(57)【要約】【課題】III 族窒化物半導体発光素子の発光効率を向上させること【解決手段】発光層１５は、井戸層１５ａ、キャップ層１５ｂ、障壁層１５ｃ、を順に積層させた構造を１ペアとして、複数ペア繰り返して積層させたＭＱＷ構造である。井戸層１５ａはＩｎＧａＮからなり、キャップ層１５ｂは、井戸層１５ａ側から順にＧａＮ層１５ｂ−１、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２を積層させた構造であり、障壁層１５ｃはＡｌＧａＮからなる。ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比は、障壁層１５ｃのＡｌ組成比よりも高くなっている。また、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比は、発光層１５を厚さ方向に前半領域（ｎクラッド層１４側）と後半領域（ｐクラッド層１６側）の２つの領域に分けた場合に、前半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比は、後半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比よりも低くなっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎクラッド層とｐクラッド層との間に発光層を有し、前記発光層はＭＱＷ構造である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、前記井戸層よりもバンドギャップの大きい障壁層の順に積層された構造を１ペアとして、これが複数ペア繰り返して積層された構造であり、
前記井戸層と前記障壁層との間に、前記障壁層よりもＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮ層を有し、
前記発光層を、前記ｎクラッド層側を前半領域、前記ｐクラッド層側を後半領域として、厚さ方向に２つの領域に分けた場合に、
前半領域における前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均は、後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均よりも低い、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前半領域における前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均は、後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均の０．２〜０．８倍である、ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記発光層のペア数は３〜１２であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記発光層の前半領域のペア数は１〜９であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
前記発光層の後半領域のペア数は２〜１１であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
前記井戸層と前記ＡｌＧａＮ層との間に、前記井戸層よりもバンドギャップが大きく、前記障壁層よりもバンドギャップの小さいキャップ層を有する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
前半領域における各前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は同一であり、後半領域における各前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は同一である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項８】
前半領域と後半領域の少なくとも一方の領域中における各前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、前記ｎクラッド層側から前記ｐクラッド層側に向かって、ペア数の増加につれて単調増加する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項９】
前半領域中および後半領域中における各前記ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は、前記ｎクラッド層側から前記ｐクラッド層側に向かって、１ペアごとに、あるいは数ペアごとに、単調増加する、ことを特徴とする請求項８に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項１０】
