(57)【要約】      （修正有）【課題】窒化物半導体を用いた高輝度の赤色ＬＥＤを含み、青色、または緑色等の異なる発光波長を有するＬＥＤをモノリシックに集積化した、多色発光の高輝度ＬＥＤを提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子であって、ＧａＮ基板１０１上に、順次、ｎ型ＧａＮ層１０４、厚さ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１≦０．２）１０５、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６と、厚さ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦０．２）１０７、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層１０８、厚さ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３≦０．２）１０９、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層１１０、厚さ１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ（０≦ｙ４≦０．２）１１１、ｐ型ＧａＮ層１１２とを備える。【選択図】図１
2014007291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ基板と、
前記ＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、
前記ｎ型ＧａＮ層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１≦０．２）と、
前記第１の障壁層上に、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層と、
前記第１のＩｎＮ量子井戸層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦０．２）と、
前記第２の障壁層上に、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層と、
前記第２のＩｎＮ量子井戸層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３≦０．２）と、
前記第３の障壁層上に、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層と、
前記第３のＩｎＮ量子井戸層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ（０≦ｙ４≦０．２）と、
前記第４の障壁層上に、ｐ型のＧａＮ層と
を備えたことを特徴とする窒化物半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の障壁層、前記第２の障壁層、前記第３の障壁層、および、前記第４の障壁層が、ＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の障壁層がＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．０８≦ｙ１≦０．１２）であり、前記第２の障壁層、前記第３の障壁層、および、前記第４の障壁層がＧａＮであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項４】
前記ＧａＮ基板上に、複数の開口部を有するマスク材をさらに備え、前記複数の開口部に、前記ｎ型ＧａＮ層と、前記第１の障壁層と、前記第１のＩｎＮ量子井戸層と、前記第２の障壁層と、前記第２のＩｎＮ量子井戸層と、前記第３の障壁層と、前記第３のＩｎＮ量子井戸層と、前記第４の障壁層と、前記ｐ型のＧａＮ層とが、島状に分離した状態で順次積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
2014007291.tif 000006
【請求項６】
前記開口部は、六角形であることを特徴とする請求項４または５に記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項７】
ＧａＮ基板の表面に複数の開口部を有するマスク材を形成する工程と、
前記ＧａＮ基板の前記複数の開口部に、少なくとも、
ｎ型のＧａＮ層と、
厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１≦０．２）と、
１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層と、
厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦０．２）と、
２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層と、
厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３≦０．２）と、
３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層と、
厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ（０≦ｙ４≦０．２）と、
ｐ型のＧａＮ層と
を、島状に分離した状態で順次積層する工程と
