JP2009130097A - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大電流駆動時の電気−光変換効率を向上することができるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】基板と、ｎ型コンタクト層と、複数のバリア層及び量子井戸層からなり最上部が量子井戸層である活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型コンタクト層とがこの順に積層されている。あるいは、基板と、ｎ型コンタクト層と、複数のバリア層及び量子井戸層からなり最上部がバリア層である活性領域と、グレーデッドな組成を有するブロッキング層と、ｐ型コンタクト層とがこの順に積層されている。好ましくはブロッキング層の成長開始時における成長温度が活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示用、照明用、ディスプレイ用、光ディスク用などの光源として用いることのできるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関し、特に、大電流駆動時に電気・光変換効率を向上することができるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法に関する。

ＩＩＩ族元素であるＧａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｉｎ（インジウム）、及びＶ族元素であるＮ（窒素）の二元、三元、及び四元混晶からなるＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰなどの化合物半導体に比べてワイドバンドギャップであるため、紫外、青色、緑色等の短波長を発する発光素子用材料として適している。

ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である青色ＬＥＤ（発光ダイオード）と黄色蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤの電気−光変換効率は、蛍光灯と同程度である。今後のさらなる電気−光変換効率の向上により、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は省エネルギー光源として白熱電球や蛍光灯を置き換えることが期待されている。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は半導体レーザとすることもでき、高記録密度光ディスク用光源として用いられている。
特表２００３−５２７７４５号公報 特開２００５−２１７４２１号公報 特開２００５−２１７４１５号公報 特開平８−２５０８１０号公報（図３１及び図３２）

現在のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、低電流領域に比べて大電流領域（より正確には大電流密度領域）では電気−光変換効率が低下するという問題点があった。

この原因については、大電流を流すことによる発熱などが考えられるが、発熱の影響を除去するためにパルス駆動した場合においても電気−光変換効率の低下が見られる。この原因については諸説があるが、本発明者らは、ＩＩＩ族窒化物半導体に特有のピエゾ電気効果の影響に着目した。特許文献１、２及び３によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体に特有なピエゾ電気効果に伴うバンドギャップ構造に起因する問題が提起されている。

また、ＩＩＩ族窒化物半導体において超格子を用いたブロッキング層に関連する技術が、特許文献４に開示されている。

本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、前記活性領域の最上部が前記量子井戸層であって、前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記バリア層よりもバンドギャップが大きい。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部に接する第１の部分と、前記第１の部分に接し前記第１の部分よりも前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に近い第２の部分とを備え、前記第２の部分のバンドギャップが前記第１の部分のバンドギャップより大きい。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部における量子井戸層に接し、前記活性領域の最上部から離れるに従ってバンドギャップが増加するグレーデッド組成部を備える。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、バンドギャップが一定な一定組成部をさらに備える。

本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、その最上部がバリア層であって、前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記活性領域から離れるにつれてバンドギャップが前記バリア層より増加するグレーデッド組成部を備える。

本発明は、好ましくは、前記グレーデッド組成部の厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層の少なくとも一部は、ＩｎとＡｌとを共に含むＡｌＧａＩｎＮ化合物半導体である。

本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、前記活性領域の最上部が前記量子井戸層であって、前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記ブロッキング層の少なくとも一部は第１の層と前記第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層した超格子からなり、前記第１の層は前記バリア層よりもバンドギャップが大きい。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部に接する第１の部分と、前記第１の部分に接し前記第１の部分よりもｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に近い第２の部分とを備え、前記第１の部分、及び前記第２の部分は、第１の層と前記第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層した超格子からなり、前記第２の部分における第１の層のバンドギャップが前記第１の部分における第１の層のバンドギャップより大きい。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部における量子井戸層に接し、前記第１の層が前記活性領域の最上部から離れるに従ってバンドギャップが増加するグレーデッド組成部を備える。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記第１の層のバンドギャップが一定な一定組成部をさらに備える。

本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、その最上部がバリア層であって、前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記ブロッキング層の少なくとも一部は第１の層と前記第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層した超格子からなり、前記第１の層は前記活性領域から離れるにつれてバンドギャップが前記バリア層より増加するグレーデッド組成部を備える。

本発明は、好ましくは、前記第１の層の少なくとも一部は、ＩｎとＡｌとを共に含むＡｌＧａＩｎＮ化合物半導体である。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記第２の層がｐ型ドーピングされ、前記第１の層がアンドープ又は前記第２の層より低い濃度のｐ型ドーピングである部分を備える。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部に接する部分においてアンドープである。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は、前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記ブロッキング層に接する部分よりもバンドギャップが大きい部分を備える。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層は前記活性領域との界面からの法線方向がｃ軸配向である。

本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程と、バリア層とＩｎを含む量子井戸層とが交互に積層され、最上部が量子井戸層である活性領域を活性領域成長温度で成長する活性領域成長工程と、前記活性領域成長工程に引き続いて、その成長初期においては第１の成長温度で成長し、その成長終了時においては第２の成長温度で成長する、ブロッキング層を成長する工程と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程とをこの順に有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記第１の成長温度は前記活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下であり、前記第２の成長温度は前記第１の成長温度より高い。

本発明は、好ましくは、前記第１の成長温度が８００℃以下であり、前記第２の成長温度が９００℃以上である。

本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程と、バリア層とＩｎを含む量子井戸層とが交互に積層され、最上部がバリア層である活性領域を活性領域成長温度で成長する活性領域成長工程と、ブロッキング層を成長する工程と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程とをこの順に有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記ブロッキング層は組成がグレーデッドな部分を備え、前記ブロッキング層は、前記活性領域成長温度よりも１００℃以上高い第３の成長温度で成長する。

本発明は、好ましくは、前記第３の成長温度が９００℃以上である。
本発明は、ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程と、バリア層とＩｎを含む量子井戸層とが交互に積層され、最上部が量子井戸層又はバリア層である活性領域を活性領域成長温度で成長する活性領域成長工程と、Ｉｎ及びＡｌを含むＡｌＧａＩｎＮ層を備えたブロッキング層を成長する工程と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程とをこの順に有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、前記ブロッキング層は、前記活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下である第４の成長温度で成長する。

本発明は、好ましくは、前記ブロッキング層の成長初期においてはドーピングを行わず、前記ブロッキング層の成長途中からｐ型ドーパントをドーピングする。

この構造を採用した場合の作用効果については、各実施の形態において詳しく説明する。

本発明によれば、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において大電流密度時における電気−光変換効率を向上することができる。

また、そのＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を製造するのに適した製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または対応する部分を表わすものとする。

