JP5443324B2 - 光半導体素子 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、光半導体素子に関する。

窒化物半導体を用いた半導体発光素子である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、例えば、表示装置や照明などに用いられている。また、レーザダイオード（ＬＤ）は、例えば、高密度記憶ディスクへの読み書きのための光源などに用いられている。さらに、窒化物半導体を用いた受光素子も考えられる。
このような光半導体素子において、さらなる高効率化が求められている。

特開２００８−２５２０９６号公報

本発明の実施形態は、高効率の光半導体素子を提供する。

本発明の実施形態によれば、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた機能部と、を備えた光半導体素子が提供される。前記機能部は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に積層された複数の活性層を含む。前記複数の活性層の少なくとも２つは、多層積層体と、ｎ側障壁層と、井戸層と、ｐ側障壁層と、を含む。前記多層積層体は、前記方向に交互に積層された複数の厚膜層と前記厚膜層よりも薄い複数の薄膜層とを含む。前記ｎ側障壁層は、前記多層積層体と前記ｐ形半導体層との間に設けられる。前記井戸層は、前記ｎ側障壁層と前記ｐ形半導体層との間に設けられる。前記ｐ側障壁層は、前記井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられる。前記薄膜層のバンドギャップエネルギーは、前記厚膜層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。前記薄膜層のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。前記薄膜層のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。前記ｎ側障壁層において、前記厚膜層のバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する領域が厚さ３ナノメートルよりも厚く連続し、前記ｐ側障壁層において、前記厚膜層のバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する領域が厚さ３ナノメートルよりも厚く連続する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る光半導体素子を示す模式的断面図である。 実施形態に係る光半導体素子の一部を示す模式的断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、参考例の光半導体素子を示す模式的断面図である。 光半導体素子の特性を示すグラフ図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は、光半導体素子の蛍光顕微鏡像である。

以下に、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。

（実施の形態）
実施形態に係る光半導体素子は、例えば、ＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子に応用される。さらに、実施形態に係る光半導体素子は、受光素子に応用される。以下では、実施形態に係る光半導体素子が、半導体発光素子に応用される例について説明する。具体的には、実施形態に係る光半導体素子が、ＬＥＤである場合について説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る光半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
すなわち、図１（ａ）は、光半導体素子の構成の例を示している。図１（ｂ）は、光半導体素子の一部の構成の例を示している。
図２は、実施形態に係る光半導体素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。

図１（ａ）に表したように、実施形態に係る光半導体素子１１０は、ｎ形半導体層２０と、ｐ形半導体層４０と、機能部３０と、を備える。
機能部３０は、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層４０との間に設けられる。
光半導体素子１１０が、半導体発光素子である場合には、機能部３０は、発光部となる。

図１（ｂ）に表したように、機能部３０は、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層４０に向かう方向に積層された複数の活性層ＥＬ（例えば第１活性層ＥＬ１、第２活性層ＥＬ２、第３活性層ＥＬ３及び第４活性層ＥＬ４など）を含む。すなわち、複数の活性層ＥＬは、第１活性層ＥＬ１〜第ｎ活性層ＥＬｎを含む。ここで、「ｎ」は２以上の整数である。光半導体素子１１０が、半導体発光素子である場合には、活性層ＥＬは、発光層となる。

この例では、活性層ＥＬは４つである。すなわち、この具体例では、「ｎ」は４である。ただし、実施形態はこれに限らない。活性層ＥＬの数は２以上であり、任意である。

第（ｉ＋１）活性層ＥＬ（ｉ＋１）は、第ｉ活性層ＥＬｉとｐ形半導体層４０との間に設けられる。ここで「ｉ」は１以上の整数である。

複数の活性層ＥＬの少なくとも２つは、多層積層体ＳＬと、ｎ側障壁層ＢＮと、井戸層ＷＬと、ｐ側障壁層ＢＰと、を含む。

この例では、４つの活性層ＥＬのそれぞれが、多層積層体ＳＬと、ｎ側障壁層ＢＮと、井戸層ＷＬと、ｐ側障壁層ＢＰと、を含む。
４つの活性層ＥＬのそれぞれにおいて、多層積層体ＳＬは、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層４０との間に設けられる。ｎ側障壁層ＢＮは、多層積層体ＳＬとｐ形半導体層４０との間に設けられる。井戸層ＷＬは、ｎ側障壁層ＢＮとｐ形半導体層４０との間に設けられる。ｐ側障壁層ＢＰは、井戸層ＷＬとｐ形半導体層４０との間に設けられる。

すなわち、第１活性層ＥＬ１において、第１多層積層体ＳＬ１は、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層４０との間に設けられる。第１ｎ側障壁層ＢＮ１は、第１多層積層体ＳＬ１とｐ形半導体層４０との間に設けられる。第１井戸層ＷＬ１は、第１ｎ側障壁層ＢＮ１とｐ形半導体層４０との間に設けられる。第１ｐ側障壁層ＢＰ１は、第１井戸層ＷＬ１とｐ形半導体層４０との間に設けられる。