前記障壁層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【請求項１１】
前記キャップ層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のIII 族窒化物半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光層がＭＱＷ（多重量子井戸）構造であるIII 族窒化物半導体からなる発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のIII 族窒化物半導体発光素子では、発光効率を向上させるために、発光層にＭＱＷ構造を採用している。そのような発光層の構造としてよく知られているのは、ＩｎＧａＮからなる井戸層と、ＡｌＧａＮからなる障壁層とを繰り返し積層した構造である。この場合、良好な結晶性とするためには、障壁層の成長温度を井戸層の成長温度よりも高くする必要がある。しかし、障壁層形成時の昇温によって井戸層のＩｎが蒸発してしまい、結晶性を悪化させてしまう。
【０００３】
そこで、井戸層と障壁層との間に、井戸層と同じ成長温度で形成されるキャップ層を設け、障壁層形成時の昇温によるＩｎの蒸発を防止する構造が提案されている（特許文献１、２）。特許文献１にはキャップ層としてＧａＮを用いることが、特許文献２にはキャップ層としてＡｌＧａＮを用いることが記載されている。また、特許文献２において、各キャップ層のＡｌ組成比は同一であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−３５１５６
【特許文献２】特開２０１１−１８７８６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の構造の発光層では、発光層内においてキャリア分布が均一にならず、ｐ側に偏った分布となっている。なぜなら、電子とホールの移動速度には差があり、電子は移動度が高いため発光層のｐ側に到達しやすく、ホールは移動度が遅いため発光層のｎ側に拡散しにくいからである。そのため、電子とホールの再結合はｐ側に偏り、発光効率が低下していた。
【０００６】
これを解決する方法として、発光層内のキャリア分布の偏りを低減して発光効率を高めようとする技術が検討されているが、キャリア分布の偏りを完全に解消することは技術的に困難であり、キャリア分布の偏りを低減したとしても発光効率の向上はあまり期待できない。
【０００７】
そこで本発明の目的は、ＭＱＷ構造の発光層を有したIII 族窒化物半導体発光素子について、発光層の構造によって発光効率の向上を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ｎクラッド層とｐクラッド層との間に発光層を有し、発光層はＭＱＷ構造であるIII 族窒化物半導体発光素子において、発光層は、井戸層、井戸層よりもバンドギャップの大きい障壁層の順に積層された構造を１ペアとして、これが複数ペア繰り返して積層された構造であり、井戸層と障壁層との間に、障壁層よりもＡｌ組成比の高いＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮ層を有し、発光層を、ｎクラッド層側を前半領域、ｐクラッド層側を後半領域として、厚さ方向に２つの領域に分けた場合に、前半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均は、後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均よりも低い、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子である。
【０００９】
Ａｌ組成比とは、III 族窒化物半導体のIII 族金属におけるＡｌの割合（ｍｏｌ％）を示す。すなわち、化学式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わされるIII 族窒化物半導体において、ｘ×１００（％）がＡｌ組成比である。
【００１０】
前半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均とは、前半領域中のすべてのＡｌＧａＮ層を合わせたＡｌ組成比の平均を意味し、前半領域中のいくつかのＡｌＧａＮ層を合わせたＡｌ組成比の平均を意味するものではない。後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均も同様の意味である。
【００１１】
発光効率のさらなる向上のために、発光層の構造は以下のようにすることが望ましい。前半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均は、後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均の０．２〜０．８倍とすることが望ましい。また、発光層のペア数は３〜１２、発光層の前半領域のペア数は１〜９、発光層の後半領域のペア数は２〜１１とすることが望ましい。