（実施の形態１）
図１に、本実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０の模式的な断面図を示す。このＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、ｃ面サファイアからなる基板１１上に、ＧａＮからなるバッファ層１２、ｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ６μｍ）からなるｎ型下地層１３、ｎ型ＧａＮ（Ｓｉドープ、キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ）からなるｎ型コンタクト層１４、ＧａＮ（アンドープ、厚さ１８ｎｍ）からなるバリア層１５Ｂ１、１５Ｂ２、１５Ｂ３、１５Ｂ４、１５Ｂ５、１５Ｂ６とＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（アンドープ、厚さ２ｎｍ）からなる量子井戸層１５Ｗ１、１５Ｗ２、１５Ｗ３、１５Ｗ４、１５Ｗ５、１５Ｗ６を６層交互に積層した活性領域１５、ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ３０ｎｍ）からなるブロッキング層１６、ｐ型ＧａＮ（Ｍｇドープ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２００ｎｍ）からなるｐ型コンタクト層１７がこの順序で積層された層構造を有している。ｎ型コンタクト層１４の露出した表面上にはｎ側パッド電極２１が形成されており、ｐ型コンタクト層１７の表面上にはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）からなるｐ側透明電極２２及びｐ側パッド電極２３が形成されている。ｎ側パッド電極２１及びｐ側パッド電極２３を除く素子表面全体が、酸化シリコン（厚さ２００ｎｍ）からなる透明な保護膜２４で覆われている。

ここで、ｎ型下地層１３、ｎ型コンタクト層１４はｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層であり、ｐ型コンタクト層１７はｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層である。アンドープとは、成長時にドーパントを意図的に入れていないことをいう。アンドープの層であっても、拡散その他の理由でドーパントが含まれることがある。

図２に、本実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の模式的な上面図を示す。素子の外形は短辺４００μｍ、長辺８００μｍの長方形である。これは一例であって、素子の外形は例えば正方形であってもよい。ｎ側パッド電極２１及びｐ側パッド電極２３はそれぞれ直径８０μｍの円形である。図２中の２つの矢印Ｉを結ぶ断面を図示したものが図１となる。

図３はＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０をパッケージングしたＬＥＤ３０の断面図である。ＬＥＤ３０は、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０を表面実装型パッケージ３１にマウントし、ワイヤ３３、３４を用いてワイヤボンドを行い、透明樹脂（たとえばシリコーン樹脂）３７でＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０を封止したものである。ＬＥＤ１０は、ワイヤ３３、３４とそれぞれ導通している端子３５、３６に通電することにより、ピーク波長約４５０ｎｍの青色で発光する。なお、透明樹脂３７中に、Ｃｅ：ＹＡＧ黄色蛍光体３８などを分散させることも可能であり、その場合には、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０が発する青色光と黄色蛍光体が発する黄色光が混ざり合って、白色あるいは電球色の発光が得られる。

図１に示すＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０の特徴は、活性領域１５の最終量子井戸層１５Ｗ６に直接ブロッキング層１６が接していることである。従来の活性領域は、最終量子井戸層１５Ｗ６とブロッキング層１６との間に、さらに最終バリア層を有していた。

図４に最終バリア層１５Ｂ７を有する比較例（従来）のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図を示し、図５に本実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０の伝導帯（Ｅｃ）の模式図を示す。これは、一般に知られているＩＩＩ族窒化物半導体の伝導帯（Ｅｃ）と価電子帯（Ｅｖ）の関係に基づく静的なものであり、バンドの曲がりや電流注入の影響は考慮されていない。電子は各量子井戸層１５Ｗ１〜１５Ｗ６に注入されるとともに、注入されなかった電子はブロッキング層１６によって戻される（ブロックされる）。この場合、最終バリア層１５Ｂ７の有無は本質的な影響を与えないように見える。

本発明者らは、電流注入時におけるバンドの曲がりを考慮した伝導帯（Ｅｃ）の詳細な状況についてシミュレーションを行った。その際、ＩＩＩ族窒化物半導体に特有のピエゾ電気効果を考慮した。まず比較例において電流を注入した場合の伝導帯（Ｅｃ）及び価電子帯（Ｅｖ）をシミュレーションした。これを図６に示す。横軸はシミュレーション基準面からの距離、縦軸はＥｃ、Ｅｖのエネルギーである。ＥｃとＥｖの差がエネルギーバンドギャップ（簡単にバンドギャップと記す）である。最終バリア層１５Ｂ７とブロッキング層１６の界面に大きな窪みＰが見られる。ここに電子が蓄積（ビルドアップ）し、非発光再結合が生じることが想定される。また、この窪みＰがあることに伴い、ブロッキング層１６のエネルギー高さＱ（縦軸におけるエネルギー＝−１ｅＶとの差として表示）が低くなる。

そこで、最終バリア層のない本実施の形態における電流注入時の伝導帯（Ｅｃ）及び価電子帯（Ｅｖ）をシミュレーションした。これを図７に示す。図６の最終バリア層１５Ｂ７とブロッキング層１６の間に生じていた窪みＰがなくなり、電子がこの領域で非発光再結合することを防止することができる。また、ブロッキング層１６のエネルギー高さＲ（縦軸におけるエネルギー＝−１ｅＶとの差として表示）が、対応する図６のＱに比べて高くなる。そのため、電子のｐ型コンタクト層１７へのオーバーフローを抑制する効果が高まる。

図８に、最終バリア層１５Ｂ７を有する比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と本実施の形態のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流密度−内部量子効率のシミュレーション結果を示す。両者とも、電流密度が１０Ａ／ｃｍ²までは単調に内部量子効率が向上しているが、これは、低電流密度においては非発光再結合が支配的であるためと考えられる。一方大電流密度領域（３０Ａ／ｃｍ²以上、例えば１００Ａ／ｃｍ²）では、本実施の形態の方が内部量子効率が高く、大電流密度用として優れているという結果であった。

このように、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０において、量子井戸層の上部において歪の影響による電子のビルドアップを抑制し、大電流密度領域での内部量子効率を向上することができる。比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に比べて大電流を流すことができるため、より多くの光を取り出すことができる。そのため液晶表示装置のバックライトや照明装置に複数のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を用いる場合、その個数を減らすことができ、低コスト化を図ることができる。従来のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は蛍光灯よりもかなり高価であるという問題点があったが、このように低コスト化を図ることにより、蛍光灯をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に置き換えることが可能になり、省エネルギー化に貢献できる。

本実施の形態は、活性領域１５とブロッキング層１６との界面におけるブロッキング層１６への法線方向がｃ軸配向（六方晶結晶のｃ軸、つまり（０００１）方向である）となるように成長し、活性領域１５とブロッキング層１６の格子定数の違いに起因する歪が存在する場合に、活性領域１５の上部において電子のビルドアップを抑制する構造となっている。