このように、任意のｉ（ｉは１以上の整数）において、第ｉ活性層ＥＬｉにおいて、第ｉ多層積層体ＳＬｉは、ｎ形半導体層２０とｐ形半導体層４０との間に設けられる。第ｉｎ側障壁層ＢＮｉは、第ｉ多層積層体ＳＬｉとｐ形半導体層４０との間に設けられる。第ｉ井戸層ＷＬｉは、第ｉｎ側障壁層ＢＮｉとｐ形半導体層４０との間に設けられる。第ｉｐ側障壁層ＢＰｉは、第ｉ井戸層ＷＬｉとｐ形半導体層４０との間に設けられる。

このように、光半導体素子１１０の機能部３０においては、複数の活性層ＥＬが設けられる。すなわち、複数の井戸層ＷＬが設けられる。すなわち、機能部３０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造を有している。

ここで、ｎ形半導体層２０からｐ形半導体層４０に向かう方向をＺ軸方向（積層方向）とする。

図２に表したように、多層積層体ＳＬのそれぞれは、Ｚ軸方向に交互に積層された複数の厚膜層ＳＡと複数の薄膜層ＳＢとを含む。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの厚さよりも薄い厚さを有する。薄膜層ＳＢは、厚膜層ＳＡの組成とは異なる組成を有する。

例えば、複数の薄膜層ＳＢは、第１薄膜層ＳＢ１〜第ｍ薄膜層ＳＢｍを含む。ここで、「ｍ」は２以上の整数である。ここで、第（ｉ＋１）薄膜層ＳＢ（ｉ＋１）は、第ｉ薄膜層ＳＢｉとｐ形半導体層４０との間に設けられる。

複数の厚膜層ＳＡは、第１厚膜層ＳＡ１〜第ｍ厚膜層ＳＡｍを含む。ここで、第（ｉ＋１）厚膜層ＳＡ（ｉ＋１）は、第ｉ厚膜層ＳＡｉとｐ形半導体層４０との間に設けられる。さらに、複数の厚膜層ＳＡは、第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）をさらに含んでも良い。第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）は、複数の厚膜層ＳＡのうちで、最もｐ形半導体層４０に近い層である。第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）は、ｐ側厚膜層ＳＡｐである。
第ｉ厚膜層ＳＡｉと第（ｉ＋１）厚膜層ＳＡ（ｉ＋１）との間に第ｉ薄膜層ＳＢｉが設けられる。

本具体例では、薄膜層ＳＢの数である「ｍ」は４である。そして、厚膜層ＳＡの数はｍ＋１であり、５である。ただし、実施形態はこれに限らず、「ｍ」は２以上の任意の整数である。

多層積層体ＳＬは、例えば超格子構造を有することができる。

厚膜層ＳＡの厚さは、３ナノメートル（ｎｍ）以下に設定される。さらに具体的には、厚膜層ＳＡの厚さは、１．０ｎｍ以上３ｎｍ以下である。薄膜層ＳＢの厚さは、厚膜層ＳＡの厚さよりも薄く、かつ、１．５ｎｍ未満である。これにより、多層積層体ＳＬは、超格子構造を有することができる。

多層積層体ＳＬは、窒化物半導体を含むことができる。
具体的には、例えば、厚膜層ＳＡはＧａＮを含む。薄膜層ＳＢは、ＩｎＧａＮを含む。 厚膜層ＳＡには、例えば実質的にＩｎを含まないＧａＮ層が用いられる。薄膜層ＳＢには、例えばＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層が用いられる。薄膜層ＳＢにおけるＩｎ濃度は、これに限らず、良好な結晶品質が得られる範囲で任意である。
例えば、薄膜層ＳＢの組成を有するバルク構造におけるバンドギャップエネルギーは、複数の厚膜層ＳＡの組成を有するバルク構造におけるバンドギャップエネルギーよりも小さい。

このように、本実施形態に係る光半導体素子１１０においては、機能部３０がＭＱＷ構造を有しており、ＭＱＷに含まれるそれぞれの層（活性層ＥＬ）に多層積層体ＳＬが設けられている。これにより、高効率の光半導体素子が得られる。

後述するように、実施形態に係る光半導体素子１１０は、ｎ形半導体層２０の上に機能部３０が形成され、機能部３０の上にｐ形半導体層４０が形成される。そして、機能部３０の形成においては、多層積層体ＳＬが形成され、多層積層体ＳＬの上にｎ側障壁層ＢＮが形成される。ｎ側障壁層ＢＮの上に井戸層ＷＬが形成され、井戸層ＷＬの上にｐ側障壁層ＢＰが形成される。このようにして、１つの活性層ＥＬが形成される。そして、この活性層ＥＬが複数積層される。

このように、本実施形態においては、ｎ側障壁層ＢＮ／井戸層ＷＬ／ｐ側障壁層ＢＰの構成のそれぞれの下に多層積層体ＳＬが設けられる。このため、複数の井戸層ＷＬのそれぞれは、それぞれの直下の多層積層体ＳＬのモフォロジを引き継いで成長する。このため、複数の井戸層ＷＬの特性は均一化される。