【００１２】
井戸層とＡｌＧａＮ層との間には、井戸層よりもバンドギャップが大きく、障壁層よりもバンドギャップの小さいキャップ層を設けてもよい。キャップ層は、井戸層と同温で成長させる層であり、障壁層形成の昇温時に井戸層が蒸発してしまうのを防止するための層である。そしてまた、井戸層とＡｌＧａＮとの歪を緩和させる層である。キャップ層にはＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮを用いることができるが、キャップ層の上記効果をより発揮させるためにはＧａＮを用いることが望ましい。
【００１３】
各ＡｌＧａＮ層は、前半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均が、後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均よりも低いのであれば、どのように構成してもよい。
【００１４】
たとえば、前半領域における各ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は同一であり、後半領域における各ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比は同一であって前半領域のＡｌＧａＮよりもＡｌ組成比が高いように、各ＡｌＧａＮ層を構成してもよい。
【００１５】
また、前半領域と後半領域の少なくとも一方の領域中における各ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が、ｎクラッド層側からｐクラッド層側に向かって、ペア数の増加につれて単調増加する、ように各ＡｌＧａＮ層を構成してもよい。ペア数の増加につれて単調増加するとはつまり、ｎクラッド層側から数えてｉ（ｉ≧１）番目のペアのＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比をＡi とすると、Ａi+1 ≧Ａi が常に成り立つように各ＡｌＧａＮ層が構成されているということである。Ａｌ組成比の増加割合は一定でもよいし一定でなくともよい。具体的には、前半領域中および後半領域中における各ＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比が、ｎクラッド層側からｐクラッド層側に向かって、１ペアごとあるいは数ペアごとに単調増加する、階段状の増加の場合である。
【００１６】
また、前半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均が、後半領域におけるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比の平均よりも低いのであれば、前半領域中あるいは後半領域中のある区間においてＡｌ組成比が減少する、つまりＡi+1 ＜Ａi となるような領域があってもよい。しかし、Ａi+1 ≧Ａi が常に成り立つようにする方が本発明の効果がより発揮されて望ましい。
【００１７】
障壁層には井戸層よりもバンドギャップの大きい任意の組成のIII 族窒化物半導体、たとえばＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを用いることができるが、特にＡｌＧａＮを用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
従来の構造の発光層ではｐクラッド層側にキャリアが偏っていたが、本発明の発光層の構造では、電子が発光層のｐクラッド層側に到達しやすくなるため、さらにキャリアがｐクラッド層側に偏った分布となる。よって、キャリアは発光層のｐクラッド層側に効率よく集中し、ｐクラッド層側の井戸層において効率的に電子とホールを再結合させることができる。また、発光層内におけるホールの移動距離が短くなり、非発光再結合中心に捕らわれる確率が減少することで非発光結合する割合が低下する。このようにして、発光層のｐ側に効率よくキャリアが束縛されるようになる。したがって、本発明のIII 族窒化物半導体発光素子は発光効率が向上している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の発光素子の構成を示した図。
【図２】発光層の構成を示した図。
【図３】発光層のバンドギャップ図。
【図４】実施例１の発光素子の製造工程を示した図。
【図５】発光層１５の形成工程を示した図。
【図６】発光効率と電流密度との関係を示したグラフ。
【図７】出力と電流密度との関係を示したグラフ。
【図８】ＶＦ−ＩＦ特性を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な実施例について、図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１のIII 族窒化物半導体からなる発光素子の構成を示した図である。