（実施の形態１の製造工程）
さて、上記のように最終バリア層をなくすことが有利であることをシミュレーションによって導き出すに至ったが、この構造を具体的に実現する製造上の工夫が必要である。量子井戸層１５Ｗ１、１５Ｗ２、１５Ｗ３、１５Ｗ４、１５Ｗ５および１５Ｗ６を成長する場合、Ｉｎの昇華を防止するために、活性領域成長温度は８００℃以下、例えば７００℃とすることが好ましい。一方、ブロッキング層１６は、Ａｌを含むｐ型の層であるので、良質かつキャリア濃度の高い層とするために、本来であればブロッキング層成長温度を活性領域成長温度より１００℃以上高い（好ましくは２００℃以上、より好ましくは３００℃以上）９００℃以上、例えば９５０℃あるいは１０５０℃などとすることが好ましい。しかし、その場合、最終量子井戸層１５Ｗ６の上に直接高温でブロッキング層１６を成長すると、最終量子井戸層１５Ｗ６中のＩｎが昇華してしまうため、その表面状態が粗面化し、その悪影響がその上部に成長するブロッキング層１６、ｐ型コンタクト層１７にも及ぶ。

図９に、この問題を解決し良質な成長を実現するための成長温度プロファイル模式図の一例を示す。縦軸は成長温度Ｔｇ、横軸は各層に対応している（成長中断がある場合、成長速度の変化がある場合には時間経過とのずれがある）。ブロッキング層の第１の部分１６Ａ（低温成長部、厚さ１０ｎｍ）における最初の成長温度（第１の成長温度）Ｔｇは、活性領域成長温度（特に最終量子井戸層１５Ｗ６の成長温度）と同じ７００℃とし、ブロッキング層の第２の部分の前半（昇温成長部、厚さ１０ｎｍ）１６Ｂで昇温を行いつつ成長を続ける。一定温度に達した後、ブロッキング層の第２の部分の後半（高温成長部、厚さ１０ｎｍ）１６Ｃの成長を行った後、次の層であるｐ型コンタクト層１７を同じ温度である第２の成長温度である１０５０℃で成長する。これにより、最終量子井戸層１５Ｗ６のＩｎが昇華することなく良質かつキャリア濃度の高いブロッキング層１６を形成することができる。第１の成長温度は、活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下であることが好ましく、５０℃を加えた温度以下であることがより好ましい。

図１０に、この問題を解決するための成長温度プロファイルの他の一例を示す。ブロッキング層の第１の部分１６Ａにおける第１の成長温度（７００℃）は、最終量子井戸層１５Ｗ６における活性領域成長温度と同じとし、ブロッキング層１６の成長途中で原料ガスを流さないでキャリアガスだけを流す成長中断（図中ＩＮＴで示す）を行う。成長中断中に昇温を行い、一定温度である第２の成長温度（１０５０℃）に達してからブロッキング層１６の成長を再開し、高温成長部１６Ｃを成長する。次の層であるｐ型コンタクト層１７をブロッキング層１６の第２の成長温度と同じ温度で成長する。これにより、最終量子井戸層１５Ｗ６のＩｎが昇華することなく良質かつキャリア濃度の高いブロッキング層１６を形成することができる。

なお、ブロッキング層１６の成長初期、例えばブロッキング層の第１の部分１６Ａにおいて、Ｍｇドーピングを行わないようにし、ブロッキング層１６の第２の部分１６Ｂ、１６ＣにおいてＭｇドーピング（設定キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）をすることにより、成長界面近傍におけるブロッキング層１６の膜質をさらに高めることができる。

ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０はたとえば以下のようにして製造することができる。

まず、ｃ面サファイアの基板１１を用意し、その基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内にセットする。そして、その反応炉内に水素を流しながら基板温度を１０５０℃まで上昇させて、基板１１の表面のクリーニングを行なう。

次に、基板温度を５１０℃まで低下させ、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア及びＴＭＧ（トリメチルガリウム）を反応炉内に流して、基板１１の表面上に約２０ｎｍの厚さのＧａＮからなるバッファ層１２をＭＯＣＶＤ法により形成する。

次いで、基板温度を１０５０℃まで上昇させて、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア及びＴＭＧ、ドーパントガスとしてシランを反応炉内に流して、ＳｉがドーピングされたＧａＮからなるｎ型下地層１３（キャリア濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）をＭＯＣＶＤ法によりバッファ層２上に６μｍの厚さで成長する（半導体層を形成する場合に、「成長」という言葉を用いるのが一般的である。また、成長温度は基板温度とほぼ同じである。）。

続いて、キャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようにＳｉをドーピングしたこと以外はｎ型下地層１３と同様にして、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４をＭＯＣＶＤ法によりｎ型下地層３上に０．５μｍの厚さで成長する。

次に、基板温度を７００℃にし、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＩ（トリメチルインジウム）を反応炉内に流して、ｎ型コンタクト層１４上に２．５ｎｍの厚さのＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ及び１８ｎｍの厚さのＧａＮをそれぞれ交互に６周期成長させ、活性領域１５（１５Ｂ１〜１５Ｗ６）をＭＯＣＶＤ法により成長する（活性領域成長工程）。なお、活性領域１５の成長時において、ＧａＮを成長させる際にはＴＭＩを反応炉内に流していない。

次いで、基板温度７００℃のままで（第１の成長温度）、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ及びＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ドーパントガスとしてＣＰ₂Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を反応炉内に流して、ｐ型キャリア濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3となるようにＭｇがドーピングされたＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなるブロッキング層の低温成長部（１６Ａ）をＭＯＣＶＤ法により量子井戸層１５Ｗ６上に約１０ｎｍの厚さで成長する。

次いで、基板温度を７００℃から１０５０℃に昇温させつつ、ｐ型キャリア濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3となるようにＭｇがドーピングされたブロッキング層の昇温成長部（１６Ｂ）をＭＯＣＶＤ法により約１０ｎｍの厚さで成長する。

次いで、基板温度１０５０℃で（第２の成長温度）、ｐ型キャリア濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3となるようにＭｇがドーピングされたブロッキング層の高温成長部（１６Ｃ）をＭＯＣＶＤ法により約１０ｎｍの厚さで成長する。

次に、基板温度を１０５０℃に保持し、キャリアガスとして水素、原料ガスとしてアンモニア及びＴＭＧ、ドーパントガスとしてＣＰ２Ｍｇを反応炉内に流して、ｐ型キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようにＭｇがドーピングされたＧａＮからなるｐ型コンタクト層１７を０．２μｍの厚さで成長する。

次に、キャリアガスとして窒素を反応炉内に流した状態で、徐々に基板温度を低下させる。

そして、上記のＭＯＣＶＤ工程を終えたウエハを反応炉から取り出し、そのウエハのｐ型コンタクト層１７の表面上に所定の形状にパターニングされたマスクを形成する。そして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりエッチングを行い、ｎ型コンタクト層１４の表面の一部を露出させる。そして、ｐ型コンタクト層１７の表面にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）からなるｐ側透明電極２２及びｐ側パッド電極２３を形成し、ｎ型コンタクト層１４の表面にｎ側パッド電極２１を形成する。ここで、ｎ側パッド電極２１及びｐ側パッド電極２３は、ｎ型コンタクト層１４及びｐ側透明電極２２の表面上にそれぞれＴｉ層及びＡｌ層を順次積層することによって同時に形成することができる。その後、ウエハをダイシング法によりチップ状に分割して、上面図が図２に示す構成を有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０を作製することができる。