を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体発光素子および、これらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ等のＩＩＩ族元素のうち少なくとも一つ以上の元素と、Ｖ族元素である窒素との化合物であり、一般式Ａｌ１−ａ−ｂ−ｃＢａＩｎｂＧａｃＮ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ｃ≦１）で表される。窒化物半導体を用いた発光素子、特に、発光ダイオード（ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）に関して広く研究開発が行われてきた。可視光の波長範囲では、青紫色（波長約４００ｎｍ）から緑色（波長約５３０ｎｍ）の高輝度ＬＥＤが製品化されている。すなわち、光の３原色である、赤色、緑色、および、青色のうち、緑色と青色の高輝度ＬＥＤは窒化物半導体で製品化されている。一方、赤色の高輝度ＬＥＤは、例えば、ＧａＡｓ基板上に成長したＡｌＧａＩｎＰ系半導体多層薄膜を用いて製造されている。
【０００３】
ここで、赤色の高輝度ＬＥＤが窒化物半導体でも製造できれば、砒素を含まず、毒性のない半導体材料のみで、３原色のすべての高輝度ＬＥＤが実現される。さらに、赤色、緑色、および、青色の高輝度ＬＥＤを単一の基板上にモノリシックに集積化することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特願２００９−７０６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の、窒化物半導体を用いた青色や緑色のＬＥＤでは、発光層として、３元混晶であるＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）が用いられてきた。また、発光層の厚さは、典型的には、２ｎｍから１００ｎｍ程度であった。ＬＥＤの発光波長はＩｎｘＧａ１−ｘＮの組成ｘを変えることによりコントロールされる。すなわち、ｘの値を０．２程度とすることにより、青色発光が得られ、ｘの値を０．３５程度とすることにより、緑色発光が得られる。さらに、ｘを０．５程度にすることにより、理論的には、赤色発光が得られることになる。
【０００６】
ところが、３元混晶ＩｎｘＧａ１−ｘＮを構成している ＩｎＮとＧａＮはミッシビリティギャップを持ち、熱平衡状態では、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ混晶において、ある組成範囲で相分離が起こり、混晶が形成できないという問題があった。そのため、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ混晶において、Ｉｎ組成ｘが０．５程度においては、高品質の結晶を成長するのは困難であった。すなわち、ＩｎｘＧａ１−ｘＮを発光層とする高輝度の赤色ＬＥＤは製造できなかった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、窒化物半導体を用いた高輝度の赤色ＬＥＤを含み、かつ、青色、あるいは、緑色等の異なる発光波長を有するＬＥＤをモノリシックに集積化した、多色発光の高輝度ＬＥＤ、および、これらの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明の第一の態様の窒化物半導体発光素子は、ＧａＮ基板と、ＧａＮ基板上に、ｎ型ＧａＮ層と、ｎ型ＧａＮ層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１≦０．２）と、第１の障壁層上に、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層と、第１のＩｎＮ量子井戸層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦０．２）と、第２の障壁層上に、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層と、第２のＩｎＮ量子井戸層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３≦０．２）と、第３の障壁層上に、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層と、第３のＩｎＮ量子井戸層上に、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ（０≦ｙ４≦０．２）と、第４の障壁層上に、ｐ型のＧａＮ層とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第二の態様の窒化物半導体発光素子は、第一の態様の窒化物半導体発光素子において、第１の障壁層、第２の障壁層、第３の障壁層、および、第４の障壁層が、ＧａＮであることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第三の態様の窒化物半導体発光素子は、第一の態様の窒化物半導体発光素子において、第１の障壁層がＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．０８≦ｙ１≦０．１２）であり、第２の障壁層、第３の障壁層、および、第４の障壁層がＧａＮであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第四の態様の窒化物半導体発光素子は、第一乃至三のいずれかの態様の窒化物半導体発光素子において、ＧａＮ基板上に、複数の開口部を有するマスク材をさらに備え、複数の開口部に、ｎ型ＧａＮ層と、第１の障壁層と、第１のＩｎＮ量子井戸層と、第２の障壁層と、第２のＩｎＮ量子井戸層と、第３の障壁層と、第３のＩｎＮ量子井戸層と、第４の障壁層と、ｐ型のＧａＮ層とが、島状に分離した状態で順次積層されていることを特徴とする。
【００１２】
2014007291.tif 000003
【００１３】
