JP5800252B2 - Ｌｅｄ素子 - Google Patents

Description

本発明はＬＥＤ素子に関し、特に窒化物半導体で構成されたＬＥＤ素子に関する。

従来、窒化物半導体を用いたＬＥＤ素子としては、青色発光ダイオードで代表されるように、サファイア基板上にエピタキシャル成長によって半導体層構造体（積層半導体基板）を形成している。このような技術は、例えば下記特許文献１や特許文献２に開示されている。

特許文献１には、サファイア基板の上に、ｎ型窒化物半導体として窒化ガリウム（ＧａＮ）よりなるｎ型コンタクト層と、ｎ−ＡｌＧａＮよりなるｎ型クラッド層と、ｎ−ＩｎＧａＮよりなる活性層と、ｐ−ＡｌＧａＮよりなるｐ型クラッド層と、ｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層とが順に積層された構造を有したＬＥＤが開示されている。活性層は、単一量子井戸構造又は多重量子井戸構造で実現されている。

そして、サファイア基板とｎ型コンタクト層との間には、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮよりなるバッファ層が形成されている。活性層を形成するｎ−ＩｎＧａＮには、ＳｉやＧｅなどのドナー不純物及び／又はＺｎやＭｇなどのアクセプター不純物がドープされている。

特許文献２には、ＬＥＤを形成する積層半導体基板において、ｃ軸方向に面方位が揃ったＡｌＮ上に、それよりも格子定数が大きく、且つｃ軸方向に面方位が揃ったＧａＮ層を成長形成させ、その上にそれよりも格子定数が小さいｎ−ＡｌＧａＮ層、多重量子井戸構造を有する活性層、ｐ−ＡｌＧａＮ層を順次形成する内容が開示されている。

特開平１０−９３１３８号公報 特開２００５−２０９９２５号公報

ＧａＮやＡｌＧａＮなどの窒化物半導体は、ウルツ鉱型結晶構造（六方晶構造）を有している。ウルツ鉱型結晶構造の面は、４指数表記（六方晶指数）にて、ａ１、ａ２、ａ３及びｃで示される基本ベクトルを用いて結晶面や方位が表される。基本ベクトルｃは、［０００１］方向に延びており、この方向は「ｃ軸」と呼ばれる。ｃ軸に垂直な面は「ｃ面」又は「（０００１）面」と呼ばれる。

従来、窒化物半導体を用いて半導体素子を作製する場合、窒化物半導体結晶を成長させる基板として、ｃ面基板を主面に有する基板が使用される。実際にはこの基板上にアンドープのＧａＮ層を成長させ、更にその上層にｎ型の窒化物半導体層を成長させる。

図１４は、従来のＬＥＤ素子９０の構造を示す概略断面図である。なお、以下の図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。

ＬＥＤ素子９０は、サファイアなどの支持基板１１の上層に、例えばアンドープのＧａＮ層を３μｍの膜厚で形成したアンドープ層１３と、その上層に、例えばｎ−ＡｌＧａＮ層を１．５μｍの膜厚で形成したｎ型クラッド層１５を有する。更に、ＬＥＤ素子９０は、ｎ型クラッド層１５の上層に、例えば井戸層を構成する膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと障壁層を構成する膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮを交互に積層することでＭＱＷ（Multi-quantum Well：多重量子井戸）を形成した、活性層１７を有する。更に、ＬＥＤ素子９０は、活性層１７の上層に、例えばｐ−ＡｌＧａＮ層で形成されたｐ型クラッド層１９を有し、その上層にｐ^＋−ＧａＮ層で形成されたｐ型コンタクト層２１を有する。なお、ＬＥＤ素子９０は、必要に応じて活性層１７とｐ型クラッド層１９の間に、ＡｌＧａＮで形成されたラストバリア層を有する。

ここで、ｎ型クラッド層１５を構成するＡｌＧａＮは、その下層のアンドープ層１３を構成するＧａＮよりも格子定数が小さい。このため、ｎ型クラッド層１５内に格子不整合に起因した引張応力８１が生じる。なお、引張応力８１が示す矢印は、応力の向きを表している。この引張応力８１は、ｎ型クラッド層１５の膜厚の増大と共に増大し、ある閾値を超えると表面荒れやクラック、結晶欠陥に伴うミスフィット転位が生じて発光効率の低下を招く。

一方、ｎ型クラッド層１５の膜厚を薄くし過ぎた場合、ｐ型コンタクト層２１の上面に形成される給電端子（不図示）とｎ型クラッド層１５の間に電圧を印加すると、給電端子から、その直下近傍に位置するｐ型コンタクト層２１、ｐ型クラッド層１９、活性層１７を介してｎ型クラッド層１５に電流が流れる。このため、活性層１７内の一部の領域のみに電流が流れてしまい、発光領域が少なくなって結果的に発光効率の低下を招く。更に、活性層１７の一部を電流が流れるために、局部的に電流集中が起こり、活性層１７内でのキャリアの不均一性が生じて高い発光強度を得ることができない。

本発明は、上記の課題に鑑み、活性層に隣接するｎ型半導体層の格子不整合に起因した課題を生じさせることなく、活性層内の水平方向の電流広がりを確保して、発光効率を向上させたＬＥＤ素子を実現することを目的とする。

本発明のＬＥＤ素子は、支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、
前記支持基板の上層に形成されたアンドープ層と、
前記アンドープ層の上層に形成され、ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、
前記第１半導体層の上層に、Ｓｉドープ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下のｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される第２半導体層と、膜厚が１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮで構成される第３半導体層の積層構造で形成されたヘテロ構造体と、
前記ヘテロ構造体の上層に形成され、ｐ型窒化物半導体で構成される第４半導体層を備え、
ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下であることを特徴とする。

ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される第２半導体層とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮで構成される第３半導体層のヘテロ接合により、両材料のバンドギャップの相違から、両層の界面にバンドベンディング領域が形成される。このバンドベンディング領域に、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。なお、以下において、第２半導体層を、適宜「ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ」と略記する。

Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮのＩｎ比率、すなわちｙ値は、ＬＥＤ素子のピーク発光波長を決定付ける。Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮのＩｎ比率を少なくすると、ＬＥＤ素子からのピーク発光波長が短波長側に移動し、逆にＩｎ比率を多くするとピーク発光波長が長波長側に移動する。

ここで、ピーク発光波長を３９５ｎｍより長い値、例えば４００ｎｍにすると、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮのＩｎ比率が高くなり過ぎる。結果として、ピエゾ電界に起因したエネルギーバンドの歪みが生じ、量子シュタルク効果によって発光効率が低下することに加え、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層で格子緩和が起こるため、ミスフィット転位が生成され発光効率の低下が生じる。一方で、ピーク発光波長を３６２ｎｍより短い値、例えば３５７ｎｍにしようとすると、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮのＩｎ比率を極めて低くしなければならない。しかし、本構成においては、従来のＭＱＷを有するＬＥＤ素子とは異なり、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下という厚膜で形成している。このため、Ｉｎの少量添加が難しく、３５７ｎｍといった短波長の光を実現するのが難しい。このような理由から、本発明のＬＥＤ素子はピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下の素子に適している。

前述したように、本発明のＬＥＤ素子は、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層を、一般的なＭＱＷ構造の井戸層を構成するために形成されるＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚（例えば２ｎｍ程度）よりも、十分に厚い１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。一般的なＭＱＷ構造では、量子シュタルク効果による発光割合の低下を防ぐために、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を２ｎｍ程度、厚くても高々７ｎｍ以下とされている。

しかし、本発明のＬＥＤ素子では、電流拡散層を構成するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下としている。このように、膜厚を大きくすることで、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域を広くし、電子を確保する容量を増加することができる。この領域に電子が十分に蓄積されるまでの間、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎによって形成される障壁を電子が超えられない。この間、二次元電子ガスが界面に平行な方向に移動するため、電子が水平方向に拡散する。つまり、電子が十分に水平方向に拡散し、バンドベンディング領域及びほぼ平坦なバンド領域内に十分な量の電子が蓄積された段階で、電子がｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎの障壁を超えてｐ層側に移動する。つまり、電流がｐ層側からｎ層側に流れるまでに、いったん水平方向に電子の広がりが実現される。これにより、ヘテロ構造体内を流れる電流が水平方向に広がるので、ヘテロ構造体の全体で発光させることができ、発光効率を高めることができる。

他方、本発明者らの鋭意研究により、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を２５ｎｍよりも厚く、例えば３０ｎｍにした場合、結晶欠陥などの問題が顕在化して、光出力が低下することが分かった。つまり、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚は、結晶欠陥が生じない臨界膜厚以下とするのが好ましい。

よって、上記のように、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、光出力を向上させる効果が得られる。なお、後述するように、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を上記範囲内とすることで、素子のＥＳＤ（Electro Static Discharge：静電気放電）に対する耐圧を向上させる効果も得られる。

なお、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎとした第２半導体層に含まれるＩｎ組成は０であっても構わない。ただし、第２半導体層にＩｎを５％以内の範囲で含ませることで、光出力を更に向上させる効果が得られる。

更に、本発明者らの鋭意研究により、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下とすることで、このような光出力の向上効果を担保できることが分かった。例えば、Ｓｉドープ濃度を５×１０^１７／ｃｍ^３といった、１×１０^１８／ｃｍ^３よりも少ない値とした場合には、絶対的なＳｉ濃度が低いために、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層の伝導帯のスクリーニング効果が小さく、十分な量のキャリアをバンドベンディング領域及びほぼ平坦なバンド領域に取り込むことができない。これによって、高い光出力が得られないことが分かった。他方、２×１０^１９／ｃｍ^３といった、１×１０^１９／ｃｍ^３よりも高い値とした場合にはドループ現象が生じ、高い光出力が得られないことが分かった。

よって、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮの膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とした上で、更にｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３ＮのＳｉドープ濃度を、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下とすることで、従来のＬＥＤ素子よりも、更に光出力を向上させる効果が得られる。

なお、本発明者らの鋭意研究により、上記構成によれば、従来のＭＱＷを備えたＬＥＤ素子と比較して、Ｓｉドープ濃度を高くすることができるため、高電流注入時における動作電圧を低減させる効果も得られることが分かった。

また、前記ヘテロ構造体を複数周期繰り返してなる多層構造部を有し、
前記多層構造部の最上層に位置する前記ヘテロ構造体の上層に、前記第４半導体層が形成される構成としても構わない。

このような構成とした場合、ヘテロ接合の界面が複数形成されることから、二次元電子ガス層が形成される領域が複数形成される。また、電子蓄積層として機能する、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮによって形成されるほぼ平坦なバンド領域も複数形成される。これにより、電流拡がりの効果を更に高めることができ、光出力を更に向上させることができる。

本発明によれば、ｎ型クラッド層を結晶欠陥が招来しない範囲内の膜厚で形成しつつも、水平方向への電流広がりを実現することができるので、発光効率の高いＬＥＤ素子を実現することができる。

本発明のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。 本発明のＬＥＤ素子の別の構造を示す概略断面図である。 本発明のＬＥＤ素子の別の構造を示す概略断面図である。 Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層のＩｎ組成を変化させて素子のピーク発光波長を変化させたときの、ＬＥＤ素子のピーク発光波長とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ヘテロ構造体の理想的なエネルギーバンド図を模式的に示したものである。 ヘテロ構造体のエネルギーバンド図をピエゾ電界の影響を反映して模式的に示したものである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ＩｎＧａＮ層の膜厚を変化させたときの、ＬＥＤ素子を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層の膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。 ヘテロ構造体を構成するＡｌＧａＮ層のＳｉドープ濃度を変化させたときの、ＬＥＤ素子を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ＭＱＷを構成するＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を変化させたときの、従来のＬＥＤ素子を流れる電流とＬＥＤ素子から得られる光出力の関係を示すグラフである。 ヘテロ構造体の伝導帯のエネルギーバンド図を、半導体材料の相互作用を反映させて模式的に示したものである。 ＬＥＤ素子の電流電圧特性をグラフ化したものである。 第２半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。 従来のＬＥＤ素子の構造を示す概略断面図である。