（実施の形態１の変形例）
本実施の形態において、量子井戸層１５Ｗの数は６以外であってもよく、１以上から１０以下程度であることが好ましい。Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ量子井戸層１５ＷのＩｎ組成比ｘを０．２５以外の値にすることにより、発光波長を変えることができ、それにより、例えば紫外から緑色の発光を実現できる。また量子井戸層１５Ｗに例えばＺｎなどのドーパントをドーピングすることによっても、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮのバンド端発光より長波長の発光、例えば緑色、黄色、赤色の発光を得ることができる。

バリア層１５Ｂの厚さは、各量子井戸層１５Ｗに電子・ホールが好適に注入されるように、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。バリア層１５Ｂの組成比は、ＧａＮ以外にも、量子井戸層１５ＷよりもＩｎ組成比が少ないように若干Ｉｎを加えたＩｎ_aＧａ_1-aＮ（ａは量子井戸層１５Ｗのｘよりも小さい）であってもよい。

ブロッキング層１６の層厚は、歪が緩和する臨界膜厚以下とすることにより、結晶欠陥の発生及びその量子井戸層への伝播を防ぐことができるため好ましい。具体的には、Ａｌ組成比が０．２の場合にｌ８０ｎｍ以下であることが好ましい。またブロッキング層１６に高濃度のｐ型ドーピングを行うことが難しいことを考慮すると、ブロッキング効果を有する範囲内で十分薄いことが好ましく、具体的には１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。

ブロッキング層１６の組成は、本実施の形態で用いたＡｌＧａＮ以外に、Ｉｎを含むＡｌＧａＩｎＮとしてもよい。同じバンドギャップのブロッキング層であっても、Ｉｎの組成比を増やすことにより、ＧａＮに対する歪の量が低減されるため、隣接する膜中に生じる歪量及びそれに伴って生じるピエゾ電気効果、ピエゾ電気効果によって生じる電子のビルドアップを抑制することができると考えられる。

ｎ型コンタクト層１４は、ＧａＮ以外にもたとえばＡｌＧａＮであってもよい。
ｐ型コンタクト層１７は、ＧａＮ以外にもたとえばＡｌＧａＮであってもよい。

基板としては、ｃ面サファイア基板１１を用いたが、ｃ面よりもわずかに（０．１〜０．５゜）傾斜させた基板を用いることにより、より均一な成長が実現できるため好ましい。ａ面サファイア基板を用いても良い。ＳｉＣ基板を用いても良い。基板としては平坦基板を用いることもできるが、数μｍ程度の周期・深さの凹凸形状を有する基板を用いても良く、その方が結晶品質及び／又は光取り出し効率を向上させることができるため好適である。成長時に用いた基板を除去し、成長層の上又は下に機械的サポート機能を有する基板を貼り付けても良く、そのような基板はサファイアなどの誘電体、ＳｉＣなどの半導体、Ｎｉなどの金属であってもよい。なお、基板としてｎ型ＧａＮ基板を用いることが特に好ましく、その場合は基板を除去することなく基板の裏面にｎ側電極を形成することができ好適である。

ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０と組み合わせて用いる蛍光体としては、黄色蛍光体であるＢＯＳＥ（Ｂａ、Ｓｒ、Ｏ、Ｅｕ）、α−サイアロン（Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎ、Ｅｕ）などであってもよい。また、黄色蛍光体の代わりに緑色蛍光体と赤色蛍光体を混ぜて用いても良い。緑色蛍光体としてはβ−サイアロン（Ｓｉ、Ａｌ、Ｏ、Ｎ、Ｅｕ）、赤色蛍光体としてはＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕなどが好ましい。これらの無機蛍光体の他に、有機蛍光体、例えばペリレン系化合物を用いてもよい。

本実施の形態に示したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１０はいわゆるＬＥＤであるが、多重量子井戸構造を有するＩＩＩ族窒化物半導体レーザについても本実施の形態に示した「最終バリア層を用いない」構成を適用することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１におけるブロッキング層１６を、Ａｌ組成比の異なる２つのブロッキング層（第１の部分５６Ａと第２の部分５６Ｂ）に置き換えている。

図１１（ａ）に、本実施の形態における伝導帯（Ｅｃ）の構成模式図（図５と対応するもの）を示す。ブロッキング層の第１の部分５６ＡはアンドープＡｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎからなり、層厚１０ｎｍである。ブロッキング層の第２の部分５６ＢはＭｇドープｐ型Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎからなり、層厚２０ｎｍである。その他の層については実施の形態１と同じであるため同一の符号を付す。

図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に、本実施の形態における成長条件の一例を示す（図１１（ｂ）は成長温度の昇降、図１１（ｃ）はＭｇドーピング量の増減を示している）。

ｎ型下地層１３、ｎ型コンタクト層１４を、Ｓｉドーパントを流しながら基板温度を１０５０℃として成長する。

基板温度を７００℃まで降温した後、活性領域の各層１５Ｂ１から１５Ｗ６を７００℃（活性領域成長温度）で成長し、引き続いてブロッキング層の第１の部分５６Ａを７００℃（第１の成長温度）で成長する。

基板温度を１０５０℃まで上昇する。その後、ブロッキング層の第２の部分５６Ｂ、ｐ型コンタクト層１７をＭｇドーパントを流しながら１０５０℃（第２の成長温度）で成長する。

なお、例えばブロッキング層の第１の部分５６Ａを成長する間に成長温度を７００℃から１０５０℃に昇温してもよい。また、ブロッキング層の第１の部分５６Ａを成長する間にＭｇドーパントを流していてもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態１におけるブロッキング層１６を、組成が変化（グレーデッド）するブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａ及び組成が一定なブロッキング層の一定組成部６６Ｂに置き換えている。

図１２（ａ）に、本実施の形態における伝導帯（Ｅｃ）の構成模式図（図５と対応するもの）を示す。その他の層については実施の形態１と同じであるため同一の符号を付す。

ブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａについては、さらに以下の（Ａ）および（Ｂ）の２つの場合についてシミュレーションを行った。

（Ａ）ブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａ＝アンドープＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０ ｔｏ ０．１５、厚さ１８ｎｍ）
ブロッキング層の一定組成部６６Ｂ＝ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（厚さ３０ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
（Ｂ）ブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａ＝アンドープＡｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０ ｔｏ ０．１、厚さ５ｎｍ）
ブロッキング層の一定組成部６６Ｂ＝ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（厚さ３０ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
図１３に電流密度と内部量子効率の関係を示すシミュレーションの結果を示す。（Ａ）の場合においては、最終バリア層１６Ｂ７を有する比較例に比べて最大となる内部量子効率が向上している。なお、ブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａの層厚を０ｎｍにした場合が比較例であり、０ｎｍと５ｎｍとの間で臨界的な変化が生じている。また、（Ｂ）の場合においては（Ａ）の場合とほぼ同様の結果が得られた。