実施例１の発光素子は、図１のように、サファイア基板１０と、サファイア基板１０上にＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を介して順に積層された、ｎコンタクト層１２、ｎＥＳＤ層１３、ｎクラッド層１４、発光層１５、ｐクラッド層１６、ｐコンタクト層１７、を有している。
【００２２】
また、一部領域には、ｐコンタクト層１７からｎコンタクト層１２に達する溝が設けられていて、その溝の底面に露出するｎコンタクト層１２上にはｎ電極１８が設けられている。また、ｐコンタクト層１７上にはＩＴＯ（酸化インジウムスズ）からなる透明電極１９が設けられ、透明電極１９上にはｐ電極２０が設けられている。また、発光素子１のｐ電極２０とｎ電極１８を除く領域はＳｉＯ2 からなる保護膜（図示しない）に覆われている。この保護膜は、電流のリークやショートを防止する目的で設けている。この実施例１の発光素子は、ｐ電極２０側の面から光を取り出すフェイスアップ型の素子である。
【００２３】
次に、実施例１の発光素子の各構成についてより詳しく説明する。
【００２４】
サファイア基板１０は、III 族窒化物半導体を結晶成長させる側の表面に、ストライプ状、ドット状などの周期的なパターンの凹凸（図示しない）が設けられている。この凹凸は、光取り出し効率の向上を目的に設けられている。成長基板として、サファイア以外にも、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、スピネル、ＧａＮ、Ｇａ2 Ｏ3 などを用いることができる。
【００２５】
ｎコンタクト層１２は、Ｓｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3 以上のｎ−ＧａＮである。ｎコンタクト層１１をＳｉ濃度の異なる複数の層で構成してもよく、複数の層のうち一部の層のＳｉ濃度を高くしてｎ電極１７と接触させるようにすれば、ｎコンタクト層１１の結晶性を悪化させずにｎ電極１７とのコンタクト抵抗をより低減することができる。
【００２６】
ｎＥＳＤ層１３は、たとえば、ｎコンタクト層１２側から順に、第１ＥＳＤ層、第２ＥＳＤ層、第３ＥＳＤ層の３層構造とし、第１ＥＳＤ層は、発光層１５側の表面に１×１０8 ／ｃｍ2 以下のピットが形成され、厚さが２００〜１０００ｎｍ、Ｓｉ濃度が１×１０16〜５×１０17／ｃｍ3 のＧａＮで構成され、第２ＥＳＤ層は、発光層１５側の表面に２×１０8 ／ｃｍ2 以上のピットが形成され、厚さが５０〜２００ｎｍ、キャリア濃度が５×１０17／ｃｍ3 以下のＧａＮで構成され、第３ＥＳＤ層は、Ｓｉ濃度（／ｃｍ3 ）と膜厚（ｎｍ）の積で定義される特性値が０．９×１０20〜３．６×１０20（ｎｍ／ｃｍ3 ）のＧａＮで構成する。このようなｎＥＳＤ層１３を設けることで、静電耐圧特性を向上させつつ、発光効率や信頼性を向上させることができ、電流のリークを減少させることができる。
【００２７】
ｎクラッド層１４は、ノンドープＩｎＧａＮ、ノンドープＧａＮ、ｎ−ＧａＮを順に積層させた３層構造を１ペアとして、これを複数ペア繰り返して積層させた超格子構造である。
【００２８】
発光層１５は、井戸層１５ａ、キャップ層１５ｂ、障壁層１５ｃ、を順に積層させた構造を１ペアとして、複数ペア繰り返して積層させたＭＱＷ構造である。井戸層１５ａはノンドープのＩｎＧａＮからなり、キャップ層１５ｂは、井戸層１５ａ側から順にノンドープのＧａＮからなるＧａＮ層１５ｂ−１、ノンドープのＡｌＧａＮからなるＡｌＧａＮ層１５ｂ−２を積層させた構造であり、障壁層１５ｃはノンドープのＡｌＧａＮからなる。井戸層１５ａの厚さは５〜１００Å、Ｉｎ組成比は０〜５０％である。キャップ層１５ｂのＧａＮ層１５ｂ−１の厚さは、１〜３０Å、キャップ層１５ｂのＡｌＧａＮ層１５ｂ−２の厚さは、１〜３０Å、障壁層１５ｃの厚さは、５〜１００Å、Ａｌ組成比は１〜２０％である。
【００２９】
なお、実施例１では発光層１５の井戸層１５ａ、キャップ層１５ｂ、障壁層１５ｃをノンドープとしているが、それらの３つの層のうち、いずれか１以上の層がＳｉドープのｎ型であってもよい。
【００３０】
キャップ層１５ｂは、障壁層１５ｃを成長させる際の昇温時に井戸層１５ａが蒸発しないよう保護するために設ける層である。キャップ層１５ｂのうち、ＧａＮ層１５ｂ−１は、井戸層１５ａとＡｌＧａＮ層１５ｂ−２との格子不整合を緩和するための層である。このＧａＮ層１５ｂ−１はなくてもかまわない。また、井戸層１５ａの上（結晶成長方向に対して）にＡｌＧａＮ層１５ｂ−２を設けることで、ピエゾ電界を緩和し、井戸層１５ａにかかる電界を緩和して量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）を低減している。これにより発光効率の向上を図っている。
【００３１】
ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比は、障壁層１５ｃのＡｌ組成比よりも高くなっている。また、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比は、発光層１５を厚さ方向に前半領域（ｎクラッド層１４側）と後半領域（ｐクラッド層１６側）の２つの領域に分けた場合に、前半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２（以下、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１とする）のＡｌ組成比は、後半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２（以下ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２とする）のＡｌ組成比よりも低くなっている。また、前半領域中の各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１のＡｌ組成比は同一であり、後半領域中の各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２のＡｌ組成比も同一である。前半領域、後半領域は発光層１５の少なくとも１ペア以上であればよい。
【００３２】
なお、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２、または障壁層１５ｃのＡｌ組成比は、その層中におけるＡｌ組成比の平均を意味し、その厚さ方向のＡｌ組成分布が一定であってもよいし一定でなくともよい。また、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２から障壁層１５ｃにかけて、Ａｌ組成比が連続的に変化していてもよい。
【００３３】
また、前半領域中のすべてのＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１全体のＡｌ組成比の平均が、後半領域中のすべてのＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２全体のＡｌ組成比の平均よりも低い範囲であれば、前半領域中の各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１のＡｌ組成比は異なっていてもよい。同じく、後半領域中の各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２のＡｌ組成比は異なっていてもよい。
【００３４】
各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１のＡｌ組成比を異ならせる場合、ｎクラッド層１４側からｐクラッド層１６側に向かって、ペア数の増加につれてＡｌ組成比が単調増加するようにしてもよい。さらには、ｎクラッド層１４側からｐクラッド層１６側に向かって１ペアごとに、あるいは数ペアごとに、Ａｌ組成比が単調増加するようにしてもよい。つまりはＡｌ組成比が階段状に増加するようにしてもよい。各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２のＡｌ組成比を異ならせる場合も同様である。Ａｌ組成比の増加割合は一定でもよいし一定でなくともよい。
【００３５】
図３（ｂ）は、発光層１５のバンド図を示している。図３（ｂ）は、発光層１５のペア数を９とし、前半領域を４ペア、後半領域を５ペアとした場合を例示している。また、図３（ａ）には、比較のため、各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比をＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２のＡｌ組成比と同一として一定とした場合のバンド図を示している。
【００３６】
図３（ｂ）のように、前半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１は、後半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２よりもＡｌ組成比が低いために、バンドギャップが小さくなっている。そのため、図３（ａ）のようにＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比を一定とした場合よりも、ｎクラッド層１４側から発光層１５に注入された電子が、発光層１５のｐクラッド層１６側に到達しやすくなっている。したがって、発光層１５内でのキャリア分布は、図３（ａ）の場合よりもさらにｐクラッド層１６側に偏っている。結果、発光層１５のｐクラッド層１６側によりキャリアが集中し、ｐクラッド層１６側の井戸層１５ａに効率的にキャリアをトラップすることができるので、電子とホールが再結合する確率が増え、発光効率が向上している。また、逆に、ホールは発光層１５のｎクラッド層１４側に到達しにくくなっていて、ホールの移動距離は短くなっている。ホールは非発光再結合中心にトラップされやすく、移動距離が長くなると非発光再結合する確率が高くなる。そのため、ホールの移動距離が短くなることで非発光再結合の割合が低減され、その結果として発光効率が向上している。