［構造］
図１は、本発明のＬＥＤ素子１の構造を示す概略断面図である。なお、図１４に示すＬＥＤ素子９０と同一の構成要素については、同一の符号を付している。また、以下の各図面において、実際の寸法比と図面上の寸法比は必ずしも一致しない。

ＬＥＤ素子１は、ＬＥＤ素子９０と比較して、活性層１７に代えてヘテロ構造体２を備える点が異なる。

ＬＥＤ素子１は、サファイアなどの支持基板１１の上層に、アンドープ層１３を有し、その上層にｎ型クラッド層１５（「第１半導体層」に対応）を有し、ｎ型クラッド層１５の上層に、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層３（「第２半導体層」に対応）とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４（「第３半導体層」に対応）の積層構造で形成されたヘテロ構造体２を有する。ＬＥＤ素子１は、ヘテロ構造体２の上層に、ｐ型クラッド層１９（「第４半導体層」に対応）、及びｐ型コンタクト層２１を備える構成である。また、ＬＥＤ素子１は、ＬＥＤ素子９０と同様に、ヘテロ構造体２とｐ型クラッド層１９の間に、必要に応じてラストバリア層を有する（不図示）。なお、第２半導体層において、０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１である。

（支持基板１１）
支持基板１１は、サファイア基板で構成される。なお、サファイアの他、Ｓｉ，ＳｉＣ，ＧａＮ，ＹＡＧなどで構成しても構わない。

（アンドープ層１３）
アンドープ層１３は、ＧａＮにて形成される。より具体的には、ＧａＮよりなる低温バッファ層と、その上層にＧａＮよりなる下地層によって形成される。

（ｎ型クラッド層１５）
ｎ型クラッド層１５は、ｎ−Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０≦ｎ≦１）で構成される。なお、アンドープ層１３に接触する領域にｎ−ＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｓｎ，Ｔｅなどのｎ型不純物がドープされており、特にＳｉがドープされているのが好ましい。

なお、本実施形態では、一例としてｎ型クラッド層１５をｎ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎで形成している。

（ｐ型クラッド層１９）
ｐ型クラッド層１９は、例えばｐ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０≦ｃ≦１）で構成され、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。本実施形態では、一例としてｐ型クラッド層１９をｐ−Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎとｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎの積層構造で形成している。なお、ｐ型コンタクト層２１に接触する領域にＧａＮで構成される層（保護層）を含む構成としても構わない。この場合、保護層に、Ｍｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物がドープされている。

（ｐ型コンタクト層２１）
ｐ型コンタクト層２１は、例えばｐ−ＧａＮで構成される。特にＭｇ，Ｂｅ，Ｚｎ，Ｃなどのｐ型不純物が高濃度にドープされてｐ^＋−ＧａＮ層で構成される。

（ヘテロ構造体２）
上述したように、ヘテロ構造体２は、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層３とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４の積層構造によって形成される。

ここで、ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層３は、Ｓｉドープ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下で構成される。また、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４は、膜厚が１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下で構成され、ＬＥＤ素子１のピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下となるようなＩｎ組成比で構成される。

［別構成］
図２に示すように、ＬＥＤ素子１は、ヘテロ構造体２を複数周期繰り返してなる多層構造部２Ａを備えた構成としても構わない。このとき、ＬＥＤ素子１は、多層構造部２Ａの最上層に位置するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４の上層に、ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２１を備える構成である。また、この場合においても、多層構造部２Ａの最上層に位置するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４とｐ型クラッド層１９の間に、必要に応じてラストバリア層を有するものとして構わない（不図示）。

また、ヘテロ構造体２を構成するｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層３とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４の位置関係は、これらが交互に積層されていれば、どちらが上層でどちらが下層に位置しても構わない。例えば、ヘテロ構造体２を複数周期繰り返してなる多層構造部２Ａを備える構成の場合、図３に示すように、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４の上層にｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層３が積層された構成としても構わない。なお、図２及び図３には、いずれもヘテロ構造体２が３周期繰り返し積層された多層構造部２Ａを備える構成が開示されているが、繰り返し周期数を３に限定するものではない。例えば５周期としても構わないし、他の周期数としても構わない。

［ヘテロ構造体２の機能説明］
以下、上記構成のヘテロ構造体２を備えたことで、ＬＥＤ素子１が従来のＬＥＤ素子９０よりも発光効率が向上することにつき、実施例を参照して説明する。なお、以下の説明では、第２半導体層に含まれるＩｎ組成を０％であるものとして（ｘ３＝０）説明するが、Ｉｎを５％以内の範囲で含む第２半導体層であっても同様の議論が可能である。このとき、第２半導体層を適宜、「ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層３」と記載するが、これは、第２半導体層がｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される場合におけるｘ３＝０のときと等価である。

なお、以下の説明では、比較検証のために用いたＬＥＤ素子９０は、ＭＱＷによって形成される活性層１７として、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されて形成されたものを採用した。

（ピーク発光波長に関する考察）
図４は、ヘテロ構造体２を構成するＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４のＩｎ組成、すなわちｙ値を変化させたときの、ＬＥＤ素子１のピーク発光波長と光出力の関係を示すグラフである。ここでは、ＬＥＤ素子１として、ｎ型クラッド層１５の上層に膜厚１５ｎｍのＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４を形成し、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４の上層に膜厚２０ｎｍのｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層３を形成してなるヘテロ構造体２を５周期繰り返した構成を採用した（図３参照）。また、比較のため、ヘテロ構造体２を設けていない従来のＬＥＤ素子９０のデータも載せている。上述したように、このＬＥＤ素子９０としては、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されてなる活性層１７を有する構成とした。