また、ブロッキング層のグレーデッド組成部を設けることにより、素子に電流を流した場合の動作電圧を低減することができる。この理由は、実施の形態１におけるバンドシミュレーション図である図７において、組成をグレーデッドにすることによってバンドギャップの変化がなだらかになるため、ホールの流れを妨げていたＥｖの突起部Ｎ１が低減するためであると考えられる。

図１２（ｂ）及び（ｃ）に、本実施の形態における成長条件の一例を示す（図１２（ｂ）は成長温度の昇降、図１２（ｃ）はＭｇドーピング量の増減を示している）。

ｎ型下地層１３、ｎ型コンタクト層１４をＳｉドーパントを流しながら１０５０℃で成長する。

基板温度を７００℃まで降温した後、活性領域の各層１５Ｂ１から１５Ｗ６を７００℃（活性領域成長温度）で成長するとともに、引き続いて及びブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａを７００℃（第１の成長温度）で成長する。

基板温度を１０５０℃まで上昇する。その後、ブロッキング層の一定組成部６６Ｂ、ｐ型コンタクト層１７をＭｇドーパントを流しながら１０５０℃（第２の成長温度）成長する。

なお、例えばグレーデッド組成を有するブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａを成長する間に成長温度を７００℃から１０５０℃に昇温してもよい。また、ブロッキング層のグレーデッド組成部６６Ａを成長する間にＭｇドーパントを流していてもよく、図１２（ｃ）の破線に示すように徐々にＭｇドーパントの流量を増やしてもよい。

（実施の形態４）
本実施の形態は、実施の形態１におけるブロッキング層１６を、最終バリア層７５（アンドープＧａＮ、厚さ１８ｎｍ）及び組成が変化（グレーデッド）するブロッキング層のグレーデッド組成部７６、組成が一定のブロッキング層の一定組成部７７（省略可能）に置き換えている。その他の層については実施の形態１と同じであるため同一の符号を付す。

本実施の形態では、ブロッキング層の組成比が徐々に変化しているため、最終バリア層７５とグレーデッドブロッキング層のグレーデッド組成部７６の間における電子の蓄積（ビルドアップ）を抑制することができる。従って、大電流密度動作に適したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる。

図１４（ａ）に、本実施の形態における伝導帯（Ｅｃ）の構成模式図（図５と対応するもの）を示す。その他の層については実施の形態１と同じであるため同一の符号を付す。

以下の（Ａ）〜（Ｃ）の３つの場合についてシミュレーションを行った。
（Ａ）ブロッキング層のグレーデッド組成部７６＝ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０ ｔｏ ０．１５、厚さ５ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
ブロッキング層の一定組成部７７＝ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（厚さ２５ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
（Ｂ）ブロッキング層のグレーデッド組成部７６＝ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０ ｔｏ ０．１５、厚さ１５ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
ブロッキング層の一定組成部７７＝ｐ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ（厚さ１５ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
（Ｃ）ブロッキング層のグレーデッド組成部７６＝ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（ｘ＝０ ｔｏ ０．１５、厚さ３０ｎｍ、Ｍｇドープ、キャリア濃度２×１０¹⁷ｃｍ^-3）
ブロッキング層の一定組成部７７＝省略
図１５に電流密度と内部量子効率に関するシミュレーションの結果を示す。（Ａ）〜（Ｃ）のいずれの場合も１０００Ａ／ｃｍ²以上の大電流密度で内部量子効率が０．９以上という良好な結果が得られた。

図１６に上記（Ａ）の場合におけるエネルギーバンドシミュレーション結果を示す。比較例である図６と比べて以下の点が異なる。

まず、最終バリア層７５があるにもかかわらず、最終バリア層７５におけるＥｃ、Ｅｖが右下がりになっておらず右上がりになっている。それに伴い図６の窪みＰに相当する部分が消失している。従って、最終バリア層７５とブロッキング層のグレーデッド組成部７６の界面近傍における電子のビルドアップが生じない。これは、ブロッキング層のグレーデッド組成部７６を設けることによって、最終バリア層７５に印加される歪量が低減し、その結果として最終バリア層７５中のピエゾ電気効果が低減するためと考えられる。

また、最終バリア層７５とブロッキング層のグレーデッド組成部７６のＥｖが比較的平坦であり、図６のＮあるいは図７のＮ１のようなホールの流れを妨げていたＥｖの突起部が生じていない。そのためｐ型コンタクト層１７から活性領域１５へのホール注入に要する電圧、ひいてはＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の動作電圧を０．１Ｖから０．３Ｖ程度低減することができる。

また、図１６中に示すブロッキング層のバリア高さＳも、比較例である図６のＱと比べて向上している。そのため大電流密度動作においても内部量子効率が良好である。

図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）に、本実施の形態における成長条件の一例を示す（図１４（ｂ）は成長温度の昇降、図１４（ｃ）はＭｇドーピング量の増減を示している）。

ｎ型下地層１３、ｎ型コンタクト層１４をＳｉドーピングしながら１０５０℃で成長する。

基板温度を７００℃まで降温した後、活性領域１５の各層１５Ｂ１から１５Ｗ６及び最終バリア層７５を活性領域成長温度である７００℃で成長する。

基板温度を１０５０℃まで上昇する。その後、第３の成長温度である１０５０℃で、グレーデッド組成を有するブロッキング層のグレーデッド組成部７６、一定の組成を有するブロッキング層の一定組成部７７を成長し、１０５０℃でｐ型コンタクト層１７をＭｇドーピングしながら成長する。

第３の成長温度は、活性領域成長温度より１００℃以上高いことが好ましく、２００℃以上高いことがより好ましく、３００℃以上高いことがさらに好ましい。

なお、例えばグレーデッド組成を有するブロッキング層のグレーデッド組成部７６を成長する間に第３の成長温度を７００℃から１０５０℃に昇温してもよい。

（実施の形態５）
本実施の形態は、実施の形態１におけるブロッキング層１６を、四元混晶であるＡｌＧａＩｎＮからなるブロッキング層８６、具体的には、
（Ａ） ブロッキング層８６Ａ＝ｐ型Ａｌ_0.55Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.15Ｎ
（Ｂ） ブロッキング層８６Ｂ＝ｐ型Ａｌ_0.35Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.45Ｎ
（Ｃ） ブロッキング層８６Ｃ＝ｐ型Ａｌ_0.2Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.3Ｎ
の少なくとも１層に置き換えたものである。