本発明の第六の態様の窒化物半導体発光素子は、第四または五の態様の窒化物半導体発光素子において、開口部が、六角形であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第七の態様の窒化物半導体発光素子の製造方法は、ＧａＮ基板の表面に複数の開口部を有するマスク材を形成する工程と、ＧａＮ基板の前記複数の開口部に、少なくとも、ｎ型のＧａＮ層と、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１≦０．２）と、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層と、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦０．２）と、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層と、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３≦０．２）と、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層と、厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ（０≦ｙ４≦０．２）と、ｐ型のＧａＮ層とを、島状に分離した状態で順次積層する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、窒化物半導体を用いて、少なくとも、高輝度の赤色ＬＥＤを含み、かつ、青色、あるいは、緑色等の異なる発光波長を有するＬＥＤをモノリシックに集積化した、多色発光の高輝度ＬＥＤ、および、これらの製造方法が実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態１に係る窒化物半導体発光素子を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の破線ＡＡ’に沿った断面図を示す図である。
【図２】実施形態２に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【図３】ＧａＮを障壁層とするＩｎＮ量子井戸層の発光波長の計算結果を示す図である。
【図４】実施形態３に係る窒化物半導体発光素子の発光スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、実施例を具体的な数値等に言及しつつ説明するが、本発明はこれらの数値等にのみ制限されるものではないことに留意されたい。
【００１８】
（実施形態１）
図１に、本実施形態に係る窒化物半導体発光素子を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の破線ＡＡ’に沿った断面図を示す図である。本発明の窒化物半導体発光素子は、ＧａＮ基板１０１、複数の開口部１０３を有するマスク材１０２、ｎ型のＧａＮ層１０４、第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ１０５、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６、第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ１０７、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層１０８、第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ１０９、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層１１０、第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ１１１、ｐ型のＧａＮ層１１２、オーミック電極１１３、１１４から構成される。ただし、０≦ｙ１≦０．２、０≦ｙ２≦０．２、０≦ｙ３≦０．２、０≦ｙ４≦０．２である。
【００１９】
2014007291.tif 000004
【００２０】
2014007291.tif 000005
【００２１】
次に、開口部１０３を有するマスク材１０２を表面に形成したｎ型のＧａＮ基板１０１を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置に導入し、水素ガスを主成分とするキャリアガスと共に、アンモニアガスを毎分０．１リットル以上２０リットル以下の流量で流しながら基板温度を設定値になるまで上昇させる。基板温度の設定値としては、９００〜１２００℃の範囲で設定できる。
【００２２】
基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ｎ型のドーピング原料であるシランガス、および、ＩＩＩ族原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、または、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）を供給し、ｎ型のＧａＮ層１０４を成長する。ｎ型のＧａＮ層１０４は、図１に示したように、複数の開口部１０３の直上にそれぞれ島状に分離されて形成された。ｎ型のＧａＮ層１０４の膜厚は、１００ｎｍ以上であることが望ましく、また、電子濃度は、１立方センチメートル当たり、１×１０１７以上１×１０１９以下であることが望ましい。
【００２３】
発明者等による、特許文献１に開示されているように、ＧａＮ基板１０１の転位密度の逆数よりもマスク開口部１０３の面積が充分小さい場合、ＧａＮ基板上の成長層の表面の大部分は、１分子層の段差もない単一の原子テラスとなる。ここで、ある有限の面積を持つ表面の８０％以上が単一の原子テラスで構成されているとき、その表面をステップフリー面と定義する。島状に分離されて形成された複数のｎ型のＧａＮ層１０４の少なくともひとつに関して、その表面積の８０％以上が単一の原子テラスで占められ、ステップフリー面となった。
【００２４】
次に、キャリアガスとして窒素ガスを主成分とするガスに切り替えて用い、アンモニアガスを毎分０．１リットル以上２０リットル以下の流量で流しながら基板温度を設定値になるまで低下させる。基板温度の設定値としては、４００〜８００℃の範囲で設定できる。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＩＩＩ族原料であるＴＥＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを必要に応じて適宜供給し、第１のＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ障壁層１０５を成長する。その厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で、また、Ｉｎ組成ｙ１の値は０以上０．２以下の範囲で設定することが出来る。ｙ１の値はＴＥＧとＴＭＩの供給量を変えることにより調整した。ここで、Ｉｎ組成が０、すなわち、第１の障壁層１０５はＧａＮであってもよい。この場合、ＴＭＩは使用しない。