また、図４では、ＬＥＤ素子１及び従来のＬＥＤ素子９０共に、３５０μｍ角の素子を利用し、この素子に０．１Ａの電流を注入したときの光出力を測定している。これは、素子の電流密度を１００Ａ／ｃｍ^２とした場合に相当する。この電流密度は高注入デバイスとして設計する際に目標とされる値に対応している。なお、低注入デバイスとして設計される際の電流密度は２０〜３０Ａ／ｃｍ^２程度である。

図４によれば、発光波長が３６２ｎｍ以上で３９５ｎｍ以下の範囲Ｄ１において、従来のＬＥＤ素子９０よりも本発明のＬＥＤ素子１の方が、光出力が向上していることが分かる。一方、発光波長が３６２ｎｍより短い３５７ｎｍの場合、並びに３９５ｎｍより長い４００ｎｍ、４１０ｎｍ、４２０ｎｍにおいては、いずれも従来のＬＥＤ素子９０の方が、ＬＥＤ素子１よりも光出力が高い。この結果は、以下のことを示唆するものと考えられる。

図５Ａ及び図５Ｂは、ヘテロ構造体２のエネルギーバンド図を模式的に示したものである。なお、以下では、各原子の組成に関して注目しない場合には、第２半導体層を「ＡｌＧａＮ」、第３半導体層を「ＩｎＧａＮ」とそれぞれ表記するが、これは窒素以外の原子の比率が１：１であることを規定しているわけではない。

ＩｎＧａＮに比べてＡｌＧａＮの方が、バンドギャップが大きい。このため、図５Ａに示すように、後述する分極電界の影響を考慮しなければ、ｎ型クラッド層１５を構成するｎ−ＡｌＧａＮと、ヘテロ構造体２を構成するＡｌＧａＮ層３の間で、ＩｎＧａＮ層４によるほぼ平坦なバンド領域が形成される。ここで、前述したように、本実施例では、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を１５ｎｍとしており、従来のＬＥＤ素子９０の活性層１７を構成するＩｎＧａＮの膜厚の２ｎｍよりもはるかに厚い。このため、ＩｎＧａＮ層４の領域において、ほぼ平坦なバンド領域が広く形成される。

なお、別の実験結果を参照して後述するが、本発明のＬＥＤ素子１が備えるヘテロ構造体２を構成するＩｎＧａＮ層４の膜厚は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲内であり、ＭＱＷを活性層１７とする従来のＬＥＤ素子９０が備える、膜厚２ｎｍ程度ＩｎＧａＮと比較して、極めて厚く構成される。

ＬＥＤ素子１では、ＩｎＧａＮ層４によって形成される平坦なバンド領域の面に垂直なｃ軸方向に、圧電分極（ピエゾ分極）が発生する。

図５Ｂは、このピエゾ電界の影響を考慮して描かれたヘテロ構造体２のエネルギーバンドを模式的に示したものである。ピエゾ電界により、エネルギーバンドに歪みが生じる。

エネルギーバンドの歪みが増大すると、電子と正孔との波動関数の重なりが減少し、電子と正孔とが再結合することによって発光する割合が低下する、いわゆる量子シュタルク効果が生じる。この歪みは、ＩｎＧａＮ層４のＩｎ組成比が大きくなるほど大きくなる。ピーク発光波長が４００ｎｍ以上のＬＥＤ素子１において、従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が低下しているのは、Ｉｎ組成比が高いことによる量子シュタルク効果が顕在化したものと考えられる。また、格子定数差からくる前述のミスフィット転位の影響も無視できなくなっていると考えられる。

一方、ピーク発光波長が３６０ｎｍを下回る３５７ｎｍの光を実現しようとすると、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４のＩｎ比率を極めて少なくする必要がある。従来のＬＥＤ素子９０の場合、ＩｎＧａＮの膜厚が２ｎｍ程度であるため、Ｉｎの少量添加が可能であり、この程度の短波長の光を実現するための最適なＩｎ比率を実現することが可能である。しかし、膜厚１５ｎｍのＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４を含むＬＥＤ素子１では、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４の膜厚が厚い分、Ｉｎの含有量が高くなってしまい、３５７ｎｍ程度の短波長の光を実現するのが難しい。このことから、ピーク発光波長が３５７ｎｍのＬＥＤ素子を実現した場合には、従来のＬＥＤ素子９０の方がＬＥＤ素子１よりも光出力が高くなっている。

これに対し、ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下の範囲内Ｄ１においては、本発明のＬＥＤ素子１の方が、従来のＬＥＤ素子９０よりも光出力が高い。この理由としては、以下の内容が考えられる。

図５Ａに示したように、ＩｎＧａＮ層４に比べてＡｌＧａＮ層３は電子的なバンドギャップが大きい。図５Ａには、伝導帯３０、価電子帯３１、並びにＩｎＧａＮ層４のフェルミ準位３２及びＡｌＧａＮ層３のフェルミ準位３３が示されている。なお、図５Ａでは、ＩｎＧａＮとＡｌＧａＮの間の相互作用は考慮されていない。

図５Ｃは２つの半導体材料の相互作用を反映させた伝導帯３０の状態を模式的に示したものである。フェルミ準位３２及び３３は相互に等位になるが、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮのエネルギーバンドの不連続性により、ｐ層に近いＡｌＧａＮ層３の伝導帯は下方へ引っ張られ、バンドベンディング領域４１が生じる。このバンドベンディング領域４１内において、水平方向に移動度の高い二次元電子ガス層が形成される。また、上述したように、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を大きくしたことにより、ほぼ平坦なバンド領域４２が拡がり、多くの電子を蓄積できるので、ＡｌＧａＮ層３とＩｎＧａＮ層４の界面に形成されるバンドベンディング領域４１、及びＩｎＧａＮ層４のほぼ平坦なバンド領域４２に電子が蓄積されるまで、ＡｌＧａＮ層３のポテンシャルを超えて電子がオーバーフローすることがない。つまり、水平方向への電子の移動が図られ、この結果、水平方向への電流拡がりを実現することができる。つまり、ＩｎＧａＮ層４とＡｌＧａＮ層３のヘテロ接合によって、水平方向に電流を拡げる機能（電流拡散機能）が実現される。