図１７（ａ）に、本実施の形態における伝導帯（Ｅｃ）の構成模式図（図５と対応するもの）を示す。ブロッキング層８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃ以外の層については実施の形態１と同じであるため同一の符号を付す。図１７（ｂ）に、本実施の形態における歪量の模式図を示す。実施の形態１のブロッキング層１６（実線）と比べて、ブロッキング層８６Ｃ（点線）の歪量が低減している。

ブロッキング層８６Ａ、８６Ｂ、８６ＣをＩｎを含む組成とすることによって、量子井戸層１５Ｗ６との格子定数の差が縮まり、それによりピエゾ電気効果が低減するため、大電流密度における電子・ホールの非発光再結合が低減する。

ブロッキング層８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃの層厚はそれぞれ１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがより好ましい。

ブロッキング層８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃを成長する第４の成長温度は、ＩｎＧａＮ量子井戸層１５Ｗ６などの活性領域成長温度とほぼ同じ温度（本実施の形態の場合７００℃）とすることが好ましい。これは、Ｉｎを含む層においてはＩｎが昇華しやすいため、第４の成長温度を活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下とすることが好ましいからである。ただし、成長途中において温度を徐々に上げてもよい。

ブロッキング層８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃの形成後に、ｐ型コンタクト層１７を形成する。ｐ型コンタクト層１７はたとえば基板温度が１０５０℃の条件で成長させることができるが、例えばｐ型コンタクト層１７の成長開始直後は、ブロッキング層の成長時の基板温度と同じ７００℃として、基板温度を１０５０℃まで上げながら成長させてもよい。

ブロッキング層８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃは、その第１の部分（量子井戸層１５Ｗ６に近い部分、例えば１０ｎｍの範囲）についてはアンドープとし、第２の部分（第１の部分以外）についてはｐ型ドープとしてもよい。なお、量子井戸層１５Ｗ６への拡散の影響がなく、結晶品質が劣化しない範囲内で、なるべく高濃度のｐ型とすることによりブロッキング効果（電子がｐ型層の領域へオーバーフローすることを抑制する効果）が高まるため好ましい。

（実施の形態６）
本実施の形態は、実施の形態１におけるブロッキング層１６を、超格子ブロッキング層９６に置き換えたものである。なお、超格子とは、非常に薄い第１の層と第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層したものをいうが、本実施の形態において「非常に薄い」第１の層とは、トンネル効果によって多数キャリア（本実施の形態の場合にはホール）の隣接する層への波動関数の染み出しが生じる程度に薄いものとする。

図１８（ａ）、図１８（ｂ）、図１８（ｃ）および図１８（ｄ）に、本実施の形態における伝導帯（Ｅｃ）の構成模式図（図５と対応するもの）を示す。その他の層については実施の形態１と同じであるため同一の符号を付す。

図１８（ａ）は、最終量子井戸層１５Ｗ６の直上に、第１の層（Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎ）と第２の層（ＧａＮ）とをそれぞれ１．５ｎｍ厚で交互に積層した超格子ブロッキング層９６を設けた構成となっている。

図１８（ｂ）は、最終量子井戸層１５Ｗ６の直上に、第１の層（Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ）と第２の層（ＧａＮ）とをそれぞれ１．５ｎｍ厚で交互に積層した超格子ブロッキング層９６Ａを設け、その上に、第１の層（Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎ）と第２の層（ＧａＮ）をそれぞれ１．５ｎｍ厚で交互に積層した超格子ブロッキング層９６Ｂを設けた構成となっている。

図１８（ｃ）は、第１の層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）と第２の層（ＧａＮ）とを交互に積層した超格子ブロッキング層９６であり、第１の層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）のＡｌ組成比ｘを最終量子井戸層１５Ｗ６に近い超格子ブロッキング層９６に近い側から徐々に増加させ、上部において一定組成（ｘ＝０．２２）とした構成となっている。

図１８（ｄ）は、最終量子井戸層１５Ｗ６の上に最終バリア層１５Ｂ７を設け、その上に第１の層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）と第２の層（ＧａＮ）とを交互に積層した超格子ブロッキング層９６を設けたものであり、第１の層（Ａｌ_xＧａ_1-xＮ）のＡｌ組成比ｘを最終量子井戸層１５Ｗ６に近い超格子ブロッキング層９６に近い側から徐々に増加させた構成となっている。

超格子ブロッキング層９６の第１の層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの代わりにＩｎを含むＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮとすることができる。これにより、ＧａＮに対する格子定数差を小さくすることができ、歪の量を抑えることができるため、歪に伴うピエゾ電気効果を低減することができる。

このように、超格子ブロッキング層９６を超格子構造とすることにより、最終量子井戸層１５Ｗ６と超格子ブロッキング層９６の間におけるホールに対する障壁高さがトンネル効果によって低減する。つまり、比較例におけるバンドシミュレーション図である図６においてホールの流れを妨げていたＥｖの突起部Ｎが、超格子中に生じるトンネル効果によって透過できるようになるためと考えられる。そのため発光素子全体の動作電圧を例えば０．１Ｖから０．３Ｖ程度低減することができる。

超格子ブロッキング層の第１の層の厚さとしては、上記トンネル効果を得るため、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましく、特に０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。また超格子ブロッキング層の第２の層の厚さとしては量子効果を得るため、１０ｎｍ以下であることが好ましい。なお、超格子内部においてはトンネル効果によりホールのミニバンドが形成され、超格子ブロッキング層９６全体の抵抗が低減されていることが考えられる。

超格子ブロッキング層の層数としては、特に界面において効果があればよいため、たとえば全体で３層以上２０層（１０ペア）以下程度であればよく、１０層（５ペア）以下であってもよい。

超格子ブロッキング層へのドーピングは、各層に均一にドーピングしてもよいが、活性領域近傍においてはドーピングしないことにより、活性領域への拡散の影響を低減できる。例えば図１８（ｂ）における超格子ブロッキング層９６Ａをアンドープとし、超格子ブロッキング層９６Ｂをｐ型ドーピングとすることが好ましい。

超格子ブロッキング層の第２の層に、第１の層より多くドーピングすることもでき、その場合全体がＡｌ_0.22Ｇａ_0.78Ｎなどからなるブロッキング層に比べてより高いキャリア濃度（例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3）とすることができ、好適なブロッキング効果が得られる。この場合、超格子ブロッキング層の第１の層をアンドープとすることも好適である。

超格子ブロッキング層９６、９６Ａ、９６Ｂは、各実施の形態におけるブロッキング層１６、５６、６６、７６、７７、８６におけるバンドギャップを超格子ブロッキング層の第１の層のバンドギャップに置き換えたものとすることができる。