【００２５】
引き続き、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６を成長するが、基板温度は変えなくても良いし、あるいは、４００〜８００℃の範囲の違う温度に設定することが出来る。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＴＭＩを供給して１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６を成長する。
【００２６】
さらに、基板温度は変えず、あるいは、４００〜８００℃の範囲の違う温度に設定する。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＴＥＧとＴＭＩとを必要に応じて適宜供給し、第２のＩｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ障壁層１０７を成長する。その厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で、また、Ｉｎ組成ｙ２の値は０以上０．２以下の範囲で設定することが出来る。ｙ２の値はＴＥＧとＴＭＩの供給量を変えることにより調整した。ここで、Ｉｎ組成が０、すなわち、第２の障壁層１０７はＧａＮであってもよい。この場合、ＴＭＩは使用しない。
【００２７】
さらに、基板温度は変えず、あるいは、４００〜８００℃の範囲の違う温度に設定する。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＴＭＩを供給して２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層１０８を成長する。
【００２８】
さらに、基板温度は変えず、あるいは、４００〜８００℃の範囲の違う温度に設定する。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＴＥＧとＴＭＩとを必要に応じて適宜供給し、第３のＩｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ障壁層１０９を成長する。その厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で、また、Ｉｎ組成ｙ３の値は０以上０．２以下の範囲で設定することが出来る。ｙ３の値はＴＥＧとＴＭＩの供給量を変えることにより調整した。ここで、Ｉｎ組成が０、すなわち、第３の障壁層１０９はＧａＮであってもよい。この場合、ＴＭＩは使用しない。
【００２９】
さらに、基板温度は変えず、あるいは、４００〜８００℃の範囲の違う温度に設定する。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＴＭＩを供給して３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層１１０を成長する。
【００３０】
さらに、基板温度は変えず、あるいは、４００〜８００℃の範囲の違う温度に設定する。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、ＴＥＧとＴＭＩとを必要に応じて適宜供給し、第４のＩｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ障壁層１１１を成長する。その厚さは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲で、また、Ｉｎ組成ｙ４の値は０以上０．２以下の範囲で設定することが出来る。ｙ４の値はＴＥＧとＴＭＩの供給量を変えることにより調整した。ここで、Ｉｎ組成が０、すなわち、第４の障壁層１１１はＧａＮであってもよい。この場合、ＴＭＩは使用しない。
【００３１】
最後に、基板温度を設定値になるまで上昇させる。基板温度の設定値としては、９００〜１２００℃の範囲で設定できる。基板温度が設定温度±２０℃以内で安定したら、キャリアガスを水素を主成分とするガスに切り替える。ｐ型のドーピング原料であるシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、および、ＴＭＧ、または、ＴＥＧを供給し、ｐ型のＧａＮ層１１２を成長する。ｐ型のＧａＮ層１１２の膜厚は、２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが望ましく、また、正孔濃度は、１立方センチメートル当たり、１×１０１７以上１×１０１９以下であることが望ましい。
【００３２】
ここで、ある有限の面積を持つ界面の８０％以上が単一の原子テラスで構成されているとき、その界面をステップフリー界面と定義する。島状のｎ型のＧａＮ層１０４の表面がステップフリー面である場合、その直上に形成された第１のＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ障壁層１０５からｐ型のＧａＮ層１１２までの間の８層の界面すべてがステップフリー界面であった。この場合、ｎ型のＧａＮ層１０４と第１のＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ障壁層１０５との間の界面も当然ステップフリー界面であった。
【００３３】
最後に、ｎ型のＧａＮ基板１０１の裏面にオーミック電極１１３を、また、ｐ型のＧａＮ層１１２の表面にオーミック電極１１４を形成して、窒化物半導体素子を作製した。
【００３４】
（実施形態２）