例えば、ｎ形半導体層２０の上に多層積層体（超格子層）を形成し、その上に超格子層を含まないＭＱＷを形成する構成が考えられる。この構成においては、ＭＱＷの中で多層積層体に近い井戸層ＷＬにおいては、多層積層体のモフォロジの影響が大きいが、ｐ形半導体層４０に近い井戸層ＷＬにおいては、多層積層体のモフォロジの影響が小さくなる。

これに対し、本実施形態においては、複数の井戸層ＷＬのそれぞれの直下に多層積層体ＳＬが設けられるため、複数の井戸層ＷＬの特性が適正化され、そして、均一化される。これにより、発光効率が向上する。すなわち、高効率で高輝度の光半導体素子が得られる。

実施形態において、厚膜層ＳＡの厚さは、ｎ側障壁層ＢＮの厚さ及びｐ側障壁層ＢＰの厚さよりも薄い。具体的には、ｎ側障壁層ＢＮの厚さ及びｐ側障壁層ＢＰの厚さは、３ｎｍよりも厚い。

これにより、井戸層ＷＬのそれぞれにおいて、ｎ側障壁層ＢＮとｐ側障壁層ＢＰとにより、キャリアの良好な閉じ込め効果が得られる。これにより、さらに発光効率が向上する。すなわち、さらに高効率でさらに高輝度の光半導体素子が得られる。

ｎ形半導体層２０、ｐ形半導体層４０及び機能部３０は、窒化物半導体を含む。
機能部３０の活性層ＥＬに含まれる井戸層ＷＬ、ｎ側障壁層ＢＮ及びｐ側障壁層ＢＰは、窒化物半導体を含む。

井戸層ＷＬは、例えば、ＩｎＧａＮを含む。そして、ｎ側障壁層ＢＮ及びｐ側障壁層ＢＰは、ＧａＮを含む。すなわち、井戸層ＷＬに含まれるＩｎの濃度は、ｎ側障壁層ＢＮ及びｐ側障壁層ＢＰに含まれるＩｎの濃度よりも高い。また、ｎ側障壁層ＢＮ及びｐ側障壁層ＢＰの少なくとも一部にＡｌが含まれていてもよい。

すなわち、井戸層ＷＬのバンドギャップエネルギーは、ｎ側障壁層ＢＮのバンドギャップエネルギーよりも小さく、ｐ側障壁層ＢＰのバンドギャップエネルギーよりも小さい。これにより、キャリアが井戸層ＷＬに効率的に閉じ込められる。

井戸層ＷＬは、例えば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．１２＜ｘ＜１）を含む。このとき、機能部３０から放出される光のピーク波長は、例えば、４４０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。例えば、井戸層ＷＬには、例えばＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ層が用いられる。このとき、機能部３０から放出される光のピーク波長は、約５２０ｎｍである。
なお、後述するように、実施形態はこれに限らずピーク波長は任意である。そして、井戸層ＷＬにおけるＩｎ濃度は任意である。

図１に表したように、例えば、ｎ形半導体層２０は、下地層２１と、ｎ側コンタクト層２２と、を含むことができる。ｎ側コンタクト層２２は、下地層２１と機能部３０との間に設けられる。下地層２１には、例えばＧａＮ層が用いられる。ｎ側コンタクト層２２には、ｎ形の不純物を含むＧａＮ層が用いられる。ｎ形不純物として、例えばＳｉ（シリコン）が用いられる。

ｐ形半導体層４０には、例えば、ｐ形ＡｌＧａＮ層（例えば電子オーバーフロー抑制層として機能する）と、ｐ形ＧａＮ層と、の積層膜を用いることができる。ｐ形ＧａＮ層は、コンタクト層として機能する。ｐ形不純物として、例えばＭｇ（マグネシウム）が用いられる。

このように、ｎ形半導体層２０、機能部３０及びｐ形半導体層４０を含む積層構造体１０ｓが設けられている。本具体例では、積層構造体１０ｓの第１主面１０ａの側の一部が選択的に除去されている。これにより、第１主面１０ａの側にｎ形半導体層２０の一部が露出している。この露出している部分にｎ側電極７０が設けられている。ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０に接する。実施形態はこれに限らず、ｎ側電極７０は、ｎ形半導体層２０の第２主面１０ｂの側に設けられても良い。ｎ側電極７０としては、例えば、チタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜が用いられる。

ｐ側電極８０は、ｐ形半導体層４０に接する。ｐ側電極８０には、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などが用いられる。また、ｐ側電極８０には、ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）などの複合膜を用いることができる。