【００３７】
なお、発光効率のさらなる向上のために、発光層１５の構造を以下のようにすることが望ましい。発光層１５のペア数は３〜１２とすることが望ましい。より望ましくは６〜１０である。前半領域のペア数は１〜９、後半領域のペア数は２〜１１とすることが望ましい。より望ましくは、前半領域のペア数を２〜５、後半領域のペア数を２〜５とすることである。ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１のＡｌ組成比は、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２の組成比の０．２〜０．８倍であることが望ましい。より望ましくは０．４〜０．６倍である。また、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２のＡｌ組成比は、障壁層１５ｃのＡｌ組成比の１．１〜３．０倍であることが望ましい。より望ましくは１．３〜２．０倍である。また、障壁層１５ｃのＡｌ組成比は１〜２０％とすることが望ましい。より望ましくは３〜１０％である。
【００３８】
ｐクラッド層１６は、ＭｇドープのＡｌＧａＮ層、ＭｇドープのＩｎＧａＮ層の順に積層させた２層を１ペアとして、これを複数ペア繰り返して積層させた超格子構造である。
【００３９】
なお、ｐクラッド層１６は超格子構造である必要はなく、単に複数の層で構成されていてもよいし、単層であってもよい。たとえば、ＭｇドープのＡｌＧａＮからなる単層であってもよい。また、上記のような超格子構造とする場合、ＡｌＧａＮとＩｎＧａＮの２層を１ペアとする以外にも、ＡｌＧａＮとＧａＮなどの２層で１ペアとしたり、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮの３層以上で１ペアとしてよい。
【００４０】
ｐコンタクト層１７は、ｐクラッド層１６側から順に第１のｐコンタクト層、第２のｐコンタクト層、第３のｐコンタクト層の３層構造である。第１のｐコンタクト層はｐ−ＧａＮからなり、厚さ２９５〜３５５Å、Ｍｇ濃度１．０×１０19〜３．０×１０19／ｃｍ3 である。第２のｐコンタクト層はｐ−ＧａＮからなり、厚さ２９０〜３５０Å、Ｍｇ濃度７．０×１０19〜２．０×１０20／ｃｍ3 である。第３のｐコンタクト層はｐ−ＧａＮからなり、厚さ５０〜１１０Å、Ｍｇ濃度７．０×１０19〜２．０×１０20／ｃｍ3 である。ｐコンタクト層１７をこのような構造とすることで、コンタクト抵抗の低減と駆動電圧の低減とを同時に達成することができる。
【００４１】
なお、ｐコンタクト層１７の構成は上記に限るものではなく、従来知られた任意の構成を採用することが可能である。たとえばｐ−ＧａＮからなる単層としてもよい。複数の層とする場合には、組成比を変えてもよい。また、第１のｐコンタクト層１７ａは、Ｍｇドーパントガスを供給して形成してもよいが、Ｍｇドーパントガスを供給せずにメモリー効果によってＭｇをドープして形成してもよい。
【００４２】
透明電極１９はＩＴＯからなり、ｐコンタクト層１７表面のほぼ全面に設けられている。透明電極１９には、ＩＴＯ以外にもＩＣＯ（セリウムドープの酸化インジウム）やＩＺＯ（亜鉛ドープの酸化インジウム）、ＺｎＯ、ＴｉＯ2 、ＮｂＴｉＯ2 、ＴａＴｉＯ2 、などの透明酸化物導電体材料や、Ｃｏ／Ａｕ、Ａｕなどの金属薄膜、グラフェン、などを用いることができる。
【００４３】
ｎ電極１８、ｐ電極２０は、ワイヤがボンディングされるパッド部と、面内に配線状（たとえば格子状や櫛歯状、放射状）に広がり、パッド部と接続する配線状部と、を有する構造としてもよい。このような構造とすることで電流拡散性を向上させることができ、均一な発光とすることができる。
【００４４】
以上、実施例１の発光素子では、発光層１５の構造として上記説明の構造を採用しているため、発光層１５内のキャリア分布が従来よりもさらにｐクラッド層１６側に偏り、その結果発光効率が向上している。
【００４５】
次に、実施例１の発光素子の製造工程について図を参照に説明する。なお、III 族窒化物半導体は常圧ＭＯＣＶＤ法によって形成する。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）、Ｓｉドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）、Ｍｇドーパントガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）、キャリアガスとしてＨ2 、Ｎ2 である。
【００４６】