本実施形態においては、実施形態１で作製した窒化物半導体発光素子に対して電流注入を行い、発光特性を検討した。ただし、第１の障壁層１０５、第２の障壁層１０７、第３の障壁層１０９、および、第４の障壁層１１１は、ＧａＮとした。図２に電流注入による発光スペクトルを示す。三つの発光ピークが見られる。最も短波長の約４１０ｎｍの青紫色発光は、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６から、中間の約５３０ｎｍの緑色発光は、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層１０８から、そして、最も長波長の約６５０ｎｍの赤色発光は、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層１１０に由来する。ＩｎＮ量子井戸層の厚さを調節することにより発光波長が変化するのは、量子サイズ効果のために量子井戸内のサブバンドエネルギーが変化するためである。ここで、図３に、ＧａＮを障壁層とするＩｎＮ量子井戸層の発光波長が、量子サイズ効果によって変化するさまを、シュレディンガー方程式を解くことによって算出した結果を示す。ＩｎＮ量子井戸層の厚さが、１、２、および、３分子層の時に、それぞれ、発光波長が約４１０、５３０、および、６５０ｎｍとなっており、図２の発光スペクトルとよく一致している。
【００３５】
また、ｎ型のＧａＮ層１０４からｐ型のＧａＮ層１１２までの９層の界面すべてがステップフリー界面であることにより、各ＩｎＮ量子井戸層の膜厚揺らぎがほとんどなくなった。すなわち、各ＩｎＮ量子井戸層の膜厚揺らぎに起因するサブバンドエネルギーの揺らぎが少ないため、発光スペクトルは非常に鋭い。
【００３６】
ここで、ＧａＮとＩｎＮは格子定数が大きく異なるため、ＩｎＮ量子井戸が厚くなるにつれ、ＩｎＮの結晶性がわずかに低下し、発光の内部量子効率が低下していく。また、窒化物半導体の場合、一般に、電子よりも正孔の拡散長が短いために、ｐ型の窒化物半導体層から遠くなるにつれ、量子井戸層への電流注入効率が低下していく。この二つの現象があるため、膜厚（分子層数）が大きいＩｎＮ量子井戸層を強く発光させるためには、ｐ型の窒化物半導体層により近く配置する必要がある。すなわち、ｐ型のＧａＮ層１１２から近い順に、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層１１０、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層１０８、そして、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６と配置することが重要となる。
【００３７】
（実施形態３）
本実施形態においては、実施形態１で記述した窒化物半導体発光素子に対して電流注入を行い、発光特性を検討した。実施形態２との相違は、第１の障壁層１０５として、ＧａＮではなく、Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．０８≦ｙ１≦０．１２）を用いたことにある。ただし、第２の障壁層１０７、第３の障壁層１０９、および、第４の障壁層１１１は、ＧａＮとした。電流注入による発光スペクトルを図４に示した。三つの発光ピークが見られる。最も短波長の約４４０ｎｍの青色発光は、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６から、中間の約５３０ｎｍの緑色発光は、２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層１０８から、そして、最も長波長の約６５０ｎｍの赤色発光は、３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層１１０に由来する。ここで、実施形態２では、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６は約４１０ｎｍの青紫色発光を示したが、本実施形態では、少し長波長の約４４０ｎｍの発光を示している。これは、第１の障壁層１０５として、ＧａＮではなく、よりバンドギャップが狭いＩｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０．０８≦ｙ１≦０．１２）を用いたことにより、１分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層１０６における量子閉じ込め効果が弱くなり、サブバンドエネルギーが小さくなった、すなわち、発光が長波長化したためである。このように、本実施形態では、赤色、緑色、青色の３原色発光を実現できた。
【００３８】
なお、ここでも、ｎ型のＧａＮ層１０４からｐ型のＧａＮ層１１２までの９層の界面すべてがステップフリー界面であることにより、各ＩｎＮ量子井戸層の膜厚揺らぎがほとんどなくなった。すなわち、各ＩｎＮ量子井戸層のサブバンドエネルギーの揺らぎが少ないため、発光スペクトルは非常に鋭い。
【符号の説明】
【００３９】
１０１  ＧａＮ基板
１０２  マスク材
１０３  マスク開口部
１０４  ｎ型のＧａＮ層
１０５  第１の障壁層Ｉｎｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１≦０．２）
１０６  １分子層の厚さの第１のＩｎＮ量子井戸層
１０７  第２の障壁層Ｉｎｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（０≦ｙ２≦０．２）
１０８  ２分子層の厚さの第２のＩｎＮ量子井戸層
１０９  第３の障壁層Ｉｎｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（０≦ｙ３≦０．２）
１１０  ３分子層の厚さの第３のＩｎＮ量子井戸層
１１１  第４の障壁層Ｉｎｙ４Ｇａ１−ｙ４Ｎ（０≦ｙ４≦０．２）
１１２  ｐ型のＧａＮ層
１１３  オーミック電極
１１４  オーミック電極
【図１】
2014007291.tif 000007
【図２】
2014007291.tif 000008
【図３】
2014007291.tif 000009
【図４】
2014007291.tif 000010