以上により、ＬＥＤ素子１の構成によれば、ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下となる範囲内において、従来よりも光出力を向上させる効果が得られることが分かる。

なお、図２及び図３に示すように、ヘテロ構造体２を複数周期有する構成とした場合は、図５Ａ〜図５Ｃにおいて、ＡｌＧａＮ層１５を直前周期のヘテロ構造体２を構成するＡｌＧａＮ層３と置き換えれば、同様の議論が可能である。図５Ｄは、ヘテロ構造体２を複数周期有する構成（図２、図３参照）におけるヘテロ構造体２の伝導帯３０のエネルギーバンド図を、図５Ｃにならって模式的に示したものである。

図５Ｄによれば、ヘテロ構造体２を複数周期備えることで、水平方向に電流を広げる役割を示すバンドベンディング領域４１及び、電子を蓄積させる機能を示すほぼ平坦なバンド領域４２を複数持たせることができる。これにより、電流拡がりの効果を更に向上させることができる。

また、特に、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を大きくすることで、電流拡がり効果を高めることができ、光出力の向上に更に寄与している。この点につき、次に説明する。

（ＩｎＧａＮ層４の膜厚に関する考察）
上述したように、ＩｎＧａＮ層４がほぼ平坦なバンド領域４２を形成することから、電子を蓄積する能力を高める意味において、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を大きくするのが好ましいといえる。しかし、ＧａＮとＩｎＧａＮの格子定数の差に起因して、ＩｎＧａＮ層４の膜厚をあまりに大きくすると、格子緩和が生じ、バンドベンディング領域４１及びほぼ平坦なバンド領域４２に電子を十分に蓄積させることができなくなる。

図６は、ＬＥＤ素子１において、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を変化させたときの、膜厚と得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、ピーク発光波長は３６５ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層４のＩｎ比率を調整している。

図６によれば、ＩｎＧａＮ層４の膜厚が５ｎｍ以下の領域Ｄ２と、６ｎｍ以上の領域Ｄ３にて、光出力と膜厚の関係に変化が生じていることが分かる。つまり、領域Ｄ２内においては、膜厚約３ｎｍをピークとして、それより膜厚が厚くなると光出力が低下している。この領域Ｄ２は、いわゆる量子井戸による量子効果を利用して発光再結合が促されている膜厚の範囲内であり、従来のＬＥＤ素子９０の発光に寄与している領域であると考えられる。

これに対し、膜厚６ｎｍ以上の領域Ｄ３では、再びＩｎＧａＮ層４の膜厚が厚くなると光出力が上昇し始めており、膜厚約１５ｎｍをピークとして、それより膜厚が厚くなると光出力が低下を始める。この領域Ｄ３は、ＩｎＧａＮ層４とＡｌＧａＮ層３のヘテロ接合界面のバンドベンディング領域４１を利用した量子効果により発光が促されている膜厚の範囲内であると考えられる。

図６によれば、ＭＱＷ構成として従来利用されていた膜厚の範囲内Ｄ２と比較して、ＬＥＤ素子１の構成として、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下の範囲（領域Ｄ４）とした場合に、従来よりも光出力を向上できていることが分かる。なお、ＬＥＤ素子１の構成として、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を２５ｎｍよりも厚くすると、上述した格子緩和による結晶欠陥によるミスフィット転位が顕在化し、面内の電流の均一性が低下した結果、従来構成より光出力が低下したものと考えられる。

図７は、図５Ｃにならって伝導帯３０の状態を模式的に示したものである。図７（ａ）は、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を図６の領域Ｄ４の範囲内である１５ｎｍとした場合、（ｂ）は領域Ｄ４から外れている７ｎｍとした場合の、伝導帯３０の状態を示している。図７（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ層４の膜厚が薄い場合、上述したようにピエゾ電界の影響を大きく受けたことで、ほぼ平坦なバンド領域４２にも傾きが生じ（４２Ａ）、電子を蓄積する能力が少なくなる。これに対し、図７（ａ）に示すように、膜厚を１５ｎｍと厚くすると、この平坦なバンド領域４２が拡がり、電子を蓄積する能力が増大する。

図７において、フェルミ準位（３２，３３）を超えるポテンシャルを有する電子は、ｐ層側（図面における右側）へとフローしてしまう。このため、図７（ｂ）の構成の場合、電子を十分に蓄積する前にＬＥＤ素子に電流が流れてしまい、電流を十分に拡散する効果が得られない。これに対し、図７（ａ）の構成の場合、多くの電子を平坦なバンド領域４２に蓄積することができるため、電子がフェルミ準位を超えるポテンシャルを有するまでの間に、バンドベンディング領域４１によって構成された二次元電子ガスによって電子を拡散することができる。これにより、電流拡散効果が得られ、光出力を向上させる効果が得られる。

以上により、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下とすることで、ＬＥＤ素子１の光出力を向上させる効果が得られることが分かる。

更に、ＩｎＧａＮの膜厚を厚くすることで、ＬＥＤ素子自体の耐圧特性が向上し、歩留まりを向上させる効果が得られる。図８は、ＩｎＧａＮの膜厚とＬＥＤ素子の歩留まりの関係を示す表である。

ＡｌＧａＮ層３の膜厚を２０ｎｍに固定し、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと異ならせたＬＥＤ素子１を作製した。そして、各ＬＥＤ素子１に対し、５００Ｖの順方向電圧及び逆方向電圧をそれぞれ印加した後、逆方向バイアスとして−５Ｖを印加したときに流れる逆方向電流を測定する。このとき、当該逆方向電流の絶対値が５μＡ以下（又は未満）であるものを良好な素子とし、逆方向電流の絶対値が５μＡを超えるものを不良素子として、歩留まりを測定した。

図８によれば、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を最も厚くした２０ｎｍのときが最も歩留まりが高く、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を最も薄くした３ｎｍのときが最も歩留まりが低い。なお、ＩｎＧａＮ層４の膜厚を３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍと順に厚くするに連れて歩留まりが高くなっており、ＩｎＧａＮ層４の膜厚が１０ｎｍ以上になると、歩留まりの良化傾向は鈍化している。