光半導体素子１１０は、さらに、基板１０と、バッファ層１１と、を備えている。基板１０及びバッファ層１１は、必要に応じて設けられ、省略しても良い。

基板１０には、例えばサファイアが用いられる。例えば、基板１０には、サファイア（０００１）基板が用いられる。さらに、基板１０には、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板またはＧａＮ基板を用いても良い。また、サファイア基板において、（０００１）以外の面の基板を用いても良い。基板１０の上にバッファ層１１が形成される。バッファ層１１には、例えばＧａＮ層が用いられる。バッファ層１１の上に、ｎ形半導体層２０、機能部３０及びｐ形半導体層４０が順次形成される。バッファ層１１の上に上記の半導体層を形成した後に、基板１０を除去しても良い。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、参考例の光半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図３（ａ）に表したように、第１参考例の光半導体素子１１９ａにおいては、多層積層体ＳＬが設けられていない。これ以外は、光半導体素子１１０と同様なので説明を省略する。

図３（ｂ）に表したように、第２参考例の光半導体素子１１９ｂにおいては、活性層ＥＬのそれぞれにおいて、多層積層体ＳＬが設けられていない。そして、ｎ形半導体層２０と機能部３０との間に多層積層体ＳＬが設けられている。そして多層積層体ＳＬにおける薄膜層ＳＢの数は２０である。すなわち、多層積層体ＳＬにおいて、第１薄膜層ＳＢ１〜第ｍ薄膜層ＳＢｍが設けられ、第１厚膜層ＳＡ１〜第（ｍ＋１）厚膜層ＳＡ（ｍ＋１）が設けられ、「ｍ」は２０である。これ以外は、光半導体素子１１０と同様なので説明を省略する。

以下、光半導体素子１１０、光半導体素子１１９ａ及び光半導体素子１１９ｂの特性に関して説明する。まず、これらの光半導体素子１１０の作製条件について説明する。

まず、サファイア（０００１）の基板１０を、サセプタ温度が１１００℃で、サーマルクリーニングを行った。次に、サセプタ温度を５００℃に下げ、基板１０上に、バッファ層１１となるＧａＮ層を成長させた。次に、サセプタ温度を１１２０℃まで昇温した後に、下地層２１となるＧａＮ層を成長させた。さらに、ｎ形不純物原料を導入し、ｎ側コンタクト層２２を形成した。

その後、キャリアガスをＨ_２からＮ_２に変え、サセプタ温度を８１０℃まで下げた。そして、厚さが３ｎｍのＧａＮ層と、厚さが１ｎｍのＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層と、を交互に形成した。このＧａＮ層が厚膜層ＳＡとなる。このＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層が薄膜層ＳＢとなる。このＧａＮ層の数は５層であり、Ｉｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層の数は４層である。これにより多層積層体ＳＬが形成される。

次に、厚さが４ｎｍのＧａＮ層を成長した。このＧａＮ層が、ｎ側障壁層ＢＮとなる。このＧａＮ層には、結晶品質を劣化させない程度に、ＡｌやＩｎが含まれていても良い。

次に、厚さが３ｎｍのＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ層を形成した。このＩｎ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎ層が井戸層ＷＬとなる。さらに、厚さが４ｎｍのＧａＮ層を形成した。このＧａＮ層が、ｐ側障壁層ＢＰとなる。

上記の多層積層体ＳＬ、ｎ側障壁層ＢＮ、井戸層ＷＬ、ｐ側障壁層ＢＰの成長が、１つの活性層ＥＬの形成に相当する。活性層ＥＬの形成を合計で４周期実施した。これにより、機能部３０が形成される。

この後、機能部３０の上に、ｐ形半導体層４０を形成し、結晶成長工程が終了する。ｎ側電極７０及びｐ側電極８０を形成し、実施形態に係る光半導体素子１１０が得られた。

一方、第１参考例の光半導体素子１１９ａにおいては、ｎ形半導体層２０を形成した後、多層積層体ＳＬを形成せず、ｎ側障壁層ＢＮ、井戸層ＷＬ及びｐ側障壁層ＢＰの成長を４周期実施した。これにより、機能部３０が形成される。この他は、光半導体素子１１０と同様である。

第２参考例の光半導体素子においては、ｎ形半導体層２０を形成した後に、２０層の多層積層体ＳＬを形成した。すなわち、厚さが３ｎｍのＧａＮ層と、厚さが１ｎｍのＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層と、を交互に形成した。このＧａＮ層が厚膜層ＳＡとなる。このＩｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層が薄膜層ＳＢとなる。このＧａＮ層の数は２１層であり、Ｉｎ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ層の数は２０層である。これにより多層積層体ＳＬが形成される。その後、ｎ側障壁層ＢＮ、井戸層ＷＬ及びｐ側障壁層ＢＰの成長を４周期実施した。これにより、機能部３０が形成される。この他は、光半導体素子１１０と同様である。
これらの光半導体素子についてフォトルミネッセンス測定を行った。

図４は、光半導体素子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、これらの光半導体素子のフォトルミネッセンス測定の結果を示している。横軸は波長λ（ｎｍ）であり、縦軸は、フォトルミネッセンス強度ＰＬＩ（相対値）である。