（実施の形態７）
図１９に本実施の形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の好ましい他の一例の模式的な断面図を示し、図２０にその模式的な上面図を示す。図２０における矢印ＸＩＸに沿った断面図が図１９に示されている。ここで、このＩＩＩ族窒化物半導体発光素子２１０は、上記の実施の形態１の基板１１を凹凸形状を有するｃ面サファイア基板２１１に置き換えている（当初表面がｃ面であった基板の表面に凹凸形状を設けている）。また、基板２１１の凹凸形状の深さｄを０．２μｍ以上２μｍ以下、周期ｗを０．５μｍ以上５μｍ以下とし、その上にバッファ層２１２、ｎ型下地層２１３及びｎ型コンタクト層２１４を成長する。ｎ型下地層２１３及びｎ型コンタクト層２１４を合わせた厚さｔを４μｍ以上８μｍ以下と十分厚くすることにより、凹凸形状上に成長することにより結晶品質の向上が図れるとともに、活性領域１５（１５以降は実施の形態１と同じ符号を付す）の下地を平坦にすることができる。

このように、表面が凹凸形状の基板２１１上に形成したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子２１０においても、量子井戸層の上部において歪の影響による電子のビルドアップを抑制し、大電流密度領域での内部量子効率を向上することができる。

（実施の形態８）
本実施の形態は、結晶成長後、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層側に反射率の高い金属からなる反射層を設け、その反射層を導電性の支持基板に貼り付けた上下電極構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。図２１にその模式断面図を示し、図２２にその上面図を示す。図２２における矢印ＸＸＩに沿った断面図が図２１に示されている。

このＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１５０は、導電性Ｓｉからなる導電性基板１５５上に、Ｔｉ膜とＡｌ膜の積層体（Ｔｉ膜、Ａｌ膜の順に積層した積層体）からなるオーミック電極層１５６、Ａｕ膜とＡｕＳｎ膜の積層体（Ａｕ膜、ＡｕＳｎ膜の順に積層した積層体）からなる第１の接着用金属層１５７、Ａｕ膜からなる第２の接着用金属層１５４、Ｍｏ膜からなる保護層１５３、Ａｇ膜、Ｐｔ膜またはＡｌ膜からなる反射層１５２、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４７、ブロッキング層１４６、量子井戸層であるＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎとバリア層であるＧａＮとを同数交互に積層した活性領域１４５、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４４及びｎ型ＧａＮからなるｎ型下地層１４３がこの順序で積層された構成を有しており、ｎ型下地層１４３の表面上にはパッド電極１５８が形成されている。

ここで、ｎ型下地層１４３、ｎ型コンタクト層１４４はｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層であり、ｐ型コンタクト層１４７はｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層である。

図２１に示す構成を有する発光素子は、たとえば以下のようにして作製することができる。まず、サファイア基板（図示せず）上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮからなるバッファ層（図示せず）、ｎ型ＧａＮからなるｎ型下地層１４３、ｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層１４４、バリア層であるＧａＮと量子井戸層であるＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎとを同数交互に積層した活性領域１４５、ブロッキング層１４６（実施の形態１におけるブロッキング層１６と同じ条件で形成する）、ｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層１４７をこの順序で成長する。

次に、ｐ型コンタクト層１４７上に、蒸着法により、厚さ１５０ｎｍのＡｇ膜からなる反射層１５２、厚さ５０ｎｍのＭｏ膜からなる保護層１５３及び厚さ３μｍのＡｕ膜からなる第２の接着用金属層１５４をこの順序でＥＢ蒸着法（電子ビーム蒸着法）により形成する。

次に、別途用意した厚さ１２０μｍの導電性Ｓｉからなる導電性基板１５５上に、ＥＢ蒸着法により、厚さ１５ｎｍのＴｉ膜と厚さ１５０ｎｍのＡｌ膜をこの順序で積層したオーミック電極層１５６、及び、厚さ１００ｎｍのＡｕ膜と厚さ３μｍのＡｕＳｎ膜をこの順序で積層した第１の接着用金属層１５７をこの順序で形成する。

そして、第２の接着用金属層１５４と第１の接着用金属層１５７とを共晶接合法により接合する。なお、共晶接合時の温度はたとえば２９０℃とすることができる。

続いて、サファイア基板及びバッファ層を除去する。たとえば、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）−ＴＨＧ（第３高調波）レーザ光（波長：３５５ｎｍ）を鏡面研磨したサファイア基板の裏面側から照射し、サファイア基板上に形成されたバッファ層とｎ型下地層１４３との界面部分を熱分解することにより行なうことができる。

その後、露出したｎ型下地層１４３の表面にパッド電極１５８を形成し、パッド電極１５８の形成後のウエハをチップ状に分割することによって、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１５０が得られる。なお、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１５０においては、ｎ型下地層１４３とパッド電極１５８とのコンタクト抵抗を下げるため、ｎ型下地層１４３のキャリア濃度をたとえば５×１０¹⁸ｃｍ^-3とすることができる。ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１５０においては、反射層１５２を設置しているため、良好な光取り出し効率が得られる。

このように、成長時に用いた基板を除去した構造のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子１５０においても、量子井戸層の上部において歪の影響による電子のビルドアップを抑制し、大電流密度領域での内部量子効率を向上することができる。これは、サファイア基板を除去した場合においても、ブロッキング層１４６は活性領域１４５との界面からの法線方向がｃ軸配向（六方晶結晶のｃ軸、つまり（０００１）方向である）となるように成長し、格子定数の差に伴う歪とピエゾ電気効果が存在しているためである。

本実施の形態においては、実施の形態１で用いたＩＩＩ族窒化物半導体層を形成したウエハを用いたが、他の実施の形態で用いたｃ軸配向のＩＩＩ族窒化物半導体層を用いてもよい。

今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面図である。 実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の上面図である。 実施の形態１におけるＬＥＤの断面図である。 比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図である。 実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図である。 比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドシミュレーション図である。 実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドシミュレーション図である。 比較例のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子と実施の形態１のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流密度−内部量子効率のシミュレーション結果である。 実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の成長温度プロファイルの一例を示す模式図である。 実施の形態１におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の成長温度プロファイルの他の一例を示す模式図である。 （ａ）は実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図であり、（ｂ）は実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の成長温度プロファイルの一例であり、（ｃ）実施の形態２におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のＭｇドーピング量プロファイルの一例である。 （ａ）は実施の形態３におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図であり、（ｂ）は実施の形態３におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の成長温度プロファイルの一例であり、（ｃ）実施の形態３におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のＭｇドーピング量プロファイルの一例である。 実施の形態３におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流密度−内部量子効率のシミュレーション結果である。 （ａ）は実施の形態４におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図であり、（ｂ）は実施の形態４におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の成長温度プロファイルの一例であり、（ｃ）実施の形態４におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のＭｇドーピング量プロファイルの一例である。 実施の形態４におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の電流密度−内部量子効率のシミュレーション結果である。 実施の形態４におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子のエネルギーバンドシミュレーション図である。 （ａ）は実施の形態５におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図であり、（ｂ）は実施の形態５におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の歪量プロファイルである。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態６におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の伝導帯（Ｅｃ）の模式図である。 実施の形態７におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面図である。 実施の形態７におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の上面図である。 実施の形態８におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の断面図である。 実施の形態８におけるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の上面図である。

