命を改善できたことが分かった。同様に、Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎからなるｐ型クラッド層を設けた従来例２と、参考例３とを比較すると、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層を設けた参考例３では、寿命を改善できたことが分かった。なお、従来例２と、比較例１とを比べると、電子ブロック層へのＭｇドープに代えて、アンドープにした場合は、かえって寿命を悪化させてしまうことが分かった。

＜発光特性および順方向電圧の評価＞
発明例１について、作製したフリップチップ型のIII族窒化物半導体発光素子を、積分球により電流２０ｍＡのときの発光出力Ｐｏ（ｍＷ）および順方向電圧Ｖ_f（Ｖ）をそれぞれ測定したところ、２．４ｍＷ、８．２Ｖであった。発明例２，参考例３、比較例１、従来例１，２についても、同様に発光出力Ｐｏおよび順方向電圧Ｖ_fを測定したところ、表３，４のとおりであった。

従来例１、発明例１，２を比べると、電子ブロック層内にアンドープ領域層を設けることにより、素子の寿命の改善効果が若干低減するものの、発光出力の低下を抑制できることがわかった。逆に、Ｓｉドープ層の厚みを大きくすることで、素子の寿命改善効果を最大化できることがわかった。また、従来例２と、参考例３とを比べると、ＳｉおよびＭｇをドープすることで、寿命を改善しつつ、順方向電圧を低減できることがわかった。

［参考実験例２］
上述の実験例１における発明例１，２および参考例３により、素子寿命等の信頼性の向上効果が確実に得られることが確認された。しかしながら、Ｓｉドープ層を設けていない従来例１，２に比べて発光出力が僅かでも低下する場合がある。そこで、発光出力を低下させることなく、信頼性を向上させる実験を以下のとおり行った。

（参考例４）
電子ブロック層を形成するときに、電子ブロック層全体の層厚を２０ｎｍとし、発光層側の１５ｎｍをＭｇドープ層とし、ｐ型半導体層側の残りの５ｎｍにＳｉおよびＭｇをドープした。そして、ｐ型半導体層を形成するときに、ｐ型クラッド層を形成せず、ｐ型コンタクト層のみを形成した。その他の条件は、発明例１と全て同じとして、参考例４に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。なお、電子ブロックへのＭｇドープおよびＳｉドープにあたり、Ｃｐ₂Ｍｇガスを２５０ｓｃｃｍでチャンバ内に供給して、層厚１５ｎｍを形成した後に、さらにＳｉＨ₄ガスを１２ｓｃｃｍ追加することで、ｐ型半導体層側の残りの５ｎｍにはＭｇおよびＳｉの両方をドープした。ＳＩＭＳ分析の結果、電子ブロック層のＭｇ濃度は、全体を通して２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、ＳｉおよびＭｇをドープした領域層のＳｉ濃度は２．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であった。参考例４の層構造を表５に示す。

（参考例５）
電子ブロック層の発光層側の１８ｎｍにＭｇをドープし、残りの２ｍにＭｇおよびＳｉをドープした以外は、参考例４と同様にして、参考例５に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。

（参考例６）
電子ブロック層の発光層側の６０ｎｍにＭｇをドープし、残りの２０ｍにＭｇおよびＳｉをドープした（すなわち、参考例４に対し電子ブロック層の厚さをそれぞれ４倍にした）以外は、参考例４と同様にして、参考例７に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。

（参考例７）
電子ブロック層の発光層側の７５ｎｍにＭｇをドープし、残りの５ｎｍにＭｇおよびＳｉをドープし、ＳｉおよびＭｇをドープした領域のＳｉ濃度を２．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³から１．０×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³に増大させた以外は、参考例６と同様にして、参考例７に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製した。

（比較例２）
電子ブロック層の全てをＭｇドープとした以外の条件は、参考例４と全て同じとして、
比較例２に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製した。

以上の参考例４〜７および比較例２の、電子ブロックの構成を以下の表６に示す。また、参考例４〜７および比較例２について、実験例１と同様に評価を行った。表６に、その評価結果を併せて示す。