図４に表したように、多層積層体ＳＬを設けない第１参考例の光半導体素子１１９ａにおいては、フォトルミネッセンス強度ＰＬＩのピーク値は、０．６７であり、著しく低い。２０周期の多層積層体ＳＬをｎ形半導体層２０と機能部３０の間に１つ設けた第２参考例の光半導体素子１１９ｂにおいては、フォトルミネッセンス強度ＰＬＩのピーク値は、２．１８あり、やはり低い。

これに対し、４周期の多層積層体ＳＬを活性層ＥＬのそれぞれに設けた実施形態に係る光半導体素子１１０においては、フォトルミネッセンス強度ＰＬＩのピーク値は、５．７５である。すなわち、光半導体素子１１０においては、第１参考例に対して８．６倍、第２参考例に対して２．６倍の強さの発光を得ることができる。
このように、実施形態によれば、高輝度の光半導体素子が得られる。

さらに、第１参考例において、薄膜層ＳＢの数は２０層である。これに対し、実施形態に係る光半導体素子１１０においては薄膜層ＳＢの合計の数は１６層（１つに多層構造体ＳＬについて４周期であり、多層構造体ＳＬを含む活性層ＥＬが４周期）である。このように、実施形態においては、薄膜層ＳＢ及び厚膜層ＳＡの層数の合計が低減しているにもかかわらず、高輝度化がなされている。
このように、実施形態によれば、総数の合計及び膜厚の合計を低減しているにも係わらず、高輝度の光半導体素子が得られる。
このように、実施形態によれば、高効率な光半導体素子が提供できる。

発明者は、これらの光半導体素子の特性の違いに関して解析を行った。解析の１つとして、蛍光顕微鏡による半導体層の表面の発光パターンの観察を行った。この解析においては、参考として、多層積層体ＳＬを形成し、障壁層、井戸層及びｐ形半導体層の形成を行わない試料（試料１１９ｃ）も評価した。

図５（ａ）〜図５（ｄ）は、光半導体素子の蛍光顕微鏡像である。
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、それぞれ、光半導体素子１１０、光半導体素子１１９ａ、光半導体素子１１９ｂ及び試料１１９ｃにそれぞれ対応する。

図５（ｄ）に表したように、多層積層体ＳＬのみの試料１１９ｃにおいては、蛍光顕微鏡像における発光において、異方性を有する特徴的なパターンが観察された。このパターンは、窒化物半導体の六方晶の構造に対応する。

図５（ａ）に表したように、実施形態に係る光半導体素子１１０においては、発光が異方性パターンを有している。すなわち、蛍光顕微鏡像において、明るい部分と暗い部分とが存在し、これらの部分が異方性を持った葉脈状に分布している。このように、機能部３０から放出される発光を積層方向に沿って観察した蛍光顕微鏡観察像は、光強度の異方性パターンを有している。この異方性パターンは、活性層ＥＬのそれぞれに設けられた多層積層体ＳＬの影響を受けたものであると考えられる。すなわち、実施形態においては、活性層ＥＬのそれぞれに多層積層体ＳＬが設けられているため、障壁層及び井戸層の結晶は、多層積層体ＳＬのモフォロジの影響を強く受けると考えられる。このため、実施形態においては、蛍光顕微鏡像の発光の異方性が大きく、異方性パターンが明確に観察される。

図５（ｂ）に表したように、多層積層体ＳＬを設けない第１参考例の光半導体素子１１９ａにおいては、等方的な発光パターンが観察された。すなわち、この場合の発光パターンは、結晶の方位を反映していない。

図５（ｃ）に表したように、１つの多層積層体ＳＬを設けた第２参考例の光半導体素子１１９ｂにおいては、発光パターンは、弱い異方性を有していた。図５（ｄ）に例示した多層積層体ＳＬのみ試料１１９ｃでは、発光パターンの異方性がはっきりと観察されるのに対し、その上にＭＱＷを形成することで異方性が著しく低下する。このことから、ＭＱＷを結晶成長するうちに、結晶の異方性が低下し、等方的に近づくと考えられる。

一方、実施形態に係る光半導体素子１１０においては、多層積層体ＳＬのそれぞれの上に１つの井戸構造が設けられる。そして、この場合は、発光パターンの異方性が高い。

多層積層体ＳＬのモフォロジは、その上に形成されるＭＱＷの成長によって乱され、井戸層の数が増すにつれてモフォロジの反映の程度が低くなると考えられる。このため、例えば、第２参考例の光半導体素子１１９ｂにおいては、多層積層体ＳＬに近い井戸層ＷＬにおける結晶特性と、ｐ形半導体層４０に近い井戸層ＷＬにおける結晶特性と、が互いに異なると考えられる。光半導体素子１１９ｂにおいては、ＭＱＷの層どうしで発光パターンが異なり、井戸層ＷＬの発光特性は、ＭＱＷの層どうしで不均一であると考えられる。