このような現象が生じた理由は、ＩｎＧａＮ層４の膜厚が厚くなることで、ＩｎＧａＮ層４（Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４）とＡｌＧａＮ層３（ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層３）の間に二次元電子ガス層が生じやすくなるためと考えられる。上述したように、二次元電子ガス層は水平方向に電流を拡げる効果を有するが、これに伴って狭い領域に電流が集中しにくくなり、電界が緩和される。この結果、瞬間的に高電圧が印加された場合であっても、電流拡散層３において電界が拡散される結果、電界が集中しにくくなり、素子の破壊が起こりにくくなっているものと考えられる。

（ＡｌＧａＮ層３のＳｉドープ濃度に関する考察）
図９は、ヘテロ構造体２を構成するＡｌＧａＮ層３のＳｉドープ濃度を変化させたときの、ＬＥＤ素子１を流れる電流と、ＬＥＤ素子１から得られる光出力の関係を示すグラフである。なお、ＩｎＧａＮ層４としては、ピーク発光波長が３６５ｎｍ（３６２ｎｍ以上３９５ｎｍ以下の範囲内の値）となるようにＩｎ比率を設定し、膜厚を１５ｎｍ（１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲内の値）とした。

図９では、比較のために、ＭＱＷ（量子井戸）を備えた従来のＬＥＤ素子９０の結果も載せている。この素子９０は、ＭＱＷによって形成される活性層１７として、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されて形成されたものを採用し、ＬＥＤ素子１と同様にピーク発光波長が３６５ｎｍとなるように、ＩｎＧａＮのＩｎ比率を設定した。また、このＬＥＤ素子９０の活性層１７を構成するＩｎＧａＮは、ＬＥＤ素子１と比べて膜厚が極めて薄いので、ドープできるＳｉは、高々５〜８×１０^１７／ｃｍ^３程度となり、それ以上ドープした場合には光出力が低下してしまう。このため、図９の例では、Ｓｉのドープ濃度を７×１０^１７／ｃｍ^３としたものを用いた。

なお、図１０には、従来構造のＬＥＤ素子９０において、ＭＱＷを構成するＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を変化させたときの、ＬＥＤ素子９０を流れる電流と得られる光出力の関係をグラフに示している。このグラフによれば、ＡｌＧａＮのＳｉドープ濃度を７×１０^１７／ｃｍ^３としたときが、最も高い光出力が得られていることが分かる。このため、図９では、ＬＥＤ素子１との比較のために、最も高い光出力が得られているＳｉドープ濃度である７×１０^１７／ｃｍ^３としている。

図９によれば、Ｓｉドープ濃度が３×１０^１８／ｃｍ^３のときが、最も高い光出力を示している。また、１×１０^１８／ｃｍ^３、３×１０^１８／ｃｍ^３、８×１０^１８／ｃｍ^３、１×１０^１９／ｃｍ^３の場合には、いずれも従来のＬＥＤ素子９０以上の高い光出力を示していることが分かる。これに対し、Ｓｉドープ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３よりも低い７×１０^１７／ｃｍ^３の場合と、１×１０^１９／ｃｍ^３よりも高い２×１０^１９／ｃｍ^３の場合には、従来のＬＥＤ素子９０より光出力が低下していることが分かる。

ＡｌＧａＮ層３のＳｉドープ濃度が７×１０^１７／ｃｍ^３の場合には、絶対的なＳｉ濃度が低いために、伝導帯３０のスクリーニング効果が小さく、キャリアが十分に領域（４２，４３）内に取り込めていないことが考えられる（図５Ｃ参照）。一方、ＡｌＧａＮ層３のＳｉドープ濃度が２×１０^１９／ｃｍ^３の場合には、電子のオーバーフローによって発光再結合確率が低下し、内部発光効率が悪化する、いわゆるドループ現象が生じているために、光出力が低下しているものと考えられる。

伝導帯３０のスクリーニング効果について、図１１を参照して説明する。図１１（ａ）は、ＡｌＧａＮ層３へのＳｉドープをしなかった場合、図１１（ｂ）は、ＡｌＧａＮ層３のＳｉドープ濃度を３×１０^１８／ｃｍ^３とした場合の、ヘテロ構造体２の伝導帯３０を模式的に示したものである。

前述したように、アンドープ層１３を構成するＧａＮ結晶のｃ面上に、ｎ型クラッド層１５を構成するＡｌＧａＮを結晶成長させた場合、格子定数差に基づくピエゾ電界が発生する。この電界に起因して、ｎ型クラッド層１５を構成するｎ−ＡｌＧａＮ、及びヘテロ構造体２を構成するＡｌＧａＮ層３とＩｎＧａＮ層４によって形成される伝導帯３０に傾きが生じる（領域５１）。この傾きの存在は、ｐ層側（図面上右側）への電子の移動を妨げてしまう。これに対し、ＡｌＧａＮ層３にＳｉをドープすると、ピエゾ電界を打ち消す方向に電界が働くため、伝導帯３０を押し下げる効果が働く。この結果、伝導帯３０の傾きが緩和され（領域５２）、ｎ層側から電子をバンドベンディング領域４１及びほぼ平坦なバンド領域４２へと注入しやすくなる。

特に、１００Ａ／ｃｍ^２程度の高注入デバイスとしてＬＥＤ素子１を設計する場合においては、より多くの電子を注入できる構成とするのが好ましい。この結果からも、ＡｌＧａＮ層３に対してドープするＳｉ濃度は高くするのが好ましい。ただし、高くし過ぎると、前述したようにドループ現象が生じるため、１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下のＳｉドープ濃度とすることで、光出力を向上させることが可能となる。