※参考例７のＳｉ濃度は、１．０×１０¹⁹ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である。

以上の参考実験例２の結果から、電子ブロック層の発光層側にＭｇをドープしたｐ型不純物領域層を配置し、かつ、ｐ型半導体層側にＳｉ含有不純物ドープ領域層を配置することで、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層を設けない場合に比べても、発光出力の低下なく、むしろ発光出力を増大させつつ、信頼性を向上できることが分かった。

本発明によれば、従来よりも優れた素子寿命を有するIII族窒化物半導体発光素子およびその製造方法を提供することができるため、有用である。

１０ 基板
１０Ａ 基板の主面
２０ ＡｌＮ層
３０ ｎ型半導体層
４０ 発光層
４１ 井戸層
４２ 障壁層
５０ 電子ブロック層
５０ａ Ｓｉ含有不純物ドープ領域層
５０ｂ アンドープ領域層
５０ｃ ｐ型不純物ドープ領域層
５０ｄ ｐ型不純物ドープ領域層
６０ ｐ型半導体層
６１ ｐ型クラッド層
６２ ｐ型コンタクト層
７０ ｎ型電極
８０ ｐ型電極
１００ III族窒化物半導体素子

Claims (12)

1. ｎ型半導体層と、少なくともＡｌを含む発光層と、電子ブロック層と、ｐ型半導体層とをこの順に有するIII族窒化物半導体発光素子において、
   前記発光層は、井戸層と障壁層との積層による量子井戸構造を備え、
   前記電子ブロック層は、前記発光層に隣接し、かつ、前記障壁層および前記ｐ型半導体層よりもＡｌ組成の大きな層からなり、
   前記電子ブロック層は、Ｓｉ含有不純物ドープ領域層を含み、
   前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域のドーパントは、Ｓｉのみであることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
2. 前記電子ブロック層は、前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層よりも前記ｐ型半導体層側にｐ型不純物ドープ領域層を更に含む、請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
3. 前記電子ブロック層は、アンドープ領域層を更に含む、請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
4. 前記アンドープ領域層は、前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層と、前記ｐ型不純物ドープ領域層との間に位置する、請求項３に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
5. 前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層は、前記発光層に隣接する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
6. 前記ｐ型半導体層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦０．１）からなるｐ型コンタクト層を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
7. 前記ｐ型半導体層は、前記電子ブロック層よりもＡｌ組成の小さく、前記ｐ型コンタクト層よりもＡｌ組成の大きいｐ型クラッド層を、前記電子ブロック層と、前記ｐ型コンタクト層との間に更に有する、請求項６に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
8. 前記ｐ型クラッド層はＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０．２≦ｙ）である、請求項７に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
9. 前記Ｓｉ含有不純物ドープ領域層に含まれるＳｉの不純物濃度が、５×１０¹⁶ａｔｏｍｓ／ｃｍ³〜１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³である請求項１〜８のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
10. 前記障壁層はＡｌ_bＧａ_1-bＮ（０．４≦ｂ≦０．９５）であり、前記電子ブロック層はＡｌ_zＧａ_1-zＮ（ｂ＜ｚ≦１）である、請求項１〜９のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
11. 前記発光層から放射される光が、中心波長が３００ｎｍ以下の深紫外光である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光素子。
12. ｎ型半導体層を形成するｎ型半導体層形成工程と、
    前記ｎ型半導体層上に、少なくともＡｌを含み、井戸層および障壁層の積層による量子井戸構造の発光層を形成する発光層形成工程と、
    前記発光層上に、前記障壁層よりＡｌ組成の大きい電子ブロック層を形成する電子ブロック層形成工程と、
    前記電子ブロック層上に、ｐ型半導体層を形成するｐ型半導体層形成工程と、を含むIII族窒化物半導体発光素子の製造方法において、
    前記電子ブロック層形成工程では、Ｓｉ含有不純物をドープしたＳｉ含有不純物ドープ領域層を形成し、該Ｓｉ含有不純物ドープ領域層の形成時のドーパントをＳｉのみとすることを特徴とする、III族窒化物半導体発光素子の製造方法。

Images