実施形態においては、ＭＱＷのそれぞれに多層積層体ＳＬが設けられるため、複数の井戸層ＷＬの特性は均一化される。

機能部３０の成長中に、Ｉｎを含む井戸層ＷＬの結晶には歪みが与えられる。このとき、結晶成長中の最表面の井戸層ＷＬには大きな歪みが発生すると考えられるが、この上にさらにＧａＮ層を形成すると、歪みは、層全体で平均化されると考えられる。

第２参考例の光半導体素子１１９ｂにおいては、多層積層体ＳＬに近い井戸層ＷＬでは、大きな歪みが与えられるが、多層積層体ＳＬから離れるに従って、井戸層ＷＬにおける歪みは小さくなると考えられる。例えば、最上層の井戸層ＷＬには、多層積層体ＳＬの効果が伝わり難い。

第２参考例のように、ＭＱＷ構造の下地のＧａＮ層の格子定数と、ＭＱＷ構造の井戸層となるＩｎＧａＮ層の格子定数と、の差に基づく転位を抑制するために、ＭＱＷ構造の下に超格子層を挿入することが考えられる。一方、高輝度で高効率な発光を得るために、ＭＱＷ構造の層数が増やされる。しかしながら、ＭＱＷ構造の層数を増やすと超格子の効果が弱まる。また、ＭＱＷ構造において、井戸層ＷＬの特性がＭＱＷ構造の層間で異なってしまうと、結果として、効率が十分向上できない。

これに対し、実施形態に係る光半導体素子１１０においては、複数の井戸層ＷＬのそれぞれに、それぞれの直下の多層積層体ＳＬから、歪みが安定して与えられる。すなわち、それぞれの活性層ＥＬにおいて、例えば多層積層体ＳＬによって結晶の歪みを適正化する。そして、その上にｎ側障壁層ＢＮを形成し、その上に井戸層ＷＬを形成することで、井戸層ＷＬは多層積層体ＳＬに対してコヒーレントに形成することができると考えられる。そして、この構成が、複数の活性層ＥＬにおいて均一に適用される。

参考例として、井戸層及び障壁層の少なくともいずれかが、超格子構造を有する構成が考えられる。この場合、３６０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長範囲の近紫外線を放出する構成であり、超格子構造に含まれる層のそれぞれの厚さは２ｎｍ以下に設定される。

これに対し、実施形態においては、１つの活性層ＥＬの中に、多層積層体ＳＬが設けられ、それとは別にｎ側障壁層ＢＮ、井戸層ＷＬ及びｐ側障壁層ＢＰが設けられる。すなわち、それぞれの層の機能が分離されている。このため、多層積層体ＳＬ、障壁層及び井戸層ＷＬのそれぞれの層の設計を最適化できる。さらに、それぞれの層を最適化した条件で形成できる。これにより、高い特性が得られる。

実施形態に係る光半導体素子１１０においては、例えば、障壁層が２段階の温度で成長される。例えば、ｎ側障壁層ＢＮの一部の層は高温（例えば８５０℃）で成長され、ｎ側障壁層ＢＮの他の一部の層は低温（例えば７３０℃）で成長される。そして、井戸層ＷＬが低温（例えば７３０℃成長）で成長される。さらに、ｐ側障壁層ＢＰの一部の層が低温（例えば７３０℃）で成長され、ｐ側障壁層ＢＰの他の一部の層が高温（例えば８５０℃）で成長される。

すなわち、実施形態は、ｎ形半導体層と、ｐ形半導体層と、前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた機能部と、を備えた光半導体素子の製造方法を含む。前記機能部は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に積層された複数の活性層を含む。前記複数の活性層の少なくとも２つは、前記方向に交互に積層された複数の厚膜層と前記厚膜層よりも薄い複数の薄膜層とを含む多層積層体と、前記多層積層体と前記ｐ形半導体層との間に設けられたｎ側障壁層と、前記ｎ側障壁層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた井戸層と、前記井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられたｐ側障壁層と、を含む。

本製造方法は、前記多層構造体の上に、前記ｎ側障壁層の一部を第１温度で形成し、前記第１部分の上に、前記ｎ側障壁層の別の一部を前記第１温度よりも低い第２温度で形成し、前記第２部分の上に、前記井戸層を前記第１温度よりも低い第３温度で形成することを含む。

さらに、本製造方法は、前記井戸層の上に、前記ｐ側障壁層の一部を前記第１温度よりも低い第４温度で形成し、前記第３部分の上に、前記ｐ側障壁層の別の一部を前記第４温度よりも高い第５温度で形成することを含むことができる。

例えば、第１温度は８５０℃であり、第２温度は７３０℃であり、第３温度は７３０℃であり、第４温度は７３０℃であり、第５温度は８５０℃である。すなわち、第２温度は、第１温度よりも５０℃以上低い。そして、第５温度は、第４温度よりも５０以上高い。このように、本製造方法では、障壁層が２つの温度によって形成される。なお、第２温度、第３温度及び第４温度は実質的に同じ温度であることが望ましい。これにより、温度の変更に要する時間が省略でき、生産性が向上する。