図１２は、従来のＬＥＤ素子９０と本発明のＬＥＤ素子１のそれぞれにおいて、素子間に動作電圧を印加して電流を流したときの、電流電圧特性をグラフ化したものである。

ここで、従来のＬＥＤ素子９０としては、ＭＱＷによって形成される活性層１７として、膜厚２ｎｍのＩｎＧａＮと膜厚５ｎｍのＡｌＧａＮが交互に５周期積層されて形成されたものを採用し、ＡｌＧａＮ層へのＳｉドープ濃度を７×１０^１７／ｃｍ^３とした。また、本発明のＬＥＤ素子１としては、膜厚１５ｎｍのＩｎＧａＮ層４と膜厚２０ｎｍのＡｌＧａＮ層３からなるヘテロ構造体２を５周期積層した構成を採用し、ＡｌＧａＮ層３へのＳｉドープ濃度を３×１０^１８／ｃｍ^３とした。また、いずれの素子も、ピーク発光波長が３６５ｎｍとなるようにＩｎＧａＮ層のＩｎ比率を設定した。つまり、従来のＬＥＤ素子９０は、図１０において最も光出力が高い値を示したＳｉドープ濃度をＡｌＧａＮ層に適用したものを採用し、ＬＥＤ素子１は、図９において最も光出力が高い値を示したＳｉドープ濃度をＡｌＧａＮ層３に適用したものを採用した。

図１２によれば、印加電流を高くした場合、従来のＬＥＤ素子９０に比べて、ＬＥＤ素子１の方が動作電圧を低く実現できている。これは、ＡｌＧａＮ層３へのＳｉドープ濃度を従来素子よりも高濃度に設定できていることによる別の効果である。

［ＬＥＤ素子１の製造方法］
次に、本発明のＬＥＤ素子１の製造方法の一例につき説明する。なお、下記製造方法で説明する製造条件や膜厚などの寸法は、あくまで一例であって、これらの数値に限定されるものではない。また、以下に示す製造法例は、図１に示すＬＥＤ素子に関するものである。

＜ステップＳ１＞
まず、支持基板１１上に、アンドープ層１３を形成する。例えば、以下の工程により行われる。

（支持基板１１の準備）
支持基板１１としてサファイア基板を用いる場合、ｃ面サファイア基板のクリーニングを行う。このクリーニングは、より具体的には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相蒸着）装置の処理炉内にｃ面サファイア基板を配置し、処理炉内に流量が１０ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を例えば１１５０℃に昇温することにより行われる。

（アンドープ層１３の形成）
次に、支持基板１１（ｃ面サファイア基板）の表面に、ＧａＮよりなる低温バッファ層を形成し、更にその上層にＧａＮよりなる下地層を形成する。これら低温バッファ層及び下地層がアンドープ層１３に対応する。

アンドープ層１３のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、МОＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を４８０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量がそれぞれ５ｓｌｍの窒素ガス及び水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が５０μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に６８秒間供給する。これにより、支持基板１１の表面に、厚みが２０ｎｍのＧａＮよりなる低温バッファ層を形成する。

次に、ＭＯＣＶＤ装置の炉内温度を１１５０℃に昇温する。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１００μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ及び流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３０分間供給する。これにより、低温バッファ層の表面に、厚みが１．７μｍのＧａＮよりなる下地層を形成する。

＜ステップＳ２＞
次に、アンドープ層１３の上層に、ｎ−Ａｌ_ｎＧａ_１−ｎＮ（０＜ｎ≦１）で構成されるｎ型クラッド層１５を形成する。

ｎ型クラッド層１５のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を３０ｋＰａとする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が２０ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が９４μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が６μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．０２５μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシランを処理炉内に３０分間供給する。これにより、Ａｌ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎの組成を有し、Ｓｉ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層をアンドープ層１３の上層に形成する。つまり、この工程によって、少なくとも上面の領域に関してはＳｉ濃度が３×１０^１９／ｃｍ^３で厚みが１．７μｍの高濃度電子供給層を有するｎ型クラッド層１５が形成される。

なお、ここでは、ｎ型クラッド層１５に含まれるｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を用いるものとして説明したが、ゲルマニウム（Ｇｅ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、錫（Ｓｎ）及びテルル（Ｔｅ）などを用いることもできる。なお、これらの中では、特にシリコン（Ｓｉ）が好ましい。

＜ステップＳ３＞
次に、ｎ型クラッド層１５の上層に、ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層３とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層４からなるヘテロ構造体２を形成する。

ヘテロ構造体２のより具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａ、炉内温度を８３０℃とする。そして、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が１ｓｌｍの水素ガスを流しながら、原料ガスとして、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１２μｍｏｌ／ｍｉｎのトリメチルインジウム（ＴＭＩ）及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。その後、流量が１０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が１．６μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が０．００９μｍｏｌ／ｍｉｎのテトラエチルシラン及び流量が３０００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニアを処理炉内に３６０秒間供給するステップを行う。これにより、膜厚が１５ｎｍのＩｎＧａＮ層４、及び膜厚が２０ｎｍのｎ−ＡｌＧａＮ層３よりなるヘテロ構造体２が形成される。

なお、図２及び図３に示すように、ヘテロ構造体２を複数周期備える構成とする場合は、本ステップＳ３を複数回繰り返すことで実現できる。

＜ステップＳ４＞
次に、ヘテロ構造体２（ヘテロ構造体２を複数周期有する場合は、最上層に位置するヘテロ構造体２）の上層に、ｐ−Ａｌ_ｃＧａ_１−ｃＮ（０≦ｃ≦１）で構成されるｐ型クラッド層１９を形成し、更にその上層に高濃度のｐ型コンタクト層２１を形成する。

ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２１の、より具体的な形成方法は例えば以下の通りである。まず、ＭＯＣＶＤ装置の炉内圧力を１００ｋＰａに維持し、処理炉内にキャリアガスとして流量が１５ｓｌｍの窒素ガス及び流量が２５ｓｌｍの水素ガスを流しながら、炉内温度を１０５０℃に昇温する。その後、原料ガスとして、流量が３５μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＧ、流量が２０μｍｏｌ／ｍｉｎのＴＭＡ、流量が２５００００μｍｏｌ／ｍｉｎのアンモニア及び流量が０．１μｍｏｌ／ｍｉｎのビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を処理炉内に６０秒間供給する。これにより、ヘテロ構造体２の最上層の表面に、厚みが２０ｎｍのＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。その後、ＴＭＡの流量を９μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを３６０秒間供給することにより、厚みが１２０ｎｍのＡｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎの組成を有する正孔供給層を形成する。これらの正孔供給層によりｐ型クラッド層１９が形成される。