符号の説明

１０，１５０，２１０ ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子、１１，２１１ 基板、１２，２１２ バッファ層、１３，１４３，２１３ ｎ型下地層、１４，１４４，２１４ ｎ型コンタクト層、１５，１４５ 活性領域、１５Ｂ１，１５Ｂ２，１５Ｂ３，１５Ｂ４，１５Ｂ５，１５Ｂ６ バリア層、１５Ｂ７，７５ 最終バリア層、１５Ｗ１，１５Ｗ２，１５Ｗ３，１５Ｗ４，１５Ｗ５，１５Ｗ６ 量子井戸層、１６，８６Ａ，８６Ｂ，８６Ｃ，１４６ ブロッキング層、１６Ａ，５６Ａ 第１の部分、１６Ｂ，１６Ｃ，５６Ｂ 第２の部分、１７，１４７ ｐ型コンタクト層、２１ ｎ側パッド電極、２２ ｐ側透明電極、２３ ｐ側パッド電極、２４ 保護膜、３０ ＬＥＤ、３１ 表面実装型パッケージ、３３，３４ ワイヤ、３５，３６ 端子、３７ 透明樹脂、３８ 黄色蛍光体、６６Ａ，７６ グレーデッド組成部、６６Ｂ，７７ 一定組成部、９６，９６Ａ，９６Ｂ 超格子ブロッキング層、１５２ 反射層、１５３ 保護層、１５４ 第２の接着用金属層、１５５ 導電性基板、１５６ オーミック電極層、１５７ 第１の接着用金属層、１５８ パッド電極。

Claims (23)

1. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
   前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、前記活性領域の最上部が前記量子井戸層であって、
   前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記バリア層よりもバンドギャップが大きい、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
2. 前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部に接する第１の部分と、前記第１の部分に接し前記第１の部分よりも前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に近い第２の部分とを備え、
   前記第２の部分のバンドギャップが前記第１の部分のバンドギャップより大きい、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
3. 前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部における量子井戸層に接し、前記活性領域の最上部から離れるに従ってバンドギャップが増加するグレーデッド組成部を備えた、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
4. 前記ブロッキング層は、バンドギャップが一定な一定組成部をさらに備えた、請求項３に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
5. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
   前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、その最上部がバリア層であって、
   前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記活性領域から離れるにつれてバンドギャップが前記バリア層より増加するグレーデッド組成部を備えた、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
6. 前記グレーデッド組成部の厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である、請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
7. 前記ブロッキング層の少なくとも一部は、ＩｎとＡｌとを共に含むＡｌＧａＩｎＮ化合物半導体である、請求項１又は５に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
8. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
   前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、前記活性領域の最上部が前記量子井戸層であって、
   前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記ブロッキング層の少なくとも一部は第１の層と前記第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層した超格子からなり、前記第１の層は前記バリア層よりもバンドギャップが大きい、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
9. 前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部に接する第１の部分と、前記第１の部分に接し前記第１の部分よりもｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層に近い第２の部分とを備え、
   前記第１の部分、及び前記第２の部分は、第１の層と前記第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層した超格子からなり、
   前記第２の部分における第１の層のバンドギャップが前記第１の部分における第１の層のバンドギャップより大きい、請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
10. 前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部における量子井戸層に接し、前記第１の層が前記活性領域の最上部から離れるに従ってバンドギャップが増加するグレーデッド組成部を備えた、請求項８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
11. 前記ブロッキング層は、前記第１の層のバンドギャップが一定な一定組成部をさらに備えた、請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
12. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層と、活性領域と、ブロッキング層と、ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層とをこの順に備えたＩＩＩ族窒化物半導体発光素子であって、
    前記活性領域は、バリア層及び前記バリア層よりもバンドギャップが小さい単数または複数の量子井戸層を交互に配置してなり、その最上部がバリア層であって、
    前記ブロッキング層は、前記活性領域に接しており、前記ブロッキング層の少なくとも一部は第１の層と前記第１の層よりバンドギャップの小さい第２の層とを交互に積層した超格子からなり、前記第１の層は前記活性領域から離れるにつれてバンドギャップが前記バリア層より増加するグレーデッド組成部を備えた、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
13. 前記第１の層の少なくとも一部は、ＩｎとＡｌとを共に含むＡｌＧａＩｎＮ化合物半導体である、請求項８又は１２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
14. 前記ブロッキング層は、前記第２の層がｐ型ドーピングされ、前記第１の層がアンドープ又は前記第２の層より低い濃度のｐ型ドーピングである部分を備えた、請求項８、１２又は１３のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
15. 前記ブロッキング層は、前記活性領域の最上部に接する部分においてアンドープである、請求項１、５、８又は１２のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
16. 前記ブロッキング層は、前記ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層の前記ブロッキング層に接する部分よりもバンドギャップが大きい部分を備えた、請求項１、５、８又は１２のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
17. 前記ブロッキング層は前記活性領域との界面からの法線方向がｃ軸配向である、請求項１、５、８又は１２のいずれか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
18. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程と、
    バリア層とＩｎを含む量子井戸層とが交互に積層され、最上部が量子井戸層である活性領域を活性領域成長温度で成長する活性領域成長工程と、
    前記活性領域成長工程に引き続いて、その成長初期においては第１の成長温度で成長し、その成長終了時においては第２の成長温度で成長する、ブロッキング層を成長する工程と、
    ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程とをこの順に有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    前記第１の成長温度は前記活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下であり、
    前記第２の成長温度は前記第１の成長温度より高い、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
19. 前記第１の成長温度が８００℃以下であり、前記第２の成長温度が９００℃以上である、請求項１８に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
20. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程と、
    バリア層とＩｎを含む量子井戸層とが交互に積層され、最上部がバリア層である活性領域を活性領域成長温度で成長する活性領域成長工程と、
    ブロッキング層を成長する工程と、
    ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程とをこの順に有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    前記ブロッキング層は組成がグレーデッドな部分を備え、
    前記ブロッキング層は、前記活性領域成長温度よりも１００℃以上高い第３の成長温度で成長する、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
21. 前記第３の成長温度が９００℃以上である、請求項２０に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
22. ｎ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程と、
    バリア層とＩｎを含む量子井戸層とが交互に積層され、最上部が量子井戸層又はバリア層である活性領域を活性領域成長温度で成長する活性領域成長工程と、
    Ｉｎ及びＡｌを含むＡｌＧａＩｎＮ層を備えたブロッキング層を成長する工程と、
    ｐ型ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長する工程とをこの順に有するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法であって、
    前記ブロッキング層は、前記活性領域成長温度に１００℃を加えた温度以下である第４の成長温度で成長する、ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。
23. 前記ブロッキング層の成長初期においてはドーピングを行わず、前記ブロッキング層の成長途中からｐ型ドーパントをドーピングする、請求項１８、２０又は２２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法。

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