まず、凹凸加工が施されたサファイア基板１０を用意し、水素雰囲気で加熱して表面のクリーニングを行う。次に、サファイア基板１０上に、常圧ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）、ｎコンタクト層１２、ｎＥＳＤ層１３、ｎクラッド層１４を順に積層させる（図４（ａ））。
【００４７】
次に、ｎクラッド層１４上に、常圧ＭＯＣＶＤ法によって、発光層１５を形成する（図４（ｂ））。発光層１５の形成工程を図５を参照により詳しく説明する。
【００４８】
まず、ｎクラッド層１４上に、常圧ＭＯＣＶＤ法によって、７７０〜１０００℃（ただし直後形成する井戸層１５ａよりも高い温度）でＡｌＧａＮからなる障壁層１５ｃを形成する（図５（ａ））。
次に降温して常圧ＭＯＣＶＤ法によって、６００〜８５０℃でＩｎＧａＮからなる井戸層１５ａを形成する（図５（ｂ））。
次に、同じ温度で、常圧ＭＯＣＶＤ法によって、ＧａＮ層１５ｂ−１、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２を順に積層してキャップ層１５ｂを形成する（図５（ｃ））。このキャップ層１５ｂの形成時において、井戸層１５ａが蒸発しない範囲であれば、キャップ層１５ｂのうちＧａＮ層１５ｂ−１は蒸発して薄くなる、あるいはなくなってもかまわない。
そして、７７０〜１０００℃まで昇温してキャップ層１５ｂ上に再び障壁層１５ｃを形成する（図５（ｄ））。このとき、キャップ層１５ｂの存在により、昇温時に井戸層１５ａが蒸発するのが抑制されている。
以下、井戸層１５ａ、キャップ層１５ｂ、障壁層１５ｃを順に繰り返し積層し、井戸層１５ａ、キャップ層１５ｂ、障壁層１５ｃを１ペアとしてそれを複数ペア形成し、発光層１５の前半領域を形成する。
次に、キャップ層１５ｂのＡｌＧａＮ層１５ｂ−２形成時のＡｌ源ガスの供給量を増やしてＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のＡｌ組成比を高くする以外は同様にして、さらに積層を繰り返して複数ペア形成し、発光層１５の後半領域を形成する。
以上の工程によって、発光層１５を形成する。
【００４９】
次に、発光層１５上に、常圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｐクラッド層１６、ｐコンタクト層１７を順に積層する（図４（ｃ））。
【００５０】
次に、所定の領域をドライエッチングしてｐコンタクト層１７表面からｎコンタクト層１２に達する深さの溝を形成する。そして、ｐコンタクト層１７上のほぼ全面にＩＴＯからなる透明電極１９を形成し、透明電極１９上にｐ電極２０、溝底面に露出したｎコンタクト層１２表面にｎ電極１８を形成する。以上によって図１に示した実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。
【００５１】
図６は、実施例１の発光素子の発光効率と電流密度の関係について示したグラフである。発光層１５のペア数は９、前半領域を４ペア、後半領域を５ペアとし、前半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−１については、Ａｌ組成比を６％とし、後半領域中のＡｌＧａＮ層１５ｂ−２−２については、Ａｌ組成比を１２％とした。また、比較例１、２の発光素子についても、発光効率と電流密度の関係を図６のグラフに示した。比較例１の発光素子は、すべてのキャップ層のＡｌＧａＮ層について、Ａｌ組成比を１２％とした以外は実施例１と同様の構成の発光素子である。比較例２の発光素子は、実施例１と同様に発光層を前半領域と後半領域の２つの領域に分け、前半領域のペア数を７、後半領域のペア数を２とし、前半領域中のキャップ層のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を１２％、後半領域中のキャップ層のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成比を６％とし、それ以外の構成は実施例１と同様の構成とした発光素子である。
【００５２】
図６のように、比較例１の発光素子は、電流密度が大きくなるにつれてゆるやかに発光効率が低下していく特性である。実施例１の発光素子も同様の特性であるが、電流密度がどの値であっても、比較例１の発光素子よりも高い発光効率となっている。また、１０Ａ／ｃｍ2 以下の低電流密度域では、実施例１の発光素子と比較例２の発光素子ではほぼ同等の発光効率であるが、１０Ａ／ｃｍ2 より高い電流密度では、常に比較例２よりも実施例１の発光素子の方が高い発光効率となっている。比較例２の発光素子は、電流密度の増加による発光効率の低下が実施例１や比較例１の発光素子よりも大きくなっていて、電流密度が高いほど実施例１の発光素子の発光効率と比較例１の発光素子の発光効率との差が大きくなっている。比較例２の発光素子は、実施例１の発光層１５の構成とは逆の構成、つまりキャリア分布の偏りが低減されるような構成であるため、比較例１に比べて発光効率が向上するように思われる。しかし、比較例１よりも発光効率が高いのは低電流密度の場合だけであり、３０Ａ／ｃｍ2 以上の電流密度では比較例１の方が発光効率が高くなっている。