更にその後、ＴＭＡの供給を停止すると共に、Ｃｐ_２Ｍｇの流量を０．２μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して原料ガスを２０秒間供給する。これにより、厚みが５ｎｍのｐ−ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層２１が形成される。

なお、ここでは、ｐ型クラッド層１９及びｐ型コンタクト層２１に含まれるｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いるものとして説明したが、ベリリウム（Ｂｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、カーボン（Ｃ）などを用いることもできる。

＜ステップＳ５＞
次に、ステップＳ１〜Ｓ４を経て得られたウェハに対して活性化処理を行う。より具体的には、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal：急速加熱）装置を用いて、窒素雰囲気下中６５０℃で１５分間の活性化処理を行う。

その後は、縦型のＬＥＤ素子を実現する場合には、支持基板１１を剥離した後、当該支持基板１１が存在していた箇所に電極を形成してｎ側電極を形成する。また、横型のＬＥＤ素子を実現する場合には、ｐ側からｎ型半導体層が露出するまでエッチングを行なって、ｎ側電極を形成する。なお、この場合、必要に応じて透明電極などの電極を形成するものとしても構わない。その後、各電極に給電端子などを形成し、必要に応じて、露出されている素子側面や上面を透光性の高い絶縁層で覆い、ワイヤボンディングなどにより基板との接続を行う。

［別実施形態］
上述した実施形態では、第２半導体層としてＩｎ組成０％のｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層３で構成されるものとして説明したが、５％以下の範囲内の組成でＩｎが添加されてなるｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成されていても構わない。図１３は、第２半導体層に含まれるＩｎ組成を異ならせて作製したＬＥＤ素子に対して供給した電流と光出力の関係を示すグラフである。図１３の縦軸が示す光出力の値は、Ｉｎを含まないｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層によって第２半導体層を形成したＬＥＤ素子に対して０．１Ａを供給したときの光出力に対する相対値で規定している。

なお、第２半導体層に対してＩｎを含ませる方法としては、上述したステップＳ３のうち、ＴＭＧ、ＴＭＡ、テトラエチルシラン、及びアンモニアを供給するステップを実行する際、これらのガスと共にＴＭＩを所定流量で供給することで実現できる。

図１３によれば、第２半導体層にＩｎを４％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第２半導体層を構成した場合と光出力があまり変わらなかった、また、第２半導体層にＩｎを１％含ませた場合及びＩｎを２％含ませた場合には、Ｉｎを含ませずに第２半導体層を構成した場合よりも光出力が向上した。これは、ＡｌＧａＮにＩｎを含有することで、ＡｌＧａ（Ｉｎ）ＮとＩｎＧａＮの格子不整合から生じる歪みを緩和し、その表面状態が改善されたことに起因するものと考えられる。

ただし、第２半導体層にＩｎをあまりに過剰に含ませると、ＩｎＧａＮ層４に対するエネルギー障壁が低くなるため電子のオーバーフローが顕著になるという問題や、ピエゾ電極が小さくなることによる二次元電子ガスの効果が低減するという問題が生じるおそれがある。図１３では、第２半導体層に含ませるＩｎを４％とした場合にはＩｎを含有させない場合とほぼ同等の光出力であることが示されているが、５％程度とした場合においても、その差はあまり大きくないことが確認されている。しかし、Ｉｎの組成が５％を超えると、上記の理由により、Ｉｎを含まないＡｌＧａＮによって第２半導体層を構成した場合よりも光出力が有意に低下してしまうので、第２半導体層に含ませるＩｎの組成は０％以上５％以下とするのが好適である。

１ ： ＬＥＤ素子
２ ： ヘテロ構造体
２Ａ ： 多層構造部
３ ： ｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層（ｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ層）
４ ： Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ層
１１ ： 支持基板
１３ ： アンドープ層
１５ ： ｎ型クラッド層
１７ ： 活性層
１９ ： ｐ型クラッド層
２１ ： ｐ型コンタクト層
３０ ： 伝導帯
３１ ： 価電子帯
３２ ： ＩｎＧａＮのフェルミ準位
３３ ： ＡｌＧａＮのフェルミ準位
４１ ： ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの界面に形成されるバンドベンディング領域
４２ ： ＩｎＧａＮが形成するほぼ平坦なバンド領域
８１ ： 引張応力
９０ ： ＬＥＤ素子

Claims (2)

1. 支持基板上に窒化物半導体層をｃ軸成長させてなるＬＥＤ素子であって、
   前記支持基板の上層に形成されたアンドープ層と、
   前記アンドープ層の上層に形成され、ｎ型窒化物半導体で構成される第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上層に、Ｓｉドープ濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上、１×１０^１９／ｃｍ^３以下のｎ−Ａｌ_ｘ１Ｇａ_ｘ２Ｉｎ_ｘ３Ｎ（０＜ｘ１＜１，０＜ｘ２＜１，０≦ｘ３≦０．０５，ｘ１＋ｘ２＋ｘ３＝１）で構成される第２半導体層と、膜厚が１０ｎｍ以上、２５ｎｍ以下のＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）で構成される第３半導体層の積層構造で形成されたヘテロ構造体と、
   前記ヘテロ構造体の上層に形成され、ｐ型窒化物半導体で構成される第４半導体層を備え、
   ピーク発光波長が３６２ｎｍ以上、３９５ｎｍ以下であることを特徴とするＬＥＤ素子。
2. 前記ヘテロ構造体を複数周期繰り返してなる多層構造部を有し、
   前記多層構造部の最上層に位置する前記ヘテロ構造体の上層に前記第４半導体層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ素子。
   

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