これにより、複数の活性層ＥＬのそれぞれにおいて、結晶成長の際の表面に予め圧縮歪みが印加される。これにより、結晶表面の平坦性の劣化を最小限に抑えながら、格子の一部を緩和し、障壁層と井戸層ＷＬとの実質的な格子定数差を低減する。これにより、高い結晶品質の井戸層ＷＬが得られる。

本実施形態において、多層積層体ＳＬとｎ側障壁層ＢＮとは接触し、ｎ側障壁層ＢＮと井戸層ＷＬとは接触し、井戸層ＷＬとｐ側障壁層ＢＰとは接触していることが望ましい。すなわち、複数の活性層ＥＬのうちの１つにおいて、ｎ側障壁層ＢＮは多層積層体ＳＬに接し、井戸層ＷＬはｎ側障壁層ＢＮに接し、ｐ側障壁層ＢＰは井戸層ＷＬに接することが望ましい。これらの層が互いに接触することで、多層積層体ＳＬにおけるモフォロジが例えば井戸層ＷＬに効率的に伝達される。ただし、実施形態はこれに限らず、これらの間に、モフォロジの伝達を実質的に低下させない層が挿入されても良い。

なお、１つの多層積層体ＳＬをｎ形半導体層２０と機能部３０との間に設けた光半導体素子１１９ｂにおいては、多層積層体ＳＬにおける厚膜層ＳＡ及び薄膜層ＳＢのそれぞれ数は、例えば１０層〜３０層に設定されることが多い。

これに対し、活性層ＥＬのそれぞれに多層積層体ＳＬを設ける実施形態においては、多層積層体ＳＬにおける厚膜層ＳＡ及び薄膜層ＳＢのそれぞれの数は、少なくても良い。多層積層体ＳＬにおける厚膜層ＳＡ及び薄膜層ＳＢのそれぞれの数は、例えば、２以上６以下程度とされる。

薄膜層ＳＢの数は、４以上であることが望ましい。これにより、多層積層体ＳＬの構造が安定化し、多層積層体ＳＬの表面モフォロジが安定化し易い。これにより高い発光効率が得られる。

複数の活性層ＥＬの数は３以上であることが望ましい。これにより高い発光効率が得易くなる。

実施形態において、複数の活性層ＥＬの全てにおいて、多層積層体ＳＬを設けなくても良い。すなわち、例えば多層積層体ＳＬのモフォロジが実質的に伝達される数の障壁層及び井戸層の組を形成し、その間において多層積層体ＳＬは省略しても良い。例えば、活性層ＥＬが４つ設けられる場合において、第１活性層ＥＬ１（ｎ形半導体層２０に近い側）及び第３活性層ＥＬ３に多層積層体ＳＬをそれぞれ設け、第２活性層ＥＬ２及び第４活性層ＥＬ４に多層積層体ＳＬを設けなくても良い。

ただし、複数の活性層ＥＬのそれぞれが多層積層体ＳＬを含むことが、より望ましい。すなわち、複数の活性層ＥＬのそれぞれは、多層積層体ＳＬと、ｎ側障壁層ＢＮと、井戸層ＷＬと、ｐ側障壁層ＢＰと、を含むことが望ましい。これにより、活性層ＥＬの特性がより均一化する。これにより、より高い発光効率が得られる。

既に説明したように、実施形態において、ｎ側障壁層ＢＮの厚さ及びｐ側障壁層ＢＰの厚さは、３ｎｍよりも厚く設定される。この厚さが３ｎｍ以下の場合は、井戸層ＷＬと隣接する多層構造体ＳＬとが、結合量子井戸として作用してしまい、意図しない波長変化を起こしたり、キャリアの閉じ込め効果を小さくしてしまう。このため、内部量子効率が低下し、発光効率が低下する。この厚さを３ｎｍよりも厚くすることで、高い発光効率が得られる。

そして、ｎ側障壁層ＢＮの厚さ及びｐ側障壁層ＢＰの厚さは、１０ｎｍよりも薄く設定される。ｎ側障壁層ＢＮの厚さ及びｐ側障壁層ＢＰの厚さが１０ｎｍ以上になると、歪みの蓄積効果が小さくなり、発光効率が低下し易い。この厚さを１０ｎｍよりも薄くすることで、高い発光効率が得られる。
なお、光半導体素子に含まれる各層の厚さは、例えば透過電子顕微鏡像を解析することで得られる。

本実施形態は、井戸層ＷＬにおけるＩｎ濃度が高く、歪みが大きい場合に特に大きな効果を発揮する。

機能部３０から放出される光のピーク波長は、例えば、５００ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。この場合に、複数の井戸層ＷＬの特性の均一化の効果がより大きい。このとき、複数の活性層の数は３以上１０以下に設定されることが望ましい。これにより、効率がより高くできる。

実施形態において、機能部３０から放出される光のピーク波長は、４１０ｎｍよりも長く５００ｎｍ未満に設定することができる。この場合に、複数の井戸層ＷＬの特性の均一化の効果が大きい。このとき、活性層ＥＬの数は４以上に設定されることが望ましい。これにより、効率がより高くできる。