【００５３】
このように、実施例１の発光素子は、比較例１、２の発光素子よりも発光効率が高いことがわかり、それは実施例１の発光素子の発光層１５が、比較例１よりもキャリア分布をさらにｐクラッド層側に偏らせる構造であるためと考えられる。
【００５４】
図７は、実施例１、比較例１、２の発光素子の出力と電流密度の関係について示したグラフである。図７のように、電流密度が小さいときには実施例１の発光素子も比較例１、２の発光素子もほぼ同じ出力であるが、電流密度が大きくなるにつれて、実施例１の発光素子の出力の方が、比較例１の発光素子の出力よりも大きくなっていくことがわかる。また、比較例２の発光素子の出力は、電流密度が大きくなるにつれて、比較例１の発光素子の出力に比べて小さくなっていくことがわかる。
【００５５】
図８は、実施例１、比較例１、２の発光素子のＶＦ−ＩＦ特性を示したグラフである。図８のように、実施例１の発光素子と、比較例１の発光素子とでは、ＶＦ−ＩＦ特性にほとんど違いはない。よって、実施例１の発光素子では、駆動電圧に影響を与えることなく、発光効率が向上している。一方、比較例２の発光素子は、比較例１の発光素子に比べて駆動電圧が上昇している。
【００５６】
なお、実施例では、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２が井戸層１５ａと同一の温度で形成される点に着目して、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２をキャップ層１５ｂの一部としているが、一方、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２のバンドギャップが井戸層１５ａのバンドギャップよりも大きく、井戸層１５ａへのキャリア閉じ込めに寄与している点に着目すれば、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２を障壁層１５ｃの一部であると解釈することも可能である。また、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２がキャップ層や障壁層とは別の層であるとの解釈も可能である。すなわち、ＡｌＧａＮ層１５ｂ−２をキャップ層、障壁層、あるいはそれらとは別の層とするIII 族窒化物半導体発光素子も、本発明に含まれるものである。
【００５７】
また、実施例では井戸層１５ａとしてＩｎＧａＮを用い、障壁層１５ｃとしてＡｌＧａＮを用いているが、障壁層１５ｃが井戸層１５ａよりもバンドギャップの大きいのであれば、井戸層１５ａおよび障壁層１６ｃとして任意の組成比のIII 族窒化物半導体を用いることができる。たとえばＧａＮやＩｎＧａＮなどを用いることができる。
【００５８】
また、実施例におけるＧａＮ層１５ｂ−１は、必ずしもＧａＮからなる必要はなく、井戸層よりもバンドギャップが大きく、障壁層よりもバンドギャップの小さいIII 族窒化物半導体であればよい。そのようなIII 族窒化物半導体であれば、ＧａＮに替えてＡｌＧａＮやＩｎＧａＮなども用いることができる。
【００５９】
また、実施例ではフェイスアップ型のIII 族窒化物半導体発光素子であったが、本発明はこれに限るものではなく、フリップチップ型や、縦型のIII 族窒化物半導体発光素子にも適用することができる。縦型は基板主面方向に導通をとる構造であり、たとえばレーザーリフトオフによる成長基板の除去や、ＧａＮ自立基板を用いるなどして実現可能である。
【００６０】
また、実施例では、発光層１５を前半領域と後半領域の２つの領域に分けるとするものであるが、これは３つ以上の領域に分ける場合も内包する概念である。たとえば、たとえば、各ＡｌＧａＮ層１５ｂ−１のＡｌ組成比の違いによって発光層１５が前半・中間・後半の３つの領域に分かれている場合であっても、前半＋中間を改めて前半領域と考えれば、その前半領域でのＡｌ組成比の平均は、後半領域のＡｌ組成比の平均よりも低くなっている、とするのが本発明である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、照明装置、表示装置、光通信装置などの光源として利用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０：サファイア基板
１２：ｎコンタクト層
１３：ｎＥＳＤ層
１４：ｎクラッド層
１５：発光層
１５ａ：井戸層
１５ｂ：キャップ層
１５ｂ−１：ＧａＮ層
１５ｂ−２、１５ｂ−２−１、１５ｂ−２−２：ＡｌＧａＮ層
１５ｃ：障壁層
１６：ｐクラッド層
１７：ｐコンタクト層
１８：ｎ電極
１９：透明電極
２０：ｐ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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