実施形態に係る光半導体素子１１０における各半導体層の成長方法には、例えば、有機金属気相堆積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法、及び、有機金属気相成長（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法などを用いることができる。

各半導体層の形成の際の原料には、以下を用いることができる。
Ｇａの原料として、例えば、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）及びＴＥＧａ（トリエチルガリウム）などを用いることができる。Ｉｎの原料として、例えば、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）及びＴＥＩｎ（トリエチルインジウム）などを用いることができる。Ａｌの原料として、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）などを用いることができる。Ｎの原料として、例えば、ＮＨ_３（アンモニア）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）及びＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）などを用いることができる。Ｓｉの原料として、例えば、ＳｉＨ_４（モノシラン）などを用いることができる。Ｍｇの原料として、例えば、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）などを用いることができる。

既に説明したように、実施形態に係る光半導体素子は、受光素子にも応用される。実施形態に係る半導体受光素子は、効率が向上することで、高感度の光検出が可能になる。

実施形態によれば、高効率の光半導体素子が提供される。

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、導電型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ば良い。

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、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光半導体素子に含まれるｎ形半導体層、ｐ形半導体層、活性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光半導体素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光半導体素子も、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…基板、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １０ｓ…積層構造体、 １１…バッファ層、 ２０…ｎ形半導体層、 ２１…下地層、 ２２…ｎ側コンタクト層、 ３０…機能部、 ４０…ｐ形半導体層、 ７０…ｎ側電極、 ８０…ｐ側電極、 １１０、１１９ａ、１１９ｂ…光半導体素子、 １１９ｃ…試料、 ＢＮ…ｎ側障壁層、 ＢＮ１〜ＢＮｉ…第１〜第ｉｎ側障壁層、 ＢＰ…ｐ側障壁層、 ＢＰ１〜ＢＰｉ…第１〜第ｉｐ側障壁層、 ＥＬ…活性層、 ＥＬ１〜ＥＬｎ、ＥＬｉ…第１〜第ｎ活性層、第ｉ活性層、 ＰＬＩ…フォトルミネッセンス強度、 ＳＡ…厚膜層、 ＳＡ１〜ＳＡｍ、ＳＡ（ｍ＋１）、ＳＡｉ…第１〜第ｍ厚膜層、第（ｍ＋１）厚膜層、第ｉ厚膜層、 ＳＡｐ…ｐ側厚膜層、 ＳＢ…薄膜層、 ＳＢ１〜ＳＢｍ、ＳＢｉ…第１〜第ｍ薄膜層、第ｉ薄膜層、 ＳＬ…多層積層体、 ＳＬ１〜ＳＬｉ…第１〜第ｉ多層積層体、 ＷＬ…井戸層、 ＷＬ１〜ＷＬｉ…第１〜第ｉ井戸層

Claims (7)

1. ｎ形半導体層と、
   ｐ形半導体層と、
   前記ｎ形半導体層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた機能部と、
   を備え、
   前記機能部は、前記ｎ形半導体層から前記ｐ形半導体層に向かう方向に積層された複数の活性層を含み、
   前記複数の活性層の少なくとも２つは、
   前記方向に交互に積層された複数の厚膜層と前記厚膜層よりも薄い複数の薄膜層とを含む多層積層体と、
   前記多層積層体と前記ｐ形半導体層との間に設けられたｎ側障壁層と、
   前記ｎ側障壁層と前記ｐ形半導体層との間に設けられた井戸層と、
   前記井戸層と前記ｐ形半導体層との間に設けられたｐ側障壁層と、
   を含み、
   前記薄膜層のバンドギャップエネルギーは、前記厚膜層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
   前記薄膜層のバンドギャップエネルギーは、前記ｎ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
   前記薄膜層のバンドギャップエネルギーは、前記ｐ側障壁層のバンドギャップエネルギーよりも小さく、
   前記ｎ側障壁層において、前記厚膜層のバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する領域が厚さ３ナノメートルよりも厚く連続し、
   前記ｐ側障壁層において、前記厚膜層のバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する領域が厚さ３ナノメートルよりも厚く連続することを特徴とする光半導体素子。
2. 前記薄膜層におけるＩｎ組成比は、前記井戸層におけるＩｎ組成比よりも低いことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 前記薄膜層におけるＩｎ組成比は、前記厚膜層におけるＩｎ組成比よりも高いことを特徴とする請求項１または２記載の光半導体素子。
4. 前記厚膜層は、ＧａＮを含み、前記薄膜層は、ＩｎＧａＮを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の光半導体素子。
5. 前記機能部から放出される光のピーク波長は、４１０ナノメートルよりも長いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光半導体素子。
6. 前記井戸層は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０．１２＜ｘ＜１）を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の光半導体素子。
7. 前記厚膜層の厚さは、前記ｎ側障壁層の厚さ及び前記ｐ側障壁層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光半導体素子。